(57)【要約】【課題】  変位センサーで可動体の変位を検出したり、その検出値に基づいてフィードバック制御を行ったりすることなく、通電値を制御することによって可動体の変位を制御することができる、簡単で低コストのリニアアクチュエータを得る。【解決手段】  通電値に応じた磁気力を発生する電磁部３と、この電磁部３からの磁気力を推力として直線的に変位する可動体４と、この可動体４に上記推力の方向とは逆方向のばね力を作用させるばね手段５と、上記電磁部３への通電を制御する制御装置６とを有し、上記制御装置６が、上記電磁部３に印加される電圧又は電流の通電値を、上記ばね力とバランスする推力を発生させた状態で変化させることにより、上記可動体４の変位速度を通電値に応じて制御可能なるように構成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電値に応じた磁気力を発生する電磁部と、この電磁部からの磁気力を推力として直線的に変位する可動体と、この可動体に上記推力の方向とは逆方向のばね力を作用させるばね手段と、上記電磁部への通電を制御する制御装置とを有し、
上記制御装置が、上記電磁部に印加される電圧又は電流の通電値を、上記ばね力とバランスする推力を発生させた状態で変化させることにより、上記可動体の変位速度を通電値に応じて制御可能なるように構成されている、
ことを特徴とする低速駆動可能なリニアアクチュエータ。
【請求項２】
上記電磁部が、励磁コイルと、該励磁コイルへの通電により磁気力を発生するコアとを有していて、該コアに発生する磁気力により磁性体製の上記可動体が変位するように構成されており、また、上記ばね手段が機械ばね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】
上記電磁部が、励磁コイルと、該励磁コイルへの通電により磁気力を発生するコアとを有し、また、上記可動体が永久磁石からなっていて、この永久磁石の磁気力と上記コアに発生する磁気力との相互作用によって上記可動体が変位するように構成されており、更に、上記ばね手段が、上記永久磁石とコアとの間に作用する磁気力からなる磁気ばね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４】
通電値に応じた磁気力を発生する電磁部と、この電磁部からの磁気力を推力として直線的に変位する可動体と、この可動体に上記推力の方向とは逆方向のばね力を作用させるばね手段と、上記電磁部への通電を制御する制御装置とを有し、
上記電磁部は、内側極歯を形成する柱状のインナーコア部、このインナーコア部の外周を取り囲むように位置して外側極歯を形成するアウターコア部、及びこれら両コア部間に形成された空間部、を有するコアと、該コアの空間部内に上記インナーコア部の周りを取囲むように配設された励磁コイルとを有し、
上記可動体は、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された環状の永久磁石からなっていて、上記コアの空間部内に該コアの軸線方向に変位自在なるように配設されており、
上記ばね手段は、上記永久磁石とコアのとの間に作用する磁気力からなる磁気ばねであり、
上記制御装置は、上記励磁コイルに印加される電圧又は電流の通電値を、上記ばね力とバランスする推力を発生させた状態から変化させることにより、上記可動体の変位速度を通電値に応じて制御可能である、
ことを特徴とする低速駆動可能なリニアアクチュエータ。
【請求項５】
上記可動体が、非磁性体製のホルダーに保持されていることを特徴とする請求項３又は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、電磁力によって可動体を直線的に変位させるリニアアクチュエータに関するものであり、更に詳しくは、上記可動体を低速駆動させることができ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】
電磁力により可動体を直線的に変位させて負荷を駆動するリニアアクチュエータは、従来より公知である。この種のリニアアクチュエータは、一般に、励磁コイルと、この励磁コイルへの通電により磁気力を発生するコアと、該コアからの磁気力を推力として変位する可動体とを有している。
【０００３】
この種のリニアアクチュエータは、通常、上記可動体を負荷や摺動抵抗等に抗して確実かつ安定的に変位させるため、大きな推力で駆動するように構成されている。このため、上記可動体の変位速度は大きく、それらがストローク端に激しく衝突して騒音を発することになる。そこで、この可動体をゴム製のダンパ等に衝突させて衝撃を吸収させるようにしていたが、耐久性の低下や発塵などの問題があった。
【０００４】
そこで、上記リニアアクチュエータの駆動速度を制御して上述した問題を解決する技術も提案されている。例えば特許文献１には、リニアモータにおける可動片の行程及び速度の経過を測定装置（変位センサ）で検出し、その検出データを制御装置に予め設定されている特性曲線と比較し、それらの差に応じて通電目標値を制御することによって速度制御を行うようにしたものが開示されている。しかし、このような方法では、変位センサや複雑な制御回路が必要となり、アクチュエータの大形化や制御装置の複雑化が避けられず、コストアップにもつながる。
【特許文献１】特開２００１−２３８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、変位センサーで可動体の変位を検出したり、その検出値に基づいてフィードバック制御を行ったりすることなく、通電値を制御することによって可動体の変位を制御することができる、簡単で低コストの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、本発明によれば、通電値に応じた磁気力を発生する電磁部と、この電磁部からの磁気力を推力として直線的に変位する可動体と、この可動体に上記推力の方向とは逆方向のばね力を作用させるばね手段と、上記電磁部への通電を制御する制御装置とを有し、上記制御装置が、上記電磁部に印加される電圧又は電流の通電値を、上記ばね力とバランスする推力を発生させた状態で変化させることにより、上記可動体の変位速度を通電値に応じて制御可能なるように構成されていることを特徴とする低速駆動可能なリニアアクチュエータが提供される。
【０００７】
本発明の１つの具体的な構成態様によれば、上記電磁部が、励磁コイルと、該励磁コイルへの通電により磁気力を発生するコアとを有していて、該コアに発生する磁気力により磁性体製の上記可動体が変位するように構成されており、また、上記ばね手段が機械ばねからなっている。
【０００８】
本発明の他の具体的な構成態様によれば、上記電磁部が、励磁コイルと、該励磁コイルへの通電により磁気力を発生するコアとを有し、また、上記可動体が永久磁石からなっていて、この永久磁石の磁気力と上記コアに発生する磁気力との相互作用によって上記可動体が変位するように構成されており、更に、上記ばね手段が、上記永久磁石とコアとの間に作用する磁気力からなる磁気ばねとして構成されている。
【０００９】
また、本発明によれば、通電値に応じた磁気力を発生する電磁部と、この電磁部からの磁気力を推力として直線的に変位する可動体と、この可動体に上記推力の方向とは逆方向のばね力を作用させるばね手段と、上記電磁部への通電を制御する制御装置とを有し、上記電磁部は、内側極歯を形成する柱状のインナーコア部、このインナーコア部の外周を取り囲むように位置して外側極歯を形成するアウターコア部、及びこれら両コア部間に形成された空間部、を有するコアと、該コアの空間部内に上記インナーコア部の周りを取囲むように配設された励磁コイルとを有し、上記可動体は、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された環状の永久磁石からなっていて、上記コアの空間部内に該コアの軸線方向に変位自在なるように配設されており、上記ばね手段は、上記永久磁石とコアとの間に作用する磁気力からなる磁気ばねであり、上記制御装置は、上記励磁コイルに印加される電圧又は電流の通電値を、上記ばね力とバランスする推力を発生させた状態から変化させることにより、上記可動体の変位速度を通電値に応じて制御可能であることを特徴とするリニアアクチュエータが提供される。
上記可動体は、非磁性体製のホルダーに保持されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変位センサーを用いて可動体の変位を検出したり、その検出値に基づいてフィードバック制御を行ったりすることなく、通電値を制御することによって可動体の変位を制御することが可能な、簡単で低コストのリニアアクチュエータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明に係るリニアアクチュエータの第１形態を原理的に示すもので、このリニアアクチュエータ１Ａは、通電値に応じた磁気力を発生する電磁部３と、この電磁部３からの磁気力を推力として矢印Ａ方向に直線的に変位する磁性体製の可動体４と、この可動体４に上記推力の方向Ａとは逆方向のばね力を作用させるばね手段５と、上記電磁部３への通電を制御することによって上記可動体４の変位を制御する制御装置６とを有している。
【００１２】
上記電磁部３は、励磁コイル１１と、この励磁コイル１１へ通電することによって磁気力を発生するコア１２とを有している。このコア１２は、柱状をしたインナーコア部１２ａと、このインナーコア部１２ａ及び上記励磁コイル１１の外周を取り囲むように位置するアウターコア部１２ｂとからなっていて、上記インナーコア部１２ａの先端には、次第に底狭まり状に傾斜するすり鉢形の凹部１２ｃが形成されている。
【００１３】
また、上記可動体４はロッド状をしていて、その基端部には、上記インナーコア部１２ａの凹部１２ｃの形に合わせて次第に先細り状とした円錐部４ａが形成され、この円錐部４ａが上記凹部１２ｃに吸着されるようになっており、該可動体４の先端部は、上記アウターコア部１２ｂから外部に延出し、先端のばね受け４ｂと該アウターコア部１２ｂとの間に、上記ばね手段５を構成するコイル状の機械ばね１４が介設されている。
【００１４】
また、上記制御装置６は、直流電源Ｅと可変ボリュームＲとを有していて、上記電磁部３に直流電圧を印加することにより、上記ばね手段５のばね力とバランスする大きさの推力を発生させ得るようになっており、上記ボリュームＲで電圧又は電流を予め設定された指令値に従って自動的に変化させることにより、上記可動体４を通電値に応じた速度で変位させるように構成されている。
【００１５】
図２の推力特性図は、上記アクチュエータ１Ａにおける可動体４の変位位置と、各変位位置において該可動体４に作用するばね力と、このばね力とバランスする推力を発生可能な通電値との関係を表すものである。この図において、可動体４が図１の突出ストローク端にあってそのときの変位を零とし、電磁部３への印加電圧Ｅ０も０Ｖである場合、この可動体４にはばね力Ｓ１が突出方向即ち推力の作用方向Ａとは逆向きに作用している。そして、上記可動体４の変位が零の状態のまま、上記ばね力とバランスする推力を発生可能な電圧値はＥ１であり、該可動体４が引き込み方向にａ点まで変位すると、上記ばね１４は圧縮されてそのばね力はＳ２となり、このばね力Ｓ２とバランスする推力を発生可能な電圧値はＥ２であり、また、上記可動体４がｂ点まで変位すると、上記ばね力はＳ３となって、このばね力Ｓ３とバランスする推力を発生可能な電圧値はＥ３であり、さらに、上記可動体４がｃ点まで変位すると、上記ばね力はＳ４となり、このばね力Ｓ４とバランスする推力を発生可能な電圧値はＥ４であることを示している。
なお、この例では、電圧を変化させる場合が代表的に示されているが、電流を変化させても同じである。
【００１６】
このような推力特性では、図３に示すように、可動体４の変位は印加電圧によって一様に決まる。つまり、電磁部３に電圧が印加されていない場合（Ｅ０の電圧が加えられている場合）には、上記可動体４は突出ストローク端にあって上記ばね力Ｓ１が負方向（突出方向）に作用している。この状態から電磁部３に電圧を印加してその電圧値を徐々に上昇させていくと、上記可動体４には矢印Ａ方向の推力が作用してその推力も次第に大きくなり、電圧値がＥ１となった場合に、上記可動体４に作用する推力とばね力とは、該可動体４が変位零の状態でバランスし、そこから更に電圧を上昇させていくと、それに応じて可動体４は矢印Ａ方向に徐々に変位する。そして、電圧がＥ２となったとき該可動体４はａの位置に達し、Ｅ３となったときｂの位置に達し、Ｅ４となったときｃの位置に達する。従って、例えば図４に示すような通電波形に沿って電圧値を変化させることにより、上記可動体４を、図５に示すように電圧の変化に応じた速度で変位させることができる。この場合、電圧値をゆっくり変化させれば、可動体４もゆっくりした速度で変位する。また、該可動体４を電圧値に応じた位置で停止させることができ、通電値による位置決め制御を行うことも可能となる。
【００１７】
上記制御は、図６に示すようなブロック線図で与えられる。可動体４をゆっくり変位させるときは、ｄＥ／ｄｔ≒０、ｖ≒０であるから、図７のブロック線図によって近似されることになる。このとき、ばね定数Ｋｓが変位フィードバック制御のときと同様に作用し、疑似的な変位フィードバック制御が行われることになる。
なお、本発明においては、リニアアクチュエータが必ずしも図２，３のような完全な線形の特性を有している必要はなく、非線形の特性を有するものであっても良い。
【００１８】
図８は本発明に係るリニアアクチュエータの第２形態を、電磁部３について原理的に示すもので、この第２形態のリニアアクチュエータ１Ｂが上記第１形態のリニアアクチュエータ１Ａと相違する点は、可動体１３が永久磁石からなっていて、この永久磁石の磁気力とコア１２に発生する磁気力との相互作用によって該可動体１３が変位するように構成されている点と、上記ばね手段が、上記可動体１３とコア１２との間に作用する磁気力、即ち磁気ばねであるという点である。
【００１９】
上記電磁部３におけるコア２２は、内側極歯を形成する円柱状のインナーコア部２２ａと、このインナーコア部２２ａの外周を取り囲むように位置して外側極歯を形成する円筒状のアウターコア部２２ｂとからなっていて、これら両コア部２２ａ，２２ｂ間に環状の空間部２４が形成されている。そしてこの空間部２４内に、上記インナーコア部２２ａを取り囲むように環状の励磁コイル１１が配設されると共に、円筒形をした上記可動体１３が、両コア部２２ａ，２２ｂと同軸状かつ非接触の状態に位置して、軸線方向に変位自在なるように配設されている。
【００２０】
上記可動体１３は永久磁石により形成されていて、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁されている。図示の例では、可動体１３の内周側にＮ極が着磁され、外周側Ｓ極が着磁されている。また、この可動体１３は、図示しない非磁性体製のホルダーに保持され、このホルダーを介して出力軸に連結される。
【００２１】
上記インナーコア部２２ａ及びアウターコア部２２ｂは、上記励磁コイル１１の軸線方向の長さよりも長く形成されていて、それらの先端が該励磁コイル１１より突出し、その突出した部分がそれぞれ内側極歯２５ａ及び外側極歯２５ｂを形成している。そして、上記内側極歯２５ａの外周面と可動体１３の内周面とが対向し、かつ、外側極歯２５ｂの内周面と可動体１３の外周面とが対向している。
【００２２】
上記リニアアクチュエータ１Ｂにおいて、励磁コイル１１が非通電の状態では、上記コア１２が磁化されていないため、内側極歯２５ａ及び外側極歯２５ｂの何れにも通電による磁気力は発生しておらず、従って、永久磁石からなる上記可動体１３は、自身の磁気力によりコア２２に吸引され、基端部側が内側極歯２５ａと外側極歯２５ｂとの間に嵌合する図８の復帰位置（引き込み位置）を占めることになる。このとき上記可動体１３とコア２２との間に作用する磁気力は、該可動体１３の前進方向（矢印Ａ方向）の変位に対して逆向きであり、しかもそれは弾力的な力である。従って、この磁気による吸引力が「磁気ばね」として作用することになる。
【００２３】
この状態から上記励磁コイル１１に直流電圧を印加し、図８中に記号で示す方向に電流を流すと、コア２２の内側極歯２５ａがＮ極になり、外側極歯２５ｂがＳ極になる。このため、これら両極歯２５ａ，２５ｂと可動体１３との間に磁気反発力が作用し、この磁気反発力が該可動体１３に矢印Ａ方向の推力として作用するため、該可動体１３はその方向に駆動される。このとき、上記極歯２５ａ，２５ｂに発生する磁極の強さは電圧値に応じて変化し、電圧を高めると磁極は強くなって推力が大きくなり、電圧を下げると磁極も弱くなって推力は小さくなる。従って、電圧を変化させることによって可動体１３の変位速度を自由に制御することができる。また、永久磁石の磁気による吸引力（磁気ばね）と推力とがバランスする位置に可動体１３を停止させることもできる。
【００２４】
なお、図示した向きとは逆向きに電流を流した場合、両極歯２５ａ，２５ｂに生じる磁極が上述した場合とは逆になるため、可動体１３に作用する推力の方向も逆になる。
【００２５】
また、図示した実施例では、上記コア２２のインナーコア部２２ａとアウターコア部２２ｂ及び可動体１３が円形断面を有しているが、それらの断面形状は長円形であっても、矩形やその他の角形形状であっても良い。
【００２６】
図９及び図１０は、本発明に係るリニアアクチュエータの第３形態を示すもので、このリニアアクチュエータ１Ｃは、図８に原理的に示す第２形態のリニアアクチュエータ１Ｂを具体化したものである。このリニアアクチュエータ１Ｃのコア２２は、互いに別部材として形成したインナーコア部２２ａとアウターコア部２２ｂとを相互に結合することにより構成されている。上記アウターコア部２２ｂは円筒形をしていて、その基端部は端壁２２ｃによって塞がれ、先端部は開放している。また、上記インナーコア部２２ａは円柱形をしていて、上記アウターコア部２２ｂの内部中央位置に同軸状に配設され、基端部が上記端壁２２ｃにボルト２６で固定されている。このインナーコア部２２ａは、上記アウターコア部２２ｂよりやや短く形成されていて、その先端部は、次第に先細りをなすようにテーパーが付されている。
【００２７】
上記アウターコア部２２ｂの端壁２２ｃには、一対のコイル端子２８ａ，２８ｂが設けられていて、これらのコイル端子２８ａ，２８ｂが、上記両コア部２２ａ，２２ｂ間に巻かれた励磁コイル１１に接続されると共に、制御装置６に接続されている。
【００２８】
永久磁石からなる円筒形の可動体１３は、円筒形のホルダー３０に保持されている。このホルダー３０は、上記可動体１３を嵌着した基端部３０ａと、図示しない出力軸に連結するための先端部３０ｂとを有していて、上記コア２２のインナーコア部２２ａとアウターコア部２２ｂとの間の空間部２４内に該コア２２と同軸状で軸線方向に変位自在なるように配設されている。このホルダー３０は、上記インナーコア部２２ａの先端部が嵌合する内孔３０ｃを有していて、この内孔３０ｃの底部に、上記インナーコア部２２ａの先端が弾力的に当接するダンパ３１を有している。
【００２９】
この第３形態のリニアアクチュエータ１Ｃにおける可動体１３の変位は、上記第２形態の場合と同様にして制御することができる。即ち、励磁コイル１１に通電していない状態では、可動体１３及びホルダー３０は該可動体１３の磁気力により図９の下半に示す復帰位置まで後退し、インナーコア部２２ａの先端がダンパ３０ｃに当接している。
【００３０】
上記励磁コイル１１に記号で示す方向に通電すると、上記インナーコア部２２ａで形成される内側極歯２５ａとアウターコア部２２ｂで形成される外側極歯２５ｂとに図示したような磁極が発生するため、上記可動体１３及びホルダー３０は、永久磁石と上記磁極との間の磁気反発力によって図９の上半に示す位置まで前進する。このとき可動体１３の変位速度及び停止位置は、電圧を変化させることによって自由に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの第１形態を原理的に示す断面図である。
【図２】図１のリニアアクチュエータの推力特性を示す線図である。
【図３】図２の推力特性に従ってリニアアクチュエータを制御する場合の可動体の変位と通電値との関係を示す線図である。
【図４】図３による制御を行う場合の通電波形を示す線図である。
【図５】図４の通電波形による制御を行う場合の可動体の変位と時間との関係を示す線図である。
【図６】図１のリニアアクチュエータにおける制御系のブロック線図である。
【図７】リニアアクチュエータをゆっくり変位させる場合の制御系のブロック線図である。
【図８】本発明に係るリニアアクチュエータの第２形態を原理的に示す断面図である。
【図９】本発明に係るリニアアクチュエータの第３形態を示す断面図である。
【図１０】図９の側面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ      リニアアクチュエータ
３      電磁部
４      可動体
５      ばね手段
６      制御装置
１１      励磁コイル
１２，２２      コア
２２ａ，２２ａ      インナーコア部
２２ｂ，２２ｂ      アウターコア部
１４      ばね
２４      空間部
２５ａ      内側極歯
２５ｂ      外側極歯
【図１】
2005039147.tif 000003
【図２】
2005039147.tif 000004
【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】
2005039147.tif 000012