JP3635209B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単相構造のクローポール型のアクチュエータのロータ構造に関し、詳しくは安価で且つ組立が容易で、回転反復動作特性が安定したアクチュエータのロータ磁石構造並びに着磁パターンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単相構成のクローポール型構造を用いた回転電機に停止機構を設け、コイルを励磁することによりロータを反復回転動作させるアクチュエータにおいて、ディテントトルクを確保しながら動トルクを大きくし且つ回転動作角度範囲を大きくすることが望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ディテントトルクを確保しながら動トルクを大きくし且つ回転動作角度範囲を大きくするロータ磁石側の技術として、以下の2つの方法が提案されている。
【０００４】
第１の方法は、磁気異方性を有する磁石を用い片極（例えばＮ極のみ）の磁極センタ部に軸方向に沿って溝又はカットを施し、Ｎ極とＳ極間の磁気的バランスを崩して回転動作角度範囲を拡大する方法であり、第２の方法は、円筒型ロータ磁石を軸方向に複数個に分割し磁極を周方向にずらして積層し固定する方法である。
【０００５】
しかしながら、第１の溝又はカット部を付ける技術については溝又はカット部の形状（具体的には溝又はカット部の中心角）の精度を確保するためには多くの工程を要し加工が煩雑となる欠点がある。特に、焼結磁石の場合、焼き上げた後、磁石外周を研磨するためであり、磁石外周に溝又はカット部がある場合には、円筒度が確保できないばかりでなく、溝またはカット部の安定した形状維持が困難となるからである。また、溝またはカット部を機械加工すればコストが上がる欠点がある。
【０００６】
第２の磁石を積層する技術では、複数個の円筒型磁石を同心を取りながら、適切なずれ量を確保しつつ軸方向に積層して固定することは作業自体が大変である。なお且つ着磁後の組立作業となると、分割した磁石同士の反発作用（ずらし量が電気角で20〜60度では磁石同士は反発する状態にセットしなければならないから）により組立作業はさらに困難となり、ずらし量が安定しないという欠点がある。
【０００７】
したがって、この種のアクチュエータを安価に構成するためには、一個の円筒型磁石を用いてロータ磁石を構成することが望まれている。
【０００８】
本発明は、上記の課題にかんがみてなされたもので、単相のクローポール構造のアクチュエータにおいて、ディテントトルクと動トルクが十分確保され、且つ回転動作角度範囲も広い特性を持ち、且つ安価で特性の安定したロータ磁石構造およびロータ磁石の着磁方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、軟磁性材から成る一対のほぼ円形ドーナツ状の平板状ヨークと、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの内周縁端から軸方向へ突出し円周方向に広がりを持って配設された極歯と、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの外周端に嵌る円筒状リングとを設けて構成されているステータヨークと、前記ステータヨークの一対の平板状ヨーク、極歯及び円筒状リングで形成された環状凹状のコイル受け部内にボビンにコイルを巻回して形成したコイルアッシを設置してアーマチュアを構成し、前記アーマチュアの軸方向の両端面に軸受を設けたフランジを有するステータアッセンブリに、永久磁石よりなるロータ磁石を配したロータを前記ステータの極歯と微小間隔で対向させてなる単相構造のクローポール型アクチュエータにおいて、前記ロータのロータ磁石は１個の円筒状であって、Ｎ極またはＳ極、あるいは両磁極のピーク位置を軸方向に段階的に異ならしめ、前記コイルに正逆双方の電流が印加され、該電流印加に応答して前記ロータが停止機構により第１と第２の２つの位置の範囲内を反復動作し、前記コイルへの電流無印加時には前記ロータがディテントトルクによって前記第１または第２のいずれかの位置に保持されてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、ロータ磁石が軸方向で2 つの磁束分布パターンを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記ロータ磁石が磁気異方性であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、Ｎ極とＳ極の軸方向での段階的に異なるピーク位置のずれ量がともに等しいことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、ロータの磁極ピーク位置のずれ量は電気角で20〜60度の範囲内であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、ロータ磁極数Ｈは２であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１７】
先ず、本発明によるアクチュエータの第１の実施の形態を図１で説明する。
【００１８】
図１は本発明によるアクチュエータの展開斜視図で、ロータ磁石が２極の場合を示している。図示したアクチュエータは、平板状ヨーク部２３と極歯２５が一体化された第1 のステータヨーク２と、平板状ヨーク２３と極歯２５と円筒状リング３１が一体化された第２のステータヨーク４とで構成された例である。
【００１９】
アクチュエータ１０は、ロータ１と、アーマチュア９と、前後のフランジ６、７と、軸受５の４つの部分から成り立っている。
【００２０】
まず、ロータ１はＮ極とＳ極の２つの磁極を持つ磁石３０を軸方向で、その磁極ピーク位置が段階的に電気角で４０度（本例では磁極数Ｈ＝２であるので電気角と機械角は等しい）ずらした状態（詳細後述）で磁束が分布するように着磁され、スリーブ２２を介して回転軸２１に対して同心的に固定される。本実施の形態では磁石３０およびスリーブ２２は回転軸２１に対して接着により固定される。
【００２１】
アーマチュア９は、第1のステータヨーク２と、コイルアッシ３と、第２のステータヨーク４から構成されており、第１のステータヨーク２は、本実施の形態ではほぼドーナツ形状の平板状ヨーク２３の内周端から周方向に広がりを有する１個の極歯２５が軸方向に一体的に突出している。具体的には、本実施の形態では極歯２５は、円板状軟磁性鋼板（純鉄または亜鉛メッキ鋼板等）の中心部を軸方向に垂直に抜き起こして形成している。この平板状ヨーク２３には第２のステータヨーク４に対する周方向の位置関係を決めるための位置決め用突起２４が設けられている。
【００２２】
コイルアッシ３は樹脂製ボビン２９（樹脂の材質は例えば、液晶ポリマ）にコイル２８を巻回したものであり、本実施の形態ではボビン２９の鍔部には端子２７を挿入した端子台２６が一体的に樹脂成形されている。なお、この端子台２６は後述する第２のステータヨーク４の切り欠き３５に嵌まり込む構造になっている。
【００２３】
第２のステータヨーク４もほぼ円板形状の平板状ヨーク２３の内周端から周方向に広がりを有する極歯２５が一体的に軸方向に突出している点では第１のステータヨーク２と同じであるが、第２のステータヨーク４はさらに平板状ヨーク２３の外周端に軸方向に極歯２５と平行にリング３１が絞り加工により一体的に付加されている点が異なる。なお、先に述べたように第２のステータヨーク４のリング３１には位置出し用切り欠き３５が設けられ、第1のステータヨーク２の極歯２５と第２のステータヨーク４の極歯２５が電気角で１８０度の位相差を成すように周方向の位置合せと、コイルアッシ３の端子台２６の収納とができるようになっている。
【００２４】
アーマチュア９の内部にロータ１を挿入し、前後フランジ６、７の中心穴３２に軸受５を取付け、この該軸受５で回転自在にロータ１を支持するように組立てる。ワッシャ８はロータ１の磁石３０を極歯２５に対して軸方向に位置合わせし軸方向の遊びを調整するためのものである。
【００２５】
なお、前後フランジ６、７と軸受５との固定並びに前後フランジ６、７と第１、第２ステータヨーク２、４への固定は本実施の形態では接着であるが、機械的カシメ、溶接、樹脂一体モールド等で行ってもよい。また、前後フランジ６、７を樹脂モールドで構成してもよい。
【００２６】
次に本発明の単相のクローポール構造のアクチュエータの動作原理とそのトルク特性について説明する。図２は動作原理を示すための説明図であり、図３、４はトルク特性を示す。図２（ａ）はユニファイラ巻きでバイポーラ駆動例を示し、図（ｂ）はバイファイラ巻きでユニポーラ駆動の例を示しているが、どちらも同様な原理であるので以下図２（ａ）について説明する。
【００２７】
図２（ａ）はステータ部を代表したコイル２８とロータ部を代表したロータ磁石３０を示している。なお、本発明では、ロータ磁石３０のＮ、Ｓ極のピーク位置が軸方向で見るとずれている（後述）が、図２（ａ）ではそれらを等価的に合成したものを代表しているものとして説明する。
【００２８】
コイル２８にはＡ端子から電流Ｉ1 を流す場合とＢ端子から電流Ｉ2を流す場合の２モードがある。先ず電流Ｉ1を流してコイルを励磁すれば、ロータ磁石３０に近いコイル端ＺはＮ極に励磁される。このためロータ磁石３０のＳ極側がコイル２８のＺ端に吸引され、結果として、ＣＷ方向のトルクが働き、ロータ磁石のＳ極がコイル２８のＺ端に対向した状態（図２のロータ磁石の状態から90度ＣＷ方向に回転した状態）で停止する。
【００２９】
一方、電流Ｉ2を流してコイルを励磁すれば、逆に、ロータ磁石３０に近いＺ端
はＳ極に励磁される。このためロータ磁石３０のＮ極がコイル２８のＺ端に吸引され、その結果としてＣＣＷ方向のトルクが働き、ロータ磁石３０のＮ極がコイル２８のＺ端に対向した状態（図２のロータ磁石の状態から９０度ＣＣＷ方向に回転した状態）で停止する。このように、ロータ磁石３０の回転を規制するものがなければ、このアクチュエータは原理的には励磁により180度（±９０度）の反復回転動作をする。
【００３０】
ところが、本発明ではクローポール構造のため、無励磁時のディテントトルクがある。従って、摩擦トルクを無視すれば、合成トルクはディテントトルクと励磁トルク（本発明では定格電流でコイルを励磁した時発生するトルクを「定格トルク」と呼びその最大値をＴrateと表す）のベクトル和となる。これらのトルク関係を表したのが図３、および図４である。図３、および図４は第１の実施の形態の典型的なトルク特性であり、横軸がロータとステータの相対角度差（図では「角度」と表現）を、縦軸がその時のトルク値（図では「トルク」と表現）を示しており、ディテントトルク（但し、正弦波近似とし、最大値をＴｄとした）は定格トルク（正弦波近似とし、最大値をＴrateとした）の半分、即ちＴｄ＝Ｔrate／２のトルク特性例を示している。説明の都合上、正トルクをＣＷ方向、負トルクをＣＣＷ方向として図２のロータ回転方向と対応させている。なお、図３、４の実線は合成トルクカーブ（但し、電流は図２のＩ1方向）、破線は定格トルクカーブ（電流方向は同じくＩ1方向）、一点鎖線はディテントトルクカーブを示している。図４は図３に電流の向きＩ2の場合も重ねて表現されている。図３から、角度θが0 〜180 度（180 〜360 度）であれば、電流Ｉ1による合成トルクは正（負）となり、ＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクを発生し、ロータ磁石はＣＷ（ＣＣＷ）方向に回転しトルクが０となるθ＝180（θ＝180）度の位置で停止する。図４からＩ2電流による合成トルクは、角度θが0〜180度（180〜360度）であれば、負（正）となり、ＣＣＷ（ＣＷ）方向のトルクを発生し、ロータ磁石はＣＣＷ（ＣＷ）方向に回転し、トルクが０となるθ＝0（θ＝360＝0）度の位置で停止する。このことは図２の説明と合致する。
【００３１】
次に本発明の重要な特性であるディテントトルクと反復回転動作範囲と停止機構の関係について説明する。
【００３２】
再度、図４を用いてディテントトルクと反復回転動作範囲と停止機構の関係について説明する。図で仮に、θ1とθ2の位置に停止機構Ｉ、停止機構IIがあり、ロータはこのθ1とθ2の範囲内でのみ反復動作可能な状態にセットされていると仮定すれば、以下の動作をするアクチュエータとなる。
【００３３】
コイル無励磁時ロータがθ3〜θ1（θ2〜θ3）の間にあればディテントトルクは正（負）となるので、ロータはＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクにより停止機構Ｉ（II）のθ1（θ2）位置で止まって保持される。この状態で電流Ｉ2（Ｉ1）を流し続ければ、ロータは正のディテントトルクに打ち勝ってＣＣＷ（ＣＷ）方向のトルクを発生して、停止機構II（停止機構Ｉ）のθ2（θ1）の位置で止まる。もちろん、電流Ｉ2（Ｉ1）による励磁時間が短く、ロータがθ3に到達する前に電流が遮断されれば、ロータは正（負）のディテントトルクによって、初期位置θ1（θ2）に戻ることになる。
【００３４】
電流Ｉ2（Ｉ1）を十分長い時間流し続け、ロータを停止機構II（停止機構Ｉ）のθ2（θ1）で停止した後、励磁を切れば負のディテントトルクによりロータはこの位置に保持され続ける。この状態でさらに、電流Ｉ1（Ｉ2）に切替えれば、ロータは負のディテントトルクに打ち勝って逆に、ＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクを発生して、停止機構Ｉ（停止機構II）のθ1（θ2）の位置に戻って止まる。
【００３５】
このように本発明はコイルの励磁を切替える毎にロータはθ2とθ1の範囲内を反復動作すると同時に、ディテントトルクを利用し、コイル無励磁の時にもある一定方向にロータを作用させておくことができる特徴を持っている。もちろん、先に述べたようにコイル励磁時間を連続的に可変すれば、それに対応してロータの動作時間は連続的に変化する。
【００３６】
この特徴を利用して例えば、バルブの開閉等の駆動に応用すればディテントトルクで常時バルブを閉めておき、気体、流体、光を通すに必要な時間だけコイルを励磁して開き、その後逆励磁してバルブを閉める。その後は、励磁を切って、バルブ閉状態をディテントトルクで保持し続けば、省電力と言う点で非常に好都合である。もちろん、バルブ開放時間はアクチュエータの励磁／逆励磁時間に対応した、バルブ開閉時間で任意に調整することができて好都合である。もちろんバルブの付いている負荷軸（アクチュエータの回転軸２１でもよい）に角度検出器を設け、絶えず角度検出を行いながら、角度指令値にバルブ開閉角を合わせるフィードバック制御を用いてもよい。
【００３７】
さて、本発明の特徴は１個の円筒状ロータ磁石を用いて構成した点である。図５（ａ）に本発明によるアクチュエータのロータ構造を示し、図５（ｂ）にその着磁パターンを示した。
【００３８】
図５（ａ）ではロータ磁石３０は円筒状磁石１個からなる磁極数Ｈが２極のロータ磁石構成であり、外観は通常の円筒型磁石と何等変りはない。しかし、そのロータ磁石３０の磁極表面の磁束（密度）分布は軸方向の位置により、Ｎ、Ｓの磁極のピーク位置が周方向で各々同量（図では電気角で４０度）だけずれている特徴を持っている。以下にその点について詳述する。
【００３９】
図５（ｂ）は図５（ａ）に示したロータ磁石３０の軸方向の代表点としての点Ｐ（ロータ磁石の左端からＬ／４の点。ただしＬはロータ磁石長）と点Ｑ（ロータ磁石の左端から３Ｌ／４の点）でのロータ磁石３０の表面磁束（密度）をガウスメータによって測定した値の分布を上下に並べて示している。点Ｐ、Ｑいずれの場所のおいてもＮ、Ｓの２極分布であり、その最大値は等しくほぼ３０００ガウスを示しているが、磁極のＮ極とＳ極のピーク位置が電気角でε＝40度ずれていることが特徴である。このずれ量εは着磁治具の突極のずらし量αに対応している（詳細については後述する）。なお、ニュートラルの位置については、点Ｐ、Ｑ点ともにいずれも０度、１８０度、３６０度の位置でほぼ同位相となっている。
【００４０】
この効果により、円筒型磁石を軸方向に連結し、各磁石の磁極がずれるように固定した従来例の場合と同様の作用を持たせることができた。その結果、動作範囲とディテントトルクとのバランスの調整ができ、動作範囲が広くかつディテントトルクが大きいアクチュエータを円筒型磁石1 個で実現することができた。また、着磁治具（詳細については後述する）によりずらし量αを一義的に設定できることから、精度良く且つ安定したロータ磁石を製作することができる。
【００４１】
図５では極異方性の焼結型ネオジ磁石の場合で説明したが、本発明の着磁方法（後述）によれば、他の材料、配向、極数の磁石でも同様の効果が得られる。
【００４２】
次に、図５（ｂ）の磁束分布パターンを実現するための着磁治具および着磁方法について説明する。
【００４３】
図６はロータ磁石を着磁するのに用いる着磁治具の一例を示す。着磁治具は、着磁すべきロータ磁石３０（本実施の形態では外形2.3 〜2.7mm 、長さ3.2 〜4.0mm のもの）を入れるための中心穴1003を有する非磁性（本実施の形態ではアルミであるが、樹脂やセラミックでもよい）のリング1000にスリット1004a および1004b と1005a および1005b が形成されており、これらのスリットに厚さが0.5mm の４枚の軟磁性（本実施の形態では珪素鋼板であるが、純鉄や炭素鋼でもよい）の突極1001a および1001b と、1002a および1002b はそれぞれ機械角で180 度を成すように配置されている。また、突極1001a と1002a は電気角でα度（図ではロータ磁極数Ｈ＝２の場合であり、電気角と機械角が等しく40度である）を成すように配置されている。突極1001b と1002b の関係も同様である。突極1001a と1002a は電気角でα度をなすように設定されているが、この設定が着磁した際の磁極のピークのずれ量（図５（ｂ）におけるε）に相当することはすでに説明したとおりである。従って、ロータ磁石３０の磁極のピークのずれ量εは着磁治具のリングに取付ける突極の成す角α（図６参照）により調整することが可能である。
【００４４】
着磁されるロータ磁石３０は、図６に示すように、突極1001a 側（図５（ｂ）の上側の波形に対応）と1002a 側（図５（ｂ）の下側の波形に対応）の影響を等しく受けるように、軸方向位置関係を適切に合わせてリング1000の中心穴1003内にセットされることが好ましい。なお、ロータ磁石との磁気的結合関係において、図１に示す第１のステータヨーク２の極歯２５と第２のステータヨーク４の極歯２５との間にアンバランスがある場合（例えば、第１のステータヨーク２の極歯２５の形状と第２のステータヨーク４の極歯２５の形状が異なっている）には、むしろ突極1001a 側と1002a 側の影響を均等に受けないように敢えてアンバランスになるように軸方向位置関係をセンタからずらすことも有効である。なお、図６に示した着磁治具はロータ磁石３０磁束密度のピークが軸方向で2 段階にずれるようにしたものであるが、リング1000に軸方向に更なる突極対を付加する（図示せず）ことにより、３段階以上にもずらすことは可能である。勿論、突極1001a 、1001b の形状を工夫することにより、ピークが連続的にずれるようにいわゆるスキュー着磁化も可能である。なお、この際、突極1001a と1002a(突極1001b と1002b の関係についても同様に）は段階的にずらすようにすることは当然である。
【００４５】
さらに、図６に示すようにロータ磁石３０を着磁治具にセットした後、図７に示すようにソレノイドコイル（着磁コイル）４０内に固定してこのソレノイドコイルに着磁電流を流せばロータ磁石３０は図５（ｂ）のように簡単に着磁できる。なお、ソレノイドコイル４０には矢印Ｍの向きに磁界が発生するので、突極1001a と1002a の向きは磁界の向き（本実施の形態では鉛直方向）に対して、各々α／２度成すようにセットすることが好ましい。なお、ロータ磁石３０の高さ方向の位置Ｘ1はソレノイドコイルの高さ寸法Ｘに対して、Ｘ1＝Ｘ／２（センタに位置すること）が好ましく、着磁治具の高さ寸法Ｘ2はソレノイドコイル４０の高さＸに対して十分短い（本実施の形態ではＸ2＝Ｘ／３）ことが望ましい。
【００４６】
図８は、図５（ａ）に示したロータ１を用いた別の実施の形態についてＰ点での表面磁束密度分布を上段に，Ｑ点での表面磁束密度分布を下段に示す。図８からわかるように、Ｎ、Ｓ各磁極のピーク値は各々3000ガウス程度で、図５（ｂ）とほぼ同じである。しかし、Ｎ極側のピーク値の位置はＰ点とＱ点でε1 ＝４０度ずれているが、Ｓ極側のピーク値の位置はずれていない（ε2＝０度）点が図５（ｂ）とは異なる。このように一方の磁極のピーク値のみずらことも可能である。
【００４７】
図８のような磁束密度分布を作るには、例えば、図９に示すような着磁治具を作って、図７に示すように着磁すればよい。図９において、図６と同一の構成部分には同一の参照番号が付して、その詳細説明は省略した。図９に示した着磁治具の特徴は、図８の上側の磁束密度分布を形成する突極1001a と1001b が180 度の位置関係ではなく、α／２度の角度を成していることと、下の磁束密度分布を形成する突極1002a と1002b についても同様な位置関係（180 度を成してない）を有すること、さらに、突極1001b と1002b が一体で角度差０度であることである。突極1001a と突極1002a の成す角度はもちろんα度であり、着磁したとき、この角度分αだけＮ極のピーク位置がずれる（図８参照）ようにしてある。
【００４８】
Ｎ、Ｓの両極について均等にずらす（図５（ｂ）参照）か、それとも両極についてずらすことはずらすがそのずらし量を各々変えるのか、あるいは一方の磁極に対してのみずらす（図８参照）のかは磁気回路の磁気バランスにより決定することは当然である。
【００４９】
このような着磁治具／方法を取ることによって、たとえ、高性能の極異方性の円筒状磁石を用いた構成においても、ディテントトルクと励磁トルクのバランスをとり、その結果として、従来の軸方向に複数個の磁石を連結し且つ、隣接する磁石の磁極を周方向でずらした場合や、磁極の片極のピークに溝又はカットを施した場合と同様な効果を持たせることができた。
【００５０】
最後に、図５（ｂ）で示したロータ磁石の磁極数Ｈが２の磁極のピーク位置のずれ量εについて説明する。
【００５１】
ロータ磁石の磁極ピーク位置の周方向のずらし量（電気角換算でε（度））を変えながら、アクチュエータの動作を測定した結果を図１０に示した。図１０の横軸は磁極ピーク位置のずれ量ε（電気角）であり、縦軸は回転動作角度範囲を示したものである。図１０から、ずらし量εは20〜60( 度）であれば、回転動作角度範囲が９０度以上あり、Ｈ＝２での理論最大回転動作範囲（１８０度であり、詳細については図２、３の説明参照）の半分以上確保できるため、本発明のアクチュエータの目的には有効であるといえる。なお、εがあまり小さい（20度以下）と、ディテントトルクが十分低下しないために、回転動作範囲が取れない不具合がある。特に、ε＝０（ずらし量無）ではディテントトルクが著しく増大して、充分な回転動作しないことはすでに述べた通りである。一方、ずれ量εが大き過ぎ（６０度以上）ても、ディテントトルクが大きくなり、同様に回転動作範囲がとれない不具合がある。厳密には、使用する磁石の材質や異方特性にもよるが、焼結Ｎｄの極異方性を持った磁石においては、特に、上記の傾向が著しかった。
【００５２】
また、ロータ磁石の磁気的なずらしが、軸方向で段階的に２箇所以上ある場合においても、各々の磁石間の磁極ピークのずらし量ε（度）が電気角で20から60（度）を超えない範囲でずらすことが好ましい。
【００５３】
上記実施の形態ではロータ磁石の磁極数Ｈが２の場合に限って説明してきたが、本発明はそれに限定されるわけではない。なお、ロータ磁石の磁極数Ｈ（個）の場合の電気角θe（度）と機械角θm(度）の関係は、θm＝２θe／Ｈ（度）であることは周知の事実である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、安価な単相のクローポール構造を有するアーマチュア構造で、加工が安価な円筒型ロータ磁石１個を用いて、ロータ磁石を構成することができるので、簡単に製造できる利点がある。また、磁気的なずらしが着磁治具で一義的にできるので、精度よく安定した特性を得ることができる効果がある。
【００５５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクチュエータの展開斜視図である。
【図２】本発明によるアクチュエータの動作原理を説明する図であり、（ａ）はユニファイラ巻きでバイポーラ駆動の例を示し、（ｂ）はバイファイラ巻きでユニポーラ駆動の例を示す。
【図３】本発明によるアクチュエータのトルク特性を示す図である。
【図４】本発明によるアクチュエータのトルク特性を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明によるアクチュエータの実施の形態に用いられる円筒状ロータ磁石のロータ構造を示す斜視図、（ｂ）は同ロータ磁石の着磁パターンを示すグラフである。
【図６】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石の着磁パターンを実現する着磁治具の斜視図である。
【図７】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石を着磁させる方法を説明する図である。
【図８】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石に作られた表面磁束密度分布を示す図である。
【図９】図８に示す表面磁束密度分布を形成するための着磁治具の斜視図である。
【図１０】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石の磁極ピーク位置を周方向にずらしたときのアクチュエータの回転動作と角度範囲の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ロータ
２ 第１のステータヨーク
３ コイルアッシ
４ 第２のステータヨーク
５ 軸受
６ 前フランジ
７ 後フランジ
８ ワッシャ
９ アーマチュア
１０ アクチュエータ
２０ 取付穴
２１ 回転軸
２２ スリーブ
２３ 平板状ヨーク
２４ 位置決め用突起
２５ 極歯
２６ 端子台
２７ 端子
２８ コイル
２９ ボビン
３０ ロータ磁石
３１ リング
３２ 中心穴
３５ 切り欠き
４０ ソレノイドコイル
１０００ リング
１００１ａ 突極
１００１ｂ 突極
１００２ａ 突極
１００２ｂ 突極
１００３ 中心穴
１００４ａ スリット
１００４ｂ スリット
１００５ａ スリット
１００５ｂ スリット
【発明の属する技術分野】
本発明は、単相構造のクローポール型のアクチュエータのロータ構造に関し、詳しくは安価で且つ組立が容易で、回転反復動作特性が安定したアクチュエータのロータ磁石構造並びに着磁パターンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単相構成のクローポール型構造を用いた回転電機に停止機構を設け、コイルを励磁することによりロータを反復回転動作させるアクチュエータにおいて、ディテントトルクを確保しながら動トルクを大きくし且つ回転動作角度範囲を大きくすることが望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ディテントトルクを確保しながら動トルクを大きくし且つ回転動作角度範囲を大きくするロータ磁石側の技術として、以下の2つの方法が提案されている。
【０００４】
第１の方法は、磁気異方性を有する磁石を用い片極（例えばＮ極のみ）の磁極センタ部に軸方向に沿って溝又はカットを施し、Ｎ極とＳ極間の磁気的バランスを崩して回転動作角度範囲を拡大する方法であり、第２の方法は、円筒型ロータ磁石を軸方向に複数個に分割し磁極を周方向にずらして積層し固定する方法である。
【０００５】
しかしながら、第１の溝又はカット部を付ける技術については溝又はカット部の形状（具体的には溝又はカット部の中心角）の精度を確保するためには多くの工程を要し加工が煩雑となる欠点がある。特に、焼結磁石の場合、焼き上げた後、磁石外周を研磨するためであり、磁石外周に溝又はカット部がある場合には、円筒度が確保できないばかりでなく、溝またはカット部の安定した形状維持が困難となるからである。また、溝またはカット部を機械加工すればコストが上がる欠点がある。
【０００６】
第２の磁石を積層する技術では、複数個の円筒型磁石を同心を取りながら、適切なずれ量を確保しつつ軸方向に積層して固定することは作業自体が大変である。なお且つ着磁後の組立作業となると、分割した磁石同士の反発作用（ずらし量が電気角で20〜60度では磁石同士は反発する状態にセットしなければならないから）により組立作業はさらに困難となり、ずらし量が安定しないという欠点がある。
【０００７】
したがって、この種のアクチュエータを安価に構成するためには、一個の円筒型磁石を用いてロータ磁石を構成することが望まれている。
【０００８】
本発明は、上記の課題にかんがみてなされたもので、単相のクローポール構造のアクチュエータにおいて、ディテントトルクと動トルクが十分確保され、且つ回転動作角度範囲も広い特性を持ち、且つ安価で特性の安定したロータ磁石構造およびロータ磁石の着磁方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、軟磁性材から成る一対のほぼ円形ドーナツ状の平板状ヨークと、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの内周縁端から軸方向へ突出し円周方向に広がりを持って配設された極歯と、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの外周端に嵌る円筒状リングとを設けて構成されているステータヨークと、前記ステータヨークの一対の平板状ヨーク、極歯及び円筒状リングで形成された環状凹状のコイル受け部内にボビンにコイルを巻回して形成したコイルアッシを設置してアーマチュアを構成し、前記アーマチュアの軸方向の両端面に軸受を設けたフランジを有するステータアッセンブリに、永久磁石よりなるロータ磁石を配したロータを前記ステータの極歯と微小間隔で対向させてなる単相構造のクローポール型アクチュエータにおいて、前記ロータのロータ磁石は１個の円筒状であって、Ｎ極またはＳ極、あるいは両磁極のピーク位置を軸方向に段階的に異ならしめ、前記コイルに正逆双方の電流が印加され、該電流印加に応答して前記ロータが停止機構により第１と第２の２つの位置の範囲内を反復動作し、前記コイルへの電流無印加時には前記ロータがディテントトルクによって前記第１または第２のいずれかの位置に保持されてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、ロータ磁石が軸方向で2 つの磁束分布パターンを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記ロータ磁石が磁気異方性であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、Ｎ極とＳ極の軸方向での段階的に異なるピーク位置のずれ量がともに等しいことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、ロータの磁極ピーク位置のずれ量は電気角で20〜60度の範囲内であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、ロータ磁極数Ｈは２であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１７】
先ず、本発明によるアクチュエータの第１の実施の形態を図１で説明する。
【００１８】
図１は本発明によるアクチュエータの展開斜視図で、ロータ磁石が２極の場合を示している。図示したアクチュエータは、平板状ヨーク部２３と極歯２５が一体化された第1 のステータヨーク２と、平板状ヨーク２３と極歯２５と円筒状リング３１が一体化された第２のステータヨーク４とで構成された例である。
【００１９】
アクチュエータ１０は、ロータ１と、アーマチュア９と、前後のフランジ６、７と、軸受５の４つの部分から成り立っている。
【００２０】
まず、ロータ１はＮ極とＳ極の２つの磁極を持つ磁石３０を軸方向で、その磁極ピーク位置が段階的に電気角で４０度（本例では磁極数Ｈ＝２であるので電気角と機械角は等しい）ずらした状態（詳細後述）で磁束が分布するように着磁され、スリーブ２２を介して回転軸２１に対して同心的に固定される。本実施の形態では磁石３０およびスリーブ２２は回転軸２１に対して接着により固定される。
【００２１】
アーマチュア９は、第1のステータヨーク２と、コイルアッシ３と、第２のステータヨーク４から構成されており、第１のステータヨーク２は、本実施の形態ではほぼドーナツ形状の平板状ヨーク２３の内周端から周方向に広がりを有する１個の極歯２５が軸方向に一体的に突出している。具体的には、本実施の形態では極歯２５は、円板状軟磁性鋼板（純鉄または亜鉛メッキ鋼板等）の中心部を軸方向に垂直に抜き起こして形成している。この平板状ヨーク２３には第２のステータヨーク４に対する周方向の位置関係を決めるための位置決め用突起２４が設けられている。
【００２２】
コイルアッシ３は樹脂製ボビン２９（樹脂の材質は例えば、液晶ポリマ）にコイル２８を巻回したものであり、本実施の形態ではボビン２９の鍔部には端子２７を挿入した端子台２６が一体的に樹脂成形されている。なお、この端子台２６は後述する第２のステータヨーク４の切り欠き３５に嵌まり込む構造になっている。
【００２３】
第２のステータヨーク４もほぼ円板形状の平板状ヨーク２３の内周端から周方向に広がりを有する極歯２５が一体的に軸方向に突出している点では第１のステータヨーク２と同じであるが、第２のステータヨーク４はさらに平板状ヨーク２３の外周端に軸方向に極歯２５と平行にリング３１が絞り加工により一体的に付加されている点が異なる。なお、先に述べたように第２のステータヨーク４のリング３１には位置出し用切り欠き３５が設けられ、第1のステータヨーク２の極歯２５と第２のステータヨーク４の極歯２５が電気角で１８０度の位相差を成すように周方向の位置合せと、コイルアッシ３の端子台２６の収納とができるようになっている。
【００２４】
アーマチュア９の内部にロータ１を挿入し、前後フランジ６、７の中心穴３２に軸受５を取付け、この該軸受５で回転自在にロータ１を支持するように組立てる。ワッシャ８はロータ１の磁石３０を極歯２５に対して軸方向に位置合わせし軸方向の遊びを調整するためのものである。
【００２５】
なお、前後フランジ６、７と軸受５との固定並びに前後フランジ６、７と第１、第２ステータヨーク２、４への固定は本実施の形態では接着であるが、機械的カシメ、溶接、樹脂一体モールド等で行ってもよい。また、前後フランジ６、７を樹脂モールドで構成してもよい。
【００２６】
次に本発明の単相のクローポール構造のアクチュエータの動作原理とそのトルク特性について説明する。図２は動作原理を示すための説明図であり、図３、４はトルク特性を示す。図２（ａ）はユニファイラ巻きでバイポーラ駆動例を示し、図（ｂ）はバイファイラ巻きでユニポーラ駆動の例を示しているが、どちらも同様な原理であるので以下図２（ａ）について説明する。
【００２７】
図２（ａ）はステータ部を代表したコイル２８とロータ部を代表したロータ磁石３０を示している。なお、本発明では、ロータ磁石３０のＮ、Ｓ極のピーク位置が軸方向で見るとずれている（後述）が、図２（ａ）ではそれらを等価的に合成したものを代表しているものとして説明する。
【００２８】
コイル２８にはＡ端子から電流Ｉ1 を流す場合とＢ端子から電流Ｉ2を流す場合の２モードがある。先ず電流Ｉ1を流してコイルを励磁すれば、ロータ磁石３０に近いコイル端ＺはＮ極に励磁される。このためロータ磁石３０のＳ極側がコイル２８のＺ端に吸引され、結果として、ＣＷ方向のトルクが働き、ロータ磁石のＳ極がコイル２８のＺ端に対向した状態（図２のロータ磁石の状態から90度ＣＷ方向に回転した状態）で停止する。
【００２９】
一方、電流Ｉ2を流してコイルを励磁すれば、逆に、ロータ磁石３０に近いＺ端
はＳ極に励磁される。このためロータ磁石３０のＮ極がコイル２８のＺ端に吸引され、その結果としてＣＣＷ方向のトルクが働き、ロータ磁石３０のＮ極がコイル２８のＺ端に対向した状態（図２のロータ磁石の状態から９０度ＣＣＷ方向に回転した状態）で停止する。このように、ロータ磁石３０の回転を規制するものがなければ、このアクチュエータは原理的には励磁により180度（±９０度）の反復回転動作をする。
【００３０】
ところが、本発明ではクローポール構造のため、無励磁時のディテントトルクがある。従って、摩擦トルクを無視すれば、合成トルクはディテントトルクと励磁トルク（本発明では定格電流でコイルを励磁した時発生するトルクを「定格トルク」と呼びその最大値をＴrateと表す）のベクトル和となる。これらのトルク関係を表したのが図３、および図４である。図３、および図４は第１の実施の形態の典型的なトルク特性であり、横軸がロータとステータの相対角度差（図では「角度」と表現）を、縦軸がその時のトルク値（図では「トルク」と表現）を示しており、ディテントトルク（但し、正弦波近似とし、最大値をＴｄとした）は定格トルク（正弦波近似とし、最大値をＴrateとした）の半分、即ちＴｄ＝Ｔrate／２のトルク特性例を示している。説明の都合上、正トルクをＣＷ方向、負トルクをＣＣＷ方向として図２のロータ回転方向と対応させている。なお、図３、４の実線は合成トルクカーブ（但し、電流は図２のＩ1方向）、破線は定格トルクカーブ（電流方向は同じくＩ1方向）、一点鎖線はディテントトルクカーブを示している。図４は図３に電流の向きＩ2の場合も重ねて表現されている。図３から、角度θが0 〜180 度（180 〜360 度）であれば、電流Ｉ1による合成トルクは正（負）となり、ＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクを発生し、ロータ磁石はＣＷ（ＣＣＷ）方向に回転しトルクが０となるθ＝180（θ＝180）度の位置で停止する。図４からＩ2電流による合成トルクは、角度θが0〜180度（180〜360度）であれば、負（正）となり、ＣＣＷ（ＣＷ）方向のトルクを発生し、ロータ磁石はＣＣＷ（ＣＷ）方向に回転し、トルクが０となるθ＝0（θ＝360＝0）度の位置で停止する。このことは図２の説明と合致する。
【００３１】
次に本発明の重要な特性であるディテントトルクと反復回転動作範囲と停止機構の関係について説明する。
【００３２】
再度、図４を用いてディテントトルクと反復回転動作範囲と停止機構の関係について説明する。図で仮に、θ1とθ2の位置に停止機構Ｉ、停止機構IIがあり、ロータはこのθ1とθ2の範囲内でのみ反復動作可能な状態にセットされていると仮定すれば、以下の動作をするアクチュエータとなる。
【００３３】
コイル無励磁時ロータがθ3〜θ1（θ2〜θ3）の間にあればディテントトルクは正（負）となるので、ロータはＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクにより停止機構Ｉ（II）のθ1（θ2）位置で止まって保持される。この状態で電流Ｉ2（Ｉ1）を流し続ければ、ロータは正のディテントトルクに打ち勝ってＣＣＷ（ＣＷ）方向のトルクを発生して、停止機構II（停止機構Ｉ）のθ2（θ1）の位置で止まる。もちろん、電流Ｉ2（Ｉ1）による励磁時間が短く、ロータがθ3に到達する前に電流が遮断されれば、ロータは正（負）のディテントトルクによって、初期位置θ1（θ2）に戻ることになる。
【００３４】
電流Ｉ2（Ｉ1）を十分長い時間流し続け、ロータを停止機構II（停止機構Ｉ）のθ2（θ1）で停止した後、励磁を切れば負のディテントトルクによりロータはこの位置に保持され続ける。この状態でさらに、電流Ｉ1（Ｉ2）に切替えれば、ロータは負のディテントトルクに打ち勝って逆に、ＣＷ（ＣＣＷ）方向のトルクを発生して、停止機構Ｉ（停止機構II）のθ1（θ2）の位置に戻って止まる。
【００３５】
このように本発明はコイルの励磁を切替える毎にロータはθ2とθ1の範囲内を反復動作すると同時に、ディテントトルクを利用し、コイル無励磁の時にもある一定方向にロータを作用させておくことができる特徴を持っている。もちろん、先に述べたようにコイル励磁時間を連続的に可変すれば、それに対応してロータの動作時間は連続的に変化する。
【００３６】
この特徴を利用して例えば、バルブの開閉等の駆動に応用すればディテントトルクで常時バルブを閉めておき、気体、流体、光を通すに必要な時間だけコイルを励磁して開き、その後逆励磁してバルブを閉める。その後は、励磁を切って、バルブ閉状態をディテントトルクで保持し続けば、省電力と言う点で非常に好都合である。もちろん、バルブ開放時間はアクチュエータの励磁／逆励磁時間に対応した、バルブ開閉時間で任意に調整することができて好都合である。もちろんバルブの付いている負荷軸（アクチュエータの回転軸２１でもよい）に角度検出器を設け、絶えず角度検出を行いながら、角度指令値にバルブ開閉角を合わせるフィードバック制御を用いてもよい。
【００３７】
さて、本発明の特徴は１個の円筒状ロータ磁石を用いて構成した点である。図５（ａ）に本発明によるアクチュエータのロータ構造を示し、図５（ｂ）にその着磁パターンを示した。
【００３８】
図５（ａ）ではロータ磁石３０は円筒状磁石１個からなる磁極数Ｈが２極のロータ磁石構成であり、外観は通常の円筒型磁石と何等変りはない。しかし、そのロータ磁石３０の磁極表面の磁束（密度）分布は軸方向の位置により、Ｎ、Ｓの磁極のピーク位置が周方向で各々同量（図では電気角で４０度）だけずれている特徴を持っている。以下にその点について詳述する。
【００３９】
図５（ｂ）は図５（ａ）に示したロータ磁石３０の軸方向の代表点としての点Ｐ（ロータ磁石の左端からＬ／４の点。ただしＬはロータ磁石長）と点Ｑ（ロータ磁石の左端から３Ｌ／４の点）でのロータ磁石３０の表面磁束（密度）をガウスメータによって測定した値の分布を上下に並べて示している。点Ｐ、Ｑいずれの場所のおいてもＮ、Ｓの２極分布であり、その最大値は等しくほぼ３０００ガウスを示しているが、磁極のＮ極とＳ極のピーク位置が電気角でε＝40度ずれていることが特徴である。このずれ量εは着磁治具の突極のずらし量αに対応している（詳細については後述する）。なお、ニュートラルの位置については、点Ｐ、Ｑ点ともにいずれも０度、１８０度、３６０度の位置でほぼ同位相となっている。
【００４０】
この効果により、円筒型磁石を軸方向に連結し、各磁石の磁極がずれるように固定した従来例の場合と同様の作用を持たせることができた。その結果、動作範囲とディテントトルクとのバランスの調整ができ、動作範囲が広くかつディテントトルクが大きいアクチュエータを円筒型磁石1 個で実現することができた。また、着磁治具（詳細については後述する）によりずらし量αを一義的に設定できることから、精度良く且つ安定したロータ磁石を製作することができる。
【００４１】
図５では極異方性の焼結型ネオジ磁石の場合で説明したが、本発明の着磁方法（後述）によれば、他の材料、配向、極数の磁石でも同様の効果が得られる。
【００４２】
次に、図５（ｂ）の磁束分布パターンを実現するための着磁治具および着磁方法について説明する。
【００４３】
図６はロータ磁石を着磁するのに用いる着磁治具の一例を示す。着磁治具は、着磁すべきロータ磁石３０（本実施の形態では外形2.3 〜2.7mm 、長さ3.2 〜4.0mm のもの）を入れるための中心穴1003を有する非磁性（本実施の形態ではアルミであるが、樹脂やセラミックでもよい）のリング1000にスリット1004a および1004b と1005a および1005b が形成されており、これらのスリットに厚さが0.5mm の４枚の軟磁性（本実施の形態では珪素鋼板であるが、純鉄や炭素鋼でもよい）の突極1001a および1001b と、1002a および1002b はそれぞれ機械角で180 度を成すように配置されている。また、突極1001a と1002a は電気角でα度（図ではロータ磁極数Ｈ＝２の場合であり、電気角と機械角が等しく40度である）を成すように配置されている。突極1001b と1002b の関係も同様である。突極1001a と1002a は電気角でα度をなすように設定されているが、この設定が着磁した際の磁極のピークのずれ量（図５（ｂ）におけるε）に相当することはすでに説明したとおりである。従って、ロータ磁石３０の磁極のピークのずれ量εは着磁治具のリングに取付ける突極の成す角α（図６参照）により調整することが可能である。
【００４４】
着磁されるロータ磁石３０は、図６に示すように、突極1001a 側（図５（ｂ）の上側の波形に対応）と1002a 側（図５（ｂ）の下側の波形に対応）の影響を等しく受けるように、軸方向位置関係を適切に合わせてリング1000の中心穴1003内にセットされることが好ましい。なお、ロータ磁石との磁気的結合関係において、図１に示す第１のステータヨーク２の極歯２５と第２のステータヨーク４の極歯２５との間にアンバランスがある場合（例えば、第１のステータヨーク２の極歯２５の形状と第２のステータヨーク４の極歯２５の形状が異なっている）には、むしろ突極1001a 側と1002a 側の影響を均等に受けないように敢えてアンバランスになるように軸方向位置関係をセンタからずらすことも有効である。なお、図６に示した着磁治具はロータ磁石３０磁束密度のピークが軸方向で2 段階にずれるようにしたものであるが、リング1000に軸方向に更なる突極対を付加する（図示せず）ことにより、３段階以上にもずらすことは可能である。勿論、突極1001a 、1001b の形状を工夫することにより、ピークが連続的にずれるようにいわゆるスキュー着磁化も可能である。なお、この際、突極1001a と1002a(突極1001b と1002b の関係についても同様に）は段階的にずらすようにすることは当然である。
【００４５】
さらに、図６に示すようにロータ磁石３０を着磁治具にセットした後、図７に示すようにソレノイドコイル（着磁コイル）４０内に固定してこのソレノイドコイルに着磁電流を流せばロータ磁石３０は図５（ｂ）のように簡単に着磁できる。なお、ソレノイドコイル４０には矢印Ｍの向きに磁界が発生するので、突極1001a と1002a の向きは磁界の向き（本実施の形態では鉛直方向）に対して、各々α／２度成すようにセットすることが好ましい。なお、ロータ磁石３０の高さ方向の位置Ｘ1はソレノイドコイルの高さ寸法Ｘに対して、Ｘ1＝Ｘ／２（センタに位置すること）が好ましく、着磁治具の高さ寸法Ｘ2はソレノイドコイル４０の高さＸに対して十分短い（本実施の形態ではＸ2＝Ｘ／３）ことが望ましい。
【００４６】
図８は、図５（ａ）に示したロータ１を用いた別の実施の形態についてＰ点での表面磁束密度分布を上段に，Ｑ点での表面磁束密度分布を下段に示す。図８からわかるように、Ｎ、Ｓ各磁極のピーク値は各々3000ガウス程度で、図５（ｂ）とほぼ同じである。しかし、Ｎ極側のピーク値の位置はＰ点とＱ点でε1 ＝４０度ずれているが、Ｓ極側のピーク値の位置はずれていない（ε2＝０度）点が図５（ｂ）とは異なる。このように一方の磁極のピーク値のみずらことも可能である。
【００４７】
図８のような磁束密度分布を作るには、例えば、図９に示すような着磁治具を作って、図７に示すように着磁すればよい。図９において、図６と同一の構成部分には同一の参照番号が付して、その詳細説明は省略した。図９に示した着磁治具の特徴は、図８の上側の磁束密度分布を形成する突極1001a と1001b が180 度の位置関係ではなく、α／２度の角度を成していることと、下の磁束密度分布を形成する突極1002a と1002b についても同様な位置関係（180 度を成してない）を有すること、さらに、突極1001b と1002b が一体で角度差０度であることである。突極1001a と突極1002a の成す角度はもちろんα度であり、着磁したとき、この角度分αだけＮ極のピーク位置がずれる（図８参照）ようにしてある。
【００４８】
Ｎ、Ｓの両極について均等にずらす（図５（ｂ）参照）か、それとも両極についてずらすことはずらすがそのずらし量を各々変えるのか、あるいは一方の磁極に対してのみずらす（図８参照）のかは磁気回路の磁気バランスにより決定することは当然である。
【００４９】
このような着磁治具／方法を取ることによって、たとえ、高性能の極異方性の円筒状磁石を用いた構成においても、ディテントトルクと励磁トルクのバランスをとり、その結果として、従来の軸方向に複数個の磁石を連結し且つ、隣接する磁石の磁極を周方向でずらした場合や、磁極の片極のピークに溝又はカットを施した場合と同様な効果を持たせることができた。
【００５０】
最後に、図５（ｂ）で示したロータ磁石の磁極数Ｈが２の磁極のピーク位置のずれ量εについて説明する。
【００５１】
ロータ磁石の磁極ピーク位置の周方向のずらし量（電気角換算でε（度））を変えながら、アクチュエータの動作を測定した結果を図１０に示した。図１０の横軸は磁極ピーク位置のずれ量ε（電気角）であり、縦軸は回転動作角度範囲を示したものである。図１０から、ずらし量εは20〜60( 度）であれば、回転動作角度範囲が９０度以上あり、Ｈ＝２での理論最大回転動作範囲（１８０度であり、詳細については図２、３の説明参照）の半分以上確保できるため、本発明のアクチュエータの目的には有効であるといえる。なお、εがあまり小さい（20度以下）と、ディテントトルクが十分低下しないために、回転動作範囲が取れない不具合がある。特に、ε＝０（ずらし量無）ではディテントトルクが著しく増大して、充分な回転動作しないことはすでに述べた通りである。一方、ずれ量εが大き過ぎ（６０度以上）ても、ディテントトルクが大きくなり、同様に回転動作範囲がとれない不具合がある。厳密には、使用する磁石の材質や異方特性にもよるが、焼結Ｎｄの極異方性を持った磁石においては、特に、上記の傾向が著しかった。
【００５２】
また、ロータ磁石の磁気的なずらしが、軸方向で段階的に２箇所以上ある場合においても、各々の磁石間の磁極ピークのずらし量ε（度）が電気角で20から60（度）を超えない範囲でずらすことが好ましい。
【００５３】
上記実施の形態ではロータ磁石の磁極数Ｈが２の場合に限って説明してきたが、本発明はそれに限定されるわけではない。なお、ロータ磁石の磁極数Ｈ（個）の場合の電気角θe（度）と機械角θm(度）の関係は、θm＝２θe／Ｈ（度）であることは周知の事実である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、安価な単相のクローポール構造を有するアーマチュア構造で、加工が安価な円筒型ロータ磁石１個を用いて、ロータ磁石を構成することができるので、簡単に製造できる利点がある。また、磁気的なずらしが着磁治具で一義的にできるので、精度よく安定した特性を得ることができる効果がある。
【００５５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクチュエータの展開斜視図である。
【図２】本発明によるアクチュエータの動作原理を説明する図であり、（ａ）はユニファイラ巻きでバイポーラ駆動の例を示し、（ｂ）はバイファイラ巻きでユニポーラ駆動の例を示す。
【図３】本発明によるアクチュエータのトルク特性を示す図である。
【図４】本発明によるアクチュエータのトルク特性を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明によるアクチュエータの実施の形態に用いられる円筒状ロータ磁石のロータ構造を示す斜視図、（ｂ）は同ロータ磁石の着磁パターンを示すグラフである。
【図６】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石の着磁パターンを実現する着磁治具の斜視図である。
【図７】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石を着磁させる方法を説明する図である。
【図８】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石に作られた表面磁束密度分布を示す図である。
【図９】図８に示す表面磁束密度分布を形成するための着磁治具の斜視図である。
【図１０】本発明によるアクチュエータに用いられるロータ磁石の磁極ピーク位置を周方向にずらしたときのアクチュエータの回転動作と角度範囲の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ロータ
２ 第１のステータヨーク
３ コイルアッシ
４ 第２のステータヨーク
５ 軸受
６ 前フランジ
７ 後フランジ
８ ワッシャ
９ アーマチュア
１０ アクチュエータ
２０ 取付穴
２１ 回転軸
２２ スリーブ
２３ 平板状ヨーク
２４ 位置決め用突起
２５ 極歯
２６ 端子台
２７ 端子
２８ コイル
２９ ボビン
３０ ロータ磁石
３１ リング
３２ 中心穴
３５ 切り欠き
４０ ソレノイドコイル
１０００ リング
１００１ａ 突極
１００１ｂ 突極
１００２ａ 突極
１００２ｂ 突極
１００３ 中心穴
１００４ａ スリット
１００４ｂ スリット
１００５ａ スリット
１００５ｂ スリット
Claims (6)
- 軟磁性材から成る一対のほぼ円形ドーナツ状の平板状ヨークと、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの内周縁端から軸方向へ突出し円周方向に広がりを持って配設された極歯と、前記一対の平板状ヨークのそれぞれの外周端に嵌る円筒状リングとを設けて構成されているステータヨークと、前記ステータヨークの一対の平板状ヨーク、極歯及び円筒状リングで形成された環状凹状のコイル受け部内にボビンにコイルを巻回して形成したコイルアッシを設置してアーマチュアを構成し、前記アーマチュアの軸方向の両端面に軸受を設けたフランジを有するステータアッセンブリに、永久磁石よりなるロータ磁石を配したロータを前記ステータの極歯と微小間隔で対向させてなる単相構造のクローポール型アクチュエータにおいて、
前記ロータのロータ磁石は１個の円筒状であって、Ｎ極またはＳ極、あるいは両磁極のピーク位置を軸方向に段階的に異ならしめ、
前記コイルに正逆双方の電流が印加され、該電流印加に応答して前記ロータが停止機構により第１と第２の２つの位置の範囲内を反復動作し、前記コイルへの電流無印加時には前記ロータがディテントトルクによって前記第１または第２のいずれかの位置に保持されてなることを特徴とするアクチュエータ。 - 軸方向で２つの磁束分布パターンを有することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
- 前記ロータ磁石が磁気異方性であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
- Ｎ極とＳ極の軸方向での段階的に異なるピーク位置のずれ量がともに等しいことを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
- ロータの磁極ピーク位置のずれ量は電気角で２０〜６０度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
- ロータ磁極数Ｈは２であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
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