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技術 円筒型リニヤ駆動装置

出願人 株式会社セコー技研
発明者 伴五紀
出願日 2012年3月8日 (9年2ヶ月経過) 出願番号 2012-070259
公開日 2013年9月19日 (7年8ヶ月経過) 公開番号 2013-188117
状態 未査定
技術分野 リニアモータ
主要キーワード メガサイクル 環状磁極 リニヤモータ プランジヤ 位置検知素子 電磁プランジャ 離間角 正負端子
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年9月19日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (11)

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。

概要

背景

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。

概要

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。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。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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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

技術分野

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。

背景技術

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。

発明が解決しようとする課題

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。

課題を解決するための手段

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。

発明の効果

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

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のトルク合成トルク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。

実施例

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

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