JP2016058728A - 磁性管を備えたソレノイドと電機子安定化素子及びそれらの作成と使用方法 - Google Patents

磁性管を備えたソレノイドと電機子安定化素子及びそれらの作成と使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】コーティングや表面処理や追加の加工及び汚染に対する特別な注意を必要とせず、向上した性能を有するシステムと方法を提供する。
【解決手段】ソレノイドは、電機子と、強磁性管材料からなる磁性管と、電機子安定化素子と、を備えている。磁性管は、厚さ約1mm未満のラジアル管壁を有している。
【選択図】図2

Description

本発明は、磁性管を備えたソレノイドと電機子安定化素子及びそれらの作成と使用方法に関するものである。
ソレノイドは、非磁性のソレノイド管として知られている。非磁性管を有することは、磁場を発生するコイルと電機子の間に位置する非磁性材料のおかげで電機子が受ける磁場の大きさを制限する。
ソレノイドは、ソレノイドから管を外すと、磁性片が電機子を収容する筒状の空洞を形成し、その内面が直接電機子と接触していることも知られている。しかし、直接電機子を収容する磁極片を有するすべての実例では、以下の特別な製造上の考慮が要求される。1)電機子の磁性材料と磁極片の磁性材料との間に間隙を設けるために、非磁性コーティング又は表面処理を電機子又は磁極片のどちらかに行う必要がある。2)磁極片及び/又は電機子は、電機子がスライドするための特別円滑な表面を提供するために、追加加工(研削、ホーニング、超仕上げ等)をする必要がある。3)すべての汚染物質が、電機子と磁極片の間の表面摩擦を増加させることに繋がり、性能に悪影響を与えるので、汚染物質(例えばフィルタ又はダイアフラムを含む追加コンポーネント)に関し特別な注意が必要である。
従って、向上した性能を有するが、特別な製造上の考慮が要求されないソレノイドを提供することの要求が存在する。
本技術は、コーティングや表面処理や追加の加工及び汚染に対する特別な注意を必要とせず、向上した性能を有するシステムと方法を提供することによって、上述の欠点を解消する。
本発明の1つの態様では、1つのソレノイドが提供される。このソレノイドは、電機子と管と電機子安定化素子を備えている。電機子は、磁場感応性電機子材料で構成される。管は、強磁性管材料で構成される。電機子は、軸方向と平行な外側ラジアル電機子面を有する。管は、外側ラジアル電機子面と同心の内側ラジアル管面を備えたラジアル管壁を有する。このラジアル管壁は厚さ約1mm未満である。電機子安定化素子は外側ラジアル電機子面と内側ラジアル管面の間に径方向空隙を設置する。この径方向空隙は、外側ラジアル電機子面にわたって略均一な厚さを有する。
幾つかの実施例では、電機子は略円柱状である。
別の実施例では、電機子安定化素子は、少なくとも2セットのボールベアリングを備えている。電機子は軸方向に沿った外側ラジアル電機子面に設けられた複数の溝(channel)を更に備えている。少なくとも2セットのボールベアリングは前記複数の溝の内部に位置している。この複数の溝のそれぞれが、少なくとも2つのベアリング移動範囲を画定する少なくとも2セットのベアリングストップを備え、この少なくとも2セットのボールベアリングの少なくとも1つのボールベアリングが、各ベアリング移動範囲に存在する。
また別の実施例では、ソレノイドは、管の周りに同心に設けられたコイルを備えている。このコイルは導電性コイル材料で構成されている。このコイルは、電流がこのコイルを通過すると、電機子を軸方向に動かす磁場を生成するように方向付けられている。ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、この電機子が、約1Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、少なくとも約9Nの押す力又は引く力を発生し、又は約0.5Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、少なくとも約3Nの押す力又は引く力を発生する。
別の実施例では、ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、押す力又は引く力と戻る力の差の平均が、約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離範囲にわたり、約0.5N未満であるか、又は、押す力又は引く力と戻る力の差が、約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、約0.5N未満である。
前述の記載及び関連するものの成果と共に、以下に本発明の特徴が十分に記載される。以下の記載と付属の図面は、本発明の特定の実施例を詳細に示す。しかし、これらの実施例は本発明が原理的に用いることのできる様々な手段の一部を示すに過ぎない。本発明の他の態様、長所、及び新規な特徴は、図面と関連付けて以下の詳細な記載から明らかになるでしょう。
図1は本発明に係るソレノイドの断面図である。 図2は本発明に係る電機子−管アセンブリの管から電機子を取り外した斜視図である。 図3は本発明に係る電機子−管アセンブリの管内に電機子を入れた斜視図である。 図4は本発明に係る電機子−管アセンブリの管の穴からソレノイドを見た図である。 図5は本発明に係る電機子−管アセンブリのボールベアリングのセットを貫通する断面図である。 図6は磁性管と非磁性管を備えたソレノイドのコンピュータモデルを比較したグラフである。 図7は磁性管と非磁性管を備えたソレノイドの測定したストロークと力の関係を比較したグラフである。 図8はボールベアリングの有無で磁性管を備えたソレノイドの測定したストロークと力の関係を比較したグラフである。 図9は、ボールベアリングと磁性管を備えたソレノイドと、ボールベアリング無しで非磁性管を備えたソレノイドでの測定したストロークと力の関係を比較したグラフである。 磁性管と非磁性管の磁気ギャップを示す電機子−管アセンブリの略断面図である。
上下左右といった位置と動作の方向関係は、図面に示されたコンポーネントの方向関係を参照する。他のコンポーネントの位置関係は、本発明の他の用途で存在する場合がある。
図1を参照して、本開示はソレノイド110を提供する。このソレノイドは電機子12、管14、磁極片15、互換性磁極片(c-pole)17、及びコイル16を備えている。
図2を参照して、電機子12と管14の組み合わせを、電機子−管アセンブリ10と称する。図2は本発明に係る電機子−管アセンブリの管から電機子を取り外した斜視図である。電機子−管アセンブリ10は、ボールベアリング18の形状を示す電機子安定化素子を備えている。管14はスライド自在に電機子12を収容し、一方で電機子12は軸方向100に沿って管14に対してスライドできる。電機子12は、第一端電機子面26と、対向する第二端電機子面(図示せず)と、外側ラジアル電機子面28と、を有している。電機子12は、電機子安定化素子(例えば複数のボールベアリング18)を保持可能な複数の溝(channel)20を備えている。複数のベアリングストップ22が、ボールベアリング18が移動可能なベアリング移動範囲24を画定している。電機子12は略円柱形状、管14は略円筒形状を有し、円柱形状及び円筒形状の長軸は軸方向100に位置合わせされている。
特定の実施例では、電機子安定化素子は少なくとも2セットのボールベアリング18を備え、そのうち1セットのボールベアリング18は第一端電機子面26の近傍にあり、ボールベアリング18のもう一つのセットは、第二端電機子面(図示せず)の近傍にある。当然のことながら、(2つの表面が互いにスライドする場合と対照的に)ボールベアリングは汚染物質の周り又は上を移動可能で、溝は性能に影響を与えることなく汚染物質が堆積する空間を提供するので、複数の溝20と複数のボールベアリング18は、汚染物質に対して向上したロバスト性を提供する。加えて、ボールベアリングは管に対して少しの接触点しか有さないので、管は性能に悪影響を与えることなくその内面により多くの汚染物質を取り込むことができる。また当然のことながら、電機子安定化素子は径方向空隙を確立し維持して、電機子と管の間の摩擦を低減する。
まだ図2を参照して、管14は外側ラジアル管壁面34を有するラジアル管壁30を備えている。ラジアル管壁30は、約1mm未満、約500μm未満、又は約300μm未満の厚さを有することができる。ラジアル管壁30は、少なくとも約1mm、少なくとも約500μm、又は少なくとも約300μmの厚さを有することができる。管14は、さらに開放端39のところにフランジ38を備えている。他端36は閉じられている。
図3に電機子12が管14内に位置した状態の電機子−管アセンブリ10の斜視図を示す。電機子12と管14は、同心円状に配置されている。管14は内側ラジアル管壁面32と外側ラジアル管壁面34を有するラジアル管壁30を備えている。管14は端部管壁36を備えている。管14は管14の対向する両端にフランジ38と端部管壁36とを備えている。管14は電機子を収容するための内側穴(bore)40を備えている。ボールベアリング18の形状で示された電機子安定化素子がラジアル管壁30の内側ラジアル管壁面32と接触している。電機子12が管14内を移動しても、電機子12が軸方向に位置合わせされた状態を維持するように、電機子安定化素子又はボールベアリング18と、溝20と、ベアリングストップ22とが、電機子12に設けられている。
図4に、電機子−管アセンブリ10を第一端電機子面26から軸方向100に沿って見下ろした図を示す。ボールベアリング18が電機子12から所定の小さな距離だけ延在するように、複数の溝20が形成されている。複数の溝20は、電機子12の周りに均等に分配されて、電機子12が管14の中央の位置を維持する。
図5に、軸方向100を見下ろす、電機子−管アセンブリ10のボールベアリング18の1セットを貫通する断面図を示す。複数の溝20と複数のボールベアリング18は、外側ラジアル電機子面28と内側ラジアル管壁面32との間に径方向空隙42を形成するような形状で位置付けられている。この径方向空隙42の寸法は、2つの競合する検討事項に基づいている。一方で、径方向空隙を小さくすることは、磁気効率を向上させる(結果的により小さな磁気ギャップを形成する)。他方で、径方向空隙を大きくすることは、汚染物質ロバスト性を向上させる(性能に悪影響を及ぼさない汚染物質のための空間が大きくなる)。径方向空隙42は、溝20の深さとボールベアリング18の寸法だけでなく、電機子12と管14の相対的な寸法によって制御される。特定の実施例では、径方向空隙42はボールベアリング18が電機子12から延出する所定の小さな距離に等しい。
径方向空隙42は、外側ラジアル電機子面28にわたって略均一な厚さを有する。電機子12が電機子12の全可動領域の少なくとも一部を動く間、径方向空隙42は略均一な厚さを維持する。ここで用いられる「略均一」とは、平均値からプラスマイナス50%の許容範囲を意味し、最大値が平均値の約150%未満であり、最小値が平均値の約50%以上である。特定の実施例では、径方向空隙は平均値のプラスマイナス40%、プラスマイナス30%、プラスマイナス20%、又はプラスマイナス10%の許容範囲である。
図6は磁性管と非磁性管を備えたソレノイドのコンピュータモデルを比較したグラフである。生成された力は、0.5A又は1Aの電流に対し、全ストローク距離0.25mmから2.5mmにわたってより大きくなっている。特定の実施例では、力は約3mmの最大ストロークを有するソレノイドに対して測定される。
図7は磁性管と非磁性管を備えたソレノイドの測定したストロークと力の関係を比較したグラフであって、ここで各ソレノイドは同じ寸法で同じ電流値で動作させている。磁性管を備えたソレノイドは、ほとんどの距離でより大きなストローク力を生成するが、押す力又は引く力と戻る力の間に大きなヒステリシスが導入される。ここで用いられる押す力又は引く力とは、コイルに流れる電流が増加して、電機子が休止位置から離れる又は離れようとする際に、ソレノイドによって発揮される力を称する。ここで用いられる戻る力とは、コイルに流れる電流が減少して、電機子が戻り位置に戻る際に、ソレノイドによって発揮される力を称する。例えばバネのような線形アクチュエータが加える力によって、電機子は休止位置に保持される。特別な理論によって結び付けられることを希望しなければ、磁性管を用いることによる磁場の増加が側方負荷を増加させ、電機子と管の間の摩擦を大きくして、押す力又は引く力と戻る力の間に差を生じさせると信じられている。
図8はボールベアリングの有無で磁性管を備えたソレノイドの測定したストロークと力の関係を比較したグラフである。ソレノイドは図7のグラフで用いた磁性管ソレノイドの寸法と動作パラメータを有している。見て判るように、ボールベアリングの形状をした電機子安定化素子の追加とその結果としての制御された空隙は、ヒステリシスを低減する。
図9は、ボールベアリングと磁性管を備えたソレノイドと、ボールベアリング無しで非磁性管を備えたソレノイドでの測定したストロークと力の関係を比較したグラフである。ソレノイドは図7のグラフで用いたソレノイドの寸法と動作パラメータを有している。見て判るように、磁性管とボールベアリングの形状をした電機子安定化素子の存在が、すべてのサンプリングされたストローク長(0mmから2.5mm)で力を増加させ、ほとんどのサンプリングされたストローク長でヒステリシスを低減している。特定の実施例では、最大ストロークが約3mmのソレノイドで力が測定される。
図10は本発明に係るソレノイド(図示しないコイルを除く)の電機子12と径方向空隙42と管14と磁極片15と互換性磁極片(c-pole)17(この図では、磁極片15と互換性磁極片17は相互交換可能である)のインターフェースの断面図である。管が磁性管52である場合の磁気ギャップは電機子12と管14の間の距離として表されている。管が非磁性管54である場合の磁気ギャップは電機子12と磁極片15の間の距離として表されている。
ここに記載のソレノイドは、ここに記載の特徴の結果として、寸法と重量を低減できる。特定の実施例では、ここに記載のソレノイドは、性能が顕著に変化することなく約40%重量を低減している。例えば、7.9Ωのコイル抵抗と39.7mmの高さと23.514mmの直径と約17240mm3の体積を有する磁性管を備えたソレノイドは、7.8Ωのコイル抵抗と46mmの高さと30mmの直径と約32516mm3の体積を有する非磁性管を備えたソレノイドと同じ性能を提供することが示されている。
ここに記載のソレノイド管は、後処理を必要としない。当然のことながら、最大性能のためには、磁気ソレノイドは厚さを薄くするべきであるが、しかしより薄い管は表面仕上げや真円度や真直度等を向上させるための後処理ができない。従って、本発明は単一の製造工程で製造可能なより薄い磁性管の使用を可能にする。しかし、これらの後処理工程の1つ以上を実行することは、本発明の範囲からソレノイドや方法を除外することには必ずしもならない。
特定の実施例では、外側ラジアル電機子面又は内側ラジアル管壁面はコーティングを施したり、表面処理をしていない。本発明の目的のためには、自然酸化層は、コーティング又は表面処理とは見なさない。従って、本発明はコーティングを施さず又は表面処理をしない、そして単一の製造工程で聖俗可能な磁性管と電機子の使用を可能にする。
電機子12は磁場感応性電機子材料で構成できる。適切な磁場感応性電機子材料は、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、セラミックス、これらの酸化物、これらの合金、これらの組み合わせ、磁性ステンレス鋼、非磁性成分と遷移金属−半金属合金等で構成された磁性合金を含むが、これらに限定されない。
管14は磁性を有し、強磁性管材料で構成できる。適切な強磁性管材料は、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、セラミックス、これらの酸化物、これらの合金、これらの組み合わせ、磁性ステンレス鋼、非磁性成分と遷移金属−半金属合金等で構成された磁性合金を含むが、これらに限定されない。
コイル16は導電性コイル材料で構成できる。適切な導電性コイル材料は、銅、金、銀、アルミニウム、白金、導電性有機化合物、半導体、これらの酸化物、これらの合金、これらの組み合わせ等を含むが、これらに限定されない。
電機子安定化素子(例えば複数のボールベアリング18)は、磁性又は非磁性の安定化材料で構成できる。適切な磁性安定化材料は、鉄、コバルト、ニッケル、これらの酸化物、これらの合金、これらの組み合わせ、磁性ステンレス鋼、等を含むが、これらに限定されない。適切な非磁性安定化材料は、非磁性ステンレス鋼、アルミニウム、銅、プラスチック、セラミックス、これらの酸化物、これらの合金、これらの組み合わせ等を含むが、これらに限定されない。
電機子安定化素子がボールベアリングの形状をしている場合、特定の実施例では、電機子安定化素子はボールベアリングのセットの1対であり、1セットは電機子の一端の近傍に設けられ、他のセットは電機子の対向端の近傍に設けられる。特定の実施例では、電機子安定化素子は2、3、4、5、6、7、8、9、10又はそれ以上のセットのボールベアリングを含み、電機子を管の内側の略中央に位置付けることによって径方向空隙を維持するために、ボールベアリングのセットは互いに対して十分に間隔をあけている。特定の実施例では、ボールベアリングの1セットは、少なくとも3ベアリングを備えている。特定の実施例では、ボールベアリングの1セットは、少なくとも4ベアリング、少なくとも5ベアリング、少なくとも6ベアリング、又は少なくとも7ベアリングを備えている。
電機子安定化素子が磁性安定化材料で構成されたボールベアリングの形状をしている場合、特定の実施例では、ボールベアリングの1セットは、多くて25ベアリング、多くて20ベアリング、多くて15ベアリング、又は多くて10ベアリングを備えている。電機子安定化素子が磁性安定化材料で構成されたボールベアリングの形状をしている場合、特定の実施例では、電機子安定化素子全体で、多くて50ベアリング、多くて40ベアリング、多くて30ベアリング、又は多くて20ベアリングを備えている。電機子安定化素子が非磁性安定化材料で構成されたボールベアリングの形状をしている場合、特定の実施例では、ボールベアリングの1セットは、多くて25ベアリング、多くて20ベアリング、多くて15ベアリング、又は多くて10ベアリングを備えている。電機子安定化素子が非磁性安定化材料で構成されたボールベアリングの形状をしている場合、特定の実施例では、電機子安定化素子全体で、多くて50ベアリング、多くて40ベアリング、多くて30ベアリング、又は多くて20ベアリングを備えている。
特別な理論によって結び付けられることを希望しなければ、電機子の磁場感応性材料と電機子安定化素子の磁性材料と磁性管の磁性材料が直接接触する一方で、ボールベアリングと磁性管の間の小さな接触領域が表面の大部分にわたって空隙が設けられることを可能にしていると信じられている。電機子の材料と電機子安定化素子と磁性管の間で直接接触があるにもかかわらず、ベアリングを用いたことによる摩擦の低減と、ベアリングと磁性管の間の接触面積の低減の組み合わせが、性能を向上させることを発明者は発見した。
以上の記載は、主に本発明の好ましい実施例を対象にしている。本発明の範囲内で様々な代替手段にいくらかの関心が向けられるが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかになった追加の代替手段を実現できるであろうことが予想される。従って、本発明の範囲は以下の請求項から求められるべきであって、上記開示によって限定されるべきではない。

Claims (20)

  1. 磁場応答性電機子材料からなり、軸方向と平行な外側ラジアル電機子面を有する電機子と、
    強磁性管材料からなる磁性管と、
    電機子安定化素子と、
    を備えたソレノイドであって、
    前記磁性管は前記外側ラジアル電機子面と同心の内側ラジアル管面を備えたラジアル管壁を有し、
    前記ラジアル管壁は厚さ約1mm未満であり、
    前記電機子安定化素子は前記外側ラジアル電機子面と前記内側ラジアル管面の間にラジアル空隙を設置し、
    前記ラジアル空隙は、前記外側ラジアル電機子面にわたって略均一な厚さを有し、前記電機子が前記電機子の全可動域の少なくとも一部にわたって動くにつれて略均一な厚さを維持し、
    前記略均一とは平均厚さのプラスマイナス1%の許容範囲を意味することを特徴とするソレノイド。
  2. 前記電機子が略円柱形であることを特徴とする請求項1に記載のソレノイド。
  3. 前記電機子安定化素子が、少なくとも2セットのボールベアリングを備えていることを特徴とする請求項1に記載のソレノイド。
  4. 前記電機子が軸方向に沿った前記外側ラジアル電機子面に設けられた複数の溝(channel)を更に備え、
    前記少なくとも2セットのボールベアリングが前記複数の溝の内部に位置していることを特徴とする請求項3に記載のソレノイド。
  5. 前記複数の溝のそれぞれが、少なくとも2つのベアリング移動範囲を画定する少なくとも2セットのベアリングストップを備え、
    前記少なくとも2セットのボールベアリングの少なくとも1つのボールベアリングが、各ベアリング移動範囲に存在することを特徴とする請求項4に記載のソレノイド。
  6. 前記ソレノイドは、前記磁性管の周りに同心に設けられたコイルを更に備え、
    前記コイルは導電性コイル材料で構成され、
    前記コイルは、電流が前記コイルを通過すると、前記電機子を軸方向に動かす磁場を生成するように方向付けられていることを特徴とする請求項1に記載のソレノイド。
  7. 前記電流が少なくとも約1mAであることを特徴とする請求項6に記載のソレノイド。
  8. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    前記電機子が、
    約1Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、少なくとも約9Nの押す力又は引く力を発生し、
    約0.5Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、少なくとも約3Nの押す力又は引く力を発生する
    ことを特徴とする請求項6に記載のソレノイド。
  9. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    押す力又は引く力と戻る力の差の平均が、約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離範囲にわたり、約0.5N未満であることを特徴とする請求項1に記載のソレノイド。
  10. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    押す力又は引く力と戻る力の差が、約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離の間で、約0.5N未満であることを特徴とする請求項1に記載のソレノイド。
  11. 磁場応答性電機子材料からなり、軸方向と平行な外側ラジアル電機子面を有する電機子と、
    強磁性管材料からなる磁性管と、
    電機子安定化素子と、
    を備えたソレノイドであって、
    前記磁性管は厚さ約1mm未満のラジアル管壁を有することを特徴とするソレノイド。
  12. 前記電機子が略円柱形であることを特徴とする請求項11に記載のソレノイド。
  13. 前記電機子安定化素子が、少なくとも2セットのボールベアリングを備えていることを特徴とする請求項11に記載のソレノイド。
  14. 前記電機子が軸方向に沿った前記外側ラジアル電機子面に設けられた複数の溝(channel)を更に備え、
    前記少なくとも2セットのボールベアリングが前記複数の溝の内部に位置していることを特徴とする請求項13に記載のソレノイド。
  15. 前記複数の溝のそれぞれが、少なくとも2つのベアリング移動範囲を画定する少なくとも2セットのベアリングストップを備え、
    前記少なくとも2セットのボールベアリングの少なくとも1つのボールベアリングが、各ベアリング移動範囲に存在することを特徴とする請求項14に記載のソレノイド。
  16. 前記ソレノイドは、前記磁性管の周りに同心に設けられたコイルを更に備え、
    前記コイルは導電性コイル材料で構成され、
    前記コイルは、電流が前記コイルを通過すると、前記電機子を軸方向に動かす磁場を生成するように方向付けられていることを特徴とする請求項11に記載のソレノイド。
  17. 前記電流が少なくとも約1mAであることを特徴とする請求項16に記載のソレノイド。
  18. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    前記電機子が、
    約1Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmのストローク距離の間で、少なくとも約9Nの押す力又は引く力を発生し、
    約0.5Aの電流に応じて約0.25mmと約2.5mmのストローク距離の間で、少なくとも約3Nの押す力又は引く力を発生する
    ことを特徴とする請求項16に記載のソレノイド。
  19. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    押す力又は引く力と戻る力の差の平均が、約0.25mmと約2.5mmの特定のストローク距離にわたり、約0.5N未満であることを特徴とする請求項11に記載のソレノイド。
  20. 前記ソレノイドが約3mmの最大ストロークを有し、
    押す力又は引く力と戻る力の差が、約0.25mmと約2.5mmのストローク距離の間で、約0.5N未満であることを特徴とする請求項11に記載のソレノイド。
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