JP7464885B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明はアクチュエータに関し、特に、双方向に能動的にシャフトを移動させることが可能であって、小型化を図ったアクチュエータに関する。
従来のアクチュエータとして、例えば特許文献1および特許文献2には、シャフトのストローク端の状態を内蔵の磁石によって保持することが可能な小型のラッチングソレノイドが開示されている。一方、ハイパワーかつロングストロークのソレノイドとして、可動鉄心の動きに合わせて可動鉄心とシャフトとの係合と解除を繰り返し、これによってシャフトを少しずつ繰り出すことで大きな移動距離を得る、いわゆるステップ送りの構成も提案されている。
上記ステップ送りのアクチュエータとして、例えば本出願人による特許文献3では、ロック機構を採用したアクチュエータが提案されている。当該アクチュエータのロック機構は、主に転動体と契合部材とを利用した簡潔な構成でありつつも、可動鉄心の位置に合わせてシャフトの規制方向を切り替えることができ、これによって電磁部を含めた全体構成の小型化および低廉化を可能にしている。
特許文献3の技術においてもそれ以前の技術と比較すれば小型化を図ることはできていた。しかし、さらに様々な箇所にアクチュエータを適応させようとすると、さらなる小型化を図る要請がある。
そこで本発明は、双方向に能動的にシャフトを移動させることが可能であって、さらに小型化を図ったアクチュエータを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明にかかるアクチュエータの代表的な構成は、筒状のハウジングと、ハウジングの開口に取り付けられたハウジングカバーと、シャフトを挿通する円筒状の1つのコイルと、シャフトを挿通して対向配置された2つの固定鉄心と、コイルの内側に対向配置された2つの可動鉄心と、コイルが励磁されたときに可動鉄心とシャフトとを係合するロック機構と、可動鉄心を初期位置に吸着する2つの永久磁石と、可動鉄心と永久磁石との間に配置された2つのストッパとを備え、ストッパとハウジングまたはハウジングカバーとの間には磁気ギャップが形成されていて、コイルが非励磁のときは永久磁石から可動鉄心と固定鉄心を通る第1の磁路が形成され、コイルに所定方向に電流が流れることによりコイルが励磁されると、該コイルから2つの可動鉄心と2つの固定鉄心を通る第2の磁路が形成され、第2の磁路が形成されると、第2の磁路と磁束の方向が同じ第1の磁路は、永久磁石から磁気ギャップを通り可動鉄心を通らない第3の磁路に切り替わり、第3の磁路に切り替わった側の可動鉄心がコイルに吸着されて移動することを特徴とする。
上記構成によれば、初期位置にあるときは可動鉄心が永久磁石に吸着されているが、コイルにある方向の電流が流れると一方の永久磁石において磁路切替が行われて吸着力が失われ、一方の可動鉄心が移動する。コイルに逆方向の電流が流れると、他方の永久磁石において磁路切替が行われて、他方の可動鉄心が移動する。すなわち1つのコイルで、電流の向きを変えるだけで2つの可動鉄心を選択的に駆動させることができ、双方向にシャフトを移動させることが可能となる。コイルが1つしかないことから、従来よりも飛躍的に小型化を図ることができる。
本発明にかかるアクチュエータの他の代表的な構成は、筒状のハウジングと、ハウジングの開口に取り付けられたハウジングカバーと、シャフトを挿通する円筒状の1つのコイルと、シャフトを挿通して対向配置された2つの固定鉄心と、コイルの内側に対向配置された2つの可動鉄心と、コイルが励磁されたときに可動鉄心とシャフトとを係合するロック機構と、可動鉄心を初期位置に吸着する2つの永久磁石と、可動鉄心とハウジングまたはハウジングカバーとが接触する箇所である保持部を備え、コイルが非励磁のときは永久磁石から固定鉄心、可動鉄心、保持部を通る第1の磁路が形成され、コイルに所定方向に電流が流れることによりコイルが励磁されると、該コイルから永久磁石、固定鉄心、2つの可動鉄心、保持部、永久磁石、固定鉄心と通る第2の磁路が形成され、第2の磁路が保持部を通らない側の可動鉄心がコイルに吸着されて移動することを特徴とする。
上記構成によれば、初期位置にあるときは可動鉄心が永久磁石に吸着されているが、コイルにある方向の電流が流れると、コイルの磁束は一方の保持部は通るが他方の保持部は通らない。するとコイルの磁束が保持部を通る方の可動鉄心は初期位置に吸着保持され、通らない方はコイルの吸着力が永久磁石の吸着力に勝るために可動鉄心が移動する。すなわち1つのコイルで、電流の向きを変えるだけで2つの可動鉄心を選択的に駆動させることができ、双方向にシャフトを移動させることが可能となる。コイルが1つしかないことから、従来よりも飛躍的に小型化を図ることができる。
本発明によれば、双方向に能動的にシャフトを移動させることが可能であって、さらに小型化を図ったアクチュエータを提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は本実施形態にかかるアクチュエータの全体構成図であって、電磁部が非励磁の状態を示している。本実施形態にかかるアクチュエータ100には左右の区別はなく、以下に「左右」の言葉を用いて説明するときは単に図面上の左右である。アクチュエータ100は左右でおおむね同じ構造をしているため、左右で呼び分ける必要がある場合には符号にa,bの枝番を付し、呼び分ける必要がない場合には枝番を省略する。
アクチュエータ100は、筒状のハウジング102の両端にハウジングカバー108(108a,108b)が取り付けられている。ハウジング102の中央には円筒状のコイル200が1つ配置されていて、コイル200の内側に2つの固定鉄心204(204a,204b)が対向配置されていて、その内側に2つの可動鉄心210(210a,210b)が対向配置されている。固定鉄心204および可動鉄心210は共に円筒状の磁性体であって、固定鉄心204および可動鉄心210の中にシャフト10が挿通されている。
2つの可動鉄心210の間には、可動鉄心210を初期位置(非励磁のときの位置)へと付勢するリターンスプリング212が配置されている。コイル200が励磁されると可動鉄心210に磁束が通るため、可動鉄心210がリターンスプリング212の付勢力に抗して移動する。コイル200が非励磁となると、可動鉄心210はリターンスプリング212に押されて初期位置へと戻り、ストッパ214に当接する。
可動鉄心210とシャフト10との間には、コイルが励磁されたときに可動鉄心とシャフトとを係合するロック機構300(300a,300b)が備えられている。左右のロック機構300a,300bは、向きが逆であるが同じ構造であるため、図示右側のロック機構300aを用いて説明する。
図2はロック機構300aについて説明する図である。ロック機構300aは、シャフト10の上を転動して楔となる2以上の転動体302(ローラ)と、転動体302の姿勢を保持する保持器304と、可動鉄心210に固定された係合部材310とを備える。
係合部材310は可動鉄心210の内側にはめ込まれたリング状の部材であり、内面に転動体302を収容するくぼみが形成されている。くぼみは二つの内向する傾斜面を備えている。二つの内向する傾斜面のうち、可動鉄心210が励磁されて移動する側(移動先側)を先側傾斜面312、可動鉄心210の初期位置側(移動元側)を元側傾斜面314と称する。転動体302が先側傾斜面312または元側傾斜面314に当接してシャフト10との間に挟まることにより、楔として機能して、可動鉄心210と共にシャフト10が移動する。
可動鉄心210内には、保持器304を介して転動体302を元側傾斜面314に付勢する内部弾性体216が備えられている。内部弾性体216は、例えばコイルスプリングで構成することができる。また可動鉄心210の外には、コイル200が非励磁であって初期位置にあるときに転動体302を先側傾斜面312に付勢する外部弾性体218が備えられている。外部弾性体218は必要なストロークが短いため、例えば内部弾性体216よりも短い寸法に設定することができる。そして内部弾性体216の付勢力より外部弾性体218の付勢力の方が大きく設定されている。
図2(a)に示すように、コイル200が非励磁のときには、シャフト10が他方の可動鉄心210bに向かって移動する方向に係合する(規制する)ワンウェイクラッチとして機能する。二つの可動鉄心210a,bを基準に考えると、シャフト10が押されてくる方向には係合しないが、シャフトが引かれる方向には係合する。図中の白矢印はロック機構300aに対してシャフト10が相対的に移動可能であることを示していて、白矢印にバツがついている方向は相対的に移動不可能であることを示している。
すると図1に示すように、可動鉄心210a,bは対向して配置されていることから、ロック機構300a、300bは非励磁のときにはいずれも内側方向(相手方の可動鉄心に向かう方向)へのシャフト10の移動を規制する。したがって電力や制御を必要とすることなく、何もしていないときはシャフト10の移動がロックされる。特に外部弾性体218で転動体302を先側傾斜面312に付勢していることから、確実に係合を機能させることができる。
図2(b)に示すように、コイル200が励磁されて可動鉄心210が若干移動すると、外部弾性体218のストロークが届かなくなるためその付勢力が弱まり、内部弾性体216の付勢力の方が大きくなる。すると内部弾性体216が保持器304を介して転動体302を元側傾斜面314に付勢する。したがってロック機構300aは、可動鉄心210が移動する方向にシャフト10と係合するようになる。
すなわち、当該アクチュエータ100では、可動鉄心210の位置によって、ロック機構300aの係合方向を切り替えることが可能になっている。このときの切り替わる位置は、内部弾性体216と外部弾性体218の付勢力が拮抗する位置である。これによって、当該アクチュエータ100は、より簡潔な構成でシャフト10の移動規制を達成していて、全体構成の小型化と低廉化を図ることが可能になっている。
そして図2(c)に示すように、可動鉄心210がさらに移動すると、反対側のロック機構300bは係合していないから、可動鉄心210aが移動するにしたがってシャフト10を送ることができる。
その後、コイル200を非励磁とすると、可動鉄心210aはリターンスプリング212によって初期位置に向かって戻ろうとする。このときロック機構300aはシャフト10と係合しない。また、他方側のロック機構300bは図2(a)と同様の状態にあるから、可動鉄心210aの戻り方向に対してはロックしている。これにより、シャフト10を送った位置に残すことができる。したがって第1電磁部106aのコイル200の励磁と非励磁を繰り返すことにより、シャフト10を図示左方向に徐々に送る、ステップ送りをすることが可能となる。
次に、磁路切替について説明する。本発明においては、双方向に能動的にシャフト10を移動させるために磁路切替を利用する。
図1に示すように、アクチュエータ100は、2つの可動鉄心210の外側それぞれに、可動鉄心210を初期位置に吸着する永久磁石220を配置している。また可動鉄心210と永久磁石220との間に、可動鉄心210が繰り返し衝突する2つのストッパ214が配置されている。永久磁石220の外側はハウジングカバー108に接触している。ストッパ214とハウジングカバー108との間には狭い磁気ギャップGが形成されている。
コイル200が非励磁でかつ可動鉄心210とストッパ214が密着した状態では、永久磁石220からストッパ214、可動鉄心210、固定鉄心204およびハウジングカバー108を通る第1の磁路R1が形成される。
図3はコイルに正方向(所定方向)に電流が流れて励磁された状態を示す図である。図3(a)に示すようにコイル200から磁束が発生すると、コイル200、ハウジング102、ハウジングカバー108b、固定鉄心204b、可動鉄心210b,可動鉄心210a、固定鉄心204a、ハウジングカバー108a、ハウジング102を通る第2の磁路R2が形成される。すると第2の磁路R2の経路は磁気飽和する。特に第1の磁路R1と第2の磁路R2の共通する経路(破線の楕円で囲った位置)が磁気飽和することにより、永久磁石220から出た磁束はこの経路を通りにくくなる。このため永久磁石220から出た磁束の経路は、永久磁石220からストッパ214、磁気ギャップG、およびハウジングカバー108を通る第3の磁路R3に切り替わる。第3の磁路R3は可動鉄心210を通らないため、コイル200による可動鉄心210の吸着力に影響を与えない。
図3(b)に示すように、第3の磁路R3に切り替わった側の可動鉄心210aは、永久磁石220による吸着力が失われるので、第2の磁路R2の磁束によって、リターンスプリング212の付勢力に抗して、可動鉄心210bに向かって移動する。すると上記説明したロック機構300の作用により、シャフト10が図示左方向に1ステップ分送られる。
コイル200が非励磁になると、可動鉄心210aはリターンスプリング212によって押し戻される。シャフト10は左側のロック機構300bでロックされているため、1ステップ送られた位置に保持される。第2の磁路R2の磁束が消失することから、永久磁石220の磁束は第3の磁路R3から第1の磁路R1に戻るため、可動鉄心210aは初期位置に吸着される。したがって、コイル200に正方向の電流を繰り返しON/OFFすることにより、シャフト10を左方向に任意の距離をステップ送りすることができる。
図4はコイルに逆方向に電流が流れて励磁された状態を示す図である。図3を用いた説明と向きが逆になる。
図4(a)に示すようにコイル200から磁束が発生すると、コイル200、固定鉄心204a、可動鉄心210a,可動鉄心210b、固定鉄心204bを通る第2の磁路R2が形成される。すると第2の磁路R2の経路は磁気飽和する。特に第1の磁路R1と第2の磁路R2の共通する経路(破線の楕円で囲った位置)が磁気飽和することにより、永久磁石220から出た磁束はこの経路を通りにくくなる。このため永久磁石220から出た磁束の経路は、永久磁石220からストッパ214、磁気ギャップG、およびハウジングカバー108を通る第3の磁路R3に切り替わる。第3の磁路R3は可動鉄心210を通らないため、コイル200による可動鉄心210の吸着力に影響を与えない。
図4(b)に示すように、第3の磁路R3に切り替わった側の可動鉄心210bは、永久磁石220による吸着力が失われるので、第2の磁路R2の磁束によって、リターンスプリング212の付勢力に抗して、可動鉄心210aに向かって移動する。すると上記説明したロック機構300の作用により、シャフト10が図示右方向に1ステップ分送られる。
コイル200が非励磁になると、可動鉄心210bはリターンスプリング212によって押し戻される。シャフト10は右側のロック機構300aでロックされているため、1ステップ送られた位置に保持される。第2の磁路R2の磁束が消失することから、永久磁石220の磁束は第3の磁路R3から第1の磁路R1に戻るため、可動鉄心210bは初期位置に吸着される。したがって、コイル200に逆方向の電流を繰り返しON/OFFすることにより、シャフト10を右方向に任意の距離をステップ送りすることができる。
上記説明したように、2つの可動鉄心210は初期位置にあるときは永久磁石220に吸着されているが、コイル200に正方向の電流が流れると一方の永久磁石220において磁路切替が行われて吸着力が失われ、一方の可動鉄心210が移動する。コイル200に逆方向の電流が流れると、他方の永久磁石220において磁路切替が行われて、他方の可動鉄心210が移動する。すなわち1つのコイル200で、電流の向きを変えるだけで2つの可動鉄心210a,210bを選択的に駆動させることができ、双方向にシャフト10を能動的に移動させることが可能となる。コイル200が1つしかないことから、従来よりも飛躍的に小型化を図ることができる。
図5は第2実施形態を説明する図であって、非通電状態を示している。図6は第2実施形態の動作を説明する図であって、図6(a)は正方向に通電した状態、図6(b)は逆方向に通電した状態を示している。上記実施形態と説明の重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
図5に示すアクチュエータ110は、図1に示したアクチュエータ100と比較すると、ストッパ214を備えていないことと、可動鉄心210(210a,210b)の外側の端部がハウジング102またはハウジングカバー108に当接するようになっている点において異なっている。第2実施形態のアクチュエータ110のハウジングは有底円筒であり、図示右側のみが開口となっていて、その開口にハウジングカバー108aが取り付けられている(図示左側にはハウジングカバーがない)。また、アクチュエータ110では円環状の永久磁石220の中を可動鉄心210が通るようになっていて、可動鉄心210が初期位置にあるときその外側端部がハウジング102またはハウジングカバー108に当接する。可動鉄心210とハウジング102またはハウジングカバー108とが接触する箇所を保持部104(104a,104b)と称し、2つの可動鉄心210a、210bの間を吸引部106と称する。固定鉄心204とハウジング102またはハウジングカバー108の間には狭い磁気ギャップGが形成されている。
図5に示すように、コイル200が非励磁のときは、左右いずれも、永久磁石220から固定鉄心204、可動鉄心210、保持部104を通る第1の磁路R1が形成される。第1の磁路R1が保持部104を通ることから、可動鉄心210はハウジング102またはハウジングカバー108に吸着されている。
図6(a)に示すように、コイル200に正方向(所定方向)に電流を流すことによりコイル200を励磁する。すると第2の磁路R2が形成されるのであるが、第2の磁路R2は永久磁石220の磁極方向に導かれて永久磁石220を通る。このため、コイル200から永久磁石220a、固定鉄心204a、可動鉄心210a、吸引部106、可動鉄心210b、保持部104b、永久磁石220b、固定鉄心204bと通る第2の磁路R2が形成される。
第2の磁路R2は、図示右側ではハウジング102、ハウジングカバー108aから永久磁石220aを通って固定鉄心204aに流れるため、保持部104aを通らない。図示左側では可動鉄心210bから保持部104bを通してハウジング102に流れる。左側で可動鉄心210bから固定鉄心204b、永久磁石220bと通らないのは、永久磁石220bの磁極方向が逆であるため抵抗になるからである。
一方、図示左側では可動鉄心210bから保持部104bを通ってハウジング102に出る。このため、保持部104aの吸着力よりも保持部104bの吸着力の方が大幅に大きくなる。
そこで、吸引部106におけるコイル200による吸着力が、保持部104aにおける永久磁石220aによる吸着力より大きくなるようにコイル200の電流を調整することにより、図6(a)に示すように可動鉄心210aを移動させることが可能になる。すなわち、第2の磁路R2が保持部104を通らない側(第2の磁路R2の上流側)の可動鉄心210がコイル200に吸着されて移動する。
図6(b)に示すように、コイル200に逆方向に電流を流すことによりコイル200を励磁する。すると第2の磁路R2が形成されるのであるが、第2の磁路R2は永久磁石220の磁極方向に導かれて永久磁石220を通る。このため、コイル200からハウジング102、永久磁石220b、固定鉄心204b、可動鉄心210b、吸引部106、可動鉄心210a、保持部104a、ハウジングカバー108a、永久磁石220a、固定鉄心204aと通る第2の磁路R2が形成される。
第2の磁路R2は、図示左側ではハウジング102から永久磁石220bを通って可動鉄心210bに流れるため、保持部104bを通らない。図示右側では可動鉄心210aから保持部104aを通してハウジング102に流れる。右側で可動鉄心210aから固定鉄心204a、永久磁石220aと通らないのは、永久磁石220aの磁極方向が逆であるため抵抗になるからである。
一方、図示右側では可動鉄心210aから保持部104aを通ってハウジングカバー108aに出る。このため、保持部104bの吸着力よりも保持部104aの吸着力の方が大幅に大きくなる。
そこで、吸引部106におけるコイル200による吸着力が、保持部104bにおける永久磁石220bによる吸着力より大きくなるようにコイル200の電流を調整することにより、図6(b)に示すように可動鉄心210bを移動させることが可能になる。すなわち、第2の磁路R2が保持部104を通らない側の可動鉄心210がコイル200に吸着されて移動する。
上記説明したように、第2実施形態の構成によれば、初期位置にあるときは可動鉄心210が永久磁石220に吸着されているが、コイル200にある方向の電流が流れると、コイル200の磁束は一方の保持部104は通るが他方の保持部104は通らない。するとコイル200の磁束が保持部104を通る方の可動鉄心210は初期位置に吸着保持され、通らない方はコイル200の吸着力が永久磁石220の吸着力に勝るために可動鉄心210が移動する。すなわち1つのコイル200で、電流の向きを変えるだけで2つの可動鉄心210を選択的に駆動させることができ、双方向にシャフト10を移動させることが可能となる。コイル200が1つしかないことから、従来よりも飛躍的に小型化を図ることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、双方向に能動的にシャフトを移動させることが可能なアクチュエータとして利用することができる。
R1…第1の磁路、R2…第2の磁路、R3…第3の磁路、10…シャフト、100…アクチュエータ、102…ハウジング、104…保持部、106…吸引部、108…ハウジングカバー、110…アクチュエータ、200…コイル、204…固定鉄心、210…可動鉄心、212…リターンスプリング、214…ストッパ、216…内部弾性体、218…外部弾性体、220…永久磁石、230…カバー、300…ロック機構、302…転動体、304…保持器、310…係合部材、312…先側傾斜面、314…元側傾斜面、G…磁気ギャップ
Claims (2)
- 筒状のハウジングと、
前記ハウジングの開口に取り付けられたハウジングカバーと、
シャフトを挿通する円筒状の1つのコイルと、
前記シャフトを挿通して対向配置された2つの固定鉄心と、
前記コイルの内側に対向配置された2つの可動鉄心と、
前記コイルが励磁されたときに前記可動鉄心と前記シャフトとを係合するロック機構と、
前記可動鉄心を初期位置に吸着する2つの永久磁石と、
前記可動鉄心と前記永久磁石との間に配置された2つのストッパとを備え、
前記ストッパとハウジングまたはハウジングカバーとの間には磁気ギャップが形成されていて、
前記コイルが非励磁のときは前記永久磁石から前記可動鉄心と前記固定鉄心を通る第1の磁路が形成され、
前記コイルに所定方向に電流が流れることにより前記コイルが励磁されると、該コイルから前記2つの可動鉄心と2つの固定鉄心を通る第2の磁路が形成され、
前記第2の磁路が形成されると、第2の磁路と磁束の方向が同じ第1の磁路は、前記永久磁石から前記磁気ギャップを通り前記可動鉄心を通らない第3の磁路に切り替わり、
前記第3の磁路に切り替わった側の可動鉄心が前記コイルに吸着されて移動することを特徴とするアクチュエータ。 - 筒状のハウジングと、
前記ハウジングの開口に取り付けられたハウジングカバーと、
シャフトを挿通する円筒状の1つのコイルと、
前記シャフトを挿通して対向配置された2つの固定鉄心と、
前記コイルの内側に対向配置された2つの可動鉄心と、
前記コイルが励磁されたときに前記可動鉄心と前記シャフトとを係合するロック機構と、
前記可動鉄心を初期位置に吸着する2つの永久磁石と、
前記可動鉄心と前記ハウジングまたはハウジングカバーとが接触する箇所である保持部を備え、
前記コイルが非励磁のときは前記永久磁石から前記固定鉄心、可動鉄心、保持部を通る第1の磁路が形成され、
前記コイルに所定方向に電流が流れることにより前記コイルが励磁されると、該コイルから前記永久磁石、固定鉄心、2つの可動鉄心、保持部、永久磁石、固定鉄心と通る第2の磁路が形成され、
前記第2の磁路が前記保持部を通らない側の可動鉄心が前記コイルに吸着されて移動することを特徴とするアクチュエータ。
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