JP2009017755A

JP2009017755A - リニアモータ制御装置およびスターリング機関

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Publication number: JP2009017755A
Application number: JP2007179855A
Authority: JP
Inventors: Takashi Komori; 高小森; Hiroyuki Kameyama; 浩幸亀山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】装置の脈動を抑制し、装置の低価格化および小型化を図り、かつ効率低下を防ぐことが可能なリニアモータ制御装置およびスターリング機関を提供する。
【解決手段】リニアモータ制御装置１０１は、シリンダ内のピストンを往復運動させるリニアモータＭを制御する。リニアモータ制御装置１０１は、リニアモータＭに供給される電流に基づいて、ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有するピストンの脈動を検出する脈動検出部１と、脈動検出結果に基づいて、リニアモータＭに供給される駆動電圧を制御する駆動電圧制御部２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータ制御装置およびスターリング機関に関し、特に、リニアモータによって往復運動するピストンの脈動を抑制するリニアモータ制御装置およびスターリング機関に関する。

リニアモータによって駆動されるピストンがシリンダ内を往復運動するように構成されたスターリング冷凍機に代表される往復運動装置においては、その往復運動の反動によって往復運動と同じ方向の大きな振動が装置自体に生じる。この振動を低減させるために、弾性体、減衰器および質量物などを組み合わせて構成される振動抑制装置が提案されている。

このような振動抑制装置を備える往復運動装置として、たとえば、特許文献１には、以下のようなスターリング冷凍機が開示されている。すなわち、シリンダ内に往復動可能に嵌挿され、シリンダ内に膨張室を区画するディスプレーサと、ディスプレーサを膨張室と反対側でシリンダに弾性支持するスプリングとを備え、ディスプレーサを固有振動数で往復振動させて膨張室で冷媒ガスを膨張させることにより、極低温レベルの寒冷を発生させるようにしたスターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機において、スプリングとシリンダとの間に、シリンダ内に往復動可能に嵌挿されかつシリンダ内を気密状に区画するスペーサと、２個のばね間にウェイト部材を直列に連結してなり、ディスプレーサの振動を吸収する動吸振手段とがスペーサをスプリング側に配置して介在され、動吸振手段はディスプレーサの振動時にスペーサが振動しないようにばね及び質量系の固有振動数が設定されている。

また、特許文献２には、以下のような冷凍装置が開示されている。すなわち、冷凍装置に振動防止手段としての動吸振器系が接続されて、反復運動装置の一例である冷凍装置が構成されている。この動吸振器系は、ばねとダンパとを介して補助質量が冷凍装置本体に接続されて構成されている。冷凍装置本体の稼動により振動が発生すると、ばねとダンパとを介して冷凍装置本体に接続された補助質量が能動的に振動して、冷凍装置本体の振動を吸収し、冷凍装置の振動を防止する。

また、特許文献３には、リニアモータではなく三相交流モータを所望の位相差および所望の回転数で制御するインバータ装置が開示されている。すなわち、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を制御するマイクロコンピュータにおいて、交流電圧と交流電流との位相差を検出し、この検出した交流電圧／電流位相差情報と目標とする位相差情報との誤差に応じたデューティ基準値を算出する。また、交流電流の振動成分を検出し、この振動成分に基づいて同期モータの回転数の補正量を算出する。算出したデューティ基準値と補正された回転数指令値に応じた正弦波データとに基づいて、ＰＷＭ波形信号を作成してインバータ回路に出力する。

スターリング冷凍機に代表される往復運動装置が備える振動抑制装置は、ピストンの往復運動の目標周波数である所定の共振周波数を打ち消すように調整されている。しかしながら、高温ヘッドと低温ヘッドとの温度差が大きくなるなどによってリニアモータへの負荷が上昇することにより、所定の共振周波数とは違った他の周波数成分を有する振動が発生する。その結果、所定の周波数で往復運動しているピストンが所定の共振周波数と異なる他の周波数成分によって脈動し（以下、乱調現象とも称する。）、衝突などが生じる場合がある。

このような問題点を解決するためには、所定の共振周波数ではなく、周波数のズレを考慮した所定周波数範囲における周波数成分を有する脈動を抑制する必要があり、たとえば減衰器が必要となる。このような減衰器を組み込んだ例として、たとえば、特許文献４には、以下のような振動抑制装置が開示されている。すなわち、反復運動を行なう反復運動部材を含む反復運動装置に接続され、反復運動部材が反復運動を行なうことによって生じる反復運動装置の振動を抑制する振動抑制装置であって、弾性機能を発揮する腕部を含み、一端が反復運動装置の振動方向の一方端に接続された板バネと、板バネの他端に接続された質量物と、質量物と板バネの腕部との間に配置され、反復運動装置の異常振動の発生時において、板バネの腕部と質量物とによって両側から挟み込まれて圧縮されることにより、異常振動を減衰する減衰機能を発揮するように構成された減衰手段とを備える。
実開平５−４７７６０号公報特開２０００−２２９６号公報特開２００６−１１５５７６号公報特開２００６−４６４１９号公報

しかしながら、減衰器は非常に高価であり、また、装置が大型化してしまうなどの問題がある。

また、共振周波数が変化しないように弾性体のバネ定数および質量物の重量を上げる構成とすることにより、減衰器を用いる構成と同様の効果が得られる。しかしながら、減衰器を用いる構成と同様に装置が高価となり、また大型化してしまうという問題がある。

その他、所定の共振周波数と異なる周波数成分を有する脈動を回避する方法として、ピストンの往復運動の周波数を変化させる方法があるが、効率低下などの問題が生じる。

それゆえに、本発明の目的は、装置の脈動を抑制し、装置の低価格化および小型化を図り、かつ効率低下を防ぐことが可能なリニアモータ制御装置およびスターリング機関を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるリニアモータ制御装置は、シリンダ内のピストンを往復運動させるリニアモータを制御するリニアモータ制御装置であって、リニアモータに供給される電流に基づいて、ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有するピストンの脈動を検出する脈動検出部と、脈動検出結果に基づいて、リニアモータに供給される駆動電圧を制御する駆動電圧制御部とを備える。

好ましくは、脈動検出部は、リニアモータに供給される電流値を示す検出信号を受けて、検出信号のうち、所定周波数範囲外の周波数成分を減衰させ、駆動電圧制御部は、減衰後の検出信号に基づいて、リニアモータに供給される駆動電圧を制御する。

好ましくは、駆動電圧制御部は、脈動検出結果に基づいて、駆動電圧の電圧値を制御する。

好ましくは、駆動電圧制御部は、脈動検出結果に基づいて、駆動電圧の周波数を制御する。

好ましくは、駆動電圧制御部は、リニアモータに供給される電流の所定時間あたりの変化量が所定値未満である場合には、駆動電圧の制御を停止する。

好ましくは、リニアモータに供給される駆動電圧は、ＰＷＭ制御信号に基づいて生成される交流電圧であり、駆動電圧制御部は、所定位相における交流電圧に対応するＰＷＭ制御信号のデューティ比の交流電圧の１周期あたりの変化量が所定値以上である場合には、駆動電圧の制御を停止する。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるスターリング機関は、入力交流電圧を直流電圧に変換する平滑回路と、平滑回路で変換された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータで変換された交流電圧に基づいて駆動されるリニアモータと、シリンダと、リニアモータによってシリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの往復運動に起因する圧力変動によってシリンダ内を往復運動するディスプレーサと、リニアモータに供給される電流に基づいて、ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有するピストンの脈動を検出する脈動検出部と、脈動検出結果に基づいて、リニアモータに供給される交流電圧を制御する駆動電圧制御部とを備える。

本発明によれば、装置の脈動を抑制し、装置の低価格化および小型化を図り、かつ効率低下を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置の構成を示す図である。

図１を参照して、交流電力供給装置２０１は、リニアモータ制御装置１０１と、平滑回路５２と、インバータ５３と、電流ホールセンサ（電流検出部）５４とを備える。リニアモータ制御装置１０１は、たとえばマイコンであり、バンドパスフィルタ部（脈動検出部）１と、駆動電圧制御部２と、アナログ／デジタル変換器３とを備える。駆動電圧制御部２は、比例増幅器１１と、制御有効無効判別器１２と、加算器１３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部１４とを含む。

平滑回路５２は、交流電源５１から供給される交流電圧を直流電圧に変換してインバータ５３へ出力する。

インバータ５３は、リニアモータ制御装置１０１から受けたＰＷＭ制御信号に基づいて、平滑回路５２から受けた直流電圧をたとえば正弦波状の交流電圧に変換して駆動電圧としてリニアモータＭへ出力する。

リニアモータＭは、インバータ５３から受けた交流電圧に基づいて駆動される。リニアモータＭは、シリンダ内のピストンを往復運動させる。

電流ホールセンサ５４は、リニアモータＭを通して流れるモータ電流すなわちインバータ５３の出力電流を検出し、検出結果を表わす検出信号をアナログ／デジタル変換器３へ出力する。より詳細には、電流ホールセンサ５４は、リニアモータＭを通して流れるモータ電流をホール素子を利用して電圧に変換することにより、検出信号を生成する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置におけるバンドパスフィルタ部１およびアナログ／デジタル変換器３の動作を示す波形図である。

アナログ／デジタル変換器３は、電流ホールセンサ５４から受けたアナログ信号である検出信号（図２（ａ））を所定のサンプリング周期でサンプリングすることにより、検出信号をデジタル値に変換してバンドパスフィルタ部１へ出力する。すなわち、リニアモータＭを通して流れるモータ電流の瞬時値がバンドパスフィルタ部１へ伝達される。

バンドパスフィルタ部１は、アナログ／デジタル変換器３を介して電流ホールセンサ５４から受けた検出信号のうち、所定周波数範囲外の周波数成分を減衰させる。たとえば、バンドパスフィルタ部１は、電流ホールセンサ５４から受けた検出信号のうち、ピストンの乱調現象によって発生する脈動の周波数付近の成分のみを通過させる。バンドパスフィルタ部１の通過周波数帯域は、装置ごとに異なるピストンの脈動周波数に応じて適宜決定される。ここでは、バンドパスフィルタ部１の通過周波数帯域を約２Ｈｚ付近であると仮定して説明する。また、バンドパスフィルタ部１は、電流ホールセンサ５４から受けた検出信号のうち、ピストンの往復運動の所定周波数の成分を減衰させる。

より詳細には、バンドパスフィルタ部１は、アナログ／デジタル変換器３からモータ電流の瞬時値を受けて、脈動周波数である約２Ｈｚよりも十分大きな周波数７０Ｈｚの１周期すなわち１４．２ｍｓ毎にモータ電流の実効値ＩＥを算出する（図２（ｂ））。

さらに、バンドパスフィルタ部１は、算出した実効値ＩＥについて十分に長い２秒の周期（周波数で０．５Ｈｚ）にて平均値ＩＡＶを算出する（図２（ｂ））。

そして、バンドパスフィルタ部１は、実効値ＩＥから平均値ＩＡＶを減算する。これにより、モータ電流のオフセットが除去される。バンドパスフィルタ部１は、減算結果を脈動電流値ΔＩとして出力する（図２（ｃ））。たとえば、脈動電流値ΔＩの振幅は０．２Ａである。

以上のような動作により、バンドパスフィルタ部１は、０．５Ｈｚ〜３５Ｈｚの周波数範囲に含まれる周波数成分のみを通過させる簡易的なバンドパスフィルタとして機能する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置における駆動電圧制御部２の動作を示す波形図である。

比例増幅器１１は、バンドパスフィルタ部１から受けた脈動電流値ΔＩ（図３（ａ））に脈動を抑制するための適切な比例定数を乗算し、乗算結果を脈動抑制信号ＳＨＭＯＤとして出力する。ここでは、比例定数は負極性の定数である（図３（ｂ））。たとえば、比例増幅器１１は、−５の比例定数を脈動電流値ΔＩに乗算することにより、リニアモータＭに供給される交流電圧の振幅が１ＶになるようなＰＷＭ変調率を示す脈動抑制信号ＳＨＭＯＤを生成する。

ここで、ＰＷＭ変調率とは、リニアモータＭに供給される交流電圧の振幅が最大になる位相に対応するＰＷＭ制御信号のデューティ比である。なお、交流電圧の振幅が最大になる位相の代わりに、他の所定位相における交流電圧に対応するＰＷＭ制御信号のデューティ比をＰＷＭ変調率とする構成であってもよい。

なお、比例増幅器１１の追加機能として、不感帯を設けてもよい。すなわち、比例増幅器１１は、脈動電流値ΔＩが所定値未満である場合、すなわちリニアモータＭに供給される電流の所定時間あたりの変化量が所定値未満である場合には、脈動抑制信号ＳＨＭＯＤを出力しない、すなわち脈動抑制制御を停止する構成であってもよい。このような構成により、過敏な脈動抑制制御になることを防ぐことができるため、ピストンの往復動作を安定させることができる。

また、比例増幅器１１の後段に、制御有効無効判別器１２を設ける構成であってもよい。

すなわち、リニアモータＭの起動時および停止時等、ＰＷＭ変調率の変化が大きい場合には、乱調現象が発生していなくても、モータ電流の実効値が変化していくため、バンドパスフィルタ部１において脈動を検出することが困難である。そこで、制御有効無効判別器１２は、外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤに基づいて、リニアモータＭに供給される交流電圧の１周期あたりのＰＷＭ変調率の変化量が所定値以上である場合には、比例増幅器１１から受けた脈動抑制信号ＳＨＭＯＤを加算器１３へ出力しない、すなわち脈動抑制信号ＳＨＭＯＤの振幅を０として加算器１３へ出力する。一方、制御有効無効判別器１２は、外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤに基づいて、リニアモータＭに供給される交流電圧の１周期当たりのＰＷＭ変調率の変化量が所定値未満である場合には、比例増幅器１１から受けた脈動抑制信号ＳＨＭＯＤを加算器１３へそのまま出力する。このような構成により、脈動を正確に検出することができる。

加算器１３は、外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤと、制御有効無効判別器１２から受けた脈動抑制信号ＳＨＭＯＤが示すＰＷＭ変調率とを加算し、加算結果を変調率指令ＳＩＭＯＤとしてＰＷＭ制御部１４へ出力する（図３（ｃ））。たとえば、加算器１３は、基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤが１００Ｖの振幅を示す場合には、１０１Ｖの振幅を示すＰＷＭ変調率が最大値であり、９９Ｖの振幅を示すＰＷＭ変調率が最小値である変調率指令ＳＩＭＯＤを生成する。

ＰＷＭ制御部１４は、加算器１３から受けた変調率指令ＳＩＭＯＤに基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ５３へ出力する。インバータ５３は、ＰＷＭ制御部１４から受けたＰＷＭ制御信号に基づいて、交流電圧をリニアモータＭへ出力する（図３（ｄ））。これにより、リニアモータＭの脈動が相殺される。

［スターリング冷凍機］
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置を備えるスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。

図４を参照して、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機３０１は、ピストン１２１と、ディスプレーサ１２２と、シリンダ１２３と、圧縮空間１２９と、膨張空間１３０と、媒体流通路１３１と、再生器１３２と、耐圧容器１２４と、バウンス空間（背面空間）１２８と、支持バネ１２５と、支持バネ１２６と、ボルトおよびナット１４２と、リニアモータＭと、スリーブ１３４と、リード線１４０および１４１と、交流電力生成装置２０１とを備える。リニアモータＭは、内側ヨーク１３８と、外側ヨーク１３７と、駆動用コイル１３６と、永久磁石１３５とを含む。

スターリング冷凍機３０１においては、２つの部分で構成されている円筒形状のシリンダ１２３内に、円柱形のピストン１２１およびディスプレーサ１２２が嵌め込まれている。ピストン１２１とディスプレーサ１２２とは、圧縮空間１２９を介して設けられ、共通の駆動軸として軸Ｙを有している。

ディスプレーサ１２２の先端側に膨張空間１３０が形成されている。圧縮空間１２９と膨張空間１３０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１３１を介して連通している。媒体流通路１３１内には、再生器１３２が設けられている。再生器１３２は、作動媒体の熱を蓄積するとともに、蓄積した熱を作動媒体に供給する。シリンダ１２３の略中間には鍔部（フランジ）１２３ａが設けられている。鍔部１２３ａにはドーム状の耐圧容器１２４が取り付けられることによって密閉されたバウンス空間（背面空間）１２８が形成されている。

ピストン１２１は後端側で支持バネ１２５と一体化されている。ディスプレーサ１２２はピストン１２１の中心孔１２１ａを貫通するロッド１２２ａを介して支持バネ１２６と一体化されている。支持バネ１２５と支持バネ１２６とはボルトおよびナット１４２により連結されている。後述するように、ピストン１２１が往復運動すると、ディスプレーサ１２２は、ピストン１２１とディスプレーサ１２２との間に生じる慣性力によって、ピストン１２１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動を行なう。

バウンス空間１２８内のシリンダ１２３の外側には内側ヨーク１３８が嵌め込まれている。内側ヨーク１３８には隙間１３９を介して外側ヨーク１３７が対向している。外側ヨーク１３７の内側には駆動用コイル１３６が嵌め込まれている。隙間１３９には環状の永久磁石１３５が移動可能に設けられている。永久磁石１３５はカップ状のスリーブ１３４を介してピストン１２１と一体化されている。内側ヨーク１３８、外側ヨーク１３７、駆動用コイル１３６、および永久磁石１３５によって、ピストン１２１を軸Ｙに沿って移動させるリニアモータＭが構成されている。

駆動用コイル１３６には、リード線１４０および１４１が接続されている。リード線１４０および１４１は、耐圧容器１２４の壁面を貫通し、交流電力生成装置２０１に接続されている。交流電力生成装置２０１によってリニアモータＭに駆動電力が供給される。

上記構成のスターリング冷凍機３０１は、リニアモータＭによってピストン１２１が往復運動すると、ピストン１２１に対して所定の位相差を有する状態でディスプレーサ１２２が往復運動する。これにより、圧縮空間１２９と膨張空間１３０との間を作動媒体が移動する。その結果、逆スターリングサイクルが形成される。

スターリング冷凍機３０１は、交流電力生成装置２０１のインバータ５３によって所定の交流波形の駆動電圧がリニアモータＭに印加されると、ピストン１２１がその所定の交流波形の駆動電圧に対応した周期およびストロークで往復運動を行なう。したがって、リニアモータＭに印加される駆動電圧を制御することにより、ピストン１２１の往復運動の周期およびストロークを制御することが可能である。

次に、本発明の第１の実施の形態に係るフリーピストン型スターリング冷凍機の動作原理をより詳細に説明する。

ピストン１２１は、リニアモータＭにより駆動される。ピストン１２１は、支持バネ１２５に弾性的に支持されている。そのため、ピストン１２１は、その位置と時間との関係が正弦波を描くように運動する。

また、ピストン１２１の動きにより、圧縮空間１２９内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。圧縮空間１２９内で圧縮された作動ガスは、まず、放熱用熱交換部としての圧縮空間１２９から熱を放出する。次に、圧縮された作動ガスは、ディスプレーサ１２２の周囲に設けられた再生器１３２で冷却される。その後、圧縮された作動ガスは、再生器１３２から吸熱用熱交換部としての膨張空間１３０へ流入する。

膨張空間１３０の作動ガスは、ディスプレーサ１２２の動きにより膨張する。膨張した作動ガスは、その温度が低下する。膨張空間１３０内の作動ガスは、その圧力と時間との関係が正弦波を描くように運動する。膨張空間１３０内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波は、圧縮空間１２９内の作動ガスの圧力と時間との関係を示す正弦波に対して、所定の位相差を有する波形であるが、同じ周期で変化する波形である。すなわちディスプレーサ１２２はピストン１２１に対して所定の位相差を有する状態で往復運動する。

膨張空間１３０における冷凍能力は、ディスプレーサ１２２の往復運動によって生じる膨張空間１３０内の作動ガスの圧力変動の度合いによって決定される。また、膨張空間１３０の圧力は、ピストン１２１の位相とディスプレーサ１２２の位相との変化、すなわち膨張空間１３０の圧力と圧縮空間１２９の圧力との差によって生じるディスプレーサ１２２とピストン１２１との相対的な位置の変化によって変動する。

ディスプレーサ１２２とピストン１２１との相対的な位置関係は、ディスプレーサ１２２の質量、支持バネ１２６のバネ定数およびピストン１２１の周波数により決定される。また、ディスプレーサ１２２の質量および支持バネ１２６のバネ定数は、設計時に決定されるものである。

ＰＷＭ制御部１４からインバータ５３へ出力されるＰＷＭ制御信号は、デジタル信号すなわちパルス波形である。このパルス波形は、インバータ５３においてアナログ信号すなわち交流波形に変換される。この交流波形の周波数が、スターリング冷凍機３０１のピストン１２１の周波数になる。

なお、デジタル信号をアナログ信号に変換するときには、上述したようにＰＷＭが用いられる。つまり、ＰＷＭ制御部１４から順次出力される複数のパルスは、その幅が、小さいものから大きなものへと除々に変化し、ピークの幅になった後、除々に小さなものへと戻っていくように構成されている。それにより、交流波形が生成される。

また、スターリング冷凍機３０１における図示しない運転指令部から交流電力生成装置２０１に基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤ等の運転指令が送信される。

なお、スターリング冷凍機３０１は、フリーピストン型であるとしたが、これに限定するものではなく、他のタイプのスターリング冷凍機であってもよい。

ところで、ピストンの乱調現象を防ぐために減衰器を備える装置では、減衰器が非常に高価であり、また、装置が大型化してしまうなどの問題がある。また、共振周波数が変化しないように弾性体のバネ定数および質量物の重量を上げる構成では、減衰器を用いる構成と同様に装置が高価となり、また大型化してしまうという問題がある。また、ピストンの往復運動の周波数を変化させる構成では、効率低下などの問題が生じる。

しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置では、バンドパスフィルタ部１は、リニアモータＭに供給される電流に基づいて、ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有するピストンの脈動を検出する。そして、駆動電圧制御部２は、バンドパスフィルタ部１による脈動検出結果に基づいて、リニアモータＭに供給される駆動電圧を制御する。

このような構成により、高価で大きい減衰器を取り付ける必要がなく、簡易な構成でリニアモータＭに供給される電流の脈動を相殺するように、リニアモータＭに供給される駆動電圧を制御することができるため、ピストンの脈動を抑制することができる。また、リニアモータＭに供給される駆動電圧の制御は、スターリング機関等、ピストンを備える装置の効率低下を起こさない微小な量の制御である。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置では、装置の脈動を抑制し、装置の低価格化および小型化を図り、かつ効率低下を防ぐことができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る交流電力供給装置と比べて駆動電圧の制御内容を変更した交流電力供給装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る交流電力供給装置と同様である。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置の構成を示す図である。
図５を参照して、交流電力供給装置２０２は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置２０１と比べて、リニアモータ制御装置１０１の代わりにリニアモータ制御装置１０２を備える。リニアモータ制御装置１０２は、たとえばマイコンであり、バンドパスフィルタ（脈動検出部）１と、駆動電圧制御部３２と、アナログ／デジタル変換器３とを備える。駆動電圧制御部３２は、比例増幅器２１と、制御有効無効判別器２２と、加算器２３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部２４とを含む。

インバータ５３は、リニアモータ制御装置１０２から受けたＰＷＭ制御信号に基づいて、平滑回路５２から受けた直流電圧をたとえば正弦波状の交流電圧に変換して駆動電圧としてリニアモータＭへ出力する。

図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置における駆動電圧制御部３２の動作を示す波形図である。

比例増幅器２１は、バンドパスフィルタ部１から受けた脈動電流値ΔＩ（図６（ａ））に脈動を抑制するための適切な比例定数を乗算し、乗算結果を脈動抑制信号ＳＨＦとして出力する。ここでは、比例定数は負極性の定数である（図６（ｂ））。たとえば、脈動電流値ΔＩの振幅が０．２Ａであるとすると、比例増幅器２１は、−０．５の比例定数を脈動電流値ΔＩに乗算することにより、０．１Ｈｚを示す振幅を有する脈動抑制信号ＳＨＦを生成する。

なお、比例増幅器２１の追加機能として、不感帯を設けてもよい。すなわち、比例増幅器２１は、脈動電流値ΔＩが所定値未満である場合、すなわちリニアモータＭに供給される電流の所定時間あたりの変化量が所定値未満である場合には、脈動抑制信号ＳＨＦを出力しない、すなわち脈動抑制制御を停止する構成であってもよい。このような構成により、過敏な脈動抑制制御になることを防ぐことができるため、ピストンの往復動作を安定させることができる。

また、比例増幅器２１の後段に、制御有効無効判別器２２を設ける構成であってもよい。

すなわち、リニアモータＭの起動時および停止時等、ＰＷＭ変調率の変化が大きい場合には、乱調現象が発生していなくても、モータ電流の実効値が変化していくため、バンドパスフィルタ部１において脈動を検出することが困難である。そこで、制御有効無効判別器２２は、外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤに基づいて、リニアモータＭに供給される交流電圧のＰＷＭ変調率の所定時間あたりの変化量が所定値以上である場合には、比例増幅器２１から受けた脈動抑制信号ＳＨＦを加算器２３へ出力しない、すなわち脈動抑制信号ＳＨＦの振幅を０として加算器２３へ出力する。一方、制御有効無効判別器２２は、外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤに基づいて、リニアモータＭに供給される交流電圧の１周期当たりのＰＷＭ変調率の変化量が所定値未満である場合には、比例増幅器２１から受けた脈動抑制信号ＳＨＦを加算器２３へそのまま出力する。このような構成により、脈動を正確に検出することができる。

加算器２３は、外部から受けた基本電圧周波数ＲＦと、制御有効無効判別器２２から受けた脈動抑制信号ＳＨＦが示す周波数とを加算し、加算結果を周波数指令ＳＩＦとしてＰＷＭ制御部１４へ出力する（図６（ｃ））。たとえば、加算器２３は、基本電圧周波数ＲＦが７０Ｈｚである場合には、最大値が７０．１Ｈｚであり、最小値が６９．９Ｈｚである周波数指令ＳＩＦを生成する。

ＰＷＭ制御部１４は、加算器２３から受けた周波数指令ＳＩＦおよび外部から受けた基本ＰＷＭ変調率ＲＭＯＤに基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ５３へ出力する。インバータ５３は、ＰＷＭ制御部１４から受けたＰＷＭ制御信号に基づいて、交流電圧をリニアモータＭへ出力する（図６（ｄ））。これにより、リニアモータＭの脈動が相殺される。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置によって脈動が抑制される様子を示すグラフ図である。図７において、ＩＭはリニアモータＭに供給されるモータ電流であり、グラフの縦軸１メモリが１Ａ（アンペア）に相当する。また、Ｐはピストンの位置であり、グラフの縦軸１メモリが２ｍｍに相当する。ｆｄｒｖはリニアモータＭに供給される交流電圧の周波数であり、グラフの縦軸１メモリが０．０５Ｈｚに相当する。グラフの横軸は時間であり、１メモリが０．５秒に相当する。図７では、モータ電流ＩＭおよびピストン位置Ｐは、それぞれ波形の一部が示されている。

図７を参照して、脈動抑制制御開始時点Ｓまでは、モータ電流ＩＭおよびピストン位置Ｐの両方が約２Ｈｚで脈動している。また、リニアモータＭには一定の７０Ｈｚの周波数を有する交流電圧が供給されている。

そして、脈動抑制制御開始時点Ｓ以降において、リニアモータＭに供給される交流電圧の周波数がピストンの脈動に応じて制御される。この交流電圧の周波数変動は高々０．１Ｈｚ程度である。これにより、モータ電流ＩＭおよびピストン位置Ｐの脈動が徐々に減少している。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る交流電力供給装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

したがって、本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置では、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置と同様に、装置の脈動を抑制し、装置の低価格化および小型化を図り、かつ効率低下を防ぐことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置の構成を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置におけるバンドパスフィルタ部１およびアナログ／デジタル変換器３の動作を示す波形図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置における駆動電圧制御部２の動作を示す波形図である。本発明の第１の実施の形態に係る交流電力供給装置を備えるスターリング冷凍機の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置の構成を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置における駆動電圧制御部３２の動作を示す波形図である。本発明の第２の実施の形態に係る交流電力供給装置によって脈動が抑制される様子を示すグラフ図である。

符号の説明

１バンドパスフィルタ部（脈動検出部）、２，３２駆動電圧制御部、３アナログ／デジタル変換器、１１，２１比例増幅器、１２，２２制御有効無効判別器、１３，２３加算器、１４，２４ＰＷＭ制御部、５２平滑回路、５３インバータ、５４電流ホールセンサ（電流検出部）、１０１，１０２リニアモータ制御装置、１２１ピストン、１２２ディスプレーサ、１２３シリンダ、１２４耐圧容器、１２５支持バネ、１２６支持バネ、１２８バウンス空間（背面空間）、１２９圧縮空間、１３０膨張空間、１３１媒体流通路、１３２再生器、１３４スリーブ、１３５永久磁石、１３６駆動用コイル、１３７外側ヨーク、１３８内側ヨーク、１４０，１４１リード線、１４２ボルトおよびナット、２０１，２０２交流電力供給装置、Ｍリニアモータ。

Claims

シリンダ内のピストンを往復運動させるリニアモータを制御するリニアモータ制御装置であって、
前記リニアモータに供給される電流に基づいて、前記ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有する前記ピストンの脈動を検出する脈動検出部と、
前記脈動検出結果に基づいて、前記リニアモータに供給される駆動電圧を制御する駆動電圧制御部とを備えるリニアモータ制御装置。
前記脈動検出部は、前記リニアモータに供給される電流値を示す検出信号を受けて、前記検出信号のうち、前記所定周波数範囲外の周波数成分を減衰させ、
前記駆動電圧制御部は、前記減衰後の検出信号に基づいて、前記リニアモータに供給される駆動電圧を制御する請求項１記載のリニアモータ制御装置。
前記駆動電圧制御部は、前記脈動検出結果に基づいて、前記駆動電圧の電圧値を制御する請求項１記載のリニアモータ制御装置。
前記駆動電圧制御部は、前記脈動検出結果に基づいて、前記駆動電圧の周波数を制御する請求項１記載のリニアモータ制御装置。
前記駆動電圧制御部は、前記リニアモータに供給される電流の所定時間あたりの変化量が所定値未満である場合には、前記駆動電圧の制御を停止する請求項１記載のリニアモータ制御装置。
前記リニアモータに供給される駆動電圧は、ＰＷＭ制御信号に基づいて生成される交流電圧であり、
前記駆動電圧制御部は、所定位相における前記交流電圧に対応する前記ＰＷＭ制御信号のデューティ比の前記交流電圧の１周期あたりの変化量が所定値以上である場合には、前記駆動電圧の制御を停止する請求項１記載のリニアモータ制御装置。
入力交流電圧を直流電圧に変換する平滑回路と、
前記平滑回路で変換された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータで変換された交流電圧に基づいて駆動されるリニアモータと、
シリンダと、
前記リニアモータによって前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動に起因する圧力変動によって前記シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、
前記リニアモータに供給される電流に基づいて、前記ピストンの往復運動の所定周波数が含まれない所定周波数範囲における周波数成分を有する前記ピストンの脈動を検出する脈動検出部と、
前記脈動検出結果に基づいて、前記リニアモータに供給される交流電圧を制御する駆動電圧制御部とを備えるスターリング機関。