技術 円筒型リニヤ駆動装置

0001

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

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

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

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

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。

0006

本発明装置の外観図本発明装置の横断面図本発明装置の他の実施例の横断面図円柱の移動距離と駆動力のグラフ磁極と円柱との対向面空隙の磁束の説明図位置検知信号を得る電気回路図励磁コイルの通電モードのグラフ励磁コイルの通電制御回路図励磁電流と駆動力のグラフ位置検知信号のタイムチヤート

0007

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１０〜５０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。

0008

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，２ｂ，．．．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。

0009

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，３ｃ，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。

0010

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。

0011

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。

0012

図４において、曲線８ａは磁極３ａ，３ｂ，．．．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。

0013

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１３の出力はハイレベルとなる。その巾は円柱２ａ，２ｂ，．．．の巾となる。

0014

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５ｂ，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，４６ｂ，．．．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，１８ｂ，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。

0015

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５ａ，５ｂ，５ｃによる位置検知出力である。曲線４６ａ，４６ｂ，．．．を反転回路により反転すると曲線４８ａ，４８ｂ，．．．となる。曲線４７ａ，４７ｂ，．．．を反転すると曲線４９ａ，４９ｂ，．．．となる。曲線４５ａ，４５ｂ，．．．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→３ｂ，３ｃ，→３ｃ，３ｄ→とサイクリックに励磁される。

0016

上述した励磁により、円柱２ａ，２ｂ，２ｃ，．．．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３ｃ，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１０ａ，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。

0017

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４ａ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４９ａ−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４９ａ，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。

0018

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２０ｅ，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２０ａ，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。

0019

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，５０ｂ，．．．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。

0020

図７のタイムチヤートの曲線２６ａ，２６ｂ，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４ａ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。

0021

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４１ａ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２６ｃ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３０ｂ，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４ｃ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。

0022

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。

0023

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３３ａ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。

0024

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，１８ｂ，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，４７ｂ，．．．円柱巾の位置検知信号曲線
４８ａ，４８ｂ，．．．，４９ａ，４９ｂ，．．．，５０ａ，５０ｂ，．．．磁極巾の位置検知信号曲線