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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Linearstellglied und insbesondere
ein Linearstellglied, welches eine geringe Größe und ein geringes Gewicht aufweist.
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2. Beschreibung des betreffenden
Fachgebiets
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Von
einem Stellglied wird gefordert, dass es eine gute Ansprechempfindlichkeit,
eine große
Abgabeleistung, eine große
Verschiebung, eine gute Fähigkeit
zur Positionsbeibehaltung, Reproduzierbarkeit sowie einen guten
Wirkungsgrad aufweist. Ein Stellglied vom Typ mit Festkörperverschiebung,
welches piezoelektrische Eigenschaften, Elektrostriktion oder Super-Magnetostriktion
nutzt, weist eine gute Ansprechempfindlichkeit und eine große Abgabeleistung
auf. Da jedoch das Stellglied vom Typ mit Festkörperverschiebung eine geringe
Verschiebung aufweist und aus einem zerbrechlichen Material hergestellt
ist, sind Festigkeit und Steifheit gering.
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Thermische
Formgedächtnislegierung
weist eine große
Abgabeleistung und eine große
Verschiebung auf. Die thermische Formgedächtnislegierung hat jedoch
Hystereseeigenschaft in der Verschiebung und die Fähigkeit
zur Positionsbeibehaltung ist gering. Außerdem ist die Ansprechempfindlichkeit bemerkenswert
niedrig und der Wirkungsgrad ist gering.
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Ein
elektromagnetischer Rotationsmotor weist eine gute Ansprechempfindlichkeit
und eine große
Ausgangsleistung auf. Ferner weist der elektromagnetische Motor
eine große
Verschiebung, eine gute Fähigkeit
zur Positionsbeibehaltung sowie gute Festigkeit auf. Somit weist
der elektromagnetische Motor einen guten Wirkungsgrad auf. Der elektromagnetische
Motor weist jedoch keine Linearität auf und benötigt einen
externen Umwandlungsmechanismus zur Umwandlung eines Rotationsbetriebs
in einen linearen Betrieb. Ferner benötigt der elektromagnetische
Motor einen Verzögerungsmechanismus.
Es ist somit schwierig, den Motor zu miniaturisieren.
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Ein
elektromagnetischer Linearmotor benötigt solch ein mechanisches
System nicht. Der elektromagnetische Linearmotor weist jedoch eine
geringe Ausgangsleistung auf und benötigt ein Regelsystem zur Fähigkeit
zur Positionsbeibehaltung, so dass ein Anwendungsgebiet begrenzt
ist. Da die elektromagnetische Kraft auf einen Körper von magnetischer Substanz
nicht stabil wirkt, ist in dem elektromagnetische Kraft nutzenden
Stellglied eine Regelung unbedingt notwendig.
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Ein
Fluiddruck nutzendes Stellglied ist kompliziert im Hinblick auf
das Auslaufen von Öl
und ein Fluidweg ist kompliziert, da das Stellglied viele Ventile
enthält.
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Ein
Linearantrieb wird für
ein Gelenk eines Arms oder eines Fingers eines Roboters zusätzlich zu
einem Drehantrieb benötigt.
Allgemein wird für den
Linearantrieb ein kleiner Drehmotor mit einer großen Ausgangsleistung
verwendet. Wie oben erwähnt,
ist der Drehmotor in allen physikalischen Eigenschaften gut. Es
müssen
jedoch Einheiten von großer
Größe, wie
etwa der Verzögerungsmechanismus
und das externe Umwandlungssystem, in engen Räumen, wie etwa dem Finger und
dem Arm, hinzugefügt
werden, so dass der Drehmotor so hergestellt werden muss, dass er
eine geringe Größe aufweist. Im
Ergebnis verringert sich die Ausgangsleistung des Drehmotors.
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In
der japanischen offen gelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 8-214530)
ist eine Technik offenbart, in welcher ein Stellglied vom Linearmotortyp unter Verwendung
einer Spule hergestellt ist. In dem Stellglied wird die Konvergenz
des magnetischen Flusses verbessert, so dass der magnetische Fluss gleichmäßig durch
ein Joch hindurchtritt. Somit wirkt die Ankerreaktion effektiv über den
gesamten Hubweg. Im Ergebnis wird die Raumersparnis ermöglicht.
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Die
US-A-5-521,446 offenbart ein Linearstellglied mit einer Linearausgabeeinheit,
welche beweglich innerhalb einer zylindrischen Trägereinheit gehalten
ist. Die zylindrische Trägereinheit
umfasst eine elektromagnetische Spule und zwei Permanentmagnete.
Die elektromagnetische Spule und die Permanentmagnete sind derart
angeordnet, dass ein effektiver magnetischer Fluss im Inneren der
Trägereinheit
parallel zur Zylinderachse der elektromagnetischen Spule orientiert
ist und mit einem Kernabschnitt der Linearausgabeeinheit in Wechselwirkung tritt,
um die Linearausgabeeinheit entlang der Zylinderachse zu bewegen.
Die Linearausgabeeinheit des bekannten Linearstellglieds wird durch
eine Feder vorgespannt, deren Bewegungsachse mit der Zylinderachse
zusammenfällt.
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Ferner
ist in einem Linearstellglied gemäß der GB-1 361 294 ein Ausgabezylinder
koaxial innerhalb eines Trägerzylinders
zur linearen Bewegung entlang der Achse des Trägerzylinders angeordnet. Der
Ausgabezylinder ist mittels Federspannung durch zwei Spulenfedern
zu einer mittleren Position hin vorgespannt. Der Trägerzylinder
ist mit Permanentmagneten versehen, die mit an dem Ausgabezylinder
angebrachten Elektromagneten wechselwirken, um die lineare Bewegung
des Ausgabezylinders anzutreiben.
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Auf
dem Gebiet eines Fingers und eines Gelenks eines Roboters ist es
erwünscht,
dass ein elektromagnetischer Motor physikalische und mechanische
Eigenschaften der folgenden Art aufweist: (1) eine große Abgabeleistung,
(2) eine gute Ansprechempfindlichkeit, (3) eine große Verschiebung
und (4) eine gute Reproduzierbarkeitscharakteristik, (5) einen guten
Wirkungsgrad (6) eine große
Abgabeleistung, (7) eine geringe Größe und (8) eine hohe Linearität. Zusätzlich werden
ein hohes Maß an
Konstruktionsfreiheit gefordert. Sowohl diese physikalischen als
auch diese mechanischen Eigenschaften werden auf dem Gebiet der
Industrie, etwa bei einem Industrieroboter, einem Maschinenwerkzeug
und einem Kraftfahrzeug, gefordert. In einem solchen Anwendungsgebiet
des Linearstellglieds werden besonders die geringe Größe und das
leichte Gewicht ohne die Verwendung irgendeines Verschiebungsumwandlungsmechanismus
oder Verzögerungsmechanismus
gefordert.
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Überblick über die
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied
bereitzustellen, in welchem Kleinheit und Leichtigkeit durch Mischen
und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und der mechanischen
Eigenschaften mehr gefördert
werden können.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied
bereitzustellen, in welchem durch Mischen und Kombinieren der physikalischen
Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften das Maß an Konstruktionsfreiheit
vergrößert werden
kann.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied
bereitzustellen, in welchem die Reproduzierbarkeit und die Ansprechempfindlichkeit
vergrößert werden
können,
so dass durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften
und der mechanischen Eigenschaften Kleinheit und Leichtigkeit weiter
gefördert werden
können.
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Ferner
ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linearstellglied
bereitzustellen, in welchem ein Deformations-Expansions-Mechanismus sowie
ein Betriebsumwandlungsmechanismus nicht notwendig sind und in welchem
durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und
der mechanischen Eigenschaften Kleinheit und Leichtigkeit weiter
gefördert
werden können.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Linearstellglied bereitgestellt, welches die
Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Ein solches Linearstellglied enthält eine
Trägereinheit
mit einem Stopper, eine Linearausgabeeinheit, eine beweglichen Einheit
und eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit. Die bewegliche Einheit ist
an einem Ende der beweglichen Einheit mit dem Stopper der Trägereinheit
verbunden und an ihrem anderen Ende mit der Linearausgabeeinheit
verbunden. Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugt erste magnetische
Flüsse.
Die bewegliche Einheit weist Elastizität auf und expandiert oder kontrahiert
auf Grundlage einer Wirkung der ersten magnetischen Flüsse und
der Elastizität.
Die Linearausgabeeinheit bewegt sich linear in Antwort auf die Expansion
oder Kontraktion der beweglichen Einheit.
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Die
bewegliche Einheit enthält
vorzugsweise eine Federspule.
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Außerdem kann
die Magnetfluss-Erzeugungseinheit die ersten magnetischen Flüsse in einer zur
Bewegungsachse der beweglichen Einheit orthogonalen Richtung erzeugen.
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Außerdem kann
wenigstens ein Teil der Magnetfluss-Erzeugungseinheit in der beweglichen
Einheit untergebracht sein. In diesem Fall kann die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
ein Spulengehäuse
enthalten sowie eine elektromagnetische Spule, die auf dem Spulengehäuse aufgewickelt
ist.
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In
diesem Fall ist außerdem
eine Steuer-/Regeleinheit bereitgestellt, um der Magnetfluss-Erzeugungseinheit
Strom zuzuführen,
so dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
die ersten magnetischen Flüsse
erzeugt.
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Wenn
die bewegliche Einheit aus einer Federspule aufgebaut ist, so kann
die Steuer-/Regeleinheit einen zweiten Strom der Federspule zuführen, so dass
die Federspule zweite magnetische Flüsse erzeugt. Die Federspule
expandiert oder kontrahiert derart, dass eine Wechselwirkung zwischen
den ersten magnetischen Flüssen
und den zweiten magnetischen Flüssen
mit der Elastizität
der Federspule im Gleichgewicht ist. In diesem Fall kann die Steuer-/Regeleinheit
der beweglichen Einheit einen konstanten Strom zuführen und
den der elektromagnetischen Spule zugeführten Strom derart steuern/regeln,
dass die Expansion und Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt
wird. Alternativ kann die Steuer-/Regeleinheit der Magnetfluss-Erzeugungseinheit
einen konstanten Strom zuführen
und den der beweglichen Einheit zugeführten Strom derart steuern/regeln,
dass die Expansion und Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt
wird.
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Ferner
kann die Magnetfluss-Erzeugungseinheit ein Spulengehäuse sowie
Magnete, die in dem Spulengehäuse
eingebettet sind, enthalten. Wenn die bewegliche Einheit aus einer
Federspule aufgebaut ist, so wird ferner eine Steuer-/Regeleinheit
bereitgestellt, um der Federspule einen zweiten Strom zuzuführen, so
dass die Federspule zweite magnetische Flüsse erzeugt. Die Federspule
expandiert oder kontrahiert derart, dass eine Wechselwirkung zwischen
den ersten magnetischen Flüssen und
den zweiten magnetischen Flüssen
mit der Elastizität
der Federspule im Gleichgewicht ist. In diesem Fall kann die Steuer-/Regeleinheit
den der beweglichen Einheit zugeführten Strom derart steuern/regeln,
dass die Expansion und die Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt
wird.
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Außerdem kann
die Trägereinheit
ein erstes Rohr und einen an einem Ende des ersten Rohrs angebrachten
Stopper umfassen. Ein Teil der Linearausgabeeinheit ist verschiebbar
in dem ersten Rohr untergebracht. In diesem Fall kann die Linearausgabeeinheit
ein zweites Rohr enthalten, welches bezüglich des ersten Rohrs verschiebbar
vorgesehen ist, sowie einen Stopper, welcher an einem dem ersten Rohr
gegenüberliegenden
Ende des zweiten Rohrs angebracht ist und mit welchem die bewegliche
Einheit verbunden ist.
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Außerdem kann
die Trägereinheit
umfassen: ein erstes Rohr, den Stopper, welcher an einem Ende des
ersten Rohrs angebracht ist, sowie einen zusätzlichen Stopper, welcher an
dem anderen Ende des ersten Rohrs angebracht ist und einen Lochbereich aufweist.
Ein Teil der Linearausgabeeinheit ist verschiebbar in dem ersten
Rohr untergebracht. In diesem Fall kann die Linearausgabeeinheit
einen Basisabschnitt enthalten, der in dem ersten Rohr untergebracht
ist und mit welchem die bewegliche Einheit verbunden ist, sowie
den sich bewegenden Abschnitt, der von dem Basisabschnitt aus durch
den Lochbereich des zusätzlichen
Stoppers hindurch verläuft.
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Außerdem können der
Stopper der Trägereinheit
und die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
einheitlich ausgebildet werden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Linearstellglied einen Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt und einen
beweglichen Abschnitt. Der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ist fixiert
und erzeugt erste magnetische Flüsse
in einer ersten Richtung. Der bewegliche Abschnitt enthält eine
Federspule, ist an dem Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt angebracht,
nimmt wenigstens einen Teil des Magnetfluss-Erzeugungsabschnitts
auf und erzeugt zweite magnetische Flüsse in einer zweiten, zur ersten
Richtung orthogonalen Richtung. Der bewegliche Abschnitt expandiert
oder kontrahiert linear, so dass die Wechselwirkung zwischen den
ersten magnetischen Flüssen
und den zweiten magnetischen Flüssen
mit der Elastizität
im Gleichgewicht ist.
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Die
bewegliche Einheit kann dabei eine Federspule enthalten. Außerdem kann
der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein Spulengehäuse enthalten
sowie eine elektromagnetische Spule, die auf das Spulengehäuse aufgewickelt
ist, um die ersten magnetischen Flüsse zu erzeugen.
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Außerdem kann
die bewegliche Einheit eine Federspule enthalten. Außerdem kann
der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein Spulengehäuse sowie in
dem Spulengehäuse
eingebettete Magnete enthalten, um die ersten magnetischen Flüsse zu erzeugen.
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Außerdem kann
der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein erstes Rohr und einen an
einem Ende des ersten Rohrs angebrachten Stopper enthalten. Ein
Teil des beweglichen Abschnitts ist mit dem Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt
verschiebbar vorgesehen.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung enthält
das Linearstellglied einen mechanischen Betätigungskörper, eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit
und einen Linearausgabekörper.
Der mechanische Betätigungskörper expandiert
oder kontrahiert in Antwort auf magnetische Kraft. Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
erzeugt magnetische Flüsse
in einer Richtung, die orthogonal zu einer Richtung der Expansion oder
Kontraktion des mechanischen Betätigungskörpers ist.
Der Linearausgabekörper
gibt eine Kontraktionskraft der beiden Enden des mechanischen Betätigungskörpers aus
und bewegt sich relativ in Richtung der Expansion oder Kontraktion
des mechanischen Betätigungskörpers. Der
mechanische Betätigungskörper weist
eine Federkonstante auf und expandiert oder kontrahiert auf eine
Länge,
die dem durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten magnetischen
Fluss entspricht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht von vorn, welche die Struktur eines Linearstellglieds
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, welche ein Spulengehäuse für eine interne
Magnetfluss-Erzeugungseinheit zeigt, die in dem Linearstellglied
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, welche den Zustand der durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
erzeugten Magnetflüsse
zeigt;
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4 ist
eine Querschnittsansicht von vorn, welche den Betrieb des durch
die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten magnetischen Flusses zeigt;
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5 ist
eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit
in dem Linearstellglied gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 ist
eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer
Modifikation der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist
eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer
Modifikation der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist
eine Querschnittsansicht von vom, welche die Struktur des Linearstellglieds
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Darstellung, welche die durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit
erzeugten Magnetflüsse
und die durch eine bewegliche Einheit erzeugten Magnetflüsse zeigt;
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11 ist
eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 ist
eine Querschnittsansicht von vom, welche die Struktur des Linearstellglieds
gemäß einer
Modifikation der dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
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13 ist
eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer
Modifikation der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend
wird ein Linearstellglied der vorliegenden Erfindung im Detail unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Querschnittsansicht von vorn, welche die Struktur eines Linearstellglieds
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 ist
das Linearstellglied der ersten Ausführungsform aufgebaut aus einer
beweglichen Einheit 1, Zylindergehäusen 2 und 3,
Stoppern 4 und 5, einer Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 sowie
einer Steuerung/Regelung und Stromzufuhr 70. In dem Linearstellglied
der ersten Ausführungsform
ist eine elektromagnetische Spule 8 als Magnetfluss-Erzeugungseinheit
in eine Federspule 1 als bewegliche Einheit eingeführt.
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Die
Federspule 1 ist aus einem weichmagnetischen Metall gebildet
und fortlaufend in Spiralform gewickelt, wie es in 1 gezeigt
ist. Die Federspule 1 kann auf einem Kreiszylinder (Rohr)
oder einem mehreckigen Zylinder aufgewickelt sein. Außerdem ist
es möglich,
solch einen Zylinder nicht zu verwenden. Die Federspule 1 expandiert
und kontrahiert gleichmäßig entlang
einer Achse L. Zu diesem Zeitpunkt hat die Form der Federspule 1 eine
gute Reproduzierbarkeit nach Maßgabe
des Hook'schen Gesetzes.
Auf diese Weise weist eine solche Federspule 1 äußerst hervorragende
physikalische und mechanische Eigenschaften auf.
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Es
sollte angemerkt werden, dass das Material der Federspule 1 vorzugsweise
Federeigenschaft sowie eine hohe magnetische Permeabilität mit geringer
Hysterese aufweist. Daher ist die Federspule 1 aus einem
Material wie etwa Fe, Ni, ein anderes Metall oder verschiedene nicht-metallische
Legierungen gebildet. Rostfreier Stahl (SUS) ist als Material eher geeignet.
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Die
Federspule 1 ist in einem ersten Gehäuse 2 und einem zweiten
Gehäuse 3 untergebracht. Sowohl
das erste Gehäuse 2 als
auch das zweite Gehäuse 3 sind
Kreiszylinder oder Rohre. Das erste Gehäuse 2 ist innerhalb
des zweiten Gehäuses 3 angeordnet
und ist durch die innere zylindrische Fläche des zweiten Gehäuses 3 derart
geführt,
dass das erste Gehäuse 2 sich
verschieben und entlang der Achse L hin und her bewegen kann. Das
Material des ersten Gehäuses 2 und
das Material des zweiten Gehäuses 3 kann
magnetisches Material oder nicht-magnetisches Material sein. Ein
erster Stopper 4 ist fest in einem Öffnungsende des ersten Gehäuses 2 angebracht.
Der zweite Stopper 5 ist fest in einem Öffnungsende des zweiten Gehäuses 3 angebracht.
Ein Ende der Federspule 1 ist fest an dem ersten Stopper 4 abgestützt und
das andere Ende der Federspule 1 ist fest an dem zweiten
Stopper 5 abgestützt.
Wenn somit die Federspule 1 entlang der Achse L kontrahiert
und expandiert, so kann sich der Kreiszylinder 2 als Linearausgabeeinheit
hin- und herbewegen.
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Die
elektromagnetische Spule 8 ist aus einem langen Spulengehäuse 6 und
einer Spule 14 aufgebaut. Ein Zentralloch 7 ist
entlang der Achse L derart ausgebildet, dass es durch den ersten
Stopper 4 hindurch verläuft.
Wie in 2 gezeigt ist, wird das Spulengehäuse 6 durch
das Zentralloch 7 hindurch koaxial in das erste Gehäuse 2 und
das zweite Gehäuse 3 sowie
ferner koaxial in die Federspule 1 eingeführt. Das
Spulengehäuse 6 ist
aus einem Harz (ein Körper
aus nicht-magnetischer Substanz) aus einer mehreckigen Säule gebildet.
Ein Ende des Spulengehäuses 6 ist
fest an dem zweiten Stopper 5 angebracht. Das andere Ende
des Spulengehäuses 6 ist
von dem ersten Stopper 4 losgelöst. Das Spulengehäuse 6 weist
hohle Abschnitte auf, so dass es von geringerem Gewicht ist. Das
Spulengehäuse 6 weist einen
Hauptabschnitt 9 und Spulenendabschnitte 11 an
beiden Enden auf. Der Hauptabschnitt 9 ist so ausgebildet,
dass er die Form einer viereckigen Säule 12 aufweist. Jeder
der Spulenendabschnitte 11 ist so ausgebildet, dass er
die Form einer Halbkreissäule 13 aufweist.
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Die
Spule 14 ist an dem Hauptabschnitt 9 des Spulengehäuses 6 vorgesehen,
in dem ein elektrisch leitfähiger
Draht so an dem Hauptabschnitt 9 aufgewickelt ist, dass
er entlang der Achse L verläuft, dann
umkehrt und dann erneut entlang der Achse L verläuft, wie in 3 gezeigt
ist. Der elektrisch leitfähige
Draht der Spule 14 verläuft
gleichmäßig entlang der
Oberfläche
der Halbkreissäule 11.
In Bezug auf Materialkosten ist Kupfer als Material der Spule 14 geeignet.
Die Richtung L' der
Mittelachse der Spule 14 ist orthogonal zur Achse L, wie
in 3 gezeigt ist.
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Eisenkern-Haltelöcher 15 sind
in den Seitenwänden
so ausgebildet, dass sie entlang der Richtung L' der Mittelachse durch das Spulengehäuse 6 hindurchtreten.
Wenn die Anzahl an Windungen in der Federspule 1, wie in 1 gezeigt, 40 beträgt, so ist
es wünschenswert,
dass die Anzahl an Eisenkern-Haltelöchern 15 kleiner
ist als 40. Speziell ist es wünschenswert,
dass die Abstände
zwischen den Eisenkern-Haltelöchern 15 gleich
1/2 der Ganghöhe der
Federspule 1 betragen. Ein Eisenkern 16 wird in jedes
der Eisenkern-Haltelöcher 15 eingeführt. Der Eisenkern 16 wird
fest an dem Spulengehäuse 6 angebracht.
Die Zentralachse des Eisenkerns 16 ist parallel zur Richtung
L' der Mittelachse.
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Die
Steuer-/Regeleinheit sowie Stromzufuhr 70 führt der
elektromagnetischen Spule 14 als Magnetfluss-Erzeugungseinheit
einen Strom zu, so dass die elektromagnetische Spule 14 die
ersten magnetischen Flüsse
erzeugt. In diesem Fall steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 70 den
der elektromagnetischen Spule 14 zugeführten Strom, um die Expansion
und die Kontraktion der Federspule 1 zu steuern/zu regeln.
Auf diese Weise sind die durch die elektromagnetische Spule 14 erzeugten
ersten magnetischen Flüsse
orthogonal zu einer Ausdehnungsrichtung der Federspule 1 als
bewegliche Einheit.
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4 zeigt
eine Phasenbeziehung zwischen der Federspule 1 und dem
Eisenkern 16. Wenngleich es theoretisch keine technische
Bedeutung hat, dass die Beziehung der beiden eine bestimmte sein
muss, so zeigt doch 4 die Phasenbeziehung, um einen Magnetfluss-Erzeugungsmechanismus
zu verdeutlichen. In einer in 4 gezeigten
Querschnittsebene gibt es einen Punkt und dieser ist ein Schnittpunkt zwischen
der Achse L und der Achse L'.
Der Punkt wird als Ursprung gesetzt. In einem Polarkoordinatensystem
befindet sich ein Zentralpunkt 18 der Federspule 1 in
der Querschnittsebene auf der 180-Grad-Position und ein Zentralpunkt 19 in
der anderen Querschnittsebene befindet sich auf der Null-Grad-Position.
Eine Linie in Radiusrichtung, die durch den Mittelpunkt hindurchtritt,
fällt mit
der Mittellinie des Eisenkerns 16 zusammen und läuft durch den
Mittelpunkt zwischen den Zentralpunkten 19 und 19 oder
den Nachbarpunkt Q.
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Wenn
durch die elektromagnetische Spule 14 ein Strom fließt, so wird
eine magnetische Bahn 21 von annähernd rechteckiger Form ausgebildet. Die
magnetische Bahn ist flach und die Richtung der magnetischen Bahn
ist im Wesentlichen parallel zur Achse L' in dem Eisenkern 16. Ein magnetischer Fluss 22a in
einem zur Achse L' parallelen
Teil der magnetischen Bahn 21 ist an einem Zentralpunkt 19 gekrümmt und
wird mit einem schrägen
magnetischen Fluss 23a verbunden, welcher auf ein Ende
eines bestimmten Eisenkerns 16A gerichtet ist. Der schräge magnetische
Fluss 23a dringt in den bestimmten Eisenkern 16A ein
und verbindet sich mit dem magnetischen Fluss 24 in dem
Eisenkern 16A, welcher parallel zur Achse L' ist. Der magnetische Fluss 24 in
dem Eisenkern 16A ist mit einem magnetischen Rückfluss verbunden,
welcher durch den anderen Zentralpunkt 18 parallel zur
Achse L' hindurchtritt.
Der Magnetfluss 22b als anderer Teil der magnetischen Bahn 21 parallel
zur Achse L' ist
an dem anderen Zentralpunkt 19 gekrümmt und ist mit dem schrägen magnetischen
Fluss 23b verbunden, welcher auf eine Endfläche des
bestimmten Eisenkerns 16A gerichtet ist. Der schräge magnetische
Fluss 23b dringt in den Eisenkern 16A ein und
ist mit dem magnetischen Fluss 24 verbunden, welcher parallel zur
Achse L' verläuft. Der
magnetische Fluss 24 in dem Eisenkern 16A ist
mit dem magnetischen Rückfluss
verbunden, welcher durch den anderen Zentralpunkt 18 parallel
zur Achse L' hindurchtritt.
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Wenn
das Spulengehäuse 6 ein
festes stationäres
System ist, so ist der in dem Spulengehäuse 6 befestigte Eisenkern 16 ein
stationäres
System. Eine Komponente des schrägen
magnetischen Flusses 23a in einer Richtung der Achse L
und eine Komponente des schrägen
magnetischen Flusses 23b in einer Richtung der Achse L
sind zueinander entgegengesetzt und die benachbarten Zentralpunkte 19 empfangen
eine magnetische Kraft derart, dass sie einander anziehen. Sämtliche
der Zentralpunkte 19, 19, ..., 19 sind
keine unbeweglichen Punkte zu einem stationären System, sie sind bewegliche
Punkte. Sämtliche
der Zentralpunkte 19, 19,..., 19 in dem
gesamten System ziehen einander an und die Federspule 1 kontrahiert.
Das erste Gehäuse 2 und
das zweite Gehäuse 3 nähern sich
um die Kontraktionslänge
entsprechend der Kontraktion relativ zueinander an. Durch die Kontraktion
bewegen sich die Zentralpunkte 19 zu dem zweiten Stopper 5 des
zweiten Gehäuses 3 hin,
so dass sich die Phase zum Eisenkern 16 in der Achse L ändert. Die
Phasenänderungen
sind größtenteils
bei den Zentralpunkten 18 und 19, die näher an dem
ersten Stopper 4 des ersten Gehäuses 2 liegen.
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Die
benachbarten Zentralpunkte 19 empfangen eine Anziehungskraft
durch zwei schräge,
diagonale magnetische Flüsse,
egal welche Werte diese Phasen aufweisen. Eine zuvor erwähnte Dynamikanalyse
ist nur über
die an dem Zentralpunkt wirkende magnetische Kraft durchgeführt worden.
Wie jedoch in 4 gezeigt ist, wirkt die magnetische
Kraft auf die anderen Punkte, deren Phasen von denen der Zentralpunkte 18 und 19 um
90° in einer
Winkelkoordinatenrichtung verschoben sind. Ferner liegt in einem
beliebigen Abschnitt der Federspule 1, der nicht vollständig in
der zur Achse L' parallelen
Ebene enthalten ist und in Bezug auf die Achse L' geneigt ist, stets magnetische Inklination
vor. Der beliebige Abschnitt der magnetischen Spule 1 empfängt daher
die magnetische Kraft derart, dass die Mittellinie mit der Richtung
der magnetischen Bahn zusammenfällt. Daher
empfängt
die Federspule 1 stets fortwährend die magnetische Kraft
in Kontraktionsrichtung, unabhängig
von der relativen Phase des Eisenkerns 16. Da die Federspule 1 die
magnetische Kraft in der Konraktionsrichtung ohne Bezug zur Phase
empfängt,
können
sämtliche
Eisenkerne 16 durch einen festen Eisenkern der Kreissäule oder
der viereckigen Säule
ersetzt werden. Das Spulengehäuse 6 selbst kann
durch den Eisenkern ersetzt werden. Der Grund, warum das Spulengehäuse 6 aus
einem Harz als nicht-magnetischem Material hergestellt ist und eine
Vielzahl von Eisenkernen 16 in dem Spulengehäuse 6 verwendet
werden, liegt in der Gesamtgewichtsreduzierung.
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Die
mechanische bewegliche Einheit ist nicht auf eine Federspule beschränkt und
es wird weithin eine Federstruktur, wie etwa eine Blattfeder vom Krümmungstyp,
nach Maßgabe
des Anwendungsobjekts des Linearstellglieds eingesetzt. Da die Federspule
ein Betätigungskörper ist,
ist der Verschiebungsverstärkungsmechanismus
theoretisch unnötig.
Da es keinen Verschiebungsverstärkungsmechanismus
gibt, weist das Linearstellglied eine exzellente Haltbarkeit und
Zuverlässigkeit
auf. Die Federspule kann aus einem weichmagnetischen Material gebildet
sein und weist einen hohen Kontraktionswirkungsgrad auf. Der Eisenkern
verbessert die Konvergenz des magnetischen Flusses, so dass der
magnetische Fluss effizient durch die Federspule hindurchtritt.
Daher ist der Kontraktionswirkungsgrad der Feder hoch. Die Federspule
kann um die Magnetfeld-Erzeugungsquelle herum angeordnet sein. Daher
sind der Betriebswirkungsgrad und der Energieumwandlungswirkungsgrad
hoch. In vielen Fällen
ist das weichmagnetische Material ein für die Feder geeignetes Material
(Fe-System und SUS-System), so dass das Ausmaß der Konstruktionsfreiheit
erweitert wird.
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Als
nächstes
wird das Linearstellglied gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschrieben.
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5 zeigt
das Linearstellglied gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 treten
zwei Betätigungsstifte 53 als
Linearausgabeeinheit durch einen Stopper 52 eines einheitlichen
Zylinders 51. Der Betätigungsstift 53 ist
mit einer Krempe 54 versehen. Die Krempen 54 sind
in dem Zylinder 51 angeordnet. Das eine Ende der Federspule 1 ist
durch den anderen Deckel 55 des Zylinders 51 in
der Richtung der Achse L abgestützt
und festgelegt. Das andere Ende der Federspule 1 ist an
den Krempen 54 angebracht. Der Deckel 55 ist mit
der Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 als eine Einheit verbunden.
Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 weist
eine Vielzahl von Löchern
auf, welche in einer Richtung orthogonal zur Richtung L verlaufen.
Permanentmagnete 41 sind in die Löcher eingeführt. Daher ist es in der zweiten Ausführungsform
nicht notwendig, einen Strom durch die Spule 14 fließen zu lassen,
so dass die Steuerung/Regelung und Stromzufuhr 70 weggelassen
ist.
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6 zeigt
eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8, welche anstatt der
elektromagnetischen Spule verwendet wird. In diesem Fall werden
die magnetischen Flüsse
durch den Permanentmagneten 41 erzeugt. Eine Vielzahl von
Stabmagneten 41 sind in einem Magnetenträgerrohr 42 derart
angeordnet, dass die magnetischen Flüsse von den Magneten 41 in
die Richtung der Zentralachse L' gewandt
sind. Eine Magnetfluss-Abschirmungseinheit oder eine Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist
zwischen der Federspule 1 und den Stabmagneten 41 angeordnet. Die
Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist
aus weichmagnetischem Material gebildet und eine Vielzahl von Löchern 44 sind
in Abständen
angeordnet, die gleich den Anordnungsabständen der Stabmagnete 41 sind.
Die Löcher 44 bewegen
sich relativ zu dem Magnetenträgerrohr 42 entlang
der Achse L, so dass die Magnetfluss-Änderungseinheit 43 derart
arbeitet, dass sie die magnetische Kraft des Stabmagneten 41 zur
Federspule 1 hin abschirmt oder die effektive magnetische
Bahn der magnetischen Flüsse
der Stabmagnete 41 ändert.
Im Ergebnis wird bewirkt, dass die Änderung der Inklination des
magnetischen Flusses die Federspule 1 kontrahiert oder
expandiert. Durch die kleine Kraft zum Antreiben der Magnetfluss-Änderungseinheit 43 wird
die große
Expansions- und Kontraktionskraft der Federspule 1 verstärkt oder
die Verschiebungsdistanz wird verstärkt. Das Linearstellglied in
der zweiten Ausführungsform
weist eine Verstärkungsfunktion
auf und eine Positionssteuerung/-regelung der Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist
einfach. Daher kann die Expansions- und Kontraktionslänge der
Federspule 1 effektiv gesteuert/geregelt werden.
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Die
Kontraktions- und Expansionsfunktionen der Federspule 1 sind
so wie oben erwähnt
und die Betätigungsstifte 53 bewegen
sich in Bezug auf das Rohr 51 in Reaktion auf die Expansion
und Kontraktion der Federspule 1. Diese Ausführungsform
kann ein schnellansprechendes Stellglied bereitstellen, da im Gegensatz
zu obigen Ausführungsform
der Reibungsverschiebungsbereich klein ist und die Masse des Linearausgabekörpers gering
ist.
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7 und 8 sind
Modifikationen des Linearstellglieds der ersten und zweiten Ausführungsform.
In 7 ist der Kreiszylinder 2 an der Außenseite
des Kreiszylinders 3 vorgesehen. Außerdem sind in 8 die
Stifte 53 mit einer einzigen Krempe 54 verbunden.
Die Strukturen und Funktionsweisen werden für den Fachmann aus der obigen
ersten und zweiten Ausführungsform
offensichtlich sein. Eine detaillierte Beschreibung wird daher weggelassen.
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Als
nächstes
wird ein Linearstellglied gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform
ist in der Struktur ähnlich
der ersten Ausführungsform.
Es wird daher nur der abweichende Punkt beschrieben.
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In
der dritten Ausführungsform
führt eine Steuer-/Regeleinheit
und Stromzufuhr 72 der elektromagnetischen Spule 14 als
Magnetfluss-Erzeugungseinheit einen Strom zu, so dass die elektromagnetische
Spule 14 die ersten magnetischen Flüsse erzeugt. Die Steuer-/Regeleinheit 72 führt der
Federspule 1 als der beweglichen Einheit 1 einen
Strom zu, um die zweiten magnetischen Flüsse zu erzeugen. Wenn der Federspule 1 ein
konstanter Strom zugeführt
wird, so steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 72 den
der elektromagnetischen Spule 14 zugeführten Strom, um die Expansion
und Kontraktion der Federspule 1 zu steuern/zu regeln.
Alternativ kann die Steuer-/Regeleinheit 72 der elektromagnetischen Spule 14 einen
konstanten Strom zuführen.
In diesem Fall steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 72 den
der Federspule 1 zugeführten
Strom derart, dass die Expansion und Kontraktion der Federspule 1 gesteuert/geregelt
wird. Auf diese Weise sind die durch die elektromagnetische Spule 14 erzeugten
ersten magnetischen Flüsse
orthogonal zu den durch die Federspule 1 erzeugten zweiten
magnetischen Flüssen,
wie dies in 10 gezeigt ist.
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Das
erste Gehäuse 2 oder
das zweite Gehäuse 3 arbeiten
als Betätigungsabschnitt
des Stellglieds. Wenn der der elektromagnetischen Spule 14 zugeführte erste
Strom geändert
wird, so neigen die zweiten magnetischen Flüsse durch die Wechselwirkung
der ersten und zweiten magnetischen Flüsse aufgrund der Erhaltung
des magnetischen Feldes dazu, sich zu ändern. Somit expandiert oder
kontrahiert die Federspule 1 um eine Verschiebung L. Wenn
der der Federspule 1 zugeführte zweite Strom durch I ausgedrückt wird,
so sind die zweiten magnetischen Flüsse H von der Federspule 1 ungefähr proportional zu
dem zweiten Strom I und ungefähr
umgekehrt proportional zu einer Summe aus der Verschiebung L und
der Länge
der Federspule 1. Wenn jedoch die Federspule 1 länger ist
als die Verschiebung, so kann die Änderung der zweiten magnetischen
Flüsse
in einem der Verschiebung L entsprechenden Bereich als ungefähr linear
betrachtet werden. Somit wird eine Schubkraft erzeugt, die größer ist
als beim bekannten Linearmotor. Andererseits weist die Federspule 1 eine
Federkonstante oder einen Elastizitätskoeffizienten k auf und es
wirkt eine elastische Rückstellkraft kL
aufgrund der Verschiebung L. Auf diese Weise stoppt die Federspule 1 an
der Position, an der sich die Expansions- oder Kontraktionskraft
der Federspule 1 aufgrund der Wechselwirkung der ersten
und zweiten magnetischen Flüsse
mit der elastischen Kraft der Federspule 1 aufhebt. Durch
die Expansion oder Kontraktion der Federspule 1 verschiebt
und bewegt sich das erste Gehäuse 2 als
eine Linearausgabeeinheit in Bezug auf das zweite Gehäuse 3.
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Da
die Verschiebung L auf Grundlage des Betrags des Stroms absolut
bestimmt ist, benötigt dieses
Stellglied theoretisch keinerlei Regelung und jeglicher Positionserfassungsmechanismus
für die Regelung
ist unnötig.
Durch die Steuerung/Regelung des Stromwerts ist die relative Positionssteuerung/-regelung des ersten
Gehäuses 2 und
der Federspule 1 möglich.
Da das Antriebssystem kein Rotationssystem ist, ist ein mechanischer
Umwandlungsmechanismus zum Umwandeln eines Rotationsbetriebs in
einen Linearbetrieb unnötig.
Die zuvor erwähnten
acht Bedingungen sind alle erfüllt.
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11 zeigt
das Linearstellglied gemäß der vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Linearstellglied in der vierten
Ausführungsform weist
die gleiche Magnetfluss-Erzeugungseinheit auf, wie in 6 in
der zweiten Ausführungsform
gezeigt. Wenn die Magnetfluss-Änderungseinheit 43 eingestellt
oder der der Federspule 1 zugeführte Strom geändert wird,
so kontrahiert oder expandiert das Stellglied. Die übrige Struktur
ist die gleiche wie bei der zweiten Ausführungsform. Der Betrieb des Stellglieds
wird aus der zweiten und der dritten Ausführungsform deutlich.
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12 und 13 sind
Modifikationen des Linearstellglieds der dritten und vierten Ausführungsformen.
In 12 ist der Kreiszylinder 2 an der Außenseite
des Kreiszylinders 3 vorgesehen. Außerdem sind in 13 die
Stifte 53 mit einer einzigen Krempe 54 verbunden.
Die Strukturen und Funktionen werden dem Fachmann aus den obigen,
ersten und zweiten Ausführungsformen
offensichtlich sein. Eine detaillierte Beschreibung wird daher weggelassen.
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In
dem Linearstellglied der vorliegenden Erfindung weist eine Federspule
selbst exzellente Reproduzierbarkeit dahingehend auf, dass die Federspule
auf Grundlage von Stromsteuerung/-regelung in eine wählbare Länge expandiert
oder kontrahiert. Durch Mischen und Kombinieren der mechanischen Eigenschaften
und der elektromagnetischen Eigenschaften wird ein exzellentes Linearstellglied
bereitgestellt. Ferner ist es möglich,
alle gewünschten
Eigenschaften zu erhalten.