(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料のガイドと磁性材料のスリーブとの間に非磁性材料のスペーサを介在した構成を備える磁気回路と、該磁気回路の内部に移動自在に設けた磁性材料のアーマチュアを備え、前記ガイドの前記スペーサ側端部の断面のアーマチュア側と反対側は下記数６の両式を同時に満たすカーブ上の点を含んで構成されているロング比例ストロークフォースモータにおいて、
前記アーマチュアの内側に階段状の三つ以上の段部からなる凹部を設けた
ことを特徴とするロング比例ストロークフォースモータ。
但し、Ｘはガイドにおける磁気回路の軸方向の座標、Ｘ軸の正方向は励磁電流の印加によりアーマチュアが吸引される方向、Ｙはガイドにおける前記Ｘと直交する方向の座標。
【数６】
0004571189.tif 000009
【請求項２】
前記カーブは、前記ガイドの内側のアーマチュア側が反対の外側よりもスリーブ側に近くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のロング比例ストロークフォースモータ。
【請求項３】
前記ガイドは、その断面の前記カーブ上の点を段部の角の位置とする階段状の複数の段部形状として構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のロング比例ストロークフォースモータ。
【請求項４】
前記アーマチュアの前記ガイド側側面は、前記ガイド側に向かうにつれて前記ガイドとの径方向のギャップが開くように円錐面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のロング比例ストロークフォースモータ。
【請求項５】
磁路を構成する前記ガイドと前記スリーブと磁性材料のハウジングとの中央部にコイルを配置し、前記ガイドと前記スリーブとを前記スペーサで連結した直列磁気回路で円筒形を形成し、該円筒形の前記直列磁気回路内に磁路を構成する前記アーマチュアを移動自在に配置し、前記コイルに通電することにより前記アーマチュアと前記直列磁気回路との相対位置を変位させ、通電した電流の大きさにほぼ比例する磁気力を前記アーマチュアと前記直列磁気回路との間に発生する磁気力発生部と、前記アーマチュアと前記直列磁気回路との相対位置変位量にほぼ比例した量で変形し、前記磁気力の逆方向に向かう弾性力を発生してこれを前記アーマチュアに作用させる弾性部材とを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロング比例ストロークフォースモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボバルブの精確制御等を行うための駆動源となる比例ソレノイドに関し、特にストロークの比例部分内の、コイルの印加電流の大きさによりアーマチュアを希望の位置まで精確に変位し、荷重の変化に抵抗して希望の位置に維持するなどの制御ができる比例ストローク部の長さを長くなるように構成したロング比例ストロークフォースモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
比例ソレノイドは、全ストロークが、コイルの印加電流の大きさにほぼ比例する磁気力を発生でき、この磁気力によりアーマチュアの位置を制御できる比例ストローク部と、前記のように制御することができない非比例ストローク部からなる。このうち、通常は比例ストローク部のみを使用する。
【０００３】
従来の比例ソレノイドは、概ね、前記比例ストローク部の長さが２、３ｍｍ程度で、そのうえ、体積が大きく、長さが比例範囲（前記比例ストローク部）の１０倍以上となり、そのため、製造コストも高くなっていた。
特許文献１に示されているものはストロークの比例範囲を広めるための従来の方法の一例である。
【０００４】
図１１は、特許文献１記載の比例ソレノイドの説明図である。
【０００５】
図１１（ａ）は、ボビンに巻回したコイルと、磁路を形成するヨークを除いた残りの、比例ソレノイドの要部の断面図を示す。
固定鉄心１０１のアーマチュア１０２側先端には、環状凸部１０３が設けられている。環状凸部１０３は、中心に向かう円錐台形面１０３ａに形成され、該環状凸部１０３の中心には凹部１０８が形成されている。
アーマチュア１０２の固定鉄心１０１側先端には固定鉄心１０１の凹部１０８に挿入する環状凸部１０４が設けられ、該環状凸部１０４には中心から外方へ向かう円錐面１０４ａを有する円錐凹部１０４ｂが形成されている。
【０００６】
このように、固定鉄心１０１の内側に向いた円錐台形面１０３ａを有する環状凸部１０３と、アーマチュア１０２の外側に向いた円錐面１０４ａを有する環状凸部１０４との相互に重なり合って動く円錐形部は、図１１（ｂ）に示すような線形部分を有するフォース（力）対ストローク（行程）特性を示す。
【０００７】
図１１（ｂ）において、線Ｂと線Ｃの間の特性１１１はほぼ一定のフォース対ストローク特性を示し、線Ｃと線Ｅの間の特性１１２は過移動行程を示し、先の特性１１１を越えて付加的な行程ギャップが必要とされるときに設けられる。線Ａと線Ｂの間の破線の特性１１０は、一般に望ましくない上昇力特性である。
【０００８】
この上昇力特性１１０をなくすために、線Ａと線Ｂの間の長さを有する非磁性の黄銅シム１０５をストッパとして行程の線Ｂと線Ａの間に配置する。具体的には、固定鉄心１０１の凹部１０８の面とアーマチュア１０２の凸部１０４の先端面との間に配置されるように、シム１０５を押棒１０６に固着する。
【特許文献１】特開昭６１−２８７１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１の例では、ほぼ一定の磁気力対行程特性１１１の長さは、３．３ｍｍ程度であり、それほど長いストロークにはならない。また、図面上は直線状に記載されているほぼ一定の磁気力対行程特性１１１は、おおまかな特性を示したもので、当業者において一定の磁気力対行程特性となることが確認されていない。また、固定鉄心１０１の内側に向いた円錐台形面１０３ａを有する環状凸部１０３と、アーマチュア１０２の外側に向いた円錐面１０４ａを有する環状凸部１０４との相互に重なり合って動く円錐形部を用いる技術は狭いストローク範囲の技術と理解されている。さらに、円錐凹部１０４ｂは長くて加工困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、全体の形状に対するストロークの比率が大きいロング比例ストロークフォースモータを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、全体の形状の割には従来よりも長い比例ストロークがとれるロング比例ストロークフォースモータを提供することにある。
本発明のロング比例ストロークフォースモータは、特に比例ストローク範囲が４ｍｍ以上要求される対象に適用できる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するためにストロークの比例範囲に重要な影響を与えるガイドとアーマチュアの構造およびフォースモータの全体構造などを主な点として着目し、以下の具体的な解決手段を採用する。
（１）ロング比例ストロークフォースモータは、
磁性材料のガイドと磁性材料のスリーブの間に非磁性材料のスペーサを介在した構成を備える磁気回路と、該磁気回路の内部に移動自在に設けた磁性材料のアーマチュアを備え、前記ガイドの前記スペーサ側端部の断面のアーマチュア側と反対側は下記数１の両式を同時に満たすカーブ上の点を含んで構成されていることを特徴とする。
但し、Ｘはガイドにおける磁気回路の軸方向の座標、Ｘ軸の正方向は励磁電流の印加によりアーマチュアが吸引される方向、Ｙはガイドにおける前記Ｘと直交する方向の座標。
【００１３】
【数１】
0004571189.tif 000002
上記特徴は次のようになる。ガイド先端部の断面の外側のカーブ形状を数１の両式に示すように構成する。すなわち、ガイド先端部の断面のスペーサと接する先端側の内側（アーマチュア側）先端部を基準としてそこから外側（アーマチュア側と反対側）にかけて数１の両式を満たすカーブを形成する。この結果、ガイド先端部の外側周囲にはこのカーブ断面を有する曲面が形成される。
この外側の断面形状が上記数１の両式を満たすカーブとなるガイド先端部の外側周囲の曲面は、アーマチュアの比例ストロークにおける０位置を図１１（ｂ）の力が一定となる行程Ｂの位置に対応させ、このストロークの０位置に対応する初期段階以降には総パーミアンス対ストロークの増加率がアーマチュアの前進に伴い急速に増えるように作用させる。これにより、磁気回路の総パーミアンスはストロークの２、３ｍｍ以降でも下がらなくなり、磁気力が一定値になるストローク範囲を４ｍｍ以上にすることができる。
上記カーブ断面形状は微妙な形状となるため製造が難しくなる。そこで、実用上、上記カーブ断面形状を機能上の観点から実質的に保持すると共に機械加工を容易とするために、上記数１の両式を満たすガイド先端部の断面の外側の上記カーブ上の点を段部の角の点となるように関係付けた状態で複数の段部をその角の位置が上記カーブ上の点を離散的にとるように配置する。このようにすれば、ガイド先端部の外側の断面形状を数１の両式を満たすカーブとしたものとほぼ同じ効果が得られる。
【００１４】
（２）上記（１）記載のロング比例ストロークフォースモータにおいて、
前記カーブは前記ガイドの内側のアーマチュア側が反対の外側よりもスリーブ側に近くなるように形成されていることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載のロング比例ストロークフォースモータは、
前記ガイドの断面の前記カーブ上の点を段部の角の位置とする階段状の複数の段部形状としたことを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載のロング比例ストロークフォースモータは、前記アーマチュアの前記ガイド側側面を、前記ガイド側に向かうにつれて前記ガイドとの径方向のギャップが開くように円錐面に形成したことを特徴とする。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載のロング比例ストロークフォースモータは、前記アーマチュアの内側に階段状の三つ以上の段部からなる凹部を設けたことを特徴とする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載のロング比例ストロークフォースモータにおいて、
磁路を構成する前記ガイドと前記スリーブと磁性材料のハウジングとの中央部にコイルを配置し、前記ガイドと前記スリーブとを前記スペーサで連結した前記直列磁気回路で円筒形を形成し、該円筒形の前記直列磁気回路内に磁路を構成する前記アーマチュアを移動自在に配置し、前記コイルに通電することにより前記アーマチュアと前記直列磁気回路との相対位置を変位させ、通電した電流の大きさにほぼ比例する磁気力を前記アーマチュアと前記直列磁気回路との間に発生する磁気力発生部と、前記アーマチュアと前記直列磁気回路との相対位置変位量にほぼ比例した量で変形し、前記磁気力の逆方向に向かう弾性力を発生してこれを前記アーマチュアに作用させる弾性部材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、上記解決手段を採用したことにより、以下の効果を奏する。
本発明は、今までにない、長い比例ストロークを実現することができる。
また、ストローク初期の、今まで望ましくない上昇力特性の部分を実用上問題ない程度のフォース一定の特性に改善できるため、ストロークのはじめから終わりまで有効に使用できる。ロング比例ストロークフォースモータの軸方向の長さを有効なストロークの長さに対応して形成でき、従来の例よりも軸方向の長さを短くできる。
アーマチュアの外側の傾斜面やガイドの、径の異なる複数の連続して設ける環状段部を当該ガイドの外側面に形成したので、製造容易に構成できる。
また、前記アーマチュアの凹部やガイドの環状凸部を、放物面にすることにより、無駄のない磁路を形成でき、構造を簡略化できる。
さらに、アーマチュアの外側面を円錐面に形成したので、ガイドおよびスリーブの円筒状の内周面との間にギャップを形成することができ、このギャップにより、フォース対ストローク特性における望ましくない上昇力特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の解決手段の導出過程を説明し、実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
本発明のフォースモータの磁気力を励磁電流の大きさに比例させるため、定格励磁電流の範囲内におけるガイド先端部とアーマチュア先端部以外の磁気回路構成部品の透磁率はすべて下記数２の両式を同時に満たす範囲に設けられる。
【００１７】
【数２】
0004571189.tif 000003
【００１８】
但し、μは材料の透磁率、Ｂは磁気回路構成部品における磁束密度、Ｈが磁気回路構成部品に印加される磁界強さである。
一方、フォースモータの磁気力は下記数３の式を満たす。
【００１９】
【数３】
0004571189.tif 000004
【００２０】
この式において、Ｆはフォースモータの磁気力、Ｉはコイルに流す励磁電流、Ｎはコイルの巻き線数、Ｐは磁気回路の総パーミアンス、Ｒは磁気回路の総磁気抵抗、Ｘはフォースモータのストロークである。数３の式より、励磁電流とコイルの巻き線数が一定の場合に磁気力が一定値になる充分且つ必要な条件は総パーミアンス対ストロークの変化率が一定値をとることである。
本発明の例のような直列磁気回路の総磁気抵抗は各磁気回路構成部品の磁気抵抗の和となり、励磁電流により磁気回路に印加される総起磁力は各磁気回路構成部品に印加される起磁力の和となる。励磁電流とコイル巻線数が一定である場合には、フォースモータの総起磁力は一定となる。この条件で、アーマチュアが比例ストロークの０位置からの前進に伴い、ガイド先端部とアーマチュア先端部の磁気抵抗が下がり、即ち、そのパーミアンスが増えるため、それ以外の磁気回路に加えられる起磁力は増え、磁界強さは増え、磁束密度Ｂは増えることとなる。しかし、ガイド先端部とアーマチュア先端部以外の磁気回路構成部品の磁束密度は数２の式よりその場の磁界強さの増加と共に増えるが増加率が下がり続けることになる。それで、ガイド先端部とアーマチュア先端部以外の磁気回路構成部品のパーミアンス対ストロークの変化率は下がり続けることになる。磁気回路の総パーミアンス対ストロークの変化率をできるだけ長いストローク範囲で一定値にさせるために、従来の手段はガイド先端部とアーマチュア先端部を上記特許文献１の例に示すような円錐状にし、ガイド先端部とアーマチュア先端部のパーミアンス対ストロークの変化率をアーマチュアが比例ストロークの０位置からの前進に伴い増加させる。この場合にガイド先端部の円錐状断面の斜線は数４の両式を満たす。
【００２１】
【数４】
0004571189.tif 000005
【００２２】
しかし、この手段で磁気回路の総パーミアンス対ストロークの変化率が一定値になるストローク範囲は２、３ｍｍしかない。４ｍｍ以上の比例ストロークを実現するため、電磁場解析ソフトのシミュレーション結果と実験研究結果に基づく本発明の解決手段の一つはガイド先端部の断面の外側のカーブ形状を数１の両式に示すように構成する。この外側の断面形状が上記数１の両式を満たすカーブ形状となるガイド先端部の外周の曲面の効果は、アーマチュアの比例ストロークにおける０位置を図１１（ｂ）の力が一定となる行程Ｂの位置に対応させ、このストロークの０位置に対応する初期段階以降には総パーミアンス対ストロークの増加率がアーマチュアの前進に伴い急速に増えるように作用させる効果となる。これにより、磁気回路の総パーミアンスはストロークの２、３ｍｍ以降でも下がらなく、磁気力が一定値になるストローク範囲を４ｍｍ以上にすることができた。
上記カーブ断面形状は微妙な形状となるため製造が難しくなる。そこで、実用上、上記カーブ断面形状を機能上の観点から実質的に保持すると共に機械加工を容易とするために、上記数１の両式を満たすガイド先端部の断面の外側の上記カーブ上の点を段部の角の点となるように関係付けた状態で複数の段部をその角の位置が上記カーブ上の点を離散的にとるように配置する。このようにすれば、ガイド先端部の外側の断面形状を数１の両式を満たすカーブとしたものとほぼ同じ効果が得られる。
【００２３】
フォースモータ構造上の制限でガイドの円筒部の肉厚が薄くて、長い上記カーブにできない場合、本発明の解決手段のもう一つは、アーマチュア先端部の外表面に図１に示す円錐面を作り、ガイド先端部の効果を強化し、４ｍｍ以上の比例ストロークを実現する。上記特許文献１の例と較べ、円錐部分がアーマチュアの外表面にあるので、アーマチュアの前進に伴いより大きい横断面積の増加率と空気ギャップの減少によるガイド先端部とアーマチュア先端部のパーミアンス対ストロークの変化率の増加は著しく大きい。また、機械加工と測定もよりしやすい。
【００２４】
４ｍｍ以上の比例ストローク範囲にフォースモータの電磁力をより一定にするために、図１に示すアーマチュアの内表面に複数の階段状の段部を作り、アーマチュアの横断面積の変化で必要な局所のパーミアンスを微調整する手段を本発明では開発した。
【００２５】
まとめると、本発明の解決手段（１）：
比例ストロークを長くしたロング比例ストロークフォースモータは、直列磁気回路のガイド先端部の断面を数１の両式を満たすカーブに構成する。
これにより、比例ストローク領域を長く、例えば、４ｍｍ以上とし、吸引力対ストローク特性をほぼ直線にすることができる。また、駆動電流のレベルを種々に変更した場合におけるそれらの吸引力対ストローク特性を全体的にほぼ直線にすることができる。
後記する実施例では、前記カーブの形状を段部の連続形成により、即ち、カーブ上の点が段部の角になるように段部を形成する。特殊なカーブを形成するより、段部の切削形成等の容易な形成方法を用いて実質的に特殊なカーブを簡単に形成することができる。また、磁気抵抗が有効に作用し磁束は段部の外側の角を透過しないという特性があり、磁束の透過する通路が形成されていれば、その通路の外側に段部が形成されていても、磁路としては問題がない。
また、前記数１の式は、前記特許文献１記載の比例ソレノイドの円錐面の場合の数４の式と明確に異なる。
例を挙げれば、ガイドの円筒部の肉厚２．５ｍｍ、比例ストローク５ｍｍのフォースモータのガイド先端部断面のカーブは下記数５の式を満たす。
【００２６】
【数５】
0004571189.tif 000006
【００２７】
本発明はガイドの円筒部の肉厚が２．５ｍｍの場合に比例ストローク４ｍｍおよび５ｍｍを実現した。それ以上の比例ストロークの場合も実施可能である。比例ストローク５ｍｍの場合、ガイド先端部分とアーマチュア先端部分以外のフォースモータの各寸法は比例ストローク４ｍｍのフォースモータの寸法とまったく同じである。変わったのはガイド先端部分の階段の数と直径およびアーマチュア先端部分の円錐面の角度である。
上記本発明の解決手段（１）、即ち、直列磁気回路のガイド先端部の断面を数１の両式を同時に満たすカーブに構成する手段を適用すれば、実用上要求される吸引力対ストローク特性における特性曲線の直線性は満たされる。しかし、もしも、この直線性の要求レベルがかなり高い、換言すれば、微視的に見ても直線性が要求される場合には、上記本発明の解決手段（１）と供に、次の微調整手段となる解決手段（２）を適用する。
【００２８】
本発明の解決手段（２）：
比例ストロークを長くしたロング比例ストロークフォースモータは、アーマチュア先端部の外側を、ガイド側先端に向かうにつれてガイドとのギャップが広がるように円錐面に構成する。これにより、ストロークの初期におけるギャップの磁気抵抗を大きくして磁気吸引力を小さくし、ストロークの進行に伴って漸次ギャップを小さくし、ほぼ一定の吸引力特性にする。ガイド内面を基準にした円錐面の角度は、任意に設定可能である。
上記本発明の解決手段（１）、即ち、直列磁気回路のガイド先端部の断面を数１の両式を満たすカーブに構成する手段および本発明の解決手段（２）、即ち、アーマチュア先端部の外側に円錐面を形成する手段を適用すれば、実用上要求されるストローク対吸引力特性における特性曲線の直線性は満たされる。しかし、もしも、この直線性の要求レベルがものすごく高い、換言すれば、超微視的に見ても直線性が要求される場合には、上記本発明の解決手段（１）および（２）と供に、次の微調整手段となる解決手段（３）を適用する。
【００２９】
本発明の解決手段（３）：
比例ストロークを長くしたロング比例ストロークフォースモータは、アーマチュアが、円柱体の軸方向の一方に環状凸部を有する。該環状凸部の先端から複数の径の異なる段部、この例では３段の段部の連続形成により凹部を形成し、比例ストローク範囲にフォースモータの電磁力をより一定にするため、アーマチュアの横断面積の変化で必要な局所のパーミアンスを微調整しほぼ一定の吸引力特性にする。
【００３０】
解決手段（１）を図１の例のように適用したロング比例ストロークフォースモータにおいて、解決手段（２）と（３）を選択的に適用した場合における効果を確認する。
図１０は、本発明のロング比例ストロークフォースモータにおける、アーマチュアの構造によるフォースモータの電磁力への影響を説明する図である。
ここで云うアーマチュアの外表面の円錐面は図１における円錐面３ａを意味し、同じく内表面の階段状の段部は図１における段部３ｃ、３ｄおよび３ｅを意味する。
図中、特性曲線Ｔ１は、励磁電流０．０９３Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、アーマチュアの内表面に階段状の段部が有る場合の電磁力対ストローク特性を表す。
同じく、特性曲線Ｔ２は、励磁電流０．２７９Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、アーマチュアの内表面に階段状の段部が有る場合の電磁力対ストローク特性を表す。
特性曲線Ｔ３は、励磁電流０．０９３Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が無く、アーマチュアの内表面に階段状の段部が有る場合の電磁力対ストローク特性を表す。
同じく、特性曲線Ｔ４は、励磁電流０．２７９Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が無く、アーマチュアの内表面に階段状の段部が有る場合の電磁力対ストローク特性を表す。
特性曲線Ｔ５は、励磁電流０．０９３Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、アーマチュアの内表面に階段状の段部が無い場合の電磁力対ストローク特性を表す。
同じく、特性曲線Ｔ６は、励磁電流０．２７９Ａ、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、アーマチュアの内表面に階段状の段部が無い場合の電磁力対ストローク特性を表す。
これらの特性をまとめると、以下の表１のようになる。
【００３１】
【表１】
0004571189.tif 000007
【００３２】
図１０の特性曲線からわかるように、従来には無かった長いストロークを備えているにもかかわらず、電磁力特性が格段に向上している。例えば、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、且つ、内表面に階段状の段部があるＴ１条件例およびＴ２条件例がそれぞれ励磁電流が同じグループの中で一番直線に近く、実用上直線といえる。次は、アーマチュアの外表面に円錐面が有り、且つ、内表面に階段状の段部が無いＴ５条件例およびＴ６条件例がそれぞれ励磁電流が同じグループの中で２番目に直線に近く、これも実用上問題なくほぼ直線といえる。
その次のアーマチュアの外表面に円錐面が無く、且つ、内表面に階段状の段部が有るＴ３条件例およびＴ４条件例がそれぞれ励磁電流が同じグループの中で３番目に直線に近いが、これらも他の従来品に比べると格段に直線性が向上していて、実用上問題がない。
【００３３】
以上、まとめると、本発明の解決手段（３）は上記のとおりストローク対電磁力特性の直線性を向上させることができ、本発明の解決手段（２）は前記解決手段（３）よりもさらにストローク対電磁力特性の直線性を向上させることができる。
【００３４】
したがって、先の本発明の解決手段（１）に上記解決手段（２）および解決手段（３）を適宜組み合わせて適用することにより、解決手段（１）だけのときに比べてさらにストローク対電磁力特性の直線性を向上させることができる。
【実施例】
【００３５】
本発明の実施例は、基本的に、前記解決手段（１）に基づき、更には、必要に応じて解決手段（２）、解決手段（３）も併用して構成することができる。
【００３６】
以下、図に基づいて説明する実施例は、本発明の解決手段（１）、（２）および（３）をすべて適用した例を説明する。これにより、本発明の解決手段（１）、（２）および（３）の基本的な構成、作用、効果等が明らかになる。
図１は本発明の一つの例としてのロング比例ストロークフォースモータ１の断面図である。
【００３７】
軸２には、該軸２表面のローレット２ａを介してアーマチュア３が固定されている。
【００３８】
アーマチュア３は、円柱体の軸方向の一方に環状凸部３Ａを有する。該環状凸部３Ａは外側面が小さなたおれ角θの円錐面３ａに形成され、該環状凸部３Ａの先端３ｂから複数の径の異なる段部３ｃ、３ｄ、３ｅの連続形成により凹部３ｆを形成する。先端３ｂから段部３ｃまでの軸方向長さＬ３１は、段部３ｃから段部３ｄまでの軸方向長さＬ３２や段部３ｄから段部３ｅまでの軸方向長さＬ３３より長くする。好ましくは、各段部を結ぶ線が放物線を形成するように各段部の位置を設定する。また、前記各段部の連続形成面の代わりに放物面とすることも当然できる。
【００３９】
軸２の一端側は、非磁性材料の表側ホルダ４の貫通孔４ａに挿通されると共に、該表側ホルダ４に設けたすべり軸受５に支持される。軸２の他端側は、非磁性材料の裏側ホルダ６の貫通孔６ａに挿通されると共に、該裏側ホルダ６に設けたすべり軸受７に支持される。
【００４０】
表側ホルダ４とアーマチュア３の凹部３ｆとに当接して圧縮ばねとして機能するばね８が設けられている。
【００４１】
励磁用のコイル１０は、断面ロ字状の磁気回路（ガイド、スペーサ、スリーブ、およびハウジング）内に収納される。
【００４２】
ガイド１１は、磁性材料、特に強磁性材料で形成され、環状の端板部１１ａの内周側に円筒部１１ｂを連結して構成される。円筒部１１ｂの端板部１１ａに連結されていない解放端の環状凸部１１ｃには、外周側から内周側に向かって円筒部１１ｂの長さ方向１１ｇの長さが長くなるように複数の段部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆが連続的に設けられている。好ましくは、各段部の角を結ぶ線が放物線を形成するように各段部の位置を設定する。また、前記各段部の連続形成面の代わりに放物面とすることも当然できる。
【００４３】
ガイド１１の円筒形を形成する環状凸部１１ｃに設けた径の異なる複数の段部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆは、隣接する径の異なる段部の径方向肉厚差がアーマチュアに向かう方向に漸次小さくなるように形成してある。
【００４４】
スリーブ１３は、磁性材料、特に強磁性材料で形成され、環状の端板部１３ａの内周側に円筒部１３ｂを連結して構成される。円筒部１３ｂの端板部１３ａと連結されていない解放端は、軸方向と直交する面１３ｃに形成されている。
【００４５】
ガイド１１の円筒部１１ｂとスリーブ１３の円筒部１３ｂの間には、非磁性材料、例えば合成樹脂が充填され、スペーサ１２として形成される。このスペーサ１２により、ガイド１１とスリーブ１３を透過する磁束をアーマチュア３側に偏倚させる。
ガイド１１の円筒部１１ｂと、スペーサ１２と、スリーブ１３の円筒部１３ｂの内側面（内周面）は、アーマチュア３がスムーズに移動可能なように、連続した円筒面として構成される。ガイド１１の円筒部１１ｂの内側面およびスリーブ１３の円筒部１３ｂの内側面と、アーマチュア３の外側面３ａとの間に、ストロークの進行に応じてギャップ１５を形成するために、アーマチュア３の外側面３ａを円錐面に形成する。
【００４６】
円筒形のハウジング１４は、磁性材料製で、磁路の一部に形成される。ハウジング１４は、ガイド１１とスペーサ１２とスリーブ１３からなる断面略コ字形の回路の開口を封止するように配置される。
【００４７】
実施例１の構造の特徴１は、ガイド１１の円筒部１１ｂの内側面およびスリーブ１３の円筒部１３ｂの内側面と、アーマチュア３の外側面３ａとの間に、ストロークの進行に応じてギャップ１５を形成する手段として、アーマチュア３の外側面３ａを円錐面に形成する。
【００４８】
実施例１の構造の特徴２は、アーマチュア３の環状凸部３Ａの先端から複数の径の異なる段部の連続形成により凹部３ｆを形成する。
【００４９】
実施例１の構造の特徴３は、ガイド１１の環状凸部１１ｃに、外周側から内周側に向かって径の異なる複数の段部を円筒部１１ｂの長さ１１ｇが順次長くなるように形成する。
【００５０】
実施例１の構造の特徴４は、ガイド先端部の外表面とアーマチュア先端部の内表面は複数の段部の連続形成されるものが、放物面に近似した形状となるようにする。これにより、フォース対ストローク特性において、フォースを一定にするストロークを長くすることができる。
（特性）
実施例１のロング比例ストロークフォースモータの出力とストロークとの関係を印加した励磁電流毎に表すと下記の表２になり、図２のグラフになる。
【００５１】
【表２】
0004571189.tif 000008
【００５２】
表２および図２における単位は、電流がアンペア（Ａ）、電力がワット（Ｗ）、出力がニュートン（Ｎ）で表す。
【００５３】
出力とストロークの関係は、図２のグラフに示されるように、励磁電流値の小さい範囲、例えば０．０６２Ａ、０．０９２Ａの場合の特性はストロークが０ｍｍ−４ｍｍの全範囲においてほとんど直線であり、ほかの電流値の特性も比例フォースモータとして実用上問題なく使用することができる。
【００５４】
電流値が０．１８６Ａ、０．２１７Ａの場合の特性は、ストロークが０ｍｍ−１ｍｍの範囲において、図２のグラフ上多少変動幅が広がっているように見えるが、この区間に動作点（圧縮ばねの弾性力カーブとの交差点）がないため、実用上問題がない。
（磁路の形状確認）
前記実施例のアーマチュア３およびガイド１１の形状が磁路として有効に機能していることを電磁場シミュレーションの結果により説明する。以下、磁束密度の集中程度をみて、磁路の形状を考察する。ガイド材料の飽和磁束密度は１．６７Ｔｅｓｌａ（テスラ）である。
【００５５】
図３は、励磁電流を０．０６２Ａとしたときにアーマチュアがストロークの０ｍｍの位置に在る場合の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【００５６】
アーマチュアの凸部先端部分とガイドの凸部先端部分に磁路の形成がみられる。色が薄くなるほど通る磁束の密度が低いことを意味する。アーマチュアがこの位置に在る場合磁気回路に流す磁束が主にガイドの最先端段部の肉厚およびアーマチュア先端部の円錐面の角度により制限されることはこの図から分かる。
【００５７】
図４は、励磁電流を０．０６２Ａとしたときにアーマチュアがストロークの１ｍｍの位置に在る場合の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【００５８】
アーマチュアがこの位置に在る場合磁気回路に流す磁束が主にガイドの最先端段部と二番目段部との間の角の位置およびアーマチュア先端部の円錐面の角度により制限されることはこの図から分かる。また、二番目段部の外側の角部に磁束がほぼ流れないこともこの図から分かる
【００５９】
図５は、励磁電流を０．０６２Ａとしたときにアーマチュアがストロークの２ｍｍの位置に在る場合の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
アーマチュアがこの位置に在る場合磁気回路に流す磁束が主にガイドの二番目段部と三番目段部との間の角の位置と、最先端段部と二番目段部との間の角の位置と、アーマチュア先端部の円錐面の角度により制限されることはこの図から分かる。また、二番目段部の外側の角部に磁束がほぼ流れないこともこの図から分かる。
【００６０】
図６は、励磁電流を０．０６２Ａとしたときにアーマチュアがストロークの３ｍｍの位置に在る場合に磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【００６１】
アーマチュアがこの位置に在る場合磁気回路に流す磁束が主にガイドの二番目段部と三番目段部との間の角の位置と、最先端段部と二番目段部との間の角の位置と、アーマチュア先端部の円錐面の角度により制限されるほかに、三番目段部と四番目段部との間の角の位置にも磁束密度が高くなり始まることはこの図から分かる。また、二番目段部の外側の角部および三番目段部の外側の角部に磁束がほぼ流れないこともこの図から分かる。
【００６２】
図７は、励磁電流を０．０６２Ａとしたときにアーマチュアがストロークの４ｍｍの位置に在る場合に磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【００６３】
図６とくらべ、アーマチュアがこの位置に在る場合磁気回路に流す磁束が主にガイドの二番目段部と三番目段部との間の角の位置と、最先端段部と二番目段部との間の角の位置と、アーマチュア先端部の円錐面の角度により制限されるほかに、三番目段部と四番目段部との間の角の位置に磁束密度およびアーマチュアにおける磁束密度が高くなることはこの図から分かる。また、二番目段部、三番目段部および四番目段部の外側の角部に磁束がほぼ流れないこともこの図から分かる。
【００６４】
図８は、図３から図７までの磁束密度の変化をまとめた説明図である。なお、アーマチュアとガイドの位置はストロークの４ｍｍの位置の関係にしてあるが、磁束密度の高い領域を示す点線は図３から図７までの点線の位置をそのまま表す。
【００６５】
図８では、ガイドの階段部に通る磁束密度の変化から一定な磁気力が得られるため必要となる断面形状を説明する。同じく、アーマチュアの必要となる断面形状をこれで説明する。
【００６６】
ガイドの領域Ｇ１は、ストロークに応じて必要であるが、先端部分には多少余裕がある。これはアーマチュアが比例ストロークの０ｍｍ位置に在る場合ガイド最先端階段の薄い肉厚およびアーマチュアとガイドとの間の広い空気ギャップによる高い磁気抵抗で磁気回路に流す磁束を少なくさせるほか、一部の磁束を漏れさせ、上記特許文献１の例のようなストローク初期の、今まで望ましくない上昇力特性を抑える磁路形成にするには必要な構造である。
【００６７】
領域Ｇ２と領域Ｇ４と領域Ｇ５には、磁束がほとんど通らないことから、この領域は磁路形成に不必要で削除可能と考えられる。領域Ｇ３は必要である。
【００６８】
アーマチュアの領域Ａ１は、必要であるが、先端部分には多少余裕があり、上に述べたように、これは上記特許文献１の例のようなストローク初期の、今まで望ましくない上昇力特性を抑えるのに必要な構造である。領域Ａ２および領域Ａ４には、磁束がほとんど通らないからこの領域は不必要で削除可能と考える。領域Ａ３は必要である。
【００６９】
図９は、図８の検討結果をまとめた説明図である。
【００７０】
磁気回路的には、図８のアーマチュアの凹部の断面形状は図９の線Ｌａの形状となり、ガイドの階段部分の断面形状は図９の線Ｌｇの形状となる。この線Ｌａおよび線Ｌｇの形状は、図９における複数の段部の連続部分を有するアーマチュアおよびガイドの断面図から一定な磁気力が得られるのに必要な磁気回路以外の領域を削除して残る部分の形状であり、図９に示すように放物線になる。図８の線Ｌａおよび線Ｌｇは、図９の線Ｌａおよび線Ｌｇを参考の為に示したものである。
【００７１】
なお、ロング比例ストロークフォースモータにおける傾斜面を段部の連続により形成する場合は、形成が容易なことから、製造容易になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のロング比例ストロークフォースモータの断面図である。
【図２】本発明の実施例１のロング比例ストロークフォースモータの出力とストロークとの関係を印加した励磁電流毎に表すグラフである。
【図３】励磁電流を０．０６２Ａとしたときのストロークが０ｍｍの位置の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【図４】励磁電流を０．０６２Ａとしたときのストロークが１ｍｍの位置の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【図５】励磁電流を０．０６２Ａとしたときのストロークが２ｍｍの位置の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【図６】励磁電流を０．０６２Ａとしたときのストロークが３ｍｍの位置の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【図７】励磁電流を０．０６２Ａとしたときのストロークが４ｍｍの位置の磁束密度の分布をグレースケールで表示した説明図である。
【図８】図３から図７までの磁束密度の高い領域の変化をまとめた説明図である。
【図９】図８の検討結果をまとめた説明図である。
【図１０】本発明のロング比例ストロークフォースモータにおける、アーマチュアの構造によるフォースモータの電磁力への影響を説明する図である。
【図１１】特許文献１記載の比例ソレノイドの説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ ロング比例ストロークフォースモータ
２ 軸
２ａ ローレット
３ アーマチュア
３ａ 円錐面
３ｂ 先端
３ｃ、３ｄ、３ｅ 段部
３ｆ 凹部
４ 表側ホルダ
４ａ、６ａ 貫通孔
５、７ すべり軸受
６ 裏側ホルダ
８ 圧縮ばね
１０ コイル
１１ ガイド
１１ａ 端板部
１１ｂ 円筒部
１１ｃ 環状凸部
１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ 段部
１１ｇ 長さ方向
１２ スペーサ
１３ スリーブ
１３ａ 端板部
１３ｂ 円筒部
１３ｃ 面
１４ ハウジング
１５ ギャップ
【図１】
0004571189.tif 000010
【図２】
0004571189.tif 000011
【図３】
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【図４】
0004571189.tif 000013
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0004571189.tif 000019
【図１１】
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