JPH08510361A - 良好な電力／力比を有する、短ストローク単相電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも、Ｙ軸方向に可動な装置に固定された第１強磁性体部分（１０）と、弱磁性材で形成され少なくとも１つの電気コイル（１５）を含む第２固定ステータ部分（１、２、３）とを含む単相電磁アクチュエータに関し、前記アクチュエータは、横断方向に磁化された薄型磁石（１６）を含み、固定ステータ部分と可動強磁性体部分（１０）とによって両者の間に、可動装置（１０）の移動軸Ｙに対し垂直な面を中心として対称に配置され、永久磁石（１６）の中央を通過する、少なくとも２つの磁極間隙（１３、１４）が規定され、可動強磁性体部分（１０）の長さはほぼ永久磁石（１６）の長さに等しい。

Description

【発明の詳細な説明】 良好な電力／力比を有する、 短ストローク単相電磁アクチュエータ 本発明は単相電磁アクチュエータに関し、特に低振幅ストロークを必要とする 応用例用の単相電磁アクチュエータに関する。 先行技術では、Ｙ方向に可動である第１部分と、きわめて高い透磁性を有する 材質から成り少なくとも１つのコイルを含む、固定ステータという第２部分とを 含むアクチュエータが知られている。このようなアクチュエータはたとえば、本 出願人のフランス特許第２６４８６３３号にて開示されている。同実施例による アクチュエータは、横断方向に磁化した薄型磁石を含み、全ストロークに対し一 定の力をもたらし、静磁気力がないという特徴を呈する。 本発明の目的は、短ストローク向けに最適化されたアクチュエータと、１ワッ トあたりの力が大きいアクチュエータを提供することである。 この目的のため、本発明によるアクチュエータは、径方向に磁化され永久磁石 の中央を通過する可動装置の移動軸Ｙに垂直な面を中心として対称に配設された ２つの磁極間隙を規定する 固定ステータ部分と可動強磁性体部分とを有し、可動強磁性体部分の長さはほぼ 永久磁石の長さに等しい。固定磁石と強磁性体部分との間の径方向の磁極間隙は 、機械的に可能な限り小さくされる。 可動強磁性体部分が、磁石と固定ステータ部分との中間位置にあるときには、 電流が励磁コイルを流れないため、磁石による磁束は２つの磁極間隙間で同等に 分割される。 電流が励磁コイルを流れるとき、永久磁石の磁束に加えられるまたは同磁束か ら減じられる磁束が発生する。コイルにより生じる磁束の方向により、いずれか の磁極間隙中において磁束が閉じ、これにより、２つの磁束の加算したものが横 断する磁極間隙の方向に可動強磁性体部分が移動する。 この種のアクチュエータは、ストローク端で電流を発生することなく２つの一 定位置の各々において非常に大きな静磁気力を発生するという特異性を有する。 静磁気力と電流による力の比を減少させるため、好ましくは、Ｙ軸に対し４５° 程度磁極間隙を傾斜させるのがよい。 好ましい変形例によれば、固定ステータ部分は、弱磁性材で形成され、円錐形 表面をもっ同一の材質のフランジで両端が各 々閉じられている外側が円筒形の管から成る。コイルは外部円筒内に収納するこ とが好ましく、固定磁石はコイルの内径内に収納され、大同特殊鋼株式会社によ って提案されているような高エネルギー、径方向指向磁石内に設けられることが 好ましい。可動磁性部分は、固定ステータ部分の円錐形を補完する表面を各端部 にもつ弱磁性材で形成された管状部材から成る。 コイルは、固定ステータ部分内に設けられた円筒形空隙内に収納することが好 ましい。 変形例によれば、アクチュエータは、横断面を中心に対称に配設され固定ステ ータ部分内に設けられた円筒形空隙内に収納された、２つの環状コイルを含むこ とが好ましい。この実施態様により二方向単極制御アクチュエータを使用するこ とができ、コイルの銅の厚さを横断する方向ではなく磁石と外円筒形との間で磁 束が閉じるようにするため、２つのコイルの間に弱磁性材を挿入することができ る。 好ましい実施態様によれば、アクチュエータは、Ｙ軸方向を向き同構造の自然 静磁気力を相殺する復元力を可動装置の各端部に及ぼす２つのばねを含む。この 方法により、アクチュエータの全ストロークに対しほぼ一定の力を及ぼすことが できる。 特定の変形例によれば、アクチュエータは、第１可動強磁性体部分と同軸な第 ２可動強磁性体部分を含む。この実施態様により、２つの可動装置を反対方向に 配設することが可能である。 磁石は固定されていることが好ましく、特定の変形例によれば、径方向指向円 筒形磁石は、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル、または直径上に等 間隔で配置した一連の四角形の薄型磁石で置き換えることが好ましい。 本発明は、添付の図面を参照しつつ以下の説明を読むことにより、よりよく理 解されよう。 第１図は、本発明によるアクチュエータの２倍の縮尺の断面図である。 第２図は、一変形例の縦方向断面図である。 第３図は、上記変形例の横方向断面ＡＡを示す図である。 第４図は、第２変形例によるアクチュエータを示す図である。 第５図は、第３変形例によるアクチュエータを示す図である。 第６図は、第４変形例によるアクチュエータを示す図である。 第１図に非限定的例として図示するアクチュエータは、管状閉じ部材（３）に よって結合された２つの円筒形部材（１、２）から成る固定ステータ部分を含み 、３つの同軸部材は、弱磁性 材で形成される。 円筒形部材（１、２）は各々、環状の前面部分（４、５）と、円錐形表面（８ 、９）を有する下部（６、７）とを有する。閉じ部材（３）の長さは、記載の実 施例においては３７ｍｍであり、固定ステータ部分の外径は４５ｍｍである。 可動強磁性体部分（１０）は、２つの前端（１１、１２）において、固定ステ ータ部分の円錐形表面（８、９）とともに２つの環状磁極間隙（１３、１４）を 規定する円錐形表面を有する、弱磁性材で形成された管状部材から成る。 可動強磁性体部分の移動方向Ｙに沿って測定した磁極間隙の幅は１ｍｍである 。 アクチュエータは、銅線の巻線から成る環状コイル（１５）を含む。同コイル （１５）は、固定ステータ部分の円筒形空隙内に収納され、電流がコイルを流れ るとき、閉じ部材（３）と、第１磁極間隙（１３）と、可動ステータ部材（１０ ）と、第２磁極間隙（１４）とによって誘導される磁束を発生する。 永久磁石（１６）は、径方向に磁化された管状部材から成る。永久磁石は、電 気コイル（１５）が収納される空隙の気密性を確保する隔離部材（１７）上に接 着される。同隔離部材は、プ ラスチックで形成される。 可動強磁性体部分（１０）は、たとえば弁のニードル、または第４図に図示す る実施例においては超高周波接触板によって外部手段に結合するための管状可動 装置（１８）に固定されている。 可動装置（１８）は、可動装置（１８）の内部に設けられたそれぞれの肩（２ １、２２）に作用する２つのばね（１９、２０）によって、中央部の休止位置に 戻される。可動装置（１８）は、磁極間隙（１３、１４）内の空気の圧縮を防止 するための通気口（２３〜２６）を有する。 たとえば、６ワットの電力と中央対称面（２７）に対する±１ｍｍの移動の場 合、この実施例によるアクチュエータは、４０ニュートンの力を発生する。 第２図および第３図は、磁極間隙（４４〜４７）を規定する固定ステータ部分 の２つの前面部分（１、２）の間で軸方向に可動な、２つの管状同軸可動ステー タ部分（４０、４１）を使用する実施変形例の断面図である。 ボール（４８）は、管状永久磁石（１６）中に設けた溝内に配置される。同ボ ール（４８）は、可動ステータ部分（４０、 ４１）の位置決めおよび案内を行う。 環状コイル（１５）内を電流が流れることにより、２つの可動ステータ部分（ ４０、４１）が反対方向に移動する。 第４図は、可動装置が円筒形結合ロッド（５０）を駆動する図１に例示したア クチュエータの一般的特性を有するアクチュエータの変形例を示す図である。図 示の実施例においては、電流がないとき２つの安定位置となるストロークの各端 において静磁気力を利用するために、引張コイルばねが存在しない。 第５図は、永久磁石が、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル形薄型 磁石（５１、５２、５３）の組み合せから成る変形実施例を示す図である。 第６図に図示する実施例においては、永久磁石は等間隔に配置された６つの平 行六面体（５４〜５９）から成る。 本発明は前記において、非限定的例として説明した。当然のことながら、当業 者ならば本発明の範囲を逸脱せずに種々の変形例の実現が可能であろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年５月４日 【補正内容】 良好な電力／力比を有する、 短ストローク単相電磁アクチュエータ 本発明は単相電磁アクチュエータに関し、特に低振幅ストロークを必要とする 応用例の単相電磁アクチュエータに関する。 先行技術では、Ｙ方向に可動である第１部分と、きわめて高い透磁性を有する 材質から成り少なくとも１つのコイルを含む、固定ステータという第２部分とを 含むアクチュエータが知られている。このようなアクチュエータはたとえば、本 出願人のフランス特許第２６４８６３３号にて開示されている。同実施例による アクチュエータは、横断方向に磁化した薄型磁石を含み、全ストロークに対し一 定の力をもたらし、静磁気力がないという特徴を呈する。 先行技術ではまた、たとえば欧州特許EP157632号または米国特許US4779582号 に記載のアクチュエータも知られている。このアクチュエータは、厚壁永久磁石 を含む可動装置に対し拮抗的に作用する２つの電気コイルを含む。 先行技術によるこのような装置は、巻線内に注入される電流に対する力の分布 が一次関数的でなく、径方向の占有体積が大 きく、１ワットあたりの力効率が低いという欠点を有する。 本発明の目的は、短ストローク向けに最適化されたアクチュエータと、１ワッ トあたりの出力が大きいアクチュエータを提供することである。 この目的のため、本発明によるアクチュエータは、径方向に磁化され永久磁石 の中央を通過する可動装置の移動軸Ｙに垂直な面を中心として対称に配設された ２つの磁極間隙を規定する固定ステータ部分と可動強磁性体部分とを有し、可動 強磁性体部分の長さはほぼ永久磁石の長さに等しい。固定磁石と強磁性体部分と の間の径方向の磁極間隙は、機械的に可能な限り小さくされる。 可動強磁性体部分が、磁石と固定ステータ部分との中間位置にあるときには、 電流が励磁コイルを流れないため、磁石による磁束は２つの磁極間隙間で同等に 分割される。 電流が励磁コイルを流れるとき、永久磁石の磁束に加えられるまたは同磁束か ら減じられる磁束が発生する。コイルにより生じる磁束の方向により、いずれか の磁極間隙中において磁束が閉じ、これにより、２つの磁束の加算したものが横 断する磁極間隙の方向に可動強磁性体部分が移動する。 この種のアクチュエータは、ストローク端で電流を発生することなく２つの一 定位置の各々において非常に大きな静磁気力を発生するという特異性を有する。 静磁気力と電流による力の比を減少させるため、好ましくは、Ｙ軸に対し４５° 程度磁極間隙を傾斜させるのがよい。 好ましい変形例によれば、固定ステータ部分は、弱磁性材で形成され、円錐形 表面をもつ同一の材質のフランジで両端が各々閉じられている外側が円筒形の管 から成る。コイルは外部円筒内に収納することが好ましく、固定磁石はコイルの 内径内に収納され、大同特殊鋼株式会社によって提案されているような高エネル ギー、径方向指向磁石内に設けられることが好ましい。可動磁性部分は、固定ス テータ部分の円錐形を補完する表面を各端部にもつ弱磁性材で形成された管状部 材から成る。 コイルは、固定ステータ部分内に設けられた円筒形空隙内に収納することが好 ましい。 変形例によれば、アクチュエータは、横断面を中心に対称に配設され固定ステ ータ部分内に設けられた円筒形空隙内に収納された、２つの環状コイルを含むこ とが好ましい。この実施態様により二方向単極制御アクチュエータを使用するこ とができ、 コイルの銅の厚さを横断する方向ではなく磁石と外円筒形との間で磁束が閉じる ようにするため、２つのコイルの間に弱磁性材を挿入することができる。 好ましい実施態様によれば、アクチュエータは、Ｙ軸方向を向き同構造の自然 静磁気力を相殺する復元力を可動装置の各端部に及ぼす２つのばねを含む。この 方法により、アクチュエータの全ストロークに対しほぼ一定の力を及ぼすことが できる。 特定の変形例によれば、アクチュエータは、第１可動強磁性体部分と同軸な第 ２可動強磁性体部分を含む。この実施態様により、２つの可動装置を反対方向に 配設することが可能である。 磁石は固定されていることが好ましく、特定の変形例によれば、径方向指向円 筒形磁石は、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル、または直径上に等 間隔で配置された一連の四角形の薄型磁石で置き換えることが好ましい。 本発明は、添付の図面を参照しつつ以下の説明を読むことにより、よりよく理 解されよう。 第１図は、本発明によるアクチュエータの２倍の縮尺の断面図である。 第２図は、一変形例の縦方向断面図である。 第３図は、上記変形例の横方向断面ＡＡを示す図である。 第４図は、第２変形例によるアクチュエータを示す図である。 第５図は、第３変形例によるアクチュエータを示す図である。 第６図は、第４変形例によるアクチュエータを示す図である。 第１図に非限定的例として図示するアクチュエータは、管状閉じ部材（３）に よって結合された２つの円筒形部材（１、２）から成る固定ステータ部分を含み 、３つの同軸部材は、弱磁性材で形成される。 円筒形部材（１、２）は各々、環状の前面部分（４、５）と、円錐形表面（８ 、９）を有する下部（６、７）とを有する。閉じ部材（３）の長さは、記載の実 施例においては３７ｍｍであり、固定ステータ部分の外径は４５ｍｍである。 可動強磁性体部分（１０）は、２つの前端（１１、１２）において、固定ステ ータ部分の円錐形表面（８、９）とともに２つの環状磁極間隙（１３、１４）を 規定する円錐形表面を有する、弱磁性材で形成された管状部材から成る。 可動強磁性体部分の移動方向Ｙに沿って測定した磁極間隙の幅は１ｍｍである 。 アクチュエータは、銅線の巻線から成る環状コイル（１５） を含む。同コイル（１５）は、固定ステータ部分の円筒形空隙内に収納され、電 流がコイルを流れるとき、閉じ部材（３）と、第１磁極間隙（１３）と、可動ス テータ部材（１０）と、第２磁極間隙（１４）とによって誘導される磁束を発生 する。 永久磁石（１６）は、径方向に磁化された管状部材から成る。永久磁石は、電 気コイル（１５）が収納される空隙の気密性を確保する隔離部材（１７）上に接 着される。同隔離部材は、プラスチックで形成される。 可動強磁性体部分（１０）は、たとえば弁のニードル、または第４図に図示す る実施例においては超高周波接触板によって外部手段に結合するための管状可動 装置（１８）に固定されている。 可動装置（１８）は、可動装置（１８）の内部に設けられたそれぞれの肩（２ １、２２）に作用する２つのばね（１９、２０）によって、中央部の休止位置に 戻される。可動装置（１８）は、磁極間隙（１３、１４）内の空気の圧縮を防止 するための通気口（２３〜２６）を有する。 たとえば、６ワットの電力と中央対称面（２７）に対する±１ｍｍの移動の場 合、この実施例によるアクチュエータは、 ４０ニュートンの力を発生する。 第２図および第３図は、磁極間隙（４４〜４７）を規定する固定ステータ部分 の２つの前面部分（１、２）の間で軸方向に可動な、２つの管状同軸可動ステー タ部分（４０、４１）を使用する実施変形例の断面図である。 ボール（４８）は、管状永久磁石（１６）中に設けた溝内に配置される。同ボ ール（４８）は、可動ステータ部分（４０、４１）の位置決めおよび案内を行う 。 環状コイル（１５）内を電流が流れることにより、２つの可動ステータ部分（ ４０、４１）が反対方向に移動する。 第４図は、可動装置が円筒形結合ロッド（５０）を駆動する図１に例示したア クチュエータの一般的特性を有するアクチュエータの変形例を示す図である。図 示の実施例においては、電流がないとき２つの安定位置となるストロークの各端 において静磁気力を利用するために、引張コイルばねが存在しない。 第５図は、永久磁石が、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル形薄型 磁石（５１、５２、５３）の組み合せから成る変形実施例を示す図である。 第６図に図示する実施例においては、永久磁石は等間隔に配 置された６つの平行六面体（５４〜５９）から成る。 本発明は前記において、非限定的例として説明した。当然のことながら、当業 者ならば本発明の範囲を逸脱せずに種々の変形例の実現が可能であろう。 請求の範囲 １．少なくとも、Ｙ軸方向に可動な装置に固定された第１強磁性体部分（１０） と、弱磁性材で形成され少なくとも１つの電気コイル（１５）を含む第２固定ス テータ部分（１、２、３）とを含む単相電磁アクチュエータであって、前記アク チュエータが、横断方向に磁化された薄型磁石（１６）を含み、固定ステータ部 分と可動強磁性体部分（１０、４０、４１）とによって両者の間に、可動装置（ １０、４０、４１）の移動軸Ｙに対し垂直な面を中心として対称に配置され、永 久磁石（１６）の中央を通過する、少なくとも２つの磁極間隙（１３、１４）が 規定され、前記可動強磁性体部分（１０、４０、４１）の長さがほぼ前記永久磁 石（１６）の長さに等しく、前記永久磁石（１６）が、唯一前記電気コイル（１ ５）と同軸な薄型管状部材で形成されることを特徴とするアクチュエータ。 ２．前記磁極間隙（１３、１４）が、Ｙ軸に対し０から９０°、好ましくは４５ °程度の角度を形成することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の単相電磁ア クチュエータ。 ３．固定ステータ部分が、円錐形表面を有する中央部によって 延長される環状前面部を有する管状閉じ部材（３）によって結合された、弱磁性 材で形成された２つの円筒形部材から成ること、ならびに前記可動強磁性部分（ １０、４０、４１）が、前記固定ステータ部分の円錐形表面を補完する円錐表面 を前端に有する弱磁性材で形成された管状部材から成ること、ならびに前記磁石 （１６）が径方向に磁化された管状部材から成ることを特徴とする請求の範囲第 １項または第２項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ４．前記コイル（１５）が、前記固定ステータ部分内に設けられた円筒形空隙内 に収納されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の単相電磁アクチュエー タ。 ５．横断面を中心に対称に配設され、前記固定ステータ部分内に設けられた円筒 形空隙内に収納された２つの環状コイル（１５）を含むことを特徴とする請求の 範囲第３項または第４項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ６．Ｙ軸方向を向いた復元力を可動装置（１０）の各端部に及ぼす２つのばねを 含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の単相 電磁アクチュエータ。 ７．第１可動強磁性体部分（４０）と同軸であって、永久磁石 （１６）と隔離部材（１７）との間に位置する第２可動強磁性体部分（１０、４ １）を含み、前記電気コイル（１５）によって２つの可動ステータ部分の反対方 向への移動が引き起こされることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のい ずれか一項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ８．前記磁石（１６）が固定していることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ７項のいずれか一項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ９．前記磁石（１６）が、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル形磁石 （５１〜５３）から成ることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれ か一項に記載の単相電磁アクチュエータ。 １０．前記磁石（１６）が、直径上に等間隔で配置された一連の磁化扇形から成 ることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の単相電 磁アクチュエータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも、Ｙ軸方向に可動な装置に固定された第１強磁性体部分（１０） と、弱磁性材から形成され少なくとも１つの電気コイル（１５）を含む第２固定 ステータ部分（１、２、３）とを含む単相電磁アクチュエータであって、前記ア クチュエータが、横断方向に磁化された薄型磁石（１６）を含み、固定ステータ 部分と可動強磁性体部分（１０）とによって両者の間に、可動装置（１０）の移 動軸Ｙに対し垂直な面を中心として対称に配置され、永久磁石（１６）の中央を 通過する、少なくとも２つの磁極間隙（１３、１４）が規定され、前記可動強磁 性体部分（１０）の長さがほぼ前記永久磁石（１６）の長さに等しく、前記永久 磁石（１６）が、前記電気コイル（１５）と同軸な薄型管状部材で形成されるこ とを特徴とするアクチュエータ。 ２．前記磁極間隙（１３、１４）が、Ｙ軸に対し０から９０°、好ましくは４５ °程度の角度を形成することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の単相電磁ア クチュエータ。 ３．固定ステータ部分が、円錐形表面を有する中央部によって延長される環状前 面部を有する、弱磁性材で形成された２つの 円筒形部材から成ること、ならびに前記可動強磁性部分（１０）が、前記固定ス テータ部分の円錐形表面を補完する円錐表面を前端に有する。弱磁性材で形成さ れた管状部材から成ること、ならびに磁石（１６）が径方向に磁化された管状部 材から成ることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の単相電磁ア クチュエータ。 ４．前記コイル（１５）が、前記固定ステータ部分内に設けられた円筒形空隙内 に収納されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の単相電磁アクチュエー タ。 ５．横断面を中心に対称に配設され、固定ステータ部分内に設けられた円筒形空 隙内に収納された２つの環状コイル（１５）を含むことを特徴とする請求の範囲 第３項または第４項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ６．Ｙ軸方向を向いた復元力を可動装置（１０）の各端部に及ぼす２つのばねを 含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の単相 電磁アクチュエータ。 ７．第１可動強磁性体部分（１０）と同軸な第２可動強磁性体部分（１０、４０ ）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の 単相電磁アクチュエータ。 ８．前記磁石（１６）が固定していることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ７項のいずれか一項に記載の単相電磁アクチュエータ。 ９．前記磁石（１６）が、およそ１２０°の扇形を形成する３つのタイル形磁石 （５１〜５３）から成ることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれ か一項に記載の単相電磁アクチュエータ。 １０．前記磁石（１６）が、直径上に等間隔で配置された一連の磁化扇形から成 ることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の単相電 磁アクチュエータ。