(57)【要約】【課題】簡単且つ確実なやり方で、移動部分の速度を検出でき、またそれによって最適に調節するアクチュエータの減衰を検出できる、上述のような電気力学的なアクチュエータを提供する。【解決手段】検出巻線が移動部分に設けられており、計算ユニットが前記検出巻線と接続されており、該計算ユニットは磁界における前記移動部分の運動によって惹起された前記検出巻線における誘導電圧から該移動部の速度を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界を有する空心（１８）を形成する永久磁気的な静止部分（１０）及び前記空心（１８）内に設けられたコイル（２２）を有する移動部分（２０）とを包含し、該移動部分（２０）が前記コイル（２２）に供給される駆動電流に依存して、前記空心（１８）における磁界を移動する形式の、電気力学的なアクチュエータ（２）において、
検出巻線（２４）が前記移動部分（２０）に設けられており、
該検出巻線（２４）は計算ユニット（２８）と接続されており、該計算ユニット（２８）は磁界における前記移動部分（２０）の運動によって惹起された前記検出巻線（２４）における誘導電圧から該移動部（２０）の速度を検出することを特徴とする、電気力学的なアクチュエータ。
【請求項２】
前記計算ユニット（２８）は、前記コイル（２２）に供給される駆動電流の変化によって惹起される検出巻線（２４）に誘導される電圧に関して、前記移動部分（２０）の速度の検出を補償する、請求項１記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項３】
前記計算ユニット（２８）は、誘導係数によって乗算される駆動電流の導関数としての誘導補償を決定する、請求項２記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項４】
前記誘導係数は、前記空心（１８）において静止部分によって保持されているコイル（２２）の較正によって決定される定数である、請求項３記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項５】
前記誘導係数は、前記コイル（２２）と前記検出巻線（２４）との間の相互インダクタンスから導出される定数である、請求項３記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項６】
前記計算ユニット（２８）は、前記移動部分（２０）の速度の補償を決定している間に、相互インダクタンスに依存する周波数をフィルタリングする、請求項２から５までのいずれか１項記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項７】
前記計算ユニット（２８）は、前記コイル（２２）と前記検出巻線（２４）との間の容量性クロストークに関して、前記移動部（２０）の速度の検出を補償する、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項８】
前記計算ユニット（２８）は、容量係数と乗算された駆動電流の積分としてのクロストーク補償を決定する、請求項７記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項９】
前記容量係数は、前記コイル（２２）と前記検出巻線（２４）との間の分布キャパシタンスの逆数から導出される定数である、請求項８記載の電気力学的なアクチュエータ。
【請求項１０】
前記計算ユニット（２８）は、前記検出された速度に依存する減衰信号を形成し、該減衰信号は駆動電流に加算される、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気力学的なアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を有する空心を形成する永久磁気的な静止部分及び前記空心内に設けられたコイルを有する移動部分とを包含し、該移動部分が前記コイルに供給される駆動電流に依存して、前記空心における磁界を移動する形式の、電気力学的なアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気力学的なアクチュエータは、例えば医療用ベンチレータ及び他の関連する装置において気体の流れを調節する弁の制御にしばしば使用される。
【０００３】
しばしばボイスコイルとも称されるタイプの電気力学的なアクチュエータは、空心（空隙、air-gap）を形成するように設計されている永久磁気的な静止部分を包含する。比較的一定の磁界がこの空心内に存在する。移動部分がこの空心内に設けられている。この移動部分はコイルを包含する。駆動電流が磁界におけるコイルを流れることによって、移動部分には実質的に電流に比例する力が伝達される。
【０００４】
極めて正確な制御を達成するために、粘性減衰すなわち移動部分の速度に比例する減衰を有するアクチュエータを提供することが必要である。減衰は機械的なものであっても電気的なものであっても良い。
【０００５】
電気的な減衰と共に速度の検出は、減衰したがって移動部分の調節の高い正確度の実現性を保証するキー要素である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、簡単且つ確実なやり方で、移動部分の速度を検出でき、またそれによって、最適に調節するアクチュエータの減衰を検出できる、上述のような電気力学的なアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、検出巻線が移動部分に設けられており、前記検出巻線は計算ユニットと接続されており、該計算ユニットは磁界における前記移動部分の運動によって惹起された前記検出巻線における誘導電圧から該移動部の速度を検出することによって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
有利な改善形態及び実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００９】
磁界、コイル直径、巻数及び磁界における移動部分の速度に直接的に比例する誘導電圧は、コイル巻線の下方または近傍に巻き付けることができる検出巻線を用いて達成される。したがって、原理的にはこのタイプのアクチュエータの磁界である、一定の磁界によって、電圧は直接的に速度に比例することになる。このコンフィギュレーションにおいてコイルを流れる駆動電流は空隙における磁界に作用を及ぼすが、それは僅かな程度に過ぎない。検出巻線を、電流が巻線に導かれないように非常に小さい直径で形成することができる。
【００１０】
しかしながらこのコンフィギュレーションのタイプは問題がないわけではない。このコンフィギュレーションに存在する大きな問題は、検出巻線における付加的な誘導電圧によって惹起される所望の速度信号の摂動である。この付加的な誘導電圧は、駆動電流における変化及び２つの巻線の相互インダクタンスによって惹起される。
【００１１】
有利な実施形態において補償とは、コイルと検出巻線との間の相互インダクタンスから生じるエラー信号のために速度（またそれによって適切な減衰）を検出することである。コイル中の駆動電流の変化は検出巻線に電圧を誘導する。詳細には、補償は「誘導係数」によって乗算される駆動電流の導関数から決定され、また除去すべきエラー信号を直接的に測定することである。駆動電流の導関数が使用されるのは、この駆動電流が直接的に取得でき、且つそれと同時にコイルからの磁界に直接的に比例するからである。「誘導係数」は、異なる駆動電流において静止部分に保持された移動部分を有するアクチュエータを較正することによって取得される。較正された値は零信号となって現れる（磁界に関して移動部分が静止しているのであれば、電圧をもはや検出巻線には誘導されない）。
【００１２】
またアクチュエータは有利には、コイルと検出巻線との間の容量性クロストークの補償を決定できるように設計されている。容量性クロストークは、コイルと検出巻線との間の離散的な容量としてモデル化される。駆動電流の積分及び離散的な容量による積分の分割は、適切な補償を達成する。或る意味で上述の補償と同等である容量性補償を決定するために較正を実施することができる。
【００１３】
実施形態においては、駆動電流に適用される適切な減衰信号も検出される。
【００１４】
本発明による電気力学的なアクチュエータの実施例を図面に基づき、以下の説明において詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
電気力学的なアクチュエータ２が図１に概略的に示されている。アクチュエータ２は駆動電流源４を包含し、この駆動電流源４は駆動回路６を介して、参照記号８によって示されているアクチュエータの電気機械的な部分に駆動電流を供給する。
【００１６】
電気機械的な部分８のデザインが図２に示されており、この図からは電気機械的な部分８は永久磁気的な静止部分１０を包含し、この静止部分１０はこの実施形態においては外部部分１２、永久磁石１４及び内部部分１６に分割されていることが分かる。内部部分１６と外部部分１２とで１つの空心１８を形成する。空心１８は有利には管状である。永久磁石１４は空心１８に磁界を発生させる。内部部分１６及び外部部分１２は有利には軟強磁性材料から成る。磁界は原理的には半径方向に空心１８を通過し、空心１８における軸座標系の関数として実質的に一定である。
【００１７】
【数１】
2004173493.tif 000003
【００１８】
【数２】
2004173493.tif 000004
【００１９】
【数３】
2004173493.tif 000005
【００２０】
移動部分２０が空心における磁界を移動すると、電圧が検出巻線２４に誘導される。この電圧をリードアウト２６を介して測定することができる。
【００２１】
そのようにして検出された電圧は、図１に関連する計算ユニット２８に送られる。計算ユニット２８ではこの値が加算器３０に供給され、続けて減衰信号を形成する出力増幅器３２に供給される。この減衰信号は駆動電流源４における加算器３４に供給される。基準値形成器３６からの基準値も加算器３４に供給され、この加算器３４では計算ユニット２８からの減衰値を使用して基準値が修正され、駆動電流が所望の特性を有するように調節される。
【００２２】
加算器３４は減算器であってもよいことを言及しておく。数理的な演算（加算または減算）は結合される信号の符号に依存する。負の信号との加算は実際には減算であり、負の信号との減算は実際には加算である。ここでは減衰値は通例、駆動電流の大きさを低減させるものであり、したがって減衰値は負である。
【００２３】
誘導性妨害及び容量性妨害を補償するために、計算ユニット２８内には２つの補償分岐が存在する。
【００２４】
第１の補償分岐は、コイルにおける駆動電流が変化して磁束の変化が発生する際に生じる、検出巻線における誘導電圧を補償する。誘導電圧はコイルからの磁束の導関数に比例する。磁束自体は駆動電流に比例する。したがって補償はコイルについての駆動電流の導関数を基礎とすることができる。
【００２５】
駆動電流は、相互インダクタンスに依存する周波数を補償するためにロウパスフィルタ３８へと分流される。この相互インダクタンスを、金属材料（例えば内部部分１６）の存在により誘導渦電流及び磁束の拡がりに依存して、周波数を上昇させることによって減少させることができる。第１の増幅器４０は信号を「誘導係数」を用いて増幅し、この誘導係数は静止部分に保持されている移動部分を備えたアクチュエータの較正により適切に決定することができる。移動部分が動かない場合には信号は発生しない。何故ならば移動部分は磁界を移動しないからである。したがって較正は、零信号が達成されるまでの「誘導係数」の変化からなる。信号は微分器４２を通過し、この微分器４２は信号を微分する。このようにして増幅及び微分された信号は加算器３０に転送され、この加算器３０ではリードアウト２６からの信号が付加される。
【００２６】
第２の補償分岐は、コイルと検出巻線との間の容量性クロストークを補償する。これらの間の分布キャパシタンスについての離散値を受け取ることができる、または測定することができる。駆動電流はこの受け取られたまたは測定された値によって第２の増幅器４４において分割され、引き続き積分器４６において積分される。積分された信号は、減衰信号を加算的に補償するために加算器３０に転送される。
【００２７】
計算ユニットにおける上記の検出及び補償はソフトウェア、ハードウェアまたはこれら２つの組合せにおいて達成される。したがって計算ユニットを物理的ユニットとして構成する必要はなく、有利にはアクチュエータにおける異なる物理コンポーネントの間で機能的に分散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるアクチュエータの概略図である。
【図２】アクチュエータの機械的構成部品の概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
２  電気力学的なアクチュエータ、  ４  駆動電流源、  ６  駆動回路、  ８  電気機械的な部分、  １０  永久磁気的な固定部分、  １２  外部部分、  １４  永久磁石、  １６  内部部分、  １８  空心、  ２０  移動部分、  ２２  コイル、  ２４  検出巻線、  ２６  リードアウト、  ２８  計算ユニット、  ３０  加算器、  ３２  出力増幅器、  ３４  加算器、  ３６  基準値形成器、  ３８  ローパスフィルタ、  ４０  第１の増幅器、  ４２  微分器、  ４４  第２の増幅器、  ４６  積分器
【図１】
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【図２】
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