JP2019062642A - スイング動作型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造であって低コストでの作製が可能であり、駆動角度が±３０度程度であっても駆動特性が良好であるスイング動作型アクチュエータを提供する。【解決手段】スイング動作型アクチュエータ１０は、略四角筒状に巻回したコイル１と、コイル１の内側に配置された第１永久磁石２と、コイル１の両外側に配置された第２永久磁石３，３と、第１永久磁石２の水平方向の中心位置でコイル１を軸支する支点軸５ｂとを備える。コイル１は支点軸５ｂを中心として揺動する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学要素の駆動などに利用されるスイング動作型アクチュエータに関する。

ＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection And Ranging）に使用されるミラー、レンズなどの光学要素の駆動用として、スイング動作（揺動動作）を行うスイング動作型アクチュエータが利用されている。このようなスイング動作型アクチュエータとしては、磁気ヘッドの位置決めに用いられるボイスコイルモータ型（特許文献１及び２など）や、シリンダー型（特許文献３など）が知られている。

また、コイルの内側に永久磁石を配置した構成をなすスイング動作型アクチュエータも提案されている（特許文献４）。

特開２００１−２９８９３３号公報 特開平７−７５３１９号公報 特開平６−４６５５５号公報 特開平８−６５９９１号公報

ＬＩＤＡＲに使用するためのスイング動作型アクチュエータには、±３０度程度の駆動角度が要求される。しかしながら、特許文献１〜３に記載のスイング動作型アクチュエータの構造は、駆動角度が±１５度以下である場合に適した構造である。±３０度程度の駆動角度を得るためには、コイルの径を大きくする必要があるが、この場合には、コイルの慣性モーメントが大きくなりすぎてトルク効率が低く、所望の駆動速度を達成できないという問題がある。

特許文献４に記載のスイング動作型アクチュエータでは、軽量のコイルを揺動させる構造であるため、慣性モーメントは小さくできるが、必要な磁場強度を得るためにコイルの内側に配置した永久磁石を大きくする必要がある。そこで、コイルの揺動空間を有効に設定できるように、コイルの内側に配置した永久磁石及びコイルの外側に配置したヨークそれぞれのコイル側の面を、コイルの揺動軌跡に合わせてコイルと一定間隔を隔てて対向すべく円弧状に成形している。よって、永久磁石及びヨークの加工コストが嵩み、スイング動作型アクチュエータが高価になるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造であって低コストでの作製が可能であり、駆動角度が±３０度程度であっても駆動特性が良好であるスイング動作型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、略四角筒状に巻回したコイルと、前記コイルの内側に配置された第１永久磁石と、前記コイルの両外側に配置された第２永久磁石と、前記第１永久磁石の水平方向の中心位置で前記コイルを軸支する支点軸とを備えることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、略四角筒状のコイルの内側に第１永久磁石を配置するとともに、コイルの両外側に第２永久磁石を配置し、コイルは第１永久磁石の水平方向の中心位置で支点軸に軸支されている構成を有する。コイルはこの支点軸を中心として揺動する。コイルの内側及び両外側に永久磁石を配置することにより、コイル近傍の磁場が大きくなり、簡易な構成でも所望の駆動特性を得ることができる。駆動角度を±３０度程度にしても、慣性モーメントを小さくできて、所定以上の駆動速度を得ることができる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記第２永久磁石の前記コイルと対向する側と反対側の面が接着するヨークを更に備えることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、第２永久磁石がヨークに接着している。よって、第２永久磁石の磁力を有効に利用できる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記ヨークが非磁性の金属体に覆われてモールドされていることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、第２永久磁石がヨークに接着された後に、非磁性の金属体に覆われてモールドされている。よって、構造が安定する。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記第１永久磁石は直方体状をなしていることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、第１永久磁石が直方体状である。よって、加工コストが低い永久磁石を利用できる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記コイルにおける前記第２永久磁石の対向方向での内寸に対する前記第１永久磁石の水平方向での寸法の比率が０．７５〜０．８７であることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、コイルの内寸が、第１永久磁石の水平方向における寸法の０．７５〜０．８７倍である。よって、所望の磁場強度が得られるとともに、±３０度程度の駆動角度が得られる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記コイルにおける前記第２永久磁石の対向方向に垂直な方向での内寸／外寸の比が、０．６〜０．８の範囲であることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、コイルの内寸が、コイルの外寸の０．６〜０．８倍である。よって、所望の発生トルク及び慣性モーメントが得られるとともに、所望の角加速度が得られる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記第２永久磁石は直方体状をなしていることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、第２永久磁石が直方体状である。よって、加工コストが低い永久磁石を利用できる。

本発明に係るスイング動作型アクチュエータは、前記第２永久磁石は、ハルバッハ配列磁石であることを特徴とする。

本発明のスイング動作型アクチュエータにあっては、第２永久磁石として、ハルバッハ配列磁石を用いる。よって、磁場の向上を図ることができる。

本発明のスイング動作型アクチュエータによれば、簡易な構成で低コストでの作製が可能であっても磁場強度を向上でき、所望の駆動特性（駆動角度、トルク効率、角加速度など）を得ることができる。

本発明の第１実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータを示す側断面図である。 本発明の第１実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータを示す平面図である。 本発明のスイング動作型アクチュエータに使用するシャフト体を示す斜視図である。 本発明の第１実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータの特性を表す図表である。 本発明の第２実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータを示す側断面図である。 本発明の第３実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータを示す平面図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

（第１実施の形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータ１０を示す側断面図及び平面図である。また、図３は、本発明のスイング動作型アクチュエータ１０に使用するシャフト体５を示す斜視図である。

図１及び図２において、１は略四角筒状に巻回された例えば銅製のコイルである。コイル１の内側には、直方体状の第１永久磁石２が設けられている。また、コイル１の両外側、即ち、水平方向（図１の左右方向）の対向する両外側には、偏平直方体状の第２永久磁石３，３が設けられている。これらの第１永久磁石２及び第２永久磁石３は、例えばネオジウム系またはサマリウム系の永久磁石である。

第２永久磁石３，３の外面は、断面視でコ字状をなす軟質磁性体製のヨーク４の内面に接着している。

コイル１の第２永久磁石３，３の対向方向（前記水平方向）に垂直な方向（図２の上下方向）の一方には、図３に示すシャフト体５が設けられている。シャフト体５は、例えばアルミニウム製であり、断面視でコ字状をなすコイル収容部５ａと円柱状の支点軸５ｂとを一体化して構成されている。コイル１の第２永久磁石３，３の対向方向に垂直な方向側の一方の辺部１ａが、コイル収容部５ａに収容されてシャフト体５に接着剤にて接着されており、コイル１は、支点軸５ｂを中心として揺動自在にシャフト体５に支持されている。

コイル１の他方の辺部１ｂには、駆動対象となる被駆動要素（例えば、ミラーなどの光学要素：図示せず）が取り付けられる。この取り付け手法としては、上記シャフト体５と同様な形状をなす部材をコイル１の他方の辺部１ｂ側に設けて被駆動要素を収容配置するようにしても良いし、または、コイル１の他方の辺部１ｂに直接被駆動要素を接着するようにしても良い。

略四角筒状に巻回されたコイル１における第２永久磁石３，３の対向方向に垂直な方向での内寸（ＩＤ）及び外寸（ＯＤ）を、図２に示すように定義した場合、例えば内寸（ＩＤ）は１４ｍｍ程度、外寸（ＯＤ）は２１ｍｍ程度である。

ここで、コイル１の外寸（ＯＤ）に対する内寸（ＩＤ）の比（ＩＤ／ＯＤ比）は、０．６〜０．８の範囲であることが好ましい。スイング動作型アクチュエータ１０において、ＩＤ／ＯＤ比を変化させた場合の特性（発生トルク、コイル１の慣性モーメント、角加速度）を、図４に表している。図４では、ＩＤ／ＯＤ＝０．６７である場合の各特性値を基準（１００％）として、異なるＩＤ／ＯＤ比の値におけるそれぞれの特性を表している。

ＩＤ／ＯＤ比が大きくなるにつれて、発生トルク及び慣性モーメントは増加し、角加速度は減少する。慣性モーメントを小さくした方が大きな角加速度を得ることができる。但し、慣性モーメントを小さくすると、発生トルクは小さくなる。角加速度と発生トルクとはトレードオフの関係にあるため、装着される被駆動要素の重量、駆動条件などを考慮して、最適なＩＤ／ＯＤ比を設定すれば良い。本発明では、このＩＤ／ＯＤ比は、０．６〜０．８が好ましい。

また、コイル１における第２永久磁石３，３の対向方向での内寸（図１のＤ）に対する第１永久磁石２の水平方向の寸法（図１のＳ）の比（Ｓ／Ｄ比）は、０．７５〜０．８７の範囲であることが好ましい。この比が０．７５より小さい場合には第１永久磁石２が小さすぎて所望の磁場強度が得られない。一方、この比が０．８７より大きい場合には間隙が狭すぎて所望の駆動角度が得られない。

Ｓ／Ｄ比を大きくするにつれて、磁場強度は増加するが、可能な駆動角度は減少する。一方、Ｓ／Ｄ比を小さくするにつれて、可能な駆動角度は増加するが、磁場強度は減少する。このように磁場強度と駆動角度とはトレードオフの関係にあるため、被駆動要素の重量、駆動条件などを考慮して、最適なＳ／Ｄ比を設定すれば良い。

第１実施の形態のスイング動作型アクチュエータにあっては、略四角筒状に巻回したコイル１の内側に第１永久磁石２を配置するとともに、コイル１の両外側に第２永久磁石３，３を配置し、コイル１は第１永久磁石２の水平方向の中心位置で支点軸５ｂに軸支されており、コイル１に流す電流の向きを変えることにより、コイル１はこの支点軸５ｂを中心として揺動する。このように、コイル１の内側及び両外側に第１永久磁石２及び第２永久磁石３，３を配置しているため、小型の構成であっても、コイル１近傍の磁場強度は大きくなって、駆動角度を±３０度程度にしても、慣性モーメントを小さくできて、所定以上の駆動速度を得ることができる。

また、第１永久磁石２及び第２永久磁石３として直方体状の磁石を使用しているので、コストがかかる特別な表面加工の必要がなく、作製コストの低減を図ることができる。また、表面加工が不要であるため、歩留まりの向上に寄与する。

（第２実施の形態）
図５は、本発明の第２実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータ１０を示す側断面図である。図５にあって、図１と同一部分には同一番号を付している。

第２実施の形態では、コイル１、第１永久磁石２、第２永久磁石３，３、及びヨーク４の例えば支点軸５ｂに平行な面が薄板材６で覆われ、コイル１の駆動空間を除いて樹脂７にて接着もしくはモールドされている。薄板材６は、非磁性で高強度の金属板、例えばＳＵＳ板からなり、その厚さは０．１ｍｍ程度である。樹脂７の厚さは、０．０１〜０．５ｍｍ程度である

第２実施の形態では、内部の構成要素を硬質の薄板材６で覆って内部を樹脂モールドしているため、駆動機構の構造が安定して、外部からの衝撃にも強くなり、また、他装置への外付けが容易であり、ユーザの取扱い性も向上する。

（第３実施の形態）
図６は、本発明の第３実施の形態におけるスイング動作型アクチュエータ１０を示す平面図である。図６にあって、図２と同一部分には同一番号を付している。

第３実施の形態にあっては、コイル１の両外側に配置した第２永久磁石３，３それぞれを、複数（図６の例では３個）の永久磁石をハルバッハ配列させた構成としている。図６にあって、矢印は磁界の向きを表している。具体的に、一方（図６左側）の第２永久磁石３は、下向きに磁化した永久磁石３ａ、右向きに磁化した永久磁石３ｂ、上向きに磁化した永久磁石３ｃを図６の上側から順に連ねた構成をなし、他方（図６右側）の第２永久磁石３は、上向きに磁化した永久磁石３ｃ、右向きに磁化した永久磁石３ｂ、下向きに磁化した永久磁石３ａを図６の上側から順に連ねた構成をなしている。コイル１の内部に配置した第１永久磁石２の磁界の向きは、右向きである。

第３実施の形態では、第２永久磁石３としてハルバッハ配列磁石を用いるようにしているため、磁場強度の向上を図ることができる。

上述したような種々の構成を有する本発明のスイング動作型アクチュエータ１０では、従前のボイスコイルモータ型アクチュエータ及びシリンダー型アクチュエータと、同等サイズの構成にて比較した場合、コイルの慣性モーメントは１／４程度に小さくなり、例えばミラーを２ｍｓ間で３０度駆動させる際に必要なトルクは半分以下となる。

なお、上述した実施の形態では、コイル１がシャフト体５に接着剤で接着されている構成としたが、これとは異なり、コイル１及びシャフト体５を金型に収容し、樹脂を金型内に注入硬化して得られるコイル１及びシャフト体５のモールド一体物を用いるようにしても良い。

なお、上述した実施の形態では、コイル１の図１に示す左右方向の両外側に第２永久磁石３，３を設けるようにしたが、図１に示す上下方向、または、図１の紙面の表裏方向の両外側に第２永久磁石３，３を設けるようにしても良い。また、これらを組み合わせるように構成しても良い。

なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて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全ての変更が含まれることが意図される。

１ コイル
１ａ 一方の辺部
１ｂ 他方の辺部
２ 第１永久磁石
３ 第２永久磁石
３ａ，３ｂ，３ｃ 永久磁石
４ ヨーク
５ シャフト体
５ａ コイル収容部
５ｂ 支点軸
６ 薄板材（金属体）
７ 樹脂
１０ スイング動作型アクチュエータ

Claims (8)

1. 略四角筒状に巻回したコイルと、前記コイルの内側に配置された第１永久磁石と、前記コイルの両外側に配置された第２永久磁石と、前記第１永久磁石の水平方向の中心位置で前記コイルを軸支する支点軸とを備えることを特徴とするスイング動作型アクチュエータ。
2. 前記第２永久磁石の前記コイルと対向する側と反対側の面が接着するヨークを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のスイング動作型アクチュエータ。
3. 前記ヨークが非磁性の金属体に覆われてモールドされていることを特徴とする請求項２に記載のスイング動作型アクチュエータ。
4. 前記第１永久磁石は直方体状をなしていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のスイング動作型アクチュエータ。
5. 前記コイルにおける前記第２永久磁石の対向方向での内寸に対する前記第１永久磁石の水平方向での寸法の比率が０．７５〜０．８７であることを特徴とする請求項４に記載のスイング動作型アクチュエータ。
6. 前記コイルにおける前記第２永久磁石の対向方向に垂直な方向での内寸／外寸の比が、０．６〜０．８の範囲であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のスイング動作型アクチュエータ。
7. 前記第２永久磁石は直方体状をなしていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のスイング動作型アクチュエータ。
8. 前記第２永久磁石は、ハルバッハ配列磁石であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のスイング動作型アクチュエータ。

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