JP5292541B2 - Rotating linear motion combined action actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可動子に回転、直動及び回転と直動の複合動作をさせることが可能な電磁アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electromagnetic actuator capable of causing a mover to perform rotation, linear motion, and combined operation of rotation and linear motion.
近年、血管内視鏡用デバイスの分野において、φ2mm以下の極小径の電磁モータあるいは、超音波モータ等を用いたアクチュエータの開発が進んでいる。 In recent years, in the field of vascular endoscopic devices, development of actuators using an electromagnetic motor having an extremely small diameter of φ2 mm or less, an ultrasonic motor, or the like is progressing.
このような血管内視鏡用デバイスの生体内で使用するアクチュエータとしては、安全性の面からより低電圧で駆動できること、血管内に挿入する為により小型であること、より高度な操作を行う為に複雑な動作、例えば回転と直動及び螺旋運動等の回転と直動の複合動作を高精度に、単一の駆動源で行えることが望まれている。 As an actuator used in the living body of such a vascular endoscope device, it can be driven at a lower voltage from the viewpoint of safety, is smaller for insertion into a blood vessel, and performs more advanced operations. In addition, it is desired that a complicated operation, for example, a combined operation of rotation and linear motion such as rotation and linear motion and spiral motion can be performed with high accuracy by a single drive source.
血管内視鏡用デバイスにおいて適用可能なφ2mm程度の極小径の電磁モータと超音波モータを駆動電圧で比較すると、超音波モータは駆動電圧で数10〜100Vを印加する必要があるのに対して、電磁モータは直流電圧で3V以下の低電圧での駆動が可能である。 When comparing an ultra-small diameter electromagnetic motor of about φ2 mm applicable to a blood vessel endoscope device and an ultrasonic motor with a driving voltage, the ultrasonic motor needs to apply several 10 to 100 V with the driving voltage. The electromagnetic motor can be driven with a DC voltage as low as 3 V or less.
一方、電磁式のモータで、回転運動と直動運動に加えて螺旋運動(回転運動+直動運動)を行えるアクチュエータとしては、以下に挙げられる構造のものがある(特許文献1)。 On the other hand, as an actuator that can perform a spiral motion (rotational motion + linear motion) in addition to rotational motion and linear motion with an electromagnetic motor, there is one having the following structure (Patent Document 1).
これは、固定子鉄心にロータリ巻線とリニア巻線を施して固定子を形成するとともに、円筒状の可動子鉄心の表面に、N極磁石を周方向及び軸方向に1極置きに配設し、この各N極磁石とは周方向及び軸方向に1極ずらせた位置に、S極磁石を周方向及び軸方向に1極置きに配設して可動子を形成した構造である。 This is because the stator core is subjected to rotary winding and linear winding to form a stator, and N pole magnets are arranged on the surface of the cylindrical mover core in a circumferential and axial direction every other pole. Each N-pole magnet has a structure in which S-pole magnets are arranged every other pole in the circumferential direction and the axial direction at positions shifted by one pole in the circumferential direction and the axial direction.
この構造においてロータリ巻線に三相交流を印加して可動子を回転させ、あるいはリニア巻線に直流を印加して可動子を直進させ、あるいは両巻線にそれぞれ三相交流及び直流を印加して螺旋運動をさせるものである。 In this structure, three-phase alternating current is applied to the rotary winding to rotate the mover, or direct current is applied to the linear winding to move the mover straight, or three-phase alternating current and direct current are applied to both windings. To make a spiral movement.
上記、従来技術によれば、力率、効率、制御性の良い電磁モータで、回転、直動、螺旋の各運動を行えるという効果を有する。
しかしながら、従来技術である特許文献1に記載のアクチュエータは、可動子を回転運動させるため、交流電圧を印加する励磁コイル(ロータリ巻線)と直動運動をさせるための直流電圧を印加する励磁コイル(リニア巻線)を別々に配置する必要がある構造である為、φ2mm程度の大きさで、これを実現することは極めて困難であった。
However, the actuator described in
また、血管内視鏡用デバイスに求められる微細で精密な動作を可動子に行わせることも、回転運動させるため交流電圧を印加する励磁コイル(ロータリ巻線)と直動運動をさせるための直流電圧を印加する励磁コイル(リニア巻線)を別々に配置する構造においては極めて困難であるといえる。 In addition, it is possible to cause the mover to perform the fine and precise movement required for an vascular endoscopy device, as well as an excitation coil (rotary winding) that applies an AC voltage to rotate it and a DC to make a linear motion. It can be said that it is extremely difficult in a structure in which excitation coils (linear windings) for applying a voltage are separately arranged.
一方、超音波モータは、微細で精密な動作が可能であるが、高速で駆動させることが困難であるとともに、駆動するため数10〜100Vの駆動電圧を印加する必要があるため、生体内に使用するデバイスとしては好ましくない。 On the other hand, although an ultrasonic motor can perform a fine and precise operation, it is difficult to drive at a high speed, and it is necessary to apply a driving voltage of several tens to 100 V in order to drive it. It is not preferable as a device to be used.
これらの課題に対して、本発明は、極小径でありながら、回転、直動及び螺旋運動等の回転と直動の複合動作運動を、低電圧駆動で高精度に行うことが可能な電磁アクチュエータを提供することを目的とする。 In response to these problems, the present invention provides an electromagnetic actuator that can perform combined operation motions of rotation and linear motion such as rotation, linear motion, and spiral motion with low voltage drive and high accuracy while having a very small diameter. The purpose is to provide.
この発明の請求項1記載の発明は、複数の励磁コイルを有する固定子と、異なる磁極を交互に配した磁極部を有し、回転可能であるとともに、軸方向への直動も可能な可動子と、前記可動子を支持する軸受部を備えた電磁アクチュエータである。
The invention according to
前記可動子の磁極部は、薄膜磁石であって、可動子の回転方向及び軸方向に異なる極性に微細着磁された磁極が、隣り合う磁極同士を異極として、マトリックス状に配置されている。
The magnetic pole portion of the mover is a thin film magnet, and magnetic poles that are finely magnetized to have different polarities in the rotation direction and the axial direction of the mover are arranged in a matrix with the adjacent magnetic poles different from each other. .
前記固定子の励磁コイルは、前記磁極部に形成されている磁極のマトリックスに対して、以下の式が成り立つように、コイルパターンをマトリックス状に配置した円筒状のパターンコイルである。
前記励磁コイルの配置において、マトリックスを構成する励磁コイルを、同一の磁極のみで励磁した隣接する複数のコイルの範囲を1つの領域として、領域毎に励磁パターンを変化させることにより、前記可動子を回転、直動及び螺旋運動等の回転と直動の複合動作運動するように構成したものである。 In the arrangement of the excitation coils, the excitation coil constituting the matrix is set to a range of a plurality of adjacent coils excited by only the same magnetic pole, and the excitation pattern is changed for each region. It is configured to perform a combined motion of rotation and linear motion such as rotation, linear motion, and spiral motion.
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の電磁アクチュエータにおいて、可動子を支持する軸受部が、固定子の内周部全体に亘り配置されており、前記軸受部の内周面全体で可動子を支持している。
According to a second aspect of the present invention, in the electromagnetic actuator according to the first aspect, the bearing portion that supports the mover is arranged over the entire inner peripheral portion of the stator, and the entire inner peripheral surface of the bearing portion. The mover is supported.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2に記載の電磁アクチュエータにおいて、マトリックスを構成する個々の励磁コイルについて、少なくとも一部の励磁コイルの中空部に、磁性体を配置したものである。
According to a third aspect of the present invention, in the electromagnetic actuator according to the first or second aspect , a magnetic material is arranged in a hollow portion of at least a part of the exciting coils constituting the matrix.
請求項4記載の発明は、複数の励磁コイルを有する固定子と、異なる磁極を交互に配した磁極部を有し、回転可能であるとともに、軸方向へも可動可能な可動子と、前記可動子を支持する軸受部を備えた電磁アクチュエータにおいて、前記可動子の磁極部は、凹部を有する部分と凹部を有さない部分が、交互に並んだ状態でマトリックス状に配置されており、前記凹部を有する部分には同一の磁極で永久磁石が、凹部形状の構成面に対して同一の方向で配置されており、前記凹部を有さない部分に前記永久磁石とは異極の磁極が誘起されていることにより、前記マトリックス状の配置において、可動子の回転方向及び軸方向に異なる極性の磁極が、隣り合う磁極同士を異極となっており、前記固定子の励磁コイルは、前記磁極部に形成されている磁極のマトリックスに対して、以下の式が成り立つように、コイルパターンをマトリックス状に配置した円筒状のパターンコイルであり、
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a stator having a plurality of exciting coils, a magnetic pole portion in which different magnetic poles are alternately arranged, a movable element that is rotatable and movable in the axial direction, and the movable element. In the electromagnetic actuator having a bearing portion for supporting a child, the magnetic pole portion of the mover is arranged in a matrix in a state in which portions having recesses and portions not having recesses are arranged alternately. A permanent magnet with the same magnetic pole is disposed in the same direction with respect to the concave-shaped component surface, and a magnetic pole different in polarity from the permanent magnet is induced in the portion having no concave portion. Therefore, in the matrix arrangement, the magnetic poles having different polarities in the rotation direction and the axial direction of the mover are different from each other in the adjacent magnetic poles, and the exciting coil of the stator is the magnetic pole portion. Formed into That against the matrix of the pole, such that the following formula is valid, a cylindrical pattern coil disposed in a matrix form of coil patterns,
請求項5記載の発明は、請求項4に記載の電磁アクチュエータにおいて、可動子を支持する軸受部が、固定子の内周部全体に亘り配置されており、前記軸受部の内周面全体で可動子を支持している。
According to a fifth aspect of the present invention, in the electromagnetic actuator according to the fourth aspect , the bearing portion that supports the mover is disposed over the entire inner peripheral portion of the stator, and the entire inner peripheral surface of the bearing portion is arranged. The mover is supported.
請求項6記載の発明は、請求項4又は5に記載の電磁アクチュエータにおいて、マトリックスを構成する個々の励磁コイルについて、少なくとも一部の励磁コイルの中空部に、磁性体を配置したものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the electromagnetic actuator according to the fourth or fifth aspect , a magnetic material is disposed in at least a part of the hollow portions of the exciting coils of the individual exciting coils constituting the matrix.
本発明の態様の1つによれば、回転、直動及び螺旋運動等の回転と直動の複合動作運動を、低電圧駆動で高精度に行うことが可能な、小型の電磁アクチュエータを実現することができる。
According to one aspect of the present invention, a compact electromagnetic actuator capable of performing a combined motion of rotation and linear motion such as rotation, linear motion, and spiral motion with high accuracy with low voltage drive is realized. be able to.
更に本発明の態様の1つによれば、励磁コイルにパターンコイルを使用することにより、マトリックス状に配置する励磁コイルの多セグメント化により、より精密な動作が可能になるとともに、固定子の更なる小型化が可能となる。
Furthermore , according to one aspect of the present invention, by using a pattern coil as the excitation coil, more precise operation is possible by making the excitation coils arranged in a matrix into a multi-segment, and the stator is further updated. The miniaturization becomes possible.
更に本発明の態様の1つによれば、少なくとも一部の励磁コイルの中空部に、磁性体を配置することにより、励磁コイルの無通電時においても、可動子を保持することが可能となる。
Furthermore , according to one aspect of the present invention, it is possible to hold the mover even when the excitation coil is not energized by disposing a magnetic body in at least a part of the hollow portion of the excitation coil. .
更に本発明の態様の1つによれば、可動子の磁極部における磁極の配置を、薄膜磁石の微細着磁により行うことで、可動子の磁極部の更なる多極化と、可動子の更なる小型化が可能となる。
Furthermore , according to one aspect of the present invention, the arrangement of the magnetic poles in the magnetic pole portion of the mover is performed by fine magnetization of the thin film magnet, so that the magnetic pole portion of the mover can be further multipolarized and the mover can be further increased. Miniaturization is possible.
更に本発明の態様の1つによれば、可動子の磁極部は、凹部を有する部分と凹部を有さない部分が、交互に並んだ状態でマトリックス状に配置されている。
Furthermore , according to one aspect of the present invention, the magnetic pole portion of the mover is arranged in a matrix in a state in which portions having recesses and portions not having recesses are alternately arranged.
凹部を有する部分には同一の磁極の永久磁石を、凹部形状の構成面に対して同一の方向で配置し、凹部を有さない部分に永久磁石とは異極の磁極が誘起する。 Permanent magnets having the same magnetic pole are arranged in the same direction with respect to the concave configuration surface in the portion having the concave portion, and a magnetic pole different in polarity from the permanent magnet is induced in the portion having no concave portion.
このようにすることにより、永久磁石を隣り合う磁極の向きを変えて着磁する場合と比較して磁極幅が、凹部を有する部分と有さない部分の幾何学的形状にて決定するため、その磁極幅のばらつきを低減でき、磁極幅が小さくなればなるほどその効果は著しい。 By doing so, the magnetic pole width is determined by the geometric shape of the portion having the concave portion and the portion not having the concave portion as compared with the case where the permanent magnet is magnetized by changing the direction of the adjacent magnetic pole, The variation in the magnetic pole width can be reduced, and the effect becomes more remarkable as the magnetic pole width becomes smaller.
また、本可動子の構造上、磁石は単極対着磁であるため、着磁ヨークの構造が簡易となり、十分なコイルスペースが確保できるため、反磁場係数の大きい薄膜磁石であっても飽和着磁が可能となる。すなわち、磁極の発生磁束密度の向上と磁極毎の発生磁束密度のばらつきの抑制が可能である。 In addition, because of the structure of the mover, the magnet is single pole pair magnetized, so the structure of the magnetized yoke is simplified and sufficient coil space can be secured, so even a thin film magnet with a large demagnetizing factor is saturated. Magnetization is possible. That is, it is possible to improve the generated magnetic flux density of the magnetic pole and to suppress the variation in the generated magnetic flux density for each magnetic pole.
さらに、永久磁石を隣り合う磁極の向きを変えてマトリックス状に配置して、同様の磁極部を構成する場合よりも使用する永久磁石の数量を低減することができる。 Furthermore, the number of permanent magnets to be used can be reduced as compared with the case where the permanent magnets are arranged in a matrix by changing the direction of adjacent magnetic poles to form a similar magnetic pole portion.
更に本発明の態様の1つによれば、可動子を支持する軸受部を固定子の内周部全体に亘り配置し、軸受部の内周面全体で可動子を支持する構造とすることにより、軸受部によって可動子の軸長方向への可動範囲が制限されなくなる。
Furthermore , according to one aspect of the present invention, the bearing portion supporting the mover is arranged over the entire inner peripheral portion of the stator, and the movable member is supported by the entire inner peripheral surface of the bearing portion. The movable range in the axial length direction of the mover is not limited by the bearing portion.
以下、本発明の最良の形態に係る回転直動複合動作アクチュエータについて、図面を参照して説明する。尚、各実施形態における同一の構成部分については同一の符号を付している。 Hereinafter, a rotary / linear motion combined operation actuator according to the best mode of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same component in each embodiment.
実施の形態1
図1は本発明の実施の形態1による回転、直動及び回転と直動の複合動作が可能な電磁アクチュエータの構造図である。
FIG. 1 is a structural diagram of an electromagnetic actuator capable of rotation, linear motion, and combined operation of rotation and linear motion according to
円筒形状のハウジング104とハウジング104の内周部に配置した複数のコイルから成る励磁コイル部105により構成されている固定子106と、異なる磁極の永久磁石を交互に配した円筒状の磁極部102と出力軸103から成る可動子101と、可動子101を支持する軸受部107を備えた構造となっている。
A
また、円筒状の磁極部102は円周方向に異なる磁極の永久磁石すなわちN極とS極が交互に4極配置された状態のものが、更に軸長方向にも互いに隣合う永久磁石が互いに異極となるようにして6列並んでいる。すなわち可動子101の磁極部102には、円筒形状の外周部に4×6列のマトリックス状に磁極が配置されている。
The cylindrical
そして、固定子106に備わる励磁コイル部105には、磁極部102に形成されている4×6列の磁極のマトリックスに対して、4×4列の範囲の磁極のマトリックスに対応する範囲にコイルが配置されている。
The
このとき磁極部102にマトリックス状に配置されている磁極の1つ、つまりは磁極の1マトリックスに対して、円周方向に3個、軸長方向に2個で計6個のコイルが配置されている。すなわち円筒形状のハウジング104の内周部に備わる励磁コイル部105には、12×8列のマトリックス状にコイルが配置されている。
At this time, for one of the magnetic poles arranged in a matrix in the
図2及び図3は本発明の実施の形態1における、回転方向の磁極部102の磁極と励磁コイル部105のコイルの位置関係と動作原理を示した図である。
FIGS. 2 and 3 are diagrams showing the positional relationship between the magnetic pole of the
図2(a)で前記磁極とコイルの位置関係を表し、図2(b)は円筒状の磁極部102において円筒形状の外周部に磁極が構成しているマトリックスを展開した展開図を、図2(c)は円筒状の励磁コイル部105においてコイルが構成しているマトリックスの円筒形状の内周側を展開した展開図を表したものである。すなわち図2(b)と図2(c)の展開図において対応するマトリックスは鏡像関係にある。
FIG. 2A shows the positional relationship between the magnetic pole and the coil, and FIG. 2B is a development view in which a matrix in which the magnetic pole is formed on the cylindrical outer peripheral portion of the cylindrical
図2で示されているように、励磁コイル部105を構成するコイルが、磁極の1マトリックスに対応する3×2列(円周方向×軸長方向)の範囲で同一の磁極に励磁され、且つ、円周方向及び軸長方向に隣り合う3×2列の範囲は異極に励磁されている。
As shown in FIG. 2, the coils constituting the
磁極の1マトリックスに対応する、同一の磁極に励磁されたコイルの領域が、その範囲の大きさを変えることなく、円周方向に次々と移動することにより、対応する磁極部102の磁極との間に生じる吸引と反発の力により、可動子が回転する。 The region of the coil excited by the same magnetic pole corresponding to one matrix of the magnetic poles moves one after another in the circumferential direction without changing the size of the range, so that The mover rotates due to the suction and repulsive force generated between them.
具体的には、例えば図2(b)の磁極部102において磁極が構成しているマトリックスの展開図におけるMb−1(N極)に対して、図2(c)−1の励磁コイル部105においてコイルが構成しているマトリックスの展開図で対応している領域の範囲は、〔Ca−1、2、3、Cb−1、2、3〕のS極に励磁された6箇所の励磁コイルで構成される範囲である。
Specifically, for example, with respect to Mb-1 (N pole) in the development view of the matrix formed by the magnetic poles in the
この励磁コイル群が、図3(c)−2の状態〔Ca−2、3、4、Cb−2、3、4〕→図2(c)−3の状態〔Ca−3、4、5、Cb−3、4、5〕→図2(c)−4の状態〔Ca−4、5、6、Cb−4、5、6〕とその領域の範囲の大きさを変えずに移動することにより、Mb−1(N極)も、図3(a)−2、3、4のように、その位置を変え、同様に隣り合う領域の範囲においても同時に、磁極の1マトリックスに対応する領域の範囲の位置を変えていくことにより可動子の回転運動となる。 This excitation coil group is in the state of FIG. 3C-2 [Ca-2, 3, 4, Cb-2, 3, 4] → state of FIG. 2C-3 [Ca-3, 4, 5 , Cb-3, 4, 5] → move without changing the size of the state [Ca-4, 5, 6, Cb-4, 5, 6] in FIG. Accordingly, Mb-1 (N pole) also changes its position as shown in FIGS. 3A-2, 3 and 4, and similarly corresponds to one matrix of magnetic poles in the range of adjacent regions at the same time. By changing the position of the range of the region, the mover rotates.
図4及び図5は本発明の実施の形態1における、直動方向の磁極部102の磁極と励磁コイル部105のコイルの位置関係と動作原理を示した図である。
4 and 5 are diagrams showing the positional relationship between the magnetic pole of the
図4(a)で前記磁極とコイルの位置関係を表し、図4(b)は円筒状の磁極部102において円筒形状の外周部に磁極が構成しているマトリックスを展開した展開図を、図4(c)は円筒状の励磁コイル部105においてコイルが構成しているマトリックスの円筒形状の内周側を展開した展開図を表したものである。すなわち図4(b)と図4(c)の展開図において対応するマトリックスは鏡像関係にある。
FIG. 4A shows the positional relationship between the magnetic pole and the coil, and FIG. 4B is a development view in which a matrix in which the magnetic pole is formed on the cylindrical outer peripheral portion of the cylindrical
図4で示されているように、励磁コイル部105を構成するコイルが、磁極の1マトリックスに対応する3×2列(周方向×軸長方向)の範囲で同一の磁極に励磁され、且つ、円周方向及び軸長方向に隣り合う3×2列の範囲は異極に励磁されている。
As shown in FIG. 4, the coils constituting the
磁極の1マトリックスに対応する、同一の磁極に励磁されたコイルの領域が、励磁コイル部105の両端以外では、その範囲の大きさを変えることなく、軸長方向に次々と移動することにより、対応する磁極部102の磁極との間に生じる吸引と反発の力により、可動子が直動する。
The region of the coil excited by the same magnetic pole corresponding to one matrix of the magnetic poles moves in the axial length direction one after another without changing the size of the range except at both ends of the
具体的には、例えば図4(b)の磁極部102において磁極が構成しているマトリックスの展開図におけるMe−1(S極)に対して、図4(c)−1の励磁コイル部105においてコイルが構成しているマトリックスの展開図で対応している領域の範囲は、〔Cg−1、2、3、Ch−1、2、3〕のN極に励磁された6箇所の励磁コイルで構成される範囲である。
Specifically, for example, with respect to Me-1 (S pole) in the development of the matrix formed by the magnetic poles in the
この励磁コイル群が、図5(c)−2の状態〔Cf−1、2、3、Cg−1、2、3〕→図5(c)−3の状態〔Ce−1、2、3、Cf−1、2、3〕→図5(c)−4の状態〔Cd−1、2、3、Ce−1、2、3〕とその領域の範囲の大きさを変えずに移動することにより、Me−1(S極)も、図5(a)−2、3、4のように、その位置を変え、同様に隣り合う領域の範囲においても同時に、磁極の1マトリックスに対応する領域の範囲の位置を変えていくことにより可動子の直動運動となる。 This excitation coil group is in the state of FIG. 5C-2 [Cf-1, 2, 3, Cg-1, 2, 3] → state of FIG. 5C-3 [Ce-1, 2, 3 , Cf-1, 2, 3] → The state [Cd-1,2,3, Ce-1,2,3] in FIG. 5C-4 and the area is moved without changing the size of the area. Thus, Me-1 (S pole) also changes its position as shown in FIGS. 5 (a) -2, 3, and 4, and similarly corresponds to one matrix of magnetic poles in the range of adjacent regions at the same time. By changing the position of the area range, the mover moves linearly.
更に、励磁コイル群を、コイルが構成しているマトリックスの展開図において、磁極部102において磁極が構成しているマトリックスの1マトリックスに対応する領域を斜めに移動させることにより、可動子に回転と直動の複合運動をさせることができる。
Further, in the development of the matrix formed by the coils, the excitation coil group is rotated by moving the region corresponding to one matrix of the matrix formed by the magnetic poles in the
具体的には、例えば、図4(c)−1の励磁コイル部105において、N極に励磁された6箇所の励磁コイルの領域の範囲〔Cg−1、2、3、Ch−1、2、3〕を、〔Cf−2、3、4、Cg−2、3、4〕→〔Ce−3、4、5、Cf−3、4、5〕→〔Cd−4、5、6、Ce−4、5、6〕へとその領域の範囲の大きさを変えずに移動させることにより可動子に回転と直動の複合運動をさせることができる。
Specifically, for example, in the
実施の形態2
実施の形態1においては、駆動原理の理解を容易にするために図1で示される磁極部102に磁極を4×6列、励磁コイル部105にコイルを12×8列でマトリックス状に配置した形態としたが、励磁コイル部105に構成するコイルのマトリックスを更に細分化した構造を、外径φ2mm以下の極小径サイズのアクチュエータに適用することができる。この極小径のアクチュエータへの適用の形態を実施の形態2として説明する。
In the first embodiment, in order to facilitate understanding of the driving principle, the
図6は本発明の実施の形態2による回転、直動及び回転と直動の複合動作が可能な電磁アクチュエータの構造図である。
FIG. 6 is a structural diagram of an electromagnetic actuator capable of rotation, linear motion, and combined operation of rotation and linear motion according to
基本的な駆動原理と構造は実施の形態1と同一であるが、アクチュエータのサイズは外径φ2mm、両端の出力軸103を含む全長14mmとする。
The basic driving principle and structure are the same as those in the first embodiment, but the actuator has an outer diameter of 2 mm and a total length of 14 mm including the
この極小径のハウジング104の内周部に配置する励磁コイル部105を、略渦巻形状で40×48列(円周方向×軸長方向)のマトリックスを層状に形成したパターンコイルとした。
The
そして、磁極部102に、円周方向で約300μmのピッチ幅で、磁極の向きがラジアル方向になるように微細着磁を施しており、これにより、隣り合う磁極同士が異極である4×6列(円周方向×軸長方向)のマトリックスを形成している。
The
このとき、磁極の1マトリックスに対応する励磁コイル部105のコイルが形成する領域は、10×8列である。
At this time, the area formed by the coils of the
この実施の形態2のアクチュエータは、血管内視鏡用デバイスとして生体の血管内で使用可能なサイズであるとともに、励磁コイル部105に構成するコイルのマトリックスを細分化したことで、より精密な可動子の動作が可能となる。
The actuator according to the second embodiment is of a size that can be used in a blood vessel of a living body as a blood vessel endoscope device, and more precisely movable by subdividing the coil matrix that constitutes the
更に、回転と直動の複合動作においては、出力軸103に渦をなす螺旋状の動作や、回転方向の移動量と直動方向の移動量を不規則に変化させた極めて複雑な動作をさせることができる。
Further, in the combined operation of rotation and linear motion, a spiral motion that forms a vortex in the
実施の形態3
図7は本発明の実施の形態3による、励磁コイル部105を構成するコイルの中空部109に、磁性体108を配置した状態を図示したものである。
FIG. 7 illustrates a state in which the
磁性体108を備えることにより励磁コイル部105の無通電時においても、可動子101を保持することができる。
By providing the
このコイルの中空部に配置する磁性体108は、励磁コイル部105を構成する全てのコイルの中空部に配置してもよいし、一部のコイルの中空部に配置するのみであってもよい。
The
実施の形態4
図8は本発明の実施の形態4による、可動子101の磁性材料から成る磁極部102の凹部110を有する部分と有さない部分とが、交互に並んだ状態でマトリックス状に配置されており、凹部110を有する部分には永久磁石102aのN極側が、可動子101の外周面に現れるようにして、凹部形状の構成面に配置されており、凹部110を有さない部分にはS極の磁極が誘起するようにした状態を図示したものである。
FIG. 8 shows that the portions having the
図8中の拡大図に示す磁気ギャップの距離xとy及び各磁極と励磁コイル部105との距離を調整することにより、永久磁石のN極と対応する励磁コイル部105のコイルとの間で発生する推力と、凹部110を有さない部分に誘起したS極と対応する励磁コイル部105のコイルとの間で発生する推力とを同じ値とすることができる。
By adjusting the distances x and y of the magnetic gap and the distances between the magnetic poles and the
永久磁石102aは凹部における配置を全て逆にして、凹部110を有する部分には永久磁石102aのS極側が、可動子101の外周面に現れるようにして、凹部形状の構成面に配置し、凹部110を有さない部分にはN極の磁極が誘起するようにしてもよい。
The
実施の形態5
図9は本発明の実施の形態5による、可動子101を支持する軸受部107を固定子106を構成する励磁コイル部105の内周部全体に亘り配置し、軸受部107の内周面全体で可動子101を支持する構造状態を図示したものである。
FIG. 9 shows a bearing
この構造により、軸受部107により可動子101の軸長方向への可動範囲が制限されなくなる。
With this structure, the movable range of the
実施の形態6
図10は本発明の実施の形態6による、電磁アクチュエータの構造を図示したものである。
FIG. 10 illustrates the structure of an electromagnetic actuator according to the sixth embodiment of the present invention.
この実施の形態6は、実施の形態5の軸受部107を固定子106を構成する励磁コイル部105の内周部全体に亘り配置した構造に対して、実施の形態4による凹部110を有する可動子101を用いたものである。
In the sixth embodiment, the movable portion having the
この実施の形態6による構造では、軸受部107により可動子101の軸長方向への可動範囲が制限されなくなるのに加えて、軸受部107が可動子101を凹部110を有さない部分のみで支持することにより摺動面積を低減することができる。また、同凹部110を有さない部分は、永久磁石に比較し、表面粗さを小さくすることが可能である。
In the structure according to the sixth embodiment, the
これにより、軸受部107の内径と長さが同様の条件であるならば、可動子101が凹部を有さない場合と比較して軸受部107と可動子101の摺動損失及び磨耗が、より低減される。
As a result, if the inner diameter and length of the bearing
上述した実施の形態では、実施の形態1として磁極部102に磁極を4×6列、励磁コイル部105にコイルを12×8列でマトリックス状に配置した例、実施の形態2として磁極部102に磁極を4×6列、励磁コイル部105に励磁コイルを40×48列でマトリックス状に配置した例を挙げて説明したが、磁極と励磁コイルの配置はこれらの組合せに限定されない。
In the embodiment described above, an example in which the magnetic poles are arranged in a matrix of 4 × 6 rows in the
本発明における、磁極と励磁コイルのマトリックス状の配置状態は、以下の条件を満たせばよい。
可動子の磁極・・・隣り合う磁極同士を異極として、マトリックス状に配置
固定子の励磁コイル・・・以下の式が成り立つように、コイルをマトリックス状に配置
In the present invention, the matrix-like arrangement state of the magnetic poles and the exciting coils may satisfy the following conditions.
The magnetic poles of the mover are arranged in a matrix with the adjacent magnetic poles different from each other. The excitation coil of the stator is arranged in a matrix so that the following formula is satisfied.
駆動の際は、隣接したm×nの領域同士が交互に異極となるようにコイルを領域毎のパターン状に励磁する。 When driving, the coils are excited in a pattern for each region so that adjacent m × n regions have different polarities alternately.
回転は、m×n領域をm方向に1以上m−1以下のマトリックスずつ回転方向に移動させるように励磁パターンを変更する。磁石の磁極が変更前のm×n領域から反発し、かつ、変更後のm×n領域へ向かって吸引するように回転する。 The rotation changes the excitation pattern so that the m × n region is moved in the rotation direction by 1 to m−1 matrix in the m direction. The magnetic pole of the magnet repels from the m × n region before the change and rotates so as to be attracted toward the m × n region after the change.
直動も回転同様、m×n領域をn方向に1以上n−1以下のマトリックスずつ直動方向に移動させるように励磁パターンを変更する。 Similarly to the rotation of the linear motion, the excitation pattern is changed so that the m × n region is moved in the linear motion direction by a matrix of 1 to n−1 in the n direction.
回転直動複合動作は、m×n領域をm方向に1以上m−1以下のマトリックス、且つn方向に1以上n−1以下のマトリックスずつ、すなわちコイルマトリックスを展開した際の斜め方向に向かって任意の角度で、励磁パターンを推移させることにより可動子が複合運動を行う。 In the rotation / linear motion combined operation, the m × n region is directed in the diagonal direction when the matrix of 1 to m−1 in the m direction and the matrix of 1 to n−1 in the n direction are expanded, that is, the coil matrix is expanded. By moving the excitation pattern at an arbitrary angle, the mover performs a combined motion.
また、実施の形態2において、生体の血管内で使用する血管内視鏡用デバイスに適用可能な電磁アクチュエータとして、そのサイズを外径φ2mm、長さ14mmとしたが、本発明の電磁アクチュエータを適用できるのは、血管内視鏡用デバイス等の分野には限定されず、当然ながら、電磁アクチュエータとしてのサイズも外径φ2mm、長さ14mmに限定されるものではない。 In the second embodiment, the electromagnetic actuator applicable to a vascular endoscope device used in a blood vessel of a living body has an outer diameter of 2 mm and a length of 14 mm. However, the electromagnetic actuator of the present invention is applied. What can be done is not limited to the field of vascular endoscopic devices and the like, and of course, the size as an electromagnetic actuator is not limited to an outer diameter of 2 mm and a length of 14 mm.
可動子の回転と直動及びそれらの複合動作を用いる任意のデバイスに適用することが可能であり、そのサイズも適用するデバイスと必要とする直動方向のストロークに応じて、任意のサイズで実現することができる。 It can be applied to any device that uses the rotation and linear motion of the mover and their combined motion, and the size can be realized in any size depending on the device to be applied and the stroke in the required linear motion direction. can do.
加えて、本発明の電磁アクチュエータに適用される励磁コイル、磁極及び可動子を支持する軸受の種類、形態も特に限定されるものではなく、必要とするアクチュエータのサイズ及び性能等に応じて、適当なものを用いることができる。 In addition, the types and forms of bearings that support the excitation coil, magnetic poles, and mover applied to the electromagnetic actuator of the present invention are not particularly limited, and are appropriate according to the required size and performance of the actuator. Can be used.
100 回転直動複合動作電磁アクチュエータ
101 可動子
102 磁極部
102a 永久磁石
103 出力軸
104 ハウジング
105 励磁コイル部
106 固定子
107 軸受部
108 磁性体
109 中空部
110 凹部
x、y 磁気ギャップの距離
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記可動子の磁極部は、薄膜磁石であって、可動子の回転方向及び軸方向に異なる極性に微細着磁された磁極が、隣り合う磁極同士を異極として、マトリックス状に配置されており、
前記固定子の励磁コイルは、前記磁極部に形成されている磁極のマトリックスに対して、以下の式が成り立つように、コイルパターンをマトリックス状に配置した円筒状のパターンコイルであり、
The magnetic pole part of the mover is a thin-film magnet, and magnetic poles that are finely magnetized to have different polarities in the rotation direction and the axial direction of the mover are arranged in a matrix with the adjacent magnetic poles different from each other. ,
Exciting coils of the stator, with respect to the matrix of the magnetic pole formed in the magnetic pole portions, such that the following formula is valid, a cylindrical pattern coils the coil pattern is arranged in a matrix,
前記可動子を支持する軸受部が、前記固定子の内周部全体に亘り配置されており、前記軸受部の内周面全体で可動子を支持していることを特徴とする電磁アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to claim 1,
An electromagnetic actuator characterized in that a bearing portion that supports the mover is arranged over the entire inner peripheral portion of the stator, and the mover is supported by the entire inner peripheral surface of the bearing portion.
前記可動子の磁極部は、凹部を有する部分と凹部を有さない部分が、交互に並んだ状態でマトリックス状に配置されており、前記凹部を有する部分には同一の磁極で永久磁石が、凹部形状の構成面に対して同一の方向で配置されており、前記凹部を有さない部分に前記永久磁石とは異極の磁極が誘起されていることにより、前記マトリックス状の配置において、可動子の回転方向及び軸方向に異なる極性の磁極が、隣り合う磁極同士を異極となっており、The magnetic pole portion of the mover is arranged in a matrix in a state in which portions having recesses and portions not having recesses are alternately arranged, and permanent magnets with the same magnetic poles in the portions having the recesses, It is arranged in the same direction with respect to the concave-shaped constituent surface, and a magnetic pole different from the permanent magnet is induced in a portion not having the concave portion, so that it is movable in the matrix-like arrangement. Magnetic poles with different polarities in the rotation direction and axial direction of the child are different from each other in the adjacent magnetic poles,
前記固定子の励磁コイルは、前記磁極部に形成されている磁極のマトリックスに対して、以下の式が成り立つように、コイルパターンをマトリックス状に配置した円筒状のパターンコイルであり、 The excitation coil of the stator is a cylindrical pattern coil in which a coil pattern is arranged in a matrix so that the following formula is established for a matrix of magnetic poles formed in the magnetic pole part:
前記可動子を支持する軸受部が、前記固定子の内周部全体に亘り配置されており、前記軸受部の内周面全体で可動子を支持していることを特徴とする電磁アクチュエータ。 An electromagnetic actuator characterized in that a bearing portion that supports the mover is arranged over the entire inner peripheral portion of the stator, and the mover is supported by the entire inner peripheral surface of the bearing portion.
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