JPH09308210A - 円筒型リニヤ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円筒形の大きい駆動力のリニヤ駆動装置を得
ることである。 【解決手段】 軟磁性体円筒と、該円筒内側に外側が固
定され、所定の軸間隔で構成された複数個の円環状磁極
と、各磁極間に装着された励磁コイルと、磁極巾の２倍
の巾で互いに磁極だけ離間した軟磁性体円柱の外側が磁
極内周と僅かな空隙を介して対向して互いに軸方向に滑
動するように作られた装置と、磁極と軟磁性体円柱の相
対位置を検出して得られる検出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磁極と軟磁性体円柱の相対的な軸方
向の駆動力を発生する通電制御回路とにより構成された
円筒型リニヤ駆動装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】同じ目的を達する為に電磁プランジヤが
ある。又平板状のリニヤモータがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】周知の電磁プランジャ
と平板状リニヤモータ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 電磁プランジャは
駆動ストロークが小さく、平板状のリニヤモータは、駆
動力に垂直方向の磁気吸引力が非常に大きく、これを支
持するローラが大型高価となる欠点がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】軟磁性体で作られた円筒
と、該円筒の内側に外側が固定され、所定の軸間距離で
保持された軟磁性体で作られた少なくとも４個の円環状
の磁極と、各磁極間に装着された円環状の励磁コイル
と、磁極巾の２倍の巾で互いに磁極巾だけ離間した円柱
が、同軸に配設された軟磁性体で作られるとともに該円
柱外側が磁極内周と僅かな距離を介して対向して互いに
軸方向に滑動するように作られた装置と、磁極と円柱の
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。

【０００５】

【発明の実施の形態】第１，第２，…の励磁コイルに順
次に通電することにより、対応する隣設する磁極を２個
づつ励磁して軟磁性体円柱を吸引してリニヤ駆動を行な
う。このときの駆動力は従来のこの種の手段の１０〜５
０倍となる。励磁コイルの通電手段により、ステッピン
グ動作若しくはリニヤモータの動作を行なうことができ
る。

【０００６】

【実施例】次に実施例につき本発明装置の詳細を説明す
る。各図面の同一記号の部材は同じ部材なので重複した
説明は省略する。図１は本発明装置の側面図である。外
筺１６の内部には図２につき後述する磁極と励磁コイル
が収納され、磁極面と僅かな空隙を介して円柱２ａ，２
ｂ，…を有する円柱２が左右に滑動する。外筐１６に負
荷１ａを点線Ｃで示す連結部材により連結すると、負荷
１ａを左右に駆動することができる。このときに円柱２
は固定される。逆に外筺１６を固定して円柱２を左右に
駆動すると、点線Ｂで示す連結部材により連結された負
荷１ｂを左右に駆動することができる。

【０００７】図２は図１の横断面図である。図２におい
て、円柱２，２ａ，２ｂ，…は軟磁性体例えば軟鋼で作
られ、円柱２ａ，２ｂ，…の離間距離は円柱巾の１／２
となっている。軟鋼製の円環状の磁極３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄの外周は外筐１６に固着され、内周磁極面は円
柱２ａ，２ｂ，…の外周と０．２ミリメートル以下の空
隙で対向している。各磁極間の空隙には円環状に捲回さ
れた励磁コイル４ａ，４ｂ，４ｃが捲着される。上述し
た構成の電機子を作るには次の手段がよい。外筺１６の
左右の開口部より、磁極と励磁コイルを順次に圧入する
ことにより作ることができる。

【０００８】円柱２ａ，２ｂの巾は磁極３ａ，３ｂ，…
の巾の２倍となり、円柱間の距離は磁極巾と等しくされ
る。励磁コイルの通電の順序を記号４ａ→４ｂ→４ｃ→
４ｄ→４ａ，→とすると、円柱２は矢印Ａ方向に駆動さ
れ、通電の順序を反対とすると矢印Ａと反対方向に駆動
される。円柱２を固定すると、外筺１６が左右に駆動さ
れる。後述するように記号５ａ，５ｂ，５ｃで示す位置
検知コイルにより円柱２ａ，２ｂ，…の位置検知をして
励磁コイル４ａ，４ｂ，…の通電制御をするとリニヤモ
ータとなり、位置検知コイルを除去して各励磁コイルを
順次に通電するとステッピングモータとなる。磁極は４
組使用しているが、４組以上とすることもできる。

【０００９】図３は、磁極３ａ，３ｂ，…と全く同じ構
成の磁極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを外筺１６に並置した
ものを示している。磁極６ａ，６ｂ，…は磁極巾の１／
２だけ左方にずらして配設されている。位置検知信号を
得る為のコイル５ｄ，５ｅ，５ｆも同じく磁極巾の１／
２だけ位相が左方にずらされている。従って、これによ
り通電制御の行なわれる励磁コイル５ｄ，５ｅ，５ｆの
励磁も同じ位相だけずらされる。この場合の磁極の励磁
による円柱の駆動力と移動距離のグラフが図４に示され
ている。

【００１０】図４において、曲線８ａは磁極３ａ，３
ｂ，…による円柱２ａの駆動力を示し、曲線８ｂは磁極
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄによる円柱２ｃの駆動力を示し
ている。曲線８ａと曲線８ｂのトルクの合成トルクはリ
プルトルクが減少する作用効果がある。合成トルクを完
全に平坦とするには次の手段を利用することもできる。
曲線８ａを実測し、円柱の移動距離に対応する駆動力を
記憶する。これより駆動力を平坦とする励磁コイルの通
電電流値を計算し、これをＲＯＭに記録し、この数値を
よみ出してこれに対応する励磁コイルの通電制御を行な
うことにより目的を達成することができる。

【００１１】コイル５ａ，５ｂ，…が円柱２ａ，２ｂ，
…の外周に対向して位置検知信号を得る手段について説
明する。コイル１ａ，１ｂ，１ｃは１０〜２０ターンで
径が数ミリメートルのコイルである。各コイルの離間角
は磁極巾で図示の位置に装着される。各コイルは空心の
ものである。図６に、コイル５ａ，５ｂ，５ｃより位置
検知信号を得る為の装置が示されている。図６におい
て、コイル５ａ，抵抗１５ａ，１５ｂ，１５ｃはブリッ
ジ回路となり、コイル５ａが円柱２ａ，２ｂ，…に対向
していないときには平衡するように調整されている。従
って、ダイオード１１ａ，コンデンサ１２ａならびにダ
イオード１１ｂ，コンデンサ１２ｂよりなるローパスフ
イルタの出力は等しく、オペアンプ１３の出力はローレ
ベルとなる。記号１０は発振器で２メガサイクル位の発
振が行なわれている。コイル５ａが円柱２ａ，２ｂ，…
に対向すると、銅損によりインピーダンスが減少するの
で、抵抗１５ａの電圧降下が大きくなり、オペアンプ１
３の出力はハイレベルとなる。その巾は円柱２ａ，２
ｂ，…の巾となる。

【００１２】ブロック回路１８のその入力は、図１０の
タイムチヤートの曲線４５ａ，４５ｂ，…となり、図６
のブロック回路１４ａ，１４ｂは、それぞれコイル５
ｂ，５ｃを含む上述しブロック回路と同じ構成のものを
示すものである。発振器１０は共通に利用することがで
きる。ブロック回路１４ａの出力は、ブロック回路１８
に入力され、それらの出力信号は、図１０において、曲
線４６ａ，４６ｂ，…，となる。ブロック回路１４ｂの
出力は、ブロック回路１８に入力され、それらの出力信
号は、図１０において、曲線４７ａ，４７ｂ，…とな
る。曲線４５ａ，４５ｂ，…に対して、曲線４６ａ，４
６ｂ，…は位相が円柱巾の１／２おくれ、曲線４６ａ，
４６ｂ，…に対して、曲線４７ａ，４７ｂ，…は位相が
円柱巾の１／２おくれている。ブロック回路１８は、３
相Ｙ型の半導体電動機の制御回路に慣用されている回路
で、上述した位置検知信号の入力により端子１８ａ，１
８ｂ，１８ｃより後述する矩形波の電気信号が得られる
論理回路である。

【００１３】次にその詳細を図１０につき説明する。図
１０の曲線４５ａ，４５ｂ，…，曲線４６ａ，４６ｂ，
…，曲線４７ａ，４７ｂ，…は前述したようにコイル５
ａ，５ｂ，５ｃによる位置検知出力である。曲線４６
ａ，４６ｂ，…を反転回路により反転すると曲線４８
ａ，４８ｂ，…となる。曲線４７ａ，４７ｂ，…を反転
すると曲線４９ａ，４９ｂ，…となる。曲線４５ａ，４
５ｂ，…を反転すると曲線５０ａ，５０ｂ，…となる。
曲線４８ａ，曲線４９ａ，曲線５０ａの巾は磁極巾で、
図６の端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃの出力信号となって
いる。曲線４８ａ，４９ａ，５０ａの巾だけ対応する励
磁コイル４ａ，４ｂ，４ｃを通電すると、励磁される磁
極は２個づつとなり、その順序は、記号３ａ，３ｂ→３
ｂ，３ｃ，→３ｃ，３ｄ→とサイクリックに励磁され
る。

【００１４】上述した励磁により、円柱２ａ，２ｂ，２
ｃ，…は吸引されて矢印Ａ方向に駆動される。上述した
手段による駆動力は著しく大きくなる。次にその理由を
説明する。図５において、円柱２ａの外側面と磁極３
ｃ，３ｄの磁極面の対向面の磁束は矢印１１，１２とな
り、空隙長が０．１ミリメートル位となると端面に垂直
となりトルクに寄与しない。両端部の磁束は矢印１０
ａ，１０ｂとなりトルクは相殺されて出力トルクに寄与
しない。円柱２ａと磁極３ｄの間の磁束は矢印１２ａで
示す洩れ磁束が発生し矢印Ａ方向のトルクを発生する。
従って矢印Ａ方円柱２ａを駆動するトルクを発生する。
円柱２ａを固定すると、磁極３ｃ，３ｄは矢印Ａと反対
方向に駆動される。

【００１５】図１０の曲線４８ａ，４８ｂ，…の巾だけ
励磁コイル４ａが通電されるが、この磁路は軟鋼の磁性
体により閉じられているのでインダクタンスが著しく大
きく駆動速度が上昇しない不都合がある。この欠点を除
去する手段を次に説明する。位置検知信号４８ａを例と
して説明する。図７の曲線４８ａの巾だけ励磁コイル４
ａが通電される。通電の初期では、電機子コイルのイン
ダクタンスの為に立上がりがおくれ、通電が断たれる
と、蓄積された磁気エネルギが、図８のダイオード４９
ａ−１が除去されていると、ダオード２１ａ，２１ｂを
介して電源に環流放電されるので、点線Ｋ−１の右側の
曲線２５の後半部のように降下する。正トルクの発生す
る区間は、矢印２３ａで示す区間なので、反トルクの発
生があり、出力トルクと効率を減少する。高速度となる
とこの現象は著しく大きくなり使用に耐えられぬものと
なる。反トルク発生の時間巾は、高速となっても変化し
ないが、正トルク発生の区間２３ａの時間巾は速度に比
例して小さくなるからである。他の位置検知信号４９
ａ，５０ａによる励磁コイル４ｂ，４ｃの通電について
も上述した事情は同様である。曲線２５の立上がりもお
くれるので、出力が減少する。これは、磁極と円筒によ
り磁路が閉じられているので大きいインダクタンスを有
しているからである。リラクタンス型の電動機は大きい
出力トルクを発生する利点がある反面に速度を上昇せし
めることができない欠点があるのは、上述し大きいイン
ダクタンスの為である。

【００１６】励磁コイルの通電手段を図８につき説明す
る。励磁コイル４ａ，４ｂ，４ｃの両端には、それぞれ
トランジスタ２０ａ，２０ｂ及び２０ｃ，２０ｄ及び２
０ｅ，２０ｆが挿入されている。トランジスタ２０ａ，
２０ｂ，２０ｃ，…は、スイッチング素子となるもの
で、同じ効果のある他の半導体素子でもよい。直流電源
正負端子２ａ，２ｂより供電が行なわれている。アンド
回路４１ａの下側の入力がハイレベルのときに、端子４
２ａよりハイレベルの電気信号が入力されると、トラン
ジスタ２０ａ，２０ｂが導通して、励磁コイル４ａが通
電される。同様に端子４２ｂ，４２ｃよりハイレベルの
電気信号が入力されると、トランジスタ２０ｃ，２０ｄ
及びトランジスタ２０ｅ，２０ｆが導通して、励磁コイ
ル４ｂ，４ｃが通電される。端子４０は励磁電流を指定
する為の基準電圧である。端子４０の電圧を変更するこ
とにより、出力トルクを変更することができる。電源ス
イッチ（図示せず）を投入すると、オペアンプ４０ｂの
一端子の入力は＋端子のそれより低いので、オペアンプ
４０ｂの出力はハイレベルとなり、トランジスタ２０
ａ，２０ｂが導通して、電圧が励磁コイル４ａの通電制
御回路に印加される。抵抗２２ａは、励磁電流を検出す
る為の抵抗である。記号３０ａは絶対値回路である。

【００１７】端子４２ａの入力信号は、図１０の位置検
知信号４８ａ，４８ｂ…又端子４２ｂ，４２ｃの入力信
号は、位置検知信号４９ａ，４９ｂ，…及び５０ａ，５
０ｂ，…となっている。本発明装置は、図８の逆流防止
用のダイオード４９ａ−１，４９ｂ−１，４９ｃ−１と
コンデンサ４７ａ，４７ｂ，４７ｃを付設することによ
り、上述した欠点を除去したことに特徴を有するもので
ある。曲線４８ａの末端で通電が断たれると、励磁コイ
ル４ａに蓄積された磁気エネルギは、逆流防止用ダイオ
ード４９ａ−１により、直流電源側に環流しないでダイ
オード２１ｂ，２１ａを介して、コンデンサ４７ａを図
示の極性に充電して、これを高電圧とする。従って、磁
気エネルギは急速に消滅して電流が急速に降下する。

【００１８】図７のタイムチヤートの曲線２６ａ，２６
ｂ，２６ｃは、励磁コイル４ａを流れる電流曲線でその
両側の点線２６−１，２６−２間が磁極巾となってい
る。通電電流は曲線２６ｂのように急速に降下して反ト
ルクの発生が防止され、コンデンサ４７ａは高電圧に充
電して保持される。次に位置信号曲線４８ｂにより、ト
ランジスタ２０ａ，２０ｂが導通して再び励磁コイル４
ａが通電されるが、このときの印加電圧は、コンデンサ
４７ａの充電電圧と電源電圧（端子２ａ，２ｂの電圧）
が加算されるので、励磁コイル４ａの電流の立上がりが
急速となる。この現象により、曲線２６ａのように急速
に立上がる。以上の説明のように、減トルクの発生が除
去され、又矩形波に近い通電となるので、出力トルクが
増大する。

【００１９】次にチョッパ回路について説明する。励磁
コイル４ａの電流が増大して、その検出の為の抵抗２２
ａの電圧降下が増大し、絶対値回路３０ａの出力も増大
し、基準電圧端子４０の電圧を越えると、アンド回路４
１ａの下側の入力がローレベルとなるので、トランジス
タ２０ａ，２０ｂは不導通に転化し、励磁電流が減少す
る。オペアンプ４０ｂのヒステリシス特性により、所定
値の減少により、オペアンプ４０ｂの出力はハイレベル
に復帰して、トランジスタ２０ａ，２０ｂを導通して励
磁電流が増大する。かかるサイクルを繰返して、励磁電
流は設定値に保持される。図７の点線２６ｃで示す区間
がチョッパ制御の行なわれている区間である。点線２６
ｃの高さは基準電圧端子４０の電圧により規制される。
図８の励磁コイル４ｂは、端子４２ｂより入力される図
１０の位置検知信号曲線４９ａ，４９ｂ，…により、そ
の巾だけトランジスタ２０ｃ，２０ｄの導通により通電
され、オペアンプ４０ｃ，抵抗２２ｂ，絶対値回路３０
ｂ，アンド回路４１ｂによりチョッパ制御が行なわれ
る。ダイオード４９ｂ−１，コンデンサ４７ｂの作用効
果も励磁コイル４ａの場合と同様である。励磁コイル４
ｃについても上述した事情は全く同様で、端子４２ｃに
図１０の位置検知信号曲線５０ａ，５０ｂ，…が入力さ
れて励磁コイル４ｃの通電制御が行なわれる。トランジ
スタ２０ｅ，２０ｆ，アンド回路４１ｃ，オペアンプ４
０ｄ，抵抗２２ｃ，絶対値回路３０ｃ，ダイオード４９
ｃ−１，コンデンサ４７ｃの作用効果も前述した場合と
全く同様である。

【００２０】各電機子コイルの通電は、突極が磁極に侵
入する点若しくは少し前の点のいずれでもよい。回転速
度、効率、出力トルクを考慮して調整し、位置検知素子
となるコイル５ａ，５ｂ，５ｃの固定電機子側に固定す
る位置を変更する。以上の説明より理解されるように効
率良く、大きい出力と高速駆動を行なうことができるの
で本発明の１つの目的が達成される。

【００２１】従来のリラクタンス型の電動機の駆動力と
通電電流の曲線は図９の曲線３３のようになり、初期は
次乗曲線となっている。従来のマグネット電動機では、
マグネットの磁界以上に磁極を励磁できないので点線３
３ａの点でトルクが飽和して、この点以上のトルクは得
られない。本発明装置では洩れ磁束により出力トルクが
得られるので、リニヤ特性となり曲線３３ｂとなり有効
な手段を得ることができる。洩れ磁束の量は電流に比例
することが上述した特性が得られる理由である。

【００２２】

【発明の効果】第１の効果 円筒型としたので、軸対称
となり径方向の磁気吸引力の合成力が零となり振動を防
止することができ、又空隙を０．２ミリメートル以下と
することにより、円柱が径方向に移動しても磁気吸引力
が変化しないので軸受により円柱を保持する必要がなく
構成が簡素化される。第２の効果 駆動力は洩れ磁束に
より得られているので電流に比例して増大し飽和するこ
とがなく、リニヤ特性とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の外観図

【図２】本発明装置の横断面図

【図３】本発明装置の他の実施例の横断面図

【図４】円柱の移動距離と駆動力のグラフ

【図５】磁極と円柱との対向面空隙の磁束の説明図

【図６】位置検知信号を得る電気回路図

【図７】励磁コイルの通電モードのグラフ

【図８】励磁コイルの通電制御回路図

【図９】励磁電流と駆動力のグラフ

【図１０】位置検知信号のタイムチヤート

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 負荷 ２ａ，２ｂ，… 円柱 １６ 外筐 ３ａ，３ｂ，…，６ａ，６ｂ，… 磁極 ４ａ，４ｂ，…，５ａ，５ｂ，… 励磁コイル ５ａ，５ｂ，５ｃ，… 位置検知用コイル ８ａ，８ｂ，３３，３３ａ 駆動力曲線 １１，１２，１０ａ，１０ｂ，１２ａ 磁束 １０ 発振器 １４ａ，１４ｂ，１８ 位置検知信号を端子１８ａ，１
８ｂ，１８ｃより得る電気回路 ２５，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 励磁電流曲線 ２ａ，２ｂ 直流電源正負端子 ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 絶対値回路 ４０ 電流制御の信号入力端子 ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 位置検知信号の入力端子 ４５ａ，４５ｂ，…，４６ａ，４６ｂ，…，４７ａ，４
７ｂ，… 円柱巾の位置検知信号曲線 ４８ａ，４８ｂ，…，４９ａ，４９ｂ，…，５０ａ，５
０ｂ，… 磁極巾の位置検知信号曲線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軟磁性体で作られた円筒と、該円筒の内側
   に外側が固定され、所定の軸間距離で保持された軟磁性
   体で作られた少なくとも４個の円環状の磁極と、各磁極
   間に装着された円環状の励磁コイルと、磁極巾の２倍の
   巾で互いに磁極巾だけ離間した円柱が、同軸に配設され
   た軟磁性体で作られるとともに該円柱外側が磁極内周と
   僅かな距離を介して対向して互いに軸方向に滑動するよ
   うに作られた装置と、磁極と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。