JP2014121128A - 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推力変動を小さくし、軸方向の推力を大きくする。
【解決手段】リニアアクチュエータ１０は、コイルケース１１とこれに対して相対的に軸方向に移動するロッド１２とを有している。コイルケース１１内に配置されるコイルユニット１５は３つのコイル１４で１セットをなす複数セットのコイルセット１６を有している。磁石ユニット２０は、中心から外周面に向けて径方向外方向に着磁された第１の永久磁石２１と、外周面から中心に向けて径方向内方向に着磁された第２の永久磁石２２とを有し、これらの間には、非磁性材料からなるスペーサ２３が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被駆動部材を直線方向に駆動するために使用されるリニアアクチュエータに関する。

被駆動部材を直線方向に駆動するために使用されるリニアアクチュエータは、円筒形のコイルケース内に組み込まれる複数のコイルと、コイルケース内にコイルケースに対して軸方向に往復動自在のロッドに装着される磁石ユニットとを有している。このようなリニアアクチュエータは、ロッドをコイルケースに対して軸方向に駆動する形態と、コイルケースをロッドに対して軸方向に駆動する形態とがある。

磁石ユニットは、軸方向に隣り合ってロッドに配置される少なくとも２つの永久磁石を有しており、永久磁石の着磁方向としては、軸方向に着磁した形態と、径方向に着磁した形態とがある。２つの永久磁石を径方向に着磁したリニアアクチュエータとしては、例えば、特許文献１に記載されるリニアアクチュエータがある。

特開２００６−２８００３３号公報

この特許文献１に記載されるリニアアクチュエータは、強磁性材料からなるコイルヨークつまりコイルケースの内側に配置されるコイルユニットを有している。コイルケース内にはコイルケースに対して軸方向に往復動自在に強磁性材料からなるロッドつまり可動子軸が装着されている。このロッドの外側には磁石ユニットが装着されており、磁石ユニットは少なくとも２つの円筒形の永久磁石を有している。２つの永久磁石の一方は径方向外方に向かう方向に着磁され、他方は逆方向に着磁されており、２つの永久磁石は端面が突き当てられた状態となってロッドに装着される。

このように、相互に径方向逆向きに着磁された２つの永久磁石を端面で突き当てて磁石ユニットを形成すると、ロッドに加わる正方向の推力と逆方向の推力がロッドの移動ストロークに応じて大きく変化することが判明した。推力変動が大きくなると、ロッドを円滑に駆動することができない。

本発明の目的は、推力変動の小さいリニアアクチュエータを提供することにある。

本発明のリニアアクチュエータは、円筒形の内周面を有する強磁性材料からなるコイルケースと、当該コイルケースの内部に配置され前記コイルケースに対して相対的に軸方向に移動する強磁性材料からなるロッドとを有するリニアアクチュエータであって、前記コイルケースの前記内周面に、３つのコイルで１セットをなす複数のコイルセットを軸方向に配置し、中心から外周面に向けて径方向外方向に着磁される円筒形の第１の永久磁石と、外周面から中心に向けて径方向内方向に着磁される円筒形の第２の永久磁石とを、少なくともそれぞれ１つずつ、軸方向に離して前記ロッドに装着し、それぞれの前記永久磁石とともに磁石ユニットを構成する非磁性材料からなる円筒形のスペーサを前記永久磁石の間に配置したリニアアクチュエータである。

このリニアアクチュエータにおいては、径方向外方向に着磁された円筒形の永久磁石と径方向内方向に着磁された円筒形の永久磁石とが交互にロッドに装着され、それらの円筒形の永久磁石の間に非磁性材料からなるスペーサが配置されている。ロッドをコイルケースに対して軸方向に移動する際に、スペーサによってロッドの移動方向に加わる正方向の推力変動を小さくすることができる。推力変動をロッドの全移動ストロークにおいて小さくすることができるので、ロッドを円滑に駆動することができる。

一実施の形態であるリニアアクチュエータを示す縦断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図１の右側面図である。 図１に示された永久磁石により形成される磁気回路を示すリニアアクチュエータの一部拡大断面図である。 図１に示したロッドに加わる軸方向の推力の発生状態を示す断面図である。 比較例として示すリニアアクチュエータのロッドに加わる軸方向の推力の発生状態を示す断面図である。 （Ａ）はスペーサの長さをコイルの長さの２／３とし、永久磁石の飛び出し量をゼロとした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図であり、（Ｂ）はスペーサの長さをコイルの長さの２／３とし、永久磁石の飛び出し量をコイルの長さの１／４とした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。 （Ａ）はスペーサの長さをコイルの長さの２／３とし、永久磁石の飛び出し量をコイルの長さの１／２とした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図であり、（Ｂ）はスペーサの長さをコイルの長さの２／３とし、永久磁石の飛び出し量をコイルの長さと同一とした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。 （Ａ）は図７に示したようにスペーサを設けないリニアアクチュエータにおけるロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図であり、（Ｂ）は永久磁石の飛び出し量をコイルの長さの１／４とし、スペーサの長さをコイルの長さの１／３とした場合におけるロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。 （Ａ）は永久磁石の飛び出し量をコイルの長さの１／４とし、スペーサの長さをコイルの長さの２／３とした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図であり、（Ｂ）は永久磁石の飛び出し量をコイルの長さの１／４とし、スペーサの長さをコイルの長さと同一とした場合におけるロッドの移動に伴ってロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるリニアアクチュエータ１０は、強磁性材料からなる円筒形のコイルケース１１と、強磁性材料からなり、コイルケース１１の内部に配置されるロッド１２とを有している。このロッド１２はコイルケース１１に対して軸方向に往復動自在となっており、ロッド１２により図示しない被駆動部材が直線駆動される。コイルケース１１の内周面側には非磁性材料である樹脂製のコイルボビン１３が配置されている。コイルボビン１３は、円筒部１３ａと軸方向に間隔を隔てて径方向外方に延在する複数の仕切り部１３ｂとを有しており、仕切り部１３ｂは円筒部１３ａに一体となっている。

図１に示されるリニアアクチュエータ１０は、コイルケース１１に対してロッド１２が軸方向に駆動される形態となっているが、コイルケース１１とロッド１２とが相互に相対的に軸方向に移動する形態であれば、コイルケース１１をロッド１２に対して軸方向に駆動する形態としても良い。

コイルボビン１３の仕切り部１３ｂの間のコイルスペースには、それぞれコイル１４が巻き付けられており、コイルボビン１３と複数のコイル１４とによりコイルユニット１５が構成される。図１に示されるコイルボビン１３には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３つのコイル１４により１組つまり１セットの３相コイルを構成するコイルセット１６が４セット軸方向に配置されている。ただし、コイルボビン１３に設けられるコイルセット１６の数は、複数のコイルセットであれば４セットに限られない。

ロッド１２は図１における右端部が先端部となっており、先端部はコイルケース１１の端面から突出している。ロッド１２の基端部には磁石ユニット２０が装着されている。磁石ユニット２０は、軸方向に離してロッド１２に装着される第１と第２の２つの永久磁石２１，２２を有している。それぞれの永久磁石２１，２２は円筒形となっており、一方の第１の永久磁石２１は、図１および図２に示されるように、径方向の中心から外周面に向けて径方向外方向に着磁されている。これに対し、他方の第２の永久磁石２２は、図１および図３に示されるように、外周面から中心に向けて径方向内方向に着磁されている。このように、相互に離してロッド１２に装着される２つの永久磁石２１，２２は相互に径方向に逆向きに着磁されている。

図５に示されるように、２つの永久磁石２１，２２の間には、非磁性材料である樹脂製の円筒形のスペーサ２３が配置されている。このスペーサ２３としては、一体形としても良く、複数のセグメントを突き合わせて組み立てるようにしても良い。２つの永久磁石２１，２２とこれらの間に配置されるスペーサ２３との軸方向の合計長さ、つまり磁石ユニット２０の長さＬ1は、コイルセット１６の長さＬ2よりも、Ｌ1−Ｌ2だけ、長く設定されている。１つのコイル１４の長さをＬ3とし、スペーサ２３の長さをＬ4とすると、スペーサ２３の長さＬ4は１つのコイル１４の長さＬ3よりも短くなっている。

上述のように、磁石ユニット２０の長さＬ1は、コイルセット１６の長さＬ2よりも長くなっており、スペーサ２３がいずれかのコイル１４の軸方向中心部の位置となると、永久磁石２１，２２の外側端面は、コイルセット１６の外方に均等の長さＬ5だけ突出することになる。この突出長さを磁石の飛び出し量ないし飛び出し長さとする。磁石飛び出し量Ｌ5は、（Ｌ1−Ｌ2）／２となる。さらに、図５に示されるように、永久磁石２１，２２の軸方向長さＬ6は、コイル１４の軸方向長さＬ3よりも長い寸法となっている。両方の永久磁石２１，２２は同一寸法となっているが、永久磁石毎に長さ寸法を相違させても良い。

図２に示されるように、永久磁石２１は、横断面が円弧状の４つの磁石セグメント２１ａにより形成されており、それぞれの磁石セグメント２１ａは内周面から外周面に向けて径方向外方向に着磁されている。４つの磁石セグメント２１ａの円周方向の両側面の間に設けられた隙間には、非磁性材料である樹脂製の板材からなる突き当て部材２４が配置されている。このように、４つの磁石セグメント２１ａの側面に突き当て部材２４を突き当てるようにして永久磁石２１を組み立てると、複数の磁石セグメント２１ａからなる永久磁石２１の組立を容易に行うことができる。同様に、永久磁石２２も、図３に示されるように、４つの磁石セグメント２２ａを組み立てることにより形成されている。それぞれの磁石セグメント２２ａは、外周面から内周面に向けて径方向内方向に着磁されており、磁石セグメント２２ａの側面間には突き当て部材２４が配置されている。

非磁性材料のスペーサ２３の両側に配置される第１と第２の永久磁石２１，２２の着磁方向を相互に逆向きの径方向とすると、図５において矢印Ｓで示すように、永久磁石２１，２２によりロッド１２とコイルケース１１にスペーサ２３を避けるように迂回して磁気回路が形成される。

このように、２つの永久磁石２１，２２の間にスペーサ２３を配置すると、コイル１４に通電することによりロッド１２には、図６において矢印で示されるように、コイル１４に対して軸方向の推力が加えられる。図６に示すのは、永久磁石２１，２２からコイル１４に与えられる力を示しているが、相対的な力であるので、コイル側を固定しておけばロッド１２と磁石ユニット２０が動くことになる。ロッド１２と磁石ユニット２０を固定すればコイルが動く。図６においては、コイル１４に供給される電流によりロッド１２が図６において右方向の前進方向に移動している状態を示し、ロッド１２に加えられる正方向の推力Ｆａによりロッド１２が前進駆動される。ロッド１２の前進方向に対してこれを後退させる方向に加わる逆方向の推力Ｆｂも一部発生しているが、スペーサ２３を永久磁石２１，２２の間に設けると、この逆方向の推力Ｆｂを極力小さくすることができる。

図７は比較例としてのリニアアクチュエータ１０ａにおける図６と同様の部分を示す断面図であり、図７においては図６に示された部材に対応する部材には同一の符号が付されている。

図７に示されるように、スペーサ２３を設けずに、２つの永久磁石２１，２２を直接突き当てるようにロッド１２に装着すると、ロッド１２を図７において右方向に前進移動させるときには、正方向の推力Ｆａのみならず、逆方向の推力Ｆｂが図６に示す場合よりも大きくなる。このため、コイル１４に図６に示す場合と同一の電力を供給しても、ロッド１２に加えられる正方向の推力が減殺されることが避けられない。しかも、ロッド１２の移動に伴ってロッド１２に加えられる正方向の推力変動が大きくなる。

図８〜図１１は、スペーサ２３の長さと磁石の飛び出し量とを相違させてロッド１２に加わる平均推力と、推力の変動とについて測定した結果を示す。

図８（Ａ）（Ｂ）と図９（Ａ）（Ｂ）は、スペーサ２３の長さＬ4をそれぞれコイル１４の長さＬ3の２／３とし、磁石の飛び出し量Ｌ5を相違させて、ロッド１２を駆動した場合におけるロッド１２に加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。

図８（Ａ）は磁石飛び出し量Ｌ5をゼロとした場合の推力特性線図であり、図８（Ｂ），図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、磁石の飛び出し量をゼロとした場合よりも、磁石を飛び出させると、ロッド１２に加わる推力の平均値を大きくすることができた。このように、永久磁石２１，２２の軸方向長さＬ6を、コイル１４の軸方向長さＬ3よりも長い寸法とし、磁石ユニット２０の長さＬ1をコイルセット１６の長さＬ2よりも長くして永久磁石を飛び出させると、推力が大きくなることが判明した。しかも、飛び出し量Ｌ5を大きくすると、ロッド１２に加わる推力を大きくすることができた。磁石飛び出し量Ｌ5をコイル１４の軸方向長さの１／４と１／２の間の範囲としても、推力を大きくできることが判明した。ただし、図９（Ｂ）に示すように、磁石飛び出し量Ｌ5をコイル１４の長さとすると、推力の変動が大きくなった。

図１０（Ａ）は図７に示したようにスペーサを設けないリニアアクチュエータにおけるロッドに加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図であり、図１０（Ａ）（Ｂ）および図１１（Ａ）（Ｂ）は、磁石飛び出し量Ｌ5をそれぞれコイル１４の１／４とし、スペーサ２３の長さＬ4を相違させて、ロッド１２を駆動した場合におけるロッド１２に加わる軸方向の推力変動を示す推力特性線図である。

図１０（Ａ）は、図７に示した比較例のように、スペーサ２３を設けない構造の磁石ユニットを有するリニアアクチュエータの推力特性であり、スペーサ２３を設けないと、推力変動が大きくなり、ロッド１２をスムーズに駆動できないことが判明した。図１０（Ｂ）に示すように、スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さＬ3の１／３とした場合においても、推力変動が発生した。これに対し、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さの２／３とした場合と、３／３とした場合には、図１０（Ｂ）のように、スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さの１／３とした場合よりも、推力変動を抑制できることが判明した。スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さの２／３〜３／３の中間値とした場合も、同様の推力変動であった。

このように、永久磁石２１，２２の間にスペーサ２３を配置し、スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さの２／３〜３／３とすると、推力変動の発生を抑制することができた。

図８（Ｂ）と図１１（Ａ）は、スペーサ２３の長さＬ4と磁石飛び出し量Ｌ5とが同じ条件である。スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さＬ3の２／３とし、磁石飛び出し量Ｌ5をコイル１４の１／４としたときが、推力変動の抑制と推力の大出力化とを兼ね備えたリニアアクチュエータとなる。

上述のように、スペーサ２３を設けない場合には、ロッド１２の移動課程において、軸方向推力が大きく変動するためロッド１２が円滑に作動されず、図７に示したリニアアクチュエータ１０ａにおいては、ロッド駆動時にアクチュエータに振動の発生が見られた。これに対し、図１に示されるように、スペーサ２３を永久磁石２１，２２の間に配置し、磁石飛び出し量Ｌ5をコイル１４の軸方向長さの１／４〜１／２の範囲とすると、推力を大きくすることができ、さらに、スペーサ２３の長さＬ4をコイル１４の長さの２／３〜３／３の範囲とすると、推力変動を小さくすることができた。

図１に示すリニアアクチュエータ１０は、２つの永久磁石２１，２２を有しているが、３つまたはそれ以上の永久磁石をロッド１２に装着するようにしても良い。その場合には、軸方向に隣り合う２つの間にスペーサ２３を配置する。例えば、図１の永久磁石２２の右隣りにさらに第３の永久磁石を配置する場合には、第３の永久磁石と第２の永久磁石２２との間にスペーサ２３が配置される。このように、３つ以上の永久磁石をロッド１２に設けると、ロッド１２に大きな軸方向の推力を加えることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１に示すリニアアクチュエータ１０においては、ロッド１２を駆動するようにしているが、ロッド１２を固定側としてコイルケース１１を駆動させるようにしても良い。

１０ リニアアクチュエータ
１１ コイルケース
１２ ロッド
１３ コイルボビン
１４ コイル
１５ コイルユニット
１６ コイルセット
２０ 磁石ユニット
２１，２２ 永久磁石
２３ スペーサ
２４ 突き当て部材
Ｌ1 磁石ユニットの長さ
Ｌ2 コイルセットの長さ
Ｌ3 コイルの長さ
Ｌ4 スペーサの長さ
Ｌ5 磁石飛び出し量（飛び出し寸法）
Ｌ6 永久磁石の長さ

Claims (6)

1. 円筒形の内周面を有する強磁性材料からなるコイルケースと、当該コイルケースの内部に配置され前記コイルケースに対して相対的に軸方向に移動する強磁性材料からなるロッドとを有するリニアアクチュエータであって、
   前記コイルケースの前記内周面に、３つのコイルで１セットをなす複数のコイルセットを軸方向に配置し、
   中心から外周面に向けて径方向外方向に着磁される円筒形の第１の永久磁石と、外周面から中心に向けて径方向内方向に着磁される円筒形の第２の永久磁石とを、少なくともそれぞれ１つずつ、軸方向に離して前記ロッドに装着し、
   それぞれの前記永久磁石とともに磁石ユニットを構成する非磁性材料からなる円筒形のスペーサを前記永久磁石の間に配置したリニアアクチュエータ。
2. 請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、前記永久磁石の軸方向長さは、前記コイルの軸方向長さよりも長く、前記磁石ユニットの長さは前記コイルセットの長さよりも長いリニアアクチュエータ。
3. 請求項１または２記載のリニアアクチュエータにおいて、前記スペーサの軸方向長さは、前記コイルの軸方向長さの２／３〜３／３であるリニアアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、前記磁石ユニットの前記コイルセットに対する磁石飛び出し長さは、コイルの軸方向長さの１／４〜１／２の範囲であるリニアアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、前記永久磁石を円周方向に少なくとも３つの磁石セグメントにより形成し、それぞれ径方向に着磁された前記磁石セグメントを組み合わせて前記ロッドに設けることにより前記永久磁石を組み立てるリニアアクチュエータ。
6. 請求項５記載のリニアアクチュエータにおいて、前記磁石セグメントの円周方向の側面間に隙間を設け、当該隙間に突き当て部材を配置するリニアアクチュエータ。

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