(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と可動子とを有し、フレミングの左手の法則に基づいて発生する推力によって前記可動子を変位させるリニア電磁アクチュエータにおいて、
磁性材料からなり、所定間隔離間して相互に対向して配設された一組の側部と底部とを有する断面コ字状のアウタヨークと、
前記アウタヨークの一組の側部にそれぞれ固着された一組の永久磁石と、
エアーギャップを介して前記一組の永久磁石の間に配設され、一方の永久磁石側に向かって突出する第１突起部が形成された第１プレートと、他方の永久磁石側に向かって突出する第２突起部が形成された第２プレートとが結合されたアーマチュアヨークと、
コイル電流が相互に反対方向に向かって流れるように設けられ、前記第１プレートの周面に沿って巻回された第１コイルと前記第２プレートの周面に沿って巻回された第２コイルとを有するコイル部と、
を備えることを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記可動子には一体的に変位する移動体が設けられることを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記移動体には、アウタヨークの軸線方向に沿って該移動体を案内するリニアガイドが設けられることを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載のリニア電磁アクチュエータにおいて、
前記アーマチュアヨークは、第１プレートと第２プレートとが交互に複数個連結されて形成されることを特徴とするリニア電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源として機能するリニア直流モータの駆動作用下に移動体を直線状に変位させることが可能なリニア電磁アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、リニアモータの一つとしてリニア直流モータ（ＬＤＭ）が知られており、このリニア直流モータは、簡単な構造、高速応答性、制御方法の簡便性等の特徴を有する。
【０００３】
前記リニア直流モータは、界磁石として永久磁石が用いられた単極式リニア直流モータと、磁極を交互に並設する複数の永久磁石が用いられた多極式リニア直流モータとに大別される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に係るリニア直流モータでは、長いストロークを得ようとした場合、外径寸法が大きくなってしまうという不具合がある。すなわち、従来技術に係るリニア直流モータでは、ヨーク内において推力発生方向に沿って磁束が発生し、前記磁束を飽和させないように、ヨーク（低炭素鋼等の磁性材料）の厚さを十分に設定する必要がある。このため、ストロークを増大させるにつれて、ヨークの厚さ方向の寸法が増加して重量物となり、装置全体の外径寸法が増大して大型化するという不具合がある。
【０００５】
また、多極式リニア直流モータを用いた場合、長いストロークを得ることが可能であるが、一方向に沿って連続的に長い距離を移動させるためには磁極が変化するごとにコイルに流す電流の方向を切り換えたり、前記コイルに流す電流の向きを制御する等の制御手段が必要となり、構造が複雑化するという不具合がある。さらに、推力の大きさがストロークの長さによって変化し、推力リップル（トルクリップル）が発生する場合がある。
【０００６】
本発明は、前記の不具合を考慮してなされたものであり、装置全体の外径寸法を大型化させることがなく、簡単な構造によって長いストロークを得ることが可能なリニア電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、固定子と可動子とを有し、フレミングの左手の法則に基づいて発生する推力によって前記可動子を変位させるリニア電磁アクチュエータにおいて、
磁性材料からなり、所定間隔離間して相互に対向して配設された一組の側部と底部とを有する断面コ字状のアウタヨークと、
前記アウタヨークの一組の側部にそれぞれ固着された一組の永久磁石と、
エアーギャップを介して前記一組の永久磁石の間に配設され、一方の永久磁石側に向かって突出する第１突起部が形成された第１プレートと、他方の永久磁石側に向かって突出する第２突起部が形成された第２プレートとが結合されたアーマチュアヨークと、
コイル電流が相互に反対方向に向かって流れるように設けられ、前記第１プレートの周面に沿って巻回された第１コイルと前記第２プレートの周面に沿って巻回された第２コイルとを有するコイル部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この場合、前記可動子と一体的に変位する移動体を設け、さらに、アウタヨークの軸線方向に沿って該移動体を案内するリニアガイドを設けると好適である。
【０００９】
また、第１プレートと第２プレートとを交互に複数個連結してアーマチュアヨークを形成してもよい。
【００１０】
さらに、アウタヨークのみによって固定子を構成し、前記アウタヨークの一方の側部に臨み第１プレートと第１コイルとの間に介装された第１永久磁石と、前記アウタヨークの他方の側部に臨み第２プレートと第２コイルとの間に介装された第２永久磁石とが可動子に含まれるように構成し、あるいは、第１プレートと第２プレートとの間に介装された永久磁石が可動子に含まれるように構成するとよい。
【００１１】
本発明によれば、永久磁石によってアウタヨークとアーマチュアヨークの突起部との間に磁束を発生させる。その際、アウタヨークの一方の側部からアーマチュアヨークに導入された磁束は、第１プレートと第２プレートとの結合部位で折曲した後、アウタヨークの他方の側部に向かって導出され、さらに磁束はアウタヨークの底部を通過して元の一方の側部に戻る。そこで、コイル部に対して通電し、コイル電流が相互に反対方向に沿って流れる第１コイルおよび第２コイルと前記磁束との間においてフレミングの左手の法則に基づき、一方のアウタヨーク側と他方のアウタヨーク側とにそれぞれ同一方向の推力が発生する。この推力に基づいて可動子が変位する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るリニア電磁アクチュエータについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１３】
図１において、参照数字１０は本発明の実施の形態に係るリニア電磁アクチュエータを示す。
【００１４】
このリニア電磁アクチュエータ１０は、平板状のベース部材１２と、図示しないねじ部材を介して前記ベース部材１２の平面上に固定された断面コ字状のアウタヨーク１３とを含む。前記アウタヨーク１３は、所定間隔離間して略平行に立設された一組の側部１４ａ、１４ｂと、前記一組の側部１４ａ、１４ｂ間を連結する底部１８とが一体的に結合して構成される。前記側部１４ａ、１４ｂの内面には、レール状の一組の永久磁石１６ａ、１６ｂが相互に対向するように固着されている。
【００１５】
前記アウタヨーク１３は、例えば、ＪＩＳ規格によるＳＳ４００等の磁性材料によって形成されると好適であり、前記永久磁石１６ａ、１６ｂはその厚さ方向に沿って着磁されているものとする。なお、前記アウタヨーク１３（側部１４ａ、１４ｂ並びに底部１８）および永久磁石１６ａ、１６ｂは、リニア直流モータの固定子として機能するものである。
【００１６】
図３に示されるように、アウタヨーク１３の一方の側部１４ｂに近接して略Ｌ字状の支持ブロック２０がベース部材１２に連結され、前記支持ブロック２０の上部には長尺なガイドレール２２が前記アウタヨーク１３の側部１４ｂと略平行に連結されている。
【００１７】
図１に示されるように、前記アウタヨーク１３の一組の側部１４ａ、１４ｂおよび永久磁石１６ａ、１６ｂの軸線と略直交する方向に延在するように移動体２４が設けられ、前記移動体２４は、ガイドレール２２に係合する断面コ字状のガイドブロック２６（図３参照）を介して前記アウタヨーク１３の側部１４ａ、１４ｂおよび永久磁石１６ａ、１６ｂの軸線方向（矢印Ｘ方向）に沿って変位自在に設けられている。
【００１８】
換言すると、前記移動体２４は、ガイドレール２２およびガイドブロック２６から構成されたリニアガイド２８を介してその一端部が支持され、前記ガイドレール２２に沿ってガイドブロック２６と一体的に摺動変位自在に設けられている。
【００１９】
図２および図３に示されるように、前記移動体２４の下面部にはコイルホルダ３０が固着され、前記コイルホルダ３０は一組の永久磁石１６ａ、１６ｂとの間に所定のエアーギャップ３２ａ、３２ｂだけそれぞれ離間するように設けられている。前記コイルホルダ３０の内部には、後述するコイルが巻回されたアーマチュアヨーク３４が配設されている。
【００２０】
このアーマチュアヨーク３４は、図４および図５に示されるように、略同一の厚さおよび寸法等を有する平板状の第１プレート３６ａと第２プレート３６ｂとがその一部で重畳し、且つ一体的に結合されたブロック体からなり、前記ブロック体には、一方の永久磁石１６ａ側に向かって突出する第１突条部（第１突起部）３８ａと他方の永久磁石１６ｂ側に向かって突出する第２突条部（第２突起部）３８ｂとが設けられている。
【００２１】
換言すると、アーマチュアヨーク３４の略水平方向に沿った横断面形状は、図４に示されるように、前記第１突条部３８ａと第２プレート３６ｂとの間で横断面直角状に形成された段部を有し、また、前記第２突条部３８ｂと第１プレート３６ａとの間で横断面直角状に形成された段部を有する。
【００２２】
前記第１プレート３６ａの矩形状の周面には第１コイル４０ａが巻回され、前記第２プレート３６ｂの矩形状の周面には、前記第１コイル４０ａと反対方向に巻回された第２コイル４０ｂが巻回され、前記第１コイル４０ａと第２コイル４０ｂとによってコイル部４２が構成される。なお、前記アーマチュアヨーク３４およびコイル部４２は、リニア直流モータの可動子として機能するものである。
【００２３】
前記支持ブロック２０には、移動体２４の位置を検出するエンコーダスケール４４を含む位置検出手段４６が設けられ、前記位置検出手段４６によって検出された検出信号は、図示しないコントローラに向かって出力される。
【００２４】
なお、図１および図２に示されるように、コイルホルダ３０を間にして軸線方向に沿った両端部側には、該コイルホルダ３０が当接することによりその変位を規制する一組のストッパ４８ａ、４８ｂが対向配置される。
【００２５】
本発明の実施の形態に係るリニア電磁アクチュエータ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００２６】
図５に示されるように、厚さ方向に沿って着磁された一方の永久磁石１６ｂから磁束が発生し、この磁束は、エアーギャップ３２ｂを介してアーマチュアヨーク３４を通り、さらにエアーギャップ３２ａを介して他方の永久磁石１６ａ、アウタヨーク１３の一方の側部１４ａ、底部１８および他方の側部１４ｂをそれぞれ通過して元の永久磁石１６ｂに戻る。前記磁束がアーマチュアヨーク３４を通過する際、図５に示されるように、第２プレート３６ｂの第２突条部３８ｂに沿って直進した磁束は、第１プレート３６ａと第２プレート３６ｂとの結合部で第１プレート３６ａ側に向かって屈曲し、さらに、第１突条部３８ａに沿って進行する。
【００２７】
このように磁束が発生している場合において、図示しない電源を付勢してコイル部４２に電流を流すことにより、フレミングの左手の法則に基づいて矢印方向の推力（ローレンツ力）が発生し、前記推力の作用下にアーマチュアヨーク３４、コイル部４２および移動体２４がガイドレール２２に沿って一体的に矢印Ｘ方向に沿って変位する。
【００２８】
すなわち、エアーギャップ３２ｂを介して一方の永久磁石１６ｂからアーマチュアヨーク３４の第２突条部３８ｂに導出される磁束と、前記アーマチュアヨーク３４の第１突条部３８ａからエアーギャップ３２ａを介して他方の永久磁石１６ａに向かって導出される磁束とが、それぞれ第１コイル４０ａおよび第２コイル４０ｂを流れるコイル電流に作用して推力（ローレンツ力）が発生し、前記発生する推力の方向は、フレミングの左手の法則に基づいて矢印方向となる。
【００２９】
なお、第１および第２コイル４０ａ、４０ｂにそれぞれ流れるコイル電流と磁束とは、推力が発生する矢印方向と略直交する方向となる。
【００３０】
前記推力の作用下にアーマチュアヨーク３４、コイル部４２および移動体２４が矢印Ｘ方向に沿って変位する際、前記移動体２４の位置は、位置検出手段４６によって検出され、前記位置検出手段４６から導出される検出信号は図示しないコントローラに入力される。また、コイルホルダ３０がストッパ４８ｂに当接することにより、その変位が規制されストローク終端位置となる。
【００３１】
なお、アーマチュアヨーク３４、コイル部４２および移動体２４を前記と反対方向に向かって変位させる場合には、図示しない切換手段によって第１および第２コイル４０ａ、４０ｂに流すコイル電流の方向を反対に切り換えることにより、矢印方向と反対方向に向かって推力が発生し、移動体２４が前記とは反対方向に沿って変位する。
【００３２】
本実施の形態では、リニア直流モータの固定子として機能するアウタヨーク１３（側部１４ａ、１４ｂ並びに底部１８）および永久磁石１６ａ、１６ｂに流れる磁束が推力発生方向に対して略直交する方向となるため、磁束を十分に流すためにアウタヨーク１３（側部１４ａ、１４ｂ並びに底部１８）の厚さを増大させる必要がなく、しかも長いストロークを得ることができる。従って、ストロークが長くなってもアウタヨーク１３の断面形状を変更する必要がないため、装置全体の外径寸法を大型化させることがなく、簡単な構造によって長いストロークを得ることができる。
【００３３】
この結果、本実施の形態では、小型・軽量化され、長いストロークを有するリニア電磁アクチュエータ１０を得ることができる。
【００３４】
なお、図６に示されるような比較例に係るリニア電磁アクチュエータ５０では、平板状のブロック体からなるアーマチュアヨーク５２の周面に沿ってコイル５４が巻回され、矢印Ａ方向に沿って磁束が発生する。従って、比較例に係るリニア電磁アクチュエータ５０では、前記コイル５４に流れる電流と磁束との作用下に、該コイル５４の一方側と他方側とで相互に反対方向に沿った推力Ｆ１および推力Ｆ２がそれぞれ発生するため、図示しない移動体は変位することがなく静止した状態となる。
【００３５】
なお、本実施の形態において、アーマチュアヨーク３４の形状は、図４および図５に示されるような階段形状に限定されるものではなく、図７に示されるように、第１および第２プレート３６ａ、３６ｂが結合されて階段形状に形成されたブロック体を複数個連結してアーマチュアヨーク５６を構成してもよい。なお、図７において、参照数字５８はコイルホルダを示している。
【００３６】
また、図８および図９に示されるように、アウタヨーク１３の側部１４ａ、１４ｂおよび底部１８をリニア直流モータの固定子として配設し、永久磁石を可動子側に設けるように構成してもよい。
【００３７】
例えば、図８では、アウタヨーク１３の一方の側部１４ａに近接するように第１永久磁石６０ａを第１プレート３６ａに隣接して設けるとともに、アウタヨーク１３の他方の側部１４ｂに近接するように第２永久磁石６０ｂを第２プレート３６ｂに隣接して設け、また、図９では、第１プレート３６ａと第２プレート３６ｂとの間に永久磁石６２を介装して前記第１プレート３６ａと第２プレート３６ｂとを連結している。このように構成することにより、前記と同様の作用効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３９】
すなわち、永久磁石によって発生する磁束は推力発生方向に対して略直交する方向となるため、磁束を十分に流すためにアウタヨークの厚さを増大させる必要がなく、しかも長いストロークを得ることができる。従って、ストロークが長くなってもアウタヨークの断面形状を変更する必要がないため、装置全体の外径寸法を大型化させることがなく、簡単な構造によって長いストロークを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るリニア電磁アクチュエータの平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った縦断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った縦断面図である。
【図４】図１に示すリニア電磁アクチュエータの固定子および可動子の略水平方向に沿った一部省略横断面図である。
【図５】図１に示すリニア電磁アクチュエータの磁束の流れを示す一部省略斜視図である。
【図６】比較例に係るリニア電磁アクチュエータの固定子および可動子の略水平方向に沿った一部省略横断面図である。
【図７】アーマチュアヨークの変形例を示す略水平方向に沿った一部省略横断面図である。
【図８】アーマチュアヨークの他の変形例を示す略水平方向に沿った一部省略横断面図である。
【図９】アーマチュアヨークのさらに他の変形例を示す略水平方法に沿った一部省略横断面図である。
【符号の説明】
１０…リニア電磁アクチュエータ    １２…ベース部材
１３…アウタヨーク                １４ａ、１４ｂ…側部
１６ａ、１６ｂ、６０ａ、６０ｂ、６２…永久磁石
１８…底部                        ２０…支持ブロック
２２…ガイドレール                ２４…移動体
２６…ガイドブロック              ２８…リニアガイド
３０…コイルホルダ                ３２ａ、３２ｂ…エアーギャップ
３４、５２、５６…アーマチュアヨーク
３６ａ、３６ｂ…プレート          ３８ａ、３８ｂ…突条部
４０ａ、４０ｂ…コイル            ４２…コイル部
【図１】
0004534219.tif 000002
【図２】
0004534219.tif 000003
【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】
0004534219.tif 000008
【図８】
0004534219.tif 000009
【図９】
0004534219.tif 000010