JPH0563004B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、小型で衝撃音の無い高トルクのアク
チユエータに関するものである。

〔従来技術と問題点〕

従来継電器の吸引動作や、一般的な往復動の作
動子の動力源としてはプランジヤー型のアクチユ
エータが多用されているが、これらは動作完了時
に最大吸引力が働くようにするために作動子が電
磁石の継鉄に衝撃的に吸引停止してアクチユエー
タ自体が極めて大きな衝撃音を発する欠点を有す
るものである。

また、他のアクチユエータとして回転型のいわ
ゆるロータリソレノイドがあり、その種類によつ
ては本体自体は無音に近い動作をするものがある
が、この場合は動作完了時に最大吸引力とするこ
とが困難であり、また他の種類のロータリソレノ
イドは完了時最大となるが衝撃音を伴うようにな
る。つまり、無音であつて動作完了時最大吸引力
であるという両方の条件を同時に達成することは
いずれも困難であつた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した欠点を除去し、小型で衝撃音が無く、
また動作完了時に最大トルクとなるアクチユエー
タとするために本発明においては以下に述べる手
段が採取されている。第一に、無音とするために
外部に力を取り出す可動鉄心は、固定側の磁極鉄
心に対し、動作初期から動作完了までの極小の空
隙を保つて非接触で動作するように構成されてい
る。

第二に、動作完了時に最大トルクとするために
前記可動鉄心と磁極鉄心の対向面積が動作に伴つ
て所定の変化をする形状となされている。該所定
の変化については実施例の説明中で詳述する。

〔実施例〕

第１図は、本発明によるアクチユエータの実施
例を示すもので、磁極鉄心１は、ほぼコの字型で
あり図示しない非磁性の基体に周知の方法で固定
されている。該磁極鉄心１の一対の平行部はそれ
ぞれ励磁コイル巻回部１−ｃ，１−ｄとなつてお
り、励磁コイル２−ａ，２−ｂが所定ターン数だ
け巻回されて装着されている。該励磁コイル２−
ａ，２−ｂは直列接続されており、端子２１には
スイツチ４を介して直流電源３の正極が接続さ
れ、端子２２には該電源３の負極が接続されてい
る。

前記励磁コイル２−ａ，２−ｂによる磁束の向
きは前記スイツチ４が閉成された時に鉄心中にお
いて同一方向となるように直接接続されている。

前記励磁コイル巻回部１−ｃ，１−ｄの連結さ
れていない開放端面は円弧状とされ磁極１−ａ，
１−ｂとなつている。磁極鉄心１は上記のような
構造となつているため、ボビン（図示せず）に巻
回された励磁コイル２−ａ，２−ｂが励磁コイル
巻回部１−ａ，１−ｂに容易に貫装可能となつて
いる。一方、可動鉄心５は、基体に植立された主
軸６にボールベアリング７を介して回動自在に取
付けられ、該可動鉄心５が有する２つの突極５−
ａ，５−ｂの開角はαであり、それぞれ前記磁極
１−ａ，１−ｂと空隙を隔てて対向している。

前記開角αは、主軸６の中心と前記磁極１−
ａ，１−ｂのそれぞれの中央とを結ぶ２つの線分
の開角と等しくなされている。

出力部５−ｃは負荷駆動用のもので、主軸６か
らみて突極とは反対側に突出して設けられてい
る。

負荷は本実施例においてはスイツチ８となつて
おり、バネ性の接片８−１と８−２より成つてい
る。

点線で示す可動鉄心５−１の位置は動作前の状
態であり、スプリング９によつて矢印Ａ方向に弾
撥されストツパー１０に停止させられている。こ
の時前記接片８−２はバネの弾撥力で点線で示す
８−１の位置にあり、スイツチ８は開成されてい
る。

ここで、前記スイツチ４が投入され励磁コイル
２−ａ，２−ｂが通電されると鉄心中に磁束が発
生し、可動鉄心を矢印Ａと反対方向に回転させる
力が発生する。したがつて、可動鉄心は実線で示
す５の状態に回転しよつて接片も８−１の状態と
なつてスイツチ８を閉成して動作を完了する。

上記したような動作であるので動作開始から終
了まで可動鉄心は励磁鉄心に非接触で回転するの
でアクチユエータ自体の衝撃音は発生することが
ない。

次に、動作完了時に最大トルクとするための手
段を第２図以降によつて説明する。ただし、第２
図は上記効果を呈さない例である。

第２図ａに示すものは、可動鉄心５の斜視図で
あり、突極５−ａと５−ｂの励磁鉄心との対向面
の形状はそれぞれ斜線を施した５−Ｉと５−Ｊと
なつている。

この対向面の形状の場合は、可動鉄心５が第１
図の５−１の位置から回動し始めると、空隙を介
して励磁鉄心と対向する部分の対向面積Ｓは第２
図ｂ図示の直線２０のように回転角θ（横軸）に
対して一次関数的に増加する。第１図の５−１の
位置はθ₀に相当。

上記した対向面積変化の場合のトルクＴの変化
をみてみると、横軸θ、縦軸Ｔで示す第２図ｃの
曲線２１のように、回転初期に急増し、その後漸
減する特性となる。このような動作特性の場合
は、負荷（スイツチ８）を押圧する時点が第２図
ｃ中のθ₂であつたとすると、トルクが最大である
点θ₁ではなくなつている。

したがつて、θ₂を図上のさらに右に設定すると
負荷押圧力は一層減じ、また左に寄つた点に設定
すると押圧力は増すものの、ストローク（θ₁とθ₂
の間隔）が減少し微妙な動作となつて誤動作の要
因となるものである。

上記したトルク特性を電磁石の吸引力の式を用
いて表わすと、任意の時点θにおいてトルクＴ
は、 Ｔ＝１／２U2dP／dθ (1) と表わされるが、起磁力Ｕはφ／Ｓに比例し、磁
路のパーミアンスＰは面積Ｓに比例するので(1)式
は、 Ｔ＝Ｋ／２ φ²／S² dS／dθ (2) と表わされる。ただし、Ｋは比例定数、φは磁
束、まず、動作初期においては、トルクに寄与す
る部分の対向面積が小さく、その部分では磁気的
に飽和となつているためφが小さくトルクは殆ん
どない。しかしθ₁に達するとその時の面積中のφ
が充分大きくなりＴは最大になる。その後φに変
化はなく、θ₂の近傍では、吸引力中の回転方向成
分が小さくなりＴは零に近ずく。したがつて、第
２図ｃの曲線２１のようになる。

dS／dθを考慮しなかつたのは第２図ｂの直線
２０（一次関数）から、この値は動作中において
一定となるからである。

第３図は上記の特性を改善した本発明による実
施例である。第３図ａは、可動鉄心の斜視図であ
り、突極５−ａと５−ｂの励磁鉄心との最小空隙
を介する対向面の形状はそれぞれ斜線を施した５
−Ｘと５−Ｙとなつている。この対向面の形状の
場合は、可動鉄心５が第１図の５−１の位置から
回動し始めると、対向面積Ｓは、第３図ｂ図示の
曲線３０のように、回転角θ（横軸）に対して２
次関数的に増加するものである。

前述と同様に第１図の５−１の位置はθ₀に相
当。

このときのトルクＴの変化は、横軸θ、縦軸Ｔ
で示す第３図ｃの曲線３１のように、回転初期に
緩かに増加し、末期に最大値に達し再び減少する
特性となる。

このような動作特性の場合は、スイツチ８を押
圧する時点が第３図ｃ中のθ₂（ほぼ動作末期）で
あつたとするとトルクがほぼ最大である箇所なの
で大きな力で負荷を押圧でき安定した動作となる
ものである。

上述した第３図のトルク特性も吸引力の式によ
つて解析すると、動作初期はやはり（Ｓが極小の
ため）飽和していてφが小さくトルクは殆んどな
い。

動作前半においては第２図ｂの直線２０よりは
遅れて対向面積が増加するのでθ₁近傍では緩かな
トルク増加となつている。その後θ₂（動作末期）
に近ずくとdS／dθの値の著しい増加によつてＴ
は最大となる。さらにその後はやはり吸引力の回
転方向成分が小さくなりＴは零に近ずく。

したがつて、第３図ｃの曲線３１のようにな
る。

このように動作末期においてトルクを増加させ
るためには、第３図ｂの曲線３０以外にもＳ＝
（θ）とするとき動作範囲内においてＳがθの１
を越える（望ましくは２以上の）次数の関数か、
または、末期において急増するものであれば達成
できるものである。

それ故に、前記した最小空隙を介する対向面の
形状は、第３図ａの三角状でなくとも上記した条
件を満たすものであれば同様の効果を得られるも
のである。

第４図ｃ，ｄに上記効果を得られる対向面形状
の他の例（斜線部）をそのトルク特性と併せて記
載する。これらを前述した第２図ａ及び第３図ａ
の対向面形状（及びトルク特性）と比較するため
に第４図ａ，ｂにそれぞれの形状と特性を示すも
のである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば可動鉄心を
磁極鉄心に対し非接触で動作するように構成した
ためアクチユエータ本体が衝撃音を発することな
く、また同時に、可動鉄心と磁極鉄心のトルク発
生に寄与する対向面積が動作に伴つて前述した変
化をするので動作完了時に最大トルクとすること
が可能であり冒頭に述べた目的が達せられその効
果著しきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例の構成図、第２図
ａ〜ｃは１次関数で対向面積が変化する場合のそ
れぞれ可動鉄心の斜視図、面積変化を示すグラ
フ、トルク特性図、第３図ａ〜ｃは本発明による
実施例のそれぞれ可動鉄心の斜視図、面積変化を
示すグラフ、トルク特性図、第４図ａ〜ｄは種々
の対向面積形状によるトルク特性図をそれぞれ示
す。 １……磁極鉄心、１−ａ，１−ｂ……磁極、２
−ａ，２−ｂ……励磁コイル、３……直流電源、
４……スイツチ、５……可動鉄心、５−ａ，５−
ｂ……突極、６……主軸、７……ボールベアリン
グ、８……スイツチ、９……スプリング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基体に設けた主軸により回動自在に支持され
   るとともに復帰スプリングを備えた回転子ならび
   に該回転子の外周で基体に固定された磁極磁心を
   有する回転型のアクチユエータにおいて、該磁極
   磁心より内側に突出された複数個の磁極と僅かな
   空〓を介して対向する磁極巾と等しい巾で等しい
   数で前記した回転子の外周に設けられた複数個の
   突極と、複数個の磁極をそれぞれ励磁する励磁コ
   イル及び該励磁コイルに設定された電流を通電す
   る通電手段と、突極が回転して磁極に侵入する始
   点において、復帰スプリングによる回転が阻止さ
   れて突極を停止して保持する係止装置と、励磁コ
   イルの通電を介する突極と磁極間の磁気吸引力に
   より回転子が復帰スプリングの弾撥力に抗して回
   動せしめられて連動する負荷を駆動する装置と、
   突極と磁極との対向面積Ｓが突極の回転角θのｎ
   次関数（ｎは１以上の実数）で表わされる関数と
   なる突極と磁極の対向面とにより構成されたこと
   を特徴とするアクチユエータ。