(57)【要約】スプリングとして制御可能であり、フィールドアセンブリ（２４）と、フィールドアセンブリ（２４）に対して相互作用と相対運動をおこなうために配置されたコイルアセンブリ（２２）とを有するリニアアクチュエータを開示する。フィールドアセンブリは、軸を有する軟磁性筐体（１１）と、軸方向に磁化された円筒形磁石（１４，１７）と、軟磁性磁極片（１２，１５）とを有し、円筒形磁石と磁極片は交互に積み重ね構造をなし軸に沿って配置される。コイルアセンブリは、コイル用空洞を有するコイル基部（１９）と、コイル用空洞により支持されたコイル（１３，１６）と、軟磁性筐体の軸に沿って移動できるような配置になるようコイル基部上に置かれた補助的に磁化された永久磁石（１８）とを具備する。コイルアセンブリに電流が印加されていないときコイルアセンブリとフィールドアセンブリ間で反発力が発生し、コイルアセンブリに電流が印加されているとき前記反発力の大きさを変更することができる。
2005522176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプリングとして制御可能なリニアアクチュエータであって、
フィールドアセンブリと、
フィールドアセンブリに対して相互作用を行い相対的に動くことのできる位置に置かれたコイルアセンブリとから成り、
前記フィールドアセンブリは、
軟磁性筐体と、
前記軟磁性筐体内にあって前記軟磁性筐体の１つの軸に沿って配置され、少なくとも１つの軟磁性磁極片により互いに隔てられた複数の補助的に磁化された円筒形磁石とを具備し、
前記コイルアセンブリは、
コイル用空洞と当該コイル用空洞に収められたコイルを有するコイルベースと、
前記軟磁性筐体の軸に沿って移動できるような配置になるようコイルベース上に置かれた補助的に磁化された永久磁石とを具備する、
リニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記コイルアセンブリに電流が印加されていないとき前記コイルアセンブリと前記フィールドアセンブリ間で反発力が発生し、前記フィールドアセンブリの前記軟磁性筐体は、発生する前記反発力の大きさに影響を及ぼす前記軟磁性磁極片に対応して、オーバーハングを具備する、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記コイルアセンブリに電流が印加されていないとき前記コイルアセンブリと前記フィールドアセンブリ間で反発力が発生し、前記コイルアセンブリに電流が印加されているとき前記反発力の大きさを変更することができ、前記フィールドアセンブリの前記軟磁性筐体は、発生する前記反発力の大きさに影響を及ぼす前記軟磁性磁極片に対応して、オーバーハングを具備する、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記反発力は、前記コイルアセンブリにあるレベルの電流が印加されたとき第１の方向を持ち、前記コイルアセンブリに異なったレベルの電流が印加されたとき前記第１の方向とは逆方向の第２の方向を持つ、請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
スプリングとして制御可能なリニアアクチュエータであって、
フィールドアセンブリと、
フィールドアセンブリに対して相互作用を行い相対的に動くことのできる位置に置かれたコイルアセンブリとから成り、
前記フィールドアセンブリは、
基部を有する軟磁性筐体と、
複数の補助的に磁化された円筒形磁石と、
前記円筒形磁石に関連して円筒形磁石と磁極片とが交互に積み重ね構造をなすように配置した複数の軟磁性磁極片であって、前記積み重ね構造は、前記円筒形磁石の１つが前記軟磁性筐体の前記基部に接触して配置され、前記軟磁性磁極片の１つが前記積み重ね構造の自由端に配置されるよう、前記軟磁性筐体内において１つの軸に沿って配置されている複数の軟磁性磁極片とを具備し、
前記コイルアセンブリは、
コイル用空洞を有するコイル基部と、
前記コイル用空洞により支持された複数のコイルと、
前記軟磁性筐体の軸に沿って移動できるような配置になるようコイル基部上に置かれた補助的に磁化された永久磁石とを具備する、
リニアアクチュエータ。
【請求項６】
バルブに設置された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
電磁的な圧縮スプリングとして実施可能なリニアボイスコイルアクチュエータであって、
軸に沿って配置された第１の永久磁石を具備するフィールドアセンブリと、
基部と、前記軸に沿っての動くため及び前記第１の永久磁石との相互作用を行うために前記基部に配置された第２の永久磁石と、前記第１の永久磁石との相互作用を行うためにコイルアセンブリに配置された第１のコイルを有するコイルアセンブリと、
から成るリニアボイスコイルアクチュエータ。
【請求項８】
前記フィールドアセンブリは、基部を有する軟磁性筐体と、当該筐体内において１つの軸に沿って前記基部上に前記第１の永久磁石と第３の永久磁石とともに交互に配置され積み重ね構造をなす第１の軟磁性磁極片と第２の軟磁性磁極片と、第３の永久磁石とを具備し、
前記コイルアセンブリは、前記第１の永久磁石との相互作用を行うための前記第１のコイルを保持し、前記積み重ね構造の自由端にかかわる前記第２の永久磁石をサポートするコイル基部を具備し、前記コイルアセンブリはさらに、前記第３の永久磁石との相互作用を行うため保持された第２のコイルを具備する、請求項７に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記フィールドアセンブリは、さらに、前記第１の永久磁石上に位置する磁極片と前記第１の永久磁石及び前記磁極片を保持する軟磁性筐体とを具備し、また、前記コイルアセンブリに電流が印加されていないとき前記コイルアセンブリと前記フィールドアセンブリ間で発生した反発力に影響を及ぼす前記軟磁性磁極片に対応してオーバーハングを具備する、請求項７に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１０】
前記コイルアセンブリに電流が印加されていないとき前記コイルアセンブリと前記フィールドアセンブリ間で反発力が発生し、前記コイルアセンブリに電流が印加されているとき前記反発力の大きさを変更することができ、さらに、前記フィールドアセンブリは、発生し変更された反発力に影響を及ぼす前記第１の永久磁石上に位置する軟磁性磁極片に対応してオーバーハングを有する軟磁性筐体を具備する請求項７に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１１】
前期反発力は、前記コイルアセンブリにあるレベルの電流が印加されたとき第１の方向を持ち、前記コイルアセンブリに異なったレベルの電流が印加されたとき前記第１の方向とは逆方向の第２の方向を持つ、請求項１０に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１２】
バルブに設置された、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にリニアボイスコイルアクチュエータに関し、特に電磁力による制御可能な圧縮スプリングとして動作するリニアボイスコイルアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明については、米国特許法１１９条（ｅ）による２００２年４月２日出願の暫定的出願番号６０／３６９，４０１に基づく優先権を主張する。
【０００３】
一般的なリニアボイスコイルアクチュエータは、例えば、図１の縦方向片側断面図に描かれるように、フィールドアセンブリ２とコイルアセンブリ３とから成る。フィールドアセンブリ２は、補助的に磁化された円筒形磁石４と、軟磁性磁極片５と、軟磁性筐体６とで構成されている。コイルアセンブリ３は、コイルベース７の周囲空洞部に位置するコイル８で構成されている。このコイルアセンブリ３は、電圧が加えられていないとき、動くべき好ましい位置は存在しない。一方、電圧が加えられると、フィールドアセンブリ２から離れる方向にコイルが動くので、反発力を与えるある種の機能が存在する。この反発力は一般には機械的スプリングにより得られる。したがって、この反発力の特性は、スプリングの機械的特性の変化に依存し従属することが予見される。したがって、機械的スプリングの機械的特性の変化に依存しない反発力を持つリニアボイスコイルアクチュエータを持つことが好ましい。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、アクチュエータ内のコイルの電流により制御される電磁的な圧縮スプリングとみなすことができるリニアアクチュエータを提供する。このアクチュエータの特徴を用いると、反発力を利用する機械的スプリングを使う必要がなくなる。
【０００５】
本発明の特徴によれば、フィールドアセンブリと、フィールドアセンブリに対して相互作用を行い相対的に動くことのできる位置に置かれたコイルアセンブリとから成るリニアアクチュエータであって、フィールドアセンブリは、軟磁性筐体と、この筐体内にあって１つの軸に沿って配置され、少なくとも１つの軟磁性磁極片により互いに隔てられた複数の補助的に磁化された円筒形磁石とを具備し、コイルアセンブリは、コイル用空洞とこのコイル用空洞に収められたコイルを有するコイル基部と、補助的に磁化された永久磁石が筐体の軸に沿って移動できるような配置になるようコイル基部上に置かれた補助的に磁化された永久磁石とを具備する、リニアアクチュエータである。
【０００６】
本発明の他の特徴によれば、コイルアセンブリに電流が印加されていないときコイルアセンブリ同士で反発力が発生し、発生する反発力の大きさに影響を及ぼす軟磁性磁極片に対応して、前述のフィールドアセンブリの軟磁性筐体はオーバーハングを具備している。
【０００７】
本発明の他の特徴によれば、コイルアセンブリに電流が印加されていないときコイルアセンブリとフィールドアセンブリ間で反発力が発生し、ここで、コイルアセンブリに電流が印加されているときこの反発力の大きさを変更することができ、さらに、発生する反発力の大きさに影響を及ぼす前記軟磁性磁極片に対応して、前述のフィールドアセンブリの軟磁性筐体はオーバーハングを具備している。
【０００８】
本発明の実施例におけるさらに他の特徴によれば、提供される前記反発力は、コイルアセンブリにあるレベルの電流が印加されたとき第１の方向を持ち、コイルアセンブリに異なったレベルの電流が印加されたとき前記第１の方向とは逆方向の第２の方向を持つ。
【０００９】
本発明の特徴によればまた、フィールドアセンブリと、フィールドアセンブリに対して相互作用を行い相対的に動くことのできる位置に置かれたコイルアセンブリとから成るリニアアクチュエータであって、フィールドアセンブリは、軟磁性筐体と、複数の補助的に磁化された円筒形磁石と、複数の軟磁性磁極片とを具備し、円筒形磁石と磁極片とが交互に積み重ね構造をなすリニアアクチュエータである。磁石の１つが軟磁性磁石基部に接触して配置され、磁極片の１つが積み重ね構造の自由端に配置されるよう、軟磁性筐体内において１つの軸に沿ってこの積み重ね構造が配置される。コイルアセンブリは、コイル用空洞を有するコイルベースと、コイル用空洞により支持された複数のコイルと、補助的に磁化された永久磁石が軟磁性筐体の軸に沿って移動できるような配置になるようコイルベース上に置かれた補助的に磁化された永久磁石とを具備する、
本発明についてのこれらの利点又は他の利点は、以下の本発明の好ましい実施の形態の詳細な説明及びそれに添付した図面を考慮することにより容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本出願に係るリニアボイスコイルアクチュエータは、アクチュエータ内のコイルの電流により制御される電磁的な圧縮スプリングとしての動作を可能とする反発力を備える。図２を参照すると、縦方向片側断面図を示し、例えばこれは、本発明の譲受け人であるBEI Electronics, Inc.に譲渡された米国特許番号5,345,206に公開されたデザインの変形である。米国特許番号5,345,206は、引用して本出願に援用される。この変形されたデザイン１０において、コイルアセンブリ２２は追加要素、すなわち、コイルベース１９に取り付けられた補助的に磁化された永久磁石１８を持つ。リニアボイスコイルアクチュエータ１０が完全に入り込んだ状態であることが示されている。この永久磁石１８があるため、（コイル１３と１６とから成る）巻き線に電圧が印加されない限り、フィールドアセンブリ２４から離れる方向（右方向）にコイルアセンブリ２２は動こうとする。
【００１１】
ストロークの関数としての反発力とシステムの摩擦力との関係によりコイルアセンブリ２２が動く距離が決まる。したがって、止め具（図示せず）を設けるかあるいは、システムそのもので動きを制限しなければならない。
【００１２】
所与の位置におけるこのアクチュエータ１０の反発力は、いくつかの変数、すなわち、磁石１８と、その内径と外径と、軟磁性筐体１１の軟磁性磁極１７に対する相対的なオーバーハング２０の量と、アクチュエータの幾何学的配置とこのようなアクチュエータの磁気回路を組み立てる磁気材料のソフト的・ハード的特性との影響を受ける。
【００１３】
コイルに電流が印加されたとき、コイル１３及び１６に流れる電流と補助的に磁化された永久磁石１２及び１５との相互作用により引き起こされる力が、追加した永久磁石１８により引き起こされる反発力より小さいか等しい限り、コイルアセンブリ２２は完全に引き出された位置にとどまるであろう。いったんこの力が反発力より大きくなると、コイルアセンブリはフィールドアセンブリに引き込まれるであろう。
【００１４】
上記段落についての説明図として、図３は、異なったアンペアターン数における本発明に係るアクチュエータの、力対ストロークの一群の特性を示したものである。図３から良く分かるように、アクチュエータ１０のコイルアセンブリ２２に電流が印加されていない（０A-Tの）とき、ストローク位置０ｍｍにおける力は１３の値を持ち、ストローク位置１ｍｍにおける力は１０．２に減少する。同様に、コイルアセンブリ２２に８０A-Tが印加されたとき、ストローク位置０ｍｍにおける力は６．５１であり、ストローク位置１ｍｍにおいて３．６５に減少する。このようにして、このアクチュエータは、コイルアセンブリ２２への道程の終点で最も大きく、道程の始点で最も小さい力となる圧縮スプリングのような役割を果たす。コイルアセンブリ２２に加えるアンペアターンをより大きな値にすると、例えば１６０A-T又は１７５A-Tにすると、アクチュエータ１０は力を与える役割を果たし、コイルアセンブリを反対方向に引き入れることがわかる。
【００１５】
図３から良く分かるように、本発明に係るアクチュエータの１つの応用例としてバルブを挙げることができる。コイルに電流が印加されないとき、バルブは閉まっており（例えば１ｍｍストローク位置にあり）、バルブを閉めておくために１０．２Nの力がアクチュエータにより加えられる。（永久磁石１８があるためアクチュエータに存在する）反発力に打ち勝ちバルブを開けるためには、ある量（すなわちあるアンペアターン数）の電流が巻き線に必要となる。例えば、図３のアクチュエータには、バルブを（１ｍｍ位置から０mm位置への）全ストローク動かして開放させるために印加すべき最低限のアンペアターン数は１６０である。
【００１６】
要約すると、本発明は、コイル内の電流により制御される電磁的な圧縮スプリングとみなすことができるリニアアクチュエータを提供する。このアクチュエータを採用すると、機械的なスプリングを使用する必要がなくなる。
【００１７】
ここで用いられた用語と表現は、説明のための用語であって、限定するためのものではなく、明らかにされ詳述された機能と同等なものを除外するためにこのような用語と表現を用いるものではなく、種々の変更は、請求された本発明の範囲内にあることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】縦方向片側断面図にして示した一般的なリニアボイスコイルアクチュエータを提示するものである。
【図２】本発明に基づくリニアボイスコイルアクチュエータの変更例の縦方向片側断面図である。
【図３】異なったアンペアターン数における本発明に係るアクチュエータの、力対ストロークの一群の特性を示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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