JP5433963B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、リニアアクチュエータに関するもので、特に、但し限定するものではないが、直線往復運動に供するものである。
長い歴史の中で、様々なタイプのリニアアクチュエータが提示されている。
簡単なアクチュエータの例として、ソレノイドがあり、電気コイルに対応して電機子が可動する。ソレノイドのようなアクチュエータは小型から大型まで、家庭用から工業用まで様々な用途に使われる。（例えば、特許文献１参照）
特開２００３−７０２２６号公報
しかしながら、様々なリニアアクチュエータの技術が知られているが、設計上、更に重要な点として性能上さまざまな障害点がある。
従来のリニアアクチュエータの問題点として、与えられたサイズに対して、限られた推力が挙げられる。大きな推力が要求される用途には、これに対応して大型のリニアアクチュエータが必要となる。大型のリニアアクチュエータは多くの用途では適用できるものの、全体として製品の小型化が要求される用途には最小限のサイズのリニアアクチュエータが望ましい。この問題は、コイルのサイズ、電流を大きくすることで対応できる。しかし、消費電力の増大、発熱の増大といった問題点が発生する。多くの用途では、効率の最大化、発熱の最小化が望ましい。
ソレノイドのような従来のリニアアクチュエータの他の問題点として挙げられるのが、全ストロークに渡る均一な推力が得られない事である。一般的に、電磁力が最大となるストロークの中央部において推力が最大となる。ストローク端に行くに従って推力は低下する。可動範囲で推力が変動するという事は、通常、最低推力に合わせなければならず、与えられた用途におけるリニアアクチュエータのサイズを決定する事になる。
また、従来のリニアアクチュエータの推力／ストロークの非線形性特性は精密な位置決めが出来なくなる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で、効率が高く、発熱が少なく、全ストロークに渡り均一な推力が得られるリニアアクチュエータを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、コイルメンバーと、往復可動する可動メンバーとを備え、前記可動メンバーは、往復可動の軸を持ち、前記軸に沿って離れて配置され逆方向に着磁された第１の磁石および第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石の間に配置され第１および第２の磁石とは異なる方向に着磁された第３の磁石とを有し、前記コイルメンバーは、前記軸に沿って離れてかつ同軸に配置される第１のコイルおよび第２のコイルを有し、前記コイルメンバーは、前記第１および前記第２のコイルを収容するコアを更に有し、前記コアには、前記第１のコイル、前記第２のコイルと前記可動メンバーに近接する前記コアの端部との間でそれぞれ延びる第１のギャップおよび第２のギャップが形成され、前記可動メンバーは、第１の方向の最大位置と第２の方向の最大位置との間を動くように配置され、前記第１の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第１の方向側の端部が、前記第２の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第２の方向側の端部が、前記第１のギャップと前記第２のギャップとの間の前記コアの部分に整列する。
また、請求項２に記載の発明は、前記可動メンバーは、シャフトと、前記シャフトの径方向に着磁された前記第１の磁石と、前記第１の磁石とは逆方向に着磁された前記第２の磁石とを有する、ことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石は、前記可動メンバーの軸と平行に互いに直列で隣接して配設される、ことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石は、前記可動メンバーの円周方向に延びる、ことを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記シャフトは磁性体で構成される、ことを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記シャフトは非磁性体で構成され、前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石が前記シャフトの円周方向に設置される、ことを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記可動メンバーが、第１の方向の最大位置と第２の方向の最大位置との間を動くように配置され、前記第１の方向の最大位置と前記第２の方向の最大位置との中間の初期位置において、前記第１の磁石は前記第１のコイルと対向して配置されるとともに、前記第２の磁石は前記第２のコイルと対向して配置される、ことを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、電流を受けるように構成され、前記可動メンバーを第１の方向に動かすために、電流は第１の極性に流し、前記第１の方向とは逆の第２の方向に動かす時は、前記第１の極性とは逆の第２の極性に電流を流す、ことを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、非磁性体メンバーが、前記コイルメンバーと前記可動メンバーとの間に介在する、ことを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、前記非磁性体メンバーは、前記可動メンバーの動きの長手方向に延在するスリーブを有する、ことを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、ギャップが、前記可動メンバーと前記非磁性体メンバーとの間に設けられる、ことを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、電機子と、前記電機子を取り巻く第１のコイルおよび第２のコイルとを備え、前記電機子は、前記電機子に沿って離れて配置され互いに逆の極性で前記電機子の径方向に着磁された第１の磁石および第２の磁石と、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に配置された第３の磁石とを持ち、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、コアの中に収納され、前記コアは、前記第１のコイル、前記第２のコイルと前記電機子に近接する前記コアの端部との間でそれぞれ延びる第１のギャップおよび第２のギャップを持ち、前記電機子は、第１の方向の最大位置と前記第１の方向とは逆の第２の方向の最大位置との間を動くように設定され、前記第１の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第１の方向側の端部が、前記第２の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第２の方向側の端部が、前記第１のギャップおよび前記第２のギャップの間に整列する、ことを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、前記第１の磁石と前記第３の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の少なくとも１つの隣接部はテーパー形状を呈する、ことを特徴とする。
また、請求項１５に記載の発明は、前記可動メンバーの磁石数は３つであり、前記コイルメンバーのコイル数は２つである、ことを特徴とする。
開示する本発明の最初の形態について、リニアアクチュエータは、コイル、往復運動する可動メンバーを備え、この可動メンバーは、リニアに可動する可動軸を持ち、互いに逆方向の極性を持つ第１、第２の磁石と、前記第１、第２の磁石の間にある、極性を与えられた第３の磁石を持ち、可動軸と同軸に、離れて設置される第１、第２のコイルを持つ。前記第１、第２の磁石は、コイルに隣接する磁石表面の磁界強度が強くなり、往復可動部材に隣接する磁石表面の磁界強度が弱まるように、着磁してある。磁石の磁界強度が、磁石が接合される往復運動部材の円周において、最大化できるように配慮される。
従って、第１、第２、第３の磁石から発する磁力線と、それぞれのコイルへの電流による磁力線は、相互に作用する。一つのコイルに一つの方向に流れ、他方のコイルには逆の方向に流れる電流は、可動メンバーと磁石に対して、第一の方向に動くように作用する。逆に、第１、第２のコイルに前記と逆方向の電流を流すと、第１の方向とは逆の方向に動くように作用する。電流が与えられなければ、磁石と可動メンバーは停止したままである。従って、電流を与える事で、磁石と可動メンバーの動きを制御できる。
事実上、３つの磁石は、第１の側の磁界強度が強まり他方の側の磁界強度が強まるように配置されたハルバック磁石パターンに従って配置される。この磁石の配置は一方の側の磁界強度を大きく弱め、逆の側の磁界強度を強める。この磁石配置の使用の利点として、磁石の取り付けた反対側の磁束線が低減できる事から、従来のリニアアクチュエータで必要としている鉄材のアマチャー又は鉄材の裏打ちされたアマチャーの量を低減、或いはなくす事が出来る。同様に、コイルに近接した側の磁界強度は増強され、以下に説明することをリニアアクチュエータに適用すると推力が増大する。
磁石は、往復作動する可動メンバーに、可動メンバーの寸法、形状に適した構造で配置される。例えば、磁石は、円筒シャフトに直径方向に均一の磁界が発生するようにリング状に配置される。磁石は、追加的に或いは変形例として、磁石の保護、全体の寸法低減が目的で、往復運動する可動メンバーに埋め込まれる。追加的に或いは変形例として、往復運動する可動メンバーの円周に、可動方向と並行に１つ又は数個のラインに分割して配置される。
例えば、９０°分割で４個のハルバック配列磁石を円周上に配置する事も出来る。これは、メンバーの重量を低減できる。
本発明においては、必要に応じて、ハルバック配列磁石の範囲にある様々な配置が活用できる。
磁石自体は、最適な材料から選定され、例えば、ネオジ磁石（ＮＤＦＥＢ）、サマリュームコバルト磁石（ＳＭＣＯ）又はフェライト磁石が使用できる。他の最適な磁石材料も使用できる。
この磁石配置は、従来のように、鉄材、即ち重い往復運動する可動メンバーの必要はなく、即ち鉄材以外を使った軽量な設計が出来る。リニアアクチュエータの用途に応じた適切な材料が選択できる。例えば、往復運動する可動メンバーの材料として、樹脂のような非金属を使用することで、重量を大幅に低減できる。更に、可動部の重量低減は可動メンバーの慣性の低減にもつながる。
往復運動する可動メンバーの形と寸法は、用途とリニアアクチュエータが作り出す望ましい動きによって決定される。一例として、往復運動する可動メンバーはコイルの中心軸に沿った、円筒又は実軸でもいい。このような、配置において、第１の磁石の着磁方向は、軸中心に対して外側に広がる方向であり、第２の磁石は、反対の極性となる。第３の磁石は、第１と第２の磁石の間に設置され、着磁方向は、一つの磁石から他の磁石に向かう方向である。各磁石は、ハルバック効果が増すなら、離れて設置できる。
磁石は、往復運動する可動メンバーの周り又は軸に沿って、適度な配置がなされる。磁石は、均一の磁界強度を持たせるため円筒形の磁石とすることができる。磁石表面の磁界強度は、ハルバック効果で増大する。
コイルは、前記の３つの磁石の磁束と協業で働けるような配置にしている。２つのコイルと磁石による磁力線の相互作用は、全ストローク中で、コア内および往復運動する可動メンバー内の磁束変動を最小限にする。これによって、リニアアクチュエータの効率を高め、電力消費を最小化し、重要な事は、コア内と往復運動する可動メンバー内の熱の発生と放出を最小化する。
コイルの配置は、往復運動する可動メンバー部分を取り巻くように配置されても良い。しかしながら、望ましくは、コイルの中心を往復運動する可動メンバーが動くように配置される。この配置と、シャフトの周辺に延びる前に記載した３つ磁石の、組み合わせで、リニアアクチュエータに発生する推力を最大化する。
コイルの配置は、第１、第２のコイルをコア中に収納し、可動メンバーの可動軸に対応する中心軸を持つ鉄コアの形を持つ。２つのコイルは、リニアアクチュエータの特定の要求仕様、コア材料、コイルの巻き線密度、などに従って、最適な距離を持って配置される。同様に、コイルのサイズとコイルを取り巻くコアのサイズは、リニアアクチュエータの要求仕様に従って、選定される。
コイルを取り巻くコアは、コイル周辺および往復運動する可動メンバーに結合した磁石に沿った磁界を橋渡ししたり、集中させる。コア内の磁束の短絡を防止、即ちコアのみを周回する磁束線を防止するため、コアは２つのギャップを入れるか又は、コイルと往復運動する可動メンバーに隣接するコア端部に延びるコア材料を非連続としている。実質的に、コアの断面は、往復運動する可動メンバーとこれに結合するハルバック配列磁石に隣接する２つのギャップを持ったＥ字形状をしている。
各ギャップのサイズは、コア材料、コイル配置、そして電流の要素で決定され、従って、リニアアクチュエータの要求仕様で決定される。しかしながら、最小ギャップ長は、与えられる作動電流における磁気飽和を防止する最小値に設定される。ギャップ自体は、空隙又はコイルを保護する材料で埋められる。但し、磁気的な短絡を防止する材料である必要がある。
リニアアクチュエータは、リニア作動又はストロークの最適な長さを持つように、設定できる。ストロークは、中点位置から第１の方向の最大のストロークまでの第１の部分を形成し、そして、中点から逆方向の第２の方向に向かう最大のストロークの第２の部分を形成する。都合に良い事に、フルストロークに渡って、磁界強度を増加するために、第３の磁石の中点位置が、コイルの配置の中間位置に相当する。即ち、第３の磁石は、第１、第２のコイルの、可動方向に沿った、中間位置にある。つまり、コイルの磁力線と第１の磁石と第２の磁石による磁力線の結合による推力は、両方の方向で最大化される。以下に詳細を述べる。
両方向のストローク長は、望ましくは推力の最大化と全ストロークに渡って、一定に保つように選定される。この事は、上述したコアのギャップの間に、第３の磁石の末端が位置するように、動きを制限する事で実現する。つまり、第３の磁石の末端は、両方向の動きにおいて、ギャップに重なる事が無いようにしている。
ハルバック配列の特徴として、第３の磁石の端部においては、磁界強度は小さいか又はゼロに向かう値である。もし、磁界強度が小さくなる位置にまで延びたとき、磁石とコイルの磁束の結合は低下する。結果として、リニアアクチュエータの推力が低下する事になる。第３の磁石の磁束線が小さくなる部分がコアのギャップに合致するように、リニアアクチュエータのストロークを制限する事で、推力は最大化できると同時に、ストロークと推力の関係も一定化する。
リニアアクチュエータは、往復運動する可動メンバーの動きの終端には（可動メンバーの動きを止める）壁があり、第３の磁石の端部が、ギャップに重ならないようにしている。
リニアアクチュエータの用途に応じて、コア材料は適正に選択できる。例えば、１００Ｈｚ以下の低い周波数の電流印加の場合、鉄又は他の適正な材料を選択できる。１００Ｈｚ以上の高い周波数の電流印加の場合、適正な磁性圧粉材料が使われる。
コイルの製造手法も含め、コイルの巻き線自体も、ここでは詳述しないが、よく知られた技術を用いて行なわれる。コイルは、従来技術である、交流電源で駆動され、２つのコイルは、並列、或いは直列接続され、最適な駆動電源に接続される。
リニアアクチュエータは、一方向可動に設定され、原点復帰は、スプリング又は重力など、他の手段で行なわれてもよい。このような、用途は、例えば、自動車のブレーキに用いられてもよい。このような用途では、電流は一方向となる。両方向駆動が要求される往復運動の用途では、適正な交流電流により、シャフトは第１の方向と逆の第２の方向に駆動される。
往復運動メンバーは、限定される事は無いが、ピストン、レバー、カム、その他の適切な部材を動かすように設定される。その部材自体は、勿論、複雑なコンポーネントの一部である。例えば、リニアアクチュエータは、自動車のブレーキ、エンジン部品、減速機、ポンプなどを制御する。
冷凍機の冷凍配管のような例では、可動メンバーはパイプに収納される。リニアアクチュエータは、圧力パイプの中にある冷凍機ポンプを駆動し、このような用途では、可動部材は、コイル及びコアからシールされ、この場合、コイル、コアと可動メンバー間は、非磁性体の例えばスリーブとか適当なチューブが用いられる。
スリーブ又はチューブは圧力を与えられた液体、気体が収納され、可動部材はこれらと共に動くと理解されるべきである。スリーブ又はチューブは、可動メンバーのストロークの方向を制御するガイドを持つことも出来る。可動メンバーの外周とスリーブ、筒の内周には適当なギャップが設けられる。このギャップ又はクリアランスは全体、又は一部に、適当な潤滑又は低摩擦材料で充填されてもよい。
他の要件を見ると、リニアアクチュエータは、第１、第２のコイル、リニアアクチュエータの可動軸に沿って動く電機子(ＡＲＭＡＴＵＲＥ)を持つ電磁誘導メンバーを持ち、電機子はハルバック磁石構成の複数の磁石を持つ。
他の要件を見ると、電機子を取り巻く第１、第２のコイルを備え、電機子は、電機子に沿って離れて設置された円周方向に互いに逆方向の極性に着磁された第１、第２の磁石と、第１、第２のコイルの間に第３の極性を持った磁石を備える。第１、第２のコイルは、コイルから電機子に隣接するコアの端部まで延びる第１、第２のギャップを持つコアの中に収納される。
他の要件を見ると、リニアアクチュエータに備わる機構は、第１と第２の位置に動く可動部材を持ち、可動部材は、リニアアクチュエータの往復可動メンバーに接続される。
更に、他の要件を見ると、電機子を取り巻くコアを持ち、電機子はコアの軸に沿って動くように設定される。コアは、コアと同軸に巻かれ、直列接続された、少なくとも２つのコイルを持ち、電機子はハルバック磁石構成の複数の磁石を持ち、電機子の長手方向に延びる。
リニアアクチュエータの往復運動メンバーは、コイルの電流を増減する特定の制御信号に応答して動く。例えば、制御信号とは、可動メンバーの目標位置、可動メンバーの実際の位置の両方又は一方に応答するもので、即ちクローズドループである。
第１の磁石と第３の磁石および第２の磁石と第３の磁石の少なくとも１つの隣接部をテーパー形状とすることで磁束の流れがスムーズになり、発生磁界を大きくできる。そのため、希土類磁石の量を少なくして、必要推力を得ることが出来る。
また、第３の磁石を中央に第１の磁石と第２の磁石をテーパ形状を利用しながら両側からすべりこませるように組み付けることで、組みつけ作業が容易になる。
以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する
図１は、本発明の実施例のリニアアクチュエータ１の断面を示す。リニアアクチュエータ１は２つのコイル３ａ（第１のコイル）、３ｂ（第２のコイル）を収納するコア２を持つ。電気コイルは、従来の技術によりリング状に形成される。コイルへの電気的接続は、図示していないが、互いに逆方向に流れるように設定されている。
コア２及びコイル３ａ、３ｂは、コイルとコア２の中心を細く延びるリニアアクチュエータ１の中心部を取り巻くように設定される。非磁性体のスリーブ４はコア２とリニアアクチュエータ１の中心部に設置される。従って、コア２と中心部は分離されている。
コア２は、鉄又は圧粉磁性体など、最適な材料で構成される。材料は、例えば、望ましいストロークとか負荷など、リニアアクチュエータの特定の用途に応じて選定される。また、コイル３ａ、３ｂに流れる電流の周波数によっても、材料は選択される。
スリーブ４は往復運動メンバー、叉はリニアアクチュエータ１の中心に同軸の取り付け可動メンバーを取り囲む。この例では、可動メンバーは中空のシャフト５と、シャフト５の周りに結合されて、ラジアル方向に着磁された円筒磁石６ａ（第１の磁石）、６ｂ（第２の磁石）とを有する。シャフト５は、鉄等の磁性体で構成されるが、ステンレス、アルミニウム、樹脂等の非磁性体で構成してもよい。磁石６ａ、６ｂは、シャフト５の軸７に沿って、互いに離れて設置される。以下で説明する第３の磁石８（第３の磁石）は、２つの磁石６ａ、６ｂの中間に設置され、軸方向に着磁されている。３つの磁石６ａ、６ｂ、８は、シャフト５の表面に沿って互いに隣接している。
可動メンバーは、第１の方向の最大ストローク位置（図７（ｂ））と第１の方向とは反対の第２の方向の最大ストローク位置（図７（ｃ））との間を動くように配置される。図７（ａ）に示されるように、図７（ｂ）の最大ストローク位置と図７（ｃ）の最大ストローク位置との中間位置が初期位置に設定されている。初期位置において、磁石６ａはコイル３ａと対向して配置されるとともに、磁石６ｂはコイル３ｂと対向して配置される。
磁石６ａ、６ｂ、８は、シャフト５に最適な方法、つまり、はめあい又は適当な機械的結合方法で接合されている。追加的に、又は変形例として、接着剤も用いられる。
この例では、シャフト５および磁石６ａ、６ｂ、８が、軸７に沿って可動する可動メンバー又は電機子を形成する。磁石６ａ、６ｂ、８の表面と、スリーブ４の内側には、適切なギャップ１１が与えられ、スリーブ４の軸に沿って自由に動く事が出来る。
このスリーブ４の寸法は、リニアアクチュエータ１の用途によって決定される。電機子が密封又は入れ物環境の中で動くような用途のリニアアクチュエータ１では、スリーブ４は筒又は圧力容器の壁として働く。冷凍機の冷媒回路として働く例がある。変形例として或いは追加的に、スリーブ４は可動メンバーの動きを制御するガイドとしても働く。
図１に示す様に、本発明によるリニアアクチュエータ１はコンパクトであり且つ簡素な構造である。
図２は、シャフト５とシャフト５上の磁石６ａ、６ｂ、８の配置関係を断面図により詳細に示している。図２に示す様に、３つの磁石６ａ、６ｂ、８は、シャフト５の表面に沿って配置されている。３つの矢印は、３つの磁石の極性を示している。左から右に見て、第１の磁石６ａは磁束がシャフト５の中心軸７から離れる方向に配置される。第２の磁石８は磁束がシャフト５の中心軸７に沿うように、即ち右から左に向くように配置される。第３の、最後の磁石は、磁束が、シャフト５の中心軸７に向くように配置される。この磁石の配置は、ハルバック構造又はハルバック配列として知られている。この磁石配置は、各磁石の着磁の方向は隣の磁石の着磁の方向に対して正しい角度ならば、いかなる数の磁石も取りうる。この例では、３つだけの磁石を示しているが、シャフト５の長さ、リニアアクチュエータ１の望ましいストロークによって、コイルの数との組み合わせで、いかなる組み合わせも取りうるものである。
図３にハルバック配列磁石が発生する磁束を示す。図３の矢印で示す様に、ハルバック配列の上側９では、磁束が増大し、下側１０では、弱められる（実質的に減少）。この配列は、コイルと結合する上側１０の磁束を増大するばかりでなく、下側９の磁束を弱め、従来の構成では必要とする鉄材のバックヨーク量を低減又は無くす事が出来る。他方に磁束が集中し、逆の面は磁束が低下するためである。
図３は、磁束が小さくなる部分を示している。これらは、基準点ＡとＢで示しており、基準点Ａは磁石６ａと第３の磁石８の接点で、最小の磁束量を示す点であり、基準点Ｂは磁石６ｂと第３の磁石８の接合点で、最小の磁束量を示す点である。このような点は、磁束の方向の変化する点であり、最小の磁束でゼロに近づく値となる。
図４は、リニアアクチュエータ１の、違った断面を示しており、２つのコイル３ａ、３ｂ は、コア２に収納され、リニアアクチュエータの中心部の周りに巻かれる。ハルバック配列時磁石がシャフト５に結合され、リニアアクチュエータの中心部に設置される。ハルバック配列を構成する磁石６ａ、６ｂ、８はスリーブ４から微小ギャップ１１で分離される。ギャップ１１はシャフトとハルバック配列磁石６ａ、６ｂ、８を互いに干渉することなく軸方向に自由に動かす。
勿論、ギャップ１１は必須要件ではなく、シャフト５と磁石６ａ、６ｂ、８を動かす適切な滑り材料に置き換えてもよい。適切な材料とは、例えば、ＰＴＦＥコーティングとか、リニアアクチュエータの用途に準じたその他の材料であってもよい。
図５は、本発明によるリニアアクチュエータ１の最適な特性と断面寸法とハルバック配列を示す説明図である。
図５（ａ）は、本発明によるリニアアクチュエータの最適な特性を示している。往復運動可動メンバーのストロークを、−Ｓと＋Ｓで示しており、この距離において、推力は実質的に一定である。一定推力を提供する事は、リニアアクチュエータ１のデザイン範囲において、特段に有利であると認識される。
図５（ｂ）に、再び断面図であるが、特定の寸法を表示している。図５（ｂ）の寸法表示は、以下の寸法である。
Ｌ１ ハルバック配列可動メンバーのトータル長さ
Ｌ２ 往復可動メンバーの可動方向に沿った、コアのトータル長さ
Ｃ ハルバック配列を構成する磁石(ａ)の外側端部とステーターコアの外側端部の距離
Ａ 磁石(ａ)の外側端部と上側コイルのギャップ(ｇ)の外側端部の距離
Ｂ 第３の磁石(ｂ)の端部と上側コイルのギャップ(ｇ)の内側端部の距離
ｇ コイルと可動メンバー中間にあるコアのギャップ長さ
ｄ１ コアの端部とコイル間の距離
ｄ２ ２つのコイル間の距離
ｄ３ コイルの端部とコアの外側端部の距離
ｄ４ 可動メンバーの壁の厚さ
リニアアクチュエータの最適性能は、各方向のトータルストロークをＳとすると、図５（ａ）のＡとＢの寸法に等しい時に得られる。即ち、以下の関係の時である。
Ａ＝Ｂ＝Ｓ
ｇ及び、ｄ１〜ｄ４は、リニアアクチュエータの使用条件によって決定される。これらの値は、要求される推力条件下での、磁気的飽和を防止するべく選定される。コア２の磁気飽和を防止するための寸法決定については、この領域の技術を熟知する者なら十分理解される。
上記の関係の重要な点は、図５（ｃ）を参照して理解される。図５（ｃ）は、本発明による１組のコイルとハルバック配列を示している。３つのイメージは、可動メンバーの３つの位置に対応している。即ち、第１の方向に対する最大位置、第２の方向に対する最大位置、中点位置である。
ハルバック配列と可動メンバー内の、３つの位置でのわずかな磁束変化が、図５（ｃ）において、明確に読み取れる。また、全ストロークに渡って、２つのコイルと可動メンバー間の、一般的に均一な磁束の伝達状況が示されている。上述した如く、磁束の均一な結合は全ストロークに渡って均一な推力発生をもたらしている。従って、図５（ｃ）から、本発明に従った構成により、可動部の全ストロークに渡って、推力が発生できる事が理解される。図３に示されたハルバック配列の磁束線がコイルの磁束線にスムースに結合する事で達成される。
更に、リニアアクチュエータの線形性を改良するため、そして磁石とコイルの磁束の結合のスッテップ的な変化を防止するため、ハルバック配列の第３の磁石の他の磁石に接する端部は、コアギャップに重ならないように動きが規制される。図５（ｃ）に示す様に、コアのギャップの上の磁束は低い。同様に、図３を参照にして説明すると、参照点Ａ、Ｂでの磁束は低い。これらの点を（ギャップに）重ならないようにする事で推力のストロークに対する線形性を適正化する。
リニアアクチュエータの推力は、ハルバックとコイルの関係を２コイル１ハルバックとして、直列に構成する事で、増大できる。しかしながら、最適な推力とストロークの関係を得るためには、上記の原理、即ち、各ハルバック配列の中間の磁石の終端部はコアのギャップ又はコイルに整列するコアに整列する事を防止しなければならない。大きな推力は、これらの組み合わせの直列構成、即ち、適切に配置した直列配置のコイルペアとの組み合わせと、電機子に沿った３つの磁石の直列配置によって得られる。
図６は、本発明の実施例を、特性データ及び寸法例と共に示している。
図６（ａ）は、コア２に位置するコイル３ａ、コイル３ｂの各それぞれの電流方向を示している。シャフト５が、図の上部に移動するためには、コイル３ａの電流極性は紙面に向かって流れ、コイル３ｂの電流は紙面から出てくる方向に流れる。逆に、シャフト５を下方に異動したいときは前記と逆の電流を流す。
径方向に着磁された磁石６ａと６ｂ、及び軸方向に着磁された磁石８は、ハルバック配列を構成する。図３を参照して、図６（ａ）に示された電流の方向において、シャフト５はハルバック配列の磁束と結合して図の上面に向けた推力を得る。逆に、電流が逆であるとハルバック配列の磁束との結合により、図の下面に向けた推力を得る。
図６（ａ）は、更に、ギャップ１１（又はクリアランス）が、磁石６ａ、６ｂ、８とスリーブ４（又はチューブ）の間にあり、軸７に沿って磁石６ａ、６ｂ、８を自由に動かす事を説明している。
図６（ａ）は、更に、コア内にコイル３ａ、コイル３ｂの配置を示している。図示するように、ハルバック配列に近接した側のコア２の非連続部又はギャップ１２ａ（第１のギャップ）と１２ｂ（第２のギャップ）と共に配置される。実際的には、コアは“Ｅ”形状をしている。既に述べたように、ギャップ１２ａと１２ｂはコア２の磁気的な短絡を防止するために設けられている。
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すリニアアクチュエータ１の推力／ストローク特性を示している。特徴的な利点として、実質的に推力ラインはストローク−２.５ｍｍ〜＋２.５ｍｍ、即ちトータルストローク５ｍｍにおいて変動しない。事実、全ストロークにおいて、変動量はわずか１０Ｎである。
図６（ｃ）は、ストローク５ｍｍにおける、２つの各コイルの鎖交磁束を現している。“Upper coil”はコイル３ｂ、“Lower Coil”はコイル３ａに対応する。
図７は、図示の電流極性における磁束線を現している。
図７（ａ）は、中点位置にあるリニアアクチュエータを示している。中点位置とは、即ち、径方向着磁磁石（６ａ、６ｂ）と軸方向着磁磁石(８)が、２つのコイルの中間位置にあるゼロストローク位置のことである。電流は供給されず、可動部材は、静止状態にある。磁束線はハルバック配列磁石とコアを通る。
２つのコイルに、第１、第２の電流が、下記する手段制御ユニットにより与えられ、励起される。コイルは、直列に接続されるか、適切に並列に接続される。
図７（ｂ）において、上側コイルには紙面に入っていく方向の電流が加えられ、下側コイルには、紙面から出てくる電流が加えられる。これによって、ハルバック配列磁石、従って、シャフト５を、中点位置から、図７（ｂ）に示す位置に動かす。これは、図３に示された、配列からの磁束が（コイルと）磁気結合した結果である。
更に、図７（ｂ）に示す様に、ハルバック配列の中間磁石８の端部Ａ１はコア２のギャップの端部Ｃ１に整列されるようにしている。ハルバック配列は、これ以上は進まないように配置される。図に示す様に、コイルと、ハルバック配列の磁束の磁気結合は、均一性が保たれている。可動メンバーは、Ｃ１点に規定される限界を越えて動けるが、推力の線形性は妥協せざるを得ない。
図７（ｃ）は、逆の電流が加えられた状況を示す。図７（ｃ）において、上側のコイルには、図から出てくる方向の電流が流れ、下側コイルには図に入っていく方向の電流が流れる。従って、ハルバック配列は、図の下方に動くように働く。中間磁石の端部Ａ２はコアのギャップの端部Ｃ１に整列されるようにしている。繰り返しになるが、ハルバック配列は、これ以上動かないようにされており、同様に、磁気結合は、図示する様に均一である。
図７（ｂ）、７（ｃ）から理解されるように、中間磁石の端部がコアのギャップ端部に重ならないように、ハルバック配列磁石の動きを制限する事で、リニアアクチュエータの（推力）の線形性が最適化される。コイルの間隔を長くする事と磁石の長さを短くする事のいずれか一方（又は組み合わせ）でリニアアクチュエータのストロークを長く出来る。
本領域に精通した者なら、電流を制御する事で、ハルバック配列磁石が取り付けられた部材或いはシャフトを動かすことは認識できる。精密な電流制御で、精密な動きを制御できる。更に、電流の変化をすばやく行う事で、取り付けメンバーの動きをすばやく出来るし、更に、取り付けメンバー又はシャフトの重量、即ち慣性を小さくする事でより強化できる。
図７（ａ）〜（ｃ）に示す様に、コアの磁気飽和の適正化は、与えられた電流値及び単位当たりのストロークに対する推力に対して、ハルバック配列磁石の長さと共に、コアの寸法、コア中のギャップのサイズが決定する。
図８は、ここに挙げたリニアアクチュエータの、制御機器の構成例を示している。リニアアクチュエータ１の２つのコイルは、駆動ユニット１３と適当なインターフェース１４を介して接続され、電流を受ける。図では、コイルは直列に接続されているが、各独立で接続されてもよい。駆動ユニット１３とインターフェース１４はデジタルシグナルプロセッサー１５又は相当するものからの信号を受けるもので、それらは、他のユニット又はユーザーからの信号１６を受ける。リニアアクチュエータの位置を決定するため、ポジションセンサー１７が必要に応じて、取り付けられ、制御線１８を介して、駆動ユニット１３、インターフェース１４と接続される。他の制御ユニットが採用される事は、本領領域に精通した者なら認識できる。
図９〜１２は、磁石６ａと磁石８の隣接部２０と磁石６ｂと磁石８の隣接部１９のテーパー角度θを変えたリニアアクチュエータの断面図とその磁界解析結果を示す説明図である。図９〜図１２はテーパー角度θのみ変更したもので、その他の部位については同様である。
図９（ａ）は、磁石６ａと磁石８の隣接部２０と磁石６ｂと磁石８の隣接部１９のテーパー角度θが９０°の場合の断面形状で、図９（ｂ）は、その磁界解析結果（磁束の流れベクトルおよび最大推力値）である。
図１０（ａ）は、磁石６ａと磁石８の隣接部２０と磁石６ｂと磁石８の隣接部１９のテーパー角度θが４５°の場合の断面形状で、図１０（ｂ）は、その磁界解析結果（磁束の流れベクトルおよび最大推力値）である。
図１１（ａ）は、磁石６ａと磁石８の隣接部２０と磁石６ｂと磁石８の隣接部１９のテーパー角度θが３０°の場合の断面形状で、図１１（ｂ）は、その磁界解析結果（磁束の流れベクトルおよび最大推力値）である。
図１２（ａ）は、磁石６ａと磁石８の隣接部２０と磁石６ｂと磁石８の隣接部１９のテーパー角度θが６０°の場合の断面形状で、図１２（ｂ）は、その磁界解析結果（磁束の流れベクトルおよび最大推力値）である。
テーパー角度θが４５°（図１０）の場合に、隣接部１９、２０での磁束の流れはスムーズになり、従来のテーパー角度θが９０°の場合（図９の）と比較して、最大推力値が６３．６７と最も大きくなる。隣接部１９、２０のテーパー形状をテーパー角度が４５°付近とすることで、小型で、効率が高く、発熱が少ない、リニアアクチュエータを提供できる。また、希土類磁石の量を少なくできるため、コストが低減する。
図１３は、磁石６ａ、６ｂ、８をシャフト５に組み付ける手順を示す説明図である。円周方向に分割された磁石６ａ、６ｂ、８を、シャフト５上に接着する場合、互いに反発あるいは引き付け合うことで、接着作業に手間が掛かるが、アキシアル方向の磁石８をシャフト５に接着した後に、ラジアル方向の磁石６ａ、６ｂを接着する手順でテーパ形状を利用しながら両側からすべりこませるように組付けを行なうことで、組付け作業が容易になる。
本発明のリニアアクチュエータの断面図である。 ハルバック磁石構成の断面図である。 ハルバック磁石の磁束線図である。 本発明のリニアアクチュエータの第２の断面図である。 本発明によるリニアアクチュエータ１の最適な特性と断面寸法とハルバック配列を示す説明図である。 本発明の実施例を、特性データ及び寸法例と共に示す説明図である。 電流極性における磁束線を現している。 リニアアクチュエータの、制御機器の構成例を示す図である。 磁石の隣接部のテーパー角度θが９０°の場合のリニアアクチュエータの断面とその磁界解析結果を示す説明図である。 磁石の隣接部のテーパー角度θが４５°の場合のリニアアクチュエータの断面とその磁界解析結果を示す説明図である。 磁石の隣接部のテーパー角度θが３０°の場合のリニアアクチュエータの断面とその磁界解析結果を示す説明図である。 磁石の隣接部のテーパー角度θが６０°の場合のリニアアクチュエータの断面とその磁界解析結果を示す説明図である。 磁石の組み付け手順を示す説明図である。
符号の説明
１ リニアアクチュエータ
２ コア（コイルメンバー）
３ａ コイル（コイルメンバー；第１のコイル）
３ｂ コイル（コイルメンバー；第２のコイル）
４ スリーブ（非磁性体メンバー）
５ シャフト（可動メンバー）
６ａ 磁石（可動メンバー；第１の磁石）
６ｂ 磁石（可動メンバー；第２の磁石）
７ 軸
８ 磁石（可動メンバー；第３の磁石）
１２ａ 第１のギャップ
１２ｂ 第２のギャップ
１９ 隣接部
２０ 隣接部

Claims (15)

  1. コイルメンバーと、往復可動する可動メンバーとを備え、
    前記可動メンバーは、往復可動の軸を持ち、前記軸に沿って離れて配置され逆方向に着磁された第１の磁石および第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石の間に配置され第１および第２の磁石とは異なる方向に着磁された第３の磁石とを有し、
    前記コイルメンバーは、前記軸に沿って離れてかつ同軸に配置される第１のコイルおよび第２のコイルを有し、
    前記コイルメンバーは、前記第１および前記第２のコイルを収容するコアを更に有し、
    前記コアには、前記第１のコイル、前記第２のコイルと前記可動メンバーに近接する前記コアの端部との間でそれぞれ延びる第１のギャップおよび第２のギャップが形成され、
    前記可動メンバーは、第１の方向の最大位置と第２の方向の最大位置との間を動くように配置され、前記第１の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第１の方向側の端部が、前記第２の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第２の方向側の端部が、前記第１のギャップと前記第２のギャップとの間の前記コアの部分に整列する、
    ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
  2. 前記可動メンバーは、シャフトと、前記シャフトの径方向に着磁された前記第１の磁石と、前記第１の磁石とは逆方向に着磁された前記第２の磁石とを有する、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. 前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石は、前記可動メンバーの軸と平行に互いに直列で隣接して配設される、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
  4. 前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石は、前記可動メンバーの円周方向に延びる、ことを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
  5. 前記シャフトは磁性体で構成される、ことを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
  6. 前記シャフトは非磁性体で構成され、前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石が前記シャフトの円周方向に設置される、ことを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
  7. 前記可動メンバーは、第１の方向の最大位置と第２の方向の最大位置との間を動くように配置され、前記第１の方向の最大位置と前記第２の方向の最大位置との中間の初期位置において、前記第１の磁石は前記第１のコイルと対向して配置されるとともに、前記第２の磁石は前記第２のコイルと対向して配置される、ことを特徴とする請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
  8. 前記コイルメンバーは前記可動メンバーの周りに延び、前記可動メンバーは前記コイルメンバーの軸に沿って可動する、ことを特徴とする請求項１乃至７の少なくともいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
  9. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、電流を受けるように構成され、前記可動メンバーを第１の方向に動かすために、電流は第１の極性に流し、前記第１の方向とは逆の第２の方向に動かす時は、前記第１の極性とは逆の第２の極性に電流を流す、ことを特徴とする請求項１乃至８の少なくともいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
  10. 非磁性体メンバーが、前記コイルメンバーと前記可動メンバーとの間に介在する、ことを特徴とする請求項１乃至９の少なくともいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。
  11. 前記非磁性体メンバーは、前記可動メンバーの動きの長手方向に延在するスリーブを有する、ことを特徴とする請求項１０に記載のリニアアクチュエータ。
  12. ギャップが、前記可動メンバーと前記非磁性体メンバーとの間に設けられる、ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
  13. 電機子と、前記電機子を取り巻く第１のコイルおよび第２のコイルとを備え、前記電機子は、前記電機子に沿って離れて配置され互いに逆の極性で前記電機子の径方向に着磁された第１の磁石および第２の磁石と、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に配置された第３の磁石とを持ち、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、コアの中に収納され、前記コアは、前記第１のコイル、前記第２のコイルと前記電機子に近接する前記コアの端部との間でそれぞれ延びる第１のギャップおよび第２のギャップを持ち、
    前記電機子は、第１の方向の最大位置と前記第１の方向とは逆の第２の方向の最大位置との間を動くように設定され、前記第１の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第１の方向側の端部が、前記第２の方向の最大位置においては前記第３の磁石の前記第２の方向側の端部が、前記第１のギャップおよび前記第２のギャップの間に整列する、ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
  14. 前記第１の磁石と前記第３の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の少なくとも１つの隣接部はテーパー形状を呈する、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
  15. 前記可動メンバーの磁石数は３つであり、前記コイルメンバーのコイル数は２つである、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。
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