JPH09502597A - リニア磁気アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リニア磁気アクチュエータは、逆向きの極性を有する１組のステータ巻線（１４，１５）を具備しており、これら巻線は、切込みのない支持鉄製部材を構成する円筒状軟鉄製外殻（１６）の内側に設けられる。軸方向に運動可能な往復運動部材は、半径方向に磁化された１組の環状永久磁石（１２，１３）を含んでいる。構成は円筒的な対称形であり、ステータ巻線は可能な限り薄く形成して、環状磁石の円筒状磁極面と支持鉄製部材との間の空隙を最小化している。

Description

【発明の詳細な説明】 リニア磁気アクチュエータ 本願発明は、リニア磁気アクチュエータに関する。磁気アクチュエータは周知 の装置であり、典型的には往復運動を行い、膜ポンプのダイアフラム等を駆動す るものである。磁気アクチュエータは、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。また、この 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ており、これも また電磁石の作用を受けるということも周知である。 一般に、これまでに知られている設計は、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に はほとんど注意が払われていなかった。 本願発明に基づくリニア磁気アクチュエータは、互いに逆向きの極性を有する 磁場を形成する電流を流し且つ電流の方向に実質的に垂直な線に沿って互いに隣 接するように構成された１組のステータ巻線と、前記垂直な線に平行な経路に沿 って運動可能に設けられ且つこの経路に沿って所定の間隔に離間された互いに逆 向きの極性を有する磁極を前記アクチュエータの非駆動状態において各磁極が前 記ステータ巻線の１つにそれぞれ近接するように設けた永久磁石アクチュエータ 部材と、前記アクチュエータ部材を基準に前記ステータ巻線の背後において前記 垂直な線に平行に延び且つ前記ステータ支持鉄製部材全体にわたり前記垂直な線 に平行な方向において平坦である前記アクチュエータ部材に最も近接する面を有 する切込みのないステータ支持鉄製部材と、を具備している。 このような構成において、永久磁石アクチュエータ部材の磁極と、切込みのな いステータ背面支持鉄製部材との間の空隙は、アクチュエータがその経路に沿っ て移動するとき一定である。その結果、前記空隙を小さくすれば、高い磁気効率 を得ることが可能となる。同じく重要なことは、アクチュエータに対して突出力 が働かないことである。 望ましくは、各磁極は、前記垂直な線に沿って所定の幅だけ延びている面を有 しており、各ステータ巻線は、対応する磁極面の前記幅よりも小さくない程度に 前記垂直な線の方向に一様に延びる複数の巻分(turns)を有している。またさら に、アクチュエータ部材は所定の最大変位量を有し、各ステータ巻線は前記幅と 前記所定の最大変位量との和よりも実質的に大きくない長さだけ前記垂直な線に 沿って延びていることが望ましい。 実際、各ステータ巻線は一般的に、対応する磁極面の幅と、アクチュエータ部 材の所定の最大変位量とを加えた長さ程度に延びている。ステータ巻線を、アク チュエータ部材の運動方向に一様に設けることにより、様々な効果及び利点が得 られる。まず第一に、ステータ巻線を非常に薄く（磁極面と背面支持鉄製部材と の間の空隙の方向に）形成できるので、この空隙を最小にすることができる。第 二に、磁気アクチュエータがストロークの経路に沿って運動しても、磁極片に対 する磁場の分布は変化しない。ステータ巻線がアクチュエータ部材のストローク 方向に沿って十分な長さだけ延びていれば、アクチュエータ部材がどの位置にあ っても、ステータ巻線の一定個数の巻分と磁場とが相互作用する。この結果、出 力範囲全体にわたって、高い磁気高率と非常に安定した作動性能を実現するアク チュエータが構成できる。 前記ステータ巻線は、通常、同じ強さの電流を流すように構成され、一般的に は直列に接続される。しかしながら、異なる強さの電流を別の巻線に供給するよ うに構成してもよい。 一方向の極性を有する電流をステータ巻線に供給すると、前記永久磁石アクチ ュエータ部材に力が作用して、このアクチュエータ部材を前記経路の方向に移動 させるが、特にこの運動を制限する処置を施さなければ、少なくとも、前記磁石 の磁極のうちの一方が２つのステータ巻線の間の界面に達するまで移動すること になる。この位置において、永久磁石の他方の磁極が、移動によりステータ巻線 の影響する領域から外れる場合は、アクチュエータ部材に作用する正味の力が逆 向きになるので、アクチュエータ部材はこの初めの方向にそれ以上移動しなくな る。ステータ巻線における駆動電流の極性を逆にした場合は、アクチュエータ部 材は逆方向に、前記他方の磁極が２つのステータ巻線の界面に達するまで移動す る。 また、アクチュエータ部材は、前記垂直な線に実質的に平行に延びる磁極面を 有していることが好ましい。このような構成にすることで、アクチュエータ部材 の磁極における磁束の方向は、磁極面に実質的に垂直となるから、ステータ巻線 の軸心に対しても垂直に方向づけられる。これにより、ステータ巻線に通電した とき、前記運動の経路の方向にアクチュエータ部材に作用する磁気力を最大限に することができる。 ステータ巻線が、略円筒状であり且つ前記垂直な線に平行な軸心上に中心を有 しており、アクチュエータ部材がこの軸心に関して対称な円筒形状であると、非 常に好都合である。この場合、アクチュエータ部材の有する磁極面それ自体も実 質的に円筒状に形成してもよい。 １つの実施例において、アクチュエータ部材は軟質強磁性材料からなる軸と、 この軸に沿って前記所定の間隔だけ離間配置され且つ半径方向に逆の極性を有す るように磁化された１組の環状永久磁石とを備えている。 別の実施例において、アクチュエータ部材は、軸方向に位置合わせされた永久 磁石と、磁束を半径方向に向けるべくこの磁石の各端部に設けられた軟質強磁性 磁極部材とを含んでいる。 さらに別の実施例において、アクチュエータ部材は、各磁極において実質的に 半径方向に磁束が向くように磁化された等方性磁石材料からなる永久磁石を含ん でいる。 このような円筒状の構成においては、ステータ支持鉄製部材は、ステータ巻線 を取り囲む軟質磁化材料からなる円筒であることが好ましい。 特に好都合な構成では、ステータ巻線は、電気的絶縁性材料からなる少なくと も１つの柔軟な基板シートと、この基板に矩形螺旋状に形成された電導路とを含 んでいる。前記基板及びこれに形成された電導路は、前記矩形螺旋の対向辺の一 方の組に平行な軸心を有する円筒状に形成される。その結果、前記矩形螺旋の対 向辺の他方の組における前記電導路要素はそれぞれ、逆極性を有する２つの前記 ステータ巻線の巻分を構成する。この手法を用いれば、逆方向の極性を有するス テータ巻線の組が、例えば銅線を巻いてらせんコイルを形成するよりもかなり低 いコストで製造可能となる。 表面に電導路を形成した前記基板は、螺旋状電導路の対向する辺の前記一方の 組の電導路要素が実質的に重なり合うように円筒状に形成してもよい。さらに、 前記基板を円筒状に形成する際に、基板と電導路要素とが２層以上に重なって円 筒の壁を構成するようにしてもよい。 好適な構成において、アクチュエータは、アクチュエータ部材の運動速度を検 知すべく、前記ステータ巻線の間のゼロ磁場位置に検知コイを設けている。さら に好ましくは、アクチュエータは、ステータ巻線に駆動電流を供給するための可 変周波数オシレータと、共鳴制御回路とを含んでおり、この共鳴制御回路はアク チュエータ部材の速度を検知するための前記検知コイルから出力される信号に反 応してオシレータ周波数を制御し、前記アクチュエータを機械的な共鳴状態にす る。 上記の説明は、一組のステータ巻線とこれに対応する、アクチュエータ部材に 設けられた逆極性を有する永久磁極の一組に関するものであるが、さらに多くの ステータ巻線及び磁極を設けてもよい。このとき、アクチュエータは、少なくと も１つの付加的なステータ巻線を含んでおり、この付加的なステータ巻線は前記 垂直な線の方向に沿って前記１組のステータ巻線のうちの１つに隣接し且つこの 隣接するステータ巻線とは逆の極性を有しており、前記アクチュエータ部材は対 応する付加的な磁極を具備しており、この付加的な磁極は前記逆向きの極性を有 する磁極のうち隣合う磁極から前記運動の経路に沿う方向に離間配置され且つこ の隣合う磁極とは逆の極性を有しており、前記付加的なステータ巻線の近傍にあ るように設けられている。 少なくとも２組のステータ巻線と、これらに組み合わされる磁極とを設けると 好都合である。 ３つ以上の磁極を設けることにより、隣接している逆極性の磁極の組を連結す る磁場の総量を減少させることができる一方で、前記空隙を横切る磁場の総量は 同じに保って前記ステータ巻線と作用することが可能となる。このようにするこ とで、以前と同じ出力が得られ、しかもこれがアクチュエータ部材における逆極 性の磁極間を軸方向に連結する軟鉄の量を減らしたうえで達成される。結果とし て、アクチュエータ部材の全質量を減少することが可能となる。 上述のアクチュエータは、種々の使い方が可能であるが、膜ポンプのアクチュ エータとしての特定の使用方法がある。 本願発明の実施例を添付の図面に基づき説明する。 図１は、本願発明による磁気アクチュエータの概略を示す断面図である。 図２は、図１に対応する図であり，永久磁石によりアクチュエータ内に生じる 磁束の経路を示している。 図３及び４は、図１又は２に図示された磁気アクチュエータを構成するアクチ ュエータ部材の改変例を示している。 図４ａは、図４のアクチュエータ部材に用いるための永久磁石の形成方法を示 している。 図５は、表面に電導路を形成した絶縁性基板の平面図であり、この基板は本願 発明の好適な実施例による磁気アクチュエータのステータ巻線を形成するために 用いられる。 図６は、図５に示された電導路を備える絶縁性基板が、ステータ巻線を形成す べく円筒状に巻かれている状態を示す斜視図である。 図７ａ〜７ｃは，ステータ巻線を備える図５及び６の基板が、異なる３形態で 円筒状に巻かれている様子を示す概略断面図である。 図８は、本願発明の磁気アクチュエータを利用した膜ポンプの概略断面図であ る。 図９は、検知コイルと共鳴制御装置を備えた磁気アクチュエータの別の実施例 の概略断面図である。 図１０は、２組のステータ巻線及び磁極を備えた磁気アクチュエータのまた別 の実施例を示す概略断面図である。 図１１は、本願発明の実施例における磁気アクチュエータに使用する環状永久 磁石における理想的な半径方向への磁化状態を示す概略図である。 図１２ａ及び１２ｂは、磁化が容易な、簡素化された環状永久磁石の形態を示 す図である。 図１３は、磁気アクチュエータに用いる軟鉄製外殻の改変例を示す斜視図であ る。 図１において、磁気アクチュエータは軸心１０に関して本質的に対称であり、 軟質強磁性材料からなる中心軸１１を含んでいる。半径方向に磁化された環状の 永久磁石１２及び１３が、一定の軸方向間隔ｄをおいて前記主軸に設けられてい る。永久磁石１２及び１３を備えた前記中心軸１１は、軸方向に延びる１組の巻 線１４及び１５を具備した外側部材の内側に、軸方向に運動できるように設けら れている。またこの中心軸１１の中心は、前記軸心１０に一致する。巻線１４及 び１５は、軟質強磁性材料で形成され且つ背面支持鉄製部材を構成する円筒状の 外殻１６の内面に設けられている。 環状磁石１２及び１３の各々は、図１の矢印によって示されるように、逆向き の極性を有するように半径方向に磁化される。その結果、環状磁石１２及び１３ は、これら環状磁石と軟鉄製中心軸１１との関係において、互いに逆向きの極性 を有し且つ距離ｄだけ離間された磁極を備え、軸方向に延びる実質的に単一の磁 石を形成することになる。この実質的な単一磁石は、環状磁石１２及び１３の円 筒状の外側表面によって規定される円筒状の磁極面を具備している。このとき、 環状磁石１２及び１３の円箇状磁極面から出る磁束は、半径方向外方に方向づけ られ、ステータ巻線１４及び１５に向かっている。 ２つのステータ巻線１４及び１５は、通常、直列に接続するが、その極性は図 １に示すように逆向きであり、２つのステータ巻線には同じ強さの電流が流され ることになる。しかしながら、別の形態として、各ステータ巻線ごとに個別に電 流を供給して、ステータ巻線における電流量が異なるようにしてもよい。実際、 例えば、前記アクチュエータの出力を低くするために、１つのステータ巻線に供 給する電流を完全に遮断してしまうことなどが考えられる。以上のことから明ら かなように、ステータ巻線１４及び１５に通電すると、これら巻線を流れる電流 と、環状磁石１２及び１３の磁極面から出る磁場とが相互作用することにより、 中心軸１１に軸方向の力が加わる。このときの力の方向は、直列に接続された２ つのステータ巻線を流れる電流の向きに依存する。中心軸１１に作用する力は、 環状磁石１２及び１３がそれぞれ、図１に示すように２つの巻線１４及び１５の 影響領域にある限り、実質的に一定である。 中心軸１１が図１に示される中央位置から、例えば右側に移動すると、環状磁 石１２は、２つのステータ巻線１４及び１５の間の界面１７に達する。この位置 において、ステータ巻線１４及び１５が環状永久磁石１２に与える力はゼロにな るが、その後、永久磁石１２が他方のステータ巻線１５の影響領域にはいると、 力は逆方向に作用する。またこれと同時に、この実施例では永久磁石１３は、ス テータ巻線１５の影響領域から外れていくので、磁石１３に加わる力もゼロまで 減少していく。このため、ステータ巻線に通電した場合、中心軸１１の変位量は 実質的にｄであるか、あるいはこれよりもわずかに大きくなる。後者の場合、磁 石１３に作用する力は、この磁石がステータ巻線１５の影響領域から出ていくに 従って低減してゆき、一方、逆方向に磁石１２に作用する力は、この磁石がステ ータ巻線１４及び１５の間の界面を越えるに従い強くなるので、これら２つの力 が相殺することになる。 図２は、図１の構成に対し、永久磁石により生じる磁束経路を示している。図 から分かるように、磁束は、中心軸１１及び背面支持鉄製円筒部材１６内を通過 する閉じたループを形成しており、永久磁石１２及び１３の磁極面と背面支持鉄 製円筒部材１６との間には空隙がある。ステータ巻線１４及び１５をできるだけ 薄くして、磁石１２及び１３の磁極面と前記円箇部材１６との間の空隙を最小限 に形成すれば、磁気的効率は向上する。 図３は、磁気アクチュエータに用いるアクチュエータ部材を形成するための別 の製造方法の説明図である。軸方向に磁化された単一の永久磁石２０が、軟質強 磁性材料からなる磁極片２２及び２３の間の位置であって、軸２１にこれと同心 状に設けられている。軟鉄からなる磁極片２２及び２３を設けることにより、こ の磁極片２２及び２３の円箇状表面から半径方向に延びる磁場が生じ、図１を参 照して説明した構成における磁場の状態と類似するようになる。永久磁石２０の 磁極面領域（磁石２０の両端面）の、磁極片２２及び２３の円箇状表面領域に対 する比率は実験的に決定すればよく、所望の磁束の集束作用又は反集束作用が実 現可能であるように選べばよい。 図４及び４ａにおいて、アクチュエータ部材の永久磁石を製造するための別の 方法が示されている。ここでは、等方性永久磁石材料からなる単一の円筒部材２ ５が、２つの極を具備する自己遮蔽型のパターンを形成するように磁化される。 その結果、この円筒部材は自身の内部に磁束の返還路をもつことになり、磁化作 用のための軟鉄製軸芯は必要ではない。等方性材料は、円筒部材２５の対向する 端部の円箇状表面において、逆向きの磁極が形成されるように磁化する。図４ａ は、このような磁化パターンが、中央に設けられた磁化コイル２６により、形成 される様子を示している。 図５及び６は、上記の磁気アクチュエータに用いる逆極性のステータ巻線１４ 及び１５の製造方法を示している。図５において、電導路３０が電気的に絶縁さ れた基板３１上に設けられている。この電導路は、図５に示すように矩形螺旋状 に形成され、典型的には相対的に短い上方端要素及び下方端要素３２、３３を有 しており、これらが相対的に長い側面要素３４及び３５を連結している。図５に 示す螺旋状の電導路は、螺旋の外側に接続された第１端部接続パッド３６と、螺 旋の内側端部に接続される第２接続パッド３７とを有しており、この接続は例え ば基板３１の裏面に設けた電導路長さ３８をメッキ処理した貫通孔を介して連結 することでなされる。 基板は柔軟性を有する材料で形成し、電導路３０も曲げやすいように十分薄く 形成しておくと、好都合である。これは、柔軟なプリント回路を形成する際に用 いられる公知技術で実現可能である。 重要な点は、中央線３９をはさんで対向する両側面において、この螺旋状電導 路が、等しい本数の垂直方向要素３４及び３５を有するように形成することであ る。 図６は、図５に示すプリント形成された螺旋状電導路が、円箇状に丸められて いる様子を示しており、この際、上方端要素及び下方端要素４０、４１は、実質 的に接している。このように円箇状に変形された螺旋状電導路が、図１〜３に示 された逆の極性を有する２つのステータ巻線１４及び１５を形成する。ステータ 巻線１４は矩形状螺旋電導路の相対的に長い垂直方向の要素３４で形成されてお り、一方、ステータ巻線１５は中央線３９に関し反対の側面に形成された螺旋状 電導路の相対的に長い垂直方向の要素３５で形成されている。これらの相対的に 長い要素３４及び３５を接続する相対的に短い要素３２及び３３は、基板の２つ の端部４０及び４１が接する位置において、互いに隣接している。要素３３を流 れる電流は、要素３２を流れる電流とは方向が逆であるので、これら要素による 影響は実質的にゼロである。 柔軟性の基板３１は、５７のように丸く巻き上げる場合、このとき形成される 円箇の内面に電導路が位置するように配慮することが好ましい。その結果、ステ ータ巻線１４及び１５を形成する電導路が、アクチュエータ部材の永久磁石１２ 及び１３の磁極面に最大限に近づくことになる。同時に、絶縁性基板３１を非常 に薄く形成すれば、ステータ巻線１４及び１５と、軟鉄製円筒部材１６により構 成される支持鉄製部材との間の距離を最小にすることも可能である。このように 形成されたステータ巻線全体の厚さは非常に薄くできるので、永久磁石の磁極面 と軟鉄製円筒部材１６との間の空隙は最小にすることができる。さらに、電導路 ３０は非常に薄く形成する一方で、十分に広く（前記螺旋の平面内において）で きるので、過剰な抵抗損失を生じることなく、必要な電流量を許容することがで きる。このように構成することにより、アクチュエータの磁気効率を最大限に高 めることが可能となる。 図６は、表面に電導路を有する基板が丸められて、対向する端部４０及び４１ が接している状態を示している。このような構成は種々の用途において望ましい ものである。最終的に仕上がった巻線構造において、電導路の要素３２及び３３ を軸方向に流れる電流によって、周方向に逆向きの力が永久磁石１２及び１３に 生じる。しかしながら、効率を高めるためには、電導路の軸方向に延びる要素３ ２及び３３が占める周方向の距離が、巻線構造の円周の全長に対して大きな割合 を占めないようにする必要がある。図６の構成の断面が図７ａにおいて概略的に 示されている。 螺旋状電導路の要素３２及び３３を流れる電流の影響を実質的に完全に無くす 場合には、基板の端部４０及び４１を図７ｂに示すように重ねればよく、このと き電流は実質的に互いに相殺し合う。 ステータ巻線１４及び１５における電流密度を大きくするには、基板３１の螺 旋状電導路３０を図５のときよりも長く形成し、それを２回以上、円筒状に巻き 重ねた構造にすればよく、その場合の断面が図７ｃにおいて概略的に示されてい る。 本願の磁気アクチュエータを種々の実施例おいて上記のごとく説明したが、こ の磁気アクチュエータは、様々な空気圧式装置を膨張させるために使用される膜 ポンプ等に関する特定の用途がある。本願発明に基づく磁気アクチュエータを組 み込んだ膜ポンプの一例が図８において概略的に示されている。この膜ポンプに 使用される磁気アクチュエータ５０は、図１を参照してすでに述べたアクチュエ ータに対応する。この磁気アクチュエータの中心軸１１は、接続ロッド５１を介 して、ハウジング５３に設けられた柔軟性のダイアフラム５２の中央に取りつけ られており、そのダイアフラムの背後には閉じた空間５４が形成される。図８に おいて、ダイアフラム５２が右に移動すると、一方向バルブ５５の作用により空 気が吸気口５６から空間５４に流れ込む。一方、図８において、ダイアフラム５ ２が左に移動すると、一方向バルブ５７の作用により、空気が排気口５８を介し て空間５４から排出される。 ダイアフラム５２の移動はアクチュエータ５０が、中心軸１１及びこれに組み 合わされた接続ロッド５１に、軸方向の往復運動を生じさせることによって実現 される。アクチュエータ５０のステータ巻線１４及び１５は、記号５９で概略的 に示されている交流電流の供給により駆動される。 注目すべきは、往復運動を行う部材に設けられた磁石の逆極性を有する磁極間 の距離ｄが、ステータ巻線１４及び１５の各々の軸方向長さだけにではなく、ダ イアフラム５２に要求される最大変位にも対応しているということである。この ようにすることで、アクチュエータ５０の内側に設けられたアクチュエータ部材 の磁気的変位限界により、ダイアフラム５２の変位を距離ｄに制限できるので、 端点での機械的な停止機構は必要ではない。 図８の右側に仮想線で示すように、中心軸１１のもう一方の端にまた別のダイ アフラム装置を同様に接続してもよく、このようにするとポンプの空気出力を２ 倍にすることができる。 これまでに述べた実施例において、アクチュエータ部材は中実のものであった が、質量を低減するために中空のチューブ状に形成してもよい。 上記磁気アクチュエータの他の特徴としては、ステータ巻線が外側の軟鉄製円 筒部材または被覆部材の近傍に直接的に位置しているため、熱の放出作用が向上 するという点が挙げられる。これに加えて、上記のような実施例の構成を採用す れは、運動軸の横切り方向の力は相殺されるので、前記アクチュエータ部材を支 持する軸受面への負荷は最小限に抑えられる。 すでに述べたように、磁気アクチュエータの上述のような構成においては、ア クチュエータ部材の１つの磁極が、２つの逆極性ステータ巻線間の界面に達した とき、磁気的な端点停止作用が働く。本願発明のアクチュエータを、アクチュエ ータ部材がこの磁気的な端点停止位置に近づいたときに極性が反転するような駆 動電流で使用する場合、一般的には、中心に向かう力が外部からアクチュエータ 部材に対して作用するような用途において使用すべきである。そうすれば、この アクチュエータ部材は、これに加わる軸方向の全磁気力が低減してゼロになり且 つ逆方向に作用する位置に達する直前に、ストロークの端点で停止し、電場が反 転すると、前記部材は逆向きに軸方向の力を受けることになる。このような構成 でない場合には、アクチュエータ部材が正味の軸方向力がゼロとなる位置を越え た際に電流が反転すると、磁気力が増加していくので、前記部材をステータ巻線 の領域を外れて押し出すことになってしまう。 磁気的な端点停止作用を備える場合の上記の議論は、アクチュエータの隣接す るステータ巻線同士がそれらの界面で接していることを前提としている。実際、 ２つのステータ巻線間にかなりの間隔を設けるようにアクチュエータを形成する ことも可能であるが、その場合は、アクチュエータ部材の最大変位量と磁極間距 離との間における上述のような関係はもはや成り立たない。磁気アクチュエータ を良好に作動させるためには、アクチュエータ部材１１の運動方向に対して、ス テータ巻線が十分な長さを有することが必要で、アクチュエータ部材がストロー クの全工程のどの位置にあっても、ステータ巻線がアクチュエータ部材の磁極面 を完全にカバーするようにしなくてはいけない。これは、ステータ巻線の長さが 、磁極面の軸方向長さと、ステータ巻線内側に位置するアクチュエータ部材の所 定の最大変位量との和に、実質的に等しくなる必要があるということである。 図９は、構成の改変例を示すもので、ここでは隣接するステータ巻線１４及び １５の間に僅かな隙間があって、この隙間に検知用巻線６０が設けられている。 この検知用巻線６０はステータ巻線の間に設置されるが、これは２つのステータ 巻線に流れる互いに逆向きの電流の影響により、場の強さがゼロとなる位置であ る。このような場合、ステータ巻線を流れる駆動電流が、検知用巻線６０に誘導 する電流はゼロである。 しかしながら、永久磁石１２及び１３の運動により、その速度に比例した電圧 が検知用巻線６０に誘導される。したがって、導線６１を介して検知用巻線６０ から、アクチュエータ部材の運動速度を知るための信号を引き出すことが可能で ある。 最大限の効率を得るためには、磁気アクチュエータを機械的な共鳴状態で作動 することが望ましい。共鳴振動数は、中心軸１１に加わる機械的な負荷に依存し ており、この負荷は作動中に変化しうる。したがって、好適な設計においては、 ステータ巻線１４及び１５への駆動電流は、制御されたオシレータ６２から供給 する。中心軸１１の速度を表示するため、検知用巻線６０から導線６１に出力さ れた信号は、位相コンパレータ６３において、オシレータ６２からステータ巻線 に供給される駆動電流と比較される。このように位相を比較することから、単調 な関係が導かれ、位相コンパレータにおいて、制御信号６４が得られることにな る。この信号により、制御されたオシレータ６２から、機械的な共鳴状態を実現 するための出力周波数が出力される。 図１０は、磁気アクチュエータの別の実施例の説明図であって、ここでは２組 のステータ巻線とこれに対応する永久磁極の組とが設けられている。同実施例で は、連続したステータ巻線７１、７１、７３及び７４が、図に示すように交互に 極性を逆向きにするように一体的に接続されている。ステータ巻線は、アクチュ エータ部材の運動方向において、実質的に同じ長さを有しており、且つ支持鉄製 部材を形成する共通の軟鉄円筒部材７５の内側に設けられている。アクチュエー タ部材は、交互に極性の向きを変えた４つの環状永久磁石７７、７８、７９及び ８０を具備する軟鉄製中心軸７６を含んでいる。 図１０に示されたアクチュエータはすでに述べた各実施例と同様に作動する。 また、各ステータ巻線７１の長さは、アクチュエータ部材の運動方向に対して、 磁極７７〜８０の円筒状表面の長さとアクチュエータ部材の最大変位量との和に ほぼ等しくなっている。 図１０に示すように、多数のステータ巻線と、これらに対応する磁極面を設け ると、軸７６における軟鉄の含有量を低減できるという利点がある。４つの磁極 面から背面支持鉄製部材７５まで半径方向に延びる磁束の総量を変えずに、軸７ ６方向に沿う、隣接する環状永久磁石の組を連結する磁束量を少なくすることが 可能である。これにより、アクチュエータ部材をより軽量に形成して、磁気アク チュエータの効率をより高めることができる。 図１０に示す多数磁極配列では環状の永久磁石を、図１及び２に示される実施 例の態様で用いている。しかしながら、図３の態様にならい、間に軟質の鉄製デ ィスクを挟んで、一連の軸方向に延びる永久磁石を逆向きの極性を有するように 直列に配置してアクチュエータ部材を構成してもよい。 図１〜１０の実施例において言及した環状永久磁石は、それぞれが一定の軸方 向長さを有する単一片として描かれている。しかし、各々の環状永久磁石は、軸 方向に相対的に短い、複数の座金型の環状永久磁石を、軸方向につなぎ合わせる ことで軸方向に所望の長さを有するように、単一の磁石を形成してもよい。軸方 向に相対的に短い環状磁石のほうが、簡単で安く形成可能である。 図１１、１２ａ及び１２ｂにおいて、図１１は、理想的な環状永久磁石の磁化 の様子を示す平面図である。このような磁石は実際に形成可能であるが、それを 強力な半径方向の磁場を有するように製造することは難しく、また相対的に値段 が高くなる。したがって、本願発明の実施例においては、疑似的な半径方向磁場 を有する環状磁石を、図１２ａに示すようないくつかの円弧状セグメント９０か ら構成することが好ましい。この際、各セグメント９０は、図１２ｂに示すよう に直線状に（あるいは直径に沿って）磁化すればよい。４つのセグメント９０を 組み合わせ、図１２ａに示すような完全な円環状にすると、この完成品としての 磁石は、所望の疑似半径方向磁場を有することになる。明らかに、図１２ａの円 環は少なくとも２つの部分に分割する必要があるが、好ましくは、３つ以上のセ グメントに分割して、最終的に出来上がる磁場が所望の半径方向磁場を近似する ようにすればよい。 上述した磁気アクチュエータの実施例はいずれもさらに改変可能で、図１３に 示すように、支持鉄製部材を構成する円箇状の軟鉄外殻１６の全長にわたって、 軸方向に延びる間隙９２を設けてもよい。この間隙９２により、アクチュエータ 部材に設けられた永久磁石が軸方向に運動するときに、外殻１６に誘導されうる 周方向の渦電流を防止することが可能となる。また、間隙９２により、アクチュ エータのステータ巻線及び検知用巻線に接続するためのワイヤを都合良く通すこ とができる。

───────────────────────────────────────────────────── 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 無し） 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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．リニア磁気アクチュエータであって、互いに逆向きの極性を有する磁場を 形成する電流を流し且つ電流の方向に実質的に垂直な線に沿って互いに隣接する ように構成された１組のステータ巻線と、前記垂直な線に平行な経路に沿って運 動可能に設けられ且つこの経路に沿って所定の間隔に離間された互いに逆向きの 極性を有する磁極を前記アクチュエータの非駆動状態において各磁極が前記ステ ータ巻線の１つにそれぞれ近接するように設けた永久磁石アクチュエータ部材と 、前記アクチュエータ部材を基準に前記ステータ巻線の背後において前記垂直な 線に平行に延び且つ前記ステータ支持鉄製部材全体にわたり前記垂直な線に平行 な方向において平坦である前記アクチュエータ部材に最も近接する面を有する切 込みのないステータ支持鉄製部材と、を具備している。 ２．請求項１に記載のアクチュエータであって、各磁極は前記垂直な線に沿っ て所定の幅だけ延びている面を有しており、各ステータ巻線は、対応する前記磁 極面の前記幅よりも小さくない程度に前記垂直な線の方向に一様に延びる複数の 巻分を含んでいる。 ３．請求項２に記載のアクチュエータであって、前記アクチュエータ部材は所 定の最大変位量を有し、各ステータ巻線は前記幅と前記所定の最大変位量との和 よりも実質的に大きくない長さだけ前記垂直な線に沿って延びている。 ４．先行する請求項のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記アクチ ュエータ部材は前記垂直な線に実質的に平行に延びる磁極面を有している。 ５．先行する請求項のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記ステー タ巻線は略円箇状であり且つ前記垂直な線に平行な軸心上に中心を有しており、 前記アクチュエータ部材はこの軸心に関して対称な円筒形状である。 ６．請求項５に記載のアクチュエータであって、前記アクチュエータ部材は実 質的に円筒状の磁極面を有している。 ７．請求項６に記載のアクチュエータであって、前記アクチュエータ部材は軟 質強磁性材料からなる軸と、この軸に沿って前記所定の間隔だけ離間配置され且 つ半径方向に逆の極性を有するように磁化された１組の環状永久磁石とを具備し ている。 ８．請求項７に記載のアクチュエータであって、前記環状永久磁石のうちの少 なくとも１つは、軸方向に相対的に短く且つ座金形状の環状磁石を複数個、軸方 向に一体的に保持した状態で含んでいる。 ９．請求項７又は８のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記環状磁 石のうちの少なくとも１つは少なくとも２つの環状セグメントから形成されてお り、各セグメントはその１つの半径に沿って直線状に磁化されている。 １０．請求項５または６のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記アク チュエータ部材は軸方向に位置合わせされた永久磁石と、磁束を半径方向に向け るべくこの磁石の各端部に設けられた軟質強磁性磁極部材とを含んでいる。 １１．請求項５または６のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記アク チュエータ部材は、各磁極において実質的に半径方向に磁束が向くように磁化さ れた等方性磁石材料からなる永久磁石を含んでいる。 １２．請求項５〜１１のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記ステー タ支持鉄製部材は前記ステータ巻線を取り囲んだ軟質強磁性材料からなる円筒で ある。 １３．請求項１２に記載のアクチュエータであって、前記軟質強磁性材料からな る円筒は、周方向の渦電流を防止すべくこの円筒の全長に延びる軸方向の間隙を 有している。 １４．請求項５〜１３のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記ステー タ巻線は電気的絶縁性材料からなる少なくとも１つの柔軟な基板シートと、この 基板に矩形螺旋状に形成された電導路とを含んでおり、この基板及び電導路は、 前記矩形螺旋の対向辺の一方の組に平行な軸心を有する円筒状に形成され、前記 矩形螺旋の対向辺の他方の組における前記電導路要素はそれぞれ、逆極性を有す る２つの前記ステータ巻線の巻分を構成している。 １５．請求項１４に記載のアクチュエータであって、電導路を設けた前記基板は 前記矩形螺旋の対向辺の前記一方の組の電導路要素が互いに重なり合うように丸 められている。 １６．請求項１４又は１５のいずれかに記載のアクチュエータであって、電導路 を設けた前記基板は丸められて、この基板及び電導路が２層以上に重なって円筒 の壁を形成している。 １７．先行する請求項のいずれかに記載のアクチュエータであって、前記アクチ ュエータ部材の運動速度を検知すべく、前記ステータ巻線の間のゼロ磁場位置に 検知コイルを設けている。 １８．請求項１７に記載のアクチュエータであって、前記ステータ巻線に駆動電 流を供給するための可変周波数オシレータと、共鳴制御回路とを含んでおり、こ の共鳴制御回路は前記アクチュエータ部材の速度を検知するための前記検知コイ ルから出力される信号に反応してオシレータの周波数を制御し、前記アクチュエ ータを機械的な共鳴状態にする。 １９．先行する請求項のいずれかに記載のアクチュエータであって、少なくとも １つの付加的なステータ巻線を含んでおり、この付加的なステータ巻線は前記垂 直な線の方向に沿って前記１組のステータ巻線のうちの１つに隣接し且つこの隣 接するステータ巻線とは逆の極性を有しており、前記アクチュエータ部材は対応 する付加的な磁極を具備しており、この付加的な磁極は前記逆向きの極性を有す る磁極のうち隣合う磁極から前記運動の経路に沿う方向に離間配置され且つこの 隣合う磁極とは逆の極性を有しており、前記付加的なステータ巻線の近傍にある ように設けられている。 ２０．請求項１９に記載のアクチュエータであって、少なくとも２組のステータ 巻線とこれらに組み合わされた磁極とを含んでいる。 ２１．先行する請求項のいずれかに記載のアクチュエータと、ダイアフラムとを 含む膜ポンプであって、このダイアフラムは駆動のためにアクチュエータ部材に 連結されている。