(57)【要約】【課題】簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位可能とする。【解決手段】回転子鉄心３に形成されている突極３ａ，３ａは、その永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面がその中央部と境界部とで異なる半径の円弧で形成されている。また、突極３ａ，３ａの両端の境界部端点と回転中心との連線間の角度Ｋが約１００°以上となるように形成されている。永久磁石１ａ，１ｂは、各々の磁極境界部分の肉厚Ｂを、磁極中央部分の肉厚Ａの約９０〜９５％の間となるように、中心位置が異なる円弧面から形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの永久磁石を有する固定子と、２つの突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、前記回転子コイルに通電することにより、前記回転子と前記固定子との相対回転角度位置を変位させる比例ロータリートルカーにおいて、
前記永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、
前記突極の中央部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離を、前記突極の境界部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離の９９％以下とし、
前記突極の境界部と前記回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたことを特徴とする比例ロータリートルカー。
【請求項２】
前記永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、
前記突極の中央部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離を、前記突極の境界部から前記回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、
前記突極の境界部と前記回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【請求項３】
前記回転子鉄心と前記永久磁石とのそれぞれの対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【請求項４】
前記回転子鉄心に対向する前記永久磁石の対向面を楕円面状に形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【請求項５】
前記永久磁石の磁極境界部における前記回転子鉄心に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【請求項６】
前記永久磁石に対向する前記回転子鉄心の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【請求項７】
前記永久磁石の磁極境界部に無着磁領域を形成したことを特徴とする請求項１記載の比例ロータリートルカー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２つの永久磁石を有する固定子と、２つの突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを備え、回転子コイルに通電することにより、回転子と固定子との相対回転角度位置を変位させる比例ロータリートルカーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジンの吸入空気量は、スロットルボディに取り付けられているバルブを、ＤＣモータにより開閉駆動することにより調節されていた。ＤＣモータを用いる場合、モータの出力トルクをスパーギアによる２段減速機構で、１１倍増幅してからスロットルボディのバタフライバルブを駆動し、バルブの開角度を薄膜抵抗体と金属ブラシからなるポテンシオ角度検出器により検出する。しかしながら、ＤＣモータを用いる場合、スパーギアによるバックラッシュが避けられず、バルブ開角度を正確に制御することが難しい。また、バルプ開角度を検出するポテンシオ角度検出器において、薄膜抵抗体と金属ブラシとが摺動するため、耐久性、寿命、精度への悪影響が避けられない。
【０００３】
一方、バックラッシュの原因となるギアを用いる必要がないロータリートルカーを上記のような回転制御に用いることが考えられる。例えば、特許文献１では、固定子である１対の磁極を有する固定子鉄心に固定子コイルを巻回し、該固定子の周囲に円筒形の回転子を設け、該回転子の内側には、上記固定子鉄心に対面するように、１対の永久磁石を固定するロータリートルカーが提案されている。該従来技術では、上記１対の永久磁石の各々において、両縁部の肉厚を中央部の肉厚の９割以下となるように設定している。このように、永久磁石の肉厚を制御することにより、無通電時トルクに反転トルクが発生することがなく、回転子を２つの目標位置までだけ常に確実に回転移動させることができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１６３７０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるロータリートルカーは、無通電時に回転子が０°位置に止まり、通電時には、回転子がある角度まで回転し、断電すれば、永久磁石のトルクで０°位置に戻るようになっている。そして、励磁電流によるトルクの大きさは回転子の回転角度によって違っている。したがって、従来技術によるロータリートルカーでは、上述したようなエンジンの吸入空気量を調節するためのバルブの開き具合を制御することはほぼ不可能である。言い換えると、このような回転制御を行なうためには、所定の回転角度範囲におけるトルクが一定であり、該トルクが励磁電流の大きさに比例（線形）するような特性を備える必要がある。しかしながら、従来の一般的なロータリートルカーにはこのような特性を有するものはなかった。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることができる比例ロータリートルカーを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る比例ロータリートルカーは、２つの永久磁石を有する固定子と、２つの突極が形成された回転子鉄心および該回転子鉄心に巻回された回転子コイルを有する回転子とを具備し、回転子コイルに通電することにより、回転子と固定子との相対回転角度位置を変位させる比例ロータリートルカーにおいて、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離の９９％以下とし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたことを特徴としている。
【０００８】
上記比例ロータリートルカーによれば、回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心と固定子との９０°以上の相対回転角度範囲において磁気トルクが一定となり、磁気トルクは励磁電流に比例して大きくなる。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となる。したがって、例えば弾性部材等によって回転子の回転方向に抗する反対トルクを付与し、かつ反対トルクの大きさが回転子の回転角度に比例するようにすることにより、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることが可能となる。なお、本発明では、「回転子」および「固定子」という用語を用いているが、両者が上記のように相対回転すれば本発明の目的は達成されることから、回転子が固定されて固定子が回転する構成も含まれる。
【０００９】
回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心と固定子との９０°以上の相対回転角度範囲において磁気トルクを一定とするための具体的な構成として以下の態様を例示することができる。
【００１０】
まず、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成する構成を採用することができる。
【００１１】
また、回転子鉄心と永久磁石とのそれぞれの対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成したり、回転子鉄心に対向する永久磁石の対向面を楕円面状に形成したり、永久磁石の磁極境界部における回転子鉄心に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成することもできる。
【００１２】
また、永久磁石に対向する回転子鉄心の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成することができ、さらに、永久磁石の磁極境界部に無着磁領域を形成することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。
まず、図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態による比例ロータリートルカーの構造を示す軸断面図および縦断面図である。図１（ａ）において、１ａ，１ｂは、１対の永久磁石であり、固定子であるヨーク２の内壁面に固定されている。永久磁石１ａは、内側にＮ極、外側（ヨーク側）にＳ極を有し、永久磁石１ｂは、内側にＳ極、外側（ヨーク側）にＮ極を有する。回転子鉄心３は、突極３ａ，３ａを有し、該突極３ａ，３ａの間には回転子コイル５が巻回されている。回転子鉄心３の中央には回転軸４が設けられている。次に、図１（ｂ）において、上記ヨーク２は、ホルダ６および定位ホルダ８に固定されており、該ホルダ６および定位ホルダ８には、貫通する回転軸４を回転自在に保持する軸受７ａ，７ｂが設けられている。また、図２には、回転子コイル５に励磁電流を流し、回転子鉄心３が９０°回転した状態を示している。
【００１４】
次に、図３（ａ），（ｂ）は、上記回転子鉄心の構造を示す平面図および上記永久磁石の構造を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、回転子鉄心３に形成されている突極３ａ，３ａは、半径Ｒ３の中央部円弧３ｂと半径Ｒ４の境界部円弧３ｆとを有する。すなわち、突極３ａ，３ａの永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面は、その中央部３ｂ，３ｂと境界部３ｆ，３ｆとで異なる半径の円弧で形成されており、それぞれの円弧の半径Ｒ３と半径Ｒ４の中心は、距離Ｇだけずれている。より具体的には、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下になるようにしている。
【００１５】
また、図３（ｂ）に示すように、永久磁石１ａ，１ｂは、半径Ｒ１の回転子対向面円弧と半径Ｒ２の反対面円弧とを有する。すなわち、永久磁石１ａ，１ｂの各々の磁極境界部分の肉厚Ｂを、磁極中央部分の肉厚Ａの約９０〜９５％の間となるようにしている。また、永久磁石１ａ，１ｂにおける回転子対向面円弧中心と反対面円弧中心とは、距離Ｅだけずれている。
【００１６】
ここで、図４は、励磁電流を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクとの関係の一例を示す概念図である。図示するように、一定の励磁電流に対して、回転子鉄心３の９０°以上の回転角度範囲において磁気トルクが一定であり、磁気トルクが、励磁電流に比例して大きくなることが分かる（以下、その回転角度範囲を「比例範囲」と称する）。回転子が比例範囲Ａに在る場合、励磁電流による磁気トルクは逆時計方向へのトルクである。回転子が比例範囲Ｂに在る場合、同じ励磁電流による磁気トルクは時計方向へのトルクである。また、励磁電流を逆に印加すると、磁気トルクが逆方向となることも分かる。
【００１７】
すなわち、本実施形態の比例ロータリートルカーによれば、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚の９０〜９５％とし、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離の９９％以下とし、さらに、突極３ａ，３ａの境界部と回転子鉄心３の回転中心との連線間の角度を１００°以上としたので、回転子コイル５に励磁電流を通電した場合には、励磁電流による比例ロータリートルカーの磁気トルクの大きさは、回転子鉄心３の９０°以上の比例範囲において、励磁電流の大きさに比例し、通電しない場合には、永久磁石１ａ，１ｂによるトルクが回転子鉄心３の比例範囲でゼロとなる。
【００１８】
また、図４には、実施形態の比例ロータリートルカーが各種装置に実際に応用された場合の回転子の比例範囲が示してある。この範囲内では、一定の励磁電流に対して一定の磁気トルクが発生するようになっている。励磁電流を供給しない場合には、当該範囲では永久磁石１ａ，１ｂによる磁気トルクの合力がゼロになるため、回転子の回転運動はその範囲の任意の位置で停止する。図４に示すように、一定の励磁電流に対して一定の磁気トルクが発生する比例範囲は、励磁電流が大きくなるにつれて広くなる。
【００１９】
実施形態の比例ロータリートルカーでは、たとえば回転子にトルクばねなどを接続し、回転子の回転角度の大きさに比例した反対トルクを発生するように構成することにより、回転子を励磁電流の大きさに比例した角度位置まで回転させてその位置で停止させることができる。
【００２０】
図５には、回転角度「０°」から「１８０°」までの回転角度範囲において、２０°づつ回転子鉄心３が回転する様子が示されている。
【００２１】
また、本実施形態による比例ロータリートルカーによれば、例えば、スロットルボディのバルブに適用した場合、バルブを直接駆動することができ、減速機構を必要とせず、さらに、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、バルブ開角度を高精度で制御することができる。また、ブラシレスのため、耐久性、寿命を向上させることができる。また、バルブ開角度が励磁電流の大きさと比例するため、耐久性、寿命、精度に問題のある、バルブ開角度を検出するための検出機構を用いる必要がない。また、スパーギア減速機能などを必要としないため、コストダウン、信頼性の向上を図ることができる。また、低い励磁電流で高い磁気トルクが得られ、高磁気トルクでの長時間運転が可能となる。また、永久磁石にフェライト磁石などの安価な磁性材料を用いることができ、コストダウンにつながる。
【００２２】
なお、上述した実施形態において、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部の肉厚Ｂを中央部の肉厚Ａより小さくするために、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面と、ヨーク２に固定されている固定面とを、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、回転子鉄心３に対向する永久磁石１ａ，１ｂの対向面を楕円面状に形成するか、あるいは永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部において、回転子鉄心３に対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。また、永久磁石１ａ，１ｂの磁極境界部に無着磁領域を形成しても、肉厚を徐々に小さくしたのと同様の効果が得られる。
【００２３】
また、上述した実施形態において、突極３ａ，３ａの中央部から回転子鉄心３の回転中心までの距離を、突極３ａ，３ａの境界部から回転子鉄心３の回転中心までの距離より小さくするために、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を、中心位置が異なる円弧面から形成するようにしたが、永久磁石１ａ，１ｂに対向する回転子鉄心３の対向面を楕円面状に形成するか、あるいは回転子鉄心３の突極境界部における永久磁石１ａ，１ｂに対向する対向面を平坦にカットした形状となるように形成するようにしてもよい。
【００２４】
なお、上記実施形態では回転子が固定子に対して回転するように説明したが、本発明は、固定された回転子に対して固定子が回転する構成に適用することができる。また、供給した励磁電流の大きさに比例した回転角度を得るには、上述した回転子の回転角度に比例する反対トルクを付与する弾性部材を用いることが有効であり、センサ等による回転角度のフィードバックを必要としないオープンループによる制御が可能となる。
【００２５】
本発明の比例ロータリートルカーは、スロットルバルブ、圧力調整弁、比例バイパス弁等のバルブ類は勿論のこと、コンピュータのドライブの駆動等の周辺機器、自動金銭支払機、レーザ偏光装置の制御、人工衛星のパラボラアンテナやソーラー発電装置の向きの制御、カメラの自動追尾装置の制御などあらゆる分野での適用が可能である。また、回転子の回転角度に比例する反対トルクを付与する構成への適用に限定されるものではなく、回転子に対する負荷が比例ロータリートルカーによって駆動する部材の自重やその他の抵抗のみである構成にも適用可能である。この場合には、回転子の回転角度を検出するセンサを用いてフィードバック制御する必要も生じるが、負荷がほぼ一定である場合には、供給する励磁電流の大きさで回転速度を制御することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、永久磁石の磁極境界部の肉厚を中央部の肉厚より小さくし、突極の中央部から回転子鉄心の回転中心までの距離を、突極の境界部から回転子鉄心の回転中心までの距離より小さくし、突極の境界部と回転子鉄心の回転中心との連線間の角度を鈍角となるように形成したので、回転子コイルへの一定の励磁電流に対して、回転子鉄心の９０°以上の比例範囲において磁気トルクが一定となり、磁気トルクは励磁電流に比例して大きくなる。したがって、例えば弾性部材等によって回転子の回転方向に抗する反対トルクを付与し、かつ反対トルクの大きさが回転子の回転角度に比例するようにすることにより、簡単な構造で、励磁電流の大きさと通電方向に応じて任意の回転角度位置へ変位させることができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による比例ロータリートルカーの構造を示す軸断面図および縦断面図である。
【図２】回転子コイルに励磁電流を流し、回転子鉄心が９０°回転した状態の比例ロータリートルカーの構造を示す軸断面図である。
【図３】回転子鉄心の構造を示す平面図および上記永久磁石の構造を示す平面図である。
【図４】励磁電流を変えた場合の回転子の回転角度と磁気トルクとの関係の一例を示す概念図である。
【図５】回転子鉄心が回転する様子を示す軸断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  永久磁石
２  ヨーク
３  回転子鉄心
３ａ，３ａ  突極
４  回転軸
５  回転子コイル
６  ホルダ
７ａ，７ｂ  軸受
８  定位ホルダ
【図１】
2004312828.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004312828.tif 000005
【図４】
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【図５】
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