JP4282469B2 - Electromagnetic actuator - Google Patents
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Description
本発明は、中間部から回転出力が得られる電磁アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electromagnetic actuator capable of obtaining a rotational output from an intermediate portion.
従来、PM型のステッピングモータが種々知られている。一般的なPM型のステッピングモータは、中央に回動軸を備えた、永久磁石からなるロータと、該ロータの周囲に配置された環状のステータコイルとを備え、ステータコイルにシーケンシャルに流されるパルス電流によって所定方向にステップ回転する構成である(特許文献1)。
このような従来のPM型ステッピングモータは、ロータの外周を囲むように極歯を形成しているため、外周から出力を取り出す機構を設けることができない。しかも、ロータの外周にフレームヨーク(金属)を用いる必要があり、フレームヨークとケースをプラスチック材等で一体形成することができない。さらに従来技術は、出力が軸の端部にあるため、モーメント(軸ぶれ)を起こしやすい。加えて、ヨークの内側長さ(櫛歯長さ)がステータの内径に制約されるという問題があった。 In such a conventional PM type stepping motor, pole teeth are formed so as to surround the outer periphery of the rotor, and therefore a mechanism for taking out the output from the outer periphery cannot be provided. Moreover, it is necessary to use a frame yoke (metal) on the outer periphery of the rotor, and the frame yoke and the case cannot be integrally formed of a plastic material or the like. Furthermore, since the output is at the end of the shaft, the conventional technology tends to cause a moment (shaking of the shaft). In addition, there is a problem that the inner length (comb tooth length) of the yoke is restricted by the inner diameter of the stator.
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みて、中間から出力を伝達することを可能にし、軸ぶれを生じ難い電磁アクチュエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electromagnetic actuator that can transmit an output from the middle and hardly cause shaft wobbling in view of the problems of the related art.
かかる問題を解決するために本発明は、環状端面が複数磁極に着磁されている永久磁石からなる円筒状のロータマグネットと、該ロータマグネットの環状端面を挟んで配置された一対のステータコイルとを備え、前記ロータマグネットは、前記一方のステータコイルに対向する第1ロータマグネットと、前記他方のステータコイルに対向する第2ロータマグネットを備え、前記第1、第2ロータマグネットの間に、該第1、第2ロータマグネットの回転を外部に伝達するギヤを備えていること、に特徴を有する。 In order to solve such a problem, the present invention provides a cylindrical rotor magnet made of a permanent magnet having an annular end face magnetized by a plurality of magnetic poles, and a pair of stator coils arranged with the annular end face of the rotor magnet interposed therebetween. The rotor magnet includes a first rotor magnet facing the one stator coil and a second rotor magnet facing the other stator coil, and the rotor magnet is interposed between the first and second rotor magnets. A feature is that a gear for transmitting the rotation of the first and second rotor magnets to the outside is provided.
前記一対のステータコイルは、外周から鉄心方向に延びる極歯を備えた第1ヨークと、前記ステータコイルの中心を貫通した鉄心の端部から外方に延びる極歯を備えた第2ヨークとを備え、前記第1ヨークの極歯と第2ヨークの極歯とが円周方向に交互に配置される。このような構成からなる第1のステータコイルおよび第2のステータコイルが、前記第1、第2ロータマグネットを挟んで配置される。 The pair of stator coils includes a first yoke having pole teeth extending in the iron core direction from the outer periphery, and a second yoke having pole teeth extending outward from the end of the iron core passing through the center of the stator coil. The pole teeth of the first yoke and the pole teeth of the second yoke are alternately arranged in the circumferential direction. The first stator coil and the second stator coil having such a configuration are arranged with the first and second rotor magnets interposed therebetween.
前記各第1、第2のステータコイルは、それぞれの各極歯が対向する前記ロータマグネットの磁極に対して同一位相となるように等間隔で配置されていて、さらに前記第1のステータコイルの極歯と前記第2のステータコイルの極歯は、対向するロータマグネットの磁極に対して半位相ずらして配置される。 The first and second stator coils are arranged at equal intervals so that the respective pole teeth are in the same phase with respect to the magnetic poles of the rotor magnets facing each other. The pole teeth and the pole teeth of the second stator coil are arranged with a half phase shift with respect to the magnetic poles of the opposing rotor magnet.
前記第1、第2ロータマグネットは、前記一対のステータコイルを貫通する単一の軸棒に、前記ステータコイルに対して相対回動自在に軸支してもよい。また、前記第1、第2ロータマグネットを、前記一対のステータコイルに対して回動自在に軸支してもよい。 The first and second rotor magnets may be supported on a single shaft bar penetrating the pair of stator coils so as to be rotatable relative to the stator coils . The first and second rotor magnets may be pivotally supported with respect to the pair of stator coils.
また、少なくとも一方のステータコイルは、前記等間隔で設けられた極歯間に不等間隔で補助磁極を備えてもよい。 Further, at least one of the stator coils may include auxiliary magnetic poles at unequal intervals between the pole teeth provided at equal intervals.
本発明の電磁アクチュエータによると、ステータコイルの間に配置されたロータマグネットから回転力を得ることができるので、中間のロータマグネットの外周から回転力を伝達することが可能になり、軸ぶれを生じ難くなる。さらに、極歯を半径方向に長く形成することが可能になる。 According to the electromagnetic actuator of the present invention, since the rotational force can be obtained from the rotor magnet disposed between the stator coils, it is possible to transmit the rotational force from the outer periphery of the intermediate rotor magnet, resulting in shaft shake. It becomes difficult. Furthermore, the pole teeth can be formed long in the radial direction.
次に、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。図1は、本発明を適用した電磁アクチュエータの第1の実施形態を示す斜視図、図2は同実施形態の一方のステータ部を分解して示す斜視図、図3は同実施形態のロータマグネットの斜視図、図4(A)は同電磁アクチュエータの平面図、図4(B)は同電磁アクチュエータの底面図、図5は同電磁アクチュエータの外筒を切断して示す端面図、図6は上段のステータコイルは図4(A)の矢線VIA-VIA方向に切断し、下のステータコイルは図4(B)の矢線VIB-VIB方向に切断して示す断面図である。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a perspective view showing a first embodiment of an electromagnetic actuator to which the present invention is applied, FIG. 2 is an exploded perspective view showing one stator portion of the same embodiment, and FIG. 3 is a rotor magnet of the same embodiment. 4A is a plan view of the electromagnetic actuator, FIG. 4B is a bottom view of the electromagnetic actuator, FIG. 5 is an end view of the electromagnetic actuator cut out, and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the upper stator coil cut in the direction of arrow VIA-VIA in FIG. 4A and the lower stator coil cut in the direction of arrow VIB-VIB in FIG.
この電磁アクチュエータは、一対の第1、第2ステータコイル10、20の間にロータマグネット30を挟み込み、第1、第2ステータコイル10、20およびロータマグネット30を貫通する軸棒40に対して第1、第2ステータコイル10、20は固定され、ロータマグネット30は回動自在に軸支されている。つまりこの実施形態は、中間のロータマグネット30が第1、第2ステータコイル10、20に対して相対回転する構成である。ロータマグネット30の回転力は、ロータマグネット30の外周面に形成したギヤ等により伝達する。
The electromagnetic actuator includes a
第1のステータコイル10は、円筒状のボビン12に巻かれたコイル11と、該コイル11の一方の端面に沿って直径方向に延びて両外周面に沿って屈曲し、軸方向に沿って延びてさらに他方の端面を抱え込むように屈曲した、略コ字形状を呈する第1ヨーク13と、ボビン12の中空部12aを貫通する中空の鉄心14およびボビン12から突出した鉄心14の端部に固定された、ロータマグネット30と対向する第2ヨーク15を備えている。
The
第1ヨーク13は、ボビン12を抱え込むように第2ヨーク15の中央(鉄心14)に向かって延びた両先端部が極歯部13a、13bを形成している。第1ヨーク13の中央部に一体に固定された円筒形の鉄心14は、中空部が軸受穴14aとなり、軸受穴14aは第1ヨーク13を貫通している。鉄心14がボビン1の中心穴12aに嵌入されるときに極歯部13a、13bと第2ヨーク15とは直交方向に位置決めされ、第1ヨークの極歯部13a、13bと第2ヨーク15の極歯部15a、15bは、回動中心に対して90゜を成すように固定される。極歯部13a、13bの先端面と第2ヨーク15との側面との間には所定のエアギャップが確保されている。
As for the
第2のステータコイル20は、第1のステータコイル10と略同一構造であり、第1のステータコイル10と対向させて配置される。つまり、第2のステータコイル20は、円筒状のボビン22に巻かれたコイル21と、該コイル21の一方の端面に沿って直径方向に延びて両外周面に沿って屈曲し、軸方向に沿って延びてさらに他方の端面を抱え込むように屈曲した、略コ字形状を呈する第1ヨーク23と、ボビン22の中空部22aを貫通する中空の鉄心24および鉄心24の前記他方の端面から突出した、ロータマグネット30と対向する端部に固定された第2ヨーク25を備えている。
The
第1ヨーク13は、ボビン12を抱え込むように第2ヨーク15の中央(鉄心14)に向かって延びた両先端部が極歯部13a、13bを形成している。第1ヨーク13の中央部に一体に固定された円筒形の鉄心14は、中空部が軸受穴14aとなり、鉄心14および第1ヨーク13を貫通している。鉄心14がボビン1の中心穴12aに嵌入されるときに極歯部13a、13bと第2ヨーク15とは直交方向に位置決めされ、第1ヨーク13の極歯部13a、13bと第2ヨーク15の極歯部15a、15bは、それぞれの中心が軸心に対して90゜を成すように固定される。極歯部13a、13bの先端面と第2ヨーク15の側面との間には所定のエアギャップが確保されている。
As for the
以上の第1、第2コイルロータ10、20において、第1ヨーク13、23、鉄心14、24および第2ヨーク15、25は軟磁性材で形成されている。そうして、第1コイル11に通電されると、極歯部13a、13bは同一磁極に励磁され、極歯部15a、15bは多極に励磁される。同様に第2コイル21に通電されると、極歯部23a、23bは同一磁極に励磁され、極歯部25a、25bは多極に励磁される。
In the first and
ロータマグネット30は、中央に軸穴31が形成された円盤形状または円柱形状を呈している。そうして、環状端面が4個の磁極に着磁され、軸穴31の周囲にSN極が交互に出現する4個の分割永久磁石部33を有している(図3参照)。
The
ロータマグネット30の軸穴31には、軸穴33aを有する円筒状の軸受33が嵌入されている。軸受33は、両端部がロータマグネット30の両環状端面から僅かに突出していて、この突出部の環状端面が、第1、第2ステータコイル10、20の第2ヨーク15、25と摺接して滑らかな相対回動を維持し、またロータマグネット30と極歯部13a、13b、15a、15b、極歯部23a、23b、25a、25bとの間に所定のエアギャップを形成するスペーサとして作用する。
A
ロータマグネット30の外周には、図示していないが、外歯のギヤ環が嵌合される。ロータマグネット30の回転は、このギヤ環を介して外部に伝達される。なお、ロータマグネット30には、ギヤ環に代えてプーリーや他の回転伝達手段を装着できる。
Although not shown, an external gear ring is fitted on the outer periphery of the
第1のステータコイル10の軸受穴14a、ロータマグネット30の軸穴33aおよび第2のステータコイル20の軸穴24aを貫通して、軸棒40が挿入される。軸棒40に対して、第1のステータコイル10および第2のステータコイル20は、一方の極歯部13a、13b、15a、15bと極歯部23a、23b、25a、25bが、軸方向に投影したときに45゜の角度を成すように軸周りの位置が設定され、かつロータマグネット30が自由に回動できるように軸方向の位置が設定された状態で、筒状のケース50に固定されている。なおケース50には、ロータマグネット30の一部が露出するように開口部51が設けられている(図5参照)。この開口部51から、ロータマグネット30の外周面のギヤ環にピニオンギヤ等を噛合させて、ロータマグネット30の回転力を外部に伝達できる。ケース50は、プラスチックで形成できる。
The
図1乃至図6に示した電磁アクチュエータの動作について、さらに図7および図8を参照して説明する。図7は、第1、第2コイル11、21への通電タイミングチャートを示し、図8の(0)乃至(4)は、ロータマグネット30と第1、第2ステータコイル10、20の極歯部13a、13b、15a、15b、極歯部23a、23b、25a、25bとを直線状に展開してこれらの位相関係およびタイミングチャートを示す図である。なお、図7において、極歯部13a、13b、15a、15bは符号A、A′、A、A′、極歯部13a、13b、15a、15bは、符号B、B′、B、B′を付した磁極として表してある。
The operation of the electromagnetic actuator shown in FIGS. 1 to 6 will be further described with reference to FIGS. FIG. 7 is a timing chart for energizing the first and
「ステップ(0)」
図8の(0)に示した無通電状態においてロータマグネット30は、上面の磁極S、N、S、Nがそれぞれ磁極A、A′、A、A′を吸引し、下面の対極S、N、S、Nがそれぞれ磁極B、B′、B、B′を吸引し、これらの吸引力が平衡した状態で停止している。このとき磁極A、A′、A、A′はそれぞれS、N、S、N極に磁化され、第2のステータの磁極B、B′、B、B′はそれぞれN、S、N、Sに磁化されている。この状態を第1の平衡状態とする。
"Step (0)"
In the non-energized state shown in FIG. 8 (0), the
「ステップ(1)」
この第1の平衡状態において、第1、第2ステータコイル10、20にそれぞれ正方向通電されると、磁極A、A′、A、A′は同磁極に励磁されるが、磁極B、B′、B、B′は逆磁極に励磁される。そのため、磁極B、B′、B、B′は、それぞれロータマグネット30の左隣の磁極を吸引するので、ロータマグネット30は右方向に移動(回転)する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡した状態、すなわち初期位置から45゜回転した状態で停止する(図8(1))。この平衡状態においてロータマグネット30は、磁極A、A′、A、A′からは左回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは右回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、ロータマグネット30は回動しない。この平衡状態を第2の平衡状態とする。
"Step (1)"
In this first equilibrium state, when the first and second stator coils 10, 20 are energized in the positive direction, the magnetic poles A, A ', A, A' are excited by the same magnetic poles. ', B, B' are excited by the reverse magnetic pole. Therefore, each of the magnetic poles B, B ′, B, B ′ attracts the magnetic pole on the left side of the
「ステップ(2)」
第2の平衡状態において、第1ステータコイル10へは逆通電し、第2ステータコイル20へは順通電する。すると、磁極A、A′、A、A′は逆磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は同磁極に励磁される。そのため、磁極A、A′、A、A′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共にロータマグネット30を右回転方向に吸引するので、ロータマグネット30は右回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する、初期位置から90゜回転した状態で停止する(図8(2))。この平衡状態においてロータマグネット30は、磁極A、A′、A、A′からは右回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは左回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、ロータマグネット30は回動しない。この平衡状態を第3の平衡状態とする。
"Step (2)"
In the second equilibrium state, the
「ステップ(3)」
第3の平衡状態において、第1、第2ステータコイル10、20にそれぞれ逆正方向通電されると、磁極A、A′、A、A′は同磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は逆磁極に励磁される。そのため、磁極B、B′、B、B′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共にロータマグネット30を右回転方向に吸引することになるので、ロータマグネット30は右方向に回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する位置である、初期位置から135゜回転した状態で停止する(図8(3))。この平衡状態においてロータマグネット30は、磁極A、A′、A、A′からは左回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは右回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、ロータマグネット30は回動しない。この状態を第4の平衡状態とする。
"Step (3)"
In the third equilibrium state, when the first and second stator coils 10, 20 are energized in the reverse positive direction, the magnetic poles A, A ', A, A' are excited to the same magnetic poles, and the magnetic poles B, B ', B and B 'are excited by the reverse magnetic pole. Therefore, each of the magnetic poles B, B ′, B, B ′ attracts the magnetic pole on the left side, that is, the magnetic poles A, A ′, A, A ′, the magnetic poles B, B ′, B, B ′ are all the
「ステップ(4)」
この第4の平衡状態において、第1のステータコイル10に順通電され、第2のステータコイル20に逆通電されると、磁極A、A′、A、A′は逆磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は同磁極に励磁される。そのため、磁極A、A′、A、A′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共にロータマグネット30を右回転方向に吸引するので、ロータマグネット30は右回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する、初期位置から180゜回転した状態で停止する(図8(4))。この平衡状態においてロータマグネット30は、磁極A、A′、A、A′からは右回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは左回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、ロータマグネット30は回動しない。この平衡状態は、第1の平衡状態と同一である。
"Step (4)"
In this fourth equilibrium state, when the
以上の通り、ステップ(4)の平衡状態はステップ(0)の第1の平衡状態と同一である。したがって、上記ステップ(1)、(2)、(3)、(4)の通電処理を繰り返すことで、ロータマグネット30を右方向に45゜ステップ角でステップ回動させることができる。
As described above, the equilibrium state in step (4) is the same as the first equilibrium state in step (0). Therefore, the
なお、ロータマグネット30がどの平衡状態で停止しているかは、磁気センサにより検出することができる。検出した平衡状態に対応するステップ、通電パターンから、回転方向に基づいた通電パターン順で通電を開始すれば、左右いずれの方向にも回転させることができる。
It should be noted that the equilibrium state in which the
このように第1の実施形態によれば、第1、第2ステータコイル10、20の中間に位置するマグネットロータ30から回転力を取り出すことができるので、軸ぶれを生じ難い。さらに第1、第2ステータコイル10、20の極歯がマグネットロータ30と軸方向に対向するので、全体の径を細くすることが可能になる。
As described above, according to the first embodiment, the rotational force can be extracted from the
図1乃至6に示した第1の実施形態では、各ステータコイル10、20の極歯数をマグネットロータ30の磁極数と同一としたが、磁極数に対応させて、ステータコイル10、20の極歯数を増やしてもよい。磁極数が増えると、1ステップの回転角がより小さくなる。ステータコイル10、20の極歯数が増加、または面積が増大すると、回転トルクが増大する。
In the first embodiment shown in FIGS. 1 to 6, the number of pole teeth of each of the stator coils 10 and 20 is the same as the number of magnetic poles of the
さらにこの実施形態は、ロータマグネット30を軸方向に長く形成できるので、径を代えずに磁力を増加させて、回転トルクを増大させることができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
次に、ロータマグネット130を、第1、第2ステータコイル110、120間に回動自在に軸支する実施形態について、図9乃至図11を参照して説明する。図9(A)は第2の実施形態の電磁アクチュエータの平面図、図9(B)は同底面図、図10は同電磁アクチュエータの外筒を一部切断して示した正面図、図11は、上段の第1ステータコイル110は図9(A)の矢線XIA-XIAに沿って切断し、下段の第2ステータコイル120は図9(B)の矢線XIB-XIBに沿って切断した断面図である。
Next, an embodiment in which the
第1のステータコイル110は、円筒状のボビン112に巻かれたコイル111と、該コイル111の一方の端面に沿って直径方向に延びて両外周面に沿って屈曲し、軸方向に沿って延びてさらに他方の端面を抱え込むように屈曲した、略コ字形状を呈する第1ヨーク113と、ボビン112の中空部を貫通する鉄心114および鉄心114の対向側端面から突出した、ロータマグネット130と対向する端部に固定された第2ヨーク115を備えている。
The
第1ヨーク113は、対向側端面に沿って軸心に向かって延びた両先端部が極歯部113a、113bを形成している。第1ヨーク113の中央部に一体に固定された円筒形の鉄心114は、第1ヨーク113を貫通し、突出した先端部に球面状の当付部114aが形成されている。鉄心114がボビン112の中心穴112aに嵌入されるときに極歯部113a、113bと第2ヨーク115とは直交方向に位置決めされ、第1ヨーク113の極歯部113a、113bと第2ヨーク115の極歯部115a、115bは、それぞれの中心が軸心に対して90゜を成すように固定される。極歯部113a、113bの先端面と第2ヨーク115の側面との間には所定のエアギャップが確保されている。
As for the
第2のステータ120は、第1のステータ110と略同一構造であり、ロータマグネット120を挟んで第1のステータ110と対向させて配置される。つまり、対向側端面に沿って軸心に向かって延びた両先端部が極歯部123a、113bを形成し、第1ヨーク123の中央部に一体に固定された鉄心124は、第1ヨーク123を貫通し、突出した先端部に球面状の当付部124aが形成されている。鉄心124がボビン121の中心穴122aに嵌入されるときに極歯部123a、123bと第2ヨーク125とは直交方向に位置決めされ、第1ヨーク123の極歯部123a、123bと第2ヨーク125の極歯部125a、125bは、それぞれの中心が軸心に対して90゜を成すように固定される。なお、極歯部123a、123bの先端面と第2ヨーク115の側面との間には所定のエアギャップが確保されている。
The
以上の第1、第2ロータコイル110、120において、第1ヨーク113、123、鉄心114、124および第2ヨーク115、125は軟磁性材で形成されている。
In the first and second rotor coils 110 and 120 described above, the
このロータマグネット130は、軸周りに等間隔で着磁された複数の永久磁石部を有する円盤状の第1ロータマグネット131および第2ロータマグネット135と、これらの第1、第2ロータマグネット131、135の間に固定されたギヤ133を備えている。第1、第2ロータマグネット131、135およびギヤ133は、これらの軸穴を貫通する軸137に固定されている。各ロータマグネット131、135はロータマグネット30同様に、詳細は図示しないが、中央に軸穴が形成された円盤形状または円柱形状を呈し、環状端面が4個の磁極に着磁され、軸穴の周囲にSN極が交互に出現する4個の分割永久磁石部を有している。各第1、第2ロータマグネット131、135は、相反する方向に露出する環状端面に現れる磁極が、軸方向に投影して、互いに半位相(または半ピッチ)ずれた状態で固定されている。
The
このように第1、第2ロータマグネット131、135の磁極の位相をずらして配置することにより、第1、第2ステータコイル110、120の極歯部113a、113b、115a、115bと極歯部123a、123b、125a、125bをずらして配置したのと同様の効果が得られる。つまり、極歯部113a、113b、115a、115bと極歯部123a、123b、125a、125bは軸方向に投影して重なるように配置できるので、第1、第2ロータマグネット131、135の位置決めが容易になる。
The
軸137の両端面は、当付部114a、124aの半径よりもやや大きい半径の凹面形状の軸受部137a、137bが形成されている。これらの軸受部137a、137bと当付部114a、124aとが、それぞれの軸心を通る頂点で点接触して回動自在に軸支する軸受を構成している。
On both end surfaces of the
第1のステータコイル110、ロータマグネット130および第2のステータコイル120は、ロータマグネット130が自由に回転できるように当付部114a、124aで軸117の軸受部137a、137bを支持した状態で、かつ極歯部113a、113b、115a、115bが極歯部123a、123b、125a、125bとロータマグネット130を挟んで対向するように位置合わせされた状態で筒状の外筒150に嵌合固定される。なお、外筒150には、ギヤ133に外部ギヤを噛合可能にする開口部151が設けられている。
The
この第2の実施形態における通電制御および回転動作は、図12および図13に示す。 The energization control and the rotation operation in the second embodiment are shown in FIGS.
各第1、第2ロータマグネット131、135は、端面に露出する磁極が互いに半位相、半ピッチずれた状態で固定されている。
Each of the first and
図12は、第1、第2コイル111、121への通電タイミングチャートを示し、図13の(0)乃至(4)は、第1ロータマグネット131、第2ロータマグネット135、第1、第2ステータコイル110、120の極歯部113a、113b、114a、114b、極歯部124a、124b、125a、125bとを直線状に展開してこれらの位相関係およびタイミングチャートを示す図である。なお、図12において、極歯部113a、113b、114a、114b、は符号A、A′、A、A′、極歯部124a、124b、125a、125bは、符号B、B′、B、B′を付した磁極として表してある。
FIG. 12 is a timing chart of energization to the first and
「ステップ(0)」
図12の(0)に示した無通電状態において第1、第2ロータマグネット131、135は、上面の磁極N、S、N、Sがそれぞれ磁極A、A′、A、A′を吸引し、下面の対極S、N、S、Nがそれぞれ磁極B、B′、B、B′を吸引し、これらの吸引力が平衡した状態で停止している。このとき磁極A、A′、A、A′はそれぞれS、N、S、N極に磁化され、第2のステータの磁極B、B′、B、B′はそれぞれN、S、N、Sに磁化されている。この状態を第1の平衡状態とする。
"Step (0)"
In the non-energized state shown in (0) of FIG. 12, the first and
「ステップ(1)」
この第1の平衡状態において、第1、第2ステータコイル110、120にそれぞれ正方向通電されると、磁極A、A′、A、A′は同磁極に励磁されるが、磁極B、B′、B、B′は逆磁極に励磁される。そのため、磁極B、B′、B、B′は、それぞれ第1ロータマグネット131、第2ロータマグネット135の左隣の磁極を吸引するので、第1、第2ロータマグネット131、135ともに右方向に移動(回転)する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡した状態、すなわち初期位置から45゜回転した状態で停止する(図13(1))。この平衡状態において第1、第2ロータマグネット131、135は、磁極A、A′、A、A′からは左回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは右回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、第1、第2ロータマグネット131、135は回動しない。この平衡状態を第2の平衡状態とする。
"Step (1)"
In the first equilibrium state, when the first and second stator coils 110 and 120 are energized in the positive direction, the magnetic poles A, A ′, A and A ′ are excited to the same magnetic poles. B ', B, and B' are excited by the reverse magnetic pole. Therefore, the magnetic poles B, B ′, B, B ′ attract the magnetic poles on the left side of the
「ステップ(2)」
第2の平衡状態において、第1ステータコイル110へは逆通電し、第2ステータコイル120へは順通電する。すると、磁極A、A′、A、A′は逆磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は同磁極に励磁される。そのため、磁極A、A′、A、A′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共に第1ロータマグネット131、第2ロータマグネット135を右回転方向に吸引するので、第1、第2ロータマグネット131、135が右回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する、初期位置から90゜回転した状態で停止する(図13(2))。この平衡状態において第1、第2ロータマグネット131、135は、磁極A、A′、A、A′からは右回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは左回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、第1、第2ロータマグネット131、135は回動しない。この平衡状態を第3の平衡状態とする。
"Step (2)"
In the second equilibrium state, the
「ステップ(3)」
第3の平衡状態において、第1、第2ステータコイル110、120にそれぞれ逆正方向通電されると、磁極A、A′、A、A′は同磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は逆磁極に励磁される。そのため、磁極B、B′、B、B′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共に第1、第2ロータマグネット131、135を右回転方向に吸引することになるので、第1、第2ロータマグネット131、135は右方向に回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する位置である、初期位置から135゜回転した状態で停止する(図13(3))。この平衡状態において第1、第2ロータマグネット131、135は、磁極A、A′、A、A′からは左回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは右回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、第1、第2ロータマグネット131、135は回動しない。この状態を第4の平衡状態とする。
"Step (3)"
When the first and second stator coils 110 and 120 are energized in the reverse positive direction in the third equilibrium state, the magnetic poles A, A ′, A, and A ′ are excited to the same magnetic poles, and the magnetic poles B, B ′, B and B 'are excited by the reverse magnetic pole. Therefore, each of the magnetic poles B, B ′, B, B ′ attracts the magnetic pole on the left side, that is, the magnetic poles A, A ′, A, A ′, the magnetic poles B, B ′, B, B ′ are all the first, Since the
「ステップ(4)」
この第4の平衡状態において、第1ステータコイル110に順通電され、第2ステータコイル120に逆通電されると、磁極A、A′、A、A′は逆磁極に励磁され、磁極B、B′、B、B′は同磁極に励磁される。そのため、磁極A、A′、A、A′は、それぞれ左隣の磁極を吸引、つまり、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′は共に第1、第2ロータマグネット131、135を右回転方向に吸引するので、第1、第2ロータマグネット131、135は右回転する。そうして、磁極A、A′、A、A′、磁極B、B′、B、B′による吸引力が平衡する、初期位置から180゜回転した状態で停止する(図13(4))。この平衡状態において第1、第2ロータマグネット131、135は、磁極A、A′、A、A′からは右回転方向の吸引力を受け、磁極B、B′、B、B′からは左回転方向の吸引力を受けている。この状態で通電を遮断しても、この平衡状態が維持され、第1、第2ロータマグネット131、135は回動しない。この平衡状態は、第1の平衡状態と同一である。
"Step (4)"
In this fourth equilibrium state, when the
以上の通り、ステップ(4)の平衡状態はステップ(0)の第1の平衡状態と同一である。したがって、上記ステップ(1)、(2)、(3)、(4)の通電処理を繰り返すことで、第1、第2ロータマグネット131、135を右方向に45゜ステップ角でステップ回動させることができる。
As described above, the equilibrium state in step (4) is the same as the first equilibrium state in step (0). Therefore, the first and
なお、第1、第2ロータマグネット131、135がどの平衡状態で停止しているかは、磁気センサにより検出することができる。検出した平衡状態に対応するステップ、通電パターンから、回転方向に基づいた通電パターン順で通電を開始すれば、左右いずれの方向にも回転させることができる。
Note that the equilibrium state in which the first and
このように第2の実施形態によれば、第1、第2ステータコイル110、120の中間に位置する第1、第2ロータマグネット131、135から回転力を取り出すことができるので、軸ぶれを生じ難い。さらに第1、第2ステータコイル110、120の極歯が第1、第2ロータマグネット131、135と軸方向に対向するので、全体の径を細くすることが可能になる。
As described above, according to the second embodiment, the rotational force can be extracted from the first and
図11に示した第2の実施形態では、各第1、第2ステータコイル110、120の極歯数を第1、第2ロータマグネット131、135の磁極数と同一としたが、磁極数を極歯数の磁極数に対応させて、第1、第2ステータコイル110、120の極歯数を増やしてもよい。磁極数が増えると、1ステップの回転角がより小さくなる。各第1、第2ステータコイル110、120の極歯数が増加、または面積が増大すると、回転トルクが増大する。
In the second embodiment shown in FIG. 11, the number of pole teeth of each of the first and second stator coils 110 and 120 is the same as the number of magnetic poles of the first and
さらにこの実施形態は、ロータマグネット30を軸方向に長く形成できるので、径を代えずに磁力を増加させて、回転トルクを増大させることができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
このように第2の実施形態では、ロータマグネットを2個の第1、第2ロータマグネット131、135で構成し、かつ位相を半位相分ずらせて配置したので、第1、第2ステータコイル30の磁極部を対向配置することが可能になり、これらの位置調整が容易になった。さらにギヤを第1、第2ロータマグネット131、135の間に挟み込む構造となるので、ギヤの構成の自由度が増し、製造が容易になった。
As described above, in the second embodiment, the rotor magnet is constituted by the two first and
第2の実施形態のロータマグネット130を回動自在に軸支するピボット軸受は、軸受と当付部とは逆の構造にしてもよい。また、他の軸受構造を適用してもよい。また、この第2の実施形態のロータマグネット130の二層構造は、第1の実施形態にも適用できる。
The pivot bearing that pivotally supports the
以上は、極歯を等間隔で設けた実施形態であるが、本発明の電磁アクチュエータは、極歯の一部を不等間隔で設けることができる。極歯の一部を不等間隔で設けた第3の実施形態について、図14、図15に示した動作タイミングおよび構造を参照して説明する。 The above is an embodiment in which the pole teeth are provided at equal intervals, but the electromagnetic actuator of the present invention can provide a part of the pole teeth at unequal intervals. A third embodiment in which part of the pole teeth is provided at unequal intervals will be described with reference to the operation timing and structure shown in FIGS.
この第3の実施形態は、例えば第1の実施形態において、第1、第2のステータコイル10、20から第1ヨークを取り除いて第2ヨークを十字形状とし、さらに一方の十字形状のヨークに1本の補助ヨークを形成することにより構成できる。つまり、第1のステータコイルの十字形状のヨーク先端部に形成された4個の磁極Aと、第2のステータコイルの十字形状のヨーク先端部に形成された4個の磁極Bと、磁極Bの間に延びる1本のヨーク先端部に形成された1個の補助磁極B′を備える。各ステータコイルの磁極A、Bはそれぞれ中心角90゜間隔で設けられているが、補助磁極B′は、隣接する磁極Bに対する中心角をθとすると、0゜<θ<45゜、45゜<θ<90゜となる。 In the third embodiment, for example, in the first embodiment, the first yoke is removed from the first and second stator coils 10 and 20, and the second yoke is formed into a cross shape. It can be configured by forming one auxiliary yoke. That is, the four magnetic poles A formed at the tip of the cross-shaped yoke of the first stator coil, the four magnetic poles B formed at the tip of the cross-shaped yoke of the second stator coil, and the magnetic pole B One auxiliary magnetic pole B ′ formed at the tip of one yoke extending between the two. The magnetic poles A and B of each stator coil are provided at a central angle of 90 °, but the auxiliary magnetic pole B ′ has an angle of 0 ° <θ <45 ° and 45 ° when the central angle with respect to the adjacent magnetic pole B is θ. <Θ <90 °.
一方、マグネットロータは、第3の実施形態のマグネットロータ30の磁極数を2倍の8個としてある。つまり、一方のステータコイルの極歯数の2倍の磁極数に設定してある。
On the other hand, in the magnet rotor, the number of magnetic poles of the
第3の実施形態の動作を説明する。無通電状態では、図15(0)の状態で停止している。この停止位置を初期位置、回転角0゜のステップ(0)とする。このステップ(0)の停止状態では、一方のステータコイルの各磁極AはロータマグネットのN極に吸引されてS極に磁化している。一方、他方のステータコイルの各磁極Bおよび補助磁極B′は、ロータマグネットのS極に吸引されてN極に磁化している。ここでロータマグネットは、補助磁極B′に対する吸引力により、補助磁極B′が無かった場合より、角度Δθだけ進行方向に回転した状態で平衡状態となり、停止している。この停止状態を第1の平衡状態とする。 The operation of the third embodiment will be described. In a non-energized state, it has stopped in the state of FIG. 15 (0). This stop position is defined as an initial position, step (0) with a rotation angle of 0 °. In the stopped state of step (0), each magnetic pole A of one stator coil is attracted to the N pole of the rotor magnet and magnetized to the S pole. On the other hand, each magnetic pole B and auxiliary magnetic pole B ′ of the other stator coil are attracted to the south pole of the rotor magnet and magnetized to the north pole. Here, the rotor magnet is in an equilibrium state and stopped by rotating in the traveling direction by an angle Δθ, compared to the case where there is no auxiliary magnetic pole B ′ due to the attractive force with respect to the auxiliary magnetic pole B ′. This stop state is defined as a first equilibrium state.
「ステップ(1)」
第1の平衡状態において、第1、第2のステータコイルに、磁極A、磁極B、補助磁極B′の磁極が反転する順方向に電流を流す。すると、磁極A、磁極B、補助磁極B′が励磁されて磁極が反転し、磁極が反転した磁極A、磁極B、補助磁極B′は、ロータマグネットの最も近い逆磁極となる右隣の磁極を吸引するので、ロータマグネットは左方向に移動(左回転)し、これらの磁極が引き合う力が平衡した状態で停止する(図15(1))。つまりロータマグネットは、第1、第2のステータコイルに対して左方向に45゜回転して平衡状態で停止する。この停止状態を第2の平衡状態とする。この第2の平衡状態で通電を遮断しても、磁極A、磁極B、補助磁極B′への励磁作用は消失するが磁極は変わらないので、停止状態を維持する。この平衡状態を第2の平衡状態とする。
"Step (1)"
In the first equilibrium state, a current is passed through the first and second stator coils in the forward direction in which the magnetic poles A, B, and auxiliary magnetic pole B ′ are reversed. Then, the magnetic pole A, the magnetic pole B, and the auxiliary magnetic pole B ′ are excited to reverse the magnetic pole, and the magnetic pole A, the magnetic pole B, and the auxiliary magnetic pole B ′ whose magnetic poles are inverted are the adjacent magnetic poles on the right side that are the closest reverse magnetic poles of the rotor magnet. Therefore, the rotor magnet moves to the left (rotates counterclockwise) and stops in a state where the forces attracted by these magnetic poles are balanced (FIG. 15 (1)). That is, the rotor magnet rotates 45 ° to the left with respect to the first and second stator coils and stops in an equilibrium state. This stop state is defined as a second equilibrium state. Even if energization is interrupted in the second equilibrium state, the exciting action on the magnetic pole A, magnetic pole B, and auxiliary magnetic pole B ′ disappears, but the magnetic pole does not change, so the stopped state is maintained. This equilibrium state is defined as a second equilibrium state.
「ステップ(2)」
この第2の平衡状態において、第1、第2のステータコイルに逆方向に電流を流す。すると、磁極A、磁極B、補助磁極B′は磁極が反転する方向に励磁される。磁極が反転した磁極A、磁極B、補助磁極B′は、ロータマグネットの最も近い右隣の磁極を吸引するので、ロータマグネットは左方向に移動(回転)し、これらの磁極が引き合う力が平衡した状態で停止する(図15(2))。つまりロータマグネットは、第1、第2のステータコイルに対して左方向に45゜回転して平衡状態で停止している。この停止状態を第3の平衡状態とする。この第3の平衡状態で通電を遮断しても、磁極A、磁極B、補助磁極B′への励磁作用が消失するだけで磁極は変わらないので、停止状態を維持する。
"Step (2)"
In this second equilibrium state, a current is passed through the first and second stator coils in the reverse direction. Then, the magnetic pole A, the magnetic pole B, and the auxiliary magnetic pole B ′ are excited in the direction in which the magnetic poles are reversed. The magnetic pole A, magnetic pole B, and auxiliary magnetic pole B ′ whose magnetic poles are reversed attract the magnetic pole nearest to the right of the rotor magnet, so the rotor magnet moves (rotates) in the left direction, and the force attracted by these magnetic poles is balanced. It stops in the state (FIG. 15 (2)). That is, the rotor magnet rotates 45 ° to the left with respect to the first and second stator coils and stops in an equilibrium state. This stop state is defined as a third equilibrium state. Even if energization is cut off in the third equilibrium state, the magnetic poles do not change because the excitation action on the magnetic pole A, magnetic pole B, and auxiliary magnetic pole B ′ disappears, and the stopped state is maintained.
この第3の平衡状態は、第1の平衡状態と同一の状態である。したがって、以後、ステップ(1)、(2)の通電を繰り返すことで、ロータマグネットを45゜ステップ角でステップ回動させることができる。この実施形態によると、通電方向を正逆に切り替えるだけで駆動できるので、駆動制御が簡単である。 This third equilibrium state is the same state as the first equilibrium state. Therefore, thereafter, by repeating the energization of steps (1) and (2), the rotor magnet can be rotated stepwise by a 45 ° step angle. According to this embodiment, driving can be performed simply by switching the energization direction between forward and reverse, so that drive control is simple.
以上の各実施形態では、各ステータコイルの基本的な極歯数を4個としたが、6極以上の偶数でもよい。極歯数を増やせば、より小さいステップ角での駆動が可能になる。 In each of the above embodiments, the basic number of pole teeth of each stator coil is four, but it may be an even number of six or more poles. If the number of pole teeth is increased, driving with a smaller step angle becomes possible.
10 第1ステータコイル
11 コイル
12 ボビン
12a 中空部
13 第1ヨーク
13a 極歯部
13b 極歯部
14 鉄心
14a 軸受穴
15 第2ヨーク
15a 極歯部
15b 極歯部
20 第2ステータコイル
21 コイル
22 ボビン
22a 中空部
23 第1ヨーク
23a 極歯部
23b 極歯部
24 鉄心
24a 軸穴
25 第2ヨーク
25a 極歯部
25b 極歯部
30 ロータマグネット
31 軸穴
33 軸受
33a 軸穴
40 軸棒
50 ケース
51 開口部
110 第1ステータコイル
111 コイル
112 ボビン
112a 中心穴
113 第1ヨーク
113a 極歯部
113b 極歯部
114 鉄心
114a 当付部
115 第2ヨーク
115a 極歯部
115b 極歯部
117 軸
120 第2ステータコイル
121 ボビン
122a 中心穴9
123 第1ヨーク
123a 極歯部
123b 極歯部1
124 鉄心
124a 当付部
125 第2ヨーク
125a 極歯部
125b 極歯部1
130 ロータマグネット
131 第1ロータマグネット
133 ギヤ
135 第2ロータマグネット
137 軸
137a 軸受部
137b 軸受部
150 ケース
151 開口部
DESCRIPTION OF
123
124 Iron core
130
Claims (6)
該ロータマグネットの環状端面を挟んで配置された一対のステータコイルとを備え、
前記ロータマグネットは、前記一方のステータコイルに対向する第1ロータマグネットと、前記他方のステータコイルに対向する第2ロータマグネットを備え、
前記第1、第2ロータマグネットの間に、該第1、第2ロータマグネットの回転を外部に伝達するギヤを備えていること、を特徴とする電磁アクチュエータ。 A cylindrical rotor magnet composed of a permanent magnet whose annular end face is magnetized by a plurality of magnetic poles;
A pair of stator coils arranged across the annular end surface of the rotor magnet,
The rotor magnet includes a first rotor magnet facing the one stator coil, and a second rotor magnet facing the other stator coil,
An electromagnetic actuator comprising a gear for transmitting the rotation of the first and second rotor magnets to the outside between the first and second rotor magnets .
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