JPH07303363A

JPH07303363A - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JPH07303363A
Application number: JP11452294A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Mikami; 均三上
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】【目的】磁石可動型リニアアクチュエータの大推力
化、低価格化をを損なうことなく、小型化、推力の高リ
ニアリティ化を実現して高精度の位置決めを達成した構
成の提供。【構成】磁石可動型リニアアクチュエータの可動子１
を構成する磁石構成体１２の軸方向の長さＬ₁（磁石構
成体１２を構成する複数の円筒状永久磁石１２ａ，……
１２ｆのうち両端部に位置する円筒状永久磁石１２ａと
１２ｆの外側端部間の長さ）と、固定子２を構成する磁
極部２２の軸方向の長さＬ₂（複数の磁極２２ａ，……
２２ｇのうち両端部に位置する磁極２２ａと磁極２２ｇ
の外側端部間の長さ）との関係を、Ｌ₁＜Ｌ₂とすること
により、復元力の発生を実質的に零とし、さらに可動子
に対して軸方向に弾性力を付与するディテント力打ち消
し用弾性体を配置することによってディテント力の影響
を大幅に低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＦＡ機器や工作機械
等の広範囲の分野で使用されるリニアアクチュエータの
改良に係り、特に、小型で推力のリニアリティが高く、
安定した高精度の位置決めを実現可能としたリニアアク
チュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】リニアアクチュエータとしては、従来か
らＶＣＭ（ボイスコイル型リニアモータ）のように電流
力を利用したアクチュエータが多用されている。電流力
を利用したアクチュエータは、応答性に優れるという長
所を有する反面、体積あたりの発生推力があまり大きく
なく、大推力を得るためにはアクチュエータの大型化を
招き、用途範囲が限定されるという短所を有している。
さらに、アクチュエータを構成する部材のうち、永久磁
石の占める割合が大きく、低価格化にも限度があった。

【０００３】リニアアクチュエータの用途の拡大に伴
い、最近では、大推力が得られ、比較的磁石の使用量が
少なく、体積当たりの発生推力が大きい磁石可動型リニ
アアクチュエータ、すなわち、磁気力を利用したアクチ
ュエータが提案されている。磁石可動型リニアアクチュ
エータとしては、従来から図８〜図１０に示す如き構成
が知られている（１９９２年６月５日、社団法人電気学
会発行、「電気学会研究会資料リニアドライブ研究会
ＬＤ−９２−４６：可動磁石型アクチュエータの推力
向上に関する検討」）。

【０００４】詳述すると、図８は全体の概要構成を示す
縦断面説明図であり、図９はその一部詳細縦断面説明図
であり、図１０は図９のＢ−Ｂ断面説明図である。図中
１は可動子であり、円柱状の可動ヨーク１１の外周部
に、ラジアル方向に磁化された複数の円筒状永久磁石１
２ａ，……１２ｈを磁化の向き（図９において円筒状永
久磁石１２ａ，……１２ｈ内に示す矢印の向きが、各々
永久磁石１２ａ，……１２ｈの磁化の向きを示してい
る）が交互に逆向きになるようにして軸方向に隣接配置
した磁石構成体１２を固着した構成からなっている。な
お、図中１３は、可動ヨーク１１の両端部に突設する出
力軸である。

【０００５】図中２は固定子であり、円筒状固定ヨーク
２１の内周部に、前記可動子１の磁石構成体１２と所定
の空隙を形成して対向する複数の磁極２２ａ，……２２
ｇからなる磁極部２２を有するとともに駆動コイル２３
を周方向に巻回配置した構成からなっている。図中３は
可動子１の支持部であり、可動子１の出力軸１３を軸受
３１を介して軸方向（図中左右方向）移動可能に支持す
るフランジ部３２から構成され、該フランジ部３２は固
定子２の各々端部に固着されている。

【０００６】以上の構成において、駆動コイル２３に電
流を通電すると、固定子２の磁極部２２に所定の極性が
発生（予め、軸方向に隣接配置する各々磁極２２ａ，…
…２２ｇの極性が交互に異なるよう各々の駆動コイル２
３を接続しておく）し、可動子１の磁石構成体１２を構
成する各々の円筒状永久磁石１２ａ，……１２ｈとの磁
気的作用により、可動子１が所定方向に移動する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】先に説明した磁石可動
型リニアアクチュエータにおいては、該リニアアクチュ
エータが本来有する大推力化、低価格化を実現すること
が可能であるが、小型化、推力の高リニアリティ化を実
現することができず、現在リニアアクチュエータに要求
される安定した高精度の位置決めを達成できない。

【０００８】詳述すると、従来の磁石可動型リニアアク
チュエータは図示の如く（図８参照）、可動子１を構成
する磁石構成体１２の軸方向の長さＬ₁、すなわち、磁
石構成体１２を構成する複数の円筒状永久磁石１２ａ，
……１２ｈのうち両端部に位置する円筒状永久磁石１２
ａと１２ｈの外側端部間の長さと、固定子２を構成する
磁極部２２の軸方向の長さＬ₂、すなわち、複数の磁極
２２ａ，……２２ｇのうち両端部に位置する磁極２２ａ
と磁極２２ｇの外側端部間の長さとすると、磁石構成体
１２と磁極部２２との対向部における各々の軸方向の長
さＬ₁、Ｌ₂の長さが等しいため、可動子１の移動に伴
い、磁石構成体１２の一部が固定子２（磁極部）の外側
に位置することとなる。

【０００９】例えば、可動子１が図（図８及び図９参
照）において右方向に移動した時、磁石構成体１２を構
成する右端の円筒状永久磁石１２ａが磁極２２ａの右端
部より右方向に移動し、該円筒状永久磁石１２ａから発
生する磁束が漏洩することとなる。このような可動子１
と固定子２との位置関係の時、磁極２２ａの外側まで移
動した円筒状永久磁石１２ａと磁極２２ａ（固定子２）
の端部との間で磁気吸引力、すなわち、可動子１を固定
子２の中央部に引き寄せる復元力が発生する。

【００１０】この復元力は可動子１の位置によって変化
し、本来駆動コイル２３に電流を通電することによって
発生する推力に重畳されることから、可動子１の推力の
高リニアリティ化を阻害する要因となっている。この復
元力の発生を極力低減する手段として、支持部３を構成
するフランジ部３２として磁性体を使用し、実質的な磁
極部２２（固定子２）の軸方向の長さＬ₂を長くするこ
とが提案されているが、小型化の観点からは必ずしも得
策とは言い難い。

【００１１】さらに、磁性体からなるフランジ部３２を
配置することによって復元力の低減を実現できても、デ
ィテント力（駆動コイル２３に通電しない状態で可動子
１が磁気的に安定な位置に移動しようとする力、すなわ
ち、可動子１が固定子２の一方端部に移動しようとする
力）が発生することとなり、結果として、推力の高リニ
アリティ化の達成ができないこととなる。

【００１２】この発明は、以上のような問題点を解決す
ることを目的として提案するもので、磁石可動型リニア
アクチュエータが本来有する大推力化、低価格化の長所
を損なうことなく、小型化、推力の高リニアリティ化を
実現するリニアアクチュエータの提供を主たる目的とす
るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために種々の構成を検討した結果、可動子１
を構成する磁石構成体１２の軸方向の長さＬ₁を、固定
子２を構成する磁極部２２の軸方向の長さＬ₂に比べて
小とすることにより復元力の発生を低減し、さらにディ
テント力を打ち消すために可動子に対して軸方向に弾性
力を付与する弾性体を所定位置に配置することによって
目的が達成可能であることを知見し、発明を完成したも
のである。

【００１４】すなわち、この発明は、外周部に、ラジア
ル方向に磁化された少なくとも一対の円筒状永久磁石を
磁化の向きが交互に逆向きになるようにして軸方向に隣
接配置してなる磁石構成体を有する可動子と、内周部
に、前記磁石構成体と所定の空隙を形成して対向する磁
極部を有するとともに駆動コイルを巻回配置してなる固
定子とからなり、前記磁石構成体の軸方向の長さが磁極
部の軸方向の長さより小であり、かつ、前記可動子に対
して軸方向に弾性力を付与するディテント力打ち消し用
弾性体を配置したことを特徴とするリニアアクチュエー
タである。

【００１５】

【作用】この発明のリニアアクチュエータの作用を、図
１〜図６に示す一実施例に基づいて説明する。図１は全
体の概要構成を示す縦断面説明図であり、図２は図１の
Ａ−Ａ断面説明図である。また、図３は他の実施例の概
要構成を示す縦断面説明図である。さらに、図４〜図６
は図１及び図３の構成において示したディテント力打ち
消し用弾性体の配置構成以外のディテント力打ち消し用
弾性体の配置構成を示す部分詳細説明図である。図１に
おいて、図中１は可動子であり、略円柱状の可動ヨーク
１１の外周部に、ラジアル方向に磁化された複数（図に
おいては６個：３対）の円筒状永久磁石１２ａ，……１
２ｆを磁化の向き（図１において円筒状永久磁石１２
ａ，……１２ｆ内に示す矢印の向きが、各々永久磁石１
２ａ，……１２ｆの磁化の向きを示している）が交互に
逆向きになるようにして軸方向に隣接配置した磁石構成
体１２を固着した構成からなっている。なお、図中１３
は、可動ヨーク１１の中央部を貫通して該可動ヨーク１
１の両端部に突設する出力軸である。

【００１６】図中２は固定子であり、円筒状固定ヨーク
２１の内周部に、前記可動子１の磁石構成体１２と所定
の空隙を形成して対向する複数の磁極２２ａ，……２２
ｇからなる磁極部２２を有するとともに駆動コイル２３
を周方向に巻回配置した構成からなっている。図中３は
可動子１の支持部であり、可動子１の出力軸１３を軸受
３１を介して軸方向（図中左右方向）移動可能に支持す
るフランジ部３２から構成され、該フランジ部３２は固
定子２の各々端部に固着されている。なお、フランジ部
３２は、平板状の非磁性体にて構成されている。図中４
ａ，４ｂはコイルバネからなるディテント力打ち消し用
弾性体であり、可動ヨーク１１の各々両端部とフランジ
部３２の各々内周面との間に配設され、いずれも図示の
如く可動子１が固定子２の中央位置にある時に、それぞ
れ可動ヨーク１１の各々両端部を押圧する方向（軸方
向）に弾性力を作用している。

【００１７】以上の構成において、駆動コイル２３に電
流を通電すると、固定子２の磁極部２２に所定の極性が
発生（予め、軸方向に隣接配置する各々磁極２２ａ，…
…２２ｇの極性が交互に異なるよう各々の駆動コイル２
３を接続しておく）し、可動子１の磁石構成体１２を構
成する各々の円筒状永久磁石１２ａ，……１２ｆとの磁
気的作用により、可動子１が所定方向に移動する。この
発明の構成においては、図示の如く磁石構成体１２の軸
方向の長さＬ₁が磁極部２２の軸方向の長さＬ₂より小で
あり、可動子１の移動範囲においては、いつでも磁石構
成体１２と磁極部２２が対向配置する関係にあることか
ら復元力の発生が低減され、しかも、所定のバネ定数を
有するディテント力打ち消し用弾性体４ａ，４ｂを配置
することによってディテント力が弾性力で相殺され目的
とする推力の高リニアリティ化が達成できる。

【００１８】図３に示す実施例は、この発明のリニアア
クチュエータの最もシンプルな構成を示すもので、可動
子１を構成する磁石構成体１２が一対の円筒状永久磁石
１２ａ，１２ｂからなるもので、磁石構成体１２に所定
の空隙を形成して対向する磁極部２２も３つの磁極２２
ａ，２２ｂ，２２ｃだけであるが、磁石構成体１２の軸
方向の長さＬ₁が磁極部の軸方向の長さＬ₂より小であ
り、可動ヨーク１１の各々両端部とフランジ部３２の各
々内周面との間にコイルバネからなるディテント力打ち
消し用弾性体４ａ，４ｂが配置されることにより、図１
に示す構成からなるリニアアクチュエータと同様な作用
効果を得ることがができる。

【００１９】以上に示すこの発明のリニアアクチュエー
タにおいて、可動子１を構成する各々円筒状永久磁石１
２ａ，……１２ｆ（図１の場合）または１２ａ，１２ｂ
（図３の場合）は、ラジアル方向に磁化されることか
ら、Ｆｅ−Ｂ−Ｒ系焼結磁石、Ｒ−Ｃｏ系焼結磁石等の
公知のラジアル方向に異方性を有する円筒状永久磁石
や、複数の弓形状永久磁石を円筒状に配置した構成を採
用することができる。

【００２０】この発明のリニアアクチュエータにおいて
は、上記の磁化方向に磁化されていることとともに磁化
の向きが交互に逆向きである少なくとも一対の円筒状永
久磁石が必要であり、要求される特性や形状寸法に応じ
て、磁石材質とともに、その数量を選定することが望ま
しい。また、図１及び図３の構成においては、隣接する
円筒状永久磁石の軸方向端面が互い当接する如く配置し
ているが、この構成に限定されることなく軸方向端面を
所定の間隙を形成するようにして配置（図８参照）して
も目的とする効果が得られる。

【００２１】この発明において、磁石構成体１２を支持
する可動ヨーク１１も図示の構成に限定されるものでは
なく、可動子１の軽量化のために磁路形成を妨げない範
囲で出力軸１３との接続部をアルミ合金等にて構成する
ことも可能である。さらに、良好なる磁路形成の観点か
らは望ましくないが、磁石構成体１２を可動ヨーク１１
にかえて該可動ヨーク１１と同形状の非磁性体支持部材
にて出力軸１３に接続固着しても、推力のリニアリティ
化の実現は可能である。

【００２２】固定子２の構成も図１及び図３の構成に限
定されるものではなく、内周部に、前記磁石構成体１２
と所定の空隙を形成して対向する磁極部２２を有し、所
定の駆動コイル２３が巻回配置される構成であれば、必
ずしも全体として円筒状に構成する必要はない。すなわ
ち、可動子１を配置する内周部（磁極部２２内周面）
が、該可動子１の軸方向の移動を妨げないように所定形
状に形成されていれば良く、外周部を矩形状としたりす
ることも可能である。特に、固定子２全体をケイ素鋼板
の積層体にて構成したり、バルク材とケイ素鋼板の積層
体とを併用する等、加工性、組立て性等を考慮して具体
的な構成を選定することが望ましい。

【００２３】先に説明したように、復元力の発生を低減
するためには、磁石構成体１２の軸方向の長さＬ₁を磁
極部２２の軸方向の長さＬ₂より小さくすることが必要
であり、要求される可動子１の移動量（ストローク
Ｓ）、推力等に応じて選定するが、復元力の発生の低減
には、少なくとも（Ｌ₂−Ｓ）／Ｌ₁≧１であり、好まし
くはＬ₁＋Ｓ≦Ｌ₂≦Ｌ₁＋Ｓ＋Ｐ（Ｐ；一対の磁石
幅）である。

【００２４】また、可動子１に対して軸方向に弾性力を
付与するディテント力打ち消し用弾性体４としては、予
め、可動子１及び固定子２の構成に基づいて発生するデ
ィテント力を測定し、該ディテント力を相殺するような
バネ定数を有する弾性体を選定することが望ましいが、
その弾性体は図１及び図３に示すコイルバネに限定され
ることなく、板バネ、ゴム膜等の使用が可能であり、そ
の配置も図４〜図６に示すように種々の構成が採用でき
る。

【００２５】すなわち、図４は、出力軸１３の両端に鍔
部１４ａ，１４ｂを形成し、該鍔部１４ａ，１４ｂと固
定子２の両端部に固着される非磁性フランジ３２ａ，３
２ｂとの間にコイルバネからなるディテント力打ち消し
用弾性体４ａ，４ｂを配置した構成を示すものである。
この構成においては、可動子１（図示せず）が固定子２
の中央位置にある時に、各々のディテント力打ち消し用
弾性体４ａ，４ｂは出力軸１３の両端の鍔部１４ａ，１
４ｂを押圧する方向（軸方向）に弾性力を作用してい
る。

【００２６】図５は、出力軸１３の一方に鍔部１４を形
成し、該鍔部１４と固定子２に固着される一方の非磁性
フランジ３２ａとの間及び該鍔部１４と固定子２近傍に
設けられた治具５の端面との間にコイルバネからなるデ
ィテント力打ち消し用弾性体４ａ，４ｂを配置した構成
を示すものである。図中５１は、治具５に形成された出
力軸１３移動用の貫通孔である。この構成においては、
可動子１（図示せず）が固定子２の中央位置にある時
に、各々のディテント力打ち消し用弾性体４ａ，４ｂは
いずれも出力軸１３の鍔部を押圧する方向（軸方向）に
弾性力を作用している。

【００２７】図６は、出力軸１３を支持する非磁性フラ
ンジ３２をゴム膜にて形成したものであり、該ゴム膜製
の非磁性フランジ３２がディテント力打ち消し用弾性体
として機能する。このゴム膜３２は、固定子２の一方端
または両端に配置する。この構成においては、可動子１
が固定子２の中央位置にある時には、可動子１に対して
軸方向の弾性力を付与していないが、可動子１の移動に
ともないディテント力打ち消し方向に弾性力を作用させ
ることが可能となる。以上に説明したディテント力打ち
消し用弾性体以外にも、種々の構成が採用できるのは、
先に説明した通りである。

【００２８】

【実施例】

実施例１この発明の一実施例として、図３に示す構成からなるリ
ニアアクチュエータを作成した。磁石構成体１２を構成
する円筒状永久磁石１２ａ，１２ｂとしては最大エネル
ギー積（ＢＨ）ｍａｘ＝４０ＭＧＯｅのＦｅ−Ｂ−Ｒ系
弓形焼結磁石を円筒状にして用いた。リニアアクチュエ
ータの外径は６８ｍｍ、長さ（厚さ）は４８ｍｍであ
り、出力軸の長さは６８ｍｍであった。なお、磁石構成
体１２の軸方向の長さＬ₁と磁極部２２の軸方向の長さ
Ｌ₂の差を１２ｍｍとし、可動子１の移動量（ストロー
ク）を４ｍｍに設定し、ディテント力を測定したところ
図７に破線で示す値が得られた。なお、この構成におい
て、復元力は実質的に零であった。

【００２９】上記のディテント力の測定値に基づいて、
所定のバネ定数（約０．４ｋｇｆ／ｍｍ）のコイルバネ
からなるディテント力打ち消し用弾性体４ａ，４ｂを図
３に示す位置に配置したところ、図７に示すように可動
子１の移動位置に限らずこれらの合力はほぼ零となり、
推力の高リニアリティ化が実現可能であることが確認で
きた。実験によれば、発生推力の最大値は約９ｋｇｆで
あり、全ストロークでの推力の変動は５％未満であっ
た。

【００３０】実施例２同様な推力（最大値＝８０ｋｇｆ）を得る図１に示すこ
の発明のリニアアクチュエータと図８に示す従来のリニ
アアクチュエータ（但し、復元力を低減するために磁性
体フランジを使用）とを作成し、その大きさを測定した
ところ、この発明のリニアアクチュエータは従来のリニ
アアクチュエータの約３／４の長さとすることが可能と
なった。

【００３１】

【発明の効果】この発明のリニアアクチュエータは、磁
石可動型リニアアクチュエータが本来有する大推力化、
低価格化の長所を損なうことなく、磁石構成体の軸方向
の長さを磁極部の軸方向の長さより小とすることによ
り、復元力の発生を実質的に零とし、さらに可動子に対
して軸方向に弾性力を付与するディテント力打ち消し用
弾性体を配置することによってディテント力の影響を大
幅に低減することが可能となり、小型化、推力の高リニ
アリティ化を実現するリニアアクチュエータの提供を可
能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のリニアアクチュエータの全体の概要
構成を示す縦断面説明図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面説明図である。

【図３】この発明のリニアアクチュエータの他の実施例
の概要構成を示す縦断面説明図である。

【図４】この発明のリニアアクチュエータの他のディテ
ント力打ち消し用弾性体の配置構成を示す部分詳細説明
図である。

【図５】この発明の他の実施例のディテント力打ち消し
用弾性体の配置構成を示す部分詳細説明図である。

【図６】この発明の他の実施例のディテント力打ち消し
用弾性体の配置構成を示す部分詳細説明図である。

【図７】図１のリニアアクチュエータにおけるディテン
ト力打ち消し用弾性体の効果を確認した実験データを示
すグラフである。

【図８】従来のリニアアクチュエータの全体の概要構成
を示す縦断面説明図である。

【図９】従来のリニアアクチュエータの一部詳細縦断面
説明図である。

【図１０】図９のＢ−Ｂ断面説明図である。

【符号の説明】

１可動子２固定子３支持部４ａ，４ｂディテント力打ち消し用弾性体５治具１１可動ヨーク１２磁石構成体１２ａ〜１２ｈ円筒状永久磁石１３出力軸１４，１４ａ，１４ｂ鍔部２１円筒状固定ヨーク２２磁極部２２ａ〜２２ｇ磁極２３駆動コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周部に、ラジアル方向に磁化された少
なくとも一対の円筒状永久磁石を磁化の向きが交互に逆
向きになるようにして軸方向に隣接配置してなる磁石構
成体を有する可動子と、内周部に、前記磁石構成体と所
定の空隙を形成して対向する磁極部を有するとともに駆
動コイルを巻回配置してなる固定子とからなり、前記磁
石構成体の軸方向の長さが磁極部の軸方向の長さより小
であり、かつ、前記可動子に対して軸方向に弾性力を付
与するディテント力打ち消し用弾性体を配置したことを
特徴とするリニアアクチュエータ。