(57)【要約】【課題】従来よりも励磁対象である突極の移動制御を高精度に行うことが可能となる。【解決手段】磁気アクチュエータ１０は、ボビン１２、磁石ロータ１４、及び突極ロータ１６を備える。ボビン１２は、コイル２０が巻き回される巻胴部２２と、一対のフランジ２４Ａ，２４Ｂを有する。磁石ロータ１４は、円環形状の第一ヨーク２８と、第一ヨーク２８の内周面に設けられ周方向に沿って磁極が反転された複数の永久磁石３０と、を有する。突極ロータ１６は、ボビン１２の一対のフランジ２４Ａ，２４Ｂの少なくとも一方と磁石ロータ１４との間に、両者とは離間して設けられ、円環形状の第二ヨーク２６と、第二ヨーク２６の外周面に突設された突極３６とを有する。磁石ロータ１４の内周面及び突極ロータ１６の外周面には、突極３６と永久磁石３０の中心位置が径方向に沿って整列する正対配置を防ぐ角度リミッタ機構３２，３４が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻き回される巻胴部と、前記巻胴部の中心軸方向両端に設けられ前記巻胴部よりも拡径された一対のフランジを有するボビンと、
前記ボビンの径方向外側に離間して設けられ、円環形状の第一ヨークと、前記第一ヨークの内周面に設けられ周方向に沿って磁極が反転された複数の永久磁石と、を有する磁石ロータと、
前記ボビンの前記一対のフランジの少なくとも一方と前記磁石ロータとの間に、両者とは離間して設けられ、円環形状の第二ヨークと、前記第二ヨークの外周面に突設された突極とを有する、突極ロータと、
を備え、
前記磁石ロータの内周面及び前記突極ロータの外周面には、前記突極と前記永久磁石の中心位置が径方向に沿って整列する正対配置を防ぐ角度リミッタ機構が設けられる、磁気アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気アクチュエータであって、
前記角度リミッタ機構は、
前記突極ロータの外周面に設けられ相対的に縮径された溝部と、
前記磁石ロータの内周面から前記溝部内まで突設されるプレートと、
を備える、磁気アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気アクチュエータであって、
前記溝部及び前記プレートは周方向に沿って複数設けられ、
隣接する一対の前記溝部の間に一つの前記突極が設けられ、
隣接する一対の前記プレートの間に一対の前記永久磁石が設けられる、
磁気アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気アクチュエータであって、
前記溝部の周方向に沿った溝幅は、前記一対の永久磁石の周方向に沿った中心位置間のピッチ未満である、磁気アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二部材の相対位置を変更可能な、磁気アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁石を用いて二部材の相対位置を変更可能な、磁気アクチュエータが知られている。例えば特許文献１には、自己保持型ロータリーソレノイドが開示されている。このソレノイドのロータには永久磁石が設けられる。例えば周回りに磁極が反転するように複数の永久磁石が設けられる。ロータと対向するステータには磁性体の突極とこれに巻き回されるコイルが設けられる。コイルに通電することで磁性体が磁化して、ロータ上のいずれかの永久磁石と引き合う。その後、コイルの通電を切っても、磁性体の突極と永久磁石とが引き合い、相対位置が保持される。さらに通電方向を逆にすると、突極はそれまで引き合っていた永久磁石とは他の磁極の永久磁石に移動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１７１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、磁極が反転するようにして複数の永久磁石を設けた場合、突曲の移動制御が困難になるおそれがある。図１６に示す磁気アクチュエータは、ステータ１００（外周リング）の内周面に、周方向に沿って磁極が反転するようにして複数の永久磁石１０２Ａ〜１０２Ｅが設けられる。また、これに対向して、ロータ１０４（内周リング）の外周面に突極１０６が設けられる。
【０００５】
例えば突極１０６の、ステータ１００との対向極をＮ極に磁化してステータ１００のＳ極１０２Ｃと対向させる。さらにこの後、コイル（図示せず）の通電方向を反転させて突極１０６の、ステータ１００との対向極をＳ極に反転した場合、突極１０６は、Ｓ極１０２Ｃに隣接するＮ極に移動する。このとき、Ｓ極１０２Ｃと突極１０６とが正対する、つまり両者の中心軸が径方向に沿って整列している場合に、突極１０６は隣接するＮ極１０２Ｂ，１０２Ｄのどちらにも移動する可能性があり、そのため突極１０６の移動制御が困難になるおそれがある。そこで本発明は、従来よりも励磁対象である突極の移動制御を高精度に行うことの可能な、磁気アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は磁気アクチュエータに関する。当該アクチュエータは、ボビン、磁石ロータ、及び突極ロータを備える。ボビンは、コイルが巻き回される巻胴部と、巻胴部の中心軸方向両端に設けられ巻胴部よりも拡径された一対のフランジを有する。磁石ロータは、ボビンの径方向外側に離間して設けられ、円環形状の第一ヨークと、第一ヨークの内周面に設けられ周方向に沿って磁極が反転された複数の永久磁石と、を有する。突極ロータは、ボビンの一対のフランジの少なくとも一方と磁石ロータとの間に、両者とは離間して設けられ、円環形状の第二ヨークと、第二ヨークの外周面に突設された突極とを有する。磁石ロータの内周面及び突極ロータの外周面には、突極と永久磁石の中心位置が径方向に沿って整列する正対配置を防ぐ角度リミッタ機構が設けられる。
【０００７】
また上記発明において、角度リミッタ機構は、突極ロータの外周面に設けられ相対的に縮径された溝部と、磁石ロータの内周面から溝部内まで突設されるプレートと、を備えてもよい。
【０００８】
また上記発明において、溝部及びプレートは周方向に沿って複数設けられ、隣接する一対の溝部の間に一つの突極が設けられ、隣接する一対のプレートの間に一対の永久磁石が設けられてもよい。
【０００９】
また上記発明において、溝部の周方向に沿った溝幅は、一対の永久磁石の周方向に沿った中心位置間のピッチ未満であってよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりも励磁対象である突極の移動制御を高精度に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る磁気アクチュエータを例示する一部断面斜視図である。
【図２】本実施形態に係る磁気アクチュエータの一部を例示する側面図である。
【図３】本実施形態に係る磁気アクチュエータをクラッチ機構に搭載したときの図（解放時）である。
【図４】本実施形態に係る磁気アクチュエータをクラッチ機構に搭載したときの図（係合時）である。
【図５】コイル通電（負通電）時の突極ロータの磁極を説明する図である。
【図６】コイル通電（正通電）時の突極ロータの磁極を説明する図である。
【図７】角度リミッタ機構により突極ロータの反時計回りの移動が止められたときの様子を例示する図である。
【図８】角度リミッタ機構により突極ロータの時計回りの移動が止められたときの様子を例示する図である。
【図９】コイル正通電時初期における磁気アクチュエータの挙動を説明する図である。
【図１０】コイル正通電時終期における磁気アクチュエータの挙動を説明する図である。
【図１１】コイル無通電時における磁気アクチュエータの挙動を説明する図である。
【図１２】コイル負通電時初期における磁気アクチュエータの挙動を説明する図である。
【図１３】コイル負通電時終期における磁気アクチュエータの挙動を説明する図である。
【図１４】本実施形態に係る磁気アクチュエータの、無通電、正通電、負通電時におけるトルク及び相対角度変化を示すグラフである。
【図１５】本実施形態に係る磁気アクチュエータの、無通電時における磁束の流れを説明する図である。
【図１６】従来技術に係る磁気アクチュエータを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に、本実施形態に係る磁気アクチュエータ１０の斜視断面図を例示する。図２には磁気アクチュエータ１０の一部側面図が例示される。なお、図１〜図１３、図１５には互いに直交する３軸が示されている。これらの３軸のうち、Ｘ軸は磁気アクチュエータ１０の中心軸に平行な軸とする。またＹ軸及びＺ軸はともにＸ軸に直交する。Ｘ軸が磁気アクチュエータの中心軸と一致する場合、Ｙ軸及びＺ軸は径方向に延伸する。
【００１３】
磁気アクチュエータ１０は、ボビン１２、磁石ロータ１４、突極ロータ１６、及び制御部１８を備える。後述するように、磁気アクチュエータ１０は、磁石ロータ１４及び突極ロータ１６の相対位置（相対角度）を変更可能となっている。なお図１〜図１５では、ボビン１２に対して突極ロータ１６及び磁石ロータ１４を離間状態に維持しつつ、また突極ロータ１６と磁石ロータ１４とを離間状態に維持しつつ、ボビン１２に対してこれらのロータを回転可能とする軸受等の機構の図示を省略している。
【００１４】
ボビン１２は、コイル２０が巻き回される円環形状の巻胴部２２と、その中心軸方向両端に設けられた円環形状の一対のフランジ２４Ａ，２４Ｂを備える。ボビン１２はコイル２０の通電によって生じる磁束の通るヨークとしても機能を備えるため、例えば低炭素鋼や珪素鋼板等の高透磁性材料から構成される。また、ボビン１２は図示しないケース等の固定部材によって固定される。
【００１５】
一対のフランジ２４Ａ，２４Ｂは巻胴部２２より拡径される。ここで、図１に例示されているように、一対のフランジ２４Ｂは他方のフランジ２４Ａよりも拡径幅が大きく取られている。例えばフランジ２４Ｂの径方向幅は、フランジ２４Ａの径方向幅と突極ロータ１６の第二ヨーク２６の径方向幅の和と略等しくなるように構成される。
【００１６】
コイル２０はボビン１２の巻胴部２２に巻き回される。例えばコイル２０は図５に例示されるように、複数の素線からなる撚線から構成される。さらにコイル２０からボビン１２を経由して磁気アクチュエータ１０の外部に配線が引き出され、制御部１８に接続される。
【００１７】
磁石ロータ１４は、ボビン１２の径方向外側に、ボビン１２とは離間して設けられる。磁石ロータ１４は、円環形状の第一ヨーク２８、複数の永久磁石３０、及びプレート３２（ストッパプレート）を備える。
【００１８】
第一ヨーク２８は円環形状の部材であって、コイル２０の通電に伴って発生する磁束の経路（磁路）としての機能を備える。第一ヨーク２８は例えば低炭素鋼や珪素鋼板等の高透磁性材料から構成される。
【００１９】
第一ヨーク２８の内周面には永久磁石３０及びプレート３２が設けられる。図２に示すように、永久磁石３０は周方向に沿って磁極が反転するように、第一ヨーク２８の内周面に設けられる。
【００２０】
なお図２以降では、これらの永久磁石３０Ｎ１，３０Ｓ１，３０Ｎ２，３０Ｓ２に、突極ロータ１６の外周面と対向する磁極を表記している。以下では適宜、この突極ロータ１６の外周面と対向する磁極を、単に永久磁石３０の対向磁極と記載する。例えば永久磁石３０Ｓ１，３０Ｓ２の対向磁極はＳ極となり、永久磁石３０Ｎ１，３０Ｎ２の対向磁極はＮ極となる。
【００２１】
プレート３２は、複数の永久磁石３０の間に設けられる。プレート３２は磁石ロータ１４の内周面から径方向内側に突設される。さらにプレート３２は、突極ロータ１６の溝部３４の内部まで入り込むように突設されてよい。このような構成を可能とするために、プレート３２の突設長さＬ１は、突極ロータ１６の突極３６の径方向長さＬ２及び磁石ロータ１４と突極ロータ１６とのギャップ幅Ｌ３を超過するものであってよい（Ｌ１  ＞  Ｌ２＋Ｌ３）。後述するように、プレート３２と溝部３４とが、突極ロータ１６の突極３６と磁石ロータ１４の永久磁石３０との正対配置を防ぐ角度リミッタ機構として機能する。
【００２２】
プレート３２は磁石ロータ１４の内周面に、周方向に沿って複数設けられる。ここで、隣接する一対のプレート３２，３２の間に、一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓが設けられていてよい。このように、互いに反転磁極である一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓをプレート３２で区切ることで、磁石ロータ１４及び突極ロータ１６の相対移動制御を確実に行うことができる。
【００２３】
突極ロータ１６は、ボビン１２と磁石ロータ１４の間に設けられた略円環形状の部材である。より詳細には、ボビン１２のフランジ２４Ａと磁石ロータ１４との間に、両者とは離間して突極ロータ１６が設けられる。
【００２４】
突極ロータ１６は、第二ヨーク２６、突極３６、及び溝部３４を備える。第二ヨーク２６は、コイル２０の通電に伴って発生する磁束の経路（磁路）としての機能を備える円環形状の部材である。第二ヨーク２６は例えば低炭素鋼や珪素鋼板等の高透磁性材料から構成される。また、第二ヨーク２６を突極３６と一体成形するときには、例えば鉄やフェライトなどの強磁性体材料からこれらを構成してもよい。
【００２５】
突極３６は第二ヨーク２６の外周面に、周方向に沿って複数形成される。突極３６は第二ヨーク２６の外周面から径方向外側に突設される。後述するように、突極３６はコイル２０の通電が遮断されているときにも永久磁石３０Ｎ，３０Ｓの一方と引き合う。突極３６は例えば鉄やフェライト等の強磁性体から構成される。
【００２６】
また、突極３６の周方向幅Ｗ１は、一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓを跨がないような幅であることが好適である。例えば突極３６の幅Ｗ１は、一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓの一端から他端までの幅Ｗ２未満となるように突極３６が形成される。
【００２７】
溝部３４は突極ロータ１６の外周面に設けられ、当該外周面に対して相対的に縮径される。溝部３４は周方向に沿って複数形成される。また上述したように、溝部３４内に磁石ロータ１４のプレート３２が入り込むように、溝部３４とプレート３２とが位置合わせされる。
【００２８】
溝部３４の周方向に沿った溝幅Ｐ２は、一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓの周方向に沿った中心位置間のピッチＰ１未満となるように、溝部３４が形成される。加えて隣接する一対の溝部３４，３４の中間に、一つの突極３６が設けられてよい。このようにすることで、突極３６と永久磁石３０Ｎまたは永久磁石３０Ｓとの正対を防止可能となる。
【００２９】
なお上述したように、突極３６と永久磁石３０との正対とは、両者の周方向中心位置同士が、径方向に沿って整列する配置を示す。
【００３０】
磁石ロータ１４及び突極ロータ１６は、図示しない軸受等の支持機構によって、固定部材であるボビン１２に対して回転可能となっている。また磁石ロータ１４及び突極ロータ１６は、角度リミッタ機構であるプレート３２及び溝部３４の許容範囲内にて相対回転可能となっている。
【００３１】
このような機構を備えた磁気アクチュエータ１０は、例えば図３、図４に例示するようなクラッチ機構に応用可能である。例えば磁石ロータ１４の径方向外側に磁石ロータ１４とは離間させて外周リング３７を設ける。さらに磁石ロータ１４の第一ヨーク２８の外周面に切り欠きを設ける。切り欠きは周方向に沿う斜面となっている。このような構造に伴い、切り欠き周辺は時計回りに進むにつれて幅が狭くなるギャップ３９が形成される。
【００３２】
このギャップ３９内にローラ３８が設けられる。ローラ３８はアーム４０により突極ロータ１６に連結される。ローラ３８を径方向に移動可能とするために、アーム４０に軸方向に切られたスリットを設けるとともに、このスリットにローラ３８の回転支持シャフトを挿入させてローラ３８を保持してもよい。
【００３３】
例えば磁石ロータ１４及び突極ロータ１６が反時計回りに回転（同期回転）しているときに、後述する磁極反転により突極ロータ１６を磁石ロータ１４に対して遅れ位相側に（時計回りに）変位させる。これに伴って、図４に示すように、ローラ３８が外周リング３７と噛み合う（係合する）。その結果、外周リング３７は磁石ロータ１４及び突極ロータ１６と同期回転する。
【００３４】
図１に戻り、制御部１８は、コイル２０に流す電流を制御することで、磁石ロータ１４と突極ロータ１６の相対位置（相対角度）を制御する。制御部１８は例えばコンピュータから構成されてよく、ＣＰＵ、記憶部、機器・センサインターフェースが内部バスを介して互いに接続されている。例えば外部からの係合／解放指示に従い、制御部１８はコイル２０の通電有無（無通電可否）及びその通電方向（正通電／負通電）を決定する。
【００３５】
図５、図６には、図１にて示した磁気アクチュエータ１０の断面平面における、磁束の流れについて説明する。図５に例示するように、コイル２０に時計回りに電流が通電されたとき、図の矢印で示すような磁束がボビン１２、突極ロータ１６、及び磁石ロータ１４を通過する。磁束の通過に伴い、突極ロータ１６は外周側がＮ極となり、内周側がＳ極となる。
【００３６】
図６には通電方向を逆転させたときの磁束が例示されている。このとき、図の矢印で示すような磁束がボビン１２、磁石ロータ１４、及び突極ロータ１６を通過する。磁束の通過に伴い、突極ロータ１６は外周側がＳ極となり、内周側がＮ極となる。
【００３７】
図７には、突極３６の対向磁極がＮ極であるときの磁石ロータ１４及び突極ロータ１６の挙動が例示されている。このとき、突極３６は対向磁極がＮ極である永久磁石３０Ｎ２から離間するとともに対向磁極がＳ極である永久磁石３０Ｓ１と引き合う。これに伴って突極ロータ１６が磁石ロータ１４に対して反時計回りに移動する。
【００３８】
このとき、上述した構成、すなわち、溝部３４の溝幅Ｐ２を一対の永久磁石３０Ｎ，３０Ｓの中心位置間のピッチＰ１未満とし、隣接する溝部３４，３４の中間に突極３６が設けるとの構成を採ることで、突極３６が永久磁石３０Ｓ１と正対する前に、永久磁石３０Ｓ１の中心線Ｃ１及び突極３６の中心線Ｃ２にて示すように、溝部３４の側壁面がプレート３２に当接してこれ以上の移動を防止する。
【００３９】
このように、突極３６が永久磁石３０Ｎ２寄りにオフセットされていることから、突極３６の対向磁極をＮ極からＳ極に反転させた際には、永久磁石３０Ｎ２に専ら引き寄せられる。
【００４０】
図８には、突極３６の対向磁極がＳ極であるときの磁石ロータ１４及び突極ロータ１６の挙動が例示されている。このとき、突極３６は対向磁極がＳ極である永久磁石３０Ｓ１から離間するとともに対向磁極がＮ極である永久磁石３０Ｎ２と引き合う。これに伴って突極ロータ１６が磁石ロータ１４に対して時計回りに移動する。
【００４１】
このとき、図７と同様にして、永久磁石３０Ｎ２の中心線Ｃ１及び突極３６の中心線Ｃ２にて示すように、突極３６が永久磁石３０Ｎ２と正対する前に、溝部３４の側壁面がプレート３２に当接してこれ以上の移動を防止する。このように、突極３６が永久磁石３０Ｓ１寄りにオフセットされていることから、突極３６の対向磁極をＳ極からＮ極に反転させた際には、永久磁石３０Ｓ１に専ら引き寄せられる。
【００４２】
図２、図９〜図１４を用いて、本実施形態に係る磁気アクチュエータ１０の動作を説明する。図２、図９〜図１３には磁気アクチュエータ１０の各動作が例示され、図１４には各動作に伴うトルク及び磁石ロータ１４と突極ロータ１６との相対角度が示される。なお図１４のグラフでは、横軸に相対角度を取り、縦軸にトルクを取る。また反時計回りのトルクを正に取り、時計回りの角度変化を正に取る。
【００４３】
また、図１４のグラフにはコイル２０に電流が流れていない無通電時の特性曲線、図６の通電状態（正通電）の特性曲線、及び図５の通電状態（負通電）の特性曲線が例示されている。
【００４４】
図２及び図１４を参照して、永久磁石３０Ｓ１寄りに突極３６が配置されているとき、かつ、無通電時には、永久磁石３０Ｓ１と突極３６とが引き合い、トルクとしては突極ロータ１６が（永久磁石３０Ｓ１に）反時計回りの方向に付勢される。この付勢がプレート３２によって留められている。この状態で磁石ロータ１４及び突極ロータ１６は同期回転可能となる。
【００４５】
次に図９及び図１４を参照して、コイル２０に正通電を行うと、突極３６の対向磁極がＳ極となる。これに伴って突極３６は永久磁石３０Ｓ１から離間し、永久磁石３０Ｎ２に引き寄せられる。図１４には負方向の（時計回りの）トルクが突極ロータ１６に掛かり、磁石ロータ１４に対して突極ロータ１６が時計回りに進む様子が例示されている。
【００４６】
図１０には、正通電時のいわば終点を示すものであり、溝部３４の側壁がプレート３２と当接して、突極ロータ１６の、磁石ロータ１４に対するこれ以上の時計回りの進みが止められたときの様子が示されている。
【００４７】
次に図１１及び図１４を参照して、永久磁石３０Ｎ２寄りに突極３６が配置されているとき、かつ、無通電時には、永久磁石３０Ｎ２と突極３６とが引き合い、トルクとしては突極ロータ１６が時計回りの方向に付勢される。この付勢がプレート３２によって留められている。この状態で磁石ロータ１４及び突極ロータ１６は同期回転可能となる。
【００４８】
図１２及び図１４を参照して、コイル２０に負通電を行うと、突極３６の対向磁極がＮ極となる。これに伴って突極３６は永久磁石３０Ｎ２から離間し、永久磁石３０Ｓ１に引き寄せられる。図１４には正方向の（反時計回りの）トルクが突極ロータ１６に掛かり、磁石ロータ１４に対して突極ロータ１６が反時計回りに進む様子が例示されている。
【００４９】
図１３には、負通電時のいわば終点を示すものであり、溝部３４の側壁がプレート３２と当接して、突極ロータ１６の、磁石ロータ１４に対するこれ以上の反時計回りの進みが止められたときの様子が示されている。この後、コイル２０への通電が遮断され、図２に戻る。
【００５０】
なお本実施形態に係る磁気アクチュエータ１０では、通電時には磁束がボビン１２を通過するのに対して、無通電時にはボビン１２を介さずに、磁石ロータ１４及び突極ロータ１６との間で磁束が収束する（ループを形成する）ことが明らかとなった。図１５は、シミュレーションの結果であり、無通電時における磁束の流れを矢印で示したものである。この図に示されているように、永久磁石３０Ｓ，３０Ｎによる磁束は突極ロータ１６を通過するものの、ボビン１２までには至らずに磁石ロータ１４に戻る。つまり回転体（磁石ロータ１４及び突極ロータ１６）と固定体（ボビン１２）とに跨って磁束が通過しない構造となっている。
【００５１】
回転体と固定体との間に磁束が通過する場合、回転体と固定体とのギャップ変化に応じて磁束が変化して、渦電流が発生する。この渦電流が回転体の引き摺り損失に繋がるおそれがある。本実施形態に係る磁気アクチュエータ１０では、回転体と固定体とに亘って磁束が通過しないような構成となっているため、上記のような引き摺り損失の発生を抑制可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  磁気アクチュエータ、１２  ボビン、１４  磁石ロータ、１６  突極ロータ、１８  制御部、２０  コイル、２２  巻胴部、２４Ａ，２４Ｂ  フランジ、２６  第二ヨーク、２８  第一ヨーク、３０  永久磁石、３２  プレート、３４  溝部、３６  突極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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