(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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８ａ，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→６ａ，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６ａ，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，５ｅ，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，１６ｆ，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，３ｂ，…，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１０〜２０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が突極１０ａ，１０ｂ，…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１０ａ，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，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，…は位相が突極巾の１／２おくれ、曲線４６ａ，４６ｂ，…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，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。
【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（６ａ，７ａ），（６ｂ，７ｂ），（６ｃ，７ｃ）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。磁極４ａ，４ｂ，４ｃ，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，１０ｂ，…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。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１０ａ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６ｃ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，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，２６ｂ，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Ｆ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１０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。
【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。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，１８ｂ，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，４７ｂ，…  作動子の位置検知信号曲線
４８ａ，４８ｂ，…，４９ａ，４９ｂ，…，５０ａ，５０ｂ，…  作動子の位置検知信号曲線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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