(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁力によって所定の可動軸を第１の方向及び当該第１の方向とは反対側の第２の方向とに往復動させるリニアアクチュエータであって、
中空状に形成され、前記可動軸を内部に収納すると共に一面に前記可動軸の一端が挿通する開口が形成された軟磁性材料からなる枠体と、
該枠体の内部において、前記可動軸に固定されると共に前記枠体と微小ギャップを隔てて対向する軟磁性材料からなる支持体と、
前記枠体の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記支持体の第１の方向側に固定された永久磁石と、
前記枠体の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記永久磁石の他方の磁極と対向するように前記枠体に固定された電磁石と、
前記電磁石と前記枠体との間に第１、第２の方向を磁極方向とするように設けられた１つ以上の第２の電磁石とを具備し、
前記電磁石及び第２の電磁石は、前記可動軸が前記第１の方向に移動した際に前記永久磁石を内部に収容する穴部を備え、
前記永久磁石と、前記電磁石及び前記第２の電磁石との間に発生させた吸引力により前記可動軸は前記第１の方向に移動し、その際に、前記永久磁石は、第２の電磁石の穴部に入り込み、枠体の手前まで到達し、その後、前記第２の電磁石、前記電磁石という順番で前記永久磁石との間に反発力を発生させることにより前記可動軸は第２の方向に移動する
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記枠体の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記支持体の第２の方向側に固定された第２の永久磁石と、
前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記第２の永久磁石の他方の磁極と対向するように前記枠体の内部に固定された第３の電磁石とを具備し、
第３の電磁石は、前記第２の永久磁石を内部に収容する穴部を備え、
前記第２の永久磁石と、前記第３の電磁石との間に反発力を発生させることにより前記可動軸は第１の方向に移動し、前記第２の永久磁石と、前記第３の電磁石との間に吸引力を発生させることにより前記可動軸は前記第２の方向に移動し、その際に、前記第２の永久磁石は、前記第３の電磁石の穴部に入り込む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。
【請求項３】
前記可動軸の軸心を中心として、その二方また四方に前記電磁石、前記第２の電磁石、前記第３の電磁石、前記永久磁石及び前記第２の永久磁石を配置す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。
【請求項４】
前記支持体は、非磁性材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記可動軸は、磁牲材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記可動軸は、非磁性材あることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記支持体は、往復動時に前記永久磁石が前記電磁石及び前記第２の電磁石の穴部に入りこむように前記第１の方向に延在していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記永久磁石は、往復動時に第１の電磁石及び第２の電磁石の穴部に入り込むような厚さに形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアアクチュエータに関する。
本願は、２００８年１１月１７日に、日本に出願された特願２００８−２９３７１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
現在、リニアアクチュエータには、リニアモータを動力源として、推力を生み出すものが存在している。このリニアモータを採用するリニアアクチュエータの特徴は、高速に直線運動を行うことが可能であり、加速及び減速の性能に優れ、さらに直線運動における等速性に優れていることである。また、このリニアアクチュエータでは、リニアモータを採用することによって、作動時における騒音の発生を低減することが出来ると共に発塵を抑制することが出来る。【０００３】
また、リニアアクチュエータには、リニアモータ以外を動力源とするものが存在し、例えば、下記特許文献１には、可動子の動作ストロークが増大しても、推力が低下しないリニアアクチュエータの一種であるソレノイドが開示されている。このソレノイドは、可動子と、可動子の外周に沿って設けられたコイルと、可動子及びコイルを収容するベース及びケースから構成され、コイルと可動子の間に、可動子側がＮ極でありかつコイル側がＳ極である永久磁石から成る第１の円筒状固定鉄芯と、磁性材から成る第２の円筒状固定鉄芯とが間隔を空けて配置されている。そして、このソレノイドでは、上記構成によって、可動子の動作ストロークが広範囲に及んだとしても可動子の推力を維持することが出来る。【０００４】
また、リニアアクチュエータと近似する構造を持つものとして、下記特許文献２には、放熱性悪化を抑制するともに、搭載性の悪化、消費電力の増加及び電磁吸引力発生の応答性の悪化を抑制することのできる電磁駆動バルブが開示されている。この電磁駆動バルブは、複数のコイルが並列に埋設された矩形のコアからなる電磁石を備え、コアにコイルを並列に埋設することで、複数のコイルを同心状に配設した場合のように外側のコイルによって囲われた状態となる内側のコイルの放熱性が悪化することはなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４５３２１号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、リニアモータを動力源とするリニアアクチュエータは、上述したように、高速運動性、加減速性及び等速運動性に優れているという特徴がある。しかしながら、当該リニアモータでは、垂直方向の磁力ではなく傾倒方向の磁力を動力として利用している為、大きな推力を生み出す為には、リニアモータ自体の規模を大きくする、または複数のリニアモータを組み合わせる必要があった。その為、リニアモータを動力源とするリニアアクチュエータでは、大きな推力を生み出すことを要求されると、大きなリニアモータまたは複数のリニアモータを収容しなければならない為に、その規模が大きくならざるをえなかった。また、上記従来のソレノイド（上記特許文献１）も、大きな推力を生み出す為には、電磁石を大きくしなければならない為、規模が大きくならざるをえなかった。また、上記特許文献２では、コイルがコアに埋設されたものを電磁石として使用しているが、コイルがコアに埋設されることで、コアを通る磁力が多くなるので、磁力を有効活用できていない。そして、磁力を有効活用できていないので、大きな推力を発生させために、必要以上に大きな電磁石を搭載しなければならない。【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型でありながら、大きな推力を生み出すことが出来るリニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、リニアアクチュエータに係る第１の解決手段として、磁性材を有する可動子を磁力によって第１の方向及び当該第１の方向とは反対側の第２の方向に往復動させるリニアアクチュエータであって、前記可動子を内部に収容する軟磁性材料からなる固定子と、前記固定子の内部において、第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記可動子の磁性材と対向するように固定された電磁石とを具備するという手段を採用する。【０００９】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、磁力によって所定の可動軸を第１の方向及び当該第１の方向とは反対側の第２の方向に往復動させるリニアアクチュエータであって、中空状に形成され、前記可動軸を内部に収納すると共に一面に前記可動軸の一端が挿通する開口が形成された軟磁性材料からなる枠体と、該枠体の内部において、前記可動軸に固定されると共に前記枠体と微小ギャップを隔てて対向する軟磁性材料からなる支持体と、前記枠体の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が第１の方向側で接触するように前記支持体に固定された永久磁石と、前記枠体の内部において、第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記永久磁石の他方の磁極と対向するように前記枠体に固定された電磁石とを具備し、前記可動軸、前記支持体及び前記永久磁石が前記可動子であり、前記永久磁石が前記可動子の磁性材であり、前記枠体が前記固定子であるという手段を採用する。【００１０】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記電磁石と前記枠体との間に第１、第２の方向を磁極方向とするように設けられた第２の電磁石をさらに１つ以上備えるという手段を採用する。【００１１】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記枠体の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が第２の方向側で接触するように前記支持体に固定された第２の永久磁石と、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記第２の永久磁石の他方の磁極と対向するように前記枠体の内部に固定された第３の電磁石とをさらに備えるという手段を採用する。【００１２】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第５の解決手段として、上記第２〜第４いずれかの解決手段において、前記電磁石及び第２の電磁石は、前記可動軸が前記第１の方向に移動した際に前記永久磁石を内部に収容する穴部を備え、第３の電磁石は、前記可動軸が前記第２の方向に移動した際に前記第２の永久磁石を内部に収容する穴部を備えるという手段を採用する。【００１３】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第６の解決手段として、上記第２〜第５いずれかの解決手段において、前記枠体はケーシングであるという手段を採用する。【００１４】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第７の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記可動子は、往復動時に前記電磁石が入り込む溝部が設けられているという手段を採用する。【００１５】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第８の解決手段として、上記第７の解決手段において、前記固定子の内部において、前記第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が前記可動子の磁性材と対向し、前記電磁石と第１、２方向に対向する位置に固定された第２の電磁石を備え、前記可動子は、往復動時に前記第２の電磁石が入り込む第２の溝部が設けられているという手段を採用する。【００１６】
本発明では、リニアアクチュエータに係る第９の解決手段として、上記第７または第８の解決手段において、前記可動子は、第１の方向または／及び第２の方向に向って尖形状をしているという手段を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、可動子の移動方向と電磁石の磁極方向とが一致することで、可動子の移動方向と電磁石の磁束の方向とが一致する。これにより、本発明は、垂直磁力を効果的に利用して可動子を移動させることができるので、小型でありながらさらに大きな推力を生み出すことができる。【００１８】
本発明によれば、磁力によって所定の可動軸を第１の方向及び当該第１の方向とは反対側の第２の方向とに往復動させるリニアアクチュエータであって、中空状に形成され、可動軸を内部に収納すると共に一面に可動軸の一端が挿通する開口が形成された軟磁性材料からなる枠体と、該枠体の内部において、可動軸に固定されると共に枠体と微小ギャップを隔てて対向する軟磁性材料からなる支持体と、枠体の内部において、第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が第１の方向側で接触するように支持体に固定された永久磁石と、枠体の内部において、第１、第２の方向を磁極方向とすると共に一方の磁極が永久磁石の他方の磁極と対向するように枠体に固定された電磁石とを具備する。【００１９】
このように、本発明に係るリニアアクチュエータでは、永久磁石と電磁石とを対向した位置に配置し、この永久磁石と電磁石とが発生する垂直磁力を利用して可動鉄片を第１の方向及び第２の方向とに往復動させる為、小型でありながら、大きな推力を生み出すことが可能になる。また、リニアアクチュエータでは、支持体及び枠体が永久磁石及び電磁石の磁力の磁路になり、永久磁石及び電磁石の磁力の影響を可動軸が受け難くなっている為、例え可動軸が磁性材によって構成されていたとしても、可動軸は、磁化され難く、さらに渦電流を発生し難い。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るリニアアクチュエータＡの内部構造を示す正面断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るリニアアクチュエータＡの図１のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るリニアアクチュエータＡの可動軸１が下方向へ移動する時の、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４が発生する磁力の極性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るリニアアクチュエータＡの可動軸１が上方向へ移動する時の、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４が発生する磁力の極性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るリニアアクチュエータＡの推力特性を示す推力特性図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るコニカルタイプのリニアアクチュエータＡの内部構造を示す正面断面図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢの内部構造を示す正面断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢの内部構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢの第１の変形例の内部構造を示す正面断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢの第２の変形例の内部構造を示す正面断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢの第３の変形例の内部構造を示す正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、リニアアクチュエータに関する。
〔第1実施形態〕
図１は、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡの内部構造を示す正面断面図であり、図２は、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡの図１の線視Ｘ−Ｘに沿った断面図である。
【００２２】
本実施形態のリニアアクチュエータＡは、図１及び図２に示すように、可動軸１、第１コイル２（電磁石）、第２コイル３（第２の電磁石）及び補助コイル４（第３の電磁石）、第１永久磁石５（永久磁石）、第２永久磁石６（第２の永久磁石）、可動内側ヨーク７（支持体）及び固定外側ヨーク８（枠体）及び軸受９から構成されている。
【００２３】
本実施形態に係るリニアアクチュエータＡは、可動軸１に可動内側ヨーク７が固定されると共に可動内側ヨーク７に第１永久磁石５及び第２永久磁石６が固定され、第１永久磁石５と第１コイル２との間に生じる吸引力及び反発力、第１永久磁石５と第２コイル３との間に生じる吸引力及び反発力並びに補助コイル４と第２永久磁石６との間に生じる吸引力及び反発力を利用して、可動軸１を下方向（第１の方向）及び上方向（第２の方向）に往復動させるものである。
【００２４】
可動軸１は、軸心方向に移動可能なように固定外側ヨーク８に収容され、その側面に可動内側ヨーク７が固定されている。そして、可動軸１は、その両端が固定外側ヨーク８の上面及び下面に設けられた開口部８ａに固定された軸受９によって支持され、固定外側ヨーク８の開口部８ａを挿通しながら下方向及び上方向への直線運動を行うことが出来る。なお、可動軸１は、磁性材である鉄合金によって構成されており、四角柱形状に成形されている。
【００２５】
第１コイル２は、固定外側ヨーク８の内部に固定され、固定外側ヨーク８の内部の底面に取り付けられた第２コイル３の上側に設けられている。この第１コイル２は、銅線のソレノイドコイル及びボビンによって構成され、ボビンをインサート体としてソレイドコイルが巻回され、ソレノイドコイル及びボビンが樹脂材料により一体成形されている。そして、第１コイル２のボビンは、第１永久磁石５を内部に収容する穴部を備えている。
【００２６】
また、第１コイル２は、リニアアクチュエータ駆動装置（図示略）に接続し、リニアアクチュエータ駆動装置の制御に応じて、可動軸１を下方向に移動させる際には、上方向がＮ極であり下方向がＳ極である磁力を発生させ、可動軸１を上方向に移動させる際には、上方がＳ極であり下方がＮ極である磁力を発生させる。
【００２７】
第２コイル３は、固定外側ヨーク８の内部の底面に固定されている。この第２コイル３は、第１コイル２と同様に、銅線のソレノイドコイル及びボビンによって構成されている。そして、第１コイル２のボビンも、第１永久磁石５を内部に収容する穴部を備えている。また、第２コイル３も、第１コイル２と同様に、リニアアクチュエータ駆動装置に接続し、リニアアクチュエータ駆動装置の制御に応じて、可動軸１を下方向に移動させる際には、上方向がＮ極であり下方向がＳ極である磁力を発生させ、可動軸１を上方向に移動させる際には、上方がＳ極であり下方がＮ極である磁力を発生させる。
【００２８】
補助コイル４は、固定外側ヨーク８の内部の天井面に固定されている。この補助コイル４は、第１コイル２及び第２コイル３と同様に、ソレノイドコイル及びボビンによって構成されている。そして、補助コイル４のボビンは、第２永久磁石６を内部に収容する穴部を備えている。また、補助コイル４も、リニアアクチュエータ駆動装置に接続し、リニアアクチュエータ駆動装置の制御に応じて、可動軸１を下方向に移動させる際には、上方向がＳ極であり下方向がＮ極である磁力を発生させ、可動軸１を上方向に移動させる際には、上方がＮ極であり下方がＳ極である磁力を発生させる。
【００２９】
第１永久磁石５は、固定外側ヨーク８の内部に収容され、可動内側ヨーク７の下側固定面に固定されている、すなわち第１コイル２及び第２コイル３に対向するように可動内側ヨーク７に固定されている。この第１永久磁石５は、可動内側ヨーク７の下側固定面側がＮ極になると共に下方向がＳ極になる、すなわち第１コイル２及び第２コイル３側がＳ極になるように設けられている。そして、第１永久磁石５は、長方体形状をしており、吸引によって第１コイル２のボビン及び第２コイル３のボビンの穴部に入り込む。
【００３０】
第２永久磁石６は、固定外側ヨーク８の内部に収容され、可動内側ヨーク７の上側固定面に固定されている、すなわち補助コイル４に対向するように可動内側ヨーク７に固定されている。この第２永久磁石６は、可動内側ヨーク７の上側固定面側がＳ極になると共に上方向がＮ極になる、すなわち補助コイル４側がＮ極になるように設けられている。そして、第２永久磁石６は、長方体形状をしており、吸引によって補助コイル４のボビンの穴部に入り込む。そして、第１永久磁石５と、第２永久磁石６とでは、第１永久磁石５の方が、厚さが厚くなっている。
【００３１】
可動内側ヨーク７は、軟磁性材である継鉄（ヨーク）によって構成されており、微小ギャップを隔てて対向するように固定外側ヨーク８の内部に収容されている。この可動内側ヨーク７は、下側固定面に第１永久磁石５が取り付けられ、上側固定面に第２永久磁石６が取り付けられている。また、この可動内側ヨーク７は、可動軸固定部７ａを有しており、この可動軸固定部７ａによって可動軸１の側面に固定されている。そして、可動内側ヨーク７は、軟磁性材によって構成される為、第１永久磁石５及び第２永久磁石６が発生する磁力の磁路になる。
【００３２】
固定外側ヨーク８は、軟磁性材である継鉄（ヨーク）によって構成されており、上記可動軸１、第１コイル２、第２コイル３、補助コイル４、第１永久磁石５、第２永久磁石６及び可動内側ヨーク７を収容する四角柱形状のケーシングである。この固定外側ヨーク８では、可動軸１が挿通する為の開口部８ａが上面及び下面の中央に設けられており、この開口部８ａに可動軸１を支持する軸受が固定されている。そして、固定外側ヨーク８は、軟磁性材によって構成される為、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４のそれぞれと磁気回路を形成する。なお、固定外側ヨーク８の前後の側面は、磁気回路の形成に用いられない為、隙間が存在しても問題ない。だだし、固定外側ヨーク８は、構造物として一体化している必要はある。
軸受９は、固定外側ヨーク８の上面及び下面の開口部８ａに固定され、下方向及び上方向への直線運動自在に可動軸１を支持している。
【００３３】
次に、このように構成されたリニアアクチュエータＡの動作について図３及び図４を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡの可動軸１が下方向へ移動する時の、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４が発生する磁力の極性を示す図であり、図４は、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡの可動軸１が上方向へ移動する時の、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４が発生する磁力の極性を示す図である。
【００３４】
初期状態において、可動軸１は、最上限高さＨ１に位置している。そして、第１コイル２及び第２コイル３が、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、図３に示すように、上方がＮ極である磁力を発生する。さらに、補助コイル４は、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、第１コイル２の磁力の発生に同期して、図３に示すように、下方がＮ極である磁力を発生させる。
【００３５】
そして、第１コイル２及び第２コイル３への通電により、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間に、吸引力が発生する為、第１永久磁石５は、第１コイル２及び第２コイル３に吸引される。また、補助コイル４への通電により、補助コイル４と第２永久磁石６との間に、反発力が発生する為、第２永久磁石６は、補助コイル４から離反する。そして、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間の吸引力と、補助コイル４と第２永久磁石６との間の反発力との合力によって、可動軸１は、下方向へ移動する。この際、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間には、図３に示す磁路が形成される。また、補助コイル４は、図３に示すように、閉じた磁路を形成する。同様に、第２永久磁石６も、図３に示すように、閉じた磁路を形成する。
【００３６】
上述した動作によって可動軸１が生み出す推力を、図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡの推力特性を示す推力特性図である。なお、図５の推力特性図は、縦軸にストローク位置、横軸に推力を示す。
リニアアクチュエータＡでは、ストローク位置に応じて図５に示す推力特性を示す。
可動軸１は、最上限高さＨ１から下方向へ移動すると、図５に示すように、カーブを描きながら推力が、上昇する。そして、可動軸１が、高さＨ２の位置まで移動すると、推力は推力Ｔ１に到達する。その後、可動軸１が、高さＨ２から高さＨ３までの間、推力は推力Ｔ１のまま推移し、高さＨ３を超えると再び推力が推力Ｔ１から上昇する。そして、高さ０に到達すると、推力は最大になる。なお、推力Ｔ１以上の推力は、過負荷領域になる。
【００３７】
上記高さＨ２とは、第１永久磁石５が図３に示すように第１コイル２のボビンの中に入りはじめた位置にあるときの高さである。そして、上記高さＨ３とは、第１永久磁石５が図４に示すように第２コイル３のボビンの中にほぼ入り込んで固定外側ヨーク８の内部の底面から数ｍｍの高さになったときの高さである。そして、上記高さＨ１とは、図示していないが、第２コイル３が補助コイル４のボビンの中に入り込んで固定外側ヨーク８の内部の天井面と第２永久磁石６との間隔が数ｍｍになったときの高さである。
【００３８】
また、リニアアクチュエータＡでは、上述した動作によって第１コイル２及び第２コイル３と固定外側ヨーク８とが磁気回路を形成する。そして、可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けることによって可動軸１と第１コイル２、第２コイル３並び第１永久磁石５とが離間している為、可動軸１は、磁力の影響を受け難くなっている。これにより、可動軸１は、磁化され難く、さらに渦電流が発生し難くなる為、大きな鉄損が発生しない。
【００３９】
さらに、リニアアクチュエータＡでは、上述した動作によって補助コイル４と固定外側ヨーク８が磁気回路を形成する。そして、可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けることによって、可動軸１と補助コイル４並び第２永久磁石６とが離間している為、可動軸１は、磁力の影響を受け難くなっている。これにより、可動軸１は、磁化され難く、さらに渦電流が発生し難くなる為、大きな鉄損が発生しない。
【００４０】
その後、リニアアクチュエータＡでは、可動軸１が、高さＨ３まで移動すると、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、可動軸１の位置に応じて、第２コイル３、第１コイル２という順番で、図４に示すように、上方がＳ極である磁力を発生する。さらに、補助コイル４は、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、第１コイル２及び第２コイル３の磁力の発生に同期して、図４に示すように、下方がＳ極である磁力を発生させる。なお、可動軸１がＨ３まで移動すると、図４に示すように、第１永久磁石５は、第２コイル３のボビンの穴部に入り込み、固定外側ヨーク８の内部の底面の手前まで到達する。
【００４１】
そして、第１コイル２及び第２コイル３への通電により、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間に、反発力が発生する為、第１永久磁石５は、第１コイル２及び第２コイル３から離間する。また、補助コイル４への通電により、補助コイル４と第２永久磁石６との間に、吸引力が発生する為、第２永久磁石６は、補助コイル４に吸引される。そして、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５の間の反発力と、補助コイル４と第２永久磁石６の間の吸引力との合力によって、可動軸１は、上方向へ移動する。この際、補助コイル４と第２永久磁石６との間には、図４に示す磁路が形成される。また、第１永久磁石５が、固定外側ヨーク８の内部の底面の手前あたりに位置している場合には、第１コイル２は通電されずに、第２コイル３のみが通電されて磁力を発生しており、その際に、第２コイル３は、図４に示すように、閉じた磁路を形成する。
【００４２】
また、リニアアクチュエータＡでは、上述した動作によって第１コイル２及び第２コイル３と固定外側ヨーク８とが磁気回路を形成する。そして、可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けることによって、可動軸１と第１コイル２、第２コイル３並び第１永久磁石５とが離間している為、可動軸１は、磁力の影響を受け難くなっている。これにより、可動軸１は、磁化され難く、さらに渦電流が発生し難くなる為、大きな鉄損が発生しない。
【００４３】
さらに、リニアアクチュエータＡでは、第１コイル２及び第２コイル３の場合と同様に、可動内側ヨーク７に設けられた可動軸固定部７ａによって、可動軸と補助コイル４並び第２永久磁石６とが離間している為、可動軸１は、磁力の影響を受け難くなっている。これにより、可動軸１は、磁化され難く、さらに渦電流が発生し難くなる為、大きな鉄損が発生しない。
【００４４】
そして、リニアアクチュエータＡは、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、上述した第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４による磁力の発生を繰り返すことによって、可動軸１を下方向及び上方向に往復動させる。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡでは、図１〜図２に示すように、固定外側ヨーク８の内部に第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４を固定し、可動軸１の側面に可動内側ヨーク７を設け、さらに第１永久磁石５を第１コイル２及び第２コイル３に対向するように可動内側ヨーク７に固定すると共に第２永久磁石６を補助コイル４に対向するように可動内側ヨーク７に固定する。
【００４６】
そして、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間の吸引力と、補助コイル４と第２永久磁石６との間の反発力との合力によって、可動軸１は、下方向へ移動する。また、第１コイル２及び第２コイル３と第１永久磁石５との間の反発力と、補助コイル４と第２永久磁石６との間の吸引力との合力によって、可動軸１は、上方向へ移動する。
【００４７】
このように、リニアアクチュエータＡでは、第１コイル２と第１永久磁石５、第２コイル３と第１永久磁石５、補助コイル４と第２永久磁石６とを対向した位置に配置することによって、垂直磁力に基づく吸引力及び反発力を効果的に利用して可動軸１を下方向及び上方向へ移動させる為、小型でありながら、大きな推力を生み出すことが可能になる。
【００４８】
また、リニアアクチュエータＡでは、可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けることによって、第１コイル２、第２コイル３、補助コイル４、第１永久磁石５及び第２永久磁石６と可動軸１とが離間している為に、可動軸１は、磁力の影響を受け難くなっている。これにより、可動軸１は、磁化され難く、さらに渦電流が発生し難くなる為、大きな鉄損が発生しない。
【００４９】
以上、本発明の一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ことなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は、固定外側ヨーク８の内部の天井面及び底面をフラットに成形したフラットタイプのリニアアクチュエータであるが、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
フラットタイプのリニアアクチュエータの特徴は、短いストロークにおいて大きな推力を発生させることが出来ることである。このフラットタイプのリニアアクチュエータとは異なり、中ストローク以上で中レベルの推力を持続的に生み出すコニカルタイプのリニアアクチュエータが存在する。例えば、本実施形態を、図６に示すコニカルタイプのソレノイド型アクチュエータにしてもよい。なお、図６では、本実施形態に係るリニアアクチュエータＡと同一の構成要素に同一符号を付している。
【００５１】
（２）上記実施形態は、可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けて、可動軸１と、第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４とを離間させたが、本発明はこれに限定されない。
本実施形態では、可動軸固定部７ａを設けないようにしてもよい。可動内側ヨーク７に可動軸固定部７ａを設けない場合、可動軸１と第１コイル２、第２コイル３及び補助コイル４が近接する。
【００５２】
（３）上記実施形態は、図１及び図２に示すように、可動軸１の軸心を中心として、その左右に第１コイル２、第２コイル３、補助コイル４、第１永久磁石５及び第２永久磁石６を配置することによって、可動軸１の推力を生み出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、左右に加えて前後にも第１コイル２、第２コイル３、補助コイル４、第１永久磁石５及び第２永久磁石６を配置すると、可動軸１の推力を増加させることが出来る。
【００５３】
（４）上記実施形態は、第１永久磁石５を取り付ける可動内側ヨーク７の下側固定部分を下に延ばすことによって、第１永久磁石５が、第１コイル２及び第２コイル３のボビンの穴部に十分に入り込むようにしているが、本発明はこれに限定されない。可動内側ヨーク７の下側固定部分を下に延ばすのではなく、第１永久磁石５の厚さを厚くすることによって、第１コイル２及び第２コイル３のボビンの穴部に入り込むようにしてもよい。
【００５４】
（５）上記実施形態では、可動軸１を磁性材である鉄合金によって構成したが、必要な強度を有するものであれば、磁性材ではない非磁性材の素材によって構成するようにしてもよい。また、可動軸固定部７ａは、可動内側ヨーク７の一部として軟磁性材である継鉄（ヨーク）によって構成しているが、可動軸１と同様、必要な強度を有するものであれば、磁性材以外の素材によって構成するようにしてもよい。例えば、可動軸固定部７ａが透磁率の低い非磁性材によって構成することによって、可動軸１は、さらに磁力の影響を受け難くなる。
【００５５】
（６）上記実施形態では、固定外側ヨーク８の内部の底面に、第２コイル３を１つ設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１コイル２の下に２つ以上の第２コイル３を積層するように設けるようにしてもよい。このように、２つ以上の第２コイル３を設けることによって、１つの第２コイル３を設ける場合よりも、可動軸１のストローク位置に応じた、細かな推力制御が可能になると共により長ストロークが可能になる。
【００５６】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態のリニアアクチュエータＢは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、可動ヨーク１１、可動軸１２、第１コイル１３（電磁石）、第２コイル１４（第２の電磁石）、固定外側ヨーク１５（固定子）及び軸受１６から構成されている。なお、可動ヨーク１１及び可動軸１２は、本実施形態における可動子である。
【００５７】
本実施形態に係るリニアアクチュエータＢは、可動ヨーク１１と第１コイル１３との間で生じる吸引力と、可動ヨーク１１と第２コイル１４との間で生じる吸引力とを利用して、可動ヨーク１１と可動軸１２を下方向（第１の方向）及び上方向（第２の方向）に往復動させるものである。
【００５８】
可動ヨーク１１は、軟磁性材である継鉄（ヨーク）によって構成され、上下方向に移動可能なように固定外側ヨーク１５に収容されている。そして、可動ヨーク１１は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、その下部が第１コイル１３の一方の磁極に対向し、その上部が第２コイル１４の一方の磁極に対向するように配置されている。この可動ヨーク１１は、下に移動した際に第１コイル１３が入り込む第１の溝部１１ａが下面に設けられている。また、可動ヨーク１１は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、その上部が横方向に連なる２つの尖形状１１ｃに形成されており、上に移動した際に第２コイル１４が入り込む第２の溝部１１ｂが２つの尖形状１１ｃの頂点に設けられている。さらに、可動ヨーク１１は、その下面の中央に可動軸１２が取り付けられている。
【００５９】
可動軸１２は、可動ヨーク１１の移動によって生じた推力を外部に伝達するものである。この可動軸１２は、固定外側ヨーク１５の内部において一方の端が可動ヨーク１１の下面に取り付けられ、固定外側ヨーク１５の下側に設けられた開口部１５ａに固定された軸受１６によって他端の近傍が支持されている。そして、可動軸１２は、可動ヨーク１１の移動によって固定外側ヨーク１５の開口部１５ａを挿通しながら下方向及び上方向に直線運動する。
【００６０】
第１コイル１３は、固定外側ヨーク１５の内部の底面に固定されている。この第１コイル１３は、銅線のソレノイドコイル及びボビンによって構成され、ボビンをインサート体としてソレイドコイルが巻回され、ソレノイドコイル及びボビンが樹脂材料により一体成形されたものである。第１コイル１３の磁極方向は、可動ヨーク１１の移動方向に一致している。そして、第１コイル１３は、リニアアクチュエータ駆動装置（図示略）に接続し、リニアアクチュエータ駆動装置の制御に応じて、可動ヨーク１１を下方向に移動させるための磁力を発生する。そして、可動ヨーク１１が下に移動すると、第１コイル１３は可動ヨーク１１の第１の溝部１１ａに入り込む。その際、可動ヨーク１１の下部の中央部分は、第１コイル１３のボビンの穴に入り込む。
【００６１】
第２コイル１４は、固定外側ヨーク１５の内部の天井面に固定されている。この第２コイル１４は、第１コイル１３と同様に、ソレノイドコイル及びボビンによって構成されたものである。第２コイル１４の磁極方向は、可動ヨーク１１の移動方向に一致している。そして、第２コイル１４は、リニアアクチュエータ駆動装置（図示略）に接続し、リニアアクチュエータ駆動装置の制御に応じて、可動ヨーク１１を上方向に移動させるための磁力を発生する。そして、可動ヨーク１１が上に移動すると、第２コイル１４は可動ヨーク１１の第２の溝部１１ｂに入り込む。その際、可動ヨーク１１の上部の中央部分は、第２コイル１４のボビンの穴に入り込む。
【００６２】
固定外側ヨーク１５は、軟磁性材である継鉄（ヨーク）によって構成されており、上記可動ヨーク１１、可動軸１２、第１コイル１３及び第２コイル１４を収容する。この固定外側ヨーク１５は、可動軸１２が挿通するための開口部１５ａが下面中央に設けられている。そして、固定外側ヨーク１５の開口部１５ａは、可動軸１２を支持する軸受が固定されている。
軸受１６は、固定外側ヨーク１５の開口部１５ａに固定され、下方向及び上方向に直線運動自在に可動軸１２を支持している。
【００６３】
次に、このように構成されたリニアアクチュエータＢの動作について説明する。
初期状態において、可動ヨーク１１は、リニアアクチュエータ駆動装置が第１コイル１３に磁力を停止させるとともに第２コイル１４に磁力を発生させることで、最上限高さに位置する。
【００６４】
そして、リニアアクチュエータ駆動装置は、可動ヨーク１１を下方向に移動させるために、第１コイル１３に対して通電することで第１コイル１３に磁力を発生させ、第２コイル１４に対する通電を停止することで第２コイル１４に磁力を停止させる。
すると、第１コイル１３と可動ヨーク１１との間に吸引力が発生し、かつ第２コイル１４と可動ヨーク１１との間の吸引力が停止するので、可動ヨーク１１は、第１コイルの方向に移動、すなわち下方向に移動する。この際に、可動ヨーク１１は、第１の溝部１１ａに第１コイル１３を収容する。
【００６５】
そして、可動ヨーク１１が下方向に移動することで生じる推力ｆを、以下式（１）であらわすことができる。
推力ｆ＝Ｌ２ｉ２／ｕｇｎ２Ｓ  …  （１）
（Ｌ：第１コイル１３のインダクタンス、ｕｇ：可動ヨーク１１と固定外側ヨーク１５との間の空隙部の透磁率、ｎ：第１コイル１３のコイル巻数、Ｓ：第１コイル１３の磁束が通る磁路の断面積）
【００６６】
また、上記インダクタンスＬを、以下式（２）であらわすことができる。
インダクタンスＬ＝ｎ２Ｓ／｛（ｘ＋ａ／ｕｇ）＋（ｌｉ／ｕｉ）｝  …  （２）
（ｘ＋ａ：可動ヨーク１１と固定外側ヨーク１５との間の空隙部の間隔、ｌｉ：磁束が通る磁路の可動ヨーク１１及び固定外側ヨーク１５の長さ、ｕｉ：ｌｉの透磁率）
このことから、推力ｆは、電流ｉが小さくなるに従って小さくなり、電流ｉが大きくなるに従って大きくなる。また、推力ｆは、空隙部の間隔ｘ＋ａが小さくなるに従って大きくなり、空隙部の間隔ｘ＋ａが大きくなるに従って小さくなる。
【００６７】
その後、リニアアクチュエータ駆動装置は、可動ヨーク１１が最下限高さに達すると、可動ヨーク１１を上方向に移動させるために、第１コイル１３に対する通電を停止することで第１コイル１３に磁力を停止させ、第２コイル１４に対して通電することで第２コイル１４に磁力を発生させる。
すると、第１コイル１３と可動ヨーク１１との間に吸引力が停止し、かつ第２コイル１４と可動ヨーク１１との間の吸引力が発生するので、可動ヨーク１１は、第２コイル１４の方向に移動、すなわち上方向に移動する。この際に、可動ヨーク１１は、第２の溝部１１ｂに第２コイル１４を収容する。
そして、リニアアクチュエータＢは、リニアアクチュエータ駆動装置の制御の下、上述した動作を繰り返すことで可動ヨーク１１を下方向及び上方向に往復動させる。
【００６８】
以上のように、本実施形態に係るリニアアクチュエータＢでは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、固定外側ヨーク１５の内部の底面に第１コイル１３が固定され、内部の天井面に第２コイル１４を固定されている。また、可動ヨーク１１は、下方向の移動時に第１コイル１３を収容する第１の溝部１１ａと、上方向の移動時に第２コイル１４を収容する第２の溝部１１ｂとを備える。そして、可動ヨーク１１は、第１コイル１３との間に吸引力が発生すると第１の溝部１１ａに第１コイル１３を収容しながら下方向に移動し、第２コイル１４との間に吸引力が発生すると第２の溝部１１ｂに第２コイル１４を収容しながら上方向に移動する。
【００６９】
リニアアクチュエータＢでは、このように固定外側ヨーク１５の内部の表面に第１コイル１３及び第２コイル１４を配置して、可動ヨーク１１の移動時に可動ヨーク１１の第１の溝部１１ａに第１コイル１３が入り込み、また可動ヨーク１１の第２の溝部１１ｂに第２コイル１４が入り込むので、固定外側ヨーク１５にコイルが埋め込まれているものよりも、可動ヨーク１１を多くの磁束が通るので吸引力を有効に利用して可動ヨーク１１を上下方向に移動させることができる。このように、リニアアクチュエータＢでは、吸引力を有効に利用できることで、小型でありながら大きな推力を生み出すことができる。
【００７０】
また、リニアアクチュエータＢでは、第１コイル１３及び第２コイル１４の磁極方向と可動ヨーク１１の移動方向とが一致することで、可動ヨーク１１の移動方向と第１コイル１３及び第２コイル１４の垂直磁力の方向が一致する。これにより、リニアアクチュエータＢは、垂直磁力を効果的に利用して可動軸１を下方向及び上方向へ移動させることができるので、小型でありながらさらに大きな推力を生み出すことができる。
【００７１】
また、リニアアクチュエータＢでは、第１コイル１３及び第２コイル１４が固定外側ヨーク１５の内部の表面に露出するように固定されているので、コイルが埋め込まれた構造のリニアアクチュエータと比較して放熱性に優れている。
【００７２】
さらに、リニアアクチュエータＢをこのような構造にすることで、リニアアクチュエータ駆動装置のコストを低減することができる。その理由について以下に説明する。
上記式（２）からわかるように、第１コイル１３のインダクタンスＬは、（ｘ＋ａ／ｕｇ）や（ｌｉ／ｕｉ）が大きいほど小さくなる。
そして、空隙部の透磁率ｕｇは、真空の透磁率Ｕ0とほぼ同じであるので、上記式（２）においてヨークの透磁率ｕｉと空隙部の透磁率ｕｇとの関係は、ヨークの透磁率ｕｉ≫空隙部の透磁率ｕｇになる。すると、（ｌｉ／ｕｉ）は、（ｘ＋ａ／ｕｇ）に比べて非常に小さい値になるので、上記式（２）において無視できる。
【００７３】
そして、第１コイル１３のインダクタンスＬは、空隙部の間隔（ｘ＋ａ）が大きくなるほど小さくなります。すなわち、すなわち、インダクタンスＬは、コイルが固定外側ヨーク１５に埋め込まれてコイルの周りに空隙部がないものよりも、第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢのように固定外側ヨーク１５の表面に第１コイル１３が配置されて、空隙部があるものの方が小さくなります。
【００７４】
また、第１コイル１３のインダクタンス電圧ｖ、第１コイル１３の電流ｉ、第１コイル１３のインダクタンスＬの関係は、下記(３)であらわすことができる。
第１コイル１３のインダクタンス電圧ｖ＝Ｌ（ｄ／ｄｔ）ｉ  …  （３）
そして、上記式（３）を変形すると以下式（４）であらわすことができる。
第１コイル１３の電流ｉ＝（１／Ｌ）∫ｖｄｔ  …  （４）
【００７５】
そして、上記式（４）からわかるように、同じ電流ｉである場合に、１／Ｌが大きいほど、すなわちインダクタンスＬが小さいほど、インダクタンス電圧ｖの時間積分値は小さくなる。
そして、電力ｐ＝ｉｖであるので、同じ電流ｉを流すときにインダクタンス電圧ｖが低ければ、電流ｉが変化するときのリニアアクチュエータ駆動装置の過渡電力容量は小さくなる。
【００７６】
上述したように、リニアアクチュエータＢでは、第１コイル１３の周囲に空隙部があることで、第１コイル１３のインダクタンスＬが小さくなる（第２コイル１４も同様）。そして、第１コイル１３のインダクタンスＬが小さくなることで、リニアアクチュエータ駆動装置の過渡電力容量が小さくなる。これにより、リニアアクチュエータ駆動装置を構成する電力変換器部の電力用半導体に許容電圧及び許容電流の低いものを使用することができるので、リニアアクチュエータ駆動装置のコストを低減することができる。
【００７７】
ただ、リニアアクチュエータＢは、可動ヨーク１１の上下方向の移動により空隙部の間隔が変動するので、インダクタンスＬも変化する。しかし、それでもインダクタンス電圧ｖの時間積分値は小さくなるので、リニアアクチュエータ駆動装置の過渡電力容量は小さくなる。
【００７８】
以上、本発明の第２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ことなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は、固定外側ヨーク１５の内部の天井面及び可動ヨーク１１の上部を２つの連なる尖形状１１ｃに成形しているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、本実施形態を、図８に示すリニアアクチュエータＢのように、可動ヨーク１１の上部を尖形状ではなくフラットな面にして、その面に第２の溝部１１ｂを設けるようにしてもよい。
さらに、図９及び図１０に示すように本実施形態の可動ヨーク１１を小さくする、すなわち可動ヨークを軽量化することで、すばやい往復運動が可能になる。
なお、図８、図９及び図１０では、第２実施形態に係るリニアアクチュエータＢと同一の構成要素に同一符号を付している。
また、図７Ａ及び図７ＢのリニアアクチュエータＢとは逆に、可動ヨーク１１の下部を２つの連なる尖形状に成形してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ      リニアアクチュエータ
１      可動軸
２      第１コイル
３      第２コイル
４      補助コイル
５      第１永久磁石
６      第２永久磁石
７      可動内側ヨーク
７ａ    可動軸固定部
８      固定外側ヨーク
８ａ    開口部
９      軸受
Ｂ      リニアアクチュエータ
１１    可動ヨーク
１１ａ  第１の溝部
１１ｂ  第２の溝部
１１ｃ  尖形状
１２    可動軸
１３    第１コイル
１４    第２コイル
１５    固定外側ヨーク
１５ａ  開口部
１６    軸受
【図１】
0005396400.tif 000002
【図２】
0005396400.tif 000003
【図３】
0005396400.tif 000004
【図４】
0005396400.tif 000005
【図５】
0005396400.tif 000006
【図６】
0005396400.tif 000007
【図７Ａ】
0005396400.tif 000008
【図７Ｂ】
0005396400.tif 000009
【図８】
0005396400.tif 000010
【図９】
0005396400.tif 000011
【図１０】
0005396400.tif 000012