JP5874246B2 - リニア駆動装置の可動子 - Google Patents

Description

本発明は、電磁気的な作用によりリニア駆動を行うリニア駆動装置の可動子に関する。

従来から、リニアな駆動力や動きを得るためのリニア駆動装置として、リニアアクチュエータやリニアモータがある。リニアアクチュエータとしては、主にレシプロモータなど、比較的短いストロークで動作するものが多く、リニアモータとしては、比較的長いストロークで動作するものが多い。

特許文献１に記載の電磁駆動機構は、リニアアクチュエータを利用したものであり、この電磁駆動機構の振動子は、磁路が形成される鉄心（あるいはロッド）と、この鉄心の外周面に取り付けられた永久磁石とにより構成される。振動子は、この振動子の周囲のコイルからケーシングの極部を介して発生する磁束と、振動子の永久磁石が発生する磁束との相互作用により振動する。これにより、振動子の両端に連結されたダイヤフラムが振動し、これにより電磁振動型ポンプが実現される（例えば、特許文献１の段落[００１３]、[００１５]、図１、４、５（ｂ）参照）。

特開２０００−１３０３２６号公報

ところで、特許文献１の電磁駆動機構では、鉄心の外周面に永久磁石が取り付けられているので、この鉄心と永久磁石との一体性あるいは剛性を高くすることが難しい。

また、特許文献１の図５（ｂ）に示すように、径方向の磁束密度を高めるために、鉄心が設けられている。ここで、鉄心が大きすぎると重量が大きくなり、駆動の際のエネルギー損失が大きくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、コア部材と永久磁石の一体性を高め、可動子の重量が軽減された、リニア駆動装置の可動子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るリニア駆動装置の可動子は、
埋設穴と、リニア駆動装置の可動子の移動方向に沿って設けられた貫通穴を有し、前記リニア駆動装置の固定子に対して配置されたコア部材と、
前記コア部材の前記埋設穴に挿入されて固定された永久磁石と
を具備する。

リニア駆動装置が、駆動力を得るための装置として用いられる場合、リニア駆動装置は次のように動作する。例えば固定子側に設けられたコイルが設けられる場合に、そのコイルに位相が異なる交流電流が印加されることにより、固定子から時間的に変化する磁束が発生する。永久磁石が発生する磁束と、上記時間的に変化する磁束との相互作用により、可動子が移動する。

リニア駆動装置が発電機として用いられる場合、外部から可動子が駆動され、可動子が移動することにより、固定子に磁束変化が発生しコイルに起電力が発生する。

本発明では、永久磁石がコア部材の埋設穴に挿入されて固定されているので、コア部材と永久磁石の一体性を高め、永久磁石の剥がれ落ち等を防止することができる。また、コア部材に貫通穴が設けられているので、コア部材の重量を軽減することができ、駆動の際のエネルギー損失を減らすことができる。また、コア部材の重量を軽減できることにより、例えば可動子を支持する支持部材等の重量や強度も減らすことができ、リニア駆動装置の全体の重量も格段に減らすことができる。

また、コア部材に貫通穴が設けられることにより、可動子が移動する時、その貫通穴を空気や液体等の媒体が通り抜けるため、その媒体がコア部材に比べ温度の低い媒体である場合、コア部材及び永久磁石を冷却することができる。

また、そのような媒体が貫通穴を通り抜けることができることによって、可動子が移動する時の可動子の移動抵抗を減らすことができ、エネルギー損失を低減できる。

さらに、コア部材の中で貫通穴が設けられる部分は、コア部材のその他の部分より磁気抵抗が高くなる。したがって、貫通穴と永久磁石との配置関係によっては、所定方向に沿って磁束が形成されるような磁路がコア部材に形成されるようになる。そうすると、可動子及び固定子との間に働く磁力の相互作用により、例えばコア部材に形成される磁束を、可動子の移動方向の周りでの回転を抑制するような方向に形成させることもできる。つまり、貫通穴が形成されることにより、可動子の移動方向周りでの回転の復元力を可動子に持たせることができる。
このように、可動子が移動方向周りでの回転に対する安定性を持つことにより、可動子が固定子に対しての配置が安定化されるとともに可動子を支持する支持部材の支持が安定化され、例えば軸受の想定されない磨耗等も防止できその長寿命化が図れる。また、可動子の固定子に対しての配置が安定化することにより、リニア駆動装置内における可動子の組み立ても容易になる。

以上、本発明によれば、コア部材と永久磁石の一体性を高め、可動子の軽量化を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図３は、可動子を示す斜視図である。 図４は、可動子を示す正面図である。 図５は、図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図６（Ａ）及び（Ｂ）は、その動作を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜リニア駆動装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

リニア駆動装置１００は、固定子１及び可動子３を備える。図１は、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）で見た図である。固定子１は、固定子コア１１及び１２と、固定子コア１１及び１２にそれぞれ設けられたコイル１３、１４、１５及び１６とを備える。固定子コア１１及び１２は、可動子３を挟んでＹ軸方向で対向するように設けられている。

固定子コア１１には、可動子３の移動方向に配列された２つの固定子歯１１１及び１１２が設けられている。また同様に、固定子コア１２には、可動子３の移動方向に配列された２つの固定子歯１２１及び１２２が設けられている。これらの固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２にそれぞれ上記コイル１３、１４、１５及び１６が巻回されている。

図１に示すように、固定子歯１１１は、後述するように円柱状の可動子３の側面に沿った曲面１１１ａを有している。そのほかの固定子歯１１２、１２１、１２２も、固定子歯１１１と同様の形状を有している。固定子コア１１の固定子歯１１１と、固定子コア１２の固定子歯１２１とがＹ軸方向で対向するように配置されている。また、固定子コア１１の固定子歯１１２と、固定子コア１２の固定子歯１２２とがＹ軸方向で対向するように配置されている。図２に示すように、可動子３は、それらの固定子歯１１１及び１２１、１１２及び１２２に対面するように配置されている。固定子コア１１及び１２は、図示しないケーシングに収められて互いに位置決めされる。

図２に示すように、可動子３の中央には、Ｚ軸方向に沿って貫通した、シャフト３３の挿通穴３１ｃが形成されている。シャフト３３は、図示しない軸受やバネ等の支持部材によってシャフト３３がＺ軸方向に沿って移動可能となるように支持される。可動子３のＺ軸方向の両端にはカバー部材３６が取り付けられ、カバー部材３６はシャフト３３と一体的になるようにシャフト３３に固定される。カバー部材３６は、可動子コア３１とシャフト３３との固定の機能のほか、後述する永久磁石の抜け防止の機能も有する。しかし、必ずしもカバー部材３６はなくてもよい。

なお、リニア駆動装置１００がリニアクチュエータとして用いられる場合、シャフト３３を支持する支持部材としてバネ部材が用いられ、例えばスパイラル状の板バネが用いられる。スパイラル状の板バネが用いられることにより、その板バネの変形によって可動子３が円周方向に回転し、可動子３が本実施形態のように埋め込み構造及び円柱構造であることのメリットが高められる。支持部材の他の例として、８の字形状の板バネ、リニアブッシュ、ボールスプライン、エアベアリング、リニアガイド等が挙げられる。

図３は、可動子３を示す斜視図である。図４は可動子３を示す正面図であり、図５は図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。

可動子３は、円柱形状に近い形状を有する。可動子３は、コア部材としての可動子コア３１と、可動子コア３１に埋め込まれた永久磁石３２１、３２２、３２３、３４１、３４２及び３４３とを有する。可動子コア３１は、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に積層された複数の磁性材板３１１を含む。磁性材板３１１としては、典型的には電磁鋼板が用いられる。電磁鋼板の表面には絶縁被膜がそれぞれ形成されている。電磁鋼板は珪素を含んでいてもよい。このような磁性材板３１１が積層されて可動子コア３１が形成されることにより、固定子１から可動子コア３１の表面に対して流入出する磁束による渦電流の発生を抑制することができる。

これらの磁性材板３１１は、実質的に同一形状を有している。図４に示すように１枚の磁性材板３１１には、永久磁石が埋め込まれる複数の埋設穴３１ａが形成されている。図５に示すように、可動子コア３１の１つの埋設穴３１ａには、磁性材板３１１の積層方向にも複数の永久磁石３２１、３２２及び３２３（３４１、３４２及び３４３）が配列されている。これらの永久磁石は、平板形状を有している。

１枚の磁性材板３１１に設けられた複数の埋設穴３１ａは、Ｚ軸方向で見て磁性材板３１１の中心より固定子１に近い側で、磁性材板３１１のＺ軸の周りの方向に沿って設けられている。具体的には、これらの複数の埋設穴３１ａは固定子１にできるだけ近い側に設けられ、本実施形態では、１枚の磁性材板に８つの埋設穴３１ａが設けられている。

磁性材板３１１の積層方向の１列分の複数の永久磁石３２１、３２２及び３２３（３４１、３４２及び３４３）を、以下、永久磁石セット３２（３４）と呼ぶ。後述するように、固定子コア１１側に近い永久磁石セットを永久磁石セット３２とし、固定子コア１２側に近い永久磁石セットを永久磁石セット３４とする。本実施形態に係る可動子３には、４つの永久磁石セット３２及び４つの永久磁石セット３４が設けられ、合計２４個の永久磁石が可動子コア３１に埋め込まれている。また、以降では、永久磁石３２１、３２２、３２３、３４１、３４２及び３４３を、永久磁石３２１等という場合もある。

このように実質的に同じ形状を有する磁性材板３１１が積層されることにより、埋設穴３１ａがＺ軸方向で連なり、各永久磁石３２１等がこれらの埋設穴３１ａに挿通されて固定され、位置決めされる。

各永久磁石３２１等は、図４に示すようにＺ軸方向（またはそのＺ軸方向の一断面）で見て、可動子コア３１の径方向にそれぞれ着磁されている。すなわち、可動子コア３１は実質的な円柱構造であるため、その円柱構造の周囲（外周側である固定子１側）に磁極が向くように、永久磁石３２１等が着磁されている。また、可動子コア３１の、上側の固定子コア１１に近い側に配置された永久磁石３２１、３２２及び３２３（永久磁石セット３２）の、固定子コア１１側に向く磁極と、下側の固定子コア１２に近い側に配置された永久磁石３４１、３４２及び３４３（永久磁石セット３４）の、固定子コア１２側に向く磁極とは、それぞれ異なっている。

さらに図５に示すように、永久磁石セット３２（３４）の各磁極であって固定子コア１１（１２）側に向く磁極は、磁性材板３１１の積層方向で交互に異なるように配置されている。

３つの永久磁石３２１、３２２及び３２３について、両端に設けられた永久磁石３２１及び３２３のＺ軸方向の長さより、中央に設けられた永久磁石３２２のＺ軸方向の長さが長くなるようにそれぞれ形成されている。３つの永久磁石３４１、３４２及び３４３についても同様である。これらの永久磁石３２１、３２２及び３２３のＺ軸方向の長さ（及びＺ軸方向に沿って並ぶ永久磁石の個数等）は、固定子コア１１及び１２の各固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２のＺ軸方向の長さ、個数、あるいは、可動子３のストローク長等によって適宜設定される。

図３及び４に示すように、各磁性材板３１１の両側部には切り欠き３１ｄが形成されている。これらの切り欠き３１ｄは、可動子コア３１の軽量化を実現し、また、各磁性材板３１１を互いに位置決めさせる揃え溝の機能も兼ね備える。さらに、この切り欠き３１ｄは、リニア駆動装置１００の組み立て時において、可動子３を位置決めするための溝としての機能も備える。さらに、各磁性材板３１１の切り欠き３１ｄと埋設穴３１ａとの間には、小貫通穴３１ｅが形成されている。小貫通穴３１ｅは例えば４つ形成されている。この小貫通穴３１ｅも、可動子３１の軽量化を実現し、また、各磁性材板３１１の位置決め、漏れ磁束を軽減する機能を備える。

また、図２及び４に示すように、可動子コア３１には、磁性材板３１１の積層方向に貫通した貫通穴３１ｂが形成されている。すなわち、各磁性材板３１１にこの貫通穴３１ｂに対応する貫通穴がそれぞれ形成され、それらの磁性材板３１１が積層されることにより可動子コア３１を貫通する貫通穴３１ｂが形成される。貫通穴３１ｂは、シャフト３３が挿通された挿通穴３１ｃを中心としてＹ軸方向で対称位置に２つ配置されている。

図４に示すように、貫通穴３１ｂは、仮にこの貫通穴３１ｂが可動子コアに設けられていない場合において、永久磁石３２１等によって可動子コア３１内で生成される磁束のうち、磁束密度の比較的低い領域に設けられている。可動子コア３１の中央にはシャフト３３の挿通穴３１ｃが形成されており、また、永久磁石３２１、３２４等が、そのシャフト３３の周方向で配列されているので、その挿通穴３１ｃの上下において挿通穴３１ｃと隣接する領域における磁束密度が比較的低くなる。

このような領域に貫通穴３１ｂが設けられていることにより、可動子コア３１内の磁束を極力低減させることなく、つまり永久磁石セット３２及び３４により可動子コア３１内で生成される磁束の使用効率を低減することなく、可動子コア３１の重量を軽減することができる。これにより、駆動の際のエネルギー損失を減らすことができる。

また図４に示すように、これらの貫通穴３１ｂは、その貫通穴３１ｂを形成する少なくとも一辺が、可動子コア３１内に形成される磁束に沿うような形状となっている。本実施形態ではその形状は、Ｙ軸方向において永久磁石セット３２及び３４にそれぞれ近い側に頂点を有する三角形状となっている。これにより、上記したように、磁束の使用効率を低減させないという作用が促進される。

なお、貫通穴３１ｂが形成される位置やその形状は、その貫通穴３１ｂを形成する少なくとも一辺が磁束に沿うような形状であればよく、可動子コア３１内で生成される磁束の向きや磁束密度によって適宜変更可能である。言い換えれば、その位置や形状は、挿通穴３１ｃの大きさ、形状、あるいは挿通穴３１ｃと周囲の永久磁石セット３２（３４）との距離等によって適宜変更可能である。

＜リニア駆動装置の動作＞
次に、以上のように構成されたリニア駆動装置１００の動作を説明する。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、その動作を説明するための図である。なお、図６（Ａ）及び（Ｂ）で表された、可動子３の永久磁石セット３２及び３４の極性は、固定子コア１１及び１２側に向く磁極を示している。

図６（Ａ）に示すように、固定子コア１１側の２つのコイル１３及び１４に互いに逆向きの電流が同じタイミングで加えられ、かつ、固定子コア１１及び１２側の２つのコイル１５及び１６に互いに逆向きの電流が同じタイミングで加えられる。Ｙ軸方向で同じ位置に配置されたコイル１３（１４）及び１５（１６）にも互いに逆向きの電流が加えられる。そうすると、固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２に磁束が発生し、固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２に図示するように磁極が生成される。各固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２に発生した磁束と、可動子３に設けられた永久磁石３２１等により生成される磁束との相互作用により、可動子３は図６（Ａ）中、右へ移動する。

図６（Ｂ）に示すように、図６（Ａ）で示した各電流の向きとは逆向きの電流がコイル１３〜１６にそれぞれ同じタイミングで加えられる。そうすると、図６（Ａ）で示した磁極とは反対の磁極が、固定子歯１１１、１１２、１２１及び１２２にそれぞれ生成される。これにより、可動子３は図６（Ｂ）中、左へ移動する。

以上のように、コイル１３〜１６にそれぞれ交流電流（交流電圧）が印加されることにより、可動子３はＺ軸方向で振動する。この場合、リニア駆動装置１００をレシプロモータとして利用することができる。

コイル１３〜１６に加えられる交流電圧の波形は、正弦波、矩形波、三角波など、適宜設定可能である。また、その波形にＤＣ成分等のオフセット電圧が加えられてもよい。その場合、そのオフセット電圧値に応じて可動子３のストロークエンド（死点）の位置を適宜調整することができる。そのほかにも、三相コイルに三相交流を流すといった、交流電圧の波形に応じた種々の駆動方法を実現することができる。

以上のように、本実施形態では、可動子３側にコイルが設けられていないので、可動子３を小型化することができる上、永久磁石３２１等が可動子コア３１に埋め込まれているので、コア部材と永久磁石の一体性を高めることができ、永久磁石３２１等が可動子コア３１から剥がれ落ちるおそれもない。特に、可動子３に永久磁石３２１等が設けられていることにより、可動子３の長年の移動による加速度が永久磁石３２１等に加えられても、永久磁石３２１等をコア部材に確実に保持しておくことができる。

また、可動子コア３１に貫通穴３１ｂが設けられているので、可動子コア３１の重量を軽減することができ、駆動の際のエネルギー損失を減らすことができる。また、可動子コア３１の重量を軽減できることにより、例えば可動子３を支持する図示しない支持部材の重量や強度も減らすことができ、リニア駆動装置１００の全体の重量も格段に減らすことができる。

また、可動子コア３１に貫通穴３１ｂが設けられることにより、可動子３が移動する時、その貫通穴３１ｂを空気等や液体等の媒体が通り抜けるため、その媒体が可動子コア３１に比べ温度の低い媒体である場合、可動子コア３１及び永久磁石３２１等を冷却することができる。リニア駆動装置１００の駆動時には、永久磁石も温度が上昇する場合があり、永久磁石の温度上昇を放置すると、永久磁石の特性が落ちるので、永久磁石を冷却することにはメリットがある。

さらに、そのような媒体が貫通穴３１ｂを通り抜けることができることによって、可動子３が移動する時の可動子３の移動抵抗を減らすことができ、エネルギー損失を低減できる。可動子３が図示しないケーシングにより密閉される場合は、本実施形態に係る可動子コア３１は特に有用性が高い。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態がある。

上記実施形態に係る貫通穴３１ｂのＺ軸方向で見た形状は三角形であったが、矩形、台形、その他の形状であってもよい。貫通穴３１ｂの個数や配置も適宜変更可能である。

図１に示した固定子コア１１及び１２は、Ｙ軸方向で２つに分割されていたが、これらの固定子コア１１及び１２はＹ軸方向で連続するように接続されていてもよい。

固定子歯、永久磁石、永久磁石セットの数は適宜変更可能である。永久磁石、固定子コア、可動子コアの各形状等も適宜変更可能である。可動子の移動方向における磁極数あるいは永久磁石の数は、上記実施形態では３つであったが、１つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

例えば、上記各実施形態に係る可動子の形状が円柱状ではなく板形状であって、その板形状の可動子の一方側または両側に対向して配置される固定子が設けられたリニア駆動装置が実現されてもよい。このような形態に係るリニア駆動装置は、主にリニアモータとして利用され得る。

上記実施形態では、図４に示すように、可動子３の一断面で見て２極構造の例を挙げた。すなわち、図４中、可動子３の上半分の磁極がＮ極（外周側に向く磁極がＮ極）であり、下半分の磁極がＳ極（外周側に向く磁極がＳ極）であった。しかし、このような形態に限られず、可動子３の一断面で見て単極構造、つまり、その一断面におけるすべての永久磁石の外周側に向く磁極がＮまたはＳの１極とされる形態であってもよい。

上記第２の実施形態以降で説明した各実施形態に係る可動子コアにおいて、積層された磁性材板の代わりに、例えば積層でない、磁性材でなるバルク体が用いられてもよい。バルク体は、例えば圧粉磁心が用いられればよい。

上記各実施形態に係るリニア駆動装置が発電機として用いられてもよい。この場合、外部から可動子が駆動され、可動子が積層方向に移動することにより、固定子の各固定子歯に磁束変化が発生し、これによりコイルに起電力が発生する。

１…固定子
３…可動子
１１、１２…固定子コア
１３〜１６…コイル
３１…可動子コア（コア部材に相当）
３１ａ…埋設穴
３１ｂ…貫通穴
３２、３４…永久磁石セット
１００…リニア駆動装置
１１１、１１２、１２１、１２２…固定子歯
３１１、３１２…磁性材板
３２１〜３２３、３４１〜３４３…永久磁石

Claims (2)

1. 埋設穴と、リニア駆動装置の可動子の移動方向に沿って設けられ少なくとも一辺を有する貫通穴と、前記移動方向に沿って設けられる軸が挿通される挿通穴とを有し、前記リニア駆動装置の固定子に対して配置されたコア部材と、
   前記可動子の移動方向で見て、一側と、前記挿通穴を介して前記一側に対向する他側とに互いに異なる磁極をそれぞれ形成することで、前記コア部材に２極構造を形成するように前記埋設穴にそれぞれ挿入されて固定された永久磁石と
   を具備し、
   前記貫通穴を形成する前記少なくとも一辺が前記２極の磁極間に形成される磁束に沿う形状をなしており、前記磁極間に形成される磁束の方向に沿って前記貫通穴と前記挿通穴とが並ぶように配置されている
   リニア駆動装置の可動子。
2. 請求項１に記載のリニア駆動装置の可動子であって、
   複数の永久磁石である永久磁石セットが、前記軸の周りに複数設けられ、
   前記コア部材は、
   前記複数の永久磁石セットにより第１の磁束密度を有する磁束が形成される第１の領域と、
   前記貫通穴が配置され、前記複数の永久磁石セットにより、前記第１の磁束密度より低い磁束が形成される第２の領域と、を有する
   リニア駆動装置の可動子。

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