JP2015057041A - エレクトロダイナミックアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造が可能であり、特に小型での用途に適している効果的なエレクトロダイナミックアクチュエータを提供する。【解決手段】特にマイクロバルブまたはマイクロポンプのためのエレクトロダイナミックアクチュエータが、磁界を生成するための磁石装置と、前記磁石装置に対して可動である制御要素とを備えている。前記制御要素が、前記磁界内に配置されて非磁性材料から作られたコイルキャリア（２０）に堅固に結合した通電可能な空芯コイル（２２）を含んでいる。【選択図】図１−３

Description

本発明は、特にマイクロバルブまたはマイクロポンプのためのエレクトロダイナミックアクチュエータに関する。

流体バルブの技術において、電磁アクチュエータが頻繁に使用されている。これらのアクチュエータの大部分においては、磁性材料で作られたアーマチュアが、コイルによって生成される磁界によって動かされる。特に小型化が望まれる場合に、一方では空間を節約し、他方では充分な磁力をもたらすための設計の選択肢は、限られている。これは、コイルが小さくなるにつれて、得られる磁界強度が大きく減少し、あるいは換言すると、可能な最大電流が制限されるという事実に起因する。

これと対照的に、エレクトロダイナミック駆動部における磁界強度は、駆動部に用いられる永久磁石の体積によって決まり、永久磁石の体積の縮小が駆動部において利用することができる磁界強度に及ぼす影響が、電磁アクチュエータにおけるコイルサイズの縮小と比べて比較的小さい。

国際公開第２０１０／０６６４５９号パンフレットが、低い電圧で動作させることができる強力なエレクトロダイナミックアクチュエータを有するマイクロバルブまたはマイクロポンプを開示している。アクチュエータが、直線移動するように取り付けられた制御要素を備えており、この制御要素にらせん状の電路が印刷されている。電路が通電されるとき、磁石装置がらせん状の電路を有する制御要素にローレンツ力を作用させることで、制御要素を移動させる。復帰要素は、復帰のプロセスが電流の方向を逆にすることによって達成されるため、設けられていない。

国際公開第２０１０／０６６４５９号パンフレット

本発明の目的は、低コストで製造が可能であり、特に小型での用途に適している効果的なエレクトロダイナミックアクチュエータを提供することにある。

この目的が、請求項１の特徴を有するエレクトロダイナミックアクチュエータによって達成される。本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータの好都合かつ有用なさらなる構成が、関連の従属請求項に記載される。

特にマイクロバルブまたはマイクロポンプにおいて使用されるように意図される本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータが、磁界を生成するための磁石装置と、前記磁石装置に対して可動である制御要素とを備える。本発明によれば、前記制御要素が、前記磁界内に配置されて非磁性材料から作られたコイルキャリアに堅固に結合した通電可能な空芯コイルを含んでいる。

本発明は、アクチュエータの制御要素が磁界内に配置されるコイルを備え、このコイルに制御要素を移動させるための電流が印加される場合に、ローレンツ力をアクチュエータのための駆動力として利用することができるという基本的な考え方にもとづく。本発明においては、この考え方が、使用されるコイルが非磁性のコイルキャリアに堅固に結合した空芯コイルである点で、きわめて効果的なやり方で実用化される。公知のとおり、空芯コイルは、軟磁性の芯を持たない非軟磁性材料（必ずしもではないが、通常は空気である）の周囲に多数回巻き付けられた配線またはケーブルである。非磁性のコイルキャリアは、磁化不可能でなければならず、例えばプラスチック材料から形成することができる。相応に構成されたとき、空芯コイルに堅固に結合したコイルキャリアを、ダイアフラムの操作、シール部材の移動、などに直接利用することができる。

本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータは、きわめて強力である。その力は、空芯コイルを通って流れる電流の電流強度、磁界、および空芯コイルと磁界との間の距離に直接的に依存する。空芯コイルと磁界との間の距離は一定であるため、力が行程の変化の結果として変化することはない。これが、比較的大きな力の伝達で長い行程を達成可能にする一方で、伝統的なソレノイドバルブにおいては、行程が短くなるにつれて利用可能な力が大きく減少する。

エレクトロダイナミックアクチュエータの本発明による構造は、きわめて少数の部品しか必要とせず、したがって、アクチュエータをマイクロバルブまたはマイクロポンプに使用できるように、きわめて小さい全体としてのサイズを実現可能にする。例えば、幅が７〜８．５ｍｍにすぎず、長さが１２〜１４ｍｍにすぎず、高さが２２〜３５ｍｍにすぎないバルブを実現することができる。本発明によれば、幅が４ｍｍにすぎないバルブの製造すら実現可能である。さらに、１つのアクチュエータにおいて複数の空芯コイルおよび磁石装置を互いに上下に重ねることも可能であり、所定の力においてベース面積と比べてより狭い寸法を可能にすることができる（バルブ技術においては、全体としてのサイズは（あまり）重要でないことが多い）。必要とする部品が少ない本発明による構造のさらなる利点として、費用効率に優れた製造、ならびに特に作動の行程に関する公差の問題を無視できることが挙げられる。さらに、単純な電磁アクチュエータとの比較において、本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータは、制御要素の端部位置において金属−金属の接触が存在しないため、切り換えプロセスにおいてきわめて静かである。本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータのさらなる利点は、例えば電磁駆動部へのスラストコーン（thrust cone）の設置などのいかなる設計変更も行う必要なく、オン／オフバルブおよび比例バルブの両方に使用できる点にある。比例バルブを、行程が電流強度に直接比例するがゆえに、単純に実現できる。

空芯コイルの第１の半分が、第１の主方向を有する第１の磁界内に配置され、空芯コイルの第２の半分が、前記第１の主方向とは反対の第２の主方向を有する第２の磁界内に配置される構造配置が、特に好ましい。そのような構成においては、互いに隣接配置される永久磁石の異なる極性（Ｎ極／Ｓ極）を、巻線部分の多くの部分を駆動力の生成に良好に使用するために効果的に利用することができる。電流の大部分が、空芯コイルの巻線半分を反対方向に流れるため、どちらにおいても同じ方向に作用するローレンツ力が生み出され、したがって全体として大きな駆動力がもたらされる。

長手軸を有する長円の形状をおおむね有し、好ましくは互いに間隔を空けて位置して直線的な中央部によってつながれた１対の相補的な半円の形状を有している空芯コイルであって、前記長手軸がこの空芯コイルを前記反対向きの磁界が横切る前記２つの半分へと分割している空芯コイルを使用することが、特に好都合である。空芯コイルの長円形は、円形のコイルの場合と比べ、より大きい巻線部分が力の生成に寄与するという利点を有する。結果として、より大きな力を、制御要素の移動の方向に利用することができる。しかしながら、基本的には、円形または角のあるコイルも使用可能である。

本発明の第１の好ましい実施形態によれば、前記制御要素が、前記磁界の前記主方向に垂直な方向に直線移動するように取り付けられる。力の生成に利用される空芯コイルの巻線部分における電流の方向に応じて、直線的な取り付けの方法を、ローレンツ力の（主）方向に一致するようにさらに選択すべきである。これは、ローレンツ力を損失なく駆動力として最も効果的に利用することを可能にする。そのような構造は、単一のバルブシートの開閉に特に適している。

本発明の第２の好ましい実施形態によれば、前記制御要素が、前記磁界の前記主方向に平行な回転軸を中心にして回転運動するように取り付けられる。ここで、ローレンツ力が、回転運動のための駆動力として最適なやり方で利用される。そのような構造は、互いに隣り合わせに配置された２つのバルブシートの相互の開閉に特に適する。

前記磁石装置は、好ましくは複数の永久磁石を含む。磁界の主方向に対して垂直に直線移動することができる制御要素を有している前記好ましい第１の実施形態においては、永久磁石がそれらの長手軸が空芯コイルの長手軸に平行に延びるように配置される場合に、磁界を最も効果的に利用することができる。

磁界の主方向に平行な回転軸を中心にして回転運動するように取り付けられた制御要素を有している前記第２の好ましい実施形態においては、制御要素が第１の切り換え位置にあるときに空芯コイルの長手軸が前記複数の永久磁石の長手軸に平行に延びる構成が、特に好都合である。この実施形態においては、制御要素の回転時に空芯コイルの長手軸の位置が永久磁石の長手軸に対して変化するため、この構成においては、制御要素の切り換え位置のうちの一方に、まさにこの切り換え位置において制御要素に最大の力が作用するという意味で、「優先位置」が与えられる。この態様は、特に制御要素に付勢を作用させるさらに後述される復帰要素に関連して、その最大の利点まで示される。

前記磁石装置の永久磁石は、互いに面する永久磁石が常に反対の極に面するように配置されるべきである。

本発明の特に好都合な態様によれば、前記制御要素に付勢をもたらし、かつ前記空芯コイルの巻線端部と本アクチュエータの電気コネクタとの間の導電接続の少なくとも一部を形成する復帰要素が設けられる。このようにして、復帰要素が、一方では制御要素を特定の切り換え位置または動作位置へと付勢し、他方では本来であれば必要な配線接続などを不要にする点で、２つの機能を果たす。

しかしながら、代案として、接続を配線接続によって実行することもできる。この場合、配線の端部の柔軟性が保証されるように注意を払わなければならない。なぜならば、これらの端部は、切り換えのプロセスの際に運動に追随するからである。この目的のため、配線の端部に、例えばＰＴＦＥから作られた被覆を設けることができる。

例えば、板ばねまたはつる巻きばねが、復帰要素としての使用に適している。復帰要素を、複数のばね部材の協働によって形成することもできる。

復帰要素を、前記制御要素を前記第１の切り換え位置から第２の切り換え位置に向かって付勢するように設けることができる。この場合、制御要素を前記第１の切り換え位置に保持するために比較的大きな力が必要とされる。回転可能に取り付けられた制御要素を有している前記好ましい第２の実施形態においては、この理由で、制御要素が前記第１の切り換え位置にあるときに前記空芯コイルの長手軸が前記永久磁石の長手軸に平行に延びると、特に好都合である。なぜならば、制御要素を保持するために可能な限り最大のローレンツ力が、まさにこの第１の切り換え位置において得られるからである。

本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータの前記磁石装置および前記制御要素を、前記磁石装置の磁界を遮へいするアクチュエータハウジングに収容することができる。これは、近傍の電気および／または磁気装置からの干渉の回避を可能にする。

本発明の特別な態様によれば、エレクトロダイナミックアクチュエータにおいて、２つの機能を果たす軟磁性材料で作られた少なくとも１つのヨーク板が設けられる。ヨーク板は、一方では前記磁石装置の磁界を強め、他方では該磁界を外部に対して遮へいする。そのようなヨーク板を使用することで、強力な遮へいは不要である場合にアクチュエータハウジングをプラスチック材料から製作することができる。

好ましい実施形態においては、軟磁性材料で作られ、磁界の強化および遮へいの特性を有する前記ヨーク板が、アクチュエータのハウジングの一部を構成する。

特に費用効率の高い実施形態においては、前記永久磁石が、前記（金属製の）アクチュエータハウジングの内壁に直接取り付けられ、したがってハウジングの壁がいくつかの機能を果たす。実際の保護機能に加えて、ハウジングの壁は、さらにヨーク板として機能し、遮へいとしても機能する。したがって、それぞれの追加の部品を無しで済ませることができる。好ましくは、前記永久磁石が、前記ハウジングとともにあらかじめ組み立てられたユニットを構成し、エレクトロダイナミックアクチュエータの組み立てが単純化される。

空芯コイルを必ずしもコイルキャリアの内部に収容する必要はない。むしろ、空芯コイルをコイルキャリアに巻き付けることも可能である。後者の変種は、コイル線を単にコイルキャリアの外側に巻き付ければよいため、製造における利点をもたらす。好ましくは、巻き付けのプロセスおよびアクチュエータの稼働時の両方において空芯コイルがコイルキャリアから滑り落ちることがないように、コイルキャリアが、側壁によって制限される巻き付けのための支持面を有する。

前記空芯コイルの少なくとも１つの巻線端部と本アクチュエータの電気コネクタとの間の導電接続のために、一実施形態においては、前記制御要素に付勢をもたらす導電性の復帰要素が機械的に作用する導電性の打ち抜き部分が、本アクチュエータのハウジングに固定されて設けられる。本アクチュエータの一方の電気コネクタだけでなく、両方の電気コネクタ（＋および−）を巻線端部へとこのやり方で接続しようとする場合には、互いに絶縁された２つの打ち抜き部分を使用することが必要である。

好都合な構成によれば、前記少なくとも１つの打ち抜き部分が、ハウジング延長部と協働して差し込みコネクタの一部となるピンを備える。この場合、本発明によるアクチュエータに、前記ハウジング延長部および前記ピンに合わせて構成された相手方差し込みコネクタを簡単なやり方で接続することができる。前記ハウジング延長部は、好ましくは、接続部の外部に対する電気的な絶縁がさらなる遮へいを必要とせずに同時にもたらされるよう、ここでは前記ハウジングのプラスチック部分に形成される。

前記空芯コイルの少なくとも１つの巻線端部と本アクチュエータの電気コネクタとの間の導電接続のために、上記に加え、あるいは上記に代えて、接点板を設けることが可能である。接点板は、この接点板に受け入れられ、前記制御要素に付勢をもたらす導電性の復帰要素を有することができる。この場合、接点板が、復帰要素のためのホルダとして機能し、はんだ付けのプロセスなどを必要とすることなく復帰要素への耐久性のある電気的接続を確立させる。

前記接点板は、耐久性のある電気的接続を生み出すために、巻線端部のための取り付け部をさらに備えることができる。

本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータの組み立てを簡単にするために、前記コイルキャリア、前記空芯コイル、前記コイルキャリアに接続され、あるいは前記コイルキャリアと一体に形成されたロッカ、前記少なくとも１つの接点板、および前記復帰要素を、あらかじめ組み立てられるユニットとして構成することが、特に好都合である。

前記ハウジングと前記接点板との間に必要な電気的絶縁を生み出すために、この機能を引き受けるプラスチック製のインサートを、本アクチュエータの前記ハウジングに設けることができる。さらに、プラスチック製のインサートは、例えばバルブのダイアフラムの保持などの他の機能も果たすことができる。

さらに本発明は、本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータを有する流体部品、特にマイクロバルブまたはマイクロポンプを提供する。本発明による流体部品の利点に関しては、本発明によるエレクトロダイナミックアクチュエータに関して行った対応する説明が参照される。

可能な限り小型の流体部品の構造という観点において、前記制御要素は、好都合にはダイアフラムあるいは流体部品の１つまたは２つのシール部材と協働する延長部またはロッカを備えることができる。この延長部またはロッカを、特に１つまたは２つのバルブシートの開閉に利用することができる。

本発明のさらなる特徴および利点が、以下の説明および参照される添付の図面から、明らかになるであろう。

（図１）本発明の第１の実施形態によるエレクトロダイナミックアクチュエータを備えるバルブの断面図を示している。 （図２）図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図を示している。 （図３）図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を示している。 （図４）本発明の第２の実施形態によるエレクトロダイナミックアクチュエータを備えるバルブの断面図を示している。 （図５）図４の線Ｖ−Ｖに沿った断面図を示している。 （図６）図４の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図を示している。 （図７）中立位置にある本発明の第３の実施形態によるエレクトロダイナミックアクチュエータを備えるバルブの断面図を示している。 （図８）図７からのバルブについて、断面の輪郭を説明するための側面図を示している。 図７からのバルブの特定の構成部品の斜視図を示している。 （図１０）図９からの構成部品の詳細な断面図を示している。 （図１１）図９からの構成部品の上面図を示している。 第１の切り換え位置にある図７からのバルブの断面図を示している。 （図１３）第２の切り換え位置にある図７からのバルブの詳細の断面図を示している。

図１〜３が、エレクトロダイナミックアクチュエータを有するマイクロバルブ１０の第１の実施形態を示している。エレクトロダイナミックアクチュエータが、バルブシート１４が形成された２部分からなる流体ハウジング１２ａ、１２ｂに配置されている。ハウジング半分１２ａ、１２ｂの間に挟まれたダイアフラム１６が、エレクトロダイナミックアクチュエータの助けによってバルブシート１４を開閉することができる。

エレクトロダイナミックアクチュエータは、可動の制御要素と不動の磁石装置とが収容されたアクチュエータハウジング１８を備えている。制御要素は、非磁性材料で作られたコイルキャリア２０と、コイルキャリア２０内に配置された空芯コイル２２とから基本的に形成されている。コイルキャリア２０が、空芯コイル２２の周囲に係合し、方向Ａに直線移動するように取り付けられる。コイルキャリア２０の延長部２４が、流体ハウジングの上半分１２ａの凹所へと突き出し、ダイアフラム１６と協働する。

空芯コイル２２は、コイルキャリア２０に堅固に接続され、すなわちコイルキャリア２０および空芯コイル２２は、常に一緒に移動する。空芯コイル２２は、非軟磁性（magnetically non-soft）の芯２６（空気または何らかの他の非磁性材料）の周囲の多数の巻線を備えている。巻線が、全体としての空芯コイル２２に、空芯コイルの中心軸に対して垂直な長手軸を有する実質的に長円形の形状をもたらしている。図示の典型的な実施形態においては、空芯コイル２２が、直線的な中央部によってつながれた１対の間隔を空けて位置する相補的な半円の形状を有しており、方向Ｂに向けられ、制御要素の移動の方向Ａに対して垂直である長手軸を有している。

図３に見て取ることができるとおり、巻線の端部２８が、それ自身が導電性である復帰要素へと導電可能に接続される。図示の典型的な実施形態においては、復帰要素が、それぞれの電気コネクタ３４、３６へと接続された２つの別々の曲げられた板ばね３０、３２から形成されている。板ばね３０、３２の代わりに、導電性の渦巻きばね、つる巻きばねなども、代案として使用可能である。復帰要素は、コイル本体２０へと矢印Ａの下向きのあらかじめの荷重を作用させる。

２つの電気コネクタ３４、３６が、アクチュエータハウジング１８から外へと突き出しており、アクチュエータハウジング１８へと堅固に取り付けられている。電気コネクタ３４、３６は、エレクトロダイナミックアクチュエータを動作させるための制御回路へと接続される。

図示の典型的な実施形態においては、磁石装置が、ここではすべてが同一の寸法を有している４つの永久磁石３８、４０、４２、４４から形成される。２つの永久磁石３８、４０および４２、４４のそれぞれが、制御要素が位置する長手方向のすき間４６の両側において互いに上下に配置されている。さらに、各側の２つの永久磁石３８、４０および４２、４４のそれぞれの間に、横方向のすき間を設けることができる。

永久磁石３８、４０、４２、４４は、基本的に直平行六面体の形状であり、永久磁石３８、４０、４２、４４の長手軸が、空芯コイル２２の長手軸に平行に延びている。永久磁石３８、４０、４２、４４は、反対の極（Ｎ、Ｓ）が方向Ａならびに方向ＡおよびＢに垂直な方向Ｃにおいて常に互いに面するように向けられる。

永久磁石３８、４０、４２、４４の配置および向きにおいては、（移動の方向Ａに関して）互いに上下に配置され、反対の向きを有している２つの磁界が積み重なることが不可欠である。磁界の反対向きの主方向が、方向ＡおよびＢに対して垂直に向けられ、すなわち２つの磁界の力線（field lines）の各々が、可能であれば、方向ＡおよびＢに対して垂直かつ空芯コイル２２の中心軸に平行である方向Ｃにて長手方向のすき間４６を横切るように意図される。

図１〜３に示されるとおりの制御要素の初期位置において、永久磁石４０および４４の上側の磁界が、空芯コイル２２の上半分を貫く一方で、永久磁石３８および４２の下側の磁界が、空芯コイル２２の下半分を貫く。

長手方向のすき間４６に作用する磁界を強めるために、互いに上下に配置されるそれぞれの永久磁石３８、４０および４２、４４の各々が、長手方向のすき間４６から遠ざかる方を向いた面において、ヨーク板４８によって互いに磁気的に結合させられる。ヨーク板４８の各々が、磁気ヨークを形成する。ヨーク板４８を、鉄または何らかの他の軟磁性材料で形成することができる。

電流が電気コネクタ３４、３６を介して空芯コイル２２へと加えられるとき、空芯コイル２２の上半分２２ａにおける電流の方向は、下半分２２ｂにおける電流の方向と反対である。したがって、空芯コイルの下半分２２ｂにおける電流の方向が、下側の磁界の方向に対して垂直であるのとちょうど同じように、空芯コイルの上半分２２ａにおける電流の方向は、上側の磁界の方向に対して垂直である。したがって、いわゆる「右手の法則」に従い、ローレンツ力は、両方の空芯コイル半分２２ａ、２２ｂに同じ方向に作用する。結果として、空芯コイル２２およびコイルキャリア２０が一緒に、制御要素として方向Ａの移動を実行する。電気コネクタ３４、３６の極性および磁界の向きに応じて、制御要素が上方または下方へと移動する。

制御要素に作用する全体としての力は、磁界の強度、磁界内の空芯コイル２２の力の発生に利用することができる通電巻線の全長、電流の強度、ならびに永久磁石３８、４０および４２、４４の間の長手方向のすき間４６の大きさによって決まる。

図示の典型的な実施形態においては、電流が流れていない初期の状態において、制御要素が、板ばね３０、３２の形態の復帰要素によって下方へと付勢されているため、延長部２４がダイアフラム１６をバルブシート１４に押し付け、バルブシート１４を閉鎖する。直流が、「正しい」極性にて電気コネクタ３４、３６へと印加されるとき、上向きのローレンツ力が空芯コイル２２に作用する。これにより、制御要素が、付勢に逆らって方向Ａへと直線的に持ち上げられ、したがって延長部２４が、もはやダイアフラム１６をバルブシート１４へと押し付けることがない。結果として、バルブ入り口とバルブ出口との間に連通が存在するように、バルブシート１４が開く。電流がオフにされるや否や、ローレンツ力がもはや作用せず、復帰要素が制御要素を再び初期の状態へと押し戻す。

ここで、復帰要素は、２つの機能を果たす。一方では、制御要素へと付勢を作用させ、他方では、空芯コイル２２の巻線の端部２８と電気コネクタ３４、３６との間の電気的な接続として機能する。

ダイアフラム１６に代えて、延長部２４に接続され、あるいは延長部２４に結合し、バルブシートを開閉することができるシール部材を、設けることも可能である。この場合、バルブシートを、全体が１つの部分からできている流体ハウジングに配置することができる。

２つ以上の空芯コイルを互いに上下に配置することも可能であり、その場合には、各々の空芯コイル半分について適切な磁界がもたらされなければならない。

図４〜６が、エレクトロダイナミックアクチュエータを備えるマイクロバルブ１０’の第２の実施形態を示している。（機能的に）同一の構成部品には、同じ参照番号が使用されている。この点に関して、上述の説明が参照され、主として第１の実施形態からの相違点が以下で説明される。

エレクトロダイナミックアクチュエータが、やはり２部分からなる流体ハウジング１２ａ、１２ｂに配置されているが、２つのバルブシート１４ａ、１４ｂが隣り合わせに形成されている。バルブシート１４ａ、１４ｂを、ハウジング半分１２ａ、１２ｂの間に固定されたダイアフラム１６によって相互に開閉することができる。

非磁性材料で作られたコイルキャリア２０と、コイルキャリア２０に堅固に接続された空芯コイル２２とから基本的に形成された制御要素が、回転軸Ｄを中心にして回転運動するようにアクチュエータハウジング１８内に取り付けられている。コイルキャリア２０は、ロッカ５０に接続され、あるいはロッカ５０へと一体に続いている。ロッカ５０は、ダイアフラム１６と協働する２つのアームを有する駆動レバーの形態である。

第１の実施形態と対照的に、やはり直線的な中央部によってつながれた２つの間隔を空けて位置する相補的な半円の形態で設けられた空芯コイル２２の長手軸が、ここでは回転軸Ｄに対して垂直かつ空芯コイル２２の中心軸に垂直な方向Ａに延びている。したがって、永久磁石３８、４０、４２、４４も、ここでは異なる配置および向きを有する。２つのそれぞれの永久磁石３８、４０および４２、４４のそれぞれが、長手方向のすき間４６の両側において、方向ＡおよびＣに垂直な方向Ｂに隣り合わせに配置されている。直平行六面体形状の永久磁石３８、４０、４２、４４の長手軸が、空芯コイル２２の長手軸の方向Ａに平行に延びている。永久磁石３８、４０、４２、４４そのものは、反対の極（Ｎ、Ｓ）が方向ＢおよびＣにおいて常に互いに面するように向けられている。

方向Ｂに関して、このやり方で、互いに隣り合わせに配置されて反対の向き（反対の主方向）を有する２つの磁界が積み重なり、それらの力線の各々が、主として回転軸Ｄに平行な方向Ｃに長手方向のすき間４６を横切る。

簡単にするために、以下において、方向の表示（左、右、など）に関しては、特に指定されない限り図５の図が参照される。したがって、永久磁石３８、４２の左側の磁界が、空芯コイル２２の左半分２２ａを貫く一方で、永久磁石４０、４４の右側の磁界が、空芯コイル２２の右半分２２ｂを貫く。ヨーク板４８が、これらの磁界を強める。

図６に見て取ることができるとおり、巻線の端部２８が、２つのつる巻きばね５２、５４を介し、電気を導く様相で、アクチュエータハウジング１８に堅固に取り付けられた電気コネクタ３４、３６へと接続される。導電性のつる巻きばね５２、５４の各々は、一方では内側へと突き出したハウジング突起５６において支持され、他方ではロッカ５０のアーム５８、６０のうちの一方に支持される。２つのつる巻きばね５２、５４のうちの第１のつる巻きばねが、第２のつる巻きばねよりも強力であるように設計されることで、復帰要素の機能を引き受ける。

電流が流れていないエレクトロダイナミックアクチュエータの初期の状態においては、より強力に設計された第１のつる巻きばね５２が、該当の第１のロッカアーム５８を下方へと押し下げ、したがって制御要素が、図５および６に最もよく見て取ることができる回転位置をとる。この位置において、第１のロッカアーム５８が、ダイアフラム１６のうちの図５における左側部分を該当の第１のバルブシート１４ａへと押し付けて、第１のバルブシート１４ａを閉じると同時に、ダイアフラム１６の右側部分から取り去られる第２のロッカアーム６０が、第２のバルブシート１４ｂを露出させる。

電気コネクタ３４、３６を介して空芯コイル２２へと直流が印加されるとき、ここで空芯コイル２２の左および右半分２２ａ、２２ｂにおける電流の方向は、左側および右側の磁界の方向とちょうど反対である。したがって、「正しい」極性の電圧が印加されるとき、右方向へと向かうローレンツ力が、両方の空芯コイル半分２２ａ、２２ｂに作用する。これにより、制御要素が、第１のつる巻きばね５２の付勢に反して回転軸Ｄを中心にして時計方向に回転する。結果として、第１のロッカアーム５８は、もはやダイアフラム１６の左側部分を押し付けることがないが、第２のロッカアーム６０が、ダイアフラム１６の右側部分を押し付ける。結果として、第１のバルブシート１４ａが開かれ、第２のバルブシート１４ｂが閉じられる。電流がオフにされるや否や、ローレンツ力はもはや存在せず、第１のつる巻きばね５２の形態の復帰要素が、制御要素を再び初期の状態へと押し戻す。

ここで、第１のつる巻きばね５２は、復帰要素として、および空芯コイル２２の巻線の端部２８のうちの一方と電気コネクタ３４、３６のうちの一方との間の電気接続としての２つの機能を果たす。

ダイアフラム１６に代えて、ロッカアーム５８、６０に接続され、あるいはロッカアーム５８、６０に結合し、バルブシートを開閉するシール部材を、設けることも可能である。この場合、バルブシートを、全体が１つの部分からできている流体ハウジングに配置することができる。

両方の実施形態において、アクチュエータハウジング１８そのものを、外部への永久磁石３８、４０、４２、４４の磁界を遮へいし、磁界の弱体化を防止するために、適切な材料から製作される遮へいハウジングとして形成することができる。しかしながら、アクチュエータハウジング１８を、磁界を遮へいするための遮蔽板が内部に収容されるのであれば、例えばプラスチック材料から形成することもできる。理想的には、ヨーク板４８が、遮へいの機能を引き受ける。遮へいに適すると同時に、永久磁石３８、４０、４２、４４の磁界の強化にも適するヨーク板のための材料として、例えばＦｅＮｉ合金（ここで、最適な比はＦｅ：Ｎｉ＝５０：５０である）またはＦｅＣｏ合金が挙げられる。

空芯コイル２２は、必ずしも上述の実施形態と同じ形状を有する必要はなく、おおむね長円形または円形であってよく、あるいは矩形でもよい。さらに、空芯コイル２２は、必ずしもコイルキャリア２０に収容される必要はなく、コイルキャリア上に配置されてもよい。

次に、図７〜１３に示されるエレクトロダイナミックアクチュエータを備えるマイクロバルブ１０’’の第３の実施形態を、以下で説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態によく似ているため、大部分は上述の説明を参照することができる。したがって、以下では、主として第２および第３の実施形態の間の相違を構成している特徴について説明する。

特に図９〜１１から明らかであるとおり、空芯コイル２２は、コイルキャリア２０に収容されるのではなく、コイルキャリア２０に巻き付けられている。コイルキャリア２０は、特に両端面の壁によって制限された巻線のための支持面という観点で、（長円形の基本形状を除いて）自動車の車輪のリムまたは自転車のリムに類似している。

空芯コイル２２の電気的な接触は、ピンとして構成され、ハウジング延長部６２と協働して差し込みコネクタ（雄または雌のコネクタ）を形成する２つの電気コネクタ３４、３６によって実現される。ピンは、横並びでコイルキャリア２０の隣をコイルキャリア２０の長手方向に延びている真ちゅう、青銅、または何らかの他の適切な導電材料で作られた２つの細長い打ち抜き部分６４、６６からなる構成部品である。打ち抜き部分６４、６６は、アクチュエータハウジング１８に圧入されている。

導電性のつる巻きばね５２、５４のそれぞれの端部が、それぞれの打ち抜き部分６４、６６のうちのピンとは反対側の端部に側方から当接している。つる巻きばね５２、５４は、互いに平行に配置され、それぞれが導電性の接点板６８、７０の端部に据えられている。つる巻きばね５２、５４の他端は、コイルキャリア２０の側方へと突き出している延長部に当接している。

接点板６８、７０は、特別に形作られて曲げられている。より具体的には、接点板６８、７０は、つる巻きばね５２、５４のための座として機能するプレス加工による凹部を有している。さらに、接点板６８、７０は、一方の巻線端部２８から接点板６８、７０およびつる巻きばね５２、５４を介して端子ピン３４、３６を備える打ち抜き部分６４、６６へと電気的な接続がそれぞれ生み出されるように、空芯コイル２２の巻線端部２８のための取り付け部７２、７４を備えている。

接点板６８、７０は、非導電性のコイルキャリア２０に機械的に接続される。コイルキャリア２０そのものは、ピン７６によってロッカ５０に固定され、ロッカ５０は、ここでは２つのアームを有する駆動レバーとして別途形成され、ダイアフラム１６と協働する。コイルキャリア２０は、ロッカ５０およびダイアフラム１６とともに、回転軸Ｄを中心にして回転するように構成され、回転軸Ｄは、アクチュエータハウジング１８の内部を通って延びており、やはりコイルキャリア２０および空芯コイル２２の長手軸に対して垂直に向けられている。

コイルキャリア２０、空芯コイル２２、ロッカ５０、接点板６８、７０、およびつる巻きばね５２、５４が協働して、あらかじめ組み立てられたユニットを構成する。

永久磁石３８、４０、４２、４４の全体的な配置は、第２の実施形態に実質的に一致し、図７、１２、および１３においては磁石３８および４０だけを見て取ることができる。永久磁石３８、４０、４２、４４を、アクチュエータハウジング１８の内壁に直接取り付けることができ、アクチュエータハウジング１８とともにさらなるあらかじめ組み立てられたユニットを構成することができる。ここでは、ハウジングの壁が、同時に壁、ヨーク板、および遮へいとして機能する。

図７に見て取ることができるとおり、アクチュエータハウジング１８は、プラスチックカバー７８およびプラスチックインサート８０によって補足される。カバー７８は、電気コネクタ３４、３６（ピン）と協働して差し込みコネクタを形成する上述のハウジング延長部を含んでいる。インサート８０は、外側の（金属製の）ハウジング部分と接点板６８、７０との間の電気的な絶縁をもたらす。さらに、インサート８０は、ダイアフラム１６の保持手段として機能する。

この実施形態に関して、コイルキャリア２０が、空芯コイル２２とともに、ロッカ５０が「バランス」し、２つのバルブシート１４ａ、１４ｂのどちらもダイアフラム１６によって閉じられていない図７〜１０に示されるとおりの中立位置において、わずかに斜めの位置をとることに、注意すべきである。より正確には、図７に示されるとおりの２つのバルブシート１４ａ、１４ｂの断面の平面において、コイルキャリア２０および空芯コイル２２の長手軸が、永久磁石３８、４０、４２、４４の長手軸に対して約３度だけ傾けられている。一方で、永久磁石３８、４０、４２、４４の長手軸は、バルブシート１４ａ、１４ｂをつなぐ線に対して垂直なハウジングの壁によって位置決めされている。

電流が流れていないエレクトロダイナミックアクチュエータの初期の状態においては、２つのつる巻きばね５２、５４が、制御要素（コイルキャリア２０、空芯コイル２２）を、図１３に示されるように回転軸Ｄを中心にして回転した位置へと押す。この位置において、ロッカ５０がダイアフラム１６を第１のバルブシート１４ａへと押し付けて第１のバルブシート１４ａを閉じる一方で、第２のバルブシート１４ｂは露出されている。この第１の回転位置において、つる巻きばね５２、５４は、少しだけ圧縮されているにすぎない。これは、この位置において、第１のバルブシート１４ａを封じるために小さな力しか必要とされないことを意味する。

直流が電気コネクタ３４、３６を介して空芯コイル２２へと加えられ、かつ極性が「正しい」場合、ローレンツ力により、制御要素が、図１２に示される第２の切り換え位置に達するまでつる巻きばね５２、５４の付勢に逆らって回転軸Ｄを中心にして反時計方向に回転する。第２の切り換え位置において、第１のバルブシート１４ａは開かれ、第２のバルブシート１４ｂは閉じられる。２つのつる巻きばね５２、５４が最大限に圧縮され、したがって第２のバルブシート１４ｂを封じるためにより大きな力が必要とされる。この切り換え位置において、空芯コイル２２が「真っ直ぐ」に立ち、すなわち空芯コイル２２の長手軸が永久磁石３８、４０、４２、４４の長手軸に平行である点で、ローレンツ力の可能な限り最良の利用が達成される。永久磁石３８、４０、４２、４４に対する空芯コイル２２のこの位置において、「力の産出（force yield）」が最大である。

電流がオフにされると、ローレンツ力がもはや存在せず、つる巻きばね５２、５４が、制御要素を再び初期の位置へと、すなわち第１の切り換え位置へと押し戻す。したがって、２つのつる巻きばね５２、５４が、電気的な接触および制御要素の自動的な復帰の動きの両方に機能する。

当然ながら、上述の実施形態の特徴を適切なやり方で互いに組み合わせることも可能である。

いくつかの典型的な実施形態の助けを借りて説明したエレクトロダイナミックアクチュエータを、例えばマイクロポンプなど、他の流体機器に使用することも可能である。

１０、１０’、１０’’ マイクロバルブ
１２ａ、１２ｂ 流体ハウジング半分
１４ バルブシート
１４ａ、１４ｂ バルブシート
１６ ダイアフラム
１８ アクチュエータハウジング
２０ コイルキャリア
２２ 空芯コイル
２２ａ、２２ｂ 空芯コイル半分
２４ 延長部
２６ 芯
２８ 巻線端部
３０ 板ばね
３２ 板ばね
３４ 電気コネクタ
３６ 電気コネクタ
３８ 永久磁石
４０ 永久磁石
４２ 永久磁石
４４ 永久磁石
４６ 長手方向のすき間
４８ ヨーク板
５０ ロッカ
５２ 第１のつる巻きばね
５４ 第２のつる巻きばね
５６ ハウジング突起
５８ 第１のロッカアーム
６０ 第２のロッカアーム
６２ ハウジング延長部
６４ 打ち抜き部分
６６ 打ち抜き部分
６８ 接点板
７０ 接点板
７２ 取り付け部
７４ 取り付け部
７６ ピン
７８ カバー
８０ インサート

Claims (24)

1. 特にマイクロバルブまたはマイクロポンプのためのエレクトロダイナミックアクチュエータであって、
   磁界を生成するための磁石装置と、
   前記磁石装置に対して可動である制御要素と
   を備えており、
   前記制御要素が、前記磁界内に配置されて非磁性材料から作られたコイルキャリア（２０）に堅固に結合した通電可能な空芯コイル（２２）を含んでいる、エレクトロダイナミックアクチュエータ。
2. 前記空芯コイル（２２）の第１の半分（２２ａ）が、第１の主方向を有する第１の磁界内に配置され、前記空芯コイル（２２）の第２の半分（２２ｂ）が、前記第１の主方向とは反対の第２の主方向を有する第２の磁界内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
3. 前記空芯コイル（２２）が、長手軸を有する長円の形状をおおむね有し、好ましくは互いに間隔を空けて位置して直線的な中央部によってつながれた１対の相補的な半円の形状を有し、前記長手軸が、前記空芯コイル（２２）を前記２つの半分（２２ａ、２２ｂ）へと分割していることを特徴とする、請求項２に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
4. 前記制御要素が、前記磁界の前記主方向に垂直な方向（Ａ）に直線移動するように取り付けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
5. 前記制御要素が、前記磁界の前記主方向に平行な回転軸（Ｄ）を中心にして回転運動するように取り付けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
6. 前記磁石装置が、前記空芯コイル（２２）の長手軸に平行に延びる長手軸を有している複数の永久磁石（３８、４０、４２、４４）を含んでいることを特徴とする、請求項４に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
7. 前記磁石装置が、複数の永久磁石（３８、４０、４２、４４）を含んでおり、前記制御要素が第１の切り換え位置にあるときに前記空芯コイル（２２）の長手軸が前記複数の永久磁石（３８、４０、４２、４４）の長手軸に平行に延びることを特徴とする、請求項５に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
8. 前記永久磁石（３８、４０、４２、４４）が、互いに面する永久磁石が常に反対の極に面するように配置されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
9. 前記制御要素に付勢をもたらし、かつ前記空芯コイル（２２）の巻線端部（２８）と当該アクチュエータの電気コネクタ（３４、３６）との間の導電接続の少なくとも一部を形成する復帰要素（３０、３２；５２、５４）を特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
10. 前記復帰要素が、少なくとも１つの板ばね（３０、３２）またはつる巻きばね（５２、５４）を含んでいることを特徴とする、請求項９に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
11. 前記復帰要素（５２、５４）が、前記制御要素を前記第１の切り換え位置から第２の切り換え位置に向かうように付勢することを特徴とする、請求項７および請求項９または１０に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
12. 前記磁石装置および前記制御要素が、前記磁石装置の磁界を遮へいするアクチュエータハウジング（１８）内に収容されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
13. 前記磁石装置の磁界を強めるとともに、該磁界を外部に対して遮へいする軟磁性材料で作られた少なくとも１つのヨーク板（４８）を特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
14. 前記ヨーク板（４８）が、アクチュエータハウジング（１８）の一部であることを特徴とする、請求項１２に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
15. 前記永久磁石（３８、４０、４２、４４）が、前記アクチュエータハウジング（１８）の内壁に直接取り付けられ、好ましくは前記アクチュエータハウジング（１８）とともにあらかじめ組み立てられたユニットを構成することを特徴とする、請求項１４に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
16. 前記空芯コイル（２２）が、前記コイルキャリア（２０）に巻き付けられ、該コイルキャリア（２０）が、好ましくは側壁によって限定された巻き付けのための支持面を有していることを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
17. 前記空芯コイル（２２）の少なくとも１つの巻線端部（２８）と当該アクチュエータの電気コネクタ（３４、３６）との間の導電接続のために、前記制御要素に付勢をもたらす導電性の復帰要素（５２、５４）が機械的に作用する導電性の打ち抜き部分（６４、６６）が、当該アクチュエータのハウジング（１８）に固定されて設けられていることを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
18. 前記打ち抜き部分（６４、６６）が、ハウジング延長部（６２）と協働して雌のコネクタの一部となるピンを備えており、前記ハウジング延長部（６２）は、好ましくは前記ハウジング（１８）のプラスチック部分に形成されていることを特徴とする、請求項１７に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
19. 前記空芯コイル（２２）の少なくとも１つの巻線端部（２８）と当該アクチュエータの電気コネクタ（３４、３６）との間の導電接続のために、前記制御要素に付勢をもたらす導電性の復帰要素（５２、５４）を受け入れる接点板（６８、７０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
20. 前記接点板（６８、７０）が、巻線端部（２８）のための取り付け部（７２、７４）を備えていることを特徴とする、請求項１９に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
21. 前記コイルキャリア（２０）、前記空芯コイル（２２）、前記コイルキャリア（２０）に接続され、あるいは前記コイルキャリア（２０）と一体に形成されたロッカ（５０）、前記少なくとも１つの接点板（６８、７０）、および前記復帰要素（５２、５４）が、あらかじめ組み立てられたユニットを構成することを特徴とする、請求項１９または２０に記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
22. ハウジング（１８）を備えており、該ハウジング（１８）が、該ハウジングと前記接点板（６８、７０）との間の電気的な絶縁を確立させるプラスチック製のインサート（８０）を有していることを特徴とする、請求項１９から２１のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータ。
23. 請求項１から２２のいずれかに記載のエレクトロダイナミックアクチュエータを特徴とする流体部品、特にマイクロバルブ（１０；１０’；１０’’）またはマイクロポンプ。
24. 前記制御要素が、当該流体部品のダイアフラム（１６）またはシール部材と協働する延長部（２４）またはロッカ（５０）を備えている、請求項２３に記載の流体部品。