JP2006174616A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】外部環境やアクチュエータの自身の発熱による温度変化があっても推力の変化を軽減する。
【解決手段】筒状に形成され、強磁性材料から構成されるコイルヨーク２と、筒状で内周面と外周面の間に中空空間Ｓが形成されるとともに、コイルヨーク２の内周面に設けられ、樹脂材料から構成されるコイルボビン３と、コイルボビン３の中空空間Ｓに設けられた複数のコイル４１，４２を有し、隣接するコイル４１，４２の巻線の巻回方向が逆方向となるように、複数のコイル４１，４２を１本の巻線で巻回して構成されたコイルユニット５と、コイルヨーク２の軸方向に沿って配置された可動子軸６と、可動子軸６の軸周りに固定された永久磁石７と、を備えるリニアアクチュエータ１において、可動子軸６を、整磁合金で構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関する。

従来、リニアアクチュエータにおいては、可動子に磁束密度が高いネオジウム磁石のような希土類磁石が設けられており、この希土類磁石により高推力化、小型化、高効率化が図られていた。
具体的に、リニアアクチュエータは、図８に示すように、筒状に形成され、鉄等の強磁性材料から構成されるコイルヨーク１０１と、筒状で内周面と外周面の間に中空空間が形成されるとともに、コイルヨーク１０１の内周面に設けられ、樹脂材料から構成されるコイルボビン１０２と、このコイルボビン１０２の中空空間に収容された第１のコイル１０３と、第１のコイル１０３の巻線の巻回方向と逆になるように巻線が巻回された第２のコイル１０４と、オーステナイト系ステンレスやアルミニウム等の非磁性材料から構成される可動子軸１０５と、この可動子軸１０５に接着剤等により固定され、ネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石等の希土類材料から構成される永久磁石１０６と、を備えている（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の例としてのリニアアクチュエータは、図９に示すように、筒状に形成され、鉄等の強磁性材料から構成されるコイルヨーク２０１と、筒状で内周面と外周面の間に中空空間が形成されるとともに、コイルヨーク２０１の内周面に設けられ、樹脂材料から構成されるコイルボビン２０２と、このコイルボビン２０２の中空空間に収容された第１のコイル２０３と、第１のコイル２０３の巻線の巻回方向と逆になるように巻線が巻回された第２のコイル２０４と、鉄等の強磁性材料から構成される可動子軸２０５と、を備えており、この可動子軸２０５には、第１のコイル２０３に対向するように設けられ、ネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石等の希土類材料から構成される第１の永久磁石２０７と、第２のコイル２０４に対向するように設けられ、ネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石等の希土類材料から構成される第２の永久磁石２０８と、が接着剤等により固定されている。そして、第１の磁石２０７と第２の磁石２０８は互いに逆の極が可動子軸２０５に固定されている。
これらのリニアアクチュエータは、図１０及び図１１に示すように、可動子軸１０５，２０５に固定された永久磁石１０６，２０７，２０８の磁束Φｘ，Φｙ，Φｚと第１のコイル１０３，２０３及び第２のコイル１０４，２０４に流した電流により推力を発生させるようになっている。
特開平７−２７４４６８号公報

しかし、可動子軸に固定された希土類から構成される永久磁石は、温度が上昇すると磁束密度や保持力が低下し、温度が下降すると磁束密度や保持力が上昇するという特性を有している。そのため、リニアアクチュエータに同じ大きさの電流を流していても、周囲の環境の温度変化やリニアアクチュエータ自身の発熱によって永久磁石の温度が変化し、リニアアクチュエータの推力が変動してしまうという問題があった。
また、温度変化によるリニアアクチュエータの推力の変動を駆動電流で補正するにしても、永久磁石は可動子軸に固定されているため、サーミスタや熱電対のセンサで検出する場合に、センサのケーブルが可動子軸の移動で断線する危険性があり、さらには可動子軸の重量が増加して、リニアアクチュエータの応答特性も低下するという問題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、外部環境やアクチュエータの自身の発熱による温度変化があっても推力の変化を軽減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を目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、筒状に形成され、強磁性材料から構成されるコイルヨークと、筒状で内周面と外周面の間に中空空間が形成されるとともに、前記コイルヨークの内周面に設けられ、樹脂材料から構成されるコイルボビンと、前記コイルボビンの中空空間に設けられた複数のコイルを有し、隣接するコイルの巻線の巻回方向が逆方向となるように、前記複数のコイルを１本の巻線で巻回して構成されたコイルユニットと、前記コイルヨークの軸線に沿って配置された可動子軸と、前記可動子軸の軸周りに固定された永久磁石と、を備えるリニアアクチュエータにおいて、前記可動子軸を、整磁合金で構成したことを特徴とする。
ここで、整磁合金とは、図３に示すように、磁気変態点が常温よりも少し高温で、温度の上昇に伴い磁束密度が減少する合金をいう。

請求項１に記載の発明によれば、周囲の環境やリニアアクチュエータ自身の発熱により永久磁石の温度が上昇すると、永久磁石の磁束密度はその温度係数の影響により減少するが、可動子軸を整磁合金で構成することにより、永久磁石の温度の上昇に伴って可動子軸の温度も上昇し、可動子軸の磁束密度が低下する。そのため、可動子軸を通る磁束も減少するため、永久磁石全体の磁束の減少分は可動子軸の磁束の減少分で補うことができるため、推力に関係のある磁束の変動が緩和され、推力変動も緩和される。
よって、外部環境やアクチュエータの自身の発熱による温度変化があっても、リニアアクチュエータの推力の変化を軽減することができる。

本発明によれば、外部環境やアクチュエータの自身の発熱による温度変化があっても、リニアアクチュエータの推力の変化を軽減することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るリニアアクチュエータの最良の形態について詳細に説明する。
＜リニアアクチュエータの構成＞
図１及び図２に示すように、リニアアクチュエータ１は、アクチュエータケース（図示略）の内部に、筒状に形成され、強磁性材料から構成されるコイルヨーク２を備えている。コイルヨーク２は、例えば、鉄により構成されている。このコイルヨーク２の内周面には、筒状に形成され、樹脂材料から構成されるコイルボビン３が設けられている。コイルボビン３には、その内周面と外周面の間に中空空間Ｓが形成されており、この中空空間Ｓに複数のコイル（図２においては２つ）から構成されるコイルユニット５が収容されている。コイルユニット５は、隣接するコイルの巻線の巻回方向が逆方向となるように、複数のコイル４１，４２を１本の巻線で巻回して構成されている。具体的には、隣接して設けられた第１のコイル４１と第２のコイル４２において、第１のコイル４１が右巻き（左巻き）であれば第２のコイル４２は左巻き（右巻き）とされ、両コイル４１，４２は同じ巻線で繋がっている。

そして、コイルヨーク２及びコイルボビン３の軸線と同一軸線上に整磁合金から構成される可動子軸６が配置されている。整磁合金としては、鉄及びニッケルを含有する整磁合金や、鉄、ニッケル及びクロムを含有する整磁合金が用いられる。この整磁合金は、図３に示すように、磁気変態点が常温よりも少し高温で、温度の上昇に伴い磁束密度が減少する特性を有している。この可動子軸６の軸周りには、希土類磁石から構成される永久磁石７が接着剤等により固定されている。ここで、希土類磁石としては、ネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。なお、永久磁石７は、希土類磁石に限らず、コスト低減化のためにフェライト磁石を用いてもよい。

また、図４に示すように、永久磁石７は可動子軸６の軸方向に着磁されており、第１のコイル４１に対向する端部はＮ極に着磁され、第２のコイル４２に対向する端部はＳ極に着磁されている。そして、リニアアクチュエータ１は、常温では、図５に示すように、永久磁石７によって磁束Φａと磁束Φｂとが構成されている。そして、永久磁石７は、その磁束Φａが第１のコイル４１及び第２のコイル４２に作用し、磁束Φｂが可動子軸６に作用するように可動子軸６に固定されている。

＜リニアアクチュエータの動作＞
次に、リニアアクチュエータ１の動作について説明する。
第１のコイル４１及び第２のコイル４２に通電すると、可動子軸６に固定された永久磁石７によって形成された磁束Φａと、第１のコイル４１及び第２のコイル４２に流れる電流によって、フレミングの左手の法則により、可動子軸６の軸方向に沿った推力が発生する。
ここで、磁束Φａは、第１のコイル４１と第２のコイル４２とで方向が逆であるが、第１のコイル４１と第２のコイル４２は巻線の巻回方向が逆であるため、永久磁石７と第１のコイル４１及び第２のコイル４２とに発生する推力は同じ方向となるため、推力を最大限の大きさで発生させることができるようになっている。
また、第１のコイル４１及び第２のコイル４２に流す電流の大きさを変化させることにより、電流の変化に応じて推力も変化させることができる。

＜リニアアクチュエータの推力変動の軽減＞
次に、リニアアクチュエータ１の推力変動の軽減について、図６の概念図を用いて説明する。
図６の概念図において、磁石８４によって生じる磁束は、ヨークＡ８１とヨークＢ８２に挟まれたヨークのＸ−Ｘ断面を通る。
ヨークのＸ−Ｘ断面はほぼ均一な磁束密度で、磁束の漏れが無いと仮定する。
磁石８４の磁束密度をＢｍとし、磁石８４のＸ−Ｘ断面積をＡｍ（８７）とし、整磁合金８３の磁束密度をＢｓとし、整磁合金８３のＸ−Ｘ断面積をＡｓ（８５）とし、ヨークＡ８１とヨークＢ８２に挟まれている空隙（ヨーク断面８６）の磁化力をＨｇとし、空隙の断面積（ヨーク断面８６）をＡｇとし、真空の透磁率をμ０とすると、図６の概念図の磁気回路は、以下の式（１）で表される。
Ｂｍ×Ａｍ＝μ０×Ｈｇ×Ａｇ＋Ｂｓ×Ａｓ・・・・・・・・・・・・・・式（１）
式（１）において、温度Ｔの変化を求めると、
∂Ｂｍ／∂Ｔ×Ａｍ＝μ０×∂Ｈｇ／∂Ｔ×Ａｓ＋∂Ｂｓ／∂Ｔ×Ａｓ・・式（２）
磁石８４とコイルヨーク８１、８２の間の空隙の磁束φａの温度変化成分である∂Ｈｇ／∂Ｔ＝０の条件を式（２）に代入すると、以下の式（３）となる。
∂Ｂｍ／∂Ｔ×Ａｍ＝∂Ｂｓ／∂Ｔ×Ａｓ・・・・・・・・・・・・・・・式（３）
従って、使用する整磁合金の温度係数である∂Ｂｓ／∂Ｔと、磁石８４の温度係数である∂Ｂｍ／∂Ｔを用いて、磁石８４のＸ−Ｘ断面積Ａｍ（８７）と整磁合金８３のＸ−Ｘ断面積Ａｓ（８５）を上記の計算式（２）で調整することより、空隙磁束密度に対する温度影響を軽減できる。
実際に、先のリニアアクチュエータ１では、上記の空隙の磁化力Ｈｇや断面積Ａｇは図６の概念図のように簡易な形状ではなく、更に一定値でない場合もあるが、上記の式（３）の傾向は同様なので、磁場解析等で整磁合金の軸断面積を調節することにより、リニアアクチュエータ１の推力変動を軽減できる。

＜実施形態の作用効果＞
実施形態におけるリニアアクチュエータ１によれば、図５に示すように、永久磁石７によって、磁束Φａが第１のコイル４１及び第２のコイル４２を通り、磁束Φｂが可動子軸６を通る。これにより、永久磁石７の総磁束は、磁束Φａと磁束Φｂとに分かれるため、推力に寄与するのは磁束Φａだけであるから、可動子軸６を非磁性体で構成した場合に比べ、磁束Φｂの分だけ推力が低下することになる。
しかし、周囲の環境やリニアアクチュエータ１自身の発熱により永久磁石７の温度が上昇すると、永久磁石７の磁束密度はその温度係数の影響により減少するが、可動子軸６を整磁合金で構成することにより、永久磁石７の温度の上昇に伴って可動子軸６の温度も上昇し、可動子軸６の磁束密度が低下する。そのため、可動子軸６を通る磁束Φｂも減少するため、永久磁石７全体の磁束の減少分は可動子軸６の磁束Φｂの減少分で補うことができるため、推力に関係のある磁束Φａの変動が緩和され、推力変動も緩和される。
よって、外部環境やリニアアクチュエータ１の自身の発熱による温度変化があっても、リニアアクチュエータ１の推力の変化を軽減することができる。

また、可動子軸６を整磁合金で構成することにより、リニアアクチュエータ１にサーミスタや熱電対のようなセンサを設ける必要がないので、可動子軸６の重量を増加させることがなく、温度変化によるリニアアクチュエータ１の推力変動を緩和しつつ、応答性も低下させることがない。

また、可動子軸６を整磁合金で構成することにより、リニアアクチュエータ１にサーミスタや熱電対のようなセンサを設ける必要がないので、コストの低減を図ることができる。

また、可動子軸６を構成する材料を整磁合金に替えるだけでよいため、リニアアクチュエータ１全体の構造を変える必要がなく、簡易な方法でリニアアクチュエータ１の推力の変化を軽減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、図７に示すように、コイルボビン３１の中空空間Ｒに第１のコイル４５、第２のコイル４６、第３のコイル４７、第４のコイル４８を設け、第１のコイル４５と第２のコイル４６に磁束がわたるように第１の永久磁石７５を可動子軸６１に固定し、第２のコイル４６と第３のコイル４７に磁束がわたるように第２の永久磁石７６を可動子軸６１に固定し、第３のコイル４７と第４のコイル４８に磁束がわたるように第３の永久磁石７７を可動子軸６１に固定してもよい。この場合、第１のコイル４５から第４のコイル４８を１本の巻線で構成し、第１のコイル４５と第３のコイル４７の巻線を同じ方向に巻回し、第１のコイル４５及び第３のコイル４７に隣接する第２のコイル４６の巻線を第１のコイル４５及び第３のコイル４７の巻線の巻回方向と逆方向に巻回し、第３のコイル４７に隣接する第４のコイル４８の巻線を第２のコイル４６の巻線と同じ方向に巻回する。これにより、第１のコイル４５から第４のコイル４８に発生する推力はすべて同じ方向となり、推力を最大限の大きさで発生させることができるようになっている。
また、第１のコイル４５から第４のコイル４８に流す電流の大きさを変化させることにより、電流の変化に応じて推力も変化させることができる。
このように、コイル及び永久磁石の数を増やすことにより、推力を大きくすることができる。
なお、コイル及び永久磁石の数は任意であって、その数は自由に変更可能である。

本発明に係るリニアアクチュエータの外観斜視図である。 本発明に係るリニアアクチュエータの概略断面図である。 本発明に係るリニアアクチュエータの可動子軸を構成する整磁合金の磁気温度特性を示す図である。 本発明に係るリニアアクチュエータの永久磁石の着磁方向を示す図である。 図２において、磁束の作用方向及び推力の作用方向を示したリニアアクチュエータの概略断面図である。 整磁合金の温度影響の補正概念図である。 本発明に係る他の例のリニアアクチュエータにおける磁束の作用方向及び推力の作用方向を示したリニアアクチュエータの概略断面図である。 従来技術におけるリニアアクチュエータの概略断面図である。 従来技術におけるリニアアクチュエータの概略断面図である。 図８において、磁束の作用方向及び推力の作用方向を示したリニアアクチュエータの概略断面図である。 図９において、磁束の作用方向及び推力の作用方向を示したリニアアクチュエータの概略断面図である。

符号の説明

１ リニアアクチュエータ
２ コイルヨーク
３ コイルボビン
５ コイルユニット
６ 可動子軸
７ 永久磁石
４１ 第１のコイル
４２ 第２のコイル
Ｓ 中空空間

Claims (1)

1. 筒状に形成され、強磁性材料から構成されるコイルヨークと、
   筒状で内周面と外周面の間に中空空間が形成されるとともに、前記コイルヨークの内周面に設けられ、樹脂材料から構成されるコイルボビンと、
   前記コイルボビンの中空空間に設けられた複数のコイルを有し、隣接するコイルの巻線の巻回方向が逆方向となるように、前記複数のコイルを１本の巻線で巻回して構成されたコイルユニットと、
   前記コイルヨークの軸線に沿って配置された可動子軸と、
   前記可動子軸の軸周りに固定された永久磁石と、
   を備えるリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子軸を、整磁合金で構成したことを特徴とするリニアアクチュエータ。

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