JP3887343B2 - ロータリーアクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２つの永久磁石を有する固定子と、２つの突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを備え、回転子コイルに通電することにより、回転子と固定子の相対角度位置を変位させるロータリーアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジンの吸入空気量は、スロットルボディに取り付けられているバルブを、ＤＣモータにより開閉駆動することにより調節されていた。ＤＣモータを用いる場合、モータの出力トルクをスパーギアによる２段減速機構で、１１倍増幅してからスロットルボディのバタフライバルブを駆動し、バルブの開角度を薄膜抵抗体と金属ブラシからなるポテンシオ角度検出器により検出する。しかしながら、ＤＣモータを用いる場合、スパーギアによるバックラッシュが避けられず、バルブ開角度を正確に制御することが難しい。また、バルプ開角度を検出するポテンシオ角度検出器において、薄膜抵抗体と金属ブラシとが摺動するため、耐久性、寿命、精度への悪影響が避けられない。
【０００３】
一方、バックラッシュの原因となるギアを用いる必要がないロータリーアクチュエータを上記のような回転制御に用いることが考えられる。例えば、特許文献１では、固定子である１対の磁極を有する固定子鉄心に固定子コイルを巻回し、該固定子の周囲に円筒形の回転子を設け、該回転子の内側には、上記固定子鉄心に対面するように、１対の永久磁石を固定するロータリーアクチュエータが提案されている。該従来技術では、上記１対の永久磁石の各々において、その両端部の肉厚を中央部の肉厚の９割以下となるように設定している。このように、永久磁石の肉厚を制御することにより、無通電時トルクに反転トルクが発生することがなく、回転子を２つの目標位置までだけ常に確実に回転移動させることができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１６３７０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるロータリーアクチュエータは、無通電時に回転子が０°位置に止まり、通電時には、回転子がある角度まで回転し、断電すれば、永久磁石のトルクで０°位置に戻るようになっている。このため、任意の角度位置で回転子を停止させることはできない。したがって、従来技術によるロータリーアクチュエータでは、上述したようなエンジンの吸入空気量を調節するためのバルブの開き具合を制御することは不可能である。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることができるロータリーアクチュエータを提供することを目的としている。
【０００７】
本発明に係るロータリーアクチュエータは、複数の永久磁石を有する固定子と、複数の突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、回転子コイルに通電することにより回転子と固定子との相対角度位置を変異させ、通電した電流にほぼ比例する磁気トルクを回転子と固定子との間に発生する磁気トルク発生部と、回転子と固定子との相対角度変異量にほぼ比例した量変形し、前記磁気トルクの逆方向に向かうトルクを発生する弾性部材とを備え、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成する構成を備えたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成のロータリーアクチュエータにあっては、回転子に励磁電流を供給するとその電流にほぼ比例する磁気トルクが回転子と固定子との間に発生して回転子と固定子との相対回転角度位置を変異させる。これにより、弾性部材が変形させ、発生した磁気トルクが弾性部材の反発力（反対トルク）と一致した角度位置で停止する。したがって、回転子または固定子は、供給された励磁電流の大きさにほぼ比例した角度相対回転するので、種々の機械構造においてギア等を介することなく簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置の制御を行うことができる。なお、本発明では、「回転子」および「固定子」という用語を用いているが、本発明の適用において回転子または固定子のいずれが固定または回転するかは任意である。
【０００９】
上記構成のロータリーアクチュエータでは、通電方向を逆にすると逆方向の磁気トルクが発生する。そこで、逆方向の回転も制御するために、回転子または固定子の一方向に向かう磁気トルクが負荷される第１弾性部材と、回転子または固定子の逆方向に向かう磁気トルクが負荷される第２弾性部材とを備えると好適である。
【００１０】
また、第１、第２弾性部材の弾性係数を互いに異なるように設定すると、同じ電流値で通電しても回転子および固定子の相対回転角度位置が異なるので、さらに応用範囲が広がる。
【００１１】
さらに、弾性部材としてコイルばねを用いることにより、１つの弾性部材で逆方向の回転も制御することができる。すなわち、コイルばねの一端部が取り付けられ回転子が一方向へ回転したときに該回転子とともに回転してコイルばねを変形させる第１ばね駆動手段と、コイルばねの他端部が取り付けられ回転子が逆方向へ回転したときに該回転子とともに回転してコイルばねを変形させる第２ばね駆動手段とを備える。この態様では、回転子がいずれの方向へ回転してコイルばねを変形（例えば締め付ける）ことができる。
【００１２】
また、弾性部材に予荷重をかけて予め変形させておくと、部品の製造誤差や組立誤差に起因する部品どうしの隙間が解消され、回転子が回転し始めたときの遊びが無くなるという利点がある。
【００１３】
本発明における磁気トルク発生部は、固定子に２つの永久磁石を備え、回転子鉄心に２つの突極を備え、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離の９９％以下とし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を１００°以上とすることが望ましい。
【００１４】
上記のような磁気トルク発生部によれば、回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心の９０°以上の回転角度範囲において磁気トルクが一定となり、励磁電流に比例して大きくなる。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となるので、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることが可能となる。
【００１５】
回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心と固定子との９０°以上の相対回転角度範囲において磁気トルクを一定とするための具体的な構成として以下の態様を例示することができる。
【００１７】
まず、回転子鉄心と永久磁石とのそれぞれの対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成したり、回転子鉄心に対向する永久磁石の対向面を楕円面状に形成したり、永久磁石の磁極境界部における回転子鉄心に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成することもできる。
【００１８】
また、永久磁石に対向する回転子鉄心の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成することができ、さらに、永久磁石の磁極境界部に無着磁領域を形成することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
１．第１実施形態
Ａ．第１実施形態の構成
次に図１〜図１０を参照してこの発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。このロータリーアクチュエータは、磁気トルク発生部Ａと、反対トルク発生部Ｂとから概略構成されている。まず、磁気トルク発生部の構成について説明する。
【００２０】
図において、１ａ，１ｂは、１対の永久磁石であり、固定子であるヨーク２の内壁面に固定されている。永久磁石１ａは、内側にＮ極、外側（ヨーク側）にＳ極を有し、永久磁石１ｂは、内側にＳ極、外側（ヨーク側）にＮ極を有する。回転子鉄心３は、突極３ａ，３ａを有し、該突極３ａ，３ａの間には回転子コイル５が巻回されている。回転子鉄心３の中央には回転軸４が設けられている。
【００２１】
次に、上記ヨーク２は、ホルダ６および定位ホルダ８に固定されており、該ホルダ６および定位ホルダ８には、貫通する回転軸４を回転自在に保持する軸受７ａ，７ｂが設けられている。また、図４には、回転子コイル５に励磁電流を流し、回転子鉄心３が９０°回転した状態を示している。
【００２２】
次に、図５（ａ），（ｂ）は、上記回転子鉄心の構造を示す平面図および上記永久磁石の構造を示す平面図である。図５（ａ）に示すように、回転子鉄心３に形成されている突極３ａ，３ａは、半径Ｒ３の中央部円弧３ｂと半径Ｒ４の境界部円弧３ｆとを有する。すなわち、突極３ａ，３ａの永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面は、その中央部３ｂ，３ｂと境界部３ｆ，３ｆとで異なる半径の円弧で形成されており、それぞれの円弧の半径Ｒ３と半径Ｒ４の中心は、距離Ｇだけずれている。より具体的には、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下になるようにしている。
【００２３】
また、図５（ｂ）に示すように、永久磁石１ａ，１ｂは、半径Ｒ１の回転子対向面円弧と半径Ｒ２の反対面円弧とを有する。すなわち、永久磁石１ａ，１ｂの各々の磁極境界部分の肉厚Ｂを、磁極中央部分の肉厚Ａの約９０〜９５％の間となるようにしている。また、永久磁石１ａ，１ｂにおける回転子対向面円弧中心と反対面円弧中心とは、距離Ｅだけずれている。
【００２４】
次に、反対トルク発生部Ｂの構成について説明する。
図１に示すように、ホルダ６の表面には、筒状のばねハウジング３９がボルト２０によって取り付けられている。ばねハウジング３９の内周部とホルダ６の表面には、ばね固定板３８が相対回転を阻止された状態で挟持されている。ばねハウジング３９の内周部には、ばね輪３１が回転軸４によって回転自在に支持されている。
【００２５】
図８に示すように、ばね輪３１の表面には、１８０°互いに離間した凸部３１ａが形成され、一方の凸部３１ａには、表裏面に貫通する孔３１ｂが形成されている。ばね輪３１は、ばね固定板３８と間隔をあけて配置され、ばね輪３１とばね固定板３８との間には、コイルばね（弾性部材）３６が取り付けられている。コイルばね３６の一端部はばね輪３１の孔３１ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００２６】
一方、ばねハウジング３９の内周部には、ばね輪３１と隣接する一対のストッパ３０ａ，３０ｂが１８０°互いに離間して配置されている。ストッパ３０ａ，３０ｂは、ばねハウジング３９の内周部に形成されたアリ溝３９ａに嵌合させられている。図２に示すように、ばね輪３１は、その凸部３１ａが一方のストッパ３０ａを離れて他方のストッパ３０ｂに当接するまで回転可能である。その回転に伴って、ばね輪３１はコイルばね３６を締め付ける。
【００２７】
回転軸４には、ばね駆動輪３５がばね輪３１に隣接して取り付けられている。なお、図において符号３４は回転軸４とばね駆動輪３５との相対回転を阻止するキーである。ばね駆動輪３５の外周部には、半径方向へ突出する一対の凸部３５ａが１８０°互いに離間して形成されている。凸部３５ａどうしの外径はストッパ３０ａ，３０ｂどうしの内径よりも小さいため、ばね駆動輪３５はストッパ３０ａ，３０ｂに拘束されずに回転可能である。一方、凸部３５ａは、その回転軌跡がばね輪３１の凸部３１ａと重複しているため、回転軸４を回転させてばね駆動輪３５を回転させると、ばね駆動輪３５の凸部３５ａがばね輪３１の凸部３１ａに当接する。これにより、ばね輪３１が回転させられ、コイルばね３６が締め付けられる。
【００２８】
なお、図１において符号３２はカバーであり、カバー３２は、回転軸４に螺合されたボルト３３によってばねハウジング３９に取り付けられている。このカバー３２は、ストッパ３０ａ，３０ｂの抜止めとなっている。
【００２９】
Ｂ．第１実施形態の動作
次に、上記構成のロータリーアクチュエータの動作について説明する。
図６は、励磁電流を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクとの関係の一例を示す概念図である。図示するように、一定の励磁電流に対して、回転子鉄心３の９０°以上の回転角度範囲において磁気トルクが一定であり、磁気トルクが、励磁電流に比例して大きくなることが分かる(以下、その回転角度範囲を「比例範囲」と称する)。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となることも分かる。
【００３０】
すなわち、上記のようなトルク発生部Ａによれば、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下とし、さらに、突極３ａ，３ａの境界部と回転子鉄心３の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたので、回転子コイル５に励磁電流を通電した場合には、励磁電流による磁気トルクの大きさと方向は、回転子鉄心３の９０°以上の比例範囲において、励磁電流の大きさと方向とに比例し、通電しない場合には、永久磁石１ａ，１ｂによるトルクが回転子鉄心３のこの比例範囲でゼロとなる。
【００３１】
図７には、励磁電流を供給することで、非通電状態の回転子鉄心３の回転角度「０°」から「１８０°」までの回転角度範囲において、２０°ずつ回転子鉄心３が回転する様子が示されている。回転子鉄心３の磁気トルクは、前述したように、９０°以上の比例範囲で励磁電流の大きさに比例する。したがって、回転子鉄心３に反対トルク発生部Ｂから反対トルクを負荷することにより、励磁電流を適宜に選択して印加することで回転子鉄心３を９０°以上の比例範囲に任意の回転角度に回転させることができ、励磁電流の通電を止めれば、反対トルク発生部Ｂからの反対トルクにより回転子鉄心３を元の位置に戻すことができる。
【００３２】
図１０に示すように、第１実施形態では、回転子鉄心３の回転角度「４０°」から「１３０°」までの９０°の範囲で大きさの一定な励磁電流に対する磁気トルクがほぼ一定である。そこで、図１０において１３０°の位置が回転子鉄心３の原点に設定されている。つまり、図２においてばね輪３１の凸部３１ａがストッパ３０ａ，３０ｂに当接している状態が原点位置であり、コイル５に励磁電流を供給することによって回転子鉄心３は図２に示す状態から反時計方向に回転する。図１０に示すように、この原点位置の状態でコイルばね３６には予荷重が加えられている。この予荷重によってコイルばね３６から回転子鉄心３に与えられる反対トルクは、コイル５に０．１５Ａの励磁電流を供給したときに発生するトルクとほぼ一致している。
【００３３】
励磁電流を０．１５Ａよりも大きくすると、回転子と固定子との間に発生する磁気トルクが増加するために回転子は回転する。しかしながら、回転子の回転は、回転軸４およびばね駆動輪３５を介してばね輪３１に伝達され、ばね輪３１がコイルばね３６を締め付ける。これにより、コイルばね３６により発生する反対トルクが大きくなり、回転子が発生するトルクと釣り合った角度位置で回転子は停止する。図１０には、回転子の回転角度（ストローク）に対するコイルばね３６の反対トルクを直線で併記してあり、この直線と励磁電流が０．３０Ａ、０．４５Ａ、０．６０Ａのときの回転子の磁気トルク曲線との交点が回転角度（ストローク）を表す。たとえば、励磁電流が０．６０Ａのときは、回転子は９０°（１３０°−４０°）回転する。
【００３４】
上記構成のロータリーアクチュエータにあっては、回転子に励磁電流を供給するとその電流にほぼ比例する磁気トルクが回転子と固定子との間に発生してコイルばね３６を変形させ、発生した磁気トルクがコイルばね３６の反対トルク一致した角度位置で停止する。したがって、回転子は、通電された電流の大きさにほぼ比例した角度回転するので、種々の機械構造における角度制御に適用することができる。したがって、このロータリーアクチュエータを例えばスロットルボディのバルブに適用した場合、バルブを直接駆動することができ、減速機構を必要とせず、さらに、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、バルブ開角度を高精度で制御することができる。また、ブラシレスのため、耐久性、寿命を向上させることができる。また、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、耐久性、寿命、精度に問題のある、バルブ開角度を検出するための検出機構を用いる必要がない。また、スパーギア減速機能などを必要としないため、コストダウン、信頼性の向上を図ることができる。また、低い励磁電流で高い磁気トルクが得られ、高磁気トルクでの長時間運転が可能となる。また、永久磁石にフェライト磁石などの安価な磁性材料を用いることができ、コストダウンにつながる。
【００３５】
２．第２実施形態
図１１〜図１３を参照して本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態のロータリーアクチュエータは、図８および図９に示すばね輪３１およびばね駆動輪３５を２個づつ用いて回転子を２方向に回転制御できるように構成したものである。したがって、第２実施形態の構成要素は第１実施形態のものと同一であるので、個々の構成要素の説明は省略して組付状態のみ説明する。
【００３６】
図１１に示すように、第１実施形態のばね固定板３８が配置されていた箇所には、ストッパ３０ａ，３０ｂが配置され、ストッパ３０ａ，３０ｂの内周側では、ばね駆動輪３５がキー３４によって回転軸４に取り付けられている。ばね駆動輪３５の隣には、ばね輪３１がその凸部３１ａの回転軌跡がストッパ３０ａ，３０ｂと重複するように回転軸４に回転自在に支持されている。そして、このばね輪３１と間隔をあけてばね輪３１およびばね駆動輪３５が上記第１実施形態と同様に配置され、ばね輪３１同士の間には、両端部をばね輪３１の孔３１ｂにそれぞれ挿入したコイルばね３６が介装されている。
【００３７】
図１２に示すように、原点位置において、先端側のばね輪３１の凸部３１ａはストッパ３０ａ，３０ｂの反時計方向に隣接して配置され、内側のばね輪３１の凸部３１ａはストッパ３０ａ，３０ｂの時計方向に隣接して配置される。
【００３８】
回転子のコイル５に励磁電流を供給すると回転子が図１２において反時計方向に回転し、それに伴ってばね駆動輪３５およびばね輪３１も反時計方向に回転する。このときのトルクはコイルばね３６に伝達されるが、内側のばね輪３１の凸部３１ａがストッパ３０ａ，３０ｂに当接しているため、内側のばね輪３１は回転しない。このため、先端側のばね輪３１が回転した分だけコイルばね３６が締め付けられる。
【００３９】
図１３に示すように、回転子の原点位置は１０５゜とされ、回転子は１０５゜の位置から４０゜の方向へ回転する。図１３には、コイルばね３６に予荷重をかけた場合のストローク特性を実線、予荷重をかけない場合のストローク特性を破線で示している。回転子の上記回転方向は、コイルばね３６を先端側から見て反時計方向に回転させて締め付ける方向である。
【００４０】
次に、回転子のコイル５への励磁電流の供給を停止すると、回転子と固定子との間にトルクが発生しなくなるから、コイルばね３６の反対トルクによって回転子は原点位置まで復帰する。そして、励磁電流の方向を逆にして供給すると、回転子には上記と逆方向のトルクが発生する。すなわち、回転子は図１２において時計方向に回転するから、先端側のばね輪３１がストッパ３０ａ，３０ｂによって止められた状態で、内側のばね駆動輪３５およびばね輪３１が時計方向に回転する。この場合において、コイルばね３６に予荷重をかけている場合には、励磁電流が０．１５Ａを超えてから回転子は回転する。また、そのときの回転子の回転角度は、励磁電流の大きさに比例する。
【００４１】
上記構成のロータリーアクチュエータにおいても第１実施形態と同等の作用、効果を得ることができる。特に、第２実施形態では、回転子の逆方向の回転も制御することができるので、応用範囲が広がる。
【００４２】
３．第３実施形態
図１４〜図１９を参照して本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態のロータリーアクチュエータは、ばね定数が互いに異なる２つのコイルばねを使用した点で第１実施形態と異なっている。
【００４３】
図１４に示すように、ばねハウジング３９の内周部とホルダ６の表面には、第１実施形態と同様に、ばね固定板３８が相対回転を阻止された状態で挟持されている。ばねハウジング３９の内周部には、内周ばね輪１２が回転軸４によって回転自在に支持されている。
【００４４】
図１７に示すように、内周ばね輪１２の表面には、１８０°互いに離間した凸部１２ａが形成され、一方の凸部１２ａには、表裏面に貫通する孔１２ｂが形成されている。内周ばね輪１２は、ばね固定板３８と間隔をあけて配置され、内周ばね輪１２とばね固定板３８との間には、内周コイルばね（弾性部材）１１が取り付けられている。内周コイルばね１１の一端部は内周ばね輪１２の孔１２ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００４５】
内周ばね輪１２の外周には、外周ばね輪１８が回転自在に支持されている。図１６に示すように、外周ばね輪１８の表面には、１８０°互いに離間した凸部１８ａが形成され、一方の凸部１８ａには、表裏面に貫通する孔１８ｂが形成されている。外周ばね輪１８とばね固定板３８との間には、内周コイルばねよりも大きなばね定数を有する外周コイルばね（弾性部材）１０が取り付けられている。外周コイルばね１０の一端部は外周ばね輪１８の孔１８ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００４６】
一方、ばねハウジング３９の内周部には、内周ばね輪１２および外周ばね輪１８と隣接する一対のストッパ１７ａ，１７ｂが１８０°互いに離間して配置されている。ストッパ１７ａ，１７ｂは、ばねハウジング３９の内周部に形成されたアリ溝３９ａに嵌合させられている。図１５に示すように、原点位置において、内周ばね輪１２の凸部１２ａはストッパ１７ａ，１７ｂの反時計方向に隣接して配置され、外周ばね輪１８の凸部１８ａはストッパ１７ａ，１７ｂの時計方向に隣接して配置される。そして、それら凸部１２ａ，１８ａは、ストッパ１７ａ，１７ｂから先端側に突出している。
【００４７】
回転軸４の先端には、ばね駆動輪１３が取り付けられている。図１８に示すように、ばね駆動輪１３の一端面には、軸線方向へ突出する一対の内周凸部１３ａが１８０°互いに離間して形成されている。また、ばね駆動輪１３の外周部には、半径方向へ突出する一対の外周凸部１８ｂが１８０°互いに離間して形成されている。このばね駆動輪１３は、内周凸部１３ａを内側へ向けて回転軸４にキー３４によって取り付けられている。そして、図１４のＡ−Ａ線矢視である図１５に示す取付状態において、内周凸部１３ａは、内周ばね輪１２の凸部１２ａに時計方向で隣接し、外周凸部１３ｂは、外周ばね輪１８の凸部１８ａに反時計方向で隣接している。
【００４８】
回転子のコイル５に励磁電流を供給すると回転子が図１５において時計方向に回転し、励磁電流の方向を逆にして供給すると回転子が図１５において反時計方向に回転する。そして、上記構成によれば、回転軸４を図１５において時計方向に回転させると、ばね駆動輪１３の外周凸部１３ｂが外周ばね輪１８の凸部１８ａに当接し、外周ばね輪１８が回転させられて外周コイルばね１０が締め付けられる。また、回転軸４を図１５において反時計方向に回転させると、ばね駆動輪１３の内周凸部１３ａが内周ばね輪１２の凸部１２ａに当接し、内周ばね輪１２が回転させられて内周コイルばね１１が締め付けられる。
【００４９】
図１９に示すように、回転子の原点位置は１２０゜とされ、回転子は１２０゜の位置から４５゜の方向へ回転する。図１９には、内周コイルばね１１および外周コイルばね１０に予荷重をかけた場合のストローク特性を実線、予荷重をかけない場合のストローク特性を破線で示している。回転子の上記回転方向は、内周コイルばね１１を先端側から見て反時計方向に回転させて締め付ける方向である。
【００５０】
次に、回転子のコイル５への励磁電流の供給を停止すると、回転子と固定子との間に磁気トルクが発生しなくなるから、内周コイルばね１１の反対トルクによって回転子は原点位置まで復帰する。そして、励磁電流の方向を逆にして供給すると、回転子と固定子との間には上記と逆方向の磁気トルクが発生する。すなわち、回転子は図１５において時計方向に回転するから、内周ばね輪１２がストッパ１７ａ，１７ｂによって止められた状態で、ばね駆動輪１３および外周ばね輪１８が時計方向に回転し、外周コイルばね１０を締め付ける。
【００５１】
外周コイルばね１０のばね定数は内周コイルばね１１のそれよりも大きいため、図１９に示すように、逆向きの励磁電流を供給した場合には同じ大きさの励磁電流に対して回転子の回転角度が小さい。したがって、このロータリーアクチュエータでは、回転方向によって制御の精度を変更することができる。
【００５２】
なお、上述した実施形態において、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚Ｂを中央部の肉厚Ａより小さくするために、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面と、ヨーク２に固定されている固定面とを、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面を楕円面状に形成するか、あるいは永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部において、回転子鉄心３に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。また、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部に無着磁領域を形成しても、肉厚を徐々に小さくしたのと同様の効果が得られる。
【００５３】
また、上述した実施形態において、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離より小さくするために、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を楕円面状に形成するか、あるいは回転子鉄心３の突極境界部における永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。
【００５４】
なお、上記実施形態では回転子が固定子に対して回転するように説明したが、本発明は、固定された回転子に対して固定子が回転する構成や両者が共に相対回転する構成にも適用することができる。本発明のロータリーアクチュエータは、スロットルバルブ、圧力調整弁、比例バイパス弁等のバルブ類は勿論のこと、コンピュータのドライブの駆動等の周辺機器、自動金銭支払機、レーザ偏光装置の制御、人工衛星のパラボラアンテナやソーラー発電装置の向きの制御、カメラの自動追尾装置の制御などあらゆる分野での適用が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、複数の永久磁石を有する固定子と、複数の突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、回転子コイルに通電することにより、通電した電流にほぼ比例するトルクを回転子と固定子との間に発生する磁気トルク発生部と、回転子と固定子との相対角度変位量にほぼ比例した量変形する弾性部材とを備えているから、種々の機械構造においてギア等を介することなく簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置の制御を行うことができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線矢視である。
【図３】 第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す軸断面図である。
【図４】 図３に示す状態から回転子コイルに励磁電流を流して回転子鉄心が９０°回転した状態を示す軸断面図である。
【図５】 （ａ）は回転子鉄心の構造を示す平面図、（ｂ）は永久磁石の構造を示す平面図である。
【図６】 励磁電流の大きさを変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクとの関係の一例を示すグラフである。
【図７】 回転子鉄心が回転する様子を示す軸断面図である。
【図８】 ばね輪を示す図であって、（ａ）は裏面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は平面図である。
【図９】 ばね駆動輪を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】 励磁電流の大きさを変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明の第２実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図１２】 図１１のＡ−Ａ線矢視である。
【図１３】 第２実施形態において励磁電流の大きさと方向を変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の第３実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図１５】 図１４のＡ−Ａ線矢視である。
【図１６】 外周ばね輪を示す図であって、（ａ）は裏面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は平面図である。
【図１７】 内周ばね輪を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１８】 ばね駆動輪を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は裏面図である。
【図１９】 第３実施形態において励磁電流の大きさと方向を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 永久磁石
３ 回転子鉄心
３ａ，３ａ 突極
４ 回転軸
５ 回転子コイル
１０ 外周コイルばね（弾性部材）
１１ 内周コイルばね（弾性部材）
１２ 内周ばね輪
１３ ばね駆動輪
１８ 外周ばね輪
３０ａ，３０ｂ ストッパ
３１ ばね輪
３５ ばね駆動輪
３６ コイルばね（弾性部材）
３８ ばね固定板
Ａ 磁気トルク発生部
Ｂ 反対トルク発生部
【発明の属する技術分野】
この発明は、２つの永久磁石を有する固定子と、２つの突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを備え、回転子コイルに通電することにより、回転子と固定子の相対角度位置を変位させるロータリーアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジンの吸入空気量は、スロットルボディに取り付けられているバルブを、ＤＣモータにより開閉駆動することにより調節されていた。ＤＣモータを用いる場合、モータの出力トルクをスパーギアによる２段減速機構で、１１倍増幅してからスロットルボディのバタフライバルブを駆動し、バルブの開角度を薄膜抵抗体と金属ブラシからなるポテンシオ角度検出器により検出する。しかしながら、ＤＣモータを用いる場合、スパーギアによるバックラッシュが避けられず、バルブ開角度を正確に制御することが難しい。また、バルプ開角度を検出するポテンシオ角度検出器において、薄膜抵抗体と金属ブラシとが摺動するため、耐久性、寿命、精度への悪影響が避けられない。
【０００３】
一方、バックラッシュの原因となるギアを用いる必要がないロータリーアクチュエータを上記のような回転制御に用いることが考えられる。例えば、特許文献１では、固定子である１対の磁極を有する固定子鉄心に固定子コイルを巻回し、該固定子の周囲に円筒形の回転子を設け、該回転子の内側には、上記固定子鉄心に対面するように、１対の永久磁石を固定するロータリーアクチュエータが提案されている。該従来技術では、上記１対の永久磁石の各々において、その両端部の肉厚を中央部の肉厚の９割以下となるように設定している。このように、永久磁石の肉厚を制御することにより、無通電時トルクに反転トルクが発生することがなく、回転子を２つの目標位置までだけ常に確実に回転移動させることができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１６３７０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるロータリーアクチュエータは、無通電時に回転子が０°位置に止まり、通電時には、回転子がある角度まで回転し、断電すれば、永久磁石のトルクで０°位置に戻るようになっている。このため、任意の角度位置で回転子を停止させることはできない。したがって、従来技術によるロータリーアクチュエータでは、上述したようなエンジンの吸入空気量を調節するためのバルブの開き具合を制御することは不可能である。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることができるロータリーアクチュエータを提供することを目的としている。
【０００７】
本発明に係るロータリーアクチュエータは、複数の永久磁石を有する固定子と、複数の突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、回転子コイルに通電することにより回転子と固定子との相対角度位置を変異させ、通電した電流にほぼ比例する磁気トルクを回転子と固定子との間に発生する磁気トルク発生部と、回転子と固定子との相対角度変異量にほぼ比例した量変形し、前記磁気トルクの逆方向に向かうトルクを発生する弾性部材とを備え、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成する構成を備えたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成のロータリーアクチュエータにあっては、回転子に励磁電流を供給するとその電流にほぼ比例する磁気トルクが回転子と固定子との間に発生して回転子と固定子との相対回転角度位置を変異させる。これにより、弾性部材が変形させ、発生した磁気トルクが弾性部材の反発力（反対トルク）と一致した角度位置で停止する。したがって、回転子または固定子は、供給された励磁電流の大きさにほぼ比例した角度相対回転するので、種々の機械構造においてギア等を介することなく簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置の制御を行うことができる。なお、本発明では、「回転子」および「固定子」という用語を用いているが、本発明の適用において回転子または固定子のいずれが固定または回転するかは任意である。
【０００９】
上記構成のロータリーアクチュエータでは、通電方向を逆にすると逆方向の磁気トルクが発生する。そこで、逆方向の回転も制御するために、回転子または固定子の一方向に向かう磁気トルクが負荷される第１弾性部材と、回転子または固定子の逆方向に向かう磁気トルクが負荷される第２弾性部材とを備えると好適である。
【００１０】
また、第１、第２弾性部材の弾性係数を互いに異なるように設定すると、同じ電流値で通電しても回転子および固定子の相対回転角度位置が異なるので、さらに応用範囲が広がる。
【００１１】
さらに、弾性部材としてコイルばねを用いることにより、１つの弾性部材で逆方向の回転も制御することができる。すなわち、コイルばねの一端部が取り付けられ回転子が一方向へ回転したときに該回転子とともに回転してコイルばねを変形させる第１ばね駆動手段と、コイルばねの他端部が取り付けられ回転子が逆方向へ回転したときに該回転子とともに回転してコイルばねを変形させる第２ばね駆動手段とを備える。この態様では、回転子がいずれの方向へ回転してコイルばねを変形（例えば締め付ける）ことができる。
【００１２】
また、弾性部材に予荷重をかけて予め変形させておくと、部品の製造誤差や組立誤差に起因する部品どうしの隙間が解消され、回転子が回転し始めたときの遊びが無くなるという利点がある。
【００１３】
本発明における磁気トルク発生部は、固定子に２つの永久磁石を備え、回転子鉄心に２つの突極を備え、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離の９９％以下とし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を１００°以上とすることが望ましい。
【００１４】
上記のような磁気トルク発生部によれば、回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心の９０°以上の回転角度範囲において磁気トルクが一定となり、励磁電流に比例して大きくなる。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となるので、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることが可能となる。
【００１５】
回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心と固定子との９０°以上の相対回転角度範囲において磁気トルクを一定とするための具体的な構成として以下の態様を例示することができる。
【００１７】
まず、回転子鉄心と永久磁石とのそれぞれの対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成したり、回転子鉄心に対向する永久磁石の対向面を楕円面状に形成したり、永久磁石の磁極境界部における回転子鉄心に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成することもできる。
【００１８】
また、永久磁石に対向する回転子鉄心の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成することができ、さらに、永久磁石の磁極境界部に無着磁領域を形成することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
１．第１実施形態
Ａ．第１実施形態の構成
次に図１〜図１０を参照してこの発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。このロータリーアクチュエータは、磁気トルク発生部Ａと、反対トルク発生部Ｂとから概略構成されている。まず、磁気トルク発生部の構成について説明する。
【００２０】
図において、１ａ，１ｂは、１対の永久磁石であり、固定子であるヨーク２の内壁面に固定されている。永久磁石１ａは、内側にＮ極、外側（ヨーク側）にＳ極を有し、永久磁石１ｂは、内側にＳ極、外側（ヨーク側）にＮ極を有する。回転子鉄心３は、突極３ａ，３ａを有し、該突極３ａ，３ａの間には回転子コイル５が巻回されている。回転子鉄心３の中央には回転軸４が設けられている。
【００２１】
次に、上記ヨーク２は、ホルダ６および定位ホルダ８に固定されており、該ホルダ６および定位ホルダ８には、貫通する回転軸４を回転自在に保持する軸受７ａ，７ｂが設けられている。また、図４には、回転子コイル５に励磁電流を流し、回転子鉄心３が９０°回転した状態を示している。
【００２２】
次に、図５（ａ），（ｂ）は、上記回転子鉄心の構造を示す平面図および上記永久磁石の構造を示す平面図である。図５（ａ）に示すように、回転子鉄心３に形成されている突極３ａ，３ａは、半径Ｒ３の中央部円弧３ｂと半径Ｒ４の境界部円弧３ｆとを有する。すなわち、突極３ａ，３ａの永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面は、その中央部３ｂ，３ｂと境界部３ｆ，３ｆとで異なる半径の円弧で形成されており、それぞれの円弧の半径Ｒ３と半径Ｒ４の中心は、距離Ｇだけずれている。より具体的には、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下になるようにしている。
【００２３】
また、図５（ｂ）に示すように、永久磁石１ａ，１ｂは、半径Ｒ１の回転子対向面円弧と半径Ｒ２の反対面円弧とを有する。すなわち、永久磁石１ａ，１ｂの各々の磁極境界部分の肉厚Ｂを、磁極中央部分の肉厚Ａの約９０〜９５％の間となるようにしている。また、永久磁石１ａ，１ｂにおける回転子対向面円弧中心と反対面円弧中心とは、距離Ｅだけずれている。
【００２４】
次に、反対トルク発生部Ｂの構成について説明する。
図１に示すように、ホルダ６の表面には、筒状のばねハウジング３９がボルト２０によって取り付けられている。ばねハウジング３９の内周部とホルダ６の表面には、ばね固定板３８が相対回転を阻止された状態で挟持されている。ばねハウジング３９の内周部には、ばね輪３１が回転軸４によって回転自在に支持されている。
【００２５】
図８に示すように、ばね輪３１の表面には、１８０°互いに離間した凸部３１ａが形成され、一方の凸部３１ａには、表裏面に貫通する孔３１ｂが形成されている。ばね輪３１は、ばね固定板３８と間隔をあけて配置され、ばね輪３１とばね固定板３８との間には、コイルばね（弾性部材）３６が取り付けられている。コイルばね３６の一端部はばね輪３１の孔３１ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００２６】
一方、ばねハウジング３９の内周部には、ばね輪３１と隣接する一対のストッパ３０ａ，３０ｂが１８０°互いに離間して配置されている。ストッパ３０ａ，３０ｂは、ばねハウジング３９の内周部に形成されたアリ溝３９ａに嵌合させられている。図２に示すように、ばね輪３１は、その凸部３１ａが一方のストッパ３０ａを離れて他方のストッパ３０ｂに当接するまで回転可能である。その回転に伴って、ばね輪３１はコイルばね３６を締め付ける。
【００２７】
回転軸４には、ばね駆動輪３５がばね輪３１に隣接して取り付けられている。なお、図において符号３４は回転軸４とばね駆動輪３５との相対回転を阻止するキーである。ばね駆動輪３５の外周部には、半径方向へ突出する一対の凸部３５ａが１８０°互いに離間して形成されている。凸部３５ａどうしの外径はストッパ３０ａ，３０ｂどうしの内径よりも小さいため、ばね駆動輪３５はストッパ３０ａ，３０ｂに拘束されずに回転可能である。一方、凸部３５ａは、その回転軌跡がばね輪３１の凸部３１ａと重複しているため、回転軸４を回転させてばね駆動輪３５を回転させると、ばね駆動輪３５の凸部３５ａがばね輪３１の凸部３１ａに当接する。これにより、ばね輪３１が回転させられ、コイルばね３６が締め付けられる。
【００２８】
なお、図１において符号３２はカバーであり、カバー３２は、回転軸４に螺合されたボルト３３によってばねハウジング３９に取り付けられている。このカバー３２は、ストッパ３０ａ，３０ｂの抜止めとなっている。
【００２９】
Ｂ．第１実施形態の動作
次に、上記構成のロータリーアクチュエータの動作について説明する。
図６は、励磁電流を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクとの関係の一例を示す概念図である。図示するように、一定の励磁電流に対して、回転子鉄心３の９０°以上の回転角度範囲において磁気トルクが一定であり、磁気トルクが、励磁電流に比例して大きくなることが分かる(以下、その回転角度範囲を「比例範囲」と称する)。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となることも分かる。
【００３０】
すなわち、上記のようなトルク発生部Ａによれば、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下とし、さらに、突極３ａ，３ａの境界部と回転子鉄心３の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたので、回転子コイル５に励磁電流を通電した場合には、励磁電流による磁気トルクの大きさと方向は、回転子鉄心３の９０°以上の比例範囲において、励磁電流の大きさと方向とに比例し、通電しない場合には、永久磁石１ａ，１ｂによるトルクが回転子鉄心３のこの比例範囲でゼロとなる。
【００３１】
図７には、励磁電流を供給することで、非通電状態の回転子鉄心３の回転角度「０°」から「１８０°」までの回転角度範囲において、２０°ずつ回転子鉄心３が回転する様子が示されている。回転子鉄心３の磁気トルクは、前述したように、９０°以上の比例範囲で励磁電流の大きさに比例する。したがって、回転子鉄心３に反対トルク発生部Ｂから反対トルクを負荷することにより、励磁電流を適宜に選択して印加することで回転子鉄心３を９０°以上の比例範囲に任意の回転角度に回転させることができ、励磁電流の通電を止めれば、反対トルク発生部Ｂからの反対トルクにより回転子鉄心３を元の位置に戻すことができる。
【００３２】
図１０に示すように、第１実施形態では、回転子鉄心３の回転角度「４０°」から「１３０°」までの９０°の範囲で大きさの一定な励磁電流に対する磁気トルクがほぼ一定である。そこで、図１０において１３０°の位置が回転子鉄心３の原点に設定されている。つまり、図２においてばね輪３１の凸部３１ａがストッパ３０ａ，３０ｂに当接している状態が原点位置であり、コイル５に励磁電流を供給することによって回転子鉄心３は図２に示す状態から反時計方向に回転する。図１０に示すように、この原点位置の状態でコイルばね３６には予荷重が加えられている。この予荷重によってコイルばね３６から回転子鉄心３に与えられる反対トルクは、コイル５に０．１５Ａの励磁電流を供給したときに発生するトルクとほぼ一致している。
【００３３】
励磁電流を０．１５Ａよりも大きくすると、回転子と固定子との間に発生する磁気トルクが増加するために回転子は回転する。しかしながら、回転子の回転は、回転軸４およびばね駆動輪３５を介してばね輪３１に伝達され、ばね輪３１がコイルばね３６を締め付ける。これにより、コイルばね３６により発生する反対トルクが大きくなり、回転子が発生するトルクと釣り合った角度位置で回転子は停止する。図１０には、回転子の回転角度（ストローク）に対するコイルばね３６の反対トルクを直線で併記してあり、この直線と励磁電流が０．３０Ａ、０．４５Ａ、０．６０Ａのときの回転子の磁気トルク曲線との交点が回転角度（ストローク）を表す。たとえば、励磁電流が０．６０Ａのときは、回転子は９０°（１３０°−４０°）回転する。
【００３４】
上記構成のロータリーアクチュエータにあっては、回転子に励磁電流を供給するとその電流にほぼ比例する磁気トルクが回転子と固定子との間に発生してコイルばね３６を変形させ、発生した磁気トルクがコイルばね３６の反対トルク一致した角度位置で停止する。したがって、回転子は、通電された電流の大きさにほぼ比例した角度回転するので、種々の機械構造における角度制御に適用することができる。したがって、このロータリーアクチュエータを例えばスロットルボディのバルブに適用した場合、バルブを直接駆動することができ、減速機構を必要とせず、さらに、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、バルブ開角度を高精度で制御することができる。また、ブラシレスのため、耐久性、寿命を向上させることができる。また、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、耐久性、寿命、精度に問題のある、バルブ開角度を検出するための検出機構を用いる必要がない。また、スパーギア減速機能などを必要としないため、コストダウン、信頼性の向上を図ることができる。また、低い励磁電流で高い磁気トルクが得られ、高磁気トルクでの長時間運転が可能となる。また、永久磁石にフェライト磁石などの安価な磁性材料を用いることができ、コストダウンにつながる。
【００３５】
２．第２実施形態
図１１〜図１３を参照して本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態のロータリーアクチュエータは、図８および図９に示すばね輪３１およびばね駆動輪３５を２個づつ用いて回転子を２方向に回転制御できるように構成したものである。したがって、第２実施形態の構成要素は第１実施形態のものと同一であるので、個々の構成要素の説明は省略して組付状態のみ説明する。
【００３６】
図１１に示すように、第１実施形態のばね固定板３８が配置されていた箇所には、ストッパ３０ａ，３０ｂが配置され、ストッパ３０ａ，３０ｂの内周側では、ばね駆動輪３５がキー３４によって回転軸４に取り付けられている。ばね駆動輪３５の隣には、ばね輪３１がその凸部３１ａの回転軌跡がストッパ３０ａ，３０ｂと重複するように回転軸４に回転自在に支持されている。そして、このばね輪３１と間隔をあけてばね輪３１およびばね駆動輪３５が上記第１実施形態と同様に配置され、ばね輪３１同士の間には、両端部をばね輪３１の孔３１ｂにそれぞれ挿入したコイルばね３６が介装されている。
【００３７】
図１２に示すように、原点位置において、先端側のばね輪３１の凸部３１ａはストッパ３０ａ，３０ｂの反時計方向に隣接して配置され、内側のばね輪３１の凸部３１ａはストッパ３０ａ，３０ｂの時計方向に隣接して配置される。
【００３８】
回転子のコイル５に励磁電流を供給すると回転子が図１２において反時計方向に回転し、それに伴ってばね駆動輪３５およびばね輪３１も反時計方向に回転する。このときのトルクはコイルばね３６に伝達されるが、内側のばね輪３１の凸部３１ａがストッパ３０ａ，３０ｂに当接しているため、内側のばね輪３１は回転しない。このため、先端側のばね輪３１が回転した分だけコイルばね３６が締め付けられる。
【００３９】
図１３に示すように、回転子の原点位置は１０５゜とされ、回転子は１０５゜の位置から４０゜の方向へ回転する。図１３には、コイルばね３６に予荷重をかけた場合のストローク特性を実線、予荷重をかけない場合のストローク特性を破線で示している。回転子の上記回転方向は、コイルばね３６を先端側から見て反時計方向に回転させて締め付ける方向である。
【００４０】
次に、回転子のコイル５への励磁電流の供給を停止すると、回転子と固定子との間にトルクが発生しなくなるから、コイルばね３６の反対トルクによって回転子は原点位置まで復帰する。そして、励磁電流の方向を逆にして供給すると、回転子には上記と逆方向のトルクが発生する。すなわち、回転子は図１２において時計方向に回転するから、先端側のばね輪３１がストッパ３０ａ，３０ｂによって止められた状態で、内側のばね駆動輪３５およびばね輪３１が時計方向に回転する。この場合において、コイルばね３６に予荷重をかけている場合には、励磁電流が０．１５Ａを超えてから回転子は回転する。また、そのときの回転子の回転角度は、励磁電流の大きさに比例する。
【００４１】
上記構成のロータリーアクチュエータにおいても第１実施形態と同等の作用、効果を得ることができる。特に、第２実施形態では、回転子の逆方向の回転も制御することができるので、応用範囲が広がる。
【００４２】
３．第３実施形態
図１４〜図１９を参照して本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態のロータリーアクチュエータは、ばね定数が互いに異なる２つのコイルばねを使用した点で第１実施形態と異なっている。
【００４３】
図１４に示すように、ばねハウジング３９の内周部とホルダ６の表面には、第１実施形態と同様に、ばね固定板３８が相対回転を阻止された状態で挟持されている。ばねハウジング３９の内周部には、内周ばね輪１２が回転軸４によって回転自在に支持されている。
【００４４】
図１７に示すように、内周ばね輪１２の表面には、１８０°互いに離間した凸部１２ａが形成され、一方の凸部１２ａには、表裏面に貫通する孔１２ｂが形成されている。内周ばね輪１２は、ばね固定板３８と間隔をあけて配置され、内周ばね輪１２とばね固定板３８との間には、内周コイルばね（弾性部材）１１が取り付けられている。内周コイルばね１１の一端部は内周ばね輪１２の孔１２ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００４５】
内周ばね輪１２の外周には、外周ばね輪１８が回転自在に支持されている。図１６に示すように、外周ばね輪１８の表面には、１８０°互いに離間した凸部１８ａが形成され、一方の凸部１８ａには、表裏面に貫通する孔１８ｂが形成されている。外周ばね輪１８とばね固定板３８との間には、内周コイルばねよりも大きなばね定数を有する外周コイルばね（弾性部材）１０が取り付けられている。外周コイルばね１０の一端部は外周ばね輪１８の孔１８ｂに挿入され、他端部はばね固定板３８に形成した孔（図示略）に挿入されている。
【００４６】
一方、ばねハウジング３９の内周部には、内周ばね輪１２および外周ばね輪１８と隣接する一対のストッパ１７ａ，１７ｂが１８０°互いに離間して配置されている。ストッパ１７ａ，１７ｂは、ばねハウジング３９の内周部に形成されたアリ溝３９ａに嵌合させられている。図１５に示すように、原点位置において、内周ばね輪１２の凸部１２ａはストッパ１７ａ，１７ｂの反時計方向に隣接して配置され、外周ばね輪１８の凸部１８ａはストッパ１７ａ，１７ｂの時計方向に隣接して配置される。そして、それら凸部１２ａ，１８ａは、ストッパ１７ａ，１７ｂから先端側に突出している。
【００４７】
回転軸４の先端には、ばね駆動輪１３が取り付けられている。図１８に示すように、ばね駆動輪１３の一端面には、軸線方向へ突出する一対の内周凸部１３ａが１８０°互いに離間して形成されている。また、ばね駆動輪１３の外周部には、半径方向へ突出する一対の外周凸部１８ｂが１８０°互いに離間して形成されている。このばね駆動輪１３は、内周凸部１３ａを内側へ向けて回転軸４にキー３４によって取り付けられている。そして、図１４のＡ−Ａ線矢視である図１５に示す取付状態において、内周凸部１３ａは、内周ばね輪１２の凸部１２ａに時計方向で隣接し、外周凸部１３ｂは、外周ばね輪１８の凸部１８ａに反時計方向で隣接している。
【００４８】
回転子のコイル５に励磁電流を供給すると回転子が図１５において時計方向に回転し、励磁電流の方向を逆にして供給すると回転子が図１５において反時計方向に回転する。そして、上記構成によれば、回転軸４を図１５において時計方向に回転させると、ばね駆動輪１３の外周凸部１３ｂが外周ばね輪１８の凸部１８ａに当接し、外周ばね輪１８が回転させられて外周コイルばね１０が締め付けられる。また、回転軸４を図１５において反時計方向に回転させると、ばね駆動輪１３の内周凸部１３ａが内周ばね輪１２の凸部１２ａに当接し、内周ばね輪１２が回転させられて内周コイルばね１１が締め付けられる。
【００４９】
図１９に示すように、回転子の原点位置は１２０゜とされ、回転子は１２０゜の位置から４５゜の方向へ回転する。図１９には、内周コイルばね１１および外周コイルばね１０に予荷重をかけた場合のストローク特性を実線、予荷重をかけない場合のストローク特性を破線で示している。回転子の上記回転方向は、内周コイルばね１１を先端側から見て反時計方向に回転させて締め付ける方向である。
【００５０】
次に、回転子のコイル５への励磁電流の供給を停止すると、回転子と固定子との間に磁気トルクが発生しなくなるから、内周コイルばね１１の反対トルクによって回転子は原点位置まで復帰する。そして、励磁電流の方向を逆にして供給すると、回転子と固定子との間には上記と逆方向の磁気トルクが発生する。すなわち、回転子は図１５において時計方向に回転するから、内周ばね輪１２がストッパ１７ａ，１７ｂによって止められた状態で、ばね駆動輪１３および外周ばね輪１８が時計方向に回転し、外周コイルばね１０を締め付ける。
【００５１】
外周コイルばね１０のばね定数は内周コイルばね１１のそれよりも大きいため、図１９に示すように、逆向きの励磁電流を供給した場合には同じ大きさの励磁電流に対して回転子の回転角度が小さい。したがって、このロータリーアクチュエータでは、回転方向によって制御の精度を変更することができる。
【００５２】
なお、上述した実施形態において、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚Ｂを中央部の肉厚Ａより小さくするために、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面と、ヨーク２に固定されている固定面とを、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面を楕円面状に形成するか、あるいは永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部において、回転子鉄心３に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。また、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部に無着磁領域を形成しても、肉厚を徐々に小さくしたのと同様の効果が得られる。
【００５３】
また、上述した実施形態において、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離より小さくするために、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を楕円面状に形成するか、あるいは回転子鉄心３の突極境界部における永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。
【００５４】
なお、上記実施形態では回転子が固定子に対して回転するように説明したが、本発明は、固定された回転子に対して固定子が回転する構成や両者が共に相対回転する構成にも適用することができる。本発明のロータリーアクチュエータは、スロットルバルブ、圧力調整弁、比例バイパス弁等のバルブ類は勿論のこと、コンピュータのドライブの駆動等の周辺機器、自動金銭支払機、レーザ偏光装置の制御、人工衛星のパラボラアンテナやソーラー発電装置の向きの制御、カメラの自動追尾装置の制御などあらゆる分野での適用が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、複数の永久磁石を有する固定子と、複数の突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、回転子コイルに通電することにより、通電した電流にほぼ比例するトルクを回転子と固定子との間に発生する磁気トルク発生部と、回転子と固定子との相対角度変位量にほぼ比例した量変形する弾性部材とを備えているから、種々の機械構造においてギア等を介することなく簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置の制御を行うことができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線矢視である。
【図３】 第１実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す軸断面図である。
【図４】 図３に示す状態から回転子コイルに励磁電流を流して回転子鉄心が９０°回転した状態を示す軸断面図である。
【図５】 （ａ）は回転子鉄心の構造を示す平面図、（ｂ）は永久磁石の構造を示す平面図である。
【図６】 励磁電流の大きさを変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクとの関係の一例を示すグラフである。
【図７】 回転子鉄心が回転する様子を示す軸断面図である。
【図８】 ばね輪を示す図であって、（ａ）は裏面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は平面図である。
【図９】 ばね駆動輪を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】 励磁電流の大きさを変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明の第２実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図１２】 図１１のＡ−Ａ線矢視である。
【図１３】 第２実施形態において励磁電流の大きさと方向を変えた場合の回転子の回転角度位置と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の第３実施形態によるロータリーアクチュエータの構造を示す縦断面図である。
【図１５】 図１４のＡ−Ａ線矢視である。
【図１６】 外周ばね輪を示す図であって、（ａ）は裏面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は平面図である。
【図１７】 内周ばね輪を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１８】 ばね駆動輪を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は裏面図である。
【図１９】 第３実施形態において励磁電流の大きさと方向を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクおよびコイルばねによる反対トルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 永久磁石
３ 回転子鉄心
３ａ，３ａ 突極
４ 回転軸
５ 回転子コイル
１０ 外周コイルばね（弾性部材）
１１ 内周コイルばね（弾性部材）
１２ 内周ばね輪
１３ ばね駆動輪
１８ 外周ばね輪
３０ａ，３０ｂ ストッパ
３１ ばね輪
３５ ばね駆動輪
３６ コイルばね（弾性部材）
３８ ばね固定板
Ａ 磁気トルク発生部
Ｂ 反対トルク発生部
Claims (7)
- 複数の永久磁石を有する固定子と、複数の突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、前記回転子コイルに通電することにより前記回転子と前記固定子との相対角度位置を変異させ、通電した電流にほぼ比例する磁気トルクを前記回転子と固定子との間に発生する磁気トルク発生部と、
前記回転子と前記固定子との相対角度変異量にほぼ比例した量変形し、前記磁気トルクの逆方向に向かうトルクを発生する弾性部材とを備え、
前記永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、
前記突極の中央部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離を、前記突極の境界部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、
前記突極の境界部と前記回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成したことを特徴とするロータリーアクチュエータ。 - 前記回転子または前記固定子が一方向へ回転したときに該回転子または前記固定子とともに回転して前記弾性部材を変形させる弾性部材駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のロータリーアクチュエータ。
- 前記回転子または前記固定子が一方向へ回転したときに該回転子または前記固定子とともに回転して前記弾性部材を変形させる第１弾性部材駆動手段と、前記回転子または前記固定子が逆方向へ回転したときに該回転子または前記固定子とともに回転して弾性部材を変形させる第２弾性部材駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のロータリーアクチュエータ。
- 前記回転子または前記固定子の一方向に向かう磁気トルクが負荷される第１弾性部材と、前記回転子または前記固定子の逆方向に向かう磁気トルクが負荷される第２弾性部材とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のロータリーアクチュエータ。
- 前記第１、第２弾性部材の弾性係数が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載のロータリーアクチュエータ。
- 前記弾性部材に予荷重をかけて予め変形させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のロータリーアクチュエータ。
- 前記固定子は２つの永久磁石を備え、前記回転子鉄心は２つの突極を備え、
前記永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、
前記突極の中央部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離を、前記突極の境界部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離の９９％以下とし、
前記突極の境界部と前記回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のロータリーアクチュエータ。
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