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WO2006051859A1 - アクチュエータ - Google Patents

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WO2006051859A1
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magnetic
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Masahiko Uni
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Shinano Kenshi Co Ltd
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Shinano Kenshi Co Ltd
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/13—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures characterised by pulling-force characteristics

Definitions

  • the present invention relates to an actuator such as a linear solenoid.
  • a linear solenoid is suitably used as an electromagnetic component that converts electromagnetic energy into mechanical energy.
  • a mover iron core plug
  • an exciting coil By energizing the exciting coil on the stator side, a magnetic circuit is formed between the first and second yoke portions and the plunger so that an attractive force acts on the plunger.
  • An excitation coil 53 wound around a bobbin 52 and first and second yoke portions 54 and 55 covering the periphery of the excitation coil 53 are provided.
  • the first yoke portion 54 is formed in a lid shape and covers one end side of the exciting coil 53 in the axial direction.
  • the second yoke portion 55 is formed in a cup shape, and covers the outer peripheral surface of the body portion from the other axial end side of the exciting coil 53.
  • the first and second yoke portions 54 and 55 form a magnetic path on the stator 51 side that is generated when the exciting coil 53 is energized.
  • a guide tube (guide pipe) 56 made of a non-magnetic material is fitted in the shaft hole of the bobbin 52.
  • the mover (plunger) 57 is slidably fitted in the shaft hole of the guide pipe 56.
  • a connecting rod (not shown) is fastened to the shaft hole 58 of the plunger 57 to transmit the driving force in the axial direction of the plunger 57.
  • a circumferential groove or a stepped surface is formed on the circumferential surface of at least one end of the plunger 57, and a magnetic flux acting surface is formed in the radial direction. That is, magnetic flux acting surfaces are respectively formed in the radial direction between the circumferential surfaces Pl and P2 of the plunger 57 and the opposing surfaces Yl and ⁇ 2 of the first and second yoke portions 54 and 55, and the magnetic flux acting surfaces are formed.
  • a large output (thrust) can be obtained in the control range because the magnetic resistance between the opposing surfaces is small. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide an actuator in which the fluctuation range of the thrust due to the stroke amount is reduced and the moving range of the movable element capable of obtaining a constant output is expanded. There is to do.
  • the present invention comprises the following arrangement.
  • An excitation coil a stator that covers the periphery of the excitation coil with a first yoke portion provided at one end of the excitation coil and a second yoke portion provided at the other end, and an axial direction in the center of the excitation coil
  • the actuator is provided with a movable element provided so as to be reciprocally movable, and a magnetic circuit is formed between the first and second yoke portions and the movable element by energizing the exciting coil so that a magnetic force acts on the movable element.
  • the magnetic resistance gradually changes as the mover moves to either the peripheral surface of the mover where the magnetic flux acting surface is formed by energization or the first and second yoke parts facing the mover peripheral surface. It has the shape which carries out.
  • the distance between the mover and the first and second yoke portions has a shape in which the mover gradually changes as the mover moves in the axial direction.
  • At least one of the first and second yoke portions serving as the magnetic flux acting surface is formed with a tapered surface or a stepped surface where the magnetic resistance gradually decreases in accordance with the attracting operation of the mover toward the stator. It is characterized by. Further, at least one of the movable peripheral surfaces facing the first and second yoke portions is formed with a tapered surface or a stepped surface in which the magnetic resistance gradually decreases with the attracting operation toward the stator side. It is characterized by that.
  • the movable element whose magnetic flux acting surface is formed by energization will be described.
  • the mover is fixed by energization by having a shape in which the magnetic resistance gradually increases or decreases as the mover moves in either the peripheral surface or the first and second yoke parts facing the peripheral surface of the mover. Since the magnetic resistance gradually decreases and the attractive force increases as it is attracted to the child side, a constant thrust can be obtained over a long stroke. Therefore, the thrust difference in the actual movable range of the mover is reduced, so that stable output characteristics can be obtained and controllability is improved.
  • FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a linear solenoid according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a linear solenoid according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the displacement and the thrust of the linear solenoid.
  • FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of a linear solenoid according to a conventional example.
  • Excitation coil 2 is wound around bobbin 3.
  • a guide tube (guide pipe) 4 made of a non-magnetic material is fitted in the shaft hole provided in the core portion of the bobbin 3.
  • the excitation coil 2 is covered with a lid-shaped first yoke portion 5 provided on one end side and a cup-shaped second yoke portion 6 provided on the other end side.
  • the first yoke part 5 and the second yoke part 6 are made of a magnetic material, and form a magnetic flux path of the stator 1 generated by energizing the exciting coil 2.
  • the mover (plunger) 7 is guided by a guide pipe 4 provided in the central portion of the exciting coil 2 (the shaft hole of the bobbin 3) and is provided so as to be capable of reciprocating in the axial direction. It is also possible to replace the guide pipe 4 with the core portion of the bobbin as the guide surface of the plunger 7.
  • the plunger 7 is connected to a connecting rod (not shown). This plunger 7 or connecting rod is, for example, in the direction of protruding from the stator 1 by a coil panel etc. It may be energized.
  • a magnetic circuit is formed between the first and second yoke parts 5, 6 and the plunger 7, and an attractive force acts on the plunger 7.
  • a circumferential groove or a stepped surface is formed on the circumferential surface of at least one end side of the plunger 7, and a magnetic flux acting surface is formed in the radial direction. It has become.
  • a magnetic flux acting surface P1 and the first yoke portion 5 facing surface Yl
  • the other end side circumferential surface of the plunger 7 (flux acting surface) ⁇ 2 and the first 2
  • a suction force F horizontal component force F1, vertical component force F2 acts on the entire circumference of the yoke surface 6 between the opposing surfaces ⁇ 2.
  • the plunger 7 is pulled in the radial direction by the resultant force of the horizontal component force F1 of the suction force F, and is pulled in the axial direction to the stator 1 side by the resultant force of the vertical component force F2.
  • the solenoid according to the present embodiment is magnetically coupled with the movement of the plunger 7 on at least one of the peripheral surface of the plunger 7 on which a magnetic flux acting surface is formed by energization and the opposed surfaces of the first and second yoke portions 5 and 6.
  • the resistance has a shape that gradually changes. Specifically, the magnetic resistance gradually decreases on the opposing surface Y1 of the first yoke portion 5 serving as the magnetic flux acting surface as the plunger 7 attracts toward the stator 1 side (the hole diameter decreases outside in the axial direction).
  • a taper surface 8 is formed which gradually expands toward the surface.
  • the tapered surface 8 may be formed on both of the opposing surfaces Y1 and ⁇ 2 which may be formed on the opposing surface ⁇ 2 of the second yoke portion 6 serving as a magnetic flux acting surface.
  • a solenoid with a magnetic flux acting surface in the radial direction is expected to improve thrust in the actual movable range compared to a solenoid with a magnetic flux acting surface in the axial direction.
  • the magnetic resistance is likely to change abruptly depending on the position of the plunger, the range in which the constant thrust in the actual movable range of the plunger 7 can be easily reduced (see graph A in Fig. 3).
  • the position of the plunger 7 and the first and second yoke portions 5 and 6 is determined by the tapered surface 8 formed on the facing surface Y1 of the first yoke portion 5 facing the peripheral surface P1 of the plunger 7. Seki It is possible to alleviate the change in the engagement, particularly the sudden change in the magnetic resistance at the stage where the flux acting surfaces of the plunger 7 and the first yoke portion 5 start to overlap. Therefore, as shown in graph B of Fig. 3, as the plunger 7 is attracted to the stator 1 side by energization, the magnetic resistance gradually decreases and the attraction force increases, so that a constant thrust is applied over a long stroke. Obtained. Therefore, the variation of the movable range of the plunger 7 is small due to the thrust difference, and the movable range of the mover that can move with a constant thrust is expanded.
  • the solenoid of the present embodiment has a stepped surface on which the magnetic resistance gradually decreases in accordance with the arch I operation to the stator 1 side of the plunger 7 on the opposing surface Y1 of the first yoke portion 5 serving as the magnetic flux acting surface. 9 is formed.
  • the stepped surface 9 on which the distance from the first yoke portion 5 gradually decreases as the plunger 7 is attracted to the stator 1 side on the facing surface Y1 of the first yoke portion 5. Is formed.
  • the stepped surface 9 is formed by providing a notch (step) in a part of the facing surface Y1 of the first yoke portion 5 so that the magnetic flux acting surfaces of the plunger 7 and the first yoke portion 5 are in contact with each other. It is provided to alleviate the sudden change in magnetoresistance at the beginning of overlap.
  • the stepped surface 9 may be formed on the opposing surface Y2 of the second yoke portion 6 that serves as a magnetic flux acting surface, or may be formed on both the opposing surface Y1 and the opposing surface Y2. As a result, the stroke of the plunger that can obtain a certain level of thrust can be expanded.
  • the force described for the shape of the yoke portion is magnetically applied to at least one of the peripheral surfaces of the plunger 7 facing the first and second yoke portions 5 and 6 in accordance with the attracting operation toward the stator 1 side.
  • the same effect can be obtained even if a tapered surface or stepped surface where the resistance gradually decreases is formed.
  • the shape of the tapered surface and the stepped surface formed on the magnetic flux acting surfaces of the plunger 7 and the first and second yoke portions 5 and 6 are arbitrary, and the combination of the tapered surface and the stepped surface is a taper. Any combination of surface and taper surface, stepped surface and stepped surface, etc. Also good.
  • the stepped surface may have a plurality of uneven portions formed in the axial direction.
  • the taper surface and the stepped surface may be formed on both the movable element peripheral surface and the first and second yoke portions, but not both.
  • the linear solenoid can be either a pull type or a push type.
  • a permanent magnet can be included in the magnetic circuit.
  • a DC or AC linear solenoid can be used. .

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Abstract

　ストローク量による推力の変動を少なくし、一定の出力が得られる可動子の移動範囲を拡大したアクチュエータを提供する。 　通電により磁束作用面が形成されるプランジャ７の周面Ｐ１、Ｐ２又は該プランジャ７の周面Ｐ１、Ｐ２と対向する第１、第２のヨーク部５、６のいずれかにプランジャ７の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有する。

Description

明 細 書
ァクチユエータ
技術分野
[0001] 本発明は、例えばリニアソレノイドなどのァクチユエータに関する。
背景技術
[0002] 従来、一般産業機械においては、自動制御用として様々なァクチユエータが用いら れている。例えば電磁エネルギーを機械エネルギーに変換する電磁部品としてリニ ァソレノイドが好適に用いられている。ソレノイドの一般的な構成は、励磁コイルを備 えた固定子の中心部に可動子鉄心（プランジャ）が固定鉄心に接離動可能に設けら れている。固定子側の励磁コイルへの通電により第 1、第 2のヨーク部とプランジャと の間で磁気回路が形成されてプランジャに吸引力が作用するようになっている。 ここで、リニアソレノイドの一般的な構造について図 4を参照して説明する。先ず、固 定子 51の構成について説明すると、ボビン 52に巻き付けられた励磁コイル 53と該励 磁コイル 53の周囲を覆う第 1、第 2のヨーク部 54、 55が設けられている。第 1のヨーク 部 54は蓋状に形成されており、励磁コイル 53の軸方向一端側を覆っている。第 2の ヨーク部 55はカップ状に形成されており、励磁コイル 53の軸方向他端側から胴部外 周面を覆っている。これらの第 1、第 2のヨーク部 54、 55は、励磁コイル 53への通電 時に発生する固定子 51側の磁気通路を形成する。ボビン 52の軸孔には非磁性材ょ りなる案内筒（ガイドパイプ） 56が嵌め込まれている。可動子（プランジャ） 57は、ガイ ドパイプ 56の軸孔に摺動可能に嵌め込まれている。プランジャ 57の軸孔 58には図 示しない連結ロッドが締結されて、プランジャ 57の軸方向への駆動力を伝達するよう になっている。
上記リニアソレノイドは、プランジャ 57の少なくとも一端側の周面に周溝若しくは段 付面 (本実施例では凹溝 59)が形成されており、径方向に磁束作用面が形成される 。即ち、プランジャ 57の周面 Pl、 P2と第 1、第 2のヨーク部 54、 55の対向面 Yl、 Υ2 との間で径方向に各々磁束作用面が形成され、当該磁束作用面が形成される対向 面どうしの磁気抵抗が小さいため制御範囲で大きな出力（推力）が得られる。 発明の開示
[0003] 図 4のリニアソレノイドの場合、励磁コイル 53へ通電するとプランジャ 57の周面と第 1、第 2のヨーク部 54、 55との間（周面 Pl、 P2と対向面 Yl、 Υ2)で全周にわたって 強い磁気吸引力が作用する。
し力 ながら、プランジャ 57と第 1、第 2のヨーク部 54、 55との位置関係によっては、 磁気抵抗が急激に変化し易ぐ励磁コイル 53への通電時に推力が一気に高まること 力 Sあるため一定の推力が得られる範囲が限定され制御性が良くないという課題があ つた（図 3グラフ Α参照）。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、 ストローク量による推力の変動を少なくし、一定の出力が得られる可動子の移動範囲 を拡大したァクチユエータを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
励磁コイルと、励磁コイルの一端側に設けられる第 1のヨーク部と他端側に設けられ る第 2のヨーク部とで励磁コイルの周囲を覆う固定子と、励磁コイルの中心部に軸線 方向に往復動可能に設けられる可動子とを備え、励磁コイルへの通電により第 1、第 2のヨーク部と可動子との間で磁気回路が形成されて可動子に磁力が作用するァク チユエータにおいて、通電により磁束作用面が形成される可動子の周面又は該可動 子周面と対向する第 1、第 2のヨーク部のいずれかに可動子の移動に伴い磁気抵抗 が漸進的に変化する形状を有することを特徴とする。
また、可動子と第 1、第 2のヨーク部との離間距離が可動子の軸方向への移動に伴 つて漸進的に変化する形状を有することを特徴とする。
具体的には、磁束作用面となる第 1、第 2のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動 子の固定子側への吸引動作に従って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面或いは 段付き面が形成されていることを特徴とする。また、第 1、第 2のヨーク部と対向する可 動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進 減少するテーパー面或いは段付き面が形成されてレ、ることを特徴とする。
[0004] 発明の効果
上述したァクチユエータを用いれば、通電により磁束作用面が形成される可動子の 周面又は該可動子周面と対向する第 1、第 2のヨーク部のいずれかに可動子の移動 に伴い磁気抵抗が漸進的に増減変化する形状を有することにより、通電により可動 子が固定子側へ吸引されるにしたがって磁気抵抗が漸進減少して吸引力が強まるの で、一定の推力が長いストロークにわたって得られる。したがって、可動子の実可動 範囲における推力差は小さくなるので安定した出力特性が得られるため制御性が向 上する。
図面の簡単な説明
[0005] [図 1]第 1実施例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。
[図 2]第 2実施例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。
[図 3]リニアソレノイドの変位と推力との関係を示すグラフ図である。
[図 4]従来例に係るリニアソレノイドの断面説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0006] 以下、本発明に係るァクチユエータの最良の実施形態について、添付図面を参照 しながら説明する。本実施形態はァクチユエータの一例としてリニアソレノイドについ て説明する。
(第 1実施例）
図 1を参照して、リニアソレノイドの概略構成について説明する。
先ず、固定子 1の構成について説明する。励磁コイル 2はボビン 3に巻き付けられて いる。ボビン 3の卷芯部に設けられた軸孔には、非磁性材料よりなる案内筒（ガイドパ イブ) 4が嵌め込まれている。励磁コイル 2は一端側に設けられる蓋状の第 1のヨーク 部 5と他端側に設けられるカップ状の第 2のヨーク部 6とで周囲が覆われている。第 1 ヨーク部 5及び第 2ヨーク部 6は磁性材料により構成されており、励磁コイル 2へ通電 により発生する固定子 1の磁束通路を形成する。
可動子（プランジャ） 7は、励磁コイル 2の中心部（ボビン 3の軸孔）に設けられたガイ ドパイプ 4にガイドされて軸線方向に往復動可能に設けられる。尚、ガイドパイプ 4に 替えてボビンの卷芯部をプランジャ 7の案内面とすることも可能である。プランジャ 7は 図示しない連結ロッドに連結されている。このプランジャ 7若しくは連結ロッドは、例え ばプノレ型のソレノイドの場合には、コイルパネなどにより固定子 1より突出する方向に 付勢されていてもよい。励磁コイル 2への通電により第 1、第 2のヨーク部 5、 6とプラン ジャ 7との間で磁気回路が形成されてプランジャ 7に吸引力が作用するようになって いる。
本実施形態のソレノイドは、プランジャ 7の少なくとも一端側の周面に周溝若しくは 段付面 (本実施例では凹溝 10)が形成されており、径方向に磁束作用面が形成され るようになっている。励磁コイル 2へ通電した際に、プランジャ 7の一端側周面 (磁束 作用面） P1と第 1ヨーク部 5の対向面 Yl、プランジャ 7の他端側周面 (磁束作用面） Ρ 2と第 2ヨーク部 6の対向面 Υ2との間には各々全周にわたって吸引力 F (水平分力 F 1、垂直分力 F2)が作用する。プランジャ 7は、吸引力 Fの水平分力 F1の合力により 径方向に引き寄せられ、垂直分力 F2の合力により軸方向に固定子 1側へ引き込まれ る。
本実施形態のソレノイドは、通電により磁束作用面が形成されるプランジャ 7の周面 と第 1、第 2のヨーク部 5、 6との対向面のうち少なくとも一方に、プランジャ 7の移動に 伴い磁気抵抗が漸進的に変化する形状を有する。具体的には、磁束作用面となる第 1のヨーク部 5の対向面 Y1に、プランジャ 7の固定子 1側への吸引動作に伴って磁気 抵抗が漸進的に減少する（孔径が軸方向外側に向かって漸進拡大する）テーパー面 8が形成されている。言い換えれば、第 1のヨーク部 5の対向面 Y1に、プランジャ 7の 固定子 1側への吸引動作に伴って当該第 1のヨーク部 5との離間距離が漸進的に減 少するテーパー面 8が形成されている。テーパー面 8は、磁束作用面となる第 2のョ ーク部 6の対向面 Υ2に形成されていても良ぐ対向面 Y1と Υ2の双方に形成されて いても良い。
リニアソレノイドのエネルギーは固定子 1と可動子（プランジャ） 7とのギャップに蓄え られる。図 3において、磁束作用面を軸方向に有するソレノイドに比べて磁束作用面 を径方向に有するソレノイドは、実可動範囲における推力の向上は見込める。しかし ながら、プランジャの位置によって磁気抵抗が急激に変化し易いことから、プランジャ 7の実可動範囲における一定の推力が得られる範囲が狭くなり易レ、（図 3のグラフ A 参照）。これに対して、プランジャ 7の周面 P1と対向する第 1のヨーク部 5の対向面 Y1 に形成されるテーパー面 8により、プランジャ 7と第 1、第 2のヨーク部 5、 6との位置関 係の変化、特にプランジャ 7と第 1のヨーク部 5との磁束作用面どうしがオーバーラッ プし始める段階での急激な磁気抵抗の変化を緩和することができる。したがって、図 3のグラフ Bに示すように、通電によりプランジャ 7が固定子 1側へ吸引されるにしたが つて磁気抵抗が漸進減少して吸引力が強まるので、一定の推力が長いストロークに わたって得られる。よって、推力差によってプランジャ 7の可動範囲の変動が少なぐ 一定の推力で移動できる可動子の移動範囲が拡大する。
(第 2実施例）
次に、リニアソレノイドの他例について図 2を参照して説明する。リニアソレノイドの概 略構成は、図 1と同様であるので同一部材には同一番号を付して説明を援用する。 以下、異なる構成を中心に説明する。
本実施形態のソレノイドは、磁束作用面となる第 1のヨーク部 5の対向面 Y1に、ブラ ンジャ 7の固定子 1側への吸弓 I動作に従つて磁気抵抗が漸進減少する段付き面 9が 形成されている。言い換えれば、第 1のヨーク部 5の対向面 Y1に、プランジャ 7の固 定子 1側への吸引動作に伴って当該第 1のヨーク部 5との離間距離が漸進的に減少 する段付き面 9が形成されている。この段付き面 9は、第 1のヨーク部 5の対向面 Y1の 一部に切欠き（段）を設けることにより形成され、プランジャ 7と第 1のヨーク部 5との磁 束作用面どうしがオーバーラップし始める段階での急激な磁気抵抗の変化を緩和す るために設けられている。
尚、段付き面 9は、磁束作用面となる第 2のヨーク部 6の対向面 Y2に形成されてい ても良く、対向面 Y1と対向面 Y2の双方に形成されていても良い。これにより一定レ ベルの推力が得られるプランジャのストロークを拡大することができる。
上記各実施例はヨーク部の形状について説明した力 第 1、第 2のヨーク部 5、 6と 対向するプランジャ 7の周面のうち少なくとも一方に、固定子 1側への吸引動作に伴 つて磁気抵抗が漸進減少するテーパー面或いは段付き面が形成されていても同様 の作用効果が得られる。
尚、プランジャ 7と第 1、第 2のヨーク部 5、 6の磁束作用面に各々形成されるテーパ 一面や段付き面の形状は任意であり、テーパー面と段付き面との組み合わせゃテー パー面とテーパー面、段付き面と段付き面などのいずれの形状による組み合わせで も良い。また、段付面は複数の凹凸部が軸方向に形成されていても良い。更には、テ 一パー面や段付き面は、可動子周面又は第 1、第 2のヨーク部のいずれか一方に限 らず双方に形成されていても良レ、。リニアソレノイドはプル型であってもプッシュ型の いずれであってもよぐ磁気回路内に永久磁石を含んでいても良ぐ DC用若しくは A C用リニアソレノイドのレ、ずれであっても良レ、。

Claims

請求の範囲 [1] 励磁コイルと、励磁コイルの一端側に設けられる第 1のヨーク部と他端側に設けられ る第 2のヨーク部とで励磁コイルの周囲を覆う固定子と、励磁コイルの中心部に軸線 方向に往復動可能に設けられる可動子とを備え、励磁コイルへの通電により第 1、第2のヨーク部と可動子との間で磁気回路が形成されて可動子に磁力が作用するァク チユエータにおいて、 通電により磁束作用面が形成される可動子の周面又は該可動子周面と対向する第
1、第 2のヨーク部のいずれかに可動子の移動に伴い磁気抵抗が漸進的に変化する 形状を有することを特徴とするァクチユエータ。
[2] 可動子と第 1、第 2のヨーク部との離間距離が可動子の軸方向への移動に伴って漸 進的に変化する形状を有することを特徴とする請求項 1記載のァクチユエータ。
[3] 第 1、第 2のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動子の固定子側への吸引動作に従 つて磁気抵抗が漸進減少するテーパー面が形成されていることを特徴とする請求項
1記載のァクチユエータ。
[4] 第 1、第 2のヨーク部のうち少なくとも一方に、可動子の固定子側への吸引動作に従 つて磁気抵抗が漸進減少する段付き面が形成されていることを特徴とする請求項 1 記載のァクチユエータ。
[5] 第 1、第 2のヨーク部と対向する可動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への 吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少するテーパー面が形成されていることを特 徴とする請求項 1記載のァクチユエータ。
[6] 第 1、第 2のヨーク部と対向する可動子周面のうち少なくとも一方に、固定子側への 吸引動作に伴って磁気抵抗が漸進減少する段付き面が形成されていることを特徴と する請求項 1記載のァクチユエータ。
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