JP3151220B2 - 複動式の電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項による、中程度のストロ
ーク長の迅速な直線運動を行う電磁アクチュエータに関
する。

技術の現状 従来から電磁界の作用により運動するコイルは周知で
ある。こうした例の一つは、永久磁石により誘導された
磁界内に配置されている可動音声コイルを有する固定永
久磁石を備えたラウドスピーカにおいても見出すことが
できる。音声コイルの巻線は外部電源に接続されてお
り、そして電流制御によってこのコイルに目的の運動を
与えることができる。この解決法の欠点は、外部接続が
動く可能性があり、そのため電源が断絶する恐れがある
ことである。

米国特許第5294850号では、電磁界効果によってミサ
イルを発射することもできる装置が開示されている。こ
の解決法では、固定コイルが用いられており、この固定
コイルは、発射されるミサイルに、またはこのミサイル
に接触して配置されているコイルに作用することができ
る。この可動コイルは外部接続がなく、そして巻線は短
絡されているか、またはその代わりに幾つかのコイルセ
グメントに分かれており、また電磁界は固定コイルの電
流によって制御されている。

米国特許第1066081号には代替の実施例、すなわち図
４および図５における固定コイルおよび可動コイルを有
するリレーが示されている。可動コイルの巻線は固定回
路ブレーカに接続され、そして可動コイルは上記回路ブ
レーカと固定コイルから誘導された磁界とによって１つ
の方向に制御される。

従来の解決法では、複動式の電磁アクチュエータを得
るために、固定ソレノイドおよび可動鉄心が用いられて
おり、この鉄心は戻しばねによって第１の終端位置に戻
されるようになっている。

鉄心が第２の終端位置に向かうように起動されようと
するとき、電磁界の磁力は戻しばねの反作用に打ち勝
ち、そして鉄心本体の運動を開始させなければならな
い。アクチュエータはかなり大きな質量があり、そのう
え戻しばねの力に打ち勝つ必要もあるので、こうした方
法では応答が遅くなるであろう。

本発明の目的 本発明の目的は、中程度のストローク長を有し、複動
式でかつ迅速な運動が要求される多くの状況に有効な電
磁アクチュエータを得ることである。

もう一つの目的は、迅速な応答を行う電磁アクチュエ
ータを得ることである。

更にもう一つの目的は、電磁アクチュエータの可動部
分に対していかなる電気接続もない電磁アクチュエータ
を得ることである。

また更に改良された実施例における目的は、アクチュ
エータの位置のフィードバック信号を得ることを可能に
することで、これによってアクチュエータの運動精度の
高い改善された制御が得られる。

本発明の簡単な説明 本発明の電磁アクチュエータは、請求の範囲第１項の
特徴項にその特徴が示されている。

本発明の電磁アクチュエータによって、全ての可動部
分の静重量がより小さく、迅速な応答ができる複動式の
電磁アクチュエータが得られよう。またこの電磁アクチ
ュエータは可動部分に対する電気接続がなく、そのため
高度の信頼性が得られるであろう。

本発明はその他の特徴および利点は請求の範囲の他の
項の特徴項と後述の実施例の記載とに明らかにされるで
あろう。幾つかの実施例の説明は以下の図面リストに示
されている図面を参照しながらなされる。

図面のリスト 図１は、本発明の電磁アクチュエータの側面図であ
る。

図２は、上から見た図１における電磁アクチュエータ
である。

図3a、3bおよび3cはそれぞれ、固定コイルを通る電流
と、可動コイルを通る電流と、そして可動コイルによっ
て誘導された磁力を表す。

図４は、可動コイルの位置を検出するためのアナログ
回路である。

図５は、アクチュエータのための代替の解決策を示
す。

幾つかの実施例の説明 図１には、本発明の電磁アクチュエータが示されてい
る。固定コイル１、６は磁心５、好ましくはフェライト
磁心に巻回される。この実施例では固定コイルは直列に
接続されている２つのコイルセグメントに分けられ、各
セグメントは平行な２本の脚を有する磁心の１つの脚に
巻回されている。

代替の実施例では、磁心は積層薄板で作ることもでき
る。しかし、たとえより高価でも、フェライト磁心が好
ましい。

制御可能な電源７が固定コイルに接続されていて、固
定コイルを通る電流Ipを制御する。

固定コイルに対して動くことができる可動コイル２は
コイル巻型３に巻回されている。コイル巻型は磁心５の
第３の脚によって案内されることが好ましく、この第３
の脚は、固定コイルが巻回されている２つの脚に平行で
あり、そして上記第３の脚はこれら２つの脚の間に位置
している。コイル巻型とこれに巻かれているコイルは、
固定コイルの２つの脚の間の空隙４に配置されている。

磁心のコイル案内脚に可動コイルを留めるために、コ
イル巻型３には、図１に示されているように、その下部
にフランジ10が備えられている。このフランジ10の上面
および下面は第１および第２のストップラグとして作用
し、各面はそれぞれ磁心の第１および第２のストップラ
グと相互に作用し合う。磁心の第１のストップラグ11
は、磁心のセグメントが巻かれている磁心の脚の半径方
向内側に向かって突き出している２つの突出部より成
る。第１のストップラグ11は可動コイルの運動を第１の
突出位置に限定する。磁心の第２のストップラグ12は固
定コイル１、６に対して可動コイル２の運動を、この可
動コイルの第２の後退終端位置に限定する。

この実施例では、図２で明らかなように、コイル巻型
は円筒形であり、そしてそれと一体のアクチュエータア
ーム８を備えている。このコイル巻型はまた代替とし
て、本発明から逸脱することなく、他の形状、例えば長
方形または多角形の横断面を成していることも可能であ
る。

可動コイルの巻型に巻回されているコイルは、ダイオ
ード９を介して短絡されており、このダイオードは１方
向のみに電流を通電する。このダイオードは、第１の固
定コイルを通る電流によって生成される電磁場から誘導
された電流を第２の可動コイルにおいて１方向のみに通
電する同等の構成要素に代えることも可能である。

電磁アクチュエータの機能は、図3a〜3cに時間の関数
として示されている電流および磁力のグラフを参照しな
がら以下に詳細に説明される。この基本グラフは、図１
に示されている実施例に相当する１つの実施例の実地テ
ストによって得られたものである。図3aには、接続電源
７を介して従来技術通りに制御されている、固定コイル
１、６を通る電流Ipが示されている。

図3bには、固定コイルによって生成された電磁界によ
り誘導される、可動コイル３を通る電流が示されてい
る。図3cには、可動コイル２が空隙４内の磁界によって
影響されているとき、アクチュエータアーム８において
得られる磁力Ｆが示されている。

図示されている実施例では、可動コイルの内側に向か
う運動、すなわち図１では下方に向かう運動に対応し
て、第１の「引込み周期」が規定されている。この引込
み周期の開始時には、固定コイル５、６において電流Ip
が流れ始めて磁界を発生させ、この磁界は可動コイル４
に電流Idを誘導させることになる。固定コイルの電流は
Ａ時点でその最大値に達し、この時、可動コイルにおけ
る電流もアクチュエータアーム８から得られる磁力もそ
れぞれの最大値に達する。Ａ時点を過ぎるとすぐに、固
定コイルを通る電流Ipの減少が始まる。この減少の結
果、可動コイルを流れる電流も減少するであろう。発現
する磁力Ｆは下記式、すなわち、 Ｆ＝Ｂ・Id・Ｌ に従うであろう。

ただし、上記式において、Ｂは磁界の強さを、そして
Ｌは磁界内に配置されている導線の長さを表し、また磁
力は全周期を通じて発現している。

後退位置に向かう連続的な力の作用を維持するため
に、このシーケンスが連続的に繰り返される。ただし、
この図面では、引込み周期中におけるシーケンスは２つ
示されているだけである。

外側に向かう可動コイルの運動、すなわち図１におい
ては上方への運動に相当する「押出し周期」において
は、固定コイルにおいて逆方向にむかって電流が流れ始
める。この電流は引込み周期に対して反対方向の磁界を
発生させることになり、そしてこの磁界は、当該磁界と
電流が減少しているとき、可動コイルに電流を誘導する
傾向がある。Ｂ時点を越えるとすぐに、固定コイルを通
る電流は減少させられ、これによって磁界は、引込み周
期中に誘導された電流と同じ方向に向かって可動コイル
を通る電流を誘導し始める。上述と同じ磁力の式（Ｆ＝
Ｂ・Id・Ｌ）にしたがって、磁力Ｆが得られ、そしてＢ
の符号が変化しているため、引込み周期とは反対方向に
作用する。ただし、この図面では、押出し周期中におけ
るシーケンスは２つ示されているだけである。

試験によって更に明らかになったことによると、可動
コイルの位置の決定は、図３に示されているように、dI
p/dtすなわち固定巻線を通る電流の一次微分値に相当す
る＠の検出によって行うことができる。パラメータ＠は
磁界に曝されている可動コイルの部分が減少するにつれ
て減少する。こうした位置決定は従来技術のアナログ回
路でなされることが好ましい。

図４には、このような基本的アナログ回路の原理図が
示されている。この実施例では、入力信号Ipが出力信号
dIp/dtを生成するように、抵抗Ｒと容量Ｃとを介して接
続されている簡単な演算増幅器OPが用いられている。実
際の具体化例では、信号の正確な解析とサンプリングと
のために、この回路はある種の補助的論理回路を必要と
するであろう。

更に改善された実施例における本発明の電磁アクチュ
エータでは、位置に関する制御を行うことができ、この
場合、処理された位置の信号が位置のフィードバック信
号として用いられる。引込み周期および押出し周期の
間、パルス幅を変調することによって、アクチュエータ
は２つの終端位置間の任意の位置を伝えられることがで
きる。

アクチュエータから所定の最低次の磁力が確実に得ら
れるように、主コイルを通る電流Ipは、絶対値に関して
より高い水準で、すなわちIpがゼロの水準にまで減少す
ることがない水準で、制御することが可能である。そし
てこれは、効率の改善に寄与することができる。

本発明は請求の範囲の枠内で多くの方法で修正するこ
とが可能である。その１例として、磁心はその他の形状
にすることもでき、そして固定コイルはただ１つのコイ
ルセグメントでもよい。図５には、生産し易いように変
形された実施例の１例が示されており、ここでは、１次
巻線６′はコイル５′の中央の脚に巻回されて２次巻線
２′と共心になっている。この実施例は改善された変圧
器結合を示すものであり、この場合、磁心は軸Ｘに関し
て軸対称な形態にすることができる。同時に、１次巻線
６′は改良された保護格納容器を与えられることにもな
る。

電力の受容が大きい応用に用いられる具体化例におい
ては、整流要素を通る電力のロスを減少させるために、
整流要素は酸化金属半導体電界効果トランジスタ（MOSF
ET）技術に代えることも可能である。MOSFET技術を実施
することによって、通電方向における電位降下は約0.7V
からその数分の１に減少させることができる。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の固定コイル（１、６）と第２の可動
   コイル（２）を備えている、限定されたストローク長を
   有する迅速な直線運動のための電磁アクチュエータであ
   って、前記固定コイルの巻線は制御可能な電源（７）に
   接続され、前記可動コイルの巻線は外部電源との電気的
   な接続は全くなしに短絡されている電磁アクチュエータ
   において、 前記可動コイルの前記巻線の両端は整流要素（９）を介
   して短絡されており、該整流要素は前記可動コイルの前
   記巻線に電流を１方向のみに発生させ、前記可動コイル
   における該電流は前記固定コイル（１、６）を通る電流
   によって生成された電磁界から誘導されることを特徴と
   する電磁アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記整流要素（９）はダイオード、好まし
   くは半導体形成のダイオードであることを特徴とする請
   求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記第１の固定コイルは磁心（５）、好ま
   しくはフェライト磁心に巻回されており、また前記第２
   の可動コイルはコイル巻型（３）に巻回され、該コイル
   巻型は前記磁心とある空隙をおいて配置されて前記磁心
   の突出部により案内されることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の電磁アクチュエータ。
4. 【請求項４】前記可動コイルの電流を整流する整流要素
   （９）が前記可動コイルの前記コイル巻線（９）および
   前記巻線と一体になるように配置されていることを特徴
   とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
5. 【請求項５】前記第２の可動コイルがしっかり巻回され
   ている前記コイル巻型（３）は、また一体になっている
   アクチュエータアーム（８）を有していることを特徴と
   する請求項４記載の電磁アクチュエータ。
6. 【請求項６】前記コイル巻型（３）は第１および第２の
   ストップラグ（10）を含み、該両ストップラグ（10）は
   れぞれ前記磁心（それぞれ11、12）にある第１および第
   ２のストップラグと共働して、第１の終端位置と第２の
   終端位置との間における、前記第１の固定コイルに対す
   る前記可動コイルの運動を限定することを特徴とする請
   求項５記載の電磁アクチュエータ。
7. 【請求項７】前記アクチュエータの前記第１の固定コイ
   ルの前記巻線は検出手段（Ｃ、Ｒ、OP）に接続されてお
   り、該検出手段によって前記巻線を通る電流Ipの変化速
   度に相当する値の検出を行うことができ、該値すなわち
   dIp/dtは前記アクチュエータのコイルの位置を決定する
   目的に用いられることを特徴とする請求項１ないし６の
   いずれかの項に記載の電磁アクチュエータ。