CN105449975A - 直动旋转作动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以实现直动输出的提高和轴向的小型化的直动旋转作动器。具体而言，直动旋转作动器(1)具备：可动元件(2)，具备输出轴(21)，在输出轴(21)的轴向Z上被可直动地并且在输出轴(21)的圆周方向θ上被可旋转地支撑；及定子(3)，具备产生使可动元件(2)直动的磁场的直动用绕组(33)和产生使可动元件(2)旋转的磁场的旋转用绕组(35)，可动元件(2)具备在轴向Z上交互排列的多个永久磁铁(23)和多个轭(25)，各个轭(25)具备向径向R的外周侧突出且在圆周方向θ上排列的多个突出部(257)，在各个突出部(257)上，设置有向轴向Z的各个侧伸出且与永久磁铁(23)在径向R上相互重叠的檐部(259)。

Description

直动旋转作动器

技术领域

本发明涉及直动旋转作动器。

背景技术

以往，已知有可执行直动和旋转2种动作的直动旋转作动器。

在非专利文献1中公开有一种在轴向上交互排列有多个永久磁铁和多个轭，且在各个轭上设置有向径向突出的突出部的可动元件。

非专利文献1：MasakiMori，WataruKitagawaandTakaharuTakeshita，"DesignofTwo-Degree-of-FreedomElectromagneticActuatorusingPMSMandLSM"，JournaloftheJapanSocietyofAppliedElectromagneticsandMechanics，2013年9月，第21巻，第3号，p.476-481。

专利文献1：日本国专利第5261913号公报

然而，在非专利文献1所公开的可动元件的构成中，存在有以下课题，即由于突出部的轴向的间隔仅隔开相当于永久磁铁的厚度，因此除不容易得到充分的输出之外，在轴向上还容易扩大化。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而进行的，所要解决的技术问题是提供一种可以实现输出的提高和轴向的小型化的直动旋转作动器。

为了解决上述课题，本发明的直动旋转作动器具备可动元件、及定子。所述可动元件具备输出轴，且在所述输出轴的轴向上被可直动地并且在所述输出轴的圆周方向上被可旋转地支撑。所述定子具备产生使所述可动元件直动的磁场的直动用绕组和产生使所述可动元件旋转的磁场的旋转用绕组。所述可动元件具备在所述轴向上交互排列的多个永久磁铁和多个轭。在所述各个轭上，设置有向径向的外周侧突出且在所述圆周方向上排列的多个突出部。在所述各个突出部上，设置有向所述轴向的各个侧伸出且与所述永久磁铁在所述径向上相互重叠的檐部。

在本发明的一个形态中，相对于所述永久磁铁而在位于所述轴向的一侧的所述轭上设置的所述突出部的所述檐部与在位于另一侧的所述轭上设置的所述突出部的所述檐部也可以在所述圆周方向上不重叠。

在本发明的一个形态中，所述永久磁铁的外周面也可以与所述檐部的内周面嵌合。

在本发明的一个形态中，所述定子也还可以具备向所述径向的内周侧突出并与所述可动元件相对的在所述轴向和所述圆周方向上排列的多个突出铁心。

在本发明的一个形态中，所述突出部的所述轴向的长度也可以比所述突出铁心的所述轴向的长度更大。

在本发明的一个形态中，相对于所述永久磁铁而在位于所述轴向的一侧的所述轭上设置的所述突出部与在位于另一侧的所述轭上设置的所述突出部的在所述圆周方向上观察时的所述轴向的间隔也可以比在所述轴向上观察时的所述圆周方向的间隔更大。

在本发明的一个形态中，所述可动元件也还可以具备配置于所述轭的所述径向的内周侧的永久磁铁。

在本发明的一个形态中，所述各个永久磁铁和所述各个轭也可以为圆盘状，彼此粘接且在所述轴向上构成列。

在本发明的一个形态中，所述突出部也可以由与所述轭的外周面粘接的永久磁铁构成。

根据本发明，由于在轭的突出部上设置有向轴向的各个侧伸出且与永久磁铁在径向上相互重叠的檐部，因此能够使檐部的轴向的间隔比永久磁铁的厚度更小，其结果，可动元件的磁通密度提高，从而可以实现输出的提高。此外，还可以实现轴向的小型化。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式所涉及的直动旋转作动器的剖视图。

图2是将图1的主要部分进行放大的图。

图3是可动元件和定子的剖视图。

图4是定子的铁心的立体图。

图5是可动元件的立体图。

图6是可动元件的侧视图。

图7A是可动元件的剖视图。

图7B是可动元件的剖视图。

图8是将图2的主要部分进一步放大的图。

图9是本发明的其他的实施方式所涉及的直动旋转作动器的剖视图。

图10是可动元件的剖视图。

图11A是可动元件的立体图。

图11B是可动元件的立体图。

图12是本发明的其他的实施方式所涉及的直动旋转作动器的剖视图。

图13是本发明的其他的实施方式所涉及的直动旋转作动器的剖视图。

符号说明

1-直动旋转作动器；2-可动元件；21-输出轴；23、24-永久磁铁；25-轭；253-环状部；257-突出部；258-中央部；259-檐部；3-定子；29-突出部；31-铁心；313-壁部；315-条部；318-顶端部；319-突出铁心；31d-槽；33-直动用绕组；35-旋转用绕组；4-壳体；51、53-轴承单元；51a、53a-滚珠花键；51b、53b、55-轴承；57-臂；61-线性尺；63-线性传感器；71-圆盘状永久磁铁；73-磁性检测元件。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第1实施方式)

图1是将本发明的第1实施方式所涉及的直动旋转作动器1以通过有输出轴21的方式切断时的剖视图。图2是将图1中的包含可动元件2和定子3的主要部分进行放大的图。图3是以图2的III-III线切断时的可动元件2和定子3的剖视图。在各图中，Z方向为输出轴21的轴向，且为可动元件2进行直动的方向。θ方向为输出轴21的圆周方向，且为可动元件2进行旋转的方向。R方向为输出轴21的径向。

如图1所示，直动旋转作动器1具备被收容在圆筒状的壳体4中的可动元件2和定子3。可动元件2具备输出轴21，且通过轴承单元51、53相对于壳体4在Z方向上被可直动地并且在θ方向上被可旋转地支撑。轴承单元51、53具备滚珠花键51a、53a和轴承51b、53b。例如非磁性体适合作为输出轴21的材料，但也可以为强磁性体。定子3被固定在壳体4的内周面上，包围可动元件2。

输出轴21的一侧的端部向壳体4的外部延伸出。在输出轴21的另一侧的端部上安装有介由轴承55而在Z方向上延伸的臂57。在臂57上安装有线性尺61，与线性传感器63一起被用于检测输出轴21的Z方向的位置。此外，在滚珠花键53a上安装有圆盘状永久磁铁71，与磁性检测元件73一起构成用于检测输出轴21的θ方向的旋转角的磁性编码器。另外，也可以使用光学式的回转式编码器。

如图2及图3所示，可动元件2具备在Z方向上交互排列的多个永久磁铁23和多个轭25。永久磁铁23和轭25被形成为环状，且被嵌入到输出轴21。永久磁铁23和轭25在相互接触的状态下被固定在输出轴21上。对可动元件2的具体的构成进行后述。

定子3具备卷绕在铁心31上的直动用绕组33和旋转用绕组35。直动用绕组33和旋转用绕组35以输出轴21为中心被配置成同心圆状，且在R方向上重叠。直动用绕组33以包围可动元件2的方式被卷绕在θ方向上，当供给有电流时，则产生使可动元件2直动的磁场。旋转用绕组35以在Z方向上往返的方式被卷绕，当供给有电流时，则产生使可动元件2旋转的磁场。

定子3具备在θ方向上排列的多个铁心31。多个铁心31通过组装而形成包围可动元件2的圆筒状的外形。各个铁心31具备向R方向的内周侧突出且与可动元件2相对的多个突出铁心319。突出铁心319也被称为齿。突出铁心319在Z方向和θ方向上排列。在图示的例子中，7个突出铁心319在Z方向上排列，6个突出铁心319在θ方向上排列。

具体而言，定子3如图4所示，具备：壁部313，以沿壳体4的内周面的方式弯曲；条部315，从壁部313的θ方向的中央向R方向的内周侧突出；及多个突出铁心319，从条部315向R方向的内周侧突出。此外，突出铁心319具备有在θ方向上展开的顶端部318。

旋转用绕组35以包围条部315的方式在Z方向上被往返卷绕。铁心31在旋转用绕组35被卷绕于条部315的状态下被收容到壳体4，并被组装成圆筒状。直动用绕组33在组装成圆筒状的多个铁心31上向θ方向卷绕，以便被收容于在Z方向上相邻的突出铁心319之间的槽31d中。

图5和图6是可动元件2的立体图和侧视图。图6中的标注在永久磁铁23的内侧的箭头表示从S极朝向N极的磁化的方向。图7A是以图6的A-A线切断时的可动元件2的剖视图。图7B是以图6的B-B线切断时的可动元件2的剖视图。图7A和图7B中的标注在轭25的突出部257的周围的箭头表示从N极朝向S极磁通的方向。

可动元件2具备在Z方向上交互排列的多个永久磁铁23和多个轭25。多个永久磁铁23包含Z方向的一侧为N极的永久磁铁23A和Z方向的另一侧为N极的永久磁铁23B，永久磁铁23A和永久磁铁23B在Z方向上交互排列。因此，多个轭25包含被永久磁铁23的S极夹住的轭25A和被永久磁铁23的N极夹住的轭25B，轭25A和轭25B在Z方向上交互排列。

各个轭25具备从环状部253向R方向的外周侧突出且在θ方向上排列的多个突出部257。突出部257也被称为齿。在此，被永久磁铁23的S极夹住的轭25A的突出部257成为S极部，被永久磁铁23的N极夹住的轭25B的突出部257成为N极部。即，轭25A的突出部257的R方向的外周侧成为S极，轭25B的突出部257的R方向的外周侧成为N极。

轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)在从Z方向观察时在θ方向上交互排列。在图示的例子中，在轭25A，25B的各自上以90度间隔设置有4个突出部257，因此，从Z方向观察时以45度间隔在θ方向上排列有8个突出部257。此外，轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)在从θ方向观察时在Z方向上交互排列。

可是，在采用永久磁铁23和轭25在Z方向上交互排列的构成时，由于2个轭25A，25B仅离开相当于永久磁铁23的Z方向的厚度，因此如非专利文献1那样，突出部的Z方向的间隔存在有扩大的趋势。当如非专利文献1那样，突出部的Z方向的间隔扩大时，则除不容易得到充分的输出之外，还存在在轴向上容易扩大化这样的问题。

因此，在本实施方式中，通过在各个轭25的突出部257上设置向Z方向伸出的檐部259，解决了这样的问题。

具体而言，各个轭25的突出部257具备与环状部253在R方向上连接的中央部258、及从中央部258分别向Z方向的两侧伸出的檐部259。檐部259的R方向的厚度和θ方向的宽度与中央部258是相同的。檐部259通过从中央部258向Z方向伸出而与永久磁铁23在R方向上重叠。此外，永久磁铁23与轭25的环状部253的直径相同，且永久磁铁23的外周面与檐部259的内周面嵌合。

如此，通过在轭25的突出部257上设置檐部259，能够使2个轭25A，25B的突出部257的Z方向的间隔比永久磁铁23的Z方向的厚度更小，其结果可以实现输出的提高和Z方向的小型化。

即，因为轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)的Z方向的间隔变小，所以可动元件2的磁通密度升高，从而可以使直动输出和旋转输出双方提高。尤其是由于在Z方向上提高了可动元件2的磁通密度，因此更容易使直动输出提高。并且，由于能够在确保必要的突出部257的Z方向的长度的状态下，减小环状部253的Z方向的长度，因此可以实现装置整体的Z方向的小型化。

图8是将图2中的包含永久磁铁23A、23B、轭25A、25B、及突出铁心319的主要部分进一步放大的图。在同图中，用双点划线对在剖面中不显现的轭25B的突出部257(N极部)进行了描绘。

Lc是包含檐部259的突出部257的Z方向的长度。Lc’是环状部253的Z方向的长度，换言之是从突出部257的Z方向的长度Lc减去檐部259的伸出量的长度。Lm是永久磁铁23的Z方向的厚度，换言之是在Z方向上相邻的2个环状部253的间隔。Lmz是从θ方向观察时的轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)的Z方向的间隔。Lt是在定子3的铁心31上设置的突出铁心319的Z方向的长度，具体为突出铁心319的与可动元件2相对的面的Z方向的长度。

优选轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)在圆周方向上不重叠，换言之，优选两者的间隔Lmz大于0。此外，优选檐部259的伸出量(即，Lc-Lc’)比永久磁铁23的厚度Lm的一半更小。由此，由于使S极部和N极部在圆周方向不重叠，因此可以抑制漏出磁通，且实现直动输出的提高。

进一步，优选轭25A的突出部257(S极部)和轭25B的突出部257(N极部)的从θ方向观察时的Z方向的间隔Lmz比从Z方向观察时的θ方向的间隔Lmθ(参照图7A)更大。通过确保S极部和N极部的间隔Lmz，可以抑制漏出磁通，并实现直动输出的提高。

优选突出部257的Z方向的长度Lc比突出铁心319的Z方向的长度Lt更大。由此，由于能够使在直动用绕组33上产生的感应电压接近于正弦波，因此可以实现直动输出的提高。

即，在突出部257在Z方向上进行移动时，当随着突出部257与突出铁心319接近，突出铁心319所受到的磁通密度逐步变大，随着突出部257从突出铁心319离开，突出铁心319所受到的磁通密度逐步变小时，则可以使在直动用绕组33上产生的感应电压接近于正弦波。在此，由于通常可动元件2侧的磁通密度比定子3侧更大，因此通过使突出部257的Z方向的长度Lc比突出铁心319的Z方向的长度Lt更大，而使在直动用绕组33上产生的感应电压容易接近于正弦波。

(第2实施方式)

图9是将本发明的第2实施方式所涉及的直动旋转作动器1的包含可动元件2和定子3的主要部分进行放大的剖视图。图10是以图9的X-X线切断时的可动元件2和定子3的剖视图。图11A和图11B是与上述图7A和图7B对应的剖视图。另外，对于与上述实施方式重复的构成，在图中标注相同的编号并省略详细的说明。

在本实施方式中，永久磁铁24被配置在轭25的R方向的内周侧。即，环状的永久磁铁24介于轭25和输出轴21之间。具体而言，在被永久磁铁23的S极夹住的轭25A的R方向的内周侧配置有R方向的外周侧为S极的永久磁铁24A，在被永久磁铁23的N极夹住的轭25B的R方向的外周侧配置有R方向的外周侧为N极的永久磁铁24B。

由此，可以使轭25的突出部257上的磁通密度更加提高，其结果，可以实现直动输出和旋转输出的进一步提高。具体而言，通过在轭25A的R方向的内周侧配置永久磁铁24A，可以使流入到轭25A的突出部257(S极部)的磁通密度更加提高，并通过在轭25B的R方向的内周侧配置永久磁铁24B，可以使从轭25B的突出部257(N极部)流出的磁通密度更加提高。

(第3实施方式)

图12是将本发明的第3实施方式所涉及的直动旋转作动器1的包含可动元件2和定子3的主要部分进行放大的剖视图。另外，对于与上述实施方式重复的构成，在图中标注相同的编号并省略详细的说明。

在本实施方式中，各个永久磁铁23和各个轭25呈圆盘状，通过相互粘接而在轴向上形成列来构成可动元件2。即，在本实施方式中，在设置有永久磁铁23和轭25的范围中省略了输出轴21(参照图2等)，且在各个永久磁铁23和各个轭25上未形成有用于输出轴21的贯通孔。

由此，可以使轭25的突出部257上的磁通密度更加提高，其结果，可以实现直动输出和旋转输出的进一步提高。

(第4实施方式)

图13是将本发明的第3实施方式所涉及的直动旋转作动器1的包含可动元件2和定子3的主要部分进行放大的剖视图。在同图中，为了表示磁化的方向，而省略了在可动元件2的剖面上标注的剖面线。另外，对于与上述实施方式重复的构成，在图中标注相同的编号并省略详细的说明。

在本实施方式中，与上述第3实施方式相同，各个永久磁铁23和各个轭25呈圆盘状，通过相互粘接而在轴向上构成列来构成可动元件2。

并且，在本实施方式中，设置有由在轭25的外周面上粘接的永久磁铁构成的突出部29，来代替上述第1～第3实施方式所涉及的突出部257。突出部29的位置、大小及范围与上述第1～第3实施方式所涉及的突出部257相同(参照图5～图8等)。

具体而言，与被永久磁铁23的S极夹住的轭25A的外周面粘接的突出部29A的R方向的外周侧为S极(S极部)，与被永久磁铁23的N极夹住的轭25B的外周面粘接的突出部29B的R方向的外周侧为N极(N极部)。在图13中，用双点划线对在剖面中不显现的突出部29B进行了描绘。

由此，可以使突出部29上的磁通密度更加提高，其结果，可以实现直动输出和旋转输出的进一步的提高。具体而言，通过在轭25A的外周面上配置突出部29A，可以使流入到突出部29A(S极部)的磁通密度更加提高，通过在轭25B的外周面上配置突出部29B，可以使从突出部29B(N极部)流出的磁通密度更加提高。

(与专利文献1的比较)

在专利文献1的实施例3和图5中，公开有凸极铁芯263a、263b。如从“凸极”这样的用语所明确的，其为通过仅使永久磁铁253所位于的轴向的一侧的爪部延伸，而在爪部上形成径向的磁极的铁芯。即，在专利文献1中未公开有由2个永久磁铁在轴向上夹住铁芯、及爪部向轴向的双方的侧分别延伸。

对此，在本实施方式中，各个轭25通过2个永久磁铁23A、23B在Z方向上被夹住，从而被永久磁铁23的S极夹住的轭25A的突出部257成为S极部，被永久磁铁23的N极夹住的轭25B的突出部257成为N极部。此外，在各个轭25的突出部257上，设置有分别向Z方向的双方的侧伸出的檐部259。

如此，本实施方式与专利文献1的区别是明显的，认为本实施方式中的包含檐部259的轭25与专利文献1中的凸极铁芯是不应该混淆的。

以上，虽然针对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不受上述实施方式所限定，本领域技术人员当然可以实施各种各样的变更。

Claims (9)

1.一种直动旋转作动器，具备：

可动元件，具备输出轴，且在所述输出轴的轴向上被可直动地并且在所述输出轴的圆周方向上被可旋转地支撑；

及定子，具备产生使所述可动元件直动的磁场的直动用绕组和产生使所述可动元件旋转的磁场的旋转用绕组，

所述可动元件具备在所述轴向上交互排列的多个永久磁铁和多个轭，

在所述各个轭上，设置有向径向的外周侧突出且在所述圆周方向上排列的多个突出部，其特征在于，

在所述各个突出部上，设置有向所述轴向的各个侧伸出且与所述永久磁铁在所述径向上相互重叠的檐部。

2.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，相对于所述永久磁铁而在位于所述轴向的一侧的所述轭上设置的所述突出部的所述檐部与在位于另一侧的所述轭上设置的所述突出部的所述檐部在所述圆周方向上不重叠。

3.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述永久磁铁的外周面与所述檐部的内周面嵌合。

4.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述定子还具备向所述径向的内周侧突出并与所述可动元件相对的在所述轴向和所述圆周方向上排列的多个突出铁心。

5.根据权利要求4所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述突出部的所述轴向的长度比所述突出铁心的所述轴向的长度更大。

6.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，相对于所述永久磁铁而在位于所述轴向的一侧的所述轭上设置的所述突出部与在位于另一侧的所述轭上设置的所述突出部的在所述圆周方向上观察时的所述轴向的间隔比在所述轴向上观察时的所述圆周方向的间隔更大。

7.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述可动元件还具备配置于所述轭的所述径向的内周侧的永久磁铁。

8.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述各个永久磁铁和所述各个轭为圆盘状，彼此粘接且在所述轴向上构成列。

9.根据权利要求1所述的直动旋转作动器，其特征在于，所述突出部由与所述轭的外周面粘接的永久磁铁构成。