JP6634341B2 - 直動電動機 - Google Patents

Description

本発明は、直動電動機に関する。

特許文献１には、直動電動機の機能と回転電動機の機能とを有する直動回転アクチュエータが開示されている。特許文献１に開示された直動回転アクチュエータは、円筒状の可動子をその中心軸回りに回転させるための磁界を生じるθ電機子巻線と、可動子を中心軸軸長方向に直線移動させるための磁界を生じるＸ電機子巻線とを備える。この直動回転アクチュエータの可動子は、半径方向を磁化方向とする複数の永久磁石が、交互に極性を反転させるように軸長方向に並べて配置される。また、当該可動子の隣り合う永久磁石の間には、軸長方向に磁化された永久磁石（Ｘ磁石）が配置される。この結果、磁極表面における磁束密度が増大し、可動子を直線移動させる推力が増大する。

特許第５２６１９１３号

特許文献１に記載された直動回転アクチュエータでは、可動子における界磁である永久磁石の間にＸ磁石を配置することにより、推力の増大を図っている。しかしながら、このように構成すると、Ｘ電機子巻線によって生じる磁束が、界磁の永久磁石とＸ磁石との両方を通過することになり、磁路における永久磁石を通過する長さがＸ磁石の分だけ大きくなる。鉄心である軟磁性体に比べて永久磁石の透磁率は低く、そのような永久磁石を磁束が通過する長さが大きくなると、それに応じて磁束密度が低下してしまう。その結果、磁気効率が低下する。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、従来に比して磁気効率を向上させることができる直動電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の直動電動機は、電機子コイルを有する電機子と、前記電機子コイルによって生じる磁束が通過し、前記電機子に対向する可動子磁極を構成する永久磁石を有する可動子とを備え、前記可動子は、前記可動子磁極と同一極性の磁極を前記可動子磁極に向けるように配置され、前記磁束が通過することなく前記可動子磁極に生じる磁界を増大させる補助永久磁石をさらに有する。

この態様において、複数の前記永久磁石は、前記可動子の移動方向に延びる軸の周方向に間隔を隔てて配置され、交互に極性を反転させて前記周方向に磁化されており、前記補助永久磁石は、隣り合う２つの永久磁石の間において、前記軸を中心とする円の中心側に配置されており、前記電機子コイルは、前記移動方向に交差する平面内で環状の磁路を形成するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、複数の前記永久磁石は、前記可動子の移動方向に延びる軸の周方向に間隔を隔てて配置され、交互に極性を反転させて前記周方向に磁化されており、前記可動子は、隣り合う２つの永久磁石の間に、軟磁性体のヨーク部材を有しており、前記補助永久磁石は、前記ヨーク部材と前記移動方向側に隣接して配置されており、前記電機子コイルは、前記移動方向に交差する平面内で環状の磁路を形成するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、複数の前記永久磁石は、前記可動子の移動方向に離れて配置され、隣り合う２つの永久磁石において同一磁極が向き合うように、前記移動方向に磁化されており、前記可動子は、隣り合う２つの永久磁石の間に、軟磁性体のヨーク部材を有しており、前記補助永久磁石は、前記移動方向と交差する方向に前記ヨーク部材に隣接して配置されており、前記電機子コイルは、前記移動方向に平行な平面内で環状の磁路を形成するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記永久磁石は、前記移動方向に直交する断面において円形に配置され、前記ヨーク部材は、前記移動方向に直交する断面において中空の円環状に配置され、前記補助永久磁石は、前記ヨーク部材により形成された円環の中心側に配置されていてもよい。

また、上記態様において、前記可動子は、前記可動子の移動方向に延び、前記可動子磁極が設けられた凹部又は凸部を有し、前記電機子は、前記電機子コイルが巻回され、前記可動子磁極に対向する電機子磁極を構成するティース部を有し、前記ティース部は、前記凹部又は前記凸部に対応する凸状又は凹状に形成されていてもよい。

本発明によれば、従来に比して磁気効率を高めることができる。

実施の形態１に係る直動電動機の構成を示す斜視図。 実施の形態１に係る電機子の構成を示す平面図。 実施の形態１に係る可動子の構成を示す側面図。 図３に示すＡ−Ａ線における可動子の断面図。 図３に示すＢ−Ｂ線における可動子の断面図。 図３に示すＣ−Ｃ線における可動子の断面図。 図３に示すＤ−Ｄ線における可動子の断面図。 実施の形態１に係る直動電動機における電機子コイルから生じた磁路を示す平面断面図。 実施の形態２に係る可動子の構成を示す側面図。 図６に示すＥ−Ｅ線における可動子の断面図。 図６に示すＦ−Ｆ線における可動子の断面図。 実施の形態２に係る直動電動機における電機子コイルから生じた磁路を示す平面断面図。 実施の形態３に係る直動電動機の構成を示す斜視図。 実施の形態３に係る電機子の構成を示す側面断面図。 実施の形態３に係る可動子の構成を示す側面図。 図１１に示すＧ−Ｇ線における可動子の断面図。 図１１に示すＨ−Ｈ線における可動子の断面図。 図１１に示すＩ−Ｉ線における可動子の断面図。 図１１に示すＪ−Ｊ線における可動子の断面図。 実施の形態３に係る直動電動機における電機子コイルから生じた磁路を示す側面断面図。 実施の形態４に係る直動電動機の構成を示す平面断面図。 ティース部の形状の他の例を示す部分拡大平面断面図。 ティース部及び可動子の形状の変形例を示す平面断面図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、電機子コイルが可動子の移動方向に直交する平面内で環状の閉じた磁路を形成する横方向磁束型の直動電動機について説明する。

図１は、本実施の形態に係る直動電動機の構成を示す斜視図である。直動電動機１００は、電機子１１０と、可動子１２０とを備える。なお、以下の説明において、可動子１２０の移動方向をＺ方向、Ｚ方向に延びる中心軸１５０の周方向をθ方向、中心軸１５０を中心とした円の半径方向をｒ方向という。

図２を参照して、電機子１１０の構成について説明する。図２は、電機子の構成を示す平面図である。電機子１１０は、電機子コイル１１１と、ティース部１１２と、ヨーク部１１３とを有する。ヨーク部１１３はＺ方向に延びる貫通孔を有する環状であり、その内側に複数のティース部１１２が設けられている。ティース部１１２は、中心軸１５０を中心として放射状に配置されており、それぞれがｒ方向に延びている。

ヨーク部１１３とティース部１１２とは電機子部材１１４として一体的に形成されている。かかる電機子部材１１４は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。また、ティース部１１２は、直方体形状をなしており、各ティース部１１２には導線が巻回され電機子コイル１１１が形成される。電機子１１０には、かかるティース部１１２が８個設けられている。

上記のような電機子１１０は、図１に示すように、Ｚ方向に複数並べて配置される。

次に、可動子１２０の構成について説明する。図１に示すように、可動子１２０は、電機子１１０の内側に配置される。図３は、可動子の構成を示す側面図である。図１及び図３に示すように、可動子１２０は、中心軸１５０を中心とした円柱状をなしている。図３に示すように、かかる可動子１２０は、第１層１２０ａ、第２層１２０ｂ、第３層１２０ｃ、及び第４層１２０ｄがＺ方向に積層されて構成される。なお、第１層１２０ａ、第２層１２０ｂ、第３層１２０ｃ、及び第４層１２０ｄを当該順番で繰り返し連続してＺ方向に積層してもよい。本実施の形態に係る可動子１２０は、１組の第１層１２０ａ、第２層１２０ｂ、第３層１２０ｃ、及び第４層１２０ｄが積層されている。

図４Ａは、図３に示すＡ−Ａ線における可動子の断面図である。同様に、図４Ｂ〜図４Ｄのそれぞれは、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線のそれぞれにおける可動子の断面図である。可動子１２０は、平面視における中心位置に、円柱状の出力軸１６０を有している。この出力軸１６０は、ステンレス鋼等の非磁性体である。

第２層１２０ｂの構成を図４Ｂに示す。第２層１２０ｂには、ｒ方向に延びる８個の板状の永久磁石１２１が中心軸１５０を中心として放射状に配置されている。つまり、各永久磁石１２１は、θ方向に等間隔を隔てて配置されている。また、永久磁石１２１は、板厚方向、即ちθ方向に磁化されており、θ方向に並ぶ順番で交互に極性が反転されている。つまり、隣り合う２つの永久磁石１２１は、同一磁極が向き合って配置されている。なお、図４Ａ〜図４Ｄにおいて、矢印は磁化方向を示しており、極性はＳ→Ｎとなっている。

第２層１２０ｂにおいて、各永久磁石１２１の間にはヨーク部材１２２が配置される。ヨーク部材１２２は、平面視において、中心軸１５０を中心とする円環の２つの半径と、その２つの半径の間にある２つの円弧（外側の円弧及び内側の円弧）とで囲まれた形状をなす板状部材である。かかるヨーク部材１２２は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。

ヨーク部材１２２は、その両側に設けられた永久磁石１２１によって磁化される。１つの永久磁石１２１は、２つのヨーク部材１２２によって挟まれている。このため、永久磁石１２１から生じた磁束は、図中破線の矢印で示すように、永久磁石１２１のＳ極に面したヨーク部材１２２を通って当該ヨーク部材１２２の側面から可動子１２０の外側の空間（電機子１１０とのギャップ）に出る。かかる磁束はギャップを永久磁石１２１の磁化方向の逆方向に進み、永久磁石１２１のＮ極に面したヨーク部材１２２に側面から入り、永久磁石１２１へと戻る。このため、ヨーク部材１２２の側面は、可動子磁極１２２ａとして構成される。可動子磁極１２２ａは、当該可動子磁極１２２ａを含むヨーク部材１２２に面した永久磁石１２１の磁極と同一極性となる。つまり、ヨーク部材１２２に永久磁石１２１のＳ極が面している場合、当該ヨーク部材１２２の可動子磁極１２２ａはＳ極となり、ヨーク部材１２２に永久磁石１２１のＮ極が面している場合、当該ヨーク部材１２２の可動子磁極１２２ａはＮ極となる。

第２層１２０ｂにおいて、ヨーク部材１２２のｒ方向内側には、補助永久磁石１２３が設けられている。補助永久磁石１２３は、平面視において概ね扇形をなす板状部材であり、その円弧の半径がヨーク部材１２２の内側の円弧の半径と一致している。つまり、一対の補助永久磁石１２３とヨーク部材１２２とによって平面視において扇形が形成され、この一対の補助永久磁石１２３とヨーク部材１２２とが、隣り合う永久磁石１２１の間に配置されている。かかる補助永久磁石１２３は、ｒ方向に磁化されており、θ方向に並ぶ順番で交互に極性が反転されている。

補助永久磁石１２３は、可動子磁極１２２ａと同一磁極を、当該可動子磁極１２２ａに向けるように配置される。具体的には、Ｓ極の可動子磁極１２２ａを含むヨーク部材１２２には、補助永久磁石１２３のＳ極が面しており、Ｎ極の可動子磁極１２２ａを含むヨーク部材１２２には、補助永久磁石１２３のＮ極が面している。これにより、永久磁石１２１によって生じる磁界に補助永久磁石１２３によって生じる磁界が加わり、可動子磁極１２２ａに生じる磁界が増大される。なお、ここでいう「磁極を可動子磁極に向ける」とは、補助永久磁石の磁極を、当該補助永久磁石１２３によって生じる磁束が、可動子磁極を通る位置に置くことをいう。

第４層１２０ｄの構成を図４Ｄに示す。第４層１２０ｄは、第２層１２０ｂと同様の構成をなしている。また、第２層１２０ｂにおける各永久磁石１２１のθ方向の位置と、第４層１２０ｄにおける各永久磁石１２１のθ方向の位置とは一致している。つまり、第２層１２０ｂにおける永久磁石１２１のＺ方向には、第４層１２０ｄにおける永久磁石１２１が設けられている。第２層１２０ｂにおける各ヨーク部材１２２のθ方向の位置と、第４層１２０ｄにおける各ヨーク部材１２２のθ方向の位置とは一致しており、第２層１２０ｂにおける各補助永久磁石１２３のθ方向の位置と、第４層１２０ｄにおける各補助永久磁石１２３のθ方向の位置とは一致している。但し、第２層１２０ｂと第４層１２０ｄにおいて、θ方向の同一位置にある永久磁石１２１の磁化方向は、互いに逆向きとなっている。同様に、第２層１２０ｂと第４層１２０ｄにおいて、θ方向の同一位置にある補助永久磁石１２３の磁化方向は、互いに逆向きとなっている。

第１層１２０ａの構成を図４Ａに示す。第１層１２０ａには、８個の補助永久磁石１２４が設けられている。補助永久磁石１２４は、平面視において概ね扇形をなす板状部材であり、その円弧の半径はヨーク部材１２２の外側の円弧の半径と一致している。また、補助永久磁石１２４の扇形の中心角は、一対の補助永久磁石１２３とヨーク部材１２２とによって形成される扇形の中心角と同一である。つまり、補助永久磁石１２４の扇形と、一対の補助永久磁石１２３とヨーク部材１２２とによって形成される扇形とは同一である。

上記のような補助永久磁石１２４は、非磁性体の保持部材１２５によって保持されている。また、補助永久磁石１２４のＺ方向側には、ヨーク部材１２２及び補助永久磁石１２３が隣接している。つまり、補助永久磁石１２４のθ方向の位置と、一対のヨーク部材１２２及び補助永久磁石１２３のθ方向の位置とは一致している。このため、１つのヨーク部材１２２の上面の全体は、１つの補助永久磁石１２４の下面に接触している。

補助永久磁石１２４はＺ方向に磁化されており、θ方向に並ぶ順番で交互に極性が反転されている。さらに詳細に説明すると、補助永久磁石１２３は、可動子磁極１２２ａと同一磁極を、当該可動子磁極１２２ａに向けるように配置される。つまり、Ｓ極の可動子磁極１２２ａを含むヨーク部材１２２には、補助永久磁石１２４のＳ極が面しており、Ｎ極の可動子磁極１２２ａを含むヨーク部材１２２には、補助永久磁石１２４のＮ極が面している。これにより、永久磁石１２１によって生じる磁界に補助永久磁石１２４によって生じる磁界が加わり、可動子磁極１２２ａに生じる磁界が増大される。

第３層１２０ｃの構成を図４Ｃに示す。第３層１２０ｃは、第１層１２０ａと同様の構成をなしている。また、第１層１２０ａにおける各補助永久磁石１２４のθ方向の位置と、第３層１２０ｃにおける各補助永久磁石１２４のθ方向の位置とは一致している。つまり、第１層１２０ａにおける補助永久磁石１２４のＺ方向には、第３層１２０ｃにおける補助永久磁石１２４が設けられている。また、第１層１２０ａと第３層１２０ｃとにおいて、互いにθ方向の同一位置にある補助永久磁石１２４は、その磁化方向が互いに逆向きとなっている。つまり、第１層１２０ａと第３層１２０ｃとにおいて、互いにθ方向の同一位置にある補助永久磁石１２４は、同一の磁極が向き合うように配置される。

上記のように構成することで、ヨーク部材１２２において、可動子磁極１２２ａである側面以外の全ての面が、出力軸１６０、永久磁石１２１，補助永久磁石１２３及び１２４によって囲まれる。しかも、永久磁石１２１，補助永久磁石１２３及び１２４のヨーク部材１２２に接する面は、全て当該ヨーク部材１２２の可動子磁極１２２ａと同一の磁極とされている。これにより、ヨーク部材１２２からの磁束漏れを防ぎ、可動子磁極１２２ａのみから磁束が出入りする。

上記のような構成の直動電動機１００において、電機子コイル１１１に電流を流すと、電機子コイル１１１の周囲に磁界が発生する。図５は、電機子コイル１１１から生じた磁路を示す平面断面図である。隣り合う２つの電機子コイル１１１には、互いに逆向きに電流が流れる。これにより、これらの電機子コイル１１１が巻回された２つのティース部１１２と、ヨーク部１１３と、電機子１１０の内側の空間とを通る磁路が形成される。このとき、ティース部１１２の可動子１２０との対向面が磁極（電機子磁極１１２ａ）となる。１つの磁路を形成する２つのティース部１１２のうち、一方のティース部１１２の電機子磁極１１２ａがＳ極となり、他方のティース部１１２の電機子磁極１１２ａがＮ極となる。

平面視における各電機子磁極１１２ａのθ方向の角度と、各可動子磁極１２２ａのθ方向の角度とは一致している。つまり、平面視において、電機子磁極１１２ａと可動子磁極１２２ａとが一対一で対向している。したがって、電機子コイル１１１に電流が流れると、電機子磁極１１２ａとこれに対応する可動子磁極１２２ａとが磁力によって吸引又は反発される。電機子コイル１１１に流れる電流が制御されることで、電機子コイル１１１によって生じる磁界が変化し、これによって可動子１２０がＺ方向に移動する。

上記のようにして電機子コイル１１１から生じた磁束は、可動子１２０の内部を通過する。つまり、Ｓ極の電機子磁極１１２ａから出た磁束がＮ極の可動子磁極１２２ａに入り、永久磁石１２１を通過してＳ極の可動子磁極１２２ａから出てＮ極の電機子磁極１１２ａに入る。このとき、補助永久磁石１２３及び１２４には、磁束が通過しない。これにより、磁束が通過する永久磁石は永久磁石１２１のみとなり、磁路における永久磁石を通過する長さを小さくでき、磁束密度の低下が抑制される。また、補助永久磁石１２３及び１２４によって、可動子磁極１２２ａに生じる磁束が増大される。このため、直動電動機１００における磁気効率が向上する。

なお、補助永久磁石１２３及び１２４の何れかに代えて、これと同一形状の非磁性体を設けてもよい。この場合、非磁性体によっては可動子磁極１２２ａの磁界を増大させることはできないものの、ヨーク部材１２２からの磁束漏れを防止できる。

（実施の形態２）
本実施の形態に係る直動電動機は、横方向磁束型の直動電動機である。本実施の形態に係る直動電動機の電機子の構成は、実施の形態１に係る直動電動機１００の電機子１１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

図６は、可動子の構成を示す側面図である。図６に示すように、可動子２２０は、中心軸１５０を中心とした円柱状をなしている。かかる可動子２２０は、第１層２２０ａ、第２層２２０ｂ、第３層２２０ｃ、及び第４層２２０ｄがＺ方向に積層されて構成される。なお、第１層２２０ａ、第２層２２０ｂ、第３層２２０ｃ、及び第４層２２０ｄを当該順番で繰り返し連続してＺ方向に積層してもよい。本実施の形態に係る可動子２２０は、１組の第１層２２０ａ、第２層２２０ｂ、第３層２２０ｃ、及び第４層２２０ｄが積層されている。

図７Ａは、図６に示すＥ−Ｅ線における可動子の断面図であり、図７Ｂは、Ｆ−Ｆ線における可動子の断面図である。第２層２２０ｂの構成を図７Ａに示し、第４層２２０ｄの構成を図７Ｂに示す。可動子２２０は、平面視における中心位置に、円柱状の出力軸２６０を有している。この出力軸２６０は、ステンレス鋼等の非磁性体である。

図７Ａに示すように、第２層２２０ｂには、ｒ方向に延びる８個の板状の永久磁石２２１が中心軸１５０を中心として放射状に配置されている。つまり、永久磁石２２１は、θ方向に等間隔を隔てて配置されている。また、永久磁石２２１は、板厚方向、即ちθ方向に磁化されており、θ方向に並ぶ順番で交互に極性が反転されている。つまり、隣り合う２つの永久磁石２２１は、同一磁極が向き合って配置されている。

第２層２２０ｂにおいて、各永久磁石２２１の間には軟磁性体のヨーク部材２２２が配置される。ヨーク部材２２２は、平面視において中心軸１５０を中心とする扇形をなす板状部材である。かかるヨーク部材２２２は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。

ヨーク部材２２２は、その両側に設けられた永久磁石２２１によって磁化される。１つの永久磁石２２１は、２つのヨーク部材２２２によって挟まれている。このため、永久磁石２２１から生じた磁束は、図中破線の矢印で示すように、永久磁石２２１のＳ極に面したヨーク部材２２２を通って当該ヨーク部材２２２の側面から可動子２２０の外側の空間（電機子１１０とのギャップ）に出る。かかる磁束はギャップを永久磁石２２１の磁化方向の逆方向に進み、永久磁石２２１のＮ極に面したヨーク部材２２２に側面から入り、永久磁石２２１へと戻る。このため、ヨーク部材２２２の側面は、可動子磁極２２２ａとして構成される。可動子磁極２２２ａは、当該可動子磁極２２２ａを含むヨーク部材２２２に面した永久磁石２２１の磁極と同一極性となる。つまり、ヨーク部材２２２に永久磁石２２１のＳ極が面している場合、当該ヨーク部材２２２の可動子磁極２２２ａはＳ極となり、ヨーク部材２２２に永久磁石２２１のＮ極が面している場合、当該ヨーク部材２２２の可動子磁極２２２ａはＮ極となる。

図７Ｂに示すように、第４層２２０ｄは、第２層２２０ｂと同様の構成をなしている。また、第２層２２０ｂにおける各永久磁石２２１のθ方向の位置と、第４層２２０ｄにおける各永久磁石２２１のθ方向の位置とは一致している。つまり、第２層２２０ｂにおける永久磁石２２１のＺ方向には、第４層２２０ｄにおける永久磁石２２１が設けられている。第２層２２０ｂにおける各ヨーク部材２２２のθ方向の位置と、第４層２２０ｄにおける各ヨーク部材２２２のθ方向の位置とは一致している。但し、第２層２２０ｂと第４層２２０ｄにおいて、互いにθ方向の同一位置にある永久磁石２２１は、その磁化方向が互いに逆向きとなっている。

第１層２２０ａ及び第３層２２０ｃの構成は、実施の形態１において説明した第１層１２０ａ及び第３層１２０ｃの構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

ヨーク部材２２２において、可動子磁極２２２ａである側面以外の全ての面が、永久磁石２２１と補助永久磁石１２４と出力軸２６０とによって囲まれている。しかも、永久磁石２２１及び補助永久磁石１２４のヨーク部材２２２に接する面は、全て当該ヨーク部材２２２の可動子磁極２２２ａと同一の磁極とされている。これにより、ヨーク部材２２２からの磁束漏れを防ぎ、可動子磁極２２２ａのみから磁束が出入りする。

図８は、電機子コイル１１１から生じた磁路を示す平面断面図である。上記のような構成の直動電動機２００において、電機子コイル１１１に電流が流れると、電機子磁極１１２ａとこれに対応する可動子磁極２２２ａとが磁力によって吸引又は反発される。電機子コイル１１１に流れる電流が制御されることで、電機子コイル１１１によって生じる磁界が変化し、これによって可動子２２０がＺ方向に移動する。

電機子コイル１１１から生じた磁束は、可動子２２０の内部を通過する。つまり、Ｓ極の電機子磁極１１２ａから出た磁束がＮ極の可動子磁極２２２ａに入り、永久磁石２２１を通過してＳ極の可動子磁極２２２ａから出てＮ極の電機子磁極１１２ａに入る。このとき、補助永久磁石１２４には、磁束が通過しない。これにより、磁束が通過する永久磁石は永久磁石２２１のみとなり、磁路における永久磁石を通過する長さを小さくでき、磁束密度の低下が抑制される。また、補助永久磁石１２４によって、可動子磁極２２２ａに生じる磁束が増大される。このため、直動電動機２００における磁気効率が向上する。

（実施の形態３）
本実施の形態では、電機子コイルが可動子の移動方向に平行な平面内で環状の閉じた磁路を形成する縦方向磁束型の直動電動機について説明する。

図９は、本実施の形態に係る直動電動機の構成を示す斜視図である。直動電動機３００は、電機子３１０と、可動子３２０とを備える。

図１０を参照して、電機子３１０の構成について説明する。図１０は、電機子の構成を示す側面断面図である。電機子３１０は、電機子コイル３１１と、ヨーク部３１３とを有する。ヨーク部３１３はＺ方向に延びる貫通孔を有する円筒状をなしている。かかるヨーク部３１３の内側面のＺ方向中央部には、電機子コイル３１１を収容するための円環状の凹部３１２が設けられている。凹部３１２には、円環状に導線が巻回されて構成された電機子コイル３１１が収容される。

上記のような電機子３１０は、図９に示すように、Ｚ方向に複数並べて配置される。

次に、可動子３２０の構成について説明する。図９に示すように、可動子３２０は、電機子３１０の内側に配置される。図１１は、可動子の構成を示す側面図である。図９及び図１１に示すように、可動子３２０は、中心軸１５０を中心とした円柱状をなしている。図１１に示すように、かかる可動子３２０は、第１層３２０ａ、第２層３２０ｂ、第３層３２０ｃ、及び第４層３２０ｄがＺ方向に積層されて構成される。なお、第１層３２０ａ、第２層３２０ｂ、第３層３２０ｃ、及び第４層３２０ｄを当該順番で繰り返し連続してＺ方向に積層してもよい。本実施の形態に係る可動子３２０は、２組の第１層３２０ａ、第２層３２０ｂ、第３層３２０ｃ、及び第４層３２０ｄが積層されている。

図１２Ａは、図１１に示すＧ−Ｇ線における可動子の断面図である。同様に、図１２Ｂ〜図１２Ｄのそれぞれは、Ｈ−Ｈ線、Ｉ−Ｉ線、Ｊ−Ｊ線のそれぞれにおける可動子の断面図である。可動子３２０は、平面視における中心位置に、円柱状の出力軸３６０を有している。この出力軸３６０は、ステンレス鋼等の非磁性体である。

第１層３２０ａの構成を図１２Ａに示す。第１層３２０ａには、８個の永久磁石３２１が設けられている。永久磁石３２１は、平面視において概ね扇形をなす板状部材である。かかる永久磁石３２１は、ｒ方向に放射状に延びた非磁性体の保持部材３２５によって保持されている。永久磁石３２１は、Ｚ方向に磁化されており、第１層３２０ａの永久磁石３２１の全てにおいて、上面がＮ極とされ、下面がＳ極とされている。

第３層３２０ｃの構成を図１２Ｃに示す。第３層３２０ｃは、第１層３２０ａと同様の構成をなしている。また、第１層３２０ａにおける各永久磁石３２１のθ方向の位置と、第３層３２０ｃにおける各永久磁石３２１のθ方向の位置とは一致している。つまり、第１層３２０ａにおける永久磁石３２１のＺ方向には、第３層３２０ｃにおける永久磁石３２１が設けられている。また、第３層３２０ｃの永久磁石３２１は、Ｚ方向に磁化されており、第１層３２０ａの永久磁石３２１とは磁化方向が逆方向とされている。つまり、第３層３２０ｃの永久磁石３２１の全てにおいて、上面がＳ極とされ、下面がＮ極とされている。これにより、第１層３２０ａとの永久磁石３２１と、第３層３２０ｃの永久磁石３２１とは、同一磁極を向き合わせている。

第２層３２０ｂの構成を図１２Ｂに示す。第２層３２０ｂには、８個のヨーク部材３２２が配置される。ヨーク部材３２２は、平面視において、中心軸１５０を中心とする円環の２つの半径と、その２つの半径の間にある２つの円弧（外側の円弧及び内側の円弧）とで囲まれた形状をなす板状部材である。かかるヨーク部材３２２は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。

第２層３２０ｂにおいて、ヨーク部材３２２のｒ方向内側には、補助永久磁石３２３が設けられている。補助永久磁石３２３は、平面視において概ね扇形をなす板状部材であり、その円弧の半径がヨーク部材３２２の内側の円弧の半径と一致している。つまり、一対の補助永久磁石３２３とヨーク部材３２２とによって平面視において概ね扇形が形成されている。また、補助永久磁石３２３の扇形の中心角は、一対の永久磁石３２１の扇形の中心角と同一である。つまり、補助永久磁石１２４の扇形と、一対の補助永久磁石３２３とヨーク部材３２２とによって形成される扇形と、永久磁石３２１の扇形は同一である。

また、補助永久磁石３２３は、ｒ方向に磁化されており、第２層３２０ｂの補助永久磁石３２３の全てにおいて、ｒ方向外側の円弧面がＳ極とされている。上記の保持部材３２５は、第１層３２０ａから第４層３２０ｄに亘って設けられており、ヨーク部材３２２及び補助永久磁石３２３は保持部材３２５に保持されている。

第４層３２０ｄの構成を図１２Ｄに示す。第４層３２０ｄは、第２層３２０ｂと同様の構成をなしている。また、第２層３２０ｂにおける各ヨーク部材３２２のθ方向の位置と、第４層３２０ｄにおける各ヨーク部材３２２のθ方向の位置とは一致しており、第２層３２０ｂにおける各補助永久磁石３２３のθ方向の位置と、第４層３２０ｄにおける各補助永久磁石３２３のθ方向の位置とは一致している。第２層３２０ｂの補助永久磁石３２３の全ては、ｒ方向外側の円弧面がＮ極とされている。

第１層３２０ａ及び第３層３２０ｃの永久磁石３２１の間には、ヨーク部材３２２及び補助永久磁石３２３が配置されている。つまり、永久磁石３２１のθ方向の位置と、一対のヨーク部材３２２及び補助永久磁石３２３のθ方向の位置とは一致している。このため、１つのヨーク部材３２２の上面の全体は、第１層３２０ａの１つの永久磁石３２１の下面に接触しており、当該ヨーク部材３２２の下面の全体は、第３層３２０ｃの１つの永久磁石３２１の下面に接触している。

ヨーク部材３２２は、その上下に設けられた永久磁石３２１によって磁化される。第１層３２０ａの永久磁石３２１から生じた磁束は、図１１、図１２Ａ乃至図１２Ｄにおける破線の矢印で示すように、永久磁石３２１の下面（Ｓ極）からヨーク部材３２２を通って当該ヨーク部材３２２の側面から可動子３２０の外側の空間（電機子３１０とのギャップ）に出る。かかる磁束はギャップを永久磁石３２１の磁化方向の逆方向に進み、同じ永久磁石３２１のＮ極に戻る。また、第３層３２０ｃの永久磁石３２１から生じた磁束は、図中破線の矢印で示すように、永久磁石３２１の上面（Ｓ極）からヨーク部材３２２を通って当該ヨーク部材３２２の側面から可動子３２０の外側の空間（電機子３１０とのギャップ）に出る。かかる磁束はギャップを永久磁石３２１の磁化方向の逆方向に進み、第４層３２０ｄのヨーク部材３２２に側面から入り、同じ永久磁石３２１のＮ極へと戻る。このため、ヨーク部材３２２の側面は、可動子磁極３２２ａとして構成される。可動子磁極３２２ａは、当該可動子磁極３２２ａを含むヨーク部材３２２に面した永久磁石３２１の磁極と同一極性となる。つまり、第２層３２０ｂの可動子磁極３２２ａはＳ極となり、第４層３２０ｄの可動子磁極３２２ａはＮ極となる。

上記のように、第２層３２０ｂのヨーク部材３２２において、可動子磁極３２２ａである側面とは異なる面に、永久磁石３２１及び補助永久磁石３２３が接している。また、ヨーク部材３２２の残った面は、非磁性体の保持部材３２５に接している。しかも、永久磁石３２１及び補助永久磁石３２３のヨーク部材３２２に接する面は、全て当該ヨーク部材３２２の可動子磁極３２２ａと同一の磁極（Ｓ極）とされている。これにより、ヨーク部材３２２からの磁束漏れを防ぎ、可動子磁極３２２ａのみから磁束が出入りする。

補助永久磁石３２３は、可動子磁極３２２ａと同一磁極を、当該可動子磁極３２２ａに向けるように配置される。つまり、第２層３２０ｂにおいては、Ｓ極の可動子磁極３２２ａを含むヨーク部材３２２に、補助永久磁石３２３のＳ極が面している。他方、第４層３２０ｄにおいては、Ｎ極の可動子磁極３２２ａを含むヨーク部材３２２に、補助永久磁石３２３のＮ極が面している。これにより、永久磁石３２１によって生じる磁界に補助永久磁石３２３によって生じる磁界が加わり、可動子磁極３２２ａに生じる磁界が増大される。

上記のような構成の直動電動機３００において、電機子コイル３１１に電流を流すと、電機子コイル３１１の周囲に磁界が発生する。図１３は、電機子コイル３１１から生じた磁路を示す側面断面図である。隣り合う２つの電機子コイル３１１には、互いに逆向きに電流が流れる。これにより、各電機子コイル３１１の断面の回りに環状の磁路が形成される。このとき、ヨーク部３１３の内周面が電機子磁極３１３ａとなる。

電機子コイル３１１に電流が流れると、電機子磁極３１３ａと可動子磁極３２２ａとが磁力によって吸引又は反発される。電機子コイル３１１に流れる電流が制御されることで、電機子コイル３１１によって生じる磁界が変化し、これによって可動子３２０がＺ方向に移動する。

上記のようにして電機子コイル３１１から生じた磁束は、可動子３２０の内部を通過する。つまり、Ｓ極の電機子磁極３１３ａから出た磁束がＮ極の可動子磁極３２２ａに入り、永久磁石３２１を通過してＳ極の可動子磁極３２２ａから出てＮ極の電機子磁極３１３ａに入る。このとき、補助永久磁石３２３には、磁束が通過しない。これにより、磁束が通過する永久磁石は永久磁石３２１のみとなり、磁路における永久磁石を通過する長さを小さくでき、磁束密度の低下が抑制される。また、補助永久磁石３２３によって、可動子磁極３２２ａに生じる磁束が増大される。このため、直動電動機３００における磁気効率が向上する。

（実施の形態４）
本実施の形態に係る直動電動機は、横方向磁束型の直動電動機である。

図１４は、本実施の形態に係る直動電動機４００の構成を示す平面断面図である。図１４に示すように、直動電動機４００は、電機子４１０と、可動子４２０とを備える。

電機子４１０においては、ティース部４１２の先端（可動子４２０と対向する端部）の形状が、平面視において円弧状に突出している。つまり、電機子磁極４１２ａが凸状に形成されている。他方、可動子４２０においては、ヨーク部材４２２の外側面（電機子４１０と対向する面）の形状が、平面視において円弧状に窪んでいる。つまり、可動子磁極４２２ａが凹状に形成されている。ティース部４１２の先端における凸形状と、ヨーク部材４２２の蓋側面における凹形状とは互いに対応しており、電機子磁極４１２ａと可動子磁極４２２ａとは全体に亘って一定の距離を隔て、互いに干渉しない。

また、可動子４２０の外側面における上記の凹形状は、Ｚ方向の全長に亘って延設されている。つまり、可動子４２０においては、ヨーク部材４２２だけでなく、第１層及び第３層における補助永久磁石の外側面も、ヨーク部材４２２と同様に円弧状に窪んでいる。これにより、電機子４１０と干渉することなく、可動子４２０がＺ方向に移動できる。

なお、本実施の形態に係る直動電動機４００のその他の構成は、実施の形態１に係る直動電動機１００の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

上記のような構成とすることで、電機子４１０によって生じた磁束をティース部４１２の先端の電機子磁極４１２ａと可動子磁極４２２ａとの間でもれなく授受できる。図１５は、ティース部の形状の他の例を示す部分拡大平面断面図である。図１５に示すように、この例の直動電動機では、ティース部５１２の幅が先端において広がっており、ティース部５１２の先端部分の両側に薄い拡張部５１３が設けられる。この拡張部５１３により漏れ磁束の発生が抑制される。しかし、拡張部５１３の体積が小さければ、磁気飽和が起こる場合がある。また、隣り合うティース部５１２同士の拡張部５１３が近接し合うため、漏れ磁束が生じる場合もある。これに対し、本実施の形態に係る直動電動機４００では、ティース部４１２に体積が小さい突出部分がなく、磁気飽和の発生を抑制できる。また、可動子４２０に設けられた凹状部分がティース部４１２の先端を覆うため、漏れ磁束の発生を抑制できる。また、隣り合うティース部５１２に互いに近接した突出部分がないことも、漏れ磁束の発生を抑制に寄与する。

（その他の実施の形態）
上記の実施の形態１乃至４においては、可動子が第１層乃至第４層によって構成されたが、これに限定されるものではない。第１層乃至第４層の構成を繰り返し連続して一列に連ねた構成とすることもできる。

また、上記の実施の形態４においては、横方向磁束型の直動電動機において、ティース部４１２の先端を凸状に構成し、可動子４２０の側面に、ティース部４１２の凸状に対応する凹状部分を設ける構成について述べたが、これに限定されるものではない。図１６は、ティース部及び可動子の形状の変形例を示す平面断面図である。図１６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ティース部の先端を凹状に構成し、可動子の側面に、ティース部の凹状に対応する凸状部分を設けてもよい。図１６の（ａ）に示す例では、ティース部の先端が平面視において矩形状に窪み、可動子のティース部に対向する部分が、平面視において矩形状に突出している。また、図１６（ｂ）に示す例では、ティース部の先端が平面視において円弧状に窪み、可動子のティース部に対向する部分が、平面視において円弧状に突出している。このようにすることによって、ギャップがティース部によって包まれるようになるため、磁束漏れを防止できる。

本発明の直動電動機は、永久磁石を含む可動子を、電機子コイルに電流を供給することで発生した磁界によって直線移動させる直動電動機として有用である。

１００，２００，３００，４００ 直動電動機
１１０，３１０，４１０ 電機子
１１１，３１１ 電機子コイル
１１２，４１２ ティース部
１１２ａ，３１３ａ，４１２ａ 電機子磁極
１１３，３１３ ヨーク部
１１４ 電機子部材
１２０，２２０，３２０，４２０ 可動子
１２０ａ，２２０ａ，３２０ａ 第１層
１２０ｂ，２２０ｂ，３２０ｂ 第２層
１２０ｃ，２２０ｃ，３２０ｃ 第３層
１２０ｄ，２２０ｄ，３２０ｄ 第４層
１２１，２２１，３２１ 永久磁石
１２２，２２２，３２２，４２２ ヨーク部材
１２２ａ，２２２ａ，３２２ａ，４２２ａ 可動子磁極
１２３，１２４，３２３ 補助永久磁石
１２５，３２５ 保持部材
１５０ 中心軸
１６０，２６０，３６０ 出力軸
３１２ 凹部

Claims (4)

1. 電機子コイルを有する電機子と、
   前記電機子コイルによって生じる磁束が通過し、前記電機子に対向する可動子磁極を構成する永久磁石を有する可動子と
   を備え、
   前記可動子は、前記可動子磁極と同一極性の磁極を前記可動子磁極に向けるように配置され、前記磁束が通過することなく前記可動子磁極に生じる磁界を増大させる補助永久磁石をさらに有し、
   複数の前記永久磁石は、前記可動子の移動方向に延びる軸の周方向に間隔を隔てて配置され、交互に極性を反転させて前記周方向に磁化されており、
   前記可動子は、隣り合う２つの永久磁石の間に、軟磁性体のヨーク部材を有しており、
   前記補助永久磁石は、前記ヨーク部材と前記移動方向側に隣接して配置されており、
   前記電機子コイルは、前記移動方向に交差する平面内で環状の磁路を形成するように構成されている、
   直動電動機。
2. 電機子コイルを有する電機子と、
   前記電機子コイルによって生じる磁束が通過し、前記電機子に対向する可動子磁極を構成する永久磁石を有する可動子と
   を備え、
   前記可動子は、前記可動子磁極と同一極性の磁極を前記可動子磁極に向けるように配置され、前記磁束が通過することなく前記可動子磁極に生じる磁界を増大させる補助永久磁石をさらに有し、
   複数の前記永久磁石は、前記可動子の移動方向に離れて配置され、隣り合う２つの永久磁石において同一磁極が向き合うように、前記移動方向に磁化されており、
   前記可動子は、隣り合う２つの永久磁石の間に、軟磁性体のヨーク部材を有しており、
   前記補助永久磁石は、前記移動方向と交差する方向に前記ヨーク部材に隣接して配置されており、
   前記電機子コイルは、前記移動方向に平行な平面内で環状の磁路を形成するように構成されている、
   直動電動機。
3. 前記永久磁石は、前記移動方向に直交する断面において円形に配置され、
   前記ヨーク部材は、前記移動方向に直交する断面において中空の円環状に配置され、
   前記補助永久磁石は、前記ヨーク部材により形成された円環の中心側に配置されている、
   請求項２に記載の直動電動機。
4. 前記可動子は、前記可動子の移動方向に延び、前記可動子磁極が設けられた凹部又は凸部を有し、
   前記電機子は、前記電機子コイルが巻回され、前記可動子磁極に対向する電機子磁極を構成するティース部を有し、
   前記ティース部は、前記凹部又は前記凸部に対応する凸状又は凹状に形成されている、
   請求項１乃至３の何れかに記載の直動電動機。
   

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