特許 6052259 直動回転アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6052259

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】直動回転アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20161219BHJP

   H02K 1/08 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H02K41/03 A

   H02K1/08

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-190584(P2014-190584)

(22)【出願日】2014年9月18日

(65)【公開番号】特開2016-63658(P2016-63658A)

(43)【公開日】2016年4月25日

【審査請求日】2016年5月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006622

【氏名又は名称】株式会社安川電機

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】牧野 省吾

(72)【発明者】

【氏名】大戸 基道

【審査官】 ▲桑▼原 恭雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３４３９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８９５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０４４７４８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

Ｈ０２Ｋ １／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

出力軸を備え、前記出力軸の軸方向に直動可能かつ前記出力軸の周方向に回転可能に支持される可動子であって、Ｎ極部とＳ極部が、前記周方向に見たときに前記軸方向に交互に配列し、前記軸方向に見たときに前記周方向に交互に配列する、可動子と、
前記可動子を直動させる磁界を発生する直動用巻線と、前記可動子を回転させる磁界を発生する回転用巻線と、前記出力軸の径方向の内周側に突出して前記可動子に対向する、前記軸方向と前記周方向に沿って配列する複数の突出コアを備える、固定子と、
を備え、
前記周方向に沿って配列する前記突出コアの配列方向が、前記可動子の回転方向に対して傾斜している、
直動回転アクチュエータ。

【請求項2】

前記周方向に沿って配列する前記突出コアのうち、一部の前記突出コアの配列方向は、前記可動子の回転方向に対して前記軸方向の一方の側に傾斜し、他部の前記突出コアの配列方向は、前記可動子の回転方向に対して前記軸方向の他方の側に傾斜している、
請求項１に記載の直動回転アクチュエータ。

【請求項3】

前記周方向に沿って配列する前記突出コアの前記軸方向の最大位置差が、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアの間隔よりも小さい、
請求項２に記載の直動回転アクチュエータ。

【請求項4】

前記周方向に沿って配列する前記突出コアのうち、一部の突出コアの前記周方向に沿った辺に面取り加工が施される、
請求項１に記載の直動回転アクチュエータ。

【請求項5】

前記面取り加工は、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアのうち、前記軸方向の最も外側に位置する突出コアの、前記軸方向の外側に位置する辺に施される、
請求項４に記載の直動回転アクチュエータ。

【請求項6】

前記面取り加工は、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアのうち、前記軸方向の最も外側に位置する突出コアよりも内側に位置する突出コアの、前記軸方向の両側に位置する辺に施される、
請求項４に記載の直動回転アクチュエータ。

【請求項7】

前記Ｎ極部と前記Ｓ極部は、前記径方向の外周側に突出し、一部の前記Ｎ極部と前記Ｓ極部の周方向に沿った辺に面取り加工が施される、
請求項１に記載の直動回転アクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直動回転アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、直動と回転の２つの動作が可能な直動回転アクチュエータが知られている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−３４３９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、従来のコア付型の直動回転アクチュエータには、コギングトルクとコギング推力の問題がある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コギングトルクとコギング推力を低減することが可能な直動回転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】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明の直動回転アクチュエータは、可動子と、固定子と、を備える。前記可動子は、出力軸を備え、前記出力軸の軸方向に直動可能かつ前記出力軸の周方向に回転可能に支持される。前記可動子では、Ｎ極部とＳ極部が、前記周方向に見たときに前記軸方向に交互に配列し、前記軸方向に見たときに前記周方向に交互に配列する。前記固定子は、前記可動子を直動させる磁界を発生する直動用巻線と、前記可動子を回転させる磁界を発生する回転用巻線と、前記径方向の内周側に突出して前記可動子に対向する、前記軸方向と前記周方向に沿って配列する複数の突出コアを備える。前記周方向に沿って配列する前記突出コアの配列方向が、前記可動子の回転方向に対して傾斜している。

【0007】

本発明の一態様では、前記周方向に沿って配列する前記突出コアのうち、一部の前記突出コアの配列方向は、前記可動子の回転方向に対して前記軸方向の一方の側に傾斜し、他部の前記突出コアの配列方向は、前記可動子の回転方向に対して前記軸方向の他方の側に傾斜してもよい。

【0008】

本発明の一態様では、前記周方向に沿って配列する前記突出コアの前記軸方向の最大位置差が、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアの間隔よりも小さくてもよい。

【0009】

本発明の一態様では、前記周方向に沿って配列する前記突出コアのうち、一部の突出コアの前記周方向に沿った辺に面取り加工が施されてもよい。

【0010】

本発明の一態様では、前記面取り加工は、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアのうち、前記軸方向の最も外側に位置する突出コアの、前記軸方向の外側に位置する辺に施されてもよい。

【0011】

本発明の一態様では、前記面取り加工は、前記軸方向に沿って配列する前記突出コアのうち、前記軸方向の最も外側に位置する突出コアよりも内側に位置する突出コアの、前記軸方向の両側に位置する辺に施されてもよい。

【0012】

本発明の一態様では、前記Ｎ極部と前記Ｓ極部は、前記径方向の外周側に突出し、一部の前記Ｎ極部と前記Ｓ極部の周方向に沿った辺に面取り加工が施されてもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によると、周方向に沿って配列する突出コアの配列方向が、可動子の回転方向に対して傾斜しているため（いわゆるスキュー）、コギングトルクとコギング推力の両方を低減することが可能である。

【0014】

なお、回転同期モータにおいてスキューによってコギングトルクが低減することは公知であるが、本発明のように、直動回転アクチュエータにおいてスキューによってコギングトルクとコギング推力の両方も低減することは、当業者にとって容易に想到できるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る直動回転アクチュエータの断面図である。

【図2】図１の要部を拡大した図である。

【図3】可動子と固定子の断面図である。

【図4】可動子の斜視図である。

【図5】可動子の側面図である。

【図6A】可動子の断面図である。

【図6B】可動子の断面図である。

【図7】固定子のコアの斜視図である。

【図8】固定子の展開図である。

【図9】固定子の展開図である。

【図10】本発明の他の実施形態に係る直動回転アクチュエータの断面図である。

【図11】固定子のコアの斜視図である。

【図12】固定子の展開図である。

【図13】本発明の他の実施形態に係る直動回転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】

【0016】

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0017】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直動回転アクチュエータ１を、出力軸２１を通るように切断したときの断面図である。図２は、図１における可動子２と固定子３を含む要部を拡大した図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断したときの可動子２と固定子３の断面図である。各図において、Ｚ方向は、出力軸２１の軸方向であって、可動子２が直動する方向である。θ方向は、出力軸２１の周方向であって、可動子２が回転する方向である。Ｒ方向は、出力軸２１の径方向である。

【0018】

図１に示されるように、直動回転アクチュエータ１は、円筒状のハウジング４に収容された可動子２と固定子３を備えている。可動子２は、出力軸２１を備えており、軸受ユニット５１，５３によりハウジング４に対してＺ方向に直動可能かつθ方向に回転可能に支持されている。軸受ユニット５１，５３は、ボールスプライン５１ａ，５３ａと、ベアリング５１ｂ，５３ｂを備えている。出力軸２１の材料としては、例えば非磁性体が好適であるが、強磁性体であってもよい。固定子３は、ハウジング４の内周面上に固定されており、可動子２を取り囲んでいる。

【0019】

出力軸２１の一方の端部は、ハウジング４の外部へ延出している。出力軸２１の他方の端部には、ベアリング５５を介してＺ方向に延伸するアーム５７が取り付けられている。アーム５７には、リニアスケール６１が取り付けられており、リニアセンサ６３と共に、出力軸２１のＺ方向の位置を検出するために利用される。また、ボールスプライン５３ａには、円盤状永久磁石７１が取り付けられており、磁気検出素子７３と共に、出力軸２１のθ方向の回転角を検出するための磁気式エンコーダを構成している。なお、光学式のロータリエンコーダが用いられてもよい。

【0020】

図２及び図３に示されるように、可動子２は、Ｚ方向に交互に配列する複数の永久磁石２３と複数のヨーク２５を備えている。永久磁石２３とヨーク２５は、環状に形成されており、出力軸２１に嵌められている。永久磁石２３とヨーク２５は、相互に接触した状態で出力軸２１に固定されている。

【0021】

図４と図５は、可動子２の斜視図と側面図である。図５における永久磁石２３の内側に付された矢印は、Ｓ極からＮ極に向かう磁化の方向を示している。図６Ａは、図５のＡ−Ａ線で切断したときの可動子２の断面図である。図６Ｂは、図５のＢ−Ｂ線で切断したときの可動子２の断面図である。図６Ａと図６Ｂにおけるヨーク２５の突出部２５７の周囲に付された矢印は、Ｎ極からＳ極に向かう磁束の方向を示している。

【0022】

可動子２は、Ｚ方向に交互に配列する複数の永久磁石２３と複数のヨーク２５を備えている。複数の永久磁石２３は、Ｚ方向の一方の側がＮ極の永久磁石２５Ａと、Ｚ方向の他方の側がＮ極の永久磁石２５Ｂを含んでおり、永久磁石２５Ａと永久磁石２５ＢがＺ方向に交互に配列している。このため、複数のヨーク２５は、永久磁石２３のＳ極に挟まれるヨーク２５Ａと、永久磁石２３のＮ極に挟まれるヨーク２５Ｂを含んでおり、ヨーク２５Ａとヨーク２５ＢがＺ方向に交互に配列している。

【0023】

各々のヨーク２５は、環状部２５３からＲ方向の外周側に突出し、θ方向に配列する複数の突出部２５７を備えている。突出部２５７は、ティースとも呼ばれる。ここで、永久磁石２３のＳ極に挟まれるヨーク２５Ａの突出部２５７はＳ極部となり、永久磁石２３のＮ極に挟まれるヨーク２５Ｂの突出部２５７はＮ極部となる。すなわち、ヨーク２５Ａの突出部２５７のＲ方向の外周側がＳ極となり、ヨーク２５Ｂの突出部２５７のＲ方向の外周側がＮ極となる。

【0024】

ヨーク２５Ａの突出部２５７（Ｓ極部）とヨーク２５Ｂの突出部２５７（Ｎ極部）は、Ｚ方向に見たときにθ方向に交互に配列している。図示の例では、ヨーク２５Ａ，２５Ｂのそれぞれに９０度間隔で４つの突出部２５７が設けられており、このため、Ｚ方向に見たとき４５度間隔で８つの突出部２５７がθ方向に配列している。また、ヨーク２５Ａの突出部２５７（Ｓ極部）とヨーク２５Ｂの突出部２５７（Ｎ極部）は、θ方向に見たときにＺ方向に交互に配列している。

【0025】

図２及び図３の説明に戻り、固定子３は、コア３１に巻かれた直動用巻線３３と回転用巻線３５を備えている。直動用巻線３３と回転用巻線３５は、出力軸２１を中心に同心円状に配置されており、Ｒ方向に重なり合っている。直動用巻線３３は、可動子２を取り囲むようにθ方向に巻かれており、電流が供給されると可動子２を直動させる磁界を発生する。回転用巻線３５は、Ｚ方向を往復するように巻かれており、電流が供給されると可動子２を回転させる磁界を発生する。

【0026】

固定子３は、θ方向に配列する複数のコア３１を備えている。複数のコア３１は、組み立てられることによって、可動子２を取り囲む円筒状の外形を成す。各々のコア３１は、Ｒ方向の内周側に突出して可動子２に対向する複数の突出コア３１９を備えている。突出コア３１９は、ティースとも呼ばれる。突出コア３１９は、Ｚ方向とθ方向に配列する。図示の例では、７つの突出コア３１９がＺ方向に配列し、６つの突出コア３１９がθ方向に配列している。

【0027】

具体的には、固定子３は、図７に示されるように、ハウジング４の内周面に沿うように湾曲した壁部３１３と、壁部３１３のθ方向の中央からＲ方向の内周側へ突出した条部３１５と、条部３１５からＲ方向の内周側へ突出した複数の突出コア３１９を備えている。また、突出コア３１９は、θ方向に広がった先端部３１８を備えている。

【0028】

回転用巻線３５は、条部３１５を取り囲むようにＺ方向に往復して巻かれる。コア３１は、条部３１５に回転用巻線３５が巻かれた状態でハウジング４に収容され、円筒状に組み立てられる。直動用巻線３３は、Ｚ方向に隣り合う突出コア３１９の間の溝３１ｄに収容されるように、円筒状に組み立てられた複数のコア３１に亘ってθ方向に巻かれる。

【0029】

ところで、従来のコア付型の直動回転アクチュエータでは、コギングトルクとコギング推力が発生するという課題がある。

【0030】

そこで、本実施形態では、θ方向に沿って配列する突出コア３１９の配列方向にスキューを付けることで、コギングトルクとコギング推力の両方を低減している。

【0031】

図８は、θ方向を直線に展開した場合の固定子３の展開図である。同図では、各々のコア３１のＺ方向の端に設けられた１つの溝３１ｄに直動用巻線３３が収容された状態が示されている。

【0032】

図８に示されるように、θ方向に沿って配列する突出コア３１９は、θ方向に進むに従って段階的にＺ方向にずれている。θ方向に沿って配列する突出コア３１９の配列方向θｔは、可動子２の回転方向（すなわち、θ方向）に対して傾斜している（いわゆる、スキューが付けられている）。配列方向θｔのθ方向に対する傾斜角度αは、例えば１〜１０度であることが好ましい。このような配列方向θｔの傾斜に伴って、直動用巻線３３もθ方向に対して傾斜している。

【0033】

具体的には、θ方向に沿って配列する突出コア３１９のうち、ある半周分の突出コア３１９の配列方向θｔは、Ｚ方向の一方の側に傾斜角度αだけ傾斜しており、別の半周分の突出コア３１９の配列方向θｔは、Ｚ方向の他方の側に傾斜角度αだけ傾斜している。すなわち、θ方向に沿って配列する突出コア３１９は、θ方向に進むに従って、Ｚ方向の一方の側に段階的にずれ、その後、Ｚ方向の他方の側に段階的にずれている。

【0034】

図８において、Ｌｔは、突出コア３１９のＺ方向の長さであり、詳しくは、突出コア３１９の可動子２に対向する矩形状の面のＺ方向の長さである。Ｌｄは、溝３１ｄのＺ方向の長さであり、言い換えると、Ｚ方向に隣接する２つの突出コア３１９の間隔である。Ｌｓは、θ方向に沿って配列する突出コア３１９の、隣接する突出コア３１９に対するＺ方向の位置差である。３Ｌｓは、θ方向に沿って配列する突出コア３１９のＺ方向の最大位置差である（図２も参照）。最大位置差３Ｌｓは、突出コア３１９の間隔Ｌｄよりも小さいことが好ましい。

【0035】

さらに、本実施形態では、θ方向に沿って配列する複数の突出コア３１９のうち、一部の突出コア３１９のθ方向に沿った辺に面取り加工を施すことでも、コギングトルクとコギング推力の両方を低減している。

【0036】

具体的には、図７に示されるように、Ｚ方向に沿って配列する突出コア３１９のうち、Ｚ方向の最も外側に位置する突出コア３１９の、Ｚ方向の外側に位置する辺に面取り部３１ｅが形成されている。面取り部３１ｅは、突出コア３１９の可動子２に対向する矩形状の面を囲む辺の角が削り取れられることによって形成される。このように面取り部３１ｅが形成されることで、可動子２と固定子３の間に発生するコギング推力を低減することが可能である。

【0037】

特に、図２に示されるように、突出コア３１９が配列するＺ方向の範囲は、永久磁石２３とヨーク２５が配列するＺ方向の範囲と比較して短いため、Ｚ方向の最も外側に位置する突出コア３１９の、Ｚ方向の外側に位置する辺に面取り部３１ｅを形成することで、それよりもＺ方向の外側の磁束の影響を抑制することができ、この結果、コギング推力を効果的に低減することが可能である。

【0038】

また、図８に示されるように、複数のコア３１は、何れの突出コア３１９にも面取り部３１ｅが形成されていないコア３１Ａと、何れかの突出コア３１９に面取り部３１ｅが形成されたコア３１Ｂと、を含んでいる。具体的には、コア３１Ａとコア３１Ｂは、θ方向に周期的に出現している。言い換えると、面取り部３１ｅが形成された突出コア３１９と面取り部３１ｅが形成されていない突出コア３１９がθ方向に周期的に出現している。これによると、可動子２と固定子３の間に発生するコギングトルクを低減することが可能である。

【0039】

図示の例では、コア３１Ａとコア３１Ｂがθ方向に交互に配列しているが、これに限られず、例えばコア３１Ｂがθ方向に１／３の周期で出現してもよい。また、図示の例では、Ｚ方向の一方の端の面取り部３１ｅと他方の端の面取り部３１ｅのθ方向の位置が同じであるが、これに限られず、例えばθ方向の位置が異なってもよい。特に、スキューが付けられた、θ方向に沿って配列する突出コア３１９のうち、Ｚ方向の最も外側に位置する突出コア３１９に面取り部３１ｅを形成することが、コギングトルクとコギング推力の両方を低減する上で好ましい。

【0040】

なお、スキューに関し、図示の例では、θ方向に沿って配列する突出コア３１９は１つ毎にＺ方向にずれているが、これに限られない。例えば、図９に示されるように、θ方向に沿って配列する突出コア３１９は２つ毎にＺ方向にずれてもよい。具体的には、Ｚ方向の一方の側に最もずれた隣接する２つの突出コア３１９と、他方の側に最もずれた隣接する２つの突出コア３１９とは、軸を挟んで向かい合うように配置されており、それらの間の突出コア３１９は、どちらに対してもＺ方向にＬｓだけずれて配置されている。この場合、θ方向に沿って配列する突出コア３１９のＺ方向の最大位置差は、２Ｌｓである。

【0041】

［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る直動回転アクチュエータ１の可動子２と固定子３を含む要部を拡大した断面図である。図１１は、固定子３のコア３１の斜視図である。図１２は、θ方向を直線に展開したときの固定子３の展開図である。なお、上記実施形態と重複する構成については、図中に同一の番号を付すことで詳細な説明を省略する。

【0042】

本実施形態では、Ｚ方向に沿って配列する突出コア３１９のうち、Ｚ方向の最も外側に位置する突出コア３１９よりも内側に位置する突出コア３１９の、Ｚ方向の両側に位置する辺に面取り部３１ｅが形成されている。図示の例では、５つの突出コア３１９がＺ方向に配列したコア３１が適用されており、５つの突出コア３１９のうちのＺ方向の中央の１つの突出コア３１９に面取り部３１ｅが形成されている。このように面取り部３１ｅが形成されることで、可動子２と固定子３の間に発生するコギング推力を低減することが可能である。

【0043】

また、本実施形態でも、面取り部３１ｅが形成された突出コア３１９と面取り部３１ｅが形成されていない突出コア３１９がθ方向に周期的に出現しており、これにより、可動子２と固定子３の間に発生するコギングトルクを低減することが可能である。

【0044】

［第３の実施形態］
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る直動回転アクチュエータ１の可動子２と固定子３を含む要部を拡大した断面図である。なお、上記実施形態と重複する構成については、図中に同一の番号を付すことで詳細な説明を省略する。

【0045】

本実施形態では、可動子２に設けられた複数のヨーク２５のうち、一部のヨーク２５に設けられた突出部２５７のθ方向に沿った辺に面取り加工を施すことで、コギングトルクとコギング推力の両方を低減している。

【0046】

具体的には、Ｚ方向に沿って配列するヨーク２５のうち、Ｚ方向の最も外側に位置するヨーク２５に設けられた突出部２５７の、Ｚ方向の外側に位置する辺に面取り部２５ｅが形成されている。このように面取り部２５ｅが形成されることで、可動子２と固定子３の間に発生するコギング推力を低減することが可能である。

【0047】

特に、永久磁石２３とヨーク２５が配列するＺ方向の範囲は、突出コア３１９が配列するＺ方向の範囲と比較して短いため、Ｚ方向の最も外側に位置するヨーク２５に設けられた突出部２５７の、Ｚ方向の外側に位置する辺に面取り部２５ｅを形成することで、それよりもＺ方向の外側の磁束の影響を抑制することができ、この結果、コギング推力を効果的に低減することが可能である。

【0048】

なお、面取り部２５ｅは、Ｚ方向に沿って配列するヨーク２５のうち、Ｚ方向の最も外側に位置するヨーク２５よりも内側に位置するヨーク２５に設けられた突出部２５７の、Ｚ方向の両側に位置する辺に形成されてもよい。これによっても、可動子２と固定子３の間に発生するコギング推力を低減することが可能である。

【0049】

また、ヨーク２５に設けられる複数の突出部２５７は、面取り部２５ｅが形成されていない突出部２５７Ａと、面取り部２５ｅが形成された突出部２５７Ｂと、を含んでいる。具体的には、面取り部２５ｅが形成された突出部２５７Ａと、面取り部２５ｅが形成されていない突出部２５７Ｂが、θ方向に周期的に出現している。これによると、可動子２と固定子３の間に発生するコギングトルクを低減することが可能である。

【0050】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。

【符号の説明】

【0051】

１ 直動回転アクチュエータ、２ 可動子、２１ 出力軸、２３，２４ 永久磁石、２５ ヨーク、２５３ 環状部、２５７ 突出部、２５８ 中央部、２５９ 庇部、３ 固定子、３１ コア、３１３ 壁部、３１５ 条部、３１８ 先端部、３１９ 突出コア、３１ｄ 溝、３３ 直動用巻線、３５ 回転用巻線、４ ハウジング、５１，５３ 軸受ユニット、５１ａ，５３ａ ボールスプライン、５１ｂ，５３ｂ，５５ ベアリング、５７ アーム、６１ リニアスケール、６３ リニアセンサ、７１ 円盤状永久磁石、７３ 磁気検出素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】