致动器的制作方法

本发明涉及一种致动器，特别涉及一种安装于构件组装用的机器人等的线性致动器。

背景技术：

一直以来，将末端执行器安装到机器人的顶端部来进行构件组装等各种作业，作为驱动末端执行器的致动器，有时也使用可动部相对于固定部自由进行直线运动的线性致动器。

不具有减速器而直接驱动可动部的、所谓的“直接驱动致动器”被用于该线性致动器。

直接驱动致动器能够高速且高精度地进行动作控制，通过与机器人联动，能够扩大作业范围，但另一方面，存在难以小型化、高输出化的问题。另外，能够安装到机器人的顶端部的重量有限，所以要求小型且高输出的致动器。

作为直接驱动致动器之一，存在仅线圈在钕磁铁等永磁铁产生的强劲的磁场中进行往返运动的音圈马达(voicecoilmotor，vcm)。音圈马达能够将可动部设计成小型，但另一方面，由于是直接驱动马达，所以存在每单位体积的输出低的问题。

与此相对地，在专利文献1以及专利文献2中公开了并排设置多个音圈型线性马达单元而成的线性马达。通过该构造，专利文献1以及专利文献2的线性马达在抑制体积增加的同时，实现高输出化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004－282833号公报

专利文献2：日本专利第3683199号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

参照图8以及图9，说明专利文献1的线性马达。专利文献1的线性马达并排设置有2根内磁轭20a、20b。相互之间设有间隙21a、21b地将第1线圈22a、22b以及第2线圈23a、23b卷绕于内磁轭20a、20b。

内磁轭20a、20b插入贯通于与第1线圈22a、22b对置的第1外磁轭30a、30b。第1磁体31a、31b设置于第1外磁轭30a、30b的内周部。2个第1外磁轭30a、30b在相互磁连结的状态下固定。

内磁轭20a、20b插入贯通于与第2线圈23a、23b对置的第2外磁轭32a、32b。将第2磁体33a、33b设置于第2外磁轭32a、32b的内周部。2个第2外磁轭32a、32b在相互磁耦合的状态下固定。

第1外磁轭30a、30b与第2外磁轭32a、32b通过4个连结部34来连结。

在这里，将第1磁体31a以及第2磁体33b的磁极与第1磁体31b以及第2磁体33a的磁极设为相互反向。另外，将在第1线圈22a以及第2线圈23b中流过的电流与在第1线圈22b以及第2线圈23a中流过的电流设为相互反向。

在专利文献1的线性马达中，当由于来自磁体侧面的漏磁通的影响而第1磁体31a、31b接近于第2线圈23a、23b时，产生斥力，并且当第2磁体33a、33b接近于第1线圈22a、22b时，产生斥力。由于该斥力，存在针对输入电流或者轴向的可动部位置的产生推力特性的直线性(以下称为“推力线性度”)变差的问题。

另外，为了抑制斥力的影响，需要增大第1线圈22a、22b与第2线圈23a、23b间的间隙21a、21b。因此，存在包括第1外磁轭30a、30b以及第2外磁轭32a、32b的可动部的可动范围受到限制、或者使内磁轭20a、20b大型化的问题。

进一步地，在专利文献1的线性马达中，通过邻接的2个第1外磁轭30a、30b和邻接的2个第2外磁轭32a、32b形成主磁路φ1、φ2，因此不需要另行设置用于使磁通折返的磁轭(所谓的“返回磁轭”)，与一般的线性马达相比能够小型化，但相对于使用1根内磁轭的线性马达，宽度变成2倍，存在无法使线性马达充分地小型化的问题。

另外，如专利文献1以及专利文献2那样，在采用将2根内磁轭收容到有底箱状的固定台、并且通过设置于固定台的开口部的滑块以使外磁轭自由进行直线运动的方式支承支承外磁轭的构造(所谓的“外轴承构造”)的情况下，存在线性马达进一步地大型化的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种更加小型且高效的致动器。

解决技术问题的技术手段

本发明涉及一种致动器，具备：1根棒状的内磁轭，其插入贯通于1个筒状的外磁轭；支承构件，其以使外磁轭沿着内磁轭的轴向自由进行直线运动的方式支承外磁轭；第1线圈以及第2线圈，其相互之间设有间隙地卷绕于内磁轭，并且流过相互反向的电流；第1磁铁，其以与第1线圈对置的方式设置于外磁轭的内周部；以及第2磁铁，其以与第2线圈对置的方式设置于外磁轭的内周部，并且具有与第1磁铁反向的磁极。

发明效果

根据本发明，能够得到更加小型且高效的致动器。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的致动器的分解立体图。

图2是本发明的实施方式1的致动器的立体图。

图3是沿着图2所示的致动器的a－b－c－d面的截面图。

图4是本发明的实施方式1的固定部的立体图。

图5是本发明的实施方式1的可动部的立体图。

图6的(a)是示出本发明的实施方式1的致动器的相对于轴向的坐标的磁通密度的大小的特性图；图6的(b)是示出本发明的实施方式1的致动器的磁通密度的分布的说明图。

图7的(a)是示出本发明的实施方式1的致动器的可动范围的说明图；图7的(b)是示出不具有第3线圈的作为比较对象的致动器的可动范围的说明图。

图8是专利文献2的线性马达的立体图。

图9是示出专利文献2的线性马达的磁通密度的分布的说明图。

图10是本发明的实施方式2的致动器的分解立体图。

图11是本发明的实施方式2的致动器的立体图。

具体实施方式

以下，为了更详细地说明本发明，依照附图，说明用于实施本发明的方式。

实施方式1.

参照图1～图5，说明本发明的实施方式1的致动器。

在图中，1是中心磁轭(内磁轭)。中心磁轭1由大致棒状的磁性体构成。

相互之间设有间隙地将第1线圈2以及第2线圈3卷绕于中心磁轭1。第1线圈2以及第2线圈3串联或者并联连接于未图示的电流源，流过相互反向的电流。

在第1线圈2与第2线圈3间的间隙，卷绕有第3线圈4。第3线圈4经由未图示的切换控制部连接于电流源，与第1线圈2以及第2线圈3相独立地、自由地切换所流过的电流的方向。

沿着中心磁轭1的轴心，形成有中空的轴承部5。将轴承构件6a、6b分别插入贯通于轴承部5的两端部。将比中心磁轭1细长的轴7插入贯通于轴承构件6a、6b的中空部。轴7以相对于中心磁轭1在轴向上自由进行直线运动并且以轴为中心自由转动或者不转动的方式被支承。

在这里，轴承构件6a、6b在设成自由转动的情况下，由球轴套等构成，为了设成不转动，由花键螺母等构成。在中心磁轭1与轴7之间，通过轴承构件6a、6b具有的支承部而热分离。

将顶桥接部(第1桥接部)8嵌合到轴7的一端部并固定。将底桥接部(第2桥接部)9嵌合到轴7的另一端部并固定。顶桥接部8以及底桥接部9具有从大致十字形的主体部81、91的顶端部向相互的相对方向延伸的4根臂部82、92。通过轴7、顶桥接部8以及底桥接部9构成所谓的“中轴承构造”的支承构件。

在顶桥接部8的臂部82的顶端部与底桥接部9的臂部92的顶端部之间，固定有外部磁轭(外磁轭)10。即，外部磁轭10以相对于中心磁轭1自由进行直线运动并且自由转动或者不转动的方式被支承。外部磁轭10由大致筒状的磁性体构成。

此外，主体部81、91的形状不限定于十字形，臂部82、92的根数不限定于4根。顶桥接部8以及底桥接部9只要是以使外部磁轭10至少自由进行直线运动的方式支承外部磁轭10的构件，则可以使用任意的形状的构件。

在外部磁轭10的一端部的内周部，遍布整周地设置有第1磁体阵列(第1磁铁)11。第1磁体阵列11由多个永磁铁构成。第1磁体阵列11设有间隙地与第1线圈2对置。另外，第1磁体阵列11根据外部磁轭10的直线运动位置，还与第3线圈4对置。

在外部磁轭10的另一端部的内周部，遍布整周地设置有第2磁体阵列(第2磁铁)12。第2磁体阵列12由多个永磁铁构成。第2磁体阵列12设有间隙地与第2线圈3对置。另外，第2磁体阵列12根据外部磁轭10的直线运动位置，还与第3线圈4对置。

在这里，第1磁体阵列11与第2磁体阵列12具有相互反向的磁极。例如，第1磁体阵列11在与外部磁轭10的抵接面侧具有n极，在与第1线圈2以及第3线圈4的对置面侧具有s极。另一方面，第2磁体阵列12在与外部磁轭10的抵接面侧具有s极，在与第2线圈3以及第3线圈4的对置面侧具有n极。

在中心磁轭1的一端部，固定有凸缘状的底板13。将4个贯通孔131设置于底板13，底桥接部9的臂部92分别自由滑动地插入贯通于贯通孔131。

以覆盖底桥接部9的方式，将有底筒状的安装夹具14固定于底板13。安装夹具14的底部141被形成为相对于构件组装用的机器人的顶端部等外部装置自由安装。

通过中心磁轭1、第1线圈2、第2线圈3、第3线圈4、轴承构件6a、6b、底板13以及安装夹具14构成固定部200。通过轴7、顶桥接部8、底桥接部9、外部磁轭10、第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12构成可动部201。通过固定部200以及可动部201构成致动器202。

接下来，参照图6，说明致动器202的磁通密度的分布。

图6的(a)是示出相对于可动部201的轴向的位置坐标的、由第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12产生的磁通密度的大小的特性图。图6的(b)在沿着图2的a－b－c－d面的致动器202的截面处示出第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12形成的磁通φ。

如图6的(b)所示，第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12形成的磁通φ为通过外部磁轭10的整周以及中心磁轭1内部的环路状的磁通。

在一般的音圈马达中，为了形成环路状的磁通，与中心磁轭1以及外部磁轭10相独立地设置用于使磁通折返的返回磁轭。实施方式1的致动器202是串联连接2个马达而成的构造，并且通过中心磁轭1以及外部磁轭10使磁通折返，所以能够不需要返回磁轭。通过该构造，能够使致动器202小型化。

另外，通过遍布外部磁轭10的两端部的整周地设置第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12，能够将外部磁轭10的整周用作磁回路，降低磁阻。因此，能够使外部磁轭10的壁厚变薄，能够使致动器202轻质化。

进一步地，中心磁轭1的中心部由于磁通密度低，所以对磁回路形成贡献的比例少。因此，即使将中空的轴承部5设置于中心磁轭1的轴心，致动器202的效率也不怎么降低。因此，通过采用由轴7、顶桥接部8以及底桥接部9构成的中轴承构造，与采用由固定台以及滑块构成的外轴承构造的以往的线性马达相比，能够不使效率降低地实现小型化。

接下来，参照图6以及图7，说明致动器202的直线运动动作的可动范围。

如图6的(a)所示，由于从第1磁体阵列11的侧部泄漏的磁通，轴向的位置坐标为约－10～－6毫米(mm)的范围以及约+6～+10mm的范围内的磁通密度的大小增大到0.05～0.5特斯拉(t)左右。同样地，由于从第2磁体阵列12的侧部泄漏的磁通，轴向的坐标为约+18～+22mm的范围以及约+34～+38mm的范围内的磁通密度的大小增大到0.05～0.5t左右。

在图7的(b)中，作为比较对象，示出不具有图1～图5所示的第3线圈4的致动器的可动范围。与致动器的直线运动动作相应地，当第1磁体阵列11接近于第2线圈3时，由于从第1磁体阵列11的侧部泄漏的磁通，在第1磁体阵列11与第2线圈3之间产生轴向的斥力。同样地，当第2磁体阵列12接近于第1线圈2时，由于从第2磁体阵列12的侧部泄漏的磁通，在第2磁体阵列12与第1线圈2之间产生轴向的斥力。

一般来说，第1线圈2与第2线圈3串联或者并联连接于同一电流源，无法相互独立地控制所流过的电流的方向。因此，特别是在第1磁体阵列11接近于第2线圈3的位置以及第2磁体阵列接近于第1线圈2的位置处，由于斥力而成为致动器的推力线性度劣化的原因。

另外，为了降低该斥力的影响，需要使第1线圈2与第2线圈3间的宽度宽到该影响在实用上不成为问题的程度。这成为限制可动部201的可动范围的原因，或者，成为固定部200的大型化的原因。

与此相对地，如图7的(a)所示，实施方式1的致动器202在第1线圈2与第2线圈3之间设置有第3线圈4。在这里，如果用l表示第1磁体阵列11与第2磁体阵列12间的沿着轴向的间隔，用p表示由于从第1磁体阵列11以及第2磁体阵列12的一侧部泄漏的磁通而产生斥力的区域的沿着轴向的宽度，则将第3线圈4的沿着轴向的宽度设定为l－2p。

当第1磁体阵列11从第1线圈2侧接近第3线圈4而第1磁体阵列11与第3线圈4间的宽度变成规定值以下时(在图7的(a)的例子中，当第1磁体阵列11与第3线圈4间的距离变成和第2磁体阵列12与第3线圈4间的距离相等的距离时)，未图示的切换控制部将在第3线圈4中流过的电流的方向切换成与在第1线圈2中流过的电流的方向相同的方向。由此，在抑制第1磁体阵列11与第2线圈3间的斥力的同时，外部磁轭10能够使第1磁体阵列11移动至与第3线圈4对置的区域。

另一方面，当第2磁体阵列12从第2线圈3侧接近第3线圈4而第2磁体阵列12与第3线圈4间的宽度变成规定值以下时(在图7(a)的例子中，当第2磁体阵列12与第3线圈4间的距离变成和第1磁体阵列11与第3线圈4间的距离相等的距离时)，未图示的切换控制部将在第3线圈4中流过的电流的方向切换成与在第2线圈3中流过的电流的方向相同的方向。由此，在抑制第2磁体阵列12与第1线圈2间的斥力的同时，外部磁轭10能够使第2磁体阵列12移动至与第3线圈4对置的区域。

通过这样，根据外部磁轭10的轴向的位置，切换在第3线圈4中流过的电流的方向，能够使外部磁轭10的直线运动方向的可动范围变宽。相对于图7的(b)所示的作为比较对象的致动器的可动范围x1，图7的(a)所示的实施方式1的致动器202的可动范围x2变宽了差分δx。

如上所述，实施方式1的致动器202具有：1根棒状的中心磁轭1，其插入贯通于1个筒状的外部磁轭10；支承构件，其以使外部磁轭10沿着中心磁轭1的轴向自由进行直线运动的方式支承外部磁轭10；第1线圈2以及第2线圈3，其相互之间设有间隙地卷绕于中心磁轭1并且流过相互反向的电流；第1磁体阵列11，其以与第1线圈2对置的方式设置于外部磁轭10的内周部；以及第2磁体阵列12，其以与第2线圈3对置的方式设置于外部磁轭10的内周部，并且具有与第1磁体阵列11反向的磁极。通过该构造，能够在提高致动器202的动作效率，同时，由于不需要返回磁轭而得到更加小型的致动器202。

另外，第1磁体阵列11遍布外部磁轭10的一端部的内周部的整周地设置，第2磁体阵列12遍布外部磁轭10的另一端部的内周部的整周地设置。通过该构造，将外部磁轭10的整周用作磁回路，从而能够降低磁阻。

另外，致动器202具有沿着中心磁轭1的轴心的中空的轴承部5。支承构件通过插入贯通于轴承部5并且以相对于中心磁轭自由进行直线运动的方式被支承的轴7、嵌合于轴7的一端部并且抵接于外部磁轭10的一端部的顶桥接部8以及嵌合于轴7的另一端部并且抵接于外部磁轭10的另一端部的底桥接部9而构成。通过该构造，能够对动作效率不造成影响，与采用外轴承构造的以往的线性马达相比，能够实现小型化。

另外，致动器202具有卷绕在第1线圈2与第2线圈3之间的第3线圈4以及根据外部磁轭10的轴向的位置而切换在第3线圈4中流过的电流的方向的切换控制部。切换控制部当第1磁体阵列11与第3线圈4间的距离变成规定值以下时，将第3线圈4的电流的方向切换成与第1线圈2相同的方向，并且当第2磁体阵列12与第3线圈4间的距离变成规定值以下时，将第3线圈4的电流的方向切换成与第2线圈3相同的方向。由此，能够使外部磁轭10的直线运动方向的可动范围变宽。另外，能够提高致动器202的推力线性度。

另外，支承构件以使外部磁轭10相对于中心磁轭1的轴心自由转动或者不转动的方式支承外部磁轭10。由此，能够得到小型且2个自由度的致动器202。

此外，中心磁轭1以及外部磁轭10的截面的形状不限定于圆形形状。特别是，在以使外部磁轭10不转动的方式支承外部磁轭10的情况下，截面的形状也可以设为四边形形状或者三角形形状。

实施方式2.

参照图10以及图11，说明除与实施方式1同样地小型且高效率之外还进一步地提高了结构上的强度的致动器。此外，在图10以及图11中，对与图1～图5所示的实施方式1的致动器相同的构成构件附加同一符号，省略说明。

在底板13的贯通孔131上，自由转动地安装有相互对置的2个圆筒形状的支承部132a、132b。底桥接部9的臂部92形成为大致圆柱状，插入贯通于支承部132a、132b之间。

由此，底桥接部9的臂部92成为实现了以使可动部201相对于固定部200自由进行直线运动的方式支承可动部201的轴的功能。通过插入贯通于中心磁轭1的轴7与插入贯通于支承部132a、132b之间的臂部92这2根轴来支承可动部201，从而与仅使用1根轴7的结构相比，能够提高致动器202的结构上的强度。

另外，将2个支承部132a、132b间的宽度设定得比臂部92的直径稍大(例如20μm左右)。由此，在未被施加使可动部201相对于固定部200绕轴7转动的力(以下称为“扭转载荷”)的状态下，在臂部92与支承部132a、132b之间形成间隙，另一方面，在施加了扭转载荷的状态下，臂部92抵接于2个支承部132a、132b中的某一方，从而限制可动部201相对于固定部200的转动。

在实施方式1中，在将滚珠花键用于轴承构件6a、6b的情况下，致动器202针对扭转载荷的强度(以下称为“耐扭转强度”)根据轴7以及轴承构件6a、6b的临界值来确定。因此，在实施方式1中，例如还考虑通过使轴7变细，从而抑制中心磁轭1的体积的减少，使致动器202实现小型化且高效率，但在该情况下，产生轴7的临界值变低而致动器202的耐扭转强度降低的问题。

因此，实施方式2的致动器202在被施加扭转载荷的情况下，通过臂部92抵接于支承部132a、132b，限制可动部201的转动，将轴7相对于轴承构件6a、6b的转动角度抑制在容许范围内。即，将2个支承部132a、132b间的宽度设定为通过臂部92与外部磁轭10的转动相应地抵接于支承部132a、132b来将轴7的转动角度抑制在容许范围内这样的宽度。由此，能够提高致动器202的耐扭转强度，也能够解决在如上所述使轴7变细的情况下的问题。

如上所述，实施方式2的致动器202具备设置于中心磁轭1的另一端部的底板13以及对置配置于底板13的贯通孔131的支承部132a、132b。底桥接部9具有嵌合于轴7的另一端部的主体部91以及从主体部91延伸并抵接于外部磁轭10的另一端部的臂部92，臂部92插入贯通于支承部132a、132b之间。由于臂部92起到轴的功能，从而与仅使用1根轴7的构成相比，能够提高致动器202的强度。

另外，在臂部92与支承部132a、132b之间形成有间隙。将支承部132a、132b间的宽度设定为通过臂部92与外部磁轭10的转动相应地抵接于支承部132a、132b来将轴7的转动角度抑制在容许范围内的宽度。由此，能够在通过使轴7变细而抑制中心磁轭1的体积的同时，提高致动器202的耐扭转强度。

此外，作为轴而发挥功能的桥接部的臂部不限定于底桥接部9具有的4根臂部92中的某一根臂部。也可以将支承部132a、132b分别安装到设置于底板13的4个贯通孔131中的多个贯通孔，使底桥接部9具有的4根臂部92中的多根臂部作为轴而发挥功能。

另外，也可以将底板设置于中心磁轭1的顶桥接部8侧的端部并且将贯通孔以及支承部设置于该底板，使顶桥接部8的臂部作为轴而发挥功能。

另外，作为轴而发挥功能的构件不限定于桥接部的臂部。只要在对致动器202施加了扭转载荷时能够限制可动部201的转动即可，也可以在固定部200的任意构件所设置的孔部上安装支承部，并将可动部201的任意构件插入贯通。

另外，支承作为轴而发挥功能的臂部的机构不限定于图10以及图11所示的2个支承部132a、132b。只要是在2点处支承臂部的机构，则可以采用任何机构。

此外，本申请发明在其发明范围内，能够进行各实施方式的自由组合、或者各实施方式的任意的构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意的构成要素。

产业上的可利用性

本发明的致动器能够安装到构件组装用的机器人等而使用。

符号说明

1中心磁轭(内磁轭)

2第1线圈

3第2线圈

4第3线圈

5轴承部

6a、6b轴承构件

7轴

8顶桥接部(第1桥接部)

9底桥接部(第2桥接部)

10外磁轭(外磁轭)

11第1磁体阵列(第1磁铁)

12第2磁体阵列(第2磁铁)

13底板

14安装夹具

20a、20b内磁轭

21a、21b间隙

22a、22b第1线圈

23a、23b第2线圈

30a、30b第1外磁轭

31a、31b第1磁体

32a、32b第2外磁轭

33a、33b第2磁体

34连结部

81主体部

82臂部

91主体部

92臂部

131贯通孔

132a、132b支承部

141底部

200固定部

201可动部

202致动器。