(57)【要約】      （修正有）【課題】ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、安定点のみを電流値に依存して変位させるシリンダ形リニアアクチュエータを提供する。【解決手段】軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸１１と、この直動軸に永久磁石１２を１個以上有する磁石組立体１７とを備えた移動子１０と、該移動子の軸方向に形成された複数の移動子磁極より発生するラジアル磁束に鎖交するように移動子の周囲に配設されたリング状のコイル２２，２３と、該コイルの外側に設けられたヨーク部材２１とを具備した固定子２０とを有し、前記移動子１０に対し、前記ヨーク部材２１の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、かつ前記ヨーク部材の軸方向長さを、前記コイルを流れる電流に起因する電流推力の最大値よりも大きな最大値をもつ無励磁保持力を発生する長さに設定し、電流推力の励磁安定点が前記無励磁安定点と異なる位置に発生するようにしたシリンダ形リニアアクチュエータ。【選択図】図１
2007089382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と、この直動軸に設けられ、軸方向に磁化された永久磁石を少なくとも１個以上有する永久磁石組立体とを備えてなる移動子と、
該移動子の軸方向に形成された複数の移動子磁極より発生するラジアル方向の磁束に鎖交するように前記移動子の周囲に配設されたリング状のコイルと、該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、
前記移動子に対し、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、かつ前記ヨーク部材の軸方向長さを、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力の最大値よりも大きな最大値をもつ無励磁保持力を発生する長さに設定し、
前記リング状コイルを前記電流推力の励磁安定点が前記無励磁安定点と異なる位置に発生するように配設したことを特徴とするシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記リング状コイルが複数あるときは前記リング状コイルに電流を流したときに同一方向の電流推力を発生するように各リング状コイルを結線して、１つの励磁巻線を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記永久磁石の軸方向長さをＬｍとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ・Ｌｍで表され、前記定数ｋは、１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記永久磁石組立体は、永久磁石と、該永久磁石の両端面に当接された移動子鉄心を備え、前記永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記移動子鉄心の軸方向長さをＬａとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（Ｌｍ＋Ｌａ）で表され、前記定数ｋは、１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記永久磁石組立体は、互いに同極性の面が対向するように配設された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石相互間に配接された移動子鉄心とを備え、前記各永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記一対の永久磁石相互間に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬｂとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌｂ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記永久磁石組立体は、互いに同極性の面が対向するように配設された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石相互間および前記一対の永久磁石の両端面に当接された移動子鉄心とを備え、前記各永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記永久磁石組立体の両端側に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬａ、前記一対の永久磁石相互間に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬｂとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌａ＋Ｌｂ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記ヨーク部材は軸方向中央部で、非磁性部材または空間により２つに分割されていることを特徴とする請求項５または６に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項８】
移動方向に沿って磁極ピッチτpで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石を少なくとも1個以上備えてなる移動子と、前記移動子の周囲に配設されたリング状コイルと、該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、前記移動子の永久磁石と前記ヨーク部材により発生する無励磁保持力は、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が0.6τp以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御されることを特徴とするシリンダ形リニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記移動子は、ｎを１以上の整数とするとき、前記移動方向に磁化されたｎ個の円筒状の希土類磁石を有して(ｎ+１)個の移動子磁極を形成しており、前記ヨーク部材は前記移動子と軸心を同じくする円筒状であり、前記ヨーク部材の前記移動方向長さＬｙは、Ｌｙ=ｋ・ｎ・τｐで表され、前記kは、１から１．５の範囲に設定されるとともに、前記ヨーク部材の内径Dｙは前記希土類磁石の外径をＤｍとするとき、Ｄｙ=ｊ×Ｄｍで表され、前記ｊは、１．３から１．７の範囲に設定されていることを特徴とする請求項８に記載のシリンダ形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、移動子部に永久磁石を有し、固定子部にリング状コイルを有するシリンダ形リニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のシリンダ形リニアアクチュエータとしては、図８に示すような可動磁石式アクチュエータ（特許文献１参照）、および図９に示すような可動磁石式アクチュエータ（特許文献２参照）と、図１０に示すようなリニア振動アクチュエータ（特許文献３参照）が提案されている。
【０００３】
図８および図９において、上記可動磁石式アクチュエータの移動子１００は、軸方向に磁化され互いに同極性の面が対向するように配設された２つの永久磁石１０２，１０３と、前記２つの永久磁石１０２，１０３間に挟持された移動子鉄心１０４と、推力を外部に伝達するためのピン１０１より構成されており、前記ピン１０１は前記永久磁石１０３の端面に設けられている。
固定子２００は、前記移動子１００が、その内側を移動自在に設けられた３連のコイル２０１，２０２，２０３と、前記コイル２０１，２０２，２０３の外周側に設けられた磁性体ヨーク２０４より構成されている。また、前記３連のコイル２０１，２０２，２０３は極性が交互の極性となるように結線されている。
図８においては、さらに前記３連のコイル２０１，２０２，２０３の両端側に固定側軟磁性体２０５，２０６が設けられている。
【０００４】
以下に、図８および図９に示された可動磁石式アクチュエータの動作原理を説明する。
上記のように移動子１００を構成することにより、前記移動子１００には、軸方向にＳ極、Ｎ極、Ｓ極と並んだ３極の移動子磁極が形成される。
また３連のコイル２０１，２０２，２０３は前記３つの磁極から発生するラジアル方向磁束と鎖交するように配設されており、コイル２０１およびコイル２０３の上側断面図において紙面の表から裏に向かって電流が流れ、コイル２０２の上側断面図において紙面の裏から表に向かって電流が流れるように通電されると、フレミングの左手の法則に基づく力が発生し、移動子１００は右方向に向かう電流推力を発生する。前記とは逆方向に通電するとコイル２０１，２０２，２０３の極性は反転し、移動子１００は左方向に向かう電流推力を発生することになる。
前記磁性体ヨーク２０４は、前記ラジアル方向の磁束密度成分を大きくするためのものである。
その磁束を有効に利用するように３連のコイル２０１，２０２，２０３を配設し、推力の向上と効率の向上を図ったものが図８の可動磁石式アクチュエータである。
【０００５】
特許文献１には、前記永久磁石１０２，１０３間に挟持された移動子鉄心１０４は、２個の永久磁石１０２，１０３のみの場合よりも前記ラジアル方向の磁束密度成分を大きくする効果があると記述されている。しかし、前記永久磁石１０２，１０３の軸方向長さを変えていないため、前記移動子１００のＳ極間の距離は移動子鉄心１０４の長さ分長くなっている。したがって固定子２００のコイル２０１，２０２，２０３もそれにあわせて位置やコイル幅を変える必要があり、アクチュエータの長さも長くなるため、同一条件での比較とはいえない。移動子１００の磁極間距離を変えずに移動子鉄心１０４を使用した場合には、前記永久磁石１０２，１０３の軸方向長さがその分短くなり、磁石１０２，１０３の起磁力が低下するため、場合によっては、磁束密度成分は小さくなることもある。
【０００６】
図８の場合には、励磁時の推力はストロークの中心（変位量ゼロ）で最大推力となり、両側のストローク端にいくほど推力が小さくなる。そのため負荷が大きくなるとストロークが小さくなってしまい、負荷の大きさが変動するとストロークも変動してしまうという問題点があった。その問題点を解決するために提案されたのが図９の可動磁石式アクチュエータである。
この可動磁石式アクチュエータは、前記３連のコイル２０１，２０２，２０３の両端側に固定側軟磁性体２０５，２０６を設けているので、移動子１００がそのストローク端へ移動する際に当該固定側軟磁性体２０５，２０６に近づくと移動子磁石１０２，１０３と前記固定側軟磁性体２０５，２０６との間にディテント力（無励磁吸引力）が働き、ストローク端近傍側でのフレミングの左手の法則に基づく推力の低下を補う如く推力が強化され、負荷が増加したときのストロークの減少を少なくすることができ、負荷の変動にともなうストロークの変動も抑えることができる構成となっている。
【０００７】
図１０に示されたリニア振動アクチュエータの場合には、移動子３００は軸方向に往復移動する直動軸３０１と、互いに対向する面が同極性となるように磁化された永久磁石３０２、３０３と、前記永久磁石３０２、３０３の軸方向両側に配設された磁性体よりなるインダクタ３０４、３０５、３０６と、前記永久磁石３０２、３０３とインダクタ３０４、３０５、３０６を一体に保持し前記直動軸３０１と結合するためのガイド３０７を備えている。
また固定子４００はリング状励磁コイル４０１と、前記リング状励磁コイル４０１の軸方向両側に配設された固定子磁極４０２、４０３と、前記固定子磁極４０２と４０３を磁気的に結合する固定子ヨーク４０４とを備えている。
【０００８】
次に、特許文献３のリニア振動アクチュエータの動作原理を説明する。
図１０の状態において、移動子３００は第１の無励磁安定点にある。このとき固定子磁極４０２がＮ極、固定子磁極４０３がＳ極になるように励磁コイル４０１を励磁すると、インダクタ３０５と固定子磁極４０３の間には反発力、インダクタ３０５と固定子磁極４０２の間には吸引力を発生し、移動子４００は左方向に移動する。そして固定子磁極４０２とインダクタ３０５が向い合い始めると、インダクタ３０５に設けられたテーパーの作用により、固定子磁極４０３とインダクタ３０６が向い合った第二の無励磁安定点に引き込む無励磁保持力も加わり、移動子３００は第二の無励磁安定点に到達して停止する。励磁コイル４０１に通電する電流の向きを周期的に反転させることにより前記移動子３００を往復運動させることができ、リニア振動アクチュエータが構成できる。
【特許文献１】特開平６−３８４８６号公報
【特許文献２】特開平８−１１６６５８号公報
【特許文献３】特開平１１−２１５７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図８に示す可動磁石型アクチュエータは、フレミングの左手の法則に基づく推力をメインに利用しているため、励磁安定点はストローク端付近にあり、その位置は電流の大きさを変えてもほとんど変化させることはできない。
「両側のストローク端にいくほど推力が小さくなる」というのは、その一方に安定平衡点（安定点）、もう一方に不安定平衡点があるということを意味している。
すなわち電流の大きさを変えても、励磁安定点での推力の傾き（剛性＝位置の微小変化に対する推力の変化）のみが変化してしまい、励磁安定点での推力の傾きを変えずに安定点の位置のみを変化させることができないという問題点があった。
【００１０】
図９の場合には、前記３連のコイル２０１，２０２，２０３の両端側に固定側軟磁性体２０５，２０６を設けているので、無励磁安定点がストロークの両端側２箇所に存在し、励磁巻線を励磁することで前記２箇所の無励磁安定点を行き来できるようになっている。途中で止めるということは難しく、移動子１００が中心からちょっとでもずれると、そのずれた方向にある無励磁安定点に向かって移動子１００を吸引する推力が発生する。すなわち外力により移動子１００が中心からちょっとでもずれると、そのずれた方向にある無励磁安定点に移動子１００が勝手に移動してしまうという問題点があった。
また図８の場合と同様に励磁安定点はストローク端付近にあるので、電流値を調整して励磁安定点を電流値に依存した量だけ移動させ、負荷を任意の位置に止めるという制御ができないという問題点もあった。
【００１１】
また、図１０に示すリニア振動アクチュエータも図８のアクチュエータと同様に、無励磁安定点を２箇所もっており、励磁コイル（励磁巻線）４０１を励磁することで前記２箇所の無励磁安定点を行き来できるようになっている。途中で止めるということは難しく、図８、図９の場合と同様な問題点があった。
また固定子４００に固定子磁極４０２，４０３を使用しているため、励磁電流を大きくしていくと固定子磁極４０２，４０３が飽和し、推力が励磁電流に比例しなくなるという問題もあった。
また固定子磁極４０２，４０３先端部の形状やインダクタ３０５の形状を工夫する必要があり、コストアップの要因となっていた。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決し、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができるシリンダ形リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
また、励磁巻線が１個であるため駆動回路の構成も簡単になり、アクチュエータの構造も簡単でコストアップの問題や固定子磁極の磁気飽和の問題もないシリンダ形リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、以下のように構成されている。
軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と、この直動軸に設けられ、軸方向に磁化された永久磁石を少なくとも１個以上有する永久磁石組立体とを備えてなる移動子と、
該移動子の軸方向に形成された複数の移動子磁極より発生するラジアル方向の磁束に鎖交するように前記移動子の周囲に配設されたリング状のコイルと、該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、
前記移動子に対し、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、かつ前記ヨーク部材の軸方向長さを、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力の最大値よりも大きな最大値をもつ無励磁保持力を発生する長さに設定し、
前記リング状コイルを前記電流推力の励磁安定点が前記無励磁安定点と異なる位置に発生するように配設したことにある。
また、本発明は、前記リング状コイルが複数あるときは前記リング状コイルに電流を流したときに同一方向の電流推力を発生するように各リング状コイルを結線して、１つの励磁巻線を形成するようにしたことにある。
さらに、本発明は、前記永久磁石の軸方向長さをＬｍとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ・Ｌｍで表され、前記定数ｋは、１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配設されていることにある。
またさらに、本発明は、前記永久磁石組立体は、永久磁石と、該永久磁石の両端面に当接された移動子鉄心を備え、前記永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記移動子鉄心の軸方向長さをＬａとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（Ｌｍ＋Ｌａ）で表され、前記定数ｋは、１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配設されていることにある。
また、本発明は、前記永久磁石組立体は、互いに同極性の面が対向するように配設された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石相互間に配接された移動子鉄心とを備え、前記各永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記一対の永久磁石相互間に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬｂとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌｂ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配置されていることにある。
さらに、本発明は、前記永久磁石組立体は、互いに同極性の面が対向するように配設された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石相互間および前記一対の永久磁石の両端面に当接された移動子鉄心とを備え、前記各永久磁石の軸方向長さをＬｍ、前記永久磁石組立体の両端側に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬａ、前記一対の永久磁石相互間に位置する前記移動子鉄心の軸方向長さをＬｂとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌａ＋Ｌｂ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定されており、前記リング状コイルは前記移動子が前記無励磁安定点にあるとき、前記移動子磁極と半径方向にほぼ対向する位置に配置されていることにある。
本発明は、前記ヨーク部材は軸方向中央部で、非磁性部材または空間により２つに分割されていることにある。
また、本発明は、移動方向に沿って磁極ピッチτｐで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石を少なくとも１個以上備えてなる移動子と、前記移動子の周囲に配設されたリング状コイルと、該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、前記移動子の永久磁石と前記ヨーク部材により発生する無励磁保持力は、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が０．６τｐ以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御されることにある。
さらに、本発明は、前記移動子は、ｎを１以上の整数とするとき、前記移動方向に磁化されたｎ個の円筒状の希土類磁石を有して(ｎ+１)個の移動子磁極を形成しており、前記ヨーク部材は前記移動子と軸心を同じくする円筒状であり、前記ヨーク部材の前記移動方向長さＬｙはＬｙ=ｋ・ｎ・τｐで表され、前記ｋは、１から１．５の範囲に設定されるとともに、前記ヨーク部材の内径Ｄｙは前記希土類磁石の外径をＤｍとするとき、Ｄｙ=ｊ×Ｄｍで表され、前記ｊは、１．３から１．７の範囲に設定されていることにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記ヨーク長を最適に設定することにより、ヨーク中心を安定点とする無励磁保持力を発生させることができる。そして前記無励磁安定点と場所を異にする励磁安定点をもち、前記無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値をもつ励磁保持力を発生する励磁巻線を設け、前記励磁巻線の電流値を制御することにより、前記無励磁保持力を電流値に対応した量だけ変位させることができる。
【００１５】
したがって、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができる新規のリニアアクチュエータが構成でき、ストロークの範囲内で任意の位置に位置決めすることができる。
【００１６】
また励磁巻線が１個で済むので必要なスイッチング素子の数は４個で済み制御回路も安価に構成できる。また固定子磁極が必要ないので磁気飽和の問題もなく、構造も簡単なのでシリンダ形リニアアクチュエータを安価に構成できる。また励磁巻線に可変周波数の電流を流すことで振動アクチュエータとして動作させることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す断面図、図２は本発明の移動子とそれに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。
【００１８】
図１および図２において、移動子１０は、軸方向に往復移動する直動軸１１と、図示のように軸方向に磁化された永久磁石１２およびこの永久磁石１２の両端面に当接されて配設された移動子鉄心１４、１５よりなる移動子組立体１７とを備えている。移動子１０は、移動方向に沿って磁極ピッチτpで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石１２を少なくとも1個以上備えている。
【００１９】
通常、前記移動子鉄心１４、１５は、必要最小限の永久磁石を使いながら目的の磁極間距離を実現するために使用される。移動子鉄心１４，１５がない場合は、移動子磁極の中心位置は永久磁石１２の両端面位置付近となり、移動子鉄心１４，１５がある場合は移動子鉄心１４，１５の中央部付近となる。
上記永久磁石組立体１７は、その両端に配設された固定リング部材１８、１９により上記直動軸１１に強固に固定されている。そして上記移動子１０は、ケース３０に内蔵され、互いに所定間隔で対向する一対のブラケット３１、３２の中心に配設された軸受３３、３４を介して、軸方向に移動自在に支持されている。
【００２０】
一方、固定子２０は、前記ケース３０の内周面に固定された軟磁性材よりなる円筒状ヨーク（ヨーク部材）２１と、この円筒状ヨーク２１の内周面側に配設されたリング状コイル２２、２３で構成されている。前記円筒状ヨーク２１の軸方向長さは、移動子１０に対し前記円筒状ヨーク２１の軸方向中心位置を無励磁安定点とする適切な無励磁保持力を発生するように通常は、移動子１０の磁極間距離よりも若干長めに設定されている。
すなわち、前記永久磁石１２の軸方向長さをＬｍ、前記移動子鉄心１４，１５の軸方向長さをＬａとするとき、前記ヨーク部材２１の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（Ｌｍ＋Ｌａ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定される。なお、前記移動子鉄心１４，１５がない場合は、Ｌｙ＝ｋ・Ｌｍとなる。
またリング状コイル２２、２３は前記移動子１０が前記無励磁安定点にあるときの移動子磁極とほぼ対向する位置に配設されており、通電したときに互いに極性が逆になるように結線されている。
【００２１】
前記移動子１０は、ｎを１以上の整数とするとき、前記移動方向に磁化されたｎ個の円筒状の希土類磁石を有して(ｎ+１)個の移動子磁極を形成している。前記円筒状ヨーク２１は前記移動子１０と軸心を同じくする円筒状であり、前記円筒状ヨーク２１の前記移動方向長さＬｙはＬｙ=ｋ・ｎ・τｐで表され、前記ｋは、１から１．５の範囲に設定されるとともに、前記円筒状ヨーク２１の内径Ｄｙは前記希土類磁石の外径をＤｍとするとき、Ｄｙ=ｊ×Ｄｍで表され、前記ｊは、１．３から１．７の範囲に設定されている。
【００２２】
次に上記実施の形態の作用を説明する。
励磁巻線の電流に起因する励磁時保持力の励磁安定点は前記リング状コイル２２、２３の中心位置よりも若干外側になり、前記無励磁安定点とは異なった位置に発生する。
これは無励磁保持力と励磁保持力のベクトルがある角度をもっているということであり、２つのベクトルの合成ベクトルは前記励磁保持力のベクトルの大きさにより角度が変化することを意味している。前記移動子１０の永久磁石１２と前記円筒状ヨーク２１により発生する無励磁保持力は、前記円筒状ヨーク２１の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が0.6τp以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイル２２，２３を流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御される。
【００２３】
図６に無励磁保持力と励磁時の保持力の関係を示す。
前記円筒状ヨーク２１の長さを適切に設定することにより、電流起因保持力の最大値よりも大きな最大値をもち、ヨーク中央を安定点とする無励磁保持力が図のように発生する。
値がプラスの場合にはプラス方向の推力、マイナスの場合にはマイナス方向の推力が働くことを意味している。したがって、前記保持力カーブのゼロクロスポイントでの傾きが負である点が安定平衡点（安定点）であり、正である点は不安定平衡点であることを意味している。
【００２４】
ここでリング状コイル２２の上側断面図において紙面の裏から表に向かって電流が流れ、リング状コイル２３の上側断面図においては紙面の表から裏に向かって電流が流れるように通電すると、そのときの電流起因の保持力は電流起因保持力Ａのようになる。
そのときの励磁安定点は図の右側のゼロクロスポイントである。
その結果、通電時の合成された保持力は合成保持力Ａとなり、無励磁保持力が右側にシフトしたような波形となる。
【００２５】
前記と逆方向に通電した場合には、電流起因の保持力は電流起因保持力Ｂのようになり、その結果、通電時の合成された保持力は合成保持力Ｂとなり、無励磁保持力が左側にシフトしたような波形となる。
前記２つの電流値の間に電流値を設定した場合には、合成保持力は当然合成保持力Ａと合成保持力Ｂの間にくることになる。
これから、励磁巻線の電流値のみを制御することにより、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができることが分かる。
【００２６】
前記移動子１０の永久磁石１２と円筒状ヨーク２１により発生する無励磁保持力の大きさおよび波形状は、移動子１０の寸法や円筒状ヨーク２１の寸法、さらに永久磁石１２の材質などにより決まってくる。
前記課題を解決するためには無励磁保持力の励磁安定点での傾き、すなわち剛性が高くなるようにするとともに、電流に起因する電流推力が前記無励磁安定点付近で無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値を発生するように前記コイル２２，２３を配置すると共に、電流値を制御する必要がある。
さらに前記無励磁保持力の周期を前記電流推力の周期よりも短くする必要がある。
【００２７】
図6はその様子を示したものであり、許容損失より決まる連続定格電流を流したときの電流推力の最大値は前記無励磁安定点にて前記無励磁保持力の最大値の４０％弱に設定されている。
【００２８】
また、前記電流推力がゼロとなる変位は０．６τｐ付近となっており、これは前記電流推力波形を余弦波と仮定した場合の９０度に相当するので、これから前記電流推力の一周期(３６０度)は２．４τｐといえる。また無励磁保持力は、図７においてｋ＝１．３とした場合であり、前記無励磁保持力の最大値を発生する変位は０．４τｐとなっている。
【００２９】
したがって、この場合の前記一周期は１．６τｐであり、前記電流推力の図７から無励磁保持力は円筒状ヨーク２１の軸方向中心位置(図７の原点)を無励磁安定点としておりLｙ(=ｋ・τp)を変化させることにより最大値を発生する変位を変化させることができること分かる。ここで移動子の磁極ピッチτｐは３０ｍｍである。最大値を発生する変位が大きすぎると無励磁保持力の前記安定点での傾き(剛性)が小さくなってしまい、位置決め用途には不向きとなるため、前記最大値を発生する変位は０．６τｐ以下の範囲が好しく、本実施例では０．４τｐに設定している。
【００３０】
図７からkの値を１．５以下に設定すれば、前記変位を０．６τｐ以下できることが分かる。ただし、ｋが1より小さくなると無励磁保持力の最大値も小さくなってしまうため、kの範囲としては1から１．５の範囲が最適値といえる。
【００３１】
次に、図３、図４、図５は本発明の他の実施の形態を示したもので、図１と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
図３および図４は、互いに同極性の面が対向するように配置された２個の永久磁石を備えた移動子を有するシリンダ形リニアアクチュエータの例である。
【００３２】
図３および図４において、移動子１０は互いに同極性の面が対向するように配置された２個の永久磁石１２、１３と前記永久磁石１２、１３の外側端面に当接され軸方向長さがＬａである移動子鉄心１４、１６と前記２個の永久磁石１２、１３の間に挟持され軸方向長さがＬｂである移動子鉄心１５とを備えている。移動子鉄心１４，１５，１６の役割は前述の通りであり、全く使用しなくても良いし、移動子鉄心１５のみを使用しても良い。
【００３３】
固定子２０は前記ケース３０に固定された軟磁性材よりなる円筒状ヨーク２１とリング状コイル２２、２３、２４で構成されている。アクチュエータの軸方向長さを短くするためにリング状コイル２３のみを使用する構成としてももちろん問題ない。
前記円筒状ヨーク２１の軸方向長さは、移動子に対し前記円筒状ヨーク２１の軸方向中心位置を無励磁安定点とする適切な無励磁保持力を発生するように通常は移動子１０の両端の磁極間距離よりも若干長めに設定される。すなわち図５に示すように前記永久磁石１２、１３の軸方向長さをＬｍ、永久磁石組立体１７の両端側に位置する前記移動子鉄心１４，１６の軸方向の長さをＬａ、前記永久磁石１２、１３相互間に位置する移動子鉄心１５の軸方向の長さをＬｂとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さＬｙは、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌａ＋Ｌｂ）で表され、前記定数ｋは１から１．５の範囲に設定される。
なお、この場合も前記両端側の移動子鉄心１４，１６がない場合は、Ｌｙ＝ｋ（２Ｌｍ＋Ｌｂ）となる。
【００３４】
また、リング状コイル２２、２３、２４は前記移動子１０が前記無励磁安定点にあるときの移動子磁極とラジアル方向、すなわち半径方向にほぼ対向する位置に配設されており、通電したときに互いに極性が逆になるように結線されている。
励磁巻線の電流に起因する励磁時保持力の励磁安定点は前記移動子１０が無励磁安定点にあるときの移動子磁極の反転ポイント付近、すなわち前記無励磁安定点とは異なった位置に発生する。
これは無励磁保持力と励磁保持力のベクトルがある角度をもっているということであり、２つのベクトルの合成ベクトルは前記励磁保持力のベクトルの大きさにより角度が変化することを意味している。
【００３５】
図３の場合の無励磁保持力は前記移動子１０の両端側の磁極の磁束に依存しており、移動子１０中央部の磁極の磁束には依存していない。そのため無励磁保持力は永久磁石１個で構成した図１の場合とほとんど同じ値となる。しかしリング状コイル２３による電流起因保持力は移動子１０の中央部の磁極の磁束に依存するため、図１の場合より大きな保持力を発生できる。その結果、合成保持力のシフト量は、図１の場合より大きくすることができるという特徴がある。
【００３６】
図４の実施の形態は、図３の実施の形態のヨーク２１の変形例で、ヨーク２１の軸方向中央部で非磁性部材または空隙２５により２つに分割したものである。こうすることにより移動子１０中央部の磁極の磁束も無励磁保持力に関与するようになり、図３の場合より無励磁保持力を大きくすることができる。その他は、図３と同一の構成である。
【００３７】
上記実施の形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
前記円筒状ヨーク２１の長さを最適に設定することにより、円筒状ヨーク２１の中心を安定点とする無励磁保持力を発生させることができる。そして前記無励磁安定点と場所を異にする励磁安定点をもち、前記無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値をもつ励磁保持力を発生する励磁巻線として２個或いは３個のリング状コイル２２，２３，２４を設け、前記励磁巻線の電流値を制御することにより、前記無励磁保持力を電流値に対応した量だけ変位させることができる。
【００３８】
したがって、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができる新規のリニアアクチュエータが構成でき、ストロークの範囲内で任意の位置に位置決めすることができる。
【００３９】
また、励磁巻線が１個で済むので必要なスイッチング素子の数は４個で済み制御回路も安価に構成できる。また固定子磁極が必要ないので磁気飽和の問題もなく、構造も簡単なのでシリンダ形リニアアクチュエータを安価に構成できる。また励磁巻線に可変周波数の電流を流すことで振動アクチュエータとして動作させることもできる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記実施の形態では、移動子組立体１７を構成する永久磁石が１個の場合は２個のリング状コイル２２，２３、永久磁石が２個の場合は３個のリング状コイル２２，２３，２４を用いたが、例えば、永久磁石が４個の場合には５個のリング状コイルを用いて移動子組立体を構成することもできる。また、円筒状ヨーク２１も永久磁石の数に応じて複数に分割して用いることができる。等、その他本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のシリンダ形リニアアクチュエータの実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の移動子と、それに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。
【図３】本発明のシリンダ形リニアアクチュエータの他の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のシリンダ形リニアアクチュエータの他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】図３、図４の移動子とそれに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。
【図６】無励磁保持力と励磁時の保持力の関係を示す図である。
【図７】無励磁保持力特性を示す図である。
【図８】従来の可動磁石式アクチュエータを示す断面図である。
【図９】従来の可動磁石式アクチュエータを示す断面図である。
【図１０】従来のリニア振動アクチュエータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  移動子
１１  直動軸
１２，１３  永久磁石
１４，１５，１６  移動子鉄心
１７  移動子組立体
１８，１９  固定リング部材
２０  固定子
２１  円筒状ヨーク
２２，２３，２４  リング状コイル
３０  ケース
３１、３２  ブラケット
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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