(57)【要約】【課題】小型で簡易な構成であっても、可動範囲両端部で推力が低下せずに、可動範囲全域における推力の平坦性を確保でき、また、磁石体積に対する推力の比率も大きくできる直流駆動型のリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】リニアアクチュエータ１０は、厚さ方向で同一方向に磁化された永久磁石１１、１２を磁化方向に並設した可動子と、軟質磁性体製の電機子コア２１、２２を、磁極歯が永久磁石１１、１２の磁極に対面するように永久磁石１１、１２の間に可動方向に並置しており、電機子コア２１、２２の一側面の中央部が凹部となって他の部分よりも薄く、電機子コア２１、２２間の離隔距離が永久磁石１１、１２に対面する側で最も狭く、電機子コア２１、２２に同一の巻き数、逆向きに駆動コイル２３、２４が捲かれている電機子と、永久磁石１１、１２の磁極に対面してそれらの外側を取り囲む軟質磁性体製の角筒状の外側ヨーク３とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形平板状をなしてその厚さ方向で同一方向に磁化されている２個の永久磁石を、所定距離を隔てて前記磁化方向に並設してなる可動子と、
可動子の可動方向に対して対称なそれぞれが一対の磁極歯を持つ軟質磁性体製の２個の電機子コアを、前記２個の電機子コアの磁極歯が前記２個の永久磁石の磁極に対面するように前記可動子の２個の永久磁石の間に所定距離を隔てて並置しており、前記２個の電機子コアの並置方向が前記可動子の可動方向であり、前記可動子の可動方向に垂直な前記２個の電機子コアの一側面の中央部が凹部となっており、前記中央部の前記可動子の可動方向から見た厚さが他の部分よりも薄く、前記２個の電機子コア間の離隔距離が前記永久磁石に対面する側で最も狭くなっており、かつ前記２個の電機子コアに、それぞれ同一の巻き数で互いに巻き方向が逆となるように駆動コイルが捲かれている電機子と、
前記２個の永久磁石の磁極に対面して前記２個の永久磁石の外側を取り囲むように設けられている軟質磁性体製の角筒状の外側ヨークとを備え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２個の電機子コア及び前記外側ヨークの離隔距離ｇ１と、前記２個の電機子コア間の前記永久磁石に対面する側での離隔距離ｇ２とは、ｇ１／２＜ｇ２＜ｇ１の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記可動子の可動方向から見た前記２個の電機子コアの中心部の厚さと、前記電機子コアの磁極歯と前記永久磁石の磁極とが対面する方向から見た厚さとの比が１：３から１：１の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記電機子コアの可動方向から見た厚さは、前記外側ヨークの厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか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、直流電流による駆動によって、直線状の往復運動を提供するリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング冷凍機に使用されるレシプロ型（ピストン型）リニアコンプレッサでは、ピストンを駆動する際に、従来から、回転運動を直線状の往復運動に変換するクランク機構が広く用いられてきた。しかしながら、駆動の小型化または移動振幅の調整が必要な用途にあっては、小型の構成であって、ストロークを調整して圧縮比を制御できるリニアアクチュエータによるピストンの直接駆動が用いられている。また、これらには高速な往復運動が必要であるため、一般的な３相駆動ではなく往復運動に応じた直流電流による直接駆動が用いられている。このような往復運動を実現できる機構として種々のものが提案されている（特許文献１〜５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／８４９６５号
【特許文献２】特開２００５−２０７５０５号公報
【特許文献３】特開２０１２−７５２３５号公報
【特許文献４】特開２００４−５６９７２号公報
【特許文献５】特開２００６−３２０１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
直流駆動で広く用いられるショートストローク型のリニアアクチュエータとして、特許文献１に開示されているように、円環状の磁気ギャップを持ち半径方向に磁束を発生させる磁気回路にソレノイド状に巻いたコイルを挿入し、コイルに通電してローレンツ力により推力を得るボイスコイルモータが知られている。ボイスコイルモータは、駆動電流に比例した推力が得られ、また、推力の可動子位置依存性が小さいため、制御性は良好である。しかしながら、ローレンツ力を利用しているために最大推力が小さく、推力起磁力比（起磁力に対する推力の比率）が低いので、大きな電流を印加する必要があり、連続通電時の発熱が問題となる場合が多く、高出力の用途には適さない。
【０００５】
一方、特許文献２に開示されているような磁気ソレノイドを用いた構成では、鉄心を磁化することによる吸着力を利用しており、大きな推力は得られるが、推力が一方向のみであって可動子の位置依存性が大きいため、連続的な位置制御は困難である。
【０００６】
これらに対して、永久磁石を含む可動子が移動する磁石可動型リニアアクチュエータは、高い推力起磁力比を実現できて大きな推力が得られることから、リニアコンプレッサへの適用が進められている。直流駆動によるリニアアクチュエータでは、永久磁石とコイルが捲かれた電機子の磁極との吸引または反発のみで推力を得ているが、特許文献３に開示されたリニアアクチュエータでは、可動子が交番磁界を発生させる磁石配列となっているため、可動子の磁石配列の極ピッチ（界磁周期の１／２）以上のストロークが得られない。
【０００７】
特許文献４及び５などには交番の磁石配列を用いない構成の磁石可動型リニアアクチュエータが開示されている。図２１は、このような従来の磁石可動型リニアアクチュエータの構成を示す一部破断斜視図である。可動子８１は、円筒状の永久磁石８２を軟質磁性体製の扁平円筒状のバックヨーク８３の外周面に固着させた構成をなす。永久磁石８２は、全域にわたって径方向に磁化されており、例えば外周面側はＮ極、内周面側はＳ極に着磁されている。このような円筒状の可動子８１の内側に軟質磁性体製の円筒状のインナーヨーク８４が設けられ、可動子８１の外側に軟質磁性体製の円筒状の電機子コア８５が設けられている。電機子コア８５の内部には、可動子８１を取り囲むように円筒状に捲かれた駆動コイル８６が収納されている。
【０００８】
駆動コイル８６に駆動電流を印加すると、電機子コア８５の内周面側の上部磁極歯と下部磁極歯とが対極に励磁され、励磁された磁極歯と可動子８１の永久磁石８２の磁極との吸引力または反発力による推力が生じて、可動子８１が上下方向（図２１の矢符方向）に移動する。この磁石可動型リニアアクチュエータでは、直流駆動により、比較的大きな推力を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、このような磁石可動型リニアアクチュエータには、以下のような課題がある。図２２は、図２１に示した従来の磁石可動型リニアアクチュエータの構成を示すｂ１−ｂ２からの断面図であり、図２１と同一部分には同一番号を付している。なお、図２２において、白抜矢符は永久磁石８２の磁化方向を表し、破線矢符は磁束の帰路方向を表している。
【００１０】
可動子８１の永久磁石８２から発生した磁束は、電機子コア８５の磁極歯、インナーヨーク８４及びバックヨーク８３を通るが、磁束の帰路となる磁性体が存在しないので、磁束は空気中を通ることになる（図２２の破線矢符参照）。このように永久磁石８２から発生する磁束の経路が磁性体で閉じられていないために開磁路となり、永久磁石８２はそのパーミアンス係数が小さい状態で使用されている。このため、永久磁石８２から発生する磁束密度は小さく、推力に寄与する磁束が少ないので、磁石体積に対する推力の比率は小さくなっているという課題がある。
【００１１】
ところで、直流駆動型のリニアアクチュエータでは、可動子の移動に伴って駆動コイルに鎖交する磁束は単調増加または単調減少となる。よって、主として可動範囲の両端部で磁気回路の一部に磁気飽和が起こりやすい。電機子コアまたはヨークにおいて部分的にでも磁気飽和が起こった場合には、推力の低下を招く。この結果、可動子の可動範囲両端部で推力が低下して、可動範囲における推力の平坦性を確保できないという課題がある。可動子位置による推力の依存性を小さくするには、磁気飽和を抑えるために大型化せざるを得ず、重量化するという課題がある。前述した図２１に示すような従来のリニアアクチュエータでは、このような直流駆動型のリニアアクチュエータが有する課題を解決できていない。
【００１２】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、上記のような課題を解決することが可能であって、小型で簡易な構成であっても、可動子の可動範囲両端部で推力が低下せずに、可動範囲全域における推力の平坦性を確保でき、また、磁石体積に対する推力の比率も大きくできる直流駆動型の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】
本発明に係るリニアアクチュエータは、矩形平板状をなしてその厚さ方向で同一方向に磁化されている２個の永久磁石を、所定距離を隔てて前記磁化方向に並設してなる可動子と、可動子の可動方向に対して対称なそれぞれが一対の磁極歯を持つ軟質磁性体製の２個の電機子コアを、前記２個の電機子コアの磁極歯が前記２個の永久磁石の磁極に対面するように前記可動子の２個の永久磁石の間に所定距離を隔てて並置しており、前記２個の電機子コアの並置方向が前記可動子の可動方向であり、前記可動子の可動方向に垂直な前記２個の電機子コアの一側面の中央部が凹部となっており、前記中央部の前記可動子の可動方向から見た厚さが他の部分よりも薄く、前記２個の電機子コア間の離隔距離が前記永久磁石に対面する側で最も狭くなっており、かつ前記２個の電機子コアに、それぞれ同一の巻き数で互いに巻き方向が逆となるように駆動コイルが捲かれている電機子と、前記２個の永久磁石の磁極に対面して前記２個の永久磁石の外側を取り囲むように設けられている軟質磁性体製の角筒状の外側ヨークとを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明のリニアアクチュエータにあっては、可動子は、２個の平板状の永久磁石を所定距離だけ隔てて配列させた構成をなす。２個の永久磁石の磁化方向は厚さ方向であって、それぞれの磁化方向は同一である。電機子は、２個の永久磁石の内側の磁極に対面するように構成された一対の磁極歯を有する平板状の２個の電機子コアを備える。２個の電機子コアは、永久磁石の磁化方向に垂直な方向である可動子の可動方向に並置されている。
【００１５】
各電機子コアにあっては、可動子の可動方向に垂直な２個の電機子コアの一側面の中央部が凹部となっており、前記中央部の可動子の可動方向から見た厚さが薄くなっている。よって、駆動コイルが捲かれることによる全体の体積の増加を抑えている。また、永久磁石（可動子）に対面する側で、２個の電機子コア間の離隔距離が最も狭くなっている。よって、推力に寄与しない漏れ磁束を極力抑えて、駆動コイルへの通電による磁束の有効利用を図って、高い推力を得る。また、各電機子コアにはそれぞれ駆動コイルが捲かれており、一方の電機子コアと他方の電機子コアとでは、駆動コイルの巻き数は同一であって駆動コイルの巻き方向が逆向きである。また、軟質磁性体製の角筒状の外側ヨークが２個の永久磁石の外側を取り囲んでいる。
【００１６】
２つの駆動コイルに互いに逆向きの直流電流を印加することにより、２つの電機子コアは互いに逆向きに磁化される。この結果、２つの永久磁石と一方の電機子コアとの間には吸引力が働き、２つの永久磁石と他方の電機子コアとの間には反発力が働くため、２つの電機子コアの並設方向に推力を受けて可動子が移動する。よって、直流駆動が可能であって、駆動コイル、電機子の磁極歯などを３相分設ける必要がなく、しかも駆動回路が簡単であるため、構成は小型化する。また、小型で軽量の構成であっても、推力の可動子位置の依存性が小さく、可動範囲の両端部であっても推力は小さくならず、可動範囲全域における推力の平坦性を実現する。
【００１７】
本発明に係るリニアアクチュエータは、前記２個の電機子コア及び前記外側ヨークの離隔距離ｇ１と、前記２個の電機子コア間の前記永久磁石に対面する側での離隔距離ｇ２とは、ｇ１／２＜ｇ２＜ｇ１の関係を満たすことを特徴とする。
【００１８】
本発明のリニアアクチュエータにあっては、電機子コア及び外側ヨークの離隔距離ｇ１と、上記最も狭い２個の電機子コア間の離隔距離ｇ２との間に、ｇ１／２＜ｇ２＜ｇ１の関係が成り立っている。電機子コア間の離隔距離をこのような範囲に設定することにより、電機子コアにおける磁気飽和を抑制しながら可動子の比較的長いストロークを実現できる。
【００１９】
本発明に係るリニアアクチュエータは、前記可動子の可動方向から見た前記２個の電機子コアの中心部の厚さと、前記電機子コアの磁極歯と前記永久磁石の磁極とが対面する方向から見た厚さとの比が１：３から１：１の範囲であることを特徴とする。
【００２０】
本発明のリニアアクチュエータにあっては、可動子の可動方向から見た２個の電機子コアの中心部の厚さと、電機子コアの磁極歯と永久磁石の磁極とが対面する方向から見た厚さとの比が１：３から１：１の範囲にすることにより、磁気飽和の発生を抑制し、可動範囲の両端部にあっても、他の領域と同じ大きさの推力を得ることができ、可動範囲の全域にわたって推力が一定である良好な推力平坦性を確保できる。
【００２１】
本発明に係るリニアアクチュエータは、前記電機子コアの可動方向から見た厚さは、前記外側ヨークの厚さよりも厚いことを特徴とする。
【００２２】
本発明のリニアアクチュエータにあっては、永久磁石からの磁束のみが通る外側ヨークに比べて、永久磁石からの磁束及び駆動コイルへの通電による磁束の両方が通る電機子コアの可動方向から見た厚さを厚くしている。よって、磁束密度が高くなる電機子コアを太くして磁気飽和が発生しないようにする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、小型で軽量の構成であっても、磁気飽和が発生せず、推力の可動子位置の依存性を小さくできて、可動範囲の両端部でも推力は小さくならず、可動範囲全域における推力の平坦性を実現することが可能であるリニアアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの可動子の構成を示す斜視図、本発明に係るリニアアクチュエータの電機子の構成を示す斜視図、及び本発明に係るリニアアクチュエータの外側ヨークの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るリニアアクチュエータの構成を示す図２のａ１−ａ２からの断面図である。
【図４】本発明に係るリニアアクチュエータにおける磁束の流れを示す図である。
【図５】本発明に係るリニアアクチュエータの各部分のサイズの略称を表す図である。
【図６】可動子の構成例を示す斜視図、及び可動子の組み立てを示す斜視図である。
【図７】電機子コアの作製に用いる軟質磁性体素材を示す平面図、及び電機子コアとなる作製したコアを示す斜視図である。
【図８】外側ヨークの作製に用いる軟質磁性体素材を示す平面図、及び作製する外側ヨークの中間品を示す斜視図である。
【図９】組み立てたリニアアクチュエータを示す斜視図である。
【図１０】組み立てたリニアアクチュエータの構成を示す上面図、正面図及び断面図である。
【図１１】従来のリニアアクチュエータの具体的な構成を示す断面図である。
【図１２】比較例としてのリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図１３】比較例としてのリニアアクチュエータの構成を示す上面図、正面図及び断面図である。
【図１４】本発明に係るリニアアクチュエータにおける推力ストローク特性を示すグラフである。
【図１５】従来のリニアアクチュエータにおける推力ストローク特性を示すグラフである。
【図１６】比較例としてのリニアアクチュエータにおける推力ストローク特性を示すグラフである。
【図１７】従来のリニアアクチュエータでの駆動コイルに鎖交する磁束の解析結果を示すグラフである。
【図１８】従来のリニアアクチュエータにおける磁束密度が高い領域を示す概念図である。
【図１９】本発明に係るリニアアクチュエータでの駆動コイルに鎖交する磁束の解析結果を示すグラフである。
【図２０】比較例としてのリニアアクチュエータにおける磁束の流れを示す図である。
【図２１】従来の磁石可動型リニアアクチュエータの構成を示す一部破断斜視図である。
【図２２】従来の磁石可動型リニアアクチュエータの構成を示す図２１のｂ１−ｂ２からの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１は本発明に係るリニアアクチュエータの構成要素を示しており、図１Ａは可動子１の構成を示す斜視図、図１Ｂは電機子２の構成を示す斜視図、図１Ｃは外側ヨーク３の構成を示す斜視図である。また、図２は本発明に係るリニアアクチュエータ１０の構成を示す斜視図、図３は本発明に係るリニアアクチュエータの構成を示す図２のａ１−ａ２からの断面図である。
【００２７】
図１Ａに示すように、可動子１は２個の矩形平板状の永久磁石１１、１２を有する。これらの２個の永久磁石１１、１２は、同一形状であって、何れもその厚さ方向に磁化されており、磁化方向は同一である。また、可動子１の可動方向は、永久磁石１１、１２の幅方向である。
【００２８】
図１Ｂに示すように、電機子２は、２個の軟質磁性体製の略矩形状の電機子コア２１、２２を有する。これらの２個の電機子コア２１、２２は、同一形状であって、何れも一側面の中央部が凹部２１ａ、２２ａとなっており（図３参照）、この部分は他の部分よりも厚さが薄い。凹部２１ａ、２２ａの幅方向の両端部は、内側へ深さが大きくなるテーパ状をなしている。そして、凹部２１ａ、２２ａとなっている一側面同士を対面させた態様で、２個の電機子コア２１、２２が並置されている。電機子コア２１、２２それぞれには、凹部２１ａ、２２ａとなっている位置に合わせて、駆動コイル２３、２４が捲かれている。駆動コイル２３と駆動コイル２４とは巻き数は同じであるが、その巻き方向は逆向きである。
【００２９】
図１Ｃに示すように、外側ヨーク３は、軟質磁性体製であって、四角筒状をなしている。
【００３０】
本発明のリニアアクチュエータ１０は、上記の可動子１、電機子２及び外側ヨーク３を組み合わせて構成される。２個の永久磁石１１、１２を、磁化方向を同一とした状態で所定距離を隔てて平行に配置する。即ち、永久磁石１１、１２は、磁極を対面させて磁化方向に並設される。これらの２個の永久磁石１１、１２の間に電機子２を設置する。この際、電機子コア２１、２２それぞれの一対の磁極歯が２個の永久磁石１１、１２の磁極に対面するように、電機子２を設置する。電機子コア２１、２２の並置方向は、永久磁石１１、１２の磁化方向に垂直である可動子１の可動方向である。そして、２個の永久磁石１１、１２を取り囲むように、四角筒状の外側ヨーク３を配置する。
【００３１】
駆動コイル２３と駆動コイル２４とを直列接続し、その両端を直流電源に接続する。駆動コイル２３と駆動コイル２４とは巻き方向が逆であるため、通電によって、電機子コア２１と電機子コア２２とでは、磁極歯が互いに異極となる。即ち、駆動コイル２３、２４に直流電流を印加すると２つの電機子コア２１、２２は互いに逆向きに磁化される。
【００３２】
そして、永久磁石１１、１２と同じ方向に磁化された一方の電機子コア（例えば電機子コア２１）は永久磁石１１、１２との間に吸引力が働き、永久磁石１１、１２と逆向きに磁化された他方の電機子コア（例えば電機子コア２２）は永久磁石１１、１２との間に反発力が働く。この結果、可動子１（永久磁石１１、１２）は、電機子コア２１、２２の並置方向（図３の上下方向）に推力を受けて、その方向に移動する。このようにして、直流駆動によって可動子１のリニアな往復移動を実現できる。
【００３３】
図４は、本発明に係るリニアアクチュエータ１０における磁束の流れを示す図である。図４において、太い実線Ｅは永久磁石１１、１２からの磁束の流れを表し、細い実線Ｆは駆動コイル２３、２４への通電によって生じた磁束の流れを表している。
【００３４】
一般的に、電機子コア、特にその磁極歯部分では、永久磁石からの磁束と駆動コイルへの通電による磁束とが重なるので、磁束密度が高くなって、磁気飽和が起こりやすい。電機子コアに部分的な磁気飽和が発生した場合には、可動子の移動に際して磁束の増加を妨げることになって、推力が低下してしまう。可動子が何れの位置にあっても同じ大きさの推力を提供することが理想ではあるが、上記のような磁気飽和が発生した場合には、可動範囲全域にわたって均一な推力が得られなくなる。特に可動範囲の両端部にあって、磁気飽和は発生しやすく、推力の平坦性が損なわれやすい。
【００３５】
以下、本発明に係るリニアアクチュエータの各部分のサイズの略称を表す図５を参照しながら、リニアアクチュエータ１０のより詳細な構成、作用、効果などについて説明する。
【００３６】
本実施の形態では、上述したような課題を解決するために、２個の永久磁石１１、１２の間に電機子２を配置する構成として、電機子２（電機子コア２１、２２）の磁束密度が高くなりやすい領域（図４の破線Ａで囲まれた領域）では磁路を太く短くした磁気回路構成（好ましくは、可動子１の可動方向から見た電機子コア２１、２２の中心部の厚さ（図５のｗ４）：電機子コア２１、２２の磁極歯と永久磁石１１、１２の磁極とが対面する方向から見た厚さ（図５のｔ５）の比が１：３から１：１の範囲）とし、磁気飽和の発生を抑制している。本発明では、磁気飽和が発生しないため、可動範囲の両端部にあっても、他の領域と同じ大きさの推力を得ることができ、可動範囲の全域にわたって推力が一定である良好な推力平坦性を確保することができる。
【００３７】
電機子コア２１、２２の形状は、ｗ３＝ｗ１、０．５・ｗ１＜ｔ３＜０．７・ｗ１、０．６・ｗ３≦ｗ４≦０．８・ｗ３、ｔ４＝２・ｔ３、ｔ５＝２・ｔ３＋ｔ４＝４・ｔ３の関係を満たすことが好ましい。また、中央の凹部２１ａ、２２ａに向かうテーパ部分のテーパ角度θは４５度程度が好ましい。
【００３８】
また、本実施の形態では、リニアアクチュエータ１０の電機子コア２１、２２にあっては、永久磁石１１、１２（可動子１）に対面する側で、２個の電機子コア２１、２２間の離隔距離が最も狭くなっている。具体的には、図５に示す電機子コア２１、２２間の最短離隔距離ｇ２の範囲は、（１／２）・ｇ１＜ｇ２＜ｇ１であり、好ましくは（２／３）・ｇ１＜ｇ２＜ｇ１である。ｇ２を小さくした場合には、可動ストロークは大きく取れるが、磁束が増えて磁気飽和が起こり易くなる。一方、ｇ２を大きくした場合には、磁気飽和は発生しにくくなるが、得られる可動ストロークは短くなる。このように、長い可動ストロークと磁気飽和の抑制とは相反する関係にあるため、ｇ２の範囲を上記のように設定する。
【００３９】
また、本実施の形態では、可動子１を取り囲むように外側ヨーク３を設けているので、この外側ヨーク３が磁束の帰路として機能し、磁束がほとんど空気中を通らないため、パーミアンス係数が大きい状態で永久磁石１１、１２を使用でき、推力に寄与する磁束を大きくして、磁石体積に対する推力の比率を大きくすることができる。なお、外側ヨーク３は、駆動コイル２３、２４への通電による磁束が通らないため、磁気飽和は起こりにくいので、電機子コア２１、２２ほど肉厚にする必要はなく、永久磁石１１、１２からの磁束にて磁気飽和しない程度まで薄肉化してリニアアクチュエータ全体の小型化を図る。
【００４０】
図５に示す外側ヨーク３の厚さｔ２が、ｔ２＜ｗ４を満たし、０．１・ｗ１＋０．７・ｔ１＜ｔ２＜０．２・ｗ１＋ｔ１であり、外側ヨーク３の幅ｗ２が、ｗ２＝２・ｗ１＋ｇ２の関係を満たすことが好ましい。０．１・ｗ１＋０．８・ｔ１＜ｔ２＜０．１５・ｗ１＋０．９・ｔ１であることがさらに好ましい。
【００４１】
可動ストローク及び使用する磁石の種類が決まれば、永久磁石１１、１２のサイズが決定される。ギャップ磁束密度Ｂg は、Ｂg ＝（ｔ１／ｇ１）・Ｂr で求められ、使用する磁石の飽和磁束密度から０．７〜１．０［Ｔ］の範囲が適した数値である。ここで、永久磁石１１、１２と電機子コア２１、２２及び外側ヨーク３との隙間（ｇ１−ｔ１）／２を１［ｍｍ］とすると、ｇ１＝ｔ１＋２であるため、Ｂr ＝１．２７５［Ｔ］の希土類磁石を使用した場合に、０．７＜[ｔ１／（ｔ１＋２）]・１．２７５＜１．０より、２．４３［ｍｍ］＜ｔ１＜７．２７［ｍｍ］となる。ｔ１［ｍｍ］の好ましい範囲は３≦ｔ１≦６であり、より好ましい範囲は４≦ｔ１≦５である。一方、要求される可動ストロークをＬ［ｍｍ］とした場合に、永久磁石１１、１２の幅ｗ１［ｍｍ］の範囲は、Ｌ＋５≦ｗ１≦Ｌ＋１５であり、好ましくはＬ＋１０≦ｗ１≦Ｌ＋１２である。
【００４２】
また、本実施の形態では、ボイスコイルモータと同様に直流駆動であるため、３相駆動型のリニアアクチュエータのように、３相分の駆動コイル、磁極歯などを設ける必要がないため、構造を簡素化でき、小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００４３】
また、本実施の形態の可動子１では、永久磁石１１、１２として、径方向に磁化された磁石でなく、厚さ方向に磁化された平板状磁石を使用しているため、可動子１の支持機構も小型簡素化できるなど、磁気回路に対する設計の自由度を高くできる。また、汎用の平板状磁石を使用できるため、磁石選定の自由度も高くできる。永久磁石以外にバックヨークなどの磁性体を用いないので、可動子１の重量は小さくて応答特性に優れているため、リニアアクチュエータの高速応答に寄与できる。
【００４４】
また、本実施の形態の電機子２では、電機子コア２１、２２の凹部２１ａ、２２ａとなっている位置に合わせて駆動コイル２３、２４が捲かれているため、駆動コイル２３、２４によるリニアアクチュエータ全体の体積の増加を抑えることができ、リニアアクチュエータの小型化に寄与する。
【００４５】
また、従来のような円筒状の電機子コアでは鉄材削り出しによって作製されるため、永久磁石の移動に伴って渦電流損失が発生して、推力効率の低下を招くばかりでなく、コンプレッサ冷凍機の用途では発熱による冷却能力の低下の問題が生じる。従来のリニアアクチュエータでは、駆動コイルが電機子コア内に収容されているため、駆動コイルの冷却も課題となる。これに対して、本実施の形態のリニアアクチュエータでは、平板状の軟質磁性体を絶縁積層した構成にて電機子コアを容易に作製できるため、永久磁石の移動に伴う渦電流は発生せず、推力効率の低下、発熱の問題はない。また、本実施の形態では、駆動コイルは電機子コアの外側に捲かれているため、駆動コイルを冷却する必要がない。
【００４６】
以下、本発明者が作製したリニアアクチュエータの具体的な構成と、作製したリニアアクチュエータの特性とについて説明する。
【００４７】
まず、可動子１を作製した。図６Ａは可動子１の構成例を示す斜視図、図６Ｂは可動子１の組み立てを示す斜視図である。リニアアクチュエータの可動子１に用いる永久磁石として、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石（残留磁束密度Ｂr ＝１．２７５Ｔ、固有保磁力Ｈcj＝１６７１ｋＡ／ｍ）ブロックから、厚さ５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ６４ｍｍのサイズの平板状に切り出し、厚さ方向に着磁させたものを２個準備した。また、対向する両側面それぞれに、準備した２個の永久磁石１１、１２と同形状の矩形孔１４、１５が形成されているアルミニウム製の四角筒状の可動子支持枠１３を準備した。
【００４８】
２個の永久磁石１１、１２を矩形孔１４、１５に接着させて、可動子本体１６とした。さらに、可動子本体１６の上部及び下部における可動方向に延在する側縁にスライドガイド（図示せず）を取り付けた。
【００４９】
次に、電機子２を作製した。図７Ａは電機子コアの作製に用いる軟質磁性体素材を示す平面図、図７Ｂは電機子コアとなる作製したコアを示す斜視図である。なお、これらの図及び後述する図における破線矢印は寸法（単位：ｍｍ）を示している。
【００５０】
図７Ａに示すような形状をなす軟質磁性体素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板からワイアカットにて１２８枚切り出し、切り出したこれらの１２８枚を重ねて接着し、中央部に凹部が存する高さ６４ｍｍの電機子コア２５（図７Ｂ参照）を２個作製した。次に、各コア２５の中央部分（凹部）に、直径１ｍｍのエナメル被覆導線を２５０回捲きつけた（図１Ｂ参照）。この際、図１Ｂに示すように駆動コイル２３，２４への通電によって電機子コア２１、２２の磁極歯が互いに異極となるように、巻き線を直列接続している。
【００５１】
また、図示していないが、エナメル被覆導線とコア２５との間に、絶縁層間紙を挿入して捲きつけている。その後、凹部２１ａ、２２ａ側が対向するように、所定距離だけ隔てて配置し（図１Ｂ参照）、アルミニウム製のスペーサ（厚さ４ｍｍ、図示せず）を介して接着させて一体化した。このようにして電機子２を作製した。
【００５２】
次に、外側ヨーク３を作製した。図８Ａは外側ヨーク３の作製に用いる軟質磁性体素材を示す平面図、図８Ｂは作製する外側ヨーク３の中間品を示す斜視図である。
【００５３】
図８Ａに示すような形状をなす軟質磁性体素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板からワイアカットにて１２８枚切り出し、切り出したこれらの１２８枚を重ねて接着し、図８Ｂに示すような幅６４ｍｍのコ字状をなす中間品３１を２個作製した。コ字状の凹部が対向するように２個の中間品３１を接続して、外側ヨーク３（図１Ｃ参照）を作製した。
【００５４】
そして、図１Ｂに示す電機子２の外側に図６Ａに示す可動子１を配置し、さらにその外側に図１Ｃに示す外側ヨーク３を配置して、リニアアクチュエータ１０を組み立てた。
【００５５】
図９は、組み立てたリニアアクチュエータ１０を示す斜視図であり、図１０は、組み立てたリニアアクチュエータ１０の構成を示す上面図、正面図及び断面図である。なお、図９ではスライドガイドの図示を省略し、図１０ではスライドガイド及び可動子支持枠１３の図示を省略している。作製したリニアアクチュエータ１０は、可動方向の長さが８６ｍｍ、磁石の磁化方向の長さが９２ｍｍ、高さが１０２ｍｍの寸法を有しており、小型な直方体状をなしている。
【００５６】
組み立てたリニアアクチュエータ１０の推力を測定した。組み立てたリニアアクチュエータ１０を推力測定のためのテストベンチに搭載し、可動子支持枠１３に推力計（フォスゲージ）を接続して、可動子１の位置を移動させながら推力を測定した。推力測定は駆動コイル２３、２４に一定の大きさの直流電流を印加しながら行った。
【００５７】
また、比較のために、前述した図２１に示したような構成をなす従来のリニアアクチュエータを作製してその推力を測定した。図１１は、測定対象とした従来のリニアアクチュエータの具体的な構成を示す断面図である。図１１において図２１と同一部分には同一番号を付している。この従来のリニアアクチュエータでは、内径：６２ｍｍ、外径：７２ｍｍ、高さ：３０ｍｍの径方向外向きに磁化された円筒状の永久磁石８２を使用した。また、駆動コイル８６の巻き数は２２５回とした。リニアアクチュエータの全体のサイズは、径が１２４ｍｍ、高さが３０ｍｍであった。ここで、円筒状の永久磁石８２は本発明の実施例で使用した希土類磁石と同等の磁気特性を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石を用いた。
【００５８】
また、比較のために、本発明とは可動子及び電機子の内外関係を逆にしたリニアアクチュエータ、つまり本発明とは逆に可動子を電機子の内側に配置したリニアアクチュエータを組み立てて、その推力を測定した。図１２は、このような比較例としてのリニアアクチュエータの構成を示す斜視図、図１３は、このような比較例としてのリニアアクチュエータの構成を示す上面図、正面図及び断面図である。
【００５９】
比較例としてのリニアアクチュエータ４０は、厚さ方向に磁化された１個の永久磁石５１を有する可動子５０と、可動子５０を囲むように配置されて、４個の駆動コイル６２、６３、６４、６５が捲かれた電機子コア６１を有する略直方体状の電機子６０とを組み合わせて構成されている。
【００６０】
中央に可動子５０（永久磁石５１）を配置し、永久磁石５１の一方の磁極に磁極歯が対面するように駆動コイル６２、６３が捲かれた２個のコア部を可動方向に並置するとともに、永久磁石５１の他方の磁極に磁極歯が対面するように駆動コイル６４、６５が捲かれた２個のコア部を可動方向に並置して、比較例としてのリニアアクチュエータ４０は構成される。
【００６１】
図１４は、上述した本発明に係るリニアアクチュエータ（以下、単に実施例ともいう）における推力ストローク特性を示すグラフ、図１５は、図１１に示した従来のリニアアクチュエータ（以下、単に従来例ともいう）における推力ストローク特性を示すグラフ、図１６は、図１２及び図１３に示した比較例としてのリニアアクチュエータ（以下、単に比較例ともいう）における推力ストローク特性を示すグラフである。何れのリニアアクチュエータにあっても、可動範囲は、±１０ｍｍ（全ストローク：２０ｍｍ）とした。何れのグラフでも、横軸に可動子位置［ｍｍ］、縦軸に推力［Ｎ］をとって、種々の大きさの直流電流を印加した場合の測定結果を表している。
【００６２】
図１５に示す従来例の特性では、可動範囲の両端部域にあって、他の領域に比べて推力が低下しており、可動範囲全域における推力の平坦性を確保できていないことが分かる。この傾向は、印加する電流が大きくなった場合に顕著である。
【００６３】
従来例について、駆動コイル８６を鎖交する磁束を解析した。解析結果を図１７に示す。図１７では、横軸に可動子位置［ｍｍ］、縦軸に鎖交磁束［Ｗｂ］をとって、種々の大きさの直流電流を印加した場合の解析結果を表している。理想的には直線状の特性を呈するものであるが、従来例では、可動子の可動範囲の両端部域で直線状を呈しておらず、特に大きな直流電流を印加した場合に、直線性が損なわれている（図１７での破線Ｂで囲んだ部分）。
【００６４】
また、６．５Ａの直流電流を印加したときの従来例の電機子の断面における磁束密度分布を解析した。解析結果によれば、可動子位置を−１２ｍｍから１２ｍｍに向けて変化させていくにつれて電機子コア８５及びインナーヨーク８４における磁束密度は増加し、特に図１８の破線Ｃで囲まれた領域では、磁気飽和が発生する程度に磁束密度の上昇が顕著であることが分かった。
【００６５】
従来例では、電機子の一部に磁気飽和が起こって、可動範囲全域にわたって安定した一定の推力を得ることができない。
【００６６】
これに対して、図１４に示す実施例の特性では、可動範囲の両端部域にあっても、他の領域に比べて推力の低下はほとんど見られず、可動範囲全域における推力の平坦性を確保できていることが分かる。よって、実施例では、磁気回路に磁気飽和が発生していないと考えられる。
【００６７】
実施例について、駆動コイル２３、２４を鎖交する磁束を解析した。それぞれの解析結果を図１９Ａ、Ｂに示す。図１９Ａ、Ｂでは、横軸に可動子位置［ｍｍ］、縦軸に鎖交磁束［Ｗｂ］をとって、種々の大きさの直流電流を印加した場合の解析結果を表している。実施例では、両端部域でも鎖交磁束の低下はほとんど見られず、理想的な直線状の特性を呈している。また、６．５Ａの直流電流を印加したときの実施例の電機子コア２１、２２の断面における磁束密度分布を解析した。解析結果によれば、磁気飽和が発生するような大きな磁束密度は解析されなかった。
【００６８】
実施例では、電機子コア２１、２２に磁気飽和が発生せず、可動範囲全域にわたって安定した一定の推力を得ることができる。
【００６９】
６．５Ａの直流電流を印加したときの推力ストローク特性に関して、従来例と実施例とを比較した場合、従来例では推力最大値が２０５Ｎ、推力最小値が１５０Ｎであって、実施例では推力最大値が１８３Ｎ、推力最小値が１６５Ｎであり、可動範囲内の推力変動が、従来例では２６．８％と高いのに対して実施例では９．８％と大幅に低減できた。また、実施例では、０Ａの直流電流を印加したときに推力変動はほとんどなく、ディテント力をほぼ零に抑えることができた。また、従来例の外形状（径：１２４ｍｍ、高さ：６０ｍｍの円柱状）に比べて、実施例の外形状（８６ｍｍ×９２ｍｍ×１０２ｍｍの直方体状）を小型化できた。実施例、従来例はともに６．５Ａで１５０Ｎの定格推力を得られるように形状、使用する磁石の体積を設計しており、従来例に比べて実施例では、体積で８７．４％まで小型化できた。また、使用する永久磁石の体積も、従来例に比べて実施例では、６０．８％まで削減できた。
【００７０】
図１６に示す比較例の特性では、可動子５０の−１０ｍｍから１０ｍｍへの移動に伴って推力の低下が顕著に見られる。図２０は、比較例における磁束の流れを示す図である。図２０において、太い実線Ｅは永久磁石５１からの磁束の流れを表し、細い実線Ｆは駆動コイル６２、６３、６４、６５への通電によって生じた磁束の流れを表している。
【００７１】
図２０に示すように、永久磁石５１からの磁束と駆動コイル６２、６３、６４、６５への通電による磁束とが重なって磁束密度が高くなる領域（図２０で破線Ｄで囲まれた領域）が電機子６０の外周縁に位置する。よって、磁束密度が高くなる部分の磁路が長くなり、しかも曲がっているので、部分的な磁気飽和が発生し易くなる。このような磁気飽和の発生により、比較例では推力の顕著な低下が生じる。
【００７２】
これに対して、実施例では、可動子（永久磁石）の内側に電機子（電機子コア）を配置しているため、磁束密度が高くなる領域の長さは短くなる。よって、この領域を太く短くすることで、部分的な磁気飽和の発生を防ぐことができる。この結果、可動範囲全域にわたって安定した一定の推力を得ることができ、良好な推力平坦性を確保することができる。
【００７３】
なお、前述した図１０には、本発明に係るリニアアクチュエータの各部分の寸法を記載しているが、これは一例である。推力が一定である長いストロークを小さい体積で実現するという本発明の目的を果たすために図５に示すリニアアクチュエータの各部分を最適な寸法にすることができる。
【００７４】
なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７５】
１  可動子
２  電機子
３  外側ヨーク
１０  リニアアクチュエータ
１１、１２  永久磁石
２１、２２  電機子コア
２３、２４  駆動コイル
２１ａ、２２ａ  凹部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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