JP2009142132A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ると共に、コスト安で、所望の推力を確保できるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】複数の永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂを有する筒状のケーシング１０と、ケーシング１０に対して軸方向に相対移動自在に設けられ、永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂが形成する磁界との間で電磁力を発生させるコイル４０を有するスプラインシャフト２０とを備えるリニアアクチュエータ１であって、スプラインシャフト２０の一端部に一体となって形成され、コイル４０を軸方向に分離するコア３０を有するという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界との間の電磁的相互作用を利用したリニアモータ駆動のリニアアクチュエータに関する。

従来、高い制御性という電動シリンダの利点を有し、コンパクトで駆動力の伝達効率が高いシリンダ装置（リニアアクチュエータ）として、特許文献１に記載のリニアモータシリンダ装置が知られている。

当該リニアモータシリンダ装置は、円筒形状を有する筒形部材の一端側内部に複数の永久磁石を配置して磁界を形成し、他端側にボールスプライン外筒が嵌合されており、筒形部材内に挿入されたシリンダロッドの一端側にはスプライン溝が形成され、他端側には永久磁石によって発生する磁界によって電磁力を得るコイルが巻回される構成となっている。
当該リニアモータシリンダ装置は、駆動源にリニアモータを採用することで、コンパクトで駆動力の伝達効率が高いシリンダ装置を提供することを実現している。
特開２００７−４３８７７号公報

しかしながら、近年、装置のさらなる小型化の要請がされており、小型化に伴って装置の推力を確保することが課題となっている。また、小型化の要請にあわせて装置のコストの低減が求められている。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、小型化を図ると共に、コスト安で、所望の推力を確保できるリニアアクチュエータを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の発磁体を有する筒状の筐体と、上記筐体に対して軸方向に相対移動自在に設けられ、上記発磁体が形成する磁界との間で電磁力を発生させるコイル体を有するロッドとを備えるリニアアクチュエータであって、上記ロッドの一端部に一体となって形成され、上記コイル体を上記軸方向に分離するコアを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、コアによって分離されたコイル体の間において磁束密度を大きくし、発生する電磁力を高めることができる。また、コアがロッドと一体に形成されているため、コアとロッドとを別体とした場合にこれら両部材を結合するための結合部材が不要であり、部品点数を削減することができる。

また、本発明では、上記コアは、上記軸方向において所定の間隔で複数、上記ロッドの軸を中心とした円盤形状を有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、コアに形成された円盤形状によりコイル体を分離させることができる。更に、ロッドが円柱状であると、コアを円盤状とすることで、ロッド及びコアを旋削によって同一の工程で形成することができ、製造コストを低減することができる。

また、本発明では、上記ロッドは、上記軸方向の相対移動に伴う上記磁界の変化に基づいて、上記筐体との相対位置を検出する位置検出センサを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、配列された発磁体をスケールとして利用し、ロッドと筐体との相対位置を検出することができる。

また、本発明では、上記コアによって分離された上記コイル体は、各々独立して通電制御されるという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、各コイル体が形成する磁界の極を独立に制御して高い推力を得ることができる。

本発明によれば、複数の発磁体を有する筒状の筐体と、上記筐体に対して軸方向に相対移動自在に設けられ、上記発磁体が形成する磁界との間で電磁力を発生させるコイル体を有するロッドとを備えるリニアアクチュエータであって、上記ロッドの一端部に一体となって形成され、上記コイル体を上記軸方向に分離するコアを有するという構成を採用することによって、コアによって分離されたコイル体の間において磁束密度を大きくし、発生する電磁力を高めることができる。また、コアがロッドと一体に形成されているため、コアとロッドとを別体とした場合にこれら両部材を結合するための結合部材が不要であり、例えば、コアとロッドとを連結する連結部材を別途用いることがなく部品点数を削減することができ、また該連結部材の長さ分のストロークを低減させて装置の小型化を図ることができる。
したがって、本発明では、小型化を図ると共に、コスト安で、所望の推力を確保できるリニアアクチュエータを提供することができる効果がある。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の実施の形態におけるリニアアクチュエータ１を示す断面斜視図である。
図２及び図３は、本発明の実施の形態におけるリニアアクチュエータ１の外観示す斜視図である。なお、図２はリニアアクチュエータ１の全長が収縮した状態を、図３はリニアアクチュエータ１の全長が伸展した状態を示す。

リニアアクチュエータ１は、図１に示すように、筒状のケーシング（筐体）１０と、ケーシング１０内側に配置され、ケーシング１０に対して軸方向に移動自在に設けられるスプラインシャフト（ロッド）２０とを有している。

ケーシング１０は、リニアアクチュエータ１の外郭を形成する円筒形状の部材であり、一端１０Ａが開口するのに対して他端１０Ｂが閉塞されている。他端１０Ｂには、リニアアクチュエータ１の取り付け、又は、固定するための取付孔を有するエンドキャップ１１が接続されている。
また、ケーシング１０は内部に、スプラインシャフト２０を軸方向に案内するスプライン外筒１２と、磁界発生源となる磁界発生部１３とを備える構成となっている。

スプライン外筒１２は、スプラインシャフト２０と略同一の径を有する中空部を形成する円筒形状を有しており、該円筒形状の内周面に、スプラインシャフト２０に設けられたスプライン溝２０ａと係合する突部（不図示）が長さ方向に亘って形成されている。
このような構成のスプライン外筒１２は、ケーシング１０の一端１０Ａ内側に嵌合され、スプラインシャフト２０を軸方向においてガイドすると共に、軸方向に移動自在に支持する構成となっている。
なお、本実施形態では、スプライン外筒１２がスプラインシャフト２０とすべり接触する方式であるが、スプライン外筒１２にボール又はローラである転動体を多数、循環するように設けて、スプライン外筒１２とスプラインシャフト２０とが、これら転動体を介して組まれる転がり方式としても良い。

磁界発生部１３は、スプラインシャフト２０が挿通可能な中空部を有する円筒形状を有しており、より詳しくは、スプラインシャフト２０が挿通可能な中空部を有する円環形状を有する永久磁石（発磁体）１４ａ及び永久磁石（発磁体）１４ｂが、軸方向に交互に配列されており、互いに隣接して全体として円筒形状を形成する構成となっている。永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂは、内周面に向って発現する極性（Ｎ極又はＳ極）が互いに異なるように配列されており、スプラインシャフト２０が推力を得るための磁界を形成する構成となっている。
このような構成の磁界発生部１３は、ケーシング１０の他端１０Ｂ内側に嵌合され、長さ方向において、他端１０Ｂからスプライン外筒１２が設けられた位置まで延在する構成となっている。

一方、スプラインシャフト２０は、円柱形状を有し、外周面には長さ方向に延びるスプライン溝２０ａがスプラインシャフト２０の中心軸を挟んで対称的に形成されている。スプラインシャフト２０の伸展方向の一端（前端）部には、エンドキャップ１１と略同形状の取付部材２１が接続されており、他端（後端）側にはスプラインシャフト２０と一体形成されたコア３０と、コア３０に巻回されたコイル（コイル体）４０と、収縮方向（前端から後端へ向う方向）のコア３０の端部に接続されたエンコーダヘッド（位置検出センサ）５０とを有する構成となっている。
なお、スプラインシャフト２０は、例えばフェライト等の磁性体から形成されている。

エンコーダヘッド５０は、コア３０の端部に接続され、スプラインシャフト２０と一体となって軸方向に移動する構成となっており、磁界発生部１３が形成する中空部と略同一の径を有する円盤形状を有して、該円盤形状の外周部と磁界発生部１３の内周部とが当接することでスプラインシャフト２０の後端を軸方向においてガイドする構成となっている。
エンコーダヘッド５０は、上記移動の際に、磁界発生部１３を形成する永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂが発現するＮ極又はＳ極の磁極を検出して、開始位置（例えば、ケーシング１０端部）からＮ極及びＳ極を検出したカウント数に基づいて、スプラインシャフト２０とケーシング１０との相対位置関係を検出する構成となっている。なお、エンコーダヘッド５０は、不図示ではあるがエンドキャップ１１を貫通する配線によって給電を受け、更に、リニアアクチュエータ１の動作を制御する不図示の制御部に電気的に接続され、当該検出結果を出力する構成となっている。

続いて、コア３０及びコイル４０の構成について図４を参照して説明する。
図４は、コア３０及びコイル４０を示す軸線方向の断面斜視図である。
コア３０は、磁性体であるスプラインシャフト２０と一体に形成され、スプラインシャフト２０の略半分の径を有する軸３０ａと、軸３０ａに軸方向において所定の間隔で複数、軸３０ａを中心としたスプラインシャフト２０と略同一の径を有する円盤形状３０ｂとから形成されている。

軸３０ａは、コイル４０が巻回される芯部材であり、スプラインシャフト２０の軸と同軸上に形成される。円盤形状３０ｂは、軸３０ａに巻回されたコイル４０が発現する磁束を円盤形状３０ｂの周面方向に誘導して、且つ、スプラインシャフト２０と一体に形成されており磁性体であることから、磁束密度を大きくして発生する電磁力を高める構成となっている。なお、円盤形状３０ｂが形成される所定の間隔は、磁界発生部１３を形成する永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂとの間で電磁力による推力が効率よく得られる間隔に設定するのが好ましい。
このような構成のコア３０は、鍛造（粉体）によるスプラインシャフト２０との一体成型、又は、素材を旋削することでスプラインシャフト２０と同一工程にて一体に形成される。

コイル４０は、円盤形状３０ｂによって分離された各相が、不図示の制御部と各々接続されており、制御部によって通電制御されて交番磁界を形成する構成となっている。
制御部は、コイル４０の各相を独立的に通電制御することによって、磁界発生部１３との間で推力を得られるように、例えば、隣り合う円盤形状３０ｂに異なる磁極を発現させる配列（例えば、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極又は、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の配列）を形成するようにし、且つ、エンコーダヘッド５０の検出結果に基づいて、コイル４０に流す電流を調節し、電磁力の推力を制御する構成となっている。

続いて、上記構成のリニアアクチュエータ１の動作について説明する。
図１に示すように、リニアアクチュエータ１は、不図示の制御部の制御の下、コア３０に巻回されたコイル４０に図示しない電源から電流が流されることによりコイル４０に交番磁界を形成させる。円盤形状３０ｂは、軸３０ａに巻回されたコイル４０が発現する磁束を円盤形状３０ｂの周面方向に誘導し、且つ、磁束密度を大きくして発生する電磁力を高めることとなる。
そして、リニアアクチュエータ１は、コイル４０によって、ケーシング１０内部に設けられた磁界発生部１３を形成する直列状に配置された永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂとの間に吸引力及び反発力を生じさせることにより高い推力を得て、スプラインシャフト２０をケーシング１０の長手方向に移動させるようになっている（図２及び図３参照）。
そして、リニアアクチュエータ１は、エンコーダヘッド５０によりスプラインシャフト２０とケーシング１０との相対位置関係を検出して、所望のストロークを出力することとなる。

また、リニアアクチュエータ１は、不図示の制御部の制御の下、コイル４０の各相に流れる電流の向きを変えることにより推力の向きが変化するようになっており、コイル４０の各相に流れる電流の向きを切り替えることでスプラインシャフト２０の移動方向を切り替え可能となっている。さらに、リニアアクチュエータ１は電源から流される電流の大きさにより推力の大きさを変化させることができ、電流の大きさを変えることによりスプラインシャフト２０の移動速度を変更することができる。

したがって、上述した本実施形態によれば、複数の永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂを有する筒状のケーシング１０と、ケーシング１０に対して軸方向に相対移動自在に設けられ、永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂが形成する磁界との間で電磁力を発生させるコイル４０を有するスプラインシャフト２０とを備えるリニアアクチュエータ１であって、スプラインシャフト２０の一端部に一体となって形成され、コイル４０を軸方向に分離するコア３０を有するという構成を採用することによって、コア３０によって分離されたコイル４０の間において磁束密度を大きくし、発生する電磁力を高めることができる。また、コア３０がスプラインシャフト２０と一体に形成されているため、コア３０とスプラインシャフト２０とを別体とした場合にこれら両部材を結合するための結合部材が不要であり、例えば、コア３０とスプラインシャフト２０とを連結する連結部材を別途用いることがなく部品点数を削減することができ、また該連結部材の長さ分のストロークを低減させて装置の小型化を図ることができる。
したがって、本実施形態では、小型化を図ると共に、コスト安で、所望の推力を確保できるリニアアクチュエータ１を提供することができる効果がある。

また、本実施形態では、コア３０は、軸方向において所定の間隔で複数、スプラインシャフト２０の軸を中心とした円盤形状３０ｂを有するという構成を採用することによって、コア３０に形成された円盤形状によりコイル４０を分離させることができる。更に、スプラインシャフト２０が円柱状であると、コア３０を円盤状とすることで、スプラインシャフト２０及びコア３０を旋削によって同一の工程で形成することができ、製造コストを低減することができる。また、円盤形状３０ｂは、軸３０ａに巻回されたコイル４０が発現する磁束を円盤形状３０ｂの周面方向に誘導して、且つ、スプラインシャフト２０と一体に形成されており磁性体であることから、磁束密度を大きくして発生する電磁力を高めることができる。

また、本実施形態では、スプラインシャフト２０は、軸方向の相対移動に伴う上記磁界の変化に基づいて、上記ケーシング１０との相対位置を検出するエンコーダヘッド５０を有するという構成を採用することによって、配列された永久磁石１４ａ及び永久磁石１４ｂをスケールとして利用し、スプラインシャフト２０とケーシング１０との相対位置を検出することができる。

また、本実施形態では、コア３０によって分離されたコイル４０は、各々独立して通電制御されるという構成を採用することによって、各コイル４０が形成する磁界の磁極を独立に制御して高い推力を得ることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本実施形態において、発磁体は、永久磁石から構成されると説明したが、例えば、電磁石や界磁マグネット等から構成されても良い。

本発明の実施の形態におけるリニアアクチュエータを示す断面斜視図である。 本発明の実施の形態におけるリニアアクチュエータ収縮時の外観示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるリニアアクチュエータ伸展時の外観示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるコア及びコイルを示す軸線方向の断面斜視図である。

符号の説明

１…リニアアクチュエータ、１０…ケーシング、１４ａ，１４ｂ…永久磁石（発磁体）、３０…コア、３０ｂ…円盤形状、４０…コイル（コイル体）、５０…エンコーダヘッド（位置検出センサ）

Claims (4)

1. 複数の発磁体を有する筒状の筐体と、前記筐体に対して軸方向に相対移動自在に設けられ、前記発磁体が形成する磁界との間で電磁力を発生させるコイル体を有するロッドとを備えるリニアアクチュエータであって、
   前記ロッドの一端部に一体となって形成され、前記コイル体を前記軸方向に分離するコアを有することを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記コアは、前記軸方向において所定の間隔で複数、前記ロッドの軸を中心とした円盤形状を有する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。
3. 前記ロッドは、前記軸方向の相対移動に伴う前記磁界の変化に基づいて前記筐体との相対位置を検出する位置検出センサを有することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記コアによって分離された前記コイル体は、各々独立して通電制御されることを特徴とする請求項１〜３に記載のリニアアクチュエータ。

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