JP2005528874A - 増加した比例ストロークを有するフォースモータ - Google Patents

Abstract

本発明のフォースモータ（１０）は、設計された内部部品の機械的構造によって、局所磁場を制御する。機械的構造は、フォースモータ（１０）の磁場を３つのセクションに分割する。電機子（１８）がハウジング（２６）に近づくと、第１セクションにおいて磁場によって電機子（１８）に生ずる力は、指数関数的に増加する。電機子（１８）がハウジング（２６）に近づくと、第２および第３セクションにおいて、磁場によって電機子（１８）に生じる力は、第１セクションにおける磁場による力の増加と平衡する。そのため、長いストローク長にわたって、平坦なＦ−Ｓ曲線が得られる。

Description

［発明の背景］
［発明の分野］
本開示は包括的に、低い電力入力を必要とし、長い比例ストロークを提供する線形作動式フォースモータ(force motor)に関する。より詳細には、本開示は、長い比例ストロークを提供するために、局所磁場分布を制御する技法に関する。

［背景技術の説明］
図１は、従来のフォースモータの断面図を示す。従来のフォースモータは軸受２に取り付けられた軸１を含み、軸受２はハウジング３内に取り付けられる。電機子４は、軸上に取り付けられる。２つのばね５および６は、電機子がばねの間に配置された状態で、軸に取り付けられる。軸方向の正味の力が電機子に加えられていない時、ばねは、電機子を中性位置に保つ。電機子の軸は、軸方向に軸受上を自由に摺動することができる。永久磁石７は、電機子の周囲に配置される。同じ方向に巻かれた２つのコイル８および９は、永久磁石の両側に配置される。

永久磁石は磁場Ｂ_ｐを生成する。励磁される(energize)と、コイルは磁場Ｂ_ｉを生成する。コイルが同じ方向に巻かれているため、コイルによって生成される磁場Ｂ_ｉは、永久磁石の一方の側では磁場Ｂ_ｐと同じ方向であり、永久磁石の他方の側では反対方向である。そのため、得られる磁場は、永久磁石の一方の側ではＢ_ｐ＋Ｂ_ｉであり、永久磁石の他方の側ではＢ_ｐ−Ｂ_ｉである。図２を参照されたい。電機子に生じた電気力は、磁場の２乗に比例し、以下のように計算されることができる。
Ｆ＝ＫＢ^２ 式１
ここで、Ｆ＝電気力
Ｂ＝磁束密度
Ｋ＝定数
である。
式１を用いると、コイルが励磁される時のフォースモータの電機子に加わる正味の力は、以下のように計算されることができる。
Ｆ_ｆｍ＝Ｋ｛（Ｂ_ｐ＋Ｂ_ｉ）^２−（Ｂ_ｐ―Ｂ_ｉ）^２｝
＝４ＫＢ_ｐＢ_ｉ 式２
コイルがＢ_ｉに等しい磁場を生成する比例ソレノイドにおいて、電機子に加わる正味の力は、式１を用いて以下のように計算されることができる。
Ｆ_ｐｓ＝ＫＢ_ｉ ^２ 式３
ここで、Ｂ_ｐ>Ｂ_ｉである場合、
４Ｂ_ｐ≫Ｂ_ｉであり、
したがって、Ｆ_ｆｍ≫Ｆ_ｐｓである。
そのため、永久磁石を用いることによって、所与のレベルのコイル励磁（すなわち、電流）について、フォースモータは、電機子により大きな正味の力を生成する。したがって、所与の力の必要条件に対して、フォースモータは、比例ソレノイドに比べて、低い電力入力で動作することができる。式２において、Ｂ_ｐが一定であると仮定すると、正味の力は、コイルによって生じる磁場に比例することが明らかである。
Ｆ_ｆｍ＝ＣＢ_ｉ 式４
ここで、Ｃ＝４ＫＢ_ｐであり、Ｂ_ｐ＝一定と仮定する。
Ｂ_ｉはＩ（ここで、Ｉはコイルに供給される電流である）に比例するため、
Ｆ_ｆｍはＩに比例する。
すなわち、電機子に加わる正味の力は、コイルに供給される電流に比例する。

しかし、Ｂ_ｐが一定であると仮定できるのは、電機子が中性位置(neutral position)にある時のみである。電機子が中性位置から離れるにつれて、Ｂ_ｐは変わる。電機子が移動すると、電機子の一方の側のＢ_ｐは増えるが、電機子の他方の側のＢ_ｐは減る。このことによって、電機子に加わる正味の力の著しい増加がもたらされる。そのため、従来のフォースモータにおいて、力は、ストロークの狭い範囲内、たとえば、０．２５４〜０．７６２ｍｍ（０．０１〜０．０３インチ）内のみにおいてストロークに比例する。

米国特許第５，７８７，９１５号明細書は、永久磁石とコイルを有する従来のフォースモータを記載する。しかし、その特許は、増加した比例ストロークを提供する手段を何も教示していない。

米国特許第３，９００，８２２号明細書（‘８２２号特許）は、ボビンの両側に円錐磁極片(conical pole piece)を有する従来の比例ソレノイドを記載する。ソレノイドが励磁されると、電機子が一方の側へ引張られ、円錐磁極片の中に入る。円錐磁極片は、漏れ磁束経路を提供し、それによって、電機子に加わる正味の力の増加を減らす。‘８２２号特許のソレノイドと同様な比例ソレノイドは、電機子に同じ量の力を生成するのに、本発明のフォースモータと比べて高い電力入力を必要とする。

‘８２２号特許によって教示される円錐磁極片の使用は、比例ストロークの実質的な増加を提供しない。さらに、円錐磁極片が用いられると、コイルに供給される電流（Ｉ）の増加に伴って、あるいはプランジャ位置が変わる時に、電機子に加わる正味の力の比例関係および不変性が悪化する。

［概要］
上述の特許はいずれも、平坦な(flat)力対ストローク特性（Ｆ−Ｓ曲線）および低い電力入力を持つ長い比例ストロークを有するフォースモータを教示しない。

本発明のフォースモータは、内部部品の独自に設計された機械的構成によって局所磁場を制御することによって、従来技術の上述した欠点を克服する。機械的構成は、フォースモータの磁場を３つのセクションに分割する。動作時、電機子がストロークの端へ向かって軸方向に移動するにつれて、第１セクションにおいて磁場によって電機子に加えられる力は、指数関数的に増加する。同時に、第３セクションにおいて磁場によって加えられる力は、第１セクションに比べてわずかに増加するか、または、減少する。電機子が停止部(stop)の方に移動するにつれて、第２セクションの磁束量が増加する。この磁場の方向は、電機子の移動方向に垂直であり、したがって、移動方向に力を生成せず、それにより、電機子に加わる全体の力を減らす。３つのセクションに関連する機械的パラメータを調整することによって、電機子に加わる軸方向の正味の力を制御することができ、それによって、所与の電力レベルについて、長いストロークにわたって、平坦な力対ストローク曲線が提供される。

従来の比例ソレノイドと比較して、平坦なＦ−Ｓ曲線および長い比例ストロークを有し、所望の力を得るのに電力入力が低いフォースモータを提供することが本発明の目的である。これらのおよび他の目的は、ハウジングおよびハウジングの軸方向に沿って移動可能な電機子を設け、電機子の形状とハウジングの形状とが協働して、フォースモータに対して平坦なＦ−Ｓ曲線を作成することによって達成される。本発明はさらに、フォースモータにおいて、電機子がハウジングに近づくと増加する力を電機子に生成する第１磁場を有する第１セクションを形成すること、ならびに、第２セクションおよび第３セクションを形成することによって、平坦なＦ−Ｓ曲線を得るように、フォースモータにおいて磁場を制御する方法を考える。第２セクション内の第２磁場および第３セクション内の第３磁場による電機子に加わる力は、電機子がハウジングに近づくと、第１セクション内の第１磁場によって生じた電機子に加わる力と平衡(counter balance)して、平坦なＦ−Ｓ曲線が作成される。

同様に、内壁と、電機子の運動を制限する停止部として働く、内壁から突き出る円筒延長部分と、内壁に形成された凹状表面とを有するハウジンングが提供される。軸受によって支持される電機子はハウジング内に着座する。電機子は、円錐セクションに接続される円筒部分を含む。電機子の形状およびハウジングの形状は、両者が協働して、フォースモータに対して平坦なＦ−Ｓ曲線を作成するようなものである。

さらなる特徴および利点は、詳細な説明を読めばよりはっきりと明らかになるであろう。詳細な説明は、例示のみとして、また、添付図面を参照して以下に提示され、図面において、異なる図面の対応する参照文字は対応する部分を示す。

［詳細な説明］
図３は、本発明のフォースモータの断面図を示す。図４は、本発明のフォースモータの別の実施形態の断面図を示す。フォ−スモータ１０は、軸受１４および１６に摺動可能に取り付けられる軸１２を含む。電機子１８は軸１２にしっかりと取り付けられる。ばね２２および２４は、電機子１８の両側に１つずつ、軸１２に沿って取り付けられる。軸１２、軸受１４および１６、電機子１８、ならびに、ばね２２および２４の組み立て品は、ハウジング２６内に取り付けられる。ボビン２８は、ハウジング２６に囲まれ、電機子１８の周囲に配置される。ボビン２８は３つの区画を形成する。中央の区画には、永久磁石３２が配置される。ボビン２８は、磁石３２からの汚染物質(contaminant)が、電機子１８の上に落ちるのを防止する。コイル３４および３６は、ボビン２８によって形成される区画内の磁石３２の両側に１つずつ配置される。

電機子１８は、軸１２を中心にして対称であり、円筒部分４２（図３を参照されたい）に接続されるベース３８を含み、円筒部分４２は、（座ぐり穴によって形成される）円筒面６２を有する円錐セクション４４に接続される。図４の実施形態において、ベース３８は、円筒面６２を有する円錐セクション４４に接続され、円筒面６２は、円筒部分４２に接続される。電機子１８およびハウジング２６は全て、磁気回路を形成する強磁性材料でできている。ステンレス鋼シム４６は、電機子１８の円筒部分４２に取り付けられる。シム４６の厚さを変えることによって、軸１２に沿う電機子１８の移動量を増減することができる。シム４６が厚いと移動距離が短くなる。電機子１８の周囲に沿って、ボビン２８と電機子１８の間に、電機子１８にしっかりと取り付けられた円筒銅層４８が配置される。銅層４８は、逆ＥＭＦを誘導して、振動、衝撃、および加速によって引き起こされる電機子の予期せぬ運動を減衰させる。

ハウジング２６の内壁５６は、停止部５２を形成するような形状に作られる。停止部５２の形状は、電機子１８の形状と協働して、協働する形状を囲む領域の磁場の制御を可能にする。停止部５２は、ハウジング２６の内壁５６から突き出る円筒延長部分５４を含む。停止部５２はまた、壁５６に形成された凹状円錐表面５８を有する。円錐表面５８は、電機子１８の円錐部分４４に対応する。円筒延長部分５４は、円筒部分４２に対応し、スチールシム４６と協働して、電機子１８の最大ストローク長を決める。

コイル３４および３６が電流Ｉで励磁されると、磁場Ｂ_ｉが生ずる。従来のフォースモータを参照して先に述べたように、磁場Ｂ_ｉは、磁場Ｂ_ｐと相互作用する。組み合わされたこれらの２つの磁場の作用により、電機子１８に加わる正味の力Ｆ_ｆｍが生成される。しかし、従来のフォースモータと比べて、所与のＩに対する力Ｆ_ｆｍは、以下に説明する理由のために、より長いストローク長にわたって一定のままである。

本発明のフォースモータ１０は、成形された(shaped)電機子１８および停止部５２を有する。電機子１８と停止部５２の間の磁場は、３つのセクションに分割される。図５は、協働する電機子１８および停止部５２の機械的構造の拡大図である。同様に、協働する機械的構造によって形成される３つのセクションが図５に示される。図６は、協働する機械的構造によって形成される３つのセクションの力の概念図である。

第１セクションは、円筒部分４２と内壁５６の間に形成される磁場Φ_１である。これは、平坦面電機子(flat-faced-armature)を有するソレノイド内部の磁場と等価である。この磁場によって生ずる力の特性は、ソレノイドが停止部５２の方へ引き込まれる時に、本質的に指数関数的に増加する（図６の曲線Ａを参照されたい）。

第２セクションは、電機子１８の円錐セクション４４の面６２と円筒延長部分５４の面６４の間にある磁場Φ_２である。面６２のより広い部分が面６４上を摺動すると、Φ_２が増加する。Φ_２は、電機子１８の移動方向と垂直であるため、移動方向への大きな力を生成しない。図６のラインＢは、Φ_２によって生ずる力の概念図であり、力は、ストローク長にわたって全てほぼゼロである。

第３セクションは、電機子１８の円錐セクション４４と停止部５２の円錐面５８の間にある磁場Φ_３である。これは、円錐面電機子(conical-faced-armature)ソレノイドの力と等価である。Φ_３によって生ずるこの力曲線の特性は、第１セクションよりも平坦である。（概念図としては、図６の曲線Ｃを参照されたい。）

電機子が引き込まれると、磁場Φ_２の第２セクションが、第１セクションおよび第３セクションから磁束を奪う。したがって、Φ_１およびΦ_３によって生ずる力は実際には、第２セクションの漏れ磁束の増加により減少し、第１セクションおよび第３セクションの磁場によって生ずる力−ストローク曲線は降下する（図６の曲線Ａ’およびＣ’を参照されたい）。

フォースモータ１０の電機子１８に加えられる結果の力Ｆ_ｆｍは、曲線Ａ’、Ｂ、およびＣ’によって表される力の合計である。すなわち、
Ｆ_ｆｍ＝Ｆ_Φ１＋Ｆ_Φ２＋Ｆ_Φ３ 式５
である。

そのため、電機子１８と停止部５２に関する協働する機械的構造を調整することによって、たとえば、協働する機械要素の形状、サイズ、および角度を変えることによって、所望の力−ストローク特性曲線を得ることができる。力−ストローク特性の調整はまた、異なる磁気特性を有する材料の使用によって行ってもよい。有利なことに、平坦なＦ−Ｓ曲線は、制御範囲を広くし、制御をより精密にするために、小さいばね定数を有するばねの使用を可能にする。

図７は、比較のために、図１に示すような従来のフォースモータと、図４に示すような本発明のフォースモータ１０についてのＦ−Ｓ曲線を示す。図８は、図３に示すフォースモータ１０の実施形態についてのＦ−Ｓ曲線を示す。図３および図４に示す実施形態は、それぞれ、０．０〜１．６５１ｍｍ（０．０〜０．０６５インチ）、および、０．０〜４．０６４ｍｍ（０．０〜０．１６インチ）のストローク長にわたる平坦なＦ−Ｓ曲線を示すが、従来のフォースモータは、０．０〜０．６３５ｍｍ（０．０〜０．０２５インチ）の比例ストロークを有するだけである。曲線を得るのに用いたフォースモータは、同じ外部寸法を有し、同様の磁石を使用し、同様のコイルを使用し、同じ電機子直径を有した。モータ間の唯一の差は、フォースモータ１０を参照して先に述べた、協働する機械的構造があることであった。従来のフォースモータについてのＦ−Ｓ曲線は、より大きな傾斜とより短いストロークを有するＦ−Ｓ曲線である。一方、フォースモータ１０についてのＦ−Ｓ曲線は、非常に長いストロークにわたって、非常に平坦であり、比例ストローク長は、従来のフォースモータについての比例ストローク長（０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ））の６倍（３．８１ｍｍ（０．１５インチ））である。図７において、ほぼ一定の力は０．０９０７〜０．９０７ｋｇ（０．２〜２ポンド）の間にあり、どの曲線についても約０．０９０７ｋｇ（約０．２ポンド）の変動が最大である。図８において、ほぼ一定の力は０．１８１〜２．４９５ｋｇ（０．４〜５．５ポンド）の間にあり、どの曲線についても約０．６８０ｋｇ（約１．５ポンド）の変動がある。

本発明は、傾斜をゼロにすることはできないが、Ｆ−Ｓ曲線の傾斜を制御する。図８に示すように、わずかの傾斜が存在する場合がある。

本発明の好ましい実施形態を述べたが、種々の変更は、本開示を考慮して当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲内に入ることが意図される。たとえば、局所磁場は、本明細書で述べたものと異なる方法で、機械的構成の形状、サイズ、または場所を変えることによって、制御されてもよい。局所磁場制御はまた、異なる磁気特性を有する異なる材料を用いることによって得られてもよい。

従来技術のフォースモータの断面図である。 図１のフォースモータにおいて生じる磁場を示す図である。 本発明のフォースモータの断面図である。 本発明のフォースモータの別の実施形態の断面図である。 図３の細部Ｅとして示されるフォースモータの協働する機械的構造の拡大図である。 図５の協働するセクションによって形成される３つのセクションについてのＦ−Ｓ曲線の概念図である。 大きな傾斜を有する、図１の従来のフォースモータについてのＦ−Ｓ曲線と、平坦である、図４のフォースモータについてのＦ−Ｓ曲線を示す図である。 図３のフォースモータについてのＦ−Ｓ曲線を示す図である。

Claims (19)

1. 成形されたハウジングと、
   前記成形ハウジング内に取り付けられた成形された電機子とを備えるフォースモータであって、
   前記電機子の形状と前記ハウジングの形状とが協働して、フォースモータに対して平坦なＦ−Ｓ曲線を作成するフォースモータ。
2. 前記電機子は、異なる磁気特性を有する複数の材料のうちの２つ以上の材料から作られる請求項１に記載のフォースモータ。
3. 前記ハウジングは、異なる磁気特性を有する複数の材料のうちの２つ以上の材料から作られる請求項１に記載のフォースモータ。
4. 第１セクションと、第２セクションと、第３セクションとを備え、
   前記第１、第２、および第３セクションは、前記電機子と前記ハウジングの間に形成され、
   前記第１セクションにおいて磁場によって電機子に生じた力は、前記第２セクションおよび前記第３セクションにおいて磁場によって電機子に生じた力によって平衡させられて、平坦なＦ−Ｓ曲線が作成される請求項１に記載のフォースモータ。
5. 前記第１セクション、前記第２セクション、および前記第３セクションは、異なる磁気特性を有する材料から作られる請求項４に記載のフォースモータ。
6. 前記電機子に生じる力は、０．０〜４．０６４ｍｍ（０．０〜０．１６インチ）のストローク長にわたって一定である請求項１に記載のフォースモータ。
7. 前記成形された電機子は、
   円筒部分と、
   円錐セクションと、
   前記円筒部分と前記円錐セクションの接合部分に形成される円筒面と
   を備える請求項１に記載のフォースモータ。
8. 前記円筒部分、前記円錐セクション、および、前記円筒部分と前記円錐セクションの接合部分の前記円筒面は、異なる磁気特性を有する材料から作られる請求項７に記載のフォースモータ。
9. 前記成形されたハウジングは、
   内壁と、
   前記内壁から突き出る円筒延長部分と、
   前記内壁に形成された凹状表面とを備える請求項７に記載のフォースモータ。
10. 前記内壁、前記内壁から突き出る前記円筒延長部分、および、前記内壁に形成された前記凹状表面は、異なる磁気特性を有する材料から作られる請求項９に記載のフォースモータ。
11. 前記ハウジング内に取り付けられたボビンと、
    前記ボビン内に取り付けられた永久磁石と
    をさらに備え、
    前記ボビンは、前記磁石を前記電機子から分離し、それによって、汚染物質が前記電機子に堆積することを防止する請求項９に記載のフォースモータ。
12. 前記ボビンと前記電機子の間に配置される円筒層をさらに備え、
    前記円筒層は、導電体から作られて前記電機子にしっかりと取り付けられ、
    これによって、振動または衝撃による電機子の運動を減衰させる請求項１１に記載のフォースモータ。
13. 前記電機子に取り付けられたシムをさらに備え、
    前記シムは、前記円筒延長部分と協働して、フォースモータの前記ストローク長を制限する請求項１２に記載のフォースモータ。
14. 前記内壁および前記円筒部分によって形成される第１セクションと、
    前記円筒面および前記円筒延長部分によって形成される第２セクションと、
    前記円錐セクションおよび前記凹状円錐表面によって形成される第３セクションと
    を備え、
    前記第１セクションにおいて磁場によって前記電機子に生じた力は、前記第２セクションおよび前記第３セクションにおいて磁場によって前記電機子に生じた力によって平衡させられて、平坦なＦ−Ｓ曲線が作成される請求項９に記載のフォースモータ。
15. 平坦なＦ−Ｓ曲線を得るように、フォースモータにおいて磁場を制御する方法であって、
    前記電機子が前記ハウジングに近づくと増加する力を前記電機子に生成する第１磁場を有する第１セクションを形成するステップと、
    前記フォースモータにおいて、第２磁場を有する第２セクションを形成するステップと、
    前記フォースモータにおいて、第３磁場を有する第３セクションを形成するステップとを含み、
    前記第２セクション内の前記第２磁場および前記第３セクション内の前記第３磁場による前記電機子に加わる力は、前記電機子が前記ハウジングに近づくと、前記第１セクション内の前記第１磁場によって前記電機子に生じた力と平衡させられて、平坦なＦ−Ｓ曲線が作成される磁場を制御する方法。
16. 内壁を有するハウジングと、
    前記内壁から突き出る円筒延長部分と、
    前記内壁に形成された凹状表面と、
    前記ハウジング内に取り付けられ、円筒部分と、円錐セクションと、前記円筒部分と前記円錐セクションの接合部分における円筒面とを備える電機子と
    を備え、
    前記電機子の形状と前記ハウジングの形状とが協働して、フォースモータに対して平坦なＦ−Ｓ曲線を作成するフォースモータ。
17. 衝撃または振動による任意の運動が、前記導電性層に起電力を誘導し、それによって、前記運動を減衰させるように、前記導電性円筒層は、前記永久磁石の磁場内に配置される請求項１２に記載のフォースモータ。
18. 第１円錐表面を有する、成形されたハウジングと、
    前記成形されたハウジング内に取り付けられ、第２円錐表面を有する、成形された電機子と
    を備え、
    第１円錐表面の角度および第２円錐表面の角度は、前記成形された電機子の他の部分と前記成形されたハウジングの他の部分との間の磁場と組み合わされた場合に、フォースモータに対して平坦なＦ−Ｓ曲線を結果として生じるような磁場を生成するように選択されるフォースモータ。
19. 第１円錐表面の角度は第２円錐表面の角度とは異なる請求項１８に記載のフォースモータ。
    

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