アクチュエータ装置
【課題】大きな始動トルクを発生させることができ、且つ効率の低下を抑えたアクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータ装置は、界磁部１または界磁部１の内側に配置される電機子部２の何れか一方からなる固定子と、他方からなり固定子に対して回転する回転子とを備え、回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力する。界磁部１は、２つの異磁極が電機子部２を間にして向かい合うように形成された永久磁石１１，１１を備え、電機子部２は、永久磁石１１，１１との間で磁力を作用させる一対の磁極部２１ｂ，２１ｂが両端部に形成された鉄心２１と、鉄心２１の中央部に巻回されて一対の磁極部２１ｂ，２１ｂを励磁する巻線２２とを備える。そして、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で上記回転子の回転を規制するストッパーが設けられている。
【解決手段】アクチュエータ装置は、界磁部１または界磁部１の内側に配置される電機子部２の何れか一方からなる固定子と、他方からなり固定子に対して回転する回転子とを備え、回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力する。界磁部１は、２つの異磁極が電機子部２を間にして向かい合うように形成された永久磁石１１，１１を備え、電機子部２は、永久磁石１１，１１との間で磁力を作用させる一対の磁極部２１ｂ，２１ｂが両端部に形成された鉄心２１と、鉄心２１の中央部に巻回されて一対の磁極部２１ｂ，２１ｂを励磁する巻線２２とを備える。そして、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で上記回転子の回転を規制するストッパーが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
限定角度の往復回転運動を実現するためには、汎用の回転モータと減速機とを組み合わせた駆動機構を採用するのが通例であり、このような駆動機構は従来から提供されている。この駆動機構は、回転モータ自体には高い出力トルクを要求することなく、小型で安価な回転モータを使用する機構であり、減速機を構成する減速ギアの段数や減速比などを調整することで、回転モータの出力を所望のトルクに増幅できるようになっている。
【０００３】
しかしながら、このような駆動機構では、減速機による機械的損失（例えば、歯車の噛合いや軸受の磨耗など）が当該駆動機構の効率に大きく影響し、例えばモータ効率が７０％、減速機効率が６０％の場合には、駆動機構としての効率は４２％まで低下してしまう。
【０００４】
そこで、効率の低下を抑えるために、減速機を持たない構造のアクチュエータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このアクチュエータ装置は、それぞれ異磁極に着磁され、向かい合う形で配置される２個１組の永久磁石、および、上記両永久磁石間の磁路を形成する円筒状のヨークからなる回転子と、固定子鉄心および当該固定子鉄心に巻回される巻線からなる固定子とで構成され、固定子と回転子との間で作用する磁気力により固定子に対して回転子を回転させることで、所望の出力トルクが得られるようになっている。
【特許文献１】特開平９−１６３７０８号公報（段落［０００７］−段落［００１４］、及び、第１図−第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１に示したアクチュエータ装置では、減速機を持たない構造であるため、効率の低下を抑えることができるものではあるが、非通電状態から通電させた際の始動トルクが小さいため、例えば負荷トルクが大きい場合には回転子が正常に回転しない虞があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、大きな始動トルクを発生させることができ、且つ効率の低下を抑えたアクチュエータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、界磁部または当該界磁部の内側に配置される電機子部の何れか一方からなる固定子と、他方からなり固定子に対して回転する回転子とを備え、回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力するアクチュエータ装置において、界磁部は、永久磁石を具備し回転軸の周方向において２つの異磁極が並べて設けられるロータを備え、電機子部は、ロータとの間で磁力を作用させる一対の磁極部が両端部に形成された鉄心と、当該鉄心の中央部に巻回されて一対の磁極部を励磁する巻線とを備え、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で回転子の回転を規制するストッパーを設けることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、ストッパーは弾性材料からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、ロータは、永久磁石を２つ具備するとともに、当該２つの永久磁石の外側に配置されて両永久磁石間の磁路を形成する筒状のヨークを具備し、当該ヨークは、各永久磁石が配置されない部位に、当該ヨークの径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部が設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、ロータの各磁極は、当該各磁極の磁極中心と、回転子の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ばないように、それぞれ設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、最大トルクを発生させる位置にロータの各磁極が位置する状態において、電機子部の巻線と対向する部位に各磁極が配置されないように、ロータが具備する永久磁石を複数に分割して配置することを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明は、鉄心は、当該鉄心の中央部に全周に渡って形成された凹所を備え、巻線は、当該凹所内で巻回されることを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明は、電機子部が固定子を構成し、界磁部が回転子を構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、回転子の回動範囲を、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内に設定することによって、始動トルクを大きくすることができるので、負荷トルクが大きい場合でも回転子を確実に回転させることができ、その結果高性能なアクチュエータ装置を提供できる。また、減速機を持たない構造であるため、減速機による機械的損失がなく、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。さらに、巻線スペースを必要とする電機子部を界磁部の内側に配置することによって、界磁部の径が大きくなり、界磁部を回転させるアウターロータ型の場合には、大きな回転トルクを発生させることができる。また、鉄心に巻回する巻線が１巻線の場合には、巻線作業や組立作業が容易になるという効果がある。
【００１６】
非励磁状態では、界磁部をストッパー側に押し付けるコギングトルクが発生するため、このコギングトルクにより始動トルクが低下することになるが、請求項２の発明によれば、ストッパーを弾性材料で形成することによって、上記コギングトルクがストッパーからの反力により低減されることになり、その結果始動トルクの低下を抑えることができる。また、ストッパーを弾性材料で形成することによって、ストッパーへの衝突音を低減できるとともに、衝突時の衝撃を和らげることができるので、機械寿命を延ばすこともできる。さらに、コギングトルクが作用する場合に比べて出力トルクを小さくすることができるので、低出力の駆動回路を用いることができ、その結果コストダウンを図ることができるという効果がある。
【００１７】
請求項３の発明によれば、永久磁石が配置されない部位に凸部を設けることによって、当該凸部では磁路の断面積が大きくなり、その結果磁束密度が低下して磁気飽和が軽減されるので、磁気効率が改善されて高効率のアクチュエータ装置を実現できる。また、各永久磁石は、凸部と凸部の間に形成される凹部に配置されることになるから、組立時における永久磁石の位置決めが容易になるという効果がある。
【００１８】
請求項４の発明によれば、界磁部の磁極位置に応じて発生トルクがピークとなる回転角度位置が変わる特性を利用することによって、トルク特性を要求特性に沿って設計することができ、その結果電機子部を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、例えば外側の界磁部を回転させるアウターロータ型の場合、界磁部を構成する永久磁石が２部品であれば、重りを用いて界磁部の重心を回転中心に一致させることによって、偏心の影響を受けることなく界磁部を回転させることができ、さらに永久磁石が１部品であれば、着磁配向を考慮して磁極を形成することによって、上記重りも不要になるという効果がある。
【００１９】
請求項５の発明によれば、一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することによって、請求項４と同様に発生トルクがピークとなる回転角度位置を変えることができ、その結果電機子部を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、アウターロータ型の場合には、回転子である界磁部が偏心の影響を受けることなく、界磁部を構成する永久磁石が２部品の場合であっても重りが不要であるという効果がある。
【００２０】
請求項６の発明によれば、回転に伴う発生トルク特性を所望に設計できるため、電機子部の過度な励磁が不要になり、その結果通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、永久磁石の体積を減らして軽量化できるため、慣性モーメントを小さくでき、その結果起動時の動作遅延を改善することができるという効果がある。
【００２１】
請求項７の発明によれば、巻線を凹所内で巻回することによって、当該巻線が鉄心の端面から外側に張り出すことがないから、電機子部を小型化することができ、その結果小型のアクチュエータ装置を実現できる。また、凹所を設けることでコイルボビンレスが可能であり、巻線長も短くできるため銅損を低減できるという効果がある。
【００２２】
例えば内側の電機子部を回転させるインナーロータ型の場合には、接触子が必要であることから摺動接触に伴う損失が発生し、また長期信頼性も懸念されるが、請求項８の発明によれば、外側の界磁部側を回転させているので上記損失は発生せず、高効率のアクチュエータ装置を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明に係るアクチュエータ装置の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明に係るアクチュエータ装置は、例えば電気錠などの駆動装置として用いられる。なお、従来のモータでは、長時間の連続運転を想定した巻線の温度上昇を見積もり、線径などを設定する必要があるが、以下に説明するアクチュエータ装置は、数秒以下の短時間で動作完了する用途を想定しているため、通電に伴う銅損が小さく、発熱量が小さい。したがって、線径の小さい巻線を使用することができ、従来のモータに比べて巻線が装置全体に占める割合が小さくなり、結果的に小型化ができるものである。
【００２４】
（実施形態１）
図１は実施形態１のアクチュエータ装置を示しており、界磁部１と、界磁部１の内側に配置される電機子部２とを備えている。なお、本実施形態では、内側に配置される電機子部２に対して外側に配置される界磁部１を回転させる所謂アウターロータ型の場合について説明する。すなわち、本実施形態では、電機子部２が固定子を構成し、界磁部１が回転子を構成している。
【００２５】
界磁部１は、回転軸（図１（ｂ）中の紙面に垂直な方向の軸）の径方向に着磁された弧状の永久磁石１１を２個備えるとともに、これらの永久磁石１１，１１の外側に配置されて両永久磁石１１，１１間の磁路を形成する円筒状のヨーク１２を備えている。なお、上記の永久磁石１１，１１は、電機子部２を間にして向かい合うように配置されており、各永久磁石１１は互いに異磁極が対向する形になっている。ここにおいて、永久磁石１１の着磁方向には、例えば図３（ａ）に示すように回転軸の径方向に着磁する所謂ラジアル着磁や、図３（ｂ）に示すようにパラレル方向（水平方向）に着磁する所謂パラレル着磁などがあり、以下の説明ではラジアル着磁された永久磁石１１を用いた場合について説明するが、パラレル着磁された永久磁石１１であってもよい。
【００２６】
また、上記ヨーク１２には、両永久磁石１１，１１が配置されない部位（図１（ｂ）中の上下位置）に、当該ヨーク１２の径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部１２ａ，１２ａがそれぞれ設けられている。したがって、上記各永久磁石１１，１１は、両凸部１２ａ，１２ａの間に形成された２組の凹部にそれぞれ固着されるようになっており、組立時における永久磁石１１，１１の位置決めが容易になるという利点がある。ここに、本実施形態では、上述した２つの永久磁石１１，１１と、ヨーク１２によりロータが構成されている。
【００２７】
一方、電機子部２は、上述の各永久磁石（ロータ）１１，１１との間で磁力を作用させる一対の磁極部２１ｂ，２１ｂが両端部（図１（ｂ）中の上下両端部）に形成された円柱状の鉄心２１と、この鉄心２１の中央部に巻回されて上記磁極部２１ｂ，２１ｂを励磁する巻線２２とを備えている。なお、本実施形態では、図２（ａ）に示すように鉄心２１の中央部に全周に渡って凹所２１ａが凹設されており、上述の巻線２２はこの凹所２１ａ内で巻回されるようになっている。したがって、鉄心２１に巻線２２を巻回した状態では、図２（ｂ）に示すように巻線２２が鉄心２１の端面から外側に張り出すことがないから、電機子部２を小型化することができ、その結果小型のアクチュエータ装置を実現できる。また、凹所２１ａを設けることでコイルボビンレスが可能であり、巻線長も短くできるため銅損を低減できる。なお、本実施形態では、巻線２２が１巻線のコイルからなり、巻線２２に流れる電流の向きを切り替えることによって、各磁極部２１ｂへの励磁方向が逆転するようになっている。また、本実施形態のアクチュエータ装置は、上記巻線２２に励磁電流を供給する駆動回路（図示せず）を備えており、この駆動回路から出力される矩形波電圧が巻線２２に印加されると巻線２２に励磁電流が流れ、その結果鉄心２１の両磁極部２１ｂ，２１ｂが磁化されて、界磁部１の各永久磁石１１との作用により当該界磁部１が正回転または逆回転するようになっている。
【００２８】
ここにおいて、本実施形態では、上述の各永久磁石１１，１１は回転軸を中心として対称位置に配置され、また各磁極部２１ｂ，２１ｂはともに同じ大きさに形成されている。すなわち、各永久磁石１１の磁極中心と、回転子（界磁部１）の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ぶように、各永久磁石１１が配置されている。
【００２９】
次に、本実施形態のアクチュエータ装置の動作について図４および図５に基づいて説明する。なお、以下の説明において、図４（ａ）中の左側の永久磁石１１では内側がＮ極、外側がＳ極となるように着磁され、また右側の永久磁石１１では内側がＳ極、外側がＮ極となるように着磁されているものとして説明する（図中の矢印は着磁方向を示す。）。また、図５中のｘ点（回転角０度）とｙ点（回転角１８０度）は、界磁部１の各永久磁石１１と各磁極部２１ｂとが対向するように回転させた位置（磁気平衡点）であって、始動トルクが最小となる位置であり、図５中のｚ点（回転角９０度）は、各永久磁石１１と巻線２２とが対向するように上記ｘ点またはｙ点から９０度回転させた位置であって、始動トルクが最大となる位置である。
【００３０】
まず、図４（ａ）に示す状態（図５中のａ点）から巻線２２に順方向の電流を流すと、右ねじの法則により上向きの磁界が発生し、図中の上側の磁極部２１ｂがＮ極に磁化されるとともに、下側の磁極部２１ｂがＳ極に磁化される。すると、界磁部１には反時計回り（図４（ａ）中のＡ方向）の始動トルクＴｂが発生し（図５中のｂ点）、電機子部２に対して界磁部１が反時計回りに回転する。なおこのとき、界磁部１が回転する際の負荷トルクが上記始動トルクＴｂよりも小さいトルクであることが前提となる。そして、図４（ｂ）の位置まで回転すると、この位置に設けられたストッパー（図示せず）により界磁部（回転子）１の回転が規制され（図５中のｃ点）、この状態で鉄心２１への励磁を停止すると、界磁部１はこの位置で停止する（図５中のｄ点）。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示す状態（図５中のｄ点）から巻線２２に逆方向の電流を流すと、右ねじの法則により下向きの磁界が発生し、図中の上側の磁極部２１ｂがＳ極に磁化されるとともに、下側の磁極部２１ｂがＮ極に磁化される。すると、界磁部１には時計回り（図４（ｃ）中のＢ方向）の始動トルクＴｅが発生し（図５中のｅ点）、電機子部２に対して界磁部１が時計回りに回転する。そして、図４（ｄ）の位置まで回転すると、この位置に設けられたストッパー（図示せず）により界磁部１の回転が規制され（図５中のｆ点）、この状態で鉄心２１への励磁を停止すると、界磁部１はこの位置で停止する（図５中のａ点）。なお、本実施形態では、上述したように各永久磁石１１を回転軸を中心として対象位置に配置し、さらに鉄心２１の各磁極部２１ｂを同じ大きさに形成しているので、上記始動トルクＴｂ＝Ｔｅとなる。ここにおいて、本実施形態では、例えば界磁部１のヨーク１２に設けた突起（図示せず）と、本アクチュエータ装置が収納される機器側に設けた２個１組の突起受け（図示せず）とで上記ストッパーが構成され、各突起受けを上述した角度内（最大トルクを発生させる位置から両方向９０度よりも小さい範囲内）に設けることによって、界磁部１が上記角度内で回動自在に回転できるようになっている。
【００３２】
而して、本実施形態のアクチュエータ装置では、界磁部（回転子）１の回動範囲を最大トルクを発生させるｚ点（磁気平衡点であるｘ点またはｙ点から９０度回転させた点）を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内に設定しているので、回転始動トルク（本実施形態ではトルクＴｂ，Ｔｅ）を大きくすることができる。したがって、負荷トルクが大きい場合でも、界磁部（回転子）１を確実に回転させることができ、その結果高性能なアクチュエータ装置を提供できる。また、減速機を持たない構造であるため、減速機による機械的損失がなく、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。さらに、巻線スペースを必要とする電機子部２を界磁部１の内側に配置することによって、界磁部１の径が大きくなり、界磁部１を回転させるアウターロータ型の場合には、大きな回転トルクを発生させることができる。また、本実施形態のように鉄心２１に巻回する巻線２２が１巻線の場合には、巻線作業や組立作業が容易になるという利点がある。さらに、内側に配置した電機子部２を回転させるインナーロータ型の場合には、接触子が必要であることから摺動接触に伴う損失が発生し、また長期信頼性も懸念されるが、本実施形態のようにアウターロータ型の場合には、外側の界磁部１側を回転させているので上記損失は発生せず、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。
【００３３】
ここにおいて、界磁部１が図５中のａ点またはｄ点にある状態（非励磁状態）では、厳密にはトルクはゼロではなく、界磁部１の永久磁石１１と電機子部２の鉄心２１の作用によって所謂コギングトルク（図５中の実線Ｋ参照）が生じるが、このコギングトルクは磁気安定位置（例えば図５中のｘ点またはｙ点）に向かうように作用する。ここに、図６は可動域が９０度の場合における正転動作時のトルク特性であり、図中の実線Ｌ，Ｍ，Ｎは、それぞれ巻線２２に３２００ＡＴ，２５００ＡＴ，２０００ＡＴの電流を流した場合のトルク特性を示し、図中の実線Ｏはコギングトルクを示している。本図によれば、始動時には磁気安定点（図中の０度の位置）に向かうように、すなわち始動トルクと反対方向（図６中の矢印Ｐ方向）にコギングトルクが作用し、その結果始動トルクの低下を招く。したがって、始動トルクの低下を抑えるためには、上記コギングトルクを小さくすることが求められる。そこで、本実施形態では、上記ストッパーを弾性材料で形成し、当該ストッパーからの反力によって上記コギングトルクを低減することで、始動トルクの低下が抑えられるようになっている。また、ストッパーを弾性材料で形成することによって、ストッパーへの衝突音を低減できるとともに、衝突時の衝撃を和らげることができるので、機械寿命を延ばすこともできる。さらに、コギングトルクが作用する場合に比べて出力トルクを小さくすることができるので、低出力の駆動回路を用いることができ、その結果コストダウンを図ることができる。
【００３４】
ここで、図７は、図４（ｂ）に示す状態（すなわち、順方向に励磁されている状態）における主磁路を示しており、このとき界磁部１と電機子部２の磁界が強め合うことで、破線Ｃの経路で最大の磁束量が発生する。合わせて、ヨーク１２においても、両永久磁石１１，１１間にある部位の磁束密度が最大となり、磁気飽和を起こす虞があるが、本実施形態ではこの部分に径方向内側に向かって突出する凸部１２ａを設けているので、磁路の断面積が大きくなり、その結果磁束密度が低下して磁気飽和が軽減されるので、磁気効率が改善されて高効率のアクチュエータ装置を実現できる。なお、永久磁石１１内の矢印は、各永久磁石１１の着磁方向を示している。ここにおいて、ヨーク１２は、図８に示すように凸部１２ａがないものであってもよいが、上述のような磁気飽和を考慮すると、図１（ｂ）に示すように凸部１２ａを設けるのが好ましい。
【００３５】
次に、図１０は本実施形態のアクチュエータ装置の他の例を示しており、本例では各永久磁石１１を、それぞれ２つの永久磁石１１ａ，１１ｂに分割した点で図１に示したアクチュエータ装置と異なっている。それ以外の点は図１に示したアクチュエータ装置と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００３６】
本例では、各永久磁石１１が巻線２２に対向するように界磁部１を回転させた状態（すなわち、最大トルクを発生させる位置に回転させた状態）において、それぞれ巻線２２に対向する部位に磁極が配置されないように、上記各永久磁石１１を永久磁石１１ａ，１１ｂに分割して配置している。なお、図中の矢印は、各永久磁石１１ａ，１１ｂの着磁方向を示している。
【００３７】
而して、本例によれば、各永久磁石１１をそれぞれ分割することによって、永久磁石１１の体積を減らして軽量化できるため、慣性モーメントを小さくでき、その結果起動時の動作遅延を改善することができる。また、後述のように各永久磁石１１ａ，１１ｂの配置位置に応じて、回転に伴う発生トルク特性を所望に設計できるため、電機子部２の過度な励磁が不要になり、その結果通電損失を減らして高効率化を図ることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、各永久磁石１１を２つに分割した場合について説明したが、分割数は本実施形態に限定されるものではなく、最大トルクを発生させる位置に回転させた状態において、巻線２２に対向する部位に磁極が配置されていなければ３つ以上に分割してもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、鉄心２１の中央部に全周に渡って凹所２１ａを設けており、この場合鉄心２１の体積が減少することによって磁気飽和を起こす可能性があるが、例えば９８に示すように巻線２２をコイルボビン（図示せず）を介して鉄心２１の表面に巻回するように構成することで、磁気飽和を防止することができる。
【００４０】
（実施形態２）
本発明に係るアクチュエータ装置の実施形態２について図１１〜図１４に基づいて説明する。上述の実施形態１では、各永久磁石１１を上記回転軸を中心として対称位置に配置し、さらに鉄心２１の各磁極部２１ｂを同じ大きさに形成しているが、本実施形態では、各永久磁石１１を非対称位置に配置したり、各磁極部２１ｂを互いに異なる大きさに形成している。なお、それ以外の構成については実施形態１と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００４１】
図１１（ａ）は本実施形態の一例であり、各永久磁石１１が回転軸を中心として非対称位置に配置されている。すなわち、本例では、各永久磁石１１の磁極中心と、回転中心Ｐとを通る各直線Ｄ，Ｅが一直線状に並ばないように、各永久磁石１１が配置されている。なお、図中の矢印は、各永久磁石１１の着磁方向を示している。
【００４２】
ここで、図１２は永久磁石１１の具体的な配置例であり、図１３はこれらに対応するトルク特性を示している。図１２（ａ）では、θａ＝４５度、θｂ＝３０度に設定されており、各永久磁石１１を上側に偏心させている。また、図１２（ｂ）では、θａ＝４５度、θｂ＝６０度に設定されており、各永久磁石１１を下側に偏心させている。
【００４３】
図１３中の破線Ｈは、θａ＝θｂ＝４５度、つまり各永久磁石１１を対称に配置した場合のトルク特性であり、また実線Ｉは図１２（ａ）の場合、二点鎖線Ｊは図１２（ｂ）の場合のトルク特性である。このグラフから、永久磁石１１を偏心、つまり磁極を偏心させることによって、おなじ機械角（回転角）でも出力トルクが異なることが分かる。
【００４４】
而して、本実施形態によれば、上述のように界磁部１の磁極位置に応じて発生トルクがピークとなる回転角度位置が変わる特性を利用することによって、トルク特性を要求特性に沿って設計することができ、その結果電機子部２を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。
【００４５】
なお、本実施形態のように２部品からなる永久磁石１１，１１を偏心させた場合には、界磁部１の重心が回転中心からずれることになるが、例えば重り（図示せず）を用いて界磁部１の重心を回転中心に一致させることによって、偏心の影響を受けることなく界磁部１を回転させることができる。また、図１１（ｂ）に示すように永久磁石１１が１部品からなる場合には、上記重りは不要になる。なお、この場合、図１１（ｂ）に示すように一方の磁極の磁極中心と回転中心Ｐとを通る直線Ｆと、他方の磁極の磁極中心と回転中心とを通る直線Ｇとが一直線状に並ばないように、各磁極を着磁すればよい。なお、図中の矢印は、永久磁石１１に形成された各磁極の着磁方向を示している。
【００４６】
次に、図１４は本実施形態のアクチュエータ装置の他の例を示しており、上述のアクチュエータ装置では、界磁部（回転子）１を構成する永久磁石１１を偏心させているが、本例では電機子部（固定子）２を構成する鉄心２１の各磁極部２１ｂを互いに異なる大きさに形成しており、それ以外の構成は同様であるから、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００４７】
図１４に示す例では、上側の磁極部２１ｂが下側の磁極部２１ｂよりも小さくなっている。すなわち、上下の磁極部２１ｂの大きさを互いに異なる大きさとすることによって、鉄心２１側の磁極を片側に偏心させているのである。
【００４８】
而して、本例によれば、一対の磁極部２１ｂ，２１ｂを互いに異なる大きさに形成することによって、鉄心２１側に生じる磁極を偏心させることができ、その結果発生トルクがピークとなる回転角度位置を変えることができるので、電機子部２を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、本例のように固定子を構成する鉄心２１を偏心させた場合には、回転子である界磁部１は偏心の影響を受けることなく、永久磁石１１が２部品からなる場合でも重りが不要であるという利点がある。
【００４９】
なお、上述の実施形態１，２では、電機子部２が固定子であって、界磁部１が回転子であるアクチュエータ装置について説明したが、逆に電機子部２が回転子であって、界磁部１が固定子であるアクチュエータ装置であってもよい。また、実施形態１，２では、１巻線からなる巻線２２を用い、励磁方向に応じて巻線２２に流す電流の方向を切り替えているが、例えば巻線２２は２巻線のものであってもよく、励磁方向に応じて電流を流す巻線を切り替えるようにしてもよい。さらに、上述したストッパーの位置は、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内であれば、商品仕様などに応じて適宜設定すればよい。
【００５０】
また、実施形態１では、永久磁石１１が２個の場合について説明したが、本実施形態で説明した図１１（ｂ）に示すような１部品で構成し、各磁極の磁極中心と回転中心とを通る各直線が一直線上に並ぶように（すなわち、各磁極を対称位置に配置）、各磁極を着磁するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施形態１のアクチュエータ装置の回転子および固定子を示し、（ａ）は断面斜視図、（ｂ）は正面から見た断面図である。
【図２】同上の鉄心を示し、（ａ）は巻線を巻回する前の斜視図、（ｂ）は巻線を巻回した後の斜視図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は永久磁石の着磁方向を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は同上の回転子の動作を説明する説明図である。
【図５】同上の回転子の動作を説明するグラフである。
【図６】同上の回転子に作用する励磁トルクとコギングトルクとを示すグラフである。
【図７】同上の回転子および固定子に発生する磁束を説明する説明図である。
【図８】同上の他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【図９】同上のさらに他の回転子および固定子の断面斜視図である。
【図１０】同上のさらにまた他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【図１１】（ａ）は実施形態２のアクチュエータ装置の回転子および固定子の正面から見た断面図、（ｂ）は同上に用いられる他の永久磁石の正面から見た断面図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は同上の回転子を構成する永久磁石の具体的な配置例である。
【図１３】同上の回転子の回転角と出力トルクの関係を示す関係図である。
【図１４】同上の他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 界磁部（回転子）
２ 電機子部（固定子）
１１ 永久磁石
２１ 鉄心
２１ｂ 磁極部
２２ 巻線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
限定角度の往復回転運動を実現するためには、汎用の回転モータと減速機とを組み合わせた駆動機構を採用するのが通例であり、このような駆動機構は従来から提供されている。この駆動機構は、回転モータ自体には高い出力トルクを要求することなく、小型で安価な回転モータを使用する機構であり、減速機を構成する減速ギアの段数や減速比などを調整することで、回転モータの出力を所望のトルクに増幅できるようになっている。
【０００３】
しかしながら、このような駆動機構では、減速機による機械的損失（例えば、歯車の噛合いや軸受の磨耗など）が当該駆動機構の効率に大きく影響し、例えばモータ効率が７０％、減速機効率が６０％の場合には、駆動機構としての効率は４２％まで低下してしまう。
【０００４】
そこで、効率の低下を抑えるために、減速機を持たない構造のアクチュエータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このアクチュエータ装置は、それぞれ異磁極に着磁され、向かい合う形で配置される２個１組の永久磁石、および、上記両永久磁石間の磁路を形成する円筒状のヨークからなる回転子と、固定子鉄心および当該固定子鉄心に巻回される巻線からなる固定子とで構成され、固定子と回転子との間で作用する磁気力により固定子に対して回転子を回転させることで、所望の出力トルクが得られるようになっている。
【特許文献１】特開平９−１６３７０８号公報（段落［０００７］−段落［００１４］、及び、第１図−第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１に示したアクチュエータ装置では、減速機を持たない構造であるため、効率の低下を抑えることができるものではあるが、非通電状態から通電させた際の始動トルクが小さいため、例えば負荷トルクが大きい場合には回転子が正常に回転しない虞があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、大きな始動トルクを発生させることができ、且つ効率の低下を抑えたアクチュエータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、界磁部または当該界磁部の内側に配置される電機子部の何れか一方からなる固定子と、他方からなり固定子に対して回転する回転子とを備え、回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力するアクチュエータ装置において、界磁部は、永久磁石を具備し回転軸の周方向において２つの異磁極が並べて設けられるロータを備え、電機子部は、ロータとの間で磁力を作用させる一対の磁極部が両端部に形成された鉄心と、当該鉄心の中央部に巻回されて一対の磁極部を励磁する巻線とを備え、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で回転子の回転を規制するストッパーを設けることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、ストッパーは弾性材料からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、ロータは、永久磁石を２つ具備するとともに、当該２つの永久磁石の外側に配置されて両永久磁石間の磁路を形成する筒状のヨークを具備し、当該ヨークは、各永久磁石が配置されない部位に、当該ヨークの径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部が設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、ロータの各磁極は、当該各磁極の磁極中心と、回転子の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ばないように、それぞれ設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、最大トルクを発生させる位置にロータの各磁極が位置する状態において、電機子部の巻線と対向する部位に各磁極が配置されないように、ロータが具備する永久磁石を複数に分割して配置することを特徴とする。
【００１３】
請求項７の発明は、鉄心は、当該鉄心の中央部に全周に渡って形成された凹所を備え、巻線は、当該凹所内で巻回されることを特徴とする。
【００１４】
請求項８の発明は、電機子部が固定子を構成し、界磁部が回転子を構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、回転子の回動範囲を、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内に設定することによって、始動トルクを大きくすることができるので、負荷トルクが大きい場合でも回転子を確実に回転させることができ、その結果高性能なアクチュエータ装置を提供できる。また、減速機を持たない構造であるため、減速機による機械的損失がなく、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。さらに、巻線スペースを必要とする電機子部を界磁部の内側に配置することによって、界磁部の径が大きくなり、界磁部を回転させるアウターロータ型の場合には、大きな回転トルクを発生させることができる。また、鉄心に巻回する巻線が１巻線の場合には、巻線作業や組立作業が容易になるという効果がある。
【００１６】
非励磁状態では、界磁部をストッパー側に押し付けるコギングトルクが発生するため、このコギングトルクにより始動トルクが低下することになるが、請求項２の発明によれば、ストッパーを弾性材料で形成することによって、上記コギングトルクがストッパーからの反力により低減されることになり、その結果始動トルクの低下を抑えることができる。また、ストッパーを弾性材料で形成することによって、ストッパーへの衝突音を低減できるとともに、衝突時の衝撃を和らげることができるので、機械寿命を延ばすこともできる。さらに、コギングトルクが作用する場合に比べて出力トルクを小さくすることができるので、低出力の駆動回路を用いることができ、その結果コストダウンを図ることができるという効果がある。
【００１７】
請求項３の発明によれば、永久磁石が配置されない部位に凸部を設けることによって、当該凸部では磁路の断面積が大きくなり、その結果磁束密度が低下して磁気飽和が軽減されるので、磁気効率が改善されて高効率のアクチュエータ装置を実現できる。また、各永久磁石は、凸部と凸部の間に形成される凹部に配置されることになるから、組立時における永久磁石の位置決めが容易になるという効果がある。
【００１８】
請求項４の発明によれば、界磁部の磁極位置に応じて発生トルクがピークとなる回転角度位置が変わる特性を利用することによって、トルク特性を要求特性に沿って設計することができ、その結果電機子部を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、例えば外側の界磁部を回転させるアウターロータ型の場合、界磁部を構成する永久磁石が２部品であれば、重りを用いて界磁部の重心を回転中心に一致させることによって、偏心の影響を受けることなく界磁部を回転させることができ、さらに永久磁石が１部品であれば、着磁配向を考慮して磁極を形成することによって、上記重りも不要になるという効果がある。
【００１９】
請求項５の発明によれば、一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することによって、請求項４と同様に発生トルクがピークとなる回転角度位置を変えることができ、その結果電機子部を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、アウターロータ型の場合には、回転子である界磁部が偏心の影響を受けることなく、界磁部を構成する永久磁石が２部品の場合であっても重りが不要であるという効果がある。
【００２０】
請求項６の発明によれば、回転に伴う発生トルク特性を所望に設計できるため、電機子部の過度な励磁が不要になり、その結果通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、永久磁石の体積を減らして軽量化できるため、慣性モーメントを小さくでき、その結果起動時の動作遅延を改善することができるという効果がある。
【００２１】
請求項７の発明によれば、巻線を凹所内で巻回することによって、当該巻線が鉄心の端面から外側に張り出すことがないから、電機子部を小型化することができ、その結果小型のアクチュエータ装置を実現できる。また、凹所を設けることでコイルボビンレスが可能であり、巻線長も短くできるため銅損を低減できるという効果がある。
【００２２】
例えば内側の電機子部を回転させるインナーロータ型の場合には、接触子が必要であることから摺動接触に伴う損失が発生し、また長期信頼性も懸念されるが、請求項８の発明によれば、外側の界磁部側を回転させているので上記損失は発生せず、高効率のアクチュエータ装置を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明に係るアクチュエータ装置の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明に係るアクチュエータ装置は、例えば電気錠などの駆動装置として用いられる。なお、従来のモータでは、長時間の連続運転を想定した巻線の温度上昇を見積もり、線径などを設定する必要があるが、以下に説明するアクチュエータ装置は、数秒以下の短時間で動作完了する用途を想定しているため、通電に伴う銅損が小さく、発熱量が小さい。したがって、線径の小さい巻線を使用することができ、従来のモータに比べて巻線が装置全体に占める割合が小さくなり、結果的に小型化ができるものである。
【００２４】
（実施形態１）
図１は実施形態１のアクチュエータ装置を示しており、界磁部１と、界磁部１の内側に配置される電機子部２とを備えている。なお、本実施形態では、内側に配置される電機子部２に対して外側に配置される界磁部１を回転させる所謂アウターロータ型の場合について説明する。すなわち、本実施形態では、電機子部２が固定子を構成し、界磁部１が回転子を構成している。
【００２５】
界磁部１は、回転軸（図１（ｂ）中の紙面に垂直な方向の軸）の径方向に着磁された弧状の永久磁石１１を２個備えるとともに、これらの永久磁石１１，１１の外側に配置されて両永久磁石１１，１１間の磁路を形成する円筒状のヨーク１２を備えている。なお、上記の永久磁石１１，１１は、電機子部２を間にして向かい合うように配置されており、各永久磁石１１は互いに異磁極が対向する形になっている。ここにおいて、永久磁石１１の着磁方向には、例えば図３（ａ）に示すように回転軸の径方向に着磁する所謂ラジアル着磁や、図３（ｂ）に示すようにパラレル方向（水平方向）に着磁する所謂パラレル着磁などがあり、以下の説明ではラジアル着磁された永久磁石１１を用いた場合について説明するが、パラレル着磁された永久磁石１１であってもよい。
【００２６】
また、上記ヨーク１２には、両永久磁石１１，１１が配置されない部位（図１（ｂ）中の上下位置）に、当該ヨーク１２の径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部１２ａ，１２ａがそれぞれ設けられている。したがって、上記各永久磁石１１，１１は、両凸部１２ａ，１２ａの間に形成された２組の凹部にそれぞれ固着されるようになっており、組立時における永久磁石１１，１１の位置決めが容易になるという利点がある。ここに、本実施形態では、上述した２つの永久磁石１１，１１と、ヨーク１２によりロータが構成されている。
【００２７】
一方、電機子部２は、上述の各永久磁石（ロータ）１１，１１との間で磁力を作用させる一対の磁極部２１ｂ，２１ｂが両端部（図１（ｂ）中の上下両端部）に形成された円柱状の鉄心２１と、この鉄心２１の中央部に巻回されて上記磁極部２１ｂ，２１ｂを励磁する巻線２２とを備えている。なお、本実施形態では、図２（ａ）に示すように鉄心２１の中央部に全周に渡って凹所２１ａが凹設されており、上述の巻線２２はこの凹所２１ａ内で巻回されるようになっている。したがって、鉄心２１に巻線２２を巻回した状態では、図２（ｂ）に示すように巻線２２が鉄心２１の端面から外側に張り出すことがないから、電機子部２を小型化することができ、その結果小型のアクチュエータ装置を実現できる。また、凹所２１ａを設けることでコイルボビンレスが可能であり、巻線長も短くできるため銅損を低減できる。なお、本実施形態では、巻線２２が１巻線のコイルからなり、巻線２２に流れる電流の向きを切り替えることによって、各磁極部２１ｂへの励磁方向が逆転するようになっている。また、本実施形態のアクチュエータ装置は、上記巻線２２に励磁電流を供給する駆動回路（図示せず）を備えており、この駆動回路から出力される矩形波電圧が巻線２２に印加されると巻線２２に励磁電流が流れ、その結果鉄心２１の両磁極部２１ｂ，２１ｂが磁化されて、界磁部１の各永久磁石１１との作用により当該界磁部１が正回転または逆回転するようになっている。
【００２８】
ここにおいて、本実施形態では、上述の各永久磁石１１，１１は回転軸を中心として対称位置に配置され、また各磁極部２１ｂ，２１ｂはともに同じ大きさに形成されている。すなわち、各永久磁石１１の磁極中心と、回転子（界磁部１）の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ぶように、各永久磁石１１が配置されている。
【００２９】
次に、本実施形態のアクチュエータ装置の動作について図４および図５に基づいて説明する。なお、以下の説明において、図４（ａ）中の左側の永久磁石１１では内側がＮ極、外側がＳ極となるように着磁され、また右側の永久磁石１１では内側がＳ極、外側がＮ極となるように着磁されているものとして説明する（図中の矢印は着磁方向を示す。）。また、図５中のｘ点（回転角０度）とｙ点（回転角１８０度）は、界磁部１の各永久磁石１１と各磁極部２１ｂとが対向するように回転させた位置（磁気平衡点）であって、始動トルクが最小となる位置であり、図５中のｚ点（回転角９０度）は、各永久磁石１１と巻線２２とが対向するように上記ｘ点またはｙ点から９０度回転させた位置であって、始動トルクが最大となる位置である。
【００３０】
まず、図４（ａ）に示す状態（図５中のａ点）から巻線２２に順方向の電流を流すと、右ねじの法則により上向きの磁界が発生し、図中の上側の磁極部２１ｂがＮ極に磁化されるとともに、下側の磁極部２１ｂがＳ極に磁化される。すると、界磁部１には反時計回り（図４（ａ）中のＡ方向）の始動トルクＴｂが発生し（図５中のｂ点）、電機子部２に対して界磁部１が反時計回りに回転する。なおこのとき、界磁部１が回転する際の負荷トルクが上記始動トルクＴｂよりも小さいトルクであることが前提となる。そして、図４（ｂ）の位置まで回転すると、この位置に設けられたストッパー（図示せず）により界磁部（回転子）１の回転が規制され（図５中のｃ点）、この状態で鉄心２１への励磁を停止すると、界磁部１はこの位置で停止する（図５中のｄ点）。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示す状態（図５中のｄ点）から巻線２２に逆方向の電流を流すと、右ねじの法則により下向きの磁界が発生し、図中の上側の磁極部２１ｂがＳ極に磁化されるとともに、下側の磁極部２１ｂがＮ極に磁化される。すると、界磁部１には時計回り（図４（ｃ）中のＢ方向）の始動トルクＴｅが発生し（図５中のｅ点）、電機子部２に対して界磁部１が時計回りに回転する。そして、図４（ｄ）の位置まで回転すると、この位置に設けられたストッパー（図示せず）により界磁部１の回転が規制され（図５中のｆ点）、この状態で鉄心２１への励磁を停止すると、界磁部１はこの位置で停止する（図５中のａ点）。なお、本実施形態では、上述したように各永久磁石１１を回転軸を中心として対象位置に配置し、さらに鉄心２１の各磁極部２１ｂを同じ大きさに形成しているので、上記始動トルクＴｂ＝Ｔｅとなる。ここにおいて、本実施形態では、例えば界磁部１のヨーク１２に設けた突起（図示せず）と、本アクチュエータ装置が収納される機器側に設けた２個１組の突起受け（図示せず）とで上記ストッパーが構成され、各突起受けを上述した角度内（最大トルクを発生させる位置から両方向９０度よりも小さい範囲内）に設けることによって、界磁部１が上記角度内で回動自在に回転できるようになっている。
【００３２】
而して、本実施形態のアクチュエータ装置では、界磁部（回転子）１の回動範囲を最大トルクを発生させるｚ点（磁気平衡点であるｘ点またはｙ点から９０度回転させた点）を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内に設定しているので、回転始動トルク（本実施形態ではトルクＴｂ，Ｔｅ）を大きくすることができる。したがって、負荷トルクが大きい場合でも、界磁部（回転子）１を確実に回転させることができ、その結果高性能なアクチュエータ装置を提供できる。また、減速機を持たない構造であるため、減速機による機械的損失がなく、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。さらに、巻線スペースを必要とする電機子部２を界磁部１の内側に配置することによって、界磁部１の径が大きくなり、界磁部１を回転させるアウターロータ型の場合には、大きな回転トルクを発生させることができる。また、本実施形態のように鉄心２１に巻回する巻線２２が１巻線の場合には、巻線作業や組立作業が容易になるという利点がある。さらに、内側に配置した電機子部２を回転させるインナーロータ型の場合には、接触子が必要であることから摺動接触に伴う損失が発生し、また長期信頼性も懸念されるが、本実施形態のようにアウターロータ型の場合には、外側の界磁部１側を回転させているので上記損失は発生せず、高効率のアクチュエータ装置を実現できる。
【００３３】
ここにおいて、界磁部１が図５中のａ点またはｄ点にある状態（非励磁状態）では、厳密にはトルクはゼロではなく、界磁部１の永久磁石１１と電機子部２の鉄心２１の作用によって所謂コギングトルク（図５中の実線Ｋ参照）が生じるが、このコギングトルクは磁気安定位置（例えば図５中のｘ点またはｙ点）に向かうように作用する。ここに、図６は可動域が９０度の場合における正転動作時のトルク特性であり、図中の実線Ｌ，Ｍ，Ｎは、それぞれ巻線２２に３２００ＡＴ，２５００ＡＴ，２０００ＡＴの電流を流した場合のトルク特性を示し、図中の実線Ｏはコギングトルクを示している。本図によれば、始動時には磁気安定点（図中の０度の位置）に向かうように、すなわち始動トルクと反対方向（図６中の矢印Ｐ方向）にコギングトルクが作用し、その結果始動トルクの低下を招く。したがって、始動トルクの低下を抑えるためには、上記コギングトルクを小さくすることが求められる。そこで、本実施形態では、上記ストッパーを弾性材料で形成し、当該ストッパーからの反力によって上記コギングトルクを低減することで、始動トルクの低下が抑えられるようになっている。また、ストッパーを弾性材料で形成することによって、ストッパーへの衝突音を低減できるとともに、衝突時の衝撃を和らげることができるので、機械寿命を延ばすこともできる。さらに、コギングトルクが作用する場合に比べて出力トルクを小さくすることができるので、低出力の駆動回路を用いることができ、その結果コストダウンを図ることができる。
【００３４】
ここで、図７は、図４（ｂ）に示す状態（すなわち、順方向に励磁されている状態）における主磁路を示しており、このとき界磁部１と電機子部２の磁界が強め合うことで、破線Ｃの経路で最大の磁束量が発生する。合わせて、ヨーク１２においても、両永久磁石１１，１１間にある部位の磁束密度が最大となり、磁気飽和を起こす虞があるが、本実施形態ではこの部分に径方向内側に向かって突出する凸部１２ａを設けているので、磁路の断面積が大きくなり、その結果磁束密度が低下して磁気飽和が軽減されるので、磁気効率が改善されて高効率のアクチュエータ装置を実現できる。なお、永久磁石１１内の矢印は、各永久磁石１１の着磁方向を示している。ここにおいて、ヨーク１２は、図８に示すように凸部１２ａがないものであってもよいが、上述のような磁気飽和を考慮すると、図１（ｂ）に示すように凸部１２ａを設けるのが好ましい。
【００３５】
次に、図１０は本実施形態のアクチュエータ装置の他の例を示しており、本例では各永久磁石１１を、それぞれ２つの永久磁石１１ａ，１１ｂに分割した点で図１に示したアクチュエータ装置と異なっている。それ以外の点は図１に示したアクチュエータ装置と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００３６】
本例では、各永久磁石１１が巻線２２に対向するように界磁部１を回転させた状態（すなわち、最大トルクを発生させる位置に回転させた状態）において、それぞれ巻線２２に対向する部位に磁極が配置されないように、上記各永久磁石１１を永久磁石１１ａ，１１ｂに分割して配置している。なお、図中の矢印は、各永久磁石１１ａ，１１ｂの着磁方向を示している。
【００３７】
而して、本例によれば、各永久磁石１１をそれぞれ分割することによって、永久磁石１１の体積を減らして軽量化できるため、慣性モーメントを小さくでき、その結果起動時の動作遅延を改善することができる。また、後述のように各永久磁石１１ａ，１１ｂの配置位置に応じて、回転に伴う発生トルク特性を所望に設計できるため、電機子部２の過度な励磁が不要になり、その結果通電損失を減らして高効率化を図ることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、各永久磁石１１を２つに分割した場合について説明したが、分割数は本実施形態に限定されるものではなく、最大トルクを発生させる位置に回転させた状態において、巻線２２に対向する部位に磁極が配置されていなければ３つ以上に分割してもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、鉄心２１の中央部に全周に渡って凹所２１ａを設けており、この場合鉄心２１の体積が減少することによって磁気飽和を起こす可能性があるが、例えば９８に示すように巻線２２をコイルボビン（図示せず）を介して鉄心２１の表面に巻回するように構成することで、磁気飽和を防止することができる。
【００４０】
（実施形態２）
本発明に係るアクチュエータ装置の実施形態２について図１１〜図１４に基づいて説明する。上述の実施形態１では、各永久磁石１１を上記回転軸を中心として対称位置に配置し、さらに鉄心２１の各磁極部２１ｂを同じ大きさに形成しているが、本実施形態では、各永久磁石１１を非対称位置に配置したり、各磁極部２１ｂを互いに異なる大きさに形成している。なお、それ以外の構成については実施形態１と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００４１】
図１１（ａ）は本実施形態の一例であり、各永久磁石１１が回転軸を中心として非対称位置に配置されている。すなわち、本例では、各永久磁石１１の磁極中心と、回転中心Ｐとを通る各直線Ｄ，Ｅが一直線状に並ばないように、各永久磁石１１が配置されている。なお、図中の矢印は、各永久磁石１１の着磁方向を示している。
【００４２】
ここで、図１２は永久磁石１１の具体的な配置例であり、図１３はこれらに対応するトルク特性を示している。図１２（ａ）では、θａ＝４５度、θｂ＝３０度に設定されており、各永久磁石１１を上側に偏心させている。また、図１２（ｂ）では、θａ＝４５度、θｂ＝６０度に設定されており、各永久磁石１１を下側に偏心させている。
【００４３】
図１３中の破線Ｈは、θａ＝θｂ＝４５度、つまり各永久磁石１１を対称に配置した場合のトルク特性であり、また実線Ｉは図１２（ａ）の場合、二点鎖線Ｊは図１２（ｂ）の場合のトルク特性である。このグラフから、永久磁石１１を偏心、つまり磁極を偏心させることによって、おなじ機械角（回転角）でも出力トルクが異なることが分かる。
【００４４】
而して、本実施形態によれば、上述のように界磁部１の磁極位置に応じて発生トルクがピークとなる回転角度位置が変わる特性を利用することによって、トルク特性を要求特性に沿って設計することができ、その結果電機子部２を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。
【００４５】
なお、本実施形態のように２部品からなる永久磁石１１，１１を偏心させた場合には、界磁部１の重心が回転中心からずれることになるが、例えば重り（図示せず）を用いて界磁部１の重心を回転中心に一致させることによって、偏心の影響を受けることなく界磁部１を回転させることができる。また、図１１（ｂ）に示すように永久磁石１１が１部品からなる場合には、上記重りは不要になる。なお、この場合、図１１（ｂ）に示すように一方の磁極の磁極中心と回転中心Ｐとを通る直線Ｆと、他方の磁極の磁極中心と回転中心とを通る直線Ｇとが一直線状に並ばないように、各磁極を着磁すればよい。なお、図中の矢印は、永久磁石１１に形成された各磁極の着磁方向を示している。
【００４６】
次に、図１４は本実施形態のアクチュエータ装置の他の例を示しており、上述のアクチュエータ装置では、界磁部（回転子）１を構成する永久磁石１１を偏心させているが、本例では電機子部（固定子）２を構成する鉄心２１の各磁極部２１ｂを互いに異なる大きさに形成しており、それ以外の構成は同様であるから、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００４７】
図１４に示す例では、上側の磁極部２１ｂが下側の磁極部２１ｂよりも小さくなっている。すなわち、上下の磁極部２１ｂの大きさを互いに異なる大きさとすることによって、鉄心２１側の磁極を片側に偏心させているのである。
【００４８】
而して、本例によれば、一対の磁極部２１ｂ，２１ｂを互いに異なる大きさに形成することによって、鉄心２１側に生じる磁極を偏心させることができ、その結果発生トルクがピークとなる回転角度位置を変えることができるので、電機子部２を過度に励磁して局所的なトルク不足を補う必要がなく、通電損失を減らして高効率化を図ることができる。また、本例のように固定子を構成する鉄心２１を偏心させた場合には、回転子である界磁部１は偏心の影響を受けることなく、永久磁石１１が２部品からなる場合でも重りが不要であるという利点がある。
【００４９】
なお、上述の実施形態１，２では、電機子部２が固定子であって、界磁部１が回転子であるアクチュエータ装置について説明したが、逆に電機子部２が回転子であって、界磁部１が固定子であるアクチュエータ装置であってもよい。また、実施形態１，２では、１巻線からなる巻線２２を用い、励磁方向に応じて巻線２２に流す電流の方向を切り替えているが、例えば巻線２２は２巻線のものであってもよく、励磁方向に応じて電流を流す巻線を切り替えるようにしてもよい。さらに、上述したストッパーの位置は、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内であれば、商品仕様などに応じて適宜設定すればよい。
【００５０】
また、実施形態１では、永久磁石１１が２個の場合について説明したが、本実施形態で説明した図１１（ｂ）に示すような１部品で構成し、各磁極の磁極中心と回転中心とを通る各直線が一直線上に並ぶように（すなわち、各磁極を対称位置に配置）、各磁極を着磁するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施形態１のアクチュエータ装置の回転子および固定子を示し、（ａ）は断面斜視図、（ｂ）は正面から見た断面図である。
【図２】同上の鉄心を示し、（ａ）は巻線を巻回する前の斜視図、（ｂ）は巻線を巻回した後の斜視図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は永久磁石の着磁方向を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は同上の回転子の動作を説明する説明図である。
【図５】同上の回転子の動作を説明するグラフである。
【図６】同上の回転子に作用する励磁トルクとコギングトルクとを示すグラフである。
【図７】同上の回転子および固定子に発生する磁束を説明する説明図である。
【図８】同上の他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【図９】同上のさらに他の回転子および固定子の断面斜視図である。
【図１０】同上のさらにまた他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【図１１】（ａ）は実施形態２のアクチュエータ装置の回転子および固定子の正面から見た断面図、（ｂ）は同上に用いられる他の永久磁石の正面から見た断面図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は同上の回転子を構成する永久磁石の具体的な配置例である。
【図１３】同上の回転子の回転角と出力トルクの関係を示す関係図である。
【図１４】同上の他の回転子および固定子の正面から見た断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 界磁部（回転子）
２ 電機子部（固定子）
１１ 永久磁石
２１ 鉄心
２１ｂ 磁極部
２２ 巻線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁部または当該界磁部の内側に配置される電機子部の何れか一方からなる固定子と、他方からなり前記固定子に対して回転する回転子とを備え、前記回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力するアクチュエータ装置において、前記界磁部は、永久磁石を具備し前記回転軸の周方向において２つの異磁極が並べて設けられるロータを備え、前記電機子部は、前記ロータとの間で磁力を作用させる一対の磁極部が両端部に形成された鉄心と、当該鉄心の中央部に巻回されて前記一対の磁極部を励磁する巻線とを備え、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で前記回転子の回転を規制するストッパーを設けることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記ストッパーは弾性材料からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記ロータは、前記永久磁石を２つ具備するとともに、当該２つの永久磁石の外側に配置されて両永久磁石間の磁路を形成する筒状のヨークを具備し、当該ヨークは、前記各永久磁石が配置されない部位に、当該ヨークの径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部が設けられることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記ロータの各磁極は、当該各磁極の磁極中心と、前記回転子の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ばないように、それぞれ設けられることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
最大トルクを発生させる位置に前記ロータの各磁極が位置する状態において、前記電機子部の巻線と対向する部位に前記各磁極が配置されないように、前記ロータが具備する前記永久磁石を複数に分割して配置することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
前記鉄心は、当該鉄心の中央部に全周に渡って形成された凹所を備え、前記巻線は、当該凹所内で巻回されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
前記電機子部が前記固定子を構成し、前記界磁部が前記回転子を構成することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１】
界磁部または当該界磁部の内側に配置される電機子部の何れか一方からなる固定子と、他方からなり前記固定子に対して回転する回転子とを備え、前記回転子に設けた回転軸周りのトルクを出力するアクチュエータ装置において、前記界磁部は、永久磁石を具備し前記回転軸の周方向において２つの異磁極が並べて設けられるロータを備え、前記電機子部は、前記ロータとの間で磁力を作用させる一対の磁極部が両端部に形成された鉄心と、当該鉄心の中央部に巻回されて前記一対の磁極部を励磁する巻線とを備え、最大トルクを発生させる位置を挟んで両方向９０度よりも小さい範囲内で前記回転子の回転を規制するストッパーを設けることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記ストッパーは弾性材料からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記ロータは、前記永久磁石を２つ具備するとともに、当該２つの永久磁石の外側に配置されて両永久磁石間の磁路を形成する筒状のヨークを具備し、当該ヨークは、前記各永久磁石が配置されない部位に、当該ヨークの径方向における厚みを厚くするように径方向内側に向かって突出する凸部が設けられることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記ロータの各磁極は、当該各磁極の磁極中心と、前記回転子の回転中心とを通る各直線が一直線上に並ばないように、それぞれ設けられることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記一対の磁極部を互いに異なる大きさに形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
最大トルクを発生させる位置に前記ロータの各磁極が位置する状態において、前記電機子部の巻線と対向する部位に前記各磁極が配置されないように、前記ロータが具備する前記永久磁石を複数に分割して配置することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
前記鉄心は、当該鉄心の中央部に全周に渡って形成された凹所を備え、前記巻線は、当該凹所内で巻回されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
前記電機子部が前記固定子を構成し、前記界磁部が前記回転子を構成することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のアクチュエータ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１５４６９０（Ｐ２０１０−１５４６９０Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１３５６（Ｐ２００８−３３１３５６）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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