(57)【要約】【課題】可動部が衝突した場合でも衝突状態から直ちに脱出してモータの破損を未然に防止する。【解決手段】単相インバータ２により駆動され、かつ、可動部としてのピストン５Ａ，５Ｂを往復運動させるリニアモータの制御装置に関する。ピストン５Ａの衝突を検出する衝突検出センサ８と、このセンサ８による衝突検出時にインバータ２の出力電圧の大きさを変化させるためのダウンカウンタ２５、加算器２６等と、前記出力電圧に重畳するオフセット電圧を変化させるためのカウンタ２７、乗算器２８、加算器２４等を備え、衝突検出時には前記出力電圧を直ちに減少させると共に前記オフセット電圧を増加させ、その後、前記出力電圧を復帰させる【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
前記可動部の衝突を検出する衝突検出センサと、このセンサによる衝突検出時に前記電力変換器の出力電圧の大きさを変化させる手段と、前記出力電圧に重畳するオフセット電圧を変化させる手段とを備え、
衝突検出時には前記出力電圧を直ちに減少させると共に前記オフセット電圧を増加させ、その後、前記出力電圧を復帰させることを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項２】
電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
前記可動部の衝突を検出する衝突検出センサと、このセンサによる衝突検出時に、その時の前記電力変換器の出力電圧が前回の衝突検出時の出力電圧よりも小さい場合には出力電圧を減少させると共にこの出力電圧に重畳するオフセット電圧を減少させ、かつ、衝突検出時の前記電力変換器の出力電圧が前回の衝突検出時の出力電圧よりも大きい場合には出力電圧を減少させると共に前記オフセット電圧を増加させる手段とを備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載したリニアモータの制御装置において、
前記可動部の衝突検出時に、出力電圧に重畳するオフセット電圧を補正することを特徴とするリニアモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアモータの制御装置に関し、詳しくは、電力変換器により駆動されてリニアモータの可動部としてのピストン等を往復運動させることにより気体を圧縮するコンプレッサ（いわゆるリニアコンプレッサ）用のリニアモータにおいて、特に可動部の位置検出センサを使用することなく可動部の衝突を防止するようにした制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、電力変換器により駆動される従来のリニアコンプレッサの駆動システムを示しており、この従来技術では、電力変換器として単相インバータを用い、リニアモータとして単相ボイスコイルモータを用いている。なお、この種のリニアコンプレッサは、冷蔵庫等の冷却装置において、膨張した冷媒ガスをシリンダ内のピストンの往復運動により圧縮する場合に使用されている。
【０００３】
図９において、１は直流電源、２は半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を有する単相インバータ、３はリニアコンプレッサ、４Ａ，４Ｂはリニアモータ、５Ａ，５Ｂはそれぞれ各モータ４Ａ，４Ｂにより駆動されて気体を圧縮する可動部としてのピストン、６はシリンダ、７はピストンの位置情報を得るための磁気センサ等の位置センサである。
【０００４】
この従来技術の動作を簡単に説明する。
直流電源１に接続された単相インバータ２により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧をリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。各モータ４Ａ，４Ｂにそれぞれ連結されたピストン５Ａ，５Ｂは、単相インバータ２が出力する周波数に応じて図の左右方向（ｘ方向）に往復運動を行い、シリンダ６内の気体を圧縮する。
【０００５】
このようなリニアコンプレッサ３では、気体の圧縮時と膨張時とでピストン５Ａ，５Ｂに対する平均圧力が異なると、ピストン５Ａ，５Ｂのｘ方向に沿った中心位置が変動することになる。その結果、最悪の場合にはピストン５Ａ，５Ｂ同士が衝突してリニアモータ４Ａ，４Ｂを破損するおそれがある。
【０００６】
上記不都合を回避するため、従来では、位置センサ７により検出したピストン５Ａの位置情報を制御に用いている。
ここで、図１０は単相インバータ２の制御ブロック図を示している。インバータ２の出力周波数指令を正弦波発振器１１に入力し、周波数指令を積分して得た位相角指令から正弦波テーブル等を参照することにより、所望の周波数の正弦波信号を得る。この正弦波信号とインバータ２の出力電圧指令（振幅指令）とを乗算器１２により乗算し、その結果に係数器１３，１４にて係数を乗じて出力電圧指令を得る。係数器１３から出力された出力電圧指令は加算器２４を介して比較器１６に入力されると共に、係数器１４から出力された出力電圧指令は比較器１７にそのまま入力される。
【０００７】
比較器１６，１７では、上記各出力電圧指令と、キャリア発生器１５から出力される三角波とがそれぞれ比較され、ＰＷＭパルスが生成される。このＰＷＭパルスは、分配器１８を経てデッドタイム生成手段１９により上下アームの短絡を防止するためのデッドタイムが付加された後、ゲートドライバ２０に入力される。ゲートドライバ２０では、ＰＷＭパルスに基づいて単相インバータ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対するゲート信号を生成し、これらのゲート信号によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン、オフすることにより、所望の振幅及び周波数を有する交流電圧を出力してリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。
【０００８】
この従来技術において、ピストン位置の制御は、次のように行っている。
すなわち、前記位置センサ７により検出した位置情報を直流分検出手段２１に入力してピストンのｘ方向の中心位置を検出する。また、ピストンの平均位置指令と、直流分検出手段２１により検出したピストンの中心位置との偏差を加算器２２により求める。そして、この偏差を位置調節器（比例調節器や比例積分調節器等）２３に入力してその出力である直流バイアスをオフセット電圧として加算器２４により一方の比較器１６側の出力電圧指令に重畳することで、ピストン５Ａ，５Ｂの中心位置の変動を防止している。
ここで、比較器１６側の出力電圧指令に正のオフセット電圧を重畳すると、ピストン５Ａ，５Ｂは軸方向の外側に向かって移動するものと仮定する。
【０００９】
なお、ピストンの位置を制御するために位置センサを備えたリニアコンプレッサの従来技術は、以下のように種々存在する（例えば、特許文献１〜３参照）。一方、位置センサ７はシリンダ６内に配置する必要があるが、シリンダ６の内部は圧力が高いため、位置センサ７の信号線を引き出すことは構造上、困難であると共に、コストが上昇する原因ともなる。このような点に鑑み、位置センサを使用せずに、リニアモータの電圧、電流を測定してピストン位置を推定するようにした自由ピストン圧縮機のピストン位置の測定方法及び装置も既に公知となっている（特許文献４参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２９１８８９号公報（段落［００２４］等、［図１］）
【特許文献２】
特開２００１−９０６６１号公報（段落［００３２］，［００３３］等、［図１］，［図２］，［図１０］）
【特許文献３】
特開２００２−１５５８６９号公報（段落［００２８］〜［００３４］，［００５０］，［００５８］等、［図１］，［図３］，［図７］）
【特許文献４】
特表平８−５０８５５８号公報（第７頁〜第８頁「発明の簡単な開示」、第９頁第１１行〜第１６行等）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した如く、ピストンの衝突を防止するために位置センサを使用する場合には構造上の問題やコスト上の問題がある。
また、特許文献４のごとく位置センサを用いずにピストン位置を制御する従来技術によれば、シリンダ内にピストンを配置する場合の不都合は回避できるが、モータ定数のばらつきやシリンダ内に充填されたガスの劣化、バネの劣化などにより、万が一、ピストンが衝突状態に陥った際にすばやく脱出できないことがあり、この衝突状態が長時間継続するとモータを破損するおそれがある。
【００１２】
そこで本発明は、ピストン等の可動部の位置センサを用いずに可動部の位置制御を行うリニアモータにおいて、仮に可動部が衝突した場合でも衝突状態から直ちに脱出してモータの破損を未然に防止するようにしたリニアモータの制御装置を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、前記可動部の衝突を検出する衝突検出センサと、このセンサによる衝突検出時に前記電力変換器の出力電圧の大きさを変化させる手段と、前記出力電圧に重畳するオフセット電圧を変化させる手段とを備え、衝突検出時には前記出力電圧を直ちに減少させると共に前記オフセット電圧を増加させ、その後、前記出力電圧を復帰させるものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、前記可動部の衝突を検出する衝突検出センサと、このセンサによる衝突検出時に、その時の前記電力変換器の出力電圧が前回の衝突検出時の出力電圧よりも小さい場合には出力電圧を減少させると共にこの出力電圧に重畳するオフセット電圧を減少させ、かつ、衝突検出時の前記電力変換器の出力電圧が前回の衝突検出時の出力電圧よりも大きい場合には出力電圧を減少させると共に前記オフセット電圧を増加させる手段とを備えたものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載したリニアモータの制御装置において、前記可動部の衝突検出時に、出力電圧に重畳するオフセット電圧を補正するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態が適用されるリニアコンプレッサ３’の駆動システムであり、図９と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
図から明らかなように、このリニアコンプレッサ３’では、ピストンの位置を検出するための位置センサが除去され、その代わりに、一方のピストン５Ａの後端部に、このピストン５Ａが他方のピストン５Ｂやシリンダ６の両端部内壁と衝突したことを検出する衝突検出センサ８が設けられている。ここで、衝突検出センサ８は、例えばピストン５Ａが他方のピストン５Ｂ方向へ所定距離以上、移動したことを検出する近接スイッチ等により構成されているが、モータの電流の変化を検出するセンサや衝突音を検出するセンサであってもよい。
【００１７】
図２は、本実施形態における単相インバータ２の制御ブロック図であり、請求項１記載の発明に相当している。この図において、図１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では図１０と異なる部分を中心として構成及び動作を説明する。
【００１８】
図２において、前記衝突検出センサ８から出力される衝突検出信号は、ダウンカウンタ２５に入力され、その出力はインバータ２の出力電圧指令（振幅指令）と共に図示の符号で加算器２６に入力されている。この加算器２６の出力信号は乗算器１２に入力されており、従来と同様に正弦波発振器１１からの正弦波信号と乗算される。
一方、前記衝突検出信号はカウンタ２７に入力され、その出力は乗算器２７においてゲインＫｏｆｆと乗算された後、係数器１３の出力側の加算器２４に入力されている。
【００１９】
上記構成において、ダウンカウンタ２５は、例えばピストン５Ａが他方のピストン５Ｂに衝突した場合に出力電圧指令の大きさを小さくするように作用し、カウンタ２７及び乗算器２８は、出力電圧指令に加えるオフセット電圧を増加させるように作用している。
【００２０】
ピストンの衝突時に、オフセット電圧を加算するだけでなく、出力電圧指令すなわちモータへの印加電圧を小さくする理由は、オフセット電圧のステップ変化に対するピストン位置の応答が遅いためである。一般にリニアモータのピストンは気体の共振周波数で運転されており、共振周波数以外でのピストンの位置応答は極めて遅くなる。よって、まず、モータへの印加電圧を小さくすることによってピストンの振幅は直ちに小さくなるため、衝突状態から迅速に脱出することが可能であり、これと同時にオフセット電圧を増加させることとした。
なお、衝突直後に減少させた出力電圧指令は、その後にゆっくりと復帰させる。
【００２１】
図３は、図２におけるピストン衝突時の動作を示す図、図４はピストン衝突時のダウンカウンタ２５の動作を示す図である。
図２のダウンカウンタ２５は、衝突検出信号をトリガとしてプリセットした値から減算することにより、図４に示すごとくのこぎり波状の波形を生成する。このダウンカウンタ２５の出力を出力電圧指令（衝突前の大きさをＶ１とする）から減じることで、出力電圧を図３のように減少させる。一方、カウンタ２７は衝突検出信号をカウントし、その出力に対し乗算器２８によりゲインＫｏｆｆを乗じて衝突時にオフセット電圧を増加させ、このオフセット電圧を加算器２４により出力電圧指令に加算する。
【００２２】
次に、図５は本発明の第２実施形態が適用される単相インバータ２の制御ブロック図であり、請求項２記載の発明に相当する。なお、リニアコンプレッサ３’の駆動システムは図１と同様の構成である。
前述した第１実施形態では、主としてピストンはシリンダ６の中心方向に移動してピストン５Ａ，５Ｂが相互に衝突することを想定している。これは主に、シリンダ６内は圧縮時のほうが膨張時に比べて圧力が高いため、ピストン５Ａ，５Ｂがシリンダ６の中心方向に移動するためである。しかし、経年変化などを考慮すると、場合によってはピストン５Ａ，５Ｂがシリンダ６の両端部内壁に衝突する場合もあるため、このようなときにも衝突状態から直ちに脱出する必要がある。
【００２３】
そこで、第２実施形態では、ピストン５Ａ，５Ｂが中心方向に移動して相互に衝突した場合（便宜的に中央衝突という）と外側方向に移動してシリンダ６の両端部内壁に衝突した場合（便宜的に外側衝突という）とを判別し、状況に応じたオフセット電圧を出力電圧に重畳して衝突状態から脱出するようにした。
なお、ピストン５Ａ，５Ｂ同士の衝突を未然に防ぐためにシリンダ６にストッパを設けることがあり、このような場合にピストン５Ａ，５Ｂがストッパに衝突するケースも本発明における中央衝突に含めるものとする。
【００２４】
図５において、図２との相違点を中心に説明すると、図５の実施形態では、衝突検出信号がダウンカウンタ２５及びカウンタ（アップダウンカウンタ）２７に入力されているほか、中央衝突判定器２９にも入力されている。この中央衝突判定器２９は、衝突検出信号及び出力電圧指令に基づいて中央衝突と外側衝突とを判別するものであり、その判別結果に応じてアップカウント指令またはダウンカウント指令をカウンタ２７に向けて出力する。
図５のその他の構成は図２と同様である。
【００２５】
ここで、図６は外側衝突の判定原理を示している。前述したように中央衝突と外側衝突との判別は、中外衝突判定器２９により行われる。
中央衝突時には出力電圧を減少させてオフセット電圧を増加させるため、図３、図６に示すように、少なくとも衝突時の出力電圧Ｖ１までは復帰できる。しかし、オフセット電圧を増加させるとピストンは外側に変位するので、外側衝突時には、図６に示すごとく前回の衝突時の出力電圧Ｖ１に復帰する前に出力電圧Ｖ２’にて再び衝突することになる。
【００２６】
そこで本実施形態では、前回の衝突時の出力電圧Ｖ１と今回の衝突時の出力電圧Ｖ２とを比較し、
Ｖ１＞Ｖ２ならば外側衝突と判定し、オフセット電圧を減少させる、
Ｖ１＜Ｖ２ならば中央衝突と判定し、オフセット電圧を増加させる、
ことにより、中央衝突時または外側衝突時で出力電圧に重畳するオフセット電圧を調整するようにした。
【００２７】
中外衝突判定器２９は衝突検出信号及び出力電圧指令に基づいて上記判定動作を行い、その判別結果に従ってカウンタ２７にアップカウント指令またはダウンカウント指令を出力する。カウンタ２７では、例えば外側衝突時は２つ減少させ、中央衝突時は１つ加算した値を出力することにより、出力電圧指令に重畳するオフセット電圧を変化させる。
これにより、中央衝突時または外側衝突時の何れの場合も、それぞれ適切なオフセット電圧を出力電圧指令に重畳して衝突状態から迅速に脱出することができる。
【００２８】
次いで、図７は本発明の第３実施形態が適用される単相インバータ２の制御ブロック図であり、請求項３記載の発明に相当する。なお、リニアコンプレッサ３’の駆動システムは図１と同様の構成である。
図７と図２の相違点を主に説明すると、図７においては、乗算器２８の出力及び出力電圧指令が補正テーブル３０に入力され、その出力が係数器１３側の加算器２４に加えられている。
【００２９】
上記補正テーブル３０は、図８のように構成されている。
すなわち、ピストンの衝突時に、その衝突した方向（中央衝突または外側衝突）に応じて、出力電圧指令とこれに重畳するオフセット電圧との関係を補正する。具体的には、図８の破線が衝突前の両者の関係であるとすると、中央衝突時には出力電圧に対するオフセット電圧の割合を増加させるように、また、外側衝突時には出力電圧に対するオフセット電圧の割合を減少させるように両者の関係を補正し、これらの関係により増加または減少させたオフセット電圧を加算器２４に向けて出力する。
【００３０】
これにより、衝突時以上の電圧を指令として次に出力した場合でも、中央衝突時及び外側衝突時の何れのケースでも再度衝突することなしに運転することができる。
なお、この実施形態における補正テーブル３０は、出力電圧とオフセット電圧との関係を規定したテーブルであるが、出力電流とこれに重畳するオフセット電圧との関係や、出力電力とこれに重畳するオフセット電圧との関係を規定したテーブルであってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ピストン等の可動部の位置センサを持たないリニアコンプレッサであっても、可動部の中央衝突や外側衝突を確実に検出して直ちに衝突状態から脱出することができ、モータの破損を防止してその長寿命化を達成することができる。また、衝突検出センサは必ずしもシリンダ内に配置する必要がないので、位置センサを用いる場合のような構造上、コスト上の問題も生じない等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態が適用されるリニアコンプレッサの駆動システムを示す図である。
【図２】第１実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図３】図２におけるピストン衝突時の動作を示す図である。
【図４】図２におけるピストン衝突時のダウンカウンタの動作を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図６】第２実施形態における外側衝突の判定原理を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図８】第３実施形態における補正テーブルの説明図である。
【図９】従来のリニアコンプレッサの駆動システムを示す図である。
【図１０】従来技術における単相インバータの制御ブロック図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：単相インバータ
３’：リニアコンプレッサ
４Ａ，４Ｂ：リニアモータ
５Ａ，５Ｂ：ピストン
６：シリンダ
８：衝突検出センサ
１１：正弦波発振器
１２，２８：乗算器
１３，１４：係数器
１５：キャリア発生器
１６，１７：比較器
１８：分配器
１９：デッドタイム生成手段
２０：ゲートドライバ
２４，２６：加算器
２５：ダウンカウンタ
２７：カウンタ
２９：中央衝突判定器
３０：補正テーブル
Ｑ１〜Ｑ４：半導体スイッチング素子
【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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