JP2007227766A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】負荷側の状態に応じて電磁コイルの通電の仕方を可変することにより、エネルギー効率を向上させる。
【解決手段】可動子２は、プランジャ部材２１及び鍔部材２２を有し、固定子１の内側をラッチ位置からラッチ解除位置まで往復動可能に配設されている。第１の電磁コイル３１は、通電時にはラッチ解除状態にある可動子２をラッチ状態とするのに充分な電磁力を有している。永久磁石４は、第１の電磁コイル３１の電磁力によりラッチ状態とされた可動子２の鍔部材２２を吸着し、第１の電磁コイル３１の非通電時にもラッチ状態を維持するのに充分な吸着力を有している。第２の電磁コイル３２は、通電時に永久磁石４の磁束を減殺し、可動子２をラッチ状態からラッチ解除状態に変化させることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、開閉装置や産業用ロボットなどの各種産業用機器に用いられる電磁アクチュエータに関するものである。

電磁アクチュエータは、電磁コイルと永久磁石との組み合わせにより構成されており、電磁コイルへの通電により可動子を移動させ、その後は電磁コイルを非通電にして、永久磁石の吸着力によって移動後の位置に可動子をラッチするようになっているのが通常である。

図６は、特許文献１に開示された第１の従来例に係る電磁アクチュエータの説明図である。固定子１０１は、フレーム部材１０２と、このフレーム部材１０２に固着されたリング形状の永久磁石１０３と、この永久磁石１０３の両サイドに配設された第１の電磁コイル１０４及び第２の電磁コイル１０５とから構成されている。また、可動子１０６は、固定子１０１の内側を水平方向へ往復動可能に配設された鉄心１０７と、この鉄心１０７に支持された軸１０８とから構成されている。

図示の状態は、第１の電磁コイル１０４の電流の方が第２の電磁コイル１０５の電流よりも大きくなっているので、磁束１０９の数が磁束１１０よりも多くなり、したがって、左向きの駆動力により可動子１０６は左方へ移動した状態になっている。この状態で、第１の電磁コイル１０４及び第２の電磁コイル１０５を非通電としても、可動子１０６は永久磁石１０３の磁束に基づく電磁力により図示の位置にラッチされる。

そして、可動子１０６を今度は右方に移動させようとする場合は、第２の電磁コイル１０５の電流の方を第１の電磁コイル１０４の電流よりも大きくして、永久磁石１０３の磁束を減殺すると共に、可動子１０６に対して右向きの駆動力を与えるようにすればよい。

図７は、特許文献２に開示された第２の従来例に係る電磁アクチュエータの説明図であり、（ａ）は可動子のラッチ解除状態を示す縦断面図、（ｂ）は可動子のラッチ直前状態を示す縦断面図である。

固定子２０１は、フレーム部材２０２と、このフレーム部材２０２に固着されたリング形状の永久磁石２０３と、この永久磁石２０３の下方に配設された電磁コイル２０４とから構成されている。また、可動子２０５は、固定子２０１の内側を垂直方向へ往復動可能に配設されたプランジャ部材２０６と、このプランジャ部材２０６の上端部に取り付けられた鍔部材２０７と、プランジャ部材２０６に支持された軸部材２０８とから構成されている。

図７（ａ）の状態では、鍔部材２０７は永久磁石２０３よりもかなり上方に位置しているため、永久磁石２０３の磁束Bmが可動子２０５に対して及ぼす力は小さい。しかし、この状態で電磁コイル２０４を通電すると、電磁コイル２０４の磁束Ｂｃにより下向きの駆動力Ｆ0が発生し、可動子２０５は下降する。

可動子２０５が下降し、図７（ｂ）の状態になると、永久磁石２０３の磁束Bmが鍔部材２０７及びプランジャ部材２０６の全長を通るようになり、磁束Ｂｃと合流するようになる。したがって、可動子２０５に対する下向きの駆動力は非常に強いものとなっている。この状態で電磁コイル２０４を非通電とすると、磁束Ｂｃがなくなるため下向きの駆動力は弱まるが、磁束Bmの電磁力により可動子２０５はそのままの位置にラッチされる。

そして、可動子２０５を図７（ｂ）のラッチ位置から上方へ移動させようとする場合は、電磁コイル２０４に流れる電流が逆向きとなるように通電を行い、永久磁石２０３の磁束を減殺すると共に、可動子２０５に対して上向きの駆動力を与えるようにすればよい。
特開平７−３７４６１号公報 特開２００２−２８９４３０号公報

ところで、上述した第１及び第２の従来例では、いずれも永久磁石によりラッチされた状態にある可動子を反対方向へ移動させようとするする場合に、永久磁石の磁束を減殺する作用、及び可動子に対して駆動力を与える作用の２つの作用を１つの電磁コイルにより行うようにしている。そのため、電磁コイルの通電制御は、コイルに流れる電流が一定レベル以上となるような一律的なものとなっている。

しかし、負荷側の状態によっては必ずしも可動子に大きな駆動力を与える必要はなく、永久磁石の磁束を減殺することのみでラッチを解除してやれば、そのまま可動子を反対方向へ移動させることができるはずである。したがって、上述した従来装置はエネルギーの有効利用という観点からはなお改善の余地を有するものとなっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷側の状態に応じて電磁コイルの通電の仕方を可変することにより、エネルギー効率を向上させることが可能な電磁アクチュエータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、略筒形状のプランジャ部材、及びこのプランジャ部材の基端部に取り付けられた鍔部材を有し、固定子の内側をラッチ位置からラッチ解除位置まで往復動可能に配設された可動子と、前記プランジャ部材を囲むように配設され、通電時にはラッチ解除状態にある可動子をラッチ状態とするのに充分な電磁力を有する第１の電磁コイルと、前記第１の電磁コイルの電磁力によりラッチ状態とされた可動子の前記鍔部材を吸着し、前記第１の電磁コイルの非通電時にもラッチ状態を維持するのに充分な吸着力を有する永久磁石と、通電時に前記永久磁石の磁束を減殺し、前記可動子をラッチ状態からラッチ解除状態に変化させることが可能な第２の電磁コイルと、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記固定子は、前記第１の電磁コイルが取り付けられ、この第１の電磁コイルにより生成される磁束の磁路を形成可能な第１の固定子と、前記永久磁石及び前記第２の電磁コイルが取り付けられ、この永久磁石及び第２の電磁コイルにより生成される磁束の磁路を形成可能な第２の固定子と、を含んで構成されるものである、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記第１の固定子は、前記ラッチ状態では前記プランジャ部材の頭部を吸着する吸着面が形成された吸着部を有しており、且つこの吸着面の位置は、前記第１の電磁コイルの軸方向長さＬ１の中心位置から前記可動子と離間する方向に距離Ｌ２だけずれた位置である、ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明は、前記距離Ｌ２と前記軸方向長さＬ１との比(Ｌ２／Ｌ１)が１０〜３０％である、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の発明において、前記第１の固定子の吸着部の吸着面、又はこの吸着面と当接する前記プランジャ部材の頭部の当接面のうちの少なくとも一方の面には磁束を集束させるための凹部が形成されている、ことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記凹部の表面積は、前記吸着面又は前記当接面の３０％以上である、ことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記凹部の直径は、前記吸着部又は前記頭部の外径の３０％以上である、ことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の発明において、前記凹部の深さｈ２は、３ｍｍ以下である、ことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記鍔部材の厚さｔ１は、前記永久磁石が前記鍔部材に対して吸着作用を及ぼす吸着作用面の径方向幅ｈ１よりも小さなものである、ことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記プランジャ部材の内部には、肉抜き部が形成されている、ことを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の発明において、前記肉抜き部の断面積は、プランジャ部材断面積の３０％以上である、ことを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の発明において、前記肉抜き部の直径は、プランジャ部材外径の３０％以上である、ことを特徴とする。

本発明によれば、電磁コイルを、可動子に駆動力を与えるための第１の電磁コイルと、永久磁石の磁束を減殺するための第２の電磁コイルとに分けてあるので、負荷側の状態に応じて、これら２つの電磁コイルの通電又は非通電を適宜選択することができ、エネルギー効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電磁アクチュエータの構成を示す縦断面図であり、可動子２がラッチ解除状態にある場合を示している。この図において、固定子１は、第１の固定子１１及び第２の固定子１２により構成されている。

第１の固定子１１は、リング形状又は中空円筒形状であり且つ孔部１１１ａ及び吸着面１１１ｂが形成されているポールピース１１１と、このポールピース１１１の上端面に固着され且つ孔部１１２ａが形成されている円板部材１１２と、この円板部材１１２の下端面外周側に固着された円筒部材１１３と、この円筒部材１１３の下端面に固着された中空部材１１４とで構成されている。これらポールピース１１１、円板部材１１２、円筒部材１１３、及び中空部材１１４はいずれも磁性材料により形成されている。

第２の固定子１２は、中空部材１１４の下端面外周側に固着された円筒部材１２１と、中空部材１１４の下端面内周側に永久磁石４を介して固着された中空部材１２２とで構成されている。これら円筒部材１２１及び中空部材１２２も磁性材料により形成されている。また、永久磁石４及び中空部材１２２は、同一の径方向幅h１を有するリング形状となっている。

可動子２は、略円筒形状のプランジャ部材２１と、円板形状の鍔部材２２とで構成されており、プランジャ部材２１の頭部中心位置には、負荷側と連結している軸部材５が取り付けられている。鍔部材２２の厚さはt１となっており、このt1は永久磁石４の径方向幅h１よりも小さな値となっている。これらプランジャ部材２１及び鍔部材２２も磁性材料により形成されている。

ポールピース１１１及びプランジャ部材２１の各外周面と、円筒部材１１３の内周面との間に形成されるスペースには、第１の電磁コイル３１が配設されている。そして、第１の電磁コイル３１の下方位置であって、プランジャ部材２１の外周面と、中空部材１１４、永久磁石４、及び中空部材１２２の各内周面との間に形成されるスペースには、第２の電磁コイル３２が配設されている。

第１の電磁コイル３１は、可動子２に対して駆動力を与えることを主目的とするものであり、その通電容量は大きなものとなっている。一方、第２の電磁コイル３２は、第１の電磁コイル３１と共に可動子２に対して駆動力を与えることに寄与することもあるが、その主目的は可動子２をラッチしている永久磁石４の磁束を減殺することである。したがって、第２の電磁コイル３２の通電容量は第１の電磁コイル３１に比べて小さなものとなっている。

ポールピース１１１の吸着面１１１ｂと対向するプランジャ部材２１の頭部上端面は当接面２１ａとなっており、この当接面２１ａに深さh２の凹部２１ｂが所定面積となるように形成されている。つまり、磁石の吸着力Ｆは下式（１）で示されるように、磁束密度Bの２乗に比例している。
Ｆ＝Ｂ＾２＊Ａ／２μ0 …… （１）

（１）式中、μ0は真空透磁率であり、Ａは磁束通過面積である。プランジャ部材２１の頭部に凹部２１ｂを形成することにより、頭部全体にわたって通過しようとする磁束を凹部２１ｂに集束することができる。したがって、磁束密度Ｂを高くすることができ、吸着力Ｆを増大させることができる。

また、プランジャ部材２１の内部には肉抜き部２１ｃが形成され、鍔部材２２にはこの肉抜き部２１ｃと連続するように孔部２２ａが形成されている。これら肉抜き部２１ｃ及び孔部２２ａの形成により、可動子２が軽量化されると共に、多くの磁束が可動子２の中心まで短時間で通過できるようになる（実際に、可動子２がラッチ解除状態からラッチ状態に至るまでの動作時間は約０．２秒ほどであり、肉抜き部２１ｃが形成されていない場合には、磁束が可動子２の中心付近まで浸透する以前に動作が完了してしまうことになる。）。

第１の電磁コイル３１は、軸方向長さL１を有するものである。そして、この軸方向長さL１の中心位置から可動子２と離間する方向に距離L２だけずれた位置に、前述したポールピース１１１の吸着面１１１ｂが形成されている。本実施形態では、この距離L２と軸方向長さL１との比（L２/L１）が後述するように所定の値となっている。

図２は、可動子２が図１の状態から上方へ引き上げられてラッチされた状態を示している。この状態では、吸着面１１１ｂと当接面２１ａとの間には間隙X1が形成され、円筒部材１２１及び中空部材１２２の下面と鍔部材２２の上面との間には間隙X2が形成されている。これら間隙X1,X2の値はゼロ又は微小値である。

次に、上記のように構成される本実施形態の動作を説明する。図３乃至図５は、可動子２を移動させる場合における、第１の電磁コイル３１、第２の電磁コイル３２、及び永久磁石４の各磁束分布状態を模式的に示した説明図である。

図３に示すように、ラッチ解除状態にある可動子２を上方へ移動させようとする場合は、第１の電磁コイル３１を通電する。すると、第１の電磁コイル３１の周囲に磁束Ｂｃ1が発生し、その一部は可動子２を通過するので可動子２に対して上方への駆動力が発生する。したがって、可動子２は上方へ移動する。

次いで、可動子２が図４に示す位置まで移動した時点で、第１の電磁コイル３１の通電が停止され非通電状態となる。しかし、この位置では永久磁石４の磁束Bmの一部が可動子２の鍔部材２２を通過しているので、この磁束Bmの電磁力によって可動子２はラッチされる。

そして、上記のようにラッチ状態にある可動子２を下方へ移動させようとする場合には、図５に示すように、第２の電磁コイル３２のみに通電を行い、その磁束Ｂｃ2により永久磁石４の磁束Bmを減殺する。これにより、永久磁石４の鍔部材２２に対する保持力が弱まり、可動子２は下方へ移動する。

従来装置では、大きな通電容量を有する１つの電磁コイルを用いて、可動子２を上方へ移動させるための通電、及び可動子２のラッチを解除するための通電を行っていたが、図１の構成では、可動子２を上方へ移動させる場合は第１の電磁コイル３１のみを通電し、可動子２のラッチを解除する場合は第２の電磁コイル３２のみを通電するようにしているので、エネルギーの消費を必要最小限として効率化を図ることができる。

但し、上記した通電動作の例は、あくまで一例であり、実際には、負荷側の条件やその他の条件を考慮して、２つの電磁コイルに対する通電又は非通電の組み合わせを適宜選択し、電磁アクチュエータに対して情況に応じたきめ細かな制御を行うことができる。

例えば、図３の状態では、第１の電磁コイル３１のみを通電して可動子２を上方へ移動させようとしているが、負荷側の抵抗力が大きな場合等は、第２の電磁コイル３２も通電することにより上方への駆動力を増大させることができる。また、図５の状態では、第２の電磁コイル３２に代えて第１の電磁コイル３１を通電することにより、あるいは第２の電磁コイル３２及び第１の電磁コイル３１の双方を通電することにより、永久磁石４の磁束Bmを減殺するだけでなく、下方への駆動力を可動子２に与えるようにすることもできる。

ところで、本願の発明者らは、高効率の電磁アクチュエータを実現するため、図１において符号で示した各種パラメータについて種々に値を変えて試作及び実験を重ねてきたが、その結果得られた好ましいデータにつき説明しておく。なお、下記（１）〜（６）の項目のうち、可動子２に対する吸着力を増大させるために最も効果的な項目は（１）であることが判明している。

（１）第１の電磁コイル３１の軸方向長さL１と、そのコイル中心位置から吸着面１１１ｂまでの距離L２との比（L２/L１）は、１０〜３０％の範囲にすると、磁束の方向が軸方向と平行になり易くなり、大きな電磁力（吸着力）を得ることができた。

（２）プランジャ部材２１頭部の凹部２１ｂの表面積は、吸着面１１１ｂ（又は当接面２１ａ）の全面積の３０〜９０％が好ましい。３０％以上とすると、凹部２１ｂの先端部の磁束密度が増加し、大きな吸着力を得ることができる。但し、９０％以上にすると、凹部２１ｂの先端部が磁気飽和するため、逆に吸着力が減少する。実際には、磁気飽和する程度の方が好ましいので９０％に近い数値を採用すべきと考えられる。なお、凹部２１ｂの直径を、吸着面１１１ｂ外径（又は頭部外径）の３０〜９０％としても同様の結果が得られる。

（３）凹部２１ｂの深さh２は、０．５〜３mmの範囲が好ましい。０．５mm以上とすることにより凹部２１ｂの加工が容易になるからである。また、３mmを超えると、凹部２１ｂにおける磁気抵抗が増加し、可動子２全体で得られる吸着力が低下して好ましくない。

（４）図１の構成では、プランジャ部材２１に凹部２１ｂを形成しているが、このような凹部はポールピース１１１の吸着面１１１ｂ側に形成するようにしてもよい。あるいは、プランジャ部材２１及びポールピース１１１の双方にこのような凹部を形成することも可能である。

（５）肉抜き部２１ｃの断面積は、プランジャ部材２１の断面積の３０〜５０％が好ましい。３０％未満では可動子２の軽量化効果が薄く、３０％以上にすると軽量化効果に加えて、磁束密度が増加するという効果が得られるからである。また、５０％を超えると可動子２が磁気飽和する虞が出てくる。なお、肉抜き部２１ｃの直径を、プランジャ部材２１の外径の３０〜５０％としても同様の結果が得られる。

（６）鍔部材２２の厚さt１は、永久磁石４が鍔部材２２に対して吸着作用を及ぼす吸着作用面の径方向幅ｈ１よりも小さなものであることが好ましい。これにより磁束密度を高めることができるからである。

本発明の実施形態に係る電磁アクチュエータの構成を示す縦断面図であり、可動子２がラッチ解除状態にある場合を示している。 本発明の実施形態に係る電磁アクチュエータの構成を示す縦断面図であり、可動子２がラッチ状態にある場合を示している。 図１における可動子を上方へ移動させようとする場合の磁束分布状態を示す説明図。 図２における可動子をラッチしようとする場合の磁束分布状態を示す説明図。 図２における可動子を下方へ移動させようとする場合の磁束分布状態を示す説明図。 第１の従来例に係る電磁アクチュエータの説明図。 第２の従来例に係る電磁アクチュエータの説明図。

符号の説明

１ 固定子
１１ 第１の固定子
１１１ ポールピース
１１１ａ 孔部
１１１ｂ 吸着面
１１２ 円板部材
１１２ａ 孔部
１１３ 円筒部材
１１４ 中空部材
１２ 第２の固定子
１２１ 円筒部材
１２２ 中空部材
２ 可動子
２ １プランジャ部材
２１ａ 当接面
２１ｂ 凹部
２１ｃ 肉抜き部
２２ 鍔部材
２２ａ 孔部
３１ 第１の電磁コイル
３２ 第２の電磁コイル
４ 永久磁石
５ 軸部材
ｈ１ 永久磁石４の径方向幅
ｈ２ 凹部２１ｂの深さ
Ｌ１ 第１の電磁コイル３１の軸方向長さ
Ｌ２ コイル３１の中心から吸着面１１１ｂまでの距離
ｔ１ 鍔部材２２の厚さ
Ｂｃ1 第１の電磁コイル３１の磁束
Ｂｃ2 第２の電磁コイル３２の磁束
Ｂｍ 永久磁石４の磁束

Claims (12)

1. 略筒形状のプランジャ部材、及びこのプランジャ部材の基端部に取り付けられた鍔部材を有し、固定子の内側をラッチ位置からラッチ解除位置まで往復動可能に配設された可動子と、
   前記プランジャ部材を囲むように配設され、通電時にはラッチ解除状態にある可動子をラッチ状態とするのに充分な電磁力を有する第１の電磁コイルと、
   前記第１の電磁コイルの電磁力によりラッチ状態とされた可動子の前記鍔部材を吸着し、前記第１の電磁コイルの非通電時にもラッチ状態を維持するのに充分な吸着力を有する永久磁石と、
   通電時に前記永久磁石の磁束を減殺し、前記可動子をラッチ状態からラッチ解除状態に変化させることが可能な第２の電磁コイルと、
   を備えたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記固定子は、
   前記第１の電磁コイルが取り付けられ、この第１の電磁コイルにより生成される磁束の磁路を形成可能な第１の固定子と、
   前記永久磁石及び前記第２の電磁コイルが取り付けられ、この永久磁石及び第２の電磁コイルにより生成される磁束の磁路を形成可能な第２の固定子と、
   を含んで構成されるものである、
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記第１の固定子は、前記ラッチ状態では前記プランジャ部材の頭部を吸着する吸着面が形成された吸着部を有しており、且つこの吸着面の位置は、前記第１の電磁コイルの軸方向長さＬ１の中心位置から前記可動子と離間する方向に距離Ｌ２だけずれた位置である、
   ことを特徴とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記距離Ｌ２と前記軸方向長さＬ１との比(Ｌ２／Ｌ１)が１０〜３０％である、
   ことを特徴とする請求項３記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記第１の固定子の吸着部の吸着面、又はこの吸着面と当接する前記プランジャ部材の頭部の当接面のうちの少なくとも一方の面には磁束を集束させるための凹部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項３又は４記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記凹部の表面積は、前記吸着面又は前記当接面の３０％以上である、
   ことを特徴とする請求項５記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記凹部の直径は、前記吸着部又は前記頭部の外径の３０％以上である、
   ことを特徴とする請求項５記載の電磁アクチュエータ。
8. 前記凹部の深さｈ２は、３ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。
9. 前記鍔部材の厚さｔ１は、前記永久磁石が前記鍔部材に対して吸着作用を及ぼす吸着作用面の径方向幅ｈ１よりも小さなものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。
10. 前記プランジャ部材の内部には、肉抜き部が形成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。
11. 前記肉抜き部の断面積は、プランジャ部材断面積の３０％以上である、
    ことを特徴とする請求項１０記載の電磁アクチュエータ。
12. 前記肉抜き部の直径は、プランジャ部材外径の３０％以上である、
    ことを特徴とする請求項１０記載の電磁アクチュエータ。

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