JP2014197112A

JP2014197112A - 電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP2014197112A
Application number: JP2013072353A
Authority: JP
Inventors: 哲矢森島; Tetsuya Morishima
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Also published as: WO2014156267A1; US20160018625A1; EP2980623A1; CN105026974A; EP2980623A4

Abstract

【課題】簡易に組み立てられ、かつ小型化、軽量化された電磁アクチュエータを提供することを課題としている。
【解決手段】光軸方向に対して移動可能な光学素子と、光学素子を保持する光学素子保持部と、光学素子と光学素子保持部を囲うように設置されたコイルと、コイルを保持するコイル保持部と、ラジアル方向に磁束を発生する磁束発生部を有し、磁束発生部の内側に光学素子が配置されていることを特徴としている電磁アクチュエータである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁アクチュエータに関するものである。

例えば、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）に代表される磁場中のコイルに電流を流すことによってコイルに働くローレンツ力を利用してコイルを動かすアクチュエータが一般的に知られている。また、磁場中のコイルに電流を流したときにコイルに働くローレンツ力に対して磁石に働く反作用を用いてレンズを動かすアクチュエータも存在している。このような電磁アクチュエータは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１２−２４２４９９号公報

しかしながら、上述の公報に開示されているアクチュエータにおいては、磁石を光軸方向へ動かすためには、複数のコイルが必要となる。このため、構成部品の点数が多くなっている。したがって、組み立て工程が増え、かつ小型化、軽量化することが容易ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易に組み立てられ、かつ小型化、軽量化された電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電磁アクチュエータは、光軸方向に対して移動可能な光学素子と、光学素子を保持する光学素子保持部と、光学素子と光学素子保持部を囲うように設置されたコイルと、コイルを保持するコイル保持部と、ラジアル方向に磁束を発生する磁束発生部を有し、磁束発生部の内側に光学素子が配置されている。

本発明には、簡易に組み立てられ、かつ小型化、軽量化された電磁アクチュエータを提供できるという効果を奏する。

図１（ａ）は第１実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図、図１（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。図２（ａ）は第１実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面において作用する力を説明する図、図２（ｂ）は光軸に沿った方向の断面において作用を説明する図である。図３（ａ）は第２実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図、図３（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。図４（ａ）は第３実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図、図４（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。図５は第４実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図である。図６（ａ）は第５実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図、図６（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。

以下に、本発明に係る電磁アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）は第１実施形態の電磁アクチュエータ１００の光軸に垂直な断面図、図１（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。

電磁アクチュエータ１００において、光学素子Ｌは、光軸ＡＸ方向に対して移動可能に配置されている。光学素子保持部１０は、光学素子Ｌを保持する。コイル１１は、光学素子Ｌと光学素子保持部１０を囲うように固定して設置されている。

光学素子Ｌの例は、主として、レンズ、絞り、フィルター、撮像素子、プリズム、ミラーをいう。以下、光学素子Ｌとしてレンズを用いた場合を説明する。

コイル保持部１２は、コイル１１を保持する。そして、磁束発生部は、ラジアル方向に磁束を発生する。磁束発生部の内側に光学素子Ｌが配置されている。

これにより、コイル１１の数量を従来よりも減らすことができる。この結果、簡易に組み立てられ、かつ小型化、軽量化された電磁アクチュエータを提供できる。

光学素子保持部１０とコイル保持部１２との少なくとも一方は、磁束発生部の機能を兼用することが望ましい。これにより、磁束発生部と光学素子保持部１０及び／又はコイル保持部１２とが共通化できる。この結果、部品数を低減できる。
例えば、光学素子保持部１０に、磁束発生部の機能を兼用させることにより、磁束発生の特性が向上する。

さらに、光学素子保持部１０とコイル保持部１２の両方に磁束発生部の機能を兼用させることにより、磁束発生の特性が向上する。
また、コイル保持部１２に磁束発生部の機能を兼用させることにより、電磁アクチュエータの組立、製造が容易になる。

次に、第１実施形態の電磁アクチュエータ１００についてさらに詳細に説明する。
図２（ａ）は第１実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面において作用する力を説明する図、図２（ｂ）は光軸に沿った方向の断面において作用を説明する図である。

図１（ａ）、（ｂ）において、光学素子保持部１０（レンズ保持部）は永久磁石である。また、コイル保持部１２は磁性体である。

図２（ａ）、（ｂ）において、光学素子保持部１０（レンズ保持部）は永久磁石である。また、コイル保持部１２も永久磁石である。
磁束ＭＦ、電流ＣＵ、光学素子保持部１０（レンズ保持部）に加わる力Ｆ３、コイル保持部１２に加わる力Ｆ２、コイルに加わる力Ｆ１を図示している。

電磁アクチュエータ１００の動作原理について、図２（ａ）、（ｂ）について説明する。

電磁アクチュエータ１００は、光軸ＡＸを中心として回転対称な構成を有している。このため、図２（ｂ）の光軸ＡＸよりも上部半分を用いて説明する。

磁界は、コイル保持部１２（Ｎ極）から、光学素子保持部１０（レンズ保持部（Ｓ極））に向かい下向きに磁束ＭＦが発生している。電流ＣＵは、紙面奥から手前に向かい流れている。ここで、フレミングの左手の法則を用いて力の発生する方向を考える。

コイル１１は紙面右方向へ力Ｆ１が発生する。コイル保持部１２、光学素子保持部１０の磁石は、紙面左方向へ力Ｆ２、Ｆ３が発生する。

ここで、コイル１１とコイル保持部１２は、固定部１３により固定されている。このため、コイル１１とコイル保持部１２は、移動することがない。従って、光学素子保持部１０と光学素子Ｌとが、紙面左方向へ移動する。

次に、図２（ｂ）において、光軸ＡＸを中心とする構成の下半分の構成に着目する。ここでは、磁束ＭＦの向きは紙面上向きへ変わる。電流ＣＵは紙面手前から奥に変化する。磁束ＭＦと電流ＣＵの向きが変化したことにより、力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の向きは、光軸ＡＸより上半分の構成のときと同様の向きとなる。
また、コイル１１へ流す電流ＣＵの向きを逆にすると、光学素子保持部１０と光学素子Ｌは紙面右方向へ移動する。

コイル１１またはコイル保持部１２の少なくとも一方は、固定部１３に接触している。これにより、コイル１１は、光学素子Ｌと光学素子保持部１０を囲うように固定して設置されている。

コイル１１とコイル保持部１２が固定されていないと、コイル側が動いてしまう可能性がある。ここで、コイル１１の固定は、必ず必要である。そこで、本実施形態のように、コイル保持部１２を固定部１３に固定し、コイル１１をコイル保持部１２に固定して構成する。この結果、コイル１１の移動を防止できる。

ここで、光学素子保持部１０とコイル保持部１２との少なくとも一方に磁性材料が含まれていることが望ましい。磁性材料を用いることにより、任意の磁路を形成できる。また、永久磁石は、端部と中心部では磁束が異なる。このため、片側が磁性材料の方が均一な力となる。さらに、磁性材料の方が永久磁石より加工が容易で、電磁アクチュエータの小型化に好適である。

コイル１１は、光学素子保持部１０より、光軸ＡＸ方向に長いことが望ましい。コイル１１が光学素子保持部１０より、光軸ＡＸ方向に短いと、発生する力が弱くなってしまう。また、コイル１１が光軸ＡＸ方向に長いことで、コイル１１は、移動する部材、例えば、レンズ、レンズ保持部のガイドとなる。反対に、コイル１１を短くしても、メリットは特に無い。

また、コイル保持部１２は、光学素子保持部１０より、光軸ＡＸ方向に長いことが望ましい。コイル保持部１２は、光学素子保持部１０より、光軸ＡＸ方向に短いと、発生する力が弱くなってしまう。さらに、ストローク内に端部が存在すると、磁束の流れが光学素子保持部１０の位置により変化し、不均一になってしまう。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電磁アクチュエータ２００について説明する。第１実施形態と同じ部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

磁束発生部は、永久磁石であることが望ましい。磁束発生部としては、永久磁石が好適である。そして、後述するように、永久磁石の形状・数量・配置には、様々なバリエーションがある。

また、複数の永久磁石が配置されていることが望ましい。例えば、図３（ａ）に示すように、輪帯状に等間隔で離散的に永久磁石２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈを配置している。

１つの磁石でラジアル異方性磁石を作製する場合に比較して、複数の板状や瓦状の磁石を組み合わせて作成する方が容易である。これに対して、例えば、板状、瓦状の磁石は容易に作成できる。そこで、本実施形態では、複数の永久磁石を配置している。形状、配置等のバリエーションは後述する。
本実施形態によれば、永久磁石の枚数の設定ができるため、任意の磁束が設定可能である。

例えば、図３（ａ）に示すように、複数の永久磁石１２は、複数の直方体の永久磁石２０ａ〜２０ｇを配置する構成が望ましい。

また、複数の永久磁石として、複数の瓦型の永久磁石を配置しても良い。

さらに、複数の永久磁石として、複数の湾曲形状の永久磁石を配置してもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の電磁アクチュエータ３００について説明する。図４（ａ）は第３実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図、図４（ｂ）は光軸に沿った方向の断面図である。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、複数の永久磁石３０ａ、３０ｂ、３０ｃを光軸ＡＸに対し非対称に配置しても良い。これにより本実施形態では、紙面下方向に光学素子保持部１０は引きつけられ、より安定した保持力が発生する。

複数の永久磁石を光軸ＡＸに関して対称に配置する構成の場合、保持力が弱くなる場合がある。これに対して、本実施形態では、常に安定した保持力を得ることができる。
さらに、複数の永久磁石を完全に光軸ＡＸ対称に配置することは、難しい。そこで、本実施形態のように、永久磁石を非対称に配置することで、電磁アクチュエータ３００の組立性が向上する。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態の電磁アクチュエータ４００について説明する。図５（ａ）は第４実施形態の電磁アクチュエータの光軸に垂直な断面図である。

本実施形態では、光学素子保持部１０とコイル１１の間に、中間部材４１が介在するように配置されている。これにより、密閉性を向上できる。

また、中間部材４１は、非磁性体であることが望ましい。これにより、中間部材４１は、磁気回路の弊害とならない。
また、中間部材４１は、光学素子保持部１０とコイル１１との摩擦・磨耗を低減し、主にコイル１１を保護する役割を果たすことが望ましい。

中間部材４１は、光学素子保持部１０との摺動を高め摩擦係数を軽減する構成が望ましい。これにより、中間部材４１は、光学素子保持部１０とコイル１１との摩擦・磨耗を低減できる。さらに、中間部材４１は、主にコイル１１を保護する役割を果たすことが望ましい。

また、中間部材４１は、光軸ＡＸに対し平行であることが望ましい。中間部材４１が、光軸ＡＸに対し平行であることにより、光学素子Ｌの移動を妨げることがない。

中間部材４１は、円筒形であることが望ましい。中間部材４１は、光軸ＡＸに対し円筒形であることにより、光学素子Ｌの移動を妨げることがない。

中間部材４１は、光学素子１０を密閉することが望ましい。図５に示すように、他の部材、例えば封止部材４０ａ、４０ｂを用いることにより、レンズを密閉することができる。ここで、密閉とは、水密、特に、気密をいう。

また、本実施形態では、制止部４２が中間部材４１に形成されている。光学素子Ｌが紙面の左右方向へ移動したとき、光学素子保持部１０は制止部４２に当接して停止する。制止部４２は突き当てとして機能する。このため、光学素子Ｌの移動範囲を正確に決めること、すなわち移動量を規制することができる。また、制止部４２を設ける代わりに、光学素子保持部１０の端部を紙面左右方向に延在させる構成でもよい。これによっても、光学素子保持部１０と他の部材４０ａ、４０ｂとの当接により、光学素子Ｌの移動量を規制することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態の電磁アクチュエータ５００について説明する。本実施形態では、光学素子保持部１０の周囲に、等間隔に永久磁石４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆを配置しても良い。もちろん、永久磁石を不等間隔に配置しても良い。

光学素子保持部１０のバリエーションとして以下の４つが挙げられる。
（I）単一の磁石である構成、
（II）非磁性体の光学素子保持部１０に複数の磁石が含まれている構成、
（III）磁性体の光学素子保持部１０に複数の磁石が含まれている構成、
（IV）複数の磁石である構成。

コイル保持部１２も光学素子保持部１０と同様の４つのバリエーションが存在する。そして、これらの組み合わせの数だけ実施形態の構成としても良い。ここで、光学素子保持部１０、コイル保持部１２との両方が磁性体で構成されている例は除く。

組み合わせ例を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。
上述した（II）非磁性体の光学素子保持部１０に複数の磁石が含まれている構成と、コイル保持部１２が磁性体で構成されている組合せである。

なお、上述したように、すべての組合せを図示はしないが、光学素子保持部１０のバリエーションと、コイル保持部１２のバリエーションとの組み合わせのいずれの構成でも良い。

本発明は、上述した発明の実施の形態に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、種々の変更を加え得ることは勿論である。

以上のように、本発明に係る電磁アクチュエータは、簡易に組み立てられ、かつ小型化、軽量化された電磁アクチュエータに適している。

１００電磁アクチュエータ
１０光学素子保持部
Ｌ光学素子
１１コイル
１２コイル保持部
１３固定部
ＡＸ光軸

Claims

光軸方向に対して移動可能な光学素子と、
前記光学素子を保持する光学素子保持部と、
前記光学素子と前記光学素子保持部を囲うように設置されたコイルと、
前記コイルを保持するコイル保持部と、
ラジアル方向に磁束を発生する磁束発生部を有し、
前記磁束発生部の内側に前記光学素子が配置されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
前記光学素子保持部と前記コイル保持部との少なくとも一方は、前記磁束発生部の機能を兼用することを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
前記磁束発生部は、永久磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
前記磁束発生部は、複数の前記永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
前記複数の永久磁石は光軸に対し、非対称に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
前記コイルは、前記光学素子保持部より、光軸方向に長いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記コイル保持部は、前記光学素子保持部より、光軸方向に長いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
固定部は、前記光学素子または前記光学素子保持部の少なくとも一方の移動量を規制する制止部を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記永久磁石は、直方体であることを特徴とする請求項４または５に記載の電磁アクチュエータ。
前記永久磁石は、瓦型であることを特徴とする請求項４または５に記載の電磁アクチュエータ。
前記永久磁石は、湾曲形状であることを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
前記光学素子保持部と前記コイルの間に、中間部材が介在することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記中間部材は、非磁性体であることを特徴する請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
前記中間部材は、前記光学素子保持部との摺動を高め摩擦係数を軽減することを特徴とする請求項１２または１３に記載の電磁アクチュエータ。
前記中間部材は、光軸に対し平行であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記中間部材は、円筒形であることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記中間部材は、前記光学素子を密閉することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
前記光学素子保持部と前記コイル保持部との少なくとも一方に磁性材料が含まれていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。