JPH0530288B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 一対のステータの磁極面を形成するステータ
組立体と、 前記ステータ組立体に対して回転すによう位置
され、磁束透過性の駆動間隙により前記ステータ
の磁極面の各々から分離された駆動磁極面を形成
し、前記駆動間隙を横切る駆動磁束がロータ組立
体を駆動するロータの角度位置の作動範囲を有
し、前記ステータの磁極面の一方における駆動間
隙の範囲はロータ組立体が前記作動範囲の限界に
向かつて回転するにつれて減少する磁束透過性の
ロータ組立体とを含み、 前記駆動磁極面と各ステータの磁極面との間で
磁束透過性の補償間隙を含み、該間隙は前記ロー
タ組立体が前記作動範囲の限度に向かつて回転す
るにつれて駆動磁束用の二次軌道を提供し、前記
補償間隙の磁束透過性は駆動間隙より低度である
アクチユエータ。

２ 請求の範囲第１項に記載のアクチユエータに
おいて、各ステータの磁極面における補償間隙は
その範囲が、そのステータの磁極面における駆動
間隙が減少するにつれて増加し、該駆動間隙が増
加するにつれて減少するアクチユエータ。

３ 請求の範囲第１項に記載のアクチユエータに
おいて、前記磁極面が円筒形であるアクチユエー
タ。

４ 請求の範囲第１項に記載のアクチユエータに
おいて、 前記ロータ組立体は、第１と第２の駆動間隙に
よつてそれぞれ２個の前記ステータ磁極面から分
離され、かつ２個の前記ステータ磁極面とオーバ
ラツプし、かつ協働する可変の第１と第２の磁極
面を形成するよう配置されたロータ磁極面を形成
し、第１と第２の領域の面積は前記ロータ組立体
の角度位置によつて代わり、該面積は作動範囲の
両側の限界においてそれぞれ減少し、 駆動手段が前記ステータ組立体と関連し、一方
のステータ磁極面を通り、前記第１の駆動間隙を
横切り、前記ロータ磁極面の第１の領域を通り、
前記ロータ磁極面の第２の領域を通り、かつ他方
のステータ磁極面を通る軌道に沿つて可変磁性駆
動磁束を付与するよう配置され、 前記ロータ組立体が、前記補償間隙によつて２
個の前記ステータ磁極面から分離され、２個の前
記ステータ磁極面とオーバラツプしかつ協働し
て、前記磁性駆動磁束が前記ロータ組立体と前記
ステータ磁極面の中の少なくとも一方との間を通
るようにする二次軌道を提供する二次磁極面領域
をさらに形成するアクチユエータ。

５ 請求の範囲第４項に記載のアクチユエータに
おいて、 前記ステータ組立体が、前記ロータ組立体の回
転軸心の周りに配置した第３と第４のステータ磁
極面をさらに含み、 前記ロータ組立体が、それぞれ第３と第４の磁
束透過性の駆動間隙によつて第３と第４のステー
タ磁極面から分離され、前記第３と第４のステー
タ磁極面とオーバラツプし、かつそれぞれ協働す
る可変の第３と第４の磁極面を形成するよう配置
され、第３と第４の領域の面積は前記ロータ組立
体の角度位置によつて変わり、前記面積は最大偏
位の２点においてそれぞれ零まで収斂する付加的
なロータ磁極面をさらに形成し、 前記駆動手段が、前記第３のステータ磁極面を
通り、前記第３の駆動間隙を横切り、前記付加的
なロータ磁極面の第３の領域を通り、前記付加的
ロータ磁極面の第４の領域を通り、かつ前記第４
のステータ磁極面を通る付加的な軌道に沿つて付
加的な可変の磁性駆動磁束を付与するよう配置さ
れ、かつ 前記ロータ組立体が、付加的な磁束透過性補償
間隙により前記第３と第４のステータ磁極面から
分離され、前記第３と第４のステータ磁極面とオ
ーバラツプしかつ協働し前記磁性駆動磁束が前記
ロータ組立体と、前記ステータ磁極面の少なくと
も一方との間で通過する付加的な二次軌道を提供
するよう配置した付加的な二次磁極面をさらに形
成するアクチユエータ。

６ 請求の範囲第４項に記載のアクチラユエータ
において、 前記ステータ磁極面が円筒形で、かつ同じ半径
を有し、 前記磁極面領域が円筒形で、かつ同じ半径を有
し、かつ前記二次磁極面領域が円筒形で、かつ同
じ半径を有するアクチユエータ。

７ 請求の範囲６項に記載のアクチユエータにお
いて、前記駆動間隙が均等で、かつｇに等しく、
補償間隙が均等で、かつＧに等しいアクチユエー
タ。

８ 請求の範囲第７項に記載のアクチユエータに
おいて、Ｇが約４から約15倍の間でｇより大きい
アクチユエータ。

９ 請求の範囲第４項に記載のアクチユエータに
おいて、前記第１と第２のステータ磁極面ならび
に前記二次磁極面領域とが、駆動電流とロータト
ルクとの間で選択可能な関係を提供する形状とさ
れているアクチユエータ。

１０ 請求の範囲第７項に記載のアクチユエータ
において、ｇが約0.004インチてＧが約0.040イン
チであるアクチユエータ。

１１ 請求の範囲第４項に記載のアクチユエータ
において、前記ロータ組立体が、前記回転軸心に
沿つて隔置され、かつ前記ロータ組立体を貫通す
る軸線方向成分を有する磁束軌道により磁束透過
可能に接続された一対のロータ磁極面を形成し、
かつ、 各ロータとステータの磁極面約90度と約180度
の間の角度で軸心の周りを延在するアクチユエー
タ。

１２ 請求の範囲第１１項に記載のアクチユエー
タにおいて、各ロータ磁極面は約180度の角度を
延在するアクチユエータ。

１３ 請求の範囲第１１項に記載のアクチユエー
タにおいて、各ステータ磁極面が約120度と約160
度の間の角度で延在するアクチユエータ。

１４ 請求の範囲第４項に記載のアクチユエータ
において、各々の二次磁極面領域が各ステータの
磁極面の範囲と同程度であるアクチユエータ。

１５ 請求の範囲第４項に記載のアクチユエータ
において、情報を記憶するオプチカル媒体と、該
媒体に記憶された情報を検出するオプチカルエレ
メントと、該オプチカルエレメントを支持するア
ームとをさらに含み、該アームが前記オプチカル
エレメントから隔置された点において該オプチカ
ルエレメントに接続され前記オプチカル媒体に対
して選択可能位置まで運動するアクチユエータ。

１６ ステータ組立体と、 最大作動角度偏位の反対側の２位置の間で前記
ステータ組立体に対して回転するよう位置した磁
束透過性のロータ組立体とを含み、 前記ステータ組立体は前記ロータ組立体の回転
軸心の周りで配置された第１と第２のステータ磁
極面を形成し、 前記ロータ組立体は、均一な間隙ｇによつて第
１と第２のステータ磁極面から分離された主ロー
タ磁極面を形成し、前記ステータ磁極面の範囲に
対する前記主ロータ磁極面の範囲は、最大角度偏
位の各位置に近接した位置において、前記ロータ
磁極面と前記ステータ磁極面の一方との間のオー
パラツプが零まで収斂するようにあり、 前記ロータ組立体はさらに、前記主磁極面のい
ずれかの端部に隣接して二次磁極面領域を形成
し、該二次磁極面領域は、ｇよりも大きいが、そ
の15倍よりは大きくない均一な補償間隙Ｇにより
前記ステータの磁極面から分離されているアクチ
ユエータ。

１７ 請求の範囲第１６項に記載のアクチユエー
タにおいて、前記磁極面が円筒形であるアクチユ
エータ。

１８ 請求の範囲第１６項に記載のアクチユエー
タにおいて、Ｇが約４から約15倍の間でｇより大
きいアクチユエータ。

１９ 請求の範囲第１６項に記載のアクチユエー
タにおいて、前記第１と第２のステータ磁極面な
らびに前記二次磁極面領域とが、駆動電流とロー
タトルクとの間で選択可能な関係を提供する形状
とされているアクチユエータ。

２０ 請求の範囲第１６項に記載のアクチユエー
タにおいて、ｇが約0.004インチでＧが約0.040イ
ンチであるアクチユエータ。

２１ 請求の範囲第１６項に記載のアクチユエー
タにおいて、前記ロータ組立体が、前記回転軸心
に沿つて隔置され、かつ前記ロータ組立体を貫通
する軸線方向成分を有する磁束軌道により磁束透
過可能に接続された一対のロータ磁極面を形成
し、かつ、 各ロータとステータの磁極面が約90度と約180
度の間の角度で軸心の周りを延在するアクチユエ
ータ。

２２ 請求の範囲第２１項に記載のアクチユエー
タにおいて、各ロータ磁極面は約180度の角度を
延在するアクチユエータ。

２３ 請求の範囲第２１項に記載のアクチユエー
タにおいて、各ステータ磁極面が約120度と約160
度の間の角度で延在するアクチユエータ。

発明の背景技術 本発明は、いわゆる運動鉄心ロータを有する制
限回転電気機械式アクチユエータに関する。

典型的な前記アクチユエータにおいては、透過
性ロータ組立体がロータの磁極面を形成し、ステ
ータ組立体に対して回転するよう装着されてい
る。ステータ組立体は（それぞれがロータ軸心の
周りに配置した一対のステータ磁極面を有する）
一対の磁極部材、および対応する対のロータおよ
びステータの磁極面を介して前記磁極部材および
ロータ組立体を通してバイアス磁束を付与する１
個乃至２個の永久磁石とを有する。

通常各ロータの磁極面と対応するステータの磁
極面とは円形のセグメントであつて、一定の間隙
ｇを形成し、該間隙をバイアス磁束およびステー
タ組立体の駆動コイルが付与する可変駆動磁束の
双方が横切る。

大きな角度偏位において、かつ大量の駆動電流
に対して、駆動トルクは駆動電流との真正の線形
関係からずれることが知られている。

駆動トルクが機械的ばねによつて抵抗を受ける
ようなタイプの低速運動鉄心アクチユエータにお
いては、トルクの非線形関係によつて、駆動電流
に対するロータの均衡位置関係が非線形となる。
モンタグ（montagu）の米国特許第3624574号は
ロータの磁極面の一領域における円弧長さを短く
するためにロータにスロツトを設けて前記の非線
形を補償することを開示している。ロータが広範
囲の角度偏位に達すると、減少した磁極面領域で
は双方のステータ磁極面をオーバラツプすること
はなく、永久磁石のバイアス磁束によつて、それ
がオーバラツプし続ける一方のステータの磁極面
に誘引される。この誘引は位置の非線形性を相殺
するためのものである。モンダグ（Montagu）
の米国特許第3624574号は、基本的に同じ結果を
達成するためにロータの磁極面の隅部を造形する
ことを開示している。

中程度のトルク（したがつて中程度の駆動コイ
ル電流）を要する中速運動に対しては、モンタグ
の米国特許第4186332号と同第3970979号とに記載
のように、トルクの非線形性から起因する運動の
非線形性はロータの角速度の測定に基くフイード
バツク回路により最もよく補償されうるものと考
えられていた。しかしながら、そのような閉鎖ル
ープのサーボシステムでは、特に広範囲の角度位
置における高速作動では不安定であつて、そのた
め高度の位置精度を要する高速用途には適してい
ない。

このように、制限回転アクチユエータの非線形
性を補償する装備は高価であつて、かつその性能
上の限界によつてそのようなアクチユエータを有
用に応用するに至らしめるに程遠かつた。

発明の要約 一般的に、本発明は駆動磁極面と、ロータ組立
体がその作動範囲の限界に向かつて回転するにつ
れて二次磁束通路を提供する各ステータ磁極面と
の間で磁束透過性の補償間隙を設け、該補償間隙
が駆動間隙より透過性が少ないことによつて、固
有の非線形性を減少させるようアクチユエータの
構造を改良することを特徴とする。

別の局面において、本発明は均一な間隙ｇによ
つてステータの磁極面から分離されている主ロー
タ磁極面に加えて、該主ロータ磁極面のいずれか
の端部に隣接して二次磁極面領域を形成し、該二
次磁極面領域が均等な補償間隙Ｇによりステータ
の磁極面から分離され、Ｇがｇよりも大きいが、
その約15倍以下の大きさで大きいロータ組立体を
特徴とする。

好適実施例においては、各ステータの磁極面に
おける補償間隙は該ステータの磁極面の駆動間隔
が小さくなるにつれてその範囲が大きくなり、あ
るいはその逆となり；ロータ組立体は第１と第２
の駆動間隙によつてそれぞれ２個のステータ磁極
面から分離されているロータ磁極面を形成し、２
個のステータ磁極面とオーバラツプし、かつそれ
ぞれ該磁極面と協働する可変の第１と第２の磁極
面領域を形成するように配置され、前記２個の領
域の面積はロータ組立体の角度位置によつて変わ
り、該領域の面積はロータ組立体の作動範囲の両
端の限度においてそれぞれ小さくされ、駆動手段
がステータ組立体と関連し、一方のステータ磁極
面を通り、第１の駆動間隙を横切り、ロータの磁
極面の第１の領域を通り、ロータの磁極面の第２
の領域を通り、かつ他方のステータ磁極面を通る
通路に沿つて可変の磁気駆動磁束を付与するよう
配置されており、ロータ組立体はさらに、補償間
隙によつて２個のステータ磁極面から分離され、
第１と第２のステータの磁極面にオーバラツプし
かつロータ組立体とステータの磁極面の少なくと
も一方との間を通る磁性駆動磁束用の二次通路を
提供する二次磁極面領域を形成し；第３と第４の
ステータの磁極面と、第３と第４の磁束透過性駆
動間隙によつて第３と第４のステータの磁極面か
ら分離された付加的なロータ磁極面が設けられて
おり、かつロータ組立体は付加的な磁束透過性補
償間隙によつて第３と第４のステータ磁極面から
分離され、かつ第３と第４のステータの磁極面と
オーバラツプし、かつ協働し磁性駆動磁束用の付
加的な二次通路を提供する可変の第３および第４
の磁極面領域を形成し；磁極面は円筒形であり；
ステータ磁極面は同じ半径を、磁極面領域は同じ
半径を、そして二次磁極面領域は同じ半径を有
し；駆動間隙は均等であつてｇに等しく、補償間
隙は均等で、かつＧに等しく、Ｇがｇの約４倍か
ら15倍（好ましくは７倍と８倍との間）大きく；
第１と第２のステータ磁極面と二次磁極面領域は
駆動電流とロータトルクとの間の選定可能な関係
を提供する形状とされ；ｇは約0.004インチで、
Ｇは約0.040インチであり；かつ各ロータの磁極
面領域の範囲は各ステータの磁極面の範囲と同程
度である。

本発明の重要な特徴はコンピユータメモリ用の
オプチカル読出し器等であつて、それらは前述の
補償アクチユエータとオプチカル記憶媒体の組合
せ、該媒体に記憶された情報を検出するオプチカ
ルエレメント、該オプチカルエレメントを支持す
るアームであつて、オプチカルエレメントから隔
置された点においてロータ組立体に接続されてい
るアームとを含み、駆動手段が、オプチカル媒体
に対する選択可能位置まで前記オプチカルエレメ
ントを高速度かつ高精度で運動させる。

別の実施例においては、ロータ組立体は回転軸
心に沿つて隔置され、かつ前記ロータ組立体を貫
通する軸線方向の要素を有する磁束通路によつて
透過可能に接続された一対のロータ磁極面を形成
し、各ロータとステータの磁極面は軸心の周りを
約90度から約180度の間の角度を延在し；各ロー
タ磁極面は約180度の角度を延在し；かつ各ステ
ータ磁極面は約120度と約160度の間の角度を延在
する。

補償ロータの磁極面領域が磁束用の第２の通路
を提供する。この交互の通路により、ロータが最
大角度変位点まで回転すると駆動磁束のチヨーキ
ングオフ（絞り）を減少させる。ロータトルクは
角度位置と電流とに対して直線性の向上を示す。
補償磁極面を造形することによりその他の希望す
るトルク特性を提供することができる。

本発明のその他の利点や特徴は好適実施例につ
いての以下の説明ならびに特許請求の範囲から明
らかとなる。

好適実施例の説明 まず図面を簡単に説明する。

第１図はアクチユエータの好適実施例の斜視
図、 第２図はロータが中心位置にあり、ロータとス
テータとの間の間隙を尺度通り図示していない、
第１図に示すアクチユエータの拡大部分正面図、 第３図はロータを一方向における最大偏位置近
くに位置させ、ロータとステータとの間の間隙を
尺度通り図示していない、第１図に示すアクチユ
エータの拡大部分正面図、 第４図は第１図に示すアクチユエータと従来の
アクチユエータとについての、異る駆動電流に対
する角度位置対トルクを示すグラフ、 第５図はアクチユエータに対する、フイードバ
ツクにより駆動され、制御された電流源のブロツ
ク線図、 第６図は第１図に示すアクチユエータを用いた
オプチカルデイスクスキヤナの上面図、 第７図はアクチユエータの別の実施例の斜視
図、 第８図は一端のキヤツプを外し、ロータ組立体
をステータ組立体から軸線方向に分離して示し、
かつコイルを破断して示す、第７図のアクチユエ
ータの分解斜視図、 第９図は第７図に示すアクチユエータの（第７
図の線９−９に沿つた）断側面図、 第１０図は中央位置におけるロータの代表的な
バアイアス磁束軌道を示す（端キヤツプを外し、
コイルを概略的に示す）第７図のアクチユエータ
の上面図、 第１０Ａ図は、代表的なバイアス磁束軌道を示
す、第１図のアクチユエータの（第１０図の線１
０Ａ−１０Ａに沿つた）断側面図、 第１０Ｂ図は第１０図のアクチユエータに対応
する代表的なバイアス磁束軌道と制御磁束軌道と
の斜視図、 第１１図は、反時計方向における最遠の角度偏
位近くでのロータの代表的バイアス磁束軌道を示
す、（端キヤツプを外し、コイルを概略的に示す）
第７図のアクチユエータの上面図、 第１１Ａ図は第１１図のアクチユエータに対応
する代表的なバイアス磁束軌道と制御磁束軌道と
の斜視図、 第１２図は第７図のアクチユエータに対する各
種の駆動電流についての角度位置対トルクのグラ
フ、 第１３図は一端のキヤツプを外し、ロータ組立
体をステータ組立体から軸線方向に分離し、かつ
コイルを破断したアクチユエータの別の実施例の
分解斜視図、および 第１４図は第１３図に示すアクチユエータの
（第１３図の線１４−１４に沿つた）断側面図で
ある。

構造および作動 第１図を参照すれば、アクチユエータ２０は回
転軸心２６の両側に位置し、かつ一対の永久磁石
２８，３０により接続された２個のステータ磁極
部材２２，２４を有する。ステータの磁極部材２
２は一対の円筒形のステータ磁極面３４，３６を
形成し、一方ステータの磁極部材２４は一対の円
筒形のステータ磁極面３８，４０を形成している
（全ての磁極面は同じ半径を有している）。駆動コ
イル３９，４１とはそれぞれステータの磁極部材
２２，２４に巻かれている。ロータ４２は最大角
度偏位の２位置間の作動範囲において、ステータ
の磁極部材２２，２４に対して回転するよう配置
されており（第１図は中立の中心位置におけるロ
ータ４２を示す。）ロータ４２は２個の一次ロー
タ磁極面４４，Ｄ６を形成しており、該面の各々
はステータの磁極面の中の２個をオーバラツプ
し、かつ各ステータの磁極面の範囲と同程度の範
囲を有する。間隙という用語は磁極面の間の分離
を言及し、範囲という用語は回転軸心の周りでの
磁極面の円弧長さを言及する。

第２図を参照すれば、（アクチユエータの上半
分のみを示し、下半分は上半分と同じである）、
一方におけるロータ４２の最大角度偏位は角度ａ
で規定され、これは、ロータ磁極面４４の端部５
０がステータ磁極面３４の端部５１に到達するま
で時計方向にロータ４２が回転しうる範囲を示
し、同様に、他方向への反時計方向の最大角度偏
位は同様の角度a′により規定される。実際の作動
範囲は最大可能偏位より若干少ない。主ロータ磁
極面４４は第１と第２のロータ磁極面領域５２，
５４を有し、この領域はそれぞれステータ磁極面
３６，３４に対向位置し、それは均等な駆動間隙
ｇにより隔置されている。二次ロータ磁極面領域
６８，７０はそれぞれステータ磁極面３６，３４
と対向して位置し、それらはより大きい均等の磁
束透過補償間隙Ｇにより隔置されている。間隙Ｇ
の方が間隙ｇより大きいが透過性は少ない。

磁性バイアス磁束は、磁石２８，３０から同方
向に、間隙ｇおよびＧを横切りロータ４２を通り
ロータの磁極面４６（第１図）を介して戻る軌道
６０，６０′（その中の代表的な二磁束線を示す）
を通る。隙間Ｇにおける永久磁石の磁界の、間隙
ｇにおける永久磁石の磁界との比率はｇ／Ｇであ
り、間隙Ｇにおける磁界の方が小さい。

コイル３９からの駆動磁束は一次軌道６２と二
次軌道６４（その中代表的磁束軌道線のみ示す）
を追従する。一次軌道６２はステータの磁極面３
４を通り、間隙ｇを横切り、ロータの磁極面領域
５４を通り、ロータ４２を通り、ロータの磁極面
領域５２を通り、間隙ｇを横切り、コイル３９へ
再び戻る。

二次軌道６４はステータの磁極面３４を通り、
間隙Ｇを横切り、ロータの磁極面領域７０、ロー
タ４２、ロータの磁極面領域６８を通り、間隙Ｇ
を横切り、ステータの磁極面３６を通りコイル３
９へ再び戻る。

ロータ４２が第２図に示す中立位置近くに位置
している間、ステータの磁極面領域３６，３４と
オーバラツプするロータの磁極面領域５２，５４
の面積が比較的大きいため駆動磁束のほとんど全
ては軌道６２を通ることができる。

ロータにトルクを付与（したがつてロータを希
望方向に運動させるためには）駆動コイルに電流
が加えられ、ステータとロータとを通る駆動磁束
軌道を設定する。第２図においては、駆動磁束は
ステターの磁極部材２２の一つのみにおける軌道
６２，６４に追従し対応するロータセグメントに
トルクを加えている。駆動磁束はまた、駆動コイ
ル４１（第１図）に対応して別の磁束軌道線（図
示せず）に沿つても流れる。軌道６２における磁
束がロータの磁極面領域５４において間隙を横切
る軌道６０におけるバイアス磁束を強化し、ロー
タの磁極面領域５２において間隙を横切る軌道６
０′のバイアス磁束に対抗する。その結果、ロー
タ４１を、２個の間隙を横切る全体の磁束を増加
させる方向に回転させようとするトルクが該ロー
タ４１に加えられる。

コイルを通る電流の方向を逆にすることにより
反対方向にトルクを加えることができる。

ロータ４２が異つた角度位置へ運動するにつれ
て、ロータの磁極面領域５２，５４の面積が変わ
る。

従来のアクチユエータのコイルにおける電流に
よつて発生するトルクの大きさは以下の式により
決定しうる。

Ｔ＝BLNID−mDL（NI）²／2g※Ｃ／ａ Ｂ＝バイアス磁石により誘導される、ロータと
ステータとの間の間隙における磁界 Ｌ＝各磁極部材の厚さ Ｎ＝各制御コイルにおけるワイヤ巻き数 Ｉ＝各制御コイルにおける電流 Ｄ＝ロータの直径 ｍ＝空気透磁率 ｃ＝トルクを計算すべき角度位置 ａ＝中心位置からの最大可能角度偏位 ｇ＝エアギヤツプ このようにトルクは電流と共に直線的に変る第
１の項（BLNID）と、角度偏位ならびに電流の
２乗と共に変わる第２の非直線性の項とを有す
る。

非直線性の原因については以下のように説明で
きる。従来のアクチユエータ（第３図において間
隙Ｇの無いもの）のロータを最大角度偏位の一方
の位置近くに位置させると、駆動コイル３９によ
り発生する駆動磁束の軌道６２はステータの磁極
面３４を通り、間隙ｇを横切り、ロータの磁極面
の領域５４を通り、ロータの磁極面の第２の領域
５２を通り、間隙ｇを横切り、ステータの磁極面
３６を通り、コイル３９へ戻る。第３図に示すよ
うに、領域５４の面積が、リラクタンスを増加さ
せる最大角度偏位位置において零に近づくと、軌
道６２を有効に絞り、トルクを非直線性とする。

従来のアクチユエータにおける前述の非直線性
の作用は、広範囲の角度偏位において、当該位置
で所定のトルクを発生させるに必要な駆動電流の
大きさが時計方向運動と反時計方向運動に対して
相違するという状況をつくり出すことである。例
えば、第３図は磁極面領域５４において永久磁石
による磁束６０を強化し、ロータを反時計方向に
回転させようとする駆動磁束軌道６２を示す。し
かし領域５４の面積が小さいため軌道６２におけ
る磁束が絞られ、その結果トルクは期待するほど
大きくない。対照的に、駆動電流の正負が反転す
る（が同じ大きさに保たれている）とすれば、駆
動磁束軌道の方向は反転する。そこで駆動磁束６
２が永久磁石の磁束６０′を強化し、ロータを時
計方向に回転させようとする。磁極面領域５２の
面積は磁束を処理するに十分大きいので、ロータ
のトルクは減少しない。このように、所定レベル
の電流に対して、時計方向のトルクが反時計方向
のトルクを上廻り、その差は広い範囲の角度偏位
において大きくなり、高速でロータの運動を制御
するために正のフイードバツクサーボ制御を用い
た場合不安定性を発生させる。

本発明は二次ロータ磁極面領域６８，７０を介
して駆動磁束に対して第３図に示す二次軌道６４
を提供することにより非直線性を低下させる。こ
のようにリラクタンスは最大角度偏位において有
限値まで収斂し、磁界は絶対に零には達せず、駆
動磁束の絞りが減少される。永久磁石２８，３０
から見られるように間隙ｇの全体面積ならびに間
隙Ｇの全体面積はロータ４２の回転時それぞれ一
定であることに注目のこと。

二次軌道の無い場合の駆動磁束の絞りは以下の
ように理解できる。ロータの磁極面領域５４を介
して間隙ｇを横切る、コイルによつて発生した磁
界は以下のように表現できる。

B₁＝mNI／g※A₂／Ａ A₁とA₂とは磁極面領域５４と５２の面積であ
る。ロータとステータとの形状により、前記面積
の和（Ａ＝₁＋A₂）は一定であり、角度偏位の以
下の関数として表現できる。

A₁＝Lr（ａ−ｃ） A₂＝Lr（ａ＋ｃ） Ａ＝2Lra ｒは磁極面の半径である。したがつて、 B₁＝mNI／g※（ａ＋ｃ）／2a 同様に、ロータ磁極面領域５２を介して間隙ｇ
を横切つてコイルにより発生した磁界B₂は、以
下のように表わせる。

B₂＝mNI／ｇ※（ａ−ｃ）／2a このようにロータが最大角度偏位に近づくにつ
れてB₁は零まで収斂する。かつB₂はB₁より限定
されるので、B₂も零まで収斂する。

第３図のアクチユエータにおいて対照的に二次
ロータ磁極領域を含めると、領域５２での間隙に
おけるリラタンスは有限値へ収斂し、磁界B₁と
B₂とは絶対に零には至らず、その代りに下式で
表現する限界値を有する。

mNI／g※１／（１＋Ｇ／ｇ） 間隙Ｇの値がｇと等しくなつたとすれば、磁界
はもはや偏位の関数ならびに間隙ｇ，Ｇにおける
エネルギの関数とはなりえず、したがつてトルク
を発生することはできないことが判る。このよう
に、Ｇの値はｇより大きい必要がある。一般的
に、Ｇの値が小さい方が、所定の電力レベルに対
してトルクに関してコスルト面の効率は劣るが、
より良好な直線性を提供する。Ｇの値の方が大き
いと直線性は劣るが効率は優れている。実験の結
果は、多くの用途に対して、補償間隙Ｇが一次駆
動間隙ｇの寸法に対して４〜15倍（最も好ましく
は７倍から８倍）であることを示している。

付加的な駆動磁束軌道が介在する場合、永久磁
石を大きくし、かつ磁束通路を長くする必要があ
る。また、前記の新規な構成に対して零ピークト
ルクは少なくなり、インダクタンスは高くなる。

第４図を参照すれば、最大偏位に対する実際の
偏位の比に対する計測したトルク曲線が、1.0ア
ンペアならびに0.5アンペアの駆動電流について
示されている。（全てのモータの内径は0.500イン
チ、ｇ＝0.004インチ、Ｇ＝0.040インチ、１個当
り駆動コイルに対して巻数は200であり）広範囲
の角度偏位にわたつて良好な直線性を示してい
る。電流曲線１０２と１０４とは、第１図に示す
アクチユエータと異なり、当該ロータは付加的な
磁極面領域を有していないアクチユエータを示し
ている。電流曲線１０６，１０８ならびに１１
０，１１２は、1.0アンペアと0.5アンペアの駆動
電流により駆動される、第１図に示す種類の２個
のアクチユエータをそれぞれ示している。曲線１
０６，１０８により示されるアクチユエータの定
格最大角度偏位は50度であり、一方曲線１１０，
１１２により示されるアクチユエータの定格最大
角度偏位は45度である。

第５図を参照すれば、制御された電流源２３６
は典型的に位置命令信号源２７２と、ロータ位置
センサ２７４と適当なフイードバツク回路２７６
とを含む。フイードバツク回路は周知の要領で、
実際と希望する位置との間の誤差によつて制御電
流２７８を制御し、ロータが適当に緩衝されて命
令信号に正確に追従できるようにする。（可能な
制御回路の一例の詳細が本特願と同じ譲受人に譲
渡され、かつ本明細書においても引用している、
1979年２月27日付ロア（Rohr）の米国特許第
4142144号に記載されている。） 本発明は広範囲の角度偏位にわたつて高度のト
ルクならびに位置精度が要求される場合に適用さ
れる。このことは一般的に高速度位置サーボシス
テムの目的とするところである。

例えば、第６図を参照すれば、回転するオプチ
カル記憶デイスク３１２は、アクチユエータ２０
のロータに接続されたシヤフト３１８に装着の回
転アーム３２０に取付けたオプチカルエレメント
３２２により走査できる。デイスク３１２の同心
状のトラツクに記憶された情報は、本発明の改良
ロータ装置によつて可能とされる、フイードバツ
ク制御により、アクチユエータ２０の正確な回転
により、急速（例えば、２または３ミリ秒の応答
時間で）かつ正確に復帰できる。新規なロータ装
置の作用はエレメント３２２の始動位置とは無関
係に、アクチユエータ２０に供給される所定電流
が同じ時間内で同じ角度偏位を確実に達成するこ
とである。

また、アクチユエータは帯片チヤートレコーダ
およびオプチカル走査装置を含むその他多くの応
用においても有用である。

その他の実施例 その他の実施例も以下の請求の範囲に含まれ
る。

例えば、第７図と第８図とを参照すれば、アク
チユエータ４１０はステータ組立体４１１を有
し、ステータ組立体は２個の端キヤツプ４１２，
４１２′を含み、それらの間で軸線Ａに沿つて、
２個の磁極部材４１４，４１４′および（磁極部
材との間で）２個の永久磁石４１６が挟持されて
いる。ステータ組立体は４個の組立用ねじ４１７
により相互に保持されている。ロータのシヤフト
（好ましくは強磁性）４１８が一対のベアリング
４２０，４２０′（４２０′は第７図では見えな
い）に支承されており、該ベアリングはそれぞ端
キヤツプ４１２，４１２′に保持されている。

第８図、第９図を参照すれば、長さが3/4イン
チの（シヤフト４１８に圧入された）強磁性ロー
タ４３０は直径の異る２個の半円筒形の部分４３
８，４４０を有する。直径の大きい（例えば、
0.610インチの直径の半円筒形部分４３８の曲形
の外面は（第８図では見えない）２個のロータ磁
極面４４２，４４２′を形成し、直径の小さい
（例えば、0.500インチの直径の）半円筒形部分４
４０の曲形外面は同様に２個の逃し部分（二次ロ
ータの磁極面領域）４４４，４４４″を形成する。

ステータ組立体４１１は、軸心Ａに沿つて隔置
され、相互に平行であつて、軸心Ａに対して垂直
であり、バイアス磁界を発生させる２個の、長方
形の焼結したアルニコ製バイアス磁石４１６によ
り分離された、２個の同一形状の平坦な強磁性極
部材４１４，４１４′を有する。各磁石は長さが
約1.4インチで、幅が0.62インチで厚さが0.25イン
チであり、北極面が磁極部材の一方の平坦で軸線
方向に向いた面と磁束を伝導する関係で接触して
おり、対応する南極面は他方の磁極部材の平坦で
軸線方向に向いた面と磁束を伝導する関係で接触
している。

各磁極部材４１４，４１４′は概ね２平方イン
チであり、厚さが0.375インチで、２個の脚４２
８ａ，４２８ｂ，４２８a′，４２８b′がそれぞれ
一端で、それぞれ高度に透過性の接続セグメント
４３１，４３１′により接続されている。各磁極
部材の２本の脚は２個の概ね半円形（例えば軸心
Ａの廻りで160度延在する）ステータ磁極面４３
５ａ，４３５ｂ，４３５a′，４３５b′を形成する
ように造形され、該磁極面は相互に向いて直径が
0.625インチの丸形の開口を形成する。各磁極部
材の接続セグメントは600回巻きの絶縁されたワ
イヤの制御（駆動）コイル４３４，４３４′で包
まれ、0.5アンペヤの電流を流す。２個の制御コ
イルは直列接続され、次いで制御された可変電流
源４３６に接続されている。

２個の磁極部材はそれらの接続セグメントを軸
心Ａの同じ側にし、かつ丸形の開口を整合させて
位置させロータ組立体を受入れるようにする。ロ
ータの磁極面４４２，４４２′の直径はステータ
の磁極面４３５ａ，４３５ｂ，４３５a′，４３５
b′の直径より僅かに小さく、その間に回転のため
の間隙をつくる。アクチユエータが組立てられる
と、ロータはベアリング４２０，４２０′により
固定された軸線方向位置に保持され、自在に回転
できる。各ロータの磁極面（例えば、上方のロー
タ磁極面４４２）はロータの広範囲の角度偏位内
における全ての位置において、対応する２個のス
テータの磁極面（例えば上方のステータ磁極面４
３５ａ，４３５ｂ）をまたぐ。各ロータの磁極面
と対応する２個のステータ磁極面の各々との間の
半径方向の間隙ｇはそれらの間隙を横切つて低リ
ラクタンスの磁束軌道を提供するに十分小さく
（例えば、約0.008インチ）、一方逃し領域（二次
磁極領域）４４４，４４４′と対応する磁極面４
３５ａ，４３５ｂ，４３５a′，４３５b′との間の
半径方向の間隙は、それら間隙を横切つて永久磁
石による磁束の流れを（間隙ｇに対して）低値に
制限するに十分大きい。前記ロータの２個の部分
の間の半径の差は、Ｇがステータとロータの磁極
面の間の間隙ｇの約８倍となるようなものであ
る。

各磁極部材は４個の組立用孔４１５を有し、磁
石の端部は保持用スロツト４９１を有し、前記孔
とスロツトとはボルトを受入れ磁極部材と磁石と
を適所にしつかりと保持するよう配置されてい
る。磁石は、コイル４３４，４３４′が相互に接
触しないようにする空間によつて磁極部材を分離
するに十分な厚さである。

端キヤツプ４１２，４１２′（鋳製あるいは機
械加工したアルミニウムあるいは焼結した非磁性
ステンレス鋼製）は厚さが0.250インチ、長さは
２インチで、幅は1.8インチである。双方の端キ
ヤツプはベアリング４２０，４２０′を取付ける
0.625インチの中央孔と、ねじ４１７用の４個の
孔４１５とを有する。端キヤツプ４１２における
４個の孔はタツプがきられ、ねじのねじを切つた
端部を受取るようにされ、端キヤツプ４１２′の
４個の孔は皿もみされてねじの頭を受入れる。

アクチユエータは、（磁極部材と接触する２個
の面のみを研磨した）焼結磁石と、打抜き金属製
磁極部材と、ダイキヤスト製の端キヤツプと、引
抜きのロータセグメントとを用いて安価に製造さ
れる。簡単なマンドレルを用いて諸部材は容易に
組立てられる。各磁極材は概ね完全な円形の孔を
有した一体部材であり、その境界面はマンドレル
を用いて接触でき、かつ正確に整合できるため
（従来のアクチユエータと比較して）整合が簡素
化される。磁石のその他の寸法は精密に機械加工
する必要はない。何故なら、それらの寸法に小さ
い差があつたとしても、ロータの磁極面とステー
タの磁極面との間の間隙ｇの寸法に影響しないか
らである。

バイアス磁石はロータを通る軌道が常に軸線方
向であるがその磁極部材を通る軌道はロータの角
度方向によつて左右されるバイアス磁束の連続し
た流れをステータおよびロータ組立体を通して設
定する。

第１０図、第１０Ａ図および第１０Ｂ図とを参
照すれば、ロータが図示のように中央位置に向い
ている（即ち、各ロータの磁極面４４２，４４
２′が対応する２個のステータ磁極面の均等部分
をまたいでいる）場合、バイアス磁束４５０は磁
石４１６の北極から極部材４１４の脚４２８ａ，
４２８ｂを横切つてロータに向かつて内方へ、ス
テータ磁極面とロータの磁極面４４２との間の間
隙ｇを横切つてロータの上端へ、ロータを軸線方
向に該ロータの下端へ、下方のロータセグメント
の磁極面４４２′と下方の磁極部材のステータの
磁極面４３５a′，４３５b′との間の間隙ｇを横切
つて外方へ、脚４２８a′，４２８b′を横切つて外
方へ、かつ磁石の南極へと内方に流れる。

ロータが中央位置に対して角度をつけて位置す
ると、各磁極面４４２，４４２′は対応するステ
ータの磁極面の一方に対して、他方に対するより
も露出面積が大きいため、各磁極面４４２，４４
２′に対して、より多くのバイアス磁束が対応す
るステータの磁極面の一方において、他方におけ
るよりも間隙ｇを横切ることができる。各ステー
タの磁極部材の接続セグメント４３１，４３１′
は過度のバイアス磁束に対する軌道を提供する。

このように、第１１図と第１１Ａ図とを参照す
れば、ロータをその中央位置から離れる最大回転
角度近くに位置させると、磁束の小さい部分は中
央位置の場合に追従した軌道と類似の軌道を追従
し続けるもののバイアス磁束軌道４５０のほとん
どは磁極部材の接続セグメントを通る。

ロータの位置とは無関係に、軌道４５０上のバ
イアス磁束は常にロータを軸線方向を通り、かつ
（ロータが中央位置にない場合）ある磁束は接続
セグメントを通る。制御コイル４３４，４３４′
において制御電流がない場合、ロータ位置とは無
関係にロータには何らトルクが加えられない。ト
ルクは、ロータが回転しようとするにつれて、
（２個の磁極面４４２，４４２′と、対応するステ
ータの磁極面４３５ａ，４３５ｂ，４３５a′，４
３５b′の間で形成される）４個の間隙における全
体の磁気エネルギの変化として規定しうる。４個
の間隙における全体の容積および該間隙における
全体の磁界がロータが運動しても不変であるた
め、トルクは何ら導入されず、したがつてロータ
は何ら優先的位置を有さない。

ロータにトルクを加え（かつそのためロータを
希望方向に運動させるために）制御コイルに電流
が供給され、そのため前記コイルは一対の磁束軌
道４５２，４５２′（第１０Ｂ図、第１１ａ図に
示す）をつくる。各制御駆動磁束軌道はステータ
の磁極部材の一方のみに流れ、対応するロータセ
グメントにトルクを加える。２個の制御磁束軌道
の流れ方向によつて、２個のセグメントのトルク
は相互に補強し合う。このように、電流を制御コ
イル４３４において特定方向に流れるようにする
ことによつて、軌道４５２に沿つた制御磁束は接
続セグメント４３１と脚４２８ｂとを通して、ス
テータの磁極面４３５ｂとロータの磁極面４４２
との間の間隙を横切つて、ロータ４３０の部分４
３８を横切つて、ステータの磁極面４３５ａとロ
ータの磁極面４４２との間の間隙を横切つて、か
つ脚４２８ａを通して接続セグメント４３１へ戻
るよう磁極部材４１４内で循環する。（磁束線４
５２′は、ロータの磁極部材４１４′およびロータ
セグメント４３８′を通して同様の軌道（但し反
対方向に）をとる。）軌道４５２の磁束は、磁極
面４３５ｂ，４４２を横切る軌道４５０において
バイアス磁束を補強し、かつ磁極面４３５ａ，４
４２の間の間隙を横切る軌道４５０におけるバイ
アス磁束に抵抗する。その結果、磁極面４４２に
おいてロータ４３０にトルクが加えられ、ロータ
を、２個の間隙を横切る（この場合時計方向）の
全体磁束を増加させようとする方向にロータを回
転させようとする。

同時に、磁束軌道４５２′は反対方向であるこ
とを除いて、磁極部材４１４′とロータセグメン
ト４３８を通して同様の軌道をとる。これは制御
コイル４３４′を通して適当方向に電流が流れる
ようにすることにより達成される。コイル４３４
によつて加えられるトルクも時計方向であつて、
コイル４３４により加えられるトルクを補強す
る。

コイルを通る電流の向きを逆転することにより
反時計方向のトルクを同様に加えることができ
る。

再度第１１図を参照すれば、ロータ４１８に補
償磁極面４４４を設けることによつて、（主磁極
面領域４５５，４５７を横切る主磁束軌道４５２
の他に）二次磁束軌道４５３を提供し、そのため
最大角度偏位近くのロータ位置において、駆動磁
束は絞られず、直線性を向上させる。

第１２図を参照すれば、直列の２個の駆動コイ
ルの抵抗は26オームであり、それらのインダクタ
ンスは120Hzにおいて161ミリヘンリで、1KHzに
おいて88ミリヘンリであり、駆動電流250，500，
−250および−500ミリアンペアについて、駆動電
流対トルクの曲線を示し、広範囲の角度偏位に対
して良好な直線性を示している。

第１３図および第１４図を参照すれば、その他
の実施例において、セグメント４３２，４３２′
はシヤフト４１８に装着することができ、そのた
めロータの磁極面４４２，４４２′は軸心Ａの両
側にあり、その場合磁極部材４１４，４１４′は
軸心Ａの両側においてそれらの接続セグメント４
３１，４３１′およびコイル４３４，４３４′と組
立てることができる。この配置によつて、コイル
４３４，４３４′は相互の空間に侵入しないため
磁極部材４１４，４１４′を相互により近接して
取付けることができる。磁極面４４２と４４４と
の間の直径の差を少なくとも1/2とする厚さを有
するリング状セグメント４３３が、第１４図の磁
束軌道４５０で示すように、セグメント４３８，
４３８′の間でより優れたバイアス磁束の流れを
保証する。（代替的にリング状セグメント４３３
を省略することができる。）