JP2700102B2 - 磁気的アクチユエータ - Google Patents
磁気的アクチユエータInfo
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- JP2700102B2 JP2700102B2 JP21425786A JP21425786A JP2700102B2 JP 2700102 B2 JP2700102 B2 JP 2700102B2 JP 21425786 A JP21425786 A JP 21425786A JP 21425786 A JP21425786 A JP 21425786A JP 2700102 B2 JP2700102 B2 JP 2700102B2
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- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
- F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
- F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
- F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
- F15B13/043—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves
- F15B13/0438—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves the pilot valves being of the nozzle-flapper type
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Description
【発明の詳細な説明】
（発明の属する分野）
この発明は磁気的アクチュエータ、特に部材の偏向が
アクチュエータへの入力電流に関して線形な関数となる
ような磁気的アクチュエータに関する。 （先行技術） 電気的入力信号の関数であるような偏向を生じる磁気
的アクチュエータは、様々な分野で用いられている。電
気信号を圧力信号に変換する典形的なトランスデューサ
（変換器）は、米国特許第4,534,376号に示されてい
る。 この発明のアクチュエータは、前記特許の第６図に示
されたアクチュエータに改良を施こしたものであり、こ
こで開示される好ましい実施例は、微少な入力電流の関
数として小さな変位が要求される、一般的な用途に用い
ることができるものである。 特に、アクチュエータの力及び偏向を発生するのに、
極めて低い電力レベルを有することが望まれている。小
型アクチュエータにおいて利用できる、測定可能な偏向
の量は、製造公差に対する要求及びコストを低減するた
めに可能な限り大きく（作動ギャップを大きく）すべき
である。この発明はこれらの目的を達成可能とするもの
である。 米国特許第3,946,757号は、間隙を横切る磁束を形成
する永久磁石、及びこの間隙中で移動するように装着さ
れた弁制御アーマチュア（電機子）を有する燃料測定弁
として用いられる空気式アクチュエータを開示してい
る。 このアーマチュアは揺動自在に装着され、その下部
は、支点の回りの回動を抑制するようにばね付勢されて
いる。アーマチュアの一部の回りに設けられたコイル
は、コイル中の電流の関数としてアーマチュアを移動さ
せるような作動磁界を発生する。 この装置は永久磁石の間隙中に配置されたアーマチュ
アの変位を発生するコイル及びコイル中の電流によって
発生し、アーマチュアの一方の側では永久磁石の磁束に
重畳され、また一方、アーマチュアの他方の側では永久
磁石の磁束と相殺されるような磁束を示している。 米国特許第3,004,546号は、中心体の回りの永久磁石
及び、一方向の偏向では、磁石からの磁束に加わり、他
方向の偏向では永久磁石の磁束から減じられる磁束を発
生するコイルを用いた電磁トランスデューサを示してい
る。このアクチュエータは力平衡式（force balance）
電気−空気装置であり、作動力はコイルの軸に沿って生
じる。磁石は、この発明で開示するような、偏向ダイア
フラム型ばねと共に用いられる磁束経路を提供しない。 米国特許第3,913,608号は、永久磁石及び、作動のた
めの電磁石を共に用いる弁アクチュエータを示してい
る。しかし、この装置は弁の開または閉の２つの位置を
有する弁アクチュエータを目指したものであり、この発
明の装置のように、アクチュエータの変位に比例する電
流を必要としていない。 米国特許第4,018,419号もまた、永久磁石（磁化され
た弁ロッド）及び磁化されたロッドを変位させるコイル
を共に使用し、コイルが付勢されていないときは磁化さ
れたロッドが弁を開く位置に移動し、コイルの付勢によ
り弁を閉じるような開／閉弁を示している。 米国特許第4,053,137号は、ばねが装着された弁部材
を有する電気−機械的に作動する弁を示しているが、そ
れはコイル中の電流に応答する電磁アクチュエータによ
って動作するものである。 米国特許第4,306,589号は、弁の作動のために協働す
る電磁石及び永久磁石を装置内に備える磁気係止手段を
有し、低電力ソレノイドで作動する空気弁を示してい
る。この永久磁石は、電磁界に応答して２つのノズルの
１方または他方上に着座する弁部材を形成する。 米国特許第4,216,938号もまた、永久磁石と電磁石と
を作動のために使用する、ソレノイドで作動する弁を開
示している。この装置は電流に比例して流体の流れを制
御するものであるが、ダイアフラム型のばね（これはコ
イルばねを有してはいるが）を使用する機構、またはこ
の発明の装置において使用する磁石及び磁気間隙の配置
を備えてはいない。 米国特許第4,310,143号もまた、電気制御の油圧装置
用の比例弁を示しており、誘導磁界が静磁界を横切って
弁部材を軸方向に位置させるための弁本体内に静磁界を
形成する手段及び弁部材の磁化可能部分に磁界を誘導す
る電磁装置を備えている。その位置は電磁装置の励起電
流の関数として制御される。この線形作動巻き枠は中心
に向かって付勢されたコイルばねを有し、電流の関数と
して流体の流れを制御する。 米国特許第4,428,558号は、回転を制御するためのト
ーションバーを備え、コイルに供給される電流に比例し
て180゜の角度内で回転変位を発生する回転磁石を備え
た比例ソレノイド弁を開示している。 磁気的に作動する開／閉パイロット弁が米国特許第4,
366,944号に示されている。この弁は、流体圧を遮断す
る１つの位置及び排水への結合を遮断する第２の位置
の、２つの位置の間で移動するアーマチュア板として用
いられる。ばね偏倚（バイアス）はアーマチュア板を一
方の位置に偏倚するために使用される。コイルの電流は
アーマチュア板を他方の位置に移動する。 米国特許第3,878,504号及び同第4,285,054号は、それ
らの縦軸が概ね一致した環状コイル群及びコイル群中に
位置する永久磁石組立て体を有する“ジオフォーン（ge
ophones）”に関し、スパイダーばねはコイル群を支持
するために用いられる。永久磁石及び電磁石の作動コア
は、コイル群が永久磁石組立て体中で軸方向及び回転方
向への移動のために支持されるように配置されている。 米国特許第3,878,504号においても、制動流体が用い
られている。この装置は、ダイアフラム型スパイダーば
ねを示しているが、この発明のサンドイッチ構造を示し
ておらず、またここに開示されるような移動のために位
置決めされたアクチュエータも示していない。 米国特許第4,206,749号は作動のための永久磁石組立
て体を用いた制御系を示している。極性を与える磁界が
この装置を作動するために与えられる。 （発明の概要） この発明は、優れた寸法対感度比を有しており、しか
も制御コイルへの入力電流の線形関数となる大きさの変
位を発生するための磁気的アクチュエータに関する。こ
のアクチュエータは、小さな寸法が重要であり、かつ比
較的低い作動力に関わる電流−圧力変換器に用いられる
ように主として設計されている。 この発明のアクチュエータは、コイルの中心にあるコ
ア上に形成された磁極面から離れたダイアフラム型ばね
を有する容器からなる。強（常）磁性材料のカバーが、
ダイアフラム型ばねの、コアとは反対側の容器上に配置
され、このカバーは表面磁極を構成している。永久磁石
がダイアフラム型ばねの中心に取り付けられており、表
面磁極を構成するカバー板の開口を貫通している。 偏向部材は永久磁石に結合されており、流体の流れの
通路内にあり、ばねにより流れを部分的に阻止するよう
に保持されている。永久磁石からの磁束は、ばねの応答
と共に、コイルの電流が増加するに伴なって、流体通路
の外に移動するような偏向部材の線形な移動を発生する
ように作用する。 電流と移動との線形関係は、磁束経路の１つのギャッ
プにおいては相加的となり、他のギャップにおいては相
殺的になるような、永久磁石およびコイル電流によって
発生される磁束に、部分的に依存する。 ダイアフラム型ばねは、好ましくは、２つの薄い磁性
材料製円板の間にシリコーンゴムの層を設けたサンドイ
ッチ構造に形成されたうず巻きばねである。寸法が極め
て小型のわりには比較的大きな変位が得られ、設けられ
たギャップは比較的大きいので許容公差を精密に保つ必
要がなく、組み立てが容易である。移動部材の質量が小
さいので、振動する環境での性能が向上し、ダイアフラ
ム型ばねにおけるシリコーンゴム層の緩衝特性もまた振
動環境での作動を向上する。 この装置は、コストが低く、信頼性があり、電流及び
変位が共に小さい場合においてすら、コイルの電流に関
係して線形な変位を生じることができる。 （実施例） 第１図はこの発明のアクチュエータの典型的な応用例
を示している。こゝでは、電気−圧力信号トランスデュ
ーサに関連する磁気的アクチュエータの利用を示すた
め、米国特許第4,534,376号の構成を特に用いている。
総括的に符号10で示すトランスデューサはキャップ11で
包まれたノズル12、偏向部材14及び受入（レシーバ）管
16を備えている。この発明に従って構成された磁気的ア
クチュエータモジュール15はキャップ11の中に設置され
ている。 この発明に従って作成されたアクチュエータにおい
て、偏向部材14はノズル12から供給されて受入管16に通
じる圧力源Psからの流れを制御するために、上昇または
下降する機械的アクチュエータを備えている。ノズル12
及び受入管16は共に、キャップ11内に形成されるチャン
バー20に開いており、チャンバー20は図に示すように出
口または排出ポート21を有する。Poutで表わされる受入
管16からの出力圧力は、偏向部材14の位置に依存する。 偏向部材14は、図に示し、また米国特許第4,534,376
号において説明されているように、流体の流れの中に横
方向に突出する丸い断面領域を有するロッドである。ノ
ズル12及び受入管16は、説明のために第２図において破
線で示すように、アクチュエータの中心軸からはずれて
いる。 偏向部材14は、アクチュエータが付勢されていないと
きは、流れを阻止または偏向するように移動されている
が、受入管16への出力を電流の関数として増加させるよ
うに引っ込められるであろう。 この発明の開示された実施形態において、磁気的アク
チュエータ15は強（常）磁性材料の容器25を含んでお
り、前記容器は図示のようにカップ状をなし、容器の底
面または第１の端壁27に装着された中央コア部材26を有
している。 コア部材26は、第１の端部で、符号28で示すように、
底面27中に調節のために螺合した強磁性材料の円筒状の
柄を備えている。コア26の柄の底面は、調整のためにね
じ回し用溝を有する。コア部材26の第２の端部すなわち
上端は、容器25の開口端に面する磁極面31を有する平坦
なヘッド30を備えている。 ダイアフラム型ばね35が容器25上に形成された適当な
肩部36の上に装着されており、ばねが容器内の中心空洞
37の上を覆うように横方向に延びている。このダイアフ
ラム型ばね35は、後で説明するように、サンドイッチ構
造の強（常）磁性材料からなっている。ダイアフラム型
ばね35の下面は、中央コア部材26の磁極面31に対してギ
ャップ38を形成する。 強（常）磁性透磁率のカバー39（第２の端壁）が容器
の開口端上に装着され、ダイアフラム型ばね35の上面と
カバー39の内面との間に第２のギャップ45を形成するよ
うに、ダイアフラム型ばね35から隔離配置された第２の
端部板を構成する。このカバー39は磁極面31に対して実
質的に平行である。 中央コア部材26は容器の中心空洞37の中に装着され、
通常の方法で、適当な電気コイル40によって包囲され
る。このコイルはヘッド30の下方に位置し、リード線を
介して電流が供給されると、中央コア部材26、ダイアフ
ラム型ばね35、カバー39及び容器25によって規定される
磁束経路中の磁束によって表わされる起磁力を発生す
る。 中央コア部材26上の磁極面31は、コイル40の第１の端
部を越えて外方へ延びている。中央コア部材26の第２の
端部は、容器25の底面または第１の端壁27に対して、低
い磁気抵抗で結合されている。 ダイアフラム型ばね35は、その上面に予定の方向に装
着された永久磁石（例えば、ALNICO8磁石）42を有し、
磁石の北極面はダイアフラム型ばね35の上面43に対して
平坦に接している。この磁石の南極面は、偏向部材14が
ダイアフラムばね35によって支持されるように、偏向部
材14を装着するために使用される。 強（常）磁性材料のカバー39は、磁石42の南極及び偏
向部材14が容器25の外側に位置し、一方磁石42の北極が
容器25の内側に入るように、磁石42が貫通する中心開口
46を有する。磁気的アクチュエータの容器25内部の汚染
を防ぐため、適当な可撓性のシールドまたは覆い47が設
けられ、中心開口46を包囲するように偏向部材14の上及
びその端部の回りをカバー39に封止されている。 カバー39は、コイル40に電流が流れるとき及びコイル
に電流が流れないときのいずれにおいても、磁束経路を
生じるように協働する第２の端壁を構成する。 ダイアフラム型ばね35はサンドイッチ型構造に形成さ
れている。第２図に示すように、適当な金属磁性材料の
２つのスパイダーディスクばね57からなり、それぞれ永
久磁石42が取り付けられる中心部56から外周縁に向かっ
て螺旋状に延びるうず巻き状の溝55を有している。これ
は、隣接する螺旋状の溝の間の材料片によるばね作用を
生じる。 ダイアフラム型ばね35は、第３及び第４図に示すよう
に、ディスク57の間にあって、これに接着された適当な
シリコーンゴム層58を有する２枚の平坦なディスク57を
含む。ディスク57は比較的薄く、ゴムの量は所望のばね
特性が得られるように選択することができる。このゴム
層は振動の影響（振動に対する感度）を減少するための
減衰を生ぜしめる。ダイアフラム型ばねの外側リムは適
当な手段で容器25に保持され、必要な偏向量に対する偏
向中心部の必要なばね定数を発生する。 第３図に模式的に示すように、コイル40に電流が流れ
ない場合、永久磁石42の北極及び南極からの磁束は、概
略矢印で示すように流れる。すなわち、ギャップ45にお
いては、北極から出て南極に向う磁束が存在し、またカ
バー39と容器25とを通る矢印62で示される磁束、及びコ
ア部材26と磁極面31を有するヘッド30とを通る矢印63で
示される下向きの磁束が存在する。中央コア部材26中の
磁束63は、磁石42の北極から出て、ばね35を通りギャッ
プ38を横切っている。 コイル40に電流が供給されたとき、この電流によって
誘導される、中央コア部材26のヘッド30の近傍における
磁束が、第４図において破線で示されている。これらの
電流により誘導された磁束の通路は、この電流によって
誘導された磁束が、ギャップ38においては永久磁石42か
らの磁束に加算され、一方ダイアフラム型ばね35上のギ
ャップ45においては、永久磁石42によって生じる磁束と
相殺されるようなものであることが分るであろう。ギャ
ップ38は、ダイアフラム型ばねが休止位置にあるとき最
大となり、またアクチュエータの移動を制限する働らき
をする。 この結果、ダイアフラム型ばね35、すなわち偏向部材
14の偏向特性は、ばね定数、コイル40を流れる電流によ
る磁束、及び永久磁石からの磁束が、偏向部材14に必要
とされる移動範囲において、コイルの電流に関連する線
形な偏向を発生するために協働するように変えられる。 コイルに電流が流れていない場合、上向きに作用する
ダイアフラム型ばねからの力は、上部磁極片を形成する
カバー39にダイアフラム型ばねが近づくか接触すると
き、下向きに作用する力（重力等）により平衡が保たれ
る。これによって、載置された永久磁石の位置が決ま
り、ダイアフラム型ばね35の下面と磁極片または中央コ
ア部材26の磁極面31との間のギャップ38の最大間隔を与
える。 このギャップは、ノズル12から受入管16への流れを制
御するために、コイルの電流に応答して他動の許容され
る行程となる。それ故に、受入管に伝達される空気の量
（出力圧）は、第１図から分るように、コイル40の電流
が増加するのに伴なって、偏向部材14が下方に引っ込む
量の関数となる。 コイルの電流に対する前記偏向の線形な関係は、受入
管16の出力圧（pressure out）がコイル40を付勢する電
流の既知の関数となるという点で、圧力制御の正確な電
流を与える。 可動部品は質量が大変小さく、振動する環境において
良好な特性を示す。ダイアフラム型ばねのサンドイッチ
構造におけるシリコーンゴム層の緩衝（ダンピング）特
性は、また、振動のある場所での作動を助ける。比較的
大きな作動ギャップが可能であり、それ故に合理的な動
作限界内の公差が達成される。動作中に、渦電流は問題
とならない。このユニットは大変小さく、例えば、容器
25は直径１インチ程度とすることができるという点で、
このユニットは非常に優れた寸法対感度比を有する。 磁気ギャップは、柔軟な覆い47を用いることにより、
チャンバー20内の空気雰囲気から極めて容易に封止する
ことができるので、汚染物質はアクチュエータの可動部
分から除外される。また、ばね作用は、コイル40への電
流が中断されたとき、出力受入管16に最小の圧力を供給
するような“上方”位置へ、ダイアフラム型ばねが偏向
部材14を持ち来たすという点で、磁気的アクチュエータ
のための組み込みのフェール・セーフ特性を果たす。 コイルの電流に関する線形な偏向を得るために何ら軸
受けを必要とせず、構成は複雑なマウントまたは部品を
用いず大変単純にできている点に留意すべきである。 また、ダイアフラム型ばねのためのサンドイッチ構造
は、所望の磁束伝達特性を得るために、異なる合金で、
かつ互いに異なる厚さに作成された強磁性ばねディスク
を有することができる点に留意すべきである。このサン
ドイッチ構造は緩衝作用を与える。第２図に示すよう
に、螺旋状の溝は、ディスク間のゴム層に良く接着する
ことが望まれる場合には、それらの中間部で拡大させる
ことができる。 第５図は、電流−圧力変換器の用途における、この発
明の他の実施例の応用を示している。第５図において、
第１図の参照符号と同じ参照符号は同様の部品を示して
いる。 しかし、第５図においては、平坦なヘッド71及び容器
25は、容器とヘッドとの間のトロイダル・ワッシャー70
を受け入れるように垂直方向に延びている。このトロイ
ダル・ワッシャー70は、真ちゅうまたはアルミニウムの
ような導電性の非磁性材料により形成され、ワッシャー
中を流れる渦電流により緩衝作用（減衰:damping）を発
生する。 うず巻きばね（ダイアフラム型ばね）35は、ニッケル
をメッキした炭素鋼のような磁性材料の単一層からな
り、第２図に示す形状を有する。うず巻きばね35は、う
ず巻きばね35に付加的な緩衝作用を与える弾力性のある
接着剤73によって、容器25のリム36に接着される。弾力
のある接着剤は好ましくはゼネラル・エレクトリック社
の商品名RTVシリコーンゴムのような室温硬化ゴムであ
る。 第５図に示すアクチュエータにおいて、トロイダル・
ワッシャー70によって与えられる緩衝作用は、第３図に
示すような多層構造の必要性を除去する。 電流−圧力変換器のような、ある用途においては、ト
ランスデューサに印加される７ボルト程度の低い電圧
で、４−20mAの制御ループによってアクチュエータを動
作させることが望ましい。アクチュエータを駆動するの
に使用可能な電流は2mA程度に小さくできるので、ここ
で説明したようなアクチュエータは、特にそのような低
電力の用途に有益である。 この発明は好ましい実施例を参照して説明したが、当
業者はこの発明の精神及び範囲を逸脱することなく態様
及び細部の変更が可能であることを認識するであろう。 さらに、この発明は以下の態様をも包含することが明
らかであろう。 1. ダイアフラム型ばねは、柔軟な材料の層に接着され
た少なくとも１つの強磁性ディスクを有するサンドイッ
チまたは積層構造を備えている特許請求の範囲第１項記
載の磁気的アクチュエータ。 2. 前記柔軟な材料はシリコーンゴムからなる前記１記
載の磁気的アクチュエータ。 3. 中央コア部材は、容器の第１端壁に対して縦軸方向
に沿って調節可能に装着されている特許請求の範囲第１
項記載の磁気的アクチュエータ。
アクチュエータへの入力電流に関して線形な関数となる
ような磁気的アクチュエータに関する。 （先行技術） 電気的入力信号の関数であるような偏向を生じる磁気
的アクチュエータは、様々な分野で用いられている。電
気信号を圧力信号に変換する典形的なトランスデューサ
（変換器）は、米国特許第4,534,376号に示されてい
る。 この発明のアクチュエータは、前記特許の第６図に示
されたアクチュエータに改良を施こしたものであり、こ
こで開示される好ましい実施例は、微少な入力電流の関
数として小さな変位が要求される、一般的な用途に用い
ることができるものである。 特に、アクチュエータの力及び偏向を発生するのに、
極めて低い電力レベルを有することが望まれている。小
型アクチュエータにおいて利用できる、測定可能な偏向
の量は、製造公差に対する要求及びコストを低減するた
めに可能な限り大きく（作動ギャップを大きく）すべき
である。この発明はこれらの目的を達成可能とするもの
である。 米国特許第3,946,757号は、間隙を横切る磁束を形成
する永久磁石、及びこの間隙中で移動するように装着さ
れた弁制御アーマチュア（電機子）を有する燃料測定弁
として用いられる空気式アクチュエータを開示してい
る。 このアーマチュアは揺動自在に装着され、その下部
は、支点の回りの回動を抑制するようにばね付勢されて
いる。アーマチュアの一部の回りに設けられたコイル
は、コイル中の電流の関数としてアーマチュアを移動さ
せるような作動磁界を発生する。 この装置は永久磁石の間隙中に配置されたアーマチュ
アの変位を発生するコイル及びコイル中の電流によって
発生し、アーマチュアの一方の側では永久磁石の磁束に
重畳され、また一方、アーマチュアの他方の側では永久
磁石の磁束と相殺されるような磁束を示している。 米国特許第3,004,546号は、中心体の回りの永久磁石
及び、一方向の偏向では、磁石からの磁束に加わり、他
方向の偏向では永久磁石の磁束から減じられる磁束を発
生するコイルを用いた電磁トランスデューサを示してい
る。このアクチュエータは力平衡式（force balance）
電気−空気装置であり、作動力はコイルの軸に沿って生
じる。磁石は、この発明で開示するような、偏向ダイア
フラム型ばねと共に用いられる磁束経路を提供しない。 米国特許第3,913,608号は、永久磁石及び、作動のた
めの電磁石を共に用いる弁アクチュエータを示してい
る。しかし、この装置は弁の開または閉の２つの位置を
有する弁アクチュエータを目指したものであり、この発
明の装置のように、アクチュエータの変位に比例する電
流を必要としていない。 米国特許第4,018,419号もまた、永久磁石（磁化され
た弁ロッド）及び磁化されたロッドを変位させるコイル
を共に使用し、コイルが付勢されていないときは磁化さ
れたロッドが弁を開く位置に移動し、コイルの付勢によ
り弁を閉じるような開／閉弁を示している。 米国特許第4,053,137号は、ばねが装着された弁部材
を有する電気−機械的に作動する弁を示しているが、そ
れはコイル中の電流に応答する電磁アクチュエータによ
って動作するものである。 米国特許第4,306,589号は、弁の作動のために協働す
る電磁石及び永久磁石を装置内に備える磁気係止手段を
有し、低電力ソレノイドで作動する空気弁を示してい
る。この永久磁石は、電磁界に応答して２つのノズルの
１方または他方上に着座する弁部材を形成する。 米国特許第4,216,938号もまた、永久磁石と電磁石と
を作動のために使用する、ソレノイドで作動する弁を開
示している。この装置は電流に比例して流体の流れを制
御するものであるが、ダイアフラム型のばね（これはコ
イルばねを有してはいるが）を使用する機構、またはこ
の発明の装置において使用する磁石及び磁気間隙の配置
を備えてはいない。 米国特許第4,310,143号もまた、電気制御の油圧装置
用の比例弁を示しており、誘導磁界が静磁界を横切って
弁部材を軸方向に位置させるための弁本体内に静磁界を
形成する手段及び弁部材の磁化可能部分に磁界を誘導す
る電磁装置を備えている。その位置は電磁装置の励起電
流の関数として制御される。この線形作動巻き枠は中心
に向かって付勢されたコイルばねを有し、電流の関数と
して流体の流れを制御する。 米国特許第4,428,558号は、回転を制御するためのト
ーションバーを備え、コイルに供給される電流に比例し
て180゜の角度内で回転変位を発生する回転磁石を備え
た比例ソレノイド弁を開示している。 磁気的に作動する開／閉パイロット弁が米国特許第4,
366,944号に示されている。この弁は、流体圧を遮断す
る１つの位置及び排水への結合を遮断する第２の位置
の、２つの位置の間で移動するアーマチュア板として用
いられる。ばね偏倚（バイアス）はアーマチュア板を一
方の位置に偏倚するために使用される。コイルの電流は
アーマチュア板を他方の位置に移動する。 米国特許第3,878,504号及び同第4,285,054号は、それ
らの縦軸が概ね一致した環状コイル群及びコイル群中に
位置する永久磁石組立て体を有する“ジオフォーン（ge
ophones）”に関し、スパイダーばねはコイル群を支持
するために用いられる。永久磁石及び電磁石の作動コア
は、コイル群が永久磁石組立て体中で軸方向及び回転方
向への移動のために支持されるように配置されている。 米国特許第3,878,504号においても、制動流体が用い
られている。この装置は、ダイアフラム型スパイダーば
ねを示しているが、この発明のサンドイッチ構造を示し
ておらず、またここに開示されるような移動のために位
置決めされたアクチュエータも示していない。 米国特許第4,206,749号は作動のための永久磁石組立
て体を用いた制御系を示している。極性を与える磁界が
この装置を作動するために与えられる。 （発明の概要） この発明は、優れた寸法対感度比を有しており、しか
も制御コイルへの入力電流の線形関数となる大きさの変
位を発生するための磁気的アクチュエータに関する。こ
のアクチュエータは、小さな寸法が重要であり、かつ比
較的低い作動力に関わる電流−圧力変換器に用いられる
ように主として設計されている。 この発明のアクチュエータは、コイルの中心にあるコ
ア上に形成された磁極面から離れたダイアフラム型ばね
を有する容器からなる。強（常）磁性材料のカバーが、
ダイアフラム型ばねの、コアとは反対側の容器上に配置
され、このカバーは表面磁極を構成している。永久磁石
がダイアフラム型ばねの中心に取り付けられており、表
面磁極を構成するカバー板の開口を貫通している。 偏向部材は永久磁石に結合されており、流体の流れの
通路内にあり、ばねにより流れを部分的に阻止するよう
に保持されている。永久磁石からの磁束は、ばねの応答
と共に、コイルの電流が増加するに伴なって、流体通路
の外に移動するような偏向部材の線形な移動を発生する
ように作用する。 電流と移動との線形関係は、磁束経路の１つのギャッ
プにおいては相加的となり、他のギャップにおいては相
殺的になるような、永久磁石およびコイル電流によって
発生される磁束に、部分的に依存する。 ダイアフラム型ばねは、好ましくは、２つの薄い磁性
材料製円板の間にシリコーンゴムの層を設けたサンドイ
ッチ構造に形成されたうず巻きばねである。寸法が極め
て小型のわりには比較的大きな変位が得られ、設けられ
たギャップは比較的大きいので許容公差を精密に保つ必
要がなく、組み立てが容易である。移動部材の質量が小
さいので、振動する環境での性能が向上し、ダイアフラ
ム型ばねにおけるシリコーンゴム層の緩衝特性もまた振
動環境での作動を向上する。 この装置は、コストが低く、信頼性があり、電流及び
変位が共に小さい場合においてすら、コイルの電流に関
係して線形な変位を生じることができる。 （実施例） 第１図はこの発明のアクチュエータの典型的な応用例
を示している。こゝでは、電気−圧力信号トランスデュ
ーサに関連する磁気的アクチュエータの利用を示すた
め、米国特許第4,534,376号の構成を特に用いている。
総括的に符号10で示すトランスデューサはキャップ11で
包まれたノズル12、偏向部材14及び受入（レシーバ）管
16を備えている。この発明に従って構成された磁気的ア
クチュエータモジュール15はキャップ11の中に設置され
ている。 この発明に従って作成されたアクチュエータにおい
て、偏向部材14はノズル12から供給されて受入管16に通
じる圧力源Psからの流れを制御するために、上昇または
下降する機械的アクチュエータを備えている。ノズル12
及び受入管16は共に、キャップ11内に形成されるチャン
バー20に開いており、チャンバー20は図に示すように出
口または排出ポート21を有する。Poutで表わされる受入
管16からの出力圧力は、偏向部材14の位置に依存する。 偏向部材14は、図に示し、また米国特許第4,534,376
号において説明されているように、流体の流れの中に横
方向に突出する丸い断面領域を有するロッドである。ノ
ズル12及び受入管16は、説明のために第２図において破
線で示すように、アクチュエータの中心軸からはずれて
いる。 偏向部材14は、アクチュエータが付勢されていないと
きは、流れを阻止または偏向するように移動されている
が、受入管16への出力を電流の関数として増加させるよ
うに引っ込められるであろう。 この発明の開示された実施形態において、磁気的アク
チュエータ15は強（常）磁性材料の容器25を含んでお
り、前記容器は図示のようにカップ状をなし、容器の底
面または第１の端壁27に装着された中央コア部材26を有
している。 コア部材26は、第１の端部で、符号28で示すように、
底面27中に調節のために螺合した強磁性材料の円筒状の
柄を備えている。コア26の柄の底面は、調整のためにね
じ回し用溝を有する。コア部材26の第２の端部すなわち
上端は、容器25の開口端に面する磁極面31を有する平坦
なヘッド30を備えている。 ダイアフラム型ばね35が容器25上に形成された適当な
肩部36の上に装着されており、ばねが容器内の中心空洞
37の上を覆うように横方向に延びている。このダイアフ
ラム型ばね35は、後で説明するように、サンドイッチ構
造の強（常）磁性材料からなっている。ダイアフラム型
ばね35の下面は、中央コア部材26の磁極面31に対してギ
ャップ38を形成する。 強（常）磁性透磁率のカバー39（第２の端壁）が容器
の開口端上に装着され、ダイアフラム型ばね35の上面と
カバー39の内面との間に第２のギャップ45を形成するよ
うに、ダイアフラム型ばね35から隔離配置された第２の
端部板を構成する。このカバー39は磁極面31に対して実
質的に平行である。 中央コア部材26は容器の中心空洞37の中に装着され、
通常の方法で、適当な電気コイル40によって包囲され
る。このコイルはヘッド30の下方に位置し、リード線を
介して電流が供給されると、中央コア部材26、ダイアフ
ラム型ばね35、カバー39及び容器25によって規定される
磁束経路中の磁束によって表わされる起磁力を発生す
る。 中央コア部材26上の磁極面31は、コイル40の第１の端
部を越えて外方へ延びている。中央コア部材26の第２の
端部は、容器25の底面または第１の端壁27に対して、低
い磁気抵抗で結合されている。 ダイアフラム型ばね35は、その上面に予定の方向に装
着された永久磁石（例えば、ALNICO8磁石）42を有し、
磁石の北極面はダイアフラム型ばね35の上面43に対して
平坦に接している。この磁石の南極面は、偏向部材14が
ダイアフラムばね35によって支持されるように、偏向部
材14を装着するために使用される。 強（常）磁性材料のカバー39は、磁石42の南極及び偏
向部材14が容器25の外側に位置し、一方磁石42の北極が
容器25の内側に入るように、磁石42が貫通する中心開口
46を有する。磁気的アクチュエータの容器25内部の汚染
を防ぐため、適当な可撓性のシールドまたは覆い47が設
けられ、中心開口46を包囲するように偏向部材14の上及
びその端部の回りをカバー39に封止されている。 カバー39は、コイル40に電流が流れるとき及びコイル
に電流が流れないときのいずれにおいても、磁束経路を
生じるように協働する第２の端壁を構成する。 ダイアフラム型ばね35はサンドイッチ型構造に形成さ
れている。第２図に示すように、適当な金属磁性材料の
２つのスパイダーディスクばね57からなり、それぞれ永
久磁石42が取り付けられる中心部56から外周縁に向かっ
て螺旋状に延びるうず巻き状の溝55を有している。これ
は、隣接する螺旋状の溝の間の材料片によるばね作用を
生じる。 ダイアフラム型ばね35は、第３及び第４図に示すよう
に、ディスク57の間にあって、これに接着された適当な
シリコーンゴム層58を有する２枚の平坦なディスク57を
含む。ディスク57は比較的薄く、ゴムの量は所望のばね
特性が得られるように選択することができる。このゴム
層は振動の影響（振動に対する感度）を減少するための
減衰を生ぜしめる。ダイアフラム型ばねの外側リムは適
当な手段で容器25に保持され、必要な偏向量に対する偏
向中心部の必要なばね定数を発生する。 第３図に模式的に示すように、コイル40に電流が流れ
ない場合、永久磁石42の北極及び南極からの磁束は、概
略矢印で示すように流れる。すなわち、ギャップ45にお
いては、北極から出て南極に向う磁束が存在し、またカ
バー39と容器25とを通る矢印62で示される磁束、及びコ
ア部材26と磁極面31を有するヘッド30とを通る矢印63で
示される下向きの磁束が存在する。中央コア部材26中の
磁束63は、磁石42の北極から出て、ばね35を通りギャッ
プ38を横切っている。 コイル40に電流が供給されたとき、この電流によって
誘導される、中央コア部材26のヘッド30の近傍における
磁束が、第４図において破線で示されている。これらの
電流により誘導された磁束の通路は、この電流によって
誘導された磁束が、ギャップ38においては永久磁石42か
らの磁束に加算され、一方ダイアフラム型ばね35上のギ
ャップ45においては、永久磁石42によって生じる磁束と
相殺されるようなものであることが分るであろう。ギャ
ップ38は、ダイアフラム型ばねが休止位置にあるとき最
大となり、またアクチュエータの移動を制限する働らき
をする。 この結果、ダイアフラム型ばね35、すなわち偏向部材
14の偏向特性は、ばね定数、コイル40を流れる電流によ
る磁束、及び永久磁石からの磁束が、偏向部材14に必要
とされる移動範囲において、コイルの電流に関連する線
形な偏向を発生するために協働するように変えられる。 コイルに電流が流れていない場合、上向きに作用する
ダイアフラム型ばねからの力は、上部磁極片を形成する
カバー39にダイアフラム型ばねが近づくか接触すると
き、下向きに作用する力（重力等）により平衡が保たれ
る。これによって、載置された永久磁石の位置が決ま
り、ダイアフラム型ばね35の下面と磁極片または中央コ
ア部材26の磁極面31との間のギャップ38の最大間隔を与
える。 このギャップは、ノズル12から受入管16への流れを制
御するために、コイルの電流に応答して他動の許容され
る行程となる。それ故に、受入管に伝達される空気の量
（出力圧）は、第１図から分るように、コイル40の電流
が増加するのに伴なって、偏向部材14が下方に引っ込む
量の関数となる。 コイルの電流に対する前記偏向の線形な関係は、受入
管16の出力圧（pressure out）がコイル40を付勢する電
流の既知の関数となるという点で、圧力制御の正確な電
流を与える。 可動部品は質量が大変小さく、振動する環境において
良好な特性を示す。ダイアフラム型ばねのサンドイッチ
構造におけるシリコーンゴム層の緩衝（ダンピング）特
性は、また、振動のある場所での作動を助ける。比較的
大きな作動ギャップが可能であり、それ故に合理的な動
作限界内の公差が達成される。動作中に、渦電流は問題
とならない。このユニットは大変小さく、例えば、容器
25は直径１インチ程度とすることができるという点で、
このユニットは非常に優れた寸法対感度比を有する。 磁気ギャップは、柔軟な覆い47を用いることにより、
チャンバー20内の空気雰囲気から極めて容易に封止する
ことができるので、汚染物質はアクチュエータの可動部
分から除外される。また、ばね作用は、コイル40への電
流が中断されたとき、出力受入管16に最小の圧力を供給
するような“上方”位置へ、ダイアフラム型ばねが偏向
部材14を持ち来たすという点で、磁気的アクチュエータ
のための組み込みのフェール・セーフ特性を果たす。 コイルの電流に関する線形な偏向を得るために何ら軸
受けを必要とせず、構成は複雑なマウントまたは部品を
用いず大変単純にできている点に留意すべきである。 また、ダイアフラム型ばねのためのサンドイッチ構造
は、所望の磁束伝達特性を得るために、異なる合金で、
かつ互いに異なる厚さに作成された強磁性ばねディスク
を有することができる点に留意すべきである。このサン
ドイッチ構造は緩衝作用を与える。第２図に示すよう
に、螺旋状の溝は、ディスク間のゴム層に良く接着する
ことが望まれる場合には、それらの中間部で拡大させる
ことができる。 第５図は、電流−圧力変換器の用途における、この発
明の他の実施例の応用を示している。第５図において、
第１図の参照符号と同じ参照符号は同様の部品を示して
いる。 しかし、第５図においては、平坦なヘッド71及び容器
25は、容器とヘッドとの間のトロイダル・ワッシャー70
を受け入れるように垂直方向に延びている。このトロイ
ダル・ワッシャー70は、真ちゅうまたはアルミニウムの
ような導電性の非磁性材料により形成され、ワッシャー
中を流れる渦電流により緩衝作用（減衰:damping）を発
生する。 うず巻きばね（ダイアフラム型ばね）35は、ニッケル
をメッキした炭素鋼のような磁性材料の単一層からな
り、第２図に示す形状を有する。うず巻きばね35は、う
ず巻きばね35に付加的な緩衝作用を与える弾力性のある
接着剤73によって、容器25のリム36に接着される。弾力
のある接着剤は好ましくはゼネラル・エレクトリック社
の商品名RTVシリコーンゴムのような室温硬化ゴムであ
る。 第５図に示すアクチュエータにおいて、トロイダル・
ワッシャー70によって与えられる緩衝作用は、第３図に
示すような多層構造の必要性を除去する。 電流−圧力変換器のような、ある用途においては、ト
ランスデューサに印加される７ボルト程度の低い電圧
で、４−20mAの制御ループによってアクチュエータを動
作させることが望ましい。アクチュエータを駆動するの
に使用可能な電流は2mA程度に小さくできるので、ここ
で説明したようなアクチュエータは、特にそのような低
電力の用途に有益である。 この発明は好ましい実施例を参照して説明したが、当
業者はこの発明の精神及び範囲を逸脱することなく態様
及び細部の変更が可能であることを認識するであろう。 さらに、この発明は以下の態様をも包含することが明
らかであろう。 1. ダイアフラム型ばねは、柔軟な材料の層に接着され
た少なくとも１つの強磁性ディスクを有するサンドイッ
チまたは積層構造を備えている特許請求の範囲第１項記
載の磁気的アクチュエータ。 2. 前記柔軟な材料はシリコーンゴムからなる前記１記
載の磁気的アクチュエータ。 3. 中央コア部材は、容器の第１端壁に対して縦軸方向
に沿って調節可能に装着されている特許請求の範囲第１
項記載の磁気的アクチュエータ。
【図面の簡単な説明】
第１図は、電流−圧力変換器の所定位置に配置された、
この発明に従って作成されたアクチュエータの垂直断面
図、 第２図は、第１図の直線２−２に沿う典型的なうず巻き
型のダイアフラム型ばねの平面図、 第３図は、永久磁石によって生じた磁束経路を示すため
に、一部の部品は断面で、また一部の部品を取り除い
て、構造を細部にわたって示すための、第１図の中心部
の拡大断面図、 第４図は、コイルの電流によって生じる磁束経路を示す
第３図と同様の図、そして 第５図は、電流−圧力変換器の所定位置に配置された、
この発明に従って作成されたアクチュエータの他の実施
例の垂直断面図である。 10……トランスデューサ、11……キャップ、12……ノズ
ル、14……偏向部材、15……磁気的アクチュエータモジ
ュール、16……受入管、20……チャンバー、25……容
器、26……中央コア部材、30……ヘッド、31……磁極
面、35……ダイアフラム型ばね、37……中心空洞、38,4
5……ギャップ、39……カバー（第２端壁）、40……電
磁コイル、42……永久磁石、47……シールド（覆い）
この発明に従って作成されたアクチュエータの垂直断面
図、 第２図は、第１図の直線２−２に沿う典型的なうず巻き
型のダイアフラム型ばねの平面図、 第３図は、永久磁石によって生じた磁束経路を示すため
に、一部の部品は断面で、また一部の部品を取り除い
て、構造を細部にわたって示すための、第１図の中心部
の拡大断面図、 第４図は、コイルの電流によって生じる磁束経路を示す
第３図と同様の図、そして 第５図は、電流−圧力変換器の所定位置に配置された、
この発明に従って作成されたアクチュエータの他の実施
例の垂直断面図である。 10……トランスデューサ、11……キャップ、12……ノズ
ル、14……偏向部材、15……磁気的アクチュエータモジ
ュール、16……受入管、20……チャンバー、25……容
器、26……中央コア部材、30……ヘッド、31……磁極
面、35……ダイアフラム型ばね、37……中心空洞、38,4
5……ギャップ、39……カバー（第２端壁）、40……電
磁コイル、42……永久磁石、47……シールド（覆い）
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．入力電流の線形関数となるような機械的作用を発生
するための、以下の構成を備えた磁気的アクチュエー
タ。 （イ）中心軸に沿って第１の端部から第２の端部に延
び、中心軸の回りに内径を有し、入力電流に応答して起
磁力を発生するためのコイル、 （ロ）コイルの内側に位置し、第１及び第２の端部を有
し、コイルの第１の端部から外側に延びる磁極面を有す
る強磁性の中央コア部材、 （ハ）コイル及び中央コア部材の回りに設けられ、中央
コア部材の第２の端部と低い磁気抵抗で結合した第１の
端壁、及び中央コア部材の前記磁極面から離れて位置す
る第２の端壁を有し、前記第２の端壁には磁極面と整列
された中心開口が貫通穿設された強磁性材料製の容器、 （ニ）容器に固着された外側リムと、磁極面上に位置
し、かつ休止位置において第２の端壁および磁極面から
離れて位置する中心領域とを有し、前記中心領域は磁極
面に向かう方向及びこれから離れる方向に前記入力電流
に比例して偏向可能な、強磁性材料で形成されたダイア
フラム型ばね、 （ホ）ダイアフラム型ばねの中心領域の上に装着され、
第２の端壁の中心開口を通って延在し、中心軸に沿って
整列されている永久磁石であって、この永久磁石の第１
の磁極面はダイアフラム型ばね上で、中央コア部材の磁
極面に対向して係合し、また永久磁石の第２の磁極面は
容器の外側に延びているような永久磁石、及び （ヘ）前記ダイアフラム型ばねおよび前記第２の端壁
間、ならびに前記ダイアフラム型ばねおよび前記磁極面
間にそれぞれギャップを設け、該ギャップのうちの一方
では永久磁石からの磁束の方向およびコイル中の電流に
よって形成された磁束の方向を同一にし、他方ではこれ
らの磁束の方向を反対方向にした構成。 ２．ダイアフラム型ばねは、一対の強磁性ディスク及び
これらのディスク間に装着された弾力を有する材料の層
を備えたサンドイッチ構造である特許請求の範囲第１項
の磁気的アクチュエータ。 ３．前記永久磁石上に装着され、流体の流れに高感度で
応答する偏向部材と、流体の流路を形成するための流体
ノズル及び流体の受入管とを具備し、前記偏向部材は前
記流体の流路中へ突出するとともに、該流体の流路中へ
の前記突き出しの量及び前記受入管からの偏向された流
体の量が、前記中央コア部材の磁極面に対するダイアフ
ラム型ばねの位置の関数となる特許請求の範囲第１項の
磁気的アクチュエータ。 ４．永久磁石からの磁束及びコイル中の電流により形成
された磁束が、中央コア部材の内部及び、中央コア部材
とダイアフラム型ばねとの間のギャップにおいては互い
に加え合わされ、一方ダイアフラム型ばねの上方のキャ
ップにおいては互いに相殺されるように、永久磁石の磁
極面の極性が決定されている特許請求の範囲第１項の磁
気的アクチュエータ。 ５．入力電流を代表するような線形運動を発生するため
の磁気的アクチュエータであって、 （イ）容器、 （ロ）容器内に形成され、磁極面を備えた中央コア部材
を有する電磁石、 （ハ）容器に装着され、休止位置から前記電磁石の磁極
面に向かって弾力的に偏向可能であり、磁極面から離れ
てこれを覆うように上方に位置されたダイアフラム型ば
ね、 （ニ）ダイアフラム型ばねの上方に位置し、貫通開口を
設けられた容器上の端壁、及び （ホ）中央コア部材に整列して、ダイアフラム型ばね上
の中央コア部材とは反対側に１つの磁極面を固着され、
前記開口を通って延びるように装着された永久磁石を具
備し、 前記容器、端壁、ダイアフラム型ばね及び中央コア部材
は磁束を担持する磁性材料からなり、 前記電磁石を流れる電流は、永久磁石からの磁束に加わ
って、ダイアフラム型ばねを磁極面に向かって動かすよ
うな傾向の磁束を誘導するように作用する磁気的アクチ
ュエータ。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US781358 | 1985-09-27 | ||
| US06/781,358 US4638830A (en) | 1985-09-27 | 1985-09-27 | High sensitivity magnetic actuator |
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|---|---|
| JPS6281971A JPS6281971A (ja) | 1987-04-15 |
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|---|---|---|---|
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| CN (1) | CN1033053C (ja) |
| CA (1) | CA1263134A (ja) |
| DE (1) | DE3668671D1 (ja) |
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| US6982696B1 (en) * | 1999-07-01 | 2006-01-03 | Immersion Corporation | Moving magnet actuator for providing haptic feedback |
| US6983924B2 (en) * | 2000-04-26 | 2006-01-10 | Brigham Young University | Compliant, ortho-planar, linear motion spring |
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| US6363920B1 (en) * | 2000-05-25 | 2002-04-02 | Eaton Corporation | Proportional solenoid for purging fuel vapors |
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