JPH09502496A - 磁気アクチュエータを用いた膜ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 膜ポンプは磁気アクチュエータを備えている。永久磁石アセンブリ（１７）は膜ポンプのダイアフラム（１０）の外部面に固定されており、ダイアフラム（１０）から遠ざかる向きにおいて少なくとも１組の逆極性磁極面（２１，２２）を有している。電磁石アセンブリ（１８）は、永久磁石アセンブリ（１７）の磁極面に対向し且つ離間した位置に、少なくとも１組の逆向き極性極（１９，２０）を有している。交流電流で電磁石アセンブリ（１８）を駆動すると、永久磁石アセンブリ（１７）が交互に、反発されたり引き寄せられたりするので、これによりダイアフラム（１０）を往復運動させてポンブを作動する。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気アクチュエータを用いた膜ポンプ 本願発明は、磁気アクチュエータを用いた膜ポンプに関する。 膜ポンプに使用する磁気アクチュエータは周知であり、磁場と、１つ以上のコ イル又は巻線に流れる電流との相互作用により作動する。一般的に、磁気アクチ ュエータは、固定されたコア及びこのコアに組み合わされた巻線を備えた電磁石 を含んでおり、これが軟質強磁性材料からなる移動可能なアーマチュアに力を及 ぼす。アーマチュアはダイアフラムに連結される。また、ダイアフラムに連結さ れた移動可能なアクチュエータ部材に１つ以上の永久磁石が設けられ、この永久 磁石が電磁石の作用を受けるということも周知である。英国特許公開第２０９５ ７６６号には、単一の永久磁石を膜ポンプのダイアフラムに直接設けることが開 示されている。 一般に、これまでに知られている構成は、水族館の通気装置などの低出力の用 途を意図したものであって、すぐれた磁気的及び電気的効率を確保することはほ とんど考慮されていなかった。 本願発明に基づく膜ポンプは、ハウジングと、このハウジングに設けられ所定 の方向に往復運動可能なダイアフラムと、を具備しており、前記ハウジング及び 前記ダイアフラムはポンプ室を囲んでおり、前記ダイアフラムはこのポンプ室に 対する外部面及び内部面を有している。前記膜ポンプはさらに、前記ダイアフラ ムの前記外部面に固定され且つこのダイアフラムと共に運動可能であるように設 けられた永久磁石アセンブリを具備しており、この永久磁石アセンブリは少なく とも１組の逆極性の磁極を有しており、前記永久磁石アセンブリのすべての磁極 面は、互いに隣接し且つ前記ダイアフラムの外部面から離れる方向に向けられ、 前記ダイアフラムの前記所定の運動方向を横切る方向に延びている。さらに前記 膜ポンプは少なくとも１組の逆向き極性極を有する電磁石アセンブリを具備して おり、これら逆向き極性極は前記永久磁石アセンブリの前記少なくとも１組の逆 極性の磁極の磁極面に対向する位置に設けられ且つこの磁極面から前記所定の運 動方向に離間されている。 好ましくは、前記永久磁石アセンブリは、前記逆極性の磁極の各々に対応する 永久磁石を含んでおり、各永久磁石の一方の極は前記ダイアフラムから離れる方 向に向けられた前記磁極面の１つを構成しており、前記永久磁石の他方の極は前 記ダイアフラムに近くなるように向けられ、少なくとも１つの軟質の強磁性背面 部材が前記永久磁石の前記他方の極を連結している。このような背面鉄製部材を 設けた場合、永久磁石アセンブリ全体において有効である極は、ダイアフラムか ら離れる方向に向いている極だけである。 典型的には、各永久磁石は磁化可能材料からなる個別片として形成される。し かしながら、永久磁石を磁化可能材料からなる一体形成部材の部分を個別に磁化 して形成することも可能である。 背面鉄製部材は前記永久磁石と前記ダイアフラムとの間に固定してもよい。好 ましい構成において、前記運動方向における前記永久磁石アセンブリの厚さは、 前記運動の方向の横切り方向における各磁極面の寸法よりも小さい。 好ましい実施例において、前記永久磁石アセンブリは、前記運動方向に延びる 軸心周りに環状対称形状であり、内側の中央極と外側の環状極を具備する１組の 極を含んでおり、前記電磁石アセンブリは対応する環状対称形状である。 別の実施例において，前記永久磁石アセンブリは交互に極性の変わる一連の極 を含んでおり、前記電磁石アセンブリはこれに対応し交互に逆極性を有している 一連の極を含んでいる。好ましくは，前記一連の極は環状である。 好ましくは、前記電磁石アセンブリは中央コア要素を含んでおり、単一のコイ ルがこの中央コア要素に巻かれ、この中央コア要素の一方の端部に形成される星 型コア部材は半径方向に延びるアーム部を有しており、このアーム部が前記一連 の極のうちの一方の極性を有する前記極を構成しており、さらに折り曲げコア部 材が設けられて前記中央コア要素の他方の端部から前記コイルの周囲を延び、前 記星型コア部材のアーム部の間に位置しており、前記一連の極における他方の極 性を有する前記極を構成している。 本願発明の実施例を添付の図を参照しつつ、以下に説明する。 図１は，本願発明に基づくダイアフラムアクチュエータを組み込んだ膜ポンプ の概略を示す部分断面図である。 図２及び３は、図１の実施例における電磁石の極及び永久磁石の各々に対応す る配列を示す平面図である。 図４及び５はそれぞれ、電磁石の他の実施例の断面図及び平面図である。 図６及び７はそれぞれ、永久磁石アセンブリの他の実施例の断面図及び平面図 である。 図８は、永久磁石アセンブリのまた別の実施例の断面図である。 図１に示すように、膜ポンプはハウジング１１に柔軟なダイアフラム１０を備 えており、ダイアフラム１０はその面に垂直な方向に往復運動可能である。ダイ アフラム１０及びハウジング１１は，ポンブ室４０を取り囲んでいる。図１にお いて、ダイアフラム１０が上方に移動すると、吸気孔１２から一方向バルブ１３ を介してポンプ室４０に空気が吸引される。図１において、ダイアフラム１０が 下方のハウジング１１の背面壁１４の方向に移動すると、排気孔１５から一方向 バルブ１６を介してポンプ室４０から空気が押し出される。ダイアフラム１０は 磁気アクチュエータによって駆動されるが、この磁気アクチュエータは、ダイア フラム１０の外側表面に設けられた永久磁石アセンブリ１７と、電磁石アセンブ リ１８と、を有しており、この電磁石アセンブリは、図示はされていないが、構 造部材によってハウジング１１に対して静止しているように設けられている。 図に示すように、電磁石アセンブリ１８の有する極１９、２０は、対応する永 久磁石アセンブリ１７の極２１、２２に直接対向し且つこれから離れる位置に設 けられている。電磁石は、コイル巻線２６により駆動される。 図２及び３において、電磁石アセンブリ１８及び永久磁石アセンブリ１７の極 の配列が示されている。まず図３において示されるように、永久磁石アセンブリ １７は、円柱の周りに交互に配列された一連のＮ極及びＳ極を有している。図１ が示す永久磁石アセンブリの断面は、図３のＸ−Ｘ線方向に見た図である。この ことから、永久磁石アセンブリの極２１及び２２は共にＮ極であることが理解さ れる。 前記永久磁石アセンブリは、８個の個別板状永久磁石要素２３から形成されて おり、前記各要素は円環を構成する扇形で且つ対向する相対的に大きな面に逆極 性の磁極を有している。永久磁石要素２３は、交互に極性が変わるように配列さ れているので、そのため図３の対向磁極（図１における上面側の磁極）は、交互 に向きの変わる磁極が環状に並ぶことになる。 永久磁石要素２３とダイアフラム１０との間には、軟鉄からなる薄い環状要素 ２４（図１）が固定されており、永久磁石要素２３に対する背面鉄製部材を構成 している。この環状の背面鉄製部材２４の厚さは、環状配列方向における永久磁 石要素２３の中心間距離に依存する。したがって、前記環状配列を構成する永久 磁石要素２３が多くなるほど、環状の背面鉄製部材２４をより薄く形成できる。 明らかに、永久磁石アセンブリ全体の磁極のなかで有効なのは、図３の対向磁極 のみであるが、これは永久磁石要素２３の他方の極は軟質の背面鉄製部材２４に よって磁束の向きを曲げられているからである。 電磁石アセンブリ１８は、永久磁石要素２３の上向き対向極２１、２２に対応 し且つ交互に逆向きの極性を有する磁極を設けるように形成されている。図１の 電磁石アセンブリ１８の断面は、図２においてＹ−Ｙ線方向に見たものである。 電磁石アセンブリ１８は、コイル２６が周囲に巻かれた軟鉄製中央コア要素２５ を含んでいる。この中央コア要素２５の下方端部は（図１に示されるように）、 ４つのアーム部２７（図２）を構成する略星型の延長部材を備えている。これら アーム部２７は永久磁石要素２３のＳ極の上方の対向する位置にある。これとは 逆の、中央コア要素２５の上方端部（図１）には、曲げ加工された４つのコア部 材が設けられている。これらは中央コア要素２５から半径方向外側に延び、さら にコイル２６の外側を下方に延びたのち，コイル２６の下側を半径方向内側に延 びる部分を有しており、この部分が磁極１９及び２０を形成している（図１及び ２）。図２から分かるように、この曲げ加工されたコア要素は、電磁石の下方面 において前記星型コア部材のアーム部２７の間を延びている。コイル２６に電流 を流して電磁石を駆動すると、電磁石の磁極１９及び２０は、アーム部２７に形 成される磁極とは逆の極性をもつようになる。したがって、磁極１９、２０及び これらと等価な磁極２９は、交互に極性が変わる環状の磁極列を形成しており、 これらは永久磁石アセンブリにおける交互に逆極性を有する磁極に対応するよう に位置合わせされている。 コイル２６に交流電流を流すことにより電磁石アセンブリ２８を駆動すると、 永久磁石アセンブリ１７及びこれに連結されたダイアフラムは、電磁石アセンブ リに交互に引き寄せられたり反発されたりするので、これによりダイアフラムは 往復運動することになる。 図１及び２において説明したような上記の電磁石アセンブリ１８に対するコア 及び磁極の構造は、アクチュエータが主電源から直接に加電される場合に、特に 適している。この場合、コイル２６の巻分を十分な回数だけ巻いて必要とするイ ンピーダンスを得られるようにする必要があり、図に示した電磁石アセンブリ１ ８に対する構造は、要求される巻線を収容できるようにすればよい。 電磁石アセンブリ１８に対する別の構造が、図４及び５に示されている。ここ で、図４の断面は図５におけるＺ−Ｚ線の方向に見たものである。ここに図示す る電磁石は、円板状のヨーク（yoke）要素を含んだ軟鉄製コアを有しており、ヨ ーク要素は、その円周上に軸心方向に延びる８つの延長部３１を有している。各 延長部３１は、円環を構成する扇形形状に形成されている。各延長部３１は互い に離間配置され、その周囲に電磁石を駆動するための巻線を設けることが可能で あるように構成されている。隣接する延長部３１の巻線は、逆方向に巻かれてい るので、例えばこれらを直列に接続して、共通の電源から電流を供給すると、延 長部３１の半径方向に延びる面が、交互に極性の変わる環状に配置された磁極を 構成することになる。延長部３１により構成されているこのような磁極は、図２ においてすでに説明した磁極２７及び２９に対応している。電磁石のこれら磁極 は、ダイアフラムに連結された交互に極性の変わる永久磁石の極と正しく合わさ るように構成されている。 上述の２つの実施例においては、永久磁石アセンブリ及び電磁石アセンブリの それぞれが、合計８つの磁極を有していたが、磁極の数をより少なくすることも 可能である。特に、図６及び７が示す構成では、ただ１つの中央円形磁極と、逆 極性の外部環状磁極と、が設けられている。図６及び７は、このような構成を有 する永久磁石の構造を示している。この永久磁石アセンブリは、薄い円板状の中 央永久磁石要素３４を含んでいるが、これは軸方向に磁化され、前記円板の相対 的に大きな面が逆極性の磁極面となるように構成されている。この円板要素３４ を取り囲むようにしてさらに環状永久磁石要素３５が設けられており、これもま た軸方向に磁化されている。この２つの要素３４及び３５は、互いに逆の極性を 有するように円板状の軟鉄製背面部材３６に固定され、これがさらにダイアフラ ム３７に固定される。図７に示すように、環状の空間が中央永久磁石要素３４の 外周と環状永久磁石要素３５の内周との間に設けられている。 図６の永久磁石配列に対して用いられる電磁石は、中央コア要素を具備するも のであって、これに駆動コイル及び外殻要素が設けられており、後者は中央コア 要素２５の一端から延び、前記駆動コイルの外側を取り囲み、駆動コイルの他端 の位置で半径方向内側に向きを変えて、この駆動コイルの他端に向かって延びて いる。この電磁石の完成時の構造は、その断面としては図１に示すものと同様で あるが、平面図は図２のようにはならずに、図７に示す永久磁石アセンブリの平 面図と実質的に同様となる。 上述の各実施例においては、永久磁石要素とダイアフラムとの間に設けられた 軟鉄製背面部材又は要素は、永久磁石アセンブリの隣接する磁石要素の間に生じ る磁束を飽和することなくすべて収容するために、十分大きな断面を有すること が必要である。例えば図３の環状配列の場合において、永久磁石アセンブリの交 互に極性が変わる磁極の数を増やすことにより、前記背面部材を介し、隣接する 磁極を連結している磁束の総量を減らすことができる一方で、永久磁石アセンブ リの上方磁極面から出る磁束の総量を変えないでおくことが可能である。その結 果として、背面部材の厚さを減じることが可能となり、これに対応して、ダイア フラムを含む往復運動にかかわる質量を減少させることが可能となる。図８は、 永久磁石アセンブリのさらに別の実施例を示しており、この場合は軟鉄製背面部 材を全く使用しないでおくことが可能である。図８において、永久磁石アセンブ リは、ダイアフラム４４に固定され且つ自己遮蔽型磁石として形成された、等方 性の磁石材料からなる単一片円板４１から構成されており、この円板４１の同じ 外側面において、中央の極４２がある極性を有し、その外側の環状磁極４３がこ れとは逆の極性を有するように磁化されている。 上述の磁気アクチュエータの各実施例は、非常に少ない数の部品から構成でき るので、極めて低いコストで製造することが可能である。さらに、可動部分はダ イアフラム自身とこれに設けられる永久磁石アセンブリとで構成された複合部分 のみである。よって、永久磁石アセンブリを備えた膜ポンプ全体を、ダイアフラ ムの面に垂直な方向に小型に形成することも可能である。したがって、少なくと も１つの寸法方向において相対的に薄いこのような構成を利用して膜ポンプを形 成すれば、ポンプ全体を膨張作用を受ける空気圧装置の壁などに埋め込むことが 可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラーク、リチャード エドワード イギリス、エス１ ３ジェイディ シェフ ィールド、マッピン ストリート （番地 なし） ユニバーシティー オブ シェフ ィールド、ディパートメント オブ エレ クトリカル アンド エレクトロニック エンジニアリング (72)発明者 ユニバーシティー オブ シェフィール ド、ディパートメント オブ エレクトリ カル アンド エレクトロニック エンジ ニアリング イギリス、エス１ ３ジェイディ シェフ ィールド、マッピン ストリート （番地 なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジングと、このハウジングに設けられ所定の方向に往復運動可能なダイ アフラムと、を具備する膜ポンプであって、前記ハウジング及び前記ダイアフラ ムはポンプ室を囲んでおり、前記ダイアフラムはこのポンプ室に対する外部面及 び内部面を有しており、前記膜ポンプはさらに前記ダイアフラムの前記外部面に 固定され且つこのダイアフラムと共に運動可能であるように設けられた永久磁石 アセンブリを具備しており、この永久磁石アセンブリは少なくとも１組の逆極性 の磁極を有し、前記永久磁石アセンブリのすべての磁極面は互いに隣接し且つ前 記ダイアフラムの外部面から離れる方向に向けられて前記ダイアフラムの前記所 定の運動方向を横切る方向に延びており、前記膜ポンプはさらに少なくとも１組 の逆向き極性極を有する電磁石アセンブリを具備しており、これら逆向き極性極 は前記永久磁石アセンブリにおける少なくとも１組の逆極性の磁極の前記磁極面 に対向する位置に設けられ且つこの磁極面から前記所定の運動方向に離間されて いる。 ２．請求項１に記載の膜ポンプであって、前記永久磁石アセンブリは、前記逆極 性の磁極の各々に対応する永久磁石を含んでおり、各永久磁石の一方の極は前記 ダイアフラムから離れる方向に向けられた前記磁極面の１つを構成しており、前 記永久磁石の他方の極は前記ダイアフラムに近くなるように向けられ、少なくと も１つの軟質の強磁性背面鉄製部材が前記永久磁石の前記他方の極を連結してい る。 ３．請求項２に記載の膜ポンプであって、前記各永久磁石は磁化可能材料からな る個別片として形成される。 ４．請求項２に記載の膜ポンプであって、前記永久磁石は磁化可能材料からなる 一体形成部材を部分ごとに個別に磁化したもので構成される。 ５．請求項２から４のいずれかに記載の膜ポンプであって、前記背面鉄製部材は 前記永久磁石と前記ダイアフラムとの間に固定されている。 ６．先行する請求項のいずれかに記載のダイアフラムであって、前記運動方向に おける前記永久磁石アセンブリの厚さは、前記運動の方向の横切り方向における 各磁極面の寸法よりも小さい。 ７．先行する請求項のいずれかに記載の膜ポンプであって、前記永久磁石アセン ブリは、前記運動方向に延びる軸心周りに環状対称形状であり、内側の中央極と 外側の環状極を具備する１組の極を含んでおり、前記電磁石アセンブリは対応す る環状対称形状である。 ８．請求項１〜６のいずれかに記載の膜ポンプであって、前記永久磁石アセンブ リは交互に極性の変わる一連の極を含んでおり、前記電磁石アセンブリはこれに 対応し交互に逆極性を有している一連の極を含んでいる。 ９．請求項８に記載の膜ポンプであって、前記一連の極は環状である。 10．請求項９に記載の膜ポンプであって、前記電磁石アセンブリは中央コア要素 を含んでおり、単一のコイルがこの中央コア要素に巻かれ、この中央コア要素の 一方の端部における星型コア部材は前記一連の極における１つの極性を有する前 記極を形成しており、折り曲げコア部材が前記中央コア要素の他方の端部から前 記コイルの周囲を延びて、前記星型コア部材のアーム部の間に位置し、前記一連 の極における他方の極性を有する前記極を形成する。