JPH03500112A - リニア駆動モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 リニア駆動モータ 本発明は、リニア駆動モータに関し、特にリニア駆動モータの制御装置に関する 。

従来からのリニア駆動モータは１回転を直線運動に変換する装置を具えた標準的 なモータおよび／またはギアボックスを用いるものであり、上記変換の装置とし てリードスクリューやレバー機構がある。この技術に伴なって招来する問題点と しては、バックラッシ。

力学的振動、望ましくない力学的共振、および狭い帯域幅を挙げることができる 。上述のようなモータを制御するに際して回転速度計からの速度フィードバック を行うことが知られているが、このことは望ましくない交流成分、例えば、回転 速度計の整流作用によって生じる交流成分を導入してしまう。この交流成分を取 り除こうとすると、リニア駆動モータ系の帯域幅がさらに狭くなる。精密な機械 駆動系にとって、上述のようなリニア駆動モータの特性のいくつかあるいは全て は望ましくないものである。

発明の開示 本発明は電気入力および該電気入力に比例した直線動作を伴なって駆動される機 械的出力部材を有する比例ソレノイド、該ソレノイドの前記機械的出力部材に接 続し、該機械的出力部材の速度に応じた電気出力信号を生成する速度変換器、お よび該速度変換器の前記電気出力信号を受信し、当該受信した信号に応じて前記 ソレノイドへの前記電気入力を制御することにより、前記機械的出力部材の速度 を制御することを特徴とするリニア駆動モータを提供する。

図面の簡単な説明 以下に示す添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、制御されるリニアモータの第１実施例の基本要素を示す概略図、 図、 夕の他の３実施例を示す概略回路図である。

発明を実施するための最良の形態 られるような比例ソレノイドである。このソレノイドとして適当な装置は、レデ ックス　エレクトロメカニカル　プロダクツ（Ｌｅｄｅｘ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ）（Ｌｅｄｅｘ　Ｉｎｃ、　８０１５ｃｈｏ ｌｚ　Ｄｒｉｖｅ、　ＰＯＢｏｘ４２７、　Ｖａｎｄａｌｉａ、　０ｈｉｏ　Ｕ ＳＡ）あるいはエレクトロタイルＧｍｂＨ（Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｉｌｅ　Ｇｍｂ Ｈ）（Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能である。ソレノイドＬ１は出力部材１８に 直線出力動作を行なわせ、この直線出力動作は必要に応じて用いることができる 。　ソレノイドＬ１は、また、速度変換器と接続してこれを駆動し、これにより 速度変換器Ｆ１は速度に比例した直流出力を生成する。速度変換器として適当な 装置としては、ピエゾセラミック素子（柔軟なあるいは硬質の）、あるいはシェ ビッツ　コーポレーション（Ｓｃｈａｅｖｉｔｚ　Ｃｏｒｐ、、ＵＳＡ）から入 手できるような電磁リニア速度変換器（ＬＶＴ）を挙げることができる。

比例ソレノイドは、ソレノイドＬ１として用いられる場合、従来のソレノイドと は以下のように区別できる。従来のソレノイドは、基本的に電流を通し磁束を形 成するためのコイル、ソレノイドにおける所望の動作に応じた仕方で磁束を含み かつ導（ための鉄製のシェル、および作動素子として機能する可動電気子からな る。磁束線は空気および鉄を介して伝達され、鉄は、もちろんその伝達において 空気より効果的であり、また、エアギャップは物理的に動作するために必要であ る。固定シェルと電気子との間の引力は、エアギャップを横切るこれらの間の距 離の２乗に反比例する。この結果、電気子がその行程を完了する際に良く知られ たスナップ動作を生じる。これは、サーボ電子工学をもってしても速度を一定に することが困難な類の磁気動作である。

上述の商標で示される比例ソレノイドは通常のソレノイドと一見はとんど変わり がないようにみえる。すなわち、どちらのソレノイドもコイル、電気子、ハウジ ングを有している。これらの間の大きな違いは、磁極片とベアリング系にある。

上述したように、標準的なソレノイドにあってはエアギャップはソレノイドの工 程の間に減少する。しかしながら、第２図に示されるように、比例ソレノイドで は、作動エアギャップｌ。

は可動電気子１２と磁極片１４との間に形成され、ソレノイド動作（矢印１６に よって示される）に垂直であり、作動エアギャップ１０を横断する磁束線は矢印 １５で示されることになる。このように、エアギャップはソレノイドの直線行程 の間一定である。この形状において、磁極片の位置、従って磁気作用は、行程の 特性に対して所望の力を得ることができるよう設計上窓めることができ、合力が なす曲線を本質的に水平にすることもできる。このことは、カリシ　シャープ　 デザインエンジニアリング（Ｃａｒｉｌｌ　５ｈａｒｐｅ、　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒ−ｉｎｇ）による１９８８年４月の４５〜４６頁“流体力におけ る変化の時代（Ａｎ　Ｅｒａ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｏｗ ｅｒ）　”という記事に述べられている。

第１図に示される変換器Ｆｌからの出力は、誤差増幅器および／またはドライバ Ａ１において指示速度を示す電源Ｖｌからの基準電圧と比較される。一方、増幅 器ないしはドライバＡ１は、ソレノイドの直線速度についての閉ループ制御を有 してソレノイドＬｌを駆動し、実際の速度を指示速度に等しくなるようにする。

もちろん、ソレノイドにおける速度を変化できるようにするのであれば、誤差増 幅器Ａ１では固定の基準電圧の代わりに変化可能な制御電圧を用いるようにして も良い。

増幅器および／またはドライバＡｌからの駆動出力は電圧駆動または電流駆動と して形成される。

高効率化のため、第３図に示されるようにブリッジ構成を用いることも可能であ る。ソレノイドＬｌおよび速度変換器Ｆｌは、第１図に示されるのと同様に機械 的に構成されるが、ソレノイドＬ１はドライバＤ２．　Ｄ３からのそれぞれの出 力と直列で電気的に接続する。変換器Ｆｌの一方側は誤差増幅器Ａ２の入力と電 気的に接続し、これに対し、他方側はインバータＩＮＶ２を経由して誤差増幅器 Ａ３と接続する。これら誤差増幅器は、速度信号と指示速度を表わす基準電圧と を比較する。ドライバＤ２は、誤差増幅器Ａ２からの誤差出力によって直接駆動 され、これに対して、ドライバＤ３は、インパークＩｎｖｌを経由した増幅器Ａ ３からの出力によって駆動される。

インバータＩｎｖｌは１８０°ずれた信号を供給しソレノイドのこれに対向する 側を駆動する。ドライバＤ２．Ｄ３は前述したように電圧駆動であってもよいし 、電流駆動であってもよい。

上に示された、線型の速度変換器の代わりに、出力部材１８の瞬間的な位置を示 す出力を与える位置変換器を用いることが可能である。従ってこの変換器から得 られる変位情報は微分回路へ供給され、これにより速度が得られる。この速度は 第１面または第３図に示したのと同様な方法で用いられる。位置変換器として適 当なものには、線型可変作動変圧器（ＬＶＤＴ’ｓ）、回折格子型スケールとそ の読取ヘッドよりなるシステムが含まれる。このスケールとヘッドのシステムは 例えばレニショウ　リサーチ　リミテッド、オールドタウン、ウォットンーアン 、ダ一一エッジ、グロウセスターシャー、英国（Ｒｅｎｉｓｈａｗ　Ｒｅ５ｅａ ｒｃｈ　Ｌｉｍ１ｔｅｄ、　ＯｌｄＴｏｗｎ、　Ｗｏｔｔｏｎ−Ｕｎｄｅｒ−Ｅ ｄｇｅ、　Ｇｌｏｕｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、　Ｕｎｉｔｅｄｋｉｎｇｄｏｍ） 　、あるいはＤｒ、　Ｊ、ハイデンハインＧｍｂＨ，ボストハフ　１２０．　Ｄ −４２２５）ラウンロイド、ドイツ連邦共和国（Ｄｒ、Ｊ、Ｈｅ１ｄｅｎｈａｉ ｎ　ＧｍｂＨ，Ｐｏ５ｔｆａｃｈ１２０．　Ｄ−８２２５Ｔｒａｕｎｒｅｎｔ、 　Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ　ｏｆ　Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能で ある。これらに代わって、他のいずれかの変位変換器を用いてもよい。このよう な変換器としては、電位差計型、光電型、抵抗型、同期型、ストレインゲージ型 および容量性の変位変換器がある。

位置変換器からのフィードバックを用い、比例ソレノイドの出力位置を制御する ことは既に知られている。このような位置制御も速度制御に関連して容易に実現 される。このとき、速度情報は上述した位置変換器からの出力の微分によって得 られる。第４スは、上記位置制御が、第１図に示される速度制御回路を位置フィ ードバックループに組込むことによりいかにして達成されるかを示している。

第４図において、比例ソレノイドＬ１は、変位変換器Ｆ２と機械的に接続し、こ の変位変換器は位置または変位を表わす出力を有した回折格子型スケールおよび その読取りヘッドとすることもできる。この位置または変位を表わす出力は、微 分回路ＤＦで微分されることにより速度信号とされ、この信号は誤差増幅器Ａ５ において、指示速度を表わす基準電圧Ｖｌと比較される。この比較による増幅器 ５Ａからの誤差出力は、ドライバ４がソレノイドＬ１を駆動するための駆動装置 に供給するのに用いられる。回路のここまで述べられた部分は、第１図の回路と 同等なものとみなされ、位置制御サーボループ内に組込まれる。この位置制御サ ーボループは電源Ｖ２の電圧と変換器Ｆ２の位置出力とを比較するため−の誤差 増幅器Ａ４を有する。電源ｖ２は可変であり、指示位置を表わす、誤差増幅器Ａ ４からの出力は、ソレノイドＬ１を駆動するドライバＤ４を全体的に制御する。

従って、誤差増幅器Ａ４がソレノイドＬＬの出力部材の位置が指示された位置と 異なる位置にあることを検８した場合、誤差増幅器Ａ４はドライバＤ４を作動さ せて電流（または電圧）を供給させ、これによりソレノイドを駆動する。ドライ バＤ４は、速度フィードバックループにおいても増幅器Ａ５によって制御される 割合で同様に動作し、これによりソレノイドは基準電圧■１によって設定される 一定速度で新たな位置へ移動する。

第４図に示される変換器Ｆ２の代わりに、ヨーロッパ特許出願番号０２７４３４ １に示されるような出力回路を有した位置変換器を用いてもよい。この回路は位 置出力および速度出力を別々に有し、これら出力は別個の微分回路ＤＦ２を必要 とせず、（適切な信号処理の後）直接誤差増幅器Ａ４．　Ａ５に入力することが できる。

これまで述べられた全ての回路では、ソレノイドＬ１は１方向に動作するもので あった。ここでは、ドライバからの電流は１方向のみの動きを生じさせる。これ はソレノイド一般の通常の構成であり、この場合、復帰動作は（例えば）出力部 材１８に作用するばねによって与えられる。このようなばねは、通例リニア駆動 モータによって駆動される機械的装置の一部をなす。

しかしながら、場合によっては２方向動作を要求されることもありうる。この２ 方向動作は、第５図に示されるように達成されつる。ここでは、比例ソレノイド Ｌ２は背中合わせに構成される２つのニイルＬ２Ａ、　Ｌ２Ｂを具える。各々の コイルはそれぞれ制御回路Ｃ１，Ｃ２を有し、これら制御回路は、第１図または 第４図（あるいは、コイル結線について適切な変形を施した第３図）で記述され るような誤差増幅器および／またはドライバと基準電圧とからなる。基準電圧は ２方向動作を与えるための正反対の極性を有する。ソレノイドＬ２の出力部材１ ８は速度変換器Ｆ３に係合する。速度変換器からの速度出力は選択スイッチＳｌ （外部の回路によって制御される半導体デバイスとすることもできる）による選 択に従い制御回路Ｃ１または制御回路Ｃ２のいずれかに入力する。このスイッチ により必要な動作の方向が定められる。１方向の動作の動作開始位置は、他方向 の動作の終点となる。速度制御が１方向の動作にのみ必要である場合、もちろん 制御回路ＣＩ、Ｃ２のいずれかのみが必要となり、選択スイッチＳ１を除くこと ができる。上述のような２方向比例ソレノイドＬ２は、実際上背中合わせに接続 する２つの１方向比例ソレノイドと同等である。従って、より容易に入手できる のであれば、これの代わりに商標で示される２つの１方向比例ソレノイドを接続 して用いることもできる。

上述したシステムの利点は容易に理解できる。ギア、引取装置、ベルトおよびこ れの駆動装置がないため、このシステムの慣性は小さく、また、剛性が高い。さ らに高い帯域幅を与える。直流の速度フィードバックを用いることにより、余分 なフィルタリングの必要性およびこれに応じた帯域幅の減少を排除することがで きる。回転部品が無いため本質的に振動が小さい。ソレノイドと変換器とを密接 にすることができるため同様にバツクラツシを小さなレベルに設計することがで きる。

上述されたりニアモータは、精密テーブルや精密台、ロボット工学、微細マニピ ュレーターのような動作制御装置において有効に応用される。現在入手可能な上 述の商標で示される部品を用いた場合、その工程は約Ｉ　Ｄｉｍとなるが、もち ろん、この工程は他の部品を用いれば大きくすることができる。

（以下余白） 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．電気入力および該電気入力に比例した直線動作を伴なって駆動される機械的 出力部材を有する比例ソレノイド、 該ソレノイドの前記機械的出力部材に接続し、該機械的出力部材の速度に応じた 電気出力信号を生成する速度変換器、および 該速度変換器の前記電気出力信号を受信し、当該受信した信号に応じて前記ソレ ノイドヘの前記電気入力を制御することにより、前記機械的出力部材の速度を制 御することを特徴とするリニア駆動モータ。
2. ２．前記比例ソレノイドは、ほぼ一定の作動エアギャップを有することを特徴と する請求の範囲第１項に記載のリニア駆動モータ。
3. ３．前記速度変換器は、ピエゾセラミック素子または電磁線形速度変換器を具え ることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のリニア駆動モータ。
4. ４．前記速度変換器は、速度出力を有する位置変換器を具えることを特徴とする 請求の範囲第１項または第２項に記載のリニア駆動モータ。
5. ５．前記位置変換器には、前記ソレノイドの前記機械的出力部材の位置から速度 出力を得るための微分回路を有することを特徴する請求の範囲第４項に記載のリ ニア駆動モータ。
6. ６．前記位置変換器からの位置出力を受信し、当該受信した出力に応じて前記ソ レノイドヘの前記電気入力を制御することにより、前記機械的出力部材の位置を 制御するフィードバック回路をさらに有することを特徴とする請求の範囲第４項 または第５項に記載のリニア駆動モータ。
7. ７．前記ソレノイドは、背中合わせに構成された２つのソレノイドコイルを具え 、前記機械的出力部材をそれぞれ逆の方向へ駆動することを特徴とする請求の範 囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のリニア駆動モータ。
8. ８．前記ソレノイドおよび前記変換器は、２つの前記フィードバック回路を具え たブリッジ回路に構成されることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項の いずれかに記載のリニア駆動モータ。