JPS601815A - 電磁アクチユエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は各種自動化機器等において電磁力を用いて各
種部材等に所要の動作を行なわせるための電磁アクチュ
エータに関するものである。

従来からこの種の電磁アクチュエータとしては、電気コ
イルに生じる磁気吸引力によって可動鉄芯を駆動する交
流ソレノイドもしくは直流ソレノイドが各方面において
用いられている。しかし、従来のこのようなソレノイド
には次のような種々の問題があり、そのような問題のな
いアクチュエータの開発が要望されていた。

第１に、従来のソレノイドはその駆動ストロークを余や
大きくすることはできず、したがってその用途が制限さ
れるという問題があった。すなわち、磁気吸引力は距離
が大きくなるとその距離の２乗に反比例して小さくなる
という性質を有し、そのため従来のソレノイドにあって
は可動鉄芯の駆動ストロークが一定以下に制限され、せ
いぜい３０ａ＋ｍ程度に止まることがら、その制限を越
えるストロークが要求される場合にはソレノイドを用い
ることができない。

第２に、磁気吸引力は一方向のみに作用するものである
から、ソレノイドの可動鉄芯を往復動させるためには、
磁気磯引カの加わる方向とは反対方向に作用する力を与
えるスプリング等の付加的な部品をソレノイドに組み合
せる必要があり、そのため、ソレノイドを機器に組込む
際の部品点数が多くなるとともに、直流ソレノイドを使
用する機器の設計に各種の制限が生じる等の問題があっ
た。

第３に従来のソレノイド、特に交流ソレノイドにあって
は、負荷の大きさあるいは使用状況等によっては過剰な
電流が通じてコイルが発熱・焼損するという危険が常に
存在し、それによっても汎用性がない、あるいはコスト
高となる、さらには故障しやすく寿命が短い等の問題が
あった。例えば、交流ソレノイドにあっては、可動鉄心
を初期状態（非吸引位置）から起動する場合、その際の
突入電流（起動電流）が非常に大きく、長時間連続して
高頻度の開閉操作を行なうとその起動時の突入電流が繰
り返し流れるため、コイルが発熱・焼損してしまうおそ
れがある。また、可動鉄心に対する負荷が過大で可動鉄
芯が吸引されない場合も起動時の大電流が流れ続け、そ
の結果コイルが焼損してしまうことがある。さらに、ソ
レノイドは磁気力を用いるものであるため鉄粉等の介在
物が入りやすい状況にあり、このような異物の介在によ
り可動鉄心が吸引し切れない場合にも過大な電流が通じ
てコイルを焼損してしまう場合がある。

このような過電流の問題を防止する方策の一つとしては
過電流防止装置を設ける方法もあるが、その場合にはコ
スト高となり、また根本的な解決とはならない。

第４に従来の交流ソレノイドにあっては、磁気吸引力に
よって可動鉄芯を駆動した後停止位置で保持する場合、
継続的に磁気吸引力によって保持する必要があるから、
その間も通電する必要があり、電力消費量が多いという
問題があった。

この発明は以上の従来の事情に鑑みてなされたものであ
り、アクチュエータ自体で往復動可能でしかも大きなス
トロークをとることができ、しがも過電流によるコイル
の発熱、焼損のおそれが少なく、かつ非通電状態で保持
することができる電磁アクチュエータを提供するもので
ある。

すなわちこの発明の電磁アクチュエータは、それぞれ異
なる鉄芯に巻装された一対のコイルが、その巻軸方向を
平行にして所定間隔を置いて配列され、その一対のコイ
ル間には、一方の磁極が一方のコイルの巻線に対向しか
つ他方の磁極が他方のコイルの巻線に対向するマグネッ
トを具備する可動体が、両コイルの巻軸方向と平行な方
向へ移動自在に配設され、さらに前記マグネットにおけ
る各コイルの巻線に対向する各磁極部には磁極側鉄片が
付設され、また前記各鉄芯の両端部には、前記磁極側鉄
片に当接し得る位置に延出するコイル側鉄片が設けられ
ていることを特徴とするものである。

以下にこの発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図〜第４図はこの発明の一実施例の電磁アクチュエ
ータを示し、第５図および第６図はその電磁アクチュエ
ータの要部を抜き出して示す斜視図である。

第１図〜第６図において、相互に対向して配置されたア
ルミニウム合金もしくは合成樹脂等の非磁性材からなる
一対の側板１の間には、断面長方形をなしかつ全体とし
て長板状をなす一対の鉄芯２にそれぞれ被覆導電線材例
えばエナメル被覆銅線を巻回してなるほぼ同一寸法の一
対のコイル３が、各々の巻軸方向が平行となりかつ銅線
が巻回されている側面のうち面積が大きい方の各々の側
面が対向するように所定の間隔をもって渡設固定されて
いる。

また、この両コイル３間の中間位置の上下にはこれらの
コイル３と平行となるように一対のガイド４が側板１間
に渡設されている。

第１図〜第６図中５で示すものは可動体であって、その
可動体５の詳細を第５図および第６図に示す。この可動
体５はフェライト等からなるマグネット６を備え、第１
図に示すようにそのマグネット６の一方のｆｉｌ極が一
方のコイル３の巻線に対向し、かつ他方の磁極が他方の
コイル３の巻線に対向するように、一対のコイル３の間
に配置されている。また、マグネット６は可動体５の移
動方向前後面がアルミニウム合金もしくは合成樹脂等の
非磁性材料からなる一対の枠板７によって挟持され、そ
の一対の枠板７には可動体５の移動方向を水平方向とし
たときの天地方向両端面に各々切欠８が設けられている
。そして、その切欠８を前記ガイド４に係合させること
によって、可動体５は一対のコイル３の間においてコイ
ル３の巻軸方向に沿って移動自在とされている。したが
って、マグネット６の磁極の方向と、マグネット６を含
む可動体５の移動方向と、マグネット６の各磁極が対向
する両コイル３の巻線の方向とが互いに直交するように
設定されている。

また、上記マグネット６にはその磁極の方向に貫通する
貫通孔６Ａが形成され、その貫通孔６Ａには、各コイル
３に対向する側の側面に両端部が突出する棒状もしくは
円筒状の支持棒１０が遊挿され、その支持棒１０の両端
部に長板状の磁極側鉄片１２の孔部１１を係合させて支
持棒１０の両端部をかしめることによって、その磁極側
鉄片１２がマグネット６に対し取付けられている。この
磁極側鉄片１２は可動体５の移動方向に、マグネット６
よりも若干長めに形成され、それにより磁極側鉄片１２
の可動体５移動方向両端部１２ａ〜１２ｄは、各磁極部
から可動体５の移動方向前後へ若干延出するようにされ
ている。また前述のように磁極側鉄片１２が係合される
支持棒１０がマグネット６に遊びをもって嵌装されてい
るため、その磁極側鉄片１２はマグネット６に対し可動
体４の全体の移動方向前後へ小距離移動可能となってい
る。なおこの各磁極側鉄片１２の両端部１２ａ〜１２ｄ
の側面間の枠体７面上にはゴム等の弾性材からなる緩ｗ
ｍ材１３が配設されている。

一方、各コイル３の鉄芯２の両端部には上記可動体５に
付設された磁極側鉄片１２の両端部１２ａ〜１２ｄ各々
に当接し得る位置まで延出するようにコイル側鉄片１４
ａ〜１４ｂが設けられている。

なお可動体５の一方の枠対７にはロッド１５の一端が連
結され、このロッド１５の他端は側板１を貫通して図示
しない被駆動物品に連結されるように構成されている。

次に、上述した電磁アクチュエータの作動について第７
図（イ）〜（ハ）を参照して説明する。

先ず初期状態で第７図（イ）に示すように可動体５の磁
極側鉄片１２の端部１２ａおよび１２０がコイル側鉄片
１４ａおよび１４ｃに当接する位置に可動体５をセット
したものとする。この状態ではマグネット６の磁気力に
よって、可動体５１ま磁極側鉄片１２を介してコイル側
鉄片１４ａおよび１４Ｃに吸着した状態で保持されてい
る。次に第７図（イ）に示す方向にコイル３に電流を通
じると、コイル３には磁界が生じ、コイル３の鉄芯２の
両端部に設けられたコイル側鉄片１４８〜１４ｄは所定
の磁極となる。具体的には「右ねじの法則」によってコ
イル側鉄片１４ａがＮ極、１４ｂがＳ極、１４０がＳ極
、１４ｄがＮ極となるから、マグネット６の両極部とコ
イル側鉄片１４ａ１１４Ｃとはそれぞれ同磁極となり、
磁気反発力が作用する状態となる。同時に、コイル３に
電流が流れることにより、そのコイル３のマグネット側
の側面の巻線とマグネット６との間には、電流と磁界と
の相互作用による電流力が生じる。その電流力は「フレ
ミングの左手の法則」によりマグネット６を第７図矢印
へ方向に移動させる方向に働く。したがって、可動体５
には、その起動時に磁極側鉄片１２ａおよび１２０を介
してマグネット６とコイル側鉄片１４ａおよび１４ｃと
の間に生じる磁気反発力と、マグネット６とコイル３と
の間に生じる電流力が相乗的に作用し、可動体５は図中
矢印へ方向へ走行せしめられる。走行開始後は、コイル
３に電流が通じているがぎり、その電流とマグネット６
の磁界との間には電流力が作用し、可動体５は矢印六方
向に走行を続ける。そして、可動体５が初期位置と反対
側の端部に達すると、磁極側鉄片１２の端部１２ｂおよ
び１２ｄとコイル側鉄片１４ｂおよび１４ｄとの間には
、異磁極間の磁気吸引力が作用して相互に吸着し、可動
体５は走行を停止し、その位置に保持される。

その後コイル３に対する通電を停止すれば可動体５に対
して電流力は作用しなくなり、またコイル側鉄片１４ｂ
および１４ｄも磁極として機能しなくなる。しかし、マ
グネット６自体の有する磁気力によって可動体５の磁極
側鉄片端部１２ｂおよび１２ｄはコイル側鉄片１４ｂお
よび１４ｄに対し吸着された状態を継続し、可動体５は
一定位置に停止状態で保持される。

つぎに、コイル３に対する通電方向を前述の場合と逆と
して、第７図（ロ）に示す方向にコイル３に電流を通じ
ると、第７図（イ）の場合とは逆に、コイル側鉄片１４
ｂおよび１４０がＮ極、コイル側鉄片１４ａおよび１４
ｄがＳ極となる磁界が発生する。それと同時に、可動体
５のマグネット６の磁界と電流との間に矢印Ｂで示す方
向の電流力が生じる。したがって、磁極側鉄片端部１２
ｂおよび１２ｄとコイル側鉄片１４ｂおよび１４ｄとの
間に作用する磁気反発力と可動体５に作用する電流力に
よって可動体は矢印Ｂ方向に走行を開始し、その後前記
電流力によってＢ方向への走行を継続し、初期位置へ戻
る。

なお、以上の動作の方向はマグネット６に対向する′両
コイルの側面の巻線部分の電流方向さえ定めておけば、
コイルの巻方向にかかわらず一義的に定まる。また、第
７図（ハ）に示すように、マグネット６の磁極の方向を
逆にすると第７図（ロ）に示す場合と電流の方向は同じ
でも可動体５は第７図（ロ）に示す場合とは逆方向の動
作を行なう。

また、上記コイル３に通電するには、例えば第８図およ
び第９図に示す回路を用いれば良い。第８図および第９
図はコイル３の巻方向が同じである場合の通電回路を示
すものであって、第８図は一対のコイル３が直列に接続
されている場合を示し、第９図は一対のコイル３が並列
に接続されている場合を示す。いずれの場合も、機械的
スイッチあるいは半導体スイッチ等の電流方向切換手段
１５が設けられており、コイル３に流す電流の方向を変
えることにより可動体５を往復動せしめることが可能で
ある。

また上記実施例の電磁アクチュエータが動作する過程に
おいて、マグネット６に形成された貫通孔６Ａが磁極側
鉄片１２を支持する支持棒１０の径よりも若干大径に、
すなわち遊びを有して形成されて、磁極側鉄片１２が可
動体５の移動方向へ若干移動可能とされているため、多
少の組立寸法誤差があっても各磁極側鉄片１２とコイル
側鉄片１４ａ〜１４ｄとの吸着が確実に行なわれる。ま
た上述のように磁極側鉄片１２の移動が許容され、しか
も可動体５の移動方向の前後面に緩衝部材１３が設けら
れていることから、可動体５の各移動過程終端では、マ
グネット６に加わる衝撃が著しく緩和される。すなわち
例えば図示の例の如く可動体５の進行方向前面側の磁極
側鉄片１２の端面が緩衝部材１３の前面よりも後退して
いる状態で可動体５が終端に至る場合には、先ず最初に
緩衝部材１３が各コイル側鉄片例えば１４ｂおよび１４
ｄに当接して衝撃を吸収し、その後磁極側鉄片１２が吸
引されて移動し、コイル側鉄片例えば１４ｂ、１４ｄに
当接吸着される。逆に可動体５の進行方向前面側の磁極
側鉄片１２の端面が緩衝部材１３の前面よりも突出して
いる状態で可動体５が終端に至る場合は、先ず磁極側鉄
片１２がコイル側鉄片１４ｂ、１４ｄに当接するが、磁
極側鉄片１２は前後方向へ移動自在であるためマグネッ
ト６には衝撃が加わらず、次いで緩衝部材１３が各コイ
ル側鉄片１４ｂ、１４ｄに当接し、ｓｉｒｇが吸収され
る。

以上の例においては、可動体５の磁極側鉄片１２を可動
体５の移動方向前後に小距離移動可能に取付けた構成と
したが、場合によっては磁極側鉄片１２はマグネット６
に固定し、コイル側鉄片１４８〜１４ｄを可動体５の移
動方向に小距離移動可能となるように鉄芯２の端部に取
付けても良い。

例えば第１０図および第１１図に示すように非磁性材か
らなる側板１を鉄芯２の端部間に配設し、かつその側板
１の両側に形成されたボス部１ａをコイル側鉄片１４ｂ
、１４ｄの孔部２１に貫通させる構成とし、しかもその
孔部２１の内径をボス部１ａの外径よりも若干大きくし
ておくことによって、コイル側鉄片１４ｂ、１４ｄが可
動体５の移動方向へ小距離移動し得るように構成しても
良い。この場合にも前記同様に組立寸法誤差に関係なく
磁極側鉄片とコイル側鉄片との吸着を確実に行ない得、
また緩衝部材１３を設けることによって衝撃を著しく小
さくすることができる。なお緩衝部材１３は必ずしも可
動体５の側に設ける必要はなく、要は可動体５の移動方
向前後面、およびその可動体の前後面に対向する固定側
の面の少なくとも一方に設けられていれば良く、したが
って例えば第１０図中の鎖線で示すように、側板１の表
面に緩衝部材１３を設けても良い。

第１２図は他の実施例を示す。この実施例ではコイル側
鉄片１６が本体１６ａとこの本体１６ａ内側に嵌合しネ
ジにより固定される突出部１６ｂをもって形成される。

したがってこの実施例では突出部１６ｂの本体１６ａか
らの突出長さを調整することにより、可動体５の走行ス
トロークを調整することができる。

第１３図は更に他の実施例を示す。この実施例では、可
動体５の磁極側鉄片１２及び緩衝部材１３として互換性
のある種々の寸法のものを用い、使用目的に応じて磁極
側鉄片１２及び緩衝部材１３を図示するように例えば大
きなものと交換し、それによって可動体５０走行ストロ
ークを調整する。

第１４図は別の実施例を示す。この実施例においては、
可動体５がそれぞれ前記同様なマグネット５ａ　、５ｂ
を備えた前部可動体５ａと後部可動体５ｂとに分割され
ている。前部可動体５ａと後部可動体５ｂとはスクリュ
ー軸１７によって可動体５全体の可動方向に沿い相互に
接近離隔する方向へ間隔調整可能に連結されている。し
たがって、この実施例においてはスクリュー軸１７の調
整により前部可動体５ａと後部可動体５ｂとの間隔を調
節することによって可動体５の走行ストロークを調節す
ることができる。

なお、この発明の実施例は以上に限られるものではなく
、例えば可動体５に連結するロッドは一方向のみではな
く、二方向に延長するようにしても良い。

なおまた、前述のように左右のコイル３をそれぞれ別の
鉄芯２に巻装する代りに、平面的に見て中空矩形状をな
す鉄芯を用いてその左右にコイル３を巻装したり、ある
いは前述のコイル側鉄片１４を左右連続させて、両側の
コイル３により発生する磁路を磁気的に閉ループとする
ことは好ましくなく、このように閉磁路とした場合には
可動体５に対する推力が著しく低下して可動体５の移動
が極めて緩慢となることが実験的に確認されている。そ
の理由は次のように考えられる。すなわち、閉磁路とし
た場合にはコイル３によって発生する磁束によって鉄芯
２が磁気飽和し易く、鉄芯２が磁気飽和すればマグネッ
ト６の磁極からの磁束が鉄芯３に入り込み難くなる結果
、マグネット６の磁極からの磁束が歪んで、その磁束が
コイル３の巻線の方向および可動体５の可動方向に対し
正しく直交しなくなり、フレミングの左手の法則による
電流力が可動体５の可動方向へ充分に作用しなくなるた
めと考えられる。また閉磁路とした場合には、各コイル
３に通電した際に各コイル３の端部からの漏洩磁束がほ
とんど生じないことになるが、このことはコイル３の端
部が見掛は上磁極とならないことを意味し、そのため可
動体移動工程終端近傍や移動工程始端近傍においてマグ
ネット６の磁極とコイル３の両端の磁極との間の異磁極
による吸引力もしくは同磁極による反発力がほとんど作
用せず、このことも充分な推力が得られない原因と考え
られる。したがってこの発明の電磁ソレノイドにおいて
は、左右のコイル３をそれぞれ別個の鉄芯２に巻付ける
ものとし、かつその鉄芯２の両端のコイル側鉄片１４ａ
〜１４ｄを左右連続させず、可動体５の可動方向両端に
おいて開磁路が形成されるようにしたのである。なお各
コイル側鉄片１４ａ〜１４ｄは鉄芯２と一体に形成して
も良いことはもちろんである。

以上のようにこの発明の電磁アクチュエータでは、主と
して電流力によって駆動力を得るようにしたので、電流
力の性質からスト〇−りの制限は実質上なく、したがっ
てこの発明の電磁アクチュエータは広い分野に適用する
ことができ、極めて汎用性に富む。また、この発明の電
磁アクチュエータは、それ・自体で往復動作機能を備え
、そのため複動させるための付加的部品は必要ない。さ
らにこの発明の電磁アクチュエータは、磁気反発力とフ
レミングの左手の法則による電流力との相乗作用によっ
て起動されるため、起動時に大きな力が作用して円滑に
起動させることができ、しかも起動時の突入Ｎ流が特に
大きいということはなく、したがって負荷が過大であっ
たりあるいは介在物の存在等によって過大な起動電流が
流れ続けることがないから、コイルの発熱・焼損のおそ
れが少な（、また長時間連続した高頻度の動作にも耐え
ることができる。加えてこの発明のＥｍアクチュエータ
においては、マグネットの吸着力によって停止状態が保
持されるから、保持時における通電は不要であり、電力
浦賀量を低減することができる。また緩衝部材を取付け
た実施態様によれば、衝突面の摩耗や衝撃音の軽減等の
効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の電磁アクチュエータの平
面図、第２図は第１図のト（線における断面図、第３図
は第１図のｍ　ｍ＠にｉＪ５ける断面図、第４図は第１
図のＩＶ、−ＩＶ線における断面図、第５図は第１図〜
第４図に示した電磁アクチュエータに用いられる可動体
の横断平面図、第６図は同じく可動体の斜視図、第７図
（イ）〜（ハ）はこの発明の電磁アクチュエータの動作
説明模式図、第８図はこの発明の電磁アクチュエータの
コイルに電流を通じる回路の一例を示す回路図、第９図
はこの発明の電磁アクチュエータのコイルに電流を通じ
る回路の他の例を示す回路図、第１０図はこの発明の他
の実施例の電磁アクチュエータの一部を示す切欠平面図
、第１１図は第１０図の刈−Ｘ線における断面図、第１
２図および第１３図はそれぞれ更に他の実施例の電磁ア
クチュエータの平面図、第１４図は別の実施例の電磁ア
クチュエータの要部を示す平面断面図である。 ２・・−鉄芯、　３・・・コイル、　４・・・ガイド、
　５・・・可動体、　６・・・マグネット、　７−・・
枠体、　８・・・切欠、　１０・−・支持棒、　１２・
・・磁極側鉄片、１３・・・Ｉｌｉ衝部材部材１４ａ〜
１４ｄ・・・コイル側鉄片、１５・・・ロッド。 出願人　池　上　巌 代理人　弁理士　豊田武久 （ほか１名） 第８図 第９図 第１０図 第１２図 第１３図 第１４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれ異なる鉄芯に巻装された一対のフィルが
   、その巻軸方向を平行にして所定間隔を置いて配列され
   、その一対のコイル間には、一方の磁極が一方のコイル
   の巻線に対向しかつ他方の磁極が他方のコイルの巻線に
   対向するマグネットを具備する可動体が、両コイルの巻
   軸方向と平行な方向へ移動自在に配設され、さらに前記
   マグネットにおける各コイルの巻線に対向する各磁極部
   には磁極側鉄片が付設され、また前記各鉄芯の両端部に
   は、前記可動体の鉄片に当接し得る位置に延出するコイ
   ル側鉄片が設けられていることを特徴とする電磁アクチ
   ュエータ。
2. （２）前記！ｉｆ　ｆｌ　１１９鉄片が、前記マグネッ
   トに対し相対的に前記可動体の移動方向に小距離だけ移
   動可能に取付けられている特許請求の範囲第１項記載の
   電磁アクチュエータ。
3. （３）前記コイル側鉄片が、前記鉄芯の両端部に前記可
   動体の移動方向へ小距離だけ移動可能に取付けられてい
   る特許請求の範囲第１項記載の電磁アクチュエータ。
4. （４）前記可動体の移動方向前後面、およびその可動体
   の前後面に対向する固定側の面の少なくとも一方に弾性
   材からなる緩衝部材が設けられている特許請求の範囲第
   １項記載の電磁アクチュエータ。