JP5080785B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータに関するものである。

従来、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータは、例えば特許文献１に開示されているような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していた。
特開２００３−８８０８９号公報（段落０００４）

上述のように多次元の方向に駆動可能なアクチュエータを構成する場合、特許文献１に開示されてような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組みあわせて実現していたため、アクチュエータの形状が大型となるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、一つの可動側磁性部材を任意の方向に揺動可能で、小型化が可能なアクチュエータを提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１のアクチュエータに係る発明では、同一面上に固定された少なくとも３つの磁極を備えた固定側磁性部材と、前記磁極を夫々励磁するコイル部と、前記面に対して上方に配された可動側磁性部材と、前記磁極との間に生じる電磁力により影響を受ける範囲内で、且つ上面視で前記磁極を頂点とする多角形の内部に、前記可動側磁性部材を上面視で全方向に揺動自在に支持する支持部材と、前記固定側磁性部材及び前記コイル部及び前記可動側磁性部材及び前記支持部材を収納するケースとを備え、前記可動側磁性部材と前記ケースの内壁との間に上面視で全方向に弾性力を生じさせる弾性部材を介在させていることを特徴とする。

請求項１のアクチュエータに係る発明によれば、固定側磁性部材の磁極により生成される磁界の向きを容易に制御することができ、そのため簡単な構成で一つの可動側磁性部材を広域に揺動させることができ、小型化が可能なアクチュエータを提供できる。また、弾性部材の弾性力により可動側磁性部材を上面視で全方向への共振動作をさせることができ、オシレータとして機能するアクチュエータを提供できる。

請求項２のアクチュエータに係る発明では、請求項１の発明において、前記可動側磁性部材は、前記固定側磁性部材の磁極数と同数の磁極を備えるとともに、該各磁極を、夫々に対応する前記固定側磁性部材の磁極の近傍に配したことを特徴とする。

請求項２のアクチュエータに係る発明によれば、磁極からの距離が短くなるため、出力を大きくすることができる。

請求項３のアクチュエータに係る発明では、請求項１又は２の発明において、前記固定側磁性部材は、全ての磁極が磁性体により接続されていることを特徴とする。

請求項３のアクチュエータに係る発明によれば、コイル部に流れる励磁電流によって発生する磁束が流れる磁路の磁気抵抗を小さくすることができ、そのため磁気効率を上げることができ、また一つの磁極を励磁することにより、他の磁極を励磁することになるので、励磁電流を流すパターンを増やすことができる。

請求項４のアクチュエータに係る発明では、請求項１乃至３の何れかの発明において、前記可動側磁性部材は、磁性体で形成されていることを特徴とする。

請求項４のアクチュエータに係る発明によれば、部材数を少なくして製作コストを低減することができる。

請求項５のアクチュエータに係る発明では、請求項２乃至４の何れか発明において、前前記固定側磁性部材及び前記可動側磁性部材の夫々の磁極の数は４つであって、前記固定側磁性部材と前記可動側磁性部材とは、上面視で十字形状をなしていることを特徴とする。

請求項５のアクチュエータに係る発明によれば、各磁性部材を十字形状に形成して磁極数を４つとすることで、コイル部のスペースを均等に確保することができ、容易に可動側磁性部材の揺動の制御を行うことができる。

請求項６のアクチュエータに係る発明では、請求項１乃至５の何れかの発明において、前記可動側磁性部材の磁極と、前記固定側磁性部材の磁極との対向面が球面に形成されていることを特徴とする。

請求項６のアクチュエータに係る発明によれば、可動側磁性部材の磁極と固定側磁性部材の磁極との間のギャップを小さくすることができ、その結果、磁気効率が上がってアクチュエータの効率を向上することができる。

本発明は、固定側磁性部材の磁極により生成される磁界の向きを容易に制御することができ、そのため簡単な構成で一つの可動側磁性部材を広域に揺動させることができ、小型化が可能なアクチュエータを提供できるという効果がある。

以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
本実施形態のアクチュエータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すようにケース２内に収容され、出力軸であるシャフト３をケース２の一面から外部に突出させているもので、シャフト３と、可動側磁性部材４と、固定側磁性部材５と、コイル部６１〜６４等で構成される。

可動側磁性部材４は、図１（ｃ）に示すように十字型の磁性体４０と該磁性体４０の各端面に配設した永久磁石４１とで構成され、磁性体４０の中心には出力軸であるシャフト３の一端を固定してある。永久磁石４１はｘｙ平面に対して平行に着磁しており、外側端面の磁極の極性を同極（例えばＮ極）としている。

固定側磁性部材５は、十字型の基部５０と、該基部５０の各端部より図において上向きに同一高さで突出して先端面を磁極とする４つの脚部５１とからなり、各脚部５１には各別に励磁電流を流すことができるようにコイル部６１〜６４を巻回している。

而して、脚部５１を上向きにして固定側磁性部材５をケース２の底部に配置して各脚部５１の先端の磁極を同一平面上に固定配置する一方、ケース２の上面部（蓋部）の中心に設けた孔部２ａを介してシャフト３をケース２外に突出させるとともに、シャフト３の中間部に被挿してある支持部材７を孔部２ａに取り付けることで、固定側磁性部材５の４つの磁極を頂点とする多角形の中心に支持部材７を位置させて、可動側磁性部材４を上面視で全方向に揺動自在に支持する。このとき可動側磁性部材４の各永久磁石４１の磁極が固定側磁性部材５の対応する磁極（脚部５１の端面）近傍に配置されることで、コイル部６１〜６４の励磁による電磁力によって影響を受ける範囲内に可動側磁性部材４が位置することになる。

以上のように構成される本実施形態のアクチュエータ１の動作を図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面図からなる図２（ａ）〜（ｃ）により説明する。尚Ａ−Ａ’断面図において正面中央に見える固定側磁性部材５の脚部５１は省略しており、以降の他の実施形態の説明に用いるＡ−Ａ’断面図も同様に省略している。

まず、固定側磁性部材５の両側の脚部５１，５１に巻回しているコイル部６１，６２に励磁電流を流さない無励磁状態では、図２（ａ）に示すように可動側磁性部材４の磁性体４０の両側端に設けた永久磁石４１、４１から発生する磁束ａ、ｂのみであるので、可動側磁性部材４の各端部でバランスがとれ、可動側磁性部材４は中心で推力０となっている。

次に図２（ｂ）に示すように、例えば固定側磁性部材５の右側脚部５１の上端がＳ極、左側脚部５１の上端がＮ極となる方向に両側の脚部５１、５１に夫々巻回したコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、コイル部６１，６２の励磁による磁束が、固定側磁性部材５の左側脚部５１→可動側磁性部材４の磁性体４０→固定側磁性部材５の右側脚部５１→基部５０→左側脚部５１の磁路（破線で示すループ）で流れて上述のバランスが崩れ、矢印イで示すように可動側磁性部材４に右方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動側磁性部材４が揺動する。

また図２（ｂ）の向きとは逆向きに両側のコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、図２（ｃ）に示すように右側脚部５１の上端がＮ極、左側脚部５１の上端がＳ極となり、コイル部６１，６２の励磁による磁束が、固定側磁性部材５の右側脚部５１→可動側磁性部材４の磁性体４０→固定側磁性部材５の左側脚部５１→基部５０→固定側磁性部材５の右側脚部５１の磁路（破線で示すループ）で流れて上述のバランスが崩れ、矢印ロで示すように可動側磁性部材４に左方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動側磁性部材４が揺動する。

尚、図３に示すように可動側磁性部材４の上面視で推力を発生させる方向を、右方向の場合には（１）、該右方向に対して４５°方向の場合には（２）、右方向に対して９０°方向の場合には（３）、右方向に対して１３５°方向の場合には（４）とし、また夫々の反対の方向の場合には（−１）、（−２）、（−３）、（−４）とすると、可動側磁性部材４の推力の方向と各コイル部６１〜６４に流す励磁電流の方向（夫々を巻回した固定側磁性部材５の脚部５１の上端部の磁極）とは表１のような関係を持ち、励磁するコイル部６１〜６４とその励磁電流の方向とを設定することで，可動側磁性部材４を（１）〜（４）或いは（−１）〜（−４）の方向に任意に揺動させることができる。

（実施形態２）
上述の実施形態１は、可動側磁性部材４の磁性体４０の端面に永久磁石４１を配設して着磁方向をｘｙ平面に対して平行としているが、本実施形態は、図４（ａ）に示すように磁性体４０の端部の下面（固定側磁性部材５側）に、ｚ方向に着磁した永久磁石４１を配設した点に特徴があり、各永久磁石４１の下向き端面の磁極の極性を交互に異ならせている。

尚その他の構成は実施形態１と同じであるので、同じ構成要素に同じ符号を付して説明は省略する。また図４（ａ）では本実施形態のアクチュエータ１をケースから取り出した状態を示しているが、可動側磁性部材４，固定側磁性部材５は実施形態１と同様にケース内に収納される。

而して本実施形態のアクチュエータ１では、可動側磁性部材４の各永久磁石４１から出た磁束は図４（ｂ）に示すような磁路を介して流れることになる。

つまり図４（ｂ）において例えば可動側磁性部材４の永久磁石４１_１から出た磁束は固定側磁性部材５の脚部５１_１を通り、基部５０から脚部５１_３，５１_４に分かれ、更に可動側磁性部材４の永久磁石４１_３、４１_４を通って、永久磁石４１_１に戻ってくる。また、可動側磁性部材４の永久磁石４１_２から出た磁束は固定側磁性部材５の脚部５１_２を通り、基部５０から脚部５１_３，５１_４に分かれ、更に可動側磁性部材４の永久磁石４１_３、４２_４を通って、永久磁石４１_２に戻ってくる。

以上のように構成される本実施形態のアクチュエータ１の動作を図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図からなる図５（ａ）〜（ｃ）により説明する。

まず、固定側磁性部材５の両側の脚部５１，５１に巻回しているコイル部６１，６２に励磁電流を流さない無励磁状態では、図５（ａ）に示すように可動側磁性部材４の磁性体４０の端部に設けた永久磁石４１、４１から発生する磁束ａ、ｂのみであるので、可動側磁性部材４の各端部でバランスがとれ、可動側磁性部材４は中心で推力０となっている。

次に図５（ｂ）に示すように、例えば固定側磁性部材５の右側脚部５１の上端がＮ極、左側脚部５１の上端がＳ極となる方向に両側の脚部５１、５１に夫々巻回したコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、コイル部６１，６２の励磁による磁束が、固定側磁性部材５の右側脚部５１→可動側磁性部材４の右側の永久磁石４１→磁性体４０→可動側磁性部材４の左側の永久磁石４１→固定側磁性部材５の左側脚部５１→基部５０→右側脚部５１の磁路（破線で示すループ）で流れて上述の各バランスが崩れ、矢印イで示すように可動側磁性部材４に右方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動側磁性部材４が揺動する。

また図５（ｂ）の向きとは逆向きに両側のコイル部６１，６２に励磁電流を流すと、図５（ｃ）に示すように右側脚部５１の上端がＳ極、左側脚部５１の上端がＮ極となり、コイル部６１，６２の励磁による磁束が、固定側磁性部材５の左側脚部５１→可動側磁性部材４の左側の永久磁石４１→磁性体４０→可動側磁性部材４の右側の永久磁石４１→固定側磁性部材５の右側脚部５１→基部５０→固定側磁性部材５の左側脚部５１の磁路（破線で示すループ）で流れて上述の各バランスが崩れ、矢印ロで示すように可動側磁性部材４に左方向の推力が発生し、シャフト７を中心として可動側磁性部材４が揺動する。

尚、図６に示すように可動側磁性部材４の上面視で推力を発生させる方向を、右方向の場合には（１）、該右方向に対して４５°方向の場合には（２）、右方向に対して９０°方向の場合には（３）、右方向に対して１３５°方向の場合には（４）とし、夫々の反対向きを（−１）、（−２）、（−３）、（−４）とすると、可動側磁性部材４の駆動方向と各コイル部６１〜６４の励磁電流の方向（夫々を巻回した固定側磁性部材５の脚部５１の上端部の磁極）とは表２のような関係を持ち、励磁するコイル部６１〜６４とその励磁電流の向きと設定することで，可動側磁性部材４を（１）〜（４）或いは（−１）〜（−４）の方向に任意に揺動させることができる。

（実施形態３）
本実施形態は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように固定側磁性部材５の各脚部５１の磁極となる端面を凹球面とし、この凹球面に対向する可動側磁性部材４の磁極となる永久磁石４１の端面及び磁性体４０の下面を図示するように凹球面と同心の凹球面として、これら球面同士の対向ギャップを小さくした点に特徴があり、対向ギャップを小さくすることで、磁気効率を上げて、アクチュエータとしての効率を図っている。尚シャフト３に被挿している支持部材７の位置を球面の中心位置とするとともに、支持部材７の形状をケース２の孔部２ａに設けた球面軸受け８に対応させた形状とすることで、可動側磁性部材４が支持部材７を中心として球面揺動するようになっている。

尚図７（ｂ）では固定側磁性部材５の右側脚部５１の磁極がＮ極となり、左側脚部５１の磁極がＳ極となる方向に励磁電流を夫々に巻回しているコイル部６１、６２に流している状態を示しており、この状態では図７（ｂ）に示す白抜きの矢印方向に推力が発生する。

また、その他の構成及び動作は実施形態１と同じであるので同じ構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。
（実施形態４）
実施形態３の構成では、可動側磁性部材４の永久磁石４１の端面を球面に加工しているが、本実施形態では、図８（ａ）、（ｂ）に示すように磁性体４０の各端部下面に直方形の永久磁石４１を固定し、この永久磁石４１の下面に、固定側磁性部材５の各脚部５１の端面の凹球面に対向させる凸球面に端面を加工した磁性体４２を固着した点に特徴がある。つまり、本実施形態では実施形態３に比して永久磁石４１を加工して凸球面を形成する場合に比して製作が容易となる。

尚図８（ｂ）では固定側磁性部材５の右側脚部５１の磁極がＮ極となり、左側脚部５１の磁極がＳ極となる方向に励磁電流を夫々に巻回しているコイル部６１、６２に流している状態を示しており、この状態では図８（ｂ）に示す白抜きの矢印方向に推力が発生する。

また、その他の構成及び動作は実施形態２と同じであるので同じ構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。
（実施形態５）
本実施形態は、例えば実施形態１の構成を基本としたものであるが、図９に示すように可動側磁性部材４の磁性体４０の各端部に配設した永久磁石１４の端面とケース２の内壁面との間にコイルスプリングのような弾性部材９を介在させ、この弾性部材９の弾性力により可動側磁性部材４を上面視で全方向への共振動作をさせてオシレータとして機能させるようにした点に特徴がある。尚共振動作以外の推力発生の動作及びその他の構成は実施形態１と同じであるので同じ構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。また図９ではケース２の一部を省略してある。

尚各実施形態では磁極数を４つとしているが、少なくとも３つ以上あれば良くとくに限定されるものではない。

また固定側磁性部材５の各磁極を構成する脚部５１は基部５０により一体連結されて磁路を構成できるようになっているため、対向する脚部５１、５１を同極となるように励磁し、これら脚部５１、５１に対して９０°位置にある脚部５１、５１の一方を上述の励磁極性とは異なる極性に励磁することで上述の表１、表２以外の多次元駆動も行え、表１、表２の内容に限定されるものではない。

実施形態１を示し，（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は一部省略せる断面図、（ｃ）はケースを取り除いた状態の固定側磁性部材と可動側磁性部材の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は実施形態１の動作説明図である。 実施形態１の可動側磁性部材に発生する推力の方向の説明図である。 実施形態２を示し、（ａ）はケースを取り除いた状態の固定側磁性部材と可動側磁性部材の斜視図、（ｂ）は可動側磁性部材の永久磁石の磁束の流れ説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は実施形態２の動作説明図である。 実施形態２の可動側磁性部材に発生する推力の方向の説明図である。 実施形態３を示し、（ａ）はケースを取り除いた状態の固定側磁性部材と可動側磁性部材の一部省略した斜視図、（ｂ）は一部省略せるＡ−Ａ’断面図である。 実施形態４を示し，(ａ）はケースを取り除いた状態の固定側磁性部材と可動側磁性部材の一部省略した斜視図、（ｂ）は一部省略せるＡ−Ａ’断面図である。 実施形態５の一部省略した斜視図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ ケース
３ シャフト
４ 可動側磁性部材
４０ 磁性体
４１ 永久磁石
５ 固定側磁性部材
５１ 脚部
５０ 基部
６１〜６４ コイル部
７ 支持部材

Claims (6)

1. 同一面上に固定された少なくとも３つの磁極を備えた固定側磁性部材と、前記磁極を夫々励磁するコイル部と、前記面に対して上方に配された可動側磁性部材と、前記磁極との間に生じる電磁力により影響を受ける範囲内で、且つ上面視で前記磁極を頂点とする多角形の内部に、前記可動側磁性部材を上面視で全方向に揺動自在に支持する支持部材と、前記固定側磁性部材及び前記コイル部及び前記可動側磁性部材及び前記支持部材を収納するケースとを備え、前記可動側磁性部材と前記ケースの内壁との間に上面視で全方向に弾性力を生じさせる弾性部材を介在させていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記可動側磁性部材は、前記固定側磁性部材の磁極数と同数の磁極を備えるとともに、該各磁極を、夫々に対応する前記固定側磁性部材の磁極の近傍に配したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記固定側磁性部材は、全ての磁極が磁性体により接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
4. 前記可動側磁性部材は、磁性体で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかの１項に記載のアクチュエータ。
5. 前記固定側磁性部材及び前記可動側磁性部材の夫々の磁極の数は４つであって、前記固定側磁性部材と前記可動側磁性部材とは、上面視で十字形状をなしていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載のアクチュエータ。
6. 前記可動側磁性部材の磁極と、前記固定側磁性部材の磁極との対向面が球面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかの１項に記載のアクチュエータ。

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