JP2011513979A - 電磁動作機構 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁動作機構をわずかな構造経費で、かつ、個々の部品点数を削減して安価に製造すること。
【解決手段】長手方向に移動し、３つの静止位置でロック可能な１つの電機子１５及び２つのコイル３，４を有する電磁動作機構であって、前記電機子１５が前記２つのコイル３，４によって第１の静止位置又は第２の静止位置である端部位置に切替可能である電磁動作機構において、前記電機子１５を、調整ロッド７及び該調整ロッド７に配置された永久磁石８を含んで構成とするとともに、第３の静止位置で前記永久磁石８の磁気によってロック可能とした。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の電磁動作機構に関する。

アクチュエータ、サーボモータ又はソレノイドとも呼ばれる電磁動作機構が制御技術分野において知られている。当該電磁動作機構は、例えば気体状又は液体状の媒体を貫流制御する弁又はバルブを駆動又は調整するために使用される。また、多くの磁気アクチュエータは双安定である。すなわち、これらのアクチュエータは、２つの安定な位置を２つだけ有する、すなわち、例えば開位置及び閉位置を有する。

特許文献１には双安定アクチュエータが開示されており、この双安定アクチュエータは、２つのコイル及び１つの永久磁石として構成されつつアンカーロッド上に配置された１つのアーマチュアを有する。この永久磁石は、このアーマチュアの移動方向に指向された極性を有し、前記コイルによって一方の端部位置又は他方の端部位置に保持される。この場合、コイルの配置は、２つの極を形成する。これによって、当該永久磁石が、一方のコイルによって吸引され、かつ、同時に他方のコイルによって反発され、また、この逆のことがなされる。これにより、切替時間が短縮されるようになっている。

特許文献２には、永久磁石を有する双安定のソレノイドが開示されている。この永久磁石の極性は放射状であり、アーマチュアの運動方向に対して垂直に指向されている。

当該双安定のもののほかに、三安定のアクチュエータも公知である。すなわち、特許文献３には、３つの静止位置である２つの外側の端部位置及び１つの中心位置を有するソレノイドが開示されている。このソレノイドは、全部で４つのコイル、２つの固定永久磁石、２つの外側ハウジング反対極、２つの内側ハウジング反対極及びプッシュロッド上に運動方向に沿って配置された２つのアーマチュアを有している。ここで、電機子が通電された外側の１つのコイルによって吸引されることによって、１つの端部位置に達することになる。これ対して、プッシュロッドの中心位置の両面が内側ハウジング反対極（隔壁）に密接することによって、永久磁石式に保持されているアーマチュアが、プッシュロッドの中心位置に達する。当該公知のソレノイドの欠点は、多数の部品、例えば４つのコイル、２つの永久磁石、２つの電機子及び当該部品に連結されている超過重量物にある。

独国特許出願公開第１０３１０４４８号明細書 独国特許出願公開第１０２０７８２８号明細書 独国実用新案第１８９２３１３号明細書

本発明の目的とするところは、冒頭で述べた種類の電磁動作機構をわずかな構造経費で、かつ、個々の部品点数を削減して安価に製造することにある。

上記目的は、請求項１に記載の特徴によって解決される。すなわち、本発明は、電機子を、調整ロッド及び該調整ロッドに配置された永久磁石を含んで構成とするとともに、第３の静止位置で前記永久磁石の磁気によってロック可能としたことを特徴としている。したがって、無通電の中心位置の利点がわずかな部品経費で達成される。

本発明の一実施形態によれば、両コイルがそれぞれ、磁極管、すなわち磁性材料から成る管の端部に対して配置されていて、特に強磁性材料から成るヨークを１つずつ有している。したがって、磁束がヨーク及び磁極管を介して伝わり、異なる極性が当該両コイルの通電に応じて形成される。

本発明の他の実施形態によれば、調整ロッドが磁極管に対して同軸に配置されているとともにヨークの開口部内で摺動可能に軸支されている。特にリング形状に形成された保持極が永久磁石に付設されている。当該保持極は、好ましくは磁極管内で両コイル間のほぼ中心に配置されている。当該保持極は、磁性材料で形成されていて、第３の静止位置、すなわちアーマチュアの中心位置で永久磁石の磁束が当該保持極を貫通するようになっている。また、磁気によるアーマチュアのロックが、コイルの無通電時に保持極と永久磁石との間の磁石の密着によって生じる。

永久磁石の磁束を強めるため、磁束盤をこの永久磁石の端面に配置することが考えられる。また、付着防止盤を当該磁束盤に配置することも好ましい。なお、当該付着防止盤は、永久磁石がコイルヨークに付着することを阻止するものである。

本発明の他の実施形態によれば、特に円錐形に形成されたプランジャ型ソレノイドが、永久磁石の端面に設けられている。当該プランジャ型ソレノイドは、コイルヨーク内の対応する開口部内に嵌入する。したがって、電機子に対するコイルの磁気引力が向上する。

本発明の他の実施形態によれば、永久磁石の極性がアーマチュア及び調整ロッドの移動方向に指向されている。これにより、Ｎ極が永久磁石の１つの端面に形成され、Ｓ極がその逆の端面に形成される。したがって、コイルへの通電に応じて永久磁石に対する引力及び／又は斥力が発生し、その結果、当該永久磁石が一方又は他方の端部位置に移動されることになる。

さらに、本発明の他の実施形態によれば、もう１つのコイル、いわゆる中心コイルが保持極の領域内に配置される。該中心コイルは、適当な通電時に永久磁石の中心位置でのこの永久磁石の拘束作用を相殺し、アーマチュアを一方又は他方の端部位置により迅速に変位させることを可能にする。これにより、アクチュエータの動特性が向上する。

本発明の電磁動作機構の断面図である。 中心位置に切り替わったときの磁束の概略図である。 端部位置に切り替わったときの磁束の概略図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１には、磁気アクチュエータ又は駆動器とも呼ばれる電磁アクチュエータ１が示されており、この電磁アクチュエータ１は、シリンダ状の磁極管２を有している。この磁極管２内では、当該磁極管２の両端部に、それぞれヨーク５，６を１つずつ有するコイル３，４が配置されている。これらコイル３，４は、不図示の電源に接続されているとともに、異なる電流方向に通電され得るため、逆の極性が形成され得る。

アンカーロッドとも呼ばれる調整ロッド７が磁極管２に対して同軸に配置されており、この調整ロッド７は、両ヨーク５，６内で長手方向に摺動可能に軸支されている。調整ロッド７のほぼ中心には円板状に形成された永久磁石８が配置されており、この永久磁石８は、調整ロッド７に結合されている。

また、導磁板９，１０が永久磁石８の端面に配置されており、これらの導磁板９，１０は、永久磁石の磁束を強めるものである。この導磁板９，１０の外面には、付着防止盤１１，１２又はヨーク５，６に対する付着を阻止するコーティング部が配置されている。さらに、円錐形に形成されたプランジャ型ソレノイド１３，１４が、それぞれ永久磁石８の端面と調整ロッド７とに配置され、かつ、固定されている。導磁板９，１０、付着防止盤１１，１２及びプランジャ型ソレノイド１３，１４に結合されている調整ロッド７あるいはアンカーロッド及び永久磁石８は、動作機構つまりアクチュエータ１の電機子１５を形成する。なお、図１には、両コイル３，４間の中心位置での電機子１５が示されている。

また、リング状の保持極１６が磁極管２内で永久磁石８に対して同軸に配置されており、この保持極１６は、永久磁石８の周囲を包囲している。図１に示すように、リング状の保持極１６は、磁極管２より小さい内径を有している。すなわち、保持極１６は、磁極管２の半径方向の狭小部分を形成している。

また、永久磁石８は、導磁板９，１０を介して、磁性材料から成る保持極１６と共に磁束を形成する。すなわち、永久磁石８及び調整ロッド７は、図示した位置で永久磁石８の磁力によって共に保持される。この永久磁石８は、調整ロッド７の方向に形成された極性を有する。すなわち、Ｎ極が永久磁石８の一方の端面に存在し、Ｓ極が他方の端面に存在する。

ところで、保持極１６の半径方向外方には、もう１つのコイル、いわゆる中心コイル１７が配置されており、この中心コイル１７の機能は、通電時に磁場を形成する点にある。この磁場は、永久磁石８の磁場を相殺するものである。これによって、磁気によるロック作用が相殺されるか又は少なくとも軽減される。その結果、電機子１５は、より容易かつ迅速に中心位置から各端部位置に変位され得る。すなわち、電磁アクチュエータ１の動特性が向上する。

図示した中心位置からの永久磁石８又は電機子１５の当該変位が１つのコイル又は両コイル３，４に通電することによってなされ、その結果、引力が永久磁石８に作用するか、又は一方のコイルの引力及び他方のコイルの斥力が当該永久磁石８に作用する。永久磁石８がヨーク５又は６に当接すると、プランジャ型ソレノイド１３又は１４が、同様に円錐形に形成された対応するヨーク５又は６の開口部５ａ又は６ａ内に挿入され、磁気の引力又は斥力が向上する。なお、付着防止盤１１，１２は、両端部位置のうちの一方の端部位置での永久磁石８の付着を阻止するものとなっている。

図示した中心位置では、両コイル３，４には通電がなされていない。したがって、図示した電磁アクチュエータ１は、３つの静止位置、すなわち２つの端部位置及び１つの中心位置を有し、したがって三安定である。両端部位置では、永久磁石８が電機子１５をヨーク５又は６に対して磁気で保持し２つの安定な端部位置を確立する。この場合、コイル３，４には通電がなされていない。

図２には、図１における両コイル３，４及び調整ロッド７に配置された永久磁石８の磁束の概略が示されている。コイル３，４における磁束及びその方向が矢印と共に長円形に線３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂで示されており、両コイル３，４の電流方向は、点（・）及び十字（×）のシンボルによって示されている。また、Ｎ極Ｎ及びＳ極Ｓを有する永久磁石８の磁束は、線８ａによって示されている。

通電及び磁束の当該表示は、切替過程に対応し、この切替過程の場合、永久磁石８がその中心位置に移動される（図１参照）。電流のシンボルが示すように、両コイル３，４は同方向に通電されている。すなわち、これらのコイル３，４は、同じ磁場３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを形成している。これにより、コイル３が永久磁石８に面した側にＳ極を形成し、コイル４が永久磁石８に面した側にＮ極を形成するので、斥力Ｆが永久磁石８のＮ極Ｎ及びＳ極Ｓに対してそれぞれ作用する。したがって、永久磁石８は、両コイル３，４間の中心位置に移動される。

この永久磁石８は、上述したように、その中心位置で保持極１６（図１参照）によって磁気でロックされる。そして、この永久磁石８がその安定な中心位置に達した後に、コイル３，４が非通電状態に切り替えられる。

図３には、切替過程時のコイル３，４の概略が示されており、永久磁石８又は電機子１５（図１参照）は、この切替過程によって１つの端部位置に移動される。この切替過程の場合、コイル３，４が逆の方向に通電されており、下のコイル３は、図２中のコイル３のように切り替えられている。そのため、当該磁束は、同様に３ａ，３ｂで示されている。

これに対して、上のコイル４は、長円形に線４ｃ，４ｄによって示された図２中の線に対して逆の磁束を有する。したがって、Ｓ極及びＮ極がそれぞれ永久磁石８に面したコイル３，４の側に形成されるため、推進力Ｆ１が永久磁石８のＳ極Ｓに作用し、引張力Ｆ２がＮ極Ｎに作用する。したがって、両コイル３，４は、電機子１５（図１）の移動時に共に同じ方向に作用する。その結果、より短い切替時間及び改良された動特性が得られる。

図１に対して上述したように、永久磁石８がその磁力によってコイルヨーク５又は６において保持されるので、コイル３，４は、安定な端部位置に達した後に非通電状態に切り替えられ得る。

１ 電磁アクチュエータ
２ 磁極管
３ コイル
３ａ 磁束
３ｂ 磁束
４ コイル
４ａ 磁束
４ｂ 磁束
４ｃ 磁束
４ｄ 磁束
５ ヨーク
５ａ 開口部
６ ヨーク
６ａ 開口部
７ 調整ロッド
８ 永久磁石
８ａ 磁束
９ 導磁板
１０ 導磁板
１１ 付着防止盤
１２ 付着防止盤
１３ プランジャ型ソレノイド
１４ プランジャ型ソレノイド
１５ 電機子
１６ 保持極
１７ 中心コイル
Ｎ Ｎ極
Ｓ Ｓ極
Ｆ 磁力
Ｆ１ 推進力
Ｆ２ 引張力

Claims (12)

1. 長手方向に移動し、３つの静止位置でロック可能な１つの電機子（１５）及び２つのコイル（３，４）を有する電磁動作機構であって、前記電機子（１５）が前記２つのコイル（３，４）によって第１の静止位置又は第２の静止位置である端部位置に切替可能である電磁動作機構において、
   前記電機子（１５）を、調整ロッド（７）及び該調整ロッド（７）に配置された永久磁石（８）を含んで構成とするとともに、第３の静止位置で前記永久磁石（８）の磁気によってロック可能としたことを特徴とする電磁動作機構。
2. 前記コイル（３，４）を、磁極管（２）内の端部に配置したことを特徴とする請求項１記載の電磁動作機構。
3. 前記調整ロッド（７）を、前記磁極管（２）と同軸に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の電磁動作機構。
4. 前記永久磁石（８）を、軸線方向に見て、前記両コイル（３，４）の間に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁動作機構。
5. 前記両コイル（３，４）の間に保持極（１６）を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁動作機構。
6. 前記保持極（１６）を、リング状に形成するとともに、前記第３の静止位置において前記永久磁石（８）と共に閉ループの磁気回路を形成するよう構成したことを特徴とする請求項５記載の電磁動作機構。
7. 前記永久磁石（８）が、軸線方向に指向された極性（Ｎ，Ｓ）を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁動作機構。
8. 前記永久磁石（８）の端面に導磁板（９，１０）を配置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁動作機構。
9. 前記導磁板（９，１０）に付着防止手段、特に付着防止盤（１１，１２）を配置したことを特徴とする請求項８記載の電磁動作機構。
10. 同軸の開口部（５ａ，６ａ）を有するヨーク（５，６）を、前記両コイル（３，４）にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁動作機構。
11. プランジャ型ソレノイド（１３，１４）を、前記永久磁石（８）の両側の前記調整ロッド（７）に配置するとともに、前記開口部（５ａ，６ａ）内に挿入可能に構成したことを特徴とする請求項１０記載の電磁動作機構。
12. 前記保持極（１６）近傍にもう１つのコイルである中心コイル（１７）を配置したことを特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の電磁動作機構。

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