JP5118359B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータに関するものである。

従来、多次元の方向に駆動可能なアクチュエータは、例えば特許文献１に開示されているような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していた。
特開２００３−８８０８９号公報（段落０００４）

上述のように多次元の方向に駆動可能なアクチュエータを構成する場合、特許文献１に開示されているような一方向のみ駆動可能なアクチュエータを組み合わせて実現していたため、アクチュエータの形状が大型となるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、一つの可動側磁性部材を任意の方向に揺動でき、しかも高効率で且つ小型化が可能なアクチュエータを提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、両側脚部及び該両側脚部の一端間を橋絡する中央部からなる複数のコ字状の磁性体を、前記中央部の中心を軸として所定の角度で交差させた形状に構成される固定側磁性部材と、前記固定側磁性部材の各脚部に巻回して両側脚部の他端を互に異なる磁極となるように励磁される励磁コイル部と、前記脚部の他端上方に配されて前記中心と同軸の出力軸を中心として上面視で全方向に揺動自在に支持された可動側磁性部材とを備えてなり、前記可動側磁性部材は前記脚部の磁極面にギャップを介して対向する可動側磁極部を有するとともに、各可動側磁極部に前記脚部の磁極面に対して対向方向に着磁された永久磁石体を備え、前記脚部の磁極面の一部が前記可動側磁極部の前記永久磁石体と対向し、前記脚部の磁極面の他の一部が前記可動側磁性部の前記永久磁石体以外の部分と対向していることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、固定側磁性部材の磁極により生成される磁界の向きを容易に制御することができ、そのため簡単な構成で一つの可動側磁性部材を広域に揺動させることができ、小型化が可能なアクチュエータを提供でき、特に永久磁石体により生じる磁路と、励磁コイル部の励磁により生じる磁路を分離し、透磁率の低い永久磁石体を励磁コイル部の励磁による磁束を通さないため、高効率化が図れ、強い駆動力が得られる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記永久磁石体の磁極面は、前記可動側磁極部の磁極面が前記脚部の磁極面に対面したときに一部のみが前記脚部の磁極面に対向することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、励磁コイル部の励磁による磁束が流れる磁路を容易に形成することができる。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、前記永久磁石体は円環状に形成されて前記脚部の磁極面に対向する可動側磁極部に亘るように可動側磁性部材に配されることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、一つの永久磁石体で各可動側磁極部の永久磁石体を構成することができる上に、配置角度のずれの影響などがなく、また永久磁石体の作成や組み込みが容易な上に特性も安定し、更に腕片を中心から放射状に突出させて各可動側磁極部に先部を配置するような十字状で切り込みを必要とする永久磁石体に比べて磁束のロスがないという効果がある。

請求項４の発明では、請求項１乃至３の何れかの発明において、前記脚部の磁極面と、該磁極面と対向する前記可動側磁極部の磁極面とを、同心の凹球面と、凸球面とで形成していることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、固定側磁性部材の磁極と可動側磁性部材の磁極との間のギャップを小さくすることができ、その結果、磁気効率が上がってアクチュエータの効率を向上することができる。

本発明は、固定側磁性部材の磁極により生成される磁界の向きを容易に制御することができ、そのため簡単な構成で一つの可動側磁性部材を広域に揺動させることができ、小型化が可能なアクチュエータを提供でき、特に永久磁石体により生じる磁路と、励磁コイル部の励磁により生じる磁路を分離し、透磁率の低い永久磁石体を励磁コイル部の励磁による磁束を通さないため、高効率化が図れ、強い駆動力を得ることができる。

以下本発明を図１に示す一実施形態により説明する。

本実施形態のアクチュエータ１は、図１（ａ）に示すようにケース２内に収容され、出力軸であるシャフト３をケース２の一面から外部に突出させているもので、シャフト３と、可動側磁性部材４と、固定側磁性部材５と、励磁コイル部６１〜６４等で構成される。

固定側磁性部材５は、図１（ｂ）に示すように両側脚部及び該両側脚部の一端間を橋絡する中央部からなる２組のコ字状の磁性体を、前記中央部の中心を軸として９０°の角度で交差させた形状に構成されるもので、十字型の基部５０と、該基部５０の各端部より図において上向きに同一高さで突出して先端面を磁極面とする４つの脚部５１とからなり、各脚部５１には各別に励磁電流を流すことができるように励磁コイル部６１〜６４を巻回している。

各脚部５１の磁極面は、共通の凹球面の一部を為す形の球面に形成されている。磁性体４の着磁方向は上下方向とし、例えば下面側をＮ極の磁極面としている。

可動側磁性部材４は、図１（ｂ）に示すように、十字状基部４０ａ及びこの基部４０ａの下面に一体に形成された突出部４０ｂからなる磁性体４０と、突出部４０ｂの下面部に形成された下向き段部４０ｃに接着した永久磁石体４１と、この永久磁石体４１の下面に接着した磁性体４２とで構成され、突出部４０ｂ及び磁性体４２の下向き外周面を連続延長させた面を凸球面とし、この凸球面を可動側磁極部の磁極面としている。

永久磁石体４１の外側下端は磁性体４２の外側端と磁性体４０の突出部４０ｂの下端との間のごく僅かなギャップｇから外側に臨んでいる。また磁性体４０の基部４０ａの上面中心には上述のシャフト３の一端を連結固定している。

而してケース２の底面に配置固定された固定側磁性部材５の上方に、固定側磁性部材５の基部５０の中心軸と可動側磁性部材４の中心軸とが一致するように可動側磁性部材４を配置し、可動側磁性部材４の中心からみて９０°間隔の４箇所の外周面に一端を結合したコイルばね８をケース２の対応する４方の内面に結合して可動側磁性部材４を上面視で全方向に揺動時在にケース２に支持させるとともにシャフト３の先部をケース２の蓋部２ａの中心に貫設している軸受部７を介して外部に突出させる。

ここで固定側磁性部材５の各脚部５１の磁極面を構成する凹球面は、可動側磁性部材４が揺動した際に僅かなギャップを介して可動側磁性部材４の下向きの凸球面からなる磁極面と対向し、またこの対向時において、脚部５１の磁極面に対し可動側磁性部材４の永久磁石体４１の一部、つまりその外側端部が対向し、この対向部位から外側の部位に磁性体４０の突出部４０ｂの凸球面が対向するようなっている。

尚図示していないが、励磁コイル部６１〜６４に励磁電流を流すためのコイル端子（図示せず）をケース２から外部に導出している。

また図１（ａ）の断面図では励磁コイル部６４を巻回している脚部５１の図示を省略している。

次に本実施形態の動作を説明する。

まず、図１（ａ）に示すように固定側磁性部材５の対向する脚部５１，５１の励磁コイル部６１，６３に各脚部５１の磁極面の極性が異なるよう、例えば図において左側の脚部５１の磁極がＮ極、右側の磁極がＳ極となるように電流を流して励磁すると、この励磁によって発生する磁束は、図示する磁路（Ｉ）に流れる。つまり左側の脚部５１→対向する可動側磁性部材４の磁性体４０の突出部４０ｂ→基部４０ａ→右側の脚部５１に対向する可動側磁性部材４の磁性体４０の突出部４０ｂ→右側の脚部５１→基部５０→左側の脚部５１の磁路で流れることになる。

一方、可動側磁性部材４の各永久磁石体４１の磁束は図示する磁路(II)に流れる。つまり永久磁石体４１→磁性体４２→対向する脚部５１→磁性体４０の突出部４０ｂ→永久磁石体４１の磁路で流れることになる。

これにより励磁コイル部６１，６３の励磁による磁束は透磁率の低い永久磁石体４１を通らない磁路を流れることになり、これにより高効率化が図れることになる。

ここで図１（ｂ）に示すX方向側の脚部５１，５１の励磁コイル部６１，６３と、Ｙ方向側の励磁コイル部６２，６４に励磁電流を流すために印加する電源電圧の周波数の比と位相差を制御することで、可動側磁性部材４をコイルばね８のばね力に抗した任意の方向に推力を与えて揺動させることができ、その結果シャフト３を通じて被駆動体を多様に駆動できる。

尚図２は上述の周波数の比と、位相差を組み合わせによって得られ軌跡の例を示す。

ところで、図１（ａ），（ｂ）に示す可動側磁性部材４は十字状の基部４０ａを持つ磁性体４０を用いていたが、図３（ａ）、（ｂ）に示すように円盤状の基部４０ａ’及びこの円盤状の基部４０ａ’の下面に一体に形成された環状の突出部４０ｂ’からなる磁性体４０’と、環状突出部４０ｂ’の下面部に形成された環状の下向き段部４０ｃ’に接着した円環状の永久磁石体４１’と、この永久磁石体４１’の下面に接着した環状の磁性体４２’とで構成しても良い。この場合円環状の永久磁石体４１’を用いるので、配置角度のずれなどを考慮する必要もなく、また一つの永久磁石体で、脚部５１に対向する磁極を形成することができるので、永久磁石体数の削減が図れる上に組み込みも容易となり、更に永久磁石体の作成も容易で、可動側磁極部側に先端を配置するように十字状に形成した永久磁石体のように切り込みを設ける場合に比べて、磁束のロスも少なく、特性も安定してアクチュエータ１の性能向上も図れる。

（ａ）は実施形態のケースに入れた状態の正面断面図、（ｂ）はアクチュエータ部位の拡大斜視図である。 実施形態の動作例の説明図である。 （ａ）は可動側磁性部材の別の例を示す固定側磁性部材と可動側磁性部材の斜視図、（ｂ）は同上の断面図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ ケース
３ シャフト
４ 可動側磁性部材
４０ 磁性体
４０ａ 基部
４０ｂ 突出部
４０ｃ 段部
４１ 永久磁石体
４２ 磁性体
５ 固定側磁性部材
５０ 基部
５１ 脚部
６１〜６４ 励磁コイル部
７ 軸受部
８ コイルばね

Claims (4)

1. 両側脚部及び該両側脚部の一端間を橋絡する中央部からなる複数のコ字状の磁性体を、前記中央部の中心を軸として所定の角度で交差させた形状に構成される固定側磁性部材と、
   前記固定側磁性部材の各脚部に巻回して両側脚部の他端を互に異なる磁極となるように励磁される励磁コイル部と、
   前記脚部の他端上方に配されて前記中心と同軸の出力軸を中心として上面視で全方向に揺動自在に支持された可動側磁性部材とを備えてなり、
   前記可動側磁性部材は前記脚部の磁極面にギャップを介して対向する可動側磁極部を有するとともに、各可動側磁極部に前記脚部の磁極面に対して対向方向に着磁された永久磁石体を備え、
   前記脚部の磁極面の一部が前記可動側磁極部の前記永久磁石体と対向し、
   前記脚部の磁極面の他の一部が前記可動側磁性部の前記永久磁石体以外の部分と対向していることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記永久磁石体の磁極面は、前記可動側磁極部の磁極面が前記脚部の磁極面に対面したときに一部のみが前記脚部の磁極面に対向することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記永久磁石体は円環状に形成されて前記脚部の磁極面に対向する可動側磁極部に亘るように可動側磁性部材に配されることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
4. 前記脚部の磁極面と、前記可動側磁極部の磁極面とを、同心の凹球面と、凸球面とで形成していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のアクチュエータ。

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