JP4817091B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の磁極間に発生する吸引力及び反撥力を駆動力とする双方向動作用の電磁アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここでいう双方向動作用電磁アクチュエータとは、適度のストロークを有し、ストローク内の任意の位置において押し方向にも引き方向にも力を発生させることができる電磁アクチュエータである、と定義する。ボイスコイル型アクチュエータ、或いは可動永久磁石を用いたソレノイド・アクチュエータ等がこれに属する。
【０００３】
２個の電磁石を対向して使用し、夫々を別個に励磁してある場合は吸引力を発生させ、ある場合は反撥力を発生させるようにした対向電磁石型アクチュエータもここで定義した双方向動作型電磁アクチュエータに属する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に代表的な対向電磁石型アクチュエータの構造の断面図を示す。一方の電磁石は鉄心１とコイル３よりなり、もう一方の電磁石は鉄心２とコイル４よりなる。単純な構造で小型化に向き、如何にも使い勝手が良さそうであるが、現実にこのような構造のものが双方向動作型電磁アクチュエータとして使用されることはない。
【０００５】
その理由は、この構造では凡そ吸引力を３であるとすると、反撥力は１程度しか得られず、反撥方向のアクチュエータとしての発生力が弱いから実用的価値が低いためである。アクチュエータとしては反撥力は原点からの移動距離が大きくなって両方の電磁石の間隔が広がるに連れて弱くなるため、スプリング等の負荷と力を平衡させて位置制御を行なうことができるメリットがある。また、位置を固定することにより、励磁電流値を制御して力制御を行なうことができるメリットがある。吸引方向では原点からの移動距離が大きくなる、即ち両方の電磁石の間隔が縮まるにつれて発生力は加速的に強くなり、スプリング等の負荷と平衡させることができず、ストッパーで停止させられる位置まで動き切ってしまい、簡単な位置制御を実現することができない。
【０００６】
吸引力が反撥力に対して大きい理由を図１及び図２を使って説明しよう。図１では吸引力が発生するようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この時、両コイルを取り巻く磁力線５が発生する。鉄心の透磁率は高いので、両コイルの起磁力は両電磁石の距離Ｄである２ヶ所のギャップに集中する。
【０００７】
図２では反撥力が発生するようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この時はコイル３を取り巻く磁力線６とコイル４を取り巻く磁力線７が発生する。コイルの起磁力は夫々の磁極間の磁路（長さＬ）に集中する。
【０００８】
図１では２個のコイルが２ヶ所の長さＤのギャップに起磁力を与えている。図２では１個のコイルが長さＬの磁路に起磁力を与えている。両図を比較すれば明らかに図１の方が磁束密度が高くなる寸法関係にある。それ故、対向電磁石型アクチュエータでは吸引力の方が反撥力に対して不釣合いに大きい。また、反撥方向の発生力が小さいために簡単に位置制御が実現できるアクチュエータとして利用することが難しい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
対向電磁石型アクチュエータにおいては、対向する２個の電磁石の間の空間に磁性流体を充満させるとその特性が劇的に変化し、吸引力は殆ど変化しないが、反撥力が１．５倍から２倍にまで増強される。
【００１０】
その理由を説明しよう。磁性流体は直径１０ナノメータ程度の磁性超微粒子を油等の媒体に体積濃度１０％前後で懸濁させたものである。飽和磁束密度は磁性体がマグネタイトの場合は５００ガウス程度、磁性体が鉄、コバルト等の強磁性体及びそれらの合金の場合は１，５００〜２，０００ガウス程度となる。
【００１１】
２個の電磁石間に発生する電磁力は磁気エネルギーを距離で微分した値である。磁気エネルギーは起磁力Ｈと磁束密度Ｂの積である。磁性流体は空間より透磁率が高いから磁束密度Ｂを増加させ、磁気エネルギーＨ×Ｂを増加させるので、吸引力或いは反撥力を増加させる方向に働く。
【００１２】
また、磁性流体が磁界の存在する空間にできるだけ大量に集まって磁気エネルギーを最大化しようとするために機械的圧力が発生する。この圧力は正の圧力であるから、力の作用する方向としては電磁的吸引力とは逆となり、電磁的反撥力とは同じ方向となる。
【００１３】
結論を述べると、磁性流体の存在は電磁的吸引力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械的圧力によるマイナスがほぼ等分に作用して、全体として吸引力は殆ど変化しない。
【００１４】
しかしながら電磁的反撥力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械的圧力が同じ方向に作用するプラスが加算されて、電磁的反撥力は著しく増強される。マグネタイトを用いる磁性流体で反撥力をほぼ１．５倍に増大させる。強磁性体を用いる磁性流体では反撥力を２倍以上に増大させる。本発明は磁気空間に磁性流体を充填することにより、吸引力を大幅に増大させて、吸引力と反撥力の絶対値がほぼ等しい対向電磁石型アクチュエータを得んとするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図を参照して説明する。
【００１６】
【実施例】
第１の実施の形態
図３は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第１の実施の形態である。これは最も基本的な単純な構造をしている。一方の電磁石は鉄心１０、コイル１２、ストッパー１４よりなり、もう一方の電磁石は鉄心１１、コイル１３、ストッパー１５よりなる。強化繊維入りゴム製の袋体１６が閉鎖空間を作り、その内部に磁性流体１７が封入されている。この対向電磁石型アクチュエータは吸引方向にも反撥方向にも力を発生させることができる。反撥方向で使用する場合には、圧縮スプリング等と組合わせてオープンループ制御で簡単な位置制御を実現することができて簡易型のアクチュエータとして便利である。この場合、一定の励磁電流における反撥方向の原点からの距離を直線的に動かすと反撥力は指数関数的に減衰する。
【００１７】
第２の実施の形態
図４は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第２の実施の形態である。図の左側の鉄心２０と図の右側の鉄心２１はロッド２４によって一体に連結されている。フランジが付いた外側リング鉄心２５、内側リング鉄心２６、コイル２７は前述左右の二つの電磁石に挟まれた空間を軸方向に自由に移動できる。２個の袋体１６が３個の電磁石と接合されており、その内部に磁性流体１７が封入されている。図の左側電磁石と中央電磁石の間で一つの対向電磁石型アクチュエータを構成しており、図の中央電磁石と右側電磁石の間でもう一つの対向電磁石型アクチュエータを構成している。図の左側で構成されている対向電磁石型アクチュエータで反撥力を発生させ、右側の対向電磁石型アクチュエータで吸引力を発生させるとプッシュプル動作を行なうことができる。中央電磁石が左側電磁石から遠ざかって左側の対向電磁石型アクチュエータの反撥力が指数関数的に減衰するが、右側の対向電磁石型アクチュエータの吸引力が急速に強くなって両方の発生力を合成するとストロークの全長においてある範囲に収まる発生力を得ることができる。基本的に同一の励磁においては吸引力の方が反発力より強いので、吸引側の励磁、図ではコイル２３による励磁を若干抑制する電流制御を行なえば殆どフラットな力・ストローク特性が得られる。
【００１８】
第３の実施の形態
図５は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第３の実施の形態である。外側リング鉄心３０、内側リング鉄心３１、コイル３２、ストッパー３３が中央電磁石を構成しており、袋体１６の内部に磁性流体１７が封入されている。図５は図３の左右の電磁石の間に複数個の中央電磁石を入れた構成となっている。図５には中央電磁石が２個で、３組の対向電磁石型アクチュエータが形成されている場合を示している。このアクチュエータでは全ての対向電磁石アクチュエータが同時に吸引力もしくは反撥力を発生させるように構成されている。このアクチュエータは図３の基本形に対して、直径に対して全長が長いアスペクト比を有する設計例を示したもので、図５の場合は全長が図３のほぼ２倍であるが、動作ストロークはほぼ３倍得られる設計になっている。
以上、図３に基本形、図４及び図５に応用形を示したが、本発明の応用範囲はこれらの図に示された実施例に限られるものでない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、構造が単純であるから小型化、超小型化に好適であり、反撥方向の発生力が従来の同等仕様の電磁石より遥かに大きい対向電磁石型アクチュエータを提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、オープンループ制御方式でも簡単な位置制御や力制御が実現する利便性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回転対称である対向電磁石の基本構造と吸引力発生時の磁路を示す図である。
【図２】 回転対称である対向電磁石の基本構造と反撥力発生時の磁路を示す図である。
【図３】 本発明になる請求項１に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【図４】 本発明になる請求項２に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【図５】 本発明になる請求項３に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 鉄心及び電磁石
２ 鉄心及び電磁石
３ コイル
４ コイル
５ 磁路
６ 磁路
７ 磁路
１０ 鉄心及び電磁石
１１ 鉄心及び電磁石
１２ コイル
１３ コイル
１４ ストッパー
１５ ストッパー
１６ 袋体
１７ 磁性流体
２０ 鉄心及び電磁石
２１ 鉄心及び電磁石
２２ コイル
２３ コイル
２４ 連結ロッド
２５ 外側リング鉄心
２６ 内側リング鉄心
２７ コイル
３０ 外側リング鉄心
３１ 内側リング鉄心
３２ コイル
３３ ストッパー
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の磁極間に発生する吸引力及び反撥力を駆動力とする双方向動作用の電磁アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここでいう双方向動作用電磁アクチュエータとは、適度のストロークを有し、ストローク内の任意の位置において押し方向にも引き方向にも力を発生させることができる電磁アクチュエータである、と定義する。ボイスコイル型アクチュエータ、或いは可動永久磁石を用いたソレノイド・アクチュエータ等がこれに属する。
【０００３】
２個の電磁石を対向して使用し、夫々を別個に励磁してある場合は吸引力を発生させ、ある場合は反撥力を発生させるようにした対向電磁石型アクチュエータもここで定義した双方向動作型電磁アクチュエータに属する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に代表的な対向電磁石型アクチュエータの構造の断面図を示す。一方の電磁石は鉄心１とコイル３よりなり、もう一方の電磁石は鉄心２とコイル４よりなる。単純な構造で小型化に向き、如何にも使い勝手が良さそうであるが、現実にこのような構造のものが双方向動作型電磁アクチュエータとして使用されることはない。
【０００５】
その理由は、この構造では凡そ吸引力を３であるとすると、反撥力は１程度しか得られず、反撥方向のアクチュエータとしての発生力が弱いから実用的価値が低いためである。アクチュエータとしては反撥力は原点からの移動距離が大きくなって両方の電磁石の間隔が広がるに連れて弱くなるため、スプリング等の負荷と力を平衡させて位置制御を行なうことができるメリットがある。また、位置を固定することにより、励磁電流値を制御して力制御を行なうことができるメリットがある。吸引方向では原点からの移動距離が大きくなる、即ち両方の電磁石の間隔が縮まるにつれて発生力は加速的に強くなり、スプリング等の負荷と平衡させることができず、ストッパーで停止させられる位置まで動き切ってしまい、簡単な位置制御を実現することができない。
【０００６】
吸引力が反撥力に対して大きい理由を図１及び図２を使って説明しよう。図１では吸引力が発生するようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この時、両コイルを取り巻く磁力線５が発生する。鉄心の透磁率は高いので、両コイルの起磁力は両電磁石の距離Ｄである２ヶ所のギャップに集中する。
【０００７】
図２では反撥力が発生するようにコイル３及びコイル４が励磁されている。この時はコイル３を取り巻く磁力線６とコイル４を取り巻く磁力線７が発生する。コイルの起磁力は夫々の磁極間の磁路（長さＬ）に集中する。
【０００８】
図１では２個のコイルが２ヶ所の長さＤのギャップに起磁力を与えている。図２では１個のコイルが長さＬの磁路に起磁力を与えている。両図を比較すれば明らかに図１の方が磁束密度が高くなる寸法関係にある。それ故、対向電磁石型アクチュエータでは吸引力の方が反撥力に対して不釣合いに大きい。また、反撥方向の発生力が小さいために簡単に位置制御が実現できるアクチュエータとして利用することが難しい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
対向電磁石型アクチュエータにおいては、対向する２個の電磁石の間の空間に磁性流体を充満させるとその特性が劇的に変化し、吸引力は殆ど変化しないが、反撥力が１．５倍から２倍にまで増強される。
【００１０】
その理由を説明しよう。磁性流体は直径１０ナノメータ程度の磁性超微粒子を油等の媒体に体積濃度１０％前後で懸濁させたものである。飽和磁束密度は磁性体がマグネタイトの場合は５００ガウス程度、磁性体が鉄、コバルト等の強磁性体及びそれらの合金の場合は１，５００〜２，０００ガウス程度となる。
【００１１】
２個の電磁石間に発生する電磁力は磁気エネルギーを距離で微分した値である。磁気エネルギーは起磁力Ｈと磁束密度Ｂの積である。磁性流体は空間より透磁率が高いから磁束密度Ｂを増加させ、磁気エネルギーＨ×Ｂを増加させるので、吸引力或いは反撥力を増加させる方向に働く。
【００１２】
また、磁性流体が磁界の存在する空間にできるだけ大量に集まって磁気エネルギーを最大化しようとするために機械的圧力が発生する。この圧力は正の圧力であるから、力の作用する方向としては電磁的吸引力とは逆となり、電磁的反撥力とは同じ方向となる。
【００１３】
結論を述べると、磁性流体の存在は電磁的吸引力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械的圧力によるマイナスがほぼ等分に作用して、全体として吸引力は殆ど変化しない。
【００１４】
しかしながら電磁的反撥力に対しては磁束密度を増大させるプラスと、機械的圧力が同じ方向に作用するプラスが加算されて、電磁的反撥力は著しく増強される。マグネタイトを用いる磁性流体で反撥力をほぼ１．５倍に増大させる。強磁性体を用いる磁性流体では反撥力を２倍以上に増大させる。本発明は磁気空間に磁性流体を充填することにより、吸引力を大幅に増大させて、吸引力と反撥力の絶対値がほぼ等しい対向電磁石型アクチュエータを得んとするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図を参照して説明する。
【００１６】
【実施例】
第１の実施の形態
図３は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第１の実施の形態である。これは最も基本的な単純な構造をしている。一方の電磁石は鉄心１０、コイル１２、ストッパー１４よりなり、もう一方の電磁石は鉄心１１、コイル１３、ストッパー１５よりなる。強化繊維入りゴム製の袋体１６が閉鎖空間を作り、その内部に磁性流体１７が封入されている。この対向電磁石型アクチュエータは吸引方向にも反撥方向にも力を発生させることができる。反撥方向で使用する場合には、圧縮スプリング等と組合わせてオープンループ制御で簡単な位置制御を実現することができて簡易型のアクチュエータとして便利である。この場合、一定の励磁電流における反撥方向の原点からの距離を直線的に動かすと反撥力は指数関数的に減衰する。
【００１７】
第２の実施の形態
図４は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第２の実施の形態である。図の左側の鉄心２０と図の右側の鉄心２１はロッド２４によって一体に連結されている。フランジが付いた外側リング鉄心２５、内側リング鉄心２６、コイル２７は前述左右の二つの電磁石に挟まれた空間を軸方向に自由に移動できる。２個の袋体１６が３個の電磁石と接合されており、その内部に磁性流体１７が封入されている。図の左側電磁石と中央電磁石の間で一つの対向電磁石型アクチュエータを構成しており、図の中央電磁石と右側電磁石の間でもう一つの対向電磁石型アクチュエータを構成している。図の左側で構成されている対向電磁石型アクチュエータで反撥力を発生させ、右側の対向電磁石型アクチュエータで吸引力を発生させるとプッシュプル動作を行なうことができる。中央電磁石が左側電磁石から遠ざかって左側の対向電磁石型アクチュエータの反撥力が指数関数的に減衰するが、右側の対向電磁石型アクチュエータの吸引力が急速に強くなって両方の発生力を合成するとストロークの全長においてある範囲に収まる発生力を得ることができる。基本的に同一の励磁においては吸引力の方が反発力より強いので、吸引側の励磁、図ではコイル２３による励磁を若干抑制する電流制御を行なえば殆どフラットな力・ストローク特性が得られる。
【００１８】
第３の実施の形態
図５は本発明になる対向電磁石型アクチュエータの第３の実施の形態である。外側リング鉄心３０、内側リング鉄心３１、コイル３２、ストッパー３３が中央電磁石を構成しており、袋体１６の内部に磁性流体１７が封入されている。図５は図３の左右の電磁石の間に複数個の中央電磁石を入れた構成となっている。図５には中央電磁石が２個で、３組の対向電磁石型アクチュエータが形成されている場合を示している。このアクチュエータでは全ての対向電磁石アクチュエータが同時に吸引力もしくは反撥力を発生させるように構成されている。このアクチュエータは図３の基本形に対して、直径に対して全長が長いアスペクト比を有する設計例を示したもので、図５の場合は全長が図３のほぼ２倍であるが、動作ストロークはほぼ３倍得られる設計になっている。
以上、図３に基本形、図４及び図５に応用形を示したが、本発明の応用範囲はこれらの図に示された実施例に限られるものでない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、構造が単純であるから小型化、超小型化に好適であり、反撥方向の発生力が従来の同等仕様の電磁石より遥かに大きい対向電磁石型アクチュエータを提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、オープンループ制御方式でも簡単な位置制御や力制御が実現する利便性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回転対称である対向電磁石の基本構造と吸引力発生時の磁路を示す図である。
【図２】 回転対称である対向電磁石の基本構造と反撥力発生時の磁路を示す図である。
【図３】 本発明になる請求項１に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【図４】 本発明になる請求項２に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【図５】 本発明になる請求項３に相当する対向電磁石アクチュエータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 鉄心及び電磁石
２ 鉄心及び電磁石
３ コイル
４ コイル
５ 磁路
６ 磁路
７ 磁路
１０ 鉄心及び電磁石
１１ 鉄心及び電磁石
１２ コイル
１３ コイル
１４ ストッパー
１５ ストッパー
１６ 袋体
１７ 磁性流体
２０ 鉄心及び電磁石
２１ 鉄心及び電磁石
２２ コイル
２３ コイル
２４ 連結ロッド
２５ 外側リング鉄心
２６ 内側リング鉄心
２７ コイル
３０ 外側リング鉄心
３１ 内側リング鉄心
３２ コイル
３３ ストッパー
Claims (3)
- 軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成された２個の電磁石が向い合って移動可能に構成されており、
中央磁極と外周磁極は前述向い合った間隙の反対側で継鉄によって連絡されており、
向い合う前述２個の電磁石の磁極間には磁性流体が充満しており、
前述２個の電磁石が同一方向に磁化された場合は全長が縮む方向に力を発生させ、
前述２個の電磁石が逆方向に磁化された場合は全長が伸びる方向に力を発生させるようにしてなる電磁アクチュエータ。 - 軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成されている電磁石が複数個存在し、
一方から数えて奇数番の電磁石群は互いに機械的に連結されており、
同じく偶数番目の電磁石群は互いに機械的に連結されており、
前述電磁石群の軸方向の両端に配置された電磁石は中央磁極と外周磁極を連絡する継鉄を有しており、
隣り合う電磁石の磁極間には磁性流体が充満しており、
前述奇数番目の電磁石群の隣り合う電磁石は互いには反対方向に磁化するようにしてあり、
同じく前述偶数番目の電磁石群の隣り合う電磁石は互いには反対方向に磁化するようにしてあり、
前述奇数番目の電磁石群と前述偶数番目の電磁石群に流す電流の方向を制御することにより軸方向の一方あるいは逆方向に前述電磁石群の位置関係を移動させる力を発生させるようにしてなる電磁アクチュエータ。 - 軸方向に扁平で中心より外へ向かって中央磁極、コイル、外周磁極の順で層状に構成されている電磁石が複数個、移動できる構造で間隔を設けて軸方向に群を構成して配置されており、
前述電磁石群の軸方向の両端に配置された電磁石は中央磁極と外周磁極を連絡する継鉄を有しており、
隣り合う電磁石の磁極間には磁性流体が充満しており、
一方から数えて奇数番目の電磁石群と偶数番目の電磁石群はお互いに同一方向に磁化される場合は全長が縮む方向に力を発生させ、
前述奇数番目の電磁石群と偶数番目の電磁石群がお互いに反対方向に磁化される場合は全長が伸びる方向に力を発生させるようにしてなる電磁アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001333482A JP4817091B2 (ja) | 2001-09-26 | 2001-09-26 | 電磁アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003100512A JP2003100512A (ja) | 2003-04-04 |
| JP4817091B2 true JP4817091B2 (ja) | 2011-11-16 |
Family
ID=19148732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001333482A Expired - Fee Related JP4817091B2 (ja) | 2001-09-26 | 2001-09-26 | 電磁アクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5815462A (ja) * | 1981-07-21 | 1983-01-28 | Kouta Watanabe | 電磁石を用いた作動方法 |
| JPS61142708A (ja) * | 1984-12-15 | 1986-06-30 | Diesel Kiki Co Ltd | 電磁アクチュエ−タ |
| JPH01234608A (ja) * | 1988-03-11 | 1989-09-19 | Hitachi Ltd | 磁性流体アクチユエータ |
| JPH01246804A (ja) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Matsushita Electric Works Ltd | 電磁石装置 |
| JP2780455B2 (ja) * | 1990-07-25 | 1998-07-30 | 三菱電機株式会社 | アクチユエータ |
-
2001
- 2001-09-26 JP JP2001333482A patent/JP4817091B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003100512A (ja) | 2003-04-04 |
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