JP2006140246A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ストローク量による推力の変動を少なくし、一定の出力が得られる可動子の移動範囲を拡大したアクチュエータを提供する。
【解決手段】通電により磁束作用面が形成されるプランジャ７の周面Ｐ１、Ｐ２又は該プランジャ７の周面Ｐ１、Ｐ２と対向する第１、第２のヨーク部５、６のいずれかにプランジャ７の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有する。該プランジャ７と第１、第２のヨーク部５、６との離間距離がプランジャの軸方向への移動に伴って漸進的に変化する形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばリニアソレノイドなどのアクチュエータに関する。

従来、一般産業機械においては、自動制御用として様々なアクチュエータが用いられている。例えば電磁エネルギーを機械エネルギーに変換する電磁部品としてリニアソレノイドが好適に用いられている。ソレノイドの一般的な構成は、励磁コイルを備えた固定子の中心部に可動子鉄心（プランジャ）が固定鉄心に接離動可能に設けられている。固定子側の励磁コイルへの通電により第１、第２のヨーク部とプランジャとの間で磁気回路が形成されてプランジャに吸引力が作用するようになっている。

ここで、リニアソレノイドの一般的な構造について図４を参照して説明する。先ず、固定子５１の構成について説明すると、ボビン５２に巻き付けられた励磁コイル５３と該励磁コイル５３の周囲を覆う第１、第２のヨーク部５４、５５が設けられている。第１のヨーク部５４は蓋状に形成されており、励磁コイル５３の軸方向一端側を覆っている。第２のヨーク部５５はカップ状に形成されており、励磁コイル５３の軸方向他端側から胴部外周面を覆っている。これらの第１、第２のヨーク部５４、５５は、励磁コイル５３への通電時に発生する固定子５１側の磁気通路を形成する。ボビン５２の軸孔には非磁性材よりなる案内筒（ガイドパイプ）５６が嵌め込まれている。可動子（プランジャ）５７は、ガイドパイプ５６の軸孔に摺動可能に嵌め込まれている。プランジャ５７の軸孔５８には図示しない連結ロッドが締結されて、プランジャ５７の軸方向への駆動力を伝達するようになっている。

上記リニアソレノイドは、プランジャ５７の少なくとも一端側の周面に周溝若しくは段付面（本実施例では凹溝５９）が形成されており、径方向に磁束作用面が形成される。即ち、プランジャ５７の周面Ｐ１、Ｐ２と第１、第２のヨーク部５４、５５の対向面Ｙ１、Ｙ２との間で径方向に各々磁束作用面が形成され、当該磁束作用面が形成される対向面どうしの磁気抵抗が小さいため制御範囲で大きな出力（推力）が得られる。

図４のリニアソレノイドの場合、励磁コイル５３へ通電するとプランジャ５７の周面と第１、第２のヨーク部５４、５５との間（周面Ｐ１、Ｐ２と対向面Ｙ１、Ｙ２）で全周にわたって強い磁気吸引力が作用する。
しかしながら、プランジャ５７と第１、第２のヨーク部５４、５５との位置関係によっては、磁気抵抗が急激に変化し易く、励磁コイル５３への通電時に推力が一気に高まることがあるため一定の推力が得られる範囲が限定され制御性が良くないという課題があった（図３グラフＡ参照）。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ストローク量による推力の変動を少なくし、一定の出力が得られる可動子の移動範囲を拡大したアクチュエータを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
励磁コイルと、励磁コイルの一端側に設けられる第１のヨーク部と他端側に設けられる第２のヨーク部とで励磁コイルの周囲を覆う固定子と、励磁コイルの中心部に軸線方向に往復動可能に設けられる可動子とを備え、励磁コイルへの通電により第１、第２のヨーク部と可動子との間で磁気回路が形成されて可動子に磁力が作用するアクチュエータにおいて、通電により磁束作用面が形成される可動子の周面又は該可動子周面と対向する第１、第２のヨーク部のいずれかに可動子の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、可動子と第１、第２のヨーク部との離間距離が可動子の軸方向への移動に伴って漸進的に変化する形状を有することを特徴とする。
具体的には、磁束作用面となる第１、第２のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動子の固定子側への吸引動作に従って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面或いは段付き面が形成されていることを特徴とする。
また、第１、第２のヨーク部と対向する可動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面或いは段付き面が形成されていることを特徴とする。

上述したアクチュエータを用いれば、通電により磁束作用面が形成される可動子の周面又は該可動子周面と対向する第１、第２のヨーク部のいずれかに可動子の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に増減変化する形状を有することにより、通電により可動子が固定子側へ吸引されるにしたがって磁気抵抗が漸進減少して吸引力が強まるので、一定の推力が長いストロークにわたって得られる。したがって、可動子の実可動範囲における推力差は小さくなるので安定した出力特性が得られるため制御性が向上する。

以下、本発明に係るアクチュエータの最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態はアクチュエータの一例としてリニアソレノイドについて説明する。

[第１実施例]
図１を参照して、リニアソレノイドの概略構成について説明する。
先ず、固定子１の構成について説明する。励磁コイル２はボビン３に巻き付けられている。ボビン３の巻芯部に設けられた軸孔には、非磁性材料よりなる案内筒（ガイドパイプ）４が嵌め込まれている。励磁コイル２は一端側に設けられる蓋状の第１のヨーク部５と他端側に設けられるカップ状の第２のヨーク部６とで周囲が覆われている。第１ヨーク部５及び第２ヨーク部６は磁性材料により構成されており、励磁コイル２へ通電により発生する固定子１の磁束通路を形成する。

可動子（プランジャ）７は、励磁コイル２の中心部（ボビン３の軸孔）に設けられたガイドパイプ４にガイドされて軸線方向に往復動可能に設けられる。尚、ガイドパイプ４に替えてボビンの巻芯部をプランジャ７の案内面とすることも可能である。プランジャ７は図示しない連結ロッドに連結されている。このプランジャ７若しくは連結ロッドは、例えばプル型のソレノイドの場合には、コイルバネなどにより固定子１より突出する方向に付勢されていてもよい。励磁コイル２への通電により第１、第２のヨーク部５、６とプランジャ７との間で磁気回路が形成されてプランジャ７に吸引力が作用するようになっている。

本実施形態のソレノイドは、プランジャ７の少なくとも一端側の周面に周溝若しくは段付面（本実施例では凹溝１０）が形成されており、径方向に磁束作用面が形成されるようになっている。励磁コイル２へ通電した際に、プランジャ７の一端側周面（磁束作用面）Ｐ１と第１ヨーク部５の対向面Ｙ１、プランジャ７の他端側周面（磁束作用面）Ｐ２と第２ヨーク部６の対向面Ｙ２との間には各々全周にわたって吸引力Ｆ（水平分力Ｆ１、垂直分力Ｆ２）が作用する。プランジャ７は、吸引力Ｆの水平分力Ｆ１の合力により径方向に引き寄せられ、垂直分力Ｆ２の合力により軸方向に固定子１側へ引き込まれる。

本実施形態のソレノイドは、通電により磁束作用面が形成されるプランジャ７の周面と第１、第２のヨーク部５、６との対向面のうち少なくとも一方に、プランジャ７の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有する。具体的には、磁束作用面となる第１のヨーク部５の対向面Ｙ１に、プランジャ７の固定子１側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進的に減少する（孔径が軸方向外側に向かって漸進拡大する）テーパー面８が形成されている。言い換えれば、第１のヨーク部５の対向面Ｙ１に、プランジャ７の固定子１側への吸引動作に伴って当該第１のヨーク部５との離間距離が漸進的に減少するテーパー面８が形成されている。テーパー面８は、磁束作用面となる第２のヨーク部６の対向面Ｙ２に形成されていても良く、対向面Ｙ１とＹ２の双方に形成されていても良い。

リニアソレノイドのエネルギーは固定子１と可動子（プランジャ）７とのギャップＧに蓄えられる。図３において、磁束作用面を軸方向に有するソレノイドに比べて磁束作用面を径方向に有するソレノイドは、実可動範囲における推力の向上は見込める。しかしながら、プランジャの位置によって磁気抵抗が急激に変化し易いことから、プランジャ７の実可動範囲における一定の推力が得られる範囲が狭くなり易い（図３のグラフＡ参照）。これに対して、プランジャ７の周面Ｐ１と対向する第１のヨーク部５の対向面Ｙ１に形成されるテーパー面８により、プランジャ７と第１、第２のヨーク部５、６との位置関係の変化、特にプランジャ７と第１のヨーク部５との磁束作用面どうしがオーバーラップし始める段階での急激な磁気抵抗の変化を緩和することができる。したがって、図３のグラフＢに示すように、通電によりプランジャ７が固定子１側へ吸引されるにしたがって磁気抵抗が漸進減少して吸引力が強まるので、一定の推力が長いストロークにわたって得られる。よって、推力差によってプランジャ７の可動範囲の変動が少なく、一定の推力で移動できる可動子の移動範囲が拡大する。

〔第２実施例〕
次に、リニアソレノイドの他例について図２を参照して説明する。リニアソレノイドの概略構成は、図１と同様であるので同一部材には同一番号を付して説明を援用する。以下、異なる構成を中心に説明する。
本実施形態のソレノイドは、磁束作用面となる第１のヨーク部５の対向面Ｙ１に、プランジャ７の固定子１側への吸引動作に従って磁気抵抗が漸進減少する段付き面９が形成されている。言い換えれば、第１のヨーク部５の対向面Ｙ１に、プランジャ７の固定子１側への吸引動作に伴って当該第１のヨーク部５との離間距離が漸進的に減少する段付き面９が形成されている。この段付き面９は、第１のヨーク部５の対向面Ｙ１の一部に切欠き（段）を設けることにより形成され、プランジャ７と第１のヨーク部５との磁束作用面どうしがオーバーラップし始める段階での急激な磁気抵抗の変化を緩和するために設けられている。
尚、段付き面９は、磁束作用面となる第２のヨーク部６の対向面Ｙ２に形成されていても良く、対向面Ｙ１と対向面Ｙ２の双方に形成されていても良い。これにより一定レベルの推力が得られるプランジャのストロークを拡大することができる。

上記各実施例はヨーク部の形状について説明したが、第１、第２のヨーク部５、６と対向するプランジャ７の周面のうち少なくとも一方に、固定子１側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面或いは段付き面が形成されていても同様の作用効果が得られる。
尚、プランジャ７と第１、第２のヨーク部５、６の磁束作用面に各々形成されるテーパー面や段付き面の形状は任意であり、テーパー面と段付き面との組み合わせやテーパー面とテーパー面、段付き面と段付き面などのいずれの形状による組み合わせでも良い。また、段付面は複数の凹凸部が軸方向に形成されていても良い。更には、テーパー面や段付き面は、可動子周面又は第１、第２のヨーク部のいずれか一方に限らず双方に形成されていても良い。リニアソレノイドはプル型であってもプッシュ型のいずれであってもよく、磁気回路内に永久磁石を含んでいても良く、ＤＣ用若しくはＡＣ用リニアソレノイドのいずれであっても良い。

第１実施例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。 第２実施例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。 リニアソレノイドの変位と推力との関係を示すグラフ図である。 従来例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。

符号の説明

Ｐ１、Ｐ２ 周面
Ｙ１、Ｙ２ 対向面
１ 固定子
２ 励磁コイル
３ ボビン
４ ガイドパイプ
５ 第１のヨーク部
６ 第２のヨーク部
７ プランジャ
８ テーパー面
９ 段付き面
１０ 凹溝

Claims (6)

1. 励磁コイルと、励磁コイルの一端側に設けられる第１のヨーク部と他端側に設けられる第２のヨーク部とで励磁コイルの周囲を覆う固定子と、励磁コイルの中心部に軸線方向に往復動可能に設けられる可動子とを備え、励磁コイルへの通電により第１、第２のヨーク部と可動子との間で磁気回路が形成されて可動子に磁力が作用するアクチュエータにおいて、
   通電により磁束作用面が形成される可動子の周面又は該可動子周面と対向する第１、第２のヨーク部のいずれかに可動子の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 可動子と第１、第２のヨーク部との離間距離が可動子の軸方向への移動に伴って漸進的に変化する形状を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 第１、第２のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動子の固定子側への吸引動作に従って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面が形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 第１、第２のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動子の固定子側への吸引動作に従って磁気抵抗が漸進減少する段付き面が形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
5. 第１、第２のヨーク部と対向する可動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面が形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
6. 第１、第２のヨーク部と対向する可動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少する段付き面が形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
   
   

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