(57)【要約】【課題】磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることが可能なリニアアクチュエータを提供すること。【解決手段】二つの磁気ギャップ（下部磁気ギャップと上部磁気ギャップ）を形成し、コイル９について、上部磁気ギャップに位置する上部コイル２０と、下部磁気ギャップに位置する下部コイル３０とで巻回方向を反転させた。これにより、コイル９への通電を行うと、フレミングの左手の法則により、上下のコイル（上部コイル２０と下部コイル３０）に同一方向の力が発生する。磁気ギャップが二つあるため、磁気ギャップ中のコイル長さは２倍となり、発生力が増す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ状のアウターヨークの内側に磁石とインナーヨークを備え、インナーヨークとアウターヨークの間に磁気ギャップを形成し、磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータにおいて、
前記インナーヨークは、上下に配向された前記磁石の下側に配置されたアンダーヨークと、前記磁石の上側に配置されたアッパーヨークとを備え、前記アンダーヨークと前記アウターヨークの間に下部磁気ギャップを形成するとともに、前記アッパーヨークと前記アウターヨークの間に上部磁気ギャップを形成し、
さらに、双方の磁気ギャップに対応するように前記コイルがボビンに巻回され、前記コイルは、前記上部磁気ギャップに位置する上部コイルと前記下部磁気ギャップに位置する下部コイルとで巻回方向が反転されている
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記コイルは、前記上部磁気ギャップに位置する上部コイルと、前記下部磁気ギャップに位置する下部コイルと、前記上部コイルと前記下部コイルの中間に位置する中間コイルとを含む一本の被覆付ワイヤと規定される
請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記コイルは、電源に接続される一端から延びて一層目の上部コイル又は下部コイルの一方を形成する一層目第一コイルと、その一層目第一コイルから延びて一つ目の中間コイルを経由した後、一層目の上部コイル又は下部コイルの他方を形成する一層目第二コイルと、その一層目第二コイル上に同一方向に巻回された二層目第二コイルと、その二層目第二コイルから延びて二つ目の中間コイルを経由した後、前記一層目第一コイル上に同一方向に巻回された二層目第一コイルとを含んで他端が前記電源に接続される
請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
パイプ状のアウターヨークが載置されるとともに、アウターヨークの内側でアンダーヨークを支持する有底状の支持ケースを備え、その支持ケースには、アンダーヨークとアウターヨークの間の下部磁気ギャップに位置する下部コイルの下方への直線運動を許容する干渉防止スペースが形成されている
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記支持ケースには、アッパーヨークとアウターヨークの間の上部磁気ギャップに位置する上部コイルの上方への直線運動を逆方向への付勢力によって弾性的に許容する弾性部材が設けられている
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、電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されたボイスコイル型アクチュエータは、有底状のアウターヨークの内側に磁石とインナーヨークを備え、インナーヨークとアウターヨークの間に１つの磁気ギャップを形成している。磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則により発生力が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開（ＷＯ）０３／０５７３７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的なボイスコイル型アクチュエータの発生力Ｆは、Ｆ＝ＢＬＩで表される（Ｂ：磁束密度、Ｌ：磁気ギャップ中のコイル長さ、Ｉ：電流）。発生力を上げるためには、磁石を大きくしたり、電流値を大きくしなければならず、コストがかかる。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすること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リニアアクチュエータは、パイプ状のアウターヨークの内側に磁石とインナーヨークを備え、インナーヨークとアウターヨークの間に磁気ギャップを形成し、磁気ギャップに位置するコイルに通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動の生じるリニアアクチュエータにおいて、前記インナーヨークは、上下に配向された前記磁石の下側に配置されたアンダーヨークと、前記磁石の上側に配置されたアッパーヨークとを備え、前記アンダーヨークと前記アウターヨークの間に下部磁気ギャップを形成するとともに、前記アッパーヨークと前記アウターヨークの間に上部磁気ギャップを形成し、さらに、双方の磁気ギャップに対応するように前記コイルがボビンに巻回され、前記コイルは、前記上部磁気ギャップに位置する上部コイルと前記下部磁気ギャップに位置する下部コイルとで巻回方向が反転されていることをその要旨としている。
【０００７】
この構成によれば、磁束は、上下に配向された磁石のＮ極からアッパーヨークとアンダーヨークの一方（例えばアッパーヨーク）を通過した後、上部磁気ギャップを介してアウターヨークを通過する。そして、下部磁気ギャップを介してアンダーヨークを通過した後、磁石のＳ極に達する。ここで、上下二つの磁気ギャップに着目すると、磁束方向は逆向き（上部磁気ギャップでは内から外に向かい、下部磁気ギャップでは外から内に向かう）であり、上下のコイルの電流方向も逆となる。これにより、コイルへの通電を行うと、フレミングの左手の法則により、上下のコイルに同一方向の力が発生する。磁気ギャップが二つあるため、磁気ギャップ中のコイル長さは２倍となり、発生力が増す。したがって、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。
【０００８】
上記リニアアクチュエータについて、前記コイルは、前記上部磁気ギャップに位置する上部コイルと、前記下部磁気ギャップに位置する下部コイルと、前記上部コイルと前記下部コイルの中間に位置する中間コイルとを含む一本の被覆付ワイヤと規定されることとしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、上下二つの磁気ギャップに対応するように二つの独立したコイルを用いる場合に比べて、配線が容易になるとともに、通電制御も容易となる。
上記リニアアクチュエータについて、前記コイルは、電源に接続される一端から延びて一層目の上部コイル又は下部コイルの一方を形成する一層目第一コイルと、その一層目第一コイルから延びて一つ目の中間コイルを経由した後、一層目の上部コイル又は下部コイルの他方を形成する一層目第二コイルと、その一層目第二コイル上に同一方向に巻回された二層目第二コイルと、その二層目第二コイルから延びて二つ目の中間コイルを経由した後、前記一層目第一コイル上に同一方向に巻回された二層目第一コイルとを含んで他端が前記電源に接続されることとしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、少なくとも二層のコイルが巻き方の工夫を伴って一本の被覆付ワイヤによって実現される。つまり、一層目第一コイル、一層目第二コイル、二層目第二コイル、二層目第一コイルの順に巻回される。コイルの巻き方に工夫を凝らしたことで、同一方向に力の作用する磁気ギャップ中のコイル長さが増し、低コストでの発生力の増加に寄与できる。
【００１１】
上記リニアアクチュエータについて、パイプ状のアウターヨークが載置されるとともに、アウターヨークの内側でアンダーヨークを支持する有底状の支持ケースを備え、その支持ケースには、アンダーヨークとアウターヨークの間の下部磁気ギャップに位置する下部コイルの下方への直線運動を許容する干渉防止スペースが形成されていることとしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、コイルの下方への直線運動が支障なく行われることになる。したがって、コイルが上下に振動するアクチュエータとして好適となる。
上記リニアアクチュエータについて、前記支持ケースには、アッパーヨークとアウターヨークの間の上部磁気ギャップに位置する上部コイルの上方への直線運動を逆方向への付勢力によって弾性的に許容する弾性部材が設けられていることとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、コイルが上方への直線運動によって脱落することが回避される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】リニアアクチュエータの構造を示す断面図。
【図２】磁気回路を示す断面図。
【図３】コイル巻き線の様子を示す図。
【図４】コイル巻き線の様子を示す図。
【図５】コイル巻き線の様子を示す図。
【図６】リニアアクチュエータの運動原理を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、リニアアクチュエータの一実施の形態について説明する。
図１に示すように、リニアアクチュエータ１は、ポリブチレンテレフタレート等の非磁性体よりなる有底状の支持ケース２を備え、その支持ケース２には、鉄等の磁性体よりなるパイプ状のアウターヨーク３が載置固定されている。アウターヨーク３の内側には、最も下側でアンダーヨーク４が支持ケース２によって支持固定されるとともに、アンダーヨーク４の上側には上下に配向されたネオジム磁石５が配置固定され、ネオジム磁石５の上側にはアッパーヨーク６が配置固定されている。ネオジム磁石５の配向について、アッパーヨーク６の側（上側）がＮ極に設定され、アンダーヨーク４の側（下側）がＳ極に設定されている。アンダーヨーク４とアッパーヨーク６は共に鉄等の磁性体よりなる。アンダーヨーク４とアッパーヨーク６の協働によりインナーヨークが構成される。
【００１７】
図２に示すように、アンダーヨーク４とアウターヨーク３の間には下部磁気ギャップ７が形成され、アッパーヨーク６とアウターヨーク３の間には上部磁気ギャップ８が形成されている。ここで、磁束は、ネオジム磁石５のＮ極からアッパーヨーク６を通過した後、上部磁気ギャップ８を介してアウターヨーク３を通過する。そして、下部磁気ギャップ７を介してアンダーヨーク４を通過した後、ネオジム磁石５のＳ極に達する。つまり、磁束は、上部磁気ギャップ８では内から外に向かい、下部磁気ギャップ７では外から内に向かう。そして、双方の磁気ギャップ（下部磁気ギャップ７と上部磁気ギャップ８）に対応するように、図１を参照して、コイル９がボビン１０に巻回されている。コイル９は例えば銅線に被覆がされた被覆付ワイヤよりなり、ボビン１０は例えばポリエチレンテレフタレートよりなる。
【００１８】
ボビン１０の上端は支持ケース２の外部に位置するとともに、ポリブチレンテレフタレート等の非磁性体よりなるフランジ１１と一体化されている。コイル９及びボビン１０及びフランジ１１の三者が一体となって上下に運動可能となっている。つまり、コイル９に通電すると、フレミングの左手の法則による親指の方向に発生する電磁力によって直線運動が生じる。この原理を利用して上記三者が運動を行う。
【００１９】
支持ケース２の上面には、上記三者の上方への運動を逆方向への付勢力によって弾性的に許容するばね１２が設けられている。ばね１２は例えば板ばねよりなるが、他にコイルばね等でもよい。ばね１２は弾性部材に相当する。また、支持ケース２の内底面には、一段深い溝が設けられ、この溝により、上記三者の下方への運動を許容する干渉防止スペース１３が形成されている。
【００２０】
図３〜図５に示すように、コイル９は、上部磁気ギャップ８に位置する上部コイル２０と、下部磁気ギャップ７に位置する下部コイル３０と、上部コイル２０と下部コイル３０の中間に位置する中間コイル４０とを含む一本の被覆付ワイヤと規定される。コイル９は、上部コイル２０と下部コイル３０とで巻回方向が反転されている。
【００２１】
コイル９は、電源５０に接続された一端（始端）から延びて一層目の上部コイル２０を形成する一層目第一コイル２１と、その一層目第一コイル２１から延びて一つ目の中間コイル４０である第一中間コイル４１を経由した後、一層目の下部コイル３０を形成する一層目第二コイル３１とを含んで一層目が構成されている。また、コイル９は、一層目第二コイル３１上に同一方向に巻回された二層目第二コイル３２と、その二層目第二コイル３２から延びて二つ目の中間コイル４０である第二中間コイル４２を経由した後、上記一層目第一コイル２１上に同一方向に巻回された二層目第一コイル２２とを含んで二層目が構成されている。コイル９の他端（終端）は電源５０に接続されている。電源５０は、コイル９への通電方向を制御する通電制御回路を備えている。
【００２２】
次に、リニアアクチュエータ１の作用について説明する。
図６の左側に示すように、電源５０による通電制御のもと、コイル９へ順方向に電流を流すと、上部コイル２０には右回りに電流が流れ、下部コイル３０には左回りに電流が流れる。ここで、図２を参照して、上下二つの磁気ギャップ（上部磁気ギャップ８と下部磁気ギャップ７）に着目すると、磁束方向は逆向き（上部磁気ギャップ８では内から外に向かい、下部磁気ギャップ７では外から内に向かう）であり、上下のコイル（上部コイル２０と下部コイル３０）の電流方向も逆となる。これにより、コイル９へ順方向に電流を流すと、フレミングの左手の法則により、上下のコイル（上部コイル２０と下部コイル３０）に同一方向の力が発生する。この場合、下向きの力が発生し、コイル９及びボビン１０及びフランジ１１の三者が一体となって下向きに直線運動を行う。
【００２３】
図６の右側に示すように、電源５０による通電制御のもと、コイル９へ逆方向に電流を流すと、上部コイル２０には左回りに電流が流れ、下部コイル３０には右回りに電流が流れる。すると、フレミングの左手の法則により、上下のコイル（上部コイル２０と下部コイル３０）に同一方向の力が発生する。この場合、上向きの力が発生し、コイル９及びボビン１０及びフランジ１１の三者が一体となって上向きに直線運動を行う。
【００２４】
したがって、コイル９への通電方向を順方向から逆方向に切り替える第１の制御と、コイル９への通電方向を逆方向から順方向に切り替える第２の制御とを交互に繰り返すことで、上記三者（コイル９及びボビン１０及びフランジ１１）が上下に振動するリニアアクチュエータ１の運動が得られることになる。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）二つの磁気ギャップ（下部磁気ギャップ７と上部磁気ギャップ８）を形成し、コイル９について、上部磁気ギャップ８に位置する上部コイル２０と、下部磁気ギャップ７に位置する下部コイル３０とで巻回方向を反転させた。これにより、コイル９への通電を行うと、フレミングの左手の法則により、上下のコイル（上部コイル２０と下部コイル３０）に同一方向の力が発生する。磁気ギャップが二つあるため、磁気ギャップ中のコイル長さは２倍となり、発生力が増す。したがって、磁石サイズや電流値を増加させることなく、低コストで発生力を大きくすることができる。
【００２６】
（２）上記（１）について、リニアアクチュエータ１の発生力Ｆは、Ｆ＝ＢＬＩで表されるが（Ｂ：磁束密度、Ｌ：磁気ギャップ中のコイル長さ、Ｉ：電流）、本例では、磁気ギャップ中のコイル長さの増す工夫を凝らしたため、発生力Ｆを増すにあたり、磁石サイズや電流値の増加を伴わない。
【００２７】
（３）コイル９は一本の被覆付ワイヤと規定される。この構成によれば、上下二つの磁気ギャップに対応するように二つの独立したコイルを用いる場合に比べて、配線が容易になるとともに、通電制御も容易となる。
【００２８】
（４）少なくとも二層のコイルが巻き方の工夫を伴って一本の被覆付ワイヤによって実現される。つまり、一層目第一コイル２１、一層目第二コイル３１、二層目第二コイル３２、二層目第一コイル２２の順に巻回される。コイルの巻き方に工夫を凝らしたことで、同一方向に力の作用する磁気ギャップ中のコイル長さが増し、低コストでの発生力の増加に寄与できる。
【００２９】
（５）支持ケース２には、コイル９を含む三者（コイル９及びボビン１０及びフランジ１１）の下方への直線運動を許容する干渉防止スペース１３が形成されている。この構成によれば、上記三者の下方への直線運動が支障なく行われることになる。したがって、上記三者が上下に振動するアクチュエータとして好適となる。
【００３０】
（６）支持ケース２には、コイル９を含む三者（コイル９及びボビン１０及びフランジ１１）の上方への直線運動を逆方向への付勢力によって弾性的に許容するばね１２が設けられている。この構成によれば、上記三者が上方への直線運動によって脱落することが回避される。
【００３１】
尚、上記実施の形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・上記実施の形態において可動部であったコイル９及びボビン１０及びフランジ１１の三者を固定部とする代わりに、固定部であった支持ケース２及びアウターヨーク３及びアンダーヨーク４及びネオジム磁石５及びアッパーヨーク６の五者を可動部としてもよい。或いは、双方が共に直線運動を行う構成でもよい。
【００３２】
・振動にこだわらず、上下の一方のみに直線運動するリニアアクチュエータでもよい。例えば、コイル９に通電すると、コイル９及びボビン１０及びフランジ１１の三者が上方へ直線運動し、通電を遮断すると、当該三者がばね１２の付勢力によって原位置に復帰するモーメンタリ式のリニアアクチュエータでもよい。
【００３３】
・コイル９について、上下に独立した二つのコイルを用いてもよい。
・ネオジム磁石以外の磁石を用いてもよい。例えば、サマリウム鉄磁石を用いてもよい。尚、磁石にプラスチックマグネットを用いてアンダーヨーク４及びアッパーヨーク６と共に支持ケース２に一体成形してもよい。
【００３４】
・磁石の配向は上下逆でもよい。
・上記実施の形態によるコイル９の巻き方に倣い、三層目以降を有してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…リニアアクチュエータ、２…支持ケース、３…アウターヨーク、４…アンダーヨーク（インナーヨーク）、５…ネオジム磁石（磁石）、６…アッパーヨーク（インナーヨーク）、７…下部磁気ギャップ（磁気ギャップ）、８…上部磁気ギャップ（磁気ギャップ）、９…コイル、１０…ボビン、１１…フランジ、１２…ばね（弾性部材）、１３…干渉防止スペース、２０…上部コイル、２１…一層目第一コイル、２２…二層目第一コイル、３０…下部コイル、３１…一層目第二コイル、３２…二層目第二コイル、４０…中間コイル、４１…第一中間コイル、４２…第二中間コイル、５０…電源。
【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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