致动器、动子和电枢的制作方法

本发明涉及导出直线运动的致动器、以及使用于该致动器的动子和电枢。

背景技术：

电子电路基板等的开孔机中使用的钻头的垂直移动装置、或取放(抓住零件放在规定的位置)式机器人中的垂直移动机构等，被要求高速移动且高精度定位。因此，以往的将旋转型电机的输出用滚珠螺杆变换成直线运动(垂直运动)这样的方法，由于移动速度慢而不能满足上述要求。

因此，对这样的垂直移动，开始使用能直接导出平行运动输出的致动器(直线电机)。例如，以配设有多个平板状永久磁铁的永久磁铁构造体为动子、以具有驱动线圈的电枢为定子的、具有动子贯通定子的结构的致动器被提出(专利文献1)。该专利文献1公开的致动器，具有难以产生使异性磁极间短路的磁通的构造，并且能够通过双极性驱动得到大的最大推力，能提高推力磁动势比。另外，作为现有技术，还公开了包括定子和动子的直线电机，其中，定子上交替配置有磁极不同的多个永久磁铁，动子与该定子隔着磁路气隙配置，并且构成在具有槽的铁芯上缠绕多个线圈而成的电枢(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】国际公开第2011/118568号

【专利文献2】日本特开2002-165433号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

近些年，除了要求提高加工精度，还要求提高刚性，以减小垂直型致动器的弯曲造成的误差。这样的情况下，如果致动器的整体高度高，那么其重心位置也会变高，弯矩造成的动子弯曲变大，成为加工精度变差的原因。因此，在缩短致动器长度来作为垂直型致动器使用时，对降低整体高度、减小移动时的弯矩造成的动子弯曲的要求有所提高。专利文献1中记载的磁铁可动型致动器虽然能得到上述那样优异的推力特性，但是，三相驱动时，由于是各相的电枢串联配置的结构，因此全长变长，当作为垂直型致动器使用时，存在难以降低整体高度的问题。另一方面，作为专利文献2的结构，为了增大推力需要增加线圈的匝数或加粗绕组，结果，动子变大变重，存在推力体积比降低的问题。

本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种致动器、以及使用于该致动器的动子和电枢，该致动器具有难以产生使异性磁极间短路的磁通的构造，并且仅用一个电枢就能得到在时间上连续的推力。

本发明的其他目的在于提供一种致动器、以及使用于该致动器的动子和电枢，该致动器无需将各相的电枢串联配置，能够缩短全长，在应用于垂直型致动器时能够降低整体高度，减小动子的弯曲。

用于解决课题的手段

本发明的致动器，其特征在于:在电枢的第一铁芯单元和第二铁芯单元的开口部贯通有动子，所述动子中，在十字状正交的两个平面上分别配设有平板状的多个磁铁，在所述两个平面中的一个平面上，在所述两个平面的交线方向上配置有在厚度方向上被磁化的所述多个磁铁，且相邻的磁铁的磁化方向相反，在所述两个平面中的另一个平面上，在所述交线方向上配置有在厚度方向上被磁化的所述多个磁铁，且相邻的磁铁的磁化方向相反，所述一个平面上的所述多个磁铁的排列和所述另一个平面上的所述多个磁铁的排列在所述交线方向上错开励磁周期的四分之一，所述电枢通过将软质磁性体制的所述第一铁芯单元和软质磁性体制的所述第二铁芯单元夹着软质磁性体制的间隔铁芯单元交替重叠、并在叠合的所述第一铁芯单元和所述第二铁芯单元的芯部设置绕组而成，所述第一铁芯单元被所述动子贯通的十字状的所述开口部划分为四个区域，各划分区域具有与所述开口部对置的两个磁极部、配置在外侧边缘的轭部、和连接该轭部与所述磁极部的所述芯部，所述第二铁芯单元被所述动子贯通的十字状的所述开口部划分为四个区域，各划分区域具有与所述开口部对置的两个磁极部、配置在外侧边缘的轭部、和连接该轭部与所述磁极部的所述芯部，所述第二铁芯单元与所述第一铁芯单元的正反面相反。

本发明的致动器，在一个电枢内位于两个方向(互相正交的两个方向)上的十字状的间隙产生独立的交变磁场，使这些磁场的相位错开90°，在该十字状的间隙中插入有截面为十字状的动子，该动子上，磁铁的排列在互相正交的两个方向上错开励磁周期的四分之一。因此，即使是相统一集中绕组结构(对同一相的磁极齿用一个驱动线圈统一励磁的结构)，也能用一个电枢获得在时间上连续的推力。相统一集中绕组结构具有绕组电阻低的特征，所以具有铜损小的优点，并且致动器的全长变短。

本发明的致动器，其特征在于：具有支承固定所述多个磁铁的框架构件。

本发明的致动器，用框架构件支承固定动子的磁铁。因此，能够可靠地得到磁铁的正确排列。

本发明的致动器，其特征在于：所述芯部的宽度与厚度的乘积大于所述轭部的宽度与厚度的乘积。

本发明的致动器，电枢的各划分区域中的芯部的宽度与厚度的乘积大于轭部宽度与厚度的乘积。因此，在芯部也能够获得足够的磁通。

本发明的致动器，其特征在于：所述第一铁芯单元的相邻的划分区域的轭部通过非磁性材料连接，所述第二铁芯单元的相邻的划分区域的轭部通过非磁性材料连接。

本发明的致动器，电枢的相邻的划分区域的轭部彼此通过非磁性材料连接。因此，能够可靠地防止相邻的划分区域间的磁短路。

本发明的动子，用于具有平板状的多个磁铁的致动器，其特征在于：所述多个磁铁分别配设在十字状正交的两个平面上，在所述两个平面中的一个平面上，在所述两个平面的交线方向上配置有在厚度方向上被磁化的所述多个磁铁，且相邻的磁铁的磁化方向相反，在所述两个平面中的另一个平面上，在所述交线方向上配置有在厚度方向上被磁化的所述多个磁铁，且相邻的磁铁的磁化方向相反，所述一个平面上的多个磁铁的排列和所述另一个平面上的多个磁铁的排列在所述交线方向上错开励磁周期的四分之一。

本发明的电枢，呈立方体状，用于动子贯通的致动器，其特征在于：所述电枢通过将软质磁性体制的第一铁芯单元和软质磁性体制的第二铁芯单元夹着软质磁性体制的间隔铁芯单元交替重叠、并在叠合的所述第一铁芯单元和所述第二铁芯单元的芯部设置绕组而成，所述第一铁芯单元被所述动子贯通的十字状的开口部划分为四个区域，各划分区域具有与所述开口部对置的两个磁极部、配置在外侧边缘的轭部、和连接该轭部与所述磁极部的所述芯部，所述第二铁芯单元被所述动子贯通的十字状的开口部划分为四个区域，各划分区域具有与所述开口部对置的两个磁极部、配置在外侧边缘的轭部、和连接该轭部与所述磁极部的所述芯部，所述第二铁芯单元与所述第一铁芯单元的正反面相反。

发明的效果

本发明的致动器，具有难以产生使异性磁极间短路的磁通的构造，并且只用一个电枢就能够获得在时间上连续的推力。由于不需要将各相的电枢串联配置，所以全长短，在应用于垂直型致动器时整体高度低。结果，能够实现整体高度的降低，因此能够减小加在动子上的弯矩，能够减少弯曲，兼顾加工装置的高精度化和小型化。另外，由于能实现小型化，所以可进行高效率的驱动，能够获得大的推力磁动势比。

附图说明

图1是表示动子的结构的立体图。

图2是表示动子中使用的磁铁排列框的结构的立体图。

图3A～3C是表示电枢中使用的铁芯单元的平面图。

图4是表示电枢铁芯的形状的平面图。

图5是表示电枢铁芯的构成方法的立体图。

图6是表示电枢中使用的驱动线圈的立体图。

图7是表示电枢的结构的立体图。

图8是表示致动器的结构的立体图。

图9A～9C是表示电枢铁芯中使用的区块单元的立体图。

图10是表示电枢铁芯中使用的1/4区块的立体图。

图11是表示电枢铁芯的结构的立体图。

图12A～12D是表示电枢中发生的磁通流动的图。

图13是表示磁铁排列框的实施例的立体图。

图14是表示动子的实施例的立体图。

图15A、图15B是表示实施例的电枢的制作中使用的电枢素材的平面图。

图16是表示1/4区块的实施例的立体图。

图17是表示电枢铁芯的实施例的立体图。

图18是表示驱动线圈的实施例的立体图。

图19是表示电枢的实施例的立体图。

图20是表示实施例的致动器中驱动线圈的驱动磁动势与产生的推力的关系的曲线图。

图21是表示实施例的致动器的推力变动的曲线图。

图22是表示比较例的致动器的结构的立体图。

图23是表示比较例的致动器的尺寸的图。

图24是表示比较例的致动器的特性的曲线图。

图25是表示动子中使用的磁铁排列框的其它例子的结构的立体图。

图26是表示动子中使用的磁铁排列框的又一例子的结构的立体图。

图27A～27C是表示电枢铁芯中使用的区块单元的其它例子的立体图。

具体实施方式

以下，基于表示实施方式的附图详述本发明。

首先说明动子的结构。图1是表示动子的结构的立体图，图2是表示动子中使用的磁铁排列框的结构的立体图。动子1具有在图2所示的磁铁排列框10上排列有多个平板状的永久磁铁的结构。

作为支承固定磁铁的框架构件的磁铁排列框10，例如由铝等非磁性体形成。关于磁铁排列框10，在以动子1的可动方向(长边方向)的中心轴为交线正交的两个平面中的一个面(图2中上下方向上的面)上，多个框部件10a关于中心轴对称地以等间隔配设在可动方向上，在所述两个平面中的另一个面(图2中左右方向上的面)上，多个框部件10b关于中心轴对称地以等间隔配设在可动方向上。

动子1中的平板状的永久磁铁在厚度方向上被磁化(磁化方向参照图1的空心箭头)，分别插入磁铁排列框10的相邻的框部件10a、10a间以及10b、10b间，并粘结固定。因此，动子1整体呈十字截面形状。

以动子1的可动方向(长边方向)的中心轴为交线正交的两个平面中的一个面(图1中上下方向的面)上，厚度方向上的磁化方向(图1的空心箭头方向)相反的第一磁铁11a、第三磁铁11c各八个关于中心轴对称地在可动方向(两个平面的交线方向)上交替配置。关于可动方向的中心轴对称的位置上的两个第一磁铁11a彼此的磁化方向相同，关于可动方向的中心轴对称的位置上的两个第三磁铁11c彼此的磁化方向也相同。

另外，两个平面中的另一个面(图1中左右方向的面)上，厚度方向上的磁化方向(图1的空心箭头方向)相反的第二磁铁11b、第四磁铁11d各八个关于中心轴对称地在可动方向上交替配置。关于可动方向的中心轴对称的位置上的两个第二磁铁11b彼此的磁化方向相同，关于可动方向的中心轴对称的位置上的两个第四磁铁11d彼此的磁化方向也相同。

而且，在以永久磁铁的S极、N极对为励磁周期(λ、360°)的情况下，一个面上的八个第一磁铁11a和八个第三磁铁11c的排列相比于另一个面上的八个第二磁铁11b和八个第四磁铁11d的排列在可动方向(长边方向)上错开励磁周期的四分之一(λ/4、90°)。在此，励磁周期是指，厚度方向上彼此反向地被磁化的第一磁铁11a和第三磁铁11c这一对磁铁、或第二磁铁11b和第四磁铁11d这一对磁铁的排列周期。

接下来说明电枢的结构。图3A～3C是表示电枢中使用的铁芯单元的平面图，图3A示出了第一铁芯单元21a，图3B示出了第二铁芯单元21b，图3C示出了间隔铁芯单元21c。

第一铁芯单元21a具有十字状的开口部22a，动子1能贯通开口部22a。第一铁芯单元21a被该开口部22a划分为四个区域。各划分区域由软质磁性体形成，并具有与开口部22a对置的两个磁极部23a、23a、配置在外侧边缘的轭部24a、以及连接轭部24a和磁极部23a、23a的芯部25a。芯部25a的宽度比轭部24a的宽度大，芯部25a的宽度与厚度的乘积比轭部24a的宽度与厚度的乘积大。相邻的划分区域呈绕十字状的开口部22a的中心旋转90°而成的结构。另外，在相邻的划分区域，其轭部24a、24a的端部彼此用非磁性间隔件26a连接。因此，相邻的划分区域彼此磁绝缘。

第二铁芯单元21b与第一铁芯单元21a的正反面相反。第二铁芯单元21b具有十字状的开口部22b，动子1能贯通开口部22b，第二铁芯单元21b被该开口部22b划分为四个区域。各划分区域由软质磁性体形成，并具有与开口部22b对置的两个磁极部23b、23b、配置在外侧边缘的轭部24b、以及连接轭部24b和磁极部23b、23b的芯部25b。芯部25b的宽度比轭部24b的宽度大，芯部25b的宽度与厚度的乘积比轭部24b的宽度与厚度的乘积大。相邻的划分区域呈绕十字状的开口部22b的中心旋转90°而成的结构。另外，在相邻的划分区域，其轭部24b，24b的端部彼此用非磁性间隔件26b连接。因此，相邻的划分区域彼此磁绝缘。

间隔铁芯单元21c的边缘具有被划分为四部分的轭部24c。轭部24c由软质磁性体形成，相邻的轭部24c彼此由非磁性间隔件26c连接。间隔铁芯单元21c的中央部成为动子1能贯通的、比开口部22a、22b大的矩形状的开口部22c。另外，轭部24c具有与轭部24a、24b相同的宽度。

开口部22a、22b在平面视图中被设于同一位置，在将第一铁芯单元21a、间隔铁芯单元21c、第二铁芯单元21b层叠后，这些开口部22a、22b隔着开口部22c叠合。另外，非磁性间隔件26a、26b、26c在平面视图中被设于同一位置，在将第一铁芯单元21a、间隔铁芯单元21c、第二铁芯单元21b层叠后，这些非磁性间隔件26a、26b、26c叠合。

电枢铁芯通过层叠这样的第一铁芯单元21a、间隔铁芯单元21c、第二铁芯单元21b而构成。图4是表示电枢铁芯的形状的平面图，图5是表示电枢铁芯的构成方法的立体图。

电枢铁芯30通过层叠两个第一铁芯单元21a、21a、两个第二铁芯单元21b、21b、三个间隔铁芯单元21c、21c、21c而构成。具体来说，如图5所示，电枢铁芯30通过按顺序层叠第一铁芯单元21a、间隔铁芯单元21c、第二铁芯单元21b、间隔铁芯单元21c、第一铁芯单元21a、间隔铁芯单元21c、第二铁芯单元21b而构成。

此时，相邻的第一铁芯单元21a和第二铁芯单元21b中，轭部24a和轭部24b通过间隔铁芯单元21c的轭部24c磁耦合，但磁极部23a、23a与磁极部23b、23b隔着与间隔铁芯单元21c的厚度相当的空隙磁绝缘，芯部25a与芯部25b隔着与间隔铁芯单元21c的厚度相当的空隙磁绝缘。这些轭部24a、轭部24b和轭部24c起到磁通的返回路径的作用。磁极部23a与磁极部23b隔着间隙，芯部25a与芯部25b隔着间隙，因此防止了磁短路。

通过层叠这些铁芯单元，各铁芯单元的开口部22a、22b、22c连通，成为动子1能插入的十字状的贯通孔22。另外，各铁芯单元的非磁性间隔件26a、26b、26c连结，从而成为具有切断磁耦合的功能和固定保持各铁芯单元的功能的非磁性体制的间隔件支承框26。

图6是表示电枢中使用的驱动线圈的立体图。作为驱动线圈，使用施加正弦波状电流的两个驱动线圈(第一驱动线圈41a和第二驱动线圈41b)、和施加余弦波状电流的两个驱动线圈(第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d)。成对的第一驱动线圈41a和第二驱动线圈41b在图6的左右方向上离开设置，成对的第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d在图6的上下方向上离开设置。向成对的第一驱动线圈41a和第二驱动线圈41b施加同一方向的电流，向成对的第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d施加同一方向的电流。

电枢2通过将这样的四个第一～第四驱动线圈41a～41d以缠绕在芯部25a、25b上的方式配置在电枢铁芯30中而构成。图7是表示电枢2的结构的立体图。

致动器3通过将图1所示的具有十字截面形状的动子1插入图7所示的电枢2中央的十字状的贯通孔22而构成。图8是表示致动器3的结构的立体图。

在此，说明具有如上所述结构的电枢2的制作方法。

图9A～9C是表示电枢铁芯30中使用的区块单元的立体图，图9A示出了第一区块单元31a，图9B示出了第二区块单元31b，图9C示出了返回区块单元31c。

第一区块单元31a与前述第一铁芯单元21a的一个划分区域对应，由软质磁性体形成。第一区块单元31a具有两个磁极部33a、33a、配置在外侧边缘的轭部34a、以及连接轭部34a与磁极部33a、33a的芯部35a。

第二区块单元31b，其与第一区块单元31a的正反面相反，并以对于纸面的法线为轴旋转了90°，其与前述的第二铁芯单元21b的一个划分区域对应，由软质磁性体形成。第二区块单元31b具有两个磁极部33b、33b、配置在外侧边缘的轭部34b、连接轭部34b和磁极部33b、33b的芯部35b。

返回区块单元31c与前述的间隔铁芯单元21c的一个划分区域对应，由软质磁性体形成。返回区块单元31c具有轭部34c。

然后，按照第一区块单元31a、返回区块单元31c、第二区块单元31b的顺序，将它们的轭部34a、34b、34c对位层叠，制作1/4区块37。图10示出了所制作的1/4区块37的结构。

接下来，将八个1/4区块37用非磁性体制的间隔件支承框36结合起来，制作具有动子贯通的十字状开口部的电枢铁芯30。图11示出了所制作的电枢铁芯30的结构。

最后，配置如图6所示的四个第一～第四驱动线圈41a～41d使其在电枢铁芯30的四个角的贯通间隙中穿绕，制作如图7所示的电枢2。

以下，说明本发明中的致动器3的动作。

对四个驱动线圈施加电流后在电枢中发生的磁通流动如图12A～12D所示。图12A、图12B、图12C、图12D分别示出了电角度为0°、电角度为90°、电角度为180°、电角度为270°时的磁通流动。此外，图12A～12D中，各驱动线圈用剖面表示，铁芯单元用平面表示。

图12A～12D中，各驱动线圈中的●记号表示从纸面背面向正面流动的电流的方向，×记号表示从纸面的正面向背面流动的电流的方向。另外，空心箭头表示在纸面的前方侧的铁芯单元(第一铁芯单元21a)上的磁通流动(路径和方向)，虚线箭头表示在纸面的后方侧的铁芯单元(第二铁芯单元21b)上的磁通流动(路径和方向)。

在图12A所示的电角度为0°的状态下，流到第一驱动线圈41a和第二驱动线圈41b的正弦波(sin波)电流为零，流到第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d的余弦波(cos波)电流为最大值。此时，如图12A所示，在沿纸面上下方向延伸的间隙产生方向彼此相差180°的磁通，而在沿纸面左右方向延伸的间隙不产生磁通。

接下来，在图12B所示的电角度为90°的状态下，流到第一驱动线圈41a和第二驱动线圈41b的正弦波电流为最大值，流到第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d的余弦波电流为零。此时，如图12B所示，在沿纸面左右方向延伸的间隙产生方向彼此相差180°的磁通，而在沿纸面上下方向延伸的间隙不产生磁通。

接下来，在图12C所示的电角度180°的状态下，正弦波电流为零，余弦波电流为最大值，在沿纸面上下方向延伸的间隙产生方向彼此相差180°的磁通，而在沿纸面左右方向延伸的间隙不产生磁通。这种情况下产生的磁通的方向与图12A所示的电角度为0°时的磁通的方向相差180°。

接下来，在图12D所示的电角度为270°的状态下，正弦波电流为最大值，余弦波电流为零，在沿纸面左右方向延伸的间隙产生方向相差180°的磁通，而在沿纸面上下方向延伸的间隙不产生磁通。此时产生的磁通的方向与图12B所示的电角度为90°时的磁通的方向相差180°。

在电枢2内部，上述那样的磁通流动的变化以360°为周期重复。

另一方面，如前所述，动子1中的板状磁铁如下排列。即，在图1中上下方向的面上，厚度方向上的磁化方向相反的第一磁铁11a、第三磁铁11c关于可动方向(长边方向)的中心轴对称地在可动方向上交替配置，在图1中左右方向的面上，厚度方向上的磁化方向相反的第二磁铁11b、第四磁铁11d关于可动方向的中心轴对称地在可动方向上交替配置，上下方向的面上的第一磁铁11a和第三磁铁11c的排列相比于左右方向的面上的第二磁铁11b和第四磁铁11d的排列在可动方向上错开λ/4(λ：励磁周期)。

通过组合具有这样结构的动子1和电枢2，即便在使用了一个电枢2的情况下也能获得在时间上连续的推力。以下说明其作用。

将截面呈十字状的动子1插入电枢2的十字状的贯通孔22后，首先配置动子1，使得第一磁铁11a位于图12A～12D的纸面前方侧的磁极齿(第一铁芯单元21a的磁极部23a)和纸面后方侧的磁极齿(第二铁芯单元21b的磁极部23b)之间。在这种状态下，当将如图12A所示的电角度为0°的电流施加到第一～第四驱动线圈41a～41d上时，在第一磁铁11a与纸面前方侧的磁极齿之间产生排斥力，在第一磁铁11a与纸面后方侧的磁极齿之间产生吸引力。结果，动子1向纸面里侧方向移动。

在第一磁铁11a到达与纸面后方侧的磁极齿在轴心方向上相同的位置的时刻，第二磁铁11b位于纸面后方侧的磁极齿(第二铁芯单元21b的磁极部23b)和纸面前方侧的磁极齿(第一铁芯单元21a的磁极部23a)之间。在这种状态下，当将如图12B所示的电角度为90°的电流施加在第一～第四驱动线圈41a～41d上时，在第二磁铁11b与纸面前方侧的磁极齿之间产生排斥力，在第二磁铁11b与纸面后方侧的磁极齿之间产生吸引力。结果，动子1向纸面里侧方向移动。

然后，在第二磁铁11b到达与纸面后方侧的磁极齿在轴心方向上相同的位置的时刻，第三磁铁11c位于纸面后方侧的磁极齿(第二铁芯单元21b的磁极部23b)和纸面前方侧的磁极齿(第一铁芯单元21a的磁极部23a)之间。在这种状态下，当将如图12C所示的电角度为180°的电流施加在第一～第四驱动线圈41a～41d上时，虽然在电枢2上产生与电角度为0°时反向的磁通(参照图12C)，但第三磁铁11c的磁化方向也与第一磁铁11a反向，所以，在第三磁铁11c与纸面前方侧的磁极齿之间产生排斥力，在第三磁铁11c与纸面后方侧的磁极齿之间产生吸引力。结果，动子1向纸面里侧方向移动。

在第三磁铁11c到达与纸面后方侧的磁极齿在轴心方向上相同的位置的时刻，第四磁铁11d位于纸面后方侧的磁极齿(第二铁芯单元21b的磁极部23b)和纸面前方侧的磁极齿(第一铁芯单元21a的磁极部23a)之间。在这种状态下，当将如图12D所示的电角度为270°的电流施加在第一～第四驱动线圈41a～41d上时，虽然在电枢2上产生与电角度为90°时反向的磁通(参照图12D)，但第四磁铁11d的磁化方向也与第二磁铁11b反向，所以，在第四磁铁11d与纸面前方侧的磁极齿之间产生排斥力，在第四磁铁11d与纸面后方侧的磁极齿之间产生吸引力。结果，动子1向纸面里侧方向移动。

通过使如上所述的动作周期性重复，对于动子1的移动，能够获得在时间上连续的推力。

此外，通过使施加到第一～第四驱动线圈41a～41d上的电流的方向与上述情况相反，能够与上述情况反向、即向纸面外侧方向移动动子1。

本发明的致动器3，在一个电枢2的位于两个方向(相互正交的两个方向)上的十字状的贯通孔22产生相位各错开90°的独立的交变磁场，在该十字状的贯通孔22中插入有截面为十字状的动子1，该动子1中，磁铁的排列在相互正交的两个方向上错开励磁周期的四分之一。

因此，本发明的致动器3，即使使用一个电枢2，也能在时间上连续地提供用于使动子1移动的推力。由于不需要像以往那样将各相的电枢排成一列配置，所以能缩短全长。

因此，由于能够缩短本发明的致动器3的全长，所以在应用于垂直型致动器中时，能够降低整体的高度，由于高度降低，所以动子1的弯曲量变少，能得到高的刚性。结果，能相对于被加工物进行精密的对位，能实现加工精度的提高。

本发明的致动器3由于具有相统一集中绕组结构，驱动线圈41a～41d的电阻低，因此具有铜损小的优点，而且能够缩短全长。

本发明的致动器3，由于能实现小型化，所以能够进行高效率的驱动，从而获得大的推力磁动势比。另外，本发明的致动器3，与磁路的交链面大，在这一点上也有助于推力磁动势比的提高。由于推力磁动势比变大，所以获得同样推力所需的电流小，能够将发热量抑制得较低。

后述比较例中的三相结构的致动器，存在各相电枢的芯部产生基于驱动磁动势(施加电流×线圈匝数)的磁通的时间带、和各相的电枢的芯部不产生基于驱动磁动势(施加电流×线圈匝数)的磁通的时间带。与此相对，本发明的致动器3在电枢2的芯部25a、25b随时间变化始终产生磁通(参照图12A～12D)。因此，本发明由于铁芯材料始终被磁化，故能够随时间变化有效地利用铁芯材料的饱和磁化。结果，能够减少所使用的铁芯材料的量。

以下，说明本发明人制作的致动器的具体结构和所制作的致动器的特性。

对致动器中使用的动子1的制作例进行说明。首先，制作出如图13所示的铝制的磁铁排列框10。

使用的平板状的永久磁铁是Nd-Fe-B类烧结磁铁，将最大能积为370kJ/m³、剩余磁通密度为Br＝1.4T的材料切割出长度24mm、宽度10mm、厚度4.5mm的形状而得到。将切割出的磁铁在厚度方向上磁化之后，按照如前所述的排列(参照图1)，将一个面上各十六个共计32个磁铁(第一磁铁11a、第二磁铁11b、第三磁铁11c、第四磁铁11d)用环氧类粘结剂粘结在磁铁排列框10上制作出动子1。制作的动子1的结构示于图14。这种情况下，励磁周期(动子1的磁铁的S极N极对的周期的长度)λ为24mm，因此，第一磁铁11a和第三磁铁11c的排列相比于第二磁铁11b和第四磁铁11d错开6mm(＝λ/4)。

接下来，制作电枢铁芯30。将具有如图15A所示的形状的电枢素材从0.5mm厚的硅钢板上切割出二十块，将切割出的这二十块重叠并经树脂浸渍使其一体化，制作出厚度10mm的区块单元。制作出十六个同一形状的区块单元。将所制作的十六个区块单元中的八个原样作为第一区块单元31a(参照图9A)，将其余八个区块单元翻过来作为第二区块单元31b(参照图9B)。

另外，将具有如图15B所示形状的电枢素材从0.5mm厚的硅钢板切割出四块，将切割出的这四块重叠，经树脂浸渍使其一体化，制作出两个厚度为2mm的第一返回区块单元31d作为返回区块单元31c(参照图9C)，并且，将具有如图15B所示形状的电枢素材从0.5mm厚的硅钢板切割出十块，将切割出的这十块重叠，经树脂浸渍使其一体化，制作出一个厚度为5mm的第二返回区块单元31e作为返回区块单元31c(参照图9C)。

然后，按第一区块单元31a、第一返回区块单元31d、第二区块单元31b、第二返回区块单元31e、第一区块单元31a、第一返回区块单元31d、第二区块单元31b的顺序层叠，用环氧类粘结剂使其一体化，制作出如图16所示的1/4区块37。

将这样制作的四个1/4区块37以层叠方向为轴各旋转90°配置，在其外周配置四个铝制的间隔件支承框36(长：49mm、宽：6mm、高：5mm)并将其粘结，制作出如图17所示的电枢铁芯30。在此，电枢铁芯30的可动方向(长边方向)上的长度为49mm(＝10mm+2mm+10mm+5mm+10m+2mm+10mm)。

使区块单元中的芯部的宽度(17mm)比轭部的宽度(5mm)大，从而使芯部的宽度与厚度的乘积比轭部的宽度与厚度的乘积大。这是因为，层叠时，多个轭部被连续层叠，而芯部被隔开间隙层叠，所以用宽度弥补其厚度的不足，从而在芯部获得足够的磁通。

第一返回区块单元31d的厚度为2mm，而第二返回区块单元31e的厚度为5mm。这是为了实现磁阻力的降低。第二返回区块单元31e的厚度比第一返回区块单元31d的厚度大3mm，使得图17中的前方的第一区块单元31a、第一返回区块单元31d、第二区块单元31b构成的组与后方的第一区块单元31a、第一返回区块单元31d、第二区块单元31b构成的组中的磁阻力的4次谐波成分相抵消。

接下来，制作出如图18所示的四个第一～第四驱动线圈41a～41d。将直径0.7mm的珐琅被覆铜线在图17所示的电枢铁芯30的芯部的贯通空隙缠绕100次，经清漆浸渍后凝固，制作出第一～第四驱动线圈41a～41d。这样，将四个第一～第四驱动线圈41a～41d配置在电枢铁芯30而制作出电枢2。制作出的电枢2示于图19。

在如上所述制作出的电枢2的十字状的贯通孔22的各顶端部分别设置导辊(未图示)，沿着该导辊，将制作出的图14所示的动子1插入电枢2的十字状的贯通孔22，构成致动器3。利用该导辊，动子1被保持在电枢2的十字状的贯通孔22的中央，成为动子1能够在贯通孔22的轴心方向(可动方向)上自由移动的构造。在此，被插入的动子1的截面呈十字状，因此，各导辊只要仅限制可动方向以外的一个方向上的移动即可，所以即便使用具有简易结构的平板状导辊也能进行动子1的定位。

接下来，配置动子1，使得动子1的上下方向的第一磁铁11a、第三磁铁11c各极的中心位于电枢2的相邻的磁极部23a和磁极部23b之间(磁极部23a、磁极部23b间的间隙的中央)。将电机驱动器与各驱动线圈41a～41d连接，使得将该位置的电角度为0°且励磁周期为360°的正弦波状的电流以同一方向施加到第一驱动线圈41a和第二驱动线圈411b、余弦波状的电流以同一方向施加到第三驱动线圈41c和第四驱动线圈41d。

然后，将致动器3固定在推力试验台上测定了推力特性。图20示出了施加在驱动线圈上的每一个驱动线圈的驱动磁动势(施加电流×线圈匝数)与产生的推力之间的关系。图20中，曲线(a)表示推力(N)，曲线(b)表示推力磁动势比(N/A)。如图20所示，当以推力磁动势比降低10％的点为推力比例极限时，能得到比例极限的推力为120N的致动器3。另外，比例极限的推力为120N时的推力磁动势比为0.24N/A。

另外，图21示出使动子1的位置从起点移动了50mm时的推力变动的测定结果。图21中，曲线(a)、(b)、(c)、(d)分别示出了施加到各驱动线圈的驱动磁动势为0A、100A、200A、400A时的测定结果。如图21所示，可知：当驱动磁动势为400A时，可见±10％程度的推力波动，但在实用上没有问题的范围内能够获得连续的推力。

以下，说明如上所述的本发明的致动器和比较例的致动器的对比。

图22是表示与本发明的致动器的额定值大致相同的比较例的致动器的结构的立体图。图23是表示该比较例的致动器的尺寸的图。比较例的致动器是三相驱动式致动器，其使用与本发明同等的电枢铁芯材质和磁铁材质，并具有如下结构：具有电枢铁芯51和驱动线圈52a、52b的三个电枢(U相单元53a、V相单元53b、W相单元53c)隔开规定距离排成一列配置，平板状的磁铁61a(长：20mm、宽：4mm、厚：4mm)和平板状的铁轭(长：26mm、宽：3.5mm、厚：4mm)61b交替地在可动方向上排列设置而成的动子60贯通这三个电枢。在此，动子60的磁铁61a的磁化方向是动子60的可动方向，隔着铁轭61b相邻的磁铁61a、61a的磁化方向彼此相反。

图24示出了该比较例的致动器的特性(推力和推力磁动势比)。图24中，曲线(a)表示推力(N)，曲线(b)表示推力磁动势比(N/A)。如图24所示，当以推力磁动势比下降10％的点为推力比例极限时，比例极限的推力为205N，比例极限的推力为205N时的推力磁动势比为0.08～0.09N/A。

当比较图24所示的比较例的特性和前述图20所示的本发明例的特性时，本发明例无论是推力磁动势比相同时的推力、还是推力相同时的推力磁动势比都优于现有例。在此，比较例需要全长86mm的电枢的结构(参照图23)，而本发明例用全长49mm的电枢2的结构(参照图19)就能获得足够的特性。

众所周知，垂直型致动器中，弯曲量与其高度的立方成比例。本发明例由于全长能够缩短到比较例的1/2左右，所以当对垂直型致动器应用本发明例时，与应用比较例时相比，弯曲量能降低到1/8左右。

这样，本发明的致动器3能够用一个电枢2获得连续的推力，因此能够使全长较现有的同一额定值的致动器缩短到大致一半。因此，当将本发明的致动器3用于垂直型致动器时，能够实现整体高度的降低，能够减轻弯矩给加工装置造成的负担，从而实现小型轻量化。

另外，本发明的致动器3，动子1的截面为十字形状，电枢2的磁极齿准确地与动子1的磁铁对置，从而能够确保动子1(磁铁)和电枢2(磁极齿)的交链面积大。结果，能够获得与比较例的致动器相比大三倍左右的推力磁动势比(参照图20和图24)，所以驱动电力少，能够提高电力的利用效率，并能减少发热，所以，本发明的致动器3尤其适于高速的连续驱动。

此外，虽然说明了对动子使用平板状永久磁铁的方式，但例如使用棒状的永久磁铁也可以。另外，在驱动了致动器时，只要在实用上没有问题的范围内确保在时间上连续的推力，与永久磁铁的磁化方向垂直的面弯曲也没关系。

作为非磁性材料使用了硅钢板，但材料并不限定于硅钢板。可以根据用途选择非晶态金属、铁、或者锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等铁氧体等。

图25是表示动子1中使用的磁铁排列框10的其它例子的结构的立体图。图25中，对与图2相同的结构要素赋予同一附图标记，其说明从略。图25所示的磁铁排列框10的结构是：在可动方向(长边方向)上等间隔配置的多个框部件10a、10b的端部分别一体地固定设置于在可动方向上长的框部件10c。这样，成为全体被框包围的结构，磁铁排列框10的刚性变高。

另外，图25的结构例中，四个框部件10c各自的周缘部成为截面呈大致圆形状的在可动方向上长的线性导轨10d。此外，虽然省略了图示，但用于使该线性导轨10d通过的线性导向滑块设置在电枢2的非磁性体制的各间隔件支承框26(参照图7)的内表面侧。通过设置这样的线性导轨10d，能够实现动子1的平滑移动，在致动器高速驱动时也不会产生大的振动，能够实现无晃动的、稳定的动子1的高速直线移动。

图26是表示动子1中使用的磁铁排列框10的又一例子的结构的立体图。图26中，对与图25相同的结构要素赋予同一号码，其说明从略。在图26所示的磁铁排列框10的结构中，框部件10a、10b被设置成框部件10a、10b的与磁铁接触的在长边方向上延伸的面从与动子10的可动方向垂直的方向稍稍挪动(偏斜)。挪动的角度(偏斜角)为几度的程度。通过预先做成这样的结构，能够将永久磁铁11a～11d设置成相对于移动方向的垂直方向倾斜规定角(偏斜角)度的偏斜配置。通过偏斜配置永久磁铁11a～11d，能够抑制在致动器驱动时由于磁阻力而产生的振动。

图27A～27C是表示电枢铁芯30中使用的区块单元的其它例子的立体图。图27A示出了第一区块单元31a，图27B示出了第二区块单元31b，图27C示出了返回区块单元31c。图27A～27C所示的例子中，与前述的例子(参照图9A～9C)不同，芯部35a、35b、轭部34a、34b、34c的内侧面不是平面，而是曲面。利用这样的结构，能够实现第一～第四驱动线圈41a～41d各自的绕组数的增加。

附图标记说明

1 动子

2 电枢

3 致动器

10 磁铁排列框

11a 第一磁铁

11b 第二磁铁

11c 第三磁铁

11d 第四磁铁

21a 第一铁芯单元

21b 第二铁芯单元

21c 间隔铁芯单元

22 贯通孔

22a、22b 开口部

23a、23b 磁极部

24a、24b、24c 轭部

25a、25b 芯部

26、36 间隔件支承框

26a、26b、26c 非磁性间隔件

30 电枢铁芯

31a 第一区块单元

31b 第二区块单元

31c 返回区块单元

33a、33b 磁极部

34a、34b、34c 轭部

35a、35b 芯部

37 1/4区块

41a 第一驱动线圈

41b 第二驱动线圈

41c 第三驱动线圈

41d 第四驱动线圈