JP2020508034A - 電磁リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

電磁リニアアクチュエータが外被部材（６）および末端部材（５）を有するハウジング（１）と、前記ハウジング内に配置されていて共通の軸（Ａ）の周りで軸方向に相互に偏移して延在しかつ互いに逆方向に巻かれた２個のコイル（１９，２０）からなるコイル構成（２）と、前記ハウジング（１）内で前記軸（Ａ）に沿って２つの終端位置の間で摺動可能に支承された電機子構成（３）とを含んでなり、前記電機子構成が前記末端部材（５）を貫通するシャフト（８）と、そのシャフト上に配置されていて軸方向に磁化された永久磁石（１０）とその永久磁石の端面側に配置された２個の円盤型の磁束伝導部材（１１）とを備えた永久磁石構成（９）を有する。シャフト（８）の自由端部と逆側の第１のコイル（１９）が、前記シャフト（８）の自由端部と反対側の末端に内径が縮小された領域（２７）を備える。その第１のコイル（１９）内の末端側に磁気活性材料からなるコア（２８）を収容する。電機子構成の両方の終端位置の夫々において永久磁石構成（９）の軸方向長の少なくとも５０％が前記両方のコイル（１９，２０）の一方と重複する。【選択図】図１

Description

この発明は電磁リニアアクチュエータに関する。本発明に係る電磁リニアアクチュエータは特に、外被部材および末端部材を有するハウジングと、前記ハウジング内に配置されていて共通の軸の周りで軸方向に相互に偏移して延在しかつ互いに逆方向に巻かれた２個のコイルからなるコイル構成と、前記ハウジング内で前記軸に沿って２つの終端位置の間で摺動可能に支承された電機子構成とを含んでなり、前記電機子構成が前記末端部材を貫通するシャフトと、そのシャフト上に配置されていて軸方向に磁化された永久磁石とその永久磁石の端面側に配置された２個の円盤型の磁束伝導部材とを備えた永久磁石構成を有し、その際前記電機子構成の両方の終端位置の夫々において前記永久磁石構成の軸方向長の少なくとも５０％が前記両方のコイルの一方と重複する。

電磁リニアアクチュエータは多様な構成方式で知られており使用されている。電磁リニアアクチュエータの個別の構造形式ならびに装備は個別の使用形態に適応する。その構造形式および装備は、該当する適用形態において存在する利用可能空間、シャフトが両方の終端位置の間で移動する所要の変位路程（スイッチング路程）、その際に付勢される構成部材に対してシャフトが付加可能あるべき所要の応力等に依存する。さらに、達成可能なスイッチング動性、すなわち１つの終端位置から別の終端位置へのシャフトの移動のために必要とする時間も、多くの適用形態において重要な意味を有する。その際、異なった特徴と出力パラメータの間に相関性が存在することに留意する必要がある。従って、一般的にシャフトによって生成される変位応力（あるいはスイッチング応力）は構造大に相関し、大きなリニアアクチュエータほど大きな変位応力を生成することができる。勿論、（動かすべき質量がより大きくなるため）達成可能なスイッチング動性に影響が及ぼされる。さらに、電機子構成の加速のために必要とされる応力がその電機子構成の動作相中に有効なスイッチング応力を低下させるような方式で、スイッチング動性とスイッチング応力が相関する。

冒頭に述べた構造形式に相当する電磁リニアアクチュエータは、例えば特許文献1および特許文献2に係るリニアアクチュエータと同様に、２つの安定したスイッチング状態の可能性を有することを特徴とする。従ってそれらはいわゆる双安定アクチュエータとして構成することができ、それによればシャフトが、永久磁石構成とハウジングとの共働作用のため、コイル構成の付勢（通電）を伴わずにシャフトの両終端位置のそれぞれを保持することができ、そのことは勿論永久磁石構成の実施形態および／またはコイル構成との協調が異なっているが類似の構造形式であるものに対しても部分的に有効である（例えば特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、ならびに特許文献8参照）。上述した特徴に加えて、双安定電磁アクチュエータは追加的な特徴として安定したスイッチング状態において電機子構成に作用する応力（保持力）を有し；その理由は、明らかにより高い保持力が典型的に電機子の初期加速を低下させるように作用し、従ってスイッチング動性に影響を及ぼすためである。

特許文献9には請求項１前文に記載のものと同種の電磁リニアアクチュエータが開示されており、冒頭に述べた特徴に加えて永久磁石構成がシャフトの末端に配置されることを特徴とする。しかしながら、この電磁リニアアクチュエータは双安定アクチュエータとして構成されておらず、むしろ液圧サーボバルブの付勢のために設計されており、そのためコイル構成の通電に比例する電機子構成の中立の中間位置からの偏移が実行される。

特許文献10には、伝動装置に使用するために設計された電磁リニアアクチュエータが開示されている。このアクチュエータは、外被形状のハウジング内に配置された２個のコイルを備え、それらの間に中央の磁束伝導部材が存在する。ハウジングの末端側に固定式の磁束伝導部材が設置され、それを貫通して電機子構成のシャフトが延在し、そのシャフトの末端側に第１の可動式の磁束伝導部材が配置される。固定式の磁束伝導部材と第１の可動式の磁束伝導部材との間に第２の可動式の磁束伝導部材が存在し、その第２の可動式の磁束伝導部材はハウジングと電機子構成の両方に対して相対動作可能である。１個のコイル、別のコイル、あるいは両方のコイルの通電に従って、電機子構成が３つの定義された位置のうちの１つを占める。

特開昭５７−１９８６１２号公報 欧州特許出願公開第１２７５８８６号（Ａ２）明細書 米国特許第３５０４３１５号（Ａ）明細書 米国特許第３５０３０２２号（Ａ）明細書 米国特許第４４９０８１５号（Ａ）明細書 中国特許出願公開第１０１９０８４２０号（Ａ）明細書 米国特許第３２０２８８６号（Ａ）明細書 ドイツ国特許出願公開第２４２３７２２号（Ａ）明細書 米国特許第４０７１０４２号（Ａ）明細書 米国特許出願公開第２００４／０１００３４５号（Ａ１）明細書

従って本発明の目的は、先行技術に対して改善された動作特性を特徴とする、冒頭に述べた種類の電磁リニアアクチュエータを提供することである。そのため、特に極めて動的に作用するとともに非常に高い変位応力を有する、冒頭に述べた種類の電磁リニアアクチュエータを提供する。

本発明によれば前記の課題は、同種の電磁リニアアクチュエータにおいて、シャフトの自由端部と逆側の第１のコイルが前記シャフトの自由端部と反対側の末端に内径が縮小された領域を備え、その第１のコイル内の末端側に磁気活性材料からなるコアを収容することによって解決される。本発明に係る電磁リニアアクチュエータの構成によって達成することができる決定的な利点は、後に詳細に記述するが従来は知られていなかった固定子構成と電機子構成の間に作用する電磁応力の最適な推移である。この電機子構成に作用する電磁応力の推移は、（電機子構成の第１の終端位置において電機子構成に作用する大きな保持力にもかかわらず）極めて高い電機子構成の初期加速を可能にし、その際その後の電機子構成の偏移路程にわたって極めて均一に推移する電磁応力が電機子構成に作用することができ、そのことが電機子構成のさらなる加速と形成されるスイッチング応力の両方に対して良好に作用する。変位路程の終端付近において再度の変位応力の有意な上昇も可能であり、典型的な適用形態においてそのことが極めて有効になる。すなわち、変位路程の大半の部分にわたって電機子構成に作用する電磁応力の推移が極めて均一であることが非常に有効である。

本発明の第１の好適な追加構成は、（コイル構成の第１のコイルの末端側に収容された）コアが、第１のコイルの縮小された内径を有する領域の軸方向の総延長と重複することを特徴とする。このことは、電機子構成の極めて高い初期加速を達成する応力の推移のために有利である。その際、永久磁石構成の外径が第１のコイルの縮小された内径を有する領域の内径よりも大きくなるような方式で、前記第１のコイルの縮小された内径を有する領域が前記永久磁石構成と半径方向で重複することが極めて好適である。

さらに応力推移のために、（本発明の別の好適な追加構成において）第１のコイルと第２のコイルの間の軸方向の間隔がコイル技術的に必要不可欠なものより顕著に大きくならないようにすることが極めて好適である。コイル構成の第１のコイルと第２のコイルが（特に好適には磁気不活性材料からなる共通のサポートスリーブ上で）連続的に巻かれ、第１のコイルと第２のコイルの間に存在する軸方向の間隔がコイル導線の不断の１８０°アーチのために必要な程度に制限されることが理想的である。現実的には、前記の間隔がコイル技術的に必要不可欠な大きさを５０％超上回ることがないようにされる。

本発明の別の好適な追加構成によれば、第１のコイルと第２のコイルの間に磁束伝導部材を配置しないようにする。そのような磁束伝導部材は応力推移を不均一にし、そのため本発明に係る電磁リニアアクチュエータの設計においてリニアアクチュエータの動作特性に不利な影響が及ぼされる。

本発明のさらに別の好適な追加構成は、電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が５０％超第１のコイルと重複し（ならびに通常シャフトが末端部材内に収容され）、その終端位置においてコアと、隣接する永久磁石構成の磁束伝導部材との間に軸方向の間隙が存在することを特徴とする。その方式によって、電機子構成が（作用する保持力に抗して）第１の終端位置から離脱動作するために必要な起動力に有利な影響を及ぼすことができる。そのことを極めて簡便な方式で達成する１つの可能性は、シャフトが軸方向に永久磁石構成を貫通してその永久磁石構成から幾らか突出することである。すなわち、電機子構成が前記のシャフトの突出によってコアに当接し、隣接する永久磁石構成の磁束伝導部材からコアに対して間隔を保持することができる。また、シャフトは磁気不活性材料、特にステンレス鋼から形成することが好適である。そのことは上述した電機子構成のための“ストッパ”としての機能に対して有効であるばかりでなく、その方式によって達成可能な磁気誘導性の低減と、それに伴った外側の、コイル構成と相互作用する永久磁石構成の環境への磁界の収束によっても有用である。

本発明のさらに別の好適な追加構成において、電機子構成の第１の終端位置における第１のコイルによる永久磁石構成との重複が電機子構成の第２の終端位置における第２のコイルによる永久磁石構成との重複よりも小さいことが、応力推移に対して有利である。従って例えば電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が５５％ないし８５％第１のコイルによって重複され、一方電機子構成の第２の終端位置においてはより大きく、すなわち６５％ないし１００％の割合で第２のコイルによって軸方向に重複されることが可能である。極めて好適な範囲は、電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が６５％ないし７５％第１のコイルによって軸方向に重複され、電機子構成の第２の終端位置においては７５％ないし９０％第２のコイルによって重複されることである。

さらに別の好適な追加構成は、ハウジングの末端部材が組み立ておよびガイドブロックとして形成されることを特徴とする。そのためハウジングの末端部材が、付勢すべき要素を備えた構造体（例えば内燃機関のカムシャフトの調節のためにリニアアクチュエータを使用する場合はシリンダヘッド）上にリニアアクチュエータを取り付けるように作用する構造的な特徴（例えばフランジ、ねじ付けスレッド、取り付け用延長部材等）と、電機子構成を案内するために作用する構造的な特徴（例えば電機子構成のシャフトの滑り案内として形成された孔部等）の両方を有する。その際特に好適な構成形態によれば、電機子構成を専ら組み立ておよびガイドブロック内で摺動可能に案内して支承する。

さらに、永久磁石構成がそれの外周上に軸方向の長さにわたって延在する少なくとも１本のバランシング通路を有することが好適である。そのことはスイッチング動性の観点から有利であることが理解され；その理由は、そのようにして永久磁石構成とその永久磁石構成を囲繞するコイル構成の間の半径方向の間隙（少なくとも１本のバランシング通路の領域以外）が比較的小さい（効率の点で有利に作用する）場合でも電機子構成の動作に際して小さな抵抗で（前記少なくとも１本のバランシング通路を通じて）永久磁石構成の周囲を空気が通流するためである。

リニアアクチュエータが、相互に平行して隣接配置された２個の電機子構成とそれらにそれぞれ割り当てられたコイル構成を有する複動リニアアクチュエータとして構成され、その際ハウジングが２個の分離された外被部材と共通の末端部材を備えていて、その末端部材を両方のシャフトが貫通するようにすれば、前述した本発明の利点が極めて顕著に明らかになる。それによって極めて狭い空間で２つの機能を実現することができ、その際小型であることが、末端部材が両方のユニットに対して共通に磁気作用を及ぼすために有利になる。同じことが、末端部材の反対側に好適に設けられる共通のハウジングの閉鎖盤にも該当する。

前述した複動リニアアクチュエータは、ハウジングの両方の外被部材を囲繞する共通の保護キャップを有する被覆を備えることが好適である。前記の保護キャップは、末端部材上に取り付けられたフランジ盤あるいはフランジリングと気密に結合することが極めて好適である。

次に、本発明の好適な実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

複合リニアアクチュエータとして構成された本発明に係る電磁リニアアクチュエータを示した軸方向断面図である。 図１のリニアアクチュエータの部分立体図である。 コイル構成を通流する電流と、電機子構成に作用する発生応力と、電機子構成の動作の推移をコイル構成の通電開始からの時間に関して示した説明図である。

図１および図２に示された、複動リニアアクチュエータとして構成された電磁リニアアクチュエータは、ハウジング１と、その中に収容された２個のコイル構成２と、２個の電機子構成３と、被覆４の形式の４つの機能的な主要構成要素を含む。

ハウジング１は、末端部材５と、２本のシリンダ形状の外被部材６と、前記末端部材５の反対側に配置された共通の閉鎖盤７を備える。これらの部材は強磁性材料から形成される。その際良好な磁束特性を形成しながら外被部材６を末端部材５上で心合せするとともに正確に位置決めするために、末端部材５が対応する外被部材６の末端側にいずれも突出部によって正確に嵌合する。反対側の末端領域において両方の外被部材６がいずれも（相互に対向して）切欠きを有し、それを介して閉鎖盤７が挿入される。前記切欠きの領域において両方の外被部材６が閉鎖盤７と鈍角に接合する。その他の点では、閉鎖盤７は可能な限り隙間なく外被部材６の内輪郭に密着する。両方の外被部材６のそれぞれの中にコイル構成２が配置される。

両方の電機子構成３は、それぞれシャフト８とそのシャフトの末端側に配置された永久磁石構成９を含み、その永久磁石構成が軸方向に磁化された永久磁石１０とその永久磁石の端面側に配置された２枚の円盤型の磁束伝導部材１１を備える。（磁気不活性材料から形成された）シャフト８は直径が縮小された領域をもって（適宜に穿孔された）永久磁石構成９を軸方向に貫通し、その際シャフトは永久磁石構成の逆側の端面において幾らか磁束伝導部材１１から突出して突出部１２を形成するようにして貫通する。永久磁石構成９の外周上には、それの長さにわたって延在する４本のバランシング通路１３が設けられる。

両方の電機子構成３のシャフト８のそれぞれがいずれも末端部材５内で軸Ａに沿って摺動可能に支承される。そのために末端部材５が組み立ておよびガイドブロックとして構成される。この組み立ておよびガイドブロックは、軸方向のアタッチメント１５と、電機子構成３の各シャフト８のための摺動ガイドとして形成された２本の孔部１６を備える。各シャフト８は、孔部１６に整合するよう設定され相互に離間して配置された２個のガイド部１７，１８をそれぞれ備え、それらの間においてシャフト８が縮小された直径まで細くなる。シャフト８は末端部材５を貫通する。図１および図２の上部において完全にハウジング１内に収容されたシャフト８を有する第１の終端位置で電機子構成３が示されており、一方下方には、電機子構成３が最大にハウジング１から突出したシャフト８を有する第２の終端位置が示されている。

コイル構成２は、軸Ａの周りに延在していて逆方向に巻かれておりさらに軸方向で相互に偏移した２個のコイル１９，２０をそれぞれ含み、すなわち（末端部材５内に挿入されたシャフト８の自由端部と逆側に配置された）第１のコイル１９と第２のコイル２０である。その際両方のコイル１９，２０は、磁気不活性材料から形成された共通のサポートスリーブ２１上に収容される。第１のエンドプレート２２、第２のエンドプレート２３、ならびに中間リング２４によってサポートスリーブの外周面がそれぞれ第１のコイル１９あるいは第２のコイル２０を収容するための２個の区画に区切られる。第１のエンドプレート２２と中間リング２４は、（連続しているが第１のコイル１９から第２のコイル２０への移行部で巻線方向を反転させて巻かれた）両方のコイルのコイル導線を挿通させるための開口２５をそれぞれ備える。ハウジング１の閉鎖盤７も、コイル導線を挿通させるように機能する開口２６を備える。

第１のコイル１９は、いずれもシャフト８の自由端部と逆側の末端に縮小された内径を有する領域２７を備える。そのためサポートスリーブ２１が適宜に段階式に形成される。その際第１のコイル１９の領域２７内の縮小された内径は、その縮小された内径を有する領域２７内で永久磁石構成９と第１のコイル１９が環状の重複領域によって半径方向において相互に重複するような方式で選択される。

サポートスリーブ２１の末端領域内に、（端面側で隙間なく閉鎖盤７に接合するようにして）磁気活性材料からなるコア２８が挿入される。このコアは、第１のコイル１９の縮小された内径を有する領域２７の軸方向の全長と重複する。そのため、コアはサポートスリーブ２１に対応して段階式に形成される。電機子構成３の第１の終端位置（図１および図２の上部に示されている）において、永久磁石構成９から突出したシャフト８の突出部１２がコア２８に接合する。その方式によって、コア２８に隣接する永久磁石構成９の磁束伝導部材１１がコア２８に対して所定の間隔を保持し、すなわちコア２８とそれに隣接する永久磁石構成９の磁束伝導部材１１との間に軸方向の間隙２９が存在する。

永久磁石構成９の軸方向の長さと対応する第１のコイル１９および第２のコイル２０の軸方向の長さおよび配置は、電機子構成３の第１の終端位置における第１のコイル１９による永久磁石構成９との軸方向の重複が電機子構成３の第２の終端位置における第２のコイル２０による永久磁石構成９との軸方向の重複よりも小さくなるように相互に設定される。従って、電機子構成３の第１の終端位置における第１のコイル１９による永久磁石構成９との軸方向の重複が約７０％となり、一方電機子構成３の第２の終端位置における第２のコイル２０による永久磁石構成９との軸方向の重複は約８２％になる。

外部からの影響に対する保護のために機能する被覆４は、ハウジング１の両方の外被部材６を囲繞する共通の保護キャップ３０を備え、その保護キャップが末端部材５上に設置されたフランジリング３１と気密に結合される。保護キャップ３０とフランジリング３１は相互に整列する孔部３２を備え、その孔部は適宜なネジを使用して既存の構造体上に複動リニアアクチュエータを固定するために機能する。

図示されたリニアアクチュエータの実施形態は、電機子構成３が第１の終端位置から第２の終端位置に動作する際の最善のスイッチング動性ならびに最大のスイッチング応力の視点において最適化されている。その際極最小限の寸法ながら簡便な構造方式とする観点から、この実施形態においては電磁式に実行される第２の終端位置から第１の終端位置への電機子構成３の回帰が省略される。その種の回帰は本実施例においてシャフト８に作用する独立した外部のリセット装置によって実行される。他方、電磁式に実行される電機子構成の回帰の観点において図示された複動リニアアクチュエータを変更することもできる。そのため、特に第２のコイル２０を軸方向に幾らか延伸させ、シャフト８の自由端部の側の末端に縮小された内径を有する領域を有するようにすることができ、その際その第２のコイルの縮小された内径を有する領域が半径方向において永久磁石構成９と重複し、また第２のコイル２０内の末端側に磁気活性材料からなるコアスリーブを収容することができる。

図３には、図１および図２の実施例に従って構成され、いずれも電機子構成３のストロークが４．７５ｍｍとなるように設計されまた直径僅か８ｍｍの永久磁石構成９を有してなる複動リニアアクチュエータの極めて良好な性能データが示されている。コイル構成２に通電していない場合、（永久磁石構成９とコア２８との共働作用によって）電機子構成３が約９．５Ｎの保持力で第１の終端位置に保持される。コイル構成２に通電すると０．２５ミリ秒後に既にその保持力が補償され、同様に迅速な電磁応力の上昇によって通電開始から僅か０．５ミリ秒後（応答時間）に電機子構成３の動作が実行される。シャフト８がコア２８から上昇し、保持力は急速に停止する。通電開始から約１ミリ秒で電機子構成３に作用する電磁応力が平均８．５Ｎの水平域に到達し、その水平域が高い安定性をもって電機子構成３の変位路程の略全域にわたって保持される。その結果として電機子構成３が連続的に加速する動作を実行する。その動作の終局近く（コイル構成２の通電開始から約３．２ミリ秒以降および第２の終端位置の約１ｍｍ手前）において第２の終端位置に割り当てられた保持力が漸増的に作用し、それによって合計応力の高い累増がもたらされる。僅か３．５ミリ秒後に（４．７５ｍｍのスイッチング路程を経て）既に電機子構成３が第２の終端位置に到達する。継続してコイル構成に通電する間に、形成される合計応力が約２２Ｎになる。

この発明は電磁リニアアクチュエータに関する。本発明に係る電磁リニアアクチュエータは特に、外被部材および末端部材を有するハウジングと、前記ハウジング内に配置されていて共通の軸の周りで軸方向に相互に偏移して延在しかつ互いに逆方向に巻かれた２個のコイルからなるコイル構成と、前記ハウジング内で前記軸に沿って２つの終端位置の間で摺動可能に支承された電機子構成とを含んでなり、前記電機子構成が前記末端部材を貫通するシャフトと、そのシャフト上に配置されていて軸方向に磁化された永久磁石とその永久磁石の端面側に配置された２個の円盤型の磁束伝導部材とを備えた永久磁石構成を有し、その際前記電機子構成の両方の終端位置の夫々において前記永久磁石構成の軸方向長の少なくとも５０％が前記両方のコイルの一方と重複する。

電磁リニアアクチュエータは多様な構成方式で知られており使用されている。電磁リニアアクチュエータの個別の構造形式ならびに装備は個別の使用形態に適応する。その構造形式および装備は、該当する適用形態において存在する利用可能空間、シャフトが両方の終端位置の間で移動する所要の変位路程（スイッチング路程）、その際に付勢される構成部材に対してシャフトが付加可能あるべき所要の応力等に依存する。さらに、達成可能なスイッチング動性、すなわち１つの終端位置から別の終端位置へのシャフトの移動のために必要とする時間も、多くの適用形態において重要な意味を有する。その際、異なった特徴と出力パラメータの間に相関性が存在することに留意する必要がある。従って、一般的にシャフトによって生成される変位応力（あるいはスイッチング応力）は構造大に相関し、大きなリニアアクチュエータほど大きな変位応力を生成することができる。勿論、（動かすべき質量がより大きくなるため）達成可能なスイッチング動性に影響が及ぼされる。さらに、電機子構成の加速のために必要とされる応力がその電機子構成の動作相中に有効なスイッチング応力を低下させるような方式で、スイッチング動性とスイッチング応力が相関する。

冒頭に述べた構造形式に相当する電磁リニアアクチュエータは、例えば特許文献1および特許文献2に係るリニアアクチュエータと同様に、２つの安定したスイッチング状態の可能性を有することを特徴とする。従ってそれらはいわゆる双安定アクチュエータとして構成することができ、それによればシャフトが、永久磁石構成とハウジングとの共働作用のため、コイル構成の付勢（通電）を伴わずにシャフトの両終端位置のそれぞれを保持することができ、そのことは勿論永久磁石構成の実施形態および／またはコイル構成との協調が異なっているが類似の構造形式であるものに対しても部分的に有効である（例えば特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、ならびに特許文献8参照）。上述した特徴に加えて、双安定電磁アクチュエータは追加的な特徴として安定したスイッチング状態において電機子構成に作用する応力（保持力）を有し；その理由は、明らかにより高い保持力が典型的に電機子の初期加速を低下させるように作用し、従ってスイッチング動性に影響を及ぼすためである。

特許文献9には請求項１前文に記載のものと同種の電磁リニアアクチュエータが開示されており、冒頭に述べた特徴に加えて永久磁石構成がシャフトの末端に配置されることを特徴とする。しかしながら、この電磁リニアアクチュエータは双安定アクチュエータとして構成されておらず、むしろ液圧サーボバルブの付勢のために設計されており、そのためコイル構成の通電に比例する電機子構成の中立の中間位置からの偏移が実行される。

特許文献10にも同種のリニアアクチュエータが開示されている。そのリニアアクチュエータは、電機子構成の非対称性の動作特性に特化して設計されている。このアクチュエータは、末端部材と反対側に設置されたハウジングの外被部材の末端領域に配置された、磁束を変化させる末端リングを備える。

特許文献11には、伝動装置に使用するために設計された電磁リニアアクチュエータが開示されている。このアクチュエータは、外被形状のハウジング内に配置された２個のコイルを備え、それらの間に中央の磁束伝導部材が存在する。ハウジングの末端側に固定式の磁束伝導部材が設置され、それを貫通して電機子構成のシャフトが延在し、そのシャフトの末端側に第１の可動式の磁束伝導部材が配置される。固定式の磁束伝導部材と第１の可動式の磁束伝導部材との間に第２の可動式の磁束伝導部材が存在し、その第２の可動式の磁束伝導部材はハウジングと電機子構成の両方に対して相対動作可能である。１個のコイル、別のコイル、あるいは両方のコイルの通電に従って、電機子構成が３つの定義された位置のうちの１つを占める。

特開昭５７−１９８６１２号公報 欧州特許出願公開第１２７５８８６号（Ａ２）明細書 米国特許第３５０４３１５号（Ａ）明細書 米国特許第３５０３０２２号（Ａ）明細書 米国特許第４４９０８１５号（Ａ）明細書 中国特許出願公開第１０１９０８４２０号（Ａ）明細書 米国特許第３２０２８８６号（Ａ）明細書 ドイツ国特許出願公開第２４２３７２２号（Ａ）明細書 米国特許第４０７１０４２号（Ａ）明細書 米国特許出願公開第２０１４／００２８４２０号（Ａ１）明細書 米国特許出願公開第２００４／０１００３４５号（Ａ１）明細書

従って本発明の目的は、先行技術に対して改善された動作特性を特徴とする、冒頭に述べた種類の電磁リニアアクチュエータを提供することである。そのため、特に極めて動的に作用するとともに非常に高い変位応力を有する、冒頭に述べた種類の電磁リニアアクチュエータを提供する。

本発明によれば前記の課題は、同種の電磁リニアアクチュエータにおいて、シャフトの自由端部と逆側の第１のコイルが前記シャフトの自由端部と反対側の末端に内径が縮小された領域を備え、前記第１のコイルの内径が縮小された領域が半径方向において永久磁石構成と重複し、さらに前記第１のコイル内の末端側に磁気活性材料からなるコアを収容することによって解決される。その際本発明の枠内において具現される、第１のコイルの内径が縮小された領域による永久磁石構成との半径方向における重複は、永久磁石構成の外径が第１のコイルの内径が縮小された領域の内径よりも大きくなるような方式で実施されることと理解される。本発明に係る電磁リニアアクチュエータの構成によって達成することができる決定的な利点は、後に詳細に記述するが従来は知られていなかった固定子構成と電機子構成の間に作用する電磁応力の最適な推移である。この電機子構成に作用する電磁応力の推移は、（電機子構成の第１の終端位置において電機子構成に作用する大きな保持力にもかかわらず）極めて高い電機子構成の初期加速を可能にし、その際その後の電機子構成の偏移路程にわたって極めて均一に推移する電磁応力が電機子構成に作用することができ、そのことが電機子構成のさらなる加速と形成されるスイッチング応力の両方に対して良好に作用する。変位路程の終端付近において再度の変位応力の有意な上昇も可能であり、典型的な適用形態においてそのことが極めて有効になる。すなわち、変位路程の大半の部分にわたって電機子構成に作用する電磁応力の推移が極めて均一であることが非常に有効である。

本発明の第１の好適な追加構成は、（コイル構成の第１のコイルの末端側に収容された）コアが、第１のコイルの縮小された内径を有する領域の軸方向の総延長と重複することを特徴とする。このことは、電機子構成の極めて高い初期加速を達成する応力の推移のために有利である。

さらに応力推移のために、（本発明の別の好適な追加構成において）第１のコイルと第２のコイルの間の軸方向の間隔がコイル技術的に必要不可欠なものより顕著に大きくならないようにすることが極めて好適である。コイル構成の第１のコイルと第２のコイルが（特に好適には磁気不活性材料からなる共通のサポートスリーブ上で）連続的に巻かれ、第１のコイルと第２のコイルの間に存在する軸方向の間隔がコイル導線の不断の１８０°アーチのために必要な程度に制限されることが理想的である。現実的には、前記の間隔がコイル技術的に必要不可欠な大きさを５０％超上回ることがないようにされる。

本発明の別の好適な追加構成によれば、第１のコイルと第２のコイルの間に磁束伝導部材を配置しないようにする。そのような磁束伝導部材は応力推移を不均一にし、そのため本発明に係る電磁リニアアクチュエータの設計においてリニアアクチュエータの動作特性に不利な影響が及ぼされる。

本発明のさらに別の好適な追加構成は、電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が５０％超第１のコイルと重複し（ならびに通常シャフトが末端部材内に収容され）、その終端位置においてコアと、隣接する永久磁石構成の磁束伝導部材との間に軸方向の間隙が存在することを特徴とする。その方式によって、電機子構成が（作用する保持力に抗して）第１の終端位置から離脱動作するために必要な起動力に有利な影響を及ぼすことができる。そのことを極めて簡便な方式で達成する１つの可能性は、シャフトが軸方向に永久磁石構成を貫通してその永久磁石構成から幾らか突出することである。すなわち、電機子構成が前記のシャフトの突出によってコアに当接し、隣接する永久磁石構成の磁束伝導部材からコアに対して間隔を保持することができる。また、シャフトは磁気不活性材料、特にステンレス鋼から形成することが好適である。そのことは上述した電機子構成のための“ストッパ”としての機能に対して有効であるばかりでなく、その方式によって達成可能な磁気誘導性の低減と、それに伴った外側の、コイル構成と相互作用する永久磁石構成の環境への磁界の収束によっても有用である。

本発明のさらに別の好適な追加構成において、電機子構成の第１の終端位置における第１のコイルによる永久磁石構成との重複が電機子構成の第２の終端位置における第２のコイルによる永久磁石構成との重複よりも小さいことが、応力推移に対して有利である。従って例えば電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が５５％ないし８５％第１のコイルによって重複され、一方電機子構成の第２の終端位置においてはより大きく、すなわち６５％ないし１００％の割合で第２のコイルによって軸方向に重複されることが可能である。極めて好適な範囲は、電機子構成の第１の終端位置において永久磁石構成が６５％ないし７５％第１のコイルによって軸方向に重複され、電機子構成の第２の終端位置においては７５％ないし９０％第２のコイルによって重複されることである。

さらに別の好適な追加構成は、ハウジングの末端部材が組み立ておよびガイドブロックとして形成されることを特徴とする。そのためハウジングの末端部材が、付勢すべき要素を備えた構造体（例えば内燃機関のカムシャフトの調節のためにリニアアクチュエータを使用する場合はシリンダヘッド）上にリニアアクチュエータを取り付けるように作用する構造的な特徴（例えばフランジ、ねじ付けスレッド、取り付け用延長部材等）と、電機子構成を案内するために作用する構造的な特徴（例えば電機子構成のシャフトの滑り案内として形成された孔部等）の両方を有する。その際特に好適な構成形態によれば、電機子構成を専ら組み立ておよびガイドブロック内で摺動可能に案内して支承する。

さらに、永久磁石構成がそれの外周上に軸方向の長さにわたって延在する少なくとも１本のバランシング通路を有することが好適である。そのことはスイッチング動性の観点から有利であることが理解され；その理由は、そのようにして永久磁石構成とその永久磁石構成を囲繞するコイル構成の間の半径方向の間隙（少なくとも１本のバランシング通路の領域以外）が比較的小さい（効率の点で有利に作用する）場合でも電機子構成の動作に際して小さな抵抗で（前記少なくとも１本のバランシング通路を通じて）永久磁石構成の周囲を空気が通流するためである。

リニアアクチュエータが、相互に平行して隣接配置された２個の電機子構成とそれらにそれぞれ割り当てられたコイル構成を有する複動リニアアクチュエータとして構成され、その際ハウジングが２個の分離された外被部材と共通の末端部材を備えていて、その末端部材を両方のシャフトが貫通するようにすれば、前述した本発明の利点が極めて顕著に明らかになる。それによって極めて狭い空間で２つの機能を実現することができ、その際小型であることが、末端部材が両方のユニットに対して共通に磁気作用を及ぼすために有利になる。同じことが、末端部材の反対側に好適に設けられる共通のハウジングの閉鎖盤にも該当する。

前述した複動リニアアクチュエータは、ハウジングの両方の外被部材を囲繞する共通の保護キャップを有する被覆を備えることが好適である。前記の保護キャップは、末端部材上に取り付けられたフランジ盤あるいはフランジリングと気密に結合することが極めて好適である。

次に、本発明の好適な実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

複合リニアアクチュエータとして構成された本発明に係る電磁リニアアクチュエータを示した軸方向断面図である。 図１のリニアアクチュエータの部分立体図である。 コイル構成を通流する電流と、電機子構成に作用する発生応力と、電機子構成の動作の推移をコイル構成の通電開始からの時間に関して示した説明図である。

図１および図２に示された、複動リニアアクチュエータとして構成された電磁リニアアクチュエータは、ハウジング１と、その中に収容された２個のコイル構成２と、２個の電機子構成３と、被覆４の形式の４つの機能的な主要構成要素を含む。

ハウジング１は、末端部材５と、２本のシリンダ形状の外被部材６と、前記末端部材５の反対側に配置された共通の閉鎖盤７を備える。これらの部材は強磁性材料から形成される。その際良好な磁束特性を形成しながら外被部材６を末端部材５上で心合せするとともに正確に位置決めするために、末端部材５が対応する外被部材６の末端側にいずれも突出部によって正確に嵌合する。反対側の末端領域において両方の外被部材６がいずれも（相互に対向して）切欠きを有し、それを介して閉鎖盤７が挿入される。前記切欠きの領域において両方の外被部材６が閉鎖盤７と鈍角に接合する。その他の点では、閉鎖盤７は可能な限り隙間なく外被部材６の内輪郭に密着する。両方の外被部材６のそれぞれの中にコイル構成２が配置される。

両方の電機子構成３は、それぞれシャフト８とそのシャフトの末端側に配置された永久磁石構成９を含み、その永久磁石構成が軸方向に磁化された永久磁石１０とその永久磁石の端面側に配置された２枚の円盤型の磁束伝導部材１１を備える。（磁気不活性材料から形成された）シャフト８は直径が縮小された領域をもって（適宜に穿孔された）永久磁石構成９を軸方向に貫通し、その際シャフトは永久磁石構成の逆側の端面において幾らか磁束伝導部材１１から突出して突出部１２を形成するようにして貫通する。永久磁石構成９の外周上には、それの長さにわたって延在する４本のバランシング通路１３が設けられる。

両方の電機子構成３のシャフト８のそれぞれがいずれも末端部材５内で軸Ａに沿って摺動可能に支承される。そのために末端部材５が組み立ておよびガイドブロックとして構成される。この組み立ておよびガイドブロックは、軸方向のアタッチメント１５と、電機子構成３の各シャフト８のための摺動ガイドとして形成された２本の孔部１６を備える。各シャフト８は、孔部１６に整合するよう設定され相互に離間して配置された２個のガイド部１７，１８をそれぞれ備え、それらの間においてシャフト８が縮小された直径まで細くなる。シャフト８は末端部材５を貫通する。図１および図２の上部において完全にハウジング１内に収容されたシャフト８を有する第１の終端位置で電機子構成３が示されており、一方下方には、電機子構成３が最大にハウジング１から突出したシャフト８を有する第２の終端位置が示されている。

コイル構成２は、軸Ａの周りに延在していて逆方向に巻かれておりさらに軸方向で相互に偏移した２個のコイル１９，２０をそれぞれ含み、すなわち（末端部材５内に挿入されたシャフト８の自由端部と逆側に配置された）第１のコイル１９と第２のコイル２０である。その際両方のコイル１９，２０は、磁気不活性材料から形成された共通のサポートスリーブ２１上に収容される。第１のエンドプレート２２、第２のエンドプレート２３、ならびに中間リング２４によってサポートスリーブの外周面がそれぞれ第１のコイル１９あるいは第２のコイル２０を収容するための２個の区画に区切られる。第１のエンドプレート２２と中間リング２４は、（連続しているが第１のコイル１９から第２のコイル２０への移行部で巻線方向を反転させて巻かれた）両方のコイルのコイル導線を挿通させるための開口２５をそれぞれ備える。ハウジング１の閉鎖盤７も、コイル導線を挿通させるように機能する開口２６を備える。

第１のコイル１９は、いずれもシャフト８の自由端部と逆側の末端に縮小された内径を有する領域２７を備える。そのためサポートスリーブ２１が適宜に段階式に形成される。その際第１のコイル１９の領域２７内の縮小された内径は、その縮小された内径を有する領域２７内で永久磁石構成９と第１のコイル１９が環状の重複領域によって半径方向において相互に重複するような方式で選択される。

サポートスリーブ２１の末端領域内に、（端面側で隙間なく閉鎖盤７に接合するようにして）磁気活性材料からなるコア２８が挿入される。このコアは、第１のコイル１９の縮小された内径を有する領域２７の軸方向の全長と重複する。そのため、コアはサポートスリーブ２１に対応して段階式に形成される。電機子構成３の第１の終端位置（図１および図２の上部に示されている）において、永久磁石構成９から突出したシャフト８の突出部１２がコア２８に接合する。その方式によって、コア２８に隣接する永久磁石構成９の磁束伝導部材１１がコア２８に対して所定の間隔を保持し、すなわちコア２８とそれに隣接する永久磁石構成９の磁束伝導部材１１との間に軸方向の間隙２９が存在する。

永久磁石構成９の軸方向の長さと対応する第１のコイル１９および第２のコイル２０の軸方向の長さおよび配置は、電機子構成３の第１の終端位置における第１のコイル１９による永久磁石構成９との軸方向の重複が電機子構成３の第２の終端位置における第２のコイル２０による永久磁石構成９との軸方向の重複よりも小さくなるように相互に設定される。従って、電機子構成３の第１の終端位置における第１のコイル１９による永久磁石構成９との軸方向の重複が約７０％となり、一方電機子構成３の第２の終端位置における第２のコイル２０による永久磁石構成９との軸方向の重複は約８２％になる。

外部からの影響に対する保護のために機能する被覆４は、ハウジング１の両方の外被部材６を囲繞する共通の保護キャップ３０を備え、その保護キャップが末端部材５上に設置されたフランジリング３１と気密に結合される。保護キャップ３０とフランジリング３１は相互に整列する孔部３２を備え、その孔部は適宜なネジを使用して既存の構造体上に複動リニアアクチュエータを固定するために機能する。

図示されたリニアアクチュエータの実施形態は、電機子構成３が第１の終端位置から第２の終端位置に動作する際の最善のスイッチング動性ならびに最大のスイッチング応力の視点において最適化されている。その際極最小限の寸法ながら簡便な構造方式とする観点から、この実施形態においては電磁式に実行される第２の終端位置から第１の終端位置への電機子構成３の回帰が省略される。その種の回帰は本実施例においてシャフト８に作用する独立した外部のリセット装置によって実行される。他方、電磁式に実行される電機子構成の回帰の観点において図示された複動リニアアクチュエータを変更することもできる。そのため、特に第２のコイル２０を軸方向に幾らか延伸させ、シャフト８の自由端部の側の末端に縮小された内径を有する領域を有するようにすることができ、その際その第２のコイルの縮小された内径を有する領域が半径方向において永久磁石構成９と重複し、また第２のコイル２０内の末端側に磁気活性材料からなるコアスリーブを収容することができる。

図３には、図１および図２の実施例に従って構成され、いずれも電機子構成３のストロークが４．７５ｍｍとなるように設計されまた直径僅か８ｍｍの永久磁石構成９を有してなる複動リニアアクチュエータの極めて良好な性能データが示されている。コイル構成２に通電していない場合、（永久磁石構成９とコア２８との共働作用によって）電機子構成３が約９．５Ｎの保持力で第１の終端位置に保持される。コイル構成２に通電すると０．２５ミリ秒後に既にその保持力が補償され、同様に迅速な電磁応力の上昇によって通電開始から僅か０．５ミリ秒後（応答時間）に電機子構成３の動作が実行される。シャフト８がコア２８から上昇し、保持力は急速に停止する。通電開始から約１ミリ秒で電機子構成３に作用する電磁応力が平均８．５Ｎの水平域に到達し、その水平域が高い安定性をもって電機子構成３の変位路程の略全域にわたって保持される。その結果として電機子構成３が連続的に加速する動作を実行する。その動作の終局近く（コイル構成２の通電開始から約３．２ミリ秒以降および第２の終端位置の約１ｍｍ手前）において第２の終端位置に割り当てられた保持力が漸増的に作用し、それによって合計応力の高い累増がもたらされる。僅か３．５ミリ秒後に（４．７５ｍｍのスイッチング路程を経て）既に電機子構成３が第２の終端位置に到達する。継続してコイル構成に通電する間に、形成される合計応力が約２２Ｎになる。

Claims (16)

1. 外被部材（６）および末端部材（５）を有するハウジング（１）と、
   前記ハウジング（１）内に配置されていて共通の軸（Ａ）の周りで軸方向に相互に偏移して延在しかつ互いに逆方向に巻かれた２個のコイル（１９，２０）からなるコイル構成（２）と、
   前記ハウジング（１）内で前記軸（Ａ）に沿って２つの終端位置の間で摺動可能に支承された電機子構成（３）とを含んでなり、前記電機子構成が前記末端部材（５）を貫通するシャフト（８）と、そのシャフト上に配置されていて軸方向に磁化された永久磁石（１０）とその永久磁石の端面側に配置された２個の円盤型の磁束伝導部材（１１）とを備えた永久磁石構成（９）を有し、
   その際前記永久磁石構成（９）が前記シャフト（８）の末端側に配置されていて、前記電機子構成（３）の両方の終端位置の夫々において前記永久磁石構成（９）の軸方向長の少なくとも５０％が前記両方のコイル（１９，２０）の一方と重複する、電磁リニアアクチュエータであり、
   前記シャフト（８）の自由端部と逆側の第１のコイル（１９）が前記シャフト（８）の自由端部と反対側の末端に内径が縮小された領域（２７）を備え、
   その第１のコイル（１９）内の末端側に磁気活性材料からなるコア（２８）を収容することを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. コア（２８）が第１のコイル（１９）の縮小された内径を有する領域（２７）の軸方向の総延長と重複することを特徴とする請求項１記載のリニアアクチュエータ。
3. 第１のコイル（１９）の縮小された内径を有する領域（２７）が半径方向において永久磁石構成（９）と重複することを特徴とする請求項１または２記載のリニアアクチュエータ。
4. 第１のコイル（１９）と第２のコイル（２０）の間の軸方向の間隔がコイル技術的に必要不可欠なものより有意に大きくならないようにすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
5. 第１のコイル（１９）と第２のコイル（２０）の間に磁束伝導部材を配置しないことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
6. 両方のコイル（１９，２０）が磁気不活性材料から形成された共通のサポートスリーブ（２１）上に収容されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
7. 永久磁石構成（９）が５０％超第１のコイル（１９）によって重複される電機子構成（３）の第１の終端位置において、コア（２８）と、隣接する永久磁石構成（９）の磁束伝導部材（１１）との間に軸方向の間隙（２９）が存在することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
8. シャフト（８）は磁気不活性材料から形成され、軸方向に永久磁石構成（９）を貫通することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
9. 電機子構成（３）の第１の終端位置における第１のコイル（１９）による永久磁石構成（９）との重複が電機子構成（３）の第２の終端位置における第２のコイル（２０）による永久磁石構成（９）との重複よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
10. ハウジング（１）の末端部材（５）が組み立ておよびガイドブロック（１４）として形成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
11. 電機子構成（３）を組み立ておよびガイドブロック（１４）内のみにおいて摺動可能に案内して支承することを特徴とする請求項１０記載のリニアアクチュエータ。
12. 永久磁石構成（９）がそれの外周上に軸方向の長さにわたって延在する少なくとも１本のバランシング通路（１３）を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
13. 相互に平行して隣接配置された２個の電機子構成（３）とそれらにそれぞれ割り当てられたコイル構成（２）を有する複動リニアアクチュエータとして構成され、その際ハウジング（１）が２個の分離された外被部材（６）と共通の末端部材（５）を備えていて、その末端部材を両方のシャフト（８）が貫通することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
14. ハウジング（１）が末端部位（５）の反対側に配置された共通の閉鎖盤（７）を備えることを特徴とする請求項１３記載のリニアアクチュエータ。
15. ハウジング（１）の両方の外被部材（６）を囲繞する共通の保護キャップ（３０）を有する被覆（４）を備えることを特徴とする請求項１３または１４記載のリニアアクチュエータ。
16. 保護キャップ（３０）が末端部材（５）上に取り付けられたフランジリング（３１）と気密に結合することを特徴とする請求項１５記載のリニアアクチュエータ。

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