JP3407927B2 - 誘導アクチュエータの制御法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リニアアクチュエータ
などの誘導アクチュエータの制御法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】リニアアクチュエータとして、ブラシ付
きの直流リニアモータ、ブラシレスリニアモータ、誘導
リニアモータ等をはじめ、電磁弁等のアクチュエータ等
があり、それぞれ長所と短所がある。ブラシ付きの直流
リニアモータは、制御性など優れた特徴を持つがブラシ
等の寿命などの問題がある。ブラシレスリニアモータ
は、高推力が得られるものの、コギングトルクが大き
く、また永久磁石に要する費用が大きい。一方、電磁弁
などのアクチュエータは、構造もシンプルであり、比較
的大きい推力を得られるが、一方向の推力しか得られな
い場合が多い。誘導リニアモータは、磁石を使用せず、
ブラシなどもなく、構造も比較的シンプルであるが、し
かしまだ、可動側には磁心と導体を含み、固定側には、
多くの巻線、ティースを有する磁心などを有している。

【０００３】最近、制御性の良いアクチュエータとし
て、ボイスコイルモータがＨＤＤの磁気ヘッド駆動用ア
クチュエータとして使用されている。このアクチュエー
タは、推力むらがなく、高精度制御用に適している。し
かし、永久磁石を有し、費用が高いこと、可動部へリー
ド線がつながっていることや、可動部の剛性が得られに
くい等、問題も多い。リード線を有せず、高剛性の可動
コイルを有するボイスコイルモータとして、誘導ボイス
コイルモータ（電気学会回転機研究会資料ＲＭ−９０−
１１５）も考案されているが、このモータはやはり磁石
を必要とし、連続した推力が得られにくい。

【０００４】従来のアクチュエータでは、磁石を有せず
に低コストで、単純な構造でメンテナンスが容易であ
り、かつ、可動コイルが高剛性であるアクチュエータと
しては、半閉磁路形単相交流リニアアクチュエータ（電
学論 Ｄ, １０８巻 ８号 ３）が報告されているが、
一方向駆動であることより、制御が難しい場合が多い。
また、特願平０２−９３１２５では、誘導ボイスコイル
モータの界磁に電磁石を用いたものがあるが、電磁石用
の巻線即ち界磁巻線を入力巻線以外に付ける場合は、巻
線の数が増えること、さらに効率よく界磁磁束を発生さ
せるためには、界磁巻線を可動コイルの近くに配置しな
いといけないなど、構造面で問題がある。

【０００５】このような背景のもとに、従来のアクチュ
エータでは、磁石を有せずに低コストで、単純な構造で
メンテナンスが容易であり、かつ、可動コイルが高剛性
で、制御性が比較的優れたアクチュエータが発明された
（特願平４−２２１１５３、特願平５−０４５５３
３）。しかし、このアクチュエータも制御するために
は、センサーが必要であり、センサーを付けると、装置
が複雑になり、可動コイルがシンプルである特徴が軽減
される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のアク
チュエータでは、磁石を有せずに低コストで、単純な構
造でメンテナンスが容易であり、かつ、可動コイルが高
剛性で、制御性が比較的優れた誘導アクチュエータを、
他のセンサーを備えることなく、位置や速度を制御する
制御法を提供することを目的としてなされた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の誘導アクチュエ
ータの制御法は、励磁コイルと可動コイルが同一の閉磁
路磁心を有し、前記励磁コイルに電流を流すことによ
り、可動コイルに推力を発生させる誘導アクチュエータ
において、励磁コイルから見たインピーダンスの実部よ
り、可動コイルの速度を推定することを特徴としてい
る。

【０００８】また、本発明の誘導アクチュエータの制御
法は、上記可動コイルの速度推定方法において、同時
に、励磁コイルから見たインピーダンスの虚部より、可
動コイルの位置を推定することを特徴としている。

【０００９】さらにまた、本発明の誘導アクチュエータ
の制御法は、上記可動コイルの速度推定方法、及び可動
コイルの位置推定方法を用いて、可動コイルの位置およ
び速度を制御することを特徴としている。

【００１０】以下に、本発明を詳細に説明する。本発明
のアクチュエータは、特願平４−２２１１５３、特願平
５−０４５５３３に記されているものである。

【００１１】励磁コイル、複数個の可動コイル及び閉磁
路磁心で構成され、励磁コイルは、界磁を発生させ、か
つ可動コイルに電磁誘導で誘導電流を流すための電流を
流すためのものであり、可動コイルは、励磁コイル電流
との電磁誘導により誘導電流を流すものでり、本発明の
アクチュエータは、励磁コイルにより生じる前記界磁と
の間で、推力を生じさせるもので、或いは、可動コイル
に流れる誘導電流で生じる界磁と励磁コイルに流れる電
流との間で、推力を生じるもので、また、誘導電流によ
る起磁力と磁心との間の磁気吸引力で推力を生じるもの
である。可動コイルは１個あるいは２個以上で、励磁コ
イルも１個でも２個以上でも良い。

【００１２】２方向に駆動する場合は、駆動する２方向
の両端に２個の励磁コイルを配置し、電流を流す励磁コ
イルを切り替えれば、駆動方向が容易に制御できる。一
方向駆動であれば、駆動方向とは逆方向の端の部分に１
個の励磁コイルを配置すると良い。 また、方向によ
り、２個以上の可動コイルの推力割合を変える場合に
は、実施例IIのように、主励磁コイルと副励磁コイルを
設けても良い。

【００１３】励磁コイルに流される電流は、電磁誘導を
効率よく生じせしめるためには一般に交流が良く、交流
の周波数を、励磁コイルと可動コイルとの間の電磁誘導
を効率よく行える低周波数側限界周波数以上にすると良
い。

【００１４】励磁コイルの電流は、正弦波、矩形波、三
角波、パルス波等どのような波形のものでも良く、また
１パルスのようなものから数パルスのものでも良い。こ
の場合の周期は、連続的な交流であれば、その周期、２
パルス以上のパルスの場合は、そのパルスの周期、１パ
ルスの場合は、パルス幅の２倍とし、周波数はその逆数
である。励磁コイルの電流は、商用の電源を直接使用し
ても良い。

【００１５】可動コイルは、誘導電流を効率よく流すた
めに、電気抵抗が低いほど良く、銅、アルミニウムやこ
れらの合金であることが好ましく、形状としては、金属
環等の一体ものや、２片以上の金属片をボルト止め等で
組み合わせたもので閉電路を形成したものでも良く、さ
らには、導線を巻いたものやボビンに導線を巻いたもの
でも良い。この可動コイルは、動かそうとする負荷と一
体化したもので、同時に加工したものなどでも良いこと
は言うまでもない。２片のアルミニウム片を組み合わせ
る場合に、その接触抵抗が、酸化膜などで大きくなり、
問題となる場合には、その接触面に、ニッケルメッキや
銅メッキを施す等の表面処理を行い、接触抵抗を低くす
ると良い。

【００１６】磁心は、可動コイルに界磁の磁束を集中さ
せるものであり、かつ励磁コイルと可動コイルの間の電
磁誘導を効率よく行うため、励磁コイルにより発生した
磁束を可動コイルに導き交鎖させる為のもので、前記の
励磁コイルや可動コイルを貫通している。また、誘導電
流による起磁力と磁心との磁気吸引力で推力を生じるも
のである。この磁心は、一般に、電磁誘導を効率よく行
うためには、閉磁路を形成するものであるが、ラップ部
を有する磁心や、カットコアをつなぎ合わせたもので
も、この発明の適用が可能であれば開磁路でも良い。好
ましくは、額縁型の磁心で、駆動方向に長いものが良
い。ギャップとは、励磁コイル電流により生じる磁束の
磁路が磁心以外を通る部分の一部で、この励磁コイルに
より生じる磁束と可動コイルに流れる誘導電流との間で
推力を発生する主な場所を言う。

【００１７】磁心は、透磁率が高い磁性材料を使用する
ことが必要であり、ケイ素鋼、鉄ニッケルや鉄コバルト
等の合金、ソフトフェライトそれにアモルファス磁性材
料等のように高透磁率の磁性材料でつくられたものであ
ることが好ましく、できれば、厚さが１ｍｍ以下の板状
磁性材料、直径が１ｍｍ以下の線状磁性材料、或は電気
抵抗率が５０μΩｃｍ以上である磁性材料や磁区細分化
処理された磁性材料などのような低鉄損磁性材料である
と、誘導アクチュエータの効率や高周波性能が良くなる
ので好ましい。５０μΩｃｍ以上の電気抵抗率の磁性材
料は、ソフトフェライトや４％以上のＳｉを含む珪素鋼
板等である。厚さ１ｍｍ以上の板状磁性材料、直径が１
ｍｍ以上の線状磁性材料、或は電気抵抗率が５０μΩｃ
ｍ以下である磁性材料や磁区細分化処理されてない磁性
材料では、高周波で駆動すると材料内に渦電流が生じ、
電力損失である鉄損が増すだけでなく、制御性にも悪い
影響を与える。

【００１８】磁心は、これら等の磁性材料で、積み重ね
てつくられたもの、巻いてつくられたもの、寸法の異な
る磁心材を交互に重ねるなどしたラップ磁心などでつく
ると良い。

【００１９】この誘導アクチュエータを効率よく駆動
し、大きい推力を得るためには、特願平５−０４５５３
３のようにすると良い。

【００２０】この誘導アクチュエータの励磁コイルから
見たインピーダンスＺは、可動コイルの位置ｄ（励磁コ
イルからの位置）や速度ｖにより変化する。従って、可
動コイルの位置ｄや速度ｖの変化、ΔｄとΔｖに対し、
インピーダンスの変化ΔＺは、ｊ² ＝−１として ΔＺ＝ｊａΔｄ＋ｂΔｖ となる。右辺の第１項は、可動コイルと励磁コイル間を
通るギャップ磁束による為、その磁束量は、可動コイル
と励磁コイルの距離ｄにほぼ比例する為であり、第２項
は、可動コイルの移動速度により、励磁コイルと交鎖す
る磁束量がその速度に比例して変化し、可動コイルの行
う仕事に必要とする電力が、入力側の励磁コイルから
は、見かけ上、抵抗とみなされる為である。

【００２１】従って、このインピーダンス変化より、可
動コイルの位置や速度が推定できる。また、この推定法
を利用すれば、別にセンサーを必要とせずに、可動コイ
ルの位置と速度が検出でき、この誘導アクチュエータを
制御できる。検出方法としては、定電流駆動であれば、
電圧がインピーダンスに比例するので、電流と同位相成
分変化が速度変化に比例し、電流に対して９０゜成分の
変化が位置の変化量に比例する。

【００２２】可動コイルが複数ある場合にも、速度変化
がインピーダンスの実部の変化、位置の変化がインピー
ダンスの虚部の変化となることは同じである。しかし、
複数個の可動コイルの場合、各可動コイルの位置によ
り、その位置や速度に対するインピーダンスの変化が変
化する。しかし、これも、計算機等で計算し、推定可能
ならばこの推定方法や制御方法も適用可能である。

【００２３】

【実施例】本発明の誘導アクチュエータの速度推定法の
実施例を図１に示す。１は閉磁路磁心で、２と３の励磁
コイルと５の可動コイルの磁心となっている。２、３の
励磁コイルは、導線で巻かれたコイルで、励磁コイル２
の巻数はｎ₁ 、励磁コイル３の巻数はｎ₂ である。閉磁
路磁心１は、電磁鋼板を積層したもので、１’と１”で
ラップされている。可動コイル５は銅リングで作られて
いる。励磁コイル２に電流を、電源４により、符号７の
方向（紙面の表から裏の方向）に流すと、磁心１には磁
束８が生じるとともに、ギャップ６には、ギャップ磁束
９が生じる。可動コイル５には、磁心１を流れる磁束８
により、誘導電流が１１の方向（紙面の裏から表の方
向）に流れる。この誘導電流とギャップ磁束９により、
可動コイル５に１３の方向に、即ち励磁する励磁コイル
２より離れる方向に、推力が発生する。このとき、電源
４により、励磁コイル２に加えられる電圧Ｖと流される
電流Ｉより求められるインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸは、
図２と図３のようになる。従って、インピーダンスを検
出すれば、可動コイル５の位置ｄと速度ｖが検出でき、
この推定値の位置ｄと速度ｖより、可動コイル５の制御
ができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明で扱う誘導アクチュエータは、励
磁コイル、可動コイルと磁心のみで、構造がシンプル
で、複数の負荷を同時に駆動できるなど、多くの長所を
備えているものであり、また、別途センサーを付けるこ
となく、可動部（可動コイル）の速度と位置が同時に検
出できるものであり、使用上のメリットも大きい。この
誘導アクチュエータは定電流駆動すれば、発生推力も可
動子位置に依らずほぼ一定にできるとともに、インピー
ダンスが電圧に比例することになり、電圧検出だけで、
可動コイルの位置と速度が検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するもので、誘導アクチ
ュエータの構成図である。

【図２】可動コイルの位置とインピーダンスの虚部の関
係を表したグラフである。

【図３】可動コイルの速度とインピーダンスの実部の関
係を表したグラフである。

【符号の説明】

１ 閉磁路磁心 ２ 励磁コイル ３ 励磁コイル ４ 電源 ５ 可動コイル ６ 閉磁路磁心でつくられるギャップ ８ 磁束 ９ 磁束

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁コイルと可動コイルが同一の閉磁路
   磁心を有し、前記励磁コイルに電流を流すことにより、
   可動コイルに推力を発生させる誘導アクチュエータにお
   いて、励磁コイルから見たインピーダンスの実部より、
   可動コイルの速度を推定することを特徴とする誘導アク
   チュエータの制御法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の可動コイルの速度推定方
   法において、同時に、励磁コイルから見たインピーダン
   スの虚部より、可動コイルの位置を推定する誘導アクチ
   ュエータの制御法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の可動コイルの速度推定方
   法、及び請求項２記載の可動コイルの位置の推定方法を
   用いて、可動コイルの位置および速度を制御する請求項
   １記載の誘導アクチュエータの制御法。