JP5815372B2 - ロータリーアクチュエータ - Google Patents

Description

本願発明は、ロータリーアクチュエータの技術分野に属する。

往復回転力を駆動力として出力させるロータリーアクチュエータ（以下、「アクチュエータ」）機構の一つとして、出力シャフトに回動自在に軸支持させたアームを、電磁気力を利用して往復回転運動（以下、「揺動」）させる機構がある。その一例のアクチュエータを、本願の出願人は先行出願の特許文献１、２において開示している。

特許文献１で開示するアクチュエータは、ケース内で出力シャフトに片持ち状に軸支持したアームと、該アームに極性を逆にして離隔併設（異極併置状態）した２個のマグネット（永久磁石）と、その両極面上にそれぞれエアギャップをもって挟持するように磁極対向させて配置した２個の電磁石と、から構成している。そして該電磁石の極性を適宜に切り換えることにより電磁相互作用によって電磁石の磁極面に沿って揺動させ、この揺動力を出力シャフトから出力として取り出す構成である。

また、特許文献２で開示するアクチュエータは、特許文献１で開示した技術を改良したものであり、電磁石を１個とすると共に、アームに保持した２個のマグネットの反電磁石側の磁極側を一枚のバックヨーク（磁性体）で覆ったマグネットの磁極が単一方向に生じるようにした構成である。これにより、通電時はマグネットの磁極面が両方ともコイルと相対しているため、大きな起動トルクを得ることができ、かつ電磁石を減数して部品点数の軽減と小型軽量化（特に、薄型化）を図ったものである。

特開平１０−１７４４０９号公報 特開２００９−３８８７４号公報

一般にアクチュエータは、種々の産業機器類に駆動源として組み込まれるものであるため、これらの機器類と共に小型軽量化や作動の確実性はもちろんのこと、近年は省エネルギー性も重要な要求事項となってきている。

既に本出願人が開示した特許文献２のアクチュエータは、特許文献１のアクチュエータに比べてより小型軽量を実現しているが、磁束の漏れやケース内での閉磁路の形成から収納殼体であるケースを金属などの磁性材を用いて形成する必要がある。このことは、他のアクチュエータにおいても同様であった。昨今、電磁石やマグネットの強磁性機素の出願により、同じ機能でより小型が進んできている。そのため、ケースの重量割合が大きくなり、さらなる軽量化にはケースの重量軽減が課題となってきている。

また、アクチュエータは、モータのように常時作動しているのではなく、適宜に切り換える駆動源として用いるものであるため停止している時間の方が長くなる傾向にあった。そして、その停止状態は確実に保持しておく必要があるため、電磁石に通電して磁力によって保持の安定化を図っていた。

特許文献１、２で開示するアクチュエータは、電磁石に通電しない無通電状態であってもマグネットと磁性材からなるケースとの間に閉磁路を形成する構造としてアームの停止状態保持の確実性を図っている。この特許文献２に示すアクチュエータの構成では、バックヨークを用いてマグネットの磁束密度を電磁石側に集中させているため、通電時には大きな起動トルクを得ることができる。

しかしながら、無通電時の磁路は、電磁石のコア、これと相対する一方側のマグネット、バックヨーク、他方側のマグネット、ケース、そして電磁石のコアに至る経路の循環した磁路（閉磁路）として形成されるが、この磁路がケースを介することになるため、コアと相対しない方のマグネットからケースへ渡る空間距離が長くなってしまい、磁束が分散され磁気抵抗が大きくなってしまっていた。そのため、大きな保持力（マグネットからの磁束による磁気吸引力）を得難いという課題があった。

そこで、本願発明は、さらなる軽量化を図るべく、ケースを軽量でかつ成形性に富んだ合成樹脂材で形成する一方で、ケースが非磁性体であることの手当として無通電時の停止状態の保持力確保を目的とした新規なアクチュエータを提供するものである。

本願発明に係るアクチュエータは、上記課題を解決するため、次のように構成している。

すなわち、所定の内部空間を確保し得る非磁性材からなるケースと、該ケース内に設置した電磁石と、該電磁石の磁極面と相対し、かつ該磁極面の面方向に沿って互いに反対磁極面をもって離隔併置（「異極併置状態」）した２個のマグネットと、該マグネットを保持すると共に前記電磁石の磁極面とエアギャップをもって磁極面の面方向に揺動するアームと、該アームを前記ケース内で軸支持すると共に前記揺動力を軸出力させる出力シャフトと、前記相対した状態で電磁石とマグネットとの反相対側の両磁極間に磁気回路（「磁路」）を形成するようにケースの内側又は外側に配設した磁路形成体と、から構成したことを特徴とする。

上記した内部空間を確保し得るケースとは、一般的に空間が閉じた箱状体であるが、産業機器類の取付部位次第では、一定の保形力を確保できる限り、一部空間を開放させた網板成形体や枠状体であっても良い。通常は、軽量化を図るため合成樹脂材で成形する。また、２個のマグネットの離隔併設とは、それぞれ個別に配置するマグネットの磁極性を互いに逆（一方がＮ極、他方がＳ極）にした状態でその磁極面を揺動面に沿わして、かつ所望の揺動距離（円弧状）に合わせた離隔距離をもって並べて配設した状態である。

また、磁路形成体は、磁性材料で形成するものであって、磁束の集中、及び小型軽量化を図るため帯状板体又は線状体、好ましくは小幅かつ肉薄で長尺状の板材又は線状体に形成する。この磁路形成体は、ケースの内側又は外側に配置するものであるが、好ましくは、ケースの外側面、または内側面に沿わして、または埋め込み状にして配設する。さらには加工性次第では、内側設置と外側設置とを組み合せたり、ケースと一体成形としたりしても良い。

特に、この磁路形成体の配設においては、前記アームの揺動に干渉しない限りの最短経路となる位置とすることがより好ましい。例えば、コアの反相対側の磁極側からマグネットの反相対側の磁極側にアームを迂回したコ字状にしても良い。

また、この磁路形成体の配置構成としては、前記非磁性材のケースの一部を磁性材で形成して前記電磁石の基盤とすると共に、該基盤に接続して延長させた長尺帯状板の先端部をケースの外側から反相対側のマグネットの磁極面に近接させた構成としても良い。

さらに、反相対側のマグネットの磁極面に近接させた磁路形成体の先端部は、平板状にしてマグネットの磁極面と対面させる構造であるが、その先端部に磁極面に向かう突起体を形成して磁束の集中（又は磁束密度の向上）を図って、より停止保持時の磁着力を高めるようにしても良い。電磁石の通電時にはその突起体が保持磁極として作用し、揺動トルクを高めることができる。

さらにまた、前記２個のマグネットの反相対側に、磁極を覆うバックヨークを各別に設けたことを特徴としている。

本願発明にかかるアクチュエータは、以上のように構成しているため、次のような効果を奏する。

すなわち、本願発明は、ケースを軽量化した合成樹脂材等の非磁性体で形成できるため、アクチュエータ全体の軽量化が図れると共に、ケースを経由することなく、コア、マグネット、磁路形成体、そしてコアに至る磁力線を集中させた閉ループの磁路を形成することができる。このため、磁気抵抗を大きくすることなく、別言するとマクネットからの磁束を減衰させることなく、コアとの間に大きな磁気作用（吸引力）を生じさせ、停止状態を安定的にかつ強力に保持することができる。

また、ケースが磁性体（主に、金属）であった従来のアクチュエータでは、ケース内に磁力線が分散して磁束密度が小さくなることを防ぐため、ケース内の対応位置にコアのような突起形状を形成する必要があったが、本願構成では、磁路形成体を非磁性体のケースに小幅で長尺薄板状又は線状に磁路形成体を形成して配設しているために磁束の集約が図れ、十分な磁気力を確保することができる。

さらに、磁路形成体により磁束の集約が行われるため、設定位置の調整が容易となる。加えて、ケース自体を磁路の経路とした場合には、マグネットへの磁束集中を図るためのボスを形成する必要があったが、その必要がなく長尺状帯板材の曲げ加工のみで適応させることができ、加工性及び組立性を向上させることができる。

また、請求項３の構成を取った場合は、磁路形成体をケース組み立て後に、電磁石の設置面とマグネットの磁極面とをケースの外側から近接させるように取り付けることができ、部品点数の軽減の他、組み付けが容易となって生産効率の向上が図れる効果を有する。

また、請求項４の構成を取った場合は、マグネットの磁極面と磁路形成体の先端部との間に介在したバックヨークが磁束の拡散を抑えて、別言すると磁気抵抗の減衰を抑えて、より確実な保持力の維持が図れる効果が期待できる。

アクチュエータを示す一部切り欠き斜視図である。 アクチュエータを示す組立斜視図である。 図１のＡ−Ａ'線断面図である。 図１のＢ−Ｂ'線断面図である。

以下に、本願発明にかかるアクチュエータの実施例について、図面に基づき詳細に説明する。

本実施形態例のアクチュエータ１は、産業機器類内に組み込むと共にその所定部位と連結させて一定角度間の揺動力を伝達する駆動機素である。その主な構成要素は、構成部品を収納するケース２と、その内部側に設置する電磁石３と、ケース２内に軸支持した出力シャフト４と、該出力シャフト４に支持して揺動するアーム５と、該アーム５に取り付けたマグネット６（永久磁石）と、及び磁路形成体７とから成る。なお、本実施形態例にかかるアクチュエータ１は、仕様上の上下関係は無いが、本明細書の説明においては、便宜上、図面表示にしたがった上下関係を用いて説明する。

ケース２は、所定の内部空間を有する略円筒箱状を成し、該ケース２の底面部を構成して電磁石３、出力シャフト４、およびアーム５等の取付け基台となる基盤２０と、該基盤２０に被せるようにして適合させて閉塞した空間を区画する碗状（有底筒状）の被冠体２１とから成る。基盤２０は磁性材（例えば、メッキ鋼板や珪素鋼板等の鋼鉄、酸化鉄、酸化クロム、フェライト、コバルト、等）で形成し、被冠体２１は合成樹脂材などの非磁性の軽量材で形成している。前記基盤２０の略中央部には、電磁石３を配置している。

該電磁石３は、柱状磁性体のコア３０（一般的には、鉄心）とその側面周囲に密巻きした電磁コイル３１（以下「コイル」）とから成り、該コア３０が基盤２０に対して立設（垂直設置）している。この場合、コア３０の高さとコイル３１の密巻き高さ（巻き面の上方向の高さ）を揃えるのが好ましい。

上記電磁石３と干渉しない位置のケース２内には、出力シャフト４を立設状（上下方向）にして回動自在に軸支持している。該出力シャフト４は、アクチュエータ１の外部への出力部となるものであり、前記被冠体２１の上面２１ｕに突出状に設けた軸受２２によって軸支持し、その上端部は該軸受２２から所定高さ上方へ突出した状態となっている。この出力シャフト４には、アーム５を取り付けている。

該アーム５は、平面視で概略扇形状を成し、この扇型の要部分を出力シャフト４の支持点として片持ち状に取り付けている。該アーム５の下面側には、２個のマグネット６、６を所定の間隔で併置（「離隔併置」）している。この所定の間隔は、所望のアーム５の揺動距離（円弧長）によって設定する。各マグネット６は、円柱、角柱等の柱状体を成し、該マグネット６の磁極面がアーム５の下面側から略面一で露出した状態で埋め込み、嵌入、または圧入状態で取付けている。また、この２個のマグネット６、６の磁極面６０、６１は、それぞれ異なる極（Ｎ極とＳ極）に設定して、かつ前記電磁石３のコア３０の上端面３０ｕとエアギャップをもって相対させている。

また、アーム５の上面側には、２個のマグネット６の反相対側の磁極面と略平行にして各別を覆うようにしてそれぞれにバックヨーク５０を埋め込み状に設置している。アーム５には、マグネット埋め込み用の凹部５１とバックヨーク埋め込み用の凹部５２の底面間に所定肉厚の薄肉部５３を形成している。これら各凹部５１、５２のそれぞれに前記マグネット６と前記バックヨーク５０とを嵌入（又は圧入）して前記薄肉部５３を挟持することによって、アーム５とマグネット６とバックヨーク５０との一体化を図っている。これにより、マグネット６とバックヨーク５０との磁着力を利用した保持ができるため、従来の接着方式やインサートモールドによる固定方式より簡易で確実なものとなっている。

上記した構成によるアクチュエータ１の動作は、既に特許文献１、２で開示されて既知のことであるが、要約すると電磁石３のコイル３１への通電方向を適宜に（又は周期的に）切り換えることにより電磁石３の極性が切り替わるため、異極併置した２個のマグネット６の磁極との間において、一方側のマグネット６との間に磁気吸引力、他方側との間に磁気反発力とが作用し、アーム５を旋回させる揺動力が発生することになる。この揺動力を、出力シャフト４を介した出力として機器類の取付け部位に供給するものである。

次に、本願発明の特徴的な要素の一つである磁路形成体７は、磁力線を集約し得る磁性材で形成した長尺帯状の薄板体である。この磁路形成体７は、その一端部７０をケース２の底面の略全面を占める基盤２０の縁部と接続している。ここから略Ｌ字状に折り曲げて、ケース２の被冠体２１の側面を通って上面２１ｕの中央付近まで延設させて他端部７１を配置している。詳述すると、磁路形成板７は、被冠体２１の外側面（側面と上面）に倣い当接するように、かつ被冠体２１に埋め込むように配設している。

磁路形成体７の他端部７１は、被冠体２１の上面（前記基盤２０と平行面）であって、前記電磁石３のコア３０と相対したマグネット６の反相対側の磁極面６１と重畳する位置であり、かつこの磁極面６１の全体を覆う位置形状に設定して配置している。

なお、図示した実施例では、この磁路形成体７を長尺状又は帯状の薄板体で約Ｌ字状に折り曲げ成形したものであるが、このほか磁束を漏らすことなく効果的に磁力線を集約させることができるものであれば、線状や適宜の断面形や平面形をもった形状としても良い。
［磁路形成体の機能と効果］

上記のように構成した磁路形成体７を配設することにより、アーム５が揺動して電磁石３のコア３０の上面３０ｕが、その軸上でいずれか一方のマグネット６の磁極面６０（下方側、相対側）と相対した時点で、コイル３１への電力供給を停止（無通電状態）すると、電磁石３としては機能しない。

しかし、コア３０が磁性体であるため、マグネット６からの磁力線を吸収集約して、（１）コア３０から基盤２０へ、（２）該基盤２０から磁路形成体７へ、（３）該磁路形成体７の他端側７１からこれに近接したバックヨーク５０へ、（４）該バックヨーク５０から対応したマグネット６の反相対側の磁極面６１へと至る閉プールの磁路ＭＣが形成される。これにより、マグネット６からの磁束が拡散することなく集中した状態で閉ループの磁路ＭＣが形成されるためマグネット６とコア３０との間に大きな磁気吸引力（磁着力）が生じることとなる。

この磁着力は、その位置での停止状態を維持し続ける保持力として効果的に働くこととなり、特に、停止状態の長い間欠的作動のアクチュエータにあっては、効果的な省エネルギー機器となるものである。

１ アクチュエータ
２ ケース
２０ 基盤
２１ 被冠体
２１ｕ 上面（被冠体の）
２２ 軸受
３ 電磁石
３０ コア
３０ｕ 上端面（コアの）
３１ コイル（電磁コイル）
４ 出力シャフト
５ アーム
５０ バックヨーク
５１ 凹部（マグネット用）
５２ 凹部（バックヨーク用）
５３ 薄肉部
６ マグネット
６０ 磁極面（相対側）
６１ 磁極面（反相対側）
７ 磁路形成体
７０ 一端部
７１ 他端部
ＭＣ 磁路

Claims (4)

1. 所定の内部空間を確保した非磁性材からなるケースと、
   該ケース内に設置した電磁石と、
   該電磁石の磁極面と相対し、かつ該磁極面の面方向に沿って互いに反対磁極面をもって離隔併置した２個のマグネットと、
   該マグネットを保持すると共に前記電磁石の磁極面とエアギャップをもって磁極面の面方向に揺動するアームと、
   該アームを前記ケース内で軸支持すると共に前記揺動力を軸出力させる出力シャフトと、
   前記相対した状態で電磁石とマグネットとの反相対側の両磁極間に磁気回路を形成するようにケースの内側又は外側に配設した磁路形成体と、
   から成ることを特徴とするロータリーアクチュエータ。
2. 前記磁路形成体が、
   帯状板体又は線状体であることを特徴とする請求項１記載のロータリーアクチュエータ。
3. 前記磁路形成体の配設が、
   前記非磁性材のケースの一部を磁性材で形成して前記電磁石の設置盤とすると共に、該設置盤に接続して延長させた長尺帯状板の先端部をケースの外側から反相対側のマグネットの磁極面に近接させた構成であることを特徴とする請求項１、又は２記載のロータリーアクチュエータ。
4. 前記２個のマグネットの反相対側のそれぞれに、磁極面を覆うバックヨークを各別に設けたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載のロータリーアクチュエータ。

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