JP3341696B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents
リニアアクチュエータInfo
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- JP3341696B2 JP3341696B2 JP01507399A JP1507399A JP3341696B2 JP 3341696 B2 JP3341696 B2 JP 3341696B2 JP 01507399 A JP01507399 A JP 01507399A JP 1507399 A JP1507399 A JP 1507399A JP 3341696 B2 JP3341696 B2 JP 3341696B2
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- magnet
- coil
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
- H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
- H02K41/035—DC motors; Unipolar motors
- H02K41/0352—Unipolar motors
- H02K41/0354—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors
- H02K41/0356—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors moving along a straight path
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チップ部品のマウ
ントやプローブを使った測定など、部品の実装工程や測
定検査工程などに使用される小型のリニアアクチュエー
タに関するものである。
ントやプローブを使った測定など、部品の実装工程や測
定検査工程などに使用される小型のリニアアクチュエー
タに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、リニアアクチュエータは固定子
と可動子とからなり、例えば固定子はヨークと磁石で、
また可動子はボビンと電磁コイルで構成されている。コ
イルに電流を流すと、磁界と電流の作用により可動子に
推力が発生する。その結果、可動子は固定子に対し微小
な隙間を保ちながら推力の働く方向へ動く。電流の流れ
る方向を逆にすると、推力が逆に働く。可動子を軽量に
し、電流を適切に制御すれば、応答性に優れ、精密な位
置制御を行なうことができる。
と可動子とからなり、例えば固定子はヨークと磁石で、
また可動子はボビンと電磁コイルで構成されている。コ
イルに電流を流すと、磁界と電流の作用により可動子に
推力が発生する。その結果、可動子は固定子に対し微小
な隙間を保ちながら推力の働く方向へ動く。電流の流れ
る方向を逆にすると、推力が逆に働く。可動子を軽量に
し、電流を適切に制御すれば、応答性に優れ、精密な位
置制御を行なうことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】実装工程や測定検査工
程では、アクチュエータの外部に対する作用力（推力）
は可動ストローク範囲の中で一定であることが望まし
い。しかしながら、前記の構造では、可動子の位置によ
ってコイルに作用する磁束が変化するので、ストローク
範囲内でアクチュエータが外部に作用する力も変化して
しまう。
程では、アクチュエータの外部に対する作用力（推力）
は可動ストローク範囲の中で一定であることが望まし
い。しかしながら、前記の構造では、可動子の位置によ
ってコイルに作用する磁束が変化するので、ストローク
範囲内でアクチュエータが外部に作用する力も変化して
しまう。
【０００４】アクチュエータの推力を一定にするには、
磁石のストローク方向の長さを長くし、コイルが常に磁
石の一定磁束範囲を移動するように構成すればよい。し
かしながら、これでは、非常停止などにより電源ＯＦＦ
となった場合、推力が失われ、可動子が所定の位置とは
異なる場所で止まってしまう。特に、リニアアクチュエ
ータを実装工程や測定検査工程などのＺ軸アクチュエー
タとして使用した場合は、自重により可動子が下限に落
ちてしまい、作業者や装置、製品などを傷つけてしまう
可能性がある。このように、設計者の意図しないところ
でアクチュエータが停止するのは、安全上および製品の
品質上問題がある。また、トラブルや仕掛品待ちなどで
アクチュエータを動かさずに長時間一定の場所で待機さ
せる場合、アクチュエータに発熱が起こり、性能や寿命
の問題が生じる。
磁石のストローク方向の長さを長くし、コイルが常に磁
石の一定磁束範囲を移動するように構成すればよい。し
かしながら、これでは、非常停止などにより電源ＯＦＦ
となった場合、推力が失われ、可動子が所定の位置とは
異なる場所で止まってしまう。特に、リニアアクチュエ
ータを実装工程や測定検査工程などのＺ軸アクチュエー
タとして使用した場合は、自重により可動子が下限に落
ちてしまい、作業者や装置、製品などを傷つけてしまう
可能性がある。このように、設計者の意図しないところ
でアクチュエータが停止するのは、安全上および製品の
品質上問題がある。また、トラブルや仕掛品待ちなどで
アクチュエータを動かさずに長時間一定の場所で待機さ
せる場合、アクチュエータに発熱が起こり、性能や寿命
の問題が生じる。
【０００５】そこで、本発明の目的は、ストローク範囲
内でほぼ一定の荷重が得られ、前記のような課題を解決
し得るリニアアクチュエータを提供することにある。
内でほぼ一定の荷重が得られ、前記のような課題を解決
し得るリニアアクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、一定位置に配置された固
定子と、直線方向に移動可能に設けられた可動子とを備
え、固定子および可動子の一方にコイルを設け、他方に
前記コイルに対して直交方向の磁束を発生する磁石を設
け、前記コイルに電流を流すことにより前記可動子に推
力を発生させるリニアアクチュエータであって、前記可
動子に働く推力に対向して反力が作用し、かつ可動子の
ストローク方向に所定のばね特性を有するスプリングを
設け、前記可動子のストローク範囲において、前記コイ
ルに一定電流を流したときに発生する推力のストローク
に対する勾配と前記スプリングのばね定数とが略一致す
るように構成したことを特徴とするリニアアクチュエー
タを提供する。
め、請求項１に記載の発明は、一定位置に配置された固
定子と、直線方向に移動可能に設けられた可動子とを備
え、固定子および可動子の一方にコイルを設け、他方に
前記コイルに対して直交方向の磁束を発生する磁石を設
け、前記コイルに電流を流すことにより前記可動子に推
力を発生させるリニアアクチュエータであって、前記可
動子に働く推力に対向して反力が作用し、かつ可動子の
ストローク方向に所定のばね特性を有するスプリングを
設け、前記可動子のストローク範囲において、前記コイ
ルに一定電流を流したときに発生する推力のストローク
に対する勾配と前記スプリングのばね定数とが略一致す
るように構成したことを特徴とするリニアアクチュエー
タを提供する。
【０００７】本発明の特徴は、可動子の推力に対向する
反力を有するスプリングを設けた点にある。しかし、ア
クチュエータを作動させることにより、可動子の位置が
変わると、付勢手段からの反力も変化するので、アクチ
ュエータが外部に作用する荷重が変化してしまう。そこ
で、本発明ではスプリングのばね特性と可動子に働く推
力の特性とを均衡させることで、外部に対する荷重をス
トローク範囲内でほぼ一定にしている。つまり、可動子
のストローク範囲において、コイルに一定電流を流した
ときに発生する推力のストロークに対する勾配とスプリ
ングのばね定数とを略一致させたものである。
反力を有するスプリングを設けた点にある。しかし、ア
クチュエータを作動させることにより、可動子の位置が
変わると、付勢手段からの反力も変化するので、アクチ
ュエータが外部に作用する荷重が変化してしまう。そこ
で、本発明ではスプリングのばね特性と可動子に働く推
力の特性とを均衡させることで、外部に対する荷重をス
トローク範囲内でほぼ一定にしている。つまり、可動子
のストローク範囲において、コイルに一定電流を流した
ときに発生する推力のストロークに対する勾配とスプリ
ングのばね定数とを略一致させたものである。
【０００８】請求項２のように、固定子および可動子の
一方にヨークとラジアル方向に着磁された円筒状磁石と
を設け、他方に前記磁石の内周側または外周側に同心状
に配置される円筒状コイルを設け、可動子が円筒状磁石
の軸線方向に移動可能とするのが望ましい。この場合に
は、磁石の磁束がコイルの全周に作用するので、小さな
電流で大きな推力を発生させることができる。
一方にヨークとラジアル方向に着磁された円筒状磁石と
を設け、他方に前記磁石の内周側または外周側に同心状
に配置される円筒状コイルを設け、可動子が円筒状磁石
の軸線方向に移動可能とするのが望ましい。この場合に
は、磁石の磁束がコイルの全周に作用するので、小さな
電流で大きな推力を発生させることができる。
【０００９】図１に示すように、磁束密度分布がストロ
ーク方向に一定である場合には、請求項３のように、定
荷重ストローク範囲を、コイルのストローク方向の一端
ａが磁石のストローク方向の一端ｃより外側位置に配置
され、かつコイルのストローク方向の他端ｂが磁石のス
トローク方向の両端ｃ〜ｄより内側位置に配置された範
囲とすればよい。この場合、付勢手段の反力をコイルの
変位に伴って一定の勾配で変化するようにすれば、可動
子が動くにつれて、コイルに作用する推力は比例的に増
大することになるので、この推力と付勢手段の反力とが
相殺され、外部に対する荷重を一定にすることができ
る。
ーク方向に一定である場合には、請求項３のように、定
荷重ストローク範囲を、コイルのストローク方向の一端
ａが磁石のストローク方向の一端ｃより外側位置に配置
され、かつコイルのストローク方向の他端ｂが磁石のス
トローク方向の両端ｃ〜ｄより内側位置に配置された範
囲とすればよい。この場合、付勢手段の反力をコイルの
変位に伴って一定の勾配で変化するようにすれば、可動
子が動くにつれて、コイルに作用する推力は比例的に増
大することになるので、この推力と付勢手段の反力とが
相殺され、外部に対する荷重を一定にすることができ
る。
【００１０】一般に、磁石の磁束分布は必ずしも一定で
はなく、図２に示すようにその両端に磁束分布が一定し
ない範囲を含んでいることがある。そこで、請求項４で
は、定荷重ストローク範囲を、コイルのストローク方向
の一端ａが磁石の磁束の範囲外に配置され、かつコイル
のストローク方向の他端ｂが磁石の磁束のほぼ一定な範
囲ｃ’〜ｄ’内に配置された範囲としている。つまり、
コイルの両端部が磁束の一定しない範囲を移動しないよ
うにすることで、コイルに働く推力を比例的に変化させ
ることができる。
はなく、図２に示すようにその両端に磁束分布が一定し
ない範囲を含んでいることがある。そこで、請求項４で
は、定荷重ストローク範囲を、コイルのストローク方向
の一端ａが磁石の磁束の範囲外に配置され、かつコイル
のストローク方向の他端ｂが磁石の磁束のほぼ一定な範
囲ｃ’〜ｄ’内に配置された範囲としている。つまり、
コイルの両端部が磁束の一定しない範囲を移動しないよ
うにすることで、コイルに働く推力を比例的に変化させ
ることができる。
【００１１】１組のコイルと磁石とで定荷重ストローク
範囲を構成した場合には、コイルのストローク方向の寸
法によって、定荷重ストローク範囲が制限されてしま
う。そこで、請求項５では、第１，第２のコイルと、こ
れらコイルに対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する
第１，第２の磁石とを設け、第１のコイルのストローク
方向の一端が第１の磁石のストローク方向の一端より外
側位置で、かつ第１のコイルのストローク方向の他端が
第１の磁石のストローク方向の両端より内側位置にある
時、第２のコイルのストローク方向の両端が第２の磁石
のストローク方向の両端より外側位置にあり、第１のコ
イルのストローク方向の両端が第１の磁石のストローク
方向の両端より内側位置にある時、第２のコイルのスト
ローク方向の一端が第２の磁石のストローク方向の一端
より外側位置で、かつ第２のコイルのストローク方向の
他端が第２の磁石のストローク方向の両端より内側位置
にあるように、前記第１と第２のコイル同士および第１
と第２の磁石同士をストローク方向に所定間隔をあけて
相互に連結したものである。
範囲を構成した場合には、コイルのストローク方向の寸
法によって、定荷重ストローク範囲が制限されてしま
う。そこで、請求項５では、第１，第２のコイルと、こ
れらコイルに対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する
第１，第２の磁石とを設け、第１のコイルのストローク
方向の一端が第１の磁石のストローク方向の一端より外
側位置で、かつ第１のコイルのストローク方向の他端が
第１の磁石のストローク方向の両端より内側位置にある
時、第２のコイルのストローク方向の両端が第２の磁石
のストローク方向の両端より外側位置にあり、第１のコ
イルのストローク方向の両端が第１の磁石のストローク
方向の両端より内側位置にある時、第２のコイルのスト
ローク方向の一端が第２の磁石のストローク方向の一端
より外側位置で、かつ第２のコイルのストローク方向の
他端が第２の磁石のストローク方向の両端より内側位置
にあるように、前記第１と第２のコイル同士および第１
と第２の磁石同士をストローク方向に所定間隔をあけて
相互に連結したものである。
【００１２】つまり、第１のコイルが第１の磁石に対し
て定荷重ストローク範囲を移動している間は、第２のコ
イルは第２の磁石に対して推力の発生しない範囲を移動
し、第１のコイルが第１の磁石に対して推力が一定した
範囲を移動している間は、第２のコイルが第２の磁石に
対して定荷重ストローク範囲を移動するように構成して
いる。これにより、複数の定荷重ストローク範囲を繋げ
ることができ、定荷重ストローク範囲を拡大することが
できる。
て定荷重ストローク範囲を移動している間は、第２のコ
イルは第２の磁石に対して推力の発生しない範囲を移動
し、第１のコイルが第１の磁石に対して推力が一定した
範囲を移動している間は、第２のコイルが第２の磁石に
対して定荷重ストローク範囲を移動するように構成して
いる。これにより、複数の定荷重ストローク範囲を繋げ
ることができ、定荷重ストローク範囲を拡大することが
できる。
【００１３】請求項６では、請求項４と同様に、磁石の
両端の磁束分布が一定しない場合に、コイルの端部が磁
束の一定しない範囲を移動しないようにすることで、コ
イルに働く推力を比例的に変化させるようにしたもので
ある。
両端の磁束分布が一定しない場合に、コイルの端部が磁
束の一定しない範囲を移動しないようにすることで、コ
イルに働く推力を比例的に変化させるようにしたもので
ある。
【００１４】
【発明の実施の形態】図３は本発明にかかるリニアアク
チュエータをＺ軸アクチュエータに適用した例を示し、
図４に図３の一部拡大図を示す。このリニアアクチュエ
ータは、ヨーク１と永久磁石２とからなる固定子Ａ、ボ
ビン３と電磁コイル４とからなる可動子Ｂ、付勢手段で
あるスプリング５等で構成されている。ヨーク１はシャ
ーシ６に固定されている。
チュエータをＺ軸アクチュエータに適用した例を示し、
図４に図３の一部拡大図を示す。このリニアアクチュエ
ータは、ヨーク１と永久磁石２とからなる固定子Ａ、ボ
ビン３と電磁コイル４とからなる可動子Ｂ、付勢手段で
あるスプリング５等で構成されている。ヨーク１はシャ
ーシ６に固定されている。
【００１５】ヨーク１は略円筒形に形成され、上壁部１
ａの中心部には中心磁極１ｂが下方へ突設され、外周部
には円筒形の外部磁極１ｃが下方へ突設されている。外
部磁極１ｃの下端は中心磁極１ｂより下方へ長く延びて
いる。中心磁極１ｂの外周部には円筒形の磁石２が固定
されている。この磁石２は、例えば内周面がＮ極、外周
面がＳ極のようにラジアル方向に着磁されている。磁石
２はその上端面がヨーク１の上壁部１ａより一定距離下
方へ離れた位置になるように取り付けられている。前記
のように磁石２を中心磁極１ｂに固定することで、磁石
２〜中心磁極１ｂ〜上壁部１ａ〜外部磁極１ｃ〜磁石２
へ至る磁気回路が形成される。
ａの中心部には中心磁極１ｂが下方へ突設され、外周部
には円筒形の外部磁極１ｃが下方へ突設されている。外
部磁極１ｃの下端は中心磁極１ｂより下方へ長く延びて
いる。中心磁極１ｂの外周部には円筒形の磁石２が固定
されている。この磁石２は、例えば内周面がＮ極、外周
面がＳ極のようにラジアル方向に着磁されている。磁石
２はその上端面がヨーク１の上壁部１ａより一定距離下
方へ離れた位置になるように取り付けられている。前記
のように磁石２を中心磁極１ｂに固定することで、磁石
２〜中心磁極１ｂ〜上壁部１ａ〜外部磁極１ｃ〜磁石２
へ至る磁気回路が形成される。
【００１６】なお、この実施例では中心磁極１ｂの外面
のみに磁石２を取り付けたが、外部磁極１ｃの内面のみ
に円筒状磁石を固定してもよい。この磁石もラジアル方
向に着磁されたもので、かつ磁石２と対向する面に異極
が着磁されたものを使用すればよい。さらに、中心磁極
１ｂの外面および外部磁極１ｃの内面の両方に磁石を取
り付けてもよく、この場合には、磁束密度が一層高くな
り、大きな推力が得られる。
のみに磁石２を取り付けたが、外部磁極１ｃの内面のみ
に円筒状磁石を固定してもよい。この磁石もラジアル方
向に着磁されたもので、かつ磁石２と対向する面に異極
が着磁されたものを使用すればよい。さらに、中心磁極
１ｂの外面および外部磁極１ｃの内面の両方に磁石を取
り付けてもよく、この場合には、磁束密度が一層高くな
り、大きな推力が得られる。
【００１７】ボビン３はアルミニウムや樹脂などの非磁
性体で軽量な材料で略円筒形に形成されており、円筒部
３ａはヨーク１の中心磁極１ｂと外部磁極１ｃとの隙間
に挿通されている。ボビン３の下端部には軸部３ｂが突
設されており、シャーシ６のガイド穴６ａに挿通されて
いる。この軸部３ｂはチップ部品のマウント工程や検査
工程のプローブ等に用いられる。コイル４はボビン３の
円筒部３ａの外周に円筒状に巻回されており、前記磁気
回路を横断するように配置されている。コイル４には、
可動子Ｂに下方への推力を発生させるような向きに電流
が流される。コイル４の軸方向長さＬｃは、磁石２の軸
方向長さＬｍより短く形成されている。 Ｌｃ＜Ｌｍ
性体で軽量な材料で略円筒形に形成されており、円筒部
３ａはヨーク１の中心磁極１ｂと外部磁極１ｃとの隙間
に挿通されている。ボビン３の下端部には軸部３ｂが突
設されており、シャーシ６のガイド穴６ａに挿通されて
いる。この軸部３ｂはチップ部品のマウント工程や検査
工程のプローブ等に用いられる。コイル４はボビン３の
円筒部３ａの外周に円筒状に巻回されており、前記磁気
回路を横断するように配置されている。コイル４には、
可動子Ｂに下方への推力を発生させるような向きに電流
が流される。コイル４の軸方向長さＬｃは、磁石２の軸
方向長さＬｍより短く形成されている。 Ｌｃ＜Ｌｍ
【００１８】スプリング５は、シャーシ６とボビン３と
の間に配置され、ボビン３を常時上方へ付勢している。
このスプリング５のばね特性はボビン３に作用する推力
の特性と均衡するように設定されている。
の間に配置され、ボビン３を常時上方へ付勢している。
このスプリング５のばね特性はボビン３に作用する推力
の特性と均衡するように設定されている。
【００１９】図４の実線は可動子Ｂがストローク上限に
ある状態を示しており、コイル４の上端は磁石２の上端
より上方に位置している。コイル４の上端と磁石２の上
端との距離Ｄ’は、可動子Ｂの可動範囲Ｄとほぼ等しく
設定されている。一方、コイル４の下端は磁石２の下端
より所定距離以上だけ上方に位置している。この距離
は、可動子Ｂの可動範囲Ｄと磁束の非線型範囲Ｎとの和
にほぼ等しく設定するのが望ましい。そのため、可動子
Ｂがストローク下限（図４に二点鎖線で示す）になる
と、コイル４の上端は磁石２の上端とほぼ同一高さとな
り、コイル４の下端は磁石２の下端より非線型範囲Ｎ分
だけ高い位置になる。
ある状態を示しており、コイル４の上端は磁石２の上端
より上方に位置している。コイル４の上端と磁石２の上
端との距離Ｄ’は、可動子Ｂの可動範囲Ｄとほぼ等しく
設定されている。一方、コイル４の下端は磁石２の下端
より所定距離以上だけ上方に位置している。この距離
は、可動子Ｂの可動範囲Ｄと磁束の非線型範囲Ｎとの和
にほぼ等しく設定するのが望ましい。そのため、可動子
Ｂがストローク下限（図４に二点鎖線で示す）になる
と、コイル４の上端は磁石２の上端とほぼ同一高さとな
り、コイル４の下端は磁石２の下端より非線型範囲Ｎ分
だけ高い位置になる。
【００２０】なお、ストローク上限において、コイル４
の上端と磁石２の上端との距離Ｄ’を可動範囲Ｄより大
きくしてもよいし、コイル４の下端と磁石２の下端との
距離を可動範囲Ｄと非線型範囲Ｎとの和より大きくして
もよい。また、外部磁極１ｃの下端が中心磁極１ｂより
下方へ長く延びている方が、非線型範囲Ｎは相対的に小
さくなるので、効率がよい。
の上端と磁石２の上端との距離Ｄ’を可動範囲Ｄより大
きくしてもよいし、コイル４の下端と磁石２の下端との
距離を可動範囲Ｄと非線型範囲Ｎとの和より大きくして
もよい。また、外部磁極１ｃの下端が中心磁極１ｂより
下方へ長く延びている方が、非線型範囲Ｎは相対的に小
さくなるので、効率がよい。
【００２１】図５はコイル４の半径方向中心を通る磁束
密度分布を示す。図から明らかなように、ヨーク１の上
壁部１ａの下面（ａ点）から磁石２の上端（ｂ点）まで
の範囲では、磁束分布が非線型であり、かつ磁束が半径
方向外側を向いている。コイル４に所定の向きで電流を
流すと、前記磁束によってａ点〜ｂ点にかかるコイル４
部分には上方への推力が発生する。磁石２の上端よりや
や上部（ｂ点）で磁束の向きが逆転し、磁束が半径方向
内側を向く。この磁束の向きは、ｂ点より下部のコイル
４部分に対して下方への推力を発生させる。磁石２の上
端部近傍（ｂ点より少し下）から磁石２の下端部近傍
（ｃ点）まで磁束はほぼ一定となるが、ｃ点から磁石２
の下端（ｄ点）までは磁束は一定でない。
密度分布を示す。図から明らかなように、ヨーク１の上
壁部１ａの下面（ａ点）から磁石２の上端（ｂ点）まで
の範囲では、磁束分布が非線型であり、かつ磁束が半径
方向外側を向いている。コイル４に所定の向きで電流を
流すと、前記磁束によってａ点〜ｂ点にかかるコイル４
部分には上方への推力が発生する。磁石２の上端よりや
や上部（ｂ点）で磁束の向きが逆転し、磁束が半径方向
内側を向く。この磁束の向きは、ｂ点より下部のコイル
４部分に対して下方への推力を発生させる。磁石２の上
端部近傍（ｂ点より少し下）から磁石２の下端部近傍
（ｃ点）まで磁束はほぼ一定となるが、ｃ点から磁石２
の下端（ｄ点）までは磁束は一定でない。
【００２２】次に、リニアアクチュエータの最適設計方
法、つまり可動子Ｂが外部に作用する力を一定にするた
めの設計方法を説明する。スプリング５から可動子Ｂに
作用する反力Ｆ1 は次の通りである。 Ｆ1 ＝ｋｘ （但し、ｋ：ばね定数，ｘ：変位量） つまり、可動子Ｂが下方へ変位するにつれて、反力Ｆ1
は比例的に増大する。一方、コイル４に働く推力Ｆ2 は
次の通りである。 Ｆ2 ＝ＢＩＬ （但し、Ｂ：磁束密度、Ｉ：コイルの電流、Ｌ：コイル
の導体長） すなわち、推力Ｆ2 は磁束密度Ｂに比例する。コイル４
に所定の向きで電流を流すと、コイル４には下方への推
力Ｆ2 が発生する。したがって、可動子Ｂの外部への作
用力Ｆは次のようになる。 Ｆ＝Ｆ2 ＋Ｇ−Ｆ1 （Ｇ：可動子の重量） この作用力Ｆが一定となるように設計すればよい。
法、つまり可動子Ｂが外部に作用する力を一定にするた
めの設計方法を説明する。スプリング５から可動子Ｂに
作用する反力Ｆ1 は次の通りである。 Ｆ1 ＝ｋｘ （但し、ｋ：ばね定数，ｘ：変位量） つまり、可動子Ｂが下方へ変位するにつれて、反力Ｆ1
は比例的に増大する。一方、コイル４に働く推力Ｆ2 は
次の通りである。 Ｆ2 ＝ＢＩＬ （但し、Ｂ：磁束密度、Ｉ：コイルの電流、Ｌ：コイル
の導体長） すなわち、推力Ｆ2 は磁束密度Ｂに比例する。コイル４
に所定の向きで電流を流すと、コイル４には下方への推
力Ｆ2 が発生する。したがって、可動子Ｂの外部への作
用力Ｆは次のようになる。 Ｆ＝Ｆ2 ＋Ｇ−Ｆ1 （Ｇ：可動子の重量） この作用力Ｆが一定となるように設計すればよい。
【００２３】図６は、コイル４の上端の位置と推力定数
（Ｆ2 ／Ａ）との関係を示す。なお、Ａはコイル４に流
れる電流である。図から明らかなように、コイル４がス
トローク上限から下限へ移動するに従い、推力定数つま
り単位電流当たりの推力がほぼ比例的に増加することが
わかる。図５に示すように、コイル４のａ点〜ｂ点にか
かる部分には上方への推力が発生し、ｂ点〜ｃ点にかか
る部分には下方への推力が発生する。可動子Ｂのストロ
ーク上限においては、コイル４がａ点〜ｂ点間にかかる
部分が長いため、下方への推力が小さい。これに対し、
ストローク下限に近づくに従いａ点〜ｂ点間にかかる部
分が短くなり、ｂ点〜ｃ点間にかかる部分が長くなるの
で、一定の割合で推力Ｆ2 が増加することになる。
（Ｆ2 ／Ａ）との関係を示す。なお、Ａはコイル４に流
れる電流である。図から明らかなように、コイル４がス
トローク上限から下限へ移動するに従い、推力定数つま
り単位電流当たりの推力がほぼ比例的に増加することが
わかる。図５に示すように、コイル４のａ点〜ｂ点にか
かる部分には上方への推力が発生し、ｂ点〜ｃ点にかか
る部分には下方への推力が発生する。可動子Ｂのストロ
ーク上限においては、コイル４がａ点〜ｂ点間にかかる
部分が長いため、下方への推力が小さい。これに対し、
ストローク下限に近づくに従いａ点〜ｂ点間にかかる部
分が短くなり、ｂ点〜ｃ点間にかかる部分が長くなるの
で、一定の割合で推力Ｆ2 が増加することになる。
【００２４】前記のように変位に伴って比例的に増加す
る推力Ｆ2 とスプリング５の反力Ｆ1とを相殺させるこ
とで、可動子Ｂが外部に作用する力Ｆをほぼ一定にでき
る。具体的には、図６の近似直線Ｋの傾きとスプリング
５のばね定数ｋとを一致させれば、外部作用力Ｆを一定
とすることができる。
る推力Ｆ2 とスプリング５の反力Ｆ1とを相殺させるこ
とで、可動子Ｂが外部に作用する力Ｆをほぼ一定にでき
る。具体的には、図６の近似直線Ｋの傾きとスプリング
５のばね定数ｋとを一致させれば、外部作用力Ｆを一定
とすることができる。
【００２５】図７〜図９はリニアアクチュエータの第２
実施例を示し、複数の定荷重ストローク範囲をつなげる
ことで、定荷重ストローク範囲を拡大したものである。
この実施例は、第１実施例（図４参照）とほぼ同様の構
造を有するものであり、第１実施例と異なるのは、２個
の磁石２ａ，２ｂが中心磁極１ｂに上下に間隔を開けて
固定され、２個のコイル４ａ，４ｂがボビン３に上下に
間隔を開けて固定されている点である。そして、コイル
４ａの上端が磁石２ａの上端と同一位置にあるとき、コ
イル４ｂの下端が磁石２ｂの上端と同一位置になるよう
に、磁石２ａ，２ｂとコイル４ａ，４ｂとの位置関係が
設定されている。
実施例を示し、複数の定荷重ストローク範囲をつなげる
ことで、定荷重ストローク範囲を拡大したものである。
この実施例は、第１実施例（図４参照）とほぼ同様の構
造を有するものであり、第１実施例と異なるのは、２個
の磁石２ａ，２ｂが中心磁極１ｂに上下に間隔を開けて
固定され、２個のコイル４ａ，４ｂがボビン３に上下に
間隔を開けて固定されている点である。そして、コイル
４ａの上端が磁石２ａの上端と同一位置にあるとき、コ
イル４ｂの下端が磁石２ｂの上端と同一位置になるよう
に、磁石２ａ，２ｂとコイル４ａ，４ｂとの位置関係が
設定されている。
【００２６】この実施例では、コイル４ａ，４ｂのスト
ローク方向の長さＬc1, Ｌc2は互いに等しく、磁石２ａ
のストローク方向の長さＬm1は磁石２ｂの長さＬm2より
長い。なお、長さＬm1とＬm2とが同等であってもよい。
また、磁石２ｂのストローク方向の長さＬm2はコイル４
ａ，４ｂの長さＬc1, Ｌc2と同等またはそれより長い。
磁石２ａのストローク方向の長さＬm1はコイル４ａ，４
ｂの長さＬc1, Ｌc2の２倍より長くしてある。 Ｌc1＝Ｌc2 Ｌm1≧Ｌm2≧Ｌc1 Ｌm1≧２Ｌc1
ローク方向の長さＬc1, Ｌc2は互いに等しく、磁石２ａ
のストローク方向の長さＬm1は磁石２ｂの長さＬm2より
長い。なお、長さＬm1とＬm2とが同等であってもよい。
また、磁石２ｂのストローク方向の長さＬm2はコイル４
ａ，４ｂの長さＬc1, Ｌc2と同等またはそれより長い。
磁石２ａのストローク方向の長さＬm1はコイル４ａ，４
ｂの長さＬc1, Ｌc2の２倍より長くしてある。 Ｌc1＝Ｌc2 Ｌm1≧Ｌm2≧Ｌc1 Ｌm1≧２Ｌc1
【００２７】次に、前記リニアアクチュエータの動作を
図８，図９にしたがって説明する。コイル４ａの中心点
が図８のＡ〜Ｂ点の間を移動する間、コイル４ａの上端
が磁石２ａの磁束範囲外で、かつコイル４ａの下端が磁
石２ａの一定磁束範囲内にあるので、コイル４ａには一
定勾配で変化する推力Ｆ3 が発生する。一方、Ａ〜Ｂ点
の間、コイル４ｂの両端が磁石２ｂの磁束の範囲外にあ
るので、コイル４ｂには推力が発生しない。その結果、
図９にＡ〜Ｂ点で示すように、可動子には一定勾配で上
昇する推力Ｆ3 が発生する。次に、コイル４ａの中心点
が図８のＢ〜Ｃ点を移動する間、コイル４ａの上端は磁
石２ａの磁束の不均一範囲を移動するので、推力Ｆ3 の
上昇勾配が鈍くなる。また、この間、コイル４ｂの下端
も磁石２ｂの磁束の不均一範囲を移動するので、コイル
４ｂには若干の推力Ｆ4 が発生する。その結果、可動子
に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 はゆるやかに上昇する。次
に、コイル４ａの中心点が図８のＣ〜Ｄ点の間を移動す
る間、コイル４ａの両端が磁石２ａの一定磁束範囲を移
動するので、推力Ｆ3 は変化しない。これに対し、コイ
ル４ｂの下端が磁石２ｂの一定磁束範囲内にあり、上端
が磁石２ｂの磁束範囲外にあるので、コイル４ｂには一
定勾配で変化する推力Ｆ4 が発生する。その結果、可動
子に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 は一定勾配で上昇する。前
記のように、コイル４ａ，４ｂがＡ〜Ｂ点およびＣ〜Ｄ
点を移動する間、可動子には一様な勾配で上昇する推力
Ｆ3 ＋Ｆ4 が発生することになる。この推力Ｆ 3 ＋Ｆ4
の勾配と付勢手段５（図３参照）のばね定数とを均衡さ
せ、かつＢ〜Ｃ点の領域をできるだけ狭くして、複数の
定荷重ストローク範囲をつなげることにより、定荷重ス
トローク範囲を拡大することができる。
図８，図９にしたがって説明する。コイル４ａの中心点
が図８のＡ〜Ｂ点の間を移動する間、コイル４ａの上端
が磁石２ａの磁束範囲外で、かつコイル４ａの下端が磁
石２ａの一定磁束範囲内にあるので、コイル４ａには一
定勾配で変化する推力Ｆ3 が発生する。一方、Ａ〜Ｂ点
の間、コイル４ｂの両端が磁石２ｂの磁束の範囲外にあ
るので、コイル４ｂには推力が発生しない。その結果、
図９にＡ〜Ｂ点で示すように、可動子には一定勾配で上
昇する推力Ｆ3 が発生する。次に、コイル４ａの中心点
が図８のＢ〜Ｃ点を移動する間、コイル４ａの上端は磁
石２ａの磁束の不均一範囲を移動するので、推力Ｆ3 の
上昇勾配が鈍くなる。また、この間、コイル４ｂの下端
も磁石２ｂの磁束の不均一範囲を移動するので、コイル
４ｂには若干の推力Ｆ4 が発生する。その結果、可動子
に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 はゆるやかに上昇する。次
に、コイル４ａの中心点が図８のＣ〜Ｄ点の間を移動す
る間、コイル４ａの両端が磁石２ａの一定磁束範囲を移
動するので、推力Ｆ3 は変化しない。これに対し、コイ
ル４ｂの下端が磁石２ｂの一定磁束範囲内にあり、上端
が磁石２ｂの磁束範囲外にあるので、コイル４ｂには一
定勾配で変化する推力Ｆ4 が発生する。その結果、可動
子に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 は一定勾配で上昇する。前
記のように、コイル４ａ，４ｂがＡ〜Ｂ点およびＣ〜Ｄ
点を移動する間、可動子には一様な勾配で上昇する推力
Ｆ3 ＋Ｆ4 が発生することになる。この推力Ｆ 3 ＋Ｆ4
の勾配と付勢手段５（図３参照）のばね定数とを均衡さ
せ、かつＢ〜Ｃ点の領域をできるだけ狭くして、複数の
定荷重ストローク範囲をつなげることにより、定荷重ス
トローク範囲を拡大することができる。
【００２８】本発明は前記実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記実施例では、固定子にヨークおよび
ラジアル方向に着磁された磁石を設け、可動子にコイル
を設けたリニアアクチュエータについて説明したが、こ
れとは逆に、固定子にコイルを設け、可動子にヨークお
よび磁石を設けてもよい。ただ、可動子にヨークを設け
ると、重量が増大するので、可動子の軽量化のためには
実施例のように構成するのが望ましい。前記実施例で
は、可動子が上下方向に動作するＺ軸アクチュエータに
ついて説明したが、水平方向に動作するアクチュエータ
にも適用できる。付勢手段として、圧縮スプリングの例
を示したが、引張スプリングを用いてもよい。引張スプ
リングの場合、スプリングの配置位置が逆となる。スプ
リングは線形ばねに限らず、推力特性が非線形的に変化
する場合には、非線形ばねを用いてもよい。また、スプ
リングに代えて、ゴム等の他の弾性体を用いてもよい。
さらに、弾性体に代えて、磁力による反発力を与えても
よい。また、可動子Ｂの移動方向の直線性を出すため、
ガイドレールなどを設けてもよい。磁石は実施例のよう
に円筒形磁石に限らず、板状または棒状の磁石を用いて
もよい。同様に、コイルも軸心が移動方向と平行な円筒
状コイルに限らない。
ない。例えば、前記実施例では、固定子にヨークおよび
ラジアル方向に着磁された磁石を設け、可動子にコイル
を設けたリニアアクチュエータについて説明したが、こ
れとは逆に、固定子にコイルを設け、可動子にヨークお
よび磁石を設けてもよい。ただ、可動子にヨークを設け
ると、重量が増大するので、可動子の軽量化のためには
実施例のように構成するのが望ましい。前記実施例で
は、可動子が上下方向に動作するＺ軸アクチュエータに
ついて説明したが、水平方向に動作するアクチュエータ
にも適用できる。付勢手段として、圧縮スプリングの例
を示したが、引張スプリングを用いてもよい。引張スプ
リングの場合、スプリングの配置位置が逆となる。スプ
リングは線形ばねに限らず、推力特性が非線形的に変化
する場合には、非線形ばねを用いてもよい。また、スプ
リングに代えて、ゴム等の他の弾性体を用いてもよい。
さらに、弾性体に代えて、磁力による反発力を与えても
よい。また、可動子Ｂの移動方向の直線性を出すため、
ガイドレールなどを設けてもよい。磁石は実施例のよう
に円筒形磁石に限らず、板状または棒状の磁石を用いて
もよい。同様に、コイルも軸心が移動方向と平行な円筒
状コイルに限らない。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、可動子の推力に対向する反力を発生するスプリ
ングを設け、可動子のストローク範囲において、コイル
に一定電流を流したときに発生する推力のストロークに
対する勾配とスプリングのばね定数とを略一致させたの
で、ストローク範囲における外部に対する荷重をほぼ一
定とすることができる。また、電源がＯＦＦされても、
スプリングによって所定の場所にアクチュエータを維持
することができるので、安全上および製品の品質上の問
題を起こさない。さらに、アクチュエータを動かさずに
長時間一定の場所で待機させる場合でも、スプリングに
よってコイルに電流を流さずに一定位置に保持できるの
で、アクチュエータの発熱を防止でき、性能や寿命の問
題を解消できる。
よれば、可動子の推力に対向する反力を発生するスプリ
ングを設け、可動子のストローク範囲において、コイル
に一定電流を流したときに発生する推力のストロークに
対する勾配とスプリングのばね定数とを略一致させたの
で、ストローク範囲における外部に対する荷重をほぼ一
定とすることができる。また、電源がＯＦＦされても、
スプリングによって所定の場所にアクチュエータを維持
することができるので、安全上および製品の品質上の問
題を起こさない。さらに、アクチュエータを動かさずに
長時間一定の場所で待機させる場合でも、スプリングに
よってコイルに電流を流さずに一定位置に保持できるの
で、アクチュエータの発熱を防止でき、性能や寿命の問
題を解消できる。
【図１】本発明にかかるリニアアクチュエータの動作原
理の一例の説明図である。
理の一例の説明図である。
【図２】本発明にかかるリニアアクチュエータの動作原
理の他の例の説明図である。
理の他の例の説明図である。
【図３】本発明にかかるリニアアクチュエータの第１実
施例の全体断面図である。
施例の全体断面図である。
【図４】図３の一部拡大図である。
【図５】図３のリニアアクチュエータの磁束分布図であ
る。
る。
【図６】Ｚ軸方向の推力定数の変化を示す図である。
【図７】本発明にかかるリニアアクチュエータの第２実
施例の半断面図である。
施例の半断面図である。
【図８】図７に示すリニアアクチュエータの動作説明図
である。
である。
【図９】図７のリニアアクチュエータの推力特性図であ
る。
る。
Ａ 固定子 Ｂ 可動子 １ ヨーク ２ 磁石 ３ ボビン ４ 電磁コイル ５ スプリング（付勢手段）
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−172763（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−152215（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−144555（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−36336（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 33/18 H02K 33/02
Claims (6)
- 【請求項１】一定位置に配置された固定子と、直線方向
に移動可能に設けられた可動子とを備え、固定子および
可動子の一方にコイルを設け、他方に前記コイルに対し
て直交方向の磁束を発生する磁石を設け、前記コイルに
電流を流すことにより前記可動子に推力を発生させるリ
ニアアクチュエータであって、 前記可動子に働く推力に対向して反力が作用し、かつ可
動子のストローク方向に所定のばね特性を有するスプリ
ングを設け、前記 可動子のストローク範囲において、前記コイルに一
定電流を流したときに発生する推力のストロークに対す
る勾配と前記スプリングのばね定数とが略一致するよう
に構成したことを特徴とするリニアアクチュエータ。 - 【請求項２】前記固定子および可動子の一方にヨークと
ラジアル方向に着磁された円筒状磁石とを設け、他方に
前記磁石の内周側または外周側に同心状に配置される円
筒状コイルを設け、前記可動子が前記円筒状磁石の軸線
方向に移動可能であ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。 - 【請求項３】前記定荷重ストローク範囲は、コイルのス
トローク方向の一端が磁石のストローク方向の一端より
外側位置に配置され、かつコイルのストローク方向の他
端が磁石のストローク方向の両端より内側位置に配置さ
れた範囲であることを特徴とする請求項１または２に記
載のリニアアクチュエータ。 - 【請求項４】前記定荷重ストローク範囲は、コイルのス
トローク方向の一端が磁石の磁束の範囲外に配置され、
かつコイルのストローク方向の他端が磁石の磁束のほぼ
一定な範囲内に配置された範囲であることを特徴とする
請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。 - 【請求項５】第１，第２のコイルと、これらコイルに対
してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁
石とが設けられ、 第１のコイルのストローク方向の一端が第１の磁石のス
トローク方向の一端より外側位置で、かつ第１のコイル
のストローク方向の他端が第１の磁石のストローク方向
の両端より内側位置にある時、第２のコイルのストロー
ク方向の両端が第２の磁石のストローク方向の両端より
外側位置にあり、 第１のコイルのストローク方向の両端が第１の磁石のス
トローク方向の両端より内側位置にある時、第２のコイ
ルのストローク方向の一端が第２の磁石のストローク方
向の一端より外側位置で、かつ第２のコイルのストロー
ク方向の他端が第２の磁石のストローク方向の両端より
内側位置にあるように、 前記第１と第２のコイル同士および第１と第２の磁石同
士をストローク方向に所定間隔をあけて相互に連結した
ことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアク
チュエータ。 - 【請求項６】第１，第２のコイルと、これらコイルに対
してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁
石とが設けられ、 第１のコイルのストローク方向の一端が第１の磁石の磁
束の範囲外で、かつ第１のコイルのストローク方向の他
端が第１の磁石の磁束がほぼ一定な範囲内にある時、第
２のコイルのストローク方向の両端が第２の磁石の磁束
の範囲外にあり、第１のコイルのストローク方向の両端
が第１の磁石の磁束がほぼ一定な範囲内にある時、第２
のコイルのストローク方向の一端が第２の磁石の磁束の
範囲外で、かつ第２のコイルのストローク方向の他端が
第２の磁石の磁束がほぼ一定な範囲内にあるように、 前記第１と第２のコイル同士および第１と第２の磁石同
士をストローク方向に所定間隔をあけて相互に連結した
ことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアク
チュエータ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01507399A JP3341696B2 (ja) | 1998-02-16 | 1999-01-25 | リニアアクチュエータ |
| US09/250,409 US6198179B1 (en) | 1998-02-16 | 1999-02-16 | Linear actuator |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-51340 | 1998-02-16 | ||
| JP5134098 | 1998-02-16 | ||
| JP01507399A JP3341696B2 (ja) | 1998-02-16 | 1999-01-25 | リニアアクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11299210A JPH11299210A (ja) | 1999-10-29 |
| JP3341696B2 true JP3341696B2 (ja) | 2002-11-05 |
Family
ID=26351151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01507399A Expired - Fee Related JP3341696B2 (ja) | 1998-02-16 | 1999-01-25 | リニアアクチュエータ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6198179B1 (ja) |
| JP (1) | JP3341696B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004088992A (ja) * | 2002-05-24 | 2004-03-18 | Murata Mfg Co Ltd | ボイスコイル型リニアアクチュエータ及びこのアクチュエータを用いた装置、並びにこのアクチュエータの製造方法 |
| KR100985905B1 (ko) | 2008-10-27 | 2010-10-08 | 이인호 | 선형 진동기 |
| KR100895993B1 (ko) | 2009-01-07 | 2009-05-07 | 주식회사 블루콤 | 리니어 진동 디바이스 |
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|---|---|---|---|---|
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| US5521446A (en) * | 1994-03-24 | 1996-05-28 | Fluid Systems Partners Sa | Linear electromagnetic drive means |
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- 1999-01-25 JP JP01507399A patent/JP3341696B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1999-02-16 US US09/250,409 patent/US6198179B1/en not_active Expired - Fee Related
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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