JP5422175B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関し、特にリニア同期モータの原理を用いたリニアアクチュエータに関する。

磁石の磁極同士の吸引力及び反発力を利用したリニアモータであるリニア同期モータが知られている。
そのリニア同期モータの一種として、シャフトモーターがある。例えば、株式会社ジイエムシーヒルストンのホームページにシャフトモーターが開示されている（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｈｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓｈａｆｔ．ｈｔｍｌ）。

図１は、そのシャフトモーターの構成を示す概略図である。このシャフトモーター１０１は、シャフト部１０２及びコイル部１０３を具備している。シャフト部１０２は、複数の永久磁石１１１及び外筒１１４を備えている。複数の永久磁石１１１は、磁気方向が中心軸Ｃの方向に対して正逆対向し、中心軸Ｃに沿って配置されている。すなわち、中心軸Ｃに沿って、Ｎ極同士、Ｓ極同士が接合されている。そのため、接合部１１２から強い磁力線が発生している。外筒１１４は、複数の永久磁石１１１を一体的に格納する円筒である。一方、コイル部１０３は、コイル１１８を備えている。コイル１１８は、中心軸が共通であり、互いに位相の異なる交流電流が流れる複数のコイル１１８（例示：Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用）を有している。シャフト部１０２は、それら複数のコイル１１８の内側を貫通している。このシャフト部１０２を取り囲む複数のコイル１１８に電流が流れると磁界が発生し、フレミングの左手の法則により推力が発生する。この推力によって、コイル部１０３が中心軸Ｃに沿って直動運動する。

このシャフトモーター１０１は、コイル１１８とシャフト部１０２との間に吸着力が働かない、磁石１１１の磁束を磁石１１１の全周で無駄無く有効活用できて高推力である、などの特徴がある。そして、このシャフトモーターは、その機能や特徴を利用して、ボールネジを代替する機械要素として、あるいは、アクチュエータの一つとしてのリニアアクチュエータとして使用することが可能である。

関連する技術として、特開２００３−７０２２６号公報にリニア同期モータが開示されている。このリニア同期モータは、コイルを有する一次側可動子と、複数の永久磁石を直線に沿って配置した二次側固定子とを備え、コイルに通電することにより可動子を二次側固定子に沿って直線的に移動させる。このリニア同期モータは、複数の永久磁石を隣接して配置すると共に、隣接する永久磁石の磁化方向を可動子の移動方向及び直角方向に９０度ずつ異ならせている。

また、特開２００７−６５４５号公報に周期磁界発生装置およびそれを用いたリニアモータ、回転型モータ、揺動モータが開示されている。この周期磁界発生装置は、発生磁界の方向に磁化された主磁極永久磁石と主磁極永久磁石の磁極の向きと異なるように磁化された副磁極永久磁石から構成されるハルバッハ配列構造の界磁極を備えている。この周期磁界発生装置は、主磁極永久磁石の磁界発生側の一部を軟磁性材料で置き換えている。

特開２００３−７０２２６号公報 特開２００７−６５４５号公報 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｈｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓｈａｆｔ．ｈｔｍｌ

上記のシャフトモーター１０１には以下のような問題があると考えられる。第１の問題は、磁石１１１を対向させて直接接触させて配置するので、対向する磁石１１１同士が互いに磁界を弱め合っているということである。すなわち、接触面付近の磁石の動作点が、隣接する磁石により発生する磁界の影響により変化し、磁石の性能を十分発揮できない状態にある。また、第２の問題として、磁石１１１の接触面の磁束は、接触面の両側の磁石１１１内を通過しなければならず、その磁束の大きさはその磁石１１１の飽和磁束密度により制限されてしまう。そのため、個々の磁石１１１の磁力の強さを十分に生かすことができていないと考えられる。第３の問題は、磁石１１１を対向させて配置するので、隣り合う磁石１１１が互いに反発し合い、組み立てが難しいということである。特に、推力の向上には磁石１１１の磁力を高めることが必要であるが、そうなると益々組み立てが困難になることが予想される。第４の問題は、磁石１１１を固定するために、磁石１１１を収めるチューブ状の外筒１１４が必須であることである。そのため、この外筒１１４の存在により、コイル１１８と磁石１１１との間のギャップが増加し、推力が低下する。

上記シャフトモーターをリニアアクチュエータとして用いる場合において、その磁石の磁力の強さを十分に活用することができる技術が望まれる。その組み立てを容易にすることが可能な技術が望まれる。コイルと磁石との間のギャップを低減し推力を向上させることが可能な技術が求められる。

本発明の目的は、磁石の磁力の強さを十分に活用することができるリニアアクチュエータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、組み立てを容易にすることが可能なリニアアクチュエータを提供することにある。また、本発明の更に他の目的は、コイルと磁石との間のギャップを低減し推力を向上させることが可能なリニアアクチュエータを提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明のリニアアクチュエータは、コイル部（３）と、シャフト部（２）とを具備する。コイル部（３）は、互いに位相の異なる交流電流が流れる複数のコイル（１８）を有する。シャフト部（２）は、複数のコイル（１８）の内側を通る。シャフト部（２）は、複数の永久磁石（１１）と、複数の中間部材（１６）とを備える。複数の永久磁石（１１）は、磁化方向が中心軸（Ｃ）の方向に対して正逆対向し、中心軸（Ｃ）に沿って配置されている。複数の中間部材（１６）は、複数の永久磁石（１１）の各々の間に配置されている。複数の中間部材（１６）の各々の飽和磁束密度は、複数の永久磁石（１１）の各々の飽和磁束密度よりも大きい。

本発明では、対向する永久磁石（１１）同士の間に中間部材（１６）として、永久磁石（１１）よりも飽和磁束密度が高い、軟磁性材料が挿入されている。この中間部材（１６）の飽和磁束密度が永久磁石（１１）の飽和磁束密度よりも大きいという性質により、対向する永久磁石（１１）同士の磁束は、中間部材（１６）内において、永久磁石のみで構成された場合よりも高い磁束密度で、いずれも中間部材（１６）を通って中心軸（Ｃ）に略垂直な方向へ抜ける、又は同方向から入ることができる。これにより、そのコイル部（３）の位置での磁束密度を増加させることができる。すなわち、対向する磁石（１１）同士が互いに磁界を弱め合わないので、個々の磁石（１１）の磁力の強さを十分に生かすことができる。それにより、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。また、この中間部材（１６）を介在させることで、隣合う磁石（１１）が互いに反発し合う力を弱めることができる。それにより、シャフト部（２）の組み立てを容易にすることができる。すなわち、リニアアクチュエータの製造を容易にすることが可能となる。

本発明では、中間部材（１６）として軟磁性材料を用いているので、対向する永久磁石（１１）同士の間での磁束の集中による磁気飽和の防止を安価に行うことができる。そのため、リニアアクチュエータの推力の向上を低コストで行うことができる。

本発明のリニアアクチュエータは、複数の中間部材（１６）の各々が、磁石材料で形成された中間磁石部材（１６ｂ）を含む。その場合、中間磁石部材（１６ｂ）は、磁化方向が中心軸（Ｃ）の方向に対して垂直外向き、及び、垂直内向きに、中心軸（Ｃ）に沿って交互に配置されていることが好ましい。
本発明では、中間部材（１６）により磁束が中心軸（Ｃ）に略垂直な方向へと導かれるため，対向する永久磁石（１１）同士の間で磁界を弱めあうことなく，さらに中間部在（１６）の磁力も加えることで，コイル部（３）での磁束密度を高めることができる。その結果、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

なお、上記のリニアアクチュエータにおいて、複数の中間部材（１６）の各々における中心軸（Ｃ）方向の厚み（Ｙ）は、複数の永久磁石（１１）の各々における中心軸（Ｃ）方向の厚み（Ｘ）よりも薄いことが好ましい。
本発明では、中間部材（１６）の厚み（Ｙ）を、永久磁石（１１）の厚み（Ｘ）よりも薄くすることで、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

上記のリニアアクチュエータにおいて、複数の中間部材（１６）の各々は、中間磁石部材（２１）を囲み、軟磁性材料で形成されたヨーク部材（２３）を更に含むことが好ましい。
本発明では、中間部材（１６）として軟磁性材料と磁石材料とを組み合わせて用いている。そのため、対向する永久磁石（１１）同士の間での磁束の集中による磁気飽和を防ぎつつ、磁石の体積を増加させて磁束密度を高めつつ、一部を難磁性材料にしてコストを低く抑えることができる。それにより、コイル部（３）での磁束密度を、低いコストでより高めることができる。その結果、コストを抑えつつ、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

上記のリニアアクチュエータにおいて、複数の中間部材（１６）の各々は、中心軸（Ｃ）方向の厚みが、前記中心軸から離れるにつれて厚くなることが好ましい。
本発明では、磁束の混み具合が相対的に小さい中心軸付近の中間部材（１６）の厚みを薄くし、磁束の集中度合いが相対的に大きい表面付近の厚みを厚くしている。これにより、中間部材（１６）内での磁束の集中による磁気飽和の発生を低減することができる。その結果、コイル部（３）での磁束密度をより高めることができる。その結果、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

上記のリニアアクチュエータにおいて、シャフト部（２）は、複数の永久磁石（１１）と複数の中間部材（１６）とを貫通して固定する固定軸部材（１７）を更に備えることが好ましい。
本発明では、永久磁石（１１）と中間部材（１６）とを貫通して固定する固定軸部材（１７）を有しているので、永久磁石を固定するためのチューブ状の外筒が不要である。そのため、コイル（１８）と磁石（１）との間のギャップをより小さくすることができる。それにより、コイル部（３）での磁束密度をより高めることができ、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

上記のリニアアクチュエータにおいて、シャフト部（２）及びコイル部（３）は、中心軸（Ｃ）に垂直な断面の形状が多角形であることが好ましい。
本発明では、断面の形状が多角形であるため、コイル部（２）が周方向に回転し難い。そのため、コイル部（２）を中心軸（Ｃ）方向に円滑に動作させることが出来る。

本発明により、リニアアクチュエータにおいて、磁石の磁力の強さを十分に活用することができる。また、リニアアクチュエータにおいて、組み立てを容易にすることが可能となる。また、リニアアクチュエータにおいて、コイルと磁石との間のギャップを低減し推力を向上させることが可能となる。

以下、本発明のリニアアクチュエータの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
まず、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の構成について説明する。
図２は、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の構成を示す概略斜視図である。図中の矢印、「○に点」印（手前側向き）、「丸にバツ」印（奥側向き）は、いずれも磁化方向や磁力線の向きを示している（以下、各図面において同じ）。図２（ａ）に示すように、このシャフトモーター１は、シャフト部２及びコイル部３を具備している。シャフト部２の形状は棒状であり、例えば円柱状である。コイル部３の形状は筒状であり、例えば円筒状である。シャフト部２は、コイル部３の内側を通るように配置されている。シャフト部２及びコイル部３の中心軸は概ね重なっている（以下、中心軸Ｃ）。そして、コイル部３に電流を流すことにより、コイル部３は、シャフト部２上をその中心軸Ｃ方向に相対的に移動する。

シャフト部２は、複数の永久磁石１１と、複数の中間部材１６と、外筒１４とを備えている。
複数の永久磁石１１は、磁化方向が中心軸Ｃの方向に対して正逆対向し、中心軸Ｃに沿って配置されている。すなわち、中心軸Ｃに沿って、Ｎ極同士、Ｓ極同士が向かい合って配置されている。永久磁石１１は、例えば、略円柱形状を有している。その中心軸は、中心軸Ｃである。永久磁石１１は、従来知られた各種の永久磁石を用いることができ、例えば、フェライト磁石、希土類磁石である。

中間部材１６は、隣り合う２つの永久磁石１１の間に配置されている。すなわち、２つのＮ極同士、又は２つのＳ極同士のいずれかに挟まれている。中間部材１１は、例えば、略円柱形状を有している。その中心軸は、中心軸Ｃである。中間部材１６の飽和磁束密度は、永久磁石１１の飽和磁束密度よりも大きい。そのため、それら２つのＮ極から出る磁束は、永久磁石１１ではなく、２つのＮ極に挟まれた中間部材１６の内部を通り外側へ貫通することができる。また、それら２つのＳ極へ向かう磁束は、永久磁石１１ではなく、２つのＳ極に挟まれた中間部材１６の内部を通り内側へ貫通することができる。

外筒１４は、複数の永久磁石１１及び複数の中間部材１６の外側に、それらを囲む（格納する）ように設けられている。すなわち、外筒１４は、略円筒形状を有している。その中心軸は、中心軸Ｃである。外筒１４は、非磁性材料で形成されている。

一方、コイル部３は、複数のコイル１８を備えている。
複数のコイル１８は、シャフト部２を囲み、シャフト部２と接触しないように、中心軸Ｃに沿って互いに隣接して配置されている。コイル１８は、略円筒形状に巻かれている。その中心軸は、中心軸Ｃである。複数のコイル１８は、互いに位相の異なる交流電流を流される。ここでは、図２（ｂ）に示すように、３相のコイル１８、すなわち、Ｕ相のコイル１８−１、Ｖ相のコイル１８−２、Ｗ相のコイル１８−３を有し、各コイル１８に互いに（２π／３）だけ位相のずれた交流電流を流される。また、図示されるように、永久磁石１１／中間部材１６／永久磁石１１／中間部材１６の一周期分に対応して、一組のＵ相のコイル１８−１／Ｖ相のコイル１８−２／Ｗ相のコイル１８−３が設けられている。

シャフト部２は、それら複数のコイル１８の内側を貫通している。そして、２つのＮ極同士間の中間部材１６には外向きの矢印で示される磁力線が、２つのＳ極同士間の中間部材１６には内向きの矢印で示される磁力線が通っている。このシャフト部２を取り囲む複数のコイル１８に電流が流れると、シャフト部により発生された磁界のうち、軸に垂直な成分との間で、フレミングの左手の法則により推力が発生する。この推力によって、コイル部３が中心軸Ｃに沿ってシャフト部２上を相対的に直動運動する。

本実施の形態では、対向する永久磁石１１同士の間に中間部材１６が挿入されている。この中間部材１６の飽和磁束密度は、永久磁石１１の飽和磁束密度よりも大きい。そのため、対向する永久磁石１１同士の磁束は、永久磁石１１の飽和磁束密度に制限されること無く、中間部材１６内で磁気飽和を発生させること無く、いずれも中間部材１６内部を主に通って中心軸Ｃに略垂直な方向へ抜ける、又は、概ね垂直な方向から入ってくることができる。これにより、コイル部３の位置での磁束密度を増加させることができる。また、対向する磁石１１同士が互いに磁界を弱め合わないので、個々の磁石１１の磁力の強さを十分に生かすことができる。それにより、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。

また、この中間部材１６を介在させることで、隣り合う永久磁石１１が互いに反発し合う力を弱めることができる。それにより、Ｎ極同士及びＳ極同士を向かい合わせて容易に結合させることができる。すなわち、中間部材１６を間に挟むことでシャフト部２の組み立てを容易にすることができ、リニアアクチュエータの製造を容易にすることが可能となる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の一例を示す概略断面図である。ここでは、２つのＮ極に挟まれた中間部材１６について説明するが、２つのＳ極に挟まれた中間部材１６も磁束の向き以外は同様である。図３（ａ）に示す中間部材１６は、軟磁性材料（高透磁率材料）により形成されたヨーク部材１６ａ_１である。この軟磁性材料の飽和磁束密度は、既述のように、永久磁石１１の飽和磁束密度よりも大きく、より好ましくは永久磁石１１の飽和磁束密度の２倍よりも大きい。軟磁性材料は、純鉄（電磁軟鉄など）、パーマロイ、ケイ素鋼に例示される。

図３（ｂ）に示すように、磁束線Φ１は、永久磁石１１の端部（Ｎ極）から、飽和磁束密度の大きいヨーク部材１６ａ_１を通って中心軸Ｃに概ね垂直な外側の方向へ抜けることができる。すなわち、ヨーク部材１６ａ_１を通して磁界を外部に導出し、コイル部３の位置での中心軸Ｃに垂直な方向の磁束密度を増加させることができる。その結果、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。例えば、ヨーク部材１６ａ_１の挿入以外は同一とした実験条件の下で、＋８．９％の推力の増加が確認されている。

加えて、ヨーク部材１６ａ_１を間に挟むことで、隣り合う永久磁石１１が互いに反発し合う力を弱めることができ、シャフト部２の組み立てを容易にすることができる。それにより、リニアアクチュエータの製造を容易にすることが可能となる。また、高価な材料である永久磁石１１の部分が減少するので、リニアアクチュエータのコストダウンを図ることができる。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の他の例を示す概略断面図である。ここでは、２つのＮ極に挟まれた中間部材１６について説明するが、２つのＳ極に挟まれた中間部材１６も磁束線の向き以外は同様である。図４（ａ）に示す中間部材１６は、軟磁性材料（高透磁率材料）により形成されたヨーク部材１６ａ_２である。この軟磁性材料の飽和磁束密度は、既述のように、永久磁石１１の飽和磁束密度よりも大きく、より好ましくは永久磁石１１の飽和磁束密度の２倍よりも大きい。軟磁性材料は、純鉄（電磁軟鉄など）、パーマロイ、ケイ素鋼に例示される。このヨーク部材１６ａ_２は、中心軸Ｃ方向の厚みが、中心軸Ｃから離れるにつれて厚くなっている。すなわち、永久磁石１１に接する２つの面に、中心軸Ｃを中心にした逆円錐形状の凹部４１を有している。

図４（ｂ）に示すように、磁束線Φ２は、永久磁石１１の端部（Ｎ極）から、飽和磁束密度の大きいヨーク部材１６ａ_２を通って中心軸Ｃに概ね垂直な外側の方向へ抜けることができる。このとき、中心軸Ｃ方向の厚みが中心軸Ｃから離れるにつれて厚くなっているので、ヨーク部材１６ａ_２周辺部でも磁束の集中を防ぐことができ、磁気飽和の発生を防止することができる。すなわち、ヨーク部材１６ａ_２を通して磁界を外部に導出し、磁束の集中による磁気飽和を防ぎつつ、コイル部３の位置における中心軸Ｃに垂直な方向の磁束を増加させることができる。その結果、リニアアクチュエータの推力をより増加させることができる。

加えて、ヨーク部材１６ａ_２を間に挟むことで、隣り合う永久磁石１１が互いに反発し合う力を弱めることができ、シャフト部２の組み立てを容易にすることができる。それにより、リニアアクチュエータの製造を容易にすることが可能となる。また、高価な材料である永久磁石１１の部分が減少するので、リニアアクチュエータのコストダウンを図ることができる。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の更に他の例を示す概略断面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）に示す中間部材１６は、それぞれ軟磁性材料（高透磁率材料）により形成されたヨーク部材１６ａ_３、１６ａ_４である。これらのヨーク部材１６ａ_３、１６ａ_４は、基本的にはヨーク部材１６ａ_２と同じ（中心軸Ｃ方向の厚みが、中心軸Ｃから離れるにつれて厚い）構成である。ただし、中心軸Ｃを中心にした凹部４２、４３の形状がヨーク部材１６ａ_２の凹部４１と異なっている。すなわち、図５（ａ）のヨーク部材１６ａ_３は、曲面で形成された凹部４２を有する形状（凹レンズのような形状）を有している。一方、図５（ｂ）のヨーク部材１６ａ_４は、階段状の複数の段で形成された凹部４３を有する形状を有している。いずれの形状も、図４の形状と同様の効果を得ることが出来る。

（第２の実施の形態）
まず、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の構成について説明する。
図２は、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の構成を示す概略斜視図である。第２の実施の形態において、本図に関しては、第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の一例を示す概略断面図である。ここでは、２つのＮ極に挟まれた中間部材１６について説明するが、２つのＳ極に挟まれた中間部材１６も磁束の向き以外は同様である。図６（ａ）に示す中間部材１６は、硬磁性材料（高保持力材料）により形成された永久磁石部材１６ｂ_１であり、例えば、フェライト磁石、希土類磁石である。

図６（ｂ）は２つのＮ極間に配置される磁石部材１６ｂ_１を中心軸Ｃ方向から見た平面図である。磁石部材１６ｂ_１は、中央部に円筒状の開口部２２を有する円環形状である。磁石部材１６ｂ_１は、複数の扇型形状の磁石２１を組み合わせて円環形状としている。分割することで、放射状に磁化方向を有する円環を製造することが容易になる。図６（ｂ）の場合、４つの扇型状の磁石２１を組み合わせている。しかし、本発明はこの数に限定されるのもではなく、例えば、更に多くの扇型状の磁石部材を組み合わせても良い（例示：図６（ｄ）では６つ）。一方、図６（ｃ）は２つのＳ極間に配置される磁石部材１６ｂ_１を中心軸Ｃ方向から見た平面図である。この磁石部材１６ｂ_１も磁化方向が逆のほかは、図６（ｂ）に示す場合と同様である。

上記図６（ａ）における磁束の状態は、図３（ｂ）の場合と同様である。従って、図６（ａ）の磁石部材１６ｂ_１を用いたリニアアクチュエータは、図３（ａ）の場合と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、磁石部材１６ｂ_１を通して磁界を外部に導出し、コイル部３の位置での中心軸Ｃに垂直な方向の磁束密度を増加させることができる。その結果、リニアアクチュエータの推力を増加させることができる。ただし、この場合、図３の場合と比較して、磁石体積が増加し、永久磁石１１の磁束だけでなく、磁石部材１６ｂ_１自身の磁束も付加される。ただし、磁石部材１６ｂ_１の飽和磁束密度は図３の軟磁性材料１６ａ_１のそれよりも制限されることが一般的であり、図３の場合との性能の優劣は一概には決定できない。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の他の例を示す概略断面図である。ここでは、２つのＮ極に挟まれた中間部材１６について説明するが、２つのＳ極に挟まれた中間部材１６も磁束線の向き以外は同様である。図７（ａ）に示す中間部材１６は、硬磁性材料（高保持力材料）により形成された永久磁石部材１６ｂ_２であり、例えば、フェライト磁石、希土類磁石である。この磁石部材１６ｂ_２は、中心軸Ｃ方向の厚みが、中心軸Ｃから離れるにつれて厚くなっている。すなわち、永久磁石１１に接する２つの面に、中心軸Ｃを中心にした逆円錐形状の凹部５１を有している。なお、２つのＮ極間及び２つのＳ極間に配置される磁石部材１６ｂ_２を中心軸Ｃ方向から見た平面図は、図６（ｂ）〜図６（ｄ）と同様であるのでその説明を省略する。

図７（ａ）における磁束線の状態は、図４（ｂ）の場合と同様である。従って、図７（ａ）の磁石部材１６ｂ_２を用いたリニアアクチュエータは、図４（ｂ）の場合と同様の効果を得ることが出来る。

更に、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す中間部材１６は、それぞれ硬磁性材料（高保持力材料）により形成された磁石部材１６ｂ_３、１６ｂ_４である。これらの磁石部材１６ｂ_３、１６ｂ_４は、基本的には磁石部材１６ｂ_２と同じ（中心軸Ｃ方向の厚みが、中心軸Ｃから離れるにつれて厚い）である。ただし、中心軸Ｃを中心にした凹部５２、５３の形状が磁石部材１６ｂ_２の凹部５１と異なっている。すなわち、図７（ｂ）の磁石部材１６ｂ_３は、曲面で形成された凹部５２を有する形状（凹レンズのような形状）を有している。一方、図７（ｃ）の磁石部材１６ｂ_４は、階段状の複数の段で形成された凹部５３を有する形状を有している。いずれの形状も、図７（ａ）の形状と同様の効果を得ることが出来る。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材と永久磁石との大きさの関係を示す概略断面図である。図に示されるように、永久磁石１１の中心軸Ｃ方向の厚みＸは、磁石部材１６の中心軸Ｃ方向の厚みＹよりも大きい（Ｘ＞Ｙ）ことが好ましい。より好ましくはＸ＞Ｙ＞Ｘ／１０である。このような関係にすることにより、コイル部３の位置での中心軸Ｃに垂直な方向の磁束密度をより増加させることができる。このような寸法関係によれば、主に磁束を発生させる永久磁石１１の体積を大きく保ち、かつコイル３を垂直に貫通する磁束成分を増加し、リニアアクチュエータの推力をより増加させることができる。例えば、磁石部材１６ｂ_２の挿入及びＸ＞Ｙ＞Ｘ／１０の関係以外は同一とした実験条件の下で、＋９．１％の推力の増加が確認されている。

図９は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の更に他の例を示す概略断面図である。図９に示す中間部材１６は、扇型状の磁石２１を組み合わせた円環を、更に、軟磁性部材２３の円環で囲った形状を有する合成部材１６ｃである。すなわち、この中間部材１６は、第1の実施の形態の上記中間部材と第２の実施の形態の中間部材とを組み合わせた構成を有している。外側に、軟磁性部材２３を用いているのは、磁束がより集中し易い箇所が外側だからである。すなわち、もし外側に磁石を配置するならば、その磁石自身の磁束が追加されるものの，その外側領域で磁束が集中して磁気飽和するおそれがあるからである。
この図に示す構成についても、本実施の形態及び第１の実施の形態の効果を得ることが出来る。また、その形状を、図４、図５や図７のように変形しても良く、その場合にも、本実施の形態及び第１の実施の形態の効果を得ることが出来る。

（第３の実施の形態）
まず、本発明の第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成を示す概略斜視図である。第３の実施の形態のリニアアクチュエータ１ａは、固定軸１７を有している点及び外筒１４を有していない点で第１の実施の形態及び第２の実施の形態（図２）と異なる。

固定軸部材１７は、シャフト部２に設けられ、中心軸Ｃ方向に、複数の永久磁石１１及び複数の中間部材１６を貫通している。固定軸部材１７は、磁束が通り難いようをコイル３以外の経路に逃がさないように，非磁性体で形成されている。固定軸部材１７は、略円柱形状（円柱の棒状）を有し、その中心軸は中心軸Ｃである。固定軸部材１７の両端には、例えばオネジ２７が設けてある。そして、そのオネジ２７をメネジ部材９で、固定軸部材１７の両端から締め付けることにより、複数の永久磁石１１及び複数の中間部材１６を容易に固定することができる。

図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る永久磁石１１及び中間部材の構成を示す概略平面図である。この場合、永久磁石１１及び中間部材１６は、中央部に固定軸部材１７の直径と同じ直径である開口部２５を有する円環形状である。中間部材１６については、第１及び第２の実施の形態に記載の図３〜図９のようにしても良く、その場合にも、第１及び第２の形態と同様の効果を得ることが出来る。

以上のような構造にすることにより、永久磁石１１及び中間部材１６を固定するために用いていたシャフト部２の外筒１４を用いる必要がなくなる。それにより、永久磁石１１とコイル１８との間の磁気的な空隙を減少させることができる。その結果、磁束密度の高い位置にコイル１８を配置できることができ、リニアアクチュエータの推力を高めることが可能となる。なお、永久磁石１１や中間部材１６の表面保護用に、空隙に影響を及ぼさない薄い外筒１４を用いても良い。

なお、第１〜第３の実施の形態では、シャフト部２が相対的に長く、コイル部３が相対的に短いため、結果として、コイル部３が可動子のように見えるリニアアクチュエータについて説明している。しかし、この場合でも、シャフト部２を可動子とするリニアアクチュエータとしても良い。

また、第１〜第３の実施の形態において、コイル１８が中心軸Ｃの方向に連続的に並んでコイル部３を長くし、永久磁石１１及び中間部材１６を、それらを貫通する軸部材上で移動する可動子とする構成としても良い。図１２は、本発明の第１〜第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成の変形例を示す概略斜視図である。このリニアアクチュエータでは、Ｕ相のコイル１８−１／Ｖ相のコイル１８−２／Ｗ相のコイル１８−３の組が複数並んだコイル部３内において、例えば、永久磁石１１／中間部材１６／永久磁石１１／中間部材１６の一周期分の構造が、軸部材３７上を移動する。この場合にも、上記第１〜第３の実施の形態と同様の中間部材１６を用いることができる。それにより、上記各実施の形態と同様の効果を得ることが出来る。

また、第１〜第３の実施の形態のリニアアクチュエータにおいて、シャフト部２及びコイル部３の中心軸Ｃに垂直な断面の形状は円形である。しかし、本発明はそれに限定されるものではなく、中心軸Ｃに垂直な断面の形状は多角形（図示されず）であっても良い。例えば、三角形や四角形や六角形や八角形や十二角形である。その場合、断面の形状が多角形であるため、可動子、例えばコイル部２が移動するとき、周方向に回転し難くすることができ，相対的な回転動作が好ましくない用途に用いることが出来る。

本発明により、従来のリニアアクチュエータのように隣り合う永久磁石同士が磁界を弱め合うといことが起こらないように、ヨーク部材や磁石部材のような中間部材の作用で磁界を導くことにより、コイル位置において、垂直方向の磁束密度を増加させることができ、リニアアクチュエータの作動推力を増大させることができる。

本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態の技術は、互いに技術的矛盾が発生しない限り、適宜相互に適用することができる。

図１は、株式会社ジイエムシーヒルストンのシャフトモーターの構成を示す概略図である。 図２は、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成を示す概略斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の一例を示す概略断面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の他の例を示す概略断面図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の更に他の例を示す概略断面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の一例を示す概略断面図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の他の例を示す概略断面図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材と永久磁石との大きさの関係を示す概略断面図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る中間部材の具体的構成の更に他の例を示す概略断面図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成を示す概略斜視図である。 図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る永久磁石及び中間部材の構成を示す概略平面図である。 図１２は、本発明の第１〜第３の実施の形態に係るリニアアクチュエータの構成の変形例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１、１ａ リニアアクチュエータ
２ シャフト部
３ コイル部
９ メネジ部材
１１ 永久磁石
１２ 境界
１３ 境界
１４ 外筒
１６ 中間部材
１６ａ_１、１６ａ_２、１６ａ_３、１６ａ_４ ヨーク部材
１６ｂ_１、１６ｂ_２、１６ｂ_３、１６ｂ_４ 磁石部材
１７ 固定軸部材
１８ コイル
１８−１ Ｕ相のコイル
１８−２ Ｖ相のコイル
１８−３ Ｗ相のコイル
２１ 磁石
２２ 開口部
２３ 軟磁性部材
２７ オネジ
４１、４２、４３、５１、５２、５３ 凹部

Claims (6)

1. 位相の異なる交流電流が流れる複数のコイルを有するコイル部と、
   前記複数のコイルの内側を通るシャフト部と
   を具備し、
   前記シャフト部は、
   磁化方向が中心軸の方向に沿い、Ｎ極同士及びＳ極同士が対向し、前記中心軸に沿って配置された複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の各々の間に配置された複数の中間部材と
   を備え、
   前記複数の中間部材の各々の飽和磁束密度は、前記複数の永久磁石の各々の飽和磁束密度よりも大きく、
   前記複数の中間部材の各々は、
   前記中心軸方向の厚みが、前記中心軸から離れるにつれて厚くなり、
   前記中心軸での前記厚みが、端での前記厚みよりも薄い
   リニアアクチュエータ。
2. 位相の異なる交流電流が流れる複数のコイルを有するコイル部と、
   前記複数のコイルの内側を通るシャフト部と
   を具備し、
   前記シャフト部は、
   磁化方向が中心軸の方向に沿い、Ｎ極同士及びＳ極同士が対向し、前記中心軸に沿って配置された複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の各々の間に配置された複数の中間部材と
   を備え、
   前記複数の中間部材は、磁化方向が前記中心軸の方向に対して垂直外向き、及び、垂直内向きに、前記中心軸に沿って交互に配置された永久磁石であり、
   前記複数の中間部材の各々は、
   前記中心軸方向の厚みが、前記中心軸から離れるにつれて厚くなり、
   前記中心軸での前記厚みが、端での前記厚みよりも薄い
   リニアアクチュエータ。
3. 位相の異なる交流電流が流れる複数のコイルを有するコイル部と、
   前記複数のコイルの内側を通るシャフト部と
   を具備し、
   前記シャフト部は、
   磁化方向が中心軸の方向に沿い、Ｎ極同士及びＳ極同士が対向し、前記中心軸に沿って配置された複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の各々の間に配置された複数の中間部材と
   を備え、
   前記複数の中間部材は、磁化方向が前記中心軸の方向に対して垂直外向き、及び、垂直内向きに、前記中心軸に沿って交互に配置された永久磁石と、
   その外周に前記複数の永久磁石の各々の飽和磁束密度よりも大きい部材を配置し、
   前記複数の中間部材の各々は、
   前記中心軸方向の厚みが、前記中心軸から離れるにつれて厚くなり、
   前記中心軸での前記厚みが、端での前記厚みよりも薄い
   リニアアクチュエータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記複数の中間部材の各々における前記中心軸方向の厚みは、前記複数の永久磁石の各々における前記中心軸方向の厚みよりも薄い
   リニアアクチュエータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記シャフト部は、前記複数の永久磁石と前記複数の中間部材とを貫通して固定する固定軸部材を更に備える
   リニアアクチュエータ。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記シャフト部及び前記コイル部は、前記中心軸に垂直な断面の形状が多角形である
   リニアアクチュエータ。

Images