(57)【要約】  熱磁気アクチュエータが、ハウジング内のチャンバと、加熱したときにチャンバ内で相を変える作動流体と、作動流体を加熱するための電気ヒータと、ハウジングに対して引っ込められた引込み位置とハウジングの外側に延伸した延伸位置との間で摺動可能であるピストンロッドと、ピストンロッドを引込み位置の方へ付勢させるばねと、ハウジングの端部にある電磁石と、ピストンロッドに取り付けられ、ハウジング内で摺動すると共に電磁石に電流が流れたときに電磁石の方へ吸引されて、ヒータにもはや電力が印加されない場合でもピストロッドを延伸位置に保持する強磁性体ターゲットアセンブリと、を備える。ピストンロッドの位置はアクチュエータによって検出され、ピストンロッドが延伸位置で検出されたときに、電気ヒータへの電流の流れが遮断されることが好ましい。【選択図】  図１
2009538401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内のチャンバと、
加熱すると相を変え、かつ前記チャンバ内に位置する作動流体と、
電力を印加したときに前記作動流体を加熱するための、前記チャンバ内に配置された電気ヒータと、
前記ハウジング内に摺動可能に配置され、かつ前記ハウジングに対して引っ込められた引込み位置と前記ハウジングの外側に延伸した延伸位置との間で移動可能であるピストンロッドであって、前記電気ヒータによる前記作動流体の加熱に応答して、前記引込み位置から前記延伸位置まで駆動されかつ摺動するピストンロッドと、
前記ピストンロッドを前記引込み位置の方へ付勢させる第１のばねと、
前記ハウジングの端部に配置され、かつ電流が供給されたときに磁界を生成する電磁石と、
前記ピストンロッドに取り付けられ、前記ハウジング内で摺動し、かつ前記電磁石に電流が流れたときに前記電磁石の方へ吸引されて、前記ヒータにもはや電力が印加されない場合でも前記ピストンロッドを前記延伸位置に保持する強磁性体ターゲットアセンブリと
を備える熱磁気アクチュエータ。
【請求項２】
前記強磁性体ターゲットアセンブリが、前記ピストンロッドに取り付けられた強磁性体カラーを含む、請求項１に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項３】
前記ピストンロッドの端部に固定され、前記ピストンロッドを前記引込み位置の方へ付勢させる前記第１のばねと嵌合し、かつ前記ハウジング内で摺動するピストンと、
前記ピストンと接触し、前記作動流体によって駆動され、かつ前記作動流体が膨張したときに前記ピストンを前記延伸位置の方へ摺動させる転動形ダイアフラムと
を備える、請求項１に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項４】
前記転動形ダイアフラムが、前記ハウジングによって締着される外周縁部を有する、請求項３に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項５】
前記電磁石が、強磁性体コアと、前記コアを取り囲むコイルと、前記コイルを囲む管状ハウジングとを含む、請求項１に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項６】
前記コアが、環状であり、前記ピストンロッドが挿通する中央開口部を含む、請求項５に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項７】
前記強磁性体ターゲットアセンブリが、前記ピストンロッドの一端が取り付けられている強磁性体コアを含み、前記強磁性体コアが前記ハウジング内で摺動する、請求項１に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項８】
前記強磁性体ターゲットアセンブリが、前記強磁性体コアに取り付けられ、かつ前記ピストンロッドが延伸している前記強磁性体コアの前記端部とは反対側の前記強磁性体コアの端部から延出するガイドピンを含み、
前記熱磁気アクチュエータが、前記作動流体によって駆動される転動形ダイアフラムと、前記転動形ダイアフラムと接触しかつ前記転動形ダイアフラムによって駆動され、前記作動流体が膨張したときに前記ハウジング内で摺動するピストンとを含み、前記ピストンが、前記ガイドピンを受容する中空部分を含む、
請求項７に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項９】
前記強磁性体ターゲットアセンブリを前記ピストンから離れる向きに付勢させる第２のばねを含む、請求項８に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１のばねが、前記第２のばねよりも大きな付勢力を与える、前記請求項９に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１１】
前記転動形ダイアフラムが、前記ハウジングによって締着される外周縁部を有する、請求項８に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１２】
前記強磁性体ターゲットアセンブリが、前記強磁性体コアに固定されかつ前記強磁性体コアと共に環状空間を画定する管状フランジを含み、前記第１のばねが前記環状空間内に受容される、請求項７に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１３】
前記ハウジング内での前記強磁性体ターゲットアセンブリの摺動を案内するための、前記電磁石から前記チャンバの方へ突出しかつ前記環状空間内に受容される管状ガイドを含む、請求項１２に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１４】
前記電磁石が、強磁性体コアと、前記コアを取り囲むコイルと、前記コイルを囲むハウジングとを含む、請求項７に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１５】
前記コアが、環状であり、前記ピストンロッドが挿通する中央開口部を含む、請求項１４に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１６】
前記ピストンロッドが延伸位置にあるか引込み位置にあるかを検出するための位置検出器を含む、請求項１に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１７】
前記位置検出器が、前記強磁性体ターゲットアセンブリに取り付けられた永久磁石と、前記ピストンが前記延伸位置と前記引込み位置の一方にあるときだけ前記永久磁石の接近を検知するための、前記ハウジングに取り付けられた磁界センサとを含む、請求項１６に記載の熱磁気アクチュエータ。
【請求項１８】
前記磁界センサが、前記延伸位置にある前記ピストンロッドの検出に応答して前記電気ヒータへの電流を断つようにスイッチをトリガするホール効果センサである、請求項１７に記載の熱磁気アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明は、物体の直線運動が、刺激、通常は電力に応答して引き起こされ、そしてその運動の反転が、その刺激を除去するかまたはその運動の反転を阻止する影響を解放することにより起こるアクチュエータに関する。本発明は、詳細には、刺激が印加されてから直線運動が反転するまでの消費電力を低減したアクチュエータに関する。本発明はさらに、磁界が、刺激を除去してから磁界を除去するまで直線運動の反転を阻止する影響を与えるアクチュエータに関する。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]電力などの刺激の印加に応答して物体の機械的運動を引き起こすアクチュエータは、周知である。小型であり、かつ電力の印加に応答して直線運動を引き起こすタイプのアクチュエータの中に電熱アクチュエータ（ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ａｃｔｕａｔｏｒ）がある。かかるアクチュエータの例が米国特許第４，７５９，１８９号および第４，８８７，４２９号に記載されており、これらの特許は参照により組み込まれる。これらの電熱アクチュエータ内には、密閉チャンバが作動流体を含んでいる。作動流体は、ほとんどが室温で液体であり、加熱されたときに蒸発する。液体のその気相は加熱されると膨張して、チャンバ内の内部圧力を上昇させる。以下の説明では、流体とは、液相と気相の両方を含み、気相は、加熱されると膨張してアクチュエータの動力となる。チャンバは電力ヒータを含み、この電力ヒータは、それに供給された電流に応答して流体に熱を供給する。この熱は、作動流体の相変化とチャンバ内の圧力上昇とをもたらす。チャンバ内の内部圧力の上昇に応答して、一般に電熱アクチュエータのパッケージに周縁部が締着された可撓性転動形ダイアフラム（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ｄｉａｐｈｒａｇｍ）が変位させられる。ダイアフラムの変位により、ピストンロッドを直線方向に駆動するピストンが押されて、通常は電熱アクチュエータのパッケージからのピストンロッドの突出を増大させる。
【０００３】
[0003]典型的には、電熱アクチュエータは、ピストンロッドをアクチュエータのパッケージの中に引っ込めるようにピストンを付勢させる復帰ばねを含む。作動流体の膨張とダイアフラムの動きは、ばねの復元力に対抗する力をもたらす。多くの従来型電熱アクチュエータにおいてピストンロッドの特定の延伸を保持するためには、チャンバ内の圧力がヒータへの電流の流れを継続することによって維持されなければならない。ある用途では、ピストンロッドを延伸した状態に保つために電力を継続的に消費するのは望ましくなく、少なくとも、ピストンロッドの延伸を維持するために供給される電力量を低減することが、多くの用途で極めて望ましい。
【０００４】
[0004]１つの公知である電熱アクチュエータが、米国特許第５，３９６，７７０号に記載されているものであり、ピストンロッドの延伸後に電力供給を継続する必要性を低減し、さらにはそれをなくす。その特許に記載されている電熱アクチュエータは、ピストロッドが完全に延伸されたときにピストンロッドと係合するラッチ機構を含む。ラッチはピストンの引込みを阻止し、したがって、ヒータへの電力の流れが断たれる。ピストンロッドが電熱アクチュエータのパッケージの中に引っ込むようにピストンロッドを解放するためには、ラッチ機構が外されなければならない。ラッチ機構はコイルおよび磁性部材を含む。コイルに電流を流すことによって磁界が生成される。磁界は磁性部材を移動させてラッチを外し、その結果、ピストンロッドは電熱アクチュエータのパッケージの中に引っ込む。ピストンがラッチされているときに、ピストンロッドは元の位置に復帰することはなく、ピストンロッドは電力を喪失または除去すると引っ込められる。言い換えれば、ピストンロッドのフェイルセーフ位置は、ピストンロッドが電力の喪失前にラッチされたかどうかに依存する。多くの用途では、フェイルセーフ位置は、ラッチのないアクチュエータと同様に、ピストンロッドの引込み位置であることが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]したがって、ピストンロッドが電力の印加に応答して延伸され、印加された電力がピストンロッドの延伸後に低減されうるが、ピストンロッドは延伸したままであり、停電時にピストンロッドが引っ込む、アクチュエータを提供することが望ましい。
【０００６】
[0006]本発明による熱磁気アクチュエータ（ｔｈｅｒｍｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ）は、ハウジングと、ハウジング内のチャンバと、加熱すると相を変え、かつチャンバ内に位置する作動流体と、電力を印加したときに作動流体を加熱するための、チャンバ内に配置された電気ヒータと、ハウジング内に摺動可能に配置され、かつハウジングに対して引っ込められた引込み位置とハウジングに対して延伸された延伸位置との間で移動可能なピストンロッドであって、電気ヒータによる作動流体の加熱に応答して、引込み位置から延伸位置まで駆動されかつ摺動するピストンロッドと、ピストンロッドを引込み位置の方へ付勢させるばねと、ハウジングの端部に配置され、かつ電流が供給されたときに磁界を生成する電磁石と、ピストンロッドに取り付けられ、ハウジング内で摺動し、かつ電磁石に電流が流れたときに電磁石の方へ吸引されて、ヒータにもはや電力が供給されない場合でもピストンロッドを延伸位置に保持する強磁性体ターゲットアセンブリと、を備える。
【０００７】
[0007]本発明の一実施形態では、強磁性体ターゲットアセンブリは、ピストンロッドに取り付けられた強磁性体カラーを含む。強磁性体カラーは、ピストンロッドが延伸位置に到達した後、電磁石によって生成された磁界によって電磁石の近傍に保持される。ピストンロッドは、ヒータに電力を印加しかつ膨張する作動流体でピストンを駆動することによって延伸位置に到達する。ヒータから電力を除去した後でも、ピストンロッドは、電磁石への電流が断たれるまで延伸位置のままである。次いで、強磁性体ターゲットアセンブリはもはや電磁石によって吸引されず、ピストンロッドは引込み位置に復帰する。
【０００８】
[0008]本発明の好ましい一実施形態では、強磁性体ターゲットアセンブリは、強磁性体カラーより大きな強磁性体の質量を有する。この実施形態における強磁性体ターゲットアセンブリは、ピストンロッドが吸引される強磁性体ターゲットコアと、好ましくは強磁性材料の管状フランジとを含む。ターゲットコアは、ピストンロッドと同軸にピストンロッドから反対向きに突出しかつピストン内に受容されるガイドピンを含むこともできる。第２のばねが、ピストンおよびダイアフラムをターゲットコアから離れる向きに付勢する。第２のばねは、強磁性体ターゲットアセンブリが電磁石によって生成された磁界による磁気吸引力で保持されている間でも、ピストンおよびダイアフラムを、熱磁気アクチュエータのヒータが作動されていないときにピストンおよびダイアフラムが占める前述の位置へ付勢する。その状況では、ヒータに電流が供給されていないと、ピストンロッドは、電流がもはや電磁石に供給されなくなるまで延伸位置のままである。
【０００９】
[0009]制御回路がヒータに供給される電流を制御して、ピストンロッドを引込み位置から延伸位置まで移動させることが好ましい。アクチュエータ上に取り付けられた位置検出器が、ピストンロッドの位置を検出する。位置検出器は、強磁性体ターゲットアセンブリ上に取り付けられた永久磁石を含み、ハウジング上に取り付けられうるホール効果センサは、ピストンロッドが延伸位置にあるときに永久磁石に応答する。制御回路は、ホール効果センサの出力を使用して、ピストンロッドの延伸位置を検出すると、電磁石への電流を遮ることなく、ヒータへの電流を断ち、したがって、ピストンロッドは、電磁石への電流が断たれるまでは、ヒータへの電流の流れがなくても延伸位置のままである。
【００１０】
[0016]すべての図において、重複して説明する必要のないように、同じ要素には同じ参照番号が与えられている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態によるアクチュエータの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態によるアクチュエータの分解図である。
【図３】ストンロッドが引込み位置にある状態での図２のアクチュエータの断面図である。
【図４】電力がアクチュエータのヒータに供給されている間にピストンロッドが延伸位置にある状態での図２のアクチュエータの断面図である。
【図５】電力がアクチュエータの電磁石には供給されているがアクチュエータのヒータには供給されていない間にピストンロッドが延伸されている状態での図２のアクチュエータの断面図である。
【図６】本発明によるアクチュエータ用の制御回路の例の概略電気回路図である。
【詳細な説明】
【００１２】
[0017]図１は、本発明による熱磁気アクチュエータ１の第１の実施形態を部分断面図で示す。熱磁気アクチュエータ１は、互いに連結された後部すなわち近位ハウジング部３と遠位ハウジング部４とを有するハウジングを含む。図１に示されているハウジングの部品は、互いに連結されるプラスチック部品であることが好ましいが、金属にすることもできる。プラスチック部品は、作動流体の温度と、後述するヒータによって生じる他の高い温度とに耐えることができる材料である。近位ハウジング部３は、作動流体、しばしばフッ化炭素を収容するチャンバ５を含む。チャンバはまた、ヒータ６に電流が供給されうるようにハウジングの遠位部の壁を挿通する電気リード線７を有する円板の形で示されている電気ヒータ６も収容する。ハウジングが導電性である場合は、電気絶縁材料８が近位ハウジング部３の開口部をふさいで、熱磁気アクチュエータのハウジングを通る電気リード線７の絶縁通路を設ける。絶縁材料８は、近位ハウジング３がプラスチックである場合には不要である。
【００１３】
[0018]転動形ダイアフラム１４は、チャンバ５の反対側にあり、断面がシルクハットの形状を有する。このダイアフラムは、単一片のエラストマまたは他の可撓性材料のものであり、一端に閉じられた管状部を有し、反対端にはシルクハットのつばのような外周フランジ１５を有する。図１に示されているように、外周フランジ１５は、近位ハウジング部３と遠位ハウジング部４との間に締着される。これらのハウジング部は、外周フランジ１５を所定の位置に保持するとともに、転動形ダイアフラム１４を固定する。
【００１４】
[0019]ダイアフラム１４の管状部は、ピストン１６でふさがれる。ダイアフラムが、加熱された作動流体の気相の圧力によって図１の左側に変位させられたとき、ピストン１６は図１の左側へ駆動される。転動形ダイアフラム１４の管状部に嵌入しているピストン１６の部分に隣接するピストン１６の外周スカート１７は、ピストン１６を案内しながら、遠位ハウジング部４の管状部の内面に沿って摺動する。図１にコイルばねとして示されている復帰ばね１８は、ピストン１６の外周スカート１７上に位置し、ピストン１６をチャンバ５の方向に付勢する。コイルばね１８の反対端は、遠位ハウジング部４の内面上の固定場所に位置する。
【００１５】
[0020]ピストンロッド２０は、ピストン１６に埋め込まれた近位端２１と、遠位ハウジング部４の遠位端からハウジングの外側に延出する遠位端２２とを有する。ピストンロッド２０は、ピストン１６および復帰ばね１８と同軸であり、かつステンレス鋼などの非磁性材料であることが好ましい。ピストンロッド２０は、移動するときに後述の電磁石の管状開口部によって、かつピストン１６内に近位端２１を位置決めすることによって案内される。アクチュエータは、後述のように、電磁石によって生成された磁界によって吸引可能である強磁性体ターゲットアセンブリを含む。図１の実施形態における強磁性体ターゲットアセンブリは、ピストン１６に隣接または近接する、ピストンロッド２０に固定して取り付けられた強磁性体カラー２３を含む。磁性体カラー２３は、磁界によって吸引されうる軟鉄などの任意適当な磁性材料で製作されうる。
【００１６】
[0021]電磁石２４は、ピストンロッド２０と同軸の３つの部品を含む。電磁石２４は、遠位ハウジング部４の遠位端に挿入されており、電流が図１には示されていないリード線を介して供給されうる電気コイル２５を含む。コイル２５は、管状強磁性体コア２６を取り囲むことが最も好ましい。コイル２５とコア２６はどちらも管状ハウジング２７内に配置され、管状ハウジング２７は、遠位ハウジング部４に、例えば接着することによって恒久的に取り付けられる。ハウジング２７もまた、後述のように、ピストンロッド２０を延伸位置に保持するのを助ける強磁性材料、例えば軟鉄であることが好ましい。ピストンロッドは、図１に示されているように、ピストンロッドの周囲から延出しかつハウジングの外側に位置する止め具２８を任意選択で含むことができる。止め具２８は、さもなければ同軸力がチャンバ５に向けられたピストンロッド２０に印加された場合に起こりうる損傷を防止する。
【００１７】
[0022]図１には、ハウジング４の遠位部分の外面から延出するフランジおよび支持体も示されている。これらの要素は、熱磁気アクチュエータを取り付ける際に有用であり重要でもあるが、クレームされている発明に関連しないので、これ以上説明しない。
【００１８】
[0023]特に図４および５に関してさらに後述するように、ピストンロッド２０は、図１に示されている引込み位置から延伸位置まで摺動して、図４および５に示されているように、ハウジングからさらに延伸することができる。この摺動は、ヒータ６への電力の供給に応答してチャンバ５内の作動流体を加熱し気化させることによって引き起こされる。作動流体は相を変え、転動形ダイアフラム１４の閉鎖端に対して十分な力を加えて、ピストン１６を図１の左側の方へ変位させる。この力は、復帰ばね１８の復元力に対抗して、ピストンロッドを電熱アクチュエータのハウジングに対してさらに外側に延伸させる。この移動は、強磁性体カラー２３が遠位ハウジング部４の内面と接触することによって限定されうる。その場所では、強磁性体カラー２３は、電磁石２４に比較的近接し、ハウジング２７と接触することができる。
【００１９】
[0024]本発明の重要な特徴によれば、ピストンロッド２０がピストンロッドの軸に沿って変位させられたときに、電磁石２４に直流が供給されて、この場合は強磁性体カラー２３を含む強磁性体ターゲットアセンブリを吸引する磁界を生成することができる。十分な磁気吸引力を与えることにより、ばね１８の復元力に打ち勝つことができる。次いで、電磁石によって生成された磁界は、ピストンロッド２０をピストンロッド２０の延伸位置に保持し、したがって、作動流体によってピストン１６に加えられた動力は、もはやその延伸したピストンロッド位置を維持するためには必要ない。消費電力を低減するためには、この段階でヒータ６への電力の印加が停止される。作動流体は冷却し液相に戻り、その結果、作動流体によって転動形ダイアフラム１４に加えられていた圧力は解放される。しかし、ピストンロッドは、作動された電磁石２４によって生成されかつカラー２３を吸引する磁界によって与えられた保持力により、ピストンロッドの引込み位置には復帰しない。
【００２０】
[0025]ピストンロッドが引込み位置に復帰するようにピストンロッド２０を解放することが望まれるときに、電磁石２４への電流の流れが停止される。ピストンロッド２０は、作動流体が十分に冷却していれば、引込み位置、すなわち図１に示されている位置に比較的速く復帰する。一般に、ピストンロッド２０の延伸位置から引込み位置への復帰は、ピストン１６がガス状作動流体によって図１の左側に駆動されたときの逆転移よりも速く行われる。ヒータ６は、作動流体を気体状態に維持するために比較的大きな電力量を必要とする。しかし、ピストンロッド２０を、延伸位置に到達してから延伸位置に維持するためには、ずっと少ない電力が電磁石２４に印加されうる。したがって、本発明による熱磁気アクチュエータによる総消費電力は、公知の電熱アクチュエータよりも大幅に低減されうる。熱磁気アクチュエータは、消費電力が少ないため、電熱アクチュエータよりも低い温度のままでいる。ピストンロッド２０は、たいていの場合、電熱アクチュエータよりも速く引込み位置に復帰し、停電が起きた場合、ピストンロッド２０は引込み位置に復帰し、延伸位置にはとどまらない。
【００２１】
[0026]図２は、熱磁気アクチュエータによって消費電力を低減するために同じ原理を用いた本発明の第２の実施形態の一部を、明瞭にするために特定の要素が削除されている分解図で示す。本発明のこの第２の実施形態の主として断面でのより完全な図が、図３〜５に与えられている。図２〜５に示されている熱磁気アクチュエータは、磁性材料に関して、図１の実施形態よりも大きな強磁性体ターゲットアセンブリを備える。この大きな磁性体ターゲットアセンブリは、電力がもはやヒータに供給されなくなった後でピストンロッドを延伸位置に保持する際のさらなる確実性のために、電磁石２４によって生成された磁界でより大きな吸引力をもたらす。開示を簡略にするために、図１の実施形態とは異なる図２〜５の実施形態における要素だけについて説明する。
【００２２】
[0027]最初に図２を参照すると、熱磁気アクチュエータの内部部品を露出させるために、遠位ハウジング部４が除去されている。さらに、転動形ダイアフラム１４も除去されている。近位ハウジング部３は、近位ハウジング部３の隣に示されているピストン１６を備える。組み立てられた電熱アクチュエータでは、ピストン１６は、図１に関連して説明した実施形態と同様に、ハウジングの近位部分と遠位部分の間に締着される外周フランジ１５を有する図示されていない転動形ダイアフラム１４内に受容される。
【００２３】
[0028]図２〜５の熱磁気アクチュエータの強磁性体ターゲットアセンブリ３０は、図１の熱磁気アクチュエータの強磁性体カラー２３とは構造がかなり異なる。強磁性体ターゲットアセンブリのそれぞれの部品は、図２〜５を総合的に見ることによって最も良く理解される。
【００２４】
[0029]強磁性体ターゲットアセンブリ３０は、ピストンロッド２０と同軸の中心ターゲットコア３１を含む。ピストンロッド２０の近位端は、ターゲットコア３１の遠位端に埋め込まれる。ターゲットコア３１は、電磁石のコイル２５に直流が流れるときに電磁石２４によって生成される磁界に吸引されうる軟鉄などの強磁性材料である。ガイドピン３２（図２には見えない、図３および４参照）が、ターゲットコア３１の近位端に埋め込まれかつそれから突出する。ガイドピンはピストンロッド２０と同軸であり、ピストンロッドが引込み位置にあるとき、図３に示されているように、ガイドピン３２はピストン１６の管状部内に受容される。コイルばね３３が、ガイドピン３２を取り囲み、ターゲットコア３１とピストン１６の間に置かれる。ばね３３は、より詳細に後述するように、ターゲットコア３１をピストン１６および転動形ダイアフラム１４から離れる向きに付勢させる力を与える。強磁性体ターゲットアセンブリ３０は、ターゲットコア３１の近位端に固定された端部を有する管状フランジ３４も含む。管状フランジ３４もまた、軟鉄などの強磁性材料で製作されることが好ましい。ターゲットコア３１とフランジ３４の間の環状空間（ａｎｎｕｌａｒ  ｓｐａｃｅ）は、ターゲットコア３１、ピストン１６およびピストンロッド２０を図３に示されている引込み位置の方へ付勢する付勢力（ｂｉａｓｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を与えるばねの一部を受容する。ピストン１６に面する強磁性体ターゲットアセンブリ３４の側面は、後述するように、ピストンロッドの位置を磁気的に示すための付着された環状永久磁石３５（図２には見えない、図３および４参照）を含むことが好ましい。
【００２５】
[0030]図２〜５の熱磁気アクチュエータは、電磁石２４のハウジング２７の一部に取り付けられた環状ガイド３６も含む。管状ガイド３６の一部は、電磁石２４からチャンバ５の方へ突出し、ばね１８が少なくとも部分的に位置するターゲットコア３１と管状フランジ３４の間の環状空間内に受容される。管状ガイド３６は、ターゲットコアおよびフランジ３４が熱磁気アクチュエータの遠位ハウジング部４内で摺動するときに、ターゲットコア３１の位置を保持するのを助ける。
【００２６】
[0031]図２に示されているように、電気リード線４０が、コイルに電流を供給するために、ハウジング２７を貫通して電磁石２４のコイル２５まで延びる。ハウジング２７は、電気絶縁フィードスルー４１がコイル２５へのリード線４０の通路として設けられうるように、強磁性材料であることが好ましい。
【００２７】
[0032]本発明の第２の実施形態の磁気的により大きな強磁性体ターゲットアセンブリ３０では、既述のように、図１の実施形態よりも大きな磁力が電磁石２４と磁性体ターゲットアセンブリとの間に確立され、したがって、ピストンロッド２０をより確実に延伸位置に保持することが達成されうる。図３は、第２の実施形態による電熱アクチュエータを、ピストンロッド２０が引込み位置にある状態で示す。この位置では、復帰ばね１８が、ピストンロッド２０を引込み位置に保持するとともに、ピストン１６を最大限の機械的範囲でチャンバ５の方へ付勢する。復帰ばね１８は、強磁性体ターゲットアセンブリ３０をピストン１６から離れる方向に付勢させるばね３３よりも大きな力を加える。２つのばねによって加えられた力がこの関係になければ、ピストンロッド２０の完全引込み位置を達成することはできない。
【００２８】
[0033]図４は、ヒータ６への電力の印加により延伸位置にある状態でのピストンロッド２０を断面で示す。この状態では、作動流体が気相に変換されており、転動形ダイアフラム１４を介してピストン１６を復帰ばね１８の力に対抗して図４の左側へ駆動している。ヒータ６に電力が供給され続けられる限り、この位置は、主ばね１８と副ばね３３が共に圧縮された状態で維持される。ガイドピン３２は、この状況では、ピストン１６の中に閉じ込められたままである。
【００２９】
[0034]図５は、ピストンロッド２０が完全に延伸され、その位置がヒータ６への電力の印加によって最初に達成されている後の状態での熱磁気アクチュエータを示す。しかし、図５では、電力は、もはやヒータ６には供給されていないが、依然として電磁石２４のコイル２５には供給されている。コイル２５に電力を印加して磁界を生成した結果として、強磁性体ターゲットアセンブリ３０は、電磁石２４のハウジング２７の方へ吸引され、それに当たって保持される。ハウジング２７は、組み立てられたときに円環形状を有することが好ましい。ハウジング２７の中央開口部は、ピストンロッド２０が摺動するためのガイドとして機能する。ハウジング自体は、強磁性体ターゲットアセンブリ３０の磁気吸引力を高める。例示の状態では、ヒータ６に電力が供給されていないので、作動流体は経時的に液相に戻り、チャンバ５内の圧力は低下し、したがって、ピストン１６は、もはや強磁性体ターゲットアセンブリ３０の方へ付勢されない。ピストン１６および転動形ダイアフラム１４がこの状況で「浮動し」かつ望ましくない位置を取りうる可能性を回避するために、副ばね３３が、ピストン１６および転動形ダイアフラム１４を図３に示されている位置の方へ付勢する。ガイドピン３２は、コイルばね３３によって取り囲まれており、ばねを案内するのを助け、したがって、ピストン１６および転動形ダイアフラム１４は、熱磁気アクチュエータのハウジング内でのピストン１６および転動形ダイアフラム１４の元の静止場所に復帰する。電磁石２４のコイル２５へ流れる電流が遮られると、強磁性体ターゲットアセンブリ３０は、ばね１８によって駆動され、したがって、ピストンロッド２０および磁性体コアアセンブリは、図３に示されている位置、すなわちピストンロッド２０の引込み位置に比較的速く復帰する。
【００３０】
[0035]第２の実施形態は、電磁石がピストンロッドを延伸位置に保持するための保持力を与えているときに、ダイアフラムを非付勢の熱磁気アクチュエータの位置に復帰させることにより、転動形ダイアフラム１４の寿命の延長を達成することができる。それによって、電磁石２４のコイル２５から電力を除去したときの、ピストン１６および転動形ダイアフラム１４の過度の速い動きと潜在応力が回避される。さらに、第２の実施形態は、第１の実施形態のすべての利点、すなわち、消費電力が知られている電熱アクチュエータよりもかなり少ないこと、動作温度が従来の電熱アクチュエータよりも低いこと、およびピストンロッドが停電時に引っ込められること、を提供する。
【００３１】
[0036]本発明による熱磁気アクチュエータは、ピストンロッド２０が延伸位置にあるときを決定するための位置検出器を含むことが好ましい。位置検出器は、電磁石２４によって生成された磁界がピストンロッド２０を延伸位置に保持するときに、電気ヒータ６への電流を断つための信号を生成する。そのような位置検出器の一例が、既述の熱磁気アクチュエータの第２の実施形態に関して図３〜５に示されている。しかし、この位置検出器が第１の実施形態や他のバージョンのセンサにも容易に適用されることは明らかである。図３〜５に示されているように、位置検出器は、チャンバ５に面しかつガイドピン３２がそれから延出している、強磁性体ターゲットアセンブリ３０の側面に取り付けられた永久磁石３５を備える。永久磁石３５は円環形状として示されている。ホール効果センサ４５は、遠位ハウジング部４の外面上のある場所に取り付けられ、その場所は、ピストンロッド２０が図３に示されているような引込み位置にあるときには永久磁石３５から比較的遠くにあり、かつピストンロッド２０が図４および５に示されているような延伸位置にあるときには永久磁石３５の真向いにある場所である。ホール効果センサは、市販されており、例えばスイッチを有効に閉じることによる磁界の印加に応答する。したがって、ホール効果センサ４５は、通常は閉スイッチとして機能することができ、磁界の影響を受けたとき、例えば永久磁石３５が図４および５に示されている位置にあるときには開スイッチとして機能することができる。
【００３２】
[0037]交流電源から本発明による熱磁気アクチュエータに電力を供給するとともに、ピストンロッドが延伸位置にあるときに消費電力を低減できるようにするために使用される制御回路の特定の例が、図６に概略的に示されている。図に示されているように、交流電源５０が、４つのダイオード５１を含む全波整流回路とリード線４０とを経由して電磁石のコイル２５に電力を供給する。ブリッジ回路は、電磁石のコイル２５のための直流を生成する。この交流電源は、リード線７を経由して電気ヒータ６に電力を直接供給する。電気ヒータ６は、ＴＲＩＡＣ５２、すなわち交流を導通させる市販のゲートスイッチを経由して電源５０に直列接続される。ＴＲＩＡＣ５２は、ＴＲＩＡＣ５２のゲート５３に印加された電気信号の状態に応じて、導通状態にされたり開回路として機能したりすることができる。
【００３３】
[0038]図６の制御回路は、限流抵抗器５５に直列接続された制御ダイオード５４も含み、限流抵抗器５５は、並列接続された複数の要素を含む回路に接続される。並列接続されている要素は、高周波信号をバイパスさせるためのコンデンサ６０と、並列接続されている要素の両端間に比較的一定の電圧を確立するために逆バイアスされるツェナーダイオード６１とを含む。ホール効果センサ４５も同様に、コンデンサ６０およびツェナーダイオード６１に並列接続される。ホール効果センサは３つの端子４６〜４８を含む。端子４６および４７は、ホール効果センサの両端間にバイアス電圧を印加するために使用され、端子４８は、ホール効果センサに印加された磁界の大きさに応じて、端子４７と端子４８の間に開回路または閉回路の機能をもたらす制御端子である。図６の回路では、プルアップ抵抗器６２が、ホール効果センサ４５の端子４６と４８の間に接続される。ホール効果センサの制御端子４８は、ＴＲＩＡＣ５２のゲートに直接接続される。
【００３４】
[0039]図６の制御回路の動作は容易に理解される。交流電力が電源５０から供給され、熱磁気アクチュエータがピストンロッドを延伸させ始めたとき、ＴＲＩＡＣ５２がゲート５３に印加された「ハイ」信号で閉回路として機能するので、電流がヒータ６に流れる。ピストンロッドが延伸された後、永久磁石３５（図３〜５に示されている）は、ホール効果センサの状態に変化を引き起こして、端子４７と４８を効果的に短絡させ、ＴＲＩＡＣ５２をトリガし、したがってゲート５３が「ロー」になる。ローのゲート信号は、ＴＲＩＡＣを開回路として機能させ、したがって電流はもはや電気ヒータ６には流れない。しかし、電力が電源５０によって供給され続けられている限り、電流が電磁石のコイル２５に流れ続ける。したがって、強磁性体ターゲットアセンブリは、ピストンロッドが延伸位置にある状態で、電磁石によって生成された磁界によって定位置に保持される。その状態では、回路要素４５、５４、５５、６０および６１によって電力がほとんど消費されず、したがって、本質的にすべての電力消費が電磁石に限定される。意図的にまたは無意識のうちに電源５０から電力を除去すると、コイル２５への電流の流れは停止し、その結果、ピストンロッドは解放され引込み位置に復帰する。
【００３５】
[0040]図６の回路は、交流電源で動作するように設計されているが、当業者には容易に明らかな類似の回路が、直流電源に対して用意されうる。その場合、整流器５１を含むブリッジは不要であり、コイル４０は、限流抵抗器の有無にかかわらず、電源に並列接続されうる。ＴＲＩＡＣ５２は、回路の設計を部分的に変更するだけで、電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタで置き換えられるはずである。永久電磁石およびホール効果センサ４５を含む、位置センサに関連する回路の総括的機能は、既述のものと同じである。
【００３６】
[0041]上記の説明は、本発明の特に好ましい実施形態に関するものであり、本発明を既述の特定の実施形態に限定するものではない。本発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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