JP2008125288A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an actuator that can be driven in multidimensional directions.
従来、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータは、例えば特許文献1に開示されているような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していた。
上述のように多次元の方向に駆動可能なアクチュエータを構成する場合、特許文献1に開示されてような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していたため、アクチュエータの形状が大型となるという問題点があった。
When an actuator that can be driven in a multidimensional direction as described above is configured by combining an actuator that can be driven in only one direction as disclosed in
本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、一つの可動部を任意の方向に揺動可能で、小型に製作可能なアクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an actuator that can swing a single movable portion in an arbitrary direction and can be manufactured in a small size.
上述の目的を達成するために、請求項1のアクチュエータに係る発明では、複数の断面E字状の磁性部材を、中央脚部を軸として所定の角度で交差させた形状に構成される固定部と、該固定部と同数の断面E字状の磁性部材を、中央脚部を軸として前記所定の角度で交差させた形状に構成される可動部と、前記固定部の中央脚部とは別の外側脚部に巻回されるコイル部とを備え、前記可動部は、前記固定部に前記磁性部材の各脚部の端面で対向するようにして揺動自在に支持され、前記固定部若しくは可動部の少なくとも一方は、前記中央脚部に永久磁石を有し、前記コイル部は、励磁電流により発生される磁束が断面E字内において前記固定部の両側に位置する2つの外側脚部に互いに逆方向に流れるように励磁することを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, in the invention according to the actuator of the first aspect, the fixed portion configured in a shape in which a plurality of E-shaped magnetic members intersect at a predetermined angle with the central leg portion as an axis And a movable part configured to have the same number of E-shaped magnetic members as the fixed part crossed at the predetermined angle with the central leg part as an axis, and the central leg part of the fixed part A coil portion wound around an outer leg portion of the magnetic member, and the movable portion is swingably supported so as to face the fixed portion at an end surface of each leg portion of the magnetic member. At least one of the movable parts has a permanent magnet in the central leg part, and the coil part has two outer leg parts located on both sides of the fixed part within the E-shaped magnetic flux generated by the excitation current. It is characterized in that excitation is performed so as to flow in opposite directions.
請求項1のアクチュエータに係る発明によれば、励磁電流をコイル部に流したときに発生する磁束の流れる磁路に、発生する力に寄与するものの磁気抵抗の高い永久磁石が存在しないため、任意の方向に効率良く揺動可能で、しかも複数のアクチュエータの組み合わせによらないため、小型に製作できるアクチュエータを提供することができる。
According to the invention relating to the actuator of
請求項2のアクチュエータに係る発明では、請求項1の発明において、前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部を安定時に、互いに同軸の円柱形状となるように形成したことを特徴とする。
The invention according to
請求項2のアクチュエータに係る発明によれば、中央脚部の対向面が円形となっているため、どの方向に動作しても角度−トルク特性を同じにすることができ、全方向にスムーズな動作をすることができる。 According to the invention relating to the actuator of the second aspect, since the opposing surface of the central leg portion is circular, the angle-torque characteristics can be made the same regardless of the direction of operation, and smooth in all directions. Can act.
請求項3のアクチュエータに係る発明では、請求項1又は2の発明において、前記固定部の中央脚部と前記可動部の中央脚部との対向面を、安定時に対向方向に投影した面の一方が他方を包含するように形成したことを特徴とする。 According to an invention relating to an actuator of a third aspect, in the invention of the first or second aspect, one of the surfaces projected in the opposite direction when the opposed surfaces of the central leg portion of the fixed portion and the central leg portion of the movable portion are stable. Is formed so as to include the other.
請求項3のアクチュエータに係る発明によれば、可動部の中央脚部と固定部の中央脚部の対向端面における磁束量をほぼ一定にすることができ、安定時位置の近傍における角度−トルク特性でのトルクの変化を小さくすることができる。
According to the invention relating to the actuator of
請求項4のアクチュエータに係る発明では、請求項1乃至3の何れかの発明において、前記固定部と前記可動部とは、対向する前記端面の形状を、揺動中心を中心とする球面としたことを特徴とする。 According to an invention relating to an actuator according to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the fixed portion and the movable portion have a spherical shape with the center of oscillation centered on the shape of the opposed end surfaces. It is characterized by that.
請求項4のアクチュエータに係る発明によれば、揺動による対向端面間のギャップ変化を少なくして可動範囲を広げることができる。 According to the invention relating to the actuator of the fourth aspect, it is possible to reduce the gap change between the opposed end faces due to the swinging and to widen the movable range.
請求項5のアクチュエータに係る発明では、請求項4の発明において、前記固定部の中央脚部及び前記可動部の中央脚部の対向端面側の部位を強磁性体により形成したことを特徴とする。
The invention according to
請求項5のアクチュエータに係る発明によれば、各中央脚部の端面を球面に容易に加工することできる。 According to the invention relating to the actuator of the fifth aspect, the end surface of each central leg can be easily processed into a spherical surface.
請求項6のアクチュエータに係る発明では、請求項1乃至3の何れかの発明において、前記固定部及び前記可動部の各中央脚部の対向端面側の部位を永久磁石により形成したことを特徴とする。 The invention according to a sixth aspect of the invention is characterized in that, in the invention according to any one of the first to third aspects, the portion on the opposite end face side of each central leg portion of the fixed portion and the movable portion is formed by a permanent magnet. To do.
請求項6のアクチュエータに係る発明によれば、生じるトルクを加工不要で大きくすることができる。 According to the invention relating to the actuator of the sixth aspect, the generated torque can be increased without the need for machining.
本発明は、励磁電流をコイル部に流したときに発生する磁束の流れる磁路に、発生する力に寄与するものの磁気抵抗の高い永久磁石が存在しないため、任意の方向に効率良く揺動可能で、しかも複数のアクチュエータの組み合わせによらないため、小型に製作できるアクチュエータを提供することができるという効果がある。 The present invention contributes to the generated force in the magnetic path through which the magnetic flux generated when exciting current is passed through the coil part, but there is no permanent magnet with high magnetic resistance, so it can swing efficiently in any direction. And since it does not depend on the combination of several actuators, there exists an effect that the actuator which can be manufactured small can be provided.
以下本発明を実施形態により説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(実施形態1)
本実施形態のアクチュエータ1は、図1(a),(b)に示すようにケース2内に収容され、出力軸であるシャフト3をケース2の一面から外部に突出させているもので、シャフト3と、固定部4と、可動部5と、コイル部6(61〜64)等で構成される。
(Embodiment 1)
The
固定部4は、図1(c)に示すように例えば中央脚部40aを共通とする2つの断面E字状の磁性部材を、該中央脚部40aを軸として所定の角度(実施形態では90°)で交差させた形状に構成され、ケース2の底部上に固定配置される。
As shown in FIG. 1 (c), for example, the
具体的には固定部4は、十字状の基部40cの各端部に外側脚部40bを一体に立設した強磁性体と、基部40cの中心部にz軸方向に着磁した永久磁石からなる中央脚部40aを固着立設して形成され、各外側脚部40bには夫々独立して励磁電流を流せるコイル部61〜64を巻回している。
Specifically, the fixed
可動部5は、固定部4と同数で、中央脚部50aを共通とする断面E字状の強磁性体からなる磁性部材を、中央脚部50aを軸として固定部4と同様な角度(90°)で交差させた形状に構成されるものである。
The
具体的には、可動部5は、十字状の基部50cの各端部に外側脚部50bを一体突出させ、基部50cの中央部に中央脚部50aを一体突出させた強磁性体からなるもので、中央脚部50aの突出方向とは反対方向の面(図では上面)の中心にシャフト3の一端を固定してある。
Specifically, the
このシャフト3をケース2の蓋部の中心部に設けた孔部2aを介してケース2外に突出させるとともにシャフト3の中間部に被挿してある支持部材7をケース2の孔部2a内に上面視において全周方向に回動自在に取り付けることで、可動部4はケース2内に揺動自在に支持される。
The
以上のように構成される本実施形態のアクチュエータ1の動作を図1(c)のA−A’断面図からなる図2(a)〜(c)により説明する。
The operation of the
まずコイル部61,62(及び63,64)に励磁電流を流さない無励磁状態では、図2(a)に示すように固定部4の中央脚部40aを構成する永久磁石の磁束が、中央脚部40aの上端(N極とする)→可動部5の中央脚部50a→基部50c→両側の外側脚部50b、50b→固定部4の両側の外側脚部40b、40b→基部40c→中央部40aの下端(S極)の磁路(実線で示すループ)に流れて、両側でバランスが取れることになる。これにより可動部5は中心で推力0となり、可動部5の中央脚部50aの端面(図では下端面)が固定部4の中央脚部40aの端面(図では上端面)に、また各外側脚部50bの端面(図では下端面)が固定部4の各外側脚部40bの端面(図では上端面)に夫々対向した状態で安定する。
First, in the non-excited state where no exciting current is passed through the
次に図2(b)に示すように例えば左の外側脚部40bの端面(磁極)がN極、右の外側脚部50bの端面(磁極)がS極となる方向に、外側脚部40b、40bに夫々巻回したコイル部61,62に励磁電流を流すと、コイル部6の励磁によって発生する磁束が、固定部4の左の外側脚部40b→可動部5の左の外側脚部50b→基部50c→右の外側脚部50b→固定部4の右の外側脚部40b→基部40c→左の外側脚部40bの磁路(破線で示すループ)に流れて上述のバランスが崩れ、可動部5に矢印aで示すように右方向の推力が発生し、シャフト7を中心として可動部5が揺動する。
Next, as shown in FIG. 2B, for example, the
また図2(b)の向きとは逆向きに両側のコイル部61,62に励磁電流を流すと、図2(c)に示すように右の外側脚部40bの端面(磁極)がN極、左の外側脚部50bの端面(磁極)がS極となり、コイル部61,62の励磁による磁束が、固定部4の右の外側脚部40b→可動部5の右の外側脚部50b→基部50c→左の外側脚部50b→固定部4の左の外側脚部40b→基部40c→右の外側脚部40bの磁路(破線で示すループ)に流れて上述のバランスが崩れ、可動部5に矢印bで示すように左方向の推力が発生し、シャフト7を中心として可動部5が揺動する。
When an exciting current is passed through the
本実施形態のアクチュエータ1は、E字断面において中央脚部40aの両側に位置するコイル部61,62に励磁電流を流すことにより発生する磁束は透磁率の低く、磁気抵抗が高い永久磁石からなる中央脚部40aに通らないため、可動部5を効率良く左右の方向に揺動運動を行わせることができる。
In the
尚、図3に示すように上面視において可動部5に発生させる推力の方向を、右方向の場合には(1)、右方向に対して45°の方向の場合には(2)、右方向に対して90°の方向の場合には(3)、右方向に対して135°の方向の場合には(4)とし、また夫々の反対方向の場合を(−1)、(−2)、(−3)、(−4)とすると、可動部5に発生させる推力の方向と各コイル部61〜64の励磁電流の方向(夫々を巻回した外側脚部40bの上端部の磁極)とは表1のような関係を持ち、励磁するコイル部の組み合わせと、励磁電流の向きとを設定することで、可動部5を(1)〜(4)或いは(−1)〜(−4)の方向に任意に揺動させることができる。
As shown in FIG. 3, the direction of the thrust generated in the
(実施形態2)
上述の実施形態1では固定部4の中央脚部40a及び可動部5の中央脚部50aを共に、軸方向に対して垂直な断面形状が四角形の角柱形状に形成していたが、本実施形態は、図4に示すように各中央脚部40a、50aを断面形状が円形の円柱形状とし、安定時(無励磁)において、固定部4の中央脚部40a及び可動部5の中央脚部50bが互いに同軸の円柱形状となるようにしてある点に特徴がある。尚永久磁石からなる中央脚部40aの着磁方向(z軸方向)等、その他の構成及び動作は実施形態1と同じであるので説明は省略し、同じ構成要素には同じ符号を付す。
(Embodiment 2)
In the first embodiment described above, the
また図4は本実施形態のアクチュエータ1の固定部4及び可動部5をケースから取り出した状態を示しているが、実施形態1と同様にこれら固定部4及び可動部5はケース内に収納される。
4 shows a state in which the fixed
而して本実施形態のアクチュエータ1では、中央脚部40a,50aの対向端面が円形であるため、どの方向に可動部5が揺動しても角度−トルク特性を同じにすることができ、全方向にスムーズに可動部5を揺動させることができる。
Thus, in the
(実施形態3)
実施形態1や2においては、中央脚部40a、50aの対向する端面の面積を同面積としているが、本実施形態では、一方の面積を他方の面積より小さくし、固定部4の中央脚部40aの端面と可動部5の中央脚部50aの端面が安定時に対向したときに一方の投影した面が他方の投影面を包含するように形成している点で相違しており、図5(a)の場合には固定部4の中央脚部40aの端面の面積を可動部5の中央脚部50aの端面の面積より小さくした例を、図5(b)の場合は逆に固定部4の中央脚部40aの端面の面積を可動部5の中央脚部50aの端面の面積より大きくした例を示す。尚図示例は円柱状の中央脚部40a,50aに対応するものであるが、実施形態1のような角柱状の場合でも本実施形態の構成を適用できる。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the areas of the opposing end surfaces of the
尚その他の構成は実施形態2(或いは実施形態1)と同様であるので、図示と説明は省略する。 Since other configurations are the same as those of the second embodiment (or the first embodiment), illustration and description thereof are omitted.
而して本実施形態のアクチュエータ1は、可動部5の中央脚部50aと固定部4の中央脚部40aの対向端面における磁束量をほぼ一定にすることができ、安定時位置の近傍における角度−トルク特性でのトルクの変化を小さくすることができる。
Thus, the
(実施形態4)
本実施形態は、図6に示すように固定部4の外側脚部40bの上端面の形状を揺動中心を中心とする凸状球面とするとともに、この外側キャブ40bに対向する可動部5の各外側脚部50bの下端面の形状を上述の揺動中心を中心とした凹状球面として対向面間のギャップを微小とした点に特徴がある。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the shape of the upper end surface of the
尚固定部4の中央脚部40aは、基部40cの中央から一体に立設した下部位400aと、この下部位400aの上面に固着配置した永久磁石部Mと、この永久磁石Mの上端面に重ね固定した矩形状の端面部401aとで角柱状に形成され、可動部5の中央脚部50aの下端面に対向する磁極を端面部401aで形成している。
The
一方可動部5は基部50cの各端部下面から突出させる外側脚部50bを、下面を凸状球面に加工し、基部50cの各端部下面に固着した強磁性体により形成している。また中央脚部50aも基部50cとは別体の強磁性体により形成している。
On the other hand, the
そしてその他の構成は、実施形態1と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。 Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
而して、本実施形態のアクチュエータ1では,固定部4と可動部5との対向端面が揺動中心を中心とする球面であるため、揺動時に対向端面間のギャップの変化が少なく、可動範囲を広くすることができる。また夫々の球面を形成する部位が強磁性体であるため、球面の加工が容易に行える。
Thus, in the
(実施形態5)
本実施形態は、外側脚部40b、50bの対向端面を球面に形成した構成は実施形態4と同じであるが、実施形態4では、固定部4の中央脚部40aを、強磁性体の下部部位400aに永久磁石Mを重ね、更にこの永久磁石Mの上に強磁性体からなる端面部401aを重ねた構成としているのに対して、本実施形態では図7に示すように強磁性体からなる端面部を設けず、永久磁石Mの端面(磁極)を可動部5の中央脚部50bの端面側に直接対向させるようにした点と、各中央脚部40a,50aを円柱状に形成した点で実施形態4と相違する。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, the configuration in which the opposite end surfaces of the
尚その他の構成は、実施形態2(或いは実施形態1)と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。 Since other configurations are the same as those in the second embodiment (or the first embodiment), the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
而して、本実施形態のアクチュエータ1では、実施形態4と同様に固定部4と可動部5の対向端面が揺動中心を中心とする球面であるため、揺動時に対向端面間のギャップの変化が少なく、可動範囲を広くすることができ、しかも生じるトルクを大きくすることができる。
Thus, in the
尚各実施形態における固定部4の各磁極を構成する外側脚部40bは十字状の基部40cにより一体連結されて磁路を構成できるようになっているため、対向する外側脚部40b、40bを同極となるように励磁し、これら外側脚部40b、40bに対して90°位置にある外側脚部40b、40bの一方を上述の励磁極性とは異なる極性に励磁することで上述の表1以外の多次元駆動も行え、表1の内容に限定されるものではない。
In each embodiment, the
1 アクチュエータ
2 ケース
3 シャフト
4 固定部
40a 中央脚部
40b 外側脚部
40c 基部
5 可動部
50a 中央脚部
50b 外側脚部
50c 基部
61〜64 コイル部
7 支持部材
DESCRIPTION OF
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