リニア駆動装置
【課題】経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、磁束を効率良く使用することにより可動子の推力特性を向上させることができるリニア駆動装置を提供すること。
【解決手段】永久磁石１５１、１５２が埋設孔１１ｄに挿入されて埋設されているので、経時変化等による可動子コア３１と永久磁石とのずれを防止でき、確実にこれらの永久磁石を保持しておくことができる。また、固定子コア１１の表面側領域１１０に、コア領域１１ｆより磁気抵抗の高い溝１１ｅが形成されている。このような構成によれば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、その表面側領域１１０における溝１１ｅでは、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域１１０でＺ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができ、推力特性が向上する。
【解決手段】永久磁石１５１、１５２が埋設孔１１ｄに挿入されて埋設されているので、経時変化等による可動子コア３１と永久磁石とのずれを防止でき、確実にこれらの永久磁石を保持しておくことができる。また、固定子コア１１の表面側領域１１０に、コア領域１１ｆより磁気抵抗の高い溝１１ｅが形成されている。このような構成によれば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、その表面側領域１１０における溝１１ｅでは、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域１１０でＺ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができ、推力特性が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁気的な作用によりリニア駆動を行うリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、リニアな駆動力や動きを得るためのリニア駆動装置として、リニアアクチュエータやリニアモータがある。リニアアクチュエータとしては、比較的短いストロークで動作するものが多く、リニアモータとしては、比較的長いストロークで動作するものが多い。
【０００３】
特許文献１に記載のリニアアクチュエータは、コイルが固定されたヨークと、ヨークの内側で往復移動可能に設けられた可動子とを有する。可動子は、円筒状の鉄部材の表面にリング状の永久磁石が設けられることにより構成されている（例えば、特許文献１の段落[００１６]、[００２０]、図１参照）。このようなリニアアクチュエータでは、固定子から発生する磁束変化と、可動子に設けられた永久磁石が発生する磁束との相互作用により、可動子がリニアに移動する。ここで、鉄部材の表面に永久磁石が設けられているので、予想外の力が加わった場合には鉄部材から永久磁石がずれたりする等の恐れを若干残していた。
【０００４】
そこで、特許文献２に記載のリニアモータの固定子は、永久磁石が固定子コアに埋め込まれた構造を有している（例えば、特許文献２の段落[０００６]、図２、４参照）。
【０００５】
また、特許文献３に記載のリニアアクチュエータは、円周方向に複数に分割され永久磁石がそれぞれ取り付けられたＴ字状の固定子構成部材と、それらの固定子構成部材が配列されることにより形成される中央部の空間内に配置された円筒状の可動子とを備える（例えば、特許文献３の段落[００１９]、図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８７３８３６号公報
【特許文献２】特許第２７５１６８４号公報
【特許文献３】特開２００１−２８８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２や３に記載の、永久磁石が固定子コアに埋め込まれた埋め込み型の装置では、可動子側から発生した磁束であって固定子コアに流れ込む磁束の一部は、その固定子コアの表面を流れる。固定子コアの表面を流れる磁束と、固定子コアに設けられた永久磁石が発生する磁束との相互作用はほとんどなく、可動子を移動させるための推力に寄与しない。したがって、推力特性が悪化する。
【０００８】
また、例えばリニアモータやリニアアクチュエータは、可動子の移動位置に応じて可動子に働く吸引力である磁気バネや、可動子の推力バランス等の特性を持っている。設計者にとって、これらの磁気バネ力や推力バランスを容易に設計でき、またそれを変更できることが望ましい。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、磁束を効率良く使用することにより可動子の推力特性を向上させることができるリニア駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るリニア駆動装置は、
永久磁石と、
前記永久磁石が埋設される埋設孔を有するコア部材と、
前記コア部材に装着可能なコイルとを有する１次側部材と、
前記１次側部材と対向して配置され、前記１次側部材と直線方向に相対的に移動可能に設けられた２次側部材とを具備し、
前記コア部材は、前記埋設孔より前記２次側部材側に配置された表面側領域を有し、
前記コア部材の前記表面側領域は、第１の領域及び前記第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域を含み、前記第１の領域及び前記第２の領域が前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って配置されている
ことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るリニア駆動装置では、永久磁石が埋設孔に挿入されて配置されることにより、その永久磁石により形成される磁極の配列方向に沿って、１次側部材及び２次側部材が相対移動可能となる。このように、コア部材の埋設孔内に永久磁石が挿入されて埋設されているので、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、確実にこれらの永久磁石を保持しておくことができる。
【００１２】
また、コア部材の表面側領域のうち、第２の領域が、第１の領域の磁気抵抗より高く形成され、これら第１及び第２の領域が、１次側部材に対する２次側部材の相対的な移動方向（以下、相対移動方向という。）に沿って配置されている。このような構成によれば、コイルの通電により発生する磁束及び永久磁石が発生する磁束が、その表面側領域における第２の領域では、前記相対移動方向に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域で相対移動方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり磁束を効率良く使用することができ、可動子の推力特性を向上させることができる。
【００１３】
さらに、第１及び第２の領域のそれぞれの体積、または、可動子の移動方向におけるそれぞれの幅、あるいは、それぞれの配置、形状または個数等を適宜変更することにより、磁気バネ力または推力バランスの設計を容易に行うことができ、設計の自由度が高まり、それらの特性の向上につながる。
【００１４】
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向において前記永久磁石の磁極が切り替わる位置に配置されていてもよい。
【００１５】
これにより、これら永久磁石により発生する磁束の、特に磁極境界付近の表面側領域での短絡を抑制することができるので、磁束を効率よく使用することができる。
【００１６】
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って間欠的に配置されていてもよい。
【００１７】
これにより、第２の領域が間欠的に配置される領域において、磁束が、前記相対移動方向に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域で相対移動方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。
【００１８】
前記１次側部材における前記２次側部材に対する対向面と前記複数の埋設孔との間隔が、所定の長さよりも短く形成されていてもよい。
【００１９】
当該間隔が短く形成されることにより、磁性体を通る磁束の距離が短くなり、コア部材内で発生する磁束の流れを安定させることができる。「所定の長さ」は、そのように磁束の流れを安定させることができる範囲内で適宜設定され得る。
【００２０】
前記１次側部材と前記２次側部材の対向面は、所定の曲率を有する曲面であってもよい。
【００２１】
これにより、対向面の曲面に沿って永久磁石を所定の姿勢で配置することができるので、上記間隔を短くすることの効果を促進することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上、本発明によれば、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、磁束を効率良く使用することにより可動子の推力特性を向上させることができる。また、磁気バネ力や推力バランスを容易に設計することができる上にその設計を容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図２の固定子の半分（一方の固定子コア側）を示す断面図である。
【図４】図４Ａ及びＢは、その磁性板をそれぞれ示す図であり、磁性板をＺ軸方向で見た図である。
【図５】図５は、第１の磁性板及び第２の磁性板を重ね合わせてＺ軸方向で見た図である。
【図６】リニア駆動装置の動作を説明するための図である。
【図７】溝が設けられることによる作用効果を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態に係るリニア駆動装置の固定子を示す断面図である。
【図９】間欠溝が設けられることによる作用効果を説明するための図である。
【図１０】図１０Ａ及びＢは、積層される磁性板の別の実施形態をそれぞれ示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
[第１の実施形態]
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、図２に示した固定子１の半分（固定子コア１１側）を示す断面図である。
【００２７】
リニア駆動装置１００は、固定子１及び可動子３を備える。図１は、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）で見た図である。１次側部材（１次側装置）である固定子１は、固定子コア１１及び１２（コア部材）と、固定子コア１１及び１２にそれぞれ装着されたコイル１３及び１４と、複数の永久磁石１５とを備える。固定子コア１１及び１２は、可動子３を挟んでＹ軸方向で対向するように設けられ、可動子３に対して対称配置とされている。２次側部材である可動子３は、固定子１に対向して配置され、固定子１に対して移動可能となっている。
【００２８】
これら固定子コア１１及び１２の構造は実質的に同一であるため、これら２つを区別して説明する必要がない限り、以降の説明では、一方の固定子コア１１のみについて説明する。
【００２９】
可動子３は、概略円柱形状を有する可動子コア３１を備えている。図２に示すように、可動子コア３１のＺ軸方向における長さは、固定子コア１１及び１２のＺ軸方向における長さより短く形成されている。可動子コア３１の中央には、Ｚ軸方向に沿って貫通した、シャフト３３の挿通穴３１ｃが形成されている。シャフト３３は、図示しない軸受やバネ等の支持部材によってシャフト３３がＺ軸方向に沿って移動可能となるように、図示しないフレームやハウジングに支持される。
【００３０】
可動子コア３１は、複数の磁性板がＺ軸方向に積層されて形成されている。これら磁性板は、典型的には電磁鋼板が用いられ、ケイ素を含んでいてもよい。各磁性板の表面には図示しない電気絶縁被膜がそれぞれ形成されている。これにより、固定子コア１１及び可動子コア３１の対向方向に沿って発生する磁束の流れによる渦電流の発生を抑制することができる。固定子コア１１も同様に、複数の磁性板がＺ軸方向に積層されて形成されている。
【００３１】
なお、リニア駆動装置１００がリニアクチュエータとして用いられる場合、シャフト３３を支持する支持部材としてバネ部材が用いられ、例えばスパイラル状の板バネが用いられる。支持部材の他の例として、８の字形状の板バネ、リニアブッシュ、ボールスプライン、エアベアリング、リニアガイド等が挙げられる。
【００３２】
固定子コア１１は、Ｚ軸方向で見てＴ字状を有しており、外側部１１ａとティース部１１ｂとを有する。固定子コア１１の外側部１１ａは、図示しないフレームやハウジングに固定される。ティース部１１ｂには、図示しないコイルボビンを介してコイル１３が装着されている。なお、リニア駆動装置１００は、上下に配置された固定子コア１１及び１２を磁気的に接続するヨークまたは継鉄部材を備え、これら固定子及びヨーク等により磁気回路が形成されていてもよい。
【００３３】
固定子コア１１及び可動子コア３１は、それらの間に例えば1mm以下のギャップを設けてそれぞれ配置されている。ティース部１１ｂの、可動子３と対向する対向面１１ｃの形状は、可動子コア３１の側面形状に沿うように、円柱の側面形状（所定の曲率を有する曲面であれば、円柱側面形状に限られない。）に形成されている。
【００３４】
ティース部１１ｂの先端部付近には、永久磁石１５が挿入されて埋設される埋設孔１１ｄ（１２ｄ）が形成されている。図１に示すように、埋設孔１１ｄは、ティース部１１ｂの対向面１１ｃに沿って、円弧状に複数配置されている。本実施形態では、埋設孔１１ｄの数は４つであるが、この個数は適宜変更可能である。図２に示すように、１つの埋設孔１１ｄ内で、Ｚ軸方向に複数の永久磁石１５が配列されており、本実施形態ではＺ軸方向に２つの永久磁石１５（１５１及び１５２）が配列されている。したがって、１つの固定子コア１１には、８つ（２×４）の永久磁石１５が設けられている。これら８つの永久磁石１５は、実質的に同じ形状及びサイズを有する。これら永久磁石は異なるサイズや形状を有していてもよい。永久磁石１５は、埋設孔１１ｄ内で、例えば接着剤により固定されてもよい。
【００３５】
なお、本実施形態では図３に示すように、２つの永久磁石１５の間（磁極の境界）には若干の隙間ｇが設けられているが、この隙間ｇに磁気シールド材が設けられていてもよい。あるいは、隙間ｇがなく２つの永久磁石１５１及び１５２が接触していてもよい。あるいは、永久磁石は一体の多極着磁された磁石であってもよい。
【００３６】
Ｚ軸方向で配列される永久磁石１５の数は、固定子コア１１のＺ軸方向の長さや、可動子３のストローク長等によって適宜設定される。
【００３７】
永久磁石１５は、固定子コア１１と可動子コア３１とが対向する方向に着磁されている。１つの埋設孔１１ｄ内に設けられた２つの永久磁石１５１及び１５２は、互いに着磁方向が逆向きになるように配置されている。これによりＺ軸方向に沿って異なる一対の磁極（可動子３側に向く方の磁極）が配列される。
【００３８】
固定子コア１１のＺ軸方向で見た一断面では、すべての（４つの）永久磁石１５の磁極は同じになっている。また、図２に示すように、Ｚ軸方向で見た一断面で見た固定子コア１１の各永久磁石１５の磁極と、それと同じ一断面で見た固定子コア１２の各永久磁石１５の磁極とは、互いに反対になっている。
【００３９】
永久磁石１５は、概略平板形状を有しているが、これに限られず、ティース部１１ｂの先端部の円弧状に沿った円弧板状に形成されていてもよい。その場合、埋設孔も概略円弧状に形成されていてもよい。
【００４０】
図４Ａ及びＢは、固定子コア１１を形成する磁性板をそれぞれ示す図であり、磁性板をＺ軸方向で見た図である。
【００４１】
図４Ａ及びＢに示すように、固定子コア１１は、少なくとも２種類の形状の磁性板として、第１の磁性板１１１と、第２の磁性板１１２とを含む。図４Ａに示すように、第１の磁性板１１１は、上記外側部１１ａを形成する外側形成部１１１ａと、ティース部１１ｂを形成するティース形成部１１１ｂとを有している。ティース形成部１１１ｂには、上述のように複数の埋設孔１１ｄが形成されている。
【００４２】
図４Ｂに示すように、第２の磁性板１１２は、上記外側形成部１１１ａと同じ形状の外側形成部１１２ａと、上記ティース形成部１１１ｂとは異なる形状のティース形成部１１２ｂとを有する。ティース形成部１１２ｂには埋設孔１１ｄが形成されず、そのＹ軸方向の長さが、ティース形成部１１１ｂのそれより短く形成されている。
【００４３】
これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２の厚さは、実質的に同一とされるが、異なっていてもよい。これら磁性板１１１及び１１２も、典型的には電磁鋼板が用いられ、ケイ素を含んでいてもよい。各磁性板の表面には図示しない電気絶縁被膜がそれぞれ形成されている。これにより、固定子コア１１及び可動子コア３１の配列方向（Ｙ軸方向）に沿って発生する磁束の流れによる渦電流の発生を抑制することができる。
【００４４】
図５は、これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２を重ね合わせてＺ軸方向で見た図である。図を分かりやすくするため、第２の磁性板１１２のサイズを、本来重なり合う第１の磁性板１１１の外形部分のサイズより若干小さく描いている。第２の磁性板１１２のティース形成部１１２ｂのエッジ部１１２ｃが、第１の磁性板１１１の埋設孔１１ｄの外側形成部１１１ａ側のエッジ付近に位置するように、これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２のサイズが設計されて積層されている。
【００４５】
図３に示すように、固定子コア１１における、Ｚ軸方向に沿って配列された２つの永久磁石１５１及び１５２の間の隙間ｇである磁極の境界がある位置、すなわち磁極が切り替わる位置に複数の第２の磁性板１１２が積層され、その他は第１の磁性板１１１が積層されている。これにより、その磁極の境界の可動子３側に磁気抵抗の高い溝（空隙）１１ｅが形成される。すなわち、固定子コア１１の表面側領域（各永久磁石１５より可動子３側に近い領域）１１０は、相対的に磁気抵抗が低いコア領域（第１の領域）１１ｆと、相対的に磁気抵抗が高い領域である上記溝（第２の領域）１１ｅとを含む。固定子コア１１の形状に着目すると、表面側領域１１０のうちこの溝１１ｅの領域は、永久磁石１５の間を構成する磁極が切り替わる位置に配置されている。
【００４６】
溝１１ｅのＺ軸方向の幅は、適宜変更可能であり、ここでは第２の磁性板１１２の枚数により適宜設定され得る。溝１１ｅ及びコア領域１１ｆの、Ｚ軸方向におけるそれぞれの幅、あるいは、それぞれの配置、形状または個数等を適宜変更することにより、磁気バネ力または推力バランスの設計を容易に行うことができ、設計の自由度が高まり、それらの特性の向上につながる。
【００４７】
図４Ａに示すように、固定子コア１１の、可動子コア３１に対向する対向面と、埋設孔１１ｄとの間隔ｆが、所定の長さより短く形成されている。間隔ｆが短く形成されることにより、固定子コア１１を通る磁束の距離が短くなり、固定子コア１１内で発生する磁束の流れを安定させることができる。間隔ｆ（所定の長さ）は、そのように磁束の流れを安定させることができる範囲内で適宜設定され得る。
【００４８】
特に、本実施形態のように、当該対向面が曲面状に形成されていることにより、その曲面に沿って永久磁石１５を所定の姿勢で曲線上で並べて配置することができるので、上記間隔ｆを短くすることの効果を促進することができる。
【００４９】
[リニア駆動装置の動作]
【００５０】
次に、以上のように構成されたリニア駆動装置１００の動作を説明する。図６Ａ及びＢは、その動作を説明するための図である。なお、図６Ａ及びＢで表されたＺ軸方向の２つの永久磁石１５１及び１５２の極性は、可動子３側に向く磁極を示している。
【００５１】
図６Ａに示すように、固定子コア１１のコイル１３及び固定子コア１２のコイル１４に同じ向きの電流が同じタイミングで加えられると、コイル１３及び１４により発生した磁束が固定子コア１１及び１２の各ティース部１１ｂ及び１２ｂを通るようになる。この場合、一方のティース部（例えばティース部１１ｂ）から他方のティース部（ティース部１２ｂ）へ磁束が流れるようになる。このように発生した磁束の流れと、永久磁石１５１及び１５２のうち磁束の流れが一致する方の永久磁石の方に、可動子コア３１は移動する。図６Ａに示すコイルの電流の向きでは、可動子コア３１は、永久磁石１５１側に移動する。
【００５２】
一方、図６Ｂに示すように、コイル１３及び１４に、それまでの電流の向きとは逆向きの電流が同じタイミングで加えられると、上記と同様の作用により、可動子コア３１は反対側へ移動する。
【００５３】
以上のように、コイル１３及び１４にそれぞれ交流電流（交流電圧）が印加されることにより、可動子３はＺ軸方向で振動する。この場合、リニア駆動装置１００をリニアアクチュエータや、振動モータとして利用することができる。
【００５４】
コイル１３及び１４に加えられる交流電圧の波形は、正弦波、矩形波、三角波など、適宜設定可能である。また、その波形にＤＣ成分等のオフセット電圧が加えられてもよい。その場合、そのオフセット電圧値に応じて可動子３のストロークエンド（死点）の位置を適宜調整することができる。そのほか、後述するようにティース部及びコイルがＺ軸方向に３つ以上設けられる場合、三相コイルに三相交流を流すといった、交流電圧の波形に応じた種々の駆動方法を実現することができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態では、永久磁石１５が埋設孔１１ｄに挿入されて埋設されているので、経時または経年変化による可動子コア３１と永久磁石１５とのずれを防止でき、永久磁石１５が可動子コア３１から剥がれ落ちるおそれがなく、確実にこれらの永久磁石１５を保持しておくことができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る固定子コア１１（及び１２）の表面側領域１１０に、コア領域１１ｆより磁気抵抗の高い溝１１ｅが形成されている。このような構成によれば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、その表面側領域１１０における溝１１ｅでは、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域１１０でＺ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり鉄損を低減し、磁束を効率良く使用することができ、可動子の推力特性を向上させることができる。
【００５７】
特に本実施形態では、表面側領域１１０の磁極境界上に溝１１ｅが形成されている。これにより、例えば永久磁石１５１及び１５２間で発生する磁束の、その磁極境界（隙間ｇ）上の表面側領域１１０での短絡を抑制することができる。具体的には、図７に示すように、表面側領域１１０で、Ｚ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束（破線矢印Ｌで示す磁束）を減らすことができる。すなわち、磁極境界上の表面側領域１１０で短絡しない分の磁束が、固定子コア１１及び可動子コア３１間で発生する磁束に寄与するので、磁束を効率良く使用することができる。実線の矢印Ｍで示す磁束は、推力に寄与する磁束である。
【００５８】
[第２の実施形態]
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るリニア駆動装置の固定子を示す断面図である。この図は、Ｘ軸方向で見た図であり、上記第１の実施形態では図３に対応する図である。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係るリニア駆動装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００６０】
このリニア駆動装置の固定子コア５１の表面側領域５１０には、上記第１の実施形態のように磁極境界上の位置である否かに関わらず、Ｚ軸方向に沿って間欠的に溝５１ｅが形成されている。以下、これを間欠溝５１ｅという。このような固定子コア５１は、典型的には、図４Ａ及びＢで示した第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２が単数ずつ交互に積層されて形成される。すなわちこの固定子コア５１の表面側領域５１０では、磁気抵抗の低い領域（第１の領域）と、磁気抵抗の高い領域（第２の領域）である間欠溝５１ｅとがＺ軸方向に沿って交互に配置される。
【００６１】
なお、符号５１ｃで示す部分は、可動子コアに対向する曲面（円柱側面）状の対向面である。
【００６２】
図９に示すように、例えば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、表面側領域５１０おける間欠溝５１ｅ以外の領域、つまり磁気抵抗の低いコア領域５１ｆを通り、可動子コア３１の中心側に向かうようになる。すなわち、磁束が可動子３の移動方向に沿って表面側領域５１０を流れにくくなり、表面側領域５１０で可動子３の移動方向に流れようとする、可動子３の推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり鉄損を低減し、磁束を効率良く使用することができ、可動子３の推力特性を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態では、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２が単数ずつ積層されるのではなく、複数ずつ積層されてもよい。あるいは、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２のうちいずれか一方が単数で他方が複数ずつ積層されてもよい。
【００６４】
[第３の実施形態]
【００６５】
図１０Ａ及びＢは、リニア駆動装置の固定子を構成する各磁性板の別の実施形態を示す図であり、図４Ａ及びＢに対応する図である。図１０Ａ及びＢに示す形態において、図４Ａ及びＢに示した形態と異なる点を中心に説明する。
【００６６】
第１の磁性板１１３は、ティース本体部１１３０と、このティース本体部１１３０の外周に沿って設けられた外形枠部１１３９と、ティース本体部１１３０から外側へ突出し、ティース本体部１１３０と外形枠部１１３９とを連結する連結部１１３１とを有する。また、ティース本体部１１３０には、上記第１の磁性板１１１と同様に、Ｚ軸方向で見た場合、４つの永久磁石が埋設される埋設孔１１３ｄが形成されている。これら埋設孔１１３ｄは、中央で連結部１１３１によって区画されており、また、連結部１１３１の長さより短い突出片１１３２によって、２つの埋設孔領域が区画されている。
【００６７】
第２の磁性板１２３は、ティース本体部１２３０と、このティース本体部１２３０の外形を形成する本体エッジ部１２３０ａから外側へ突出して設けられた突出部１２３１及び突出片１２３２とを有する。各磁性板１１３及び１２３が積層された場合、第２の突出部１２３の突出部１２３１の位置は、上記第１の磁性板１１３の連結部１１３１の位置と対応する。また、各突出片１２３２の位置及び長さは、第１の磁性板１１３の突出片１１３２の位置及び長さと対応している。
【００６８】
突出部１２３１の突出方向（Ｙ軸方向）の長さt2は、連結部１１３１のＹ軸方向の長さに外形枠部１１３９のＹ軸方向の長さを加えた長さt1と実質的に同じである。このような構成によれば、各磁性板１１３及び１２３が積層された時に、連結部１１３１と突出部１２３１とがＺ軸方向で連なり、これがブリッジ部として形成される。このブリッジ部は、第１の磁性板１１３の各外形枠部１１３９同士を支え合う機能を有し、言わばリブの機能を果たす。
【００６９】
第１の磁性板１１３が電磁鋼板で形成される場合であって、そのＺ軸方向に沿う厚さが例えば0.75mm以下の場合、その外形枠部１１３９は変形しやすい。特に、可動子コアの製造時において、永久磁石を埋設孔に埋め込む場合に、その変形が起こりやすくなる。上記のようなブリッジ部が形成されることにより、外形枠部１１３９の変形を防止することができ、外形枠部１１３９のＺ軸方向に沿う強度を高めることができる。
【００７０】
もちろん、第１の磁性板１１３の厚さが0.75mmを超える場合であっても、可動子コアにこのようなブリッジ部を形成してもよい。
【００７１】
なお、図１０Ｂにおいて一点鎖線で示すように、第２の磁性板１２３のティース本体部１２３０のエッジのＸ軸方向の両端部に、第１の磁性板１１３の外形枠部１１３９の両端部１１３３に対応する形状部分１２３３が外側へ突出するように形成されていてもよい。このような部位１１３３及び１２３３のＺ軸方向の積層によっても、外形枠部１１３９の変形を抑制するブリッジ部を形成することができる。
【００７２】
[その他の実施形態]
【００７３】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態がある。
【００７４】
上記第１（または第３）及び第２の実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、固定子コアの表面側領域において、磁極境界上に溝が形成され、かつ、磁極境界上以外の表面側領域において間欠溝が形成されていてもよい。
【００７５】
上記第１及び第２の実施形態において、溝１１ｅ及び間欠溝５１ｅとしての比較的磁気抵抗が高い領域は、空隙によって形成されたが、この磁気抵抗が高い領域には、コア領域１１ｆ（５１ｆ）の磁気抵抗より高い磁気抵抗を持つ材料が設けられていてもよい。その材料としては、例えばアルミニウム、ステンレス、ガラス、セラミック、ゴム等の非磁性材でもよい。
【００７６】
上記第１の実施形態における溝１１ｅの形状は、図３に示したようにＸ軸方向の断面で見て矩形状に切りかかれて形成されていた。しかし、この溝１１ｅの形状は、Ｖ字や曲線形状のものであってもよい。
【００７７】
上記各実施形態に係る固定子コアの表面側領域において、溝１１ｅ（あるいは間欠溝５１ｅ）は、磁性板のティース部１１ｂの対向面１１ｃの全幅（図１で示したＸ軸方向の幅）、つまりＺ軸方向の周囲に沿ってすべての領域で形成されていた。しかし、溝１１ｅ（あるいは間欠溝５１ｅ）は、そのＺ軸方向の周囲に沿った一部の領域で形成されていてもよい。この場合、固定子コアは、後述するようにソリッドに形成されていてもよい。
【００７８】
上記各実施形態に係る固定子コアにおいて、積層される磁性板について、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２の厚さは互いに異なっていてもよい。例えば上記実施形態に係る固定子コア１１において、第１の磁性板１１１の厚さより、第２の磁性板１１２の厚さを厚くしてもよい。この場合、溝１１ｅを形成する磁性板は、その１つの溝１１ｅに１枚の第２の磁性板１１２が対応するような厚さを持っていてもよい。
【００７９】
上記実施形態では、固定子１側が、コイル１３及び永久磁石１５が装着された１次側部材として機能し、可動子３が２次側部材として機能した。しかし、可動子側にコイル及び永久磁石が装着されて、これが１次側部材として機能し、固定子が２次側部材として機能してもよい。この場合、その１次側部材である可動子の表面側領域に、第１の領域と、その第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域とが形成される。また、この場合、固定子が中央に配置され、この固定子の外側あるいは固定子の周囲に、可動子が配置されていてもよい。すなわち、固定子コアに対向して可動子が配置されていればよい。
【００８０】
上記実施形態では、固定子コア１１（５１）及び可動子コア３１ともに、磁性板の積層により形成された。しかし、固定子コア及び可動子コアのうち少なくとも一方が、積層でなくソリッドに形成されていてもよい。この場合、ソリッドなコア部材の表面側領域に、上記各実施形態で示したような溝や間欠溝が形成されていればよい。このようなソリッドなコアは、圧粉や焼結体により形成されていてもよい。
【００８１】
固定子コア１１のＺ軸方向の長さの設計によっては、固定子コア１１の埋設孔１１ｄにＺ軸方向で配置される永久磁石１５は１つでもよい。この場合、１つの永久磁石１５は、可動子を移動させる方向（Ｚ軸方向）に着磁されることにより、そのＺ軸方向に沿って磁極を配列させることができる。
【００８２】
上記実施形態に係る固定子コア１１（５１）のティース部１１ｂ（５１ｂ）の数は１つ（Ｚ軸方向で１つ）であったが、２つ以上であってもよい。コイル１３及び永久磁石１５の数は、ティース部１１ｂの数が増えれば、それに応じて増える。また、固定子コアの表面側領域には、磁極間の溝及び間欠溝もそれに応じて増える。また、磁極のピッチ、すなわち、各永久磁石のＺ軸方向の長さも適宜変更可能である。このようにＺ軸方向が比較的長いリニア駆動装置は、リニアモータとして利用される。固定子コアや可動子コアの形状も適宜変更可能である。
【００８３】
あるいは、磁気バネ力や推力バランス等の特性を所望のものにするために、磁極間の溝及び間欠溝のピッチ、幅及び形状のうち少なくとも１つを適宜変更するようにしてもよい。特に本実施形態では、上述のように、積層された磁性板１１１及び１１２の枚数や厚さを適宜設定することにより、そのピッチや幅を自由に変更することができ、設計の変更が容易になる。
【００８４】
上記実施形態に係る固定子は、２つの固定子コア１１及び１２を有していたが、可動子に対向する１つのみの固定子コアを有していてもよい。
【００８５】
図１に示した固定子コア１は、Ｙ軸方向で２つに分割されて形成される固定子コア１１及び１２を有していたが、Ｚ軸の周りの円周上に３つ以上分割されて形成される固定子コアを有していてもよい。
【００８６】
可動子の形状が円柱状ではなく板形状であってもよい。そして、その板形状の可動子の、図１で見てＹ軸方向における一方側または両側に対向して配置された固定子が設けられたリニア駆動装置が実現されてもよい。この場合、１次側部材のコア部材の表面側領域は、上記各実施形態のように円柱形状でなく、溝や間欠溝を含む平面形状となる。
【００８７】
上記各実施形態に係るリニア駆動装置が発電機として用いられてもよい。この場合、外部から可動子が駆動され、可動子が積層方向に移動することにより、固定子コアに磁束変化が発生し、これによりコイルに起電力が発生する。
【００８８】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１…固定子
３…可動子
１１、１２、５１…固定子コア（コア部材に相当）
１１ｄ…埋設孔
１１ｅ…溝（第２の領域に相当）
１１ｆ、５１ｆ…コア領域（第１の領域に相当）
１３、１４…コイル
１５、１５１、１５２…永久磁石
５１ｅ…間欠溝（第２の領域に相当）
１００…リニア駆動装置
１１０、５１０…表面側領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁気的な作用によりリニア駆動を行うリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、リニアな駆動力や動きを得るためのリニア駆動装置として、リニアアクチュエータやリニアモータがある。リニアアクチュエータとしては、比較的短いストロークで動作するものが多く、リニアモータとしては、比較的長いストロークで動作するものが多い。
【０００３】
特許文献１に記載のリニアアクチュエータは、コイルが固定されたヨークと、ヨークの内側で往復移動可能に設けられた可動子とを有する。可動子は、円筒状の鉄部材の表面にリング状の永久磁石が設けられることにより構成されている（例えば、特許文献１の段落[００１６]、[００２０]、図１参照）。このようなリニアアクチュエータでは、固定子から発生する磁束変化と、可動子に設けられた永久磁石が発生する磁束との相互作用により、可動子がリニアに移動する。ここで、鉄部材の表面に永久磁石が設けられているので、予想外の力が加わった場合には鉄部材から永久磁石がずれたりする等の恐れを若干残していた。
【０００４】
そこで、特許文献２に記載のリニアモータの固定子は、永久磁石が固定子コアに埋め込まれた構造を有している（例えば、特許文献２の段落[０００６]、図２、４参照）。
【０００５】
また、特許文献３に記載のリニアアクチュエータは、円周方向に複数に分割され永久磁石がそれぞれ取り付けられたＴ字状の固定子構成部材と、それらの固定子構成部材が配列されることにより形成される中央部の空間内に配置された円筒状の可動子とを備える（例えば、特許文献３の段落[００１９]、図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８７３８３６号公報
【特許文献２】特許第２７５１６８４号公報
【特許文献３】特開２００１−２８８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２や３に記載の、永久磁石が固定子コアに埋め込まれた埋め込み型の装置では、可動子側から発生した磁束であって固定子コアに流れ込む磁束の一部は、その固定子コアの表面を流れる。固定子コアの表面を流れる磁束と、固定子コアに設けられた永久磁石が発生する磁束との相互作用はほとんどなく、可動子を移動させるための推力に寄与しない。したがって、推力特性が悪化する。
【０００８】
また、例えばリニアモータやリニアアクチュエータは、可動子の移動位置に応じて可動子に働く吸引力である磁気バネや、可動子の推力バランス等の特性を持っている。設計者にとって、これらの磁気バネ力や推力バランスを容易に設計でき、またそれを変更できることが望ましい。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、磁束を効率良く使用することにより可動子の推力特性を向上させることができるリニア駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るリニア駆動装置は、
永久磁石と、
前記永久磁石が埋設される埋設孔を有するコア部材と、
前記コア部材に装着可能なコイルとを有する１次側部材と、
前記１次側部材と対向して配置され、前記１次側部材と直線方向に相対的に移動可能に設けられた２次側部材とを具備し、
前記コア部材は、前記埋設孔より前記２次側部材側に配置された表面側領域を有し、
前記コア部材の前記表面側領域は、第１の領域及び前記第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域を含み、前記第１の領域及び前記第２の領域が前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って配置されている
ことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るリニア駆動装置では、永久磁石が埋設孔に挿入されて配置されることにより、その永久磁石により形成される磁極の配列方向に沿って、１次側部材及び２次側部材が相対移動可能となる。このように、コア部材の埋設孔内に永久磁石が挿入されて埋設されているので、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、確実にこれらの永久磁石を保持しておくことができる。
【００１２】
また、コア部材の表面側領域のうち、第２の領域が、第１の領域の磁気抵抗より高く形成され、これら第１及び第２の領域が、１次側部材に対する２次側部材の相対的な移動方向（以下、相対移動方向という。）に沿って配置されている。このような構成によれば、コイルの通電により発生する磁束及び永久磁石が発生する磁束が、その表面側領域における第２の領域では、前記相対移動方向に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域で相対移動方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり磁束を効率良く使用することができ、可動子の推力特性を向上させることができる。
【００１３】
さらに、第１及び第２の領域のそれぞれの体積、または、可動子の移動方向におけるそれぞれの幅、あるいは、それぞれの配置、形状または個数等を適宜変更することにより、磁気バネ力または推力バランスの設計を容易に行うことができ、設計の自由度が高まり、それらの特性の向上につながる。
【００１４】
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向において前記永久磁石の磁極が切り替わる位置に配置されていてもよい。
【００１５】
これにより、これら永久磁石により発生する磁束の、特に磁極境界付近の表面側領域での短絡を抑制することができるので、磁束を効率よく使用することができる。
【００１６】
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って間欠的に配置されていてもよい。
【００１７】
これにより、第２の領域が間欠的に配置される領域において、磁束が、前記相対移動方向に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域で相対移動方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。
【００１８】
前記１次側部材における前記２次側部材に対する対向面と前記複数の埋設孔との間隔が、所定の長さよりも短く形成されていてもよい。
【００１９】
当該間隔が短く形成されることにより、磁性体を通る磁束の距離が短くなり、コア部材内で発生する磁束の流れを安定させることができる。「所定の長さ」は、そのように磁束の流れを安定させることができる範囲内で適宜設定され得る。
【００２０】
前記１次側部材と前記２次側部材の対向面は、所定の曲率を有する曲面であってもよい。
【００２１】
これにより、対向面の曲面に沿って永久磁石を所定の姿勢で配置することができるので、上記間隔を短くすることの効果を促進することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上、本発明によれば、経時または経年変化によるコア部材と永久磁石とのずれを防止でき、磁束を効率良く使用することにより可動子の推力特性を向上させることができる。また、磁気バネ力や推力バランスを容易に設計することができる上にその設計を容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図２の固定子の半分（一方の固定子コア側）を示す断面図である。
【図４】図４Ａ及びＢは、その磁性板をそれぞれ示す図であり、磁性板をＺ軸方向で見た図である。
【図５】図５は、第１の磁性板及び第２の磁性板を重ね合わせてＺ軸方向で見た図である。
【図６】リニア駆動装置の動作を説明するための図である。
【図７】溝が設けられることによる作用効果を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態に係るリニア駆動装置の固定子を示す断面図である。
【図９】間欠溝が設けられることによる作用効果を説明するための図である。
【図１０】図１０Ａ及びＢは、積層される磁性板の別の実施形態をそれぞれ示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
[第１の実施形態]
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニア駆動装置を示す正面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、図２に示した固定子１の半分（固定子コア１１側）を示す断面図である。
【００２７】
リニア駆動装置１００は、固定子１及び可動子３を備える。図１は、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）で見た図である。１次側部材（１次側装置）である固定子１は、固定子コア１１及び１２（コア部材）と、固定子コア１１及び１２にそれぞれ装着されたコイル１３及び１４と、複数の永久磁石１５とを備える。固定子コア１１及び１２は、可動子３を挟んでＹ軸方向で対向するように設けられ、可動子３に対して対称配置とされている。２次側部材である可動子３は、固定子１に対向して配置され、固定子１に対して移動可能となっている。
【００２８】
これら固定子コア１１及び１２の構造は実質的に同一であるため、これら２つを区別して説明する必要がない限り、以降の説明では、一方の固定子コア１１のみについて説明する。
【００２９】
可動子３は、概略円柱形状を有する可動子コア３１を備えている。図２に示すように、可動子コア３１のＺ軸方向における長さは、固定子コア１１及び１２のＺ軸方向における長さより短く形成されている。可動子コア３１の中央には、Ｚ軸方向に沿って貫通した、シャフト３３の挿通穴３１ｃが形成されている。シャフト３３は、図示しない軸受やバネ等の支持部材によってシャフト３３がＺ軸方向に沿って移動可能となるように、図示しないフレームやハウジングに支持される。
【００３０】
可動子コア３１は、複数の磁性板がＺ軸方向に積層されて形成されている。これら磁性板は、典型的には電磁鋼板が用いられ、ケイ素を含んでいてもよい。各磁性板の表面には図示しない電気絶縁被膜がそれぞれ形成されている。これにより、固定子コア１１及び可動子コア３１の対向方向に沿って発生する磁束の流れによる渦電流の発生を抑制することができる。固定子コア１１も同様に、複数の磁性板がＺ軸方向に積層されて形成されている。
【００３１】
なお、リニア駆動装置１００がリニアクチュエータとして用いられる場合、シャフト３３を支持する支持部材としてバネ部材が用いられ、例えばスパイラル状の板バネが用いられる。支持部材の他の例として、８の字形状の板バネ、リニアブッシュ、ボールスプライン、エアベアリング、リニアガイド等が挙げられる。
【００３２】
固定子コア１１は、Ｚ軸方向で見てＴ字状を有しており、外側部１１ａとティース部１１ｂとを有する。固定子コア１１の外側部１１ａは、図示しないフレームやハウジングに固定される。ティース部１１ｂには、図示しないコイルボビンを介してコイル１３が装着されている。なお、リニア駆動装置１００は、上下に配置された固定子コア１１及び１２を磁気的に接続するヨークまたは継鉄部材を備え、これら固定子及びヨーク等により磁気回路が形成されていてもよい。
【００３３】
固定子コア１１及び可動子コア３１は、それらの間に例えば1mm以下のギャップを設けてそれぞれ配置されている。ティース部１１ｂの、可動子３と対向する対向面１１ｃの形状は、可動子コア３１の側面形状に沿うように、円柱の側面形状（所定の曲率を有する曲面であれば、円柱側面形状に限られない。）に形成されている。
【００３４】
ティース部１１ｂの先端部付近には、永久磁石１５が挿入されて埋設される埋設孔１１ｄ（１２ｄ）が形成されている。図１に示すように、埋設孔１１ｄは、ティース部１１ｂの対向面１１ｃに沿って、円弧状に複数配置されている。本実施形態では、埋設孔１１ｄの数は４つであるが、この個数は適宜変更可能である。図２に示すように、１つの埋設孔１１ｄ内で、Ｚ軸方向に複数の永久磁石１５が配列されており、本実施形態ではＺ軸方向に２つの永久磁石１５（１５１及び１５２）が配列されている。したがって、１つの固定子コア１１には、８つ（２×４）の永久磁石１５が設けられている。これら８つの永久磁石１５は、実質的に同じ形状及びサイズを有する。これら永久磁石は異なるサイズや形状を有していてもよい。永久磁石１５は、埋設孔１１ｄ内で、例えば接着剤により固定されてもよい。
【００３５】
なお、本実施形態では図３に示すように、２つの永久磁石１５の間（磁極の境界）には若干の隙間ｇが設けられているが、この隙間ｇに磁気シールド材が設けられていてもよい。あるいは、隙間ｇがなく２つの永久磁石１５１及び１５２が接触していてもよい。あるいは、永久磁石は一体の多極着磁された磁石であってもよい。
【００３６】
Ｚ軸方向で配列される永久磁石１５の数は、固定子コア１１のＺ軸方向の長さや、可動子３のストローク長等によって適宜設定される。
【００３７】
永久磁石１５は、固定子コア１１と可動子コア３１とが対向する方向に着磁されている。１つの埋設孔１１ｄ内に設けられた２つの永久磁石１５１及び１５２は、互いに着磁方向が逆向きになるように配置されている。これによりＺ軸方向に沿って異なる一対の磁極（可動子３側に向く方の磁極）が配列される。
【００３８】
固定子コア１１のＺ軸方向で見た一断面では、すべての（４つの）永久磁石１５の磁極は同じになっている。また、図２に示すように、Ｚ軸方向で見た一断面で見た固定子コア１１の各永久磁石１５の磁極と、それと同じ一断面で見た固定子コア１２の各永久磁石１５の磁極とは、互いに反対になっている。
【００３９】
永久磁石１５は、概略平板形状を有しているが、これに限られず、ティース部１１ｂの先端部の円弧状に沿った円弧板状に形成されていてもよい。その場合、埋設孔も概略円弧状に形成されていてもよい。
【００４０】
図４Ａ及びＢは、固定子コア１１を形成する磁性板をそれぞれ示す図であり、磁性板をＺ軸方向で見た図である。
【００４１】
図４Ａ及びＢに示すように、固定子コア１１は、少なくとも２種類の形状の磁性板として、第１の磁性板１１１と、第２の磁性板１１２とを含む。図４Ａに示すように、第１の磁性板１１１は、上記外側部１１ａを形成する外側形成部１１１ａと、ティース部１１ｂを形成するティース形成部１１１ｂとを有している。ティース形成部１１１ｂには、上述のように複数の埋設孔１１ｄが形成されている。
【００４２】
図４Ｂに示すように、第２の磁性板１１２は、上記外側形成部１１１ａと同じ形状の外側形成部１１２ａと、上記ティース形成部１１１ｂとは異なる形状のティース形成部１１２ｂとを有する。ティース形成部１１２ｂには埋設孔１１ｄが形成されず、そのＹ軸方向の長さが、ティース形成部１１１ｂのそれより短く形成されている。
【００４３】
これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２の厚さは、実質的に同一とされるが、異なっていてもよい。これら磁性板１１１及び１１２も、典型的には電磁鋼板が用いられ、ケイ素を含んでいてもよい。各磁性板の表面には図示しない電気絶縁被膜がそれぞれ形成されている。これにより、固定子コア１１及び可動子コア３１の配列方向（Ｙ軸方向）に沿って発生する磁束の流れによる渦電流の発生を抑制することができる。
【００４４】
図５は、これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２を重ね合わせてＺ軸方向で見た図である。図を分かりやすくするため、第２の磁性板１１２のサイズを、本来重なり合う第１の磁性板１１１の外形部分のサイズより若干小さく描いている。第２の磁性板１１２のティース形成部１１２ｂのエッジ部１１２ｃが、第１の磁性板１１１の埋設孔１１ｄの外側形成部１１１ａ側のエッジ付近に位置するように、これら第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２のサイズが設計されて積層されている。
【００４５】
図３に示すように、固定子コア１１における、Ｚ軸方向に沿って配列された２つの永久磁石１５１及び１５２の間の隙間ｇである磁極の境界がある位置、すなわち磁極が切り替わる位置に複数の第２の磁性板１１２が積層され、その他は第１の磁性板１１１が積層されている。これにより、その磁極の境界の可動子３側に磁気抵抗の高い溝（空隙）１１ｅが形成される。すなわち、固定子コア１１の表面側領域（各永久磁石１５より可動子３側に近い領域）１１０は、相対的に磁気抵抗が低いコア領域（第１の領域）１１ｆと、相対的に磁気抵抗が高い領域である上記溝（第２の領域）１１ｅとを含む。固定子コア１１の形状に着目すると、表面側領域１１０のうちこの溝１１ｅの領域は、永久磁石１５の間を構成する磁極が切り替わる位置に配置されている。
【００４６】
溝１１ｅのＺ軸方向の幅は、適宜変更可能であり、ここでは第２の磁性板１１２の枚数により適宜設定され得る。溝１１ｅ及びコア領域１１ｆの、Ｚ軸方向におけるそれぞれの幅、あるいは、それぞれの配置、形状または個数等を適宜変更することにより、磁気バネ力または推力バランスの設計を容易に行うことができ、設計の自由度が高まり、それらの特性の向上につながる。
【００４７】
図４Ａに示すように、固定子コア１１の、可動子コア３１に対向する対向面と、埋設孔１１ｄとの間隔ｆが、所定の長さより短く形成されている。間隔ｆが短く形成されることにより、固定子コア１１を通る磁束の距離が短くなり、固定子コア１１内で発生する磁束の流れを安定させることができる。間隔ｆ（所定の長さ）は、そのように磁束の流れを安定させることができる範囲内で適宜設定され得る。
【００４８】
特に、本実施形態のように、当該対向面が曲面状に形成されていることにより、その曲面に沿って永久磁石１５を所定の姿勢で曲線上で並べて配置することができるので、上記間隔ｆを短くすることの効果を促進することができる。
【００４９】
[リニア駆動装置の動作]
【００５０】
次に、以上のように構成されたリニア駆動装置１００の動作を説明する。図６Ａ及びＢは、その動作を説明するための図である。なお、図６Ａ及びＢで表されたＺ軸方向の２つの永久磁石１５１及び１５２の極性は、可動子３側に向く磁極を示している。
【００５１】
図６Ａに示すように、固定子コア１１のコイル１３及び固定子コア１２のコイル１４に同じ向きの電流が同じタイミングで加えられると、コイル１３及び１４により発生した磁束が固定子コア１１及び１２の各ティース部１１ｂ及び１２ｂを通るようになる。この場合、一方のティース部（例えばティース部１１ｂ）から他方のティース部（ティース部１２ｂ）へ磁束が流れるようになる。このように発生した磁束の流れと、永久磁石１５１及び１５２のうち磁束の流れが一致する方の永久磁石の方に、可動子コア３１は移動する。図６Ａに示すコイルの電流の向きでは、可動子コア３１は、永久磁石１５１側に移動する。
【００５２】
一方、図６Ｂに示すように、コイル１３及び１４に、それまでの電流の向きとは逆向きの電流が同じタイミングで加えられると、上記と同様の作用により、可動子コア３１は反対側へ移動する。
【００５３】
以上のように、コイル１３及び１４にそれぞれ交流電流（交流電圧）が印加されることにより、可動子３はＺ軸方向で振動する。この場合、リニア駆動装置１００をリニアアクチュエータや、振動モータとして利用することができる。
【００５４】
コイル１３及び１４に加えられる交流電圧の波形は、正弦波、矩形波、三角波など、適宜設定可能である。また、その波形にＤＣ成分等のオフセット電圧が加えられてもよい。その場合、そのオフセット電圧値に応じて可動子３のストロークエンド（死点）の位置を適宜調整することができる。そのほか、後述するようにティース部及びコイルがＺ軸方向に３つ以上設けられる場合、三相コイルに三相交流を流すといった、交流電圧の波形に応じた種々の駆動方法を実現することができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態では、永久磁石１５が埋設孔１１ｄに挿入されて埋設されているので、経時または経年変化による可動子コア３１と永久磁石１５とのずれを防止でき、永久磁石１５が可動子コア３１から剥がれ落ちるおそれがなく、確実にこれらの永久磁石１５を保持しておくことができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る固定子コア１１（及び１２）の表面側領域１１０に、コア領域１１ｆより磁気抵抗の高い溝１１ｅが形成されている。このような構成によれば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、その表面側領域１１０における溝１１ｅでは、可動子３の移動方向（Ｚ軸方向）に沿って流れにくくなる。これにより、表面側領域１１０でＺ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり鉄損を低減し、磁束を効率良く使用することができ、可動子の推力特性を向上させることができる。
【００５７】
特に本実施形態では、表面側領域１１０の磁極境界上に溝１１ｅが形成されている。これにより、例えば永久磁石１５１及び１５２間で発生する磁束の、その磁極境界（隙間ｇ）上の表面側領域１１０での短絡を抑制することができる。具体的には、図７に示すように、表面側領域１１０で、Ｚ軸方向に沿って流れようとする、推力に寄与しない無駄な磁束（破線矢印Ｌで示す磁束）を減らすことができる。すなわち、磁極境界上の表面側領域１１０で短絡しない分の磁束が、固定子コア１１及び可動子コア３１間で発生する磁束に寄与するので、磁束を効率良く使用することができる。実線の矢印Ｍで示す磁束は、推力に寄与する磁束である。
【００５８】
[第２の実施形態]
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るリニア駆動装置の固定子を示す断面図である。この図は、Ｘ軸方向で見た図であり、上記第１の実施形態では図３に対応する図である。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係るリニア駆動装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００６０】
このリニア駆動装置の固定子コア５１の表面側領域５１０には、上記第１の実施形態のように磁極境界上の位置である否かに関わらず、Ｚ軸方向に沿って間欠的に溝５１ｅが形成されている。以下、これを間欠溝５１ｅという。このような固定子コア５１は、典型的には、図４Ａ及びＢで示した第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２が単数ずつ交互に積層されて形成される。すなわちこの固定子コア５１の表面側領域５１０では、磁気抵抗の低い領域（第１の領域）と、磁気抵抗の高い領域（第２の領域）である間欠溝５１ｅとがＺ軸方向に沿って交互に配置される。
【００６１】
なお、符号５１ｃで示す部分は、可動子コアに対向する曲面（円柱側面）状の対向面である。
【００６２】
図９に示すように、例えば、コイル１３の通電により発生する磁束及び永久磁石１５が発生する磁束が、表面側領域５１０おける間欠溝５１ｅ以外の領域、つまり磁気抵抗の低いコア領域５１ｆを通り、可動子コア３１の中心側に向かうようになる。すなわち、磁束が可動子３の移動方向に沿って表面側領域５１０を流れにくくなり、表面側領域５１０で可動子３の移動方向に流れようとする、可動子３の推力に寄与しない無駄な磁束を減らすことができる。つまり鉄損を低減し、磁束を効率良く使用することができ、可動子３の推力特性を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態では、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２が単数ずつ積層されるのではなく、複数ずつ積層されてもよい。あるいは、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２のうちいずれか一方が単数で他方が複数ずつ積層されてもよい。
【００６４】
[第３の実施形態]
【００６５】
図１０Ａ及びＢは、リニア駆動装置の固定子を構成する各磁性板の別の実施形態を示す図であり、図４Ａ及びＢに対応する図である。図１０Ａ及びＢに示す形態において、図４Ａ及びＢに示した形態と異なる点を中心に説明する。
【００６６】
第１の磁性板１１３は、ティース本体部１１３０と、このティース本体部１１３０の外周に沿って設けられた外形枠部１１３９と、ティース本体部１１３０から外側へ突出し、ティース本体部１１３０と外形枠部１１３９とを連結する連結部１１３１とを有する。また、ティース本体部１１３０には、上記第１の磁性板１１１と同様に、Ｚ軸方向で見た場合、４つの永久磁石が埋設される埋設孔１１３ｄが形成されている。これら埋設孔１１３ｄは、中央で連結部１１３１によって区画されており、また、連結部１１３１の長さより短い突出片１１３２によって、２つの埋設孔領域が区画されている。
【００６７】
第２の磁性板１２３は、ティース本体部１２３０と、このティース本体部１２３０の外形を形成する本体エッジ部１２３０ａから外側へ突出して設けられた突出部１２３１及び突出片１２３２とを有する。各磁性板１１３及び１２３が積層された場合、第２の突出部１２３の突出部１２３１の位置は、上記第１の磁性板１１３の連結部１１３１の位置と対応する。また、各突出片１２３２の位置及び長さは、第１の磁性板１１３の突出片１１３２の位置及び長さと対応している。
【００６８】
突出部１２３１の突出方向（Ｙ軸方向）の長さt2は、連結部１１３１のＹ軸方向の長さに外形枠部１１３９のＹ軸方向の長さを加えた長さt1と実質的に同じである。このような構成によれば、各磁性板１１３及び１２３が積層された時に、連結部１１３１と突出部１２３１とがＺ軸方向で連なり、これがブリッジ部として形成される。このブリッジ部は、第１の磁性板１１３の各外形枠部１１３９同士を支え合う機能を有し、言わばリブの機能を果たす。
【００６９】
第１の磁性板１１３が電磁鋼板で形成される場合であって、そのＺ軸方向に沿う厚さが例えば0.75mm以下の場合、その外形枠部１１３９は変形しやすい。特に、可動子コアの製造時において、永久磁石を埋設孔に埋め込む場合に、その変形が起こりやすくなる。上記のようなブリッジ部が形成されることにより、外形枠部１１３９の変形を防止することができ、外形枠部１１３９のＺ軸方向に沿う強度を高めることができる。
【００７０】
もちろん、第１の磁性板１１３の厚さが0.75mmを超える場合であっても、可動子コアにこのようなブリッジ部を形成してもよい。
【００７１】
なお、図１０Ｂにおいて一点鎖線で示すように、第２の磁性板１２３のティース本体部１２３０のエッジのＸ軸方向の両端部に、第１の磁性板１１３の外形枠部１１３９の両端部１１３３に対応する形状部分１２３３が外側へ突出するように形成されていてもよい。このような部位１１３３及び１２３３のＺ軸方向の積層によっても、外形枠部１１３９の変形を抑制するブリッジ部を形成することができる。
【００７２】
[その他の実施形態]
【００７３】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態がある。
【００７４】
上記第１（または第３）及び第２の実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、固定子コアの表面側領域において、磁極境界上に溝が形成され、かつ、磁極境界上以外の表面側領域において間欠溝が形成されていてもよい。
【００７５】
上記第１及び第２の実施形態において、溝１１ｅ及び間欠溝５１ｅとしての比較的磁気抵抗が高い領域は、空隙によって形成されたが、この磁気抵抗が高い領域には、コア領域１１ｆ（５１ｆ）の磁気抵抗より高い磁気抵抗を持つ材料が設けられていてもよい。その材料としては、例えばアルミニウム、ステンレス、ガラス、セラミック、ゴム等の非磁性材でもよい。
【００７６】
上記第１の実施形態における溝１１ｅの形状は、図３に示したようにＸ軸方向の断面で見て矩形状に切りかかれて形成されていた。しかし、この溝１１ｅの形状は、Ｖ字や曲線形状のものであってもよい。
【００７７】
上記各実施形態に係る固定子コアの表面側領域において、溝１１ｅ（あるいは間欠溝５１ｅ）は、磁性板のティース部１１ｂの対向面１１ｃの全幅（図１で示したＸ軸方向の幅）、つまりＺ軸方向の周囲に沿ってすべての領域で形成されていた。しかし、溝１１ｅ（あるいは間欠溝５１ｅ）は、そのＺ軸方向の周囲に沿った一部の領域で形成されていてもよい。この場合、固定子コアは、後述するようにソリッドに形成されていてもよい。
【００７８】
上記各実施形態に係る固定子コアにおいて、積層される磁性板について、第１の磁性板１１１及び第２の磁性板１１２の厚さは互いに異なっていてもよい。例えば上記実施形態に係る固定子コア１１において、第１の磁性板１１１の厚さより、第２の磁性板１１２の厚さを厚くしてもよい。この場合、溝１１ｅを形成する磁性板は、その１つの溝１１ｅに１枚の第２の磁性板１１２が対応するような厚さを持っていてもよい。
【００７９】
上記実施形態では、固定子１側が、コイル１３及び永久磁石１５が装着された１次側部材として機能し、可動子３が２次側部材として機能した。しかし、可動子側にコイル及び永久磁石が装着されて、これが１次側部材として機能し、固定子が２次側部材として機能してもよい。この場合、その１次側部材である可動子の表面側領域に、第１の領域と、その第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域とが形成される。また、この場合、固定子が中央に配置され、この固定子の外側あるいは固定子の周囲に、可動子が配置されていてもよい。すなわち、固定子コアに対向して可動子が配置されていればよい。
【００８０】
上記実施形態では、固定子コア１１（５１）及び可動子コア３１ともに、磁性板の積層により形成された。しかし、固定子コア及び可動子コアのうち少なくとも一方が、積層でなくソリッドに形成されていてもよい。この場合、ソリッドなコア部材の表面側領域に、上記各実施形態で示したような溝や間欠溝が形成されていればよい。このようなソリッドなコアは、圧粉や焼結体により形成されていてもよい。
【００８１】
固定子コア１１のＺ軸方向の長さの設計によっては、固定子コア１１の埋設孔１１ｄにＺ軸方向で配置される永久磁石１５は１つでもよい。この場合、１つの永久磁石１５は、可動子を移動させる方向（Ｚ軸方向）に着磁されることにより、そのＺ軸方向に沿って磁極を配列させることができる。
【００８２】
上記実施形態に係る固定子コア１１（５１）のティース部１１ｂ（５１ｂ）の数は１つ（Ｚ軸方向で１つ）であったが、２つ以上であってもよい。コイル１３及び永久磁石１５の数は、ティース部１１ｂの数が増えれば、それに応じて増える。また、固定子コアの表面側領域には、磁極間の溝及び間欠溝もそれに応じて増える。また、磁極のピッチ、すなわち、各永久磁石のＺ軸方向の長さも適宜変更可能である。このようにＺ軸方向が比較的長いリニア駆動装置は、リニアモータとして利用される。固定子コアや可動子コアの形状も適宜変更可能である。
【００８３】
あるいは、磁気バネ力や推力バランス等の特性を所望のものにするために、磁極間の溝及び間欠溝のピッチ、幅及び形状のうち少なくとも１つを適宜変更するようにしてもよい。特に本実施形態では、上述のように、積層された磁性板１１１及び１１２の枚数や厚さを適宜設定することにより、そのピッチや幅を自由に変更することができ、設計の変更が容易になる。
【００８４】
上記実施形態に係る固定子は、２つの固定子コア１１及び１２を有していたが、可動子に対向する１つのみの固定子コアを有していてもよい。
【００８５】
図１に示した固定子コア１は、Ｙ軸方向で２つに分割されて形成される固定子コア１１及び１２を有していたが、Ｚ軸の周りの円周上に３つ以上分割されて形成される固定子コアを有していてもよい。
【００８６】
可動子の形状が円柱状ではなく板形状であってもよい。そして、その板形状の可動子の、図１で見てＹ軸方向における一方側または両側に対向して配置された固定子が設けられたリニア駆動装置が実現されてもよい。この場合、１次側部材のコア部材の表面側領域は、上記各実施形態のように円柱形状でなく、溝や間欠溝を含む平面形状となる。
【００８７】
上記各実施形態に係るリニア駆動装置が発電機として用いられてもよい。この場合、外部から可動子が駆動され、可動子が積層方向に移動することにより、固定子コアに磁束変化が発生し、これによりコイルに起電力が発生する。
【００８８】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１…固定子
３…可動子
１１、１２、５１…固定子コア（コア部材に相当）
１１ｄ…埋設孔
１１ｅ…溝（第２の領域に相当）
１１ｆ、５１ｆ…コア領域（第１の領域に相当）
１３、１４…コイル
１５、１５１、１５２…永久磁石
５１ｅ…間欠溝（第２の領域に相当）
１００…リニア駆動装置
１１０、５１０…表面側領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石と、
前記永久磁石が埋設される埋設孔を有するコア部材と、
前記コア部材に装着可能なコイルとを有する１次側部材と、
前記１次側部材と対向して配置され、前記１次側部材と直線方向に相対的に移動可能に設けられた２次側部材とを具備し、
前記コア部材は、前記埋設孔より前記２次側部材側に配置された表面側領域を有し、
前記コア部材の前記表面側領域は、第１の領域及び前記第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域を含み、前記第１の領域及び前記第２の領域が前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のリニア駆動装置であって、
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向において前記永久磁石の磁極が切り替わる位置に配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリニア駆動装置であって、
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って間欠的に配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のリニア駆動装置であって、
前記１次側部材における前記２次側部材に対する対向面と前記複数の埋設孔との間隔が、所定の長さよりも短く形成されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載のリニア駆動装置であって、
前記１次側部材と前記２次側部材の対向面は、所定の曲率を有する曲面である
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項１】
永久磁石と、
前記永久磁石が埋設される埋設孔を有するコア部材と、
前記コア部材に装着可能なコイルとを有する１次側部材と、
前記１次側部材と対向して配置され、前記１次側部材と直線方向に相対的に移動可能に設けられた２次側部材とを具備し、
前記コア部材は、前記埋設孔より前記２次側部材側に配置された表面側領域を有し、
前記コア部材の前記表面側領域は、第１の領域及び前記第１の領域の磁気抵抗より高い任意の磁気抵抗を有する第２の領域を含み、前記第１の領域及び前記第２の領域が前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のリニア駆動装置であって、
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向において前記永久磁石の磁極が切り替わる位置に配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリニア駆動装置であって、
前記第２の領域が、前記１次側部材に対する前記２次側部材の移動方向に沿って間欠的に配置されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のリニア駆動装置であって、
前記１次側部材における前記２次側部材に対する対向面と前記複数の埋設孔との間隔が、所定の長さよりも短く形成されている
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載のリニア駆動装置であって、
前記１次側部材と前記２次側部材の対向面は、所定の曲率を有する曲面である
ことを特徴とするリニア駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８５３１３（Ｐ２０１３−８５３１３Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１４４７（Ｐ２０１１−２２１４４７）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
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