JP3933783B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル電流に応じて回転位置を制御でき、例えばスロットル制御,ISC制御,可変吸気制御等に適用可能なアクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術をスロットル・アクチュエータを例に説明する。スロットル・アクチュエータは電流の大きさに応じた駆動力(起磁力源)に従って、例えば回転子等の移動体を移動させる必要があり、本出願人は既に特願平7−56686号,特願平8−140665号等を提案している。
【0003】
以下、図8を用いて従来技術の概要について説明する。図8において(a)は正面図(コイル非通電時),(b)は平面図,(c)は正面図を中心線で切って示した側面図,(d)は正面図(コイル通電時)である。図8(a)に示されるように1はヨークであり、その中央上部に駆動源としてのコイル2を設けている。
【0004】
中央のコイル位置の下方には主エアーギャップ3を設け、その内部にはロータ4の周縁にマグネット5を固着した回転体6を回転自在に装着してある。なお、回転体6は図示しないシャフト(回転体の中心位置にある)を支点に回転する。なお、7はコアである。
【0005】
次に作用であるが、コイル2が非励磁状態ではマグネット5のNからの磁束は両側のヨーク1を経由してS極に至るため、この状態(図示状態)が安定であって図示状態を維持する。又、コイル2が励磁されるとコイル2による磁束図8(d)によって回転体が回転し、最も安定した回転位置に移動して停止する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来装置によればヨーク材が多い上にマグネット材も多く、全体形状も大形である。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、形状を小形にして軽量化すると共に、マグネット材料を減少させて低コストなアクチュエータを提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の[請求項1]に係るアクチュエータは、回転可能なロータと少なくとも1つの起磁力源とが磁路を介して一体に組込まれた電磁アクチュエータにおいて、前記ロータには反対方向に着磁されたN極とS極が一体又は別体のマグネットをその周縁上に設けると共に、前記ロータの配設された開口部周縁には3つの磁極片を設け、前記3つの磁極片は前記起磁力源により励磁されて、隣合う2つの磁極片は夫々連結通路で連結されると共に、前記起磁力源により励磁される3つの磁極片の極性が起磁力源への通電方向を逆にすることにより反転するようにした。上記構成としたために連結通路が磁気飽和しにくくなってヨークの断面積が小さくできた。又、起磁力源への通電方向を逆にすることにより、3つの磁極片の極性を反転できる。
【0008】
本発明の[請求項2]に係るアクチュエータは、[請求項1]において、前記マグネットがロータの周縁上の一部に設けるようにした。
【0009】
本発明の[請求項3]に係るアクチュエータは、[請求項1]又は[請求項2]において、前記起磁力源は各磁極片のいずれか1個所に配置した。
【0010】
本発明の[請求項4]に係るアクチュエータは、[請求項1]又は[請求項2]又は[請求項3 ] において、前記磁極片と連結通路間の少なくとも1個所に磁気ギャップを設けた。
【0011】
本発明の[請求項5]に係るアクチュエータは、[請求項1]又は[請求項2]又は[請求項3 ] において、前記連結通路のいずれか2個所に磁気ギャップを設けた。
【0012】
本発明の[請求項6]に係るアクチュエータは、[請求項1]又は[請求項2]又は[請求項3 ] において、前記連結通路に夫々磁気ギャップを設けると共に、少なくとも1つの磁気ギャップの磁気抵抗が他の磁気ギャップの磁気抵抗と異なるようにした。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は本発明によるアクチュエータの実施の形態を示す構成図であり、図1において、(a)は正面図(コイル非通電時),(b)は平面図,(c)は側面図,である。図1において図8と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態において構成上の特徴は、主エアーギャップ3の内部全体を回転体6で満たすのではなく、空間部分8を残した形状としたものである。
【0014】
即ち、ロータ4−1は回転体6の中心0点を基準にして半径l1 の第1の円周と、同じく半径l2 の第2の円周とで囲まれた形状とし、この第1の円周上にマグネット5−1,5−2を固着したものである。なお、マグネット5−1にはN極を着磁し、マグネット5−2にはS極を着磁している。
【0015】
従って、マグネット5−1は磁極片9,10に対向し、対向部がN極であり、マグネット5−2は磁極片9,11に対向し、対向部がS極である。要するに磁極片9は2つのマグネットに対向し、磁極片10はマグネット5−1に対向し、磁極片11はマグネット5−2に対向している。
【0016】
磁極片とマグネットは通常0.4mm程度のメカニカルなギャップを介して対向している。そして磁極片9から磁極片10,11へ向う連結磁路12,13には、コイル2(起磁力源)がボビン14を介して巻かれている。又、磁極片10と11は連結磁路15によって連結されている。
【0017】
図2によって動作原理を説明する。コイル2を通電すると実線矢印に示すような磁束が発生し、磁極片側には図示した磁極が発生する。即ち、磁極片10にはS極が発生し、マグネット5−1のN極と吸引力が生じる。又、磁極片11にはS極が発生し、マグネット5−2のS極と反発力が生じる。
【0018】
一方、磁極片9はN極が発生し、マグネット5−1と反発力,マグネット5−2と吸引力が発生する。これらの全体としては回転体6を図示矢印A方向に回動させる。ここで通電方向を逆にすると磁極片の極性が反転して、逆転方向のトルクが発生する。
【0019】
図3によって本実施の形態では磁気飽和が生じにくいことを説明する。一般に、マグネットとコイルで構成されるアクチュエータの磁束は、マグネットのN極から出てコイル電流と鎖交し、マグネットのS極へ入る磁路を通る。このとき、磁束量はロータ4−1の位置及びコイル電流によって異なるが、磁束量が最大のときに必要なトルクを確保するために、磁気飽和の影響が生じないだけの磁路断面積を確保しなければならない。
【0020】
上記した最大磁束が生じる場合を図3に示している。この場合、マグネット5−1から出た磁束は、磁極片10から連結磁路12,磁極片9,マグネット5−2へ入る磁路と、マグネット5−1から磁極片10,連結磁路15,磁極片11,連結磁路13,磁極片9,マグネット5−2へ入る磁路が形成される。
【0021】
なお、図3に示されるマグネットは、1つのマグネットをN極とS極に着磁したもので、実質的に反対方向(N極とS極)に磁化された2つのマグネットと同じである。そして連結磁路15がない場合を考えると、マグネット5−1から出た磁束は、磁極片10から連結磁路12を経由して全てがマグネット5−2に入るようになるため、2倍の断面積の磁路が必要であるばかりか、磁路長も長くなって、重量の点で不利である。連結磁路13の場合も同様(ロータ4−1の位置が反対側にあるとき)である。
【0022】
従来例図8(d)と比較すれば、本発明の効果は明らかである。なお、磁極片9と10のマグネット側及び磁極片9と11のマグネット側は、アクチュエータの作動時に磁気飽和が生ずる形状であれば、連結されていてもよいことは特願平8−140665号で説明した通りである。本実施の形態によれば、軽量,小形化及びマグネット材の減少が可能となる。
【0023】
図4は他の実施の形態を示す構成図である。本実施の形態では磁極片9と連結磁路12,13との接続部に磁気ギャップ16を設けたものである。そして磁気ギャップ16はエアーや非磁性材などを充填した磁気抵抗である。なお、磁気ギャップ16を設ける理由は、この部分に磁気エネルギーを蓄積して、スプリングと同じ効果を付加したものである(特願平7−56686号)。
【0024】
図4の作用であるが、コイル2の非通電時は、磁束が磁気ギャップ16を通らない状態で安定する。即ち、図4のロータ位置の場合、マグネット5−1からマグネット5−2への磁束が、磁極片9内と磁極片10から磁極片11を通る状態であるとき安定する。この動作原理は電磁気学の仮想仕事の原理で説明できる。本実施の形態によれば、軽量,小形化及びマグネット材の減少が可能であり、かつ反力を得るためのスプリングのような部品が不要となる。
【0025】
図5は更に他の実施の形態を示す構成図である。図5において図1と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では磁気ギャップを17,18の2個所に設けたものである。即ち、磁極片9と連結磁路12b,13bを含む磁性部材と、磁極片10,11と連結磁路12a,13aを含む磁性部材によって、磁気ギャップ17,18を形成したものである。なお、安定条件は図4の場合と同様であり、その他の作用も図4と同様である。本実施の形態によれば、軽量,小形化及びマグネット材の減少が可能であり、かつ反力を得るためのスプリングのような部品が不要となる。
【0026】
図6は更に他の実施の形態を示す構成図である。図6において図1と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態では磁気ギャップを19,20の2個所に設けたものである。即ち、1つ目のギャップ19は連結磁路12を12aと12bとで分けた19の位置、2つ目のギャップは連結磁路15を15aと15bとで分けた20の位置である。
【0027】
このとき、コイル非通電時には前記各磁気ギャップ19,20には磁束が流れず、ロータ4−1が実線B方向に回動した安定状態となる。即ち、マグネット5−1からの磁束は連結磁路13を経由してマグネット5−2へ入り、この状態が安定状態だからである。
【0028】
前記した図4,図5の場合は、ロータの回動範囲の真ん中にて安定状態になったのに対し、本実施の形態では回動範囲の上限又は下限位置に非通電時の安定状態を実現できる。本実施の形態によれば、このアクチュエータをバルブ駆動に使用した場合、ノーマル閉,ノーマル開を実現できる。
【0029】
図7は更に他の実施の形態を示す構成図である。本実施の形態では各連結磁路12,13,15に夫々磁気ギャップ21,22,23を設けると共に、その内の1個所の磁気抵抗を他の1個所の磁気抵抗より小としたものである。本実施の形態では、磁気ギャップ21の磁気抵抗を磁気ギャップ22の磁気抵抗より小としたものである。
【0030】
この場合は磁気ギャップ21を通る磁束が多い状態(磁気のエネルギーが系の全体で最小となる状態)で、非通電時の安定状態が実現できる。本実施の形態では図示のロータ位置より実線矢印Cの方向にロータ4−1が回動する。本実施の形態によれば、磁気ギャップ21,22の磁気抵抗の比率に応じて、その非通電時の安定位置を任意に実現できる。
【0031】
例えば自動車用の電制スロットルの場合は、可動範囲が90degで、非通電時の位置を可動範囲中心位置から約15deg閉める必要がある。これは非通電時であっても自動車がエンストや暴走状態にならないためである。
【0032】
この場合、図3又は図4の実施の形態で可動範囲を±60degとし、開方向に60deg作動,閉方向に30deg作動させる使い方と、図7の実施の形態で可動範囲を±45degとし、中心位置から閉方向に15degの位置が安定となるように各磁気抵抗を設定する使い方がある。
【0033】
本実施の各形態と図8で示す従来例とを一瞥すれば明らかなように、重量で−25%、マグネットの使用量で−20%が達成できた。即ち、本発明では磁極片を3ケに増やし、夫々を連結通路で連結するようにしたので、連結通路が磁気飽和しにくくなったためにヨークの断面積を小さくすることができ、これがヨークの小形化による軽量化になったこと、及び3つの磁極片の位置関係を適切に選定することにより、ロータの周縁上でマグネットの不要な部分ができたことがマグネットの減少になったこと等が原因となっている。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば磁極片を3ケに増やすと共に、各磁極片間を連結通路で連結したため、ヨークの小形化による軽量化とロータ周縁に設けるマグネットの減少が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクチュエータの実施の形態を示す構成図。
【図2】本発明によるアクチュエータの動作原理を示す図。
【図3】本実施の形態では磁気飽和が生じないことを示す図。
【図4】他の実施の形態を示す構成図。
【図5】更に他の実施の形態を示す構成図。
【図6】更に他の実施の形態を示す構成図。
【図7】更に他の実施の形態を示す構成図。
【図8】従来技術を説明する図。
【符号の説明】
1 ヨーク
2 コイル
3 主エアーギャップ
4,4−1 ロータ
5,5−1,5−2 マグネット
6 回転体
7 コア
8 空間部分
9,10,11 磁極片
12,13,15 連結磁路
14 ボビン
16〜23 磁気ギャップ
Claims (6)
- 回転可能なロータと少なくとも1つの起磁力源とが磁路を介して一体に組込まれた電磁アクチュエータにおいて、前記ロータには反対方向に着磁されたN極とS極が一体又は別体のマグネットをその周縁上に設けると共に、前記ロータの配設された開口部周縁には3つの磁極片を設け、前記3つの磁極片は前記起磁力源により励磁されて、隣合う2つの磁極片は夫々連結通路で連結されると共に、前記起磁力源により励磁される3つの磁極片の極性が起磁力源への通電方向を逆にすることにより反転することを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項1記載のアクチュエータにおいて、前記マグネットがロータの周縁上の一部に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項1又は請求項2記載のアクチュエータにおいて、前記起磁力源は各磁極片のいずれか1個所に配置したことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項1又は請求項2又は請求項3記載のアクチュエータにおいて、前記磁極片と連結通路間の少なくとも1個所に磁気ギャップを設けたことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項1又は請求項2又は請求項3記載のアクチュエータにおいて、前記連結通路のいずれか2個所に磁気ギャップを設けたことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項1又は請求項2又は請求項3記載のアクチュエータにおいて、前記連結通路に夫々磁気ギャップを設けると共に、少なくとも1つの磁気ギャップの磁気抵抗が他の磁気ギャップの磁気抵抗と異なることを特徴とするアクチュエータ。
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