JP2009296749A - ロータリーソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】通電時、プレート磁石に対する大きな回転トルクを持続させ、かつ所定の作動角度範囲でトルク低下やトルクむらの少ないロータリーソレノイドを提供する。
【解決手段】基円４に沿って複数のコイル体３を配置し、コイル体３のそれぞれに円弧状のセグメントコア９を設けてプレート磁石８と微小空隙Ｇを介して対面させた。セグメントコア９とプレート磁石８との間には、プレート磁石８の周方向に指向する磁束が生じ、プレート磁石８に回転方向成分を付与して強い回転トルクを持続させる。これにより、プレート磁石８への高トルク化が図られ、かつ所定の作動角範囲で大きな回転トルクとなり、かつトルクむらや低下の少ない優れた回転トルク特性が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された電装部品の駆動用に用いられるロータリーソレノイドに関する。

アクチュエータを用いた回転機構は、各種のバルブ開閉機構をはじめ、ディスチャージ形前照灯のロー・ハイを配光制御するシェード、照射方向を上下調節するレベライザー、照射方向を左右に調整するＡＦＳ、および自動変速機を搭載した車両（ＡＴ車）のシフトレバーロック装置等に適用されている。

シフトレバーロック装置の施解錠機構や前照灯の遮蔽板等には、直線作動するプランジャーを有する電磁ソレノイド装置が組み込まれ、レベライザーやＡＦＳ等の制御には、ステップモータと減速ギアで構成された駆動装置が用いられている。電磁ソレノイド装置の駆動部は、リンク機構を介してロック装置や遮蔽板を駆動するようにしている。

近年では、例えば、磁石などを用いてプランジャーとヨークとの間に電磁吸引力を発生させてプランジャーに回転トルクを与えて、プランジャーの回転変位により、電装部品などの被駆動部を回転駆動するロータリーソレノイドが考えられている。

この種のロータリーソレノイドの一例として、４極に着磁された円盤磁石を用いており、各着磁領域の間には無着磁領域が設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。円盤磁石では、各着磁領域が円盤磁石の中心を見込む円周角が等しくなるようにしている。磁極片の磁数を円盤磁石の極数よりも少なく設定しながらも、円盤磁石の正逆回転に関係なく同じ大きさのトルクを得ている。
特開平２−３１１１５８号公報

しかしながら、上記のロータリーソレノイドでは、特許文献１に添付された図面のトルク曲線からも分かるように、円盤磁石の回転に伴い、回転トルクが大きく低下するうえ、限られた狭い回転範囲内でしか十分な発生トルクが得られない不利がある。

本願発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、プレート磁石に対する大きな回転トルクを持続することができて高トルク化を実現するとともに、通電方向に応じて両方向回転が可能なロータリーソレノイド、または所定の作動角範囲内でトルク低下やトルクむらの少ない一方向回転型（ＯＮ・ＯＦＦ動作）のロータリーソレノイドを提供することにある。

（請求項１について）
複数のコイル体は、プレートの中央部に立設された筒状の支軸の外周囲に、同一の基円上に沿って等角度間隔で配置されている。円弧辺状のセグメントコアは、コイル体のプレートとは反対側の各端部に基円と略同心的になるように複数設けられている。プレート磁石は、セグメントコアに対応する個数の磁極面を有しており、セグメントコアの表面に微小空隙を介して平行に対面する。
プレート磁石の中央部に取り付けられた駆動軸を支軸に挿通させることにより、プレート磁石をセグメントコアに対して回転可能に支持する。コイル体の通電に伴って、コイル体からセグメントコアを介して発生する磁束による電磁力と磁極面の磁束による磁気力との相互作用により、プレート磁石をセグメントコアに対して初期位置から停止位置に所定の円周角だけ回動させる。

上記構成では、基円に沿って複数のコイル体を配置し、コイル体のそれぞれに円弧状のセグメントコアを設けてプレート磁石と対面させているので、コイル体の磁束および磁極面の磁束のうち、プレート磁石およびセグメントコアに対して周方向の磁束を生じるようになる。周方向の磁束は、プレート磁石の回転方向成分に寄与し、プレート磁石を初期位置から停止位置に向かって回転させる有効な回転トルクとして持続的に働く。

すなわち、プレート磁石の回動角が０度を僅かに越すと、プレート磁石による下部磁気回路に逃げていた磁束がコイル体の磁束によって押し戻される。この磁束の周方向成分がプレート磁石に対する有効な回転トルクとして働くので、磁束が周方向に向いていると、効率よく回転トルクを得ることができて高トルク化が実現する。

これにより、コイル体への通電時、プレート磁石に対する大きな回転トルクを持続でき、かつ所定の作動角範囲内でトルク低下やトルクむらの少ない理想的な回転トルク特性を得ることができる。
コイル体への無通電時は、プレート磁石からの磁束は、セグメントコアに対して垂直方向に生じるので、プレート磁石に働く意図しない回転トルクはほとんど発生しない。

（請求項２について）
複数のコイル体は、プレートに対する垂直方向に磁極を有する。コイル体の磁極の向きを適切に設定して、プレート磁石およびセグメントコアの周方向の磁束を惹起させてプレート磁石に有効に働く回転トルクを起こさせる。

（請求項３について）
プレートは、隅角部が四半円弧状を成す方形であり、コイル体は隅角部に配置されている。これにより、プレートの四隅角部に対するコイル体の合理的配置が可能となり、全体のコンパクト化を図ることができる。

（請求項４について）
セグメントコアは、左右を延出部として中央部をコイル体の中央部に取り付けている。 この場合、セグメントコアは、中央部を挟む左右の延出部の腕長が等しくなるため、通電方向の正逆を反転させることにより、両方向回転させる時、両回転方向で回転トルク特性を等しくすることができる。

（請求項５について）
セグメントコアは、左右を延出部としてコイル体に取り付けられ、停止位置側の延出部よりも初期位置側の延出部が長くなるように設定されている。

この場合、一方向回転型（ＯＮ・ＯＦＦ動作）のロータリーソレノイドでは、延出部を磁気飽和させ、プレート磁石からの磁束が磁気飽和部を避けてセグメントコアの下で鉄心の存する部分に誘導されることにより、磁束をプレート磁石の回転方向に向かわせ、停止位置側への回転トルクを増大させる。これによって、プレート磁石の作動角範囲が停止位置側に延びて大きくなり、広い作動角範囲でトルク低下やトルクむらの少ない回転トルク特性が得られる。

本発明では、セグメントコアとプレート磁石との磁気回路内に、プレート磁石の周方向に指向する磁束が生じ、プレート磁石に回転方向成分を付与して強い回転トルクを持続させる。これにより、プレート磁石への高トルク化が図られて、所定の作動角範囲で大きな回転トルクとなり、かつトルクむらや低下の少ない理想的な回転トルク特性が得られる。

図１ないし図３は本発明の実施例１を示す。本発明において、図１（ａ）、（ｂ）に示すロータリーソレノイド１は、各種のバルブの開閉を行うアクチュエータをはじめ、ディスチャージ形前照灯のロー・ハイを配光制御するシェード、照射方向を上下調節するレベライザー、照射方向を左右に調整するＡＦＳ、および自動変速機を搭載した車両（ＡＴ車）のシフトレバーロック装置に用いられるものである。

ロータリーソレノイド１におけるプレート２は、鉄などの磁性体により形成され、例えば四箇所の隅角部２ａ（三箇所のみ図示）が四半円弧状を成す方形である。略円筒状を成すコイル体３は複数、例えば四個用意され、プレート２上の所定の基円４に沿って隅角部２ａに同一高さの縦形となるように設置されている。コイル体３の磁極Ｎ、Ｓはプレート２に対して垂直方向に合致している。
コイル体３は円筒状に限らず、五角、六角あるいは八角といった多角筒状でもよく、コイル体３は四個に限らず、所望数に変更することができる。

円弧辺状のセグメントコア９は各コイル体３に対応して設けられ、鉄などの磁性材料により所定の厚みｔで、例えば９０度の円周角θを有するように形成されている。セグメントコア９は、各コイル体３のプレート２とは反対側の端部に基円４と略同心的な副円４ａに沿って設けられている。セグメントコア９同士は、互いに僅かなクリアランスＰｆを左右の周方向に余して面一状態に配列されている。

セグメントコア９に形成された中央の穴部９ａには、磁性体製のステータコア１０が差し込まれ、コイル体３の中心部を挿通してプレート２に取り付けられている。セグメントコア９は、中央の穴部９ａを境にして左右の湾曲腕部を延出部９Ａ、９Ｂとしている。 ステータコア１０はコイル体３の鉄心を兼用するとともに、セグメントコア９をコイル体３に固定しながら、コイル体３をプレート２にも固定している。

プレート２の中央部には、筒状の支軸５が立設され、支軸５の外周囲に前述のコイル体３が等角度間隔で並ぶ構成となっている。支軸５には、駆動軸６がセグメントコア９に対して回転可能に挿通されている。駆動軸６の一端部６ａには、円盤状のディスクプレート７の中央部が嵌込まれて駆動軸６と一体的に回転するようになっている。駆動軸６の他端部６ｂは、支軸５を通過して外部に突き出て、被駆動部（図示せず）に接続される連結部を形成している。

ディスクプレート７は後述するプレート磁石８とともに、例えばリターンスプリング（図示せず）により、初期位置Ｈから停止位置Ｌに回動する時、初期位置Ｈ方向への復帰回動力を受けるように付勢されている。
また、コイル体３への通電方向を切り替えてプレート磁石８の回転方向を反転させる場合は、付勢されないか、またはプレート磁石８の作動角範囲の中央付近を境に初期位置Ｈまたは停止位置Ｌの近い方に付勢される。

ディスクプレート７の裏面側には、ドーナツ盤状のプレート磁石８が同心的に取付けられている。このプレート磁石８は、例えばネオジウム磁石から成り、略９０度の角度間隔で４極に着磁されて、セグメントコア９に対応する磁極面８ａ〜８ｄを有しており、磁極Ｎ、Ｓの境界を磁極切替り部Ｍとしている。
プレート磁石８は、図２に示すように、磁極面８ａ〜８ｄをセグメントコア９の表面に微小空隙Ｇを介して平行に対面させている。

上記構成では、円盤状のディスクプレート７のプレート磁石８を取付けて、セグメントコア９に微小空隙Ｇを介して対面させているため、コイル体３の通電に伴い、コイル体３からセグメントコア９に発生させた磁束による電磁力と磁極面８ａ〜８ｄの磁束による磁気力との相互作用が生じる。この相互作用により、プレート磁石８をリターンスプリングの付勢力に抗して初期位置Ｈから停止位置Ｌに所定の作動角範囲α（例えば、４０〜６０度）だけ矢印Ｗ方向に回動して被駆動部に伝達する。
なお、初期位置Ｈおよび停止位置Ｌでは、プレート磁石８あるいはディスクプレート７を当接させて位置保持するストッパー（図示せず）を設けてもよい。

基円４に沿って複数のコイル体３を配置し、コイル体３のそれぞれに円弧状のセグメントコア９を設けてプレート磁石８と対面させているので、コイル体３の磁束および磁極面８ａ〜８ｄの磁束のうち、プレート磁石８およびセグメントコア９に対して周方向の磁束を生じるようになる。周方向の磁束は、プレート磁石８の回転方向成分に寄与し、プレート磁石８を初期位置Ｈから停止位置Ｌに向かって回転させる有効な回転トルクとして持続的に働く。

すなわち、プレート磁石８の回動角が０度を僅かに越すと、プレート磁石８による下部磁気回路に逃げていた磁束がコイル体３の磁束によって押し戻される。この磁束の周方向成分がプレート磁石８に対する有効な回転トルクとして働くので、磁束が周方向に向いていると、効率よく回転トルクを得ることができて高トルク化が実現する。

これにより、コイル体３の通電時、プレート磁石８に対する大きな回転トルクを持続でき、かつ所定の作動角範囲内でトルク低下やトルクむらの少ない理想的な回転トルク特性を得ることができる。
ちなみに、コイル体３への通電方向に応じて両方向回転が可能なロータリーソレノイドとして用いた場合、コイル体３への正方向の通電では、プレート磁石８への回転トルクは、図３の実線Ｔｗに示すように、初期位置Ｈから停止位置Ｌに向かって回動角（ω）が増えるにつれて、大きな回転トルクから緩やかに下がるものの、低下率が小さく、むらの少ない回転トルク特性となる。

コイル体３への逆方向の通電では、プレート磁石８への回転トルクは、図３の実線Ｔｖに示すように、停止位置Ｌから元の初期位置Ｈに戻るにつれて大きな回転トルクから緩やかに下がるものの、低下率の小さく、むらの少ない回転トルク特性となる。
また、コイル体３の無通電時には、プレート磁石８からの磁束は、セグメントコア９に対して垂直方向に生じるので、プレート磁石８に働く意図しない回転トルクはほとんど発生しない。

図４および図５は本発明の実施例２を示す。実施例２が実施例１と異なるところは、穴部９ａを中心部Ｑから円周角Ｄｐだけ停止位置Ｌ側に位置ずれさせてセグメントコア９をコイル体３に取り付けたことである。これにより、セグメントコア９は、停止位置Ｌ側の延出部９Ａよりも初期位置Ｈ側の延出部９Ｂの腕長を大きくしている｛図４（ａ）、（ｂ）参照｝。

この場合、初期位置Ｈから停止位置Ｌに向かって回動するにつれて、初期位置Ｈ側の延出部９Ｂの磁束密度は次第に高くなってゆき、磁気飽和するようになる。延出部９Ｂが磁気飽和すると、プレート磁石８の磁束は、磁気飽和していないステータコア１０の上部に向かうことになる。
ステータコア１０は停止位置Ｌ側、すなわち、回転方向にずらして配置されているので、プレート磁石８の磁束は回転方向に向かうこととなる。このため、一方向回転型（ＯＮ・ＯＦＦ動作）のロータリーソレノイドに用いた場合、図５に実線Ｔｓで示すように、停止位置Ｌに向かう後半の回転トルクが増大し、トルク低下の少ない回転トルク特性が得られる。

（ａ）上記実施例１、２では、コイル体３を四箇所の隅角部に都合４個設けたが、コイル体３の個数は、設置状況や使用状況に応じて所望に変更することができる。
（ｂ）プレート磁石８としては、ネオジウム磁石を用いたが、ネオジウム磁石に代わって、ＫＳ鋼、ＭＫ鋼、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ゴムをバインダーとしてフェライト粉末を配合分散させたゴム磁石、あるいは磁石と磁性体とを組み合わせた磁石を用いてもよい。

本発明のロータリーソレノイドでは、コイル体の通電時、プレート磁石に回転方向成分として働く磁束が周方向に生じるため、高トルクを持続的に付与し、かつ所定の作動角範囲でトルク低下やトルクむらの少ない優れた回転トルク特性を確保できることから、車両に搭載するロータリーソレノイドとして好適となり、車両関連事業の需要を喚起して部品の流通を介して機械産業に適用することができる。

（ａ）はロータリーソレノイドの分解斜視図、（ｂ）はロータリーソレノイドの斜視図である（実施例１）。 図１（ｂ）のＳ−Ｓ線に沿う縦断面図である（実施例１）。 両方向回転が可能なロータリーソレノイドとして用いた場合のプレート磁石に生じる回転トルク特性を示すグラフである（実施例１）。 （ａ）はロータリーソレノイドの分解斜視図、（ｂ）はロータリーソレノイドの斜視図である（実施例２）。 一方向回転型（ＯＮ・ＯＦＦ動作）のロータリーソレノイドに用いた場合のプレート磁石に生じる回転トルク特性を示すグラフである（実施例２）。

符号の説明

１ ロータリーソレノイド
２ プレート
２ａ 隅角部
３ コイル体
５ 支軸
６ 駆動軸
８ プレート磁石
８ａ〜８ｄ 磁極面
９ セグメントコア
９Ａ、９Ｂ 延出部
Ｇ 微小空隙
Ｈ 初期位置
Ｌ 停止位置
Ｍ 磁極切替り部
α プレート磁石作動角範囲
θ セグメントコアの円周角
Ｔｓ、Ｔｖ、Ｔｗ 回転トルク特性

Claims (5)

1. プレートの中央部に立設された筒状の支軸の外周囲に、同一の基円上に沿って等角度間隔で配置された複数のコイル体と、
   前記複数のコイル体の前記プレートとは反対側の各端部に前記基円と略同心的になるように複数設けられた円弧辺状のセグメントコアと、
   前記セグメントコアに対応する個数の磁極面を有し、前記セグメントコアの表面に微小空隙を介して平行に対面するプレート磁石とを備え、
   前記プレート磁石の中央部に取り付けられた駆動軸を前記支軸に挿通させることにより、前記プレート磁石を前記セグメントコアに対して回転可能に支持し、
   前記コイル体の通電に伴って、前記コイル体から前記セグメントコアを介して発生する磁束による電磁力と前記磁極面の磁束による磁気力との相互作用により、前記プレート磁石を前記セグメントコアに対して初期位置から停止位置に所定の円周角だけ回動させるようにしたことを特徴とするロータリーソレノイド。
2. 前記複数のコイル体は、前記プレートに対する垂直方向に磁極を有することを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
3. 前記プレートは、隅角部が四半円弧状を成す方形であり、前記コイル体は前記隅角部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
4. 前記セグメントコアは、左右を延出部として中央部を前記コイル体の中央部に取り付けていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
5. 前記セグメントコアは、左右を延出部として前記コイル体に取り付けられ、前記停止位置側の前記延出部よりも前記初期位置側の前記延出部が長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。

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