JP5550017B2

JP5550017B2 - ロータリーアクチュエータ及びこれを用いた電子施解錠装置

Info

Publication number: JP5550017B2
Application number: JP2010129776A
Authority: JP
Inventors: 武桐原; 久雄鳥羽; 隆弥加藤; 剛史仲川; 昭二大岩
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: JP2011256544A

Description

本発明は、ロータリーアクチュエータに関するもので、例えば、電子施解錠装置の駆動源として好適であり、通電時には自動で予め決められた回転角（例えばほぼ９０度の範囲）で動作し、無通電時でも手動で回転させ、回転角の両端位置でそれぞれ停止することが可能なロータリーアクチエータに関するものである。

ドアの解錠・施錠は手動操作部であるサムターンを回転させることで行われる。サムターンの回転でデッドボルトがドア枠に設けた溝から出没して、施錠・解錠の状態となる。このサムターンに連結された軸を無線信号により回転させるものが電子錠であり、種々のものが考案されている。

例えば、特開２００６−２２５１６号公報に記載のものは、モータを駆動源として、歯車機構を介して、ねじ軸を回転させ、ねじ軸に螺合したナットの直線運動でデッドボルトを進退方向に移動するものである。

また、特開平１−２９９９６９号公報に記載のものは、ロータリーソレノイドを駆動源として、ロータリーソレノイドによって回動するリンクをデッドボルトの開口に係合させて、デッドボルトを出入摺動するように構成されている。

特開２００６―２２５１６号公報特開平１−２９９９６９号公報

上述した従来の電子施解錠装置にあっては、駆動源として使用されているモータやロータリーソレノイドはそれ自体の回転軸方向の寸法が大きく、ドア自体の厚みも大きくなり、薄形のドアに適用できないという問題がある。また、デッドボルトの停止位置を自己保持し、手動操作で回転させる際、操作感触を有する感覚を生じさせるために、特許文献２に記載のものでは反転機構としてバネを挿入している。その結果として構造が複雑となっている。

図７は一般的なドア２０の外観を示すもので、２１はサムターン、２２はドア２０のドア枠の溝より出没するデッドボルトである。また、手動操作でサムターン２１を回転させる際、操作感触を有する感覚のトルク特性を図６に示す。図６において、横軸が回転角度で、縦軸がＣＷ、ＣＣＷ方向に生じる応力を示す。同図の（ａ）はサムターン２１の解錠位置の状態を示し、（ｂ）はサムターン２１の施錠位置の状態を示す。サムターン２１を解錠の位置から施錠の方向（ＣＷ方向）に回転させる場合、回転前半は反力が生じ、回転後半には推力が生じる。
本発明の目的は，減速機構や自己保持用部品等を排除して簡素化し、薄形のドアにも適用できる電子施解錠装置の駆動源であるロータリーアクチュエータを提供することにあり、さらに、このロータリーアクチュエータを搭載した電子施解錠装置を提供することにある。

上述した反力と推力をロータリーアクチュエータの回転方向に磁気吸引力（以後コギングトルクと称する）を発生させることで操作感触を得て、デッドボルトの自己保持も実現する。
図５は、本発明のロータリーアクチュエータの通電トルクとコギングトルクの位置関係を示すもので、横軸は回転角度、縦軸はトルクである。図中、１はコギングトルク、２は通電トルクをそれぞれ示し、また、（ａ）は電子施解錠装置のサムターン２１の解錠位置の状態、（ｂ）は電子施解錠装置のサムターン２１の施錠位置の状態を示す。図５において、回転角０度の位置でサムターン２１は解錠の位置で、ロータリーアクチュエータに通電することで、通電トルク２はＣＷ方向に発生して（ｂ）のサムターン施錠位置に回転する。
また、施錠から解錠する場合には励磁コイルへの通電方向を逆にすることで実現できる。この解錠・施錠の回転角度はほぼ９０度である。通電のない手動でサムターン２１を回転させる場合は、上述した特許文献２におけるバネと同様の動作をコギングトルク１で実現できる。

上述した課題を解決するために、本発明のロータリーアクチエータにおいては，薄形に対応するため扁平のアキシャルギャップ構造を採用し、通電トルクとコギングトルクの特性が図５の関係を満足できるように構成されたものである。
すなわち、本発明は、回転自在に支持される回転軸と一体化し平面にＮＳ２極が周方向に着磁された円盤状のマグネットを有する扁平ロータと、該ロータと軸方向に空隙を介して対向する磁極を有するステータヨークを具備するロータリーアクチュエータにおいて、該磁極は４個の突極鉄心を有し、該突極鉄心は第1の突極鉄心２個と第２の突極鉄心２個で構成され、同じ突極鉄心同士が１８０度方向に対向し、且つ各突極鉄心の中心を円周上に９０度間隔に配置し、第1の突極鉄心のみに巻線を施して励磁コイルとし、該励磁コイルへの通電によりロータをほぼ９０度の角度範囲で回転させ、無通電時にはロータを手動で回転させることを可能にしたことを特徴とするロータリーアクチュエータを提供するものである。

この場合、励磁コイル用の第1の突極鉄心の形状を非巻線の第２の突極鉄心よりも大きく設定することが望ましく、また、無通電時にロータを手動で回転させる際には、回転初めの前半は回転が重く、中間以上は軽くなる操作感触を有するコギングトルクが生じるようにするのがよい。

また、本発明の電子施解錠装置は、上述したロータリーアクチュエータを備え、ロータの回転軸をドアのサムターンに接続し、該サムターンの回転に連動してドア枠よりデッドボルトを出没させるようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば，以下に記載のような優れた特徴を有する電子施解錠装置用のロータリーアクチエータが構成できる。
（１）ロータリーアクチュエータがアキシャルギャップ構造のため薄形化でき、薄形のドアにも適用できる。
（２）減速機構やデッドボルトの自己保持の部品が削減されて、電子施解錠装置の構造が大幅に簡素化できる。
（３）ロータリーアクチュエータ自体のコギングトルクで、サムターン手動操作の際の操作感触が得られる。
（４）通電トルクとコギングトルクの位置関係が、ロータリーアクチュエータ自体で決定されて、電子施解錠装置での調整が不要である。

本発明の一つの実施形態によるロータリーアクチュエータを示す正面図である。図１のロータリーアクチュエータにおける主要部品の配置を示す平面図である。図１のロータリーアクチュエータのステータを示す平面図である。図１のロータリーアクチュエータの特性図である。ロータリーアクチュエータを電子施解錠装置に適用する場合の目標特性図である。手動サムターンのトルク特性図である。ドアの一部の外観図である。

以下、図面によって本発明の実施形態について説明する。
本発明によるロータリーアクチュエータの実施形態を図１、図２、図３を使用して説明する。

図１は、本発明によるロータリーアクチュエータの正面図であり、５は出力軸であり、サムターン２１と接続される部分である。６は軟磁性材料から成る円盤状のロータヨークであり、その中心部に出力軸５が一体に連結されている。７は扁平円盤状マグネットであり、周方向にＮＳ２極の磁極が着磁されている。これらロータヨーク６、マグネット７及び出力軸５によりロータが構成されている。８は軟磁性材料から成る約１／４円弧状の突極、９は励磁コイル、１０は軟磁性材料から成る円盤状ステータヨークであり、中央部に円形の軸受保持部１０Ａが形成され、これに軸受（図示せず）が保持されて出力軸５が軸受により回転自在に支持されている。

図２は主要部品の配置図であり、１１は第１の突極鉄心、１２は第２の突極鉄心であり、第１の突極鉄心１１が第２の突極鉄心１２に比し倍近くの大きさに設定されている。図３は突極８の形状と配置を示すもので、第1の突極鉄心１１及び第２の突極鉄心１２にそれぞれ一体に取り付けられ磁気回路を構成する。各突極８は同一円周上に等間隔、すなわち９０度間隔に配置されている。第１の突極鉄心１１には励磁用の巻線を施し励磁コイル９とし、第２の突極鉄心１２は磁気回路を構成して通電トルク２とコギングトルク１を適正に発生させるために配置されている。ステータヨーク１０、第１，第２の突極鉄心、励磁コイル９及び突極８によりステータが構成され、ステータの突極８がロータのマグネット７に軸方向に空隙を介して同心的に対向配置されている。

マグネット７の磁極数は２であり、ステータ側の突極８の数は４であるため、両者の最小公倍数は４であり、マグネット７の１回転中に発生するコギングトルクは４サイクルとなる。また、突極８は９０度間隔で配置されているからコギングトルクも９０度ピッチで現れる。この９０度ピッチをそのままサムターンの解錠・施錠位置として使用する。なお、図１に示したロータとステータとよりなるロータリーアクチュエータは、図７に示すようなドア２０内に軸方向がドア２０の厚み方向になる形態で組み込まれ、出力軸５がサムターン２１に連結され、デッドボルト２２に結合される。

図４は、上述したロータリーアクチュエータのロータ１回転分のコギングトルク１と通電トルク２の波形を示すものである。コギングトルクのＣＣＷ方向最大点ＰとＣＷ方向最大点Ｑの回転角９０度間を電子施解錠装置の動作範囲として使用する。コギングトルク１上のＳ点は急峻なトルク変化がある零点であるから安定停止点である。Ｒ点は緩やかなトルク変化がある零点であるため、少しの外力でＳ点に移動してしまう不安定停止点である。電子施解錠装置に組み込まれるとＰ点とＱ点にストッパが存在する。安定停止点Ｓに移動すべく常に最大のコギングトルク力がストッパに働いていて自己保持が自動的にされることになる。また手動でサムターンを回転させる場合、先に記述したようにコギングトルク１が反力・推力として働き操作感触を得ることができる。

励磁コイル９が通電されて発生する通電トルクの波形は、マグネット７の磁極数が２極であるから、１回転で１サイクルとなっている。図４の特性は図５の目標特性に近いことが分かる。通電トルクの発生する範囲は１００度以上で、使用範囲の９０度を充分にカバーできている。

また、通電トルクの発生する角度範囲を大きく、通電トルクも大きく取り出すには、第１の突極鉄心１１の有効角度を大きくし、励磁コイル９の巻数を極力大きくする必要がある。従って、巻線を施す第1の突極鉄心形状を大きく、巻線の無い第２の突極鉄心は小さくして、同一平面上に配置することが有利である。

本発明によれば，薄形のドアの厚みの中に組み込める電子施解錠装置のロータリーアクチュエータとして使用でき、歯車のような伝達機構、自己保持用のバネ等が不要で簡素化されるため、信頼性が高く、コスト的に有利という格別の電子施解錠装置が構成されることになり広く適用が可能である。

５出力軸
６ロータヨーク
７マグネット
８突極
９励磁コイル
１０ステータヨーク
１１第１の突極鉄心
１２第２の突極鉄心
２０ドア
２１サムターン
２２デッドボルト

Claims

回転自在に支持される出力軸と一体化し平面にＮＳ２極が周方向に着磁された円盤状のマグネットを有する扁平ロータと、該ロータと軸方向に空隙を介して対向する突極を有するステータヨークを具備するロータリーアクチュエータにおいて、
該突極は４個の突極鉄心を有し、該突極鉄心は第1の突極鉄心２個と第２の突極鉄心２個で構成され、同じ突極鉄心同士が１８０度方向に対向し、且つ各突極鉄心の中心を円周上に９０度間隔に配置し、第1の突極鉄心のみに巻線を施して励磁コイルとし、前記励磁コイル用の第1の突極鉄心の形状を非巻線の第２の突極鉄心よりも大きく設定し、前記励磁コイルへの通電により前記ロータをほぼ９０度の角度範囲で回転させ、無通電時には前記ロータを手動で回転させることを可能にしたことを特徴とするロータリーアクチュエータ。
回転自在に支持される出力軸と一体化し平面にＮＳ２極が周方向に着磁された円盤状のマグネットを有する扁平ロータと、該ロータと軸方向に空隙を介して対向する突極を有するステータヨークを具備するロータリーアクチュエータにおいて、
該突極は４個の突極鉄心を有し、該突極鉄心は第1の突極鉄心２個と第２の突極鉄心２個で構成され、同じ突極鉄心同士が１８０度方向に対向し、且つ各突極鉄心の中心を円周上に９０度間隔に配置し、第1の突極鉄心のみに巻線を施して励磁コイルとし、該励磁コイルへの通電により前記ロータをほぼ９０度の角度範囲で回転させ、無通電時には前記ロータを手動で回転させることを可能にすると共に、無通電時に前記ロータを手動で回転させる際、回転初めの前半は回転が重く、中間以上は軽くなる操作感触を有するコギングトルクが生じることを特徴とするロータリーアクチュエータ。
請求項１又は２に記載のロータリーアクチュエータを備え、前記ロータの出力軸がドアのサムターンに接続され、該サムターンの回転に連動してドア枠よりデッドボルトを出没させるようにしたことを特徴とする電子施解錠装置。