JPH0638486A

JPH0638486A - 可動磁石式アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0638486A
Application number: JP21326792A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Saito; 重男斉藤; Yasuyuki Hirabayashi; 康之平林; Takatoshi Oyama; 貴俊大山; Hiroyuki Muneno; 尋之宗野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JP3302727B2

Abstract

(57)【要約】【目的】少なくとも２個の永久磁石を同極対向配置と
した磁石可動体を用いるとともに永久磁石の磁極が発生
する磁束を有効利用することで、推力の向上及び効率の
向上を図った可動磁石式アクチュエータを得る。【構成】同極対向された少なくとも２個の永久磁石５
Ａ，５Ｂ間に磁性体６を設けて磁石可動体３を構成し、
少なくとも３連のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃの内側に磁石
可動体３を移動自在に設け、前記少なくとも３連のコイ
ルを、各永久磁石の磁極間を境にして相異なる方向に電
流が流れる如く結線した構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、制御機器、電子機器、
工作機械等において電気エネルギーを電磁作用により往
復運動エネルギー等に変換させる可動磁石式アクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、可動磁石式の往復運動装置として
は、図６の第１従来例の構造を持つもの、及び図７の第
２従来例の構造を持つものがある。

【０００３】図６の第１従来例において、１０は軸方向
に着磁した棒状の永久磁石からなる磁石可動体であり、
両端面に磁極を有している。コイル１１Ａ，１１Ｂは、
磁石可動体１０の端部外周側をそれぞれ環状に周回する
ように巻回され、隣合う部分に同極が発生するようにな
っている。なお、図示は省略してあるが、コイル１１
Ａ，１１Ｂは通常磁石可動体１０を軸方向に移動自在に
ガイドするためのガイド筒体に装着される。そして、磁
石可動体１０の各端面からの磁束がそれぞれコイル１１
Ａ，１１Ｂと鎖交している。

【０００４】図７の第２従来例において、磁石可動体１
５は同極対向配置の２個の棒状永久磁石１６Ａ，１６Ｂ
と、これらの永久磁石１６Ａ，１６Ｂ間に固着される棒
状軟磁性体１７とを固着一体化したものであり、コイル
１８は磁石可動体１５の中間部外周側をそれぞれ環状に
周回するように巻回されている。なお、図示は省略して
あるが、コイル１８は通常磁石可動体１５を軸方向に移
動自在にガイドするためのガイド筒体に装着される。そ
して、磁石可動体１５の同極対向した永久磁石端面から
の磁束がコイル１８と鎖交している。

【０００５】ところで、第１従来例及び第２従来例にお
いて、磁石可動体１０，１５に発生する推力は、基本的
にはフレミングの左手の法則に基づいて与えられる推力
に準ずるものである（フレミングの左手の法則はコイル
に対して適用されるが、ここではコイルが固定のため、
磁石可動体にコイルに作用する力の反力としての推力が
発生する。）。したがって、推力に寄与するのは、磁石
可動体が有する永久磁石の磁束の垂直成分（永久磁石の
軸方向に直交する成分）である。

【０００６】そこで、１個の永久磁石の場合、あるいは
２個の同極対向配置の永久磁石の場合について、磁束の
垂直成分がどのようになるのかそれぞれ解析してみた。

【０００７】図８は、単独の永久磁石の長手側面に沿っ
て表面磁束密度の垂直成分を磁場解析した結果を示す。
但し、永久磁石は希土類永久磁石であって、直径２.５m
m、長さ６mmで、永久磁石表面から０.２５〜０.４５mm
離れた位置を計測した。

【０００８】図９は、２個の永久磁石を同極対向配置と
し、かつ直接接合した場合において、２個の永久磁石の
長手側面に沿って表面磁束密度の垂直成分を磁場解析し
た結果を示す。但し、各永久磁石は希土類永久磁石であ
って、直径２.５mm、長さ３mm（２個で６mm）で、永久
磁石表面から０.２５〜０.４５mm離れた位置を計測し
た。

【０００９】図１０は、２個の永久磁石を同極対向配置
とし、かつ対向間隔を１mmとした場合において、２個の
永久磁石の長手側面に沿って表面磁束密度の垂直成分を
磁場解析した結果を示す。但し、各永久磁石は希土類永
久磁石であって、直径２.５mm、長さ３mmで、永久磁石
表面から０.２５〜０.４５mm離れた位置を計測した。

【００１０】図１１は、２個の永久磁石を同極対向配置
とし、かつ対向間隔を２mmとした場合において、２個の
永久磁石の長手側面に沿って表面磁束密度の垂直成分を
磁場解析した結果を示す。但し、各永久磁石は希土類永
久磁石であって、直径２.５mm、長さ３mmで、永久磁石
表面から０.２５〜０.４５mm離れた位置を計測した。

【００１１】図１２は、２個の永久磁石を同極対向配置
とし、かつ対向間隔を３mmとした場合において、２個の
永久磁石の長手側面に沿って表面磁束密度の垂直成分を
磁場解析した結果を示す。但し、各永久磁石は希土類永
久磁石であって、直径２.５mm、長さ３mmで、永久磁石
表面から０.２５〜０.４５mm離れた位置を計測した。

【００１２】図１３は、２個の永久磁石を同極対向配置
とし、両永久磁石間に長さ１mmの軟磁性体を配置した場
合において、２個の永久磁石の長手側面に沿って表面磁
束密度の垂直成分を磁場解析した結果を示す。但し、各
永久磁石は希土類永久磁石であって、直径２.５mm、長
さ３mmで、永久磁石表面から０.２５〜０.４５mm離れた
位置を計測した。

【００１３】図１４は、２個の永久磁石を同極対向配置
とし、両永久磁石間に長さ１mmの軟磁性体を配置し、さ
らに２個の永久磁石の外周に対向させて軟磁性体ヨーク
を配設した場合において、２個の永久磁石の長手側面に
沿って表面磁束密度の垂直成分を磁場解析した結果を示
す。但し、各永久磁石は希土類永久磁石であって、直径
２.５mm、長さ３mmで、ヨークは永久磁石を取り囲む円
筒形状で厚み０.５mm、長さ１０mmで永久磁石外周から
１.２５mm離間した位置となっており、表面磁束密度の
垂直成分は永久磁石表面から０.２５〜０.４５mm離れた
位置を計測した。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、磁石
可動体に発生する推力は、基本的にはフレミングの左手
の法則に基づいて与えられる推力に準ずるものであり、
コイルと鎖交する永久磁石の磁束の垂直成分（永久磁石
の軸方向に直交する成分）が多いことが望まれるが、図
６の第１従来例では、表面磁束密度の垂直成分は図８の
ようになり、図９乃至図１４の２個の永久磁石を同極対
向配置とした場合に比較して垂直成分が少ないことが判
明した。このため図６の第１従来例の構成では、推力の
向上に限界がある。例えば、磁石可動体１０を直径２.
５mm、長さ６mmの希土類永久磁石で構成し、２個のコイ
ル１１Ａ，１１Ｂの隣合う部分に同極が発生するように
各コイル１１Ａ，１１Ｂに４０ｍＡの電流を流したとき
に発生する推力Ｆ１は４.７（gf）であった。

【００１５】一方、図７の第２従来例では、２個の同極
対向の永久磁石間に軟磁性体を配した磁石可動体１５を
用いており、磁束密度の垂直成分は図１３に示す如くな
り、同極対向の永久磁石１６Ａ，１６Ｂの磁極から出る
磁束は１個の永久磁石の場合（図８参照）や２個の永久
磁石のみの場合（図９乃至図１２参照）よりも多くなる
が、コイルが磁石可動体１５の中間部を囲む１個のみで
あり、磁石可動体１５の両端面の磁極による磁束は有効
に利用していない嫌いがある。このため、図７の第２従
来例の場合も推力の向上が難しかった。例えば、図７の
第２従来例において磁石可動体１５として直径２.５m
m、長さ３mmの希土類永久磁石を２個用い（希土類永久
磁石の性能は第１従来例と同じとする）、かつ両者間に
長さ１mmの軟磁性体を配置したものを用い、図６の第１
従来例と同じ消費電力となるように作成したコイル１８
に４０ｍＡの電流を流し、第１従来例と同じ消費電力と
したときに発生する推力Ｆ２は５.６（gf）であった。

【００１６】本発明は、上記の点に鑑み、少なくとも２
個の永久磁石を同極対向配置とした磁石可動体を用いる
とともに永久磁石の磁極が発生する磁束を有効利用する
ことで、推力の向上及び効率の向上を図った可動磁石式
アクチュエータを提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の可動磁石式アクチュエータは、同極対向さ
れた少なくとも２個の永久磁石間に磁性体を設けて磁石
可動体を構成し、少なくとも３連のコイルの内側に当該
磁石可動体を移動自在に設け、前記少なくとも３連のコ
イルを、各永久磁石の磁極間を境にして相異なる方向に
電流が流れる如く結線した構成としている。

【００１８】また、前記コイル外周側に磁性体ヨークを
設けて、前記永久磁石の着磁方向に垂直な方向の磁束成
分を増加させるための磁気回路を構成してもよい。

【００１９】さらに、前記磁石可動体をガイド体で移動
自在に案内し、該ガイド体の少なくとも一端に前記磁石
可動体が吸着する磁性吸着体を設ける構成としてもよ
い。

【００２０】

【作用】本発明の可動磁石式アクチュエータの動作原理
を図４の概略構成図によって説明する。この図４で、磁
石可動体３は同極対向配置の２個の円柱状永久磁石５
Ａ，５Ｂと、これらの永久磁石５Ａ，５Ｂ間に固着され
る円柱状軟磁性体６とを一体化したものであり、図１３
に示したように、磁束密度の垂直成分（永久磁石の軸方
向に直交する成分）が多い構造となっている。３連のコ
イル２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、磁石可動体３の外周側を周回
する如く巻回され、磁石可動体３を構成する永久磁石５
Ａの左端、永久磁石５Ａ，５Ｂの同極対向端、及び永久
磁石５Ｂの右端の磁極からの磁束とそれぞれ鎖交するよ
うに配置されている。これらのコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃ
は永久磁石５Ａ，５Ｂの磁極間を境にして相異なる方向
に電流が流れる如く結線されている（磁極間の境は磁極
と磁極の間であれば必ずしも磁極中間位置になくともよ
い。）。なお、図示は省略してあるが、コイル２Ａ，２
Ｂ，２Ｃは通常磁石可動体３を軸方向に移動自在にガイ
ドするためのガイド筒体に装着される。コイル２Ａ，２
Ｂ，２Ｃと磁石可動体３との位置関係は、当該磁石可動
体３の全ての可動位置において、永久磁石磁極間を境に
して各コイルに流れる電流が相互に逆向きとなるように
設定しておく。

【００２１】図４における磁石可動体３の構造は、図１
３のように２個の永久磁石を同極対向させかつ永久磁石
間に軟磁性体を配置したものである。この図１３のとき
は軟磁性体位置に相当する領域Ｑの表面磁束密度の垂直
成分は、軟磁性体の無い図９乃至図１２よりも優れてい
る（磁束密度０.３Ｔ以上のピークの幅が広くかつピー
クが高い。）。

【００２２】このように、２個の永久磁石５Ａ，５Ｂを
同極対向させかつ永久磁石間に軟磁性体６を設けた磁石
可動体３は、フレミングの左手の法則に基づく推力に寄
与できる磁石可動体３の長手方向に垂直な磁束成分を大
きくでき、かつ３連のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃは永久磁
石の全磁極の磁束と有効に鎖交するので、３連のコイル
２Ａ，２Ｂ，２Ｃに交互に逆極性の磁界を発生する向き
に電流を通電することにより、従来例では到達し得ない
大きな推力を発生することができる。各コイルの電流を
反転させれば磁石可動体３の推力の向きも反転する。交
流電流を流した場合には、一定周期で振動を繰り返すバ
イブレータとして働く。

【００２３】本発明に係る図４の場合、例えば、磁石可
動体３として直径２.５mm、長さ３mmの希土類永久磁石
を２個用い（希土類永久磁石の性能は第１従来例と同じ
とする）、かつ両者間に長さ１mmの軟磁性体を配置した
ものを用い、図６、図７の第１、第２従来例と同じ消費
電力となるように作成した３連のコイル２Ａ，２Ｂ，２
Ｃに４０ｍＡの電流を流し、同じ消費電力としたときに
発生する推力Ｆ３は６.７（gf）であった。これは、同
一消費電力の第１従来例の場合の約１.４２倍の推力で
あり、また第２従来例の約１.２倍の推力であり、第１
及び第２従来例に比較して格段に優れていることが判
る。

【００２４】図５の曲線（イ）は図４（ヨーク無し）の
場合の磁石可動体３の軸方向変位量と推力（gf）との関
係を示す。但し、永久磁石の寸法、特性は図１３に示し
たものとするとともに、磁石可動体３の中間点が中央の
コイル２Ｂの中間点に位置するときを変位量零とし、各
コイルの電流は４０ｍＡとした。

【００２５】このように、本発明の可動磁石式アクチュ
エータは、同極対向の永久磁石の組み合わせ構造体で磁
石可動体を構成しており、永久磁石の着磁方向（軸方
向）に垂直な磁束密度成分を充分大きくできかつ永久磁
石の全ての磁極の発生する磁束を有効利用できるので、
磁石可動体を取り巻くように周回した少なくとも３連の
コイルに流れる電流との間のフレミングの左手の法則に
基づく推力を充分大きくでき、小型、小電流で大きな推
力を得ることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明に係る可動磁石式アクチュエー
タの実施例を図面に従って説明する。

【００２７】図１及び図２は本発明の第１実施例を示
す。これらの図において、１は軟磁性体の円筒状ヨーク
であり、該円筒状ヨーク１の内側に３連のコイル２Ａ，
２Ｂ，２Ｃが配置され、磁石可動体３を摺動自在に案内
するためのガイド筒体４を構成する絶縁樹脂等の絶縁部
材で円筒状ヨーク１に固着されている。磁石可動体３
は、同極対向配置の２個の円柱状希土類永久磁石５Ａ，
５Ｂと、これらの永久磁石５Ａ，５Ｂ間に固着される円
柱状軟磁性体６とからなり、それらの永久磁石５Ａ，５
Ｂ及び軟磁性体６は接着剤等で相互に一体化されてい
る。前記３連のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃは永久磁石５
Ａ，５Ｂの磁極間を境にして相異なる方向に電流が流れ
る如く結線されている。すなわち、中央のコイル２Ｂは
軟磁性体６及び永久磁石５Ａ，５ＢのＮ極を含む端部を
囲み、両側のコイル２Ａ，２Ｃは、永久磁石５Ａ，５Ｂ
のＳ極を含む端部をそれぞれ囲むことができるようにな
っており、かつ中央のコイル２Ｂに流れる電流の向き
と、両側のコイル２Ａ，２Ｃの電流の向きとは逆向きで
ある（図１の各コイルに付したＮ，Ｓを参照）。なお、
永久磁石５Ａ，５Ｂの外側端面には必要に応じて推力を
外部に伝達するためのピン７等が図１の仮想線の如く設
けられる。ポケットベル用等のバイブレータとして用い
る場合、ピン７は不要である。

【００２８】この第１実施例では、各コイル２Ａ，２
Ｂ，２Ｃの外周側に軟磁性体の円筒状ヨーク１が設けら
れているため、磁石可動体３の表面磁束密度の垂直成分
は、図１４に示す如く、さらに増大する。このため、フ
レミングの左手の法則に基づく推力に寄与できる磁石可
動体３の長手方向に垂直な磁束成分を大きくでき、磁石
可動体３の周囲を環状に巻回する３連のコイル２Ａ，２
Ｂ，２Ｃに交互に逆極性の磁界を発生する向きに電流を
通電することにより、いっそう大きな推力を発生するこ
とができる。例えば、磁石可動体３として直径２.５m
m、長さ３mmの希土類永久磁石を２個用い（希土類永久
磁石の性能は第１従来例と同じとする）、かつ両者間に
長さ１mmの軟磁性体を配置したものを用い、図６、図７
の第１、第２従来例と同じ消費電力となるように作成し
た３連のコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃに４０ｍＡの電流を流
し、同じ消費電力としたときに発生する推力Ｆ４は８.
０（gf）であった。推力Ｆ４の向きは、図１の極性で
は、磁石可動体３が右方向に移動する向きであり、各コ
イルの電流を反転させれば磁石可動体３の推力の向きも
反転する。交流電流を流した場合には、一定周期で振動
を繰り返すバイブレータとして働く。

【００２９】図５の曲線（ロ）は第１実施例（但し、永
久磁石及びヨークの寸法、配置及び永久磁石の特性は図
１４の通り）の場合の磁石可動体３の軸方向変位量と推
力（gf）との関係であって変位量零の点から離れる方向
に磁石可動体が動作するときを示す。また、曲線（ハ）
は第１実施例（ヨーク有り）の場合の磁石可動体３の軸
方向変位量と推力（gf）との関係であって変位量零の点
に近付く方向に動作するときを示す。但し、磁石可動体
３の中間点が中央のコイル２Ｂの中間点に位置するとき
を変位量零とし、各コイルの電流は４０ｍＡとした。こ
のように、磁石可動体３が変位量零の点に近付くか又は
離れるかによって推力が相違するのは、磁石可動体３の
永久磁石の磁極とヨーク１との間に磁石可動体３を変位
量零点に戻す磁気吸引力が働いているからである。

【００３０】図３は本発明の第２実施例を示す。この場
合、軟磁性体の円筒状ヨーク１及びガイド筒体４の両端
部に軟磁性の吸着板８Ａ，８Ｂが嵌合、固着されてい
る。そして、一方の吸着板８Ａにあけられた穴から永久
磁石５Ａの外側端面に固着されたピン９が突出してい
る。その他の構造は前述の第１実施例と同様である。

【００３１】この第２実施例の場合、各コイル２Ａ，２
Ｂ，２Ｃに通電していない状態では軟磁性の吸着板８
Ａ，８Ｂのいずれかに吸着されている。いま、図示の状
態に磁石可動体３があるとき、各コイル２Ａ，２Ｂ，２
Ｃに交互に逆極性の磁界を発生する向きに通電して矢印
Ｒ方向の推力を発生させれば、磁石可動体３は吸着板８
Ａから離脱して矢印Ｒ方向に移動し、吸着板８Ｂに吸着
して停止する。また、各コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃの電流
を反転させて矢印Ｒの反対向きの推力を発生させれば、
磁石可動体３は吸着板８Ｂから離脱して吸着板８Ａ方向
に移動しこれに吸着して停止する。このように吸着板８
Ａ，８Ｂを設けたことで磁石可動体３の移動範囲を正確
に規制することができる。

【００３２】なお、上記各実施例では、２個の同極対向
の永久磁石と両永久磁石間の軟磁性体で磁石可動体３を
構成したが、３個以上の同極対向の永久磁石と両永久磁
石間の軟磁性体で磁石可動体を構成してもよく、これに
対応させてコイル数も４個以上とすることができる。

【００３３】また、第２実施例では円筒状ヨーク１及び
ガイド筒体４の両側に軟磁性吸着板８Ａ，８Ｂを設けた
が、いずれか一方のみに吸着板を設ける構造を採用して
もよい。

【００３４】さらに、各実施例において、円筒状のヨー
ク１及びガイド筒体４を用いたが、角筒状等のヨーク及
びガイド体を採用することもでき、この場合も各コイル
は磁石可動体の外周を周回するように巻回すればよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の可動磁石
式アクチュエータによれば、同極対向された少なくとも
２個の永久磁石間に磁性体を設けて磁石可動体を構成し
たので、磁石可動体の長手方向（永久磁石の着磁方向）
に垂直な磁束成分を充分大きくでき、かつ磁石可動体の
周囲を取り巻くように少なくとも３連のコイルを巻回し
て磁石可動体の各磁極が発生する磁束と有効に鎖交可能
としたので、前記垂直な磁束成分と各コイルに流れる電
流との間のフレミングの左手の法則に基づいて与えられ
る推力を充分大きくできる。このため、小型、小電流で
大きな推力の可動磁石式アクチュエータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る可動磁石式アクチュエータの第１
実施例を示す正断面図である。

【図２】同側面図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す正断面図である。

【図４】本発明の基本構成を示す概略構成図である。

【図５】図１及び図４の可動磁石式アクチュエータにお
ける磁石可動体の変位量と推力との関係を示すグラフで
ある。

【図６】第１従来例を示す概略構成図である。

【図７】第２従来例を示す概略構成図である。

【図８】単一の永久磁石の長手側面（永久磁石の着磁方
向に平行な面）の表面磁束密度の垂直成分（長手側面に
垂直な成分）を示すグラフである。

【図９】２個の同極対向の永久磁石を直接的に対接状態
とした場合の長手側面の表面磁束密度の垂直成分を示す
グラフである。

【図１０】２個の永久磁石を１mmのエアーギャップを介
し同極対向状態とした場合の長手側面の表面磁束密度の
垂直成分を示すグラフである。

【図１１】２個の永久磁石を２mmのエアーギャップを介
し同極対向状態とした場合の長手側面の表面磁束密度の
垂直成分を示すグラフである。

【図１２】２個の永久磁石を３mmのエアーギャップを介
し同極対向状態とした場合の長手側面の表面磁束密度の
垂直成分を示すグラフである。

【図１３】２個の永久磁石を軟磁性体を介し同極対向状
態とした場合の長手側面の表面磁束密度の垂直成分を示
すグラフである。

【図１４】２個の永久磁石を軟磁性体を介し同極対向状
態とし、かつ軟磁性体ヨークを配置した場合の長手側面
の表面磁束密度の垂直成分を示すグラフである。

【符号の説明】

１円筒状ヨーク２Ａ，２Ｂ，２Ｃコイル３磁石可動体４ガイド筒体５円柱状永久磁石６円柱状軟磁性体７，９ピン８Ａ，８Ｂ吸着板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宗野尋之東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同極対向された少なくとも２個の永久磁
石間に磁性体を設けて磁石可動体を構成し、少なくとも
３連のコイルの内側に当該磁石可動体を移動自在に設
け、前記少なくとも３連のコイルを、各永久磁石の磁極
間を境にして相異なる方向に電流が流れる如く結線した
ことを特徴とする可動磁石式アクチュエータ。
【請求項２】前記コイル外周側に磁性体ヨークを設け
て、前記永久磁石の着磁方向に垂直な方向の磁束成分を
増加させるための磁気回路を構成した請求項１記載の可
動磁石式アクチュエータ。
【請求項３】前記磁石可動体がガイド体で移動自在に
案内され、該ガイド体の少なくとも一端に前記磁石可動
体が吸着する磁性吸着体を設けた請求項１記載の可動磁
石式アクチュエータ。