JP5135870B2

JP5135870B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP5135870B2
Application number: JP2007122233A
Authority: JP
Inventors: 尚正向出
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-05-07
Also published as: JP2008278709A

Description

本発明は、可動マグネット型のリニアアクチュエータに関し、特にヨークをほとんど使わない可動マグネット構成体の採用によって軽量化を図ったリニアアクチュエータに関するものである。

一般に、リニアモータは、例えば、特許文献１に記載されているように、軌道台（１）上に軌道台の全長に亘って延在するように設けられた矩形板状のコイルヨーク（１５）と、このコイルヨーク上に一列に並べて配設された多数の電機子コイル（１６）とを有する一次側と、軌道台上をスライドするスライドユニット（３）の下面側に固定されたマグネットヨーク（２２）と、このマグネットヨークの下面側に固定され電機子コイルに各々対向する矩形板状の界磁マグネット（２３）とを有する二次側とによって構成されている。

かかる界磁マグネットは、スライドユニットのスライド方向に沿って、ＮおよびＳの磁極が複数、交互に並ぶように着磁されており、電機子コイルに所定の電流を供給することにより、一次側および二次側の両者間にフレミングの左手の法則による推力が生じ、スライドユニットが軌道台上をスライドされるようになっている。
特開平５−２２７７２９号公報（段落００１７、００２１、図３、４）

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のリニアモータにおいては、マグネットがマグネットヨークを介して可動体（スライドユニット）に取付けられているため、マグネットヨークの重量によって可動側の重量が大きくなり、リニアモータの高応答性および高速化を達成するうえで、障害となる問題があった。

本発明は、上記した従来の問題点を解消するためになされたもので、ヨークをほとんど使わない可動マグネット構成体の採用により軽量化を可能にしたリニアアクチュエータを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、直線移動可能に案内され移動方向と平行なマグネット取付け面を形成した非磁性材料からなる可動ベース体と、該可動ベース体のマグネット取付け面に取付けられ前記可動ベース体の移動方向にＳＮ極を着磁された１つの主マグネット、該主マグネットの前記可動ベース体の移動方向の両側に配設され前記マグネット取付け面に取付けられた一対の補助ヨーク、および該一対の補助ヨークにそれぞれ埋め込まれた整流マグネットからなるマグネット構成体と、前記可動ベース体に対して相対移動可能な支持ベース体と、該支持ベース体に前記マグネット取付け面と平行に形成されたコイル取付け面に前記一対の補助ヨークに跨る矩形のループ形状に巻回され前記一対の補助ヨークに対向して固着され電流の供給方向に応じて前記マグネット構成体に推力を発生させるコイルとを備え、前記主マグネットのＳ極に向かって前記コイルを通過した前記推力方向と直交する方向の磁力線は一方の前記整流マグネットによって前記推力方向に偏向され、前記主マグネットのＮ極より出た磁力線は他方の前記整流マグネットによって前記推力方向と直交しコイルに向かう方向に偏向されるように、前記一対の整流マグネットは前記主マグネットにそれぞれ対向する方向に前記可動ベース体のマグネット取付け面に対して傾斜して配置されていることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１において、前記可動ベース体は、アルミニウムあるいは合成樹脂からなっていることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２において、前記コイルの束は、前記一対の補助ヨークの幅よりも大きな幅を有し、前記一対の補助ヨークに跨るループ状に形成されたロングコイルによって構成されていることである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１において、前記コイルは、非磁性材料からなる支持ベース体に取付けられていることである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項４の何れか１項において、前記可動ベース体は、周面に複数のマグネット取付け面を形成した多角形状をなし、これら複数のマグネット取付け面に、前記マグネット構成体がそれぞれ取付けられていることである。

請求項１に係る発明によれば、直線移動可能な可動ベース体のマグネット取付け面に取付けられたマグネット構成体は、可動ベース体のマグネット取付け面に取付けられ移動方向にＳＮ極を着磁された主マグネットと、主マグネットの可動ベース体の移動方向の両側に配設されマグネット取付け面に取付けられた一対の補助ヨークと、一対の補助ヨークにそれぞれ埋め込まれた整流マグネットからなり、一対の整流マグネットは、主マグネットの磁力線の方向を偏向させるように主マグネットにそれぞれ対向する方向に可動ベース体のマグネット取付け面に対して傾斜して配置されているので、主マグネットＮ極より出た磁力線は、他方の整流マグネットによって推力方向と直交しコイルに向かう方向に効率よく偏向され、主マグネットのＳ極に向かってコイルを通過した推力方向と直交する方向の磁力線は、一方の整流マグネットによって推力方向に偏向される。これにより、従来のようなマグネットヨークを用いずに少量のヨークの磁気回路を構成することができ、マグネットヨークに代えて低密度の非磁性材料を用いることにより、可動側のマグネット構成体の軽量化を達成でき、高速化を可能にできるとともに、可動ヨーク内の鉄損等も大幅に低減することができる。

請求項２に係る発明によれば、可動ベース体は、アルミニウムあるいは合成樹脂からなっているので、マグネット構成体の軽量化を容易に達成することができる。

請求項３に係る発明によれば、コイルの束は、一対の補助ヨークの幅よりも大きな幅を有し、一対の補助ヨークに跨るループ状に形成されたロングコイルによって構成されているので、マグネット構成体が移動しても、補助ヨークを切る磁束を一定不変に維持することができ、コイルに印加した電流量に対して可動ベース体に発生する推力を一定に確保することができる。

請求項４に係る発明によれば、コイルは、非磁性材料からなる支持ベース体に取付けられているので、コイルヨークを不要にでき、コイル側の軽量化を達成することができる。しかも、磁気吸引力が発生しなくなるため、マグネット構成体を可動ベース体の周りに複数配設した場合においても、磁気吸引力による悪影響を及ぼさないようにすることができ、さらに、全体重量を軽くできる。また、支持ベース体を樹脂にすれば、マグネットの磁束による渦電流損も回避でき、高速性に有利となる。さらに、非磁性導電金属と樹脂の併用により、優れた熱放熱性と高速対応を可能にすることができる。

請求項５に係る発明によれば、可動ベース体は、周面に複数のマグネット取付け面を形成した多角形状をなし、これら複数のマグネット取付け面に、マグネット構成体がそれぞれ取付けられているので、可動ベース体の移動方向の長さを大きくすることなく、可動ベース体に作用する推力を増大することができる。

以下本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１および図２は、可動マグネット型のリニアアクチュエータ１０を示すものである。リニアアクチュエータ１０は、固定側の一次側要素と、一次側要素に対して相対移動可能な可動側の二次側要素とから構成されたリニアモータからなっている。

リニアアクチュエータ１０は、低密度の非磁性体からなる可動ベース体１１を有し、可動ベース体１１はリニアガイド等の案内装置１２によって図１および図２の左右方向に移動可能に案内されている。なお、非磁性体としては、剛性が必要とされる場合には、アルミニウム（アルミニウム合金）等の金属が、また、剛性がそれほど必要とされない場合には、合成樹脂が好適である。

可動ベース体１１には、移動方向に平行なマグネット取付け面１１ａが形成され、マグネット取付け面１１ａにマグネット構成体１３が取付けられている。マグネット構成体１３は、直方体形状の１つの主マグネット体１４と、例えば鉄製からなる一対の補助ヨーク１５、１６と、扁平な直方体形状の一対の整流マグネット１７、１８とを備えている。

主マグネット体１４は、ＳＮ極を可動ベース体１１の移動方向に向けてマグネット取付け面１１ａに貼付けられ、この主マグネット体１４の可動ベース体１１の移動方向における両側に、補助ヨーク１５、１６がそれぞれ配設されて、マグネット取付け面１１ａに貼付けられている。補助ヨーク１５、１６内には、磁束の方向性を強制的に変えるための整流マグネット１７、１８がそれぞれ埋め込まれている。

整流マグネット１７、１８は、扁平面が着磁されていて、主マグネット１４のＳＮ極にそれぞれ対向する向きに所定角度（例えば４５°）傾斜して配置されている。主マグネット１４のＳ極側に対応する一方の整流マグネット１７は、主マグネット１４のＳ極に対向する傾斜上面をＳ極に、傾斜下面をＮ極にして配置され、主マグネット１４のＮ極側に対応する他方の整流マグネット１８は、主マグネット１４のＮ極に対向する傾斜上面をＮ極に、傾斜下面をＳ極にして配置されている。主マグネット１４、補助ヨーク１５、１６および整流マグネット１７、１８からなるマグネット構成体１３およびこれを取付けた可動ベース体１１によって、リニアモータの二次側要素を構成している。

整流マグネット１７、１８を補助ヨーク１５、１６内に埋め込むために、例えば、補助ヨーク１５、１６に整流マグネット１７、１８を挿入する空洞１５ａ、１６ａを、ワイヤカット等によって加工し、加工した空洞１５ａ、１６ａ内に整流マグネット１７、１８が一体的に装着される。

可動ベース体１１に対して相対移動可能な支持ベース体２１には、可動ベース体１１のマグネット取付け面１１ａに対向して、例えば鉄製からなるコイルヨーク２２が取付けられている。コイルヨーク２２には、マグネット取付け面１１ａと平行にコイル取付け面２２ａが形成され、コイル取付け面２２ａにコイル２３が補助ヨーク１５、１６に対向して固着されている。

コイル２３は、図２の二点鎖線で示すように、補助ヨーク１５、１６に跨る矩形のループ形状に平角線あるいは丸線を積層状態で巻回したものである。可動ベース体１１の移動方向におけるコイル２３の束の幅ＣＷは、図３に示すように、補助ヨーク１５、１６の幅ＹＷより大きく構成され、可動ベース体１１が所定の移動範囲移動しても、コイル２３の束の幅ＣＷ内より補助ヨーク１５、１６が可動ベース体１１の移動方向にはみ出さないように構成されている。すなわち、コイル２３は、いわゆるロングコイルで構成され、コイル２３の束の幅ＣＷから補助ヨーク１５、１６の幅ＹＷを差し引いた量Ｗ１（Ｗ１／２＋Ｗ１／２）は、可動ベース体１１の移動範囲よりも大きく設定されている。コイル２３を取付けたコイルヨーク２２およびにこれを取付けた支持ベース体２１によって、リニアモータの一次側要素を構成している。

次に、上記した実施の形態におけるリニアアクチュエータ１０の動作について説明する。コイル２３に所定の電流を供給すると、一方の整流マグネット１７、主マグネット１４および他方の整流マグネット１８を通る磁気回路が形成され、フレミングの左手の法則に従って、可動ベース体１１に推力が発生され、可動ベース体１１は電流の供給方向に応じて、図１および図２の左右方向に移動される。

この際、整流マグネット１７、１８は、主マグネット１４のＳＮ極に対向するようにそれぞれ傾斜して配設されているため、一方の整流マグネット１７に作用された推力方向と直交する方向の磁力線は、図４に示すように、主マグネット１４のＳ極に向かう推力方向に偏向され、さらに、主マグネット１４のＮ極より出た磁力線は、他方の整流マグネット１８によってコイル２３に向かう推力方向と直交する方向に偏向される磁気回路ＭＣが形成される。

このため、従来のようなマグネットヨークを用いずに少量のヨークの磁気回路を構成することができ、マグネットヨークに代えて、アルミニウム製あるいは合成樹脂製等の低密度の非磁性材料を用いることができるため、可動側となる二次側要素の軽量化を達成でき、応答性を向上できるとともに、高速化を可能にできる。

しかも、コイル２３をロングコイルにて構成したので、コイル２３に対してマグネット構成体１３が相対移動しても、補助ヨーク１５，１６を切る磁束を一定不変に維持することができ、コイル２３に印加した電流量に対して可動ベース体１１に発生する推力を一定に確保できるようになる。

図５および図６は、本発明の第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態と異なる点は、可動ベース体１１１を、周面に複数のマグネット取付け面１１１ａ〜１１１ｄを形成した例えば４角からなる多角形状に構成したこと、およびコイル２３側をヨークレスとしたことである。

第２の実施の形態においては、可動ベース体１１１の複数のマグネット取付け面１１１ａ〜１１１ｄに、第１の実施の形態において説明したと同様に、主マグネット体１４、補助ヨーク１５、１６および整流マグネット１７、１８からなるマグネット構成体１３ａ〜１３ｄがそれぞれ配設されている。なお、可動ベース体１１１は、両端を図略の支持台に軸方向移動のみ可能に支持される。

一方、支持ベース体１２１は、アルミニウム製あるいは合成樹脂製等の低密度の非磁性体からなり、可動ベース体１１１を取り囲むように配置されている。可動ベース体１３の周面に配設した各マグネット構成体１３ａ〜１３ｄに対向して、支持ベース体１２１の内面には、コイル取付け面１２１ａ〜１２１ｄがそれぞれ形成され、これらコイル取付け面１２１ａ〜１２１ｄに、コイル２３ａ〜２３ｄがそれぞれ取付けられている。

コイル取付け面１２１ａ〜１２１ｄに取付けられる各コイル２３ａ〜２３ｄは、相互の干渉を避けるために、熱を加えると軟化して容易に曲げることができる自己融着線にて作成され、図６に示すように、各コイル２３ａ〜２３ｄの周方向の両端部２３ａ１〜２３ｄ１が外方に折り曲げられた状態で、コイル取付け面１２１ａ〜１２１ｄに取付けられる。

かかる第２の実施の形態によれば、可動ベース体１１１の周面に複数のマグネット構成体１３ａ〜１３ｄを配設したことにより、可動ベース体１１１の横方向の寸法を大きくすることなく、可動ベース体１１１に作用する推力を増大することができる。

しかも、コイルヨークを廃止したことにより、リニアモータの一次側要素の軽量化を達成でき、小型、軽量のリニアアクチュエータ１０を実現することが可能となる。しかも、コイルヨークによる磁気吸引力の発生もなくなるため、マグネット構成体１３ａ〜１３ｄを可動ベース体１１１の周りに複数配設しても、可動ベース体１１１に磁気吸引力による悪影響を及ぼさないようにすることができ、可動ベース体１１１の位置精度を向上することができるとともに、コイル２３ａ〜２３ｄの厚みを大きくできることにより、導体抵抗を小さくでき、発熱を抑えることができるようになる。従って、可動ベース体１１１を、工作機械の工具保持体として適用すれば、高精度な加工を可能にできる。

また、支持ベース体１２１を樹脂にすれば、マグネットの磁束による渦電流損を回避でき、高速性に有利となる。さらに、非磁性導電金属と樹脂の併用により、優れた熱放熱性と高速対応を可能にすることができる。

なお、支持ベース体１２１をアルミニウムもしくはアルミニウム合金にて構成する場合には、渦電流の発生を抑えるために、支持ベース体１２１のコイル取付け面１２１ａ〜１２１ｄにスリット溝等を形成して、コイル２３ａ〜２３ｄとの接触面積を小さくすることが望ましい。

上記した実施の形態においては、整流マグネット１７、１８を、補助ヨーク１５、１６にワイヤカット等により空洞１５ａ、１６ａを加工して埋め込むようにしたが、整流マグネット１７、１８の埋め込みは、図７に示すように、補助ヨーク１５、１６を、整流マグネット１７、１８の傾斜下面に接合する傾斜面１５ｂ、１６ｂに沿って２部材１５ｂ１、１５ｂ２および１６ｂ１、１６ｂ２に分割し、これら２部材１５ｂ１、１５ｂ２および１６ｂ１、１６ｂ２の間に整流マグネット１７、１８をサンドウィッチ状に装着するようにしてもよい。

また、上記した実施の形態においては、コイル２３、２３ａ〜２３ｄをロングコイルで構成したが、コイル２３の束の幅が補助ヨーク１５、１６の幅よりも小さな、いわゆるショートコイルを用いることもできる。

以上、本発明を実施の形態に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータ装置を示す概要図である。図１の２−２線に沿って矢視した図である。コイルの束の幅を示す図である。第１の実施の形態における磁気回路を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るリニアアクチュエータ装置を示す概要図である。図５の６−６線に沿って切断した断面図である。図１の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…リニアアクチュエータ、１１、１１１…可動ベース体、１１ａ、１１１ａ〜１１１ｄ…マグネット取付け面、１３、１３ａ〜１３ｄ…マグネット構成体、１４…主マグネット体、１５、１６…補助ヨーク、１７、１８…整流マグネット、２１、１２１…支持ベース体、２２ａ、１２１ａ〜１２１ｄ…コイル取付け面、２２…コイルヨーク、２３、２３ａ〜２３ｄ…コイル。

Claims

直線移動可能に案内され移動方向と平行なマグネット取付け面を形成した非磁性材料からなる可動ベース体と、
該可動ベース体のマグネット取付け面に取付けられ前記可動ベース体の移動方向にＳＮ極を着磁された１つの主マグネット、該主マグネットの前記可動ベース体の移動方向の両側に配設され前記マグネット取付け面に取付けられた一対の補助ヨーク、および該一対の補助ヨークにそれぞれ埋め込まれた整流マグネットからなるマグネット構成体と、
前記可動ベース体に対して相対移動可能な支持ベース体と、
前記マグネット取付け面と平行に形成されたコイル取付け面に前記一対の補助ヨークに跨る矩形のループ形状に巻回され、前記一対の補助ヨークに対向して前記支持ベース体に固着され、電流の供給方向に応じて前記マグネット構成体に推力を発生させるコイルとを備え、
前記主マグネットのＳ極に向かって前記コイルを通過した前記推力方向と直交する方向の磁力線は一方の前記整流マグネットによって前記推力方向に偏向され、前記主マグネットのＮ極より出た磁力線は他方の前記整流マグネットによって前記推力方向と直交しコイルに向かう方向に偏向されるように、前記一対の整流マグネットは前記主マグネットにそれぞれ対向する方向に前記可動ベース体のマグネット取付け面に対して傾斜して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。
請求項１において、前記可動ベース体は、アルミニウムあるいは合成樹脂からなっ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または請求項２において、前記コイルの束は、前記一対の補助ヨークの幅よりも大きな幅を有し、前記一対の補助ヨークに跨るループ状に形成されたロングコイルによって構成され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において、前記コイルは、非磁性材料からなる支持ベース体に取付けられ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ないし請求項４の何れか１項において、前記可動ベース体は、周面に複数のマグネット取付け面を形成した多角形状をなし、これら複数のマグネット取付け面に、前記マグネット構成体がそれぞれ取付けられていることを特徴とするリニアアクチュエータ。