JP2014181771A - 磁気リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】固定子の磁石と可動子の磁石の磁極の位置合わせの許容度を大きくする。固定子の磁石と可動子の磁石の対向する離間距離の許容範囲を広くする。磁石の磁力の利用効率を高くし、小型・軽量化、省電力化を図る。
【解決手段】固定子１を、回転軸Ｏ１を挟んで対向する位置に一対の磁極を備えた構造とする（例えば、径方向に着磁された円柱状の永久磁石１Ａとする）。可動子２を、回転軸Ｏ１の方向（回転軸方向）と直交する方向を移動軸Ｏ２の方向（移動軸方向）とし、この移動軸方向に並べられた主永久磁石５−１，５−２と、主永久磁石５−１，５−２間に配置された磁性体６−１とを備えた構造とする。可動子２において、主永久磁石５−１，５−２は同極同士を対向させて並べた構成とし、可動子２を固定子１の近傍に、固定子１側の磁石体（永久磁石１Ａ）と可動子２側の磁石体（主永久磁石５−１，５−２、磁性体６−１）とを非接触として配置する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、様々な産業用機器などに用いて好適な磁気リニアアクチュエータに関するものである。

従来より、リニア駆動手段として、メカ式、空気式、磁気式など、様々なものが使用されている。
メカ式のリニア駆動手段としては、回転モータとラックアンドピニオン、または、回転モータとボールねじやすべりねじ等の送りねじとの組合わせが一般に使用されており、高精度の位置決めが可能である。

２位置制御ができる簡易な機器（リニアアクチュエータ）としては、空気シリンダやソレノイドがある。
電磁式のリニア駆動手段としては、一般的に、コイルと永久磁石などからなるリニアモータがあり、可動子と固定子が非接触で、高速動作や高精度の位置決めが可能であり、電流の大きさにより推力を可変できる。
その他、磁気式で考案されているものとしては、磁気ネジ式と磁気ラックアンドピニオン式などがある。

磁気ネジ式としては、例えば、特許文献１に示されているような機構がある。この機構は、図２０に示されるように、磁石帯を一定のピッチで螺旋状に巻き付けた状態の非磁性体の直丸棒２０１と、磁石帯を直丸棒２０１と同じピッチで螺旋状に内面に巻き付けた状態の丸孔を持った非磁性体の片体２０２とからなる。直丸棒２０１は、片体２０２の丸孔に遊挿されており、片体２０２は、ガイドレール２０３に取り付けられている。２０４は直丸棒２０１を回転させるモータである。

この機構において、直丸棒２０１をモータ２０４によって回転させると、直丸棒２０１の外面に形成されている磁石帯と片体２０２の丸孔の内面に形成されている磁石帯との吸引効果によって、片体２０２がガイドレール２０３に沿って移動する。これにより、直丸棒２０１を固定子とし、片体２０２を可動子とし、固定子と可動子とを非接触とさせた状態で、高速動作や高精度の位置決めが可能となる。

磁気ラックアンドピニオン式としては、例えば、特許文献２に示されているような機構がある。この機構は、図２１に示されるように、その外周面に周方向に間隔を設けて着磁面３０１ａが形成された歯車（ピニオン）３０１と、その上面に歯車３０１の着磁面３０１ａと同ピッチで長さ方向に間隔を設けて着磁面３０２ａが形成されたラック３０２とからなる。歯車３０１の周方向に並ぶ着磁面３０１ａは、その磁極方向を歯車３０１の軸方向（手前がＳ極、奥がＮ極）としており、ラック３０２の長さ方向に並ぶ着磁面３０２ａは、その磁極方向をラック３０２の長さ方向（ラック３０２の移動方向）に対して直交する方向（手前がＮ極、奥がＳ極）としている。

この機構において、歯車３０１は、固定された位置で、その着磁面３０１ａをラック３０２の着磁面３０２ａと接して回転する。これにより、着磁面３０１ａと着磁面３０２ａとの吸引力によって、通常のラックアンドピニオンのように、ラック３０２が長さ方向に移動する。すなわち、歯車３０１を固定子とし、ラック３０２を可動子とし、歯車３０１に接触した状態で、ラック３０２が長さ方向に移動する。

特開平１−１２６４６５号公報（特許第２７７７１３１号公報） 実開平６−６７９５３号公報

しかしながら、メカ式のリニア駆動手段では、摩耗、発塵、騒音、構成部品およびそれらの組付けに要求される精度が厳しいなどの問題がある。

空気シリンダは、簡易に２位置制御ができるが、空気配管や圧空専用の機器・設備が必要であり、どちらか一方の端に固定している状態でも空気の供給が常時必要であり、それに必要となるコンプレッサや電磁弁は一般的に大きな電力を必要とする。また、移動速度の制御能力が低く、排気音などの騒音も問題となる。

電磁式のソレノイドも、簡易に２位置制御ができるが、吸着固定している状態で常時電力が必要であり、この問題はラッチ型では解決されるが、どちらも原理的にストロークが短く、動作時の騒音（吸着音）が大きいという問題がある。また、原理的に移動速度の制御は困難である。

電磁式の代表的なリニア駆動手段であるリニアモータでは、駆動に大きな電流が必要であり、可動子をある位置に固定しているときでも電力を常時消費するため、省エネルギーの観点で不利であり、発熱による支障を生じることも多い。

磁気ネジ式では、それぞれの磁石のピッチを合わせて近接して設置する必要がある。また、シャフト（特許文献１では、直丸棒）の外周面とナット（特許文献１では、丸孔を持った片体）の内周面に螺旋状の磁石帯を形成する必要があるため、必然的にシャフトやナットの径が大きくなり、回転させるのに必要なトルクが大きくなり、モータサイズと消費電力が大きくなる。また、メカ式の送りねじ等と同様に精密なリニアガイド機構とシャフトの回転軸受が必要になるため、必然的に質量や形状も大きくなってしまうという問題がある。

特許文献２に記載された磁気ラックアンドピニオン式では、ラックと歯車（ピニオン）を磁石で形成して接触させているため、磨耗や騒音などの問題は解消できない。また、歯車（ピニオン）の多数の着磁面の磁極の対向方向（Ｎ極とＳ極の対向方向）が回転軸と平行で、ラックの多数の着磁面の磁極の対向方向（Ｎ極とＳ極の対向方向）が移動方向に対して垂直なので、それぞれの着磁面ごとにピッチを合わせ、１対１で対向するように接触して設置する必要があり、固定子の磁石と可動子の磁石の磁極の位置合わせの許容度が小さいという問題がある。

また、特許文献２に記載された磁気ラックアンドピニオン式では、多数の着磁面の各磁極には、ある程度の面積（体積）が必要であるため、固定子（歯車）となる多数の着磁面を有する磁石（以下、多磁極着磁磁石と呼ぶ）は必然的に磁石サイズ（歯車の径）が大きくなり、回転させるのに必要なトルクが大きくなり、モータサイズと消費電力が大きくなる。また、可動子（ラック）側も多磁極なので、必要な磁石の数も多くなり比較的大型になる。

なお、数ミリ〜数１０ミリ程度をリニアに動作させたいというニーズも多いが、上記の磁気式の構造は、いずれもロングストロークを対象にしたものが多いため、大きさや構造面で無駄が多くなる場合が多い。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、固定子の磁石と可動子の磁石の磁極の位置合わせの許容度が大きく、固定子の磁石と可動子の磁石の対向する離間距離の許容範囲が広い磁気リニアアクチュエータを提供することにある。また、さらに好ましいものとして、磁石の磁力の利用効率が高く、小型・軽量化が可能で、省電力化が可能な磁気リニアアクチュエータを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、回転軸を挟んで対向する位置に一対の磁極を作る永久磁石を備えた磁石体を固定子側の磁石体として有する固定子と、回転軸方向とほゞ直交する方向を移動軸方向とし、この移動軸方向に並べられた複数の主永久磁石と、これら主永久磁石間に配置された磁性体とを可動子側の磁石体として有する可動子と、回転軸を中心にして固定子を回転させることによって固定子の磁極の位置を変化させる磁極位置可変手段とを備え、可動子は、固定子の近傍に固定子側の磁石体と可動子側の磁石体とを非接触として配置され、可動子側の磁石体の主永久磁石は、可動子の移動軸方向に同極同士を対向させて並べられていることを特徴とする。

例えば、特許文献２に記載された磁気ラックアンドピニオン式（従来技術（図２１））では、多数の着磁面の各磁極には、ある程度の面積（体積）が必要であるため、固定子となる多磁極着磁磁石は、必然的に磁石サイズ（径）が大きくなり、各磁極から発生する磁力（または、磁界）は小さくなる。また、近接する磁極間で磁力線（磁束線）が閉じてしまい、磁力（または、磁束）の届く範囲も短くなるため、固定子と可動子を近接配置する必要があり、組付け公差も厳しくなる。

参考として、図２２，図２３に、特許文献２に示された以外の多磁極着磁磁石を示す、図２２は円柱型の多磁極着磁磁石の例であり、図２３は円筒型（リング型）の多磁極着磁磁石の例である。発明者は、上記のように従来技術の問題点の原因を解明し、下記の解決策に想到した。なお、以下では、磁力線／磁束線の混在を避けるため、磁力線でその言葉を統一する。また、図に示した磁力線は、あくまでも代表的なイメージを表したものである。

本発明において、固定子は、回転軸を挟んで対向する位置に一対の磁極を作る永久磁石を備えた磁石体を備えた構造とする。本発明では、固定子において、一対の磁極を作る永久磁石を備えた磁石体を固定子側の磁石体と呼ぶ。可動子は、回転軸方向とほゞ直交する方向を移動軸方向とし、この移動軸方向に並べられた複数の主永久磁石と、これら主永久磁石間に配置された磁性体とを備えた構造とする。本発明では、可動子において、移動軸方向に並べられた複数の主永久磁石と、これら主永久磁石間に配置された磁性体とを可動子側の磁石体と呼ぶ。本発明において、可動子側の磁石体の主永久磁石は、可動子の移動軸方向に同極同士を対向させて並べた構成とする。また、本発明において、可動子は、固定子の近傍に、固定子側の磁石体と可動子側の磁石体とを非接触として配置する。

これにより、本発明では、固定子のすべての磁極（一対の磁極）から出る磁力線が、可動子側の磁石体の磁力線と結合し、永久磁石のエネルギーが有効に使われるものとなる。すなわち、従来技術の固定子（多磁極着磁磁石）では、可動子に近接している一部分以外の磁極は、固定子内の隣接する磁極間で磁力線が閉じており（図２１、図２２、図２３参照）、仕事をしておらず、無駄になっている。これに対し、本発明では、固定子のすべての磁極（一対の磁極）から出る磁力線が、可動子側の磁石体の磁力線と結合するので、永久磁石のエネルギーが有効に使われるものとなる。

また、本発明では、固定子と可動子の磁極の細かいピッチを精密に１対１で合わせる必要がなくなり、多磁極着磁磁石からなる固定子を用いる場合に比べて磁力の到達距離が長くて大きい磁力を発生できるようになるため、固定子と可動子との距離を離すことができ、固定子と可動子との組付け公差もゆるくできる。さらに、固定子に上記の構成の永久磁石を採用することにより、固定子の磁石体の径を小さくできるため、小型・軽量化、および、低トルクでの回転が可能になる。

なお、本発明において、可動子側の磁石体は、可動子の移動軸方向および固定子の回転軸方向と直交する方向を主永久磁石の磁極方向とし、それぞれ隣り合う主永久磁石の磁極方向を逆として、主永久磁石を可動子の移動軸方向に並べた構造としてもよい。

本発明によれば、固定子側の磁石体を回転軸を挟んで対向する位置に一対の磁極を作る永久磁石を備えた構造とし、可動子側の磁石体を、可動子の移動軸方向に複数の主永久磁石を磁性体を挟んで同極同士を対向させて並べた構造とし、あるいは可動子の移動軸方向および固定子の回転軸方向と直交する方向を複数の主永久磁石の磁極方向とし、それぞれ隣り合う主永久磁石の磁極方向を逆として、複数の主永久磁石を可動子の移動軸方向に並べた構造とし、可動子を固定子の近傍に固定子側の磁石体と可動子側の磁石体とを非接触として配置するようにしたので、固定子のすべての磁極（一対の磁極）から出る磁力線が可動子側の磁石体の磁力線と結合し、永久磁石のエネルギーが有効に使われるものとなる。これにより、固定子の磁石と可動子の磁石の磁極の位置合わせの許容度を大きくし、固定子の磁石と可動子の磁石の対向する離間距離の許容範囲を広げることが可能となる。また、磁石の磁力の利用効率を高くし、小型・軽量化が可能となり、省電力化も可能となる。

本発明に係る磁気リニアアクチュエータの一実施の形態の要部を示す斜視図である。 この磁気リニアアクチュエータにおいて固定子（円柱状の永久磁石）の周囲に発生する磁力線のイメージを示す図である。 固定子を円筒状の永久磁石とした例を示す図である。 固定子を矩形状の永久磁石とした例を示す図である。 固定子を矩形状の永久磁石と半円柱状の磁性体とからなる磁石体とした例を示す図である。 固定子を柱状の磁性体と矩形状の永久磁石とかなる磁石体とした例を示す図である。 本実施の形態の磁気リニアアクチュエータを固定子を上側、可動子を下側にして示した図である。 この磁気リニアアクチュエータの可動子の移動範囲の中央位置（原点位置）における固定子と可動子（可動子側の磁石体）との位置関係を示す平面図および正面図である。 この磁気リニアアクチュエータにおける可動子（可動子側の磁石体）の移動軸方向両側への動きを示す図である。 この磁気リニアアクチュエータにおける可動子（可動子側の磁石体）の移動軸方向片側への動きを示す図である。 ２つの主永久磁石間に磁性体を挟んだ構造を基本構造としこの基本構造を移動軸方向へ連続させるようにした可動子（可動子側の磁石体）を例示する図である。 ２つの主永久磁石間にその磁極方向を垂直として副永久磁石を配置するようにした可動子（ハルバッハ配列で永久磁石を並べるようにした可動子側の磁石体）を例示する図、および、可動子（可動子側の磁石体）の移動軸方向片側への動きを示す図である。 ハルバッハ配列で永久磁石を並べる構造においてその基本構造を移動軸方向へ連続させるようにした可動子（可動子側の磁石体）を例示する図である。 ハルバッハ配列で永久磁石を並べた構造において副永久磁石の固定子側に磁性体を配置するようにした例を示す図、および、可動子（可動子側の磁石体）の移動軸方向片側への動きを示す図である。 ハルバッハ配列で永久磁石を並べて副永久磁石の固定子側に磁性体を配置するようにした構造においてその基本構造を連続させるようにした可動子（可動子側の磁石体）を例示する図である。 移動軸方向に並べた主永久磁石同士を連結するように固定子側とは反対側の面に磁性体を配置するようにした可動子（可動子側の磁石体）を例示する図、および、可動子（可動子側の磁石体）の移動軸方向片側への動きを示す図である。 ２つの主永久磁石同士を１つの磁性体で連結させた構造を基本構造としこの基本構造を移動軸方向へ連続させるようにした可動子（可動子側の磁石体）を例示する図である。 角形（矩形）型、円柱型、円筒（リング）型など可動子（可動子側の磁石体）の形状の一例を示す図である。 可動体（可動子（可動子側の磁石体）＋シャフト）をガイドホルダにセットした状態およびガイドホルダから外した状態を示す図である。 特許文献１に示されている磁気ネジ式の機構を示す図である。 特許文献２に示されている磁気ラックアンドピニオン式の機構を示す図である。 円柱型の多磁極着磁磁石の例を示す図である。 円筒型（リング型）の多磁極着磁磁石の例を示す図である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る磁気リニアアクチュエータの一実施の形態の要部を示す斜視図である。同図において、１は固定子、２は可動子、３はモータ、４（４−１，４−２）はリニアガイド（ブッシュ）である。

この実施の形態において、固定子１は円柱状の永久磁石とされ、モータ３の回転シャフト３ａの先端に固定されており、回転軸Ｏ１を中心として回転する。この固定子１において、その永久磁石の着磁方向は径方向とされている。

すなわち、本実施の形態において、固定子１は、回転軸Ｏ１を挟んで対向する位置に、一対の磁極（Ｎ極とＳ極）を備えている。従って、この固定子１では、図２に磁力線のイメージを示すように、固定子１の周囲に、Ｎ極からＳ極に戻る磁力線が発生する。

なお、本実施の形態では、固定子１を円柱状の永久磁石（１Ａ）としているが、図３に示すような円筒状（リング状）の永久磁石（１Ｂ）としてもよい。固定子１として径方向に着磁された円柱状の永久磁石（１Ａ）や円筒状の永久磁石（１Ｂ）を用いると、省スペースで、固定子１の回転運動を滑らかに可動子２の直線運動に変換でき、より可動子２に近接配置することが可能となるため、発生力を大きくすることができるようになる。

また、図４に示すように、固定子１として、厚み方向に着磁された矩形状の永久磁石（１Ｃ）を用いるようにしてもよい。固定子１として矩形状の永久磁石（１Ｃ）を用いると、固定子１の取付構造などを簡素化し、低コスト化することが可能となる。

また、図５に示すように、固定子１として、厚み方向に着磁された矩形状の永久磁石１−１と、この矩形状の永久磁石１−１の厚み方向の両面に配置した半円柱状（断面が半円の柱状、かまぼこ型）などの磁性体１−２，１−３とからなる磁石体（１Ｄ）を用いるようにしてもよい。このような、磁石体（１Ｄ）でも、磁性体の外側部分に磁極が出来るため、径方向に着磁された円柱状の永久磁石（１Ａ）に近い特性を得ることができる。

また、図６に示すように、固定子１として、例えば、柱状の磁性体１−４の両側面に、矩形状の永久磁石１−５，１−６を配置した磁石体（１Ｅ）を用いるようにしてもよい。このような磁石体（１Ｅ）を用いると、永久磁石の使用量を低減し、低コスト化を図ることが可能となる。

図３〜図６にその一例を示したように、回転軸Ｏ１を挟んで対向する位置に永久磁石によって作られる一対の磁極を備える固定子１としては、種々のものが考えられる。この固定子１において、一対の磁極を持つ永久磁石のみで構成される磁石体、あるいは永久磁石と磁性体で構成された一対の磁極を備える磁石体が、本発明でいう固定子側の磁石体に相当する。

一方、可動子２は、Ｏ２をその移動軸とし、この移動軸Ｏ２の方向（移動軸方向）に長手方向を合わせて設けられた磁石体とされており、可動子２の両端にはシャフト２１が接続されている。シャフト２１は非磁性体とされている。以下では、この可動子２とシャフト２１とからなる一体物を可動体と呼び、符号２２で示す。

本実施の形態において、可動体２２の移動方向（可動子２の移動軸方向）は回転軸Ｏ１の方向（回転軸方向）と直交する方向とされている。また、可動体２２の移動方向（可動子２の移動軸方向）は、移動軸Ｏ２に軸芯を合わせて配置されたリニアガイド（ブッシュ）４−１，４−２にシャフト２１が挿入されることによって、規制されている。

可動子２は、四角柱状の主永久磁石５−１，５−２と、この主永久磁石５−１と５−２との間に挟まれた四角柱状の磁性体６−１とから構成されている。主永久磁石５−１，５−２は同一形状であるが、同極同士を対向させて移動軸方向に並べられている。この例では、主永久磁石５−１のＮ極と主永久磁石５−２のＮ極とを対向させ、この対向する主永久磁石５−１と５−２との磁極間（主永久磁石５−１のＮ極と主永久磁石５−２のＮ極との間）に磁性体６−１を配置している。

この主永久磁石５−１，５−２と磁性体６−１とからなる磁石体が本発明でいう可動子側の磁石体に相当する。なお、本実施の形態では、可動子側の磁石体そのものを可動子２としているが、必ずしも可動子側の磁石体そのものを可動子２としなくてもよく、可動子側の磁石体を含む構成であればよい。

また、この実施の形態において、可動子２は、固定子１の近傍に、固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体とを非接触として配置されている。図７に、図２１に示した従来の磁気ラックアンドピニオン式の機構と比較し易いように、本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００を、固定子１を上側、可動子２を下側にして示す。以下、この姿勢を本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００の基本姿勢として、説明を進める。

図２１と図７とを比較して分かるように、従来の機構では歯車（固定子）３０１の着磁面３０１ａをラック（可動子）３０２の着磁面３０２ａに接触させるようにしていたが、本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００では、固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体とは接触させずに、可動子２の移動軸方向および固定子１の回転軸方向と直交する方向に、固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体とを所定距離ｚだけ離した状態としている。この距離ｚを固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体との間の離間距離と呼ぶ。すなわち、本実施の形態では、固定子１と可動子２との間の離間距離をｚとしている。

また、本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００では、可動子２の移動軸方向（図示左右方向）への移動範囲の中央位置（原点位置）において、すなわち可動子２側の磁石体の図示左右方向への移動範囲の中央位置（原点位置）において、図８（ａ），（ｂ）に示すように、固定子１が可動子２側の磁石体における磁性体６−１の上面中央（この部分は、Ｎ極になっている）にＳ極を対面させて位置するように、固定子１の回転角度位置と可動子２（可動子２側の磁石体）の移動位置との関係が定められている。

なお、本実施の形態において、固定子１の長さＬと可動子２側の磁石体の幅Ｗとは、ほゞ等しくされている。また、固定子１と可動子２側の磁石体との間の離間距離ｚは、可動子２側の磁石体の原点位置において、固定子１からの磁力線が可動子２側の磁石体の主永久磁石５−１，５−２の磁力線と結合し得る範囲内の距離として定められている。本実施の形態において、固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体との間の離間距離ｚは、例えば数ミリ〜１０ミリ程度とされている。

図９（ａ）に可動子２側の磁石体の原点位置における固定子１からの磁力線の主永久磁石５−１，５−２の磁力線との結合状況を示す。可動子２側の磁石体の原点位置において、固定子１は、そのＳ極が可動子２側の磁石体の磁性体６−１の上面中央（この部分は、Ｎ極になっている）に対向位置している。これにより、固定子１のＮ極から出てＳ極に戻る磁力線は、すなわち固定子１のすべての磁極（一対の磁極）から出る磁力線は、可動子２側の磁石体の主永久磁石５−１および５−２の磁力線と結合する。

このような状態から、図９（ｂ）に示すように、固定子１を半時計方向へ回転させると、固定子１からの磁力線との結合を保ちながら、可動子２側の磁石体が図中右方向へ移動して行く。この場合、固定子１のＳ極と主永久磁石５−１のＮ極との吸引力によって、固定子１に引きずられながら可動子２側の磁石体が右方向へ移動し、固定子１からの磁力線と主永久磁石５−１との磁力線との結合が徐々に強くなり、固定子１からの磁力線と主永久磁石５−２の磁力線との結合が徐々に解かれて行く。図１０に図９（ａ）の状態から図９（ｂ）の状態を少し過ぎるところまで可動子２側の磁石体が移動する過程を示す。

反対に、図９（ｃ）に示すように、固定子１を時計方向へ回転させると、固定子１からの磁力線との結合を保ちながら、可動子２側の磁石体が図中左方向へ移動して行く。この場合、固定子１のＳ極と主永久磁石５−２のＮ極との吸引力によって、固定子１に引きずられながら可動子２側の磁石体が左方向へ移動し、固定子１からの磁力線と主永久磁石５−２との磁力線との結合が徐々に強くなり、固定子１からの磁力線と可動子２側の磁石体の主永久磁石５−１の磁力線との結合が徐々に解かれて行く。

このようにして、本実施の形態では、固定子１のすべての磁極から出る磁力線が、可動子２側の磁石体の主永久磁石の磁力線と結合し、永久磁石のエネルギーが有効に使われるものとなる。すなわち、従来技術の固定子（多磁極着磁磁石）では、可動子に近接している一部分以外の磁極は、固定子内の隣接する磁極間で磁力線が閉じており（図２１、図２２、図２３参照）、仕事をしておらず、無駄になっている。これに対し、本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００では、固定子１のすべての磁極から出る磁力線が、可動子２側の磁石体の主永久磁石の磁力線と結合するので、永久磁石のエネルギーが有効に使われるものとなる。

また、本実施の形態の磁気リニアアクチュエータ１００では、固定子と可動子の磁極の細かいピッチを精密に１対１で合わせる必要がなくなり、多磁極着磁磁石からなる固定子を用いる場合に比べて磁力の到達距離が長くて大きい磁力を発生できるようになるため、固定子１と可動子２との距離を離すことができ、固定子１と可動子２との組付け公差もゆるくできる。さらに、固定子１に上記の構成の永久磁石を採用することにより、固定子１の径を小さくできるため、小型・軽量化、および、低トルクでの回転が可能になる。

また、本実施の形態では、主永久磁石５−１と５−２との間に磁性体６−１を配置することにより、互いに反発する同極同士を対向して組み付ける困難さを解決することができている。また、主永久磁石５−１と５−２との間に磁性体６−１を配置することにより、可動子から（固定子（正逆）方向へ）発生する磁束を増加させることが可能となる。これにより、力発生効率を向上させ、発生力アップや小型化が可能となる。

また、上述した実施の形態では、可動子２側の磁石体として最も単純な構造を示したが、図１１にその一例を示すように、２つの主永久磁石５間に磁性体６を挟んだ構造を基本構造とし、この基本構造を可動子２の移動軸方向へ連続させた構造として、可動子２の移動範囲を拡大させるようにしてもよい。

図１１の例では、可動子２の移動軸方向に主永久磁石５−１，５−２，５−３，５−４を同極同士を対向させて並べ、主永久磁石５−１と５−２との間に磁性体６−１を、主永久磁石５−２と５−３との間に磁性体６−２を、主永久磁石５−３と５−４との間に磁性体６−３を配置した構造としている。

また、上述した実施の形態では、主永久磁石５−１と５−２との間に磁性体６−１を配置するようにしたが、図１２に図１０に対応する図を示すように、主永久磁石５−１と５−２との間に、その磁極方向を可動子２の移動軸方向および固定子１の回転軸方向に対して直交する方向として、副永久磁石７−１を配置するようにしてもよい。

主永久磁石５−１と５−２の間に、その磁極方向を直交する方向として副永久磁石７−１を配置すると、すなわちハルバッハ配列で永久磁石を並べるようにすると、さらに、可動子から（固定子（正逆）方向へ）発生する磁束を増加させ、力発生効率を向上させることが可能となる。

また、図１４に図１０に対応する図を示すように、ハルバッハ配列で永久磁石を並べた構造において、副永久磁石７−１の固定子１側に磁性体８−１を配置するようにしてもよい。副永久磁石７−１の固定子１側に磁性体８−１を配置することによって、さらに、可動子から（固定子（正逆）方向へ）発生する磁束を増加させ、力発生効率を向上させることが可能となる。

また、図１２に示したハルバッハ配列で永久磁石を並べる構造においても、その基本構造を可動子２の移動軸方向へ連続させるようにして、可動子２の移動範囲を拡大させるようにしてもよい。この場合、例えば、図１３にその一例を示すように、可動子２の移動軸方向に主永久磁石５−１，５−２，５−３，５−４を同極同士を対向させて並べ、主永久磁石５−１と５−２との間に副永久磁石７−１を、主永久磁石５−２と５−３との間に副永久磁石７−２を、主永久磁石５−３と５−４との間に副永久磁石７−３を配置するようにする。但し、この構造において、副永久磁石７は、それぞれ隣り合う副永久磁石７の磁極方向を逆として配置するようにする。図１４に示したハルバッハ配列で永久磁石を並べる構造において、その基本構造を可動子２の移動軸方向へ連続させる場合も同様である（図１５参照）。

また、例えば、図１１、図１３、図１５に示した構造において、可動子２の移動軸方向に並べられた主永久磁石５のうち、隣り合う２つの主永久磁石５を１組の主永久磁石とした場合、この１組の主永久磁石５の移動軸方向両端（外側）間の距離ｌ１を、固定子１の一対の磁極両端の１回転の弧の長さと同程度とすると、固定子１の磁極の動きと可動子２の移動をマッチングさせ、なめらかで効率的な動作を行わせることが可能となる。勿論、図１０、図１２、図１４に示した基本構造でも同様である。

また、上述した実施の形態では、主永久磁石５−１のＮ極と主永久磁石５−２のＮ極とを対向させ、この対向する主永久磁石５−１と５−２との磁極間に磁性体６−１を配置した可動子２側の磁石体を用いるようにしたが、図１６に図１０に対応する図を示すように、可動子２の移動軸方向および固定子１の回転軸方向と直交する方向、すなわち固定子１と可動子２との離間方向を主永久磁石５−１，５−２の磁極方向とし、隣り合う主永久磁石５−１，５−２の磁極方向を逆として主永久磁石５−１，５−２を可動子２の移動軸方向に並べ、可動子２の移動軸方向に並べられた主永久磁石５−１，５−２の固定子１側とは反対側の面に、主永久磁石５−１，５−２同士を連結するように磁性体９を配置するようにした可動子２’を用いてもよい。

また、この可動子２’においても、図１７にその一例を示すように、２つの主永久磁石５同士を１つの磁性体９で連結させた構造を基本構造とし、この基本構造を可動子２の移動軸方向へ連続させた構造として、可動子２の移動範囲を拡大させるようにしてもよい。なお、この場合、磁性体９の長さを長くし、隣り合うすべての主永久磁石５を１つの磁性体９で連結するようにするのが好ましい。

また、例えば、図１７に示した構造において、可動子２の移動軸方向に並べられた主永久磁石５のうち、隣り合う２つの主永久磁石を１組の主永久磁石とした場合、この１組の主永久磁石５の各磁石の中心間の距離ｌ２を固定子１の一対の磁極両端の半回転の弧の長さと同程度とすると、固定子１の磁極の動きと可動子２の移動をマッチングさせ、なめらかで効率的な動作を行わせることが可能となる。勿論、図１６に示した基本構造でも同様である。

なお、図１６，１７に示した例では、可動子２’側の磁石体において、隣り合う主永久磁石５，５間を連結する磁性体９を設けるようにしたが、必ずしも磁性体９は設けなくてもよい。

また、上述した実施の形態では、可動子２側の磁石体を構成する主永久磁石５−１，５−２や磁性体６−１を四角柱状としたが、このような形状に限らず、円柱、円板、円筒、リング型、薄板状など様々な形状・サイズのものを使用することが可能である。図１８にその一例を示す。図１８（ａ），（ｂ）は可動子２側の磁石体を角形（矩形）型とした場合の例（２Ａ，２Ｂ）であり、図１８（ｃ）は可動子２側の磁石体を円柱型とした場合の例（２Ｃ）、図１８（ｄ）は可動子２側の磁石体を円筒（リング）型とした場合の例（２Ｄ）である。

〔固定子の永久磁石の磁極位置可変および保持手段〕
また、上述した実施の形態において、モータ３としては、電源をオフにしてもその停止した回転角度位置を保持することが可能なモータ、すなわち固定子１の磁極の位置を保持することが可能な手段を有するモータが用いられている。例えば、ギア付きのステッピングモータ、ギア付きのシンクロナスモータ、超音波モータなどが用いられている。このようなモータを用いることによって、小電力化を図ることが可能となる。

〔付加機能〕
また、本実施の形態では、図示してはいないが、移動軸Ｏ２と回転軸Ｏ１との間の距離を調節・固定する手段が設けられている。これにより、固定子１と可動子２との間の離間距離ｚを調節し、可動子２の最大推力を調節することができる。

また、本実施の形態では、図１９に示すように、リニアガイド（ブッシュ）４−１，４−２を移動軸方向と直交する方向に分割可能な、あるいは、開口部を持つガイドホルダとすることにより、可動体２２（可動子２とシャフト２１との一体物）を着脱可能とし、移動軸Ｏ２と回転軸Ｏ１の間の距離を着状態（ガイドホルダにセットした状態）で維持できる構造とされている。これにより、固定子１側の磁石体と可動子２側の磁石体との間の離間距離ｚを着状態で維持しつつ、可動子２を容易に着脱することが可能（固定子１と可動子２とを容易に分離することが可能）となる。

また、本実施の形態では、図示してはいないが、可動子２の位置を検出する位置センサを備えている。これにより、位置センサが検出する可動子２の位置に基づき、より精密な位置制御が可能となる。

また、本実施の形態では、図示してはいないが、（軟）磁性体からなる（磁気遮蔽用の）外側（外周）ヨークを備えている。これにより、固定子１側の磁石体および可動子２側の磁石体からの周囲への磁束の漏洩を低減することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、磁石の磁力の利用効率が高く、小型・軽量化が可能で、省電力化が可能である。また、磁気ネジ式と磁気ラックアンドピニオン式の発想は、従来のメカ式のリニア駆動手段の歯を磁極に置き換えただけにすぎず、永久磁石の持つ優れた性質を有効に使用できていない。本実施の形態の構造は、動作がラックアンドピニオンのようなデジタル的（コマ送り的）ではなく、アナログ的である。また、本実施の形態の構造によれば、数ミリ〜数１０ミリ程度を簡素な構造でリニアに動作させたいというニーズから、ロングストロークのニーズまで対応可能である。

なお、本実施の形態の可動子２は、移動軸方向にコンプライアンスを持ち、力を与える他の物体への衝撃をやわらげる効果を持ち、部品の破損などを防ぐことができる。また、そのバネ特性は、固定子１の磁極位置（角度）と可動子２の移動軸方向の位置により、バネ定数を持つ領域や力一定の領域（バネ定数≒0）を設定することができ、用途に合わせて使い分けることができる。さらに、可動子２が移動中に何かの予定外の物体に接触したり、固定子１が回転しすぎてリミットを超えて対象物に力を与えてしまった場合、つまり、何らかの原因で可動子２に過大力が発生した場合は、可動子２が移動軸方向と逆方向の安定点（固定子１と可動子２の磁極同士が吸引して安定する位置）まで自動的に後退する回避動作が行われるという効果もあり、事故防止に役立つ。この過大力の閾値は、固定子１と可動子２との間の離間距離ｚで設定できる。

また、本実施の形態では、他の動力で可動子２を移動軸Ｏ２を中心として回転させている場合でも、移動軸方向に移動させることができる。この場合、可動子２は図１８（ｃ）に示すような円柱形状や図１８（ｄ）に示すような円筒形状が好ましい。また、可動子２が図１８（ｄ）に示すような円筒状の場合は、その先端に吸着ノズルを取り付け、ノズル内の気体流路を円筒状の可動子２の内側空間に連通させて流路として使用することにより、チップ部品などのハンドリング装置において、吸着ノズルの昇降とコンプライアンス機能に応用することも出来る。さらに、可動部を着脱する必要がある用途にも適しており、例えば、オフィスなどの空調において天井に設置されている外コーンと中コーンから構成される吹き出し口で、風向制御のため中コーンを可動部として昇降させ、かつ、設置やメンテナンス時に中コーンを着脱する必要がある用途などにも好適である。この場合は、固定子１を吹き出し口の筐体や外コーン側、可動子２を中コーン側に取り付けるとよい。この場合のように、本発明の磁気リニアアクチュエータの可動子２を取付ける対象物自体がリニアに移動するガイド機構を備えたものであれば、可動子２側にシャフト２１やリニアガイド（ブッシュ）４を備えていない構成も選択可能である。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…固定子、２，２’…可動子、３…モータ、３ａ…回転シャフト、４（４−１，４−２）…リニアガイド（ブッシュ）、５（５−１〜５−４）…主永久磁石、６（６−１〜６−３）…磁性体、７（７−１〜７−３）…副永久磁石、８（８−１〜８−３）…磁性体、９…磁性体、２１…シャフト、２２…可動体、Ｏ１…回転軸、Ｏ２…移動軸、１００…磁気リニアアクチュエータ。

Claims (13)

1. 回転軸を挟んで対向する位置に一対の磁極を作る永久磁石を備えた磁石体を固定子側の磁石体として有する固定子と、
   前記回転軸方向とほゞ直交する方向を移動軸方向とし、この移動軸方向に並べられた複数の主永久磁石と、これら主永久磁石間に配置された磁性体とを可動子側の磁石体として有する可動子と、
   前記回転軸を中心にして前記固定子を回転させることによって前記固定子の磁極の位置を変化させる磁極位置可変手段とを備え、
   前記可動子は、
   前記固定子の近傍に前記固定子側の磁石体と前記可動子側の磁石体とを非接触として配置され、
   前記可動子側の磁石体の前記主永久磁石は、
   前記可動子の移動軸方向に同極同士を対向させて並べられている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記主永久磁石間に配置された磁性体は、
   前記可動子の移動軸方向および前記固定子の回転軸方向に対してその磁極方向が直交する方向として配置された副永久磁石であり、
   前記副永久磁石が複数ある場合には、
   それぞれ隣り合う副永久磁石の磁極方向が逆とされている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
3. 請求項２に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記副永久磁石の前記固定子側の面に磁性体が配置されている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
4. 回転軸を挟んで対向する位置に一対の磁極を作る永久磁石を備えた磁石体を固定子側の磁石体として有する固定子と、
   前記回転軸方向とほゞ直交する方向を移動軸方向とし、この移動軸方向に並べられた複数の主永久磁石を可動子側の磁石体として有する可動子と、
   前記回転軸を中心にして前記固定子を回転させることによって前記固定子の磁極の位置を変化させる磁極位置可変手段とを備え、
   前記可動子は、
   前記固定子の近傍に前記固定子側の磁石体と前記可動子側の磁石体とを非接触として配置され、
   前記可動子側の磁石体は、
   前記可動子の移動軸方向および前記固定子の回転軸方向と直交する方向を前記主永久磁石の磁極方向とし、それぞれ隣り合う主永久磁石の磁極方向を逆として、前記主永久磁石が前記可動子の移動軸方向に並べられている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
5. 請求項４に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   隣り合う前記主永久磁石同士を連結するように前記固定子側とは反対側の面に磁性体が配置されている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
6. 請求項１〜３の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子の移動軸方向に並べられた主永久磁石のうち、隣り合う２つの主永久磁石を１組の主永久磁石とした場合、この１組の主永久磁石の移動軸方向両端間の距離が前記固定子側の磁石体の一対の磁極両端の１回転の弧の長さと同程度とされている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
7. 請求項４〜５の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子の移動軸方向に並べられた主永久磁石のうち、隣り合う２つの主永久磁石を１組の主永久磁石とした場合、この１組の主永久磁石の各磁石の中心間の距離が前記固定子側の磁石体の一対の磁極両端の半回転の弧の長さと同程度とされている
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記固定子側の磁石体は、
   径方向に着磁された円柱状または円筒状の永久磁石である
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
   前記磁極位置可変手段は、
   ステッピングモータ、シンクロナスモータあるいは超音波モータであり、
   前記固定子の磁極の位置を保持する手段を備える
   ことを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
    前記回転軸と前記移動軸との間の離間距離を調節・固定する手段
    を備えることを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
    前記可動子を着脱可能とし、着状態で前記回転軸と前記移動軸との間の離間距離を維持する手段
    を備えることを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
    前記可動子の位置を検出する位置センサ
    を備えることを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載された磁気リニアアクチュエータにおいて、
    前記固定子側の磁石体および前記可動子側の磁石体からの周囲への磁束の漏洩を低減する磁気遮蔽手段
    を備えることを特徴とする磁気リニアアクチュエータ。

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