(57)【要約】【課題】  効率が良く、大ストロークを取れるリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】  プランジャー１が、固定部Ｓに移動可能に支持され、固定部Ｓは、プランジャー１の移動方向に平行な基礎ヨーク３と、基礎ヨーク３に略直交する磁極部材４ａ〜４ｃを基礎ヨーク３にプランジャー１の移動方向に３つ並設された並列磁極部材４と、隣り合う磁極部材間においてプランジャー１に巻回されたコイル５とを備えるリニアアクチュエータであって、並列磁極部材４の中央の磁極部材４ｂは、着磁方向が基礎ヨーク３に略直交する永久磁石を有し、並列磁極部材の各磁石部材は、プランジャーの側面に対して空隙Ｇａ〜Ｇｃを介して設けられ、両端の磁極部材４ａ，４ｃとプランジャー１と基礎ヨーク３を有する磁路の磁気抵抗を、コイル両側の磁極部材とプランジャー１と基礎ヨーク３とを有する磁路の磁気抵抗よりも小さくした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状のプランジャーが、固定部に直線的に移動できるように支持され、固定部は、プランジャーの移動方向に平行な板状の基礎ヨークと、基礎ヨークに略直交する磁極部材を基礎ヨークのプランジャー側の面にプランジャーの移動方向に３つ並べて設けられた並列磁極部材と、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間においてプランジャーの周囲に巻回されたコイルとを備えるリニアアクチュエータであって、並列磁極部材の中央の磁極部材は、着磁方向が基礎ヨークに略直交する永久磁石を有し、並列磁極部材の各磁石部材は、前記プランジャーの側面に対してそれぞれ空隙を介して設けられ、並列磁極部材の両端の磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材のうちコイルの両側にある隣り合う磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
並列磁極部材の中央の磁極部材を両端の磁極部材のいずれか一方に近づけて設けたことを特徴とする請求項１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、永久磁石を用いる有極型のリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
有極型のリニアアクチュエータは、可動部と固定部とで形成される磁路に永久磁石を有し、この磁路に巻かれたコイルに電流を流すことにより、磁路に流れる磁束を制御して直線運動を得るものである。この種のリニアアクチュエータの一例としては、特許文献１に記載されているようなプランジャー型電磁石がある。
【０００３】
特許文献１に記載されたプランジャー型電磁石は、ヨークと、ヨークに固設された固定鉄心と、固定鉄心に当接するプランジャーと、固定鉄心とプランジャーを所定間隔離間させるスプリングと、固定鉄心、プランジャー及びヨークで構成される回路を通電によって磁化し、スプリングの付勢力に抗してプランジャーを固定鉄心に吸着させるコイルと、コイルに通電しないときにもプランジャーを固定鉄心に吸着保持する円環状永久磁石を有して構成されている。また、このプランジャー型電磁石は、円環状永久磁石に平行して、ヨーク１からプランジャーに向けて伸びる磁性部材を有している。
【特許文献１】特開平２−１６５６０６号公報（第２頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたプランジャー型電磁石は、プランジャーと固定鉄心とが互いに対向する吸着面をそれぞれに有するので、プランジャーと固定鉄心との間に大きな吸着力を生じるとともに、円環状永久磁石に平行して、ヨーク１からプランジャーに向けて伸びる磁性部材を有しているので、コイル電流による磁束の磁路の磁気抵抗が小さくなり、小さい電流で吸着力を低減できる感度の良いものとなっている。しかしながら、固定鉄心が、プランジャーの移動を妨げるように存在するので、プランジャーの移動範囲が制限される。
【０００５】
本発明は、上記事由を考慮してなされたもので、その目的とするところは、効率が良く、大ストロークで動作が可能なリニアアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、柱状のプランジャーが、固定部に直線的に移動できるように支持され、固定部は、プランジャーの移動方向に平行な板状の基礎ヨークと、基礎ヨークに略直交する磁極部材を基礎ヨークのプランジャー側の面にプランジャーの移動方向に３つ並べて設けられた並列磁極部材と、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間においてプランジャーの周囲に巻回されたコイルとを備えるリニアアクチュエータであって、並列磁極部材の中央の磁極部材は、着磁方向が基礎ヨークに略直交する永久磁石を有し、並列磁極部材の各磁石部材は、前記プランジャーの側面に対してそれぞれ空隙を介して設けられ、並列磁極部材の両端の磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材のうちコイルの両側にある隣り合う磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしている。
【０００７】
したがって、並列磁極部材の各磁極部材とプランジャー側面との間にそれぞれ空隙を有するので、プランジャーが移動しても、プランジャーと並列磁極部材は、接触することがない。そのため、プランジャーは、大ストロークで動作することができる。また、コイルに電流を流すことにより生じる磁束が、プランジャーと並列磁極部材の両端の磁極部材と基礎ヨークとを有する磁路を主に通るので、永久磁石を有して磁気抵抗の大きな中央の磁極部材を通らない。そのため、プランジャーの動作を、少ない電流で効率よく制御することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、並列磁極部材の中央の磁極部材を両端の磁極部材のいずれか一方に近づけて設けている。
【０００９】
したがって、磁石による磁束の流れる磁路の一方の磁気抵抗を小さくすることができるので、片側方向に強い力を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明のリニアアクチュエータによれば、並列磁極部材の各磁極部材とプランジャー側面との間にそれぞれ空隙を有するので、プランジャーが移動しても、プランジャーと並列磁極部材は、接触することがない。そのため、プランジャーは、大ストロークで動作することができる。また、コイルに電流を流すことにより生じる磁束が、プランジャーと並列磁極部材の両端の磁極部材と基礎ヨークとを有する磁路を主に通るので、永久磁石を有して磁気抵抗の大きな中央の磁極部材を通らない。そのため、プランジャーの動作を、少ない電流で制御することができる。したがって、効率が良く、大ストロークで動作が可能なリニアアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本願発明に係るリニアアクチュエータの実施形態について、図１〜図４に基づいて説明する。ここでは、リニアアクチュエータの一例として、リニアオシレータを取り上げて説明する。本実施形態のリニアオシレータは、図１に示すように、プランジャー１と、基礎ヨーク３と、並列磁極部材４と、コイル５とを磁気回路構成部材として有している。
【００１２】
プランジャー１は、例えば電磁軟鉄などの磁性材料により円柱状に形成されたものであり、その底面間に中心軸が一致する円柱状の貫通孔を有している。そして、プランジャー１は、その貫通孔に軸が嵌め合わされ、軸部２が形成されている。
【００１３】
基礎ヨーク３は、例えば電磁軟鉄などの磁性材料により円筒状に形成されたものであり、組立時には軸部２の軸方向（以後、軸方向という）に延伸した板状の磁性材料のように設けられる。そのため、基礎ヨーク３は、プランジャー１の移動方向に平行になっている。ここでは、基礎ヨーク３として、円筒状のものとしているが、それに限るものではなく、プランジャー１に向く面を持つ板状のものであれば良い。ここでは、板状のものの特殊な形としてプランジャー１を取り囲む円筒状のものを用いている。
【００１４】
並列磁極部材４は、３つの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃを有して形成され、これらの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃの形状は、板厚と、内径及び外径とが等しい合同なリング状になっている。並列磁極部材４は、基礎ヨーク３のプランジャー１側の面に、３つの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃが基礎ヨーク３に直交するように設けられており、組立時には軸方向に直交する磁極部材を基礎ヨークのプランジャー側の面に軸方向に３つ並べて設けたようになっている。ここで、磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃの内径は、プランジャー１の外径よりも大きく形成されている。また、並列磁極部材４の中央の磁極部材４ｂは、組立時に着磁方向が軸方向に略直交するリング状の永久磁石を有しており、並列磁極部材４の端の磁極部材４ａ，４ｃは、例えば電磁軟鉄などのリング状の磁性材料により形成されている。
【００１５】
コイル５は、電流を流すことによりプランジャーの動作を制御するものであり、並列磁極部材４の隣り合う２つの磁極部材（ここでは磁極部材４ａ，４ｂ）間において、プランジャー１の周囲にコイルボビンを介して巻回されている。このコイル５には、リニアオシレータとしての動作をさせるために、プランジャー１の質量とコイルばね１０ａ，１０ｂのばね定数で定まる機械的な共振周波数の近傍の周波数の交番電流が流される。ここで、交番電流の周波数を機械的な共振周波数の近傍の周波数とするのは、動作時の現象は、運動方程式と電気回路方程式との連立微分方程式になり、共振周波数が見かけ上シフトしたようになるためである。また、コイル５端は、基礎ヨーク３に設けられた孔部（図示せず）を介して外部に取り出される。なお、ここでは、コイル５が並列磁極部材４の隣り合う磁極部材の形成する２つの空間のうちの一方にのみ存在するものについて説明しているが、コイル５は、これらの２つの空間の両方に設けられていても良い。
【００１６】
ベアリングケース６は、例えば樹脂などの非磁性体で断面視Ｃ字状に形成されたものであり、軸部２を通す貫通孔と、ベアリング７とばね受け８とを収納する同軸で径の異なる凹部を有している。ベアリングケース６の凹部は、ベアリング７、ばね受け８の順で収納し、ばね受け８は、ベアリング７をベアリングケース６内に収納したときに蓋の働きもしている。また、ベアリングケース６は、凹部を形成する縁の開放側の端部に基礎ヨーク３との嵌合部を有しており、基礎ヨーク３の両端にそれぞれ接続される。
【００１７】
ベアリング７は、リング状に形成された樹脂に潤滑油を塗布した滑らかな金属球をはめ込んだボールベアリングであり、プランジャー１の軸部２を金属球で支持し、プランジャー１がスムーズに直線運動できるようにしている。
【００１８】
ばね受け８は、樹脂で凹部を有する円板状に形成されたものであり、凹部の底面には、軸部２を通す貫通孔を有している。そして、ばね受け８は、凹部でコイルばね１０ａ，１０ｂの端部を嵌め合わせて固定する。
【００１９】
軸部ばね受け９ａ，９ｂは、例えば樹脂などの非磁性体により円筒の外周に鍔部を設けて形成されており、円筒形状の外周とコイルばね１０ａ，１０ｂの内径とが嵌め合わされるとともに鍔部でばねの端部位置を定めてコイルばね１０ａ，１０ｂを固定する。鍔部の位置は、プランジャー１の位置調整のために用いられており、本実施形態では、軸部ばね受け９ｂの方が軸部ばね受け９ａよりも端部からの距離が長くなっている。また、軸部ばね受け９ａ，９ｂは、ばねへの差し込みやすさを向上するために、コイルばね側の端部にテーパが設けられている。
【００２０】
コイルばね１０ａ，１０ｂは、それぞれ同じばね特性を示すものであり、そのばね定数は、リニアオシレータの共振周波数を設定する際に定められる。ここで、ばねとしてコイルばね１０ａ，１０ｂを用いた例について示しているが、それに限るものではなく、強度や、振幅が対応すれば、板ばねなど他の種類のばねも用いることができる。
【００２１】
スペーサ１１ａ〜１１ｃは、例えば樹脂などの非磁性体で円筒形状に形成されたものであり、基礎ヨーク３の内径にすきま嵌めされるように外径が調整されている。スペーサ１１ａ〜１１ｃの肉厚は、強度を確保するのに必要な厚さとし、できる限り内部の空間を広く取れるようにしている。
【００２２】
本実施形態のリニアオシレータは、次のように組み立てられる。まず、ベアリングケース６にベアリング７とばね受け８を嵌め入れ、ベアリングケース６と基礎ヨーク３とを嵌め合わせる。そして、スペーサ１１ａ、磁極部材４ａ、コイル５，磁極部材４ｂ、スペーサ１１ｂ、磁極部材４ｃ、スペーサ１１ｃの順に基礎ヨーク３内に入れる。
【００２３】
一方、プランジャー１の貫通孔に軸を嵌め合わせて軸部２を形成し、軸部２のプランジャー１の両側に軸部ばね受け９ａ，９ｂを取り付ける。そして、軸部ばね受け９ａにコイルばね１０ａを取り付けてから、軸部２をベアリング７に挿入する。すると、コイルばね１０ａは、ばね受け８の凹部に嵌め合わされ固定される。そして、軸部ばね受け９ｂにコイルばね１０ｂを差し込み、ベアリング７とばね受け８を嵌め入れた状態のベアリングケース６を基礎ヨーク３に嵌め合わせ、軸部２をベアリング７に挿入する。このように組み立てることにより、プランジャー１は、固定部Ｓに軸方向に直線的に移動できるように支持された状態となる。
【００２４】
また、ここで、固定部Ｓは、基礎ヨーク３、並列磁極部材４、コイル５、ベアリングケース６、ばね受け８、スペーサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有している。そして、コイルばね１０ａ，１０ｂは、所定の変位が押し込まれた状態であり、プランジャーが両方向へ移動しても所定のばね定数を示すようになっている。また、ベアリングケース６と基礎ヨーク３との間は、適宜ねじ止め（図示せず）固定されている。
【００２５】
次に、本実施形態のリニアオシレータのプランジャー１と、基礎ヨーク３と、並列磁極部材４との位置関係及びリニアオシレータに存在する磁路について、図２を用いて説明する。並列磁極部材４のリング状の磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃは、その内径がそれぞれプランジャー１の外径よりも大きいので、磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃとプランジャー１の側面（側面の延長も含む）には空隙Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃが存在する。また、磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃが合同であるので、空隙Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃの大きさは同じになっている。したがって、並列磁極部材４の各磁石部材４ａ，４ｂ，４ｃは、プランジャー１の側面に対してそれぞれ空隙を介して設けられており、プランジャー１が軸方向に変位しても並列磁極部材４に接触しない。そのため、プランジャー１は、大ストロークで動作することができる。
【００２６】
また、磁極部材４ｂの永久磁石による磁束は、中央の磁極部材４ｂ→空隙Ｇｂ→プランジャー１→空隙Ｇａ→端の磁極部材４ａ→基礎ヨーク３→中央の磁極部材４ｂを経路とする磁路Ｃａを流れるとともに、中央の磁極部材４ｂ→空隙Ｇｂ→プランジャー１→空隙Ｇｃ→端の磁極部材４ｃ→基礎ヨーク３→中央の磁極部材４ｂを経路とする磁路Ｃｂを流れる。ただし、中央の磁極部材４ｂの永久磁石の着磁方向が逆のときには、磁束は、上述の磁路Ｃａ，Ｃｂを逆順に流れる。
【００２７】
一方、コイル５に電流を流したときの磁束は、例えば紙面に向けて電流が流れているとすると、端の磁極部材４ａ→空隙Ｇａ→プランジャー１→空隙Ｇｃ（及び、プランジャー位置によってはプランジャー１端近傍の空間）→端の磁極部材４ｃ→基礎ヨーク３→端の磁極部材４ａを経路とする磁路Ｃｃを流れる。これは、図２のようにプランジャー１の側面が並列磁極部材４の近傍に位置するときに、磁路Ｃｃの磁気抵抗は、端の磁極部材４ａ→空隙Ｇａ→プランジャー１→空隙Ｇｂ、中央の磁極部材４ｂ及び中央の磁極部材４ｂ近傍の空間→基礎ヨーク３→端の磁極部材４ａを経路とする磁路の磁気抵抗よりも小さくなるためである。なお、磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃは互いに合同である場合について説明しているが、内径が異なって空隙Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃの幅が相違する場合でも同様の考え方をすることができる。
【００２８】
また、プランジャー１が変位することにより、プランジャー１と並列磁極部材４との位置関係は、図３（ａ）〜（ｃ）のように変化する。電流が流れていない状態において、プランジャー１は、図３（ａ）の位置関係のときには、磁路Ｃａの磁束により中央の磁極部材４ｂに引きつけられて右向きに力を受け、図３（ｃ）の位置関係のときには、磁路Ｃｂの磁束により中央の磁極部材４ｂに引きつけられて左向きの力を受ける。また、図３（ｂ）の位置関係のときには、磁路Ｃａと磁路Ｃｂの磁束により、プランジャーに働く力はほぼ０になる。したがって、プランジャー１のディテント特性（コイル５に電流を流さないときの変位−推力特性）は、中央の磁極部材４ｂに永久磁石を有しているので、推力が０となる特性を有する連続曲線となり、リニアオシレータの往復動作に適した特性とすることができる。
【００２９】
また、磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃは、互いに合同であるので、並列磁極部材４の両端の磁極部材４ａ，４ｃも中央の磁極部材４ｂも、略同一の厚さＴとなっている。ここで、プランジャー１の長さＬは、両端の磁極部材４ａ，４ｃ間の距離Ｄに並列磁極部材４の端の磁極部材４ａ，４ｃの厚みＴを加えた長さにされている。そのため、図４に示すように、プランジャー１端と、並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃの内側とを同一面上としたとき、プランジャー１は、もう一方の端の磁極部材４ａのプランジャー１側の面の全面と対向している。したがって、端の磁極部材４ａとプランジャー１との間の磁束は、プランジャー１の移動方向である軸方向にほぼ直交し、磁極部材４ｃによりプランジャー１に生じる推力を低減する力を生じさせない。そのため、プランジャー１に大きな推力を発生するようになっている。また、プランジャー１端と、並列磁極部材４の端の磁極部材４ａの内側とを同一面上としたときには、逆方向に大きな推力を発生するようになる。
【００３０】
ここで、プランジャー１の長さＬは、両端の磁極部材４ａ，４ｃ間の距離Ｄに並列磁極部材４の端の磁極部材４ａ，４ｃの厚みＴを加えた長さよりも長ければ、上述の大きな推力を生じる位置関係にすることができる。このプランジャー１の長さＬは、一方へ向かう際の推力最大位置と、他方へ向かう際の推力最大値とが生じる変位の間隔を調整するために適宜設定することができる。
【００３１】
次に、本実施形態のリニアオシレータの動作について説明する。コイル５に電流を流さないとき、プランジャー１は、図１に示すように、コイルばね１０ａ，１０ｂのばね力と、中央の磁極部材４ｂの永久磁石によりプランジャー１に加わるディテント力とが釣り合う位置で停止している。ここで、コイル５に交番電流を流すとプランジャー１は、動作をはじめる。例えば、図２のような位置関係及び磁束の流れのときにはプランジャー１には磁極部材４ｃ側への推力が生じる。そして、コイル５に流れる電流の向きが逆方向になると、プランジャー１には逆方向の推力が生じる。この交番電流の周波数は、上述のように、プランジャー１の質量と、コイルばね１０ａ，１０ｂのばね定数とで定まる機械的な共振周波数の近傍としているので、効率よく大振幅を得ることができる。
【００３２】
このように、本実施形態のリニアオシレータは、並列磁極部材４の各磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃとプランジャー１側面との間にそれぞれ空隙Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃを有するので、プランジャー１が移動しても、プランジャー１と並列磁極部材４は、接触することがない。そのため、プランジャー１は、大ストロークで動作することができる。
また、並列磁極部材４の両端の磁極部材４ａ，４ｃとプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材４のうちコイルの両側にある隣り合う磁極部材４ａ，４ｂとプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしたので、コイル電流により生じる磁束は、磁気抵抗の大きな中央の磁極部材４ｂを通らずに磁気抵抗の小さい両端の磁極部材４ａ，４ｃを通る。そのため、プランジャーは、少ない電流で動作を制御される。
【００３３】
また、並列磁極部材４の中央の磁極部材４ｂを両端の磁極部材４ａ，４ｃのいずれか一方に近づけて設けたことにより、磁石による磁束の流れる磁路の一方の磁気抵抗を小さくすることができるので、片側方向に強い力を発生させることができる。
【００３４】
なお、円筒形状のリニアアクチュエータについてのみ説明したが、それに限るものではなく、基礎ヨーク３や並列磁極部材４は一部が円形の一部が切除されていても良いし、軸部２を軸中心として軸対称に配されている必要はない。
【００３５】
また、本実施形態のリニアアクチュエータとしてリニアオシレータを取り上げて説明したが、それに限るものではなく、コイルばね１０ａ，１０ｂの存在しないものでもよい。さらに、並列磁極部材４の磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃは、それぞれすべての部分が磁性体もしくは永久磁石で形成されているものについて説明したが、磁性体と永久磁石を複合していてもよく、例えば、磁極部材４ｂの永久磁石の端部に磁性体を設けていてもよい。
【００３６】
また、基礎ヨーク３と、並列磁極部材４との間に空隙などの非磁性体が存在しないものについて説明したが、それに限るものでなく、並列磁極部材４が非磁性体を介して基礎ヨーク３に接続されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本願発明のリニアアクチュエータの構成を示す中央断面図である。
【図２】本願発明のリニアアクチュエータ内の磁路を示す断面図である。
【図３】本願発明のリニアアクチュエータのプランジャー位置に対する主要磁路の変化を示す図であり、プランジャーが、（ａ）は、磁極部材４ａ側にあるとき、（ｂ）は、並列磁極部材４に対向するとき、（ｃ）は、磁極部材４ｃ側にあるときを示す。
【図４】本願発明のリニアアクチュエータの、プランジャーと並列磁極部材との寸法の関係を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    プランジャー
２    軸部
３    基礎ヨーク
４    並列磁極部材
４ａ，４ｂ，４ｃ  磁極部材
５    コイル
Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃ  空隙
Ｓ    固定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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