(57)【要約】【課題】  弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系を高効率で駆動可能な駆動装置、および駆動方法を提供する。【解決手段】  コイルばね１４およびコイルばね１４により支持された可動子１０を具備してコイルばね１４の弾性エネルギーと可動子１０の運動エネルギーとを保存可能且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系と、可動子１０に設けた永久磁石１１と、電磁石２と、電磁石２の固定子巻線３に電流を流すことで電磁石２に発生する磁束が永久磁石１１に作用して可動子１０に加振力を与える制御部３０とを備え、制御部３０は、共振系の運動の状態に応じて、固定子巻線３に流す電流の波形を制御する。【選択図】図１
2006034082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系と、
該可動子に設けた永久磁石と、
磁性体と該磁性体に巻回した巻線とからなる電磁石と、
前記巻線に電流を流すことで電磁石に発生する磁束が前記可動子に設けた永久磁石に作用して可動子に加振力を与える制御部とを備え、
前記制御部は、前記共振系の運動の状態に応じて、前記巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記可動子は往復運動可能であり、前記制御部は、前記可動子の往復運動に伴って前記巻線に生じる誘導起電力を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記可動子の位置に応じて発生する前記巻線のインダクタンスまたはインダクタンスの変化を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記巻線間に電圧を断続的に印加して前記巻線に流す電流瞬時値を制御することで、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項５】
前記可動子は往復運動可能であり、前記制御部は、前記可動子の往復運動に伴って前記巻線に生じる誘導起電力と、前記可動子の位置に応じて発生する前記巻線のインダクタンスまたはインダクタンスの変化と、前記巻線間に電圧を断続的に印加することによる前記巻線に流す電流瞬時値の制御とのうち、いずれか２つ以上を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記巻線間に断続的に印加される電圧のオン時間とオフ時間とを各々制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項４または５記載の駆動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の比を制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項６記載の駆動装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の合計時間を制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項６記載の駆動装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の合計時間と、該合計時間内の前記オン時間とオフ時間の比とを各々制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項６記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、巻線に流す電流の位相を制御することを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、電流を巻線に流す総時間を制御することを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の駆動装置。
【請求項１２】
前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、巻線に流す電流の位相、および電流を巻線に流す総時間を制御することを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の駆動装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記共振系の運動の状態および前記巻線に印加する電源電圧に応じて、巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする請求項１乃至１２いずれか記載の駆動装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記共振系の運動を一定に維持、または所定の運動を行うように、巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする請求項１乃至１３いずれか記載の駆動装置。
【請求項１５】
弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系と、
該可動子に設けた永久磁石と、
磁性体と該磁性体に巻回した巻線とからなる電磁石を固定子として備えて、
前記巻線に電流を流すことで電磁石に発生する磁束が前記可動子に設けた永久磁石に作用して可動子に加振力を与える駆動方法において、
前記共振系の運動の状態に応じて、該巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする駆動方法。
【請求項１６】
前記巻線間に電圧を断続的に印加し、前記巻線間に断続的に印加される電圧のオン時間とオフ時間とを各々制御することによって前記巻線に流す電流瞬時値を制御し、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする請求項１５記載の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系を駆動する駆動装置、および駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、弾性体の弾性と該弾性体に支持された質量を有する可動子の慣性とによってエネルギーを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系を利用して運動を行うモータとして、例えば振動型リニアアクチュエータが挙げられる。振動型リニアアクチュエータの一例として、図１に示す構造を用いて説明する。図１の振動型リニアアクチュエータは、電磁石２よりなる固定子１と、電磁石２に対向して永久磁石１１を具備するとともに復帰装置としての弾性体たるコイルばね１４に支持されて両端方向に往復運動可能な可動子１０と、制御部３０とを備える。
【０００３】
固定子１の電磁石２は、両端方向に一列に配置した３個の固定子磁極（磁性体）２ａ，２ｂ，２ｃを設け、固定子磁極２ａ，２ｂ間および固定子磁極２ｂ，２ｃ間に固定子巻線３を巻回している。そして、固定子磁極２ａ，２ｂ，２ｃの後面にはヨーク４を設けている。ここで、固定子巻線３に励磁電流を流すことで、中央の固定子磁極２ｂが両端の固定子磁極２ａ，２ｃとは異極に励磁される。
【０００４】
可動子１０の永久磁石１１は、一端方向（図１の左方向）をＮ極、他端方向（図１の右方向を）Ｓ極の２極に着磁されており、各磁極の中心間の距離は、隣り合う一対の固定子磁極２ａ，２ｂおよび隣り合う一対の固定子磁極２ｂ，２ｃの各中心間の距離にほぼ一致させてある。永久磁石１１の前面には、略Ｔ字状の駆動子１２の幅広の基部１２ａが接続されている。そして、このような振動型リニアアクチュエータは往復動式の電気かみそりに適用されており、駆動子１２の基部１２ａ上に立設した柱体部１２ｂの先端には内刃体１３が設けられ、内刃体１３の前面には内刃１３ａが取着している。
【０００５】
駆動子１２は、可動子１０の移動方向に向かって互いに対向する側面にコイルばね１４の一端を各々取り付けており、コイルばね１４の他端は、可動子１０の移動方向に設けたケース等の構造物２０に固定される。そして、可動子１０は、コイルばね１４によって移動範囲の中央位置付近に復帰するように支持されている。
【０００６】
そして、図２８（ｃ）に実線で示す矩形波状の交番電圧Ｖを固定子巻線３に印加すると、正の電圧が印加されて固定子磁極２ａ，２ｂ，２ｃが図１に示す極性（固定子磁極２ａ：Ｓ極、固定子磁極２ｂ：Ｎ極、固定子磁極２ｃ：Ｓ極）に励磁されている間は、固定子磁極３ａ，３ｂと永久磁石１１との間の磁力によって、可動子１０に一端方向の加振力が発生して可動子１０は一端方向に移動する。一方、負の電圧が印加されて固定子磁極２ａ，２ｂ，２ｃが図２に示す極性（固定子磁極２ａ：Ｎ極、固定子磁極２ｂ：Ｓ極、固定子磁極２ｃ：Ｎ極）に励磁されている間は、固定子磁極３ｂ，３ｃと永久磁石１１との間の磁力によって、可動子１０に他端方向の加振力が発生して可動子１０は他端方向に移動する。また、固定子巻線３に電圧が印加されていない間は、コイルばね１４のばね力によって、可動子１０を移動範囲の中央位置付近に復帰させている。つまり、交番電圧Ｖの印加によって、可動子１０が左右に往復運動する。
【０００７】
可動子１０の往復運動は、時間ｔに対して可動子１０、コイルばね１４、負荷によって決まる正弦波状（図２８（ａ）参照）であり、可動子１０の質量とコイルばね１４の弾性力とによって、可動子１０の運動エネルギーとコイルばね１４の弾性エネルギーとを交互に変換しながら往復運動を行うので、コイルばね１４を設けていない振動型アクチュエータに比べて利用効率がよい構造となっている。また、可動子１０の質量とコイルばね１４の弾性とによって決まる固有振動数に往復運動を同期させる共振状態に近付けるような加振力を与えれば、効率よく可動子１０を往復運動させることができる。実際は、負荷に応じてエネルギーを消費し、共振状態を維持できなくなるので、共振状態を維持するエネルギーを供給するために加振力を与えることになる。
【０００８】
上記矩形波状の交番電圧Ｖを固定子巻線３に印加した場合、図２８（ｄ）に示すように、高調波成分を多く含む三角波状の電流が固定子巻線３に流れる。
【０００９】
このようなアクチュエータは、可動子１０の往復運動の進行方向に合わせた加振力を可動子１０に与えることで往復運動を行い、この可動子１０の運動は固定子巻線３を流れる電流の増減に応じて変化する。例えば、図２８（ｃ）に破線で示すように交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎを増加させて、図２８（ｄ）に破線で示すように固定子巻線３を流れる固定子巻線電流ｉが増加すると、図２８（ａ）に破線で示すように可動子１０の移動量は増加する。一方、固定子巻線電流ｉが減少すると、可動子１０の移動量も減少する。これは、固定子巻線電流ｉの大きさに応じて、励磁された固定子磁極２ａ，２ｂ，２ｃと永久磁石１１とによって加振力が発生するためである。固定子巻線電流ｉは、固定子巻線３の印加電圧Ｖ、およびその印加時間Ｔｏｎによって変化するので、印加電圧Ｖ、印加時間Ｔｏｎを制御することによって、発生する加振力を増減している。
【００１０】
そして、一般に振動型のアクチュエータでは、特定の出力（図１，２では可動子１０の往復運動）を得るために、交番電圧Ｖの印加状態を可動子１０の往復運動に応じて変化させて、固定子巻線電流ｉを増減制御している。例えば、可動子１０の振幅変位を増加させる場合、交番電圧Ｖの固定子巻線３への印加時間Ｔｏｎを増加させると、固定子巻線電流ｉも増加する。すると、固定子巻線電流ｉによって固定子磁極３ａ，３ｂ，３ｃに励磁される磁力も増加し、可動子１０の加振力も増加して、可動子１０の振幅変位も増加する。このように特定の出力を得るために、固定子巻線電流ｉを、固定子巻線３への交番電圧Ｖの印加時間によって制御していた。
【００１１】
次に、上記制御を行うための制御部３０の構成を図３に示す。制御部３０は、センサ部３１と、駆動部３２とから構成され、センサ部３１は、可動子１０の挙動によって変化する物理量（この場合は可動子１０の速度）を検知し、駆動部３２は、センサ部３１からの検知信号に基づいて振幅、変位、速度、加速度、移動方向、周波数等の可動子１０の挙動を検知する可動子挙動検知部３３と、可動子挙動検知部３３からの制御信号に基づいて可動子１０の動作を所望の動作とするような交番電圧Ｖを生成して固定子巻線３に印加する交番電圧出力部３４とからなる。
【００１２】
そして、可動子挙動検知部３３は、センサ部３１が出力する可動子１０の速度検知信号（図２８（ｂ）参照）に基づいて、可動子１０の変位最大点Ｐｍａｘ（速度０点）を検出し、交番電圧Ｖの印加タイミングを決定する。このとき、可動子１０の往復運動に同期させるため、変位最大点Ｐｍａｘから一定の位相Ｔｐｈ経過後に交番電圧Ｖを印加し、可動子１０の挙動に応じて、交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎを増減させることで、固定子巻線電流ｉを制御し、可動子１０の振幅を一定に制御する。したがって、負荷によらずに可動子１０は一定振幅を維持することができる。（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
ここで、図２９は固定子巻線３に交番電圧Ｖを印加する概略構成を示しており、固定子巻線３はインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒとの直列回路で表され、固定子巻線３の両端間に駆動部３２が出力する交番電圧Ｖが印加される。この時の固定子巻線電流ｉは、
【００１４】
【数１】
2006034082.tif 000003
【００１５】
で表され、固定子巻線電流ｉの波形は図３０に示される。
【００１６】
しかし、可動子１０とともに往復運動する永久磁石１１によって、固定子巻線３を通過する磁束が変化した結果、図４に示すように固定子巻線３間に発生する誘導起電力Ｅを考慮すると、固定子巻線３間の電圧は、駆動部３２が出力する交番電圧Ｖに誘導起電力Ｅが重畳された電圧Ｖ’＝Ｖ＋Ｅとなり、固定子巻線電流ｉは、
【００１７】
【数２】
2006034082.tif 000004
【００１８】
で表され、その波形は図３１に示されて、図３０に比べて固定子巻線電流ｉは誘導起電力Ｅによって低減し、発生する加振力も異なる。
【００１９】
上記従来例では、負荷の如何に関わらず一定の振幅を得るために、可動子１０の挙動を検知し、必要な固定子巻線電流ｉを固定子巻線３に流すために交番電圧Ｖの印加方向、位相Ｔｐｈ、電圧印加時間Ｔｏｎを制御しているが、この場合、一般的なモータ制御と同様に、例えば交番電圧Ｖの印加方向を逆転させた場合、可動子１０の振幅を一定に維持するための加振力が可動子１０を減速させるブレーキになってしまったり、固定子巻線３に印加される交番電圧および固定子巻線電流が同一であっても、位相Ｔｐｈが変化すると、可動子１０の振幅もその変化に応じて増減し、可動子１０の運動に合わせた制御が効率に大きな影響を及ぼすことがわかっており、可動子１０の運動（例えば振幅）を基準とした自励発振動作によって交番電圧Ｖの印加状態を変化させると効率が向上するという知見が開示されている。（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３３８２０６１号公報
【特許文献２】特開２０００−１４１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来の駆動制御の一例では、可動子１０の往復運動の半周期毎の固定子巻線３の電流量を制御する目的で、交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎを増減させ、図２８（ｄ）に示すような三角波状の固定子巻線電流ｉを形成しており、この三角波状の固定子巻線電流ｉの波形は、交番電圧Ｖ、誘導起電力Ｅ、交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎ、位相Ｔｐｈ、固定子巻線３のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒによって決まる。しかし三角波状の固定子巻線電流ｉは、通電終了間際の電流値が高くなってしまい、例えば負荷増大時に振幅を維持しようとすると、固定子巻線３や駆動部３２に付随する銅損や磁気損が増加するため、電気エネルギーが機械エネルギーに変換される効率が低下して伝達エネルギーが低減し、固定子巻線３や駆動部３２で用いられる電子部品が発熱して、効率が低減していた。
【００２１】
また従来例は、交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎとその位相Ｔｐｈとによって、半周期毎に固定子巻線３を流れる電流量を制御することで加振力の制御を行っていたが、固定子巻線電流ｉの波形は三角波状のみであり、共振系に対して必要とする最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成しておらず、その加振力の発生効率は高くなかった。
【００２２】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系を高効率で駆動可能な駆動装置、および駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１の発明は、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系と、該可動子に設けた永久磁石と、磁性体と該磁性体に巻回した巻線とからなる電磁石と、前記巻線に電流を流すことで電磁石に発生する磁束が前記可動子に設けた永久磁石に作用して可動子に加振力を与える制御部とを備え、前記制御部は、前記共振系の運動の状態に応じて、前記巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、共振系の運動に合わせて電磁石の巻線に流す電流波形を形成して、共振系が必要とする瞬時電流値を巻線に流すことで、共振系の運動に対して過不足のない加振力を供給でき、電気的な損失が低減して共振系へのエネルギー伝達効率が向上し、共振系の運動状態に関わらず高効率での駆動が可能となる。また、共振系を構成する様々なアプリケーションに適した巻線電流の波形を形成でき、共振系のアプリケーションに関わらず、高効率での駆動が可能となる。
【００２５】
請求項２の発明は、請求項１において、前記可動子は往復運動可能であり、前記制御部は、前記可動子の往復運動に伴って前記巻線に生じる誘導起電力を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、巻線電流の波形を最適に形成でき、高効率での駆動が可能となる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１において、前記制御部は、前記可動子の位置に応じて発生する前記巻線のインダクタンスまたはインダクタンスの変化を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、巻線電流の波形を最適に形成でき、インダクタンスの変化によって生じるリラクタンストルクを利用して高効率での駆動が可能となる。
【００２９】
請求項４の発明は、請求項１において、前記制御部は、前記巻線間に電圧を断続的に印加して前記巻線に流す電流瞬時値を制御することで、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、巻線電流の波形を最適に形成でき、高効率での駆動が可能となる。
【００３１】
請求項５の発明は、請求項１において、前記可動子は往復運動可能であり、前記制御部は、前記可動子の往復運動に伴って前記巻線に生じる誘導起電力と、前記可動子の位置に応じて発生する前記巻線のインダクタンスまたはインダクタンスの変化と、前記巻線間に電圧を断続的に印加することによる前記巻線に流す電流瞬時値の制御とのうち、いずれか２つ以上を利用して前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、上記請求項２，３，４の巻線電流形成動作のうちいずれか２つ以上を用いることで、巻線電流の波形をより最適に形成でき、より高効率での駆動が可能となる。
【００３３】
請求項６の発明は、請求項４または５において、前記制御部は、前記巻線間に断続的に印加される電圧のオン時間とオフ時間とを各々制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、巻線電流の波形を最適に形成でき、高効率での駆動が可能となる。
【００３５】
請求項７の発明は、請求項６において、前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の比を制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００３６】
この発明によれば、汎用部品を用いて複雑な制御システムを組むことなく、低コスト且つ高効率な制御を行うことができる。
【００３７】
請求項８の発明は、請求項６において、前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の合計時間を制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、汎用部品を用いて複雑な制御システムを組むことなく、低コスト且つ高効率な制御を行うことができる。
【００３９】
請求項９の発明は、請求項６において、前記制御部は、前記オン時間とオフ時間の合計時間と、該合計時間内の前記オン時間とオフ時間の比とを各々制御することによって、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、汎用部品を用いて複雑な制御システムを組むことなく、低コストで、且つ高効率な制御を行うことができる。
【００４１】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９いずれかにおいて、前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、巻線に流す電流の位相を制御することを特徴とする。
【００４２】
この発明によれば、さらに高効率での駆動が可能となる。
【００４３】
請求項１１の発明は、請求項１乃至９いずれかにおいて、前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、電流を巻線に流す総時間を制御することを特徴とする。
【００４４】
この発明によれば、さらに高効率での駆動が可能となる。
【００４５】
請求項１２の発明は、請求項１乃至９いずれかにおいて、前記制御部は、巻線に流す電流の波形を制御するとともに、巻線に流す電流の位相、および電流を巻線に流す総時間を制御することを特徴とする。
【００４６】
この発明によれば、さらに高効率での駆動が可能となる。
【００４７】
請求項１３の発明は、請求項１乃至１２いずれかにおいて、前記制御部は、前記共振系の運動の状態および前記巻線に印加する電源電圧に応じて、巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする。
【００４８】
この発明によれば、電源電圧の変動による巻線電流の変動を補正することで、電源電圧変動の影響を受けることなく、共振系に最適な巻線電流波形を形成することができる。
【００４９】
請求項１４の発明は、請求項１乃至１３いずれかにおいて、前記制御部は、前記共振系の運動を一定に維持、または所定の運動を行うように、巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする。
【００５０】
この発明によれば、負荷等の影響を受けることなく、共振系の運動を一定に保つことができる。
【００５１】
請求項１５の発明は、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系と、該可動子に設けた永久磁石と、磁性体と該磁性体に巻回した巻線とからなる電磁石を固定子として備えて、前記巻線に電流を流すことで電磁石に発生する磁束が前記可動子に設けた永久磁石に作用して可動子に加振力を与える駆動方法において、前記共振系の運動の状態に応じて、該巻線に流す電流の波形を制御することを特徴とする。
【００５２】
この発明によれば、共振系の運動に合わせて電磁石の巻線に流す電流波形を形成して、共振系が必要とする瞬時電流値を巻線に流すことで、共振系の運動に対して過不足のない加振力を供給でき、電気的な損失が低減して共振系へのエネルギー伝達効率が向上し、共振系の運動状態に関わらず高効率での駆動が可能となる。また、共振系を構成する様々なアプリケーションに適した巻線電流の波形を形成でき、共振系のアプリケーションに関わらず、高効率での駆動が可能となる。
【００５３】
請求項１６の発明は、請求項１５において、前記巻線間に電圧を断続的に印加し、前記巻線間に断続的に印加される電圧のオン時間とオフ時間とを各々制御することによって前記巻線に流す電流瞬時値を制御し、前記巻線に流す電流の波形を形成することを特徴とする。
【００５４】
この発明によれば、巻線電流の波形を最適に形成でき、高効率での駆動が可能となる。
【発明の効果】
【００５５】
以上説明したように、本発明では、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系の運動に合わせて電磁石の巻線に流す電流波形を形成して、共振系が必要とする瞬時電流値を巻線に流すことで、共振系の運動に対して過不足のない加振力を供給でき、電気的な損失が低減して共振系へのエネルギー伝達効率が向上するので、共振系を高効率で駆動できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００５７】
（実施形態１）
本実施形態は、弾性体および該弾性体により支持された質量を有する可動子を具備して弾性体の弾性エネルギーと可動子の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系について、従来例と同様に図１，図２に示す振動型リニアアクチュエータを用いて以下説明する。
【００５８】
この振動型リニアアクチュエータは、弾性体としてのコイルばね１４およびコイルばね１４により支持された質量を有する可動子１０を具備してコイルばね１４の弾性エネルギーと可動子１０の運動エネルギーとを保存可能、且つ弾性エネルギーと運動エネルギーとを互いに変換可能な共振系を構成している。そして、この共振系を駆動するための制御部３０の構成、および固定子巻線３への交番電圧Ｖの印加構成は、従来例と同様に図３、図４に示されるように、制御部３０はセンサ部３１と駆動部３２とから構成され、センサ部３１は、可動子１０の挙動によって変化する物理量を検知し、駆動部３２は、センサ部３１からの検知信号に基づいて振幅、変位、速度、加速度、移動方向、周波数等の可動子１０の挙動を検知する可動子挙動検知部３３と、可動子挙動検知部３３からの制御信号に基づいて可動子１０の動作を所望の動作とするような交番電圧Ｖを出力して固定子巻線３に印加する交番電圧出力部３４とからなる。そして、固定子巻線３はインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒとの直列回路で表され、可動子１０とともに往復運動する永久磁石１１によって、固定子巻線３を通過する磁束が変化した結果、固定子巻線３間には誘導起電力Ｅが発生し、交番電圧Ｖに誘導起電力Ｅを重畳した交番電圧Ｖ’＝Ｖ＋Ｅが、固定子巻線３の両端間に印加されている。なお、従来例と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。
【００５９】
図５（ａ）は可動子１０が時間ｔに対して正弦波状に変化する振幅変位を示しており、駆動部３２の可動子挙動検知部３３は、検知した可動子１０の挙動に基づいて、交番電圧出力部３４が出力する固定子巻線電流ｉの瞬時値を制御することで固定子巻線電流ｉの波形を形成して共振系の運動に必要な加振力を発生させている。このとき、共振系の構造および負荷によって必要な加振力が異なるため、共振系の構造および負荷によって固定子巻線電流ｉの波形も異なり、固定子巻線電流ｉの波形は、必要な加振力に応じて、例えば図５（ｂ）〜（ｈ）に示されるような各波形に形成される。ここで、図５（ｂ）は三角波状、図５（ｃ）は２等辺三角状、図５（ｄ）は半円状、図５（ｅ）は台形状、図５（ｆ）はノコギリ波状、図５（ｇ）はリプルを含んだ略半円状、図５（ｈ）はリプルを含んだ略三角波状の固定子巻線電流ｉを各々示している。
【００６０】
このとき、従来例と同様に可動子挙動検知部３３は、センサ部３１が出力する検知信号に基づいて、可動子１０の変位最大点Ｐｍａｘ（速度０点）を検出し、交番電圧Ｖの印加タイミングを決定する。そして、可動子１０の往復運動に同期させるため、変位最大点Ｐｍａｘから位相Ｔｐｈ経過後に交番電圧Ｖを印加時間Ｔｏｎの間印加するが、ここで可動子１０の挙動に応じて交番電圧Ｖの位相時間Ｔｐｈを増減させることで、固定子巻線電流ｉを制御し、可動子１０の振幅を一定に制御する。このように可動子１０がその移動方向を反転させる変位最大点Ｐｍａｘを基準に、可動子１０の運動状態に合わせて位相Ｔｐｈ経過後に交番電圧Ｖを印加する位相制御を行うと、可動子１０を高効率で駆動することができる。
【００６１】
さらに、可動子１０の運動状態に合わせて交番電圧Ｖの印加時間Ｔｏｎを制御するパルス幅制御を行えば、急激な負荷増加や振幅運動の周波数増加等の場合に、可動子１０の挙動を妨げるブレーキとならないように固定子巻線電流ｉの波形を形成することができ、さらに高効率の駆動を行うことができる。上記位相Ｔｐｈによる位相制御と印加時間Ｔｏｎによるパルス幅制御とは、いずれか一方あるいは両方を用いてもよい。
【００６２】
上記図５（ｂ）〜（ｈ）に示される固定子巻線電流ｉの各波形は、図６（ａ）〜（ｈ）に示される各波形を組合わせることで形成されている。ここで、図６（ａ）は矩形波、図６（ｂ）は直線状に増加する波形、図６（ｃ）は指数関数状に増加する波形，図６（ｄ）は対数関数状に増加する波形、図６（ｅ）は直線状に減少する波形、図６（ｆ）は指数関数状に減少する波形、図６（ｇ）は対数関数状に減少する波形、図６（ｈ）は図６（ａ）〜（ｇ）の複合波形の各固定子巻線電流ｉを示している。
【００６３】
次に図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）は、固定子巻線３に交番電圧Ｖを印加して固定子巻線電流ｉを出力する交番電圧出力部３４の回路構成を各々示しており、図７（ａ）の交番電圧出力部３４は、制御電圧Ｖｓと制御電圧−Ｖｓとの間に接続されたＮＰＮ型のトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路で構成され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続中点とグランドとの間に固定子巻線３が接続される。そして、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、可動子挙動検知部３３から各ベース端子に入力される信号Ｓ１，Ｓ２で各々制御される。
【００６４】
図７（ｂ）の交番電圧出力部３４は、制御電圧Ｖｓとグランド間に接続されたＮＰＮ型のトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の直列回路、およびＮＰＮ型のトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路で構成され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の接続中点とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続中点との間に固定子巻線３が接続される。そして、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、可動子挙動検知部３３から各ベース端子に入力される信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で各々制御される。
【００６５】
図７（ｃ）の交番電圧出力部３４は、制御電圧Ｖｓとグランドとの間に接続された固定子巻線３とＮＰＮ型のトランジスタからなるスイッチング素子Ｑ１との直列回路で構成される。そして、スイッチング素子Ｑ１は、可動子挙動検知部３３からベース端子に入力される信号Ｓ１で制御される。
【００６６】
なお、図８（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＦＥＴで構成したものである。
【００６７】
次に、図７（ａ）、図８（ａ）の交番電圧出力部３４を用いて、図５（ｆ）のノコギリ波状の固定子巻線電流ｉを形成する場合のタイムチャートを図９（ａ）〜（ｆ）に示す。なお従来は、図９（ｅ），（ｆ）の破線に示すように、信号Ｓ１，Ｓ２を半周期毎に交互に印加時間Ｔｏｎの間、Ｈレベルにすることで、固定子巻線３間には図９（ｂ）の破線に示す矩形波状の交番電圧Ｖ’を発生させ、図９（ａ）の破線に示す三角波状の固定子巻線電流ｉを流していた。
【００６８】
しかし、本実施形態では、信号Ｓ１，Ｓ２を、図９（ｃ），（ｄ）に示すような印加時間Ｔｏｎ内でＨレベル、Ｌレベルの切換を繰り返すパルス状にしており、交番電圧Ｖ’も図９（ｂ）に示すような印加時間Ｔｏｎ内で断続的にオン・オフを繰り返すパルス波形となり、固定子巻線電流ｉは図９（ａ）に示すように可動子１０の振幅変位に対して半周期毎に同期したノコギリ波状となる。
【００６９】
図１０（ａ）〜（ｆ）は、図７（ｂ）、図８（ｂ）の交番電圧出力部３４を用いて、図５（ｆ）のノコギリ波状の固定子巻線電流ｉを形成する場合のタイムチャートを示しており、図１０（ｃ）〜（ｆ）に示すように信号Ｓ１をパルス状、信号Ｓ３をＨレベルとした半周期と、信号Ｓ２をパルス状、信号Ｓ４をＨレベルとした半周期とを交互に繰り返すことで、交番電圧Ｖ’は図１０（ｂ）に示すように印加時間Ｔｏｎ内で断続的にオン・オフを繰り返すパルス波形となり、固定子巻線電流ｉは図１０（ａ）に示すように可動子１０の振幅変位に対して半周期毎に同期したノコギリ波状となる。
【００７０】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図７（ｃ）、図８（ｃ）の交番電圧出力部３４を用いて、図５（ｆ）のノコギリ波状の固定子巻線電流ｉを形成する場合のタイムチャートを示しており、図１１（ｃ）に示すように信号Ｓ１を１周期毎に印加時間Ｔｏｎの間、パルス状とすることで、交番電圧Ｖ’も図１１（ｂ）に示すように印加時間Ｔｏｎ内で断続的にオン・オフを繰り返すパルス波形となり、固定子巻線電流ｉは図１１（ａ）に示すように可動子１０の振幅変位に対して１周期毎に同期したノコギリ波状となる。
【００７１】
また、図９〜図１１ではノコギリ波状の固定子巻線電流ｉを形成しているが、固定子巻線電流ｉは、図５（ｂ）〜（ｈ）に示される各波形のうち必要な加振力を得ることができる波形に形成されればよく、最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成するために、図６（ａ）〜（ｈ）に示される各波形を組合わせる。図６（ａ）〜（ｈ）に示される各波形を形成するために、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の駆動信号Ｓ１，Ｓ２の各波形は、図１２（ａ）〜（ｈ）に示される各波形や、図１２（ａ）〜（ｈ）に示される各波形の複合波形を用いてパルス状に形成される。ここで、図１２（ａ）は矩形波、図１２（ｂ）は直線状に増加する波形、図１２（ｃ）は指数関数状に増加する波形，図１２（ｄ）は対数関数状に増加する波形、図１２（ｅ）は直線状に減少する波形、図１２（ｆ）は指数関数状に減少する波形、図１２（ｇ）は対数関数状に減少する波形、図１２（ｈ）は図１２（ａ）〜（ｇ）の複合波形を示している。
【００７２】
次に、センサ部３１の構成例について、図１３（ａ）〜（ｃ）、図１４、図１５を用いて以下説明する。まず、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、可動子１０の一部に隙間Ｘを有するスリット１０ａを設け、固定子１にはセンサ部３１として、発光素子３１ａと受光素子３１ｂからなるフォトセンサを設ける。そして、図１４に示すように、発光素子３１ａはＬＥＤ１で構成され、受光素子３１ｂは、抵抗Ｒ１とフォトトランジスタＰＴ１との直列回路と、抵抗Ｒ２、Ｒ３の直列回路と、抵抗Ｒ１とフォトトランジスタＰＴ１のコレクタとの接続中点に反転入力端子を接続し、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続中点に非反転入力端子を接続したコンパレータＣｏｍｐ１とから構成される。
【００７３】
まず、発光素子３１ａから出力された光が可動子１０に遮蔽された状態で（図１３（ａ））、フォトトランジスタＰＴ１のコレクタ電圧ＶａはＨレベルとなり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力ＶｂはＬレベルとなっている。そして、スリット１０ａは可動子１０とともに動き、可動子１０が振幅運動の一方側から中央位置に達した時に、発光素子３１ａからの光をスリット１０ａを介して受光素子３１ｂが受光開始し（時間ｔ１，ｔ３）、スリット３１ａの隙間Ｘが通過するまで受光を継続し、その間コレクタ電圧ＶａはＬレベルとなり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力ＶｂはＨレベルとなっている（期間Ｔｖ）。スリット３１ａの隙間Ｘが通過すると、発光素子３１ａから出力された光は可動子１０に遮蔽されて、コレクタ電圧ＶａはＨレベルとなり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力ＶｂはＬレベルとなる（期間Ｔｄ）。また可動子１０が振幅運動の他方側から動いた時は、中央位置に達する前に、発光素子３１ａからの光をスリット１０ａを介して受光素子３１ｂが受光開始し（時間ｔ０，ｔ２，ｔ４）、スリット３１ａの隙間Ｘが通過するまで受光を継続し、その間コレクタ電圧ＶａはＬレベルとなり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力ＶｂはＨレベルとなっている（期間Ｔｖ）。スリット３１ａの隙間Ｘが通過すると、発光素子３１ａから出力された光は可動子１０に遮蔽されて、コレクタ電圧ＶａはＨレベルとなり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力Ｖｂは半周期に亘ってＬレベルとなる（期間Ｔｗ／２）。
【００７４】
そして、駆動部３２の可動子挙動検知部３３は、受光素子３１ｂの上記出力から可動子１０の移動位置、周波数（１／Ｔｗ）を検知するだけでなく、（Ｔｗ／２）＞Ｔｄの関係から可動子１０の移動方向を検知することができ、交番電圧出力部３４は、これらの情報から必要な固定子巻線電流ｉの波形を最適なタイミングで投入することができる。
【００７５】
またセンサ部３１の別の構成としては、図１６に示すように、固定子１の中央近傍に検知巻線５を配置し、検知巻線５の出力を増幅する増幅回路３５と、増幅回路３５に出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路３６とを備えたものがあり、Ａ／Ｄ変換回路３６は駆動部３２内にデジタル信号を出力している。
【００７６】
図１７（ａ），（ｂ）は可動子１０の振幅変位と、検知巻線５の検知信号との関係を示す。可動子１０に取り付けられた永久磁石１１から発生して検知巻線５に鎖交する磁束は、可動子１０の往復運動によって変化する。したがって、検知巻線５には鎖交する磁束の変化に応じて誘導起電力が発生し、誘導起電力は、可動子１０の正弦波状の振幅変位（図１７（ａ））に対して位相が９０度遅れた正弦波状（図１７（ｂ））となり、この誘導起電力を検知信号として出力する。そして、検知巻線５に鎖交する磁束の変化は可動子１０の速度に比例すると考えられるので、検知信号は可動子１０の速度と相関した信号となる。この検知信号を増幅回路３５で増幅した後、Ａ／Ｄ変換回路３６でデジタル信号に変換して駆動部３２へ出力し、駆動部３２の可動子挙動検知部３３は、振幅、変位、速度、加速度、移動方向、周波数等の可動子１０の挙動情報を取り出し、可動子１０の運動状態を知ることができる。
【００７７】
なお、検知巻線５には、固定子巻線のような駆動に関わる巻線を利用してもよい。
【００７８】
このように、センサ部３１として、発光素子３１ａと受光素子３１ｂからなるフォトセンサを用いた構成、および検知巻線５を用いた構成の２例を示したが、検知部３１は可動子１０の挙動を検知するものであれば、その構成は限定されない。
【００７９】
次に、制御部３０での固定子巻線電流ｉの波形形成動作について詳述する。
【００８０】
まず、固定子巻線３に誘起される誘導起電力Ｅを積極的に利用した固定子巻線電流ｉの波形形成動作について説明する。図４、図３１に示すように、固定子巻線３の電流波形は、固定子巻線３の両端間に印加される交番電圧Ｖと、可動子１０の挙動を反映する形で固定子巻線３に誘起される誘導起電力Ｅにより決まる。また図１８に示すように、可動子１０の振幅変位Ｚが０に近付いて可動子１０の速度が増加すると、固定子巻線３に鎖交する永久磁石１１の磁束の変化も大きくなり、誘導起電力Ｅが増加する。その結果、図３０に示す誘導起電力Ｅがない場合の固定子巻線電流ｉに比べて、図３１に示す誘導起電力Ｅがある場合の固定子巻線電流ｉは低減する。この現象は、コイルばね１４と可動子１０を備えた共振系で保存・変換されるエネルギーと、固定子巻線３のインダクタンスＬによって変換されるエネルギーとの可逆性により、共振系が本来必要とするエネルギーを固定子巻線３のインダクタンスＬを介して調整していると考えられる。そして、誘導起電力Ｅによって固定子巻線電流ｉの瞬時値が低下すれば、固定子巻線３の抵抗Ｒによる損失が低減するので、電気エネルギー→磁気エネルギー→機械エネルギーの順に変換されて可動子１０の往復運動に使用可能なエネルギー量は増大し、高効率での駆動が可能となる。このように誘導起電力Ｅを積極的に利用して固定子巻線電流ｉを形成した場合、可動子１０の挙動をスムーズに変化、維持することができる。
【００８１】
例えば、図７（ａ）〜（ｃ）および図８（ａ）〜（ｃ）に示す交番電圧出力部３４の回路構成を用いて図９〜図１１に示す動作を行う場合に、誘導起電力Ｅを考慮せずに、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動する信号Ｓ１，Ｓ２と固定子巻線３のインダクタンスＬのみを考慮すると、信号Ｓ１，Ｓ２のデューティ比、周期が一定であれば図１９に示すよう徐々に増加する固定子巻線電流ｉとなり、瞬時電流値が必要以上に大きくなる。このことは、図２０（ａ）に示すように信号Ｓ１，Ｓ２のオンデューティを徐々に小さくすることで、固定子巻線電流ｉをある程度低減できる。
【００８２】
しかし、信号Ｓ１，Ｓ２のオンデューティの制御だけでなく、誘導起電力Ｅを積極的に利用することで、図２０（ｂ）に示すように、図２０（ａ）の固定子巻線電流ｉより小さい最適な固定子巻線電流ｉを形成できる。したがって、上記説明したようにセンサ部３１によって可動子１０の挙動を検知し、この検知した挙動に応じて誘導起電力Ｅを予測して、可動子１０とコイルばね１４を備えた共振系の駆動に最適な固定子巻線電流ｉの波形を誘導起電力Ｅを積極的に利用して交番電圧出力部３４で生成して、共振系が必要としている電流を固定子巻線３に出力することで高効率化を図ることができる。
【００８３】
次に、可動子１０の位置、位置変化によって発生する固定子巻線３のインダクタンスＬまたはインダクタンスＬの変化を利用して最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成する動作について説明する。インダクタンスＬは、固定子巻線３と可動子１０が具備する永久磁石１１との間に生じるインダクタンスが可動子１０の往復運動に伴って増減することで変化する。ここで、図２１は、誘導起電力Ｅがある場合の固定子巻線電流ｉの波形、固定子巻線３のインダクタンスＬおよびその変化を示し、インダクタンスＬは可動子１０の位置、位置変化によって変化している。そして、センサ部３１によって検知した可動子１０の挙動に応じて、このインダクタンスＬまたはインダクタンスＬの変化を予測し、最適な固定子巻線電流の波形を形成するようにこの予測結果を利用することで、上記誘導起電力Ｅを積極的に利用した固定子巻線電流ｉの波形形成動作と同様に共振系が必要としている電流を固定子巻線３に出力することができ、さらにはインダクタンスＬの変化によって生じるリラクタンストルクを利用することで一層の高効率化を図ることができる。
【００８４】
次に、印加時間Ｔｏｎ内における交番電圧Ｖの印加を断続的に行い、交番電圧Ｖのオン時間とオフ時間の比を制御することによって、固定子巻線３が有するインダクタンスＬの特性を利用して最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成する動作について、以下詳述する。
【００８５】
例えば図７（ａ）〜（ｃ）および図８（ａ）〜（ｃ）に示す交番電圧出力部３４の回路構成において、図２２に示すようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動する信号Ｓ１，Ｓ２を印加時間Ｔｏｎ内で断続的にオン・オフすることで、断続的に印加される交番電圧ＶおよびインダクタンスＬの特性によって、固定子巻線電流ｉの波形はノコギリ波状の連続波形が形成される。信号Ｓ１，Ｓ２の断続的なオン・オフ動作は、オン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂとを交互に繰り返しており、このオン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂとを制御することで固定子巻線電流ｉの波形は変化する。すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の断続的なオン・オフ動作を制御することで、固定子巻線電流ｉの瞬時値を制御し、様々な電流波形を形成する。
【００８６】
図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、周期Ｔｃ内で、オン時間Ｔａ、オフ時間Ｔｂを各々可変とした時の固定子巻線電流ｉの各波形を示しており、Ｔａ１＞Ｔａ２＞Ｔａ３、Ｔｂ１＜Ｔｂ２＜Ｔｂ３としている。このとき、オン時間Ｔａでは固定子巻線電流ｉが増加し、オフ時間Ｔｂ内では固定子巻線電流ｉは減少し、オン時間Ｔａが大きいほどまたはオフ時間Ｔｂが小さいほど固定子巻線電流ｉは大きくなる。したがって、オン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂとの１セット毎に、オン時間Ｔａ、オフ時間Ｔｂを各々変化させることで、図２４（ａ）〜（ｃ）に示すように印加時間Ｔｏｎ内の固定子巻線電流ｉの波形を制御して最適な波形を形成できる。したがって、従来に比べて、可動子１０の運動に合わせて加振力（≒固定子巻線電流ｉの瞬時値）を多様に制御でき、必要なエネルギーを効率よく伝達して、高効率での駆動が可能となる。
【００８７】
また、上記誘導起電力Ｅを積極的に利用した固定子巻線電流ｉの波形形成動作、および固定子巻線３のインダクタンスＬまたはインダクタンスＬの変化を利用した固定子巻線電流ｉの波形形成動作、および印加時間Ｔｏｎ内における交番電圧Ｖの印加を断続的に行なう固定子巻線電流ｉの波形形成動作はいずれかを単独で用いてもよいが、これら３つの固定子巻線電流ｉの波形形成動作のうちいずれか２つ以上を組み合わせて用いれば、共振系により最適な電流波形を生成することができ、より高効率での駆動が可能となる。
【００８８】
図２５は、本実施形態の図５（ｆ）に示すノコギリ波状の固定子巻線電流ｉを固定子巻線３に出力した場合と、従来の図２８（ｄ）に示す三角波状の固定子巻線電流ｉを固定子巻線３に出力した場合との各駆動効率を示している。本実施形態（ノコギリ波状の固定子巻線電流）の場合、可動子１０の振幅が２ｍｍ（Ｂ１）の時に約１．６Ｗの電力消費（Ａ１）があり、従来（三角波状の固定子巻線電流）の場合、可動子１０の振幅が２ｍｍ（Ｂ２）の時に約２．０Ｗの電力消費（Ａ２）があり、本実施形態では約２０％の効率向上が可能となる。このように、固定子巻線電流ｉの波形は駆動効率に大きく影響している。
【００８９】
本実施形態においては上記のように、制御部３０は、センサ部３１によって可動子１０の挙動を検知し、この検知した挙動に応じて、可動子１０とコイルばね１４を備えた共振系の駆動に最適な固定子巻線電流ｉの波形を交番電圧出力部３４で生成して、共振系が必要としている固定子巻線電流ｉを固定子巻線３に出力することで、共振系の運動に対して過不足のない加振力を供給できるので、電気的な損失が低減して、共振系へのエネルギー伝達効率が向上し、共振系の運動状態に関わらず高効率での駆動が可能となる。また、共振系を構成する様々なアプリケーションに適した固定子巻線電流ｉの波形を形成でき、共振系のアプリケーションに関わらず、高効率での駆動が可能となる。
【００９０】
（実施形態２）
実施形態１では、オン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂとの１セット毎に各々制御したが、実際の制御では、可動子１０の往復運動の半周期または１周期毎のリアルタイム制御において、ＣＰＵ速度、ＲＯＭ容量等による制御装置の制約によって複雑な制御ができない場合がある。そこで本実施形態では、ＤＣモータの制御で行われるようなＰＷＭ制御のように、周期Ｔｃ（＝Ｔａ＋Ｔｂ）を一定とし、オン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂの比、すなわちデューティ比Ｔａ／Ｔｂを制御することで、複雑な制御システムを用いることなく、低コスト且つ高効率な制御を行う。
【００９１】
（実施形態３）
実施形態２では、周期Ｔｃを一定として交番電圧Ｖのオン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂの比（デューティ比Ｔａ／Ｔｂ）を制御することによって、最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成できることを示したが、本実施形態では、交番電圧Ｖのデューティ比Ｔａ／Ｔｂを一定とし、周期Ｔｃを制御するＰＦＭ制御を行う。ＰＦＭ制御を行った場合も、実施形態２と同様に、複雑な制御システムを用いることなく、低コスト且つ高効率に、最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成できる。
【００９２】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態２に示したように周期Ｔｃを一定として交番電圧Ｖのオン時間Ｔａとオフ時間Ｔｂの比（デューティ比Ｔａ／Ｔｂ）を制御するＰＷＭ制御と、実施形態３に示したように交番電圧Ｖのデューティ比Ｔａ／Ｔｂを一定として周期Ｔｃを制御するＰＦＭ制御との両方を、可動子１０の運動状態に合わせて行う。この場合も、複雑な制御システムを用いることなく、低コスト且つ高効率に、最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成できる。
【００９３】
（実施形態５）
実施形態１乃至４では、交番電圧Ｖを生成する電源として電池等も想定しており、固定子巻線電流ｉは、電源電圧（図４、図２９に示す電圧Ｖに相当する）に応じて増減する。可動子１０とコイルばね１４により構成される共振系の振幅運動を、例えば一定の振幅に保とうとすると、この電源電圧に合わせた制御が必要となる。そこで本実施形態では、図２６に示すように電池電圧が高い電圧（例えば図２６中のＶｘ）のときは、上記デューティ比Ｔａ／Ｔｂを減少させたり、上記周期Ｔｃ（＝Ｔａ＋Ｔｂ）を減少させたりして、固定子巻線電流ｉを減少させ、電池電圧が低い電圧（例えば図２６中のＶｓ）のときは、上記デューティ比Ｔａ／Ｔｂ増加させたり、上記周期Ｔｃ（＝Ｔａ＋Ｔｂ）を増加させたりして、固定子巻線電流ｉを増加させることで、可動子１０とコイルばね１４により構成される共振系に供給するエネルギーを略一定に保って、可動子１０の挙動、例えば振幅を一定に保つようにする。
【００９４】
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態１乃至５において、図１、図２に示すような振動型リニアアクチュエータに如何なる負荷がかかった場合でも可動子１０の挙動、特に振幅を一定に保つ制御を行う。例えば、振幅運動の１周期または半周期毎に可動子１０の挙動を図１３、図１７に示すセンサ部３１によって検知し、図２７に示すように可動子１０の狙いの運動状態である目標振幅よりも実際の振幅が大きければ固定子巻線電流ｉを減少させ、目標振幅よりも実際の振幅が小さければ固定子巻線電流ｉを増加させるように、実施形態１乃至４と同様の方法で、可動子１０の運動状態に合わせて可動子１０とコイルばね１４により構成される共振系に対してリアルタイムに最適な固定子巻線電流ｉの波形を形成することで、固定子１０の振幅を一定に保ち、且つ高効率で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態１の振動型リニアアクチュエータを示す構成図である。
【図２】同上の別の状態を示す構成図である。
【図３】同上の制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】同上の固定子巻線に交番電圧を印加する構成を示す概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｈ）同上の可動子動作に対する固定子巻線電流波形を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｈ）同上の固定子巻線電流波形を構成する波形を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）同上の交番電圧出力部を示す回路構成図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）同上の交番電圧出力部を示す回路構成図である。
【図９】（ａ）〜（ｆ）同上の固定子巻線電流を形成動作を示すタイムチャート図である。
【図１０】（ａ）〜（ｆ）同上の固定子巻線電流を形成動作を示すタイムチャート図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）同上の固定子巻線電流を形成動作を示すタイムチャート図である。
【図１２】（ａ）〜（ｈ）図６の各波形を形成する時のスイッチング波形を示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）同上のフォトセンサを用いたセンサ部の動作を示す概略図である。
【図１４】同上のフォトセンサを用いたセンサ部を示す構成図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）同上のフォトセンサを用いたセンサ部の動作を示すタイムチャート図である。
【図１６】同上の検知巻線を用いたセンサ部を示す構成図である。
【図１７】（ａ）（ｂ）同上の検知巻線を用いたセンサ部の動作を示すタイムチャート図である。
【図１８】同上の可動子動作に対する固定子巻線電流と誘導起電力の各波形を示す図である。
【図１９】同上の誘導起電力を考慮しない場合の固定子巻線電流の波形を示す図である。
【図２０】（ａ）は同上の誘導起電力を考慮せずにスイッチング動作を可変とした場合の固定子巻線電流の波形を示し、（ｂ）は同上の誘導起電力を考慮してスイッチング動作を可変とした場合の固定子巻線電流の波形を示す図である。
【図２１】同上の固定子巻線電流の波形、固定子巻線のインダクタンスおよびその変化を示す図である。
【図２２】同上の可動子動作に対する固定子巻線電流の波形を示す図である。
【図２３】（ａ）〜（ｃ）同上のＰＷＭ制御を示す図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）同上のＰＷＭ制御を用いた波形を示す図である。
【図２５】本実施形態と従来との各効率を示す図である。
【図２６】本発明の実施形態５の電池電圧に対する動作を示す図である。
【図２７】本発明の実施形態６の目標振幅に対する動作を示す図である。
【図２８】（ａ）〜（ｄ）従来の振動型リニアアクチュエータの動作を示すタイムチャート図である。
【図２９】従来の固定子巻線に交番電圧を印加する構成を示す概略図である。
【図３０】従来の固定子巻線電流の波形を示す図である。
【図３１】誘導起電力を考慮した従来の固定子巻線電流の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  固定子
２  電磁石
３  固定子巻線
１０  可動子
１１  永久磁石
１４  コイルばね
３０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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