(57)【要約】【課題】固定子の一部にコイルを集中的に配置したリニアアクチュエータにおいて、簡単な構造により効率的な放熱、冷却を可能にする。【解決手段】複数の突起２１９を有する固定子片２１１，２１２，２１５，２１６と、これらの固定子片を磁化するべく集中的に巻回されたコイル２１４，２１８と、を有し、各固定子片が互いにほぼ平行に配置された固定子２００と、突起２１９にほぼ一定距離を隔てて対向する磁極１５０が複数配置された可動子片１１０，１２０を有し、固定子片の長手方向に沿って相対的に移動可能な可動子１００とを備え、突起２１９と磁極１５０との位置関係が、各固定子片ごとにその長手方向に沿って相対的に順次ずれており、コイル２１４，２１８に通流して可動子１００に推力を発生させるリニアアクチュエータに関する。コイル２１４，２１８を包囲する熱伝導部材２６１を、固定子支持部材３００に固定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール状で長手方向に所定間隔にて並ぶ複数の突起を有する磁性体からなる複数の固定子片と、これらの固定子片を磁化するために固定子片の一部に集中的に巻回されたコイルと、を有し、かつ、各固定子片が互いにほぼ平行に配置された固定子と、
各固定子片の前記突起にほぼ一定距離を隔てて対向する磁極が各固定子片の長手方向に沿って複数配置された可動子片を有し、前記固定子片の長手方向に沿って相対的に移動可能な可動子と、を備え、
各固定子片の前記突起とこれに対向する前記可動子片の磁極との位置関係が、各固定子片ごとにその長手方向に沿って相対的に順次ずれるように配置されていると共に、前記コイルに所定の電流を通流して前記可動子に推力を発生させるようにしたリニアアクチュエータにおいて、
前記コイルを熱伝導性の良い部材によって包囲し、この部材を、前記固定子を支持するための固定子支持部材に固定することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
レール状で長手方向に所定間隔にて並ぶ複数の突起を有する磁性体からなる複数の固定子片と、これらの固定子片を磁化するために固定子片の一部に集中的に巻回されたコイルと、を有し、かつ、各固定子片が互いにほぼ平行に配置された固定子と、
各固定子片の前記突起にほぼ一定距離を隔てて対向する磁極が各固定子片の長手方向に沿って複数配置された可動子片を有し、前記固定子片の長手方向に沿って相対的に移動可能な可動子と、を備え、
各固定子片の前記突起とこれに対向する前記可動子片の磁極との位置関係が、各固定子片ごとにその長手方向に沿って相対的に順次ずれるように配置されていると共に、前記コイルに所定の電流を通流して前記可動子に推力を発生させるようにしたリニアアクチュエータにおいて、
前記固定子を支持するための固定子支持部材から離れた位置に前記コイルを配置すると共に、このコイルを熱伝導性の良い部材によって包囲することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載した発明において、
前記コイルを包囲する熱伝導性の良い部材に、放熱促進手段を設けたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長手方向に複数の突起が形成され、かつ、コイルが集中的に巻回された複数の固定子片からなる固定子と、前記突起に対向する複数の磁極を有する可動子とを備え、前記コイルに通流することにより可動子を固定子片の長手方向に沿って直線的に移動させるようにしたリニアアクチュエータに関し、詳しくは、コイルの効率的な放熱方法に特徴を有するリニアアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、後述する特許文献１に係るリニアアクチュエータを既に出願している。
このリニアアクチュエータでは、図６に示すように、レール状で長手方向に等間隔Ｔにて並ぶ複数の突起を有する磁性体からなる固定子片２０Ａ１，２０Ａ２を互いに平行に配置し、両固定子片２０Ａ１，２０Ａ２の一端を磁性体からなるブリッジ２０Ａ３によって磁気的に結合すると共に、両固定子片２０Ａ１，２０Ａ２の突起２０１を互いに逆極性に磁化するコイル２０Ａ０を前記ブリッジ２０Ａ３に巻回してＡ相固定子片対２０Ａが形成される。また、同様にして、Ｂ相固定子片対２０Ｂが形成され、これら２個の固定子片対２０Ａ，２０Ｂを互いに平行に配置することにより、固定子２が構成される。
更に、各固定子片の突起２０１にほぼ一定距離を隔てて対向すると共に、磁性体からなるコア１０１と、このコア１０１の前記固定子片に対向する部位に形成されて前記固定子片の長手方向に沿って配置されるＮ極及びＳ極の磁極１０２Ｎ，１０２Ｓとから構成され、前記Ｎ極及びＳ極の何れかに前記突起２０１と正対する磁極があるときに、当該磁極に隣接する他極性の磁極の固定子片対向面の全部または一部が突起２０１相互間の溝部に対向するように配置されている可動子片１０Ａ１，１０Ａ２をブリッジ１０Ａ０により磁気的に結合してＡ相可動子片対１０Ａが形成される。また、同様にしてＢ相可動子片対１０Ｂが形成され、これら２個の可動子片対１０Ａ，１０Ｂをスペーサ１１により一体化して可動子１が構成される。
そして、２個の固定子片対２０Ａ，２０Ｂと、各固定子片対に対向する２個の可動子片対１０Ａ，１０Ｂとからなる２個の組それぞれにおいて、
固定子片とこれに対向する可動子片からなる２つの組について、固定子の突起と可動子の磁極との位置関係が、固定子の長手方向について互いにＴ／２だけずれるように配置され、かつ、固定子片対２０Ａ，２０Ｂと可動子片対１０Ａ，１０Ｂとの２個の組について、固定子側の突起と可動子側の磁極との位置関係が、固定子の長手方向に沿って順次等間隔ずつずれるように配置されており、各コイル２０Ａ０，２０Ｂ０に電流を時系列的に順次通流することにより、固定子２の長手方向に沿った推力を可動子１に発生させるものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３３０５７８号公報（図１、請求項３等）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、固定子の一部にコイルを集中的に巻回しているため発熱量を比較的少なくすることが可能である。
しかしながら、この種のリニアアクチュエータにおいて、効率的かつ簡素化された放熱、冷却構造は未だ提供されておらず、コイルの熱が固定子片に伝導させれることによって固定子片が熱変形したり、冷却装置の大型化がリニアアクチュエータの小型化や低コスト化を阻害する等の問題を生じていた。
【０００５】
そこで本発明は、固定子の一部にコイルを集中的に配置したリニアアクチュエータにおいて、簡単な構造により効率的な放熱、冷却を可能にし、小型化及び低コスト化を可能にしたリニアアクチュエータを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、レール状で長手方向に所定間隔にて並ぶ複数の突起を有する磁性体からなる複数の固定子片と、これらの固定子片を磁化するために固定子片の一部に集中的に巻回されたコイルと、を有し、かつ、各固定子片が互いにほぼ平行に配置された固定子と、
各固定子片の前記突起にほぼ一定距離を隔てて対向する磁極が各固定子片の長手方向に沿って複数配置された可動子片を有し、前記固定子片の長手方向に沿って相対的に移動可能な可動子と、を備え、
各固定子片の前記突起とこれに対向する前記可動子片の磁極との位置関係が、各固定子片ごとにその長手方向に沿って相対的に順次ずれるように配置されていると共に、前記コイルに所定の電流を通流して前記可動子に推力を発生させるようにしたリニアアクチュエータにおいて、
前記コイルを熱伝導性の良い部材によって包囲し、この部材を、前記固定子を支持するための固定子支持部材に固定するものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、レール状で長手方向に所定間隔にて並ぶ複数の突起を有する磁性体からなる複数の固定子片と、これらの固定子片を磁化するために固定子片の一部に集中的に巻回されたコイルと、を有し、かつ、各固定子片が互いにほぼ平行に配置された固定子と、
各固定子片の前記突起にほぼ一定距離を隔てて対向する磁極が各固定子片の長手方向に沿って複数配置された可動子片を有し、前記固定子片の長手方向に沿って相対的に移動可能な可動子と、を備え、
各固定子片の前記突起とこれに対向する前記可動子片の磁極との位置関係が、各固定子片ごとにその長手方向に沿って相対的に順次ずれるように配置されていると共に、前記コイルに所定の電流を通流して前記可動子に推力を発生させるようにしたリニアアクチュエータにおいて、
前記固定子を支持するための固定子支持部材から離れた位置に前記コイルを配置すると共に、このコイルを熱伝導性の良い部材によって包囲するものである。
【０００８】
なお、請求項３に記載するように、請求項２における熱伝導性の良い部材には、放熱フィン等の放熱促進手段を取り付けると好適である。この放熱促進手段は、必要に応じて請求項１の発明に追加しても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に係る本発明の第１実施形態の平面図（図１（ａ））及び側面図（図１（ｂ）：図１（ａ）の左側面図）である。これらの図において、１００はシャフト１４０に一体的に固定された可動子、１１０，１２０は後述する固定子片対２１０，２２０の内面に形成された突起２１９との間にほぼ一定距離を隔てて配置される可動子片であり、可動子片１１０，１２０の、突起２１９との対向面には、固定子片対２１０，２２０の長手方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に着磁された磁極１５０が配置されている。
【００１０】
固定子２００は、側面から見てほぼコ字形の固定子片対２１０，２２０からなり、固定子片対２１０，２２０はそれぞれ磁性体からなる長尺の固定子片２１１，２１２及び２１５，２１６を有している。そして、固定子片対２１０を構成する一対の固定子片２１１，２１２は互いに平行に配置され、それらの一端部がブリッジ２１３により連結されている。同様に、固定子片対２２０を構成する一対の固定子片２１５，２１６も互いに平行に配置され、それらの一端部がブリッジ２１７（図３参照）により連結されている。
また、固定子片２１２，２１６のブリッジ２１３，２１７近傍の位置には、コイル２１４，２１８がそれぞれ集中的に巻回されている。
【００１１】
固定子片２１１，２１２によって挟まれた空間には可動子片１１０が配置され、固定子片２１５，２１６によって挟まれた空間には可動子片１２０が配置されており、前記コイル２１４，２１８への通流によって可動子１００には固定子片対２１０，２２０の長手方向（シャフト１４０の軸方向）に沿った推力が発生するようになっている。
【００１２】
次に、固定子２００側の突起２１９と可動子１００側の磁極１５０との位置関係について、図２、図３を参照しつつ説明する。ここで、図２は一方の固定子片対２１０の固定子片２１１，２１２及び可動子片１１０に着目して図示したものであり、図３は他方の固定子片対２２０の固定子片２１５，２１６及び可動子片１２０に着目して図示したものである。
なお、図２，図３に示した固定子片対２１０，２２０は略図的に示したものであり、便宜的に図１とは形状が異なっている。
【００１３】
まず、図２に示す固定子片２１１，２１２において、固定子片２１１の突起２１９と固定子片２１２の突起２１９とは、突起２１９のピッチをＴとすると固定子片２１１，２１２の長手方向に沿ってＴ／２ずれている。なお、突起２１９の幅はＴ／２である。
また、図３に示す固定子片２１５，２１６においても、固定子片２１５の突起２１９と固定子片２１６の突起２１９とは固定子片２１５，２１６の長手方向に沿ってＴ／２ずれているが、固定子片２１５の突起２１９は固定子片２１１の突起２１９に対してＴ／４ずれ、固定子片２１６の突起２１９は固定子片２１２の突起２１９に対してＴ／４ずれている。
可動子１００の磁極１５０の幅は、突起２１９の幅に等しくＴ／２であり、同一極性の磁極１５０のピッチは突起２１９のピッチＴに等しい。
このように、各固定子片２１１，２１２，２１５，２１６の突起２１９は、この順に長手方向に沿って順次ずれるように配置されている。
【００１４】
次いで、この実施形態の動作を説明する。
図２（ａ）の状態において、固定子片対２１０のコイル２１４に通流して固定子片２１１がＮ極、固定子片２１２がＳ極となるように励磁すると、可動子片１１０のＳ極は固定子片２１１の突起２１９に、可動子片１１０のＮ極は固定子片２１２の突起２１９にそれぞれ吸引されるため、可動子１００は図の左方向に移動して図２（ｂ）の状態となる。
【００１５】
この時、図３に示す固定子片対２２０のコイル２１８に通流して固定子片２１５がＮ極、固定子片２１６がＳ極となるように励磁すると、可動子片１２０のＳ極は固定子片２１５の突起２１９に、可動子片１２０のＮ極は固定子片２１６の突起２１９にそれぞれ吸引されるため、可動子１００は図の左方向に移動して図２（ｃ）の状態となる。
【００１６】
次に、コイル２１４に、図２（ａ）とは逆方向に通流することにより、可動子１００は図２（ｄ）の位置に移動し、その後、コイル２１８，２１４を交互に励磁すれば可動子１００を図の左方向に連続的に移動させることができる。
なお、コイル２１４，２１８に流す電流は、パルス状あるいは正弦波状の電流である。
【００１７】
さて、前述した図１において、固定子片対２１０，２２０のコイル２１４，２１８はアルミニウム等の熱伝導性の良い熱伝導部材２６１によって包囲されており、この熱伝導部材２６１は固定子片対２１０，２２０の全体を覆うフレーム２５０に連結されている。また、熱伝導部材２６１は、ねじ止め等の周知の固定手段により、外部の固定子支持部材３００に固定される。この固定子支持部材３００にも熱伝導性の良い金属が使用される。
図示されていないが、コイル２１４，２１８の絶縁を確保し、かつ、放熱、冷却効果を高めるために、コイル２１４，２１８と熱伝導部材２６１との間に熱伝導性の良い樹脂をモールドしても良い。
【００１８】
更に、コイル２１４，２１８を断熱性の樹脂製ボビンを介して固定子片２１２，２１６にそれぞれ巻回しても良い。これによってコイル２１４，２１８の熱が固定子片２１２，２１６に伝わるのを防ぎ、固定子片２１２，２１６の熱変形を抑制してアクチュエータの動作を安定させることができる。
【００１９】
上記のように本実施形態によれば、コイル２１４，２１８が発熱しても、その熱は熱伝導部材２６１から固定子支持部材３００に放熱され、固定子片２１１，２１２及び２１５，２１６側にはほとんど伝導されなくなるため、コイル２１４，２１８を効率よく放熱、冷却することができる。また、熱伝導部材２６１や固定子支持部材３００は、固定子２００の保持、固定用に設けられている部材を放熱、冷却に兼用することになるので、専用の放熱、冷却構造を付加する場合に比べてアクチュエータの小型化、簡素化、低コスト化が可能である。
【００２０】
次に、図４は請求項２，３に係る本発明の第２実施形態の主要部を示している。なお、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して詳述を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００２１】
図４の第２実施形態では、可動子１００及びシャフト１４０の構造は基本的に図１と同一であり、固定子２００’の構造が異なっている。
図４は第２実施形態の平面図（図４（ａ））及び側面図（図４（ｂ）：図４（ａ）の左側面図）である。これらの図において、固定子２００’は、図１と反対向き（各固定子片対２３０，２４０のブリッジが固定子支持部材３００から離れた位置）に配置されたほぼコ字形の固定子片対２３０，２４０を備え、固定子片対２３０，２４０は、それぞれ磁性体からなる長尺の固定子片２３１，２３２及び２３５，２３６を有している。
【００２２】
固定子片対２３０を構成する一対の固定子片２３１，２３２は互いに平行に配置され、それらの一端部がブリッジ２３３により連結されている。同様に、固定子片対２４０を構成する一対の固定子片２３５，２３６も互いに平行に配置されて一端部がブリッジにより連結されている。また、固定子片２３２，２３６のブリッジ近傍の位置には、コイル２３４，２３８がそれぞれ集中的に巻回されている。
このように、コイル２３４，２３８を固定子支持部材３００から遠ざけて配置する構造は、固定子支持部材３００に熱が伝わるるのを極力防ぎたい場合、例えば、このリニアアクチュエータが組み込まれる機械、装置の寸法精度が厳しく要求されていて温度変化をできるだけ小さく抑えたいような場合に有益である。
【００２３】
固定子片２３１，２３２によって挟まれた空間には、第１実施形態と同様に可動子片１１０が配置され、固定子片２３５，２３６によって挟まれた空間には可動子片１２０が配置されており、可動子１００は固定子片対２３０，２４０の長手方向に沿って移動可能である。また、可動子片１１０，１２０の磁極１５０は、固定子片２３１，２３２及び２３５，２３６の突起２１９に対してそれぞれほぼ一定距離を隔てて対向している。
なお、固定子片２３１，２３２及び２３５，２３６の突起２１９と可動子片１１０，１２０の磁極１５０との位置関係、並びに、リニアアクチュエータとしての動作原理は第１実施形態と同一であるため、説明を省略する。
【００２４】
本実施形態では、固定子片対２３０，２４０のコイル２３４，２３８がアルミニウム等の熱伝導部材２６２によって包囲され、この熱伝導部材２６２は固定子片対２３０，２４０の全体を覆うフレーム２５１に連結されている。また、熱伝導部材２６２の側面には、放熱促進手段としての冷却フィン２６３が取り付けられている。放熱促進手段としては、水冷または風冷の冷却器具やヒートパイプ等を用いても良い。
なお、フレーム２５１の端部は、周知の固定手段により固定子支持部材３００に固定されている。
【００２５】
この実施形態においても、コイル２３４，２３８の絶縁を確保し、かつ、放熱、冷却効果を高めるために、コイル２３４，２３８と熱伝導部材２６２との間に熱伝導性の良い樹脂をモールドしても良い。
更に、コイル２３４，２３８を断熱性の樹脂製ボビンを介して固定子片２３２，２３６にそれぞれ巻回することも有効である。
【００２６】
本実施形態によれば、コイル２３４，２３８が発熱しても、その熱は熱伝導部材２６２から放熱フィン２６３に伝導して空気中に放熱されるため、固定子片２３１，２３２及び２３５，２３６側にはほとんど伝導されなくなる。これにより、コイル２３４，２３８を効率よく放熱、冷却することができる。特に、固定子支持部材３００側への熱伝導もないので、前述したようにリニアアクチュエータが組み込まれる機械、装置への直接の熱伝導による温度変化を防止することが可能である。
ここで、放熱フィン２６３等の放熱促進手段は、必要に応じて図１の第１実施形態にも適用可能である。すなわち、図１において固定子支持部材３００の熱伝導性が悪い場合などは、熱伝導部材２６１に放熱フィン２６３等を取り付けることでコイル２１４，２１８の放熱効果を高めることができる。
【００２７】
上記各実施形態では、固定子側の突起及び可動子側の磁極とも、各々の長手方向が可動子の移動方向に対して垂直である場合につき説明したが、突起及び磁極の一方または両方を僅かにスキューさせることによってコギングトルクを低減することができる。
また、図示されていないが、可動子の位置を検出するセンサを設け、これによって得られる可動子の位置情報を用いてフィードバック制御系を構成すれば、可動子位置を高精度に制御することができる。
【００２８】
更に、上記各実施形態では、可動子の磁極位置に対して各固定子片の突起位置を長手方向に沿って順次ずらす構成を想定しているが、例えば各可動子片の磁極位置をずらして各固定子片の突起位置を揃えたり、あるいは、可動子、固定子両方にてそれぞれの片の位置をずらす等の方法をとっても、本質的に同様の効果を得ることができる。
【００２９】
加えて、各実施形態では、可動子にＮ極とＳ極とが交互に着磁されている例を説明したが、本発明における可動子の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明では、可動子の磁極が１つ以上のＮ極及びＳ極からなり、かつ、前記Ｎ極及びＳ極の何れかに固定子片の突起と正対する磁極があるときに、当該磁極に隣接する他極性の磁極の固定子対向面の全部または一部が突起相互間の溝部に対向するように配置されていれば良いので、以下に述べるような各種の構造が考えられる。
【００３０】
これを図５に基づいて説明する。まず、図５（ａ）は前述した各実施形態のように可動子にＮ極とＳ極とが交互に配置されている例である。この図５（ａ）においてＮ極、Ｓ極のうち幾つかを除去し、例えば図５（ｂ）のような構成にした場合、Ｎ極群は固定子片の突起に対向して偏在し、Ｓ極群は突起相互間の溝部に対向して偏在するため、可動子の推力は図５（ａ）の場合に比べて減少するものの、動作上、特に支障はない。
更に、図５（ｃ）のように可動子のコアの中央部に永久磁石を嵌め込み、コアの歯部を磁極として用いることもできる。このように複数の磁極をコアの歯部によって置き換え、１つまたは少数の永久磁石をコアに嵌め込んで元の複数の永久磁石と同等の機能を持たせる構成は、いわゆるハイブリッド形ステッピングモータにおいて広く実用化されている。
【００３１】
また、前述した各実施形態では、図５（ａ）のように固定子片の突起のピッチＴと可動子側の磁極のピッチＰとが等しい場合（Ｐ＝Ｔ）について説明したが、これらは原理的にはＰ／２＜Ｔ＜２Ｐの範囲で設定可能である。すなわち、Ｔ≠Ｐの場合でも、Ｎ極及びＳ極のうち一方に固定子片の突起に正対する磁極があるときに、当該磁極に隣接する他極性の磁極の固定子片対向面の全部または一部が突起相互間の溝部に対向するように配置されていれば良い。
図５（ｄ）はＰ＞Ｔの場合であって、可動子のほぼ中央のＮ極が固定子片の突起に正対し、当該Ｎ極に隣接するＳ極の固定子片対向面の大部分が突起相互間の溝部に対向している例である。この場合、個々の磁極が突起と揃おうとする力が分散するので、可動子の推力は若干低下するが、コギングトルクを大幅に低減させることができる。
【００３２】
なお、各実施形態で説明したアクチュエータの構造はあくまで例示的なものであり、本発明に係る放熱手段はコイルを固定子の一部に集中的に配置可能なリニアアクチュエータであれば、その構造や相数を問わず、広く一般的に適用可能である。
例えば、図６に示したような構造のリニアアクチュエータにも適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、固定子の一部にコイルを集中的に配置したリニアアクチュエータにおいて、簡単な構造によってコイルを効率的に放熱、冷却することができる。このため、固定子片の熱変形を防止して安定した動作を可能にすると共に、放熱、冷却手段の簡素化によってリニアアクチュエータの小型化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の主要部を示す平面図及び側面図である。
【図２】第１実施形態の動作を説明するための固定子及び可動子の側面図である。
【図３】第１実施形態の動作を説明するための固定子及び可動子の側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の主要部を示す平面図及び側面図である。
【図５】本発明における可動子の磁極と固定子片の突起との位置関係を示す模式図である。
【図６】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１００：可動子
１１０，１２０：可動子片
１４０：シャフト
１５０：磁極
２００，２００’：固定子
２１０，２２０，２３０，２４０：固定子片対
２１１，２１２，２１５，２１６，２３１，２３２，２３５，２３６：固定子片
２１３，２１７，２３３：ブリッジ
２１４，２１８，２３４，２３８：コイル
２１９：突起
２５０，２５１：フレーム
２６１，２６２：熱伝導部材
２６３：放熱フィン（放熱促進手段）
３００：固定子支持部材
【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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