(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、先端に先端工具が装着される可動子と、前記可動子を介して対向する位置に配置される上部磁極歯と下部磁極歯とを磁気的に接続する鉄心と該鉄心に巻回されて前記各磁極歯を励磁する一つの巻線とを有する電機子とにより構成したリニアモータと、
前記巻線による前記鉄心を制御して前記可動子を駆動する制御部と、
を備え、
前記鉄心の一方側に接続した前記上部磁極歯と前記鉄心の他方側に接続した前記上部磁極歯は進行方向に沿って交互に位置するように配置し、
前記鉄心の他方側に接続した前記下部磁極歯と前記鉄心の一方側に接続した前記下部磁極歯は進行方向に沿って交互に位置するように配置した
ことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項２】
請求項１において、
前記電機子と前記可動子の相対的な変位と磁極位置とを検出するセンサと、前記センサにより検出した信号をフィードバックする制御部と、前記リニアモータを駆動するパワードライブ部と、によって構成したクローズループ制御システムを備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項３】
請求項１において、
前記リニアモータと制御部とパワードライブ部とによつて構成したオープンループ制御システムを備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記制御部は、前記リニアモータにより誘起される電圧を検出する手段と、電圧検出値に基づき前記電機子と前記可動子の相対的な磁極位置を推定する手段とを有することを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記制御部は、前記リニアモータに流れる電流を検出する手段と、
電流検出値に基づき前記電機子と前記可動子の相対的な磁極位置を推定する手段とを有することを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、
前記リニアモータの前記電機子を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合うの相異なる電機子の磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝ ｛ここに、ｋは隣り合う電機子の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とすることを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかにおいて、前記リニアモータの可動子の先端には多種類の先端工具を交換して取り付けることが出来る結合部を構成することを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかにおいて、前記リニアモータの可動子の往復移動範囲には防塵機構を備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかにおいて、前記電動工具の冷却装置を備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかにおいて、前記電動工具の電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動可能にした切換え機能を備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかにおいて、前記リニアモータの先端工具が装着されない他方の可動子先端にはバネを備えたことを特徴とするリニアモータ付電動工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具に関し、特に、鋸、ハンマー、ノミ、鋏等の先端工具を取付け、先端工具を往復動させて作業を行う電動工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動工具においては往復動動作による切断、切削等を行う場合、モータ回転子の回転運動を直線運動に変換する機構により対応していた。一方、リニアモータ付電動工具において、前記リニアモータは様々な構造のリニアモータが考えられている。しかし、従来のリニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構造のものが多く用いられている。例えば、特開２０００−７９４６０号公報には、環状の磁極部を軸線方向に複数備えたステータと駆動シャフトを取り巻くように巻回された電磁コイルを備えた打撃装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転運動を直線運動に変換する機構の場合、構成上著しい振動と騒音が生じ、作業を進める上で大きな障害となっている。一方、従来のリニアモータの場合、回転機を切り開いて直線駆動する構造のものであるため、リニアモータ付電動工具において、電機子と可動子間の漏れ磁束が多くモータ効率が悪く、電動工具のように高出力を必要する用途には実用化が困難であった。さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方向に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であった。
【０００４】
本発明の目的は、モータ効率を良くし高出力化を可能にしたリニアモータ付電動工具を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、駆動電源、制御装置からなるリニアモータシステムに工具を設けたリニアモータ付電動工具において、該リニアモータは電機子と相対的に移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを構成すれば良い。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号でしめす構成要素は、同一物又は相当物である。
【０００７】
図１は、リニアモータ付電動工具の基本構成ブロック図である。１０１は後述する電機子と可動子からなるリニアモータであり、１０２はコントローラ、１０３はドライバー、１０４はバッテリ、１０５は電源コード、１０６はスイッチ、バネ１２０、１０７は結合部、１１０は結合部１０７を介して可動子の先端に装着される先端工具である。また、前記電動工具の電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動可能にした切換え機能（図示せず）を備える。また、バッテリ１０４、電源コード１０５は必要に応じて脱着が可能で有る。前記リニアモータの先端工具１１０が装着されない他方の可動子先端にはバネ１２０を備えて、バンパーの機能を用いる。更に、可動子６の往復移動にバネ１２０の共振現象を利用して電動工具の効率を上げる。
【０００８】
図１６は、図１の基本構成図に冷却装置１２１、防塵機構１２２を備えたことを示す本発明の他のブロック図である。図１６において、冷却装置１２１は電動機による強制空冷式や、リニアモータ１０１の表面に冷却ピン（図示せず）等を備える。可動子６の往復移動範囲には防塵機構１２２を備えて、切粉、鉄粉、ゴミ、埃等が前記リニアモータに吸着するのを防止する。
【０００９】
図２、図３は本実施形態のリニアモータを用いた制御ブロック図を示す。図２（ａ）はリニアモータの電機子と可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示せず）とその信号をフィードバックする制御部とパワードライブ部からなるクローズループ制御システムを構成するブロック図を示す。図２（ｂ）はリニアモータと制御部とパワードライブ部からなるオープンループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１０】
図３（a）は、リニアモータと、電圧センサと、制御器と、パワードライブ部からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用いてリニアモータが発生する誘起電圧を制御器内に読み込んでいる。制御器内では、誘起電圧の大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する信号をパワードライブ部へ出力する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるようになる。
【００１１】
図３（ｂ）は、リニアモータと、電流センサと、制御器と、パワードライブ部からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施例においては、電流センサを用いてリニアモータに流れる電流を制御器内に読み込んでいる。制御器内では、リニアモータに印加している電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるようになる。
【００１２】
図４は前記リニアモータに多種類の工具を交換して取り付ける一例を示す。図４において、鋸、ハンマー、ノミ、バリカン鋏、剪定鋏、彫刻機具等を示しているが、往復直線運動で作業するものなら使えることは言うまでもない。
【００１３】
図５は本発明電動工具に用いるリニアモータの概略構成を示す。図５（ａ）は、本発明の一実施形態によるリニアモータの基本構成図であり、図５（ｂ）は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例を示す。
【００１４】
図５（ａ）において、５１は第一の対向部を有する鉄心であり、５２は第二の対向部を有する鉄心である。前記鉄心５１と前記鉄心５２には上部と下部の磁極が互い違いになるように構成されている。ここで、前記鉄心５１の上部磁極歯１１ａと下部磁磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、前記鉄心５２の下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成する（但し、ｎ＝１、２、３、……）。また、図５（ａ）に示すように、前記鉄心５１と前記鉄心５２には一つの巻線４が巻回される。
【００１５】
可動子６は前記鉄心５１の第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記鉄心５２の第二の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特徴とするリニアモータである。ここに、電機子は鉄心と巻線４からなり、可動子は永久磁石、磁性体、非磁性体からなる。
また、各対向部の上部磁極歯と下部磁磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記可動子を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。上記により、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯と下部磁磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【００１６】
図６に、本実施形態のリニアモータの磁束が流れる概念と積層鋼板により組み立てられた概略図を示す。
【００１７】
上記のような構成にすれば、図６（ａ）に示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ、２２ａ）と下部磁磁極歯（２１ｂ、１２ｂ）の間のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子３を形成し、ギャップを通して可動子６が相対移動する構造になる。
【００１８】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯（１１ａ、２２ａ）に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯（２１ｂ、１２ｂ）に働く吸引力の大きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００１９】
図６（ｂ）において、電機子３は積層鋼板からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が配置される鉄心部と可動子６が挟持される対向部を有する磁極部を積層鋼板により分割製作して組み立てることを示す。
【００２０】
図７は、図６（ｂ）で示した積層鋼板で構成された電機子をモールドしたイメージを示す。電機子３は積層鋼板、巻線、支持機構（図示せず）を含めてモールドしたものである。また、電機子３は図８に示すように電機子を直列に配置して、Ａ相、Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。図９に示すように電機子を並列に配置して、Ａ相、Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。
【００２１】
電機子３の形状は電動工具の形状に合わせて、角材状、円筒状等が可能であり、可動子６も同じく角材状、図１１に示すような円筒状等が可能である。
【００２２】
図８は本実施形態のリニアモータを用いた配置の実施形態を示す。ここで、図８では、電機子３を２個直列に並べることを示す。Ａ相、Ｂ相間には電気角９０°の位相差を持たせて励磁を切換えることで進行磁界が発生し、可動子６が相対移動する。図１３に２相リニアモータの励磁シーケンスを示す。前進後進の移動量および移動速度は先端工具１１０と被加工材に合った条件により設定される。これは，従来の電動工具と同じである。また、図１に示したスイッチ１０６に前進後進の移動量、移動速度等を可変する機能を持たせる。
【００２３】
図１４、１５に２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示す。図１４はモータ電流を疑似正弦波にコントロールして、モータのステップ角をより細かなステップ角で駆動する方法で、騒音、振動が小さくなる効果がある。図１５はインバータ部で周波数制御と出力電圧制御を同時に行うため、出力電圧波形はパルス幅変調（ＰＷＭ）され正弦波状とすることにより、低次高調波を除去できモータの推力リップルを低減させることができ、騒音、振動が小さくなる効果がある。
【００２４】
図９はリニアモータ配置の他の実施形態例を示す。図９では、電機子３、可動子６を２個並列に並べることを示す。電機子３を２個並列に並べ、２個の可動子６を一体化したり、電機子３を複数個並列に並べ、複数個の可動子６を一体化しても同様である。
【００２５】
なお、本発明の実施形態として、１相、２相リニアモータについて説明したが、３相、４相、５相等の多相リニアモータとして利用することができる。
【００２６】
リニアモータの電機子３を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合うの電機子３の磁極歯とのピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝ ｛ここに、ｋは隣り合う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする。
【００２７】
図１０は、本発明の平板状の可動子についての他の実施形態を示す。図１１は、前記平板状の可動子を円筒型可動子にした例を示す。図１０において、平板状の強磁性体の両面に凸の磁極歯１３を設けると、電機子３の対向部の磁極との間で進行方向に対して磁気抵抗が変化する。すなわち、凸の磁極歯１３と電機子３の対向部の磁極との間の磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の対向部の磁極との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化を利用すると、移動自在な可動子６となる。 ここで、凸の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を設けることにより、複合型可動子にすることも可能である。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６を非磁性体とする組み合わせにしても良い。
【００２８】
図１１において、動作原理は図１０の説明と同じであり、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を交互に取り付けた組み合わせとする。また、永久磁石を使用しても良い。
【００２９】
図１２は、本発明の実施形態によるリニアモータの断面図を示す。図１２において、支持機構１４は電機子３側に、支持機構１５は可動子６側に設けられ相対移動する可動子６を支持する機構である。よって、可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を通して相対移動する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることにより、モータ効率を良くし高出力化を可能にした。
【００３１】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子と上部磁極歯に働く吸引力と可動子と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子と電機子の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。更に、部品点数が少なく、電動工具の薄型化も可能である。
また、進行方向に隣り合う磁極歯を一つの巻線で互い違いの磁極に励磁することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータ付電動工具の基本構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の制御ブロック図。
【図３】本発明の実施形態における他のを制御ブロック図。
【図４】本発明の実施形態における取付工具の一覧図。
【図５】本発明の電動工具に用いるリニアモータの概略図。
【図６】リニアモータの磁束流れの概念図と積層鋼板により構成した組み立て概略図。
【図７】電機子をモールドしたリニアモータの概略構成例を示す斜視図。
【図８】２個直列に並べたリニアモータを示す模式図。
【図９】２個並列に並べたリニアモータを示す図。
【図１０】可動子における他の実施形態のその１を示す図。
【図１１】可動子における他の実施形態のその２を示す図。
【図１２】本発明の実施形態によるリニアモータの断面図。
【図１３】２相リニアモータの励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１４】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１５】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１６】本発明の他の実施形態におけるリニアモータ付電動工具のブロック図。
【符号の説明】
１…磁極、１１a…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２…磁極、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２a…磁極２の上部磁極歯、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５…鉄心、６…可動子、５１…リニアモータ、１０２…コントローラ、１０３…ドライバー、１０４…バッテリ、１０５…電源コード、１０６…スイッチ、１０７…結合部、１１０…先端工具
【図１】
0003996733.tif 000002
【図２】
0003996733.tif 000003
【図３】
0003996733.tif 000004
【図４】
0003996733.tif 000005
【図５】
0003996733.tif 000006
【図６】
0003996733.tif 000007
【図７】
0003996733.tif 000008
【図８】
0003996733.tif 000009
【図９】
0003996733.tif 000010
【図１０】
0003996733.tif 000011
【図１１】
0003996733.tif 000012
【図１２】
0003996733.tif 000013
【図１３】
0003996733.tif 000014
【図１４】
0003996733.tif 000015
【図１５】
0003996733.tif 000016
【図１６】
0003996733.tif 000017