リニアアクチュエータ
【課題】出力軸のストローク全体に亘って高い推力を安定して与えるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片５１を配置し、これを該平面に平行な移動軸に沿って往復動せしめるリニアアクチュエータ１００である。第１ヨーク１１から第２ヨーク１２へ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石２１、２２、２３、２４と、移動軸に沿った磁力線を形成するように第１ヨーク１１の周囲に巻回した第１コイル３１と、第１コイル３１と間隙を挟んで配置され、移動軸に沿った磁力線を形成するように第２ヨーク１２の周囲に巻回した第２コイル３２と、を含む。第１コイル３１及び第２コイル３２の磁力線を移動軸に沿って互いに逆方向となるように第１コイル３１及び第２コイル３２に電流を与えて往復動せしめる。
【解決手段】互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片５１を配置し、これを該平面に平行な移動軸に沿って往復動せしめるリニアアクチュエータ１００である。第１ヨーク１１から第２ヨーク１２へ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石２１、２２、２３、２４と、移動軸に沿った磁力線を形成するように第１ヨーク１１の周囲に巻回した第１コイル３１と、第１コイル３１と間隙を挟んで配置され、移動軸に沿った磁力線を形成するように第２ヨーク１２の周囲に巻回した第２コイル３２と、を含む。第１コイル３１及び第２コイル３２の磁力線を移動軸に沿って互いに逆方向となるように第１コイル３１及び第２コイル３２に電流を与えて往復動せしめる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速で直線往復運動を与える数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータに関し、特に出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与え得るリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
数センチ以下のストローク幅で比較的高い推力を出力できる小型リニアアクチュエータがガス弁の開閉装置、配電板の回路遮断装置、家庭用電気機器の駆動装置など多くの分野で使用されている。例えば、特許文献１は、電気かみそりや電動歯ブラシの駆動部に使用される小型リニアアクチュエータを開示している。永久磁石を含むとともにコイルを巻回されたシリンダ状の固定子の管状内部に円柱状の軟磁性体からなる可動子を挿入し、該コイルに流れる電流を制御することで永久磁石によって管状内部に形成される磁場を変化させて可動子を直線往復運動させている。
【０００３】
また、上記したような小型アクチュエータは、自動車の付属装置だけを見ても、吸排気系、燃料系、駆動系などの多くの装置で使用されている。例えば、特許文献２及び３では、自動車用エンジンの吸排気バルブを制御するための小型リニアアクチュエータが開示されている。これらは、コイルを巻回されたシリンダ状の固定子の管状内部に永久磁石を取り付けた可動子を挿入し、該コイルに流れる電流を制御することで管状内部に形成される電磁場を変化させて可動子を断続的に直線往復運動させている。
【０００４】
ところで、リニアアクチュエータの出力軸のストローク幅全体に亘って推力を安定させ、すなわち一定の推力を出力し得るなら、出力軸に接続される装置を出力軸のストローク位置に合わせて設計しその配置を考慮する必要がなくなる。つまり、このようなリニアアクチュエータによれば、既存の装置であってもその制御性を高めつつ安定性をも高め得るのである。
【０００５】
ここで、上記したように電磁場を制御して可動子を直線往復運動させるリニアアクチュエータと類似の構造を有するリニアモータ、すなわち、電磁場を制御して可動子を連続的に直線運動させるリニアモータがある。かかるリニアモータであれば、運動方向に並ぶ電磁界の幅を小さく複数設けて電磁界を細かく制御することで出力部の推力を運動方向に沿って安定させ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−７８３１０号公報
【特許文献２】特開２００７−５６７７７号公報
【特許文献３】特開２００７−５６７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高速での運動を要求される産業分野で使用される小型リニアアクチュエータでは、運動方向に並ぶ電磁界の幅を小さくして電磁界を細かく制御し可動子（出力軸）の推力を運動方向に沿って安定させ得るが、その制御のための小型化が難しい。特に、数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータであれば、このように電磁界の幅を小さくして複数設けること自体も困難である。
【０００８】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高速で直線往復運動を与える数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与え得るリニアアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるリニアアクチュエータは、互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片を配置し、これを該平面に平行な１つの移動軸に沿って往復動せしめて出力を得るリニアアクチュエータであって、前記第１ヨークから前記第２ヨークへ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石と、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第１ヨークの周囲に巻回した第１コイルと、前記第１コイルと前記間隙を挟んで配置され、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第２ヨークの周囲に巻回した第２コイルと、を含み、前記平板状可動片を前記第１コイル及び前記第２コイルの間に配置して、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記磁力線を前記移動軸に沿って互いに逆方向となるように前記第１コイル及び前記第２コイルに電流を与えて前記平板状可動片を前記移動軸に沿って往復動せしめることを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に透磁率の高い軟磁性体からなる平板状可動片を配置することで、該間隙内に磁束を効率的に導いて高い推力を出力し得る。その上で、平板状可動片を該平面に平行な１つの移動軸に沿って互いの距離を一定にして往復動せしめることで、出力軸のストローク幅全体に亘って推力を安定して得られる。すなわち、高速運動を要求されるリニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与えることができるのである。
【００１１】
また、上記発明において、前記永久磁石は前記移動軸に沿った前記第１ヨークの両端部にＮ極を突き合わして配置された平板状の第１及び第２の永久磁石と、前記移動軸に沿った前記第２ヨークの両端部にＳ極を突き合わして配置された平板状の第３及び第４の永久磁石とからなり、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石のＳ極と前記第３の永久磁石のＮ極と、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石のＳ極と前記第４の永久磁石のＮ極と、を連絡するように第３ヨーク及び第４ヨークがそれぞれ設けられることを特徴としてもよい。
【００１２】
かかる発明によれば、軟磁性体からなる平板状可動片を配置した間隙内に磁束を形成するよう第１及び第２の永久磁石が配置されて、永久磁石の着磁方向とコイルの励磁方向が同じ方向となるようにこれらを配置したにもかかわらず、第1コイルの起磁力を小さくしても出力軸の推力を得られるから、各永久磁石での消磁を抑制できる。同様に、全ての永久磁石においても消磁を抑制できる。つまり、第1乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１３】
さらに、上記発明において、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石の距離、及び、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石と第４の永久磁石の距離が少なくとも前記間隙よりも大なる距離であることを特徴としてもよい。
【００１４】
かかる発明によれば、第1ヨークを挟んで第１及び第３、また第２及び第４の永久磁石の同極を突き合わせたにもかかわらず、磁束は第１ヨーク及び第２ヨークの間隙を通るから、これら永久磁石の間での消磁を抑制できる。つまり、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１５】
また、上記発明において、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、前記移動軸に沿った同位置で前記間隙を挟んで対向する前記平面の一対からなるティース対を２組有し、前記ティース対の間の前記第１ヨーク及び前記第２ヨークにそれぞれ第１コイル及び第２コイルが巻回されることを特徴としてもよい。
【００１６】
かかる発明によれば、ティースと第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内の磁束を安定させて出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１７】
さらに、上記発明において、前記間隙内に前記平板状可動片を配置し且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記平板状可動片、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴としてもよい。
【００１８】
かかる発明によれば、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１９】
前記間隙内から前記平板状可動片を取り除き且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴としてもよい。
【００２０】
かかる発明によれば、平板状可動片を間隙に配置しない時においても永久磁石同士による減磁をより抑制でき、組み立て工程が容易となる。そして、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００２１】
さらに、上記発明において、前記平板状可動片は、前記移動軸に沿って伸びるエンジンバルブシャフトと連結されていることを特徴としてもよい。
【００２２】
かかる発明によれば、高速運動を要求される小型リニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与えることができるから、エンジンバルブをより容易に安定して制御できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例であるリニアアクチュエータ全体の斜視図である。
【図２】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図３】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の正面図である。
【図４】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図５】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図６】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの断面図である。
【図７】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の１つの実施例である小型リニアアクチュエータについて、ここでは自動車エンジン用電磁駆動バルブに適用した例を詳説する。自動車エンジン用電磁駆動バルブでは、エンジン回転数やアクセル操作に応じてリフト量や開閉タイミングを変更できることが要求され、これに適用される小型リニアアクチュエータにおいては出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して出力できることなどを求められる。
【００２５】
図１及び図２に示すように、リニアアクチュエータ１００は、同一形状の第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２と、同一形状の第３ヨーク１３及び第４ヨーク１４と、矩形状の第１永久磁石２１、第２永久磁石２２、第３永久磁石２３及び第４永久磁石２４と、第１コイル３１及び第２コイル３２とを含み、更に平板状可動片５１と、シャフト５２とを含む。出力軸であるシャフト５２の先端には、被制御対象である自動車エンジンのエンジンバルブ５３が連結される。ここで、シャフト５２の往復動する方向をＸ軸方向とし、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の主面をよぎる方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸と直行する方向をＺ軸方向とし、各軸の正方向を図１の矢印に示す通りとする。なお、図１では、第４ヨークからシャフト５２が突出する以前の状態、すなわちエンジンバルブの閉まった状態を図示している。
【００２６】
図３に併せて示すように、第１ヨーク１１は、Ｘ軸方向中央部において角材の上面からこれと平行な底面１１ａ−１を露出させるように削除して、正面視（Ｙ軸・正方向）してこの底面１１ａ−１の左右両端部へ向けて連続して上方に傾斜する傾斜面１１ａ−２を露出させるように削除した上部削除部を有する。更に、第１ヨーク１１は、正面視（Ｙ軸・正方向）して角材の下両角部を削除した左右角削除面１１ｂを与えられて、その上方に略矩形の側面１１ｂ−１を有する。また、第１ヨーク１１は、角材の底面からＹ軸方向に伸びる矩形溝である中央削除部（凹部）１１６を有する。この凹部１１６の両側には磁束密度を高めるためのティース１１１及び１１２が実質的に形成される。なお、第２ヨーク１２は、第１ヨーク１１と同一形状を有し、図示しないが、第1ヨーク１１と対応する凹部１２６、左右角削除面１２ｂ、側面１２ｂ−１などを有する。この第２ヨーク１２は、平板状可動片５１をその間に配して第１ヨーク１１と鏡像関係になるように対向して配置される。
【００２７】
再び、図１及び図２に示すように、第１ヨーク１１の凹部１１６には、磁束をＸ軸方向に形成するように長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第１コイル３１が巻回される。また、第２ヨーク１２の凹部１２６には、磁束をＸ軸方向に形成するように長手方向に沿って第２コイル３２が巻回される。なお、後述するように、第１コイル３１により形成される磁束と第２コイル３２により形成される磁束とがＸ軸方向において互いに逆向きとなるように、図示しない電流供給装置によってこれらに電流が供給される。
【００２８】
第１ヨーク１１のＸ軸方向両端部の略矩形の側面１１ｂ−１（図３参照）には、この形状に合わせて平板状で略矩形の第１永久磁石２１及び第２永久磁石２２が互いにＮ極同士を突き合わして、すなわち、第１ヨーク１１を挟んで対向している。また、第２ヨーク１２のＸ軸方向両端部の略矩形の側面１２ｂ−１（図示せず）には、端部形状に合わせて平板状で略矩形の第３永久磁石２３及び第４永久磁石２４が互いにＳ極同士を突き合わして、すなわち、第２ヨーク１２を挟んで対向している。
【００２９】
図４に併せて示すように、第３ヨーク１３は、三角柱１３ａを１つの側面１３ａ−１と並行な面１３ａ−２で切ったような形状、すなわち、ＸＺ平面で台形の側面１３ａ−３を有する台体形状である。側面１３ａ−１は、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２とそれぞれ第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３を間に挟んで対向する。また、第３ヨーク１３と同一形状を有する第４ヨーク１４は、やはりその側面を第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２とそれぞれ第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４を間に挟んで対向させている。
【００３０】
ここで、第１ヨーク１１、第２ヨーク１２、第３ヨーク１３及び第４ヨーク１４は、いずれも飽和磁束密度の高い軟磁性体からなり、例えば、パーメンジュールからなる。また、１つの例として、永久磁石２１、２２、２３及び２４を含むヨーク１１、１２、１３及び１４の概寸は、幅（Ｘ方向）約８０［ｍｍ］、奥行き（Ｙ方向）約４０［ｍｍ］、高さ（Ｚ方向）約６６［ｍｍ］である。
【００３１】
図５に示すように、可動子の一部を構成する平板状可動片５１は、飽和磁束密度の高い軟磁性体からなり、例えば、パーメンジュールの平板からなり、Ｚ軸方向から見て矩形形状である。平板状可動片５１は、第１ヨーク１１のティース１１１及び１１２並びに第２ヨーク１２のティース１２１及び１２２の間に配置され、故に、少なくとも第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２のこれら間隙よりも薄い板状体である。１つの例としてこの厚さは、６［ｍｍ］である。平板状可動片５１の一端には角材からなるシャフト５２が連結され、シャフト５２の先端には適宜、リニアアクチュエータにより制御若しくは駆動を行う被制御装置の一部が係合するが、ここではバルブ５３が取り付けられる。
【００３２】
ところで、図１及び図６に示すようにアクチュエータ１００のストロークの一端であるバルブ５３が閉まった状態において、平板状可動片５１はティース１１１及びティース１２１側に位置し、正面視（Ｙ軸・正方向）してその左端部は、第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙幅が拡がる部分（左右角削除面１１ｂ及び１２ｂに該当。図３参照。）に配置され、可動片５１の右端部は、第１コイル３１とティース１１２の境界部１１８からティース１１２及び１２２に向けて多少突出するよう配置される。なお、間隙幅が拡がる部分の上下方向の最大距離は第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３との上下方向の距離となるが、この距離は上記した第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙よりも少なくとも大である。
【００３３】
一方で、図示はしないが、同様に、アクチュエータ１００のストロークの他端であるバルブが完全に開いた状態において、平板状可動片５１は、ティース１１２及びティース１２２の間に位置する。可動片５１の左端部は、第１コイル３１とティース１１１の境界部１１７からティース１１１及び１２１に向けて多少突出するよう配置され、可動片５１の右端部は、第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙幅が変化する部分（左右角削除面１１ｂ及び１２ｂに該当。図３参照。）に配置される。なお、ここでも間隙幅が拡がる部分の最大距離は第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４との上下方向の距離となるが、この距離は上記した第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙よりも少なくとも大である。
【００３４】
角材からなるシャフト５２は、第４ヨーク１４の中央部に設けられた矩形断面の貫通孔１４１を通り（図１及び図２参照）、その端部にはバルブ５３が連結されて、バルブ５３はＸ軸方向に往復運動し得るのである。
【００３５】
ここで、本実施例の作動原理について説明する。図６の断面図に示すように、無励磁状態、すなわち第１コイル３１と第２コイル３２に電流を流さない場合、リニアアクチュエータ１００の一側には、第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３により、第１永久磁石２１のＮ極、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１、第２ヨーク１２の一側部１２３、第３永久磁石２３のＳ極、第３永久磁石２３のＮ極、第３ヨーク１３及び第１永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ１で磁路が形成される。
【００３６】
また、リニアアクチュエータ１００の他側には、第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４により、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４、第４永久磁石２４のＳ極、第４永久磁石２４のＮ極、第４ヨーク１４及び第２永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ２で磁路が形成される。
【００３７】
ところで、上記した２つの磁路は平板状可動片５１を第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙内に配置して形成されるが、平板状可動片５１が配置されないときにあっても形成されることが好ましい。つまり、ヨーク１１乃至１４、及び、永久磁石２１乃至２４からなるアセンブリを形成した時点でも永久磁石２１乃至２４同士の減磁をほとんど生じず、これらの消磁を抑制できる。つまり、永久磁石２１乃至２４の組み付け等においてリニアアクチュエータ１００の製造が容易となるのである。
【００３８】
次に、図７の断面図に示すように、第１ヨーク１１の中央部１１５にＸ軸正方向に磁束が流れるように第１コイル３１に電流を流すとともに、第２ヨーク１２の中央部１２５にＸ軸負方向に磁束が流れるように第２コイル３２に電流を流す場合、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１、第２ヨーク１２の一側部１２３の順に形成される磁路と、第１コイル３１及び第２コイル３２により形成される磁路とは、その流れる方向が逆となり磁束成分が打ち消される。
【００３９】
従って、リニアアクチュエータ１００の一側には、第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３による磁束並びに第１コイル３１及び第２コイル３２による磁束により、第１永久磁石２１のＮ極、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１の中央部１１５、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の中央部１２５、第２ヨーク１２の一側部１２３、第３永久磁石２３のＳ極、第３永久磁石２３のＮ極、第３ヨーク１３、第１永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ１’で磁路が形成される。
【００４０】
また、リニアアクチュエータ１００の他側には、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４の順に磁路が形成され、第１コイル３１及び第２コイル３２により形成される磁路とは、その流れる方向が一致する。
【００４１】
従って、リニアアクチュエータ１００の他側には、無励磁状態のときと同様に、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４、第４永久磁石２４のＳ極、第４永久磁石２４のＮ極、第４ヨーク１４及び第２永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ２’で磁路が形成される。
【００４２】
第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１に至る磁路の磁束成分が打ち消され、また、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２に至る磁路の磁束成分が加勢される結果、平板状可動片５１に対して、Ｘ軸正方向への推力を発生せしめるのである。
【００４３】
第１コイル３１及び第２コイル３２の起磁力は、ティース１１２に向けて直接流れるよう形成されるから、これを小さくしても平板状可動片５１の推力を得られる。つまり、第１コイル３１及び第２コイル３２の起磁力による永久磁石からの磁力の減磁、すなわち、永久磁石の消磁、特に、第２永久磁石２２の消磁を抑制できるのである。
【００４４】
逆に、第１ヨーク１１の中央部１１５にＸ軸負方向に磁束が流れるように第１コイル３１に電流を流すと共に、第２ヨーク１２の中央部１２５にＸ軸正方向に磁束が流れるように第２コイル３２に電流を流せば、平板状可動片５１に対して、Ｘ軸負方向への推力を発生せしめるのである（図示せず）。
【００４５】
ここで、永久磁石の起磁力を１０００［ｋＡ／ｍ］、第１コイル及び第２コイルの巻き数を２００として、平板状可動片５１に対する推力についての磁場解析を行った。すると、出力軸に与えられるストローク平均推力は３３８［Ｎ］、最大推力は３６８［Ｎ］、最小推力は２４７［Ｎ］との結果を得た。つまり、最大推力と最小推力との差は１２１［Ｎ］であり、ストローク平均推力の約３６％に相当する。
【００４６】
これに対して、背景技術で参照した特許文献（特開２００７−５６７７７号公報）に開示のリニアアクチュエータにおいて、本実施例によるリニアアクチュエータ１００とアンペアターン（コイルに流れる電流とコイルの巻数との積）を同一にして同様の磁場解析を行った。すると、ストローク平均推力は２０４［Ｎ］、最大推力は３０４［Ｎ］、最小推力は１３１［Ｎ］との解析結果を得た。つまり、最大推力と最小推力との差は１７３［Ｎ］であり、ストローク平均推力の約８５％に相当する。
【００４７】
このように本実施例によるリニアアクチュエータでは、上記した特許文献（特開２００７−５６７７７号公報）に開示のリニアアクチュエータよりも高い推力を与えることができ、さらに出力軸のストローク幅全体に亘って均一な推力を与えることができる。つまり、より大なる平均推力及びより均一な推力を与え得る。
【００４８】
なお、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２に配設される永久磁石２１、２２、２３及び２４の着磁方向と同方向に、コイル３１及び３２により励磁された磁束が流れる。にもかかわらず、コイルによる磁束と永久磁石による磁束とを有効に第1ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間の間隙に与えることができ、高推力化が図れ得ることから、励磁された磁束は小さくて済み、結果として、永久磁石の消磁を抑制できるのである。
【００４９】
また、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、永久磁石が第1ヨーク１１及び第２ヨーク１２などからなる固定子側に配設されているため、永久磁石を大型化し易く起磁力を増大させ得る。故に、平板状可動片５１及びシャフト５２の重量増を招くことなく、推力の増大を図ることができる。また、平板状可動片５１をより薄くすることが出来て、これを含む可動子の軽量化を図り、高速応答性の向上をも図り得る。
【００５０】
さらに、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、可動片５１を含む可動子の往復運動は、第４ヨーク１４の中央部に設けられた貫通孔１４１のみで規制できる。すなわち、平板状可動片５１は永久磁石を有さず小なる質量であるため、可動片５１の両端にシャフトを延出させてこれを支持する必要がなく、このような軽量の可動子によりアクチュエータの高速応答性の向上が図れるのである。また、従来のアクチュエータのように、長い出力軸の両端部を支持するスラスト軸受を固定部側に少なくとも２つ設ける必要もなく、シャフト５２の軽量化できる。なお、可動子の往復運動をより安定させるため、平板状可動片５１のＹ軸に直交する両側面にこれを支持するリニアスライダー等を設けても良い。
【００５１】
以上、本発明によれば、上記した実施例の如く、数センチ以下のストローク幅で比較的高い推力を出力できる小型リニアアクチュエータが提供される。かかる小型リニアアクチュエータは、自動車エンジン用電磁駆動バルブに限定されず、例えば、各種ガス弁の開閉装置、配電板の回路遮断装置、及び、家庭用電気機器の駆動装置など多くの分野で使用され得る。
【００５２】
ここまで本発明による代表的な実施例を述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 第１ヨーク
１２ 第２ヨーク
１３ 第３ヨーク
１４ 第４ヨーク
２１ 第１永久磁石
２２ 第２永久磁石
２３ 第３永久磁石
２４ 第４永久磁石
３１ 第１コイル
３２ 第２コイル
５１ 平板状可動片
１００ リニアアクチュエータ
１１１、１１２ 第１ヨークのティース
１２１、１２２ 第２ヨークのティース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速で直線往復運動を与える数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータに関し、特に出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与え得るリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
数センチ以下のストローク幅で比較的高い推力を出力できる小型リニアアクチュエータがガス弁の開閉装置、配電板の回路遮断装置、家庭用電気機器の駆動装置など多くの分野で使用されている。例えば、特許文献１は、電気かみそりや電動歯ブラシの駆動部に使用される小型リニアアクチュエータを開示している。永久磁石を含むとともにコイルを巻回されたシリンダ状の固定子の管状内部に円柱状の軟磁性体からなる可動子を挿入し、該コイルに流れる電流を制御することで永久磁石によって管状内部に形成される磁場を変化させて可動子を直線往復運動させている。
【０００３】
また、上記したような小型アクチュエータは、自動車の付属装置だけを見ても、吸排気系、燃料系、駆動系などの多くの装置で使用されている。例えば、特許文献２及び３では、自動車用エンジンの吸排気バルブを制御するための小型リニアアクチュエータが開示されている。これらは、コイルを巻回されたシリンダ状の固定子の管状内部に永久磁石を取り付けた可動子を挿入し、該コイルに流れる電流を制御することで管状内部に形成される電磁場を変化させて可動子を断続的に直線往復運動させている。
【０００４】
ところで、リニアアクチュエータの出力軸のストローク幅全体に亘って推力を安定させ、すなわち一定の推力を出力し得るなら、出力軸に接続される装置を出力軸のストローク位置に合わせて設計しその配置を考慮する必要がなくなる。つまり、このようなリニアアクチュエータによれば、既存の装置であってもその制御性を高めつつ安定性をも高め得るのである。
【０００５】
ここで、上記したように電磁場を制御して可動子を直線往復運動させるリニアアクチュエータと類似の構造を有するリニアモータ、すなわち、電磁場を制御して可動子を連続的に直線運動させるリニアモータがある。かかるリニアモータであれば、運動方向に並ぶ電磁界の幅を小さく複数設けて電磁界を細かく制御することで出力部の推力を運動方向に沿って安定させ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−７８３１０号公報
【特許文献２】特開２００７−５６７７７号公報
【特許文献３】特開２００７−５６７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高速での運動を要求される産業分野で使用される小型リニアアクチュエータでは、運動方向に並ぶ電磁界の幅を小さくして電磁界を細かく制御し可動子（出力軸）の推力を運動方向に沿って安定させ得るが、その制御のための小型化が難しい。特に、数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータであれば、このように電磁界の幅を小さくして複数設けること自体も困難である。
【０００８】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高速で直線往復運動を与える数センチ以下のストローク幅の小型リニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与え得るリニアアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるリニアアクチュエータは、互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片を配置し、これを該平面に平行な１つの移動軸に沿って往復動せしめて出力を得るリニアアクチュエータであって、前記第１ヨークから前記第２ヨークへ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石と、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第１ヨークの周囲に巻回した第１コイルと、前記第１コイルと前記間隙を挟んで配置され、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第２ヨークの周囲に巻回した第２コイルと、を含み、前記平板状可動片を前記第１コイル及び前記第２コイルの間に配置して、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記磁力線を前記移動軸に沿って互いに逆方向となるように前記第１コイル及び前記第２コイルに電流を与えて前記平板状可動片を前記移動軸に沿って往復動せしめることを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に透磁率の高い軟磁性体からなる平板状可動片を配置することで、該間隙内に磁束を効率的に導いて高い推力を出力し得る。その上で、平板状可動片を該平面に平行な１つの移動軸に沿って互いの距離を一定にして往復動せしめることで、出力軸のストローク幅全体に亘って推力を安定して得られる。すなわち、高速運動を要求されるリニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与えることができるのである。
【００１１】
また、上記発明において、前記永久磁石は前記移動軸に沿った前記第１ヨークの両端部にＮ極を突き合わして配置された平板状の第１及び第２の永久磁石と、前記移動軸に沿った前記第２ヨークの両端部にＳ極を突き合わして配置された平板状の第３及び第４の永久磁石とからなり、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石のＳ極と前記第３の永久磁石のＮ極と、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石のＳ極と前記第４の永久磁石のＮ極と、を連絡するように第３ヨーク及び第４ヨークがそれぞれ設けられることを特徴としてもよい。
【００１２】
かかる発明によれば、軟磁性体からなる平板状可動片を配置した間隙内に磁束を形成するよう第１及び第２の永久磁石が配置されて、永久磁石の着磁方向とコイルの励磁方向が同じ方向となるようにこれらを配置したにもかかわらず、第1コイルの起磁力を小さくしても出力軸の推力を得られるから、各永久磁石での消磁を抑制できる。同様に、全ての永久磁石においても消磁を抑制できる。つまり、第1乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１３】
さらに、上記発明において、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石の距離、及び、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石と第４の永久磁石の距離が少なくとも前記間隙よりも大なる距離であることを特徴としてもよい。
【００１４】
かかる発明によれば、第1ヨークを挟んで第１及び第３、また第２及び第４の永久磁石の同極を突き合わせたにもかかわらず、磁束は第１ヨーク及び第２ヨークの間隙を通るから、これら永久磁石の間での消磁を抑制できる。つまり、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１５】
また、上記発明において、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、前記移動軸に沿った同位置で前記間隙を挟んで対向する前記平面の一対からなるティース対を２組有し、前記ティース対の間の前記第１ヨーク及び前記第２ヨークにそれぞれ第１コイル及び第２コイルが巻回されることを特徴としてもよい。
【００１６】
かかる発明によれば、ティースと第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内の磁束を安定させて出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１７】
さらに、上記発明において、前記間隙内に前記平板状可動片を配置し且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記平板状可動片、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴としてもよい。
【００１８】
かかる発明によれば、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００１９】
前記間隙内から前記平板状可動片を取り除き且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴としてもよい。
【００２０】
かかる発明によれば、平板状可動片を間隙に配置しない時においても永久磁石同士による減磁をより抑制でき、組み立て工程が容易となる。そして、第１乃至第４の永久磁石からの磁束を効率的に第１ヨーク及び第２ヨークの間隙に導き、安定して出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を与えることができるのである。
【００２１】
さらに、上記発明において、前記平板状可動片は、前記移動軸に沿って伸びるエンジンバルブシャフトと連結されていることを特徴としてもよい。
【００２２】
かかる発明によれば、高速運動を要求される小型リニアアクチュエータにおいて、出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して与えることができるから、エンジンバルブをより容易に安定して制御できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例であるリニアアクチュエータ全体の斜視図である。
【図２】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図３】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の正面図である。
【図４】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図５】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの要部の斜視図である。
【図６】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの断面図である。
【図７】本発明の実施例であるリニアアクチュエータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の１つの実施例である小型リニアアクチュエータについて、ここでは自動車エンジン用電磁駆動バルブに適用した例を詳説する。自動車エンジン用電磁駆動バルブでは、エンジン回転数やアクセル操作に応じてリフト量や開閉タイミングを変更できることが要求され、これに適用される小型リニアアクチュエータにおいては出力軸のストローク幅全体に亘って高い推力を安定して出力できることなどを求められる。
【００２５】
図１及び図２に示すように、リニアアクチュエータ１００は、同一形状の第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２と、同一形状の第３ヨーク１３及び第４ヨーク１４と、矩形状の第１永久磁石２１、第２永久磁石２２、第３永久磁石２３及び第４永久磁石２４と、第１コイル３１及び第２コイル３２とを含み、更に平板状可動片５１と、シャフト５２とを含む。出力軸であるシャフト５２の先端には、被制御対象である自動車エンジンのエンジンバルブ５３が連結される。ここで、シャフト５２の往復動する方向をＸ軸方向とし、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の主面をよぎる方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸と直行する方向をＺ軸方向とし、各軸の正方向を図１の矢印に示す通りとする。なお、図１では、第４ヨークからシャフト５２が突出する以前の状態、すなわちエンジンバルブの閉まった状態を図示している。
【００２６】
図３に併せて示すように、第１ヨーク１１は、Ｘ軸方向中央部において角材の上面からこれと平行な底面１１ａ−１を露出させるように削除して、正面視（Ｙ軸・正方向）してこの底面１１ａ−１の左右両端部へ向けて連続して上方に傾斜する傾斜面１１ａ−２を露出させるように削除した上部削除部を有する。更に、第１ヨーク１１は、正面視（Ｙ軸・正方向）して角材の下両角部を削除した左右角削除面１１ｂを与えられて、その上方に略矩形の側面１１ｂ−１を有する。また、第１ヨーク１１は、角材の底面からＹ軸方向に伸びる矩形溝である中央削除部（凹部）１１６を有する。この凹部１１６の両側には磁束密度を高めるためのティース１１１及び１１２が実質的に形成される。なお、第２ヨーク１２は、第１ヨーク１１と同一形状を有し、図示しないが、第1ヨーク１１と対応する凹部１２６、左右角削除面１２ｂ、側面１２ｂ−１などを有する。この第２ヨーク１２は、平板状可動片５１をその間に配して第１ヨーク１１と鏡像関係になるように対向して配置される。
【００２７】
再び、図１及び図２に示すように、第１ヨーク１１の凹部１１６には、磁束をＸ軸方向に形成するように長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第１コイル３１が巻回される。また、第２ヨーク１２の凹部１２６には、磁束をＸ軸方向に形成するように長手方向に沿って第２コイル３２が巻回される。なお、後述するように、第１コイル３１により形成される磁束と第２コイル３２により形成される磁束とがＸ軸方向において互いに逆向きとなるように、図示しない電流供給装置によってこれらに電流が供給される。
【００２８】
第１ヨーク１１のＸ軸方向両端部の略矩形の側面１１ｂ−１（図３参照）には、この形状に合わせて平板状で略矩形の第１永久磁石２１及び第２永久磁石２２が互いにＮ極同士を突き合わして、すなわち、第１ヨーク１１を挟んで対向している。また、第２ヨーク１２のＸ軸方向両端部の略矩形の側面１２ｂ−１（図示せず）には、端部形状に合わせて平板状で略矩形の第３永久磁石２３及び第４永久磁石２４が互いにＳ極同士を突き合わして、すなわち、第２ヨーク１２を挟んで対向している。
【００２９】
図４に併せて示すように、第３ヨーク１３は、三角柱１３ａを１つの側面１３ａ−１と並行な面１３ａ−２で切ったような形状、すなわち、ＸＺ平面で台形の側面１３ａ−３を有する台体形状である。側面１３ａ−１は、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２とそれぞれ第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３を間に挟んで対向する。また、第３ヨーク１３と同一形状を有する第４ヨーク１４は、やはりその側面を第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２とそれぞれ第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４を間に挟んで対向させている。
【００３０】
ここで、第１ヨーク１１、第２ヨーク１２、第３ヨーク１３及び第４ヨーク１４は、いずれも飽和磁束密度の高い軟磁性体からなり、例えば、パーメンジュールからなる。また、１つの例として、永久磁石２１、２２、２３及び２４を含むヨーク１１、１２、１３及び１４の概寸は、幅（Ｘ方向）約８０［ｍｍ］、奥行き（Ｙ方向）約４０［ｍｍ］、高さ（Ｚ方向）約６６［ｍｍ］である。
【００３１】
図５に示すように、可動子の一部を構成する平板状可動片５１は、飽和磁束密度の高い軟磁性体からなり、例えば、パーメンジュールの平板からなり、Ｚ軸方向から見て矩形形状である。平板状可動片５１は、第１ヨーク１１のティース１１１及び１１２並びに第２ヨーク１２のティース１２１及び１２２の間に配置され、故に、少なくとも第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２のこれら間隙よりも薄い板状体である。１つの例としてこの厚さは、６［ｍｍ］である。平板状可動片５１の一端には角材からなるシャフト５２が連結され、シャフト５２の先端には適宜、リニアアクチュエータにより制御若しくは駆動を行う被制御装置の一部が係合するが、ここではバルブ５３が取り付けられる。
【００３２】
ところで、図１及び図６に示すようにアクチュエータ１００のストロークの一端であるバルブ５３が閉まった状態において、平板状可動片５１はティース１１１及びティース１２１側に位置し、正面視（Ｙ軸・正方向）してその左端部は、第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙幅が拡がる部分（左右角削除面１１ｂ及び１２ｂに該当。図３参照。）に配置され、可動片５１の右端部は、第１コイル３１とティース１１２の境界部１１８からティース１１２及び１２２に向けて多少突出するよう配置される。なお、間隙幅が拡がる部分の上下方向の最大距離は第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３との上下方向の距離となるが、この距離は上記した第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙よりも少なくとも大である。
【００３３】
一方で、図示はしないが、同様に、アクチュエータ１００のストロークの他端であるバルブが完全に開いた状態において、平板状可動片５１は、ティース１１２及びティース１２２の間に位置する。可動片５１の左端部は、第１コイル３１とティース１１１の境界部１１７からティース１１１及び１２１に向けて多少突出するよう配置され、可動片５１の右端部は、第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙幅が変化する部分（左右角削除面１１ｂ及び１２ｂに該当。図３参照。）に配置される。なお、ここでも間隙幅が拡がる部分の最大距離は第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４との上下方向の距離となるが、この距離は上記した第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間隙よりも少なくとも大である。
【００３４】
角材からなるシャフト５２は、第４ヨーク１４の中央部に設けられた矩形断面の貫通孔１４１を通り（図１及び図２参照）、その端部にはバルブ５３が連結されて、バルブ５３はＸ軸方向に往復運動し得るのである。
【００３５】
ここで、本実施例の作動原理について説明する。図６の断面図に示すように、無励磁状態、すなわち第１コイル３１と第２コイル３２に電流を流さない場合、リニアアクチュエータ１００の一側には、第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３により、第１永久磁石２１のＮ極、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１、第２ヨーク１２の一側部１２３、第３永久磁石２３のＳ極、第３永久磁石２３のＮ極、第３ヨーク１３及び第１永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ１で磁路が形成される。
【００３６】
また、リニアアクチュエータ１００の他側には、第２永久磁石２２及び第４永久磁石２４により、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４、第４永久磁石２４のＳ極、第４永久磁石２４のＮ極、第４ヨーク１４及び第２永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ２で磁路が形成される。
【００３７】
ところで、上記した２つの磁路は平板状可動片５１を第１ヨーク１１と第２ヨーク１２の間隙内に配置して形成されるが、平板状可動片５１が配置されないときにあっても形成されることが好ましい。つまり、ヨーク１１乃至１４、及び、永久磁石２１乃至２４からなるアセンブリを形成した時点でも永久磁石２１乃至２４同士の減磁をほとんど生じず、これらの消磁を抑制できる。つまり、永久磁石２１乃至２４の組み付け等においてリニアアクチュエータ１００の製造が容易となるのである。
【００３８】
次に、図７の断面図に示すように、第１ヨーク１１の中央部１１５にＸ軸正方向に磁束が流れるように第１コイル３１に電流を流すとともに、第２ヨーク１２の中央部１２５にＸ軸負方向に磁束が流れるように第２コイル３２に電流を流す場合、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１、第２ヨーク１２の一側部１２３の順に形成される磁路と、第１コイル３１及び第２コイル３２により形成される磁路とは、その流れる方向が逆となり磁束成分が打ち消される。
【００３９】
従って、リニアアクチュエータ１００の一側には、第１永久磁石２１及び第３永久磁石２３による磁束並びに第１コイル３１及び第２コイル３２による磁束により、第１永久磁石２１のＮ極、第１ヨーク１１の一側部１１３、第１ヨーク１１の中央部１１５、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の中央部１２５、第２ヨーク１２の一側部１２３、第３永久磁石２３のＳ極、第３永久磁石２３のＮ極、第３ヨーク１３、第１永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ１’で磁路が形成される。
【００４０】
また、リニアアクチュエータ１００の他側には、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４の順に磁路が形成され、第１コイル３１及び第２コイル３２により形成される磁路とは、その流れる方向が一致する。
【００４１】
従って、リニアアクチュエータ１００の他側には、無励磁状態のときと同様に、第２永久磁石２２のＮ極、第１ヨーク１１の他側部１１４、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２、第２ヨーク１２の他側部１２４、第４永久磁石２４のＳ極、第４永久磁石２４のＮ極、第４ヨーク１４及び第２永久磁石２１のＳ極を、この順に結ぶループＬ２’で磁路が形成される。
【００４２】
第１ヨーク１１のティース１１１、平板状可動片５１、第２ヨーク１２のティース１２１に至る磁路の磁束成分が打ち消され、また、第１ヨーク１１のティース１１２、間隙部１５４、第２ヨーク１２のティース１２２に至る磁路の磁束成分が加勢される結果、平板状可動片５１に対して、Ｘ軸正方向への推力を発生せしめるのである。
【００４３】
第１コイル３１及び第２コイル３２の起磁力は、ティース１１２に向けて直接流れるよう形成されるから、これを小さくしても平板状可動片５１の推力を得られる。つまり、第１コイル３１及び第２コイル３２の起磁力による永久磁石からの磁力の減磁、すなわち、永久磁石の消磁、特に、第２永久磁石２２の消磁を抑制できるのである。
【００４４】
逆に、第１ヨーク１１の中央部１１５にＸ軸負方向に磁束が流れるように第１コイル３１に電流を流すと共に、第２ヨーク１２の中央部１２５にＸ軸正方向に磁束が流れるように第２コイル３２に電流を流せば、平板状可動片５１に対して、Ｘ軸負方向への推力を発生せしめるのである（図示せず）。
【００４５】
ここで、永久磁石の起磁力を１０００［ｋＡ／ｍ］、第１コイル及び第２コイルの巻き数を２００として、平板状可動片５１に対する推力についての磁場解析を行った。すると、出力軸に与えられるストローク平均推力は３３８［Ｎ］、最大推力は３６８［Ｎ］、最小推力は２４７［Ｎ］との結果を得た。つまり、最大推力と最小推力との差は１２１［Ｎ］であり、ストローク平均推力の約３６％に相当する。
【００４６】
これに対して、背景技術で参照した特許文献（特開２００７−５６７７７号公報）に開示のリニアアクチュエータにおいて、本実施例によるリニアアクチュエータ１００とアンペアターン（コイルに流れる電流とコイルの巻数との積）を同一にして同様の磁場解析を行った。すると、ストローク平均推力は２０４［Ｎ］、最大推力は３０４［Ｎ］、最小推力は１３１［Ｎ］との解析結果を得た。つまり、最大推力と最小推力との差は１７３［Ｎ］であり、ストローク平均推力の約８５％に相当する。
【００４７】
このように本実施例によるリニアアクチュエータでは、上記した特許文献（特開２００７−５６７７７号公報）に開示のリニアアクチュエータよりも高い推力を与えることができ、さらに出力軸のストローク幅全体に亘って均一な推力を与えることができる。つまり、より大なる平均推力及びより均一な推力を与え得る。
【００４８】
なお、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２に配設される永久磁石２１、２２、２３及び２４の着磁方向と同方向に、コイル３１及び３２により励磁された磁束が流れる。にもかかわらず、コイルによる磁束と永久磁石による磁束とを有効に第1ヨーク１１及び第２ヨーク１２の間の間隙に与えることができ、高推力化が図れ得ることから、励磁された磁束は小さくて済み、結果として、永久磁石の消磁を抑制できるのである。
【００４９】
また、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、永久磁石が第1ヨーク１１及び第２ヨーク１２などからなる固定子側に配設されているため、永久磁石を大型化し易く起磁力を増大させ得る。故に、平板状可動片５１及びシャフト５２の重量増を招くことなく、推力の増大を図ることができる。また、平板状可動片５１をより薄くすることが出来て、これを含む可動子の軽量化を図り、高速応答性の向上をも図り得る。
【００５０】
さらに、本実施例にかかるリニアアクチュエータ１００では、可動片５１を含む可動子の往復運動は、第４ヨーク１４の中央部に設けられた貫通孔１４１のみで規制できる。すなわち、平板状可動片５１は永久磁石を有さず小なる質量であるため、可動片５１の両端にシャフトを延出させてこれを支持する必要がなく、このような軽量の可動子によりアクチュエータの高速応答性の向上が図れるのである。また、従来のアクチュエータのように、長い出力軸の両端部を支持するスラスト軸受を固定部側に少なくとも２つ設ける必要もなく、シャフト５２の軽量化できる。なお、可動子の往復運動をより安定させるため、平板状可動片５１のＹ軸に直交する両側面にこれを支持するリニアスライダー等を設けても良い。
【００５１】
以上、本発明によれば、上記した実施例の如く、数センチ以下のストローク幅で比較的高い推力を出力できる小型リニアアクチュエータが提供される。かかる小型リニアアクチュエータは、自動車エンジン用電磁駆動バルブに限定されず、例えば、各種ガス弁の開閉装置、配電板の回路遮断装置、及び、家庭用電気機器の駆動装置など多くの分野で使用され得る。
【００５２】
ここまで本発明による代表的な実施例を述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 第１ヨーク
１２ 第２ヨーク
１３ 第３ヨーク
１４ 第４ヨーク
２１ 第１永久磁石
２２ 第２永久磁石
２３ 第３永久磁石
２４ 第４永久磁石
３１ 第１コイル
３２ 第２コイル
５１ 平板状可動片
１００ リニアアクチュエータ
１１１、１１２ 第１ヨークのティース
１２１、１２２ 第２ヨークのティース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片を配置し、これを該平面に平行な１つの移動軸に沿って往復動せしめて出力を得るリニアアクチュエータであって、
前記第１ヨークから前記第２ヨークへ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石と、
前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第１ヨークの周囲に巻回した第１コイルと、
前記第１コイルと前記間隙を挟んで配置され、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第２ヨークの周囲に巻回した第２コイルと、を含み、
前記平板状可動片を前記第１コイル及び前記第２コイルの間に配置して、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記磁力線を前記移動軸に沿って互いに逆方向となるように前記第１コイル及び前記第２コイルに電流を与えて前記平板状可動片を前記移動軸に沿って往復動せしめることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記永久磁石は前記移動軸に沿った前記第１ヨークの両端部にＮ極を突き合わして配置された平板状の第１及び第２の永久磁石と、前記移動軸に沿った前記第２ヨークの両端部にＳ極を突き合わして配置された平板状の第３及び第４の永久磁石とからなり、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石のＳ極と前記第３の永久磁石のＮ極と、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石のＳ極と前記第４の永久磁石のＮ極と、を連絡するように第３ヨーク及び第４ヨークがそれぞれ設けられる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】
前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石の距離、及び、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石と第４の永久磁石の距離が少なくとも前記間隙よりも大なる距離であることを特徴とする請求項２記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、前記移動軸に沿った同位置で前記間隙を挟んで対向する前記平面の一対からなるティース対を２組有し、前記ティース対の間の前記第１ヨーク及び前記第２ヨークにそれぞれ第１コイル及び第２コイルが巻回されることを特徴とする請求項２又は３のうちの１つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記間隙内に前記平板状可動片を配置し且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記平板状可動片、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴とする請求項４記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記間隙内から前記平板状可動片を取り除き且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴とする請求項４記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記平板状可動片は、前記移動軸に沿って伸びるエンジンバルブシャフトと連結されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１】
互いの平面を平行にして突き合わされた第１ヨーク及び第２ヨークの間隙内にこれら平面に平行に軟磁性体からなる平板状可動片を配置し、これを該平面に平行な１つの移動軸に沿って往復動せしめて出力を得るリニアアクチュエータであって、
前記第１ヨークから前記第２ヨークへ向けた磁束を前記間隙内に形成するための永久磁石と、
前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第１ヨークの周囲に巻回した第１コイルと、
前記第１コイルと前記間隙を挟んで配置され、前記移動軸に沿った磁力線を形成するように前記第２ヨークの周囲に巻回した第２コイルと、を含み、
前記平板状可動片を前記第１コイル及び前記第２コイルの間に配置して、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記磁力線を前記移動軸に沿って互いに逆方向となるように前記第１コイル及び前記第２コイルに電流を与えて前記平板状可動片を前記移動軸に沿って往復動せしめることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記永久磁石は前記移動軸に沿った前記第１ヨークの両端部にＮ極を突き合わして配置された平板状の第１及び第２の永久磁石と、前記移動軸に沿った前記第２ヨークの両端部にＳ極を突き合わして配置された平板状の第３及び第４の永久磁石とからなり、前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石のＳ極と前記第３の永久磁石のＮ極と、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石のＳ極と前記第４の永久磁石のＮ極と、を連絡するように第３ヨーク及び第４ヨークがそれぞれ設けられる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】
前記移動軸に沿った同位置にある前記第１の永久磁石と前記第３の永久磁石の距離、及び、前記移動軸に沿った同位置にある前記第２の永久磁石と第４の永久磁石の距離が少なくとも前記間隙よりも大なる距離であることを特徴とする請求項２記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１ヨーク及び前記第２ヨークは、前記移動軸に沿った同位置で前記間隙を挟んで対向する前記平面の一対からなるティース対を２組有し、前記ティース対の間の前記第１ヨーク及び前記第２ヨークにそれぞれ第１コイル及び第２コイルが巻回されることを特徴とする請求項２又は３のうちの１つに記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記間隙内に前記平板状可動片を配置し且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記平板状可動片、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴とする請求項４記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記間隙内から前記平板状可動片を取り除き且つ前記第１コイル及び前記第２コイルに電流が流れていない状態で、前記第１コイル及び前記第２コイルを挟んで、前記第１永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第３永久磁石及び前記第３ヨークからなる第１の周回磁路と、前記第２永久磁石、前記第１ヨーク、前記間隙、前記第２ヨーク、前記第４永久磁石及び前記第４ヨークからなる第２の周回磁路と、を形成することを特徴とする請求項４記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記平板状可動片は、前記移動軸に沿って伸びるエンジンバルブシャフトと連結されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載のリニアアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−４４５１（Ｐ２０１１−４４５１Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４２９５２（Ｐ２００９−１４２９５２）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（３９００１３８１５）学校法人金井学園 (20)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【出願人】（３９００１３８１５）学校法人金井学園 (20)
【Ｆターム（参考）】
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