JPH0449839A - 双方向駆動ロータリーアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、出力軸に回転力が直接に発生するようにした
電磁石式のロータリーアクチュエータ、特に、電磁作用
が働らくギャップ面を、インボリュート曲線で形成した
双方向出力のロータリーアクチュエータに関する。

［従来の技術］ 電磁作用が働らくギャップ面を、インボリュート曲線で
形成した電磁石式のロータリーアクチュエータについて
は、本出願人が、特願平１−３３８６５０号おもって、
すでに出願している。

第３図は、そのロータリーアクチュエータの一例を示す
縦断面図である。

ロータリーアクチュエータ（０１）は、円筒形のケース
（０２）の内側両端部に固着された固定鉄心（０３）（
０３）、及び同じくケース（０２）の内周面中央部に固
着されたコイル（０４）からなるステータ（０５）と、
ケース（０２）の両端面を閉塞する蓋部材（０７）　（
０７）の中心における軸受（０８）（０８）により、枢
支された回転軸（０６）にヨーク軸（０９）を固嵌する
とともに、各固定鉄心（０３）の内面において、ヨーク
軸（０９）に可動鉄心（０１０）（０１０）を嵌合固着
してなるロータ（０１１）を備えている。

ケース（０２）は、固定鉄心（０３）　（０３）を磁気
結合するヨーク部材を兼ね、また、再固定鉄心（０３）
（０３）間に挟まれた筒状スペーサ（０１２）もヨーク
部材を兼ねている。

ケース（０２）、スペーサ（０１２）及びヨーク軸（０
９）は、軟鉄等の強磁性体からなっている。

固定鉄心（０３）および可動鉄心（０１０）は、珪素鋼
板等の強磁性体の板材を、第５図に示すような形に打ち
抜いて作られる。

第４図に示す状態では、固定鉄心（０３）と可動鉄心（
０１０）との間の空１！Ｊｌ（０１３）には空間かなく
、両者は密着している。このときの固定鉄心（０３）側
の境界面を内周面（０３ａ）とし、可動鉄心（０１０）
側の境界面を外周面（０１０ａ）とする。

この境界面、すなわちギャップの大きさが零の空隙（０
１３）は、回転軸（０６）の軸心（０）と同心の基礎円
（０１４）からなるインボリュート曲線となっている。

固定鉄心（０３）のインボリュート曲線からなる内周面
（０３ａ）は、可動鉄心（０１０）の可動範囲と等し、
いか、あるいはそれより若干大としである。

固定鉄心（０３）の内周面（０３ａ）と、可動鉄心（０
１０）の外周面（０１０ａ）との対向面同士は、基礎円
（０１４）を等しくするインボリュート曲線同士をもっ
て、常に対面するようにしである。

その結果、可動鉄心（０１０）が回転することによって
生じる固定鉄心（０３）との間の空隙（０１３）は、固
定鉄心（０３）の内周面（０３ａ）と可動鉄心（ＯＪＯ
）の外周面（０１０ａ）が対向するどの位置においても
、空隙（０１３）の大きさ（ギャップ）が常に均一にな
っている。

換言すると、固定鉄心（０３）の内周面（０３ａ）と、
可動鉄心（０１０）の外周面（０１０ａ）との対向面を
、インボリュート曲線で形成すると、可動鉄心（０１０
）の回転角度にかかわらず、対向面全域に亘って磁束密
度が均一となり、局部的な磁気飽和を生じることなく、
効率よく回転トルクを発生する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した従来のロータリーアクチュエータは、回転力の
作用する方向か一定であり、電磁石のギャップの広がる
方向に対しては、通常、バネ力を作用させている。

また、両方向に駆動力を必要とする場合は、同一構造の
ロータリーアクチュエータ１対を、出力の回転方向を逆
向きに、出力軸を直列に連結して利用している。

しかし、復帰にバネを利用すると、駆動出力が、バネに
よる復帰力の分だけ余分に必要となり、また、吸引位置
の終端でその位置を保持するには、駆動電力を持続させ
るか、またはロック手段が必要となる。

１対のものを逆向きに使用すると、軸方向の寸法か犬と
なり、小型化が困難となる。

［課題を解決するための手段］ 本発明においては、以下のようにして、上記課題を解決
する。

電磁石における固定鉄心と可動鉄心との間の空隙を、可
動鉄心の回転軸心と同心をなす基礎円を有するインボリ
ュート曲線で形成してなるロータリーアクチュエータに
おいて、同一基礎円に対する拡径方向が、互いに逆向き
のインボリュート曲線からなる周面を１対もつ可動鉄心
と、可動鉄心における１対のインボリュート曲線からな
る周面と対向し、対向するもの同士が、同じ基礎円と同
じ拡径方向をもつインボリュート曲線からなる端面を１
対有し、かつ対面する可動鉄心と固定鉄心のインボリュ
ート曲線の端面同士の一方が接触する状態にあるとき、
他方のインボリュート曲線の端面同士の対面部分には間
隔を設けるように、可動鉄心と固定鉄心の各インボリュ
ート曲線を有する端面相互の相対位置が定められている
固定鉄心と、可動鉄心と固定鉄心の各インボリュート曲
線の周面が対向している２箇所の空隙部分に、磁束を発
生させるようにして固定鉄心に巻回された、少なくとも
２つのコイルと、各コイルの発生した磁束を、常に一定
の磁気抵抗で可動鉄心に連結するための磁路を形成する
中間磁路形成ヨーク部材とを備えることを特徴としてい
る。

また、上記可動鉄心を、１対のインボリュート曲線の周
面を磁極の双対とする永久磁石となすことを特徴として
いる。

［作　　用］ １つの可動鉄心に、異なる回転方向のトルクを発生させ
て、回転軸を双方向に駆動する。

可動鉄心を永久磁石にすると、励磁コイルの電流方向に
よって回転方向を選択できる。また、可動鉄心の停止位
置では、永久磁石の磁着力によって、可動鉄心の自由回
転がロックされる。

［実施例コ 第１図及び第２図は、本発明の一実施例を示すもので、
以下図面に基づいて説明する。

ロータリーアクチュエータ（１）は、中央に回転軸（２
）を備えるロータ（３）と、そのロータ（３）を囲むよ
うに、軸線回りに設けられたステータ（４）と、ロータ
（３）とステータ（４）を収納するケース（５）とから
なっている。

ロータ（３）は、回転軸（２）の中央部に可動鉄心（６
）を備え、可動鉄心（６）は、軸線と直交する方向の断
面形が、第２図のように、回転軸（２）を挟んで互いに
反対の所に、回転軸（２）と同心の基礎円（図示路）を
もち、かつ同一基礎円に対する拡径方向が互いに逆向き
のインボリュート曲線からなる１対のインボリュート端
面（７ａ）　（７ｂ）を備えでいる。

インボリュート端面（７ａ）　（７ｂ）の間は、縮径し
た等半径の弧面（８）になっており、このくびれだ弧面
（８）のいずれか一方、例えばインボリュート端面（７
ａ）　（７ｂ）の小径段部（１０）　（１０）の間の弧
面（８）の所に、ストッパ（９）が設けられている。

ストッパ（９）は、小径段部（１０）　（１０）に当接
して、ロータ（３）の回転範囲を規制する。

ストッパ（９）の下端部は、ケース（５）の底面（５ａ
）に固着されている。

ステータ（４）は、第２図に示すように、Ｅ型固定鉄心
（１１）の中央の鉄心脚（１２）に、巻枠（１３）に巻
線されたコイル（１４）を嵌装してなる同一形状のもの
１対を、回転軸（２）を挟んで、左右対称（鏡像関係）
に、かつ外側の鉄心脚（１５）　（１６）を、突き合わ
せて組み立てである。

Ｅ型固定鉄心（１１）の中央の鉄心脚（１２）の内端に
は、前記可動鉄心（６）におけるインボリュート端面（
７ａ）　（７ｂ）と同一のインボリュート曲線からなる
インボリュート端面（１７）が形成されている。

このステータ（４）として組み付けられた固定鉄心（１
１）のインボリュート端面（１７）（１７）は、回転軸
（２）の軸心を中心に、インボリュート曲線が左右に鏡
像関係で対称になって、ロータ（３）における可動鉄心
（６）のインボリュート端面（７ａ）　（７ｂ）と整合
している。

ステータ（４）を納めたケース（５）は、軟鉄等の強磁
性体からなり、Ｅ型固定鉄心（１１）の外側の鉄心脚（
１４）（１５）の断面積の不足を補うため、または外側
の鉄心脚（］４）（１５）に代わる磁路を形成するため
の、ヨーク部材とすることもできる。

ロータ（３）のインボリュート端面（７ａ）　（７ｂ）
と、テーク（４）のインボリュート端面（１７）（＋７
）が対向する部分には、ロータ（３）とステータ（４）
の間に電磁作用の働く空隙（１８）が形成される。

ステータ（４）における固定鉄心（１１）の外周面は、
ケース（５）の内面に密着して設けられ、このケース（
５）の底面（５ａ）の中央は、ロータ（３）の回転軸（
２）の下方に設けた拡径段部（２ａ）の下面と、回転は
するが、磁気抵抗は小さい状態で、磁気結合しである。

拡径段部（２ａ）の上方は、可動鉄心（６）の下面中央
と磁気結合しである。その結果、可動鉄心（６）の中央
部（６ａ）は、固定鉄心（１１）のインボリュート端面
（１７）と反対磁極、即ちＥ型固定鉄心（１１）の外側
の鉄心脚（１５）　（１６）、及びそれと磁気的に同等
の部分に磁気結合している。

第２図において、実線で示されるロータ（３）は、左側
の固定鉄心（１１）のインボリュート端面（１７）と可
動鉄心（６）のインボリュート端面（７ａ）が空隙（１
８）をゼロに密着している時の状態を示し、その際、に
右側の可動鉄心（６）のインボリュート端面（７ｂ）は
、固定鉄心（１１）のインボリュート端面（１７）に密
着した状態から、ロータ（３）の所要出力回転角度に相
当する角度だけ、反時計回りに回転させて、双方のイン
ボリュート端面（７ｂ）（１７）間に、所要の大きさの
空隙（１８）を生じている。

この実線図示のロータ（３）の位置は、時計回りに駆動
するときの始動開始位置である。

また、仮想線図示のロータ（３）は、反時計回りに駆動
するときの始動開始位置である。

ロータ（３）を駆動するには、空隙（１８）が開いてい
る側の固定鉄心（１１）のコイル（１４）に電流を流す
。

１対のコイル（１４）（１４）に交互に電流を流すこと
により、ロータ（３）は、双方向に駆動される。

この駆動の際に、基礎円を同じくするインボリュート曲
線で形成される空隙（１８）は、ロータ（３）の回転角
度にかかわらず、対向面全体に亘って、空隙（１８）の
大きさが等距離で変化する。即ち空隙（１８）の大きさ
は変化しても、空隙（１８）を形成するインボリュート
端面（７ａ）と（１７）、及び（７ｂ）と（１７）の対
向面間隔は、平行間隔で変化する。

これによって、ロータ（３）がどのような回転角度にあ
るときも、空隙（１８）の磁束分布は平均している。

上記第１図及び第２図に示すロータリーアクチュエータ
（１）は、ロータ（３）の可動鉄心（６）を、永久磁石
とすることにより、双方向駆動は上記実施例と同様にで
き、別の作用効果を得るものを提供できる。

なお、構造は第１図及び第２図とまったく同一であるの
で、図示は省略する。

可動鉄心（６）の磁化方向は、１対のインボリュート端
面（７ａ）　（７ｂ）を、それぞれ磁極の双対をなすＳ
極、Ｎ極となるようにする。

ロータ（３）の駆動時には、空隙（１８）が開いている
方は、吸引作用が働くように、また空隙（１８）が閉じ
ていう方は、反発作用が働くように、各対応コイル（１
４）の励磁電流方向を選択し、両方のコイル（１４）（
１４）には、同時に電流を流す。

これにより、ロータ（３）の可動鉄心（６）は、両方の
インボリュート端面（７ａ）　（７ｂ）に同一方向の回
転力を受けて、回転軸（２）は、バランスのよいモーメ
ントを発生する。

また、ロータ（３）が、いずれか一方の安定位置で停止
しているとき、空隙（１８）がゼロの可動鉄心（６）に
おける永久磁石の極は、固定鉄心（１１）に磁着して、
ロータ（３）の自由回転をロックする。

このロック作用は、ロータ（３）の両方向の回転停止位
置で発揮され、このロック作用を行う力は、永久磁石か
ら得られるので、無電源でかつ永久的である。

［発明の効果コ １つの可動鉄心に、異なる回転方向のトルクを発生して
、回転軸を双方向に駆動する。

ステータ（４）が、Ｅ型固定鉄心（１１）にコイル（１
４）を嵌合した同一構造のもの１対を、鏡像関係に対称
に組み合わせて使用するので、構造が簡単で組立も容易
となる。

空隙（１ｇ）を形成するロータ（３）とステータ（４）
の鉄心の各端面にインボリュート曲線を採用することに
より、ロータ（３）の回転角度にかかわらず、空隙（１
８）面の磁束分布を平均させて、効率よく回転トルクを
発生させる。

可動鉄心を永久磁石にすると、励磁コイルの電流方向で
回転方向が選択できるの、で、回転方向にかかわらず、
１対のコイルを同時に励磁に使用でき、コイルの利用効
率が高くなる。

また、可動鉄心は、双方の安定位置で、永久磁石の磁着
力によって、可動鉄心の自由回転かロツりされている。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、 第１図は、本発明のロータリーアクチュエータの中央縦
断面図、 第２図は、第１図のＵ−Ｕ線横断平面図第３図は、本出
願人による従来のロータリーアクチュエータの中央縦断
面図、 第４図は、第３図のｒＶ−ｍＶ線横断平面図である。 （１８）空隙 （１）ロータリーアクチュエータ （２）回転軸　　　　　　　（２ａ）拡径段部（３）ロ
ータ　　　　　　　（４）ステータ（５）ケース　　　
　　　　（６）可動鉄心（６ａ）中央部　　　（７ａ）
（７ｂ）インボリュート端面（８）弧面　　　　　　　
　　（９）ストッパ（１０）小径段部　　　　　　（５
ａ）底面（１１）Ｅ型固定鉄心　　　　（１２）中央の
鉄心脚（１３）巻枠　　　　　　　　（１４）コイル（
１５）（１６）外側の鉄心脚　　（１７）インボリュー
ト端面第１図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電磁石における固定鉄心と可動鉄心との間の空隙
   を、可動鉄心の回転軸心と同心をなす基礎円を有するイ
   ンボリュート曲線で形成してなるロータリーアクチュエ
   ータにおいて、 同一基礎円に対する拡径方向が、互いに逆向きのインボ
   リュート曲線からなる周面を１対もつ可動鉄心と、 可動鉄心における１対のインボリュート曲線からなる周
   面と対向し、対向するもの同士が、同じ基礎円と同じ拡
   径方向をもつインボリュート曲線からなる端面を１対有
   し、かつ対面する可動鉄心と固定鉄心のインボリュート
   曲線の端面同士の一方が接触する状態にあるとき、他方
   のインボリュート曲線の端面同士の対面部分には間隔を
   設けるように、可動鉄心と固定鉄心の各インボリュート
   曲線を有する端面相互の相対位置が定められている固定
   鉄心と、 可動鉄心と固定鉄心の各インボリュート曲線の周面が対
   向している２箇所の空隙部分に、磁束を発生させるよう
   にして固定鉄心に巻回された、少なくとも２つのコイル
   と、 各コイルの発生した磁束を、常に一定の磁気抵抗で可動
   鉄心に連結するための磁路を形成する中間磁路形成ヨー
   ク部材 とを備えることを特徴とする双方向駆動ロータリーアク
   チュエータ。
2. （２）可動鉄心が、１対のインボリュート曲線の周面を
   磁極の双対とする永久磁石である請求項（１）記載の双
   方向駆動ロータリーアクチュエータ。