JPH10150759A

JPH10150759A - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JPH10150759A
Application number: JP32074496A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hayashizaki; 伸一林崎; Reiko Kimura; 礼子木村; Hidetoshi Hiroyoshi; 秀俊廣吉
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-06-02
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: JP2939725B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズ等の光学部品をアクチュエータ内に設置
して、変換機構を介さず直線的に駆動、制御できる小型
中空リニアアクチュエータを提供できるようにする。【解決手段】ラジアル方向に単極着磁した希土類のラジ
アル異方性の小型リング状永久磁石１を、中空軸６に固
定して移動体を構成し、電気−力変換部である永久磁石
１とコイル２の厚みを薄くした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアアクチュエ
ータに関し、特にレンズ等の光学部品を駆動、制御する
小型中空リニアアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】

（従来例１）従来、ＣＣＤカメラ、ハンディビデオカメ
ラ等の小型光学機器のレンズ等の光学部品を直線的に駆
動、制御するためには、回転型のモータを歯車等による
回転−直進変換機構を使用して実現しており、レンズ等
を収納する鏡筒の外部にモータおよび変換機構を付加し
た構成としていた。（従来例２）また、市場には見あたらないが、中空リニ
アアクチュエータが構成できる可能性のある円筒形のリ
ニアアクチュエータとしては、図６に示す構成のものが
知られている。図６の従来例２において、１は軸方向に
着磁した円筒形の永久磁石であり、軸６に固着され可動
体を構成している。コイル２ａおよびコイル２ｂは、互
いに逆極性となるようにボビン５に巻回された中空円筒
状のコイルであり、磁石１の端部の磁極の外周に各々の
コイルの中心が、永久磁石１の端部と概略一致するよう
に、僅かな間隙を有して配置される。

【０００３】軟磁性体よりなる円筒状のケース４は、コ
イル２ａおよびコイル２ｂの外周に配置されバックヨー
クとして磁気回路を構成する。摺動体３は可動体の軸６
を軸方向に移動自在に保持するための軸受けである。（従来例３、４）また、円筒形永久磁石を複数個使用し
て円筒形のリニアアクチュエータを構成した従来例とし
ては図７および図８に示すものがある。

【０００４】従来例３は、図７に示すように、軟磁性体
からなる円筒状のケース４の中央部に設けられた円筒状
のコイル２の内側に、軸方向に着磁された円筒状の永久
磁石１ａ、１ｂが相対向する磁極が同極となるよう磁極
片９ａを介して結合され、結合された永久磁石１ａ、１
ｂの各々の他端部には磁極片９ｂ、９ｃが固着され、軸
６と固着されて可動体を構成し、軸方向に摺動自在とな
っている。

【０００５】従来例４は、図８に示すように、従来例３
の磁極片９ｂ、９ｃより出る磁束を有効に利用するため
にコイル２ｂ、コイル２ｃを追加設置したものである。
前記従来例２〜４は永久磁石より発生する軸と直角方向
の磁束成分がコイルと鎖交し、コイルに供給される電流
によりフレミングの左手の法則に基ずいて可動体に軸方
向の推力を発生してさせている。（例えば、従来例３と
しては実公昭６２−２７０２５、従来例４としては特開
平６−３１５２５５号公報参照）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来、歯車等の回転−
直進変換機構を有するリニアアクチュエータの場合に
は、回転運動を直線運動に変換するための変換機構の効
率が悪い。また、歯車等で減速されるために移動速度が
遅い。さらに、変換機構より騒音を発生するという問題
点があった。

【０００７】また、歯車等の回転−直進変換機構にはバ
ックラッシ、ガタがあり精度を出しにくいという問題点
があり、さらに、鏡筒の外部にモータおよび変換機構を
設けた構成としていたために小型にはならず、その上、
形状が異形となりデザイン上の問題もあった。

【０００８】従って、直接レンズ等の光学部品をリニア
アクチュエータ内に設置して、変換機構を介さずダイレ
クトに直線的な駆動、制御ができる小型の円筒形中空リ
ニアアクチュエータが望まれていた。リニアアクチュエ
ータを使用して直接光学部品を駆動、制御するものが市
場には見あたらないので、前記従来例２から従来例４に
示した従来の円筒形のリニアアクチュエータを応用し
て、小型の中空リニアアクチュエータを構成することを
考えてみる。

【０００９】図９は、従来例２に使用された永久磁石に
ついて磁場解析による磁束線の流れを示したものであ
る。前記図９より、永久磁石から発生する磁束のうちで
軸に垂直な成分は、永久磁石の端部のごく一部だけであ
り、さらに、永久磁石の両端部では互いに逆極性となっ
ているので、コイル１個では磁石の中心とコイルの中心
が一致する位置で停止するので、コイル２個を磁石の端
部近傍に配置しなければならない。また、前記永久磁石
の中央部には推力発生に寄与する軸に垂直な成分の磁束
は全くない。

【００１０】また、永久磁石１がコイルの電流による電
磁力で駆動されて移動し、永久磁石１の長さ方向の中心
部がどちらかのコイルの長さ方向の中心に近ずくに従っ
て、逆極性の磁極の影響が強くなり、推力が減少し、さ
らに移動すると一定位置で停止する。

【００１１】従って、推力は一定とならず移動位置によ
り大きく変化する。また、前記停止位置は、コイルと磁
石の特性および、軸方向の位置関係により異なるが、永
久磁石の長さ方向の中心とコイルの長さ方向の中心が概
略一致する位置付近である。これにより、リニアアクチ
ュエータのストロークは概略永久磁石の長さに制限され
る。

【００１２】同様に、図１０は、従来例３、４に使用さ
れた永久磁石について磁場解析による磁束線の流れを示
したものである。この場合でも２個の同極の磁石が相対
向している部分と、各々の磁石の他端部の一部だけに、
推力発生に寄与する軸に垂直な成分の磁束があるだけで
ある。前記図９、図１０より、推力発生に寄与する軸
に垂直な磁束成分の比率が低いという問題が明確であ
る。従って、永久磁石とコイルの厚みを薄くできず、外
径を小型にしたままで軸を中空にすることは困難であ
る。

【００１３】また、従来例２と同様に従来例３、４にお
いてもリニアアクチュエータのストロークは、概略磁石
１個の長さに中間磁極９ａの長さを加えた長さに制限さ
れる。また、前記図９、図１０から明白なように、軸方
向に着磁された永久磁石を使用する場合は、推力発生に
全く寄与しない中間部を取り除くことは原理的に不可能
であるから、円筒形のリニアアクチュエータの軸方向の
長さを短くできない。

【００１４】加えて、リニアアクチュエータのストロー
クは永久磁石の長さによって制限を受けるという大きな
問題点があり、さらに推力は一定にならず、永久磁石の
移動位置により変化するので、制御しにくいという問題
点がある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、直接レンズ等の光学部品をアクチュエータ内に収
納して直線的に駆動、制御できる中空リニアアクチュエ
ータを構成する。小型の中空リニアアクチュエータを構
成するためには、電気−力変換部である永久磁石とコイ
ルの厚みを薄くしなければならない。

【００１６】そこで、本発明では、ラジアル方向に単極
着磁した希土類のラジアル異方性の薄い小型リング状永
久磁石を使用した。図３は、本出願人が出願中のラジア
ル方向に単極着磁した希土類のラジアル異方性の薄い小
型リング状永久磁石の中心軸を含む面の２断面のうち１
断面について磁場解析による磁束線の流れを示したもの
である。前記図３より本出願人が出願中のラジアル方向
に単極着磁した永久磁石では、軸方向全長にわたって軸
方向の推力発生に寄与する軸に垂直な磁束成分の比率
が、前記従来例２から従来例４に比して著しく高いとい
うことが明白である。

【００１７】また、本出願人が出願中のラジアル方向に
単極着磁した永久磁石では、前述した従来例とは異な
り、推力発生に全く寄与しない部分がないためにアクチ
ュエータの軸方向の長さを短くできる。さらに、コイル
の長さを長くすればコイルの長さに応じたストロークが
得られ、磁石の長さによるストロークの制限は受けず、
自由にストロークを設計することができる。

【００１８】このため、推力発生部の磁石とコイルの厚
みを薄くでき、小型中空としても推力を低下させること
がない。さらに、ストロークを自由に設計でき、軸方向
の長さの短い小型の円筒形中空リニアアクチュエータを
構成することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、直接レンズ等の光学部
品をアクチュエータ内に設置して直線的に駆動、制御で
きる中空リニアアクチュエータを提供するために、本出
願人が先に出願した特許「ラジアル配向磁石の製造方法
およびラジアル配向磁石（特開平６−２６７７７４）」
を応用して製造した、ラジアル方向に単極着磁した希土
類のラジアル異方性の薄い小型リング状永久磁石を、中
空軸に固定して移動体を構成している。

【００２０】ラジアル方向に単極着磁したリング状永久
磁石を使用したことにより、コイルと鎖交する軸と直角
方向の磁束成分の比率が前記従来例と比較して格段に高
いため、磁石とコイルの厚みを薄くすることでき、軸を
中空軸とすることが可能となる。

【００２１】また、本発明では、ラジアル方向の着磁と
したため、ストロークが永久磁石の長さに制限されず、
また、磁石の軸方向には磁束がほとんどない部分や磁束
の極性が逆転したりする部分がないので、軸方向の磁束
密度分布の変化が少ないため推力の変化も少なく制御が
容易で、さらに軸方向の長さも短くすることができる。

【００２２】ここで前記本出願人が先に出願した特許
「ラジアル配向磁石の製造方法およびラジアル配向磁石
（特開平６−２６７７７４）」について簡単に説明す
る。一対のパルスコイルによって同極が対向するように
配置された空芯ソレノイドコイルによる磁場を形成し、
前記形成された磁場中において磁石粉末をパルス的にラ
ジアル配向させ、前記ラジアル配向された磁石粉末を絶
縁体からなる手段によって加圧成形したラジアル配向し
たリング状永久磁石を製造し、ラジアル方向に単極着磁
する。

【００２３】また、図５に示すように、リング状永久磁
石の外径が小になるに従って、従来の方法で製造された
リング状永久磁石では、磁気特性が急激に低下するのに
対して、本発明に使用したリング状永久磁石（「ラジア
ル配向磁石の製造方法およびラジアル配向磁石（特開平
６−２６７７７４）」を応用して製造したリング状永久
磁石）では、磁気特性低下は僅かである。

【００２４】また、従来の方法で製造されたリング状永
久磁石と本出願人が出願中のリング状永久磁石との磁気
特性に差が生じるのがリング状永久磁石の外径≦Φ２５
ｍｍであるので、外径２５ｍｍ以下のリング状永久磁石
を使用する小型の円筒形中空リニアアクチュエータで
は、本出願人が出願中のリング状永久磁石を使用するこ
とが効果的である。

【００２５】固定部に摺動体を設けた図１に示す実施例
１では、中空軸の軸方向の長さは、固定部の長さに可動
体の可動距離を加えた長さが必要で、中空軸の長さ、す
なわち可動体の長さを十分には短縮できない。この問題
を解決するために、図２の実施例２に示すように、可動
部の中空軸に摺動体３を設け、ボビン５の内面で前記摺
動体３を保持するようにすれば軸方向の長さを短縮でき
る。

【００２６】さらに、図１に示す本発明の実施例１に示
すように、軸の長さがコイルの長さより長い場合、軸の
材質を軟磁性材にすると、コイル２と軸６との間に推力
に寄与しない磁路が形成され、効率が低下するので軸の
材質は非磁性であることが望ましい。

【００２７】また、中空軸６は可動体の一部であり、ア
クチュエータを重力方向に設置した場合には、外部に取
り出せる推力に対して可動体は負荷となるので、可能な
限り軽量とすることが望ましい。従って、材質としては
樹脂またはアルミ等の比重の小さい材質を選定すべきで
あり、耐久性、耐環境性、磨耗に対する耐久性を考慮し
て、本発明の中空軸６の材質はアルマイト処理等の表面
硬化処理を施したアルミ材とした。しかし、軸６の材質
はアルミ材に限定されるものではない。

【００２８】また、図２に示す実施例２では、コイルの
長さに比して中空軸長を十分短くできるので、この場
合、中空軸６を前記のアルマイト処理等の表面硬化処理
を施したアルミ材とすることもできるが、コイル２と軸
６との間に推力に寄与しない磁路部分がほとんどないた
めに、中空軸６を軟磁性材とすることにより、有効な磁
路が形成され、効率が向上する。

【００２９】上記のように構成された本発明の小型の中
空リニアアクチュエータは、ラジアル方向の着磁とした
ため、ストロークが永久磁石の長さに制限されず、推力
に寄与する軸に垂直な磁束成分が小型にしても十分得ら
れるので、磁石とコイルの厚みを薄くできる。

【００３０】また、軸の長さがコイルの長さより長い場
合には、中空軸の材質を非磁性とし、表面硬化処理を施
したアルミ材として耐久性を向上させるとともに軽量化
したため実質的に利用できる推力の減少を軽減させる。
さらに、実施例２に示したように、可動部とボビンに軸
受け機能を持たせることにより、可動部の軸方向長さを
短縮することができる。

【００３１】

【実施例】

［実施例１］実施例について図面を参照して説明する
と、図１は本発明の固定部に摺動体を設けた例である。

【００３２】図１において、１は「ラジアル配向磁石の
製造方法およびラジアル配向磁石（特開平６−２６７７
７４）」を応用して製造したラジアル方向に単極着磁し
た希土類のラジアル異方性の薄い外径２５ｍｍ以下のリ
ング状永久磁石であり、中空軸６に固着され、可動体を
構成している。また、中空軸６は前述したように、アル
マイト処理等の表面硬化処理を施したアルミ材を使用し
ている。また、中空軸６の内径にはレンズ７を装着し
た。

【００３３】ここで、単極着磁とはモータ等で使用され
る多極着磁と異なり、リング磁石の内周および外周はそ
れぞれすべて同極であり、外周と内周は異極である着磁
方法をいう。コイル２は、ボビン５に巻回された中空円
筒状のコイルであり、磁石１の外周に僅かな間隙を有し
て配置される。

【００３４】軟磁性体よりなる円筒状のケース４は、コ
イル２の外周に配置され、ケースとしての機能だけでは
なくバックヨークとして磁気回路を構成する。摺動体３
は可動体の中空軸６を軸方向に移動自在に保持するため
の軸受けであり、テフロン等の摩擦係数の低い材料を使
用する。

【００３５】可動体を構成する永久磁石１から発生する
磁束はコイル２と鎖交し、前記コイル２に外部電源より
電流が供給されると、フレミング左手の法則に基ずいて
コイル２に推力が発生するが、コイル２が固定されてい
るので可動体である永久磁石１に反力としての推力が発
生する。

【００３６】前記推力は中空軸６が軸方向に移動自在に
保持されているので軸方向の推力だけが外部に取り出せ
る。従って、永久磁石１から発生する磁束のうち中空軸
６に垂直の成分のみが推力に寄与することとなるので、
中空軸６に垂直の成分の磁束をいかに発生させるかが要
点となる。

【００３７】［実施例２］図２は本発明の別の実施例で
あり、軸方向の長さを短縮する目的で可動部に摺動体３
を設けた例である。図２において、１は実施例１と同様
のラジアル方向に単極着磁した希土類のラジアル異方性
の薄い外径２５ｍｍ以下のリング状永久磁石であり、中
空軸６に固着され、前記磁石の軸方向両端面を、テフロ
ン等の摩擦係数の低い材料を使用した摺動体３により挟
み付けて可動体を構成している。また、中空軸６の内径
にレンズ７を装着した。コイル２は、ボビン５に巻回
された中空円筒状のコイルであり、磁石１の外周に僅か
な間隙を有して配置される。また、ボビン５の内径側は
摺動体３を軸方向に移動自在に保持するための軸受けの
機能も有する。

【００３８】軟磁性体よりなる円筒状のケース４は、コ
イル２の外周に配置され、ケースとしての機能だけでは
なくバックヨークとして磁気回路を構成する。８は可動
体の抜け防止と移動距離の制限を行うストッパ−であ
る。動作原理は実施例１と同じである。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。ラジア
ル方向に単極着磁した希土類のラジアル異方性の薄い小
型リング状永久磁石を使用したことにより、電気−力変
換部である永久磁石とコイルの厚みを薄くできた。

【００４０】そして、本出願人が先に出願した特許「ラ
ジアル配向磁石の製造方法およびラジアル配向磁石（特
開平６−２６７７７４）」を応用して製造したリング状
永久磁石）を使用することにより、外径をΦ２５ｍｍ以
下にしても、リング状永久磁石の小型化による磁気特性
低下は僅かである。

【００４１】さらに、ラジアル方向の着磁としたため、
ストロークが永久磁石の長さに制限されず、自由に設計
できる。また、軸に摺動体３を設け、ボビンの内面で前
記摺動体３を軸方向に移動自在に保持し、ボビンに軸受
け機能を持たせることにより、アクチュエータの軸方向
の長さを短縮することができた。

【００４２】さらに、コイルより軸長が長い場合には軸
の材質を非磁性材にし、コイルより軸長が短い場合に
は、軸の材質を磁性材にすることにより、磁気回路の効
率を向上させることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す縦断面図である。

【図２】本発明の実施例２を示す縦断面図である。

【図３】単極着磁したリング状永久磁石の１つの縦断面
の磁束線の流れを磁場解析した結果を示す図である。

【図４】単極着磁したリング状永久磁石の軸方向の表面
磁束密度分布を磁場解析した結果を示すグラフである。

【図５】本出願人が出願中のリング状永久磁石と従来の
製法で製造した磁石の磁気特性を比較したグラフである

【図６】従来例２を示す縦断面図である。

【図７】従来例３を示す縦断面図である。

【図８】従来例４を示す縦断面図である。

【図９】従来例２に使用された永久磁石と磁束分布をシ
ュミレーションした結果を示す縦断面図である。

【図１０】従来例３および従来例４に使用された２個の
永久磁石と磁束分布をシュミレーションした結果を示す
縦断面図である。

【符号の説明】

1 永久磁石 2 コイル 3 摺動体 4 ケース 5 ボビン 6 軸 7 レンズ 8 ストッパー 9 磁極片

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【手続補正書】

【提出日】平成９年８月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】従来例４は、図８に示すように、従来例３
の磁極片９ｂ、９ｃより出る磁束を有効に利用するため
にコイル２ａ、コイル２ｂを追加設置したものである。
前記従来例２〜４は永久磁石より発生する軸と直角方向
の磁束成分がコイルと鎖交し、コイルに供給される電流
によりフレミングの左手の法則に基ずいて可動体に軸方
向の推力を発生してさせている。（例えば、従来例３と
しては実公昭６２−２７０２５、従来例４としては特開
平６−３１５２５５号公報参照）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁石とコイルの電磁作用により動作するア
クチュエータにおいて、ラジアル方向に単極着磁したリ
ング状永久磁石を中空軸に取り付け、前記リング状永久
磁石と、円筒状のコイルとの間にエアギャップを設け、
前記リング状永久磁石と、円筒状のコイルと、中空軸
と、筒状ケースが各々同心円上に配置され、軸方向に推
力を発生することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】前記ケースが軟磁性体からなる筒状ケース
であり、前記ケースの内側に円筒状のコイルを設け、前
記コイルとの間に僅かな間隔のエアギャップを設け、中
空軸に固定したラジアル方向に単極着磁したリング状永
久磁石を各々同心円上に配置し、コイルの長さ＞磁石の
長さであることを特徴とする請求項１記載のリニアアク
チュエータ。
【請求項３】前記中空軸にリング状永久磁石と摺動体を
設けて可動部を構成し、コイルを巻回したボビンの内面
で前記摺動体を保持し、コイル長さ＞可動部長さとした
ことを特徴とする請求項１または２記載のリニアアクチ
ュエータ。
【請求項４】前記リング状永久磁石が、ラジアル異方性
磁石であることを特徴とする請求項１から３のいずれか
一つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】前記リング状永久磁石が、希土類ラジアル
異方性磁石であることを特徴とする請求項１から４のい
ずれか一つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】前記ラジアル方向に単極着磁した希土類リ
ング状永久磁石が、一対のパルスコイルによって同極が
対向するように配置された空芯ソレノイドコイルによる
磁場中において、磁石粉末をパルス的にラジアル配向さ
せ、前記ラジアル配向された磁石粉末を絶縁体からなる
手段によって加圧成形し、ラジアル配向したリング状永
久磁石であることを特徴とする請求項１から５のいずれ
か一つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】前記ラジアル方向に単極着磁したリング状
永久磁石が、外径≦Φ２５ｍｍの希土類ラジアル異方性
磁石であることを特徴とする請求項６記載のリニアアク
チュエータ。
【請求項８】中空軸の長さがコイルの長さより長い場
合、中空軸を非磁性の材質としたことを特徴とする請求
項１から７のいずれか一つに記載のリニアアクチュエー
タ。
【請求項９】前記非磁性の中空軸が、表面強化処理を施
したアルミニウムを主とした金属材料よりなることを特
徴とする請求項８記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１０】中空軸の長さがコイルの長さより短い場
合、中空軸を軟磁性の材質としたことを特徴とする請求
項１から７のいずれか一つに記載のリニアアクチュエー
タ。