JP3021046B2

JP3021046B2 - 回転式単相電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP3021046B2
Application number: JP4502771A
Authority: JP
Inventors: ウディット，クロード; プルダム，ダニエル
Original assignee: ムーヴィングマグネットテクノロジィーズエス．エイ．
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1991-12-16
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: DE69121595D1; WO1992011686A1; DE69121595T2; EP0642704A1; JPH06504901A; FR2670629B1; FR2670629A1; EP0642704B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、回転式単相電磁アクチュエータに関する。

当該技術分野においては、少なくとも一つの励磁コイ
ルによって励磁されたきわめて高い透磁率の材料で作ら
れた第１の固定子磁気回路により構成されている固定機
構ならびに軸方向に磁化されたディスクで構成されてい
る可動機構を含む回転式単相電磁アクチュエータとして
数多くのタイプが知られている。この磁化ディスクは、
交互の方向に磁化された磁極を2N対有している。磁化は
ほとんど均質である。磁化ディスクは、高透磁率の材料
で作られた第２の磁気回路に接着されている。可動機構
には、トルクを伝達するための連結軸が具備されてい
る。

一例を挙げると、このようなアクチュエータは当該出
願人のフランス特許出願明細書第8908052号の中に記述
されている。

大部分の利用分野において必要とされているアクチュ
エータの小型化、精度及び信頼性を考慮すると、可動機
構の位置付けはきわめて重要である。従って、現在の技
術的状況の下で、軸及び／又は回転子の精確な位置付け
を可能にするさまざまな機械的解決法が提案されてき
た。これらの解決法の恒常的原則は、アクチュエータの
組立て構造と軸の間のあそびをできる限り減少させるこ
とにある。

これらの解決法は、次のようなさまざまな欠点を呈す
る。すなわち、まず第１に、これらは、製造されたアク
チュエータの寿命及び／又は、信頼性を減少させる可能
性のある摩耗部品又は可動部品を構成する高精度の機械
システムを利用した、費用の高くつく解決法である。

その上、先行技術において機知の解決法は、アセンブ
リの高い剛性という形で現れる。ところが、アクチュエ
ータは、さまざまな心ずれや整列不良を呈する可能性の
ある機械的アセンブリに連結されるようになっている。
従ってアクチュエータ本体の柔軟性がことごとく欠如し
ていることから、場合によって柔軟性又は可撓性のある
継手を利用しなければならなくなり、その外形寸法及び
原価が問題となる可能性がある。

本発明の目的は、当業者にとって驚くべき解決法を提
案することによってこれらの欠点を補正することにあ
る。

この目的のため、本特許出願の対象となっている本発
明は、固定機構と可動機構の間の結合が、少なくとも固
定した固定子機構とは反対方向における可動機構の軸方
向移動を可能にすること、及び磁化ディスクの直径が２
つの磁気回路の直径とほぼ同一であることを特徴とす
る。可動機構の軸方向の維持は、固定機構と可動機構の
間の磁気引力によって確保されている。この力はかくし
て製造されたアクチュエータの満足のいく機能を確保す
るのに充分であることがわかっており、アクチュエータ
に対して、組立て及び／又は製造上の許容誤差に相応す
る整列不良を吸収するのに充分な柔軟性を付与する。ア
クチュエータの可動機構と固定機構の機械的一体化手段
は、磁気引力がない場合に、固定した固定子部分の表面
と可動磁石の表面の間の距離に一致する大きさのあそび
を存続させるような形で設計されている。直径がセンチ
メートル単位のものであるアクチュエータの場合、この
機械的軸方向あそびは十分の数ミリメートルである。こ
のようなあそびは、補償されていない場合、受諾不可能
なものである。従って本発明に従ったアクチュエータの
重要な特徴は、単独で可動機構の精確な位置付けひいて
は磁極間隙の正確な構成を確実に行なうような機械的部
品がないことである。本発明に従ったアクチュエータに
おいては、この位置付けは、可動機構から固定した固定
子部分の方への軸方向引力及び側方心出しをもたらす磁
気現象と、回転の自由度を許容し固定した固定子部分に
向かっての可動機構の軸方向動作を制限するストッパの
作用とを結合させることによって確保される。このスト
ッパは、スラスト玉軸受、取外し可能なアンギュラ軸受
又は、回転自由度を許容し軸方向ストッパの機能を呈す
る。この他の同等なあらゆる機械的手段によって構成さ
れている。

好ましい一実施態様によると、固定機構と可動機構の
間の結合はさらに、製造上及び荷重下の連続上の許容誤
差に関連する外乱応力効果の下での連結軸の半径方向移
動を可能にする。

可動機構の案内を完全なものにすることをむしろ追求
するはずの当業者にとって驚くべきこの解決法は、固定
機構上の可動機構の接着を妨げるストッパ以外いかなる
機械的部品も存在しない状態で強力かつ効果的な可動機
構の自動調心を得ることができるようにする。磁力は、
機械的案内又は戻し手段がないにもかかわらず、可動機
構の心出し位置への復帰を誘発し、かくしてアクチュエ
ータの製造上及び荷重下の連結の許容誤差による角変位
のみならず平行移動も補償するように作用する。

この特徴に従うと、回転子の幾何軸ひいては連結軸の
幾何軸は、出力シャフトとの整列不良を補償するのに充
分な柔軟性を示す。

好ましくは、可動機構は、固定機構の方向への可動機
構の移動を制限するスラスト玉軸受を介して又は取外し
可能なアンギュラコンタクト軸受を介して固定機構と連
動する。アンギュラコンタクト軸受は、図等の寸法のス
ラスト玉軸受の軸荷重容量に匹敵する軸荷重容量を呈す
るが、側方あそびの可能性をことごとく阻止する。

第１の変形態様によると、スラスト玉軸受の外側表面
のうちの一つは、固定子磁極の端部を通る平面とほぼ同
一平面内にあり、ディスクは少なくともスラスト玉軸受
の断面積に等しい断面積の中央くりぬき部を有してい
る。この実施様式は、アクチュエータの外形寸法を減少
させることができる。その上、これにより固定部分を横
断する軸の利用を回避することができ、こうして固定磁
気回路の巻線を単純化することが可能になる。

好ましくは、固定機構の固定子磁極の上端部は、非磁
性材料製の結合部品が中に置かれるほぼ円筒形の中ぐり
を有し、この結合部品はスラスト玉軸受と連動する。か
くして作られた中ぐりは、結合部品のサポートを構成す
る角扇形の形をしたセグメントを構成する。

特定の一変形態様に従うと、連結軸は固定機構を横断
する。固定機構は、連結軸の出力の側に、機械的サポー
トとアクチュエータの一体化を容易にする単数又は複数
のネジ立てを有している。しかしながっら、この変形態
様に従ったアクチュエータのための励磁コイルは、さら
に制作するのが難しいものである。

その他の実施態様及び利点は、次の図を含む図面に基
づいて本発明に従ったアクチュエータの制限的意味のな
い一例の記述を読むことにより、さらに、明確になるこ
とだろう。

・図１は、本発明に従ったアクチュエータの軸方向断面
図を表す。

・図２は、横断面図を表す。

・図３は、軸上に横力が及ぼされた場合のアクチュエー
タの図を表す。

・図４は、一変形実施態様の軸方向断面図を表す。

・図５は、前記変形実施態様に従ったアクチュエータの
横断面図を表す。

・図６は、第３の変形実施態様の軸方向断面図を表す。

・図７は、前記変形実施態様の横断面図を表す。

図１は、本発明の第１の実施態様に従ったアクチュエ
ータの軸方向断面図を表す。

アクチュエータは、可動機構（１）と固定機構（２）
で構成されている。可動機構は、厚み方向に磁化された
NdFeBディスクの形をした薄い磁石（３）を含んでい
る。これは逆に磁化された２つの扇形（4,5）を有す
る。磁化ディスク（３）は、最大行程を追求する場合18
0゜にわたり延びる半ディスクを各々形成する２つの扇
形を呈する。これにより小さい行程で充分であると考え
られる場合には、この角度は約150゜〜160゜まで減少さ
せることができる。これは当該技術分野の現状況におい
て既知のさまざまな方法、例えば、磁化ヘッドを用いて
ネオジウム（Neadym）−鉄−ホウ素製ディスクを磁化す
ること又は予め磁化された２つの半ディスクを利用する
ことによって実現することができる。要求される行程が
π/N未満の角度の磁化扇形の使用を可能にする場合、磁
石内に大きいデッドゾーンを残すよりもむしろ分離した
部品を利用する方が好ましい。例えばＮ＝１である場
合、要求される行程が90゜にすぎないならば、30゜の間
隔をとった150゜の２つの扇形を利用することができ
る。

サイズとの関係においてコストが低くトルクの小さい
アクチュエータについては、フェライトタイプの永久磁
石を利用できるが、これはより脆性が高い。

磁石は、連結軸（７）と一体化された可動固定子回路
（６）上に、上記の実施態様で接着されている。固定し
た固定子部分（２）及び可動な固定子部分（６）は、鉄
粉とプラスチック結合剤の混合物の射出によって構成さ
れている。なおこの結合剤は次に炉内で蒸発させられて
相似変形による収縮を誘発する。これらの部品は、機械
加工、焼結及び又は鋳造された軟鉄或いはまたブロック
の鉄・ニッケル合金で作ることもできる。

固定機構（２）は、結合する巻きで巻つけられる。コ
イル（10）の中央平面は、回転軸を含むアクチュエータ
の横方向平面に対応する。

しかしながらこの解決法は、固定子が２つの磁極を有
するアクチュエータについてしか適合されない。固定子
が４つの磁極を有するアクチュエータについては、当業
者には技術的現状においてさまざまな巻線の解決法があ
り、そのうちの一例について、以下で説明する。

固定磁気回路（８）と可動磁気回路（６）の寸法は、
飽和無く、温度条件を考慮に入れて、固定したアンペア
・ターソ（amperes−tours）について関与する磁束全体
の通過を可能にするように既知の方法で決定される。

可動部分（１）と固定部分（２）の間の結合は、磁極
間隙を構成するスラスト玉軸受（11）によって実現され
る。スラスト玉軸受（11）は、ボール（14）と連動する
環状レース（13）を有するリング（12）で構成されてい
る。これらのボール（14）はこの第１のレース（13）
と、可動機構（１）と一体化された第２のリング（15）
の間に配置されている。レース（13）はボールの位置付
けに寄与する溝（17）を有する。このレースと反対側の
リングはボールとの平坦な接触面（18）を有する。スラ
スト玉軸受の外径は軸（７）に及ぼされる応力に充分耐
えるように磁石の中ぐりの内径にほぼ等しい。

考慮されている利用分野に従うと、レースのうちの１
本又は２本のみが溝を有することになる。連結軸が重大
な半径方向力を受ける可能性がある場合、「側方移動」
成分との関係において「トルク」成分を優先させること
が好ましい。この様な状況は特に、連結軸が歯車を介し
て荷重と連動する場合に発生する。この場合好ましく
は、各々のレースが溝を有するような解決法を選択する
ことになる。

これに対して、アクチュエータは、表示針を駆動する
か又は直接内燃機関の空気取込口の調節用フラップの軸
を駆動するようになっている場合、側方移動を可能に
し、角度トルクの補償の結果生じる経時的摩耗を制限す
るべくレースのうち１本のみが１本の溝を有するような
解決法を採用することが好ましい。

図２は、横断面AA′に沿った図を表している。異なる
平面において、巻線（10）の備った固定磁気回路（８）
を表した。

アクチュエータの作動は以下の通りである：すなわ
ち、可動機構（１）は磁石及び磁極の電位が付加される
まで移動する傾向をもつ。

−Ｐを平均半径上で測定した磁極の幅とし、 −Ｅが磁極間隙の寸法つまり磁石が無い状態での固定子
と回転子の鉄製部分の間の距離を示すものとして、 P/Eという比率を考慮すると；このP/E比は、π/Nに等しい一定の与えられた正負符
号の電流での理論上最大の作動角度のかなりの割合の部
分にわたり一定のトルクを供給するアクチュエータを構
成するべく、大きいものとして選択されなくてはならな
い。Ｎ＝１でP/E＝10の場合、110゜を上回る定トルク行
程を構成することができる。実際には、P/Eは４より大
きくなくてはならない。

アクチュエータの部分図を表す図３は、出力軸（７）
上のＡに半径方向応力F1が加わった場合に起ることを示
している。以下では、F1が１つのボール（60）の中心Ｏ
のまわりで回転子（１）を揺動させるということを仮定
する。磁極間隙は、前記ボール（60）の側で縮小し、反
対側で増大する。力F1は、点Ｏにおいて一方ではその溝
（17）からボール（60）を退出させる傾向をもつ力F2＝
F1と他方ではトルクとに分解する。力F2は実際には、ス
ラスト玉軸受の１つのリングをもう１つのリングとの関
係において滑動させるのに充分であることは決してな
い。一方、磁極間隙が最も小さい場所に及ぼされる引力
F3は、直径方向反対側の場所で及ぼされる力F4よりも大
きい。しかしながら、てこOCはてこOBよりもはるかに大
きいころから、F4によるトルクはF3による逆トルクを大
幅に上回る。このような理由から、磁石の近接性を考慮
してできる限り大きいレースを選択するのが有利なので
ある。かくして、てこOBの腕を短縮してこOCの腕を延長
させることから、平衡位置への復帰の現象を最適化する
ことができる。磁気引力F1は外乱力F1よりも一般にはる
かに大きく、てこの腕の規模は同じであることから、回
転子は図３に表されている揺動された位置にとどまるこ
とができず、加わったトルクの合計がゼロとなるように
反力F5が出現し従って、回転子がその通常の安定した位
置にくるまで中心Ｏ′のボール（61）との接触状態まで
復帰する傾向を持つ。従ってここで記述したアクチュエ
ータは、唯一のスラスト玉軸受からなる軸受と共に完全
に機能することができる。外乱力F1があらゆる場合にお
いてちいさいものであり続けるならば、軸受リングの１
つに溝が備っていないアクチュエータを作ることさえ可
能である。

図４は、機械的サポート上へのアクチュエータの固定
を容易にする本発明に従ったアクチュエータの変形実施
態様を表す。連結軸（７）は、前述の例におけるように
固定機構（２）と反対側に延びているのではなく、逆に
固定機構（２）を横断している。この実施態様により、
本発明に従ったアクチュエータの厚みを減少させること
ができる。可動な固定子部分（16）は磁束の充分な通過
を可能にしながら可動機構の慣性を減少させるように
し、円錐形をしている。この変形態様に従ったアクチュ
エータはさらに、サポート上への比較的容易な固定を可
能にする。この固定は、固定子部分（２）の質量の中に
具備された固定用ネジ穴（51）を介して行なわれる。１
つの軸受（52）が軸（７）の側方あそびを制限してい
る。アクチュエータは、成形プラスチック材料又は非磁
性又はごくわずかに磁性のある金属で作られたケース
（53）の中に取り付けられる。止めピン（54）がこのケ
ース（53）との関係において固定した固定部分（２）を
不動状態にしている。側方オリフィス（55）が電機巻線
（10）の給電用電線の通過を可能にする。ケース（53）
のカバー（56）は、回転子（１）の回転角度を制限する
ストッパ（57）を有する。軸（７）上に取り付けられた
スナップリング（58）が軸方向あそびの振幅を制限し、
軸端部上に過度に急激に加えられた力が可動機構又はカ
バーのレベルでの損傷をひき起こさないようにしてい
る。しかしながら、このスナップリングは、固定子部分
（２）との関係において可動機構（６）を軸方向に位置
付けするためのものではない。この位置付けは基本的
に、前述の磁気現象によって確保されている。

図５は、Ｎ＝１の場合つまりアクチュエータが２つの
磁極部分を含む場合に関する、上述の変形態様に従った
アクチュエータの横断面図を表している。この図はさら
に特定的に言うと、固定した固定子部分（２）の磁極部
分の形状ならびにコイル（10）及び（10′）の形状を示
している。２つのコイル（10）及び（10′）はそれぞ
れ、軸（７）の通路を避けながら２つの磁極部分（２）
および（２′）を取囲んでいる。

図６及び図７は、Ｎ＝２つまり４極式の第３の変形態
様を表している。軸方向断面図は、前述の実施態様の軸
方向との関係においてほとんど違いがない。図７は、軸
（７）の中央通路を避けながら固定子部分（２）の４つ
の磁極を取囲む４つのローブからなる巻線（10）と固定
した固定子部分（２）の形状を示している。

当然のことながら、本発明は上述の実施態様に制限さ
れるものではなく、反対に当業者であれば考えられる全
ての変形態様を網羅するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−278008（ＪＰ，Ａ) 特開平３−159558（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−131733（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−148366（ＪＰ，Ａ) 特開平３−215154（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−79968（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−197754（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 5/173 H02K 33/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの励磁コイル（10）により
励磁された高透磁率の材料で作られた第１の固定子磁気
回路で構成された固定機構及び交互の方向に磁化される
磁極を2N対有し軸方向に磁化されたディスク（３）で構
成された可動機構（１）を含む定トルクの単相電磁アク
チュエータにおいて、磁化がほとんど均質であり前記磁
化ディスク（３）が高透磁率の材料で作られた第２の磁
気回路に接着され前記可動機構が連結軸（７）を備えて
いるアクチュエータであって、可動機構（１）は、スラ
スト玉軸受を介して固定機構（２）に対して移動可能で
あり、スラスト玉軸受（11）及び磁化ディスク（３）の
磁気引力は可動機構の連結軸半径方向の移動を許容し、
スラスト玉軸受（11）は固定機構磁極の端部を通る平面
とほぼ同一平面上にあり、及び固定機構と可動機構の間
の結合はさらに、製造上及び／又は連結上の許容誤差に
関連する外乱応力による連結軸の半径方向移動を可能に
するものであることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】磁化ディスク（３）の直径は固定子回路の
磁極の直径とほぼ同一であり、スラスト玉軸受（11）の
断面積以上の断面積の中央くり抜き部を含むことを特徴
とする、請求の範囲第１項に記載の単相電磁アクチュエ
ータ。
【請求項３】連結軸が固定機構を横断することを特徴と
する、請求の範囲第１項又は第２項に記載の単相電磁ア
クチュエータ。
【請求項４】固定した固定子部分（２）を横切って連結
軸（４）の通過オリフィスの外側端部には位置された軸
受が、軸出口上に加わった半径方向応力を吸収すること
を特徴とする、請求の範囲第３項に記載の単相電磁アク
チュエータ。
【請求項５】固定機構（２）は、非磁性材料でできた結
合部品が中に置かれたほぼ円筒形の中ぐりを呈し、この
結合部品はスラスト玉軸受と連動し、固定機構（２）か
らスラスト玉軸受を磁気的に絶縁させていることを特徴
とする、請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項
に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項６】平均半径上で測定された磁極の幅をＰとし
て、P/E比が４を上回ることを特徴とする、請求の範囲
第１項ないし第５項のいずれか１項に記載の電磁アクチ
ュエータ。