JP2000224827A - 電磁式リニアアクチエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】推力が大きな三位置安定型リニアアクチュエー
タを提供すること。 【解決手段】本発明の電磁式リニアアクチエータは、軟
磁性の固定コア１の周面には軸方向一方側から順に軸方
向へ所定間隔隔てて４つの歯部１１〜１４が突設され、
これら歯部間のスロット部１５〜１７にはコイル３〜５
がそれぞれ収容されている。可動コア２は、４つの軟磁
性体２４〜２７と３つの永久磁石２１〜２３とを軸方向
交互に一体化してなり、両側の永久磁石２１，２３は中
央の永久磁石２２と軸方向極性反対に配置されている。
このようにすれば、通電遮断状態で３位置で安定させる
ことができるとともに、コイル３〜５への通電切り替え
によりこれら３位置間でシフトさせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本考案は、永久磁石型の可動
コアを有する電磁式リニアアクチエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ある種の用途では、軸方向三位置間をシ
フト可能な三位置安定型リニアアクチエータが要望され
ており、それに対して、実開平６ー４４３８４号は二位
置安定型の電磁リニアアクチュエータを提案している。
この二位置安定型リニアアクチュエータは、円筒状で軟
磁性の固定コアの内周側に軸方向一方側から順に軸方向
へ所定間隔隔てて巻装された３つのコイルと、このコイ
ルの内側に軸方向変位自在に挿入された可動コアとを備
え、この可動コアは、一対の永久磁石により軟磁性体を
挟み、これら一対の永久磁石の極性配置を軸方向におい
て反対とした構成を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の電磁式リニアアクチエータは推力が弱く、三位
置安定ができず、かつ、通電遮断時に所定位置に復帰す
ることができないという問題があった。また、これら３
つのコイルに常時通電しなければならないという問題も
あった。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、推力が大きな三位置安定型リニアアクチュエータ
を提供することをその目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明の電磁式リニアアクチエータは、軟磁性の固定コア
と、この固定コアの周面に軸方向変位自在に対面する可
動コアとを有する。固定コアの周面には軸方向一方側か
ら順に軸方向へ所定間隔隔てて４つの歯部が突設され、
これら歯部間のスロット部にはコイルがそれぞれ収容さ
れている。

【０００６】可動コアは、４つの軟磁性体と軸方向磁化
された３つの永久磁石を軸方向交互に一体化してなり、
各軟磁性体の周面が各歯部の周面に個別に対面可能に配
置してなる。両側の永久磁石は中央の永久磁石と軸方向
極性反対に配置され、これにより、永久磁石は奇数番目
の軟磁性体の周面をＮ極に、偶数番目の軟磁性体の周面
をＳ極に磁化する。

【０００７】このように構成すると、各コイルの通電、
非通電の組み合わせにより、可動コアを軸方向３つの位
置にシフトさせることができ、かつ、各コイルに通電し
ない場合に各歯部の周面と各軟磁性体の周面との間の磁
気力（デテントフォース）により前記三つの位置で安定
保持されることができる。すなわち、この電磁式リニア
アクチエータでは、各永久磁石により磁化された可動コ
アの４つの軟磁性体の周面と、固定コアの各周面に突設
されて可動コアの４つの周面に個別に対面可能な４つの
歯部とをもち、固定コアのこれら４つの歯部周面と可動
コアの４つの軟磁性体周面（磁極面）との間の磁気力を
コイル電流により制御するので、コイル電流が小さくて
も強力な推進力を得ることができる。

【０００８】また、各コイルへの通電がすべて遮断され
た状態において、上記３つの安定位置のうち最も近接す
る安定位置にて磁気的に最も安定するので、可動コアを
停電時に現在位置に安定に保持することができるととも
に、位置シフト時以外は、コイル通電を遮断して電力消
費を節減することもできる。請求項２記載の構成は請求
項１記載の電磁式リニアアクチエータにおいて更に、可
動コアは、永久磁石により隣接する歯部に形成される磁
束と同一方向へ磁束を形成する方向へ各前記コイルの一
つに通電し、永久磁石により隣接する歯部に形成される
磁束と反対方向へ磁束を形成する方向へ残りのコイルに
通電することにより前記３つの安定位置間で強い推進力
でシフトされる。

【０００９】更に説明すると、上記永久磁石起因の磁束
（以下、永久磁束ともいう）を増大する方向へ一つのコ
イルへ通電することにより生じる磁束はこの通電コイル
側へ可動コアをスラストを生じさせ、上記永久磁束を減
少ないしキャンセルする方向へ残りの二つのコイルへ通
電することにより生じる磁束は上記永久磁束により生じ
る上記スラストに抗する力を低減ないしキャンセルす
る。

【００１０】請求項３記載の構成によれば請求項１又は
２記載の電磁式リニアアクチエータにおいて更に、可動
コアが一方位置にある場合に、第１、第２軟磁性体の周
面は第１、第２歯部の周面に径方向において略全面的に
対面し、第３、第４軟磁性体の周面は第３、第４歯部の
周面に略対面しない配置を有する。可動コアが他方位置
にある場合に、第３、第４軟磁性体の周面は第３、第４
歯部の周面に径方向において略全面的に対面し、第１、
第２軟磁性体の周面は第１、第２歯部の周面に略対面し
ない配置を有する。可動コアが中央位置にある場合に、
第２、第３軟磁性体の周面は第２、第３歯部の周面に径
方向において略全面的に対面し、第１、第４軟磁性体の
周面は第１、第４歯部の周面に略対面しない配置を有す
ることで、位置変化に対する磁束変化が大きくできるの
でデティント力を増大することができる。

【００１１】なお、ここでいう略全面的に対面するとい
うことは、軟磁性体の周面の８０％以上が歯部の周面に
径方向に対向することを意味し、略対面しないとは、軟
磁性体の周面の８０％以上が歯部の周面に径方向に対向
しないことを意味するものとする。

【００１２】

【発明を実施するための態様】本発明の好適な態様を以
下の実施例を参照して説明する。

【００１３】

【実施例】本発明の電磁式リニアアクチエータの一実施
例を図面を参照して以下に説明する。図１はこの電磁式
リニアアクチエータのコイル通電遮断時の状態を示す模
式軸方向断面図、図２はこの電磁式リニアアクチエータ
の左位置（一方位置）シフト状態を示す模式軸方向断面
図、図３はこの電磁式リニアアクチエータの通電による
中央位置シフト状態を示す模式軸方向断面図、図４はこ
の電磁式リニアアクチエータの右位置（他方位置）シフ
ト状態を示す模式軸方向断面図である。

【００１４】１は軟磁性体からなる略円筒状の固定コ
ア、２はこの固定コアの孔部に軸方向摺動自在に保持さ
れる可動コア、３は左コイル（一方側コイル）、４は中
央コイル、５は右コイル（他方側コイル）である。固定
コア１の内周面には、軸方向左側から順に軸方向へ所定
間隔隔ててそれぞれリング状の４つの歯部１１〜１４が
径内側へ向けて突設され、これら各歯部１１〜１４間に
３つのスロット部１５〜１７が形成されている。もちろ
ん、各歯部１１〜１４は固定コア１のヨーク部によりス
ロット部１５〜１７の外周側にて磁気的に接続されてい
る。

【００１５】左側のスロット部１５には左コイル３が、
中央のスロット部１６には中央コイル４が、右側のスロ
ット部１７には右コイル５がそれぞれ収容されている。
可動コア２は、軸方向両側の端面が磁極面となるように
磁化された３つの永久磁石２１〜２３と４つの軟磁性体
２４〜２７とを軸方向交互に一体化してなる。永久磁石
２１、２３は左端面がＮ極、右端面がＳ極に磁化され、
永久磁石２２は左端面がＳ極、右端面がＮ極に磁化され
ている。これにより、軟磁性体２４の外周面はＮ極、軟
磁性体２５の外周面はＳ極、軟磁性体２６の外周面はＮ
極、軟磁性体２７の外周面はＳ極に、それぞれ磁化され
ている。

【００１６】軟磁性体２４の外周面は歯部１１の内周面
に近接あるいは径方向に対面し、軟磁性体２５の外周面
は歯部１２の内周面に近接あるいは径方向に対面し、軟
磁性体２６の外周面は歯部１３の内周面に近接あるいは
径方向に対面し、軟磁性体２７の外周面は歯部１４に近
接あるいは径方向に対面している。この実施例では、永
久磁石２１〜２３の軸方向長Ｘは各スロット部１５〜１
７の軸方向長Ｓに等しく形成され、歯部１１、１４の軸
方向長Ｙは軟磁性体２４〜２７の軸方向長Ｇに等しく形
成され、歯部１２、１３の軸方向長Ｚは０．５Ｘ＋Ｙと
されている。これにより、この可動コア２の片側ストロ
ークＳＴＫは各スロット部１５〜１７の軸方向長Ｓの半
分に等しくなる。もちろん、上記寸法以外の寸法の設定
も可能である。

【００１７】その他、可動コア２の外周面に絶縁樹脂フ
ィルムなどを被着してそれらを一体化することも可能で
あり、可動コア２を摺動自在に保持する非磁性の筒部を
固定コア１の内周面に嵌入してもよい。以下、この電磁
式リニアアクチエータの動作を図１〜図４に基づいて順
次説明する。

【００１８】なお、以下において、歯部１１と軟磁性体
２４との間の永久磁束をΦ１とし、歯部１２と軟磁性体
２５との間の永久磁束をΦ２とし、歯部１３と軟磁性体
２６との間の永久磁束をΦ３とし、歯部１４と軟磁性体
２７との間の永久磁束をΦ４として説明する。 （通電遮断時中央位置状態）図１は、可動コア２が中央
位置にある状態で各コイル３〜５への通電遮断した場合
を示す。

【００１９】この時のディテントフォースについて以下
に説明する。この状態では、軟磁性体２５の右端面が第
２歯部１２の右端縁に等しい軸方向位置をもち、軟磁性
体２６の左端面が第３歯部１３の左端縁に等しい軸方向
位置をもつ。歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜２７との
間の磁束量は、可動コア２が図１に示す中央位置から左
にずれると、全体として減少する。これは主に歯部１３
と軟磁性体２６とのエッジのずれの増加により歯部と軟
磁性体との間の磁束量が全体として減少するためであ
る。

【００２０】同様に、歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜
２７との間の磁束量は、可動コア２が図１に示す中央位
置から右にずれると、全体として減少する。これは主に
歯部１２と軟磁性体２５とのエッジのずれの増加により
歯部と軟磁性体との間の磁束量が全体として減少するた
めである。これにより、可動コア２は中央位置に安定に
保持される。

【００２１】（通電遮断時左シフト位置状態）可動コア
２が左シフト位置にある状態で各コイル３〜５への通電
遮断した場合を図２を参照して以下に説明する。この状
態では、軟磁性体２４の両端面が第１歯部１１の両端縁
に等しい軸方向位置をもち、軟磁性体２５の左端面が第
２歯部１２の左端縁に等しい軸方向位置をもつ。

【００２２】この時のディテントフォースについて以下
に説明する。歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜２７との
間の磁束量は、可動コア２が図２に示す左シフト位置か
ら左にずれると、全体として減少する。これは主に歯部
１１と軟磁性体２４とのエッジのずれ、及び、歯部１２
と軟磁性体２５とのエッジのずれにより歯部と軟磁性体
との間の磁束量が全体として減少するためである。

【００２３】同様に、歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜
２７との間の磁束量は、可動コア２が図２に示す左シフ
ト位置から右にずれると、全体として減少する。これは
主に歯部１１と軟磁性体２４とのエッジのずれにより歯
部と軟磁性体との間の磁束量が全体として減少するため
である。これにより、可動コア２は左シフト位置に安定
に保持される （通電遮断時右シフト位置状態）可動コア２が右シフト
位置にある状態で各コイル３〜５への通電遮断した場合
を図４を参照して以下に説明する。

【００２４】この状態では、軟磁性体２７の両端面が第
４歯部１４の両端縁に等しい軸方向位置をもち、軟磁性
体２６の右端面が第３歯部１３の右端縁に等しい軸方向
位置をもつ。この時のディテントフォースについて以下
に説明する。歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜２７との
間の磁束量は、可動コア２が図４に示す左シフト位置か
ら右にずれると、全体として減少する。これは主に歯部
１４と軟磁性体２７とのエッジのずれ、及び、歯部１３
と軟磁性体２６とのエッジのずれにより歯部と軟磁性体
との間の磁束量が全体として減少するためである。

【００２５】同様に、歯部１１〜１４と軟磁性体２４〜
２７との間の磁束量は、可動コア２が図４に示す右シフ
ト位置から左にずれると、全体として減少する。これは
主に歯部１４と軟磁性体２７とのエッジのずれにより歯
部と軟磁性体との間の磁束量が全体として減少するため
である。これにより、可動コア２は右シフト位置に安定
に保持される。

【００２６】（通電による左シフト）通電により可動コ
ア２を中央位置から左シフト位置へ移動させる場合を図
１、図２を参照して以下に説明する。この場合には、コ
イル３にΦ１を増加させる方向に通電し、コイル４にΦ
３を減少させる方向に通電し、コイル５にΦ４を減少さ
せる方向に通電する。この実施例では、図における軸方
向右側から左側をみる姿勢で時計方向の電流の流れを正
通電方向とし、逆方向を逆通電方向とすれば、コイル
３、４に正通電方向に、コイル５に逆通電方向に通電す
る。

【００２７】その結果、可動コア２を左に付勢するΦ１
が増加し、可動コア２を右に付勢するΦ３、Φ４が減少
ないしキャンセルされるので、可動コア２は左位置にシ
フトする。更に、この通電を持続する場合には、この左
シフト位置を強く保持することができる。

【００２８】（通電による中央シフト）通電により可動
コア２を左位置から中央位置へ移動させる場合を図２、
図３を参照して以下に説明する。この場合には、コイル
３にΦ１、Φ２を減少させる方向に通電し、コイル４に
Φ２、Φ３を増加させる方向に通電し、コイル５にΦ
３、Φ４を減少させる方向に通電する。この実施例で
は、コイル３〜５を全て逆通電方向に通電する。

【００２９】その結果、可動コア２を左に付勢するΦ１
が減少し、可動コア２を右に付勢するΦ３が大幅に増加
するので、可動コア２は中央置にシフトする。なお、可
動コア２を右に付勢するΦ４は減少するが、もともと、
Φ４は小さいので、問題とはならないばかりか、可動コ
ア２が右方向へシフトして中央位置へ達した後、慣性に
より更に右へ変位するのを抑止することができる。

【００３０】上記の他、この左シフト位置から中央位置
への通電シフトにおいて、コイル５に通電を行わないこ
とも可能であり、この場合には、永久磁石２３による磁
束を左シフトのための付勢力とすることができる。ま
た、シフトの後期ないし終了直後においてのみコイル５
に通電することも可能である。このようにすれば、シフ
ト初期において、左シフトのために永久磁石２３による
磁束を利用し、シフトによる慣性をキャンセルするため
にシフト後期ないし終了直後にコイル５の通電による付
勢力を利用することができる。

【００３１】更に、この通電を持続する場合には、この
中央位置を強く保持することができる。すなわち、既に
図１の通電遮断時中央位置の状態で説明したようにコイ
ル４が可動コア２をこの中央位置へ安定させるΦ２、Φ
３を強化し、コイル３が可動コア２を左動させる付勢力
を発生するΦ１を低減し、コイル５が可動コア２を右動
させる付勢力を発生するΦ４を低減するので、可動コア
２はこの中央位置で強く安定する。

【００３２】（通電による右シフト）通電により可動コ
ア２を中央位置から右シフト位置へ移動させる場合を図
３、図４を参照して以下に説明する。この場合には、コ
イル５にΦ４を増加させる方向に通電し、コイル４にΦ
２を減少させる方向に通電し、コイル３にΦ１を減少さ
せる方向に通電する。この実施例では、コイル４、５に
正通電方向に、コイル３に逆通電方向に通電する。

【００３３】その結果、可動コア２を右に付勢するΦ４
が増加し、可動コア２を左に付勢するΦ１、Φ２が減少
ないしキャンセルされるので、可動コア２は左位置にシ
フトする。更に、この通電を持続する場合には、この左
シフト位置を強く保持することができる。

【００３４】（通電による中央シフト）通電により可動
コア２を右位置から中央位置へ移動させる場合を以下に
説明する。この場合には、既に説明した通電により可動
コア２を左位置から中央位置へ移動させる場合と同じで
ある。

【００３５】（効果）いままで説明したこの実施例の電
磁式リニアアクチエータによれば、通電遮断状態でも可
動コア２を３つの位置で安定にさせることができ、更
に、３つのコイルへの通電により可動コア２をこれらの
位置でシフトさせることができる。したがって、シフト
時のみの通電で作動させることができ、電力節減を実現
し、コイルを短時間定格仕様とすることができるため装
置の小型化も実現することができる。

【００３６】更に、強いディテントフォースを必要とす
る場合には、常時通電により更に安定に位置保持を行う
こともできる。なお、この実施例では、永久磁石２１〜
２３の軸方向長Ｘを各スロット部１５〜１７の軸方向長
Ｓに等しく形成し、歯部１１、１４の軸方向長Ｙを軟磁
性体２４〜２７の軸方向長Ｇに等しく形成し、歯部１
２、１３の軸方向長Ｚを０．５Ｘ＋Ｙとし、これによ
り、この可動コア２の片側ストロークＳＴＫを各スロッ
ト部１５〜１７の軸方向長Ｓの半分に等しくなるように
設定したが、通電遮断状態における三位置安定と、コイ
ル３〜５への通電制御により位置シフトが可能な範囲で
上記寸法関係を静磁気理論に基づいて種々変更すること
ができることは当然である。

【００３７】たとえば、永久磁石２１〜２３の軸方向長
Ｘを各スロット部１５〜１７の軸方向長Ｓの０．８〜
１．２倍に等しく形成し、歯部１１、１４の軸方向長Ｙ
を軟磁性体２４〜２７の軸方向長Ｇの０．８〜１．２倍
に等しく形成し、歯部１２、１３の軸方向長Ｚを（０．
５Ｘ＋Ｙ）の０．８〜１．２倍に等しく形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の電磁式リニアアクチエータにおいて通
電全遮断時で可動コアが中央位置にある場合を示す模式
軸方向断面図である。

【図２】実施例の電磁式リニアアクチエータにおいて左
シフト通電時の可動コア位置を示す模式軸方向断面図で
ある。

【図３】実施例の電磁式リニアアクチエータにおいて中
央位置復帰通電時の可動コア位置を示す模式軸方向断面
図である。

【図４】実施例の電磁式リニアアクチエータにおいて右
シフト通電時の可動コア位置を示す模式軸方向断面図で
ある。

【符号の説明】

１は固定コア、２は可動コア、３〜５はコイル、１１は
第１歯部、１２は第２歯部、１３は第３歯部、１４は第
４歯部、１５〜１７はスロット部、２１は永久磁石（第
１永久磁石）、２２は永久磁石（第２永久磁石）、２３
は永久磁石（第３永久磁石）、２４は軟磁性体（第１軟
磁性体）、２５は軟磁性体（第２軟磁性体）、２６は軟
磁性体（第３軟磁性体）、２７は軟磁性体（第４軟磁性
体）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向一方側から順に軸方向へ所定間隔隔
   てて周面に突設される第１歯部、第２歯部、第３歯部及
   び第４歯部、及び、隣接する各前記歯部間に設けられた
   ３つのスロット部を有する軟磁性の固定コアと、 前記スロット部に個別に収容される３つのコイルと、 軸方向一方側から第１軟磁性体、第１永久磁石、第２軟
   磁性体、第２永久磁石、第３軟磁性体、第３永久磁石及
   び第４軟磁性体の順に一体化されて前記永久磁石により
   前記第１、第３軟磁性体がＮ極に、前記第２、第４軟磁
   性体がＳ極に磁化されてなる軸方向移動自在な可動コア
   と、 を備え、 前記第１軟磁性体の周面は前記第１歯部の周面に対面可
   能に設けられ、前記第２軟磁性体の周面は前記第２歯部
   の周面に対面可能に設けられ、前記第３軟磁性体の周面
   は前記第３歯部の周面に対面可能に設けられ、前記第４
   軟磁性体の周面は前記第４歯部の周面に対面可能に設け
   られ、かつ、 前記可動コアは、各前記コイルへの通電、非通電の組み
   合わせにより、中央位置、一方位置及び他方位置からな
   る３つの安定位置をとるとともに、前記各コイルに通電
   しない場合に各前記歯部と前記可動コアの各前記軟磁性
   体との間の磁気力により前記３つの安定位置で安定する
   ことを特徴とする電磁式リニアアクチエータ。
2. 【請求項２】請求項１記載の電磁式リニアアクチエータ
   において、 前記可動コアは、前記永久磁石により隣接する前記歯部
   に形成される磁束と同一方向へ磁束を形成する方向へ前
   記コイルの一つに通電し、前記永久磁石により隣接する
   前記歯部に形成される磁束と反対方向へ磁束を形成する
   方向へ残りの前記コイルに通電することにより前記３つ
   の安定位置間でシフトされることを特徴とする電磁式リ
   ニアアクチエータ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の電磁式リニアアクチ
   エータにおいて、 前記可動コアが前記一方位置にある場合に、前記第１、
   第２軟磁性体の周面は前記第１、第２歯部の周面に径方
   向において略全面的に対面し、前記第３、第４軟磁性体
   の周面は前記第３、第４歯部の周面に略対面しない配置
   を有し、 前記可動コアが前記他方位置にある場合に、前記第３、
   第４軟磁性体の周面は前記第３、第４歯部の周面に径方
   向において略全面的に対面し、前記第１、第２軟磁性体
   の周面は前記第１、第２歯部の周面に略対面しない配置
   を有し、 前記可動コアが前記中央位置にある場合に、前記第２、
   第３軟磁性体の周面は前記第２、第３歯部の周面に径方
   向において略全面的に対面し、前記第１、第４軟磁性体
   の周面は前記第１、第４歯部の周面に略対面しない配置
   を有することを特徴とする電磁式リニアアクチエータ。