JP2017511681A - 磁気位置カップリング及び弁機構 - Google Patents

Abstract

コイルアレイであって、コイルアレイの各コイルが、流体を収容するためのコア領域の周りに巻かれている、コイルアレイと、コイルアレイの外側に実装され、コイルアレイにわたって移動可能な外部磁石組立体と、コイルアレイのコイルが周りに巻かれているコア領域の内側に実装される内部磁石組立体であって、外部磁石組立体と位置合わせされ、外部磁石組立体に磁気的にカップリングされて、それにより、外部磁石組立体及び内部磁石組立体が、コイルアレイ内のコイルに印加される駆動信号に応答して、コイルアレイに沿って一緒に移動する、内部磁石組立体とを含む装置。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Magnetic Position Coupling and Valve Mechanism」という表題の２０１４年４月１６日出願の米国特許仮出願第６１／９８０，１９１号明細書の米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく便益を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、一般には、電磁アクチュエータに関し、より詳細には、永久磁石アクチュエータ、例えば、線形アクチュエータに関する。

一般に、線形アクチュエータは、直線の運動を生じさせるために使用される。線形アクチュエータの１つの種別が、電磁線形アクチュエータ又は線形モータであり、その一例が、先に出願された特許出願、米国特許出願公開第２０１４／０３１２７１６号明細書に記載されており、その内容は、参照により本明細書に組み込まれている。その最も基本的な形態において、その中に記載されている線形アクチュエータは、磁気透過性材料のコアの周りに巻かれている線形のコイルアレイと、コイルアレイを囲むアクチュエータ組立体とを含む。永久磁石材料から作製されるリング磁石のスタックを含むアクチュエータ組立体は、コイルに印加される信号の制御の下、コイルアレイの長さに沿って前後に移動するように構成されている。アレイ内のコイルに適切な駆動信号を印加することによって、線形のコイルアレイに沿うアクチュエータ組立体の位置及び動き、並びにアクチュエータ組立体がもたらす力が制御され得る。

線形アクチュエータは、多くの工業及び消費者向けの製品用途を有する。一般的な一使途は、ロボットシステムにあり、ここでは、それらのロボットシステムは、関節アーム又はマニピュレータの動きを制御する働きをし得る。線形アクチュエータは、関節アームを動作させて、物体を最初の位置から別の定位置に制御可能な速度で移動させること、及びその物体を定位置に保持させることを可能にする。しかしながら、通常、物体を定位置に保持するには、物体における重力の引きに逆らうことができるように線形アクチュエータに電力を継続的に供給する必要がある。電力が中断された場合、線形アクチュエータは、弛緩し、重力が物体を下方に引っ張る。したがって、バッテリの場合など電源が制限されているとき、物体をその定位置に保持しなくてはならないことは、バッテリから電力を浪費させることになる。

したがって、とりわけ、アクチュエータ組立体を定位置に保持し、電源における浪費をなくす、又は少なくとも低減させるために使用され得る機構を提供することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１４／０３１２７１６号明細書

概して、本願は、線形アクチュエータ内でアクチュエータ組立体を定位置に「係止すること（locking）」への代替的及び新規的手法について説明する。

以下の特徴のうちの１又は２以上を含む、磁気的にカップリングされたシャトル及び弁機構について説明する。
１． 単一の運動軸に沿って２つの共同設置された磁石組立体の位置をカップリングするための位置カップリング機構であって、２つの組立体間の磁力は、いずれか一方の磁石組立体のいずれかの位置が変動するとき、一定を維持するように２つの組立体の相対位置を決定する、位置カップリング機構。
２． 線形アクチュエータの外部のソースからアクチュエータの内部の構成要素に対する力を、アクチュエータの環境的にシールされた壁を横断するように伝達するための単一の位置カップリング機構の適用。
３． 線形アクチュエータの内部の２つの磁石組立体の相対位置を制御し、それによって、線形アクチュエータの内部の機械弁又はスイッチ機構を開く若しくは閉じるための２又は３以上の位置カップリング機構の適用。
４． 特定の相対位置に維持するように２つの位置カップリング機構を駆動する機械ばね復帰機構の包含。

概して、一態様においては、本発明は、装置を特徴とし、この装置は、コイルアレイであって、コイルアレイの各コイルが、流体を収容するためのコア領域の周りに巻かれている、コイルアレイと、コイルアレイの外側に実装され、コイルアレイにわたって移動可能な外部磁石組立体と、コイルアレイのコイルが周りに巻かれているコア領域の内側に実装される内部磁石組立体であって、外部磁石組立体と位置合わせされ、外部磁石組立体に磁気的にカップリングされて、それにより、外部磁石組立体及び内部磁石組立体が、コイルアレイ内のコイルに印加される駆動信号に応答して、コイルアレイに沿って一緒に移動する、内部磁石組立体とを含む。

好ましい実施形態は、以下の特徴のうちの１又は２以上を含む。装置は、コア領域を画定する、及びコイルアレイのコイルが周りに巻かれている、コンジットを含む。コンジットは、流体不透過性壁を確立するシリンダである。装置はまた、コンジットの中の流体の流動を遮断及び遮断解除するための内部磁石組立体内の弁機構であって、コイルアレイのコイルに印加される信号によって磁気的に制御される、弁機構も含む。装置はまた、コンジットの一方の端部をコンジットの別の端部に接続する閉ループ流体路を画定する外部流体回路と、コンジットの外側で外部流体回路内に設置される電子的に動作する弁機構であって、外部流体回路内の流体の流動を遮断及び遮断解除するように動作可能である、弁機構とを含む場合もあり得る。装置はまた、コンジットの中の流体の流動を遮断及び遮断解除するための内部磁石組立体内の弁機構であって、コイルアレイのコイルに印加される信号によって磁気的に制御される、弁機構も含む場合があり得る。

好ましい実施形態は、以下の特徴のうちの１又は２以上をさらに含む場合があり得る。外部磁石組立体は、外部リング磁石アレイを含み、外部リング磁石アレイの各リング磁石は、コイルアレイを囲む。外部リング磁石アレイのリング磁石は、外部リング磁石の第１のサブアレイ及び外部リング磁石の第２のサブアレイを形成するようにグループ分けされ、外部リング磁石の第１のサブアレイ及び第２のサブアレイは、コイルアレイのコイルに印加される信号の制御の下、コイルアレイに沿って別々に移動することができる。内部磁石組立体は、外部リング磁石アレイと位置合わせされる内部リング磁石アレイを含む。内部リング磁石アレイのリング磁石は、内部リング磁石の第１のサブアレイ及び内部リング磁石の第２のサブアレイを形成するようにグループ分けされ、内部リング磁石の第１のサブアレイ及び第２のサブアレイは、コイルアレイのコイルに印加される信号の制御の下、コア領域内で別々に移動することができる。外部リング磁石の第１のサブアレイ及び内部リング磁石の第１のサブアレイは、磁気的にカップリングされ、一緒に移動し、ここで、外部リング磁石の第２のサブアレイ及び内部リング磁石の第２のサブアレイは、磁気的にカップリングされ、一緒に移動する。装置は、内部磁石組立体の中の流体の流動を制御するための、並びに互いに対する内部リング磁石の第１のサブアレイ及び第２のサブアレイの動きによって動作する、弁機構をさらに含む。リング磁石外部アレイ内のリング磁石は、リング磁石外部アレイの半径方向外側の場に対して、コイルアレイのコイル内に磁石外部アレイによって生み出される磁場を増強させるように、磁場が、選定及び構成されている。リング磁石内部アレイ内のリング磁石は、リング磁石内部アレイの半径方向内側の場に対して、コイルアレイのコイル内に磁石内部アレイによって生み出される磁場を増強させるように、磁場が、選定及び構成されている。装置はまた、コンジット内にシャトルを含み、シャトルは、内部磁石組立体を含み、ここで、シャトルは、コンジットを遮断して、それにより、流体が、シャトルの一方の側からシャトルの別の側へとコンジットの中を通ることができないようになる。装置は、アクチュエータ組立体をさらに含み、このアクチュエータ組立体は、外部磁石組立体を含み、コイルアレイの中のコイルに印加される信号に応答して、別の要素を機械的に動作させることを目的とする。

概して、別の態様においては、本発明は、線形アクチュエータを特徴とし、この線形アクチュエータは、流体不透過性壁を有するシリンダと、コイルアレイであって、コイルアレイの各コイルが、シリンダの周りに巻かれている、コイルアレイと、外部リング磁石アレイ及び内部リング磁石アレイを含むアクチュエータ組立体であって、外部リング磁石アレイの各リング磁石が、コイルアレイを囲み、内部リング磁石アレイの各リング磁石が、シリンダ内に設置され、ここで、内部リング磁石アレイが、外部リング磁石アレイと磁気的にカップリングされて、それにより、外部リング磁石アレイ及び内部リング磁石アレイが、コイルアレイ内のコイルに印加される駆動信号に応答して、コイルアレイに沿って一緒に移動する、アクチュエータ組立体とを含む。

本発明の１又は２以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。

従来の線形アクチュエータの３Ｄ図とアクチュエータ組立体の拡大横断面図である。 本発明を具現化する線形アクチュエータの３Ｄ図とアクチュエータ組立体内の位置カップリング機構の拡大横断面図である。 位置カップリング機構の２つの構成、すなわち、（１）磁石組立体間のゼロ変位の場合のもの（図２Ａ）、及び（２）磁石組立体間の正の変位の場合のもの（図２Ｂ）を示す図である。 アクチュエータのコアの中を進む流体回路に接続される線形アクチュエータの概略図である。 アクチュエータのコアの中を進む流体回路に接続される線形アクチュエータの別の実施形態の概略図である。 開状態及び閉（右側）状態において概略的に示される弁機構の図である。 図６に描かれている内部磁石組立体又はシャトル内にある弁機構の横断面図であり、図７Ａは、開位置における弁機構を示し、図７Ｂは、開いている弁機構の中を通る流体流路を示し、図７Ｃは、閉位置における弁機構を示している。 内部弁機構と外部弁機構の両方、及び外部流体ポンプを採用する線形アクチュエータシステムの概略図である。 ポンプとして動作する線形アクチュエータシステムの概略図である。

図面の中の同様の構成要素及び特徴が、同じ符号によって識別され得ることに留意されたい。

本明細書に説明される実施形態は、１又は２以上の内部シャトル要素を含むように修正される線形アクチュエータである。基本的な、未修正の線形アクチュエータについては、先に述べた米国特許出願公開第２０１４／０３１２７１６号明細書に記載されている。図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、線形アクチュエータは、分割コア１０を含み、この分割コア１０では、２つのセグメントが、例えば、鉄若しくは鋼又はミューメタルなど、空気と比較すると相対的に透磁率が高く、保磁度が低い軟強磁性材料から作製される。２つのコアセグメントは、シリンダを半分にしたものであり、それらは、揃えて置かれたとき、コアの長手方向軸に沿って延びる中空中心コア領域１１を有するシリンダを形成する。

コア１０上には、互いに隣接するように配置されて、線形コイルアレイを形成する同一のコイル１２のスタックが組み付けられる。コイルは、隣接しており、ここでは、それらは、接触しているか、又はわずかな距離だけ離隔されているかのいずれかで、互いに隣り合わせにある。この例においては、コイルはすべて、コアに対して同じ向きを有し、すなわち、それらは、コアの周囲に同じ方向で巻かれている。しかしながら、これは、この場合に限る必要はなく、巻き方向は、設計要件に応じて、互い違いであっても、又はいくつかの他の順序で配置されてもよい。

線形コイルアレイ上には、磁石アレイを形成するリング磁石１６（すなわち、リング形状の磁石）のスタックを含むアクチュエータ組立体１４が配置される。記載の実施形態においては、この磁石アレイは、６つの隣接して配置されたリング磁石１６のスタックで構成される。各リング磁石１６は、コイルアレイにおいて同軸上に配置され、コイルアレイを取り囲む。磁石アレイは、アクチュエータ組立体１４内で機械的に一緒に保持され、このアクチュエータ組立体１４は、下にあるコイルに印加される電流によって磁石アレイに与えられる力に応答して、コイルアレイ（及びコア）の長さに沿って前後に移動することができる。つまり、それは、コイルアレイに対して可動に実装され、この場合、可動に実装されるとは、コイルアレイ及びコアが固定状態に保持される場合には、磁石アレイが、コイルアレイ及びコアに沿って移動することができる場合をカバーし、磁石アレイが固定状態に保持される場合には、コイルアレイが、磁石アレイに対して移動することができる場合をカバーすることを意味する。

永久磁石、例えば、ネオジウム鉄ホウ素磁石などのレアアース磁石であるリング磁石１６では、それらの極性が図１Ｂの中に示されるように構成されて、ハルバッハ（Halbach）アレイによって達成される成果に類似する成果を達成する。より具体的には、６つのリング磁石１６は、磁石アレイ（すなわち、コイルの中）の一方の側における磁場を強めつつ、磁石アレイの他方の側における場を弱めるように構成されている。６つのリング磁石は、２つの磁気回路、すなわち、２つの磁場ループを形成するように構成されている。図１Ｂにおいては、上部３つのリング磁石が、第１の磁気回路を形成し、下部３つのリング磁石が、第２の磁気回路を形成する。

第１の磁気回路においては、最も上のリング磁石の中の磁場は、半径方向内向きに配向され、中央のリング磁石の中の磁場は、上向きでコイルアレイの軸に平行に配向され、最も下のリング磁石の中の磁場は、半径方向外向きに配向される。この磁気回路は、磁石の構成が１つのループを形成する磁場を生じさせるので、単一の磁気回路である。３つのリング磁石の極性は、磁石アレイの外側の場を弱め（例えば、部分的に打ち消し）つつ、磁石アレイの内側における、すなわち、コイルの巻き付近の場を増強させるように構成されている。

下部回路における磁石極性の構成は、上部回路における磁石極性の構成の鏡像（すなわち、コイルアレイの軸に垂直な平面に対する鏡像）である。この６磁石構成においては、磁気モーメントは、アクチュエータ組立体の中心において２つのリング幅にわたって同じ方向で半径方向に配向される。これにより、コイル電流に垂直である半径方向に配向された磁場が生じるコイルアレイの連続領域が増大する。

もちろん、線形アクチュエータは、単一の磁気回路を使用しても、又は３つ以上の磁気回路を使用しても構築可能になる。

アクチュエータ組立体１４によって囲まれるコイルアレイの領域の中に設置されているコイル１２に電流が印加されるとき、コイル内の環状電流と、磁石１６のアレイによって生み出される半径方向に向けられた磁場との相互作用は、コイルアレイの長手方向軸に平行である力ベクトル（ローレンツ（Lorentz）力）を生じさせる。電流の極性及び磁場の方向に応じて、これは、磁石組立体を一方の方向又は他方の方向のいずれかに組立体の長手方向軸に沿って移動させることになる。また、（この実施形態における、及び本明細書において説明される他の実施形態における）磁石組立体（又はアクチュエータ）のその機械的動きは、ロボット要素など、別のデバイスを駆動又は制御するために使用され得る。

位置カップリング機構を組み込んでいる修正された線形アクチュエータが、図２Ａ及び図２Ｂに示されている。それは、上述の基本線形アクチュエータと同様に、線形のコイルアレイ２０を含み、外部磁石組立体２４がコイルを包囲している。外部磁石組立体２４は、コイルアレイ２０の長さに沿って互いに隣り合わせに配置されている、及びコイルアレイ２０の外側を包囲している、６つのリング磁石２６のアレイを含む。しかしながら、基本線形アクチュエータについての先に記載の設計とは異なり、この線形アクチュエータは、磁気透過性コアを有しない。そうではなく、それは、環境的にシールされたシリンダ２８を含み、その内側には、コイルの外側を包囲しているリング磁石２６の第１のアレイと位置合わせされ、磁気的にカップリングされている、リング磁石３２の第２のアレイで構成される内部磁石組立体（又はシャトル）３０がある。位置カップリング機構が、線形アクチュエータの運動軸に沿って２つの磁石組立体２４及び３０を共同設置することによって創出される。

各磁石組立体２４及び３０内のリング磁石は、例えば、ハルバッハ、又は修正されたハルバッハアレイの使用により達成され得るように、単一面に沿って、集束磁束を、優先的に組立体から出させ、組立体に戻すことになるパターンにおいて磁化される。さらには、内部磁石組立体３０内の磁石は、アクチュエータ組立体の線形の運動軸に沿って、外部磁石組立体２４に極めて接近して置かれるときに最小限の磁気抵抗を達成するパターンにおいて磁化される。したがって、システムの総磁気エネルギーは、外部磁石組立体２４及び内部磁石組立体３０が、互いに極めて接近し、位置合わせされるときに最小限に抑えられる。

記載の実施形態においては、このことは、図２Ｂにおいて示されている２つの磁石組立体２４及び３０内に磁石の極性を構成することによって達成される。外部磁石組立体２４では、６つのリング磁石２６が、先に記載した形で構成されて、上部３つのリング磁石２６によって形成される第１の磁気回路と、下部３つのリング磁石２６によって形成される第２の磁気回路との２つの磁気回路を形成する。第１の磁気回路においては、最も上のリング磁石の中の磁場は、半径方向内向きに配向され、中央のリング磁石の中の磁場は、上向きでコイルアレイの軸に平行に配向され、最も下のリング磁石の中の磁場は、半径方向外向きに配向される。第２の磁気回路においては、リング磁石の磁石極性の構成は、上部回路の中の磁石極性の構成の鏡像（すなわち、コイルアレイの軸に垂直な平面に対する鏡像）である。つまり、最も上のリング磁石の中の磁場は、半径方向外向きに配向され、中央のリング磁石の中の磁場は、下向きでコイルアレイの軸に平行に配向され、最も下のリング磁石の中の磁場は、半径方向内向きに配向される。

内部磁石組立体３０の場合には、各磁気回路では、そのリング磁石３２が、組立体３０の外部の、包囲するコイルの領域の中での磁場を増強させ、コアの軸領域の中での磁場を低下させるように構成されている。内部磁石組立体３０ではまた、６つのリング磁石３２が、上部３つのリング磁石によって形成される第１の磁気回路と、下部３つのリング磁石によって形成される第２の磁気回路との２つの磁気回路を形成するように構成されている。第１の磁気回路においては、最も上のリング磁石の中の磁場は、半径方向内向きに配向され、中央のリング磁石の中の磁場は、下向きでコイルアレイの軸に平行に配向され、最も下のリング磁石の中の磁場は、半径方向外向きに配向される。第２の磁気回路においては、リング磁石の磁石極性の構成は、上部回路の中の磁石極性の構成の鏡像である。つまり、最も上のリング磁石の中の磁場は、半径方向外向きに配向され、中央のリング磁石の中の磁場は、上向きでコイルアレイの軸に平行に配向され、最も下のリング磁石の中の磁場は、半径方向内向きに配向される。

内部磁石組立体３０の中のリング磁石、外部磁石組立体２４の中のリング磁石、及びコイルアレイ２０の中のコイル２２はすべて、コイルアレイ２０の軸に沿って測定されるとき、高さ、すなわち厚さが同じである。したがって、いずれかの磁石組立体の１つのリング磁石が、ある隣接コイルと位置合わせされるとき、そのアレイの他のリング磁石のすべてもまた、対応する隣接コイルと位置合わせされる。しかしながら、これは、要件ではない。コイルは、リング磁石の高さとは高さが異なっていてよい。例えば、コイルの幅の１．５倍の磁石リング幅を選択すること（すなわち、２つの磁石リングが、コイルアレイの中の３つのコイルに及ぶこと）が、コイルを駆動して、磁石組立体の動きを制御するようになるとき、有利であり得ることは見出されている。

注記したように、システムの総磁気エネルギーは、２つの磁石組立体が、互いに極めて接近して位置合わせされた状態を維持するときに最小限に抑えられ、それは、２つの磁石組立体の平衡相対位置に対応する。これを理由として、一方の磁石組立体に印加される力は、第２の磁石組立体に可逆的に伝えられることになる。加えて、一方の磁石組立体が、他方の磁石組立体に対してその平衡相対位置から強制的に変位させられる場合、それは、平衡相対位置に復帰するようにそれを駆動する復元力を受けることになる。変位、及び結果として得られる復元力は、図３Ａ及び図３Ｂに描かれており、図３Ａ及び図３Ｂは、位置カップリング機構の２つの構成、すなわち、（１）２つの磁石組立体２４と３０との間のゼロ変位の場合のもの（図３Ａ）、及び（２）磁石組立体２４と３０との間の正の変位の場合のもの（図３Ｂ）を示している。両方の場合において、磁束が、２つの磁石組立体２４と３０との間の最小磁気抵抗路に辿るように概略的に示されている（矢印付きの破線路を参照されたい）。正の変位の場合においては（図３Ｂ）、磁場の路程は、システムの磁気抵抗及び総磁気エネルギーの増大と相関して、増大する。したがって、負の方向における復元力が、内部磁石組立体によって受けられ、２つの磁石組立体が、それらの平衡相対位置に復帰するように駆動される。

限定された範囲内の変位では、復元力は、やはり平衡相対位置からの変位が増加するにつれて、単調に増加することになる。この形においては、一方の磁石組立体から他方の磁石組立体への力の伝達は、平衡相対位置において２つの磁石組立体を一緒に接合する磁気ばね要素を用いて行われ、それによって、位置カップリング機構が形成されるように説明することができる。

位置カップリング機構は、外部磁石組立体２４と内部磁石組立体３０との間の力を伝達するために使用され得る。加えて、内部磁石組立体３０は、外部磁石組立体２４の位置に従って、線形アクチュエータの長さに沿って前後に移動するように駆動され得る。アクチュエータのコイル２２によって印加される力によって誘起されるのか、それとも外部磁石組立体２４における外力によって誘起されるのかに拘わらず、内部磁石組立体３０のこの動きは、ひいては、線形アクチュエータの内部の他の機械的構成要素へと伝達され得る。

図４は、線形アクチュエータ１００内に収容され、外部流体回路１１０に送られる流体にこの力が伝達される、実施形態を示している。線形アクチュエータ１００は、シールされた管２８（例えば、図２Ｂを参照されたい）内にシャトルを形成する内部磁石組立体に磁気的にカップリングされる外部磁石組立体で構成されている移動アクチュエータ組立体１１４を有する。この場合においては、シャトルは、線形アクチュエータの中の流体のいずれの流動をも遮断する。やはりシールされた回路である外部流体回路１１０は、線形アクチュエータ１００の環境的にシールされた管の一方の端部から、その環境的にシールされた管の他方の端部まで延び、システム内に流体についての流路を確立する。外部流体回路１１０とシールされた管２８との間の接続は、流体密封接続である。外部流体回路１１０はまた、流体流路と一致する、及び線形アクチュエータ１００の外部にある、外部弁機構１２０も収容している。

外部弁１２０を開いているとき、流体は、流体回路１１０の中を前後に自由に流動することができ、磁石組立体１１４は、流体回路１１０内で前後に流体を有効に往復させる（押し出す）。外部弁１２０を閉じているとき、流体は、外部流体回路１１０の中の流動を阻止され、流体回路１１０の中の流体は、アクチュエータ組立体１１４内のシャトルによって印加されるいずれの力にも対抗する。位置カップリング機構を用いることによって、この対抗する力は、外部磁気組立体に対する有効磁気ばね要素を通じて内部磁石アレイから外部磁石アレイに伝達されることになり、磁気組立体１１４に印加されるいずれの外力もまた、静的流体回路それ自体の剛性と共に直列の磁気ばねに本来備わっている有効剛性を受けて、対抗されることになる。この形においては、外部流体回路１１０の中の弁１２０を閉じることは、結果的に、磁石組立体１１４の外部運動に対抗する静的力をもたらすことになる。この弁が「常時閉」の場合には、この対抗する力は、印加されることになるが、一方、線形アクチュエータは、ゼロ電力消費の状態にある。言い換えれば、外部弁１２０が閉じているとき、流体は、流体回路中を循環することはできず、アクチュエータ組立体は、定位置に維持し、コイルへの電力が切断されたとしても、内部磁気アレイによって外部磁気アレイにおいて生じた磁力によってそこに保持されることになる。別の言い方をすれば、アクチュエータ組立体を定位置に保持するために電力がコイルに供給される必要は、一切ないことになる。

この「係止機構」の有効性は、もちろん、シャトル組立体と菅２８の内側壁との間に形成されるシールの品質によって決まる。流体が管の内側壁に沿ってシャトル組立体を越えて漏出し得る場合、シャトル組立体は、どんな外力がアクチュエータ組立体に印加されていようとも、それに応答してドリフトすることになる。そのシールがより優れていればいるほど、シャトル組立体は、より良くその係止位置において保持され、低速ドリフトを阻止することになる。

図５は、図４に示されているものに対する代替的手法を示している。システムは、コイル２２の線形アレイに沿って前後に移動するアクチュエータ組立体１５２を備える線形アクチュエータ１５０を含む。アクチュエータ組立体１５２の内側には、アクチュエータ組立体１５２内の磁気的にカップリングされたシャトル組立体と一体の内部弁機構１５６がある（詳細は、以下に与えられる）。両端部分において、線形アクチュエータ１５０は、２つのシールされた流体リザーバ１５８及び１６０にカップリングされる。流体が、線形アクチュエータ１５０のコア領域と、２つのリザーバ１５８及び１６０とを完全に満たす。

内部弁機構１５６が閉じているとき、流体は、シャトル組立体の中の流動を阻止される。その場合には、シャトル組立体及びアクチュエータ組立体１５２の動きは、シャトルの中の通過を遮断される、システムの中の流体によって生じる抵抗によって抑制され、又は阻止される。しかしながら、内部弁機構が開いており、流体がシャトルの中を流動することができるとき、アクチュエータ組立体１５２は、コイルアレイに沿って両方向に自由に移動する。言い換えれば、内部弁機構を備えるこの構成は、外部弁機構を有する図４に描かれている閉ループシステムによって提供されるものと類似する機能を提供する。

次に、内部弁機構を組み込む例示的な実施形態をより詳細に説明することにする。磁気カップリング機構を介して内側磁石組立体に外側磁石組立体の相対位置をカップリングする性能を前提とすると、内部磁石組立体の絶対位置は、制御され得る。その概念を拡大すると、多位置カップリング機構が、多内部磁石サブアレイの相対位置を制御するために使用され得る。またこの概念を使用すると、線形アクチュエータの内部に設置される機械的スイッチ又は流体弁機構が創出され得、それによって、弁は、２つの内部磁石サブアレイの相対位置の変化に応答して、開く又は閉じる。この機構は、図６Ａ及び図６Ｂにおいて概略的に描かれている。

見てわかるように、外部磁石組立体２００及び内部磁石組立体２１０のそれぞれは、それぞれ２つの磁石サブアレイから構成されている。外部磁石組立体２００は、３つのリング磁石で構成される第１の磁石サブアレイ２０２ａと、３つのリング磁石で構成される第２の磁石サブアレイ２０２ｂとを含む。類似して、内部シャトル組立体を構成する内部磁石組立体２１０は、３つのリング磁石で構成される第１の磁石サブアレイ２１２ａと、３つのリング磁石でやはり構成される第２の磁石サブアレイ２１２ｂとを含む。基本的には、図２Ｂに関連して説明される実施形態内の６リング磁石アレイのそれぞれは、半分に分割されていて、２つの３リング磁石サブアレイを形成する。外部磁石組立体２００の中の各磁石サブアレイ２０２ａと２０２ｂは、他の磁石サブアレイとは無関係に移動可能であり、内部磁石組立体の中の各磁石サブアレイ２１２ａと２１２ｂは、外部磁石組立体の磁石サブアレイのうちの対応するものと磁気的にカップリングされる。外部磁石組立体２００の中の２つの磁石サブアレイ２０２ａと２０２ｂ（及び磁気的にカップリングされた内部磁石サブアレイ２１２ａと２１２ｂ）は、それらの磁石サブアレイに隣接するコイル２２に適切な制御信号を印加することによって、離隔され、一緒に結び付けられ得る。

内部磁石組立体を収容する内部シャトル組立体内には、弁機構２２０があり、弁機構の一方の部分は、第１の磁気サブアレイ２１２ａにカップリングされており、弁機構の他方の部分は、第２の磁気サブアレイ２１２ｂにカップリングされている。２つの磁石サブアレイ２１２ａ及び２１２ｂがコイル２２に印加される信号の制御の下、離隔される場合、弁機構２２０は開き、内部回路内の流体が、開いている弁を介してシャトルの中を流動することを可能にする（図６Ａを参照されたい）。逆に、２つの磁石サブアレイ２１２ａ及び２１２ｂが、コイル２２に印加される信号の制御の下、一緒に押し付けられて、それにより、磁石サブアレイが互いに当接しているとき、弁機構２２０は閉じ、内部回路内の流体の、シャトルの中の流動を阻止する（図６Ｂを参照されたい）。

弁機構２２０を強制的に常時閉状態に復帰させるために、機械ばね復帰機構２３０が含まれていてもよく、システムがゼロ電力消費の状態にあるとき、外力対抗が支持される。磁気カップリング機構により、この機械ばね復帰機構２３０は、線形アクチュエータのシールされた壁２８の外側に設置され、外部磁石組立体２００の２つの磁石サブアレイ２０２ａと２０２ｂとの間に取り付けられ得る。

図７Ａ〜図７Ｃにおいては、説明した実施形態の弁機構２２０の横断面図が、より詳細に示されている。それは、上側弁セグメント２２２ａと、別個の下側弁セグメント２２２ｂとを含む。上側弁セグメント２２２ａは、上側内部磁石組立体２１２ａの中の導管内に実装され、下側弁セグメント２２２ｂは、下側内部磁石組立体２１２ｂの中の導管内に実装される。上側弁セグメント２２２ａは、一方の端部から他方の端部に通って、遮断されていないときは、流体がその中を流動することができる通路を創出する、２つの流動導管２２５を有する。下側弁セグメントは、やはり、一方の端部から他方の端部を通って、遮断されていないときは、流体がその中を流動することができる別の通路を創出する、単一の流動導管２２６を含む。

弁機構の中の流体の流動を遮断するために、下側弁セグメント２２２ｂは、チャンバ２２４ｂを含み、上側弁セグメント２２２ａは、形状が、チャンバ２２４ｂの形状に適合するプランジャ２２４ａを含む。２つの弁セグメント２２２ａ及び２２２ｂが離隔されているとき（すなわち、弁機構が開いているとき）、弁機構の一方の側における流体は、図７Ｂの中の破線により描かれているように、離隔されたセグメント間に形成される空洞の中へと流動導管２２５を通って流入することができ、次いで、弁機構の他方の側へと他方の流動導管２２６を通ってその空洞から外に流出することができる。２つの弁セグメントが、一緒に結び付けられているとき（すなわち、弁機構が閉じているとき）、プランジャ２２４ａは、チャンバ２２４ｂの中に挿入され、下側弁セグメント２２２ｂの中の流動導管２２６を遮断し、それによって、弁機構の中の流体の流動が阻止される（図７Ｃを参照されたい）。

もちろん、内部磁石組立体の中の流体の流動を制御するように働くことができる弁機構を組み込む数多くの代替の方式がある。ここで説明した実施形態は、単なる一例にすぎない。

概して、図４及び図５によって示されている２つの実施形態に戻って、それらの２つの流体カップリング手法間にいくつかの重要な相違があることに留意すべきである。それらは、粘性減衰、及びアクチュエータが移動するときに移動する流体の質量に関する。第１の場合においては（図４）、外部弁１２０を開き、アクチュエータ１１４が外部回路１１０の中で前後に流体を往復させるとき、回路の中の流体の全質量は、移動しており、回路の内部壁に対する抗力を受けている。第２の場合においては（図５）、内部弁機構が開いているとき、内部磁石組立体２１０は、外部回路の中の流体を強制的に流動させずに自由に移動させ、受ける粘性抗力のみが、内部弁機構２２０の中の流体の強制的な流動と関連付けられる。したがって、粘性損失を回避し、システムの慣性を低減させるのに、内部弁機構の使用によって内部磁石組立体を移動させることは有利であり得る。

図４及び図５に示されている２つの手法を組み合わせると、第３の実施形態が創出され得（図８）、ここでは、内部弁機構１５６と外部弁機構１２０の両方が、閉ループ流体流路の中に、外側に置かれた流体ポンプ１８０と共に含まれる。内部磁石組立体の運動は、弁１５６と１２０の両方を閉じ、流体ポンプ１８０をＯＦＦにすることによって対抗され得る。内部弁機構１５６を開くことによって、内部磁石組立体の運動は、先に説明した機構と類似する形で可能になる。内部弁機構１５６と外部弁機構１２０の両方が開かれ、流体ポンプ１８０が循環しているとき、内部磁石組立体の運動が可能になり（その場合、相対的に低い減衰及び慣性が運動自体に関連付けられる）、流体は、線形アクチュエータの内部領域の中をアクティブに流動しているという追加の便益が実現される。この場合には、内部磁石組立体が、線形アクチュエータコイルの影響の下、移動及び制御されている間、流体は、線形アクチュエータを冷却するために使用され得る。

図９を参照すると、シャトル内の内部弁機構１５６を採用する実施形態はまた、ポンプとして使用され得る。シャトルが一方の方向（例えば、図８においては上方向）に移動するとき、内部弁１５６は、その開位置へと置かれ、シャトルが他方の方向（すなわち、図８においては下方向）に移動するとき、内部弁１５６は、その閉位置に置かれる。このようにして、回路１１０の中にある流体は、時計回りでループの周りを移動することができる。流体が、アクチュエータ組立体を冷却するように働く冷却剤である場合、ポンプ動作は、流体流路の中にある外部熱交換器（図示せず）に対して冷却剤を循環させるように使用され得る。

他の実施形態が、以下の特許請求の範囲内にある。例えば、リング磁石は、中実リングとして製作される場合も、又はそれらが、１つのリングを形成するのに、より小さい磁石アレイを構成することによって製作される場合もある。加えて、シールされた管は、上に示されたように、コイルがその上に巻かれ、又は配置される流体不透過性材料（例えば、プラスチック）から作製される別個のシリンダとすることもできる。また、それは、形状が円形である必要はなく、むしろ、別の形状、例えば、長方形又は楕円形の導管とすることもできる。また、それは、別個の品目である必要はなく、むしろ、コイルを、それらの位置合わせされた内側コアが流体密封導管を形成するように一緒にセメント接着又は糊接着することによって形成される環境的に流体密封壁とすることもあり得る。

Claims (17)

1. コイルアレイの各コイルが、流体を収容するためのコア領域の周りに巻かれている、コイルアレイと、
   前記コイルアレイの外側に実装され、前記コイルアレイにわたって移動可能な外部磁石組立体と、
   前記コイルアレイの前記コイルが周りに巻かれている前記コア領域の内側に実装される内部磁石組立体であって、前記外部磁石組立体と位置合わせされ、前記外部磁石組立体に磁気的にカップリングされて、それにより、前記外部磁石組立体及び前記内部磁石組立体が、前記コイルアレイ内の前記コイルに印加される駆動信号に応答して、前記コイルアレイに沿って一緒に移動する、内部磁石組立体と
   を備える、装置。
2. コア領域を画定する、及びコイルアレイのコイルが周りに巻かれている、コンジットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. コンジットが、流体不透過性壁を確立するシリンダである、請求項２に記載の装置。
4. コンジットの中の流体の流動を遮断及び遮断解除するための内部磁石組立体内の弁機構であって、コイルアレイのコイルに印加される信号によって磁気的に制御される、弁機構をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. コンジットの一方の端部を前記コンジットの別の端部に接続する閉ループ流体路を画定する外部流体回路と、
   前記コンジットの外側で前記外部流体回路内に設置される電子的に動作する弁機構であって、前記外部流体回路内の流体の流動を遮断及び遮断解除するように動作可能である、弁機構と
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. コンジットの中の流体の流動を遮断及び遮断解除するための内部磁石組立体内の弁機構であって、コイルアレイのコイルに印加される信号によって磁気的に制御される、弁機構
   をさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 外部磁石組立体が、外部リング磁石アレイを備え、前記外部リング磁石アレイの各リング磁石が、コイルアレイを囲む、請求項１に記載の装置。
8. 外部リング磁石アレイのリング磁石が、外部リング磁石の第１のサブアレイ及び外部リング磁石の第２のサブアレイを形成するようにグループ分けされ、外部リング磁石の前記第１のサブアレイ及び前記第２のサブアレイが、コイルアレイのコイルに印加される信号の制御の下、前記コイルアレイに沿って別々に移動することができる、請求項７に記載の装置。
9. 内部磁石組立体が、外部リング磁石アレイと位置合わせされる内部リング磁石アレイを備える、請求項８に記載の装置。
10. 内部リング磁石アレイのリング磁石が、内部リング磁石の第１のサブアレイ及び内部リング磁石の第２のサブアレイを形成するようにグループ分けされ、内部リング磁石の前記第１のサブアレイ及び前記第２のサブアレイが、コイルアレイのコイルに印加される信号の制御の下、コア領域内で別々に移動することができる、請求項９に記載の装置。
11. 外部リング磁石の第１のサブアレイ及び内部リング磁石の第１のサブアレイが、磁気的にカップリングされ、一緒に移動し、外部リング磁石の第２のサブアレイ及び内部リング磁石の第２のサブアレイが、磁気的にカップリングされ、一緒に移動する、請求項１０に記載の装置。
12. 内部磁石組立体の中の流体の流動を制御するための、並びに互いに対する内部リング磁石の第１のサブアレイ及び第２のサブアレイの動きによって動作する、弁機構をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
13. リング磁石外部アレイ内のリング磁石は、前記リング磁石外部アレイの半径方向外側の場に対して、コイルアレイのコイル内に前記磁石外部アレイによって生み出される磁場を増強させるように、磁場が、選定及び構成されている、請求項７に記載の装置。
14. リング磁石外部アレイ内のリング磁石は、前記リング磁石外部アレイの半径方向外側の場に対して、コイルアレイのコイル内に前記磁石外部アレイによって生み出される磁場を増強させるように、磁場が、選定及び構成され、リング磁石内部アレイ内のリング磁石は、前記リング磁石内部アレイの半径方向内側の場に対して、前記コイルアレイの前記コイル内に前記磁石内部アレイによって生み出される磁場を増強させるように、磁場が、選定及び構成されている、請求項９に記載の装置。
15. コンジット内にシャトルをさらに備え、前記シャトルが、内部磁石組立体を備え、前記シャトルが、前記コンジットを遮断して、それにより、流体が、前記シャトルの一方の側から前記シャトルの別の側へと前記コンジットの中を通ることができないようになる、請求項１に記載の装置。
16. アクチュエータ組立体をさらに備え、前記アクチュエータ組立体が、外部磁石組立体を備え、コイルアレイの中のコイルに印加される信号に応答して、別の要素を機械的に動作させることを目的とする、請求項１に記載の装置。
17. 流体不透過性壁を有するシリンダと、
    コイルアレイの各コイルが、前記シリンダの周りに巻かれている、コイルアレイと、
    外部リング磁石アレイ及び内部リング磁石アレイを含むアクチュエータ組立体であって、前記外部リング磁石アレイの各リング磁石が、前記コイルアレイを囲み、前記内部リング磁石アレイの各リング磁石が、前記シリンダ内に設置され、前記内部リング磁石アレイが、前記外部リング磁石アレイと磁気的にカップリングされて、それにより、前記外部リング磁石アレイ及び前記内部リング磁石アレイが、前記コイルアレイ内の前記コイルに印加される駆動信号に応答して、前記コイルアレイに沿って一緒に移動する、アクチュエータ組立体と
    を備える、線形アクチュエータ。