(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
双安定磁気ラッチ(１２)であって、
軸(２５)、第一及び第二外側部(２０，２４)、中央部(２２)、第一外側部(２０)と中央部(２２)の間に配置され、第一外側部(２０)と中央部(２２)の両方に接触する第一永久磁石(２６)、及び第二外側部(２４)と中央部(２２)の間に配置され、第二外側部(２４)と中央部(２２)の両方に接触する第二永久磁石(２８)を有するステータと、
第一及び第二永久磁石(２６，２８)に吸引されるように構成された少なくとも１つの磁気領域を有するロータ(３２)と、を備え、
前記ロータ(３２)は、第一の極性と第二の極性の電流を各々受け入れることに応答して、第一ラッチ位置と第二ラッチ位置間の軸(２５)の周りを回転するように構成され、それにより、
第一永久磁石(２６)、ステータの第一外側部(２０)、ロータ(３２)の少なくとも１つの磁気領域、及びステータの中央部(２２)が組み込まれた第一磁気回路と、
第二永久磁石(２８)、ステータの第二外側部(２４)、ロータ(３２)の少なくとも１つの磁気領域、及びステータの中央部(２２)が組み込まれた第二磁気回路と、
を含む双対磁気回路を形成し、
ロータ(３２)が第一ラッチ位置にあるとき、磁気領域と第一及び第二永久磁石(２６，２８)間の吸引力に打ち勝つために、第一及び第二外側部(２０，２４)の少なくとも１つ又は中央部(２２)と協働するコイル(３０)を更に含み、
第一外側部（２０）、第二外側部（２４）、中央部（２２）、第一永久磁石（２６）、第二永久磁石（２８）は前記軸（２５）の周囲に山形状に配置されており、
前記磁気要素により磁束を発生させてラッチ磁束に打ち勝つように極性の電流でコイル(３０)を励磁させ、これによりロータ(３２)を第一ラッチ位置から開放するラッチ(１２)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、“要素選別機組立部品（Element Selector Assembly）”と題するハネウェル企画番号4400140377の下に、政府の支援を得てなされ、米国国防省により承認された。政府は本発明に一定の権利を保有する。
【０００２】
[0002]本発明は、概ね磁気ラッチに関し、より詳細には永久磁石が組み込まれたステータを備えた磁気ラッチに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]磁気ラッチ装置及びステッピング・モータ装置は、いわゆる“ファスト・フィルタ（fast filter）”装置等のファスト・ピボット機構に広く利用されている。ファスト・フィルタ装置は、例えば光学要素の光学経路菜内へ及び光学経路外への切換えを行う。光学要素の移動は、磁気ラッチ装置又はステッピング・モータ装置に連結したアーム組立部品によって行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]典型的には、永久磁石は、上記ステッピング・モータ又は磁気ラッチ装置のロータ要素に位置されてきた。かかる実装は、固着する必要のあるロータに関連する多数の部品があるため、ロータ要素のバランスを悪化させることがある。[0005]ロータ要素に永久磁石を位置させることは、永久磁石の許容可能な断面領域を制限することがある。更に、ロータ要素の慣性が永久磁石の断面領域に関して大きくなる。最後に、ロータ要素のバランスの度合いを正確に維持しながら、永久磁石を切り換えること（shunting）は問題となることがある。
【０００５】
[0006]従って、１以上の上記問題点に対処した磁気ラッチ装置等の装置の必要性が存在する。更に、過剰な設計の面倒な問題がなく又は過剰な資源を消費することなく、上記装置を実装することが望ましい。更には、添付の図面及び上述の発明の背景と併せて、以下の発明の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から、本発明のその他の望ましい特長及び特徴が明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0007]磁気ラッチ用の装置が提供される。この装置は、中央部の両側に配置された第一及び第二永久磁石を有するステータを備える。第一及び第二の各永久磁石は、少なくとも２つの付随した極を有する。ロータは、第一ラッチ位置と第二ラッチ位置間のステータの軸の周りを回転するように構成された少なくとも１つの磁気領域を有する。
【０００７】
[0008]別の実施の形態においては、双安定磁気ラッチ（a bi-stable magnetic latch）用の装置が提供される。この装置は、軸と、第一及び第二外側部と、中央部と、第一外側部と中央部の間に配置された第一永久磁石と、第二外側部と中央部の間に配置された第二永久磁石とを有するステータを備える。ロータは、第一及び第二永久磁石に吸引されるように構成された少なくとも１つの磁気領域を有する。ロータは、第一ラッチ位置と第二ラッチ位置間の軸の周りを回転するように構成される。これにより、第一永久磁石、ステータの第一外側部、ロータの少なくとも１つの磁気領域、及びステータの中央部が組み込まれた第一磁気回路と、第二永久磁石、ステータの第二外側部、ロータの少なくとも１つの磁気領域、及びステータの中央部が組み込まれた第二磁気回路とを含む、双対磁気回路が形成される。
【０００８】
[0009]更に別の実施の形態においては、装置として双安定磁気ラッチ組立部品が提供される。ステータは、軸を有し、第一と第二の外側部の間に第一及び第二永久磁石を一体化して設けている。第一及び第二永久磁石は軸の周囲に山形状に（angularly）配置される。ロータは、第一及び第二の各永久磁石の少なくとも一部に吸引される第一及び第二磁気領域を有する。第一及び第二磁気領域と第一及び第二永久磁石とは、双対の第一及び第二磁気回路を構成する。第一及び第二磁気領域と第一及び第二永久磁石間の吸引力を低下させるためコイルが、ステータと協働する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
[0010]以下に、同様の要素には同一の番号を付して、添付の図面と共に本発明を説明する。[0018]以下の詳細な説明は、本来単なる例示にすぎず、本発明を限定したり本発明の適用及び使用を限定しようとするものではない。更に、前述の背景又は以下の詳細な説明に提示されたいかなる理論にも何ら束縛されるものではない。
【００１０】
[0019]先に挙げた問題点に対処するために、双対磁気回路（a dual magnetic circuit）を形成して、磁気ラッチ装置における永久磁石をロータ要素からステータ要素に転換することができる。一実施の形態において、この構造は、単一構造に加工された一体成形のロータを磁気ラッチ装置に使用することを可能にする。更なる実施の形態において、ロータ装置、及びこれによって部品点数の少ない磁気ラッチ装置が得られる。一体成形のロータの使用は様々な利益をもたらすであろう。ロータ要素の慣性が低下するであろう。ロータ要素の３６０°精密速度バランスが得られるであろう。更に、磁気ラッチ装置は、重量又はパワーの不利益を伴うなく、増大したトルク出力を生じるであろう。最後に、より効率的な磁気回路（又は双対磁気回路）が得られ、これは回路中の永久磁石を分路（shunting）することによって調整することができる。
【００１１】
[0020]図１は、典型的な磁気ラッチ装置１２を組み込んだファスト・フィルタ装置１０の三次元切断図を示す。ファスト・フィルタ装置１０は、次ぎに詳細に説明する磁気ラッチ１２を含む。光学フィルタ１４又は同様の光学要素が、ホルダー・アーム１６及びロータ・シャフト組立部品１８によりラッチ１２に連結される。ファスト・フィルタ装置１０は、枢支されたフィルタ１４を２つのラッチ位置の一方にラッチするのに利用される、ファスト・ピボット機構１０と称することがある。
【００１２】
[0021]ラッチ１２のステータ要素は、第一外側ステータ部２０と、中央部２２と、第二外側ステータ部２４とに分割される。ステータ部２０，２２，２４は、図示の軸２５の周囲に山形状（angularly）に配置される。更に説明及び図示するように、第一永久磁石２６が、ステータ要素に組み込まれ、第一外側ステータ部２０と中央ステータ部２２間の軸２５の周囲に山形状に配置されている。第二永久磁石２８も、ステータ要素に組み込まれ、軸２５の周囲に山形状に配置される。永久磁石２８は、中央ステータ部２２と第二外側ステータ要素２４の間に位置する。予期されるであろうが、磁石２６，２８は各々、双対の各磁気回路部分に対応する少なくとも２つの付随した極（図示せず）を有する。一実施の形態において、双対の各磁気回路に関連する磁束が、ロータ３２をその第一ラッチ位置にラッチする。
【００１３】
[0022]コイル３０の一部が永久磁石２６，２８に隣接して図示されている。ラッチ１２の各種磁気要素に磁束を発生させて、前述の磁束に打ち勝つように、極性の電流でコイルを励磁させ、これによりロータ３２が第一ラッチ位置から離れて第二ラッチ位置に移動することができる。
[0023]ロータ・シャフト組立部品１８はロータ３２に取り付けられるあらゆるシャフトを含んでいてもよく、上記ロータ３２は、ロータがそのラッチ位置のいずれかにあるとき、ロータ３２にねじれを加えることが可能なシャフト、例えばトーション・バー又はねじりバネで付勢されたシャフト等を含む。しかし、コイル３０の電気的変化に伴う反発作用により、ロータが第一ラッチ位置から第二ラッチ位置に移動し始めるので、ロータ・シャフトは必ずしもねじれを加えたシャフトである必要がない。
【００１４】
[0024]一実施の形態において、各種の例の寸法として、ラッチ１２の幅３４は約３.６５０インチ（９.２７１cm）である。ラッチ１２及びロータ・アーム組立部品１８の高さ３６は約４.０５０インチ（１０.２８７cm）であり、最後に、ラッチ１２の高さ３８は約１.７００インチ（４.３１８cm）である。しかし、承知のことであろうが、例として挙げた寸法は、特定の用途又は実装に合わせて変化するであろう。
【００１５】
[0025]図２Ａは、ロータ要素４２の典型的なロータ要素構造４０を示す。永久磁石４４，４６が、図示のようなロータ要素４２に山形状に配置されている。永久磁石４４，４６の重量がロータ要素４２にかかり、これによりロータ要素４２に慣性が加えられる。例えば、一実施の形態において、ロータ要素４２の典型的な重量は約０.５８ポンド（２６３.１ｇ）であり、対応する慣性が０.０００９lbf-in-sec２（約１.０４ｇ・cm・sec２）となる。
【００１６】
[0026]図２Ｂは、本発明の一実施の形態の典型的なロータ要素３２を示し、永久磁石４４，４６が、取り除かれ、代わってステータに組み込まれる。ロータ要素３２は、単一構造から構成することができ、一体成形される。ロータ要素３２は、図示のようなロータ要素３２の周囲に山形状に配置された一連のフィン構造４８を含むことができる。双対の各磁気回路の円滑化に役立つように、フィン構造４８の周縁を、更に説明するが、ステータの一部に形成された歯に対応できる一連の歯５０に形成することができる。
【００１７】
[0027]永久磁石４４，４６の取除きはロータ要素３２全体の重量を軽減し、これによりロータ要素３２の慣性が弱められる。一実施の形態において、ロータ要素３２の典型的な重量は０.３６ポンド（約１６３.３ｇ）であり、対応する慣性が０.０００６lbf-in-sec２（約０.６９ｇ・cm・sec２）となる。
【００１８】
[0028]図３Ａは典型的なロータ要素３２の一部５２を側面図で示す。図３Ａもやはりフィン構造４８及び歯５０を示している。一連の３本の歯５０が、図示のように上面から底面に配置されている。かかる歯５０を“上面”歯５０、“中間”歯５０及び“底面”歯５０という。一実施の形態において、上面歯５０は高さ５４が約０.３００インチ（０.７６２cm）である。更なる例の寸法として、高さ５６は約０.２５０インチ（０.６３５cm）、高さ５８は約０.６００インチ（１.５２４cm）、高さ６０は約０.２５０インチ、高さ６２は約０.３００インチである。やはり、例として挙げた上記寸法は、他の実施の形態では変更することができる。永久磁石はステータに組み込まれるが、ロータの少なくとも一部は磁気特性を持ち続ける。かかる磁気領域又は複数の領域は、ステータに組み込まれた永久磁石２６，２８に吸引されるように構成される。
【００１９】
[0029]図３Ｂは、典型的なステータ要素及びロータ要素３２の一部６４の三次元図を示す。放射状の空隙６６によって、ロータ要素３２の歯５０が第一外側ステータ部２０に組み込まれた歯構造６８から切り離されている。一実施の形態において、空隙６６は幅が約０.００４インチ（０.０１０cm）である。永久磁石２６，２８と共に、中央ステータ部２２及びコイル３０がやはり見える。承知のことであろうが、磁束が、磁石２６のそれぞれの極から、上面ステータ歯６８、空隙６６、上面ロータ歯５０、中間ロータ歯５０、空隙６６、中間ステータ歯６８を通って、最後に磁石２６の反対側の極に移り、双対磁気回路の一方を完成することができる。同様の経路が磁石２８のそれぞれの極から磁石２８の反対側の極に至る磁束を取り込み、第二の双対磁気回路を完成することができる。
【００２０】
[0030]２つの位置で双安定磁気デテント（detent）を生じながら、磁気抵抗により、ロータの磁気領域が、その行程の各終わりに永久磁石２６，２８の上部又は下部極部分のそれぞれの極に吸引される。磁気抵抗は、ラッチ１２の２つの安定位置の各々でトーション・バー１８（図１）に蓄えられたポテンシャル・エネルギーと共同して作用する。ロータ要素３２がラッチ１２の安定位置の一方にあるとき、トーション・バー１８は捩れた状態にある。安定位置にあるロータを保持するには、ステータとロータ間に過不足のない磁気吸引力が存在する。
【００２１】
[0031]永久磁石２６，２８の磁極片の磁束と相反する方向にコイル３０を介して電流パルスを駆動すると、ラッチ１２が解放される。本質的に電磁気的なものにより発生する相反する磁束は、永久磁石２６，２８の磁束と対向し、十分に強力であれば、磁石に対して反発作用を持つことができ、磁石からの磁束を解除し、トーション・バー１８の助けを借りて、ロータを別のラッチ位置の方向に駆動する。また、コイル３０を別の方向に励磁させて、反対側のデテントから解放することができる。このように、正のパルスによりラッチが一方の状態に切り換わり、逆のパルスはラッチを他方の状態に切り換える。
【００２２】
[0032]一実施の形態において、コイル３０は、幅を深さ約０.３７５インチ（０.９５２cm）までの約０.２５０インチ（０.６３５cm）とすることができるが、やはり種々の寸法を採用できる。別の実施の形態において、２つのコイル構造３０を実装できるが、他の実施の形態では、３以上のコイル構造３０を実装できる。
【００２３】
[0033]図３Ｃは外側ステータ部２０断片の断面図を示す。上面ステータ歯構造５８が見られ、これはやはり、一実施の形態では、幅５４を約０.３００インチ（０.７６２cm）とすることができる。図３Ｄは中央ステータ部２２断片の断面図を示す。中間ステータ歯６８が見られ、これはやはり、幅５８を約０.６００インチ（１.５２４cm）とすることができる。
【００２４】
[0034]永久磁石２６，２８をラッチ１２のステータに入れ替えることにより（再度、図１参照）、ロータ３２の重量及び容量が低減し、これによりロータ３２の電力が低減する。双対磁気回路設計の使用はそれぞれの磁気回路の効率が向上する。更に、トルクを増大させることのあるラッチ１２の直径を大きくすることなく、磁気領域を拡大することができる。コイル容積を大きくすることができ、これはラッチ１２の電力消費を低減させる。やはり、ロータ要素３２の慣性を小さくすることができる。一実施の形態において、ロータ要素３２の慣性の低下は約４０％低下ができる。同時に、ラッチ１２の組立部品は、ロータ３２に関連した部品がより少なく要求されることに起因して簡素化される。その結果、一体成形の単一構造からなるロータ３２を製作することができると共に、ロータ３２は回転バランスが高精度となり、ひいては稼働効率が一段と高まる。
【００２５】
[0035]前記パラグラフに記載の改良の全ては、ラッチ１２及びファスト・ピボット機構１０全体の性能の向上に役立つ。例えば、整定時間を含む切換え時間が削減される。切換え速度（単位秒当たりの切換え数）が速くなる。機構１０の効率及び信頼性が向上するが、一方、ラッチ１２の全体の大きさは、縮小可能であり、異なったサブシステムの構造に容易に合わせられる。また、プロセス中のラッチ１２の消費及び浪費電力がより少なくて済む。高められた切換え速度は、ファスト・フィルタ実現等の実施の形態では、フィルタ等の光学素子が視界に出入りする（第一ラッチ位置から第二ラッチ位置に）単位秒当たりの許容可能な時間数(Ｈｚ)を増大させ、全体の性能が向上する。
【００２６】
[0036]以上の発明の詳細な説明には少なくとも１つの典型的な実施の形態を提示してきたが、当然のことながら多数の変更が存在する。同様に当然のことながら、１つ又は複数の典型的な実施の形態は、単なる例にすぎず、本発明の範囲、適用可能性又は構成を決して限定しようとするものではない。むしろ、以上の詳細な説明は、本発明の典型的な実施の形態を実施する簡便な道筋を当業者に提供するものである。典型的な実施の形態に記載された要素の機能及び配置について、添付の特許請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変化がなされ得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】典型的な磁気ラッチ装置を組み込んだファスト・フィルタ装置の三次元切断図を示す。
【図２Ａ】２つの永久磁石を組み込んだ典型的なロータ要素を示す。
【図２Ｂ】本発明の典型的なロータ要素を示し、永久磁石がロータに組み込まれていない。
【図３Ａ】典型的なロータ要素の部分側面図を示す。
【図３Ｂ】典型的なステータ要素及びロータ要素の部分三次元図を示す。
【図３Ｃ】図３Ｂに示された典型的なステータ要素の第一部分断面図を示す。
【図３Ｄ】図３Ｂに示された典型的なステータ要素の第二部分断面図を示す。
【図１】
0005383080.tif 000002
【図２Ａ】
0005383080.tif 000003
【図２Ｂ】
0005383080.tif 000004
【図３Ａ】
0005383080.tif 000005
【図３Ｂ】
0005383080.tif 000006
【図３Ｃ】
0005383080.tif 000007
【図３Ｄ】
0005383080.tif 000008