(57)【要約】【課題】リニアアクチュエータの可動子をはじめとする運動体に作用する動推力を正確に検出することができる力の検出方法を提供する【解決手段】試験用リニアアクチュエータ１の可動子３と負荷用リニアアクチュエータ２の可動子４との間に力センサ５を装着する。可動子４の変位を変位センサ６によって測定する。力センサ５によって検出された力と、変位センサ６によって検出された変位量とに基づいて試験用リニアアクチュエータ１が発生する動推力（電磁力）を推定する。【選択図】図１
2008022694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、
上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられる力センサと、
上記二つの運動体の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサと、
上記力センサの出力値と上記変位センサの出力値とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする運動体に作用する動推力の検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の運動体に作用する動推力の検出装置であって、
上記試験用の運動体又は上記負荷用の運動体に結合されるばねをさらに備えていることを特徴とする運動体に作用する動推力の検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の運動体に作用する動推力の検出装置の力学モデルに基づいて上記試験用運動体に作用する動推力を推定することを特徴とする運動体に作用する動推力の検出方法。
【請求項４】
試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられる力センサと、上記二つの運動体の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサとを備えた検出装置による運動体に作用する動推力の検出方法であって、
上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体とを同一の周波数で運動させ、上記力センサの出力と変位センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を検出することを特徴とする運動体に作用する動推力の検出方法。
【請求項５】
電磁駆動装置の可動子に作用する電磁力の検出装置であって、
試験用の電磁駆動装置の可動子に負荷を与える負荷用の可動子と、
上記試験用の可動子と上記負荷用の可動子との間に設けられる力センサと、
上記二つの可動子の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサと、
上記力センサの出力値と上記変位センサの出力値とに基づいて上記試験用の可動子に作用する上記電磁力を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする電磁力の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動体に作用する動推力の検出を行うための装置及び方法、さらに電磁力の検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、リニアモータ（アクチュエータ）は、可動子とばねなどを併用して、少ない損失で往復駆動できるので、コンプレッサなどのピストン駆動用に利用されている。さらに、共振を利用した駆動では、小さな入力電力で大きな駆動振幅を得ることができる。また、上記のようなリニアモータを用いたコンプレッサシステムは高効率を実現する。
これら用途のリニアモータやシステムを開発する上で、リニアモータの消費電力や効率を正確に評価する必要性が高まっている。
【０００３】
リニアモータの効率測定においては、リニアモータの出力（モータ発生推力とモータ速度の積）を測定する必要がある。
リニアモータの推力測定装置として、図１３に示す装置がある。すなわち、一方に試験用のリニアモータ、もう一方に模擬負荷用のリニアモータを用意して、それぞれの可動部を連結するロードセルにより推力を測定している。
具体的には、リニアモータ１の可動子３と、リニアモータ２の可動子４とを力センサ５を介して連結したものであり、力センサ５と変位センサ６によって可動子３、４に作用する力が検出される（特許文献１参照）。
上記従来の検出装置では、可動子３、４の両者が静止又は一定の速度で移動している場合には、可動子３、４に作用する力を力センサ５によって正確に検出することができる。
【特許文献１】特開２０００−２７０５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような構成では、可動子３、４の運動量が変化している場合（可動子３、４の質量が不変であるとすると、それらが加速又は減速している場合）には、可動子３、４に作用する動推力を正確に検出することができないという問題がある。ここでの動推力とは、リニアモータ１が発生する電磁力のことである。これは、可動子３、４及び力センサ５全体が一体となって移動するため、それら全体に作用する力を力センサ５が検出することになり、可動子３又は４にのみに作用する動推力を検出することができないからであり、時間変化（周波数変化）により、二つのリニアモータ１、２が発生する力に位相ずれが生じるからである。
【０００５】
また、リニアモータの出力である動推力を正確に測定することができないという問題もある。
特に、共振点付近での推力測定においては、模擬負荷側の力もロードセルにかかるため、実際に測定したいリニアモータの推力以上の力を測定してしまう。そのため、リニアモータシステムの効率測定が正確に行えないので、省エネ効果などの評価を難しくしている。
そして、模擬負荷ではなく、実際の負荷（コンプレッサ、成形機、プレスマシン）をリニアモータで駆動し、その間に力検出装置を設けた場合にも、上記の理由により正確な検出が行えない。すなわち、特許文献１において、力センサ５によって検出された力は、リニアモータ１が発生する動推力（電磁力）と、慣性力と、ばね力と、減衰力との総和（ばねが取り付けられたリニアモータ１が外部に対して出す力）であり、リニアモータ１が発生する動推力（電磁力）を測定できない。
【０００６】
本発明は、上記従来の事情に鑑みて案出されたものであり、運動体の運動量が変化している場合であっても、その運動体に作用する動推力を正確に検出することができる運動体に作用する動推力の検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。すなわち、本発明は力センサで検出された力から、慣性力、ばね力及び減衰力を差し引くことによって、リニアモータの動推力（電磁力）を測定する方法を提供する。
また、本発明は、電磁駆動装置の可動子の運動量が変化している場合であっても、その可動子に作用する電磁力を正確に検出することができる電磁力の検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
この発明に係る運動体に作用する動推力の検出装置は、試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられる力センサと、上記二つの運動体の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサと、上記力センサの出力値と上記変位センサの出力値とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算手段とを備えていることを特徴としている。
この場合、上記試験用の運動体又は上記負荷用の運動体に結合されるばねをさらに備えていてもよい。
また、この発明に係る運動体に作用する動推力の検出方法は、請求項１に記載の力の検出装置の力学モデルに基づいて上記試験用運動体に作用する動推力を推定することを特徴としている。
さらに、この発明に係る運動体に作用する動推力の検出方法は、試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられる力センサと、上記二つの運動体の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサとを備えた動推力の検出装置において、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体とを同一の周波数で運動させ、上記力センサの出力と変位センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を検出することを特徴としている。
また、この発明に係る電磁力の検出装置は、電磁駆動装置の可動子に作用する電磁力の検出装置であって、試験用の電磁駆動装置の可動子に負荷を与える負荷用の可動子と、上記試験用の可動子と上記負荷用の可動子との間に設けられる力センサと、上記二つの可動子の少なくとも一方の位置を測定するための変位センサと、上記力センサの出力値と上記変位センサの出力値とに基づいて上記試験用の可動子に作用する上記電磁力を演算する演算手段とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
上記特徴構成を有するこの発明によれば、運動体に作用する動推力を、力センサの検出値と変位センサの検出値とに基づいて演算しているので、運動体の加速時又は減速時のように、運動体の運動量が変化している場合であっても、運動体に作用する動推力を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
運動体の例として、電磁駆動装置としてのリニアアクチュエータ（以下、ＬＡと略称する。）の可動子を用い、それに基づいて本発明の詳細を述べる。また、可動子に作用する動推力とはＬＡが発生する電磁力のことである。
【００１０】
図１は、この発明に係る検出装置の一実施の形態を示す。この実施の形態の検出装置においては、試験用ＬＡ１の可動子３と負荷用ＬＡ２の可動子４との間に力センサ５が装着されている。また、負荷用ＬＡ２の可動子４の変位が変位センサ６によって測定されている。変位センサ６としては、例えば非接触型のレーザ変位計が用いられる。なお、符号７は、可動子３を往復動可能に支持する軸受であり、この実施の形態では板ばねが用いられている。
【００１１】
図２にリニアアクチュエータ１の動推力検出の力学モデルを示した。図２の力学モデルは、図１に示す検出装置を力学モデルとしてあらわしたものである。試験用ＬＡ１の振動に関与する質量ｍＬＡは、試験用ＬＡ１の可動子３の質量ｍ１と振動に関与する板ばね７の質量ｍＳとの和である。力センサ５の質量は、ｍＬ１及びｍＬ２の２つに分けられる。力センサ５の減衰定数は無視してある。これは、力センサ５のばね定数によって生ずる共振周波数が、試験用ＬＡ１の駆動周波数範囲よりも十分に大きく動推力測定に影響を与えないためである。
これにより、ＬＡ１の動推力を検出するための装置の運動方程式は、次式（数１、数２）で表される。
【００１２】
【数１】
2008022694.tif 000003
【００１３】
【数２】
2008022694.tif 000004
【００１４】
ここに、Ｍ１：ｍＬＡとｍＬ１の質量の和（＝  ｍＬＡ＋ｍＬ１  ＝  ｍ１＋ｍｓ＋ｍＬ１）［ｋｇ］
ｘ１：試験用ＬＡ１の可動子３の変位量［ｍ］
ＫＬ：力センサ５のばね定数［Ｎ／ｍ］
ｘ２：負荷用ＬＡ２の可動子４の変位量［ｍ］
ＫＬＡ：試験用ＬＡ１のばね定数［Ｎ／ｍ］
Ｃ１：試験用ＬＡ１の減衰定数［Ｎｓ／ｍ］
ＦＬＡ：試験用ＬＡ１が発生する推力［Ｎ］
Ｍ２：ｍ２とｍＬ２の質量の和（＝  ｍ２＋ｍＬ２）［ｋｇ］
ｍ２：負荷用ＬＡ２の可動子４の質量［ｋｇ］
Ｃ２：負荷用ＬＡ２の減衰定数［Ｎｓ／ｍ］
ＦＬＤＭ：負荷用ＬＡ２が発生する推力［Ｎ］
【００１５】
上式から、図３のブロック線図が求められる。図３は従来の動推力測定方法（従来法）のブロック線図である。従来は、力センサ５の出力ＦＬを動推力としていた。力センサ５によって検出される推力ＦＬと試験用ＬＡ１の動推力の推定値Ｆｅは、それぞれ次式（数３、数４）で表される。
【００１６】
【数３】
2008022694.tif 000005
【００１７】
【数４】
2008022694.tif 000006
【００１８】
上式より、試験用ＬＡ１の動推力検出方法として図４のブロック線図が得られる。上式の動推力の推定値Ｆｅは、力センサ５の出力ＦＬと負荷用ＬＡ２の可動子４の変位量ｘ２からの演算値であるために、これを試験用ＬＡ１の動推力の推定値Ｆｅとする。図４に示すように、出力ＦＬと変位量ｘ２に基づいて推定値Ｆｅを演算するものが、本発明の演算手段である。さらに、推定値Ｆｅに重畳するノイズを低減するために後段にフィルタを設けても良い。
【００１９】
図５及び図６に、シミュレーションによって求めた、従来法での動推力（力センサ５の出力）ＦＬの周波数特性を示した。共振周波数ｆ  ＝  ３７．６Ｈｚにおいては、｜ＦＬ  ／  ＦＬＡ｜ ＝  ４．２  、｜ＦＬ  ／  ＦＬＤＭ｜ ＝  ４．４であり、出力ＦＬは、試験用ＬＡ１が発生する推力ＦＬＡだけでなく、負荷用ＬＡ２が発生する推力ＦＬＤＭの影響も受けている。また、周波数の変化によって出力ＦＬ及び位相θが変化することから、試験用ＬＡ１の動推力ＦＬＡが正確に検出できていないことが示されている。
【００２０】
図７及び図８に、シミュレーションによって求めた本発明の動推力検出方法（以下、提案法という。）での動推力の推定値Ｆｅの周波数特性を示した。周波数が１００Ｈｚ以下で試験用ＬＡ１の動推力ＦＬＡと推定値Ｆｅとの比  ｜Ｆｅ  ／  ＦＬＡ｜ ＝  １であり、位相θの遅れは０  °である。さらに、  ｜Ｆｅ  ／  ＦＬＤＭ｜ ＝  ０となっており、ＦｅにＦＬＤＭの影響は見られない。これにより、この提案法によって試験用ＬＡ１の動推力ＦＬＡを正確に検出できることが理論的に実証された。
【００２１】
図９に、シミュレーションによる従来法での動推力（力センサ５の出力）ＦＬと提案法による動推力の推定値Ｆｅとの比較を示した。従来法での動推力ＦＬは、動推力ＦＬＡよりも大きく誤差は１４％である。提案法ではＦＬＡ＝  Ｆｅとなり、誤差は０％で完全に一致している。
【００２２】
図１０に、実測による従来法での動推力ＦＬと提案法による動推力の推定値Ｆｅとの比較を示した。ＬＡの動推力の指標の一つとして推力定数Ｋｆと電流Ｉとの積がある。推力定数Ｋｆは静特性で得られる。ＬＡの場合、動推力は渦電流などの影響から静推力より小さいと考えられる。
【００２３】
図１０に示したように、従来法による動推力ＦＬはＫｆ  Ｉとの差が６４％であったのに対して、提案法の動推力の推定値ＦｅはＫｆ  Ｉより７％小さくなった。これにより、提案法が従来法よりも精度が高い動推力の検出ができることが分かる。
【００２４】
軸受７を構成する板ばねは、非線形特性を有しており、変位の大きさによっては板ばねの質量ｍＳを含むＭ１と試験用ＬＡ１のばね定数ＫＬＡとが、板ばねの非線形特性の影響を受ける。そのために、Ｍ１とＫＬＡのパラメータが動推力の推定値Ｆｅに与える影響について検討した。
【００２５】
図１１に、質量Ｍ１をパラメータとした試験用ＬＡ１の動推力の推定値Ｆｅを示した。Ｍ１が±５％変化すると動推力の推定値Ｆｅは±１１％増加する。よって、Ｍ１がＦｅに与える影響が大きい。また、Ｍ１において最も誤差が生じる原因は振動に作用する軸受７の質量ｍｓである。
【００２６】
図１２に、軸受７のばね定数ＫＬＡをパラメータとした試験用ＬＡ１の動推力の推定値Ｆｅを示した。ばね定数ＫＬＡが±５％変化すると動推力の推定値Ｆｅは±１１％増加する。よって、ばね定数ＫＬＡが推定値Ｆｅに与える影響も大きい。
【００２７】
前記の質量Ｍ１とばね定数ＫＬＡが推定値Ｆｅに与える影響が大きいことから、軸受７として質量が小さく、かつ変位に対して線形である板ばねを用いるほど高精度な動推力の検出を行うことができる。
【００２８】
以上より、本実施形態における検出装置によれば、運動体の運動量が変化している場合であっても、その運動体に作用する動推力を正確に検出することができる。また、負荷用ＬＡ２に板ばねが取り付けられていても上述の手法によって動推力の検出することができる。
なお、本実施形態において、力の対象をＬＡとしたが、これに限ることはなく、回転運動などの運動体であってもそれに作用する動推力を検出することができる。このとき、ばねはその運動体に適したものを用いることで作用する動推力を検出できる。
さらに、本提案法によれば、ばねがなくとも運動体に作用する動推力を正確に求めることもできることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る力の検出装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す検出装置の力学的モデルである。
【図３】従来の動推力測定装置を示すブロック線図である。
【図４】本発明の動推力測定装置のブロック線図である。
【図５】シミュレーションによる従来の動推力測定での動推力-周波数特性を示す図である。
【図６】シミュレーションによる従来の動推力測定での位相-周波数特性を示す図である。
【図７】シミュレーションによる本発明の動推力測定での動推力-周波数特性を示す図である。
【図８】シミュレーションによる本発明の動推力測定での位相‐周波数特性を示す図である。
【図９】シミュレーションによる従来の検出方法での動推力と本発明の検出方法での動推力との比較を示す図である。
【図１０】実測による従来の検出方法での動推力と本発明の検出方法での動推力との比較を示す図である。
【図１１】質量をパラメータとした試験用リニアアクチュエータの動推力の推定値を示す図である。
【図１２】軸受を構成する板ばねのばね定数をパラメータとした試験用リニアアクチュエータの動推力の推定値を示す図である。
【図１３】従来の運動体に作用する力の検出装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  試験用リニアアクチュエータ（電磁駆動装置）
２  負荷用リニアアクチュエータ
３  可動子（運動体）
４  可動子（運動体）
５  力センサ
６  変位センサ
７  軸受（板ばね）
【図１】
2008022694.tif 000007
【図２】
2008022694.tif 000008
【図３】
2008022694.tif 000009
【図４】
2008022694.tif 000010
【図５】
2008022694.tif 000011
【図６】
2008022694.tif 000012
【図７】
2008022694.tif 000013
【図８】
2008022694.tif 000014
【図９】
2008022694.tif 000015
【図１０】
2008022694.tif 000016
【図１１】
2008022694.tif 000017
【図１２】
2008022694.tif 000018
【図１３】
2008022694.tif 000019