JP2012075287A

JP2012075287A - リニアモータアクチュエータ

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Publication number: JP2012075287A
Application number: JP2010219921A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Iwaki; 純一郎岩城
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP5662095B2

Abstract

【課題】機械的な弾性体の復元力を利用しなくても可動子を振動させることができるリニアモータアクチュエータを提供する。
【解決手段】可動子に、第一のコイル１及び第二のコイル２を互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列する。固定子に、第一のコイル１を囲み、軸線方向の一端部にＮ極が他端部にＳ極の他方が形成される第一のリング磁石５を設けると共に、第二のコイル２を囲み、軸線方向の一端部にＮ極が他端部にＳ極が形成される第二のリング磁石６を設ける。第一のコイル１の軸線方向の中心と第二のコイル２の軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチＡと、第一のリング磁石５の磁極と第二のリング磁石６の磁極との間の磁極間ピッチＢとを異ならせる。第一のコイル１に発生する推力と第二のコイル２に発生する推力の位相がずれるように、第一のコイル１及び第二のコイル２に同一の位相の交流を流して可動子を駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子に対して可動子が一軸方向に相対的に移動するリニアアクチュエータに関し、特に、可動子が振動するリニアモータアクチュエータに関する。

従来、この種の振動アクチュエータとして、永久磁石及びコイルを備えるボイスコイルモータが知られている（例えば特許文献１参照）。ボイスコイルモータの作動原理は、フレミングの左手の法則、すなわち、永久磁石が作る磁界の中でコイルに電流を流したときに推力が発生する性質を利用している。コイルに交流の電流を流せば、永久磁石の磁界の範囲内でコイルが一方向に振動する。ボイスコイルモータは、高速運動でき、かつ安価であるという特徴を有するために、スピーカ、磁気ディスクのヘッド駆動、サーボ弁のスプール駆動等様々な用途に応用されている。

特開２００３−１５４３１４号公報

しかし、ボイスコイルモータには、永久磁石が作る磁界の範囲からボイスコイルが飛び出したとき、ボイスコイルを制御できなくなるという本質的な問題がある。永久磁石に対してボイスコイルを高速で振動させたときや、ボイスコイルのストロークを大きくとったとき、慣性によってボイスコイルが永久磁石の磁界の範囲から飛び出す。ボイスコイルが永久磁石から半分以上飛び出すと、ボイスコイルに元に戻るような電流を流しても、ボイスコイルを元に戻すことができない。

この問題を解決するために、従来のボイスコイルモータにおいては、ボイスコイルにばねやコーン紙等の弾性体を取り付け、弾性体の復元力によってボイスコイルが永久磁石の磁界中に戻るようにしていた。

しかし、機械的な弾性体の復元力を利用する場合、ボイスコイルの振動周波数が弾性体の固有振動数に近づくと、弾性体が共振し、ボイスコイルの振動が不安定になる。このため、弾性体が共振しない周波数で振動させる必要があり、使用できる周波数が限られるという問題がある。また、固定子と可動子を弾性体で連結すると、振動方向以外の力に対しても弾性体がたわむので脆弱な構造にならざるをえないという問題もある。

本発明は、従来のリニアモータアクチュエータの上記の課題を解決するためになされたものであり、機械的な弾性体の復元力を利用しなくても、可動子を振動させることができるリニアモータアクチュエータを提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。本発明の第一の態様は、第一のコイル及び第二のコイルが互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される可動子及び固定子の一方と、前記第一のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第一のリング磁石、及び前記第二のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第二のリング磁石を有する前記可動子及び前記固定子の他方と、を備え、前記第一のコイルに発生する推力と前記第二のコイルに発生する推力の位相がずれるように、前記第一のコイル及び前記第二のコイルに同一の位相の交流を流して前記可動子を駆動させ、かつ前記第一のコイルの軸線方向の中心と前記第二のコイルの軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチと、前記第一のリング磁石の磁極と前記第二のリング磁石の磁極との間の磁極間ピッチとを異ならせるリニアモータアクチュエータである。

本発明の他の態様は、第一のコイル及び第二のコイルが互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される可動子及び固定子の一方と、前記第一のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第一のリング磁石、及び前記第二のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第二のリング磁石を有する前記可動子及び前記固定子の他方と、を備え、前記第一のコイルに発生する推力と前記第二のコイルに発生する推力の位相がずれるように、前記第一のコイル及び前記第二のコイルに位相を異ならせた交流を流して前記可動子を駆動させ、かつ前記第一のコイルの軸線方向の中心と前記第二のコイルの軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチと、前記第一のリング磁石の磁極と前記第二のリング磁石の磁極との間の磁極間ピッチとを一致させるリニアモータアクチュエータである。

本発明によれば、第一のコイル及び第二のコイルに発生する推力の位相がずれるので、第一のコイルに例えば正弦波の推力が発生し、第二のコイルに例えば余弦波の推力が発生する。第一のコイル及び第二のコイルに可動子を押し引きする力が同時に発生するので、ストロークの端部付近に移動して減速域に入った可動子に早めにブレーキをかけることができる。しかも、可動子の移動中に、第一のリング磁石の中に入っている第一のコイルの量及び第二のリング磁石の中に入っている第二のコイルの量が変化するので、第一のコイル及び第二のコイルに発生する推力自体も多様に変化する。この結果、機械的な弾性体の復元力を利用しなくても、可動子を振動させることができる。

本発明の第一の実施形態のリニアモータアクチュエータの軸線方向に沿った断面図上記リニアモータアクチュエータの磁気回路を示す模式図リニアガイドの斜視図リニアガイドの断面図第一のコイル及び第二のコイルの結線方法を示す模式図第一のコイル及び第二のコイルに発生する逆起電力を示すグラフリニアガイドとしてスプラインの斜視図スプラインの断面図動作中の可動子に働く推力ベクトルの一例を示す模式図本発明の第二の実施形態のリニアモータアクチュエータの軸線方向に沿った断面図

以下、添付図面に基づいて本発明のリニアモータアクチュエータの実施形態を説明する。図１に示すように、リニアモータアクチュエータは、第一のコイル１及び第二のコイル２を有する可動子４と、第一のコイル１を囲む第一のリング磁石５、及び第二のコイル２を囲む第二のリング磁石６を有する固定子７と、を備える。

軸線方向に細長く伸びる円柱状の軸部材８には、第一のコイル１及び第二のコイル２が軸線方向に距離を離して配置される。第一のコイル１は軸部材８に取り付けられた第一のボビン１ａに巻かれ、第二のコイル２は軸部材８に取り付けられた第二のボビン２ａに巻かれる。第一のコイル１の軸線方向の長さと第二のコイル２の軸線方向の長さは互いに等しい。第一のコイル１の軸線方向の中心と第二のコイル２の軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチはＡである。

第一のコイル１と第二コイル２との間には、予圧付与用の永久磁石としてリング磁石９が設けられる。軸部材８の中央には、非磁性体の円筒状のカラー１０が取り付けられ、カラー１０の周囲に予圧付与用のリング磁石９が取り付けられる。予圧付与用のリング磁石９の軸線方向の長さは、第一のコイル１及び第二のコイルの内法間の距離に等しい。予圧付与用のリング磁石９の直径は第一のコイル１の直径（＝第二のコイルの直径）以上である。なお、リング磁石９の直径は第一のコイル１の直径（＝第二のコイルの直径）以下であってもよい。予圧付与用のリング磁石９は軸線方向に着磁される。第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６共に反発するように、予圧付与用のリング磁石９は軸線方向に着磁される。この実施形態では、予圧付与用のリング磁石９の左端部にＮ極が形成され、右端部にＳ極が形成される。

軸部材８は、強磁性体からなる軸本体８ａと、軸本体８ａの軸線方向の両端部に設けられる非磁性体からなる一対の連結軸８ｂと、を備える。強磁性体は、鉄、ニッケル、コバルトやこれらの合金のように磁石に強く引き付けられ、磁石から離した後も強い磁性を持っている物質である。非磁性体は、ステンレス、樹脂などのように、磁化されない、したがって磁界の影響を受けない物質のことである。軸本体８ａを強磁性体とするのは、軸部材８に後述する磁気回路（図２参照）を形成するためである。連結軸８ｂは、軸本体８ａに連結される。連結軸８ｂには、凸部又は凹部が形成され、軸本体８ａには、凸部又は凹部に嵌合する凹部又は凸部が形成される。

軸本体８ａに連結軸８ｂを結合することにより、リニアモータアクチュエータの固定子７から露出する部分が非磁性体となる。軸本体８ａには磁気回路が形成されるので（図２参照）、軸本体８ａは磁気を帯びる。軸部材８の、固定子７から露出する部分が磁気を帯びると、軸部材８に鉄粉等が吸い付けられる。固定子７から露出する部分が磁気を帯びないようにするために、軸本体８ａの両端部に非磁性体からなる連結軸８ｂを連結する。

固定子７は、第一のコイル１を囲む第一のリング磁石５、及び第二のコイル２を囲む第二のリング磁石６を有する。第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６は、相似の円筒形状に形成され、互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される。第一のコイル１の一端部（図中左端部）は第一のリング磁石５の中に入り、第一のコイル１の他端部（図中右端部）は第一のリング磁石５から外に出ている。可動子４の振動中にも、第一のコイル１の他端部（図中右端部）は第一のリング磁石５から外に出ている。第二のコイル２の一端部（図中右端部）は第二のリング磁石６の中に入り、第二のコイル２の他端部（図中左端部）は第二のリング磁石６から外に出ている。可動子４の振動中にも、第二のコイル２の他端部（図中左端部）は第二のリング磁石６から外に出ている。

第一のリング磁石５と第二のリング磁石６との間の磁極間ピッチはＢである。磁極間ピッチとは、第一のリング磁石５と第二のリング磁石６の内法の距離である。磁極間ピッチＢは、第一のコイル１及び第二のコイル２の中心間ピッチＡよりも小さい。コイルの中心間ピッチＡと磁極間ピッチＢとの差は、第一のコイル１の軸線方向の長さ（＝第二のコイル２の軸線方向の長さ）の１／８〜３／８倍に設定される。この実施形態では、コイルの中心間ピッチＡと磁極間ピッチＢとの差は、第一のコイル１の軸線方向の長さの１／４（１／４波長）に設定される。第一のコイル１及び第二のコイル２に発生する推力の位相を９０度ずらすためである。

第一のリング磁石５の軸線方向の長さは、第一のコイル１の軸線方向の長さよりも長い。第一のリング磁石５は、軸線方向の一端部にＮ極が他端部にＳ極が形成されるように軸線方向に着磁される。第二のリング磁石６の軸線方向の長さは、第二のコイル２の軸線方向の長さよりも長い。第二のリング磁石６も、軸線方向の一方端部にＮ極が他端部にＳ極が形成されるように軸線方向に着磁される。互いに対向する第一のリング磁石５の端部及び第二のリング磁石６の端部には、互いに異なる極が形成される。この実施形態では、第一のリング磁石５の右端部がＮ極に形成され、第二のリング磁石６の左端部がＳ極に形成される。

第一のリング磁石５と第二のリング磁石６との間には、可動子４の予圧付与用のリング磁石９が配置される。予圧付与用のリング磁石９は、第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６に反発するように着磁される。予圧付与用のリング磁石９は、可動子４のストロークを所定の範囲に制限する役割を持つ。また、予圧付与用のリング磁石９と第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６との反発力によって、第一コイル１及び第二のコイル２に電流を流していないとき、可動子４が外力と予圧がバランスする原点に復帰する。この実施形態では、可動子４が水平方向を向いているので、第一のリング磁石５と第二のリング磁石６との間の軸線方向の中心が原点になる。可動子４が垂直方向を向いているときは、第一のリング磁石５と第二のリング磁石６との間の軸線方向の中心よりも下側が原点になる。

第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６は、非磁性体からなる筒状の磁石保持部１１内に収納される。磁石保持部１１は、磁性体からなる筒状のケース１２で覆われる。ケース１２の一端部には、第一のリング磁石５の軸線方向の一端部と接触するように、強磁性体からなる筒状の第一の外筒保持部１６が収容される。第一の外筒保持部１６の端面は、非磁性体からなる第一の蓋部材１８で覆われる。ケース１２の他端部には、第二のリング磁石６の軸線方向の一端部と接触するように、強磁性体からなる第二の外筒保持部１７が収容される。第二の外筒保持部１７の端面は非磁性体からなる第二の蓋部材１９で覆われる。なお、ケース１２と第一の外筒保持部１６との間、及びケース１２と第二の外筒保持部１７との間には、非磁性体からなる筒状のカラー（図示せず）を設けてもよい。

可動子４と固定子７とは、板ばね等の弾性体で連結されていない。可動子４の直線運動は、固定子７の第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２によって案内される。第一の外筒保持部１６の内側には、第一のリニアガイド２１が組み込まれる。第一のリニアガイド２１の外筒は、磁性体からなる。外筒の材質には、例えばＳＵＳ４４０Ｃが用いられる。ＳＵＳ４４０Ｃはステンレスでありながら磁気を帯びる。第一のリニアガイド２１と軸部材８との間には、転がり運動可能に多数の転動体２３が介在される。第一のリニアガイド２１は止め輪によって第一の外筒保持部１６に固定される。

第二の外筒保持部１７の内側には、第二のリニアガイド２２が組み込まれる。第二のリニアガイド２２も磁性体からなる。第二のリニアガイド２２の材質には、例えばＳＵＳ４４０Ｃが用いられる。第二のリニアガイド２２と軸部材８との間には、転がり運動可能に多数の転動体２４が介在される。第二のリニアガイド２２は止め輪によって第二の外筒保持部１７に固定される。

図３及び図４は第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２の詳細図を示す。第一及び第二のリニアガイド２１，２２は、磁性体の外筒２６と、外筒２６の内周面を転がり運動する多数の転動体２３，２４と、多数の転動体２３，２４を一定の間隔に保持する保持器２７と、を備える。保持器２７は円筒形状に形成されると共に、その内周から外周まで貫通する多数の孔２８を有する。この多数の孔２８に多数の転動体２３，２４が回転可能に保持される。保持器２７は多数の転動体２３，２４と共に外筒２６内を有限ストロークする。多数の転動体２３，２４の間隔を一定に保つ保持器２７を設けることにより、第一及び第二のリング磁石５，６の磁力によって、転動体２３，３４同士が吸引し合うという問題を解決できる。転動体２３，２４は磁性体でも非磁性体でもよい。転動体２３，２４を磁性体にすれば、第一及び第二のリニアガイド２１，２２を通過する磁束の量が増え、モータ効率が向上する。転動体２３，２４を樹脂、セラミックス等の非磁性体にすれば、転動体２３，２４同士が吸引し合うのを防止できる。

図２に示すように、第一のリニアガイド２１及び軸本体８ａが磁性体からなるので、第一リニアガイド２１自体にも第一のリング磁石５に発生する磁束が積極的に通る。第一のリニアガイド２１が収容される第一の外筒保持部１６も磁性体からなるので、第一のリング磁石５のＮ極から放出される磁束は、第一のコイル１を半径方向に通過して軸本体８ａの中に入る。そして、軸本体８ａの内部を第一のリニアガイド２１に向かって軸線方向に通り、軸本体８ａから第一のリニアガイド２１に向かって放射状に広がり、第一の外筒保持部１６を経由して第一のリング磁石５のＳ極に戻る。これらの第一のリング磁石５、軸本体８ａ、第一のリニアガイド２１、及び第一の外筒保持部１６によって、閉じた経路の第一の磁気回路Ｃ１が形成される。

同様に、第二のリニアガイド２２、及び軸本体８ａが磁性体からなるので、第二のリニアガイド２２自体にも第二のリング磁石６に発生する磁束が積極的に通る。第二のリニアガイド２２が収容される第二の外筒保持部１７も磁性体からなるので、第二のリング磁石６のＮ極に発生する磁束は、第二の外筒保持部１７及び第二のリニアガイド２２を半径方向に通過して軸本体８ａの中に入る。そして、軸本体８ａの内部を第二のコイル２に向かって軸線方向に通り、軸本体８ａから放射状に広がり、第二のコイル２を半径方向に通過して第二のリング磁石６のＳ極に戻る。これらの第二のリング磁石６、軸本体８ａ、第二のリニアガイド２２、及び第二の外筒保持部１７によって、閉じた経路の第二の磁気回路Ｃ２が形成される。このように閉じた第一の磁気回路Ｃ１及び閉じた第二の磁気回路Ｃ２を形成することによって、モータの効率が向上する。

なお、第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２に磁気回路を通したくないときは、第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２の外側に第一の磁気回路Ｃ１及び第二の磁気回路Ｃ２を形成するための部材を設けてもよい。

図５は、第一のコイル１及び第二のコイル２の結線図の一例を示す。この例では、第一のコイル１及び第二のコイル２が並列に接続される。第一のコイル１及び第二のコイル２には、交流電源３１から図中実線で示す同一の位相の単相交流が流される。第一のコイル１及び第二のコイル２は、向かい合う端部同士に同一の極（図ではＮ極）が形成されるように結線される。向かい合う端部同士に同一の極が形成されれば、第一のコイル１及び第二のコイル２は直列に接続されてもよい。

図１に示すように、第一のコイル１及び第二のコイル２の向かい合う端部同士にＮ極が形成されれば、第一のコイル１のＮ極と予圧付与用のリング磁石９のＮ極とが互いに強め合う。強め合ったＮ極が第一のリング磁石５のＮ極と反発し、可動子４が右方向に移動する。このとき、第二のコイル２のＮ極と予圧付与用のリング磁石９のＳ極とは互いに弱め合っているので、可動子４の右方向の移動を妨げることはない。逆に、第一のコイル１及び第二のコイル２の向かい合う端部同士にＳ極が形成されれば、第ニのコイル２のＳ極と予圧付与用のリング磁石９のＳ極とが互いに強め合う。強め合ったＳ極が第二のリング磁石６のＳ極と反発し、可動子４が左方向に移動する。

ここで、第一のコイル１及び第二のコイル２に位相を一致させた交流を流すと、第一のコイル１及び第二のコイル２に約９０度位相がずれた推力が発生する。例えば、第一のコイル１に正弦波状の推力が発生し、第二のコイル２に余弦波状の推力が発生する。このため、第一のコイル１及び第二のコイル２に押し引きする力が同時に発生する。第一のコイル１及び第二のコイル２に互いに向かい合ったり、互いに反対方向を向いたりする力が同時に発生するタイミングが存在するので、ストロークの端部付近に移動して減速域に入った可動子４に早めにブレーキをかけることができる。しかも、可動子４のストローク中に、第一のコイル１が第一のリング磁石５の中に入っている量が変化し、第二のコイル２が第二のリング磁石６の中に入っている量が変化する。例えば、第一のコイル１が第一のリング磁石５の中に入っている量が減っても、第二のコイル２が第二のリング磁石６の中に入っている量が大きくなる。このため、可動子４のストロークの端部付近での復元力を確保することができる。この結果、弾性体の復元力を利用しなくても、可動子４を振動させることが可能になり、低い周波数から高い周波数まで可動子を振動させることができる。

例えば、本実施形態のリニアモータアクチュエータを基盤テスターとして使用すると可動子４に衝撃荷重がかかる。可動子４側に第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６を設けると、可動子４に衝撃荷重が加わったとき、第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６が減磁（磁束が減少）するおそれがある。固定子７側に第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６を設けることで、第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６の磁束が可衝撃荷重によって減磁することがない。

第一のコイル１及び第二のコイル２に交流を流し、可動子４を一方向に振動させると、第一のコイル１及び第二のコイル２には逆起電力が発生する。図６は、第一のコイル１及び第二のコイル２に発生する逆起電力を示す。上述のように、第一のコイル１及び第二のコイル２の中心間ピッチＡと第一及び第二のリング磁石５，６の磁極間ピッチＢとは、コイル長の１／４ずれている。このため、可動子４を振動させたとき、第一のコイル１及び第二のコイル２には、９０度位相がずれた正弦波状の逆起電力が発生する。第一のコイル１及び第二のコイル２の全体に発生する逆起電力は、各コイル１，２に発生する逆起電力を合算したものになるので、９０度位相をずらすことにより、各コイル１，２が発する逆起電力が互いに打ち消し合うようになる。具体的には、逆起電力の合算値は、各コイル１，２に発生する逆起電力の√２倍になる。逆起電力が２倍になると、第一のコイル１及び第二のコイル２に流れる電流が減るので、可動子４を高速で振動させることができなくなる。逆起電力の位相を９０度ずらすことにより、可動子４を高速で振動させることが可能になる。

図７及び図８は、第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２として、スプライン外筒３２を用い、軸本体８ａとしてスプライン軸３３を用いた例を示す。図８に示すように、軸本体８ａには、長手方向に伸びる複数本のスプライン溝３３ａが形成される。スプライン外筒３２には、軸本体８ａの複数本のスプライン溝３３ａに対向する複数本の転動体転走溝３２ａが形成される。スプライン溝３３ａと転動体転走溝３２ａとの間には、転がり運動可能に多数の転動体３４（ボール）が介在される。スプライン軸３３に対するスプライン外筒３２の直線運動に伴い、これらの間に介在される多数の転動体３４が転がり運動する。図７に示すように、スプライン外筒３２には、保持器３５が組み込まれる。保持器３５には、転動体３４を循環させるためのサーキット状の転動体循環路３６が形成される。スプライン軸３３に対してスプライン外筒３２を直線運動させると、多数の転動体３４がサーキット状の転動体循環路３６を循環する。

スプライン軸３３及びスプライン外筒３２には、それぞれスプライン溝３３ａ及び転動体転走溝３２ａが形成されているので、スプライン軸３３とスプライン外筒３２との間のすきまは狭い。このため、スプライン外筒３２からスプライン軸３３に多数のボールを介することなく直接伝わる磁束が増える。転動体３４は磁性体であっても、非磁性体であってもよい。転動体３４が磁性体であれば、より磁束が増え、モータ効率が向上する。

図９は、動作中の可動子４に働く推力ベクトル、すなわち遅れ角を考慮した推力ベクトルの一例を示す。第一及び第二のコイル１，２に位相を一致させた交流を流すと、第一のコイル１に流れる電流と第一のリング磁石５の磁界との相互作用により、第一のコイル１に軸線方向の推力が働く。また、第二のコイル２に流れる電流と第二のリング磁石６の磁界との相互作用によって、第二のコイル２に軸線方向の推力が働く。モータの場合、推力は遅れ角（＝指令角−出力角）が原因で発生する。第一及び第二のコイル１，２に指令ｓｉｎωｔを入力したとすると、可動子４の出力はｓｉｎ（ωｔ＋θ）になり、角度θの分だけ遅れている。この遅れ角が推力に変換される。

図９中ＮＳの文字の大きさは、第一及び第二のコイル１，２に発生する磁界の大きさを表す。第一及び第二のコイル１，２に所定の周波数の交流を流すと、可動子４も同じ周波数で振動する。しかし、駆動周波数にもよるが、可動子の位相は入力の位相よりも位相角で３０〜６０度遅れていることが計測で確認されている。図９には、可動子４の一周期を８つの状態（４５度ずつ）に分けた状態が示されている。

第一及び第二のコイル１，２に電流が流れていないとき、可動子４が原点に位置する（Ｓ１）。この状態で、第一及び第二のコイル１，２に電流を流すと。第一及び第二のコイル１，２には、左方向の推力が発生する（Ｓ２）。このため、可動子４は左方向に移動する。可動子４が左方向に移動している間、第一のコイル１が第一のリング磁石５の中に入っている量、及び第二のコイル２が第二のリング磁石６の中に入っている量が変化し、第一のコイル１に発生する推力及び第二のコイル２に発生する推力も変化する。可動子４がストロークの左端まで移動したとき、可動子４には、予圧付与用のリング磁石９と第一のリング磁石５との反発力によって図中右方向の推力が与えられる。これにより、可動子４は移動方向を反転させ、右方向に移動し始める（Ｓ２→Ｓ４）。この間、第一及び第二のコイル１，２には、図中左方向の推力が発生し、可動子４の移動にブレーキをかけている。可動子４が右方向に移動している途中で、第一及び第二のコイル１，２に流れる電流が瞬間的に零になり、第一及び第二のコイル１，２に発生する推力が瞬間的に零になる（Ｓ５）。その後、可動子４は慣性により右方向に移動し、第一及び第二のコイル１，２に流れる電流が反転し、第一及び第二のコイル１，２には、図中右方向の推力が働く（Ｓ６）。可動子４が右方向に移動している間、第一及び第二のコイル１，２が第一及び第二のリング磁石５，６の中に入っている量が変化し、第一及び第二のコイル１，２に発生する推力も変化する。可動子４がストロークの右端まで移動したとき、可動子４には、予圧付与用のリング磁石９と第一のリング磁石５との反発力によって図中左方向の推力が与えられる（Ｓ６→Ｓ８）。可動子４が移動方向を反転させた後に、第一及び第二のコイル１，２に発生する推力は零になる（Ｓ８→Ｓ１）。以降Ｓ１〜Ｓ８を繰り返す。第一及び第二のコイル１，２に交流を流し続ける限り、可動子４も交流と同じ周期で振動し続ける。

図１０は、本発明の第二の実施形態のリニアモータアクチュエータを示す。第一の実施形態のリニアモータアクチュエータと同様に、可動子４には、第一のコイル１及び第二のコイル２が互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される。第一のコイル１及び第二のコイル２は軸部材８に巻かれる。軸部材８は、固定子７の第一のリニアガイド２１及び第二のリニアガイド２２に直線運動可能に案内される。第一のコイル１と第二のコイル２との間には、予圧付与用のリング磁石９が設けられる。軸部材８、第一のコイル１、第二のコイル２、予圧付与用のリング磁石９の構成は、上記第一の実施形態のリニアモータアクチュエータと同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

固定子７には、第一のコイル１を囲むと共に軸線方向にＳ極及びＮ極が着磁される第一のリング磁石５、及び第二のコイル２を囲むと共に軸線方向にＳ極及びＮ極が着磁される第二のリング磁石６が設けられる。固定子７には、軸部材８を支持する第一のリニアガイド２１、第一のリニアガイド２１を保持すると共に第一のリング磁石５に接触する第一の外筒保持部１６、軸部材８を支持する第二のリニアガイド２２、第二のリニアガイド２２を保持すると共に第二のリング磁石６に接触する第二の外筒保持部１７が設けられる。第一のリング磁石５、第二のリング磁石６、第一のリニアガイド２１、第一の外筒保持部１６、第二のリニアガイド２２、第二の外筒保持部１７の構成は、上記第一の実施形態のリニアモータアクチュエータと同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

この実施形態においては、第一の実施形態のリニアモータアクチュエータと異なり、第一のコイル１の軸線方向の中心と第二のコイル２の軸線方向の中心を結んだコイル中心間ピッチＡと、第一のリング磁石５及び第二のリング磁石６の内側の磁極間ピッチＢとが一致している。第一のコイル１及び前記第二のコイル２には、位相を異ならせた交流が流される。このようにしても、第一のコイル１に発生する推力と前記第二のコイル２に発生する推力の位相がずれる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。

可動子は水平方向に振動するのに限られず、垂直方向に振動してもよい。

第一のコイル及び第二のコイルに流す電流は、一定の周期ごとに交互に逆向きに電流が流れる交流であればよい。第一のコイル及び第二のコイルには、正弦波を流すのが望ましいが、正弦波以外に鋸波、三角波、矩形波等の電流を流してもよい。

本実施形態のリニアモータアクチュエータは、振動アクチュエータだけでなく、一軸方向に移動する可動子の位置を制御する位置決め用のアクチュエータとしても使用できる。第一及び第二のコイルに発生する推力を釣り合わせることによって、可動子が一定の位置に停止する。第一及び第二のコイルに発生する推力を変化させると、可動子が停止する位置が変化するので、可動子の位置を制御することができる。

第一のリニアガイド及び第二のリニアガイドの転動体としてボールの替わりにローラを用いてもよいし、第一のリニアガイド及び第二のリニアガイドの外筒内を移動する保持器が位置ずれを起こすのを防止するために、保持器の両側にばねを取り付け、ばね力によって保持器が外筒の軸線方向の中心に戻るようにしてもよい。

第一のリニアガイド及び第二のリニアガイドには、転がり型の軸受の替わりに、油膜を挟んで二つの部材がすべり運動をするすべり軸受を用いてもよい。さらに、第一のリニアガイド及び第二のリニアガイドの替わりに、所定の軸線の回りを回転可能な複数のローラを軸本体を挟むように設け、この複数のローラによって軸本体が直線運動するのを案内してもよい。

本発明のリニアモータアクチュエータは、高剛性で高速域まで駆動可能であるから、計測機器、技工機器、自動車、医療機器、ロボット、産業機器、民生機器向けアクチュエータ等の多様な技術分野で利用できる。特に基板テスターのチェックピン、ダイボンダ、ポンプ、ハンドツール、カメラのフォーカス等を駆動するのに好適に用いることができる。大型化すれば制振装置として用いることもできる。

本発明のリニアモータは、振動数０〜２００Ｈｚの範囲で振幅の大きい振動アクチュエータとして好適に用いることができる。エンコーダを用いて第一及び第二のコイルに流す電流を制御すれば、可動子の位置を制御することもできる。

１…第一のコイル，２…第二のコイル，４…可動子，５…第一のリング磁石，６…第二のリング磁石，７…固定子，８…軸部材，８ａ…軸本体，８ｂ…連結軸，９…リング磁石（予圧付与用の永久磁石），１６…第一の外筒保持部，１７…第二の外筒保持部，２１…第一のリニアガイド，２２…第二のリニアガイド，２３，２４…転動体，Ａ…コイル中心間ピッチ，Ｂ…磁極間ピッチ，Ｃ１…第一の磁気回路，Ｃ２…第二の磁気回路

Claims

第一のコイル及び第二のコイルが互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される可動子及び固定子の一方と、
前記第一のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第一のリング磁石、及び前記第二のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第二のリング磁石を有する前記可動子及び前記固定子の他方と、を備え、
前記第一のコイルに発生する推力と前記第二のコイルに発生する推力の位相がずれるように、前記第一のコイル及び前記第二のコイルに同一の位相の交流を流して前記可動子を駆動させ、かつ前記第一のコイルの軸線方向の中心と前記第二のコイルの軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチと、前記第一のリング磁石の磁極と前記第二のリング磁石の磁極との間の磁極間ピッチとを異ならせるリニアモータアクチュエータ。
前記磁極間ピッチは、前記軸線方向に離れて配置された前記第一のリング磁石及び前記第二のリング磁石の内側の磁極間のピッチであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータアクチュエータ。
前記可動子及び前記固定子の一方には、前記第一のコイルと前記第二のコイルとの間に、前記第一のリング磁石と反発し、かつ前記第二のリング磁石と反発するように、軸線方向にＮ極及びＳ極が着磁される予圧付与用の永久磁石が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータアクチュエータ。
前記可動子及び前記固定子の一方は、前記第一のコイル及び前記第二のコイルが取り付けられると共に、前記軸線方向に伸びる軸部材を有し、
前記可動子及び前記固定子の他方は、前記軸部材の一端部を直線運動可能に支持する第一のリニアガイド、及び前記軸部材の他端部を直線運動可能に支持する第二のリニアガイドを有し、
前記第一のリング磁石から発生する磁束が、前記第一のリニアガイドと前記軸部材との間を通り、
前記第二のリング磁石から発生する磁束が、前記第二のリニアガイドと前記軸部材との間を通ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアモータアクチュエータ。
前記可動子及び前記固定子の他方はさらに、前記第一のリング磁石に接触すると共に前記第一のリニアガイドが収容される第一の外筒保持部、及び前記第二のリング磁石に接触すると共に前記第二のリニアガイドが収容される第二の外筒保持部を有し、
前記第一のリング磁石、前記軸部材、前記第一のリニアガイド、及び前記第一の外筒保持部によって、閉じた経路の第一の磁気回路が形成され、
前記第二のリング磁石、前記軸部材、前記第二の外筒、及び前記第二の外筒保持部によって、閉じた経路の第二の磁気回路が形成されることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータアクチュエータ。
前記第一のリニアガイド及び前記第二のリニアガイドは、スプライン外筒であり、
前記軸部材には、軸線方向に伸びると共に転動体が転がり運動するスプライン溝が形成され、
前記第一のリニアガイドのスプライン外筒には、前記スプライン溝に対向し、前記転動体が転がり運動する転動体転走溝が形成され、
前記第二のリニアガイドのスプライン外筒には、前記スプライン溝に対向し、前記転動体が転がり運動する転動体転走溝が形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載のリニアモータアクチュエータ。
前記軸部材は、前記第一のリニアガイド及び前記第二のリニアガイドによって直線運動可能に支持される磁性体の軸本体と、この軸本体の軸線方向の端部に連結される非磁性体の連結軸と、を有することを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載のリニアモータアクチュエータ。
前記第一のコイル及び前記第二のコイルが前記可動子側に設けられ、
前記第一のリング磁石及び前記第二のリング磁石が前記固定子側に設けられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のリニアモータアクチュエータ。
第一のコイル及び第二のコイルが互いの軸線を実質的に一致させた状態で軸線方向に配列される可動子及び固定子の一方と、
前記第一のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第一のリング磁石、及び前記第二のコイルを囲み、軸線方向の一端部にＮ極及びＳ極の一方が他端部にＮ極及びＳ極の他方が形成される第二のリング磁石を有する前記可動子及び前記固定子の他方と、を備え、
前記第一のコイルに発生する推力と前記第二のコイルに発生する推力の位相がずれるように、前記第一のコイル及び前記第二のコイルに位相を異ならせた交流を流して前記可動子を駆動させ、かつ前記第一のコイルの軸線方向の中心と前記第二のコイルの軸線方向の中心とを結んだコイル中心間ピッチと、前記第一のリング磁石の磁極と前記第二のリング磁石の磁極との間の磁極間ピッチとを一致させるリニアモータアクチュエータ。