JP2017055547A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動子の軸線方向の動き規制と、磁石とヨークの間に働く吸引力に抗することができる弾性力を持つ板バネを有する薄型のアクチュエータを提供すること。【解決手段】アクチュエータは、リング状のコイルを有する固定子と、前記コイルの内側に配され、リング状をなす複数の永久磁石、及び該永久磁石を軸方向で挟み込んでなるヨークを有する可動子と、内側リング、外側リング及び前記外側リングの内周面及び前記内側リングの外周面を連結する短冊状をなす連結部を有する二重リング構造の弾性体を備え、前記内側リングの内縁部は前記可動子に固定され、前記外側リングの外縁部は前記固定子に固定され、前記連結部を５個以上有し、平面視、前記内側リング及び外側リング間の全面積に対して、前記連結部が占める割合は５割以下としてある。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子内に配置した磁石を含む可動子を運動させるアクチュエータに関する。

固定子内で可動子を往復運動させるアクチュエータは、円筒状のコイル及び当該コイルを覆うヨークを含む固定子と、円筒状磁石の中心に挿通した軸を移動方向とし、当該移動方向に磁化方向が対向するように円筒状磁石を配置した可動子を含む。当該アクチュエータにおいては、可動子の軸方向の両端部に円板状の板バネが配置されている（特許文献１）。この板バネは可動子を保持するとともに、可動子の軸方向の可動域を規定している。さらに、軸線に対して垂直方向に働く磁石と固定子に設けられたヨークとの間に働く吸引力に抗することにより、可動子の軸が傾くことを防いでいる。

ここで板バネを厚くする（バネ定数を大きくする）と、磁石とヨークの間に働く吸引力に抗する力を強くすることはできるが、軸線方向の動きを規制する力が強くなる。可動子を動かすためには、バネによる規制力よりも大きな力を発生しなくてはならないから、磁石やコイルのサイズを大きくする必要があり、小型化の要求を満足することができない。

一方、板バネを薄くする（バネ定数を小さくする）と、軸線方向に動くことは出来るが、磁石とヨークの吸引力に抗する力が弱くなり、可動子が軸線に対して傾斜するおそれがある。

特開２０１３−８１３３９号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、可動子の軸線方向の動きを規制する力と、磁石及びヨークの間に働く吸引力に抗する弾性力とが均衡した板バネ（弾性体）を有する小型のアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、リング状のコイルを有する固定子と、前記コイルの内側に配され、リング状をなす複数の永久磁石、及び該永久磁石を軸方向で挟み込んでなるヨークを有する可動子と、内側リング、外側リング及び前記外側リングの内周面及び前記内側リングの外周面を連結する短冊状をなす連結部を有する二重リング構造の弾性体を備え、前記内側リングの内縁部は前記可動子に固定され、前記外側リングの外縁部は前記固定子に固定され、前記連結部を５個以上有し、平面視、前記内側リング及び外側リング間の全面積に対して、前記連結部が占める割合は５割以下としてあることを特徴とする。

本発明にあっては、弾性体が、外側リングの内周面と内側リングの外周面とを連結する連結部を５個以上有し、平面視、内側リング及び外側リング間の全面積に対して、連結部が占める割合は５割以下としてあるので、可動子の軸線方向の動きを規制する力と、磁石及びヨークの間に働く吸引力に抗する弾性力とを均衡させることが可能である。

本発明に係るアクチュエータは、前記連結部は長手方向に沿って並設された同数の凸部及び凹部を含むことを特徴とする。

本発明にあっては、連結部は長手方向に沿って並設された同数の凸部及び凹部を含むので、可動子が定常状態からプラス方向に動いた場合と、マイナス方向に動いた場合とで、弾性体が軸方向に発生する弾性力に係るバネ定数は、同じとなる。それにより、アクチュエータを制御する場合において、可動子が原点を通過する前後で、バネ定数に係る定数の値を変更する必要がなく、動作の安定性を確保することが可能となる。

本発明に係るアクチュエータは、前記弾性体は磁性材料で形成してあることを特徴とする。

本発明にあっては、弾性体を磁性材料で形成したことにより、軸方向の両端面を覆う磁性ケースを設けなくても、磁石の磁界の漏洩が抑制される。それにより、アクチュエータの薄型化を図ることが可能となる。

本発明にあっては、可動子の軸線方向の動きを規制する力と、磁石及びヨークの間に働く吸引力に抗する弾性力とを均衡させることが可能となる。

アクチュエータの一例を示す斜視図である。 アクチュエータの要部を示す断面図である。 板バネの一例を示す平面図である。 板バネの連結部の形状を示す側面図である。

実施の形態１
以下、実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。図１はアクチュエータ１０の一例を示す斜視図である。図２は、アクチュエータ１０の要部を示す断面図である。アクチュエータ１０は、固定子１、可動子２、及び固定子１と可動子２との間に介在する板バネ３を含む。

固定子１は円筒状の筐体１３、その内部にコイル１１、ヨーク１２を備える。筐体１３は鉄や磁性ステンレスなどの磁性金属で形成する。コイル１１はリング状をなしている。コイル１１の断面は矩形状である。ヨーク１２は断面矩形枠状をなし、コイル１１の外面を覆っている。コイル１１を覆うヨーク１２は、筐体１３の内面に固定してある。

可動子２は、磁石２１、２２、ヨーク２３及び軸体２４を含む。磁石２１、２２は、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などの永久磁石である。ヨーク２３は、純鉄、低炭素鋼などの軟磁性材料により形成される。ヨーク２３は蓋部２３ａ、中間部２３ｂ、蓋部２３ａを含む３層構造としてある。各層を構成する２つの蓋部２３ａ、２３ａ及び中間部２３ｂは円板状をなし、中央に軸体２４が貫通する孔がそれぞれ設けてある。

蓋部２３ａ、２３ａは紙面上下方向の端面（磁石２１の紙面上側端面と磁石２２の紙面下側端面）を覆っている。蓋部２３ａ、２３ａは磁石の外周面の一部を覆うフランジ部を有する。中間部２３ｂは、紙面上下方向において、２つの蓋部２３ａ、２３ａの中間に配置されている。中間部２３ｂは上下の磁石の外周面の一部を覆うフランジ部を有する。図２において、蓋部２３ａ、２３ａと中間部２３ｂとは同じハッチングをつけているが、磁石外周面で接続部を有していない。蓋部２３ａ、２３ａ及び中間部２３ｂにより、可動子２のヨーク２３として機能する。

可動子２は、中間部２３ｂが蓋部２３ａ、２３ａにより磁石を介して挟まれる構造となっている。磁石２１、２２はリング状をなし、厚さ方向に磁化されている。磁石２１は中間部２３ｂの上側に収容され、上側の蓋部２３ａ及び中間部２３ｂに固定されている。磁石２２は中間部２３ｂの下側に収容され、下側の蓋部２３ａ及び中間部２３ｂに固定されている。磁石２１、磁石２２は同軸上に中間部２３ｂを挟んで、磁化方向が対向するように配されている。磁石２１、磁石２２と結合したヨーク２３は、中心を貫く軸体２４に固定されている。可動子２は、磁石の外周面がコイル１１と対向するよう筐体１３内部に収容される。軸体２４は非磁性の金属、例えば非磁性のステンレス鋼でできている。

図３は板バネ３の一例を示す平面図である。板バネ３は、内側リング３１及び外側リング３２、並びに内側リング３１と外側リング３２を連結する連結部３３を含む二重リング構造としてある。板バネ３は、可動子２の軸方向両端部から、コイル１１、ヨーク２３を挟むように２個配されている。内側リング３１の内縁部には、貫通孔３１ａが設けてある。貫通孔３１ａは平行な２直線と、その両端を円弧でつないだ形状となっている。すなわち、円から直線部分が平行な２つの弓型を除いた形状となっている。貫通孔３１ａに軸体２４を通し、貫通孔３１ａに直線部分を軸体２４に設けた溝にはめ込むことにより、内側リング３１は軸体２４に固定される。外側リング３２の外縁部は、筐体１３と結合されている。板バネ３は、ばね用ステンレス鋼（非磁性）などの金属により形成する。

連結部３３は平面視短冊状をなしている。連結部３３は内側リング３１と外側リング３２とを連結している。図３に示す例では、連結部３３を３０本としている。

図３に示す板バネ３において、内側リング３１の外径は５０ｍｍとしてある。外側リング３２の内径は１７０ｍｍとしてある。各連結部３３は幅３ｍｍ、長さ６０ｍｍ（平面視）としてある。内側リング３１と外側リング３２との間の全面積は、約２０７３５ｍｍ² である。３０本の連結部３３が占める面積は、約５４００ｍｍ² である。したがって、内側リング３１と外側リング３２との間の全面積に対して、３０本の連結部３３が占める面積は、約２６％である。なお、ここで示した、連結部３３の本数や、連結部３３が占める面積は一例であり、これに限らない。アクチュエータ１０の大きさや必要とする推力などから適宜定める事項であるが、連結部３３の本数は５本以上、連結部３３が占める面積の割合は５０％（５割）以下とすることが望ましい。多くの場合、連結部３３が占める面積の割合を５０％以下とすれば、可動子２の軸線方向の動きを規制する力と、磁石２１、２２及びヨーク２３の間に働く吸引力に抗する弾性力とを均衡させることが可能となるからである。そして、連結部３３の本数を５本以上に分割すれば、連結部３３内部の応力が概ね十分に小さくなり、板バネ３の耐久性が向上するからである。

以上のように構成したアクチュエータ１０は、コイル１１に発生した磁界と磁石２１、２２の持つ磁界の相互作用で軸方向に動作する。

実施の形態１では、次のような効果を奏する。連結部３３を細くし、本数を多く設けることにより、アクチュエータ１０の動作時に板バネ３内部の応力が小さくなり、板バネ３の耐久性が向上する。さらに、バネ定数が小さくなるので、推力を発生するための磁石２１、２２やコイル１１を小さくできるので、アクチュエータ１０全体を小型化することが可能となる。

また、連結部３３を細くした分、本数を多く設けるので、軸体２４が傾く原因となる横力（磁石２１、２２とヨーク２３との吸引力に耐える力（磁石及びヨークの間に働く吸引力に抗する弾性力））も、確保できることが可能である。それにより、コイル１１と磁石２１、２２との間隔を適正な状態で保つことが可能となる。

実施の形態２
図４は板バネ３の連結部３３の形状を示す側面図である。図４では１つの連結部３３の側面を示している。また、図４には、連結部３３と合わせて、内側リング３１、外側リング３２も記載している。図４の紙面左右方向が板バネ３の径方向である。紙面下方向がアクチュエータ１０の内部方向であり、紙面上方向がアクチュエータ１０の外部方向である。連結部３３は、平坦部３３ａ、第１傾斜部３３ｂ、山頂部３３ｃ、第２傾斜部３３ｄ、谷底部３３ｅ、第３傾斜部３３ｆを含む。第１傾斜部３３ｂは、平坦部３３ａの一端部から紙面上方向に屈曲としている。第２傾斜部３３ｄは、第１傾斜部３３ｂの一端部である山頂部３３ｃから紙面下方向に屈曲している。第１傾斜部３３ｂ、山頂部３３ｃ、第２傾斜部３３ｄにより、紙面上方向の凸部が形成されている。第３傾斜部３３ｆは、第２傾斜部３３ｄの一端部である谷底部３３ｅから上方向に屈曲している。第２傾斜部３３ｄ、谷底部３３ｅ、第３傾斜部３３ｆにより、紙面下方向の凹部が形成されている。

実施の形態２では、連結部３３に凸部と凹部とを設けたので、板バネ３は可動子２の変位に比例した弾性力を出力することが可能となる。また、設ける凸部及び凹部の数を同数としたので、板バネ３が表方向（図４上方向）に弾性変形したときと、裏方向（図４下方向）に変形したときとで、バネ定数を同じにすることが可能である。それにより、可動子２の制御が容易になる。なお、凸部及び凹部を設ける数や位置は、連結部３３の大きさなどから適宜定めれば良いが同数であるのが好ましい。

実施の形態３
実施の形態３は、板バネ３を磁性材料であるＳＫ鋼（炭素工具鋼）で形成する形態に関する。その他の構成については、実施の形態１と略同様であるので、説明を省略する。板バネ３を磁性材料で構成した場合、板バネ３が漏れ磁界を抑制する機能を果たすので、ストローク方向の両端（図１、図２の上下端）には、磁性ケースが不要となる。ただし、連結部３３同士の間は空間となっているので、内部にホコリ等の異物が進入するための対策は別途必要である。なお、実施の形態１において、漏れ磁界を抑制するためには、板バネ３を覆う磁性ケースが必要である。

実施の形態３では、板バネ３を磁性材料で形成することにより、ストローク方向端部の磁性ケースが不要となるので、その分、アクチュエータを小型化することが可能となる。また、連結部３３は、内側から外側にかけて、ほぼ同じ幅としている。その結果、アクチュエータ１０の内部にある磁石２１、磁石２２に近い軸体２４近くが密となるので、漏れ磁界を確実に抑制することが可能となる。それにより、アクチュエータ近傍にある電装部品の誤動作を防止できる。また、アクチュエータが外部からの磁界により、誤動作することも防止できる。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ アクチュエータ
１ 固定子
１１ コイル
１２ ヨーク
１３ 筐体
２ 可動子
２１ 磁石
２２ 磁石
２３ ヨーク
２３ａ 蓋部
２３ｂ 中間部
２４ 軸体
３ 板バネ
３１ 内側リング
３１ａ 貫通孔
３２ 外側リング
３３ 連結部
３３ａ 平坦部
３３ｂ 第１傾斜部
３３ｃ 山頂部
３３ｄ 第２傾斜部
３３ｅ 谷底部
３３ｆ 第３傾斜部

Claims (3)

1. リング状のコイルを有する固定子と、
   前記コイルの内側に配され、リング状をなす複数の永久磁石、及び該永久磁石を軸方向で挟み込んでなるヨークを有する可動子と、
   内側リング、外側リング並びに前記外側リングの内周面及び前記内側リングの外周面を連結する短冊状をなす連結部を有する二重リング構造の弾性体を備え、
   前記内側リングの内縁部は前記可動子に固定され、前記外側リングの外縁部は前記固定子に固定され、前記連結部を５個以上有し、平面視、前記内側リング及び外側リング間の全面積に対して、前記連結部が占める割合は５割以下としてあること
   を特徴とするアクチュエータ。
2. 前記連結部は長手方向に沿って並設された同数の凸部及び凹部を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記弾性体は磁性材料で形成してある
   ことを特徴する請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

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