JP2005137078A

JP2005137078A - 電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005137078A
Application number: JP2003368600A
Authority: JP
Inventors: 茂 ▲柳▼澤; Shigeru Yanagisawa
Original assignee: Seiko Precision Inc
Current assignee: Seiko Precision Inc
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: US20050110364A1; US7317273B2; JP4283636B2

Abstract

【課題】径方向の設置スペースの制約が小さい電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】環状端面１１ａ、１１ｂが複数磁極に着磁されている永久磁石からなる円筒状のステータ１１と、該ステータ１１の中空部１１ｃに固定配置される、円筒状のコイル１３と、該コイル１３の中央を貫通してボビン１５に回転自在に支持される回転軸１７と、回転軸１７と一体に回動するように設けられ、回動軸１７の両端部から放射状に延びて前記ステータ１１の前記環状端面１１ａ、１１ｂに対向する複数のロータアーム１９、２１を有する軟磁性体のロータ１９を備えた。一方の端部の主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄは、前記環状端面１１ａの磁極に対して同一位相に設け、他方の端部の主ロータアーム２１ｄ乃至２１ｃは前記環状端面１１ｂの磁極に対して、前記一方の主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄとは逆位相となるように設けられ、前記回転方向決定ロータアーム２１ｄをこれらの位相からずらして設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、１相励磁駆動により回動する電磁アクチュエータに関する。

従来ＤＣモータにおいて、ロータを永久磁石、ステータをコイルとし、ステータコイルが永久磁石のロータの回転軸を中心とした周方向に設けられたブラシレスモータが提案されている（非特許文献１）。
「モーターがわかる本」内田隆祐著オーム社 2000年12月25日出版、Ｐ６６およびＰ６７

しかしながら従来のブラシレスモータは、ロータを囲むように回転軸の周方向にステータコイルを配置しているので、径方向の設置スペースが制約を受けるという問題があった。

そこで本発明は、前記従来のブラシレスモータの問題に鑑みてなされたものであって、径方向の設置スペースの制約が小さい電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

前記問題を解決するために本発明は、環状端面が複数磁極に着磁してある永久磁石からなる円筒状ステータと、該ステータの中空内部に固定配置してある円筒状コイルと、該円筒状コイルの中央を貫通させて回転自在に支持してある回転軸と、前記ステータの前記環状端面に対向する複数のロータアームを有し、前記回転軸と一体に回動するように設けてある軟磁性体のロータとを備えていることに特徴を有する。

前記ロータは、前記ステータの少なくとも一方の環状端面側に配置する。
より実際的には、前記ロータアームは、前記回転軸の両端部から前記ステータの環状端面方向に延びた、前記環状端面に対向する２以上の主ロータアーム、及び前記主ロータアームの数よりも少ない１以上の回転方向決定ロータアームとからなり、一方の環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して同一位相に配置してあり、他方の環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して前記位相とは逆位相になるように配置してあり、前記回転方向決定ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して一定角度ずらして設置する。
あるいは、前記ロータアームは、前記回転軸の両端部から前記ステータの環状端面方向に延びた、前記環状端面に対向する２以上の主ロータアームと前記主ロータアームの数よりも少ない１以上の回転方向決定ロータアームとからなり、各環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して同一位相に配置されており、前記回転方向決定ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して前記位相から一定角度ずらして設置する。

前記コイルには、前記回転軸を回転自在に支持する軸受が固定されることがある。このとき前記軸受は、前記コイルを巻回するコイルボビンに設けるのが好適である。
この電磁アクチュエータは、前記コイルに交流又は任意周期で正負が切り換えられる電流が流されたときに、前記電流が変化する毎に前記ロータが前記磁極単位で同一方向にステップ回転する。

本発明にかかる電磁アクチュエータによれば、回転軸方向に永久磁石の着磁が可能になり、さらに回転軸方向にコイルのロータの巻き長を増加できるため直径を小さくすることが可能になって周方向のスペースに制約を受けず、かつ１相励磁で十分な回転トルクを発生する電磁アクチュエータを提供できる。
ロータの慣性モーメントが小さいため、電磁アクチュエータ駆動時の消費電力を少なくできる。

本発明の実施形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明を適用した電磁アクチュエータの実施形態を分解して示す斜視図である。

この電磁アクチュエータは、環状端面１１ａ、１１ｂが複数磁極に着磁されている永久磁石からなる円筒状のステータ１１と、該ステータ１１の中空部１１ｃに固定配置される、円筒状のコイル１３と、該コイル１３の中央を貫通してボビン１５に回転自在に支持される回転軸１７と、回転軸１７と一体に回動するように設けられ、回動軸１７の両端部から放射状に延びて前記ステータ１１の前記環状端面１１ａ、１１ｂに対向する複数のロータアーム１９、２１を有する軟磁性体のロータを備えている。円筒状のコイル１３は、回転軸１７を軸支する軸受を兼ねた絶縁材からなる円筒状のボビン１５に巻かれ、回転軸１７はボビン１５を貫通して回動自在に軸受されている。なお、軸受とボビンとは別部材として形成してもよい。

円筒状のステータ１１は強、硬磁性材で形成されていて、両側の環状端面１１ａ、１１ｂに対して垂直に磁化され、中空部１１ｃを囲むように円周方向に等間隔で並ぶ複数の永久磁石部を有する永久磁石である。つまりステータ１１の両側の環状端面１１ａ、１１ｂには、軸方向に延びる複数個の永久磁石の磁極が一定間隔で交互に存在している。

磁石の数、つまり分割数ｎは偶数となるが、この実施形態の分割数ｎは８である。つまり、ステータ１１の環状端面１１ａ、１１ｂには、８個のＳ／Ｎ極が交互に４５゜間隔で並んでいる。

回転軸１７は、ボビン１５の中空部１５ａに滑らかにかつぶれずに回転するように支持される軸部１７ｃと、該軸部１７ｃの両端部から同軸上に突出した細径の駆動軸１７ａ、１７ｂを備えている。この軸部１７ｃと駆動軸１７ａ、１７ｂとの境界部近傍に第１、第２のロータアーム１９、２１が固定され、駆動軸１７ａ、１７ｂが第１、第２のロータアーム１９、２１から軸方向に突出している。

第１のロータアーム１９は、回転軸１７を中心として等間隔に、十字形状に形成された４極の主ロータアーム１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを備えている。これらの各主ロータアーム１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄはそれぞれ、隣接する主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄと成す角度が９０゜に設定されている。つまり各主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄは、対向するステータ１１の環状端面１１ａの磁極に対して同一位相となるように形成されている。

第２のロータアーム２１は、回転軸１７を中心として、Ｔ字状に形成された３極の主ロータアーム２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、直径方向に延びる主ロータアーム２１ａ、２１ｃ間から主ロータアーム２１ｂとは反対側に延びる１極の回転方向決定ロータアーム２１ｄの計４極を備えている。３極の主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃは、中央の主ロータアーム２１ｂに対して他の主ロータアーム２１ａ、２１ｃが９０゜をなすように等間隔で形成されている。回転方向決定ロータアーム２１ｄは、主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃに対して９０゜とは異なる角度で形成されている。つまり、主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃは、対向するステータ１１の環状端面１１ｂの磁極に対して同一位相となるように、かつ回転方向決定ロータアーム２１ｄはこの位相に対して所定角度（オフセット角α）ずれるように配置されている。

図２、図３には、コイル１３が巻かれたボビン１５をステータ１１に挿入して固定し、さらに回転軸１７をボビン１５に挿入し、ボビン１５から突出した回転軸１７の両方の端部に第１、第２のロータアーム１９、２１を固定した、組み立て後の同実施形態の電磁アクチュエータを、正面側から見た斜視図および背面側から見た斜視図として示している。

第１、第２のロータアーム１９、２１の一方は回転軸１７と一体として形成され、他方は回転軸１７と別体として形成されている。別体として形成された方のロータアームは、回転軸１７がボビン１５を貫通した後に固定される。その祭、第１のロータアーム１９と第２のロータアーム２１は、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｃの位相に対して主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃの位相が逆位相となるように、この実施形態では、回転軸１７方向に投影していずれの主ロータアーム１９ａ乃至１９ｃと主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃとが重複するように固定配置される。

ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄおよびステータ１１の環状端面１１ａ、１１ｂは平行に、かつぞれぞれ平滑平面に形成されている。第１、第２のロータアームの軸部とボビン１５との間にスペーサを介在させるなどしてロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄとステータ１１の環状端面１１ａ、１１ｂとは所定間隔離反させて非接触とされている。

この実施形態の電磁アクチュエータは、電源２３からコイル１３に交流または所定時間毎に正負が逆転する電流が流される。この電流の方向が変化する毎に、第１、第２のロータアーム１９、２１、回転軸１７が磁極単位で同一方向にステップ回転する。回転力は、電磁アクチュエータの両端から突出している駆動軸１７ａ、１７ｂを介して外部に伝達される。

この実施形態の回転方向決定ロータアーム２１ｄは、主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃの角度９０゜から所定のオフセット角αずらして形成されている。このオフセット角αにより、この電磁アクチュエータを右回転にするか左回転にするかが決まる。この実施形態のオフセット角αは、主ロータアーム１９ｃに対して成す角度が、ピッチ角９０゜よりも小さい角度となるように、α＝２２．５゜に設定されている。この設定により、第１、第２のロータアーム１９、２１および回動軸１７（１７ａ乃至１７ｃ）、は右回転する。

なお、第１、第２のロータアーム１９、２１において各ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄを一体に形成すればアーム間の調整が不要になるなど組み立て効率が上がるが、それぞれ別体として形成してもよい。また、第２のロータアーム２１は、主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃは一体として形成し、回転方向決定ロータアーム２１ｄのみ別体として形成してもよい。この構成によれば、回転方向決定ロータアーム２１ｄを固定する際の位相調整により、最高回転速度等の調整や、回転方向の切替が可能になる。

また、ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄの幅は、ステータ１１の環状端面１１ａ、１１ｂ上における磁極の円周方向幅（最も内径側の幅）よりも狭くなるように設定してある。なお、各ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄは等幅でもよいが、外周ほど広くなる扇型でもよい。

この電磁アクチュエータ１０の回転動作について、図４および図５に示した動作図を参照して説明する。これらの図は、ステータ１１および第１、第２のロータアーム１９、２１を直線状に展開し、展開したステータ１１の環状端面１１ａ、１１ｂと対応する位置に第１、第２のロータアーム１９、２１の各ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄを示してある。なお、図４、図５において、角度＋方向（図において右方向）が第１、第２のロータアーム１９、２１の右回転方向である。

先ず、第１、第２のロータアーム１９、２１が図４（０）の安定（静止、平衡）位置に保持されているものとする。この安定位置は、第１のロータアーム１９の４極の主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄおよび第２のロータアーム２１の３極の主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃが対向する環状端面１１ａ、１１ｂの磁極との間に作用する反発／吸着力により安定状態となるまで回転しようとする回転モーメントと、回転方向決定ロータアーム２１ｄと対向する磁極との間に作用する反発／吸着力により安定状態まで回転しようする回転モーメントとが平衡する位置である。図示実施例におけるロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄは、回転方向決定ロータアーム２１ｄが存在しなかった場合の安定位置から微小角度βだけ右回転、図では右方向に移動して停止している。このように回転方向決定ロータアーム２１ｄの作用により、第１、第２のロータアーム１９、２１が主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄおよび主ロータアーム２１ａ乃至２１ｃのみによる安定位置よりもやや右方向に回転した状態に保持される。

図４（０）の安定位置においてコイル１３に正方向電流が流されると、ロータアーム１９ａ乃至１９ｄがＮ極に磁化され、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄがＳ極に磁化される。すると、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄはそれぞれ最も近い隣接するＮ極、Ｓ極に吸引されて右回転し、１ステップ（４５゜）だけ回転した安定位置で停止する（図４（１））。ここでコイルへの電流が遮断されても、ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄは安定位置に保持される。

図４（１）の安定位置において、コイル１３に逆方向電流が流されると、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄの磁極が逆転し、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄがＳ極に磁化され、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄがＮ極に磁化される。すると、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄは、最も近くに位置する回転方向側のＮ極に吸引され、主ロータアーム２１ａ乃至２１ｄは最も近くに位置する回転方向側のＳ極に吸引されるので、主ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄおよび回転軸１７は１ステップ分、右回転して安定位置で停止する（図４（２）。

以後、コイル１３への電流方向が変わる毎に、ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、ロータアーム２１ａ乃至２１ｄおよび回転軸１７は、１ステップ右回転して安定位置で停止する、ステップ回転を繰り返す（図４（３）乃至（８））。つまりこの電磁アクチュエータ１０は、電源２３から出力される電流の方向が切り換わる毎に駆動軸１７ａ、１７ｂが４５゜単位で右方向にステップ回転する。

この実施形態において、回転方向決定ロータアーム２１ｄのオフセット角αは２２．５゜としてあるが、所定範囲に変更することで、左回転させることができる。図示実施形態において、回転方向決定ロータアーム２１ｄのオフセット角αと回転方向との関係は、下記の通りになる。このオフセット角αは、図において、主ロータアームのピッチ角（位相）から左に測った角度を正、右に測った角度を負とする。
０゜＜α＜４５゜・・・右回転
４５゜＜α＜９０゜・・・左回転
０゜＞α＞−４５゜・・・左回転
−４５゜＞α＞−９０゜・・・右回転
なお、オフセット角αが０゜、４５゜（＝９０゜／２）、９０゜のときは、左右いずれの方向に回転するか定まらない。

ステータ１１の分割磁極数、主ロータアームの極数、回転方向決定ロータアームの極数はこの実施形態に限定されない。図示実施形態では、第２のロータアーム２１のみに回転方向決定ロータアームを設けたが、第１のロータアーム１９も第２のロータアーム２１と同一構造としてもよい。また第２のロータアーム２１の主ロータアームの極数は第１の主ロータの主ロータアームの極数と同一とし、いずれかの主ロータアームの間に回転方向決定ロータアームを設けてもよい。
また、回転方向決定ロータアームは１極でなくてもよく、複数設けてもよい。要するに回転方向決定ロータアームは、主ロータアームが、ステータの磁極の中央または境界で停止しないように数、形状等を設定する。

図示実施形態ではステータ１１の分割着磁数を８個、第１、第２のロータアームの極数（ロータアーム１９ａ乃至１９ｄ、２１ａ乃至２１ｄ）を計８個としたが、本発明はこれに限定されない。ステータ１１の分割磁極数をｍとすると、第１、第２のロータアームの極数Ｘ_１、Ｘ_２はいずれも、ｍ／２以下になる。ステータの分割磁極数を増やせば、ロータの回転ステップ角を小さくできる。
また、回転方向を決定する回転方向決定ロータアームの極数Ｙは、第１、第２のロータアームの磁極を、ステータの磁極の中心から一定方向にずらせればよいのでその数は限定されないが、、通常、１＜＝Ｙ＜（Ｘ_１＋Ｘ_２）となる。回転方向決定ロータアームの最適な極数Ｙはまた、その材質、形状等に基づいて設定される。

図６、図７および図８には、本発明の実施形態を実現できる最低本数のロータアームで構成した電磁アクチュエータの実施形態を示した。この実施形態では、回転軸１７の一方の端部に１本のロータアーム２５（主ロータアーム２５ａ）を、他方の端部に２本のロータアーム２７（主ロータアーム２７ａおよび回転方向決定ロータアーム２７ｂ）を備えている。この実施例の電磁アクチュエータの他の構成は図１、図２、図３に示した実施形態と同様である。主ロータアーム２５ａ、２７ａは同位相に形成されている。回転方向決定ロータアーム２７ｂは、主ロータアーム２５ａ、２７ａと同位相とならないように、主ロータアーム２７ａの位相から所定のオフセット角α_２だけ位相がずれるように形成してある。オフセット角α_２は、少なくとも、α_２≠０゜、α_２≠１８０゜であり、かつ、安定位置において、主ロータアームが磁極の中間および境界に位置しない角度である。

この実施形態も、コイルに交流または所定時間毎に正負が替わる電流が流されると、電流の方向が変わる毎に一定方向に４５゜単位でステップ回転する。

以上の通り本発明の実施形態によれば、コイル１３が回転軸１７を囲むように巻かれているので電磁アクチュエータ全体の直径を細くでき、かつコイル１３を軸方向に伸ばすことで直径を変えずに巻き数を容易に増加させることもできる。しかも永久磁石が円筒形状に勝つ軸方向に延びているので磁力が強くなり、回転トルク、ディテントトルクを大きくできる。

以上の実施形態ではロータアームを回転させたが、本発明の別の実施形態では、回転軸、ロータアームを固定し、分割着磁した筒状の永久磁石をロータとして回転させる構成でもよい。この場合はコイルも永久磁石と一体として回転するので、コイルにはブラシ構造等により電流を供給する。

本発明を適用した電磁アクチュエータの実施形態を分解して示す斜視図である。同実施形態を組み立て状態で、正面側から見た斜視図である。同実施形態を組み立て状態で、背面側から見た斜視図である。同実施形態の電磁アクチュエータの動作を説明する、ステータおよびロータアームを直線状に展開した図である。同実施形態の電磁アクチュエータの動作を説明する、ステータおよびロータアームを直線状に展開した図である。本発明を適用した電磁アクチュエータの他の実施形態を分解して示す斜視図である。同他の実施形態を組み立て状態で、正面側から見た斜視図である。同他の実施形態を組み立て状態で、背面側から見た斜視図である。

符号の説明

１１ステータ
１１ａ１１ｂ環状端面
１１ｃ中空部
１３コイル
１５ボビン
１５ａ中空部
１７回転軸
１７ａ１７ｂ駆動軸
１７ｃ軸部
１９第１のロータアーム
１９ａ１９ｂ１９ｃ１９ｄ主ロータアーム
２１第２のロータアーム
２１ａ２１ｂ２１ｃ主ロータアーム
２１ｄ回転方向決定ロータアーム
２３電源
α オフセット角

Claims

環状端面が複数磁極に着磁してある永久磁石からなる円筒状ステータと、
該ステータの中空内部に固定配置してある円筒状コイルと、
該円筒状コイルの中央を貫通させて回転自在に支持してある回転軸と、
前記ステータの前記環状端面に対向する複数のロータアームを有し、前記回転軸と一体に回動するように設けてある軟磁性体のロータと、
を備えていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
前記ロータは、前記ステータの少なくとも一方の環状端面側に配置してあることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
前記ロータアームは、前記回転軸の両端部から前記ステータの環状端面方向に延びた、前記環状端面に対向する２以上の主ロータアーム、及び前記主ロータアームの数よりも少ない１以上の回転方向決定ロータアームとからなり、一方の環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して同一位相に配置してあり、他方の環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して前記位相とは逆位相になるように配置してあり、前記回転方向決定ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して一定角度ずらして設置してあることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
前記ロータアームは、前記回転軸の両端部から前記ステータの環状端面方向に延びた、前記環状端面に対向する２以上の主ロータアームと前記主ロータアームの数よりも少ない１以上の回転方向決定ロータアームとからなり、各環状端面側に配置してある主ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して同一位相に配置されており、前記回転方向決定ロータアームは、前記環状端面の磁極に対して前記位相から一定角度ずらして設置してあることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
前記コイルには、前記回転軸を回転自在に支持する軸受が固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
前記軸受は、前記コイルを巻回するコイルボビンに設けてあることを特徴とする請求項５に記載の電磁アクチュエータ。
前記コイルに交流又は任意周期で正負が切り換えられる電流が流されたときに、前記電流が変化する毎に前記ロータが前記磁極単位で同一方向にステップ回転する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。