(57)【要約】  本発明は、磁化可能なステータと、ステータ内に磁場を生成するように構成される少なくとも１つのコイルと、ステータの磁束を部分的に閉じるヨークと、を含み、ヨークが、持ち上げ／傾斜動作する可動要素として構成されている、リラクタンスアクチュエータに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化可能なステータと、前記ステータ内に磁場を生成するように構成される少なくとも１つのコイルと、前記ステータの磁束を少なくとも部分的に閉じるように構成されるヨークと、を含み、
前記ヨークが、持ち上げ／傾斜動作する可動要素として構成されていることを特徴とする、リラクタンスアクチュエータ。
【請求項２】
前記ステータが、永久磁石からなる領域を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項３】
前記ステータの断面が、軸に沿う、２つの外側磁極片と１つの内側磁極片とを有するＥ字型として構成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項４】
前記ステータが、互い対して特定の角度でそれぞれ配置される２つの軸に沿うＥ字型の断面を有し、
前記２つの軸の間の角度が、９０°であることを特徴とする、請求項３に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項５】
前記コイルが、前記可動要素の傾き方向に対して実質的に直角であるコイル軸を備え、
前記ステータが、前記コイルの内側に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする、請求項３乃至請求項４のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項６】
前記ステータの内側磁極片が、前記２つの軸に沿う前記内側磁極片と同一であることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項７】
前記永久磁石からなる領域が、前記ステータの内側磁極片に接して配置されていることを特徴とする、請求項２および請求項３に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項８】
前記永久磁石からなる領域が、前記ステータの複数の磁極片を接続する領域の移行領域内に配置されることを特徴とする、請求項７に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項９】
前記可動要素が、前記リラクタンスアクチュエータのハウジング上に撓み要素によって動作可能に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１０】
前記撓み要素が、内側領域と外側領域とサスペンション領域とを有し、
前記内側領域と外側領域が、前記サスペンション領域を介して互いに接続されていることを特徴とする、請求項９に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１１】
前記撓み要素が、アルミニウムおよび／またはチタンでできていることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１２】
前記可動要素が、前記撓み要素に、特に、前記撓み要素の内側領域に、直接接続されていることを特徴とする、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１３】
前記可動要素と前記撓み要素とが、一体で形成されていることを特徴とする、請求項９乃至請求項１２のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１４】
前記可動要素と前記撓み要素とが、強磁性鋼で、特にばね鋼で、できていることを特徴とする、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１５】
前記撓み要素または前記可動要素が、少なくとも部分的に鏡面塗装されていることを特徴とする、請求項９乃至１４のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１６】
前記可動要素が、前記ステータの内側磁極片の中心にベアリングによって取り付けられ、
前記ベアリングが、ボールベアリングか、硬質金属またはサファイアなどからなる端部形態の点軸受か、撓み梁の形態か、であることを特徴とする、請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１７】
前記可動要素が、空隙によって、前記ステータから間隔を空けて配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１８】
前記ステータが、４つの外側磁極片を備え、
前記コイルが、互いに対向して配置されている前記４つの外側磁極片のいずれか２つにそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項１９】
前記ステータが、層状であることを特徴とする、請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２０】
前記ステータの外側磁極片のみが、複数の絶縁層でできていることを特徴とする、請求項１９に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２１】
前記ステータの内側磁極片が、円筒状であることを特徴とする、請求項３に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２２】
前記ヨークが、強磁性であることを特徴とする、請求項１乃至請求項２１のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２３】
前記ヨークが、鋼でできていることを特徴とする、請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２４】
前記可動要素が、円形、楕円形、または、星型のディスクとして構成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項２３のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２５】
前記ディスクが、前記軸に沿って対称であることを特徴とする、請求項２４に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２６】
４つのサスペンション領域が、配置され、
前記サスペンション領域のそれぞれの複数の固定点が、前記撓み要素の内側領域と外側領域とに、それぞれ周方向に９０°オフセットして位置することを特徴とする、請求項１０および請求項２４に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２７】
前記サスペンション領域の形状が、少なくとも部分的に、前記内側領域および／または前記可動要素の外側輪郭に従って実質的に構成されていることを特徴とする、請求項２６に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２８】
前記ヨークが、前記リラクタンスアクチュエータの実質的に横方向の外側端部を形成することを特徴とする、請求項１乃至請求項２７のいずれか一項に記載のリラクタンスアクチュエータ。
【請求項２９】
リラクタンスアクチュエータを含むアクチュエータシステムであって、
前記リラクタンスアクチュエータが、請求項１乃至請求項２８のいずれか一項に従って構成され、かつ、非磁性ハウジング内に、例えば、アルミニウム製ハウジング内に、少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする、アクチュエータシステム。
【請求項３０】
フィードバックと制御とを行う装置が、前記可動要素の軸周りの動作を制御するために、前記リラクタンスアクチュエータに配置および接続されていることを特徴とする、請求項２７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３１】
前記フィードバックと制御とを行う装置が、位置測定ユニット、特に、角度位置測定ユニット、電流増幅ユニットもしくは電圧増幅ユニット、および／または、出力電流測定ユニットを含むことを特徴とする、請求項３０に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３２】
リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法であって、
前記リラクタンスアクチュエータが、磁化可能なステータと前記ステータ内に磁場を生成するように構成される少なくとも１つのコイルと前記磁束を少なくとも部分的に閉じるヨークと、を含み、
前記ヨークが、持ち上げ／傾斜動作する可動要素として構成され、かつ前記磁場を制御することで動作することを特徴とする、リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化可能なステータと、ステータ内に磁場を生成するよう構成される少なくとも１つのコイルと、ステータの磁束を少なくとも部分的に閉じるヨークと、を含むリラクタンスアクチュエータに関する。
【０００２】
さらに、本発明は、リラクタンスアクチュエータを含むアクチュエータシステムに関する。
【０００３】
さらに、本発明は、リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ動作および傾斜動作を実行する方法に関する。
【０００４】
本発明は、任意の種類のシステムに適用可能であるが、光学要素用のアクチュエータシステムに関して説明されている。
【背景技術】
【０００５】
既知の光学機械式の持ち上げ／傾斜システム、たとえば、高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）は、多くの用途で使用されている。
他の既知のアクチュエータシステムは、ローレンツアクチュエータ、又は、ピエゾアクチュエータに基づいている。
ローレンツアクチュエータは、例えば、非特許文献１から知られており、ピエゾアクチュエータは、例えば、非特許文献２から知られている。
【０００６】
ローレンツアクチュエータは、最大２度の大きなスキャン範囲を有するシステムで使用されるが、帯域幅は、わずか数１００Ｈｚに制限される。
反対に、ピエゾアクチュエータは、高帯域幅（最大数ｋＨｚ）のシステムで使用されるが、スキャン範囲が狭く、通常は、わずか数ｍｒａｄのスキャン範囲である。
【０００７】
リラクタンスアクチュエータは、ローレンツアクチュエータよりも力密度が高く、ピエゾアクチュエータよりもスキャン範囲が広い。
リラクタンスアクチュエータは、さまざまな分野の用途、例えば、高速ステアリングミラーシステムの回転動作で使用されている。
【０００８】
ただし、２軸周りに傾斜する可動要素の周囲に２つの異なるアクチュエータペアを配置することで、可動要素の急速な加速が可能になる一方で、リラクタンスアクチュエータの設置スペースが、大幅に増加し、達成可能な（傾きの）最大光学角度が、大幅に制限されるという短所がある。
他のリラクタンスアクチュエータは、たとえば、非特許文献３および非特許文献４から知られている。
【０００９】
これらの既知のすべてのリラクタンスアクチュエータは、４つの異なるリラクタンスアクチュエータ、または、２つのアクチュエータペアがそれぞれ可動要素の周囲に配置されるため、設置スペースが大幅に増加すると同時に、達成可能な（傾きの）最大光学角度が大幅に制限される。
これにより、潜在的な用途や使用が、最終的に大幅に制限される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｍ．Ｈａｆｅｚ、Ｔ．Ｓｉｄｌｅｒ、Ｒ．Ｓａｌａｔｈｅ、Ｇ．ＪａｎｓｅｎおよびＪ．Ｃоｍｐｔｅｒ、「コンパクトな単一鏡傾斜レーザースキャナの設計、シミュレーション、実験および調査（Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ａｎｄ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｓｉｎｇｌｅ  ｍｉｒｒｏｒ  ｔｉｐ／ｔｉｌｔ  ｌａｓｅｒ  ｓｃａｎｎｅｒ）」、Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、第１０巻、７４１―７６０ページ、２０００年
【非特許文献２】Ｆ．Ｍ．Ｔａｐｏｓ、Ｄ．Ｊ．Ｅｄｉｎｇｅｒ、Ｔ．Ｒ．Ｈｉｌｂｙ、Ｍ．Ｓ．Ｎｉ、Ｂ．Ｃ．ＨｏｌｍｅｓおよびＤ．Ｍ．Ｓｔｕｂｂｓ「高帯域幅高速ステアリングミラー（Ｈｉｇｈ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｆａｓｔ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）」、Ｏｐｔｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ２００、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  第５８７７巻、２００５年
【非特許文献３】Ｍ．Ｂｏｕｌｅｔ「航空および航空宇宙用途向けの小型高速ステアリングミラーの設計（Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｓｍａｌｌ  ｆａｓｔ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  ａｉｒｂｏｒｎｅ  ａｎｄ  ａｅｒｏｓｐａｃｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」マサチューセッツ工科大学修士論文（Ｍａｓｔｅｒ’ｓ  Ｔｈｅｓｉｓ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、２００８年
【非特許文献４】Ｙ．Ｌｏｎｇ、Ｃ．Ｗａｎｇ、Ｘ．Ｄａｉ、Ｘ．Ｗｅｉ、およびＳ．Ｗａｎｇ「高速ステアリングミラー用の新しい２軸回転電磁アクチュエータのモデリングと解析（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  ｎｏｖｅｌ  ｔｗｏ−ａｘｉｓ  ｒｏｔａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｆａｓｔ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、第１９巻、第２号、１３０−１３９ページ、２０１４年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の課題は、コンパクトな設計を有し、柔軟に使用可能で高帯域幅および大きな傾きを可能にし、同時に信頼性が高いリラクタンスアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、磁化可能なステータと、前記ステータ内に磁場を生成するように構成されるコイルと、前記ステータの磁束を部分的に閉じるヨークと、を含み、前記ヨークが、持ち上げ／傾斜動作する可動要素として構成され、リラクタンスアクチュエータにおける上述の問題を解決する。
【００１３】
また、本発明は、リラクタンスアクチュエータを含むアクチュエータシステムであって、前記リラクタンスアクチュエータが、請求項１乃至請求項２８のいずれか一項に従って構成され、かつ、非磁性のハウジング内に、例えば、アルミニウム製ハウジング内に、少なくとも部分的に配置される、アクチュエータシステムにおける問題も解決する。
【００１４】
また、本発明は、リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法であって、前記リラクタンスアクチュエータが、磁化可能なステータと、前記ステータ内に磁場を生成するように構成されるコイルと、前記ステータの磁束を少なくとも部分的に閉じるヨークと、を含み、前記ヨークが、持ち上げ／傾斜動作する可動要素として構成され、かつ、前記磁場を制御することで動作する、リラクタンスアクチュエータの可動要素の持ち上げ/傾斜動作を実行する方法における上述の問題も解決する。
【００１５】
これにより達成される利点は、ヨークがリラクタンスアクチュエータの実質的に外側の端部を形成するため、極端にコンパクトかつ非常に動的なリラクタンスアクチュエータを提供可能であることである。
この実施形態の別の利点は、可動要素（可動子とも呼ばれる）が磁気回路を閉じるヨークのみで構成される際、可動要素の質量が小さくなり、したがって、リラクタンスアクチュエータの帯域幅が広くなることである。
【００１６】
ヨークが可動要素として構成される別の利点は、可動要素が、磁気回路を閉じるヨークの内部に空間的に配置されているのではなく、特に、リラクタンスアクチュエータの空間的な片側の端部を形成していることである。
言い換えると、ヨークが内部に配置される従来技術とは異なり、ヨークまたは可動要素は、実質的に外部に配置される。
したがって、たとえば、ヨークまたはコイルのいずれからも突出している部分がないため、既存の設置スペースを充分に活用できる。
言い換えると、可動要素は、アクチュエータ全体のほぼ最外部に配置されているため、リラクタンスアクチュエータの要素が可動部材を超えて突出しない。
【００１７】
別の利点は、可動要素がステータおよびコイルに関して、横方向を広く覆っていることである。
リラクタンスアクチュエータの直径全体に対する可動要素の使用可能な表面の比率が非常に高い。
【００１８】
「可動要素」という用語は、最も広い意味で解釈されるべきである。
「可動要素」という用語の同義語は、「可動子」または「回転子」という用語である。
本発明の意味における可動要素は、ヨークを形成することで磁力線を閉じ、かつ、「可動子」または「回転子」を形成するか、または、それらとして使用される。
可動要素は、コアを特に形成しない。
【００１９】
本発明の他の実施形態は、以下に記載されるか、または、それにより明らかになる。
【００２０】
前記ステータは、永久磁石からなる領域を備えている。
これは、ステータに磁気バイアスを生成する簡単な方法である。
【００２１】
前記ステータの断面は、少なくとも１つの軸に沿う、２つの外側磁極片と１つの内側磁極片とを有するＥ字型として形成されている。
Ｅ字型のステータを使用すると、通常使用されるＣ字型のステータに比べて、リラクタンスアクチュエータ全体の直径を小さくすることが可能である。
【００２２】
前記ステータは、互い対してある角度でそれぞれ配置される２つの軸に沿うＥ字型の断面を有している。
これにより、簡単かつコンパクトな様式で、２つの軸周りの独立した傾斜が可能になる。
【００２３】
前記２つの軸の間に形成される前記角度は、９０°である。
これにより、ｘ軸とｙ軸との周りを傾斜可能になる。
【００２４】
前記コイルは、前記可動要素の傾き方向に対して実質的に直角であるコイル軸を備え、前記ステータが、前記コイルの内側に少なくとも部分的に配置されている。
特に、ｚ方向に平坦な設計が有利である。
【００２５】
１つの軸に沿うＥ字型のステータの内側磁極片は、第２の軸に沿う内側磁極片と同一である。
これにより、単純かつコンパクトな設計が可能になる。
さらに、４つの外側磁極片の磁気バイアスが、内側磁極片上の１つの永久磁石からなる領域で実現可能である。
【００２６】
前記永久磁石からなる領域は、ステータの内側磁極片に接して配置されている。
これは、ステータのすべての磁極片に磁気バイアスを生成する簡単な方法である。
【００２７】
前記永久磁石からなる領域は、ステータの複数の前記磁極片を接続する前記領域の前記移行領域内に配置されている。
これにより、磁気バイアスを他の磁極片に特に信頼性高く伝送可能になる。
【００２８】
前記可動要素は、撓み要素によって、前記リラクタンスアクチュエータのハウジング上に動作可能に配置されている。
これにより、可動要素を簡単に、かつ、同時に信頼性高く固定可能になる。
【００２９】
前記撓み要素は、内側領域と外側領域と、少なくとも２つのサスペンション領域と、を有し、前記２つの領域が、前記少なくとも２つのサスペンション領域を介して互いに接続されている。
これにより、可動要素は、非常に信頼性が高くなり、柔軟に固定および動作が可能になる。
【００３０】
前記撓み要素は、弾性材料、特に、ベリリウムおよび／またはプラスティックまたはアルミニウムでできている。
これにより、可動要素の軽量化と、同時に信頼性の高い固定が可能になる。
【００３１】
前記可動要素は、撓み要素に、特に、前記撓み要素の内側領域に直接接続されている。
これにより、費用対効果の高い製造と、撓み要素と可動要素との間の力の直接伝達と、撓み要素と可動要素との低慣性と、が可能になる。
【００３２】
前記可動要素と撓み要素とは、一体構成されている。
これにより、製造作業が軽減される。
【００３３】
前記可動要素と撓み要素とは、強磁性鋼で、特に、ばね鋼で、できている。
この点での利点は、コンパクトな設計となること、低慣性であること、および可動要素の回動点が表面近くに位置していることである。
【００３４】
前記撓み要素または可動要素は、少なくとも部分的に鏡面塗装されている。
このようにすると、それぞれの要素自体が鏡として機能可能になり、鏡を追加で用いる必要がなくなることで、製造作業が軽減される。
【００３５】
前記可動要素は、前記ステータの内側磁極片または中央磁極片の中心にベアリングによって取り付けられ、前記少なくとも１つのベアリングが、ボールベアリングか、硬質金属またはサファイアなどからなる端部形態の点軸受か、撓み要素の形態か、である。
これは、可動要素の傾斜運動を、回動点を定義することで可能にする、単純で費用対効果の高い方法である。
さらに、ステータの磁極片に実質的に平行に作用する力によって、ｚ方向に作用する力を補償する。
【００３６】
前記可動要素は、空隙によって、ステータから間隔を空けて配置されている。
これにより、可動性が確保され、ヨークまたは可動要素とステータとの間の磁気回路が、実質的に完全に閉じられることが保証される。
【００３７】
前記ステータは、４つの外側磁極片を備え、コイルは、互いに対向して配置されている前記４つの外側磁極片のいずれか２つにそれぞれ配置されている。
これは、２つの軸に沿って可動要素を移動可能にする簡単な方法である。
コイルは、直列に切り替え可能である。
コイルが４つの磁極片すべてに配置されている場合、対向する２つのコイルを協働させることで、可動要素が１つの軸周りに動作するので、可動要素は、２つの軸周りに傾斜可能になる。
【００３８】
前記ステータは、層状である。
これにより、渦電流が確実に防止され、リラクタンスアクチュエータの効率が向上する。
【００３９】
前記ステータの外側磁極片のみは、複数の絶縁層でできている。
内側部は、強磁性材料から、例えば、固体材料から旋削することで作られてもよい。
【００４０】
前記ステータの内側磁極片は、円筒状である。
これにより、各空間方向で均一な傾斜が保証される。
さらに、例えば、旋削することで、簡単に製造可能である。
【００４１】
前記ヨークは、強磁性である。
これは、ヨークまたは可動要素それぞれに永久磁石が必要ないことを意味し、可動要素が軽量化される。
【００４２】
前記ヨークは、鋼でできている。
これにより、ヨークによって磁気回路を信頼性高く閉じることができ、同時にヨークの耐用年数を長くすることができる。
【００４３】
前記可動要素は、円形、楕円形、または、星型のディスクとして構成されている。
ディスク形状にすることで、可動要素の平坦な設計が可能になる。
したがって、可動要素の回動点は、その表面の近くになる。
これにより、必要なスペースが、非常にコンパクトになる。
ディスクの厚さに対するディスクの直径の比は、例えば、５と１００，０００との間であり、特に、１０と１０，０００との間であり、特に、１００と１，０００との間であってもよい。
可動要素が星型のディスクとして構成されている場合、対向するコイルの磁束は、対向する星型アームによって生成される。
したがって、可動要素の質量は、小さくなる。
【００４４】
前記ディスクは、１つの軸に沿って対称に形成されている。
これにより、可動要素を簡単に製造でき、同時に、信頼性高く傾斜可能になる。
【００４５】
４つのサスペンション領域が配置され、前記サスペンション領域のそれぞれの複数の前記固定点が、前記可動要素の内側領域と外側領域とに、周方向に９０°オフセットして位置する。
一方で、これにより、望まない自由度に沿った動きが、確実に制限される。
他方で、ほとんど剛性を持たないリラクタンスアクチュエータの負の剛性が、２つの所望の方向／自由度で補償される。
【００４６】
前記サスペンション領域の形状は、少なくとも部分的に、前記撓み要素の内側領域の外側輪郭に従って、実質的に構成されている。
これにより、リラクタンスアクチュエータ全体をコンパクトかつ対称的に設計することが容易になる。
【００４７】
フィードバックと制御とを行う装置は、前記可動要素の軸周りの動作を制御するために、アクチュエータシステムの近傍に配置され、前記リラクタンスアクチュエータに接続されている。
これは、可動要素の傾きを監視および制御する、簡単で信頼性の高い方法である。
【００４８】
前記フィードバックと制御とを行う装置は、位置測定ユニット、特に、角度位置測定ユニット、電流増幅ユニットもしくは電圧増幅ユニット、および／または出力電流測定ユニットを含む。
これらのユニットにより、リラクタンスアクチュエータの操作と制御のための重要な変数の測定が可能になる。
【００４９】
前記ヨークは、前記リラクタンスアクチュエータの実質的に横方向の外側端部を形成する。
これにより、必要な設置スペースが、コンパクトになる。
【００５０】
本発明の他の特徴は、従属請求項、図面に関連する説明から明らかである。
【００５１】
上述の特徴および以下に説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、記載された組み合わせだけでなく、任意の他の組み合わせまたは単独で使用可能なことが理解されるであろう。
本発明の実施形態は、図面に示され、以下の記載で説明される。
同様の参照記号は、類似または機能的に同一の構成要素または要素を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１ａ】本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図。
【図１ｂ】本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図。
【図２】本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの動作モードの概略図。
【図３】本発明の１実施形態による撓み要素を非傾き状態で示す図。
【図４】図３による撓み要素を傾き状態で示す図。
【図５ａ】本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図。
【図５ｂ】本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図。
【図６】本発明の１実施形態による撓み要素を非傾き状態で示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１ａは、本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図を示す。
【００５４】
図１ａは、ハイブリッドアクチュエータのシステム軸に沿った断面図を、その要素の一部とともに示す。
【００５５】
リラクタンスアクチュエータは、円筒形のハウジングＧを実質的に含む。
内側磁極片１３に配置されている永久磁石２と、複数の外側磁極片１４にそれぞれ配置されているコイル３とを有するＥ字型のステータ１が、ハウジングＧ内に配置されている。
磁気回路を閉じるために可動要素４として構成されているヨークが、ステータ１の上側に配置されている。
可動要素４は、撓み要素５または復元要素に直接接続されている。
この撓み要素５は、可動要素４の動きを３つの自由度に関して制限する。
さらに、可動要素４の回動点を決定し、可動要素４の動作を別の自由度で制限するボールベアリング７が、ステータ１の内側磁極片１３の上端に配置されている。
【００５６】
リラクタンスアクチュエータの、ある軸に沿ってＥ字型をしているステータ１の個々の内側磁極片１３、外側磁極片１４は、永久磁石２の下で相互に接続されている。
これにより、単一の磁気回路が生成され、システム全体に磁気バイアスをかけるために永久磁石２を使用可能になる。
本発明の実施形態の基本原理を説明するために、穴部６が、リラクタンスアクチュエータのハウジングＧの撓み要素５の上の外周に配置されている。
穴部６は、例えば、センサの固定に使用してもよい。
このようなセンサの一例は、渦電流センサ８である。
【００５７】
図１ｂは、本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図を示す。
【００５８】
図１ｂは、図１ａによるリラクタンスアクチュエータを実質的に示しているが、図１ａによるリラクタンスアクチュエータとは異なり、図１ｂによるリラクタンスアクチュエータには、渦電流センサ８が示されていない。
しかし、撓み要素５をハウジングＧに固定する固定リング１７が示されている。
【００５９】
図２は、本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの動作モードを概略的に示す。
【００６０】
ステータ１の内側磁極片１３には、均一なバイアス磁束５０を生成する永久磁石２が配置されている。
このバイアス磁束５０は、中心を通って、強磁性のステータ１の内側磁極片１３と、ボールベアリング７によって形成される内側磁極片１３と可動要素４との間の中央空隙９ｃと、を流れ、強磁性の可動要素４を通って、動作空隙９a、９ｂとステータ１の左右の外側磁極片１４とをそれぞれ介して戻ってくる。
均一なバイアス磁束５０は、図２の線５０で示される。
【００６１】
可動要素４がそのゼロ位置／初期位置／非傾き位置にあるとき、リラクタンスアクチュエータのコイル３に電流が流れていないという条件において、均一なバイアス磁束５０が左右の動作空隙９ａ、９ｂを等しい割合で流れる。
これにより、可動要素４に作用する正味のトルク方向１００は、実質的にゼロに等しくなる。
【００６２】
リラクタンスアクチュエータのコイル３は、直列に切り替えられると、コイル３を流れるそれぞれの電流は、図２の線５１で示されるコイル磁束５１を生成する。
このコイル磁束５１は、コイル３の電流の方向によって、ステータ１の外側磁極片１４と、可動要素４と、動作空隙９ａ、９ｂとを、時計回りか反時計回りのいずれかで流れる。
永久磁石２は、外部磁場に対して高オームの磁気抵抗（リラクタンス）を示すため、コイル３の磁束は、ステータ１の内側磁極片１３よりも外側磁極片１４を流れやすい。
２つの動作空隙９ａ、９ｂでは、均一なバイアス磁束５０と経時変化するコイル磁束５１とが重なり合う。
これにより、右側の動作空隙９ｂでは、両方のバイアス磁束５０、コイル磁束５１が同じ方向に流れるため、全体的な磁束が増加し、動作空隙９ａの磁束は、減少する。
これにより、正味トルク方向１００が可動要素４に対して時計回りに作用する。
コイル３の電流の方向を反転させると、コイル３のコイル磁束５１も反転し、可動要素４に反時計回りに作用するトルク方向１００が生じる。
【００６３】
コイル電流がない場合、動作空隙９ａ、９ｂを介するバイアス磁束５０の分布は、可動要素４の位置と、その結果生じるリラクタンスとによって決定される。
傾き状態で、空隙９ａを流れる磁束と空隙９ｂを流れる磁束とを比較すると、狭い空隙を流れる磁束の方が強くなるため、可動要素４に作用するトルク方向１００は、元々傾いている方向に増大していく。
これは、リラクタンスアクチュエータの負剛性と同義であり、永久磁石２の存在のためにリラクタンスアクチュエータ自体の動作原理が本質的に不安定になることを示している。
したがって、撓み要素５は、それぞれ、リラクタンスアクチュエータの負の剛性を補償するか、本質的に不安定な動作原理を安定するように構成されている。
このような撓み要素５が、図３および図４に示されている。
【００６４】
図３は、本発明の１実施形態による撓み要素５を非傾き状態で示し、図４は、図３による撓み要素を傾き状態で示す。
【００６５】
図３および図４は、それぞれ撓み要素５を示し、可動要素４が撓み要素５の下側に配置され、かつ、撓み要素５に直接接続されている。
撓み要素５は、可動要素４の形状に従って実質的に構成されているか、両方が互いに対して適応している。
両方の可動要素４、撓み要素５は、図３、４では実質的にディスク状であり、円形である。
撓み要素５は、その外側に、撓み要素５をリラクタンスアクチュエータのハウジングＧに固定するための固定リング１６を備えている。
撓み要素５の内側領域１５は、上述のように、ディスクで形成されている。
撓み要素５の内側領域１５および外側領域１６は、周囲に対称的に分布するサスペンション領域１２を介して相互接続される。
ディスク状の撓み要素５のサスペンション領域１２の固定点１０ｂと、外側領域１６におけるサスペンション領域１２の固定点１０ａとは、それぞれ、サスペンション領域１２が４分円の円周部のような形態に実質的になるように、周方向に９０°オフセットして配置されている。
【００６６】
図４は、撓み要素５の内側領域１５のそれぞれの傾きを、可動要素４と共に示す。
強磁性の可動要素４は、撓み要素５に直接接続されている。
永久磁石２による磁気バイアスのため、ｚ方向に高いオフセット力が作用する。
撓み要素５は、傾斜に必要な２つの所望の回転自由度における剛性を不利に高めずに、ｚ方向に充分な剛性を持つことができない。
このため、このオフセット力は、撓み要素５を損傷する。
これを避けるために、ボールベアリング７を使用することにより、ｚ方向の力を補償し、かつ回動点を固定する。
撓み要素５は、アルミニウムでできていてもよく、上述のように、ｘおよびｙ方向の並進自由度と、ｚ軸の周りの回転自由度とが制限される。
言い換えると、ｘ軸周りとｙ軸周りとの回転（つまり傾斜）のみが容易になる。
撓み要素５と可動要素４とを直接接続することにより、慣性が最小化される。
【００６７】
さらに、ステータ１は、その外側磁極片１４に複数の絶縁材料の層状構造を備えてもよく、それにより、渦電流の発生および帯域幅への影響、すなわち、帯域幅の減少が防がれる。
さらに、リラクタンスアクチュエータに、可動要素４の位置を決定、制御、または調整するための制御装置を設けてもよい。
この制御装置は、各軸に対する位置を決定、制御、または調整可能である。
この目的のために、制御装置と同様に、コイル電流の増幅器と、可動要素４が動作可能な軸の各方向の傾斜角を制御／監視する装置とを設けてもよい。
【００６８】
図５ａ、図５ｂは、それぞれ、本発明の１実施形態によるリラクタンスアクチュエータの断面図を示す。
【００６９】
図５ａと図５ｂは、図１ｂによるリラクタンスアクチュエータをそれぞれ示している。
図１ｂによるリラクタンスアクチュエータとは異なり、図５ａおよび図５ｂによるリラクタンスアクチュエータの外側磁極片１４は、ハウジングＧの底板に対して実質的に水平に延びている。
コイル３の軸も、外側磁極片１４の周りに水平に配置されている。
図５ａの外側磁極片１４は、一体に形成されている。
図５ｂの磁極片は、２部品からなる要素であり、コア１８の外側端部のみが外側磁極片１４と呼ばれる。
磁束がヨークまたは可動要素４に適切に伝導されるよう、外側磁極片１４は、それぞれ調整される。
外側磁極片１４を備えるコア１８は、上述のように、１部品形態（図５ａを参照）または２部品形態（図５ｂを参照）のいずれかで形成されてもよい。
図５ｂにおいて外側磁極片１４は、コア１８に配置されるか、または、コア１８に固定される。
言い換えると、外側磁極片１４は、磁場が可動要素４に向けられるように、この「平坦な」設計の端部領域において「上方」に向けられる。
したがって、この実施形態により、特に平坦な設計が可能になる。
【００７０】
図６は、本発明の１実施形態による撓み要素を非傾き状態で示す。
【００７１】
図６は、梁部４’を有する星型の撓み要素４を示している、ここで、梁部４’は、他の梁部と９０°で交差する形態である。
撓み要素４を２軸周りに傾斜できるように構成する際、４つの梁部４’または十字形のアームが、それぞれの外側磁極片１４の上に実質的に配置されている。
サスペンションの、撓み要素４側の固定点と外側領域における固定点とは、図３または図４と同様に、それぞれ周方向に９０°オフセットして配置される。
【００７２】
要約すると、本発明の実施形態には、以下の利点がある。
【００７３】
可動要素が、永久磁石やソレノイドプランジャーなどを使用せずに、磁気回路を閉じる強磁性のヨークのみでできているため、動作する質量が小さくなり、帯域幅が広くなる。
可動要素が、磁気回路を閉じるヨークの内部にあるのではなく、リラクタンスアクチュエータの片側の端部を形成している。
これにより、下記の点で既存の設置スペースを非常に有利に利用できる。
【００７４】
・  例えば、ヨークやコイルに突出部がない。
・  すなわち、可動子がリラクタンスアクチュエータ全体のほぼ最外点に位置し、可動子を超えて突出する要素がリラクタンスアクチュエータにない。
・  可動子がヨークとコイルを横方向に広く覆っている。
・  すなわち、リラクタンスアクチュエータの全直径に対する可動子の有効面の割合が非常に高い。
・  可動子が、平坦な設計になっており、可動子の回動点が、可動要素のほぼ表面上に存在する（回動点が表面上に存在することが理想であろう）。
・  （通常使用されるＣ字型のステータとは異なり、）Ｅ字型のステータを使用することにより、リラクタンスアクチュエータの全体直径を小さくできる。
したがって、本発明は、コンパクトで非常に動的なリラクタンスアクチュエータを提供する。
このリラクタンスアクチュエータは、例えば、光通信、走査測定技術、標的追跡などの分野での光学走査システム向けのミラーの高速傾斜を含む、多様な用途に使用可能である。
【００７５】
本発明の実施形態を説明したが、本発明は、これらに限定されず、多様な様式で修正可能である。
言い換えると、上述の本実施形態は、特許請求の教示を説明するためにのみ使用され、これらの実施形態に限定するものではない。
【００７６】
本発明による装置の実施形態について、上述の説明の一般的な部分および特許請求の範囲を参照されたい。
【符号の説明】
【００７７】
１  ・・・ステータ
２  ・・・永久磁石
３  ・・・コイル
４  ・・・可動要素／ヨーク
４’ ・・・梁部／アーム
５  ・・・撓み要素
６  ・・・穴部
７  ・・・ボールベアリング
８  ・・・渦電流センサ
９ａ・・・空隙
９ｂ・・・空隙
９ｃ・・・空隙
１０ａ・・・固定点
１０ｂ・・・固定点
１２  ・・・サスペンション領域
１３  ・・・内側磁極片
１４  ・・・外側磁極片
１５  ・・・内側領域
１６  ・・・外側領域
１７  ・・・固定リング
１７ａ・・・ねじ
１８  ・・・コア
５０  ・・・バイアス磁束
５１  ・・・コイル磁束
１００・・・トルク方向
Ｇ  ・・・ハウジング
【図１ａ】
2020508031.tif 000003
【図１ｂ】
2020508031.tif 000004
【図２】
2020508031.tif 000005
【図３】
2020508031.tif 000006
【図４】
2020508031.tif 000007
【図５ａ】
2020508031.tif 000008
【図５ｂ】
2020508031.tif 000009
【図６】
2020508031.tif 000010
【国際調査報告】
2020508031.tif 000011
2020508031.tif 000012
2020508031.tif 000013
2020508031.tif 000014
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