JP2705095B2 - 回転アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、４極の界磁極のうち１対の界磁極の作る界
磁によるロータの１つの安定点と、他の１対の界磁極の
作る正・逆界磁による安定点の直前で回転を阻止して得
られる２つの安定点との、３位置を制御可能な回転アク
チュエータに関する。

（従来の技術） 従来、ディジタル的に回転位置を制御するものとして
はステッピングモータが一般的であり、各方面に利用さ
れている。しかし、３位置を得る簡単なシステムであっ
てもステップモータでは６極の界磁巻線が必要であり、
小型化、軽量化を要求する分野での利用には不向きとな
る。

そこで、４極の界磁極を使用するだけで３位置を制御
できる次のような回転アクチュエータが提案されてい
る。第８図がその回転アクチュエータの動作原理を説明
するための概略説明図である。図示するスイッチS1を投
入することで４極の界磁極の中で空間的に互いに相対す
る１対の界磁極φ1A、φ1Bは反対極性に励磁される。こ
の状態では、円筒状の永久磁石からなるロータＲはその
磁軸を界磁極φ1A、φ1Bの作る磁束線と一致して安定
し、スイッチS1を開放した後もロータＲが永久磁石であ
るからディテントトルクが発生して安定状態を維持する
（図中のＢ位置）。

この状態からスイッチS1を開放し、スイッチS2を投入
すると、界磁極φ1A、φ1Bの替わって１対の界磁極φ2
A、φ2Bが励磁（この時の磁界の方向を正方向とする）
される。このため、ロータＲには上記Ｂの安定位置から
反時計方向への回転力が作用し、ロータＲの磁軸と界磁
極φ2A、φ2Bの作る磁束線とが一致するまで回転しよう
とする。しかし、ロータＲとアクチュエータ本体との間
には、反時計方向の回転により磁軸と磁束線とが一致す
る直前で反時計方向の回転を制限する回転制限部が用意
されており、図中のＡ位置まで磁軸を回転させてロータ
Ｒは停止する。

ここで回転制限部とは、ロータＲから突設される第１
制限部材と、その第１制限部材の回転軌跡上にアクチュ
エータ本体から突出された第２制限部材とからなり、ロ
ータＲがＡ位置まで回転したとき第１制限部材と第２制
限部材とが当接してロータＲの回転を阻止する。

スイッチS2に変えてスイッチ３を投入したときロータ
Ｒには時計方向の回転力が作用するが、上記同様の構成
の回転制限部の作用により図中のＣ位置まで回転してロ
ータＲを停止する。

この様に、４極の界磁極及び回転制限部を有する簡単
な構成であっても、Ａ、Ｂ、Ｃ、３つの位置に制御でき
る回転アクチュエータが実現される。この種の回転アク
チュエータは、小型、軽量となる利点のため、例えば車
両用のアクチュエータとして用いられている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記のごとき回転アクチュエータにあっても
未だに十分なものではなく、次のような課題が未解決で
あった。

４極により３つの安定点を得る回転アクチュエータ
は、回転制限部によりロータＲの回転を強制的に阻止し
て２つの安定位置（第８図のＡ位置及びＣ位置）を得て
いる。すなわち、この２つの安定位置に回転アクチュエ
ータを制御する度に、回転制限部である第１制限部材と
第２制限部材との衝突が発生する。このため、両制限部
材の衝突により発生する衝突音、両制限部材の機械的な
劣化などの問題が発生している。

これらの課題を解決するため、ロータＲの回転力を低
下させ、両制限部材の衝突力を低減する対策が考えられ
る。しかし、回転アクチュエータを利用する対象の多く
は、大きな駆動トルク及び高い応答性を要求するため
に、現実的な解決策とならない。

また、回転アクチュエータの駆動トルク及び応答性を
低下させることなく上記課題を解決するために、第１制
限部材及び第２制限部材を弾力性に富む材質により形成
する方策がある。しかしこの方策によれば、両制限部材
が当接してから互いの弾力性のために大きく撓み、ロー
タＲの２つの安定位置が高精度に定まらなくなる。これ
では、回転アクチュエータとして要求される基本的性能
を失することになる。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、回転制限部を備えることにより４極により３つの安
定点を得る小型、軽量の回転アクチュエータにおいて、
動作音が小さく、耐久性にも優れた回転アクチュエータ
を提供することを目的としている。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために、本発明は回転アクチュ
エータの構成した手段は、 ４極の界磁極を有し、空間的に互いに相対する１対の
界磁極が反対極性に励磁されるステータと、該ステータ
の界磁に応じて回転するロータと、該ロータが１対の界
磁極を作る界磁による安定点から他の１対の界磁極の作
る正・逆界磁による安定点の直前まで回転することを許
可する回転制御部と、を有する回転アクチュエータにお
いて、 前記回路制御部が、 前記ロータに形成される第１制限部材と、 該第１制限部材の回転軌跡上に位置するよう前記ステ
ータに形成される第２制限部材と、 前記第１及び第２制限部材より高い弾性力を有し、該
第１及び第２制限部材の間に介在して、前記ロータが前
記安定点の直前まで回転した際に該ロータの回転力を低
減させる第２緩衝部材と、 該第１緩衝部材より高い弾性力を有し、前記第１及び
第２制限部材の間に介在して、前記ロータが前記安定点
の直前まで回転した際に該ロータの回転力を低減させる
第２緩衝部材と、 を備えることをその要旨としている。

（作用） 本発明の回転アクチュエータにあっては、ロータの回
転を阻止して２つの安定点を作り出す回転制限部が、次
のような作用をなす第１制限部材、第２制限部材，第１
緩衝部材，及び第２緩衝部材の４つの部材より構成され
る。

即ち、第１制限部材はロータに形成されてるもので、
ロータと一体となり回動する。また、第２制限部材は第
１制限部材の回転軌跡上に位置するようにステータに形
成され、前記ロータの回転を第１制御部材とともに制限
する。

一方、これら第１制限部材と第２制限部材との間に介
在する第１緩衝部材及び第２緩衝部材は、いずれも、第
１制限部材と第２制限部材が第１及び第２緩衝部材を介
して当接した時に弾性変形することにより、ロータを安
定点に保持しようとする磁力に対抗する荷重を発生させ
てロータの回転力を低減される。

なお第１緩衝部材は、第１及び第２制御部材よりも高
い弾性力を有し、また第２緩衝部材は、この第１緩衝部
材より更に高い弾性力を有している。このため、ロータ
が安定点の直前まで回転して、回転制限部を構成する各
部材が互いに当接すると、まず最も弾性力の大きい第２
緩衝部材が作用し、この第２緩衝部材の弾性変形が限界
に達すると、第１緩衝部材が作用することになる。

以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を
挙げて説明する。

（実施例） 第１図は実施例の回転アクチュエータの分解斜視図、
第２図はそのＩ−Ｉ線断面図、第３図はそのロータのＡ
方向矢示図である。

回転アクチュエータのロータ２は、２極に着磁された
円筒状の永久磁石４と円環状の鉄系焼結で成形されたリ
ング６と樹脂ボビン８とからなり、外周に永久磁石４
を、内周にリング６を配置して樹脂ボビン８により一体
形成されている。従ってロータ２は、リング６の内径を
内径とし、永久磁石４の外径を外径とする円筒状の部材
となり、中心部に形成されるリング６の内径に等しい軸
嵌入孔９を有する。

また、樹脂ボビン８の下面に突出して、ロータ２の回
転角度を規制する第１ストッパ部10およびスリット部12
が一体形成されている。

第１ストッパ部10は、ロータ２の回転を所定角度範囲
に制限するためのもので、略扇状に形成されている。ま
た第１ストッパ部10を切り欠いて、波型に成形された弾
性力に富む板ばねが11が嵌合されている。この様に構成
される第１ストッパ部10及び板ばね11は、後述するごと
くベース部材20に形成されるロータ遊嵌部22にロータ２
が嵌入され、回転するとき、ロータ遊嵌部22に形成され
る第２ストッパ部24と作用し合って、ロータ２の回転角
度を制限する。なお、板ばね11は通常のばね材、例えば
リン青銅、ステンレスなどにより形成されている。

また、樹脂ボビン８の下面中央にある軸嵌入孔９の周
壁に形成されるスリット部12は、回転アクチュエータの
出力軸となる回転軸30の一端に圧入されているピン32を
嵌入してこれに回転力を伝達する、いわゆる自在継手を
構成している。

ベース部材20には、ロータ２の外形より僅かに大きな
径のロータ遊嵌部22が形成され、ここに上記ロータ２が
遊嵌される。このロータ遊嵌部22には、上記第１ストッ
パ部10に嵌合された板ばね11と当接する硬質のゴム等で
構成される当接部材25を保持する第２ストッパ部24が形
成されるほか、ロータ遊嵌部22と同心状でより大径の環
状溝26、ロータ遊嵌部22の中央に穿設され回転軸30の貫
通する貫通孔28が一体成形されている。また、全体は略
楕円形状をしており、その長径方向の外周近辺に、組立
後の回転アクチュエータを被駆動部材に取り付けるボル
トと貫通させるボルト孔29A、29Bが穿設されている。こ
の様に複雑な形状を要求されるため、ベース部材20は樹
脂により構成されている。

ステータ40は、互いに直交する位置に４つのコア42、
44、46、48を配設し、その中央にシャフト50を立設した
ものを樹脂部材52により一体成形したものであり、コア
42〜48を覆う樹脂52の外周にはコイル42C〜48Cが巻装さ
れている。コイル42C〜48Cの巻線端部は、樹脂部材52に
圧入されるターミナル42T〜48Tに巻き付け後、はんだ付
けされている。

上記ロータ２とステータ40は、ロータ２の中心部に穿
設される軸嵌入孔９にシャフト50を嵌入して組み立てら
れるが、この状態でコア42〜48の内周部とロータ２の外
周部には僅かなギャップを有するように予め設計されて
いる。また、ロータ２の回転スムースとするためにシャ
フト50には鉄系焼結金属に潤滑油が含浸されているもの
を使用している。

なお、第１ストッパ部10及び第２ストッパ部24が、本
発明の第１制限部材及び第２制限部材に相当し、また当
接部材25が第１緩衝部材に、板ばね11が第２緩衝部材に
夫々相当する。

ヨーク60は、プレス加工された鉄板により構成されて
いる。ヨーク60には、上記ターミナル42T〜48Tに取り付
けられているコイル42C〜48Cの端部と外部の励磁電源と
を電気的に接続するリード線62の導入口となるリード導
入口64およびベース部材20を固定・保持するためのスリ
ット66が形成されている。上記各部材を第２図に示すよ
うに組立後、スリット66の形成されているヨーク60の下
部を内側に曲げ加工することでヨーク60とベース部材20
とが一体化される。このヨーク60とベース部材20との取
付部分（II−II断面）を拡大して示したものが、第４図
の拡大断面図である。図示のようにベース部材20の周面
底部はテーパ部20Tが形成されているため、スリット66
下部のヨーク60を内部に曲げ加工するだけでヨーク60と
ベース部材20との緊密な組立が可能となっている。

なお、ステータ40とヨーク60との間にはウエーブワッ
シャ70が設けられており、ステータ40をベース部材20の
方向へ押し付けるように作用している。ステータ40の各
コイル42C〜48Cとヨーク60との間に設けられるプレート
72は絶縁性のもので、ターミナル42T〜48Tとヨーク60と
を絶縁している。また、ベース部材20の環状溝26にはＯ
リング74が配設されており、ヨーク60とベース部材20と
を組み付けたときに両者間に介在し、回転アクチュエー
タの防水性を良好に維持している。ベース部材20の底面
に着設されてる環状のスポンジゴム76も、前記Ｏリング
74同様に回転アクチュエータの防水性を向上させるため
に設けられたもので、外部からの水の侵入を防止してい
る。

次に、回転アクチュエータのコア42〜48を適宜励磁し
て、ロータ２を回転駆動したときの、第１ストッパ部1
0、板ばね11及び第２ストッパ部24、当接部材25の作用
につき説明する。

第５図は、ロータ遊嵌部22に遊嵌しているロータ２を
ベース部材20側から見た図であり、ロータ遊嵌部22に形
成される第２ストッパ部24及び当接部材25が点線により
表している。

第５図（ａ）は、コア42,46を励磁し、ロータ２を３
つの安定点のうちの中間位置に停止するように駆動した
ときの図面である。このとき、ロータ２の第１ストッパ
部10及び板ばね11は、ロータ遊嵌部22の中で当接部材25
に当接することなく略中間位置にある。

この安定状態からロータ２を他の安定位置に制御する
ため、コア42,46に替わってコア44,48を励磁（このとき
の方向を正方向とする）したとき、ロータ２とロータ遊
嵌部22との関係を第５図（ｂ）に示している。ロータ２
は、実線矢印方向に磁力FGを受け回転すると、第１スト
ッパ部10及び第２ストッパ部24とが当接し、第２ストッ
パ部24から受ける荷重FK（点線矢印）とその回転力FGが
平衡したとき停止し、図示する状態で安定する。

この様なロータ２の駆動を２つの力FG,FKの平衡の見
地から表したものが第６図であり、ロータ２の板ばね11
と当接部材25とが接触したときからロータ２の回転が停
止する間の、ロータ２の回転角度θとロータ２の受ける
力との関係を示している。なお、図中の点線は、板ばね
11及び当接部材25のそれぞれが、回転角度θに対して発
生する荷重を示したものである。図示するように、両者
とも回転角度θの増加に伴って発生する荷重は徐々に大
きくなる右上がりの特性を示す。しかし、板ばね11の弾
性力は当接部材25に比較して高く、同一回転角度θに対
して発生する荷重は小さな値となる。

第６図に示すように、ロータ２はコア44,48により磁
力FGを受けて回転する。この力FGにより回転角度θ増加
すると、初めに弾性力に富む板ばね11が当接部材25に押
されて撓み、それに伴ってロータ２に磁力FGに対向する
荷重FKを発生する。この板ばね11による荷重FKが発生す
る期間T1は、板ばね11の弾性力が高いため、回転角度θ
の増加に対して小さい割合で増加する。そして、第５図
（ｂ）に示すように板ばね11がストッパ部10に密着する
まで撓むと、次に硬質のゴム製である当接部材25が撓み
始める。この当接部材25は弾性力が低いため、回転角度
θの増加に対して発生する荷重は急激に増加する。すな
わち、回転角度θの増加は僅かでも当接部材25の発生す
る荷重は急激に増加し、磁力FGと平衡する位置（回転角
度θＴ）でロータ２は停止する。

以上の第１ストッパ部10と第２ストッパ部24との関係
は、コア44,48を逆方向に励磁し、ロータ２を反時計方
向に回転させた場合についての同様となる。

この様に構成され、動作する本実施例の回転アクチュ
エータは、次のような効果が明らかである。

まず、回転アクチュエータの基本的構成は、第１図な
いし第２図に示すように、４つの磁極によりロータ２の
回転位置として３つの安定位置を得ることができ、小
型、かつ軽量の回転アクチュエータである。

また、３つの安定位置に作動する際に、回転アクチュ
エータの作動音は極めて小さく、衝突音が低減される。
すなわち、３つの安定位置の中央位置にロータ２を作動
させるときには、何ら構成部材間の衝突などは発生せ
ず、騒音の原因となるものはない。その他の２つの安定
位置にロータ２を作動させると、第５図（ｂ）に示すよ
うに両ストッパ部の衝突が発生する。しかし、この衝突
の初期において弾力性に富む板ばね11が緩衝材として作
用し、回転力は弱められる。従って、衝突による衝突音
は低減され、かつ衝突する部材の衝撃が緩和され、耐久
性の向上などが達成される。

更に、本実施例の回転アクチュエータの位置精度は、
板ばね11の存在に拘らず高精度に維持される。まず、第
５図（ａ）の安定位置に制御するとき、回転アクチュエ
ータは何ら衝突の発生もなく、その位置精度は通常のス
テップモータ同様に高精度に決定される。また、両スト
ッパ部の衝突によってロータ２の安定位置が決定される
場合（第５図（ｂ））も、第６図を用いて説明したよう
に、力の平衡する位置にロータ２が安定し、位置精度は
極めて高くなる。しかも、その位置精度は、磁力FGの変
動に対しても極めて良好な安定性を示す。

すなわち、第６図においては説明を簡略化するために
ロータ２の受ける磁力FGは一定として説明しているが、
実際には、その大きさは回転角度θにより、ロータ２を
形成する永久磁石４やコア42〜48の励磁回路の経時変化
により僅かに変動する。この関係を第６図に示すなら
ば、図中に矢印で示す範囲内で磁力FGが変動することに
なる。しかし、図からも明らかなように磁力FGに対抗す
る荷重FGは、回転角度θの僅かな変化により発生するた
め、ロータ２の位置精度は板ばね11を設けたことにより
何ら低下することなく、当接部材25の弾性力のみに依存
し、これを適宜調節することで所望の精度に設計するこ
とができる。

なお、上記実施例では板ばね11をロータ２に形成した
第１ストッパ部10に取り付ける例について説明したが、
何らその様な構成に限定されるものではなく、ベース部
材20側の第２ストッパ部24に板ばねを配置する構成であ
ってもよい。

また、第６図の説明より明らかなように、ロータ２の
回転角度を高精度に決定するため、最終的にロータ２の
回転を阻止する当接部材25の弾性力は小さく、一方両ス
トッパ部の衝突の際の衝撃を吸収するために板ばね11の
弾性力は大きい必要がある。しかし、この弾性力の条件
を満足するものであれば、その構成は何れでもよい。例
えば、第７図（ａ）に示すように、ロータ２の第１スト
ッパ部10とベース部材20の第２ストッパ部24との間に移
動自在に弾性力に富むゴム片80を内蔵してもよい。この
様に構成すれば、ゴム片80は第１ストッパ部10と第２ス
トッパ部24との間で移動し、両ストッパ部の衝突の際に
はその中間に介在して衝撃を吸収することができる。

更に、第７図（ｂ）に示すように、第２ストッパ部24
の保持する当接部材25を、第１ストッパ部10と当接する
先端部分のみ弾性力を高めた、いわゆる複合材として構
成してもよい。この様に複合材を使用すれば、部品点数
が減少するため。製造コスト、品質管理などの面から有
利となる。

発明の効果 以上、実施例を挙げて詳述したように本発明の回転ア
クチュエータにおいては、第１制限部材と第２制限部材
との間に、回転制限部に第１及び第２制限部材より弾性
力の大きな第１緩衝部材、及び該第１緩衝部材より弾性
力の大きな第２緩衝部材が設けられており、第１緩衝部
材と第２緩衝部材とは段階的に作用して、最初に弾性力
の大きな第２緩衝部材がロータの回転力をある程度低減
させた後、第２緩衝部材より弾性力の小さい第１緩衝部
材がロータが停止させている。

従って、本発明の回転アクチュエータによれば、第１
及び第２制限部材に加わる緩衝を十分に低減することが
でき、これらの衝突時に発生する作動音を十分に低減で
きると共に、回転制限部を構成する各部材の耐久性を十
分に向上させることができる。

即ち、本発明の回転アクチュエータでは、弾性久の大
きい第２緩衝部材が、大きく弾性変形して、第１及び第
２制限部材が当接した時の衝撃を十分に小さくする。し
かし、弾性力の大きい第２緩衝部材では、ロータの回転
力を減少させる割合が小さいため、途中で緩衝部材が変
形しきって、それ以上は緩衝部材とし有効に働くことが
できなくなる。ところが、その後は、第１緩衝部材が、
弾性変形を開始してロータ（制限部材）が停止するまで
ロータの回転力を減少させるのである。なお第１緩衝部
材が弾性変形を開始する時に、作用する弾性力が急激に
小さくなるが、第２緩衝部材がロータの回転力をある程
度減少させているので、第１および第２制限部材が大き
な衝撃を受けることなく、従って、ロータの回転力の吸
収を良好に行うことができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の回転アクチュエータの分解斜視図、第
２図はそのＩ−Ｉ線断面図、第３図はそのロータのＡ方
向矢示図、第４図はそのII−II断面の拡大図、第５図
（ａ）、（ｂ）実施例のロータの回転状態を説明する説
明図、第６図はその回転原理を説明するめのロータに作
用する力の特性図、第７図（ａ），（ｂ）は他の実施例
のロータの回転制限部の構成説明図、第８図は従来の回
転アクチュエータの動作説明図、を示している。 ２…ロータ、４…永久磁石 10…第１ストッパ部、20…ベース部材 24…第２ストッパ部、25…当接部材 40…ステータ、42〜48…コア 60…ヨーク、66…スリット

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】４極の界磁極を有し、空間的に互いに相対
   する１対の界磁極が反対極性に励磁されるステータと、
   該ステータの界磁に応じて回転するロータと、該ロータ
   が１対の界磁極の作る界磁による安定点から他の１対の
   界磁極の作る正・逆界磁による安定点の直前まで回転す
   ることを許可する回転制限部と、を有する回転アクチュ
   エータにおいて、 前記回転制御部が、 前記ロータに形成される第１制限部材と、 該第１制限部材の回転軌跡上に位置するよう前記ステー
   タに形成される第２制限部材と、 前記第１及び第２制限部材より高い弾性力を有し、該第
   １及び第２制限部材の間に介在して、前記ロータが前記
   安定点の直前まで回転した際に該ロータの回転力を低減
   させる第１緩衝部材と、 該第１緩衝部材より高い弾性力を有し、前記第１及び第
   ２制限部材の間に介在して、前記ロータが前記安定点の
   直前まで回転した際に該ロータの回転力を低減させる第
   ２緩衝部材と、 を備えることを特徴とする回転アクチュエータ。