(57)【要約】【課題】１つまたは複数のフォースコイル（１４、１８）を駆動するための方法とシステムを提供すること。【解決手段】第１のコイル（１４）に結合されたＰＷＭドライブ（１２）と、第２のコイル（１８）に結合されたリニアドライブ（１６）とを含む、フォースコイル（１４、１８）を駆動するためのシステム（１０）が提供される。ＰＷＭドライブ（１２）は第１の力を加えるために第１のコイル（１４）を効率的に駆動する。リニアドライブ（１６）は、実質的にノイズの無い第２の力を加えるために第２のコイル（１８）を駆動する。第１の力は第２の力より大きい。【選択図】図１
2008199887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のフォースコイル（１４）と、
前記第１のフォースコイル（１４）に結合された出力を有し、第１の力を加えるために前記第１のフォースコイル（１４）を駆動するように構成されるＰＷＭドライブ（１２）と、
第２のフォースコイル（１８）と、
前記第２のフォースコイル（１８）に結合された出力を有し、第２の力を加えるために前記第２のコイルを駆動するように構成されリニアドライブ（１６）と、を含み、前記第１の力は前記第２の力より大きく、前記第２の力は低いノイズを有する、
フォースコイルを駆動するシステム（１０）。
【請求項２】
前記ＰＷＭドライブ（１２）は、約−１００ｌｂｆ（約−４４４．８２Ｎ）から約＋１００ｌｂｆ（約＋４４４．８２Ｎ）を加えるために前記第１のフォースコイル（１４）を駆動するようにさらに構成され、前記リニアドライブ（１６）が、約−１ｌｂｆ（約−４．４４８Ｎ）から約＋１ｌｂｆ（約＋４．４４８Ｎ）を加えるために前記第２のフォースコイル（１８）を駆動するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記第１のフォースコイル（１４）は第３および第４のフォースコイルを含み、前記第３のフォースコイルは前記第４のフォースコイルに磁気的に結合され、前記第２のフォースコイル（１８）は、前記第３および第４のフォースコイルから磁気的に分離され、前記第２、第３および第４のフォースコイルはそれぞれ第１および第２の端子を有し、
前記ＰＷＭドライブ（１２）に結合された第１の端子と、前記第３のコイルの前記第１の端子に結合された第２の端子とを有し、前記第３のコイルの前記第２の端子が前記第２のコイル（１８）の前記第１の端子に結合される第１のインダクタ（３０）と、
前記ＰＷＭドライブ（１２）に結合された第１の端子と、前記第４のコイルの前記第２の端子に結合された第２の端子とを有し、前記第４のコイルの前記第２の端子は前記第２のコイル（１８）の前記第２の端子に結合される第２のインダクタ（３２）とをさらに含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（連邦政府支援研究開発に関する声明）
米国政府は、本発明について支払済みライセンスと、ＮＡＳＡによって付与された契約第０２−Ｃ−５０８０号の条項によって規定されるような妥当な条件で本特許権者が他者に使用を許可することを義務づけるための制限された状況における権利とを有する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般にフォースコイルの駆動に関し、より詳細には、広範囲の力の用途にわたって分解能、効率およびノイズを制御しながらフォースコイルを駆動するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々のプラットフォーム（例えば、航空機、自動車両、船舶、宇宙船および建築物）が、それらに取り付けられて無振動環境を必要とするペイロード（例えば、ミラー、望遠鏡、レーザ、カメラおよび他の種類の感知デバイス）を保持している。能動アイソレータが無振動環境を提供するために用いられてきた。アイソレータは、プラットフォームにペイロードを接続し、プラットフォームの振動からペイロードを分離し、プラットフォームからペイロードに力を伝達してペイロードの方位を変化させまたはペイロードを指向させ、かつプラットフォームからペイロードに力を伝達して、ペイロードの振動を誘発する可能性がある、ペイロードに生じた力を消去する、４つの異なる主要な機能を実行する。
【０００４】
能動アイソレータの一例は、マルチステージ（例えば２つのフォースコイル）アクチュエータと組み合わせている受動Ｄストラットである。この受動Ｄストラットは、スプリングと、ストラットの制御軸に沿うこのスプリングに平行なダンパとを有する。このスプリングとダンパはペイロードをバスに接続し、アイソレータを制御軸に沿って「ソフト」に（つまり可動に）、他の全ての軸について「堅固」に（つまり実質的に固定して）分離する。力が加わらない場合（例えば、フォースコイルを介して）、スプリングはペイロードを中立位置に支持する。ダンパは、ペイロードがスプリングの共振振動数での振動に追い込まれるのを防止する。一般的なフォースコイルは、通電される（例えばフォースコイルドライブを介して）と制御軸に沿ってペイロードとプラットフォームに等しく、かつ逆向きの力を加える電気コイルである。フォースコイルが加える力の量は、フォースコイルを通して流れる電流の大きさに比例し、力の加わる方向は一般にこの電流の極性により決まる。
【０００５】
アイソレータを用いてプラットフォームの振動動作がペイロードに伝わるのを防止する場合、フォースコイルは圧縮しスプリング／ダンパが伸長する力を生じる電流レベルで駆動され、したがってペイロードを中立位置に維持するためにペイロードには力の変化がないように見える。これらの加えられる力は、直流から１００Ｈｚの振動数範囲にわたり、一般的に低い力の範囲（例えば、約１ポンド力（ｌｂｆ）（約４．４４８Ｎ）未満のピーク力で）であり、０．０００５ｌｂｆ（０．００２２２４Ｎ）の分解能を有する。これらの力はノイズ／リップルの無いものであることが望ましい。
【０００６】
アイソレータを用いて、ペイロード上に装着された装置によってペイロードに加わる力を消去する場合、フォースコイルは、プラットフォームに伝えているその力と等しくかつ逆向きの力を加え、一方ペイロード上のその力を消去し、それによってペイロードを中立位置に維持する。消去する力は、一般的に約１００Ｈｚ〜約３００Ｈｚの振動数範囲にわたり０．１ｌｂｆ（０．４４８２Ｎ）未満であり、約０．０００５ｌｂｆ（０．００２２２４Ｎ）の分解能を有する。この消去する力もノイズ／リップルが無いものであることが望ましい。
【０００７】
アイソレータを用いて、力を伝えペイロードを再定位する場合、その力は一般に既知であり、直接、指令されてよい。これらの力は、前に言及した、加えられた力より実質的に大きさが大きい（例えば、約１００ｌｂｆ（約４４４．８２Ｎ）までの）が、実質的により低い振動数に関連する（例えば０．０１Ｈｚ未満）。これらの力はペイロードを再定位するのに用いられるため、ノイズ／リップルが無いものである必要はないが、効率的に発生させなければならない。しかし、効率的な強い力の動作（例えばペイロード再定位のための）からノイズの無い弱い力の動作（例えば、ペイロードに装着された装置によってペイロードに加えられる力を消去するための）への移行は、ペイロードを揺り動かし振動を誘発することがある望ましくない力が加わることを防ぐように滑らかでなければならない。
【０００８】
これらの力のいくつかを加えるための一従来技術は、リニアドライブまたはパルス幅変調（ＰＷＭ）ドライブなどの単一ドライブによって駆動される単一フォースコイルの使用を含む。単一ドライブは、シングルエンドドライブまたはデュアルエンドドライブ（例えばＨブリッジドライブ）であってよい。シングルエンドドライブは、一般にフォースコイルと接地の間に精密な抵抗器を実装することによるなど、電流感知を組み込むのにより扱い易い。さらにシングルエンドドライブは、フォースコイルに駆動電流を単独で供給し、コモンモードオフセットを最小化するようにフォースコイル接地を基準にすることによって正確に動作させることができる。ほとんどの従来のドライブシステムは単一電源から電力供給されている。一般にシングルエンドドライブは２つの電源を必要とし、シングルエンドドライブのそれぞれの極性に対する別個の電源および第２の電源がシングルエンドドライブ用にシンクおよびソースパワーに対して与えられることになる。Ｈブリッジドライブは、接地を基準として単一電源から電力供給されてよい。
【０００９】
リニアドライブを用いる駆動では、所望の出力電流／力を得るために所望の一定の電圧ドロップを印加するので一般にノイズが無いと考えられる。しかし、リニアドライブは、必要とされる電圧を連続的に印加すると共に、供給電圧と所望の電圧の間の差異を低下させるために、一般に非効率である。フォースコイルの両端の平均電圧ドロップはゼロでありながら、全電力損失は、電流の供給電圧倍である。したがってリニアドライブロスは、コイルロスだけ減じた全電力損失である。
【００１０】
ＰＷＭドライブは、短い期間にわたってフォースコイルに２つの異なる電圧を印加し、この期間にわたって印加された平均電圧が実質的にこの期間にわたる所望の平均電圧に等しくなるように、それぞれの電圧状態にある時間のパーセンテージが制御される。出力ステージが飽和状態にある場合、ＰＷＭドライブの出力ステージは、２つの状態の間で切り替えられるので、ＰＷＭドライブが一般に最も効率的である。電力損失は、フォースコイル電流の飽和電圧倍であるので、これがＰＷＭドライブにおいて失われる電力を最小にする。ＨブリッジＰＷＭドライブでは、電流はＨブリッジＰＷＭドライブの２つの別のドライブを通して常に電流が流れ、したがって電力損失は、飽和電圧のフォースコイル電流倍の２倍である。
【００１１】
アクティブストラット内の力センサ、ペイロード上の加速度計、および擾乱検出としてペイロード上の慣性座標センサを用いてフォースコイルドライブ制御するのに、デジタル制御システムが使用されており、フォースコイルドライブ電流を決定するフィードバックを提供する。外部命令が再位置決めするためにデジタル制御システムに提供されてよい。この用途では、デジタル制御システムは、１６ビットデジタルアナログ（Ｄ−Ａ）コンバータを介してフォースコイルドライブに電流指令を出力する。電流の遠隔フィードバックも１６ビットアナログデジタル（Ａ−Ｄ）コンバータを介して提供される。もっと一般的には、１２ビットＤ−Ａコンバータ、Ａ−Ｄコンバータがこのような用途に対して使用される。前述の動作に対して適切に力を出力するようにフォースコイルを制御するために、フォースコイルは約−１００ｌｂｆ（約−４４４．８２Ｎ）〜約＋１００ｌｂｆ（約＋４４４．８２Ｎ）の範囲にわたり、約０．０００５ｌｂｆ（約０．００２２２４）の分解能を有して動作しなければならない。全範囲（つまり２００ｌｂｆ（８８９．６４Ｎ））を分解能（つまり０．０００５ｌｂｆ（０．００２２２４Ｎ））で割ると、４００，０００増分、または２３ビットの分解能のちょっと下を与える。１６ビットＤ−Ａのデジタル制御システムは３２，７６８ビットの分解能を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがってアイソレータと共に使用できる１つまたは複数のフォースコイルを駆動する方法およびシステムを提供することが望ましい。さらに詳細には、広い範囲にわたって現在入手可能であるものより高い分解能を有して１つまたは複数のフォースコイルを効率的に駆動する方法およびシステムを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性が、添付の図面および本発明のこの背景に関連して取得される本発明の引続く詳細な説明および添付の特許請求範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来のフォースコイル駆動システムで得られるより高い分解能で広い範囲にわたる出力としての力を生ずる１つまたは複数のフォースコイルを効率的に駆動するためのシステムおよび方法が提供される。例示の実施形態では、フォースコイルの第１のコイルに結合するための出力を有するパルス幅変調（ＰＷＭ）ドライブと、フォースコイルの第２のコイルに結合するための出力を有するリニアドライブとを含むフォースコイルを駆動するシステムが提供される。ＰＷＭドライブは、第１のコイルを駆動して第１の力を加えるように構成され、リニアドライブは、第２のコイルを駆動して第２の力を加えるように構成される。第１の力は第２の力より大きく、第２の力は低ノイズである。さらに詳細には、ＰＷＭドライブは、高い出力の力を効率的に生じるように第１のコイルを駆動する第１の電流信号を生成し、リニアドライブは、事前に決定された分解能を有する低い出力の力を生じるように第２のコイルを駆動する第２の電流信号を生成する。
【００１４】
他の例示の実施形態では、第１および第２のフォースコイルと、第１のフォースコイルに結合された出力を有するＰＷＭと、第２のフォースコイルに結合された出力を有するリニアドライブとを含む、フォースコイルを駆動するためのシステムが提供される。ＰＷＭドライブは、第１のフォースコイルを駆動して第１の力を加えるように構成され、リニアドライブは、第２のコイルを駆動して第２の力を加えるように構成される。第１の力は第２の力より大きく、第２の力は低ノイズである。
【００１５】
別の例示の実施形態では、フォースコイル・ドライブシステムの動作パラメータを確定するステップと、１つまたは複数の動作パラメータに基づき動作モードを決定するステップと、１つまたは複数の動作パラメータに基づきフォースコイル構成を選択するステップと、ＰＷＭドライブおよびリニアドライブのそれぞれに対しドライブタイプを決定するステップと、Ｈブリッジドライブが選択される場合、ＰＷＭスキームを選択するステップと、フォースコイル設計を選択するステップとを含む、ＰＷＭドライブおよびリニアドライブを備えるフォースコイル・ドライブシステムの製造方法が提供される。
【００１６】
本発明が、以下の図に関連して以降に説明されるであろう。図では同様の参照番号が同様の要素を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の以下の詳細な説明は、実際に単に例示であり、本発明またはその応用および本発明の使用を制限するものではない。さらに先行する本発明の背景または以下の本発明の詳細な説明において与えられる任意の理論によって制限されることもない。
【００１８】
本発明は、１つまたは複数のフォースコイルを駆動するためのシステムおよび方法である。より詳細には、本発明は、単一のドライバによって駆動された単一のコイルから現在入手可能であるものより高い分解能（例えば約０．０００５ｌｂｆ（約０．００２２２４Ｎ））で広い範囲にわたる出力の力（例えば約＋１００ｌｂｆ（約＋４４４．８２Ｎ）〜約−１００ｌｂｆ（約−４４４．８２Ｎ））を生ずる１つまたは複数のフォースコイルを駆動するシステムおよび方法である。一例示の実施形態では、１つまたは複数のフォースコイルを駆動するためのシステムおよび方法は、効率的に動作し、より低い力の範囲（例えば、約＋１．０ｌｂｆ（約４．４４８２Ｎ）〜約−１．０ｌｂｆ（約４．４４８２Ｎ））にわたり最小のノイズ／リップルを有する。
【００１９】
一般にこのシステムは、効率的に強い力（例えば、分解能約０．００６ｌｂｆ（約０．０２６６９Ｎ）で約＋１００ｌｂｆ（約＋４４４．８２Ｎ）〜約−１００ｌｂｆ（約−４４４．８２Ｎ））を生じる少なくとも１つのフォースコイルを駆動するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）ドライブと、低レベル、高い分解能、ノイズ／リップルの無い力（例えば、約０．０００１ｌｂｆ（約０．０００４４Ｎ）の分解能で約＋２．０ｌｂｆ（約＋８．８９６Ｎ）〜約−２．０ｌｂｆ（約−８．８９６Ｎ））を生じる少なくとも１つのフォースコイルを駆動するためのリニアドライブとを含む。本発明に用いたＰＷＭドライブは強い力のレベルの所で、最大効率を求めてフォースコイルを駆動するように動作させることができる。低レベルの、実質的にノイズの無い力の用途に対しては、ＰＷＭドライブは作動を停止でき、一方リニアドライブが最小ノイズでそのような力を提供する。構成によっては、デバイスは、ＰＷＭドライブの動作によって生じるリップルトルクをリニアドライブが打ち消すことで同時に動作可能であることもある。
【００２０】
ＰＷＭドライブとリニアドライブの組合せは、３つの動作モードを有する。第１のモード（モード１）の間、ＰＷＭドライブをシステムの最大駆動効率で作動させる。リニアドライブが作動できないかまたは作動停止であるモード１で動作する場合、ＰＷＭドライブのアクティブドライブ出力ステージデバイスは「オフ」であり、ＰＷＭドライブに付随するフライバックダイオードは、負荷電流がゼロに減衰するまで負荷電流を維持する。代替的実施形態では、電流指令をゼロにさせるまでの間、リニアドライブはアクティブを維持しそれによってリニアドライブが再起動される場合の過渡電流を最小にする。
【００２１】
第２のモード（モード２）の間、力のレベルがリニアドライブの性能より大きい場合のノイズ／リップルを最小にして駆動するために、両方のデバイスが作動される。モード２で動作し、ＰＷＭドライブが作動停止である場合、ＰＷＭドライブのアクティブドライブ出力ステージデバイスは「オフ」であり、ＰＷＭドライブに付随するフライバックダイオードは、負荷電流がゼロに減衰するまで負荷電流を維持する。ＨブリッジＰＷＭドライブとして構成されたＰＷＭドライブを有する代替的実施形態では、ＨブリッジＰＷＭドライブは、フォースコイル電流をゆっくりゼロに減衰させながら効果的にフォースコイルが短絡される状態で動作するように制御可能である。この代替的実施形態は、モード２の間のフォースコイルの逆起電圧が不足して減衰後に電流がゼロになる場合に有用である。第３のモード（モード３）の間、リニアドライブは作動され、ノイズ／リップルを最小化する動作のためＰＷＭドライブは作動停止される。
【００２２】
リニアドライブおよびＰＷＭドライブのそれぞれは、必ずしも限定されないが、シングルエンドおよびＨブリッジを含む種々の構成を有してよい。動作の間、シングルエンドＰＷＭドライブは、フォースコイル両端への正電圧供給と、フォースコイル両端への負電圧供給の、２つの動作状態を有する。シングルエンドＰＷＭドライブは、所望の平均電圧を得るために、この２つの供給電圧の間で切り替わる単一のＰＷＭスキームを有する。ＨブリッジＰＷＭドライブは、供給電圧がフォースコイルの正端子に結合され、負端子が第１の状態の接地に結合される場合と、フォースコイルの両端子が第２の状態の接地に結合される場合と、供給電圧がフォースコイルの負端子に結合され、正端子が第３の状態の接地に結合される場合と、フォースコイルの両端子が第４の状態の供給電圧に結合される場合の４つの動作状態を有する。第２の状態と第４の状態は共にフォースコイル両端にほぼゼロの電圧がかかる。いくつかの電位変調スキームが４つの異なる状態を用いて利用できる。第１の変調スキームの２状態スキームでは、ＰＷＭドライブが第１の状態と第３の状態の間で切り替わる。第２の変調スキームの３状態スキームでは、ＰＷＭドライブが第１の状態と第２の状態の間で切り替わり、または第２の状態と第３の状態の間で切り替わる。ＰＷＭドライブ１２は、２状態スキームか３状態スキームのいずれか、および３動作モード（例えば、モード１、モード２またはモード３）の中の任意のモードで動作できる。
【００２３】
次に図を参照すると、図１は、本発明の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステム１０のブロック図である。ドライブシステム１０は、効率的なＰＷＭドライブ１２と、ＰＷＭドライブ１２に結合された粗フォースコイル１４と、リニアドライブ１６と、リニアドライブ１６に結合された微細フォースコイル１８とを含む。この例示の実施形態では、粗フォースコイル１４は、電気的、磁気的に微細フォースコイル１８とは分離されている。ＰＷＭドライブ１２は効率的に粗フォースコイル１４を駆動し、相対的に強い力（例えば、約±１００ｌｂｆ（約±４４４．８２Ｎ））を生じ、一方リニアドライブ１６は微細フォースコイル１８を駆動し相対的にノイズ／リップルの無い弱い力（例えば、約±１ｌｂｆ（約±４．４４８Ｎ））を生ずる。粗フォースコイル１４は相対的に強い力を生じるように構成され、微細フォースコイル１８は相対的にノイズ／リップルの無い弱い力を生じるように構成されている。フォースコイル・ドライブシステム１０は、それぞれのフォースコイル１４、１８が個別の性能に調整できるので非常に汎用性である。さらに、それぞれのドライブ１２、１６は、異なるドライブタイプ（例えば、１つがシングルエンドおよび他がＨブリッジ、または両方がシングルエンド、または両方がＨブリッジ）であってよく、ドライブ１２、１６が異なる供給源から電力供給されてよい。
【００２４】
一例示の実施形態では、Ｈブリッジドライブとして構成された両方のドライブ１２、１６を有し、ドライブシステム１０が、モード３（例えば、最小のノイズ／リップルのためにＰＷＭドライブ１２が作動停止で）とモード２（強い力の動作のために両方のドライブ１２、１６が作動されて）の間で動作され、ＰＷＭドライブ１２またはリニアドライブ１６を使用不可（例えば、Ｈブリッジドライブの全てのアクティブデバイスが「オフ」、またはＨブリッジドライブの低出力ステージのアクティブデバイスが「オン」である）とするどちらかの方法を用いることもできる。例えば、ＰＷＭドライブ１２の３状態動作の間に、ゼロ電流条件を生ずるためにＰＷＭドライブ１２が作動停止である場合、ＰＷＭドライブ１２の低出力ステージのアクティブデバイスは「オン」であり、電流は徐々にゼロに減衰する。ＰＷＭドライブ１２の全ての出力ステージのアクティブデバイスが「オフ」である場合、電流はもっと急速にゼロに減少する。
【００２５】
図２は、本発明の他の例示の実施形態によるＨブリッジＰＷＭドライブとシングルエンド・リニアドライブを有するフォースコイル・ドライブシステム４０のブロック図である。フォースコイル・ドライブシステム４０は、外部電源によって電力供給されたＨブリッジＰＷＭドライブ２０および接地と、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０に結合された粗フォースコイル１４と、シングルエンド・リニアドライブ２２と、微細フォースコイル１８とを含む。リニアドライブ２２は、２つの逆の極性の電源（例えば、＋第２のＤＣ電源および−第２のＤＣ電源）によって電力供給され、電流感知抵抗器２８を介して接地に接続される微細フォースコイル１８の１つの端子を持つシングルエンドとして識別される。フォースコイル・ドライブシステム４０は、追加的に、それぞれＨブリッジＰＷＭドライブ２０に接続された１つの端子と、接地された他の端子を有する電流感知抵抗器２４と、２６とを含む。
【００２６】
ＨブリッジＰＷＭドライブ２０は、粗フォースコイル１４の各端子を外部ＤＣ電源または接地のどちらか１つに接続されてよい。追加的に、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０は、粗フォースコイル１４の一端子、粗フォースコイル１４の他の端子、または両方の端子の所で常に、電流が供給され、または戻されることを確かめる、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０を駆動する制御ロジックを受け取り、したがって負荷電流が、電流感知抵抗器２４、２６の１つの両端の電圧降下を測定することによって検出される。測定された電流は、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０のデューティサイクルを制御するフィードバックとして用いることができる。シングルエンド・リニアドライブ２２は、接地に対して正電源と負電源（例えば、＋第２のＤＣ電源および−第２のＤＣ電源）の間で動作する。接地に接続された電流感知抵抗器２８を用いて、シングルエンド・リニアドライブのフィードバックループに導かれてよいコモンモードオフセットが最小化される。
【００２７】
図３は、本発明の別の例示の実施形態によるＨブリッジＰＷＭドライブ２０と、Ｈブリッジリニアドライブ３４とを有するフォースコイル・ドライブシステム４２のブロック図である。リニアドライブ３４は、外部ＤＣ電源と接地の間で電力供給されることによる、Ｈブリッジタイプとして識別される。粗フォースコイル１４は、引続きＨブリッジＰＷＭドライブ２０によって駆動され、インダクタ３０、３２が粗フォースコイル１４とＨブリッジリニアドライブ３４の間に接続される。電流感知抵抗器３６、３８が、やはり微細フォースコイル１８に直列に接続される。インダクタ３０は、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０と粗フォースコイル１４の一端子の間に接続され、インダクタ３２は、ＨブリッジＰＷＭドライブ２０と粗フォースコイル１４の他の端子の間に接続される。このインダクタ３０、３２は粗フォースコイル１４のインダクタンスに対して追加の直列インダクタンスを加える。この例示の実施形態では、インダクタ３０、３２は粗フォースコイル１４をＨブリッジリニアドライブ３４の急激な電圧エッジから分離し、それ以外の場合には、このようなインダクタ３０、３２なしでは、結果として伝導ノイズまたは放射ノイズを生ずることがある。インダクタ３０、３２およびフォースコイル１４、１８にわたる潜在的な浮遊容量によって生じることがある共振を抑えるためにインダクタ３０、３２に並列に付加的抵抗器（図示されていない）が追加されてよい。
【００２８】
図４は、本発明の例示の実施形態による並列にフォースコイル１４、１８を有するフォースコイル・ドライブシステム４４のブロック図である。ドライブシステム４４は、効率的なＰＷＭドライブ１２と、粗フォースコイル１４と、リニアドライブ１６と、微細フォースコイル１８とを含む。この例示の実施形態では、並列に連結されている粗フォースコイル１４と微細フォースコイル１８は、同一の非磁気的に結合されているコイルである。ＰＷＭドライブ１２とリニアドライブ１６は共に、並列に連結されたフォースコイル１４と、１８を駆動する。例えば、フォースコイル１４、１８のそれぞれの第１端子がＰＷＭドライブ１２に接続され、リニアドライブ１６およびフォースコイル１４、１８のそれぞれの第２端子がＰＷＭドライブ１２とリニアドライブ１６に接続される。両方のフォースコイル１４と１８が最大の力を出力するように使用され、リニアドライブ１６はＰＷＭドライブ１２の電流を流すように動作しそれによって効率を増すので、ドライブシステム４４は滑らかな移行を与えるように動作できる。フォースコイル１４、１８は、両方のコイル動作特性を合致するように構成され、ＰＷＭドライブ１２電流レベルを増やすことができる。
【００２９】
ドライブシステム４４は、モード１（例えば、ＰＷＭドライブ１２だけが「オン」で）またはモード３（例えば、リニアドライブ１６だけが「オン」で）で動作し、ドライブ１２と１６は共にＨブリッジドライブまたはシングルエンドドライブのどちらかである。ＰＷＭドライブ１２は２状態または３状態のどちらかで動作できる。リニアドライブ１６が、電流源ドライブである場合には、両方のドライブ１２、１６が同時に動作可能である。モード１からモード３に切り替わる場合、ＰＷＭドライブ１２が「オフ」に転じる前に、リニアドライブ１６が起動されることが好ましい。ＰＷＭドライブ１２が作動停止である場合、リニアドライブ１６の動作のためにＰＷＭドライブ１２の全ての出力ステージは、「オフ」に転じる。ＰＷＭドライブ１２が再起動される場合、移行の際の擾乱を最小にするためにリニアドライブ１６が作動停止される前に、ＰＷＭドライブ１２が、作動されることが好ましい。作動停止される場合、リニアドライブ１６は全ての出力ステージが「オフ」であるか、またはゼロ電流指令を発する。
【００３０】
図５は、本発明の別の例示の実施形態による並列にフォースコイル１４、１８を有するフォースコイル・ドライブシステム４６のブロック図である。この例示の実施形態では、粗フォースコイル１４と微細フォースコイルは並列に連結されている。ＰＷＭドライブ１２は、直列のインダクタ３０、３２によって並列に接続されたフォースコイル１４、１８から分離され、リニアドライブ１６は直接、並列に連結されたフォースコイル１４、１８の両端に接続されている。例えば、インダクタ３０、３２のそれぞれは、ＰＷＭドライブ１２に接続された一端子と並行に連結されたフォースコイル１４、１８の異なる端子に接続された他の端子を有する。この例示の実施形態では、ドライブシステム４６は、インダクタ３０、３２によって与えられた十分なインダクタンスを持ってモード１、モード２またはモード３で動作でき、ドライブ１２、１６は共にＨブリッジドライブかシングルエンドドライブのどちらかである。両方のドライブが、並列に連結されたフォースコイル１４、１８を駆動し、したがって強い力を出力することができ、一方弱い力の用途のための帯域幅も有する。
【００３１】
図６は、本発明の別の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステム５０のブロック図である。この例示の実施形態では、２つのフォースコイル６０、６２が、互いに磁気的に結合されそれによってフォースコイル６０、６２の全インダクタンスを最大にし、図５に図示された粗フォースコイル１４を置き換えている。微細フォースコイル１８は、粗フォースコイル６０、６２から磁気的に分離されている。フォースコイル６０、６２のそれぞれは、微細フォースコイル１８の異なる端子に接続される一端子を有するように、微細フォースコイル１８に直列に接続される。ドライブシステム５０は、それぞれフォースコイル６０、６２の異なる１つに接続されるインダクタ３０、３２も含む。例えば、フォースコイル６０の第１の端子はインダクタ３０に接続され、フォースコイル６０の第２の端子は微細フォースコイル１８の第１の端子に接続され、フォースコイル６２の第１の端子はインダクタ３２に接続され、またフォースコイル６２の第２の端子が微細フォースコイル１８の第２の端子に接続される。インダクタ３０、３２はドライブシステム５０から省いてもよい。
【００３２】
ＰＷＭドライブ１２はインダクタ３０、３２の自由端に接続され、リニアドライブ１６は微細フォースコイル１８の両端に直接接続される。粗フォースコイル６０、６２は、リニアドライブ１６からＰＷＭドライブ１２を分離する。この例示の実施形態では、コイルボリューム全体がＰＷＭドライブ１２の電力損失を最小にするように使用されるので、ドライブシステム５０は効率的である。さらにこの例示の実施形態は、帯域幅の要求のため微細フォースコイル１８を粗フォースコイル６０、６２とは別個に調整（例えば、フォースコイル重量および寸法を選択）可能とする。ドライブシステム５０は、粗フォースコイル６０、６２およびインダクタ３０、３２によって与えられた十分なインダクタンスを有してモード１、モード２、またはモード３で動作可能である。ドライブ１２、１６は、共にＨブリッジドライブかシングルエンドドライブである。ＰＷＭドライブ１２は、リニアドライブ１６が同時に作動される場合（例えばモード３の間）、２状態で動作する。ＰＷＭドライブ１２が作動停止である場合、ＰＷＭドライブ１２の全ての出力ステージは、リニアドライブ１６を動作可能とするように「オフ」である。作動停止される場合、リニアドライブ１６は全ての出力ステージが「オフ」であるか、またはゼロ電流指令を発する。コイル調整は、フォースコイル６０、６２、１８のワイア寸法を調整するより、むしろ粗フォースコイル６０、６２と、微細フォースコイル１８の物理的寸法の比を調整することによって遂行するのが好ましい。
【００３３】
図７は、本発明の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステムの製造方法２００の流れ図である。ドライブシステムは、ＰＷＭドライブおよびリニアドライブを含む。ドライブシステムの動作パラメータが、ステップ１０５に示したように決定される。例えば、最初に所望のドライブシステムの効率に関し、強い力の範囲と、対応する要求の帯域幅が決定される。さらに、ドライブシステムのための動作の最小ノイズ／リップル範囲と、対応する帯域幅と、要求される分解能が決定される。ステップ１１０で示したドライブシステムの動作モードが確定される。例示の実施形態では、動作モードがモード１、モード２およびモード３の１つ以上の組合せ（例えば、モード１とモード２の第１の組合せ、モード２とモード３の第２の組合せ、モード１とモード３の第３の組合せ、ならびにモード１、モード２およびモード３の第４の組合せ）から選択される。強い力の範囲とノイズ／リップル範囲の間のオペレーション時点での関係は、動作モードの選択に影響されることがある。応用例の中には、ドライブシステムがそれぞれの範囲に対して力を提供するように別個に動作可能であるものもある。他の応用例ではドライブシステムが特定のモードの動作に制限される。例えば、ＰＷＭリップルを消去するために、リニアドライブを使用し、ドライブシステムはモード３で動作する。ステップ１１５に示したようにフォースコイル構成が選択される。フォースコイル構成は、並列コイル構成、直列コイル構成および分離コイル構成から選択されてよい。動作の選択されたモードが、この選択に影響を及ぼすこともある。例えば、並列コイル構成が、より高い効率の動作に対して選択され、直列または分離コイル構成が帯域幅要求に適応するために選択されることがある。ＰＷＭドライブおよびリニアドライブに対してドライブタイプが、ステップ１２０に示したように選択される。例えば、ＰＷＭドライブおよびリニアドライブが、共にＨブリッジドライブ、共にシングルエンドドライブ、または１つがＨブリッジドライブ、１つがシングルエンドドライブであるように選択されてよい。ステップ１２５に示したようにＨブリッジドライブを選択する決定が為される。Ｈブリッジドライブが選択された場合、ステップ１３０に示したようにＰＷＭスキームが選択される。例えば、２状態ＰＷＭまたは３状態ＰＷＭスキームがドライブシステムに対して選択される。さらにＰＷＭ使用不可状態の条件、およびリニアドライブ使用不可状態の条件が決定される。例えば、ＰＷＭ使用不可状態の条件が、ＰＷＭドライブの全ての出力ステージが「オフ」になるかＰＷＭドライブの低出力ステージが常に「オン」になるいずれかとして選択される（例えば２状態ＰＷＭ動作の間）。さらに、リニアドライブ使用不可状態の条件が、リニアドライブの全ての出力ステージが「オフ」になるか、リニアドライブがゼロ電流指令を送信するかのいずれかとして決定される。ステップ１３５に示したようにフォースコイル設計が、決定される。例えば、フォースコイル（例えば、粗フォースコイル、および微細フォースコイル）のそれぞれの重量と寸法が、特定のコイル構成に対して最適化される。
【００３４】
前述の本発明の詳細な説明の中で少なくとも１つの例示の実施形態が提示されたが、膨大な数の変更形態が存在することを理解されたい。１つまたは複数の例示の実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、適用性、または構成を決して制限するものでないことも理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、当業者に本発明の例示の実施形態を実施するための便利なロードマップを提供することになる。添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲を逸脱することなく例示の実施形態で説明された要素の機能および配置に関し種々の変更が為され得ることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図２】本発明の他の例示の実施形態によるＨブリッジＰＷＭドライブとシングルエンド・リニアドライブを有するフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図３】本発明の別の例示の実施形態によるＨブリッジＰＷＭドライブとＨブリッジリニアドライブを有するフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図４】本発明の例示の実施形態による並列にフォースコイルを有するフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図５】本発明の別の例示の実施形態による並列にフォースコイルを有するフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図６】本発明の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステムのブロック図である。
【図７】本発明の例示の実施形態によるフォースコイル・ドライブシステムの製造方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  フォースコイル・ドライブシステム
１２  ＰＷＭドライブ
１４  粗フォースコイル
１６  リニアドライブ
１８  微細フォースコイル
２０  ＰＷＭドライブ
２２  リニアドライブ
２４  電流感知抵抗器
２６  電流感知抵抗器
２８  電流感知抵抗器
３０  インダクタ
３２  インダクタ
３４  リニアドライブ
３６  電流感知抵抗器
３８  電流感知抵抗器
４０  フォースコイル・ドライブシステム
４２  フォースコイル・ドライブシステム
４４  フォースコイル・ドライブシステム
４６  フォースコイル・ドライブシステム
５０  フォースコイル・ドライブシステム
６０  粗フォースコイル
６２  粗フォースコイル
【図１】
2008199887.tif 000003
【図２】
2008199887.tif 000004
【図３】
2008199887.tif 000005
【図４】
2008199887.tif 000006
【図５】
2008199887.tif 000007
【図６】
2008199887.tif 000008
【図７】
2008199887.tif 000009
【外国語明細書】
2008199887000001.pdf