JP4572577B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関し、特にその構造の簡素化に関する。

リニアアクチュエータは、バネを併用し共振させることによって少ない損失で駆動できることから、コンプレッサモータ等として利用されている。そして、このリニアアクチュエータを用いたコンプレッサは高効率である等優れた性能を発揮できることから、冷蔵庫や、冷凍庫、あるいはエアコンディショナ用としての利用が期待されている。

リニアアクチュエータには、コイルを含む可動子が動く可動コイル型（例えば、ボイスコイルモータ）や、永久磁石を含む可動子が動く可動磁石型等がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−３３９１４７号公報

リニアアクチュエータを製造するうえで常に課題となるのは、永久磁石が非常に高価な点である。リニアアクチュエータを如何に安価に製造できるかは、永久磁石の数や大きさを如何に減少させることができるかにかかっているといっても過言ではない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石の数を１／２にすることでリニアアクチュエータの製造原価を削減することができ、その上、磁気バネを大きくして推力特性に優れたリニアアクチュエータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、固定子と、少なくとも一部に鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられた可動子と、前記固定子に前記往復動方向に沿って設けられた複数個の第１の永久磁石と、前記固定子に前記往復動方向に沿って設けられた複数個の第２の永久磁石と、前記固定子に設けられたコイルとを備えてなり、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、それぞれが前記鉄部材に対向させる磁極を共に同じくし、前記往復動方向に配置されるリニアアクチュエータであって、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、前記往復動方向から見たとき、前記固定子の前記可動子と対向する側に前記往復動方向に形成され周方向に配置された複数の凸部に一つおきに配置されている。

請求項１に係る発明によれば、使用される永久磁石の数を１／２に減らすことができるので、リニアアクチュエータの製造原価を低減できる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、前記第１の永久磁石及び第２の永久磁石が設けられていない凸部の前記可動子との対向面と、前記第１の永久磁石及び第２の永久磁石の前記可動子との対向面とが面一に形成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、推力特性を高めることができ、磁気バネを大きくすることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記固定子及び前記鉄部材間に、前記鉄部材及び前記第１の永久磁石間の隙間と、前記鉄部材及び前記第２の永久磁石間の隙間より径方向に大きなギャップを設けていることを特徴とする。
請求項３に係る発明によれば、ギャップを設けることで、推力の傾きをなだらかに調整することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、前記可動子は複数の前記鉄部材を前記往復動方向に直列に備えるとともに、これら複数の鉄部材に対応して、複数組の前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とが設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、往復動方向に複数組の磁気回路が形成されるので、往復動方向の推力を鉄部材の数に比例して増大することができる。

この発明に係るリニアアクチュエータによれば、永久磁石の数を１／２に減らしてリニアアクチュエータの製造原価を削減するとともに、磁気バネを大きくして推力特性に優れたリニアアクチュエータを得ることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１〜図６はこの発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す図である。
この実施形態のリニアアクチュエータ１１は、ヨーク（固定子）１２と、このヨーク１２の内側に往復動可能に設けられた可動子１３と、ヨーク１２に固定された二つの永久磁石（第１の永久磁石）１４と、同じヨーク１２に固定された二つの永久磁石（第２の永久磁石）１５と、ヨーク１２に固定された４つのコイル１８とを備えている。

ヨーク１２は、中央に貫通穴２１が形成されることにより全体として円筒形状をなしている。貫通穴２１は、円筒の内周面を所定の間隔をあけて二カ所その軸線に平行に切断した形状をなし円周方向に等間隔で配置される四カ所の円筒面部２２を有している。ここで、円周方向に隣り合う円筒面部２２どうしの間は、半径方向外方に凹む凹部２３とされており、その結果、円周方向に隣り合う凹部２３どうしの間には、円筒面部２２を有する凸部２４が形成されている。ここで、四カ所の円筒面部２２は、同径同長同幅をなしており同軸に配置されている。

なお、ヨーク１２は、図示は略すが、上記四カ所の凹部２３および凸部２４を有する形状に薄板状の鋼板をプレスで打ち抜いて基部材を形成し、この基部材を貫通穴２１の貫通方向に複数、位置を合わせながら積層させつつ接合させた積層鋼板からなっている。
また、このヨーク１２には、可動子１３の内側に延出する形状のバックヨークは設けられていない。

ヨーク１２の各凸部２４には、軸線方向と円周方向とに交互に延在するようにコイル１８が巻き付けられ、各コイル１８はリング状をなしてヨーク１２に固定されている。
二つの永久磁石１４、および二つの永久磁石１５は、すべて円筒を所定の間隔をあけて二カ所その軸線に平行に切断した形状をなす同径同長同幅のネオジウム磁石からなる。そして、二つの永久磁石１４は、四カ所の円筒面部２２のうちの一カ所の円筒面部２２に、可動子１３の往復動方向（図１では手前側のみを図示）に並んで配置され、凸状に湾曲する側面を一方の円筒面部２２に接して固定されている。

また、図５に示すように、二つの永久磁石１５は、四カ所の円筒面部２２のうち、永久磁石１４と向かい合う円筒面部２２に、可動子１３の往復動方向に並んで個々に配置され、凸状に湾曲する面が円筒面部２２に固定されている。すなわち、二つの永久磁石１４、および二つの永久磁石１５は、同軸に対向配置された二カ所の円筒面部２２にそれぞれがヨーク１２の内側に可動子１３の往復動方向に並ぶとともに、対向する位置関係とされる。 それ以外の円筒面部２２には永久磁石１４、１５は配置されず、円筒面部２２の周方向で欠落された状態となっている。
永久磁石１４、１５は、軸線方向に直交する方向に磁極を並べた異方性のもので、可動子１３に対向させる磁極を同じくしている。具体的には、両磁石ともすべてＮ極を可動子１３に向けている。

可動子１３は、中央に貫通穴３１が形成されることにより円筒状をなす鉄部材３２とこの鉄部材３２の軸線方向における一側に設けられた主部３３とを有している。
なお、鉄部材３２の外径が、周方向に配列された永久磁石１４，１５の内径よりも若干小径とされて微小なギャップを隔てている。この可動子１３はヨーク１２の円筒面部２２の内側すなわち永久磁石１４、１５の内径側に、これらと同軸をなすように挿入されることにより、ヨーク１２に対して貫通穴２１の貫通方向に往復動可能に設けられる。ここで、鉄部材３２の軸線方向における長さは、ヨーク１２の貫通穴２１の貫通方向における長さよりも短くされている。

この可動子１３は、主部３３が非磁性材料からなっており、鉄部材３２は積層コアからなっている。可動子１３は、鉄部材３２を入れ子とする合成樹脂のインサート成形により形成されている。

上記のように構成されたリニアアクチュエータ１１においては、四つのコイル１８に電流が流れない状態では、図２に示すように、永久磁石１４側において、ヨーク１２、永久磁石１４、可動子１３の鉄部材３２、永久磁石１４を経てヨーク１２をこの順に結ぶループの磁束が形成される一方、永久磁石１５側において、ヨーク１２、永久磁石１５、可動子１３の鉄部材３２、永久磁石１５を経てヨーク１２をこの順に結ぶループの磁束が形成される結果、可動子１３がヨーク１２内で軸方向の中間部に停止したままの状態となる。

そして、四つのコイル１８に交流電流（正弦波電流、矩形波電流）を同期して流すと、リニアアクチュエータは可動子１３を次のように駆動させる。
まず、図３に示すように、各コイル１８に、可動子１３側から見て時計回りに電流を流すと、各コイル１８の内側の凸部２４に可動子１３の軸方向に直交する向き（図２では可動子１３を中心とする周方向）の起磁力が生じる。この方向に起磁力が生じると、隣り合うコイル１８、１８間には、永久磁石１４によって、ヨーク１２、永久磁石１４、可動子１３、永久磁石１４と隣り合う凸部２４を順に巡る磁束ループ（図３の二点鎖線）が形成される。

次に図４に示すように、各コイル１８に上記のように通電することによって生じるコイル起磁力は、隣り合う凸部２４間に可動子１３の周方向と同じ向き（図４参照）に作用する。この力とは別に、永久磁石１４によって励起された起磁力は、可動子１３の往復動方向の一方（図４の左側）において上記起磁力と同じ方向に作用する。この部分では、上記２つの力が同方向に作用するために磁束密度が高まる。これと同様なことは、永久磁石１５の場合にも同様である。

その一方で、可動子１３の往復動方向の他方において、永久磁石１４によって励起された起磁力は、可動子１３の往復動方向の他方（図４の右側）において上記一つの起磁力とは逆の方向に作用する。
この逆方向に作用する起磁力と上記起磁力とが相反する方向に作用するために磁束密度が低められてしまう。
その結果、上記の磁束ループは可動子１３の往復動方向の一方（図４では左側）に集中して形成されることになり、可動子１３には往復動方向の一方（図４では左方向）に向けて力（推力）Ｆが作用する。可動子１３は、この力Ｆに付勢されて往復動方向の一方に移動する。

また、各コイル１８に、可動子１３側から見て半時計回りに電流を流すと、図５に示すように、各コイル１８の内側の凸部２４に可動子１３の軸方向に直交する向きの起磁力が生じる。この方向に起磁力が生じると、隣り合うコイル１８、１８間には、永久磁石１５によって、ヨーク１２、永久磁石１４、可動子１３、永久磁石１５と隣り合う凸部２４を順に巡る磁束ループ（図中の二点鎖線）が形成される。

各コイル１８に上記のように通電することによって生じるコイル起磁力は、図５に示すように、隣り合う凸部２４間に可動子１３の周方向と同じ向きに作用する。このコイル起磁力とは別に、永久磁石１５によって励起された起磁力は、可動子１３の往復動方向の他方において起磁力と同じ方向に作用するため、この部分では、上記２つの力が同方向に作用して磁束密度が高まる。

その一方で、図６に示すように、永久磁石１４によって励起された起磁力は、可動子１３の往復動方向の一方において上記一つの起磁力とは逆の方向に作用する。そのため、この部分では、上記２つ起磁力が相反する方向に作用するために磁束密度が低められてしまう。
その結果、上記の磁束ループは可動子１３の往復動方向の他方（図６では右側）に集中して形成されることになり、可動子１３には往復動方向の他方（図６では右方向）に向けて力（推力）Ｆ１が作用する。可動子１３は、この力Ｆ１に付勢されて往復動方向の他方に移動する。

コイル１８には交流電流が流されるので、両コイル１８の電流の流れの方向は所定の周期で交互に切り換わる。可動子１３は、電流の流れる方向が切り換わるたびに上記の動作を繰り返し、所定のストロークで軸方向に往復動することになる。

上記のように構成されたリニアアクチュエータ１１によれば、四つの円筒面部２２のうち、相対向する二つのうちの一方の円筒面部２２に、可動子の往復動に沿わして永久磁石１４を配置するとともに、その他方の円筒面部２２に、永久磁石１５を可動子の往復動に沿わして配置したので、つまり、可動子１３の軸方向から見ると、永久磁石１４と永久磁石１５とが互いに欠落した状態に構成されているので、使用される永久磁石１４、１５を略半分まで削減することができる。従って、永久磁石の数を１／２に減らすことができるので、リニアアクチュエータの製造コストを下げることができる。
また、永久磁石１４、１５の使用量を少なくすることによって組立コストも削減することができる。
また、このリニアアクチュエータ１１によれば、推力と変位との関係に係る磁気バネを大きくすることができる。

第１の実施の形態において、永久磁石を周方向に欠落させ数量を１／２にしたにもかかわらず、永久磁石を欠落させていない従来と同様の推力が得られるかについて、図７、図８に基づいて説明する。
図７、図８において、Ｕe１〜Ｕe４は各極のコイル磁石起磁力を、Ｕｍ１ａ〜Ｕｍ４ａ、Ｕｍ１ｂ〜Ｕｍ４ｂは永久磁石起磁力を、Ｒｍ１ａ〜Ｒｍ４ａ、Ｒｍ１ｂ〜Ｒｍ４ｂは永久磁石内部磁気抵抗を、Ｒｇ１ａ〜Ｒｇ４ａ、Ｒｇ１ｂ〜Ｒｇ４ｂはギャップ部磁気抵抗を表している。
ここで、Ｕｍ１ａ〜Ｕｍ４ａ、Ｕｍ１ｂ〜Ｕｍ４ｂ、Ｒｍ１ａ〜Ｒｍ４ａ、Ｒｍ１ｂ〜Ｒｍ４ｂ、Ｒｇ１ａ〜Ｒｇ４ａ、Ｒｇ１ｂ〜Ｒｇ４ｂにおける記号ａ、ｂはＮ極とＳ極に対応する部分の識別に用いている。
これら図７、図８において、ＵｍｉａとＵｍｉｂ（ｉ＝1〜４の整数）は、同じ大きさの逆方向の起磁力であるので相殺される。

推力発生に必要な磁束φ１，２は、
図７においては、
φ１，２＝（Ｕｅ１＋Ｕｅ２＋（Ｕｍ1ａ−Ｕｍ1ｂ）＋（Ｕｍ２ａ−Ｕｍ２ｂ））／（Ｒｍ１＋Ｒｍ２＋Ｒｇ１＋Ｒｇ２）
＝２Ｕｅ／（２Ｒｍ＋２Ｒｇ）
で表され、ＲｇがＲｍの１／１０以下であるため、
φ１，２≒（Ｕｅ／Ｒｍ）となる。

また、図８においては、
φ１，２＝（Ｕｅ１＋Ｕｅ２＋（Ｕｍ1ａ−Ｕｍ1ｂ）／（Ｒｍ＋Ｒｇ１＋Ｒｇ２）
＝２Ｕｅ／（Ｒｍ＋２Ｒｇ）
で表され、Ｒｍ＞＞Ｒｇであるため、φ１，２≒（２Ｕｅ／Ｒｍ）となる。
従って、図８におけるφ１，２は、図７における場合に比較して磁束量は２倍となるが、図８の場合は、永久磁石を図７の１／２しか有していないため、結果的に同じ大きさの推力が得られることになる。磁束φ３，４に関しても同様である。

すなわち、図９は、横軸に可動子１３の変位を、縦軸に可動子に対する推力を表しており、曲線Ａ〜Ｅは、本実施形態における駆動電流値を変化させた場合のリニアアクチュエータの変位と推力の関係を表している。
図９に示す曲線Ａ〜Ｅから明らかなように、変位−推力が略直線状となり、略比例の関係となることがわかる。
従って、リニアアクチュエータ１１によれば、推力特性を高めることができ、磁気バネを大きくすることができる。しかも、永久磁石を周方向に千鳥状に配置した従来技術に比べると、変位あたりの推力を得やすく、実用上優れた特性のリニアアクチュエータを提供することができる。

しかも、ヨーク１２内面の利用効率が向上するので、永久磁石の使用量を減らしても推力の増大が可能になる。さらに、永久磁石が複数、具体的には二つに分けて配設されることから、ヨーク厚さを薄くでき、軽量化が図れる。また、可動子１３の軽量化が図れることから、応答性が改善されるばかりでなく、上述した磁気バネ及び推力特性の向上によりいっそう良好な応答性を得ることもできる。

図１０は、この発明の第２の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示している。
この場合は、ヨーク１２において、可動子１３の鉄部材３２との間のギャップＧを大きくしている。
つまり、ヨーク１２において、永久磁石１４、１５を設けていない円筒面部２２の径を若干大きくし、円筒面部２２と可動子１３の鉄部材３２との間のギャップＧを、隣接する円筒面部２２と鉄部材３２間の隙間より若干大きくさせている。
それ以外は、第１の実施形態と同様なので、それ以上の説明を省略する。

この実施形態によれば、基本的には前記第１の実施形態と同様の効果を得ることができ、ギャップＧを設けることで、推力の傾きをなだらかに調整することができる。その結果、推力特性（変位に対する推力）の小さなものから大きなものまで広範囲な特性のものを容易に得ることができる。このようなギャップＧの大きさは、仕様等に応じ適宜決定することができる。
なお、ギャップＧは、本例では、円筒面部２２を拡径することで形成されたが、これとは逆に、可動子１３の鉄部材３２を削ることで形成することもできる。

次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。
図１１は、この発明の第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示したものであり、リニアアクチュエータ１１の可動子１３は２個（複数）の鉄部材３２を往復動方向に直列に備えるとともに、これら２個の鉄部材３２に対応して２組（複数組）の第１の永久磁石１４と第２の永久磁石１５とが設けられている。ここで、２組とは、第１の実施形態における永久磁石１４、１５を構成を１組としたものを直列に２倍に増加させたことを意味する。
また、可動子１３の鉄部材３２は、軸方向のピッチが永久磁石１４、１５の約２組分の幅になるように配置されている。
それ以外は、第１又は第２の実施形態と同様なので、それ以上の説明を省略する。

この実施形態によれば、リニアアクチュエータ１１の軸方向に直列に２組の磁気回路が形成されるので、往復動方向の推力を２倍に増大することができる。従って、小さなスペースで大きな推力を容易に得ることができる。この実施の形態では、第１の実施形態に対して直列に２組を配置した場合について説明したが、３組以上を直列に配置することができることはいうまでもない。
また、第２の実施形態のように、ギャップＧを設けて使用することもできる。

図１２及び図１３は、この発明の第４の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示している。
この実施形態においては、図１２に示すように、ヨーク１２に固定された八つのコイル１８を備えている。
ヨーク１２の貫通穴２１は、円筒の内周面を所定の間隔をあけて二カ所その軸線に平行に切断した形状をなし円周方向に等間隔で配置される八カ所の円筒面部２２を有している。八カ所の円筒面部２２は、同径同長同幅をなしており同軸に配置されている。

なお、このヨーク１２は、上記八カ所の凹部２３および凸部２４を有する形状に薄板状の鋼板をプレスで打ち抜いて基部材を形成し、この基部材を貫通穴２１の貫通方向に複数、位置を合わせながら積層させつつ接合させた積層鋼板からなっている。
この実施形態においては、八カ所の円筒面部２２に対し、永久磁石１４、１５の組がそれぞれ四組、円周方向に一つおきに設けられることで放射状をなすように配置されている。

なお、可動子１３は、図１３に示すように、中央に貫通穴３１が形成されることにより円筒状をなす鉄部材３２とこの鉄部材３２の軸線方向における一側に設けられた主部３３とを有しており、主部３３は鉄部材３２と同軸同径をなして隣り合う大径円筒部３５と、この大径円筒部３５の鉄部材３２に対し反対側にこれよりも小径をなして同軸に設けられた小径円筒部３６とを有している。また、小径円筒部３６には内径側に通した軸等を固定するためのボルト３８が半径方向に螺合されている。
この実施形態のリニアアクチュエータ１１によっても、基本的には第１実施形態のリニアアクチュエータ１１と同様の効果を発揮することができ、また、第２の実施形態と同様、ギャップＧを設けることもできるのは勿論である。

なお、上記実施形態において、永久磁石１４、１５としては、上記したネオジウム磁石以外にも、フェライト、サマリウムコバルト等の希土類系のものや、プラスチック磁石を用いることも可能である。また、固定子に配設されるコイルとして、四個及び八個を備えたものを示したが、その数に限定されるものではない。

この発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す正面図である。 図１の側面断面図である。 この発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す図であって、コイルに電流が時計回りに流れているときの磁束の状態を示す正面図である。 この発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す図であって、コイルに電流が時計回りに流れているときの磁束の状態を示す説明用断面図である。 この発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す図であって、コイルに電流が反時計回りに流れているときの磁束の状態を示す説明用正面図である この発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す図であって、コイルに電流が反時計回りに流れているときの磁束の状態を示す説明用断面図である。 従来技術に係る４ポールのリニアアクチュエータの磁路を示す図である。 この発明に係る２ポールのリニアアクチュエータの磁路を示す図である。 推力と変位との関係を示す説明図である。 この発明の第２の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す正面図である。 この発明の第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す側面断面図である。 この発明の第４の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す正面図である。 この発明の第４の実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す側面断面図である。

符号の説明

１１ リニアアクチュエータ
１２ ヨーク（固定子）
１３ 可動子
１４ 第１の永久磁石
１５ 第２の永久磁石
１８ コイル

Claims (4)

1. 固定子と、
   少なくとも一部に鉄部材を有し前記固定子に対し往復動可能に設けられた可動子と、
   前記固定子に前記往復動方向に沿って設けられた複数個の第１の永久磁石と、
   前記固定子に前記往復動方向に沿って設けられた複数個の第２の永久磁石と、
   前記固定子に設けられたコイルとを備えてなり、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、それぞれが前記鉄部材に対向させる磁極を共に同じくし、前記往復動方向に配置されるリニアアクチュエータであって、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とは、前記往復動方向から見たとき、前記固定子の前記可動子と対向する側に前記往復動方向に形成され周方向に配置された複数の凸部に一つおきに配置されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記第１の永久磁石及び第２の永久磁石が設けられていない凸部の前記可動子との対向面と、前記第１の永久磁石及び第２の永久磁石の前記可動子との対向面とが面一に形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記固定子及び前記鉄部材間に、前記鉄部材及び前記第１の永久磁石間の隙間と、前記鉄部材及び前記第２の永久磁石間の隙間より径方向に大きなギャップを設けていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子は複数の前記鉄部材を前記往復動方向に直列に備えるとともに、これら複数の鉄部材に対応して、複数組の前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とが設けられていることを特徴とするリニアアクチュエータ。

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