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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator, z.B. ein
lineares Solenoid.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Verschiedene
Arten von Aktuatoren wurden zum automatischen Steuern herkömmlicher
Industriemaschinen verwendet. Ein lineares Solenoid wird beispielsweise
als elektromagnetische Komponente zum Umwandeln elektromagnetischer
Energie in mechanische Energie verwendet. Ein allgemeines Solenoid
hat einen Stator, der eine Erregerspule enthält, und einen beweglichen Eisenkern
(Stößel), der
in einem Mittelabschnitt des Stators angeordnet ist und sich zu
einem Statorkern hin und von ihm weg bewegen kann. Durch Versorgen
der Erregerspule des Stators mit Energie wird ein Magnetkreis zwischen
einem ersten und einem zweiten Jochteil und dem Stößel gebildet,
so dass eine Anziehungskraft auf den Stößel wirkt.
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Ein
allgemeiner Aufbau eines herkömmlichen
linearen Solenoids wird mit Bezug auf 4 erläutert. Zunächst enthält ein Stator 51 eine
Erregerspule 53, die auf einen Spulenkörper 52 gewickelt
ist, sowie ein erstes und ein zweites Jochteil 54 und 55, die
die Erregerspule 53 bedecken. Das erste Jochteil ist wie
ein Deckel gebildet und bedeckt die eine axiale Endseite der Erregerspule 53.
Das zweite Jochteil 55 ist in der Form eines Bechers gebildet
und bedeckt einen Körperabschnitt
der Erregerspule 53 von der Seite ihres anderen Endes aus.
Das erste und das zweite Jochteil 54 und 55 bilden
auf der Seite des Stators 51 einen Magnetkreis, wenn die
Erregerspule 53 mit Energie versorgt wird. Ein Rohr (Führungsrohr) 56 aus
einem nichtmagnetischen Material ist in ein Axialloch des Spulenkörpers 52 eingesetzt.
Ein bewegliches Element (Stößel) 57 ist
gleitfähig
in ein Axialloch des Führungsrohrs 56 eingesetzt.
Eine (nicht gezeigte) Verbindungsstange ist in einem Axialloch 58 des
Stößels 57 so
angeschlossen, dass sie eine Antriebskraft zum Bewegen des Stößels 57 in der
Axialrichtung überträgt.
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Eine
ringförmige
Nut oder eine gestufte Fläche
(in dem gezeigten Beispiel wird eine Nut 59 verwendet)
ist in einer Randfläche
zumindest einer Endseite des Stößels 57 gebildet,
so dass in der Radialrichtung eine Magnetflusseinwirkungsfläche gebildet wird.
Die Magnetflusseinwirkungsflächen
sind also jeweils zwischen den Randflächen P1 und P2 des Stößels 57 und
den entsprechenden Flächen
Y1 und Y2 des ersten und des zweiten Jochs 54 und 55 gebildet;
somit ist der magnetische Widerstand zwischen den gegenüberliegenden
Oberflächen
gering, so dass eine große
Ausgangskraft (Schubkraft) in einem steuerbaren Bereich gewonnen
werden kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem in 4 gezeigten linearen Solenoid wirken jedoch große Anziehungskräfte auf
dem gesamten Umfang zwischen den Randflächen P1 und P2 des Stößels 57 und
den entsprechenden Flächen Y1
und Y2 des ersten und des zweiten Jochteils 54 und 55.
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Entsprechend
der Positionsbeziehung zwischen dem Stößel 57 und dem ersten
und dem zweiten Jochteil 54 und 55 neigt der magnetische
Widerstand dazu, sich stark zu verändern, und die Schubkraft wird
stark erhöht,
wenn die Erregerspule 53 mit Energie versorgt wird; daher
ist ein steuerbarer Hubbereich, in dem der Hub mit einer konstanten
Schubkraft gesteuert werden kann, eingeschränkt, und die Steuerbarkeit
muss gering sein (siehe die in 3 gezeigte
Kurve A).
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Die
vorliegende Erfindung wurde erfunden, um die oben beschriebenen
Probleme zu lösen,
und eine Aufgabe der vorliegenden Er findung besteht darin, einen
Aktuator bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Bewegungsbereich
eines beweglichen Elements, in dem eine bestimmte Ausgangskraft
gewonnen werden kann, zu vergrößern durch
Verringern einer durch die Größe des Hubs
bewirkten Änderung einer
Schubkraft.
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Zum
Erfüllen
dieser Aufgabe weist die vorliegende Erfindung den folgenden Aufbau
auf:
Der Aktuator enthält:
eine Erregerspule; einen Stator mit einem ersten Jochteil, das an
der einen Endseite der Erregerspule gebildet ist, und einem zweiten Jochteil,
das an der anderen Seite der Erregerspule so gebildet ist, dass
es die Erregerspule bedeckt; und ein bewegliches Element, das in
einem Mittelabschnitt der Erregerspule angeordnet ist und das in der
Lage ist, sich in der Axialrichtung hin und her zu bewegen, wobei
durch Energieversorgung zwischen dem ersten und dem zweiten Jochteil
und dem beweglichen Element ein Magnetkreis gebildet wird und eine
Magnetkraft auf das bewegliche Element wirkt, und der Aktuator ist
dadurch gekennzeichnet, dass eine der Randflächen des beweglichen Elements,
auf der durch Energieversorgung Magnetflusseinwirkungsflächen gebildet
sind, und das erste und das zweite Jochteil, die den Randflächen des
beweglichen Elements entsprechen, einen Aufbau aufweisen, der in
der Lage ist, den magnetischen Widerstand entsprechend einer Bewegung
des beweglichen Elements allmählich
zu verändern.
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Bei
dem Aktuator kann der Aufbau in der Lage sein, die Abstände zwischen
dem beweglichen Element und dem ersten und dem zweiten Jochteil entsprechend
einer Axialbewegung des beweglichen Elements allmählich zu
verändern.
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Beispielsweise
weist zumindest das erste Jochteil oder das zweite Jochteil eine
konische Fläche
oder eine gestufte Fläche
auf, die in der Lage ist, den magnetischen Widerstand entspre chend
einer Bewegung des beweglichen Elements zu dem Stator hin allmählich zu
verringern. Weiter weist zumindest eine der Randflächen des
beweglichen Elements, die dem ersten Jochteil und dem zweiten Jochteil
entsprechen, eine konische Fläche
oder eine gestufte Fläche
auf, die in der Lage ist, den magnetischen Widerstand entsprechend
einer Bewegung des beweglichen Elements zu dem Stator hin allmählich zu
verringern.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Bei
dem oben beschriebenen Aktuator haben eine der Randflächen des
beweglichen Elements, auf der durch Energieversorgung Magnetflusseinwirkungsflächen gebildet
sind, und das erste und das zweite Jochteil, die den Randflächen des
beweglichen Elements entsprechen, einen Aufbau, der in der Lage
ist, den magnetischen Widerstand entsprechend einer Bewegung des
beweglichen Elements allmählich
zu verändern;
somit wird bei einer Bewegung des beweglichen Elements zu dem Stator
hin, die durch Energieversorgung bewirkt wird, der magnetische Widerstand
allmählich
verringert und eine Anziehungskraft vergrößert, so dass eine bestimmte Schubkraft
innerhalb eines großen
Hubbereichs erzielt werden kann. Daher können Unterschiede zwischen
Schubkräften,
die innerhalb eines tatsächlichen
Bewegungsbereiches auf das bewegliche Element wirken, klein sein,
so dass eine stabile Ausgangskraft erzielt werden kann und die Steuerbarkeit verbessert
werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht eines linearen Solenoids einer ersten Ausführungsform.
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2 ist
eine Schnittansicht eines linearen Solenoids einer zweiten Ausführungsform.
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3 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Verschiebung des
linearen Solenoids und Schubkräften
zeigt.
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4 ist
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
linearen Solenoids.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des Aktuators der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen werden lineare Solenoide
als Aktuatoren beschrieben.
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(Erste Ausführungsform)
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Überblick über den linearen Solenoid erläutert.
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Zunächst wird
ein Stator 1 erläutert.
Eine Erregerspule 2 ist auf einen Spulenkörper 3 gewickelt. Ein
Rohr (Führungsrohr) 4 aus
einem nichtmagnetischen Material ist in ein Axialloch eines Kernabschnitts
des Spulenkörpers 3 eingesetzt.
Die Erregerspule 2 ist bedeckt von einem ersten Jochteil 5, das
wie ein Deckel gebildet ist und auf einer Endseite bereitgestellt
ist, und von einem zweiten Jochteil 6, das in Form eines
Bechers gebildet ist und sie von der anderen Seite aus bedeckt.
Das erste Jochteil 5 und das zweite Jochteil 6 bestehen
aus einem magnetischen Material, und sie bilden einen Magnetflusspfad
des Stators 1, wenn die Erregerspule 2 mit Energie
versorgt wird.
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Ein
bewegliches Element (Stößel) 7 wird
von dem Führungsrohr 4 geführt, das
in einem Mittelabschnitt der Erregerspule 2 (in dem Axialloch
des Spulenkörpers 3)
angeordnet ist, und es ist in der Lage, sich in der Axialrichtung
hin- und herzubewegen.
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Es
sei angemerkt, dass anstelle des Führungsrohrs 4 der
Kernabschnitt des Spulenkörpers zum
Führen
des Stößels 7 verwendet
werden kann. Der Stößel 7 ist
mit einer (nicht gezeigten) Verbindungsstange verbunden. Im Fall
eines Solenoids vom Zugtyp können
beispielsweise der Stößel 7 oder die
Verbindungsstange beispielsweise durch eine Schraubenfeder so vorgespannt
sein, dass sie aus dem Stator 1 vorstehen. Durch Versorgen
der Erregerspule 2 mit Energie wird zwischen dem ersten
und dem zweiten Jochteil 5 und 6 und dem Stößel 7 ein Magnetkreis
gebildet, so dass Anziehungskräfte
auf den Stößel 7 wirken.
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Bei
dem Solenoid der vorliegenden Ausführungsform ist eine kreisförmige Nut
oder eine gestufte Fläche
in einer Randfläche
zumindest an einer Endseite des Stößels 7 gebildet (in
der vorliegenden Ausführungsform
ist eine Nut 10 gebildet), so dass in der Radialrichtung
eine Magnetflusseinwirkungsfläche
gebildet wird.
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Wenn
die Erregerspule 2 mit Energie versorgt wird, wirken Anziehungskräfte F (horizontale Kraftkomponenten
F1 und vertikale Kraftkomponenten F2) über den gesamten Umfang zwischen
einer Randfläche
(der Magnetflusseinwirkungsfläche)
P1 auf der Seite des einen Endes des Stößels 7 und einer entsprechenden
Fläche
Y1 des ersten Jochteils 5 und zwischen einer Randfläche (der
Magnetflusseinwirkungsfläche)
P2 auf der Seite des anderen Endes des Stößels 7 und einer entsprechenden
Fläche
Y2 des zweiten Jochteils 6. Der Stößel 7 wird in der
Radialrichtung durch eine resultierende Kraft der horizontalen Kraftkomponenten
F1 der Kräfte
F angezogen und in der Axialrichtung durch deren vertikale Kraftkomponenten
F2 zu dem Stator 1 hin gezogen.
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Bei
dem Solenoid der vorliegenden Ausführungsform weisen eine der
beiden Randflächen
des Stößels 7,
auf der die Magnetflusseinwirkungsflächen durch Energieversorgung
gebildet sind, und die entsprechenden Flächen des ersten und zweiten Jochteils 5, 6 einen
Aufbau auf, der in der Lage ist, einen magnetischen Widerstand entsprechend
der Bewegung des Stößels 7 allmählich zu
verändern.
Es ist beispielsweise eine konische Fläche 8, die in der Lage
ist, den magnetischen Widerstand entsprechend einer Bewegung des
Stößels 7 zu
dem Stator 1 hin allmählich
zu verringern (ein Innendurchmesser ist zur axialen Außenseite
hin allmählich
verringert) in der entsprechenden Fläche Y1 des ersten Jochteils 5 gebildet,
auf der die Magnetflusseinwirkungsfläche gebildet ist. Anders ausgedrückt ist
die konische Fläche 8,
die in der Lage ist, einen Abstand zu dem ersten Jochteil 5 entsprechend
einer Bewegung des Stößels 7 zu
dem Stator 1 hin allmählich
zu verringern, in der entsprechenden Fläche Y1 des ersten Jochteils 5 gebildet.
Die konische Fläche 8 kann
auch in der entsprechenden Fläche
Y2 des zweiten Jochteils 6 gebildet sein, auf der die Magnetflusseinwirkungsfläche gebildet
ist, oder sie kann in den beiden entsprechenden Flächen Y1
und Y2 gebildet sein.
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Die
Energie des linearen Solenoids ist in einem Zwischenraum zwischen
dem Stator 1 und dem beweglichen Element (Stößel) 7 gespeichert.
Anders als bei dem Solenoid, dessen Magnetflusseinwirkungsflächen in
der Axialrichtung gebildet sind, ist das in 3 gezeigte
Solenoid, dessen Magnetflusseinwirkungsflächen in der Radialrichtung
gebildet sind, in der Lage, die Schubkraft in einem tatsächlichen
Bewegungsbereich zu erhöhen.
Der magnetische Widerstand neigt jedoch dazu, sich entsprechend
der Position des Stößels stark
zu verändern, so
dass ein tatsächlicher
Bewegungsbereich, in dem eine bestimmte Schubkraft gewonnen werden
kann, dazu neigt, klein zu sein (siehe die in 3 gezeigte Kurve
A). Andererseits kann durch Bilden der konischen Fläche 8 in
der Fläche
Y1 des ersten Jochteils 5, die der Randfläche P1 des
Stößels 7 entspricht, eine
starke Änderung
des magnetischen Widerstandes, die entsprechend den Positionsbeziehungen zwischen
dem Stößel 7 und
dem ersten und zweiten Jochteil 5 und 6 auftritt
und die besonders dann auftritt, wenn die Magnetfeldeinwirkungsflächen des Stößels 7 und
des ersten Jochteils 50 sich gegenseitig überlappen,
verringert werden. Wie in 3 durch eine
Kurve B gezeigt, wird daher der magnetische Widerstand allmählich verringert,
und die Anziehungskraft wird mit der Bewegung des Stößels 7 zu dem
Stator 1 hin, die durch die Energieversorgung bewirkt wird,
erhöht,
so dass die bestimmte Schubkraft innerhalb des langen Hubs erzielt
werden kann. daher kann eine Veränderung
des Bewegungsbereichs des Stößels 7,
die durch Unterschiede der Schubkräfte bewirkt wird, verringert
werden, und der Bewegungsbereich des Stößels, in dem die bestimmte
Schubkraft gewonnen werden kann, kann erhöht werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird mit Bezug auf 2 ein weiteres lineares Solenoid
beschrieben. Der Aufbau ist ähnlich
dem in 1 gezeigten, so dass dieselben Strukturelemente
durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind und ihre Beschreibung
unterbleibt. Die Unterschiede werden erläutert.
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Bei
dem Solenoid der vorliegenden Ausführungsform ist eine gestufte
Fläche 9,
die in der Lage ist, den magnetischen Widerstand entsprechend der Bewegung
des Stößels 7 zu
dem Stator 1 hin allmählich
zu verringern, in der entsprechenden Fläche Y1 des ersten Jochteils 5 gebildet,
auf der die Magnetflusseinwirkungsfläche gebildet ist. Anders ausgedrückt ist
die gestufte Fläche 9,
die in der Lage ist, den Abstand zu dem ersten Jochteil 5 entsprechend der
Bewegung des Stößels 7 zu
dem Stator 1 hin allmählich
zu verringern, in der entsprechenden Fläche Y1 des ersten Jochteils 5 gebildet.
Die gestufte Fläche 9 ist
gebildet durch Bilden einer Aussparung (Stufe) in einem Abschnitt
der entsprechenden Fläche
Y1 des ersten Jochteils 5, so dass die starke Veränderung
des magnetischen Widerstands, die auftritt, wenn die Magnetflusseinwirkungsflächen des Stößels 7 und des
ersten Jochteils 5 sich gegenseitig überlappen, verringert wird.
Es sei angemerkt, dass die gestufte Fläche 9 in der entsprechenden
Fläche Y2
des zweiten Jochteils 6 gebildet werden kann, auf der die
Magnetflusseinwirkungsfläche
gebildet ist, oder dass sie in den beiden Flächen Y1 und Y2 gebildet sein
kann. Durch Bilden der gestuften Fläche oder Flächen kann der Hubbereich des
Stößels, in dem
die bestimmte Schubkraft gewonnen werden kann, vergrößert werden.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
wurden die Aufbauten der Jochteile erläutert, aber dieselben Funktionen
und Wirkungen können durch
Bilden der konischen Fläche
oder der gestuften Fläche,
die in der Lage ist, den magnetischen Widerstand entsprechend einer
Bewegung des Stößels zu dem
Stator 1 hin zu verringern, in zumindest einer der Randflächen des
Stößels 7 gebildet
sein, die dem ersten Jochteil 5 oder dem zweiten Jochteil 6 entspricht.
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Es
sei angemerkt, dass die Formen der konischen Fläche und der gestuften Fläche, die
in den Magnetflusseinwirkungsflächen
gebildet ist, optional entworfen werden können, und dass Kombinationen aus "der konischen Fläche und
der gestuften Fläche", "der konischen Fläche und
der konischen Fläche" und "der gestuften Fläche und
der gestuften Fläche" optional verwendet
werden können.
Die gestufte Fläche
kann durch Konkavitäten
und Konvexitäten
gebildet sein, die in der Axialrichtung gebildet sind. Weiter können die
konische Fläche
und die gestufte Fläche in
den Randflächen
und/oder dem ersten und dem zweiten Jochteil 5 und 6 gebildet
sein. Das lineare Solenoid kann von einem Zugtyp oder einem Drucktyp
sein, ein Permanentmagnet kann in dem Magnetkreis enthalten sein,
und das lineare Solenoid kann durch eine DC-Leistungsquelle oder
eine AC-Leistungsquelle angetrieben sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Aktuator bereit, der in der Lage
ist, einen Bewegungsbereich eines beweglichen Elements, in dem eine
bestimmte Ausgangskraft gewonnen werden kann, zu erhöhen durch
Verringern der Änderung
einer Schubkraft, die durch die Hubgröße bewirkt wird. Eine der Randflächen (P1,
P2) eines Stößels (7),
auf der durch Energieversorgung Magnetflusseinwirkungsflächen gebildet
sind, und ein erstes und ein zweites Jochteil (5, 6),
die den Randflächen
(P1, P2) des Stößels (7)
entsprechen, weisen einen Aufbau auf, der in der Lage ist, den magnetischen
Widerstand entsprechend einer Bewegung des Stößels (7) allmählich zu verändern.