JPS63257450A - ステツプアクチユエ−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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアクチュエータに係り、特に高速動作を行なう
のに好適なハイブリッドタイプのステップアクチュエー
タに関する。

〔従来の技術〕

従来のハイブリッドタイプのステップアクチュエータの
推力は、一定の電源容量および同一のモータ寸法任用で
比較した場合、他の種類のモータより大きいものの、イ
ンダクタンスの影響によって高速駆動が蓮しいという欠
点があった。これを５第２図の従来例を用いて説明する
。

今、アクチュエータのインダクタンスについて考察する
。巻線３，４に着目するとその磁気回路は図の矢印の経
路となる。この回路の磁気抵抗は主に空隙の形状で決ま
る。固定子１の磁極Ａの空隙の磁気抵抗Ｒｇｚ、磁極Ｘ
の空隙の磁気抵抗Ｒｇｚから、巻線に対する磁気抵抗Ｒ
ｃは、Ｒｅ”Ｒｇｉ＋Ｒｇｚとなる。巻線のインダクタ
ンスは、巻数Ｎの２乗に比例し、磁気抵抗ＲＣに反比例
するので、ｃ となる。ただし、には定数である。

ハイブリッドアクチュエータを高速で動作させるために
は、巻線の電流の立上りを早くして、大きな推力を短い
時間で発生させることが必要である。従って、巻線のイ
ンダクタンスと抵抗の比で表される電気的時定数が重視
される。

従来のハイブリッドステップアクチュエータは電気的時
定数が数ｍｓ程度であり、この時定数に対して高速動作
を可能とするために様々な方式が従来用いられてきた。

それらを簡単に紹介する。

そのひとつは、抵抗を増加させて時定数を小さくするた
めに、外部に直列に抵抗を接続する等の方法である。し
かし、この方法だと抵抗分で消費される電力が増加し、
アクチュエータの効率が低下したり、アクチュエータの
過熱につながる等の問題があった。

また、インダクタンスの低減を図るためには。

巻線のターン数を減らしたり、空隙を大きくして磁気抵
抗を増加する等の方法があるが、これにはアクチュエー
タの推力定数を損い、同一電源容量では推力が低下する
問題があった。

そこで、推力を損うことなく磁気抵抗を増加させる手段
として、磁石を巻線の磁気回路中、すなわち第２図の矢
印の経路中に設ける方式が考えられる。しかし、磁石を
単純に矢印の経路に設けると、磁気抵抗は磁石の磁気抵
抗分増加するが、空隙の磁気抵抗の変化による巻線の鎖
交磁束の変化が小さくなって推力定数が小さくなり、こ
の方式でも推力の低下は免かれなかった。

これらの問題を解決する方式として、第３図に示す構造
のアクチュエータが考えられている。これは、インダク
タンスを低減するために、巻線の直列磁気回路中に設け
る永久磁石１３．１４を磁極表面に装着し、かつ、巻線
３，４，５．６の鎖交磁束の変化を大きくするために歯
のピッチに合わせて永久磁石の極性を反転させることに
より。

推力低下を防止する構造がある。しかし、この構造では
隣り合う異極性の永久磁石間に漏洩磁路が発生し、空隙
の有効磁束が減少する。従って１巻線の鎖交磁束が減少
し、これによっても充分な推力を得ることができないも
のである。この漏洩磁束を低減するには、永久磁石の極
ピッチに対して厚さを充分薄くすればよい。しかし永久
磁石の厚さを薄くすると磁石の磁気抵抗が低下するため
、巻線のインダクタンスが増加する問題が生じる。

また、永久磁石の極ピッチを広げる場合、歯のピッチも
同様に大きくしなければならず、可動子の位置変化に対
する磁束変化が小さくなるため推力定数が低下するとい
う問題が生じる。

このように磁束変化を大きくするために磁石の極性を歯
ピッチに対応して反転させても、インダクタンスの低減
と推力定数の向上を両立させることは困雅であった。

なお、この種のステップアクチュエータの例としては、
抵抗を増加させ、応答を向上させる例としてｒステッピ
ングモータの基礎と応用Ｊ　（児城志他１名、総合電子
出版、昭和５４年２月）の第１８０頁ないし第１８２頁
、また磁石を巻線の磁気回路中に設ける例として特開昭
６０−２００７５７号公報、永久磁石の極性を歯ピッチ
と等しいピッチで反転させる例としてｒＰＭ型リユリニ
アパルスモータ作結果」　（長板長彦、電気学会マグネ
ティックス研究会、ＭＡＧ−８５−１３０，昭和６０年
）がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、ハイブリッドステップアクチュエータ
の推力定数と電気的時定数の関係について十分配慮がさ
九ておらず、電気的時定数を低減しようとすると推力定
数が低下するという問題があった。

本発明の目的は、永久磁石の位置と形状を最適にするこ
とにより、推力定数を低下することなく電気的時数の小
さいハイブリッドステップアクチュエータを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の目的は、ハイブリッドアクチュエータの永久磁石
を固定子または可動子の空隙側に接して設け、該永久磁
石の極性を対向する可動子または固定子の歯と等しいピ
ッチで反転させ、更に極性切換り位置に溝を設ける構造
とすることにより達成される。

〔作用〕

永久磁石の極性が、対向する市と等しいピッチで反転す
る構造とすることによって以下の働きが生ずる。永久磁
石と歯の位相が一致させた第１の場合は、空隙長が短い
側（空隙磁気抵抗の小さい側）の永久磁石の磁束が巻線
に鎖交しする。永久磁石と歯の位相が半ピツチずらした
第２の場合は。

両極性の永久磁石に対して空隙磁気抵抗が等しく。

磁束は永久磁石同士で終端するので巻線には鎖交しない
。更に、第１の場合と逆極性の永久磁石の空隙長を短か
くした第３の場合は１巻線に第１の場合と逆方向と磁束
が鎖交する。この様な、歯と永久磁石の相対位置変化に
より第１．第２．第３更に第２を経て、第１の場合と巻
線の鎖交磁束が零を基準に大きく正、逆方向に変動する
ので、アクチュエータの推力は極めて大となる。

しかも、巻線の磁気回路に直列に永久磁石を配置するこ
とにより、巻線のインダクタンスは低減され電気的時定
数の小さいアクチュエータとなる。

更に、永久磁石の極性切換位置に溝を設けることが考慮
される。すなわち、永久磁石も歯の形にす答ことにより
隣り合う異極性の永久磁石間の漏れ磁束が低減され、空
隙の磁束が高められる。すなわち、溝がない場合は、極
性の切換位置での磁気抵抗は極めて小さいため磁束が集
中し、漏れ磁束が極めて増加し、巻線に鎖交する磁束は
低減する。一方、永久磁石の極性切換位置に溝を設ける
ことにより、永久磁石の面積が減少するので磁石自体の
磁束は減少するが、異極性の永久磁石間に空隙が設けら
れているので、この磁石間での磁気抵抗が高まり漏れ磁
束は大幅に低下する。結果的には溝を設けた方が、巻線
の鎖交磁束は増加し、推力上昇につながる。また、溝で
なく、単体の磁石をある空隙を設けて異極性が隣り同士
になるように並入る構成でも同様な効果は生じる。また
。

空隙や溝に非磁性材料を設けてもよい。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ある
空隙を有して対向する固定子１および２の空隙部に各々
固定子１および２に対し所定の空隙を有して平行に可動
子７を設け、固定子１および２の歯と等ピッチ毎に極性
を反転するように着接した永久磁石８および９を可動子
７の固定子ｌおよび２に面する表面に装着し、その永久
磁石８と９の極性の位相を９０＠　（磁石極性の１／４
ピツチ）ずらす。固定子１および２は、２つの磁極Ａと
Ｗ及びＢと正を有し、それらの磁極の歯の位相関係は、
Ａが永久磁石８のＮ極側と近接する場合は、Ｗが永久磁
石８のＳ極側（Ｎ極を基準として、ＮとＳで１ピツチと
すれば、２／４ピツチだけ位相がずれる）、Ｂが永久磁
石９のＳ極とＮ極の中間（３／４ピツチ位相ずれ）、■
が永久磁石４１のＮ極とＳ極の中間（１／４ピツチ位相
ずれ）となるようにしておく。

固定子１の極性Ａに巻線３．磁極Ｘに巻線４を設け、固
定子２の極性、Ｂに巻１ＩＡ５、磁極正に巻＃？ｉ６を
設ける。

このアクチュエータの磁気回路を第４図に示す。

この図のＵ１工は永久磁石８のＮ極側が磁極Ａに対して
生ずる起磁力、ＵｓｘはＳ極側が磁極Ａに対して生ずる
起磁力、以下同様にＵ２１はＮ極側が磁極Ａ、Ｕｚｚは
Ｓ極側が磁極Ａ、Ｕａｔは永久磁石４１のＳ極側が磁極
Ｂ、ＵｓｚはＮ極側が磁極Ｂ、Ｕ４ｚはＳ極側が磁極正
、Ｕ　４２はＮ極側が磁極正にそれぞれ生ずる起磁力で
ある。Ｒ，は各々の磁石の磁気抵抗、Ｒｇ　ｌｒは永久
磁石８のＮ極側からの磁束を受ける磁極Ａの空隙の磁気
抵抗、Ｒｇ　ｔ　２は永久磁石８のＳ極側からの磁束を
受ける磁極Ａの空隙の磁気抵抗、以下同様にＲｇ　２　
ｈは永久磁石８のＮ極側に対する磁極τの空隙、　Ｒｇ
ｚｚはＳ極側に対する磁極τの空隙、　Ｒｒａｘは永久
磁石９のＳ極側に対する磁極Ｂの空隙、Ｒ５８２はＮ極
側に対する磁極Ｂの空隙、Ｒｇ４ｘはＳ極側に対する磁
極丁の空隙、　Ｒｇ４ｚはＮ極側に対する磁極百の空隙
における各々磁気抵抗を表わす。

空隙の磁気抵抗は可動子７と固定子１，２の歯の位置関
係で変化し、歯のピッチτを１周期として正弦波状に変
化する。Ｒ□１１とＲ５２２が最小の時にＲ＃１２とＲ
ｚｘｘが最大となるので、Ｕｔｉ及びＵｚｚによる磁束
φ１工とφ２２が最大となり、Ｕｓｚ及びＵＺＸによる
磁束φ１２とφ２１が最小となる。従って、巻線３，４
の鎖交磁束φ１は、第４図の矢印の方向に通過する。逆
に、ＲｇｚｌとＲ，２２が最大の時は、Ｒｚ　１　！と
Ｒｚｘｓが最小となり、巻線３，４の鎖交磁束φ１は図
の矢印と逆方向となる。この様に１巻線３，４には可動
子３の位置による磁束変化が生じるので、巻線に電流を
流せば推力が発生し、可動子３を移動せしめ直線運転が
実現する。また。

第４図の下側の磁気回路では、空隙の磁気抵抗の変化が
上側の磁気回路に対してπ／２だけ位相がずれるので、
π／２位相のず九た推力が発生する６歯ピツチを庇のオ
ーダにしているので、可動子の位置変化による磁束変化
がきわめて大きくなり大推力を得ることができる。

次に、本実施例での巻線のインダクタンスを計算すると
、巻線３，４に対する磁気回路の磁気抵抗Ｒｃは、 Ｒｃ＝（Ｒｇｔｉ＋ＲＪ／／（Ｒｇｚ２＋ＲＩＩ）＋（
Ｒｇ２１＋ＲＪ　／／（Ｒｇｚｚ＋ＲＪとなり、磁石の
磁気抵抗分だけ増加する。従って、巻線３，４のインダ
クタンスは、磁気抵抗の増加により、従来知られていた
ものよりも小さくなる。

また、巻線５，６のインダクタンスも同様に従来より小
さくなる。

更に本実施例では、永久磁石の隣り合う異極間での漏洩
磁束の発生を防止するため、磁極間毎に溝を設けている
。言い換れば、永久磁石は各極毎に歯をつけた形状とし
ている。この様な形状とすることによって、異極間には
空隙が入るため、その間の磁気経路は長くなり磁気抵抗
が増加する。

従って１巻線の鎖交磁束変化に寄与する対向する歯の空
隙間の磁気抵抗を比較して、永久磁石の異極間の磁気抵
抗が大きくなり、異極間での漏洩磁束は低減される。従
って、極間に溝を設けてた永久磁石とすれば、推力定数
が低減することがないので、永久磁石の厚さを所望のイ
ンダクタンスに低減するように厚くすることもでき、推
力定数を低下させることなくインダクタンスの低減が可
能となる。

また、前記永久磁石の溝の幅は、対向する宙との空隙よ
り大とすれば、隣り合う異極の永久磁石同士の漏洩経路
の磁気抵抗が空隙の磁気抵抗より大きくできるので、前
記の効果はより一層大きくなる。

このように、本実施例によれば、大きな推力定数を有し
、かつ高速性能に優れたリニアステップアクチュエータ
を実現できる。

第５図に、第２の実施例を示す。この例では、永久磁石
を固定子１，２側に設けている。本実施例でも、第１の
実施例と同様な大推力、高速駆動という効果が得られる
。また、本実施例では、永久磁石の長さが固定子の長さ
に等しくなるため、第１の実施例より永久磁石が小形軽
量になるという効果も得られる。

尚、前記の実施例は、リニアアクチュエータの場合であ
るが、回転形のアクチュエータについても同様な構造と
することにより、高速、大トルクという効果が得られる
。

第６図は、回転型のアクチュエータに本発明を実施した
例であり、第７図は第６図の■−■の断面図を示す。前
述のリニアステップアクチュエータの実施例と同様に、
固定子１９の歯ピッチの２分の１で極性を反転させた永
久磁石２１を回転子２０の外周に装着し、かつその永久
磁石２１の極性切換り位置に溝を設けている。第７図に
示すように、回転子２０のＡ相の永久磁石２１とＢ相の
永久磁石２５は歯ピッチτの４分の１だけ位相をずらし
ている。この構造とすることにより、リニアステップア
クチュエータの場合と同様に、大推力、低インダクタン
スのアクチュエータが得られる。

第８図は本発明の他の実施例の歯構造を示す断面図であ
る。これは、可動子または固定子の歯部２７に永久磁石
２９を蒸着やスパッタ等の手段により貼り付けたもので
ある。この例では、蒸着やスパッタを用いることにより
、歯部１４の形状に応じて細かな歯構造を作ることがで
きる。従って、可動子の位置変化に対する磁束変化が極
めて大きくなるため、推力定数を大きくできるという効
果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、推力定数を低下さ
れることなく５ステツプアクチユエータのインダクタン
スを低減できるので、一定の電源容量でアクチュエータ
を駆動する場合リニアステップアクチュエータを大推力
かつ高速駆動できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図および
第３図は従来の構成の断面図、第４図は本発明の一実施
例の等価磁気回路、第５図は他の実施例の断面図、第６
図は回転形ステップアクチュエータの正面図、第７図は
これらの断面側面図。 第８図は更に本発明の他の実施例を示す歯部形状の一部
拡大図である。 １・・・、固定子、２・・・巻線、３・・・可動子、４
・・・永久磁第　１２ ３．９・・・永久、磁石 ／、２・固たｊ ｔｏ、　ｔｔ　−石庇石 ヂ　　石ａ禾 第６０ ２乙２３′　　コイル 第ｑ　区 ２７．２ｂ−一・コイル ２５−一一永ス練石（Ｂ相）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の微小空隙を隔てて配され、相互間に磁気吸収
   作用あるいは磁気反発作用を有する第１および第２の磁
   極と、前記第１もしくは第２磁極の一方の磁極に巻装さ
   れた巻線と、前記第１もしくは第２の磁極の前記巻線を
   巻装しない磁極の空隙側に設けられ、かつ所定ピッチ交
   互にＮ、Ｓ極を有する永久磁石と、一方、巻線を巻装し
   た前記磁極の空隙側先端部に形成され、前記所定ピッチ
   に配される歯とを具備したものにおいて、 前記永久磁石のＮ極とＳ極間に所定間隔の溝を形成した
   ことを特徴とするステップアクチュエータ。 ２、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 前記永久磁石に設けた溝幅を前記第１、第２の磁極間に
   微小空隙より大としたことを特徴とするステップアクチ
   ュエータ。 ３、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 永久磁石は極性体に予め形成されている歯の表面に永久
   磁石を蒸着あるいはスパッタ等の手段にて貼付けたもの
   であることを特徴とするステップアクチュエータ。