(57)【要約】比例ソレノイド特性を与えるボイスコイルアクチュエータを開示する。このアクチュエータにおいては、第１と第２の磁石が第１の軟磁極片の別々の端部に位置し、且つ反対方向に励磁しており、第１の軟磁極片は第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きな長さを有する。コイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ第１の軟磁極片並びに第１及び第２の磁石に対して共通の軸に沿って移動するように位置しており、構造体は、第１及び第２の磁石の自由端の間に磁気経路を与える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイスコイルアクチュエータであって、
長さを有する第１の磁石と、
長さを有する第２の磁石と、
第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きな長さを有する第１の軟磁極片とを備え、ここで第１と第２の磁石は第１の軟磁極片の別々の端部に位置し、且つ反対方向に励磁しており、
前記ボイスコイルアクチュエータは更に、
コイルを備え、このコイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ第１の軟磁極片並びに第１及び第２の磁石に対して共通の軸に沿って移動するように位置しており、
前記ボイスコイルアクチュエータは更に、
第１及び第２の磁石の自由端の間に磁気経路を与える構造体を備えるボイスコイルアクチュエータ。
【請求項２】
ボイスコイルアクチュエータであって、
第１の磁石と、
第２の磁石と、
共通軸に沿って第１の磁石と第２の磁石との間に位置する第１の軟磁極片とを備え、ここで第１と第２の磁石は反対方向に励磁しており、且つ第１の軟磁極片は、前記共通軸に沿って第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きい長さを有し、
前記ボイスコイルアクチュエータは更に、
コイルを備え、このコイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ前記共通軸に沿って移動するように位置しており、
前記ボイスコイルアクチュエータは更に、
第１及び第２の磁石の自由端の間に磁気経路を与える構造体を備えるボイスコイルアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は２のボイスコイルアクチュエータにおいて、第１の磁石の長さが第２の磁石の長さと実質的に同じであるボイスコイルアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１又は２のボイスコイルアクチュエータにおいて、第１の磁石の長さが第２の磁石の長さの実質的に二倍であり、
更に前記構造体が、第１の磁石の自由端において前記共通軸に沿って位置して第１の磁石の長さを上回らない長さを有する第２の軟磁極片と、第２の軟磁極片近傍の点から第２の磁石の自由端へ延伸するシェル部分とを含むボイスコイルアクチュエータ。
【請求項５】
端部が閉止した円筒ボイスコイルアクチュエータであって、
第１の磁石と、
第２の磁石と、
共通軸に沿って第１の磁石と第２の磁石との間に位置する第１の軟磁極片とを備え、ここで第１と第２の磁石は反対方向に励磁しており、且つ第１の軟磁極片は、前記共通軸に沿って第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きい長さを有し、
前記円筒ボイスコイルアクチュエータは更に、
コイルを備え、このコイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ前記共通軸に沿って移動するように位置しており、
前記円筒ボイスコイルアクチュエータは更に、
磁気透過性体のシェルを備え、このシェルは第１及び第２の磁石並びに第１の軟磁極片の周りに位置して、第１及び第２の磁石の自由端へ接続されていると共に、２つの縦溝穴を有し、この縦溝穴を通じてコイルアセンブリが負荷へ結合する円筒ボイスコイルアクチュエータ。
【請求項６】
端部が開放した円筒ボイスコイルアクチュエータであって、
磁気透過性体のシェルと、
第１の磁石と、
第２の磁石と、
共通軸に沿って第１の磁石と第２の磁石との間に位置する第１の軟磁極片とを備え、ここで第１と第２の磁石は反対方向に励磁しており、且つ第１の軟磁極片は、前記共通軸に沿って第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きい長さを有し、
前記円筒ボイスコイルアクチュエータは更に、
コイルを備え、このコイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ前記共通軸に沿って移動するように位置しており、
前記円筒ボイスコイルアクチュエータは更に、
第１の磁石の自由端に位置する第２の軟磁極片を備え、
前記シェルは第１及び第２の磁石並びに第１及び第２の軟磁極片の周りに位置して、第２の磁極片において開放端を設け、且つ第２の磁石へ接触するようにされている円筒ボイスコイルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本願は米国特許法第１１９条（ｅ）による米国仮出願第６０／２７１，９０２号（２００１年２月２７日出願）から優先権を主張している。
【０００２】
技術分野
本発明は一般に長ストローク円筒ボイスコイルアクチュエータに関し、特に比例ソレノイドに類似した特性を有する長ストローク円筒ボイスコイルアクチュエータに関する。
【０００３】
発明の背景
図１に例示されるように、通常の長ストローク円筒ボイスコイルアクチュエータ１０は、外側シェル（外殻）１２と、長軸方向に励磁した磁石１４と、短い軟磁極１６と、長くて重いコイル１８とからなる。図１は開放端を有する上述のような従来の円筒アクチュエータの縦断面の片半分を示しており、最下部の水平線がアクチュエータの中心線である。図１のアクチュエータは図２に示すように通常は鐘形の力−ストローク曲線を有する。しかしながら、移動開始時に最高の力が要求される応用例では、他の設計が必要である。このようなアクチュエータについての力対ストローク特性は直線になり、比例ソレノイドのそれに類似する。しかしながら、比例ソレノイド力−ストローク特性は、ばねにより定まり、更に比例ソレノイドは単方向性デバイスである。従って、線形力−ストローク特性を有して、このような特性がばねに依存せず、しかも双方向に操作されるリニアボイスコイルアクチュエータ設計に対する要請がある。
【０００４】
発明の概要
上述の要請は本発明のボイスコイルアクチュエータにより満足される。このボイスコイルアクチュエータは第１と第２の磁石と、第１の磁石の長さ及び第２の磁石の長さよりも大きな長さを有する第１の軟磁極片とを備え、ここで第１と第２の磁石は第１の軟磁極片の別々の端部に位置し、且つ反対方向に励磁しており、ボイスコイルアクチュエータはコイルを更に備え、このコイルは第１の軟磁極片の長さよりも短い長さを有し、且つ第１の軟磁極片並びに第１及び第２の磁石に対して共通の軸に沿って移動するように位置しており、ボイスコイルアクチュエータは、第１及び第２の磁石の自由端の間に磁気経路を与える構造体を更に備える。
【０００５】
本発明の閉止端形式の実施形態においては、磁気透過性体のシェルが第１及び第２の磁石並びに第１の軟磁極の周りに位置して、第１及び第２の磁石の自由端へ接続されている。溝穴がシェル内に設けられており、この溝穴を通じてコイルアセンブリが負荷へ結合することができる。この閉止端形式の実施形態においては、第１及び第２の磁石が実質的に同じ長さを有する。
【０００６】
本発明の開放端形式の実施形態においては、第２の軟磁極片が第１の磁石の自由端に位置し、且つ磁気透過体のシェルが第１及び第２の磁石並びに第１及び第２の軟磁極片の周りに位置することにより、開放端が第２の軟磁極片に設けられると共に、シェルが第２の磁石の自由端に接触するようにされている。
【０００７】
本願のリニアボイスコイルアクチュエータは、後述するように、ソレノイド技術とボイスコイルアクチュエータ技術との間を繋ぐ架け橋と考えることができる。このようなアクチュエータの力−ストローク特性は、運動の方向へ向かう勾配を有する直線である。しかし、ばねはなく、運動方向は、コイルへ印加される電圧の極性の単純な切り替えにより変えることができる。ソレノイドとは異なり、アクチュエータの可動部品は磁性体を有していないので、ヒステリシスはない。
【０００８】
本願のリニアボイスコイルアクチュエータ設計は、利用する永久磁性体が比較的に小量なので、そのコストは、同一のストロークのために設計された通常（従来技術）のアクチュエータのコストよりも低い。
【０００９】
本発明の上述及び他の特徴は、以下の本発明の詳細な説明及び添付図面を斟酌することにより一層容易に理解される。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明によれば、比例ソレノイド型特性を有する長ストロークボイスコイルアクチュータの二つの異なる形態が説明される。即ち、閉止端設計及び開放端設計である。
【００１１】
本発明による閉止端形態２０は図３に片半分の縦断面図で示されている。この形態は、コイルアセンブリ（図示せず）から負荷（図示せず）への機械的結合をもたらす２つの縦溝穴（図示せず）を有する外側シェル（外殻）２２と、同じ長さで反対方向に励磁した２つの永久磁石２４及び２６と、長い軟磁極片２８と、サーボ用途に適する短くて比較的に軽いコイル３０とを含む。図３において、２つの磁石の長さはアクチュエータの長手軸に平行にとってあり、２つの磁石の磁極は矢印及び文字「Ｎ」により示してある。このようなアクチュエータの空気間隙における磁束密度の法線成分は、移動の開始及び終了における小さな低下を除いては、全ストロークに亘って一定である。両方の移動方向についてのこのアクチュエータの力−ストローク特性を図４に示す。
【００１２】
図４から明らかなように、軟磁極片２８の長さは磁石２４か２６の何れかの長さよりも数倍大きい。磁石２４は極片２８の一端に位置しており、磁石２６は極片２８の他端に位置している。図４に示す実施形態において、磁石２４と２６との北極Ｎは、極片２８により隔てられて互いに対面している。他の磁極の向きを用いることもでき、例えば磁石２４及び２６を、それらの南極Ｓが極片２８により隔てられて対面するように位置させることができることが明らかである。
【００１３】
外側シェル２２は磁気透過体から形成されており、コイル３０、永久磁石２４，２６、及び極片２８を収容する。外側シェル２２の一端部３２は磁石２４の自由端に隣接して位置し、一方、外側シェル２２の端部３４は磁石２６の自由端に隣接して位置している。好適実施形態においては、永久磁石２４及び２６は外側シェル２２の端部３２及び３４にそれぞれ直接に接触する。しかしながら、磁石２４及び２６と外側シェル２２との間に他の結合形態を本発明の要旨の範囲内で用いることができることが明らかである。コイルアセンブリから負荷への他の機械的結合、例えばアクチュエータの端部３２又は３４を通じる穴又は溝穴を採用できることも明らかである。
【００１４】
閉止端設計における負荷へのコイルアセンブリの接続はときとして困難なことがあり得るので、開放端設計が好ましいであろう。この開放端デバイスの空気間隙における磁束密度の法線成分も移動の殆どの範囲内において一定になる。このような設計を図５に図示してあり、この図は本発明による開放端設計の一例の断面図がある。
【００１５】
この形態４０の特徴は、長さが異なり反対方向に励磁した２つの永久磁石４２及び４４と、長い軟磁極片４６と、磁気回路の帰還経路の一部として用いられる短い軟磁極片４８とを含む。コイル５０は短くて軽く、コイルベース５１の周りに位置している。磁極片４８の長さと磁極片４６の長さとの正確な比は予め決定される。永久磁石４２の長さと永久磁石４４の長さとの正確な比も予め確立される。このような比の一例は、一対半分から１：２である。
【００１６】
図５から明らかなように外側シェル５２は閉止端５４及び開放端５６を有する。永久磁石４２は、その一方の極が長い極片４６の一端に隣接するように位置しており、永久磁石４４は長い極片４６の他端に隣接して位置している。磁石４２が、長い磁極片４６に対面するその北極Ｎを有するならば、磁石４４もその北極Ｎが長い磁極片４６に対面するように位置し、その逆もまた同様である。短い磁極片４８は磁石４４の自由端に隣接して位置するので、短い磁極片４８の自由端は外側シェル５２の開放端５６内に位置する。磁石４２の自由端は外側シェル５２の閉止端５４に隣接して位置する。本発明の開放端形態の好適実施形態においては、永久磁石４２の自由端が外側シェル５２の閉止端５４に直接に接触しているが、他の結合形態も本発明の要旨の範囲内で用いることができる。
【００１７】
本発明の開放端形態４０の一実施形態においては、磁石４４の長さは磁石４２の長さの実質的に２倍であり、短い極片４８の長さは磁石４２の長さを上回ることはなく、外側シェル５２は、短い極片４８近傍の点から磁石４２の自由端近傍へ延伸する部分を有する。更に、長い軟磁極片４６の長さは、永久磁石４２及び４４の何れかの長さよりも大きく、またコイル５０の長さは長い軟磁極片４６の長さよりも短い。
【００１８】
図５に示す開放端実施形態において、短い極片４８の長さは、コイルの長さの概ね一倍半である。コイル５０の長さは、永久磁石４２の長さよりも僅かに短い。永久磁石４４の長さは、永久磁石４２の長さの概ね二倍である。長い極片４６の長さは永久磁石４４の長さの概ね四倍（４倍）である。
【００１９】
コイルにおける様々なアンペア回数における本発明の開放端設計の力−ストローク特性を図６に示す。各線の勾配は、コイル内の電流（「電磁ばね」定数と解釈することができる）に依存することに留意されたい。
【００２０】
アクチュエータにより生成された力は次式により記述できる。
【００２１】
Ｆ＝ＦＣＯＮＳＴ−Ｋ（ｘ−ｓ／２）
ここでＦＣＯＮＳＴはばね効果を考慮しない中間ストロークにおける力、Ｋは「電磁ばね」定数、ｘは移動方向に沿った座標、ｓは全ストロークである。
【００２２】
「電磁ばね」定数は、幾何形状、磁性体、及びコイル内の電流量により定まる。所定の幾何形状については、「電磁ばね」定数は厳密に電流の関数である。この定数は例えば図６に示された各特性から次のように得られる。
【００２３】
Ｋ＝２（Ｆ０−ＦＣＯＮＳＴ）／ｓ
ここでＦ０はストローク開始時にアクチュエータにより生成された力である。
【００２４】
本明細書で採用した用語及び表現は説明のための用語として意図されており、限定を意図するものではなく、また、このような用語及び表現の使用には、図示及び説明された特徴又はその部分の均等物を除外する意図はなく、請求された発明の要旨の範囲内で様々な変更例が可能であることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は開放端を有する従来の円筒型アクチュエータの単純化された片半分の縦断面図を示す。
【図２】
図２は図１のアクチュエータについての典型的な力−ストローク曲線を示す。
【図３】
図３は本発明による閉止端円筒型アクチュエータの単純化された片半分の縦断面図を示す。
【図４】
図４は図３の閉止端円筒型アクチュエータの左から右への移動及び右から左への移動についての力−ストローク曲線を示す。
【図５】
図５は本発明による開放端円筒型アクチュエータの単純化された縦断面図を示す。
【図６】
図６は図５の開放端円筒型アクチュエータについての力−ストローク曲線をコイルの様々なアンペア回数について示す図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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