JP4950652B2

JP4950652B2 - 電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP4950652B2
Application number: JP2006344865A
Authority: JP
Inventors: 智博泉; 憲二成田; 智浩太田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008160944A

Description

本発明は、電磁アクチュエータ、殊に可動子に往復動を行わせる振動型の電磁アクチュエータに関するものである。

往復式電気かみそりの駆動手段に用いている電磁アクチュエータとして、図１５に示すものがある。これは３つの磁極１１を備えるＥ字型コア１０の中央磁極１１にコイル１２を巻回して中央磁極１１と両端磁極１１，１１とを異極に磁化することができるようにした電磁ブロック１と、この電磁ブロック１１によって往復駆動される可動子２とからなるもので、可動子２は上記複数の磁極１１に対向する永久磁石２１とバックヨークとしての導磁体２２とからなるもので、図中左右方向に往復動自在に支持されている。そして可動子２における永久磁石２１は、往復動方向である左右において異なる極を有している。なお、両極の中心間の距離は、コア１０における中央磁極１１と図中左方の磁極１１との間の中心から、中央磁極１１と図中右方の磁極１１との間の中心までの距離にほぼ一致させてある。

図中３は可動子２の復帰と可動子２をばね振動系とすることを担うばねであり、対のばね３，３が可動子２の両端に夫々配されて互いに逆方向に可動子２を付勢している。

この電磁アクチュエータにおいては、電磁ブロック１のコイル１２に一方向の電流を流せば図１５(a)に示すように可動子２は一方向に駆動され、コイル１２に他方向の電流を流せば可動子２は図１５(b)に示すように他方向に駆動され、コイル１２に電流を流さなければ可動子２は中央位置に復帰する。従って、コイル１２に矩形波状の交番電流を流せば可動子２は左右の往復動を行う。

しかし、上記構成の電磁アクチュエータにおいては、次のような課題を有している。すなわち、磁気回路の磁気効率は、磁気ギャップ間の磁気抵抗で決まるが、この磁気抵抗は永久磁石の起磁力とトレードオフの関係にあり、永久磁石を大きくして起磁力を大きくすれば、磁気抵抗が増加する。そして有効利用できない磁束は、可動子の導磁体の磁気飽和を引き起こし、これに伴って推力のサチュレーションが起こって磁気効率を低下させる。また永久磁石の起磁力を有効に使えないために、電磁ブロックの起磁力で磁束を補完しているのが現状であり、これ故に銅損などの損失が大きくなってアクチュエータ全体の走行効率が低減している。

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、従来は磁気飽和によって利用できていなかった磁束の利用で磁気効率を向上させた電磁アクチュエータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る電磁アクチュエータは、複数の磁極を備えたコアにコイルを巻回している電磁ブロックと、電磁ブロックにおける磁極の先端面に磁気ギャップを介して対向するとともに、対向方向と直交する方向に往復動自在に支持されて電磁ブロックのコイルへの交番電流の印加で往復駆動される可動子とからなる電磁アクチュエータであり、上記可動子は一面が上記電磁ブロックの磁極に磁気ギャップを介して対向する永久磁石と、永久磁石の他面側に配された導磁体とからなり、上記導磁体は上記永久磁石の往復動方向の両端で且つ上記永久磁石の往復動方向の両端より外側位置に夫々電磁ブロックの磁極側に突出する突片を備えているとともに、これら突片は上記可動子の往復動ストロークの両端位置において、一方の突片が電磁ブロックとの間に永久磁石を通る閉回路を形成し且つ他方の突片が電磁ブロックの磁極の外側にずれて永久磁石と磁極とを通る閉回路は形成されるものの他方の突片を通る閉回路は形成されない位置に配置されていることに特徴を有している。突片を設けることでより多くの磁束が流れるようにするとともに、突片が磁気抵抗を増加させる存在とならないようにしたものである。

特に上記電磁ブロックが３つの磁極を備えて少なくとも中央磁極にコイルが巻回されるＥ字型コアであり、上記可動子の永久磁石が可動子の往復動方向において異なる磁極を備え、上記永久磁石の可動子往復動方向における両端間の幅に可動子の往復動ストローク値を足した値が、電磁ブロックにおける両端の磁極間の最大幅以下であるものでは、これまで磁束が流れていなかったところに突片によって新たな磁気閉回路を形成することができる。

上記突片は、永久磁石の可動子往復動方向の両端に接する位置に配置されたものであっても、永久磁石の可動子往復動方向の両端から離れた位置に配置されたものであってもよい。

上記突片は、電磁ブロックの磁極における可動子往復動方向の外側面と対向する部分を備えたものとしてもよい。上記永久磁石は導磁体に設けた凹部に嵌め込まれているものとするのも好ましい。

また、上記導磁体における永久磁石との接合面に凹部を設けたり、上記突片の端面と上記コアの磁極の端面との少なくとも一方に凹凸を形成したり、上記突片の先端部と上記コアの磁極の先端部との少なくとも一方に面取りを施して斜面を形成しても、好ましい結果を得ることができる。

更に上記突片の可動子往復動方向における幅は、電磁ブロックのコアの各磁極の可動子往復動方向における幅以上の大きさであることが望ましい。

本発明は、導磁体に設けた一方の突片が電磁ブロックとの間に閉回路を形成してより多くの磁束を流すものであり、可動子の往復動のストローク端において他方の突片は閉回路を形成せず、このために突片が磁気抵抗を増加させる存在とはならないものであり、このために磁気効率を向上させることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１及び図２に示すものは上記従来例と同じ基本的構成を有するもので、電磁ブロック１と可動子２とからなるとともに、電磁ブロック１は３つの磁極１１を備えるＥ字型コア１０の中央磁極１１にコイル１２を巻回している。上記複数の磁極１１の端面に磁気ギャップを介して対向するとともに磁極１１が並ぶ方向に往復動自在に支持されている可動子２は、永久磁石２１とバックヨークとしての導磁体２２とからなり、上記永久磁石２１は、往復動方向である左右において異なる極を有している。なお、永久磁石１１の幅Ｗ１は図２に示すように、電磁ブロック１の左右両端の磁極１１，１１の最大幅Ｗ２より小さく、また上記幅Ｗ１と可動子２のストロークＳＴとの和も、上記最大幅Ｗ２以下（Ｗ２≧Ｗ１＋ＳＴ）としてある。

そして本願発明に係る電磁アクチュエータにおいては、可動子２の往復動方向において永久磁石２１よりも外側に位置するところに、バックヨークである導磁体２２から電磁ブロック１側に向けて突出する突片２３を設けている。導磁体２２の往復動方向両端部で且つ可動子２の往復動ストロークの一端側では一方の突片２３が、ストロークの他端側では他方の突片２３が両端の磁極１１との対向位置よりも往復動方向において外側にずれるところに設けた上記突片２３，２３は、次のように機能する。

すなわち、可動子２が電磁ブロック１による電磁力で一方向に駆動されて図２上段に示すようにそのストロークの一方端に達した時、中央磁極１１から永久磁石２１、一端側の磁極１１という閉回路が形成されているが、この時、他端側の磁極１１、他端側の突片２３、永久磁石２１、中央磁極１１という閉回路も形成される。また、この時には一端側の突片２３を通る閉回路は形成されない。逆に可動子２が電磁ブロック１による電磁力で他方向に駆動されて図２下段に示すようにそのストロークの他方端に達した時、他端側の磁極１１から永久磁石２１、中央磁極１１という閉回路が形成されると同時に、一端側の磁極１１、一端側の突片２３、永久磁石２１、中央磁極１１という閉回路も形成され、この時、他端側の突片２３を通る閉回路は形成されない。

ここにおいて、上記突片２３を通る閉回路は、従来のものでは得られなかった磁路であって、突片２３を設けたことで磁束が流れる経路が増えるものであり、しかも上記閉回路を形成する突片２３と異なる他方の突片２３はストローク端において閉回路を形成しないために、突片２３を設けたことが磁気抵抗を増加させることにはならないものであり、このために磁気突極性を利用した磁気力（リラクタンス力）を有効利用できて磁気効率が向上し、磁気ギャップ間の磁気吸引力の増加、強いては往復動方向の推力の増加を得られるものである。また、バックヨークである導磁体２２に突片２３を設けるものであるために、コストが高くなることもない。

上記突片２３，２３は、永久磁石２１の両端に接している必要はなく、図３に示すように、永久磁石２１の両端から離れたところに位置させて、可動子２内の磁気短絡経路にギャップを設けてもよい。磁気回路の磁気抵抗をコントロールできるとともに、ギャップによって可動子２と電磁ブロック１との間に集中して磁束を流すことができて磁気効率が向上する。

図４に示すように、電磁ブロック１の両端の磁極１１，１１の外側面に対向する対向突片２３ａ，２３ａを可動子２の導磁体２２が備えているものとしてもよい。電磁ブロック１の利用されていない空間となる側面の磁気抵抗を低下させて磁束が通過できる面積が増加するものであり、この結果、漏れインダクタンスが減少して磁気効率が向上する。

図５に示すように、永久磁石２１を導磁体２２に設けた凹所に嵌め込むようにして取り付けたものも好適に利用できる。この場合、永久磁石２１の配置が容易となる。

図６に示すものは、可動子２の導磁体２２に突片２３及び対向突片２３ａ設けたものにおいて、これら突片２３及び対向突片２３における磁極１１との対向面に、可動子２が駆動されて変位する際の磁気力（リラクタンス力）を変化させることになる凹凸２４を設けたもので、凹凸２４の位置や大きさ並びに配置に応じて推力を自由に制御することができるために、コギングの低減を図ることが容易となる。このような凹凸は、磁極１１側に設けることも有効である。

図７に示すように、導磁体２２における永久磁石２１の接合面に凹部２５，２５を設けても、凹部２５の位置や大きさ並びに配置に応じて推力を自由に制御することができるためにコギング低減に有利である。

図８に示すものは、可動子２の導磁体２２に設けた突片２３の先端に面取りを施すことで可動子２の往復動方向側の角に斜面を形成して、可動子２と電磁ブロック１との間の磁束を斜めに発生させることができるようにしたものであり、この場合、磁気抵抗を変化させつつ往復動方向の推力を発生させることができるために磁気効率が向上する。なお、面取りを施すことは磁極１１に対して行うことも有効である。

上記の各例で示した構成は任意に組み合わせて実施することができる。図９〜図１２はこのような組み合わせの例を示しており、図９に示すものでは突片２３先端に面取りを施すとともに先端面に凹凸２４を設け、更に凹部２５を導磁体２２に設けている。この場合、可動子２の往復動方向の推力が増加するとともに可動子２と電磁ブロック１との対向方向の磁気吸引力を軽減することができるために、この磁気吸引力に対抗する可動子２の支持機構への応力の緩和による耐久性の向上を磁気効率の向上と同時に得ることができる。

また、図１０に示すものでは図９に示したものに加えて、磁極１１の先端面に凹凸１４を設けており、図１１に示すものでは図９に示したものに加えて、磁極１１の先端に面取りを施することによる斜面の形成を行っており、図１２に示すものでは図９に示したものに加えて、磁極１１の先端に面取りによる斜面の形成と同時に磁極１１の先端面に凹凸１４を設けている。いずれも推力を自由を制御することができ、コギングの低減及び磁気効率の向上を図ることができる。

ところで、可動子２の導磁体２２に設けた突片の２３の幅（可動子２の往復動方向の幅）Ｌ２は、図１３に示すように、電磁ブロック１における各磁極１１の幅（可動子２の往復方向の幅）Ｌ１以上の値となるようにしておくと、可動子２の磁気飽和を解消して磁束利用率を向上させる点で有利である。

図１４は電磁ブロック１が２つの磁極１１，１１を有するＵ字型コア１０と各磁極１１に巻回した２つのコイル１２，１２とからなり、可動子２は電磁ブロック１との対向方向において着磁された永久磁石２１と導磁体２２とからなるもので、このタイプにおける導磁体２２は永久磁石２１の背面側磁極（磁極１１と反対側の磁極）を利用するために、元々突片２３，２３を備えているが、ここでは上記のものと同様に突片２３の幅を各磁極１１の幅以上のものとし、更に可動子２の往復動ストロークの両端において、一方の突片２３が電磁ブロック１との間で形成される閉回路から外れた位置にくるように配置している。

このものにおいても可動子２の磁気飽和を解消して磁束利用効率を高めることができるものであり、磁気効率及び総合効率を向上することができる。

また、ここでは可動子２が一つであるものの例を上げたが、単一の電磁ブロック１に対して複数の可動子２，２を平行並列に並べて、全可動子２，２を同時に往復駆動させるものにおいても適用することができるのはもちろんである。この場合、平行並列に並ぶ可動子２，２の永久磁石２１の磁極の配置を同じとすれば、２つの可動子２，２を同位相で往復駆動することができ、２つの可動子２，２の永久磁石２１の磁極の配置を逆にすれば、２つの可動子２，２を逆位相で往復駆動することができる。

なお、本発明に係る各例では図示を省略したが、従来例のものと同様にばね３，３を配したものであってもよい。また、電磁ブロック１を固定とし、可動子２が往復駆動されるもので説明したが、電磁ブロック１と可動子２との動きは相対的なものであるために、両者が相互に逆方向に動くものや、可動子２が固定されて電磁ブロック１が動くものであってもよい。

本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)は正面図、(b)は斜視図である。同上の動作を示す説明図である。他例の正面図である。更に他例の正面図である。別の例の正面図である。更に別の正面図である。他の例の正面図である。更に他の例の正面図である。異なる例の正面図である。更に異なる例の正面図である。別の例の正面図である。更に別の例の正面図である。他の例の正面図である。更に他の例を示しており、(a)は正面図、(b)は斜視図である。 (a)(b)は従来例の正面図である。

符号の説明

１電磁ブロック
２可動子
１０コア
１１磁極
１２コイル
２１永久磁石
２２導磁体
２３突片

Claims

複数の磁極を備えたコアにコイルを巻回している電磁ブロックと、電磁ブロックにおける磁極の先端面に磁気ギャップを介して対向するとともに、対向方向と直交する方向に往復動自在に支持されて電磁ブロックのコイルへの交番電流の印加で往復駆動される可動子とからなる電磁アクチュエータであり、上記可動子は一面が上記電磁ブロックの磁極に磁気ギャップを介して対向する永久磁石と、永久磁石の他面側に配された導磁体とからなり、上記導磁体は上記永久磁石の往復動方向の両端で且つ上記永久磁石の往復動方向の両端より外側位置に夫々電磁ブロックの磁極側に突出する突片を備えているとともに、これら突片は上記可動子の往復動ストロークの両端位置において、一方の突片が電磁ブロックとの間に永久磁石を通る閉回路を形成し且つ他方の突片が電磁ブロックの磁極の外側にずれて永久磁石と磁極とを通る閉回路は形成されるものの他方の突片を通る閉回路は形成されない位置に配置されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
上記突片は、永久磁石の可動子往復動方向の両端に接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
上記突片は、永久磁石の可動子往復動方向の両端から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
上記電磁ブロックは３つの磁極を備えて少なくとも中央磁極にコイルが巻回されるＥ字型コアであり、上記可動子の永久磁石は可動子の往復動方向において異なる磁極を備え、上記永久磁石の可動子往復動方向における両端間の幅に可動子の往復動ストローク値を足した値が、電磁ブロックにおける両端の磁極間の最大幅以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記突片は、電磁ブロックの磁極における可動子往復動方向の外側面と対向する部分を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記永久磁石は導磁体に設けた凹部に嵌め込まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記導磁体における永久磁石との接合面に凹部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記突片の端面と上記コアの磁極の端面との少なくとも一方に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記突片の先端部と上記コアの磁極の先端部との少なくとも一方に面取りが施されて斜面が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
上記突片の可動子往復動方向における幅は、電磁ブロックのコアの各磁極の可動子往復動方向における幅以上の大きさであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。