JP5932772B2 - 電磁動作スイッチ装置およびその作動方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、電磁動作スイッチ装置およびこのような装置の作動方法に関し、特に、これらの装置の磁気構造の改善に関する。また、本発明は、密閉された高速流スイッチ装置を提供することを目的とする。

発明の背景
（本願出願人によって出願された）ＥＰ−Ａ−１３０３７１９には、図１に示された形態の電磁動作装置が記載されている。

リニア電機子１０は、２つの内側磁極片１２、１４の間に挟まれている。その２つの内側磁極片１２、１４自体が２つの永久磁石１６、１８の間に挟まれている。２つの外側部材２０、２２は、挟んでいる磁石の端部を超えて延在する。２つの外側部材２０、２２の遠端には、２つの内側へ対向する磁極２４、２６が設けられている。

２つの内部磁極片１２、１４は、永久磁石１６、１８を越えて延在しており、その超えた部分は、コイル３２を巻いているコイル成形体３０に囲まれている。２つの円筒形のインサート体３４、３６は、磁極２４、２６に嵌合され、そのインサート体の対向する内側端部は、オリフィス３８、４０を画定する。

コイル３２に流れる電流により、電機子は偏向されることができ、電機子に磁場を誘発することができる。コイル中の電流の流れの方向に応じて、電機子は、図１の実線で示すように磁極２６およびインサート体３６へ引付けられ、または図１の破線で示すように他方の磁極２４およびインサート体３４へ引付けられる。

図１に示された公知の構成では、装置の外形寸法の外部に相当な磁束が漏洩する領域４０、４２が存在する。また、これらの領域は、この図の面の上下方向においても装置の周囲から水平に広がっている。

これは、装置が流体に囲まれる場合に応用される際に、問題になる可能性がある。なぜなら、これらの領域に磁気破片が蓄積して流れを弱めるかまたは阻止さえする危険性があるかもしれないからである。さらに、磁束の漏洩は、隣接する他の装置の動作を妨げることがある。同様に、装置は外部磁界の影響を受けやすくなる可能性がある。

本発明が提供する電磁動作装置は、
２つの安定静止位置の間で変位する磁化可能な可動部を含む電機子と、
電機子の両側に配置された２つの磁極片とを備え、前記磁極片は、電機子に隣接する、異極性を有する磁極を形成し、電機子はその安定静止位置各々において対応の磁極片に磁気的に引付けられ、さらに、
通電されると、電機子の可動部を磁化するように配置されたコイルを備え、コイルに通電することにより、電機子の可動部が一方の安定静止位置から他方の安定静止位置に変位して隣接する磁極片と異なる磁極性に磁化され、
各磁極片は、電機子の可動部の両側に配置された永久磁石を含む。

したがって、容器は、コイル軸に対して径方向の磁束漏洩を制限し、装置内で生成された磁束を収容し、外部磁束から内部をシールドする。

永久磁石は、電機子の可動部と位置合わせされ、電機子の可動部の移動方向に沿って配置されている。永久磁石は、コイルの反対側の追加スペースを占有するのではなく、電機子の可動部の両側にある磁極片に組み込まれているために、このような構成は、上記公知の装置と比較して、よりコンパクトな配置を与える。

また、磁石の配置場所が磁石からの磁束の電機子に対する鎖交を向上させる。一方の永久磁石から他方への磁束線は、両磁石の間において実質的に直線状の経路に形成され、これらの経路に電機子の可動部が位置している。

各永久磁石は、電機子の対応する安定静止位置に隣接して配置してもよい。この構成では、永久磁石は、（コイルの軸に対して）コイルの電機子側に設けられているため、電機子により強い磁気保持力を与えられる。これは、永久磁石が電機子の移動方向から離れてかつ横方向において離間して配置されている上述の公知の構成とは異なっている。永久磁石の磁束は、外部部材２０、２２と内側に延在する磁極２４、２６とを介して延在する磁路に沿って電機子に鎖交する。本構成では、永久磁石の磁束がより効率的に電機子の可動部を含む領域に集中するように、永久磁石により発生された磁束の大部分は、電機子の可動部が位置するギャップを通して鎖交する。

本発明の装置は、コイルの軸に対して永久磁石とコイルとの周りで周方向に延在する磁束容器を備えてもよい。電機子の可動部が各安定静止位置に位置するときに、電機子と容器と磁極片とを含む磁気回路が形成される。

好ましくは、磁束容器は、コイルの軸に対して上記装置の一端または両端の上にも実質的に延在する。このような配置は、磁束漏洩が最小の、実質的に磁気的に密閉された装置を与える。容器のシールド効果は、上記装置の性能が外部磁界に影響されることを避けることにも役立つ。好ましい構成では、磁束漏洩を避けるために、上記装置の構成要素は、実質的に装置の内部を囲む磁束容器を与える。

好ましくは、コンパクトな構成を与えるために、磁束容器は、上記装置のハウジングを形成して構成要素をその中において支持する。結果として、上記装置の周りに追加のハウジングを必要とせずに、強くかつ十分に保護された機械的な構造が得られる。

電機子は、その可動部の、電機子の残りの部分に対する移動を促進するために、可撓性材料を含んでもよい。代わりに、電機子は剛性であって、上記装置の作動中に電機子の全体が移動または回動してもよい。好ましくは、電機子は、安定静止位置の間の場所に弾性的に付勢される。したがって、一方の静止位置から他方の静止位置への電機子の加速を支援することにより、一方の静止位置から他方の静止位置に電機子を移動させるのに必要な電気エネルギを減じる。これを達成するために、電機子は弾性材料を含んでもよい。

一部の実施形態において、可動部が弾性的に付勢される上記場所は、他方の磁極片よりも一方の磁極片に近くてもよい。したがって、非対称双安定動作が保証される。これは、他方の安定位置に比べて一方の安定位置により強い保持力を与え、一部の応用には有益であろう。

上記装置は、第１および第２流体ポートを画定し、電機子の可動部が各安定静止位置に位置するときに、対応するポートを閉塞してもよい。したがって、装置は、流体流量制御装置として動作するように構成することができる。

好ましくは、第１および第２流体ポートは各々、それぞれの磁極片により画定された流体経路に流体連通している。このように、ポートへの流体経路を画定することによって、装置をよりコンパクトな構成にする。

上記装置は、第３流体ポートを画定し、第１および第２流体ポートのうち一方の流体ポートが閉塞されるときに、第３流体ポートと第１および第２流体ポートのうち他方の流体ポートとの間の流体経路を画定してもよい。

電機子の可動部の少なくとも一部は、コイル内に延在してもよい。これにより、可動部の長さをそうでない場合よりも長くすることができる。よって、可動部の先端の移動範囲を大きくすることができる。電機子が一方のポートを閉じる安定静止位置にある時に、電機子は他方の開いているポートからより長い距離を隔てた場所にあるので、その結果、第１および第２ポートのそれぞれからより大きい流量が可能になる。

さらなる実施形態において、電機子の可動部は、フレキシブル連結によって装置内の支持体に回動可能に連結されている。電機子の可動部は、連結部に隣接する支持体の上で横方向に延在するように配置されている。これにより、電機子と支持体との間の磁束鎖交のための追加表面積を与える。磁気飽和を避けるために、このような広い磁気経路は一部の構成では望ましいであろう。

好ましくは、電機子は支持体の中に延在して、電機子自体が可動部と支持体により固定された固定部との間のフレキシブル連結を形成する。よって、たとえばヒンジを設ける場合と比較して、その構成はより簡単である。

支持体は、装置のコイルの磁気コアによって与えられてもよい。
添付の概略図を参照しながら、本発明の実施形態を例示として説明する。

公知の電磁動作装置の側面断面図である。 本発明に係る電磁動作装置の側面断面斜視図である。 電機子が安定静止位置のうち一方に位置している図２の作動装置の側面断面図である。 電機子が安定静止位置のうち他方に位置している図２の作動装置の側面断面図である。 エンドキャップを外した状態で図２に示された装置の断面斜視図である。 移動範囲における電機子の位置に対して、装置の電機子に加えられた磁力のグラフである。 移動範囲における電機子の位置に対して、装置の電機子に加えられた磁力とたわみ力との合力のグラフである。 本発明に係る装置の別の実施形態の斜視図である。 本発明のさらなる実施形態の側面断面図である。 本発明のさらなる実施形態の断面斜視図である。

図面の詳細な説明
注意すべきのは、図面は、概略的であり、一定の縮尺で描かれてない。また、図面の明瞭性および利便性のために、これらの図面の相対的寸法および比率は、大きさを拡大または縮小して示されている。変形例および異なる実施形態における、対応するまたは同様の特徴については、一般的に同一符号を付す。

本発明を具体化する電磁動作装置は、図２、図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示されている。装置は、容器本体５０とエンドキャップ５２によって形成された容器に収容されている。容器本体は、一端が開放されている中空円筒の形状に形成されている。中空円筒のの開放端は、エンドキャップ５２と係合し、他端は端部５３を有している。

容器本体は、高透磁率を有する材料で形成されている。容器本体は、強磁性体材料を含んでもよい。エンドキャップも高透磁率材料で形成してもよい。よって、容器本体とエンドキャップとの組み合わせで装置の内部を囲む磁束容器を形成する。あるいは、用途によっては、エンドキャップは、アルミニウムなどの非磁性材料から形成してもよい。

コイル５４は、容器本体に対して同軸になるように、容器本体の端部５３に設けられている。コイルコアは、コイルの巻線内の中央に設置されている。コアは２つのコア半分５６および５８に分割されている。コイルコアは、容器本体の端部５３を通して外に延在してもよく、その中に収容されてもよい。コアは、コイルの途中までて軸方向の内側へ延在する。

一対の磁極片６０および６２は、コイルとエンドキャップとの間に設けられ、容器本体の円筒壁から径方向の内側に延在して、対向しかつ離れている磁極片表面６４、６６を画定する。各磁極片６０、６２は、強磁性延長部６５および６７と、永久磁石６８および７０と、強磁性端部片６９および７１とを含む。各強磁性延長部は、容器本体５０とそれぞれの磁石との間に延在して各磁石を容器本体から離すことにより、外部への磁束漏洩を低減する。上記端部片は、それぞれの磁石によって支承され、磁極片表面を形成する。各永久磁石６８、７０のＮ極とＳ極は、容器の長手方向中心軸線７３に対して径方向に整列し、かつ、磁極片６０が磁極片表面６４にＳ極を形成し、磁極片６２が磁極片表面６６にＮ極を形成するように配向されている。

端部片６９、７１は、装置の使用中に機械的な摩耗から永久磁石６８、７０を保護するために設けられている。好ましくは、端部片６９、７１は、フェライト系クロム鋼（たとえば、ＳＳ４３０またはＸＰ１３）などの耐腐食性材料で形成される。

図２に示された非磁性のエンドキャップ５２は、磁石６８、７０に比較的近いので、装置の軸方向の長さは短くされている。キャップから磁石までの距離が磁極端部片６９、７１の間の空隙の幅よりも実質的に大きくなるようにキャップが磁石６８、７０からさらに引き離される場合、キャップは、高透磁率を有する材料を含み、容器本体５０と共に磁束容器の一部を形成してもよい。このように、磁石から磁気キャップを引き離すことは、エンドキャップを介した一方の磁石から他方の磁石への内部磁束漏洩を十分に減少する。さもなければ、電機子の可動部に作用する有効な磁束の量が少なくなる。

各磁極片は、その内部にそれぞれの流体経路７２ａ、７２ｂを画定する。流体経路７２ａ、７２ｂは、装置の外部から、容器本体の壁を貫通して磁極片表面６４、６６に画定された第１および第２ポート７４、７６まで延在している。各ポート７４、７６の周りの各磁極片表面６４、６６には、弾性的に圧縮可能なリングシール７８、８０が設けられている。

強磁性延長部６５、６７は、容器本体５０から径方向に沿って外側に延在して、容器の外部で流体経路７２a、７２ｂを画定する管状部を形成してもよい。

層状電機子８２は、装置の軸に沿って延びている。第１部分８２ａが所定の位置に固定され、コイルコア片５６、５８の間に挟まれている。第２電機子部８２ｂは、コイルコアから装置の内部に延在している。第２電機子部８２ｂは、コイル５４を通り過ぎて磁極片表面６４、６６の間まで延在する。第２電機子部８２ｂが移動の一端と他端との間で湾曲できるように、電機子は、弾力性を有しかつ磁化可能な材料から形成されている。上記移動の一端において、第２電機子部８２ｂは磁極片表面６４（および／またはシール７８）に接触し、その他端において、第２電機子部８２ｂは磁極片表面６６（および／またはシール８０）に接触する。永久磁石は、電機子の移動方向に沿って配置されている。好ましくは、永久磁石は電機子の近くに配置される。これらの特徴は、磁石と電機子との間の磁束鎖交を向上させる。

電機子はバネ鋼を含んでもよい。より高い耐食性を付与するために、フェライト系クロム鋼（たとえば、ＳＳ４３０またはＸＰ１３）を含んでもよい。

適切であれば、腐食を防止するために、端部片６９、７１と電機子８２との係合面以外の内部表面は、装置の内部に存在する流体と接触しないように、何らかの方法でコーティングまたは封止される。

例示されている実施形態において、磁極片表面は互いに平行な面にあり、電機子部８２ｂは、コイルコアからの距離の増加に従ってその厚さが減少するように、テーパ状に形成される。したがって、走行位置の各端部において、電機子部８２ｂは磁極片表面の面と実質的に平行な面でそれぞれの磁極片表面と係合して、それぞれのポートを封閉する（図３Ａおよび図３Ｂを参照）。代わりに、電機子部８２ｂの両面を平行にして、電機子部８２ｂの移動接触位置の各終点において電機子部８２ｂの外形を補完するように磁極片表面を角度付けまたは成形してもよい。

エンドキャップ５２は、エンドキャップチャネル８６と流体連通する第３流体ポート８４を画定する。エンドキャップチャネル８６は、第３流体ポート８４から装置の外部まで延在している。

容器本体５０は、コイル５４の周りに連続して周方向に延びており、また、周方向に磁石６８、７０を取り囲んでいる。容器本体の端部５３は、容器本体の円筒壁のうち一方の端から径方向内側に、コイル５４の外端面の上を通って延びて、コイルコア（５６、５８）の外端部と接触するかまたはその上を通って延びる。

動作に際して、装置は双安定である。その２つの安定静止位置は、図３および図３Ｂに示されている。図３Ａにおいて、電機子部８２ｂは、永久磁石６８によって磁極片６０に引付けられる。コイル５４に対する電流パルスの印加は、電機子の第２部８２ｂを磁化する。図３Ａの場合において、コイルに流れる電流の方向により電機子部８２ｂでＳ極を形成すると、電機子部８２ｂは永久磁石６８のＳ極によって反発され、磁石７０のＮ極に引付けられる。よって、図３Ｂに示すように、電機子部８２ｂは、磁極片面６４と係合している一方の安定静止位置から他方の安定静止位置に切換えられ、磁極片面６６と接触する。

磁気吸引力が電機子により生成された機械的なバネ力よりも小さくなると、電機子部８２ｂの弾性性質は、他方の磁極片に向かう迅速な電機子の移動動作を促進する。したがって、装置を切換えるためにコイルに入力する必要がる電気エネルギは少なくてもよい。１ミリ秒未満のパルス長さが十分であろう。

各安定静止位置において、閉磁路が、電機子と、コイルコアと、容器本体と、いずれか１つの磁極片とにより形成される。この閉磁路は、装置からの磁束漏洩を最小限に抑えるよう機能する。

（図１に示された公知構成と異なり）より長い第２電機子部８２ｂを収容するために、コイルコアは、コイルの途中までしか延びでいない。これにより、電機子の安定静止位置間での移動距離の範囲と、電機子が曲がるときに受ける応力の量との間のトレードオフを改善する。移動距離が長いほど、ポート７４、７６を経由する流量を高くすることができる。

図４から分かるように、容器本体の壁５０は、磁極片の間に延びる円筒状である。このような構成は、容器本体の壁と永久磁石６８、７０との間に大きな間隔を維持して、一方の磁石から他方の磁石への磁束鎖交を、装置の容器を用いて減少する役割を果たす。

当然のことながら、コイル５４へ適切な電流パルスを印加することによって、装置を作動させて、いくつかの方法で流体の流れを制御することができる。

たとえば、この装置を用いて、エンドキャップポート８４に接続されている高圧供給を選択的に第１ポート７４または第２ポート７６に切換えることができる。別の応用では、電機子によって第２ポート７６を閉じることにより、ポート７４に接続されている高圧供給をエンドキャップポート８４に接続することができる。電機子が切換えられ、第１ポート７４を閉じた後に、エンドキャップポート８４に接続された負荷は、その後、第２ポート７６に流体を排出することができる。さらなる動作モードでは、電機子が第２ポート７６を閉じている間に、エンドキャップポートに接続されている高圧供給を第１ポート７４に接続することができ、またはその逆に第１ポート７４に接続されている高圧供給をエンドキャップポートに接続することができる。

電機子の移動範囲に対して電機子に作用する力の図表は、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。

図５Ａは、電機子に作用する磁気力のみを示している。１.２ｍｍに位置する移動の中点の両側において、永久磁石６８、７０から加えられた合力により、電機子は磁極片の片方にバイアスされ、双安定特性を示している。図面から分かるように、１０Ａのパルスがいずれかの方向でコイルに印加されると（破線で示す）、電機子の移動範囲の任意の位置において、電機子に作用する合力が永久磁石によって加えられた力に十分勝るようになり、電機子をその２つの安定静止位置の一方に押し付ける。

図５Ｂにおいて、電機子の弾性に起因するたわみ力の影響が考慮されている。電流パルスを印加して電機子を一方の安定静止位置から他方の安定静止位置に切換えるときに、たわみ力は電機子に作用する合力の大きさを増加させることがわかる。

本発明の対応する実施形態に係る容器の構成は、別のハウジングを設ける必要なく、効果的に磁気的に装置を封止する目的に用いられる。また、容器は、その内部を空気圧／油圧的に密封するのに用いられる。

上記装置は、コンパクトな内蔵式の構成を有するため、「プラグイン」バルブとして使用することができ、スペース効率の良いマルチバルブとして機能する。

図６は、本発明による別の電磁動作スイッチ装置を示している。その構造および動作は、図２から図５Ｂとの関連で説明した実施形態と同様である。異なるのは、磁気容器に囲まれていない点である。空気圧または油圧的にも装置の内部を封止している。

図６の装置は、一端開放の構成を備えている。各永久磁石から後方のコイルコア５６、５８までの磁気帰還経路は、強磁性材料で形成されたＵ字型の支持体によって与えられる。図６に示す構成では、前記支持体は、鏡像構造を有する２つのＬ字型の支持体９０、９２により形成される。その代わりに、Ｕ字型の支持体は、たとえば一体的に作られてもよい。

磁極片６０、６２は、それぞれ支持体９０、９２のうち一方の脚部の端部に設けられている。各支持体の他方の脚部は、コイル５４および各コイルコア５６、５８の外端面の上に延在している。各支持体の断面は、良好な磁気帰還経路を提供するのに十分な大きさを有し、よって、装置の動作中に発生する磁束を飽和することなく実質的に収容する。

装置を別の流体的に密閉された容器内に挿入してもよい。よって、装置の内部と周囲の環境との間の正または負の圧力差に耐えられる双安定弁となる。

図７および図８に示す実施形態は、代替の電機子構成を含む以外は、図６のものと同様である。図６で分かるように、電機子の可動部８２ｂは、コイルコア５６、５８から離れて延在する時に一定の断面を有するが、その端部が、層状電機子の厚さが先端に向かって減少するようにテーパーされる。

一部の応用において、電機子とコイルコアとが接触する箇所で、電機子により与えられた磁束経路の断面が不十分であるために、磁気飽和は装置の動作中に発生する可能性がある。この問題は、図７および図８の実施形態により解決した。本実施形態において、電機子の可動部１０２ｂは、コイルコア５６、５８の端面に近接しながらこれらの端面の上で横方向に延在するように変更されていることがわかる。電機子の面に垂直な方向の寸法を大きくすることにより、電機子の可動部の厚さを、コイルコアの近くで増加する。したがって、電機子の可動部の横延長端の断面積は、電機子の固定部の断面積より著しく大きくなる。それにより、電機子とコイルコアとの間の磁束鎖交のための表面積が大きくなる。付加的な鎖交磁束が、狭いギャップ１０４を横切り、コイルコア５６、５８の端面と横方向に延在している電機子部分１０２ｂの対向する面との間に発生する。これにより、ギャップ１０４を通って延びる狭いネック部によって、電機子の可撓性を損なうことなく、磁束経路は広くなる。図に示すように、可動部１０２ｂは、ネック部の両側から等しい距離で延在している。電機子の厚さは、コイルコアから離れて遠ざかるにつれて先細りになり、それぞれの磁極片端面の平面と平行に係合するための対向面を形成する。

ギャップ１０４は、電機子に十分な可撓性を与えるのに十分広くなる一方、電機子からギャップを通してコイルコアに十分な磁束鎖交を与えるのに十分狭くなるように構成されている。

Claims (14)

1. 電磁動作装置であって、
   固定部と、２つの安定静止位置の間で変位する磁化可能な可動部とを含む電機子と、
   前記電機子の両側に配置された２つの磁極片とを備え、前記磁極片は、前記電機子に隣接する、異極性を有する磁極を形成し、前記電機子は前記安定静止位置各々において対応の前記磁極片に磁気的に引付けられ、各磁極片は永久磁石を含み、前記永久磁石は前記電機子の前記可動部の両側に配置され、さらに、
   通電されると、前記電機子の前記可動部を磁化するように配置されたコイルを備え、前記可動部を隣接する前記磁極片と異なる磁極性に磁化するように前記コイルに通電することにより、前記電機子の前記可動部が一方の前記安定静止位置から他方の前記安定静止位置に変位し、さらに、
   前記コイルの内部に延在する磁気コアを備え、前記電機子の前記固定部の支持体は、前記磁気コアによって与えられ、前記磁気コアは、前記電機子の前記可動部を収容するために、前記コイルの途中までしか延びていない、電磁動作装置。
2. 前記電機子は、前記可動部の移動を促進するために可撓性材料を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記可動部は、前記安定静止位置の間の場所に向かって弾性的に付勢される、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記場所は、他方の前記磁極片よりも一方の前記磁極片に近い、請求項３に記載の装置。
5. 前記コイルの軸に対して前記永久磁石及び前記コイルの周りで周方向に延在する磁束容器を備え、前記電機子の前記可動部が各安定静止位置に位置するとき、前記電機子と、前記磁束容器と、前記磁極片の１つとを含む磁気回路が形成される、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 各磁極片は、前記磁束容器と前記磁極片の前記永久磁石との間に延在して前記永久磁石を前記磁束容器から離す強磁性延長部を含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記装置は第１および第２流体ポートを画定し、前記電機子の前記可動部が各安定静止位置に位置するとき、対応するポートを閉塞する、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
8. 前記第１および第２流体ポートは各々、それぞれの前記磁極片により画定された流体経路に流体連通している、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置は、第３流体ポートを画定し、前記第１および第２流体ポートのうち一方の流体ポートが閉塞されるときに、前記第３流体ポートと前記第１および第２流体ポートのうち他方の流体ポートとの間に流体経路を画定する、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記電機子と前記２つの磁極と前記コイルとを含む容器をさらに備え、前記容器は容器本体とエンドキャップとによって形成され、前記第３流体ポートは前記エンドキャップによって画定される、請求項９に記載の装置。
11. 前記電機子の前記可動部の少なくとも一部は、前記コイル内に延在する、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記支持体に隣り合う前記電機子の前記可動部の横断面積は、前記電機子の前記固定部の横断面積よりも大きく、前記横断面積は前記電機子の長手方向に直交する断面積である、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記電機子の前記可動部は、フレキシブル連結によって前記支持体に回動可能に連結される、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記電機子は前記支持体の中に延在し、前記電機子自体が前記フレキシブル連結を形成する、請求項１３に記載の装置。