KR20090102706A - 전자 액추에이터의 구동 방법 - Google Patents

Abstract

자극(3a, 3b, 3c)을 갖는 코어(4)에 코일(5)을 감는 것에 의해 형성된 고정자(1)와, 자극(3a, 3b, 3c)의 선단면에 대해 자기 갭을 거쳐서 대향 배치된 영구자석(7)을 갖고 자극(3a, 3b, 3c)과의 대향 방향과 직교하는 방향에 왕복운동 자유롭게 지지된 가동자(2)를 구비하고, 코일(5)에 교번 전압이 인가되는데 수반하여 가동자(2)가 왕복운동하는 전자 액추에이터의 구동 방법으로서, 제어 주기의 한쪽의 반주기에 있어서 코일(5)에 교번 전압을 인가하고, 다른쪽의 반주기에 있어서 코일(5)에 발생하는 유도 기전력을 제어 신호로서 이용하는 교번 전압의 피드백 제어를 실행한다.

Description

전자 액추에이터의 구동 방법 {ELECTROMAGNETIC ACTUATOR DRIVING METHOD}

본 발명은 왕복운동식의 전기 면도기에 적용하기에 바람직하고, 가동자에 왕복운동을 실행시키는 진동형의 전자 액추에이터의 구동 방법에 관한 것이다．

종래부터, 탄성체와 질량을 갖는 가동자의 관성에 의해서 에너지를 변환, 보존 가능한 공진계를 구동하는 구동 회로로서, 진동형의 전자 액추에이터의 구동 회로가 알려져 있다. 진동형의 전자 액추에이터는 코일을 갖는 고정자와, 영구자석을 갖는 가동자와, 고정자가 고착되어 있는 동시에 스프링을 거쳐서 가동자를 왕복운동 자유롭게 지지하는 프레임부를 구비한다. 이 진동형의 전자 액추에이터의 구동 회로는 가동자의 이동 방향이 반전된 위치를 나타내는 신호(이하, 위상 기준 신호로 표기), 환언하면 코일에 여자되는 유도 기전압이 대략 제로가 되는 타이밍을 나타내는 신호와, 가동자의 속도를 나타내는 신호(이하, 속도 신호로 표기), 환언하면 위상 기준 신호가 검출되고 나서 소정 시간 후의 유도 기전압을 제어 신호로서 이용하여 코일에의 교번 전압의 인가 시간을 센서리스 피드백 제어하는 것에 의해 가동자를 왕복운동시킨다.

(특허문헌 1) 일본국 특허공개공보 평성7-265560호

(특허문헌 2) 일본국 특허공개공보 평성7-313749호

종래의 구동 회로는 부품점수를 삭감하는 동시에 센서 부착 가공비를 삭감하기 위해, 상술한 바와 같이, 유도 기전압을 제어 신호로서 이용하는 센서리스 피드백 제어를 실행하고 있다. 그러나, 유도 기전압을 검출하는 경우, 코일에 여자 전류 또는 환류<還流> 전류가 존재하는 동안에는 유도 기전압을 정확하게 검출할 수 없기 때문에, 위치 기준 신호가 나타나는 타이밍을 예측하고, 예측된 타이밍에서 위상 기준 신호에 영향을 주지 않는 범위에서 여자를 종료시키는 것에 의해, 유도 기전압의 검출용의 시간대로서의 무여자 기간을 마련할 필요가 있다. 또한, 이 무여자 기간내에 있어서 속도 신호를 검출할 때에는 위상 기준 신호가 검출되고 나서 소정 시간 후의 유도 기전압의 미소변위를 취득하기 위해 충분한 전압 증폭과 CPU의 처리속도가 요구된다. 이 때문에 종래의 구동 회로에 의하면, 구동 회로를 저렴하게 구성하는 것이 곤란하다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 구동 회로를 저렴하게 구성하는 것이 가능한 전자 액추에이터의 구동 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 전자 액추에이터의 구동 방법은 복수의 자극을 갖는 코어에 코일을 감는 것에 의해 형성된 고정자와, 자극의 선단면에 대해 자기 갭을 거쳐서 대향 배치된 영구자석을 갖고 자극과의 대향 방향과 직교하는 방향에 왕복운동 자유롭게 지지된 가동자를 구비하고, 코일에 교번 전압이 인가되는데 수반하여 가동자가 왕복운동하는 전자 액추에이터의 구동 방법으로서, 제어 주기의 한쪽의 반주기에 있어서 코일에 교번 전압을 인가하고, 다른쪽의 반주기에 있어서 코일의 유도 기전력을 제어 신호로서 이용하는 교번 전압의 피드백 제어를 실행한다.

본 발명에 관한 전자 액추에이터의 구동 방법에 따르면, 제어 주기의 한쪽의 반주기에 있어서만 코일을 여자하므로, 코일에 교번 전압을 인가하는 인버터 회로의 부품점수를 삭감하고, 저렴하게 구성할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 전자 액추에이터의 구동 방법에 따르면, 시간, 전압 정밀도, 전류 정밀도 등의 제약이 없이 제어 신호를 검출할 수 있으므로, 센서 부품을 삭감할 수 있다. 또, CPU 등의 제어 회로에의 배선수를 줄일 수 있으므로, 제어 회로를 저렴하게 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 전자 액추에이터의 구동 방법에 따르면, 구동 회로를 저렴하게 구성할 수 있다.

도 １은 본 발명의 실시형태로 되는 전자 액추에이터의 정면도.

도 2는 도 1에 나타내는 전자 액추에이터의 구동 회로의 구성을 나타내는 블럭도.

도 3은 도 2에 나타내는 검출 회로의 내부 구성을 나타내는 회로도.

도 4는 도 2에 나타내는 인버터 회로의 구성을 나타내는 회로도.

도 5는 도 4에 나타내는 인버터 회로의 동작을 설명하기 위한 회로도.

도 6은 본 발명의 실시형태로 되는 전자 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 타이밍도.

도 7은 도 6에 나타내는 전자 액추에이터의 구동 방법의 변형예를 설명하기 위한 타이밍도.

(부호의 설명)

1:고정자

2:가동자

3a,3b,3c:자극

4:코어

5:코일

6a,6b:스프링

7:영구자석

8:도자체

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태로 되는 전자 액추에이터의 구성에 대해 설명한다.

[전자 액추에이터의 구성]

본 발명의 실시형태로 되는 전자 액추에이터는 도 1의 (a), (b)에 나타내는 같이 고정자(1)와 가동자(2)를 주된 구성요소로서 구비하고, 고정자(1)는 3개의 자극(3a, 3b, 3c)을 구비하는 E자형상의 코어(4)의 자극(3b)에 코일(5)을 감는 것에 의해 형성되어 있다. 가동자(2)는 자기 갭을 거쳐서 3개의 자극(3a, 3b, 3c)의 단면에 대향 배치되고, 영구자석(7)과 백 요크로서의 도자체<導磁體>(8)를 구비한다. 가동자(2)는 스프링(6a, 6b)에 의해서, 자극(3a, 3b, 3c)이 배열되는 방향으로 왕복운동하고 또한 이동 범위의 중앙위치 부근으로 복귀하도록 지지되어 있다. 영구자석(7)은 왕복운동 방향인 좌우 방향에 있어서 다른 자극을 갖는다. 영구자석(7)의 자극의 중심간의 거리는 자극(3a)과 자극(3b) 및 자극(3b)과 자극(3c)의 중심간의 거리에 대략 일치하도록 형성되어 있다. 영구자석(7)의 폭 W1은 좌우 양단의 자극(3a, 3c)의 최대폭 W2보다도 작고, 또 폭 W1에 가동자(2)의 스트로크량 ST를 더한 값이 최대폭 W2 이하(W2≥W1+ST)가 되도록 형성되어 있다.

[구동 회로의 구성]

전자 액추에이터의 구동 회로는 도 2에 나타내는 바와 같이, 가동자(2)의 이동 방향이 반전된 위치를 나타내는 위상 기준 신호와 가동자(2)의 속도를 나타내는 속도 신호를 검출하는 검출 회로(11)와, 검출 회로(11)에 의해 검출된 위상 기준 신호와 속도 신호에 의거하여 인버터 회로(12)를 제어하는 것에 의해 코일(5)에의 교번 전압의 인가 시간을 제어하는 CPU(13)를 구비한다. 검출 회로(11)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 듀얼 패키지의 한쪽의 연산 증폭기<operational amplifier> OP1에 의해 구성된 증폭기 AMP와, 듀얼 패키지의 다른쪽의 연산 증폭기 OP2와 트랜지스터 회로 Tr에 의해 구성된 비교기 COMP를 갖는다. 증폭기 AMP는 코일(5) 단부의 전압(입력 단자 IN1, IN2 간의 전압)을 저항 R1의 저항률에 의해 정의되는 증폭률로 증폭 출력한 신호를 속도 신호로서 연산 증폭기 OP2와 출력 단자 OUT1에 출력한다. 비교기 COMP는 위상 기준 신호를 검출해서 출력 단자 OUT2에 출력한다. 또, CPU(13)가 AD 포트나 내장 비교기를 이용하여 연산 증폭기 OP1의 반전 입력과 출력을 비교하는 것에 의해서 위상 기준 신호를 검출하는 것에 의해 비교기 COMP를 생략해도 좋다.

인버터 회로(12)는 도 ４에 나타내는 바와 같이, 전원 V와, 상단 트랜지스터 회로 Tr1과, 하단 트랜지스터 회로 Tr2와, 다이오드 D1를 구비한다. 이 인버터 회로(12)에서는 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 상단 트랜지스터 회로 Tr1과 하단 트랜지스터 회로 Tr2의 쌍방이 온 상태인 경우, 코일(5)에 교번 전압이 인가되고, 도 5(a)에 나타내는 상태에서 상단 트랜지스터 회로 Tr1이 오프 상태로 전환된 경우에는 도 ５(b)에 나타내는 바와 같이 플라이 휠 효과에 의해서 코일(5)에 전류가 환류한다. 그리고, 도 ５(b)에 나타내는 상태에서 하단 트랜지스터 회로 Tr2가 오프 상태로 전환되면, 도 ５(c)에 나타내는 바와 같이 무여자 상태가 된다. 이와 같이, 인버터 회로(12)는 상단 트랜지스터 회로 Tr1과 하단 트랜지스터 회로 Tr2의 온 시간, 오프 시간, 및 온/오프의 조합을 제어하는 것에 의해, 코일(5)에 인가하는 교번 전압을 제어한다. 이와 같은 구성에 의하면, 4개의 트랜지스터 회로를 이용한 종래의 인버터 회로(풀 브리지 회로)보다도 트랜지스터 회로수를 줄일 수 있으므로, 대응 드라이버와 CPU(13)에의 배선수를 줄일 수 있다.

[구동 방법]

이와 같은 구성을 갖는 전자 액추에이터에서는 코일(5)에 구형파 형상의 교번 전압이 인가되면, 자극(3a, 3b, 3c)이 도 1(a)에 나타내는 극성으로 여자되어 있는 동안에는 자극(3a, 3b)과 영구자석(7)의 사이의 자속에 의한 자력에 의해서 가동자(2)에 가진력<加振力>이 발생하고, 가동자(2)는 도면의 좌측 방향으로 이동한다. 한편, 자극(3a, 3b, 3c)이 도 1(b)에 나타내는 극성으로 여자되어 있는 동안에는 자극(3b, 3c)과 영구자석(7)의 사이의 자속에 의한 자력에 의해서 가동자(2)에 가진력이 발생하고, 가동자(2)는 도면의 우측 방향으로 이동한다. 또, 코일(5)에 교번 전압이 인가되고 있지 않은 동안에는 가동자(2)는 스프링(6a, 6b)의 탄성력에 의해서 이동 범위의 중앙위치로 복귀한다. 이와 같이 하여, 가동자(2)는 교번 전압의 인가에 수반하여 좌우로 왕복운동하게 된다.

본 실시형태에서는 도 6에 나타내는 바와 같이, CPU(13)는 제어 주기의 한쪽의 반주기에 있어서 코일(5)에 교번 전압을 인가하고, 무여자 상태인 다른쪽의 반주기에 있어서 정현파형상의 유도 기전압(도 6(b) 참조)으로부터 위상 기준 신호(도 6(c) 참조) 및 속도 신호(도 6(d) 참조)를 검출해서 제어 신호로서 이용하는 피드백 제어를 실행한다. 이와 같은 구동 방법에 의하면, 제어 주기의 한쪽의 반주기에 있어서만 코일(5)을 여자하므로, 이미 기술한 바와 같이, 코일(5)에 교번 전압을 인가하는 인버터 회로(12)의 부품점수를 삭감하고, 구동 회로를 저렴하게 구성할 수 있다. 또, 시간, 전압 정밀도, 전류 정밀도 등의 제약이 없이 제어 신호를 검출할 수 있으므로, 센서 부품을 삭감할 수 있다. 또, CPU(13)에의 배선수를 줄일 수 있으므로, 제어 회로를 저렴하게 구성할 수 있다. 또, 종래까지는 센싱을 위해 여자되어 있지 않았던 구간을 여자에 이용할 수 있으므로, 동일한 입력 전압으로 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

CPU(13)는 유도 기전압이 0에서 최대값이 될 때까지의 동안, 유도 기전압을 제어 신호로서 이용하는 것이 바람직하다. 유도 기전압이 0에서 최대값이 될 때까지의 동안에는 종래 제어의 전압차에 비해 3∼4배의 전압차를 취득할 수 있고, 변위 1㎜당 전압의 변동차는 5배가 된다. 따라서, 이러한 구동 방법에 의하면, 증폭기 AMP는 종래의 정밀도의 약 1/5의 정밀도의 것을 이용하면 좋고, 검출 회로(11)를 저렴하게 구성할 수 있다. 또한, 이 정밀도 완화에 의해서 종래 회로에서는 불가능하였던 제어 방식의 변경이나 CPU(13)의 비용 저감을 실현할 수 있다.

CPU(13)는 정현파형상의 유도 기전압의 최대값을 제어 신호로서 이용해도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 유도 기전압의 최대값을 검출하는 것만으로 제어를 실행할 수 있으므로, CPU(13)의 비용을 저감할 수 있다. 또, CPU(13)는 정현파형상의 유도 기전압의 적분값을 제어 신호로서 이용해도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 유도 기전압의 최대값이나 부분 전압에서는 검출할 수 없는 반주기의 손실 에너지를 검출할 수 있으므로, 제어 정밀도가 향상하는 동시에 CPU(13)나 센서의 비용을 저감할 수 있다.

CPU(13)는 이들 제어 방식의 적어도 2개 이상을 병용해도 좋다. 또, CPU(13)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 유도 기전력의 목표값과의 편차를 가동자(2)의 변위마다 산출하고, 산출된 편차에 따라 제어 출력의 듀티비를 변화시켜도 좋다. 이러한 구동 방법에 의하면, 가변조 PWM 제어에서 필요한 삼각파를 하드웨어가 아닌 간단한 소프트웨어로 구성할 수 있으므로, 비용을 저감할 수 있다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 적용한 실시형태에 대해 설명했지만, 이 실시형태에 의한 본 발명의 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 즉, 상기 실시형태에 의거하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시형태, 실시예 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것은 물론인 것을 덧붙여 둔다.

Claims (9)

1. 복수의 자극을 갖는 코어에 코일을 감는 것에 의해 형성된 고정자와, 상기 자극의 선단면에 대해 자기 갭을 거쳐서 대향 배치된 영구자석을 갖고 해당 자극과의 대향 방향과 직교하는 방향으로 왕복운동 자유롭게 지지된 가동자를 구비하고, 상기 코일에 교번 전압이 인가되는 데에 수반하여 상기 가동자가 왕복운동하는 전자<電磁> 액추에이터의 구동 방법에 있어서,

   제어 주기의 한 쪽의 반 주기에 있어서 상기 코일에 교번 전압을 인가하고, 다른 쪽의 반 주기에 있어서 코일에 발생하는 유도 기전력을 제어 신호로서 이용하는 교번 전압의 피드백 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다른 쪽의 반 주기에 있어서 코일에 발생하는 정현파 형상의 유도 기전압을 제어 신호로서 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 정현파 형상의 유도 기전압이 0에서 최대값이 될 때까지의 동안, 유도 기전압을 제어 신호로서 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 정현파 형상의 유도 기전압의 최대값을 제어 신호로서 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 정현파 형상의 유도 기전압의 적분값을 제어 신호로서 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 코일에 교번 전압을 인가하는 인버터 회로를 구성하는 트랜지스터 회로를 온/오프 제어하는 것에 의해, 플라이 휠 효과<flywheel Effect>를 이용해서 코일에 교번 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 인버터 회로를 구성하는 상단 및 하단의 트랜지스터 회로의 온 시간, 오프 시간, 및 온/오프의 조합을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제어 주기의 한 쪽의 반 주기에 있어서 상기 하단의 트랜지스터 회로를 오프 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 유도 기전력의 목표값과의 편차를 상기 가동자의 변위마다 산출하고, 산출된 편차에 따라 제어 출력의 듀티비를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터의 구동 방법.