(57)【要約】  リニアアクチュエータは、ブラシレスＤＣモータと（３１）と、モータ（３１）に多相電圧信号を供給するための駆動回路（５１）と、ロータ位置を検出して、それに基づいて制御信号を駆動回路（５１）に供給するためのコントローラ（５８）と、を含む。検出回路部（６１）は、ロータ速度を示す示唆信号を検出する。コントローラ（５８）は、ロータ速度が所定の速度を超えていないことを示唆信号が示す場合には、第１波形の多相電圧信号でモータを駆動するよう駆動回路（５１）を制御し、ロータ速度が所定の速度を超えていることを示唆信号が示す場合には、第２波形の多相電圧信号でモータを駆動するよう駆動回路（５１）を制御するよう構成されている。第２波形は、第１波形による駆動よりも低い効率でモータ（３１）を駆動するように選択されたものである。【選択図】  図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のステータコイル（Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′）及び永久磁石ロータ（３２）を含むブラシレスＤＣモータ（３１）と、
前記ブラシレスＤＣモータ（３１）の前記ステータコイルに多相電圧信号を供給するよう構成された駆動回路（５１）と、
前記永久磁石ロータ（３２）の位置を検出し、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路（５１）に制御信号を供給するコントローラ（５８）と、
を含む、リニアアクチュエータ（２、３、１０、２０）であって、
当該リニアアクチュエータ（２、３、１０、２０）は、さらに、前記永久磁石ロータ（３２）の回転速度を示す示唆信号を検出する検出回路部（６１）を含み、
前記コントローラ（５８）は、さらに、
前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路（５１）を制御し、
前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路（５１）を制御するよう構成されており、
前記第２波形は、前記モータ（３１）を、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択されたものである、ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記ブラシレスＤＣモータ（３１）は、台形波の逆起電力を有するタイプのものであり、前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、前記ロータ位置に基づいて決定されるタイミングで、相電流を前記ステータコイル間で整流することで前記第１波形の前記多相電圧信号を供給するように構成されており、よって、前記多相電圧信号は、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する、ことを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記ブラシレスＤＣモータ（３１）は、正弦波の逆起電力を有するタイプのものであり、前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、前記第１波形の前記多相電圧信号を前記ロータ位置に基づいて供給することで、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する多相正弦波電圧信号として供給するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記ロータ位置に基づいて決定される前記タイミングとは異なるタイミングで、少なくとも１つの相電流を整流することによって、前記第２波形を供給するよう構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記多相電圧信号の周波数を、前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度に対応する前記周波数とは異なる周波数に、所定の期間にわたって変更することによって、前記第２波形を供給するよう構成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記多相電圧信号に対して、前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度に対応する前記周波数よりも高い周波数を有する信号を重畳することによって、前記第２波形を供給するよう構成されていることを特徴とする、請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記高い周波数の信号を所定の期間にわたって重畳するよう構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記高い周波数の信号を、前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される期間にわたって重畳するよう構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記コントローラ（５８）及び前記駆動回路（５１）は、さらに、前記高い周波数の信号を、前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される振幅で重畳するよう構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載のリニアアクチュエータを少なくとも１つ含む、アクチュエータシステム。
【請求項１１】
リニアアクチュエータ（２、３、１０、２０）の制御方法であって、前記リニアアクチュエータは、
複数のステータコイル（Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′）及び永久磁石ロータ（３２）を含むブラシレスＤＣモータ（３１）と、
駆動回路（５１）と、
コントローラ（５８）と、を含み、
当該方法は、
前記駆動回路（５１）から前記ブラシレスＤＣモータ（３１）の前記ステータコイルに多相電圧信号を供給し（１０１）、
前記永久磁石ロータ（３２）の位置を検出すること（１０２）と、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路（５１）に制御信号を供給し（１０３）、
前記永久磁石ロータ（３２）の回転速度を示す示唆信号を検出し（１０４）、
前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路（５１）を制御し（１０６）、
前記永久磁石ロータ（３２）の前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路（５１）を制御する（１０７）、各ステップを含み、
前記第２波形は、前記モータ（３１）を、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択される、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
コンピュータプログラムであって、コンピュータで実行されると、請求項１１に記載の前記ステップを実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
【請求項１３】
コンピュータで実行されると、請求項１１に記載の前記方法を実行させるプログラムコード手段を格納したコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータ、駆動回路及びコントローラを含むリニアアクチュエータと、少なくとも１つのリニアアクチュエータを含むアクチュエータシステムと、ブラシレスＤＣモータ、駆動回路及びコントローラを含むリニアアクチュエータの制御方法と、に関する。また、本発明は、コンピュータプログラム及びコンピュータ可読媒体にも関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアアクチュエータは、典型的には電気モータによる回転運動を、機械装置の直線運動に変換する装置である。一般的なリニアアクチュエータは、可逆電気モータ、典型的にはいくつかの減速段数を有するトランスミッション又は減速ギア、スピンドルナット及び作動部材（activation element）を含む。モータでスピンドルを回転させると、スピンドルナットがスピンドルに沿って移動し、これにより回転が作動部材の直線運動に変換される。
【０００３】
リニアアクチュエータに含まれる可逆電気モータには、様々な種類のモータが利用可能である。従来から最も多く利用されてきたモータの種類は、標準的なブラシ付きＤＣモータである。その理由は、設計の単純さ及び低コスト、並びに、ＤＣ電圧又はパルス幅変調電圧によって直接に速度制御が可能なことにある。ただし、ブラシレスＤＣモータを用いたリニアアクチュエータも知られており、その一例が、ＬｏｇｉｃＤａｔａ社に付与された米国特許第９０９３９３０号に記載されている。設計が異なって機械的なブラシを含まないことにより、ブラシレスＤＣモータは、より効率が高く、より信頼性が高く、より電磁干渉が少ない。半面、このモータは、よりコストが高く、より複雑な制御回路を必要とする。
【０００４】
リニアアクチュエータシステムは、例えば、トラック、農業機械、産業オートメーション機器、病院ベッドや介護ベッド、レジャーベッドや椅子、テーブル、その他の家具における高さ調節などの様々な用途、及び、これに類する他のいくつかの用途で利用されている。このような用途は、負荷を垂直方向に移動させるものが多く、リニアアクチュエータに、引張荷重と圧縮荷重の両方が、動的にも、静的にも作用しうる。特に、重量の大きな負荷の場合、負荷を上に持ち上げるには、負荷を下に降ろすのに比べてかなり大きなエネルギーを必要とする。換言すると、電気モータは、負荷を上方に移動させる時は、同じ負荷を下方に移動させる時よりも高いトルクを供給する必要がある。アクチュエータのスピンドルがセルフロックタイプ（self-locking）でない場合、負荷の降下に際し、スピンドルが、ひいては、負荷が、予定速度を超える速度に加速することを防止できる制動が必要である。
【０００５】
リニアアクチュエータのスピンドルがセルフロックタイプであるか、非セルフロックタイプであるかは、スピンドルのねじのピッチに依存する。ねじピッチが摩擦角より小さければ、そのスピンドルはセルフロックタイプであり、ねじピッチが摩擦角より大きければ、そのスピンドルは非セルフロックタイプである。なお、摩擦角は、材料、材料の機能、潤滑性、温度、例えば振動のような動的条件など、様々な要因に依存する。さらに、静摩擦と動摩擦の違いもあり、静摩擦は動摩擦よりも大きい。
【０００６】
リニアアクチュエータでは、非セルフロックタイプスピンドルの方がセルフロックタイプスピンドルよりも好ましい場合が多い。その理由の１つに、非セルフロックタイプスピンドルが、セルフロックタイプスピンドルに比べて高い効率で動作可能なこと、つまり、駆動に多くのエネルギーを消費する構成ではないことがある。他の理由として、非セルフロックタイプのスピンドルは、ねじピッチが大きいので、セルフロックタイプのスピンドルよりも高速で動作可能であり、よって、より調節を迅速に行えることがある。ただし、上述したように、非セルフロックタイプスピンドルを用いたリニアアクチュエータには、制動手段を設けて、所定の調節速度を超えることを防止したり、所定の位置を保持できるようにする必要がある。なお、調節速度に関し、非セルフロックタイプスピンドルを使用する場合、例えば、万が一、制動手段が故障した場合などには、回転を制御できなくなるリスクが潜在する。そのような場合、作動部材に（即ち、スピンドルナットに）作用する荷重によってスピンドルが回転し始め、この結果、作動部材がスピンドルの下端に向かって加速しながら移動する。従って、機械的な制動手段は、リニアアクチュエータ及び／又はリニアアクチュエータを備える装置の損傷を回避できるものでなければならない。
【０００７】
リニアアクチュエータに使用される機械的な制動手段としては、様々な種類のものが知られている。
【０００８】
既知の種類の制動機構の１つに、２つの円筒部材を円筒形コイルばねで相互に連結したものがある。これら２つの円筒部材の間に、ニードルベアリング（needle bearing）を配置し、２つの円筒部材のうちの一方の自由端と固定箇所との間に、摩擦円盤を設ける。スピンドルの回転の一方向においては、即ち、負荷を上方に移動させるときは、２つの円筒部材の相互連結が解除され、スピンドルは自由に回転できる。回転の逆方向においては、即ち、負荷を下方に移動させるときは、２つの円筒部材は互いに連結され、よって、摩擦円盤が作用してスピンドルを制動する。この制動機構は、制動機能に関しては問題ないものの、比較的多くの部品を含み、比較的高価であり、多くのスペースを占める。
【０００９】
より簡易な他の制動機構に、スピンドル端部の円筒部材、又は、トランスミッションの歯車の周りに、円筒コイルばねを配置したものがある。スピンドルの回転の一方向においては、即ち、負荷を上方に移動させるときは、ばねがゆるんで円筒部材から離れ、スピンドルは自由に回転できる。これは、巻き方向を有するばねが、回転の影響でばねの直径が広がって、ばねが円筒部材からほどけるように向けられて配置されていることによる。スピンドルが逆方向に回転するとき、即ち、負荷を下方に移動させるときは、ばねが円筒部材の周りに締め付けられ、制動力が作用する。よって、モータの電源を遮断しても、スピンドルは、そのままの状態に維持される。この制動力は、作動部材を初期位置に戻す際には、モータによって打消すことができるような大きさに調節されている。よって、制動機構は、作動部材を初期位置に向けて戻す際に作用し、つまり、制動機構は、作動部材の戻り速度を減衰させる。この制動機構では、ばねが実際に制動機構として機能し、つまり、ばね自体が制動力を付与する構成である。このような制動機構は、ＬＩＮＡＫ社に付与されたＥＰ特許第０６６２５７３号に記載されている。この制動機構は、効果的であり、比較的安価である。
【００１０】
しかしながら、機械式の制動機構は、追加の機械部品を必要とするので、追加のコストがかかり、リニアアクチュエータシステムが占める空間も大きくなる。また、追加の機械部品に機械的な摩耗も生じるので、数ある部品の中でも制動部品の摩擦は潤滑状態及び温度に依存するという事実と相まって、制動力に経時的な変化が生じさせることになりがちである。
【発明の概要】
【００１１】
したがって、本発明の実施形態は、負荷の下方移動に際し、重量の大きな負荷によって非セルフロックタイプのスピンドルが予定速度を超える速度に加速した場合に、機械的な制動機構に依らずに必要なブレーキ効果を作用させることができるリニアアクチュエータを提供することを目的とする。このようにすれば、機械的な制動機構の欠点を低減又は回避することができる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、複数のステータコイル及び永久磁石ロータを含むブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルに多相電圧信号を供給するよう構成された駆動回路と、前記永久磁石ロータの位置を検出し、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路に制御信号を供給するコントローラと、を含むリニアアクチュエータにより上記目的が達成される。上記目的を達成するために、前記リニアアクチュエータは、さらに、前記永久磁石ロータの回転速度を示す示唆信号を検出する検出回路部を含む。前記コントローラは、さらに、前記永久磁石ロータの前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御するよう構成されている。前記第２波形は、前記モータを、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択されたものである。
【００１３】
ブラシレスＤＣモータは、制動効果が不要な場合は第１波形で駆動され、速度の増加が検出されると、モータの効率を低下させる他の波形で駆動され、モータのエネルギーが放出され、この結果、所望の制動効果が達成される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、前記ブラシレスＤＣモータは、台形波の逆起電力を有するタイプのものである。前記コントローラ及び前記駆動回路は、前記ロータ位置に基づいて決定されるタイミングで、相電流を前記ステータコイル間で整流することで前記第１波形の前記多相電圧信号を供給するように構成されており、よって、前記多相電圧信号は、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する。
【００１５】
他の実施形態において、前記ブラシレスＤＣモータは、正弦波の逆起電力を有するタイプのものである。前記コントローラ及び前記駆動回路は、前記第１波形の前記多相電圧信号を前記ロータ位置に基づいて供給することで、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する多相正弦波電圧信号として供給するよう構成されている。
【００１６】
前記リニアアクチュエータの一実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記ロータ位置に基づいて決定される前記タイミングとは異なるタイミングで、少なくとも１つの相電流を整流することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。ある相から他の相への整流のタイミング又は角度位置を遅延又は先行させると、前記モータにより生成されるトルクが、ひいては、モータ効率が低下し、その結果、制動効果が達成される。
【００１７】
前記リニアアクチュエータの他の実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記多相電圧信号の周波数を、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する前記周波数とは異なる周波数に、所定の期間にわたって変更することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。多相電圧信号の周波数が変化すると、前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルにより生成される回転磁界と、前記ロータの回転との同期が外れる。これにより、トルクの生成及びモータの効率が低下し、制動効果が達成される。
【００１８】
前記リニアアクチュエータの他の実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記多相電圧信号に対して、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する前記周波数よりも高い周波数を有する信号を重畳することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。
【００１９】
この実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記高い周波数の信号を所定の期間にわたって、あるいは、前記永久磁石ロータの前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される期間にわたって重畳するよう構成されている。あるいは、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記高い周波数の信号を、前記永久磁石ロータの前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される振幅で重畳するよう構成されている。
【００２０】
アクチュエータシステムは、上述のリニアアクチュエータを少なくとも１つ含む。これにより、当該アクチュエータシステムは、上述したリニアアクチュエータの効果を享受することができる。
【００２１】
上述のように、本発明は、さらに、リニアアクチュエータの制御方法に関し、前記リニアアクチュエータは、複数のステータコイル及び永久磁石ロータを含むブラシレスＤＣモータと、駆動回路と、コントローラと、を含む。当該方法は、前記駆動回路から前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルに多相電圧信号を供給し、前記永久磁石ロータの位置を検出し、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路に制御信号を供給し、前記永久磁石ロータの回転速度を示す示唆信号を検出し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御する、各ステップを含む。前記第２波形は、前記モータを、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択される。
【００２２】
ブラシレスＤＣモータは、制動効果が不要な場合は第１波形で駆動され、速度の増加が検出されると、モータの効率を低下させる他の波形で駆動され、モータのエネルギーが放出され、この結果、所望の制動効果が達成される。
【００２３】
本発明は、また、コンピュータプログラムであって、コンピュータで実行されると、上述の前記方法の前記ステップを実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムにも関する。また、コンピュータで実行されると、上述の前記方法を実行させるプログラムコード手段を格納したコンピュータ可読媒体にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。
【００２５】
【図１ａ−１ｂ】アクチュエータシステムを用いた機械装置である。
【図２】リニアアクチュエータの実施例を示す模式図である。
【図３】リニアアクチュエータの他の実施例を前側から見た斜視図である。
【図４】図３のアクチュエータの縦断面を示す図である。
【図５】３相ブラシレスＤＣモータの実施例の模式的な構成を示す図である。
【図６】ブラシレスＤＣモータの駆動回路及び制御回路を示す図である。
【図７】３相ブラシレスＤＣモータにおける台形波の逆ＥＭＦの例を示す図である。
【図８】台形波の逆起電力を有する３相ブラシレスＤＣモータにおける３つの相間のモータ電流の切り換えの様子と、モータの生成トルクと、を示す図である。
【図９−１０】図５のブラシレスＤＣモータにおけるモータ電流の整流の様子を示す図である。
【図１１】３相ブラシレスＤＣモータにおける正弦波の逆起電力の例を示す図である。
【図１２】正弦波の逆起電力を有する３相ブラシレスＤＣモータにおける３つの相間のモータ電流の切り換えの様子と、モータの生成トルクと、を示す図である。
【図１３】ブラシレスＤＣモータ用の駆動回路と、速度検出器を備える制御回路と、を示す図である。
【図１４】ブラシレスＤＣモータの効率を下げるべく、当該モータにおけるある相から別の相へ整流を、ホール効果センサにより提示される角度位置とは異なる角度位置で行う様子を示す図である。
【図１５】ブラシレスＤＣモータの効率を下げるべく、当該モータに印加する波形をどのように調節するか示す図であり、印加する３相電圧の周波数を短期間だけ高くしていることが示されている。
【図１６】ブラシレスＤＣモータの効率を下げるべく、当該モータに印加する波形をどのように調節するか示す図であり、必要なブレーキ効果に基づく期間だけ、高い周波数の信号を通常の３相電圧に重畳して印加していることが示されている。
【図１７】ブラシレスＤＣモータの効率を下げるべく、当該モータに印加する波形をどのように調節するか示す図であり、必要なブレーキ効果に基づいて決定される振幅を有する高い周波数の信号を通常の３相電圧に重畳して印加していることが示されている。
【図１８】ブラシレスＤＣモータを備えるリニアアクチュエータを、当該モータの効率を下げるように制御する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１ａ及び図１ｂは、本発明を利用可能なアクチュエータシステムを用いる機械装置１を示す図である。装置１は、例えば、トラック、農業機械、産業オートメーション機器、病院ベッドや介護ベッド、レジャーベッドや椅子、テーブル、その他の家具における高さ調節などのいくつかの異なる用途、及び、これに類する他のいくつかの用途のいずれであってもよい。装置１は、リニアアクチュエータ２を含み、これは、ベース４と、負荷６が載置されている支持要素（carrying element）５との間に配置されている。あるいは、装置１は、２つ以上のリニアアクチュエータを含んでもよい。このようなアクチュエータは、負荷や物体を水平方向に移動させるためにも利用可能であるが、本明細書では、負荷を垂直方向、あるいは、少なくとも非水平方向に移動させる用途について説明する。このような用途では、リニアアクチュエータには、圧縮負荷と引張負荷（push and pull loads）の両方が、動的にも、静的にも作用しうる。リニアアクチュエータを図１ａ及び図１ｂに示すような垂直方向に配置することは、負荷を垂直方向に移動させるために必須ではない。リンク機構を用いれば、例えば、水平方向など、他の位置関係で配置したリニアアクチュエータによって垂直方向の移動を実現することができる。
【００２７】
図１ａでは、支持要素５及び負荷６は下降位置に示されているが、図１ｂでは、支持要素５及び負荷６は、リニアアクチュエータ２によって上昇位置まで持ち上げられている。
【００２８】
図２は、図１ａ及び図１ｂに示すリニアアクチュエータ２に対応するリニアアクチュエータ１０の実施例を模式的に示す。リニアアクチュエータ１０は、可逆電気モータ１２、典型的にはいくつかの減速段数を有するトランスミッション又は減速ギア１３、ねじ部１５を有するスピンドル１４、ねじ部１５に係合したスピンドルナット１６、及び、筒状の作動部材１７を含む。作動部材１７の一端には、取り付けブラケット１８が配置されており、これは、リニアアクチュエータ１０を、例えば、支持要素に取り付けるためのものである。モータ１２によってスピンドル１４を回転させると、スピンドルナット１６がスピンドル１４に沿って移動し、これにより回転が作動部材１７の直線運動に変換される。モータの種類によっては、可逆電気モータ１２がスピンドル１４を直接に駆動する構成にして、トランスミッション１３を省くことも可能である。
【００２９】
重量の大きな負荷の場合は特に、負荷を上に持ち上げるには、負荷を下に降ろすのに比べてかなり大きなエネルギーを必要とする。換言すると、電気モータ１２は、負荷を上方に移動させる時は、同じ負荷を下方に移動させる時よりも高いトルクを供給する必要がある。モータは、負荷を上方に移動させる時は、システムにエネルギーを供給し、負荷を下方に移動させる時は、このエネルギーを放出する必要がある。スピンドルがセルフロックタイプでない場合、負荷の下方移動に際し、スピンドル１４が、ひいては、負荷が、予定速度を超える速度に加速することを防止する制動効果が必要である。
【００３０】
リニアアクチュエータ１０のスピンドルがセルフロックタイプであるか、非セルフロックタイプであるかは、スピンドル１４のねじのピッチに依存する。ねじピッチが摩擦角より小さければ、そのスピンドルはセルフロックタイプであり、ねじピッチが摩擦角より大きければ、そのスピンドルは非セルフロックタイプである。
【００３１】
図３及び図４に、リニアアクチュエータ２０の別の実施例をより詳細に示す。アクチュエータ２０の主なコンポーネントには、筐体２１、可逆電気モータ２２、減速段数を有する減速ギア２３、スピンドル２４、スピンドルナット２６、筒状のピストンの形態であって、内側パイプとも呼ぶ作動部材２７、当該作動部材のための、外側パイプとも呼ぶガイド２８、取付けブラケット２９、及び、後部取付け部（rear mount）３０が含まれる。
【００３２】
現在までのところ、リニアアクチュエータにおいて最も一般的に使用されてきたモータの種類は、従来のブラシ付きＤＣモータである。この種類のモータは、設計が簡易で、コストが低く、また、ＤＣ電圧又はパルス幅変調電圧によって直接速度を制御することが可能である。ただし、いわゆるブラシレスＤＣモータがリニアアクチュエータに用いられる場合もある。ブラシレスＤＣモータは、より効率が高く、より信頼性が高く、より電磁干渉が少ない。半面、このようなモータは、よりコストが高く、より複雑な制御回路を必要とする。
【００３３】
通常のブラシ付きＤＣモータでは、回転するコアに巻線を設けてなる電磁石を備えるロータの周りに配置された永久磁石を備えるステータが用いられる。例えば、グラファイトやその他の材料から成るブラシを用いて、ロータの回転中にコイルへの供給電圧の切り換え又は整流を行って、運動を継続させる。
【００３４】
ブラシレスＤＣモータでは、この基本構造の内側と外側を逆にして、ロータに永久磁石を配置し、ステータに巻線を配置する。これにより、運動する電機子に電流を供給することに関わる問題を回避することができる。ブラシ付きＤＣモータのブラシ又は整流子の代わりに用いられる電流制御回路が、巻線の位相を連続的に変化させて、モータの回転を維持する。コントローラは、ブラシや整流システムの代わりにソリッドステート回路（solid-state circuit）を用いて、ブラシ付きＤＣモータと同様の配電を行う。
【００３５】
実際は、ブラシレスＤＣ電気モータは、ＤＣ電源から電力供給を受けるＡＣ同期モータであって、制御回路がＡＣ電気信号を供給することで、モータが駆動される。このＡＣ電気信号は、必ずしも正弦波を有するものでなくてもよく、交流の電流であれば、波形については特に限定されない。
【００３６】
ロータに配置された永久磁石は、ロータ磁束を生成し、励磁されたステータ巻線は、電磁石の磁極を生成する。ロータは、つまりは１つ以上の棒磁石と同じと考えてよく、励磁状態にあるステータ相（stator phase）に引き付けられる。ステータ相に適切な順序で供給することにより、ステータに回転磁界が形成、維持される。ロータがステータの磁極に追従するこの動作は、永久磁石同期モータに利用される基本の動作である。
【００３７】
トルクを生成するためには、ロータと回転磁界との間の差（lead）を制御することが必須であり、この同期は、ロータ位置の把握を意味する。換言すると、コントローラは、ステータコイルに対するロータの向き及び位置を特定する何らかの手段を必要とする。いくつかの設計では、ホール効果センサ又はロータリエンコーダを利用して、ロータ位置を直接測定する。他には、駆動されていないコイルの逆起電力（ＥＭＦ）を測定してロータ位置を割り出す設計のものがある。このようなコントローラは、ホール効果センサを別途設ける必要がないので、しばしばセンサレスコントローラと呼ばれる。
【００３８】
永久磁石を備えるＡＣ同期モータは、その逆ＥＭＦのプロファイルによって、即ち、逆ＥＭＦの形によって、分類することができる。なお、ブラシレスＤＣモータのロータを手動で回転させると、発電機として動作するが、この際に生成される電圧が逆ＥＭＦである。ここで、２つの種類のモータに言及する。とちらも、ロータに永久磁石を有する同期モータであるが、磁束の分布、及び、逆ＥＭＦのプロファイルが異なる。両モータ間の違いは、ステータコイルの巻回の仕方が異なることに起因する誘導電圧の波形にある。一方の種類は、台形波の逆ＥＭＦを有し、他方は、正弦波の逆ＥＭＦを有する。時としてブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータなる用語は、台形波の逆ＥＭＦを有するモータについて用いられ、正弦波の逆ＥＭＦを有するものは、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）と呼ばれる場合がある。本明細書では、いずれの種類も、ブラシレスＤＣモータとみなす。逆ＥＭＦが台形波であり、ステータ電流が矩形波であるモータは、幅広く利用されている。なぜならば、そのようなモータは、モータが純粋な台形波の逆ＥＭＦを有し、ステータ相の整流プロセスが正確であれば、一定した機械的トルクを生成できるからである。
【００３９】
ブラシレスＤＣモータの効率は、駆動電圧がモータからの逆ＥＭＦと一致する場合に最も高くなる。つまり、台形波の逆ＥＭＦを有するモータについては、これに対応する台形波の駆動電圧を用いれば、効率が最も高くなり、同様に、正弦波の逆ＥＭＦを有するモータについては、正弦波の駆動電圧を用いれば、効率が最も高くなる。
【００４０】
以下に、整流プロセスの実施例をさらに詳細に説明する。説明においては、ロータに永久磁石の磁極を１対有する３相同期モータを例として用いる。尚、ステータ側には、３相が最も一般的である。なぜならば、制御の精密さと、ステータ電流の制御に必要な電力電子機器の数と、のバランスが妥当であるからである。ただし、ロータ側には、より多くの磁極が用いられることが多い。なぜならば、通常、磁極が多い方が、同じレベルの電流でより大きなトルクを生成できるからである。また、３相より多くの相を用いるモータも利用される。
【００４１】
図５は、１つ永久磁石を有するロータ３２を備える３相ブラシレスＤＣモータ３１の実施例の模式的な構成を示す。この実施例では、ステータは、６つの電磁石３３、３４、３５、３６、３７、３８から成り、各電磁石は、コアに巻回されたステータ巻線又はステータコイルを有する。図示のとおり、ステータコイルは、それぞれ、Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ及びＣ′（訳注：ダッシュ「′」は、上付きバーの代用とする）と標記されており、また、相Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ及びＣ′と呼ぶこともある。ステータコイルＡとＡ′は、直列に接続され、また、それぞれのコアに巻回されている。よって、これらのコイルを流れる電流が相ＡにＮ極の磁極を生成すると、その電流が相Ａ′にＳ極の磁極を生成し、また、この逆も生じる。同様のことが、相Ｂ及びＢ′、並びに、相Ｃ及びＣ′にもそれぞれ該当する。コイルＡ′、Ｂ′、Ｃ′の自由端は、中性点とも呼ばれる共通の接点に結合されている。換言すると、モータの巻線は、スター（Ｙ）結線で接続されている。図５には、ロータ位置を検出するための３つのホール効果センサ３９、４０、４１も示されており、その詳細は後述する。
【００４２】
コイルＡ、Ｂ及びＣの自由端は、図６に示すように駆動回路５１により駆動可能である。駆動回路５１は、６つの電子スイッチ５２、５３、５４、５５、５６、５７を含んでおり、各コイルを正の供給電圧又はグランド端子（又は、負の供給電圧）のいずれかに接続することができる。駆動回路５１は、３相インバータとも呼ばれ、モータの各相においてＤＣ電流を生成する。スイッチ５２、５３、５４、５５、５６、５７は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又はバイポーラトランジスタなど、電気的に制御される任意の種類のスイッチで構成することができる。詳細は後述するが、これらスイッチのオンオフは、コントローラ５８によって制御される。ＤＣ電圧を平滑化するためのコンデンサ５９が、正の供給電圧とグランド端子の間に接続されている。
【００４３】
スイッチングトランジスタ５２、５３、５４、５５、５６、５７のオンオフ、ひいては、モータ相の電流のオンオフを適時に実行するために、コントローラ５８は、ステータコイルに対するロータの向き及び位置についての情報を必要とする。この実施例では、ホール効果センサが使用される。ホール効果センサ部６０は、互いに１２０°の角度でモータに配置された３つの別個のホール効果センサ３９、４０、４１を有する。３つのホール効果センサ３９、４０、４１は、互いに重複する６０°の位置範囲の信号を供給する。これらセンサからの信号に基づいて、コントローラ５８は、ロータ３２の現在位置を特定することができ、よって、１つのステータコイルから次のステータコイルへ電流を切り換える適切なタイミングを特定することができる。ステータ間で相電流の整流が適時に行われないと、モータの効率は低下する。
【００４４】
図７は、この実施例のモータ３１が、台形波の逆ＥＭＦを有する設計であることを示す。３つのステータ相Ａ、Ｂ及びＣそれぞれの逆ＥＭＦが、ロータの完全な１回転、つまり３６０°に相当する期間について示されている。
【００４５】
図８は、コントローラ５８の制御下で、スイッチ５２、５３、５４、５５、５６、５７によって実行される３つの相Ａ、Ｂ及びＣ間のモータ電流の切り換えの様子を示す。原則として、ある相の逆ＥＭＦが高い正のレベルにある間は、その相は、スイッチ５２、５４又は５６のいずれか１つによって、正の供給電圧に接続されており、その結果、対応するステータコイルに正の電流が流れる。同様に、逆ＥＭＦが高い負のレベルにある間は、その相は、スイッチ５３、５５又は５７のいずれか１つによってグランド（又は、負の供給電圧）に接続されており、その結果、対応するステータコイルに負の電流が流れる。このように、印加電圧は、逆ＥＭＦと合致する。ある相の逆ＥＭＦが方向を反転する間は、その相は切断される。
【００４６】
図５においては、ロータ３２がステータコイルＡ及びＡ′と整列しており、即ち、角度位置θ0は０°であるが、これに対応する状態を図９に示す。ロータ３２を時計回りに回転させるには、スイッチ５６を介して相Ｃを正の電圧に接続して、コイルＣ及びコイルＣ′に正のステータ電流を流し、これとともに、スイッチ５５を介して相Ｂをグランドに接続して、コイルＢ及びＢ′に負のステータ電流を流す。この際の電流の値も図８に示している。この結果、電磁石Ｂ′及びＣには、Ｎ極が形成され、電磁石Ｃ′及びＢには、Ｓ極が形成される。よって、ロータのＮ極は、相Ｃ′のＳ極に引き付けられ、また、相Ｂ′のＮ極から押し出される。同様に、ロータのＳ極は、相ＣのＮ極に引き付けられ、また、相ＢのＳ極から押し出される。この結果、ロータは、時計回りに回転する。
【００４７】
ロータ３２が、θ1＝３０°の角度位置に到達すると、即ち、ロータのＮ極が電磁石ＡとＣ′との中間点に到達すると、ホール効果センサがこれを検出する。ここで、スイッチ５６をオフにし、スイッチ５２をオンにすることで、正の電流を相Ｃから相Ａに切り換える（整流する）。この状態を図１０に示し、電流の整流については、図８に示す。
【００４８】
図８には、ロータを時計回りに回転させる間、この整流プロセスがどのように継続されるか示されている。θ2（＝９０°）において、スイッチ５５をオフにし、スイッチ５７をオンにすることで、負の電流が相Ｂから相Ｃに整流される。以降も同様である。どの時点においても、ロータ３２の各磁極は、前方に位置する電磁石に引き付けられるとともに、後方に位置する電磁石から押し出される。ホール効果センサ３９、４０、４１は、コントローラ５８が整流を正確なタイミングで実行することを保証する。原則的には、常に、最も高いトルクを生成できる相の組に通電する。よって、ロータの位置に対応した正確なタイミングで整流が行われないと、生成されるトルクが低下し、この結果、モータの効率も低下する。
【００４９】
図８には、３つの相Ａ、Ｂ及びＣの各々で生成されたトルクＴA、ＴB及びＴCも示されている。各相の生成トルクは、相電流にほぼ正比例する。ただし、相電流が正であっても負であっても、正のトルクが生成される。モータにより生成される総トルクＴ、即ち、３つの相により生成されるトルクの合計は、経時的にほとんど一定である。ただし、実際には、各モータ相における電流は、図８に示されているように瞬時には生成されない。したがって、６０°での相整流の都度、わずかなトルクリップル（torque ripple）が発生する。
【００５０】
図８において、相電流及び生成トルクは、ロータ３２の角度位置θの関数として示されている。ただし、モータが一定の速度で駆動される場合、ｘ軸は時間ｔを示していることにもなるので、これらの曲線は、相電流及び生成トルクを時間の関数として示しているとみなすことができる。
【００５１】
モータの逆ＥＭＦは、モータ速度に正比例し、また、逆ＥＭＦは印加電圧と一致するので、印加するＤＣ電圧のレベルを調節すれば、モータ速度を制御できることになる。つまり、モータ速度を加速する場合には、より高いＤＣ電圧をモータに印加すれば、その結果、これに対応して速度も速くなる。ホール効果センサによれば、高速回転に対して整流を同期させることができる。あるいは、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用することもできる。その場合、ＤＣ電圧は定電圧とし、代わりに、パルス幅変調のデューティーサイクルを調節することで、モータ速度を制御する。
【００５２】
上述したように、ブラシレスＤＣモータは、正弦波の逆ＥＭＦを有する設計でもよく、この場合、モータを矩形波の駆動電圧で駆動すると、最も高い効率が得られる。図１１は、そのようなモータの逆ＥＭＦを示す図である。３つのステータ相Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの逆ＥＭＦが、３６０°に相当するロータの完全な１回転に相当する期間について示されている。
【００５３】
図８と同様に、図１２は、モータに矩形波の駆動電圧を印加した場合の３つの相Ａ、Ｂ及びＣにおけるモータ電流を示す。この駆動にも、図６に示した６つのトランジスタ５２、５３、５４、５５、５６、５７が用いられる。ただし、ここでは、これらのトランジスタは、上述の場合のようにスイッチとしではなく、コントローラ５８の制御下で増幅器として駆動される。繰り返しになるが、印加電圧は逆ＥＭＦと一致し、コントローラ５８は、ホール効果センサ３９、４０、４１からの信号に基づいて、矩形波の駆動電圧をロータの回転と同期させることができる。
【００５４】
図１２には、３つの相Ａ、Ｂ及びＣの各々で生成されたトルクＴA、ＴB及びＴCも示されている。ここでも、各相の生成トルクは、相電流にほぼ正比例する。ただし、相電流が正であっても負であっても、正のトルクが生成される。モータにより生成される総トルクＴ、即ち、３つの相により生成されるトルクの合計は、経時的に実質的に一定である。よって、この場合、トルクリップルは存在しない。
【００５５】
この場合、モータ速度は、印加する矩形波電圧の振幅を調節することで、あるいは、上述のようにパルス幅変調を利用することで制御できる。
【００５６】
尚、上述し、また、図５に示したブラシレスＤＣモータは、従来の、つまり、インランナータイプと呼ばれる構成あり、ロータの永久磁石を、ステータ巻線が取り囲んでいる。ブラシレスＤＣモータには、アウトランナータイプあるいはアウトロータタイプと呼ばれる構成もありコイルと磁石の周方向の位置関係が逆になっており、ステータコイルがモータの中心部（コア）を形成し、永久磁石は、コアを取り巻く張り出し（overhanging）ロータの中に配置されている。本発明に関しては、いずれの構成も利用可能である。
【００５７】
上述したように、リニアアクチュエータのスピンドルがセルフロックタイプでない場合は、負荷を下方向に移動させる際に、スピンドルが、ひいては、負荷が、予定速度を超える速度に加速することを防止する制動効果が必要である。
【００５８】
以下に、必要な制動効果を作用させるためにブラシレスＤＣモータをどのように制御するかについて記載する。
【００５９】
図１３に示す本発明の一実施形態において、コントローラ５８は、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速したことを検出できる速度検出器６１を含む。モータの実速度は、様々な方法で検出することができる。１つの選択肢では、３つのホール効果センサ３９、４０、４１からモータの実速度を検出する。これらのセンサからの信号に基づいて、速度検出器６１は、ロータ３２の現在の速度を検出し、検出結果を予定速度又は予定速度を表す基準値と比較する。予定速度を超過している場合、速度検出器６１はコントローラ５８に信号を送出して、モータに対して制動効果を作用させる制御をコントローラに実行させる。その詳細は、以下に記載する。
【００６０】
ホール効果センサ３９、４０、４１を用いる代わりに、速度検出器６１が、モータにより生成される逆ＥＭＦの周波数を測定することでモータの実速度を検出することも可能である。この場合も、検出結果を予定速度又は予定速度を表す基準値と比較する。予定速度を超過している場合、速度検出器６１はコントローラ５８に信号を送出して、モータに対して制動効果を作用させる制御をコントローラに実行させる。
【００６１】
他の選択肢としては、モータ電流の測定により、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速したことを検出できる。このためには、６つのスイッチングトランジスタ５２、５３、５４、５５、５６、５７への供給線に、小さな抵抗を挿入し、この抵抗における電圧降下を測定すればよい。上述したように、モータ電流は、そのモータが必要とするトルクに比例する。リニアアクチュエータの負荷が下方向に加速される場合、モータはトルクをほとんど、あるいは、全く必要としないので、モータ電流が非常に低い値まで降下する。つまり、モータ電流が所定の限界値よりも降下すれば、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超えて加速していることを示唆するので、速度検出器６１は、コントローラ５８に信号を送出して、モータに対して制動効果を作用させる制御をコントローラに実行させる。
【００６２】
さらに他の選択肢では、６つのスイッチングトランジスタ５２、５３、５４、５５、５６、５７への供給電圧を測定することで、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速したことを検出することができる。リニアアクチュエータの負荷が下方向に加速されると、モータは、少なくとも部分的に発電機として動作し、生成された電圧が元々の供給電圧に加わるので、供給電圧が増加する。よって、供給電圧の増加が検出されれば、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速していることを示唆するので、速度検出器６１は、コントローラ５８に信号を送出して、モータに対して制動効果を作用させる制御をコントローラに実行させる。
【００６３】
コントローラ５８は、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速していることを示す信号を速度検出器６１から受け取ると、トランジスタ５２、５３、５４、５５、５６、５７に送出する制御信号を変更し、これによりモータに印加する相電圧及び相電流を調整して、制動効果を作用させる。
【００６４】
上述のとおり、ブラシレスＤＣモータの効率は、駆動電圧がモータからの逆ＥＭＦと一致する場合に最も高くなる。台形波の逆ＥＭＦを有するモータの場合、これに対応する台形波の駆動電圧を用いると、最も高い効率が得られる。同様に、正弦波の逆ＥＭＦを有するモータの場合、これに対応する正弦波の駆動電圧を用いると、最も高い効率が得られる。また、既に言及したように、ステータコイル間の相電流の整流が、ホール効果センサ３９、４０、４１によって定められる適切なタイミングで行われないと、モータの効率が低下する。つまり、印加波形を調節し、及び／又は、整流タイミングを変更すれば、モータ効率を意図的に低下させることができる。このように、モータのエネルギーを消失させることで、制動効果を達成することができる。
【００６５】
正弦波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータのモータ効率を意図的に低下させる１つの方法は、台形波の駆動電圧を用いる、つまり、図１２ではなく、図８にしたがってモータを駆動することである。この結果、生成トルクは図１２に比べて減少し、また、部分部分が全体としてサイン波をするような、一定でない生成トルクになる。生成トルクが減少すると、効率も低下し、よって、制動効果を達成することができる。
【００６６】
モータの効率を低下させる他の例として、図１４に、台形波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータについての実施例を示す。この実施例では、ある相から別の相への整流を実行する角度位置やタイミングを、ホール効果センサ３９、４０、４１が示す角度位置やタイミングとずらすことによって、効率を低下させる。通常の状態、つまり、制動が不要な場合には、図８に示すように、ロータの角度位置θ3において、正の電流を相Ａから相Ｃに整流させるべきである。しかし、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速していることを示す信号をコントローラ５８が速度検出器６１から受信した場合は、コントローラ５８は、図１４に示すように、ロータが角度位置θ4に到達するまで整流を遅延、つまり、タイミングを遅らせる。したがって、角度位置θ3から角度位置θ4までの期間、相Ｂには電流が流れないのでトルクは発生しない。また、相Ａでは、ロータが相Ａのコイルと整列する位置に近づくにつれて、そのトルクが徐々に小さくなる。この位置を通過すると、つまり、θ4の直前の位置にくると、相Ａの電磁石がロータをこの位置に引き戻そうとするため、そのトルクはマイナスになる。この結果、図１４に示すように総トルクが減少する。繰り返しになるが、トルクが減少すると、制動効果が生じる。
【００６７】
制動効果が生じると速度検出器６１により検出され、これに基づいて、整流の遅延を数回繰り返し、及び／又は、得られた制動効果にしたがって、遅延の大きさを調節する。図１４で示したような整流の延期の代わりに、ホール効果センサ３９、４０、４１により示唆される角度位置又はタイミングよりも整流を先行させることも可能である。
【００６８】
モータ効率を低減させるこの手法は、正弦波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータにも適用可能である。この場合は、正弦波には、遅延又は先行の大きさに依存した歪が生じる。
【００６９】
図１５は、ブラシレスＤＣモータが予定速度を超える速度に加速している場合に、ブラシレスＤＣモータの効率を意図的に低下させて制動効果を作用させる他の実施例を示す。この実施例は、正弦波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータについて説明するが、台形波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータにも同じ手法を適用することができる。コントローラ５８は、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超えて加速していることを示す信号を速度検出器６１から受信すると、コントローラ５８は、印加する３相電圧の周波数を短期間だけ高くすることで印加波形を調節する構成を有する。つまり、この期間中、ブラシレスＤＣモータのステータコイルにより生成される磁界の回転は、ロータが追従可能な速度よりも相当に速く、この期間の大部分において、少なくとも１つの相ではマイナスのトルクが生成される。この様子は、図１５に示されている。ある相における電流が、ロータ位置に基づいて予測される方向とは逆方向に流れる場合、その相ではマイナスのトルクが生成される。このようにして、ブレーキ効果を達成することができる。
【００７０】
図１５において、高い周波数は、その周波数の１周期中、即ち、ロータの角度位置θ5から角度位置θ6までの期間、維持されており、その後、コントローラは、所望の回転速度に応じた通常の周波数の使用を再開している。ただし、その状況で必要な制動の大きさに基づいて、より短い期間あるいは長い期間、高い周波数を維持することも可能である。また、周波数を変化させることも可能である。図１５では、より高い周波数は、所望の回転速度に対応する通常の周波数より約６倍高い周波数として示されている。ただし、現実的な装置においては、通常、この倍数はもっと大きい。２つの周波数が互いに近いほど、得られる制動効果は大きい。一例を挙げると、速度検出器６１からの信号が、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速していることを示す場合、コントローラ５８が、通常の周波数の２０倍の周波数の使用を開始することができる。速度検出器６１からの信号が、さらに制動が必要であることを示す場合、コントローラは、通常の周波数の１０倍の周波数を続けて使用することができる。それでもまだ十分でない場合には、コントローラは、通常の周波数の５倍の周波数を使用することができる。
【００７１】
印加する３相電圧の周波数を短期間だけ高くすることによって印加波形を調節する代わりに、他の実施形態では、コントローラ５８は、印加する３相電圧の周波数を短期間だけ低くすることによって印加波形を調節する構成でもよい。この場合、ブラシレスＤＣモータのステータコイルにより生成される回転磁界は、ロータとの同期を外れたものになるので、この結果、制動効果が達成される。
【００７２】
ブラシレスＤＣモータの効率を意図的に低下させて制動効果を達成するさらに他の実施例を図１６に示す。この実施例は、正弦波の逆ＥＭＦを有するブラシレスＤＣモータについて説明する。コントローラ５８は、ブラシレスＤＣモータ３１が予定速度を超える速度に加速していることを示す信号を速度検出器６１から受信すると、コントローラ５８は、通常の３相印加電圧に対して、より高い周波数の信号を重畳する。この重畳の期間は、必要な制動効果に基づく。図１６では、ロータの角度位置θ7と角度位置θ8の期間、高い周波数の信号が重畳されている。重畳信号は、ノイズ信号又は変調信号とみなされる。この重畳信号によっても、モータのトルク生成を小さくして、制動効果を達成することができる。
【００７３】
周波数を重畳する時間長は、必要とする制動効果に依存して選択することができる。得られた制動効果が十分でない旨を速度検出器６１からの信号が示す場合、時間長を延長したり、あるいは、重畳する信号の振幅を大きくしたりすることができる。
【００７４】
この手法について他の実施形態では、より周波数の高い信号を永続的に重畳しておき、必要な制動効果に基づいて、その振幅を変化させる。制動効果が不要な場合、つまり、通常の状態では、この振幅をゼロかほぼゼロに設定する。制動効果が必要であることを速度検出器６１からの信号が示した場合に、この振幅を所定の値まで増加させる。次いで、得られた制動効果が十分でない旨を速度検出器６１からの信号が示す場合、振幅をさらに大きくする。得られた制動効果が大きすぎる旨を速度検出器６１が示すような場合には、振幅を小さくする。
【００７５】
このような状況を、図１７に示す。この図では、ロータの角度位置θ9の前は、制動効果が不要な状況を示しており、したがって、重畳周波数信号の振幅はゼロに設定されている。ロータの角度位置θ9において、速度検出器６１は制動効果が必要である旨を示し、よって、振幅は、予め定められた値まで増加される。また、ロータの実速度と予定速度との差を検出し、この差に基づいて、重畳信号の振幅を選択することも可能である。このようにして、制動効果を必要に合わせて自動的に調節することが可能である。
【００７６】
ブラシレスＤＣモータの効率を意図的に低下させることで制動効果を達成する上述の実施形態はいずれも、コントローラ５８の制御プログラムを変更することで実現可能である。図１３に示すように、コントローラ５８はメモリ６２を含み、これは、制御プログラム、即ち、コントローラ５８により読み取り可能な形式のコンピュータプログラムを格納するよう構成されている。メモリ６２は、取り外し可能に構成することもでき、よって、コンピュータ可読媒体としてのメモリ６２を、所望の実施形態に即した他のメモリに取り換えれば、上述の実施形態を他の実施形態に変形することができる。
【００７７】
また、万が一、システムの電力が意図せず遮断された場合でも、上述の実施形態によれば、リニアアクチュエータの負荷が制御されない状態で降下することを、少なくともある程度は防止することができる。電力が遮断されても、コントローラ５８及び駆動回路５１は、コンデンサ５９が十分な電力を供給可能である限り、引き続き作動する。これが持続できなくなると、モータへの印加電圧がなくなり、重量の大きな負荷の場合には、制御されない状態で下方移動が加速し始める。しかしながら、このような状況が発生すると、モータが発電機として動作し始めるので、生成された電圧によりコンデンサ５９が充電される。コンデンサ５９が十分な電圧レベルまで充電さると、コントローラ５８及び駆動回路５１への電圧供給が直ちに再開されて、動作が再開し、上述の制動効果が作用して再びモータが制御される。当然ながら、コンデンサ５９は再び放電されてしまうが、上述のプロセスが繰り返されて、負荷は、制動効果が全くない場合に比べて大幅に低減された速度で下降位置に到達する。
【００７８】
図１８は、駆動回路５１及びコントローラ５８を備えるブラシレスＤＣモータ３１を用いたリニアアクチュエータを、上述の制動効果を達成するように制御する方法を示すフローチャート１００である。ステップ１０１において、駆動回路５１からブラシレスＤＣモータ３１のステータコイルに多相電圧信号が供給されて、ロータ３２を回転させる。ステップ１０２において、ロータ３２の現在位置が、例えば、ホール効果センサ３９、４０、４１を手段として用いて検出される。ステップ１０３において、この位置に基づいて、コントローラ５８から駆動回路５１に制御信号が供給されて、回転磁界とロータを同期させる。ステップ１０４においてロータの現在の速度を示す信号が速度検出器６１で検出される。上述したように、この信号は、例えば、ホール効果センサ３９、４０、４１、モータ電流、又は、供給電圧を使って導出すことができる。次いで、ステップ１０５において、この信号は、予定又は所定の速度を示す信号と比較される。予定速度を超過していないことを信号が示していれば、ステップ１０６において、通常期待されるモータ効率を保証する波形を有する多相電圧でモータを駆動する。一方、予定速度を超過していることを信号が示していれば、ステップ１０７において、駆動回路は、上述のように調整された波形を有する多相電圧信号でモータを駆動し、これにより、モータ効率を低下させて、上述した制動効果を達成する。
【００７９】
換言すると、開示されているリニアアクチュエータは、複数のステータコイル及び永久磁石ロータを含むブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルに多相電圧信号を供給するよう構成された駆動回路と、前記永久磁石ロータの位置を検出し、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路に制御信号を供給するコントローラと、を含でいる。前記リニアアクチュエータは、さらに、前記永久磁石ロータの回転速度を示す示唆信号を検出する検出回路部を含む。前記コントローラは、さらに、前記永久磁石ロータの前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御するよう構成されている。前記第２波形は、前記モータを、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択されたものである。
【００８０】
ブラシレスＤＣモータは、制動効果が不要な場合は第１波形で駆動され、速度の増加が検出されると、モータの効率を低下させる他の波形で駆動され、モータのエネルギーが放出され、この結果、所望の制動効果が達成される。
【００８１】
いくつかの実施形態において、前記ブラシレスＤＣモータは、台形波の逆起電力を有するタイプのものである。前記コントローラ及び前記駆動回路は、前記ロータ位置に基づいて決定されるタイミングで、相電流を前記ステータコイル間で整流することで前記第１波形の前記多相電圧信号を供給するように構成されており、よって、前記多相電圧信号は、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する。
【００８２】
他の実施形態において、前記ブラシレスＤＣモータは、正弦波の逆起電力を有するタイプのものである。前記コントローラ及び前記駆動回路は、前記第１波形の前記多相電圧信号を前記ロータ位置に基づいて供給することで、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する周波数を有する多相正弦波電圧信号として供給するよう構成されている。
【００８３】
前記リニアアクチュエータの一実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記ロータ位置に基づいて決定される前記タイミングとは異なるタイミングで、少なくとも１つの相電流を整流することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。ある相から他の相への整流のタイミング又は角度位置を遅延又は先行させると、前記モータにより生成されるトルクが、ひいては、モータ効率が低下し、その結果、制動効果が達成される。
【００８４】
前記リニアアクチュエータの他の実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記多相電圧信号の周波数を、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する前記周波数とは異なる周波数に、所定の期間にわたって変更することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。多相電圧信号の周波数が変化すると、前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルにより生成される回転磁界と、前記ロータの回転との同期が外れる。これにより、トルクの生成及びモータの効率が低下し、制動効果が達成される。
【００８５】
前記リニアアクチュエータの他の実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記多相電圧信号に対して、前記永久磁石ロータの前記回転速度に対応する前記周波数よりも高い周波数を有する信号を重畳することによって、前記第２波形を供給するよう構成されている。
【００８６】
この実施形態において、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記高い周波数の信号を所定の期間にわたって、あるいは、前記永久磁石ロータの前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される期間にわたって重畳するよう構成されている。あるいは、前記コントローラ及び前記駆動回路は、さらに、前記高い周波数の信号を、前記永久磁石ロータの前記回転速度を示す前記示唆信号に基づいて決定される振幅で重畳するよう構成されている。
【００８７】
アクチュエータシステムは、上述のリニアアクチュエータを少なくとも１つ含む。これにより、当該アクチュエータシステムは、上述したリニアアクチュエータの効果を享受することができる。
【００８８】
リニアアクチュエータの制御方法において、前記リニアアクチュエータは、複数のステータコイル及び永久磁石ロータを含むブラシレスＤＣモータと、駆動回路と、コントローラと、を含む。当該方法は、前記駆動回路から前記ブラシレスＤＣモータの前記ステータコイルに多相電圧信号を供給し、前記永久磁石ロータの位置を検出し、当該ロータ位置に基づいて、前記駆動回路に制御信号を供給し、前記永久磁石ロータの回転速度を示す示唆信号を検出し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が所定の速度を超えていないことを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第１波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御し、前記永久磁石ロータの前記回転速度が前記所定の速度を超えていることを前記示唆信号が示す場合、前記モータの前記ステータコイルを第２波形の前記多相電圧信号で駆動するように前記駆動回路を制御する、各ステップを含む。前記第２波形は、前記モータを、前記第１波形で駆動した場合の当該モータの効率よりも低い効率で駆動するように選択される。
【００８９】
ブラシレスＤＣモータは、制動効果が不要な場合は第１波形で駆動され、速度の増加が検出されると、モータの効率を低下させる他の波形で駆動され、モータのエネルギーが放出され、この結果、所望の制動効果が達成される。
【００９０】
また、コンピュータプログラムであって、コンピュータで実行されると、上述の前記方法の前記ステップを実行させるプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムも開示されている。また、コンピュータで実行されると、上述の前記方法を実行させるプログラムコード手段を格納したコンピュータ可読媒体も開示されている。
【００９１】
本発明の様々な実施形態について記載及び図示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の態様によっても実施可能であり、これらも、後述の請求絞によって定義される主題の範囲に包含される。
【図１ａ】
2018533903.tif 000003
【図１ｂ】
2018533903.tif 000004
【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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【国際調査報告】
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