JP3673887B2 - リニア振動アクチュエータおよびリニアコンプレッサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はリニア振動アクチュエータに関し、さらに詳細にいえば、磁石による推進力およびリラクタンス推進力を利用する新規なリニア振動アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からリニア振動アクチュエータとして、磁石可動型のもの、コイル可動型のもの、および鉄心可動型のものが提供されている。
図16は磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する永久磁石を設けている。
【0003】
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、永久磁石を所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によって永久磁石を所望方向に移動させることができる。
図17はコイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【0004】
このアクチュエータは、固定子鉄心の所定位置に永久磁石を介在させるとともに、固定子鉄心の所定位置にギャップを形成し、このギャップ内に位置するコイルを設けるとともに、このコイルに電流を供給している。
したがって、コイルに供給する電流の大きさ、極性を制御することにより、コイルを所望方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる吸引力、反発力によってコイルを所望方向に移動させることができる。
【0005】
図18は鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。このアクチュエータは、所定位置にコイルを巻回してなる固定子鉄心によりギャップを形成し、このギャップ内に位置する可動鉄心を設け、可動鉄心を所定方向に付勢するばね部材を設けている。
したがって、コイルに供給する電流の大きさを制御することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。すなわち、コイル電流により発生する磁束によって可動鉄心を吸引し、可動鉄心をばね手段による付勢方向と逆の方向に移動させることができる。もちろん、コイルに対する電流の供給を停止することにより、可動鉄心をばね手段による付勢方向に移動させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記各種のリニア振動アクチュエータの効率は、磁石可動型のリニア振動アクチュエータ、コイル可動型のリニア振動アクチュエータ、鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの順に高効率であるが、最も効率が高い磁石可動型のリニア振動アクチュエータにおいても効率が60〜80%程度であり、より一層の効率の向上が要望されている。
【0007】
さらに詳細に説明する。
鉄心可動型のリニア振動アクチュエータは、永久磁石を用いないので低コストを実現することができるが、可動鉄心の往復運動を実現するためにばね部材(機械的な反発力)が必要であり、このばね部材に起因して損失が増加してしまうので、効率がかなり低くなってしまう。
【0008】
コイル可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部がコイルであり、慣性力を小さくできるので、高速動作を実現できるが、可動部であるコイルに給電しなければならないので構成が複雑になるという不都合がある。また、ギャップがかなり広くなるので、磁石利用率が悪くなり、ひいてはコストアップを招くとともに、効率の低下を招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【0009】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、可動部に給電する必要がないので構成を簡単化することができるとともに、ギャップを比較的狭くできるので、コイル可動型のリニア振動アクチュエータと比較して効率を高くすることができるが、永久磁石の減磁対策が必要になるのでコストアップを招いてしまうという不都合がある。なお、共振用スプリングが設けられている。
【0010】
回転形モータの入力電力Piに対する出力と損失との関係は図19に示すとおりであり、ωを回転角速度とすれば、効率はω・t/Piとなる。また、直線運動を行うリニア形モータの入力電力Piに対する出力と損失との関係は図20に示すとおりであり、vを速度、Fを力とすれば、効率はv・F/Piとなる。したがって、両者の効率特性はほぼ等しい。これらに対して、往復運動を行うリニア形モータの入力電力Piに対する出力と損失との関係は図21に示すとおりであり、vを速度、Fを力、fを往復運動の周波数とすれば、効率は数1となる。
【0011】
【数1】
【0012】
磁石可動型のリニア振動アクチュエータは往復運動を行うリニア形モータに該当するので、直線運動を行うリニア形モータと比較して効率が低くなってしまう。また、このリニア振動アクチュエータによる推進力は、図16に示すように、変位の中間位置において最大になり、両端位置においてゼロになり、これらの間においてなめらかに変化している。なお、図16は、コイルへの供給電流が正弦波であり、変位は一定する(変位に拘らず供給電流により推進力が定まる)、と仮定して推進力を計算した結果を示している。
【0013】
また、磁石可動型のリニア振動アクチュエータは、図17に具体的構成を示すように、コイルを含む固定子鉄心に対して所定間隔を存してバックヨークを設け、固定子鉄心とバックヨークとの間に永久磁石を設ける構成を採用している。
【0014】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高効率であり、かつ新規なリニア振動アクチュエータを提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1のリニア振動アクチュエータは、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるものである。
【0016】
請求項2のリニア振動アクチュエータは、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用している。
請求項3のリニア振動アクチュエータは、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、F=Φa×Ia+(Lmax−Lmin)/2×Ia2×sin{(x×π)/(2L)+θ1}(ただし、Φaは永久磁石(3)の鎖交磁束、Iaはコイル電流、Lmaxはインダクタンスの最大値、Lminはインダクタンスの最小値、Lはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、xは変位、θlは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差)により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むものである。
【0017】
請求項4のリニアコンプレッサは、駆動源として請求項1から請求項3の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するものである。
【0018】
【作用】
請求項1のリニア振動アクチュエータであれば、コイルを含む固定子鉄心と、固定子鉄心に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石と、永久磁石と一体的に設けられた可動鉄心とを含み、永久磁石と可動鉄心とは永久磁石が固定子鉄心側に位置するように一体化されており、可動鉄心は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体を所定位置に含んでいるのであるから、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができる。また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現できる。さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になる。さらにまた、往復動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができる。また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができる。
【0019】
請求項2のリニア振動アクチュエータであれば、可動鉄心として、所定位置に凹所を有しているとともに、凹所に存在する空気が非磁性体として機能するものを採用しているので、請求項1の作用に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できる。
請求項3のリニア振動アクチュエータであれば、コイルに供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心内の非磁性体の位置に応じて、F=Φa×Ia+(Lmax−Lmin)/2×Ia2×sin{(x×π)/(2L)+θ1}(ただし、Φaは永久磁石(3)の鎖交磁束、Iaはコイル電流、Lmaxはインダクタンスの最大値、Lminはインダクタンスの最小値、Lはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、xは変位、θlは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差)により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段をさらに含むのであるから、請求項1または請求項2の作用に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができる。
【0020】
請求項4のリニアコンプレッサであれば、駆動源として請求項1から請求項3の何れかのリニア振動アクチュエータを採用するのであるから、効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明のリニア振動アクチュエータの実施の態様を詳細に説明する。
図1はこの発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【0022】
このリニア振動アクチュエータは、コイル1を含む筒状の固定子鉄心2と、固定子鉄心2の内部空間に往復動可能に設けられた永久磁石3と、永久磁石3と一体的に設けられた可動鉄心4とを有している。そして、永久磁石3と可動鉄心4とは、永久磁石3が固定子鉄心2側に位置するように一体化されている。また、可動鉄心4は、所定位置(永久磁石3から離れた面の所定位置)に、軸心を中心とするリング状の非磁性体5を有し、この非磁性体5によって、可動鉄心4中の磁束の一様性を阻害している。
【0023】
なお、非磁性体5としては、可動鉄心4の所定位置に形成されたリング状の溝4aに収容された固体状の非磁性体であってもよいが、可動鉄心4の所定位置に形成されたリング状の溝4aに収容された空気であってもよい。そして、後者の構成を採用すれば、固体状の非磁性体をリング状の溝4aに収容するような作業が全く不要であり、単にリング状の溝4aを形成するだけでよいから、製造作業を簡単化できるとともに、構成を簡素化できる。
【0024】
図2から図4を参照して、上記の構成のリニア振動アクチュエータの作用を説明する。
コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力(磁石推進力)は、コイル電流が一定であると仮定すれば、可動鉄心4の位置に拘らず永久磁石3からの磁束が一定になるので、常に一定である(図2参照)。
【0025】
また、可動鉄心4は上述のように所定位置に非磁性体5を有することにより内部磁束が一様にならないようにしているので、可動鉄心4の位置に依存してコイル1のインダクタンスが変化し、リアクタンス推進力が発生する。具体的には、図3に示すように、コイル1が一方の非磁性体5とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最小となり、図4に示すように、コイル1が可動鉄心4における両非磁性体5どうしの中央部とほぼ正対する状態においてインダクタンスが最大になる。そして、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との間において可動鉄心4が往復動し、しかも、インダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置とにおいて推進力がゼロになる。
【0026】
したがって、トータル推進力Fは数2で表すことができる。
【0027】
【数2】
【0028】
ここで、Φaは永久磁石3の鎖交磁束、Iaはコイル電流を、Lmaxはインダクタンスの最大値を、Lminはインダクタンスの最小値を、Lはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離を、xは変位を、θlは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差を、それぞれ表している。
数2において、θlは0〜πまでの値をとり、図5中(A)(B)に示すように変位xがゼロ(可動鉄心が原点位置)を基準において、θlが0のときはインダクタンス値が最小になるように可動鉄心4内の非磁性体5の位置が設定されている。また、θlがπのときはインダクタンス値が最大になるように可動鉄心4内の非磁性体5の位置が設定されている。
【0029】
θl=0の場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を0度から180度未満に設定することにより、変位の中心より前部で推進力を増加させることができる。
図6はコイル電流位相を30度に設定した場合の磁石推進力{図6中(A)参照}、リラクタンス推進力{図6中(B)参照}、およびトータル推進力{図6中(C)参照}を示し、図7はコイル電流位相を60度に設定した場合の磁石推進力{図7中(A)参照}、リラクタンス推進力{図7中(B)参照}、およびトータル推進力{図7中(C)参照}を示している。図6および図7から明らかなように、コイル電流位相を大きく設定することにより、トータル推進力のピークをより前側に設定することができる。
【0030】
θl=πの場合には、コイル電流が正弦波状に変化すると仮定し、コイル電流位相を0度から−180度未満に設定することにより、変位の中心より後部で推進力を増加させることができる。
図8はコイル電流位相を−30度に設定した場合の磁石推進力{図8中(A)参照}、リラクタンス推進力{図8中(B)参照}、およびトータル推進力{図8中(C)参照}を示し、図9はコイル電流位相を−60度に設定した場合の磁石推進力{図9中(A)参照}、リラクタンス推進力{図9中(B)参照}、およびトータル推進力{図9中(C)参照}を示している。図8および図9から明らかなように、コイル電流位相を小さく設定することにより、トータル推進力のピークをより後側に設定することができる。
【0031】
図10はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
この制御装置は、直流電源11(例えば、交流入力をダイオードで整流して直流出力を得るもの)からの直流出力をインバータ12(例えば、トランジスタなどのスイッチング素子を用い、後述するPWM制御部16から出力される信号に基いてスイッチング素子のON/OFFを行って直流電力を交流電力に変換するもの)に供給し、インバータ12からのスイッチング出力電流を上記の構成のリニア振動アクチュエータ13のコイル1に供給している。また、振動周波数指令が供給される減算部14からの出力(振動周波数偏差)をPI制御部(比例制御および積分制御を行う制御部)15(例えば、周波数指令と実周波数との偏差に基いて、比例ゲインと積分ゲインとにより演算を行って電圧振幅指令値を出力するもの)に供給し、PI制御部15からの出力(電流振幅指令値)をPWM制御部(パルス幅変調制御部)16に供給し、PWM制御部16からのPWM出力を電圧指令としてインバータ12に供給している。さらに、インバータ12からリニア振動アクチュエータ13に供給されるスイッチング出力電流をカレントトランス17により検出し、電流検出部18に供給することにより電流検出信号を出力する。さらにまた、リニア振動アクチュエータ13の可動鉄心4の位置を位置検出部19により検出し、位置検出信号を周波数演算部20に供給して実際の振動周波数を算出し、この周波数を位相制御部21に供給するとともに、前記減算部14に供給する。前記位相制御部21には、電流検出部18からの電流検出信号も供給されており、電流検出信号と周波数とから電流位相指令値を得てPWM制御部16に供給する。前記PWM制御部16には、電流検出部18からの電流検出信号および位置検出部19からの位置検出信号も供給されており、PI制御部15からの出力、位相制御信号、位置検出信号および電流検出信号から電圧指令としてのPWM出力を得てインバータ12に供給する。
【0032】
前記PWM制御部16は、PI制御部15により求められた電圧振幅指令をリニア振動アクチュエータ13に供給するため、インバータ12により直流電圧をチョッピングするためのチョッピング信号を出力して、インバータ12の出力を調整するものである。具体的には、電圧指令によりチョッピング時間を演算し、1周期当たりのON時間を求めて出力することで、インバータ12からの出力電圧を制御することができる。すなわち、1周期当たりのON時間が0の場合には出力電圧は0となり、1周期の全てがONの場合には直流電源11からの電圧がそのまま出力電圧となる。また、電流検出結果を用いて電流制御を行うことで、応答性の早いリニア振動アクチュエータ制御を行うことができる。具体的には、速度偏差を電流指令とし、実電流との偏差に基くPI演算等を行って求めた値を電圧指令としてインバータ12に供給する。応答性が余り必要でなく、かつ簡単な構成を採用することが必要である場合には、この電流制御を省略した制御構成(図12参照)を選択すればよい。
【0033】
前記位相制御部21は、例えば、図6から図9に示すような推進力発生パターンを得るための電圧位相指令値を得るものであり、何れの推進力発生パターンを得るかは、リニア振動アクチュエータによる駆動対象の推進力要求パターンに基づいて予め設定される。さらに詳細に説明すると、位相制御部21は、位置検出部19により検出される移動子(可動鉄心)の位置に応じてインバータに与える電圧位相を制御するものである。具体的には、移動子の位置を検出した後、数2で示す演算を行って電流位相を算出する。すなわち、数2において未知数である移動子の位置が分かれば、電流位相による推進力を演算することができる。なお、周波数による位相補正を行うことで、高周波数による振動も実現することができる。この電流位相をPWM制御部16に供給することで、PWM制御部16で電流振幅、位相を制御することが可能になる。なお、電流検出部が省略されている図12の構成を採用する場合には、電流位相の代わりに、電圧指令に対応する電圧位相をPWM制御部16に供給する必要がある。したがって、例えば、前もって電圧指令に対応する電圧位相を測定しておき、テーブル関数として位相制御部21の中に持っておけばよい。
【0034】
図11はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
ステップSP1において、リニア振動アクチュエータ13のコイル1への供給電流を検出し、ステップSP2において、リニア振動アクチュエータ13の可動鉄心4の位置を検出し、ステップSP3において、可動鉄心4の位置から実際の振動周波数を演算し(例えば、可動鉄心4の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し)、ステップSP4において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにPI制御を行って電流振幅指令値を演算し、ステップSP5において、演算された周波数から位相角を演算し、電流位相指令値とし、ステップSP6において、電流振幅指令値と検出された電流検出信号から電圧指令値を演算し、ステップSP7において、インバータ12に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ13を駆動し、再びステップSP1の処理を行う。
【0035】
図10の構成および図11の処理を採用した場合には、リニア振動アクチュエータ13のコイル1への供給電流を検出して電圧指令値を得、可動鉄心4の位置を検出して振動周波数を演算し、この振動周波数から電流振幅指令値および電流位相指令値を得、これらに基づいてインバータ12を制御することにより、リニア振動アクチュエータ13を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ13の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部19と位相制御部21とを有しているので、リニア振動アクチュエータ13の2つの推進力(磁石推進力とリラクタンス推進力)を制御することが可能になり、コイル1への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【0036】
また、以下の図12、図13の構成、処理と比較して、直接電流波形を制御できるので、より正確な推進力を得ることが可能になる。
図12はリニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
この制御装置が図10の制御装置と異なる点は、カレントトランス17および電流検出部18を省略した点のみである。
【0037】
したがって、これらを省略することにより推進力の制御精度が多少低下するが、構成を簡単化することができる。また、PI制御部15により電圧振幅指令値を演算し、位相制御部21により電圧位相指令値を演算することにより、電流検出値を用いることなく、インバータ12を制御し、リニア振動アクチュエータ13を動作させることができるようにしている。
【0038】
図13はリニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
ステップSP1において、リニア振動アクチュエータ13の可動鉄心4の位置を検出し、ステップSP2において、可動鉄心4の位置から実際の振動周波数を演算し(例えば、可動鉄心4の原点位置を検出してから次の原点位置を検出するまでの所要時間から実際の振動周波数を演算し)、ステップSP3において、振動周波数指令値から演算された振動周波数を減算し、さらにPI制御を行って電圧振幅指令値を演算し、ステップSP4において、演算された振動周波数から位相角を演算し、電圧位相指令値とし、ステップSP5において、インバータ12に電圧指令を供給してリニア振動アクチュエータ13を駆動し、再びステップSP1の処理を行う。
【0039】
図12の構成および図13の処理を採用した場合には、可動鉄心4の位置を検出して周波数を演算し、この周波数から電圧振幅指令値および電圧位相指令値を得、これらに基づいてインバータ12を制御することにより、リニア振動アクチュエータ13を動作させることができる。そして、リニア振動アクチュエータ13の動作周波数を振動周波数指令値に適合させることができる。換言すれば、位置検出部19と位相制御部21とを有しているので、リニア振動アクチュエータ13の2つの推進力(磁石推進力とリラクタンス推進力)を制御することが可能になり、コイル1への供給電流を増加させることなく、ピーク推進力を大きくすることができ、ひいては、効率を著しく高めることができる。また、電流位相を制御することにより、ピーク推進力の発生位置を変化させることができる。
【0040】
なお、図10、図12の制御装置において、PI制御部15に代えて、P(比例)制御部、PID(比例・積分・微分)制御部を採用することが可能である。図14は図1の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
このリニアコンプレッサは、筒状のケーシング31の長手方向の両端部所定位置に吐出管32を接続しているとともに、長手方向の中央部に吸入管33を接続している。そして、吸入管接続部を中心として、1対のリニア振動アクチュエータ13を互いに逆向きに設けている。なお、各リニア振動アクチュエータ13は、可動鉄心4の一方の端部に対して連結板部材39aを介してアーム部材39が一体的に設けられたものである。また、各リニア振動アクチュエータ13よりも吐出管32側の所定位置にシリンダ部材34とピストン部材35とを設けている。そして、シリンダ部材34の吐出管32側を塞ぐ閉塞板部材36を設けるとともに、閉塞板部材36の中央部に吐出穴36aを形成し、この吐出穴36aを開閉する吐出弁部材37を設けて、シリンダ部材34、ピストン部材35および閉塞板部材36で形成される空間を圧縮室38としている。前記ピストン部材35は、前記アーム部材39の先端部に一体的に連結されたものである。このピストン部材35は、中空のピストンケーシング35aと、ピストンケーシング35aの内部において往復動可能な可動体35bと、可動体35bと一体的に設けられたバルブ部材35cと、ピストンケーシング35aの内部空間と圧縮室38とを連通するとともに、バルブ部材35cにより閉塞される連通穴35dと、ピストンケーシング35aの側部所定位置に設けられた被圧縮流体導入穴35eと、ピストンケーシング35aの側部のうち、被圧縮流体導入穴35e形成位置よりも先端側に設けられてシリンダ部材34との間の気密を保持するシール部材35fとを有している。また、可動体35bは、被圧縮流体導入穴35eを通して導入される被圧縮流体をスムーズに連通穴35dに導くように、その先端部が先細のテーパ状に形成されている。さらに、連通穴35dは、ピストンケーシング35aの内部から外部に向かって拡がるテーパ穴であり、バルブ部材35cは、前記連通穴35dと係合可能な外形を有している。さらに、前記シリンダ部材34は、リニア振動アクチュエータ13収容空間と被圧縮流体導入穴35eの近傍位置との間を連通する連通路34aを有している。なお、前記吐出弁部材37は図示しない駆動源により駆動されて吐出穴36aを開閉するものであり、リニア振動アクチュエータ13の動作と同期して動作する。また、30は共振バネである。さらに、リニア振動アクチュエータ13は、例えば、図8または図9に示すトータル推進力特性を示すように制御される。
【0041】
上記の構成のリニアコンプレッサの作用は次のとおりである。
なお、以下の説明において、吸入管33側を後側と、吐出管32側を前側と称する。
吐出弁部材37により吐出穴36aを閉塞し、リニア振動アクチュエータ13を動作させることにより可動鉄心4を後退させれば、圧縮室38の容積が増加し、圧縮室38内の圧力とピストンケーシング35a内の圧力差によりバルブ部材35cが動作して連通穴35dを開放させるので、吸入管33から、リニア振動アクチュエータ13の固定子鉄心2と可動鉄心4との間隙、連通路34a、被圧縮流体導入穴35e、ピストンケーシング35aの内部、連通穴35dをこの順に通って被圧縮流体が圧縮室38に吸入される。
【0042】
次いで、吐出弁部材37により吐出穴36aを閉塞したままで、リニア振動アクチュエータ13を動作させることにより可動鉄心4を前進させれば、圧縮室38内部の圧力が増加するので、先ず、連通穴35dがバルブ部材35cにより閉塞され、圧縮室38が密閉空間になる。その後、リニア振動アクチュエータ13を動作させることにより可動鉄心4を前進させ続ければ、ピストン部材35が前進し続けて圧縮室38の容積を著しく減少させることにより被圧縮流体を圧縮することができる。
【0043】
以上の一連の動作において、リニア振動アクチュエータ13の推進力は、被圧縮流体を圧縮するほど大きくする必要があるが、図8または図9に示す推進力特性を示すようにリニア振動アクチュエータ13が制御されているので、被圧縮流体の圧縮に必要な推進力を得ることができる。
被圧縮流体を十分に圧縮した後(可動鉄心4がほぼ限界位置まで前進した後)は、吐出弁部材37を動作させて吐出穴36aを開放することにより、圧縮された被圧縮流体を、圧縮室38から吐出穴36aおよび吐出管32を通して吐出することができる。
【0044】
その後は、上記の一連の動作を反復することにより、被圧縮流体の吸入、圧縮、吐出を反復することができる。なお、共振バネ30は可動鉄心4の移動に伴って伸縮する。
上記の一連の動作を行う場合の圧縮機荷重−変位特性は図15に示すとおりである。この圧縮機荷重−変位特性から明らかなように、変位の後部に大きな荷重がかかる。したがって、リニア振動アクチュエータ13の非磁性体5の位置をθl=π/2〜πに設定し、かつ電流位相を0〜−180度において制御することにより、圧縮機荷重にマッチした推進力を得ることができ、高効率な運転を十減することができる(例えば、図8、図9参照)。
【0045】
以上には、リニア振動アクチュエータをリニアコンプレッサに適用した場合について説明したが、リニアコンプレッサ以外の負荷に適用することが可能であり(他の構造のコンプレッサに適用しても問題は発生しない)、この場合には、負荷の荷重−変位特性にマッチした推進力を得るように非磁性体5の位置を設定するとともに、電流位相を制御すればよい。
【0046】
【発明の効果】
請求項1の発明は、コイル電流により発生する磁束と永久磁石による磁束とによる推進力だけでなく、リラクタンス推進力を使うことができ、電流を増加させることなくピーク推進力を大きくできるので、効率を高くすることができ、また、可動鉄心が永久磁石を補強することになるので、堅牢な構成を実現でき、さらに、バックヨークが不要になるので、設計上、構造的に自由度を高めることができ、例えば、従来のリニア振動アクチュエータにおいてバックヨークが存在していた箇所に他の機構を設けることが可能になり、さらにまた、往復運動の終端部で負の推進力を作用させることができ、共振用スプリングを用いることなく同等の作用を達成することができ、また、可動鉄心における非磁性体の位置によって最大推進力が発生する位置が定まるので、最大推進力が発生する位置を任意に設定することができるという特有の効果を奏する。
【0047】
請求項2の発明は、請求項1の効果に加え、非磁性体として特別の部材を採用する場合と比較して構成を簡素化できるという特有の効果を奏する。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の効果に加え、可動鉄心における非磁性体の位置によって設定された最大推進力が発生する位置を電流の位相により変化させることができるという特有の効果を奏する。
【0048】
請求項4の発明は、リニアコンプレッサの効率を高めることができ、また、堅牢な構成を実現できるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のリニア振動アクチュエータの一実施態様を示す概略縦断面図である。
【図2】リニア振動アクチュエータにおける磁石推進力の発生を説明する概略図である。
【図3】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図4】リニア振動アクチュエータにおけるリラクタンス推進力の発生を説明する概略図である。
【図5】可動鉄心内の非磁性体の位置を説明する概略図である。
【図6】θl=0、コイル電流位相を30度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図7】θl=0、コイル電流位相を60度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図8】θl=π、コイル電流位相を−30度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図9】θl=π、コイル電流位相を−60度に設定した場合の磁石推進力、リラクタンス推進力、およびトータル推進力を示す図である。
【図10】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図11】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の一例を説明するフローチャートである。
【図12】リニア振動アクチュエータを制御するための装置の構成の他の例を示すブロック図である。
【図13】リニア振動アクチュエータを制御するための処理の他の例を説明するフローチャートである。
【図14】図1の構成のリニア振動アクチュエータが組み込まれたリニアコンプレッサの構成を示す縦断面図である。
【図15】図14のリニアコンプレッサの圧縮機荷重−変位特性を示す図である。
【図16】磁石可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図17】コイル可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図18】鉄心可動型のリニア振動アクチュエータの構成を示す概略図である。
【図19】回転形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図20】直線運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【図21】往復運動を行うリニア形モータの入力電力に対する出力と損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 コイル 2 固定子鉄心
3 永久磁石 4 可動鉄心
4a 溝 5 非磁性体
13 リニア振動アクチュエータ 21 位相制御部
Claims (4)
- コイル(1)を含む固定子鉄心(2)と、固定子鉄心(2)に対して所定の間隔を存して軸方向に往復動可能な永久磁石(3)と、永久磁石(3)と一体的に設けられた可動鉄心(4)とを含み、永久磁石(3)と可動鉄心(4)とは永久磁石(3)が固定子鉄心(2)側に位置するように一体化されており、可動鉄心(4)は、鉄心内部の磁束が一様になることを阻止するための非磁性体(5)を所定位置に含んでいることを特徴とするリニア振動アクチュエータ。
- 可動鉄心(4)は、所定位置に凹所(4a)を有しているとともに、凹所(4a)に存在する空気が非磁性体(5)として機能するものである請求項1に記載のリニア振動アクチュエータ。
- コイル(1)に供給する電流の位相を、アクチュエータにより駆動される被駆動体が要求する駆動力−変位量特性に適合する駆動力を発生させるべく、可動鉄心(4)内の非磁性体(5)の位置に応じて、F=Φa×Ia+(Lmax−Lmin)/2×Ia2×sin{(x×π)/(2L)+θ1}(ただし、Φaは永久磁石(3)の鎖交磁束、Iaはコイル電流、Lmaxはインダクタンスの最大値、Lminはインダクタンスの最小値、Lはインダクタンスが最小の位置とインダクタンスが最大の位置との距離、xは変位、θlは電流位相とインダクタンスが最大の位置との位相差)により算出されるトータル推進力とトータル推進力のピークの発生位置を制御する制御手段(21)をさらに含む請求項1または請求項2に記載のリニア振動アクチュエータ。
- 駆動源として請求項1から請求項3の何れかのリニア振動アクチュエータ(13)を採用することを特徴とするリニアコンプレッサ。
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