JP2003102161A - 直動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で高速駆動が可能な直動機構を提供す
る。 【解決手段】 可動パイプ１を所定の距離だけ移動させ
る並進移動機構と、非駆動時に前記可動パイプ１の中心
軸方向の位置ずれと中心軸回りの回転とを抑える自己保
持機構とを備え、前記並進移動機構が、外筒５と前記可
動パイプ１と、前記可動パイプ１に巻かれたコイル３
と、前記可動パイプ１の内側に配置し前記可動パイプ１
の内周面で摺動する固定軸２と、前記固定軸２の一端に
固定され且つ前記外筒５に固定された底部材４と、前記
外筒の内側に固定された駆動用磁石６とから構成され、
前記自己保持機構が、前記可動パイプ１の外側面に固定
された第１の保持ヨーク８及び第２の保持ヨーク９と、
前記外筒５の内側面に固定された保持用磁石７とから構
成される。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は小型の直動機構に関
し、特に消費電力の小さい直動機構の構成に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年コンパクトカメラや医療機器などに
おいてアクチュエータの小型化に対する要求が強い。そ
れに対して回転型モータは年々小径化が進み直径が２ｍ
ｍ程度のものまで実用化されているが、直線的な動きを
するアクチュエータは回転型モータに匹敵するほどの小
型化が進んでいない。一般的に直動を実現する手段とし
ては、リードスクリューによる回転から直動への変換機
を用いた方法や、圧電素子と変位拡大機構を用いた方法
や、ソレノイドを用いた方法などがよく知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】リードスクリューを用
いる場合には、回転を発生させるモータとリードスクリ
ューの溝に沿って直線的に動く可動体が必要であり、小
型化が困難である。圧電素子を用いる場合には、素子自
体は小さくできるもののミリメートルオーダーのストロ
ークを実現しようとするとそれなりに大きな変位拡大機
構が必要になり、小型化に向いていない。ソレノイドを
用いる場合には、可動部が相対的に重くなり、低消費電
力で高速に駆動する点で不利である。 【０００４】また一方でフォトリソグラフィーの技術を
応用した、静電引力で動くマイクロアクチュエータが知
られているが、ほぼ２次元の平面上に機構を構築するの
で、移動時に直線性の精度の高い直動機構を構成するの
は困難である。 【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決して、小
型で高速駆動が可能である直動機構を提供することにあ
る。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の直動機構においては、下記記載の構成を採
用している。 【０００７】本発明の直動機構は、可動パイプを所定の
距離だけ移動させる並進移動機構と、非駆動時に前記可
動パイプの中心軸方向の位置ずれと中心軸回りの回転と
を抑える自己保持機構とを備え、前記並進移動機構が、
外筒と前記可動パイプと、前記可動パイプに巻かれたコ
イルと、前記可動パイプの内側に配置し前記可動パイプ
の内周面で摺動する固定軸と、前記固定軸の一端に固定
され且つ前記外筒に固定された底部材と、前記外筒の内
側に固定された駆動用磁石とから構成され、前記自己保
持機構が、前記可動パイプの外側面に固定された第１の
保持ヨーク及び第２の保持ヨークと、前記外筒の内側面
に固定された保持用磁石とから構成されたことを特徴と
する。 【０００８】［作用］本発明の直動機構における並進移
動機構は、駆動磁石によって作られる放射方向の磁界中
に可動パイプに巻かれたコイルを配置することで、変換
効率の高いボイスコイル型の移動機構となっている。そ
のため構造は簡素で小型化に向いている。また可動部を
コイル側にすることで軽量化することが可能になり、高
速移動が可能になる。制動は逆向きの電流を流すことで
実現できるし、移動距離は通電時間によっても制御が可
能である。 【０００９】また本発明の直動機構において自己保持機
構は、２種類の保持機構から構成される。一つは軸方向
自己保持機構と呼ぶもので、可動パイプの移動後に移動
方向において電力を必要としないでその位置を保持する
機構である。もう一つは円周方向自己保持機構と呼ぶも
ので、可動パイプが軸の回りに回転ずれを起こさないよ
うにその位置を保持する機構である。 【００１０】これらの自己保持機構は、直接的には可動
パイプに所定の間隔をもって固定された第１の保持ヨー
クと第２の保持ヨークと、保持用磁石によって実現され
る。第１の保持ヨークと第２の保持ヨークの外周側には
所定の角度間隔で複数の極歯が設置されていて、同様に
保持用磁石の内周側には所定の角度間隔で複数の突起が
設置されている。 【００１１】このような構造を採ることで軸方向自己保
持機構と円周方向自己保持機構が実現されている。そし
て可動パイプの停止時には電力を必要とせずに可動パイ
プの位置と姿勢を保持することができる。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明の最適な
実施形態における直動機構を説明する。図１は本発明の
実施形態における直動機構を示す断面図である。本発明
の直動機構は、並進移動機構と自己保持機構とから構成
されている。直動機構を収納する外筒５は外径３ｍｍの
円筒形状をしていて、外筒５の下方に並進移動機構を設
け、上方に自己保持機構を設けている。 【００１３】まずはじめに並進移動機構の構成について
説明する。前述の外筒５は磁気回路の一部分を構成する
部材なので軟磁性体を使用した。磁石材料からなる駆動
用磁石６は円筒形状で外筒５の内側面に固定される。駆
動用磁石６は希土類磁石が望ましいが、特に希土類磁石
に限定されるものではない。駆動用磁石６の磁化の方向
は内外周方向、つまり中心から放射方向であり、磁化の
向きは内周から外周、または外周から内周のどちらでも
よい。 【００１４】固定軸２は円柱形状で、外筒５と同様に軟
磁性体を使用した。固定軸２は駆動用磁石６を挟んで外
筒５の反対側のヨークを構成する。固定軸２は、この固
定軸２と同じく軟磁性体で作られた円形の底部材４の中
心にその一端が固定される。そして、この底部材４が外
筒５に固定されることによって、駆動用磁石６の内側面
と固定軸２の外側面の形成する空間をエアギャップとす
る磁気回路が形成される。 【００１５】固定軸２の外周に設ける可動パイプ１は円
筒形状をしており、その内面が固定軸２の外側面と滑ら
かに摺動できるように、固定軸２と可動パイプ１の間に
所定の隙間を設けている。図１には示していないが、可
動パイプ１の上方の端部に被駆動体を取り付けることも
可能である。可動パイプ１は磁気回路の一部にはならな
いので、非磁性でかつ寸法精度を出しやすく、摺動時に
摩擦の少ない材料、例えば真鍮または樹脂を用いる。 【００１６】可動パイプ１の底部材４と接する端部に近
い部分に導電性材料からできているコイル３が巻かれて
いる。前述の駆動用磁石６と固定軸２と外筒５からなる
磁気回路と、コイル３によって並進移動機構が形成さ
れ、コイル３に電流を流すことにより、コイル３に推力
が発生し可動パイプ１はその推力にしたがって運動す
る。固定軸２はその運動を直線方向のみの運動に制限す
る役割ももっている。以下、可動パイプ１が「上に上が
る」とは文字通り図１における上方向への運動を意味
し、「下に下がる」とは図１における下方向への運動を
意味するものとする。 【００１７】コイル３には巻始めの部分である第１のコ
イル端３ａと、巻終わりの部分である第２のコイル端３
ｂがある。第１のコイル端３ａと第２のコイル端３ｂ
は、底部材４に接着剤などで固定された第１の端子１０
ａと第２の端子１０ｂに、それぞれ半田付けなどで接合
される。第１の端子１０ａと第２の端子１０ｂは絶縁材
料が塗布された導電性材料でできている。 【００１８】第１の端子１０ａと第２の端子１０ｂによ
って外筒５の内側に存在するコイル３に対して外側から
電力を供給することができる。第１のコイル端３ａと第
２のコイル端３ｂは第１の端子１０ａと第２の端子１０
ｂに到達する途中で、可動パイプ１に接触しないように
して螺旋を描くように引き回す。こうすることにより可
動パイプ１が動くときのバイアス力を小さくしておくこ
とができる。またバイアス力を小さくするために径の細
い導電性材料をコイル３に使用するとよい。 【００１９】次に可動パイプ１の中心軸方向の位置ずれ
と中心軸回りの回転とを抑える自己保持機構について説
明する。可動パイプ１にはコイル３のほかに第１の保持
ヨーク８と第２の保持ヨーク９が、可動パイプ１に対し
て予め定められた移動距離に等しいピッチ寸法で上下に
並んで固定されている。 【００２０】保持用磁石７は外筒５に固定されていて、
可動パイプ１が下に下がっている時には保持用磁石７は
第１の保持ヨーク８と引き合い、可動パイプ１が上に上
がっている時には保持用磁石７が第２の保持ヨーク９と
引き合うように配置されている。保持用磁石７の磁化方
向は内外周方向であるが、磁化の向きは、並進移動機構
の駆動用磁石６と逆向きにする。例えば駆動用磁石６の
磁化の向きが外周から内周に向かう向きであったら、保
持用磁石７の磁化の向きは内周から外周に向かう向きに
する。 【００２１】なぜなら駆動用磁石６と保持用磁石７は、
それぞれの磁気回路を構成する部材として、外筒５と底
部材４と固定軸２を共有しているので、駆動用磁石６に
よる磁束と保持用磁石７による磁束が磁気回路において
同じ向きになるようにしないと、駆動の推力が減少し保
持の力も減少してしまうからである。そして、駆動用磁
石６による磁束と保持用磁石７による磁束を合成するこ
とにより、それぞれ単独で磁気回路を構成するよりも大
きな磁束密度を得ることができる。 【００２２】このようにして磁気ポテンシャルを利用し
て、可動パイプ１を２カ所の位置において安定させるこ
とができる。これを自己保持機構における軸方向自己保
持機構と呼ぶことにする。 【００２３】次に動作について説明する。初めの状態を
可動パイプ１が下に下がっている状態とする。このとき
コイル３に電流は流れていないので、軸方向自己保持機
構により可動パイプ１は底部材４に接触した状態で静止
している。 【００２４】そして可動パイプ１を上方に移動させるた
めにコイル３に電流を流すと、上方向への推力がコイル
３に発生する。このときコイル３が固定されている可動
パイプ１が移動し始めると、第１の保持ヨーク８と保持
用磁石７の位置関係が変化するので元の位置に戻そうと
する復元力が前述の推力と逆向きに発生する。この復元
力は第１の保持ヨーク８が保持用磁石７から離れるにし
たがって徐々に大きくなり、あるところで最大値とな
り、今度は徐々に小さくなっていく。前述の推力がこの
最大値より大きくなるようにコイル３に流す電流を設定
しておくことにより、可動パイプ１は前述の復元力に打
ち勝って動くことが可能になる。 【００２５】可動パイプ１があらかじめ決めておいた移
動距離、本実施の形態では約１ｍｍを動いたらコイル３
への通電を止める。移動距離はコイル３への通電時間に
より制御することが可能である。最終的な移動距離は第
１の保持ヨーク８と第２の保持ヨーク９の離間距離で決
定される。可動パイプ１が動いたことにより、今度は可
動パイプ１に固定された第２の保持ヨーク９と保持用磁
石７が互いに引き合い始め、可動パイプ１はコイル３に
通電しなくてもその位置で静止し続けることができる。 【００２６】次に可動パイプ１を下方に移動させるに
は、コイル３に前述の可動パイプ１を上方に移動させた
ときと逆向きに電流を流して推力を発生させる。電流を
流し始めると先の説明と同様に磁気ポテンシャルによ
り、推力と逆向きの力が発生するものの、結果的には推
力が勝り、可動パイプ１は下に移動し始める。 【００２７】コイル３への通電時間を制御することで、
あらかじめ決められた移動距離を動くと、可動パイプ１
は前述の初めの状態に戻って、保持用磁石７と第１の保
持ヨーク８が互いに引き合う状態になるので、可動パイ
プ１は再びその位置で静止し続ける。後は以上の動作の
繰り返しとなるので説明を省略する。 【００２８】これまで、可動パイプ１の固定軸２に対す
る長手方向の動作について説明してきたが、固定軸２に
対する回転方向に関する自己保持機構について、図２を
用いて説明する。可動パイプ１は固定軸２に対して滑ら
かに摺動するようになっているので、固定軸２の回りに
関しても回転しやすい。しかし本発明では移動方向の１
軸だけに自由度を持つ機構を実現することを目的として
いるので、その移動方向の軸回りには回転しないことが
望ましい。 【００２９】図２は図１を上方から見た状態を示す図面
であり、可動パイプ１が下に下がっているときの状態を
示している。保持用磁石７の内側面の３カ所に突起７
ａ、７ｂ、７ｃを設け、第１の保持ヨーク８の外側面の
３カ所に極歯８ａ、８ｂ、８ｃを設けておく。突起７ａ
と突起７ｂは中心角αをもって配置され、突起７ｂと突
起７ｃは中心角βをもって配置され、突起７ｃと突起７
ａは中心角γをもって配置されている。 【００３０】同様に極歯８ａと極歯８ｂは中心角αをも
って配置され、極歯８ｂと極歯８ｃは中心角βをもって
配置され、極歯８ｃと極歯８ａは中心角γをもって配置
されている。中心角αと中心角βと中心角γはそれらの
合計が３６０°になるように決める。 【００３１】今回実際の角度として中心角αは１１０
°、中心角βは１２０°、中心角γは１３０°にした。
中心角αと中心角βと中心角γを等しい角度にせず、こ
のように異なる値に設定することで、可動パイプ１を固
定軸２の回りに回転させたときに最も安定したポジショ
ンが１回転の内に１カ所だけ存在すること可能にする。 【００３２】すなわち図２に示したように突起７ａと極
歯８ａ、突起７ｂと極歯８ｂ、突起７ｃと極歯８ｃがそ
れぞれ対抗する状態が最も安定しており、この状態から
第１の保持ヨーク８と可動パイプ１が保持用磁石７に対
して回転すると、固定軸２と第１の保持ヨーク８と保持
用磁石７と外筒５と底部材４が形成する自己保持時の磁
気ポテンシャルによって復元力が作用し、最も安定する
位置に戻ろうとする。これを円周方向自己保持機構と呼
ぶ。 【００３３】次に可動パイプ１が上に上がっているとき
を説明する。第２の保持ヨーク９は第１の保持ヨーク８
と同形状であり、図２においては第１の保持ヨーク８の
下に丁度隠れてしまうので図２には示されていない。し
かし可動パイプ１が上に上がっているときには、前述の
自己保持時の磁気ポテンシャルを形成している部材の中
で、第１の保持ヨーク８を第２の保持ヨーク９で置き換
えて形成される磁気ポテンシャルによって同様に円周方
向自己保持機能が実現される。よって、可動パイプ１が
上に上がっているときも下に下がっているときも、可動
パイプ１は固定軸２や外筒５に対して回転してしまうこ
とを防止することができる。 【００３４】以上より本発明の直動機構においては、軸
方向自己保持機構と円周方向自己保持機構とからなる自
己保持機構を備えているので、可動パイプ１の非駆動時
には電力を使用せずにその位置・姿勢を保つことが可能
となる。したがって、本発明の直動機構においては、低
消費電力が可能となる。 【００３５】また本発明の実施形態では外筒５を円筒形
状としたが、四角あるいは多角形の形状としても機能が
損なわれることはない。また以上説明した実施形態で
は、固定軸２と底部材４は別部材として作製したが、両
者を一体で加工された部品としてもよいことは言うまで
もない。さらに可動パイプ１にコイル３を直接巻いて
も、巻枠を用いて巻いてもよい。 【００３６】また第１の保持ヨーク８及び第２の保持ヨ
ーク９における極歯の個数は３個に限られることはな
い。同様に保持用磁石７における突起の個数も３個に限
られることはなく、突起個数はもっと多くてもよいし、
極歯の形状や突起の形状も図２に示したものに限られな
い。 【００３７】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の直動機構においては、並進移動機構により小型で高速
駆動が可能である。また本発明の直動機構においては、
軸方向自己保持機構および円周方向自己保持機構とから
なる自己保持機構を備え、非駆動時は電力を必要としな
いので低消費電力化が可能になるなど大きな効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態における直動機構を示す断面
図である。 【図２】本発明の実施形態における直動機構の自己保持
機能を説明するための図面である。 【符号の説明】 １：可動パイプ ２：固定軸
３：コイル ３ａ：第１のコイル端 ３ｂ：第２のコイル
端 ４：底部材 ５：外筒 ６：駆動
用磁石 ７：保持用磁石 ７ａ：突起 ７
ｂ：突起 ７ｃ：突起 ８：第１の保持ヨーク
８ａ：極歯 ８ｂ：極歯 ８ｃ：極歯 ９：第
２の保持ヨーク １０ａ：第１の端子 １０ｂ：第２の端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 可動パイプを所定の距離だけ移動させる
   並進移動機構と、非駆動時に前記可動パイプの中心軸方
   向の位置ずれと中心軸回りの回転とを抑える自己保持機
   構とを備え、 前記並進移動機構が、外筒と前記可動パイプと、前記可
   動パイプの外側に巻かれたコイルと、前記可動パイプの
   内側に配置し前記可動パイプの内周面で摺動する固定軸
   と、前記固定軸の一端に固定され且つ前記外筒に固定さ
   れた底部材と、前記外筒の内側に固定された駆動用磁石
   とから構成され、 前記自己保持機構が、前記可動パイプの外周面に固定さ
   れた第１の保持ヨーク及び第２の保持ヨークと、前記外
   筒の内周面に固定された保持用磁石とから構成されたこ
   とを特徴とする直動機構。