JP4258872B2 - 揺動式アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品のマウント装置や測定用プローブなどに使用される揺動式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、揺動式アクチュエータは固定子と可動子とからなり、例えば固定子は磁石で、可動子はコイルを有する揺動自在なアームで構成されている。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し、可動子は支軸を中心にして所定方向へ回転する。また、コイルに逆方向の電流を流すと、逆向きの推力が発生し、回転方向も逆になる。このようにして、コイルに流す電流の向きを制御することにより、可動子を任意の方向へ揺動させることができる。そして、可動子を軽量にし、電流を適切に制御することで、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】
揺動式アクチュエータを電子部品の実装工程や測定検査工程などのアクチュエータとして使用した場合、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。このように可動子が設計者の意図しないところで停止すると、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、前記のような課題を解決するとともに、所定ストローク範囲内で外部に対する荷重をほぼ一定にすることができる揺動式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、支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータを提供する。
また、請求項２に記載の発明は、支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータを提供する。
【０００７】
本発明の特徴の１つは、可動子に働く推力に対向して付勢手段を設けた点にある。しかし、アクチュエータを作動させて可動子の回転位置が変わると、付勢手段の反力も変位量に応じて変化するので、アクチュエータの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、可動子に働く推力を付勢手段の反力特性とほぼ均衡する特性で変化させることで、外部に作用する荷重（推力と反力との差）がほぼ一定の範囲、すなわち定荷重ストローク範囲を得ている。なお、定荷重ストローク範囲は、可動子の全ストロークであってもよいし、その一部であってもよい。
【０００８】
付勢手段としては、例えばスプリングを用いることができる。線形のバネ特性を有するスプリングを使用した場合には、可動子に働く推力が変位に伴ってバネ定数と同等の比例定数で変化するように、例えばコイルの巻数，電流値，磁石の磁束密度などを設定すればよい。
【０００９】
外部に作用する荷重がほぼ一定なストローク範囲を決定する方法として、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としてもよい。この場合には、可動子が動くにつれて、コイルに作用する推力を比例的に増大させることができるので、この推力と付勢手段の反力との差を容易に一定にすることができる。
【００１０】
永久磁石の場合、その磁束分布は必ずしも一定ではなく、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、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一定磁束範囲内に配置された範囲としている。つまり、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１では、第１，第２のコイル部と、これらコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、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のコイル部が第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のコイル部は第２の磁石に対して推力の発生しない範囲を移動し、第１のコイル部が第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のコイル部が第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２では、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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明にかかる揺動式アクチュエータの第１実施例を示す。
この揺動式アクチュエータは、支軸１ａを中心として水平方向に揺動自在なアーム１と、アーム１の一端部側の上下に配置された永久磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとを備えている。アーム１は非磁性体で形成され、アーム１の一端部には揺動面上に巻回されたコイル４が設けられている。アーム１は付勢手段５によって推力方向と逆方向に付勢されている。この実施例では、付勢手段５として圧縮ばねを用いたが、引張ばねあるいは捩りばねを用いてもよく、さらには弾性ゴムを用いてもよい。アーム１の他端部には、チップ部品のマウント部や測定用プローブなどに用いられる操作部１ｂが設けられている。
【００１５】
磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂは、コイル４を間にしてそれぞれ異極を対向させたものであり、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの磁束がコイル４に対して直交方向に作用している。磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの外側面はヨーク６，７によって連結され、図２に矢印Ｘで示すように磁気回路を構成している。周回コイル４の断面であるコイル部４ａ，４ｂのうち、一方のコイル部４ａには紙面の裏から表に向かって電流が流され、コイル部４ｂには紙面の表から裏に向かって電流が流される。そして、磁石２ａ，２ｂと３ａ，３ｂの磁極の向きは互いに逆向きとなっているので、両方のコイル部４ａ，４ｂには同一方向の推力Ｆ1 が働くようになっている。この推力Ｆ1 は付勢手段５のばね力Ｆ2 の方向と相反している。前記磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとヨーク６，７は固定子Ａを構成し、アーム１とコイル４は可動子Ｂを構成している。
【００１６】
図２の実線はアーム１が可動ストローク範囲の一端側に位置した状態を示す。
この時、コイル部４ａの外側端ｅは、磁石２ａ，２ｂの外側端ｆより距離Ｌ1 だけ外側にある。ただし、距離Ｌ1 は定荷重ストローク範囲ＳC 以上の長さ（望ましくは、定荷重ストローク範囲ＳC とほぼ等しくするのがよい）である。また、コイル部４ａの内側端ｇは、磁石２ａ，２ｂの内側端ｈとほぼ同一位置にある。
【００１７】
図２では、コイル部４ａ，４ｂの揺動方向（ストローク方向）の幅寸法Ｗｃを磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの揺動方向の幅寸法Ｗｍより小さくしたが、両者の幅寸法Ｗｃ，Ｗｍを等しくしてもよい。外部に作用する荷重が一定のストローク範囲ＳC をできるだけ広くするには、Ｗｃ≦Ｗｍとし、かつＷｃおよびＷｍを共に長くすればよい。
コイル部４ｂと磁石３ａ，３ｂの関係も、コイル部４ａと磁石２ａ，２ｂとの関係と同様である。つまり、コイル部４ａ，４ｂの間隔Ｄｃと、磁石２ａ，２ｂと３ａ，３ｂの間隔Ｄｍとは等しい。
【００１８】
図３は磁石２ａ，２ｂ間の磁束分布と、一方のコイル部４ａに作用する推力変化と、ばね力との関係を示す。なお、他方のコイル部４ｂと磁石３ａ，３ｂとの間にも同様な関係が成立するので、ここでは省略する。
図３に示すように、磁石２ａ，２ｂの磁束分布は、磁石の両端部に不均一な分布部分を持ち、その中間部には均一な分布部分を持つ。コイル４に所定の向きに（コイル部４ａには紙面の裏から表に向かって）電流を流すと、磁石２ａ，２ｂ間に働く磁束によって、コイル部４ａには図３の下方への推力Ｆ1 が発生する。コイル部４ａに作用する推力Ｆ1 は、図３に示すように、コイル部４ａの内側端ｇが磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲内にあって、かつコイル部４ａの外側端ｅが磁石２ａ，２ｂの磁束範囲外にある間、コイル部４ａの移動に伴ってほぼ直線的に変化する。これが線形範囲となる。線形範囲内における推力Ｆ1 は次式で表される。
Ｆ1 ＝ＢＩＬ＝ａｘ＋ｂ
（但し、Ｂ：磁束密度、Ｉ：コイルの電流、Ｌ：コイルの導体長、ａ，ｂ：定数，ｘ：変位量）
なお、実際の推力Ｆ1 は、コイル部４ｂに作用する推力も加算されるので、コイル部４ａに作用する推力の２倍となる。
一方、付勢手段５からアーム１に作用するばね力Ｆ2 は次式で表される。
Ｆ2 ＝ｋｘ
（但し、ｋ：ばね定数，ｘ：変位量）
推力の傾きａと付勢手段５のばね力の傾きｋとをほぼ一致させることで、推力Ｆ1 とばね力Ｆ2 との差で与えられる外部に作用する荷重Ｆをほぼ一定にできる。Ｆ＝Ｆ1 −Ｆ2 ≒ｂ（一定）
【００１９】
前記のように、コイル部４ａに作用する推力の比例勾配ａを、付勢手段５のばね定数ｋとほぼ等しくすることで、コイル部４ａの内側端ｇが一定磁束範囲を揺動し、かつコイル部４ａの外側端ｅが磁束の範囲外を揺動する間（定荷重ストローク範囲Ｓｃ）、外部に対する荷重Ｆが一定となる。
なお、比例勾配ａは、コイルの巻数，電流値，磁石の磁束密度，コイルと磁石との距離などを設定することで、調整可能である。
【００２０】
図４，図５は揺動式アクチュエータの第２実施例を示す。
アーム１の一端部には、コイル４がその巻回軸を支軸１ａに対して直交するように設けられており、コイル４と対面するように、２個の磁石２，３が配置されている。これら磁石２，３のコイル４との対向面（内側面）には、互いに異なる磁極が着磁されている。磁石２，３の外側面は、ヨーク８によって連結されている。したがって、矢印Ｘで示すように磁石２〜ヨーク８〜磁石３〜磁石２へと周回する磁気回路が発生し、磁束がコイル４ａ，４ｂに対して直交方向に作用する。
【００２１】
この実施例の場合も、コイル部４ａ，４ｂの一端面（図５の上端面）が磁石２，３の磁束の範囲外を揺動し、コイル部４ａ，４ｂの他端面（図５の下端面）が磁石２，３の一定磁束範囲を揺動する間、外部に対する荷重が一定、つまり定荷重ストローク範囲となる。
【００２２】
図６，図７は揺動式アクチュエータの第３実施例を示す。
アーム１の一端部には、コイル４がその巻回軸を支軸１ａを中心とする円周方向に向けて取り付けられており、コイル４の外径部４ｂは内径部４ａに比べて長い。コイル４に対し半径方向に対面するように、２個の円弧状の磁石２，３が配置されている。磁石２，３は支軸１ａを中心とする中心角が同一の範囲に固定されており、半径方向外側の磁石３は、内側の磁石２に比べて長い。ヨーク８には３本の脚８ａ〜８ｃが支軸１ａを中心とする円周方向に突設されており、中央の脚８ｂはコイル４の中心穴に移動自在に挿通されている。磁石２はヨーク８の内側の脚８ａの外側面に取り付けられ，磁石３はヨーク８の外側の脚８ｃの内側面に取り付けられている。磁石２，３のコイル４との対向面には、互いに同極が着磁されている。そのため、図６に矢印Ｘで示すように磁石２，３〜中央の脚８ｂ〜両側の脚８ａ，８ｃ〜磁石２，３へと至る磁気回路が生じ、磁石２，３の磁束がコイル部４ａ，４ｂに対して直交方向に作用する。
【００２３】
図６のように、コイル部４ａ，４ｂの一端面（図６の上端面）が磁石２，３の磁束の範囲外を揺動し、コイル部４ａ，４ｂの他端面（図６の下端面）が磁石２，３の一定磁束範囲を揺動する間、外部に対する荷重が一定、つまり定荷重ストローク範囲となる。
【００２４】
図８は揺動式アクチュエータの第４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１，図２参照）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、磁石２ａ，２ｂの大きさと、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとコイル部４ａ，４ｂとの位置関係である。
すなわち、一方の磁石２ａ，２ｂのストローク方向の長さＷｍ2 は第１実施例に比べて長く形成され、具体的にはＷｍ2 ≧２Ｗｃに設定されている。そして、一方のコイル部４ａの一端（図８の上端）が磁石２ａ，２ｂの一端（図８の上端）と同一位置にあるとき、コイル部４ｂの他端（図８の下端）が磁石３ａ，３ｂの一端（図８の上端）と同一位置になるように、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとコイル部４ａ，４ｂとの位置関係が設定されている。
【００２５】
次に、前記揺動式アクチュエータの動作を図９，図１０にしたがって説明する。コイル部４ａの中心点が図９のＡ〜Ｂ点の間を移動する間、コイル部４ａの上端が磁石２ａ，２ｂの磁束範囲外で、かつコイル部４ａの下端が磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲内にあるので、コイル部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、コイル部４ｂの両端が磁石３ａ，３ｂの磁束の範囲外にあるので、コイル部４ｂには推力が発生しない。その結果、図１０にＡ〜Ｂ点で示すように、アーム１には一定勾配で上昇する推力Ｆ3 が発生する。
次に、コイル部４ａの中心点が図９のＢ〜Ｃ点を移動する間、コイル部４ａの上端は磁石２ａ，２ｂ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、コイル部４ｂの下端が磁石３ａ，３ｂの磁束の不均一範囲を移動するので、コイル部４ｂには若干の推力が発生する。その結果、アーム１に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 はゆるやかに上昇する。
次に、コイル部４ａの中心点が図９のＣ〜Ｄ点の間を移動する間、コイル部４ａの両端が磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲を移動するので、推力Ｆ3 は一定している。これに対し、コイル部４ｂの下端が磁石３ａ，３ｂの一定磁束範囲内にあり、上端が磁石３ａ，３ｂの磁束範囲外にあるので、コイル部４ｂには一定勾配で変化する推力Ｆ4 が発生する。その結果、アーム１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、コイル部４ａ，４ｂがＡ〜Ｂ点およびＣ〜Ｄ点を移動する間、アーム１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Ｆ3 ＋Ｆ4 の勾配と付勢手段５（図１参照）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。
【００２６】
本発明は前記実施例に限定されるものではない。
例えば、第１実施例では、４個の永久磁石を使用したが、ヨークの磁極面をコイルに対して対向させることで、２個の永久磁石で構成することも可能である。同様に、第２実施例では２個の永久磁石を用いたが、ヨークを用いることで１個の永久磁石で構成することも可能である。
さらに、ヨークを省略し、磁石のみで構成することも可能である。
付勢手段として、線形ばねを用いたが、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。
さらに、前記実施例では、磁石とヨークとを固定子に設け、コイルを可動子に設けたが、これとは逆に、磁石とヨークとを可動子に設け、コイルを固定子に設けてもよい。
【００２７】
【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付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、可動子に働く推力特性と付勢手段の反力特性とがほぼ均衡するように構成したので、所定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、付勢手段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、付勢手段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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第１実施例の平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の揺動式アクチュエータの磁束分布および力の作用図である。
【図４】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第２実施例の斜視図である。
【図５】図４の一部の平面図である。
【図６】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第３実施例の平面図である。
【図７】図６の一部の正面図である。
【図８】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第４実施例の断面図である。
【図９】図８の揺動式アクチュエータの作動説明図である。
【図１０】図８の揺動式アクチュエータの推力特性図である。
【符号の説明】
Ａ 固定子
Ｂ 可動子
１ アーム
１ａ 支軸
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，２，３ 磁石
４ コイル
５ 付勢手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品のマウント装置や測定用プローブなどに使用される揺動式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、揺動式アクチュエータは固定子と可動子とからなり、例えば固定子は磁石で、可動子はコイルを有する揺動自在なアームで構成されている。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し、可動子は支軸を中心にして所定方向へ回転する。また、コイルに逆方向の電流を流すと、逆向きの推力が発生し、回転方向も逆になる。このようにして、コイルに流す電流の向きを制御することにより、可動子を任意の方向へ揺動させることができる。そして、可動子を軽量にし、電流を適切に制御することで、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】
揺動式アクチュエータを電子部品の実装工程や測定検査工程などのアクチュエータとして使用した場合、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。このように可動子が設計者の意図しないところで停止すると、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、前記のような課題を解決するとともに、所定ストローク範囲内で外部に対する荷重をほぼ一定にすることができる揺動式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、支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータを提供する。
また、請求項２に記載の発明は、支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータを提供する。
【０００７】
本発明の特徴の１つは、可動子に働く推力に対向して付勢手段を設けた点にある。しかし、アクチュエータを作動させて可動子の回転位置が変わると、付勢手段の反力も変位量に応じて変化するので、アクチュエータの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、可動子に働く推力を付勢手段の反力特性とほぼ均衡する特性で変化させることで、外部に作用する荷重（推力と反力との差）がほぼ一定の範囲、すなわち定荷重ストローク範囲を得ている。なお、定荷重ストローク範囲は、可動子の全ストロークであってもよいし、その一部であってもよい。
【０００８】
付勢手段としては、例えばスプリングを用いることができる。線形のバネ特性を有するスプリングを使用した場合には、可動子に働く推力が変位に伴ってバネ定数と同等の比例定数で変化するように、例えばコイルの巻数，電流値，磁石の磁束密度などを設定すればよい。
【０００９】
外部に作用する荷重がほぼ一定なストローク範囲を決定する方法として、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としてもよい。この場合には、可動子が動くにつれて、コイルに作用する推力を比例的に増大させることができるので、この推力と付勢手段の反力との差を容易に一定にすることができる。
【００１０】
永久磁石の場合、その磁束分布は必ずしも一定ではなく、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、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一定磁束範囲内に配置された範囲としている。つまり、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１では、第１，第２のコイル部と、これらコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、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のコイル部が第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のコイル部は第２の磁石に対して推力の発生しない範囲を移動し、第１のコイル部が第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のコイル部が第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２では、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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明にかかる揺動式アクチュエータの第１実施例を示す。
この揺動式アクチュエータは、支軸１ａを中心として水平方向に揺動自在なアーム１と、アーム１の一端部側の上下に配置された永久磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとを備えている。アーム１は非磁性体で形成され、アーム１の一端部には揺動面上に巻回されたコイル４が設けられている。アーム１は付勢手段５によって推力方向と逆方向に付勢されている。この実施例では、付勢手段５として圧縮ばねを用いたが、引張ばねあるいは捩りばねを用いてもよく、さらには弾性ゴムを用いてもよい。アーム１の他端部には、チップ部品のマウント部や測定用プローブなどに用いられる操作部１ｂが設けられている。
【００１５】
磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂは、コイル４を間にしてそれぞれ異極を対向させたものであり、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの磁束がコイル４に対して直交方向に作用している。磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの外側面はヨーク６，７によって連結され、図２に矢印Ｘで示すように磁気回路を構成している。周回コイル４の断面であるコイル部４ａ，４ｂのうち、一方のコイル部４ａには紙面の裏から表に向かって電流が流され、コイル部４ｂには紙面の表から裏に向かって電流が流される。そして、磁石２ａ，２ｂと３ａ，３ｂの磁極の向きは互いに逆向きとなっているので、両方のコイル部４ａ，４ｂには同一方向の推力Ｆ1 が働くようになっている。この推力Ｆ1 は付勢手段５のばね力Ｆ2 の方向と相反している。前記磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとヨーク６，７は固定子Ａを構成し、アーム１とコイル４は可動子Ｂを構成している。
【００１６】
図２の実線はアーム１が可動ストローク範囲の一端側に位置した状態を示す。
この時、コイル部４ａの外側端ｅは、磁石２ａ，２ｂの外側端ｆより距離Ｌ1 だけ外側にある。ただし、距離Ｌ1 は定荷重ストローク範囲ＳC 以上の長さ（望ましくは、定荷重ストローク範囲ＳC とほぼ等しくするのがよい）である。また、コイル部４ａの内側端ｇは、磁石２ａ，２ｂの内側端ｈとほぼ同一位置にある。
【００１７】
図２では、コイル部４ａ，４ｂの揺動方向（ストローク方向）の幅寸法Ｗｃを磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂの揺動方向の幅寸法Ｗｍより小さくしたが、両者の幅寸法Ｗｃ，Ｗｍを等しくしてもよい。外部に作用する荷重が一定のストローク範囲ＳC をできるだけ広くするには、Ｗｃ≦Ｗｍとし、かつＷｃおよびＷｍを共に長くすればよい。
コイル部４ｂと磁石３ａ，３ｂの関係も、コイル部４ａと磁石２ａ，２ｂとの関係と同様である。つまり、コイル部４ａ，４ｂの間隔Ｄｃと、磁石２ａ，２ｂと３ａ，３ｂの間隔Ｄｍとは等しい。
【００１８】
図３は磁石２ａ，２ｂ間の磁束分布と、一方のコイル部４ａに作用する推力変化と、ばね力との関係を示す。なお、他方のコイル部４ｂと磁石３ａ，３ｂとの間にも同様な関係が成立するので、ここでは省略する。
図３に示すように、磁石２ａ，２ｂの磁束分布は、磁石の両端部に不均一な分布部分を持ち、その中間部には均一な分布部分を持つ。コイル４に所定の向きに（コイル部４ａには紙面の裏から表に向かって）電流を流すと、磁石２ａ，２ｂ間に働く磁束によって、コイル部４ａには図３の下方への推力Ｆ1 が発生する。コイル部４ａに作用する推力Ｆ1 は、図３に示すように、コイル部４ａの内側端ｇが磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲内にあって、かつコイル部４ａの外側端ｅが磁石２ａ，２ｂの磁束範囲外にある間、コイル部４ａの移動に伴ってほぼ直線的に変化する。これが線形範囲となる。線形範囲内における推力Ｆ1 は次式で表される。
Ｆ1 ＝ＢＩＬ＝ａｘ＋ｂ
（但し、Ｂ：磁束密度、Ｉ：コイルの電流、Ｌ：コイルの導体長、ａ，ｂ：定数，ｘ：変位量）
なお、実際の推力Ｆ1 は、コイル部４ｂに作用する推力も加算されるので、コイル部４ａに作用する推力の２倍となる。
一方、付勢手段５からアーム１に作用するばね力Ｆ2 は次式で表される。
Ｆ2 ＝ｋｘ
（但し、ｋ：ばね定数，ｘ：変位量）
推力の傾きａと付勢手段５のばね力の傾きｋとをほぼ一致させることで、推力Ｆ1 とばね力Ｆ2 との差で与えられる外部に作用する荷重Ｆをほぼ一定にできる。Ｆ＝Ｆ1 −Ｆ2 ≒ｂ（一定）
【００１９】
前記のように、コイル部４ａに作用する推力の比例勾配ａを、付勢手段５のばね定数ｋとほぼ等しくすることで、コイル部４ａの内側端ｇが一定磁束範囲を揺動し、かつコイル部４ａの外側端ｅが磁束の範囲外を揺動する間（定荷重ストローク範囲Ｓｃ）、外部に対する荷重Ｆが一定となる。
なお、比例勾配ａは、コイルの巻数，電流値，磁石の磁束密度，コイルと磁石との距離などを設定することで、調整可能である。
【００２０】
図４，図５は揺動式アクチュエータの第２実施例を示す。
アーム１の一端部には、コイル４がその巻回軸を支軸１ａに対して直交するように設けられており、コイル４と対面するように、２個の磁石２，３が配置されている。これら磁石２，３のコイル４との対向面（内側面）には、互いに異なる磁極が着磁されている。磁石２，３の外側面は、ヨーク８によって連結されている。したがって、矢印Ｘで示すように磁石２〜ヨーク８〜磁石３〜磁石２へと周回する磁気回路が発生し、磁束がコイル４ａ，４ｂに対して直交方向に作用する。
【００２１】
この実施例の場合も、コイル部４ａ，４ｂの一端面（図５の上端面）が磁石２，３の磁束の範囲外を揺動し、コイル部４ａ，４ｂの他端面（図５の下端面）が磁石２，３の一定磁束範囲を揺動する間、外部に対する荷重が一定、つまり定荷重ストローク範囲となる。
【００２２】
図６，図７は揺動式アクチュエータの第３実施例を示す。
アーム１の一端部には、コイル４がその巻回軸を支軸１ａを中心とする円周方向に向けて取り付けられており、コイル４の外径部４ｂは内径部４ａに比べて長い。コイル４に対し半径方向に対面するように、２個の円弧状の磁石２，３が配置されている。磁石２，３は支軸１ａを中心とする中心角が同一の範囲に固定されており、半径方向外側の磁石３は、内側の磁石２に比べて長い。ヨーク８には３本の脚８ａ〜８ｃが支軸１ａを中心とする円周方向に突設されており、中央の脚８ｂはコイル４の中心穴に移動自在に挿通されている。磁石２はヨーク８の内側の脚８ａの外側面に取り付けられ，磁石３はヨーク８の外側の脚８ｃの内側面に取り付けられている。磁石２，３のコイル４との対向面には、互いに同極が着磁されている。そのため、図６に矢印Ｘで示すように磁石２，３〜中央の脚８ｂ〜両側の脚８ａ，８ｃ〜磁石２，３へと至る磁気回路が生じ、磁石２，３の磁束がコイル部４ａ，４ｂに対して直交方向に作用する。
【００２３】
図６のように、コイル部４ａ，４ｂの一端面（図６の上端面）が磁石２，３の磁束の範囲外を揺動し、コイル部４ａ，４ｂの他端面（図６の下端面）が磁石２，３の一定磁束範囲を揺動する間、外部に対する荷重が一定、つまり定荷重ストローク範囲となる。
【００２４】
図８は揺動式アクチュエータの第４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１，図２参照）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、磁石２ａ，２ｂの大きさと、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとコイル部４ａ，４ｂとの位置関係である。
すなわち、一方の磁石２ａ，２ｂのストローク方向の長さＷｍ2 は第１実施例に比べて長く形成され、具体的にはＷｍ2 ≧２Ｗｃに設定されている。そして、一方のコイル部４ａの一端（図８の上端）が磁石２ａ，２ｂの一端（図８の上端）と同一位置にあるとき、コイル部４ｂの他端（図８の下端）が磁石３ａ，３ｂの一端（図８の上端）と同一位置になるように、磁石２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとコイル部４ａ，４ｂとの位置関係が設定されている。
【００２５】
次に、前記揺動式アクチュエータの動作を図９，図１０にしたがって説明する。コイル部４ａの中心点が図９のＡ〜Ｂ点の間を移動する間、コイル部４ａの上端が磁石２ａ，２ｂの磁束範囲外で、かつコイル部４ａの下端が磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲内にあるので、コイル部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、コイル部４ｂの両端が磁石３ａ，３ｂの磁束の範囲外にあるので、コイル部４ｂには推力が発生しない。その結果、図１０にＡ〜Ｂ点で示すように、アーム１には一定勾配で上昇する推力Ｆ3 が発生する。
次に、コイル部４ａの中心点が図９のＢ〜Ｃ点を移動する間、コイル部４ａの上端は磁石２ａ，２ｂ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、コイル部４ｂの下端が磁石３ａ，３ｂの磁束の不均一範囲を移動するので、コイル部４ｂには若干の推力が発生する。その結果、アーム１に作用する推力Ｆ3 ＋Ｆ4 はゆるやかに上昇する。
次に、コイル部４ａの中心点が図９のＣ〜Ｄ点の間を移動する間、コイル部４ａの両端が磁石２ａ，２ｂの一定磁束範囲を移動するので、推力Ｆ3 は一定している。これに対し、コイル部４ｂの下端が磁石３ａ，３ｂの一定磁束範囲内にあり、上端が磁石３ａ，３ｂの磁束範囲外にあるので、コイル部４ｂには一定勾配で変化する推力Ｆ4 が発生する。その結果、アーム１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、コイル部４ａ，４ｂがＡ〜Ｂ点およびＣ〜Ｄ点を移動する間、アーム１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Ｆ3 ＋Ｆ4 の勾配と付勢手段５（図１参照）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。
【００２６】
本発明は前記実施例に限定されるものではない。
例えば、第１実施例では、４個の永久磁石を使用したが、ヨークの磁極面をコイルに対して対向させることで、２個の永久磁石で構成することも可能である。同様に、第２実施例では２個の永久磁石を用いたが、ヨークを用いることで１個の永久磁石で構成することも可能である。
さらに、ヨークを省略し、磁石のみで構成することも可能である。
付勢手段として、線形ばねを用いたが、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。
さらに、前記実施例では、磁石とヨークとを固定子に設け、コイルを可動子に設けたが、これとは逆に、磁石とヨークとを可動子に設け、コイルを固定子に設けてもよい。
【００２７】
【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付勢手段を設け、可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、可動子に働く推力特性と付勢手段の反力特性とがほぼ均衡するように構成したので、所定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、付勢手段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、付勢手段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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第１実施例の平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の揺動式アクチュエータの磁束分布および力の作用図である。
【図４】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第２実施例の斜視図である。
【図５】図４の一部の平面図である。
【図６】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第３実施例の平面図である。
【図７】図６の一部の正面図である。
【図８】本発明にかかる揺動式アクチュエータの第４実施例の断面図である。
【図９】図８の揺動式アクチュエータの作動説明図である。
【図１０】図８の揺動式アクチュエータの推力特性図である。
【符号の説明】
Ａ 固定子
Ｂ 可動子
１ アーム
１ａ 支軸
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，２，３ 磁石
４ コイル
５ 付勢手段
Claims (2)
- 支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、
可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、
前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、
第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータ。 - 支軸を中心として揺動可能に設けられた可動子と、一定位置に配置された固定子とを備え、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た揺動式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反力特性を有する付勢手段を設け、
可動子のストローク範囲内の少なくとも一部において、前記付勢手段の反力特性と可動子に働く推力特性とが均衡するような定荷重ストローク範囲を持つように構成してなり、
前記コイルは第１，第２のコイル部を有し、前記磁石は前記第１，第２のコイル部に対してそれぞれ直交方向の磁束を発生する第１，第２の磁石とで構成され、
第１のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部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のコイル部同士のストローク方向の間隔を設定し、かつ第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揺動式アクチュエータ。
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