JP4692712B2

JP4692712B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP4692712B2
Application number: JP2004146819A
Authority: JP
Inventors: 洋中川; 崇福永; 俊哉杉本
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2024-05-17
Also published as: JP2005328685A

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、永久磁石の数や大きさを減らし、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、可動子の軸方向変位に対する軸方向推力を所望の値に変化させうる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、互いに前記往復動の方向に隣り合った状態で前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を並べしかも互いの磁極の並びを逆にした状態で前記固定子のうち前記可動子側に対向する一の面に設けられた一対の永久磁石と、該一対の永久磁石に対し前記往復動の方向における位置を合わせるとともに、互いに前記往復動の方向に隣り合った状態で前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を並べしかも互いの磁極の並びを逆にした状態で前記固定子のうち前記可動子側に対向する他の少なくとも一つの面に設けられた他の少なくとも一対の永久磁石と、前記固定子に設けられたコイルとを備えてなり、これら複数の永久磁石は、前記往復動の方向に位置が合う永久磁石同士で前記鉄部材に対向させる磁極を逆にしているリニアアクチュエータであって、各前記一対の永久磁石が、前記可動子の移動領域における移動方向中心位置に対して互いに前記鉄部材の軸方向に対称に位置するように、前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における所望の位置を露出させるように配され、前記鉄部材が、その径方向に突出して前記軸方向に互いに間隔をあけて配列された一対の突起部を有し、少なくとも前記コイルに電流を流していない状態で、前記一対の突起部が、前記移動方向中心位置に対して互いに前記軸方向に対称に位置し、さらに、各突起部の前記軸方向のいずれか一方の端部が、前記往復動の方向に位置が合う前記永久磁石の前記軸方向の両端部の間に位置すると共に、各突起部の他方の端部が、前記永久磁石を配した前記固定子の各面のうち露出する領域に対向していることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、これら複数組の永久磁石が、固定子の軸方向における中間部を欠落させているので、使用される永久磁石を確実に削減することができる。
また、推力等に関しては、欠落させていないものと同等の性能を確保することができる。

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、前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における中間部を露出させるように配されることを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、使用される永久磁石を削減することができる。

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、前記複数の永久磁石のそれぞれが、前前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における端部を露出させるように配されることを特徴とする。
請求項３に係る発明によれば、使用される永久磁石を削減するとともに永久磁石の配置スペースを小さくすることができる。

この発明に係るリニアアクチュエータによれば、永久磁石の数や大きさを減らし、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９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に固定された第１の一対の永久磁石（一対の永久磁石）１４，１５と、ヨーク１２に固定された第２の一対の永久磁石）（他の少なくとも一対の永久磁石）１６，１７と、ヨーク１２に固定された二つのコイル１８、１９とを備えており、図３に示すように自らが弾性変形することにより可動子１３をヨーク１２に対して往復動可能に支持する２枚の板バネ（弾性支持部）３を備えている。

上記ヨーク１２は、図１に示すように、その中心位置に貫通穴２１が形成されることにより全体として角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互いに離間状態で対向する二カ所の円筒面部２２を有している。二カ所の円筒面部２２は、同径同長同幅をなしており同軸に配置されている。

上記ヨーク１２は、その中心位置に貫通穴２１が形成されることにより全体として角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互いに離間状態で対向する二カ所の円筒面部２２と、各円筒面部２２のそれぞれの両端縁部から円筒面部２２同士を結ぶ方向に沿って外側に延出する平面部２３と、各平面部２３のそれぞれの円筒面部２２に対し反対側の端縁部から平面部２３と直交して外側に延出する平面部２４と、円筒面部２２同士を結ぶ方向に延在して各平面部２４の対応するもの同士をそれぞれ連結させる平面状の内面部２５とを有している。ここで、二カ所の円筒面部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、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しつつ接合させた積層鋼板からなっている。
可動子１３は、図３に示すように、先端に雄ネジ部１３ａが形成された円柱状をなし、軸方向に往復移動するシャフト１３ｂと、シャフト１３ｂを内側に挿嵌されてシャフト１３ｂの軸方向の途中位置に固定された可動磁極としての鉄片３０とを備えている。

永久磁石１４，１５は、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フェライト磁石からなるもので、互いに同軸をなし円周方向の位置を合わせ軸線方向に隣り合った状態で並べられて一方の円筒面部２２に接合固定されている。ここで、これら永久磁石１４，１５は、軸線方向に直交する方向に磁極を並べたラジアル異方性のもので、互いの磁極の並びを逆にしている。具体的には、図２に示すように、貫通穴２１の貫通方向における一方の永久磁石１４は、Ｎ極が外径側にＳ極が内径側に配置されており、他側の永久磁石１５は、Ｎ極が内径側にＳ極が外径側に配置されている。

上記永久磁石１６，１７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す同径同長同幅をなすフェライト磁石からなるもので、互いに同軸をなし円周方向の位置を合わせ軸線方向に隣り合った状態で並べられて他方の円筒面部２２に、永久磁石１４，１５に対し円周方向の逆側に離間し貫通穴２１の軸線方向における位置を合わせて接合固定されている。ここで、これら上記永久磁石１６，１７は、軸線方向に直交する方向に磁極を並べたラジアル異方性のもので、互いの磁極の並びを逆にしている。具体的には、図２に示すように、貫通穴２１の貫通方向における一側の永久磁石１６は、Ｎ極が内径側にＳ極が外径側に配置されており、他側の永久磁石１７は、Ｎ極が外径側にＳ極が内径側に配置されている。

以上により、第１の一対の永久磁石１４，１５および第２の一対の永久磁石１６，１７は、貫通穴２１の貫通方向に位置が合う永久磁石同士で内径側すなわち可動子１３側の磁極を逆にしている。すなわち、貫通穴２１の貫通方向に位置が合う永久磁石１４および永久磁石１６は互いに内径側の磁極を逆にしており、貫通穴２１の貫通方向に位置が合う永久磁石１５および永久磁石１７も互いに内径側の磁極を逆にしている。

そして、第１の一対の永久磁石１４、１５と第２の一対の永久磁石１６、１７は、図２に示すように、それぞれがヨーク１２の鉄部材の軸方向における任意の位置で欠落されている。具体的には、第１の一対の永久磁石１４、１５は、それぞれがヨーク１２の鉄部材の軸方向における中間部を可動子１３の移動領域における移動方向中心位置、すなわち図２におけるＡ１の位置に対して軸方向に対称に欠落させている。この場合、第１の一対の永久磁石１４及び永久磁石１５の欠落する大きさはそれぞれ互いに同形状および同量となっている。また、第２の一対の永久磁石１６、１７も同様に、第２の一対の永久磁石１６、１７のそれぞれがヨーク１２の鉄部材の軸方向における中間部を欠落させている。この場合においても、上記永久磁石１６及び永久磁石１７の欠落する大きさは同量となっているとともに、上記永久磁石１４、１５とも同形状で同量となっている。

コイル１８は、図３に示すように、ヨーク１２に内側に突き出すように形成された円筒面部２２を取り囲むように巻き胴３２が取り付けられ、この巻き胴３２に導線が多重に巻き付けられて構成されている。コイル１９は、ヨーク１２を挟んで円筒面部２２と相対する位置に形成された上記円筒面部２２と対応する円筒面部２２に同じく巻き胴３２が取り付けられ、この巻き胴３２に導線が多重に巻き付けられて構成されている。

２枚の板バネ３は、可動子１３の軸方向に離間し、ヨーク１２を間に挟んで配置されている。２枚の板バネ３は同じ形状をなし、均一な厚さの金属板を打ち抜き加工され、可動子１３の軸方向から見ると「８」の字形に形成されている。「８」の中央の線が交差する部分に相当する箇所には、可動子１３先端または後端を支持する貫通孔３ａ（図４に図示）がそれぞれ形成されている。また、「８」のマルの内側に相当する箇所には、上述のコイル１８または１９を内側に通すことが十分に可能な大きさの貫通孔３ｂ，３ｃがそれぞれ形成されている。
さらに、「８」の最上部および最下部に相当する箇所には、板バネ３をヨーク１２に固定するための小孔３ｄ，３ｅがそれぞれ形成されている。

各板バネ３は、ともにコイル１８の軸方向の途中位置にて可動子１３を支持している。より詳細に説明すると、図３に示すように、可動子１３の先端を支持する一方の板バネ３は、貫通孔３ａに可動子１３の先端側を通して固定されるとともに、図４に示すように、小孔３ｄに通されたネジ２６、および小孔３ｅに通されたネジ２７によって可動子１３の中心からコイル１８または１９よりも遠い位置にてヨーク１２に固定されている。また、可動子１３の後端を支持する他方の板バネ３は、図４に示すように、貫通孔３ａに可動子１３の後端側を通して固定されるとともに、小孔３ｄ，３ｅに通されたネジ２６，２７によって可動子の中心からコイル１８または１９よりも遠い位置にてヨーク１２に固定されている。

一方の板バネ３は、貫通孔３ｂから可動子１３の先端側にコイル１８を突き出させるとともに、貫通孔３ｃから可動子１３の先端側にコイル１９を突き出させ、他方の板バネ３は、貫通孔３ｂから可動子１３の後端側にコイル１８を突き出させるとともに、貫通孔３ｃから同じく可動子１３の後端側にコイル１９を突き出させている。可動子１３の軸方向に沿う２枚の板バネ３の間隔は、同方向に沿うコイル１８または１９の寸法よりも狭くなっており、貫通孔３ｂ，３ｃは、コイル１９との干渉を避けるための「逃げ」としての役割を果たしている。

各板バネ３は、従来のように可動子を滑らせて往復動可能に支持するのではなく、可動子１を可動子１３の先端側および後端側の２箇所で保持し、自らが弾性変形することによって可動子１を可動子１３の軸方向に往復動可能に支持している。なお、各板バネ３は、可動子１が往復動する際の変形量が、繰り返し弾性変形を強いられることによって疲労し、ついには破壊に至ってしまう可能性のある変形量よりも小さくなるように、可動子１３を支持する貫通孔３ａから小孔３ｄまたは３ｅまでの距離（直線距離ではなく、板バネ自体の長さ）を可能な限り長くしたり、板厚を薄くしたりといった事前の調整がなされている。ただし、その外形は可動子１３の軸方向からリニアアクチュエータ全体を見た場合にヨーク１２の外形からはみ出さない程度の大きさとなっている。

上記構造のリニアアクチュエータ１１は、双方のコイル１８、１９に電流を流していない状態では、図５に曲線ａに示すように、ヨーク１２、永久磁石１６、鉄片３０を経てヨーク１２をこの順に結ぶループで磁束が形成されると共に、曲線ｂに示すように、ヨーク１２、鉄片３０、永久磁石１４を経て結ぶループで磁束が形成される。
これと同時に、図５に曲線ｃで示すように、ヨーク１２、永久磁石１４、鉄片３０を経てヨーク１２をこの順に結ぶループで磁束が形成されると共に、同図に曲線ｄで示すように、ヨーク１２、可動子１３、永久磁石１を経てヨーク１２をこの順に結ぶループが形成される。

上記各曲線ａ〜ｄからなるループによって、ヨーク１２、永久磁石１６、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１４およびヨーク１２を経ると共に、永久磁石１５、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１７を経てヨーク１２をこの順に結ぶル大ループの磁束φが形成される結果、可動子１３は停止状態とされる。
そして、双方のコイル１８、１９に交流電流（正弦波電流、矩形波電流）を同期して流す。

例えば、双方のコイル１８、１９に交流電流を同期して流すと、コイル１８、１９に所定方向の電流が流れる状態では、第１の一対のうちの永久磁石１４と第２の一対のうちの永久磁石１６間において、図６及び図７に示すように、磁束がＳ極からＮ極に導かれることにより、ヨーク１２の外周部、円筒面部２２、永久磁石１６、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１４、ヨーク１２の外周部の順に循環する二つの対称なループがそれぞれ形成される。

また、同時に第１の永久磁石１５と第２の永久磁石１７間においても、磁束が、ヨーク１２の外周部、円筒面部２２、永久磁石１７、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１５、ヨーク１２の外周部の順に循環する二つの対称なループがそれぞれ形成される。
その結果、可動子１３には正方向（図７の左側）に向かう推力Ｆが作用し、可動子１３はその力に押されて同方向に移動する。

一方、コイル１８、１９に上記所定方向と反対方向の電流が流れる状態では、第１の永久磁石１４と第２の永久磁石１６間において、磁束が、図８及び図９に示すように、ヨーク１２の外周部、円筒面部２２、永久磁石１４、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１６、ヨーク１２の外周部の順に循環する二つの対称なループがそれぞれ形成される。

また、同時に第１の永久磁石１５と第２の永久磁石１７間において、磁束が、ヨーク１２の外周部、円筒面部２２、永久磁石１５、鉄片３０、可動子１３、鉄片３０、永久磁石１７、ヨーク１２の外周部の順に循環する二つの対称なループがそれぞれ形成される。
その結果、可動子１３には上記と逆の負方向（図９の右側）に向かう推力Ｆが作用し、可動子１３はその力に押されて同方向に移動する。

そして、交流電流によって両コイル１８への電流の流れの方向が交互に変化することにより、以上の作動を繰り返して、可動子１３はヨーク１２に対して貫通穴２１の貫通方向に所定のストロークで往復動することになる。

この実施形態において、第１の一対の永久磁石１４、１５及び第１の一対の永久磁石１６、１７が、固定子１３の軸方向における中間部を欠落させているので、使用される永久磁石１４〜１７を略半分まで削減することができる。
また、推力等に関しては、欠落させていないものと同等の性能を確保することができる。

図１０は、この発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータを示している。
この実施形態において、前記第１の実施形態と異なるのは、第１の一対の永久磁石１４、１５と第２の一対の永久磁石１６、１７の両端部を欠落させた点にある。
すなわち、第１の一対の永久磁石１４、１５のそれぞれが、ヨーク１２の軸方向における端部を互いに可動子１３の移動領域における移動方向中心位置、すなわち図１０におけるＡ２の位置に対して軸方向に対称になるように欠落されている。第２の一対の永久磁石１６、１７も同様に、ヨーク１２の円筒面部２２の軸方向における端部を互いに同等となるように欠落されている。永久磁石１４、１５、１６、１７の欠落される大きさは寸法上互いに同等となっている。

このようなリニアアクチュエータ１０は、双方のコイル１８、１９に電流を流していない状態では、ヨーク１２、永久磁石１４、１５、可動子１３間においては、図１０に示すように、それぞれの曲線ｅ〜ｈで磁束が形成されることで、ヨーク１２、永久磁石１７、鉄片３０、可動子１３、永久磁石１５およびヨーク１２を経ると共に、永久磁石１４、可動子１３、永久磁石１７を経てヨーク１２をこの順に結ぶル大ループの磁束が形成される結果、可動子１３は停止状態とされる。

そして、図示しないが、双方のコイル１８、１９に正方向及び負方向へ向けて電流を流すことで、可動子１３が往復動することができる。
従って、この実施形態によれば、永久磁石の数や大きさを減らすことができ、リニアアクチュエータの製造コストを削減するとともに、永久磁石の配置スペースを小さくすることができる。また、前記第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

上記のリニアアクチュエータ１１においては、板バネ３が、従来のように可動子を滑らせて往復動可能に支持するのではなく、可動子１を可動子１３の先端側および後端側の２箇所で保持し、自らが弾性変形することによって可動子１を可動子１３の軸方向に往復動可能に支持する。これにより、可動子１には摩耗も摺動抵抗も生じない。したがって、長期にわたる使用を経た後でも軸支持の精度が低下することがなく高い信頼性が得られる。さらに、摺動抵抗に起因する消費電力の損失がなく性能の向上が図れる。

また、上記のリニアアクチュエータにおいては、各板バネ３を、コイル１８，１９との干渉を回避しつつ可動子を基点としてコイル１８，１９よりも遠い位置にて固定子２に支持させている。これにより、嵩の張るコイル１８，１９と２枚の板バネ３とをより近接して配置することが可能になる。したがって、リニアアクチュエータの小型化が図れる。

なお、上記実施の形態においては、ヨーク１２に内側に突き出すように形成された円筒面部２２と、該円筒面部２２に対応する円筒面部２２の突出形状部を、それぞれ巻き胴３２が取り囲み、これら巻き胴３２に導線が多重に巻き付けられた構成について説明したが、ヨーク１２において磁気回路を構成する鉄部材の円筒面部２２と対応する円筒面部２２を接続する中間部分の両側位置において導線を巻き付けて磁気を発生させてもよい。

また、弾性支持部に金属製の２枚の板バネを採用したが、可動子１３を軸方向に往復動可能に支持することができれば、板バネ３は２枚に限らずそれより多くても少なくてもよく、板バネに限らず、鋼線を屈曲したものであってもよいし、樹脂製の材料を用いてもよい。さらに、コイル１８、１９を回避する「逃げ」の形状は、本実施形態のような貫通孔に限らず、例えば板を変形させた窪みのような形状であってもよく、要は、自らが弾性変形することにより可動子１を固定子２に対して往復動可能に支持するという役割を果たし、かつ長期間の使用に耐える耐久性を備えているものであればいかなる材料、形状であってもよい。

また、上記実施形態において、永久磁石としては、上記したフェライト磁石以外にも、ネオジウム、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が可能である。
また、上記実施の形態においては、第１の一対の永久磁石１４、１５と第２の一対の永久磁石１６、１７と、コイル１８，１９で構成された２極のリニアアクチュエータの場合について説明について説明したが、３以上の極数を設けてもよい。

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の右側面から見た断面図である。リニアアクチュエータを示す一部破断の斜視図である。同じくリニアアクチュエータを示す側断面図である。コイルに電流が流れていないときの磁束の状態を示す説明図である。コイルに電流が一方向に流れているときの磁束の状態を示す正面図である。同じくコイルに電流が一方向に流れているときの磁束の状態を示す断面図である。コイルに電流が逆方向に流れているときの磁束の状態を示す正面図である。コイルに電流が逆方向に流れているときの磁束の状態を示す断面図である。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であって、コイルに電流が流れていないときの磁束の状態を示す説明図である。

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、１５第１の永久磁石
１６、１７第２の永久磁石
１８、１９コイル
３０鉄片（鉄部材）

Claims

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、
互いに前記往復動の方向に隣り合った状態で前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を並べしかも互いの磁極の並びを逆にした状態で前記固定子のうち前記可動子側に対向する一の面に設けられた一対の永久磁石と、
該一対の永久磁石に対し前記往復動の方向における位置を合わせるとともに、互いに前記往復動の方向に隣り合った状態で前記鉄部材に対向しかつ前記往復動の方向に直交して磁極を並べしかも互いの磁極の並びを逆にした状態で前記固定子のうち前記可動子側に対向する他の少なくとも一つの面に設けられた他の少なくとも一対の永久磁石と、
前記固定子に設けられたコイルとを備えてなり、
これら複数の永久磁石は、前記往復動の方向に位置が合う永久磁石同士で前記鉄部材に対向させる磁極を逆にしているリニアアクチュエータであって、
各前記一対の永久磁石が、前記可動子の移動領域における移動方向中心位置に対して互いに前記鉄部材の軸方向に対称に位置するように、前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における所望の位置を露出させるように配され、
前記鉄部材が、その径方向に突出して前記軸方向に互いに間隔をあけて配列された一対の突起部を有し、
少なくとも前記コイルに電流を流していない状態で、前記一対の突起部が、前記移動方向中心位置に対して互いに前記軸方向に対称に位置し、さらに、各突起部の前記軸方向のいずれか一方の端部が、前記往復動の方向に位置が合う前記永久磁石の前記軸方向の両端部の間に位置すると共に、各突起部の他方の端部が、前記永久磁石を配した前記固定子の各面のうち露出する領域に対向していることを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における中間部を露出させるように配されることを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記可動子側に対向する前記固定子の各面のうち前記鉄部材の軸方向における端部を露出させるように配されることを特徴とするリニアアクチュエータ。