(57)【要約】  形状、ハウジングと磁場アセンブリとコイルの位置、および／またはコイルに通電する電流の強さと方向の一部あるいはすべてを計画的に選定することにより、ボイスコイルアクチュエータに「電磁スプリング」特性が得られる。たとえば、ハウジングと磁場アセンブリの相対的な寸法の適切な計画的な選定により、所定の双方向スプリング特性が提供される。ハウジングの一端に配置された、半径方向に磁化した磁石すなわち軟磁性体の拡張の追加により、および／または、強さと方向を選定した電流をコイルアセンブリに流すことによって、スプリング特性を変更することができる。
2009519000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料の、長さＬhを有するハウジングと；
前記ハウジング内に配置されるコイルアセンブリと；
前記コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、長さＬfを有し、軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備え；
前記ＬhとＬfとの差は、前記コイルアセンブリに通電されないときに、前記磁場アセンブリと前記ハウジングの間に所定の力を生ずるように選定される；
線形アクチュエータ。
【請求項２】
前記コイルアセンブリが前記ハウジング内で、前記コイルアセンブリに通電されないときに前記ハウジング内の前記磁場アセンブリの位置からからずれた位置に配置される；
請求項１の線形アクチュエータ。
【請求項３】
前記ハウジング内に配置され、前記磁場アセンブリを前記ハウジング内で移動するように支持する支持構造をさらに含む；
請求項１の線形アクチュエータ。
【請求項４】
前記支持構造がプラスチックで形成される；
請求項３の線形アクチュエータ。
【請求項５】
前記プラスチックが、テフロン、ピーク、デルリン、ウルテムの商標で販売されている材料から選択される；
請求項４の線形アクチュエータ。
【請求項６】
軟磁性材料のハウジングと；
前記ハウジング内に配置されるコイルアセンブリと；
前記コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備え；
前記コイルに通電されないときに前記磁場アセンブリと前記ハウジングとの間に力が生じ；
前記ハウジングの一端に配置され、前記コイルアセンブリに通電されないときに前記磁場アセンブリが前記コイルアセンブリからずれた位置となるように選定した軸方向長さを有する、磁性材料の拡張ハウジングをさらに含む；
線形アクチュエータ。
【請求項７】
前記磁性材料が軟磁性リングである；
請求項６の線形アクチュエータ。
【請求項８】
前記磁性材料が、極性を選定し半径方向に磁化した磁石である；
請求項６の線形アクチュエータ。
【請求項９】
前記ハウジング内に配置され、前記磁場アセンブリを前記ハウジング内で移動するように支持する支持構造をさらに含む；
請求項６の線形アクチュエータ。
【請求項１０】
前記支持構造がプラスチックで形成される；
請求項９の線形アクチュエータ。
【請求項１１】
前記プラスチックが、テフロン、ピーク、デルリン、ウルテムの商標で販売されている材料から選択される；
請求項１０の線形アクチュエータ。
【請求項１２】
軟磁性材料の、長さＬhを有するハウジングと；
前記ハウジングに支持されるコイルアセンブリと；
前記コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、長さＬfを有し、軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備え；
前記ＬhとＬfとの差は、前記コイルアセンブリに通電されないときに、前記磁場アセンブリと前記ハウジングの間に所定の力を生ずるように選定され；
前記コイルアセンブリに強さと方向を選定した電流を流して前記コイルアセンブリのスプリング特性を変える；
線形アクチュエータ。
【請求項１３】
軟磁性材料の、長さＬhを有するハウジングと；
前記ハウジングに支持されるコイルアセンブリと；
前記コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、長さＬfを有し、軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備え；
前記ＬhとＬfとの差は、前記コイルアセンブリに通電されないときに、前記磁場アセンブリと前記ハウジングの間に所定の力を生ずるように選定され；
前記ハウジングの一端に拡張ハウジングが配置され；
前記拡張ハウジングは前記コイルアセンブリのスプリング特性に所定の変更を与えるような寸法とされる；
線形アクチュエータ。
【請求項１４】
ある強さと方向の電流を前記コイルアセンブリに流して前記コイルアセンブリのスプリング特性に所定の変更をさらに与える；
請求項１３の線形アクチュエータ。
【請求項１５】
軟磁性材料のハウジングを長さＬhを有するように構成する工程と；
コイルアセンブリを前記ハウジング内に配置する工程と；
コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、長さＬfを有し、軸方向に磁化した磁石を有するように、磁場アセンブリを構成する工程と；
前記コイルアセンブリに通電されないときに前記磁場アセンブリと前記ハウジングとの間に所定の力を生ずるようにＬhとＬfの差を選定する工程とを備える； 
線形アクチュエータを構成する方法。
【請求項１６】
電磁スプリングを構成する方法であって：
軟磁性材料のハウジングを長さＬhを有するように構成する工程と；
コイルアセンブリを前記ハウジング内で支持する工程と；
コイルアセンブリと相対的に移動するように前記ハウジング内に配置され、長さＬfを有し、軸方向に磁化した磁石を有するように、磁場アセンブリを構成する工程と；
前記コイルアセンブリに通電されないときに前記磁場アセンブリと前記ハウジングとの間に所定の力を生ずるようにＬhとＬfの差を選定する工程と；
前記ハウジングの一端に拡張ハウジングを配置する工程とを備え； 
前記拡張ハウジングは電磁スプリングのスプリング特性に所定の変更を与える寸法とされる；
方法。
【請求項１７】
前記拡張ハウジングを配置する工程は、磁極方向を選定し半径方向に磁化した磁石の拡張ハウジングを形成する工程を含む；
請求項１６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、米国特許法１１９条（ｅ）に基づき、２００５年１２月７日出願の仮出願番号６０／７４８，２７８を基礎とする優先権を主張する。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、線形ボイスコイルアクチュエータに関し、特に、双方向電磁スプリング特性を有する線形ボイスコイルアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００３】
移動する磁石を有するタイプの代表的な線形ボイスコイルアクチュエータでは、移動する磁場アセンブリを、軟磁性ハウジングに取り付けた静的コイルアセンブリと一緒に用いる。軟磁性ハウジングはまた磁気回路用のバックアイアン（ｂａｃｋ  ｉｒｏｎ）としても作用する。移動する磁場アセンブリは、軸方向に磁化した円筒形磁石であって、２つの軟磁性磁極片で挟んだ磁石から成るのが一般的である。静的コイルアセンブリは、磁性体の円筒形あるいはハウジングに取り付けられたコイルベースの円形の空隙に配置されるいくつかのコイルで形成することができる。通常、この磁性体の円筒形の軸方向長さは与えられた磁場アセンブリ長さおよびストロークに対し、最小とされる。通常、その他の影響は考慮しない。
【０００４】
米国特許第６，８１５，８４６号および第６，８３１，５３８号は、本願と同一の発明者であり本願の出願人と同一の出願人に譲渡されたものであるが、引張りか圧縮のいずれかの「一方向の」機械的なスプリングに類似のように考えられるスプリング特性を有する線形ボイスコイルアクチュエータを開示している。
【発明の開示】
【０００５】
ハウジングと磁場アセンブリの相対的寸法の適切な計画的選定により線形ボイスコイルアクチュエータ構成に所定の双方向スプリング特性が提供されることが見出された。そのスプリング特性はさらに、ハウジング端部に位置する半径方向に磁化した磁石あるいは軟磁性体の拡張などの構成の追加により、および／または、コイルアセンブリに選択した強さと方向の電流を流すことにより変更できる。
【０００６】
本発明の一実施の形態は、軟磁性材料の長さＬhを有するハウジングと、ハウジング内に配置されるコイルアセンブリと, ハウジング内に配置されコイルアセンブリと相対的に移動し長さＬfを有し軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備える線形アクチュエータであり、ＬhとＬfとの差は、コイルに通電されていないときに磁場アセンブリとハウジングの間に所定の力を提供するように選定する。さらに別の実施の形態では、コイルアセンブリは、コイルに通電されていないときに、ハウジングの磁場アセンブリの位置からずれた点でハウジング内に位置する。
【０００７】
本発明の別の実施の形態は、軟磁性材料のハウジングと、ハウジング内に配置されるコイルアセンブリと、ハウジング内に配置されコイルアセンブリと相対的に移動し軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備える線形アクチュエータであり、コイルに通電されていないときに磁場アセンブリとハウジングの間に力を提供し、さらにハウジングの一端に位置する磁性材料の拡張ハウジングを含み、コイルアセンブリが通電されていないときに磁場アセンブリがコイルアセンブリからずれた位置を有するかそのように仮定されるように選定した軸方向長さを有する。この実施の形態の線形アクチュエータでは、その磁性材料は軟磁性リングでよい。あるいは、その磁性材料は、適切に極性を選定し半径方向に磁化した磁石であってもよい。
【０００８】
上記の実施の形態は、さらに、ハウジング内に配置され、磁場アセンブリをハウジング内で移動するように支持する表面を有する支持構造を含んでもよい。支持構造はプラスチックで形成されてもよい。プラスチックは、テフロン（Teflon）、ピーク（PEEK）、デルリン（Delrin）、 ウルテム（Ultem）という商標で販売されている材料でもよい。
【０００９】
本発明のさらに別の実施の形態は、軟磁性材料で長さＬhを有するハウジングと、ハウジングに取り付けられたコイルアセンブリと、ハウジング内に配置されコイルアセンブリと相対的に移動し長さＬfを有し軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備えるアセンブリであって、コイルに通電されないときに磁場アセンブリとハウジングとの間に所定の力を提供するようにＬhとＬfの差を選定し、強度と方向を選定した電流がコイルに流れてアセンブリのスプリング特性を変える、アセンブリとして捉えられる。
【００１０】
本発明のさらに別の実施の形態は、軟磁性材料の長さＬhを有するハウジングと、ハウジングに取り付けられたコイルアセンブリと、ハウジングに位置しコイルアセンブリと相対的に移動し長さＬfを有し軸方向に磁化した磁石を含む磁場アセンブリとを備え、ＬhとＬfとの差はコイルに電流が流されていないときに磁場アセンブリとハウジングとの間に所定の力を提供するように選定され、さらに、拡張ハウジングがハウジング端部に配置され、拡張ハウジングはアセンブリのスプリング特性の所定の変更を提供するような寸法とされる。この実施の形態のアセンブリでは、ある強さと方向の電流がコイルアセンブリに流れ、アセンブリのスプリング特性のさらなる所定の変更を提供してもよい。
【００１１】
本発明の実施の形態による線形アクチュエータを構成する方法は、軟磁性材料のハウジングをＬhの長さを有するように構成する工程と、コイルアセンブリをハウジングに配置する工程と、コイルアセンブリと相対的に移動するようにハウジング内に配置され、長さＬfを有するようにそして軸方向に磁化した磁石を含むように、磁場アセンブリを構成する工程と、コイルに通電されないときに磁場アセンブリとハウジングとの間に所定の力が作用するようにＬhとＬfとの差を選定する工程とを備える。
【００１２】
本発明による電磁スプリングを構成する別の方法は、軟磁性材料のハウジングを長さＬhを有するように構成する工程と、コイルアセンブリと相対的に移動するようにハウジング内に配置され、長さＬfを有するようにそして軸方向に磁化した磁石を含むように、磁場アセンブリを構成する工程と、コイルに通電されないときに磁場アセンブリとハウジングとの間に所定の力が作用するようにＬhとＬfとの差を選定する工程と、ハウジングの端部に拡張ハウジングを配置する工程とを備え、拡張ハウジングは電磁スプリングのスプリング特性の所定の変更を提供するように寸法決めされる。
【００１３】
よって、ハウジングと磁場アセンブリの相対的な寸法を選定することにより、所定の双方向スプリング特性を有する線形ボイスコイルアクチュエータを提供することが本発明の目的である。
【００１４】
ハウジング、磁場アセンブリおよびコイルの形状と位置のいくつかあるいは全て、およびコイルに流れる電流の強さと方向とを、所定の「電磁スプリング」特性が得られるように、計画的に選定することにより、選定したスプリングに類似の特性を有する線形アクチュエータを提供することが本発明のもう一つの目的である。
【００１５】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮するとより容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、寸法Ｄがアクチュエータ１０に所望のスプリング特性を提供するように特に選定した本発明の実施の形態を図示する。図１に示すように、アクチュエータは、移動する磁場アセンブリ１２と、軟磁性ハウジング１６に取り付けられた静的なコイルアセンブリ１４とを含む。軟磁性ハウジング１６はまた、アクチュエータの磁気回路用のバックアイアンとしても作用する。磁場アセンブリ１２は、２つの軟磁性磁極片２０、２２に挟まれ、軸方向に磁化した円筒形磁石１８を含む。コイルアセンブリは、磁性体の円筒形 (軟磁性ハウジング１６)に取り付けられたコイルベース２４の円形空洞に配置したコイル１とコイル２とを含む。
【００１７】
コイル１およびコイル２の通電が切られると、磁場アセンブリ１２は、磁性ハウジング１６の両縁から相対的に等距離に位置する平衡位置に移動する。この磁性チューブあるいは磁性ハウジング１６の長さを選定することにより、磁場アセンブリ１２の「優先位置」の影響は無視でき、あるいは、極端に顕著になる。
【００１８】
所望のスプリング効果は、一実施の形態では、図１に示すように、磁場アセンブリ１２が初期位置にあるときに、磁場アセンブリ１２と静的な磁性体のバックアイアン１６の縁との距離Dを変えることによって得られる。距離Dは、以下のように表される。
D = (軟磁性ハウジングの長さＬh−磁場アセンブリの長さＬf)/2
【００１９】
図２は、コイルに通電されないときの、本発明による提案のアクチュエータの実施の形態の異なった距離Ｄに対する一群の力−ストローク特性を示す。たとえば、この距離Ｄが０．４３ｍｍから５．７５ｍｍに変えられると、磁場アセンブリ１２を磁性中心位置に押す力は、２０倍減少することが分かる。
【００２０】
また、提供されるスプリング特性が、コイルへ流れる電流の強さや方向の選定により変更されることも理解される。さらに、アクチュエータの運転特性に加え、スプリング特性の変化も、磁場アセンブリ１２の「優先位置」に対してコイル１、２の位置を変更することにより、実現される。たとえば、コイル１、２が磁場アセンブリ１２の「優先位置」に関して中央からずれていると、このようなアクチュエータで通電されるコイルにより生ずる力は、ずれた距離の関数として、ハウジングの縁と磁場アセンブリ１２との間の相互作用により影響を受ける。
【００２１】
図３および図４は本発明のさらに別の実施の形態を図示する。図３に示す実施の形態では、拡張あるいはバイアス構造２６が、ハウジング端部に供えられる。 バイアス構造２６は、半径方向に磁化したバイアス磁石あるいは軟磁性リング、あるいは類似の構造でよい。図３では、バイアス構造２６はハウジングの左端に位置するように示される。このようなバイアス構造２６として半径方向に磁化したバイアス磁石を用いた結果は、図４でゼロに等しいコイル電流Ｉc、すなわち、ストローク位置０で負の力、たとえばおおよそ０．５８Ｎ（０．１３Ｌｂ）がアクチュエータに生ずる。この力は、図示するように、２．５４ｍｍ（０．１ｉｎ）のストロークでマイナス０．０３１Ｎ（マイナス０．００７Ｌｂ）まで、ストロークの増加に伴い増加する。当業者には明らかなように、半径方向に磁化したバイアス磁石の極性は、引き止め（引張り）力を生ずるように、上述のバイアス磁石に面する軸方向に磁化した磁石の極性に応じて選定される。
【００２２】
図４は、コイルに異なった強さで特定の方向の電流を通電することの影響をも図示する。よって、図４に示される提案の実施の形態では、０．２４アンペアのコイル電流を流すことにより、異なったストロークについて（四角を用いて）プロットした力を生ずることが予想される。このように通電された電流に対して、結果としての力が生じ、図示のように、おおよそ０．６３５ｍｍ（０．０２５ｉｎ）以上のストロークの位置で正の力を生じ、おおよそ０．６３５ｍｍより小さいストローク位置では負の力が生ずるように、力−ストローク曲線を正方向に変化させる。
【００２３】
したがって、形状、ハウジングと磁場アセンブリとコイルの位置、および／またはコイルに通電する電流の強さと方向の一部あるいはすべてを計画的に選定することにより、異なった特性の「電磁スプリング」が得られる。
【００２４】
本発明のさらに別の実施の形態では、部品数を少なくするために、磁場アセンブリを、摩擦を少なくする適切なプラスチック材料で作られたコイルベースの内面をスライドするように構成しれてもよい。適切なプラスチック材料の例としては、以下の商標で製造される材料がある：テフロン (デラウェア、ウィルミントン（Wilmington, Delaware）の E.I. du Pont de Nemours社の商標)、ピーク (英国ランカシャー（Lancashire, England）のVictrex PLC社の商標)、 デルリン(デラウェア、ウィルミントンの E.I. du Pont de Nemours社の商標)、ウルテム (ニューヨーク州ニューヨーク（New York, New York）のGeneral Electric Company社の商標)。
【００２５】
一実施の形態では、コイルの電流の量と方向によってコントロールされる双方向電磁スプリングとみなされるアクチュエータが提供されることは注目に値する。このアクチュエータの特性を用いると、用途として要求されても、機械的なスプリングを使用する必要がなくなる。
【００２６】
本発明の例示を説明するのに円筒形の構成を用いて説明しているが、円筒形以外の形状も本発明の思想内であると考えられる。さらに、上記の例では２つのコイルを用いるが、当業者なら分かるように、いくつのコイルを用いてもよい。当業者はまた、上記の特定の構成以外に、別の磁場アセンブリ構成を用いてもよいことを理解するであろう。
【００２７】
本書で用いた用語と表現は、説明のためで、限定のためのものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で種々の改変が可能であることが分かっており、そのような用語と表現を用いることに、図示し説明した特性やその一部の均等物を排除する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、アクチュエータに所望のスプリング特性を提供するように寸法Ｄを特に選定した本発明の実施の形態を図示する。
【図２】図２は、コイルに電流を通電しないときの、本発明による提案のアクチュエータの実施の形態の異なる距離Ｄに対する一群の力−ストローク特性を示す。
【図３】図３は、拡張あるいはバイアス構造をハウジングの端部に供えた本発明の一の実施の形態を図示する。
【図４】図４は、図３の実施の形態のコイルに異なった強さで特定の方向の電流を通電することの影響を図示する。
【図１】
2009519000.tif 000003
【図２】
2009519000.tif 000004
【図３】
2009519000.tif 000005
【図４】
2009519000.tif 000006
【国際調査報告】
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