JP4516075B2 - 双安定磁気ラッチ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、磁気ラッチに関し、より詳細には、制限された回転を行う磁気ラッチに関する。

双安定ラッチが特に適する状況がある。たとえば、冷蔵庫の扉を開いたまたは閉じた状態に、あるいは展開可能な付属器を展開されたまたは格納された状態に把持するために使用することができる装置が必要とされる。本発明の双安定ラッチの別の用途は、光学素子の高速の切換えを行うことである。このような切換機構は、本発明の譲受人に譲渡された２００２年３月２０日出願のＤａｖｉｄ Ａ．Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇの米国特許第１０／１０３，５３４号によって提供される。たとえば光学検査用の器具および機器など様々なシステムおよび装置は、たとえば光フィルタリングを実施するために設けられることができる１つまたは複数の光学素子を備える。こうしたシステムのいくつかでは、１つまたは複数の光学素子を光路内または光路外へと同時に移動させることが望ましいことがある。好ましくは、この光学素子のスイッチ動作は比較的迅速に行われる。

従来は、迅速かつ同時の光学素子のスイッチングは、たとえば、光学素子を回転させて光路内に出し入れするように構成されたホイール機構を用いて実現されていた。１つの例示的なホイール機構の実施形態では、光学素子は、ホイールの外周上に配置される。様々な光学要素が光路内および光路外へと移動されるとき、モータまたはその他の駆動装置がホイールを回転させ、所望の光学素子が光路内にあるときに停止させる。

ホイール機構は一般に安全に動作するが、このような機構はまた、いくつかの欠点を有する。たとえば、こうしたホイール機構構成の多くは、ホイールの縁部にある素子への、ランダムではなく逐次のアクセスを提供する。その結果、ある要素を光路内に移動させ、別の光学素子を光路外に移動させるために使用される時間およびエネルギーの量が、望ましくないほど多くなり得る。これは、ホイール上で互いに反対側に配置された光学素子を、それぞれ光路内または光路外に移動させるのにホイールが使用される場合に、最も顕著になり得る。

いくつかの公知のホイール機構の別の欠点は、ホイールの動きが速いため、システム内に乱れが生じる可能性があることである。こうした障害によって、たとえば画像のぼけが生じる。これはたとえば、衛星応用例など、精密な光学システム制御を実施する応用例における重大な要因となり得る。ホイールが速く動くことによって生じることがあるこの障害を補償するために、いくつかのシステムでは、ホイールの運動後に長い鎮静期間を提供することができる。他のシステムでは、複雑な力補償機構、および／または分離機構を用いることができるが、これはシステムの複雑さを増し、場合によっては、同時にシステムの信頼性を低下させる可能性がある。さらにまた、いくつかのこうした複雑な機構はかなりの電力を消費する恐れがあり、それによりシステムの熱プロファイルに悪影響を与える可能性がある。

したがって、上述した欠点のうち１つまた複数を解決するスイッチ機構、すなわち、比較的速いスイッチ速度をもたらし、かつ／または電力損失が比較的少なく、かつ／またはシステムに大きな障害を生じないスイッチ機構が、必要とされている。本発明は、こうした必要の１つまたは複数を解決する。さらに、本発明のその他の所望の特徴および特質は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を、添付の図面ならびに上記の技術分野および背景技術と併せて読むことで明らかになるであろう。

上側固定子および下側固定子、ならびに上側固定子と下側固定子の間にあり、第１のラッチ位置と第２のラッチ位置の間で回転するようになされた回転子を備える双安定磁気ラッチが提供される。各ステータは、磁性材料の少なくとも２つの内側磁極および少なくとも２つの外側磁極を備える磁気式アセンブリであり、少なくとも１つの固定子はさらに、内側磁極および外側磁極に関連付けて配置されて電磁石を形成するコイルを備える。固定子は、上側固定子の外側磁極が下側固定子の内側磁極と整列し、上側固定子の内側磁極が下側固定子の外側磁極と整列するように配置される。回転子は、第１のラッチ位置で上側および下側固定子の磁極と位置合せされるように回転子に取り付けられた永久磁石を備える。

本発明は、以下で添付の図面の図と併せて説明される。同一の番号は、同様の要素を示す。

以下の詳細な説明は、単に例示的な性質のものであって、本発明またはその応用例、および本発明の使用を限定することは企図されていない。さらに、上記の技術分野、背景技術、簡単な概要、または以下の詳細な説明で明示または暗示されるいかなる理論に拘泥するものではない。

本発明の装置が、好ましい実施形態に関して説明されるが、その他の構成が使用されることもできることを理解されたい。説明される装置は、２つの固定子と、両固定子の間にある回転子とを備える。各固定子は、複数の磁極片（スパイダとも呼ばれる）を備え、偶数の磁極を備えるように設計される。磁極の数は、磁極間に必要とされる移動角度に従って選択される。この場合、好ましい実施形態では、８つの磁極および３０°の回転角度を利用する。より多くの磁極を用いると、（ラッチングモーメントが等しい場合）装置のサイズが低減されるが、固定子の移動可能距離も減少する。

本明細書において、本発明の装置は、旋回されるデバイスを２つの位置のうち一方でラッチするために利用される高速旋回機構に応用される。本装置は、従来の設計、たとえばホイールの設計または磁気ラッチのその他の設計などに勝る、いくつかの利点を有することが理解される。まず本発明のラッチは、回転子の回転軸の周りに、力ではなくモーメントを加える。本装置は内部では、合計が０になるいくつかの力を様々な方向に加えるが、それらが結合されて純モーメントを加えるようになる。装置内の固有の磁気通路は、詳細を以下で説明するとおり、外部動作コイルを有する２つの固定子が使用されるのを可能にする。コイルが外部にあるので、コイルをどこまで大きくできるかに関する制限がほとんどない。単に固定子の磁気通路を延ばしてより大きいコイルを取り付けることにより、そのパワーが低減し、装置をその２つの位置のうち一方からラッチ解除するために必要なパワーが低減することによって、装置の効率が向上する。２つの固定子は同一である必要はないが、以下ではそれらを同一のものとして説明する。たとえば、上記のとおり、本発明の好ましい実施形態に従って、２つの固定子に１つずつ関連付けられた２つのコイルについて述べる。ただし、固定子のうち１つのみに関連付けられた１つのコイルを備えるだけでも本発明の目的を達成することが可能である。

異なる図面ではラッチの異なる構成要素がより明瞭に示されているので、好ましい実施形態のこの詳細な説明のために、図１、図２、および図３を３つすべて用いて双安定ラッチの構造および動作が説明される。図１は、本発明による磁気式アセンブリの図面である。磁気式アセンブリ１２および１４はそれぞれ、外側磁極片または「スパイダ」１６と、内側磁極片または「スパイダ」１８と、環状コイル２０とを備える（図１および図２）。この場合も上述のように、本発明は、一方の固定子と関連付けられたコイルを１つだけ使用して実施されることもできる。

図２に示されるように、本発明の実際のラッチは、このような２つの磁気式アセンブリ、すなわち上側アセンブリ１２および下側アセンブリ１４を備える。上側磁気式アセンブリ１２と下側磁気式アセンブリ１４の間には、回転子アセンブリ２６（わかりやすくするために図２には示されないが図３には示される）があり、回転子２６は、交互に間隔をあけて並んだ上側磁極（Ｎ極）磁極片３２、下側磁極（Ｓ極）磁極片３４、上側磁極（Ｓ極）磁極片３６、および下側（Ｎ極）磁極片３８を備える、好ましくは永久磁石である複数の磁石３０を支持する。図３に示されるように、回転子アセンブリ２６はロータ軸４０に取り付けられる。ロータ軸４０は、回転子がその最終的なまたはラッチされた位置にあるときに回転子２６にねじりを加えることができる、たとえば、トーションバー、またはねじりばねによってバイアスされる軸などの軸を含めて、回転子２６に固定されるどのような軸でもよい。このロータ軸はねじりを加えられた軸でなくてもよいが、以下でより詳細に説明されるように、電磁石の反発作用によって、回転子の第１の位置から第２の位置への移動を開始させる。トーションロッドまたはねじりを加えられたロータ軸を使用することにより、第１のラッチ位置から第２のラッチ位置への切換えがより速くなる。

また、図３に示されるように、保持アーム４２は、固定子アセンブリが回転するとき光学フィルタまたはその他のデバイス４４が回転されて所望の位置に位置決めされ、または所望の位置から外されるように、回転子アセンブリ２６に取り付けられる。回転子アセンブリ２６はまた、運動中にアセンブリにもたらされる乱れを最小限に抑えるのを助けるための、釣合重り４６を備える。

図１および図２の固定子１６および１８は同一のものとして示されるが、上述したように、同一でなくてもよい。ただし固定子は、同様の磁気通路をもたなければならない。図示されたように、環状コイル２０は２つの鉄の磁極片１６、１８を有し、それによって周りを囲まれている。磁極片１６、１８は、偶数個の磁極（ここでは８つ）を備え、コイル２０に接合されて、固定子アセンブリを形成するように設計される。上記のとおり、磁極の数は、旋回可能な部材４２に必要とされる移動角度に合わせて選択することができる。磁極の数が多いほど、（ラッチングモーメントが等しい場合）サイズが低減されるが、移動距離も低減される。上側固定子２２および下側固定子２４がラッチのアセンブリ内で接合されるとき、一方の固定子上の内側磁極が他方の固定子上の外側磁極と整列するように、一方の固定子が磁極１つ分回転させられる。

磁気式固定子アセンブリはそれぞれ４対の磁極を備え、２つの固定子では８対の磁極を形成する。回転子２６は、アルミニウムなどの非磁性材料から機械加工されることができ、同数の、この場合は８対の磁極対、すなわちスパイダを有する。８個の磁石３０はもちろん、固定子と回転子が組み立てられるときに各磁石が一方の固定子の内側磁極および他方の固定子の外側磁極と整列するように、磁石３０と関連する２つの磁極をそれぞれ備える。磁石３０は、図２および図３で示されるように、上または下から見たときに極性がＮ極とＳ極の間で変化するように、互い違いの方向で回転子に取り付けられる。上述した鉄の磁極片３２、３４、３６、３８は、スパイダ１６、１８の鉄の磁極と対合して、個々の磁石３０の各端部に取り付けられる。

組み立てられると、回転子２６は、スパイダ２２および２４の磁極間のロータ軸４０上に支持されて自由に回転することができる。スパイダ１６、１８の磁極片は、ロータ２６の回転に対する回り止めとして働く。この例では磁極の幅は、３０°の自由回転を可能にするように設計されている。既に述べたが、固定子磁極の数によっても回転子２６の自由回転角度が決まる。

図４は、回転子がいずれかのラッチ位置にある場合にラッチの動作中に確立される磁気回路を示す概略図である。この概略図では、上側および下側磁極を２つずつしか示していないが、好ましい実施形態では８つずつであり、所望の回転角度などに応じて、偶数個のいくつの支柱部片も使用されることができることを理解されたい。この概略図はまた、わかりやすくするために部分的に分解されて示されているが、上側および下側磁気式アセンブリの磁極片が、回転子の回転を制限するための、回転子磁石の磁極片に対する回り止めとして働くことが理解されるべきである。

回転子２６、または、より具体的には磁石３０および磁極３２、３４、３６、３８が、磁気回路を完成する。この磁気回路は回転子の磁石３０から始まり、回転子磁極片３６を通って流れ、次いで外側磁極スパイダ１６Ｔから一方の（この例では上側磁気式アセンブリ２２の）コイル２０Ｔを通り、内側磁極１８Ｔを出て第２の磁石３０を（加算的な方向で）横切り、下側磁気式アセンブリの外側磁極１６Ｂを通り、下側磁気式アセンブリのコイル２０Ｂを横切り、内側磁極片１８Ｂを通り、次いでこのアセンブリの磁石３０を通って、回転子磁極片３８を出て開始地点の磁石３０へと戻る。上述のとおり、コイルのうち一方をなくすこともでき、その場合回路は、コイルを持たない固定子の磁極片によって完成される。好ましい実施形態では、上側および下側磁気式アセンブリそれぞれに４つの磁極（および８つの磁極片）があるので、磁気回路がそこを通って形成される４つの並列な通路があり、各通路は２つの上側磁極片と、２つの下側磁極片を利用する。回転子２６はもちろん、ロータ軸４０の周りで回転する。

磁気抵抗により、回転子２６の磁石３０は、その移動の終わりにそのつどそれぞれ固定子の上側または下側磁極に引き寄せられ、２つの位置で双安定の磁気式回り止めを形成する。ラッチは、コイル２０を介して電流パルスを、磁極片１６、１８、３２、３４、３６、および３８の鉄の内部の磁束に対向する方向に駆動することによって、解放される。電磁石によって発生される対向磁束は永久磁石の磁束に対抗し、これが十分に強い場合は、磁石に対する反発作用を有し、磁石をもう一方のラッチ位置へと駆動することができる。コイル２０はまた、反対側の回り止めからの解放のために、もう一方の方向に通電されることもできる。したがって、正のパルスは、ラッチを一方の状態へと切り換えさせ、それと反対のパルスは、ラッチをもう一方の状態へと切り換えさせ、この例のロータ軸のねじりは、この切替えを完了するためのさらなる運動量を提供する。この回路は、ロータ軸に適用されるねじりばね機構なしで使用することができるが、そのような構成では、ラッチング引力が必然的により大きくなるので、一般的に電力消費が増大する。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明による双安定ラッチの構成要素の、接触面の上面図をそれぞれ示すが、上側および下側固定子磁気式アセンブリ上にそれぞれ、２つの内側磁極および２つの外側磁極を備える。回転子が上側および下側磁極の回り止めの間にあるこれらの図は、回転子２６の様々な磁石の磁極と、上側および下側磁気式アセンブリのスパイダ１６および１８との間の相対位置を示す。図５Ａおよび図５Ｂに、上側および下側磁気式アセンブリの内側磁極１６および外側磁極１８が示され、同様に、磁石３０の磁極片３２、３４、３６および３８も示されている。もちろん、磁石３０は磁極片の下にあるのでこれらの図には見られない。回転子磁極３２が、たとえば内側磁極１８（図５Ａ）に向かって動くと、磁極１８は、回転子の回転を止める回り止めとして働くことが理解できる。上側および下側アセンブリそれぞれに４対の磁極があり、回転子に８対の磁極があるので、すべての磁極に対する接触が同時に行われ、したがって、４つの並列な磁束通路および２つの回り止めが形成される。

能動制御によるより精密な制御を可能にすることが望ましい場合は、磁束を感知するためにホール・センサ４４（図５Ａ）などの磁束センサが間隙に取り付けられることができる。磁束密度は出力トルクにほぼ比例するので、その場合このセンサは、回り止めのトルクを制御するために使用されることができる。受動的動作、すなわちコイルが通電されていないとき、このセンサはまた、装置の状態の示度を与える。２つの回り止め位置では、強力な正および負の磁束の示度を与え、ほぼ０の磁束示度は、回転子が回り止め同士の間にあることを示す。

以上の詳細な説明で少なくとも１つの例示的な実施形態が示されてきたが、かなり多くの変形形態が存在することを理解されるべきである。１つまたは複数の例示的な実施形態は例示に過ぎず、本発明の範囲、適用範囲、または構成のいかなる限定も企図されないことが理解されるべきである。そうではなく、以上の詳細な説明は、当分野の技術者に、１つまたは複数の例示的な実施形態を実施するための便宜的な手引きを与えるものである。添付の特許請求の範囲およびその法的等価物で定義される本発明の範囲から逸脱せずに、諸要素の機能および構成に様々な変更を加えることができることが理解されるべきである。

本発明で使用可能な磁気式アセンブリの一部分を示す図である。 ２つの図１の磁気式アセンブリを複数の磁石と共に示す図である。 本発明で使用可能な回転子アセンブリを光学フィルタ構成と共に示す図である。 双安定ラッチおよび磁気通路の全体を（わかりやすくするために）簡略化した分解図である。 図５Ａは、上側および下側磁気式固定子アセンブリ上に２つの内側磁極および２つの外側磁極をそれぞれ有する、双安定ラッチ構成要素の接触平面の上面図である。図５Ｂは、上側および下側磁気式固定子アセンブリ上に２つの内側磁極および２つの外側磁極をそれぞれ有する、双安定ラッチ構成要素の接触平面の上面図である。

Claims (3)

1. 上側固定子（１２）および下側固定子（１４）と、
   前記上側固定子（１２）と前記下側固定子（１４）の間に配置され、第１のラッチ位置と第２のラッチ位置の間で制限された回転を行うようになされた回転子（２６）と、
   を備える双安定磁気ラッチであって、
   前記上側固定子（１２）および前記下側固定子（１４）がそれぞれ、磁性材料の少なくとも２つの内側磁極（１６）および少なくとも２つの外側磁極（１８）を有する磁気式アセンブリを備え、少なくとも１つの固定子（１２、１４）が、内側磁極（１６）および外側磁極（１８）に結合されて電磁石を形成するコイル（２０）を備え、
   前記固定子（１２、１４）は、前記上側固定子（１２）の前記外側磁極（１８）が前記下側固定子（１４）の前記内側磁極（１６）と整列し、前記上側固定子（１２）の前記内側磁極（１６）が前記下側固定子（１４）の前記外側磁極（１８）と整列するように配置され、
   前記回転子（２６）が、それに取り付けられた少なくとも１つの第１の永久磁石（３０）および少なくとも１つの第２の永久磁石（３０）を備え、第１のラッチ位置で、第１の永久磁石（３０）が前記上側固定子（１２）の外側磁極（１８）および下側固定子（１４）の内側磁極（１６）と位置合せされるように配置され、第２の永久磁石（３０）が前記上側固定子（１２）の内側磁極（１６）および前記下側固定子（１４）の外側磁極（１８）と位置合せされるように配置され、
   それによって前記第１の永久磁石と、前記上側および下側固定子（１２、１４）の前記外側磁極（１８）と、前記第２の永久磁石（３０）とを含む磁気回路を形成し、したがって前記回路の磁束が第１のラッチ位置にある前記回転子（２６）をラッチする、双安定磁気ラッチ。
2. 前記コイル（２０）は、前記ラッチする磁束を打ち消すための磁束が前記磁気要素内で発生し、それによって前記回転子（２６）をその第１のラッチ位置から解放するような極性を有する電流で通電される、請求項１に記載の双安定磁気ラッチ。
3. 双安定磁気ラッチであって、
   少なくとも１つの第１の磁極片（１６）および第２の磁極片（１８）と、前記第１の磁極片および前記第２の磁極片に連結されて第１の電磁石を形成する第１のコイル（２０）とを備える第１の固定子（１２）と、
   少なくとも１つの第３の磁極片（１６）および第４の磁極片（１８）と、前記第３の磁極片および前記第４の磁極片に連結されて第２の電磁石を形成する第２のコイル（２０）とを備える第２の固定子（１４）と、
   前記第１の固定子と前記第２の固定子の間の回転子（２６）であって、前記回転子上に少なくとも１つの第１の永久磁石（３０）および第２の永久磁石（３０）を備え、かつ第１の永久磁石が、第１のラッチ位置で前記第１の磁極片および前記第３の磁極片に位置合せされて当接し、第２の永久磁石が、第１のラッチ位置で前記第２の磁極片および前記第４の磁極片と位置合せされるように間隔があけられ配置される、回転子（２６）とを備え、それによって第１の磁極片から第１の永久磁石を通り、前記第３の磁極片および前記第２の永久磁石を通って前記第１の磁極片までのラッチング磁束を形成する、双安定ラッチ。

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