JP2014236642A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】推力を大きくしたまま全長を短くすることができるリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】本発明のリニアアクチュエータは、中空の駆動用磁石１１と、駆動用磁石１１の外側及び内側のいずれか一方に配置されるコイル４と、駆動用磁石１１の外側及び内側の他方に配置されると共にコイル４に連結され、駆動用磁石１１を原点に復帰させる復帰用磁石８と、を備える。コイル４に通電することによって、駆動用磁石１１又はコイル４及び復帰用磁石８が駆動用磁石１１の軸線方向に移動する。【選択図】図３

Description

本発明は、コイル及びコイルに鎖交する磁束を生じさせる駆動用磁石を備え、コイルに通電することによって、コイル及び駆動用磁石のいずれか一方が軸線方向に移動するリニアアクチュエータに関する。

リニアアクチュエータは、コイル及びコイルに鎖交する磁束を生じさせる駆動用磁石を備える。出願人はこの種のリニアアクチュエータとして、特許文献１に記載のリニア振動アクチュエータを提案している。

このリニア振動アクチュエータは、軸線方向に磁化された円柱形の駆動用磁石と、駆動用磁石と同心円上に配置されて駆動用磁石の周囲を囲むコイルと、を備える。駆動用磁石が生じさせる磁束はコイルを鎖交する。コイルに電流を流すと、駆動用磁石の磁束とコイルに流れる電流の相互作用によって、コイル及び駆動用磁石のいずれか一方が軸線方向に移動する。コイルに流す電流の方向を切り替えると、すなわちコイルに交流を流すと、駆動用磁石が軸線方向に振動する。

コイルの軸線方向の両端部には、可動子を原点に復帰させる一対の復帰用磁石が設けられる。一対の復帰用磁石は可動子の駆動用磁石に反発し、反発力によって可動子を原点に復帰させる。磁石の反発力を利用することで、ばね等の弾性体を使用しなくても可動子を原点に復帰させることができる。

特開２０１０−２６８６７２号公報

しかし、特許文献１に記載のリニアアクチュエータにあっては、コイル及び復帰用磁石が固定子の軸線方向に直列に並べられるので、リニアアクチュエータの軸線方向の全長が長くなるという課題がある。リニアアクチュエータが組み込まれる機器によっては、リニアアクチュエータの全長を短くすることが要請される。コイル、駆動用磁石、復帰用磁石の軸線方向の長さを短くすれば、リニアアクチュエータの全長を短くできるが、リニアアクチュエータの推力が低下してしまう。

そこで、本発明は、推力を大きくしたまま全長を短くすることができるリニアアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、中空の駆動用磁石と、前記駆動用磁石の外側及び内側のいずれか一方に配置されるコイルと、前記駆動用磁石の外側及び内側の他方に配置されると共に前記コイルに連結され、前記駆動用磁石を原点に復帰させる復帰用磁石と、を備え、前記コイルに通電することによって、前記駆動用磁石又は前記コイル及び前記復帰用磁石が前記駆動用磁石の軸線方向に移動するリニアアクチュエータである。

本発明によれば、中空の駆動用磁石の外側及び内側のいずれか一方にコイルが配置され、中空の駆動用磁石の外側及び内側の他方に復帰用磁石が配置されるので、推力を大きくしたままリニアアクチュエータの軸線方向の全長を短くすることができる。また、中空の駆動用磁石がコイルと復帰用磁石との間に配置されるので、コイルからも復帰用磁石からも駆動用磁石に力を与えやすくなる。このことも推力を大きくできる一因である。

本発明の一実施形態のリニアアクチュエータの外観斜視図 本実施形態のリニアアクチュエータの軸線に沿った断面図 図２のリニアアクチュエータの模式図（駆動用磁石及び復帰用磁石によって形成される第一及び第二の磁気回路を示す） 可動子が原点位置からストロークの右端まで移動するときの、第一及び第二のコイルの鎖交磁束の推移を示す図 駆動用磁石及び復帰用磁石の他の例を示す斜視図 駆動用磁石及び復帰用磁石をセグメント磁石から構成した例を示す斜視図

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態のリニアアクチュエータを説明する。図１はリニアアクチュエータの外観斜視図を示す。リニアアクチュエータは、円筒形の固定子１と、固定子１の内側に配置される円筒形の可動子２と、を備える。円筒形の固定子１と円筒形の可動子２とは、その軸線が一致する。固定子１にはコイルが設けられる。可動子２には駆動用磁石が設けられる。固定子１のコイルに電流を流すと、可動子２が軸線方向に移動する。固定子１の一端部には固定子１を機器に取り付けるためのフランジ１ａが設けられる。可動子２の一端部にも可動子２を機器に取り付けるためのフランジ２ａが設けられる。

図２はリニアアクチュエータの断面図を示す。固定子１には、コイル４として第一及び第二のコイル４ａ，４ｂが互いの軸線を一致させた状態で軸線方向に並べられる。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの外側には、円筒形のヨーク５が設けられる。ヨーク５は、鉄、鋼、ケイ素鋼、パーマロイ等の軟質磁性材料からなる。ヨーク５の外側には円筒形の樹脂製のケース６が設けられる。ヨーク５及びケース６の軸線方向の一端部がフランジ１ａに取り付けられる。なお、ヨーク５に防錆処理をすれば樹脂製ケース６は不要である。コイル４は図示しないボビン等に支持されていて、ヨーク５及びケース６に一体化される。

フランジ１ａには、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの内側を通る中空のパイプ７が固定される。パイプ７は樹脂等の非磁性材料からなる。パイプ７の外周面には円筒形の復帰用磁石８が取り付けられる。すなわち、復帰用磁石８は、パイプ７、フランジ１ａ、ヨーク５を介して第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに連結される。

復帰用磁石８は、軸線方向の一端部がＳ極に他端部がＮ極になるように軸線方向に磁化されている。復帰用磁石８は第一及び第二のコイル４ａ，４ｂから構成されるコイル４の軸線方向の中心に配置される。復帰用磁石８の軸線方向の長さは、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂから構成されるコイル４の軸線方向の長さよりも短い。復帰用磁石８の軸方向の両端部には、樹脂等の非磁性材料からなる円筒形の磁石支持部９ａ，９ｂが設けられる。

可動子２の構成は以下のとおりである。可動子２は円筒形の駆動用磁石１１を備える。駆動用磁石１１は、軸線方向の一端部がＮ極に他端部がＳ極になるように軸線方向に磁化されている。駆動用磁石１１は復帰用磁石８の軸線方向の中心に配置される。復帰用磁石８の軸線方向の長さＬ１は駆動用磁石１１の軸線方向の長さＬ２以上、望ましくは１倍以上１．２倍以下である。

駆動用磁石１１の軸線方向の両端部には、鉄、鋼、ケイ素鋼、パーマロイ等の軟質磁性材料からなる第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂが設けられる。第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂはいずれも円筒形に形成される。駆動用磁石１１、第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂの内側には、非磁性材料（例えば樹脂製）の円筒形のすべり軸受１４が設けられる。すべり軸受１４はブッシュ又はスプラインからなる。すべり軸受１４の内周面は固定子１の磁石支持部９ａ，９ｂの外周面に接する。固定子１に対する可動子２の軸線方向の直線運動はすべり軸受１４によって案内される。なお、すべり軸受１４を磁性材料にすることもできる。

第一及び第二のコイル４ａ，４ｂ、駆動用磁石１１、第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂ、復帰用磁石８の配置は以下のとおりである。中空の駆動用磁石１１の外側に第一及び第二のコイル４ａ，４ｂが配置される。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂと駆動用磁石１１とは同心円上に配置されていて、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの軸線と駆動用磁石１１の軸線とは一致する。

中空の駆動用磁石１１の内側に復帰用磁石８が配置される。復帰用磁石８と駆動用磁石１１とは同心円上に配置されていて、復帰用磁石８の軸線と駆動用磁石１１の軸線とは一致する。

第一及び第二のコイル４ａ，４ｂそれぞれは第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂそれぞれに対向する。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの中心間ピッチＰ１（第一のコイル４ａの軸線方向の中心から第二のコイル４ｂの軸線方向の中心までの長さ）と第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂの中心間ピッチＰ２（第一のヨーク１２ａの軸線方向の中心から第二のコイル１２ｂの軸線方向の中心までの長さ）は等しい。第一のコイル４ａの軸線方向の長さと第二のコイル４ｂの軸線方向の長さは等しく、第一のヨーク１２ａの軸線方向の長さと第二のヨーク１２ｂの軸線方向の長さは等しい。第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂの軸線方向の長さは第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの軸線方向の長さ以下である。

第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに通電しないとき、復帰用磁石８によって可動子２は図２に示す原点に復帰する。可動子２が原点に復帰したとき、駆動用磁石１１の軸線方向の中心と復帰用磁石８の軸線方向の中心とは一致する。

図３は駆動用磁石１１及び復帰用磁石８によって形成される第一及び第二の磁気回路を示す。駆動用磁石１１のＮ極に発生する磁束は第一のヨーク１２ａを通り、９０°曲がって第一のコイル４ａを鎖交して第一のコイル４ａの外側のヨーク５を通る。そして、ヨーク５を軸線方向に通った後、９０°曲がって第二のコイル４ｂを鎖交して第二のヨーク１２ｂを通り、第二のヨーク１２ｂから駆動用磁石１１のＳ極に戻る。以上のように、駆動用磁石１１によって第一及び第二のコイル４ａ，４ｂを鎖交する第一の磁界回路ｍ１が形成される。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに通電すると、駆動用磁石１１が発する磁束と第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに流れる電流との相互作用により推力が発生し、可動子２が軸線方向に移動する。

第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに交流を流すと、可動子２に作用する推力の方向が交互に切り替わり、可動子２が振動する。可動子２を振動させるとき、推力を大きくするために第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに流す交流の位相を９０度ずらすのが望ましい。例えば、第一のコイル４ａに正弦波の交流を流すとき、第二のコイル４ｂに余弦波の交流を流すのが望ましい。この他にも、ステッピングモータのドライバを用い、第一のコイル４ａにＡ相電流を流し、第二のコイル４ｂにＡ相電流に対して９０度位相のずれたＢ相電流を流すこともできる。

可動子２が原点に復帰する原理は以下のとおりである。駆動用磁石１１のＮ極に発生する磁束の一部は、１８０°方向転換して復帰用磁石８のＳ極に入る。復帰用磁石８のＮ極に発生する磁束は、１８０°方向転換して駆動用磁石１１のＳ極に入る。駆動用磁石１１及び復帰用磁石８によって第二の磁気回路ｍ２が形成される。駆動用磁石１１のＮ極と復帰用磁石８のＳ極とが引きつけ合い、駆動用磁石１１のＳ極と復帰用磁石８のＮ極とが引きつけ合うので、可動子２が原点に復帰する。

図４は、可動子２が原点位置からストロークの右端まで移動するときの、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの鎖交磁束の推移を示す図である。図４中左欄が可動子２の位置を示し、図４中右欄が第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの鎖交磁束を示す。Ｓ１は可動子２が原点に位置する状態を示し、Ｓ２→Ｓ４は可動子２が徐々に図４中右方向に移動する状態を示し、Ｓ５は可動子２がストロークの右端に位置する状態を示す。

図４中右欄は第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの鎖交磁束を示すグラフである。グラフ中の０ｍｍから１０ｍｍまでの間に第一のコイルが存在し、１０ｍｍから２０ｍｍまでの間に第二のコイルが存在する。第一のコイルの軸線方向の中心は５ｍｍの位置にあり、第二のコイルの軸線方向の中心は１５ｍｍの位置にある。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに鎖交する磁束のうちの径方向の成分が、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに推力を発生させる。このため図４のグラフには鎖交磁束の径方向の成分が示されている。

可動子２が原点に位置するとき（Ｓ１）、第一のヨーク１２ａが第一のコイル４ａの中心に位置し、第二のヨーク１２ｂが第二のコイル４ｂの中心に位置する。そして、第一のコイル４ａの鎖交磁束、第二のコイル４ｂの鎖交磁束いずれも最大になる。第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに互いに反対方向の電流を流すと、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂには図４のグラフの矢印で示す同方向の推力ｆ１，ｆ２が発生する。なお、第一のコイル４ａの鎖交磁束は、半径方向の外側を向く鎖交磁束がプラスで表され、第二のコイル４ｂの鎖交磁束は半径方向の内側を向く鎖交磁束がプラスで表されている。

Ｓ２→Ｓ５に示すように、可動子２がストロークの右端に近づけば近づくほど、第二のコイル４ｂにマイナス方向の鎖交磁束が発生する。Ｓ５において、マイナス方向の鎖交磁束をＲ１で示し、プラス方向の鎖交磁束をＲ２で示す。鎖交磁束には駆動用磁石１１に起因するものと復帰用磁石８に起因するものとがある。これらの磁石の相互作用により、可動子２がストロークの右端に近づけば近づくほど、マイナス方向の鎖交磁束が発生するものと推測される。このマイナス方向の鎖交磁束はストロークの端に移動しようとする可動子２にブレーキ力を働かせる。可動子２にブレーキ力を働かせることで、高速で振動させても可動子２が固定子１から飛び出すのを防止することができる。また、可動子２がストロークの右端に近づけば近づくほど、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂの鎖交磁束の総量も小さくなる。このことも可動子２が固定子１から飛び出すのを防止できる一因であると推測される。

本実施形態のリニアアクチュエータによれば、以下の効果を奏する。中空の駆動用磁石１１の外側にコイル４を配置し、中空の駆動用磁石１１の内側に復帰用磁石８を配置するので、推力を大きくしたままリニアアクチュエータの軸線方向の全長を短くすることができる。また、中空の駆動用磁石１１がコイルと復帰用磁石８との間に配置されるので、コイル４からも復帰用磁石８からも駆動用磁石１１に力を与えやすくなる。このことも、リニアアクチュエータの推力を大きくできる一因である。

駆動用磁石１１を軸線方向に磁化し、駆動用磁石１１の両端部に軟質磁性材料の第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂを設けることで、第一及び第二のコイル４ａ，４ｂと第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂとの対向面積を増やすことができ、駆動用磁石１１が発する磁束を効率的に第一及び第二のコイル４ａ，４ｂに鎖交させることができる。

また、駆動用磁石１１を軸線方向に磁化し、駆動用磁石１１の軸線方向の両端部に第一及び第二のヨーク１２ａ，１２ｂを配置することで、駆動用磁石１１の内側にすべり軸受１４を配置することが可能になる。したがって、リニアアクチュエータの径方向の寸法を抑えることができる。

復帰用磁石８の軸線方向の長さＬ１を駆動用磁石１１の軸線方向の長さＬ２の１倍以上１．２倍以下にすることで、ストロークの端に移動しようとする可動子２に上述のブレーキ力を働せることができる。

復帰用磁石８と駆動用磁石１１との間にすべり軸受１４を配置することで、駆動用磁石１１が復帰用磁石８に対して軸線方向に移動するのを案内することができる。また、駆動用磁石１１とコイル４との間にすべり軸受１４を配置すると、駆動用磁石１１が発する磁束がコイル４に鎖交するのを妨げるおそれがあるが、復帰用磁石８と駆動用磁石１１との間にすべり軸受１４を配置することで、駆動用磁石１１が発する磁束に悪影響を及ぼすことを防止できる。さらに、すべり軸受１４を非磁性材料にすることで、駆動用磁石１１が発する磁束に悪影響を及ぼすことをより防止できる。

駆動用磁石１１の外側にコイル４を配置することで、コイル４の半径を大きくすることができ、リニアアクチュエータの推力を大きくすることができる。

可動子２のストロークを駆動用磁石１１の軸線方向の長さと復帰用磁石８の軸線方向の長さを合算した長さ未満にすることで、駆動用磁石１１が復帰用磁石８から飛び出さないようになり、復帰用磁石８から駆動用磁石１１に原点に復帰させる復元力を確実に働かせることができる。

復帰用磁石８を中空に形成することで、復帰用磁石８の内側を配線を通すスペース等として有効利用することができる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるの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さまざまな実施形態に具現化可能である。

上記実施形態では、リニアアクチュエータを振動アクチュエータとして用い、コイルに通電して駆動用マグネットを軸線方向に振動させる例を説明したが、駆動用マグネットを振動させることなく、駆動用マグネットの軸線方向の位置を制御することもできる。これにより、リニアアクチュエータをカメラのシャッタ機構等を駆動するリニアアクチュエータとして用いることができる。

上記実施形態では、中空の駆動用磁石の外側にコイルを配置し、中空の駆動用磁石の内側に復帰用磁石を配置しているが、中空の駆動用磁石の外側に復帰用磁石を配置し、中空の駆動用磁石の内側にコイルを配置することもできる。

上記実施形態では、駆動用磁石及び復帰用磁石を軸線方向に磁化しているが、半径方向に磁化することができる。この場合、図５に示すように、駆動用磁石１１及び復帰用磁石８の外周面の軸線方向の半分がＮ極に形成され、残りの半分がＳ極に形成される。また、図６に示すように、駆動用磁石１１及び復帰用磁石８は円弧状に分割された複数のセグメント磁石１１ａ，８ａを組み合わせることで、構成されてもよい。ただし、駆動用磁石１１を半径方向に磁化した場合、駆動用磁石１１の内側に軟質磁性材料のヨークを配置する必要があるので、径方向の寸法が大きくなるという問題がある。

４…コイル，４ａ，４ｂ…第一及び第二のコイル，５…ヨーク，８…復帰用磁石，１１…駆動用磁石，１２ａ，１２ｂ…第一及び第二のヨーク，１４…すべり軸受

Claims (6)

1. 中空の駆動用磁石と、
   前記駆動用磁石の外側及び内側のいずれか一方に配置されるコイルと、
   前記駆動用磁石の外側及び内側の他方に配置されると共に前記コイルに連結され、前記駆動用磁石を原点に復帰させる復帰用磁石と、を備え、
   前記コイルに通電することによって、前記駆動用磁石又は前記コイル及び前記復帰用磁石が前記駆動用磁石の軸線方向に移動するリニアアクチュエータ。
2. 前記駆動用磁石は、前記駆動用磁石の前記軸線方向の一端部がＮ極に他端部がＳ極になるように前記軸線方向に磁化されており、
   前記駆動用磁石の軸線方向の両端部には、軟質磁性材料の第一及び第二のヨークが設けられ、
   前記コイルは、前記第一のヨークに対向する第一のコイル、及び前記第二のヨークに対向する第二のコイルを有する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. 前記復帰用磁石の前記軸線方向の長さは、前記駆動用磁石の前記軸線方向の長さ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記復帰用磁石と前記駆動用磁石との間には、前記駆動用磁石が前記復帰用磁石に対して相対的に前記軸線方向に移動するのを案内するすべり軸受が配置されることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記駆動用磁石の外側に前記コイルが配置され、前記駆動用磁石の内側に前記復帰用磁石が配置されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記復帰用磁石は中空に形成されることを特徴とする請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
   
   

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