JP3649891B2

JP3649891B2 - 単巻型リニア振動アクチュエータ

Info

Publication number: JP3649891B2
Application number: JP01388398A
Authority: JP
Inventors: 大樹海老原; 雅哉和多田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JPH11215794A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子側の励磁コイルに通電することにより、磁性体でできた可動体に直線的な振動を与えるアクチュエータに関するものであり、特に可動体の軸方向両側にＮ極（またはＳ極）が向かい合うように高性能永久磁石を組み込み、一組の励磁コイルに通電して固定子側のコアに生じる磁極によって可動体のそれぞれの磁極との間で吸引力や斥力を発生させ、可動体を振動（往復動）させることができる単巻型リニア振動アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニア振動アクチュエータは、励磁コイル（電磁石）によって、磁性体でできた可動体に直線的な振動を与えるアクチュエータであり、エアーコンプレッサ等に用いられている。従来、可動体には軟鉄等の磁性体のロッドが用いられているが、励磁コイルの吸引力を利用し、その可動体を引き込む作用しか持たないために、可動体に機械的なバネを取り付け、バネの固有振動数に併せて励磁コイルを通電させることで、可動体を振動させる方法などが採用されていた（図５参照）。
【０００３】
しかし、上記構成のリニア振動アクチュエータは、
ａ）振動周波数がバネの固有振動数に限定されてしまうため、一定周波数での駆動に限られてしまい、可変周波数での振動が不可能である。
ｂ）バネの復元力を利用するので出力が低い。
等の問題があった。
この問題に対しての解決方法として、励磁コイルを２組用いることで、可変周波数での振動を可能にする方法が提案されてきたが、装置が大型化する、駆動回路が複雑になるといった問題が新たに生じることになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、可動体に永久磁石を組み込むことで、一組の励磁コイルのみにより可動体を振動させる単巻型のリニア振動アクチュエータを提供し、上記問題点を解決せんとするものである。
【０００５】
本発明では、可動体として、軸の両側にＮ極（またはＳ極）が向かいあうように高性能永久磁石を組み込んだものを用いる。この可動体では、磁極が軸方向にＮ−Ｓ−Ｎ（またはＳ−Ｎ−Ｓ）と並んでおり、励磁コイルに通電して固定子側のコアに生じる磁極が、可動体のそれぞれの磁極との間に吸引力や斥力（反発力）を発生し、可動体が移動する。励磁コイルに通電する向きを変えることで、固定子側の励磁コイルに生じる磁極が反転し、磁極との間に発生する吸引力や斥力（反発力）が逆転する。このように励磁コイルに通電する向きを変えることにより可動体の運動の向きが変わり、可動体を振動させることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
コア１と同コアに巻かれた励磁コイル２とからなる固定子１０と、前記固定子１０に対向して配置された可動体２０とを備え、前記可動体は、軸方向に着磁された永久磁石２１と、この磁石を保持するインダクタ２２とから構成され、前記永久磁石２１は磁極がＮ−Ｓ−ＮまたはＳ−Ｎ−Ｓの３極構造となるようにインダクタに挟みこまれて取り付けられており、さらに前記永久磁石の磁極は可動体の中心に対して軸方向に対称に配置されているとともに前記可動体は、永久磁石の外径がインダクタの外径よりも小さく形成され、インダクタにエッジを形成したことを特徴とする単巻型リニア振動アクチュエータである。
また、前記可動体は、永久磁石の外径がインダクタの外径よりも小さく形成され、インダクタにエッジを形成するとともに可動体の中央部インダクタの軸方向中心部に鈍角のエッジを形成したことを特徴とする単巻型リニア振動アクチュエータである。
また、前記可動体は、非磁性体からなるカバーを備え、該カバーが固定子側との間の軸受けを構成していることを特徴とする単巻型リニア振動アクチュエータである。
また、前記可動体は、中心部にシャフトを備え、該シャフトが軸支持されていることを特徴とする単巻型リニア振動アクチュエータである。
【０００７】
【実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係わる単巻型リニア振動アクチュエータの概念構成図である。
【０００８】
図において、１はコア、２はコア１に巻かれた励磁コイルであり、これらによってアクチュエータの固定子１０が構成されている。
また可動体２０は、軸方向に着磁された永久磁石２１と、この磁石を保持する磁性体からなるインダクタ２２と、さらに前記永久磁石２１、インダクタ２２とを被覆し、かつ、固定子１０との摺動部の軸受け機能を有する摩擦抵抗の少ない非磁性体材料からなる軸受け機能を有するカバー２３とで構成されており、本実施形態では、図示の如く、磁極がＮ−Ｓ−Ｎ（３極構造）となるように永久磁石２１がインダクタ２２に挟みこまれて取り付けられている。
【０００９】
前記磁極は可動体２０の中心に対して軸方向に対称に配置されており、こうすることで左右両方向に同一の推力を発生させることができ、また単巻線の励磁コイル２に流す電流の方向を変えるだけで、可動体２０を往復動させることができる。なお上記永久磁石２１としてはアクチュエータの吸引力、斥力を大きくするためにできるだけ磁力の強い高性能永久磁石を使用することが望まれる。また、前記カバー２３は他の適当な軸受け手段があれば省略することもできる。
【００１０】
上記構成からなる単巻型リニア振動アクチュエータでは、図示の固定子１０の励磁コイル２に紙面裏から表向きに電流を流すことで、右ネジの法則により固定子１０のコア１の左側磁極にＮ極、右側磁極にＳ極が発生する。コア１に発生したＮ極、Ｓ極の磁極と、可動体２０の左右に配置した永久磁石２１のＮ極、Ｓ極の磁極との間で図示のような左方に向けての吸引力（斥力）が発生し、固定子１０端面によって軸受け支持されている可動体２０が左方に移動する。
【００１１】
また固定子１０の励磁コイル２に通電する電流の向きを逆にすると、こんどは、固定子１０のコア１の磁極に図とは逆にＳ極、Ｎ極が発生し、このＳ極、Ｎ極の磁極と、可動体２０の左右に配置した永久磁石のＮ極、Ｓ極の磁極との間で図中右方に移動する吸引力（斥力）が発生し、可動体２０を右方に移動する。
こうして固定子１０に通電する電流の向きを切換えることで可動体２０を左右に振動させることができ、この可動体２０の動きをアクチュエータとして利用することができる。
【００１２】
上記の如く本発明に係わる単巻型リニア振動アクチュエータは、固定子１０に可変周波数の電流を流すことで、振動周波数を容易に制御することができ、エアコンプレッサの他に、可振動機や人工呼吸器、人工心臓用血液ポンプなどに多用途のアクチュエータとして利用することができる。
【００１３】
ところで、本発明者らは、上記単巻型リニア振動アクチュエータにおいて安定した大きな推力を得るために、さらに研究を進めた結果、可動体２０と固定子１０との間で発生する吸引力（斥力）は図１中の固定子１０の磁極のエッジａ、ｂと可動体２０インダクタ２２のエッジｃ、ｄの形成の仕方によりその力が左右されることを確認した。即ち、各エッジが明確に形成されていない場合には磁力が分散し力が弱くなるが、各エッジを明確に形成すると磁力はエッジ同士間（図中ａ、ｃ間およびｂ、ｄの間）に集中し吸引力（斥力）が強くなる。以下の実施形態はこの知見に基づいてなされたものである。
【００１４】
各実施形態を説明すると、
図２は、可動体２０のエッジｃ、ｄを鋭角にするために、可動体２０の永久磁石の径をインダクタ２２の径よりも小さくし、インダクタ２２のエッジｃ、ｄを形成したものであり、さらに可動体２０の移動を滑らかにするために、可動体２０の中心部にガイド２６を介してシャフト２４を設け、このシャフト２４を軸受２５により軸支持するようにしたものである。この結果、可動体２０のエッジと固定子１０のエッジとの間に磁力が集中するとともに、可動体２０移動時の抵抗を少なくでき推力の向上を図ることができた。
【００１５】
また、図３は、さらに安定した推力を得るために可動体２０の永久磁石２１の径をインダクタ２２の径よりも小さくしてインダクタ側のエッジｃ、ｄを鋭角に形成するとともに、インダクタ２２の軸方向中央部に図示の如く鈍角のエッジｅを形成し、さらに可動体２０の移動を滑らかにするために、可動体２０の中心部にガイド２６を介してシャフト２４を設け、このシャフトを図２の場合と同様に軸受により軸支持するようにしたものである。この結果、固定子１０、可動体２０の鋭角のエッジ同士、および固定子１０の鋭角のエッジと可動体２０の鈍角のエッジ同士の間に磁力が集中し、さらに可動体２０移動時の抵抗も少なくなるため推力の向上を図ることができた。特に、鈍角のエッジのないものに比較して可動体２０の移動終点においても安定した推力を得ることができた。
【００１６】
図４に、図３に示した単巻型リニア振動アクチュエータの制御特性を示す。
図４は同アクチュエータの周波数応答特性を測定したもので、周波数応答特性は、位置指令として正弦波を与えた場合の変位応答を測定し、ゲイン特性および位相特性とて求めた。今回の測定では、ストローク６ｍｍに相当する振幅の正弦波を位置指令として与えた。図４（ａ）はゲイン特性、（ｂ）は位相特性を示しており、この結果から、数十〔Ｈｚ〕までの応答性が良くなり、改良前に比べて駆動動作が滑らかになったことを確認できた。
【００１７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態を実施することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、
アクチュエータの可動体として、軸の両側にＮ極（またはＳ極）が向かいあうように高性能永久磁石を組み込んだものを用い、励磁コイルに通電する向きを変えることで、固定子の励磁コイルに生じる磁極の反転を利用して可動体を往復動させることができるようにしたため、構成が簡単な単巻型リニア振動アクチュエータを得ることができる。
また、従来のリニア振動アクチュエータが必要としていたバネが不要になるため可変周波数での振動が可能となるとともにバネを使用しないため出力を大きくすることが可能となる。さに励磁コイルが１組だけであるので装置の小型化が可能となり、さらに駆動回路も簡略化できる、可動体側にエッジを形成することで安定した大きな推力を得ることができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる単巻型リニア振動アクチュエータの構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係わる単巻型リニア振動アクチュエータの構成図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態に係わる単巻型リニア振動アクチュエータの構成図である。
【図４】図３に示す単巻型リニア振動アクチュエータの制御特性を示す図であり、（ａ）はゲイン特性、（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図５】従来のリニア振動アクチュエータの構成図である。
【符号の説明】
１コア
２励磁コイル
１０固定子
２０可動体
２１永久磁石
２２インダクタ
２３カバー
２４シャフト
２５軸受
２６ガイド
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅエッジ

Claims

コア１と同コアに巻かれた励磁コイル２とからなる固定子１０と、前記固定子１０に対向して配置された可動体２０とを備え、前記可動体は、軸方向に着磁された永久磁石２１と、この磁石を保持するインダクタ２２とから構成され、前記永久磁石２１は磁極がＮ−Ｓ−ＮまたはＳ−Ｎ−Ｓの３極構造となるようにインダクタに挟みこまれて取り付けられており、さらに前記永久磁石の磁極は可動体の中心に対して軸方向に対称に配置されているとともに前記可動体は、永久磁石の外径がインダクタの外径よりも小さく形成され、インダクタにエッジを形成したことを特徴とする単巻型リニア振動アクチュエータ。
前記可動体は、永久磁石の外径がインダクタの外径よりも小さく形成され、インダクタにエッジを形成するとともに可動体の中央部インダクタの軸方向中心部に鈍角のエッジを形成したことを特徴とする請求項１に記載の単巻型リニア振動アクチュエータ。
前記可動体は、非磁性体からなるカバーを備え、該カバーが固定子側との間の軸受けを構成していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単巻型リニア振動アクチュエータ。
前記可動体は、中心部にシャフトを備え、該シャフトが軸支持されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の単巻型リニア振動アクチュエータ。