(57)【要約】【課題】単相のリニアアクチュエータにおいて、推力特性を向上させる。【解決手段】２つのコイル１３Ａ、１３Ｂを配置した電機子１４に、こられのコイル１３Ａ、１３Ｂに対向する２つの永久磁石１５Ａ、１５Ｂを配置した可動子１６を移動可能に挿入する。２つのコイル１３Ａ、１３Ｂ間のコイルピッチτｃよりも２つの永久磁石１５Ａ、１５Ｂ間の磁極ピッチτｐを大きくする。コイル１３Ａ、１３Ｂに位相が１８０度異なる電流を通電してコア２３を磁化し、永久磁石１５Ａ、１５Ｂとの間に引力及び斥力を発生させて、可動子１６に推力を発生させる。このとき、コイルピッチτｃよりも磁極ピッチτｐを大きくすることにより、可動子１６のストロークによる推力の低下を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを直線状に配置した電機子と、前記複数のコイルに対向させて該コイルと同数の主磁石を直線状に配置し、前記電機子に対して相対直線移動可能な可動子とを備えた単相のリニアアクチュエータであって、
前記主磁石間のピッチを前記コイル間のピッチ以上としたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記コイル間のピッチと前記主磁石間のピッチの比は、１：１．１０から１：１．５０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。
【請求項３】
前記主磁石の少なくとも一方の端部に補助磁石を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記電機子と前記可動子との間に、これらの相対位置を所定位置に付勢する付勢手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４にいずれかに記載のリニアアクチュエータが装着されて車体を支持するサスペンション装置であって、
前記リニアアクチュエータの前記コイル間のピッチは、当該サスペンション装置のストロークにおける所定の制御領域よりも広いことを特徴とするサスペンション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両等の車両のサスペンション装置に装着されて電磁力によって振動制御を行なうリニアアクチュエータ及びこれを用いたサスペンション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リニアアクチュエータを利用したサスペンション装置が知られている。前記リニアアクチュエータは推力を発生するためのコイルと永久磁石とを有している。前記サスペンション装置では、サスペンション装置の一方側と他方側とに連結部をそれぞれ有しており、前記一方側の連結部と前記コイルとが機械的に一体として動くように構成されており、前記他方側の連結部と前記永久磁石とが機械的に一体として動くように構成されている。前記サスペンション装置の一方側と他方側との連結部に振動が作用すると、前記前記コイルと前記永久磁石との位置関係が相対的に変移する。前記リニアアクチュエータが発生する推力を制御することによって前記一方側と他方側との連結部に作用する振動を抑制することができる。
前記サスペンション装置を利用すれば、車体の振動を抑制し、乗り心地を改善することができる。例えば、単相リニアモータを使用したサスペンション装置が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８６３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コイルと永久磁石とを備えたリニアアクチュエータ、あるいは前記リニアアクチュエータを利用したサスペンションでは、振動抑制のための制御精度の向上が望まれている。そのためには前記リニアアクチュエータの推力特性を向上することが望ましい。
【０００５】
本発明は、単相のリニアアクチュエータの推力特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数のコイルを直線状に配置した電機子と、前記複数のコイルに対向させて該コイルと同数の主磁石を直線状に配置し、前記電機子に対して相対直線移動可能な可動子とを備えた単相のリニアアクチュエータであって、
前記主磁石間のピッチを前記コイル間のピッチ以上としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、単相のリニアアクチュエータの推力特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すリニアアクチュエータの要部を拡大し、その作動を示す説明図である。
【図３】図１に示すリニアアクチュエータの第１変形例の要部を拡大して示す説明図である。
【図４】図１に示すリニアアクチュエータの第２変形例の要部を拡大して示す説明図である。
【図５】図１に示すリニアアクチュエータの第３変形例の要部を拡大して示す説明図である。
【図６】図５に示すリニアアクチュエータにおいて、電機子のコアが安定点にある状態を示す説明図である。
【図７】図１に示すリニアアクチュエータの第４変形例の要部を拡大して示す説明図である。
【図８】図１に示すリニアアクチュエータの第５変形例の要部を拡大して示す説明図である。
【図９】図１に示すリニアアクチュエータのストロークと推力との関係を示すグラフ図である。
【図１０】図１に示すリニアアクチュエータの各通電電流におけるストロークと推力との関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明に係るリニアアクチュエータの第２実施形態の各通電電流におけるストロークと推力との関係を示すグラフ図である。
【図１２】図１に示すリニアアクチュエータの第６変形例を示す縦断面図である。
【図１３】本発明に係るリニアアクチュエータの第２実施形態を示す縦断面図である。
【図１４】図１３に示すリニアアクチュエータの変形例を示す縦断面図である。
【図１５】本発明に係るサスペンション装置の一実施形態を適用した鉄道車両の概略構成を示すブロック図である。
【図１６】図１５に示す鉄道車両の台車の平面図である。
【図１７】図１５に示すコントロールユニットの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明する各実施形態では、前述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した目的や課題さらには発明の効果に止まらず、以下に記載の課題や目的が解決あるいは達成できると共に、以下に説明する効果が得られる。
【００１０】
〔推力特性の安定〕
以下に説明する各実施形態では、例えば上記特許文献記載１に記載の技術に比べ、リニアアクチュエータのコイルと永久磁石との相対変移に基づく推力脈動を小さくすることができ、安定した推力特性が得られる。このことは、延いては振動を抑制するための制御精度の向上につながる。
以下の実施形態では、コギングトルクの変動周期に対応するストローク、すなわちコギングトルクのピーク間の長さが長く、抑制すべき振動の多くが前記コギングトルクのピーク間の範囲内に入ることとなり、上記振動の抑制のための推力に及ぼすコギングトルクの影響を少なくできる。
【００１１】
〔リニアアクチュエータの推力の増大〕
以下に説明する各実施形態では、コイルを備える鉄心であるコアが振動により永久磁石に対して相対移動しても、前記コア端部が前記永久磁石の外側の鉄心あるいは次の磁石と対向する構造となっている。このため、永久磁石の位置を越えてさらに移動しても、推力の低下が少なく、総合的に見て、大きな推力が得られる。
さらにまた、永久磁石の内径側に磁石より径方向の厚みが厚い鉄心からなるヨークを備えており、永久磁石が発生する磁束の磁気抵抗を小さくでき、大きな推力を得ることができる。
さらに、コイル間に存在するコアの移動軸方向の長さを長くしており、コイルによって作られる磁束の磁気回路が確保でき、大きな推力が得られる。
以下に説明の実施形態では、各コイルの永久磁石側の開口部が大きく、すなわち移動軸方向の開口幅が大きく、磁束の漏れを抑制でき、推力の低下を抑制できる。
【００１２】
〔構成の簡素化、あるいは生産性の向上〕
以下の実施形態では、永久磁石を保持する可動子を積層鉄心ではなく、一体構造の鉄心を使用している。振動の周波数が比較的低いため、渦電流値が少ない。このためあえて積層鉄心を使用しなくても渦電流損が少なく、大きな問題とならない。さらに渦電流が流れたとしても、上記渦電流は振動を抑制する作用を為し、この抑制作用は望ましい作用であり、大きな問題とはならない。
以下の実施形態では、リニアアクチュエータを単相交流電流で駆動しているので、駆動回路の簡素化が可能である。またリニアアクチュエータも３相リニアモータに比べ簡素化でき、小型にできる効果が有る。
【００１３】
〔放熱性の向上〕
３相リニアモータを用いて動作ストロークが小さい範囲で使用すると、特定の相（たとえばＵ相）だけが発熱する場合がある。すると、発熱部分が局在化するので放熱性の問題が生じる。しかしながら、以下の実施形態では、単相のリニアアクチュエータを採用しているので、動作ストロークの大きさに関わらず、すべてのコイルが同程度に発熱する。そのため、発熱部分の表面積が大きくなるので、放熱性が向上する。
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明に係るリニアアクチュエータが組込まれたサスペンション装置である横揺れ制振装置を備えた鉄道車両について図１５及び図１６を参照して説明する。
【００１５】
図１５及び図１６に示すように、鉄道車両１は、車体２に、輪軸３が装着された台車４が取付けられている。台車４は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上下方向及び左右方向に一定の変位が可能なように連結されており、空気バネ５によって車体２を支持している。車体２と台車４との間には、リニアアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７が連結されている。リニアアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７は、車体２に固定された中心ピン８と台車４に固定された支柱９、１０との間にそれぞれ結合されており、車体２と台車４との左右方向の変位に対して、リニアアクチュエータ６の推力及び減衰力可変ダンパ７の減衰力が作用するようになっている。
【００１６】
車体２には、車体２と台車４間の左右方向の変位を検出するストロークセンサ及び車体２の左右方向の加速度を検出する加速度センサ等の車両状態を検出する各種のセンサ手段１１が設けられ、センサ手段１１からの入力信号に基づいてリニアアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７を制御するコントローラ１２が設けられている。
【００１７】
リニアアクチュエータ６は、通電電流に応じて推力を発生する電磁アクチュエータであり、コントローラ１２からの駆動信号に応じて推力を発生する。また、減衰力可変ダンパ７は、ソレノイドバルブ等の減衰力切換弁を有し、通電電流によって減衰力を少なくとも２段階に切換可能な油圧ダンパであり、コントローラ１２からの制御信号によって減衰力を切換えることができる。なお、減衰力可変ダンパ７を用いることがコスト、性能面から望ましいが、この代わりに、減衰力が可変でなダンパ、油圧ダンパ以外の形式のダンパを用いてもよく、リニアアクチュエータ６を用いてもよい。
【００１８】
コントローラ１２は、センサ手段１１の検出に基づいて、リニアアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７の作動を制御して車体の制振を行なう。例えば、低速走行時には、いわゆるパッシブ（制御なし）とし、すなわち、リニアアクチュエータ６を作動させず、減衰力可変ダンパ７の減衰力を高減衰力側に切換え、減衰力可変ダンパ７の減衰力によって車体２の左右方向の振動を減衰する。
【００１９】
また、高速走行時には、いわゆるアクティブ制御を実行する。すなわち、減衰力可変ダンパ７の減衰力を低減衰力側に切換え、加速度センサが検出する左右方向の加速度に基づいて、台車４の左右方向の振動を吸収し、また、車体２の左右方向の振動を抑制するようにリニアアクチュエータ６の推力を制御する。これにより、軌道の不整による台車４への外乱の入力及び空力加振による車体２への外乱の入力に対して、車体２の左右方向の振動を抑制して、乗り心地及び走行安定性を高め、高速走行を可能にする。
【００２０】
次に、リニアアクチュエータ６の第１の実施形態について、図１乃至図１２を参照して説明する。
図１に示すように、リニアアクチュエータ６は、略有底円筒状の第１部材Ｇと、その内部に設けられて、これと相対移動する第２の部材Ｈとを有している。前記第１部材Ｇは少なくとも２つのコイル１３Ａと１３Ｂとを有するコイル１３と、円筒形の軟磁性体、例えば鉄からなるコア２３とからなる電機子１４を備えている。前記第２の部材Ｈは、少なくとも２つの永久磁石１５Ａと１５Ｂとを有する主磁石としての永久磁石１５（以後、単に「磁石」と記載する場合がある）と、可動子コアと、を備える可動子１６を上記電機子１４に対応するようにしてその内側に有している。
【００２１】
可動子１６を備える略有底円筒状の第２の部材Ｈを摺動可能に第１の部材Ｇに挿入して、第２の部材Ｈの底部側を外部に突出させている。前記第１部材Ｆ及び前記第２の部材Ｈの底部の外側端部には、それぞれ車体２の中心ピン８及び台車４の支柱９に連結するための連結部１７、１８が設けられている。第１の部材Ｇの底部の内側には、その中心に沿って延びるガイドロッド１９の一端部が結合されており、ガイドロッド１９は、可動子１６内に摺動可能に挿入され、その先端部に、電機子１４と可動子１６とのストローク範囲を規制するストッパ２０が設けられている。電機子１４の先端側の内周部には、可動子１６の外周面を摺動可能に案内するベアリング２１が設けられ、可動子１６の開口側の内周部には、ガイドロッド１９の外周面を摺動可能に案内するベアリング２２が設けられている。可動子１６の永久磁石１５が摺動するベアリング２１は、望ましくは非磁性体とする。
【００２２】
可動子１６の中間部に形成された外周溝にリング状の永久磁石１５が嵌合されている。永久磁石１５は、外周側がＮ極で内周側がＳ極である磁石１５Ａ（図には外周側がＳ極であることを示す符号Ｓが付してある。以下同じ）と、外周側がＮ極で内周側がＳ極である磁石１５Ｂ（図には外周側がＮ極であることを示す符号Ｎが付してある。以下同じ）とを軸方向に沿って並べて配置したものである。
【００２３】
本実施形態では、永久磁石１５Ａと１５Ｂとは、その間に可動子コア１６Ｄが存在しているが、以下の実施形態では、永久磁石１５Ａと１５Ｂとが互いに接している。本実施形態では、可動子１６に永久磁石１５Ａと１５Ｂとを固定する為の２つの溝が設けられ、この溝内に、それぞれリング状の永久磁石を形成するための３分割あるいは４分割された磁石片が嵌め込まれている。本実施形態では、磁石片を溝に挿入してリング状の永久磁石を形成しているので、永久磁石に作用する推力を可動子コアに上記溝の側壁を介して伝達することができる。すなわち永久磁石１５Ａおよび１５Ｂの両端部のコア部分１６Ａ、１６Ｂ（図２参照）は、磁気回路を構成するだけでなく、永久磁石１５に作用する推力を支持する。このため、大きな推力が簡単な構造で可動子１６に伝達することができ、その結果、可動子１６の耐久性や信頼性を向上させることができる。仮に可動子１６の溝を利用して磁石を保持する構造を採用しない場合には、永久磁石１５に作用する推力が永久磁石１５と可動子１６との貼り合わせ部に作用するなどにより、永久磁石１５が可動子１６から剥がれ易くなり、信頼性が著しく低下する問題がある。さらに回転子１６に溝を形成しないで永久磁石を固定する構造では、永久磁石１５の端部の磁気回路は、磁気空隙を有することとなり、磁気抵抗が著しく増大し、推力の低下につながる。
【００２４】
第１の部材Ｇの開口側に設けられた電機子１４には、可動子１６の２つの磁石１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ対向する２つの内周溝を有する強磁性体の内の軟磁性体からなるコア２３が形成されている。コア２３と、磁石１５Ａ、１５Ｂを備える可動子１６との間には一定のクリアランスが設けられている。コア２３の内周溝には、円周方向に巻装された２つのコイル１３Ａ、１３Ｂがそれぞれ収容され、すなわち、磁石１５Ａ、１５Ｂとコイル１３Ａ、１３Ｂとがそれぞれ対向するように配置されている。これらのコイル１３Ａ、１３Ｂは、電流の位相差が１８０度としてあり、具体的には、例えば、巻線方向を反対方向とし、あるいは、通電方向が反対となるように回路構成されている。そして、コイル１３Ａ、１３Ｂへの通電により、磁界が生じてコア２３のコイル１３Ａ、１３Ｂ間の中央部２３Ｃ、コイル１３Ａ側の端部２３Ａ及びコイル１３Ｂ側の端部２３Ｂに磁極が生じ、これらの磁極と磁石１５Ａ、１５Ｂとの引力及び斥力によって可動子１６に軸方向の推力が生じる。
【００２５】
そして、２つの磁石１５Ａ、１５Ｂの磁極の中心間の軸方向距離である磁極ピッチτｐが２つのコイル１３Ａ、１３Ｂの中心間の軸方向距離であるコイルピッチτｃ以上（τｐ≧τｃ）となるようにし、好ましくは、コイルピッチτｃと磁極ピッチτｐとの比τｃ：τｐを１：１．１０より大きく、１：１．５０より小さい範囲とする。
【００２６】
以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
図２（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して電機子１４と可動子１６の構成および動作を説明する。図２（Ａ）は電機子１４と可動子１６の構成を示すと共に、電機子１４が有するコイル１３Ａとコイル１３Ｂに電流が供給された場合のコイル１３Ａとコイル１３Ｂが発生する磁束を示している。ただし、説明のため、先ずは永久磁石１５Ａ、１５Ｂが存在しないものと仮定する。コイル１３の電流の向きを変えると磁束の向きが反転する。図２（Ａ）に示す状態では、コイル１３Ａとコイル１３Ｂが作る磁束は、電機子１４のコア２３の端部２３Ａおよび端部２３Ｂから磁束が可動子１６のコア部分１６Ａおよびコア部分１６Ｂにそれぞれ入り、永久磁石１５Ａあるいは永久磁石１５Ｂの径方向における中心側に位置するヨーク１６Ｃを通り、永久磁石１５Ａと永久磁石１５Ｂの間のコア部分１６Ｄから再び電機子１４のコアの中央部２３Ｃに入り込む。したがって、端部２３Ａおよび端部２３ＢはＮ極として作用し、中央部２３ＣはＳ極として作用する。ここで、実際には、永久磁石１５Ａ、１５Ｂが存在するので、Ｎ極とＳ極の間には引力が働く。このため電機子１４には、図の左方向に移動させようとする力が働き、同時に可動子１６には図の右方向に移動させようとする力が働く。コイル１３Ａと１３Ｂに流れる電流を逆にすると逆の方向の力が発生する。
【００２７】
なお、図示のものでは、電機子１４のコアの中央部２３Ｃの移動軸に沿った方向の幅が大きくなる構造をなしているので、コイル１３Ａと１３Ｂにより発生する磁束が増加しても、磁気飽和しない磁気回路の断面積を確保することができ、大きな推力を発生することができる。
【００２８】
図２（Ｂ）は、永久磁石１５Ａおよび１５Ｂが発生する磁束を示している。永久磁石１５Ａ、１５Ｂが発生する磁束ΦＡ、ΦＢ、ΦＣはヨーク１６Ｃを介して流れる。ヨーク１６Ｃを流れる磁束が飽和しないようにヨーク１６Ｃの径方向の幅ｄ２を広くしており、永久磁石の径方向の幅ｄ１より幅ｄ２を大きくしている。図２（Ｂ）で永久磁石１５Ａの右側の端部である一方端の外側に強磁性材からなるコア部分１６Ａが設けられているので、磁束ΦＡは大きな値を有する。また、同様にコア部分１６Ｂが設けられているので、磁束ΦＢは大きな値を有する。このため、大きな推力が発生する。なお、図２（Ｂ）の磁束は模式的に表現しており、電機子１４のコア２３のコイル挿入溝の形状などにより、実際には、より複雑に変化している。
【００２９】
図２（Ｃ）は電機子１４のコアの組立て時の形状を示す。電機子１４のコアは、円筒形状を成しており、内側にスロットを形成する溝を有し、この溝内にコイル１３を収容している。生産性を向上する為に、電機子１４のコアは、端部２３Ａと外周部２３Ｄとからなる第１コア部材と、端部２３Ｂと外周部２３Ｅとからなる第２コア部材と、中央部２３Ｃを有する第３コア部材とからなる。第１コア部材と第２コア部材とは、同じ構造であり、共用でき、生産性が向上する。第１コア部材と第２コア部材とに、コイルをそれぞれ嵌めた後、第３部材を介してこれらを一体に固定する。
【００３０】
電機子１４のコアおよび可動子１６のコアは、積層コアではなく、一体の強磁性材である鉄系の金属で作られており、磁束の変化に応じて渦電流が流れるが、振動の周波数が低い為、コア内に発生する渦電流の値が小さく、とくに問題とならない。また、この渦電流は、振動を抑制する方向に作用するので、仮に電流が流れても、振動を抑制する効果を奏することになる。
【００３１】
可動子１６は、電流の向きにより、推力の方向を変えることができ、また、電流の大きさにより、推力の大きさを調整することができるので、制御が容易であり、コントローラ１２の負担を軽減することができる。また、２つのコイル１３Ａ、１３Ｂには、常時均等に電流が流れることになるので、コイル１３Ａ、１３Ｂの発熱も均一となり、一部のコイルに大きな負荷がかかることがない。
【００３２】
上記第１実施形態の第１変形例として、図３に示すように、コイル１３を収容するコア２３の両側の端部２３Ａ、２３Ｂを軸方向に長さＡだけ増大して端部コア２４Ａ、２４Ｂを設けることにより、コア２３の移動によって生じる端部効果といわれる推力の低下及び変動を抑制して安定した推力を得ることができる。
【００３３】
また、第２変形例として、図４に示すように、２つの磁石１５Ａ、１５Ｂのそれぞれに隣接して、極性の異なる補助磁石１１５Ａ、１１５Ｂを設けることにより、コア２３が図４に示す中心位置から左右に移動した場合に、コア２３の両側の端部２３Ａ、２３Ｂに作用する磁力を補助磁石１１５Ａ、１１５Ｂによって補うことができ、推力を増大させることができる。コイル１３に一定の電流を通電した場合の推力比とストロークとの関係を図９に示す。図９において、曲線（１）は、補助磁石なしの場合を示し、曲線（２）は、軸方向長さＬが磁極ピッチτｐの２分の１（Ｌ＝１／２・τｐ）の補助磁石１１５Ａ、１１５Ｂを設けた場合を示している。図９からわかるように、補助磁石１１５Ａ、１１５Ｂを設けることにより、ストローク全域にわたって推力を約１．２倍に増大させることができる。
【００３４】
なお、「補助磁石」とは、主磁石の軸方向に沿った延長方向の位置であって、コア２３が一方に変位した場合におけるコア２３の一方の端部と軸方向位置が重なる位置に設けられた磁力部材（永久磁石などの磁界を発生する部材）である。例えば、図４に示されるように、補助磁石１１５Ａは、主磁石１５Ａに隣接している。また、コア２３が図中右方向に変位した場合（図６参照）における端部２３Ａと軸方向位置が重なる位置に設けられている。通常の使用状態では、主磁石１５Ａ、１５Ｂには常時コイル１３Ａ、１３Ｂが対向し続けるが、補助磁石には、コイルが対向するときと、しないときかが生じる点で、主磁石と補助磁石はその役割が異なる。
１１５Ａ１１５Ｂ
【００３５】
次に、コイルピッチτｃと磁極ピッチτｐとの比τｃ：τｐによるストロークに対する推力の変化について、図９を参照して説明する。図９において、曲線（２）、（３）、（４）、（５）は、補助磁石１１５Ａ、１１５Ｂを設けた状態で、コイルピッチτｃと磁極ピッチτｐとの比τｃ：τｐをそれぞれ１：１．００、１：１．１５、１：１．２５、１：０．８５とした場合を示している。
【００３６】
図９からわかるように、コイルピッチτｃと磁極ピッチτｐとの比τｃ：τｐを１：１．００とした場合に対して、磁極ピッチτｐの比を小さくすると（曲線（５）参照）、ストローク全域にわたってほぼ同様に推力が低下する。これに対して、コイルピッチτｃに対する磁極ピッチτｐの比を大きくするほど（曲線（２）乃至（４）参照）、推力のピーク値（最大値）は低下するが、ストロークの増大に伴なう推力の低下が小さくなり、１：１．２５とした場合には、±１５ｍｍのストローク範囲（これは、サスペンションの通常ストローク範囲に対応している）において、ほぼ一定の推力を得ることができる。これは、磁極ピッチτｐをコイルピッチτｃよりも大きくすると、コア２３の端部２３Ａ、２３Ｂに推力を打消す方向の引力及び斥力が発生するためである。そして、磁極ピッチτｐが１．５０を超えると、推力の低下が大きくなるので、コイルピッチτｃと磁極ピッチτｐとの比τｃ：τｐは、１：１．１０〜１：１．５０であることが好ましい。このようにして、ストロークに対する推力の変動を小さくすることにより、コイル１３への通電による推力の制御を容易に行なうことが可能になる。
【００３７】
上記第１実施形態の第３変形例として、図５に示すように、コア２３の内周部を軸方向に沿ってコイル１３側に延ばして、コイル１３の内周面の軸方向両端部を覆う突出部２５を設け、突出部２５によってコイル１３を径方向に保持するようにしてもよい。これにより、突出部２５によってコイル１３の保持を確実にすると共に、コイル１３と永久磁石１５との接触を防止して、これらのクリアランスを一定に維持することができる。また、突出部２５により、磁石１５に対向するコア２３の面積を増大させることができ、磁気飽和を緩和して推力を増大させることができる。なお、図８は、図５に示す第３変形例において、磁極ピッチτｐをコイルピッチτｃよりも大きくした第５変形例を示している。
【００３８】
上記第１実施形態の第３変形例においては、永久磁石１５とコア２３との間に、引力及び斥力が作用する結果、コア２３は、図６に示すように、コア２３の中央部２３Ｃの中心が一方の磁石１５Ａ又は磁石１５Ｂの中心に対向する位置（図６では磁石１５Ａに対向する場合を示す）である安定点に移動しようとする。コア２３がこの安定点にある状態では、コイル１３が発生する磁界によってコア２３の各部に生じる磁極と永久磁石１５の各部の磁極との間に生じる引力及び斥力は、これらの径方向のみに作用し、軸方向に作用しないので、コイル１３への通電電流によって推力を発生させることができない。また、コイル１３の非通電時には、永久磁石１５の引力がコア２３の中心部２３Ｃに作用することにより、コア２３は、安定点に移動しようとする。
【００３９】
そこで、第４変形例として、図７に示すように、コイル１３Ａ、１３Ｂのそれぞれの両側に対向する一方の突起部２５Ａの形状を変えてコア２３を磁気的に非対称とした。これにより、非通電時の安定点が、コア２３の中央部２３Ｃと磁石１５Ａ又は磁石１５Ｂの中心とが重なる位置からずれるため、通電時に推力を発生させることができる。
【００４０】
上述の第１実施形態では、コイル１３及び永久磁石１５は、２つずつ設けられているが、第６変形例として、図１２に示すように３つずつ、あるいは、４つ以上ずつ設けてもよく、また、２つずつ設けたものを複数組合わせてもよい。
【００４１】
次に、本発明に係るリニアアクチュエータの第２実施形態について、図１０、図１１、図１３及び図１４を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１に示すものに対して、同様の部分には同一の符号を用いて、異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【００４２】
図１３に示す実施形態では、ストッパ２０はバネ受を兼ね、ストッパ２０と可動子１６の底部との間及びベアリング２２が取付られた開口部との間に付勢手段としてコイルバネからなるバネ２６、２７が介装されている。バネ２６、２７は、そのバネ力をストッパ２０に作用させて、コイル１３への非通電時において、コア２３の中央部２３Ｃの中心が永久磁石１５Ａ、１５Ｂの間に配置されるようにしている。
【００４３】
ここで、コイル１３への通電電流が０Ａ（アンペア）、１０Ａ、２０Ａ、−１０Ａ、−２０Ａの各電流値において、磁界によって生じる推力とストロークとの関係は図１０に示すようになる。なお、本実施形態では、磁極ピッチτｐ（永久磁石１５Ａ、１５Ｂの軸方向長さ）を８０ｍｍとしており、推力が０となる安定点は、永久磁石１５Ａ、１５Ｂの中心すなわちストローク中心から±４０ｍｍの位置にある。この場合、コイル１３への非通電時（０Ａ）には、永久磁石１５Ａ、１５Ｂの極性が切換るストローク中心では、推力は０となるが、その位置から僅かにずれることにより、推力が発生して安定点へ移動することになる。
【００４４】
これに対して、バネ２６、２７のバネ力によって、コイル１３への非通電時の推力を打消すようにバネ力を作用させて、コア２３をストローク中心へ付勢することにより、磁界によって生じる推力とストロークとの関係は図１１に示すようになる。これにより、非通電時には、可動子１６をストローク中心に保持することができ、サスペンション装置への取付けを容易に行うことができる。そして、取付後においては、サスペンション装置を中立位置で安定させることができる。また、通電時においては、各ストローク位置において、通電電流に応じた推力を発生させることができる。なお、バネ２６、２７は、磁界による推力の特性に応じて、適宜、非線形な特性を持ったバネを用いるとよい。
【００４５】
上記第２実施形態の変形例として、図１４に示すように、２つのバネ２６、２７の代わりに、可動子１６の底部から開口側のベアリング２２まで延びる１つのバネ２８を設け、ストッパ２０の外周部の形状をバネ２８の螺旋形状に合せて、これをバネ２８の線材のピッチ間に挿入するようにしてもよい。この場合、ストッパ２０は、回転させることによってバネ２８の螺旋形状に沿って軸方向に移動させることできるので、容易にストローク中心の位置を調整することができる。なお、図１４において、図１３のものと同様の部分には同一の符号が付してある。
【００４６】
上記第２実施形態では、付勢手段としてコイルバネを内蔵しているが、このバネは、図１３、図１４に示したバネ設置方法の他に、コイルバネを引張り方向にも用いるようにしてコイルバネの個数を減らしてもよい。また、コイルバネの代わりにねじりバネ、皿バネ、空気バネ、あるいはバネ性を持ったゴム、ＮＢＲ等を適宜用いてもよい。
【００４７】
また、付勢手段の搭載位置は、図１３、図１４に示した実施例では内蔵しているが、電機子１４と可動子１６との間に設けられていれば外部であっても構わない。例えば、車体２を支持する空気バネ５に、リニアアクチュエータ６の動作方向と平行な方向（図１５では左右方向）に上記コイルバネと同様なバネ特性を持たせることにより、コイルバネを省略することができる。
【００４８】
また、コイルバネの代わりに、付勢手段としての２つ目のリニアアクチュエータ６を、例えば中心ピン８に対して対向して設置してもよい（図１５、図１６の減衰力可変ダンパ７の位置に２つ目のリニアアクチュエータ６を設置し、両リニアアクチュエータ６の可動子１６をそれぞれ中心ピン８に接続する）。
【００４９】
リニアアクチュエータ６単体では図１０に示すような特性を持っているが、リニアアクチュエータ６を対向させて平行に設置することにより、各々の非線形なリニアアクチュエータ６の推力特性を打ち消すように作用させることが出来る。
この場合、減衰力可変ダンパ７は別に設置する。または、リニアアクチュエータ６をパッシブに発電機として動作させる際に発生する減衰力が必要十分な場合には、減衰力可変ダンパ７は設置しなくともよい。
【００５０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。例えば図１０の特性を持つリニアアクチュエータを鉄道車両の横揺れ制振装置に適用した場合、ストローク中心位置より±４０ｍｍ以上のストローク領域では発生推力が反転するという課題がある。これは、±４０ｍｍを超えた場合、反対方向の推力が発生し、車体を制振するのではなく、加振してしまい、走行時の乗り心地を悪くするおそれがある。
【００５１】
そこで、本実施形態では、コイル間のピッチτｃを所定の制御領域Ｌよりも広くなるように構成した。すなわちコイルピッチτｃと磁極ピッチτｐ、所定の制御領域Ｌの関係は、「所定の制御領域Ｌ≦コイルピッチτｃ≦磁極ピッチτｐ」となる。
例えば、図１０の特性を持つリニアアクチュエータを用いた場合、制御範囲をストローク中心位置から±２０ｍｍ（合計４０ｍｍ）とすれば、磁極ピッチτｐは、前記の通り８０ｍｍであるため、コイルピッチτｃは、「所定の制御領域Ｌ４０ｍｍ≦コイルピッチτｃ≦磁極ピッチτｐ８０ｍｍ」である。ここで、所定の制御範囲Ｌやコイルピッチτｃ、磁極ピッチτｐは任意でよく、「所定の制御領域Ｌ≦コイルピッチτｃ≦磁極ピッチτｐ」の関係を満足していればよい。
【００５２】
本実施形態により所定の制御領域Ｌとリニアアクチュエータのコイルピッチτｃ、磁極ピッチτｐを定義することにより、所定の制御領域Ｌ内においては推力の反転が構造的に防止され、車体が加振するのを防ぎ、乗り心地の悪化を低減することが可能となる。
なお、上記第１乃至第３実施形態では、磁石として永久磁石を用いた場合について説明しているが、磁石として電磁石を用いることもできる。しかしながら、磁石への配線が不要であり、簡単な構造で高出力が得られることから、磁石としては永久磁石を用いることが望ましい。
【００５３】
また、上記第１乃至第３実施形態では、本発明のリニアアクチュエータを鉄道車両の横揺れ制振装置に適用した場合について説明しているが、本発明のリニアアクチュエータは、これに限らず、上下方向の振動に対するサスペンション装置、自動車のサスペンション装置等、他のサスペンション装置にも適用することができる。
【００５４】
図１７は、上述の電機子１４が有するコイル１３Ａおよび１３Ｂへ単相交流電流を供給するためのコントロールユニット１２の構成を示している。端子１２９６および１２９８は、車両に搭載された直流電源から直流電力を受けるための端子である。リレー１２８８およびリレー１２８２が投入状態にある場合に、直流電力は平滑用のコンデンサ１２８０に供給される。インバータ回路１２６０は、ブリッジ状に接続されたスイッチング素子１２６２、１２６４、１２６６、１２６８を有している。これらのスイッチング素子はＭＯＳトランジスタ、あるいはＩＧＢＴである。なお、ＭＯＳトランジスタを使用する場合には、並列に接続されているダイオードは不要となる。
【００５５】
上記スイッチング素子１２６２と１２６６は、インバータ回路の上アームを構成し、上記スイッチング素子１２６４と１２６８は、インバータ回路の下アームを構成する。ここで、上記端子１２９６は正極側の端子であり、上記端子１２９８は負極側端子である。上記上アームと下アームのスイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより、単相交流電流が、端子１２９２と１２９４とを介して上述のコイル１３Ａと１３Ｂに供給される。コイル１３Ａと１３Ｂは、直列に接続されているが、巻回の方向が逆になっている。
【００５６】
上記リレーおよびスイッチング素子は、駆動部１２１０により駆動される。前記駆動部１２１０は、入出力回路１２１２と制御回路１２１４とリレー駆動回路１２３４と素子駆動回路１２３２を備えている。また、コントロールユニット１２は、センサあるいは他の制御回路と信号の送受信を行う為の端子１２０２を有している。前記制御回路１２１４はマイクロプロセッサを備えていて、プログラムを実行することにより動作するが、その動作を機能別に分けると、リレー制御回路１２２６と振動抑制回路１２１６と減衰制御回路１２１８を備えることとなる。
【００５７】
鉄道車両１などの制御開始時に、異常の有無が診断され、正常であればリレー１２８８が投入される。リレー１２８２を投入すると、充電されていない状態ではコンデンサ１２８０に大電流が流れ込むので、先ず初めにリレー１２８４が投入され、抵抗１２８６を介してコンデンサ１２８０に充電電流が供給される。コンデンサ１２８０に所定時間充電電流が供給されると、次にリレー１２８２が投入され、リレー１２８４が開放される。このような動作により、コンデンサ１２８０が直流電源およびインバータ回路１２６０に対して並列に接続された状態となり、インバータ回路１２６０には直流電流が供給される。上記一連のリレーの動作は、リレー制御回路１２２６が制御指令を出し、リレー駆動回路１２３４が上記制御指令に基づいてリレーを駆動、制御する。なお、もし異常が検出されると、安全のためにリレー１２８８が開放され、減衰制御回路１２８１が動作して、上アーム１２６２と１２６６とをオフ状態とすると共に、その後、下アーム１２６４と１２６８をオン状態とするように素子駆動回路１２３２から駆動信号を各素子に供給する。この結果、振動に基づいてコイル１３Ａとコイル１３Ｂとに発生する誘起電圧に基づき、コイル１３Ａとコイル１３Ｂとに短絡電流が流れ、振動を減衰する方向に電機子１４および移動子１６との間に力が発生する。下アームの素子をデューティ制御することにより、導通割合を制御することができ、上記減衰状態を制御できる。オンの割合を１００％とすると大きな電流が流れ、減衰動作が強くなる。下アームの導通状態であるオンの割合を少なくすることで、減衰割合を少なくできる。このような制御により、異常時の安全性を向上できる。なおこの明細書でオンとは素子が導通する動作を表し、オフとは素子が非導通状態となる動作を表している。
【００５８】
鉄道車両１が振動の大きい状態で走行している場合、例えば鉄道車両１が山間の曲がりくねった軌道を走行している場合、振動の状態を検出するセンサから端子１２０２を介して振動の状態を表す信号が、時々刻々送られてくる。この信号に基づき、振動抑制回路１２１６が振動抑制の為の推力を発生するようにコイル１３Ａとコイル１３Ｂとに供給する電流を、短周期で繰り返し演算し、演算結果に基づき、上記コイル１３Ａとコイル１３Ｂとに供給する単相交流電流を発生する為の制御信号を素子駆動回路１２３２に供給する。素子駆動回路１２３２は振動抑制回路１２１６からの制御信号に基づきスイッチング素子１２６２乃至１２６８のスイッチング動作をそれぞれ制御し、単相交流電流を発生し、端子１２９２および１２９４を介してコイル１３Ａとコイル１３Ｂとに供給する。
【００５９】
また、鉄道車両１が比較的振動の少ない状態で走行している場合、前記振動抑制回路１２１６を動作させるのではなく、減衰制御回路１２８１を動作させ、上アーム１２６２と１２６６とをオフ状態とすると共にその後下アーム１２６４と１２６８をオン状態とするように素子駆動回路１２３２から駆動信号を各素子に供給する。この結果、振動に基づいてコイル１３Ａとコイル１３Ｂとに発生する誘起電圧に基づき、コイル１３Ａとコイル１３Ｂとに短絡電流が流れ、振動を減衰する方向に電機子１４および移動子１６との間に力が発生する。上記減衰状態は、下アームの素子をオンデューティの制御により、上記短絡電流の導通割合を制御することで、制御できる。
このように制御することで、運転状態に応じた振動の抑制が可能となる。上記振動の抑制は、鉄道車両だけでなく、自動車の車体の振動抑制にも使用できる。
【符号の説明】
【００６０】
６  リニアアクチュエータ、１３  コイル、１４  電機子、１５  永久磁石（主磁石）、１６  可動子、τｃ  コイルピッチ、τｐ  磁極ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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