(57)【要約】磁気反発力により作動する永久磁石双安定アクチュエータ機構（２５０）であって、アクチュエータ機構（２５０）は、第１及び第２の位置の間を移動可能な永久磁石要素（２５２）を備える第１の平行移動部材（２５２）と、第１及び第２の位置の間を移動可能な永久磁石要素（２５４）を備える第２の平行移動部材（２５４）とを有し、永久磁石要素（２５２、２５４）は相互反発状態にあり、平行移動要素（２７２）は、第１及び第２の平行移動部材（２５２，２５４）の変位を制限するフレーム（２６０、２６２、２６６）又は格納構造体（２５６）内に配置されており、一方の平行移動部材はマスター部材（２５２）であり、他方はスレーブ部材（２５４）であり、マスター部材（２５２）の一方の位置から他方の位置への変位によりスレーブ部材は逆方向に変位するが、この変位プロセスは可逆的である。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石要素を有し、第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第１の磁石部材と、
永久磁石要素を有し、第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第２の磁石部材と、
前記第１の磁石部材の前記磁石要素が前記第２の磁石部材の前記磁石要素に接近して配置され、前記磁石が実質的に反発状態に保持されている格納構造体と、を備える永久磁石アクチュエータ機構であって、
前記第１及び第２の磁石部材の一方の、前記第１及び第２の位置の一方から前記第１及び第２の位置の他方への変位が、前記第１及び第２の磁石部材の他方の、前記第１及び第２の位置の反対側の一方の位置から前記第１及び第２の位置の他方の位置への逆の変位を引き起こすことを特徴とする永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項２】
前記第１の磁石部材の前記永久磁石要素は、磁石であり、前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は、磁石であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項３】
前記第１の磁石部材の前記永久磁石要素は、多重磁石組立体であり、前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は、多重磁石組立体であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項４】
前記格納構造体は、前記第１の磁石部材の前記第１の位置及び前記第２の位置への変位を制限する第１及び第２の変位限界点を有し、前記第２の磁石部材の前記第１の位置及び前記第２の位置への変位を制限する第３及び第４の変位限界点を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項５】
前記格納構造体の前記変位限界点は、ストッパを備えることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項６】
前記格納構造体はフレームを備え、前記フレームは、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の一方の変位のための案内部を有することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項７】
前記格納構造体はフレームを備え、前記フレームは、前記第１の磁石部材の変位のための案内部と、前記第２の磁石部材の変位のための案内部とを有することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項８】
スプリングを更に備え、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の一方はマスター部材であり、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の他方はスレーブ部材であり、前記スプリングは、前記格納構造体によって前記マスター部材の前記第１及び第２の位置の一方に保持され、その位置での前記マスター部材の変位を制限することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項９】
第１及び第２のスプリングを更に備え、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の一方はマスター部材であり、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の他方はスレーブ部材であり、前記第１のスプリングは、前記格納構造体によって前記マスター部材の前記第１の位置に保持され、その位置での前記マスター部材の変位を制限し、前記第２のスプリングは、前記格納構造体によって前記マスター部材の前記第２の位置に保持され、その位置での前記マスター部材の変位を制限することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１０】
プライム・ムーバ装置と組み合わされ、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の一方はマスター部材であり、前記第１の磁石部材及び前記第２の磁石部材の他方はスレーブ部材であり、前記プライム・ムーバ装置は、前記マスター部材を一方の方向に移動させて、前記スレーブ部材の反対方向の変位を引き起こすことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１１】
前記プライム・ムーバ装置は、前記マスター部材に連結されている機械的アクチュエータを備え、前記機械的アクチュエータの機械的変位が前記マスター部材の変位を引き起こすことを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１２】
前記プライム・ムーバ装置は、電気コイルを備え、コイルの電気的活性化が前記マスター部材を移動させることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１３】
前記プライム・ムーバ装置は、前記マスター部材の前記永久磁石部材と協働する電磁ドライバを備え、前記電磁ドライバの電気的活性化が、前記マスター部材を第１の方向及び前記第１の方向とが逆の第２の方向の一方に選択的に移動させることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１４】
前記第１の磁石部材の前記永久磁石要素は、軸及び軸方向の円環をもつ円環形状を有し、前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は、軸をもつ円筒形状を有し、前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は、前記第１の磁石部材の前記永久磁石要素の前記円環内に配置され、前記磁石部材の各々は、共通軸を有することを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１５】
前記格納構造体は、前記第１の磁石部材の前記永久磁石要素から前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素を隔てるケーシングを有することを特徴とする請求項１４に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１６】
前記第１の磁石部材から前記第２の磁石部材を隔てる前記ケーシングは、チャンバを構成しており、前記第２の磁石部材は、前記チャンバ内で往復動することを特徴とする請求項１５に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１７】
前記チャンバは、端部が延長されており、各々の端部は開口部を有しており、前記開口部の間に経路が形成されることを特徴とする請求項１６に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１８】
少なくとも１つの開口部は弁座を有しており、前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は密封要素を有し、前記磁石部材が前記密封要素を有する前記開口部に対して移動される場合に、前記密封要素が前記弁座に係合可能であることを特徴とする請求項１７に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項１９】
前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は端部が延長されており、前記密封要素は、前記延長された永久磁石要素の一方の端部上の密封ボールであることを特徴とする請求項１８に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項２０】
前記第２の磁石部材の前記永久磁石要素は端部が延長されており、前記端部の一方は、前記永久磁石要素の変位によって前記開口部の１つを選択的に閉鎖することを特徴とする請求項１７に記載の永久磁石アクチュエータ機構。
【請求項２１】
磁場極性をもつ永久磁石要素を備え、第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第１の平行移動部材と、磁場極性をもつ永久磁石要素を備え、第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第２の平行移動部材とを有する永久磁石アクチュエータを作動させるための方法であって、
前記第１及び第２の平行移動部材の各々が前記第１及び第２の位置の各々にある場合に、前記第１の平行移動部材の前記永久磁石要素の前記磁場極性が前記第２の平行移動部材の前記永久磁石要素の前記磁場極性に実質的に対抗する状態で、前記第１及び第２の平行移動部材が近接して配置されるように、前記第１及び第２の平行移動部材の変位を制限する段階と、
前記第１及び第２の平行移動部材の一方を前記第１及び第２の位置の一方から移動させて、前記第１の平行移動要素の前記永久磁石要素と前記第２の平行移動部材の前記磁石要素との間の磁力が、前記第１及び第２の平行移動部材の他方を前記第１及び第２の位置の一方から前記第１及び第２の位置の他方へ動かすようにする段階と、
を含むことを特徴とする永久磁石アクチュエータを作動させる方法。
【請求項２２】
永久磁石アクチュエータ装置であって：
第１の位置と第２の位置との間を移動可能で、磁場極性を有する永久磁石要素を備える第１の平行移動部材と、
第１の位置と第２の位置との間を移動可能で、磁場極性を有する永久磁石要素を備える第２の平行移動部材と、
前記第１及び第２の平行移動部材の各々が前記第１及び第２の位置の各々にある場合に、前記第１の平行移動部材の前記永久磁石要素の前記磁場極性が前記第２の平行移動部材の前記永久磁石要素の前記磁場極性に実質的に対抗する状態で、前記第１及び第２の平行移動部材が近接して配置されるように、前記第１及び第２の平行移動部材の変位を制限する手段と；
前記第１及び第２の平行移動部材の一方を前記第１及び第２の位置の一方から移動させて、前記第１の平行移動要素の前記永久磁石要素と前記第２の平行移動部材の前記磁石要素との間の磁力が、前記第１及び第２の平行移動部材の他方を前記第１及び第２の位置の一方から前記第１及び第２の位置の他方へ動かすようにする手段と、
を備えることを特徴とする永久磁石アクチュエータ装置。
【請求項２３】
前記第１の平行移動部材の前記永久磁石要素は、一組の永久磁石を備え、前記第２の平行移動部材の前記永久磁石要素は、一組の永久磁石を備えることを特徴とする請求項２２に記載の永久磁石アクチュエータ装置。
【請求項２４】
前記第１の平行移動部材及び前記第２の平行移動部材の永久磁石の各組は、磁極片によって分離されている永久磁石を有することを特徴とする請求項２３に記載の永久磁石アクチュエータ装置。
【請求項２５】
前記第１の平行移動部材の前記永久磁石要素は、永久磁石の第１及び第２の組を備え、前記第２の平行移動部材の前記永久磁石要素は、永久磁石の第１及び第２の組を備え、前記第１の組の前記永久磁石は、所定の厚さを有し、前記第２の組の前記永久磁石は、前記第１の組の前記永久磁石の前記厚さの約３分の１の厚さを有し、前記第２の組の前記永久磁石の前記厚さは、前記第１及び第２の平行移動部材の一方が、前記第１及び第２の平行移動部材の他方に対して移動される場合に、変位に対する力の曲線を平坦化するように選定され、配列されていることを特徴とする請求項２３に記載の永久磁石アクチュエータ装置。
【請求項２６】
前記各組の前記永久磁石は、磁極片によって分離され、スタック状態に配列され、前記第１の平行移動部材の永久磁石の前記スタックは、前記第２の平行移動部材の前記永久磁石に接近して配置されていることを特徴とする請求項２５に記載の永久磁石アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の説明）
本出願は、２０００年３月１６日に出願された米国特許仮出願番号６０／１８９，９４３「双安定アクチュエータ」、及び２００１年３月９日に出願された米国特許出願番号　　　　　　　　　　の優先権を主張するものである。
【発明の属する技術分野】
本発明はアクチュエータ装置に関する。詳細には、本発明のアクチュエータ装置は、永久磁石アクチュエータ機構である。作動中、第１の永久磁石部材は、第２の永久磁石部材とマスター／スレーブの関係で協働する。永久磁石部材は、磁石部材と相互に磁気反発するように配置されており、１つの永久磁石部材の移動は、自動的に他の永久磁石部材の反対方向の移動をもたらす。
【０００２】
【背景技術】
従来、相互反発状態で永久磁石部材を使用することは、一般に磁石の減磁問題のために避けられていた。しかし、減磁に耐える新しい強力な磁石の発見に伴い、今では相互反発状態で永久磁石を使用した新規なアクチュエータ機構を工夫することができる。
【０００３】
多くの機械システム及び電気機械システムにおいて、移動要素が移動される要素に直接的に接触することなく、一方の要素を他方の要素の移動によって移動させることが望ましい。例えば、流体導管の外部にある作動要素の移動による流体導管内のバルブスプールの移動は、外部要素がバルブスプールに物理的に連結されていない場合には好都合である。ポペット形バルブのバルブ組立体に通常使用されるシール、バルブステム、及び他の構成要素を取り除くと、導管内の流体の漏洩及び／又は汚染の可能性がなくなる。
【０００４】
本発明の主たる目的は、磁気反発力を用いて、制御要素の転位によって１つの要素の転位をもたらすことである。
【０００５】
本発明の他の目的は、制御要素が対象要素へ直接的に接触することなく、制御要素の作動による対象要素の転位を達成することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、制御要素から転位要素を隔てる障壁が存在する場合であっても対象要素の転位を可能にすることである。
【０００７】
多くの用途における本発明の重要な目的は、制御要素、即ちマスター要素の可逆転位によって、対象要素、即ちスレーブ要素の可逆転位を可能にすることである。
【０００８】
更なる目的として、マスター及びスレーブ要素の可逆転位において、各要素は、固定状態を利用して双安定アクチュエータを形成するようになっている。マスター及びスレーブ要素の可逆固定状態において、それらの切替え可能な固定状態を保持するのにエネルギーを必要としない。
【０００９】
本発明の永久磁石アクチュエータ機構は、相互反発力でもって作動する永久磁石部材を備え、相互反発力は、１つの部材が外力によって作動を始めると、各磁石部材の相対的な逆方向の変位をもたらす。磁石部材の転位は、磁石アクチュエータ装置が切替え装置、特に双安定切替え装置として機能することを可能にする。他の用途において、磁石アクチュエータ機構は、往復式変位装置として機能し、１つの磁石部材の１つの方向への変位は、他の磁石部材の逆方向への変位をもたらす。
【００１０】
磁石部材の相対変位は、永久磁石アクチュエータ機構が、前述のバルブ装置や切替え装置に加えて種々の装置での用途をもつことを可能にする。これらの用途としては、限定されるものではないが、ピストン機構、振動機、締め付け装置、及び往復式変位及び可逆転位が望まれる他のシステムを挙げることができる。
【００１１】
本発明の目的及び実現のための機構の特性を考慮すると、当業者であれば、提案された形式の種々の用途に適するように、構造を変更すること及び作動パラメータを調整することが可能である。
【００１２】
【発明の開示】
本発明の永久磁石アクチュエータ機構は、変位時に磁石部材の相対位置を保持して制限する、フレーム枠又は格納構造体内の２つの永久磁石部材組立体を備える。最も単純な実施形態において、各々の永久磁石部材は、単一の永久磁石要素を備える。２つの永久磁石要素は、制限された往復動を得るためにフレーム枠内に配置され、相互反発状態で磁場に対して並置されている。
【００１３】
永久磁石要素の一方はマスター要素であり、スレーブ要素となる他の要素よりも大きな相対変位を得るようにフレーム枠内に配列される。一方の限界位置から他方の限界位置までのマスター要素の変位は、一方の限界位置から他方の限界位置までのスレーブ要素の逆方向の変位を急に引き起こす。その後、マスター要素及びスレーブ要素の各々は、磁石要素の相互反発力によって切替え位置に保持される。
【００１４】
好適な実施形態において、磁石部材の各々は、磁石要素とポール要素との組立体であり、所望の用途のための１つ又はそれ以上の選択された作動変数を最適化するよう配列される。更に、１つの実施形態において、永久磁石アクチュエータ機構は、変位距離にわたってマスター永久磁石要素を動かすのに必要な力を変更するための、マスター磁石要素に結合されたスプリング要素を含む。
【００１５】
スプリング又は他の減衰手段をもたない永久磁石アクチュエータ機構において、対称システムに関する典型的な力の曲線はほぼ正弦波であることを理解されたい。マスター磁石部材の強制的な変位は、最初に最大抵抗に遭遇し、抵抗は、マスター磁石部材の両端位置の間の中立点でゼロになり、その点でスレーブ部材は自動的に位置を切替え、シフトされたスレーブ部材の反発力によって逆方向に強制的に駆動されて抵抗はマイナスになる。圧縮スプリングの適切な選択及び係合によって、例えば、さもなければ失われる、移動するマスター磁石要素のエネルギーを、マスター部材の次回の転位に用いるために圧縮スプリングにポテンシャルエネルギーとして蓄えることができる。
【００１６】
スプリング又は作動を補助するための例えば液圧等の他の手段を戦略的に使用すると、種々の使用のための永久磁石アクチュエータの用途において付加的な制御可能な変数を与える。例えば、変位の期間を通じてマスター磁石部材に加えられる小さいが均一な力がスレーブ磁石部材の移動をもたらすように力の曲線を平坦化することができ、スレーブ磁石部材は、マスター磁石部材に加えられている外部変位力よりも非常に大きいであろう反発磁力によって、そのシフト位置に保持される。
【００１７】
本明細書に開示される１つの有用な実施形態は、軸方向に磁化され、それらの磁場が互いに反対になるように間隔をあけて配置されている、２つ又はそれ以上の同軸の永久磁石を用いて構成される双安定アクチュエータである。円板形磁石であってもよい内側磁石は、筐体により規定されている境界内を軸方向に自由に動く。内側磁石は、アクチュエータの出力をもたらし、それに取り付けられており筐体から突出する１つ又はそれ以上のロッドを有する。環状磁石であることが好ましい外側磁石は、筐体の外側に沿って軸方向に自由に動く。また、筐体は、外側磁石のための機械的ストッパを提供するが、外側磁石は、磁石の厚さ及び内側磁石の運動範囲によって定められた量だけ内側磁石よりも更に大きく動くことができる。
【００１８】
典型的な配列における磁場は、２つの磁石のＮ極とＳ極とが同じ方向に向くように配置されるので、反対の磁場は、内側磁石をその道程の一方の端部に押し付けるが、外側磁石は他端の機械的ストッパに押し付けられる。反対の磁力は、このアクチュエータから利用可能な力である。アクチュエータが他の双安定状態への切替えを引き起こすために、外側環状磁石に力が加えられ、外側磁石は機械的ストッパによって離れないようにされている内側磁石の方に軸方向に動かされる。外側磁石の磁気中心線が、内側磁石の磁気中心線を通過すると、内側磁石はこれを反対方向に押す力を受ける。その後、内側磁石は、動程の他の限界点まで動き、外側磁石は、内側磁石から離れて機械的ストッパの方へ同じ方向に動き続ける。今度は、切替え前から逆方向の力が発生する。
【００１９】
外側磁石を動かす（及びアクチュエータを切替え状態とする）ための駆動力は、手動操作、電気コイル又はモータ、又は空気圧や液圧を含む多くの異なる方法によって得ることができる。単純な直接的な電気制御なので電気コイルの使用は特に好適な活性化方法であり、自動操作が可能になる。しかし、電気コイルは、強力な希土類磁石から得られるような強い力は発生しない。この問題を解決するために、外側磁石の動程の一端又は両端にスプリングを追加することができる。これらのスプリングは、機構が停止すると同時にエネルギーを吸収することができ、このエネルギーは、機構が元の位置に切替え復帰される際に取り出すことができる。スプリングエネルギーは、必要な活性化のための力を直接低減し、強力なアクチュエータを可能にするが、通常はそのような強い力を生じることができない小さなコイルを依然として用いることを可能にする。また、スプリングは、外側磁石の切替え移動に対するショックアブソーバの機能を果たす。
【００２０】
この機構の利点は以下の通りである。第１に、これは本質的に双安定機構であり、アクチュエータ力を発生するための動力を必要とない。双安定アクチュエータ機構の状態を切替えるためにコイルにパルスを与えることができるので、電気コイルによる操作は特に好都合である。動力は切替え操作時にのみ消費される。機構を切替え状態のいずれに保持するにもエネルギーを必要としない。第２に、軸方向又は対称システムにおいて、内側磁石が外側磁石に対向して配列されるので、内側磁石は、本質的に自動調心が可能である。第３に、内側のアクチュエータは、筐体壁によって外側の切替え機構から隔離することが容易である。このことは、確実に作動するバルブを得るのに特に好都合である。第４に、殆どの任意の所望の力を、磁石の直径を大きくすること、複数の磁石をＮ−Ｓ／Ｓ−Ｎ組立体の状態に交互に積み重ねることによって長さを大きくすること、又は両方の手段によって発生させることができる。
【００２１】
磁石の多重スタックには、内側磁石と外側磁石との間の結合力を高めるために、鉄又は半径方向に分極した磁石を利用する磁気集束技術を用いることができる。最大結合力を得るための磁石寸法は、任意の所望の機械的形状及び磁気材料に関して計算することができる。第５に、スプリングの適切な選定によって、アクチュエータを１つの状態から他の状態に切替えるのに必要な力が非常に小さくなる。第６に、動力が作用しなくなった場合に常開又は常閉になるアクチュエータは、スプリングを適切に選択して、１つの位置又は他の位置に外側磁石を保持するために活性化されたコイルの力を使用して作ることができる。第７に、デザインがコンパクトであり、組み立てが容易である。唯一高価な構成要素は、磁石である。第８に、環状磁石の視覚位置は、アクチュエータの切替え状態を明確に表示する。この位置は、電子回路によって検出することができ、制御機構に戻すことができる。第９に、切替え動作を速くすることができる。第１０に、アクチュエータの動程の長さは、磁石の厚さの選択によって設定できる。
【００２２】
筐体内で力を発生させることができる本機構を利用して、確実に駆動されるバルブが構成され、これは多くのソレノイドバルブの設計に要求される動的ステムシールを必要とすることなくバルブを作り出す。ステムシールを取り除くと、多くのバルブの主たる漏洩経路がなくなる。切替えに伴って容量変化が生じないので、このバルブは定容量バルブである。このことは、多くのバルブの切替え時に発生する圧力スパイクがなくなることを意味する。また、アクチュエータは、切替え時にのみ動力を必要とするので、ソレノイドバルブでの発熱がなくなる。大きな力を発生できるので、高い圧力に達するか、又は大きな流路を有するバルブを作ることができる。このアクチュエータを使用するバルブは、スプリングを適切に選定することで、常開又は常閉バルブとして構成することが容易である。また、内側磁石アクチュエータの各々の端部に流れ制御要素及び流体ポートを設けることにより、ＯＮ−ＯＮ状態を通過してＯＮ−ＯＦＦからＯＦＦ−ＯＮに進む３方向バルブを、単純な２方向バルブに比較して非常に僅かの追加コストでもって容易に作ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータ装置は、符号１０によって表されている永久磁石アクチュエータ機構の全般的な実施形態の中にあり、図面には種々の実施形態が示されている。図１から図４において、永久磁石アクチュエータ機構１０の実施形態は、基本作動モードを概略的に示すために最も単純な形態で示される。２つだけの磁石を有する機構は不十分であり、全体構成の磁石組立体内に複数の磁石要素を有する機構が好ましいとことを理解されたい。
【００２４】
図１を参照すると、第１の実施形態において、単純な形式の２重磁石アクチュエータユニット１２が示されている。２重磁石アクチュエータユニット１２は、図示のように、単一の環状永久磁石の形態の第１の磁石部材１４と、同様に共通軸１８上に配列されている環状永久磁石の形態の第２の磁石部材１６とを含む。第１及び第２の磁石部材は、図示のような磁極性を有し、磁石は相互に反発する。第１の磁石部材１４及び第２の磁石部材１８は、空隙２０によって分離され、筐体の形態のフレーム枠２２の内部に収容される。フレーム枠２２は、円筒形スリーブ２８により相互に連結された環状エンドプレート２４及び２６を有する。円筒形スリーブ２８とエンドプレート２４及び２６とは非磁性材料で作られており、２つの磁石部材１４及び１６の磁気特性を著しく妨げることはない。永久磁石部材１６は、エンドプレート２４及び２６の各々のセンタ穴３２内に摺動可能に組み込まれている円筒形ピン３０に固定されている。
【００２５】
図１の実施形態において、第２の磁石部材及び第１の磁石部材は、例示のために中心に位置合わせした状態で示されている。この状態は、空隙２０を横切る共通の極は反発力を生成して、第１の磁石部材１４と第２の磁石部材１６とは逆方向に駆動される傾向にあるので不安定状態である。更に、磁石部材の移動は明確にするために誇張されている。
【００２６】
第１の磁石部材１４の移動は、対向するストッパ３４及び３６によって制限される。ストッパ３４及び３６は、エンドプレート２４及び２６の内側の階段状の環状隆起部により形成される。図１の２重磁石アクチュエータユニット１２において、ストッパ３４と３６との間の、第１の磁石部材１４の移動量又は「ストローク」は、ストッパ３８と４０との間の、第２の磁石部材１６の移動量又は「ストローク」よりも大きい。この実施形態において、第１の磁石部材１４はマスター部材であり、第２の磁石部材はスレーブ部材である。例えば、ストッパ３４からストッパ３６までといった一方のストッパから他方のストッパへ第１のマスター部材が移動すると、第２のスレーブ部材１６は、自動的にストッパ３８の方へ逆方向に駆動される。
【００２７】
内側又は第２の磁石部材は、ストッパの構成を変更することによってマスター部材になることができるので、以下に詳細に説明する図２の２重磁石アクチュエータユニットの別の構成に示されるように、第２の磁石部材１６’の移動量又は「ストローク」は、第１の磁石部材１４’の移動量よりも大きいことを理解されたい。
【００２８】
マスター磁石部材を移動させてスレーブ磁石部材の自動的な移動をもたらすためには、外部のプライム・ムーバを追加する必要がある。これは、図１に示すような電磁的手段、図２に示すような機械的手段、又は他の外部手段であってもよい。
【００２９】
図１の２重磁石アクチュエータユニット１２において、第２の磁石部材１６に対して第１の磁石部材１４を動かすための外部手段は、第１の磁石部材１４の磁場に対抗して作用する電磁場を発生するように構成された巻線をもつ第１及び第２の電気コイル４４及び４６を有する電磁ドライバ４２を備える。選択的に駆動すると、コイル４４及び４６は、主として円筒形スリーブ２８の厚みによって形成される間隙２８を横切って電磁場を発生する。円筒形スリーブ２８は、少なくとも電磁ドライバを使用する図１の実施形態においては、駆動されている電気コイル及び第１の磁石部材１４の磁場を殆ど妨げない材料で形成される。コイル４４及び４６の各々は、第１の磁石部材１４及び第２の磁石部材１６の反発力に打ち勝つための十分に強力な電磁場を発生するように設計されており、第１の磁石部材を反対側のストッパの方へ駆動するようになっている。この状態では、コイル４４及び４６は、第１の磁石部材がストッパ３４に接触して静止している場合、第１の磁石部材の位置に対して僅かにオフセットしている。このオフセットは、磁石部材１４及び１６の共通軸１８に平行な合成力ベクトルをもたらす。最も単純な作動において、特定のストッパに接触して着座している第１の磁石部材に最も近いコイルが駆動される。多くの他の単純及び複雑なコイル配列を考えることができる。図３及び図４を簡単に参照すると、第１の磁石部材１４及び第２の磁石部材１６に関する反対側の安定配置が示されている。
【００３０】
図２の別の２重磁石アクチュエータユニット１２’を参照すると、外部プライム・ムーバは、機械ドライバ５０の形態である。機械ドライバは、第２の磁石部材１６’上のピン３０’に力を加える。ピン３０’及び連結されている磁石部材１６’が一方側から他方側へ移動すると、反発し合う磁場は、相応するように他の磁石部材１４’を反対側の位置へ移動させる。図２の機械ユニットは、双安定スロー（ｔｈｒｏｗ）スイッチとしての用途をもつ。ピン３０’は、非磁性材料で構成されることが好ましい。
【００３１】
図２の別の実施形態において、ピン３０’は、導電接点５８を有する第１の端部５６を備えており、この接点は、ピン３０’の一方向への移動によって、間隔をあけた各端子接点６０と接触するように移動して回路６２（１部分が示されている）を完成させる。単純な機械ユニット１２’に関する用途の本実施例において、ピン３０’は、クロスピン６６によってピン３０’にピボット結合されると共に、ピボットブラケット６８によってエンドプレート２４’にピボット結合された手動スイッチレバー６４によって動かされる。
【００３２】
スイッチレバー６４によってピン３０’を端子接点６０に向かって図２に示される位置を超えて短い距離だけ移動させると、第１の磁石部材１４’は速やかに逆方向に動き、第２の磁石部材１６’を接点６０に向かって駆動して端子接点６０を横切る回路が完成する。
【００３３】
第１のスレーブ部材１４’は、ストッパ７０又はストッパ７２に接触するその２つの安定位置の一方から移動する必要があり、第１及び第２の磁石部材１４’及び１６’の左右対称の中立位置は、例示的であることを理解されたい。第２のマスター磁石部材１６’は、ストッパ７０とストッパ７２との間の距離よりも大きな距離の間隔をあけた２つのストッパ７４及び７６の一方に接触する安定位置をもつ。
【００３４】
図３及び図４を参照すると、図１の２重磁石アクチュエータユニット１２の形態の永久磁石アクチュエータ機構１０は、図１の実施形態と同様に構成されるが、２つの環状コイルスプリング７８及び８０が追加されている。コイルスプリング７８及び８０は、エンドプレート２４及び２６の凹部に設けられた各々のコイルシート８２及び８４内に配置されている。１つの最適化された設計においては、第１の磁石部材１４及び第２の磁石部材１６の磁気反発力は、磁石部材１４及び１６がそれぞれのストッパに接触して反対側に配置された場合に最大であることが望ましい。従って、圧縮スプリングを追加しないと、第１の磁石部材を一方の位置から他方の位置に移動させるのに必要な力は、移動開始時に最大になり、各磁石がその不安定な中立位置になると消滅し、その後、それぞれの磁石がそれぞれの反対側のストッパに再度着座するまで負の力になる。
【００３５】
この力の曲線は、概して半サイクルの正弦波である。圧縮スプリングを適切に選定することで、圧縮スプリングの力／変位の傾きを、転位時の磁石の力／変位の傾きに概ね適合させることができる。基本的に、磁気的に付勢されるストッパまでの移動時に、マスター磁石部材によって圧縮されるにつれて圧縮スプリングが蓄えるポテンシャルエネルギーは、回収可能であり、反対側のストッパの方への逆方向の移動時に、マスター磁石部材の移動を助けるようになっている。このようにして、力／変位曲線は平坦化できるので、プライム・ムーバは、一方の安定位置から他方の安定位置までのマスター磁石部材のストローク全体にわたって、平坦化されたプロファイルの実質的に小さな力を付与する。
【００３６】
図１から図４の実施形態は、例示的で本明細書に含まれる原理を簡単に示すものであることを理解されたい。前述のように、本装置の有用性及び効率は、第１及び第２の磁石部材に単一の磁石を用いることによって制限される。
【００３７】
図５Ａから図５Ｄには、左右対称の双安定永久磁石アクチュエータ機構１０のサイクル動作が示されている。永久磁石アクチュエータ機構１０は、典型的な多重磁石アクチュエータ機構を示すものであり、全体的には符号１００によって示されている。図５Ａに示すように、多重磁石アクチュエータ機構１００は、第１の磁石部材１０２及び第２の磁石部材１０４を備える。第１の磁石部材１０２は、ケーシング１１２内に収容された４つの環状磁極片１１０によって分離及び支持された３つの環状永久磁石１０８を有する、多重磁石組立体１０６によって形成されている。第１の磁石部材１０２は、環状形であり、第２の磁石部材１０４を取り囲んでいる。第２の磁石部材１０４は、ケーシング１１８内に収容された４つの円板状磁極片１１６によって分離及び支持された３つの円板状永久磁石１１４により構成される多重磁石組立体１１３によって形成されている。
【００３８】
図５Ａの実施形態において、第１の磁石部材１０２はマスター又は作動部材を構成しており、移動することにより結果的にスレーブ又は被作動部材としての第２の磁石部材１０４の逆方向の移動を引き起こす。第２の磁石部材１０４は、格納構造体１２２内に形成された対向する各ストッパ１２０の間で移動可能である。同様に、第１の磁石部材１０２は、格納構造体１２２内に形成された対向する各ストッパ１２４の間で移動可能である。軸対称を利用する永久磁石機構の構成において、多重環状磁石組立体１０６の典型的な磁石配置及びポール配列に起因する反発磁場は、第２の磁石部材１０４を、第１の磁石部材１０２の円環内の同軸フローティング位置に保持することになる。
【００３９】
図５Ａから図５Ｄの実施形態において、永久磁石アクチュエータ機構１００は、収納構造体内の円環状溝部１３０に着座する一対の圧縮スプリング１２８を備える。前述のように、圧縮スプリングは、第１の磁石部材がストッパ位置まで移動するにつれて付加される磁気反発力を吸収する。第１の磁石部材１０２及び第２の磁石部材１０４は、図５Ａの安定した静止位置に配置され、右側のストッパに配置された第１の磁石部材１０２は、図示のように右側のスプリング１２８を圧縮する。第２の磁石部材１０４は、左側のストッパに配置され、多重磁石組立体１１３は、第１の多重磁石組立体１０６の全磁気反発力によってストッパに対して付勢される。
【００４０】
図５Ｂの方向矢印で示すように左側に磁石部材１０２を移動させるように第１の磁石部材１０２に外力を加えると、図５Ｂに示すように力がゼロ又は中立位置に近づくと、第１の磁石部材は、左側の圧縮スプリングに接触する。中立の整列位置を通過すると、図５Ｃに示すように、第２の磁石部材１０４は、急速且つ強力に右側のストッパに対して右側に付勢される。第２の多重磁石組立体１１３によって第１の多重磁石組立体１０６に加えられる磁力は、第１の磁石部材１０２を左側のストッパ１２０に対して付勢し、図５Ｃに示すように左側の圧縮スプリング１２８を圧縮する。図５Ｃに示す第１の磁石部材１０２及び第２の磁石部材１０４の位置は、図５Ａに示す安定位置とは逆の安定位置である。
【００４１】
図５Ｄに示すように、反対方向にある第１の磁石部材１０２を右側のストッパ１２４に対して付勢するように第１の磁石部材１０２に外力を加えると、第２の磁石部材１０４は、第１の磁石部材１０２が中立の整列位置を通過するまでは元の位置に留まり、通過すると第２の磁石部材１０４は、図５Ａに示すように急速且つ強力に左側のストッパ１２０に対して付勢され、サイクル動作が終了する。第１の磁石部材が外力によって移動される際に、初期の移動は、先の圧縮状態から伸びてポテンシャルエネルギーを放出する圧縮された圧縮スプリング１２８によって補助されるので、第１の磁石部材１０２を移動させるのに必要な外力の量は最小限になる。中立の整列位置を通過すると、第２の磁石部材１０４は反対側のストッパに対して移動し、第１の磁石部材１０２をそのストッパの方向に付勢する磁気反発力は、反対側の圧縮スプリング１２８の接触及び圧縮によって阻止される。
【００４２】
圧縮スプリング又は他のエネルギー回収手段を用いる利点は、図６から図８の変位に対する力の線図によって示される。
【００４３】
図６は、スプリングが無い場合の永久磁石アクチュエータ機構に加えられた力に関する典型的な変位に対する力の線図を示す。図６において、力の値が正又は負のいずれであるかは、主要素又はマスター要素の移動方向、即ち実線で示す右側への移動、又は主として破線で示す左側への移動に基づいている。
【００４４】
マスター要素１０２が、図５Ｃのように左側のストッパ１２４の位置を発端に、スレーブ要素１０４によるマスター要素１０２への力は、最初は大きく正の値である（例えば右側方向）。マスター要素が右側に移動するにつれて正の値の力は小さくなり、最後にはゼロになる。その後、スレーブ要素１０４は位置が切替わり、力は、実線の垂直線によって示されるように急激に負の値になる。その後、マスター要素が右側に移動すると、加えられた力は、図６において実線の端部に示されるように、更に負の値になる。力は、スレーブ要素１０４の切替わり位置によるヒステリシスを示す。
【００４５】
右側ストッパの位置において、マスター要素が左側に動くと大きな負（例えば右側方向）の力を受ける。結果的に、マスター要素は、平衡に到達する前に、即ち力がゼロになるまで更に左側に移動する。その後、力は破線で示されるように急激に正の値になり、スレーブ要素は再び位置が切替わる。前記の説明は、図６に示されたスカラー力に関するものであり、マスター要素に加えられる実際の力ではなく、実際の力は、移動開始時に正である抵抗運動、及び変位の終了に関して負である補助運動であることに留意されたい。
【００４６】
切替え開始時のマスター及びスレーブ要素の磁石の接近により、切替え力が非常に大きくなる場合がある。切替え力を低減するために、圧縮スプリング１２８を使用する。図７は、右側及び左側スプリング１２８に関する変位に対する力のグラフである。例示的且つ一般性を失わないように、スプリングは、実質的に線形挙動を示す。左側スプリングは、図７に実線で示されるようにマスター要素が右側に移動すると減少する負（例えば右側方向）の力を与える。右側スプリングは、マスター要素が右側に移動するにつれて増加してスプリングを圧縮する、移動を阻止する正（例えば左側方向）の力を与える。スプリング１２８の効果を磁石に起因する力の曲線に加えると、この２つの力の重ね合せは、図８に示されるような力の曲線を生じる。マスター要素の右側方向（実線）及び左側方向（破線）の移動に関する力の曲線は、スプリングが有る場合の初期の力が、スプリングが無い場合よりも非常に小さいことを示している。この力は、垂直の実線及び破線によって示される切替え点に至るまで徐々に増加する。その後、抵抗変位に代わって、変位は、ストッパ位置に至るまで補助され、ストッパ位置では、マスター要素は、切替えられたスレーブ要素の磁力によって所定位置に保持される。
【００４７】
図５Ａから図５Ｄの多重磁石アクチュエータ機構１００は、線形対称及び軸均一である。この基本構造は、マスター磁石部材から隔離されている移動可能なスレーブ磁石部材の変位に対して特に有用である。理想的な用途は、図９及び図１０を参照して示されるような隔離形スプールバルブである。
【００４８】
図９及び図１０を参照すると、多重磁石アクチュエータ機構１３０の断面図がスプールバルブの形態で、それぞれ開位置及び閉位置について示される。多重磁石アクチュエータ機構１３０は、双安定装置であり、ユニットの一体式構成要素としての電磁コイルシステムの形態のプライム・ムーバを備えている。
【００４９】
図９及び図１０の多重磁石アクチュエータ機構１３０は、図５Ａから図５Ｄに示す多重磁石アクチュエータ機構１００と同じ構造である。第１の永久磁石部材１３２は、マスター部材として作動し、第２の永久磁石部材１３４は、被作動スレーブ部材として作動する。２つの永久磁石部材１３２及び１３４は、格納構造体１３６の形態のフレーム枠内で摺動可能である。また、格納構造体１３６は、第２の磁石部材１３４の自動的な逆方向の変位を生じさせる第１の磁石部材１３２の変位のためのプライム・ムーバとして、電磁コイルシステム１３８を収容する。
【００５０】
格納構造体１３６は、一般的な高圧流体接続具（図示せず）のためのネジ付きポート１４４を有するエンドブロック１４０及び１４２を備える。内側チャンバ１４６は、弁座１５０を有する内部開口部１４８が密封ボール１５２によって閉鎖されていない場合に、流体流れのための各ポート１４４間の流路を形成する。移動可能な第２の永久磁石部材１３４は、細長い多重永久磁石組立体１５６の端部でソケット１５４に固定されている密封ボールを備えるバルブスプールとして構成される。多重磁石組立体１５６は、ケーシング１６２内に円板状磁極片要素１５８及び差しはさまれた円板状永久磁石要素１６０を交互に備える。収容された磁石組立体１５６は、ボール１５２が接触して流れを閉鎖する弁座１５０と停止ピン１６４との間で移動可能であり、停止ピン１６４は、ボール座１５０からのチャンバ１４６の反対側の端部で、ケーシング１６２が内部開口部１６６を閉鎖することを防止する。１つの流体の流れは、開口部１６６から、多重磁石スプール組立体１５６の周囲を開口部１４８へ向かう流れである。流体の流れは逆方向であってもよい。いずれの場合でも、バルブチャンバーの有効容積はスプールの変位に対して変化しないので、フリー・フローティング・バルブスプールの使用は、流体測定装置に対して特に有効である。
【００５１】
チャンバ１４６の壁部１６８は、エンドブロック１４０から突出している円筒形スリーブ１７０によって形成されている。流体の流れを可能にするために、円筒形スリーブ１７０は、多重磁石スプール組立体１５６の直径より僅かに大きな内径を有し、多重磁石スプール組立体１５６は、円筒形スリーブ１７０内に軸方向に心合わせした状態で浮いている。円筒形スリーブ１７０の外側表面１７２は、第１の永久磁石部材１３２のための摺動面をもたらす。
【００５２】
第１の永久磁石部材１３２は、それぞれ環状形状を有し且つ外殻１８０と共に円環を形成する、一連の永久磁石要素１７６及び磁極片要素１７８から構成される永久磁石組立体１７４を有する。第１の磁石部材１３０の極性及び磁石要素１７６及び磁極片要素１７８の配列は、第２の磁石部材の磁石要素１６０及び磁極片要素１５８と同様に配列されており、所望の磁気反発力を得るようになっている。極性状態と、磁石の寸法及び配列は、個々の用途に応じて作動要件を最適化するために変更可能であることを理解されたい。図示の配列は、数多くの構成の１つを示すに過ぎない。
【００５３】
永久磁石組立体１７４は、円筒形スリーブ１７０と、２つのエンドブロック１４０及び１４２を相互連結するケーシングユニット１８４の内側壁部１８３とで形成される円筒形チャンバ１８２に収容されている。ケーシングユニット１８４は、電磁コイルシステム１３８を形成する３つの電磁コイル１８６を封入するために分割されており、コイルシステムは活性化されると、第１の磁石部１３２の変位を引き起こして、第２の磁石部３４の逆方向の変位を生じさせる。図示のように、狭い空隙１８８は、第１の永久磁石部材１３２の永久磁石組立体１７４の殻部１８０とケーシングユニット１８４の内側壁部１８３とを隔てる。
【００５４】
前述のように、プライム・ムーバとして作動する場合にコイル１８６の負荷要求を低減させるよう機能する圧縮スプリング１９０は、分割されたケーシングユニット１８４の構造体と一緒に保持される。組み立て後に多重磁石アクチュエータ機構１３０を形成する構造体は、エンドブロック１４２のボス部１９４のＯリング１９２によって密封される。この場合も同様に、個々の用途の作動要件に応じてアクチュエータ機構の動作特性を変更するために、スプリングは、バネ定数を変えることができ、又は選択的に取り除くことができる。
【００５５】
永久磁石アクチュエータ機構が、最小限のコストで強制的な機械的変位を最大にすることが要求される場合、一般的に矩形磁石の形態が好ましい。好適な矩形構造には、中心軸平面を挟んで相似であってもよいが、図１から図４、図５Ａから図５Ｄ、及び図９から図１０における同軸構造の半径方向の均一性をもたない永久磁石組立体が組み込まれる。
【００５６】
図１１から図１４を参照すると、機械的変位の形態での出力が典型的に望まれる用途における強力なシステム用に設計された、多重磁石アクチュエータ機構２５０の別の実施形態が示されている。これは、ラッチシステム、往復式圧縮機又はエンジン、及び他の装置において特定の用途を有しており、ここでは特定の用途のために力及びストロークが最適化されることが望ましい。図１１の斜視図において、多重磁石アクチュエータ機構２５０は、フレーム又は格納構造体２５６内に第１の磁石部材２５２及び第２の磁石部材２５４を有する、矩形ボックス状構造である。第２の磁石部材２５４はスレーブ部材であり、連結出力軸２５８を有する。出力ロッド２５８は格納構造体２５６から突出しており、縦軸に沿って往復動を行う。出力ロッドは、圧縮機又はエンジンのためのピストンに連結できるか又はピストンを備えることができ、もしくは、ラッチ又はクランプの受板にかみ合うことができる。
【００５７】
格納構造体２５６は、対向するエンドブロック２６０及び２６２を備え、それらはエンドブロック２６０を貫通する案内穴２６４を除いて同一である。エンドブロック２６０及び２６２は、各々のエンドブロック２６０及び２６２のコーナ部に固定されている細長い連結ロッド２６６によって相互連結される。連結ロッド２６６は、ネジ切り、ハンダ付け、鑞付け、又は冷間成形によって穴部２６８に固定できる。図１２及び図１３の正面図にも示されている第１の磁石部材２５２の永久磁石要素は、エンドブロックの案内ブッシュ２７４内を往復動する４本の組立体ロッド２７２上のユニットとして往復動する多重永久磁石組立体２７０である。同様に、第２の磁石部材２５４の永久磁石要素は、案内ブッシュ２８０に支持される２本の組立体ロッド２７８上を往復動して、第１の磁石部材２５２の変位によって逆方向に移動する、多重永久磁石組立体２７６である。
【００５８】
第１の磁石部材２５２の多重永久磁石組立体２７０は、エンドフレーム２８８によって相互連結されている２つの多重磁石サブユニット２８２及び２８４で構成されており、多重磁石サブユニット２８２及び２８４は、第２の磁石部材２５４の多重永久磁石組立体２７６の両側に配置され、タンデム型移動ユニットとして一緒に作動するようになっている。各々のエンドフレーム２８８は、開口部（見えない）を有し、第２の磁石部材５４の多重磁石組立体２７６は、第１の磁石部材２５２の磁石組立体２７０の２つの多重磁石サブユニット２８２及び２８４の反対の位置への転換移動によって駆動される場合に、この開口部を通って移動できる。
【００５９】
各々の多重磁石サブユニット２８２及び２８４は、一連の磁極片要素２９０及び交互の永久磁石要素２９２で形成される。各々のサブユニットにおいて、磁極片要素２９０は矩形磁石要素２９２を支持し、一対の組立体ロッド２７２に広がる。図１４の部分断面図に示すように、長い磁極片要素２９０及びエンドフレーム２８８の穴部２９４により、短い磁石要素２９２を、エンドフレーム２８８に着座する組立体ロッド２７２のネジ部分２９８上のナット２９６によって磁極片要素２９０と一緒に留めることができる。
【００６０】
同様に、第２の磁石部材５４の多重永久磁石組立体２７６は、一連の磁極片要素３００及びそれらの間に挟持される永久磁石要素３０２で構成される。外側磁極片要素３００ａは、磁石組立体２７６の間隔をあけた組立体ロッド２７８のネジ部３０６上にナット３０４を着座させるためのエンドブラケットとして機能する。２つの多重磁石サブユニット２８２及び２８４は、対向する第２の磁石部材２５４の磁石組立体２７６の磁極片要素３００の機械加工面３１０に対して、磁極片要素２９０の機械加工面３０８を近接して位置決めするように調節され、狭い空隙３１６が形成される。このようにして、通常はスチールである機械加工及び穿孔が容易な磁極片要素によって許容誤差を維持することができ、機械加工又は穿孔を行うことなく素材の矩形永久磁石要素を使用することができる。
【００６１】
図１４の部分断面図を参照すると、エンドブロック２６０は、一対の窪み部３１４を有しており、タンデム型変位ユニットの２つのサブユニット２８２及び２８４のための組立体ロッド２７２の周りの窪み部に着座した圧縮スプリング３１８のためのスプリングリテーナ３１６が着座するようになっている。また、締付けナット２９６は、第１の磁石部材がエンドブロック２６０に向かって移動された場合にスプリング３１８に接触して圧縮するための接触ストッパとして機能する。反対側のエンドブロック２６２は、圧縮スプリング３１８及びリテーナ３１６を備えた同様の構造を有しており、第１の永久磁石部材の往復移動時に圧縮スプリングに磁気変位力と同じ力を蓄えることができる。多重永久磁石組立体２７６の締付けナット３０４は延長されており、これは第２の永久磁石部材２５４の移動時にリミットストッパとして機能する寸法である。案内ブッシュ２７４は青銅又は真鍮であり、摺動組立体ロッド２７２及び２７８の縮径部３２０のための案内部を形成することが好ましい。
【００６２】
多重磁石アクチュエータ機構２５０の作動は、その用途に適切な任意の種々の手段によって達成される。図１２において、接触プレート３２２は、マスター部材として機能する第１の磁石部材２５２の組立体ロッド２７２の突出端部３２４に固定される。接触プレート３２２は、従来型デザインの外部往復動システムと共に使用可能である。
【００６３】
単一の出力ロッド２５８を有する図１２から図１４のユニットは、反対側のエンドブロック２６２を貫通する反対側の出力ロッド含むように変更できることを理解されたい。例えば、異なる直径のロッドは、２段ガス圧縮機のピストンとして使用できる。図１２から図１４の機構は、圧縮機（又は拡張機）として用いる場合に以下のような多くの利点をもつ。
【００６４】
１．機械的作用は、磁気カップリングを介し圧力容器の壁を通って伝達可能であり、シールを必要とせず外部への漏洩が発生しない。
２．磁気カップリングに起因して、プランジャは、本質的に汎用性があり、圧縮容器の端部のメカニカルストッパまで達することができ、非常に大きな圧縮比をもたらすことができる。
３．新規な磁気材料に起因して、小型パッケージにおいて非常に大きな力を発生することができる。
４．プランジャに関する変位に対する力は、ガス圧縮のための要求に良好に適合する。この機構は、線形駆動力を非線形合成力に変換できる。この距離に対する力の変換は、非常に高い効率をもたらす。
５．この機構は、本質的に双方向性であり、前進及び後進ストロークでの圧縮が可能であり、従来型ピストン圧縮機に対して出力が２倍になる。
６．外部駆動運動及び内部プランジャ運動をギア変速して、小さな力で長い距離を駆動することが可能である。
７．一般的に、機構は自動調心が可能であり、軸方向から離れる力が小さいので単純で低摩擦のガイド及びシールが可能になる。
８．駆動コイルを用いる場合には、機構の外部にあるので冷却可能であり、寸法の制限を受けない。また、これは作動流体への駆動熱の伝達を非常に低減する。外部の駆動コイルの冷却は容易であり、外部の組立体の運動は、冷却フィンに空気を送るために使用できる。
９．磁気プロファイルは、非作動機械に対する保持力に比べて所要の駆動力を著しく低減するために使用でき、更に、駆動力を他の作動形式の用途のための特定のプロファイルに変えるのに使用できる。
１０．線形運動は、低振動圧縮機に使用するのに優れており、特定の用途に関する共振作動モードと結合することも可能であろう。
１１．機構は本質的に双安定性であり、プランジャを常に一方の端部又は他方の端部に停止させることになる。上死点での停止は問題ない。
１２．この機構は「オンデマンド」となるように作ることができ、追加の圧縮が必要な場合にのみ後進又は前進作動可能である。基本的に、この機構では、速度は無限に変化する。
１３．圧縮機は、油を必要としないので歯科、半導体、及び他の種類の作業等の「クリーン」用途に利用できる。
１４．振動が望ましくない場合には、機構の振動を低減できる。
１５．機構は、比較的静粛である。
１６．作動の点では、機構は比較的高速である。
１７．ダイフラム式圧縮機のような「屈曲」部分が全くない。
１８．駆動制御部は、非常に単純である。単一トライアックを備えるラインドライバは、正負電圧サイクルを使用して、一方向及び他方向に駆動するようになっている。常に全速とする必要がある場合は、５０又は６０サイクル／秒の交流線に接続すればよい。
１９．磁気中心線を通過すると直ぐに電源を切断して、移動の終了を保証するために、移動センサをスライダ組立体に配置することができる。これにより電力を節約して、ソレノイドの無駄な発熱を低減できる。
２０．小さな起動突入電流サージでもって電気的に作動される。
２１．内側プランジャが固着して外側スライダがその移動を終了できない場合には、内側プランジャが固着したことの明白な表示を生じるように設計できる。
２２．設計は、完全に逆に行うことができるので、プランジャが駆動され、スライダが移動する装置にすることができる。この構成は、駆動要素を海中又は爆発雰囲気等の不良環境から隔離する必要がある場合に有用であろう。
【００６５】
更に、磁石構造又は多重磁石組立体の相対位置を変更すること、並びに前述の各々の端部での異なる圧縮スプリングを使用することで変位特性を変えることができ、アクチュエータ機構を特定の用途に合わせて調整することができる。
【００６６】
更に、対称構造は、多くの状況では有利であるが、常に必要とは限らない。第１及び第２の永久磁石部材の変位軸に垂直な磁石の反発力を格納構造体に封じ込めることができる場合には、図１６に概略を示して以下に説明するように、半径方向又は平面的な対称性は必要ない。変位曲線の平坦化された力を生じるための特異な多重磁石構成を例示するために主として説明されているが、図１６の装置は、第１及び第２の磁石部材のための向かい合った磁石組立体を使用する。このような配列は、磁石組立体の高さに対する空間が制限されており、移動方向に垂直な反発力を格納構造体によって制御して、各磁石組立体の間の最適な空隙に関する所望の接近を保つようになっている場合には有用であろう。
【００６７】
しかし、図１６の複雑な機構に移る前に典型的な基本システムに関する詳細な検討を行うことは有用である。
前述の作動装置の動作は、変位に対する力の曲線、及び変位に対するポテンシャルエネルギーの曲線を参照することによって最もよく理解できる。例えば、図１５Ａ及び図１５Ｂは、前述の形式の装置に関する、マスター及びスレーブ要素の相対変位に対する力、及びマスター及びスレーブ要素の相対変位に対するポテンシャルエネルギーの正規化グラフをそれぞれ示す。ニュートンの第３法則から、図１５Ａの力のグラフは、マスター要素によってスレーブ要素に加えられた力又はその逆の力として説明できる。変位は、マスター及びスレーブ要素相互の相対変位である。同様に、図１５Ｂのポテンシャルエネルギーのグラフは、マスター及びスレーブ要素の磁石の相対位置に起因する、システムのポテンシャルエネルギーを示すものとみなすことができる。例示的に、図１５Ａのグラフは、マスター要素がスレーブ要素を通過して左側から右側に移動する際に、マスター要素の磁石によって固定スレーブ要素に加えられる力を示す。
【００６８】
グラフの最左端の垂直線５０１を発端に、マスター要素は左側ストッパに保持される。右側に向かって大きな力がスレーブ要素に及ぼされるが、その方向を慣例により正方向とする。その力は、スレーブ要素を固定位置に保持するストッパによって及ぼされる、同じ大きさで逆方向の力によって相殺される。マスター要素が右側に移動すると、その力は実質的に正弦波様態で減少する。力は減少するが、磁石は押されて相互に接近するのでポテンシャルエネルギーは増加する。マスター要素の磁気中心線がスレーブ要素と揃う平衡点５０３で力はゼロになる。このポテンシャルエネルギーのグラフは下方へ湾曲しており、この平衡点は不安定であること、即ち左右いずれかへ少し押すと、マスター及びスレーブ要素を互いに引き離すように駆動する傾向にあることを示している。マスター要素が平衡点５０３を通過して右側へ移動を続けると、力の方向は右側から左側（負の方向）へ変わり、スレーブ要素は左側に移動しようとする。スレーブ要素への力は大きくなり、スレーブ要素が自由に移動できる場合には、垂直線５０５によって示されるように、最終的にはスレーブ要素を左端のストッパに対して押し付ける。
【００６９】
結果をもたらす作動に必要な力、即ちマスター要素を動かすのに必要な力を滑らかにするために、変位に対する力の曲線を平衡点近傍で平坦化することが望まれる場合が多い。これを達成する１つの方法は、フーリエ解析の原理の使用することである。本質的に、図１５Ａに示す力の曲線は、内側及び外側要素の磁石の厚みによって決定される周期性のある正弦曲線である。正弦曲線の形状は、異なる周期を有する正弦曲線と組み合わせることによって変更できる。基本的に、平衡点近傍で磁石による力を相殺するような逆の力を与えることが要求される。このような逆の力は、例えば、磁石の１次セットとは異なった距離だけ間隔をあけた磁石の２次セットによってもたらされる。フーリエ解析の原理を用いると、２次磁石が１次磁石の厚さの約３分の１の寸法の場合には、平衡点近傍で力の曲線が平坦化されることが分かる。平坦化の量は、１次及び２次磁石の相対強度及び位相調整を変更することによって調節できる。
【００７０】
図１６には、本発明の別の実施形態によるアクチュエータ装置６００の単純化された断面概略図が示されている。アクチュエータ装置６００は、全体的にはマスター要素６１０、スレーブ要素６２０、及び終端ストッパ６４０、６４２、６４３、６４５を有するフレーム６３０を備える。マスター及びスレーブ要素６１０、６２０は、反対側の力を発生する１次及び２次磁石スタックを含む。シャフト６１８、６２８は、それぞれマスター及びスレーブ要素６１０及び６２０に取り付けられている。シャフト６１８、６２８は、フレーム６３０の穴部６３２、６３３、６３４、６３５に摺動自在に収容されている。シャフト６１８、６２８及びフレーム６３０は、要素６１０、６２０の移動を軸方向の移動に制限する。終端ストッパ６４０、６４２、６４３、６４５は、平行移動する要素６１０、６２０の軸方向移動の範囲を制限する。アクチュエータ装置６００は、随意的にマスター要素の端部と終端ストッパ６４２，６４５との間にスプリング６５０、６５２を含むことができ、前述のようにマスター要素に関する切替え力を低減するようになっている。また、アクチュエータ装置６００は、随意的に、図９及び図１０に関して前述したように、マスター要素に作動力を加えるための１つ又はそれ以上の電磁コイル（図示せず）を含むことができる
【００７１】
マスター要素６１０は、永久磁石６１２及び６１６の１次及び２次スタック６１１、６１５を有する。１次スタックの磁石６１２の厚さはｄであり、磁極片６１３によって互いに分離されている。２次スタックの磁石６１６の厚さは約ｄ／３であり、磁極片６１７によって互いに分離されている。スレーブ要素６２０は、永久磁石６２２、６２６の１次及び２次スタック６２１、６２５を有する。１次スタックの磁石６２２の厚さはｄであり、磁極片６２３によって互いに分離されている。２次磁石６２６は厚さが約ｄ／３であり、磁極片６２５によって互いに分離されている。磁石６１２、６１６、６２２、６２６は、矢印によって示されるように配向された極を有する。多くの場合、１次及び２次スタックの位置をずらして互いに干渉しないようすることが望ましい。この目的のため、マスター要素６１０の１次スタック６１５は、非磁性スペーサ６１９によって２次スタック６１５から切り離すことができる。同様に、スレーブ要素６２０の１次スタック６２１は、非磁性スペーサ６２９によって２次スタック６２５から切り離すことができる。
【００７２】
例示的に、１次及び２次磁石の相対強度は、それぞれの材料組成を変えることによって調節できる。例えば、ネオジム磁石は、１０メガガウス−エルステッド（ＭＧＯ）から５０ＭＧＯの強度範囲のものが利用できる。もしくは、１次及び２次磁石の強度は、異なる寸法で作ることによって変更できる。また、１次及び２次スタックが生じる力の相対強度は、１次及び２次スタックの磁石の数を変えることによって調節できる。
【００７３】
前述のアクチュエータ装置の作動に関する図１６に示す２次磁石の効果は、変位に対する力の曲線、及び変位に対するポテンシャルエネルギーの曲線を参照することで最もよく理解できる。例えば、図１７Ａ及び図１７Ｂは、図１６に示す形式の装置に関する、変位に対する力、及び変位に対するポテンシャルエネルギーの理論的な正規化グラフをそれぞれ示す。図１７Ａにおいて、磁石６１６、６２６の２次スタックによって及ばされる力は、１次磁石６１２、６２２によって及ぼされる力の約３分の１の強さである。例示的に、力のグラフは、マスター要素６１０が左側から右側に動くにつれてマスター要素６１０の磁石によってスレーブ要素６２０に及ぼされる力を示す。グラフの最左端の垂直線７０１を発端に、マスター要素６１０は左側ストッパ６４２に保持され、スレーブ要素６２０は右側ストッパ６４３に保持される。右側に向かって大きな力がスレーブ要素６２０に及ぼされる。その力は、右側ストッパ６４３によって左側に向けて及ぼされる、同じ大きさで逆方向の力によって相殺される。マスター要素６１０が右側に動くと、１次磁石６１２、６２２の間の力が減少する。１次磁石６１２、６２２は、反発状態にあり、押されて相互に接近するのでポテンシャルエネルギーは増加する。しかし、２次磁石６１６、６２６の間の間隔が異なるので、２次磁石のいくつかは吸引状態になる。結果として生じる吸引力は、１次磁石６１２、６２２の間の大きな反発力を部分的に補正する。結果的に、力の曲線は、図１７Ａに示すように平坦化される傾向になる。また、図１７Ｂのポテンシャルエネルギーの曲線の頂点は平坦化される。
【００７４】
１次スタックに対して２次スタックの強度を高くすることによって、１次磁石により与えられる力を、平衡点が安定になる程度まで相殺することが可能である。図１８Ａ及び図１８Ｂには、理論的な力及びポテンシャルエネルギーの曲線が例示されている。ここでは、２次スタック６１５、６２５の磁石は、１次スタック６１１、６２１の磁石によって与えられる力の強さの約５分の３の力を与える。力の曲線の注目すべき特性は、マスター要素が右側に移動すると力の曲線は有限正値８０１に上昇し、次いで平衡値８０３、例えばゼロに減少する。次いで力は負になり有限負値８０５となって再び上昇し、垂直線８０７によって示されるように、右側の終端ストッパによってマスター要素の移動が停止される。効果は図１８Ｂのポテンシャルエネルギーの曲線からより明らかになる。ポテンシャルエネルギーの曲線は、平衡点８０３の近傍に僅かな窪みを有する。この窪みは、平衡点からの小さな偏りが、第２の要素６２０を平衡点の方向に押し返すような力を生成することを示している。従って、平衡点８０３は安定である。
【００７５】
一般的に、反発状態の磁石は、作動条件にもよるが、ある程度の経時的な減磁に直面することを指摘する必要がある。減磁の程度は、種々の磁性材料で異なる。一般的に、減磁の量は、逆印加磁場及び温度に依存する。反発状態の磁石が大きな力を発生するために使用される場合、大きな逆印加磁場が磁石に作用する。永久磁石は、保持力によって特徴付けられる場合が多く、これは逆印加磁場における減磁に対する磁石の抵抗性を比較する材料特性である。保持力は、種々の磁石材料で様々である。例えば、アルミニウム・ニッケル・コバルト（ＡｌＮｉＣｏ）磁石は、比較的保持力が低く、反発状態で非常に接近させて配置すると、殆ど完全な減磁に直面するであろう。対照的に、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等の高保持力の希土類磁石は、反発状態で非常に接近して配置した場合でも僅かに減磁するだけである。この特性により、高保持力の希土類磁石は、前述の形式のアクチュエータに使用するのに特に適している。そのような磁石は、脆い場合が多く、磁石が衝撃で破損しないように、通常はニッケル、アルミニウム、又は銅等の金属で被覆される。
【００７６】
磁力を集束又は分配して特定の用途に対する設計要求を達成するために、磁石及び磁極片の他の配置を採用できることを理解されたい。更に、前述のように、永久磁石の厚さを変えると、アクチュエータ装置のストロークを変えることができる。更に、スプリング又は他のエネルギー回収手段を変更すると、特定の用途のために変位に対する力の曲線を変更して最適化することができる。本明細書では、作動原理と、本発明が組み込まれた永久磁石アクチュエータ機構を特定の用途に適応させるために変更可能ないくつかの変形例とを説明するものである。
【００７７】
前記のように本発明の実施形態は、本発明を完全に開示するために詳細に説明されているが、当業者であれば、本発明の精神及び原理から逸脱することなく多くの変更が可能なことが理解できる筈である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のアクチュエータ機構の第１の実施形態の断面図である。
【図２】
本発明のアクチュエータ機構の第２の実施形態の断面図である。
【図３】
スプリングを含みアクチュエータ要素の第１の安定位置を示す図１のアクチュエータ機構の断面図である。
【図４】
アクチュエータ要素の第２の安定位置を示す図３のアクチュエータ機構の断面図である。
【図５】
５Ａ−５Ｄは段階的サイクル動作におけるアクチュエータ機構の第３の実施形態を示す。
【図６】
典型的なアクチュエータ機構の変位に対する力の線図である。
【図７】
典型的な圧縮スプリングの変位に対する力の線図である。
【図８】
スプリングを含むアクチュエータ機構の合成変位に対する力の線図である。
【図９】
閉位置のバルブ部材を備えるバルブの用途におけるアクチュエータ機構の断面図である。
【図１０】
開位置のバルブ部材を備える図９のアクチュエータ機構の断面図である。
【図１１】
変位装置の用途における本発明のアクチュエータ機構の別の実施形態を示す。
【図１２】
図１１のアクチュエータ機構の側面図である。
【図１３】
図１１のアクチュエータ機構の平面図である。
【図１４】
図１１のアクチュエータ機構の１４−１４線に沿った部分拡大断面図である。
【図１５】
１５Ａは本発明の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、内側要素及び外側要素の相対変位に対する力のグラフを示し、１５Ｂは本発明の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、内側要素及び外側要素の相対変位に対するポテンシャルエネルギーのグラフを示す。
【図１６】
本発明の別の実施形態による磁石アクチュエータ装置を示す。
【図１７】
１７Ａは本発明の別の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、変位に対する力のグラフであり、１７Ｂは本発明の別の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、変位に対するポテンシャルエネルギーのグラフである。
【図１８】
１８Ａは本発明の別の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、変位に対する力のグラフであり、１８Ｂは本発明の別の実施形態によるアクチュエータ装置に関する、変位に対するポテンシャルエネルギーのグラフである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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