JP5957800B2 - リニア駆動装置 - 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に記載のリニアアクチュエータは、コイルが固定されたヨークと、ヨークの内側で往復移動可能に設けられた可動子とを有する。可動子は、円筒状の鉄部材の表面にリング状の永久磁石が設けられることにより構成されている（例えば、特許文献１の段落[００１６]、[００２０]、図１参照）。このリニアアクチュエータでは、鉄部材の表面に永久磁石が設けられているので、可動子の経年劣化により永久磁石が剥がれ落ちるといった懸念がある。以下、この永久磁石の取り付け構造を表面装着型という。

一方、特許文献２に記載のリニアモータは、コイル巻線を備えた可動子と、多数の強磁性体板が積層されることにより構成された固定子を有する。このリニアモータでは、固定子に設けられた複数の孔に永久磁石がそれぞれ挿入されて装着される、埋め込み型の永久磁石の構造が用いられている（例えば、特許文献２の段落[０００６]、図２、４参照）。上記特許文献１の可動子の構造が、上記のような表面装着型でなく、特許文献２のような埋め込み型とすると、上述の永久磁石の剥がれ落ちの懸念を解消することができる。

特許第３８７３８３６号公報 特許第２７５１６８４号公報

しかしながら、永久磁石を固定子のコア内に埋め込むことにより、永久磁石は可動子に対面せず、その固定子のコアが可動子に対面する。その結果、リラクタンス力が変わるので、その結果、可動子の推力特性が変化する。

また、特許文献２に記載の埋め込み型の永久磁石の構造を、特許文献１に記載の可動子に適用する場合を考える。この場合、特許文献１の可動子の鉄部材内に、リニア軸の周方向に永久磁石を埋め込むと、その周方向における永久磁石の長さが、鉄部材の表面に装着された永久磁石の周方向の長さより短くなる。つまり、コアの内部に永久磁石が埋め込まれる形態の方が、それと同じコアの表面に永久磁石が埋め込まれる形態に比べ、永久磁石の周方向の長さが短くなる。したがって、上述のように、特許文献１に記載された表面装着型の可動子の永久磁石の取り付け構造を単に埋め込み型にしたのでは、可動子から発生する磁束が低減してしまい、推力が低下する。

以上のように、表面装着型の永久磁石を埋め込み型のものにすると、推力特性が変化するため、所望の推力特性を得るには永久磁石の埋め込み方に工夫が必要である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、リラクタンス力を考慮した所望の推力特性を得ることができるリニア駆動装置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は、
固定子と、
前記固定子と対向して直線方向に移動可能に設けられた可動子とを具備し、
前記可動子は、
磁性材でなるコア部材と、
前記移動方向に前記コア部材を貫通してなる複数の埋設孔にそれぞれ挿入された平板状の永久磁石とを備えるものであり、
隣り合う前記埋設孔に挿入された対となる前記永久磁石が、鏡像対称に配置され、かつ、前記移動方向で見てハの字または逆ハの字をなすように配置されていることを特徴とする。

例えば１つの平板状の永久磁石が１つの磁極を固定子側に向くようにコア部材に埋め込まれて配置される場合と比べ、本発明では、対となる永久磁石が、鏡像対称に配置され、かつ、前記移動方向で見てハの字または逆ハの字をなすように配置されている。すなわち、可動子の設計時に、永久磁石の各磁極面の配置角度を所望の角度にすることで、その永久磁石の互いに最も接近した端部同士の、コア部材表面からの深さを調整することができる。その結果、リラクタンス力を調整することができ、また、可動子のストローク位置に応じた、固定子と可動子との間の磁気復元力、すなわち磁気バネ力を調整することができるので、所望の推力特性を得ることができる。

以上、本発明によれば、リラクタンス力が考慮された、リニア駆動装置の所望の推力特性を得ることができる。

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。 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、リニア駆動装置の動作を示す図である。 図７は、凸形状の永久磁石対を有する可動子の一断面を示す図である。 図８は、凹形状の永久磁石対を有する可動子の一断面を示す図である。

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。

なお、リニア駆動装置１００がレシプロモ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、特に、スパイラル状の板バネが用いられる。

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を有し、また、可動子コア３１に埋め込まれた平板状の永久磁石対３２１〜３２５、３４１〜３４５を有する。１つの永久磁石対３２１は、図４におけるＢ−Ｂ線等のＺ軸方向の一断面内において、２つの永久磁石３２１ａ及び３２１ｂでなる。その他の永久磁石対３２２〜３２５、３４１〜３４５も同様に、２つの永久磁石（３２２ａ、３２２ｂ）、（３２３ａ、３２３ｂ）、（３２４ａ、３２４ｂ）、（３２５ａ、３２５ｂ）、（３４１ａ、３４１ｂ）、（３４２ａ、３４２ｂ）、（３４３ａ、３４３ｂ）、（３４４ａ、３４４ｂ）、（３４５ａ、３４５ｂ）が設けられる。

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孔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つの埋設孔３１ａには、磁性材板３１１の積層方向にも複数の永久磁石対３２１、３２３及び３２５（３２２、３２４及び３２６）（３４１、３４３及び３４５）（３４２、３４４及び３４６）が配列され、その積層方向の１列分には３つの永久磁石が配置されている。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孔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。本実施形態では、１枚の磁性材板に８つの埋設孔３１ａが設けられている。Ｚ軸方向で１列分の複数の永久磁石３２１ａ、３２３及び３２５（３２２、３２４及び３２６）（３４１、３４３及び３４５）（３４２、３４４及び３４６）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（１２個の永久磁石対）が可動子コア３１に埋め込まれている。

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、埋設孔３１ａがＺ軸方向で連なり、各永久磁石がこれらの埋設孔３１ａに挿通されて固定され、位置決めされる。

各永久磁石は、固定子１側に磁極が向くようにそれぞれ着磁されている。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、上側の固定子コア１１に近い側に配置された各永久磁石の、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各永久磁石の、固定子コア１２側に向く磁極とは逆になっている。

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。

なお、１つの永久磁石セット３２において、両端に設けられた永久磁石（例えば永久磁石３２１ａ及び３２５ａ）のＺ軸方向の長さより、中央に設けられた永久磁石（例えば永久磁石３２３ａ）の長さが長くなるようにそれぞれ形成されている。これらの永久磁石の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。

本実施形態では、図４に示すように、永久磁石対３２１の各永久磁石３２１ａ及び３２１ｂは、鏡像対称に配置され、かつ、永久磁石３２１ａ及び３２１ｂの磁極の面が非平行となるように配置されている。本実施形態では、各永久磁石３２１ａ及び３２１ｂは、それらの磁極面を通る垂直線が、可動子３のシャフト３３の中心をそれぞれ通るように配置されている。つまり永久磁石対３２１の全体形状（各永久磁石３２１ａ及び３２１ｂの包絡的な全体形状）が固定子１側に凸となるように配置されている。具体的には、隣り合う埋設孔３１ａに挿入された対となる永久磁石が、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）で見てハの字または逆ハの字をなすように配置されている。他の永久磁石対３２２等も同様に配置されている。

＜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、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、各永久磁石対３２１が配置されることにより、埋め込み型の永久磁石であっても、表面装着型の永久磁石を持つ可動子に比べ磁束をほとんど低下させることがなく、推力を維持することができる。

例えば図７に示すように、永久磁石対３５１（あるいは３５２、３７１、３７２）が外周側（固定子１がある側）に凸形状で、かつ、各永久磁石３５１ａ及び３５１ｂの最も離れた端部同士が、図４のものと比べ互いに接近するように可動子コア３５に埋め込まれていてもよい。つまり、各永久磁石３５１ａ及び３５１ｂが互いに急角度に配置されている。

あるいは、図８に示すように、永久磁石対３８１（あるいは３８２、３９１、３９２）が内周側に窪む凹形状であってもよい。つまり、それらの各永久磁石対３８１ａ及び３８１ｂの最も接近した端部同士が最も内周側に近くなるようにそれぞれ配置されている。このように永久磁石対３８１が凹形状に配置されることにより、可動子コア３８の表面からの永久磁石対３８１全体の深さが深くなるため、リラクタンス力が大きくなる。また、固定子（例えば図１に示した固定子１）と、可動子コア３８との磁気復元力、すなわち磁気バネ力が大きくなる。これは、図７において破線Ｄで示すように、永久磁石対３８１と可動子コア３８の表面との間の磁性材部分の体積が大きくなり、可動子コア３８内で実際に磁化される体積が増えるからである。この図８に示したような形態の場合、可動子のストロークエンドにおいて推力が比較的大きくなるようにすることができる。

以上のように、本実施形態では、隣り合う埋設孔３１ａに挿入された対となる永久磁石が、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）で見てハの字または逆ハの字をなすように配置されている。すなわち、上記のように、可動子３の設計時に、永久磁石の各磁極面の配置角度を所望の角度にすることで、リラクタンス力を調整することができ、また、可動子のストローク位置に応じた、固定子１と可動子３との間の磁気復元力、すなわち磁気バネ力を調整することができるので、所望の推力特性を得ることができる。

また図５を参照して、本実施形態に係る可動子３は、可動子コア３１の磁性材板３１１の積層方向に沿って移動し、永久磁石セット３２（３４）における各永久磁石３２１〜３２３（３４１〜３４３）は、その磁性材板３１１の積層方向に配列されて設けられている。したがって、設計者が可動子３のストローク長を変更しようとする場合、実質的に同じ形状の磁性材板３１１をその積層方向で増減させ、また、永久磁石も（あるいはその長さも）その積層方向で増減させるだけでよい。また、磁性材板３１１の枚数を変更するだけでよいので、永久磁石の長さや、磁極のピッチなども容易に変更することができる。

また、上記実施形態では、一断面内で複数の永久磁石対３２１、３２２、３４１及び３４２（３５１、３５２、３７１及び３７２）（３８１、３８２、３９１及び３９２）が、可動子３の移動方向に垂直な一断面内でシャフト３３の周囲方向に配置されている。このような構成によれば、例えばその一断面内で１つしか永久磁石対が設けられていない形態に比べ、可動子３の動きの安定性を向上させることができる。

また、本実施形態では、永久磁石は平板状を有しているので、可動子３の外周面の形状に合わせた曲面形状を有する永久磁石を必要がなく、永久磁石の製造が容易になり、コストを低く抑えることができる。

また、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、永久磁石が可動子コア３１に埋め込まれているので永久磁石が可動子コア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に加えられても、永久磁石をコア部材に確実に保持しておくことができる。

さらに、可動子３が磁性材板３１１の積層方向に沿って移動するので例えば可動子３が磁性材板３１１の積層方向に直交する方向に沿って移動する場合に比べ、可動子３の移動方向における剛性を高めることができる。

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。

上記実施形態では、可動子３が内側に配置され、固定子１が外側に配置される例を挙げが、その逆でもよい。つまり、可動子コアの移動方向に貫通する穴が可動子コアに形成され、その穴内に固定子が配置される構造でもよい。

上記実施形態では、円筒状の可動子コア３１を例に挙げたが、平板状の可動子コアに、上記実施形態のように配置されるように永久磁石対が埋め込まれていてもよい。すなわち、この場合も、永久磁石対を形成する２つの永久磁石が、鏡像対称に配置され、かつ、磁極面が互いに非平行に配置される。なお、この場合、平板状の可動子の両側に固定子が配置されていてもよいし、片側に配置されていてもよい。

なお、可動子コア３１の表面側領域（固定子コア１１及び１２に対向する領域）が、第１の領域及びこの第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域を含んでいてもよい。この場合、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に沿って、第１の領域及び第２の領域とが交互に設けられ、かつ、第２の領域が、その移動方向に配列された複数の永久磁石の間の隙間を覆うように配置されればよい。図５で示した可動子３の例の場合、第２の領域は、永久磁石３２１ｂ及び３２３ｂの間、３２３ｂ、３２５ｂの間などの隙間を覆うように設けられる。

この場合、この第２の領域は、可動子コア３１の表面側領域に設けられた溝、つまり、エアギャップであってもよい。このエアギャップは、軸周り（Ｚ軸方向の周り）の少なくとも一部、例えば少なくとも、移動方向で配列される２つの永久磁石の間に対応する位置に形成されればよい。あるいは、このエアギャップは、軸周り（Ｚ軸方向の周り）のほぼ全周に延設されていてもよい。

あるいは、第２の領域は、エアギャップに限られず、例えばこの可動子コア３１の主材料である鉄の磁気抵抗より磁気抵抗の高い材料、例えば樹脂、ゴム等で形成されていてもよい。

上記実施形態に係る可動子コアは、積層された複数の磁性材板でなっていたが、これに限られず、ソリッドな磁性材でなるコアであってもよい。

１…固定子
３…可動子
３１、３５、３８…可動子コア（コア部材に相当）
１００…リニア駆動装置
１１１、１１２、１２１、１２２…固定子歯
１１１ａ…曲面
３１１…磁性材板
３２１〜３２５、３４１〜３４５、３５１、３５２、３７１、３７２、３８１、３８２、３９１、３９２…永久磁石対

Claims (1)

1. 一対の固定子コアを有する固定子と、
   前記一対の固定子コアの間に挟まれるように前記固定子と対向して直線方向に移動可能に設けられた可動子とを具備し、
   前記可動子は、
   磁性材でなる可動子コアと、
   前記可動子の移動方向に前記可動子コアを貫通してなる複数の埋設孔にそれぞれ挿入され、前記移動方向に垂直な一断面で見て、前記一対の固定子コアのうち一方に対向する前記可動子コアの対向面に沿って１つの磁極を形成する平板状の複数の永久磁石とを備えるものであり、
   前記１つの磁極を形成する前記複数の永久磁石のうち、隣り合う前記埋設孔に挿入された第１永久磁石対と、隣り合う前記埋設孔に挿入された第２永久磁石対とが、前記移動方向で見て、前記１つの磁極の中心と前記可動子コアの中心とを通る磁極中心線に対して鏡像対称に配置され、かつ、前記第１永久磁石対及び前記第２永久磁石対が、それぞれ、前記移動方向で見てハの字または逆ハの字をなすように配置されている
   ことを特徴とするリニア駆動装置。

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