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電磁アクチュエータ
JP7159451B2
Japan
Worldwide applications
Application JP2021509356A events
2020-03-19
2020-10-01
2022-01-31
2022-10-24
Application granted
2022-10-24
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Active
2040-03-19
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Description
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本開示は、電磁アクチュエータに関する。
磁極が周期的に配列された励磁部と、コイルを備えた電機子とを備え、磁極の配列方向に沿って、励磁部と電機子とが相対移動する、平面状の電磁アクチュエータが提案されている（特開２０１０－１６６７０４号公報参照）。
電機子を平面状に形成する場合、特開２０１０－１６６７０４号公報のように、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせるとコストが高くなる。そのため、コイル用の配線をプリント基板に一体的に形成して、コストを抑えることが考えらえる。
この場合、磁力を集める鉄芯をコイルに組み込むことができないため、アクチュエータのトルクを強くすることが難しい。
上記の問題に鑑み、本開示は、低コストかつ高トルクの電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る電磁アクチュエータは、２つの磁極が交互に配列された励磁部と、直線部と連結部が交互に形成されたコイル部を有する線状配線が形成された基板を備える電機子とを備えた電磁アクチュエータであって、基板は、線状配線に電流を流した際に、第１の方向に電流が流れる直線部が配置される第１の配線領域と、電流が第１の方向と逆向きの第２の方向に流れる直線部が配置される第２の配線領域とが、励磁部と電機子との相対移動方向に沿って交互に配列され、線状配線は、基板の一方の面及び他方の面の両面において、始端部と、コイル部と、終端部とを備え、線状配線に電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる一方の面の直線部と他方の面の直線部とは、基板を挟んで同じ配線領域内に形成される。
上記態様の電磁アクチュエータにおいては、一方の面の線状配線の終端部は、他方の面の線状配線の始端部と導通していてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子は、複数の基板が積層された基板ユニットを備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、基板は、可撓性を有し、かつ、第１の配線領域と第２の配線領域との間に、直線部の長手方向に沿って伸びるスリットを備え、基板ユニットが備える複数の基板は、相互にスリット内に配線領域を収容してもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子は、複数の基板ユニットを備え、複数の基板ユニットは、積層されていてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子を挟んで２つの励磁部を備え、２つの励磁部は、互いに異なる磁極が対向した状態で配置されていてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、相対移動方向と直交する方向を横方向とした場合、励磁部及び電機子の少なくとも１つは、相手の横方向の移動を規制する規制部を備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部及び電機子は、相対移動方向に伸びる凸部を備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部及び電機子は、可撓性を有していてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子に電流を供給する第１の電源部と、励磁部と電機子との相対位置を検出する位置センサとを備え、第１の電源部は、位置センサが検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子に電流を供給する第２の電源部と、第２の電源部から電機子に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、電機子が発生する電圧を計測することにより、励磁部と電機子との相対位置を検出する検出部とを備え、第２の電源部は、検出部が検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部は、相対移動方向に沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、端子群を介して電機子に電流を供給する第３の電源部を備え、励磁部と電機子との相対位置に応じて、電機子に異なる位相の電流が供給されてもよい。
この場合、複数の異なる電流の位相は、３以上であることが好ましい。
本開示によれば、低コストかつ高トルクの電磁アクチュエータを提供することができる。
以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。図１は本実施の形態における電磁アクチュエータ１の外観図、図２は上記電磁アクチュエータ１の電機子を上面から見た概略構成図である。
図１に示すように、電磁アクチュエータ１は、２つの磁極が交互に配列された励磁部１０と、電機子２０とを備える。電機子２０に電流を供給することにより、励磁部１０と電機子２０とが相対移動する。
励磁部１０は、可撓性を有する磁性体シートに、Ｓ極及びＮ極の２つの磁極が交互に着磁されたものである。
図２に示すように、電機子２０は、励磁部１０と対向する対向部２１と、励磁部１０の横方向（すなわち、励磁部１０と電機子２０との相対移動方向Ａ－Ｂと直交する方向）の移動を規制する規制部２２とを備える。電機子２０の対向部２１には、線状配線を備える基板ユニット２５と、励磁部１０と電機子２０との相対位置を検出する位置センサ３１とが設けられている。位置センサ３１としては、ホールセンサ又は光学式エンコーダ等を用いる。
また、電磁アクチュエータ１は、電機子２０に電流を供給する電源部（第１の電源部に相当）３０を備える。電源部３０は、位置センサ３１が検出した相対位置に基づいて電機子２０に供給する電流の位相を変化させる。
ここで、基板ユニット２５の構成について、詳細に説明する。基板ユニット２５は、同様に構成された２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂが組み合わされて構成される。図３は基板４０Ａの外観図、図４は基板４０Ａの上面側の線状配線４２Ａを上面から見た図、図５は基板４０Ａの下面側の線状配線４２Ａを上面から見た図、図６は図３中のＭ－Ｍ線断面図である。また、図７は基板ユニット２５の外観図、図８は図７中のＮ－Ｎ線断面図である。
基板ユニット２５を構成する２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂは同じ構成であるため、基板４０Ａについてのみ説明を行い、基板４０Ｂについての説明は省略する。
図３～６に示すように、基板４０Ａは、可撓性を有するフレキシブル基板４１Ａを備える。フレキシブル基板４１Ａは、並列に配置された複数の線状配線４２Ａを備える。基板４０Ａには、線状配線４２Ａに電流を流した際に、第１の方向に電流が流れる直線部５７Ａ及び５９Ａが配置される第１の配線領域４５Ａと、電流が第１の方向と逆向きの第２の方向に流れる直線部５７Ａ及び５９Ａが配置される第２の配線領域４６Ａとが、励磁部１０と電機子２０との相対移動方向Ａ－Ｂに沿って交互に配列されている。また、基板４０Ａは、第１の配線領域４５Ａと第２の配線領域４６Ａとの間に、直線部５７Ａ及び５９Ａの長手方向に沿って伸びるスリット４３Ａを備える。
図４に示すように、線状配線４２Ａは、フレキシブル基板４１Ａの上面において、始端部５１Ａ、直線部５７Ａと連結部５８Ａが交互に形成されたコイル部５２Ａ、及び終端部５３Ａを備える。また、図５に示すように、線状配線４２Ａは、フレキシブル基板４１Ａの下面において、始端部５４Ａ、直線部５９Ａと連結部６０Ａが交互に形成されたコイル部５５Ａ、及び終端部５６Ａを備える。フレキシブル基板４１Ａの上面の終端部５３Ａは、フレキシブル基板４１Ａの下面の始端部５４Ａと導通している。
複数の線状配線４２Ａは互いに導通しており、図６に示すように、線状配線４２Ａに電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる上面の直線部５７Ａと下面の直線部５９Ａとは、フレキシブル基板４１Ａを挟んで同じ配線領域内に形成される。フレキシブル基板４１Ａの両面に形成された線状配線４２Ａは、絶縁性保護膜４４Ａで覆われている。
図７に示すように、基板ユニット２５は、同様に構成された２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂが積層されて構成される。図８は基板ユニット２５の断面図であるが、分かり易くするため、基板４０Ａの構成部分のみを網掛け表示している。図８に示すように、基板４０Ａのスリット４３Ａに、基板４０Ｂの第１の配線領域４５Ｂまたは第２の配線領域４６Ｂを収容し、基板４０Ｂのスリット４３Ｂに、基板４０Ａの第１の配線領域４５Ａまたは第２の配線領域４６Ａを収容している。
このように、２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂは、相互にスリット内に相手の配線領域を収容しているため、２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂを積層しているにも関わらず、配線領域部分の厚さは基板１枚分と同等の厚さとなる。
［動作原理］
図９及び図１０は、電磁アクチュエータ１の動作原理の説明図である。なお、図９及び図１０中の点線の矢印線は、磁界の方向を表している。
図９及び図１０は、電磁アクチュエータ１の動作原理の説明図である。なお、図９及び図１０中の点線の矢印線は、磁界の方向を表している。
図９に示すように、基板４０Ａの第１の配線領域４５Ａが励磁部１０のＮ極と対向し、基板４０Ａの第２の配線領域４６Ａが励磁部１０のＳ極と対向した状態で、基板４０Ａに電源部３０から電流を供給する。図９では、一例として、第１の配線領域４５Ａにおいて図面に対し手前から奥に向けて電流が流れ、第２の配線領域４６Ａにおいて図面に対し奥から手前に向けて電流が流れた状態を示している。このとき、フレミングの左手の法則により、第１の配線領域４５Ａ及び第２の配線領域４６Ａともに、図中左側に向けて移動する力が発生する。
そのため、励磁部１０と電機子２０とが相対的に移動し、図１０に示すように、基板４０Ｂの第１の配線領域４５Ｂが励磁部１０のＮ極と対向し、基板４０Ｂの第２の配線領域４６Ｂが励磁部１０のＳ極と対向した状態となる。
位置センサ３１により、励磁部１０と電機子２０との相対位置が上記の状態に変化したことが検出されると、電源部３０は、基板４０Ａに対する電流の供給を停止し、基板４０Ｂに電流を供給する。基板４０Ａのときと同様に、第１の配線領域４５Ｂにおいて図面に対し手前から奥に向けて電流が流れ、第２の配線領域４６Ｂにおいて図面に対し奥から手前に向けて電流が流れるようにすると、フレミングの左手の法則により、第１の配線領域４５Ｂ及び第２の配線領域４６Ｂともに、図中左側に向けて移動する力が発生する。
以降は、位置センサ３１により励磁部１０と電機子２０との相対位置を検出しながら、基板４０Ａ及び基板４０Ｂの交互に電流を供給することにより、励磁部１０と電機子２０とを一方向に相対移動させることができる。
［作用効果］
本実施の形態の電磁アクチュエータ１は、基板４０Ａが備えるフレキシブル基板４１Ａにコイルとして機能する線状配線４２Ａを一体的に形成しているため、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせる場合と比較してコストを下げることができる。
本実施の形態の電磁アクチュエータ１は、基板４０Ａが備えるフレキシブル基板４１Ａにコイルとして機能する線状配線４２Ａを一体的に形成しているため、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせる場合と比較してコストを下げることができる。
また、線状配線４２Ａに電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる上面の直線部５７Ａと下面の直線部５９Ａとは、フレキシブル基板４１Ａを挟んで同じ配線領域内に形成されるため、フレキシブル基板４１Ａの片面のみにコイルが形成される場合と比較してトルクを２倍に高めることができる。
また、コイルとして機能する線状配線４２Ａを形成したフレキシブル基板４１Ａは、コイルの鉄心を持たないため、軽量化及び小型化に寄与し、かつコギングが生じることなく、励磁部１０と電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。
また、本実施の形態の電磁アクチュエータ１は、線状配線４２Ａについて、フレキシブル基板４１Ａの上面の終端部５３Ａとフレキシブル基板４１Ａの下面の始端部５４Ａとを導通させて、フレキシブル基板４１Ａの上面及び下面で一本の線状配線４２Ａとしている。これにより、線状配線４２Ａについて、フレキシブル基板４１Ａの上面の終端部５３Ａとフレキシブル基板４１Ａの下面の始端部５４Ａとを導通させない場合と比較して、線状配線４２Ａに電流を供給するための端子の数を半分にできるため、構成を簡素化できる。
また、電磁アクチュエータ１において発生するトルクＦ（単位：Ｎ（ニュートン））は、下記の式で表すことができ、磁界強度Ｂ（単位：Ｔ（テスラ））、電流Ｉ（単位：Ａ（アンペア））、及び線状配線４２Ａにおいて磁界方向と直交する方向の長さＬ（単位：ｍ（メートル））に比例することが分かる。本実施の形態の電磁アクチュエータ１において、線状配線４２Ａは、直線部５７Ａ及び直線部５９Ａを有し、励磁部１０が形成する磁界方向と直交する方向の長さＬを長くし易いため、トルクを高めるのに有利となる。
Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ
Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ
また、電機子２０について、本実施の形態の電磁アクチュエータ１のように、同じ構成の２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂをずらして積層した場合、励磁部１０と電機子２０との相対移動に伴い、基板４０Ａ及び４０Ｂの各々に供給する電流の位相を変化させることができるため、励磁部１０と電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。なお、同じ構成の２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂをずらさずに積層した場合、２つの基板で同時に電流を流すことにより、トルクを２倍に高めることができる。また、積層する基板の数は２つに限らず、３つ以上としてもよい。
また、電磁アクチュエータ１において発生するトルクＦ（単位：Ｎ（ニュートン））は、下記の式で表すことができ、励磁部１０と電機子２０との間の距離ｒ（単位：ｍ（メートル））の２乗に反比例することが分かる。なお、ｋ（単位：Ｎ・ｍ２／Ｗｂ２）は比例定数、ｍ１（単位：Ｗｂ（ウェーバー））は励磁部１０の磁界強度、ｍ２（単位：Ｗｂ（ウェーバー））は電機子２０の磁界強度である。２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂについて、相互にスリット内に相手の配線領域を収容することにより、２枚の基板４０Ａ及び４０Ｂを積層しているにも関わらず、配線領域部分の厚さを基板１枚分と同等の厚さとすることができるため、励磁部１０と電機子２０との間の距離ｒを近づけることができるため、トルクを高めるのに有利となる。
Ｆ＝ｋ・（ｍ１・ｍ２／ｒ２）
Ｆ＝ｋ・（ｍ１・ｍ２／ｒ２）
また、電機子２０は、励磁部１０の横方向（すなわち、励磁部１０と電機子２０との相対移動方向Ａ－Ｂと直交する方向）の移動を規制する規制部２２を設けることにより、励磁部１０の横ずれを防ぐことができるため、励磁部１０と電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。なお、励磁部１０に、電機子２０の横方向の移動を規制する規制部を設けても、同じ効果を得ることができる。
また、励磁部１０及び電機子２０に可撓性を持たすことにより、電磁アクチュエータ１を装置に組み込む際の設計自由度を向上させることができる。
また、励磁部１０と電機子２０との相対位置を検出する位置センサ３１と、位置センサ３１が検出した相対位置に基づいて電機子２０に供給する電流の位相を変化させる電源部（第１の電源部に相当）３０とを備えることにより、励磁部１０と電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。
［変形例］
以上、本開示の技術をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本開示の技術を適用可能な実施の形態は、上述の実施の形態に限定されものではない。
以上、本開示の技術をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本開示の技術を適用可能な実施の形態は、上述の実施の形態に限定されものではない。
例えば、図１１に示すように、電機子２０は、同じ構成の２つの基板ユニット２５Ａ及び２５Ｂを備え、これらの基板ユニット２５Ａ及び２５Ｂを積層して構成してもよい。同じ構成の２つの基板ユニット２５Ａ及び２５Ｂをずらさずに積層した場合、２つの基板で同時に電流を流すことにより、トルクを２倍に高めることができる。また、同じ構成の２つの基板ユニット２５Ａ及び２５Ｂをずらして積層した場合、励磁部１０と電機子２０との相対移動に伴い、基板４０Ａ及び４０Ｂの各々に供給する電流の位相を変化させることができるため、励磁部１０と電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。なお、積層する基板ユニットの数は２つに限らず、３つ以上としてもよい。
また、図１２に示すように、電機子２０の基板ユニット２５を挟んで２つの励磁部１０Ａ及び１０Ｂを備え、２つの励磁部１０Ａ及び１０Ｂは、互いに異なる磁極が対向した状態で配置されるようにしてもよい。このような態様とすることにより、トルクを高めるのに有利となる。
また、図１３に示すように、励磁部１０Ｃは相対移動方向Ａ－Ｂに伸びる凸部１１を備え、電機子２０の基板ユニット２５Ｃは相対移動方向Ａ－Ｂに伸びる凸部２６を備え、励磁部１０Ｃの凸部１１と電機子２０の凸部２６とが重なる状態に構成してもよい。このような態様とすることにより、励磁部１０Ｃと電機子２０との横ずれを防ぐことができるため、励磁部１０Ｃと電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。
また、図１４に示すように、励磁部１０Ｄは相対移動方向Ａ－Ｂに伸びる凸部１２及び凹部１３を交互に備え、電機子２０の基板ユニット２５Ｄは相対移動方向Ａ－Ｂに伸びる凸部２７及び凹部２８を交互に備え、励磁部１０Ｄの凸部１２と電機子２０の凸部２７とが重り、励磁部１０Ｄの凹部１３と電機子２０の凹部２８とが重なる状態に構成してもよい。このような態様とすることにより、励磁部１０Ｄと電機子２０との横ずれを防ぐことができるため、励磁部１０Ｄと電機子２０の滑らかな相対移動を実現できる。
また、第１の電源部と位置センサに代えて、電機子２０に電流を供給する第２の電源部と、第２の電源部から電機子２０に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、電機子２０が発生する電圧を計測することにより、励磁部１０と電機子２０との相対位置を検出する検出部とを備えてもよい。この場合、第２の電源部は、検出部が検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させる。このような態様とすることにより、位置センサが不要となるため、設計自由度が増し、コストを抑えられる。
また、第１の電源部と位置センサに代えて、励磁部１０は、相対移動方向Ａ－Ｂに沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、端子群を介して電機子２０に電流を供給する第３の電源部を備えてもよい。この場合、励磁部１０と電機子２０との相対位置に応じて、電機子２０に異なる位相の電流が供給される。このような態様とすることにより、励磁部１０に対する電機子２０の相対位置の変化により第３の電源部において電流の位相を切り替える必要がなくなるため、コストを抑えられる。この場合、異なる電流の位相は、３以上とすることにより、滑らかな相対移動を実現できる。
上記以外にも、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
２０１９年３月２８日に出願された日本出願特願２０１９－０６４７８２の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (13)
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- ２つの磁極が交互に配列された励磁部と、
直線部と連結部が交互に形成されたコイル部を有する線状配線が形成された基板を備える電機子とを備えた電磁アクチュエータであって、
前記基板は、前記線状配線に電流を流した際に、第１の方向に電流が流れる前記直線部が配置される第１の配線領域と、電流が前記第１の方向と逆向きの第２の方向に流れる前記直線部が配置される第２の配線領域とが、前記励磁部と前記電機子との相対移動方向に沿って交互に配列され、
前記線状配線は、前記基板の一方の面及び他方の面の両面において、始端部と、前記コイル部と、終端部とを備え、
前記線状配線に電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる前記一方の面の前記直線部と前記他方の面の前記直線部とは、前記基板を挟んで同じ配線領域内に形成され、
前記電機子は、複数の前記基板が積層された基板ユニットを備え、
前記基板は、可撓性を有し、かつ、前記第１の配線領域と前記第２の配線領域との間に、前記直線部の長手方向に沿って伸びるスリットを備え、
前記基板ユニットが備える複数の前記基板は、相互に前記スリット内に配線領域を収容する
電磁アクチュエータ。 - 前記一方の面の前記線状配線の終端部は、前記他方の面の前記線状配線の始端部と導通している
請求項１に記載の電磁アクチュエータ。 - （削除）
- （削除）
- 前記電機子は、複数の前記基板ユニットを備え、
前記複数の前記基板ユニットは、積層されている
請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子を挟んで２つの前記励磁部を備え、
２つの前記励磁部は、互いに異なる磁極が対向した状態で配置される
請求項１、２、および５のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記相対移動方向と直交する方向を横方向とした場合、
前記励磁部及び前記電機子の少なくとも１つは、相手の前記横方向の移動を規制する規制部を備える
請求項１、２、５、および６のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部及び前記電機子は、前記相対移動方向に伸びる凸部を備える
請求項１、２、および５から７のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部及び前記電機子は、可撓性を有する
請求項１、２、および５から８のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子に電流を供給する第１の電源部と、
前記励磁部と前記電機子との相対位置を検出する位置センサとを備え、
前記第１の電源部は、前記位置センサが検出した前記相対位置に基づいて電流の位相を変化させる
請求項１、２、および５から９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子に電流を供給する第２の電源部と、
前記第２の電源部から前記電機子に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、前記電機子が発生する電圧を計測することにより、前記励磁部と前記電機子との相対位置を検出する検出部とを備え、
前記第２の電源部は、前記検出部が検出した前記相対位置に基づいて電流の位相を変化させる
請求項１、２、および５から９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部は、前記相対移動方向に沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、
前記端子群を介して前記電機子に電流を供給する第３の電源部を備え、
前記励磁部と前記電機子との相対位置に応じて、前記電機子に異なる位相の電流が供給される
請求項１、２、および５から９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記複数の異なる電流の位相は、３以上である
請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。