JP2014155289A

JP2014155289A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2014155289A
Application number: JP2013021921A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Suzuki; 友久鈴木; Yuzuru Suzuki; 譲鈴木
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: JP6009960B2

Abstract

【課題】効率がよく、高いトルクが得られるアクチュエータを得る。
【解決手段】２極に着磁されたロータマグネット３０１を備えたロータ３００と、ロータ３００が回転自在な状態で配置されるロータ孔２０１ｄが設けられたステータコア２０１とを備え、ロータ孔２０１ｄには、軸対称な位置に配置された軸方向に延在する溝構造を有した一対のノッチ２５１，２５２が設けられ、一対のノッチ２５１，２５２の周方向の幅の合計Ｗをロータ孔２０１ｄの全周に対して２０％以上２８％以下の値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータを特定の範囲で回転させるアクチュエータに関する。

シャフトをある角度の範囲で回転させるアクチュエータが知られている。このようなアクチュエータは、弁の開閉や車両の前照灯の角度の切り替え等に用いられる。例えば、車載用前照灯用に用いられる場合、アクチュエータには、運転者の意思に応じて瞬時に走行用とすれ違い用が切り替えられる性能に加えて、振動によるふらつきが生じないように特定の角度位置が安定して保持される性能が求められる。この安定性を得るには、ロータが特定の角度位置にある際に、その角度位置を維持するトルク（保持トルク）を高める必要がある。例えば、特許文献１には、ステータコアの内周部の一部を凹ませたノッチと呼ばれる部分の幅とノッチの深さにより保持トルクが左右される点が開示されている。

特許第３５９７４６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のモータでは、ステータコアの内周部の一部を凹ませたノッチと呼ばれる部分の幅とノッチの深さにより保持トルクが左右されることを開示しているが、ノッチの幅についての具体的な開示がされていない。したがって実験によりその数値を割り出す必要があり、多くの時間と設計コストを必要としていた。本願はこのような問題に鑑みなされたものであり、効率よく、高トルクが得られるアクチュエータを提供することを目的としたものである。

請求項１に記載の発明は、２極に着磁されたロータマグネットを備えたロータと、前記ロータが回転自在な状態で配置されるロータ孔が設けられたステータコアとを備え、前記ロータ孔の内周面には、軸対称な位置に配置された軸方向に延在する溝構造を有した一対のノッチが設けられ、前記一対のノッチの周方向の幅の合計が前記ロータ孔の全周に対して２０％以上２８％以下の値であることを特徴とするアクチュエータである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記一対のノッチ間における中間の位置と前記ステータコアの厚みの最大の位置とは略一致していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記一対のノッチの周方向の幅の合計が前記ロータ孔の全周に対して略２６％である場合に、前記ステータコアを励磁した際に可動する前記ロータの角度範囲が最大であり、且つ、前記ステータコアを励磁した際における前記ロータの保持トルクが最大であることを特徴とする。

本発明によれば、効率よく、高トルクを得られるアクチュエータが提供される。

実施形態の斜視分解図である。実施形態の斜視図である。実施形態の側面図である。実施形態の正面図である。実施形態の側面の方向から見た断面図である。実施形態の正面の方向から見た断面図である。ノッチ幅（Ｗ）と動作角の関係、ノッチ幅（Ｗ）とトルクとの関係を示すグラフである。発明を利用した車載用前照灯切り替え装置の斜視図（Ａ）および（Ｂ）である。

（構造）
図１には、実施形態のアクチュエータ１００を分解した状態が示されている。図２には、アクチュエータ１００の外観が示されている。図３には、アクチュエータ１００を側面の方向から見た外観が示されている。図４には、アクチュエータ１００を軸方向から見た外観が示されている。図５には、アクチュエータ１００を側面の方向から見た断面が示されている。図６には、アクチュエータ１００を軸方向から見た断面が示されている。

アクチュエータ１００は、ステータ２００と、ステータ２００の内側でステータ２００に対して回転が可能なロータ３００を備えている。

まず、ステータ２００について説明する。ステータ２００は、ステータコア２０１、ボビン２０２、コイル２０３、ヨーク２０４を備えている。ステータコア２０１は、図６に示す断面形状の電磁鋼板を複数枚軸方向で積層した構造を有している。ここで軸方向というのは、ロータ３００の回転軸の方向（シャフト３０３の延在方向）のことをいう。ステータコア２０１は、ロータ３００を回転自在な状態で収めるための円柱形状の空間である孔部２０１ｄ（図１参照）を有している。

孔部２０１ｄの内周面には、ノッチ２５１，２５２（図６参照）が形成されている。ノッチ２５１，２５２は、周方向における特定の部分における磁束を大きくすることで、特定の角度位置にあるロータがその位置を維持するトルクを得るために設けられている。ノッチ２５１，２５２は、軸方向に延在した溝状の凹部である。ノッチ２５１，２５２が設けられている部分では、ステータコア２０１の内周面とロータ３００のマグネット３０１との間のギャップが他の部分に比較して大きくなっている。

ノッチ２５１，２５２は、同じ寸法および同じ形状であり、軸中心に対して対称な位置に設けられている。また、ノッチ２５１は、ステータコア２０１の肉厚が最も大きい位置から、肉薄になる方向に向かって９０°ずれた角度位置に設けられ、そこから１８０°ずれた角度位置にノッチ２５２が設けられている。なお、ノッチ２５１，２５２の角度位置は、周方向で捉えたその中心の角度位置により把握される。

ノッチ２５１，２５２の周方向における幅Ｗは、孔部２０１ｄの円周長に対して、２０％以上、２８％以下の寸法を有している。すなわちＷは、軸方向から見た角度で捉えて２π（３６０°）の２０％〜２８％の範囲の値が選択されている。なお、ここでのノッチ幅Ｗは、ノッチ２５１と２５２の幅の合計値であり、一つのノッチの幅は、Ｗ／２となる。

ボビン２０２は、樹脂製の短い筒形状を有し、その外側には、駆動コイル（ステータコイル）となるコイル２０３が巻回されている。また、ボビン２０２の内側には、コイル２０３のコア（鉄心）となる磁性材料により構成されたヨーク２０４が挿入されている。

ステータコア２０１は、軸方向から見て両側にアーム部２０１ａを備えている。アーム部２０１ａの内側には、軸方向に延在する一対の溝２０１ｂが設けられている。ボビン２０２に装着されたヨーク２０４の両端の縁の部分が溝２０１ｂに嵌合することで、ヨーク２０４およびコイル２０３が巻回されたボビン２０２がステータコア２０１に結合している。この例では、ヨーク２０４の両端の縁の部分が軸方向から見て楔形状とされており、溝２０１ｂもこの楔形状に勘合する断面形状とされている。

ステータコア２０１には、軸方向の前後からステータ側壁部２１０と２２０が装着されている。ステータ側壁部２１０と２２０は、同じ部材である。ステータ側壁部２１０は、軸方向に突出した平底形状の底部２１１を備えている。また、ステータ側壁部２１０は、軸方向から見たその両側から、軸方向に突出した一対のアーム状の突出部２１２および２１３を備えている。突出部２１２の先端の部分には、爪２１２ａが設けられ、突出部２１３の先端の部分には、図では隠れていて見えない孔が設けられている。

ステータ側壁部２２０は、軸方向に突出した平底形状の底部２２１を備えている、また、ステータ側壁部２２０は、軸方向から見たその両側から、軸方向に突出したアーム状の一対の突出部２２２および２２３を備えている。突出部２２２の先端の部分には、孔２２２ａが設けられ、突出部２２３の先端の部分には、爪２２３ａが設けられている。

ステータ側壁部２１０と２２０とをステータコア２０１に装着した状態において、底部２１１と２２１の先端の縁の部分が接触し、また、爪２１２ａが孔２２２ａに嵌り込んで係合し、爪２２３ａが突出部２１３の図示しない孔に嵌り込んで係合する。また、ステータコア２０１の両側には、軸方向に延在する一対の段部２０１ｃが設けられており、この段部２０１ｃに突出部２１２と２２２の下側の縁の部分が接触する。この状態において、突出部２１２と底部２１１との間でステータコア２０１（アーム部２０１ａ）が挟まれ、且つ、突出部２２２と底部２２１との間でステータコア２０１（アーム部２０１ａ）が挟まれる。これは、突出部２１３と２２３の側においても同様である。この構造により、ステータ側壁部２１０と２２０が結合し、さらに両者の間でステータコア２０１が挟まれて保持されている。

ステータコア２０１の孔部２０１ｄには、ロータ３００が回転自在な状態で収められている。ロータ３００は、円筒形状のマグネット３０１を備えている。マグネット３０１は、軸方向から見た周方向に沿って磁極が反転する状態の２極に着磁されている。着磁の状態は、周方向に沿って１８０度の角度範囲でＳ極とＮ極に分割されている場合に限定されず、ロータ３００が回転する範囲に応じて設定されている。また、マグネット３０１の外周とステータコア２０１の内周との間には、ロータ３００の回転が阻害されないように、ギャップが設けられている。

マグネット３０１は、円筒形状のスリーブ３０２の外側に固定されている。スリーブ３０２の内側には、回転する軸部材となるシャフト３０３が固定されている。シャフト３０３の一端は、ステータ側壁部２１０に設けられた孔２１０ａを貫通し、軸方向外側に突出し、シャフト３０３の他端は、ステータ側壁部２２０に設けられた孔２２０ａを貫通し、軸方向外側に突出している。

ステータ側壁部２１０は、リング形状の軸受保持部２１０ｂ（図５参照）を備え、ステータ側壁部２２０は、リング形状の軸受保持部２２０ｂを備えている。軸受保持部２１０ｂには、軸受２３１が保持され、軸受保持部２２０ｂには、軸受２３２が保持されている。軸受２３１，２３２としては、転がり軸受またはすべり軸受が用いられる。そして、軸受２３１，２３２により、シャフト３０３が回転自在な状態で保持されている。

以下、アクチュエータ１００の動作について説明する。コイル２０３に特定の極性の電圧を加えると、コイル２０３に直流電流が流れ、ステータコア２０１が励磁（磁化）される。この際、マグネット３０１にステータコア２０１からの磁力が作用し、磁力がバランスする回転位置（第１の角度位置）に向けてロータ３００が回転し、その位置で停止する。ここで、コイル２０３に電流を流し続けることで、ロータ３００は、当該角度位置を保ったまま停止し続ける。そして、コイル２０３に流す電流の極性を反転させると、ステータコア２０１の磁化の状態の極性が反転し、この極性が反転した状態の磁場内でバランスする回転位置（第２の角度位置）に向けてロータ３００が回転し、その位置で停止する。こうして、コイル２０３に加える直流電圧の極性を制御することで、ロータ３００の回転位置、換言すればシャフト３０３の回転位置を第１の角度位置と第２の角度位置のいずれかにすることができる。また、他の例として、バネ等の原点回帰機能を付加し、コイル２０３に電流を流すことでロータ３００が原点位置から特定の角度位置に回転し、電流を遮断することで上記特定の角度位置から上記バネの作用でロータ３００が原点に復帰する往復回転動作を行う態様が挙げられる。

コイル２０３に電流が印加されると、ステータコア２０１中に磁路が形成される。この時、ステータコア２０１中における磁束が集中する位置は、ステータコア２０１の形状によって変わってくる。この、最も磁束の集中する位置とロータ３００の磁束中心が一致するまでロータ３００が回転し、一致したとき、ロータ３００の回転が停止し、その位置でロータ３００が保持される。その時のトルクを保持トルク（ホールディングトルク）と呼ぶ。この保持トルクは、通電状態で停止しているとき、外力に抵抗できるトルクである。この保持トルクは、機器が振動してもロータの位置を維持するのに重要な意味を持つ。

ところで、ノッチ２５１，２５２が設けられていない場合、つまりステータコア２０１の内周面（孔部２０１ｄの内周面）とロータ３００の外周との間のギャップが周方向で一定である場合、上述した磁束の集中の程度は弱く、実用的な保持トルクを得ることができない。これに対して、ノッチ２５１，２５２を設けた場合、ノッチ２５１，２５２の部分において、ステータコア２０１とロータ３００間の磁束が相対的に小さくなり、その代わりに他の部分において磁束が大きくなり、磁束の集中が起こるので、高い保持トルクを得ることができる。

この例では、ノッチ２５１，２５２を設けることで、ノッチ２５１と２５２の間の中間の位置に磁束が集中するようにしている。なお、この位置は、ステータコア２０１の肉厚が最も大きな値となる部分である。

ここで、ノッチ２５１，２５２のノッチ幅の合計Ｗを小さくすると、磁束が分散され磁力が減少し、磁力の強弱の幅も狭くなる。この場合、保持トルクは小さくなる。逆にノッチ幅Ｗを大きくすると磁束が集約され磁力が増加し、磁力の強弱の幅も大きくなり、保持トルクは増加する。しかしながら、ノッチ幅Ｗが大きくなり過ぎると、有効な磁束域が減るため、保持トルクは急激に減少する。また、ノッチ幅Ｗは動作角にも影響を与える。必要な動作角を得ようとしたとき、ノッチ幅Ｗが小さいと磁力の低下により十分な回転トルクが得られず、必要な動作角が得られない。また必要以上にノッチ幅Ｗを大きくした場合でも同様に有効な磁束域が減少し、回転トルクが得られず、やはり動作角は減少する。

したがって、ノッチ幅Ｗには、適正な範囲がある。以下、この点について説明する。本実施形態では、図６に示すように、ノッチ２５１，２５２の位置を中心線Ｐから右に３０°ずらしている。これは、ステータコア２０１におけるもっとも肉厚な部分が図の水平方向から３０°下方にあり、その位置を起点として９０度上方にずらした位置にノッチ２５１の中心を設定するのが本実施形態の動作において望ましいからである。

ここで、ノッチ幅Ｗをパラメータとして、規定角度を１００％とした時にノッチ幅Ｗによって動作角がどのように変化するかを調べた。また、規定角度１００％のときに得られた保持トルクを１００％としたときに、円周に対するノッチ幅Ｗの割合（％）に応じて得られた保持トルクを調べた。図７は、この２つのデータを重ね合わせたグラフである。

図７からわかるように、ノッチ幅Ｗの割合が全円周の略２６％（片側で略１３％）のときに、規定角度の動作角が得られ、更に保持トルクが最大となっている。ここで、動作角、保持トルクとして使用できる範囲を最良値からの低下が１０％以内と考えると、ノッチ幅Ｗは円周に対して１７％以上３０％以内となる。他方において、動作角の変化をグラフから見たときに１８％程度のところに変曲点があり、この点から急激に動作角が上昇していることが分かる。したがって、信頼度が得られるのは、この点（１８％の点）よりも上の２０％以上の領域とするのが妥当である。また、ノッチ幅Ｗを２６％以上で設定する場合は、急激に動作角が下降する。よって、ノッチ幅２６％以下での信頼度と同等を期待するためには、９２％の動作角が得られるノッチ幅ということになり、その値は２８％程度ということになる。つまり、ノッチ幅Ｗを２０％以上２８％以下の範囲に設定することにより、９０％以上の信頼度を得ることが可能となる。またこの時の保持トルクも９０％以上という十分な値が得られる。

（その他）
アクチュエータ１００を車載用前照灯の照射方向の切り替え（ハイビームとロービームの切り替え）の機構に用いた場合の例を説明する。図８には、固定シェード４００が示されている。固定シェード４００は、図の向こう側から手前側に照射光のビームが通過する光路上に配置されている。図８（Ａ）の状態が、ロービームの状態であり、図８（Ｂ）の状態がハイビームの状態である。

固定シェード４００には、開口４０１が設けられている。開口４０１の上側の縁には、アクチュエータ１００が取付け部材２４１，２４２を利用して取付けられている。アクチュエータ１００のシャフト３０３には、可動シェード５００が固定されている。可動シェード５００には、スリット５０１が設けられ、スリット５０１から光が一部漏れる構造を有している。アクチュエータ１００の機能により、ロータ３００の回転位置を図８（Ａ）の位置（ロービーム）と図８（Ｂ）の位置（ハイビーム）のいずれかに固定することができ、またその切り替えを行なうことができる。この例では、コイル２０３に加える電圧がＯＦＦの状態で、図示しないバネの力によって図８（Ａ）の状態となり、電圧ＯＮで図示しないバネの力に打ち勝って、アクチュエータ１００のロータが回転し、図８（Ｂ）の状態に移行する。また、電圧ＯＮの状態から電圧ＯＦＦの状態とすると、図８（Ｂ）の状態から図８（Ａ）の状態に戻る。また、図８（Ｂ）の状態において、保持力が最大となるようにアクチュエータ１００に可動シェード５００が取り付けられている。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、ロータを特定の角度位置で保持する機能を有するアクチュエータに利用することができる。

１００…アクチュエータ、２００…ステータ、２０１…ステータコア、２０１ａ…アーム部、２０１ｂ…溝、２０１ｃ…段部、２０１ｄ…孔部、２０２…ボビン、２０３…コイル、２０４…ヨーク、２１０…ステータ側壁部、２１０ａ…孔、２１０ｂ…軸受保持部、２１１…底部、２１２…突出部、２１２ａ…爪、２１３…突出部、２２０…ステータ側壁部、２２０ａ…孔、２２０ｂ…軸受保持部、２２１…底部、２２２…突出部、２２２ａ…孔、２２３…突出部、２２３ａ…爪、２３１…軸受、２３２…軸受、２４１…取付け用部材、２４２…取付け用部材、２５１…ノッチ、２５２…ノッチ、２６１…嵌合部、３００…ロータ、３０１…マグネット、３０２…スリーブ、３０３…シャフト、４００…固定シェード、４０１…開口、５００…可動シェード、５０１…スリット。

Claims

２極に着磁されたロータマグネットを備えたロータと、
前記ロータが回転自在な状態で配置されるロータ孔が設けられたステータコアと
を備え、
前記ロータ孔の内周面には、軸対称な位置に配置された軸方向に延在する溝構造を有した一対のノッチが設けられ、
前記一対のノッチの周方向の幅の合計が前記ロータ孔の全周に対して２０％以上２８％以下の値であることを特徴とするアクチュエータ。
前記一対のノッチ間における中間の位置と前記ステータコアの厚みの最大の位置とは略一致していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記一対のノッチの周方向の幅の合計が前記ロータ孔の全周に対して略２６％である場合に、前記ステータコアを励磁した際に可動する前記ロータの角度範囲が最大であり、且つ、前記ステータコアを励磁した際における前記ロータの保持トルクが最大であることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。