JP4823554B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、負荷を駆動する電磁アクチュエータに係り、特に電磁コイルを有する固定磁極内に可動磁極が軸方向に移動可能に設けられた電磁アクチュエータに関する。

一般に、電子錠、プリンタ等のような機器に利用されている電磁アクチュエータにあっては、小型でありながら大きな吸引力が得られ、また外部への漏洩磁束が少なくかつ動作音が小さいなど、種々の特性が求められる。このような電磁アクチュエータにおいては、固定磁極とプランジャとしての可動磁極との対面形状に工夫が施されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
例えば、図１１に示す電磁アクチュエータは、磁性材によって略筒状に形成された固定磁極５１が電磁コイル５２を有しており、固定磁極５１の挿通孔５３内に磁性材からなる可動磁極５５が軸方向に移動可能に挿通されている。
そして、電磁コイル５２に直流電流が印加されると、該電磁コイル５２によって磁束が生じて、電磁コイル５２、可動磁極５５、固定磁極５１を経由する磁気回路が形成され、可動磁極５５に図示の右側から左側へ軸方向に移動する推力が働く結果、可動磁極５５が軸方向に作動することとなる。

この場合、可動磁極５５の先端部には、作動方向前方に向けて先細り形状となる凸状テーパ部５６が設けられる一方、固定磁極５１の挿通孔５３においては、その後端部（図示の右側）が凸状テーパ部５６と対応する凹状テーパ部５７をなしており、この固定磁極５１の凹状テーパ部５７と可動磁極５５の凸状テーパ部５６とによって可動磁極５５の作動距離を長くできるようにしている。符号５８は、可動磁極５５に一体に設けられた出力軸である。

また、上記の構成を利用し、作動距離をさらに長くできるようにするため、図１２に示す電磁アクチュエータのように、可動磁極５５の凸状テーパ部５６の角度及び固定磁極５１の凹状テーパ部５７の角度をそれぞれ小さくし、各々のテーパ部５６、５７が軸方向により長く形成されることで、可動磁極５５の作動距離を長くできるようにしたものもある。
実用新案登録第２５２６７１３号公報 特開平９−１７６３０号公報

上述したように、図１１及び図１２に示す例では、可動磁極５５及び固定磁極５１にテーパ部５６、５７がそれぞれ設けられることで可動磁極５５の作動距離を大きくできるようにしているから、そのテーパ部５６，５７の角度を小さくするには限界があり、今日のようにいっそう大きな作動距離を得る要請には対応し難いという問題があった。
そのため、直線駆動型のソレノイドの代わりに回転型ソレノイドやモータを用いると共に、これら回転機構に回転−直線変換機構を組み合わせて、回転運動を直線運動に変換するものなどを用いることで大きな作動距離を得るようにしているものもあるが、そのようにした場合、内部構造がそれだけ複雑になるばかりでなく、全体が著しく大型化するという問題があった。
特に、電子錠、プリンタ等のような機器に利用される電磁アクチュエータにあっては近年著しく小型化されており、その中でより大きな作動距離を得るものが望まれていた。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、特別の変換機構などを組み合わせることなく、簡単な構成で作動距離をより確実に大きくすることができ、しかも可動磁極を安定して作動させることができる電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明は、軸方向に挿通孔を有すると共に、電磁コイルを装着した固定磁極と、該固定磁極の挿通孔に軸方向に移動可能に設けられた可動磁極とを備えてなり、これら固定磁極又は可動磁極の一方に、可動磁極の移動方向に沿い他方に向けて突出する凸状磁極部が設けられ、他方に、前記凸状磁極部と対応する凹状磁極部が形成されている電磁アクチュエータであって、前記凹状磁極部に、その開口端から軸方向に延びるように補助磁極が連設されていることを特徴とする。
これにより、電磁コイルへ給電されたとき、凹状磁極部と凸状磁極部との間の軸方向の距離が大きくても、補助磁極が凹状磁極部から延長するように設けられているため、該補助磁極を経由して凹状磁極部と凸状磁極部との間で磁束が発生することにより可動磁極を作動させることができる。つまり、固定磁極と可動磁極との間で二系統の磁束を生じさせ、作動の初期の段階では補助磁極と凸状磁極部との間での磁束によって可動磁極を移動させ、後半には、凹状磁極部と凸状磁極部との間でも磁束を生じさせるのである。
なお、この凸状磁極部、凹状磁極部としては、テーパ状、段付き状等のものを採用することができる。

この場合、補助磁極は凹状磁極部の開口端を延長するように設けられているため、その補助磁極内に凸状磁極部が進入した状態となると、補助磁極と凸状磁極部との間に磁束が半径方向に生じ、これにより、可動磁極に作用する磁力が、その移動方向とともに半径方向にも分散されてしまうため、その分、推力が減少することとなる。
そこで、この推力の減少を抑えることが必要な場合には、前記凹状磁極部と前記補助磁極との間に非磁性体を介在させた構成とするとよい。
このような構成とすることにより、凸状磁極部が補助磁極内に進入した際には、凸状磁極部と補助磁極との間を通る半径方向の磁束は小さいため、凸状磁極部と凹状磁極部間の磁束が支配的に作用して、大きな推力を生じさせることができる。もちろん、凹状磁極部に対して補助磁極が延長するように設けられているので、凹状磁極部と凸状磁極部との距離が離れている状態においては、凸状磁極部と補助磁極との間で磁力が作用するので、大きな作動距離を確保することができる。
非磁性体としては、非磁性材料から構成したリング状のものを用いてもよいし、凹状磁極部と補助磁極との間に隙間を設けて、そのエアギャップを非磁性体としてもよい。
なお、前記補助磁極は、周方向側に複数に分割した構成としてもよい。

この発明によれば、凹状磁極部を延長するように補助磁極を連設したので、凹状磁極部と凸状磁極部との距離が大きくても、補助磁極を介して凸状磁極部に磁力を作用させることができ、特別の変換機構などを具備させることなく、簡単な構成で作動距離を確実に大きくすることができる効果が得られ、また電磁アクチュエータ全体の小型化を実現できるという効果も得られる。
また、凹状磁極部と補助磁極との間に非磁性体を設けた構成とすることにより、作動距離の後半において可動磁極に対する推力が減少することを抑制し得て、全ての作動範囲に亘って良好な推力が得られる結果、大きな負荷にも可動磁極を安定して作動させることができ、それだけ汎用性を高めることができる効果が得られる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１から図４はこの発明の第１の実施の形態に係る電磁アクチュエータを示す図であって、図１は電磁アクチュエータの断面図、図２から図４は電磁アクチュエータの作動状態と磁束との関係を順に示す説明図である。
図１において、この電磁アクチュエータ１０は、固定磁極１１と、該固定磁極１１に軸方向に移動可能に設けられた可動磁極２０とを備えている。
固定磁極１１は、磁性材からなっていて略筒状に形成されており、その内部に軸方向に沿う挿通孔１２が形成されている。該挿通孔１２は、可動磁極２０の作動方向に沿う先端側（図示の左側）が最も小径をなし、そこから後部（図示の右側）に至るに従い次第に拡径された凹状テーパ部（凹状磁極部）１３を有している。

また、固定磁極１１に連設して筒状の電磁コイル１４が装着されている。該電磁コイル１４は、固定磁極１１及び可動磁極２０間で磁束を発生させて可動磁極２０を固定磁極１１の軸方向に吸引作動させるためのものであり、コイル線１５が巻枠としての筒状のボビン１６に巻回されると共に、そのボビン１６が固定磁極１１の後端にさらに後方に向かうよう軸方向に沿って装着されている。電磁コイル１４と固定磁極１１との組付けに際しては、電磁コイル１４が磁性材からなる格納筒１７の内周部に取り付けられ、その格納筒１７が固定磁極１１の後部に取り付けられると共に、電磁コイル１４の内周側に非磁性の薄肉体からなる摺動筒１８が設けられることで、電磁コイル１４が固定磁極１１に装着される。格納筒１７及び摺動筒１８の後端が電磁コイル１４のさらに後方位置で終端輪１９に支持されている。つまり、固定磁極１１及び終端輪１９の間に電磁コイル１４が装着されている。

一方、可動磁極２０は、固定磁極１１と同様磁性材によって構成されており、全体として略円柱状をなすと共に、先端部（図示左側）が固定磁極１１における凹状テーパ部１３に対応する凸状テーパ部（凸状磁極部）２２として形成され、該凸状テーパ部２２の後端側の最も太い部分がそのままの大きさで軸方向に適宜の長さをなして小径部２３とされ、その小径部２３の後端部にそれより大きな径の大径部２４が設けられ、該大径部２４の後端側が前記終端輪１９を挿通することで、固定磁極１１の後方に突出している。その大径部２４が前記摺動筒１８の内径よりわずかに小さい外径を有して、該摺動筒１８内を摺動するようになっており、この大径部２４の先端に前記小径部２３、該小径部２３の先端に先細り形状の凸状テーパ部２２が設けられる。

この可動磁極２０は、電磁コイル１４への通電によって磁束が生じたとき、電磁コイル１４と可動磁極２０と固定磁極１１との間で磁気回路が形成されることで、固定磁極１１の挿通孔１２内で図示右側から左方向に吸引移動される。したがって、可動磁極２０は、右側から左側へ移動する作動方向となる。
なお、図１では、作動終了時点よりもわずかに両磁極１１、２０を離した状態に描かれている。また、電磁コイル１４に対する通電が遮断された時点では、図示しないバネ（例えば負荷側に設けられる）の弾性力により、可動磁極２０が図１において右方向に復帰するようになっている。

また、可動磁極２０における凸状テーパ部２２の先端中央部には出力軸２５が一体に取り付けられ、該出力軸２５が固定磁極１１の挿通孔１２の先端部を挿通して固定磁極１１の外方に突出している。固定磁極１１の挿通孔１２の開口端部（図１の左側端部）には、出力軸２５を摺動自在に支持する軸受３０が設けられている。
さらに、可動磁極２０の後部においては、可動磁極２０が作動したとき、その可動磁極２０の作動距離を規制すると共に、作動音を小さくさせるための緩衝輪３１が設けられ、該緩衝輪３１よりも後方位置の可動磁極２０の外周にはＥ型の留め輪３２が装着されている。この留め輪３２は作動終了時点で緩衝輪３１に当接される。

そして、この電磁アクチュエータ１０においては、固定磁極１１の後端に筒状の補助磁極４０が一体に設けられている。この補助磁極４０は、固定磁極１１の後端部が可動磁極２０の小径部２３の外周まで張り出すように、電磁コイル１４の軸方向の途中位置まで後方に延長して形成されている。つまり、補助磁極４０は、固定磁極１１の凹状テーパ部１３の後端から該固定磁極１１を延長するように筒状に形成されており、その内径が可動磁極２０の小径部２３より若干大きく設定されて、該小径部２３と電磁コイル１４との間に形成されるリング状の空間３５内に配置されるように設けられている。

上記のように構成された電磁アクチュエータ１０は、初期状態においては、図２に示すように、図示しないバネの弾性力によって、可動磁極２０が固定磁極１１から離れた位置、図２では右側に寄った位置に配置される。
この状態にあるとき、電磁コイル１４に直流電流が印加して給電されると、可動磁極２０が前記バネの弾性力に抗し、矢印Ｐに示すように右側から左側に吸引される。

この図２に示す状態では、固定磁極１１の凹状テーパ部１３と可動磁極２０の凸状テーパ部２２との間の距離が最も大きくなっているが、固定磁極１１に一体に形成されている筒状の補助磁極４０が後方位置まで張り出して、可動磁極２０に近くなっているので、該補助磁極４０と可動磁極２０の凸状テーパ部２２との間の間隔が、固定磁極１１の凹状テーパ部１３と可動磁極２０の凸状テーパ部２２との間の距離に比べて十分に小さく、この補助磁極４０と可動磁極２０の凸状テーパ部２２との間を矢印ｆ１で示すように経由して、固定磁極１１、格納筒１７、終端輪１９、可動磁極２０の大径部２４及び小径部２３を通る磁束が発生する結果、可動磁極２０が作動し始めることとなる。

次いで、可動磁極２０が作動するに伴い、図３に示すように、可動磁極２０の凸状テーパ部２２と固定磁極１１の凹状テーパ部１３との間の距離が次第に小さくなり、それら両テーパ部２２、１３間においても矢印ｆ２で示すように磁束が流れ、これが次第に増加しながら可動磁極２０の作動が継続して行われる。この場合においても、可動磁極２０の凸状テーパ部２２と固定磁極１１の補助磁極４０と間でも矢印ｆ１で示すように磁束が流れ続ける。
つまり、固定磁極１１と可動磁極２０との間に、補助磁極４０と凸状テーパ部２２との間の磁束ｆ１と、凹状テーパ部１３と凸状テーパ部２２との間の磁束ｆ２との二系統の磁束が生じることになる。

その後、可動磁極２０の作動がさらに進み、図４に示すように、可動磁極２０の凸状テーパ部２２が固定磁極１１の凹状テーパ部１３に当接するように近づくに従い、可動磁極２０の凸状テーパ部２２と固定磁極１１の凹状テーパ部１３との間を流れる磁束（ｆ２）がさらに増加する。そして、可動磁極２０の凸状テーパ部２２が固定磁極１１の凹状テーパ部１３と略当接する位置まで作動し、留め輪３２が緩衝輪３１に当接した時点で、可動磁極２０がその位置で停止することとなる。
なお、図２から図４にｆ１、ｆ２で示す矢印は、磁束の増加に伴ってその太さを変えている。また、このようにして可動磁極２０を作動させた後、電磁コイル１４に対する通電が遮断されると、可動磁極２０に対する吸引力が解除されるので、図示しないバネの弾性力により可動磁極２０が図２に示す元の位置に復帰することとなる。

このように、固定磁極１１の凹状テーパ部１３と可動磁極２０の凸状テーパ部２２との間の軸方向の距離が大きく、その間で磁束が発生することがなくとも、固定磁極１１の後方に延びる補助磁極４０と可動磁極２０との間で図２の矢印ｆ１で示すように磁束が発生することで可動磁極２０を作動させることができるので、長い作動距離を要する場合であっても、作動の開始を確実に行わせることができる。
そのため、従来技術のように、それぞれのテーパ部１３、２２の形状を軸方向に著しく長くする必要がないばかりでなく、特別の変換機構などを具備させることが不要になる。しかも、固定磁極１１の一部を延長させて補助磁極４０を設けるだけの簡単な構成であり、電磁アクチュエータ１０全体の小型化を阻害することがない。

因みに、この実施の形態に係る電磁アクチュエータの特性を測定したところ、図１０の曲線Ａに示す結果となった。図１０は、横軸に可動磁極のストローク（作動距離）を、縦軸に可動磁極に対する推力の大きさをそれぞれとった作動距離−推力特性線図であり、図中の曲線Ａが本実施形態の電磁アクチュエータ１０の特性を示し、曲線Ｂは図１１に示す第１の従来技術の特性を、曲線Ｃは図１２に示す第２の従来技術の特性をそれぞれ表し、Ｌは負荷（バネ）の大きさを表している。
図１０において、曲線Ｂでは、約９ｍｍのストローク以上になると、負荷Ｌよりも推力が小さくなるので、作動することができず、約９ｍｍ以内のストロークにしか適用できない。曲線Ｃでは、曲線Ｂに比較すると、作動距離を大きくとれ、約１６ｍｍまでストロークが延びるものの、それ以上のストロークには対応できない。

これらに対し、曲線Ａでは、この作動距離−推力特性線図の範囲内のストローク３０ｍｍまでは、負荷Ｌよりも常に大きな推力が得られることが理解できる。したがって、この電磁アクチュエータ１０によれば、作動距離を確実に大きくすることができ、しかも作動距離が大きくなっても、可動磁極２０を安定して作動できる。

図５から図９は、この発明の第２の実施の形態に係る電磁アクチュエータを示している。 この実施形態の電磁アクチュエータ５０において、前記第１の実施形態のものと異なるのは、固定磁極１１から筒状の補助磁極４１を分離して、該固定磁極１１と補助磁極４１との間に、非磁性体４２を設けた点にある。
即ち、非磁性体４２は、環状をなしており、その後端部に、筒状の補助磁極４１の先端部を嵌合する環状凹部４３が形成されるとともに、自身は固定磁極１１の後端部に形成された環状凹部４４に嵌合されることにより、固定磁極１１、非磁性体４２、補助磁極４１がこの順で一体化されている。その他の図１と同一部分には図５から図９においても同一符号を付している。

ところで、第１の実施の形態における電磁アクチュエータ１０においては、補助磁極４０を経由して磁束が発生するために、図１０の曲線Ａに示したように、可動磁極２０の作動距離の範囲内において負荷Ｌより大きな推力が得られるようになっているが、可動磁極２０の小径部２３が固定磁極１１の補助磁極４０内に進入した後は、図４の矢印ｆ１に示すように、可動磁極２０の小径部２３と補助磁極４０との間で磁束が半径方向に発生する形態となる。

したがって、可動磁極２０の凸状テーパ部２２が固定磁極１１の凹状テーパ部１３に近づくにつれ、両テーパ部２２、１３間を通る磁束（ｆ２）の量は増大するものの、可動磁極２０に対する半径方向の吸引力の影響によって軸方向の推力が低減することになり、図１０における曲線Ａのストローク７ｍｍ付近、具体的には４〜９ｍｍ付近に示されるように推力が落ち込んでしまう。
これに対して、第２の実施の形態に係る電磁アクチュエータ５０の場合は、前述したように固定磁極１１と補助磁極４１との間にこれらを分断するように非磁性体４２が設けられているため、該非磁性体４２によって可動磁極２０の小径部２３から補助磁極４１を経由する磁束を抑制することができる。

すなわち、図６から図９に基づき説明すると、図６に示す初期位置では電磁コイル１４への通電によって可動磁極２０の凸状テーパ部２２と補助磁極４１との間で矢印ｆ１で示すように磁束が生じて可動磁極２０が吸引される。この磁束ｆ１は、補助磁極４１と固定磁極１１との間に非磁性体４２が介在していることにより、第１実施形態のものより小さくなる。次いで、図７に示すように可動磁極２０の凸状テーパ部２２が固定磁極１１の凹状テーパ部１３に接近すると、これら両テーパ部２２、１３間でも矢印ｆ２で示すように磁束が生じる。さらに、図８に示すように可動磁極２０の凸状テーパ部２２が補助磁極４１内に進入して、可動磁極２０と固定磁極１１との両テーパ部２２、１３間の磁束が強められていき、図９に示すように、両テーパ部２２、１３間の距離が小さくなるにつれ、補助磁極４１と可動磁極２０との間の比較的小さい磁束（ｆ１）に比べて、両テーパ部２２、１３間の磁束（ｆ２）の方が十分支配的となり、可動磁極２０に対して作動距離の末端側まで大きな推力を作用させることができるのである。

この一連の工程における推力の変化を図１０に曲線Ｄで示す。この曲線Ｄで明らかなように、固定磁極１１と可動磁極２０との離間距離が大きい状態のときは、例えばストローク２０ｍｍ付近においては、可動磁極２０と補助磁極４１との間に生じる磁束（ｆ１）が第１実施形態のものより小さいことから、第１実施形態の曲線Ａよりも第２実施形態の曲線Ｄの方が推力が小さくなるが、第１実施形態の場合には推力が落ち込むストローク４ｍｍ〜９ｍｍ付近では、その落ち込み量が小さくなって、逆に、第２実施形態の曲線Ｄの方が推力が大きくなる。これは、非磁性体４２の存在によって補助磁極４１を経由する磁束（ｆ１）が少なくなることにより、前述したように、補助磁極４１内に可動磁極２０が進入したときに作用する半径方向の吸引力よりも、可動磁極２０と固定磁極１１との両テーパ部２２、１３間の軸方向の吸引力が支配的となるためである。

したがって、図１０の作動距離−推力特性線図に曲線Ｄで示すように、ストローク３０ｍｍまでの範囲内では、その全範囲で十分に安定した作動を行わせることができる。
また、このような推力特性の結果、負荷が大きくなっても良好に作動させることができ、図１０において負荷をＬからＬ１へと上昇させた場合でも、ストローク３０ｍｍまでの全範囲で推力の方が上回り、より大きな負荷に対しても長いストロークを確保することができる。
なお、固定磁極１１及び可動磁極１２の両テーパ部の傾斜角度、小径部の大きさ、補助磁極の厚さ及びその軸方向の長さ等の寸法を変えることで特性を調整することができるのは勿論である。また、前記各実施例では、テーパ状に形成しているが、必ずしもテーパ状でなくでもよく、凸状、又は凹状の段付き形状のものでもよい。請求項では、これらテーパ状のもの、段付き形状のもの等を凸状磁極部、凹状磁極部という。
また、前記実施形態では、固定磁極に凹状磁極部、可動磁極に凸状磁極部としたが、逆に、固定磁極に凸状磁極部、可動磁極に凹状磁極部としてもよく、その場合には、可動磁極に補助磁極が設けられる。
また、前記各実施形態の例では補助磁極を筒状に形成したが、凹状磁極部に対して、軸方向に延長するように形成されるものであれば必ずしも筒状でなくともよく、例えば、周方向側に分割して、断面円弧状等のものを周方向に複数配置する構成としてもよい。

この発明の第１の実施の形態に係る電磁アクチュエータを示す断面図である。 図１に示す電磁アクチュエータの初期状態と磁束との関係を示す説明図である。 図１に示す電磁アクチュエータの作動途中の状態と磁束との関係を示す説明図である。 図３に示す状態からさらに可動磁極が移動した状態と磁束との関係を示す説明図である。 この発明の第２の実施の形態に係る電磁アクチュエータを示す断面図である。 図５に示す電磁アクチュエータの初期状態と磁束との関係を示す説明図である。 図５に示す電磁アクチュエータの作動途中の状態と磁束との関係を示す説明図である。 図７に示す状態からさらに可動磁極が移動した状態と磁束との関係を示す説明図である。 図８に示す状態からさらに可動磁極が移動した状態と磁束との関係を示す説明図である。 各実施形態の電磁アクチュエータの作動距離−推力特性線図である。 第１の従来例の電磁アクチュエータを示す断面図である。 第２の従来例の電磁アクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１０ 電磁アクチュエータ
１１ 固定磁極
１２ 挿通孔
１３ 凹状テーパ部（凹状磁極部）
１４ 電磁コイル
２０ 可動磁極
２２ 凸状テーパ部（凸状磁極部）
４０ 補助磁極
４１ 補助磁極
４２ 非磁性体
５０ 電磁アクチュエータ

Claims (2)

1. 軸方向に挿通孔を有すると共に、電磁コイルを装着した固定磁極と、該固定磁極の挿通孔の軸方向に移動可能に設けられた可動磁極とを備えてなり、前記可動磁極に、前記可動磁極の移動方向に沿い前記固定磁極に向けて突出する凸状磁極部が設けられ、前記固定磁極に、前記凸状磁極部と対応する凹状磁極部が形成されている電磁アクチュエータであって、
   前記凹状磁極部から前記固定磁極を延長するように筒状に形成された補助磁極と、
   前記固定磁極と前記補助磁極との間にこれらを分断する非磁性体とが設けられたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 請求項１記載の電磁アクチュエータにおいて、
   前記補助磁極は周方向側に複数に分割されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。

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