JP5664079B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、機器に発生した振動を低減する場合の使用に最適であって、複数の円筒状又は角柱状の永久磁石を用いる可動子と可動子が貫通される固定子とを組み合わせてなるアクチュエータに関する。

アクティブ制振装置は、除去したい振動を防振材料にて吸収する従来の振動の低減方法とは異なり、除去したい振動と逆方向の振動をアクチュエータにて発生させて、振動を低減する装置である。このアクティブ制振装置は、防振材料を用いる方法と比べて、大きな防振能力を発揮することができ、自動車から計測機器まで振動が問題となる種々の装置に広範囲で使用されている（例えば、特許文献１，２など）。

特開２００９−２８１５０７号公報 特開２００５−２０７５０５号公報

振動を低減するためのアクチュエータは、通常のリニアモータとは異なり、一般的に可動範囲（ストローク）は大きくないが大きな推力を必要とする。また、このような制振用アクチュエータは、ストロークが短いため、通常の同期型リニアモータのような３相交流駆動ではなく直流駆動で使用されることが多い。

直流駆動で広く用いられるショートストローク型のアクチュエータとして、円環状の磁気ギャップを持ち半径方向に磁束を発生させる磁気回路にソレノイド状に巻いたコイルを挿入し、コイルに通電してローレンツ力により推力を得るボイスコイルモータ（ＶＣＭ）が知られている。ボイスコイルモータは、駆動電流に比例した推力が得られ、また、推力の可動子位置依存性が小さいため、制御性は良好である。しかしながら、最大推力が小さく、推力起磁力比（起磁力に対する推力の比率）が小さいので、大きな電流を印加する必要があり、連続通電時の発熱が問題となる場合が多く、高出力の用途には適さない。

一方、特許文献２に開示されているような磁気ソレノイドを用いた構成では、鉄心を磁化することによる吸着力を利用しており、大きな推力は得られるが、推力が一方向のみであって可動子位置依存性が大きいため、位置制御は困難である。

また、一般的に用いられているコア付き同期型リニアモータは、半径方向に磁化した円筒状又は角柱状の磁石を有する可動子を、貫通孔を有する磁極歯が周期的に配列された軟質磁性体製の固定子に挿入し、可動子の磁石の位置に同期した３相交流を固定子のコイルに印加して推力を発生させる。このコア付き同期型リニアモータでは、可動子位置に依存しないで推力を発生でき、高い推力起磁力比により大きな推力を得ることができる。しかしながら、３相交流駆動であるため、ボイスコイルモータに比べると、駆動・制御回路が複雑になるという問題がある。また、３相交流駆動が前提となる構成であるため、単相ユニットを直流駆動した場合には、電気角９０°付近で最大推力となり、電気角が９０°からずれると推力は小さくなるので、推力の可動子位置依存性が大きくなり、制御性は悪くなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、直流駆動が可能であって駆動・制御回路が簡単でありながら可動子の広範囲の位置において可動子の位置に依存しない高い推力を発生することができ、また、構造が簡単かつ小型であって、低コスト化を図れるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、単極ユニットの厚さを制御することにより、固定子の大きさに対して、大きな一定の推力が得られる範囲、つまり可動範囲を大きくすることができるアクチュエータを提供することにある。

本発明に係るアクチュエータは、円筒状又は角柱状の可動子を固定子に貫通させてなるアクチュエータにおいて、軸長方向に磁化した複数の円筒状又は角柱状の永久磁石と複数の円筒状又は角柱状の軟質磁性体製のヨークとをそれぞれ一つずつ交互に重ねており、前記永久磁石は、軸長の一方向に磁化した永久磁石と軸長の他方向に磁化した永久磁石とが交互に配されている可動子と、磁極部、該磁極部の外側に配置したヨーク部、並びに、該ヨーク部及び前記磁極部を接続する２つのコア部を有する軟質磁性体製の第１サブユニットと、磁極部、該磁極部の外側に配置したヨーク部、並びに、前記第１サブユニットのコア部と平面視で異なる位置に設けられ、前記ヨーク部及び前記磁極部を接続する２つのコア部を有する軟質磁性体製の第２サブユニットと、前記第１サブユニット及び第２サブユニットの間に、前記第１サブユニット及び第２サブユニットのコア部同士が接触しないように挟まれた軟質磁性体製のスペーサとを重ねた磁極ユニットを複数個重ねてあり、前記複数個の磁極ユニットの第１サブユニットのコア部または第２サブユニットのコア部に捲き線を施してある固定子とを備えており、λ１＞λ２の関係を満たすことを特徴とする（但し、λ１：前記固定子の磁極周期（隣り合う一方の磁極ユニットにおけるスペーサの中央位置から隣り合う他方の磁極ユニットにおけるスペーサの中央位置までの距離）、λ２：前記可動子の磁極周期（軸長の一方向に磁化した永久磁石の高さと軸長の他方向に磁化した永久磁石の高さと２個分のヨークの高さとを合計した値））。

本発明に係るアクチュエータの可動子は、軸長方向（重ね方向、可動子の移動方向）の一方向に磁化した円筒状又は角柱状の永久磁石、円筒状又は角柱状の軟質磁性体製のヨーク、軸長方向の他方向に磁化した円筒状又は角柱状の永久磁石、円筒状又は角柱状の軟質磁性体製のヨーク、・・・の順に交互に重ねて構成され、軟質磁性体製のヨークの外周の表面に磁極（Ｎ極またはＳ極）が形成される構造である。

本発明に係るアクチュエータの固定子は、可動子が貫通される貫通孔の可動子に対向する面である磁極部、磁極部の外側に配置したヨーク部、並びに、ヨーク部及び磁極部を接続する２つのコア部を有する軟質磁性体製の第１サブユニットと、第１サブユニットと同様の部材を有しており、第１サブユニットに比べて２つのコア部の形成位置を異ならせた第２サブユニットとを重ねた磁極ユニットを複数個重ねてあり、複数個の磁極ユニットの第１サブユニットのコア部または第２サブユニットのコア部に一括して捲き線を施した構成である。

そして、本発明に係るアクチュエータでは、固定子の磁極周期λ１を可動子の磁極周期λ２より長くしている。よって、λ１＝λ２としていないので、複数個の磁極ユニットそれぞれで推力が最大となる可動子の位置が異なる。したがって、これらの複数個の磁極ユニットによる推力を合成した場合に、一定の高い推力を維持した状態を可動子の位置に依存せず確保できる。よって、直流駆動が可能であって駆動・制御回路及び自身の構造が簡単であっても、λ１−λ２の値に対応した可動子の広範囲の位置において高い推力を発生する。

本発明に係るアクチュエータは、好ましくは、重なり合う２つの磁極ユニットにあって、一方の磁極ユニットの他方の磁極ユニットに隣り合った第１サブユニットの厚さが隣り合わない第２サブユニットの厚さより厚く、他方の磁極ユニットの一方の磁極ユニットに隣り合った第２サブユニットの厚さが隣り合わない第１サブユニットの厚さより厚いことを特徴とする。

本発明に係るアクチュエータにあっては、各磁極ユニットにおける第１サブユニットと第２サブユニットとの厚さが異なっており、各磁極ユニットにおいて他の磁極ユニットと隣り合った第１サブユニット（または第２サブユニット）の厚さが、隣り合わない第２サブユニット（または第１サブユニット）の厚さより厚くなっている。このような構成により、複数の磁極ユニットでの推力特性において交差する側の推力低下を交差しない側に比べて緩やかにすることができ、λ１−λ２を大きく設定することが可能となり、一定の高い推力を維持する可動子の位置が長くなって、可動範囲は大きくなる。

本発明に係るアクチュエータは、好ましくは、前記λ１，λ２は０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５の関係を満たすことを特徴とする。

本発明に係るアクチュエータにあっては、λ１，λ２の設定可能条件が０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５である。この条件を満たす場合には一定の高い推力が広範囲で得られる。

本発明に係るアクチュエータにあっては、各磁極ユニットにおける第１サブユニットと第２サブユニットとの間、及び、磁極ユニット同士の間に、スペーサを設けている。よって、簡単な構成により、第１サブユニットのコア部と第２サブユニットのコア部との非接触（磁気回路の短絡）を実現する。また、第１サブユニットと第２サブユニットとの間隔、及び、隣り合う磁極ユニット同士の間隔の調整を容易に行える。

本発明のアクチュエータでは、固定子の磁極周期λ１を可動子の磁極周期λ２より長くしているので、複数の磁極ユニットそれぞれで推力が最大となる可動子の位置が異なるため、これらの複数の磁極ユニットによる推力を合成した場合に、一定の高い推力を維持した状態を可動子位置の広い範囲で確保できるので、直流駆動が可能であって駆動・制御回路及び自身の構造が簡単であっても、λ１−λ２の値に対応した可動子の広範囲の位置において高い推力を発生することができる。

本発明のアクチュエータでは、重なり合う２つの磁極ユニットにあって、隣り合った第１サブユニット及び第２サブユニットの厚さを、隣り合わない第２サブユニット及び第１サブユニットの厚さより厚くしたので、複数の磁極ユニットでの推力特性において交差する側の推力低下を交差しない側に比べて緩やかにすることができ、λ１−λ２を大きく設定できて、可動範囲を大きくすることができる。

本発明に係るアクチュエータの可動子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータの固定子に使用する第１単極ユニット、第２単極ユニット、スペーサユニット及び第１ペア磁極ユニットの構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータの固定子に使用する第３単極ユニット、第４単極ユニット、スペーサユニット及び第２ペア磁極ユニットの構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータの固定子に使用するスペーサユニットの構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータの固定子の構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータの構成を示す斜視図である。 本発明に係るアクチュエータにおける通電状態と起磁力とを示す断面図である。 本発明に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。 可動子位置と推力との関係を示すグラフである。 （λ１−λ２）／λ２と合成推力との特性を示すグラフである。 本発明に係るアクチュエータの他の可動子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータの構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータに使用する電機子素材を示す平面図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータにおける可動子位置と推力との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係るアクチュエータでの各ペア磁極ユニットにおける可動子位置と推力との関係を示すグラフである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明に係るアクチュエータの可動子の構成を示す斜視図である。可動子１は、２種類の円筒状の永久磁石２ａ，２ｂと、円筒状の軟質磁性体のヨーク３とを組み合わせた構成であり、永久磁石２ａ、ヨーク３、永久磁石２ｂ、ヨーク３、・・・の順に交互に接着させた構成をなしている。

図１において、各永久磁石２ａ，２ｂに示された白抜矢符は各永久磁石２ａ，２ｂの磁化方向を示している。永久磁石２ａ，２ｂは何れも、その軸長方向（高さ方向）、つまり可動子１の移動方向（可動子１の長手方向）に磁化されているが、それらの磁化の向きは互いに１８０度異なる逆向きである。そして、これらの隣り合う永久磁石２ａと永久磁石２ｂとの間には、円筒状の軟質磁性体のヨーク３が挿入されており、各ヨーク３の表面に磁極（Ｎ極、Ｓ極）が形成される構造になっている。

本発明のアクチュエータにおける可動子１は、このような構造を有するため、永久磁石として、半径方向に磁化された磁石ではなく、軸長方向に磁化された汎用の平行配向磁石を利用することができて、磁気回路に対する設計の自由度を高くできる。また、永久磁石２ａ，２ｂは後述する電機子からなる固定子１０からの印加磁界に対して直角方向に磁化されているため、可動子１は、直接減磁磁界が印加されにくい構造であって減磁耐力が高くなる。

図２〜図４は、本発明に係るアクチュエータの固定子１０の構成部材を示しており、図２、図３は固定子１０を構成する第１ペア磁極ユニット４、第２ペア磁極ユニット５をそれぞれ示し、図４は固定子１０を構成するスペーサユニット６を示している。また、図５は、固定子１０の構成を示す斜視図である。電機子からなる固定子１０は、これらの第１ペア磁極ユニット４と、第２ペア磁極ユニット５と、スペーサユニット６と、後述する駆動コイル７ａ，７ｂとを組み合わせて構成されている。

第１ペア磁極ユニット４は、図２（ａ）に示す第１単極ユニット４１と図２（ｂ）に示す第２単極ユニット４２とを、両ユニット４１，４２の間に図２（ｃ）に示すスペーサユニット４３を挿入させた態様で接着させた構成をなしている（図２（ｄ）参照）。

第１単極ユニット４１は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通されるリング状の磁極部４１ａと、磁極部４１ａからの磁束を接続するために磁極部４１ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部４１ｂと、ヨーク部４１ｂ及び磁極部４１ａを接続する２つのコア部４１ｃ，４１ｃとを有する。２つのコア部４１ｃ，４１ｃは、１８０度離隔した位置に設けられている。

また、第２単極ユニット４２は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通されるリング状の磁極部４２ａと、磁極部４２ａからの磁束を接続するために磁極部４２ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部４２ｂと、ヨーク部４２ｂ及び磁極部４２ａを接続する２つのコア部４２ｃ，４２ｃとを有する。２つのコア部４２ｃ，４２ｃは、１８０度離隔した位置に設けられている。

第１単極ユニット４１と第２単極ユニット４２とは同一の構成部材を有しているが、第２単極ユニット４２は、第１単極ユニット４１のリング状の磁極部４１ａの中心を回転中心として９０度回転させたものである。よって、第２単極ユニット４２におけるコア部４２ｃ，４２ｃの形成位置（図２（ｂ）では水平位置と定義する）は、第１単極ユニット４１におけるコア部４１ｃ，４１ｃの形成位置（図２（ａ）では図２（ｂ）に対して垂直位置とする）から９０度回転しており、２つのコア部の形成位置が平面視で異なっている。また、第２単極ユニット４２の厚さは、第１単極ユニット４１の厚さより厚い。

そして、第１単極ユニット４１、図２（ｃ）に示すようなヨーク４３ａのみからなる軟質磁性体製のスペーサユニット４３、第２単極ユニット４２をこの順に重ねて接着することにより、図２（ｄ）に示すような第１ペア磁極ユニット４は構成される。第１ペア磁極ユニット４の重なった第１単極ユニット４１及び第２単極ユニット４２において、それらのヨーク部４１ｂとヨーク部４２ｂとはスペーサユニット４３のヨーク４３ａを介して接しているが、それらのコア部４１ｃとコア部４２ｃとは接しておらず、これらの間に空隙が存在していて磁気回路の短絡を回避している。

第２ペア磁極ユニット５は、図３（ａ）に示す第３単極ユニット５１と図３（ｂ）に示す第４単極ユニット５２とを、両ユニット５１，５２の間に図３（ｃ）に示すスペーサユニット５３を挿入させた態様で接着させた構成をなしている（図３（ｄ）参照）。

第３単極ユニット５１は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通されるリング状の磁極部５１ａと、磁極部５１ａからの磁束を接続するために磁極部５１ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部５１ｂと、ヨーク部５１ｂ及び磁極部５１ａを接続する２つのコア部５１ｃ，５１ｃとを有する。２つのコア部５１ｃ，５１ｃは、１８０度離隔した位置に設けられている。

また、第４単極ユニット５２は、軟質磁性体にて形成されており、可動子１が貫通されるリング状の磁極部５２ａと、磁極部５２ａからの磁束を接続するために磁極部５２ａの外側に配置された枠体としてのヨーク部５２ｂと、ヨーク部５２ｂ及び磁極部５２ａを接続する２つのコア部５２ｃ，５２ｃとを有する。２つのコア部５２ｃ，５２ｃは、１８０度離隔した位置に設けられている。

第３単極ユニット５１と第４単極ユニット５２とは同一の構成部材を有しているが、第４単極ユニット５２は、第３単極ユニット５１のリング状の磁極部５１ａの中心を回転中心として９０度回転させたものである。よって、第４単極ユニット５２におけるコア部５２ｃ，５２ｃの形成位置（図３（ｂ）では水平位置と定義する）は、第３単極ユニット５１におけるコア部５１ｃ，５１ｃの形成位置（図３（ａ）では図３（ｂ）に対して垂直位置とする）から９０度回転しており、２つのコア部の形成位置が平面視で異なっている。また、第３単極ユニット５１の厚さは、第４単極ユニット５２の厚さより厚い。

そして、第３単極ユニット５１、図３（ｃ）に示すようなヨーク５３ａのみからなる軟質磁性体製のスペーサユニット５３、第４単極ユニット５２をこの順に重ねて接着することにより、図３（ｄ）に示すような第２ペア磁極ユニット５は構成される。第２ペア磁極ユニット５の重なった第３単極ユニット５１及び第４単極ユニット５２において、それらのヨーク部５１ｂとヨーク部５２ｂとはスペーサユニット５３のヨーク５３ａを介して接しているが、それらのコア部５１ｃとコア部５２ｃとは接しておらず、これらの間に空隙が存在していて磁気回路の短絡を回避している。

第１ペア磁極ユニット４、図４に示すようなヨーク６ａのみからなる軟質磁性体製のスペーサユニット６、第２ペア磁極ユニット５をこの順に重ねて接着することにより、図５（ａ）に示すような固定子本体を作製する。

第１ペア磁極ユニット４と第２ペア磁極ユニット５との共通の隙間部分４ａ，５ａ（図２（ｄ），図３（ｄ）参照）を貫通して第１単極ユニット４１における一方のコア部４１ｃ及び第３単極ユニット５１における一方のコア部５１ｃに一括して捲き線としての駆動コイル７ａを巻回するとともに、第１ペア磁極ユニット４と第２ペア磁極ユニット５との共通の隙間部分４ｂ，５ｂ（図２（ｄ），図３（ｄ）参照）を貫通して第１単極ユニット４１における他方のコア部４１ｃ及び第３単極ユニット５１における他方のコア部５１ｃに一括して捲き線としての駆動コイル７ｂを巻回する。そして、駆動コイル７ａと駆動コイル７ｂとを、通電時に逆向きに磁束が発生するように接続する（図５（ｂ）参照）。図５（ｂ）における白抜矢符は、駆動コイル７ａ，駆動コイル７ｂでの通電方向を示している。このように接続することにより、隣り合う単極ユニットに互いに逆極性の起磁力が印加されるため、捲き線の構造を簡素化できる。

そして、上述した図１に示す可動子１を、各磁極部４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａが連なって形成される固定子１０の中空部８（図５（ｂ）参照）に貫通させることにより、アクチュエータ２０が構成される。図６は、アクチュエータ２０の構成を示す斜視図である。

このようなアクチュエータ２０では、駆動コイル７ａ，７ｂに逆方向に直流電流を流すことにより、固定子１０の中空部８に貫通された可動子１が固定子１０に対して往復直線運動を行う。

図７は、アクチュエータ２０における通電状態と起磁力とを示す断面図である。図７において、「●（紙面の裏から表への通流）」、「×（紙面の表から裏への通流）」は駆動コイル７ａ，駆動コイル７ｂへの通流方向を示しており、白抜矢符はコイル通電によってコア部に印加される起磁力の向きを示している。駆動コイル７ａ，駆動コイル７ｂに逆向きの電流を流すことにより、各単極ユニットの全てのコア部に磁界が生じる。

図８は、上述したような可動子１及び固定子１０から構成される本発明に係るアクチュエータ２０の構成を示す断面図である。図８において、λ１は固定子１０の磁極周期を示し、λ２は可動子１の磁極周期を示す。また、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４はそれぞれ、第１単極ユニット４１，第２単極ユニット４２，第３単極ユニット５１，第４単極ユニット５２の電極歯を示す。

固定子１０の磁極周期λ１は、スペーサユニット４３の中央位置からスペーサユニット５３の中央位置までの距離であり、具体的には、スペーサユニット４３の厚さの半分、第２単極ユニット４２の厚さ、スペーサユニット６の厚さ、第３単極ユニット５１の厚さ、及びスペーサユニット５３の厚さの半分を合計した値である。一方、可動子１の磁極周期λ２は、一のヨーク３の中央位置からその２つ先のヨーク３の中央位置までの距離であり、具体的には、永久磁石２ａの高さ、永久磁石２ｂの高さ、及び２個分のヨーク３の高さを合計した値である。

一般的なアクチュエータにあってはλ１＝λ２の関係を満たすが、本発明のアクチュエータ２０にあってはλ１＞λ２の関係である。また、０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５の条件を満たしている。

図９（ａ）は、λ１＞λ２の関係である場合の可動子位置と推力との関係を示すグラフである。また、比較例として、λ１＝λ２の関係である場合の可動子位置と推力との関係を図９（ｂ）のグラフに示す。図９（ａ），（ｂ）において、固定子１０を構成する第１単極ユニット４１の磁極歯Ｔ１及び第２単極ユニット４２の磁極歯Ｔ２と可動子１との相互作用で発生する推力を破線Ａで表し、第３単極ユニット５１の磁極歯Ｔ３及び第４単極ユニット５２の磁極歯Ｔ４と可動子１との相互作用で発生する推力を破線Ｂで表し、それらの推力を加算した合成推力を実線Ｃで表している。

λ１＝λ２である場合（図９（ｂ））には、磁極歯Ｔ１及び磁極歯Ｔ２による推力が最大となる可動子位置と、磁極歯Ｔ３及び磁極歯Ｔ４による推力が最大となる可動子位置とは同じであり、合成推力もその同じ位置で最大となる。そして、その同じ位置からはずれると、合成推力が低下する特性を呈する。

これに対して、本発明のλ１＞λ２である場合（図９（ａ））には、磁極歯Ｔ１及び磁極歯Ｔ２による推力が最大となる可動子位置と、磁極歯Ｔ３及び磁極歯Ｔ４による推力が最大となる可動子位置とは異なり、その最大となる両可動子位置の間隔はほぼλ１−λ２となる。そこで、第１ペア磁極ユニット４（磁極歯Ｔ１及び磁極歯Ｔ２）による推力と、第２ペア磁極ユニット５（磁極歯Ｔ３及び磁極歯Ｔ４）による推力とが最大推力の５０〜６０％程度に低下する位置が重なるようにλ１−λ２の値を設定することにより、この区間では可動子位置によらずに一定の推力が得られる領域（図９（ａ）の推力平坦領域）を確保することができる。ここで、推力平坦領域とは、合成推力の平均に対し±１５％以内のバラツキにおさまった領域をいう。

したがって、ボイスコイルモータと同様な良好な制御特性と、コア付きアクチュエータと同様な高出力特性とを兼ね備えたアクチュエータを実現することができる。

第１ペア磁極ユニット４における磁極歯Ｔ１及び磁極歯Ｔ２の可動子移動方向の厚さ（第１単極ユニット４１及び第２単極ユニット４２の厚さ）ｔ１及びｔ２を異ならせることにより、可動子位置と推力との関係を推力最大位置に対して左右非対称とすることができる。これは、磁極歯が厚い場合には、可動子１の変位に対して長く磁束の捕捉が可能であるために推力低下の割合が小さくなるからである。同様に、第２ペア磁極ユニット５においても、磁極歯Ｔ３，Ｔ４の厚さｔ３，ｔ４を異ならせた場合に、左右非対称の特性が得られる。

そこで、第１ペア磁極ユニット４にあっては磁極歯Ｔ２（第２単極ユニット４２）を磁極歯Ｔ１（第１単極ユニット４１）より厚く（ｔ２＞ｔ１）、第２ペア磁極ユニット５にあっては磁極歯Ｔ３（第３単極ユニット５１）を磁極歯Ｔ４（第４単極ユニット５２）より厚く（ｔ３＞ｔ４）することにより、２つの推力特性曲線（図６（ａ）の破線Ａ及び破線Ｂ）が交差する側の推力低下を交差しない側に比べて緩やかにすることができるため、λ１−λ２の値を大きく設定することが可能となる。この結果、一定の高い推力を維持できる範囲を大きくできて、固定子１０の大きさに対して可動子１の可動範囲を長くすることができる。

以下、λ１とλ２との数値関係に関する考察について説明する。λ１−λ２の値で評価する場合にはアクチュエータの全体長の影響を受けるので、（λ１−λ２）／λ２をパラメータとして考察する。

図１０は、（λ１−λ２）／λ２を横軸とし、合成推力を縦軸とした特性を示すグラフである。図１０において、実線Ａはｔ１＝ｔ２，ｔ３＝ｔ４の場合を示し、実線Ｂはｔ２＞ｔ１，ｔ３＞ｔ４の場合を示している。

ｔ１＝ｔ２，ｔ３＝ｔ４の場合には、０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．２５の範囲において推力の低下が合成推力の平均に対し±１５％以内に抑えられ推力平坦領域となっており、アクチュエータとしてのλ１，λ２の設定可能範囲は、０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．２５である。つまり、可動子１の磁石周期における電気角で９０°まで広げることが可能である。（λ１−λ２）／λ２の値が０．２５以上になるようにλ１を設定した場合には、磁極歯Ｔ１及び磁極歯Ｔ２からなる磁極歯群と磁極歯Ｔ３及び磁極歯Ｔ４からなる磁極歯群との間に電気角で９０°以上の差が発生するため、可動範囲内において推力の向きが反対になる領域が生じて、両磁極歯群の相互間で推力を打ち消すことになって合成推力が低下し、推力平坦領域でなくなる。また、（λ１−λ２）／λ２＜０．２５の範囲でしか推力平坦領域がない場合、可動子１の周期長が固定子１０の周期長と同じであると、可動子１は前後に可動子周期長の１／２しか最大移動できない。

これに対して、ｔ２＞ｔ１，ｔ３＞ｔ４の場合には、０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５の範囲において推力の低下が合成推力の平均に対し±１５％以内に抑えられ推力平坦領域となっており、アクチュエータとしてのλ１，λ２の設定可能範囲は、０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５である。

ｔ２＞ｔ１，ｔ３＞ｔ４とした場合には、ｔ１＝ｔ２，ｔ３＝ｔ４の場合と比べて、両磁極歯群の相互間で推力を発生できる推力平坦領域を広く取ることができ、（λ１−λ２）／λ２の値を０．３５程度まで拡大でき、固定子１０の大きさに対して可動子１の可動範囲を長くすることが可能である。可動子１の周期長が固定子１０の周期長と同じ場合、可動子１は可動子周期長の７０％まで最大移動でき、振動を低減するためのアクチュエータの可動範囲全域を推力平坦領域とすることができる。

なお、上述した実施の形態では、２個のペア磁極ユニットを設ける構成としたが、ペア磁極ユニットの個数は３個以上であっても良い。また、第１単極ユニット４１のコア部４１ｃ及び第３単極ユニット５１のコア部５１ｃに一括して駆動コイル７ａ，７ｂを巻回するようにしたが、第２単極ユニット４２のコア部４２ｃ及び第４単極ユニット５２のコア部５２ｃに一括して駆動コイル７ａ，７ｂを巻回するようにしても良い。

また、各単極ユニットにおける上述したコア部の構成は一例であり、磁極部を中心としてほぼ点対称の位置に２つのコア部を形成するのであれば、その形状は任意であって良い。また、ペア磁極ユニットにおける２つの単極ユニットが、９０度回転させた形状関係を有する例について説明したが、この回転角度は９０度に限定されない。

なお、上述した実施の形態では、隣り合う両単極ユニットの間に、枠状のヨークのみからなるスペーサユニットを挿入することにより、各単極ユニット全体を均一の厚さにしても、両単極ユニットのコア部同士が接触しないようにしている。この実施の形態では、全体が均一の厚さである電機子素材をそのまま利用できて、コア部の厚さをヨーク部の厚さより薄くするような加工処理が不要であり、作製処理の簡素化を図れる。

これに対して、各単極ユニットにおいて、コア部の厚さをヨーク部の厚さより薄くして、両単極ユニットを重ね合わせた場合に、両単極ユニットのコア部同士が接触しないように構成しても良い。このような構成にあっては、上記のようなスペーサユニットが不要である。

なお、上述した実施の形態では、可動子が円筒状である場合について説明したが、可動子は角柱状であっても良い。この例の可動子では、複数の角柱状の永久磁石と、複数の角柱状の軟質磁性体のヨークとを組み合わせた構成をなす。ここで、角柱状とは長手方向に同じ面を有する形状であり、具体的には三角柱、四角柱、六角柱、八角柱などが挙げられる。

図１１は、本発明に係るアクチュエータの他の可動子の構成を示す斜視図である。可動子１は、２種類の四角柱状の永久磁石２ａ，２ｂと、四角柱状の軟質磁性体のヨーク３とを組み合わせた構成であり、永久磁石２ａ、ヨーク３、永久磁石２ｂ、ヨーク３、・・・の順に交互に接着させた四角柱状の構成をなしている。

図１１において、白抜矢符は各永久磁石２ａ，２ｂの磁化方向を示しており、図１に示した例と同様に、永久磁石２ａ，２ｂは何れも、その軸長方向（高さ方向）、つまり可動子１の移動方向（可動子１の長手方向）に磁化されているが、それらの磁化の向きは互いに１８０度異なる逆向きである。そして、これらの隣り合う四角柱状の永久磁石２ａと永久磁石２ｂとの間には、四角柱状の軟質磁性体のヨーク３が挿入されており、各ヨーク３の表面に磁極（Ｎ極、Ｓ極）が形成される構造になっている。

（実施例）
以下、本発明者が作製したアクチュエータの具体的な構成と、作製したアクチュエータの特性とについて説明する。

図１２は、本発明の実施例に係るアクチュエータ２０の構成を示す断面図である。永久磁石２ａ、ヨーク３、永久磁石２ｂ、ヨーク３、・・・の順に交互に配列させた可動子１を、第１ペア磁極ユニット４（第１単極ユニット４１、スペーサユニット４３、第２単極ユニット４２）、スペーサユニット６、第２ペア磁極ユニット５（第３単極ユニット５１、スペーサユニット５３、第４単極ユニット５２）の順に配列させ、駆動コイル７ａ，７ｂを一括して巻回してなる固定子１０の中空部８に貫通させて、アクチュエータ２０は構成される。

まず、図１に示すような永久磁石２ａ，２ｂ及びヨーク３を含む構成をなす可動子１の作製工程について説明する。

使用する永久磁石２ａ，２ｂは、軸長方向（高さ方向）に磁化したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石であって、外径３２ｍｍ、内径２２ｍｍ、高さ６ｍｍの円筒状に切り出した。また、ヨーク３は、電磁軟鉄であって、永久磁石２ａ，２ｂと同一形状である外径３２ｍｍ、内径２２ｍｍ、高さ６ｍｍのサイズに切り出したものを使用した。

そして、これらの永久磁石８個とヨーク９個とを準備し、永久磁石２ａ、ヨーク３、永久磁石２ｂ、ヨーク３、・・・の順に交互にエポキシ系接着剤にて接着させて、可動子１を作製した。永久磁石２ａ、永久磁石２ｂの磁化方向は軸長方向（可動子１の移動方向）に向いているが、その方向は互いに逆方向である（図１の白抜矢符参照）。

次に、固定子１０の作製工程を説明する。図１３に示すような平面形状をなす電磁軟鉄からなる電機子素材から厚さ８ｍｍの電磁軟鉄板を切り出し、切り出したものを第１単極ユニット４１及び第４単極ユニット５２として使用した。また同様に、図１３に示す電機子素材から厚さ１２ｍｍの電磁軟鉄板を切り出し、切り出したものを第２単極ユニット４２及び第３単極ユニット５１として使用した。

更に、図１３に示す電機子素材の枠の部分のみ（外側８４ｍｍ×８４ｍｍ、内側７４ｍｍ×７４ｍｍ）から厚さ２．４ｍｍの電磁軟鉄板を切り出し、切り出したものをスペーサユニット４３及びスペーサユニット５３として使用した。また同様に、枠の部分のみから厚さ４．４ｍｍの電磁軟鉄板を切り出し、切り出したものをスペーサユニット６として使用した。

切り出したこれらの各ユニットを、第１単極ユニット４１、スペーサユニット４３、第２単極ユニット４２、スペーサユニット６、第３単極ユニット５１、スペーサユニット５３、第４単極ユニット５２の順に配列してこれらを接着させて、固定子本体を作製した。

次いで、第１単極ユニット４１の一方のコア部４１ｃ及び第３単極ユニット５１の一方のコア部５１ｃ、並びに、第１単極ユニット４１の他方のコア部４１ｃ及び第３単極ユニット５１の他方のコア部５１ｃに、直径０．７ｍｍのエナメル被覆銅線をそれぞれ１００回ずつ巻き付けて、駆動コイル７ａ，駆動コイル７ｂとした。そして、これらの導線に通電した場合に互いに逆向きの起磁力がコア部に与えられるように、これらの２組の導線（駆動コイル７ａ，駆動コイル７ｂ）を直列に接続した。

そして、このようにして作製した固定子１０の中空部８に、上述したようにして作製された可動子１を貫通させて、その貫通方向に移動できるようにボールスプライン軸受けを用いて可動子１を中空部８の中心に固定した。

ここで、図１２に示すように、固定子１０の磁極周期λ１は３０．８ｍｍ（＝（１．２＋１２＋４．４＋１２＋１．２）ｍｍ）であって、可動子１の磁極周期λ２は２４ｍｍ（＝（６＋６＋６＋６）ｍｍ）であり、λ１＞λ２の関係となっており、（λ１−λ２）／λ２＝０．２８である。

作製したアクチュエータ２０の推力を測定した。図１２に示された可動子１の位置を変位０ｍｍとして、図１２の右側を＋方向、図１２の左側を−方向とし、可動子１を１ｍｍ単位で移動させてロードセルを介して固定した後、駆動コイル７ａ，７ｂに種々の大きさの直流電流を印加して推力を測定した。測定結果を、図１４に示す。

図１４は、各駆動起磁力（駆動電流×コイル巻き数）における可動子位置と推力との関係を示している。図１４に示す測定結果の特性から、可動子１がその中心位置（変位０ｍｍ）から±２．５ｍｍである範囲（長さ５ｍｍの範囲）において、ほぼ一定の高い推力が得られていることが分かる。

次に、固定子１０を中央で分割し、第１ペア磁極ユニット４（第１単極ユニット４１、スペーサユニット４３、第２単極ユニット４２）と、第２ペア磁極ユニット５（第３単極ユニット５１、スペーサユニット５３、第４単極ユニット５２）との２群に分けて、僅かに隙間を空けた後に、それぞれのペア磁極ユニットをロードセルを介して固定した。そして、可動子１を各ペア磁極ユニットの中心位置に移動させた後に固定し、駆動起磁力６００Ａを印加して、各ペア磁極ユニットに発生した推力を測定した。測定結果を、図１５に示す。

図１５は、各ペア磁極ユニットにおける可動子位置と推力との関係、及び、可動子位置と両ペア磁極ユニットでの合成推力との関係を示している。第１ペア磁極ユニット４（電極歯Ｔ１，Ｔ２）により発生した推力が最大となる可動子位置と、第２ペア磁極ユニット５（電極歯Ｔ３，Ｔ４）により発生した推力が最大となる可動子位置とには、図１２に示すλ１−λ２に相当する５ｍｍ程度の差が存在する。そして、両ペア磁極ユニットにおいて推力が最大となる可動子位置の間では、ほぼ一定した合成推力が得られている。

以上のことから、固定子の磁極周期（λ１）を可動子の磁極周期（λ２）より大きく設定することにより、その周期の差に相当する範囲で、推力の変動が小さく、一定の大きな推力を得ることができることを確認できた。

１ 可動子
２ａ，２ｂ 永久磁石
３ ヨーク
４ 第１ペア磁極ユニット（磁極ユニット）
５ 第２ペア磁極ユニット（磁極ユニット）
６，４３，５３ スペーサユニット（スペーサ）
７ａ，７ｂ 駆動コイル（捲き線）
８ 中空部
１０ 固定子
２０ アクチュエータ
４１ 第１単極ユニット（第１サブユニット）
４２ 第２単極ユニット（第２サブユニット）
５１ 第３単極ユニット（第１サブユニット）
５２ 第４単極ユニット（第２サブユニット）
４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａ 磁極部
４１ｂ，４２ｂ，５１ｂ，５２ｂ ヨーク部
４１ｃ，４２ｃ，５１ｃ，５２ｃ コア部

Claims (3)

1. 円筒状又は角柱状の可動子を固定子に貫通させてなるアクチュエータにおいて、
   軸長方向に磁化した複数の円筒状又は角柱状の永久磁石と複数の円筒状又は角柱状の軟質磁性体製のヨークとをそれぞれ一つずつ交互に重ねており、前記永久磁石は、軸長の一方向に磁化した永久磁石と軸長の他方向に磁化した永久磁石とが交互に配されている可動子と、
   磁極部、該磁極部の外側に配置したヨーク部、並びに、該ヨーク部及び前記磁極部を接続する２つのコア部を有する軟質磁性体製の第１サブユニットと、磁極部、該磁極部の外側に配置したヨーク部、並びに、前記第１サブユニットのコア部と平面視で異なる位置に設けられ、前記ヨーク部及び前記磁極部を接続する２つのコア部を有する軟質磁性体製の第２サブユニットと、前記第１サブユニット及び第２サブユニットの間に、前記第１サブユニット及び第２サブユニットのコア部同士が接触しないように挟まれた軟質磁性体製のスペーサとを重ねた磁極ユニットを複数個重ねてあり、前記複数個の磁極ユニットの第１サブユニットのコア部または第２サブユニットのコア部に捲き線を施してある固定子と
   を備えており、
   λ１＞λ２の関係を満たすことを特徴とするアクチュエータ。
   （但し、λ１：前記固定子の磁極周期（隣り合う一方の磁極ユニットにおけるスペーサの中央位置から隣り合う他方の磁極ユニットにおけるスペーサの中央位置までの距離）、λ２：前記可動子の磁極周期（軸長の一方向に磁化した永久磁石の高さと軸長の他方向に磁化した永久磁石の高さと２個分のヨークの高さとを合計した値））
2. 重なり合う２つの磁極ユニットにあって、一方の磁極ユニットの他方の磁極ユニットに隣り合った第１サブユニットの厚さが隣り合わない第２サブユニットの厚さより厚く、他方の磁極ユニットの一方の磁極ユニットに隣り合った第２サブユニットの厚さが隣り合わない第１サブユニットの厚さより厚いことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記λ１，λ２は０＜（λ１−λ２）／λ２＜０．３５の関係を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。

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