JP2017005872A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることを可能にしたリニアアクチュエータを提供すること。【解決手段】リニアアクチュエータ１は、リング状の溝２を有するアウターヨーク３と、上下に配向されつつ溝２の底に配置されたリング状の磁石４と、溝２の中で磁石４の上側に配置されたリング状のインナーヨーク５とを備える。アウターヨーク３は、溝２を挟んだ内側と外側とにそれぞれ肉部を有し、内側の肉部６とインナーヨーク５との間に内側磁気ギャップを形成するとともに、外側の肉部８とインナーヨーク５との間に外側磁気ギャップを形成する。内側磁気ギャップに位置する内側コイル１１と外側磁気ギャップに位置する外側コイル１３とで電流方向を逆にした。【選択図】図３

Description

本発明は、電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータに関する。

特許文献１に開示されたボイスコイル型アクチュエータは、有底状のアウターヨークの内側に磁石とインナーヨークを備え、インナーヨークとアウターヨークの間に１つの磁気ギャップを形成している。磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則により発生力が生じる。

国際公開（ＷＯ）０３／０５７３７５号

一般的なボイスコイル型アクチュエータの発生力Ｆは、Ｆ＝ＢＬＩで表される（Ｂ：磁束密度、Ｌ：磁気ギャップ中のコイル長さ、Ｉ：電流）。発生力を上げるためには、磁石を大きくしたり、電流値を大きくしなければならず、コストがかかる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることを可能にしたリニアアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するリニアアクチュエータは、リング状の溝を有するアウターヨークと、上下に配向されつつ前記溝の底に配置されたリング状の磁石と、前記溝の中で前記磁石の上側に配置されたリング状のインナーヨークとを備え、前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に磁気ギャップを形成し、前記磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータにおいて、前記アウターヨークは、前記溝を挟んだ内側と外側とにそれぞれ肉部を有し、内側の肉部と前記インナーヨークとの間に内側磁気ギャップを形成するとともに、外側の肉部と前記インナーヨークとの間に外側磁気ギャップを形成し、さらに、前記内側磁気ギャップに位置する内側コイルと前記外側磁気ギャップに位置する外側コイルとで電流方向を逆にしたことをその要旨としている。

この構成によれば、内側磁気ギャップと外側磁気ギャップとによる２つの磁気ギャップが形成される。まず内側磁気ギャップを通過する磁束に着目するにあたり、磁石の上側がＮ極に設定されるとともに、磁石の下側がＳ極に設定される場合を想定する。この場合、磁束は、磁石のＮ極からインナーヨークを通過した後、内側に向かって内側磁気ギャップを通過し、アウターヨークの内側の肉部に達する。そして、磁束は、アウターヨークの内側の肉部内を下側に向かって通過した後、アウターヨークの底部内を外側に向かって通過し、磁石のＳ極に達する。

また、上記想定のもと、今度は外側磁気ギャップを通過する磁束に着目すると、当該磁束は、磁石のＮ極からインナーヨークを通過した後、外側に向かって外側磁気ギャップを通過し、アウターヨークの外側の肉部に達する。そして、磁束は、アウターヨークの外側の肉部内を下側に向かって通過した後、アウターヨークの底部内を内側に向かって通過し、磁石のＳ極に達する。

このように内側磁気ギャップと外側磁気ギャップとで磁束方向は逆であり、内側コイルと外側コイルとで電流方向は逆である。これにより、内外のコイルへの通電を行うと、フレミングの左手の法則により、内外のコイルに同一方向の力が発生する。磁気ギャップが２つあるため、磁気ギャップ中のコイル長さが増加し、発生力が増す。したがって、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。

上記リニアアクチュエータについて、前記内側コイルと前記外側コイルとの双方が１本のコイルによって構成されることとしてもよい。
この構成によれば、２本のコイルを用いる場合に比べて、通電制御を容易に行うことができる。

上記リニアアクチュエータについて、前記内側コイルと前記外側コイルとで巻き方向を逆にすることで、両者の電流方向を逆にしたこととしてもよい。
この構成によれば、内外のコイルの巻き方向を逆にすることで、１本のコイルへの通電方向を順方向から逆方向に切り替える第１の制御と、当該コイルへの通電方向を逆方向から順方向に切り替える第２の制御とを交互に繰り返す通電制御を伴って、上下に振動する運動を容易に得ることができる。

上記リニアアクチュエータについて、前記内側コイルが巻回される内側ボビンと前記外側コイルが巻回される外側ボビンとの双方がフランジに一体化され、前記フランジが前記アウターヨークとの間で相対的に運動可能に支持されていることとしてもよい。

この構成によれば、内外のコイルに発生した電磁力がフランジに集約され、当該電磁力をロスの少ないかたちで効率良く取り出すことができる。
上記リニアアクチュエータについて、前記フランジと前記アウターヨークとの間には、両者を接近させる方向へ付勢された弾性部材が設けられ、前記弾性部材によって前記フランジが前記アウターヨークに支持されていることとしてもよい。

この構成によれば、フランジとアウターヨークとの相対運動によって内外のコイルがそれぞれに対応する内外の磁気ギャップから脱落するのを防止できる。

本発明によれば、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。

リニアアクチュエータの磁気回路を示す斜視図。 磁気回路の断面図。 コイル巻き線を示す図。 リニアアクチュエータの構造を模式的に示す断面図。 リニアアクチュエータの運動原理を示す図。

以下、リニアアクチュエータの一実施の形態について説明する。
図１に示すように、リニアアクチュエータ１は、リング状の溝２を有する略円柱状のアウターヨーク３と、上下に配向されつつ上記溝２の底に配置されたリング状の磁石４（図２参照）と、上記溝２の中で上記磁石４の上側に配置されたリング状のインナーヨーク５とを備え、これら三者によって磁気回路が構成されている。アウターヨーク３とインナーヨーク５は共に鉄等の磁性体よりなる。磁石４は例えばネオジム磁石よりなる。磁石４の配向について、本例では、磁石４の上側がＮ極に設定されるとともに、磁石４の下側がＳ極に設定されている（図３参照）。

図２に示すように、アウターヨーク３は、溝２を挟んだ内側と外側とにそれぞれ肉部を有し、内側の肉部６とインナーヨーク５との間には内側磁気ギャップ７が形成されるとともに、外側の肉部８とインナーヨーク５との間には外側磁気ギャップ９が形成されている。

図３に示すように、まずインナーヨーク５と肉部６との間の内側磁気ギャップ７を通過する磁束に着目すると、当該磁束は、磁石４のＮ極からインナーヨーク５を通過した後、内側に向かって内側磁気ギャップ７を通過し、アウターヨーク３の内側の肉部６に達する。そして、磁束は、アウターヨーク３の内側の肉部６内を下側に向かって通過した後、アウターヨーク３の底部内を外側に向かって通過し、磁石４のＳ極に達する。

また、今度はインナーヨーク５と肉部８との間の外側磁気ギャップ９を通過する磁束に着目すると、当該磁束は、磁石４のＮ極からインナーヨーク５を通過した後、外側に向かって外側磁気ギャップ９を通過し、アウターヨーク３の外側の肉部８に達する。そして、磁束は、アウターヨーク３の外側の肉部８内を下側に向かって通過した後、アウターヨーク３の底部内を内側に向かって通過し、磁石４のＳ極に達する。

つまり、磁束は、内側磁気ギャップ７では外から内に向かい、外側磁気ギャップ９では内から外に向かう。そして、内側磁気ギャップ７に対応して内側コイル１１が内側ボビン１２に巻回されるとともに、外側磁気ギャップ９に対応して外側コイル１３が外側ボビン１４に巻回されている。内側コイル１１と外側コイル１３との双方が１本のコイルによって構成されている。

図４に示すように、当該コイルは、電源（図示略）に接続された一端（始端）から延びつつ、反時計回りにコイル（線材）が巻かれて内側コイル１１が構成されるとともに、その先において、今度は時計回りにコイル（線材）が巻かれて外側コイル１３が構成され、他端（終端）が上記電源に接続されている。つまり、内側コイル１１と外側コイル１３とで巻き方向が逆にされている。１本のコイルについて、内側コイル１１と外側コイル１３とで巻き方向を逆にすることで、両者の電流方向は逆になる。上記電源は、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）への通電方向を制御する通電制御回路を備えている。

ところで、内側ボビン１２と外側ボビン１４との双方は、それぞれの上端が円板状のフランジ１５（図３参照）に一体化されている。フランジ１５とアウターヨーク３の外側の肉部８との間には、両者を接近させる方向へ付勢されたバネ１６が複数（図３では２つを図示）設けられ、このバネ１６によってコイル（内側コイル１１、外側コイル１３）とボビン（内側ボビン１２、外側ボビン１４）とフランジ１５との三者が一体でアウターヨーク３に支持されている。バネ１６は弾性部材に相当する。

そして、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）に通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動が生じる。この原理を利用しつつ、アウターヨーク３と磁石４とインナーヨーク５との三者が固定されていることを前提に、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）とボビン（内側ボビン１２、外側ボビン１４）とフランジ１５との三者が一体となって上下に運動可能となっている。

次に、リニアアクチュエータ１の作用について説明する。
図５の上段に示すように、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）へ順方向に電流を流すと、内側コイル１１には反時計回りに電流が流れるとともに、外側コイル１３には時計回りに電流が流れる。そして、インナーヨーク５と肉部６との間の内側磁気ギャップ７を通過する磁束は外から内に向かうとともに、インナーヨーク５と肉部８との間の外側磁気ギャップ９を通過する磁束は内から外に向かう。このように内側磁気ギャップ７と外側磁気ギャップ９とで磁束方向は逆であり、内側コイル１１と外側コイル１３とで電流方向は逆である。このため、フレミングの左手の法則により、内側コイル１１と外側コイル１３との双方に同一方向の力、本例では、共に上向きの力が発生する。この場合、アウターヨーク３等が固定されているとき、バネ１６による支持のもと、フランジ１５等が上向きに直線運動を行う。

図５の下段に示すように、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）へ逆方向に電流を流すと、内側コイル１１には時計回りに電流が流れるとともに、外側コイル１３には反時計回りに電流が流れる。そして、インナーヨーク５と肉部６との間の内側磁気ギャップ７を通過する磁束は外から内に向かうとともに、インナーヨーク５と肉部８との間の外側磁気ギャップ９を通過する磁束は内から外に向かう。このように内側磁気ギャップ７と外側磁気ギャップ９とで磁束方向は逆であり、内側コイル１１と外側コイル１３とで電流方向は逆である。このため、フレミングの左手の法則により、内側コイル１１と外側コイル１３との双方に同一方向の力、本例では、共に下向きの力が発生する。この場合、アウターヨーク３等が固定されているとき、バネ１６による支持のもと、フランジ１５等が下向きに直線運動を行う。

したがって、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）への通電方向を順方向から逆方向に切り替える第１の制御と、当該コイルへの通電方向を逆方向から順方向に切り替える第２の制御とを交互に繰り返す通電制御を伴って、フランジ１５等が上下に振動する運動を得られることになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）内側磁気ギャップ７と外側磁気ギャップ９とで磁束方向は逆であり、内側コイル１１と外側コイル１３とで電流方向は逆である。これにより、内外のコイルへの通電を行うと、フレミングの左手の法則により、内外のコイルに同一方向の力が発生する。磁気ギャップが２つあるため、磁気ギャップ中のコイル長さが増加し、発生力が増す。したがって、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。

（２）内側コイル１１と外側コイル１３との双方が１本のコイルによって構成されている。この構成によれば、２本のコイルを用いる場合に比べて、通電制御を容易に行うことができる。

（３）１本のコイルについて、内側コイル１１と外側コイル１３とで巻き方向を逆にすることで、両者の電流方向は逆になる。この構成によれば、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）への通電方向を順方向から逆方向に切り替える第１の制御と、当該コイルへの通電方向を逆方向から順方向に切り替える第２の制御とを交互に繰り返す通電制御を伴って、上下に振動する運動を容易に得ることができる。

（４）内側コイル１１が巻回される内側ボビン１２と外側コイル１３が巻回される外側ボビン１４との双方がフランジ１５に一体化され、上記フランジ１５がアウターヨーク３との間で相対的に運動可能に支持されている。この構成によれば、内外のコイルに発生した電磁力がフランジ１５に集約され、当該電磁力をロスの少ないかたちで効率良く取り出すことができる。

（５）フランジ１５とアウターヨーク３との間には、両者を接近させる方向へ付勢されたバネ１６が設けられ、上記バネ１６によってフランジ１５がアウターヨーク３に支持されている。この構成によれば、フランジ１５とアウターヨーク３との相対運動によって内外のコイルがそれぞれに対応する内外の磁気ギャップから脱落するのを防止できる。

尚、上記実施の形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・内側コイル１１と外側コイル１３との双方をそれぞれ独立するコイルによって構成しつつ、内側コイル１１と外側コイル１３とで電流方向を逆にしてもよい。この場合、内側コイル１１への通電制御と外側コイル１３への通電制御とを別々に行う必要があるにせよ、２つの磁気ギャップを設定しつつ磁気ギャップ中のコイル長さが増加する点で上記実施の形態と同様であり、上記（１）等の効果を奏することができる。

・バネ１６は例えば板ばねよりなるが、他にコイルばね等でもよい。
・上記実施の形態において可動部であったコイル（内側コイル１１、外側コイル１３）とボビン（内側ボビン１２、外側ボビン１４）とフランジ１５との三者を固定部とする代わりに、固定部であったアウターヨーク３と磁石４とインナーヨーク５との三者を可動部としてもよい。或いは、双方が共に直線運動を行いつつ、フランジ１５等がアウターヨーク３等との間で相対的に運動を行う構成でもよい。

・振動にこだわらず、上下の一方のみに直線運動するリニアアクチュエータでもよい。例えば、コイル（内側コイル１１、外側コイル１３）に通電すると、フランジ１５等が上方へ直線運動し、通電を遮断すると、フランジ１５等がバネ１６の付勢力によって原位置に復帰するモーメンタリ式のリニアアクチュエータでもよい。

・磁石４にネオジム磁石以外の磁石を用いてもよい。例えば、サマリウム鉄磁石を用いてもよい。尚、磁石４にプラスチックマグネットを用いつつ、インサート成形によりアウターヨーク３及びインナーヨーク５と一体化してもよい。

・磁石４の配向は上下逆でもよい。

１…リニアアクチュエータ、２…溝、３…アウターヨーク、４…磁石、５…インナーヨーク、６…内側の肉部、７…内側磁気ギャップ、８…外側の肉部、９…外側磁気ギャップ、１１…内側コイル、１２…内側ボビン、１３…外側コイル、１４…外側ボビン、１５…フランジ、１６…バネ（弾性部材）。

Claims (5)

1. リング状の溝を有するアウターヨークと、上下に配向されつつ前記溝の底に配置されたリング状の磁石と、前記溝の中で前記磁石の上側に配置されたリング状のインナーヨークとを備え、前記インナーヨークと前記アウターヨークとの間に磁気ギャップを形成し、前記磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータにおいて、
   前記アウターヨークは、前記溝を挟んだ内側と外側とにそれぞれ肉部を有し、内側の肉部と前記インナーヨークとの間に内側磁気ギャップを形成するとともに、外側の肉部と前記インナーヨークとの間に外側磁気ギャップを形成し、
   さらに、前記内側磁気ギャップに位置する内側コイルと前記外側磁気ギャップに位置する外側コイルとで電流方向を逆にした
   ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記内側コイルと前記外側コイルとの双方が１本のコイルによって構成される
   請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記内側コイルと前記外側コイルとで巻き方向を逆にすることで、両者の電流方向を逆にした
   請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記内側コイルが巻回される内側ボビンと前記外側コイルが巻回される外側ボビンとの双方がフランジに一体化され、前記フランジが前記アウターヨークとの間で相対的に運動可能に支持されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記フランジと前記アウターヨークとの間には、両者を接近させる方向へ付勢された弾性部材が設けられ、前記弾性部材によって前記フランジが前記アウターヨークに支持されている
   請求項４に記載のリニアアクチュエータ。