JP6964022B2 - リニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、往復動式リニアモータに係り、特に、リニアモータを搭載したリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムに関する。

リニア圧縮機はフリーピストン構造であるため、可動子の上死点及び下死点は機械的に拘束されない。従って、ストローク長の変化により流量が変化することになるため、ストロークを制御し、所望の流量を出力することが求められている。しかし、低コスト化のために位置センサレスの要求があり、センサレスで可動子位置を検出し制御することが重要である。
例えば特許文献１には、電圧及び電流から誘起電圧を計算し、ストロークを演算及び検出するリニアモータ制御システムが開示されている。具体的には、特許文献１には、誘起電圧ｅ（ｔ）が、リニアモータの磁気特性及び駆動回路に依存した誘起電圧係数α（推力係数）と可動子（ピストン）の速度ｖｐ（ｔ）との関数で表され、ｅ（ｔ）＝αｖ_ｐ（ｔ）との関数にて表される旨開示され、更に、誘起電圧係数αの値が可動子の位置に関係なく一定値であることを前提とする旨記載されている。また、特許文献１には、誘起電圧係数αの測定方法として、任意の動作条件（モータ電圧の大きさ、モータ電圧の角速度、および負荷条件）で、外部センサ（レーザ変位計など）により可動子のストロークＳＴを測定しながら、外部測定器によりモータ電圧の実効値Ｖ、モータ電流の実効値Ｉ及び位相差θを測定する旨も記載されている。

特開２００８−５６３３号公報

しかしながら特許文献１に記載される構成では、そもそも誘起電圧係数（誘起電圧定数とも称される）が可動子の位置に対する依存性がないことを前提としており、これでは、演算にて求められる可動子の位置は信頼性を有しない。すなわち、実際の可動子の位置との間に誤差を含むことは避けられない。また、センサにより可動子の位置を測定する構成では、装置の大型化を招くこととなる。
そこで、本発明は、可動子の位置を検出するためのセンサを不要とし、且つ、誘起電圧定数の位置依存性を考慮し可動子位置を高精度に演算し得るリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係るリニア圧縮機は、一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きがゼロの場合、前記ピストンが上死点及び／又は下死点に到達していることを特徴とする。
また、本発明に係るリニア圧縮機は、一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きがゼロでない場合、前記ピストンが上死点に到達するよう前記ピストンのストロークが大となることを特徴とする。
また、本発明に係るリニア圧縮機制御システムは、一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータと、少なくとも前記巻線を流れる電流に基づき、前記巻線に印加する電圧を制御する制御装置と、を備えるリニア圧縮機制御システムであって、前記制御装置は、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう制御し、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が０Ｖのときの当該誘起電圧の微分値を前記誘起電圧の傾きとして求める誘起電圧演算部と、前記誘起電圧演算部により求められた誘起電圧が０Ｖのときの当該誘起電圧の微分値を入力し、前記誘起電圧の微分値がゼロの場合、上死点及び／又は下死点にピストンが到達していると判定するストローク制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、可動子の位置を検出するためのセンサを不要とし、且つ、誘起電圧定数の位置依存性を考慮し可動子位置を高精度に演算し得るリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムを提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１のリニア圧縮機制御システムの軸方向における縦断面図である。 リニアモータの斜視図である。 図２に示すリニアモータのＸＺ平面断面図である。 可動子の変位に対する誘起電圧定数の関係図である。 可動子のストローク端と誘起電圧定数のゼロクロスポイントの関係の一例を示す図である。 図１に示す制御装置のブロック線図である。 可動子のストローク端と誘起電圧定数のゼロクロスポイントの関係の他の例を示す図である。 可動子位置の時間変化を示す波形及び可動子速度の時間変化を示す波形の説明図である。 誘起電圧定数の時間変化を示す波形及び誘起電圧の時間変化を示す波形の説明図である。 図１に示す制御装置の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本明細書においては説明の便宜上、方向を示す用語として、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を用いるが、重力方向（鉛直方向）は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のいずれかと平行でも良く、或はそれ以外の方向であっても良い。

後述する実施例の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、ある構成要素が別の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

先ず本実施例に係るリニア圧縮機に搭載されるリニアモータについて説明する。
＜リニアモータ１０＞
図２はリニアモータ１０の斜視図であり、図３は図２に示すリニアモータ１０のＸＺ平面断面図である。
図２及び図３に示すように、リニアモータ１０は、３枚の永久磁石１１１を有する界磁子１１、及び電機子１２を備える。本実施例では、一例として、界磁子１１が可動子であり、電機子１２が固定子である構成について説明する。なお、これに限らず、界磁子１１が固定子であり、電機子１２が可動子である構成としても良い。換言すれば、界磁子１１及び電機子１２が相対的に往復運動可能な構成であれば良い。

［電機子１２］
図２に示すように、電機子１２は、２つの磁極１２１、４つの巻線１２２、２つの磁極１２１の間に設けられるスペーサ１２４、及び、２つの端部ブリッジ１２３を有する。磁極１２１は、例えば、積層した電磁鋼板にて形成される。図３に示すように、それぞれの磁極１２１は、Ｚ方向に空隙を介して対向する磁極歯１２１ｕ及び磁極歯１２１ｄ（ティースとも称される）を有し、これら２つの磁極歯１２１ｕ及び磁極歯１２１ｄにて磁極歯組１２１ａを形成している。各磁極歯１２１ｕ、１２１ｄには巻線１２２が捲回されている。また、２つの磁極歯組１２１ａは、Ｘ方向に沿ってスペーサ１２４により規定される間隔にて離間している。

［界磁子（可動子）１１］
界磁子（可動子）１１は、磁極歯組１２１ａを形成する磁極歯１２１ｕ及び磁極歯１２１ｄの空隙に位置しており、電機子１２に対してＸ方向に相対的に移動する。界磁子（可動子）１１は、平板形状の３つの永久磁石１１１、及び永久磁石１１１を固定するフレーム１１２を有する。３つの平板状の永久磁石１１１はＺ方向に磁化されている。電機子１２の巻線１２２に電圧を印加して電流を流すことで、Ｚ方向に空隙を介して対向する磁極歯１２１ｕ及び磁極歯１２１ｄ間に磁束を発生させ、永久磁石１１１を有する界磁子（可動子）１１に推力を付与し、界磁子（可動子）１１を往復運動させる。

界磁子（可動子）１１は、３つの永久磁石１１１の並び方向であるＸ方向を長手方向として形成される。界磁子（可動子）１１は、平板状を成し、その板面（永久磁石１１１の磁極面）がＺ方向に垂直である。界磁子（可動子）１１及び電機子１２において、Ｘ方向及びＺ方向に垂直なＹ方向は幅方向であり、界磁子（可動子）１１においてＺ方向は厚み方向である。
なお、界磁子（可動子）１１及び電機子１２において、永久磁石１１１及び磁極歯組１２１ａの個数は上記の個数に限定されるものではない。本実施例では、永久磁石１１１及び磁極歯組１２１ａが複数個設けられるものとする。また、以下では、界磁子（可動子）１１が往復運動する方向を単に軸方向と称する場合もある。

＜リニア圧縮機制御システム１００＞
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１のリニア圧縮機制御システム１００の軸方向における縦断面図である。
図１に示すように、リニア圧縮機制御システム１００は、リニア圧縮機２０及び詳細後述する制御装置３０より構成される。

＜リニア圧縮機２０＞
リニア圧縮機２０は、圧縮要素２１０、リニアモータ１０、弾性体である共振バネ２０１ａ，２０１ｂ、弾性体支持部材２０２、及びベース部材２０３が密閉容器２１４内に配置されたレシプロ圧縮機である。
圧縮要素２１０は、シリンダ２１１とピストン２１２とを含む。シリンダ２１１内に吸入管（図示せず）を介して供給された作動流体は、ピストン２１２がシリンダ２１１の内面と摺動しつつ往復運動することにより圧縮、吐出を繰り返す。圧縮された作動流体は、圧縮機外部に連通する吐出管（図示せず）へと送られる。これら図示しない吸入管及び吐出管には逆止弁（図示せず）が設けられている。なお、作動流体は、例えば、空気や冷凍サイクルの冷媒などを採用できる。

スペーサ１２４は、例えば磁性体にて形成され、スペーサ１２４は磁路となることから、軸方向に離間し配される２つの磁極歯組１２１ａに捲回される巻線１２２を直列に配線にて接続する構成とすることができる。また、スペーサ１２４を非磁性体にて形成した場合、スペーサ１２４は軸方向に離間し配される２つの磁極歯組１２１ａを相互に磁気的に分離する構成となることから、これら２つの磁極歯組１２１ａに捲回される巻線１２２を並列に配線にて接続する構成とすることができる。すなわち、２つの磁極歯組１２１ａに捲回される巻線１２２を直列に通電可能に配線しても良く、または並列に配線しても良く、配線に関しては特に限定されるものではないが、図１では、一例として、スペーサ１２４を非磁性体にて形成し、２つの磁極歯組１２１ａに捲回される巻線１２２を並列に配線にて接続する構成を示している。

界磁子（可動子）１１は、一端がピストン２１２に固定され、他端が弾性体支持部材２０２に固定されている。弾性体である共振バネ２０１ａ及び共振バネ２０１ｂは、共振バネ２０１ａが弾性体支持部材２０２と電機子１２との間に、共振バネ２０１ｂが弾性体支持部材２０２とベース部材２０３との間に、それぞれ取り付けられている。なお本実施例では、共振バネ２０１ａ及び共振バネ２０１ｂは、例えば、コイルばねで構成される。

電機子１２及びベース部材２０３は固定部であり、界磁子（可動子）１１は弾性体支持部材２０２を介して共振バネ２０１ａ及び共振バネ２０１ｂのばね力を受けて共振する。これら共振バネ２０１ａ及び共振バネ２０１ｂなどによる共振現象を利用することで、効率よくリニア圧縮機２０を駆動することができる。その際、界磁子（可動子）１１の質量、共振バネ２０１ａと共振バネ２０１ｂのバネ定数、及びシリンダ２１１内の圧力から決まる共振周波数で界磁子（可動子）１１が往復運動するように、巻線１２２に流す電流の周波数を制御することが望ましい。

本実施例では、電機子１２がＸ方向（水平方向）において静止し、界磁子（可動子）１１がＸ方向（水平方向）に沿って往復運動する構成を示すが、これに限られるものではない。例えば、電機子１２がＸ方向（水平方向）に沿って往復運動し、界磁子１１がＸ方向（水平方向）において静止する構成としても良く、また、電機子１２及び界磁子１１が互いに異なる速度でＸ方向（水平方向）に沿って往復運動する構成としても良い。何れの場合においても、Ｘ方向（水平方向）に沿って移動する物体に共振バネ２０１ａ及び共振バネ２０１ｂの一端を接続することが好ましい。
或いは、電機子１２がＺ方向（鉛直方向）において静止し、界磁子（可動子）１１がＺ方向（鉛直方向）に沿って往復運動する構成としても良く、電機子１２がＺ方向（鉛直方向）に沿って往復運動し、界磁子１１がＺ方向（鉛直方向）において静止する構成としても良く、更には、電機子１２及び界磁子（可動子）１１が互いに異なる速度でＺ方向（鉛直方向）に沿って往復運動する構成としても良い。

［誘起電圧定数］
図４は、界磁子（可動子）１１の変位に対する誘起電圧定数の関係図である。図４において、縦軸は誘起電圧定数Ｋｅであり、横軸は界磁子（可動子）１１中心のＸ方向位置ｘ（以下、可動子位置ｘと称する）である。図４に示すように、誘起電圧定数Ｋｅは可動子位置ｘの変化に対して依存性を有し、所定の位置でゼロクロスするという特性を持つ。

式（１）は誘起電圧Ｅ（Ｋｅ・ｄｘ/ｄｔ）についての式である。ここでＶｕは印加電圧、Ｉは電流、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンス、ｔは時間である。Ｒ及びＬはモータパラメータであり、一定の値を持つため、印加電圧Ｖｕと電流Ｉにより誘起電圧Ｅを計算できる。また誘起電圧Ｅは、誘起電圧定数Ｋｅに界磁子（可動子）１１の速度（以下、可動子速度ｖと称する）を乗じたものであるため、可動子速度ｖが“ゼロ”となる上死点及び下死点では誘起電圧Ｅも“ゼロ”となる。

式（２）は誘起電圧Ｅを時間微分し、誘起電圧Ｅの傾きを表したものである。上死点及び下死点付近では可動子速度ｖは“ゼロ”へと近づく。よって、式（２）の右辺における第一項（（ｄ／ｄｔ・Ｋｅ）ｄｘ／ｄｔ）は“ゼロ”へ近づくため、右辺の第二項（Ｋｅ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２）の誘起電圧Ｅの傾きに対する影響が大となる。すなわち、上死点及び下死点における誘起電圧Ｅの傾きは、誘起電圧定数Ｋｅに界磁子（可動子）１１の加速度を乗じたものとなる。また、誘起電圧定数Ｋｅが“ゼロ”となる位置では、誘起電圧Ｅの傾きは“ゼロ”となる。

［界磁子（可動子）１１の位置検出］
図４に示す誘起電圧定数Ｋｅの位置依存性及び上述の式（２）の関係から、上死点及び下死点の位置が誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイント（ゼロクロス点）である場合、誘起電圧Ｅの傾きも“ゼロ”となる。すなわち、誘起電圧Ｅが“ゼロ”になるときの誘起電圧Ｅの傾きが“ゼロ”であるかを検出することで、界磁子（可動子）１１の上死点及び下死点が、誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイント（ゼロクロス点）に達しているかどうかを検出することができる。

詳細後述するが、可動子速度ｖの時間変化（時間波形）に誘起電圧定数Ｋｅの時間変化（時間波形）を乗ずることにより得られる誘起電圧Ｅの時間変化（時間波形）においては、誘起電圧Ｅが“ゼロ”となる期間（領域）では、誘起電圧Ｅの傾きはほとんどの期間において“ゼロ”となるものの、誘起電圧Ｅが“ゼロ”となる期間における始期或いは終期においては、必ずしも誘起電圧Ｅの傾きが“ゼロ”とはならない。従って、誘起電圧Ｅが“ゼロ”になるときの誘起電圧Ｅの傾きが“ゼロ”であるかを検出することで、界磁子（可動子）１１の上死点及び下死点が、誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイント（ゼロクロス点）に達しているかどうかを検出することができる。

［リニアモータ１０と可動子の設計］
図５は可動子のストローク端と誘起電圧定数のゼロクロスポイント（ゼロクロス点）の関係の一例を示す図である。上述の図４に示したように、可動子位置ｘに対する誘起電圧定数Ｋｅの関係は、界磁子（可動子）１１とリニアモータ１０の位置関係に依存する。そのため、リニア圧縮機２０を効率的に駆動するためには、界磁子（可動子）１１の上死点位置（ピストン２１２の上死点位置）を制御することが望ましく、位置制御の観点から、可動子（ピストン２１２）のストローク端と誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイント（ゼロクロス点）を一致させ、上死点を最大ストロークにするよう設計することが望ましい。すなわち、図５に示すように、図４に示した可動子位置ｘに対する誘起電圧定数Ｋｅの関係において、ゼロクロスポイント１（ピストン２１２の上死点に対応）及びゼロクロスポイント２（ピストン２１２の下死点に対応）となるよう設計することが望ましい。なお、可動子（ピストン２１２）のストローク端と誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイント（ゼロクロス点）を一致させる点は上死点のみに限らず、下死点のみでも良く、或は、上死点及び下死点の双方でも良い。

以下に、リニア圧縮機制御システム１００を構成する制御装置３０の具体的構成及び動作につき説明する。
＜制御装置３０＞
図６は、図１に示す制御装置３０のブロック線図である。図６に示すように、制御装置３０は、誘起電圧演算部３１、ストローク制御部３２、ＰＷＭ制御部３３、及びインバータ３４を備える。
リニアモータ１０の巻線１２２を流れる電流は、検出電流値Ｉとして検出され、誘起電圧演算部３１に入力される。詳細後述する誘起電圧演算部３１は、リニアモータ１０に印加される印加電圧Ｖｕをストローク制御部３２からＰＷＭ制御部３３へ出力される出力電圧指令値Ｖｕとして入力し、当該出力電圧指令値Ｖｕ及び検出電流値Ｉに基づき誘起電圧Ｅ及び誘起電圧Ｅの微分値を演算により求める。そして、誘起電圧演算部３１は求めた誘起電圧Ｅの微分値をストローク制御部３２へ出力する。

詳細後述するストローク制御部３２は、誘起電圧演算部３１より入力された誘起電圧Ｅの微分値を所定値と比較し、誘起電圧Ｅの微分値が所定値に達していない場合には出力電圧指令値Ｖｕを上げる等の処理を実行しストロークを制御する。ストローク制御部３２は、出力電圧指令値ＶｕをＰＷＭ制御部３３及び誘起電圧演算部３１へ出力する。

ＰＷＭ制御部３３は、ストローク制御部３２より入力された出力電圧指令値Ｖｕ及び三角波のキャリア信号を比較することによる既知のパルス幅変調を用い、出力電圧指令値Ｖｕに応じたドライブ信号を生成し、生成されたドライブ信号をインバータ３４へ出力する。

インバータ３４は、例えば、図示しないフルブリッジ回路を備え、フルブリッジ回路は、ＰＷＭ制御部３３より入力されたドライブ信号に応じて直流電圧源（図示せず）をスイッチングして、リニアモータ１０に電圧を出力する。フルブリッジ回路は４つのスイッチング素子１２２を備えており、直列接続された２つのスイッチング素子を持つ第一上下アーム（Ｕ相）と、２つのスイッチング素子を持つ第二上下アーム（Ｖ相）と、を構成している。スイッチング素子は、ＰＷＭ制御部３３で生成されるドライブ信号を基に、ゲートドライバ回路（図示せず）が出力するパルス状のゲート信号に応じてスイッチング動作できる。
スイッチング素子の導通状態（オン／オフ）を制御することにより、直流電圧源の直流電圧を交流電圧に相当する電圧を巻線１２２に出力できる。なお、直流電圧源に代えて直流電流源を用いても良い。スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を採用できる。

図７は、可動子のストローク端と誘起電圧定数Ｋｅのゼロクロスポイントの関係の他の例を示す図である。上述の図５とは異なり、振動中心ｘ_０が上死点側に偏位している。従って、図７に示すように、可動子位置ｘに対する誘起電圧定数Ｋｅの関係において、可動子（ピストン２１２）の上死点では誘起電圧定数Ｋｅが“ゼロ”となるゼロクロスポイント１を示すものの、可動子（ピストン２１２）の下死点では誘起電圧定数Ｋｅが少し低下する程度のポイント２を示している。以下では、このように設計されたリニアモータ１０と可動子の関係を有するリニア圧縮機２０を想定し説明する。

［誘起電圧演算部３１］
図８は、可動子位置ｘの時間変化を示す波形及び可動子速度ｖの時間変化を示す波形の説明図である。上述の図７に示すように設計されたリニアモータ１０と可動子の関係を有するリニア圧縮機２０では、可動子位置ｘの時間変化を示す波形（時間波形）は、振動中心ｘ_０だけオフセットを有する正弦波状の波形となる。可動子（ピストン２１２）の上死点での可動子位置ｘはピーク１を示し、下死点での可動子位置ｘはピーク２を示す。また、可動子速度ｖの時間変化を示す波形（時間波形）は、正弦波状の波形となり、可動子（ピストン２１２）の上死点では可動子速度ｖが“ゼロ”となることからゼロクロスポイント１を示し、可動子（ピストン２１２）の下死点においても可動子速度ｖが“ゼロ”となることからゼロクロスポイント２を示している。

図９は、誘起電圧定数Ｋｅの時間変化を示す波形及び誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形の説明図である。誘起電圧定数Ｋｅの時間変化を示す波形（時間波形）に示されるように、可動子（ピストン２１２）の上死点では誘起電圧定数Ｋｅが“ゼロ”となるゼロクロスポイント１を示すものの、可動子（ピストン２１２）の下死点では誘起電圧定数Ｋｅが少し低下する程度のポイント２を示している。また、誘起電圧Ｅは、誘起電圧定数Ｋｅに可動子速度ｖを乗じた値であることから、誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形（時間波形）は、図８に示す可動子速度ｖの時間変化を示す波形（時間波形）に、図９に示す誘起電圧定数Ｋｅの時間変化を示す波形（時間波形）を乗じた時間波形となる。誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形（時間波形）に示すように、可動子（ピストン２１２）の上死点では、ゼロクロスポイント１にハッチングで示されるように誘起電圧Ｅが“ゼロ”となる期間（領域）が存在する。一方、可動子（ピストン２１２）の下死点では、ゼロクロスポイント２にて誘起電圧Ｅが“ゼロ”となる。

誘起電圧演算部３１は、図６に示したように、入力される検出電流値Ｉ及びストローク制御部３２より入力される出力電圧指令値Ｖｕに基づき、上述の式（１）を演算することにより誘起電圧Ｅ（誘起電圧定数Ｋｅ×可動子速度ｖ）を、Ｋｅ・ｄｘ/ｄｔとして求める。誘起電圧演算部３１は、求めた誘起電圧Ｅ（誘起電圧定数Ｋｅ×可動子速度ｖ）が“ゼロ”（０Ｖ）であることを検出すると、続いて上述の式（２）を演算することにより誘起電圧Ｅの微分値であるｄ／ｄｔ（Ｋｅ・ｄｘ/ｄｔ）を求める。換言すれば、誘起電圧演算部３１は、上述の式（１）を演算することにより求めた誘起電圧Ｅが０Ｖとなったことをトリガーとして、上述の式（２）を演算することにより誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）を求める。誘起電圧演算部３１は、求めた誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）をストローク制御部３２へ出力する。

なお、誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形（時間波形）に示すように、可動子（ピストン２１２）の上死点では、ゼロクロスポイント１にハッチングで示されるように誘起電圧Ｅが“ゼロ”（０Ｖ）となる期間（領域）が存在する。このハッチングで示される誘起電圧Ｅが“ゼロ”（０Ｖ）となる期間（領域）の始期或いは終期においては、上述のように必ずしも誘起電圧Ｅの傾きが“ゼロ”とはならない。

［ストローク制御部３２］
ストローク制御部３２は、誘起電圧演算部３１より入力された、誘起電圧Ｅが０Ｖのときの誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）を所定値と比較する。ストローク制御部３２は、比較の結果、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値に達していない場合には、可動子（ピストン２１２）が上死点及び／又は下死点に到達していないと判定する。そして、仮に、可動子（ピストン２１２）が上死点に達していない場合、すなわち、上死点が誘起電圧定数Ｋｅと可動子位置ｘとの関係におけるゼロクロスポイント（ゼロクロス点）に達していない場合、出力電圧指令値Ｖｕを大きくする、又は、出力電圧指令値Ｖｕに正の直流成分を加え、ＰＷＭ制御部３３及び誘起電圧演算部３１に出力する。これにより、可動子振幅を伸ばしゼロクロスポイント（ゼロクロス点）に近づけることができる。

一方、比較の結果、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値を超えている場合、すなわち、上死点が誘起電圧定数Ｋｅと可動子位置ｘとの関係におけるゼロクロスポイント（ゼロクロス点）を超えている場合、ストローク制御部３２は、出力電圧指令値Ｖｕを小さくする、又は、出力電圧指令値Ｖｕに負の直流成分を加え、ＰＷＭ制御部３３及び誘起電圧演算部３１に出力する。これにより、上死点が誘起電圧定数Ｋｅと可動子位置ｘとの関係におけるゼロクロスポイント（ゼロクロス点）に近づけることができる。
なお、所定値としてゼロクロスポイント（ゼロクロス点）であっても、ある所定の値でも良い。

次に、制御装置３０の動作について説明する。
＜制御装置３０の動作＞
図１０は、図１に示す制御装置３０の動作を示すフローチャートである。
図１０に示すように、ステップＳ１０１では、制御装置３０を構成する誘起電圧演算部３１が、リニアモータ１０の巻線１２２を流れる電流の検出値である検出電流値Ｉ及び上述の制御装置３０を構成するストローク制御部３２より入力される出力電圧指令値Ｖｕに基づき、上述の式（１）を演算することにより誘起電圧Ｅ（誘起電圧定数Ｋｅ×可動子速度ｖ）を、Ｋｅ・ｄｘ/ｄｔとして求める。

ステップＳ１０２では、誘起電圧演算部３１が、求めた誘起電圧Ｅが所定値である０Ｖか否かを判定する。判定の結果、求めた誘起電圧Ｅが所定値（０Ｖ）である場合はステップＳ１０３へ進む。一方、判定の結果、求めた誘起電圧Ｅが所定値（０Ｖ）でない場合はステップＳ１０１へ戻る。
ステップＳ１０３では、誘起電圧演算部３１が、上述の式（２）を演算することにより誘起電圧Ｅの微分値であるｄ／ｄｔ（Ｋｅ・ｄｘ/ｄｔ）を、誘起電圧Ｅの傾きとして求める。そして、求めた誘起電圧演算部３１は、求めた誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）をストローク制御部３２へ出力する。

ステップＳ１０４では、ストローク制御部３２が、誘起電圧演算部３１より入力された誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）な否か判定する。判定の結果、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）である場合はステップＳ１０６へ進む。ステップＳ１０６では、ストローク制御部３２は、上死点及び／又は下死点にピストン２１２が到達していると判定する。一方、判定の結果、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）でない場合はステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ストローク制御部３２が、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）を超えているか否かを判定する。判定の結果、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）を超えている場合は、出力電圧指令値Ｖｕを小さく、又は、出力電圧指令値Ｖｕに負の直流成分を加え、ＰＷＭ制御部３３及び誘起電圧演算部３１に出力する。一方、ストローク制御部３２が、誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）が所定値（ゼロ）未満の場合は、ステップＳ１０８へ進む。
ステップＳ１０８では、ストローク制御部３２が、出力電圧指令値Ｖｕを大きく、又は、出力電圧指令値Ｖｕに正の直流成分を加え、ＰＷＭ制御部３３及び誘起電圧演算部３１に出力する。

リニア圧縮機２０の容量によっては、誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形（時間波形）における振幅値が異なる。従って、誘起電圧Ｅが０Ｖとなったことをトリガーとして、その時の誘起電圧Ｅの傾き（誘起電圧Ｅの微分値）がゼロか否かを判定することで、可動子（ピストン２１２）が上死点及び／又は下死点に到達しているか高精度に判定できる。なお、容量の異なるリニア圧縮機２０の誘起電圧Ｅの時間変化を示す波形（時間波形）における振幅値を正規化し、誘起電圧Ｅが０Ｖとなったことを検出した場合に、そのときの誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）が“ゼロ”か否かを判定する構成としても良い。いずれにしても、誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）が“ゼロ”か否かを判定するタイミングとして、誘起電圧Ｅが０Ｖとなった時点とするのが望ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、予め容量の異なるリニア圧縮機に対し、誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）が“ゼロ”近傍となる場合におけるリニア圧縮機の効率を評価することで、許容し得る誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）を求め、当該許容し得る誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）に対応する誘起電圧Ｅの時間波形の領域を特定することで、誘起電圧Ｅの傾き（起電圧Ｅの微分値）を判定するためのトリガーとなる誘起電圧Ｅの値に幅を持たせる構成としても良い。換言すれは、判定するためのトリガーとなる誘起電圧Ｅに０±数％の裕度を持たせても良い。

なお、上述の実施例１におけるリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムは、凝縮器又は蒸発器として機能する熱交換器を備える空気調和器において、冷媒を圧送するための圧縮機に適用できる。
また、上述の実施例１におけるリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムは、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。
更にまた、上述の実施例１におけるリニア圧縮機およびリニア圧縮機制御システムは、凝縮器及び蒸発器を有する冷蔵庫において、液冷媒を圧送する圧縮機にも適用可能である。

更にまた、上述の実施例１におけるリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムは、冷凍空調機としての、例えば、クライオスタット、エアコン等にも適用できる。

以上の通り本実施例によれば、可動子の位置を検出するためのセンサを不要とし、且つ、誘起電圧定数の位置依存性を考慮し可動子位置を高精度に演算し得るリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムを提供することが可能となる。
また、本実施例によれば、共振バネなどの影響を考慮することなく、誘起電圧定数Ｋｅが可動子の位置に対する依存性を有することに着目し、検出電流値Ｉ及び出力電圧指令値Ｖｕに基づき演算により誘起電圧Ｅ及び誘起電圧Ｅの微分値（誘起電圧Ｅの傾き）を求めることで、可動子位置を高精度に検出できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１０…リニアモータ
１１…界磁子（可動子）
１２…電機子
２０…リニア圧縮機
３０…制御装置
３１…誘起電圧演算部
３２…ストローク制御部
３３…ＰＷＭ制御部
３４…インバータ
１００…リニア圧縮機制御システム
１１１…永久磁石
１２１…磁極
１２１ａ…磁極歯組
１２１ｕ…磁極歯
１２１ｄ…磁極歯
１２２…巻線
１２３…端部ブリッジ
１２４…スペーサ
２０１ａ，２０１ｂ…共振バネ
２０２…弾性体支持部材
２０３…ベース部材
２１０…圧縮要素
２１１…シリンダ
２１２…ピストン
２１４…密閉容器

Claims (8)

1. 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、
   前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
   前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
   前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きがゼロの場合、前記ピストンが上死点及び／又は下死点に到達していることを特徴とするリニア圧縮機。
2. 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、
   前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
   前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
   前記演算される誘起電圧が０Ｖのときの誘起電圧の傾きがゼロでない場合、前記ピストンが上死点に到達するよう前記ピストンのストロークが大となることを特徴とするリニア圧縮機。
3. 請求項１又は請求項２に記載のリニア圧縮機において、
   前記弾性体は共振バネであって、
   前記界磁子の他端が固定される弾性体支持部材と前記電機子との間に取り付けられた第１の共振バネと、
   前記弾性体支持部材とベース部材との間に取り付けられた第２の共振バネと、を備えることを特徴とするリニア圧縮機。
4. 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータと、
   少なくとも前記巻線を流れる電流に基づき、前記巻線に印加する電圧を制御する制御装置と、を備えるリニア圧縮機制御システムであって、
   前記制御装置は、
   前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び／又は下死点となるよう制御し、
   前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が０Ｖのときの当該誘起電圧の微分値を前記誘起電圧の傾きとして求める誘起電圧演算部と、
   前記誘起電圧演算部により求められた誘起電圧が０Ｖのときの当該誘起電圧の微分値を入力し、前記誘起電圧の微分値がゼロの場合、上死点及び／又は下死点にピストンが到達していると判定するストローク制御部と、を有することを特徴とするリニア圧縮機制御システム。
5. 請求項４に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
   前記ストローク制御部は、前記誘起電圧の微分値が所定値に達していない場合、前記電圧指令値を大きく、又は、前記電圧指令値に正の直流成分を加えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。
6. 請求項４に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
   前記ストローク制御部は、前記誘起電圧の微分値が所定値を超える場合、前記電圧指令値を小さく、又は、前記電圧指令値に負の直流成分を加えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。
7. 請求項５又は請求項６に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
   前記誘起電圧演算部は、求めた誘起電圧が０Ｖのときのみ当該誘起電圧の微分値を求め前記ストローク制御部へ出力することを特徴とするリニア圧縮機制御システム。
8. 請求項７に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
   前記弾性体は共振バネであって、
   前記界磁子の他端が固定される弾性体支持部材と前記電機子との間に取り付けられた第１の共振バネと、
   前記弾性体支持部材とベース部材との間に取り付けられた第２の共振バネと、を備えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。

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