JPH0628208B2 - ロ−タリソレノイド装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、リラクタンス型のロータリソレノイド装置に
関するものである。

周知のリラクタンス型のロータリソレノイドは、出力ト
ルクが大きく、マグネツトを使用しないので、構成が簡
素化される特徴がある。しかし次に述べる欠点がある。
リラクタンス型の場合には、作動時に大きい機械音を発
生し、又回転の初期において回転トルクが大きく、末期
においては著しく小さくなる欠点がある。又上記した作
動音の発生を小さくする為に、回転子を内転型としたこ
とも知られている。この装置は、回転子の径が小さい為
に出力トルクが小さく、又構成が錯雑となり高価とな
り、広い用途が見出せない現状にある。又出力トルクの
平坦性がないので、サーボ装置を付加することが困難と
なつている。

出力トルクを平坦とする為に、磁極と突極の形状を変更
する先行技術もいくつか知られているが、構成よりみて
量産性がなく、従つて実用化が困難となる欠点を有して
いる。

本発明装置は、上述した欠点を除去したことに特徴を有
するものである。

上述した特徴を有するリラクタンス型の本発明装置を実
施例について、その詳細を説明する。

第１図は、本発明装置を側方よりみた外観の図面、第２
図は、第１図の点線Ａで示す断面をＢ方向よりみた断面
図である。

第１，２図は同一部材を同一記号で示してあるので、第
１，２図と併せてその構成を説明する。

第１図において、記号６で示すものは、第２図で断面が
示されてるように、カツプ状の鉄粉若しくは珪素鋼板の
焼結体により作られた磁性体回転子である。

外周円筒の内側には、突極６ａ，６ｂが設けられている
が、この詳細については、第３図につき後述する。

第１図の記号３ａで示すものは、第２図に断面を示すよ
うに、回転子６と同じ材質で作られた円環状の磁性体で
ある。

第１図の記号３ｂで示すものも同じく円環状の磁性体
で、前者とともに固定子となるものである。

固定子３ａ，３ｂの中央円孔は、第２図の記号７で示す
点で圧接され、磁気的に結合されている。

円環状磁性体３ａ，３ｂの対向面内には、励磁コイル14
が装着されている。

円環状磁性体３ａの外側は析曲されて、磁極４ａ，４ｃ
が作られている。又円環状磁性体３ｂの外側にも同じ手
段により磁極４ｂ，４ｄが作られている。第１図の磁極
４ａ，４ｂ及び磁極４ｃ，４ｄは重なつて同じ位相の位
置にある。第２図において、磁極が点線で示してあるの
は、断面図で磁極を表示できないので、その形状を明確
とする為に点線で図示したものである。

第２図の記号９は、負荷11及び増速歯車（例えばスター
ギアであるが、回転軸により直接に負荷が駆動できると
きには不要である。）が収納されている筐体の右側の側
板である。筐体は省略して図示していない。円環状磁性
体３ａは、ビス８ａ，８ｂにより側板９に固定されてい
る。

固定子３ａ，３ｂの中央円孔には、金属円筒２が圧入さ
れている。回転軸１には、ボール溝12ａ，12ｂが円周上
に設けられ、これにリテーナ（図示せず）を介して、ス
チールボール13ａ，13ｂ，…が挿入されている。

スチールボール13ａ，13ｂ，…は、円筒２とボール溝12
ａ，12ｂの間に介在してボールベアリングを構成してい
る。かかるボールベアリングは、図示するように、全く
同じ構成のものが左側に設けられている。

回転子６の中央部は、回転軸１と固着しているので、回
転子６は回動自在に支持されている。このときに、突極
６ａ，６ｂと磁極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとの対向面の
空隙は小さい程出力トルクが大きくなるので、50ミクロ
ン位とされている。

回転軸１は左右に移動できるように支持されているが、
右方への移動は、回転軸１が、ダストカバー５に当接す
ることにより、左方への移動は、図示していないが、増
速歯車10若しくは負荷11に設けた抑止機構により抑止さ
れている。

ダストカバー５は、カツプ状のプラスチツク成型体で、
その開口部はビスにより、側板９に密着して固定されて
いる。

突極６ａ，６ｂと磁極４ａ，４ｂ，…との対向面の空隙
は僅少なので、この空隙に空気中の塵埃が入ると回転不
能となる。ダストカバー５は、この欠点を除去する為の
ものである。

負荷11の収納された筐体の側板９を利用してダストカバ
ー５とともに塵埃の混入を防止しているが、側板９を独
立に使用してもよい。このときには、側板９の中央空孔
９ａに、塵埃の侵入を防止するシール装置（グリスのよ
うなもの）が必要となる。

突極６ａ，６ｂの巾は90度で等しいピツチで配設されて
いる。磁極４ａ，４ｃも巾がほぼ90度で等しいピツチで
配設されている。磁極４ｂ，４ｄは同じ位相の位置にあ
る。

突極，磁極は軸対称の位置にあることが必要である。こ
れは互いの吸引力を打消す為である。

突極の数を増加することができるが、実用的には45度の
巾で４個までである。

第１，２図の記号７ａ，７ｂで示すものは、突出部でビ
ス孔８ｃ，８ｄにはビス８ａ，８ｂが螺着されるもので
ある。

磁極４ａ，４ｂ，…と突極６ａ，６ｂの対向面の空隙は
前述したように50ミクロン位であるが、この空隙長を保
持して量産することにはいくつかの困難を伴なうもので
ある。又空隙長が小さくなる程出力トルクが増加するの
で、空隙長が小さいことが望ましい。

本発明装置が、上述した目的が達成できる理由を次に説
明する。円筒２の内径は、５ミクロン位の精度で加工さ
れる。円環状磁性体３ａ，３ｂはともに、鉄の焼結体に
より作られ、円筒２の外側に圧入され、記号７部で衝合
される。このときに、励磁コイル14を枠巻してから固化
されたものが、図示の位置に装着される。

次に、円筒２を円柱状の支軸に嵌合し、これを回転しな
がら、外側部即ち磁極４ａ，４ｂ，…を研磨することに
より、円筒２の内面と磁極面までの長さの精度を５ミク
ロン以内の公差に仕上げることができる。この場合に同
時に複数個の固定子を、同じ支軸に固定して研磨するこ
とができるので量産性がある。

回転子６を回転軸１に固定した後に、回転軸１を回転し
ながら、突極６ａ，６ｂの内側を研磨して、回転軸１の
外周面と突極６ａ，６ｂの磁極との対向面までの長さを
５ミクロン位の精度に仕上げることができる。回転軸１
のボール溝（12ａ，12ｂ）の深さ及びスチールボール13
ａ，13ｂの径の精度は周知の手段により数ミクロンの公
差に仕上げることも容易である。

上述した工作手段より理解されるように、量産時におい
ても、突極と磁極の対向面を50ミクロン±10ミクロンの
空隙長を保持して作ることができる特徴がある。

円筒２にはボール溝がないので、固定子３ａ，３ｂと回
転子６との組立作業は容易となる。

円筒２の内側に、摺動軸承を圧入して回転軸１を支持す
る場合においても上述した工作手段により、空隙長を所
定の小さい値に保持することができるものである。

次に第３図につき、本発明装置の出力トルクについて説
明する。

第３図は、前述した突極６ａ，６ｂ及び磁極４ａ，４
ｂ，…の展開図である。

固定子３ａには、磁極４ｃ，４ａが、又固定子３ｂに
は、磁極４ｂ，４ｄが設けられている。回転子６には突
極６ａ，６ｂが突出して設けられている。磁極４ｃ，４
ａの巾は９０度でそれぞれ９０度離間する。磁極４ｄ，
４ｂも同じく９０度の巾で同位相で互いに９０度離間し
ている。突極６ａ，６ｂの巾は９０度で互いに９０度離
間し、磁極４ｃ，４ａ，４ｄ，４ｂと僅かな空隙を介し
て対向する。

第２図の励磁コイル１４に通電すると、これにより発生
する磁束は、磁性体３ａ→磁極４ａ→突極６ａ→磁極４
ｂ→磁性体３ｂ→磁性体３ａの径路で閉じられ、又同時
に磁性体３ａ→磁極４ｃ→突極６ｂ→磁極４ｄ→磁性体
３ｂ→磁性体３ａの径路で閉じられる。

第３図に示すように、磁極４ｃ，４ｄの左端は突極６ｂ
の右端と対向部が少し重畳し、磁極４ａ，４ｂの左端も
突極６ａの右端と対向部が少し重畳している。従って対
向部の磁束は対向面にほぼ垂直なので回転子６のトルク
に余り寄与しないが、対向部両側の洩れ磁束により、突
極６ａ，６ｂはそれぞれ磁極４ａ，４ｂと磁極４ｃ，４
ｄに吸引されて突極６ａ，６ｂを矢印Ｃ方向に回転せし
めるトルクを発生する。回転子６若しくは第２図の負荷
11には、バツクスプリングが掛けられて、矢印Ｄ方向に
駆動力が作用している。しかし両者のいずれかに設けた
抑止機構により、図示の位置で回転子６は停止している
ものである。

点線Ｅで示す点より上側の突極６ａ，６ｂは、それぞれ
磁極４ａ，４ｃと対向し、点線Ｆで示す点より下側の突
極６ａ，６ｂは、それぞれ磁極４ｂ，４ｄと対向してい
る。

磁極４ａ，４ｃと突極６ａ，６ｂの点線Ｅより上の部分
の対向部による出力トルクは、各対向面が矩形となつて
いるので、第４図のグラフのトルク曲線16ａのようにな
る。

トルク曲線１６ａの詳細を次に説明する。突極６ａ，６
ｂにより得られるトルクは全く同じものとなるので、突
極６ａについて説明する。

突極６ａの右端と磁極４ａの左端との対向面積は図示の
ように小さくなっているので、対向部で磁束は飽和して
いる。従って端部より洩れる磁束量が大きく、この磁束
により矢印Ｃ方向のトルクが発生する。突極６ａが矢印
Ｃ方向に移動すると突極６ａと磁極４ａの対向面積が増
大するので、上述した磁気飽和現象が漸減し、従って上
記した洩れ磁束も漸減して矢印Ｃ方向の出力トルクも漸
減するので出力トルクは曲線１６ａに示す形状となる。
このときに磁極４ａと突極６ａの対向部の磁束は対向面
に垂直方向となっているので出力トルクに無関係な力と
なっている。

磁極４ｂ，４ｄと突極６ａ，６ｂの点線Ｆより下の部分
の対向面による出力トルクは、各対向面はくさび型とな
つているので、回転の初期はトルクが小さく、末期が大
きくなり、第４図のグラフのトルク曲線16ｂのようにな
る。次にその理由を説明する。

突極６ａと磁極４ｂの対向部はくさび型となり、回転の
進行とともに、矢印Ｃで示す斜め方向（回転方向に対し
て）の磁力線が増加して、トルクの減少を防止して、ト
ルクを増大せしめるからである。突極６ｂと磁極４ｄに
ついても矢印Ｈ方向の磁力線により事情は全く同じであ
る。

両者のトルクの合成トルクが曲線16ｂとなるものであ
る。

出力トルク16ａ，16ｂの合成トルクはトルク曲線17とな
り、平坦な特性となる。点線18ａ，18ｂの間の矢印18の
部分のみを利用すると平坦部のみを使用できる特徴があ
る。

第３図の点線15ａ，15ｂに示すように、突極６ａ，６ｂ
の下側の斜面部を曲線として変更すると、トルク曲線16
ｂの形状は変更され、又逆に点線15ａ，15ｂを下側に膨
出せしめると、曲線16ｂの形状は反対方向に変更され
る。

上述した変更により、トルク曲線16ｂを点線16ｃで示す
ように変更すると、合成トルク曲線17の平坦性を更に良
好とすることができる効果がある。

突極６ａ，６ｂの斜面部は、第２図の突極６ａ，６ｂの
断面図より推察されるように、回転子６の左側即ち開口
部に設けられている。従つて、回転子６を鉄粉の焼結体
で作るときに製作が容易となる効果がある。

本発明装置は、周知の内転型のロータリソレノイドに比
較して、出力トルクが著しく大きくなる特徴がある。突
極６ａ，６ｂと回転軸１との間の距離が、同一外型のも
のであつても大きくとれるからである。又偏平に構成で
きる特徴がある。

第５図は、変形された突極６ａ，６ｂのみの展開図であ
る。磁極４ａ，４ｂ，…は第３図の展開図に示したもの
なので省略して図示していない。

矢印Ｃ方向に、突極６ａ，６ｂが回転すると、対応する
磁極との間に、斜め方向の磁力線20ａ，20ｂ及び20ｃ，
20ｄの数が増加して、出力トルクの減少が防止される。
従つて出力トルクは、第４図のグラフのトルク曲線19の
ようになり、平坦性が保持される効果がある。

上述した場合に、矢印20の方向の長さは磁極４ａ，４
ｂ，…の巾即ち回転方向と垂直方向の巾となつているの
で、対応する突極６ａ，６ｂの巾は、図示のように小さ
くなつていることが特徴である。上述したように突極巾
を磁極巾より小さくする代りに、その逆としても同じ目
的が達成される。

かかる構成の断面図が、第６図に示されている。

第６図は、回転子６の上半分及び磁極４ａ，４ｂのみが
示され、下半分が省略されているが、下半分も全く同じ
構成となつているものである。突極６ａの巾は、回転子
６の円筒部の巾と同一となり、対向する磁極４ａ，４ｂ
の巾（点線24ａと24ｂの間の長さ）より大きくされてい
る。突極６ａと磁極４ａ，４ｂ間の斜め方向の磁力線に
より、出力トルクの平坦性が保持されることは、第５図
の場合と全く同様である。第７図に示す制御回路によ
り、出力トルクの特性を変更することもできる。第２図
において、回転子６の外周部には、プラスチツクマグネ
ツト21ａが貼着され、回転子６の径方向に磁化され、こ
れに対向して、ダストカバー５の空孔には、ホール素子
21が埋設されている。

回転子６の回転とともに、ホール出力が増加するよう
に、マグネツト21ａは磁化されている。

ホール素子21は、第７図で同一記号で示され、その出力
は増巾回路27により増巾され、トランジスタ26のベース
入力となつている。

回転子６の回転とともに、励磁コイル14の通電電流は増
加するように構成すると、第４図のグラフのトルク曲線
22を点線22ａのように変更することができて、平坦なト
ルク特性となる。

マグネツト21ａの磁化の程度を変更することにより、ト
ルク曲線22ａは任意に変更できる効果がある。

尚この場合には、突極，磁極はともに対向面は矩形とな
り、同じ巾となつている。記号25ａ，25ｂは電源正負極
である。

前述したように、本発明装置は、出力トルクを平坦とす
ることができ、従つてサーボ装置を付加できるので、例
えば自動車のキヤブレータのサーボ弁の開閉を行なうこ
とにより有効な技術手段を提供できるものである。

かかる装置は、出力トルクが４キログラムセンチメート
ル，バツクスプリングが２キログラムセンチメートル，
サーボ弁の開閉角は80度位を必要とする。

全体の大きさは、径が60ミリメートル、厚さが25ミリメ
ートル位で所要の出力トルクが得られる。従つて小型偏
平軽量となる特徴がある。第２図の増速歯車10は、２〜
1.５倍の増速歯車が必要となる。

第８図につき、上述したサーボ回路の説明をする。第２
図につき説明したように、マグネツト21ａが回転子６と
ともに回転したときに、ホール素子21のホール出力が漸
増若しくは漸減するように、磁化の強さが調整されてい
る。

従つてホール出力は位置検知出力となるものである。で
きるだけホール出力は直線性があるように磁化の強さを
調整することがよい。

ホール素子21の代りに、10〜20ターン位の空心のコイル
を使用し、これに対向するマグネツト21ａの代りに、そ
の位置に、回転子６の面に、くさび型の凹部を円周面に
そつて設けると、回転子６の回転とともに誘導損失が変
化する。コイルには発振回路により、１メガサイクル位
の交流が通電されている。回転体６が回転して、コイル
と対向する空孔の巾が大きい程電流値は減少する。この
電流を整流平滑化することにより位置検知出力を得るこ
とができる。

第８図は、かかる位置検知信号により、前述したサーボ
弁即ち第２図の回転子６の回転角を制御する回路であ
る。

自動車が定速走行を自動的に行なうときに、手動摘子に
より、例えば可変抵抗と速度信号を利用して、設定値の
電気信号を出力する回路が記号39で示されている。

記号40は上述した位置検知信号を出力する回路である。
位置検知信号は、サーボ弁の開角が大きくなるに従つて
大きい信号となるようにされている。又励磁コイル14の
通電電流が増大すると、サーボ弁の開角は大きくなるよ
うに構成されている。

回路39より設定値がオペアンプ38に入力されると、この
ときにサーボ弁の開角が小さすぎた状態とすると、回路
40の出力は小さいので、トランジスタ37のベース電流が
大きく、サーボ弁の開角は増加し、オペアンプ38の２つ
の入力がほぼ等しくなつたときに、回転トルクとバツク
スプリングのトルクがバランスして停止し、回路39の出
力に対応したサーボ弁の開角となるものである。従つて
所定値の定速走行を持続することができる。電源入力の
停止その他の事故のときには、出力トルクが消滅して、
バツクスプリングによりサーボ弁は復帰して、燃料と空
気の流入を断つので安全である。このときに第２図の駆
動部分は殆んど負荷とならないので、急速な復帰作用の
行なわれる効果がある。

以上の各実施例につき説明したように、本発明装置によ
れば、冒頭において述べた目的が達成されて効果著しき
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の側面図、第２図は、同じくその
断面図、第３図は、突極と磁極の展開図、第４図は、出
力トルクのグラフ、第５図は、突極と磁極の他の実施例
の展開図、第６図は、他の実施例の断面図、第７図及び
第８図は、励磁コイルの通電制御回路図をそれぞれ示
す。 １……回転軸、２……金属円筒、３ａ，３ｂ……円環状
磁性体（固定子）、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ……磁極、
６……回転子、６ａ，６ｂ……突極、７ａ，７ｂ……突
出部、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ……ビス及びビス孔、５
……ダストカバー、９……側板、10……増速歯車、11…
…負荷、12ａ，12ｂ……ボール溝、13ａ，13ｂ……スチ
ールボール、14……励磁コイル、21ａ……マグネツト、
21……ホール素子、16ａ，16ｂ，17，16ｃ，19，22，22
ａ……トルク曲線、Ｇ，Ｈ，20ａ，20ｂ，20ｃ，20ｄ…
…磁力線、25ａ，25ｂ……電源正負極、26，37……トラ
ンジスタ、27……増巾回路、40……位置検知信号発生装
置、39……定速走行の為の指令電気信号の発生装置、38
……オペアンプ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷の収納された筐体と、該筐体の側板若
   しくは独立した側板に固着されるとともに、中央部に円
   孔が設けられ、外円周部に、所定の巾で等しいピツチで
   突出して配設された第１の磁極を設けた固定子となる第
   １の円環状磁性体と、中央部の円孔が前記した円孔と同
   一の径で、該円孔部において第１の円環状磁性体と圧接
   固着され、外円周部に、所定の巾で等しいピツチで突出
   して、第１の磁極と同位相の位置で配設された第２の磁
   極を設けた固定子となる第２の円環状磁性体と、第１，
   第２の円環状磁性体の円孔の内部に軸承を介して回動自
   在に支持されるとともに、１端が前記した側板の空孔を
   介して負荷に連結され、他端には、磁性体よりなるカツ
   プ状の回転子の底面の中央部が固着された回転軸と、該
   回転子の円筒内面にそつて第１の磁極ならびに第２の磁
   極と僅かな空隙を介して対向し、第１，第２の磁極と同
   じ数及び同じピツチ及び所定の巾で突出して配設された
   磁性体よりなる突極と、前記した負荷若しくは回転子に
   設けられた復帰装置による復帰力により、回転子が回転
   したときに、突極と磁極の端部が若干の巾だけ重なつて
   対向した位置で回転を抑止し、反対方向の回転のときに
   は、突極と磁極の重なる対向部が増大するようにされた
   抑止機構と、固定子及び回転子を内部に収納し、開口部
   の全周が前記した側板に密着固定されたカツプ状のダス
   トカバーと、第１，第２の円環状磁性体の対向面の内部
   に装着された励磁コイルならびに該励磁コイルの通電制
   御回路とより構成されたことを特徴とするロータリソレ
   ノイド装置。
2. 【請求項２】第１，第２の円環状磁性体の中央円孔に嵌
   着された金属円筒と、回転軸の円周面にそつて設けた２
   本のボール溝と、該ボール溝と金属円筒間を転動するス
   チールボールと、回転軸の軸方向の移動を抑止する機構
   とより構成されたことを特徴とする第(1)項記載の特許
   請求の範囲のロータリソレノイド装置。
3. 【請求項３】突極と磁極との対向面において、その回転
   方向と同一方向で回転トルクに寄与する洩れ磁束ならび
   に回転方向と合致しない斜め方向の洩れ磁束を発生せし
   めて、回転子の回転の初期と末期の回転トルクの差を小
   ならしめるように、突極と磁極の回転方向と垂直方向の
   対向面の巾より突極若しくは磁極の巾を大きく構成した
   ことを特徴とする第(1)項記載の特許請求の範囲のロー
   タリソレノイド装置。