JPH0624420B2 - 回転アクチュエ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、円形状に配置される所定個数の界磁極をヨー
クにより覆って構成されるステータ内部に、界磁極を励
磁して回転磁界を作り、この回転磁界中に置かれている
ロータを回転させる回転アクチュエータに関する。

（従来の技術） 従来、電気機器の一種である回転アクチュエータは、制
御の容易な電気により機械的出力である回転力が調節可
能であるため、各種分野において広く利用されている。
また、その構造も回転アクチュエータを利用する環境、
使用条件、要求される特性などに応じて種々のタイプの
ものが提供されている。なかでも、回転するロータ部分
が永久磁石や磁性体などからなり、ステータ部分に磁界
を作り出すコイルを有するものは、堅牢で保守も容易と
なることから過酷な条件下での使用に耐え得る回転アク
チュエータとして有用である。

また回転アクチュエータの中には、単に回転数を可変と
するものに限らず回転角度をディジタル的に制御可能な
ものもあり、この種の回転アクチュエータとして例えば
ステッピングモータが知られている。この様な回転アク
チュエータにあっても、上記のようなロータ部分に電気
的接続を必要としない構成のものが堅牢であり、過酷な
条件下での使用に適している。

上記構成の堅牢な回転アクチュエータの性能をより向上
させることは、更に新たな用途を開発し、あるいは従来
より使用されている回転アクチュエータの小型化、軽量
化、高効率化を達成する上で不可欠であり、従来より種
々の提案がなされている。これらの提案されている回転
アクチュエータは、例えば実開昭６２−１１９１５８号
公報に開示されるように、ヨークに立設したシャフト
に、ロータを回転自在に嵌合し、前記シャフトにてロー
タの回転を軸受する構造となっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記のごとき回転アクチュエータにあっても未
だに十分なものではなく、次のような問題点があった。

回転アクチュエータの機械的出力である回転力は、磁力
によって与えられる。従って、その効率を向上させるに
は回転アクチュエータの磁気抵抗を小さくすることが必
要で、このためにステータの界磁極、ヨークおよびロー
タといった磁気回路を構成する部材には透磁率の高い材
質が用いられ、ステータとロータとの間のエアギャップ
は極力小さくしなくてはならない。従来の回転アクチュ
エータにおいてもステータとロータとのエアギャップを
小さくするために種々の改良がなされているが、前記公
報記載の従来技術では、磁気回路を構成するヨークが２
分割されており、この２分割のヨークと、ロータとの３
部品によってロータとステータとの間のエアギャップが
決定されるようになっている。

そして、上記２分割のヨークは通常鉄板をプレス加工し
て形成するものであって、プレス加工の寸法公差はヨー
ク外径が４０mm程度の小物部品でも、0.5mm以上となっ
てしまい、その結果この２分割ヨークのプレス加工によ
る寸法公差が積み重なって、上記エアギャップがどうし
ても大きくなってしまい、回転アクチュエータとしての
効率低下が生じるという問題点があった。

更に、上記従来技術では、ヨークとシャフトとを一体化
するに当り、シャフトをかしめによりヨークに固定して
いるので、ヨークにあけられたシャフト挿入穴の穴径、
シャフトの外径の寸法公差、かしめ力の大きさ、方向の
ばらつき等によりシャフトの位置がヨークの中心位置か
らずれる量（同軸度のずれ量）がどうしても大きくな
り、この同軸度のずれ量を考慮すると、上記エアギャッ
プをより一層大きく設定しなければならず、結局高効率
の回転アクチュエータの製作が困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、堅牢で保守
も容易となり過酷な条件下での使用に耐え得ることは勿
論のこと、小型、薄型で、しかも高効率に運転すること
のできる優れた回転アクチュエータを提供することを目
的としている。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明の構成した手段は、 (a)ベース部材と、 (b)このベース部材の所定位置に位置決めして配置され
たステータと、 (c)磁性体で形成され、かつ前記ステータを覆うように
して前記ベース部材に固定されるヨークと、 (d)前記ステータの内周側に回転自在に配置されたロー
タとを備え、 (e)前記ステータには、円形状に配置され、この円形の
内部に所定の回転磁界を作り出すように励磁される所定
個数の界磁極と、 (f)この界磁極の配置された円の中心軸と同心状に配置
されたシャフトとが設けられており、 (g)前記ステータは、前記界磁極および前記シャフトが
樹脂部材によって一体成形された構造となっており、 (h)前記ロータは、前記シャフトに回転自在に嵌合する
嵌合孔を有するリングと、このリングの外周側に配置し
た永久磁石とを一体に結合した構造であることを特徴と
する回転アクチュエータをその要旨としている。

（作用および発明の効果） 本発明によれば、上記技術的手段を有しているため、ス
テータとヨークとがそれぞれ別部品で構成されており、
そしてステータとロータの２部品のみで、ステータとロ
ータとの間のエアギャップを決定でき、ヨークの寸法精
度は前記エアギャップの大きさの決定に関与しない。

そして、ステータは、界磁極とシャフトとを樹脂部材に
よって一体成形したものであるため、ステータの内周部
径の寸法公差を樹脂成形型の高精度な型面でもって非常
に小さく設定（例えば0.2mm程度）でき、同様にシャフ
トの位置もステータ中心位置に対する同軸度の寸法公差
を樹脂成形型を用いて非常に小さく設定（例えば0.2mm
程度）できる。

本発明では、上記のように、内周部径の寸法公差および
中心部のシャフトの同軸度の寸法公差をいずれも小さく
設定できるステータと、ロータとの２部品の組み合わせ
のみで、ステータとロータ間のエアギャップを設定でき
るため、このエアギャップを従来技術の１／４程度に低
減できる。

ステータの作り出す回転磁界により回転駆動されるロー
タの回転出力は、上記エアギャップの大きさの２乗に反
比例するので、上記エアギャップの低減によって、大幅
な効率アップを図ることができ、それにより小型で高出
力の回転アクチュエータを提供できるという実用上の効
果が大である。

（実施例） 以下、本発明を図に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は実施例の回転アクチュエータの分解斜視図、第
２図はそのＩ−Ｉ断面図、第３図はそのロータのＡ方向
矢視図である。

回転アクチュエータのロータ２は、２極に着磁された円
筒状の永久磁石４と円環状の鉄系焼結で成形された磁性
体リング６と樹脂ボビン８とからなり、外周に永久磁石
４を、内周に磁性体リング６を配置して樹脂部材８によ
り一体形成されている。従ってロータ２は、磁性体リン
グ６の内径を内径とし、永久磁石４の外径を外径とする
環状の部材となり、中心部に形成される磁性体リング６
の内径に等しい軸嵌入孔９を有する。また、樹脂部材８
の下面にはロータ２の回転角度を規制するストッパ部１
０およびスリット部１２が形成されている。ストッパ部
１０は、ベース部材２０に形成されるロータ遊嵌部２２
にロータ２が嵌入され、回転するとき、ロータ遊嵌部２
２に形成されるストッパ部２４に挿入されたクッション
２５と当接し、ロータ２の回転を所定角度範囲に制限す
る。また、樹脂部材８の下面中央にある軸嵌入孔９の周
壁に形成されるスリット部１２は、回転アクチュエータ
の出力軸となる回転軸３０の一端に圧入されているピン
３２を嵌入してこれに回転力を伝達する、いわゆる自在
継手を構成している。

ベース部材２０には、上記ロータ遊嵌部２２、ストッパ
部２４が形成されるほか、ロータ遊嵌部２２と同心状の
環状溝２６、ロータ遊嵌部２２の中央に穿設される回転
軸３０が貫通する貫通孔２８が一体成形されている。ま
た、全体は略楕円形状をしており、その長径方向の外周
近辺に、組立後の回転アクチュエータを被駆動部材に取
り付けるボルトを貫通させるボルト孔２９Ａ、２９Ｂが
穿設されている。ボルト孔２９Ａはボルトの径より大き
めの丸孔に穿設されるが、ボルト孔２９Ｂは組立時の位
置精度を向上させるために長孔に穿設されている。従っ
て、相手側に対してはベース部材２０の突出部の嵌合お
よび長孔のボルト孔２９Ｂによって位置決めされるた
め、組立時の位置精度を向上できる。この様に複雑な形
状を要求されるため、ベース部材２０は樹脂により上記
各構成部を一体として成形されている。更に、ベース部
材２０のロータ遊嵌部２２の外周には位置決めのための
凸部２２Ａが配設されている。

ステータ４０は、互いに直交する位置に４つのコア４
２，４４，４６，４８を配設し、その中央にシャフト５
０を立設したものを樹脂部材５２により一体成形したも
のであり、コア４２〜４８を覆う樹脂５２の外周にはコ
イル４２Ｃ〜４８Ｃが巻装されている。コイル４２Ｃ〜
４８Ｃの巻線端部は、樹脂部材５２に圧入されるターミ
ナル４２Ｔ〜４８Ｔに巻き付け後、はんだ付けされてい
る。

上記ロータ２の中心部に穿設される軸嵌入孔９にシャフ
ト５０を嵌入して組み立てられるが、この状態でコア４
２〜４８の内周部とロータ２の外周部には僅かなエアギ
ャップを有するように予め設計されている。また、ロー
タ２の回転をスムースとするためにシャフト５０には鉄
系焼結金属に潤滑油が含浸されているものを使用してい
る。

上記の構成のステータ４０をより簡便に得るために、本
実施例ではステータ４０を次のように製作している。第
４図および第５図が、上記ステータ４０にコイル４２Ｃ
〜４８Ｃを巻装する以前の構成説明図およびシャフト５
０の構成説明図である。第４図（Ａ）図はステータ４０
の平面図、（Ｂ）図は底面図、（Ｃ）図はそのＩ−Ｉ断
面図を示している。また、第５図（Ａ）はシャフト５０
の側面図、（Ｂ）図は底面図を示している。図示するよ
うにコア４２〜４８には、回転アクチュエータの軸方向
面に位置決め穴４２Ｈ〜４８Ｈが穿設されており、コア
４２〜４８とロータ２との間に作用する電磁力によりコ
ア４２〜４８がシャフト５０側に移動することがないよ
うに配慮されている。また、より簡単にステータ４０を
作成するため、各コア４２〜４８を所定位置に位置決め
し、その中央にシャフト５０を立設して樹脂部材５２を
射出成型して構成する方法を採用している。このために
は、各コア４２〜４８やシャフト５０を金型により確実
に保持し、その後高温の樹脂剤を注入する必要がある。
そこで、コア４２〜４８を金型に確実に保持していた部
分４２Ｊ〜４８Ｊが、樹脂部材５２の付着していない部
分として現れている。シャフト５０はその大部分が樹脂
部材５２から露出しているため、その部分が金型により
確実に保持するために利用される。

また、シャフト５０のステータ４０との着設部分にはフ
ランジ部５０Ａが形成されており、ステータ４０の構成
時には、このフランジ部５０Ａのみが樹脂部材５２と接
し、その他の部分は金型により保持されている。従っ
て、樹脂部材５２を射出成型する際に樹脂剤によりシャ
フト５０が高温に晒され部分はそのフランジ部５０Ａの
みであり、前述のごとくロータ２と接触し、その接触抵
抗を低減すめための潤滑油を含浸している部分から潤滑
油が蒸発することを防止できる。更に、シャフト５０の
フランジ部５０Ａにはローレット状の段付き部５０Ｂが
形成されている。これは、シャフト５０に嵌合するロー
タ２が回転するとき、その回転力によりシャフト５０が
回転することがなく、確実にステータ４０と一体となる
ように設けられたものである。ステータ４０の底面部
（第４図（Ｂ））には凹部５０ａが設けられ、この凹部
５０ａにベース部材２０の凸部２２Ａが嵌合し、ステー
タ４０とベース２０との位置決めがなされ、組み付け時
の位置精度を向上できる。

ヨーク６０は、プレス加工された鉄板により構成されて
いる。ヨーク６０には、上記ターミナル４２Ｔ〜４８Ｔ
に取り付けられているコイル４２Ｃ〜４８Ｃの端部と外
部の励磁電源とを電気的に接続するリード線６２の導入
口となるリード導入口６４およびベース部材２０を固定
・保持するためのスリット６６が形成されている。上記
各部材を第２図に示すように組立後、スリット６６の形
成されているヨーク６０の下部を内側に曲げ加工するこ
とでヨーク６０とベース部材２０とが一体化される。こ
のヨーク６０とベース部材２０との取付部分（第１図中
のII−II断面）を拡大して示したものが、第６図の拡大
断面図である。図示のようにベース部材２０の周面底部
はテーパ部２０Ｔが形成されているため、スリット６６
下部のヨーク６０を内部に曲げ加工するだけでヨーク６
０とベース部材２０との堅密な組立が可能となってい
る。

なお、ステータ４０とヨーク６０との間にはウェーブワ
ッシャ７０が設けられており、ステータ４０をベース部
材２０の方向へ押し付けるように作用している。ステー
タ４０の各コイル４２Ｃ〜４８Ｃとヨーク６０との間に
設けられるプレート７２は絶縁性のもので、ターミナル
４２Ｔ〜４８Ｔとヨーク６０とを絶縁している。また、
ベース部材２０の環状溝２６にはＯリング７４が配設さ
れており、ヨーク６０とベース部材２０とを組み付けた
ときに両者間に介在し、回転アクチュエータの防水性を
良好に維持している。ベース部材２０の底面に着設され
る環状のスポンジゴム７６は、ベース部材２０と、その
底面側に配置される図示しない取付部材との間の空間が
外部から水が侵入することを防止するために設けられる
ものである。

次に、上記のように構成される回転アクチュエータの回
転動作につき、第７図の動作原理説明図を用いて説明す
る。図示するスイッチＳ１は電源とコア４４、４８に巻
装されるコイル４４Ｃ、４８Ｃとを直列に接続するもの
である。このスイッチＳ１を投入すると、４極の界磁極
の中で空間的に互いに相対する１対の界磁極４４、４８
はそれぞれ反対極性に励磁される。この状態では、ロー
タ２はその磁軸を界磁極４４、４８の作る磁束線と一致
して安定し、スイッチＳ１を開放した後もロータ２が永
久磁石４を内蔵して構成されているためディテントトル
クが発生して安定状態を維持する（図中のＢ位置）。

また、スイッチＳ２は電源とコア４２、４６に巻装され
るコイル４２Ｃ、４６Ｃとを直列に接続するものであ
り、これを投入するとコア４２、４６とが励磁され（こ
の時の磁界の方向を正方向とする）、ロータ２には上記
Ｂの安定位置から反時計方向の回転力が作用してロータ
２の磁軸とコア４２、４６の作る磁束線とが一致するま
で回転しようとする。しかし、ロータ２およびベース部
材２０に設けられるストッパ部１０とストッパ部２４に
挿入されたクッション２５とが当接するため、反時計方
向の回転が所定位置で制限され、磁軸と磁束線とが一致
することはなく、図中のＡ位置まで磁軸を回転させてロ
ータ２は停止する。同様に、コア４２、４６を逆極性に
励磁するスイッチＳ３を投入したときにはロータ２には
時計方向の回転力が作用するが、上記ストッパ部１０、
２４のために図中のＣ位置まで回転してロータ２は停止
する。

この様に本実施例の回転アクチュエータは、簡単な構成
であっても、Ａ、Ｂ、Ｃの３位置（安定点）に自由に制
限できる回転アクチュエータが実現される。通常、３位
置をディジタル的に制御する回転アクチュエータとして
はステッピングモータが多用されるが、３位置を得るス
テッピングモータは少なくとも６極のコアを必要とし、
コアの増加に伴って回転アクチュエータの大型化、重量
化を招来する。しかし、本実施例の回転アクチュエータ
は僅か４極のコアを用いるだけで、３位置の制御が可能
であり、小型、軽量となる利点がある。このため、例え
ば車両用のアクチュエータとして最適となる。

以上のように構成される実施例の回転アクチュエータ
は、更に次のような優れた効果を奏することができる。
まず、回転アクチュエータの基本的な構造は、ロータ２
が電気的部分を何等有しない永久磁石４および磁性体リ
ング６とから構成されるもので、堅牢で、かつ保守も容
易となり、過酷な条件下での使用に耐え得る特長を有す
る。

しかも、ステータ４０とロータ２の回転支持軸となるシ
ャフト５０とが一体成型されることから、ステータ４０
の中心に対して厳密に位置決めしてシャフト５０を立設
することが可能である。すなわち、ロータ２の回転支持
軸を高精度にステータ４０の中心に配置できることを意
味しており、ステータ４０とロータ２との間に形成され
るエアギャップ、詳しくは、コア４６の内周部とロータ
２の最外側である永久磁石４との間のエアギャップは、
ロータ２とステータ４０との２部品のみの位置関係で決
まるため、そのエアギャップを極めて小さくし、回転ア
クチュエータの効率を高め、小型であるにも拘らず大き
な駆動トルクを発生するものを構成することができる。
更にロータ２は環状をしており、シャフト５０に回転自
在に嵌入されることで回転アクチュエータが構成されて
いる。従って、従来ロータから突出していた回転軸が省
略され、回転アクチュエータの厚みは単にロータ２の厚
みにより決定され、極めて薄型の回転アクチュエータと
なる。

また、ステータ４０をコア４２〜４８とシャフト５０と
を一体として樹脂剤により射出成型して構成しているた
め、ステータ４０の作成は簡単な行程で済み、しかもシ
ャフト５０の位置決めなども厳密に実施される。更に
は、シャフト５０に潤滑油を含浸した焼結金属を使用し
ていることから、シャフト５０とロータ２との摩擦は極
めて低く抑制され、従来必要であった回転軸と軸受の保
守も不要となり、メンテナンス面でも極めて有効であ
る。

なお、上記実施例ではステータ４０とシャフト５０とを
樹脂により射出成型しているが、何等この様な構成に限
定されるものではなく、ステータ４０に雌ネジ部を螺刻
し、シャフト５０に螺刻した雄ネジ部により螺着するよ
うに構成するなど、本発明の要旨を逸脱しない種々の態
様により具現化してもよい。また、シャフト５０とロー
タ２との摩擦を軽減する方策として、シャフト５０とロ
ータ２０との間にベアリングを介在させるなど、その他
の方策を適宜選択・採用してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の回転アクチュエータの分解斜視図、第
２図は第１図中のＩ−Ｉ線断面図、第３図は第１図中の
ロータのＡ方向矢視図、第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
はステータの構成説明図、第５図（Ａ）、（Ｂ）はシャ
フトの構成説明図、第６図は第１図中のII−II断面の拡
大図、第７図は組立後の回転アクチュエータの動作説明
図、を示している。 ２……ロータ、４……永久磁石 ２０……ベース部材、４０……ステータ ４２〜４８……コア、４２Ｃ〜４８Ｃ……コイル ５０……シャフト、６０……ヨーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−234861（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−119158（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−167381（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】(a)ベース部材と、 (b)このベース部材の所定位置に位置決めして配置され
   たステータと、 (c)磁性体で形成され、かつ前記ステータを覆うように
   して前記ベース部材に固定されるヨークと、 (d)前記ステータの内周側に回転自在に配置されたロー
   タとを備え、 (e)前記ステータには、円形状に配置され、この円形の
   内部に所定の回転磁界を作り出すように励磁される所定
   個数の界磁極と、 (f)この界磁極の配置された円の中心軸と同心状に配置
   されたシャフトとが設けられており、 (g)前記ステータは、前記界磁極及び前記シャフトが樹
   脂部材によって一体成形された構造となっており、 (h)前記ロータは、前記シャフトに回転自在に嵌合する
   嵌合孔を有するリングと、このリングの外周側に配置さ
   れた永久磁石とを一体に結合した構造であることを特徴
   とする回転アクチュエータ。