JP2005209839A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 固定子マグネット８のヨーク２内における磁力伝達がスムーズに行われ、コイル６を通さない良好な磁路を形成し、固定子マグネット８が強い磁力を有していなくとも、可動子５に対し、無励磁状態での停止保持と、励磁による磁気推力を効率よく与えることができ、しかも、用途に応じた移動ストロークに調整することができ、短ストロークだけでなく長ストロークにも対応できるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】 固定子マグネット８とコイル６間に磁路変換手段７を介装させて、固定子マグネット８の磁力がコイル６を通してヨーク胴部２１へ伝達されないようにし、可動子５がヨーク両側部２２、２３の何れか一側部に移動した際、磁路変換手段７を介して固定子マグネット８からヨーク他側部２２または２３への磁路を形成させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁式のリニアアクチュエータに関し、特に、ヨーク内に良好な磁路を形成することのできるリニアアクチュエータに関する。

一般に、この種リニアアクチュエータは、エアコンプレッサーのピストンやひげ剃り器の刃などを連続的に振幅させるために用いられるが、これらの振幅には、用途に起因する振幅抗力に対応して、可動子に強い往復駆動力を与えて移動させる必要がある。
ところで従来、特表平８−５１０３６１号公報に開示されたものの如く、断面略凹状のヨーク内中央に、コイルと共に固定子マグネット（永久磁石）を配設し、この固定子マグネットと略同幅の可動子を、ヨーク内に嵌装させ、ヨークの両側部との間において、それぞれ１ｍｍ幅の傾斜状磁極間隙を形成させて、軸方向に２ｍｍの短ストロークをもって連続振幅するようにしたものが知られている。

しかしながら、このものは、図５（Ａ）〜（Ｃ）の動作原理図に示すように、固定子Ｍを永久磁石とした構成により、ヨーク側部Ｙ１、Ｙ２への磁極切換が確実に行われ、可動子Ｋの移動方向を決めることができる利点があるものの、メインルートとなる固定子マグネットＭからヨークＹへの磁路がコイルを通じて形成されているようになっているため、その構造上、コイルＣが高磁気抵抗部材となって、固定子マグネットＭからヨーク側部Ｙ１への磁力伝達を微弱なものとしてしまい、無励磁状態において、可動子Ｋをヨーク側部Ｙ２位置で停止保持するためには、強い磁気力を持った高エネルギー、径方向指向磁石のような高価な固定子マグネットＭを用いることが強いられる。
しかも、通電により５図（Ａ）の如くヨーク側部Ｙ３の極を励磁すると、ヨーク両側部Ｙ２では固定子マグネットＭの磁気力が作用し、ヨーク両側部Ｙ３ではコイルＣによる磁気推力Ｆが作用し、それぞれ背反方向に流れる２つの磁界（磁束ループ）が生成されてしまうため、無励磁状態でヨーク側部Ｙ２に強く磁着された可動子Ｋを、５図（Ｂ）の如く通電電流により発生する磁気推力Ｆをもって引き離し、５図（Ｃ）の如くヨーク側部Ｙ３に移動するためには、コイルＣの起磁力を、固定子マグネットＭの強い磁力に勝る磁力をもって励磁する必要が生じ、その結果、コイルスペースを大きく取ってコイルＣの捲線数を多くしなければならないという問題を有している。
このため、磁極間隙を大きく（５〜３０ｍｍ程度）設定して長ストロークを振幅することが困難であるばかりか、前記高価な固定子マグネットＭを要することと相俟って、装置のコンパクト化を図ることが難しく、装置自体が大型化し、安価に製作することができず、その用途範囲も限られたものとなっていた。

特表平８−５１０３６１号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、固定子マグネットのヨーク内における磁力伝達がスムーズに行われ、良好な磁路を形成すると共に、可動子を、用途に応じた移動ストロークに調整し得て、短ストロークだけでなく長ストロークにも対応でき、また、励磁、無励磁においても強力に位置決め保持出来るリニアアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、固定子マグネットを、コイルと共に磁路を形成する断面略凹状のヨーク内に配設する一方、所定手段によって支持される可動子を、前記固定子マグネットに対向せしめて配設し、前記コイルへの正逆切り替え通電により、前記ヨークの両側部をそれぞれＮ極またはＳ極に励磁し磁界を形成することで、可動子に推力を与えて往復駆動すべく構成されたリニアアクチュエータであって、前記固定子マグネットとコイル間には、前記可動子が前記ヨーク両側部の何れか一側部に移動した際、前記固定子マグネットからヨーク他側部への磁路を形成せしめる磁路変換手段が介装されていることを特徴とするものである。

本発明におけるリニアアクチュエータは、可動子を強磁性体とし、固定子を永久磁石としてコイルと共にヨーク内に配設したものでありながら、メインルートとなる固定子マグネットからヨークへの磁路をコイルを通さずに形成することができ、固定子マグネットのヨーク内における磁力伝達をスムーズに行なわしめ、無励磁状態における停止位置側となるヨーク側部では、固定子マグネットによる磁束ループを、ヨーク一側部側から他側部に流れるものと、ヨーク一側部から直接可動子に流れるものとの２種ループを同一方向に生成することができ、固定子マグネットが殊更強い磁気力を有していなくとも、可動子を強固に位置決め保持することができる。しかも、通電時に固定子マグネットの磁気力が作用して磁界が背反して生成されてしまうことが無く、励磁により磁束ループを瞬時に反転させて、可動子に対し、停止位置側となるヨーク側部では固定子マグネットによる磁気力を打ち消し、移動側となるヨーク側部ではコイルの起磁力による磁気推力を与えて、可動子を移動することができる。その結果、強い磁気力をもった固定子マグネットや捲線数の多いコイルを用いる必要が無く安価なものを採用でき、装置全体をコンパクトなものとし得るばかりか、可動子をヨーク内に嵌装して磁極間隙を設けない構成で配設でき、短ストロークだけでなく長ストロークにも対応することが可能となり、用途に応じた移動ストロークに調整設定して提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、好適な実施の形態として例示するリニアアクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。

図１はリニアアクチュエータの半部断面構成図である。図に示すように、１はリニアアクチュエータであって、該リニアアクチュエータ１は、アクチュエータ本体の筒状胴部および磁路を形成する鉄、磁性ステンレス等よりなるヨーク２と、該ヨーク２両側に配設されたフランジ３、３の中心に設けられた軸受け４、４と、該軸受け４に軸方向移動可能に軸装される軸部を有する可動子５とを備え、前記ヨーク２内には、その内壁に設けられた樹脂製のコイルボビン６１に巻着されたコイル６と共に、コイルボビン６１に隣設して磁路変換手段７、および永久磁石よりなる固定子マグネット８が中央に対称配設されている。なお、９は可動子５の移動ストロークを規制するために要・不要に応じて設けられるストッパであり、コイルスプリング、ゴムや樹脂製ブロック等任意のものが用いられる。また、コイル６には、バイポーラ駆動用のモノファイラー捲線（単巻き）、ユニポーラ駆動用のバイファイラー捲線（２重巻き）等の所定の捲線が施される。

前記ヨーク２は、断面略凹状に形成されて胴部２１および左右側部２２、２３とで構成され、さらにヨーク側部２２、２３の端部には、内側軸方向となる固定子マグネットに向けて折曲形成せしめた鍔部２２ａ、２３ａが、前記固定子マグネット８の面と略同面となるように延設されている。
前記可動子５は、強磁性体であり、ヨーク側部２２または２３に当接しないよう配設され、かつ、前記固定子マグネット８の幅よりも長尺となるように、固定子マグネット８の幅と、鍔部２２ａ（鍔部２３ａ）と固定子マグネット８との対向空間を加えた幅に設定されており、前記ヨーク側部２２、２３の何れか一側部方向の最大ストロークＳ２端まで移動した際に、ヨーク側部２２（２３）と固定子マグネット８間に掛け渡るようになっている。これにより、可動子５は、前記コイル６への正逆切り替え通電により、鍔部２２ａ（鍔部２３ａ）をそれぞれＮ極またはＳ極に励磁し磁界を形成することで、可動子５に推力Ｆを与えて往復駆動すべく構成され、その移動量は、ストッパ９を設けることにより任意に位置決め規制できる可変ストロークＳ１（５ｍｍ以上）と、最大ストロークＳ２（３０ｍｍ程度）を移動することができるようになっている。

前記磁路変換手段７は、鉄等の強磁性体よりなる一対の棒状（または筒状、板状）部材７１と７２が高磁気抵抗部７３を介して対設構成されており、前記可動子５がヨーク両側部２２、２３の何れか一側部に移動した際、固定子マグネット８のコイル６への磁力伝達を遮断し、それぞれヨーク側部２２とヨーク側部２３へ磁力伝達が図られて磁路を分担形成するようになっている。つまり、前記高磁気抵抗部７３は、空隙、樹脂部材、非磁性金属等で構成され、棒状部材７１と７２との磁路短絡を防止し、固定子マグネット８の磁力が棒状部材７１を通ってヨーク側部２２に伝達され、ヨーク側部２３から可動子５に伝達されずに直接棒状部材７２伝達されてしまうことを回避している。なお、棒状部材７１と７２を分割して構成したが、部材の組付け易さ等を勘案して、中央に高磁気抵抗部７３としてのＶ溝、Ｕ溝が形成された一体ものとして構成しても良い。また、磁路変換手段７は、棒状部材７１および７２と高磁気抵抗部７３との三位一体で構成したが、棒状部材７１または７２の何れか一方としても良く、その場合には高磁気抵抗部７３が不要となる。

叙述の如く構成された本発明の実施例の形態において、コイル６への正逆切り替え通電により、ヨーク２の両側部２２、２３をそれぞれＮ極またはＳ極に励磁し磁界（磁束ループ）を形成することで、可動子５に磁気推力を与えて往復駆動するのであるが、本発明によるリニアアクチュエータ１は、前記固定子マグネット８とコイル６間には、ヨーク側部２２（２３）との磁気抵抗を低くし固定子マグネット８の磁力がコイル６を通してヨーク胴部２１へ伝達されることを規制して、前記可動子５が前記ヨーク両側部２２、２３の何れか一側部に移動した際、前記固定子マグネット８からヨーク他側部２２または２３への磁路を強制的に形成せしめる磁路変換手段７が介装されている。なお、ヨーク２は円筒状によらず、平型凹状等任意の使用目的に応じて変更することができ、要はコイル６と固定子マグネット８間に磁路変換手段７が介装されたもので有ればよい。

つまり、図２に示すように、可動子５がヨーク側部２２（鍔部２２ａ）側に停止している非通電時（無励磁状態）においては、固定子マグネット８の磁力が磁路変換手段７の棒状部材７１と７２を通って、それぞれヨーク側部２２（鍔部２２ａ）方向とヨーク側部２３（鍔部２３ａ）方向へ振り分けられて流れる。ヨーク側部２３（鍔部２３ａ）方向に流れたものは、ヨーク胴部２１を通ってヨーク側部２２（鍔部２２ａ）から可動子５に流れ、ヨーク２全体を媒体とした外周の磁束ループΦ１を形成し、ヨーク側部２２（鍔部２２ａ）方向に流れたものは、直接可動子５に流れる内周の磁束ループΦ２を形成することができる。これにより、メインルートとなる固定子マグネット８からヨーク２への磁路をコイル６を通さずに形成することができ、固定子マグネット８のヨーク２内における磁力伝達をスムーズに行なわしめ、無励磁状態における可動子５を、その停止位置となるヨーク側部２２（鍔部２２ａ）で、固定子マグネット８が殊更強い磁気力を有していなくとも効率よく磁力が伝達され、前記同一方向に生成される２種の磁束ループΦ１と磁束ループΦ２の共同作用により強固に位置決め保持することができる。
なお、可動子５が反対方向（ヨーク側部２３）に移動し停止した状態では、磁束ループΦ１、Φ２の磁力の流れが対象反転されて形成されるが、停止保持機能を主体とする磁束ループΦ２が一方においてのみ形成されればよい場合、例えば、バルブ制御において閉弁時に保持力が要求されるものや、連続振幅を必要としないものなどでは、磁路変換手段７を棒状部材７２（または７１）のみで構成しても良く、用途や目的に応じた使用ができ、応用範囲を拡大し得る利点がある。

そして、この無励磁状態でコイル６に通電すると、図３に示すように、ヨーク２の二つの極（鍔部２２ａ、鍔部２３ａ）にはそれぞれＳ極、Ｎ極が励磁される。通電により鍔部２２ａの極にＳ極、鍔部２３ａの極にＮ極が励磁されると、磁束は、前記磁束ループΦ１の下向きの流れが上向きに逆転されて右回りの磁束ループΦ３が生じる。この磁束によって可動子５にはヨーク側部２３方向への磁気推力Ｆが発生し移動するのであるが、その際、磁束ループΦ３は、可動子５で分流され、磁束ループΦ１の磁界ルートである棒状部材７１方向へ流れるループΦ３ａと、磁束ループΦ２の磁界ルートを逆流する状態で鍔部２３ａ方向へ流れるループΦ３ｂが生成され、ループΦ３ｂは、前記磁束ループΦ２を反発磁力をもって打ち消し、可動子５への固定子マグネット８による保持磁力を弱めて引き離しを助ける初動の補助推力として作用する。

この様に初期推力が与えられた可動子５が中間地点（高磁気抵抗部７３）を過ぎると、図４に示す如く、磁束ループΦ３ｂは略消失するが、鍔部２３ａの極側には新たな磁束ループΦ３ｃが生じ、磁束ループΦ３と共同して可動子５を強く吸着し、前記ストロークＳ２端で推力がゼロとなり磁着力のみにより移動停止させることができる。
コイル６の通電方向を逆にするとヨーク２の極に励起される磁極が逆になり、可動子５は逆方向に移動し、この通電方向の切替により可動子５は軸方向に往復運動し、前記ストッパー９の使い分けや通電電流の制御により移動ストロークを設定し必要振幅を得ることができる。

したがって、可動子５を強磁性体とし、固定子（固定子マグネット８）を永久磁石としてコイル６と共にヨーク２内に配設した構成により、通電時においては、磁極切換が確実に行われ、可動子５を移動すべき往復駆動する方向に推力Ｆを与えることができると共に、前記ヨーク両側部２２，２３の何れか一側部が励磁された際に、固定子マグネット８からヨーク他側部への磁路を形成せしめる磁路変換手段７が介装されていることにより、磁束ループΦ３は、磁束ループΦ１とΦ２の磁界ルートをそのままに、励磁により瞬時に反転（逆流）させて生成でき、従来の如く固定子マグネット８の磁気力が作用して磁界が背反して生成されてしまうことが無くなり、可動子５に対し、停止位置側となるヨーク側部２２（２３）では固定子マグネット８による磁気力の影響を、磁束ループΦ３ａと３ｂの共同作用により打ち消して初期推力を効率よく与えることができ、さらに、移動側となるヨーク側部２３（２２）ではコイル６の起磁力による磁束ループΦ３とΦ３ｃとの共同磁力によって推力を与えて、可動子５を移動停止することができる。その結果、従来の如き強い磁気力をもった固定子マグネットや捲線数の多いコイルを用いる必要が無くなり、安価なものを採用でき、装置全体をコンパクトなものとし得るばかりか、可動子５をヨーク２内に嵌装して磁極間隙を設けない構成で配設でき、短ストロークだけでなく長ストロークにも対応することが可能となり、用途に応じた移動ストロークに調整設定して提供することができる。

また、前記磁路変換手段７は、前記ヨーク２の一側部２２（２３）方向と他側部２３（２２）方向への磁路をそれぞれ分担形成せしめる高磁気抵抗部７３を存して一対の棒状部材７１と７２とで構成されているので、前記可動子５が前記ヨーク２の何れか一側部方向で移動停止した際に、当該一側部２２（２３）、磁路変換手段７、固定子マグネット８の三部材間、つまり、固定子マグネット８と磁極（鍔部２２ａ、鍔部２３ａ）とヨーク２（２１、２２、２３）の磁気抵抗が低い部材間において磁界を形成させることができるので、固定子マグネット８のコイル６への磁力伝達を遮断すると共に、無励磁状態では、磁束ループΦ１とΦ２が形成され可動子５を強力に位置保持でき、通電時においては、ループΦ３ａとΦ３ｂの共同作用による磁束ループΦ３が形成されて可動子５に強力な初期推力を与え、さらに移動側においてはループΦ３ｃとの共同作用による磁束ループΦ３が形成されて可動子５を吸着することで推力を与え移動停止することができ、前記棒状部材７１（７２）と重なり合うストロークＳ１の範囲において、停止位置を自由に設計し調整することができる。

また、前記可動子５は、前記固定子マグネット８幅よりも長尺に設定されているので、移動ストロークの何れの位置でも固定子マグネット８とヨーク側部２２（２３）との間において、励磁、無励磁状態における磁力伝達をスムーズに行うことができ、また、前記固定子マグネット８は、前記ヨーク２の両側部２２、２３の端面と略同面となるよう配設せしめると共に、前記可動子５を、前記ヨーク２の何れか一側部２２（２３）方向に移動した際に、当該ヨーク側部に当接しないよう配設せしめてあるので、ストッパ９のない態様で往復駆動することができる。
また、さらに、前記ヨークの両側部２２、２３は、それぞれ前記固定子マグネット８に向けて鍔部２２ａと２３ａとが折曲形成されているので、可動子５へ向けたスムーズな磁力伝達を図ることができる。

リニアアクチュエータの半部断面構成図。 無励磁状態の磁界説明図。 通電時の磁界および動作説明図。 通電後の磁界および動作説明図。 従来の動作原理の説明図。

符号の説明

１ リニアアクチュエータ
２ ヨーク
２１ ヨーク胴部
２２ ヨーク側部
２２ａ 鍔部
２３ ヨーク側部
２３ａ 鍔部
３ フランジ
４ 軸受け
５ 可動子
６ コイル
６１ コイルボビン
７ 磁路変換手段
７１ 棒状部材
７２ 棒状部材
７３ 高磁気抵抗部
８ 固定子マグネット
９ ストッパ
Φ１ 磁束ループ
Φ２ 磁束ループ
Φ３ 磁束ループ
Φ３ａ 磁束ループ
Φ３ｂ 磁束ループ
Φ３ｃ 磁束ループ
Ｆ 磁気推力
Ｓ１ 可変ストローク
Ｓ２ 最大ストローク

Claims (9)

1. 固定子マグネットを、コイルと共に磁路を形成する断面略凹状のヨーク内に配設する一方、所定手段によって支持される可動子を、前記固定子マグネットに対向せしめて配設し、前記コイルへの正逆切り替え通電により、前記ヨークの両側部をそれぞれＳ極またはＮ極に励磁し磁界を形成することで、可動子に推力を与えて往復駆動すべく構成されたリニアアクチュエータであって、前記固定子マグネットとコイル間には、前記可動子が前記ヨーク両側部の何れか一側部に移動した際、前記固定子マグネットからヨーク他側部への磁路を形成せしめる磁路変換手段が介装されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記磁路変換手段は、鉄等の強磁性体であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 請求項１または２において、前記磁路変換手段は、前記ヨークの一側部方向と他側部方向への磁路をそれぞれ分担形成せしめる高磁気抵抗部を存して一対に構成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 請求項３において、前記高磁気抵抗部は、空隙、樹脂部材、非磁性金属等で形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 請求項３または４において、前記磁路変換手段は、前記可動子が前記ヨークの何れか一側部方向で移動停止した際に、当該一側部、磁路変換手段、固定子マグネットの三部材間において磁界を形成させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、前記可動子は、前記固定子マグネット幅よりも長尺に設定されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記固定子マグネットは、前記ヨークの両側部端面と略同面となるよう配設せしめると共に、前記可動子を、前記ヨークの何れか一側部方向に移動した際に、当該ヨーク側部に当接しないよう配設せしめたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
8. 請求項７において、前記可動子の移動方向には、該可動子の移動を規制するストッパが設けられていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
9. 請求項１乃至８の何れかにおいて、前記ヨークの両側部は、それぞれ前記固定子マグネットに向けて折曲形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。