JP6655459B2 - リニアアクチュエータおよびそれを用いた洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、制振対象物について生じる振動を抑制するリニアアクチュエータ、およびそのリニアアクチュエータを備えた洗濯機に関する。

ダンパにリニアアクチュエータを適用することが検討されている。例えば特開2011-106571号（特許文献1）はリニアアクチュエータを用いた洗濯機用の制振制御システムが記述されている。

一方で、家庭電気品は、高性能、省エネルギー、小型化、などが昨今とくに要求され、洗濯機のリニアアクチュエータについても、これらの要求を満たすため永久磁石は磁束密度の高いネオジム系磁石が一般的に使用されてきた。しかし、レアメタルは価格の急激な高騰などの経済的影響を受けやすいため、ネオジム系以外の磁石、例えばフェライト磁石を用いた検討も進められている。

特開2011-106571号 特開2015-12707号

上記特許文献1は円柱状の可動子に永久磁石を有したリニアモータを用いた電磁サスペンションの制振システムが示されている。しかし、電磁サスペンション用モータに要求される仕様・特性などの記載はない。一方、特開2015-12707号（特許文献2）は円柱状の可動子上の磁石配置を工夫したリニアアクチュエータが示され、ヨーク内でループする磁束（無効磁束）を低減し推力が向上することが記載されている。しかしその断面形状は、円弧状の固定子鉄心に空隙（デットスペース）が存在し、例えば家庭電気品に要求される小型化を満足していない。しかも、アクチュエータ単体の技術であり、ダンパとしての制振性に関する記載はない。特許文献2のデッドスペースについて詳述する。図15は特許文献2の斜視図である。磁石23が可動子3の両側に千鳥に配置されている。図16は特許文献2の進行方向から見た側面図である。今、磁石23と第2の磁気歯8ｂが同一面で整列しているとする。この時、可動子3と第1の磁気歯8ａの間には点線で囲ったデッドスペースが発生する。よって体積あたりの出力は、デッドスペースの分だけ低下し、小型・高性能ではなくなる。
リニアアクチュエータにおいて、例えばネオジム系磁石のように残留磁束密度の高い材料を用いた場合は、小さな永久磁石で十分な磁気特性が得られるため、リニアアクチュエータが大型化するのを抑制でき、設置スペースの限られたコンパクトな洗濯機内にも搭載することが可能である。しかしながら、このネオジム系磁石を比較的入手し易いフェライト磁石等に、単純に入れ替えた場合、十分な磁気特性を出すためにはリニアアクチュエータ全体の大型化が避けられない。さらに、リニアアクチュエータが大型化すると、固定子の固定子巻線が長くなるためコイル抵抗が上昇する。リニアアクチュエータのコイル抵抗の上昇は、ダンパとした際に粘性係数が低下し制振性が悪化することが分かった。

本発明の目的は、リニアアクチュエータを大型化することなく特性を確保し、経済性に優れたリニアアクチュエータを提供すること。さらに、このリニアアクチュエータを用いたダンパや制振支持機構を洗濯機などの家庭電気品に提供し、制振性を向上することである。

上記の課題を解決するために、本発明ではその一例として、固定子及び該固定子に対して移動する可動子を１組のみ備えるリニアアクチュエータにおいて、前記可動子は進行方向から見た断面形状が凹凸形状をしており、前記固定子はコイルがそれぞれ巻線された第１の磁気歯と第２の磁気歯が可動子を挟み込むように配置され、かつ第１の磁気歯形状と第２の磁気歯形状が異なる形状としている。

本発明によれば、小型のリニアアクチュエータを提供でき、ダンパとした際に制振性を維持できる。また、前記ダンパを洗濯機の防振支持機構に適用することで、低コストかつ制振性優れた洗濯機を提供することができる。

本発明の実施例1に係るリニアアクチュエータの斜視図である。 本発明の実施例1に係るリニアアクチュエータの側面図である。 本発明の実施例1に係るダンパを示す図である。 本発明の実施例1に係る洗濯機の斜視図である。 本発明の実施例1に係る洗濯機を示す右側断面図である。 公知例1と公知例2に係るリニアアクチュエータの斜視図である。 本発明の実施例1に係る可動子を示す斜視図である。 本発明の実施例2に係るリニアアクチュエータの斜視図である。 本発明の実施例2に係るリニアアクチュエータの側面図である。 本発明の実施例3に係るリニアアクチュエータの斜視図である。 本発明の実施例3に係るリニアアクチュエータの側面図である。 本発明の実施例4に係るリニアアクチュエータの斜視図である。 本発明の実施例4に係るリニアアクチュエータの側面図である。 本発明の実施例1から実施例4に係るリニアアクチュエータの特性表である。 特許文献2（特開2015-12707号）記載のリニアアクチュエータの斜視図。 特許文献2（特開2015-12707号）記載のリニアアクチュエータの側面図。

以下，本発明を実施するための形態の例について，添付図面を参照しながら説明する。なお，各図において共通の構成要素には，同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（実施例１）
図1は本発明の実施例1に係るリニアアクチュエータの斜視図を示す。図2に本発明の実施例1に係るリニアアクチュエータの可動子進行方向から見た側面図をそれぞれ示す。リニアアキュチュエータ1は固定子2と可動子3とから構成される。可動子3は金属板4にサマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5が添付または勘合している。また可動子3は進行方向からみた断面形状が凹凸形状をしている。固定子2はコア6に巻線7を備え、通電することで磁気歯8となる。ここで磁気歯は可動子を挟み込むように上下に配置する。図2において、上に配置した磁気歯を第1の磁気歯8ａ、下に配置した磁気歯を第2の磁気歯8ｂとする。また第１の磁気歯形状8ａと第２の磁気歯形状8ｂは可動子3に対して均一な隙間を有している。そのため、第１の磁気歯形状8ａと第２の磁気歯形状8ｂは回転対称形ではなく、互いに異なる形状となる。

図３に本発明の実施例1に係るダンパの外観を示す。ダンパ9はバネ10とリニアアクチュエータ1で構成される。ここで、弾性体はバネに限定されるものではなく、弾性を有する部材であればゴムや油圧を利用する機構などを適用してもよい。

図４は本発明の実施例1に係る洗濯機を示す斜視図である。図５は本発明の実施例1に係る洗濯機を示す右側断面図である。実施例では洗濯機としてドラム式洗濯乾燥機に適用した例を説明する。

洗濯機の外郭を構成する筐体11は，ベース11aに上に取り付けられており，左右の側板11b，前面カバー11c，背面カバー（図示せず），上面カバー11d，下部前面カバー11eで構成し，箱形状となっている。

ドア12は前面カバー11cの略中央部に設けた衣類を出し入れするための投入口を塞ぐものである。

筐体11の上部中央に設けた操作・表示パネル13は，電気スイッチ14，操作スイッチ15，表示器16を備える。

図5に示す洗濯槽17は回転可能に支持されており，その外周壁および底壁に通水および，通風のための多数の貫通孔を有し，前側端部に衣類を出し入れするための開口部17aを設けてある。洗濯槽17の内側には軸方向に伸びるリフタ17bが複数設けてあり，洗濯，乾燥時に洗濯槽17を回転すると，衣類はリフタ17bと遠心力で外周壁に沿って持ち上がり，重力で落下するような動きを繰り返す。洗濯槽17の回転中心軸は，水平または開口部17a側が高くなるように傾斜している。

円柱状の外槽18は，水槽18aと槽カバー18bで構成している。外槽18は洗濯槽17を同軸上に内包し，後側端面の外側中央に駆動機構19（モータ）が取り付けられている。駆動機構19の回転軸は外槽18を貫通し，洗濯槽17と結合している。

外槽18の底面最下部には排水口18cが設けてあり，排水ホース20が接続している。排水ホース20の途中には排水弁（図示せず）が設けてあり，排水弁を閉じて給水することで外槽18に水をため，排水弁を開いて外槽18内の水を機外へ排出する。外槽18の下部には振動検出装置18dを設けており，外槽18の振動を測定している。測定した振動とあらかじめ設定した閾値を比較し，振幅が大きい時は洗濯槽17の回転を停止し安全な動作を行う。

洗濯槽17の回転数は駆動機構19の制御装置（図示せず）により制御している。よって回転速度検出部として、駆動機構19の制御装置を併用しても、市販の回転センサ（図示せず）を設置しても構わない。

送風ユニット21は筐体11の上部に配置しており，送風用のファンやヒータ（いずれも図示せず），が組込まれている。発熱したヒータにファンで風を送り，洗濯槽17に温風を吹き付けることで乾燥を行う。

外槽18は，下側をベース1aに固定された左右一対のダンパ9からなっており、可動子3の一端は外槽18に，もう一端はバネ10と固定することで防振支持機構22として防振支持している。

ここで、永久磁石について述べる。サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5における主原料の具体的な割合（重量％）は、鉄約73％：サマリウム約24％：窒素約3％である。これに対して従来のネオジム磁石の場合、鉄約66％、ネオジム約28％、ジスプロシウム約5％、ボロン約1％である。このように、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5は希土類の配合割合が小さくなり、市場動向の影響を受け難く、生産性の向上につながる。

さらに、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5は、従来のネオジム磁石やフェライト磁石とは異なり、金型による成形加工が可能である。その結果、磁石の加工精度が向上し、設計通りの製品ができバラツキが軽減できる。更には、希土類であるサマリウムを含む原材料のロスが軽減でき、生産コストの低減につながる。

しかし、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5の適用には次の課題があった。図6に、公知例1として従来のネオジム磁石23を用いたリニアアクチュエータ24と、公知例2として単純に磁石だけをサマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5に変更し同能力のリニアアクチュエータ25を示す。ネオジム磁石23の残留磁束密度約1.3Tであり、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5の残留磁束密度は約0.7Tに比べて大きい。このため、単純にネオジム磁石23をサマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5に置き換え、同能力のアクチュエータを成立させるには、磁石の面積を拡大する必要がある。図中ではサマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5の幅2をネオジム磁石23の幅1の1.86倍（＝1.3T/0.7T）している。よって必然的に可動子3が大型化し、アクチュエータ25が幅方向に大型化する。これは、小型化が必須な家庭電気品では受け入れられない。

さらに、公知例2のアクチュエータ25の巻線7は公知例1より長くなり、巻線抵抗は大きくなる。これでは、ダンパ9の粘性回数Cの悪化を招き、防振支持機構22の制振性を低下させる。

その理由は、巻線の巻線抵抗と、ダンパの粘性係数の関係式より導出することができる。ここで（リニアアクチュエータ）＝（オイルダンパ）と仮定する。オイルダンパの運動方程式は式（1）となる。バネを併用したオイルダンパの場合，減衰率を可変するには，オイルダンパの粘性係数Cを可変すればよい。次に，リニアアクチュエータの推力の運動方程式は式（2）となる。リニアアクチュエータをダンパに適用した場合（1）と（2）が等価であり，式（3）となる。つまり，リニアアクチュエータのモータ定数が同一の場合、抵抗Rが大きくなると、粘性係数Cは小さくなり、制振性が悪化することを示す。

ここに，F_D：ダンパの力（N），C：粘性係数（Ns/ｍ）。

ここに，F_L:リニア発電機の受ける力（N），Ke：モータ定数（N/A），I：電流（A），
V：電圧（V），R(抵抗)，φ：リニア発電機の磁束（T）。

上記問題を解決し、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5をリニアアクチュエータに使いこなすには、磁石面積は拡大するが、巻線抵抗は増加させない（巻線7を長くしない）工夫が必要である。その解決方法として、可動子3の進行方向から見て、磁石を凹凸形状や円弧状に配置することにで、巻線7を長くせずに、磁石面積を拡大できることを見出した。

更に、磁石の凹凸の形状や個数や配置によって、巻線7の長さを短くし、抵抗値を低減できることを見出した。

図7は本発明の実施例1に係る可動子の一例を示す外観図である。可動子3は進行方向から見て直線からなるW字型（2つの3角形）をしている。可動子にはサマリウム-鉄-窒素系の永久磁石5が配置している。この図の場合、板状の磁石を必要枚数（12枚）配置しても、V字型の磁石を複数個配置しても、または成形したW字型の磁石を3ヶ配置してもよい。つまりサマリウム-鉄-窒素系の永久磁石5のコストと成形性、組立性の観念から適宜選択すればよい。
また、図2のように可動子3の進行方向に対して垂直の面からみた場合、可動子3のW字型の形状に沿って、磁気歯8も、W字型の形状を有し、可動子3のW字型の形状と互いに向かい合っている。
可動子3は、第１の可動子面31と第２の可動子面32を有している。第１の可動子面31と第２の可動子面32は、互いに平行であるとともに、巻線7の巻線面71と非平行の面を有する。
第１の磁気歯形状8ａは第１の可動子面31と対向する第１の磁気歯面81ａを有し、第２の磁気歯形状8ｂは第２の可動子面32と対向する第２の磁気歯面81ｂを有する。第１の磁気歯面81ａと第２の磁気歯面81ｂは、それぞれ、第１の可動子面31と第２の可動子面32に沿うように構成されている。結果的に、図2のように可動子3の進行方向に対して垂直の面からみた場合、第１の可動子面31、第２の可動子面32、第１の磁気歯面81ａ、第２と磁気歯面81ｂは、巻線面71と非平行の面を有するとともに、互いに平行な部分を有している。
このように、第１の可動子面31と第２の可動子面32は、巻線面71と非平行の面を有するとともに、互いに平行な面を有し、さらに、第１の磁気歯面81ａ、第２と磁気歯面81ｂは、第１の可動子面31、第２の可動子面32と平行であるため、リニアアクチュエータの小型化が図れるとともに、制振性の維持をすることが可能となる。
なお、第１の可動子面31などの巻線面71に対する非平行の面の内、異なる角度の面は、本実施例では４つあるが、複数あると望ましい。

図8に本発明の実施例2に係るリニアアクチュエータ1の外観を示す。また、図9に本発明の実施例2に係るリニアアクチュエータの側面図を示す。実施例2と実施例1の違いは、可動子3の形状である。実施例2では可動子3が進行方向から見て直線状のV字型（1つの3角形）をしている。
実施例１と同様に、第１の磁気歯形状8ａと第２の磁気歯形状8ｂは回転対称形ではなく、互いに異なる形状となる。また、第１の可動子面31と第２の可動子面32は、巻線面71と非平行の面を有するとともに、互いに平行な面を有し、さらに、第１の磁気歯面81ａ、第２と磁気歯面81ｂは、第１の可動子面31、第２の可動子面32と平行である。このことは以下実施例につても同様である。

また、実施例2は実施例1に比べ、リニアアクチュエータの高さが大きくなっている。このため、リニアアクチュエータの断面形状を長方形から正方形に近づけることが可能であり、様々な方向からの振動やねじれに対する耐力が向上する。

図１０は本発明の実施例3に係るリニアアクチュエータ1の外観を示す。また、図１１に本発明の実施例3に係るリニアアクチュエータの側面図を示す。実施例3と実施例1、実施例2との違いは、可動子3の形状である。実施例3では可動子3が進行方向から見て円弧状のM字型（2つの円弧）をしている。これにより、制振性をより向上させることが出来る。

図１２は本発明の実施例4に係るリニアアクチュエータ1の外観を示す。また、図１３に本発明の実施例4に係るリニアアクチュエータの側面図を示す。実施例4と実施例1から実施例3との違いは、可動子3の形状である。実施例4では可動子3が進行方向から見て半円型（１つの円弧）をしている。

図１４は本実施例1から本実施例4のリニアアクチュエータの特性表である。公知例1として平板形状のネオジム磁石24、公知例２として平板形状のサマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石25を適用した際を示す。公知例1の誘起電圧定数、コイル周長（コイル抵抗）、粘性係数を100とする。さらに各アクチュエータの誘起電圧定数を公知例1と同等（100）にするときに必要であったコイル周長と粘性係数Cを指数で示している。

公知例2は公知例1に対し、コイル長が大きくなり、粘性係数Cが低下している。これに対し、実施例1から実施例4はコイル長を実施例1より短くでき、公知例1同等以上の粘性係数Cを確保できることがわかる。

図14は本実施例の効果を示す一例であり、サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石5の凹凸の角度、円弧の大きさ、磁石メーカの型式（残留磁束密度の大きさ）により自在に設計が可能である。つまりコストと要求仕様に合わせ磁石の形状や配置を最適化すれば、粘性係数Cは更に改善できる。

上述の実施形態では、ドラム式洗濯乾燥機に用いられる防振支持機構について説明したが、ドラム式洗濯乾燥機ではない所謂縦型洗濯機や、洗濯機能を持たない衣類乾燥機にも適用できる。さらには洗濯機に限ることなく家庭電気品の防振・制振用にも適用できる。

1 リニアアクチュエータ
2 固定子
3 可動子
4 金属板
5 サマリウム‐鉄‐窒素系の永久磁石
6 コア
7 巻線
8 磁気歯
8ａ 第1の磁気歯
8ｂ 第2の磁気歯
9 ダンパ
10 バネ
11 筐体
11a ベース
11b 側板
11c 全面カバー
11d 上下カバー
11e 下部全面カバー
12 ドア
13 操作・表示パネル
14 電機スイッチ
15 操作スイッチ
16 表示器
17 洗濯槽
17a 開口部
17b リフタ
18 外槽
18a 水槽
18b 槽カバー
18c 排水口
19 駆動機構（モータ）
20 排水ホース
21 送風ユニット
22 防振支持機構
23 ネオジム磁石
24 公知例1のリニアアクチュエータ（ネオジム磁石）
25 公知例2のリニアアクチュエータ（サマリウム‐鉄‐窒素系磁石）

Claims (7)

1. 固定子及び該固定子に対して移動する可動子を１組のみ備えるリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子は進行方向から見た断面形状が凹凸形状をしており、
   前記固定子はコイルがそれぞれ巻線された第１の磁気歯と第２の磁気歯が可動子を挟み込むように配置され、
   前記第１の磁気歯の形状と前記第２の磁気歯の形状が異なることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 固定子及び該固定子に対して移動する可動子を１組のみ備えるリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子は進行方向から見た断面形状が凹凸形状をしており、
   前記固定子はコイルがそれぞれ巻線された第１の磁気歯と第２の磁気歯が可動子を挟み込むように配置され、
   前記記載の第１の磁気歯形状と第２の磁気歯形状が三角形を基本形状とし、かつ第１の磁気歯形状と第２の磁気歯形状が異なることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 固定子及び該固定子に対して移動する可動子を１組のみ備えるリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子は進行方向から見た断面形状が凹凸形状をしており、
   前記固定子はコイルがそれぞれ巻線された第１の磁気歯と第２の磁気歯が可動子を挟み込むように配置され、
   前記記載の第１の磁気歯形状と第２の磁気歯形状が円弧を基本形状とし、かつ第１の磁気歯形状と第２の磁気歯形状が異なることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 固定子及び該固定子に対して移動する可動子を１組のみ備えるリニアアクチュエータにおいて、
   前記固定子は、コアに巻線を備え、コイルがそれぞれ巻線された第１の磁気歯と第２の磁気歯が前記可動子を挟み込むように配置され、
   前記可動子は、前記巻線の巻く方向の巻線面に対して、非平行な第１の可動子面と第２の可動子面を有するとともに、互いに平行な面を有し、
   前記第１の磁気歯の前記可動子側にある第１の磁気歯面と、前記第２の磁気歯の前記可動子側にある第２と磁気歯面と、前記第１の可動子面と、前記第２の可動子面と、は前記可動子を進行方向から見た場合に、平行であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記可動子に、サマリウム−鉄−窒素からなる永久磁石を有しいていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータと、弾性体と、を有することを特徴とするダンパ。
7. 請求項６記載のダンパからなる防振支持機構と、
   筐体と、
   前記筐体内において衣類を収容する洗濯槽と、
   前記洗濯槽を内包する外槽と、
   前記外槽を前記筐体に弾性支持する防振支持機構として適用したことを特徴とする洗濯機。

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