JPH0219608B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は動作時のみに電力を消費し、保持状態
では電力消費のない、アクチユエーターの一種で
ある双安定ロータリーソレノイドに関するもので
あり、特に従来のものに比べて小型で消費電力が
少なく、又作動力が大きく保持力の大きさを任意
に設定し得る双安定ロータリーソレノイドに関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] (a) Field of Industrial Application The present invention relates to a bistable rotary solenoid, which is a type of actuator and consumes power only when operating and does not consume power when in a holding state. In particular, the present invention relates to a bistable rotary solenoid that is smaller in size and consumes less power than conventional ones, has a large operating force, and can arbitrarily set the magnitude of the holding force.

(ロ) 従来の技術 従来、双安定ソレノイドとしては、一般的には
直動式のものが多く、動作範囲の両端においてプ
ランジヤーを永久磁石の磁力により保持し、動作
時には２つのコイルに通電することにより、一方
のコイルによる励磁によつて前記永久磁石による
保持吸引力を打消し、他方のコイルによる励磁作
用によりプランジヤーを他方に吸引する形式のも
のが用いられていた。(b) Conventional technology In the past, most bistable solenoids were of the direct-acting type, in which the plunger was held by the magnetic force of a permanent magnet at both ends of the operating range, and two coils were energized during operation. Accordingly, a type has been used in which the holding and attracting force of the permanent magnet is canceled by excitation by one coil, and the plunger is attracted to the other by excitation by the other coil.

又、ロータリーソレノイドで双方向に回転し得
るものとしては、ある一つの半径方向に着磁され
た円形の永久磁石によつて形成したローターと、
それに対向して設けたステーターのコイルに通電
することにより動作するものがある。 Further, rotary solenoids that can rotate in both directions include a rotor formed by a circular permanent magnet magnetized in one radial direction;
There are some that operate by energizing the coil of a stator provided opposite to it.

前者は通常のソレノイドの吸引力がストローク
の２乗に反比例する上、一方のコイルが保持吸引
力を打消す為に使用されている為、電力のわりに
初期動作吸引力はかなり小さなものとなる。一例
として、外形18×18×50mm、5Wの電力でストロ
ークを４mmとした場合、良好な性能のものでも初
期吸引力は50gr程度である。又、コイルに印加す
る電力が大きすぎると永久磁石の吸引力を打消し
た上でいわゆる再吸着現像が生じ、初期吸引力は
増加しない。 In the former case, the suction force of a normal solenoid is inversely proportional to the square of the stroke, and one coil is used to cancel the holding suction force, so the initial operation suction force is quite small compared to the electric power. As an example, if the outer diameter is 18 x 18 x 50 mm and the stroke is 4 mm with a power of 5 W, the initial suction force will be about 50 gr even if it has good performance. Furthermore, if the electric power applied to the coil is too large, the attraction force of the permanent magnet is canceled and so-called re-adsorption development occurs, and the initial attraction force does not increase.

又、後者は、回転範囲の中央部ではトルクが大
きいが両端部では小さく、保持力を打消す為の電
力を加算すると、有効な動作力は極めて小さい。
一例として、外形26×26×30mm、5Wの電力で回
転角度120゜とした場合の初期駆動トルクは、
40gr・cm程度である。 Furthermore, in the latter case, the torque is large at the center of the rotation range, but small at both ends, and when electric power is added to cancel the holding force, the effective operating force is extremely small.
As an example, the initial drive torque when the external size is 26 x 26 x 30 mm and the rotation angle is 120° with 5W power is:
It is about 40gr・cm.

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 本発明はローターの回転にともなうローターの
磁極とステーターの磁心との対向面積の変化に位
相差を設けることにより、上記従来のソレノイド
と同程度の力を出すのに必要な電力を数分の一に
することの出来る双安定ロータリーソレノイドを
提供するものである。(c) Problems to be Solved by the Invention The present invention provides a phase difference in the change in the opposing area between the rotor's magnetic poles and the stator's magnetic core as the rotor rotates, thereby generating a force similar to that of the conventional solenoid. The present invention provides a bistable rotary solenoid that can reduce the amount of power required to produce a fraction of the amount of power required.

(ニ) 問題点を解決するための手段 以下図と共にその構造を説明する。(d) Means to solve the problem The structure will be explained below with reference to the drawings.

第１図は本発明の一実施例の構造を示す正断面
図、第２図はその上断面図である。 FIG. 1 is a front sectional view showing the structure of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top sectional view thereof.

第１図及び第２図において、コの字形をしたヨ
ーク１の内側には中央に補助磁心２と両端に鉄心
３及び３′を介して磁心４，４′が設けられ、鉄心
３及び３′には夫々コイル５，５′が設けられてい
る。補助磁心２及び磁心４及び４′は点０を中心
とする円弧面２−１，４−１，４′−１を有しス
テーターを形成している。又、点０を軸心とする
シヤフト６はヨーク１に固定された軸受部７に対
して回転自在に嵌合しており、該シヤフト６には
円弧状の２つの永久磁石８及び８′を有するロー
ター９が固着されている。永久磁石８は円弧状の
外面８−１がＳ極に、内面８−２がＮ極に着磁さ
れ、永久磁石８′はその外面８′−１がＮ極に、内
面８′−２がＳ極に着磁されている。尚、ヨーク
１、補助磁心２、鉄心３，３′、磁心４，４′及び
ロータ９は純鉄等の磁性材料で作られている。
又、１０は軸受部７に固着されたストツパー、１
１はこれに対応してローターに固着されたストツ
パーであり、ローター９の回転角度を180゜以下に
規制している。 1 and 2, inside a U-shaped yoke 1, an auxiliary magnetic core 2 is provided at the center, and magnetic cores 4, 4' are provided at both ends via iron cores 3 and 3'. are provided with coils 5 and 5', respectively. The auxiliary magnetic core 2 and the magnetic cores 4 and 4' have arcuate surfaces 2-1, 4-1, and 4'-1 centered on point 0, and form a stator. Further, a shaft 6 whose axis is at point 0 is rotatably fitted into a bearing portion 7 fixed to the yoke 1, and two arc-shaped permanent magnets 8 and 8' are attached to the shaft 6. A rotor 9 having a rotor 9 is fixed. The permanent magnet 8 has an arcuate outer surface 8-1 magnetized as an S pole and an inner surface 8-2 as an N pole, and the permanent magnet 8' has an outer surface 8'-1 as an N pole and an inner surface 8'-2 as an N pole. It is magnetized to the S pole. The yoke 1, the auxiliary magnetic core 2, the iron cores 3, 3', the magnetic cores 4, 4', and the rotor 9 are made of a magnetic material such as pure iron.
Further, 10 is a stopper fixed to the bearing part 7;
Correspondingly, reference numeral 1 denotes a stopper fixed to the rotor, which restricts the rotation angle of the rotor 9 to 180 degrees or less.

(ホ) 作用 第３図は、本発明の双安定ロータリーソレノイ
ドの動作状態を示す模式正面図であり、第４図は
補助磁心２及び磁心４及び４′のローター９の永
久磁石８及び８′との対向面積の変化を示すグラ
フである。(e) Operation FIG. 3 is a schematic front view showing the operating state of the bistable rotary solenoid of the present invention, and FIG. 4 shows the permanent magnets 8 and 8' of the rotor 9 of the auxiliary magnetic core 2 and the magnetic cores 4 and 4'. It is a graph which shows the change of the facing area with.

第３図、第４図において、ローター９の回転角
αを中央に対して対称に左右に＋−90゜とすると、
第３図Ａの場合のごとくローター９が−30゜乃至
−90゜回転している状態では永久磁石８′の外面
８′−１は磁心４′の全面と対向しており、ロータ
ー９が多少回転しても対向面積の変化はない。し
かし永久磁石８の外面８−１は磁心４及び補助磁
心２と対向しており、ローター９が回転すると
各々の対向面積は相互に増減する。従つてコイル
５及び５′に磁心４の円弧面４−１がＮ極になる
様通電すれば、永久磁石８の外面８−１のＳ極と
対向面積が増加する方向に引合い、ローター９は
反時計方向に回転する。又、その場合補助磁心２
の円筒面と外面８−１との対向面積は減少するの
で、ヨーク１を流れる総磁束は変化せず、永久磁
石８′の外面８′−１と磁心４′の円弧面４′−１の
対向面の磁束密度は変化しない。この様な状態に
あるので、ローター９に働く回転力は外面８−１
と円弧面４−１との対向面積の変化率に比例した
ものとなり、電流が一定ならばローター９の位置
が−90゜から−30゜までの間でほぼ一定となる。 In FIGS. 3 and 4, if the rotation angle α of the rotor 9 is set to +-90 degrees left and right symmetrically with respect to the center, then
When the rotor 9 is rotating from -30° to -90° as in the case of FIG. 3A, the outer surface 8'-1 of the permanent magnet 8' faces the entire surface of the magnetic core 4', and the rotor 9 There is no change in the opposing area even if the rotation is performed. However, the outer surface 8-1 of the permanent magnet 8 faces the magnetic core 4 and the auxiliary magnetic core 2, and as the rotor 9 rotates, the opposing areas of each of them increase or decrease relative to each other. Therefore, if the coils 5 and 5' are energized so that the arcuate surface 4-1 of the magnetic core 4 becomes the north pole, the rotor 9 will be attracted to the south pole of the outer surface 8-1 of the permanent magnet 8 in the direction in which the opposing area increases. Rotate counterclockwise. In addition, in that case, the auxiliary magnetic core 2
Since the opposing area between the cylindrical surface and the outer surface 8-1 of The magnetic flux density on the opposing surface does not change. In this state, the rotational force acting on the rotor 9 is applied to the outer surface 8-1.
It is proportional to the rate of change in the area facing the arcuate surface 4-1, and if the current is constant, the position of the rotor 9 will be approximately constant between -90° and -30°.

次に、第３図Ｂのごとくローター９の位置がほ
ぼ中立点にある時は、ローター９の回転にともな
う補助磁心２の円弧面２−１と外面８−１との対
向面積の変化はない。しかし、磁心４及び４′の
円弧面４−１及び４′−１と、永久磁石８′の外面
８′−１との対向面積は相互に増減する。 Next, when the position of the rotor 9 is approximately at the neutral point as shown in FIG. 3B, there is no change in the opposing area between the arcuate surface 2-1 and the outer surface 8-1 of the auxiliary magnetic core 2 as the rotor 9 rotates. . However, the facing areas of the arcuate surfaces 4-1 and 4'-1 of the magnetic cores 4 and 4' and the outer surface 8'-1 of the permanent magnet 8' increase and decrease with respect to each other.

従つて、コイル５及び５′に通電すればその通
電方向によりローター９には任意の方向の回転力
が働き、その場合ローター回転にともなう補助磁
心２の円弧面２−１の磁束密度の変化はない。こ
の様な状態ではローター９には、磁心４及び４′
の円弧面４−１及び４′−１の永久磁石８′の外面
８′−１との対向面積の変化率に比例した一定回
転力が働く。従つて、電流が一定ならばローター
９の位置が中立点の＋−30゜範囲ではほぼ一定の
回転力となる。 Therefore, when the coils 5 and 5' are energized, a rotational force in an arbitrary direction is applied to the rotor 9 depending on the direction of energization, and in this case, the change in magnetic flux density on the arcuate surface 2-1 of the auxiliary magnetic core 2 as the rotor rotates is as follows. do not have. In such a state, the rotor 9 has magnetic cores 4 and 4'.
A constant rotational force acts in proportion to the rate of change in the area of the arcuate surfaces 4-1 and 4'-1 facing the outer surface 8'-1 of the permanent magnet 8'. Therefore, if the current is constant, the rotational force will be approximately constant when the rotor 9 is within a range of +-30 degrees from the neutral point.

更に、第３図Ｃにおいては、第３図Ａの場合と
反対に磁心４の円弧面４−１と永久磁石８′の外
面８′−１との対向面積は変化せず、補助磁心２
の円弧面２−１及び磁心４′の円弧面４′−１と永
久磁石８の外面８−１との対向面積が相互に変化
する。この状態でコイル５及び５′に通電すると、
電流が一定ならばローター９の位置が＋30゜から
＋90゜までの間で一定の回転力を得ることが出来
る。 Furthermore, in FIG. 3C, contrary to the case of FIG. 3A, the opposing area between the arcuate surface 4-1 of the magnetic core 4 and the outer surface 8'-1 of the permanent magnet 8' does not change, and the auxiliary magnetic core 2
The facing areas of the circular arc surface 2-1 of the magnetic core 4' and the circular arc surface 4'-1 of the magnetic core 4' and the outer surface 8-1 of the permanent magnet 8 change mutually. When coils 5 and 5' are energized in this state,
If the current is constant, a constant rotational force can be obtained when the rotor 9 is positioned between +30° and +90°.

以上の結果、本発明の双安定ロータリソレノイ
ドは、−90゜から＋90゜までの180゜の間ローターにほ
ぼ一定の回転力を出すことが出来る。尚、実際の
場合磁束の通りやすさ即ちパーミアンス値がロー
ターが左右＋−90゜位置が多少大きくなる為、こ
の２点が安定点となり無通電の時にも一定の保持
力を有し、その結果、いわゆる双安定ロータリー
ソレノイドとしての機能を有するものとなる。 As a result of the above, the bistable rotary solenoid of the present invention is able to output a substantially constant rotational force to the rotor over a range of 180 degrees from -90 degrees to +90 degrees. In actuality, the ease with which the magnetic flux passes through, that is, the permeance value, is somewhat larger when the rotor is at +-90° to the left and right, so these two points become stable points and maintain a constant holding force even when no current is applied. , it has a function as a so-called bistable rotary solenoid.

第４図における線４−８，４′−８，４−８′，
４′−８′，２−８は夫々磁心４と永久磁石８，
４′と８，４と８′，４′と８′及び補助磁心２と永
久磁石８との対向面積の変化を示すものであり、
線Ｓはその総和を示すものである。線Ｓは一定値
となり増減しないことが第４図によつて明らかと
なる。 Lines 4-8, 4'-8, 4-8' in Figure 4,
4'-8' and 2-8 are the magnetic core 4 and permanent magnet 8, respectively.
4' and 8', 4 and 8', 4' and 8', and changes in the opposing areas of the auxiliary magnetic core 2 and the permanent magnet 8,
Line S shows the sum. It is clear from FIG. 4 that the line S is a constant value and does not increase or decrease.

(ヘ) 実施例 第５図は、本発明の他の一実施例の構造を示す
正断面図であり、第６図はその磁心１４，１４′
及び補助磁心２と永久磁石８及び８′との対向面
積の変化を示すグラフである。(f) Embodiment FIG. 5 is a front sectional view showing the structure of another embodiment of the present invention, and FIG. 6 shows the magnetic cores 14, 14'.
and a graph showing changes in the opposing area between the auxiliary magnetic core 2 and the permanent magnets 8 and 8'.

第５図において、磁心１４及び１４′は上方向
に少し大きく形成されている。従つて、円弧面１
４−１及び１４′−１と永久磁石８及び８′との対
向面積は大きくなり、ローター９が左右に−90゜
から＋90゜まで回転した場合の各対向面積の変化
は第６図のごとくなり、ローター９の回転角の中
央で最小となる。この様にすると中央の中立点は
完全な不安定点となり、動作途中この点で停止す
ることはない。又、両端の保持力は増加し、この
点での安定度は高まる。但し、通電時の回転力
は、両端でやや弱いものとなる。しかし、総合的
に見た場合、磁気回路としてのいわゆるギヤツプ
が小さく、効率が良い。測定結果では、外形寸法
が18×18×40のもので40grcmのトルクを出すのに
必要な電力はわずか１〜1.3Wであり、従来品に
比べて４〜５倍の効率を示した。 In FIG. 5, the magnetic cores 14 and 14' are formed slightly larger in the upward direction. Therefore, arc surface 1
The opposing areas between 4-1 and 14'-1 and the permanent magnets 8 and 8' become larger, and the change in each opposing area when the rotor 9 rotates left and right from -90 degrees to +90 degrees is as shown in Figure 6. It becomes minimum at the center of the rotation angle of the rotor 9. In this way, the central neutral point becomes a completely unstable point, and there is no stopping at this point during operation. Also, the holding force at both ends is increased and the stability in this respect is increased. However, the rotational force when energized is somewhat weak at both ends. However, when viewed comprehensively, the so-called gap in the magnetic circuit is small and the efficiency is high. The measurement results showed that the power required to generate 40grcm of torque with external dimensions of 18 x 18 x 40 was only 1 to 1.3 W, which was 4 to 5 times more efficient than conventional products.

第７図はソレノイドの動作特性を示すグラフで
ある。第７図Ａは従来の直動型双安定ソレノイ
ド、第７図Ｂは従来の双安定ロータリーソレノイ
ド、第７図Ｃは本願の双安定ロータリーソレノイ
ドの動作特性を示すものであり、横軸は、第７図
Ａの場合はストロークＳ、第７図Ｂ，Ｃの場合は
回転角αを表わし、縦軸は第７図Ａの場合は動作
力Ｆ、第７図Ｂ，Ｃの場合は動作トルクＴを示す
ものである。又、一点鎖線は無通電の場合、実線
は通電時の特性を示す。又、点Ａは起動点、矢印
は動作方向を示す。尚、磁心４，４′及び１４，
１４′の円弧面４−１，４′−１，１４−１，１
４′−１の大きさは必要な特性に応じて任意に設
定し得るものであり、各各の対向面積の変化がロ
ーター９の回転角度に対して一定位相ずれた状態
となつており、少なくともその内の２つが相互に
変化していることが本発明のロータリーソレノイ
ドの特性を向上させる上で大きな効果を上げてい
る。 FIG. 7 is a graph showing the operating characteristics of the solenoid. FIG. 7A shows the operating characteristics of a conventional direct-acting bistable solenoid, FIG. 7B shows the conventional bistable rotary solenoid, and FIG. 7C shows the operating characteristics of the bistable rotary solenoid of the present application. In the case of Fig. 7A, the stroke S is shown, and in the case of Figs. 7B and C, the rotation angle α is shown.The vertical axis is the operating force F in the case of Fig. 7A, and the operating torque in the case of Fig. 7B and C. It shows T. Further, the dashed-dotted line shows the characteristics when no current is applied, and the solid line shows the characteristics when the current is applied. Further, point A indicates the starting point, and the arrow indicates the direction of operation. In addition, the magnetic cores 4, 4' and 14,
14' arc surface 4-1, 4'-1, 14-1, 1
The size of 4'-1 can be arbitrarily set depending on the required characteristics, and the change in each opposing area is at a certain phase shift with respect to the rotation angle of the rotor 9, and at least The fact that two of them are mutually changed has a great effect in improving the characteristics of the rotary solenoid of the present invention.

(ト) 発明の効果 以上の説明で明らかなごとく、本発明の双安定
ロータリーソレノイドは、永久磁石と３個の磁心
との対向面積の変化により回転力を得るという新
しい考え方のものであり、いわゆるギヤツプの変
化はなく、構造も簡単で効率も従来のものと比較
して４〜５倍と大巾に高いものであり、その用途
は広く、本発明の効果は極めて著しい。(G) Effects of the Invention As is clear from the above explanation, the bistable rotary solenoid of the present invention is based on a new concept of obtaining rotational force by changing the facing area of a permanent magnet and three magnetic cores, and is based on the so-called so-called There is no change in the gap, the structure is simple, and the efficiency is 4 to 5 times higher than that of the conventional one.Its uses are wide, and the effects of the present invention are extremely remarkable.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例の構造を示す正断面
図であり、第２図はその上断面図、第３図はその
動作を示す模式正面図、第４図は磁心と永久磁石
の対向面の変化を示すグラフであり、第５図は本
発明の他の実施例の構造を示す正断面図、第６図
はその磁心と永久磁石の対向面の変化を示すグラ
フ、第７図は動作特性を示すグラフである。 １……ヨーク、２……補助磁心、３……鉄心、
４……磁心、５……コイル、６……シヤフト、８
……永久磁石、９……ローター、１４……磁心。 Fig. 1 is a front sectional view showing the structure of an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a top sectional view thereof, Fig. 3 is a schematic front view showing its operation, and Fig. 4 is a diagram showing the structure of a magnetic core and a permanent magnet. 5 is a front sectional view showing the structure of another embodiment of the present invention; FIG. 6 is a graph showing changes in the opposing surfaces of the magnetic core and the permanent magnet; FIG. 7 is a graph showing changes in the opposing surfaces. is a graph showing operating characteristics. 1...Yoke, 2...Auxiliary magnetic core, 3...Iron core,
4...Magnetic core, 5...Coil, 6...Shaft, 8
...Permanent magnet, 9...Rotor, 14...Magnetic core.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 円周上に一対の円弧状磁極面を有するロータ
ーと、該円周に対向する２個の磁心と、１個の補
助磁心とからなるステータを有し、該２個の磁心
の各々に励磁コイルを設けると共に補助磁心とヨ
ークで結合し、前記ローターの磁極面と２個の磁
心及び補助磁心の３面との対向面積の内少なくと
も２面が、ローターの180゜以内の回転にともなつ
て、相補的に変化するごとく構成したことを特徴
とする双安定ロータリーソレノイド。 ２ ローターの磁極面とステーターの２個の磁心
及び補助磁心の３面との対向面積の総和が、ロー
ター回転範囲内の両端において大きくなるごとく
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の双安定ロータリーソレノイド。[Scope of Claims] 1. A stator comprising a rotor having a pair of arc-shaped magnetic pole faces on the circumference, two magnetic cores facing the circumference, and one auxiliary magnetic core, the two An excitation coil is provided on each of the magnetic cores and is coupled to the auxiliary magnetic core by a yoke, and at least two of the opposing areas between the magnetic pole surface of the rotor and the three surfaces of the two magnetic cores and the auxiliary magnetic core are within 180° of the rotor. A bistable rotary solenoid characterized in that it is configured so that it changes complementary with the rotation of the solenoid. 2. Claim 1, characterized in that the sum of the opposing areas of the magnetic pole surface of the rotor and the three surfaces of the two magnetic cores and the auxiliary magnetic core of the stator increases at both ends within the rotor rotation range. Bistable rotary solenoid as described.