JP4055967B2 - 電磁式アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁式アクチュエータに関するものであり、特に、位置決め、加工物への力の印加、往復運動などの用途を有する電磁式アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人による先の欧州特許出願第９６３０３８５４．２号においては、互いに固定して固着された２つの同様な部材を含んでなる作動装置（actuation apparatus ）が記載され図示されている。各部は外側の中空の管状の部分および内側部分を有する管状の鉄製の構造体を含んでおり、これら２つの部分はこれらの間に環状のギャップを形成するために端板によりリンクされており、長手方向の断面において各部は略Ｅ−形状となっている。これら２つの部分は互いに対面し、それらの外側部分および内側部分の間で共通の環状のキャビティを規定している。銅製のチューブがキャビティ内で側方にスライド自在に配置されている。キャビティの外部に銅製チューブの動きを移すため、外側部分は長手方向に延在するスロットを有しており、また放射状のスポークが銅製チューブに固着されるとともにスロットを通って延在している。電気コイルが基部において内側部分をそれぞれ包囲しており、またコイルの交流励磁により、銅製チューブ内に誘起されたうず電流と鉄製の構造体内の磁界との相互作用によって、銅製チューブの移動が生じる。コイルが励磁されたときの銅製チューブの力／変位の現象により、２つのコイルの異なる励磁によりその位置が変更されて、装置が位置決め装置として機能する。
【０００３】
本発明の目的は、改良された構造を有し、より汎用の用途である、電磁式アクチュエータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、強磁性材料により構成された固定部と導電性材料により構成された可動部と、を有し、前記固定部は、中空の外側管状部と、当該外側管状部との間に環状のギャップを規定するように位置決めされた中央コアと、を含み、前記可動部は、前記ギャップ内に位置して直線状にスライドするように制約されており、前記中央コアの回りには２つの分離した電気コイルが巻回された電磁式アクチュエータにおいて、前記固定部は、前記ギャップ内の中央に位置決めされておりその両側において前記ギャップを長手方向に２つに分割するディスクを含み、前記中央コアは、前記ディスクの対向する２つの面にそれぞれ固着された２つのコア部を有し、前記２つの電気コイルが前記２つのコア部の回りにそれぞれ巻回されており、前記可動部が前記ギャップ内に一体的にスライド自在な２つの分離した環状部とを含み、前記２つの電気コイルの差動的な励磁により前記可動部の位置決めと往復運動を行う、ことを特徴とする電磁式アクチュエータを提供するものである。
【０００５】
本発明を実行する場合において、固着手段はコアの両方の部分を通って延在する中央ボア、前記ボア内部でスライド自在に移動自在である軸、および移動自在な部分の環状の要素を軸の対向する両端に固定して固着するための手段を含んでなる。好ましくは、軸は中央ボア内においてリニアベアリング上に装着されている。
【０００６】
好ましくは、中央コアの各部分は中央ディスクから離れる方向において直径が増大しているものであり、直径の増大は直径の段階付けされた増加（stepped increase）によって行われる。
【０００７】
本アクチュエータは、位置決め装置として機能することができる。このモードでは、２つのコイルは差動的に励磁され、導体チューブは２つのコイル内を流れる電流の相対的な大きさに依存した位置を取る。本アクチュエータはまた、力印加器（force applier ）として機能することができる。このモードでは、１つのコイルだけが励磁される。２つのコイルを交互に励磁することで、リニアの往復運動を発生することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して本発明を実施の形態によってより詳しく説明する。図１を参照して、同図には、フェライト材料で構成された固定部と電気的な導電材料で構成された可動部を有するアクチュエータの長手方向の断面図が示されている。固定部は、外側の薄い壁の管状のチューブ２が固定して固着された中央の厚い円筒状のディスク１を含んでいる。チューブ２はディスク１の両側上で所定の距離だけ長手方向に延在している。２つの中央のフェライトコア３および４はディスク１のいずれかの側に固着されており、またチューブ２により規定された量内で反対方向に軸径方向に延在している。コア３および４と外側の円筒状の壁２の間の空間内には環状のギャップ５および６が規定されている。
【０００９】
コア３および４は両方との段付けされており、これらの直径はディスク１からの距離とともに増大する。電気コイル７および８は中央コア３および４の回りに位置決めされており、また環状のギャップ５よび６内のディスク１に近接している。
【００１０】
アクチュエータの可動部は２つの薄い壁のチューブ９および１０から構成され、また中実の端１１および１２を有している。チューブ９および１０はギャップ５および６内に位置決めされており、その内部で長手方向に自由にスライドできる。これらは従来のようにアルミニウムあるいは銅から形成される。チューブ９および１０は一致してスライドするように一緒に固着されている。各チューブを互いに固着するために、中央のボア１３が両方のコア３および４を通って右に延在して設けられている。軸１４はボア１３内で延在しており、またその両端はチューブ９および１０の端ディスク１１および１２に固定して連結されている。軸１４のスライド運動を容易化するために、軸１４とボア１３の内面との間にはリニアベアリングを設けることができる。チューブ９と１０および軸１４は一緒に連結されて、２つの対向する方向のいずれかにおけるリニア動作を、限度内で、行うことができる複合の部材１５を形成する。
【００１１】
図１のアクチュエータの動作は、２つのコイル７および８が励磁される態様に依存する。従来は５０Ｈｚである、交流電流によるコイル７または８の励磁の効果は、フェライト素子内に交流磁界を発生させて、導電部材１５内にうず電流を発生することである。うず電流は磁界と作用して導電部材１５上に作用する力を生成する。１つのコイルだけに交流電流が供給された場合、力／変位の関係は図２に示したようになる。同図から、段付きのコアを設けた場合、部材１５が中央位置から外にスライドする際に力が小さい範囲で僅かに増大し、その後に性格にリニアの態様で変位が減少する。比較のため、段付きされていないコアに対する力／変位の曲線を同じスケールで示した。これから、部材１５の運動のほぼ全ての領域においてそれに加えられた力は段付きのコアよりも顕著に大きい。
【００１２】
アクチュエータをリニアの往復モータとして動作させるためには、図１に示された回路構成が使用される。２つのコイル７および８は両方共に、５０Ｈｚの商用電源に接続された端子２１および２２からのトライアックＴ₁ およびＴ₂ により励磁される。トライアックの点弧は、各コイルが交互に励磁される態様で、フォトダイオードセンサＤ１およびＤ２により制御される。いずれの時間においても、一方のトライアックの点弧角は０°であり、他方のトライアックの点弧角は１８０°であり、つまり、一方のトライアックは「オン」であり、他方のトライアックは「オフ」である。このため、フォトダイオードＤ１およびＤ２は部材１５の移動位置の対向する端を検出しトライアックを適宜トリガする。
【００１３】
スライド部材の移動を図３に例示した。図３においてＡで印を付けた中央位置において、トライアックＴ₂ の点弧角は０°であり、コイル８は励磁されて「オン」であり、一方、Ｔ₁ の点弧角は１８０°であり、コイル７は励磁されないで「オフ」である。したがって、部材はＢにおいてフォトダイオードＤ２により検出されるその工程の終りに到達するまで右方に移動する。このポイントにおいて、トライアックＴ₂ の点弧角は１８０°に変化して、コイル８はオフとなる。同様に、フォトダイオードＤ１は部材の工程の終りを検出し、したがって、トライアックＴ₁ の点弧角０°に変化しコイルがオンになる。すると、部材はＢからＣに次いでＤへの移動により図示したように完全に左方に移動する。このポイントにおいて、フォトダイオード左方の工程の終りを検出し、また各トライアックの点弧角が逆となり、ＤからＡ次いでＢへの部材の対応した逆の移動が生じる。スライド部材の往復運動の速度はスライド部材への負荷によって決まる。
【００１４】
位置決めデバイスとしての動作に対しては、ダイオードＤ１およびＤ２は単一の位置センサに置き換えられ、またトライアックＴ₁ およびＴ₂ の点弧角は連続した変化となる。適当な構成の回路のダイヤグラムを図４に示した。図４において、図１のアクチュエータがアクチュエータ４１としてブロック図で示されている。アクチュエータ４１には、図１に示した構成と同様に２つのトライアックＴ₁ およびＴ₂ を介して電力が供給される。しかしながら、工程の終りだけを検出するフォトダイオードの代わりに、スライド部材の位置を連続的に検出するとともに位置に比例したアナログ出力を出力する位置センサ４２が設けられている。センサ４２の出力はアナログ−デジタル変換器４３を介してデジタル信号プロセッサ４４に、またデジタル−アナログ変換器４５を介してトライアックのゲート制御回路４６に供給される。制御回路４６はトライアックＴ₁ およびＴ₂ に点弧パルスを供給する。アクチュエータの力／変位についての異なる点弧角の影響を図５に例示した。点弧角が小さい場合における、得られた力／変位の関係は曲線５１により示した。曲線５１は印加された力は距離に正しく線形的に減少している。点弧角が大きい場合における力／変位の曲線を５２で示した。曲線５２は印加された力が距離とともに正しく減少していることを示している。制御回路４６から両方のトライアックを点弧することで部材１５に力が印加され、また部材はこれらの力が等しくて反対である均衡位置に駆動される。このような位置を図５において５３で示した。実際の均衡位置は制御回路４６により発生されるトライアックの点弧パルスの電源に対する角度に依存する。図４の閉ループ回路により、広範囲の位置に亘り、また均衡位置からの移動に対する大きな戻り力で、部材１５の正確な位置決めが可能となる。
【００１５】
図１のアクチュエータを力伝達装置（force imparting device）としても容易に動作することができる。１つのコイルだけが励磁された場合、いずれかの位置において部材１５に印加される力を図２に示した。いずれかの値の力を印加することと逆関係において、必要とされる部材１５の位置が図２から分かる。アクチュエータは最初は上記した態様で位置決め装置として動作し、部材１５を必要とされる位置に移動させる。部材１５に対する加工物の位置はこの段階においてこの移動を補償するために調節される。両方のコイルの供給は次いでオフされる。これは両方のトライアックの点弧角を１８０°に変更することにより達成される。トライアックの１つだけの点弧角は次いで０°に変更されて完全にオンになり、またこれに接続されたコイルには、部材１５へ力を供給するとともに接続されたいずれかの加工物が予め決定された値を有することを確保するために、最大電流が供給される。印加された力の方向は２つのコイル７または８のいずれが励磁されるかに依存する。これにより、必要に応じて、部材１５に取り付けられた加工物へ引張りあるいは圧縮力のいずれかを印加することが可能になる。
【００１６】
上記したアクチュエータの全ての機能において、電気的な接点のスライドは必要でない。スライド部材１５は外部の電気接点を有しておらず、また従来のリスかご型の誘導モータの堅牢性を有している。よって、本アクチュエータは不良環境においても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化したアクチュエータの長手方向の断面図である。
【図２】図１のアクチュエータに対する力／変位曲線を示したグラフである。
【図３】アクチュエータが連続的な往復運動のために配置されているときの力変位曲線を示したグラフである。
【図４】位置決め装置としてのアクチュエータの動作に対して必要な電気制御回路のブロック図である。
【図５】図４の回路の動作を説明した線図である。
【符号の説明】
１ ディスク
２ チューブ
３、４ コア
５、６ ギャップ
７、８ 電気コイル

Claims (2)

1. 強磁性材料により構成された固定部と導電性材料により構成された可動部と、を有し、前記固定部は、中空の外側管状部（２）と、当該外側管状部との間に環状のギャップ（５、６）を規定するように位置決めされた中央コアと、を含み、前記可動部は、前記ギャップ内に位置して直線状にスライドするように制約されており、前記中央コアの回りには２つの分離した電気コイル（７、８）が巻回された電磁式アクチュエータにおいて、
   前記固定部は、前記ギャップ内の中央に位置決めされておりその両側において前記ギャップを長手方向に２つに分割するディスク（１）を含み、前記中央コアは、前記ディスクの対向する２つの面にそれぞれ固着された２つのコア部（３、４）を有し、前記２つの電気コイルが前記２つのコア部の回りにそれぞれ巻回されており、前記可動部が前記ギャップ内に一体的にスライド自在な２つの分離した環状部（９、１０）とを含み、
   前記２つの電気コイルの差動的な励磁により前記可動部の位置決めと往復運動を行う、ことを特徴とする電磁式アクチュエータ。
2. 前記２つのコア部は、前記ディスクから離れる方向においてその直径が段階的に増大する形状を成すことを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエータ。

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