JP2020508031A - リラクタンスアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
Description
他の既知のアクチュエータシステムは、ローレンツアクチュエータ、又は、ピエゾアクチュエータに基づいている。
ローレンツアクチュエータは、例えば、非特許文献1から知られており、ピエゾアクチュエータは、例えば、非特許文献2から知られている。
反対に、ピエゾアクチュエータは、高帯域幅(最大数kHz)のシステムで使用されるが、スキャン範囲が狭く、通常は、わずか数mradのスキャン範囲である。
リラクタンスアクチュエータは、さまざまな分野の用途、例えば、高速ステアリングミラーシステムの回転動作で使用されている。
他のリラクタンスアクチュエータは、たとえば、非特許文献3および非特許文献4から知られている。
これにより、潜在的な用途や使用が、最終的に大幅に制限される。
この実施形態の別の利点は、可動要素(可動子とも呼ばれる)が磁気回路を閉じるヨークのみで構成される際、可動要素の質量が小さくなり、したがって、リラクタンスアクチュエータの帯域幅が広くなることである。
言い換えると、ヨークが内部に配置される従来技術とは異なり、ヨークまたは可動要素は、実質的に外部に配置される。
したがって、たとえば、ヨークまたはコイルのいずれからも突出している部分がないため、既存の設置スペースを充分に活用できる。
言い換えると、可動要素は、アクチュエータ全体のほぼ最外部に配置されているため、リラクタンスアクチュエータの要素が可動部材を超えて突出しない。
リラクタンスアクチュエータの直径全体に対する可動要素の使用可能な表面の比率が非常に高い。
「可動要素」という用語の同義語は、「可動子」または「回転子」という用語である。
本発明の意味における可動要素は、ヨークを形成することで磁力線を閉じ、かつ、「可動子」または「回転子」を形成するか、または、それらとして使用される。
可動要素は、コアを特に形成しない。
これは、ステータに磁気バイアスを生成する簡単な方法である。
E字型のステータを使用すると、通常使用されるC字型のステータに比べて、リラクタンスアクチュエータ全体の直径を小さくすることが可能である。
これにより、簡単かつコンパクトな様式で、2つの軸周りの独立した傾斜が可能になる。
これにより、x軸とy軸との周りを傾斜可能になる。
特に、z方向に平坦な設計が有利である。
これにより、単純かつコンパクトな設計が可能になる。
さらに、4つの外側磁極片の磁気バイアスが、内側磁極片上の1つの永久磁石からなる領域で実現可能である。
これは、ステータのすべての磁極片に磁気バイアスを生成する簡単な方法である。
これにより、磁気バイアスを他の磁極片に特に信頼性高く伝送可能になる。
これにより、可動要素を簡単に、かつ、同時に信頼性高く固定可能になる。
これにより、可動要素は、非常に信頼性が高くなり、柔軟に固定および動作が可能になる。
これにより、可動要素の軽量化と、同時に信頼性の高い固定が可能になる。
これにより、費用対効果の高い製造と、撓み要素と可動要素との間の力の直接伝達と、撓み要素と可動要素との低慣性と、が可能になる。
これにより、製造作業が軽減される。
この点での利点は、コンパクトな設計となること、低慣性であること、および可動要素の回動点が表面近くに位置していることである。
このようにすると、それぞれの要素自体が鏡として機能可能になり、鏡を追加で用いる必要がなくなることで、製造作業が軽減される。
これは、可動要素の傾斜運動を、回動点を定義することで可能にする、単純で費用対効果の高い方法である。
さらに、ステータの磁極片に実質的に平行に作用する力によって、z方向に作用する力を補償する。
これにより、可動性が確保され、ヨークまたは可動要素とステータとの間の磁気回路が、実質的に完全に閉じられることが保証される。
これは、2つの軸に沿って可動要素を移動可能にする簡単な方法である。
コイルは、直列に切り替え可能である。
コイルが4つの磁極片すべてに配置されている場合、対向する2つのコイルを協働させることで、可動要素が1つの軸周りに動作するので、可動要素は、2つの軸周りに傾斜可能になる。
これにより、渦電流が確実に防止され、リラクタンスアクチュエータの効率が向上する。
内側部は、強磁性材料から、例えば、固体材料から旋削することで作られてもよい。
これにより、各空間方向で均一な傾斜が保証される。
さらに、例えば、旋削することで、簡単に製造可能である。
これは、ヨークまたは可動要素それぞれに永久磁石が必要ないことを意味し、可動要素が軽量化される。
これにより、ヨークによって磁気回路を信頼性高く閉じることができ、同時にヨークの耐用年数を長くすることができる。
ディスク形状にすることで、可動要素の平坦な設計が可能になる。
したがって、可動要素の回動点は、その表面の近くになる。
これにより、必要なスペースが、非常にコンパクトになる。
ディスクの厚さに対するディスクの直径の比は、例えば、5と100,000との間であり、特に、10と10,000との間であり、特に、100と1,000との間であってもよい。
可動要素が星型のディスクとして構成されている場合、対向するコイルの磁束は、対向する星型アームによって生成される。
したがって、可動要素の質量は、小さくなる。
これにより、可動要素を簡単に製造でき、同時に、信頼性高く傾斜可能になる。
一方で、これにより、望まない自由度に沿った動きが、確実に制限される。
他方で、ほとんど剛性を持たないリラクタンスアクチュエータの負の剛性が、2つの所望の方向/自由度で補償される。
これにより、リラクタンスアクチュエータ全体をコンパクトかつ対称的に設計することが容易になる。
これは、可動要素の傾きを監視および制御する、簡単で信頼性の高い方法である。
これらのユニットにより、リラクタンスアクチュエータの操作と制御のための重要な変数の測定が可能になる。
これにより、必要な設置スペースが、コンパクトになる。
本発明の実施形態は、図面に示され、以下の記載で説明される。
同様の参照記号は、類似または機能的に同一の構成要素または要素を意味する。
内側磁極片13に配置されている永久磁石2と、複数の外側磁極片14にそれぞれ配置されているコイル3とを有するE字型のステータ1が、ハウジングG内に配置されている。
磁気回路を閉じるために可動要素4として構成されているヨークが、ステータ1の上側に配置されている。
可動要素4は、撓み要素5または復元要素に直接接続されている。
この撓み要素5は、可動要素4の動きを3つの自由度に関して制限する。
さらに、可動要素4の回動点を決定し、可動要素4の動作を別の自由度で制限するボールベアリング7が、ステータ1の内側磁極片13の上端に配置されている。
これにより、単一の磁気回路が生成され、システム全体に磁気バイアスをかけるために永久磁石2を使用可能になる。
本発明の実施形態の基本原理を説明するために、穴部6が、リラクタンスアクチュエータのハウジングGの撓み要素5の上の外周に配置されている。
穴部6は、例えば、センサの固定に使用してもよい。
このようなセンサの一例は、渦電流センサ8である。
しかし、撓み要素5をハウジングGに固定する固定リング17が示されている。
このバイアス磁束50は、中心を通って、強磁性のステータ1の内側磁極片13と、ボールベアリング7によって形成される内側磁極片13と可動要素4との間の中央空隙9cと、を流れ、強磁性の可動要素4を通って、動作空隙9a、9bとステータ1の左右の外側磁極片14とをそれぞれ介して戻ってくる。
均一なバイアス磁束50は、図2の線50で示される。
これにより、可動要素4に作用する正味のトルク方向100は、実質的にゼロに等しくなる。
このコイル磁束51は、コイル3の電流の方向によって、ステータ1の外側磁極片14と、可動要素4と、動作空隙9a、9bとを、時計回りか反時計回りのいずれかで流れる。
永久磁石2は、外部磁場に対して高オームの磁気抵抗(リラクタンス)を示すため、コイル3の磁束は、ステータ1の内側磁極片13よりも外側磁極片14を流れやすい。
2つの動作空隙9a、9bでは、均一なバイアス磁束50と経時変化するコイル磁束51とが重なり合う。
これにより、右側の動作空隙9bでは、両方のバイアス磁束50、コイル磁束51が同じ方向に流れるため、全体的な磁束が増加し、動作空隙9aの磁束は、減少する。
これにより、正味トルク方向100が可動要素4に対して時計回りに作用する。
コイル3の電流の方向を反転させると、コイル3のコイル磁束51も反転し、可動要素4に反時計回りに作用するトルク方向100が生じる。
傾き状態で、空隙9aを流れる磁束と空隙9bを流れる磁束とを比較すると、狭い空隙を流れる磁束の方が強くなるため、可動要素4に作用するトルク方向100は、元々傾いている方向に増大していく。
これは、リラクタンスアクチュエータの負剛性と同義であり、永久磁石2の存在のためにリラクタンスアクチュエータ自体の動作原理が本質的に不安定になることを示している。
したがって、撓み要素5は、それぞれ、リラクタンスアクチュエータの負の剛性を補償するか、本質的に不安定な動作原理を安定するように構成されている。
このような撓み要素5が、図3および図4に示されている。
撓み要素5は、可動要素4の形状に従って実質的に構成されているか、両方が互いに対して適応している。
両方の可動要素4、撓み要素5は、図3、4では実質的にディスク状であり、円形である。
撓み要素5は、その外側に、撓み要素5をリラクタンスアクチュエータのハウジングGに固定するための固定リング16を備えている。
撓み要素5の内側領域15は、上述のように、ディスクで形成されている。
撓み要素5の内側領域15および外側領域16は、周囲に対称的に分布するサスペンション領域12を介して相互接続される。
ディスク状の撓み要素5のサスペンション領域12の固定点10bと、外側領域16におけるサスペンション領域12の固定点10aとは、それぞれ、サスペンション領域12が4分円の円周部のような形態に実質的になるように、周方向に90°オフセットして配置されている。
強磁性の可動要素4は、撓み要素5に直接接続されている。
永久磁石2による磁気バイアスのため、z方向に高いオフセット力が作用する。
撓み要素5は、傾斜に必要な2つの所望の回転自由度における剛性を不利に高めずに、z方向に充分な剛性を持つことができない。
このため、このオフセット力は、撓み要素5を損傷する。
これを避けるために、ボールベアリング7を使用することにより、z方向の力を補償し、かつ回動点を固定する。
撓み要素5は、アルミニウムでできていてもよく、上述のように、xおよびy方向の並進自由度と、z軸の周りの回転自由度とが制限される。
言い換えると、x軸周りとy軸周りとの回転(つまり傾斜)のみが容易になる。
撓み要素5と可動要素4とを直接接続することにより、慣性が最小化される。
さらに、リラクタンスアクチュエータに、可動要素4の位置を決定、制御、または調整するための制御装置を設けてもよい。
この制御装置は、各軸に対する位置を決定、制御、または調整可能である。
この目的のために、制御装置と同様に、コイル電流の増幅器と、可動要素4が動作可能な軸の各方向の傾斜角を制御/監視する装置とを設けてもよい。
図1bによるリラクタンスアクチュエータとは異なり、図5aおよび図5bによるリラクタンスアクチュエータの外側磁極片14は、ハウジングGの底板に対して実質的に水平に延びている。
コイル3の軸も、外側磁極片14の周りに水平に配置されている。
図5aの外側磁極片14は、一体に形成されている。
図5bの磁極片は、2部品からなる要素であり、コア18の外側端部のみが外側磁極片14と呼ばれる。
磁束がヨークまたは可動要素4に適切に伝導されるよう、外側磁極片14は、それぞれ調整される。
外側磁極片14を備えるコア18は、上述のように、1部品形態(図5aを参照)または2部品形態(図5bを参照)のいずれかで形成されてもよい。
図5bにおいて外側磁極片14は、コア18に配置されるか、または、コア18に固定される。
言い換えると、外側磁極片14は、磁場が可動要素4に向けられるように、この「平坦な」設計の端部領域において「上方」に向けられる。
したがって、この実施形態により、特に平坦な設計が可能になる。
撓み要素4を2軸周りに傾斜できるように構成する際、4つの梁部4’または十字形のアームが、それぞれの外側磁極片14の上に実質的に配置されている。
サスペンションの、撓み要素4側の固定点と外側領域における固定点とは、図3または図4と同様に、それぞれ周方向に90°オフセットして配置される。
可動要素が、磁気回路を閉じるヨークの内部にあるのではなく、リラクタンスアクチュエータの片側の端部を形成している。
これにより、下記の点で既存の設置スペースを非常に有利に利用できる。
・ すなわち、可動子がリラクタンスアクチュエータ全体のほぼ最外点に位置し、可動子を超えて突出する要素がリラクタンスアクチュエータにない。
・ 可動子がヨークとコイルを横方向に広く覆っている。
・ すなわち、リラクタンスアクチュエータの全直径に対する可動子の有効面の割合が非常に高い。
・ 可動子が、平坦な設計になっており、可動子の回動点が、可動要素のほぼ表面上に存在する(回動点が表面上に存在することが理想であろう)。
・ (通常使用されるC字型のステータとは異なり、)E字型のステータを使用することにより、リラクタンスアクチュエータの全体直径を小さくできる。
したがって、本発明は、コンパクトで非常に動的なリラクタンスアクチュエータを提供する。
このリラクタンスアクチュエータは、例えば、光通信、走査測定技術、標的追跡などの分野での光学走査システム向けのミラーの高速傾斜を含む、多様な用途に使用可能である。
言い換えると、上述の本実施形態は、特許請求の教示を説明するためにのみ使用され、これらの実施形態に限定するものではない。
2 ・・・永久磁石
3 ・・・コイル
4 ・・・可動要素/ヨーク
4’ ・・・梁部/アーム
5 ・・・撓み要素
6 ・・・穴部
7 ・・・ボールベアリング
8 ・・・渦電流センサ
9a・・・空隙
9b・・・空隙
9c・・・空隙
10a・・・固定点
10b・・・固定点
12 ・・・サスペンション領域
13 ・・・内側磁極片
14 ・・・外側磁極片
15 ・・・内側領域
16 ・・・外側領域
17 ・・・固定リング
17a・・・ねじ
18 ・・・コア
50 ・・・バイアス磁束
51 ・・・コイル磁束
100・・・トルク方向
G ・・・ハウジング
Claims (32)
- 磁化可能なステータと、前記ステータ内に磁場を生成するように構成される少なくとも1つのコイルと、前記ステータの磁束を少なくとも部分的に閉じるように構成されるヨークと、を含み、
前記ヨークが、持ち上げ/傾斜動作する可動要素として構成されていることを特徴とする、リラクタンスアクチュエータ。 - 前記ステータが、永久磁石からなる領域を備えていることを特徴とする、請求項1に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ステータの断面が、軸に沿う、2つの外側磁極片と1つの内側磁極片とを有するE字型として構成されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項2のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ステータが、互い対して特定の角度でそれぞれ配置される2つの軸に沿うE字型の断面を有し、
前記2つの軸の間の角度が、90°であることを特徴とする、請求項3に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記コイルが、前記可動要素の傾き方向に対して実質的に直角であるコイル軸を備え、
前記ステータが、前記コイルの内側に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする、請求項3乃至請求項4のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記ステータの内側磁極片が、前記2つの軸に沿う前記内側磁極片と同一であることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記永久磁石からなる領域が、前記ステータの内側磁極片に接して配置されていることを特徴とする、請求項2および請求項3に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記永久磁石からなる領域が、前記ステータの複数の磁極片を接続する領域の移行領域内に配置されることを特徴とする、請求項7に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素が、前記リラクタンスアクチュエータのハウジング上に撓み要素によって動作可能に配置されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記撓み要素が、内側領域と外側領域とサスペンション領域とを有し、
前記内側領域と外側領域が、前記サスペンション領域を介して互いに接続されていることを特徴とする、請求項9に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記撓み要素が、アルミニウムおよび/またはチタンでできていることを特徴とする、請求項9または請求項10に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素が、前記撓み要素に、特に、前記撓み要素の内側領域に、直接接続されていることを特徴とする、請求項9乃至請求項11のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素と前記撓み要素とが、一体で形成されていることを特徴とする、請求項9乃至請求項12のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素と前記撓み要素とが、強磁性鋼で、特にばね鋼で、できていることを特徴とする、請求項9乃至請求項13のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記撓み要素または前記可動要素が、少なくとも部分的に鏡面塗装されていることを特徴とする、請求項9乃至14のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素が、前記ステータの内側磁極片の中心にベアリングによって取り付けられ、
前記ベアリングが、ボールベアリングか、硬質金属またはサファイアなどからなる端部形態の点軸受か、撓み梁の形態か、であることを特徴とする、請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記可動要素が、空隙によって、前記ステータから間隔を空けて配置されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ステータが、4つの外側磁極片を備え、
前記コイルが、互いに対向して配置されている前記4つの外側磁極片のいずれか2つにそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記ステータが、層状であることを特徴とする、請求項1乃至請求項18のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ステータの外側磁極片のみが、複数の絶縁層でできていることを特徴とする、請求項19に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ステータの内側磁極片が、円筒状であることを特徴とする、請求項3に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ヨークが、強磁性であることを特徴とする、請求項1乃至請求項21のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ヨークが、鋼でできていることを特徴とする、請求項1乃至請求項22のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記可動要素が、円形、楕円形、または、星型のディスクとして構成されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項23のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ディスクが、前記軸に沿って対称であることを特徴とする、請求項24に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 4つのサスペンション領域が、配置され、
前記サスペンション領域のそれぞれの複数の固定点が、前記撓み要素の内側領域と外側領域とに、それぞれ周方向に90°オフセットして位置することを特徴とする、請求項10および請求項24に記載のリラクタンスアクチュエータ。 - 前記サスペンション領域の形状が、少なくとも部分的に、前記内側領域および/または前記可動要素の外側輪郭に従って実質的に構成されていることを特徴とする、請求項26に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- 前記ヨークが、前記リラクタンスアクチュエータの実質的に横方向の外側端部を形成することを特徴とする、請求項1乃至請求項27のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
- リラクタンスアクチュエータを含むアクチュエータシステムであって、
前記リラクタンスアクチュエータが、請求項1乃至請求項28のいずれか一項に従って構成され、かつ、非磁性ハウジング内に、例えば、アルミニウム製ハウジング内に、少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする、アクチュエータシステム。 - フィードバックと制御とを行う装置が、前記可動要素の軸周りの動作を制御するために、前記リラクタンスアクチュエータに配置および接続されていることを特徴とする、請求項27に記載のアクチュエータシステム。
- 前記フィードバックと制御とを行う装置が、位置測定ユニット、特に、角度位置測定ユニット、電流増幅ユニットもしくは電圧増幅ユニット、および/または、出力電流測定ユニットを含むことを特徴とする、請求項30に記載のアクチュエータシステム。
- リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法であって、
前記リラクタンスアクチュエータが、磁化可能なステータと前記ステータ内に磁場を生成するように構成される少なくとも1つのコイルと前記磁束を少なくとも部分的に閉じるヨークと、を含み、
前記ヨークが、持ち上げ/傾斜動作する可動要素として構成され、かつ前記磁場を制御することで動作することを特徴とする、リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法。
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