JP2001520860A - 改良リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コイルステータ（１）と、有効行程Ｘｃにより方向ＯＸに向かう少なくとも一つの可動部（２）とを含み、コイルの供給電流による電流の符号に依存する方向への各可動部が、柔軟な磁気材料製のヨーク（１０）と、このヨークに結合される少なくとも一つの磁石（１２）とを含む単相分極電磁リニアアクチュエータであり、可動部の一つまたは複数の磁石は、Ｅがステータの両極と空洞の底との間でＯＸに垂直に測定した距離であるとき、ステータの両極側で可動ヨークの空洞内の深さ０．１Ｌ＜ｅ＜０．９Ｌのところに部分的にはめ込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】 改良リニアアクチュエータ 本発明は、一般には薄い永久磁石を備えたリニアアクチュエータの領域に関す る。このようなリニアアクチュエータは、電気コイルによって励起される二極を 備えたステータ構造と、ヨーク及び磁化部分を含む可動部とを有する。 こうしたアクチュエータの一般原理は、フランス特許出願第９７／１０５８５ 号に記載されている。 このリニアアクチュエータは、輪番方向に磁化される薄い３個の磁石からなる 磁気構造を使用している。 従来技術のアクチュエータの第一の欠点は、３個の永久磁石が必要なことにあ る。永久磁石は比較的高価であり、このために従来技術の構造では、製造コスト が高い。 第二の欠点は、薄い磁石の極性を輪番に変えるので、組立前に磁石を磁化させ てから、ヨークに３個の磁石を接着しなければならないことにある。 第三の欠点は、従来技術のアクチュエータは、これらのアクチュエータの構造 により発生する静磁力が可動部を行程の中心に著しく引き戻す傾向があるので、 一定の用途ではかえって邪魔になることにある。 本発明の目的は、充分なアンペアターンにより力を保持しながら、これらの欠 点を解消する改良アクチュエータを提案することにある。 従来技術では、柔軟な磁気材料からなるヨークにはめ込んだ磁石から可動部を 形成したアクチュエータを提案している。このような解決方法 は、米国特許第５１７５４５７号、またはＰＣＴ特許第８６／０５９２８号の第 １図で提案されている。本出願人は、コイルに用いられるアンペアターンの数が 増す場合、位置に応じて力が一定のままではないことを立証した（第１図参照） 。 また、磁石をヨークの表面に固定した解決方法も提案された。このような解決 方法は、米国特許第４１９５２７７号で提案されている。こうしたアクチュエー タの場合、力は、有効行程の間中、ほぼ一定のままである。この場合、本出願人 は、収量が並以下である上にいずれにしても第一のタイプのアクチュエータの収 量よりも少ないことを立証した（第２図参照）。 本発明の目的は、行程に沿って力がほぼ一定であって効率のよいアクチュエー タを提案することにある。本特許出願が対象とする発明は、本出願人が、アクチ ュエータの様々な特徴に対するヨーク内部の磁石の位置の影響を分析し、この分 析から、性能を最適化した新型アクチュエータの設計をした結果生まれている。 このために、本発明は、少なくとも一つのコイルにより励起される２個の極を 備えたステータ構造と、ヨーク及び磁化部分を含む可動部とを有する電磁リニア アクチュエータに関し、ギャップの面に垂直な方向に沿って磁化される一つまた は二つの永久磁石が、強磁性材料からなる可動ヨークに設けられた空洞に収容さ れることを特徴とする。 空洞ｅの深さは、有効行程に沿ってほぼ一定の力を維持しながら、空洞のない 場合（ｅ＝０）に比べてアクチュエータが供給する力を大きくするように適切に 選択する。 アクチュエータが飽和されない場合、可動部の自由度の方向ＯＸに形成される 力は、有効行程Ｘｃではしばしば無視できる静電力Ｆ₀（電流なし）と、アンペ アターンｎＩに比例する分極力ＦｎＩの項と、空洞に より生じる可変リラクタスにより、アンペアターンの二乗に比例する力の項Ｆｎ ｌ²との、三つの成分に分解することができる（第１図、第２図参照）。すなわ ち 所定のアンペアターンの値ｎＩの場合、磁石を配置する空洞の厚さｅが増すと 力の項が増す（第４図の説明参照）。 力ＦｎＩの項は、値ｅがどのようなものであっても有効行程に沿ってほぼ一定 である。反対に項ＦｎＩ²は、位置に応じて線形変化する。所定のアンペアター ンの値に対し、行程全体についてほぼ一定の力を得るには、比ＦｎＩ／ＦｎＩ² を比較的小さくし、たとえば１５％末満にしなければならない。この比は、磁石 を配置する空洞の底とステータの両極の面が通る平面との間のギャップに磁石の 厚みを加えたものをＥとしてｘ＝ｅ／Ｅがはめ込み率を示し、 ｎＩが、一つまたは複数のコイルを通過する電流により磁気回路に形成された 磁位であり、 ＨｃＬが、磁石の保持磁界Ｈｃと厚さＬとによる磁化方向への磁位であるとき 、第一の近似によって下記の式 で表される。 比ＦｎＩ／ＦｎＩ²は、空洞の深さｅが深くなればなるほど厳密に大きくなる 。 所定の磁石とアンペアターンの値とに対して空洞の深さｅをできるだけ深く選 択することにより、比ＦｎＩ²／ＦｎＩをたとえば０．１５未 満の比較的小さい値に保持して、力が行程に沿ってほぼ一定になるようにする。 空洞ｅの深さはその場合、アクチュエータから供給される力を最適化するよう に、計算およびまたは適切なシミュレーションによって正しく選択する（０．１ Ｌ＜ｅ＜０．９Ｌ）。 アンペアターンの値か非常に小さい場合（ｎｉ＜１００Ａｔ）、空洞の深さは 好適には磁石の厚さの５０％、好ましくは約８０％を越える。 アンペアターンの値が大きい場合には、空洞の深さは好適には磁石の厚さの５ ０％未満であり、好ましくは約４０％である。 比ＦｎＩ／ＦｎＩ²を決定する式は、漏洩と鉄の比透磁率とを考慮することに よって厳密且つ正確に決められる。 第一の実施形態によれば、同じ方向に磁化される２個の磁石を用い、強磁性の ヨークの一端にそれぞれ配置された２個の空洞にこれらの磁石を部分的にはめ込 む。 第一の変形実施形態によれば、ステータ構造は、コイルによってそれぞれ巻か れる２個の分枝を有する。 第二の変形実施形態によれば、ステータ構造は筒形であって、環状コイルが収 容される内部環状溝を有し、可動部は、径方向に磁化される環状磁石を配置する 環状溝を備えた強磁性の内部筒状ヨークからなる。 第三の変形実施形態によれば、本発明によるアクチュエータは、筒形の内部ス テータ構造を含み、また環状コイルが収容される環状の溝を有し、可動部は、径 方向に磁化される環状磁石を配置する深さｅの環状溝を備えた強磁性の外部筒状 ヨークからなる。 変形実施形態によれば、本発明によるリニアアクチュエータは、２個の可動部 を含み、一方の可動部の磁石は、他方の可動部の磁石の反対方向に磁化され、２ 個の可動部は、電流作用により反対方向に移動する。 本発明は、添付図に関する以下の説明によりいっそう理解されよう。 第１図は、従来技術によるアクチュエータの位置とアンペアターンとに応じた 力のグラフである。 第２図は、本発明によるアクチュエータの位置とアンペアターンとに応じた力 のグラフである。 第３図は、第一の実施形態の中央断面図である。 第４図は、さまざまな寸法を示す概略図である。 第５図は、第二の実施形態の断面図である。 第６図は、第三の実施形態の断面図である。 第７図は、２個の磁石を備えた可動部を含む変形実施形態を示す図である。 第８図は、２個の可動部を含む実施形態を示す図である。 第９図は、２個の可動部を含む変形実施形態を示す図である。 好適な第一の変形実施形態によれば、電流がないときの残留力がほぼゼロであ るゾーンにおける可動部の有効行程をＸｃとし、磁石を配置する空洞の底とステ ータの両極の表面が通る面との間のキャップに磁石の厚みを加えたものをＥとす ると、ステータの両極の幅をＸｃ以上にし、好適にはほぼＸｃ＋Ｅにして、有効 行程の全体において電流力が一定で殆ど変動がないようにする。 有利な変形実施形態によれば、ステータの両極間の隔たりをＸｏとすると、可 動ヨークの幅は３Ｘｃ＋Ｘｏで、好適にはほぼ３Ｘｃ＋Ｘｏ＋３Ｅである。 変形実施形態によれば、可動部は、強磁性ヨークのほぼ中心にＯＸ方向に配置 される空洞に部分的にはめ込まれた唯一の磁石を有し、空洞及び磁石はＸｃ＋Ｘ ｏ以上の幅を有し、好適にはほぼＸｃ＋Ｘｏ＋Ｅである。 変形実施形態によれば、可動部は、強磁性ヨークの一端にそれぞれ配置された ２個の空洞に部分的にはめ込まれる２個の磁石を有し、各空洞及び各磁石は、Ｏ Ｘ方向に、Ｘｃ以上で好適にはほぼＸｃ＋Ｅである幅を有する。 第３図は、第一の実施形態の断面図である。アクチュエータは、ステータ部（ １）と可動部（２）から構成される。 ステータ部（１）は、強磁性材料（３）からなる一個の部品により形成され、 この部品は、幅がほぼＸｃ＋Ｅの極（６，７）である２個の分枝（４，５）を有 する。 各ステータ分枝（４，５）は、それぞれコイル（８，９）によって巻かれる。 可動部は、台形のヨーク（１０）からなる。ヨークは、強磁性材料からなり、 ＯＸに沿ってほぼ３Ｘｃ＋Ｘｏ＋３Ｅの幅を有する。ヨークは、平行六面体の空 洞（１１）を有し、ＯＸに垂直に磁化された薄い永久磁石（１２）がその内部に 部分的にはめ込まれている。この薄い磁石（１２）の幅は、ほぼＸｃ＋Ｘｏ＋Ｅ である。 ヨークは、幅がほぼＸｃ＋Ｅである強磁性延長部（１３，１４）により磁石（ １２）の両側に延長されている。 磁石（１２）は、ヨーク（１０）に部分的にはめ込まれており、空洞の深さｅ は、所定の用途に対する力を最適化するように選択される。 磁石の表面とステータ極の表面との間には、数十ミリの遊びが存在する。 空洞の深さｅを適切に選択すると、力ＦｎＩ²をの項は、有効行程において殆 ど無視できる。有効行程Ｘｃにおける力は、２個の各コイルにおけるアンペアタ ーン数ｎＩの循環により発生し、次のような値を有する。 Ｆ＝２．Ｂｒ．Ｌ／（２．Ｅ−ｅ）．Ｚ．２．ｎＩ、ここで、 ＊Ｂｒは、磁石の残留誘導 ＊Ｌは、磁石の厚さ ＊Ｅは、磁石を配置する空洞の底と、ステータ極の表面が通過する面との間の ギャップに磁石の厚さを加えたもの ＊ｅは、空洞の深さ ＊Ｚは、第１図の面に垂直な磁石の有効行程の幅 ＊ｎＩは、各コイルにおけるアンペアターン数ｎＩを示す。 たとえば Ｅ＝１．５ｍｍ Ｌ＝１．２ｍｍ ｅ＝０．６ｍｍである。 有利には、単一の磁石（１２）が、ヨーク（１０）に設置後に磁化される。 第５図は、円筒形の変形実施形態を示す。円筒形の磁石（１２）は、筒状の可 動ヨーク（１０）に形成された深さｅの筒状の空洞（１１）に収容されている。 磁石（１２）の両側で、可動ヨーク（１０）が側面延長部（１３，１４）を有す る。ステータ部（１）は、円筒形のステータ部品（２０）からなる。このステー タ部品は、可動ヨーク（１０）の外側に同心に配置される。ステータ部品は、筒 形のコイル（２２）を受容するための内部溝（２１）を有する。 第６図は、可動ヨーク（１０）が外側にある変形実施形態を示す。可動ヨーク は、可動ヨーク内部に配置されるステータ部（３０）を同心に囲む。 第７図は、変形実施形態を示す。ステータ部（１）を形成する部品（３）は、 磁極片（３７，３８）を有する２個の分枝を備えた強磁性材 料からなる。各ステータ分枝（４，５）は、コイル（８，９）によって巻かれて いる。 ヨーク（３０）は、両端に２個の空洞（３１，３２）を有し、ＯＸに沿ってほ ぼＸｃ＋Ｅに等しい幅の磁石（３４，３５）が、この空洞に部分的にはめ込まれ ている。２個の磁石（３４，３５）の間に含まれるゾーンにおいて、強磁性のヨ ークは、力を最適化するように厚さｅを選択し、ＯＸに沿ったほぼＸｏ＋Ｅに等 しい幅の部分突出ゾーン（３６）を有する。 第８図は、電流効果により同じＯＸ方向であるが反対向きに移動する２個の可 動部（４０，４１）を備えた変形実施形態を示す。各可動部は、強磁性のヨーク （４４，４５）に部分的にはめ込まれた一個の磁石（４２，４３）を有する。２ 個の可動部の磁石は、反対向きに磁化される。 ステータ部（１）は、円筒形のステータ部品（２０）からなる。このステータ 部品は、可動ヨーク（４４，４５）の外部に配置される。ステータ部品は、筒形 のコイル（２２）を配置する内部溝（２１）を有する。 第９図は、電流効果により同じＯＸ方向であるが反対向きに移動する２個の可 動部（５０，５１）を備えた変形実施形態を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フラチョン ディディール フランス国、ベサンコン エフ―25000、 ルー ルーシエン フェヴレ、４ (72)発明者 ベソン クリストフ フランス国、ベサンコン エフ―25000、 ルー ドゥ ボウグニー、５ビー 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． コイルステータ（１）と、有効行程Ｘｃにより方向ＯＸに向かう少なくと も一つの可動部（２）とを含み、 ・柔軟な磁気材料製のステータが２個の極（６，７）または極群を有し、 −各極が、少なくともＸｃの幅に等しく、 −ＸＯの間隔を開けられ、 −ＯＸに平行な同一平面か、または軸ＯＸの同一円筒面に配置され、 −少なくとも一つのコイル（８，９）により反対の符号に分極され、 ・コイルの供給電流による電流の符号に依存する方向への各可動部が、柔軟 な磁気材料からなるヨーク（１０）と、このヨークに結合される少なくとも一つ の磁石（１２）とを含み、 −ヨークが、ステータ正面に３個の部分を含み、この３個の部分は、 −ステータの両極に平行で −これらの極に平行に移動し、 −一つまたは複数の最も近い部分に対してＯＸに垂直に測定した一定の 最低距離ＹＯのところにあり、 −一つまたは複数の磁石は、 −ステータの極に平行な極を有し、 −ＯＸに垂直に測定した厚さＬが同じである、単相分極電磁リニアアク チュエータにおいて、 −可動部の一つまたは複数の磁石は、 −Ｅがステータの両極と空洞の底との間でＯＸに垂直に測定した距離であ るとき、ステータの両極側で可動ヨークの空洞内の深さ０．１Ｌ＜ｅ＜０．９Ｌ のところに部分的にはめ込まれ、 −一定の最低距離Ｅ−Ｌのところでステータの両極に平行にヨークと共に 移動し、 −ＯＸに垂直で、複数の磁石がある場合には同じ方向に磁化され、 −ヨークは、ＯＸに沿って測定した長さが少なくとも３Ｘｃ＋Ｘｏに等しく 、ステータからの最低距離がＥ−Ｌを越えるＹｏ＝Ｅ−ｅに等しいところに配置 されることを特徴とするリニアアクチュエータ。 ２． 可動部は、強磁性ヨークのほぼ中心に配置される空洞に部分的にはめ込ま れる磁石を有し、空洞と磁石のＯＸ方向における幅は少なくともＸｃ＋Ｘｏに等 しいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチュエータ。 ３． 可動部は、強磁性ヨークの一端にそれぞれ配置された２個の空洞内に２個 の磁石を有し、各空洞及び各磁石の方向ＯＸの幅は、Ｘｃ以上であることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチュエータ。 ４． ヨークの空洞の深さｅは、一定の電流により、好適には１５％未満の変動 を伴って有効行程全体についてほぼ一定の力を維持しながらできるだけ深くなる ように選択し、そのとき空洞の深さは、下記の条件 を実証する最大値ｅによって決定され、ここでＦｎＩとＦｎＩ²は、空洞ｅが深 くなるにつれて大きくなり、それぞれアンペアターンｎＩとアンペアターンの二 乗ｎＩ²に比例するので飽和のない有効行程では静磁力の項をしばしば無視する ことができ、全体の力がほぼ 磁石を配置する空洞の底とステータの極の面が通る平面との間のギャップに磁石 の厚みを加えたものをＥとして、ｘ＝ｅ／Ｅが、強磁性ヨークの空洞内への磁石 のはめ込み率を示し、 ｎＩが、一つまたは複数のコイルを通過する電流により磁気回路に形成された 磁位であり、 ＨｃＬが、磁石の保持磁界Ｈｃと厚さＬとによる磁石の磁化方向への磁位であ るとき、第一の近似によって下記の式 で表されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチュエータ。 ５． ヨークの空洞の深さは、磁化方向に測定した磁石の厚みＬの４０〜８０％ であり、好適には約６０％であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリ ニアアクチュエータ。 ６． ステータの構造は、コイルによってそれぞれが囲まれた２個の分枝（４， ５）を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチュエータ 。 ７． 筒形の外部ステータ構造を含み、また環状コイルを収容する内部環状溝を 有し、可動部が、径方向に磁化される環状磁石を配置する環状溝を備えた強磁性 の内部環状ヨークからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアア クチュエータ。 ８． 筒形の内部ステータ構造を含み、環状コイルを収容する外部環状溝を有し 、可動部は、径方向に磁化される環状磁石を配置する環状溝を備えた強磁性の外 部環状ヨークからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチ ュエータ。 ９． ２個の可動部を含み、一方の可動部の磁石は、他方の可動部の磁石の反対 方向に磁化され、２個の可動部は、電流作用により反対方向に移動することを特 徴とする請求の範囲第１項に記載のリニアアクチュエータ。 １０．可動部の磁石は、好適には可動部に設置した後で磁化されることを特徴と する請求項１から９の少なくとも一つに記載のリニアアクチュエータ。 １１．一つまたは複数の磁石は、並置した複数の磁石からなることを特徴とする 請求項１から１０のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。