JP2013188122A - 円筒型リニヤ駆動装置 - 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、円柱状の軟磁性体の両側部に設けた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、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

機械装置の部材を設定ストロークだけ、通電制御により直線的に駆動させる手段として利用される。

同じ目的を達する為に電磁プランジヤがある。

周知の電磁プランジャには次に述べる解決すべき課題となる問題点がある。第１の課題 作動時に大きい衝激音が発生する。第２の課題 最も出力の必要とする初期に最も駆動出力が小さく、動作の終了点で最も駆動力が大きくなる問題点がある。第３の課題 第１の課題を解決した手段もあるが、駆動ストロークが小さい欠点がある。

軸方向に左右に移動できるように外筐両端部の軸受により支持された作動子と、外筐内側に固着され、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た第１，第２の磁極を備えるとともに、第１，第２の磁極の外周にそれらの磁路となる軟磁性体を備えた複数組の磁極よりなる固定子と、前記した作動子と同軸で固着されるとともに、第１，第２の磁極間の距離に対応した巾の複数個の軟磁性体円柱と、第１，第２の磁極を励磁する励磁コイルと、軟磁性体円柱の外周と対応する第１，第２の磁極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磁極間に磁気吸引力を発生して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 本発明装置の他の実施例の断面図 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

第１，第２，．．．の励磁コイルに順次に通電することにより、対応する第１，第２の磁極を励磁して作動子の軟磁性体円柱を吸引して、作動子とこれに連設した負荷のリニヤ駆動を行なう。このときの駆動力は従来の手段の５〜６倍となる。励磁コイルの通電手段によりステッピング動作とリニヤモータの動作を選択して実施することができる。

図１以降について本発明の詳細を説明する。各図面の同一記号のものは同じ作用をする部材なので、その重複した説明は省略する。図１は外観を示す図である。円柱状の外筺となる記号２の左右には側板３ａ，３ｂが固着され、作動子１が左右に駆動され、作動子１の左端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は外筺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設定された幅この場合には磁極巾とされ、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（この磁極は省略して図示していない。）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が、この値の１／２でもよい。円柱１ａは図示のようにそれ等の右端が、磁極４ｂの左端と対向している。円柱１ａの側面は磁極４ｂ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。軟化磁性体円環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５に通電すると、磁束は磁極４ａ→円柱１ａ→磁極４ｂ→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。通電を停止するとスプリングバックして、図示の状態に復帰する手段とすることもできる。上述した動作において、円柱１ａと磁極４ｂ間では矢印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４ａの端部の対向部の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４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５について説明する。図５において、磁極４ａ，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４ａ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４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５ａに通電すると、作動子１は矢印ｂ方向に磁極巾だけ駆動され、次に励磁コイル５ｂに通電すると、更に磁極巾だけ駆動される。上述したように、励磁コイルを記号５ａ→５ｂ→５ｃ→．．．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、外筐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５ａ→５ｂ→５ｃ→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５ｅ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５ａ→５ｂ→５ｃ→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。

図３に示したものは、ステップのストロークを磁極巾の１／２としたものである。点線Ｃ以降は点線Ｄの左方に示される。図３と図２の装置の差は次に説明する点である。図３はステップストロークが１／２即ち磁極巾の１／２のステップストロークとなる。励磁コイルの通電の順序は、記号５ｉ→５ａ→５ｂ→５ｃ→．．．となる。点線Ｅ，Ｆは、図２の下側の磁極を省略して示したものである。図２，図３の装置は、位置検知装置を付設することによりリニヤ電動機を構成することができる。次にその詳細を説明する。

図２において、記号２は軟磁性体の外筐となる円筒の断面を示している。軟磁性体の円環４ａ，４ｂ，４ｃ，．．．は、その巾だけ離間して外周が円筒２の内側に固着される。記号５ａ，５ｂ，５ｃ，．．．は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である。各励磁コイルが通電されると、その両側の磁極はＮ，Ｓ極に励磁される。軟磁性体の作動子１にはこれより径の大きい円柱１ａ，１ｂ，．．．，１ｄが同軸で固定され、作動子１は円筒２の左右に装着した軸受（図示せず）により左右に滑動するように支持される。

円柱１ａ，１ｂ，．．．の巾はＮ，Ｓ磁極の外側の巾と等しく、それ等の離間距離は円柱巾の２／３となっている。周知のパルス発振器により、励磁コイル５ａ，５ｂ，．．．に順次に出力パルスを増巾して通電する場合の動作を次に説明する。第１のパルスにより、励磁コイル５ａが通電されると、このときの矢印ｂ方向の駆動力は前述したように著しく大きくなる作用効果がある。作動子１が磁極巾だけ移動すると連設した負荷５も同じ距離だけ駆動される。次に入力される第２，第３，第４の入力パルスにより励磁コイル５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅが通電されると、円柱１ｂは円柱１ａの位置まで移動して１サイクルの通電が終了する。

以上の説明より理解されるように、入力パルス５個を入力し、次の５個の入力パルスにより各励磁コイル５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５ｄ→５ｃ→５ｂ→５ａ→５ｅ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。外筐となる円筒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，．．．，１０ｅが磁極巾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６につきその説明をする。図６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６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）１６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によるブロック回路１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの出力により、端子１８ｃ，１８ｄ，１８ｅの出力が順次に得られる。端子１８ａ，１８ｂ，．．．，１８ｅの出力により図２の励磁コイル５ａ，５ｂ，．．．，５ｅの通電をすることにより円柱１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ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５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。

ステッピング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３において、図２の場合と同様な手段で位置検知用のコイル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，．．．８個を磁極巾の１／２のピッチで配設し、これより得られる位置検知信号により、励磁コイル５ａ，５ｂ，．．．，５ｉの通電制御をすることによりリニヤ電動機を構成することができる。

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. 軸方向に左右に移動できるように外筐両端部の軸受により支持された作動子と、外筐内側に固着され、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た第１，第２の磁極を備えるとともに、第１，第２の磁極の外周にそれらの磁路となる軟磁性体を備えた複数組の磁極よりなる固定子と、前記した作動子と同軸で固着されるとともに、第１，第２の磁極間の距離に対応した巾の複数個の軟磁性体円柱と、第１，第２の磁極を励磁する励磁コイルと、軟磁性体円柱の外周と対応する第１，第２の磁極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磁極間に磁気吸引力を発生して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円筒型リニヤ駆動装置。

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