JP2009240138A

JP2009240138A - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP2009240138A
Application number: JP2008086232A
Authority: JP
Inventors: Shigemitsu Suzuki; 重光鈴木; Daichi Mizushima; 大地水島; Takashi Asaga; 崇朝賀; Munenori Ota; 宗則太田; Shinichiro Iwasaki; 新一郎岩崎; Adam Alasdair Pride; アラスダープライドアダム; Zi Qiang Zhu; チャンズージー; Xuan Chen; チェンシュアン
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】高効率での加振が可能であり、且つ、高周波に対する応答性の優れた振動が可能なリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】中心軸線Ｏに沿って２つのコイル１６，１８及び磁極を形成する３つのティース１２〜１４が並設された固定子１０と、中心軸線Ｏに沿って往復移動可能に設けられ該中心軸線Ｏの方向で一対のヨーク２１，２２にて永久磁石２３を挟み込んでなる可動子２０と、コイル１６，１８の非通電時に可動子２０を可動範囲の中央位置に復帰させるとともに固定子１０との空隙Ｃを確保する２枚の板バネ３１，３２とを有する。永久磁石２３は、中心軸線Ｏの方向に着磁されており、永久磁石２３の中心軸Ｏ線に沿った長さＬＭは、固定子１０の中央磁極を形成するティース１３の中心軸線Ｏに沿った長さＬＴ以下に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関するものである。

リニアアクチュエータは、バネを併用し共振させることによって少ない損失で駆動できることから、加振アクチュエータ等として利用されている。そして、このリニアアクチュエータを用いた加振アクチュエータ等は高効率である等優れた性能を発揮できることから、各種防振アクチュエータとしての利用が期待されている。

従来、こうしたリニアアクチュエータとして、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このリニアアクチュエータでは、非通電時に可動部磁気回路部材としての可動子は、その可動範囲の両端位置で停止するとともに、該停止位置を保持する。
特開２００５−２４５０４７号公報特開平７−３０３３６３号公報

ところで、特許文献１のリニアアクチュエータを加振アクチュエータとして使用する場合、可動子の可動範囲の中央位置を原点（振動中心）として中心軸線に沿って往復移動させる用途での使用が困難となる。また、このようなリニアアクチュエータに高周波の駆動信号を印加する場合、可動子の可動範囲のどちらかの端で振動することになり、あるいは全く動作しなくなる。さらに、可動範囲の端の位置での可動子の保持力が強いため、振動時の変位の推移も正弦波状の滑らかな曲線とはならず、滑らかな振動が得られなくなってしまう。さらにまた、このようなリニアアクチュエータの可動子をその可動範囲の中央位置に保持しようとすれば、両端に配設するバネから大きな付勢力を付与して保持することになり、付勢力が大きくなる分、より大きな駆動力を要することになる。

なお、他のリニアアクチュエータとして、例えば特許文献２に記載されたものも知られている。このリニアアクチュエータが備える可動子は、径方向に着磁された永久磁石が中心軸線の方向に複数配設されており、従って、中心軸線の方向に可動子の大型化を余儀なくされるなど、自ずと特許文献１のリニアアクチュエータが想定する使用条件を相容れないものである。また、永久磁石により構成される閉ループとなる磁気回路も両端のみとなっている。

本発明の目的は、高効率での加振が可能であり、且つ、高周波に対する応答性の優れた振動が可能なリニアアクチュエータを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、中心軸線に沿って２つのコイル及び磁極を形成する３つのティースが並設された固定子と、前記中心軸線に沿って往復移動可能に設けられ該中心軸線の方向で一対のヨークにて永久磁石を挟み込んでなる可動部磁気回路部材と、前記コイルの非通電時に前記可動部磁気回路部材を可動範囲の中央位置に復帰させるとともに前記固定子との空隙を確保する付勢手段とを有するリニアアクチュエータにおいて、前記永久磁石は、前記中心軸線の方向に着磁されており、前記永久磁石の前記中心軸線に沿った長さ又は前記一対のヨーク間の前記中心軸線に沿った長さを、前記固定子の中央磁極を形成する前記ティースの前記中心軸線に沿った長さ以下に設定したことを要旨とする。

同構成によれば、前記永久磁石の前記中心軸線に沿った長さ又は前記一対のヨーク間の前記中心軸線に沿った長さが、前記固定子の中央磁極を形成する前記ティースの前記中心軸線に沿った長さ以下に設定されていることで、前記コイルの非通電時の前記永久磁石による磁束は、前記一対のヨークと、前記固定子の中央磁極を形成する前記ティースとの間で閉ループとなる磁気回路を構成する。従って、前記可動部磁気回路部材がその可動範囲の中央位置に配置され、前記永久磁石がその径方向で前記固定子の中央磁極を形成する前記ティースに対向配置される状態では、該可動部磁気回路部材を保持する力が働く。これにより、例えば前記可動部磁気回路部材の可動範囲の中央位置で、該可動部磁気回路部材に対し高周波による短いストロークでの振動を付与することができる。また、前記可動部磁気回路部材は、磁気回路上、その可動範囲の中央位置に安定する位置を有するため、当該位置を保持させるための付勢力も小さくて済み、従って小さな推力でより大きな振動を得ることができる。

本発明では、高効率での加振が可能であり、且つ、高周波に対する応答性の優れた振動が可能なリニアアクチュエータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るリニアアクチュエータを示す縦断面図である。同図に示されるように、このリニアアクチュエータの備える固定子１０は、磁性金属（鉄、磁性ステンレスなど）からなる有蓋円筒状のケース１１を有するとともに、該ケース１１は、蓋壁の近傍で段部１１ａを介して拡開されている。そして、ケース１１内には、その中心軸線Ｏに沿って段部１１ａ上に順番に並設された円環状の３つのティース１２，１３，１４が装着されている。これらティース１２〜１４は、磁性金属にて形成されている。

段部１１ａに隣接配置されて端磁極を形成するティース１２は、その内周部からティース１３側に突出するボス状の突片１２ａを有する。また、ティース１２に隣接配置されて中央磁極を形成するティース１３は、その内周部からティース１２，１４側にそれぞれ突出するボス状の一対の突片１３ａ，１３ｂを有する。さらに、開口端側に配置されたティース１４は、その内周部からティース１３側に突出するボス状の突片１４ａを有する。

隣り合うティース１２，１３間には、これらティース１２，１３間に形成される環状の凹部に嵌合する態様で、樹脂材からなる環状のボビン１５が装着されるとともに、該ボビン１５には、一側への巻き線方向でコイル１６が巻装されている。同様に、隣り合うティース１３，１４間には、これらティース１３，１４間に形成される環状の凹部に嵌合する態様で、樹脂材からなる環状のボビン１７が装着されるとともに、該ボビン１７には、前記コイル１６に対して反転した他側への巻き線方向でコイル１８が巻装されている。中心軸線Ｏに沿って並設された両コイル１６，１８は、直列接続されており、通電時には互いに相反する方向の磁界を形成する。

前記段部１１ａとティース１２との間には、円盤状の板バネ３１の外周縁部が挟持されるとともに、前記ティース１４の開口側の端面には、円盤状の板バネ３２の外周縁部が接合されている。

リニアアクチュエータの備える可動部磁気回路部材としての可動子２０は、中心軸線Ｏの方向で前記２枚の板バネ３１，３２に挟み込まれている。この可動子２０は、板バネ３１側及び板バネ３２側に配置された磁性金属からなる一対のヨーク２１，２２を有するとともに、中心軸線Ｏの方向でこれら両ヨーク２１，２２にて挟み込まれた永久磁石２３を有する。なお、ヨーク２１，２２は、互いに同等の内径を有する挿通孔２１ａ，２２ａを有するとともに、ティース１２〜１４の内径よりも小さい互いに同等の外径を有して円環状に成形されている。

ヨーク２１は、その内周部から板バネ３１側に突出する円筒状の座部２１ｂを形成するとともに、該座部２１ｂにおいて板バネ３１の対向面と当接する。同様に、ヨーク２２は、その内周部から板バネ３２側に突出する円筒状の座部２２ｂを形成するとともに、該座部２２ｂにおいて板バネ３２の対向面と当接する。

永久磁石２３は、例えば中心軸線Ｏの方向で着磁されたフェライト磁石からなり、前記挿通孔２１ａ，２２ａの内径と同等の内径を有する挿通孔２３ａを有するとともに、ヨーク２１，２２の外径よりも若干小さい外径を有して円環状に成形されている。なお、永久磁石２３の中心軸線Ｏに沿った長さＬＭは、中央磁極を形成するティース１３の中心軸線Ｏに沿った長さＬＴ以下に設定されている。また、永久磁石２３の先端に対し径方向外側に若干突出するヨーク２１，２２の円環状の突出部は、可動子２０の磁極をそれぞれ形成する。

リニアアクチュエータの備える非磁性シャフト３６は、前記挿通孔２１ａ〜２３ａの内径と同等の外径を有する軸部３６ａを備えており、可動子２０を挟み込んだ２枚の板バネ３１，３２を中心軸線Ｏに沿って貫通して可動子２０ともども２枚の板バネ３１，３２を締結する。すなわち、この非磁性シャフト３６は、板バネ３１を貫通する軸部３６ａの一方の先端から径方向外側に延出する頭部３６ｂを有するとともに、板バネ３２を貫通する軸部３６ａの他方の先端部に刻設されたねじ部３６ｃを有する。そして、頭部３６ｂは、中心軸線Ｏの方向で板バネ３１を介して前記座部２１ｂに対向配置されており、その中央部には締結用の六角孔又は四角孔が形成されている。また、ねじ部３６ｃの基端部には、中心軸線Ｏの方向で板バネ３２を介して前記座部２２ｂに対向配置されるワッシャ３７が挿入されるとともに、前記ねじ部３６ｃには、ロックナット３８が締め付けられる。以上により、非磁性シャフト３６は、頭部３６ｂ及びロックナット３８にて、可動子２０ともども２枚の板バネ３１，３２を締結する。

なお、２枚の板バネ３１，３２を介して固定子１０に浮動支持された可動子２０は、中心軸線Ｏに沿って往復移動可能となっている。そして、２枚の板バネ３１，３２は、その付勢力にて可動子２０を可動範囲の中央位置に復帰させるとともに固定子１０との空隙Ｃを確保する。

ここで、図２（ａ）（ｃ）に示すように、可動子２０が可動範囲のいずれかの端位置にあるとき、ヨーク２１（２２）の角部は、固定子１０の端磁極を形成するティース１２（１４）の突片１２ａ（１４ａ）に対向配置される。このような配置関係にあることで可動子２０に対し中央位置から離れる方向の力が発生し、仮に可動子２０の移動を機械的に規制するストッパが存在すれば、コイル１６，１８の非通電時には、該ストッパに規制されて可動子２０をその可動範囲の端位置に保持する力が働く。

一方、図２（ｂ）に示すように、可動子２０が可動範囲の中央位置にあるとき、ヨーク２１は、前記突片１２ａ，１３ａ間の中央位置にその外周面の中央位置が径方向で対向するように配置されるとともに、ヨーク２２は、前記突片１３ｂ，１４ａ間の中央位置にその外周面の中央位置が径方向で対向するように配置され、更に永久磁石２３は、前記ティース１３の内周面の中央位置にその外周面の中央位置が径方向で対向するように配置される。このような配置関係にあることで、コイル１６，１８の非通電時には、前記永久磁石２３による磁束は、前記一対のヨーク２１，２２と、固定子１０の中央磁極を形成するティース１３との間で閉ループとなる磁気回路を構成する。従って、この状態では、可動子２０をその可動範囲の中央位置に保持する力が働く。

図３は、可動子２０の可動範囲の中央位置を原点とするその中心軸線Ｏ上の位置（上下の位置として図示）と可動子２０に働く中心軸線Ｏの方向の力（上下方向の力として図示）との関係を示すグラフである。同図から明らかなように、磁気回路上、可動子２０は、その可動範囲の中央位置（原点０）で安定する。また、位置Ｈ１と位置Ｈ２で挟まれた領域では、可動子２０には原点０に復帰しようとする力が発生する。さらに、位置Ｈ１より上側、位置Ｈ２より下側では、可動子２０には原点０から離れる方向に力が働く。従って、位置Ｈ１より上側の位置Ｈｓ１と、位置Ｈ２より下側の位置Ｈｓ２に機械的な規制（ストッパ）を配置して、位置Ｈｓ１と位置Ｈｓ２で挟まれた領域に可動範囲を強制することで、原点０及び２つの機械的な規制点（位置Ｈｓ１，Ｈｓ２）を併せて３安定のアクチュエータとなる。

また、前記両コイル１６，１８は、通電方向が正逆切り替えられて通電されるようになっており、通電時には、可動子２０は、通電方向に応じて形成される互いに相反する方向の磁界により永久磁石２３が加振されることで、その可動範囲の中央位置を原点（振動中心）として中心軸線Ｏに沿って往復移動する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、可動子２０は、磁気回路上、その可動範囲の中央位置で安定するため、例えば可動子２０の可動範囲の中央位置で、該可動子２０に対し高周波による短いストロークでの振動を付与することができる。また、可動子２０は、磁気回路上、その可動範囲の中央位置に安定する位置を有するため、当該位置を保持させるための板バネ３１，３２の付勢力も小さくて済み、従って小さな推力でより大きな振動を得ることができる。

（２）本実施形態では、可動子２０を、一対のヨーク２１，２２にて永久磁石２３を挟み込んだサンドイッチ構造としたことで、安価なフェライト磁石を使用しながらも、磁極の磁束密度を高めることができ、高推力を得ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図４に示すように、可動子４０の備える永久磁石４１は、固定子１０の中央磁極を形成するティース１３の中心軸線Ｏに沿った長さＬＴを超えた当該中心軸線Ｏに沿った長さＬＭ１を有してもよい。この場合、中心軸線Ｏの方向で永久磁石４１を挟み込む一対のヨーク４２，４３は、永久磁石４１の先端に対し径方向外側に円環状に突出するとともに、該突出部において中心軸線Ｏに沿って互いの対向側にすり鉢状に突出して可動子磁極４２ａ，４３ａをそれぞれ形成する。これら可動子磁極４２ａ，４３ａ間（外周面におけるヨーク４２，４３間）の中心軸線Ｏに沿った長さＬＹは、中央磁極を形成するティース１３の中心軸線Ｏに沿った長さＬＴ以下に設定されている。このように変形しても、前記コイル１６，１８の非通電時の永久磁石４１による磁束は、一対のヨーク４２，４３と、固定子１０の中央磁極を形成するティース１３との間で閉ループとなる磁気回路を構成することから、前記実施形態と同様の効果が得られるようになる。

・前記実施形態において、可動子２０の可動範囲の中央位置は、磁気回路上、両端の安定する２位置とは別の安定する位置であれば、該可動範囲の適宜の中間位置であってもよく、必ずしも両端の安定する２位置の中心位置に限定されるものではない。

・前記実施形態において、永久磁石２３，４１は、ネオジム磁石などであってもよい。

本発明の一実施形態を示す縦断面図。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、同実施形態の動作を示す説明図。可動子の位置と力との関係を示すグラフ。本発明の変形形態を示す縦断面図。

符号の説明

Ｃ…空隙、Ｏ…中心軸線、１０…固定子、１２〜１４…ティース、１６，１８…コイル、２０，４０…可動子（可動部磁気回路部材）、２１，２２，４２，４３…ヨーク、２３，４１…永久磁石、３１，３２…板バネ（付勢手段）。

Claims

中心軸線に沿って２つのコイル及び磁極を形成する３つのティースが並設された固定子と、前記中心軸線に沿って往復移動可能に設けられ該中心軸線の方向で一対のヨークにて永久磁石を挟み込んでなる可動部磁気回路部材と、前記コイルの非通電時に前記可動部磁気回路部材を可動範囲の中央位置に復帰させるとともに前記固定子との空隙を確保する付勢手段とを有するリニアアクチュエータにおいて、
前記永久磁石は、前記中心軸線の方向に着磁されており、
前記永久磁石の前記中心軸線に沿った長さ又は前記一対のヨーク間の前記中心軸線に沿った長さを、前記固定子の中央磁極を形成する前記ティースの前記中心軸線に沿った長さ以下に設定したことを特徴とするリニアアクチュエータ。