JP4899080B2 - 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、特に振動型のリニアアクチュエータの性能の向上および構造の簡素化に関するものである。

一般に、小ストローク形のリニアモータとして永久磁石界磁中に置かれた電磁コイルに電流を流すことにより推力を発生するボイスコイルモータや電磁石で鉄片を吸引させる電磁ソレノイド、また電磁石によって永久磁石を吸引反発するムービングマグネット型と呼ばれるものが知られている。また、下記文献に示すように、最近では永久磁石式でありながら鉄心のみを動かす新しい動作原理を持つリニアモータも提案されている。これらのリニアモータは、バネ（機械バネ、磁気バネ、ガスバネ等）の併用で共振運転させて用いられるが、ダイレクトドライブであることから非常に高効率な小ストロークアクチュエータとしてコンプレッサのピストン駆動や電気カミソリ等、高効率、高速、高頻度運転用途を中心に適用例を増している。

例えば、図１１に示すリニアアクチュエータでは、インナーコア１をネジ２等でシャフト３に固定して可動子を構成するとともに、フランジ４にアウタコア５、蓋フランジ６等をボルト７で締結して固定子を構成している。また、共振コイル８ａを含む共振ユニット８をシャフト３に直列にボルト９で締結している。
特願２００４−１４３８１９ 特願２００４−１４５２４３

しかし、このように構成されたリニアアクチュエータは、可動子や固定子をネジやボルトで締結することによって組み立てられているために、部品点数が増加するとともに、組み立て工数が多くなり、製造コストが高くなっていた。また、共振ユニット８もアクチュエータとは別体に構成されて、ボルトで締結されていた。
このため、部品点数および組み立て工数の増加を招いていた。また、各部品をボルト、ネジ等で締結しているために、作動中に部品が弛むおそれもあった。
また、可動子の質量が大きいために、共振周波数を高くするためには、共振コイルのバネ定数を大きくする必要があり、組み立て作業も大変であった。更に、可動子の質量が大きいために、アクチュエータの稼働に伴う振動も大きかった。

上記目的を達成する為に、本発明のリニアアクチュエータは、電磁コイルを備えたコアユニットと該コアユニットの両端に設けられるとともに軸受を備えたフランジとを有する固定子と、少なくとも一部に鉄部材を有し、前記固定子を貫通して配設されるとともに、前記軸受によって固定子の軸線方向に沿って往復動可能に支持された可動子と、前記固定子と前記可動子との対向する面に、磁極を前記軸線方向に直交させた状態で配設された円弧状の永久磁石と、前記固定子の両端に配設された弾性部材と、前記固定子を貫通した位置にある前記可動子のほぼ両端に固定された一対のストッパ部材とから成り、前記弾性部材の内側端を前記固定子の両端である前記フランジの外側両端に突き当て、前記ストッパ部材で前記弾性部材のそれぞれ外側端を挟持することで、フランジとストッパ部材の間で弾性部材を圧縮した状態にし、前記弾性部材の内側端に現れる圧縮反力を前記固定子に両端から圧縮力として作用させ、当該弾性部材の外側端に現れる圧縮反力を前記ストッパ部材を介して前記可動子に作用させることを特徴とする。

また、本発明において、前記コアユニットは、両端に配設され可動子の貫通した板バネ状の軸受を備えたことを特徴とする。

また、本発明において、前記コアユニットは、軸線方向の中央で外周側に電磁コイルが配設されるとともに、前記永久磁石が軸線方向に２分割されて配設されたことを特徴とする。

また、本発明において、前記弾性部材は、コイルバネであることを特徴とする。

また、本発明において、前記弾性部材は、ゴム製バネであることを特徴とする。

また、本発明において、前記弾性部材は、ガス圧バネであることを特徴とする。

この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。

本発明によれば、電磁コイルを備えたコアユニットと該コアユニットの両端に設けられるとともに軸受を備えたフランジとを有する固定子と、少なくとも一部に鉄部材を有し、前記固定子を貫通して配設されるとともに、前記軸受によって固定子の軸線方向に沿って往復動可能に支持された可動子と、前記固定子と前記可動子との対向する面に、磁極を前記軸線方向に直交させた状態で配設された円弧状の永久磁石と、前記フランジの両端に配設された弾性部材と、前記可動子のほぼ両端に固定された一対のストッパ部材とから成り、前記ストッパ部材で前記弾性部材のそれぞれ外側端を挟持したので、組み立てに際してネジ等の締結部品が不要となり、工数の大幅な削減を図ることができる。また、作動中に部品が弛む心配もない。また、部品点数の削減によりリニアアクチュエータの軸線方向の寸法を短縮することができる。更に、組み立て工数の削減、部品点数の削減によりアクチュエータの信頼性を向上できるとともに、製造コストの低減を図ることができる。

また本発明のリニアアクチュエータでは、可動子（シャフト）の長さを大幅に短くできるので、可動部分の質量が低減でき、共振周波数を上げるための弾性部材のばね定数を低く設定できる。更に、ばね定数を低減できることより、アクチュエータの組み立て作業が容易となる。また、可動部分の質量が低減できることより、作動中にコアユニットの受ける反力も軽減され、振動の少ないアクチュエータを実現することができる。

固定子の両端に弾性部材を配設するとともに、可動子（シャフト）の両端に設けたストッパ部材で弾性部材のそれぞれ外側端を挟持したので、ネジ等の締結部品を必要とすることなく、部分点数の削減と可動子の長さを短縮できるという目的が達成される。

以下、一実施の形態を示す図面に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係るリニアアクチュエータの一実施の形態を示す斜視図、図２は、その断面図である。ここで、リニアアクチュエータ１０は、電磁コイル１１を備えたコアユニット１２と該コアユニット１２の両端に設けられるとともに軸受１３を備えたフランジ１４とを有する固定子１５と、一部に鉄部材１６を有し、前記固定子１５を貫通して配設されるとともに、前記軸受１３によって固定子１５の軸線方向に沿って往復動可能に支持された可動子１７と、前記固定子１５の前記可動子１７に対向する面に、磁極を前記軸線方向に直交させた状態で配設された円弧状の永久磁石１８と、前記フランジ１４の両端に配設された弾性部材１９と、前記可動子１７のほぼ両端に固定された一対のストッパ部材２０とから成り、前記ストッパ部材２０で前記弾性部材１９のそれぞれ外側端を挟持している。

コアユニット１２は、両端に電磁コイル１１を備えるとともに、貫通孔の内周面にリング状の永久磁石１８を複数個備えている。固定子１５は、電磁コイル１１、コアユニット１２、軸受１３、フランジ１４等から構成されている。フランジ１４は、角柱状をしておりコアユニット１２の両側に配設されている。フランジ１４の貫通孔の内周には、可動子（シャフト）１７を摺動可能に支持する軸受１３を備えている。軸受１３は、ボールブッシュ軸受等を使用することができる。フランジ１４の外側端には、凹部１４ａが形成されており、弾性部材１９であるコイルバネの端部が装着されている。また、弾性部材１９の外側端は、バネ押さえ２１を介してシャフト１７に固定されたストッパ部材２０で狭持されている。本実施例では、ストッパ部材２０はＥリングを使用しており、可動子１７に形成された係止凹溝１７ａに係合されている。

可動子１７は、本実施例では棒状のシャフトであり、コアユニット１２、フランジ１４、弾性部材１９、バネ押さえ２１を貫通して配設されている。また、可動子１７のほぼ中央で永久磁石１８に対向する部位には、鉄部材１６であるインナーコアが固着されている。このように、可動子１７は往復運動方向に弾性部材１９によって弾性支持されており、可動子１７と弾性部材１９によって往復動方向の振動系を構成している。

このように構成されたリニアアクチュエータは、電磁コイル１１に電流を流していない状態では、可動子１７は停止している。また、電磁コイル１１に交番電流を流すことにより可動子１７を軸線方向に往復動させることができる。この時、弾性部材１９のバネ定数および可動子１７の質量から決定される振動数にほぼ等しい交番電流を流すことにより、共振状態となり可動子１７の振幅を大きく取ることができる。更に、リニアアクチュエータ１０は、固定子１５に可動子１７を挿入し、両端側から弾性部材１９を装着して、その外側からバネ押さえ２１を装着し、ストッパ部材２０を嵌合するだけなので、ワンタッチで組み立てることができる。また、ネジを使用していないので、部品が弛むおそれもない。
そして、フランジ１４とストッパ部材２０の間で弾性部材１９を圧縮した状態にし、前記弾性部材１９の内側端に現れる圧縮反力を前記固定子１５に両端から圧縮力として作用させ、当該弾性部材１９の外側端に現れる圧縮反力を前記ストッパ部材２０を介して前記可動子１７に作用させるものとなる。
なお、前述した第１の実施例において、永久磁石１８は固定子１５側に取り付けているが、これに限られることなく、可動子１７側に取り付けても良い。

図３は、本発明に係るリニアアクチュエータ３０の第２の実施例を示す斜視図、図４は、その断面図である。ここで、第１の実施例と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施例において固定子３１は円筒状のコアユニット３２と、円筒状のフランジ３３とから構成されており、その中心に可動子（シャフト）１７が挿通されている。また、コアユニット３２の両端には、弾性部材であるコイルバネ１９が配設されており、バネ押さえ２１を介してシャフトに嵌合されたストッパ部材であるＥリング２０で狭持されている。

コアユニット３２は、軸線方向の中央でかつ外周側に電磁コイル３５が配設されるとともに、永久磁石３６がシャフトに対向する内周面に軸線方向に２分割されて配設されている。また、コアユニット３２の両端にはシャフトの貫通した前記板バネ３７が軸受として配設されている。さらにコアユニット３２の外周には、円筒状のケース３８がフランジ３３と外周面が同一となるように取り付けられている。
前記軸受として用いられる板バネ３７としては、例えば、図５に示すように、それぞれ径の異なる複数のリング状部３７ａが同心状に配されるとともに、それら複数のリング状部３７ａのうち隣接するリング状部どうしが、１８０度おきに径方向に延びて設けられたブリッジ部３７ｂによって互いに連結されたものが用いられる。勿論、ここで示した板バネ３７は一例であり、必要に応じて種々変形可能である。

可動子１７のコアユニット３２と対向する部位には、鉄部材であるインナーコア３９がスペーサ４０を介して固定されている。このように構成された本実施例のリニアアクチュエータ３０は、ボルトやネジを使用することなく、ワンタッチで組み立てることができ、作業工数の削減を図ることができる。また、板バネ３７を軸受として使用したので、摺動や転がりを利用した軸受等を使用したときに比べて摩擦や摩耗が極めて少なく、寿命のない（半永久的な）軸受が得られることとなり、結果的に非常に信頼性の高いリニアアクチュエータとすることができる。

図６は、本発明に係るリニアアクチュエータ３０の第３の実施例を示す斜視図である。ここで、第２の実施例と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施例において、固定子３１は円筒状のコアユニット３２と、円筒状のフランジ３３とから構成されており、その中心に可動子（シャフト）１７が挿通されている。また、コアユニット３２の両端には、弾性部材であるコイルバネ１９が配設されており、バネ押さえ２１を介してシャフトに嵌合されたストッパ部材であるＥリング２０で狭持されている。これらの点は、前記第２の実施例と同様である。

この実施例の特徴は、永久磁石４１がシャフト可動子（シャフト）１７側に取り付けられている点である。ちなみに、前述した第２の実施例において、永久磁石３６は、固定子３１側に取り付けられている。この実施例においても、前述の第２の実施例と同様、ワンタッチで組み立てることができ、また、板バネ３７を軸受として使用したので、摺動や転がりを利用した軸受等を使用したときに比べて摩擦や摩耗が極めて少なく、寿命のない（半永久的な）軸受が得られることとなり、結果的に非常に信頼性の高いリニアアクチュエータとすることができる等の効果が得られる。

図７は、本発明に係るリニアアクチュエータの第４の実施例を示す斜視図、図８は、その断面図である。本実施例において弾性部材１９を蛇腹状に構成したゴム製バネ５２としたものである。ゴムは、天然ゴム、人造ゴム、弾性を有する合成樹脂等を最適に使用することができる。

以上のように構成した場合、ゴムの有する弾性特性によって金属バネと異なった共振特性を得ることができ、場合によっては共振運転時の安定性を高めることができる。

図９は、本発明に係るリニアアクチュエータの第５の実施例を示す斜視図、図１０は、その断面図である。本実施例において、弾性部材１９をガス圧バネ（空気バネ）７２から構成したものである。ガス圧バネ７２は気密性を有する袋体７３の中にガスを充填したものであり、金属バネ或るいは、ゴム製バネとは異なる弾性特性を有する。

図１は、本発明に係るリニアアクチュエータの一実施の形態を示す斜視図である。 図２は、同リニアアクチュエータの断面図である。 図３は、本発明に係るリニアアクチュエータの第２の実施例を示す斜視図である。 図４は、同リニアアクチュエータの断面図である。 図５は、同リニアアクチュエータで用いられる板バネを示す斜視図である。 図６は、本発明に係るリニアアクチュエータの第３の実施例を示す斜視図である。 図７は、本発明に係るリニアアクチュエータの第４の実施例を示す斜視図である。 図８は、同リニアアクチュエータの断面図である。 図９は、本発明に係るリニアアクチュエータの第５の実施例を示す斜視図である。 図１０は、同リニアアクチュエータの断面図である。 図１１は、従来のリニアアクチュエータの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０ リニアアクチュエータ
１１ 電磁コイル
１２ コアユニット
１３ 軸受
１４ フランジ
１５ 固定子
１６ 鉄部材（インナーコア）
１７ 可動子（シャフト）
１８ 永久磁石
１９、５２、７２ 弾性部材
２０ ストッパ部材（Ｅリング）
２１ バネ押さえ
３７ 板バネ（板バネ状の軸受）

Claims (6)

1. 電磁コイルを備えたコアユニットと該コアユニットの両端に設けられるとともに軸受を備えたフランジとを有する固定子と、
   少なくとも一部に鉄部材を有し、前記固定子を貫通して配設されるとともに、前記軸受によって固定子の軸線方向に沿って往復動可能に支持された可動子と、
   前記固定子と前記可動子との対向する面に、磁極を前記軸線方向に直交させた状態で配設された円弧状の永久磁石と、
   前記固定子の両端に配設された弾性部材と、
   前記固定子を貫通した位置にある前記可動子のほぼ両端に固定された一対のストッパ部材とから成り、
   前記弾性部材の内側端を前記固定子の両端である前記フランジの外側両端に突き当て、前記ストッパ部材で前記弾性部材のそれぞれ外側端を挟持することで、フランジとストッパ部材の間で弾性部材を圧縮した状態にし、前記弾性部材の内側端に現れる圧縮反力を前記固定子に両端から圧縮力として作用させ、当該弾性部材の外側端に現れる圧縮反力を前記ストッパ部材を介して前記可動子に作用させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記コアユニットは、両端に配設され可動子の貫通した板バネ状の軸受を備えた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。
3. 前記コアユニットは、軸線方向の中央で外周側に電磁コイルが配設されるとともに、前記永久磁石が軸線方向に２分割されて配設され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。
4. 前記弾性部材は、コイルバネであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記弾性部材は、ゴム製バネであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記弾性部材は、ガス圧バネであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載のリニアアクチュエータ。
   

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