JP2004289978A

JP2004289978A - Linear actuator, pump device using the same and compressor device

Info

Publication number: JP2004289978A
Application number: JP2003081934A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Yumita; 行宣弓田
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a linear actuator which can obtain stable thrust even when a large magnet is not used, and to provide a pump device using the same and a compressor device. <P>SOLUTION: The linear actuator 1 includes an inner yoke 3, an outer yoke 4 for constituting a first gap 6 and a second gap 7 between the outer yoke and the inner yoke 3, and a movable element 5 having flat plate-like magnet 9s in the gaps 6, 7. In the linear actuator 1, a separating distance G between tips of the first opposed part 410 and the second opposed part 420 of the outer yoke 4 is 0.5 to 3.0 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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、それを用いたポンプ装置並びにコンプレッサー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダ内でピストンが直線運動するようなポンプ装置やコンプレッサー装置でも、それに使用されるアクチュエータは、回転運動を出力するモータが使用されているため、モータの出力軸とピストンとの間でクランクシャフトで回転運動を直線運動に変換している。このため、力の伝達効率が低いという問題点がある。
【０００３】
そこで、図１１に示すように、インナーヨーク１０３と、このインナーヨーク１０３に対して軸線方向と直交する位置で対向して、インナーヨーク１０３との間に軸線方向で離間する第１の隙間１０９Ａおよび第２の隙間１０９Ｂを構成するアウターヨーク１０４と、アウターヨーク１０４、第１の隙間１０９Ａ、インナーヨーク１０３、第２の隙間１０９Ｂを磁路とする交番磁界を発生させるコイル１０８と、インナーヨーク１０３とアウターヨーク１０４との間において交番磁界に連動して軸線方向に交互に駆動されるマグネット１０６を備えた可動体とを有するリニアアクチュエータが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなリニアアクチュエータにおいて、マグネット１０６としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石など、磁力の強いものを用いれば、大きな推力を得ることができる。
【０００５】
しかしながら、このようなマグネットは高価であるため、サイズの大きなものを用いることはコスト面で好ましくない。また、マグネット１０６を大きくすると、可動体が重くなってしまう。かといって、マグネット１０６が小さいと、マグネット１０６が軸線方向に移動するたびに推力が大きく変化してしまう。
【０００６】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、大きなマグネットを用いなくても、安定した推力を得ることのできるリニアアクチュエータ、それを用いたポンプ装置並びにコンプレッサー装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明者が様々な実験、検討を繰り返し行った結果、以下の構成に到達した。すなわち、本発明では、第１のヨークと、該第１のヨークとの間に軸線方向で離間する第１の隙間および第２の隙間を形成するように当該第１のヨークに対向配置された第２のヨークと、前記第２のヨーク、前記第１の隙間、前記第１のヨーク、前記第２の隙間、および前記第２のヨークを磁路として前記第１の隙間および前記第２の隙間に交番磁界を発生させるコイルと、前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間にマグネットを備え、前記交番磁界に連動して軸線方向に往復駆動される可動体とを有するリニアアクチュエータにおいて、前記第２のヨークは、前記コイルの外周側に位置する部分から当該コイルの両端面を通って先端側が前記第１の隙間を構成する第１の対向部分、および前記第２の隙間を構成する第２の対向部分として、前記第１のヨークと対向する位置まで延設され、前記第１の対向部分の先端部と、前記第２の対向部分の先端部との離間距離が３ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、第２のヨークの第１の対向部分の先端部と、第２の対向部分の先端部との離間距離を３ｍｍ以下に設定したため、軸線方向におけるマグネットの長さが例えば、９ｍｍ程度の場合でも、安定した推力を得ることができる。
【０００９】
本発明では、前記第１の対向部分の先端部と、前記第２の対向部分の先端部との離間距離が０．５ｍｍ以上に設定されていることが好ましい。第１の対向部分の先端部と、第２の対向部分の先端部との離間距離が０．５ｍｍ未満の場合には、第１の対向部分の先端部と、第２の対向部分の先端部との間での磁束の漏れが大きくなるため、離間距離を０．５ｍｍ以上に設定すれば、このような漏れを防止することができるので、大きな推力を得ることができる。
【００１０】
本発明に係るリニアアクチュエータは、各種流体を供給するためのポンプ装置、あるいはコンプレッサー装置として利用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明を適用したリニアアクチュエータを説明する。
【００１２】
（全体構成）
図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用したリニアアクチュエータの要部の横断面図、および半断面図である。
【００１３】
図１（Ａ）、（Ｂ）において、本形態のリニアアクチュエータ１は、各種流体を供給するためのポンプ装置、あるいはコンプレッサー装置に用いられるもので、ステータ側を保持するフレーム２と、このフレーム２に対して軸線Ａに沿って往復移動可能な可動体５とから構成されている。
【００１４】
本形態において、フレーム２上には、インナーヨーク３（第１のヨーク）と、このインナーヨーク３の外側に配置されたアウターヨーク４（第２のヨーク）と、アウターヨーク４の内側に配置されたコイル８とが搭載されている。また、可動体５は、インナーヨーク３とアウターヨーク４との間にマグネット９を備えている。可動体５の底部５１は、丸棒状あるいは円筒状の作動軸（図示せず）の基端側の固定部になっている。
【００１５】
本形態において、インナーヨーク３は、軸線方向からみたときに正八角形の辺に相当する位置に分割、配置され、周方向に等角度間隔に８枚、配置された状態にある。各インナーヨーク３は、例えば、磁性板の積層体からなる平板状を有しており、アウターヨーク４との対向面（外面）、およびその裏面（内面）のいずれもが平面になっている。
【００１６】
アウターヨーク４も、軸線方向からみたときに正八角形の辺に相当する位置に分割、配置され、周方向に等角度間隔に８個、配置された状態でホルダ２１、２２に保持されている。
【００１７】
本形態において、アウターヨーク４は、断面Ｕ字形状を備えた第１および第２のアウターヨーク部材４１、４２が上下に重ねられた構成になっている。第１および第２のアウターヨーク部材４１、４２は、例えば、磁性板の積層体から構成されている。
【００１８】
第１および第２のアウターヨーク部材４１、４２はそれぞれ、コイル８の外周側に位置する部分からコイル８の両端面を通って先端側が第１の対向部分４１０および第２の対向部分４２０としてインナーヨーク３の外周面と対向する位置まで延設され、インナーヨーク３の外周面と第１の対向部分４１０との間、およびインナーヨーク３の外周面と第２の対向部分４２０との間に、軸線方向で離間する第１の隙間６、および第２の隙間７を構成している。
【００１９】
ここで、コイル８の外周側において、第１および第２のアウターヨーク部材４１、４２の端部４１９、４２９同士は当接している。
【００２０】
これに対して、アウターヨーク部材４１、４２の第１の対向部分４１０および第２の対向部分４２０の先端部分同士は、所定の離間距離Ｇをもって離れている。
【００２１】
本形態では、後述する検討結果に基づいて、第１の対向部分４１０の先端部と、第２の対向部分４２０の先端部との離間距離Ｇを０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下に設定してある。
【００２２】
可動体５は、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石からなるマグネット９がインナーヨーク３とアウターヨーク４との第１の隙間６と、第２の隙間７に跨るように配置され、マグネット９は、表裏がそれぞれ反対の極に着磁されている。
【００２３】
マグネット９としては平板状のものが用いられ、可動体５において、マグネット９は、樹脂製のマグネット保持部５２に形成されている溝５２０に両端を差し込んだ状態で保持されている。マグネット保持部５２は、軸線方向からみたときに略三角形の平面形状をしており、三角形の頂点に相当する部分は、隣接するインナーヨーク３の間に楔状に入り込んでる一方、三角形の底辺に相当する部分は、隣接するアウターヨーク４の間に入り込んでいる。
【００２４】
アウターヨーク４において、第１および第２のアウターヨーク部材４１、４２の間に構成される空間内には、樹脂成形品からなるコイルボビン８０が配置され、このコイルボビン８０の胴部８１にはコイル８が巻回されている。コイルボビン８０においてコイル８の巻回部分は、外側が樹脂製のカバー８９で覆われている。
【００２５】
（動作）
図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、このリニアアクチュエータの動作を示す説明図である。
【００２６】
本形態のリニアアクチュエータ１において、マグネット９の内側の面がＳ極に着磁され、外側の面がＮ極に着磁されている場合には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、点線の矢印Ｂ１、Ｂ２で示す磁界が発生している。この状態でコイル８に交流電流を流したとき、図２（Ａ）に示すように、図面の向こう側から手前側に電流が流れている期間では、点線の矢印Ｂ３に示す磁界が発生し、第１の隙間６の側では、マグネット９からの磁界とコイル８からの磁力線の向きが同一であるに対して、第２の隙間７の側ではマグネット９からの磁界とコイル８からの磁力線の向きが反対である。その結果、マグネット９には、軸線方向における下方（第２の隙間７の方）に向かう力が作用する。
【００２７】
これに対して、図２（Ｂ）に示すように、図面の手前側から向こう側に電流が流れている期間では、点線の矢印Ｂ４に示す磁界が発生し、第１の隙間６の側では、マグネット９からの磁界とコイル８からの磁力線の向きが反対であるに対して、第２の隙間７の側ではマグネット９からの磁界とコイル８からの磁力線の向きが同一である。その結果、マグネット９には、軸線方向における上方（第１の隙間６の方）に向かう力が作用する。
【００２８】
このようにしてマグネット９には、コイル８による交番磁界の向きに対応して、軸線方向に加わる力の向きが入れ代わるので、それと一体の可動体５が軸線方向に振動し、可動体５に取り付けられたピストンから往復直線運動を出力することができる。また、アウターヨーク４、インナーヨーク３、およびマグネット９は、軸線方向からみたときに八角形状、あるいは円環状となるように形成されているため、周方向全体から可動体５に対する推力を得ることができる。
【００２９】
（離間距離Ｇに関する検討結果）
本形態のリニアアクチュエータ１において、マグネット９としては、高価なＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石を用いる。このため、比較的小さなマグネット９を用いてコストを低く抑えても安定した推力が得られるように、以下の検討結果に基づいて、アウターヨーク部材４１、４２の第１の対向部分４１０および第２の対向部分４２０の先端部分同士の離間距離Ｇを３．０ｍｍ以下に設定してある。また、比較的小さなマグネット９で大きな推力が得られるように、以下の検討結果に基づいて、アウターヨーク部材４１、４２の第１の対向部分４１０および第２の対向部分４２０の先端部分同士の離間距離Ｇを０．５ｍｍ以上に設定してある。
【００３０】
このような検討を行うにあたって、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇ、およびマグネットの長さ寸法Ｍ、およびマグネット９の厚さｔを種々、変更した際に、マグネット９の原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を検討した。
【００３１】
なお、いずれの条件においても、コイル８の巻回数は４５０ターン、マグネット９の保持力は１０００ｋＡ／ｍ、アウターヨーク部材４１、４２の対向部分４１０、４２０とマグネット９との隙間は０．５ｍｍである。
【００３２】
まず、図３には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：２．５ｍｍ
先端部分同士の離間距離Ｇ：０．３ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７．３ｍｍ、８．３ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ１、Ｌ２で示してある。
【００３３】
図４には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：２．５ｍｍ
先端部分同士の離間距離Ｇ：０．５ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７．５ｍｍ、８．５ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ１１、Ｌ１２で示してある。
【００３４】
図５には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：２．５ｍｍ
先端部分同士の離間距離Ｇ：１．０ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを９ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３で示してある。
【００３５】
図６には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：１．９ｍｍ
離間距離Ｇ：１．０ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５、Ｌ３６で示してある。
【００３６】
図７には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：１．９ｍｍ
離間距離Ｇ：３．０ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ４１、Ｌ４２、Ｌ４３、Ｌ４４、Ｌ４５、Ｌ４６で示してある。
【００３７】
図８には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：１．９ｍｍ
離間距離Ｇ：５．０ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ５１、Ｌ５２、Ｌ５３、Ｌ５４、Ｌ５５、Ｌ５６で示してある。
【００３８】
図９には以下の条件
マグネット９の厚さｔ：１．９ｍｍ
離間距離Ｇ：７．０ｍｍ
で、マグネット９の長さ寸法Ｍを７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合の結果をそれぞれ線Ｌ６１、Ｌ６２、Ｌ６３、Ｌ６４、Ｌ６５、Ｌ６６で示してある。
【００３９】
これらの結果からみて、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇが５ｍｍ、７ｍｍの場合には（図８および図９を参照）、大きな推力が得られる領域における平坦性が低いことから、推力の安定性が低いといえる。
【００４０】
これに対して、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇが３．０ｍｍ以下の場合には（図３ないし図７を参照）の場合には、大きな推力が得られる領域における平坦性が良好であることから、推力の安定性が高いといえる。
【００４１】
特に、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇが１．０ｍｍ以下の場合には（図３ないし図６を参照）の場合には、マグネット９の長さ寸法が７ｍｍ以下でも、大きな推力が得られる領域における平坦性が良好であることから、推力の安定性が特に高い。
【００４２】
但し、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇが小さければ小さいほど、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士での磁束の漏れが発生するため、図３ないし図５から分かるように、高い推力が得られる領域において推力のレベルが低くなる傾向にある。従って、本形態のアクチュエータ１を各種用途に用いることができるようにとの観点からすれば、アウターヨーク部材４１、４２の第１および第２の対向部分４１０、４２０の先端部分同士の離間距離Ｇを０．３ｍｍ以上に設定することが好ましい。
【００４３】
［ポンプ装置並びにコンプレッサー装置への搭載例］
本発明を適用したリニアアクチュエータ１については、図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照して説明するように、ポンプ装置並びにコンプレッサー装置に適用できる。
【００４４】
図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本発明を適用したエアーポンプ装置の平面図、断面図、および底面図であり、図１０（Ｂ）において、リニアアクチュエータ１に相当する部分は太線で囲ってある。
【００４５】
図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、本形態のエアーポンプ装置１００では、リニアアクチュエータ１の可動体５に対して作動軸１１０の基端側がワッシャ１５１、１５２を介してナット１５３で連結され、作動軸１１０は、インナーヨーク３を保持するフレーム２の穴１６を貫通する状態にある。作動軸１１０の基端側は、フレーム２に保持された軸受１５４によって支持され、かつ、作動軸１１０の周りには２本のスプリング１６１、１６２が装着されている。２本のスプリング１６１、１６２のうち、作動軸１１０の基端側に装着されたスプリング１６１は、フレーム２の穴１６内に形成されている段差１７と、作動軸１１０に装着されたＥ型止め輪１６３で両端が支持され、作動軸１１０の先端側に装着されたスプリング１６２は、Ｅ型止め輪１６３と、フレーム２の底部に固定されたスプリング押さえ１６４とによって両端が支持されている。
【００４６】
フレーム２の底部には、エアー吸い込み口１７１およびエアー吐出口１７２を備えたケース１７０がボルト１７３で固定され、エアー吸い込み口１７１にはフィルタ１７４が装着されている。ケース１７０の内側にはシリンダケース１２０が配置され、シリンダケース１２０の底部において、エアー吸い込み口１７１と対峙する部分には、バルブ押さえ１４３によってバルブ１４１が固定され、エアー吐出口１７２と対峙する部分にはバルブ押さえ１４４によってバルブ１４２が固定されている。
【００４７】
シリンダケース１２０の内部は、シリンダケース１２０の底部との間にシリンダ室１２２を構成するピストン１３０が配置され、このピストン１３０の側面には、シリンダケース１２０の内周側面との気密を確保するための加圧リング１３５が装着されている。
【００４８】
ピストン１３０に対しては、作動軸１１０の先端部分がワッシャ１３７、１３８およびＯリング１３６を介してナット１３９で固定されており、作動軸１１０の振動によって、ピストン１３０が軸線方向に駆動される。従って、リニアアクチュエータ１によって作動軸１１０が軸線方向の基端側（図面に向かって上方）に移動すると、エアー吸い込み口１７１からシリンダ室１２２内に空気が吸い込まれ、リニアアクチュエータ１によって作動軸１１０が軸線方向の先端側（図面に向かって下方）に移動すると、シリンダ室１２２内の空気がエアー吐出口１７２から吐出される。また、このような作動軸１１０の振動に対してスプリング１６１、１６２が共振するので、小型のリニアアクチュエータ１を用いたエアーポンプ装置１００であっても、優れたポンプ特性を備えている。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のリニアアクチュエータでは、様々な実験、検討を繰り返し行った結果に基づいて、第２のヨークが第１のヨークと対向する２つの対向部分の先端部同士の離間距離を３ｍｍ以下に設定したので、安定した推力を得ることができる。また、対向部分の先端部同士の離間距離を０．５ｍｍ以上に設定した場合には、大きな推力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用したリニアアクチュエータの要部の横断面図、および半断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、このリニアアクチュエータの動作を示す説明図である。
【図３】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを２．５ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を０．３ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７．３ｍｍ、８．３ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図４】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを２．５ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を０．５ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７．５ｍｍ、８．５ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図５】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを２．５ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を１．０ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を９ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図６】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを１．９ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を１．０ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図７】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを１．９ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を３．０ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図８】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを１．９ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を５．０ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図９】本発明を適用したリニアアクチュエータにおいて、マグネットの厚さを１．９ｍｍとし、アウターヨークの先端部分同士の離間距離を７．０ｍｍとし、マグネットの長さ寸法を７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとした場合におけるマグネットの原点位置から軸線方向に移動した距離と、推力の関係を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本発明を適用したリニアアクチュエータを備えたエアーポンプ装置の平面図、断面図、および底面図である。
【図１１】従来のリニアアクチュエータの説明図である。
【符号の説明】
１リニアアクチュエータ
３インナーヨーク（第１のヨーク）
４アウターヨーク（第２のヨーク）
５可動体
６第１の隙間
７第２の隙間
８コイル
９マグネット
４１第１のアウターヨーク部材
４２第２のアウターヨーク部材
４１０アウターヨークの第１の対向部分
４２０アウターヨークの第２の対向部分[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a linear actuator, a pump device using the same, and a compressor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, even in a pump device or a compressor device in which a piston moves linearly in a cylinder, a motor that outputs rotational motion is used as an actuator for the device. The shaft converts the rotary motion into linear motion. For this reason, there is a problem that the power transmission efficiency is low.
[0003]
Therefore, as shown in FIG. 11, a first gap 109 </ b> A opposed to the inner yoke 103 at a position orthogonal to the axial direction and spaced apart from the inner yoke 103 in the axial direction is provided. The outer yoke 104 forming the second gap 109B, the coil 108 for generating an alternating magnetic field having the outer yoke 104, the first gap 109A, the inner yoke 103, and the second gap 109B as magnetic paths, and the inner yoke 103 A linear actuator having a movable body having a magnet 106 that is alternately driven in the axial direction with the outer yoke 104 in conjunction with an alternating magnetic field is being studied.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such a linear actuator, a strong thrust can be obtained by using a magnet having a strong magnetic force, such as an Nd-Fe-B rare earth magnet, as the magnet 106.
[0005]
However, since such a magnet is expensive, it is not preferable in terms of cost to use a magnet having a large size. In addition, when the magnet 106 is enlarged, the movable body becomes heavy. However, if the magnet 106 is small, the thrust changes greatly each time the magnet 106 moves in the axial direction.
[0006]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a linear actuator capable of obtaining a stable thrust without using a large magnet, and a pump device and a compressor device using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the inventor of the present application has repeatedly performed various experiments and studies, and as a result, has reached the following configuration. That is, in the present invention, the first yoke and the first yoke are opposed to the first yoke so as to form a first gap and a second gap that are separated in the axial direction. A second yoke, the second yoke, the first gap, the first yoke, the second gap, and the second yoke are used as magnetic paths for the first gap and the second gap. A linear actuator comprising: a coil for generating an alternating magnetic field in a gap; and a movable body including a magnet between the first yoke and the second yoke and reciprocally driven in an axial direction in conjunction with the alternating magnetic field. In the second yoke, the first yoke is formed from a portion located on the outer peripheral side of the coil, through the both end surfaces of the coil, a first opposing portion forming the first gap on the tip end side, and the second gap. The second opposing part that constitutes Extending to a position facing the first yoke, and a separation distance between a tip of the first facing portion and a tip of the second facing portion is set to 3 mm or less. And
[0008]
In the present invention, since the distance between the tip of the first facing portion of the second yoke and the tip of the second facing portion is set to 3 mm or less, the length of the magnet in the axial direction is, for example, about 9 mm. In this case, a stable thrust can be obtained.
[0009]
In the present invention, it is preferable that a distance between the tip of the first facing portion and the tip of the second facing portion is set to 0.5 mm or more. If the distance between the tip of the first facing portion and the tip of the second facing portion is less than 0.5 mm, the tip of the first facing portion and the tip of the second facing portion Since the leakage of the magnetic flux becomes large between the above and the above, if the separation distance is set to 0.5 mm or more, such leakage can be prevented, and a large thrust can be obtained.
[0010]
The linear actuator according to the present invention can be used as a pump device or a compressor device for supplying various fluids.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A linear actuator to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0012]
(overall structure)
1A and 1B are a cross-sectional view and a half-sectional view, respectively, of a main part of a linear actuator to which the present invention is applied.
[0013]
1A and 1B, a linear actuator 1 of the present embodiment is used for a pump device or a compressor device for supplying various fluids, and includes a frame 2 for holding a stator side and a frame 2 for holding the stator. And a movable body 5 which can reciprocate along the axis A.
[0014]
In this embodiment, an inner yoke 3 (first yoke), an outer yoke 4 (second yoke) arranged outside the inner yoke 3, and an inner yoke 4 are arranged on the frame 2. Coil 8 is mounted. The movable body 5 includes a magnet 9 between the inner yoke 3 and the outer yoke 4. The bottom 51 of the movable body 5 is a fixed portion on the base end side of a round or cylindrical operating shaft (not shown).
[0015]
In the present embodiment, the inner yokes 3 are divided and arranged at positions corresponding to sides of a regular octagon when viewed from the axial direction, and eight inner yokes 3 are arranged at equal angular intervals in the circumferential direction. Each inner yoke 3 has, for example, a flat plate shape made of a laminate of magnetic plates, and both a surface (outer surface) facing the outer yoke 4 and a back surface (inner surface) thereof are flat.
[0016]
The outer yokes 4 are also divided and arranged at positions corresponding to sides of a regular octagon when viewed from the axial direction, and are held by the holders 21 and 22 in a state where eight outer yokes 4 are arranged at equal angular intervals in the circumferential direction.
[0017]
In the present embodiment, the outer yoke 4 has a configuration in which first and second outer yoke members 41 and 42 having a U-shaped cross section are vertically stacked. The first and second outer yoke members 41 and 42 are formed of, for example, a laminate of magnetic plates.
[0018]
The first and second outer yoke members 41, 42 pass through both end surfaces of the coil 8 from the portion located on the outer peripheral side of the coil 8, and the distal ends thereof form the first facing portion 410 and the second facing portion 420, respectively. It is extended to a position facing the outer peripheral surface of the yoke 3, between the outer peripheral surface of the inner yoke 3 and the first facing portion 410, and between the outer peripheral surface of the inner yoke 3 and the second facing portion 420. The first gap 6 and the second gap 7 are separated from each other in the axial direction.
[0019]
Here, on the outer peripheral side of the coil 8, ends 419 and 429 of the first and second outer yoke members 41 and 42 are in contact with each other.
[0020]
On the other hand, the distal ends of the first opposing portion 410 and the second opposing portion 420 of the outer yoke members 41 and 42 are separated from each other by a predetermined distance G.
[0021]
In the present embodiment, the separation distance G between the distal end of the first opposing portion 410 and the distal end of the second opposing portion 420 is set to 0.5 mm or more and 3 mm or less based on the examination result described later. .
[0022]
The movable body 5 is disposed so that a magnet 9 made of, for example, an Nd—Fe—B-based rare earth magnet straddles the first gap 6 and the second gap 7 between the inner yoke 3 and the outer yoke 4. In No. 9, the front and back sides are respectively magnetized to opposite poles.
[0023]
As the magnet 9, a plate-shaped magnet is used. In the movable body 5, the magnet 9 is held with both ends inserted into a groove 520 formed in a resin magnet holding portion 52. The magnet holding portion 52 has a substantially triangular planar shape when viewed from the axial direction, and a portion corresponding to the apex of the triangle is wedge-shaped between the adjacent inner yokes 3 while corresponding to the base of the triangle. The portion to be inserted enters between the adjacent outer yokes 4.
[0024]
In the outer yoke 4, a coil bobbin 80 made of a resin molded product is disposed in a space defined between the first and second outer yoke members 41 and 42, and a coil 8 is attached to a body portion 81 of the coil bobbin 80. Is wound. The winding portion of the coil 8 in the coil bobbin 80 is covered with a resin cover 89 on the outside.
[0025]
(motion)
FIGS. 2A and 2B are explanatory diagrams showing the operation of the linear actuator.
[0026]
In the linear actuator 1 of the present embodiment, when the inner surface of the magnet 9 is magnetized to the S pole and the outer surface is magnetized to the N pole, as shown in FIGS. , A magnetic field indicated by dotted arrows B1 and B2 is generated. When an alternating current is passed through the coil 8 in this state, as shown in FIG. 2A, a magnetic field indicated by a dotted arrow B3 is generated during a period in which the current flows from the other side of the drawing to the nearer side. On the side of the first gap 6, the direction of the magnetic field from the magnet 9 and the direction of the line of magnetic force from the coil 8 are the same, while on the side of the second gap 7, the direction of the magnetic field from the magnet 9 and the line of magnetic force from the coil 8. The directions are opposite. As a result, a force is applied to the magnet 9 in a downward direction in the axial direction (toward the second gap 7).
[0027]
On the other hand, as shown in FIG. 2B, during a period in which a current flows from the near side of the drawing to the other side, a magnetic field indicated by a dotted arrow B4 is generated, On the other hand, the direction of the magnetic field from the magnet 9 and the direction of the magnetic field lines from the coil 8 are the same on the second gap 7 side. As a result, a force is applied to the magnet 9 in an upward direction (toward the first gap 6) in the axial direction.
[0028]
In this manner, the direction of the force applied in the axial direction is switched in the magnet 9 in accordance with the direction of the alternating magnetic field generated by the coil 8. Therefore, the movable body 5 integrated therewith vibrates in the axial direction and is attached to the movable body 5. A reciprocating linear motion can be output from the piston. Further, since the outer yoke 4, the inner yoke 3, and the magnet 9 are formed so as to have an octagonal shape or an annular shape when viewed from the axial direction, a thrust to the movable body 5 can be obtained from the entire circumferential direction. it can.
[0029]
(Results of study on separation distance G)
In the linear actuator 1 of this embodiment, an expensive Nd—Fe—B-based rare earth magnet is used as the magnet 9. For this reason, based on the following study results, the first opposing portions 410 and the second opposing portions 410 of the outer yoke members 41 and 42 are obtained so that a stable thrust can be obtained even if the cost is kept low by using a relatively small magnet 9. Is set to be 3.0 mm or less. Further, based on the following study results, the distance between the distal ends of the first opposing portions 410 and the second opposing portions 420 of the outer yoke members 41 and 42 so that a relatively large magnet 9 can obtain a large thrust. The distance G is set to 0.5 mm or more.
[0030]
In conducting such a study, the separation distance G between the distal end portions of the first and second opposed portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42, the length dimension M of the magnet, and the thickness t of the magnet 9 In various cases, the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet 9 and the thrust was examined.
[0031]
Under any conditions, the number of turns of the coil 8 was 450 turns, the holding force of the magnet 9 was 1000 kA / m, and the gap between the facing portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42 and the magnet 9 was 0.5 mm. is there.
[0032]
First, FIG. 3 shows the following conditions. The thickness t of the magnet 9 is 2.5 mm.
Separation distance G between tip parts: 0.3 mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 7.3 mm and 8.3 mm are shown by lines L1 and L2, respectively.
[0033]
FIG. 4 shows the following conditions. The thickness t of the magnet 9 is 2.5 mm.
Separation distance G between tip parts: 0.5 mm
The results obtained when the length dimension M of the magnet 9 is 7.5 mm and 8.5 mm are indicated by lines L11 and L12, respectively.
[0034]
FIG. 5 shows the following conditions: thickness t of magnet 9: 2.5 mm
Separation distance G between tip parts: 1.0 mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 9 mm, 7 mm, and 8 mm are shown by lines L21, L22, and L23, respectively.
[0035]
FIG. 6 shows the following conditions: The thickness t of the magnet 9 is 1.9 mm.
Separation distance G: 1.0mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm, and 17 mm are indicated by lines L31, L32, L33, L34, L35, and L36, respectively.
[0036]
FIG. 7 shows the following conditions: The thickness t of the magnet 9 is 1.9 mm.
Separation distance G: 3.0 mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm, and 17 mm are indicated by lines L41, L42, L43, L44, L45, and L46, respectively.
[0037]
FIG. 8 shows the following conditions: The thickness t of the magnet 9 is 1.9 mm.
Separation distance G: 5.0 mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm, and 17 mm are shown by lines L51, L52, L53, L54, L55, and L56, respectively.
[0038]
FIG. 9 shows the following conditions: The thickness t of the magnet 9 is 1.9 mm.
Separation distance G: 7.0 mm
The results when the length dimension M of the magnet 9 is 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm, and 17 mm are indicated by lines L61, L62, L63, L64, L65, and L66, respectively.
[0039]
From these results, when the separation distance G between the distal end portions of the first and second opposed portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42 is 5 mm and 7 mm (see FIGS. 8 and 9), Since the flatness in a region where a large thrust is obtained is low, it can be said that the stability of the thrust is low.
[0040]
On the other hand, when the distance G between the distal end portions of the first and second opposed portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42 is 3.0 mm or less (see FIGS. 3 to 7). In this case, since the flatness in a region where a large thrust is obtained is good, it can be said that the stability of the thrust is high.
[0041]
In particular, when the distance G between the distal ends of the first and second opposed portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42 is 1.0 mm or less (see FIGS. 3 to 6). Even when the length of the magnet 9 is 7 mm or less, the stability of the thrust is particularly high because the flatness is good in a region where a large thrust is obtained.
[0042]
However, the smaller the distance G between the distal end portions of the first and second opposed portions 410, 420 of the outer yoke members 41, 42, the smaller the first and second opposed portions 410 of the outer yoke members 41, 42. , 420, the magnetic flux leaks from each other, and as can be seen from FIGS. 3 to 5, the level of the thrust tends to decrease in the region where the high thrust is obtained. Therefore, from the viewpoint that the actuator 1 of the present embodiment can be used for various applications, the separation distance G between the distal end portions of the first and second opposed portions 410 and 420 of the outer yoke members 41 and 42 is considered. Is preferably set to 0.3 mm or more.
[0043]
[Example of mounting on pump device and compressor device]
The linear actuator 1 to which the present invention is applied can be applied to a pump device and a compressor device as described with reference to FIGS. 10A, 10B, and 10C.
[0044]
10A, 10B, and 10C are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view, respectively, of an air pump device to which the present invention is applied. In FIG. The part is surrounded by a thick line.
[0045]
10A, 10B, and 10C, in the air pump device 100 according to the present embodiment, the nut 153 is connected to the movable body 5 of the linear actuator 1 with the base end of the operating shaft 110 via the washers 151 and 152. And the operating shaft 110 is in a state of penetrating through the hole 16 of the frame 2 holding the inner yoke 3. The base end of the operation shaft 110 is supported by a bearing 154 held by the frame 2, and two springs 161 and 162 are mounted around the operation shaft 110. Among the two springs 161 and 162, the spring 161 mounted on the base end side of the operating shaft 110 has a step 17 formed in the hole 16 of the frame 2 and an E-shaped stopper mounted on the operating shaft 110. Both ends are supported by a ring 163, and both ends of a spring 162 mounted on the distal end side of the operating shaft 110 are supported by an E-shaped retaining ring 163 and a spring retainer 164 fixed to the bottom of the frame 2.
[0046]
A case 170 having an air suction port 171 and an air discharge port 172 is fixed to the bottom of the frame 2 with bolts 173, and a filter 174 is mounted on the air suction port 171. The cylinder case 120 is disposed inside the case 170, and at the bottom of the cylinder case 120, at a portion facing the air suction port 171, a valve 141 is fixed by a valve retainer 143, and at a portion facing the air discharge port 172. The valve 142 is fixed by a valve retainer 144.
[0047]
Inside the cylinder case 120, a piston 130 forming a cylinder chamber 122 is arranged between the cylinder case 120 and the bottom of the cylinder case 120, and the side surface of the piston 130 is for ensuring airtightness with the inner peripheral side surface of the cylinder case 120. Pressure ring 135 is mounted.
[0048]
The distal end of the operating shaft 110 is fixed to the piston 130 by a nut 139 via washers 137 and 138 and an O-ring 136. The vibration of the operating shaft 110 drives the piston 130 in the axial direction. Therefore, when the operating shaft 110 is moved toward the base end in the axial direction (upward in the drawing) by the linear actuator 1, air is sucked into the cylinder chamber 122 from the air suction port 171, and the operating shaft 110 is moved by the linear actuator 1. When it moves to the tip side in the axial direction (downward in the drawing), the air in the cylinder chamber 122 is discharged from the air discharge port 172. Further, since the springs 161 and 162 resonate with the vibration of the operation shaft 110, the air pump device 100 using the small linear actuator 1 has excellent pump characteristics.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, in the linear actuator of the present invention, based on the results of repeated experiments and studies, the distance between the tips of the two opposing portions of the second yoke opposing the first yoke is determined. Is set to 3 mm or less, a stable thrust can be obtained. Also, when the distance between the distal ends of the opposing portions is set to 0.5 mm or more, a large thrust can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a cross-sectional view and a half-sectional view, respectively, of a main part of a linear actuator to which the present invention is applied.
FIGS. 2A and 2B are explanatory views showing the operation of the linear actuator.
FIG. 3 shows a linear actuator to which the present invention is applied. The thickness of the magnet is 2.5 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 0.3 mm, and the length of the magnet is 7.3 mm. 7 is a graph showing the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust when the distance is 3 mm.
FIG. 4 shows a linear actuator to which the present invention is applied. The thickness of the magnet is 2.5 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 0.5 mm, and the length of the magnet is 7.5 mm. 6 is a graph showing the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust when the distance is 5 mm.
FIG. 5 shows a linear actuator to which the present invention is applied. The thickness of the magnet is 2.5 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 1.0 mm, and the length of the magnet is 9 mm, 7 mm, and 8 mm. 7 is a graph showing the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust in the case where the magnet was moved.
FIG. 6 shows a linear actuator to which the present invention is applied. The thickness of the magnet is 1.9 mm, the distance between the tip portions of the outer yoke is 1.0 mm, and the length of the magnet is 7 mm, 9 mm, 11 mm, It is a graph which shows the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust in the case of 13 mm, 15 mm, and 17 mm.
FIG. 7 shows a linear actuator to which the present invention is applied, in which the thickness of the magnet is 1.9 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 3.0 mm, and the length of the magnet is 7 mm, 9 mm, 11 mm, It is a graph which shows the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust in the case of 13 mm, 15 mm, and 17 mm.
FIG. 8 shows a linear actuator to which the present invention is applied, in which the thickness of the magnet is 1.9 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 5.0 mm, and the length of the magnet is 7 mm, 9 mm, 11 mm, It is a graph which shows the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust in the case of 13 mm, 15 mm, and 17 mm.
FIG. 9 shows a linear actuator to which the present invention is applied, wherein the thickness of the magnet is 1.9 mm, the distance between the distal ends of the outer yoke is 7.0 mm, and the length of the magnet is 7 mm, 9 mm, 11 mm. It is a graph which shows the relationship between the distance moved in the axial direction from the origin position of the magnet and the thrust in the case of 13 mm, 15 mm, and 17 mm.
FIGS. 10A, 10B, and 10C are a plan view, a sectional view, and a bottom view, respectively, of an air pump device including a linear actuator to which the present invention is applied.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a conventional linear actuator.
[Explanation of symbols]
1 linear actuator 3 inner yoke (first yoke)
4. Outer yoke (second yoke)
5 Movable body 6 First gap 7 Second gap 8 Coil 9 Magnet 41 First outer yoke member 42 Second outer yoke member 410 First facing portion of outer yoke 420 Second facing portion of outer yoke

Claims

A first yoke, a second yoke opposed to the first yoke so as to form a first gap and a second gap separated in the axial direction between the first yoke; An alternating magnetic field is generated in the first gap and the second gap using the second yoke, the first gap, the first yoke, the second gap, and the second yoke as magnetic paths. A linear actuator comprising: a coil to be driven; and a movable body including a magnet between the first yoke and the second yoke, and reciprocally driven in an axial direction in conjunction with the alternating magnetic field.
The second yoke passes through both end surfaces of the coil from a portion located on the outer peripheral side of the coil, and a leading end side constitutes a first opposing portion forming the first gap, and the second gap. As a second facing portion, extending to a position facing the first yoke,
A linear actuator, wherein a distance between a tip of the first facing portion and a tip of the second facing portion is set to 3 mm or less.

2. The linear actuator according to claim 1, wherein a distance between a tip of the first facing portion and a tip of the second facing portion is set to 0.5 mm or more. 3.

A pump device using the linear actuator defined in claim 1 or 2.

A compressor device using the linear actuator defined in claim 1 or 2.