JP2009060785A - 反対位相の２個の可動部品を備えた電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ２個の極Ｘｃを有する固定ステータを含む電磁アクチュエータを得る。
【解決手段】ステータが、１個または２個の励磁コイルを有し、アクチュエータがさらに、ギャップの方向に沿って磁化された薄型永久磁石を備える可動部を含み、可動部が、反対方向にあるギャップの面および固定ステータの中央面の、交点に平行な方向に沿ってそれぞれ移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成されており、各可動部品が、柔軟な材料からなるヨークに結合するか、もしくは結合しない、交互に磁化された３個の薄型磁石を有し、前記可動要素のうちの一つの可動要素の薄型磁石が、第二の可動要素または隣接要素の対応する薄型磁石と反対方向に沿って磁化され、ヨークが、固定ステータ部品と共にギャップＥを画定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、往復運動を発生する電磁アクチュエータの領域に関する。

このようなアクチュエータは、周知のように、１個の中央極と、２個の側面極とを含む。中央極は、励磁コイル、ならびにギャップの方向に沿って磁化される薄型永久磁石を備えた可動部とを支持する。特許文献１は、このようなアクチュエータを記載している。このアクチュエータは、交流束を発生する１個の固定コイルと、反対方向に移動する２個の可動磁石とを含む。実施される電磁現象は、ラプラスの法則に対応するものである（磁石による磁束が、コイルを通過する）。磁石は、反対向きに並置された複数対の薄型磁石ではなく、コイルが形成する磁束と共にそれぞれ相互作用を及ぼす２個の棒磁石である。
ドイツ特許第２６０３６８１号明細書 欧州特許第９３９１００８３号明細書

従来技術によるこのようなアクチュエータは、次のような主な欠点を有する。ラプラスの法則に対応する構造は、力／コイル供給電流の法則の線形性を補償できない。しかも、収量、すなわち、このようなアクチュエータに加えられる１ワット当たりの力は弱い。線形性が欠如すると動作が不規則になり、このような線形性欠陥を解消するための複雑な制御電子手段を設ける必要性が出てくる。

本出願人は、特許文献２により、中央極を囲む３個のステータ極と１個のコイルとを有するアクチュエータを開示し、こうした一般的な問題に対する解決方法を提案した。この解決方法は、ラプラスの法則に対応しない、根本的に異なる電磁構造を使用することからなる。提案された構造は、互い違いの方向に並置した２対の薄型磁石が、ギャップ内で移動するものである。

従来技術の装置では、可動部の振動周波数が制限されることがある。周波数が増加すると、散逸電力に対して解放力が損なわれ、特許文献２の適用により実現されるアクチュエータの性能が制限される。本発明の目的は、電磁的な収量を増加できる構造を提案することにより振動周波数の限度を広げることにある。

このために、本発明は、その最も一般的な意味において、２個の極を備えた固定ステータを含む電磁アクチュエータに関し、前記固定ステータが、２個の極を磁化する少なくとも１個の励磁コイルを有し、前記電磁アクチュエータはさらに、前記固定ステータの２個の極とギャップを有して対向しながら前記ギャップが延びる方向にそれぞれ移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成された可動部を含み、前記独立可動要素がそれぞれ前記横方向に磁化された薄型永久磁石を備える電磁アクチュエータにおいて、前記独立可動要素がそれぞれ、軟質材料からなるヨークに支持されるとともに前記固定ステータの２個の極と前記ギャップを有して対向しながら前記ギャップの延びる方向に延び、厚さ方向において互い違いの方向に磁化されて繋がった３個の薄型磁石を有し、前記独立可動要素のうちの第一の可動要素を構成する３個の薄型磁石の磁性が、前記第一の可動要素と隣接して横方向に並んで配設された第二の可動要素を構成する３個の薄型磁石の磁性と反対の磁性を有するように磁化され、前記ヨークが前記独立可動要素を支持した状態において、前記固定ステータの２個の極と前記薄型磁石との間に前記ギャップを画定する。

有利には、前記可動部は、隣り合って配設された２個の前記独立可動要素からなり、前記独立可動要素の各々は、ほぼ一定の前記ギャップＥを保持しながら前記ギャップの延びる方向に移動可能とするための弾性変形手段を介して、前記固定ステータに結合される。

好適な実施形態によれば、各可動部品と固定ステータとの結合は、ギャップの面にほぼ垂直に延びる板ばねにより確保される。

他の変形実施形態によれば、ステータ極の長さＸｃは、可動部の行程Ｘに、ほぼ長さＥだけ加えた長さ以上である。

好適には、中央極と、各側面極とを隔てる距離ｅは、Ｅがギャップの幅であるとき、０．５Ｅ以上である。

有利な実施形態によれば、アクチュエータは、可動部品を中央位置に戻そうとするロック力を有する。

好適な実施形態によれば、各可動要素は、互い違いの方向に横に磁化された３個の永久磁石に結合される可動ヨークからなる。

好適には、可動要素の３個の磁石の長さを合わせると、前記可動要素のヨークの長さより長い。

本発明は、添付図に関する以下の説明を読めば、いっそう理解されるだろう。

まず、発明の二つの変形実施形態を概略的に示す図１と図１Ａに関して本発明を説明する。この発明は、２個のステータ極（１、２）を含む電磁アクチュエータに関する。電磁アクチュエータは、２個のステータ極からなり、これらのステータ極は、図１に関して示した変形実施形態では、それぞれが１個の励磁コイル（３、４）を支持し、あるいは図１Ａに関して示した実施形態では、２個の極を供給する単一コイル（５）を支持する。本発明によるアクチュエータはまた、ギャップの方向に沿って磁化される薄型永久磁石を備えた可動部（６）を含む。

本発明の目的は、サスペンションの戻し力と同符号の磁気解放力を備えた、高周波往復運動を要する用途のための高性能かつ高信頼性の小型アクチュエータを構成することにある。

図２は、可動要素の一つの横断面図である。

本発明によるアクチュエータの可動部品は、ギャップの延びる方向に沿って移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成される。各可動要素は、横方向に交互に磁化された３個の薄型永久磁石（１０、１１、１２）を有する。第２図に関して記載された例では、磁石（１０〜１２）は、柔軟な材料からなるヨーク（１３）に結合される。各可動要素の薄型磁石（１０〜１２）は、隣接する可動要素の対応する薄型磁石の方向と反対方向に磁化され、ヨークが、固定ステータ部品と共にギャップＥを画定する。

中央位置では、一つの可動部の３個の磁石（１０〜１２）の間の移行部がステータの極と共に並べられている。従って、長さＬａ２は、ステータ極間の距離と極Ｘｃの幅との和に等しい。

長さＬａ１は、磁石の容量を制限しながら、このようなアクチュエータが発生する力を最適化することができる。中央ステータ極の長さＸｃは、可動部の行程Ｘに、ほぼ長さＥを加えた長さよりも長いか、あるいはこの長さに等しい。

アクチュエータの外形寸法を増やさずに銅の容量を増やすために、２個のステータ極（１、２）は、それらの固有の断面よりも小さい断面部分に続いている。このように形成された部分の断面は、磁束が飽和せずに定格に移行できるように決定される。

好適には、可動部（６）は、向かい合った２個の可動振動要素（運動量全体を相殺する）からなり、各可動要素は、ほぼ一定のギャップＥを保持しながら動方向に沿って横遊び可能にするための変形手段により、固定ステータに結合される。２個のロータの反対方向の移動によって形成されるトルクをなくすために、２個の半ロータと、１個の完全なロータとの使用により、図５に記載されたようなトルクの成分全体をなくすことができる。

図３は、側面磁石（１０、１２）の長さＬａ１に応じた、戻し力の変化曲線を示している。この曲線は、長さＬａ２（Ｌａ２＝９ｍｍ）の単極磁石が発生する力に対する磁石の長さＬａ１に応じて、電流Ｆｎｉによる力の増加の割合を示している。

図３が示すように、所定の電流に対して形成される力は、長さＬａ１が長くなると急速に増加する。これは、磁石がはみ出ていることを裏付けるものであるが、磁石の容量を最小化し、従ってコストを最小限にするには、必然的に、はみ出しをできるだけ小さくしなければならない。何故なら、力も、それだけ速く限界に向かう傾向があるからである。図３はまた、中央位置にロータを戻そうとする戻し力Ｆ０（電流の流れない力）の変化を示している。

本発明によるアクチュエータの場合、発生する力は、以下に等しい。
Ｆ＝２＊２Ｂ_ｒ・(Ｌ／Ｅ)・ＺｎＩ 図１の実施形態
Ｆ＝２Ｂ_ｒ・(Ｌ／Ｅ)・ＺｎＩ 図１Ａの実施形態
ここで、Ｂｒは磁石の残留磁化、Ｌは磁石の厚さ、Ｚは磁石の幅、Ｅは磁石を含むギャップ、ｎＩは一つまたは複数のコイルである。

可動要素の移動は、原則として線形である。しかしながら、本発明によるアクチュエータは、円筒形に構成してもよい。この場合、可動要素は、この実施形態では円筒形のギャップと同軸の円筒上に含まれる円弧に従って移動する。

図４と図４Ａは、本発明による円筒形のアクチュエータの２個の変形実施形態である。

これらの変形実施形態は、単にコイル数が異なるだけである。すなわち図４に示された実施形態ではコイルが１個であるのに対し、図４Ａに示された実施形態ではコイルが２個である。

こうした円筒形の実施形態では、可動部（６）が、反対方向に回転移動する２個の可動要素から構成される。各可動要素は、円弧形のヨーク（１３、２３）からなり、この可動要素の上に薄型磁石（１０、１１、１２）および（２０、２１、２２）がそれぞれ固定される。これらの磁石も同様に円弧形である。磁化の向きは径方向であり、同一ヨーク（１３）に固定された磁石（１０〜１２）と、隣接する２個のヨーク（１３、２３）に固定される２個の隣接磁石（１０、２０）または（１１、２１）または（１２、２２）とに対して、交互に行われる。

ステータは、２個の分枝を有し、これらの分枝は、湾曲分枝（２５）によって結合されるステータ極（１、２）を形成する。

側面磁石（１０、２０）および（１２、２２）は、ヨーク（１３、２３）からはみ出している。同一ヨークに固定される磁石（１０〜１２）の長さを合わせると、前記ヨーク（１３）の長さよりも長い。

図５は、本発明によるアクチュエータの可動部の変形実施形態を示す。この実施形態では、可動部が、妨害ねじりトルクをなくすために３個の部分からなる３個の可動部品（１３、２３、３３）から構成されている。２個の外側可動部品（１３、３３）は、機械的に結合される。中央可動要素（２３）の幅は、側面可動要素の幅の和に等しい。有利には、ギャップ面にほぼ垂直に延びる板ばねによって、各可動要素と固定ステータ部分とを結合する。

図６と図６Ａは、それぞれ電流を流す場合と流さない場合の、力／位置曲線を示す。二つのタイプのアクチュエータは、可動部品を中央位置に戻そうとする静磁気力を有する。この力は、板ばねの剛性の一部を補正するために用いられ、それによって応力を小さくすることができる。図６は、可動要素の位置に応じて、このようなアクチュエータが発生する力を示している。この力は、ゼロではない電流ｎＩと、ゼロである電流（静磁気力）とに対して示されている。図６と図６Ａでは、磁石の複数の長さＬａ１に対して二つの力（それぞれ電流を流す場合と流さない場合の）が示されている。

図７と図７Ａは、本発明による筒形アクチュエータの２個の変形実施形態の斜視図である。アクチュエータは、軸方向に対称である。この場合、ステータ構造ならびにロータは、円筒タイプである。ロータ（４１）は可動式であり、すなわち、円筒ステータ構造とロータとの曲率軸に対応する軸Ｙに従って並進移動する。

図７に示した例では、ステータは、励磁コイル（５）を配置する環状の内部スペースを備えた、軟鉄からなる筒形部品である。二端（１、２）は、ステータ極を構成する。

図７Ａに示した例では、ステータは、励磁コイル（５）を配置する環状の外部スペースを備えた、軟鉄からなる部品である。二端（１、２）は、ステータ極を構成する。

２個の可動部は、板ばねの上に懸架されている。

図８と図８Ａは、図７を構成する断面に対応する、本発明による筒形アクチュエータの２個の変形実施形態の展開図である。

ステータは、中央部（４２）の断面が小さい円筒形の軟鉄部品から形成されている。コイルは、この小断面の部分が画定する空洞に収容される。

磁化構造は、径方向に磁化された円弧形の３個の磁石からなる。中央の磁石（１１、２１）は、２個の側面磁石（１０、２０及び１２、２２）よりも長い。磁化構造は、反対の方向に振動する。ヨークは、図８Ａに示されたように単一部品（１３）から構成することができる。この場合、ヨークは固定されている。磁束戻しヨークは、図８Ａでは、磁石に結合されない管である。これらの薄型磁石は、厚みの方向に交互の向きに磁化される。好適には、磁石は希土類タイプであり、たとえば、等方性のプラスチック結合剤を含む、ネオジム−鉄−ホウ素ＮｄＦｅＢ磁石である。

ヨークはまた、半管をなす２個の部品（１３、２３）から形成することもできる。この
場合、半管は各々、図８に示したように磁化構造の一つに結合可能である。

図９と図９Ａはそれぞれ、本発明による線形移動アクチュエータとそのステータの変形実施形態の斜視図である。図８と図８Ａでは、ヨークの長さは必ずしも可動部品の全長に等しいわけではなく、３個の磁石の長さを合わせた長さよりも短くてもよい。図８に示された例ではステータの長さに等しくなっている。

有効行程Ｃ全体のために、可動部品は、ステータ極の表面から短い距離のところに維持することが望ましい。この機能は、変形結合または弾性結合により確保できる。参考として示した例では、この機能は、ギャップ内の誘導の平均絶対値に関与する牽引力と重ね合わせて交互にねじり動作する板ばねによって得られ、板ばねは、永久磁石の面に垂直に延びるフィノックス（Ｐｈｙｎｏｘ、商品名）等のばね鋼から製造される薄板からなる。

板ばねの形状と厚みは、可動部品をステータから適切な距離のところに維持し、移動による応力に耐え、場合によっては、可動部品の共鳴振動数を固定するように決定される。交互のねじりによる疲労に適切に耐えられるようにするために、複数の板ばねを並列配置することができる。

図８では、第二の可動部品は第一の可動部品と同じであるが、但し、可動部品が双方とも中央ステータ極に中心を合わせた休止位置にあるとき、磁石は、第一の可動部の隣接磁石に逆向きに磁化されている。

２個の可動部品は、磁石の極性が逆転しているので、反対方向に移動する。

反対位相で振動する２個の可動部品を使用すると、ステータの脚部を通る磁束を少なくすることができる。これによって、図８Ａに示すように、磁気損失を減らし、従ってステータの外形寸法や質量を軽減可能である。図８Ａでは、可動部品（１）および可動部品（１’）それぞれのシフト＋Ｚと−Ｚに対し、図８のアクチュエータでの磁石による磁束を示した。ステータの中央鉄心を通る磁束は、可動部品（１）の下部に配置される長さＺの磁石端（２）によるものであり、この磁束は、同じく長さＺであるが磁化方向が（２）とは反対の磁石端（３）で閉じる。可動部品（１’）の場合も同様であるが、（２）と（２’）ならびに（３）と（３’）との極性が反対であるため、磁束は、可動部品（１）が形成する方向とは逆方向にステータの中央鉄心を通過し、そのため、ステータの中央で磁束がうち消される。

本発明は、上記の二つの実施形態に制限されるものではない。多数の変形実施形態を検討することができる。

本発明の変形実施形態の概略図である。 本発明の別の変形実施形態の概略図である。 可動要素の一つの横断面図である。 側面磁石の長さに応じた戻し力の変化曲線を示すグラフである。 本発明による円筒形アクチュエータの変形実施形態の斜視図である。 本発明による円筒形アクチュエータの別の変形実施形態の斜視図である。 本発明によるアクチュエータの可動部の変形実施形態を示す図である。 電流を流したときの力／位置曲線を示すグラフである。 電流を流さないときの力／位置曲線を示すグラフである。 本発明による筒形アクチュエータの実施形態を示す斜視図である。 本発明による筒形アクチュエータの別の実施形態を示す斜視図である。 本発明による筒形アクチュエータの変形実施形態を示す展開図である。 本発明による筒形アクチュエータの別の変形実施形態を示す展開図である。 本発明による線形移動アクチュエータおよびそのステータの、変形実施形態の斜視図である。 本発明による線形移動アクチュエータおよびそのステータの、別の変形実施形態の斜視図である。

Claims (7)

1. ステータ、ヨーク（１３）、および可動部（１０〜１２，２０〜２２）を有する電磁アクチュエータであって、
   前記ステータは第１極（１）、第２極（２）、および少なくとも１つの励磁コイル（３〜５）を有し、前記励磁コイルは前記第１極（１）と前記第２極（２）を磁化し、
   前記ヨークは軟質材料からなり、
   前記可動部（１０〜１２，２０〜２２）は第１可動要素（１０〜１２）と第２可動要素（２０〜２２）を有し、前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）は互いに平行且つ逆方向にそれぞれ独立して往復動可能であり、前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれの往復動の行程をストロークＸと称し、
   前記第１可動要素（１０〜１２）は前記第１極（１）と前記第２極（２）にそれぞれギャップ寸法Ｅだけ離間した状態で対向し、前記第１可動要素（１０〜１２）が前記第１極（１）と前記第２極（２）にそれぞれ離間する方向を離間方向と称し
   前記第２可動要素（２０〜２２）も前記第１極（１）と前記第２極（２）にそれぞれ前記離間方向に関して前記ギャップ寸法Ｅだけ離間した状態で対向し、
   前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれの往復動方向は前記離間方向に対して垂直であり、前記第１極（１）と前記第２極（２）はそれぞれ前記往復動方向に沿って極寸法Ｘｃを有し、
   前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）はそれぞれ３個の薄型磁石を備え、前記３個の薄型磁石（１０〜１２，２０〜２２）は前記往復動方向に並び、各々の前記薄型磁石（１０〜１２，２０〜２２）はそれぞれ厚さ方向に磁化された永久磁石であり、前記厚さ方向は前記離間方向に一致し、前記３個の薄型磁石（１０〜１２，２０〜２２）は互い違いの方向に磁化され、前記薄型磁石はそれぞれ前記第１極（１）と前記第２極（２）にギャップ寸法Ｅを介して対向する状態で前記ヨーク（１３，２３）によって支持され、
   前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれが中立位置の状態で、前記３個の薄型磁石を互いに繋げる２個の移行部は、前記第１極（１）と前記第２極（２）にそれぞれ対向し、
   前記第１可動要素（１０〜１２）の３個の薄型磁石は、前記第２可動要素（２０〜２２）の３個の薄型磁石とは反対の磁性を有するように磁化され、
   前記３個の薄型磁石は、第１側方極（１０）、中央極（１１）、および第２側方極（１２）の順に並び、前記第１側方極（１０）と前記第２側方極（１２）は、前記往復動方向に沿って同じ磁石寸法Ｌａ１を有し、
   前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれは、弾性変形手段によって前記ステータに結合され、
   前記弾性変形手段は、前記ギャップ寸法Ｅを保持しながら、前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）を前記往復動方向に移動可能とし、
   前記極寸法Ｘｃは前記ストロークＸ以上である、電磁アクチュエータ。
2. 前記弾性変形手段は、前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれを前記ステータに結合する板バネであり、
   前記板バネは前記往復動方向に対して垂直に延びる、請求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記第１側方極（１０）と前記中央極（１１）の間の間隔を間隔ｅと称し、前記中央極（１１）と前記第２側方極（１２）の間の間隔も間隔ｅであり、
   前記距離ｅは前記ギャップ寸法Ｅの０．５倍以上（０．５Ｅ≦ｅ）に設定される、請求項１または２記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記電磁アクチュエータは、前記可動部（１０〜１２，２０〜２２）を前記中央位置に戻そうとするロック力を有するように構成される、請求項１〜３何れか一項記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記ヨークは可動ヨーク（１３，２３）であり、
   前記第１可動要素（１０〜１２）と前記第２可動要素（２０〜２２）それぞれは、互い違いの方向に磁化された前記３個の薄型磁石（１０、１１、１２）を前記可動ヨーク（１３，２３）に結合することによって構成される、請求項１〜４何れか一項記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記３個の薄型磁石（１０、１１、１２）の前記往復動方向の寸法を合計すると、前記可動ヨーク（１３）の前記往復動方向の寸法よりも長い、請求項５記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記可動部（１０〜１２，２０〜２２）は、互いの反対方向の移動によって形成されるトルクをなくすために更に第３可動要素を含み、
   外側に位置する前記第１可動要素と前記第３可動要素は互いに機械的に連結され、
   中央の前記第２可動要素の幅は、前記第１可動要素の幅と、前記第３可動要素の幅との和に等しい、請求項１〜６何れか一項に記載の電磁アクチュエータ。

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