JPH1028368A - 平板型リニヤ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平板型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】 長方形の軟磁性体で作られた作動子を長
手方向に移動できるように支持する直動軸受と、作動子
の両側に突出した突極と、該突極面に磁極面が空隙を介
して対向するように本体に固定された複数個の磁極なら
びにその励磁コイルとよりなる固定電機子と、作動子の
位置を検知して得られる位置検知信号により励磁コイル
の通電制御を行なって突極を吸引して作動子を駆動する
通電制御回路とにより構成された平板型リニヤ駆動装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】作動子に部材を載置して、設
定ストローク若しくは連続して直線的に駆動する手段と
して使用される。

【０００２】

【従来の技術】同じ目的を達する為に、マグネット型の
直流電動機を平面に直線状に展開したものが知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来周知の手段には次
に述べる解決すべき問題点がある。第１の課題 駆動力
がマグネットの磁力により制限されて小さい駆動トルク
となる。希土属マグネットを使用すると高価となる問題
がある。第２の課題 従来の手段によると、マグネット
と磁極との吸引力が大きく、これを支持してマグネット
と磁極との空隙を保持する為に錯雑な構成となり高価と
なる問題点がある。上記した吸引力は駆動力と垂直方向
で駆動トルクに無関係なので問題点はより大きくなる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】長方形の軟磁性体で作ら
れた作動子と、該作動子を長手方向に移動できるように
支持する直動軸受と、該作動子の長手方向の両側に所定
の巾と離間距離で対称的に配設された複数個の軟磁性体
突極と、該突極面に磁極が僅かな空隙と所定の対向面積
で左右より対称的に対向配設して本体に固定された固定
電機子と、磁極を励磁するように捲回された励磁コイル
と、前記した突極巾は磁極巾の２倍で突極の離間距離は
突極巾の１／２として構成され、作動子の位置を検出し
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、励磁コイルを通電して隣設する磁
極を、第１，第２の磁極→第２，第３の磁極→第３，第
４の磁極の順序で示されるように磁極２個づつをサイク
リックに励磁して突極を磁気的に吸引して作動子を１方
向に駆動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】作動子の左右の励磁コイル１組を
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作動子の突極を吸引してリニヤ
駆動を行なう。このときの駆動力は周知のマグネット作
動子の形式のものと比較して５０倍位となる。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は本発明装置の構成を示す図であ
る。長方形の平板１は周知のリニヤガイド軸受（直動軸
受）により矢印Ａ若しくはその反対方向の矢印に示す方
向に往復動できるように支持される。記号２ａ，２ｂ，
…で示す装置は、図２に詳細が示されている記号３，４
で示す平板１の駆動装置である。

【０００７】平板１の上には左右に移送する部材が載置
される。平板１は図２の作動子１０（軟鋼のような軟磁
性体で作られる。）の上に固定されている。作動子１０
の下面には、スライダ８が固定され、その両側の凹部８
ａ，８ｂの両側部には溝車（支軸により本体に回動自在
に支持されている。）９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが嵌合し
て、スライダ８が矢印Ａ若しくはその反対方向に自由に
移動できるように構成されている。

【０００８】記号３，４は図示の形状で硅素鋼板を積み
重ねて作られた磁心である。空隙には励磁コイル６ａ，
６ｂ，６ｃ，７ａ，７ｂ，７ｃが捲着され、磁極３ａ，
３ｂ，…と磁極４ａ，４ｂ，…をＮ，Ｓ極に励磁する。
励磁コイルの通電を、記号６ｃ，７ｃ→６ｂ，７ｂ→６
ａ，７ａ→６ｃ，７ｃ→とサイクリックに行なうと、作
動子１０の突極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，…が
磁極に吸引されて作動子１０は矢印Ａ方向に駆動され
る。通電の順序を逆にすると作動子１０は左方に駆動さ
れる。上述した吸引力の詳細は後述する。

【０００９】作動子１０の両側の突極の巾は磁極巾の２
倍で、その離間距離は磁極巾となっている。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
突極１０ａ，１０ｂ，…の位置検知をして励磁コイル６
ａ，６ｂ，…７ａ，７ｂ，…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。

【００１０】図３は、磁極３ａ，３ｂ，…，磁極４ａ，
４ｂ，…と全く同じ構成の磁極１６ａ，１６ｂ，…，磁
極１７ａ，１７ｂ，…を作動子１０に対向して並置した
ものを示している。両者の位相（突極１０ａ，１０ｂ，
…に対する相対位置）は磁極巾の１／２だけずらして配
設してある。位置検知信号を得る為のコイル５ｄ，５
ｅ，５ｆも対応してずらして配設してある。従ってこれ
により通電制御の行なわれる励磁コイル１６ｅ，１６
ｆ，１６ｇと励磁コイル１７ｅ，１７ｆ，１７ｇによる
磁極の励磁も位相が磁極巾の１／２だけずらされる。こ
の場合の磁極の励磁による作動子１０の駆動力と移動距
離のグラフを図４に示す。

【００１１】図４において、曲線１８ｄは磁極３ａ，３
ｂ，…，磁極４ａ，４ｂ，…による作動子１０の駆動力
を示し、曲線１８ｅは、磁極１６ａ，１６ｂ，…と磁極
１７ａ，１７ｂ，…による作動子１０の駆動力を示す。
曲線１８ａと曲線１８ｂ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
１８ａを実測し、作動子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。

【００１２】コイル５ａ，５ｂ，…が作動子１０の突極
１０ａ，１０ｂ，…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５ａ，５ｂ，５ｃは１０〜２
０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，５
ｃ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が突極１０ａ，１０
ｂ，…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１２
ａ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１４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が突極１
０ａ，１０ｂ，…に対向すると、鉄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１３の出力はハイレベルとなる。その巾
は突極１０ａ，１０ｂ，…の巾となる。

【００１３】ブロック回路１８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５ｂ，５
ｃ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１４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４６
ａ，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，４６
ｂ，…は位相が突極巾の１／２おくれ、曲線４６ａ，４
６ｂ，…に対して、曲線４７ａ，４７ｂ，…は位相が突
極巾の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。

【００１４】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（６ａ，７ａ），（６ｂ，７ｂ），（６ｃ，７
ｃ）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→３ｂ，３ｃ，→３ｃ，３
ｄ→とサイクリックに励磁される。磁極４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄについても同様に励磁される。

【００１５】上述した励磁により、突極１０ａ，１０
ｂ，…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、突極１０ａ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。突極１０ａ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方向に突極１０ａを吸引して駆動トル
クを発生する。図５の磁極３ｃ，３ｄの磁束は点線Ｈで
示すように閉回路となる。磁極３ｃの磁極面は突極１０
ａと完全に対向しているので、大きい磁束量となり、こ
れが磁極３ｄに流入するので洩れ磁束１２ａも著しく大
きくなる。本発明装置の特徴は２個の磁極の内の１個の
磁極の磁束によって大きい駆動トルクを得ることにあ
る。

【００１６】図１０の曲線４８ａ，４８ｂ，…の巾だけ
励磁コイル６ｃ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６
ｃ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６ｂ，６ａ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、磁極と突極によ
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、上述した大きいイ
ンダクタンスの為である。

【００１７】励磁コイル６ａ，７ａ，励磁コイル６ｂ，
７ｂ，励磁コイル６ｃ，７ｃをそれぞれ励磁コイルＥ，
Ｆ，Ｇと呼称する。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Ｅ，Ｆ，Ｇのの両端には、それぞ
れトランジスタ２０ａ，２０ｂ及び２０ｃ，２０ｄ及び
２０ｅ，２０ｆが挿入されている。トランジスタ２０
ａ，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１ａ，１ｂ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
４２ａ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Ｅ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Ｆ，Ｇ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−端
子の入力は＋端子のそれより低いので、オペアンプ４０
ｂの出力はハイレベルとなり、トランジスタ２０ａ，２
０ｂが導通して、電圧が励磁コイルＥ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。

【００１８】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Ｅ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。

【００１９】図７のタイムチヤートの曲線２６ａ，２６
ｂ，２６ｃは、励磁コイルＥ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Ｅ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１ａ，１ｂの電圧）が加算
されるので、励磁コイルＥ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。

【００２０】次にチョッパ回路について説明する。励磁
コイルＥの電流が増大して、その検出の為の抵抗２２ａ
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Ｆは、端子４２ｂより入力される図１
０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Ｅの場合と同様である。励磁コイルＧに
ついても上述した事情は全く同様で、端子４２ｃに図１
０の位置検知信号曲線５０ａ，５０ｂ，…が入力されて
励磁コイルＧの通電制御が行なわれる。トランジスタ２
０ｅ，２０ｆ，アンド回路４１ｃ，オペアンプ４０ｄ，
抵抗２２ｃ，絶対値回路３０ｃ，ダイオード４９ｃ−
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。

【００２１】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。

【００２２】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。従って
出力トルクの飽和特性がなく、短時間であれば励磁コイ
ルが焼損しないので、著しく大きい出力トルクが得られ
る作用効果がある。障害物を乗越えて走行する必要のあ
る電動車の駆動源として最適のものが得られる。

【００２３】

【発明の効果】

第１の効果 マグネットを使用しないので、周知の手段
と比較して廉価となり、又磁極が、作動子平板の両側に
あるので、駆動トルクに無効な磁気吸引力が相殺され、
必要な駆動トルクのみを利用することができる。 第２の効果 作動子の両側に対向する磁極面との距離を
０．２ミリメートル位より小さくすることにより、作動
子に対する吸引力が１定となり左右の吸引力を相殺する
ことが容易となるとともに駆動力を増大することができ
る。 第３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】作動子の移動距離と駆動力のグラフ

【図５】磁極と作動子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】

１，１０ 作動子 ２ａ，２ｂ，… 電機子 ３，４，１６，１７ 磁心 ３ａ，３ｂ，…，４ａ，４ｂ，…，１６ａ，１６ｂ，
…，１７ａ，１７ｂ，…磁極 ６ａ，６ｂ，…，７ａ，７ｂ，…，１６ｅ，１６ｇ，
…，１７ｅ，１７ｇ，…励磁コイル ５ａ，５ｂ，５ｃ，… コイル ９ａ，９ｂ，… リニヤガイド軸受 １０ａ，１０ｂ，… 突極 ８，８ａ，８ｂ スライダ １８ｄ，１８ｅ，３３，３３ｂ 駆動力曲線 １１，１２，１０ａ，１０ｂ，１２ａ 磁束 １４ 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 １ａ，１ｂ 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，… 作動子の位置検知信号曲線 ４８ａ，４８ｂ，…，４９ａ，４９ｂ，…，５０ａ，５
０ｂ，… 作動子の位置検知信号曲線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長方形の軟磁性体で作られた作動子と、該
   作動子を長手方向に移動できるように支持する直動軸受
   と、該作動子の長手方向の両側に所定の巾と離間距離で
   対称的に配設された複数個の軟磁性体突極と、該突極面
   に磁極が僅かな空隙と所定の対向面積で左右より対称的
   に対向配設して本体に固定された固定電機子と、磁極を
   励磁するように捲回された励磁コイルと、前記した突極
   巾は磁極巾の２倍で突極の離間距離は突極巾の１／２と
   して構成され、作動子の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、励磁コイルを通電して隣設する磁極を、第１，第２
   の磁極→第２，第３の磁極→第３，第４の磁極の順序で
   示されるように磁極２個づつをサイクリックに励磁して
   突極を磁気的に吸引して作動子を１方向に駆動する通電
   制御回路とにより構成されたことを特徴とする平板型リ
   ニヤ駆動装置。