JP2008206356A - 可動磁石型リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動体が軽量で応答性が良く、かつ効率よく大きな推力を得ることができる可動磁石型リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】棒状可動体の外周に配設される複数のマグネット構成体は、棒状可動体の軸方向に直角な方向に着磁され、空芯コイルに対向する第１の永久磁石と、第１の永久磁石と平行な方向に着磁され、前記空芯コイルに第１の永久磁石とは反対の磁極で対向する第２の永久磁石と、第１の永久磁石が基部において組付けられ、棒状可動体に非磁性体を介して固定される第１の磁性体と、第２の永久磁石が基部において組付けられ、棒状可動体に非磁性体を介して固定される第２の磁性体と、該第１及び第２の磁性体の間に、第１及び第２の永久磁石の基部側の夫々の磁極と反対の磁極が接近するように配設され、棒状可動体に非磁性体を介して固定される補助磁石と、を有していること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば工作機械、電気部品実装装置或いは半導体関連装置などの各種産業機械に使われるリニアアクチュエータに関し、特に界磁を可動子とし、電機子を固定子として構成する可動磁石型リニアアクチュエータに関する。

磁石の方を可動子とし電機子（コイル）を固定子とする可動磁石型リニアアクチュエータとして、特許文献１に記載されるものが知られている。これは、穴あき柱状永久磁石に貫通軸体を貫通させて固定して磁石可動体を構成し、前記貫通軸体を軸受部材で摺動自在に支持して当該軸受部材に対し固定した位置関係にあるコイルの内側に前記磁石可動体を移動自在に設けたものである。この場合、磁石可動体に発生する推力は、基本的にはフレミングの左手の法則に準ずるものである。（ただし、フレミングの左手の法則はコイルに対して適用されるが、ここではコイルが固定のため、磁石可動体にコイルに作用する力の反力としての推力が発生する。）そして、推力に寄与するのは、磁石可動体が有する永久磁石の磁束の垂直成分（永久磁石の軸方向に直交する成分）である。
実開平７−３０５８５号公報

しかし、上記従来のアクチュエータでは、貫通軸体の外周をぐるりと廻る柱状の永久磁石で可動体を構成しているため、磁石可動体の質量が大きくなり応答性が悪いという不具合があった。また、永久磁石による磁束のうち貫通軸体の軸方向の磁束成分が多く、磁石可動体の推力に寄与する貫通軸体の軸方向に直交する磁束成分が少ないため、効率よく大きな推力が得られるとはいえなかった。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、可動体が軽量で応答性が良く、かつ効率よく大きな推力を得ることができる可動磁石型リニアアクチュエータを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、棒状可動体と、該棒状可動体の軸方向に平行な複数平面壁により偶数多角筒状に形成され前記棒状可動体を囲む固定子ベースと、前記各平面壁の内壁に該内壁に対して平行に巻回されて夫々配設された空芯コイルと、各空芯コイルが前記軸方向に対する直角方向の二箇所の延在部分にて、各空芯コイルに磁気的空隙を介し夫々対向するよう前記棒状可動体の外周に配設されたマグネット構成体と、を有する可動磁石型リニアアクチュエータにおいて、前記マグネット構成体は、前記棒状可動体の軸方向に直角な方向に着磁され、前記一方の延在部分にて前記空芯コイルに対向する第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向に着磁され、前記他方の延在部分にて前記空芯コイルに前記第１の永久磁石とは反対の磁極で対向する第２の永久磁石と、前記第１の永久磁石が基部において組付けられ、前記棒状可動体に非磁性体を介して固定される第１の磁性体と、前記第２の永久磁石が基部において組付けられ、前記棒状可動体に前記非磁性体を介して固定される第２の磁性体と、該第１及び第２の磁性体の間に、前記第１及び第２の永久磁石の基部側の夫々の磁極と反対の磁極が接近するように配設され、前記棒状可動体に前記非磁性体を介して固定される補助磁石と、を有していることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記延在部分における前記空芯コイルの巻回された束の前記軸方向の幅が、前記永久磁石の同方向の幅と前記固定子ベースに対する棒状可動体の相対的移動幅であるストローク幅とを合計した幅よりも大きく、前記永久磁石の前記幅が対向する空芯コイルの前記幅からはみ出ない範囲で、前記棒状可動体の相対移動が行われることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記棒状可動体の外周に配設されるマグネット構成体は、前記棒状可動体の周方向に隣り合う永久磁石の磁極が同じ極であることである。

請求項１に係る発明によると、マグネット構成体において、例えば第１の永久磁石を通過する磁束は、第１の磁性体を通過するが、この第１の磁性体が棒状可動体に取り付けられている非磁性体取付け部は非磁性体であるため、非磁性体取付け部側への漏洩磁束を生じることが少なく、多くの磁束が第１の永久磁石に対して反対の磁極が対向する補助磁石を通過する。この補助磁石を通過する磁束は、同様に第２の磁性体を通過して補助磁石に対して反対の磁極が対向する第２の永久磁石の磁極に引っ張られ、多くの磁束が第２の永久磁石を通過することとなる。そして、第１及び第２の永久磁石は棒状可動体の軸方向に直角な方向に着磁されているので、棒状可動体の推力に有効な該軸方向に垂直な磁束成分を効率よく利用することができる。このように、漏洩磁束を減少させて有効な磁束成分を効率よく利用するとともに、補助磁石で磁束密度を高めるので、大きな推力を生じさせることができる。また、第１及び第２の永久磁石は、棒状可動体の外周をぐるりと廻る柱状のものでなく、小型軽量なものでよく、さらに、これらの第１及び第２の永久磁石が固定される第１及び第２の磁性体は、例えば永久磁石とほぼ同じ大きさのものでよく、質量の大きい磁性体を小型化することができるので、可動部分を軽量化して作動応答性を高めることができる。

請求項２に係る発明によると、いわゆるロングコイルとすることにより、第１及び第２の永久磁石が軸方向に移動してもコイルを切る磁束数は変化を生じることはなく、推力の変動をなくすることができるので、棒状可動体の位置制御を高精度で行うことができる。

請求項３に係る発明によると、周方向に隣り合う永久磁石同士で磁力線のループを生じることが無いので、磁束の漏洩が少なく推力に寄与する磁束成分を多く確保することができ、効率よく大きな推力を得ることができる。

本発明に係る可動磁石型リニアアクチュエータの第１の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は可動磁石型リニアアクチュエータの構造を断面で示した正面からの概念図であり、図２は同断面で示す側面からの概要図である。

この可動磁石型リニアアクチュエータは、図１に示すように、可動子を構成する棒状可動体２と、棒状可動体２の周方向に４組配設されて同じく可動子を構成するマグネット構成体４と、棒状可動体２を囲むように配設されて固定子ベースを構成する四角筒状の外ヨーク６と、該外ヨーク６の内壁に配設されて固定子を構成する平角線からなる複数の空芯コイル８からなっている。

棒状可動体２の外周には、棒状可動体２の外ヨーク６に対する移動範囲を規制するストッパとしての二箇所のフランジ部１０を有し、基端部（図１において左側端部）にはリニアスケールを備え、棒状可動体２の相対的な移動位置を検出するようになっている。棒状可動体２の先端部側（図１において右側）には工作物を高精度に切削するバイト等を保持する図略の工具保持装置が取り付けられている。棒状可動体２は、前記外ヨーク６（固定子ベース）とともに固定された円筒状軸受部材１２により軸支され、軸方向に円滑に摺動可能に構成されている。これらの円筒状軸受部材１２は、例えば油の静圧力によって棒状可動体を保持し、該棒状可動体２を軸方向にのみに摺動させる流体軸受１３より構成される。

棒状可動体２は、その中央部外周に、図２に示すように、マグネット構成体４が設けられている。マグネット構成体４は、棒状可動体２に周設される非磁性体を構成する非磁性体取付け部１４に取り付けられ、第１及び第２の永久磁石２０,２１と、第１及び第２の磁性体１７,１８と補助磁石２２とから構成されている。非磁性体取付け部１４は、例えばアルミ合金製の非磁性体により断面四角形状に形成され、周囲の４つのフラット面には夫々第１及び第２の磁性体１７,１８が棒状可動体２の軸方向に並設されている。第１及び第２の磁性体１７,１８は、例えば鉄製で直方体形状に形成されている。これらの第１及び第２の磁性体１７,１８の外側（棒状可動体２からみて半径方向外側）には夫々第１及び第２の永久磁石２０,２１が各磁性体１７,１８に夫々重ねて固定されている。第１及び第２の永久磁石２０,２１は例えば希土類より直方体形状に形成され、これらの永久磁石２０,２１は着磁方向（単体の磁石において対応する反対の極の中心を結ぶ線の方向）が、棒状可動体２の軸方向に直角な方向となるよう配置されている。そして、棒状可動体２の先端側（図３において右側）の第１の永久磁石２０の外側がＳ極、内側がＮ極に、同基端側（図３において左側）の第２の永久磁石２１の外側がＮ極、内側がＳ極になるように配設されている。このように第１及び第２の永久磁石２０,２１は、反対の磁極が対向するように構成されている。前記対向する第１及び第２の磁性体１７,１８の間には直方体形状の補助磁石２２が夫々設けられている。補助磁石２２は、図３に示すように、第１及び第２の永久磁石２０,２１の基端側の磁極と反対の磁極が接近するよう、例えば第１の永久磁石２０の基端側がＮ極であるので、棒状可動体２の先端側（図３において右側）に位置する補助磁石２２がＳ極に、第２の永久磁石２１の基端側がＳ極であるので、棒状可動体２の基端側（図３において左側）に位置する補助磁石２２がＮ極となるように配置されている。

棒状可動体２を中央部において囲む前記外ヨーク６は、例えば鉄製で、その外ヨーク６の平面壁２６のフラット面には、非磁性材料からなる被巻回部２４に平角線により略矩形状に複数巻回された空芯コイル８が、前記マグネット構成体４に磁気的空隙２８を介し対向して設けられている。各空芯コイル８には、空芯コイル８が前記棒状可動体２の軸方向に対して直角な方向の二箇所の延在部分にて、第１の永久磁石２０のＳ極及び第２の永久磁石２１のＮ極のいずれかが対向している。空芯コイル８の束についての前記棒状可動体２の軸方向の幅ＣＷは、図４に示すように、第１及び第２の永久磁石２０,２１の同方向の幅ＭＷよりも可動範囲（ストローク幅）ＳＴ分以上小さいいわゆるショートコイルとして形成されている。外ヨーク６の基端部側（図１において左側）には棒状可動体２が摺動可能に支承される流体軸受３０を有する底側面３２を有し、外ヨーク６の先端部側（図１において右側）には、同様な流体軸受３４を有する蓋体３６が組み付けられている。

前記空芯コイル８は、図略の直流電源に連結される電流制御回路４０に接続され、図５に示すように、電流制御回路４０は位置検出器４２からの信号が入力される制御装置（ＣＰＵ）４４からの信号によって、直流電源からの電流値が制御されるようになっている。電流制御回路４０として、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｅｒｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子が考えられ、位置検出器４２として、例えばメインスケールとインデックススケールとからなる光電式リニアスケールが考えられる。

次に、上記構成の可動磁石型リニアアクチュエータの作動について、以下に説明する。空芯コイル８にマグネット構成体側から見て時計回りに通電すると、フレミングの左手の法則に基づき空芯コイル８に、図３において、左方向の力が働き、棒状可動体２にはその反力として右側軸方向に移動させる推力が働き、棒状可動体２は前記ストローク幅ＳＴの範囲内において電流量に応じた距離だけ右側へ移動する。また、前記ＩＧＢＴ等により逆向きの反時計回りに通電すると、棒状可動体２は図３において左側へ移動する。この移動位置は、位置検出器（リニアスケール）４２により検出され、検出位置の信号がＣＰＵ４４に送られて、ＩＧＢＴ４０等により通電方向及び通電量が定められて棒状可動体２の移動量が制御される。本実施形態の可動磁石型リニアアクチュエータ１は、いわゆるショートコイルであり、所定の磁束密度の下で、空芯コイル８に制御されて流される電流量に応じて推力が発生する。

本実施形態では、マグネット構成体４において、例えば第１の永久磁石２０を通過する磁束は、第１の磁性体１７を通過するが、第１の磁性体１７が取り付けられている非磁性体取付け部１４は非磁性体であるため、非磁性体取付け部１４側への漏洩磁束を生じることが少なく、多くの磁束が第１の永久磁石２０に対して反対の磁極が対向している補助磁石２２を通過する（磁束密度が高まる）。この補助磁石２２を通過する磁束は、同様に第２の磁性体１８を通過して補助磁石２２に対して反対の磁極が対向している第２の永久磁石２１の磁極に引っ張られ、多くの磁束が第２の永久磁石２１を通過することとなる。そして、第１及び第２の永久磁石２０,２１は棒状可動体２の軸方向に直角な方向に着磁されているので、磁束は、図３に示すように、第１の永久磁石２０、第１の磁性体１７、補助磁石２２、第２の磁性体１８及び第２の永久磁石２１と通過する磁路１９を形成し、棒状可動体２の推力に有効な該軸方向に垂直な磁束成分を高めることができる。このように、漏洩磁束を減少させて有効な磁束成分を効率よく利用するとともに、補助磁石２２で磁束密度を高めるので、大きな推力を生じさせることができる。

また、第１及び第２の永久磁石２０,２１は、棒状可動体２の外周をぐるりと廻る柱状のものでなく、小型軽量なものであり、さらに、これらの第１及び第２の永久磁石２０,２１が固定される第１及び第２の磁性体１７,１８は、例えば永久磁石２０,２１とほぼ同じ大きさのものでよく、質量の大きい磁性体を小型化することができるので、可動部分を軽量化して作動応答性を高めることができる。

また、棒状可動体２の周方向に隣り合った第１及び第２の永久磁石２０,２１は、図２に示すように、夫々同種の磁極が対向するように配置されているので、隣り合ったマグネット構成体４間での磁束のループが形成されず、磁束の漏洩が少なく推力に使用される磁束成分を多く確保することができ、効率よく大きな推力を得ることができる。

次に、本発明に係る可動磁石型リニアアクチュエータの第２の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。

本実施形態の可動磁石型リニアアクチュエータ５１は、図６及び図７に示すように、空芯コイルの束の棒状可動体の軸方向の幅ＣＷ２が、第１及び第２の永久磁石の幅ＭＷ２よりもストローク幅ＳＴ分以上大きく、いわゆるロングコイルであり、前記永久磁石の前記幅ＭＷ２が対向する空芯コイル８の前記幅ＣＷ２からはみ出ない範囲で、前記棒状可動体の相対移動が行われる点において、第１の実施形態と相違する。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

上記構成の可動磁石型リニアアクチュエータ５１によると、第１及び第２の永久磁石２０、２１が前記軸方向に移動しても、空芯コイル８を切る磁束数は変化を生じることなく、推力の変動を生じない。そのため、所定の電流量に対して常に一定の推力を得やすいので、棒状可動体２の移動位置の制御を高精度で行うことができる。

なお、上記実施形態においては、固定子ベースを四角筒状のものとしたが、これに限定されず、例えば六角形筒状、八角形筒状などの偶数多角形の筒状のものでもよい。

また、棒状可動体の移動量を検出する位置検出装置として、光電式リニアスケールとしたが、これに限定されず、レーザ式、磁気方式等の各種リニアスケールが使用できるほか、他の既知の位置検出器を使用することができる。

また、空芯コイルは平角線のものとしたが、これに限定されず、例えば丸線のものでもよい。

また、非磁性体取付け部として、アルミ合金によるものとしたが、これに限定されず、例えば非磁性金属である銅材や合成樹脂材によるものでもよい。

第１の実施形態に係る可動磁石型リニアアクチュエータの断面で示す正面からの概要図。 同断面で示す側面からの概要図。 同断面で示す正面からの拡大図。 空芯コイルの束の幅を示す拡大図。 電流の制御を示すブロック図。 第２の実施形態に係る可動磁石型リニアアクチュエータの断面で示す正面から拡大概要図。 同空芯コイルの束の幅を示す拡大図。

符号の説明

１…可動磁石型リニアアクチュエータ、２…棒状可動体、４…マグネット構成体、６…固定子ベース（外ヨーク）、８…空芯コイル、１４…非磁性体（非磁性体取付け部）、２０…第１の永久磁石、２１…第２の永久磁石、１７…第１の磁性体、１８…第２の磁性体、２２…補助磁石、２６…平面壁、２８…磁気的空隙、５１…可動磁石型リニアアクチュエータ、ＣＷ,ＣＷ２…コイルの束の幅、ＭＷ,ＭＷ２…永久磁石の幅、ＳＴ…ストローク幅。

Claims (3)

1. 棒状可動体と、該棒状可動体の軸方向に平行な複数平面壁により偶数多角筒状に形成され前記棒状可動体を囲む固定子ベースと、前記各平面壁の内壁に該内壁に対して平行に巻回されて夫々配設された空芯コイルと、各空芯コイルが前記軸方向に対する直角方向の二箇所の延在部分にて、各空芯コイルに磁気的空隙を介し夫々対向するよう前記棒状可動体の外周に配設されたマグネット構成体と、を有する可動磁石型リニアアクチュエータにおいて、
   前記マグネット構成体は、
   前記棒状可動体の軸方向に直角な方向に着磁され、前記一方の延在部分にて前記空芯コイルに対向する第１の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向に着磁され、前記他方の延在部分にて前記空芯コイルに前記第１の永久磁石とは反対の磁極で対向する第２の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石が基部において組付けられ、前記棒状可動体に非磁性体を介して固定される第１の磁性体と、
   前記第２の永久磁石が基部において組付けられ、前記棒状可動体に前記非磁性体を介して固定される第２の磁性体と、
   該第１及び第２の磁性体の間に、前記第１及び第２の永久磁石の基部側の夫々の磁極と反対の磁極が接近するように配設され、前記棒状可動体に前記非磁性体を介して固定される補助磁石と、
   を有していることを特徴とする可動磁石型リニアアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記延在部分における前記空芯コイルの巻回された束の前記軸方向の幅が、前記永久磁石の同方向の幅と前記固定子ベースに対する棒状可動体の相対的移動幅であるストローク幅とを合計した幅よりも大きく、前記永久磁石の前記幅が対向する空芯コイルの前記幅からはみ出ない範囲で、前記棒状可動体の相対移動が行われることを特徴とする可動磁石型リニアアクチュエータ。
3. 請求項１又は２において、前記棒状可動体の外周に配設されるマグネット構成体は、前記棒状可動体の周方向に隣り合う永久磁石の磁極が同じ極であることを特徴とする可動磁石型リニアアクチュエータ。

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