JP2005348469A - リニアオシレータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で高速動作に適したリニアオシレータを提供する。
【解決手段】軸２１と第１の磁石２２とを有する可動部２と、回転モータ３１と回転モータ３１の回転軸３１１に接続される第２の磁石３２とを有する固定部３と、をケース１に備え、可動部２は、弾性部材５を介して軸方向に移動可能にケース１に支持され、固定部３は、第１の磁石２２と第２の磁石３２とが対向するように配設され、回転モータ３１の回転に応じて可動部２に軸方向の力を生ずるようにしたリニアオシレータであって、第１の磁石２２と第２の磁石３２は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域において、略全面にわたって軸方向に略直交し互いに対向する対向面を有するとともに、該対向面には略全面にわたって回転モータ３１の回転方向に交互に複数の異なる磁極を有することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石を回転させることにより可動部に直線方向の往復運動を得るリニアオシレータに関する。

従来から、リニアアクチュエータは、運動変換機構を用いずに直線方向の運動を得るものとして、様々な形態が検討されている。特許文献１には、リニアアクチュエータの一形態として、周方向に交互に磁極を異ならせた２つのリング磁石を対向させ、一方のリング磁石を回転モータの回転軸に設け、回転モータの回転に応じて可動体を直線運動させるリニアアクチュエータが開示されている。
特開平０９−１２１５３０号公報

特許文献１に開示されたリニアアクチュエータは、コンパクトに構成されており、完全に仕切られた隔壁等の外部からも可動体を駆動できるので、ポンプなどの用途に対して有用である。しかしながら、リニアオシレータにこの構成を用いると、リング状の磁石を用いているために磁石間に十分な吸引反発力を生じることが困難となり、周波数が高くなると可動部の動作が回転モータの動作に追従しなくなるいわゆる脱調現象が生じる。

本発明は、上記事由を考慮してなされたもので、その目的とするところは、コンパクトな構成で高速動作に適したリニアオシレータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、軸と第１の磁石とを有する可動部と、回転モータと回転モータの回転軸に接続される第２の磁石とを有する固定部と、をケースに備え、可動部は、弾性部材を介して軸方向に移動可能にケースに支持され、固定部は、第１の磁石と第２の磁石とが対向するように配設され、回転モータの回転に応じて可動部に軸方向の力を生ずるようにしたリニアオシレータであって、第１の磁石と第２の磁石は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域において、略全面にわたって軸方向に略直交し互いに対向する対向面を有するとともに、該対向面には略全面にわたって回転モータの回転方向に交互に複数の異なる磁極を有することを特徴としている。

したがって、第１の磁石と第２の磁石は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域において、略全面にわたって軸方向に略直交し互いに対向する対向面を有するので、対向面積を最大限に広く取ることができ、定められた形状において十分な吸引反発力を得ることができる。そのため、コンパクトな構成で高速動作に適したリニアオシレータを提供することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のリニアオシレータにおいて、可動部の軸周りの回転を防止する回転防止手段を有することを特徴としている。したがって、第２の磁石の回転にともなって回転しようとする可動部の回転を抑えることができ、動作を安定させることができる。

本願発明のリニアオシレータによれば、定められた形状において対向面積を最大限に広く取ることができ、十分な吸引反発力を得ることができる。そのため、可動部の直線動作が回転モータの動作に追従できなくなる脱調現象を生じにくくすることができ、コンパクトな構成で高速動作に適するものにすることができる。

本願発明に係るリニアオシレータについて、図１〜図５に基づいて説明する。このリニアオシレータは、図１に示すように、ケース１と、可動部２と、固定部３と、ベアリング４と、弾性部材であるばね５とを主要構成部材としている。

ケース１は、磁性体で有底円筒状に形成された下部ケース１１と、同じく磁性体で円板状に形成された上部ケース１２とを組み合わせて円柱状に構成され、内部に可動部２と固定部３を備えている。上部ケース１２は、中央に貫通孔を有しており、一方の面の中央に円柱状のベアリング４がねじ止め（不図示）固定されている。また、ベアリング４は、その外周が下部ケース１１の内周と嵌め合わされるとともに、下部ケース１１の側方からねじ止め（不図示）されて固定されている。

可動部２は、軸２１と、円板状に形成された希土類の永久磁石である第１の磁石２２を有して構成されている。軸２１は、第１の磁石２２の中央に第１の磁石２２の底面に直交するように接続して設けられている。第１の磁石２２は、図２に示すように、板厚方向に着磁された２つの半円板状の永久磁石を異なる極が同一面内になるように円板状に組み合わせて接着されている。この可動部２は、軸２１を、ベアリング４の貫通孔と上部ケース１２の貫通孔とに通すとともに、ばね５の両端でベアリング４と第１の磁石２２とを接続することにより、ばね５を介して軸方向に移動可能にケース１に支持されている。

固定部３は、回転モータ３１と第２の磁石３２を有して構成されている。回転モータ３１は、円柱状のものであり、回転軸３１１が底面の一方の面から突き出すように設けられている。そして、回転モータ３１は、図１に示すように、回転軸３１１とは逆側の底面で下部ケース１１の底面中央に固定され、軸２１と回転軸３１１とが同一直線状になるようにしている。この回転モータ３１は、電源線（不図示）に電圧を印加することにより回転軸３１１が回転する。また、第２の磁石３２は、第１の磁石２２と同様の構成であり、その中心で回転軸３１１と接続されている。この固定部３は、第１の磁石２２と第２の磁石３２とが対向するように配設されており、回転モータ３１の回転に応じて可動部２に軸方向の力を生ずるようにしている。

ここで、第１の磁石２２と第２の磁石３２は、その対向面に回転モータの回転方向に交互に複数の異なる磁極を有しており、互いに平行に配されている。そして、これらのものは、互いの位置関係が変化することにより、発生する吸引反発力が異なる。ここでは、第１の磁石２２と第２の磁石３２のなす角θを、互いの位置関係を示すものとして、図３のように定義している。すなわち、図３（ａ）に示すように軸方向から見て同じ磁極の状態となっているとき、θ＝０°とし、この状態で第２の磁石３２を軸周りに右回転させた、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）をそれぞれθ＝９０°，１８０°，２７０°としている。

図４は、横軸を第１の磁石２２と第２の磁石３２のなす角θ、縦軸を第１の磁石２２が軸方向に働く力としたときの特性を示している。ここで、第１の磁石２２と第２の磁石３２の距離を一定としており、第１の磁石２２が第２の磁石３２から離れる方向に働く力をプラスの値で、第１の磁石２２が第２の磁石３２に近づく方向に働く力をマイナスの値で示している。図４を見ると、θ＝０°（３６０°）のときに吸引力が最大の−Ｆ０で、θ＝１８０°のときに反発力が最大のＦ０となっていることがわかる。

ここで、第１の磁石２２と第２の磁石３２は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域（ここでは円形の領域）において孔部などを有さずに、それぞれ略全面にわたって、軸方向に略直交し、互いに対向する対向面を有している。また、この対向面には略全面にわたって回転モータ３１の回転方向に交互に複数の異なる磁極を有している。そのため、磁力の生じる対向面を最大に取ることができ、定められた形状においてＦ０を最大にすることができる。

ベアリング４は、中央に設けられた貫通孔に挿入された軸２１を、表面が滑らかな球によって軸方向に移動可能に支持するものである。このベアリング４は、ここで、図１には軸方向に１つの球が示されているが、軸方向に滑らかに動作させるために軸方向に複数の球を並べるものであってもよい。

ばね５は、弾性部材に相当するコイルばねであり、ベアリング４と第１の磁石２２とに例えば半田付けなどにより接続されている。このように接続されることにより、可動部２の第１の磁石２２と、固定部３の第２の磁石３２とが所定の距離を離して支持されている。この所定の距離は、可動部２の最大振幅においても第１の磁石２２と第２の磁石３２とが接触しないように定める。また、ばね５のばね定数は、可動部２の重量と動作させる周波数を考慮して運動方程式を用いることにより定めることができる。一方、このばね５は、その両端においてベアリング４と第１の磁石を接続しているので、可動部２の回転方向の動作を抑制することに寄与し、可動部２の軸周りの回転を防止する回転防止手段として働いている。

次に本実施形態の動作について説明する。図１、図２の状態において、回転モータ３１の電源線に電圧を印加しないときには、可動部２は、第１の磁石２２と第２の磁石３２との間に働く力と、ばね５のばね力とが釣り合った状態で停止している。

ここで、回転モータ３１の電源線に電圧を印加すると、回転軸３１１が回転し、第２の磁石３２が回転する。そうすると、図３に示すような第１の磁石２２と第２の磁石３２との位置関係が周期的に変化するため、図４に示すように、発生する吸引反発力が周期的に変化する。そのため、回転モータ３１により可動部２の質量とばね５のばね定数とで定まる共振周波数の近傍の周波数で図４のように発生する力を周期的に変化させることにより、可動部２は、共振運動を行う。

このように、本実施形態においては、第１の磁石２２と第２の磁石３２は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域において、略全面にわたって軸方向に略直交し互いに対向する対向面を有するとともに、この対向面には略全面にわたって回転モータの回転方向に交互に複数の異なる磁極を有するので、磁力の生じる対向面積を最大限に広く取ることができ、定められた形状において十分な吸引反発力を得ることができる。そのため、回転モータ３１の動作が速くなったときに、可動部２の直線動作が回転モータ１３の回転動作に追従できなくなるいわゆる脱調現象を生じにくくすることができ、コンパクトな構成で高速動作に適したリニアオシレータを提供することができる。また、ばね５は、第２の磁石３２の回転にともなって回転しようとする可動部の回転を抑えることができ、動作を安定させることができる。

また、第１の磁石２２と第２の磁石３２を変更した変形例を、図５に基づいて説明する。第１の磁石２２と第２の磁石３２は、その対向する側とは反対側の面に、第１の磁石２２と合同な磁性体板２２１，３２１を設けている。このようにすることにより、第１の磁石２２及び第２の磁石３２は、それぞれを構成する一方の半円板状の磁石から他方の半円板状の磁石を磁性体でつなぐことになるので、周囲への磁束のもれを少なくするとともに、磁路の磁気抵抗を低減することができ、発生する吸引反発力を大きくすることができる。そのため、さらに高速動作に適したリニアオシレータとすることができる。

なお、実施形態の説明において、第１の磁石２２及び第２の磁石３２が円板状のものについてのみ説明したが、それに限るものではなく、四角形や六角形、八角形のものであってもよい。また、対向面に磁極が２つ存在するものについて説明したが、４極以上のものであってもよい。

本願発明のリニアオシレータの断面図である。 本願発明のリニアオシレータの可動部と固定部の位置関係を示す斜視図である。 本願発明のリニアオシレータの第１の磁石と第２の磁石のなす角度θを説明するための斜視図であり、（ａ）はθ＝０°、（ｂ）はθ＝９０°、（ｃ）はθ＝１８０°、（ｄ）はθ＝２７０°を示している。 本願発明のリニアオシレータの第１の磁石と第２の磁石のなす角度θに対する第１の磁石と第２の磁石の間に働く吸引反発力を示す特性図である。 本願発明のリニアオシレータの変形例の第１の磁石と第２の磁石を示す断面図である。

符号の説明

１ ケース
２ 可動部
２１ 軸
２２ 第１の磁石
３ 固定部
３１ 回転モータ
３１１ 回転軸
３２ 第２の磁石
４ ベアリング
５ ばね（弾性部材）

Claims (2)

1. 軸と第１の磁石とを有する可動部と、回転モータと回転モータの回転軸に接続される第２の磁石とを有する固定部と、をケースに備え、可動部は、弾性部材を介して軸方向に移動可能にケースに支持され、固定部は、第１の磁石と第２の磁石とが対向するように配設され、回転モータの回転に応じて可動部に軸方向の力を生ずるようにしたリニアオシレータであって、第１の磁石と第２の磁石は、それぞれ軸方向から見たときの外周の内部の領域において、略全面にわたって軸方向に略直交し互いに対向する対向面を有するとともに、該対向面には略全面にわたって回転モータの回転方向に交互に複数の異なる磁極を有することを特徴とするリニアオシレータ。
2. 可動部の軸周りの回転を防止する回転防止手段を有することを特徴とする請求項１記載のリニアオシレータ。

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