JP2001352772A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】物理的特性と機械的特性が融合することによ
り、応答特性と形状記憶性をよくして小型軽量化し、出
力領域の設計自由度を高くする。 【解決手段】磁力を受けて伸縮する機械的動作体（機械
的コイル、コイルスプリング）１の伸縮方向に交叉する
交叉方向に向く磁束を生成する電磁コイル１４と、機械
的動作体１の両端の伸縮力を出力し機械的動作体１の伸
縮軸方向に相対的に運動する線形出力体２，３とから構
成される。機械的動作体１はばね定数を有し電磁コイル
１４に流れる電流に対応する長さに伸縮する。磁力を受
けて動作する機械的動作体は、実質的にはばねであり、
バネ定数を有し、磁力を受けて直接的に伸縮方向に伸縮
してリニアアクチェータを形成することができる。可変
電流源により電磁コイルに流れる電流を可変することに
より、本アクチュエータは、任意の動作長さを安定的に
維持するすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアアクチュエ
ータに関し、特に、形状記憶特性と機械的応答性が優れ
たリニアアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】アクチュエータには、応答性がよく、出
力が大きく、変位（量）が大きく、位置保持性・固体性
（形状記憶性）がよく、効率がよいことが求められる。
圧電・電歪性又は超磁歪が利用される固体変位型アクチ
ュエータは、応答性がよく出力が大きいが、変位が小さ
く、脆性材料でできているため、固体性・剛性が悪い。
熱性形状記憶合金は、出力が大きく変位が大きいが、変
位にヒステリシスがあり位置保持性が悪く応答性が著し
く悪く効率が悪い。回転式電磁モータは、応答性がよく
出力が大きく変位（量）が大きく位置保持性がよく固体
性がよく効率がよいが、線形性がなく回転力を直進力に
変換するために複雑な機械変換系である外部変換機構が
必要になり、更に、減速機が必要であり、且つ、小型化
が困難である。電磁リニアモータは、そのような機械系
が不要であるが、出力が小さく、位置保持のためにフィ
ードバック制御系が必要になり、その利用分野が制限さ
れる。電磁力は磁性体に対して安定的に作用しないの
で、電磁力利用のアクチュエータではフィードバック制
御が必ず必要である。流体圧利用のアクチュエータは、
油漏れ対策が厄介であり弁を多く含む流路構成が複雑に
なる。

【０００３】ロボットの腕、指の関節には、回転駆動だ
けでなく線形駆動が必要である。線形駆動のために、出
力が大きい回転式小型モータが一般的に用いられてい
る。回転式モータは、既述の通り全ての物理特性で良好
であるが、腕、指のような狭い空間内に体積的に嵩張る
減速機、機械変換系を付加するためにやむなく小型化さ
れる回転式モータは、結果的に出力が小さくなる。コイ
ルを用いてリニアモータ型アクチュエータを構成し、磁
束収束度をよくしてヨークに流れる磁束を均一とし、全
ストロークに亘り電機子反作用を有効に働かすことによ
り省スペース型を可能にしようとする技術は、特開平８
−２１４５３０号で知られている。

【０００４】（１）出力が大きく、（２）応答性がよ
く、（３）変位が大きく、（４）形状記憶性がよいこと
を満たす物理的特性と、（５）効率がよく、（６）出力
が大きく、（７）小型化が容易であり、（８）線形性の
精度が高いことを満たす機械的特性との両性質を合わせ
持つことが、電磁モータを用いて線形変位を得る分野、
特に、ロボットの指、直接駆動型以外の関節を用いる分
野で求められている。更には、設計の自由度が高いこと
が求められる。このような両性質は、小型・軽量化が求
められる産業ロボット、工作機械、自動車のような産業
分野であり、変位変換機構、減速装置を不要化して小型
軽量化が必要である分野で特に望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、物理
的特性と機械的特性が融合することにより小型軽量化が
より推進され得るリニアアクチュエータを提供すること
にある。本発明の他の課題は、物理的特性と機械的特性
が融合することにより出力領域の設計自由度がより高く
なるリニアアクチュエータを提供することにある。本発
明の更に他の課題は、物理的特性と機械的特性が融合す
ることにより、形状記憶特性と応答性を高くして小型軽
量化をより推進することができるリニアアクチュエータ
を提供することにある。本発明の更に他の課題は、物理
的特性と機械的特性が融合することにより、変形拡大機
構、動作変換機構が不要であり小型軽量化をより推進す
ることができるリニアアクチュエータを提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【０００７】本発明によるリニアアクチュエータは、磁
力を受けて伸縮する機械的動作体（１）と、機械的動作
体（１）の伸縮方向に交叉する交叉方向に向く磁束を生
成する磁束生成器（１４）と、機械的動作体（１）の両
端の伸縮力を出力し機械的動作体（１）の伸縮方向に相
対的に運動する線形出力体（２，３）とを含み、機械的
動作体（１）はばね定数を有し磁束生成器（１４）が生
成する磁束に対応する長さに伸縮する。磁力を受けて動
作する機械的動作体は、実質的にはばねであり、バネ定
数を有し、磁力を受けて直接的に伸縮方向に伸縮し、僅
かなせん断歪みにより大きい変位を得ることができるリ
ニアアクチェータを形成することができる。バネは、一
般的に、耐久性がよい。磁束生成器（１４）が生成する
磁束の大きさは、電磁コイル（１４）に流れる電流に対
応する。磁束生成器（１４）では、ばね性がよい金属に
磁界を加えることにより、本アクチュエータは、任意の
動作長さを安定的に維持することができる。特に、磁束
生成器（１４）として、電磁コイル（１４）を用いるこ
とにより、可変電流電源に流れる電流を可変化するとい
う簡単な動作原理により、本アクチェータを駆動するこ
とができる。

【０００８】ボビンケース（８）と、ボビンケース
（８）に取り付けられ交叉方向の成分を持って磁束を誘
導する磁束誘導体とが追加され、磁束収束性に優れてい
る。磁束誘導体は、直交方向に向く複数の鉄心（１６）
で形成されることが、軽量化の点で好ましい。ボビンケ
ースが中空であることも、軽量化の点で好ましい。鉄心
（１６）としては、高透磁率のものも適用され得る。

【０００９】機械的動作体が軟磁性の機械的コイルであ
ることは特に優れている。機械的コイルは、外力に対す
る変形量の精度が非常に高く形状記憶性が抜群に優れて
いる。磁束に対する反応性も特に優れている。電流の電
流値がＩで表され機械的コイルのばね定数がＫで表さ
れ、機械的コイルの伸縮長さがＬで表され、電流を変数
とする関数がＦ（Ｉ）で表され、機械的動作体に作用す
る外力がｆで表され、式：ＫＬ＝ｆ＋Ｆ（Ｉ）で表され
る位置に機械的コイルの両端が位置してバランスし、形
状記憶特性は制御電流に高精度で対応する物理的特性を
有している。従って、フィードバック機能が原理的に必
要でない（それが与えられることは否定されない）。

【００１０】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
リニアアクチュエータの実施の形態は、コイルスプリン
グとともに電磁コイルが軸交叉して配置されている。そ
のコイルスプリング、ばねコイル、又は、機械的コイル
１（以下、機械的コイルという）は、図１に示されるよ
うに、連続した螺旋巻きの軟磁性金属線で形成されてい
る。その螺旋巻金属線の中心線は、数学的定義に基づく
螺旋である必要はない。その螺旋巻金属線は、円筒に巻
かれた形態でなく角筒に巻かれた形態であることが可能
であるが、その弾性が線形的に安定している円筒に巻か
れピッチが一定である形態のコイルスプリングは、その
軸方向Ｌの伸縮運動が円滑であり、フックの法則に従っ
て形状（形態）記憶特性がよく、物理的に、且つ、機械
的にもっとも優れた物性を持ち合わせていて、この物性
は周知である。このような技術的意味で、コイルスプリ
ングは本明細書において、機械的コイルと呼ばれ、下記
電磁コイルと対比される。機械的コイルの材料は、バネ
性と高透磁率を持つ磁性の両性質に優れた材料であり、
ヒステリシスが小さい高透磁率材料の軟磁性材料、例え
ば、Ｆｅ、Ｎｉ、その他の金属、非金属から形成される
多様な合金であり、ＳＵＳが好適である。

【００１１】機械的コイル１は、第１ハウジング２と第
２ハウジング３の中に収納されている。第１ハウジング
２と第２ハウジング３はともに円筒体である。第１ハウ
ジング２は、第２ハウジング３の内側に配置されてい
て、第２ハウジング３の内側円筒面に案内されて摺動的
に軸方向Ｌに往復的に運動することができる。第１ハウ
ジング２の材料と第２ハウジング３の材料は、磁性材
料、又は、非磁性材料である。第１ハウジング２の開放
端部内面には、第１栓４が詰められていて、第１栓４は
第１ハウジング２に強固に固着している。第２ハウジン
グ３の開放端部内面には、第２栓５が詰められていて、
第２栓５は第２ハウジング３に強固に固着している。機
械的コイル１の一端側は、第１栓４の第１内側面６で軸
方向Ｌに支持されている。その支持点又は支持面で、機
械的コイル１の一端部は強固に第１栓４に固着してい
る。機械的コイル１の他端側は、第２栓５の第２内側面
７で軸方向Ｌに支持されている。その支持点又は支持面
で、機械的コイル１の他端部は強固に第２栓５に固着し
ている。

【００１２】第１栓４には、軸方向Ｌに貫通する中心穴
７が開けられている。長尺のボビンケース８が、中心穴
７に貫通して、第１ハウジング２と第２ハウジング３の
中に同軸に内挿され、機械的コイル１の内側に同軸に更
に内挿されている。ボビンケース８は、角筒状の樹脂
（非磁性体）で形成されている。ボビンケース８の一端
側は、第２栓５に強固に固着されている。ボビンケース
８の他端側は、第１栓４に対して自由である。ボビンケ
ース８は、その中が中空に形成され軽量化されている。

【００１３】ボビンケース８は、図２に示されるよう
に、本体部分９と両端側の巻線端部誘導部分１１を有し
ている。本体部分９の中央部分の周囲面は、四角柱面１
２に形成されている。本体部分９の両端面は、半円筒面
１３に形成されている。両側の半円筒面１３は、軸方向
Ｌに対向している。

【００１４】軸方向に折り返して軸方向に長く延びる電
気伝導線で形成される電磁コイル１４が、図３に示され
るように、ボビンケース８の本体部分９に巻かれて装着
されている。電磁コイル１４の折り返し部分は、半円筒
面１３に沿って円滑に半周している。電磁コイル１４の
材料は、材料コストの点で銅が適正である。電磁コイル
１４の中心軸心線方向（機械的コイル１、第１ハウジン
グ２に関しては径方向）Ｌ’は、図３に示されるよう
に、軸方向Ｌに直交している。

【００１５】ボビンケース８の両側の側面壁（中心軸心
線方向Ｌ’に直交する壁）には、鉄心保持穴１５が開け
られている。鉄心保持穴１５は、軸方向に並んでいる。
図１に示されるように、機械的コイル１の巻数が４０で
あれば、鉄心保持穴１５の配列数は４０又は３９であ
る。それぞれの鉄心保持穴１５に、鉄心１６が挿入され
ている。鉄心１６は、ボビンケース８に強固に固着され
ている。鉄心１６の中心線は、径方向・中心軸心線方向
Ｌ’に平行である。

【００１６】図４は、機械的コイル１と鉄心の位相的配
置関係を示している。両者の配置関係にこだわらなけれ
ばならない技術的意義は原理的には特にはないが、図４
は、磁力発生メカニズムを明白にするためにその位相関
係を示している。図４が示す断面（軸方向Ｌと中心軸心
線方向Ｌ’とが含まれる平面）にあり、軸方向Ｌと中心
軸心線方向Ｌ’の交点を原点とし、軸方向Ｌを角度座標
が零である極座標系で、機械的コイル１の１つの断面の
中心点１８は１８０度の位置にあり、他の断面の中心点
１９は零度の位置にある。中心点を通る放射線（径方向
線）は、鉄心１６の中心線に一致し、隣り合う中心点１
９，１９の中点又はその近傍点Ｑを通る。

【００１７】電磁コイル１４に電流を流すと、全体的に
観察すれば（グローバルには）、図３と図５に示される
ように、断面が長矩形状の磁路２１が形成され、その磁
路は扁平であり、磁路の向きは中心軸心線方向Ｌ’に概
ね平行である。部分的に観察すれば（ローカルには）、
図４に示されるように、中心軸心線方向Ｌ’に平行な磁
路２１の一部分である磁束２２ａは、１つの中心点１９
で曲げられて、特定鉄心１６Ａの一端面に向かう斜め磁
束２３ａに連続し、斜め磁束２３ａは特定鉄心１６Ａに
侵入してその中で中心軸心線方向Ｌ’に平行である鉄心
内磁束２４に連続し、鉄心内磁束２４は他の中心点１８
を中心軸心線方向Ｌ’に平行に貫通する戻り磁束２５に
連続に接続する。中心軸心線方向Ｌ’に平行な磁路２１
の他部分である磁束２２ｂは、他の１つの中心点１９で
曲げられて、特定鉄心１６Ａの一端面に向かう斜め磁束
２３ｂに連続し、斜め磁束２３ｂは特定鉄心１６Ａに侵
入してその中で中心軸心線方向Ｌ’に平行である鉄心内
磁束２４に合流して連続し、鉄心内磁束２４は他の既述
の中心点１８を中心軸心線方向Ｌ’に平行に貫通する戻
り磁束２５に連続に接続する。

【００１８】ボビンケース８が固定系であるとすれば、
ボビンケース８に固定されている鉄心１６は静止系であ
る。斜め磁束２３ａの軸方向Ｌ成分と斜め磁束２３ｂの
軸方向Ｌ成分は、互いに対向していて、隣り合う中心点
１９は互いに引かれ合う磁力を受ける。全ての中心点１
９，１９・・・，１９は、静止系に対して不動点でなく
可動点であり、連鎖系である全ての中心点１９，１９・
・・，１９は、互いに引き合って、機械的コイル１は縮
小する。その縮小に対応してその縮小分に等しい長さだ
け第１ハウジング２と第２ハウジング３とは相対的に接
近しあう。このような縮小により、中心点１９は、第２
ハウジング３の第２栓５に向かって運動し、鉄心１６に
対する軸方向Ｌの位相が変化する。第１ハウジング２の
第１栓４により近い方の中心点１８，１９は、大きく変
位する。隣り合う巻線間の縮小幅がΔＬであれば、機械
的コイル１の全体の縮小距離は、機械的コイル１の巻回
数がＮであれば、ΔＬ（Ｎ−１）である。

【００１９】隣り合う２つの中心点１９は、それらの位
相がどのような値であっても、２つの斜め磁束により引
力を受ける。既述の力学解析は、中心点に働く磁力に関
してのみ行われているが、図５に示されるように、中心
点１８，１９から角度座標方向に位相が９０度ずれた他
の点３１，３２にも磁力が働き、更に、中心軸心線方向
Ｌ’に平行である面（軸方向Ｌに直交する面）に完全に
含まれず中心軸心線方向Ｌ’に対して傾斜している機械
的コイル１の任意の部分に磁気勾配が常に生じているの
で、その任意の部分はその中心線が磁路の向きに一致す
るように変位する磁力を受ける。従って、機械的コイル
１は鉄心１６の相対的位相の値に関係せず常時に縮小す
る方向に磁力を受け続ける。機械的コイル１は位相に関
係せずに縮小方向磁力を受けるので、３９個の全ての鉄
心１６の集合は、ソリッドな１本の円柱又は角柱の鉄心
に代替され得る。ボビンケース８そのものが鉄心に代替
され得るが、ボビンケース８を非磁性材料である樹脂で
作製され多数の鉄心１６を用いた理由は、全体的軽量化
のためである。

【００２０】第１ハウジング２又は第２ハウジング３の
部分は、アクチュエータの動作部分として機能する。磁
束が機械的コイル１の任意の部分に有効に作用するの
で、第１ハウジング２と第２ハウジング３とは相対的に
新タイプのリニアモータを形成し、公知のリニアモータ
よりも、大きい推力が発生する。機械的コイル１に流す
電流をＩで表せば、磁束密度又は磁場Ｈにより機械的コ
イル１の全体に作用する磁力は、よい近似でｋＨで表さ
れる。機械的コイル１の復元力Ｆは縮小長さがＤであれ
ば、ｋ’Ｌで表される。電流が一定値であれば、その縮
小長さはよい近似で次式により決定される。 ｋ’Ｌ＝ｋＨ＝ｋ”Ｉ 改めて新しい定数としてｋを用いれば、 Ｌ＝ｋＩ

【００２１】電流の絶対値によりＬは絶対的に定まるの
で、本アクチュエータは、フィードバック制御を原理的
に必要とせず、フィードバック用の位置検出手段が不要
である。電流量の制御によって、第１ハウジング２と機
械的コイル１の相対的位置制御が可能である。駆動系は
回転系ではないので、回転力を直線力に変換する機械的
変換系が不要であり、既述の課題である７条件は全てが
過不足なく満たされている。

【００２２】機械的動作体は、機械的コイルに限られ
ず、折り曲げ式の板ばね、その他のバネ構造が、リニア
アクチェータの適用対象に応じて広く適用される。機械
的コイルが動作体であるので、変位拡大機構は原理的に
不要であり、変位拡大機構がないので、耐久性と信頼性
に優れ、機械的コイルは軟磁性であって収縮効率が高
く、鉄心は磁束の収束性をよくして、磁束が機械的コイ
ルを効率的に透過するので、ばねの収縮効率が高く、バ
ネとして円筒ばねである機械的コイルが用いられその機
械的コイルは磁気発生源の周囲に配置されているので、
動作効率、エネルギー変換効率が高い。軟磁性材料は、
同時にばね性がよい材料（Ｆｅ系、ＳＵＳ系）でもある
ことが多く、設計自由度が拡大される。

【００２３】図６は、電磁コイル１４に替えられて用い
られる永久磁石の磁束が変化する磁束生成器を示してい
る。多数の棒磁石４１が、そららの磁束が中心軸心線方
向Ｌ’に向くように磁石支持筒４２に配列されて固定さ
れている。機械的コイル１と棒磁石４１の配列領域との
間に磁束遮断器又は磁束変化器４３が介設されている。
磁束変化器４３は、軟磁性材料で形成され、棒磁石４１
の配列ピッチと同じピッチで多数の穴４４が開けられて
いる。穴４４が磁石支持筒４２に対して相対的に軸方向
Ｌに移動することにより、磁束変化器４３は棒磁石４１
の磁力を機械的コイルに対して遮断するように働き、又
は、棒磁石４１の磁束の有効磁路を変化させるように働
き、棒磁石４１が形成する磁束勾配に変化が生じて機械
的コイル１が伸縮する。磁束変化器４３を駆動する小さ
い力により、機械的コイル１の大きい伸縮力に増幅さ
れ、又は、その変位距離が増幅される増幅作用があり、
磁束変化器４３の位置制御は容易であるから、機械的コ
イルの伸縮量を有効に制御することができる。

【００２４】図７は、アクチェータの出力体の実施の他
の形態を示している。一体の筒５１の一方の蓋５２に２
つの動作ピン５３が貫通している。動作ピン５３には鍔
５４が設けられている。鍔５４は、筒５１の中に配置さ
れている。機械的コイル１の一端部は筒５１の他方の蓋
５５で軸方向Ｌに支持され、その支持点又は支持面に固
着している。機械的コイル１の他端部は鍔５４に固着さ
れている。機械的コイルの伸縮は、既述の通りであり、
機械的コイルの伸縮により動作ピン５３が筒５１に対し
て動作する。本実施の形態は、先の実施の形態と異な
り、摩擦摺動面積が小さく、出力体の質量が小さいの
で、鋭敏なアクチュエータを提供することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によるリニアアクチュエータは、
バネ自体が電流制御により任意の長さに動作して優れた
形状記憶特性を持ち、機械的特性と電磁的特性とが融合
して、優れたリニアアクチュエータが提供されている。
更に、公知技術との対比で述べられる諸特性の全てを持
つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるリニアアクチュエータの
実施の形態を示す正面断面図である。

【図２】図２は、ボビンケースを示す射軸投影図であ
る。

【図３】図３は、磁束の携帯を示す射軸投影図である。

【図４】図４は、磁束と機械的コイルの力学を示す正面
断面図である。

【図５】図５は、磁束と機械的コイルの力学を示す側面
断面図である。

【図６】図６は、磁束生成器の実施の他の形態を示す断
面図である。

【図７】図７は、出力体の実施の他の形態を示す断面図
である。

【符号の説明】

１…機械的動作体（機械的コイル） ２，３，５３…線形出力体 ８…ボビンケース １４…電磁コイル １６…鉄心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加川 和宏 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3F060 GA01 GA11 5H641 BB01 BB10 GG03 GG08 HH03 HH07 JA09 JA11 JA20

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁力を受けて伸縮する機械的動作体と、 前記機械的動作体の伸縮方向に交叉する交叉方向に向く
   磁束を生成する磁束生成器と、 前記機械的動作体の両端の伸縮力を出力し前記機械的動
   作体の前記伸縮方向に相対的に運動する線形出力体とを
   含み、 前記機械的動作体はばね定数を有し前記磁束生成器が生
   成する磁束に対応する長さに伸縮するリニアアクチュエ
   ータ。
2. 【請求項２】前記磁束生成器は、電磁コイルであり、 前記長さは前記電磁コイルに流れる電流に対応するリニ
   アアクチュエータ。
3. 【請求項３】ボビンケースと、 前記ボビンケースに取り付けられ前記交叉方向の成分を
   持って前記磁束を誘導する磁束誘導体とを更に含む請求
   項１のリニアアクチュエータ。
4. 【請求項４】前記磁束誘導体は、前記直交方向に向く複
   数の鉄心を備える請求項３のリニアアクチュエータ。
5. 【請求項５】前記ボビンケースは中空である請求項４の
   リニアアクチュエータ。
6. 【請求項６】前記機械的動作体は軟磁性の機械的コイル
   である請求項１のリニアアクチュエータ。
7. 【請求項７】前記電流の電流値がＩで表され前記機械的
   コイルのばね定数がＫで表され、前記機械的コイルの伸
   縮長さがＬで表され、前記電流を変数とする関数がＦ
   （Ｉ）で表され、前記機械的動作体に作用する外力がｆ
   で表され、下記式： ＫＬ＝ｆ＋Ｆ（Ｉ） で表される位置に前記機械的コイルの両端が位置してバ
   ランスする請求項６のリニアアクチュエータ。