JP2006005169A - ロータリソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】
一般的ロータリソレノイドよりも回転角度におけるトルク特性を広く一定に保ち、必要に応じた範囲・傾向にトルク特性を制御でき、永久磁石を使用しない安価なソレノイドを提供すること。
【解決手段】
回転子１２の磁極を回転軸より径方向へ突出する弧状凸面１２ａ、１２ｂと、弧状凹面１３ａ、１３ｂを備え、弧状凸面１２ａ、１２ｂと弧状凹面１３ａ、１３ｂの近傍にコイル２０、２１を配置し、回転子１２の中心孔にシャフト１１を固着し、シャフト１１はケース１６と１７に固着している軸受け１８、１９に挿通支持され回動自在にした。また、回転子１２の弧状凸面１２ａ、１２ｂと固定磁極１３の弧状凹面１３ａ、１３ｂの形状及び配置を工夫してトルク特性を広く一定に保ったり、必要に応じてトルク特性を制御でき、回転子１２には一般の磁性材料を用いたのでソレノイド自体を安価にできる。
【選択図】 図１（ｃ）

Description

本発明は、ロータリソレノイドにかかわり、特に回転子と固定磁極を中心とする部材の構造に関するものである。

一般に知られているロータリソレノイドの基本的な構造は、ソレノイドの筐体となるケース、磁束を発生させるコイル、シャフトに固着され左右両方向に回転可能に支持された回転子、回転子とは径方向で対向し磁束発生により回転子を吸引回転させる固定磁極、消磁の際に復帰方向に回転させるうず巻ばねで構成されている（例えば特許文献１）。

このようなロータリソレノイドの回転子と固定磁極は回転子の回転中心と同位置に中心を持った円弧の磁極形状である。特許文献１より回転子はある角度で形成された凸面の磁極形状を複数もち、固定磁極側も回転子の凸部の磁極形状及び角度に合わせた複数の磁極形状を形成している。また、回転子の凸面の磁極と固定磁極は径方向において常に一定のギャップを保っている。

しかしながら、このロータリソレノイドはコイルに電圧を印加し、回転子が固定磁極へ引っ張られて回転するにしたがって、トルクは小さくなる方向へ向かう。一般的なロータリソレノイドのトルク特性は回転子と固定磁極の磁極面が向かい合い始める部分で最も大きくなり、前述したように磁極同士の対抗面が増していくにしたがってだんだん小さくなる傾向になっていく。さらに、ロータリソレノイドには電圧を遮断した後に復帰するためのうず巻ばねが備わっている。このうず巻ばねの復帰力と必要とするトルクを考慮した設計をしなければならないため、このようなロータリソレノイドでは電力を上げて必要トルク特性を得るという、非効率的な使用方法を取らざるを得なかった。
特開昭６１−１５７８８４（５頁、図１）

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、従来技術に係るロータリソレノイドよりも磁極形状を工夫することで、回転角度におけるトルク特性を広く一定に保ち、または必要に応じトルク特性を制御することを可能とし、かつ永久磁石を使用しない安価なソレノイドを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、軸部を中心として左右両方向に回転可能であり、その軸部から突出すると共に磁極をなすように形成された１つ又は複数の弧状凸面を持つ回転子と、前記回転子の弧状凸面と同数形成されると共に前記弧状凸面に対向するように配置された弧状凹面を持つ固定磁極と、前記弧状凸面及び前記弧状凹面の近傍に配置されると共に筒状に形成されたコイルとを備えたソレノイドにおいて、前記回転子の回転中心と、前記弧状凸面の曲率中心は異なり、かつ複数の前記弧状凸面同士においても曲率中心はそれぞれ異なり、さらに前記弧状凹面の曲率中心も前記回転子の回転中心と異なり、かつ複数の前記弧状凹面同士においても曲率中心はそれぞれ異なることを特徴とするものとした。なお、ここでいう「弧状」とは、円弧状と楕円弧状との双方を含む。

また、前記弧状凸面は前記回転子の回転中心と異なる曲率中心をもつ任意の厚さを持った仮想的な円筒体の側面の一部であり、前記弧状凹面は前記回転子の回転中心と異なる曲率中心をもつ任意の厚さを持った仮想的な円筒体の側面の一部であり、さらに前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップは、前記回転子の回転開始時に相対的に大きく、前記回転子の回転中に相対的に小さくなるようになされており、前記回転子が所定の角度位置において、前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップが均一な距離となり、かつ前記弧状凸面と前記弧状凹面が対向するようになされていることとし、前記回転子が回転途中の時点または回転終了の時点においても、前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップが均一な距離となり、かつ前記弧状凸面と前記弧状凹面が対向するようになされていることを特徴とするものとした。なお、ここでいう「仮想的な円筒体」とは、弧状凹面及び弧状凸面の構成を説明するためのものであり、実体はない。

本発明は回転子の磁極となる弧状凸面と固定磁極の磁極となる弧状凹面の形状及び配置を工夫することでロータリソレノイドを広い回転角度にわたって、変動のない一定したトルク特性及び必要に応じたトルク特性を得られるものとすることが可能となる。さらに回転子側の磁極には一般的に使われている磁性材料を使用できるので、製作上においても加工しやすく、ソレノイド自体を安価にすることができる。また、永久磁石を使用していないのでコスト低減はもちろんのこと、部品を取り扱う上でのトラブルを極力抑えることができる。

本発明の実施の形態においては、回転子の弧状凸面と固定磁極の弧状凹面の形状とその形状の基準となる曲率中心位置を工夫することで、トルク特性を一定又は必要に応じた特性にできることに特徴がある。また、回転子には一般的に使用されている磁性材料を用いることができるので、加工が容易となり、ソレノイド自体を安価にできる。以下に、この特徴を有する実施例について説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施例に係るロータリソレノイドの説明図である。図１において、１０はロータリソレノイド、１１はシャフト、１２は回転子、１２ａと１２ｂは弧状凸面、１２ａｃと１２ｂｃは曲率中心、１２ａｒと１２ｂｒは弧状凸面の半径、１３は固定磁極、１３ａと１３ｂは弧状凹面、１３ａｃと１３ｂｃは曲率中心、１３ａｒと１３ｂｒは弧状凹面の半径、１４と１５はギャップ、１６と１７はケース、１８と１９は軸受け、２０と２１はコイルを示す。

ロータリソレノイド１０において、回転子１２は磁極が回転軸より径方向へ突出する弧状凸面１２ａ、１２ｂを備え、その磁極に対向する固定磁極１３は弧状凹面１３ａ、１３ｂを備えており、さらに弧状凸面１２ａ、１２ｂと弧状凹面１３ａ、１３ｂの近傍にはコイル２０、２１が配置されている。回転子１２にはシャフト１１が固着され、シャフト１１はケース１６と１７に固着している軸受け１８、１９に挿通支持され左右両方向に回転可能となっている。

本発明の実施例１においては回転子１２の弧状凸面１２ａ、１２ｂと固定磁極の弧状凹面１３ａ、１３ｂの形状及びその形状の基準となる曲率中心１２ａｃ、１２ｂｃ又は１３ａｃ、１３ｂｃの位置を工夫することで、トルク特性を一定又は必要に応じた特性にすることが可能で、回転子には一般の磁性材料を用いるのでソレノイド自体を安価にできることを特徴とするものである。
以下に、ロータリソレノイド１０の主要な構成について説明する。

回転子１２は磁性材料で形成されており、軸部から径方向に突出された２つの弧状凸面１２ａ及び１２ｂを２等配に備え、中心孔にはシャフト１１が固着している。弧状凸面１２ａ及び１２ｂの曲率中心１２ａｃ及び１２ｂｃは回転子１２の回転中心とは異なる位置にあり、かつ弧状凸面１２ａ，１２ｂ同士の曲率中心１２ａｃと１２ｂｃも互いに異なる位置にあり、半径１２ａｒと１２ｂｒの距離で弧状凸面１２ａと１２ｂを形成させている。また、弧状凸面１２ａと１２ｂの近傍にはコイル２０と２１が配されている。

固定磁極１３は磁性材料で形成されており、回転子１２の弧状凸面１２ａと１２ｂに対向して２等配の弧状凹面１３ａと１３ｂを備えている。弧状凹面１３ａ及び１３ｂの曲率中心１３ａｃ及び１３ｂｃは回転子１２の回転中心とは異なり、かつ弧状凹面１３ａ、１３ｂ同士の曲率中心１３ａｃと１３ｂｃも互いに異なる位置にあり、半径１３ａｒと１３ｂｒの距離で弧状凹面１３ａと１３ｂを形成させている。また、弧状凹面１３ａと１３ｂの近傍にはコイル２０と２１が配されている。

したがって、コイル２０と２１に通電された際には、固定磁極１３の弧状凹面１３ａ、１３ｂと、回転子１２の弧状凸面１２ａ、１２ｂとの間にギャップ１４と１５を介して磁束が流れるので、弧状凹面１３ａと１３ｂは弧状凸面１２ａと１２ｂを吸引しようとする。回転子１２の中心孔はシャフト１１が固着し、シャフト１１は軸受け１８と１９に挿通し回転可能な状態で支持されているので、シャフト１１を軸に回転子１２は吸引方向へ回転し、所定の位置で停止する。コイルへの通電を非通電とした際には外部からの復帰力または任意で取り付けるうず巻ばねの反発力で反対方向へ回転し、回転子１２は元の位置に戻ることとなる。

シャフト１１は非磁性材料で形成されており、回転子１２の中心孔に挿通固着され、さらに軸方向に伸びてケース１６と１７の中央孔に固着している軸受け１８と１９に挿通されて回転可能な状態で支持されている。

コイル２０と２１は回転子１２の弧状凸面１２ａと１２ｂ及び固定磁極１３の弧状凹面１３ａと１３ｂの近傍に設けられ、通電された際には弧状凹面１３ａと１３ｂ及び弧状凸面１２ａと１２ｂに磁束を供給する。

ギャップ１４と１５は回転子１２の弧状凸面１２ａと１２ｂと、固定磁極１３の弧状凹面１３ａと１３ｂとの間にある空隙である。

ケース１６と１７は非磁性材料で形成されており、固定磁極１３の両端面に位置し、中心孔には軸受け１８及び１９が固着されている。

軸受け１８と１９は非磁性材料で形成され、ケース１６と１７の中心孔に固着されている。軸受け１８と１９の内孔にはシャフト１１が挿通し回転可能な状態で支持されている。

さらに本発明の実施の形態に係わるロータリソレノイドの動作について、回転子１２と固定磁極１３を中心に説明する。図２の（ａ）〜（ｃ）は図１（ｃ）に示したソレノイドの動作を示す断面図であり、符号は図１と同じものを示す。

図２（ａ）はコイル２０と２１に通電する前のロータリソレノイドである。回転子１２は外部からの復帰力または任意で取り付けられているうず巻ばねの反発力で固定磁極１３と反対方向に静止している。この時の弧状凸面１２ａ、１２ｂと、弧状凹面１３ａ、１３ｂとの間のギャップ１４と１５は相対的に大きい状態にある。

コイル２０と２１に通電されると固定磁極１３と回転子１２との間に磁束が供給される。磁束はギャップ１４と１５を通り回転子１２へ流れ、弧状凹面１３ａと１３ｂが弧状凸面１２ａと１２ｂを吸引することとなるので回転動作が始まる。図２（ｂ）は回転子１２の回転動作が始まってから中間地点における状態を示す。この時の弧状凸面１２ａと１２ｂと、弧状凹面１３ａと１３ｂとの間のギャップ１４と１５は通電する前の状態に比べて小さくなる方向で変化している。

さらに回転子１２が回転動作し、停止した時を図２（ｃ）に示す。前述した通り回転子１２はギャップ１４と１５が小さくなる方向に回転動作していくが、ある回転角度おいて停止するようストッパーを設けている。このとき回転子１２の弧状凸面１２ａと１２ｂは固定磁極１３の弧状凹面１３ａと１３ｂと完全に対向する形となり、さらにギャップ１４と１５は両磁極の間で全て均一な距離を保った状態になっている。

このような状態になった時のトルク特性は図３に示すように広い回転角度にわたって一定した値を示すこととなる。さらに、回転子１２の弧状凸面１２ａ、１２ｂと、固定磁極１３の弧状凹面１３ａ、１３ｂの対向した時の形状やギャップの距離を変えることで必要に応じたトルク特性を得ることができるのである。次にその事例について説明する。

図４は、今回発明のロータリソレノイドにおける回転子１２の弧状凸面１２ａと１２ｂ及び固定磁極１３の弧状凹面１３ａと１３ｂの形状の考え方を示したものである。ここにおいて弧状凸面１２ａと１２ｂは弧状凹面１３ａと１３ｂに対して均一なギャップ１４、１５となっており、かつ弧状凸面１２ａ、１２ｂは固定磁極１３の弧状凹面１３ａ、１３ｂと対向した状態を示している。また、曲率中心１２ａｃ及び１２ｂｃ（１３ａｃ及び１３ｂｃ）は回転子１２の回転中心のＸ線上にあると仮定する。この状態において弧状凸面１２ａと弧状凹面１３ａは曲率中心１２ａｃ（１３ａｃ）を共有し、さらにこの曲率中心１２ａｃ（１３ａｃ）は回転軸よりＸ（−）側へ任意の距離だけずれた位置のオフセット量となっている。ここから半径１２ａｒの弧状凸面１２ａを形成し、さらにエアギャップ１４の分だけ外周側に弧状凹面１３ａを形成している。

また、弧状凸面１２ａと弧状凹面１３ａと位置的に対称となる弧状凸面１２ｂと弧状凹面１３ｂは曲率中心１２ｂｃ（１３ｂｃ）を共有し、この曲率中心１２ｂｃ（１３ｂｃ）は回転軸よりＸ（＋）側へ任意の距離だけずれた位置のオフセット量となっている。ここから半径１２ｂｒの弧状凸面１２ｂを形成し、さらにエアギャップ１５の分だけ外周側に弧状凹面１３ａを形成している。

この曲率中心１２ａｃ（１３ａｃ）と１２ｂｃ（１３ｂｃ）の点は回転子１２の回転中心点からの絶対距離が同じであり、半径１２ａｒと１２ｂｒの距離も基本的に同じである。さらに回転子１２の回転中心点からの曲率中心１２ａｃと１２ｂｃ（１３ａｃと１３ｂｃ）のオフセット量を変えることで、ロータリソレノイドのトルク特性を制御することが可能となる。図４（ｂ）は曲率中心１２ａｃと１２ｂｃのオフセット量を変化させた時の図を示し、例えば回転子１２の回転中心点からＸ（＋）及びＸ（−）側へずらせた場合のオフセット量をｅ、ｆとすれば、

である。尚、ｄはオフセット量が０であるときを示し、これはつまり曲率中心１２ａｃと１２ｂｃ（１３ａｃと１３ｂｃ）が回転子１２の回転中心点にあることを示している。

曲率中心１２ａｃと１２ｂｃ（１３ａｃと１３ｂｃ）のオフセット量を変化させた時のトルク特性を図５に示す。このトルク特性は図４（ｂ）におけるｄがトルク特性ｄ、オフセット量ｅ（−）とｅ（＋）がトルク特性ｅ、オフセット量ｆ（−）とｆ（＋）がトルク特性ｆにあたる。実施例１の図３で示したトルク特性はトルク特性ｅとなるが、オフセット量をさらに大きくしていくとトルク特性ｆのように回転角度０度近くではでトルク小であり、回転していくにしたがってトルクが徐々に大きくなる傾向を得ることができる。

また反対にオフセット量をトルク特性ｅよりも小さくすると、トルク特性ｄのように回転角度０度でトルク大であり、回転していくにしたがってトルクは徐々に小さくなる傾向になる。

このようにオフセット量を変化させ、弧状凸面１２ａ、１２ｂ、及び弧状凹面１３ａ、１３ｂの形状を微妙に変えることで回転角度に対するトルク特性を設計上の必要に応じて適宜決定させることが容易に可能となるのである。さらに、弧状凸面１２ａ、１２ｂ、及び弧状凹面１３ａ、１３ｂの曲率半径や、エアギャップ１４、１５の大きさを変えれば、トルク特性を必要なものにすることがさらに容易になる。

本発明の第１の実施例に係わるロータリソレノイドの斜視図である。 本発明の第１の実施例に係わるロータリソレノイドの説明図である。 本発明の第１の実施例に係わるロータリソレノイドの図1（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第１の実施例に係わるロータリソレノイドの図1（ｂ）のD−D断面図である。 図１（ｃ）に示したロータリソレノイドの動作を示す説明図である。 図１（ｃ）に示したロータリソレノイドの動作を示す説明図である。 図１（ｃ）に示したロータリソレノイドの動作を示す説明図である。 図１に示したロータリソレノイドのトルク特性図である。 図１（ｃ）に示したロータリソレノイドの磁極部の説明図である。 図４に示したロータリソレノイドのトルク特性図である。

符号の説明

１０ ロータリソレノイド
１１ シャフト
１２ 回転子
１２ａ 弧状凸面
１２ａｃ 曲率中心
１２ａｒ 弧状凸面の半径
１２ｂ 弧状凸面
１２ｂｃ 曲率中心
１２ｂｒ 弧状凸面の半径
１３ 固定磁極
１３ａ 弧状凹面
１３ａｃ 曲率中心
１３ａｒ 弧状凹面の半径
１３ｂ 弧状凹面
１３ｂｃ 曲率中心
１３ｂｒ 弧状凹面の半径
１４ エアギャップ
１５ エアギャップ
１６ ケース
１７ ケース
１８ 軸受け
１９ 軸受け
２０ コイル
２１ コイル

Claims (5)

1. 軸部を中心として左右両方向に回転可能であり、その軸部から突出すると共に磁極をなすように形成された１つ又は複数の弧状凸面を持つ回転子と、
   前記回転子の弧状凸面と同数形成されると共に前記弧状凸面に対向するように配置された弧状凹面を持つ固定磁極と、
   前記弧状凸面及び前記弧状凹面の近傍に配置されると共に筒状に形成されたコイルとを備えたソレノイドにおいて、
   前記回転子の回転中心と、前記弧状凸面の曲率中心は異なり、かつ複数の前記弧状凸面同士においても曲率中心はそれぞれ異なり、
   さらに前記弧状凹面の曲率中心も前記回転子の回転中心と異なり、かつ複数の前記弧状凹面同士においても曲率中心はそれぞれ異なることを特徴とするソレノイド。
2. 前記ソレノイドにおいて、前記弧状凸面は前記回転子の回転中心と異なる曲率中心をもつ任意の厚さを持った仮想的な円筒体の側面の一部であり、
   前記弧状凹面は前記回転子の回転中心と異なる曲率中心をもつ任意の厚さを持った仮想的な円筒体の側面の一部であることを特徴とする請求項１に記載のソレノイド。
3. 前記ソレノイドにおいて、前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップは、前記回転子の回転開始時に相対的に大きく、前記回転子の回転中に相対的に小さくなるようになされていることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のソレノイド。
4. 前記ソレノイドにおいて、前記回転子が所定の回転角度位置において、前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップが均一な距離となり、かつ前記弧状凸面と前記弧状凹面が対向するようになされていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３に記載のソレノイド。
5. 前記ソレノイドにおいて、前記回転子が回転途中の時点または回転終了の時点において、前記弧状凸面と前記弧状凹面とのギャップが均一な距離となり、かつ前記弧状凸面と前記弧状凹面が対向するようになされていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３に記載のソレノイド。

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