JP2006280033A

JP2006280033A - リニアアクチュエータ

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Publication number: JP2006280033A
Application number: JP2005091689A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kazaharu; 広行風晴
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】リニアアクチュエータにおいて、永久磁石の製造上のばらつきや周囲の環境の変化にほとんど影響を受けることなく、低コストで安定した性能を発揮させる。
【解決手段】リニアアクチュエータ１は、コイルヨーク２と、コイルボビン３と、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たコイルユニット５と、強磁性材料から成形される可動子軸６と、可動子軸６の中心軸から外周面に向かう方向に沿って着磁された第１の永久磁石７１と可動子軸６の外周面から中心軸に向かう方向に沿って着磁された第２の永久磁石７２とが可動子軸６の軸周りに、かつ、軸線方向に沿って交互に並んで固定された磁石ユニット７と、を備えており、可動子軸６の磁界が当該可動子軸６の磁化曲線における回転磁化領域又は磁化飽和領域となるように磁気回路を構成した。
【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１００は、図１１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、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２００は、図１２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、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１３及び図１４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。

このようなリニアアクチュエータ１００，２００は、永久磁石の寸法や各コイルに流す電流をできるだけ小さくしながらも大きな推力を発生させることが好ましい。したがって、可動子軸に設けられる永久磁石の寸法や種類、各コイルに流す電流に応じて可動支軸の大きさや、巻線と可動子軸間の距離等について最適な設計を行う必要がある。
例えば、リニアアクチュエータ２００において、鉄等の強磁性材料から成形されている可動子軸についてみると、強磁性材料の磁化曲線は、縦軸に可動子軸に発生する磁界をとり、横軸に可動子軸に与える磁化エネルギーをとって描かれ、図１５に示すようになる。図１５によれば、可動子軸に与える磁化エネルギーが大きくなるにつれて可動子軸に発生する磁界も大きくなる。しかし、その変化の度合いは与える磁化エネルギーの大きさによって異なり、変化の割合毎に、初透磁率領域ａ（図１５における磁化エネルギーが０以上α未満）、不連続磁化領域ｂ（α以上β未満）、回転磁化領域ｃ（β以上γ未満）、磁化飽和領域ｄ（γ以上）に分割される。磁化飽和領域ｄでは、磁化エネルギーを増しても磁界の大きさはほとんど増加しない。
これらを考慮すると、可動子軸に与えた磁化エネルギーに対して最も効率よく磁界の強さが増加するのは、磁界の変化の傾きが最も急な不連続磁化領域ｂである。したがって、リニアアクチュエータは、永久磁石により可動子軸に発生する磁界が不連続磁化領域ｂ内となるように磁気回路の設計が行われている。
特開平７−２７４４６８号公報

しかし、永久磁石は、種々の原材料（例えば、ネオジウム磁石は、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｂ（ホウ素）、サマリウムコバルト磁石は、Ｓｍ（サマリウム）、Ｃｏ（コバルト）、等）を混練した後、成形されることにより製造されるため、製造された全ての永久磁石に各原材料が均等に含まれ、分布していることはない。そのため、同じ製造工程で製造された永久磁石であっても磁束密度や保持力にばらつきがある。また、一般的に永久磁石は、温度変化により磁束密度や保持力が変化する特性を有している。
そのため、永久磁石を可動子軸に用いたリニアアクチュエータでは、永久磁石の特性のばらつきにより磁気回路における磁束密度が異なることから発揮する推力も異なり、制御装置による指示信号どおりに推力が発生しないという問題があった。
また、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することにより、リニアアクチュエータの推力も変化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化を駆動電流で補正する場合でも、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、センサ等を設けるコストがかかるうえに、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。
さらに、リニアアクチュエータは、効率よく性能を発揮させるために、永久磁石により可動子軸に発生する磁界が不連続磁化領域内となるように磁気回路の設計が行われているため、温度変化等により磁化エネルギーが低下したときの可動子軸の磁界の強さの減少量も大きく、制御装置による指示信号に基づく推力と実際に発現する推力との誤差が大きくなってしまう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、永久磁石の製造上のばらつきや周囲環境による温度差やアクチュエータ自身の発熱による温度変化にほとんど影響を受けることなく、低コストで安定した性能を発揮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、強磁性材料から成形されたコイルヨークと、前記コイルヨークの内周面に設けられ、樹脂材料から成形されたコイルボビンと、前記コイルボビン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、強磁性材料から成形される可動子軸と、前記可動子軸の中心軸から外周面に向かう方向に沿って着磁された第１の永久磁石と前記可動子軸の外周面から中心軸に向かう方向に沿って着磁された第２の永久磁石とが前記可動子軸の軸周りに、かつ、軸線方向に沿って交互に並んで固定されることにより構成される磁石ユニットと、を備えるリニアアクチュエータにおいて、前記可動子軸の磁界が当該可動子軸の磁化曲線における回転磁化領域又は磁化飽和領域となるように磁気回路を構成したことを特徴とする。
ここで、回転磁化領域とは、可動子軸の磁化曲線において、磁化エネルギーの付与により発生する磁界が急激に増加する不連続磁化領域に連続し、不連続磁化領域よりも磁界が緩やかに増加する領域をいう。
また、磁化飽和領域とは、可動子軸の磁化曲線において、可動子軸に付与する磁化エネルギーを増加させても磁界がほとんど増加しない領域をいう。

請求項１に記載の発明によれば、可動子軸に固定された各永久磁石は、製造上のばらつきや周囲の環境の変化（外気温の変化、通電によるリニアアクチュエータの発熱）等により、可動子軸に与える磁化エネルギーはそれぞれ異なる。可動子軸に与える磁化エネルギーが異なると、可動子軸に発生する磁界も変わってしまうが、可動子軸の磁界が当該可動子軸の磁化曲線における回転磁化領域又は磁化飽和領域となるように磁気回路を構成したので、磁化エネルギーの変化に伴う可動子軸の磁界の変化が少ない。
これにより、リニアアクチュエータの推力は、永久磁石の製造上のばらつきや周囲の環境の変化にほとんど影響を受けることがないので、安定した性能を発揮することができる。
また、推力変動を補正するためにセンサを必要としないので、推力変動抑制のための対策コストを不要にすることができる。
また、リニアアクチュエータ毎の推力のばらつきが減るため、品質が向上し、品質管理も容易となるので管理コストを削減できる。

本発明によれば、リニアアクチュエータの推力は、永久磁石の製造上のばらつきや周囲の環境の変化（外気温の変化、通電によるリニアアクチュエータの発熱）にほとんど影響を受けることがないので、安定した性能を発揮することができる。
また、推力変動を補正するためにセンサを必要としないので、推力変動抑制のための対策コストを不要にすることができる。
また、リニアアクチュエータ毎の推力のばらつきが減るため、品質が向上し、品質管理も容易となるので管理コストを削減できる。

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、強磁性材料から成形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、鉄により成形されている。このコイルヨーク２の内周面には、筒状で、樹脂材料から成形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、複数のコイル４１，４２（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１本の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強磁性材料から成形される可動子軸６が配置されている。可動子軸６は、例えば、鉄により成形されている。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複数の永久磁石を有する磁石ユニット７が接着剤等により固定されている。磁石ユニット７は、第１のコイル４１に対向するように設けられた第１の永久磁石７１と、第２のコイル４２に対向するように設けられた第２の永久磁石７２と、を備えており、第１の永久磁石７１と第２の永久磁石７２は互いに逆の極が可動子軸６に固定されている。ここで、各永久磁石７１，７２を構成する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、第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２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３に示すように、各永久磁石７１，７２は径方向、すなわち可動子軸６の径方向に着磁されている。具体的には、図３（ｂ）に示すように、第１の永久磁石７１は、外周面（コイルボビン３に対向する面）がＮ極に着磁され、内周面（可動子軸６に対向する面）がＳ極に着磁されており、図３（ｃ）に示すように、第２の永久磁石７２は、外周面（コイルボビン３に対向する面）がＳ極に着磁され、内周面（可動子軸６に対向する面）がＮ極に着磁されている。
そして、リニアアクチュエータ１は、図４に示すように、第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２によって磁束Φａが形成されている。

＜磁気回路構成＞
次に、リニアアクチュエータ１の磁気回路構成について説明する。
図５は、可動子軸６の磁化曲線を示す図である。ここで、磁化曲線とは、鉄等の強磁性体を磁界中に入れ、徐々に磁化エネルギーを増加させたときの磁化エネルギーと磁束との関係を示したものである。
強磁性材料である鉄から成形されている可動子軸６についての磁化曲線についてみると、可動子軸６に与える磁化エネルギーが大きくなるにつれて可動子軸６に発生する磁界も大きくなる。しかし、その変化の度合いは与える磁化エネルギーの大きさによって異なり、変化の割合毎に、初透磁率領域Ａ（磁化エネルギーが０以上Ｈ１未満）、不連続磁化領域Ｂ（Ｈ１以上Ｈ２未満）、回転磁化領域Ｃ（Ｈ２以上Ｈ３未満）、磁化飽和領域Ｄ（Ｈ３以上）に分割される。磁化飽和領域Ｄになると、磁化エネルギーを増しても磁界の大きさはほとんど変化しない。
リニアアクチュエータ１は、可動子軸６の磁界が当該可動子軸６の磁化曲線における回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとなるように磁気回路が設計されている。

ここで、可動子軸６の磁気回路の設計においては、（１）可動子軸６の直径、可動子軸６を構成する材料の磁化特性、可動子軸６の加工条件等といった可動子軸６の条件、（２）第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２の種類、材料、寸法（パーミアンス係数）といった第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２の磁気特性、（３）第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２からコイルヨーク３までの距離といった磁気回路の磁気抵抗を調節することにより可動子軸６の磁界を調節する。なお、可動子軸６が回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとなっているかどうかの確認は磁場解析をすることにより行う。

＜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に固定された第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２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、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。

＜可動子軸の磁界の違いによる比較＞
次に、可動子軸６の磁界を回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとした場合における従来の可動子軸の磁界（不連続磁化領域Ｂ）に対する有効性について説明する。
図５及び図６に示すように、本発明のように、リニアアクチュエータ１における可動子軸６の磁界を回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとした場合、与える磁化エネルギーがＨ３とすると可動子軸６に生じる磁界がＢ３になるものとする。そして、周囲の温度変化等により、第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２が熱減磁し、与える磁化エネルギーがΔｈ減少してＨ３’になると、可動子軸６に生じる磁界はΔｂ３減少してＢ３’になる。
一方、図７及び図８に示すように、従来のリニアアクチュエータのように、可動子軸６の磁界を不連続磁化領域Ｂにした場合、与える磁化エネルギーがＨ２とすると可動子軸６に生じる磁界がＢ２になるものとする。そして、周囲の温度変化等により、第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２が熱減磁し、与える磁化エネルギーがΔｈ減少してＨ２’になると、可動子軸６に生じる磁界はΔｂ２減少してＢ２’になる。

このような場合において、回転磁化領域Ｃの方が不連続磁化領域Ｂよりも磁化エネルギーの変化量に対する磁界の変化量の傾きが小さいため、同じ量だけ磁化エネルギーが変化した場合、従来のリニアアクチュエータの方が磁界の減少量が大きい。
これにより、可動子軸６の磁界を回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとすることで、周囲の温度変化に対する推力の低下を大幅に減らすことができ、リニアアクチュエータ１に与えられる指示信号による指令推力と実際に発揮する推力との差を減らすことができる。
これは、鉄等の強磁性材料の磁化曲線の特性は、磁化エネルギーの増加に対して磁界の増加する比率が初透磁率領域Ａから不連続磁化領域Ｂにおいては強磁性体の磁界変化比率で増加するが、回転磁化領域Ｃから磁化飽和領域Ｄにおいては磁気飽和により非磁性体の磁界変化比率で増加するので、強磁性体と非磁性体で磁化エネルギーに対する磁界変化比率である透磁率で比較した場合、一般的な鉄で数十倍から数百倍もの差があるので、磁化エネルギーの変化に対する磁界の変化が透磁率分の一に軽減されるので磁界の変化量が大幅に減少されるためである。
なお、これは、第１の永久磁石７１及び第２の永久磁石７２の磁気特性に製造上のばらつきがある場合も同じである。

＜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、可動子軸６に固定された各永久磁石７１，７２は、製造上のばらつきや周囲の環境の変化等により、可動子軸６に与える磁化エネルギーはそれぞれ異なる。可動子軸６に与える磁化エネルギーが異なると、可動子軸６に発生する磁界も変わってしまうが、可動子軸６の磁界が当該可動子軸６の磁化曲線における回転磁化領域Ｃ又は磁化飽和領域Ｄとなるように磁気回路を構成したので、磁化エネルギーの変化に伴う可動子軸６の磁界の変化が少ない。
これにより、リニアアクチュエータ１の推力は、各永久磁石７１，７２の製造上のばらつきや周囲の環境の変化（外気温の変化、通電によるリニアアクチュエータ１の発熱）にほとんど影響を受けることがないので、安定した性能を発揮することができる。
また、推力変動を補正するためにセンサを必要としないので、推力変動抑制のための対策コストを不要にすることができる。
また、リニアアクチュエータ１毎の推力のばらつきが減るため、品質が向上し、品質管理も容易となるので管理コストを削減できる。

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９に示すように、コイルボビン３１に第１のコイル４３、第２のコイル４４、第３のコイル４５、第４のコイル４６を収容し、第１のコイル４３に対向するように第１の永久磁石７３を可動子軸６１に設け、第２のコイル４４に対向するように第２の永久磁石７４を可動子軸６１に設け、第３のコイル４５に対向するように第３の永久磁石７５を可動子軸６１に設け、第４のコイル４６に対向するように第４の永久磁石７６を可動子軸６１に設けてもよい。

この場合、第１のコイル４３から第４のコイル４６を１本の巻線で構成し、第１のコイル４３と第３のコイル４５の巻線を同じ方向に巻回し、第１のコイル４３及び第３のコイル４５に隣接する第２のコイル４４の巻線を第１のコイル４３及び第３のコイル４５の巻線の巻回方向と逆方向に巻回し、第３のコイル４５に隣接する第４のコイル４６の巻線を第２のコイル４４の巻線と同じ方向に巻回する。さらに、第１の永久磁石７３及び第３の永久磁石７５を同じ方向に着磁し、第２の永久磁石７４及び第４の永久磁石７６を同じ方向に着磁する。すなわち、第１の永久磁石７３及び第３の永久磁石７５は、外周面（コイルボビン３１に対向する面）をＮ極に着磁し、内周面（可動子軸６１に対向する面）をＳ極に着磁する。また、第２の永久磁石７４及び第４の永久磁石７６は、外周面（コイルボビン３１に対向する面）をＳ極に着磁し、内周面（可動子軸６１に対向する面）をＮ極に着磁する。

これにより、リニアアクチュエータ１０は、図１０に示すように、第１の永久磁石７３から第４の永久磁石７６によって磁束Φｂ，Φｃ，Φｄが形成される。また、リニアアクチュエータ１０は、第１のコイル４３から第４のコイル４６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４３から第４のコイル４６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永久磁石の着磁方向を示す図であり、（ａ）は永久磁石の外観斜視図、（ｂ）は第１の永久磁石の断面図、（ｃ）は第２の永久磁石の断面図である。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。可動子軸の磁化曲線を示すグラフである。図５において、磁化エネルギーが変化したときの磁界の変化を示すグラフである。可動子軸の磁化曲線を示すグラフである。図７において、磁化エネルギーが変化したときの磁界の変化を示すグラフである。本発明に係る他の例の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１１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１２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。強磁性材料の磁化曲線を示すグラフである。

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磁石ユニット
４１第１のコイル
４２第２のコイル
７１第１の永久磁石
７２第２の永久磁石
Ｃ回転磁化領域
Ｄ磁化飽和領域

Claims

筒状に形成され、強磁性材料から成形されたコイルヨークと、
前記コイルヨークの内周面に設けられ、樹脂材料から成形されたコイルボビンと、
前記コイルボビン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、強磁性材料から成形される可動子軸と、
前記可動子軸の中心軸から外周面に向かう方向に沿って着磁された第１の永久磁石と前記可動子軸の外周面から中心軸に向かう方向に沿って着磁された第２の永久磁石とが前記可動子軸の軸周りに、かつ、軸線方向に沿って交互に並んで固定されることにより構成される磁石ユニットと、
を備えるリニアアクチュエータにおいて、
前記可動子軸の磁界が当該可動子軸の磁化曲線における回転磁化領域又は磁化飽和領域となるように磁気回路を構成したことを特徴とするリニアアクチュエータ。