JPH01133553A - 直進アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、分割配置された超電導コイルに選択的に電流
を通電もしくは、電流移動させ、永久電流が形成する永
久磁界により、可動部材を移動、停止させるようにした
直進アクチュエータに関する。

［従来の技術〕 アクチュエータの移動部材の停止位置を、無段階連続的
にもしくは細かい離散ピッチで段階的に決定でき、かつ
停止点から次の任意の停止点に向けて速やかに移動でき
る種電気的制御を可能として直進アクチュエータは、広
範な応用性がある。たとえばＸステージやＸＹステージ
の移動源とした一般的に利用でき、具体的例には工作機
械のステージや、ＸＹプロッタのペン移動装置として利
用する場合が挙げられる。また電子機器の部類でも、た
とえばフロッピーディスク、ハードディスク等の磁気デ
ィスクメモ！Ｊ　−（Ｄ　＜ラド送り機構、光学ディス
クの同様な、ラド送り機構に利用される。更にまたスチ
ルカメラ、ビデオカメラ等光学機器の対物レンズについ
ても、自動焦点検出技術の進展に伴なって電気的に移動
制御する機構が一般化しつつあり、ズーミングを手元で
操作するいわゆる□　　パワーズームのような例を含め
同様な直進制御を行なう移動源として利用できる。

このような電気的制御可能な直進移動系を、第７図の例
で一般的に説明すると、図で１１は固定部材であり、系
全体を支持するためのものである。そしてこの同部材１
１には後述可動部材１５に回転力を与えるモーター１２
、回転運動を直進運動に変換するネジ部１３ａが備えら
れている。そ−ター１２の回転はギヤ伝達系１４を通し
て可動部材１５に伝えられ、同可動部材１５には上記ネ
ジ部１３ａと出入可能に螺合するネジ部１３ｂが備えら
れていて、回転の結果として直進運動する。可動部材１
５の位置決めは、不図示のエンコーダを用いて行なうの
が一般的で、これは光学的であっても、また機械的、電
気的、磁気的のいずれのものであってもよく、エンコー
ダの出力する位置情報に基づいてモーターの移動方向、
移動力を制御する方法がとられる。

第７図で説明される方式は、可動部材１５が回転しても
良い場合に採られる方法であって、具体的には光学レン
ズの焦点調整、ズーミング等に好ましく用いられる。ま
た可動部材１５以遠に軸方向回転を制限した第２の可動
部材を軸方向移動を連係させて設け、直進運動のみを伝
達する様に機構設計することも勿論できる。

ディスク装置のヘッド送り機構等では、この様な例が多
く採用される。なお、歯車の組み合せをラック及ピニオ
ン形式としたり、直線歯車を用いたりしても類似の直進
移動系を構成することができる。

［発明が解決しようとしている問題点］従来用いられて
きた上述機構は、モーター、動力伝達系の回転−直進変
換系、可動部材軸受は等を必須の要素として持ち、これ
ら各要素の連係構造からなる機構では木質的に避けられ
ない問題点がある。すなわちエネルギー効率、空間的な
サイズの制約、移動速度、停止点での安定性、更には送
りの精度等の問題である。

例えば従来用いられてきた機構のエネルギー利用効率は
著しく低く、これはモーターでのジュール熱、摩擦損失
、動力伝達系の損失、回転−直進変換系の損失等がある
上に、停止時の位置安定性を得るため可動部材と固定部
材との間に摩擦係合間係の構造が採用されているためで
ある。停止時の位置安定性の確保のためには、歯車、ネ
ジ等のかみ合いの強さ、独立した摺動部材等用いつるが
、停止時に安定して停止しつづけるためには本質的に摩
擦を必要とする。なお、停止時のみ摩擦部材を挿入する
方法もあるが、この様な構成では移動の応答性が損なわ
れる。速やかな応答性を要する用途では摩擦を与え、摩
擦に打ち勝つ強力な動力を与えることで要求を実現する
のが普通である。または停止時にも通電しつづけて連続
的に稼動させるようなビデオカメラの自動焦点レンズの
例もある。可動部材を移動停止するために要する真のエ
ネルギーは可動部材の質量に対応する加速、減速のエネ
ルギーのみであるから従来の移動方法は損失の多いもの
といえる。

電子的機器や携帯用光学装置等に用いられるアクチュエ
ータは、一般に小型であることの要求が特に強くあるが
、小型であることと移動速度とは相反する要求である。

例えば高速応答性を得るには、強力なトルクのモーター
を用いねばならないが、これは装置の大型化をもたらす
。また電磁的モーターは電流移動であるため、強いトル
クを得るための大電流は太し）巻線、従がってモーター
の大型化に結びつき、また機構部品の大型化も促進され
る。このため、上記の様な小型精密装置にはシステム構
成上多くの制約がもたらされるのである。

自動焦点検出装置を搭載したスチルカメラを例にして、
以上の問題を更に具体的に考えると、小型化によりレン
ズ移動に相当の時間を要したり、速写コマ速の制限、動
いている被写体への追従遅れ等を発生することが考えら
れる。

また通常の自動焦点検出撮影の場合でも、長焦点距離の
レンズでは初期位置から合焦点までのレンズ移動量が大
きいので時間がかかり、撮影者の、意図した瞬間にシャ
ッターレリーズできない。ビデオカメラの自動焦点調整
機構でも、レンズの移動速度が遅いために被写体の動き
、画面フレーミングの移動に追従できないという問題を
生じている。また、ディスクメモリー装置に於ては、高
速ヘッドトラッキングに限界があるためにシステム構成
を制約される場合が多い。たとえばトラック数の多いシ
ステムでのアクセス時間が長くなるし、複数トラックの
データから１つの統合的処理をする場合、リアルタイム
性が劣化する。特に、ビデオディスクやスチルビデオフ
ロッピー等アナログのビデオデータを扱う場合、マルチ
トラックの統合的処理がむずかしくなる。

以上の様な理由からエネルギー利用効率が高く、小型で
高出力の特性をもつ直進アクチュエータが得られれば、
小型携帯機器の電池消耗量の低減、発熱量の低減、装置
の小型化、システム構成上の自由度の増大等極めて多面
的なメリットをもたらすものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は以上の観点からなされたものであり、その特徴
は、一つの軸方向についての相対的な移動が可能に嵌り
合いされた棒状部材および筒状部材を有し、これら棒状
部材又は筒状部材のいずれか一方は、上記軸方向に関し
て隔設配置された複数の超電導コイルを備えると共に、
棒状部材又は筒状部材のいずれか他方は上記軸方向に磁
化されて配置された磁石を備え、上記複数の超電導コイ
ルには、選択通電あるいは電流移動の可能な通電手段を
接続したという構成をなす直進アクチュエータにある。

前記構成の棒状部材はそれ自体が中空の筒状部材であっ
てもよく、例えばレンズ系を内部に組込んだレンズ鏡房
とする場合を例示できる。

本発明の直進アクチュエータは超電導コイルに大電流を
流し応答性の高い移動を実現する一方、超電導コイルは
ジュール熱損失がないので停止位置においてコイルに永
久電流を継続的に流しつづけることにより、安定した位
置に停止することができる。選択的に通電可能な複数の
超電導コイル間で環状電流の移動を行なうことにより電
力利用効率を高めることができる。また本発明になる直
進アクチュエータは、停止の位置で安定に位置を保持す
る機構が、超電導コイルの発生する永久磁界による磁石
の束縛であって摩擦ではなく、従って、固定部材と可動
部材との間には摩擦は一切無い。本発明の直進アクチュ
エータはメカニカルな動力伝達機構が不要でありて、摩
擦抵抗は軸受摩擦と空気の粘性のみであり、低摩擦の軸
受けを用いれば可動部材の摺動損失は極度に低下する。

特に超電導コイルをマイスナー効果を応用した超電導軸
受けに兼用した場合には、エアベアリングを簡単に導入
できる。

［実　施　例］ 本発明の直進アクチュエータを光学レンズの移動に用い
た実施例を以下に説明する。

第１図に本実施例の概略図を示す。部材２１は固定鏡胴
であり、マウント部２７を介して不図示のカメラ本体に
機械的に固定されている。

固定鏡胴２１内部には、光学レンズが配置されていても
良い。マウント部２７はカメラ本体と情報通信する電気
接点を有し、また電源をカメラ本体から受ける接点を有
する。この固定鏡胴２１内部には不図示の制御回路が内
蔵されていて、カメラ本体の主制御回路からの指令情報
に基づいて、レンズの移動量、停止目標位置等を演算し
、この固定鏡胴２１の軸方向に所定間隔で配置されてい
る複数の超電導コイル２３１゜２３２．２３３等に対し
て選択的に通電し、レンズを移動、停止するようなって
いる。尚、情報処理演算の総量のカメラ側とレンズ側の
分担比率は、システム構成の設計において適宜決めれば
よい。

２２は可！ｊ鏡筒であり、内部に焦点調整のための光学
レンズ（図示せず）を有し、前記固定鏡胴２１の筒内に
浮動的に収納されている。

またこの可動鏡胴２２は図の矢印２７の方向に磁化され
た環状の磁石２４を有し、この磁石２４を固定鏡胴２１
側の超電導コイルの強力な磁界で移動することで固定鏡
胴２１内を前後動できるようになっている。更に可動鏡
胴２２にはその鏡胴端に比較的近い位置に鏡胴の径方向
２６に磁化された少なくとも２個の環状磁石２５、．２
５．が設けられていて、前記固定鏡胴側の超電導コイル
２３との間に生ずるマイスナー効果で、可動性鏡胴２２
を固定鏡胴２１内で浮動的に支持し、非接触型の軸受け
が構成されている。この場合、環状磁石２５□、２５□
等の幅は、超電導コイル２３のピッチより広いことが安
定したマイスナー効果を得るために必要である。なお、
超電導コイルと磁石との内外の相対関係は逆であっても
よく、また可動鏡胴に超電導コイルを設け、固定鏡胴に
磁石を設ける様に配置しても動作原理は変わらない。

次に第２図、第３図を用いて前記レンズの系の可動鏡胴
２２の６動原理を説明する。第２図は超電導コイル２３
と環状磁石２４の位置関係を断面で示したものである。

符号３１．３２等は可動鏡胴２２内部の焦点調整用の光
学レンズを示している。環状磁石２４をコイル磁界で移
動する方法は−通りではなく、大別して磁界の斥力を用
いる方法、吸引力を用いる方法、さらに両者を同時に協
働させる方法のいずれでもよいが、以下吸引力を用いた
一例を示す。ここで超電導コイル２３ｊに永久電流が流
れその磁界に吸引される形で停止している状態を示した
のが第３図（ａ）である。コイル２３．のみに電流が流
れ、他のコイルには電流が流れていないかまたは相対的
に小さい電流が流れている。この場合磁石２４の作る磁
界と、コイル２３」の作る磁界は磁石の磁極近傍で同方
向にあり、磁石はコイルの直近において力学的に最も安
定している。

超電導コイルは、周知の如くその特性上ジュール損失が
ないので一度停止状態に達すると、永久に環状電流が流
れつづけ、磁石を固定しつづける一方、コイルには電流
を供給する必要がない。また、大電流を流せるため形成
する磁界は強力であり、ターン数の少ないコイルで有効
に磁石を束縛できる。たとえば臨界電流１０’Ａ／ｍｍ
２の超電導線材を用いれば、０．１ｌＩＩＩ１１径のコ
イルで略１０２Ａの電流を流すことが出来、稠密にコイ
ルを配置して送りのピッチを細分化できる。レンズの送
りピッチ所要値は、開口下値で異なるが少なくとも０．
１ｍｍのオーダーを要することが多い。

次ぎに可動鏡胴２２を軸方向に移動させる場合を説明す
る。

磁石２４をコイル２３ｊの直近から２３」＊１の方向に
移動するには第３図（ｂ）　に示す様にコイル２３．の
環状電流を減じ、同じ方向の環状ｔ　流をコイル２３ｊ
＋１に流しはじめれば良い。

磁石２４はコイル２３　Ｊｕｌの作る磁界に吸引され移
動を開始する。この通電切換えのプロセスが完全に終了
してコイル２３ｊの電流がＯになり、コイル２３　ｊ＋
ｒの電流が支配的となれば、磁石２４はコイル２３Ｊ＋
１の直近で安定に停止する。この一連のプロセスに於て
、コイル２３　Ｊｕｌに流す電流は新たに電源から供給
しても良いが、既に公知の方法によりコイル２３」の電
流を移動させても良い。その場合は例えば特開昭５９−
６１４４３、特開昭６１−１０９４３４等に開示された
技術を用いることができる。この方法によればエネルギ
ーロスを大幅に減少できる。

いづれにしても、この種の通電切換え制御を行なうには
超電導コイルにスイッチ（望ましくは超電導スイッチ）
が必要である。

上記移動方法によれば、分割された各超電導コイルのタ
ーン数を少なく構成でき、コイルインダクタンスが小さ
い本実施例では極めて高速の移動制御を行なえる。つま
り一定電圧をかけたときのコイル電流の立ち上がりはイ
ンダクタンスに逆比例するので、インダクタンスが小さ
いほど高速移動できるからである。

本実施例の移動方法において、電流移動を途中でとめた
とえば第３図で超電導コイル２３゜と同２３」や、に等
しい電流を流せば、中間の位置に可動鏡層２２を停止さ
せることもできる。

また電流分割を任意の比率に制御すれば中間位置だけで
なく任意点への停止が連続的に行なえる。停止時の可動
部材の束縛力はコイル形状、環状マグネット形状、両者
の相対的位置関係、コイル磁界、環状マグネット磁界等
に依存し所要値に対して設計できる。

［他の実施例］ 本発明を光学レンズに適用した第２の実施例を第４図に
より説明する。

前実施例と同様に、固定鏡胴２１はマウント部２７を介
して、不図示のカメラ本体に固定され、一方可動鏡胴２
２は、図の矢印２６の方向に磁化した環状磁石２５１．
２５２を有していて、これら磁石２５．．２５２と固定
鏡胴２１の超電導コイルとのマイスナー効果により浮動
的に支持される。

すなわち本実施例の固定鏡胴２１は、ピッチの異なる２
組の超電導コイル群５３□、５３２．・・・と、群５８
　＋、５８２．・・・を有し、対応して可動鏡胴は環状
マグネット５４および環状マグネット群５９　＋、５９
２．・・・を有している。そして第１の超電導コイル群
５３　＋、５３２．”・・に選択的に通電することによ
り環状マグネット５４の位置を制御して粗い送りの移動
を行なう一方、第２の超電導コイル群５８１，５８２・
・・に選択的に通電することで環状マグネット群５９．
．５９２の位置を制御して細かい移動を行なうことがで
きる。

本例の第２の超電導コイル群５８．，５８２・・・は、
ピッチの粗いコイル群５３、．５３２．・・・の１ピツ
チ相当長の寸法内にその全数が配置されている。また、
環状マグネット群５９１，５９２．・・・は前記ピッチ
の粗い第１の超電導コイル群５３１．５３２．・・・の
配列ピッチと同じ間隔で配置され、実際にはその内の１
個だけが位置制御の対象となる。この様な２種類のピッ
チの異なるコイルと磁石の系の組み合せは、広い範囲を
高い送り精度で動かしたいときに、部材の点数を削減で
きる効果をもたらす利点がある。さらに、前記実施例の
様に隣接コイル間での移動電流の分割制御を併用するこ
とで、その送り精度はより一層高めることもできる。

次ぎに、本発明を磁気ヘッドの送り機構に用いた第３の
実施例を第５図により説明する。

同図において６１は固定ブロックであり、内部の中空部
に可動ブロック６２を浮動的に収容する。この固定ブロ
ック６１は、３本の超電導コイル６３＋　、６３２．６
３３　と、マイスナー効果を利用した非接触軸受けの超
電導部材となるコイル状超電導シート６４＋、６４□を
有する。

固定ブロック６１内部に収容される可動ブロック６２は
、複数の環状マグネット６５．。

６５２、・・・を有し、先端部に磁気へラドスライダ６
７を装着したバネ６６が取り付けられている。このバネ
６６の強度、寸法等はヘッド浮上量、ヘッドディスク相
対速度等に依存する定数である。この可動ブロック６２
は、環状マグネット６５．．６５２・・・と固定ブロッ
ク側の超電導シート６４＋、６４ｚとの磁気的反撥力に
より宙に浮いて浮動的に支持される構造となっており、
環状マグネット８５１．６５□・・・は、移動効率を上
げるため図中矢印６８方向に磁化されているので、若干
エアベアリングの磁気効率は下がっている。なお可動ブ
ロックの面に対して磁化の方向を直交させる構成も可能
であるが、この場合はエアベアリング性能が向上する替
りに、移動の磁気効率が落ち、同じ加速、減速効果を得
るのにより大電流をコイルに流さなくてはならない。移
動とマイスナー軸受を機能的に分離し、専用部材を用い
れば磁気効率は向上する。

光学レンズに関する前述の実施例と異なり、磁気ヘッド
に係わる本実施例の場合は、移動方向を軸とした軸回り
回転が許容されない。そこで何らかの回転を禁止する形
状が必要となり、本実施例ではひとつの例として四角形
状のブロック筒を採用したのである。

本実施例の、アクチュエータ移動は以下の様に行なわれ
る。第６図（ａ）は、超電導コイル６３、に永久電流が
流れ、磁石６５ｊを束縛して可動ブロックを停止させた
状態を示している。次ぎに可動ブロック６２を図中右方
向に動かすには （ｂ）コイル６３．の電流を徐々にコイル６３２に移動
し、またはコイル６３．の電流を減少しつつ、同時にコ
イル６３□の電流をゼロから次第に増加し、磁石６５Ｊ
をコイル６３２の下に最終的に拘束する。

（Ｃ）次にコイル６３□と６３３の間で同様の操作を行
ない最終的に弓イル６３．のみに電流を流し、これによ
り同コイル６３３の下に磁石６５．が拘束された状態に
達する。

（ｄ）永久電流をコイル６３３からコイル６３□に移動
させ、これによりコイル６３．が磁石６５、−、を拘束
する。このときは磁石は８勤しない。

というステップを適宜くり返せばよい。逆方向に動かす
にはコイル６３３のみに電流が流れる状態からステップ
を逆方向に進行させて行なうことができる。この２相ク
ロツクの方法を採る場合は、環状マグネットのピッチの
２倍の密度で３本の超電導コイルを配置し、各ステップ
で電流の移動、もしくは増減を行なうときに２木のコイ
ルに電流が流れている中間的な状態を設けることがよい
。

上記の様なヘッド送り機構は磁気ヘッドに限定されるも
のではなく、光学的もしくは静電的な原理に基づく、デ
ィスクシステムでも全く同様に適用しつる。

［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明になる直進アクチュエータは
極めて、高速アクセスの動作が可能であり、かつ高精度
で軽量、エネルギー効率が高いという特徴を有し、電気
制御性のアクチュエータとして光学レンズ移動、ヘッド
送り、ステージ移動等の直進運動制御に応用しつる。本
発明アクチュエータに用いる超電導材料としてはなるべ
く臨界温度の高いものが実用上の用途が広がり望ましい
が、特に本発明を限定するものではない。本発明のアク
チュエータは用いる超電導素材の性質により、種々の冷
却条件下で使用できる。たとえば、液体窒素で冷却され
た不活性気体中でもよいし、臨界温度の高い超電導素材
では室温ないしそれ以上の高温で使用することもできる
。

本発明で説明した実施例では移動系の部材、即ち、超電
導コイル（もしくは磁石）が、超電導軸受けの一構成要
素として兼用されるものとしたが、これは本発明を実現
する一例であって特にかかる構成に限定されるものでは
ない。

本発明の効果は、超電導軸受けあるいは他の低摩擦軸受
けによる極めて軽減された機械的損失の利益と、選択的
に通電できる分割された超電導コイルの環状永久電流が
もたらす強い磁界、速い電流立上りの特性の利益の組み
合せからもたらされるものであり、この構成により、高
速移動、高精度、小型、軽量、高エネルギー効率等の特
徴を持つ新規な直進アクチュエータが提供できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

図面第１図は本発明よりなる直進アクチュエータをレン
ズ鏡胴の移動手段として適用した実施例の構成概要−例
を、固定鏡胴と可動鏡胴の展開状態で示した図、第２図
は第１図の一部を断面で示した図、第３図（ａ）　、　
（ｂ）　、　（ｃ）は第１図構成装置の移動原理を説明
するための図である。 第４図は本発明よりなる直進アクチュエータをレンズ鏡
胴の移動手段として適用した他の実施例の構成概要−例
を、固定鏡胴と可動鏡胴の展開状態で示した図である。 第５図は本発明よりなる直進アクチュエータを磁気ヘッ
ド送り手段として通用した実施例の構成概要−例を、固
定ブロックと可動プロツりの展開状態で示した図、第６
図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　。 （ｄ）は第５図構成装置の移動原理を説明するための図
である。 第７図は従来の直進アクチュエータを用いて構成した構
成概要−例を固定部材と可動部材の展開状態で示した図
である。 １１・・・固定部材　　　　１２・・・モータ１３ａ・
・・ネジ部　　　　１３ｂ・・・ネジ部１．４・・・ギ
ア伝達系　　　１５・・・可動部材２１・・・固定鏡層
　　　　２２・・・可動鏡胴２３＋　、２３２・・・・
・・超電導コイル２４・・・環状磁石 ２５１．２５□・・・環状磁石 ２７・・・マウント部 ５３、．５３□・・・・・・超電導コイル５４・・・環
状磁石 ５８、．５８２・・・・・・超電導コイル５９＋、５９
２・・・環状磁石 ６１・・・固定ブロック　　６２・・・可動ブロック６
３＋　、６３２．６３３・・・超電導コイル６４、．６
４２・・・超電導コイル ６５１・　６５２・・・・・・環状磁石６６・・・バネ
　　　　　　６７・・・スライダ第１図 第２図 ○　Ｏ○ 第３図 （Ｃ） （ＣＩ）　　　　　：ｂ） 第４図 第５図 ６５ｊ−＋　　　　６５ｊ ６５ｉ−＋　　　　５５１ ＋３ｂ ７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一つの軸方向についての相対的な移動が可能に嵌
   り合いされた棒状部材および筒状部材を有し、これら棒
   状部材又は筒状部材のいずれか一方は、上記軸方向に関
   して隔設配置された複数の超電導コイルを備えると共に
   、棒状部材又は筒状部材のいずれか他方は上記軸方向に
   磁化されて配置された磁石を備え、上記複数の超電導コ
   イルには、選択通電あるいは電流移動の可能な通電手段
   を接続したことを特徴とする直進アクチュエータ。
2. （２）上記棒状部材と筒状部材は、そのいずれか一方に
   配置された超電導コイルといずれか他方に配値された磁
   石により構成される非接触型軸受けにより浮動的な支持
   関係を構成していることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の直進アクチュエータ。