JP2016127612A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの配列方向と直角な方向に可動子を移動させ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】可動子１は、Ｘ方向に並べられる第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃを有する。第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃは、θ方向にＮ極及びＳ極を有する。第二磁石６ｂのＮ極及びＳ極は、第一磁石６ａのＮ極及びＳ極に対してθ方向にずれている。第三磁石６ｃのＮ極及びＳ極は、第二磁石６ｂのＮ極及びＳ極に対してθ方向にずれている。固定子２は、θ方向に並べられる少なくとも二つの突極８ａと、この突極８ａに巻かれる少なくとも二つのコイル４ａ，４ｂを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータに関する。

リニアアクチュエータの一種として、界磁に磁石を使用した同期型リニアアクチュエータが存在する。このリニアアクチュエータは、複数の磁石を一方向に交互に極性が異なるように並べた固定子と、固定子の磁石列に対向するように、一方向に複数のコイルを並べた可動子と、を備える（特許文献１参照）。コイルは、固定子の磁石列に対向するコアの突極に巻かれる。そして、コイルに交流を流すと、磁石に発生する磁束と突極に発生する磁束との相互作用によって、固定子に対して可動子が一方向に移動する。なお、特許文献１に記載のように、コイルが移動するリニアアクチュエータは、ムービングコイル形のリニアアクチュエータと呼ばれる。コイルの替わりに磁石が移動するリニアアクチュエータも存在し、ムービングマグネット形のリニアアクチュエータと呼ばれる。

特開２０１１−２１７５９１号公報

従来のリニアアクチュエータは、言うまでもなく、可動子をコイルの配列方向と同方向に移動させる。しかし、従来のリニアアクチュエータは、可動子をコイルの配列方向と直角な方向に移動させることができない。もし、これができれば、人目を引く可動子の動きが得られるし、リニアアクチュエータの用途も広がる。

そこで、本発明は、コイルの配列方向と直角な方向に可動子を移動させ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、本発明の一態様は、第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータであって、前記第一部材は、前記一方向に並べられる第一磁石、第二磁石及び第三磁石を有し、前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、前記一方向と直角な方向にＮ極及びＳ極を有し、前記第二磁石のＮ極及びＳ極が、前記第一磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、前記第三磁石のＮ極及びＳ極が、前記第二磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、前記第二部材は、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記第一部材に対向する少なくとも二つの突極と、前記突極に巻かれる少なくとも二つのコイルと、を有するリニアアクチュエータである。

本発明によれば、コイルの配列方向と直角な方向（一方向）に可動子（第一部材又は第二部材）を移動させることができる。

本発明の一実施形態のリニアアクチュエータの斜視図である。 図１の分解斜視図である。 本実施形態のリニアアクチュエータのＹＺ平面における断面図である。 Ｘ軸に沿った本実施形態のリニアアクチュエータの断面図である（図４（ａ）は可動子がストロークの一端にあるときを示し、図４（ｂ）は可動子がストロークの中央にあるときを示し、図４（ｃ）は可動子がストロークの他端にあるときを示す）。 第一ないし第三磁石の外周の磁極を表した可動子の斜視図である。 コイルの励磁方式を示すタイムチャートである。 可動子の振動原理を示す図である。 可動子の他の例を示す斜視図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態のリニアアクチュエータを説明する。ただし、本発明のリニアアクチュエータは種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。この実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本発明の一実施形態のリニアアクチュエータの斜視図を示し、図２は、図１の分解斜視図を示す。添付の図面及び以下の明細書を通して、同一の構成には同一の符号を附す。

図１に示すように、リニアアクチュエータは、第一部材としての可動子１と、第二部材としての固定子２と、を備える。可動子１は、筒形である。固定子２は、可動子１を囲むリング形である。リニアアクチュエータは、固定子２のコイル４ａ〜４ｄを励磁すると、可動子１が一方向（すなわち軸方向）に移動するように構成される。なお、以下においては、可動子１の軸方向をＸ方向、Ｘ方向に直交する平面をＹＺ平面、ＹＺ平面における円周方向をθ方向とする。

リング形の固定子２には、θ方向に複数のコイル４ａ〜４ｄが並べられる。一般的な回転モータにおいては、コイルをθ方向に並べると、可動子１がθ方向に回転する。本発明のリニアアクチュエータには、コイル４ａ〜４ｄをθ方向に並べても、可動子１がＸ方向に移動する点に特徴がある。以下に、可動子１、固定子２の構成を順番に説明する。

図２に示すように、可動子１は、筒形のヨーク５と、ヨーク５の外周に配置されるリング形の第一磁石６ａ、第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃを有する。第一磁石６ａ、第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃは、ヨーク５の外周に接着等の結合手段によって結合される。第一磁石６ａ、第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃの大きさは等しく、これらはＸ方向に隣接して並べられる。ヨーク５は、磁束を通す磁性材料からなる。

第一磁石６ａは、θ方向に交互にＮ極及びＳ極を有し、θ方向に極性が交互に異なるように並べられた複数の円弧形のセグメント磁石７から構成される。磁極の個数（セグメント磁石７の個数）は、特に限定されるものではなく、例えば６である。セグメント磁石７の外周は、Ｎ極及びＳ極のいずれか一方に着磁され、セグメント磁石７の内周は、Ｎ極及びＳ極の他方に着磁される。第一磁石６ａを、θ方向に交互にＮ極及びＳ極が着磁された、セグメント磁石７に分割されていないリング形の磁石から構成することもできる。

第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃも、第一磁石６ａと同様にθ方向に交互にＮ極及びＳ極を有し、θ方向に極性が交互に異なるように並べられた複数の円弧形のセグメント磁石７から構成される。第一磁石６ａ、第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃの磁極の個数は、全て等しく、例えば６個である。

第二磁石６ｂのＮ極及びＳ極は、第一磁石６ａのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１（θ方向の距離）の１／２ずれている。そして、第三磁石６ｃのＮ極及びＳ極は、第二磁石６ｂのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１の１／２ずれている。ただし、第三磁石６ｃは第二磁石６ｂ対してθ方向の他方向（反時計方向）にずれることはない。第三磁石６ｃのＮ極及びＳ極は、第一磁石６ａのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１ずれており、第三磁石６ｃと第一磁石６ａとは磁極が反転する関係にある。

固定子２の構成は、以下のとおりである。図２に示すように、固定子２は、コア８と、コア８の突極８ａに巻かれる複数のコイル４ａ〜４ｄと、を備える。コア８は、可動子１を囲むリング形のコア本体８ｂと、コア本体８ｂから半径方向内側に向かって突出する複数の突極８ａと、を有する（図３も参照）。突極８ａの個数は、可動子１の第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの磁極の個数の２倍である。磁極の個数は６であるので、突極８ａの個数は１２である。突極８ａの先端は、可動子１に磁気的な隙間を空けて対向する。コア８は、珪素鋼等の磁性材料からなる。

このコア８は、例えば、ＹＺ平面で分割された複数の積層鋼板をＸ方向に重ね合わせて製造される。また、コア８を半径方向の分割線に沿って１２個の分割コアに分割し、分割コアの突極８ａにコイル４ａ〜４ｄを巻き、コイル４ａ〜４ｄを巻いた分割コアをθ方向に繋げることでコア８を製造することもできる。

図４は、Ｘ軸に沿ったリニアアクチュエータの断面図を示す。図４（ｂ）に示すように、コア８の突極８ａのＸ方向の長さｔ_２は、第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの長さｔ_１よりも短い。第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃのＸ方向の長さはｔ_１であり、互いに等しい。突極８ａの先端の、Ｘ方向の両端部には、面取り９（図２も参照）が施される。

図２に示すように、コイル４ａ〜４ｄは、断面が四角形の筒形の内側コイル１１と、内側コイル１１の外側に配置される断面が四角形の筒形の外側コイル１２と、を有する。内側コイル１１は突極８ａの全長に渡って配置される。外側コイル１２は内側コイル１１よりも長さが短く、突極８ａの半径方向の外周側にのみ配置される。内側コイル１１の巻線と外側コイル１２の巻線とは電気的に繋がっている。

図３のＹＺ平面における断面図に示すように、隣接する突極８ａ間の隙間は、外周側が内周側に比べて広い扇形である。コイル４ａ〜４ｄを内側コイル１１と外側コイル１２とに分けることで、扇形の隙間に効率的にコイル４ａ〜４ｄを配置することができる。なお、コイル４ａ〜４ｄを内側コイル１１と外側コイル１２とに分けることなく、台形にすることも可能である。

図１に示す可動子１は、固定子２に支持手段を介してＸ方向に移動可能に支持される。支持手段には、ボールスプライン、ボールブッシュ、滑り軸受等の公知の軸受を用いることができる。軸受の替わりに、可動子１と固定子２とに架け渡した板ばね、可動子１と固定子２との間に介在させた筒形のゴム等を用いることもできる。

図４は、Ｘ軸に沿ったリニアアクチュエータの断面図を示す。図４（ｂ）は可動子１がストロークの中央にあるときを示し、図４（ａ）は可動子１がストロークの一端にあるときを示し、図４（ｃ）は可動子１がストロークの他端にあるときを示す。本実施形態のリニアアクチュエータは、可動子１がストロークの一端から他端まで、他端から一端まで、交互に移動する振動アクチュエータである。ただし、本発明のリニアアクチュエータの用途は、振動アクチュエータに限定されるものではない。

図５は、第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの外周の磁極を表した可動子１の斜視図である。図５の四角は可動子１に対向するコイル４ａ〜４ｄを示し、四角内の文字Ａ、Ｂ、／Ａ、／Ｂはコイル４ａ〜４ｄの励磁方式を示す。図５においては、第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの一つのセグメント磁石７に２つの磁極ＮＮ又はＳＳを示している。これは、一つのセグメント磁石７に二つのコイル４ｄ，４ａ又は４ｂ，４ｃ等が対向していて、コイル４ｄ，４ａ又は４ｂ，４ｃ等が対向するセグメント磁石７の磁極を明らかにするためである。実際には、一つのセグメント磁石７は、一つの磁極を有する。

Ａ相のコイル４ａには、図５の奥側から順番にＮＮＳの磁極が対向する。Ｂ相のコイル４ｂには、ＳＮＮの磁極が対向する。／Ａ相のコイル４ｃには、ＳＳＮの磁極が対向する。／Ｂ相のコイル４ｄには、ＮＳＳの磁極が対向する。Ａ相のコイル４ａはθ方向に４個置きに表れる。４個おきのコイル４ａに対向する可動子１の磁極は等しい。その他の相のコイル４ｂ〜４ｄも同様である。

１２個のコイル４ａ〜４ｄは、４個で１セットである。１セットの４個のコイル４ａ〜４ｄは、二相ステッピングモータのコイルと同様に、Ａ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相で励磁される。なお、コイルを６個で１セットにし、１セットで６個のコイルを三相ステッピングモータのコイルと同様に６相で励磁することもできる。

図６は、コイル４ａ〜４ｄの励磁方式を示すタイムチャートである。Ａ相とＢ相とは９０度位相がずれる。Ａ相と／Ａ相とは１８０度位相がずれる。Ａ相と／Ｂ相とは２７０度位相がずれる。なお、コイルの励磁方式はこれに限られるものではない。例えば、コイルに印加する電圧波形を矩形波の替わりに正弦波にすることもできる。

図７は、可動子１の振動原理を示す模式図である。図７には、図５のＡ相のコイル４ａとこれに隣り合う／Ｂ相のコイル４ｄのみが抽出して示されている。Ａ相のコイル４ａに対向する可動子１の磁極は、図５の奥側から順番にＮＮＳである。／Ｂ相のコイル４ｄに対向する可動子１の磁極は、図５の奥側から順番にＮＳＳである。Ａ相のコイル４ａを図６に示す励磁方式で励磁すると、Ａ相のコイル４ａの突極８ａの極性は、Ｓ１のときＮ極、Ｓ２のときＮ極、Ｓ３のときＳ極、Ｓ４のときＳ極に変化する。／Ｂ相のコイル４ｄを図６に示す励磁方式で励磁すると、／Ｂ相のコイル４ｄの突極８ａの極性は、Ｓ１のときＮ極、Ｓ２のときＳ極、Ｓ３のときＳ極、Ｓ４のときＮ極に変化する。これらのコイル４ａ，４ｄの突極８ａの極性の変化に伴い、可動子１は、左端位置（Ｓ１）、中央位置（Ｓ２）、右端位置（Ｓ３）、中央位置（Ｓ４）とその位置を変化させる。したがって、可動子１が振動する。なお、図７には、Ａ相のコイル４ａと／Ｂ相のコイル４ｄの組み合わせのみを示しているが、Ａ相のコイル４ａとＢ相のコイル４ｂとの組み合わせ、／Ａ相のコイル４ｃとＢ相のコイル４ｂとの組み合わせ、／Ａ相のコイル４ｃと／Ｂ相のコイル４ｄとの組み合わせでも、同様に可動子１を振動させることができる。要するに、正弦波で励磁されるコイル４ａ，４ｃと余弦波で励磁されるコイル４ｂ，４ｄとの組み合わせであれば、可動子１を振動させることができる。

図８は、可動子の他の例を示す。この例の可動子２１は、円柱形のヨーク２２、ヨーク２２の外周にＸ方向に並べられる第一磁石２４ａ、第二磁石２４ｂ及び第三磁石２４ｃを有する。第一磁石２４ａ、第二磁石２４ｂ及び第三磁石２４ｃそれぞれは、θ方向に並べられる複数の磁石２５を備える。磁石２５の個数は、コイル４ａ〜４ｄの個数と同じ１２である。磁石２５は、高さ方向（言い換えれば半径方向）に着磁される板状の角型磁石である。磁石２５を円柱型磁石にすることも可能である。

θ方向に隣接する磁石２５は、二つで一組の磁石２５ａ又は２５ｂを構成する。各組２５ａ又は２５ｂの磁石２５の磁極は、同一である。一つの組２５ａの磁石２５の磁極は、隣の組２５ｂの磁石２５の磁極とは反転する。このように、磁石２５を組単位で見ると、図５に示すセグメント磁石７と同様な磁極が構成される。ただし、この例では、第二磁石２４ｂのＮ極及びＳ極は、第一磁石２４ａのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（反時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１の１／２ずれている。第三磁石２４ｃのＮ極及びＳ極は、第二磁石２４ｂのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（反時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１の１／２ずれている。そして、第三磁石２４ｃのＮ極及びＳ極は、第一磁石２４ａのＮ極及びＳ極に対してθ方向の一方向（反時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチＰ１（θ方向の距離）ずれており、第三磁石２４ｃと第一磁石２４ａとは磁極が反転する関係にある。この例の可動子２１でも、正弦波で励磁されるコイル４ａ，４ｃと余弦波で励磁されるコイル４ｂ，４ｄを用いて、可動子２１を振動させることができる。

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。可動子１にＸ方向に第一磁石６ａ、第二磁石６ｂ及び第三磁石６ｃを並べ、第二磁石６ｂの磁極を第一磁石６ａの磁極に対してθ方向にずらし、第三磁石６ｃの磁極を第二磁石６ｂの磁極に対してθ方向にずらすことで、コイル４ａ〜４ｄの配列方向（θ方向）と直角な方向（Ｘ方向）に可動子１を移動させることができる。これにより、リニアアクチュエータのＸ方向の小型化、高推力化を実現することができる。

可動子１にＸ方向に第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃを並べることで、振動アクチュエータに適したリニアモータを得ることができ、可動子１を長ストロークで振動させることができる。

第二磁石６ｂの磁極を第一磁石６ａの磁極に対してθ方向にＮ極−Ｓ極間ピッチの１／２ずらし、第三磁石６ｃの磁極を第二磁石６ｂの磁極に対してθ方向にＮ極−Ｓ極間ピッチの１／２ずらすことで、ストロークの全長に渡って、高推力で可動子１を振動させることができる。

コイル４ａ〜４ｄをθ方向に並べ、第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの磁極をθ方向に並べることで、リニアアクチュエータの小型化が図れる。

突極８ａをリング形のコア本体８ｂに結合することで、突極８ａの磁束の流れを向上させることができる。

第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃをセグメント磁石７から構成することで、セグメント磁石７のθ方向の一端から他端まで略一定の径方向磁束密度を得ることができる。第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃの径方向磁束密度の大きさは推力に相関関係があるので、高推力を得ることができる。

突極８ａのＸ方向の長さｔ_１を第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃのＸ方向の長さｔ_２よりも短くすることで、コギング力を低減することができる。コギング力は、突極８ａと第一ないし第三磁石６ａ〜６ｃとの吸引力に起因する力である。コギング力は、コイル４ａ〜４ｄに電流を流していないときにも可動子１に働き、推力の妨げになる。コギング力を低減することで、推力を向上させることができる。なお、ｔ_２≧ｔ_１とすると、ｔ_２＜_ｔ１の場合に比べてコギング力が大きくなる。

突極８ａの先端のＸ方向の端部に面取り９を施すことで、面取り９を施さない場合に比べてコギング力を低減することができる。また、面取り９を施すことで、可動子１のストロークを大きくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に具体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様々な実施形態に具体化できる。

上記実施形態では、固定子のコイルをθ方向に並べ、可動子の磁石の磁極をθ方向に並べているが、回転モータを平面的に展開するとフラット形のリニアモータが得られるように、固定子及び可動子を平面的に展開してフラット形のリニアモータを得ることもできる。

上記実施形態は、ムービングマグネット形のリニアアクチュエータであるが、ムービングコイル形のリニアアクチュエータにすることもできる。

上記実施形態では、θ方向に並べたコイルの内側に第一ないし第三磁石を配置しているが、θ方向に並べたコイルの外側に第一ないし第三磁石を配置することもできる。

上記実施形態では、可動子に第一ないし第三磁石を配置しているが、第一ないし第四磁石、第一ないし第五磁石又はそれ以上の磁石を配置することもできる。この場合でも、各磁石は隣の磁石に対してθ方向の一方向（例えば時計方向）にＮ極−Ｓ極間ピッチの１／２ずれる。すなわち、第三磁石の磁極は第一磁石の磁極と反転する関係にあり、第五磁石の磁極は第一磁石の磁極に一致する関係にある。

上記実施形態では、固定子に一つのコアを配置しているが、２つ以上のコアを配置することもできる。

上記実施形態では、可動子をＸ方向に移動のみさせているが、可動子をＸ方向に移動させると共に、θ方向に回転させることもできる。

上記実施形態では、可動子の第一ないし第三磁石が円周方向にＮ極及びＳ極を交互に合計６つ磁極を持ち、突極及びコイルの個数が１２であるが、磁極、突極及びコイルの個数はこれに限定されるものではない。例えば、第一ないし第三磁石がＮ極及びＳ極の合計２つ又は４つの磁極を持つこともできる。また、突極及びコアの個数も２つ、４つ又は８つにすることもできる。

１…可動子（第一部材）、２…固定子（第二部材）、４ａ〜４ｄ…コイル、６ａ…第一磁石、６ｂ…第二磁石、６ｃ…第三磁石、５…ヨーク、７…セグメント磁石、８…コア、８ａ…突極、８ｂ…コア本体、１１…内側コイル、１２…外側コイル、Ｐ１…Ｎ極―Ｓ極間ピッチ

Claims (8)

1. 第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータであって、
   前記第一部材は、前記一方向に並べられる第一磁石、第二磁石及び第三磁石を有し、
   前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、前記一方向と直角な方向にＮ極及びＳ極を有し、
   前記第二磁石のＮ極及びＳ極が、前記第一磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、
   前記第三磁石のＮ極及びＳ極が、前記第二磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、
   前記第二部材は、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記第一部材に対向する少なくとも二つの突極と、前記突極に巻かれる少なくとも二つのコイルと、を有するリニアアクチュエータ。
2. 前記第二磁石のＮ極及びＳ極が、前記第一磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にＮ極−Ｓ極間ピッチの１／２ずれており、
   前記第三磁石のＮ極及びＳ極が、前記第二磁石のＮ極及びＳ極に対して前記一方向と直角な方向にＮ極−Ｓ極間ピッチの１／２ずれてい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. 前記一方向は、Ｘ方向であり、
   前記一方向と直角な方向は、Ｘ方向に直交するＹＺ平面における円周方向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. 前記突極は、リング形のコア本体に結合されることを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、半径方向に着磁された複数の円弧形のセグメント磁石から構成されることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、高さ方向に着磁された複数の板状の磁石から構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
7. 前記突極の前記一方向の長さは、前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石の前記一方向の長さよりも短い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。
8. 前記突極の先端の、前記一方向の端部には、面取りが施され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。
   
   

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