JP2013188121A - リニヤ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無音で作動し、駆動力の著しく大きい負荷のリニヤ駆動装置を得ることが目的である。
【解決手段】
円筒状の軟磁性体の内側に外側が固定された軟磁性体の円環よりなる複数個の磁極と、隣接する磁極１組を励磁する励磁コイルと、円柱状の軟磁性体が軸受により円筒状軟磁性体の軸線にそって滑動できるように支持された作動子に設けられるとともに、外側面が僅かな空隙を介して磁極面と対向する複数個の軟磁性体円柱と、励磁コイルを順次に通電することにより磁極巾の２／３づつステップ動作をせしめるか、若しくは位置検知素子により、軟磁性体円柱の位置を検出して得られる出力を介して対応する励磁コイルの通電を制御して軟磁性体円柱と磁極間の相対駆動力を発生せしめる通電制御回路とより構成される。
【選択図】図２

Description

機械装置の部材により自動的に組立作業時に、所要の部材を設定されたストロークだけ自動的に往復動させるときに利用される。

同じ目的を達する為に電磁プランジヤがある。又並置された回転ローラにより部材を移動する装置がある。

知の電磁プランジヤには次に述べる解決すべき課題がある。
第１の課題 作動時に大きい衝激音を発生する。
第２の課題 作動子のストロークを任意の大きさに選択できなく、又往復動することができない。
第３の課題 作動子の移動ストロークを大きくすることができない。
第４の課題 最も駆動力の必要な初期に駆動力が小さく、動作の終了時の駆動力が余り必要でないときに最大の駆動力となる不都合がある。
第５の課題 駆動力が飽和することなく、通電電流に応じて直線的に増大する手段が要求される。

外筺の中心軸方向に左右に移動できるように支持された作動子と、所定の軸間距離で保持された円環状の軟磁性体で作られ、該軸間距離と同じ巾の第１，第２の磁極を備えるとともに、第１，第２の磁極の磁路となる軟磁性体を備えた６組の磁極が内周面に軸方向にそって所定の離間距離で固定された前記した外筐と、第１，第２の磁極を励磁する６個の励磁コイルと、前記した作動子と同軸で等しいピッチで固定されるとともに、第１，第２の磁極の外側間の距離とほぼ等しい大きさの巾を有する複数個の軟磁性体円柱と、該軟磁性体円柱の外周と対向する第１，第２の磁極の内周とを僅かな空隙を介して対向して保持する手段と、磁極と軟磁性体円柱の軸方向の相対位置を検出して得られる位置検知信号若しくは設定された，順序で得られる電気信号により対応する励磁コイルを通電することにより、軟磁性体円柱と第１の磁極を完全に対向して磁路を閉じるとともに、その磁束により第２の磁極と軟磁性体円柱との間に磁気吸引力を発生して磁極巾の２／３だけ相対的駆動力を発生し、順次に通電される励磁コイルによる対応する磁極と軟磁性体円柱との磁気吸引力により、１方向に相対的な駆動力を発生する通電制御回路とにより構成されたものである。

無音で負荷を往動の駆動を直線的に行ない、円筒形のステッピング電動機若しくはリニヤ電動機を構成することができる。初期の駆動力が大きくその後の駆動力の低下の少ない負荷のリニヤ駆動装置が得られる。駆動力は従来の手段の６倍位となる効果がある。

本発明装置の外観図 本発明装置の断面図 作動子の移動距離と駆動力のグラフ 磁極により発生する磁束の説明図 励磁コイルの通電制御回路図

図１以降について本発明の実施の形態を説明する。各図面の同一記号のものは同一部材か若しくは同一の作用をする部材なので重複した説明は省略する。図１は外観を示す図である。円筒状の外筺２の左右には側板３ａ，３ｂが固定され、作動子１（円柱状）が左右に直線的に駆動される。作動子１の端部には図示しない負荷が連設されている。図２は図１の横断面図である。図２において、軟磁性体製の円筒２は外筐を兼ねた磁路となる。円筒２の内周面には円環状の磁極４ａ，４ｂが突出して設けられる。磁極４ａ，４ｂの幅は等しく、それ等の離間距離は磁極巾とされ、磁極４ａ，４ｂの間には円環状の励磁コイル５ａが装着される。

円筒２の両側には、図示していないが、前述した側板３ａ，３ｂが締着される。側板３ａ，３ｂの中央部の空孔は軸受となり、軟磁性体製の作動子となる円柱１を左右に滑動するように支持している。作動子１には、径の大きい軟磁性体円柱１ａ，１ｂ，１ｃ，．．．が切削加工で作られ、円柱の巾は磁極４ａ，４ｂの外側間の距離と等しくされる。この等しい意味は少なくとも等しくされることで、多少の長さだけ大きくしても差支えない。円柱１ａ，１ｂ，１ｃ，．．．の外周と、磁極４ａ，４ｂの内周とは０．１〜０．２ミリメートルの空隙を介して対向し、円柱１の右端には負荷５が連設される。

磁極４ａ，４ｂと同じ構成の磁極４ｃ，４ｄ、磁極４ｅ，４ｆ、磁極４ｇ，４ｈ、磁極４ｉ，４ｊ、磁極４ｋ，４ｌが外筐２の内側に図示のように固着されている。各磁極と各円柱との相対位置は図示のようになっている。各１組の磁極の外側間の距離（例えば矢印ａで示すもの）は磁極巾とされている。円柱１ａは図示のようにそれ等の右端が、磁極４ｃの左端と対向している。円柱１ａの外側面は磁極４ｄと空隙を介して対向する。上述した構成とする為の手段を次に説明する。軟磁性体円環４ａを作り、これを外筐２の内側に挿入固定する。次に円環状に捲回してプラスチックで固化された励磁コイル５ａを外筐２の内側に挿入し、次に軟磁性体円環４ｂを作り、これを外筐２の内側に挿入固定する。他の磁極４ｃ，４ｄとその励磁コイル５ｂ等についても上述した手段により図示のように構成することができる。

励磁コイル５ａ，５ｂ，．．．の端子は外筐２に設けた細孔より外部に導出される。励磁コイル５ｂに通電すると、磁束は磁極４ｃ→円柱１ａ→磁極４ｄ→外筺２→を通って閉回路となるので磁束量が大きく、従って矢印ｂ方向の作動子となる円柱１の駆動力は大きくなり、負荷５を同方向に駆動する。上述した動作において、円柱１ａと磁極４ｄ間では磁力線は対向面に垂直となり矢印ｂ方向の吸引力はないが、空隙部の対向面積が大きいので磁気抵抗が著しく小さく磁力線の量が大きくなる。この磁力線は円柱１ａと磁極４ｃの端部の対向部の大きい洩れ磁束となり矢印ｂ方向の駆動力に大きく寄与する。従って従来のこの種のリニヤ駆動装置の６倍位の駆動力を得ることができる特徴がある。

図３のグラフは、負荷駆動力のグラフでよこ軸は作動子１の移動距離、たて軸は吸引力である。周知の電磁プランジヤでは、曲線７で示すように初期の吸引力が小さく、終了時の吸引力が最大となる。本発明装置では、曲線８で示すように初期の吸引力が大きく、次に漸減する。従って大きい負荷の駆動を行なうことができる特徴がある。上述した作用を図４について説明する。図４において、磁極４ｃ，円柱１ａは断面を示し、端部の対向部には矢印の磁力線９ａ，９ｂ，９ｃが発生する。このとき磁極４ｃはＮ極に励磁され、円柱１ａは磁気誘導によりＳ極に励磁される。対向部の磁力線９ａは矢印ｂ方向の吸引力に余り影響がないが、矢印９ｂ，９ｃの磁力線により矢印ｂ方向の吸引力が得られる。矢印９ａの磁力線による吸引力は励磁コイルの電流の２乗に比例し、矢印９ｂ，９ｃの磁力線による吸引力は電流の１乗に比例する。又空隙長が０．１ミリメートル以下となると、矢印９ａの磁力線は対向面に垂直となり吸引力が消失するので、図３のグラフの曲線８に示すように初期の吸引力が大きく平坦な吸引力となる特徴がある。以上の説明より理解されるように、通電の制御により、負荷の直線的な駆動を無音で、初期の駆動力の大きいモードで行うことができる特徴がある。

図２において、励磁コイル５ｂに通電すると、作動子１は矢印ｂ方向に磁極巾の２／３だけ駆動され、次に励磁コイル５ｃに通電すると、更に磁極巾の２／３だけ駆動される。上述したように、励磁コイルを記号５ｂ→５ｃ→５ｄ→．．．と順次に通電することにより、作動子１は矢印ｂ方向に磁極巾の２／３だけ駆動される。従って周知のステッピング電動機の通電をする電気回路を利用することによりリニヤステッピングモータを構成することができる。この場合の通電の順序は前述した通りであるが、逆の順序で通電すると逆方向に駆動される。作動子１を本体に固定し、外筺２を左右に駆動することもできる。この場合には負荷は外筐２に装着される。

励磁コイルを記号５ｂ→５ｃ→５ｄ→５ａと通電すると作動子１は矢印ｂ方向のステップ駆動となるが、励磁コイル５ａの通電により、作動子１と磁極は図２の相対位置に復帰する。従って励磁コイルを更に記号５ｂ→５ｃ→５ｄ→と通電することにより連続してステップ動作を行なうことができる。作動子１の往復動もできるが、スプリングを作動子１に設けてスプリングバックすることもできる。

各円柱１ａ，１ｂ，．．．の間を打点部で示したように、プラスチック材を充填して固化することにより、作動子１は１本の円柱状となる。この場合に外周に滑動性のあるプラスチック材をコーテイングすることにより、該円柱状の作動子の軸受が各磁極となり、特に作動子１の軸受を必要としなくなる利点がある。図２では円柱１ａが図示の位置より矢印ｂ方向にスタートする場合を説明したが、円柱１ａが点線Ｃの位置よりスタートする場合には、励磁コイルの通電の順序は、５ａ→５ｂ→５ｃ→．．．５ａ→５ｂ→．．．とサイクリックに通電される。上述した通電は周知のパルス発振器のパルス出力により行なうことができる。

以上の説明より理解されるように、入力パルス６個を１組とし、順次に入力する入力パルスにより各励磁コイル６個を繰返して通電することにより所要の負荷５の駆動を行なうことができる。入力パルスによる励磁コイルの順序を逆転して、励磁コイル５ｆ→５ｅ→５ｄ→５ｃ→５ｂ→５ａと通電することにより作動子１は左方に駆動される。作動子１にスプリングを設け作動子１を駆動の終了後に励磁コイルの通電を断つことにより原位置にスプリングバックすることもできる。

上述した動作は作動子１を本体に固定し、円筒２を左右に可動できるように支持し、円筒２に負荷を装着しても実施できる。次に図２の装置をリニヤ電動機として動作せしめる場合について説明する。外筺となる円筒２には円形の細孔が設けられ、内側端部延長線上にコイル（１０〜２０ターン位）１０ａ，１０ｂ，．．．，１０ｆが磁極巾の２／３のピッチで配設される。円柱１ａの外側がコイル１０ａ，１０ｂ，．．．に僅かな空隙を介して対向する。各コイルには１〜５メガサイクル位の高周波の通電が行なわれ、コイル面が円柱１ａ外側に対向すると銅損が増大してインピーダンスが変化する。この変化により円柱１ａ即ち作動子１の位置検出信号を得ることができる。

次に図５につきその説明をする。図５において、記号１０は１メガサイクルの発振回路で、その出力はコイル１０ａ、抵抗１５ａ，１５ｂ，１５ｃよりなるブリッジ回路に印加され、ダイオード１１ａ，１１ｂ、コンデンサ１２ａ，１２ｂを介するオペアンプ１３の入力は等しく、その出力はローレベルに保持されている。記号１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅで示すブロック回路は上述したコイル１０ａを含む回路と全く同じ構成のもので、コイル１０ａがそれぞれコイル１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆとなっている。図２のコイル１０ａが、円柱１ａが右方に移動することにより円柱面端部に対向すると、円柱面の渦流損によりインピーダンスが低下して通電電流が増大する。従って図５のオペアンプ１３の＋端子の入力が増大してその出力がハイレベルに転化するので、フリップフロップ回路（以降はＦ回路と略称する）１６ａの出力端子１８ａもハイレベルに転化する。

図２の円柱１ａが更に磁極巾の２／３だけ移動すると、その外側面がコイル１０ｂに対向するので、Ｆ回路１６ａの下側の入力がハイレベルとなる。図示していないがＦ回路１６ａ，１６ｂ，．．．の入力は、周知の手段によりみじかいパルス入力に転化されているので、ブロック回路１４ａの出力により、端子１８ａの出力は消滅し、端子１８ｂの出力に転化する。同じ理由により、コイル１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆによるブロック回路１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの出力により、端子１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆの出力が順次に得られる。端子１８ａ，１８ｂ，．．．，１８ｆの出力により図２の励磁コイル５ａ，５ｂ，．．．，５ｆの通電をすることにより円柱１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、矢印ｂ方向に磁極により吸引駆動されてリニヤ電動機を構成することができる。駆動力は図４につき前述したように著しく大きくなる作用効果がある。ステッピン電動機の場合と同様に、励磁コイルの通電の順序を逆転することにより作動子１を左方に駆動することができる。

図１に示す構成で、外筺２の直径が６０ミリメートル、長さ２５０ミリメートルの場合に作動子１の最大駆動力は２０ｋｇ重、励磁コイルの通電は２００アンペアターンである。

１ 円柱状の作動子
１ａ，１ｂ，．．．軟磁性体円柱
２ 軟磁性体円筒外筐
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，．．．磁極
３ａ，３ｂ 側板
５ 負荷
５ａ，５ｂ，５ｃ，．．．励磁コイル
７，８ 吸引力の曲線
９ａ，９ｂ，９ｃ 磁気吸引力の曲線
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，．．．位置検知コイル
１０ 発振器
１３ オペアンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，．．．フリップフロップ回路

Claims (1)

1. 外筺の中心軸方向に左右に移動できるように支持された作動子と、所定の軸間距離で保持された円環状の軟磁性体で作られ、該軸間距離と同じ巾の第１，第２の磁極を備えるとともに、第１，第２の磁極の磁路となる軟磁性体を備えた６組の磁極が内周面に軸方向にそって所定の離間距離で固定された前記した外筺と、第１，第２の磁極を励磁する６個の励磁コイルと、前記した作動子と同軸で等しいピッチで固定されるとともに、第１，第２の磁極の外側間の距離とほぼ等しい大きさの巾を有する複数個の軟磁性体円柱と、該軟磁性体円柱の外周と対向する第１，第２の磁極の内周とを僅かな空隙を介して対向して保持する手段と、磁極と軟磁性体円柱の軸方向の相対位置を検出して得られる位置検知信号若しくは設定された，順序で得られる電気信号により対応する励磁コイルを通電することにより、軟磁性体円柱と第１の磁極を完全に対向して磁路を閉じるとともに、その磁束により第２の磁極と軟磁性体円柱との間に磁気吸引力を発生して磁極巾の２／３だけ相対的駆動力を発生し、順次に通電される励磁コイルによる対応する磁極と軟磁性体円柱との磁気吸引力により、１方向に相対的な駆動力を発生する通電制御回路とにより構成されたことを特徴とするリニヤ駆動装置。

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