JPH0126271B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ １対の軸方向に離間した円筒状固定子極面内
に円筒状固定子開口部を形成し、前記固定子極面
間にフラツクス搬送通路を形成する固定子ケーシ
ングを含む固定子部材と、 前記固定子極面に対し平行に移動するよう前記
固定子開口部内に装着され、１対の軸方向に離間
した円筒状電機子極面および対応する１対の円筒
状半径方向に磁化された永久磁石を含み、前記永
久磁石の各々は前記電機子極面の対応する１つに
隣接して軸方向に配置され、さらに前記電機子極
面間にフラツクス搬送通路を形成して、前記固定
子部材との間に１対の軸方向環状エアギヤツプを
形成するようにした電機子部材であつて、フラツ
クスを搬送しない材料で作られ、前記永久磁石の
少なくとも１つに隣接して装着された少なくとも
１つの円筒状リングを有する前記電機子部材と、
電流が供給された時、前記固定子部材と前記電機
子部材を介して電磁フラツクス流を発生し、この
フラツクス流は前記環状エアギヤツプに対し半径
方向にそれを横切つて伸び前記電機子部材が前記
固定子極面に対し平行に移動するようにしたコイ
ル部材、とから成り、前記永久磁石の１方が前記
エアギヤツプの１方を半径方向外方に横切るフラ
ツクス流を発生し、前記永久磁石の他方が前記エ
アギヤツプの他方を半径方向内方に横切るフラツ
クス流を発生して、前記電機子部材と前記固定子
部材を通る第１方向にフラツクス流を発生するよ
うにしたことを特徴とするリニア・ソレノイド。

２ 前記コイル部材が、前記電機子部材と前記固
定子部材を通り前記第１方向に対抗する第２方向
にフラツクス流を発生するようにした特許請求の
範囲第１項に記載のリニア・ソレノイド。

３ 前記円筒状半径方向に磁化された永久磁石
が、前記固定子面間の軸方向空間に対応する距離
だけ前記電機子部材上に軸方向に離間して設けら
れており、前記永久磁石により発生するフラツク
スが、電流が前記コイル部材に加えられない時に
は前記永久磁石が前記固定子極面と整列するよう
前記電機子部材を動かすようにした特許請求の範
囲第１項に記載のリニア・ソレノイド。

〔発明の背景〕

本発明はリニアソレノイド装置に関し、特に可
動ソレノイド電機子が、装置に従来のものより高
い出力を得さしめるように、複数の永久磁石を支
承しているリニアソレノイド装置に関する。

従来より数多くのソレノイド作動装置（アクチ
ユエータ）には永久磁石が用いられているが、こ
の磁石は止め金形状のものか又は両方向性を有す
るようにソレノイド装置内に位置していた。１又
はそれ以上の磁石が、１又はそれ以上のデテント
位置（止め位置）でソレノイド電機子を保持する
ようソレノイド装置の固定子内に設けられている
ような装置は、リード（Read）に対し1978年２
月７日に公布された米国特許第4072918号、ジヨ
ンストン（Johnston）等に対し1975年５月27に
公布された米国特許第3886507号、ボイド
（Boyd）に対し1974年８月６日に公布された米国
特許第3828288号、タダ（Tada）に対し1973年４
月17日に公布された米国特許第3728654号、およ
びテイルマン（Tillman）に対し1969年８月５日
に公布された米国特許第3460081号明細書に記載
されている。特に、このような装置における固定
子永久磁石は、電機子移動の１方又は両方の限度
におけるデテント位置で電機子を保持し、電機子
の実際のデテント位置への移動は従来の方法で行
なわれている。電機子がデテント位置に移動する
につれて、発生したソレノイド装置の出力に磁石
は影響を与えない。

その他多くの従来特許において２方向ソレノイ
ドが開示されており、これらソレノイドにはソレ
ノイドの電機子は１又はそれ以上の永久磁石を支
承し、電機子上の磁石は、装置の固定子コイルに
供給される電流の極性に従つて所望のように電機
子を動かすように引き付けられるか反撥される。
これらの従来特許は、ジヤフイ（Jaffe）等の
1977年12月27日に公布された米国特許第4065739
号、ウエングリン（Wengryn）等の1978年12月
12日に公布された米国特許第4129187号、ヒユー
エル（Heuer）の1973年11月27日に公布された米
国特許第3775714号、グツドバーの1975年10月21
日に公布された米国特許第3914723号、レイヒト
（Leicht）の1980年３月25日に公布された米国特
許第4195277号、およびクラマ（Kramer）の
1965年８月24日に公布された米国特許第3202886
号明細書が挙げられる。上述のヴエングリンの特
許のものには、対向フラツクス流を与える固定子
コイルの励磁の結果として与えられる対向方向へ
の電機子の移動に対し第１方向に電機子を反撥す
る固定子中に永久磁石が含まれている。ジエフイ
の特許には、電機子上に設けられた永久磁石が半
径方向に極性化されている電機子構成が開示され
ている。固定子コイルは一般には電機子を介して
軸方向フラツクス流を流すので電機子の横方向力
は固定子コイルの励磁により発生する電機子中の
フラツクス密度の不均一性により生ずる。レイヒ
トの特許は、電機子磁石の反撥および吸引を同時
に行うために１対の反対方向の極性化された固定
子極に関し、電機子移動方向に対し直角方向に極
性化された永久磁石電機子を有する装置を開示し
ている。

ナツトソン（Knutson）に対し1978年11月28日
に公布された米国特許第4127835号明細書は、固
定子の各端部においてその間に固定子コイルを有
する端板に隣接して永久磁石を有する両方向ソレ
ノイド装置を開示している。固定子コイルが励磁
される時、コイルにより発生したフラツクスは磁
石の１つにより発生するフラツクスに加わる一
方、他の磁石により発生するフラツクスより減ず
るか対向するように永久磁石は反対方向に極性化
されている。このように電機子の１端はその他端
よりむしろその端板に向つて強く引きつけられ
る。

エングドル（Engdahl）等に対し1970年３月31
日に公布された米国特許第3504320号明細書には、
可動電機子に装着され対向方向に極性化された１
対の永久磁石を有し、３つの分離し一連に接続さ
れた固定子コイルを含む線形に作動する電流トラ
ンスデユーサ装置が開示されている。このように
配置することにより、入力電流と出力の間に強度
の線形性が得られる。

永久磁石は回転ソレノイド装置の回転子中にも
設けられている。特に、回転子上に装着された１
対の永久磁石を含む可変リラクタンス回転ソレノ
イド装置は、マクリントツク（McClintock）に
対し1979年１月16日に公布された米国特許第
4135138号明細書に記載されており、このマクリ
ントツクの装置において、隣接回転子極表面が固
定子極に向つて引かれる時、固転子の永久磁石は
固定子極からは反撥される。しかしながら、マク
リントツクはリニアソレノイド装置にこのような
機構を利用することを示唆していない。他の回転
電磁装置は回転子中に永久磁石を有しておりこの
磁石は簡単に固定子の１又はそれ以上の極表面に
引きつけられる。このような装置は、ワトキンス
（Watkins）に対し1972年１月18日に公布された
米国特許第3636557号、レイ（Ray）に対し1972
年９月26日に公布された米国特許第3696782号、
ビーガー（Bieger）等に対し1967年３月28日に
公布された米国特許第3311859号明細書に記載さ
れている。

それ故に、増大した出力を与え、１又はそれ以
上の永久磁石をその電機子中に有するリニアソレ
ノイド装置が要求される。

〔発明の概要〕

リニアソレノイドは固定子ケーシングを有する
固定子装置を含み、固定子ケーシングは１対の平
行で軸方向に離間した円筒状固定子極表面に円筒
状固定子開口を有している。さらに、固定子ケー
シングは固定子極表面間に、フラツクス搬送通路
を限定している。電機子装置は１対の平行で軸方
向に離間した円筒状電機子極表面とそれに対応す
る１対の円筒状半径方向に磁化された永久磁石を
有している。各永久磁石は１対の電機子極表面の
一方と隣接し、そこから軸方向に配置されてい
る。さらに電機子装置は、電機子極面間にフラツ
クス搬送通路を形成しているので、１対の軸方向
の環状エア・ギヤツプが電機子装置と固定子装置
との間に画成される。コイルに電流が与えられる
時、コイルには固定子ケーシングおよび電機子装
置を介して電磁フラツクス流が発生する。コイル
装置により発生するフラツクス流はほぼ半径方向
環状エアギヤツプを横切つて延び、固定子を固定
子極表面に平行に移動する。

永久磁石の１つは、エアギヤツプの１つを半径
方向外方に横切つて流れるフラツクス流を発生す
るように極性化され、他方の永久磁石は他のエア
ギヤツプを半径方向内方に横切つて流れるフラツ
クス流を発生するように極性化されるので、電機
子および固定子を通つて第１方向にフラツクス流
を発生することになる。また、コイルは、第１方
向に対向し、電機子および固定子を介して第２方
向にフラツクス流を発生する。

電機子はさらに１対のフラツクス搬送材料でな
い円筒状リングを有し、このリングは永久磁石の
夫々の１つに隣接する電機子に装着されている。

円筒状半径方向に磁化された永久磁石は、固定
子極表面間で軸方向に離間した距離に対応する距
離だけ電機子上に離して設けられている。それ故
に、永久磁石により発生したフラツクスは、コイ
ルに電流が加わらない時には永久磁石が固定子極
表面に整列するように電機子を動かす。

従つて本発明の目的は、固定子を介して電磁フ
ラツクス流を発生するコイルを有する固定子と固
定子コイルにより発生するフラツクス流が電機子
を移動するように永久磁石により発生するフラツ
クスが対向するようにした１対の永久磁石を有す
る電機子を有するリニアソレノイド装置を提供す
ることであり、固定子が軸方向に離間した固定子
極表面を画成し、電機子が対応する軸方向に離間
した電機子極表面を画成するようにしたソレノイ
ド装置を提供することであり、また、夫々の永久
磁石が半径方向に極性化された永久磁石リングを
形成するようにしたソレノイド装置を提供するこ
とであり、さらにまた、永久磁石のリングの１つ
が半径方向内方に極性化され、１方、他方の永久
磁石リングが半径方向外方に極性化されているよ
うなソレノイド装置を提供することである。

本発明の他の目的および利点は添付図面および
請求の範囲の記載により明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のリニアソレノイド装置の中心
軸に沿つて切断した断面図。

第２図は第１図の２−２線に沿つて切断された
断面図、 第３図は第１図に類似し、固定子コイルが励磁
され電機子が部分的に右方向に移動する時のフラ
ツクス流通路の断面図、および 第４図は第１図に類似し、右方行限界位置に移
動した電機子の断面図である。

〔発明の最適な実施形態〕

第１図および第２図は本発明により構成された
リニアソレノイド装置を示し、第１図乃至第２図
に示される装置は円筒部１２と１対の端部１４，
１６から成る固定子ケーシングを含む固定子１０
を含んでいる。この端部１４，１６の１方は円筒
部１２の各端部に装着され、端部１４，１６は、
１対の整列した軸方向に離間した円筒状固定子極
表面１８と２０を形成するよう内方半径方向に延
びている。円筒状部１２と端部１４，１６は低炭
素鋼のようなフラツクス搬送材料で作られてい
る。このように、ケーシング１０により固定子極
表面１８，２０間にフラツクス搬送通路が形成さ
れる。さらに、固定子ケーシング１０は内部にケ
ーシング２２を形成する。

非磁性コイルボビン２６上に巻装された絶縁銅
線で作られた複数巻線２４を含む電磁コイル手段
は円筒部１２内でケーシング１０の端部１４間に
設けられ、巻線２４に電流を印加し固定子ケーシ
ングにより形成されるフラツクス搬送通路を介し
てフラツクス流を発生するようにしている。巻線
コネクタリード線（図示せず）は、ケーシング１
０内の開口（図示せず）を通つて伸延し、巻線２
４に電流を供給する手段となつている。

電機子装置２８は、固定子極表面１８，２０に
平行に移動し得るよう固定子開口部２２中に摺動
自在に装着されている。電機子装置２８は、電機
子コア３０およびコアリング３２を有する電機子
部材を有している。コア３０およびコアリング３
２は低炭素鋼等のフラツクス搬送材料で作られ、
コア３０はソレノイド装置と関連して用いられる
他の装置に電機子２８の出力を伝える溝付き軸
（図示せず）と係合する中央溝付開口３８を形成
する。また、コア３０およびコアリング３２は対
をなす軸方向に離間した円筒電機子極表面３４，
３６間にフラツクス搬送通路を形成する。

電機子部材は、１対の円筒状で半径方向に磁化
された永久磁石リング４０，４２を含み、この磁
石リング４０，４２は、１対の電機子極表面３
４，３６の１方に隣接しそこから軸方向に配置さ
れている。永久磁石４０，４２は、夫々磁石ホル
ダ４４，４６内に夫々包囲されている。電機子コ
ア３０上には、非磁性ステンレス鋼のようなフラ
ツクスを搬送しない材料の１対の円筒状保持リン
グ４７が装着されている。

鉛製ベアリング４８は固定子装置内に電機子２
８を支持し、該ベアリング間に１対の軸方向の環
状エアギヤツプ５０，５２を形成している。励起
された時、コイルは固定子ケーシングおよび電機
子装置を介して電磁フラツクス流を発生し、この
フラツクス流はエアギヤツプ５０，５２を横切
り、エアギヤツプに対して半径方向に伸び、電機
子が固定子極表面１８，２０に平行に動くように
している。

永久磁石４２は半径方向に極性化され、エアギ
ヤツプ５２を横切つて半径方向外方にフラツクス
流を発生し、一方、永久磁石４０はエアギヤツプ
５０を横切つて半径方向内方にフラツクス流を発
生する。コイル２４が励磁されない時、永久磁石
４０，４２はケーシングの部分１２，１４，１６
を介しさらに電機子コア３０を介して第１方向に
エアギヤツプ５０，５２を横切つてフラツクス流
を発生する。永久磁石により発生するフラツクス
流は第３図ではフラツクス流φ_PMで示され、この
結果、磁石４０，４２は、夫々、対向する固定子
極表面１８，２０に取り付けられ電機子が第１図
の位置にあるようにしている。

コイル２４の巻線に電流が印加される時、電機
子２８および固定子ケーシング部１２，１４，１
６を介し、エアギヤツプ５０，５２を横切つてフ
ラツクス流φ_EMが発生する。電流の流れ方向およ
びコイルの巻線方向は、コイル２４の励磁により
発生するフラツクスφ_EMが固定子装置、電機子部
材を介して、永久磁石４０，４２により発生する
フラツクスφ_PM流の反対方向に流れる。

その結果、磁石４０は固定子極表面１８から反
撥する傾向にあり、磁石４２は他方の固定子極表
面２０から反撥するようになる。フラツクスを搬
送しない材料製のリング５４，５６は第１図に示
されるように、夫々磁石４０，４２の右側に位置
するよう設けられているので、エアギヤツプ５
０，５２を横切るフラツクス流は磁石と磁石に対
応している電機子極表面３４，３６を介し電機子
２８中を流れる。このように、永久磁石が固定子
極表面から反撥し、この反撥力が電機子２８を右
方向に動かすように加わると同時に、電機子極表
面３４，３６および固定子極表面１８，２０間に
夫々引き合う力が発生し電機子２８を右方向へ動
かす力が発生する。

このことは可変抵抗現象として特徴づけられ、
エアギヤツプ５０，５２の抵抗は電機子２８の右
方向移動とそれに基づく固定子極表面と電機子極
表面間の重なり合う部分が増加することにより減
少される。電機子２８はこのように第３図に示さ
れる中間位置を介して第４図に示される最終電機
子位置に移動する。

本発明のソレノイド装置により得られる出力
は、永久磁石が省略されたものと同様の装置で得
られる場合の出力よりも大きなものである。これ
は、永久磁石の反撥力の結果および電機子が移動
されるにつれて重なり合つた極表面の抵抗変化に
よるものである。本発明のソレノイド装置は、永
久磁石が用いられなかつた場合に比べ固定子およ
び電機子を介して得られるフラツクス変化以上に
結果として増大力を与えると考えて良いだろう。
仮に、電磁コイル２４により発生する方向のフラ
ツクス流が正のフラツクス流であるとした場合、
最初は、コイル２４は消勢され永久磁石により負
のフラツクス流が発生する。しかしながら、コイ
ル２４に加えられる電流が増加するにつれて、負
のフラツクス流は、電磁コイル２４により発生す
るフラツクスが永久磁石により発生するフラツク
スを越えるまで次第に減少する。この時点におい
て、正味のフラツクス流は正の値をとり、その値
が、固定子および電機子を介して流れるフラツク
ス流のフラツクス飽和レベルにより限定されるあ
る最大値にまでフラツクス流は増大する。その結
果、飽和状態なしに装置が作動し得るフラツクス
域を越えるフラツクス域が増大し、装置の最大出
力もそれに従つて増大する。

本発明により、電機子極表面の１つにのみ隣接
する単一永久磁石を有するリニアソレノイド装置
が実体化され、このような電機子の移動構成は、
単一の永久磁石の反撥力および、固定子、電機子
の重なり合う部分の結合効果に基因するものであ
る。また、単一の永久磁石および単一の固定子極
表面−電機子極表面の対を利用しているような本
発明装置を構成することができこの場合、追加の
作動しないエアギヤツプがその両者間にフラツク
スの戻り通路を形成するように電機子と固定子の
間に形成される。本明細書および請求範囲中で用
いられている“リニア”ということばは、回転ソ
レノイド装置と区別するため電機子の直線移動を
示すために用いられたものであることは明らかで
ある。

ここに述べた装置は本発明の好適な実施例を構
成するものであるが、本発明はここに記載のもの
に限定されることなく、発明の範囲を越えない限
り変更が可能である。