JP5237784B2

JP5237784B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP5237784B2
Application number: JP2008326522A
Authority: JP
Inventors: 智士鈴木; 義雄光武; 智浩太田; 勝弘平田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP2010148340A

Description

本発明は、往復直進移動と回転移動とを複合した２自由度の運動を行う可動体を備えたアクチュエータに関するものである。

従来から、電気かみそりや電動歯ブラシのような機械装置の駆動部に用いるために可動体を往復直進移動させるアクチュエータ（リニアオシレータ）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたリニアオシレータは、磁性体からなりケースに対して往復直進移動が可能となるように支承されたプランジャ（可動体）と、プランジャに磁力を作用させて往復直進移動させる電磁駆動部とを備えている。また、ケースにはプランジャに対して往復直進移動の方向においてばね力が作用するように複数個のばねが配置されている。

電磁駆動部は、プランジャの移動方向に着磁された一対の永久磁石と、両永久磁石の間に配置されたコイル（コイル部）と、各永久磁石の各磁極にそれぞれ磁気結合された２対のヨーク（固定磁極）とを備える構成であり、プランジャを囲む円筒状に形成されている。プランジャが往復直進移動を行う方向において各永久磁石は互いに逆向きに着磁されている。また、プランジャが往復直進移動を行う方向におけるプランジャの両端間の長さ寸法は、電磁駆動部の長さ寸法よりも小さく設定されている。

コイルに電流が流れていない状態では、各永久磁石で発生する磁束は、それぞれプランジャ内を通る独立した磁路を形成する。また、プランジャは、ばねから作用するばね力が釣り合う位置で静止する。この位置は、たとえば、プランジャの往復直進移動の方向におけるプランジャの中心位置と電磁駆動部の中心位置とが一致する位置としてある。

一方、コイルに通電するとコイルにより発生する磁束は、一方の永久磁石により発生している磁束と同じ向きになり、他方の永久磁石により発生している磁束とは逆向きになるから、コイルにより発生する磁束と同じ向きの磁束を発生させている永久磁石を配置している側にプランジャが変位する。したがって、コイルに交番電流を通電することによって、プランジャを往復直進移動させることができる。

ところで、この種のアクチュエータを電動歯ブラシなどに用いる場合には、往復直進移動だけではなく回転移動（ローリング動作）を付加することが要求されることがある。往復直進移動と回転移動とを組み合わせた運動をトルネード運動と呼ぶことがある。

トルネード運動を可能にするアクチュエータとしては、図５に示す構成が提案されている（非特許文献１参照）。

このアクチュエータは、円筒状のケース４０を備え、ケース４０には、ケース４０の口軸方向の直線上で往復直進移動が可能であるとともにケース４０の周方向に回転移動が可能となるように可動体１０が支承され、さらに、ケース４０内には可動体１０を駆動するための固定子２０が収納される。ケース４０の外に磁束が漏れるのを防止する防磁効果を持たせるとともに磁気効率を高めるために、ケース４０は鉄材などの磁性体により形成する。

可動体１０は、ケース４０の両端部に支承される出力軸１１と、鉄材のような磁性体により形成され出力軸１１に固定されたプランジャ１２とを有する。出力軸１１はケース４０の口軸方向に沿ったケース４０の中心線上に配置される。また、プランジャ１２は、出力軸１１の軸方向に直交する断面において外周面が略円形であり、プランジャ１２の軸方向における一端部には中間部よりも大径となった可動磁極１３，１４が永久磁石１５を挟持して形成され、プランジャ１２の軸方向における他端部には中間部よりも大径となった可動磁極１６，１７が永久磁石１８を挟持して形成される。

永久磁石１５，１８は出力軸１１の軸方向に着磁され、かつ各永久磁石１５，１８は互いに逆向きに着磁されている。また、各永久磁石１５，１８の各磁極には、それぞれ可動磁極１３，１４、１６，１７が磁気結合される。永久磁石１５，１８と可動磁極１３，１４、１６，１７とは隙間なく密着して配置され一体化されている。

ケース４０の内部においてプランジャ１２を囲む部位には、円筒状に形成された固定子２０が配置される。固定子２０は、円環状のコイル部２１と、出力軸１１の軸方向においてコイル部２１の両側に各々配置された固定磁極２２，２３を備える。固定磁極２２，２３は、それぞれ板状かつ円環上に形成されている。

ここに、プランジャ１２に設けた１枚の可動磁極１３，１６と１枚の永久磁石１５，１８との厚み寸法の合計は、各固定磁極２２，２３の出力軸１１の軸方向における寸法に略一致する。また、出力軸１１の軸方向における固定子２０の長さ寸法は、プランジャ１２の長さ寸法に略一致する。さらに、出力軸１１の軸方向における可動磁極１４，１７の厚み寸法は、固定子２０に設けた各固定磁極２２，２３の出力軸１１の軸方向における寸法より大きくするのが望ましい。つまり、出力軸１１の軸方向において、可動磁極１４，１７の厚み寸法は固定磁極２２，２３の厚み寸法よりも大きくしてある。

なお、ケース４０内には、振幅制御錘や、プランジャ１２を初期位置に復帰させる機能を有する復帰ばねや、共振ばねを構成するコイルばねが収納されるが、説明は省略する。

コイル部２１に通電していない状態では、図５，図６（ａ）に示すように、固定磁極２２が可動磁極１３および永久磁石１５に対向し、固定磁極２３が可動磁極１６および永久磁石１８に対向する位置に位置する。コイル部２１に通電すると、コイル部２１は固定磁極２２，２３を励磁する磁束を発生し、固定磁極２２，２３とプランジャ１２に設けた可動磁極１３，１４，１６，１７との間に、出力軸１１の軸方向に沿った磁力が作用する。

たとえば、図５に示す例では、図の上部の永久磁石１５は上向きに着磁され、図の下部の永久磁石１８は下向きに着磁されている。ここで、コイル部２１への通電により固定磁極２２をＳ極に励磁し、固定磁極２３をＮ極に励磁すると、コイル部２１により生じた磁束の向きが、永久磁石１５の磁束の向きとは同じになり、永久磁石１８の磁束の向きとは逆向きになるから、可動磁極１３，１４は、固定磁極２２に対向する方向に移動し、可動磁極１６，１７は、固定磁極２３から離れる方向に移動する。つまり、各部に働く推力のバランスが崩れて、可動磁極１３，１４，１６，１７と固定磁極２２，２３の間に、プランジャ１２を上向きに移動させる磁力が作用することになる。

コイル部２１への通電の向きを逆向きにすれば、上述した状態とは逆に、プランジャ１２を下向きに移動させる磁力が作用する。つまり、図５、図６（ａ）に示す位置を往復直進移動の基準位置とすると、コイル部２１への通電の向きに応じて、プランジャ１２（つまりは、可動体１０）を上下に移動させることができる。すなわち、コイル部２１に交番電流を通電すると、可動体１０が往復直進移動する。

ところで、図７（ａ）（ｂ）、図８（ａ）（ｂ）に示すように、可動磁極１３，１４，１６，１７および固定磁極２２，２３には、出力軸１１の軸方向に直交する面内において、磁極面（可動磁極１３，１４，１６，１７の外周面と固定磁極２２，２３の内周面）での磁束分布を不均一にすることで可動体１０に回転方向の磁力を作用させる回転付与部が形成されている。図示例において、回転付与部は出力軸１１の軸方向の一直線上で各々延長された溝部１３ｂ，１４ｂ，１６ｂ，１７ｂ，２２ａ，２３ａとして形成してある。溝部１３ｂ，１４ｂ，１６ｂ，１７ｂ，２２ａ，２３ａは、出力軸１１の周方向において、等角度間隔で多数個形成しており、固定磁極２２近傍、固定磁極２３近傍において、出力軸１１の軸方向に直交する断面を図８（ａ）（ｂ）に示す。

そして、図６（ａ）（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ’線で切り取った部分の平面図であり、図６（ａ）に示すように、固定磁極２２，２３に設けた溝部２２ａ，２３ａ、可動磁極１３，１４に設けた溝部１３ｂ，１４ｂ、可動磁極１６，１７に設けた溝部１６ｂ，１７ｂは、出力軸１１の軸方向の同一直線上に各々配列される。一方、溝部１３ｂ，１４ｂと溝部１６ｂ，１７ｂとは、出力軸１１の軸方向の互いに異なる直線上に各々配列されており、溝部１３ｂ，１４ｂと溝部１６ｂ，１７ｂとは、出力軸１１の周方向における互いに異なる位置に配置されている。すなわち、プランジャ１２の軸方向における一端部に設けた溝部１３ｂ，１４ｂと、プランジャ１２の軸方向における他端部に設けた溝部１６ｂ，１７ｂとは、プランジャ１２の軸方向の中心（磁気回路の軸方向の中心）を境にして角度θずらしている。

さらに、図６（ａ）、図８（ａ）（ｂ）では、可動磁極１３，１４に設けた溝部１３ｂ，１４ｂが固定磁極２２の溝部２２ａに対して、図中の上方から見て右回り方向にずれており、この状態において可動磁極１６，１７に設けた溝部１６ｂ，１７ｂが固定磁極２３の溝部２３ａに対して、図中の上方から見て左回り方向にずれている。言い換えると、図６（ａ）の状態において、可動磁極１３，１４に設けた溝部１３ｂ，１４ｂと可動磁極１６，１７に設けた溝部１６ｂ，１７ｂとは、固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに対して対称に位置している。この位置を出力軸１１の回転移動の基準位置とする。

いま、プランジャ１２が往復直進移動の基準位置に位置するとすれば、永久磁石１５，１８の磁力により、可動磁極１３，１４にはたとえば左回りの回転トルクが作用し、可動磁極１６，１７にはたとえば右回りの回転トルクが作用する。このような回転トルクは、可動磁極１３，１４の溝部１３ｂ，１４ｂを固定磁極２２の溝部２２ａに一致させようとする向き、および可動磁極１６，１７の溝部１６ｂ，１７ｂを固定磁極２３の溝部２３ａに一致させようとする向きに作用する。ただし、回転移動の基準位置では、右回りの回転トルクと左回りの回転トルクとが相殺されている。

一方、上述のようにコイル部２１に通電することにより、プランジャ１２を出力軸１１の軸方向において往復直進移動の基準位置から移動させると、可動磁極１３，１４，１６，１７と固定磁極２２，２３との対向面積が変化するから、右回りの回転トルクと左回りの回転トルクとの釣り合いが崩れ、プランジャ１２を回転移動の基準位置から回転させるように回転トルクが作用する。

たとえば、図６（ａ）の位置からプランジャ１２が上向きに移動すると、図６（ｂ）に示すように可動磁極１６と固定磁極２３との対向面積は、可動磁極１４と固定磁極２２との対向面積よりも小さくなるから、たとえば左回りの回転トルクが右回りの回転トルクよりも大きくなり、結果的にプランジャ１２は左回りに回転移動する。プランジャ１２が下向きに移動した場合には、上述の場合とは逆に、プランジャ１２は右回りに回転移動する。

したがって、プランジャ１２を往復直進移動させるためにコイル部２１に交番電流を通電すると、プランジャ１２は回転往復移動を行う。
特許第３４７５９４９号公報鈴木智士、外５名、「電磁共振型トルネードアクチュエータの動作特性解析」、電気学会主催のリニアドライブ研究会における資料、ＬＤ０８−０９、２００７

磁極に溝部を形成してプランジャを回転移動させる上述の構成では、図６（ｂ）に示すように、たとえばプランジャ１２が上方向に移動した場合、可動磁極１４と固定磁極２２との間に働く左回りの回転トルクが、可動磁極１６と固定磁極２３との間に働く右回りの回転トルクより大きいために、プランジャ１２が左回りに回転している。

しかしながら、可動磁極１６と固定磁極２３との間に働く右回りの回転トルクは、可動磁極１４と固定磁極２２との間に働く左回りの回転トルクとは逆方向であるので、プランジャ１２を左回りに回転させるトルクが低減し、プランジャを回転移動させるための十分なトルクを得ることができなかった。

プランジャ１２が下方向に移動した場合には、上述の場合とは逆に、可動磁極１４と固定磁極２２との間に働く左回りの回転トルクは、可動磁極１６と固定磁極２３との間に働く右回りの回転トルクとは逆方向であるので、プランジャ１２を右回りに回転させるトルクが低減し、プランジャを回転移動させるための十分なトルクを得ることができなかった。

このように、プランジャ１２が直進移動したときに、可動体１０の上方に設けた可動磁極１３，１４と固定磁極２２との間に働く回転トルクの方向と、可動体１０の下方に設けた可動磁極１６，１７と固定磁極２３との間に働く回転トルクの方向とが異なることで、回転移動とは逆方向のトルクが発生し、回転角が小さくなるという問題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、プランジャの直進移動に加えて、磁極に溝部を形成してプランジャを回転移動させる際に、回転移動させるためのトルク増大が可能になるアクチュエータを提供することにある。

請求項１の発明は、一つの直線上での直進往復移動と当該直線の周りでの回転移動が可能となるようにケースに支承されて軸方向に複数の可動磁極を備える可動体と、ケースの定位置に固定されて当該直線と交差する面内で可動磁極に対向する複数の固定磁極を備える固定子と、固定磁極と可動磁極との一方を励磁する磁束を発生し固定磁極と可動磁極との間に前記直線に沿う方向の磁力を作用させるコイル部とを備え、固定磁極と可動磁極との各対向面には前記直線に交差する面内での磁束分布を不均一にし可動体に回転方向の磁力を作用させる溝部と突部との一方が回転付与部として形成され、互いに対向する固定磁極と可動磁極との一方の溝部または突部は、軸方向の一端側と他端側において、互いに対向する固定磁極と可動磁極との他方の溝部または突部に対して軸周りの回転方向で逆方向にずれた位置に形成されており、前記一方の溝部または突部の軸方向の一端側および他端側と前記他方の溝部または突部との軸周りの回転方向における相対的な位置関係は、一つの軸方向から見た場合に全ての互いに対向する固定磁極と可動磁極の対向面において同じであることを特徴とする。

この発明によれば、プランジャが直進移動したときに、可動体の一端側に設けた可動磁極と固定磁極との間に働く回転トルクの方向と、可動体の他端側に設けた可動磁極と固定磁極との間に働く回転トルクの方向とが一致し、プランジャの回転トルクを大きくすることができる。すなわち、プランジャの直進移動に加えて、磁極に溝部を形成してプランジャを回転移動させる際に、回転移動させるためのトルク増大が可能になる。

以上説明したように、本発明では、プランジャの直進移動に加えて、磁極に溝部を形成してプランジャを回転移動させる際に、回転移動させるためのトルク増大が可能になるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
以下に説明する実施形態では、ケース内に動吸振器と称する機構を備えたアクチュエータを例示するが、動吸振器を設けない構成であっても本発明の技術思想は適用することができる。

まず、本発明の基本構成を図２に従って説明する。本実施形態において説明するアクチュエータは、円筒状のケース４０を備え、ケース４０には、ケース４０の口軸方向の直線上で往復直進移動が可能であるとともにケース４０の周方向に回転移動が可能となるように可動体１０が支承され、さらに、ケース４０内には可動体１０を駆動するための固定子２０が収納される。ケース４０内には、可動体１０と同様に、ケース４０の口軸方向の直線上で往復直進移動が可能であるとともにケース４０の周方向に回転移動が可能である振幅制御錘３０が収納される。ケース４０の外に磁束が漏れるのを防止する防磁効果を持たせるとともに磁気効率を高めるために、ケース４０は鉄材などの磁性体により形成する。

可動体１０は、ケース４０の両端部に設けた軸受台４１、４２に支承される出力軸１１と、鉄材のような磁性体により形成され出力軸１１に固定されたプランジャ１２とを有する。出力軸１１はケース４０の口軸方向に沿ったケース４０の中心線上に配置され、出力軸１１の両端部はケース４０から突出する。また、プランジャ１２は、出力軸１１の軸方向に直交する断面において外周面が略円形であり、プランジャ１２の軸方向における一端部には中間部よりも大径となった可動磁極１３，１４が永久磁石１５を挟持して形成され、プランジャ１２の軸方向における他端部には中間部よりも大径となった可動磁極１６，１７が永久磁石１８を挟持して形成される。

永久磁石１５，１８は出力軸１１の軸方向に着磁され、かつ各永久磁石１５，１８は互いに逆向きに着磁されている。また、各永久磁石１５，１８の各磁極には、それぞれ可動磁極１３，１４、１６，１７が磁気結合される。永久磁石１５，１８と可動磁極１３，１４、１６，１７とは隙間なく密着して配置され一体化されている。すなわち、可動磁極１３，１４からなる１つの可動磁極が永久磁石１５を備え、可動磁極１６，１７からなる１つの可動磁極が永久磁石１８を備えるものとみなすことができる。

プランジャ１２は振幅制御錘３０とともにケース４０に収納され、プランジャ１２と振幅制御錘３０とは出力軸１１の軸方向に離間して配置される。ここに、振幅制御錘３０は出力軸１１に固定されず、出力軸１１と振幅制御錘３０とは独立して移動する。

ケース４０には３個のコイルばね５１，５２，５３も収納される。コイルばね５１は、ケース４０の口軸方向における一端側の軸受台４１とプランジャ１２との間に配置され、プランジャ１２を初期位置に復帰させる機能を有する。コイルばね５２がプランジャ１２と振幅制御錘３０との間に配置されるとともに、コイルばね５３がケース４０の他端側の軸受台４２と振幅制御錘３０との間に配置されることにより、両コイルばね５２，５３は後述する共振ばねとして機能する。各コイルばね５１，５２，５３の各端部はそれぞれケース４０とプランジャ１２と振幅制御錘３０とに固定されており、各コイルばね５１，５２，５３は、出力軸１１の軸方向に伸縮する機能だけではなく、ねじりばねとしての機能も備える。なお、図に示すコイルばね５１，５２，５３に代えて、板ばねのような他のばねを用いることも可能である。

コイル部２１に通電していない状態では、図１に示すように、固定磁極２２が可動磁極１３および永久磁石１５に対向し、固定磁極２３が可動磁極１６および永久磁石１８に対向する位置に位置する。このとき、出力軸１１の軸方向において固定磁極２２，２３間の中心位置と永久磁石１５，１８間の中心位置とが一致しており、この位置を往復直進移動の基準位置とする。そしてコイル部２１に通電すると、コイル部２１は固定磁極２２，２３を励磁する磁束を発生し、固定磁極２２，２３とプランジャ１２に設けた可動磁極１３，１４，１６，１７との間に、出力軸１１の軸方向に沿った磁力が作用する。

たとえば、図２に示す例では、図の上部の永久磁石１５は上向きに着磁され、図の下部の永久磁石１８は下向きに着磁されている。ここで、コイル部２１への通電により固定磁極２２をＳ極に励磁し、固定磁極２３をＮ極に励磁すると、コイル部２１により生じた磁束の向きが、永久磁石１５の磁束の向きとは同じになり、永久磁石１８の磁束の向きとは逆向きになるから、可動磁極１３，１４は、固定磁極２２に対向する方向に移動し、可動磁極１６，１７は、固定磁極２３から離れる方向に移動する。つまり、各部に働く推力のバランスが崩れて、可動磁極１３，１４，１６，１７と固定磁極２２，２３の間に、プランジャ１２を上向きに移動させる磁力が作用することになる。

コイル部２１への通電の向きを逆向きにすれば、上述した状態とは逆に、プランジャ１２を下向きに移動させる磁力が作用する。つまり、図１に示す位置を往復直進移動の基準位置とすると、コイル部２１への通電の向きに応じて、プランジャ１２（つまりは、可動体１０）を上下に移動させることができる。すなわち、コイル部２１に交番電流を通電すると、可動体１０が往復直進移動する。また、コイル部２１への通電を停止すれば、コイルばね５１，５２，５３によりプランジャ１２は往復直進移動の基準位置に復帰する。

このように、コイルばね５１，５２，５３によってプランジャ１２を往復直進移動の基準位置に復帰させるから、コイル部２１を直流パルスで駆動することが可能となる。また、コイル部２１の非励磁時には永久磁石１５，１８の磁力によっても基準位置に復帰させることができる。さらに、永久磁石１５，１８とコイル部２１との磁力の相互作用によって駆動力を高めることができる。

ところで、図１（ａ）（ｂ）に示すように、可動磁極１３，１４，１６，１７および固定磁極２２，２３には、出力軸１１の軸方向に直交する面内において、磁極面（可動磁極１３，１４，１６，１７の外周面と固定磁極２２，２３の内周面）での磁束分布を不均一にすることで可動体１０に回転方向の磁力を作用させる回転付与部が形成されている。図示例において、回転付与部は出力軸１１の軸方向の一直線上で延長された溝部１３ａ，１４ａ，１６ａ，１７ａ，２２ａ，２３ａとして形成してある。溝部１３ａ，１４ａ，１６ａ，１７ａ，２２ａ，２３ａは、出力軸１１の周方向において、等角度間隔で多数個形成しており、固定磁極２２近傍および固定磁極２３近傍において出力軸１１の軸方向に直交する各断面を図３（ａ）（ｂ）に示す。

図１（ａ）（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線で切り取った部分の平面図であり、固定磁極２２，２３に設けた溝部２２ａ，２３ａを、切り取った角度範囲の中心位置に配置している。

そして、図１（ａ）に示すように、固定磁極２２，２３に設けた溝部２２ａ，２３ａ、可動磁極１３，１７に設けた溝部１３ａ，１７ａ、可動磁極１４，１６に設けた溝部１４ａ，１６ａは、出力軸１１の軸方向の同一直線上に各々配列される。一方、溝部１３ａ，１７ａと溝部１４ａ，１６ａとは、出力軸１１の軸方向の互いに異なる直線上に各々配列されており、溝部１３ａ，１７ａと溝部１４ａ，１６ａとは、出力軸１１の周方向における互いに異なる位置に配置されている。すなわち、プランジャ１２の軸方向における一端部に設けた溝部１３ａ，１４ａは、可動磁極１３，１４間に配置された永久磁石１５の中心付近を境にして角度θずらし、プランジャ１２の軸方向における他端部に設けた溝部１６ａ，１７ａは、可動磁極１６，１７間に配置された永久磁石１８の中心付近を境にして角度θずらしている。

したがって、溝部１３ａ，１４ａと溝部２２ａとの出力軸１１の回転方向における相対的な位置関係、溝部１７ａ，１６ａと溝部２３ａとの出力軸１１の回転方向における相対的な位置関係は、一方の軸方向（例えば上方から下方に向かって）から見て同じ位置関係になっている。言い換えれば、可動磁極（１３，１４）（１７，１６）の溝部（１３ａ，１４ａ）（１７ａ，１６ａ）と固定磁極（２２）（２３）の溝部（２２ａ）（２３ａ）の軸周りの回転方向における相対的な位置関係は、一つの軸方向から見た場合に、固定磁極（２２）と可動磁極（１３，１４）の対向面、および固定磁極（２３）と可動磁極（１７，１６）の対向面において同じである。

さらに、図１（ａ）、図３（ａ）（ｂ）では、可動磁極１４，１６に設けた溝部１４ａ，１６ａが固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに対して、図中の上方から見て右回り方向にずれており、この状態において可動磁極１３，１７に設けた溝部１３ａ，１７ａが固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに対して、図中の上方から見て左回り方向にずれている。言い換えると、図１（ａ）の状態において、可動磁極１４，１６に設けた溝部１４ａ，１６ａと可動磁極１３，１７に設けた溝部１３ａ，１７ａとは、固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに対して対称に位置している。この位置を出力軸１１の回転移動の基準位置とする。

いま、プランジャ１２が往復直進移動の基準位置に位置するとすれば、永久磁石１５，１８の磁力により、可動磁極１４，１６にはたとえば左回りの回転トルクが作用し、可動磁極１３，１７にはたとえば右回りの回転トルクが作用する。このような回転トルクは、可動磁極１４，１６の溝部１４ａ，１６ａを固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに一致させようとする向き、および可動磁極１３，１７の溝部１３ａ，１７ａを固定磁極２２，２３の溝部２２ａ，２３ａに一致させようとする向きに作用する。ただし、回転移動の基準位置では、可動磁極１４，１６が固定磁極２２，２３に対向する面積と、可動磁極１３，１７が固定磁極２２，２３に対向する面積とが等しく、右回りの回転トルクと左回りの回転トルクとが相殺されている。

一方、上述のようにコイル部２１に通電することにより、プランジャ１２を出力軸１１の軸方向において往復直進移動の基準位置から移動させると、可動磁極１４，１６が固定磁極２２，２３に対向する面積と、可動磁極１３，１７が固定磁極２２，２３に対向する面積とが変化するから、右回りの回転トルクと左回りの回転トルクとの釣り合いが崩れ、プランジャ１２を回転移動の基準位置から回転させるように回転トルクが作用する。

たとえば、図１（ａ）の位置からプランジャ１２が上向きに移動すると、図１（ｂ）に示すように、可動磁極１４，１６が固定磁極２２，２３に対向する面積が増加し、可動磁極１３，１７が固定磁極２２，２３に対向する面積が減少するので、たとえば左回りの回転トルクが右回りの回転トルクよりも大きくなり、結果的にプランジャ１２は左回りに回転移動する。プランジャ１２が下向きに移動した場合には、上述の場合とは逆に、プランジャ１２は右回りに回転移動する。

したがって、プランジャ１２を往復直進移動させるためにコイル部２１に交番電流を通電すると、プランジャ１２は回転往復移動を行う。また、往復直進移動の場合と同様に、コイル部２１への通電を停止すれば、コイルばね５１，５２，５３により回転移動の基準位置に復帰する。而して、プランジャ１２の往復直進移動および回転移動が可能になるから、往復直進移動と回転移動（ローリング）とを組み合わせたトルネード運動が可能になる。

そして、本実施形態では、図１（ｂ）に示すようにプランジャ１２が上方向に移動した場合、固定磁極２２，２３に対向する可動磁極１４，１６の両方が、プランジャ１２に対して左回りの回転トルクを付与するため、プランジャ１２を回転移動させるための十分なトルクを得ることができる。

プランジャ１２が下方向に移動した場合には、上述の場合とは逆に、固定磁極２２，２３に対向する可動磁極１３，１７の両方が、プランジャ１２に対して右回りの回転トルクを付与するため、プランジャ１２を回転移動させるための十分なトルクを得ることができる。

したがって、プランジャ１２が直進移動したときに、可動体１０の上方に設けた可動磁極１３，１４と固定磁極２２との間に働く回転トルクの方向と、可動体１０の下方に設けた可動磁極１６，１７と固定磁極２３との間に働く回転トルクの方向とが一致し、プランジャ１２の回転トルクを大きくすることができる。

図４は、プランジャ１２の軸方向（図２中のｚ方向）への変位距離に対する回転トルクであり、本実施形態のアクチュエータ（図１参照）の回転トルク特性１０１と、従来のアクチュエータ（図６参照）の回転トルク特性１０２とを示し、本実施形態のアクチュエータは、従来のアクチュエータに比べて約２倍の回転トルクを得られることがわかる。

なお、固定磁極２２，２３に設けた溝部２２ａ，２３ａ、可動磁極１３，１７に設けた溝部１３ａ，１７ａ、可動磁極１４，１６に設けた溝部１４ａ，１６ａは、出力軸１１の軸方向の同一直線上に各々配列する必要はない。溝部２２ａ，２３ａが、出力軸１１の軸方向の互いに異なる直線上に各々配列されたとしても、溝部１３ａ，１４ａが、溝部２２ａに対してθ／２づつ互いに逆方向にずれ、溝部１６ａ，１７ａが、溝部２３ａに対してθ／２づつ互いに逆方向にずれておればよい。すなわち、溝部１３ａ，１４ａと溝部２２ａとの出力軸１１の回転方向における相対的な位置関係、溝部１７ａ，１６ａと溝部２３ａとの出力軸１１の回転方向における相対的な位置関係が、一方の軸方向（例えば上方から下方に向かって）から見て同じ位置関係になっておればよい。

ところで、本実施形態では、上述したようにケース４０内に振幅制御錘３０を備え、振幅制御錘３０はプランジャ１２とケース４０（軸受台４２）との間でコイルばね５２，５３により支持されている。したがって、振幅制御錘３０は、ケース４０に対して出力軸１１の軸方向および出力軸１１の周方向に移動可能となるように支持されている。コイルばね５２，５３は共振ばねとして機能し、振幅制御錘３０とコイルばね５２，５３とを含む機械振動系と電気回路系とを含む運動全体の共振周波数（最大振幅となる周波数）は、可動体１０の往復直進移動および回転移動の周波数に合わせて設定されている。つまり、上記共振周波数は、可動体１０のトルネード運動の周波数に一致するかまたは実質的に共振とみなせる周波数に設定される。

この種の構造は動吸振器と呼ばれている。本実施形態では、可動体１０のトルネード運動における周波数に対して動吸振器は２個の共振周波数を持ち、高周波側の共振周波数においては、可動体１０の移動とは逆相で移動することによって、可動体１０からケース４０に伝達される振動を制動する。つまり、ケースの振動を軽減することができる。言い換えると、ケース４０の振動が制動されることによって可動体１０の直進往復移動の振幅は相対的に増大し、また回転移動の角度も相対的に増大する。

回転付与部は、上述した構成のように、可動磁極１３，１４，１６，１７に形成する溝部１３ａ，１４ａ，１６ａ，１７ａの位置を出力軸１１の周方向の異なる位置に設ける構成のほか、固定磁極２２，２３に設ける溝部２２ａ，２３ａの位置を出力軸１１の周方向の異なる位置に設ける構成としてもよい。また、上述の例では永久磁石１５，１８に溝部を形成していないが永久磁石１５，１８に溝部を形成してもよい。永久磁石１５，１８にも溝部を形成すれば、プランジャ１２が直進往復移動する際に、永久磁石１５，１８の位置で磁束分布が大きく変化することがなく、可動磁極１３，１４，１６，１７が永久磁石１５，１８に対向する領域でも回転方向の分力を途切れさせずに作用させることができ、可動体１０の動作が滑らかになる。

さらに、回転付与部として、出力軸１１の軸方向に沿う一直線上で延長された溝部のほか、回転移動の与え方によって、ジグザク状ないし蛇行状の溝部や出力軸１１に対して斜めに交差する方向に延長された溝部を用いることも可能である。あるいはまた、溝部に代えて突部（突条）として回転付与部を形成することも可能である。

また、プランジャ１２を電磁駆動するための構成として、上述した固定子２０および可動体２０の構成のほか、永久磁石２６、２７を用いずにコイル部２１に通電したときに生じる吸引力でプランジャ１２を移動させ、ばね力などの復帰力によりプランジャ１２を復帰させる構成を採用することも可能である。

また、永久磁石２６、２７は、上述のように可動体１０の可動磁極１３，１４間，可動磁極１６，１７間に設ける構成のほか、固定子２０の固定磁極２２内，固定磁極２３内に設けることも可能である。

（ａ）（ｂ）実施形態を示す要部を切り取った平面図である。同上を示す縦断面図である。（ａ）（ｂ）同上の要部の横断面図である。同上のトルク特性を示す図である。従来例を示す一部縦断面図である。（ａ）（ｂ）同上の要部を切り取った平面図である。（ａ）（ｂ）同上の要部を示す斜視図である。（ａ）（ｂ）同上の要部の横断面図である。

符号の説明

１０可動体
１１出力軸
１２プランジャ
１３，１４，１６，１７可動磁極
１３ａ，１４ａ，１６ａ，１７ａ溝部
１５，１８永久磁石
２０固定子
２１コイル部
２２，２３固定磁極
２２ａ，２３ａ溝部
４０ケース

Claims

一つの直線上での直進往復移動と当該直線の周りでの回転移動が可能となるようにケースに支承されて軸方向に複数の可動磁極を備える可動体と、ケースの定位置に固定されて当該直線と交差する面内で可動磁極に対向する複数の固定磁極を備える固定子と、固定磁極と可動磁極との一方を励磁する磁束を発生し固定磁極と可動磁極との間に前記直線に沿う方向の磁力を作用させるコイル部とを備え、固定磁極と可動磁極との各対向面には前記直線に交差する面内での磁束分布を不均一にし可動体に回転方向の磁力を作用させる溝部と突部との一方が回転付与部として形成され、互いに対向する固定磁極と可動磁極との一方の溝部または突部は、軸方向の一端側と他端側において、互いに対向する固定磁極と可動磁極との他方の溝部または突部に対して軸周りの回転方向で逆方向にずれた位置に形成されており、前記一方の溝部または突部の軸方向の一端側および他端側と前記他方の溝部または突部との軸周りの回転方向における相対的な位置関係は、一つの軸方向から見た場合に全ての互いに対向する固定磁極と可動磁極の対向面において同じであることを特徴とするアクチュエータ。