JP2011214624A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアアクチュエータの特性を向上させる。
【解決手段】可動子２０の内側に、リニアアクチュエータ１のストローク中心で、各主永久磁石１８Ａ、１８Ｂに対して対向配置された各主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂを設けた。これにより、電機子１７と可動子２０との間で発生する力（従来方式）と、可動子２０と主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂとの間で発生する力とは、位相差が１８０度になる。そして、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電しない場合の推力脈動は、（電機子１７−可動子２０間の推力脈動）＋（可動子２０−主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂ間の推力脈動）であることから、リニアアクチュエータ１は、従来方式と比較して、推力脈動が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関する。

例えば、特許文献１には、単相リニアモータ（単相リニアアクチュエータ）が発生する推力および減衰力を利用したサスペンション装置が開示されている。

特開２００８−２８６３６２号公報

上記従来技術においては、対向するコイルと磁石のみで推力を得ているので、位置による推力の変化の設定に自由度が少ないという課題があった。
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、位置による推力の変化の設定自由度を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のリニアアクチュエータは、直線状に配置された複数個のコイルを有する第一部材と、前記コイルと対向して配置される複数個の磁力部材を有し、前記第一部材に対して相対移動する第二部材からなるリニアアクチュエータであって、前記磁力部材の前記コイルの対向面と反対側の面に対向する対向部材を前記第一部材に設け、前記対向部材には、前記複数個のコイルと対となるように磁束密度が高くなり易い複数の高磁束密度部を有し、該複数の高磁束密度部間は該高磁束密度部より磁束密度が高くなり難くなっていることを特徴とする。

本発明によれば、リニアアクチュエータの特性の設定自由度を向上させることができる。

第１実施形態に係るリニアアクチュエータの縦断面を示す図である。 図１に示される２極２スロットのリニアアクチュエータの要部を拡大して示す断面図である。 （Ａ）は従来方式のリニアアクチュエータのストローク中心におけるコイルに通電しない場合の磁束線図であり、（Ｂ）は（Ａ）の状態で可動子を電機子に対して図における左側へ移動させた場合の磁束線図である。 （Ａ）は第１実施形態のリニアアクチュエータのストローク中心（基準位置）におけるコイルに通電しない場合の磁束線図であり、（Ｂ）は（Ａ）の状態で可動子を電機子に対して図における左側へ移動させた場合の磁束線図である。 第１実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 第１実施形態の変形例を要部を拡大して示す断面図である（基準位置の状態）。 第２実施形態に係るリニアアクチュエータの縦断面を示す図である（基準位置の状態）。 第２実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 第３実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 第３実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 第４実施形態のリニアアクチュエータの要部を拡大して示す断面図である（基準位置の状態）。 （Ａ）は第４実施形態のリニアアクチュエータのストローク中心（基準位置）におけるコイルに通電しない場合の磁束線図であり、（Ｂ）は（Ａ）の状態で可動子を電機子に対して図における左側へ移動させた場合の磁束線図である。 第４実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 第４実施形態のリニアアクチュエータの特性を示す図である。 図１１におけるリニアアクチュエータの変形例の要部を拡大して示す断面図である（基準位置の状態）。 図１５におけるリニアアクチュエータの変形例の要部を拡大して示す断面図である（基準位置の状態）。 本発明のリニアアクチュエータを採用した鉄道車両のサスペンション装置の概略構成を示すブロック図である。 図１７に示される鉄道車両の台車の平面図である。

以下に説明する各実施形態では、前述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した目的や課題さらには発明の効果に止まらず、以下に記載の課題や目的が解決あるいは達成できると共に、以下に説明する効果が得られる。

〔推力特性の安定〕
以下の図1乃至図１４の実施形態では、例えば上記特許文献記載１に記載の技術に比べ、リニアアクチュエータのコイルと永久磁石（磁力部材）との相対変移に基づく推力脈動を小さくすることができ、安定した推力特性が得られる。このことは、延いては振動を抑制するための制御精度の向上につながる。
また、電機子と対向しない可動子の片側（可動子の内側）に、磁性体により構成された主内蔵固定コアおよび補助内蔵固定コアを配置したことにより、推力脈動を低減させて推力特性を安定させることができる。
また、電機子と対向しない可動子の片側（可動子の内側）に、複数個の補助コイルを配置し、隣接する補助コイル間の電流の位相差を１８０度に設定し、各補助コイルを、電機子のコイルに対して電気角で約９０度の位相差を有して配置したので、従来、減衰力を発生させることができなかったストローク位置においても、減衰力を発生させることが可能になり、リニアアクチュエータの失陥時における安定性を向上させることができる。
さらに、隣接する補助コイル間に補助コアを配置することにより、大きい推力脈動を低減させることができる。

〔リニアアクチュエータの推力、減衰力の増大〕
以下の実施形態では、電機子と対向しない可動子の片側（可動子の内側）に、複数個の補助コイルを配置し、隣接する補助コイル間の電流の位相差を１８０度に設定し、各補助コイルを、電機子のコイルに対して電気角で約９０度の位相差を有して配置したので、従来方式のリニアアクチュエータと比較して減衰力の最大値を増大させることができ、リニアアクチュエータを小型化や高減衰力化することができる。
また、コイルと補助コイルとを同位相に配置することにより、コイルで発生可能な推力および減衰力と補助コイルで発生可能な推力および減衰力とが同位相になることから、このようなリニアアクチュエータでは、最大推力および最大減衰力を効果的に向上させることができる。

〔構成の簡素化あるいは生産性の向上〕
推力脈動を低減させるためにばねが用いられたリニアアクチュエータが周知であるが、以下の実施形態では、このようなばねを使用することなく推力脈動を低減させることができる。その結果、上記周知技術のリニアアクチュエータと比較した場合、組立が容易であることから生産性を向上させることができる。
また、以下の実施形態では、リニアアクチュエータを単相交流電流で駆動しているので、駆動回路の簡素化が可能である。またリニアアクチュエータも３相リニアモータに比べ簡素化でき、小型化できる効果がある。

〔放熱性の向上〕
３相リニアモータを動作ストロークが小さい範囲で使用すると、特定の相（例えば、Ｕ相）だけが発熱する場合がある。すると、発熱部分が局在化するので放熱性の問題が生じる。しかしながら、以下の実施形態では、単相のリニアアクチュエータを採用しているので、動作ストロークの大きさに関わらず、すべてのコイルが同程度に発熱する。そのため、発熱部分の表面積が大きくなるので、放熱性が向上する。

本発明に係るリニアアクチュエータが組込まれたサスペンション装置である横揺れ制振装置を備えた鉄道車両６について図１７および図１８を参照して説明する。
図１７および図１８に示されるように、鉄道車両６は、車体２と、輪軸３が装着されて車体２に取り付けられる台車４とを有する。台車４は、車体２に対して鉛直軸回りに回動可能であり、また、上下方向および左右方向（図１７における上下方向および左右方向）に一定の範囲内で相対移動が可能に連結されており、空気ばね５を介して車体２を支持している。車体２と台車４との間には、リニアアクチュエータ１および減衰力可変ダンパ７が連結されている。

リニアアクチュエータ１および減衰力可変ダンパ７は、車体２に固定された中心ピン８と台車４に固定された支柱９、１０との間にそれぞれ結合されており、車体２と台車４との左右方向の変位に対して、リニアアクチュエータ１の推力および減衰力可変ダンパ７の減衰力が作用するようになっている。車体２には、車体２と台車４間の左右方向の変位を検出するストロークセンサおよび車体２の左右方向の加速度を検出する加速度センサ等の車両状態を検出する各種のセンサ手段１１が設けられ、センサ手段１１からの入力信号に基づきリニアアクチュエータ１および減衰力可変ダンパ７を制御するコントローラ１２が設けられている。

リニアアクチュエータ１は、通電電流に応じて推力を発生する電磁アクチュエータであり、コントローラ１２からの駆動信号に応じて推力を発生する。減衰力可変ダンパ７は、ソレノイドバルブ等の減衰力切換弁を有し、通電電流により減衰力を少なくとも２段階に切換可能な油圧ダンパであり、コントローラ１２からの制御信号により減衰力が切換えられる。なお、減衰力可変ダンパ７を用いることがコスト、性能面から望ましいが、この代わりに、減衰力が可変ではないダンパ、油圧ダンパ以外の形式のダンパを用いてもよく、リニアアクチュエータ１を用いてもよい。また、車体２の振動低減制御ロジックは、例えばスカイフック制御を採用することができる。

コントローラ１２は、センサ手段１１の検出信号に基づき、リニアアクチュエータ１および減衰力可変ダンパ７を制御して車体の制振を行なう。例えば、鉄道車両６の低速走行時には、いわゆるパッシブ（制御なし）とし、リニアアクチュエータ１を作動させず、減衰力可変ダンパ７の減衰力を高減衰力側に切換え、減衰力可変ダンパ７の減衰力により車体２の左右方向の振動を減衰させる。他方、高速走行時には、いわゆるアクティブ制御を実行し、減衰力可変ダンパ７の減衰力を低減衰力側に切換え、加速度センサにより検出される左右方向の加速度に基づき、台車４の左右方向の振動を吸収し、また、車体２の左右方向の振動を抑制するようにリニアアクチュエータ１の推力を制御する。これにより、軌道の不整による台車４への外乱の入力および空力加振による車体２への外乱の入力に対して、車体２の左右方向の振動を抑制して、乗り心地および走行安定性を高め、高速走行を可能にする。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を添付した図に基づき説明する。
図１に示すように、リニアアクチュエータ１は、略有底円筒形の第１部材１３と、第１部材１３の内部に設けられて第１部材１３に対して相対移動可能な第２部材１４とを有する。第１部材１３は、電機子１７を含む。電機子１７は、複数個（第１実施形態では、２個）のコイル１５Ａ、１５Ｂと、円筒形の磁性体（例えば、鉄などの軟磁性体）により構成されるコアとを有する。コアは、中心コア１６Ａおよび中心コア１６Ａの軸方向両側に配置された端部コア１６Ｂ、１６Ｃとにより構成される。第２部材１４は、第１部材１３の電機子１７に対応させて設けられる可動子２０を含む。可動子２０は、複数個（第１実施形態では、２個）の主永久磁石１８Ａ、１８Ｂ（磁力部材）と、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの軸移動方向（ストローク方向であって、図１における左右方向）両側に配置される補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂと、を有する。なお、補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂは、リニアアクチュエータ１がストロークしたときにコイル１５Ａ、１５Ｂと対向し、ストロークしていない中央位置にあるとき（基準位置にあるとき）には対向しない位置に設けられており、ストローク端において主永久磁石１８Ａ、１８Ｂによる推力・減衰力の減少を補うものである。

リニアアクチュエータ１は、第１部材１３の内部に第２部材１４を摺動可能に挿入することで構成され、第２部材１４の底部側（図１における右側）が外部に突出される。第１部材１３および第２部材１４の端部には、それぞれ車体２の中心ピン８および台車４の支柱９に連結させる連結部２３、２４が設けられる。第１部材１３の底部には、第１部材１３の内側を中心線に沿って延びるロッド２５（対向部材の一部を構成する）の一端が接合される。電機子１７の先端側（図１における右側）および基端側（図１における左側）の内周部には、可動子２０の外周面を摺動可能に案内する電機子軸受２６、２７が設けられる。

図１に示されるように、主永久磁石１８Ａは、外周側がＳ極で内周側がＮ極であり（図１および図２には外周側がＳ極であることを示す符号Ｓが付してある。以下同様）、主永久磁石１８Ｂは、外周側がＮ極で内周側がＳ極である（図１および図２には外周側がＮ極であることを示す符号Ｎが付してある。以下同様）。また、補助永久磁石１９Ａは、外周側がＮ極で内周側がＳ極であり、補助永久磁石１９Ｂは、外周側がＳ極で内周側がＮ極である。コア１６の内周溝には、円周方向に巻装された２つのコイル１５Ａ、１５Ｂが収容されている。各コイル１５Ａ、１５Ｂは、リニアアクチュエータ１のストローク中心〔図１および図２に示される状態で、ストローク±０ｍｍ（基準位置）〕で、各主永久磁石１８Ａ、１８Ｂと軸方向中心位置が一致するようにして対向配置されている。

コイル１５Ａ、１５Ｂは、相互間の電流の位相差が１８０度に設定されている。具体的には、例えば、巻線方向を反対方向とするか、あるいは、通電方向が反対となるように回路構成されている。図２に示されるように、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電すると磁界が生じて、中心コア１６Ａおよび端部コア１６Ｂ、１６Ｃに磁極が生じる。その結果、中心コア１６Ａおよび端部コア１６Ｂ、１６Ｃに生じた磁極と主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間の引力および斥力により、可動子２０に軸方向の推力が生じる。なお、図２に示される２つの主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの磁極の中心間の軸方向距離である磁極ピッチτｐは、２つのコイル１５Ａ、１５Ｂの中心間の軸方向距離であるコイルピッチτｃに対して等しく設定されている。また、各コア１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃと可動子２０との間には一定のクリアランスが設けられている。

図１に示されるように、第１実施形態のリニアアクチュエータ１は、可動子２０の内側に、リニアアクチュエータ１のストローク中心で、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂに対して対向配置された対向部材の主な高磁束密度部としての主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂと、補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂに対して対向配置された補助的な高磁束密度部としての補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂとを有する。主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂおよび補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂは、例えば、コア１６と同じ材料により構成され、ロッド２５を介して電機子１７に結合されている。なお、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂおよび補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂの中心間の軸方向距離であるコアピッチ（図示省略）は、磁極ピッチτｐおよびコイルピッチτｃに対して等しく設定されている。また、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂおよび補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂと可動子２０との間には一定のクリアランスが設けられている。また、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂ及び補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂからなる内蔵固定コアの各々の間は空間となっており、各内蔵固定コアより磁束密度が高くなり難くなっている。また、コイル１５Ａと主内蔵固定コア２８Ａとは対となっており、また、コイル１５Ｂと主内蔵固定コア２８Ｂは対となっている。

第１実施形態の作用を説明する。
第１実施形態のリニアアクチュエータ１と比較するため、第１実施形態のリニアアクチュエータ１の作用を説明するに先立ち、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂを持たない従来方式のリニアアクチュエータ１´の電機子１７と可動子２０との間に作用する力を説明する。なお、第１実施形態と同一あるいは相当の構成には、同一の名称および符号を付与する。また、補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂの図示を省略した簡略化された図を用いて説明する。図３（Ａ）は、従来方式のリニアアクチュエータ１´のストローク中心におけるコイル１５Ａ、１５Ｂに通電しない場合の磁束線図を示す。

上記ストローク中心においては、Ｎ極から出て、端部コア１６Ｂ、電機子１７の外周部分、端部コア１６Ｃを経由してＳ極へ入る磁束と、Ｎ極から出て、可動子２０を経由してＳ極へ入る磁束と、が生じる。この状態では、電機子１７と可動子２０との間に作用する引力あるいは斥力は平衡する。この状態で、可動子２０が電機子１７に対して図３（Ａ）における左側へ移動した場合、電機子１７と可動子２０との間の力の平衡が崩れ、リニアアクチュエータ１´は図３（Ｂ）の状態へ移行する。この状態では、中心コア１６Ａと主永久磁石１５Ａとの軸方向中心位置、端部コア１６Ｂと補助永久磁石１９Ａ（図１参照）との軸方向中心位置、端部コア１６Ｃと主永久磁石１８Ｂとの軸方向中心位置が一致している。

したがって、リニアアクチュエータ１´は、図３（Ｂ）の状態を維持しようとする。図３（Ｂ）の状態では、Ｎ極から出て、中心コア１６Ａ、電機子１７の外周部分、端部コア１６Ｃを経由してＳ極へ入る磁束と、Ｎ極から出て、可動子２０を経由してＳ極へ入る磁束と、が生じる。そして、図５には、図３（Ａ）の状態から図３（Ｂ）の状態へ移行する時の、電機子１７−可動子２０間の推力脈動が示されている。

ここで、図３（Ａ）の状態で、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電すると、コイル１５Ａ、１５Ｂ間には１８０度の電流位相差があることから、発生した磁束により、例えば、図２に示すように、端部コア１６Ｂ、中心コア１６Ａ、端部コア１６Ｃは、それぞれＮ極、Ｓ極、Ｎ極に磁化される。そして、可動子２０の表面は、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂにより、Ｎ極、Ｓ極に磁化されていることから、コア１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間には、引力あるいは斥力が作用して可動子２０を図３（Ａ）における左側へ移動させる推力が発生する。そして、コイル１５Ａ、１５Ｂに逆向きに通電すると、発生する磁束の方向も逆向きになるため、端部コア１６Ｂ、中心コア１６Ａ、端部コア１６Ｃは、それぞれＳ極、Ｎ極、Ｓ極に磁化される。

このようなリニアアクチュエータ１´においては、図３（Ａ）に示されるコイル１５Ａ、１５Ｂの軸方向中心位置と主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの軸方向中心位置とが一致した状態で推力が最大になり、例えば図３（Ｂ）に示される中心コア１６Ａの軸方向中心位置と主永久磁石１８Ａあるいは１８Ｂの軸方向中心位置とが一致する状態で推力が０になる。この通電時における推力を表したのが図５におけるコイル発生力である。また、リニアアクチュエータ１´の推力は、（推力脈動）＋（コイル発生力）であり、図５における従来推力である。

次に、図４（Ａ）は、第１実施形態のリニアアクチュエータ１のストローク中心における、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電しない場合の磁束線図を示す。ここでは、補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂおよび補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂの図示を省略した簡略化された図を用いて説明する。この状態では、Ｎ極から出て、端部コア１６Ｂ、電機子１７の外周部分、端部コア１６Ｃを経由してＳ極へ入る磁束と、Ｎ極から出て、可動子２０、主内蔵固定コア２８Ａ、ロッド２５、主内蔵固定コア２８Ｂ、可動子２０を経由してＳ極へ入る磁束と、が生じる。これにより、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電しない状態では、中心コア１６Ａと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間および端部コア１６Ｂ、１６Ｃと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間で発生する力と、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間で発生する力と、の２系統の力（引力あるいは斥力）が発生する。

この状態では、電機子１７と可動子２０との間に作用する引力あるいは斥力は平衡する。この状態で、可動子２０が電機子１７に対して図４（Ａ）における左側へ移動した場合、電機子１７と可動子２０との間の力の平衡が崩れ、リニアアクチュエータ１は図４（Ｂ）の状態へ移行しようとする。この時の可動子２０と主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂとの間で発生する力は、まず、図４（Ａ）の状態では、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂと主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂとの相互の軸方向中心位置が一致していることから、可動子２０と主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂとの間には、相互の位置を維持しようとする力が作用する。

つまり、図５に示されるように、電機子１７と可動子２０との間で発生する力（図５における従来方式）と、可動子２０と主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂとの間で発生する力（図５における本発明）とは、１８０度の位相差があることがわかる。したがって、第１実施形態におけるコイル１５Ａ、１５Ｂに通電しない場合の推力脈動（図５における合成推力脈動）は、（電機子１７−可動子２０間の推力脈動）＋（可動子２０−主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂ間の推力脈動）となり、第１実施形態のリニアアクチュエータ１は、従来方式と比較して、推力脈動を低減することができることがわかる。

ここで、図４（Ａ）の状態で、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電すると、コイル１５Ａ、１５Ｂ間には１８０度の電流位相差があることから、発生した磁束により、例えば、端部コア１６Ｂ、中心コア１６Ａ、端部コア１６Ｃは、それぞれＮ極、Ｓ極、Ｎ極に磁化される。そして、可動子２０の表面は、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂにより、Ｎ極、Ｓ極に磁化されていることから、コア１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間には、引力あるいは斥力が作用して可動子２０を図４（Ａ）における左側へ移動させる推力が発生する。そして、コイル１５Ａ、１５Ｂに逆向きに通電すると、発生する磁束の方向も逆向きになるため、端部コア１６Ｂ、中心コア１６Ａ、端部コア１６Ｃは、それぞれＳ極、Ｎ極、Ｓ極に磁化される。

このようなリニアアクチュエータ１においては、従来方式のリニアアクチュエータ１´同様に、図４（Ａ）に示されるコイル１５Ａ、１５Ｂの軸方向中心位置と主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの軸方向中心位置とが一致した状態で推力が最大になり、例えば図４（Ｂ）に示される中心コア１６Ａの軸方向中心位置と主永久磁石１８Ａあるいは１８Ｂの軸方向中心位置とが一致する状態で推力が０になる。この通電時における推力を表したのが図５におけるコイル発生力である。そして、リニアアクチュエータ１の推力（図５における合成推力）は、（合成推力脈動）＋（コイル発生力）であることから、図５に示されるように、合成推力は従来推力と比較してコイル発生力により近似しており、第１実施形態のリニアアクチュエータ１は、従来方式と比較して推力脈動を低減することができる。

なお、第１実施形態では、外部からコイル１５Ａ、１５Ｂへ電流を供給した場合のリニアアクチュエータ１の推力を説明したが、この説明は、外部から力を加えて可動子２０を電機子１７に対して移動させた時に電圧が誘起される場合にも適用することができる。この場合、リニアアクチュエータ１に発生するのは、推力ではなく、減衰力になる。また、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂおよび補助内蔵固定コア２９Ａ、２９Ｂは、任意の形状とすることができる。例えば、図６に示されるように、主内蔵固定コア２８Ａ、２８Ｂの可動子２０に近い部分の軸方向幅を確保し、その他の部分の幅を小さくしてリニアアクチュエータ１を構成することもできる。これにより、リニアアクチュエータ１の第１部材１３（図１参照）を軽量化することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を添付した図に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と同一あるいは相当の構成には、同一の名称および符号を付与する。また、説明を簡潔にすることを目的に、第１実施形態と重複する説明を省く。
第１実施形態では、図５に示されるように、中心コア１６Ａの軸方向中心位置と主永久磁石１８Ａあるいは１８Ｂ（磁力部材）の軸方向中心位置とが一致する状態、すなわちストロークが±４０ｍｍの時にリニアアクチュエータ１の推力および減衰力が０になる。そこで、第２実施形態では、図７に示されるように、可動子２０における電機子１７と対向しない側、すなわち、可動子２０の内側に、複数個（第２実施形態では、３個）の補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ（対向部材の高磁束密度部間を構成）を配置してリニアアクチュエータ２１を構成した。

リニアアクチュエータ２１は、隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ間および２２Ａ、２２Ｃ間の電流の位相差が１８０度に設定されている。具体的には、例えば、巻線方向を反対方向とするか、あるいは、通電方向が反対となるように回路構成されている。補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、ロッド２５を介して電機子１７と結合されている。補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、電機子１７のコイル１５Ａ、１５Ｂに対して電気角で約９０度の位相差を有して配置されている。また、隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ間および２２Ａ、２２Ｃ間の軸方向中心位置距離τ_S2は、コイル１５Ａ、１５Ｂ間の軸方向中心位置距離τ_S1に略等しく設定されている。なお、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、非磁性体（本実施形態では銅）により構成されることから磁気的には空気と同等の扱いである。

ここで、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを短絡させ、外部から力を加えて可動子２０を電機子１７に対して移動させた場合の減衰力を説明する。図７の状態では、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの軸方向中心位置と隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ間の境界位置とが一致していることから、減衰力は発生しない。この状態で、リニアアクチュエータ２１が縮む、すなわち、可動子２０が電機子１７に対して図７における左側へ移動した場合、可動子２０と補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとの間に減衰力が発生し、この時のリニアアクチュエータ２１が発生する合成減衰力は、（電機子１７−可動子２０間の推力脈動）＋（コイル発生減衰力）＋（補助コイル発生減衰力）であり、図８において本発明減衰力で表されるようになる。

したがって、第２実施形態では、従来方式で減衰力を発生させることができなかったストローク位置（図８における±４０ｍｍの位置）においても、減衰力を発生させることが可能になり、リニアアクチュエータ２１の失陥時における安定性を向上させることができる。また、図８からわかるように、従来方式のリニアアクチュエータ１´と比較して減衰力の最大値も増大しており、リニアアクチュエータ２１を小型化や高減衰力化することができる。さらに、第２実施形態では、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが常時短絡状態であるため、仮に、コイル１５Ａ、１５Ｂが断線、絶縁破壊等した場合であっても、可動子２０と補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ間に減衰力が発生することにより、失陥時における安定性を向上させることができる。
なお、本実施の形態において、本発明の高磁束密度部は、可動子２０を電機子１７に対して移動している場合のみにおいて磁束密度が高くなり易い状態となる補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとのそれぞれの軸方向両側であり、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのそれぞれの軸方向中間部は、磁束密度が高くなり難くなっている。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を添付した図に基づき説明する。なお、前述した第１および第２実施形態と同一あるいは相当の構成には、同一の名称および符号を付与する。また、説明を簡潔にすることを目的に、第１および第２実施形態と重複する説明を省く。
第２実施形態では、失陥時の対策に重点を置き、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ（対向部材）を常時短絡状態としたが、第３実施形態では、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに外部から電流を供給して推力を発生させることにより、制振性能を向上させることを重点に置く。これを具現化するため、第３実施形態では、ストローク位置を検出ためのストロークセンサ（図示省略）を設け、該ストロークセンサにより検出されたストローク位置に基づき、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの通電方向を制御するようにリニアアクチュエータ２１を構成した。

図７に示されるようなＮ極Ｎスロット構造（Ｎは２以上の整数）のリニアアクチュエータ２１は、ストロークセンサを使用することなく駆動することができるが、この場合、制御力の方向、すなわち、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの通電により発生する推力の向きは、電流の方向に依存する。図９に、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電した時に発生する推力（補助コイル発生推力）を示す。この図に示されるように、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電した時に発生する推力は、ストローク中心（ストローク０ｍｍの位置）を基準に、伸び力（図９における推力比が＋側）と縮み力（図９における推力比が−側）とに分かれてしまい、その場合の合成推力は、（推力脈動）＋（コイル発生力）＋（補助コイル発生力）である。

したがって、ストローク０ｍｍを基準としたストロークの縮み方向では、従来方式のリニアアクチュエータ１´よりも大きな推力を発生させることができるが、ストローク０ｍｍを基準としたストロークの伸び方向では、従来方式のリニアアクチュエータ１´よりも小さい推力しか発生させることができない。そこで、第３実施形態では、前述したように、ストローク位置を検出ためのストロークセンサを配置し、検出されたストローク位置に基づき補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの通電方向を制御するようにリニアアクチュエータ２１を構成した。この場合、通電方向を切り換えるストローク位置は、ストローク中心が望ましい。

また、第３実施形態では、ストローク位置の検出に、高精度のポテンショメータやレーザ変位計等の位置センサを使用し、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃへ供給する電流をストローク位置と推力指令とに応じて適切に制御することにより、図８に示されるような合成減衰力（本発明減衰力）と同じ曲線で表される合成推力を発生させることができる。しかしながら、リニアアクチュエータ２１においては、コストダウン、ストロークセンサの不使用という要求がある。この場合、ホール素子等の比較的低コストの位置センサをストロークセンサとして用いることが望ましい。

ホール素子をストロークセンサとして使用した場合、センサの取付状態、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃへの通電等によりセンサ出力が変化してしまうことから、高精度の位置検出は困難である。そこで、図１０に示されるように、ストローク中心から、例えば±１５ｍｍの領域内で補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電しないようにし、それ以外の領域で補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給する電流の向きを切り換えるようにリニアアクチュエータ２１を構成することができる。

第３実施形態では、ストローク位置の検出に高精度の位置センサを使用する必要がなく、例えば、ホール素子等の比較的低コストの位置センサで対応することができるので、リニアアクチュエータ２１の製造コストの増大を抑制することができる。また、推力を高い効率で発生させることができるストローク領域でのみで補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに電流を供給するように構成したので、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを効率的かつ効果的に活用することにより、より大きい推力を発生させることができ、リニアアクチュエータ２１の小型化、制振性能の向上を成し遂げることができる。

さらに、第３実施形態では、例えば、コイル１５Ａ、１５Ｂに通電して推力を発生させ、これにより補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃで誘起された電流を回生利用することにより、少ない電力で高い制振性能を得ることができる。なお、第３実施形態においては、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給される電流の比率は任意に設定可能である。例えば、大きい推力を効率よく発生させることが可能なストローク中心付近では、コイル１５Ａ、１５Ｂに供給する電流を大きくし、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが発生する推力が大きいストロークが±４０ｍｍ付近（図１０参照）では、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給する電流を大きくする。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を添付した図に基づき説明する。なお、前述した第１〜第３実施形態と同一あるいは相当の構成には、同一の名称および符号を付与する。また、説明を簡潔にすることを目的に、第１〜第３実施形態と重複する説明を省く。
前述した第２および第３実施形態では、図７に示されるように、可動子２０における電機子１７と対向しない側、すなわち、可動子２０の内側に、複数個（第２および第３実施形態では、３個）の補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ（対向部材）を配置してリニアアクチュエータ２１を構成することにより、推力および減衰力を発生させるストローク領域ならびにその力を改善した。

図１１に示されるように、第４実施形態では、第２および第３実施形態における隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ間に本発明の高磁束密度部となる補助コア３２Ａ、３２Ｂを配置して、大きい推力脈動を低減させるようにリニアアクチュエータ３１を構成した。なお、補助コア３２Ａ、３２Ｂは、ロッド２５（図１、図７参照）を介して電機子１７に結合されている。図１２（Ａ）に、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電しない場合の磁束線図を示す。ここでは、補助永久磁石１９Ａ、１９Ｂの図示を省略した簡略化された図を用いて説明する。

図１２（Ａ）をリニアアクチュエータ３１のストローク中心とした場合、磁束は、Ｎ極から出て、端部コア１６Ｂ、電機子１７の外周部分、端部コア１６Ｃを経由してＳ極へ入る磁束と、Ｎ極から出て、可動子２０、補助コア３２Ａ、ロッド２５、補助コア３２Ｂ、可動子２０を経由してＳ極へ入る磁束と、が生じる。これにより、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電しない状態では、中心コア１６Ａと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂ（磁力部材）との間および端部コア１６Ｂ、１６Ｃと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間で発生する力と、補助コア３２Ａ、３２Ｂと主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間で発生する力と、の２系統の力（引力あるいは斥力）が発生する。

この図１２（Ａ）の状態では、電機子１７と可動子２０との間に作用する引力あるいは斥力が平衡している。この状態で、可動子２０が電機子１７に対して図１２（Ａ）における左側へ移動した場合、電機子１７と可動子２０との間の力の平衡が崩れ、リニアアクチュエータ３１は図１２（Ｂ）の状態へ移行しようとする。この時の可動子２０と補助コア３２Ａ、３２Ｂとの間で発生する力は、まず、図１２（Ａ）の状態では、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂと補助コア３２Ａ、３２Ｂとの相互の軸方向中心位置が一致していることから、可動子２０と補助コア３２Ａ、３２Ｂとの間には、相互の位置を維持しようとする力が作用する。

つまり、図１３に示されるように、電機子１７と可動子２０との間で発生する力（推力脈動）と、可動子２０と補助コア３２Ａ、３２Ｂとの間で発生する力（推力脈動）とは、１８０度の位相差があることがわかる。したがって、第４実施形態におけるコイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電しない場合の推力脈動（図１３における可動子−補助コア間推力脈動）は、（電機子１７−可動子２０間の推力脈動）＋（可動子２０−補助コア３２Ａ、３２Ｂ間の推力脈動）となり、第４実施形態のリニアアクチュエータ３１は、従来方式と比較して、推力脈動が低減されることがわかる。

ここで、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを短絡させ、外部から力を加えて可動子２０を電機子１７に対して移動させた場合の減衰力を説明する。図１１の状態では、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂの軸方向中心位置と補助コア３２Ａ、３２Ｂの軸方向中心位置とが一致していることから、減衰力は発生しない。この状態で、リニアアクチュエータ３１が縮む、すなわち、可動子２０が電機子１７に対して図１１における左側へ移動した場合、可動子２０と補助コア３２Ａ、３２Ｂとの間に減衰力が発生し、この時のリニアアクチュエータ３１が発生する合成減衰力は、（電機子１７−可動子２０間の推力脈動）＋（コイル発生減衰力）＋（補助コア発生減衰力）であり、図１３において本発明減衰力で表されるようになる。

したがって、第４実施形態においては、従来方式で減衰力を発生させることができなかったストローク位置（図１３における±４０ｍｍの位置）においても、減衰力を発生させることが可能になり、リニアアクチュエータ３１の失陥時における安定性を向上させることができる。また、第４実施形態では、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが常時短絡状態であるため、仮に、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが断線、絶縁破壊等した場合であっても、可動子２０と補助コア３２Ａ、３２Ｂ間に減衰力が発生することにより、失陥時における安定性を向上させることができる。

さらに、第４実施形態では、隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ間に補助コア３２Ａ、３２Ｂを配置したことにより、図１３に示されるように、推力脈動（図１３における可動子−補助コア間推力脈動）が低減されることから、リニアアクチュエータ３１の取り扱いが容易になる。具体的には、従来方式のリニアアクチュエータ１´の初期位置は、中心コア１６Ａの軸方向中心位置と、主永久磁石１８Ａ、１８Ｂ間の境界位置とが一致する位置であることから、リニアアクチュエータ１´を車両等の対象物に取り付ける場合、リニアアクチュエータ１´を伸ばすあるいは縮めることが必要であったが、第４実施形態では、推力脈動を低減させたことにより、取り付け作業を容易にすることができる。

次に、第４実施形態において、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電した場合を説明する。第３実施形態において述べたように、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電した時に発生する推力は、ストローク中心（ストローク０ｍｍの位置）を基準に、伸び力（図９における推力比が＋側）と縮み力（図９における推力比が−側）とに分かれてしまうが、高精度のストロークセンサ（位置センサ）を使用して、ストローク位置と推力の方向とに応じてコイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃへ適切に電流を供給することにより、図１３に表されるような合成減衰力に対して同じ曲線を描く合成推力を発生させることができる。なお、図１４は、ホール素子等の簡易なストロークセンサ（位置センサ）を使用して、第３実施形態と同等の操作を行った場合の、第４実施形態のリニアアクチュエータ３１の推力特性を示す。

第４実施形態においては、供給される電流に対して発生する推力が小さい（効率が低い）ストローク中心では、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電せず、比較的高い効率が得られるストローク領域に絞り、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに通電するとともに、ストローク中心付近のストローク位置をストロークセンサ（位置センサ）により高精度に検出し、該ストロークセンサの検出結果に基づき補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給する電流の向きを切り換えるように構成した。したがって、第４実施形態では、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを効率的かつ効果的に活用することにより、大きい推力を発生させることができ、リニアアクチュエータ３１を小型化することができるとともに制振性能を向上させることができる。

また、第４実施形態では、比較的低コストのホール素子等の位置センサを採用することができ、例えば、ポテンショメータやレーザ変位計等の高精度の位置センサを使用した場合と比較して、製造コストを削減することができる。さらに、コイル１５Ａ、１５Ｂで推力を発生させ、これにより補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃで誘起された電流を回生利用することにより、少ない電力で高い制振性能を得ることができる。なお、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給される電流の比率は任意に設定可能である。例えば、大きい推力を効率よく発生させることが可能なストローク中心付近では、コイル１５Ａ、１５Ｂに供給する電流を大きくし、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが発生する推力が大きいストロークが±４０ｍｍ付近（図１３参照）では、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに供給する電流を大きくすることができる。

なお、第２〜第４実施形態においては、コイル１５Ａ、１５Ｂ間の軸方向中心位置距離τ_S1と隣接する補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ間の軸方向中心位置距離τ_S2とが等しくなるように構成したが、これに限定することを意図したものではない。τ_S1≠τ_S2とし、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが発生可能な推力および減衰力の特性を任意に設定することにより、リニアアクチュエータ２１、３１の用途に応じた設計が可能になる。また、コイル１５Ａ、１５Ｂと補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとの位相差は、任意に設定することができる。例えば、図１５に示されるように、コイル１５Ａ、１５Ｂと補助コイル２２Ａ、２２Ｂとを同位相に配置してリニアアクチュエータ３４を構成することもできる。

この場合、コイル１５Ａ、１５Ｂで発生可能な推力および減衰力と補助コイル２２Ａ、２２Ｂで発生可能な推力および減衰力とが同位相になることから、このようなリニアアクチュエータ３４では、推力が発生するストローク範囲は前述した実施形態と同一であるが、最大推力および最大減衰力を効果的に向上させることができる。これにより、ストロークを限定することにより、リニアアクチュエータ３４を小型化することができる。また、第３および第４実施形態においては、コイル１５Ａ、１５Ｂおよび補助コイル２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、通電、回生、短絡の各モードを必要に応じて任意に選択することができる。

また、図１５におけるリニアアクチュエータ３４の変形例として、図１６に示されるように、補助コイル２２Ａ、２２Ｂ間に補助コア３２を設けてリニアアクチュエータ３５を構成することができる。この場合、補助コア３２と主永久磁石１８Ａ、１８Ｂとの間に推力脈動が発生し、従来方式のリニアアクチュエータ１´に対して推力脈動が大きくなるが、図１５に示されるリニアアクチュエータ３４と比較して、より大きい推力を得ることができ、リニアアクチュエータ３５を小型化することができる。
また、上記実施形態では、磁力部材の内側に配置された高密度磁束部のピッチをコイルのピッチと同じとしているが、異なるように構成することにより、全体としての推力や減衰力の特性を変えることができる。
さらに、上記実施形態では、高密度磁束部の軸方向の位置をコイルの位置と同じとしているが、異なるように構成することにより、全体としての推力や減衰力の特性を変えることができる。
また、上記実施形態では、円筒形のリニアモータを例に説明したが、第一部材、第二部材、対向部材を平板としてもよい。
さらに、上記実施形態では、鉄道用に本発明を用いた例を示したがこれに限らず、自動車のサスペンションやビルの制振ダンパに用いることも可能である。

１、２１、３１、３４、３５ リニアアクチュエータ、１５Ａ、１５Ｂ コイル、１７ 電機子、１８Ａ、１８Ｂ 主永久磁石（磁力部材）、２０ 可動子、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 補助コイル（対向部材）、２８Ａ、２８Ｂ 主内蔵固定コア（対向部材）

Claims (5)

1. 直線状に配置された複数個のコイルを有する第一部材と、前記コイルと対向して配置される複数個の磁力部材を有し、前記第一部材に対して相対移動する第二部材からなるリニアアクチュエータであって、
   前記磁力部材の前記コイルの対向面と反対側の面に対向する対向部材を前記第一部材に設け、前記対向部材には、前記複数個のコイルと対となるように磁束密度が高くなり易い複数の高磁束密度部を有し、該複数の高磁束密度部間は該高磁束密度部より磁束密度が高くなり難くなっていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記対向部材の高磁束密度部を磁性体により構成したことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記対向部材に補助コイルを設け、前記高磁束密度部を該補助コイル間の空隙により構成したことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記対向部材の高磁束密度部のピッチが前記コイル間のピッチと同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記対向部材の高磁束密度部の軸方向中間部の位置は、前記コイルと軸方向中間部軸方向位置が同じとなる位置が基準位置となるように取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。

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