JP6522762B2 - 電気機械式アクチュエータにおける、および、関連する、改良 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械式アクチュエータに関する。より具体的には、排他的ではないが、本発明は、複数の自由度で動作可能なアクチュエータに関する。本発明は、また、このようなアクチュエータを含む構造と、このようなアクチュエータを使用する構造における振動を少なくする方法とに関する。

電気機械式アクチュエータは、電流に応答して運動を生じさせるために、広範囲の多様な用途で使用される。

例えば、航空宇宙または海洋での応用など、アクチュエータが利用される多くの状況では、スペースが限られる。従って、よりコンパクトなアクチュエータを提供することが有利である。

一般に、所与のシナリオにおける特定のアクチュエータの有用性は、アクチュエータの力の密度、即ち、アクチュエータがその質量に比例して発生させることができる力の量によって決定される。従って、アクチュエータに増大された力の密度を与えることが有利である。

アクチュエータが使用される多くの用途は、１つより大きい自由度での運動の生成を必要とする。典型的には、複数の自由度の運動を生じさせるために、個々のアクチュエータがそれ自身のそれぞれの自由度での動きを提供して、複数の単一自由度のアクチュエータが使用される。このように設計されたアクチュエータシステムは、比較的かさばる。さらに、システムの複雑さ（機械的および制御の観点の両方で）は、また、製造コストを増加させ、および／または、信頼性を低下させる。

アクチュエータの１つの特定の用途は、構造体の振動を低減するため、アクチュエータがこの構造体に力を加えるために使用され得る能動的振動制御においてである。力は、プルーフマス（錘）を移動させることによって生成され得る。振動運動は、複数の自由度で生じ得、６つの自由度全てでの運動を含み得る。従って、このような振動の影響を低減するために、アクチュエータシステムに、複数の自由度の力を生成することを可能とさせることが望ましい。典型的には、これは、複数のアクチュエータ（上述のような）と複数のプルーフマスを必要とし、アクチュエータの各々がそのそれぞれのプルーフマスを動かしていた。このように設計された能動的な振動システムは、一般的にかさばり、比較的低い力の密度を有する。

本発明は、上述された課題を軽減することを訴求する。代替的に、または、付加的に、本発明は、改良されたアクチュエータ、特に、能動的な振動制御での使用のための改良されたアクチュエータを提供することを求める。

本発明は、第一の態様によれば、プルーフマスと、コイルを通して流れる電流がプルーフマスに作用する力を生成するように配置された少なくとも２つコイルとを備えるアクチュエータを提供し、プルーフマスは少なくとも２つの自由度での動きのために搭載され、ここで、それら少なくとも２つの自由度の１つは、並進の自由度である。コイルに通電することは、プルーフマスを、前記少なくとも２つの自由度の任意の組み合わせで動くようにさせ得る。従って、アクチュエータは、複数の自由度の運動を与え得る。１つより多くの自由度で動くことができる単一のプルーフマスを有することは、先行技術の設計よりもよりコンパクトであるアクチュエータの設計を容易にする。コイルを通して流れる電流によって生成されるプルーフマスの運動は、前記少なくとも２つのコイルのどれが通電されるか、コイルを通じる電流の流れの方向、および、プルーフマスに対するそれらの位置に依存することが理解される。

この中で使用される「自由度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）」は、三次元空間内の第１の位置から第２の位置へ物体の動きを記述するために使用され得る６つの独立したパラメータを言うことが理解される。従って、自由度は、３つの並進運動（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の１つ、または、３つの回転運動（ｐ、ｑ、ｒ、または、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚ）の１つであってよい。

上述されたように、プルーフマスは、少なくとも２つの自由度の１つが並進の自由度である、少なくとも２つの自由度での動きのために搭載される。それは、それらの少なくとも２つの自由度の他のものが、回転の自由度であることであってもよい。それは、それらの少なくとも２つの自由度の他のものが第２の並進の自由度であることであってもよい。

それは、プルーフマスが、コイルに対する運動のために搭載されることであってもよい。代替的に、各コイルは、プルーフマスとともに運動するために搭載されることであってもよい。例えば、各コイルは、プルーフマスに固定して接続されてもよい。それは、プルーフマスが、例えば、鋼などの強磁性材料から作られていることであってもよい。それは、プルーフマスが、例えば、４と５キログラム（ｋｇ）の間など、例えば、３と６キログラム（ｋｇ）の間など、２と１０キログラム（ｋｇ）の間の質量を有することであってもよい。それは、アクチュエータが、単一のプルーフマスを備えることであってもよい。

それは、アクチュエータが、少なくとも２つの磁石を含むことであってもよい。例えば、それは、アクチュエータが、少なくとも２つの電磁石を含むことであってもよい。それは、各電磁石が、強磁性コアの周りに巻かれた、少なくとも２つのコイルのうちの１つを備えることであってもよい。それは、各電磁石が、複数のコイルを備えることであってもよい。それは、アクチュエータが、例えば、４つの永久磁石などの少なくとも２つの永久磁石を含むことであってよい。それは、アクチュエータが、２つの永久磁石の磁極対として配置された少なくとも４つの永久磁石を含むことであってよい。

それは、アクチュエータが、プルーフマスの表面に対して接線方向および法線方向の磁力の独立した制御を提供するように構成された直交するコイルを含むことであってもよい。

それは、アクチュエータが全く永久磁石を含まないことであってもよい。その場合、アクチュエータは、プルーフマスを制御するためにリラクタンス（磁気抵抗）力に依存し得る。

それは、アクチュエータが少なくとも２つの永久磁石磁極対を含むことであってよく、各コイルは、プルーフマスに作用する力を生成するために、コイルを通じて流れる電流が磁極対の磁場と相互作用するように、対応する磁極対に関連付けられる。従って、プルーフマスに作用する力は、永久磁石の磁場の存在下でコイルを通じて流れる電流によって発生する力、例えばローレンツ力、であってもよい。コイルにおける電流と磁極対の磁場との相互作用によって生成される任意の推進力（ｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）が、コイルと磁極対との両方に作用することが理解される。力が磁場の存在下で流れる電流によって生成される場合、生成された力が、磁場の方向と電流の両方に直交することが理解される。例えば、磁極対が実質的に平坦である場合、生成される力は、磁極対の面に対して平行になる。

それは、磁極対が、例えば、プルーフマスに固定して接続されるなど、プルーフマスとともに動くために設けられることであってもよい。それは、磁極対がプルーフマスとともに動くために設けられ、プルーフマスがコイルに対して動くように設けられることであってもよい。従って、それは、磁極対を介してプルーフマスに作用する力を生成するために、コイルを通じて流れる電流が磁極対の磁場と相互作用するように、各コイルが、対応する磁極対に関連付けられることであってもよい。

それは、各コイルが、例えば、プルーフマスに固定して接続されるなど、プルーフマスとともに動くために設けられることであってよい。それは、各コイルがプルーフマスとともに動くために設けられ、プルーフマスが磁極対に対して動くために設けられることであってよい。従って、コイルを介してプルーフマスに作用する力を生成するために、コイルを通じて流れる電流が磁極対の磁場と相互作用するように、各コイルは対応する磁極対に関連付けられることであってよい。

いくつかの実施形態では、それは、各コイルが、電磁石の一部を形成することであってよい。従って、それは、アクチュエータが、少なくとも２つの電磁石を備えることであってよい。それは、電流がコイルを通じて流れるときに磁場が発生されるように、各コイルが、強磁性体コアの周囲に形成されていることであってもよい。それは、プルーフマスが強磁性材料を備えることであってよい。従って、プルーフマスに作用する力は、少なくとも２つのコイルの１つに少なくとも部分的によって形成される電磁石と、例えば、強磁性体のプルーフマスなどの強磁性体材料との間の磁気吸引力であってよい。それは、強磁性体のコアが、例えば、鋼製のロッドなどの強磁性体のロッドであることであってよい。それは、プルーフマスが、ロッドに対する動きのためにも設けられることであってよい。それは、プルーフマスが、電磁石の強磁性体のコアであり、アクチュエータが、強磁性体材料から作られた更なる物体を含むことであってもよい。それは、プルーフマスが、その表面に歯状構造を含むことであってもよい。その場合、プルーフマスは、スイッチトリラクタンスモータの一部を形成することができる。

それは、アクチュエータが、プルーフマスを制御するために、リラクタンスと永久磁石の力の両方を利用することであってよい。

アクチュエータが、２つのコイルと２つの対応する磁極対を含む場合、並進運動は、プルーフマスの相反対の両側で、２つのコイルに通電することによって生じさせられ得る。回転運動は、単一のコイルに通電することによって生じさせられ得る。追加的または代替的に、回転運動は、電流が相反対の方向に流れて、プルーフマスの相反対の両側で、２つのコイルに通電することによって生じさせられ得る。従って、２つのコイルのアクチュエータは、回転と並進の自由度の両方での運動を与え得る。２つより多いコイルを有するアクチュエータが、２つより多くの自由度での運動を与え得ることが理解される。例えば、３つ、４つ、５つ、または、６つのコイル（および、対応する磁極対）は、それぞれ、３つ、４つ、５つ、または、６つの自由度での運動を生成することができる。

それは、アクチュエータが、例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、または、それより多くのコイルなど、更なるコイルを含むことであってよい。それは、アクチュエータが、更なる磁極対を含むことであってよく、例えば、アクチュエータは、３つ、４つ、５つ、６つ、または、それより多くの磁極対を備え得る。それは、アクチュエータが、例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、または、それより多くの電磁石など、更なる電磁石を含むことであってよい。それは、コイルを通じて流れる電流が、プルーフマスに作用する力を誘起するように、各コイルが磁石に関連付けられることであってよい。例えば、磁極対の磁場の存在下でコイルを通じて流れる電流が、プルーフマスに作用する力を誘起するように、各コイルは、磁極対に関連付けられ得る。磁石に関連付けられたコイルは、その磁石に対向して位置付けられ得る。

それは、プルーフマスが、更なる自由度での動きのために設けられることであってもよく、例えば、プルーフマスは、３つ、４つ、５つ、または、６つの自由度での動きのために設けられ得る。

それは、アクチュエータが、６つの永久磁石の磁極ペアと６つのコイルを備えることであってもよく、プルーフマスに作用する力を生成する（例えば、コイルを介して、または、磁極対を介して）ために、コイルを通じて流れる電流が磁極対の磁場と相互作用するように、各コイルが磁極対に関連付けられ、プルーフマスが、６つの自由度での動きのために設けられる。従って、それは、アクチュエータが、６つの自由度の全てでのプルーフマスの動きを与えることができることであってよい。６つの自由度の全てにおいて単一のプルーフマスを可動にすることは、先行技術のアクチュエータ設計よりも、よりコンパクトであり、より高い力の密度を有し得るアクチュエータ設計を容易にし得る。

それは、コイルを通じて流れる電流が、プルーフマスに関して半径方向に作用する力を生じさせるように、各コイルが配置されていることがあってよい。例えば、コイルがプルーフマスの平坦面に関連付けられる場合、コイルは、コイルを通じて流れる電流がその平坦面に対して垂直な方向に作用する力を生じさせるように、コイルが配置され得る。

それは、コイルを通じて流れる電流が、プルーフマスの表面に関して接線方向に作用する力を生じさせるように、各コイルが配置されていることであってもよい。例えば、コイルがプルーフマスの平坦面に関連付けられる場合、コイルを通じて流れる電流が、その平坦面に平行な方向に作用する力を生じさせるように、コイルが配置され得る。

それは、少なくとも２つのコイルのうちの少なくとも１つが、プルーフマスの例えば平坦面などの第１の領域で、接線方向の力を生じさせるように配置され、少なくとも２つのコイルのうちの少なくとも１つが、プルーフマスの例えば同じ面などの同じ領域で半径方向の力を生じさせるように配置されることであってもよい。

従って、少なくとも２つのコイルが、プルーフマス上で、半径方向に、接線方向に、または、半径方向と接線方向との両方に作用する力を生じさせるように、それら少なくとも２つのコイルが配置され得る。

それは、各磁極対が、例えば、２つのＳｍＣｏ２６磁石などの２つの永久磁石を備えることであってよい。各永久磁石は、外側面を有していてもよい。それは、外側面が極性を持つことであってもよい。例えば、永久磁石は、外側のＮ極面、または、外側のＳ極面を有し得る。各磁極対が、外側のＮ極面をもった第１の磁石と、外側のＳ極面をもった第２の磁石とを備えることがあってもよい。それは、磁極対の第１と第２の磁石の外側の面が、同じ方向に面していることであってよい。各永久磁石は、外面の反対側に、内面を有し得る。それは、磁石がその内面を介してアクチュエータに取り付けられることであってもよい。

プルーフマスが、磁極対に対する動きのために設けられる場合には、それは、磁極対の各磁石の外側の面が、プルーフマスに向かって面することであってよい。各磁極対がプルーフマスに取り付けられる場合には、各磁石の外側の面が、プルーフマスから離れるように面することであってよい。このような場合には、それは、各磁石の内面がプルーフマスの方に向かって面することであってよい。

それは、各永久磁石の長さと幅が、その厚さよりも実質的に大きいことであってよい。それは、永久磁石の各々が、実質的に平坦であることであってよい。それは、各磁石の内面がプルーフマスに取付けられることであってよい。それは、各磁石が、接着剤を用いてプルーフマスに取付けられることであってよい。それは、各磁石が、プルーフマスの表面の一部の上を延びることであってもよい。それは、プルーフマスの表面領域の大部分が磁石によって覆われることであってもよい。それは、各磁極対が、プルーフマスの異なる面に位置付けられることであってもよい。それは、各磁極対が、プルーフマスの異なる面に向き合って配置されることであってもよい。それは、プルーフマスの少なくとも１つの面が、１つより多くの磁極対に関連付けられることであってもよい。それは、プルーフマスが、少なくとも２つの平坦な面を有することであってよい。それは、アクチュエータがコイルを有するのと同じ数の平坦な面を、プルーフマスが有することであってよい。それは、各コイルが、プルーフマスの平坦な面と関連付けられることであってよい。それは、プルーフマスが実質的に立方体状であることであってよい。有利なことに、立方体状のプルーフマスは、プルーフマスがニュートラルの位置にあるとき、コイルと、対応する磁極対および／またはプルーフマスとの間に一定幅の空隙を複雑な一致化なしに有する設計を容易することができる。例えば、立方体状のプルーフマスは、実質的に平坦な磁極対およびコイルとともに使用されることができる。プルーフマスは、例えば、面取りコーナーまたはエッジを有し、依然、実質的に立方体状であるとみなされ得ることが理解される。それは、コイルと対応する磁極対が、立方体状のプルーフマスの各面に関連付けられることであってよい。立方体状のプルーフマスを使用することは、アクチュエータの効率的な収納を容易にし、従って、アクチュエータの大きさを低減し得る。それは、磁極対が、立方体状のプルーフマスの各面上に位置でけられることであってよい。それは、コイルが、立方体状のプルーフマスの各々の面に向きあって配置されることであってよい。

それは、アクチュエータが、コイルの各々への電流の流れを制御するように構成される制御システムを含むことであってよい。それは、制御システムが、正弦波状に変化する電流を提供するように構成されることであってよい。それは、制御システムが、コイルへの電流の流れをオンおよびオフに切り替えるように、電流の流れを増加させるように、および／または、電流の流れの方向を変えるように構成されることであってもよい。それは、制御システムが、プルーフマスの位置を検出するように構成される、例えば、ホール効果などの１つまたは複数のセンサを含むことであってよい。それは、１つのまたは複数のセンサが、ホール効果センサであることであってもよい。それは、１つのまたは複数のセンサが、コイルおける起電力を測定することによってプルーフマスの位置を感知することであってもよい。それは、コイルの１つまたは複数がオープンターンを含み、１つのまたは複数のセンサが、磁束の変化を、従ってプルーフマスの位置を、オープンターンを介して測定することであってよい。それは、追加のコイルが、プルーフマスの位置の検出を可能にするために提供されることであってよい。それは、制御系がフィードバックループを含むことであってもよい。センサからのデータは、フィードバック系の一部として、コイルの各々への電流の流れを調整するために使用され得る。

それは、アクチュエータが枠を含むことであってよい。それは、プルーフマスが、枠に対する動きのために向けられることであってよい。それは、各コイルが、枠に対する動きのために設けられることであってよい。代替的に、各コイルは、枠に取り付けられてもよい。それは、各磁石、例えば、各磁極対が、枠に対する動きのために設けられてもよい。それは、各磁石、例えば、各磁極対が、枠に取り付けられることであってもよい。

それは、各コイルが、例えば、鋼構造などのコアの周りに形成されることであってよい。それは、各コイルが、コアの周りに巻かれた、例えば、銅線などの導電線を備えることであってよい。それは、コイルが、コイルの小径よりも実質的に大きい大径を持つことであってよい。即ち、それは、コイルが、長円形または楕円形であることであってもよい。それは、コイルが、対応する磁石の外側の面に平行な平面に伸びることであってよい。それは、各コアがスロットを含むことであってよい。各スロットは、対応する磁石の外側の面に平行に伸びてもよい。それは、各コイルの一部がスロット内に配置されるように、コアの周囲に各コイルが形成されることであってもよい。それは、各コアが一対の平行なスロットを含むことであってよい。それは、コイルの第１の部分が一対のスロットの一方に配置され、コイルの第２の部分が一対のスロットの他方に配置されることであってよい。それは、断面で見られた場合に、そのスロットまたは各スロット内に配置されたコイルの部分が正方形状に見えることであってよい。それは、コアが強磁性材料からできていることであってもよい。従って、アクチュエータが永久磁石を含む場合には、永久磁石がスロット構造に引き付けられることであってもよい。それは、アクチュエータが、前述の引き付けを補償するために配置され、構成されたサスペンションシステムを含むことであってもよい。

それは、アクチュエータが、中央位置にプルーフマスを戻すように付勢されたサスペンションシステムを含むことであってよい。中心位置は、プルーフマスがアクチュエータのコイルおよび／または磁石に対して等距離である位置として定義され得る。例えば、プルーフマスがコイルに対する動きのために設けられる場合、中心位置は、プルーフマスがコイルに対して等距離となる位置として定義され得る。それは、サスペンションが、中央位置に向かってプルーフマスにバイアスをかけるように配置された複数の永久磁石を含むことであってもよい。従って、プルーフマスは、磁気浮上式支持体を与えられる。それは、サスペンションが、中央位置に向かってプルーフマスにバイアスをかけるよう配置された、例えばコイルばねなどの複数の弾性部材を備えることであってよい。それは、各弾性部材がプルーフマスに接続されることであってよい。それは、各弾性部材が、プルーフマスと枠との間に伸びることであってよい。それは、各弾性部材が、プルーフマスの頂点の領域でプルーフマスに接続されることであってもよい。それは、サスペンションが、立方体状のプルーフマスの各頂点において１つが配置された、例えば、８つのコイルばねなどの８つの弾性部材を含むことであってよい。それは、サスペンションシステムの弾性部材のいくつかが、たとえば、重力の影響を補償するために、弾性部材の他のものに対して異なる長さ、および／または、剛性を有することであってよい。それは、例えば、歪みゲージやロードセルなどのサスペンションセンサが、サスペンションシステムの弾性部材に取り付けられることであってもよい。サスペンションセンサが、サスペンションシステムの各弾性部材に取り付けられることであってもよい。それは、各サスペンションセンサが、制御システムにフィードバックを与えることであってもよい。

それは、プルーフマスが、コイルによって規定された容量内に設けられることであってもよい。即ち、それは、コイルが、プルーフマスの外側の周りに設けられることであり得る。コイルによって規定された容量内にプルーフマスを配置することは、よりコンパクトなアクチュエータの設計、および／または、組み立て、および／または、保全することがより容易であるアクチュエータ設計に役立ち得る。それは、プルーフマスが、磁極対によって規定された容量内に設けられることであってもよい。それは、プルーフマスが、コイルによって規定された容量の外側に設けられることであってもよい。即ち、それは、例えば、プルーフマスにおいて形成された空洞の中など、プルーフマスによって規定された容量の中に配置されることであってもよい。従って、「インサイドアウト（裏返した）」構成が提供され得る。

磁石とコイルがプルーフマスの外側の周りに設けられる必要のないことが理解される。
例えば、中空のプルーフマスが、磁石とコイルを内包することであってよい。それは、磁極対が、例えば、プルーフマスにおいて形成された空洞内など、プルーフマスによって規定された容量内に設けられることであってよい。それは、プルーフマスが中空であることであってよい。

それは、アクチュエータが、各磁石と対応するコイルとの間に空隙を含むことであってよい。それは、空隙の幅が、例えば、７ミリメートル（ｍｍ）と１５ミリメートル（ｍｍ）との間、例えば、約１０ミリメートル（ｍｍ）、など、５ミリメートル（ｍｍ）と２０ミリメートル（ｍｍ）との間であることであってよい。

第２の態様によれば、第１の態様に従ったアクチュエータを含む構造が提供される。

それは、アクチュエータが、少なくとも部分的に、その構造によって形成されることであってよい。例えば、アクチュエータの構成要素は、その構造の機能的な部分を形成し得る。それは、その構造が、機器の一部分の筐体であることであってよい。それは、筐体がプルーフマスであることであってよい。それは、コイルと磁極対（存在するならば）が筐体の中に設けられることであってもよい。

それは、アクチュエータが、その構造体とは別個に形成されることであってもよい。例えば、アクチュエータが、その構造体に、例えば、ボルト締めされるなど、接続された別個のユニットであることであってよい。それは、アクチュエータの枠がその構造に接続されることであってもよい。それは、プルーフマスが、その構造に対する動きのために設けられることであってよい。

本発明の第３の態様に従って、プルーフマスと少なくとも２つのコイルを備えるアクチュエータを用いて、構造体において振動を少なくする方法が提供され、その方法は、第１の自由度でのプルーフマスの並進運動を生じさせるためにコイルの２つを通じる電流を通過させることと； 第２の自由度でプルーフマスの動きを生じさせるためにコイルの少なくとも１つを通じる電流を通過させることと； を備える。

それは、構造体における振動を少なくする方法が、能動的な振動制御の方法であることであってもよい。少なくすることは、特に、重要な周波数において、振動の大きさの減少として定義され得る。従って、振動を少なくすることは、例えば、「通常の（ｎｏｒｍａｌ）」または「有用な（ｕｓｅｆｕｌ）」周波数範囲などの所与の周波数範囲において被る振動の最大振幅を減少すること含み得る。

それは、少なくとも２つのコイルのうちの少なくとも１つを通じて電流を通過させることによって生じる力が、プルーフマスを第１の位置から第２の位置に動かすことであってよい。それは、第１の位置から第２の位置への動きが、プルーフマスの並進運動を備えることであってよい。それは、第１の位置から第２の位置への運動が、プルーフマスの回転を備えることであってよい。従って、それは、方法が、プルーフマスの回転運動を生じさせるためにコイルの少なくとも１つを通じる電流を通過させるステップを備えることであってよい。それは、第１の位置から第２の位置への動きが、プルーフマスの並進と回転の両方を備えることであってもよい。従って、方法が、プルーフマスの回転と並進を同時に生じさせるために、コイルを通じて電流を通過させるステップを備えることであってよい。

それは、プルーフマスが、振動を減らされるべき構造体の一部であることであってもよい。プルーフマスとして減衰されるべき構造を使用することは、アクチュエータを収容するために必要とされるスペースの量を減少させ得る。

それは、アクチュエータが、少なくとも２つの永久磁石の磁極対を備えることであってよく、各磁極対は、磁極対の磁場の存在下で、電流がコイルを通じて通過するときに力が生じさせられるように配置される。従って、プルーフマスの運動は、磁極対の磁場の存在下で、コイルを通じて電流を通過させることによって生じさせられ得る。それは、プルーフマスが、振動を少なくされるべき構造体から分離されることであってもよい。いくつかの状況では、それは、振動を少なくされるべき構造体から別にされたユニットとして形成されるアクチュエータを使用することが有利であり得る。例えば、振動を減らされるべき構造体からアクチュエータを分離することは、アクチュエータの改造を容易にする。

本発明の１つの態様に関連して説明された特徴は、本発明の他の態様に組み込まれることができることが理解される。例えば、本発明の方法は、本発明の装置について記載された特徴の任意のものを組み込むことができ、また、逆もあり得る。

本発明は、アクチュエータに関して上述されているが、この中に記載されるデバイスは、任意の構成において、発電機（ジェネレータ）として機能することができることが理解される。即ち、少なくとも２つのコイルは、プルーフマスの動きがコイルに電流を誘起するように配置され得る。従って、
少なくとも２つの自由度での動きのために設けられたプルーフマスであって、ここにおいて、少なくとも２つの自由度の１つは並進自由度である、プルーフマスと、
少なくとも２つのコイルと、
を備える発電機が提供され得、
コイルは、プルーフマスの運動が、少なくとも２つのコイルにおいて電流を誘起するように配置される。それは、発電機が、例えば、両者が上述されている、対または永久磁石、または、電磁石などの磁石を含むことであってよい。複数の自由度の発電機を提供することは、波の環境発電装置などの複数の自由度の動きを経験するシステムからのより効率的な電力発電を容易にすることができる。本発明による発電機は、アクチュエータを参照して上述された特徴を組み込むことができる。

本発明の実施形態が、以下の添付される概略図を参照して、例示としてでのみ、ここに記載される。

図１は、本発明の第１の実施形態に従ったアクチュエータの斜視図を示す。 図２は、本発明の第１の実施形態に従ったアクチュエータの断面図を示す。 図３（ａ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの前面での磁石の配向を示す。 図３（ｂ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの背面での磁石の配向を示す。 図３（ｃ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの左面での磁石の配向を示す。 図３（ｄ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの右面での磁石の配向を示す。 図３（ｅ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの頂面での磁石の配向を示す。 図３（ｆ）は、第１の実施形態に従ったアクチュエータのプルーフマスの底面での磁石の配向を示す。 図４は、本発明の第２の実施形態に従ったアクチュエータの概略の断面図を示す。 図５は、本発明の第３の実施形態に従ったアクチュエータの概略図を示す。

詳細な説明

図１は、本発明に従った第１の例示のアクチュエータ１の切り欠き斜視図を示す。この例では、アクチュエータ１は、約４．８キログラム（ｋｇ）の重さで、各側面に沿って約１６８ミリメートル（ｍｍ）の長さがある立方体状の支持枠６に対して、各頂点においてばね４によって取り付けられた鋼製キューブ２を備える。各ばね４は、３．５ニュートン・パー・ミリメートル（Ｎ／ｍｍ）の剛性を有する。重力の影響を補償するため、および、支持枠６の中央に鋼製キューブ２を位置付けるために、頂部バネは、底部バネよりも短い。アクチュエータの内部構造が見えることを可能にするために。支持枠６の前面部、頂部、右手側部は、図１に示されていない。６つの実質的に平坦な永久磁石の磁極対８の１つが、キューブ２の各面上の中央に配置され、その上を伸びる。各磁極対８は、２つの実質的に平坦なサマリウムコバルト（Ｓａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ）（ＳｍＣｏ２６）磁石を備え； 一方の平坦な磁石８ａは、そのＳ極が立方体状のマス２の表面から外側に向くように配向され、他方の平坦な磁石８ｂは、そのＮ極が立方体状のマス２の表面から外側に向くように配向される。従って、アクチュエータ１は、全部で１２個の磁石８ａ、８ｂを含む。６つの長円形コイル１０の１つが、薄板状にされた鋼製構造体１４を介して、プルーフマス２の各面に対向し、枠６に取り付けられる。各コイルの面と対応する平坦な磁石８ａ、８ｂの外側の面との間の間隙は、約１０ミリメートル（ｍｍ）である。各コイル１０は、鋼製の構造体１４の周りに１１０回巻かれた４糸の２４ＡＷＧ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｉｒｅ Ｇａｕｇｅ：米国ワイヤゲージ規格）銅線から形成される。各鋼製の構造１４は、各長円形のコイル１０の２つの長辺が位置付けられる平行スロット１２の対が含まれる。平坦な磁石８ａ、８ｂは、平面視したときに矩形であり、各磁石８ａ、８ｂの長辺は、対応する長円形コイル１０の２つの長辺に平行に位置する。アクチュエータの内部構造を見ることを可能にするために、正面、頂部、右手側のコイル１０と、スロット１２を含む構成の構造体とは、図１に示されない。制御ユニット（図示されず）が、各コイル１０への電流の流れを制御する。

使用に際し、電流がコイル１０のいずれか１つを通じて流れると、対応する磁極対８ａ、８ｂの磁場において移動する電荷の存在が、磁極対８に、そして、磁極対を介して鋼製のマス２に作用するローレンツ力を生じさせる。（鋼製のコアに磁石を引き付ける通常の力もある。これは、対向するコイルが対で作用するならば、相殺され得るが、また、または、代わりに、追加の力として利用することができる。）生じさせられる力は、磁石８の面に平行である。６つのコイル１０の各々を通じる電流の流れを制御することによって、鋼製のキューブ２は、６つの自由度のいずれか１方に動かされ得る。キューブ２が所与の方向に動くと、磁石の１つまたはそれより多くが、磁石８と鋼製の構造体１４の間の吸引力が甚だしくなるように、対向する鋼製のスロット１２により近くなるように動かされ得る。
ばね４がこの力に対抗すように作用し、電流がもはやコイル１０のいずれをも通じて流れないときに、キューブ２を中央位置に戻す。

従って、本実施形態に従ったアクチュエータは、６つの自由度でのプルーフマスの動きを与える。上記実施形態に従ったアクチュエータは、また、増加された力の密度をもたらす比較的コンパクトな設計を有する。

図２は、第１の実施形態のアクチュエータの断面を示す。図２の断面は、楕円形状コイル１０の２つの長手方向軸に垂直に延びる平面でとられる。

図３（ａ）から（ｆ）は、それぞれ、プルーフマスの前面、背面、左、右、左、頂部、および、底部の面を示す。各磁石は、図３で平面視されたときに、矩形であり、北（Ｎ）極面Ｎまたは南（Ｓ）極面Ｓのいずれかである実質的に平坦な外面を有する。図３（ａ）は、各磁石の長辺が、北極面Ｎが南極面Ｓの上に設けられて、前面に水平であることを示す。図３（ｂ）は、背面上で、磁石の長手方向の軸が、前面上と同様な配向にあるけれど、南極面Ｓが、北極面Ｎの上に設けられることを示す。左と右側の各磁石の長辺（図３（ｃ）と３（ｄ）参照）は垂直であるが、他方、頂面と底面の各磁石の長辺は、前から後ろに伸びる（図３（ｅ）と３（ｆ）参照）。この例では、全ての面の磁石は、異なる極性の外側の面を有する磁石が、キューブ上で互いに反対に設けられるように配置される（但し、これは、磁束が隣接する磁石に戻る場合に、必要ではない）。

図４は、本発明に従った第２の例示のアクチュエータ１０１の概略断面図を示し、図１に関して同様の要素を示すために同様な番号が使用される。この検討は、第１の実施形態に対して異なる第２の実施形態の当該要素に焦点をあてる。この例では、アクチュエータ１０１は、中空の鋼製のキューブ１０２を備える。６つの永久磁石１０８が、中空のキューブ１０２の内側の面１０２ａ上に設けられる。軽量の支持体１１６が、中空のキューブ１０２の空洞の中の中心部に設けられる。６つのコイル１１０が、軽量の支持体１１６上に設けられ、各コイル１１０は、対応する磁石１０８に対向して配置される。サスペンションシステム（図示されず）が、中空の鋼製のキューブ１０２の内側の面１０２ａと軽量の支持体１１６との間に伸び、軽量の支持体に、図４に示されたような中央位置に向けてバイアスをかける。

使用に際して、対応する磁極対１０８の磁場の存在下でコイル１１０を通じて流れる電流は、磁石１０８を介して、プルーフマスに送られる力を生じさせる。ある動作環境では、使用の間の損傷からコイルと磁石を保護するために、コイル１０８と磁石１１０をキューブの中に設けられるようにすることが有利であり得る。（その場合には、キューブは鋼製ではないが、磁石は、容易な磁束帰還経路を可能にするように、鋼製の裏材を必要とする。従って、例えば、右手側の磁石の断面を左から右に見ると、以下がある： 鋼製の層、磁石の層、そして、非磁性のキューブ、それらの薄板にされた鋼製のコアにおける空隙とコイル）。

図５は、本発明に従った第３の例示のアクチュエータの概略図を示す。ここでも、同様な番号は、同様な要素を示すために使用されている。この検討は、第１の実施形態に対して異なる第３の実施形態の当該要素に焦点を当てる。この例では、第１の例の鋼製のキューブ２は、機械の一部分２２０の部分の筐体２０２によって置き換えられている。機械２２０は、ばね２１８によって示されたサスペンションシステム上に設けられたばねである。磁極対２０８は、筐体２０２の外側の面に取り付けられる。各磁極対に対応して設けられるのは、コイル支持枠組み（図示されず）によって指示されたコイル２１０である。明瞭化のために、正面側のコイルは、図５において示されていない。

使用に際し、コイル２１０に流れる電流は、磁石２０８を介して筐体２０２上に力を生じさせ、それによって機械２２０の振動を制御するために使用され得る。プルーフマスとして、振動を減らされるべき機械２２０の筐体２０２を使用することは、アクチュエータ２０１のために必要とされる追加のスペースを減らし、構成要素の数を減らすことによって製造コストを減らすことをもなし得る。

本発明は、特定の実施形態を参照して記載され、示されるが、本発明は、この中で特別に示されてはいない多くの異なる変形例の役に立つことが、当技術に通常の技量を有する者により理解される。例示のためにのみ、ある可能な変形例が、ここで記載される。

アクチュエータが６つの自由度の全てにおける動きを与える必要のないことが理解される。例えば、特定の用途では、アクチュエータが、２つ、３つ、４つ、または、５つの自由度での動きを与えることが、より適切であり得る。

（図１に上記されるように）プルーフマスが、磁石に固定して接続され、コイルに対する動きのために設けられること、または、その逆が、理解される。

以上の記載では、完全体または要素が、既知、自明、または、予見可能な均等物であると述べられる場合、そのような均等物は、あたかも個々に記載されているかのごとく、この中に組み込まれる。全てのそのような均等物を包含するように解釈されるべきである、本発明の真の範囲を決定するために、特許請求の範囲に対する参照がなされるべきである。また、好ましい、有利である、利便性がある、等々にように記載される発明の完全体または特徴は任意であり、独立の請求項の範囲を制限しないことが、読み手によって理解される。更に、本発明のいくつかの実施形態における可能性のある利点のものであるが、そのような任意の完全体または特徴は、所望のものでないこともあり得、従って、他の実施例においては存在しなくてもよいことが理解されるべきである。
以下に、本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
プルーフマスと、少なくとも２つのコイルとを備えるアクチュエータであって、
前記コイルは、前記コイルを通じて流れる電流が前記プルーフマスに作用する力を生じさせるように配置され、
前記プルーフマスは、少なくとも２つの自由度での動きのために設けられ、ここにおいて、前記少なくとも２つの自由度の１つは、並進の自由度である、アクチュエータ。
［Ｃ２］
前記アクチュエータは、少なくとも２つの永久磁石の磁極対を備え、
各コイルは、前記磁極対の磁場の存在下でコイルを通じて流れる電流が、前記プルーフマスに作用する力を誘起させるように、対応する磁極対に関連付けられる、
［Ｃ１］に記載のアクチュエータ。
［Ｃ３］
前記アクチュエータは、６つの永久磁石と６つのコイルを備え、
各コイルは、前記磁極対の前記磁場の存在下で前記コイルを通じて流れる電流が前記プルーフマスに作用する力を誘起するように、磁石に関連付けられ、
前記プルーフマスは、６つの自由度での動きのために設けられる、
［Ｃ２］に記載のアクチュエータ。
［Ｃ４］
前記少なくとも２つのコイルは、前記コイルを通じて流れる電流が、半径方向に、接線方向に、または、半径方向と接線方向の両方に前記プルーフマスに作用する力を生じさせるように配置される、［Ｃ１］ないし［Ｃ３］のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
［Ｃ５］
前記プルーフマスはキューブ状であり、
磁極対とコイルが、前記キューブ状の各面に関連付けられることを特徴とする、［Ｃ３］または［Ｃ４］に記載のアクチュエータ。
［Ｃ６］
前記プルーフマスは、前記コイルによって規定される容量の中に配置される、［Ｃ１］ないし［Ｃ５］のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
［Ｃ７］
前記プルーフマスは、前記コイルによって規定される容量の外側に配置される、［Ｃ１］ないし［Ｃ５］のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
［Ｃ８］
前記アクチュエータは、前記プルーフマスを中央の配置に戻すようにバイアスされるサスペンションシステムを備える、［Ｃ１］ないし［Ｃ７］のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
［Ｃ９］
前記アクチュエータは、前記コイルへの電流の前記流れを制御するための制御システムを備える、［Ｃ１］ないし［Ｃ８］のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
［Ｃ１０］
前記制御システムは、前記アクチュエータの中の前記プルーフマスの位置を検出するように配置された１つまたはそれより多くのセンサを含む、［Ｃ９］に記載のアクチュエータ。
［Ｃ１１］
［Ｃ１］ないし［Ｃ１０］のいずれか一項記載のアクチュエータを備える構造体。
［Ｃ１２］
プルーフマスと、少なくとも２つのコイルを備えるアクチュエータを使用して、構造体における振動を減らす方法であって、
第１の自由度で前記プルーフマスの並進を生じさせるために、前記コイルの２つを通じて電流を通過させること、および、
第２の自由度で前記プルーフマスの動きを生じさせるために、前記コイルの少なくとも１つを通じて電流を通過させること、
のステップを備える方法。
［Ｃ１３］
前記アクチュエータは、少なくとも２つの永久磁石の磁極対を備え、
各極対は、電流が、前記磁極対の磁場の存在下で前記コイルを通じて通過するときに力が生じされるように配置される、
［Ｃ１２］に記載の方法。
［Ｃ１４］
前記プルーフマスは、振動を減らされるべき前記構造体の部分を形成する、［Ｃ１２］または［Ｃ１３］のいずれか一項に記載の方法。
［Ｃ１５］
少なくとも２つの自由度での動きのために設けられたプルーフマスであって、ここにおいて、前記少なくとも２つの自由度の１つは並進の自由度である、プルーフマスと、
少なくとも２つのコイルと、
を備える発電機であって、
前記プルーフマスの動きが、前記少なくとも２つのコイルにおいて電流を誘起するように、前記コイルが配置される、
発電機。

Claims (14)

1. ６つの面を有する実質的に立方体形状のプルーフマスと、実質的に平坦な形状の６つの永久磁石磁極対と、６つのコイルとを備えるアクチュエータであって、
   前記永久磁石磁極対の各々と前記コイルの各々との両方は、関連付けられた前記永久磁石磁極対の磁場の存在下で前記コイルの各々を通じて流れる電流が、前記プルーフマスの関連付けられた前記面に作用する力を生じさせるように、前記プルーフマスの前記面の各々に関連付けられ、
   前記プルーフマスは、６つの自由度での動きのために設けられ、
   ここにおいて、前記６つの自由度は、前記プルーフマスの３つの並進の自由度と３つの回転の自由度を含む、
   アクチュエータ。
2. 前記コイルの各々は、関連付けられた前記永久磁石磁極対の磁場の存在下で当該コイルを通じて流れる電流が、前記プルーフマスの関連付けられた前記面に対し、垂直な方向に、または、平行な方向な方向に、または、垂直と平行の両方の方向に作用する力を生じさせるように配置される、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記６つの永久磁石磁極対の各々は、反対の極性に配向された２つの磁石を組み合わせることによって形成され、
   前記２つの磁石は、実質的に平坦であり、平面視されたときに矩形の形状を有する、請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記６つのコイルの各々は長円形状を有し、
   前記２つの磁石は、前記２つの磁石の各々の長辺が、長円形状の前記コイルの長手方向の軸に平行に位置するように配置される、
   請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記コイルは、前記プルーフマスの外側の周りに設けられる、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 前記コイルは、前記プルーフマスによって規定される容量内に配置される、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 前記プルーフマスは、空洞を含み、
   前記６つの永久磁石磁極対と前記６つのコイルは、前記プルーフマスによって形成される前記空洞内に設けられる、
   請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記アクチュエータは、前記プルーフマスを中央の配置に戻すようにバイアスされるサスペンションシステムを備え、
   前記サスペンションシステムは、各々が前記プルーフマスの各頂点において前記プルーフマスに接続される弾性部材を含む、
   請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
9. 前記アクチュエータは、前記コイルへの電流の前記流れを制御するための制御システムを備える、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
10. 前記制御システムは、前記アクチュエータの中の前記プルーフマスの位置を検出するように配置された１つまたはそれより多くのセンサを含む、請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項記載のアクチュエータを備える構造体。
12. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のアクチュエータを使用して、構造体における振動を減らす方法であって、
    第１の自由度で前記プルーフマスの並進を生じさせるために、前記プルーフマスの相い対する側に設けられた、前記６つのコイルの２つを通じて電流を通過させること、および、
    第２の自由度で前記プルーフマスの回転の動きを生じさせるために、前記６つのコイルの少なくとも１つを通じて電流を通過させること、
    のステップを備える方法。
13. さらに、前記プルーフマスの前記回転の動きのために、前記プルーフマスについて、少なくとも１つの前記コイルの反対側に設けられた他のコイルを通して電流を通過させることのステップを備え、
    前記他のコイルを通して流れる前記電流は、少なくとも１つの前記コイルによって前記プルーフマスに対して生成される力と反対の方向に、前記プルーフマスに対して力を生成する、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記プルーフマスは、振動を減らされるべき前記構造体の部分を形成する、請求項１２または請求項１３に記載の方法。

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