(57)【要約】【課題】可動子が固定子の端部にある場合でも、所定の出力を維持した上で、可動子が固定子から抜けることを防止する。【解決手段】リニア型アクチュエータは、断面がコ字型のヨーク３０と、ヨーク３０の一主面に同心円状に配置されるメイン磁石１２とを有する可動子と、断面がコ字型あるいは環状の鉄心２１と、鉄心２１に巻かれたコイル２６を有する固定子２０とを有している。ヨーク３０のヨーク先端部３１、３２には、メイン磁石１２に対向する面にメイン磁石１２に対して高磁気抵抗領域１５を介してスプリング磁石１８、１９が設けられている。【選択図】        図２
2006288088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の第１のヨークと、前記第１のヨークに対して同心円上に配置された円筒状の第２のヨークと、前記第１のヨークの一主面に同心円状に配置されるメイン磁石とを有し、前記第２のヨークは前記第１のヨークとの間で磁路を形成する一対のティース部を備え、前記第２のヨークにはコイルが巻回され、前記第１のヨークと前記第２のヨークとが相対的に円筒の軸方向に移動するリニア型アクチュエータであって、前記第１のヨークの端部に、前記メイン磁石に対して高磁気抵抗領域を介してスプリング磁石を設けたことを特徴とするリニア型アクチュエータ。
【請求項２】
前記スプリング磁石を前記永久磁石の両端に設けたことを特徴とする請求項１に記載のリニア型アクチュエータ。
【請求項３】
前記永久磁石の端部には、前記高磁気抵抗領域を介して補助ヨークを設け、前記スプリング磁石を前記補助ヨークの前記メイン磁石に対向する面に設けたことを特徴とする請求項１に記載のリニア型アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１のヨークをインナーヨーク、前記第２のヨークをアウターヨークとしたことを特徴とする請求項１に記載のリニア型アクチュエータ。
【請求項５】
前記メイン磁石および前記第１のヨークを可動子、前記第２のヨークを固定子としたことを特徴とする請求項１に記載のリニア型アクチュエータ。
【請求項６】
円筒状の第１のヨークと、前記第１のヨークに対して同心円上に配置された円筒状の第２のヨークと、前記第１のヨークの一主面に同心円状に配置されるメイン磁石とを有し、前記第２のヨークは前記第１のヨークとの間で磁路を形成する一対のティース部を備え、前記第２のヨークにはコイルが巻回され、前記第１のヨークと前記第２のヨークとが相対的に円筒の軸方向に移動するリニア型アクチュエータであって、前記第１のヨークおよび前記メイン磁石により可動子を、前記第２のヨークにより固定子を構成しており、前記第２のヨークの軸方向の長さｈｂが、前記第１のヨークのヨーク先端部とメイン磁石間の間隙の軸方向の長さＡの２倍、前記メイン磁石の軸方向の長さｈｍ、および前記ヨーク先端部の軸方向の長さｈｙの和より大きく、かつ、前記ティース部における空隙の軸方向の長さの１／２が、前記メイン磁石の軸方向の長さの１／２から前記可動子の移動するストロークを減算した値より小さく設定したことを特徴とするリニア型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子と、それに対向して軸方向に直線的に往復移動する可動子との協働作用により発電機や電動機を構成するリニア型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リニア型アクチュエータの代表的な技術としていわゆるリニア発電機が知られている。このリニア発電機の従来技術として、運動方向に直交する方向に着磁されたメイン磁石を可動子とし、この可動子を挟んで両側に固定子を備え、可動子を通る磁束の方向を可動子の運動方向に直交するようにした構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】実公平７−２７８２５号公報（請求項１および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし従来の発電機は、所定の能力を出力するためには、相当量のメイン磁石が必要であり、メイン磁石として利用されるネオジウム系磁石は、高価であり、また重量にも影響する。また、可動子が固定子の端部にある場合に可動子が固定子から抜けてしまう虞がある。
従って、所定の能力を維持した上で、用いるメイン磁石の量を低減することが、低コスト化および軽量化の上でも望ましい。また、可動子が固定子の端部にある場合でも、可動子が固定子から抜けてしまうことがないようにすることが必要である。
【０００４】
そこで本発明は、所定の能力を維持した上で、用いるメイン磁石の量を低減することを目的とする。
また、可動子が固定子の端部にある場合でも、可動子が固定子から抜けることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のリニア型アクチュエータは、円筒状の第１のヨークと、前記第１のヨークに対して同心円上に配置された円筒状の第２のヨークと、前記第１のヨークの一主面に同心円状に配置されるメイン磁石とを有し、前記第２のヨークは前記第１のヨークとの間で磁路を形成する一対のティース部を備え、前記第２のヨークにはコイルが巻回され、前記第１のヨークと前記第２のヨークとが相対的に円筒の軸方向に移動するリニア型アクチュエータであって、前記第１のヨークの端部に、前記メイン磁石に対して前記高磁気抵抗領域を介してスプリング磁石を設けたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のリニア型アクチュエータにおいて、前記スプリング磁石を前記永久磁石の両端に設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のリニア型アクチュエータにおいて、前記永久磁石の端部には、高磁気抵抗領域を介して補助ヨークを設け、前記スプリング磁石を前記補助ヨークの前記メイン磁石に対向する面に設けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載のリニア型アクチュエータにおいて、前記第１のヨークをインナーヨーク、前記第２のヨークをアウターヨークとしたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載のリニア型アクチュエータにおいて、前記メイン磁石および前記第１のヨークを可動子、前記第２のヨークを固定子としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明のリニア型アクチュエータは、円筒状の第１のヨークと、前記第１のヨークに対して同心円上に配置された円筒状の第２のヨークと、前記第１のヨークの一主面に同心円状に配置されるメイン磁石とを有し、前記第２のヨークは前記第１のヨークとの間で磁路を形成する一対のティース部を備え、前記第２のヨークにはコイルが巻回され、前記第１のヨークと前記第２のヨークとが相対的に円筒の軸方向に移動するリニア型アクチュエータであって、前記第１のヨークおよび前記メイン磁石により可動子を、前記第２のヨークにより固定子を構成しており、前記第２のヨークの軸方向の長さｈｂが、前記第１のヨークのヨーク先端部とメイン磁石間の間隙の軸方向の長さＡの２倍、前記メイン磁石の軸方向の長さｈｍ、および前記ヨーク先端部の軸方向の長さｈｙの和より大きく、かつ、前記ティース部における空隙の軸方向の長さの１／２が、前記メイン磁石の軸方向の長さの１／２から前記可動子の移動するストロークを減算した値より小さく設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１のヨークのコ字型ヨーク先端部にメイン磁石に対向させて設けたスプリング磁石によって、所定の出力を維持した上で、可動子が固定子の端部にある場合でも固定子から抜けることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるリニア型アクチュエータは、第１のヨークの端部に、メイン磁石に対して高磁気抵抗領域を介してスプリング磁石を設けたことにより、スプリング磁石により可動子の安定点が固定子の中央部の１箇所に集中させることができるので、所定の出力を維持した上で、可動子が固定子から抜けることを防止することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるリニア型アクチュエータにおいて、スプリング磁石を永久磁石の両端に設けたものであり、両端にスプリング磁石を設けることで、更に抜け防止を確実に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるリニア型アクチュエータにおいて、永久磁石の端部には、高磁気抵抗領域を介して補助ヨークを設け、スプリング磁石を補助ヨークのメイン磁石に対向する面に設けたものであり、メイン磁石から第２のヨークの磁路を通って放射される磁束を第１のヨークにより確実に捕捉することができるので、アクチュエータとして取り出される出力を大きくすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態によるリニア型アクチュエータにおいて、第１のヨークをインナーヨーク、第２のヨークをアウターヨークとしたものであり、メイン磁石をインナーヨークとすることで、メイン磁石の量を低減することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態によるリニア型アクチュエータにおいて、メイン磁石および前記第１のヨークを可動子、第２のヨークを固定子としたものであり、コイルを固定子とすることで、小型化を図ることができる。
本発明の第６の実施の形態によるリニア型アクチュエータは、固定子を構成する第２のヨークの軸方向の長さｈｂを、可動子を構成する第１のヨークのヨーク先端部とメイン磁石間の間隙の軸方向の長さの２倍、メイン磁石の軸方向の長さｈｍ、およびヨーク先端部の軸方向の長さｈｙの和より大きく、かつ、固定子のティース部における空隙の軸方向の１／２の長さを、メイン磁石の軸方向の１／２の長さから可動子のストロークを減算した値より小さく設定したことにより、可動子が固定子から抜けることを防止することができる。
【実施例１】
【０００８】
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。まず本発明によるリニア型アクチュエータの原型構造を図１により説明する。
図１は、本発明によるリニア型アクチュエータの原型構造における片側の断面構成図である。円筒状に形成されたヨーク（インナーヨーク）１１の一主面（外周面）の中央部に、円筒状に配置されたメイン磁石１２が貼着されている。ヨーク１１の両端部には、メイン磁石１２と高磁気抵抗領域１５を介して円筒状の補助ヨーク１３、１４が設けられる。補助ヨーク１３、１４はヨーク１１と一体構造に構成しても良い。ヨーク１１と補助ヨーク１３、１４とにより外周部に凹部を有するヨークが構成される。高磁気抵抗領域１５は、メイン磁石１２からの磁束が補助ヨーク１３、１４に漏れるのを防ぐために高い磁気抵抗を有することが好ましく、具体的には空隙でよいが、樹脂材やメイン磁石１２とは磁極の向きが異なるメイン磁石を介在させてもよい。ヨーク１１、メイン磁石１２および補助ヨーク１３、１４により可動子１０を構成しており、矢印で示した移動方向（軸方向）１６に往復運動する。
可動子１０に対向して円筒状に形成された固定子（アウターヨーク）２０が同心円上に配置される。固定子２０は、内周部に凹部を有する環状の鉄片を筒状に配置した鉄心２１に、コイル２６が巻回されて構成されている。鉄心２１は、狭幅部２３と、狭幅部２３の両端部に形成され広幅部２４、２５および狭幅部２３を連結する軸方向部２７を有しており、広幅部２４、２５と狭幅部２３の一部によって一対のティース部が構成される。一対のティース部の間に空隙２２が形成されている。なお、広幅部２４の表面２４１、広幅部２５の表面２５１、および空隙２２からなる面は、可動子１０のメイン磁石１２の表面１２１、補助ヨーク１３の表面１３１、および補助ヨーク１４の表面１４１からなる面と対向している。
【０００９】
図１による構成は、メイン磁石１２から固定子２０の磁路を通って放射される磁束を補助ヨーク１３、１４により確実に捕捉することができるので、アクチュエータとして取り出される出力を大きくすることができる。従って補助ヨーク１３、１４によって効率が向上するので、所定の出力を維持した上で、用いるメイン磁石の量を低減することができる。
【００１０】
ところで、図１におけるリニア型アクチュエータの原型構造は、ヨーク１１、メイン磁石１２および補助ヨーク１３、１４による可動子１０が円筒状の固定子２０の端部にある場合、可動子１０の移動方向１６への往復運動により固定子２０から抜け落ちてしまう虞がある。これを防止するために、本実施例においては、図２に示すように、補助ヨーク１３、１４のメイン磁石１２に対向する面に、メイン磁石１２と高磁気抵抗領域１５としての空隙を持たせてスプリング磁石１８、１９を設ける。なお、図２においては、補助ヨーク１３、１４をヨーク１１と一体構造に構成した場合を示し、これらをヨーク３０とする。また、補助ヨーク１３、１４に対応する部分をヨーク先端部３１、３２として説明する。図２において図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１１】
各部の寸法は、ヨーク３０の軸方向の外径をｈｘ、ヨーク３０のヨーク先端部３１、３２のメイン磁石１２に面した面同士の間隔、すなわち、ヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さをｈｇ、ヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さをｈｙ、スプリング磁石１８、１９の厚さをｔ、ヨーク先端部３１、３２の軸に垂直な方向の長さをｗｙ、メイン磁石１２の軸に垂直な方向の長さをｗｍ、メイン磁石１２の軸方向の長さをｈｍ、スプリング磁石１８、１９とメイン磁石１２間の間隙の軸方向の長さをｈｎ、固定子２０の軸方向の長さをｈｂ、鉄心２１の狭幅部２３における軸方向の長さをｈａ、鉄心２１の軸方向部２７の厚さをｗｂ、広幅部２４、２５先端の空隙２２の軸方向の長さをｓａ、広幅部２４、２５先端の空隙２２の軸に垂直な方向の長さをｓｂとする。
【００１２】
つぎに、スプリング磁石１８、１９の作用について、図２の構成を基にした解析モデルを基に、図３〜図５を用いて説明する。解析モデルの各部の寸法は、以下のように定めた。
ヨーク３０の軸方向の長さｈｘ＝７０ｍｍ、ヨーク先端部３１、３２のメイン磁石１２に面した面同士の間隔ｈｇ＝５０ｍｍ、ヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さｈｙ＝１０ｍｍ、スプリング磁石１８、１９の厚さをｔ＝２ｍｍ、ヨーク先端部３１、３２の軸に垂直な方向の長さｗｙ＝８ｍｍ、ヨーク３０の軸に垂直な方向の長さｗｍ＝１２ｍｍ、メイン磁石１２の軸方向の長さｈｍ＝２７ｍｍ、スプリング磁石１８、１９とメイン磁石１２間の間隙の軸方向の長さｈｎ＝９．５ｍｍ、固定子２０の軸方向の長さｈｂ＝５４ｍｍ、鉄心２１の狭幅部２３における軸方向の長さｈａ＝６ｍｍ、鉄心２１の軸方向部２７の厚さｗｂ＝５ｍｍ、広幅部２４、２５先端の空隙２２の軸方向の長さｓａ＝５ｍｍ、広幅部２４、２５の先端の空隙２２の軸に垂直な方向の長さｓｂ＝３ｍｍとする。
【００１３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、この解析モデルにおける可動子１０の部分の４種類のモデルにおける側面図である。図３（ａ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石１８、１９を使用しないｔｙｐｅ０モデル、図３（ｂ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石１８、１９をメイン磁石１２の軸方向に配置し、スプリング磁石１８、１９とヨーク先端部３１、３２との間に隙を持たせて配置したｔｙｐｅ１モデル、図３（ｃ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石１８、１９をヨーク先端部３１、３２のメイン磁石１２に対向する面にメイン磁石１２と空隙を持たせて配置したｔｙｐｅ２モデル、図３（ｄ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石１８、１９をヨーク先端部３１、３２の外側位置に配置したｔｙｐｅ３モデルである。図３（ｃ）のｔｙｐｅ２モデルは図２の構成に相当し、スプリング磁石１８、１９とメイン磁石１２との空隙ｈｎ＝９．５ｍｍである。
【００１４】
図４は、図３（ａ）〜３（ｄ）におけるｔｙｐｅ０モデル、ｔｙｐｅ１モデル、ｔｙｐｅ２モデルおよびｔｙｐｅ３モデルの出力特性を示す。ｔｙｐｅ１モデルで出力が若干低下しているが、これはスプリング磁石１８、１９がメイン磁石１２に密着して配置されているので、メイン磁石１２からの磁束がコイル２６と鎖交せずにスプリング磁石１８、１９に向かう成分があるためと思われる。その他のモデルはいずれも１１００Ｗを越える出力が得られている。したがって、出力の点からはｔｙｐｅ０モデル、ｔｙｐｅ２モデルおよびｔｙｐｅ３が好ましく、ｔｙｐｅ１モデルは好ましくない。
【００１５】
図５は図３（ａ）〜３（ｄ）におけるｔｙｐｅ０モデル、ｔｙｐｅ１モデル、ｔｙｐｅ２モデルおよびｔｙｐｅ３モデルのコギング特性を示す。縦軸はコギング値、横軸は固定子２０の中央部の位置からの可動子１０の移動位置を示す。
すべてのモデルにおいて可動子１０が中心から８ｍｍを超えるとコギングがマイナスになり、１０ｍｍ付近でマイナスの最大値に達して中心に向かう力が働いていることがわかる。しかし、ｔｙｐｅ１モデルはコギングが０となる位置である安定点が中央以外の位置である４．５ｍｍ付近にも存在し、ｔｙｐｅ０モデルおよびｔｙｐｅ３モデルは安定点が中央以外の位置である６ｍｍ〜８ｍｍの位置にも存在し、複数の安定点があることがわかる。一方ｔｙｐｅ２モデルは中央位置以外でコギングが０にはならず、中央位置のみに１つの安定点が存在する。
中央以外の位置に安定点があると、可動子１０がその位置で安定してしまい、その位置からの可動子１０の運動によっては可動子１０が固定子２０の中央から大きく外れて固定子２０から抜け出してしまうことがある。したがって、安定点が複数あることは好ましくない。
【００１６】
以上の結果、図２に示すｔｙｐｅ２モデルのみが出力低下がなく安定点が中央のみの１箇所であり、可動子１０が固定子２０の端部にまで移動しても中央向きの力が働いて安定点に戻ることがわかる。
なお、本実施例ではヨーク１１、３０をインナーヨーク、固定子２０をアウターヨークとすることで、メイン磁石１２の量を低減することができるが、ヨーク１１、３０をアウターヨーク、固定子２０をインナーヨークとすることで、コイルの軽量化を図ることができる。また、本実施例ではヨーク１１、３０を可動子として説明したが、ヨーク１１、３０を固定子とし、固定子２０を可動子として構成してもよい。
【実施例２】
【００１７】
図６は、本発明の実施例２におけるリニア型アクチュエータの要部断面構成図である。本実施例はスプリング磁石を使用せずに、可動子１０が固定子２０から抜け落ちてしまうことを防止する構成である。図６において、図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図２と異なる点は、図２におけるスプリング磁石１８、１９がない点と、各部の寸法関係である。本実施例においても、ヨーク３０は図１におけるヨーク１１と補助ヨーク１３、１４を一体構造にした場合を示し、図２においては、図１における補助ヨーク１３、１４に対応する部分をヨーク先端部３１、３２、ヨーク１１に対応する部分をヨーク中央部３３として説明する。したがって、ヨーク先端部３１、３２、ヨーク中央部３３およびメイン磁石１２により可動子１０を構成しており、矢印で示した移動方向（軸方向）１６に往復運動する。
【００１８】
各部の寸法は、図２と同様に、ヨーク３０の軸方向の外径をｈｘ、ヨーク３０のヨーク先端部３１、３２のメイン磁石１２に面した面同士の間隔、すなわち、ヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さをｈｇ、ヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さをｈｙ、ヨーク先端部３１、３２の軸に垂直な方向の長さをｗｙ、ヨーク３０のヨーク中央部３３の軸に垂直な方向の長さをｗｍ、メイン磁石１２の軸方向の長さをｈｍ、固定子２０の軸方向の長さをｈｂ、鉄心２１の狭幅部２３における軸方向の長さをｈａ、鉄心２１の軸方向部２７の厚さをｗｂ、広幅部２４、２５先端の空隙２２の軸方向の長さをｓａとする。また、ヨーク先端部３１、３２とメイン磁石１２間の間隙の軸方向の長さをＡ（図２ではＡ＝ｈｎ＋ｔに相当する）とする。
【００１９】
前述したように、ヨーク先端部３１、３２、ヨーク中央部３３およびメイン磁石１２による可動子１０が円筒状の固定子２０の端部にある場合、可動子１０の移動方向１６への往復運動により固定子２０から抜け落ちてしまう虞がある。これは、可動子１０が円筒状の固定子２０の上端部にある場合には可動子１０に対して上方にコギング推力が働き、可動子１０が円筒状の固定子２０の下端部にある場合には可動子１０に対して下方にコギング推力が働いて、固定子２０から飛び出す方向に推力が働くからである。
そこで、本実施例においては、これを防止するために、ｈｂ＞２Ａ＋ｈｍ＋ｈｙ、すなわち、固定子２０の軸方向の長さｈｂが、ヨーク先端部３１、３２とメイン磁石１２間の間隙の軸方向の長さＡの２倍、メイン磁石１２の軸方向の長さｈｍ、およびヨーク先端部３１、３２の軸方向の長さｈｙの和より大きく設定する。さらに、ｓａ／２＜（ｈｍ／２−ストローク）、すなわち、空隙２２の軸方向の長さの１／２が、メイン磁石１２の軸方向の長さの１／２から可動子１０の移動するストロークを減算した値より小さく設定する。これらの関係を満たしていると、ヨーク先端部３１、３２の各々において、上方に働く推力と下方に働く推力とが相互に相殺し合う関係にある。したがって、可動子１０に働く推力を打ち消す力が働くように作用するので、可動子１０が固定子２０の端部にまで移動しても中央向きの力が働いて安定点に戻る。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明によるリニア型アクチュエータは、各種の小型発電機や電動機、特にスターリングエンジンの発電部として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明におけるリニア型アクチュエータの原型構造の要部断面構成図
【図２】本発明の実施例１におけるリニア型アクチュエータの要部断面構成図
【図３】本発明の実施例１におけるリニア型アクチュエータの解析モデルにおける可動子の側面図で、（ａ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石を使用しないモデル、（ｂ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石をメイン磁石の軸方向に対して上下に配置したモデル、（ｃ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石をヨーク先端部にメイン磁石に空隙を持たせて配置したモデル、（ｄ）は解析モデルにおいて、スプリング磁石をヨーク先端部の外側位置に配置したモデル
【図４】図３（ａ）〜３（ｄ）における各モデルの出力特性図
【図５】図３（ａ）〜３（ｄ）における各モデルのコギング特性図
【図６】本発明の実施例２におけるリニア型アクチュエータの要部断面構成図
【符号の説明】
【００２２】
１０  可動子
１１  ヨーク
１２  メイン磁石
１３、１４  補助ヨーク
１５  磁気抵抗領域
１８、１９  スプリング磁石
２０  固定子
２１  鉄心
２２  空隙
２３  狭幅部
２４、２５  広幅部
２６  コイル
２７  軸方向部
３０  ヨーク
３１、３２  ヨーク先端部
１２１  メイン磁石の表面
１３１、１４１  補助ヨークの表面
２４１、２５１  広幅部の表面
【図１】
2006288088.tif 000003
【図２】
2006288088.tif 000004
【図３】
2006288088.tif 000005
【図４】
2006288088.tif 000006
【図５】
2006288088.tif 000007
【図６】
2006288088.tif 000008