CN107112884A - 线性致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够使可动件沿与线圈的排列方向成直角的方向移动的线性致动器。可动件(1)具有沿X方向排列的第一至第三磁铁(6a～6c)。第一至第三磁铁(6a～6c)在θ方向上具有N极以及S极。第二磁铁(6b)的N极以及S极相对于第一磁铁(6a)的N极以及S极在θ方向上偏移。第三磁铁(6c)的N极以及S极相对于第二磁铁(6b)的N极以及S极在θ方向上偏移。固定件(2)具有沿θ方向排列的至少2个突极(8a)、以及卷绕于该突极(8a)的至少2个线圈(4a、4b)。

Description

线性致动器
技术领域
本发明涉及第一构件能够相对于第二构件向一方向相对移动的线性致动器。
背景技术
作为线性致动器的一种，存在在磁场中使用磁铁的同步型线性致动器。该线性致动器具备多个磁铁沿一方向以极性交替地不同的方式排列而成的固定件、以及以与固定件的磁铁列对置的方式沿一方向排列多个线圈而成的可动件(参照专利文献1)。线圈卷绕于与固定件的磁铁列对置的铁芯的突极。而且，当在线圈中流通有交流电时，由于磁铁中产生的磁通与突极中产生的磁通的相互作用，可动件相对于固定件向一方向移动。需要说明的是，如专利文献1所记载那样线圈移动的线性致动器被称作移动线圈式的线性致动器。也存在代替线圈而使磁铁移动的线性致动器，被称作移动磁铁式的线性致动器。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-217591号公报
发明内容
发明要解决的课题
以往的线性致动器显然是可动件沿与线圈的排列方向相同的方向移动的致动器。但是，以往的线性致动器无法使可动件沿与线圈的排列方向成直角的方向移动。若能够使可动件沿与线圈的排列方向成直角的方向移动，则能够得到引人注目的可动件的移动，线性致动器的用途也扩大。
因此，本发明的目的在于，提供能够使可动件沿与线圈的排列方向成直角的方向移动的线性致动器。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的一方式涉及一种线性致动器，其第一构件能够相对于第二构件向一方向相对移动，其中，所述第一构件具有沿所述一方向排列的第一磁铁、第二磁铁以及第三磁铁，所述第一磁铁、所述第二磁铁以及所述第三磁铁在与所述一方向成直角的方向上具有N极以及S极，所述第二磁铁的N极以及S极相对于所述第一磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移，所述第三磁铁的N极以及S极相对于所述第二磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移，所述第二构件具有：沿与所述一方向成直角的方向排列且与所述第一构件对置的至少2个突极；以及卷绕于所述突极的至少2个线圈。
发明效果
根据本发明，能够使可动件(第一构件或第二构件)沿与线圈的排列方向成直角的方向(一方向)移动。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的线性致动器的立体图。
图2是图1的分解立体图。
图3是本实施方式的线性致动器的YZ平面的剖视图。
图4是本实施方式的线性致动器的沿着X轴的剖视图(图4的(a)示出可动件处于行程的一端的情况，图4的(b)示出可动件处于行程的中央的情况，图4的(c)示出可动件处于行程的另一端的情况)。
图5是示出第一至第三磁铁的外周的磁极的可动件的立体图。
图6是示出线圈的励磁方式的时序图。
图7是示出可动件的振动原理的图。
图8是示出可动件的其他例子的立体图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式的线性致动器进行说明。但是，本发明的线性致动器能够以各种方式具体化，不限定于本说明书所记载的实施方式。本实施方式是为了通过说明书的充分公开而使本领域技术人员能够充分理解发明的范围而提供的。
图1示出本发明的一实施方式的线性致动器的立体图，图2示出图1的分解立体图。在附图以及以下说明书中对相同的结构标注相同的附图标记。
如图1所示，线性致动器具有作为第一构件的可动件1、以及作为第二构件的固定件2。可动件1呈筒形。固定件2呈包围可动件1的环形。线性致动器构成为，在对固定件2的线圈4a～4d进行励磁时，可动件1向一方向(即轴向)移动。需要说明的是，以下，将可动件1的轴向设为X方向，将与X方向正交的平面设为YZ平面，将YZ平面的圆周方向设为θ方向。
在环形的固定件2沿θ方向排列有多个线圈4a～4d。在一般的旋转马达中，当沿θ方向排列线圈时，可动件1沿θ方向旋转。本发明的线性致动器的特征在于，即便沿θ方向排列线圈4a～4d，可动件1也沿X方向移动。以下，依次对可动件1、固定件2的结构进行说明。
如图2所示，可动件1具有筒形的磁轭5、以及配置于磁轭5的外周的环形的第一磁铁6a、第二磁铁6b及第三磁铁6c。第一磁铁6a、第二磁铁6b以及第三磁铁6c由粘着于磁轭5的外周等的结合机构结合。第一磁铁6a、第二磁铁6b以及第三磁铁6c的大小相等，它们沿X方向邻接地排列。磁轭5由磁通能够通过的磁性材料构成。
第一磁铁6a沿θ方向交替地具有N极以及S极，由沿θ方向以极性交替不同的方式排列的多个圆弧形的扇形磁铁7构成。磁极的个数(扇形磁铁7的个数)并不特别限定，例如为6个。扇形磁铁7的外周被磁化为N极以及S极的任一方，扇形磁铁7的内周被磁化为N极以及S极的另一方。第一磁铁6a也可以由沿θ方向被交替磁化为N极以及S极的未分割成扇形磁铁7的环形的磁铁构成。
第二磁铁6b以及第三磁铁6c也与第一磁铁6a同样地沿θ方向交替地具有N极以及S极，由沿θ方向以极性交替不同的方式排列的多个圆弧形的扇形磁铁7构成。第一磁铁6a、第二磁铁6b以及第三磁铁6c的磁极的个数全部相等，例如为6个。
第二磁铁6b的N极以及S极相对于第一磁铁6a的N极以及S极向θ方向的一方向(顺时针方向)偏移N极-S极间间距P1(θ方向上的距离)的1/2。而且，第三磁铁6c的N极以及S极相对于第二磁铁6b的N极以及S极向θ方向的一方向(顺时针方向)偏移N极-S极间间距P1的1/2。但是，第三磁铁6c不是相对于第二磁铁6b向θ方向的另一方向(逆时针方向)偏移的结构。第三磁铁6c的N极以及S极相对于第一磁铁6a的N极以及S极向θ方向的一方向(顺时针方向)偏移N极-S极间间距P1，第三磁铁6c与第一磁铁6a处于磁极相反的关系。
固定件2的结构如下所述。如图2所示，固定件2具备铁芯8、以及卷绕于铁芯8的突极8a的多个线圈4a～4d。铁芯8具有包围可动件1的环形的铁芯主体8b、以及从铁芯主体8b朝向径向内侧突出的多个突极8a(也参照图3)。突极8a的个数是可动件1的第一至第三磁铁6a～6c的磁极的个数的2倍。磁极的个数为6个，因此突极8a的个数为12个。突极8a的前端隔开磁隙而与可动件1对置。铁芯8由硅钢等磁性材料构成。
该铁芯8例如通过将由Yz平面分割的多个层叠钢板在X方向上重叠而制造。另外，也可以通过如下方式制造铁芯8，将铁芯8沿着径向的分割线分割为12个分割铁芯，向分割铁芯的突极8a卷绕线圈4a～4d，将卷绕有线圈4a～4d的分割铁芯沿θ方向连接。
图4示出线性致动器的沿X轴的剖视图。如图4的(b)所示，铁芯8的突极8a的X方向上的长度t2比第一至第三磁铁6a～6c的长度t1短。第一至第三磁铁6a～6c的X方向上的长度为t1，相互相等。在突极8a的前端的、X方向的两端部施加有倒角9(也参照图2)。
如图2所示，线圈4a～4d具有剖面呈四边形的筒形的内侧线圈11、以及配置于内侧线圈11的外侧的剖面呈四边形的筒形的外侧线圈12。内侧线圈11遍及突极8a的全长而配置。外侧线圈12的长度比内侧线圈11的长度短，仅配置于突极8a的径向的外周侧。内侧线圈11的绕线与外侧线圈12的绕线电连接。
如图3的YZ平面的剖视图所示，邻接的突极8a间的间隙呈外周侧比内周侧宽的扇形。通过将线圈4a～4d分为内侧线圈11与外侧线圈12，能够在扇形的间隙高效地配置线圈4a～4d。需要说明的是，也可以不将线圈4a～4d分为内侧线圈11与外侧线圈12，而是形成为梯形。
图1所示的可动件1经由支承机构以能够沿X方向移动的方式支承于固定件2。支承机构能够使用滚珠花键、滚珠衬套、滑动轴承等公知的轴承。也可以代替轴承，使用架设于可动件1与固定件2的板簧、夹设于可动件1与固定件2之间的筒形的橡胶等。
图4示出线性致动器的沿X轴的剖视图。图4的(b)示出可动件1处于行程的中央的情况，图4的(a)示出可动件1处于行程的一端的情况，图4的(c)示出可动件1处于行程的另一端的情况。本实施方式的线性致动器是可动件1从行程的一端至另一端然后从另一端至一端交替移动的振动致动器。但是，本发明的线性致动器的用途不限定于振动致动器。
图5是示出第一至第三磁铁6a～6c的外周的磁极的可动件1的立体图。图5的四周示出与可动件1对置的线圈4a～4d，四周内的文字A、B、/A、/B表示线圈4a～4d的励磁方式。在图5中，在第一至第三磁铁6a～6c的1个扇形磁铁7中示出2个磁极NN或SS。这是因为在1个扇形磁铁7中2个线圈4d、4a或4b、4c等对置，为了明确线圈4d、4a或4b、4c等对置的扇形磁铁7的磁极。实际上，1个扇形磁铁7具有1个磁极。
从图5的纵深侧起NNS的磁极依次与A相的线圈4a对置。SNN的磁极与B相的线圈4b对置。SSN的磁极与/A相的线圈4c对置。NSS的磁极与/B相的线圈4d对置。A相的线圈4a沿θ方向每隔4个设置。与每隔4个设置的线圈4a对置的可动件1的磁极相等。其他相的线圈4b～4d也是同样的。
12个线圈4a～4d以4个为1组。1组的4个线圈4a～4d与两相步进马达的线圈同样，按照A相、B相、/A相、/B相励磁。需要说明的是，也可以将线圈以6个为1组，在1组中将6个线圈与三相步进马达的线圈同样按照6相励磁。
图6是示出线圈4a～4d的励磁方式的时序图。A相与B相的相位偏移90度。A相与/A相的相位偏移180度。A相与/B相的相位偏移270度。需要说明的是，线圈的励磁方式不限定于此。例如，也可以将对线圈施加的电压波形设为正弦波而代替矩形波。
图7是示出可动件1的振动原理的示意图。在图7中仅抽出图5的A相的线圈4a和与其相邻的/B相的线圈4d而进行图示。与A相的线圈4a对置的可动件1的磁极从图5的纵深侧起依次为NNS。与/B相的线圈4d对置的可动件1的磁极从图5的纵深侧依次为NSS。当以图6所示的励磁方式对A相的线圈4a进行励磁时，A相的线圈4a的突极8a的极性以在S1时为N极、在S2时为N极、在S3时为S极、在S4时为S极的方式变化。当以图6所示的励磁方式对/B相的线圈4d进行励磁时，/B相的线圈4d的突极8a的极性以在S1时为N极、在S2时为S极、在S3时为S极、在S4时为N极的方式变化。随着这些线圈4a、4d的突极8a的极性的变化，可动件1使其位置以左端位置(S1)、中央位置(S2)、右端位置(S3)、中央位置(S4)的方式变化。因此，可动件1振动。需要说明的是，在图7中仅示出A相的线圈4a与/B相的线圈4d的组合，但A相的线圈4a与B相的线圈4b的组合、/A相的线圈4c与B相的线圈4b的组合、/A相的线圈4c与/B相的线圈4d的组合也能够同样地使可动件1振动。总之，只要为以正弦波被励磁的线圈4a、4c与以余弦波被励磁的线圈4b、4d的组合，则能够使可动件1振动。
图8示出可动件的其他例子。该例子的可动件21具有圆柱形的磁轭22、以及在磁轭22的外周沿X方向排列的第一磁铁24a、第二磁铁24b及第三磁铁24c。第一磁铁24a、第二磁铁24b以及第三磁铁24c分别具备沿θ方向排列的多个磁铁25。磁铁25的个数与线圈4a～4d的个数相同，均为12个。磁铁25是沿高度方向(换言之径向)被磁化的板状的方型磁铁。也可以将磁铁25设为圆柱型磁铁。
在θ方向上邻接的磁铁25构成以2个为1组的磁铁25a或25b。各组25a或25b的磁铁25的磁极相同。1个组25a的磁铁25的磁极与相邻的组25b的磁铁25的磁极相反。这样，当以组为单位观察磁铁25时，构成与图5所示的扇形磁铁7同样的磁极。但是，在该例子中，第二磁铁24b的N极以及S极相对于第一磁铁24a的N极以及S极向θ方向的一方向(逆时针方向)偏移N极-S极间间距P1的1/2。第三磁铁24c的N极以及S极相对于第二磁铁24b的N极以及S极向θ方向的一方向(逆时针方向)偏移N极-S极间间距P1的1/2。而且，第三磁铁24c的N极以及S极相对于第一磁铁24a的N极以及S极向θ方向的一方向(逆时针方向)偏移N极-S极间间距P1(θ方向的距离)，第三磁铁24c与第一磁铁24a处于磁极相反的关系。在该例子的可动件21中，使用以正弦波被励磁的线圈4a、4c与以余弦波被励磁的线圈4b、4d，能够使可动件21振动。
根据本实施方式的线性致动器，起到以下的效果。在可动件1中沿X方向排列有第一磁铁6a、第二磁铁6b以及第三磁铁6c，通过使第二磁铁6b的磁极相对于第一磁铁6a的磁极在θ方向上偏移，使第三磁铁6c的磁极相对于第二磁铁6b的磁极在θ方向上偏移，能够使可动件1沿与线圈4a～4d的排列方向(θ方向)成直角的方向(X方向)移动。由此，能够实现线性致动器的X方向的小型化、高推力化。
通过在可动件1中沿X方向排列有第一至第三磁铁6a～6c，能够得到适于振动致动器的线性马达，能够使可动件1以长行程振动。
通过使第二磁铁6b的磁极相对于第一磁铁6a的磁极在θ方向上偏移N极-S极间间距的1/2、使第三磁铁6c的磁极相对于第二磁铁6b的磁极在θ方向上偏移N极-S极间间距的1/2，从而能够使可动件1在整个行程内以高推力振动。
通过使线圈4a～4d沿θ方向排列，使第一至第三磁铁6a～6c的磁极沿θ方向排列，从而实现线性致动器的小型化。
通过使突极8a与环形的铁芯主体8b结合，能够提高突极8a的磁通的流通。
通过由扇形磁铁7构成第一至第三磁铁6a～6c，能够从扇形磁铁7的θ方向的一端至另一端得到大致恒定的径向磁通密度。第一至第三磁铁6a～6c的径向磁通密度的大小与推力具有相关关系，因此能够得到高推力。
通过使突极8a的X方向上的长度t1比第一至第三磁铁6a～6c的X方向上的长度t2短，能够减少齿槽力。齿槽力是由突极8a与第一至第三磁铁6a～6c的吸引力引起的力。齿槽力在线圈4a～4d中未流通有电流时也作用于可动件1，成为推力的妨碍。通过减少齿槽力，能够提高推力。需要说明的是，当t2≥t1时，与t2＜t1的情况相比齿槽力增大。
通过在突极8a的前端的X方向的端部实施倒角9，与未实施倒角9的情况相比能够减少齿槽力。另外，通过实施倒角9，能够增大可动件1的行程。
需要说明的是，本发明不限定于具体化为上述实施方式，在不变更本发明的主旨的范围内能够具体化为各种实施方式。
在上述实施方式中，使固定件的线圈沿θ方向排列，使可动件的磁铁的磁极沿θ方向排列，但也可以以当将旋转马达展开为平面时得到扁平形的线性马达的方式，将固定件以及可动件展开为平面而得到扁平形的线性马达。
上述实施方式采用移动磁铁式的线性致动器，但也可以采用移动线圈式的线性致动器。
在上述实施方式中，将第一至第三磁铁配置在沿θ方向排列的线圈的内侧，但也可以将第一至第三磁铁配置在沿θ方向排列的线圈的外侧。
在上述实施方式中，在可动件配置有第一至第三磁铁，但也可以配置有第一至第四磁铁、第一至第五磁铁或更多的磁铁。在该情况下，各磁铁相对于相邻的磁铁向θ方向的一方向(例如顺时针方向)偏移N极-S极间间距的1/2。即，第三磁铁的磁极处于与第一磁铁的磁极相反的关系，第五磁铁的磁极处于与第一磁铁的磁极一致的关系。
在上述实施方式中，在固定件配置有1个铁芯，但也可以配置2个以上的铁芯。
在上述实施方式中，使可动件仅沿X方向移动，但也可以使可动件沿X方向移动并且沿θ方向旋转。
在上述实施方式中，可动件的第一至第三磁铁在圆周方向上交替地具有N极以及S极，具有合计6个磁极，突极以及线圈的个数为12个，但磁极、突极以及线圈的个数不限定于此。例如，第一至第三磁铁可以具有N极以及S极的合计共2个或4个磁极。另外，突极以及铁芯的个数也可以为2个、4个或8个。
本说明书以2014年12月26日申请的日本特愿2014-264117为基础。其内容全部包含于此。
符号说明
1、可动件(第一构件)，2、固定件(第二构件)，4a～4d、线圈，6a、第一磁铁，6b、第二磁铁，6c、第三磁铁，5、磁轭，7、扇形磁铁，8、铁芯，8a、突极，8b、铁芯主体，11、内侧线圈，12、外侧线圈，P1、N极-S极间间距。

Claims (8)

1.一种线性致动器，其第一构件能够相对于第二构件向一方向相对移动，其中，
所述第一构件具有沿所述一方向排列的第一磁铁、第二磁铁以及第三磁铁，
所述第一磁铁、所述第二磁铁以及所述第三磁铁在与所述一方向成直角的方向上具有N极以及S极，
所述第二磁铁的N极以及S极相对于所述第一磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移，
所述第三磁铁的N极以及S极相对于所述第二磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移，
所述第二构件具有：沿与所述一方向成直角的方向排列且与所述第一构件对置的至少2个突极；以及卷绕于所述突极的至少2个线圈。
2.根据权利要求1所述的线性致动器，其特征在于，
所述第二磁铁的N极以及S极相对于所述第一磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移N极-S极间间距的1/2，
所述第三磁铁的N极以及S极相对于所述第二磁铁的N极以及S极在与所述一方向成直角的方向上偏移N极-S极间间距的1/2。
3.根据权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，
所述一方向是X方向，
与所述一方向成直角的方向是与X方向正交的YZ平面中的圆周方向。
4.根据权利要求3所述的线性致动器，其特征在于，
所述突极与环形的铁芯主体结合。
5.根据权利要求3或4所述的线性致动器，其特征在于，
所述第一磁铁、所述第二磁铁以及所述第三磁铁由沿径向被磁化的多个圆弧形的扇形磁铁构成。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的线性致动器，其特征在于，
所述第一磁铁、所述第二磁铁以及所述第三磁铁由沿高度方向被磁化的多个板状的磁铁构成。
7.根据权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，
所述突极的所述一方向上的长度比所述第一磁铁、所述第二磁铁以及所述第三磁铁的所述一方向上的长度短。
8.根据权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，
在所述突极的前端的、所述一方向上的端部实施了倒角。
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