JP3674216B2 - リニア振動モータの駆動制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータで往復振動を生じさせるリニア振動モータの重負荷時の駆動制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータを往復振動の発生源とすることが特開平２−５２６９２号公報に示されている。往復式電気かみそりの駆動源として用いられているこのリニア振動モータは、棒状永久磁石からなる可動子と、Ｕ字形鉄芯の各片に夫々コイルを巻回した固定子とからなる単相同期モータとして形成されており、全波整流回路によって交流周波数の２倍の周波数の直流電圧をコイルに供給して、可動子に往復動を行わせている。
【０００３】
この場合、可動子を往復移動させて振動を発生させるにあたり、強い電磁力が必要であるが、可動子をばね支持することでばね振動系として構成し、このばね振動系の固有振動数に合致する振動数で駆動を行えば、駆動に必要なエネルギーの低減を図ることができるが、負荷を受けた場合、往復振動の振幅が安定しないという問題を有している。
【０００４】
このために、電磁石又は永久磁石からなる固定子と、永久磁石又は電磁石を備えるとともにばね支持されている可動子と、可動子の変位、速度、加速度のうちの少なくとも一つを検出する検出手段と、該検出手段の出力に応じて電磁石のコイルへの供給電力を制御する制御手段とからなるものが提供されている。このものでは、負荷変動等で何らかの原因で固有振動数（共振周波数）が変化しても、可動子の変位、速度、加速度のうちの少なくとも一つを検出する検出手段によってこの変化を検出することができることから、常時共振状態での駆動を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、負荷がきわめて大であって振幅等が大きく低下し、検出手段によるところの上記検出が不能となると、共振状態での駆動ができなくなるのはもちろん、負荷がなくなった後も共振状態への復帰に時間がかかってしまう上に、効率が大きく低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは検出手段による検出不能時にも適切な駆動を行うことができて共振状態への早期復帰を行わせることができるリニア振動モータの駆動制御方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、電磁石又は永久磁石からなる固定子と、永久磁石又は電磁石を備えるとともにばね支持されている可動子と、可動子の変位、速度、加速度のうちの少なくとも一つを検出する検出手段と、該検出手段の出力に応じて電磁石のコイルへの供給電力を制御して可動子を含むばね振動系をその固有振動数に同期させた共振状態で駆動する制御手段とからなるリニア振動モータの駆動制御方法であって、上記検出手段による上記検出の不能時に制御手段は予め設定された固定周波数で駆動を行うことに特徴を有している。検出手段による検出不能時にも駆動不能となることがないものである。
【０００８】
この時、固定周波数として制御手段に記憶させた検出手段による検出不能直前時の周波数を用いると、共振状態への復帰をより早く行わせることができる。
検出手段による検出不能時の固定周波数による駆動時に駆動電流値の変動に応じて固定周波数を補正してもよい。駆動電流値から負荷変化に伴う共振周波数の変化を予測して補正するわけである。
複数の異なる固定周波数による駆動を固定周波数を漸次変更して行うようにしてもよい。
【０００９】
固定周波数による駆動は起動時にも用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、リニア振動モータの構造の一例について説明すると、図９及び図１０は往復式電気かみそり用としてのリニア振動モータを示しており、固定子１と可動子２（図中では２つの可動子２１，２２）、そしてフレーム３とから構成されている。
【００１１】
固定子１は、磁性材料の焼結体や磁性材料の鉄板を積層したＥ字形ヨーク１０と、このヨーク１０の中央片に巻回されたコイル１１とからなるもので、ヨーク１０の両端面からは夫々ピン１２が突設されている。
上記固定子１が固着されるフレーム３は、一対の両側板３０，３０の各端部の下部間を夫々底板３１，３１で連結した断面Ｕ字形に構成されたもので、上記固定子１はそのピン１２が側板３０に形成された固定溝３２にはめ付けられて溶接やかしめによってフレーム３に固定される。
【００１２】
２種の可動子２１，２２は、図９に示すように、いずれも合成樹脂製の被駆動体２３，２３の下面に非磁性金属板からなる補強プレート２５とバックヨーク２６とを介して永久磁石２０を固着したもので、可動子２１の被駆動体２３は、平面形状が口字形に構成され、補強プレート２５とバックヨーク２６と永久磁石２０は被駆動体２３の両側片の各下面に設けられており、また両側の補強プレート２５は一体に形成されている。なお、補強プレート２５は被駆動体２３にインサート成形（アウトサート成形）によって一体化されている。図中２４は被駆動体２３に一体に設けられるとともに往復式電気かみそりにおける内刃が連結される連結部である。
【００１３】
そして上記両可動子２１，２２は、その両端が前記フレーム３に板ばね４，４を介して連結される。ここにおける板ばね４は、金属板４’からの打ち抜きによって形成されるとともに、フレーム３への固定部に支持板４０が、可動子２１，２２への固定部に連結板４３が夫々取り付けられたもので、可動子２２に連結される中央の板ばね部４１と、可動子２１に連結される左右一対の板ばね部４２，４２とが支持板４０の部分において一体につながっており、支持板４０をフレーム３の両端に溶接等の手段で固定し、各連結板４３を可動子２１，２２の補強プレート２５の端部に溶接等の手段で固定した時、両可動子２１，２２はフレーム３から吊り下げられた形態となるとともに、平面形状が口字形の可動子２１内に可動子２２の連結部２４が位置する。また、可動子２１内面のばね受け部２６，２６と可動子２２の連結部２４のばね受け部２７，２７との間には、可動子２１，２２の往復動方向において、圧縮コイルばねからなる対のばね部材２８，２８が配設される。
【００１４】
このように構成されたリニア振動モータにおいて、可動子２に設けられた永久磁石２０は、前記固定子１に所定のギャップを介して上下に対向するとともに、可動子２の往復動方向に着磁されており、図７に示すように、固定子１のコイル１１に流す電流の方向に応じて、板ばね４を撓ませつつ左右に移動するものであり、コイル１１に流す電流の方向を適宜なタイミングで切り換えることによって、可動子２に往復振動を行わせることができる。
【００１５】
また、ここでは可動子２１に設けた永久磁石２０の磁極の並びと、可動子２２に設けた永久磁石２０の磁極の並びとを逆としているために、両可動子２１，２２は位相が１８０°異なる往復振動を行う。この時、ばね部材２８，２８が圧縮伸長されることから、図９に示したばね系は、板ばね４とばね部材２８とによって構成（厳密には磁気吸引力によるばね定数成分が更に加わる）されている。
【００１６】
このようなばね系を有する振動系を振動させるにあたっては、振動系が有する固有振動数に同期させて振動させること、つまり共振状態とすることが安定した振動の実現の点や駆動エネルギーの低減の点で好ましいことから、このような駆動を行うために、ここでは可動子２１に磁極の並びが可動子２の往復動方向となったセンシング用磁石２９を取り付けるとともに、フレーム３に設けた取付部３４に図７に示すセンシング用巻線からなるセンサー３９を取り付けて、可動子２１の振動に伴ってセンサー３９に誘起される電流（電圧）を基に、制御出力部５がコイル１１に流す電流を制御している。
【００１７】
すなわち、センサー３９に誘起される電流の電圧は、図６に示すように、可動子２の振幅の大きさや位置、振動の速度、振動の方向等に応じて変化する。つまり、可動子２がその往復動の振幅の一端に達した時、磁石２９の動きが止まって磁束の変化がなくなるためにセンサー３９の出力は零となり、振幅中央位置に達した時、可動子２の速度が最大となるとともにセンサー３９の出力電圧も最大となる。従って、最大電圧を検出すれば可動子２の最大速度を検出することができ、上記零点を移動方向反転時点（死点到達時点）として検出することができ、センサー３９出力の極性から可動子２の移動方向を検出することができる。
【００１８】
一例を図１１に示す。センサー３９の出力電圧はサインカーブを描いて変化するが、これを増幅回路５１にて増幅した後、Ａ／Ｄ変換回路５２でデジタル値とし、出力電圧が零から所定時間（たとえばｔ）時間経過後の電圧を検出したり、出力電圧が零から零に至るまでの最大電圧を検出したりすることで可動子２の振幅中央における最大速度を検出することができるものであり、出力電圧が零となった時点から移動方向反転時点を検出することができ、更に可動子２（磁石２９）の移動方向が往復動のどちらであるかによって電流が流れる方向が変わることから、出力電圧の極性から可動子２が往復動のうちのどちらのストロークにあるのかを検出することができる。
【００１９】
ここで、検出した可動子２の速度から、制御出力部５は例えば負荷の増大による振幅の減少を検出した時には、駆動電流量（図示例では通電時間Ｔ及び最大電流値）を増加させることで、振幅を所要の値に保つ。なお、図示例では、駆動電流量の制御はＰＷＭ制御によっており、電流量は検出した速度に対して予め記憶させたＰＷＭのパルス幅を出力するようにしている。なお、速度と変位と加速度とは相関していることから、速度に変えて変位や加速度を検出するようにしてもよい。
【００２０】
また検出した移動方向に応じた方向に電流を流すことで、駆動電流がブレーキとなってしまうような事態が生じるのを防いでいる。さらに、検出した移動方向反転時ｔ１から所定の時間ｔのタイミングで電流を流すことによって、可動子２の駆動をばね系の動きを有効利用して必要な電流量を抑えている。つまり、移動方向反転時の前から逆方向駆動の電流をコイル１１に加えたのでは振動にブレーキをかけてしまうことになり、可動子が振幅の中心点を越えてからその移動方向の電流をコイル１１に加えたのでは、可動子２の振動で圧縮されたばね系の反発力によるところの駆動力が既に弱くなっているために、電磁力による駆動とばね系による駆動力との相乗力を得ることができない。このために、移動方向反転時点から振幅中央に至るまでの時間内に、コイル１１への電流供給の開始タイミングを設定している。なお、振幅中央に達した時点は、前述のセンサー３９出力が最大となる点として検出することができる。ここにおける時間ｔは、検出された可動子２の速度や加速度に応じて調整される値であってもよい。
【００２１】
図１１に固定子１のコイル１１の駆動回路の一例を示す。４つのＦＥＴ型スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなる駆動ブロック５３のうち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を同時にオンさせることと、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４を同時にオンさせることとによって、コイル１１に流す電流の方向を切り換えて、可動子２に往復動を行わせる。
【００２２】
ところで上記駆動制御に際しては、移動方向の検出及び移動方向反転時点の検出は必ずしも必要としない。与えた駆動電流によって可動子２の移動方向が判明していることから、次の駆動電流の方向を順次切り換えればよく、また固有周波数に同期させるわけであるから、所要の周期で通電を開始すればよいからである。しかし、これらの検出に応じた上記制御も行うならば、過負荷がかかったことによる一時的な停止が生じたりしても、適切な方向に電流を流すことができる上に、可動子２の質量やばね系のばね定数の個体差によるところの固有振動数のばらつきに対しても、駆動電流が常に適切にコイル１１に加えられるものであり、従って振動系は確実に固有振動数に収束するとともに一定振幅の振動を行うものとなる。
【００２３】
検出手段として移動方向と移動方向反転時点と位置（速度または加速度）の全てを検出することができるセンシング用磁石２９とセンシング用巻線からなるセンサー３９との組み合わせを用いて、センサー３９出力の最大値（絶対値）から速度を検出していたが、電流（電圧）が零となる点の時間間隔から速度を検出するようにしてもよい。上記零点は、磁石２９の磁力のばらつきや、磁石２９とセンサー３９との間のギャップのばらつきなどに影響されることなく確実に移動方向反転時点を検出することができるものであり、従って、零点の時間間隔から可動子２の速度をより正確に検出することができる。
【００２４】
この他、例えばセンシング用磁石２９と磁気感応素子との組み合わせや、図９及び図１０に示している可動子２に取り付けたスリット板６０とこのスリット板６０のスリットを検知するフォトセンサー３８等を、検知対象に応じて用いることができる。もっとも可動子２の振動の妨げとなることがない非接触式のものであることが望ましい。
【００２５】
このように構成されて共振状態で駆動されるリニア振動モータにおいては、前述のように重負荷がかかって振幅が大きく低下した場合、検出手段によるところの上記検出が不能となる事態が生じると、制御出力部５は検出結果に基づいてコイル１１に駆動電流を供給していることから、駆動不能な事態に陥ることになる。
【００２６】
このために、ここでは図１に示すように固定周波数設定部５０を設けており、検出手段による前記検出が不能となった時、制御出力部５は固定周波数設定部５０に設定してある固有周波数に基づいてコイル１１に駆動電流を供給するものとしてある。
ここにおいて、図２に示すように負荷ＮがＮ１からＮ２に増大する時、上記リニア振動モータにおいては共振周波数がｆ１からｆ２に変化するが、今、負荷ＮがＮ２を越えると上記検出が不能になるとすると、上記固定周波数としては周波数ｆ１〜ｆ２の間の周波数を好適に用いることができるとともに、周波数ｆ２を用いるのが最も好ましい。また周波数ｆ２は、同じリニア振動モータでも可動子２の質量やばね系のばね定数の個体差によるところのばらつきがあることから、図３に示すように、負荷Ｎの増大によって上記検出が不能となる直前の周波数、つまり周波数ｆ２を記憶する共振周波数記憶部５５を設けておき、検出手段による上記検出不能になった時には、共振周波数記憶部５５が記憶している周波数ｆ２を固定周波数として駆動するようにしておくとよい。
【００２７】
また，負荷ＮがＮ２を越えるＮ３まで増大した時には、駆動電流ＩがΔＩだけ増加することから、この電流変動ΔＩに応じた周波数変動Δｆを予測し、固定周波数ｆ２を上記予測に基づいて補正した周波数ｆ３（＝ｆ２＋Δｆ）で駆動するとよい。図４はこの場合のブロック図を示しており、図中５６は駆動電流検出部である。
【００２８】
図５に示すように、固定周波数設定部５０に設定しておく周波数を複数ｆａ，ｆｂ，ｆｃ…としておき、検出手段による可動子２の動き（共振周波数）が検出不能になった場合、駆動周波数を漸次変更（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ…）して駆動するようにしてもよい。なお、上記周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃの設定は、たとえばｆａ＝ｆ１，ｆｂ＝ｆ２，ｆｃ＝ｆ３とする。
【００２９】
検出手段による上記検出は重負荷が加わった場合だけでなく、起動時にも不能となっていることから、固定周波数による駆動を起動時にも用いてもよい。起動時と重負荷時とで個別の制御を行う必要がなくなる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、可動子の変位、速度、加速度のうちの少なくとも一つを検出する検出手段の出力に応じて電磁石のコイルへの供給電力を制御して可動子を含むばね振動系をその固有振動数に同期させた共振状態で駆動するものにおいて、上記検出手段による上記検出の不能時に制御手段は予め設定された固定周波数で駆動を行うものであり、このために検出手段による検出不能時にも駆動不能となることがなく、また固定周波数として適切な周波数を設定することで、共振状態への復帰を早期に行わせることができるとともに、効率の良い駆動を行うことができる。
【００３１】
そして、固定周波数として制御手段に記憶させた検出手段による検出不能直前時の周波数を用いると、共振状態への復帰をより早く行わせることができるものとなる。
また、検出手段による検出不能時の固定周波数による駆動時に駆動電流値の変動に応じて固定周波数を補正する時には、駆動電流値から負荷変化に伴う共振周波数の変化を予測した上での周波数で駆動することができるために、検出不能時においても効率のよい駆動を行うことができる。
【００３２】
複数の異なる固定周波数による駆動を固定周波数を漸次変更して行うようにしてもよく、この時にも共振状態への復帰を早期に行わせることができる。
そして固定周波数による駆動を起動時にも用いるならば、起動時と可動子の動きの検出不能時とにおいて異なる駆動制御を行う場合に比して、制御シーケンスを簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】負荷と共振周波数と電流との相関を示す説明図である。
【図３】同上の他例のブロック図である。
【図４】同上のさらに他例のブロック図である。
【図５】同上の別の例のブロック図である。
【図６】同上の通常動作モードの動作を示すタイムチャートである。
【図７】同上の概略図である。
【図８】同上のブロック図である。
【図９】同上の具体例の分解斜視図である。
【図１０】同上の可動子の分解斜視図である。
【図１１】同上のブロック回路図である。
【符号の説明】
１ 固定子
２ 可動子
３ フレーム
５ 制御出力部
１１ コイル
３９ センサー

Claims (5)

1. 電磁石又は永久磁石からなる固定子と、永久磁石又は電磁石を備えるとともにばね支持されている可動子と、可動子の変位、速度、加速度のうちの少なくとも一つを検出する検出手段と、該検出手段の出力に応じて電磁石のコイルへの供給電力を制御して可動子を含むばね振動系をその固有振動数に同期させた共振状態で駆動する制御手段とからなるリニア振動モータの駆動制御方法であって、上記検出手段による上記検出の不能時に制御手段は予め設定された固定周波数で駆動を行うことを特徴とするリニア振動モータの駆動制御方法。
2. 固定周波数として制御手段に記憶させた検出手段による検出不能直前時の周波数を用いることを特徴とする請求項１記載のリニア振動モータの駆動制御方法。
3. 検出手段による検出不能時の固定周波数による駆動時に駆動電流値の変動に応じて固定周波数を補正することを特徴とする請求項１または２記載のリニア振動モータの駆動制御方法。
4. 複数の異なる固定周波数による駆動を固定周波数を漸次変更して行うことを特徴とする請求項１記載のリニア振動モータの駆動制御方法。
5. 固定周波数による駆動を起動時にも用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリニア振動モータの駆動制御方法。

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