JP6082380B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータに関する。
リニアアクチュエータの一種として、界磁に磁石を使用した同期型リニアアクチュエータが存在する。このリニアアクチュエータは、複数の磁石を一方向に交互に極性が異なるように並べた固定子と、固定子の磁石列に対向するように、一方向に複数のコイルを並べた可動子と、を備える(特許文献1参照)。コイルは、固定子の磁石列に対向するコアの突極に巻かれる。そして、コイルに交流を流すと、磁石に発生する磁束と突極に発生する磁束との相互作用によって、固定子に対して可動子が一方向に移動する。なお、特許文献1に記載のように、コイルが移動するリニアアクチュエータは、ムービングコイル形のリニアアクチュエータと呼ばれる。コイルの替わりに磁石が移動するリニアアクチュエータも存在し、ムービングマグネット形のリニアアクチュエータと呼ばれる。
特開2011−217591号公報
従来のリニアアクチュエータは、言うまでもなく、可動子をコイルの配列方向と同方向に移動させる。しかし、従来のリニアアクチュエータは、可動子をコイルの配列方向と直角な方向に移動させることができない。もし、これができれば、人目を引く可動子の動きが得られるし、リニアアクチュエータの用途も広がる。
そこで、本発明は、コイルの配列方向と直角な方向に可動子を移動させることができるリニアアクチュエータを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータであって、前記第一部材は、前記一方向に並べられる第一磁石、第二磁石及び第三磁石を有し、前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、前記一方向と直角な方向にN極及びS極を有し、前記第二磁石のN極及びS極が、前記第一磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、前記第三磁石のN極及びS極が、前記第二磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、前記第二部材は、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記第一部材に対向する少なくとも二つの突極と、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記突極に巻かれる少なくとも二つのコイルと、を有し、前記少なくとも二つのコイルは、A相のコイルとA相に対して位相が90度ずれたB相のコイル、又はA相のコイルとA相に対して位相が270度ずれた/B相のコイル、又は/A相のコイルと/A相に対して位相が90度ずれた/B相のコイル、又は/A相のコイルと/A相に対して位相が270度ずれたB相のコイル、又は正弦波で励磁されるコイルと余弦波で励磁されるコイルを含むリニアアクチュエータである。
本発明によれば、コイルの配列方向と直角な方向(一方向)に可動子(第一部材又は第二部材)を移動させることができる。
本発明の一実施形態のリニアアクチュエータの斜視図である。 図1の分解斜視図である。 本実施形態のリニアアクチュエータのYZ平面における断面図である。 X軸に沿った本実施形態のリニアアクチュエータの断面図である(図4(a)は可動子がストロークの一端にあるときを示し、図4(b)は可動子がストロークの中央にあるときを示し、図4(c)は可動子がストロークの他端にあるときを示す)。 第一ないし第三磁石の外周の磁極を表した可動子の斜視図である。 コイルの励磁方式を示すタイムチャートである。 可動子の振動原理を示す図である。 可動子の他の例を示す斜視図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態のリニアアクチュエータを説明する。ただし、本発明のリニアアクチュエータは種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。この実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
図1は、本発明の一実施形態のリニアアクチュエータの斜視図を示し、図2は、図1の分解斜視図を示す。添付の図面及び以下の明細書を通して、同一の構成には同一の符号を附す。
図1に示すように、リニアアクチュエータは、第一部材としての可動子1と、第二部材としての固定子2と、を備える。可動子1は、筒形である。固定子2は、可動子1を囲むリング形である。リニアアクチュエータは、固定子2のコイル4a〜4dを励磁すると、可動子1が一方向(すなわち軸方向)に移動するように構成される。なお、以下においては、可動子1の軸方向をX方向、X方向に直交する平面をYZ平面、YZ平面における円周方向をθ方向とする。
リング形の固定子2には、θ方向に複数のコイル4a〜4dが並べられる。一般的な回転モータにおいては、コイルをθ方向に並べると、可動子1がθ方向に回転する。本発明のリニアアクチュエータには、コイル4a〜4dをθ方向に並べても、可動子1がX方向に移動する点に特徴がある。以下に、可動子1、固定子2の構成を順番に説明する。
図2に示すように、可動子1は、筒形のヨーク5と、ヨーク5の外周に配置されるリング形の第一磁石6a、第二磁石6b及び第三磁石6cを有する。第一磁石6a、第二磁石6b及び第三磁石6cは、ヨーク5の外周に接着等の結合手段によって結合される。第一磁石6a、第二磁石6b及び第三磁石6cの大きさは等しく、これらはX方向に隣接して並べられる。ヨーク5は、磁束を通す磁性材料からなる。
第一磁石6aは、θ方向に交互にN極及びS極を有し、θ方向に極性が交互に異なるように並べられた複数の円弧形のセグメント磁石7から構成される。磁極の個数(セグメント磁石7の個数)は、特に限定されるものではなく、例えば6である。セグメント磁石7の外周は、N極及びS極のいずれか一方に着磁され、セグメント磁石7の内周は、N極及びS極の他方に着磁される。第一磁石6aを、θ方向に交互にN極及びS極が着磁された、セグメント磁石7に分割されていないリング形の磁石から構成することもできる。
第二磁石6b及び第三磁石6cも、第一磁石6aと同様にθ方向に交互にN極及びS極を有し、θ方向に極性が交互に異なるように並べられた複数の円弧形のセグメント磁石7から構成される。第一磁石6a、第二磁石6b及び第三磁石6cの磁極の個数は、全て等しく、例えば6個である。
第二磁石6bのN極及びS極は、第一磁石6aのN極及びS極に対してθ方向の一方向(時計方向)にN極−S極間ピッチP1(θ方向の距離)の1/2ずれている。そして、第三磁石6cのN極及びS極は、第二磁石6bのN極及びS極に対してθ方向の一方向(時計方向)にN極−S極間ピッチP1の1/2ずれている。ただし、第三磁石6cは第二磁石6b対してθ方向の他方向(反時計方向)にずれることはない。第三磁石6cのN極及びS極は、第一磁石6aのN極及びS極に対してθ方向の一方向(時計方向)にN極−S極間ピッチP1ずれており、第三磁石6cと第一磁石6aとは磁極が反転する関係にある。
固定子2の構成は、以下のとおりである。図2に示すように、固定子2は、コア8と、コア8の突極8aに巻かれる複数のコイル4a〜4dと、を備える。コア8は、可動子1を囲むリング形のコア本体8bと、コア本体8bから半径方向内側に向かって突出する複数の突極8aと、を有する(図3も参照)。突極8aの個数は、可動子1の第一ないし第三磁石6a〜6cの磁極の個数の2倍である。磁極の個数は6であるので、突極8aの個数は12である。突極8aの先端は、可動子1に磁気的な隙間を空けて対向する。コア8は、珪素鋼等の磁性材料からなる。
このコア8は、例えば、YZ平面で分割された複数の積層鋼板をX方向に重ね合わせて製造される。また、コア8を半径方向の分割線に沿って12個の分割コアに分割し、分割コアの突極8aにコイル4a〜4dを巻き、コイル4a〜4dを巻いた分割コアをθ方向に繋げることでコア8を製造することもできる。
図4は、X軸に沿ったリニアアクチュエータの断面図を示す。図4(b)に示すように、コア8の突極8aのX方向の長さtは、第一ないし第三磁石6a〜6cの長さtよりも短い。第一ないし第三磁石6a〜6cのX方向の長さはtであり、互いに等しい。突極8aの先端の、X方向の両端部には、面取り9(図2も参照)が施される。
図2に示すように、コイル4a〜4dは、断面が四角形の筒形の内側コイル11と、内側コイル11の外側に配置される断面が四角形の筒形の外側コイル12と、を有する。内側コイル11は突極8aの全長に渡って配置される。外側コイル12は内側コイル11よりも長さが短く、突極8aの半径方向の外周側にのみ配置される。内側コイル11の巻線と外側コイル12の巻線とは電気的に繋がっている。
図3のYZ平面における断面図に示すように、隣接する突極8a間の隙間は、外周側が内周側に比べて広い扇形である。コイル4a〜4dを内側コイル11と外側コイル12とに分けることで、扇形の隙間に効率的にコイル4a〜4dを配置することができる。なお、コイル4a〜4dを内側コイル11と外側コイル12とに分けることなく、台形にすることも可能である。
図1に示す可動子1は、固定子2に支持手段を介してX方向に移動可能に支持される。支持手段には、ボールスプライン、ボールブッシュ、滑り軸受等の公知の軸受を用いることができる。軸受の替わりに、可動子1と固定子2とに架け渡した板ばね、可動子1と固定子2との間に介在させた筒形のゴム等を用いることもできる。
図4は、X軸に沿ったリニアアクチュエータの断面図を示す。図4(b)は可動子1がストロークの中央にあるときを示し、図4(a)は可動子1がストロークの一端にあるときを示し、図4(c)は可動子1がストロークの他端にあるときを示す。本実施形態のリニアアクチュエータは、可動子1がストロークの一端から他端まで、他端から一端まで、交互に移動する振動アクチュエータである。ただし、本発明のリニアアクチュエータの用途は、振動アクチュエータに限定されるものではない。
図5は、第一ないし第三磁石6a〜6cの外周の磁極を表した可動子1の斜視図である。図5の四角は可動子1に対向するコイル4a〜4dを示し、四角内の文字A、B、/A、/Bはコイル4a〜4dの励磁方式を示す。図5においては、第一ないし第三磁石6a〜6cの一つのセグメント磁石7に2つの磁極NN又はSSを示している。これは、一つのセグメント磁石7に二つのコイル4d,4a又は4b,4c等が対向していて、コイル4d,4a又は4b,4c等が対向するセグメント磁石7の磁極を明らかにするためである。実際には、一つのセグメント磁石7は、一つの磁極を有する。
A相のコイル4aには、図5の奥側から順番にNNSの磁極が対向する。B相のコイル4bには、SNNの磁極が対向する。/A相のコイル4cには、SSNの磁極が対向する。/B相のコイル4dには、NSSの磁極が対向する。A相のコイル4aはθ方向に4個置きに表れる。4個おきのコイル4aに対向する可動子1の磁極は等しい。その他の相のコイル4b〜4dも同様である。
12個のコイル4a〜4dは、4個で1セットである。1セットの4個のコイル4a〜4dは、二相ステッピングモータのコイルと同様に、A相、B相、/A相、/B相で励磁される。なお、コイルを6個で1セットにし、1セットで6個のコイルを三相ステッピングモータのコイルと同様に6相で励磁することもできる。
図6は、コイル4a〜4dの励磁方式を示すタイムチャートである。A相とB相とは90度位相がずれる。A相と/A相とは180度位相がずれる。A相と/B相とは270度位相がずれる。なお、コイルの励磁方式はこれに限られるものではない。例えば、コイルに印加する電圧波形を矩形波の替わりに正弦波にすることもできる。
図7は、可動子1の振動原理を示す模式図である。図7には、図5のA相のコイル4aとこれに隣り合う/B相のコイル4dのみが抽出して示されている。A相のコイル4aに対向する可動子1の磁極は、図5の奥側から順番にNNSである。/B相のコイル4dに対向する可動子1の磁極は、図5の奥側から順番にNSSである。A相のコイル4aを図6に示す励磁方式で励磁すると、A相のコイル4aの突極8aの極性は、S1のときN極、S2のときN極、S3のときS極、S4のときS極に変化する。/B相のコイル4dを図6に示す励磁方式で励磁すると、/B相のコイル4dの突極8aの極性は、S1のときN極、S2のときS極、S3のときS極、S4のときN極に変化する。これらのコイル4a,4dの突極8aの極性の変化に伴い、可動子1は、左端位置(S1)、中央位置(S2)、右端位置(S3)、中央位置(S4)とその位置を変化させる。したがって、可動子1が振動する。なお、図7には、A相のコイル4aと/B相のコイル4dの組み合わせのみを示しているが、A相のコイル4aとB相のコイル4bとの組み合わせ、/A相のコイル4cとB相のコイル4bとの組み合わせ、/A相のコイル4cと/B相のコイル4dとの組み合わせでも、同様に可動子1を振動させることができる。要するに、正弦波で励磁されるコイル4a,4cと余弦波で励磁されるコイル4b,4dとの組み合わせであれば、可動子1を振動させることができる。
図8は、可動子の他の例を示す。この例の可動子21は、円柱形のヨーク22、ヨーク22の外周にX方向に並べられる第一磁石24a、第二磁石24b及び第三磁石24cを有する。第一磁石24a、第二磁石24b及び第三磁石24cそれぞれは、θ方向に並べられる複数の磁石25を備える。磁石25の個数は、コイル4a〜4dの個数と同じ12である。磁石25は、高さ方向(言い換えれば半径方向)に着磁される板状の角型磁石である。磁石25を円柱型磁石にすることも可能である。
θ方向に隣接する磁石25は、二つで一組の磁石25a又は25bを構成する。各組25a又は25bの磁石25の磁極は、同一である。一つの組25aの磁石25の磁極は、隣の組25bの磁石25の磁極とは反転する。このように、磁石25を組単位で見ると、図5に示すセグメント磁石7と同様な磁極が構成される。ただし、この例では、第二磁石24bのN極及びS極は、第一磁石24aのN極及びS極に対してθ方向の一方向(反時計方向)にN極−S極間ピッチP1の1/2ずれている。第三磁石24cのN極及びS極は、第二磁石24bのN極及びS極に対してθ方向の一方向(反時計方向)にN極−S極間ピッチP1の1/2ずれている。そして、第三磁石24cのN極及びS極は、第一磁石24aのN極及びS極に対してθ方向の一方向(反時計方向)にN極−S極間ピッチP1(θ方向の距離)ずれており、第三磁石24cと第一磁石24aとは磁極が反転する関係にある。この例の可動子21でも、正弦波で励磁されるコイル4a,4cと余弦波で励磁されるコイル4b,4dを用いて、可動子21を振動させることができる。
本実施形態のリニアアクチュエータによれば、以下の効果を奏する。可動子1にX方向に第一磁石6a、第二磁石6b及び第三磁石6cを並べ、第二磁石6bの磁極を第一磁石6aの磁極に対してθ方向にずらし、第三磁石6cの磁極を第二磁石6bの磁極に対してθ方向にずらすことで、コイル4a〜4dの配列方向(θ方向)と直角な方向(X方向)に可動子1を移動させることができる。これにより、リニアアクチュエータのX方向の小型化、高推力化を実現することができる。
可動子1にX方向に第一ないし第三磁石6a〜6cを並べることで、振動アクチュエータに適したリニアモータを得ることができ、可動子1を長ストロークで振動させることができる。
第二磁石6bの磁極を第一磁石6aの磁極に対してθ方向にN極−S極間ピッチの1/2ずらし、第三磁石6cの磁極を第二磁石6bの磁極に対してθ方向にN極−S極間ピッチの1/2ずらすことで、ストロークの全長に渡って、高推力で可動子1を振動させることができる。
コイル4a〜4dをθ方向に並べ、第一ないし第三磁石6a〜6cの磁極をθ方向に並べることで、リニアアクチュエータの小型化が図れる。
突極8aをリング形のコア本体8bに結合することで、突極8aの磁束の流れを向上させることができる。
第一ないし第三磁石6a〜6cをセグメント磁石7から構成することで、セグメント磁石7のθ方向の一端から他端まで略一定の径方向磁束密度を得ることができる。第一ないし第三磁石6a〜6cの径方向磁束密度の大きさは推力に相関関係があるので、高推力を得ることができる。
突極8aのX方向の長さtを第一ないし第三磁石6a〜6cのX方向の長さtよりも短くすることで、コギング力を低減することができる。コギング力は、突極8aと第一ないし第三磁石6a〜6cとの吸引力に起因する力である。コギング力は、コイル4a〜4dに電流を流していないときにも可動子1に働き、推力の妨げになる。コギング力を低減することで、推力を向上させることができる。なお、t≧tとすると、t1の場合に比べてコギング力が大きくなる。
突極8aの先端のX方向の端部に面取り9を施すことで、面取り9を施さない場合に比べてコギング力を低減することができる。また、面取り9を施すことで、可動子1のストロークを大きくすることができる。
なお、本発明は上記実施形態に具体化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に具体化できる。
上記実施形態では、固定子のコイルをθ方向に並べ、可動子の磁石の磁極をθ方向に並べているが、回転モータを平面的に展開するとフラット形のリニアモータが得られるように、固定子及び可動子を平面的に展開してフラット形のリニアモータを得ることもできる。
上記実施形態は、ムービングマグネット形のリニアアクチュエータであるが、ムービングコイル形のリニアアクチュエータにすることもできる。
上記実施形態では、θ方向に並べたコイルの内側に第一ないし第三磁石を配置しているが、θ方向に並べたコイルの外側に第一ないし第三磁石を配置することもできる。
上記実施形態では、可動子に第一ないし第三磁石を配置しているが、第一ないし第四磁石、第一ないし第五磁石又はそれ以上の磁石を配置することもできる。この場合でも、各磁石は隣の磁石に対してθ方向の一方向(例えば時計方向)にN極−S極間ピッチの1/2ずれる。すなわち、第三磁石の磁極は第一磁石の磁極と反転する関係にあり、第五磁石の磁極は第一磁石の磁極に一致する関係にある。
上記実施形態では、固定子に一つのコアを配置しているが、2つ以上のコアを配置することもできる。
上記実施形態では、可動子をX方向に移動のみさせているが、可動子をX方向に移動させると共に、θ方向に回転させることもできる。
上記実施形態では、可動子の第一ないし第三磁石が円周方向にN極及びS極を交互に合計6つ磁極を持ち、突極及びコイルの個数が12であるが、磁極、突極及びコイルの個数はこれに限定されるものではない。例えば、第一ないし第三磁石がN極及びS極の合計2つ又は4つの磁極を持つこともできる。また、突極及びコアの個数も2つ、4つ又は8つにすることもできる。
1…可動子(第一部材)、2…固定子(第二部材)、4a〜4d…コイル、6a…第一磁石、6b…第二磁石、6c…第三磁石、5…ヨーク、7…セグメント磁石、8…コア、8a…突極、8b…コア本体、11…内側コイル、12…外側コイル、P1…N極―S極間ピッチ

Claims (10)

  1. 第一部材が第二部材に対して一方向に相対的に移動可能なリニアアクチュエータであって、
    前記第一部材は、前記一方向に並べられる第一磁石、第二磁石及び第三磁石を有し、
    前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、前記一方向と直角な方向にN極及びS極を有し、
    前記第二磁石のN極及びS極が、前記第一磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、
    前記第三磁石のN極及びS極が、前記第二磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にずれており、
    前記第二部材は、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記第一部材に対向する少なくとも二つの突極と、前記一方向と直角な方向に並べられ、前記突極に巻かれる少なくとも二つのコイルと、を有し、
    前記少なくとも二つのコイルは、A相のコイルとA相に対して位相が90度ずれたB相のコイル、又はA相のコイルとA相に対して位相が270度ずれた/B相のコイル、又は/A相のコイルと/A相に対して位相が90度ずれた/B相のコイル、又は/A相のコイルと/A相に対して位相が270度ずれたB相のコイル、又は正弦波で励磁されるコイルと余弦波で励磁されるコイルを含むリニアアクチュエータ。
  2. 前記第二磁石のN極及びS極が、前記第一磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にN極−S極間ピッチの1/2ずれており、
    前記第三磁石のN極及びS極が、前記第二磁石のN極及びS極に対して前記一方向と直角な方向にN極−S極間ピッチの1/2ずれていることを特徴とする請求項1に記載のリニアアクチュエータ。
  3. 前記一方向は、X方向であり、
    前記一方向と直角な方向は、X方向に直交するYZ平面における円周方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載のリニアアクチュエータ。
  4. 前記突極は、リング形のコア本体に結合されることを特徴とする請求項3に記載のリニアアクチュエータ。
  5. 前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、半径方向に着磁された複数の円弧形のセグメント磁石から構成されることを特徴とする請求項3又は4に記載のリニアアクチュエータ。
  6. 前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石は、高さ方向に着磁された複数の板状の磁石から構成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のリニアアクチュエータ。
  7. 前記突極の前記一方向の長さは、前記第一磁石、前記第二磁石及び前記第三磁石の前記一方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載のリニアアクチュエータ。
  8. 前記突極の先端の、前記一方向の端部には、面取りが施されることを特徴とする請求項1又は2に記載のリニアアクチュエータ。
  9. 前記少なくとも二つのコイルは、A相のコイル、このA相のコイルに対して位相が90度ずれたB相のコイル、このA相のコイルに対して位相が180度ずれた/A相のコイル、及びこのA相のコイルに対して位相が270度ずれた/B相のコイルを含むことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載のリニアアクチュエータ。
  10. 前記少なくとも二つの突極及び前記少なくとも二つのコイルは、前記一方向に一列のみ設けられ、
    前記リニアアクチュエータは、前記第二部材に対して前記第一部材を前記一方向に振動させることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載のリニアアクチュエータ。
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