JP2006320150A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のリニアアクチュエータと比較して、推力の発生効率を高めることができる、リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のリニアアクチュエータ１においては、ヨーク（固定子）１０の端部（突起部分）１０ｃ、１０ｄに対応させて、可動子２０の外周面に、短い長さ（例えば、軸線方向の長さがヨーク１０の突起部分１０ｃ、１０ｄの軸線方向の長さと同じ程度）の一対の円筒状の永久磁石２１、２２だけを設けるようにしたので、これにより、コイル１２への通電時に、コイル１２の起磁力により発生する磁束と永久磁石２１、２２の磁束とがキャンセル（打ち消される）量が少なくなる。このため、コイル起磁力が発生する磁束の低減を防ぎ、推力の発生効率を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関し、特に、可動子に永久磁石を含むリニアアクチュエータにおいて、コイル起磁力により発生する磁束が永久磁石の磁束により低減される量を少なくすることができる、リニアアクチュエータに関する。

リニアアクチュエータは、バネを併用し共振させることによって少ない損失で駆動できることから、コンプレッサモータ等として利用されている。そして、このリニアアクチュエータを用いたコンプレッサは高効率である等の優れた性能を発揮できることから、冷蔵庫や、冷凍庫、あるいはエアコンディショナ用としての利用が期待されている。

リニアアクチュエータとしては、コイルを含む可動子が動く可動コイル型（例えば、ボイスコイルモータ）や、永久磁石を含む可動子が動く可動磁石型等がある。このうち、可動コイル型のものは可動子にコイルが含まれることから、コイルへの給電線が可動子の移動により断線を生じる恐れがあり、信頼性が劣るという問題がある。このために、可動子に永久磁石を含むリニアアクチュエータの開発が進められている。

この可動子の永久磁石を含むリニアアクチュエータの１つの方式として、図３に示すように、可動子４０の軸方向における中央の外周部に凹部を形成し、この凹部に円筒形の永久磁石４１を嵌め入れたものがある（特許文献１の図５を参照）。図３に示すリニアアクチュエータにおいては、ヨーク３０の可動子４０側に往復動の方向の磁気ギャップであるエアギャップ３１を設け、コイル３２によるコイル起磁力と永久磁石４１とにより推力を発生させるものである。なお、可動子４０は直線移動可能に支持する板バネ等の支持機構３３を設けることでリニアモータとして使用される。

また、図４は、図３に示す特許文献１の従来例のリニアアクチュエータを基本とした改良例であり、図３に示すリニアアクチュエータのヨーク３０のギャップ３１を構成する部分を省略し、ヨーク３０の形状を簡略化し、また永久磁石４１の軸線方向の長さを延長した構成のものである。図４において、リニアアクチュエータ１ａのヨーク３０ａの内面に形成された凹部３１ａにはコイル３２ａが配設され、可動子４０ａの凹部には円筒形状の永久磁石４１ａが嵌め込まれている。図４（ｂ）にヨーク３０ａの断面形状を示し、図４（ｂ）に円筒形状の永久磁石４１ａの概観図を示す。なお、永久磁石４１ａは、ヨーク３０ａに対向する側がＮ極であり、内周側がＳ極である。

図５は、図４に示すリニアアクチュエータの動作について説明するための図である。リニアアクチュエータ１ａにおいて、コイル３２ａに電流を流していない状態では、可動子４０ａは停止状態とされ、図５（ａ）に示すように、永久磁石４１ａ、ヨーク３０ａ、可動子４０ａ、永久磁石４１ａの順に結ぶ磁束ループが、ヨーク３０ａ内の全体に渡って形成されている。

そして、コイル３２ａに交流電流（正弦波電流、矩形波電流）を流す。
例えば、図５（ｂ）に示すように、コイル３２ａに、図５（ｂ）における右側から見て時計回り方向に流れるように電流が流れると、このコイル３２ａには、太線Ａの方向に周回する磁束ループが生じるように起磁力が発生する。以上によって、永久磁石４１ａがヨーク３０ａの端部（突起部分）３０ｂに対し軸線方向における位置を合わせようとすることで、可動子４０ａが軸線方向における左方向（図５（ｂ）上で左方向）に移動する。

次に、例えば、図５（ｃ）に示すように、コイル３２ａに、図５（ｃ）における右側から見て反時計回り方向に流れるように電流が流れると、このコイル３２ａには、太線Ｂの方向に周回する磁束ループが生じるように起磁力が発生する。以上によって、永久磁石４１ａがヨーク３０ａの端部（突起部分）３０ｃに対し軸線方向における位置を合わせようとすることで、可動子４０ａが軸線方向における右方向（図５（ｃ）上で右方向）に移動する。そして、交流電流によってコイル３２ａへの電流の流れの方向が交互に変化することにより、以上の作動を繰り返して、可動子４０ａはヨーク３０ａに対して軸線方向に所定のストロークで往復動することになる。
特開２００４−０５６９７２号公報

ところで、図４に示した、リニアアクチュエータは、構造が簡単であるという利点があるが、可動子の中央部の広い部分に渡り永久磁石を使用しており、永久磁束とコイル起磁力により発生する磁束の方向とが逆方向になる部分が多く、永久磁石とコイルにより発生する磁束とがキャンセルする割合が多く、推力の発生効率が低下するという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、コイル起磁力により発生する磁束が、可動子の永久磁石磁束により低減される影響を少なくし、従来のリニアアクチュエータと比較して、推力の発生効率を高めることができる、リニアアクチュエータを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載のリニアアクチュエータは、中央に貫通穴を有する柱状の固定子と、該貫通穴に挿入され中心軸線に沿って往復動可能に設けられた可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、前記固定子は、貫通穴の内周面の軸線方向の中央の所定範囲内であって径方向に所定深さの凹部を内周面に沿って形成したコイル収納空間部と、前記コイル収納空間部を設けたことにより固定子の貫通穴の両端面側の内周面に沿って形成される端部と、前記コイル収納空間部に嵌入され、前記可動子の外周面に平行に巻かれた円筒状のコイルとを備え、前記可動子には、前記固定子の内周面の端部のそれぞれに対応させて、可動子の外周面に沿って設けられる同径円筒形状をなす一対の永久磁石であって、停止した状態で、それぞれの軸線方向の中央が前記固定子の端面と略一致し、かつ前記軸線方向に対し直交方向に磁極を並べた状態の永久磁石を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、固定子の内周面に凹部を設けコイルを収納する。また、凹部を設けることにより固定子の内周面に形成される端部のそれぞれに対応させて、可動子の外周面に一対の円筒状の永久磁石を設ける。そして、この一対の永久磁石は、可動子が停止した状態で、それぞれの軸線方向の中央が固定子の端面と略一致するようにし、かつ軸線方向に対し直交方向に磁極を並べたものとする。
これにより、コイル通電時に、コイルによる磁束と永久磁石により発生する磁束とがキャンセル（打ち消される）量が少なくなる。このため、コイル起磁力の低減を防ぎ、推力の発生効率を高めることができる。

また、請求項２に記載のリニアアクチュエータは、前記永久磁石の軸線方向の長さと、前記固定子の内周面の端部の軸線方向の長さとが略一致するように構成されたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、固定子の端部（内周面の突起部分）に対応させて、該端部と同じ長さ（軸線方向の長さが同じ）の一対の永久磁石を可動子に設けるようにしたので、これにより、コイル通電時に、コイルによる磁束と永久磁石により発生する磁束とがキャンセル（打ち消される）量が少なくなる。このため、コイル起磁力により発生する磁束の低減を防ぎ、推力の発生効率を高めることができる。

本発明のリニアアクチュエータにおいては、ヨーク（固定子）の端部に対応させて、短い長さ（軸線方向の長さ）の永久磁石を可動子に設けるようにしたので、これにより、コイル通電時に、コイルによる磁束と永久磁石により発生する磁束とがキャンセル（打ち消される）量が少なくなる。このため、コイル起磁力の低減を防ぎ、推力の発生効率を高めることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータの構成例を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のリニアアクチュエータ１は、ヨーク（固定子）１０と、このヨーク１０の内側（貫通穴の部分）に軸中心に沿って往復動可能（移動可能）に設けられた可動子２０と、可動子２０の外側（ヨーク１０に対向する面側）に固定された一対の永久磁石２１、２２と、ヨーク１０の内面の凹部１１に固定されたコイル１２とを備えている。なお、図示しないが、可動子２０は、例えば、図３で示すように、板バネ等の支持機構か、または可動子２０を保持する軸受け機構を有している。

図１（ｂ）は、ヨーク１０の断面形状を示している。ヨーク１０は、全体として円筒形状をなしており、ヨーク１０の内面側の軸線方向における中央の所定範囲には、コイル１２を収納するための収納空間部である凹部１１が内周面に沿って形成されている。なお、ヨーク１０は、例えば磁性材料である焼結材で焼結により成形されている。また、このヨーク１０を積層電気鉄板で形成しても良い。そして、このヨーク１０の凹部（コイル収納空間部）１１には、円筒状に巻かれたコイル１２が配設されている。

可動子２０は、全体として円筒状をなしており、その外径がヨーク１０の内径よりも所定量小径とされている。この可動子２０は、全体が磁化されていない磁性材料である鉄部材からなっており、例えば焼結材からなっている。そして、この可動子２０はヨーク１０の内径側に、同軸をなすように挿入されることによって、ヨーク１０に対してヨーク１０の軸線方向に往復動可能に設けられる。なお、可動子２０を積層電気鉄板で形成しても良い。
また、可動子２０には、一対の永久磁石を嵌入するための凹部が可動子２０の外周面の外周方向に沿って設けられており、該凹部に円筒形状の一対の永久磁石２１、２２が嵌入され、これらの永久磁石２１、２２の外周面と可動子２０の外周面とがなす面が平滑になるように永久磁石が固定されている。
したがって、永久磁石２１、２２の外周面と可動子２０の外周面とがなす面が平滑面となるように形成したので、これにより、可動子２０の往復運動が円滑に行えるようになる。

上記永久磁石２１、２２は、同径円筒状のフェライトリング磁石からなるもので、互いに同軸をなしている。永久磁石２１、２２は、軸線方向の幅がヨーク１０の端部（突起部分）１０ｃ、１０ｄと同程度であり、可動子２０が停止した状態において、永久磁石２１の軸線方向の中心部分がヨーク１０の端面１０ａと略一致するように配置され、永久磁石２２の軸線方向の中心部分がヨーク１０の端面１０ｂと略一致するように配置されている。すなわち、ヨーク１０および可動子２０が互いに軸線方向における中央位置を合わせた状態で、軸線方向における永久磁石２１、２２がその軸線方向における半分程度の長さ分、それぞれヨーク１０の端面１０ａ、１０ｂよりも外側に突出するように設定されている。

また、図２は、図１に示すリニアアクチュエータの動作について説明するための図である。リニアアクチュエータ１において、コイル１２に電流を流していない状態では、可動子２０は停止状態とされ、図２（ａ）に示すように、永久磁石２１、ヨーク１０、可動子２０、永久磁石２１の順に結ぶループで磁束が形成され、また、永久磁石２２、ヨーク１０、可動子２０、永久磁石２２の順に結ぶループで磁束が形成される。

そして、コイル１２に交流電流（正弦波電流、矩形波電流）を流す。
例えば、図２（ｂ）に示すように、コイル１２に、図２（ｂ）における右側から見て時計回り方向に流れるように電流が流れると、このコイル１２には、太線Ａの方向に周回する磁束ループが生じるように起磁力が発生する。以上によって、永久磁石２１がヨーク１０の端部１０ｃに対し軸線方向における位置を合わせようとすることで、可動子２０が軸線方向における左方向（図２（ｂ）上で右方向）に移動する。

次に、図２（ｃ）に示すように、コイル１２に、図２（ｃ）における右側から見て反時計回り方向に流れるように電流が流れると、このコイル１２には、太線Ｂの方向に周回する磁束ループが生じるように起磁力が発生する。以上によって、永久磁石２２がヨーク１０の端部１０ｄに対し軸線方向における位置を合わせようとすることで、可動子２０が軸線方向における左方向（図２（ｃ）上で左方向）に移動する。

そして、交流電流によってコイル１２への電流の流れの方向が交互に変化することにより、以上の作動を繰り返して、可動子２０はヨーク１０に対して軸線方向に所定のストロークで往復動することになる。

なお、可動子２０をヨーク１０に直線移動可能に支持する支持機構を設けることでリニアモータとして使用される。また、永久磁石としては、上記したフェライトリング磁石以外にも、ネオジウム、サマリウムコバルト等の希土類系のものを用いたり、プラスチック磁石を用いることも可能であるが、フェライト磁石を用いるのがコスト低減の観点からより好ましい。
また、永久磁石形状もリング形にこだわる必要がなく、径方向に分割したもの（瓦状のものを隙間のないように円周方向に貼り付け）としても良い。

また、上記リニアアクチュエータに位置、速度等を検出するセンサを設け、閉ループ制御を行うことで速度や位置の制御が可能なリニアサーボアクチュエータとして利用できる。

以上に述べた本実施形態のリニアアクチュエータによれば、コイル起磁力により発生する磁束が可動子の永久磁石の磁束により低減される影響を少なくし、従来のリニアアクチュエータと比較して、推力の発生効率を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のリニアアクチュエータは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明においては、コイル起磁力により発生する磁束と永久磁石の磁束とのキャンセル（打ち消される）量が少なくなる効果を奏するので、本発明は、リニアアクチュエータ等に有用である。

本発明のリニアアクチュエータの構成例を示す図である。 図１に示すリニアアクチュエータの動作説明図である。 従来技術のリニアアクチュエータの構成例を示す図である。 従来技術のリニアアクチュエータの応用例を示す図である。 図４に示すリニアアクチュエータの動作説明図である。

符号の説明

１、１ａ リニアアクチュエータ
１０、３０、３０ａ ヨーク
１０ａ、１０ｂ 端面
１０ｃ、１０ｄ、３０ｂ、３０ｃ 端部（突起部分）
１１、３１ａ 凹部
１２、３２、３２ａ コイル
２０、４０、４０ａ 可動子
２１、２２、４１、４１ａ 永久磁石

Claims (2)

1. 中央に貫通穴を有する柱状の固定子と、該貫通穴に挿入され中心軸線に沿って往復動可能に設けられた可動子とを有するリニアアクチュエータにおいて、
   前記固定子は、
   貫通穴の内周面の軸線方向の中央の所定範囲内であって径方向に所定深さの凹部を内周面に沿って形成したコイル収納空間部と、
   前記コイル収納空間部を設けたことにより固定子の貫通穴の両端面側の内周面に沿って形成される端部と、
   前記コイル収納空間部に嵌入され、前記可動子の外周面に平行に巻かれた円筒状のコイルと
   を備え、
   前記可動子には、
   前記固定子の内周面の端部のそれぞれに対応させて、可動子の外周面に沿って設けられる同径円筒形状をなす一対の永久磁石であって、停止した状態で、それぞれの軸線方向の中央が前記固定子の端面と略一致し、かつ前記軸線方向に対し直交方向に磁極を並べた状態の永久磁石を備えること
   を特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記永久磁石の軸線方向の長さと、前記固定子の内周面の端部の軸線方向の長さとが略一致するように構成されたこと
   を特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
   
   

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