JP6150981B2

JP6150981B2 - 振動アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP6150981B2
Application number: JP2012033086A
Authority: JP
Inventors: 純一郎岩城
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP2013172481A

Description

本発明は、磁石を有する軸部材がコイルを有する電機子部に対して相対的に振動する振動アクチュエータと、振動アクチュエータを駆動する駆動回路と、を備える振動アクチュエータ装置に関する。

従来から振動アクチュエータの一種として、磁石を有する軸部材が、コイルを有する電機子部に対して相対的に振動する振動アクチュエータが知られている（特許文献１参照）。この振動アクチュエータにおいて、軸部材は、筒状の電機子部に囲まれていて、筒状の電機子部に対して軸部材の中心線方向に振動可能に案内される。電機子部には、軸部材を復元させるためのばねが設けられる。電機子部には、軸部材を囲むコイルが設けられる。電機子部のコイルには駆動回路（ドライバ）から電力が供給される。駆動回路がコイルに電圧を一定にした交番電流を印加すると、コイルに発生する交番磁束と軸部材の磁石に発生する磁束との相互作用により、軸部材が振動する。

特開２００４−３４３９３１号公報（段落００４９参照）

しかし、従来の振動アクチュエータ装置にあっては、振動アクチュエータを定電圧駆動するので、時間の経過と共に軸部材の振幅が減少するという問題がある。振幅が減少する原因は、時間の経過と共に巻き線温度が上昇し、これに伴ってコイル抵抗値が上昇し、結果として駆動電流が低減することにある。

そこで、本発明は時間が経過しても軸部材の大きな振幅を維持することができる振動アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。本発明は、磁石を有する軸部材、並びに前記軸部材の中心線方向に配列されるＡ相コイル及びＢ相コイルを有する電機子部を備え、前記軸部材が前記電機子部に対して前記軸部材の中心線方向に相対的に振動する振動アクチュエータと、前記電機子部の前記Ａ相コイルにＡ相交流を供給し、前記電機子部の前記Ｂ相コイルに前記Ａ相交流と位相が９０°ずれたＢ相交流を供給すると共に、前記Ａ相交流の電流値及び前記Ｂ相交流の電流値を所定の電流値に定電流化する駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、二相ステッピングモータのバイポーラ駆動方式で前記Ａ相コイル及び前記Ｂ相コイルを駆動し、前記電機子部は、前記中心線方向に配列される少なくとも三つのコイルを有し、前記少なくとも三つのコイルのうち、前記中心線方向の両端のコイルが前記Ａ相交流が供給される前記Ａ相コイルであり、前記中心線方向の両端の前記Ａ相コイルの間の少なくとも一つのコイルが前記Ａ相交流とは位相が９０°ずれた前記Ｂ相交流が供給される前記Ｂ相コイルである振動アクチュエータ装置である。

本発明によれば、電機子部のＡ相コイル及びＢ相コイルに定電流を供給するので、時間の経過と共に軸部材の振幅が減少するのを防止することができる。軸部材の振幅は駆動電圧ではなく、駆動電流に比例するので、定電流を供給することで、軸部材の振幅を一定に保つことができる。また、駆動回路は、電機子部のＡ相コイル及びＢ相コイルにＡ相交流及びＢ相交流を供給するので、Ａ相交流とＢ相交流との合計電流に対して、軸部材の振動の位相遅れが生じる。よって、軸部材の振幅を大きくすることができる。

本発明の一実施形態における振動アクチュエータ装置の模式図本実施形態の振動アクチュエータ装置のドライバの駆動回路とその電流波形を示す模式図本実施形態のドライバの定電流チョッパ駆動の原理図本実施形態のドライバのマイクロステップ駆動の電流波形Ａ相コイル及びＢ相コイルに供給する電流と軸部材振動との関係を示すグラフ（図５（ａ）は本実施形態の二相励磁の例を示し、図５（ｂ）は比較例の単相励磁の例を示す）二相励磁と単相励磁とで軸部材の位相遅れを比較したグラフ駆動周波数と振幅との関係を示すグラフ

以下添付図面に基づいて本発明の一実施形態における振動アクチュエータ装置を詳細に説明する。図１は本実施形態の振動アクチュエータ装置の模式図を示す。本実施形態の振動アクチュエータ装置は、振動アクチュエータ１と、振動アクチュエータ１に電力を供給する駆動回路としてのドライバ２と、を備える。

振動アクチュエータ１の構造及びドライバ２の構造を順番に説明する。まず、振動アクチュエータ１の構造を説明する。図１には振動アクチュエータ１の中心線に沿った断面図が示されている。振動アクチュエータ１は、細長い円柱形状の軸部材４と、軸部材４を囲む筒状の電機子部３と、を備える。軸部材４には、中心線方向に複数の磁石５ａ〜５ｄが配列される。電機子部３には、軸部材４を囲む複数のコイル６ａ〜６ｃが中心線方向に配列される。また、電機子部３には、軸部材４の複数の磁石５ａ〜５ｄに吸引及び／又は反発する保持磁石７ａ，７ｂが設けられる。軸部材４は電機子部３を貫通しており、電機子部３に往復運動可能に支持される。

軸部材４には、例えば四個の磁石５ａ〜５ｄが配列される。各磁石５ａ〜５ｄは円筒形状に形成されると共に、中心線方向に着磁されている。すなわち、各磁石５ａ〜５ｄの中心線方向の一方の端部がＮ極に、他方の端部がＳ極に形成される。各磁石５ａ〜５ｄの中心線方向の長さＬ１は同じであり、互いに対向する端部が同極になるように軸部材４に配列されている。磁石５ａ〜５ｄ間には、磁性材料のスペーサ８が介在する。磁石５ａ〜５ｄ及びスペーサ８によって、軸部材４には一定のピッチで中心線方向に交互にＮ極及びＳ極が形成される。この実施形態では、左から順番に一定のピッチでＮ極、Ｓ極、Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極が形成される。磁石５ａ〜５ｄの内部には締結軸９が貫通する。締結軸９の両端部にはねじが形成されている。このねじにナット１０を螺合させることで、磁石５ａ〜５ｄを一体化させている。

電機子部３は、軸部材４の中心線方向に配列される三つのコイル６ａ〜６ｃを備える。三つのコイル６ａ〜６ｃの中心線は軸部材４の中心線ｃｌに一致する。三つのコイル６ａ〜６ｃのうち、中心線方向の両端のコイル６ａ，６ｃがＡ相コイルであり、中央のコイル６ｂがＢ相コイルである。詳しくは後述するが、Ａ相コイル６ａ，６ｃにはドライバ２からＡ相交流が供給され、Ｂ相コイル６ｂにはドライバ２からＢ相交流が供給される。これらのＡ相コイル６ａ，６ｃ及びＢ相コイル６ｂはそれぞれ、ボビン１１に巻かれている。

中央のＢ相コイル６ｂの両端には、リング状の保持磁石７ａ，７ｂが設けられる。保持磁石７ａ，７ｂは中心線方向に着磁されている。保持磁石７ａ，７ｂは対向する磁極が同極になるように、Ｂ相コイル６ｂの両端に配置されている。保持磁石７ａ，７ｂの磁極は、軸部材４の磁極５ａ〜５ｄと吸引及び／又は反発するようになっている。この吸引力及び／又は反発力によって、軸部材４がストロークの中心の原点に復元する。Ａ相コイル６ａ，６ｃの中心線方向の長さＬ２はＢ相コイル６ｂの中心線方向の長さＬ３と等しい。Ａ相コイル６ａ，６ｃ及びＢ相コイル６ｂの中心線方向の長さＬ２，Ｌ３は、磁石５ａ〜５ｄの中心線方向の長さＬ１よりも長い。Ａ相コイル６ａ，６ｃ、Ｂ相コイル６ｂ及び保持磁石７ａ，７ｂは、電機子部３のケーシングに収納されている。

軸部材４の四つの磁石５ａ〜５ｄのうち、両端の磁石５ａ，５ｄがＡ相コイル６ａ，６ｃ内に配置され、中央の二つの磁石５ｂ，５ｃがＢ相コイル６ｂ内に配置されている。Ａ相及びＢ相コイル６ａ〜６ｃと軸部材４の磁極との関係は以下のとおりである。まず、Ｂ相コイル６ｂの中心線方向の中心Ｖ１上には、軸部材４の中央の磁極（中央の二つの磁石５ｂ，５ｃによってスペーサ８に形成されるＮ極）が配置される。このため、Ｂ相コイル６ｂにＢ相交流を供給すると、Ｂ相コイル６ｂに発生する交番磁束と軸部材４のＮ極に発生する磁束との相互作用によって、軸部材４を振動させる推力が発生する。Ｂ相コイル６ｂは軸部材４を振動させる役目を持つので、中心Ｖ１上に軸部材４のＮ極が配置される。

Ａ相コイル６ａ，６ｃの中心線方向の中心Ｖ２と軸部材４の磁石５ａ，５ｄによって形成される磁極とは、その位置がずれている。すなわち、Ａ相コイル６ａ，６ｃの中心線方向のピッチＰ１（より正確にいえば、Ａ相コイル６ａ，６ｃの中心線方向の中心間のピッチＰ１）と軸部材４の両端の磁石５ａ，５ｃによって形成される磁極間のピッチ、すなわちＮ−Ｎ間のピッチＰ２及びＳ−Ｓ間のピッチＰ３とはずれている。

軸部材４がストロークの中心に位置するとき、両端の磁石５ａ，５ｄはＡ相コイル６ａ，６ｃ内に配置されている。また、軸部材４がストロークの左端まで移動するとき、磁石５ａの左端のＮ極がＡ相コイル６ａから飛び出し、軸部材４がストロークの右端まで移動するとき、磁石５ｄの右端のＮ極がＡ相コイル６ｃから飛び出すようになっている。Ａ相コイル６ａ，６ｃは、軸部材４を振動させる役目だけでなく、ストロークの端部に移動した軸部材４に早めにブレーキをかける役目を持つ。

二つのＡ相コイル６ａ，６ｃは直列に接続されている。ドライバ２は、Ａ相コイル６ａ，６ｃにＡ相交流を供給し、Ｂ相コイル６ｂにＡ相コイルとは位相が９０°ずれたＢ相交流を供給する。

図２は、ドライバ２の駆動回路とその電流波形を示す。図２中φＡは直列接続されたＡ相コイル６ａ，６ｃを示し、φＢはＢ相コイル６ｂを示す。図２（ａ）に示すように、駆動回路には合計八個のトランジスタが設けられる。φＡ及びφＢはフル・ブリッジ（Ｈブリッジ）型の回路で駆動され、φＡ及びφＢには、正と負の電流が交互に供給される。このドライバ２の駆動方式は、二相ステッピングモータのバイポーラ駆動方式と同一である。

図２（ｂ）に示すように、ドライバ２には、上位のコントローラ又はパルス発生器から指令パルス２１が入力される。ドライバ２は、指令パルス２１に応じて、φＡ（Ａ相コイル６ａ，６ｃ）に電流を反転させながら供給し、φＡ（Ａ相コイル６ａ，６ｃ）とφＢ（Ｂ相コイル６ｂ）とで流す電流の移動を９０度ずらせて、２相矩形波交流を出力する。

図３は定電流チョッパ駆動の原理図を示す。ドライバ２は、定電流チョッパ駆動回路を備え、Ａ相交流の電流値及びＢ相交流の電流値を定電流化する。定電流チョッパ駆動回路は、流したい電流値Ｉ_０を流すことのできる電圧より高い電圧ＶをＡ相コイル６ａ，６ｃ及びＢ相コイル６ｂに印加して、所定の電流値Ｉ_０以上になったら、印加電圧Ｖをオフする。電流が減少して所定の電流値Ｉ_０以下になったら、また印加電圧をオンして、再び電流を増加させる。所定の電流値Ｉ_０以上になったら、また印加電圧Ｖをオフする。この繰り返しで、電流値を所定の電流値Ｉ_０に定電流化する。図３のＶ及びＩはＡ相又はＢ相の１相分の電圧、電流を示す。この場合、１相分の電圧はｔ１秒まで印加される。

図４に示すように、実際には定電流チョッパ駆動回路は各相の電流を階段状にｎステップで増加させ、その後同様に減少させて、電流値の平均カーブが正弦波に近づくようにする（マイクロステップ駆動）。定電流チョッパ駆動回路も、二相ステッピングモータ用の定電流チョッパ駆動回路と同一のものを用いることができる。

Ａ相及びＢ相コイル６ａ〜６ｃに電流を供給すると、軸部材４が振動する。図５は、Ａ相及びＢ相コイル６ａ〜６ｃに供給する電流と軸部材４の振動との関係を示す。図５（ａ）は本実施形態の二相励磁の例を示し、図５（ｂ）は比較例の単相励磁の例を示す。図５（ａ）の二相励磁の例では、Ａ相コイル６ａ，６ｃにＡ相交流を供給し、Ｂ相コイル６ｂに９０度位相がずれたＢ相交流を供給している。図５（ｂ）の単相励磁の例では、Ａ相コイル６ａ，６ｃ及びＢ相コイル６ｂに位相を一致させた交流を供給している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフにおいて、中段がＡ相交流（Ａ相電流）を示し、下段がＡ相交流（Ａ相電流）とＢ相交流（Ｂ相電流）の合計電流（ＡＢ相合計電流）を示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフにおいて、Ｂ相交流の表記を省略しているが、二相励磁の例において、Ｂ相交流はＡ相交流と位相が９０度ずれており、単相励磁の例において、Ａ相交流とＢ相交流とは位相が一致している。Ａ相交流及びＢ相交流の周波数はいずれも５０Ｈｚである。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、二相励磁した場合、単相励磁した場合に比べて、ＡＢ相合計電流に対する軸部材４の振動の位相遅れδを大きくすることができる。Ｂ相コイル６ｂが軸部材の推力を与えた後、９０度位相が遅れてＡ相コイル６ａ，６ｃが軸部材４に推力を与えることが原因であると推測される。この位相遅れδによって、あたかも、ばねを押したり、引いたりしたような状態を作り出せるようになるので、軸部材４の振幅を大きくすることができる。

ドライバ２は、Ａ相コイル６ａ，６ｃ及びＢ相コイル６ｂに定電流を供給するので、軸部材４の振幅を一定に保つことができる。軸部材４の振幅は駆動電圧ではなく、駆動電流に比例するからである。

二相ステッピングモータ用のドライバを用いることで、二相ステッピングモータと同様に、軸部材４を任意のストロークの位置で停止させることも可能になる。

Ａ相コイル６ａ，６ｃを電機子部３の両端に配置し、Ｂ相コイル６ｂを電機子部３の中央に配置することで、ストロークの両端付近に移動した軸部材４に早めにブレーキをかけることができる。このため、軸部材４を安定的に振動させることができる。

Ａ相コイル６ａ，６ｃの中心線方向のピッチＰ１と、軸部材４の両端の磁石５ａ，５ｃによって形成される磁極間のピッチＰ２又はＰ３とをずらすことで、Ａ相コイル６ａ，６ｃだけでも（Ｂ相コイル６ｂを設けないと仮定しても）、ストロークの両端付近に移動した軸部材４に早めにブレーキをかけることができる。このため、軸部材４をより安定的に振動させることができる。

二つのＡ相コイル６ａ，６ｃを直列接続することで、並列接続する場合に比べて、ドライバ２からＡ相コイル６ａ，６ｃに二倍の電流を供給することができる。よって、よりハイパワーの振動アクチュエータ１が得られる。

図１に示す振動アクチュエータを使用し、二相励磁したときと、単相励磁したときとで軸部材４の振幅を比較した。図６は、Ａ相交流及びＢ相交流の周波数を２０Ｈｚから８０Ｈｚに１０Ｈｚ毎変化させたときの軸部材の振動を示す。図５と同様に、図６の各グラフの上段が軸部材４の振動を示し、中段がＡ相交流を示し、下段がＡＢ相合計電流を示す。図６の左欄が二相励磁の例を示し、右欄が単相励磁の例を示す。

図６の左欄に示すように、二相励磁した場合、周波数を２０Ｈｚから８０Ｈｚに大きくしても、常に軸部材４の位相遅れδが生じた。これに対して、図６の右欄に示すように、単相励磁した場合、周波数が大きくなるにつれて、軸部材４の位相遅れδが小さくなった。５０Ｈｚを超えると、軸部材４の位相遅れδが生じなくなった。軸部材４の位相遅れδが少ないと、軸部材４を効率的に振動させることができなくなる。

図７は、駆動周波数（Ｈｚ）と振幅（ｍｍＰＰ（ピークトウピーク））との関係を示す。図６に示す周波数と振幅のデータを利用している。図７に示すように、二相励磁するとき、単相励磁するときに比べて、あらゆる駆動周波数で軸部材の振幅を大きくすることができることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化することができる。

例えば、電機子部のコイルの個数、電機子部の保持磁石の個数、及び軸部材の磁石の個数は上記実施形態に限れられることはなく、振動アクチュエータの仕様に応じて適宜変更できる。例えば電機子部に合計四つのコイルを設け、電機子部の両端に二つのＡ相コイルを配置し、二つのＡ相コイル間に二つのＢ相コイルを配置してもよい。

上記のコイルと磁石の位置関係は一例であり、振動アクチュエータの仕様に応じて適宜変更できる。

ドライバのＡ相交流に対するＢ相交流の位相遅れは９０°に限られることはなく、例えば４５°等であってもよい。

１…振動アクチュエータ，２…ドライバ（駆動回路），３…電機子部，４…軸部材，５ａ〜５ｄ…磁石，６ａ，６ｃ…Ａ相コイル，６ｂ…Ｂ相コイル

Claims

磁石を有する軸部材、並びに前記軸部材の中心線方向に配列されるＡ相コイル及びＢ相コイルを有する電機子部を備え、前記軸部材が前記電機子部に対して前記軸部材の中心線方向に相対的に振動する振動アクチュエータと、
前記電機子部の前記Ａ相コイルにＡ相交流を供給し、前記電機子部の前記Ｂ相コイルに前記Ａ相交流と位相が９０°ずれたＢ相交流を供給すると共に、前記Ａ相交流の電流値及び前記Ｂ相交流の電流値を所定の電流値に定電流化する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、二相ステッピングモータのバイポーラ駆動方式で前記Ａ相コイル及び前記Ｂ相コイルを駆動し、
前記電機子部は、前記中心線方向に配列される少なくとも三つのコイルを有し、
前記少なくとも三つのコイルのうち、前記中心線方向の両端のコイルが前記Ａ相交流が供給される前記Ａ相コイルであり、
前記中心線方向の両端の前記Ａ相コイルの間の少なくとも一つのコイルが前記Ａ相交流とは位相が９０°ずれた前記Ｂ相交流が供給される前記Ｂ相コイルである振動アクチュエータ装置。
前記中心線方向の両端の前記Ａ相コイルは、直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ装置。
前記Ａ相コイルの前記中心線方向のピッチと、前記Ａ相コイル内に配置される前記軸部材の前記磁石によって形成される磁極間のピッチと、がずれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動アクチュエータ装置。