(57)【要約】【課題】可動子の小型化と、可動子の変形を抑制して応答性を高めることの可能なリニアアクチュエータを提供すること。【解決手段】リニアアクチュエータ１では、上下方向に薄い偏平な矩形筒状の可動子３の外側にレンズホルダー４と位置検出部６が配置され、可動子３の内側には直動軸受け６のみが配置され、可動子３を小さくでき、可動子３の剛性を高め、その変形を抑制できる。可動子３を三方から取り囲む状態に第１〜第３永久磁石９Ｌ、９Ｕ、９Ｒが配置されるので、可動子３を偏平にしても、推力発生面積を確保でき、推力定数の低下を防止できる。よって、推力定数の低下を補うための電気装荷の増加に伴う発熱特性の悪化を招くことなく、可動子３を小さくできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のコイルフレームに巻き付けた駆動コイルを備えた筒状の可動子と、
前記可動子の外周を、当該可動子の中心軸線回りの四方向のうちの三方向から取り囲む永久磁石を備えた固定子と、
前記可動子に取り付けられ、前記四方向のうちの残りの一方向に向けて前記可動子から外側に突出している負荷取付け部と、
前記可動子をその中心軸線に平行な直線経路に沿ってガイドする直動軸受けと、
前記直線経路上の前記負荷取付け部の位置を検出する位置検出部と、
を有しており、
前記直動軸受けは、前記固定子に取り付けた固定側軸受け部材と、前記可動子を支持している可動側軸受け部材とを備え、
前記固定側軸受け部材は、前記可動子の内側を前記中心軸線に沿った方向に貫通して延びており、
前記可動側軸受け部材は、前記可動子の内側において前記固定側軸受け部材によって前記直線経路に沿ってスライド可能に支持されており、
前記コイルフレームにおける前記負荷取付け部が取り付けられているフレーム部分は、前記可動側軸受け部材に取り付けられており、
前記位置検出部は、前記負荷取付け部に取り付けた可動側検出部と、当該可動側検出部に対峙する前記固定子の部分に取り付けた固定側検出部とを備えていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記永久磁石は、前記中心軸線を中心として９０度の角度間隔に配置された第１、第２および第３永久磁石を備え、
前記第１、第３永久磁石は、前記可動子を挟み対峙し、
前記負荷取付け部は、前記第２永久磁石から離れる方向に突出し、
前記可動子は、前記第１、第３永久磁石の方向の幅が、これに直交する方向の幅に比べて広い偏平な筒形状である、
請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記可動子は第１〜第４面を備えた矩形筒形状をしており、
前記四方向は前記第１〜第４面に直交する方向であり、
前記第１、第２、第３面に前記第１、第２、第３永久磁石が対峙しており、
前記負荷取付け部は、前記第４面を規定する前記フレーム部分に取り付けられ、当該第４面に直交する方向に突出している、
請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記可動子は、前記第１面および前記第３面の間隔に比べて前記第２面および第４面の間隔が狭い偏平な矩形筒形状をしている、
請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記固定子、前記可動子、前記直動軸受け、および前記負荷取付け部は、前記中心軸線を含み、前記第２面および前記第４面に直交する平面に対して、左右対称の形状となっている、
請求項４に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、ボイスコイルモータを用いて直線経路を往復移動するリニアアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイスコイルモータを用いて応答性良くレンズなどを移動させて焦点合わせなどを行うリニアアクチュエータが広く用いられている。かかる磁気駆動式のリニアアクチュエータでは、その可動子がリニアガイドなどによって直線移動可能な状態で支持され、可動子には駆動対象のレンズなどを取り付けるための負荷取り付け部が固定される。
【０００３】
一般に、磁気駆動式のリニアアクチュエータでは、レンズ等の負荷を、応答性良く、しかも高い位置決め精度で、微小範囲を直線移動させることが要求される。本発明者等は、特許文献１において、位置決め精度の向上および耐久性の向上を目的とした磁気駆動式のリニアアクチュエータを提案している。
【０００４】
このリニアアクチュエータは、矩形筒状のコイルフレームに駆動コイルを巻き付けた構成の可動子の内側に、負荷取付け部、リニアガイド、可動子の位置検出用のセンサー部を配置し、可動子の重心とリニアガイドの支持中心とを一致させるようにしている。また、矩形筒状の可動子の両側に、左右対称となるように、固定子側の一対の永久磁石を配置し、可動子に作用する磁力（推力）の発生中心を可動子の重心に一致させるようにしている。これにより、リニアガイドの部分に掛かるモーメントを軽減でき、応答性良く、しかも、高い位置決め精度で、可動子を位置決めできる。また、可動子を支持しているリニアガイドに作用するモーメントが軽減されるので、リニアアクチュエータの耐久性も改善できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３５６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、リニアアクチュエータの設置スペースに制約等がある場合には、その小型化が要求される。上記構成のリニアアクチュエータの小型化を図るためには、そこに組み込まれている矩形筒状の可動子を小型にすることが有効な対策である。
【０００７】
しかしながら、可動子を小さくすると、その矩形筒状のコイルフレームに巻き付けられている駆動コイルにおける永久磁石に対峙している両側の辺も短くなり、推力発生面積が減少し、推力定数が低下してしまう。推力定数の低下を補うために電気装荷（ターン数、電流値）を増加すると、発熱特性の悪化を招くことになるので好ましくない。
【０００８】
一方、上記構成のリニアアクチュエータにおいて、矩形筒状の可動子に機械的な変形が生じると、レンズ等が搭載される負荷取付け部を応答性良く高い精度で位置決めできないことがある。可動子の変形を防止するためには、コイルフレームを厚くするなどの対策が必要であるが、これに伴って、可動子の重量が大幅に増加してしまう。可動子の重量の増加は、応答性の低下を招くので望ましくない。
【０００９】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、推力の低下および発熱特性の悪化を招くこと
なく可動子を小型にすることのできるリニアアクチュエータを提供することにある。また、本発明の課題は、可動子の小型化と共に、可動子の変形を抑制して応答性を高めることのできる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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明のリニアアクチュエータは、
筒状のコイルフレームに巻き付けた駆動コイルを備えた筒状の可動子と、
前記可動子の外周を、当該可動子の中心軸線回りの四方向のうちの三方向から取り囲む永久磁石を備えた固定子と、
前記可動子に取り付けられ、前記四方向のうちの残りの一方向に向けて前記可動子から外側に突出している負荷取付け部と、
前記可動子をその中心軸線に平行な直線経路に沿ってガイドする直動軸受けと、
前記直線経路上の前記負荷取付け部の位置を検出する位置検出部と、
を有しており、
前記直動軸受けは、前記固定子に取り付けた固定側軸受け部材と、前記可動子を支持している可動側軸受け部材とを備え、
前記固定側軸受け部材は、前記可動子の内側を前記中心軸線に沿った方向に貫通して延びており、
前記可動側軸受け部材は、前記可動子の内側において前記固定側軸受け部材によって前記直線経路に沿ってスライド可能に支持されており、
前記コイルフレームにおける前記負荷取付け部が取り付けられているフレーム部分は、前記可動側軸受け部材に取り付けられており、
前記位置検出部は、前記負荷取付け部に取り付けた可動側検出部と、当該可動側検出部に対峙する前記固定子の部分に取り付けた固定側検出部とを備えていることを特徴としている。
【００１１】
本発明のリニアアクチュエータでは、筒状の可動子の外側に負荷取付け部および位置検出部が配置され、可動子の内側には直動軸受けのみが配置される。よって、可動子を小さくすることができる。また、可動子を三方から取り囲む状態に永久磁石を配置してある。したがって、筒状の可動子を小さくしても、筒状の可動子の両側に一対の永久磁石を配置する場合と同様な推力発生面積を確保でき、推力定数の低下を防止できる。よって、推力定数の低下を補うための電気装荷の増加に伴う発熱特性の悪化を招くことなく、可動子を小さくできる。これにより、推力低下あるいは発熱特性の悪化を伴うことなく、リニアアクチュエータの小型化を達成できる。
【００１２】
また、本発明のリニアアクチュエータでは、可動子の外側に位置する負荷取付け部の位置が、当該負荷取付け部に直接に取り付けた可動側検出部によって検出される。可動子に搭載された負荷取付け部と可動側検出部とが、可動子の移動方向に対して直交する方向に離れていると、可動子の変形に起因して、位置検出部で検出される位置と、負荷取付け部の実際の位置との間にズレが生じ、精度良く負荷取付け部に搭載した負荷部材の位置制御を行うことができないおそれがある。本発明では、負荷取付け部の位置を直接に検出しているので、可動子の変形に起因する位置制御の誤差を抑制あるいは防止でき、精度良く負荷部材の位置決めを行うことができる。
【００１３】
ここで、前記永久磁石として、前記中心軸線を中心として前記第１、第２、第３永久磁石が、この順序で９０度の角度間隔に配置されている場合には、前記第１、第３永久磁石は前記可動子を挟み対峙し、前記負荷取付け部は前記第２永久磁石から離れる方向に突出し、前記可動子は、前記第１、第３永久磁石の方向の幅が、これに直交する方向の幅に比べて広い偏平な筒形状であることが望ましい。
【００１４】
このようにすれば、可動子を支持している可動側軸受け部材を可動子に作用する推力の中心に接近させることができる。すなわち、筒状の可動子は三方から第１〜第３永久磁石によって取り囲まれているので、推力の中心は、可動子の中心に対して第２永久磁石の側に片寄った位置になる。可動子における第１、第３永久磁石の方向に直交する方向の幅を狭くすることで、この方向において離れている可動側軸受け部材と推力中心との距離を短くできる。この結果、推力によって可動側軸受け部材に作用するモーメントを小さくでき、可動子の移動負荷を低減でき、可動子の位置制御の応答性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用したリニアアクチュエータを示す外観斜視図であり、前方の上側から見た場合のものである。
【図２】図１のリニアアクチュエータの正面図および底面図である。
【図３】図１のリニアアクチュエータの横断面図、縦断面図および底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した磁気駆動式のリニアアクチュエータの実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は本実施の形態に係るリニアアクチュエータを示す外観斜視図であり、前方の上側から見た場合のものである。図２（ａ）および（ｂ）は、リニアアクチュエータの正面図および底面図である。以下においては、説明の便宜上、矢印Ｘの方向を幅方向、これに直交する矢印Ｙの方向を前後方向、矢印Ｘ、Ｙに直交する矢印Ｚの方向を上下方向とする。
【００１８】
リニアアクチュエータ１は、固定子２と可動子３を備えたボイスコイルモータを有している。また、可動子３には負荷取付け部、本例ではレンズホルダー４が取り付けられている。可動子３は直動軸受け５によってスライド可能に支持されている。直動軸受け５によって、可動子は、その前後方向Ｙに延びる中心軸線３ａに平行な直線経路を往復移動可能である。可動子３の移動位置は位置検出部６によって検出される。リニアアクチュエータ１は、位置検出部６を除き、中心軸線３ａを含む上下方向に延びる平面Ｐを中心として、実質的に左右対称な構造となっている。
【００１９】
図３（ａ）は図１のIIIａ−IIIａ線で切断した場合のリニアアクチュエータ１の概略横断面図であり、図３（ｂ）は図１のIIIｂ−IIIｂ線で切断した場合のリニアアクチュエータ１の概略縦断面図であり、図３（ｃ）はリニアアクチュエータの底面図である。これらの図においては、位置検出部６を省略してある。
【００２０】
図３を主に参照して説明すると、固定子２は、下方に開口した門型形状のアウターヨーク８と、３個の偏平な直方体形状の永久磁石９Ｌ、９Ｕ、９Ｒと、下方に開口した門型形状のインナーヨーク１０とを備えている。アウターヨーク８は前後方向Ｙに延びる一定長さのものであり、一定厚さの天板部分８Ｕと、この天板部分８Ｕの幅方向Ｘの両端から直角に上下方向Ｚの下方に延びる左右の側板部分８Ｌ、８Ｒとを備えている。
【００２１】
天板部分８Ｕの前後の端部には、図３（ｂ）から分かるように、下方に突出した突出部８ａ、８ｂが形成され、これらの間に、前後方向に延びる凹部８ｃが形成されている。この凹部８ｃ内に矩形板形状の永久磁石９Ｕが取り付けられている。左右の側板部分８Ｌ、８Ｒの前後の端部にも、図３（ｃ）から分かるように、内方に直角に突出した突出部８ｄ、８ｅが形成され、これらの間は、上下方向Ｚに延び、下方に開口した一定深さの凹部８ｆとなっている。各凹部８ｆ内に矩形板形状の左右の永久磁石９Ｌ、９Ｒがそれぞれ取り付けられている。
【００２２】
インナーヨーク１０は、アウターヨーク８の内側に配置され、アウターヨーク８と前後方向Ｙの長さが同一である。インナーヨーク１０は、天板部分１０Ｕと、この幅方向Ｘの両端から直角に上下方向Ｚの下方に延びる左右の側板部分１０Ｌ、１０Ｒとを備えている。天板部分１０Ｕは永久磁石９Ｕに一定の間隔で対峙し、その前後方向Ｙの両端部がアウターヨーク８の天板部分８Ｕの前後の突出部８ａ、８ｂに取り付けられている。同様に、左右の側板部分１０Ｌ、１０Ｒは、左右の永久磁石９Ｌ、９Ｒに一定の間隔で対峙し、その前後の両端部がアウターヨーク８の左右の側板部分８Ｌ、８Ｒの前後の突出部８ｄ、８ｅに取り付けられている。
【００２３】
門型形状のアウターヨーク８に取り付けた３個の永久磁石９Ｕ、９Ｌ、９Ｒと、この内側に配置した門型形状のインナーヨーク１０との間には、前後方向Ｙに延びる所定幅の門型の隙間が形成されている。この隙間に、偏平な矩形筒状の可動子３が配置されている。
【００２４】
可動子３は、矩形筒状のコイルフレーム１１と、この外周面に沿ってその周方向に巻き付けた駆動コイル１２とを備えている。コイルフレーム１１は、上下方向Ｚの寸法が幅方向Ｘの寸法よりも小さい偏平な矩形筒形状をしている。可動子３における左側の第１面が永久磁石９Ｌに一定の間隔で対峙し、上側の第２面が永久磁石９Ｕに一定の間隔で対峙し、右側の第３面が永久磁石９Ｒに一定の間隔で対峙している。換言すると、可動子３は、その中心軸線３ａを中心として９０度の角度間隔で、外側の三方（左方、上方および右方）から永久磁石９Ｌ、９Ｕ、９Ｒで取り囲まれている。
【００２５】
次に、矩形筒状の可動子３の内側には、可動子３をガイドする直動軸受け５が配置されている。直動軸受け５は、インナーヨーク１０の天板部分１０Ｕの下面に取り付けた固定側軸受け部材であるガイドレール５ａと、可動子３を支持している可動側軸受け部材であるスライダー５ｂとを備えており、スライダー５ｂはガイドレール５ａに沿ってスライド可能である。
【００２６】
ガイドレール５ａは、固定子２における幅方向Ｘの中心において、可動子３の中心軸線３ａに平行な方向に、可動子３の内側を前後方向Ｙに貫通する状態に配置されている。ガイドレール５ａに下側からスライド可能に取り付けたスライダー５ｂには、その下面に固定した軸受け固定部材１３を介して、コイルフレーム１１が取り付けられている。
【００２７】
軸受け固定部材１３は、可動子３における下側に面する第４面の部分を規定しているコイルフレーム１１の下側フレーム部分１１Ｂの上面に固定されている。軸受け固定部材１３は、可動子３の内側に位置し、可動子３よりも前後方向に長い矩形板状の部材である。
【００２８】
この軸受け固定部材１３には、負荷取付け部としてのレンズホルダー４が取り付けられている。本例では、軸受け固定部材１３とレンズホルダー４とが単一部品から形成されている。すなわち、レンズホルダー４は、軸受け固定部材１３の前後の端部から下方に直角に突出している前板部分４ａおよび背板部分４ｂからなる。これらの間に可動子３の第４面の部分が位置する。
【００２９】
前板部分４ａには、負荷部材であるレンズ（図示せず）を取り付けるための円形開口部４ｃが形成されている。背板部分４ｂには、円形開口部４ｃと同軸に、レンズを透過する光を通すための円形開口部４ｄが形成されている。
【００３０】
次に、図２を参照して説明すると、可動子３の直線経路上の移動位置を検出する位置検出部６は、光学式の位置検出部であり、可動子３の側に取り付けた可動側検出部である発光部６ａと、固定子２の側に取り付けた固定側検出部である受光部６ｂとを備えている。発光部６ａは、レンズホルダー４における左側の側面に取り付けられている。本例では、
前板部分４ａと背板部分４ｂの側面の間に架け渡す状態に取り付けられている。
【００３１】
発光部６ａのＬＥＤ等の発光素子から射出される検出光は、アウターヨーク８の左側の側板部分８Ｌの内側側面に取り付けた受光部６ｂに向かう。受光部６ｂは、受光面が前後方向Ｙに延びる一次元半導体位置検出素子などの検出素子を備え、受光位置に対応する位置検出信号を出力する。
【００３２】
このように構成したリニアアクチュエータ１においては、中心軸線３ａを中心として、３個の永久磁石９Ｌ、９Ｕ、９Ｒが偏平筒状の可動子３を三方向から取り囲む状態に配置されている。可動子３は高さ寸法（上下方向Ｚの寸法）が小さい偏平な筒形状をしているので、左右の第１面、第３面が短く、両側から対峙している永久磁石９Ｌ、９Ｒとの間の推力発生面積が狭い。しかし、上側の第２面には上方向から永久磁石９Ｕが対峙しているので、可動子３を偏平形状にしたことによる推力発生面積の減少を回避できる。よって、推力低下あるいは、これを補うための電気装荷の増加に伴う発熱特性の悪化を招くことなく、上下方向の可動子３の寸法を小さくできる。よって、リニアアクチュエータ１の小型化、特に上下方向の寸法を小さくすることが可能である。
【００３３】
また、上側に永久磁石９Ｕを配置したことにより、可動子３に作用する推力の中心が、可動子３の中心に対して上方に片寄る。この結果、推力中心が、直動軸受けによる可動子３の支持中心から上方に離れる。しかしながら、本例では、可動子３を上下方向Ｚが偏平な筒形状にしている。上下方向Ｚにおいて、直動軸受けによる可動子３の支持中心を推力中心に接近させ、それらの間の距離を小さくすることができる。よって、推力によって、直動軸受けの支持中心の部分、軸受け固定部材１３に作用するモーメントを低く抑えることができる。この結果、可動子３の移動負荷を低減でき、位置決め制御の応答性を高めることができる。
【００３４】
また、可動子３を上下方向Ｚが偏平な筒形状としてあるので、可動子３における中心軸線３ａの上下方向の剛性を高めることができる。これにより、可動子３の変形を抑制でき、高加速度移動時等における応答性を改善できる。
【００３５】
さらに、位置検出部６は、負荷部材であるレンズが搭載されるレンズホルダー４に取り付けた発光部６ａを備え、レンズホルダー４の位置を直接検出している。発光部等の可動側検出部を、可動子３におけるレンズホルダー等の負荷取付け部とは別の部位に取り付ける場合には、可動子３の変形等に起因して、負荷取付け部の実際の位置と、位置検出部によって検出された位置との間のズレが生ずるおそれがある。本例では、このような可動子３の変形に起因する検出精度の低下を抑制あるいは回避できるので、精度良く可動子に搭載された負荷部材の位置決め制御を行うことができる。
【００３６】
なお、上記の可動子３は偏平な矩形筒状のものである。可動子３の筒形状としては、矩形に限らず、例えば幅方向Ｘに長い長円形あるいは楕円形であってもよい。また、上記の場合、永久磁石として、中心軸線３ａを中心として、９０度の角度間隔で、可動子３の三面を取り囲む状態に３個の永久磁石を配置している。この角度間隔は９０度以外の角度、例えば、６０度間隔で三方から取り囲む状態に永久磁石を配置することもできる。また、永久磁石として、三面を取り囲む断面形状の単一の永久磁石を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１    リニアアクチュエータ
２    固定子
３    可動子
３ａ  中心軸線
４    レンズホルダー（負荷取付け部）
４ａ  前板部分
４ｂ  背板部分
４ｃ、４ｄ  円形開口部
５    直動軸受け
５ａ  ガイドレール（固定側軸受け部材）
５ｂ  スライダー（可動側軸受け部材）
６    位置検出部
６ａ  発光部（可動側検出部）
６ｂ  受光部（固定側検出部）
８    アウターヨーク
８ａ、８ｂ  突出部
８ｃ  凹部
８ｄ、８ｅ  突出部
８ｆ  凹部
８Ｌ、８Ｒ  側板部分
８Ｕ  天板部分
９Ｌ、９Ｕ、９Ｒ  永久磁石
１０  インナーヨーク
１０Ｌ、１０Ｒ  側板部分
１０Ｕ  天板部分
１１  コイルフレーム
１１Ｂ  下側フレーム部分
１２  駆動コイル
１３  軸受け固定部材
Ｐ    平面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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