JP2010093948A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電磁アクチュエータは、加工上および構造上発生するガタにより接触面積が不均一となり、吸着力の安定性が保たれないという課題がある。
【解決手段】磁性材からなり相対向する一対の接極片を有する第１のヨークと、上記第１のヨークの上記一対の接極片間に配置されるボビンに巻装され励磁電流通電時には所望の電磁力を発生する励磁コイルと、上記ボビン内に貫挿され磁性材からなり上記励磁コイルの磁界により駆動されて往復動され上記接極片に接触して吸着される可動子と、上記第１のヨークと上記ボビンとの間に配置され上記第１のヨークに磁束を発生させるとともに上記可動子を吸引して保持する永久磁石と、上記永久磁石とともに磁気回路を構成する第２のヨークとを備え、上記接極片の上記可動子が接触される位置に形成され、上記永久磁石により吸引される方向と直交する方向に長い孔からなる当接孔を設けたものである。
【選択図】図３

Description

この発明は、励磁コイルへの通電の断続により可動子の往復動を行う電磁アクチュエータに関するものである。

従来の例えば電磁リレーなどに使用される電磁アクチュエータは、磁性材からなり相対向する一対の接極片を有するヨークと、磁性材からなるとともに励磁コイルの通電により発生する磁界により駆動されて相対向する接極片に当接する可動子と、可動子に磁界を与える永久磁石と、励磁コイルに流す電流極性により可動子を所要の接極片方向に動作させて可動子を永久磁石により吸引して保持させるように構成されている。
（例えば、特許文献１ 第１図参照）

実開昭６１−３０２０９号公報

以上のように構成された従来の電磁アクチュエータは、可動子と接極片との間の吸着力（または吸引力）を調整する（または低下させる）ため、可動子と接極片との間に非磁性体の部品を配設するか、または接極片に所望の大きさの切り欠き孔を配設しており、特に円筒状に形成された可動子に当接する接極片には可動子の断面積より小さい円形状の孔を配設していた。しかし、非磁性体の部品を追加することで部品数が増加するか、または加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位により可動子と接極片の接触面積が不均一となり、吸着力（または吸引力）の安定性が保たれないという課題があった。

この発明は、非磁性体の部品数を増すこともなく、可動子と接極片の周辺に発生する加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位に対して、可動子と接極片の接触面積の均一化を図ることにより、吸着力の安定性を保つことができる電磁アクチュエータを提供することを目的としている。

この発明の電磁アクチュエータは、磁性材からなり相対向する一対の接極片を有する第１のヨークと、第１のヨークの一対の接極片間に配置されるボビンに巻装され励磁電流通電時には所望の電磁力を発生する励磁コイルと、ボビン内に貫挿され磁性材からなり励磁コイルの磁界により駆動されて往復動され接極片に接触して吸着される可動子と、第１のヨークとボビンとの間に配置され第１のヨークに磁束を発生させるとともに可動子を吸引して保持する永久磁石と、永久磁石とともに磁気回路を構成する第２のヨークとを備え、接極片の可動子が接触される位置に形成され、永久磁石により吸引される方向と直交する方向に長い孔からなる当接孔を設けたものである。

この発明の電磁アクチュエータは、接極片の可動子が接触される位置に形成され、永久磁石により吸引される方向と直交する方向に長い孔からなる当接孔を設けたことにより、可動子と接極片の周辺に発生する変位に対して、可動子と接極片の接触面積の均一化を図ることにより、吸着力の安定性を保つことができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電磁アクチュエータを内蔵した電磁リレーの内部構造を示す分解斜視図、図２は図１に示す電磁アクチュエータの外観斜視図、図３は図２に示す電磁アクチュエータの分解斜視図である。

図１において、電磁リレー１００は、電磁アクチュエータ５０と、第１のケース１１とこの第１のケース１１に嵌挿される第２のケース１２とカバー１３で構成される筐体と、第１の固定接触子１とこの第１の固定接触子１と開閉回路を形成する第１の可動接触子２と、第２の固定接触子３とこの第２の固定接触子３と開閉回路を形成する第２の可動接触子４が電磁リレー１００の外部端子として取り付けられて構成されている。なお、カバー１３はカバーネジ５により取り付けられる。

図２および図３において、５０は電磁アクチュエータ、５１は磁性材からなり相対向する一対の第１の接極片５１ａ、第２の接極片５１ｂを有する第１のヨーク、５２は第１のヨーク５１の一対の第１の接極片５１ａ、第２の接極片５１ｂ間に配置されるボビンであり、後述する可動子５５が貫挿される可動子挿入孔５２ａが形成されている。５３はボビン５２に巻装され、制御信号ケーブル５４による励磁電流通電時には所望の電磁力を発生する励磁コイルであり、励磁コイル５３は第１の制御信号ケーブル５４ａを通じて制御信号である励磁電流が通電される第１の励磁コイル５３ａと、第２の制御信号ケーブル５４ｂを通じて制御信号である励磁電流が通電される第２の励磁コイル５３ｂとで構成されている。これら第１の励磁コイル５３ａ、第２の励磁コイル５３ｂによりいわゆる電磁石が形成される。５５はボビン５２の可動子挿入孔５２ａ内に貫挿され、磁性材からなり励磁コイル５３の磁界により駆動されて往復動され第１の接極片５１ａ、第２の接極片５１ｂに接触して吸着される可動子であり、例えば第２の接極片５１ｂ側のネジ穴５５ａが形成されている。５６は第１のヨーク５１とボビン５２との間に配置され、第１のヨーク５１に磁束を発生させるとともに可動子５５を吸引して保持する永久磁石、５７は永久磁石５６とともに磁気回路を構成する第２のヨークである。５１ａ１，５１ｂ１は第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａ、第２の接極片５１ｂの可動子５５が接触される位置に形成された当接孔であり、例えば第１の接極片５１ａに形成された当接孔５１ａ１は永久磁石５６により吸引される方向と直交する方向に長い孔からなり、図は一例として四角形の多角形状の長孔で構成されている。なお、可動子５５は、励磁コイル５３の励磁電流の方向に従って移動されるので、第１の励磁コイル５３ａによる励磁電流の方向の場合はＺ軸正方向に移動し、第２の励磁コイル５３ｂによる励磁電流の方向の場合はＺ軸負方向に移動する。５８は第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂ側に配置されたクロスバー、５９は一方がクロスバー５８に係合されかつＥリング固定溝５９ａが形成され、他方が第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂの当接孔５１ｂ１に係合されかつ可動子５５のネジ穴５５ａに螺合されるロッドネジ部５９ｂが形成されて構成されたロッドである。６０はロッド５９とクロスバー５８の間に配置され、可動子５５が第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂに当接すると、第１の固定接触子１と第１の可動接触子２との接触圧力、第２の固定接触子３と第２の可動接触子４との接触圧力を発生させる接圧バネである。６１はクロスバー５８がロッド５９から外れないようにするために、ロッド５９に設けられたＥリング固定溝５９ａに係合されたＥリングである。

次に、図２、図３に基づいて、電磁アクチュエータ５０の構成、動作について説明する。第１の励磁コイル５３ａおよび第２の励磁コイル５３ｂが巻装されたボビン５２に設けられた可動子挿入孔５２ａにＺ軸方向に摺動可能に形成された可動子５５が挿入され、ボビン５２は略コ字形に形成された第１のヨーク５１間に第１のヨーク５１に磁束を発生させる永久磁石５６と、永久磁石５６と共に磁気回路を構成する第２のヨーク５７を介し、ボビン５２と第１のヨーク５１を係合させる。

励磁コイル５３からは可動子５５を往復動させるために制御信号が入力可能なように制御信号ケーブル５４が引出されている。ここで、可動子５５は励磁コイル５３から発生する電磁力によりＺ軸方向に往復動する構造となっているが、励磁コイル５３の励磁が解消された後も永久磁石５６の発生する磁力により、第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａおよび第２の接極片５１ｂに吸着されて保持されるようになっている。

第１のヨーク５１には相対向する一対の第１の接極片５１ａおよび第２の接極片５１ｂが配設されており、可動子５５との吸着力を所望の大きさにするように形成された当接孔５１ａ１および５１ｂ１が配設されている。

ボビン５２に形成された可動子挿入孔５２ａは可動子５５のスムーズな往復動を実現させるためにＹ軸方向に対してはクリアランスが設けられている。なお、可動子５５は常に永久磁石５６の発生する磁力によりＸ軸負方向に吸引されて引き付けられており、また、回転防止構造を備えているためＺ軸を中心に回転することはない。

可動子５５はネジ穴５５ａが形成されており、クロスバー５８と接圧バネ６０を固定するロッド５９に設けられたロッドネジ部５９ｂを可動子５５のネジ穴５５ａに螺合させることにより、可動子５５とロッド５９とは一体的に固着される。ロッド５９とクロスバー５８の間には接圧バネ６０が配設されており、可動子５５が第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂに当接すると、第１の固定接触子１と第１の可動接触子２との接触圧力、第２の固定接触子３と第２の可動接触子４との接触圧力を発生させる。クロスバー５８はロッド５９に設けられたＥリング固定溝５９ｂにＥリング６１を係合してロッド５９から外れないようにしている。

次に、この発明の実施の形態１における可動子５５と第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１との関係について説明する。図４は可動子５５が当接する第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１が円形である場合の可動子５５と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１との関係を示す主要部拡大図である。図４の（Ａ）は可動子５５と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置が一致しているとき、図４の（Ｂ）は可動子５５周辺に加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位が発生して、可動子５５と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置がＹ軸正方向に変位Δだけ偏心したときの接触面積および吸着力の導出を行った。

ここで、可動子５５と第１の接極片５１ａおよび第２の接極片５１ｂとの接触部に発生する吸着力ＦはＦ＝Ｂ^２×Ａ／２μで示されるように、接触面積（または磁束通過面積）に比例している。式中、Ｂは磁束密度、Ａは磁束通過面積、μは透磁率（真空中ではμ０）である。

図４の（Ａ）と（Ｂ）において、可動子５５および第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１が共に円形である場合、図４の斜線部で示した可動子５５と第１の接極片５１ａとの接触面積（吸着力）は変位Δが増加するにしたがって、可動子５５のＸ軸方向の中心線を境として不均一となる。接触面積が不均一となる場合の影響として、所望の吸着力を得られないことに加え、両部品に加わる応力が不均一となることで応力集中部分が発生し、部品の磨耗を促進させることになる。特に接触面積が小さい場合において応力集中はより顕著となり、変位Δが許容値（＝可動子５５の半径−第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の半径）を超過した場合は接触面積が著しく増加することになり、可動子５５と第１の接極片５１ａとの接触面積の均一化を図れなくなり、吸着力の安定性が保たれなくなる。

図５はこの発明の実施の形態１における可動子５５と第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１との関係を示す主要部拡大図である。図５の（Ａ）は可動子５５と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置が一致しているとき、図５の（Ｂ）は可動子５５周辺に加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位が発生して、可動子５５と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置がＹ軸正方向に変位Δだけ偏心したときの接触面積および吸着力の導出を行った。

図５の（Ａ）と（Ｂ）において、可動子５５が円形であり、第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１が例えば四角形からなる多角形の長孔である場合を示し、図５の斜線部で示した可動子５５と第１の接極片５１ａとの接触面積（吸着力）は変位Δが増加するにもかかわらず、可動子５５のＸ軸方向およびＹ軸方向の中心線を境として常に均一となる。また、第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１のＹ軸に平行な辺、即ち、永久磁石５６により吸引される方向と直交する方向に長い孔、図は一例として、可動子５５の直径と許容変位Δの最大値の２倍を加算した長孔とすることにより、接触面積の増加を防止することが可能となり、可動子５５と第１の接極片５１ａの周辺に発生する変位に対して、可動子５５と第１の接極片５１ａの接触面積の均一化が図れ、吸着力の安定性を保つことができる。この実施の形態１の場合においては、Ｙ軸正方向に変位Δだけでなく、Ｙ軸負方向の変位Δに対しても対応できるように構成されている。なお、例えば永久磁石５６により吸引される方向と直交する方向、即ち、Ｙ軸正方向の変位Δだけを考慮すればよい場合には、可動子５５の直径と許容変位Δの最大値を加算した長孔とすればよく、この場合の長孔の中心位置を許容変位Δだけ予めＹ軸負方向に位置させておくことにより、同様の効果を奏する。また、Ｙ軸負方向の変位Δだけを考慮すればよい場合には、可動子５５の直径と許容変位Δの最大値を加算した長孔とすればよく、この場合の長孔の中心位置を許容変位Δだけ予めＹ軸正方向に位置させておくことにより、同様の効果を奏する。

図６はこの発明の実施の形態１における電磁アクチュエータを電磁リレーに装着した場合を示す正面概略断面図であり、この電磁リレーの動作原理の概略について説明する。第１の励磁コイル５３ａに第１の制御信号ケーブル５４ａを通じて制御信号である励磁電流が通電されると、第１の励磁コイル５３ａで電磁石が形成され、このとき可動子５５は、励磁電流の方向に従って図６に示されるＺ軸正方向に移動され、第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａに吸着され、第１の励磁コイル５３ａの励磁が解消された後も、可動子５５は永久磁石５６と第１のヨーク５１と第２のヨーク５７で構成される磁気回路によってその永久磁石５６の発生する磁力により、可動子５５と第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａとの吸着状態が保持される。同様に、第２の励磁コイル５３ｂに第２の制御信号ケーブル５４ｂを通じて制御信号である励磁電流が通電されると、第２の励磁コイル５３ｂで電磁石が形成され、このとき可動子５５は、励磁電流の方向に従って図６に示されるＺ軸負方向に移動され、第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂに吸着され、第１の励磁コイル５３ｂの励磁が解消された後も、可動子５５は永久磁石５６と第１のヨーク５１と第２のヨーク５７で構成される磁気回路によってその永久磁石５６の発生する磁力により、可動子５５と第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂとの吸着状態が保持される。そして、可動子５５が第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂに当接すると、可動子５５に螺合されたロッド５９とこのロッド５９と一体的に固定されたクロスバー５８が矢印に示すようにＺ軸負方向に移動し、第１の固定接触子１と第１の可動接触子２、第２の固定接触子３と第２の可動接触子４とをそれぞれ接触させる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２における可動子６２と第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１との関係を示す主要部拡大図であり、図から明らかなように可動子６２の吸着面は例えば四角形からなる多角形で構成されている。図７の（Ａ）は可動子６２と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置が一致しているとき、図７の（Ｂ）は可動子６２周辺に加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位が発生して、可動子６２と第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１の中心位置がＹ軸正方向に変位Δだけ偏心したときの接触面積および吸着力の導出を行った。

図７の（Ａ）と（Ｂ）において、可動子６２の吸着面は例えば四角形からなる多角形であり、第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１が例えば四角形からなる多角形の長孔である場合を示し、図７の斜線部で示した可動子６２と第１の接極片５１ａとの接触面積（吸着力）は変位Δが増加するにもかかわらず、可動子６２のＸ軸方向およびＹ軸方向の中心線を境として常に均一となる。また、第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１のＹ軸に平行な辺、即ち、永久磁石５６により吸引される方向と直交する方向に長い孔、図は一例として、可動子６２のＹ軸方向の寸法値と許容変位Δの最大値の２倍を加算した長孔とすることにより、接触面積の増加を防止することが可能となり、可動子６２と第１の接極片５１ａの周辺に発生する変位に対して、可動子６２と第１の接極片５１ａの接触面積の均一化が図れ、吸着力の安定性を保つことができる。この実施の形態２の場合においては、Ｙ軸正方向に変位Δだけでなく、Ｙ軸負方向の変位Δに対しても対応できるように構成されている。なお、例えば永久磁石５６により吸引される方向と直交する方向、即ち、Ｙ軸正方向の変位Δだけを考慮すればよい場合には、可動子６２のＹ軸方向の寸法値と許容変位Δの最大値を加算した長孔とすればよく、この場合の長孔の中心位置を許容変位Δだけ予めＹ軸負方向に位置させておくことにより、同様の効果を奏する。また、Ｙ軸負方向の変位Δだけを考慮すればよい場合には、可動子６２のＹ軸方向の寸法値と許容変位Δの最大値を加算した長孔とすればよく、この場合の長孔の中心位置を許容変位Δだけ予めＹ軸正方向に位置させておくことにより、同様の効果を奏する。

実施の形態３．
図８に励磁コイル５３が１つの巻線で構成された場合の電磁アクチュエータの正面概略断面図である。上述した実施の形態１においては励磁コイル５３を第１の励磁コイル５３ａと第２の励磁コイル５３ｂで構成し、第１の制御信号ケーブル５４ａと第２の制御信号ケーブル５４ｂにそれぞれ単方向に励磁電流を通電させることで所望の方向に可動子５５を移動させる場合について述べたが、この実施の形態３においては励磁コイル５３および制御信号ケーブル５４が１つで構成された場合を示し、制御信号ケーブル５４に図８に示すＡ方向またはＢ方向に励磁電流を通電させることで所望の方向に可動子５５を移動させることができる。

以上のように構成させたこの発明における電磁アクチュエータ５０は、可動子５５、６２の第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１との吸着面形状を円形または多角形とし、該可動子５５、６２が吸着する第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１をＹ軸方向に長い多角形長孔としたので、可動子５５、６２周辺に加工上および構造上発生する寸法誤差（ガタ）等の変位に対して、可動子５５、６２と第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａとの接触面積の均一化が図れ、吸着力の安定性を保つことができるという効果がある。なお、第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１をＹ軸方向に長い多角形長孔としたが、Ｙ軸方向に長い楕円形長孔としても所期の目的を達成することができる。

また、上述した通り、Ｙ軸方向に長い長孔が第１のヨーク５１のクロスバー５８の固着される側（即ち、第２の接極片５１ｂの側）の反対側である第１の接極片５１ａに配設されているので、可動子５５、６２と第１の接極片５１ａとの吸着力に抗して可動子５５、６２を第２の接極片５１ｂ側に吸着させる電磁力を低減する目的で可動子５５、６２と第１の接極片５１ａとの接触面積（吸着力）が最小となるよう構成することで、第２の励磁コイル５３ｂを小型化することができるとともに可動子５５、６２と第１の接極片５１ａとの接触面積の均一化が図れ、吸着力の安定性を保つことができる。

なお、上記各実施の形態においては第１のヨーク５１の第１の接極片５１ａの当接孔５１ａ１をＹ軸方向に長い長孔としたが、第１のヨーク５１の第２の接極片５１ｂの当接孔５１ｂ１にもＹ軸方向に長い長孔を配設させることにより、第１の励磁コイル５３ａに励磁電流を通電し、接圧バネ６０の付勢力に抗して可動子５５、６２を第１の接極片５１ａ側に吸着させるときに接圧バネ６０のバネ力にばらつきがあったとしても安定して可動子５５、６２を動作させることができる。

この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータを内蔵した電磁リレーの内部構造を示す分解斜視図である。 図１に示す電磁アクチュエータの外観斜視図である。 図２に示す電磁アクチュエータの分解斜視図である。 可動子と当接孔との関係を示す主要部拡大図である。 この発明の実施の形態１における可動子と当接孔との関係を示す主要拡大図である。 この発明の実施の形態１における電磁リレーの正面概略断面図である。 この発明の実施の形態２における可動子と当接孔との関係を示す主要拡大図である。 この発明の実施の形態３における電磁アクチュエータの正面概略断面図である。

符号の説明

５０：電磁アクチュエータ、５１：第１のヨーク、５１ａ：第１の接極片、５１ａ１：当接孔、５１ｂ：第２の接極片、５１ｂ１：当接孔、５２：ボビン、５３：励磁コイル、５３ａ：第１の励磁コイル、５３ｂ：第２の励磁コイル、５４：制御信号ケーブル、５４ａ：第１の制御信号ケーブル、５４ｂ：第２の制御信号ケーブル、５５：可動子、５６：永久磁石、５７：第２のヨーク、６２：可動子。

Claims (6)

1. 磁性材からなり相対向する一対の接極片を有する第１のヨークと、上記第１のヨークの上記一対の接極片間に配置されるボビンに巻装され励磁電流通電時には所望の電磁力を発生する励磁コイルと、上記ボビン内に貫挿され磁性材からなり上記励磁コイルの磁界により駆動されて往復動され上記接極片に接触して吸着される可動子と、上記第１のヨークと上記ボビンとの間に配置され上記第１のヨークに磁束を発生させるとともに上記可動子を吸引して保持する永久磁石と、上記永久磁石とともに磁気回路を構成する第２のヨークとを備え、上記接極片の上記可動子が接触される位置に形成され、上記永久磁石により吸引される方向と直交する方向に長い孔からなる当接孔を設けたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 上記励磁コイルは、上記可動子を上記接極片の一方側に駆動させて吸着させる第１の励磁コイルと、上記可動子を上記接極片の他方側に駆動させて吸着させる第２の励磁コイルとにより構成された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. 上記当接孔は、多角形長孔からなることを特徴とする請求項１または２記載の電磁アクチュエータ。
4. 上記可動子の上記接極片との接触面形状は円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。
5. 上記可動子の上記接極片との接触面形状は多角形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。
6. 上記当接孔の多角形長孔は、上記可動子の上記永久磁石により吸引される方向と直交する方向の値と上記可動子の上記永久磁石により吸引される方向と直交する方向の許容変位値の２倍を加算した長孔としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電磁アクチュエータ。

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