JPH02142352A - 電磁式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転または直線上に駆動力を発生させる為に用
いられる電磁式アクチュエータに係わり、特に、効率が
よく駆動特性の安定な電磁式アクチュエータに関する。

［従来の技術］ 従来のステップモータ或いはりニヤアクチュエータ等の
電磁式アクチュエータに於ける可動子と固定子との対向
部には第７図に示すように矩形状の小歯を先端に形成し
た歯極が連続的に形成されている。第７図はりニヤアク
チュエータの歯極部の断面図（またはステップモータの
歯極部の展開図）であって、７１は可動子に設けた複数
の歯極を示し、７２は固定子に設けた複数の歯極を示し
ていて、７１−１．７２−１はそれぞれ可動子歯極７１
と固定子歯極７２の先端に形成された複数の小歯を示し
ている。複数の固定子の歯極７２にはそれぞれ励磁用の
コイル７３が設けられており、パルス状に電流を流すこ
とによって固定子の小歯７２−１を一時的に磁化して可
動子の小歯７１−１を吸引する。

励磁用コイル７３に流す電流を複数の固定子の歯極７２
上で順次切り替えてゆくことによって複数の固定子の小
歯７２−１に発生する磁界は移動し、順次継続的に複数
の可動子の小歯７１−１を吸引することによって連続的
に駆動力を発生して可動子の回転または直線運動を継続
させている。第７図において小歯７１−１と７２−１と
の間に示した点線ｔは小歯７２−１が磁化された時に発
生する吸引力を示しており、第８図に吸引力ｔを含む小
＠７１−１と７２−１の関係を拡大して示し、小歯７１
−１と７２１との相対位置によって吸引力ｔの変化する
特性の一例を第９図に示している。第８図においてｔは
可動子と固定子との間に発生している吸引力の大きさを
示しており、吸引力のうちの垂直分力をｔｖで示し、吸
引力のうちの水平分力をｔｈで示している。

第８図に示すように吸引力ｔは可動子歯ｆｉ７１と固定
子歯極７２の間に直線的に働いているが、可動子歯極７
１と固定子歯８ｉ７２とは相対運動をなすのに必要な空
隙が設けられているために、駆動力として活かされる水
平力と、有効な駆動力にはならないで無駄な力になる可
動子歯ｊｆ１７１と固定子歯極７２を直角方向に吸引す
る垂直力に分解される。第９図は一対の小歯７１−１と
７２−１との相対位置に対する吸引力の変化特性を示し
たものであって、実線は垂直力を示し、点線は駆動力と
なる水平力を示しており、横軸の左端は小歯７１−１と
７２−１のそれぞれの凸部が丁度向き合った位置におけ
る吸引力の大きさ、右端は小歯７１−１と７２１の凸部
と凹部が向き合った位置における吸引力の大きさを示し
、中間はその間の特性変化を示している。上述の説明で
は巻線７３に電流を流すことによって発生する磁力を吸
引力として説明したが、電磁式アクチュエータが永久磁
石式の時は可動子７１は永久磁石によって構成されてお
り、巻線７３に流す電流によって固定子７２に発生する
磁極と、可動子のもつ永久磁石の極性の正逆によって７
１−１と７２−１の間に働く力が吸引力のみではなく反
発力としても働くことがある。可動子の小歯７１−１と
固定子の小歯７２−１との間に発生する力が反発力のと
きは第８図、第９図における吸引力に対して力の方向が
逆方向になるだけで小ｆａ７１−１と７２−１の相対位
置関係において発生ずる力の傾向は同一の形状を示すも
のである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記従来の電極構造では第９図に示すように
電磁式アクチュエータとして有効な駆動力となる水平力
に比して無駄な力となる垂直力が数十倍と大きくなる範
囲がある。しかしながら電磁式アクチュエータの駆動力
を大きくするためには可動子と固定子との間の空隙を小
さくすることが必要であるが、特にリニヤアクチュエー
タに於いては可動子と固定子との間の保持機構をリニヤ
アクチュエータの使用全域に渡って大きな垂直力に抗し
た構造にすることは困難であって、不安定な運動を生じ
させる原因となっている。駆動力である水平力も、可動
子の小＠７１−１の凸部と固定子の小歯７２−１の小歯
の凸部が相互に対向しない状態になる付近で最大力を示
していて凸部同士が相対している位置ではゼロになるた
め、移動運動は衝撃的となり安定な動きを得ることが出
来なかった。

本発明は上記駆動力の不安定性に着目し、安定で効率の
良い電磁式アクチュエータを提供することを目的として
いる。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係わる電磁式アク
チュエータにおいては、固定子と可動子の相対向する歯
極の少なくとも一方に前記可動子の移動方向に対して斜
交する傾斜面を形成したことを特徴とし、第２の発明で
は前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯に形成した
ことを特徴とし、第３の発明では前記傾斜面は歯極先端
面に設けられた小歯を三角山形状としてその側面により
形成されていることを特徴とし、第４の発明では前記傾
斜面は歯極先端面に設けられた小歯を三角屋根形状を持
つ家型としてその屋根面により形成されていることを特
徴とし、第５の発明では前記傾斜面は傾斜角を連続的に
変化させて形成されていることを特徴とし、第６の発明
では前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯を円弧小
歯とすることにより形成されていることを特徴とし、第
７の発明では前記傾斜面は前記歯極を円弧歯極とするこ
とにより形成されていることを特徴とし、第８の発明で
は前記傾斜面の傾斜角は可動子の移動方向線に対して１
０〜３０度の範囲に形成したことを特徴としている。

Ｕ作用］ 上記構成によれば、第一に固定子または可動子の少なく
とも一方の歯極に傾斜面を形成したので、歯極間に生じ
るアクチュエータの駆動力にならない垂直力を可及的に
小さくできる。そして、固定子に対する可動子の相対移
動によって歯極間に発生する水平力の変動が小さくなり
、もって安定した駆動力を持つアクチュエータを得るこ
とが出来る。

［実施例］ 以下本発明に係わる電磁式アクチュエータの実施例を図
面を参照して詳細に説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に基づ〈実施例の電磁式
アクチュエータの可動子及び固定子の歯型構造の断面図
である。１１．２１は電磁式アクチュエータの可動子に
形成した複数の歯極、１２．２２は同じく固定子に形成
した複数の歯極を示し、１１−１．２１−１．１２−１
．２２−１は各歯極先端面にそれぞれ歯形構造に形成し
た複数の小歯を示している。１３．２３は前記固定子歯
極１１．２１に設けた励磁用の巻線である。第１図にお
いてθは小歯１１〜１．１２−１に形成した屋根形の傾
斜部と水平とのなす角度を示し、点線は前記固定子歯極
１１．２１に設けた巻線１３．２３に電流を流した時に
発生する可動子歯極１１．２１と固定子歯極１２．２２
との間に発生する磁気力ｔを示している。

第２図は本実施例にもとづく前記電磁式アクチュエータ
の可動子側の小歯１１−１．２１１と、固定子側の小歯
１２−１．２２−１との間の変位−作用力の特性図であ
る。この特性図は第９図に示す従来の小歯の形状が矩形
である場合の特性に重ね合わせて示したものであって、
横軸に可動子と固定子との相対位置の関係、縦軸には垂
直力及び水平力を示している。

第２図に於ける特性曲線の実線は垂直力ｔｖ、点線は水
平力ｔｈであって、（１）は小歯の形状が実施例第１図
（ａ＞に示した室形形状の時の特性、（２）は小歯の形
状が実施例第１図（ｂ）に示した三角形状の時の特性、
（３）は小歯の形状が従来の矩形形状の時の特性を示し
ている。第３図は第１図（ａ）の象形歯極構造に於いて
可動子と固定子とのそれぞれの小歯の相対位置に対する
水平力ｔｈの関係が小歯に形成した傾斜角θの大きさに
よって変化する状況を示した図であって、横軸に可動子
と固定子との相対位置の関係、縦軸には水平力を示して
いる。第４図は第１図（ａ）の象形歯極構造に於いて可
動子と固定子とのそれぞれの小歯の相対位置に対する垂
直力ｔｖの関係が室形屋根部の傾斜角θの大きさによっ
て変化する状況を示した図であって横軸に可動子と固定
子との相対位置の関係、縦軸には垂直力を示している。

第２図、第３図、第４図の横軸はいずれも左端は小歯１
１−１．２１−１と１２−１，２２１それぞれの凸部が
丁度向き合った位置における吸引力の大きさ、右端は小
歯１１−１．２１−１と１２−１．２２−１の凸部と凹
部が向き合った位置における吸引力の大きさを示し、中
間はその間の特性変化を示している。

第５図は第１図、第２図に示した室形小歯、三角小歯と
は別の本発明に基づ〈実施例の、可動子と固定子の断面
図、第６図はさらに別の実施例である小歯の断面図を示
している。

次に本発明の実施例の動作について説明する。

第１図（ａ）において可動子歯極１１及び固定子歯８ｉ
ｉ１２の先端対向面にはそれぞれ複数の象形形状の小歯
が連続して形成されている。可動子歯極は軟鉄によって
製作されていて固定子歯極１２に設けた巻線１３に電流
が流されると固定子歯極１２と可動子歯極１１との間に
磁界を生じて吸引力ｔを発生する。吸引力ｔは例えば可
動子が永久磁石であって可動子の磁極と固定子に生じた
磁極の相互の磁性が逆極性の時は上記と同様に吸引力、
同極性の時は反発力としてＳ　＜。反発力として働く場
合は第２図、第３図、第４図に示す吸引力の特性変化は
変化傾向は同じであるが力の方向が逆になっている。第
１図（ｂ）において可動子及び固定子の歯極の形状はそ
れぞれ三角形状の小歯が連続して形成されている。この
可動子歯極も軟鉄によって製作されていて巻線１３に電
流が流されると固定子歯極１２と可動子歯極１１との間
に磁界を生じて吸引力ｔを発生する。吸引力ｔは例えば
可動子が永久磁石であって可動子の磁極と固定子に生じ
た磁極の相互の磁性が逆極性の時は上記と同様に吸引力
、同極性の時は反発力として働く、反発力として働く場
合は第２図に示す吸引力の特性変化は変化傾向は同じで
あるが力の方向が逆になっている。

可動子歯極と固定子歯極の相対位置の変位にともなって
可動子ｆ！極と固定子歯極との間に発生する電磁式アク
チュエータにとって有害な力である垂直力は第２図に示
す通り、従来の矩形歯に対して実施例に基づく第１図（
ｂ）に示す三角形歯の方が小さく、第１図（ａ）に示す
室形歯は上記三角歯よりも小さい。

可動子歯極と固定子歯極の相対位置の変位にともなって
可動子歯極と固定子歯極との間に発生する電磁式アクチ
ュエータにとって有効な駆動力となる水平力は第２図に
示す通り、従来の矩形歯に対して本実施例に基づく第１
図（ｂ）に示す三角形歯は変化幅は小さく、第１図（ａ
）に示す室形歯は上記三角歯よりも小さく可動子の歯極
と固定子の歯極との相対位置の変化に対して安定−様な
駆動力を得ることができる。

第３図、第４図は第２図において示した実施例のうち、
より勝れた特性を示している室形歯の場合の特性をより
詳細に示したものであって、第３図は可動子の歯極と固
定子のｔｋ極との間に発生する電磁式アクチュエータに
とって有効な駆動力になる水平力を示しているが、室形
の屋根部の角度が小さい時は従来の矩形歯の特性に接近
し、角度が大きくなると水平力は平坦部が増加してくる
が可動子の＠極と固定子の歯極との相対位置が歯極の凸
部が相互に向き合う位置付近においてピークを持つよう
になる状況を示している。第４図は可動子の歯極と固定
子の歯極との間に発生する電磁式アクチュエータにとっ
て有害な力である垂直力を示しているが、室形の屋根部
の角度が小さい時は従来の矩形歯の特性に接近し、角度
が大きくなると垂直力は全体に低くなってくるが、可動
子の歯極と固定子の歯極との相対位置が歯極の凸部が相
互に向き合う位置においてピークを持つようになる状況
を示している。従って、本実施例では象形歯極において
室形屋根部の傾斜角度が１ｏ度乃至３０度の間が適切で
あり、１５度乃至２５度の間がより適切であることが判
る。

本実施例においては小歯の形状を三角形と室形のみにつ
いて説明したが可動子及び固定子の歯極の相互の対向部
に傾斜を持たせる手段としては第５図、第６図に示す通
り、小歯を曲線によって形成するほか、小歯の無い形状
、可動子及び固定子の歯極の対向部の角部のみに傾斜を
もたせる、又は曲面を形成する等必要とする電磁式アク
チュエータの仕様に従って適切な形状にすることが可能
である。また、上記図示した実施例においては可動子と
固定子の歯極の形状寸法をほぼ同一に示したが、通常の
電磁式アクチュエータの可動子の歯極のピッチと固定子
の歯極のピッチは異なっており、必要とする電磁式アク
チュエータの仕様に従って、例えば可動子は従来の形状
である矩形形状のままで固定子のみに傾斜部を設ける等
それぞれの歯極の形状を異ならせることも可能である。

又実施例においては可動子と固定子の歯極の対向面の両
方またはいづれかに傾斜面を形成させているが、空気抵
抗を減らしまたは腐蝕に対する保護の為に本発明に従っ
て形成した固定子と可動子の全部または一部を非磁性体
によってコーテングを行い平滑に成型することも可能で
ある。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、可動子または固
定子の少なくともいずれか一方に傾斜面を形成したので
、歯極間に発生する垂直力を大幅に小さくすることがで
き、これにより可動子と固定子との間のエアギャップを
小さくしつつそれらの保持機構を簡易構成にすることが
できる。また、可動子と固定子の相対的な位置関係によ
って変化する駆動力となる有効な水平力の変動幅が小さ
くなり、可動子の移動に伴う衝撃的な運動の発生を防止
することが出来る。

これにより安定した駆動力を得る事が出来、効率的な電
磁式アクチュエータとすることが出来る。特に、傾斜面
を三角山形状とすると矩形小歯の場合より大幅に垂直力
を小さく出来るとともに、平均水平力を矩形小歯の場合
と同等にすることが出来る。また、家型歯とすると、三
角形歯と同等以上に垂直力を抑制することが出来るとと
もに、推力となる水平力は歯極の変位全体にわたってフ
ラット化し、推力脈動を改淳することができる。特に家
型小歯の場合には、傾斜面角度θ−２０度で垂直力／水
平力比は２〜５倍となり改善されている。そして、家型
小歯を用いた場合には、傾斜面角度が大きいほど垂直力
が小さくなり、傾斜面角度θ＝１０〜３０度付近で水平
力が非常に平坦となって脈動抑制効果を大きくすること
が出来る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかる可動子歯極と固定子歯
極との構造断面図。 第２図は本発明の実施例にががる可動子歯極と固定子歯
極との間に発生する磁気力特性図。 第３図は本発明の実施例にかかる可動子歯極と固定子歯
極との間に発生する磁気力の水平分力図。 第４図は本発明の実施例にががる可動子歯極と固定子歯
極との間に発生する磁気力の垂直分力図。 第５図は本発明の別の実施例にかがる可動子歯極と固定
子歯極との構造断面図。 第６図は本発明の別の実施例にががる可動子または固定
子の小歯の構造断面図。 第７図は従来の可動子歯極と固定−Ｐ歯極との構造断面
図。 第８図は従来の可動子歯極と固定子歯極との間に発生し
ている磁気力を示す図。 第９図は従来の可動子歯極と固定子ｌ′！ｒ極と間に発
生する磁気力特性図。 １１・・・・・・・・・可動子歯極 １２・・・・・・・・・固定子歯極 １３・・・・・・・・巻線 ２１・・・・・・・・可動子歯極 ２２−・・・・・・・可動子歯極 ２３・・・・・・・・・巻線 １１−１・・・可動子の小歯 １２−１・・・固定子の小歯 ２１−１・・・可動子の小歯 ２２−１・・・固定子の小歯 第１図 第４ｆｆｉ Ｃｂ’１ 第５図 第２図 第３図 第８図 第９区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定子と可動子の相対向する歯極の少なくとも一方
   に前記可動子の移動方向に対して斜交する傾斜面を形成
   したことを特徴とする電磁式アクチュエータ。 ２、前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯に形成し
   たことを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチュエ
   ータ。 ３、前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯を三角山
   形状としてその側面により形成されていることを特徴と
   する請求項２に記載の電磁式アクチュエータ。 ４、前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯を三角屋
   根形状を持つ家型としてその屋根面により形成されてい
   ることを特徴とする請求項２に記載の電磁式アクチュエ
   ータ。 ５、前記傾斜面は傾斜角を連続的に変化させて形成され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の電磁式アクチ
   ュエータ。 ６、前記傾斜面は歯極先端面に設けられた小歯を円弧小
   歯とすることにより形成されていることを特徴とする請
   求項５に記載の電磁式アクチュエータ。 ７、前記傾斜面は前記歯極を円弧歯極とすることにより
   形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁
   式アクチュエータ。 ８、前記傾斜面の傾斜角は可動子の移動方向線に対して
   １０〜３０度の範囲に形成したことを特徴とする請求項
   １に記載の電磁式アクチュエータ。