JP5644276B2

JP5644276B2 - リニアアクチュエータ

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Publication number: JP5644276B2
Application number: JP2010194934A
Authority: JP
Inventors: 洋介村口
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP2012055071A

Description

本発明は、片持ち支持される可動子を往復移動させるリニアアクチュエータに係り、特に可動子に加わる荷重に善処したリニアアクチュエータに関するものである。

レシプロモータ等のリニアアクチュエータは、例えば特許文献１に例示されるように、通電がなされることにより可動子を往復移動させる磁気回路を主体としている。磁気回路は、磁性体からなる可動子コア及び固定子コアと、固定子コアのうち可動子コアに対向する固定子側対向部に往復動方向に沿って配列され、各々の可動子コアに面する側の面の磁極を反転させた対をなす永久磁石と、固定子コアに巻回されるコイルとを含む複数の要素部品で構成されており、コイルへの通電により生じる磁束が対をなす永久磁石のうち所要の方向に位置する磁石で生じる磁束を弱め、他方の磁石で生じる磁束を強めることにより可動子を往復移動させるものである。

特開２００３−３３９１４７号公報

ところで、可動子を移動可能に支持する軸受等の支持機構を可動子の一方に配置できない制約や要求などがあり、可動子を片持ち支持する構成を採用する場合がある。このような可動子を片持ち支持する構成では、重力や可動子に加わる外力等が偏荷重として支持機構に作用するので支持機構の寿命が短命となってしまう。

また、外部から受ける荷重や重力によって可動子が撓んでしまい、可動子の位置決め精度が低減してしまう。特に、可動子にワークを取り付ける場合には、ワークの荷重が可動子に加わることによって可動子が撓みやすく、ワーク及び可動子の位置決め精度が著しく損なわれる。

このような課題は、上述のような磁気回路を構成する要素部品のうち可動子を構成する要素部品が鉄心のみである可動鉄心型のものに限らず、可動子を構成する要素部品が永久磁石を含む可動磁石型の場合でも同様のことがいえる。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、可動子を移動可能に片持ち支持する構成において、可動子を支持する支持機構の寿命や可動子の位置決め精度を向上させたリニアアクチュエータを提供することである。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明のリニアアクチュエータは、所定の往復動方向に沿って移動可能に支持基端で片持ち支持される可動子と、可動子のうち前記支持基端から変位した部位との間に第一のギャップ及び第二のギャップを形成する対をなす固定子側対向部を有する固定子コアと、固定子コアに巻回されるコイルと、可動子のうち固定子側対向部に対向する可動子側対向部又は固定子コアの固定子側対向部のいずれか一方に往復動方向に沿って配列され各々の相手側の対向部に臨む側の面の磁極を反転させた対をなす永久磁石とを備え、コイルへの通電により生じる磁束が対をなす永久磁石のうち所要の方向に位置する磁石で生じる磁束を弱め、他方の磁石で生じる磁束を強めることにより可動子を往復移動させるように構成されており、コイルへの通電又は永久磁石で生じる磁束によって第一のギャップ及び第二のギャップにそれぞれ発現する、可動子を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力のうち、反重力方向側に向けて可動子を引き寄せる一方の電磁吸引力を、重力方向側に向けて可動子を引き寄せる他方の電磁吸引力よりも強く設定して、各々の電磁吸引力の差によって得られる付勢力で可動子のうち支持基端から変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部を設けたことを特徴とする。

このように、第一及び第二のギャップにそれぞれ発現する、可動子を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力のうち、反重力方向側に向けて可動子を引き寄せる一方の電磁吸引力を、重力方向側に向けて可動子を引き寄せる他方の電磁吸引力よりも強く設定して、各々の電磁吸引力の差によって得られる付勢力で可動子のうち支持基端から変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部を設けたので、可動子を少なくとも二点で支持することになり、可動子を支持する支持機構にかかる偏荷重を低減して支持機構の寿命を向上させることができる。しかも、可動子を少なくとも二点で支持するので、可動子に作用する荷重により可動子が撓むことを低減又は無くして可動子や可動子に設けたワークの位置決め精度を向上させることも可能となる。

さらに、第一のギャップ及び第二のギャップに作用する電磁吸引力のうち、反重力方向側に向けて可動子を引き寄せる一方の電磁吸引力を、重力方向側に向けて可動子を引き寄せる他方の電磁吸引力よりも強く設定していることから、可動子や可動子に設けたワークに作用する重力に起因する上記不具合に適切に対応することもできる。

本発明は、以上説明したように、第一及び第二のギャップにそれぞれ発現する、可動子を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力の強さに差異を設定して、各々の電磁吸引力の差によって得られる付勢力で可動子のうち支持基端から変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部を設けたので、可動子を少なくとも二点で支持することになり、可動子を支持する支持機構にかかる偏荷重を低減して支持機構の寿命を向上させることが可能となる。しかも、可動子を少なくとも二点で支持するので、可動子に作用する荷重により可動子が撓むことを低減又は無くして可動子や可動子に設けたワークの位置決め精度を向上させることも可能となる。したがって、リニアアクチュエータの駆動精度や信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るリニアアクチュエータを模式的に示す横断面図。図１に示すリニアアクチュエータのＡ−Ａ断面図。同アクチュエータの可動子を模式的に示す図。同アクチュエータの動作に関する説明図。第一及び第二のギャップに作用する電磁吸引力に関する説明図。本発明の他の実施形態に係るリニアアクチュエータの構成を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態のリニアアクチュエータは、図１及び図２に示すように、固定子１と、この固定子１に対し往復動方向（Ｘ方向）に沿って相対移動可能に構成される可動子２とを有する。可動子２は、支持機構１４により支持基端２ｂが片持ち支持されている。本実施形態のリニアアクチュエータは、図３に示すように、可動子２に例えばワイヤボンダのノズル等を始めとするワークＷを取り付けて、これら装置の駆動部を構成するために利用される。

固定子１は、図１及び図２に示すように、断面Ｃ字状をなし端面同士が互いに対向して対をなす固定子側対向部１０ｂ・１０ｂを有する磁性体の固定子コア１０と、この固定子コア１０に巻回されるコイル１１と、固定子側対向部１０ｂに取り付けられる永久磁石１２とを有する。固定子コア１０は、図示しない複数の固定子コア板を軸心方向に沿って積層して固定することで構成されている。互いに対向する固定子側対向部１０ｂ・１０ｂ同士の間には、可動子２のうち支持機構１４で支持される支持基端２ｂから変位した部位が配置され、対をなす固定子側対向部１０ｂ・１０ｂと可動子２との間に第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２が形成されている。可動子２のうち固定子側対向部１０ｂに対向する部位を可動子側対向部２０ｂと以下の説明で称することがある。

固定子１を構成するコイル１１は、図１及び図２に示すように、巻数が等しい対をなすコイル１１・１１を固定子側対向部１０ｂ・１０ｂに取り付けたもので、各々のコイル１１・１１が第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２を挟んで互いに対向する位置に配置され、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に通電により可動子２を移動させるための磁束を発現させるものである。

固定子１を構成する永久磁石１２は、図１及び図２に示すように、対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂ（１２ｃ・１２ｄ）を往復動方向（Ｘ方向）に沿って固定子側対向部１０ｂ・１０ｂにそれぞれ配列したもので、各々の可動子２（可動子側対向部２０ｂ）に臨む側の面の磁極を反転させている。具体的には、可動子２の可動子側対向部２０ｂとの間に第一のギャップｇｐ１を形成する固定子側対向部１０ｂには、対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂが取り付けられており、可動子２の可動子側対向部２０ｂとの間に第二のギャップｇｐ２を形成する固定子側対向部１０ｂには、対をなす永久磁石１２ｃ・１２ｄが取り付けられている。

可動子２は、図１〜図３に示すように、略長方形状をなし自由端となる先端２ａ側が固定子コア１０の固定子側対向部１０ｂ・１０ｂ同士に挟まれる位置に配置され、基端２ｂ側が図３に示すボルト等の固着具ｂｏで軸受たる支持機構１４に取り付けられて片持ち支持状態で往復動方向（Ｘ方向）に沿って直線移動可能に構成されている。具体的には、可動子２は、図３に示すように、対をなす固定子側対向部１０ｂ・１０ｂとそれぞれ対向する部位を可動子側対向部２０ｂ・２０ｂとした磁性体の可動子コア２０と、この可動子コア２０と支持機構１４とを関連づける（連結）ための樹脂等の非磁性体からなる連結部材２１とを有する。この可動子コア２０は、図１に示すように、上記固定子１を構成する固定子コア１０、コイル１１及び永久磁石１２とともに磁束ｍｆを発現させて可動子２に電磁力を作用させて可動子２を往復移動させる磁気回路ｍｃを構成する複数の要素部品の一部である。本実施形態では、磁気回路ｍｃを構成する複数の要素部品（固定子コア１０，コイル１１，永久磁石１２，可動子コア２０）のうち可動子２を構成する要素部品を鉄心とも呼ばれる可動子コア２０のみとした可動鉄心型のアクチュエータを構成している。

図３に示すように、可動子２を構成する連結部材２１には、可動子２のうち先端２ａ側（反支持機構側）の寸法ｗ１を基端２ｂ側（支持機構１４側）の寸法ｗ２よりも小さくするテーパ部２１ａを形成することで、可動子２の重心を支持機構１４側に可能な限り近づけるように構成されている。このように、支持機構１４が可動子２を片持ち支持する構成では、可動子２の重心が支持機構１４に近づくほど加減速時の振動に対する安定度が増すので、本実施形態のように可動子２の重心を支持機構１４側に近づけるように、可動子２の支持機構１４側と反支持機構側とを非対称に形成すると、加速時又は減速時に可動子２に生じる振動を低減して可動子２及びワークＷを効率よく駆動させることが可能となる。

上記構成のアクチュエータの動作は特許文献１のものと同様であるので詳細な説明を省略するが、コイル１１に通電されていない場合は、図４（ａ）に示すように、第一及び第二のギャップｇｐ１・ｇｐ２において各々の対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂ（１２ｃ・１２ｄ）により互いに向きの異なる磁束ｍｆ１・ｍｆ２を発現させる。図４（ｂ）に示すように、コイル１１に対し或る方向（正方向）に通電を行うと、コイル１１への通電により図１に示す磁束ｍｆが生じ、各々の対をなす永久磁石１２で生じる二つの磁束ｍｆ１・ｍｆ２のうちコイル１１への通電で生じる磁束ｍｆと同方向である磁束ｍｆ１が強まり、他方の磁束ｍｆ２が弱まり、電磁力Ｆ１が可動子２（可動子コア２０）に作用して可動子２が磁束の強まる方向（Ｘ１方向）へ移動する。一方、図４（ｃ）に示すように、上記の正方向とは反対である逆方向にコイル１１への通電を行うと、その逆方向（Ｘ２方向）に電磁力Ｆ２が作用して可動子２がＸ２方向に移動する。すなわち、磁気回路ｍｃは、コイル１１への通電により生じる磁束ｍｆが、対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂ[１２ｃ・１２ｄ]のうち所要の方向に位置する磁石１２ａ（１２ｂ）[１２ｃ（１２ｄ）]で生じる磁束ｍｆ２（ｍｆ１）を弱め、他方の磁石１２ｂ（１２ａ）[１２ｄ（１２ｃ）]で生じる磁束ｍｆ１（ｍｆ２）を強めることにより可動子２に電磁力Ｆ１（Ｆ２）を作用させて可動子２を往復移動させるものである。

また、磁気回路ｍｃは、図５（ａ）に示すように、コイル１１への通電を行っていない状態では、永久磁石１２で生じる磁束によって第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に往復双方向（Ｘ方向）に直交する方向であって互いに逆方向に向かう電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４を発現させる。すなわち、可動子コア２０の反重力方向側に位置する固定子側対向部１０ｂに配列された一対の永久磁石１２ａ・１２ｂによって第一のギャップｇｐ１に磁束ｍｆａ・ｍｆｂが発現し、この磁束ｍｆａ・ｍｆｂによって反重力方向側に向けて可動子２を引き寄せる電磁吸引力Ｆ３が発生するする。一方で、可動子コア２０の重力方向側に位置する固定子側対向部１０ｂに配列された一対の永久磁石１２ｃ・１２ｄによって第二のギャップｇｐ２に磁束ｍｆｃ・ｍｆｄが発現し、この磁束ｍｆｃ・ｍｆｄによって重力方向側に向けて可動子２を引き寄せる電磁吸引力Ｆ４が発生する。第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４は、それぞれ往復動方向（Ｘ方向）に直交する方向である鉛直方向に沿って働き、各々の電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４は互いに逆方向に可動子２を引き寄せる。図５（ａ）に示すように、４つの永久磁石１２ａ・１２ｂ・１２ｃ・１２ｄの強さが全て等しい場合には、これらの永久磁石１２で生じる二つの電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さが等しく差異がないので、これら二つの電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４は互いに釣り合い状態となる。

ところで、図１に示すように、可動子２を支持機構１４で片持ち支持する構成では、重力や可動子２に加わる外力等が偏荷重ｇとして支持機構１４にかかるので支持機構１４の寿命が短命となる不具合がある。また、外部から受ける加重や重力によって可動子２が撓んでしまい、可動子２の自由端（先端２ａ）側が垂れて可動子２の位置決め精度が低減してしまう。特に、可動子２の自由端（先端２ａ）側にワークＷを取り付ける場合には、ワークＷの荷重によって可動子２が撓みやすくなり、ワークＷ及び可動子２の位置決め精度が著しく損なわれる。

そこで、本実施形態では、図１及び図５（ｂ）に示すように、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２にそれぞれ発現する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設定して、各々の電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の差によって得られる付勢力（Ｆ３−Ｆ４）で可動子２のうち支持基端２ｂから変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部３を設けている。すなわち、電磁支持部３は、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４のうち、反重力方向側に向けて可動子２を付勢する一方の電磁吸引力Ｆ３を、重力方向側に向けて可動子２を付勢する他方の電磁吸引力Ｆ４よりも強く設定することで、これら電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の差によって反重力方向側に向けて可動子２を付勢する付勢力（Ｆ３−Ｆ４）で可動子２を電磁的に支持するものである。具体的には、第一のギャップｇｐ１に電磁吸引力Ｆ３を発現させる対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂの磁石の強さを、第二のギャップｇｐ２に電磁吸引力Ｆ４を発現させる対をなす永久磁石１２ｃ・１２ｄよりも強くすることで、第一及び第二のギャップｇｐ１・ｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設けている。付勢力（Ｆ３−Ｆ４）の強さは、図１に示すように、可動子２やワークＷに作用する重力、可動子２に加わる外力等の荷重ｇと釣り合う大きさとなるように設定されている。

以上のように本実施形態のリニアアクチュエータは、所定の往復動方向に沿って移動可能に支持基端２ｂで片持ち支持される可動子２と、可動子２のうち支持基端２ｂから変位した部位との間に第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２を形成する対をなす固定子側対向部１０ｂ・１０ｂを有する固定子コア１０と、固定子コア１０に巻回されるコイル１１と、固定子コア１０の固定子側対向部１０ｂに往復動方向に沿って配列され各々の相手側の対向部（可動子側対向部２０ｂ）に臨む側の面の磁極を反転させた対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂ（１２ｃ・１２ｄ）とを備え、コイル１１への通電により生じる磁束ｍｆが対をなす永久磁石１２ａ・１２ｂ［１２ｃ・１２ｄ］のうち所要の方向に位置する磁石１２ａ（１２ｂ）［１２ｃ（１２ｄ）］で生じる磁束ｍｆ２（ｍｆ１）を弱め、他方の磁石１２ｂ（１２ａ）［１２ｄ（１２ｃ）］で生じる磁束ｍｆ１（ｍｆ２）を強めることにより可動子２を往復移動させるように構成されており、永久磁石１２で生じる磁束ｍｆａ・ｍｆｂ・ｍｆｃ・ｍｆｄによって第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２にそれぞれ発現する、可動子２を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設定して、各々の電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の差によって得られる付勢力（Ｆ３−Ｆ４）で可動子２のうち支持基端２ｂから変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部３を設けている。

このように、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２にそれぞれ発現する、可動子２を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設定して、各々の電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の差によって得られる付勢力（Ｆ３−Ｆ４）で可動子２のうち支持基端２ｂから変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部３を設けているので、可動子２を少なくとも二点で支持することになり、可動子２を支持する支持機構１４にかかる偏荷重ｇを低減又は無くして支持機構１４の寿命を向上させることができ、また、可動子２を少なくとも二点で支持するので、可動子２に作用する荷重ｇにより可動子２が撓むことを低減又は無くして可動子２や可動子２に設けたワークＷの位置決め精度を向上させることが可能となる。

特に、本実施形態では、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４のうち、反重力方向側に向けて可動子２を引き寄せる一方の電磁吸引力Ｆ３を、重力方向側に向けて可動子２を引き寄せる他方の電磁吸引力Ｆ４よりも強く設定しているので、可動子２やワークＷに作用する重力に起因する上記不具合に適切に対応することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、固定子コア１０は、断面Ｃ字状をなし端面同士が互いに対向するＣ型コアであるが、可動子２との間に第一及び第二のギャップを形成する対をなす対向部があれば、このＣ型コアに限定されるものではない。

さらに、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に発生する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設定した構成としては、本実施形態の構成以外に次の構成が挙げられる。すなわち、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２を介して可動子２に作用する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４は、コイル１１への通電により生じる磁束によっても発生するので、第一のギャップｇｐ１に電磁吸引力Ｆ３を発現させるコイル１１（可動子コア２０の上方にあるコイル１１）の巻数を、第二のギャップｇｐ２に電磁吸引力Ｆ４を発現させるコイル１１（可動子コア２０の下方にあるコイル１１）の巻数よりも多くすることで、第一のギャップｇｐ１に作用する電磁吸引力Ｆ３を第二のギャップｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ４よりも強く設定することが挙げられる。

また、第一のギャップｇｐに電磁吸引力Ｆ３を発現させるコイル１１（可動子コア２０の上方にあるコイル１１）に流す電流に対し、例えば直流分（オフセット電流）を重畳し、第一のギャップｇｐ１に電磁吸引力Ｆ３を発現させるコイル１１（可動子コア２０の上方にあるコイル１１）の通電量を、第二のギャップｇｐ２に電磁吸引力Ｆ４を発現させるコイル１１（可動子コア２０の下方にあるコイル１１）の通電量よりも多くすることで、第一のギャップｇｐ１に作用する電磁吸引力Ｆ３を第二のギャップｇｐ２に作用する電磁吸引力Ｆ４よりも強く設定することが挙げられる。その他には、第一のギャップｇｐ１と第二のギャップｇｐ２とのギャップ寸法（間隔）をアンバランスにすることによっても、第一のギャップｇｐ１及び第二のギャップｇｐ２に発生する電磁吸引力Ｆ３・Ｆ４の強さに差異を設定することが可能である。

その他、本実施形態では、対をなす永久磁石１２を固定子コア１０の固定子側対向部１０ｂ・１０ｂに取り付けて、磁気回路ｍｃを構成する要素部品のうち可動子２を構成する要素部材が鉄心とも呼ばれる可動子コア２０のみである可動鉄心型のアクチュエータであるが、図６に示すように、可動子１０２の可動子側対向部１２０ｂに対をなす永久磁石１１２ａ・１１２ｂ（１１２ｃ・１１２ｄ）を取り付けて、可動子１０２を構成する要素部材に永久磁石１１２が含まれる可動磁石型のアクチュエータに適用するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。なお、図６において、符号１０１は固定子、符号１１０は固定子コア、符号１２０は可動子コアである。

１０…固定子コア
１０ｂ…固定子側対向部
１１…コイル
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…永久磁石
２…可動子
２ｂ…支持基端
２０ｂ…可動子側対向部
３…電磁支持部
ｇｐ１…第一のギャップ
ｇｐ２…第二のギャップ
Ｆ３，Ｆ４…電磁吸引力
（Ｆ３−Ｆ４）…付勢力

Claims

所定の往復動方向に沿って移動可能に支持基端で片持ち支持される可動子と、可動子のうち前記支持基端から変位した部位との間に第一のギャップ及び第二のギャップを形成する対をなす固定子側対向部を有する固定子コアと、固定子コアに巻回されるコイルと、可動子のうち固定子側対向部に対向する可動子側対向部又は固定子コアの固定子側対向部のいずれか一方に往復動方向に沿って配列され各々の相手側の対向部に臨む側の面の磁極を反転させた対をなす永久磁石とを備え、コイルへの通電により生じる磁束が対をなす永久磁石のうち所要の方向に位置する磁石で生じる磁束を弱め、他方の磁石で生じる磁束を強めることにより可動子を往復移動させるように構成されており、
コイルへの通電又は永久磁石で生じる磁束によって第一のギャップ及び第二のギャップにそれぞれ発現する、可動子を互いに逆方向に引き寄せる電磁吸引力のうち、反重力方向側に向けて可動子を引き寄せる一方の電磁吸引力を、重力方向側に向けて可動子を引き寄せる他方の電磁吸引力よりも強く設定して、各々の電磁吸引力の差によって得られる付勢力で可動子のうち支持基端から変位した部位を電磁的に支持する電磁支持部を設けたことを特徴とするリニアアクチュエータ。