JP4214194B2 - 変形可能なダイアフラムを有する電磁気機械 - Google Patents

Description

本発明は、変形可能なダイアフラムを有する電磁気機械に関する。

電磁気モータにより駆動される変形可能なダイアフラムを有する機械は公知である。前記電磁気モータは電磁フラックス（少なくとも１つの運動部分（moving part）に作用する）を通すように構成された静止部分を有し、磁気フラックスの交番的変化(alternating variation)に対応して、前記運動部分はリニアな交代的運動を行う。

一例ではあるが、米国特許第6 361 284で説明されている機械は、ダイアフラムを２つの固定プレートの間に設け、電磁モータの動作の下で振動する。モータの運動部分は前記ダイアフラムの端部に硬直的に（rigidly）連結されて、前記運動部分の交番運動(alternating motion)により、ダイアフラムはその面に垂直に振動する。

この機械は、強い音響パワーを持つものではないがノイズを発生し、例えば養魚池（aｑuarium）又は冷蔵庫のような、頻繁に又は連続的に運転される機械を有する設備において問題であることは従来から知られている。

このノイズの一部はモータの運動部分が、交番運動の間に、空気のパルスを駆動し、コヒーレントな音響波を生成することに起因する。

更に、運動部分は静止部分に対して無視できない慣性（inertia）を呈する。このため運動部分の交互動作は静止部分を振動させ、別のノイズの源になる。

本発明の目的は、特に静音動作をする、変形可能なダイアフラムを有する電磁モータを提案することである。

この目的のために本発明は、変形可能なダイアフラムを有する電磁機械であって、前記機械は、少なくとも１つの静止部分であって、この静止部分は少なくとも１つの運動部分と相互作用を行う磁気フラックスのチャネリングに適合したものであり、前記運動部分は、運動部分の交番的変位と静止部分の交番的磁気フラックス変化が対応するように、前記運動部分は磁気的に極性化された領域を有するものであって、前記運動部分は、運動部分の交番的変位はダイアフラムの変形に対応するように、ダイアフラムの端部に連結しており、前記機械は、静止部分と運動部分は運動部分に対し回転変位を与えるように構成されることを特徴とする機械を提供する。

このように運動部分が交番的回転運動している間、運動部分を取り巻く空気は交番的な切断により運動状態にされるが、コヒーレントな音響波を発生しない。

なお、前記機械は、ダイアフラムの運動と変形が生成する以外の、交番的なリニア振動の影響を受けない。ダイアフラムの運動と変形が生成する振動は振幅が小さく、従って、ほとんどノイズを発しない。

本発明の機械は実質的に従来の機械よりノイズを出さない。

好ましくは、運動部分は実質的に円形円筒形状（circularly cylindrical shape）であり、実質的に幾何学的軸の周りを回転するように制限される。

従って、運動部分は、運動部分の壁の直近における切断以外の、空気の変位を起こさない。このタイプの運動部分により機械の動作は特に静音化される。

具体的な実施例において、前記又は各静止部分は、少なくとも１つのコイル（磁気フラックスの磁気路を形成するコアがその中を貫通する）を有するものであって、前記磁気路は、コアの活性化壁の対の間の１つ又は複数の空間で中断され
前記又は各運動部分は、２つの平行面により決められる本体を有し、前記平行面の間には磁気的に極性化された領域が、２つの隣接する領域が反対極性を持つように、円周方向に配置され、延在し、前記運動部分は、前記運動部分の活性化された部分がコアの活性化壁に対して延長するように、コアの空間に配置される。

コアの活性化壁が前記運動部分の中心部分に対し延長し、前記活性化壁のエリアが前記運動部分の磁気的に極性化した領域のエリアより小さいと有利である。

特別な構成において、ダイアフラムの端部が運動部分の縁部のノッチに噛み合って構成される。変形例において、連結部品はダイアフラムの端部と運動部分の間に延在する。

ダイアフラムは円形又はチューブ状であり、電磁機械は、対になって直径の反対位置に配置され、反対方向に回転する、複数の運動部分を有する。

本発明の有利なアスペクトにおいては、運動部分はダイアフラムの交番的な慣性力を相殺するように配置されたアンバランスを提供する。

ダイアフラムが運動部分により駆動されるときに進行波の運動をダイアフラムに伝えるように、ダイアフラムが２つの堅いプレートお間に延在すると有利である。

本発明は図面と以下の説明を参照してより良く理解できる。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施例のポンプは変形可能な円形状ダイアフラム１を有している。この例ではこのダイアフラムはエラストマー(elastomer)から形成されており、図２の断面図に示されるように、２つの固定板２、３の間でその板に垂直方向に振動するように制限される。ダイアフラム１の振動は、同ダイアフラム１の周辺に設けられている入り口（inlets）を通って流体を吸い込むように動作することは公知である。流体は、図２の矢印に従って、ダイアフラムの振動により、１つのプレートの中央開口に向かって移動する。

この例では、ポンプは振動ダイアフラムタイプである。米国特許番号6 361 284で知られているように、複数プレートはダイアフラムから反射した波を消すような形状である。消えない波は中央開口から周辺に向かって伝播する。ダイアフラムは伝播波と共に振動し、ダイアフラムの振動エネルギーを機械エネルギーな形で流体に移転し、前記流体の中央開口部に向う運動をもたらす。

ダイアフラム１は電磁モータによりその面に垂直に振動するように制限されている。

前記電磁モータは、次のものを有している。
・静止部分、即ちコイル６とコア７（強磁性物質で、好ましくは薄層スタックで構成される）を有するステータ。前記コア７は複数ブランチ８から構成されており、１つのブランチがコイル６を貫通している。各ブランチは、面９で終端する２つの端部を有しており、隣接のブランチの端部の類似した面に平行して延長している。面９は、１対の、コア７の活性化壁(activated wall)９を形成し、壁の間にコア７の空間を定める。

・運動部分、即ち円形円筒形状のロータ１０。このロータは２つの平行面１３の間に延在する磁気的に極性化した領域（magnetically polarized regions）を有し、コア７の２つの活性化壁の間に存在する空間に配置される。留意すべきは、前記空間は所定の角度で規則的に配置され、ロータ１０は２つずつ直径上で対向している。図２から明らかなように、ロータ１０の円周部にはノッチ１２があり、このノッチはダイアフラム１の端部５と噛合っている。

コイル６に交流（ＡＣ）電力が供給されると、交番磁場(alternating magnetic field)が生成される。この磁場はコア７のブランチ８に移動し、ロータ１０を通過する。図３ないし７を参照して以下説明するように、これにより各軸１１（実質的にそれらの幾何学的軸と一致する）の周りに、ロータ１０は同期した交番回転運動（synchronous alternating rotary motion）を行う。

直径の反対位置に位置するロータ（rotors）１０は互に反対方向に回転し、ロータ１０のノッチ１２に噛合うダイアフラム１の端部５の部分は同時に（simultaneously）、同期して(synchronously )上下される(raised and lowed)。このように、ダイアフラム１の端部５はダイアフラム１の面に垂直方向に振動するように制限される。これによりその面に垂直な方向にそれを振動させる。

このようにダイアフラム１の振動は運動部分（ロータ１０）により生成される。前記運動部分は円形円筒形状で、回転運動のみを行う。よって、コヒーレントな音響波を生成する空気のパルス状変位（pulsed displacement）を引き起こすものではない。

更に、直径上で対向してロータ（rotors）１０の回転により、前記ロータの回転が生成した慣性力が対になって、自然に無効にする。これにより潜在的な振動源、即ちノイズ源が除かれる。

更に、ノッチ１２の存在により、ロータの重心がノッチと反対の方向に小さくズレる。ロータ１０が実質的に幾何学的な軸の周りを回転するのであるから、このズレはアンバランスを引き起こし、このアンバランスがダイアフラム１の振動により生成される慣性力（inertial force）をバランスさせる質量(mass)を形成する。この自然なバランシングはポンプの振動（即ちノイズ）を減少させるのに役立つ。

図３ないし７を参照して以下に、ポンプの電磁モータの動作原理を説明する。

図３は電磁モータの一部である。このモータはコア７の２つの活性化壁９の間の空間に設けられたロータ１０を有する。ロータの１０の平行面１３とコア７の活性化壁９との間には小さなエアギャップがある。

ロータ１０は金属で構成されている。ロータ１０には金属処理が行われ、４つの磁化されたセクタが与えられる（磁化方向は各ロータ１０の１つの面から他の面に向かっている）。図４から理解されることであるが、隣接する２つのセクタはＮ及びＳ（それぞれ北及び南）と呼ぶ反対極性であるように配置される。４つのセクタは磁気的に極性化された領域を形成し、ロータ１０を４つの、等しいエリアを持つ部分に分割する。前記セクタはロータ１０の幾何学的な軸１１を中心とする。

コイル６に電力が供給されていないとき、ロータ１０は図４に示される位置を取る。図において、北セクタＮ、南セクタＳは活性化壁９に対し同一のエリアを示す。このエリアを視覚的に更に明確に表すと、活性化壁に対し各セクタＮが表わすエリアを鎖線で表わし、活性化壁に対し各セクタＳが表わすエリアをドットで表わす。

この位置は安定した平衡位置であり、コア７の隣接ブランチ８におけるロータ１の磁化セクタが誘起する磁気フラックスの最大クロージャに対応する。ロータ１０がこの位置から回転するときには、磁気的戻り力（magnetic return force）はロータ１０に作用を及ぼし、前記平衡位置にそれを押し戻す。

前記戻り力はロータ１０のリニアな移動（特に垂直方向の移動）に対して作用を及ぼす。このため、ロータは自然と平衡位置に空中浮遊状態（leviation）で保持され、支持ピン又はスプリングを使用する必要はない。従って、モータを簡素化でき、静音動作をもたらす。

この安定性は第１に、コア７の活性化壁９の非円形状（non-circular shape）に基づく。第２に、前記活性化壁の大きさに基づく。各壁はロータ１０の面に対するエリアを有している。そのエリアは磁気的に極性化された領域の合計エリアより小さい。この安定性は活性化壁がロータの１０の面(faces)の中央領域に対して延びていることに基づく。

コア７のコイル１６が生成する磁気フラックスは平衡状態を変更し、幾何学的軸１１を中心にしてロータ１０を回転させる。その方向は、活性化壁９に対しセクタＮ又はＳのそれらにより提供されるエリアを増大させる方向である。その極性化はコイル６が生成する磁気フラックスと同一の方向に行われる。

コイル６により生成される磁場の影響の下でロータ１０は回転する。図５と６はロータ１０の回転位置を示す。図５において、ロータ１０は第１の方向に回転し、活性化壁９に対するセクタＳのエリアが増大する（セクタＮのエリアは減少する）ことが示されている。図６において、ロータ１０は第２の方向に回転し、活性化壁９に対するセクタＮのエリアが増大する（セクタＳのエリアは減少する）ことが示されている。

実際には、ロータ１０は軸中心に振動する。それはコイル６が生成する磁場の強さとポンプの運動部分の慣性との比に依存する。

図７はロータの変形例１０′である。このロータは棒磁石のセグメント１４が中に埋め込まれたレジンの円形円筒形状ブロック(circularly cylindrical block)から構成される。前記セグメント１４は円周方向に磁化方向が交番的になるように配置される。各セグメント１４は磁気的に極性化された領域を形成する。このタイプのロータの動作は図３ないし６に関して説明したものと同様である。図７に示される位置は平衡位置であり、活性化壁９に対しセグメントＮが提供するエリアは、活性化壁９に対しセグメントＳが提供するエリアと等しい。

図８及び９に示す本発明の第２実施例において、円形振動ダイアフラム１は、プレート２と３の間に制限されているが、その端部５はフレキシブル・メタル・ブレード２５により２つのロータに接続している。このメタルブレード２５はダイアフラムの端部５から延びて、ロータ２０の円周と接するものであり、ネジ又は接着剤等の手段でロータ２０に固定される。

ロータ２０は電磁気モータの部分を形成する。このモータはコイル１６と２つのブランチ１８（１つはコイル１６を貫通している）から構成されるコア１７を有する。ブランチ１８は活性化壁１９で終端し、ロータ２０はこれらブランチ間に配置されている。このモータの動作は図３ないし７に関して説明したものと全体的に同様である。

コイル１６に交流電力を供給しロータ２０を駆動する。ロータの交番回転運動により、同期的交番牽引/圧縮力をブレード２５に生じせしめる。これによりダイアフラム１の端部５はその面に垂直な方向に振動する。

ロータ２０は互に反対方向に回転し、ロータ２０の回転の慣性効果（inertial effects）は自然にキャンセルされる。

ダイアフラムの変位と振動が生成する慣性力に対向するために、ロータ２０にアンバランスな状態を提供することは可能である。本発明の特別の実施例において、磁気的に分極化された領域を重心からズレた軸の周囲に分布させ、各ロータの回転軸をその重心からズラすことは可能である。図８から分かるように、磁化されたセクションＮとＳは、正確に言えば対称ではなく、点Ｃ（ロータ２０の重心からズレたところにある）から延在している。図におけるこのズレは誇張して描かれている。

重心はロータ２０の回転中心からズレている。これにより、ダイアフラム１の慣性力（inertial forces）に対向するような非平衡状態が生成される。

別の変形した実施例において、図８のポンプは２ロータのモータを持たず、図１０で示されるような、各々が単一ロータを持つ２つのモータを有する。ロータ２０′の各々はコア１７′及びコイル１６′に関連する。コア１７′はそれぞれ対応するコイル１６′を貫通する単一ブランチにより構成されており、フォークの形状で延在し、端部において相互に向き合う活性化壁１９′を提供する。

コイル１６′は、ロータ２０′が互に同期して反対方向に回転するように電気的に接続される。

変形例において、上記単一ロータモータは図１１で示される種類の単一ロータモータで置換することができる。図１１の単一ロータモータはコイル２６とコア２７から構成される静止部分と協働するロータ３０を有している。当該コアは２つのブランチ２８（その内の１つはコイル２６を貫通している）を有している。各ブランチ２８は一般的にＵ字形で、その端部はコアの活性化壁２９となる。

図１２から分かるように、ロータ３０は２つの反対方向に磁化されたセクタ（Ｎ，Ｓという）を有している。図１２に示すように、平衡位置において、セクタＮがコア２７の活性化壁２９に対し提供するエリアは、セクタＳがコア２７の活性化壁２９に対し提供するエリアと等しい。

コイル２６に電力が供給されると、コア２７のブランチ２８はコイル２６が生成した磁気フラックスを搬送し、所定ブランチの２つの端部に反対極性を与える。こうして、ロータ３０は各端部に対し対応する極性を持つセクタを提供するように回転する。図１３と１４はコイル２６が生成する磁場の影響下で回転するときに、ロータ３０が取る角度位置を示す。

図１５に示される変形例では、ロータ３０′は円形円筒形状のレジンのブロックを有し、このブロックには６つの棒磁石セグメント３１が埋め込まれている。前記棒磁石セグメント３１は、隣りが反対極性になるように円環上に配置される。

ロータは、自然に図１５に示すような、コアに対するセグメントＳのエリアがコアに対するセグメントＮのエリアに等しくなるような平衡位置をとる。

本発明は、非平面のダイアフラムを有するポンプに適用可能である。例えば、図１６に示すチューブ状のダイアフラム４１である。ロータ４０はダイアフラム４１の端部４５の近くに、ノッチ５２で前記端部を受け入れるように配置される。図示しないが、ダイアフラム４１は引張り手段（tensioning means）で引張られる。ポンプは、ダイアフラムの内部に延在する（extend）内部プレート及びダイアフラムの回りに延在する外部プレートを有する。これらプレートは図示しない。

ロータ４０は対になって反対方向に回転するように構成される。ロータ４０の同期的交番回転運動（synchronized alternating rotary motion）はダイアフラム４１の端部４５の交番的な変形をもたらす。ダイアフラム４１に加わるテンションはそれを伝播媒体に変形し、端部４５の交番的変形により生成される波が前記端部からダイアフラム４１の自由端に向かって伝播することを可能にする。

図１７に示すように本発明は同様に長方形ダイアフラムを有するポンプに適用することができる。

ダイアフラム５１の複数端部の１つ５５はロータ６０のノッチに挿入される。ロータ６０はコイル５６を貫通するコア５８から構成される静止部分と協働するものである。ロータ６０の交番的回転運動はダイアフラム５１の端部５５に伝わち、ダイアフラムは振動する。このため、プレート５２と５３の間でダイアフラムは波打つ。図示しないが、ダイアフラム５１は引張り手段により引張られる。

本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、むしろ反対に特許請求の範囲に基づく発明の範囲の全ての変形をカバーする。

特に、磁気的に極性化されたコアにおける領域のフラックスを閉ざす（closing the flux of the regions）ことで、ロータが自然に平衡位置に戻るように説明したが、ピボットピン又はセンターリング・バネを介して機械的にコアに結合するロータを設けることが可能である。

運動部分が正確に円形であるロータとして説明したが、運動部分はどのような形状を取ることができる。この時、運動部分の交番的回転運動（音響波を引き起こす）が生成するパルス動作を最小にするように留意しなければならない。

図面は、電磁モータと組み合わされて、ポンプとして動作するダイアフラムを有する機械を表わしているが、本発明は、前記機械（ダイアフラムが流体の不自然な通過により振動する）の逆動作（inverse operation）をカバーすることは明らかである。ダイアフラムの振動がロータの交番的振動をもたらし、さらにロータの振動がコイルに交流を生成する。

運動部分が磁気的に極性化された領域（磁化されたセクタ又は磁化された棒磁石のセグメントにより構成される）を有すると上記に説明したが、各領域（磁気的に極性化された領域）は導線コイルで厳密に均等的に置換され得る。その軸は運動部分の面に対して垂直に延びて、コイルには直流がロータリコンタクト又はフレキシブルワイアを介して供給される。

静止部分の機能と運動部分の機能を逆にすることができることは明らかである。例えば、コアを永久磁石で置換し、交流が供給される運動部分にコイルを設けることができる。

第１の実施例における円形ダイアフラムポンプの原理を示すダイアグラムである。 図１のポンプのラインII−IIで切断した断面図である。 図１の電磁モータロータの１つを示す部分図である。 図３のロータが平衡位置にあることを表わす正面図である。 図４と類似の図で、第１の方向に回転しているロータを表わす。 図５と類似の図で、第２の方向に回転しているロータを表わす。 図４と類似の図で、本発明の変形例を表わす。 本発明の第２の実施例における円形のダイアフラムポンプの原理を示すダイアフラムである。 図８のポンプの下面図で、図８のポンプの電磁モータを表わす。 図９と類似の図で、図８のポンプのモータの変形例を表わす。 本発明の別の実施例における電磁モータの原理を示すダイアフラムである。 図11のロータが平衡位置にあることを表わす正面図である。 図12と類似の図で、第１の方向に回転しているロータを表わす。 図13と類似の図で、第２の方向に回転しているロータを表わす。 図12と類似の図で、ロータの変形例を表わす。 本発明のチューブ状ダイアフラムポンプの原理を示すダイアフラムである。ポンプのプレートの1つが省略されている。 本発明の方形状ダイアフラムポンプの原理を示すダイアフラムである。

Claims (9)

1. 変形可能なダイアフラム（１；４１；５１）を有する電磁機械であって、前記機械は、
   少なくとも１つの静止部分（６，７；１６，１７；１６′、１７′；２６，２７；２６′、２７′；５６，５７）であって、この静止部分は少なくとも１つの運動部分（１０；２０；２０′；３０；６０）と相互作用を行う磁気フラックスのチャネリングに適合したものであり、前記運動部分は、運動部分の交番的変位と静止部分の交番磁気フラックス変化が対応するように、前記運動部分は磁気的に極性化（Ｎ，Ｓ）された領域を有するものであって、
   前記運動部分は、運動部分の交番的変位はダイアフラム（１）の変形に対応するように、ダイアフラムの端部（５；４５；５５）に連結しており、
   前記機械は、静止部分と運動部分は運動部分に対し回転変位を与えるように構成されることを特徴とする機械。
2. 前記１つ又は複数の運動部分（１０；２０；２０′；３０；６０）は実質的に円形円筒形状であり、実質的に幾何学的軸の周りを回転するように制限されることを特徴とする請求項１に記載の機械。
3. 前記又は各静止部分は、少なくとも１つの、磁気フラックスの磁気路を形成するコア（７；１７；１７′；５７）が中を貫通するコイル（６；１６；１６′；５６）を有するものであって、
   前記磁気路は、コアの活性化壁（９；１９；１９′；５９）の対の間の１つ又は複数の空間で中断され
   前記又は各運動部分は、２つの平行面（１３）により決められる本体を有し、前記平行面の間には磁気的に極性化された領域（Ｎ，Ｓ）が２つの隣接する領域は反対極性を持つように円周方向に配置され、延在し、
   前記運動部分（１０；２０；２０′；３０；６０）は、前記運動部分の活性化された部分がコアの活性化壁に対して延長するようにコアの空間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の機械。
4. コア（７；１７；１７′；５７）の活性化壁（９；１９；１９′；５９）が前記運動部分（１０；２０；２０′；３０；６０）の中心部分に対し延長すること、及び前記活性化壁のエリアが前記運動部分の磁気的に極性化した領域のエリアより小さいことを特徴とする請求項３に記載の機械。
5. 前記ダイアフラムの端部（５；４５；５５）は前記運動部分の縁部のノッチ（１２）に噛合っていることを特徴とする請求項１に記載の機械。
6. 連結部品（１５）はダイアフラムの端部と運動部分（２０）の間に延在することを特徴とする請求項１に記載の機械。
7. ダイアフラム（１，４１）は円形又はチューブ状であり、電磁機械は、対になって直径の反対位置に配置され、反対方向に回転する、複数の運動部分（１０、４０）を有することを特徴とする請求項１に記載の機械。
8. 運動部分（２０）はダイアフラム（１）の交番的な慣性力を相殺するように配置されたアンバランスを提供することを特徴とする請求項１に記載の機械。
9. ダイアフラムが運動部分（１０）により駆動されるときに進行波の運動をダイアフラムに伝えるように、ダイアフラム（１）が２つの堅いプレート（２，３）の間に延在することを特徴とする請求項１に記載の機械。

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