JP2007037273A - 振動型リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を招くことなく磁気抵抗の減少による推力の向上を図る。
【解決手段】巻線１２を備えた固定子１と、永久磁石２２を備えて固定子１に対してギャップを介して対向するとともに往復運動可能に支持されている可動子２とからなる。記固定子１は複数の磁極歯１３を有するコア１の一部に巻線１２が巻回され、可動子２は固定子１との対向方向において着磁され且つ往復運動方向において異極が交互に並ぶ２極以上の磁極を持つ永久磁石２のギャップと反対側の磁極同士がヨーク２１で磁気的に接続されている。可動子２のヨーク２１はその往復動方向の両端及び／または永久磁石２２の往復動方向に並ぶ異極間に固定子１側に向けて突出する突起２３を有している。磁束の一部がヨークの突起を通ることで、磁気回路全体としての磁気効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は往復式電気かみそりなどの駆動部材として用いられる振動型リニアアクチュエータに関するものである。

従来の振動型リニアアクチュエータの例を図６(a)に示す。磁性材料の焼結体や磁性材料の鉄板を積層したものとして形成されているＥ字形のコア１１と該コア１１の中央の磁極歯１３に巻回された巻線１２とから固定子１が構成され、該固定子１にギャップを介して対向する可動子２は、着磁方向が固定子１との対向方向となっている永久磁石２２を往復動方向に並べるとともに固定子１と反対側の磁極間を磁気的につなぐ平板状のヨーク２１とから構成されており、固定子１の巻線１２に交番電流を流せば、可動子２は往復運動を行う。

この構成のものでは、磁極歯１３にギャップを介して対向するのが永久磁石２２のみであるために、巻線１２の励磁によって発生する磁束はギャップと永久磁石２２の両方を通る経路を取ることになるために、磁気抵抗が大きく、発生磁束量が小さくなるため、巻線１２への通電時に発生する推力をさほど大きくすることができず、また、推力を増加するには、永久磁石２２やコア１１の厚さを増加させるか、巻線１２の断面積を増加させるといった体積を増加させてしまう方法しかなく、小型化が困難であった。

特許文献１には永久磁石２２間に絶縁性薄板２８を介在させることで渦電流損を低減することが示されているが、推力に関する対策とはならない。
特開２０００−２５３６４０公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、大型化を招くことなく磁気抵抗の減少による推力の向上を図ることができる振動型リニアアクチュエータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、巻線を備えた固定子と、永久磁石を備えて上記固定子に対してギャップを介して対向するとともに往復運動可能に支持されている可動子とからなり、上記固定子は複数の磁極歯を有するコアの一部に上記巻線が巻回されており、上記可動子は、固定子との対向方向において着磁されたものであるとともに上記往復運動方向において異極が交互に並ぶ２極以上の磁極を持つ永久磁石の固定子と反対側の磁極同士がヨークで磁気的に接続されている振動型リニアアクチュエータであり、上記可動子のヨークはその往復動方向の両端及び／または永久磁石の往復動方向に並ぶ異極間に固定子側に向けて突出する突起を有していることに特徴を有している。磁束の一部がヨークの突起を通るようにすることで、磁気回路全体としての磁気効率を向上させたものである。

この時、可動子のヨークは固定子が有する磁極歯の数と等しい数の突起を備えて、固定子の磁極歯と突起とが１：１で対向していると、巻線に通電することにより発生して各磁極歯を通る磁束がいずれも可動子のヨークの突起を通るために、どの磁極歯に対しても磁気抵抗が小さい磁路を得ることができる。

特に固定子が３極の磁極歯をもつＥ字型のコアの中央の磁極歯にコイルが巻回されたものであり、可動子が往復動方向において並ぶ３つの突起をヨークが備えるとともに各突起間に永久磁石が夫々配されたものであると、巻線が１個でよく、部品数が少なくなる。

可動子のヨークが固定子が有する磁極歯の数より少ない数の突起を備えたものであってもよい。特に永久磁石間に位置する突起を無くしたものでは、永久磁石の個数を少なくすることができる。

可動子のヨークが有している突起の先端面と永久磁石のギャップ側の面とが同一面となっていることが磁気抵抗の軽減の点で最も好ましいが、突起の先端面が永久磁石のギャップ側の面まで達していなくても、従来のものよりは磁気抵抗が小さい経路を得られるため、推力も向上させることができる。

可動子のヨークが有している突起側面と永久磁石との接合側面が傾斜面となっていることも好ましい。磁気飽和を軽減もしくは解消による磁気抵抗の低減を得ることができ、推力の更なる向上を得ることができる。

本発明は、可動子のヨークに設けた突起の存在により、磁気抵抗の軽減がある上に、磁気飽和の低減や久磁石端部から固定子に向かって振動方向に対して斜めに透過する磁束の増加等を得ることができ、これに伴って大型化を招くことなく推力の向上を得ることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１において、固定子１は、磁性材料からなるコア１１と巻線１２とからなるもので、ここにおけるコア１１は、基底部から３つの磁極歯１３を突出させた略Ｅ字形状のもので、巻線１２は中央の磁極歯１３に巻回されている。この巻線１２には、可動子２の位置や速度等に応じて交番電流を印加する駆動回路Ｄが接続されている。

この固定子１にギャップを介して対向するとともに、図示しない板ばねなどの手段によって固定子１の磁極歯１３が並ぶ方向に往復動自在に支持されている可動子２は、２個の永久磁石２２，２２とヨーク２１とからなるもので、往復動方向に間隔をおいて並んでいる２個の永久磁石２２，２２は共に固定子１との対向方向において着磁されたものであるとともに、両永久磁石２２，２２は固定子１側の磁極が異極となっている。そして２つの永久磁石２２，２２の固定子１とは反対側の面の磁気的接続を担うヨーク２１は、上記往復動方向の両端及び中央に固定子１側に向けて突出するとともに先端面が永久磁石２２，２２の固定子１側の面と同一面となっている突起２３を備えており、永久磁石２２は上記往復動方向においてこれら突起２３，２３間に位置するものとなっている。

このものにおいて、可動子２の位置や速度等に応じた交番電流を駆動回路Ｄから巻線１２に印加すれば、可動子２は矢印で示す方向の往復動を行う。

上記の実施例では、固定子１側の３つの磁極歯１３に１：１で対応する３つの突起２３をヨーク２１が備えているが、図２に示すように、ヨーク２１の両端にのみ突起２３，２３が設けられて、２つの永久磁石２２，２２が両突起２３，２３に並んでいるものや、突起２３がヨーク２１の中央にのみ設けられて中央の突起２３の両側に永久磁石２２，２２が位置するものであってもよい。また、図３に示すように、突起２３の先端が永久磁石２２の固定子１側の面に至っていないものであってもよい。更に、突起２３は一定幅のものでなくてもよいが、この場合、基端側の幅を先端側よりも広くするとともに、突起２３側面と永久磁石２２との接合面は、図４に示すように、傾斜面となるようにしておくのが好ましい。

ここにおいて、図１に示した実施例における３つの突起２３のうちの永久磁石２２，２２間に位置する中央の突起２３の幅を図６(a)に示すように、固定子１との対向面において、固定子１の中央部の磁極歯１３の幅ａの１／３とし、２個の永久磁石２２，２２の各外側端部を両側の磁極歯１３，１３の中央部にほぼ一致させるとともに、ヨーク２１の往復動方向の長さは固定子１のコア１１の長さと一致させたものとしたものについて、その通電時の磁束線図を図６(b)に示す。また、図７(a)に示した従来例（固定子１は図６(a)に示したものと同じとするとともに永久磁石２２を突起２３の幅だけ長くしたものにおける通電時の磁束線図を図７(b)に示す。巻線１２ヘの通電により発生する磁束は、固定子１の各磁極歯１３から可動子２のヨーク２１の突起２３を経由して永久磁石２２裏側のヨーク２１に至る経路を通るため、磁気抵抗の減少による磁気効率の向上が期待される。

また、永久磁石２２の外側の磁束は、可動子２のヨーク２１に設けられた突起２３を通る経路を描く。このために磁束がギャップを進行方向に横切り、固定子１を透過しない短絡経路をとるものが多くなっている。また、中央の突起２３では永久磁石２２の距離が離れるため、発生推力に影響の大きい永久磁石２２の端部から固定子１に向かって振動方向に対して斜めに透過する磁束が増加している。

更に、磁束の可動子２外側の経路により可動子２中央部の飽和が解消され、中央の突起２３による透過磁束の方向が変化し、また外側の磁束の短絡経路と巻線１２による発生磁束の両方が磁気抵抗の減少により増加する。これらの相互作用によって推力が増加することになる。

また、可動子２の変位によって可動子２のヨーク２１と固定子１のコア１１の対向面積が変化して磁路のインダクタンスが変化するが、これに伴ってギャップに蓄えられる磁気エネルギーが変化することでリラクタンス力が得られることになる。この結果、磁気抵抗の減少および飽和の解消による磁束の増加及びリラクタンス力により総推力の向上を得られるものである。

図５に発生推力のシミュレーション結果を示す。図中イは図１に示した例を、ロは図２に示した例を、ハは図３に示した例を、ニは図４に示した例を、ホは図７に示した従来例の場合を示している。なお、各構成において、全体幅および各要素の高さ方向の比率は同じとしており、永久磁石２２の往復動方向寸法は図１に示したもの（イ）の場合が一番短い。また、シミュレーションは固定子１と可動子２との中心が一致する位置での変位を０とし、可動子２の変位と推力の変化を求めたものである。このシミュレーション結果からすれば、可動子２のヨーク２１に突起２３を設けたものは、平板状のヨーク２１を用いたものより推力が約２割増加するという結果が得られた。

ちなみに、図２に示したもの（図５中のロ）では、中央の突起２３がないために、中央の磁極歯１３を通る磁気回路の磁気抵抗が小さくなる効果を得られないが、両外側の磁路の磁気低抗減少による推力向上の効果が図れるために、従来構成と比較した推力増加率は小さいが推力向上には効果がある。また、この場合は図１に示した例と比較しして、永久磁石２２，２２を分離する必要がないために、可動子２の製造に当たって１個の永久磁石２２を用いることが可能である。

また図３に示したもの（図５中のハ）では、中央に設けた突起２３がギャップ面まで到達していないために、中央の磁極歯１３を通る磁気回路の磁気抵抗が図１に示したものよりも大きくなるが、磁気抵抗減少の効果はある。

更に図４に示したもの（図５中にニ）では、図１に示したものに比して、可動子２の高さは変わらないものの、ヨーク２１中央の突起２３の両側面が傾斜面となっていて、ヨーク２１の厚さが中央に向かって増加する（中央に向かって永久磁石２２の厚さが減少する）構成となっているために、可動子２のヨーク２１中央部での磁気飽和が解消されることによる磁気抵抗の減少で更に透過磁束が増加するために、より高い推力を得ることができる。

以上の各例では３つの磁極歯１３の幅を全て同じとしているが、使用形態に応じて磁極歯１３ごとに幅を変えてもよい。また、中央の磁極歯１３に巻線１２を巻回したものを示したが、他の磁極歯１３にも巻線１２を巻回したものであってもよい。

本発明の実施の形態の一例の概略断面図である。 他例の概略断面図である。 更に他例の概略断面図である。 別の例の概略断面図である。 各例における推力シミュレーション結果を示す特性図である。 (a)は一例の説明図、(b)は同上の磁束線の説明図である。 (b)は従来例の説明図、(b)は同上の磁束線の説明図である。

符号の説明

１ 固定子
２ 可動子
１１ コア
１２ 巻線
１３ 磁極歯
２１ ヨーク
２２ 永久磁石
２３ 突起

Claims (6)

1. 巻線を備えた固定子と、永久磁石を備えて上記固定子に対してギャップを介して対向するとともに往復運動可能に支持されている可動子とからなり、上記固定子は複数の磁極歯を有するコアの一部に上記巻線が巻回されており、上記可動子は固定子との対向方向において着磁されたものであるとともに上記往復運動方向において異極が交互に並ぶ２極以上の磁極を持つ永久磁石の固定子と反対側の磁極同士がヨークで磁気的に接続されている振動型リニアアクチュエータであって、上記可動子のヨークはその往復動方向の両端及び／または永久磁石の往復動方向に並ぶ異極間に固定子側に向けて突出する突起を有していることを特徴とする振動型リニアアクチュエータ。
2. 可動子のヨークは固定子が有する磁極歯の数と等しい数の突起を備えて、固定子の磁極歯と突起とが１：１で対向していることを特徴とする請求項１記載の振動型リニアアクチュエータ。
3. 固定子は３極の磁極歯をもつＥ字型のコアの中央の磁極歯にコイルが巻回されたものであり、可動子は往復動方向において並ぶ３つの突起をヨークが備えるとともに各突起間に永久磁石が夫々配されたものであることを特徴とする請求項２記載の振動型リニアアクチュエータ。
4. 可動子のヨークは固定子が有する磁極歯の数より少ない数の突起を備えていることを特徴とする請求項１記載の振動型リニアアクチュエータ。
5. 可動子のヨークが有している突起の先端面と永久磁石のギャップ側の面とが同一面となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動型リニアアクチュエータ。
6. 可動子のヨークが有している突起側面と永久磁石との接合側面が傾斜面となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動型リニアアクチュエータ。

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