JP2010057338A - Mover, armature, and actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の円筒状の永久磁石を重ねてなる可動子、可動子が貫通される電機子、及びこれらの可動子と電機子(固定子)とを組み合わせてなるアクチュエータに関する。 The present invention relates to a mover formed by stacking a plurality of cylindrical permanent magnets, an armature through which the mover passes, and an actuator formed by combining these mover and armature (stator).
電子回路基板などの孔あけ機に用いるドリルの垂直移動装置、または、ピックアンドプレース(部品を掴んで所定の位置に置く)型ロボットにおける垂直移動機構などにあっては、高速な移動かつ高精度の位置決めが要求される。したがって、回転型モータの出力をボールねじにて平行運動(垂直運動)に変換するような従来の方法では、移動速度が遅いため、そのような要求を満たせない。 High-speed movement and high precision in vertical movement devices for drills used in drilling machines such as electronic circuit boards, or vertical movement mechanisms in pick-and-place (grabbing and placing parts) robots Positioning is required. Therefore, the conventional method in which the output of the rotary motor is converted into parallel motion (vertical motion) with a ball screw cannot satisfy such a requirement because the moving speed is low.
そこで、このような垂直移動には、平行運動出力を直接に取り出し可能なアクチュエータ(リニアモータ)の利用が進められている。多数の永久磁石を配設した永久磁石磁極部材を可動子とし、通電コイルを有する電機子を固定子として、固定子に可動子を貫通させた構成が、アクチュエータとして種々のタイプのものが提案されている(例えば、特許文献1,2,3など)。
従来のアクチュエータは、ボールねじに比べれば応答は速いが、可動子の質量が大きいために十分な推力は確保できるものの要求される水準の応答速度を実現できない。高速化に適したアクチュエータの構造は可動磁石型であるが、磁極ピッチが大きいと磁石背面のヨークに回り込む磁束の量が多くなり、ヨークの体積が増して可動子が重くなる。一方、磁極ピッチを小さくした場合には、電機子側の捲き線構造が複雑になり、小型化、高パワー密度化が困難となる。 Conventional actuators have a faster response than ball screws, but because the mass of the mover is large, sufficient thrust can be secured, but the required response speed cannot be achieved. The structure of the actuator suitable for speeding up is a movable magnet type, but if the magnetic pole pitch is large, the amount of magnetic flux that wraps around the yoke on the back of the magnet increases, the volume of the yoke increases, and the mover becomes heavy. On the other hand, when the magnetic pole pitch is reduced, the armature side wire structure is complicated, and it is difficult to reduce the size and increase the power density.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発生する磁束の量が多くかつ軽量である可動子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a mover that generates a large amount of magnetic flux and is lightweight.
本発明の他の目的は、磁極ピッチが小さくても捲き線構造が複雑にならない電機子を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an armature that does not have a complicated wire structure even when the magnetic pole pitch is small.
本発明の更に他の目的は、磁気飽和が起こりにくい構造であり、高速な応答性を実現できてモータの変換効率を高めて高パワー密度化を図れるアクチュエータを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an actuator that has a structure in which magnetic saturation is unlikely to occur, can achieve high-speed response, and can increase the conversion efficiency of the motor and increase the power density.
本発明に係る可動子は、複数の円筒状の永久磁石を重ねてなるアクチュエータの可動子において、径方向に着磁した円筒状磁石と重ね方向に着磁した円筒状磁石とを交互に重ねており、前記径方向に着磁した円筒状磁石は、径方向外向きに着磁した円筒状磁石と径方向内向きに着磁した円筒状磁石とが交互に配されており、前記重ね方向に着磁した円筒状磁石は、隣り合う径方向内向きに着磁した円筒状磁石から隣り合う径方向外向きに着磁した円筒状磁石に向かう方向に着磁されていることを特徴とする。 The mover according to the present invention is an actuator mover in which a plurality of cylindrical permanent magnets are stacked, and a cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are alternately stacked. The cylindrical magnets magnetized in the radial direction are arranged alternately with cylindrical magnets magnetized radially outward and cylindrical magnets magnetized radially inward. The magnetized cylindrical magnet is characterized in that it is magnetized in a direction from a cylindrical magnet magnetized in the radially inward direction to a cylindrical magnet magnetized in the radially outward direction.
本発明の可動子にあっては、径方向外向きに着磁した円筒状磁石、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石、径方向内向きに着磁した円筒状磁石、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石、…の順に複数の円筒状の永久磁石を重ねて、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石は、隣の径方向内向きに着磁した円筒状磁石から隣の径方向外向きに着磁した円筒状磁石に向かう方向に着磁している。このような構成にすることにより、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石が磁束の還流路として作用するため、内側に発生する磁束を削減することができるので、本発明の可動子は、軽量としても十分な磁束の量を確保する。 In the mover of the present invention, a cylindrical magnet magnetized radially outward, a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction (height direction), a cylindrical magnet magnetized radially inward, and stacked Cylindrical magnets magnetized in the direction (height direction), and a plurality of cylindrical permanent magnets are stacked in this order, and the cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction (height direction) The magnet is magnetized in the direction from the cylindrical magnet magnetized in the direction toward the adjacent cylindrical magnet magnetized outward in the radial direction. With such a configuration, the cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction (height direction) acts as a flux return path, so that the magnetic flux generated inside can be reduced. The child ensures a sufficient amount of magnetic flux even if it is lightweight.
本発明に係る可動子は、前記径方向に着磁した円筒状磁石と重ね方向に着磁した円筒状磁石とが、軟質磁性体製の円筒状ヨークの外周面に接着されていることを特徴とする。 The mover according to the present invention is characterized in that the cylindrical magnet magnetized in the radial direction and the cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are bonded to an outer peripheral surface of a cylindrical yoke made of a soft magnetic material. And
本発明の可動子にあっては、軟質磁性体製の円筒状ヨークの外周面に、上述したような円筒状磁石が接着されている。内側に発生する磁束の漏れを低減し、円筒状ヨークによって磁石への磁束のまわり込みを増やし、磁石外周に発生する磁束量を増やすことができて、円筒状ヨークの厚さを低減できるため、軽量化を図れる。 In the mover of the present invention, the cylindrical magnet as described above is bonded to the outer peripheral surface of a cylindrical yoke made of a soft magnetic material. Since the leakage of magnetic flux generated on the inside is reduced, the magnetic flux around the magnet is increased by the cylindrical yoke, the amount of magnetic flux generated on the outer periphery of the magnet can be increased, and the thickness of the cylindrical yoke can be reduced. Weight reduction can be achieved.
本発明に係る電機子は、円筒状の可動子が貫通されるアクチュエータの電機子において、前記可動子が貫通されるリング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、該ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第1ユニットと、前記可動子が貫通されるリング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、前記第1ユニットのコア部を所定角度回転した位置に設けられ、前記ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第2ユニットとを交互に重ねてなり、前記第1ユニットの複数のコア部及び/または前記第2ユニットの複数のコア部に捲き線を巻回してあることを特徴とする。 An armature according to the present invention comprises an armature of an actuator through which a cylindrical mover passes, a ring-shaped magnetic pole portion through which the mover passes, a yoke portion arranged outside the magnetic pole portion, A first unit made of a soft magnetic material having a yoke part and a plurality of core parts connecting the magnetic pole part, a ring-shaped magnetic pole part through which the mover passes, and a yoke disposed outside the magnetic pole part And a second unit made of a soft magnetic material, which is provided at a position rotated by a predetermined angle with respect to the core portion of the first unit and has a plurality of core portions connecting the yoke portion and the magnetic pole portion. A plurality of core portions of the first unit and / or a plurality of core portions of the second unit are wound around each other.
本発明の電機子にあっては、可動子が貫通されるリング状の磁極部と、磁極部の外側に配置したヨーク部と、ヨーク部と磁極部とを接続する複数のコア部とを有する第1ユニットと、第1ユニットと同様の部材を有しており、第1ユニットに比べて複数のコア部を所定角度回転した位置に設けてある第2ユニットとを交互に重ねており、第1ユニットの複数のコア部または第2ユニットの複数のコア部に一括して捲き線を巻回してある。各磁極毎に個別に捲き線を施さずに、一方のユニットのコア部に一括して捲き線を施すため、捲き線構造が簡単であり、小型化が容易である。 The armature of the present invention has a ring-shaped magnetic pole portion through which the mover passes, a yoke portion arranged outside the magnetic pole portion, and a plurality of core portions that connect the yoke portion and the magnetic pole portion. The first unit has the same member as the first unit, and a plurality of core units alternately overlapped with the second unit provided at a position rotated by a predetermined angle compared to the first unit, A winding line is wound around the plurality of core portions of one unit or the plurality of core portions of the second unit all together. Since the winding is collectively applied to the core portion of one unit without separately providing the winding for each magnetic pole, the structure of the winding is simple and the size can be easily reduced.
本発明に係る電機子は、前記所定角度は90度であることを特徴とする。 In the armature according to the present invention, the predetermined angle is 90 degrees.
本発明の電機子にあっては、第1ユニットの複数のコア部と第2ユニットの複数のコア部とは90度回転した位置関係にある。よって、一方のユニットのコア部に巻回された捲き線に通電した場合でも、両方のユニットのコア部に起磁力が印加される。 In the armature of the present invention, the plurality of core portions of the first unit and the plurality of core portions of the second unit are in a positional relationship rotated 90 degrees. Therefore, even when current is passed through the winding wound around the core portion of one unit, magnetomotive force is applied to the core portions of both units.
本発明に係るアクチュエータは、径方向に着磁した円筒状磁石と重ね方向に着磁した円筒状磁石とを交互に重ねており、前記径方向に着磁した円筒状磁石は、径方向外向きに着磁した円筒状磁石と径方向内向きに着磁した円筒状磁石とが交互に配されており、前記重ね方向に着磁した円筒状磁石は、隣り合う径方向内向きに着磁した円筒状磁石から隣り合う径方向外向きに着磁した円筒状磁石に向かう方向に着磁されている可動子を、リング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、該ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第1ユニットと、リング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、前記第1ユニットのコア部を所定角度回転した位置に設けられ、前記ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第2ユニットとを交互に重ねてなり、前記第1ユニットの複数のコア部及び/または前記第2ユニットの複数のコア部に捲き線を巻回してある電機子の前記第1ユニットの磁極部及び前記第2ユニットの磁極部に貫通させてあることを特徴とする。 In the actuator according to the present invention, a cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are alternately stacked, and the cylindrical magnet magnetized in the radial direction is radially outward. Are alternately arranged, and the cylindrical magnets magnetized in the overlapping direction are magnetized in the adjacent radial inward direction. A mover that is magnetized in a direction toward a cylindrical magnet that is magnetized radially outward from the cylindrical magnet, a ring-shaped magnetic pole part, a yoke part that is disposed outside the magnetic pole part, A first unit made of a soft magnetic material having a yoke part and a plurality of core parts connecting the magnetic pole part, a ring-shaped magnetic pole part, a yoke part arranged outside the magnetic pole part, and the first unit The core portion is provided at a position rotated by a predetermined angle, and the yoke portion and the magnetic And a plurality of soft magnetic second units having a plurality of cores connecting the first and second units, and a plurality of cores of the first unit and / or a plurality of cores of the second unit. The armature wound with the winding wire is penetrated through the magnetic pole part of the first unit and the magnetic pole part of the second unit.
本発明のアクチュエータにあっては、上述したような可動子を上述したような電機子に貫通させた構成をなす。可動子の内側に発生する磁束を削減することができ、可動子の軽量化を図れるため、可動子の応答速度は速くなる。また、電機子における捲き線構造が簡単であって、小型化を図れる。 In the actuator of the present invention, the movable element as described above is configured to penetrate the armature as described above. Since the magnetic flux generated inside the mover can be reduced and the weight of the mover can be reduced, the response speed of the mover increases. In addition, the wire structure in the armature is simple and the size can be reduced.
本発明に係るアクチュエータは、前記可動子が、前記径方向に着磁した円筒状磁石と重ね方向に着磁した円筒状磁石とが外周面に接着される軟質磁性体製の円筒状ヨークを有することを特徴とする。 In the actuator according to the present invention, the mover has a cylindrical yoke made of a soft magnetic material in which a cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are bonded to an outer peripheral surface. It is characterized by that.
本発明のアクチュエータにあっては、可動子の軟質磁性体製の円筒状ヨークの外周面に、上述したような円筒状磁石が接着されている。可動子の内側に発生する磁束の漏れを低減し、円筒状ヨークによって磁石への磁束のまわり込みを増やし、磁石外周に発生する磁束量を増やすことができて、円筒状ヨークの厚さを低減できるため、軽量化を図れる。 In the actuator of the present invention, the cylindrical magnet as described above is bonded to the outer peripheral surface of the cylindrical yoke made of the soft magnetic material of the mover. Reduces the leakage of magnetic flux generated inside the mover, increases the amount of magnetic flux that wraps around the magnet by the cylindrical yoke, and increases the amount of magnetic flux generated on the outer periphery of the magnet, reducing the thickness of the cylindrical yoke As a result, the weight can be reduced.
本発明の可動子では、径方向外向きに着磁した円筒状磁石、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石、径方向内向きに着磁した円筒状磁石、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石、…の順に複数の円筒状の永久磁石を重ね、重ね方向(高さ方向)に着磁した円筒状磁石は、隣の径方向内向きに着磁した円筒状磁石から隣の径方向外向きに着磁した円筒状磁石に向かう方向に着磁している構成にするようにしたので、内側に発生する磁束を削減することができるため、十分な磁束の量を確保しながら軽量化を図ることができる。 In the mover of the present invention, a cylindrical magnet magnetized in the radially outward direction, a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction (height direction), a cylindrical magnet magnetized in the radially inward direction, and the overlapping direction (high A plurality of cylindrical permanent magnets in this order, and the cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction (height direction) was magnetized inward in the adjacent radial direction. Since the configuration is such that the magnet is magnetized in the direction from the cylindrical magnet toward the cylindrical magnet that is magnetized radially outward next to the cylindrical magnet, the magnetic flux generated inside can be reduced. It is possible to reduce the weight while securing the amount.
本発明の可動子では、上述したような円筒状磁石が接着される軟質磁性体製の円筒状ヨークを備える場合にあっても、内側に発生する磁束の漏れを低減し、円筒状ヨークによって磁石への磁束のまわり込みを増やし、磁石外周に発生する磁束量を増やすことができるので、ヨークの厚さを低減できて、軽量化を図ることができる。 In the mover according to the present invention, even when a cylindrical yoke made of a soft magnetic material to which the cylindrical magnet is bonded as described above is provided, leakage of magnetic flux generated inside is reduced, and the magnet is formed by the cylindrical yoke. Since the amount of magnetic flux flowing into the magnet can be increased and the amount of magnetic flux generated on the outer periphery of the magnet can be increased, the thickness of the yoke can be reduced and the weight can be reduced.
本発明の電機子では、可動子が貫通されるリング状の磁極部と、磁極部の外側に配置したヨーク部と、ヨーク部と磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第1ユニット及び第2ユニットと、両ユニットの複数のコア部の位置を互いに90度ずらせて、交互に重ねており、第1ユニットの複数のコア部及び/または第2ユニットの複数のコア部に一括して捲き線を巻回してある構成にするようにしたので、各磁極毎に個別に捲き線を施す必要がなく、捲き線構造が簡単であり、小型化を図ることができる。 In the armature of the present invention, a soft magnetic body having a ring-shaped magnetic pole portion through which the mover penetrates, a yoke portion arranged outside the magnetic pole portion, and a plurality of core portions connecting the yoke portion and the magnetic pole portion. The first unit and the second unit, and the positions of the plurality of core portions of both units are shifted by 90 degrees from each other and are alternately stacked, and the plurality of core portions of the first unit and / or the plurality of second units Since the winding is wound around the core in a lump, there is no need to wire each magnetic pole individually, the winding structure is simple, and the size can be reduced. .
本発明の電機子では、第1ユニットの複数のコア部と第2ユニットの複数のコア部とを90度回転した位置関係にあるようにしたので、一方のユニットのコア部に巻回された捲き線に通電した場合でも、両方のユニットのコア部に起磁力を印加することができる。 In the armature of the present invention, since the plurality of core portions of the first unit and the plurality of core portions of the second unit are in a positional relationship rotated 90 degrees, they are wound around the core portion of one unit. A magnetomotive force can be applied to the cores of both units even when the wire is energized.
本発明のアクチュエータでは、上述したような可動子を上述したような電機子に貫通させた構成をなすようにしたので、可動子の内側に発生する磁束を削減することができ、可動子の軽量化を図れるため、可動子の応答速度を速くすることができ、また、電機子の捲き線構造を簡素化できて小型化を図ることができる。 In the actuator of the present invention, since the movable element as described above is made to penetrate the armature as described above, the magnetic flux generated inside the movable element can be reduced, and the weight of the movable element is reduced. Therefore, the response speed of the mover can be increased, and the armature strand structure can be simplified to reduce the size.
本発明のアクチュエータでは、上述したような円筒状磁石が接着される軟質磁性体製の円筒状ヨークを可動子に備える場合にあっても、内側に発生する磁束の漏れを低減し、円筒状ヨークによって磁石への磁束のまわり込みを増やし、磁石外周に発生する磁束量を増やすことができるので、円筒状ヨークの厚さを低減できて、可動子の軽量化を図ることができる。 In the actuator of the present invention, even when the mover is provided with a cylindrical yoke made of a soft magnetic material to which the cylindrical magnet as described above is bonded, leakage of magnetic flux generated inside is reduced, and the cylindrical yoke is reduced. As a result, it is possible to increase the amount of magnetic flux that wraps around the magnet and increase the amount of magnetic flux generated on the outer periphery of the magnet, so that the thickness of the cylindrical yoke can be reduced and the weight of the mover can be reduced.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図1は、本発明に係る可動子の構成を示す斜視図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a mover according to the present invention.
本発明の可動子1は、4種類の円筒状磁石2a,2b,2c,2dを円筒状の軟質磁性体製のインナーヨーク3の外周面に軸芯方向にこの順に交互に接着させた構成をなしている。図1において、白抜矢符は各円筒状磁石2a,2b,2c,2dの着磁方向を示している。円筒状磁石2aは径方向外向きに着磁した円筒状磁石(径方向異方性磁石)であり、円筒状磁石2cは径方向内向きに着磁した円筒状磁石(径方向異方性磁石)である。よって、円筒状磁石2aと円筒状磁石2cとは、その着磁方向が径方向で逆になる。
The
また、円筒状磁石2b,2dは、隣り合う径方向内向きに着磁した円筒状磁石2cから隣り合う径方向外向きに着磁した円筒状磁石2aに向かう方向に着磁されている。即ち、図1において、円筒状磁石2bは左隣りの円筒状磁石2cから右隣りの円筒状磁石2aに向かう方向に着磁されており、円筒状磁石2dは右隣りの円筒状磁石2cから左隣りの円筒状磁石2aに向かう方向に着磁されている。よって、円筒状磁石2bと円筒状磁石2dとは、その着磁方向が高さ方向(重ね方向)で逆になる。
The
図2は、本発明に係る電機子の構成を示す斜視図であって、図2(a)〜(c)はその部分構成図、図2(d)はその全体構成図である。 FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the armature according to the present invention. FIGS. 2A to 2C are partial configuration diagrams, and FIG. 2D is an overall configuration diagram.
電機子4は、図2(a)に示す第1ユニット(U極)5と、図2(b)に示す第2ユニット(バーU極)6とを交互に配列した構成を有している(図2(c)参照)。第1ユニット(U極)5は、軟質磁性体にて形成されており、可動子1が貫通されるリング状の磁極部5aと、磁極部5aからの磁束を接続するために磁極部5aの外側に配置された枠体としてのヨーク部5bと、ヨーク部5bと磁極部5aとを接続する2つのコア部5c,5cとを有する。2つのコア部5c,5cは、180度離隔した位置に設けられている。
The
また、第2ユニット(バーU極)6は、軟質磁性体にて形成されており、可動子1が貫通されるリング状の磁極部6aと、磁極部6aからの磁束を接続するために磁極部6aの外側に配置された枠体としてのヨーク部6bと、ヨーク部6bと磁極部6aとを接続する2つのコア部6c,6cとを有する。2つのコア部6c,6cは、180度離隔した位置に設けられている。第1ユニット5と第2ユニット6とは同一の構成部材を有しているが、第2ユニット6は、第1ユニット5のリング状の磁極部5aの中心を回転中心として90度回転させたものである。よって、第2ユニット6におけるコア部6cの形成位置(図2(b)では3時,9時の位置)は、第1ユニット5におけるコア部5cの形成位置(図2(a)では0時,6時の位置)から90度回転している。
The second unit (bar U pole) 6 is formed of a soft magnetic material, and connects the ring-shaped magnetic pole part 6a through which the
そして、このような第1ユニット5と第2ユニット6とを、図2(c)に示すように、交互に配列して重ねる。ここで、隣り合う第1ユニット5及び第2ユニット6において、それらのヨーク部5bとヨーク部6bとは接しているが、それらの磁極部5aと磁極部6a、コア部5cとコア部6cとは接しておらず、これらの間に空隙が存在している。
Then, such
2つの第1ユニット5,5における一方(12時の位置)のコア部5c,5cに一括して捲き線7aを巻回する。また、2つの第1ユニット5,5における他方(6時の位置)のコア部5c,5cに一括して捲き線7bを巻回する。そして、捲き線7aと捲き線7bとの通電方向が逆になるように、両捲き線7a,7bを接続する(図2(d)参照)。図2(d)における白抜矢符は、捲き線7a,捲き線7bでの通電方向を示している。
The winding wire 7a is wound around the
そして、上述した図1に示す可動子1を、図2(d)示す電機子4の磁極部5a,6aが連なって形成される中空部8に貫通させることにより、本発明における単相駆動のアクチュエータ(単相のアクチュエータ)10が構成される。図3は本発明に係るアクチュエータ10の構成を示す斜視図、図4はこのアクチュエータ10の一部破断斜視図である。
1 is passed through the
本発明のアクチュエータの場合には、電機子4が固定子として機能する。そして、捲き線7a,7bに逆方向に電流を流すことにより、電機子4の中空部8に貫通された可動子1が電機子4(固定子)に対して往復直線運動を行う。
In the case of the actuator of the present invention, the
図5は、電機子4における通電状態と起磁力とを示す断面図である。図5において、「●(紙面の裏から表への通流)」、「×(紙面の表から裏への通流)」は捲き線7a,捲き線7bへの通流方向を示しており、白抜矢符はコイル通電によってコア部5c,6cに印加される起磁力の向きを示している。本発明では、捲き線7a,捲き線7bに逆向きの電流を流すことにより、第1ユニット5,第2ユニット6の全てのコア部5c,6cに交番磁界が生じる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the energized state and magnetomotive force in the
従来のアクチュエータとしては、インナーヨークを兼ねた中実の軸に径方向に着磁した円筒状磁石を接着した構成のアクチュエータ(特許文献1)、高さ方向に着磁した中実円筒状磁石を反発する方向に組み合わせて非磁性円筒管に封入した構成のアクチュエータ(特許文献2,3)などが用いられてきた。このような構成では、可動子の質量が大きくなり、高速な応答性を実現できなかった。
As a conventional actuator, an actuator (Patent Document 1) in which a cylindrical magnet magnetized in the radial direction is bonded to a solid shaft that also serves as an inner yoke (Patent Document 1), a solid cylindrical magnet magnetized in the height direction is used. Actuators (
これに対して、本発明のアクチュエータでは、可動子1が中空構成であっても従前の中実構成と同程度の磁束量を確保することができるため、軽量化を図れる。また、高さ方向に着磁した円筒状磁石2b,2dが磁束の還流路として作用するため、可動子1の内側に発生する磁束を削減することができて、インナーヨーク3の厚さを低減することができるため、可動子1の軽量化を図れる。よって、本発明のアクチュエータでは、可動子1の軽量化を図れるので、応答速度を速くできるという効果を奏する。
On the other hand, in the actuator of the present invention, even if the
ところで、可動子のインナーヨークを薄くするための手法として、円筒状磁石の磁極ピッチを小さくすることが考えられるが、磁極ピッチを小さくした場合に、従来の電機子の構造では捲き線の巻回箇所が多くなって、全体形状が大型化する傾向にあった。 By the way, as a method for thinning the inner yoke of the mover, it is conceivable to reduce the magnetic pole pitch of the cylindrical magnet. However, when the magnetic pole pitch is reduced, the winding of the winding wire is reduced in the conventional armature structure. The number of locations increased and the overall shape tended to increase in size.
これに対して、本発明のアクチュエータの電機子4にあっては、円筒状磁石の極毎に個別に捲き線を施すのではなく、すべてのコア部5c,5cを一括して捲き線7a,7bを施すようにしているので、捲き線構造が簡単であり、小型化を容易に実現できる。
On the other hand, in the
なお、上述した実施の形態では、円筒状のインナーヨーク3の外周面に円筒状磁石2a,2b,2c,2dを交互に接着させて可動子1を構成したが、インナーヨーク3は必ずしも設けなくても良く、4種類の円筒状磁石のみで可動子1を構成しても良い。また、インナーヨークと円筒状磁石との厚さの比率は、推力と可動子の質量との比で要求される特性に応じて適宜選定すれば良い。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態では、第1ユニット5のコア部5cに一括して捲き線7a,7bを巻回するようにしたが、第2ユニット6のコア部6cに一括して捲き線7a,7bを巻回するようにしても良い。また、第1ユニット5のコア部5c及び第2ユニット6のコア部6cの両方に捲き線7a,7bを巻回するようにしても良い。
In the above-described embodiment, the winding
上述した実施の形態では、4種類の円筒状磁石2a,2b,2c,2dを5組重ねる構成としたが、これは一例であって、その組数は任意の数であって良い。また、第1ユニット5,第2ユニット6を交互に2組配列することとしたが、これは一例であって、その組数は任意の数であって良い。
In the above-described embodiment, five sets of four types of
また、単相のアクチュエータについて説明したが、例えば3相駆動のアクチュエータを構成する場合には、上記の電機子3個を、磁極ピッチ×(n+1/3)または磁極ピッチ×(n+2/3)(但し、nは整数)だけ間隔をあけて直線状に配置して、それらに可動子を貫通させるようにすれば良い。なお、この場合、捲き線が収まるスペースを考慮して整数nを設定すれば良い。 Also, a single-phase actuator has been described. For example, in the case of configuring a three-phase drive actuator, the above-described three armatures are replaced with magnetic pole pitch × (n + 1/3) or magnetic pole pitch × (n + 2/3) ( However, n may be arranged in a straight line with an interval of an integer), and the movable element may be passed through them. In this case, an integer n may be set in consideration of a space in which the line is accommodated.
第1ユニット5におけるコア部5cと第2ユニット6におけるコア部6cとを90度回転させた位置関係に配置することとしたが、互いのコア部が120度ずつ回転した位置関係にあるような3個のユニットを複数組重ねて電機子を構成するようにした場合、1つの電機子にて3相駆動を実現することが可能である。
Although the
(実施例)
以下、本発明者が作製したアクチュエータの具体的な構成と、作製したアクチュエータの特性とについて説明する。
(Example)
Hereinafter, a specific configuration of the actuator manufactured by the present inventor and characteristics of the manufactured actuator will be described.
まず、アクチュエータに用いる可動子1として、図6に示すような形状の永久磁石磁極部材を作製した。この永久磁石磁極部材(可動子1)は、希土類磁石(例えば、Fe−Nd−B磁石)からなる4種類の円筒状磁石2a,2b,2c,2dを、円筒状のインナーヨーク3の外周面に軸芯方向に交互に接着させて構成されている。円筒状磁石2a,2cは何れも、外径9mm,内径7mm,高さ3mmであり、円筒状磁石2aは径方向外向きに着磁されており、円筒状磁石2cは径方向内向きに着磁されている。円筒状磁石2b,2dは何れも、外径9mm,内径7mm,高さ1mmであり、隣り合う径方向内向きに着磁した円筒状磁石2cから隣り合う径方向外向きに着磁した円筒状磁石2aに向かう方向に着磁されている。これらの各円筒状磁石2a,2b,2c,2dの着磁方向は、図1に示す例(白抜矢符)と同じである。
First, as the
インナーヨーク3は、外径9mm,内径7mmである鉄パイプを使用した。また各種類の円筒状磁石2a,2b,2c,2dは、それぞれ16個ずつ使用し、鉄パイプ(インナーヨーク3)上での磁石配列の全長は128mmとなった。
As the
次に、電機子4を作製した。図7に示すような形状をなす電機子素材を0.5mm厚さの珪素鋼板から6枚切り出して重ね、さらにその上に、図7の枠部分のみ(25mm×25mm,幅1.5mm)を2枚切り出して重ねて、電機子単極ユニットを作製した。この枠部分のみの2枚は、隣り合う単極ユニットのコア部同士が接触しないようにするスペーサとして機能する。また、磁極ピッチは4mm(=0.5mm×8)である。このような電機子単極ユニット4個を90度回転させながら順次積層することにより、縦25mm,横25mm,高さ16mmの積層体を得た。この例では、前述した第1ユニット(U極)5と第2ユニット(バーU極)6とをそれぞれ2個ずつ、交互に配列した構成となる。
Next, the
次に、一方の2個の電機子単極ユニット(2個の第1ユニット5または第2ユニット6)の2箇所のコア部にそれぞれ一括して導線(捲き線7a,7b)を100回ずつ巻き付けた。そして、通電した場合に互いに逆向きの起磁力がコア部に与えられるように、これらの2組の導線を直列に接続した。
Next, the conductors (
このようにして作製した電機子4を3個準備し、その3個の電機子4をそれぞれ13.3mm(=4mm×(3+1/3))だけ間隔をあけて直線状に並べて固定し、上述したようにして作製した可動子1を3個の電機子4に貫通させて、3相駆動のアクチュエータを構成した。
Three
図8は、3相駆動のアクチュエータの位置制御を行うための回路構成を示す図である。可動子1の先端部には、光の反射率に変化をつけた微細な周期構造を有するリニアスケール21が取り付けられている。また、リニアスケール21に対向して、レーザ光発生機構、反射光検出機構、光学レンズなどを有するリニアエンコーダ22が設けられている。リニアエンコーダ22は、可動子1の移動に伴う反射光の強弱パターンを検出する位置センサとして機能し、そのセンサ出力(反射光の受光結果)を位置パルス演算部23ヘ出力する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a circuit configuration for performing position control of a three-phase driving actuator. A
位置パルス演算部23は、反射光の強弱パターンをパルスとして計数することにより、可動子1の位置情報及び速度情報を演算し、可動子1の位置情報を減算器24へ出力するとともに、可動子1の速度情報を減算器26へ出力する。また、位置パルス演算部23は、位相情報を駆動部28へ出力する。
The position
減算器24は、入力される目標位置信号とこの位置情報との差分を求め、差分結果を位置制御部25へ出力する。位置制御部25は、この差分結果に基づいて位置制御を行い、目標速度信号を減算器26へ出力する。減算器26は、この目標速度信号と前記速度情報との差分を求め、差分結果を速度制御部27へ出力する。速度制御部27は、この差分結果に基づいて速度制御を行い、制御信号を駆動部28ヘ出力する。
The
駆動部28は、速度制御部27からの制御信号に基づき、位置パルス演算部23からの位相情報に応じて、U相,V相,W相の各電機子ユニットに駆動出力を与えて導線に電流を流す。この通電の制御により、可動子1が所望の速度で所望の位置まで移動される。
Based on the control signal from the
以下、本発明のアクチュエータの特性について説明する。まず、可動子における円筒状磁石の配列が及ぼす表面磁束密度の影響について説明する。 Hereinafter, the characteristics of the actuator of the present invention will be described. First, the influence of the surface magnetic flux density exerted by the arrangement of the cylindrical magnets in the mover will be described.
前述したように径方向に着磁した円筒状磁石と高さ方向に着磁した円筒状磁石とを交互にインナーヨークの外周面に接着させた本発明例としての可動子と、径方向に着磁した円筒状磁石のみを円筒状のインナーヨークの外周面に接着させた比較例としての可動子とについて、磁石表面の磁界密度を測定したところ、前者の本発明例では0.7T、後者の比較例では0.56Tであった。また、径方向に着磁した円筒状磁石と高さ方向に着磁した円筒状磁石とを交互に重ねた(インナーヨーク無し)本発明例としての可動子と、径方向に着磁した円筒状磁石のみを重ねた(インナーヨーク無し)比較例としての可動子とについて、磁石表面の磁界密度を測定したところ、前者の本発明例では0.35T、後者の比較例では0.22Tであった。このときの測定条件は、円筒状磁石:Fe−Nd−B磁石(内径7mm,厚さ1mm)、最大エネルギー積:380kJ/m3 ,Br:1.4T、インナーヨーク:純鉄(内径5mm,厚さ1mm)とした。
As described above, the mover according to the present invention in which the cylindrical magnet magnetized in the radial direction and the cylindrical magnet magnetized in the height direction are alternately bonded to the outer peripheral surface of the inner yoke, and the radial magnet When the magnetic field density of the magnet surface was measured with respect to the mover as a comparative example in which only the magnetized cylindrical magnet was bonded to the outer peripheral surface of the cylindrical inner yoke, the magnetic field density on the magnet surface was measured. In the comparative example, it was 0.56T. In addition, a cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the height direction are alternately stacked (without an inner yoke), and a mover as an example of the present invention, and a cylindrical magnet magnetized in the radial direction When the magnetic field density on the magnet surface was measured with respect to a mover as a comparative example in which only magnets were stacked (no inner yoke), it was 0.35 T in the former present invention example and 0.22 T in the latter comparative example. . Measurement conditions at this time were as follows: cylindrical magnet: Fe—Nd—B magnet (
これらの測定結果から、本発明のように高さ方向に着磁した円筒状磁石を挟み込むことにより、磁石表面で大きな磁界密度が得られることが分かる。 From these measurement results, it is understood that a large magnetic field density can be obtained on the magnet surface by sandwiching a cylindrical magnet magnetized in the height direction as in the present invention.
次に、本発明のアクチュエータにおけるインナーヨークの厚さと得られる推力との関係について説明する。インナーヨークの厚さを変化させて作製した種々の3相駆動のアクチュエータについて、推力特性を測定した。その測定結果を図9に示す。図9では、インナーヨーク(外径7mm)の厚さをそれぞれ、3.5mm(中実構成),1.0mm,0.5mm,0.2mm,0.0mm(無し)とした場合の推力特性を表している。
Next, the relationship between the thickness of the inner yoke and the obtained thrust in the actuator of the present invention will be described. Thrust characteristics were measured for various three-phase actuators manufactured by changing the thickness of the inner yoke. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 9, the thrust characteristics when the thickness of the inner yoke (
例えば、インナーヨークの厚さが1.0mmであるアクチュエータを例とした場合、図9に示されるように、30N程度まで安定した推力が得られている。この例の可動子の質量は約45gであり、30Nの推力を得るためには100g以上の質量が可動子に必要とされる従来例と比べて、本発明では推力の低下がなく可動子の大幅な軽量化を実現できている。よって、本発明では、高速応答性に優れたアクチュエータを提供できる。 For example, when an actuator having an inner yoke thickness of 1.0 mm is taken as an example, a stable thrust up to about 30 N is obtained as shown in FIG. The mass of the mover in this example is about 45 g. Compared with the conventional example in which a mass of 100 g or more is required for the mover in order to obtain a thrust of 30 N, the present invention does not reduce the thrust and the mover Significant weight reduction has been achieved. Therefore, in the present invention, an actuator excellent in high-speed response can be provided.
また、この推力特性の測定結果に基づいて、可動子の質量に対する推力の比(=推力(N)÷可動子の質量(g))を算出した。その算出結果を図10に示す。図10では、3相駆動電流(駆動電流=供給電流×コイルの巻き数)の大きさが400Aである場合の可動子の質量に対する推力の比を表している。 Further, based on the measurement result of the thrust characteristics, the ratio of thrust to the mass of the mover (= thrust (N) ÷ mass of the mover (g)) was calculated. The calculation result is shown in FIG. In FIG. 10, the ratio of the thrust to the mass of the mover when the magnitude of the three-phase drive current (drive current = supply current × number of coil turns) is 400 A is shown.
本発明のアクチュエータにあっては、インナーヨークの厚さが0.2mmである場合に、可動子の質量に対する推力の比が最大となる(図10参照)。但し、インナーヨークの厚さが0.2mmではあまり大きな推力が得られないため(図9参照)、大きな推力が得られるようにインナーヨークの厚さを0.5〜1.0mm程度とすることが実用的である場合も考えられる。したがって、所望する加速度、推力の優先度に応じてインナーヨークの厚さを適宜に設定することが好ましい。 In the actuator of the present invention, when the thickness of the inner yoke is 0.2 mm, the ratio of the thrust to the mass of the mover is maximized (see FIG. 10). However, since a large thrust cannot be obtained when the thickness of the inner yoke is 0.2 mm (see FIG. 9), the thickness of the inner yoke should be about 0.5 to 1.0 mm so that a large thrust can be obtained. Is also practical. Therefore, it is preferable to set the thickness of the inner yoke appropriately according to the desired acceleration and thrust priority.
なお、インナーヨークは実施例では軟磁性材を記載しているが、ジュラルミンのような非磁性材であっても良い。インナーヨークは可動子の形状を保つ機能と可動子の軽量化の機能とを果たせば良いからである。 The inner yoke is described as a soft magnetic material in the embodiment, but may be a nonmagnetic material such as duralumin. This is because the inner yoke has only to fulfill the function of maintaining the shape of the mover and the function of reducing the weight of the mover.
1 可動子
2a,2b,2c,2d 円筒状磁石
3 インナーヨーク
4 電機子
5 第1ユニット(U極)
6 第2ユニット(バーU極)
5a,6a 磁極部
5b,6b ヨーク部
5c,6c コア部
7a,7b 捲き線
10 アクチュエータ
DESCRIPTION OF
6 Second unit (Bar U pole)
5a, 6a
Claims (6)
径方向に着磁した円筒状磁石と重ね方向に着磁した円筒状磁石とを交互に重ねており、前記径方向に着磁した円筒状磁石は、径方向外向きに着磁した円筒状磁石と径方向内向きに着磁した円筒状磁石とが交互に配されており、前記重ね方向に着磁した円筒状磁石は、隣り合う径方向内向きに着磁した円筒状磁石から隣り合う径方向外向きに着磁した円筒状磁石に向かう方向に着磁されていることを特徴とする可動子。 In the mover of the actuator formed by stacking a plurality of cylindrical permanent magnets,
A cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are alternately stacked, and the cylindrical magnet magnetized in the radial direction is a cylindrical magnet magnetized radially outward. And cylindrical magnets magnetized inward in the radial direction are arranged alternately, and the cylindrical magnets magnetized in the overlapping direction are adjacent to the cylindrical magnets magnetized inward in the radial direction. A mover that is magnetized in a direction toward a cylindrical magnet that is magnetized outward in the direction.
前記可動子が貫通されるリング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、該ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第1ユニットと、前記可動子が貫通されるリング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、前記第1ユニットのコア部を所定角度回転した位置に設けられ、前記ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第2ユニットとを交互に重ねてなり、前記第1ユニットの複数のコア部及び/または前記第2ユニットの複数のコア部に捲き線を巻回してあることを特徴とする電機子。 In the armature of the actuator through which the cylindrical mover passes,
A first magnetic soft magnetic body having a ring-shaped magnetic pole portion through which the mover penetrates, a yoke portion arranged outside the magnetic pole portion, and a plurality of core portions connecting the yoke portion and the magnetic pole portion. 1 unit, a ring-shaped magnetic pole portion through which the mover passes, a yoke portion disposed outside the magnetic pole portion, and a core portion of the first unit rotated at a predetermined angle, the yoke portion And a plurality of soft magnetic second units having a plurality of core portions connecting the magnetic pole portions, and a plurality of core portions of the first unit and / or a plurality of second units. An armature characterized in that a winding wire is wound around a core portion.
リング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、該ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第1ユニットと、リング状の磁極部と、該磁極部の外側に配置したヨーク部と、前記第1ユニットのコア部を所定角度回転した位置に設けられ、前記ヨーク部と前記磁極部とを接続する複数のコア部とを有する軟質磁性体製の第2ユニットとを交互に重ねてなり、前記第1ユニットの複数のコア部及び/または前記第2ユニットの複数のコア部に捲き線を巻回してある電機子の前記第1ユニットの磁極部及び前記第2ユニットの磁極部に貫通させてあることを特徴とするアクチュエータ。 A cylindrical magnet magnetized in the radial direction and a cylindrical magnet magnetized in the overlapping direction are alternately stacked, and the cylindrical magnet magnetized in the radial direction is a cylindrical magnet magnetized radially outward. And cylindrical magnets magnetized inward in the radial direction are arranged alternately, and the cylindrical magnets magnetized in the overlapping direction are adjacent to the cylindrical magnets magnetized inward in the radial direction. A mover magnetized in a direction toward a cylindrical magnet magnetized outward in the direction
A first unit made of a soft magnetic material having a ring-shaped magnetic pole part, a yoke part arranged outside the magnetic pole part, and a plurality of core parts connecting the yoke part and the magnetic pole part; A magnetic pole portion, a yoke portion arranged outside the magnetic pole portion, and a plurality of core portions provided at positions where the core portion of the first unit is rotated by a predetermined angle and connecting the yoke portion and the magnetic pole portion. The armature of the armature, wherein the second unit made of soft magnetic material and alternately stacked, and a plurality of core portions of the first unit and / or a plurality of core portions of the second unit are wound with winding lines. An actuator, wherein the actuator is penetrated through the magnetic pole part of the first unit and the magnetic pole part of the second unit.
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