JP4315044B2 - リニア振動モータ - Google Patents

Description

本発明は往復振動を発生させるリニア振動モータ、殊に二次電池を電源としているリニア振動モータに関するものである。

往復型電気かみそりの駆動源などに用いることができるリニア振動モータでは、安定した振幅の往復運動を得るために、特開平８−３３１８２６号公報や特開２００１−１６８９２号公報に示されているように、可動子の動き（変位または速度または加速度）を検出して負荷変動があっても一定の振幅の振動が常時得られるように駆動制御している。

一方、連続運転時間が比較的長いヘアカッター（バリカン）の駆動源として上記リニア振動モータを用いる場合、電源として二次電池を使用するものでは、長時間駆動時の二次電池の電圧低下が問題となりやすく、このようなものにおいては駆動中に二次電池及びリニア振動モータへ外部から電力を供給することができるようにしておくことが好ましい。

この場合、図２に示すように、巻線１０を備えた固定子１と、永久磁石２０を備えた可動子２、可動子２を保持するフレーム３、可動子２とフレーム３との間に懸架されたばね４、巻線１０に駆動電流を供給する制御出力部５、巻線１０に生じる起電圧から可動子２の駆動を検出する駆動検知部６とからなり、制御出力部５が駆動検知部６の出力をもとに巻線１０への駆動電流を例えばＰＷＭ制御するリニア振動モータにおいて、二次電池７に加えてＡＣ電源からの電力供給用の電力供給部８を設けることになる。

この時、電力供給部８から出力される電力のみでリニア振動モータを駆動させることができるように、起動時や重負荷時等に流れる大電流を想定して電力供給部８を設計すると、大容量電源回路となり非常に大型となる。従って、電力供給部８を接続した場合にも、二次電池７を電気的に切り離さずに、起動時や重負荷時には二次電池７からも電力を供給する構成をとる場合が多い。

この場合、駆動中に電力供給部８から制御出力部５に加えて二次電池７へも電力を供給することになるとともに、この時のリニア振動モータの負荷電流（平均値）と電力供給部８の出力電流（平均値）の関係は
イ.（リニア振動モータの負荷電流）＜（電力供給部の出力電流）
ロ.（リニア振動モータの負荷電流）＝（電力供給部の出力電流）
ハ.（リニア振動モータの負荷電流）＞（電力供給部の出力電流）
の３通りが考えられ、イの場合は二次電池の充電がなされて二次電池７の電圧が上昇することになり、ロの場合は二次電池７が充電されず（二次電池の電圧は変化しない）、ハの場合は二次電池７が放電されて二次電池７の電圧が降下する。

ここにおいて、上記イの状態を継続すると二次電池７はやがては過充電となり、過充電状態が継続すると二次電池７が発熱して漏液が発生し、寿命が短くなる。従って、過充電状態の回避のために、駆動中に電力供給部８から供給する電力量を上記ロもしくはハの関係となるように変えなければならない場合が生じる。

駆動中の供給電力量の変更（低減）には、連続的な電力供給から間欠的な電力供給に変更することが考えられるが、この場合、次のような問題が発生する。たとえば、二次電池７での駆動を行っている場合の可動子２の振幅、振動駆動のための制御信号（右出力と左出力）、駆動電流波形、二次電池電圧波形が図９に示すものであり、駆動検知部６から得られる信号（たとえば可動子２の振幅に関する信号）に基づいて駆動制御を行っている時、電力供給部８から間欠的に電力を供給すると、電力供給タイミングにおいて供給される電流が二次電池７へ流れ込んだ場合、供給前と比較して二次電池電圧が上昇し、この結果、供給前と比較して巻線１０に流れる電流が大きくなり、これに伴って発生する磁気推力が大きくなるために可動子２の振幅変位が大きくなる。

一方で制御出力部５は振幅を安定させる制御を行っていることから、大きくなった振幅を所定値に戻すために次の駆動出力の調整を行うが、そのタイミングでは次の間欠的電力供給タイミングが行われているとは限らないこともあって、振幅を小さくしすぎてしまうことが生じる。そして、この繰り返しが生じると、振幅の変動によってうなり音が発生してしまう。これは大きな負荷変動に応えることができる大きな駆動能力を有しているものになるほど問題となる。
特開平８−３３１８２６号公報 特開２００１−１６８９２号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、電力の間欠的供給を行う場合においても、振幅変動やうなり音が発生するようなことがないリニア振動モータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係るリニア振動モータは、電磁石または永久磁石からなる固定子と、永久磁石または電磁石を備えて振動自在に支持されている可動子と、可動子の動きを検出する駆動検知部と、該駆動検知部の出力に応じて電磁石を構成する巻線への電力供給の制御を行って可動子を振動させる制御出力部と、制御出力部へ電力を供給する二次電池と、制御出力部及び二次電池に電力を供給する電力供給部とを備えており、上記電力供給部は、可動子の動きに応じて間欠的に行われる巻線への電力供給のタイミングに同期させたタイミングで制御出力部及び二次電池に間欠的電力供給を行うものであることに特徴を有している。巻線への電力供給タイミングでの二次電池電圧が同じとなるために、二次電池電圧の相違による振幅変化がなくなるものである。

上記電力供給部は駆動検知部の出力から得られる可動子の振幅の値に応じて電力供給量を変化させるものであってもよい。

また、電力供給部は二次電池の電圧に応じて電力供給量を変化させるものや、二次電池及びまたは電力供給部の温度に応じて電力供給量を変化させるものであってもよい。

さらには、電力供給部は出力パルス幅を変化させることで電力供給量を変化させるもののほか、出力パルスの電圧振幅を変化させることで電力供給量を変化させるものを用いることができる。

そして電力供給部は無負荷電流と同じ電流を供給するものであることが好ましい。

電力供給部は巻線への電力供給タイミングの偶数倍のタイミングで電力供給を行うものであってもよい。

本発明は、二次電池への電力供給を間欠的に供給する時にも、巻線への電力供給時の二次電池電圧が変化せず、このために二次電池電圧が原因の振幅変動が生じることがなく、うなり音が発生してしまうことがないものである。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、本発明に係るリニア振動モータの基本構成は図２に示すように、巻線１０を備えた固定子１と、永久磁石２０を備えた可動子２、可動子２を保持するフレーム３、可動子２とフレーム３との間に懸架されたばね４、巻線１０に駆動電流を供給する制御出力部５、巻線１０に生じる起電圧から可動子２の動きを検出する駆動検知部６とからなり、制御出力部５が駆動検知部６の出力をもとに巻線１０への駆動電流を例えばＰＷＭ制御することで、ばね４と可動子２とで構成されるばね振動系の固有振動数付近の往復振動を可動子２に行わせる。

駆動検知部５は、可動子２の変位、速度、加速度の内少なくとも１つを検出するものであればよく、これらの検知に基づいて可動子２の振幅が一定となるように制御出力部５が巻線１０に流す駆動電流の制御を行う。なお、この制御は前記特許文献２などに示されたことであるから、ここでは詳細を省略する。

そして本発明においては、ＡＣ電源からの電力の供給用である電力供給部８が間欠的に電力を供給する時、図１に示すように、その供給タイミングを制御出力部５から巻線１０に駆動電流が流されるタイミングに合わせたものとする。

この結果、制御出力部５からの各可動子制御信号の出力タイミングにおいて二次電池７の電圧波形が同じとなり、巻線１０に供給される電力量（エネルギー量）が同じとなるために、各可動子制御信号の出力タイミングにおいて可動子２の振幅が同じとなるものであり、従って振幅変動に起因するうなり音の発生がないものである。

なお、電力供給時間（パルス幅）ｔは前述のように二次電池７が過充電となることがないように定めているが、リニア振動モータの無負荷電流と同じ電流を供給することができるものとしておくことが好ましい。無負荷状態の連続駆動においても、二次電池７が過充電となることがない。

負荷変動によって振幅が変化する時、これに合わせて電力供給部８からの供給電力量を変化させるようにしてもよい。図３に示すように、制御出力部５は振幅の変位量が増加した場合には駆動出力波形パルスを小さくし、振幅の変位量が減少した場合には駆動出力のパルス幅を大きくすることで振幅を安定化させるのであるが、この時、駆動出力のパルス幅が大きくなれば、電力供給部８から供給する電力供給量も大きくし、駆動出力のパルス幅が小さければ、電力供給部８から供給する電力供給量も小さくするのである。

振幅の変位量が増加した場合であっても、一定量の電力を供給しつづけると、振幅安定制御によって駆動出力のパルス幅が減少→駆動電流が減少→二次電池に流入する電流増加→二次電池電圧変動という事態が生じることになり、逆に振幅の変位量が減少した場合でも一定量の電力を供給しつづけると、振幅安定制御により駆動出力のパルス幅が増加→駆動電流が増加→二次電池から流出する電流減少→二次電池電圧変動という事態が生じることになるが、上記のように駆動出力のパルス幅に応じ電力供給量を変化させることで、二次電池電圧の変動を抑制することができ、この結果、二次電池電圧の変動によって生じる振幅変位の変動を最小限に留めることができる。

二次電池７の電圧に応じて電力供給部８からの電力供給量を変化させるようにすることも好ましい。すなわち、二次電池７の電圧が上昇した場合には振幅が増加するために振幅安定制御により駆動出力のパルス幅が小さくなり、二次電池電圧が降下した場合には振幅が減少するために振幅安定制御により駆動出力のパルス幅が大きくなるが、二次電圧が上昇したなら図４に示すように電力供給部８からの電力供給量を減少させ、二次電圧が降下したなら図５に示すように電力供給部８からの電力供給量を増加させるのである。なお、二次電池電圧は積分回路等により平滑してその平均値を制御出力部５にフィードバックすればよい。

二次電池電圧が上昇したにもかかわらず、電力供給部８から間欠的電力供給で一定量の電力を供給しつづけると、振幅の変位量が増加→振幅安定制御により駆動出力のパルス幅が減少→駆動電流が減少→二次電池に流入する電流増加→二次電池電圧がさらに上昇という事態を招き、逆に二次電池電圧が降下したにもかかわらず一定量の電力を供給しつづけると、振幅の変位量が減→少振幅安定制御により駆動出力のパルス幅が増加→駆動電流が増加→二次電池から流出する電流減少→二次電池電圧さらに降下という事態を招くことになるが、二次電池電圧に応じて電力供給部８からの電力供給量を増減させることにより、二次電池電圧の変動を抑えることができる上に、振幅変位の変動も最小限に抑えることができる。なお、図４は二次電池電圧が上昇した場合を、図５は二次電池電圧が降下した場合を示している。

図６に示すように、二次電池７や電力供給部８の温度が上昇したなら、電力供給部８からの電力供給量を減少させるようにすることも好ましい。二次電池７及び電力供給部８の温度上昇を抑制することができる。殊に二次電池７は過充電になると温度が急激に上昇することから、温度が上昇すれば電力供給量を減少させることは、過充電の回避にも有効である。また、電力供給を遮断するのではなく、供給量は減少させるものの電力を供給し続けることから、二次電池７の電圧が急激に降下することなく、従って二次電池７の電圧変動によって生じる振幅変位の変動をこの点においても抑制することができて駆動が安定する。

以上の各例では、電力供給量の変更を電力供給部８が出力するパルス幅（電力供給時間ｔ）を変化させるＰＷＭ制御で行っているが、図７に示すように、電力供給部８が出力するパルスの電圧振幅を変化させることで電力供給量を変化させるＰＡＭ制御で行ってもよい。

また、以上の各例では、駆動出力タイミングと電力供給タイミングとを１対１で同期させているが、図８に示すように、駆動出力タイミングの偶数倍のタイミングで間欠的電力供給を行うようにしてもよい。この場合においても、うなり音の発生を抑止することができる。

本発明の実施の形態の一例の動作を説明するタイムチャートである。 同上のブロック回路図である。 他例の動作を説明するタイムチャートである。 更に他例の動作を説明するタイムチャートである。 別の動作を説明するタイムチャートである。 更に別の動作を説明するタイムチャートである。 他の例の動作を説明するタイムチャートである。 異なる例の動作を説明するタイムチャートである。 基本動作を説明するタイムチャートである。 従来の問題点を説明するタイムチャートである。

１ 固定子
２ 可動子
５ 制御出力部
６ 駆動検知部
７ 二次電池
８ 電力供給部

Claims (8)

1. 電磁石または永久磁石からなる固定子と、永久磁石または電磁石を備えて振動自在に支持されている可動子と、可動子の動きを検出する駆動検知部と、該駆動検知部の出力に応じて電磁石を構成する巻線への電力供給の制御を行って可動子を振動させる制御出力部と、制御出力部へ電力を供給する二次電池と、制御出力部及び二次電池に電力を供給する電力供給部とを備え、上記電力供給部は、可動子の動きに応じて間欠的に行われる巻線への電力供給のタイミングに同期させたタイミングで制御出力部及び二次電池に間欠的電力供給を行うものであることを特徴とするリニア振動モータ。
2. 電力供給部は駆動検知部の出力から得られる可動子の振幅の値に応じて電力供給量を変化させるものであることを特徴とする請求項１記載のリニア振動モータ。
3. 電力供給部は二次電池の電圧に応じて電力供給量を変化させるものであ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。
4. 電力供給部は二次電池及びまたは電力供給部の温度に応じて電力供給量を変化させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
5. 電力供給部は出力パルス幅を変化させることで電力供給量を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
6. 電力供給部は出力パルスの電圧振幅を変化させることで電力供給量を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
7. 電力供給部は無負荷電流と同じ電流を供給するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
8. 電力供給部は巻線への電力供給タイミングの偶数倍のタイミングで電力供給を行うものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。

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