JP4739635B2 - 補償コイルを備えるリニアボイスコイルアクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願】
本願は、米国法（U.S.C.）35の§119(e)に基づき、2000年3月28日に出願された仮出願No.60/192,999の優先権を主張する。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、一般に、リニアアクチュエータに関し、特に、ボイスコイルアクチュエータの可動コイル（移動コイル）内の電流によって発生する磁束を補償することに関する。
【０００３】
【背景技術】
ボイスコイルアクチュエータはコイルに印加された電流に比例する力を与える電磁装置である。本願の譲受人に譲渡された米国特許番号5,677,963はそのようなボイスコイルアクチュエータに関する例であり、その特許の全内容は参照のためにここに組み入れられる。
【０００４】
リニアボイスコイルアクチュエータを異なる構成とすることで異なる形の「力−ストローク曲線」を与えることができる。しかしながら、可動コイルの電力レベルを増加させないで、これらの形を変えることができない。しかし、この手段は主磁場の所定の分布と電機子反作用による限られた結果だけを獲得する。
【０００５】
サーボ系では、あるストロークにおいて一定の力又は一定の速度を維持する必要があるかもしれない。米国特許第5,177,383号（発明の名称「ボイスコイルモータ」）は、そのような特性を獲得する試みで使用する一巻の長さを短くしたコイルを開示している。しかしながら、コイルの巻き長さが短くされるので、可動コイルが1つの位置から別の位置まで動くとき、コイルの電流を調整することができない。
【０００６】
【発明の開示】
本発明によれば、できるかぎり全ストロークにおいて一定の力を発生させるように空隙（エアギャップ）における磁束密度分布を変えるために1つ、または、２以上の別々の補償コイルが使われる。別々の補償コイルの電流は、別々の電源と位置フィードバックを使用して、ストロークに対して調整される。
【０００７】
【発明の実施形態】
本発明のこれら及び他の特徴は、さらに以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより容易に理解されるであろう。
【０００８】
図1を参照すると、本発明に従い、コア12の回りに補償コイル(例えば、10-A)を直接巻き上げることができ、磁石18と、アクチュエータのフィールドブランク22の内面20の間の空洞（例えば、空洞14,16）内に補償コイル(例えば、10-Bと10-C)を位置させることができる。補償コイル10-A、10-B、および10-Cを、図1で示すように、端部が閉じたアクチュエータ内で使用することができるし、図2で示すように端部が開いたアクチュエータ内で使用することもできる。
【０００９】
図1に示す端部の閉じている発明の実施の形態に見られるように、コア補償コイル10-Aが提供される。永久磁石18は、その縦軸がコア12の軸に対して実質的に平行となるようにコア12に対して置かれる。軟質磁性材料からなるフィールドブランク22は、コア12の端部間の永久磁石18の周りで磁気回路を形成するために使用される。
【００１０】
本発明に従ったボイスコイルアクチュエータは長方形や円柱形を含むさまざまな形を持つことができる。長方形の例が以下に説明されるが、他の形も本発明思想内で可能であることが理解される。図示は省略するが、当業者にとって明らかであるように、複数のブラケットその他のリンク機構を用いて、移動するコイルをアクチュエータのロードに連結することができる。これらのブラケットその他のリンク機構は、アクチュエータのフィールドブランク22に形成した縦軸方向のスロットの全長に渡って延伸することができる
図1の実施の形態において、永久磁石18は角胴形である。フィールドブランク22は両端の閉じた角胴形である。永久磁石18はフィールドブランクの内面上に置かれ、永久磁石18の長さは、フィールドブランク22の両端の内面20と永久磁石18との間に空洞14,16が形成されるように選択される。永久磁石18の内寸法とコア12の外寸法は、それらの間にギャップが形成されるように選択される。可動コイル24はこのギャップの中に位置されるように、そして、このギャップに沿って可動できるように構成される。図示を省略するが、従来の方法であるフィールドブランク22の外部へ延伸する連結手段を介して可動コイル24を制御することができることを当業者は理解できるであろう。
【００１１】
本発明の端部の閉じた実施の形態においては、補償コイル10-B又は10-Cを永久磁石18とフィールドブランク22の内面20の間に形成された空洞14, 16の一方又は両方に置くことができる。代わりに、コアの周りに巻かれるコア補償コイル10-Aを使うことができる。コア補償コイル10-Aはほぼコア12の全長に渡って延伸するように設けられる。
【００１２】
図1に示す構造はギャップ内の磁束密度分布を変えることを可能にする。順番に、これは磁束密度をストロークの関数として制御することを可能にする。したがって、補償コイルの起磁力(MMF)を制御することによって、例えば、ストロークを横切る一定の力を持つようなアクチュエータの特性、または他の必要な動作特性を制御することができる。
【００１３】
図2の実施の形態は図1のものと同様であるが、フィールドブランクの一端が開いている点で異なる。
【００１４】
静補償コイル10-A、10-B、および10-Cを可動コイル24に直列に接続して、それらのコイルの磁束を可動コイル24の電流によって引き起こされた磁束に反するように働かせて、電機子反作用と、合成インダクタンスを減少させ、アクチュエータのより速い応答を導くようにすることができる。この場合、新しい力−ストローク曲線は、一般に、全ストロークを通して増加した力の出力を表すであろう。
【００１５】
しかしながら、ストロークの大部分中において「よく管理された」力が必要とされるならば、図7に示すように複数の補償コイルを複数の別個の電源26に接続するべきである。補償電流値をストロークの関数としての有効に制御するために位置フィードバック装置28が使用される。そのような補償電流に関する例は、図3と図4に示す、与えられた一定値の力出力のための起磁力（単位はアンペア回数）−ストロークの関係を表す曲線によって与えられる。
【００１６】
図3は、補償コイル10-Bと10-Cに関する補償コイル起磁力（単位はアンペア回数）を一定の力688LB/M（ポンド／ｍ）でのストロークの関数として示すものである。したがって、例えば図3から、-0.92のストローク位置において、アクチュエータがそのストローク位置において688LB/Mの力を与えるように補償コイル10-Cの起磁力が1000アンペア回数になるように制御できることがわかる。補償コイル10-Cと10-Bに与えられる起磁力は、可動コイルの別の位置に関しても図3から同じように得ることができる。
【００１７】
図4はコア補償コイル10-Aのコア補償コイル起磁力（単位はアンペア回数）を684LB/Mの一定力でのストロークの関数として示すものである。例えば、図4から、0.37のストローク位置では、アクチュエータがそのストローク位置で684LB/Mの力を供給するようにコア補償コイル10-Aの起磁力を1500アンペア回数になるように制御できることがわかる。コア補償コイル10-Aに与えられる起磁力は、可動コイルの別の位置に関しても図4から同じように得ることができる。
【００１８】
図3と4の両曲線を比較することにより、磁石18と磁性構造の内壁20との間の空間14,16に位置する補償コイル10-Bと10Cは、ストロークの始めにおいて、より効果的である傾向があるが、一方、コア補償コイル10-Aは、それの左から右への運動を考慮すれば、ストロークの終わりに向かって一定力領域を広くするように思える。
【００１９】
2つの異なったタイプの補償コイルに対する力対ストローク（力−ストローク）特性を図5と図6に示す。図5は10-Bと10-Cなどの補償コイルを使用した力−ストローク特性を示し、図6は、10-Aなどのコア補償コイルを使用した力−ストローク特性を示す。図5と6において、菱形シンボルによって示す点を結ぶ曲線は、印加された0アンペア回数(A-T)と等しい状態を示すものである。四角形のシンボルの曲線は、供給された起磁力(IccNcc)が1200A-Tのものを表し、ｘ印のシンボルの曲線は供給された起磁力(IccNcc)が3600A-Tのものを表し、垂直線にｘ印を重ねたシンボルの曲線は供給された起磁力(IccNcc)が4800A-Tのものを表す。
【００２０】
増加する起磁力が補償コイル10-Bか10-Cに提供されるにつれ、ストロークの終端近くの力はストロークの残りの部分よりも比例して大きくなるように補償コイルによって増大されることが図5からわかる。逆に、図6から、アクチュエータで発生した力に対するコア補償コイル10-Aの効果は、補償コイル10-Cか10-Bの効果と比較して、ストロークの中心に向かってずれていることがわかる。
【００２１】
特殊用途によって、補償コイル10-Aと10-B、10Cの両方のタイプを多分利用することができる。
【００２２】
そのような補償コイルの利用によりアクチュエータへの入力電力を増加させることができることに留意すべきである。しかしながら、比較的大きなヒートシンクを持っていない可動コイルと対照的に、比較的大きいヒートシンクに取り付けられた固定コイルにおいてエネルギの散逸が増加する。さらに、可動コイルに発生した熱は変化しない。
【００２３】
補償コイルの構成を、単に例として、リニアボイスコイルアクチュエータに適用することを説明した。回転式ボイスコイルアクチュエータにも同じアプローチを使用することができる。
【００２４】
本明細書において使われている用語と表現は説明のためだけのものであり、それに制限する意図はなく、そして、そのような用語と表現は図示及び説明される特徴又はその一部に等しいものを除外することを意図するものではない。特許請求の範囲内において、様々な変更が可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の閉じたリニアボイスコイルアクチュエータの概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の端部が開いているリニアボイスコイルアクチュエータの概略断面図である。
【図３】本発明に従って、磁石の端部に位置された補償コイルの所定の力出力値に必要な起磁力（アンペア回数）−ストロークを示すグラフである。
【図４】本発明に従って、コアの周りに位置された補償コイルの所定の力出力値に必要な起磁力（アンペア回数）−ストロークを示すグラフである。
【図５】本発明に従って、２つの異なるタイプの補償コイルに関する力−ストローク特性を示すグラフである。
【図６】本発明に従って、２つの異なるタイプの補償コイルに関する力−ストローク特性を示すグラフである。
【図７】本発明に従って、補償コイルに対する補償電流値がストロークの機能として制御されるように、複数の別個の電源に補償コイルを接続した状態を示す概略機能ブロック線図である。

Claims (8)

1. コアと、
   縦軸を持つ永久磁石であって、該縦軸が前記コアの軸にほぼ平行になるように位置される永久磁石と、
   前記コア軸に沿って前記永久磁石と影響し合うように置かれる可動コイルと、
   前記可動コイルと影響し合うように置かれ前記可動コイルの位置の関数として制御される起磁力を有する第一補償コイルと、
   を含み、
   前記永久磁石は、前記コアと前記永久磁石の一端の間に空洞を形成するようにして配置され、かつ、前記空洞内に第二補償コイルが置かれる
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. ハウジングを形成するフィールドブランクと、
   コアと、
   縦軸を有する永久磁石であって、前記縦軸が前記コアの軸にほぼ平行になるように前記ハウジング内に置かれた永久磁石と、
   前記永久磁石と影響し合うように前記コア軸に沿って置かれた可動コイルと、
   前記可動コイルと影響し合うように、かつ、前記可動コイルの位置の関数として制御される起磁力を有する複数の補償コイルであって、コアの周りに置かれるコア補償コイルを含む複数の補償コイルと、
   前記永久磁石の一端と前記ハウジングの間に形成された空洞に置かれる第一補償コイルと、
   を含んでなるアクチュエータ
3. 前記永久磁石と前記コアの間で前記永久磁石の他端に第２空洞が形成され、第三補償コイルが前記第２空洞内に置かれた請求項１又は２のアクチュエータ。
4. 請求項1又は2のアクチュエータであって、前記可動コイルの位置に応答する位置センサと、前記位置センサに応答し補償コイル電力を供給するように接続された少なくとも１つの電源をさらに含むアクチュエータ。
5. 前記アクチュエータは端部が閉じている請求項1、2又は3のアクチュエータ。
6. 前記アクチュエータは端部が開いている請求項1又は2のアクチュエータ。
7. 前記アクチュエータは長方形断面を持つ請求項1又は2のアクチュエータ。
8. 前記アクチュエータは円柱形である請求項1又は2のアクチュエータ。

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