JP5226483B2

JP5226483B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP5226483B2
Application number: JP2008303503A
Authority: JP
Inventors: 浩介佐藤
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP2010130805A

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関する。

従来、この種のリニアアクチュエータとしては、たとえば、複数の永久磁石を軸方向に並べて形成して界磁を保持するロッドと、ロッドの外周に設けられて界磁に対向するコイルを保持する筒とを備えて構成されており、コイルへの通電に当たっては、永久磁石のコイルに対する位置を検出するセンサを設けてブラシレスモータとして構成されるものが知られている（たとえば、特許文献１，２参照）。

ブラシレスモータとして構成されたリニアアクチュエータは、ロッドと筒との相対移動時に機械的接触を保つ整流子とブラシを備えていないので、整流子とブラシの磨耗という問題は生じない。

しかしながら、ブラシレスモータは、永久磁石とコイルとの相対位置を把握するために磁気センサ等を備えており、センサ出力にノイズが重畳されると誤動作を生じる虞があり、誤動作を確実に阻止することが要求される環境下ではセンサレス化が要求される場合がある。

そして、センサレス化されたリニアアクチュエータとしては、たとえば、外周に断面Ｃ型の永久磁石を装着した鉄パイプと永久磁石の両端開部で形成される軸方向に沿う溝内に収容されて鉄パイプの外面に設置される整流子とを備えた固定子と、固定子の挿通を許容する筒状のコイルボビンとコイルボビンの外周に巻回されるコイルとコイルボビンの内周側に設けられて上記溝内に侵入して整流子に接触可能であってコイルに接続されるブラシとを備えた可動子とを備えたものがある（たとえば、特許文献３参照）。

このリニアアクチュエータは、固定子側の整流子が収容される溝内に可動子に設けたブラシが入り込んで接触してコイルに通電されるようになっており、整流子へ与える電流の向きによって、可動子を固定子の両側のいずれかの意図する方向へ移動させることができるようになっている。
特開平０７−１０７７３２号公報特開２００７−０４３７６８号公報特開平０６−１１３５２４号公報

特開平０６−１１３５２４号公報に開示されたリニアアクチュエータでは、上記の如く、センサレスで可動子を駆動することが可能であるために、誤動作を確実に阻止することができる点で優れているが、ブラシが永久磁石の両端開部で形成される溝内に入り込む構造を採用しているため、固定子に対して可動子は軸方向への相対移動が許容されるのみであり自由度が低く、リニアアクチュエータの機器への搭載性が低い。

また、リニアアクチュエータを適用する機器によっては、固定子と可動子とを回転させるモーメントが作用する場合があるが、特開平０６−１１３５２４号公報に開示されたリニアアクチュエータでは、固定子と可動子との相対回転が許容されておらず、当該リニアアクチュエータを上記の如くのモーメントが作用する機器に適用すると、溝内に侵入しているブラシが破壊されて推力の発揮が不能となってしまう虞があり汎用性に乏しい。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、センサレスであっても搭載性と汎用性を向上させることができるリニアアクチュエータを提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、筒状の永久磁石でなる界磁を外周に装着したロッドと、ロッドの挿通を許容するとともに当該界磁の外周に対向するコイルを保持するコイル保持部材とを備え、ロッドとコイル保持部材を軸方向に相対変位させる推力を発生するリニアアクチュエータにおいて、ロッドが中空とされ、ロッド内に挿入されるとともにコイル保持部材に連結されるインナーロッドとを備え、ロッド内に電源に接続されるブラシ或いは筒状の整流子の一方を設け、インナーロッドの外周にコイルへ接続されるブラシ或いは筒状の整流子の他方を設けたことを特徴とする。

本発明のリニアアクチュエータによれば、永久磁石とコイルとの相対位置を検出するセンサを用いることに無く、電源が電源端子間に与える電圧の方向と大きさのみによってリニアアクチュエータの伸縮方向と発生推力の大きさのコントロールが可能となる。

さらに、界磁を保持するロッドを中空として、これにブラシ或いは筒状の整流子の一方を装着し、コイル保持部材に連結されるインナーロッドにブラシ或いは整流子の他方を装着するようにしているので、コイル保持部材とロッドが相対回転してもコイルへの通電状況が変化することがないため、コイル保持部材とロッドとの相対回転が許容されることになる。

それゆえ、このリニアアクチュエータによれば、センサレスで駆動可能であって誤動作を確実に阻止することができるので、誤動作を確実に阻止することが要求される環境下での使用にも耐え、コイル保持部材と界磁を保持するロッドとの相対回転が許容されるので、リニアアクチュエータの自由度が向上して、機器へ取付が容易となり搭載性が著しく向上し、さらに、回転モーメントが作用する機器に適用することも可能となって、汎用性も向上することになる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの横断面図である。

一実施の形態におけるにリニアアクチュエータ１は、図１に示すように、筒状の永久磁石４でなる界磁３を外周に装着した筒状のロッド２と、ロッド２の挿通を許容するとともに当該界磁３の外周に対向するコイル６を保持するコイル保持部材たるコア５と、ロッド２内に挿入されるとともにコア５に連結されるインナーロッド７と、ロッド２内に装着した図外の電源に接続される筒状の整流子８と、インナーロッド７の外周に設けたコイル６へ接続されるブラシ１９，２０，２１とを備え、ロッド２とコア５を軸方向に相対変位させる推力を発生することができるようになっている。

以下、リニアアクチュエータ１の各部について詳しく説明する。ロッド２は、この実施の形態の場合、筒状とされており、外周に軸方向に並べて配置される複数の筒状の永久磁石４を保持している。永久磁石４は、この場合、内周と外周とで極が異なるように着磁され、ロッド２上に所定間隔を空けて軸方向に並べて配置されており、隣り合う永久磁石４同士の外周に異なる極が現れるようにロッド２の外周に接着等によって固定的に装着されている。

したがって、ロッド２の外周にこれらの永久磁石４によって、コイル６へ作用させる磁界が発生されており、これらの永久磁石４でリニアアクチュエータ１における界磁３を構成している。図示するところでは、永久磁石４は、ロッド２に八個設けられているが、リニアアクチュエータ１の駆動ができる限りにおいて、設置数は複数であればよく、これに限られない。また、筒状であって軸方向に交互にＮ極とＳ極が表れる様に分割着磁した単一の永久磁石４を用いて界磁３を構成するようにしてもよい。

なお、ロッド２は、強磁性体材料で形成されるとロッド２内に磁束が集中して永久磁石４の外周周りにおける磁束に影響を与えるので、非磁性体材料によって形成されるとよい。

そして、上記のように永久磁石４を保持したロッド２は、その一端２ａを有底筒状のアウターチューブ１０の底部１０ａに連結している。このロッド２のアウターチューブ１０への連結に際しては、嵌合、螺子締結、その他種々の連結方法を採用することができる。アウターチューブ１０は、底部１０ａと筒部１０ｂとを備えて上述の如く有底筒状とされ、筒部１０ｂの開口端となる図１中左端には、内方へ突出する環状のフランジ１０ｃが設けられるとともに、筒部１０ｂの中間部からフランジ１０ｃまでにかけて内径が大径に設定されて大径部１０ｄが設けられるとともに大径部１０ｄの終端に段部１０ｅが形成されている。さらに、このアウターチューブ１０の底部１０ａの外端には、リニアアクチュエータ１の機器への取付を可能とする取付孔を備えた取付部１４が取付けられ、フランジ１０ｃの内周で環状のアウター側ベアリング１５を保持している。

戻って、ロッド２は、軸方向に沿って形成され肉厚を貫通して内部へ通じる切欠２ｂを備えており、切欠２ｂのアウターチューブ１０の底部１０ａ側の端部は、界磁３の図１中右端の永久磁石４に閉塞されないように、当該永久磁石４の右端よりロッド２の一端２ａ側に延長されている。

また、ロッド２の内周には、筒状の整流子８が装着されており、整流子８は、図外の電源に設けた二つの電源端子１１，１２の一方１１に接続される複数の筒状の整流子片８ａと、電源端子１１，１２の他方１２に接続される複数の筒状の整流子片８ｂと、整流子片８ａ，８ｂ間に介装される筒状の絶縁環８ｃとを備えて構成され、整流子片８ａと整流子片８ｂは、軸方向に交互に配置されてロッド２の内周に装着されている。なお、ロッド２が導電材料で形成される場合には、整流子片８ａ，８ｂとロッド２の内周とを絶縁する絶縁層を設けるようにすればよい。

この整流子片８ａ，８ｂは、それぞれ、ロッド２に設けた切欠２ｂ内に通した導線１３ａ，１３ｂによって電源端子１１，１２へ接続されており、このように切欠２ｂを形成しておくことによって、ロッド２内へ装着される整流子８への給電が容易となる。なお、導線１３ａ，１３ｂは、それぞれアウターチューブ１０の底部１０ａに形成した透孔１０ｆを介してリニアアクチュエータ１外へ導出されて電源の電源端子１１，１２に接続されているが、透孔１０ｆを設ける位置は、底部１０ａに限られない。

つづいて、このアウターチューブ１０とロッド２との間には、移動自在に筒状のコア５が挿入されており、コア５は、コイル６を収容する三つのスロット５ａと、両端およびスロット５ａ，５ａ間に設けた複数の極歯５ｂとを備えて構成されている。

このように構成されたコア５は、この場合、筒状とされて内周をロッド２の界磁３に対向させており、コイル６を励磁して極歯５ｂを磁化することで、ロッド２の界磁３の永久磁石４と吸引、反発させることでロッド２とコア５に軸方向に相対変位させる推力を発生させるようになっている。また、本実施の形態では、コイル保持部材をコア５として、このコア５にコイル６を装着するようにしているが、コイル保持部材を単なる筒として、この筒に直接コイル６を装着することも可能である。

より詳しくは、コイル６は、ロッド２の外周を取り巻くようにスロット５ａ内に装着されており、図示するところでは、コア５に三つのコイル６が設けられ、ブラシ２０と整流子８の位置関係に基づいて通電位相切換を行うとともに、電源端子１１，１２間の電圧制御により、各コイル６の電流量を制御してリニアアクチュエータ１の推力と推力の発生方向を制御することができるようになっている。なお、コイル６の数は、このリニアアクチュエータ１によって発生する推力や通電方式に適した数に設定されればよく、コア５に設けるスロット５ａの数はコイル６の数に一致させて設けられればよい。また、電源端子１１，１２間の電圧の制御にあたってＰＷＭ制御を実施してもよい。

そして、この実施の形態の場合、これら三つのコイル６は、互いに一端が結線されてスター型に結線されているが、コイル６でループを形成するようにデルタ型に結線されてもよい。

また、コア５は、有底筒状のインナーチューブ１６の図１中右端となる開口端１６ａに連結され、インナーチューブ１６は開口端１６ａの外周に鍔１６ｂを備えており、鍔１６ｂの外周で環状のインナー側ベアリング１７を保持している。また、インナーチューブ１６の底部１６ｃの外端には、インナーチューブ１６の機器への取付を可能とする取付孔を備えた取付部１８が取付けられている。

このように構成されたインナーチューブ１６は、アウターチューブ１０内に挿入されており、外周がアウターチューブ１０に保持されたアウター側ベアリング１５によって摺動自在に軸支され、また、自身が保持するインナー側ベアリング１７の外周をアウターチューブ１０の大径部１０ｄの内周に摺接させている。したがって、インナーチューブ１６はアウターチューブ１０内に摺動自在に挿入されている。

そして、インナーチューブ１６がアウターチューブ１０内から退出する方向に相対変位してフランジ１０ｃの図１中右端と鍔１６ｂの図１中左端が衝合するとそれ以上のリニアアクチュエータ１の伸長が規制され、反対に、インナーチューブ１６がアウターチューブ１０内へ侵入する方向に相対変位して鍔１６ｂの図１中右端と段部１０ｅの図１中左端が衝合するとそれ以上のリニアアクチュエータ１の収縮が規制されるようになっている。

このようにアウターチューブ１０に対するインナーチューブ１６のストローク範囲が、上記した鍔１６ｂ、フランジ１０ｃおよび段部１０ｅによって規定されるが、このストローク範囲内では、コア５が必ずロッド２の界磁３の軸方向長さ範囲内に位置して界磁３に対向するようになっており、リニアアクチュエータ１が推力を発生不能となることを防止している。

また、インナーチューブ１６の底部１６ｃの内側には、ロッド２内に挿入されるとともにコア５およびロッド２と軸心が一致する筒状のインナーロッド７が起立しており、このインナーロッド７は、整流子８に干渉しないように、外径が整流子８の内径より小径に設定されている。すなわち、コア５、ロッド２およびインナーロッド７は同心に配置されている。

インナーロッド７の外周には、整流子８の整流子片８ａ，８ｂへ接触可能な三つのブラシ１９，２０，２１が装着されており、これらブラシ１９，２０，２１はインナーロッド７内を通る導線２２，２３，２４を通じてそれぞれ別々にコイル６へ接続されている。このようにインナーロッド７を中空とすることで、導線２２，２３，２４をインナーロッド７内に収容することができ、リニアアクチュエータ１の伸縮時に導線２２，２３，２４がロッド２や整流子８に干渉してしまうことが無いようになっている。

そして、ブラシ１９，２０，２１と整流子８の整流子片８ａ，８ｂの軸方向の相対位置関係は、ブラシ１９，２０，２１のうちいずれか二つが別々の整流子片８ａ，８ｂに接触してコイル６の二つに通電することが可能であって、コア５とロッド２とを相対変位させる推力を発生させることが可能な位置関係とされており、電源が整流子片８ａ，８ｂを印加する電圧の方向によって、コア５に対してロッド２の駆動方向を変更することができるようになっている。また、インナーチューブ１６とアウターチューブ１０とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、負荷抵抗を介して電源端子１１，１２を短絡しておくことによって、コイル６に誘導起電力を生じさせて、上記相対変位を抑制する推力を発生させてリニアアクチュエータ１に上記外力による機器の振動や運動をダンピングさせることもできる。

このように、永久磁石４とコイル６との相対位置を検出するセンサを用いることに無く、電源が電源端子１１，１２間に与える電圧の方向と大きさのみによってリニアアクチュエータ１の伸縮方向と発生推力の大きさのコントロールが可能となる。

さらに、界磁３を保持するロッド２を中空として、これに筒状の整流子８を装着し、コイル保持部材たるコア５に連結されるインナーロッド７に整流子８に接触可能なブラシ１９，２０，２１を装着するようにしているので、コア５とロッド２が相対回転してもコイル６への通電状況が変化することがないため、コア５とロッド２との相対回転が許容されることになる。

それゆえ、このリニアアクチュエータ１によれば、センサレスで駆動可能であって誤動作を確実に阻止することができるので、誤動作を確実に阻止することが要求される環境下での使用にも耐え、コイル保持部材たるコア５と界磁を保持するロッド２との相対回転が許容されるので、リニアアクチュエータの自由度が向上して、機器へ取付が容易となり搭載性が著しく向上し、さらに、回転モーメントが作用する機器に適用することも可能となって、汎用性も向上することになる。

なお、上記したところでは、ロッド２側に整流子８を設け、インナーロッド７にブラシ１９，２０，２１を設けているが、逆に、ロッド２の内周にブラシを設けてインナーロッド７の外周に整流子を設ける構成を採用してもよい。なお、コイル６の相数は三相以外とされてもよく、ブラシの設置数は、コイル６の相数とすればよい。

また、このリニアアクチュエータ１にあっては、取付部１４，１８から曲げモーメントが作用する場合、アウターチューブ１０に摺動自在にインナーチューブ１６が挿入されており、上記曲げモーメントはアウターチューブ１０とインナーチューブ１６には作用するものの、ロッド２がアウターチューブ１０の底部１０ａに連結されるとともに、コイル保持部材たるコア５がインナーチューブ１６の開口端１６ａに連結されているので、ロッド２とコイル保持部材たるコア５には曲げモーメントが作用せず、歪むことが無い。

それゆえ、ロッド２に固定した永久磁石４が剥離したり損傷したりすることが阻止され、また、コイル保持部材たるコア５からコイル６が剥離したりコイル６が断線したりすることも阻止されることになるが、このような利点の享受を要しない場合、インナーチューブ１６の内周にコイル６を装着したり、ロッド２の外周をインナーチューブ１６で支持させることもできる。

また、この場合、アウターチューブ１０とインナーチューブ１６とでリニアアクチュエータ１内が囲繞されるので、内部のコイル６や導線１３ａ，１３ｂ，２２，２３，２４の保護が可能であり、曲げモーメントをインナーチューブ１６とアウターチューブ１０で受けることができる利点があるが、これらの利点の享受を要しなければ、アウターチューブ１０を設けず、インナーチューブ１６はコイル保持部材たるコア５とインナーロッド７とを連結する役割を果せばよいので、筒状としなくともよい。

また、インナーチューブ１６とアウターチューブ１０で曲げモーメントを受けて、これをロッド２とコイル保持部材たるコア５へ伝達しないようにする場合、インナーチューブ１６をアウターチューブ１０へ摺動自在に挿入するようにすればよく、フランジ１０ｃ、鍔１６ｂおよび段部１０ｅを廃して、インナーチューブ１６の外周をアウターチューブ１０の外周へ直接摺接させることも可能であるが、ベアリング１５，１７を用いることで、インナーチューブ１６とアウターチューブ１０の磨耗を抑制してこれらを円滑に相対変位させることができる。

なお、アウターチューブ１０のアウター側ベアリング１５とインナーチューブ１６の外周との間への埃や塵等の侵入を防止したい場合には、アウターチューブ１０の筒部１０ｂの開口端内周に、図示するところではフランジ１０ｃの内周に、シール部材を設けるようにしてもよい。

さらに、インナーチューブ１６における鍔１６ｂの左端とアウターチューブ１０におけるフランジ１０ｃの右端の一方、インナーチューブ１６における鍔１６ｂの右端とアウターチューブ１０における段部１０ｅの左端の一方に、それぞれ、クッションを設けてリニアアクチュエータ１の最伸長時および最収縮時の衝撃を緩和するようにしてもよい。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの横断面図である。

符号の説明

１リニアアクチュエータ
２ロッド
２ａロッドの一端
２ｂロッドにおける切欠
３界磁
４永久磁石
５コイル保持部材たるコア
５ａコアにおけるスロット
５ｂコアにおける極歯
６コイル
７インナーロッド
８整流子
８ａ，８ｂ整流子片
８ｃ絶縁環
１０アウターチューブ
１０ａアウターチューブにおける底部
１０ｂアウターチューブにおける筒部
１０ｃアウターチューブにおけるフランジ
１０ｄアウターチューブにおける大径部
１０ｅアウターチューブにおける段部
１０ｆアウターチューブにおける透孔
１１，１２電源端子
１３ａ，１３ｂ，２２，２３，２４導線
１４，１８取付部
１５アウター側ベアリング１５
１６インナーチューブ
１６ａインナーチューブにおける開口端
１６ｂインナーチューブにおける鍔
１６ｃインナーチューブにおける底部
１７インナー側ベアリング
１９，２０，２１ブラシ

Claims

筒状の永久磁石でなる界磁を外周に装着したロッドと、ロッドの挿通を許容するとともに当該界磁の外周に対向するコイルを保持するコイル保持部材とを備え、ロッドとコイル保持部材を軸方向に相対変位させる推力を発生するリニアアクチュエータにおいて、ロッドが中空とされ、ロッド内に挿入されるとともにコイル保持部材に連結されるインナーロッドとを備え、ロッド内に電源に接続されるブラシ或いは筒状の整流子の一方を設け、インナーロッドの外周にコイルへ接続されるブラシ或いは筒状の整流子の他方を設けたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
整流子は、ロッド或いはインナーロッドに装着されるとともに電源に接続される複数の筒状の整流子片と、各整流子片間に介装される絶縁環とを備えて構成される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。
インナーロッドは、中空とされ、上記中空内を通る導線によってインナーロッドの外周に設けたブラシ或いは整流子とコイルとを接続してなる請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
ロッドに軸方向に沿うとともにロッドの肉厚を貫く切欠を設け、当該切欠を通る導線によってロッド内に装着されるブラシ或いは整流子と電源とを接続してなる請求項１から３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
底部がロッドの一端に連結されるとともにコイル保持部材を内部に収容する有底筒状のアウターチューブと、アウターチューブ内に摺動自在に挿入されるとともに底部がインナーロッドの一端に連結され開口端がコイル保持部材に連結されるインナーチューブとを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。