(57)【要約】【課題】低コスト化及び部品実装スペースの省スペース化を図る。【解決手段】ｎ（ｎは２以上の整数）個のコイルが巻かれたアーマチュアと、前記ｎ個のコイルの各々に対応して設けられ、各コイルへの電力の供給／遮断を切り替えるためのｎ個のスイッチと、前記ｎ個のスイッチの各々に対応して設けられ、各スイッチを介して各コイルに同一の電力を供給するｎ個の電源と、必要なトルクに応じて各スイッチのオン／オフを制御する制御部とを具備する。【選択図】図１
2010016950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは２以上の整数）個のコイルが巻かれたアーマチュアと、
前記ｎ個のコイルの各々に対応して設けられ、各コイルへの電力の供給／遮断を切り替えるためのｎ個のスイッチと、
前記ｎ個のスイッチの各々に対応して設けられ、各スイッチを介して各コイルに同一の電力を供給するｎ個の電源と、
必要なトルクに応じて各スイッチのオン／オフを制御する制御部と、
を具備することを特徴とするトルクモータ。
【請求項２】
前記ｎ個のコイルにおいて、ｉ番目（ｉは１からｎまでの整数）のコイルの巻数を２ｉ−１とすることを特徴とする請求項１記載のトルクモータ。
【請求項３】
前記ｎ個のコイルにおいて、ｉ番目（ｉは１からｎまでの整数）のコイルの巻数をｉとすることを特徴とする請求項１記載のトルクモータ。
【請求項４】
全てのコイルの巻数を同一とすることを特徴とする請求項１記載のトルクモータ。
【請求項５】
前記電源は、定電流源であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のトルクモータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のトルクモータと、
前記トルクモータのアーマチュアにフラッパを連結して成るノズルフラッパ機構と、
を具備するサーボバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクモータ及びサーボバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば図４に示すようにトルクモータを用いたノズルフラッパ機構のサーボバルブが一般的に知られている。このようなサーボバルブで使用されるトルクモータ１０は、先端部に対向する磁極を有する１対の永久磁石１１及び１２と、これら永久磁石１１及び１２の磁極間に図中の２１を回転軸として回転可能に設けられたアーマチュア１３と、アーマチュア１３の周囲に巻回されたコイル１４及び１５とから概略構成されている。
【０００３】
フラッパ２０は、アーマチュア１３と直交するように連結されていると共に、トーションスプリング２１によってアーマチュア１３が図中のＸ軸と平行になるように（フラッパ２０がＺ軸と平行になるように）支持されている。
【０００４】
コイル１４には第１電流ドライバ３０によって電流が供給され、コイル１５には第２電流ドライバ４０によって電流が供給される。これら第１電流ドライバ３０及び第２電流ドライバ４０は、それぞれモータ制御部９０から入力される操作量Ｃｐに応じた電流を生成するものであるが、通常時は第１電流ドライバ３０のみ動作し、第１電流ドライバ３０の故障時に第２電流ドライバ４０が動作するように構成されている。
【０００５】
ここで、第１電流ドライバ３０からコイル１４に電流が供給されると、供給電流に応じたトルクがトルクモータ１０に発生してアーマチュア１３が回転し、アーマチュア１３の回転に追従してフラッパ２０が揺動してノズル５０の方向に変位する。そして、アーマチュア１３に作用する回転トルクとトーションスプリング２１による反力とがつり合った位置でフラッパ２０は停止し、このフラッパ２０の変位量に応じてノズル５０の内圧と圧力入力部６０の内圧との間に圧力差が生じる。ここで、ノズル５０の内圧と圧力入力部６０の内圧は、アクチュエータ７０（例えばピストン）の両端面に作用する圧力であるので、両内圧に圧力差が生じるとアクチュエータ７０がＸ軸方向に変位する。
【０００６】
このアクチュエータ７０の変位量ΔＸｓは変位計８０によって計測され、計測変位量ΔＸｓとしてモータ制御部９０にフィードバックされる。モータ制御部９０は、アクチュエータ７０の目標変位量ΔＸｔと変位計８０によって計測された計測変位量ΔＸｓとの偏差ΔＸ（＝ΔＸｔ−ΔＸｓ）を算出し、この偏差ΔＸに比例ゲイン定数Ｋｐを乗算することで操作量Ｃｐ（＝Ｋｐ・ΔＸ）を算出して第１電流ドライバ３０に出力する。
【０００７】
以上のようにトルクモータ１０への供給電流がフィードバック制御されることにより、アクチュエータ７０の変位量ΔＸｓが目標変位量ΔＸｔと一致するように制御されると共に、アクチュエータ７０と連結されたバルブ（図示省略）の開閉状態が制御されることになる。
なお、トルクモータに関する従来技術に関しては、下記特許文献を参照されたい。
【特許文献１】特開２００６−１０１６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来のトルクモータを用いたノズルフラッパ機構では、モータ制御部９０によってトルクモータ１０への供給電流をフィードバック制御しているが、このモータ制御部９０としてＣＰＵ（Central Processing Unit）を使用し、デジタル演算処理によって操作量Ｃｐを演算することが一般的である。
【０００９】
つまり、第１電流ドライバ３０（第２電流ドライバ４０）は、モータ制御部９０から入力されるデジタル信号の操作量Ｃｐをアナログ信号である電流に変換してトルクモータ１０に供給している。このようなデジタル−アナログ変換機能を有する電流ドライバは、通常の電源と比べて構成が複雑であり、コストの増大及び部品実装スペースの拡大を招くことになる。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低コスト化及び部品実装スペースの省スペース化を図ることの可能なトルクモータ及びサーボバルブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、トルクモータに係る第１の解決手段として、ｎ（ｎは２以上の整数）個のコイルが巻かれたアーマチュアと、前記ｎ個のコイルの各々に対応して設けられ、各コイルへの電力の供給／遮断を切り替えるためのｎ個のスイッチと、前記ｎ個のスイッチの各々に対応して設けられ、各スイッチを介して各コイルに同一の電力を供給するｎ個の電源と、必要なトルクに応じて各スイッチのオン／オフを制御する制御部と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
また、トルクモータに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ｎ個のコイルにおいて、ｉ番目（ｉは１からｎまでの整数）のコイルの巻数を２ｉ−１とすることを特徴とする。
また、トルクモータに係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ｎ個のコイルにおいて、ｉ番目（ｉは１からｎまでの整数）のコイルの巻数をｉとすることを特徴とする。
また、トルクモータに係る第４の解決手段として、上記第１の解決手段において、全てのコイルの巻数を同一とすることを特徴とする。
また、トルクモータに係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記電源は、定電流源であることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明では、サーボバルブに係る解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段を有するトルクモータと、前記トルクモータのアーマチュアにフラッパを連結して成るノズルフラッパ機構とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、トルクモータに発生するトルクをデジタル制御することが可能となり、従来のようにデジタル−アナログ変換機能を有する電流ドライバを使用する必要はなくなるため、低コスト化及び部品実装スペースの省スペース化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るトルクモータと、当該トルクモータのアーマチュアにフラッパを連結して成るノズルフラッパ機構とを備えるサーボバルブの構成概略図である。なお、図１において、図４と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係るサーボバルブと従来（図４）のサーボバルブとの相違点は、本実施形態に係るトルクモータ１０Ａのアーマチュア１３には、３個のコイル（第１コイル１０１、第２コイル１０２及び第３コイル１０３）が巻かれており、１番目の第１コイル１０１は巻数「１」、２番目の第２コイル１０２は巻数「２」、３番目の第３コイル１０３は巻数「４」とされている点である。つまり、本実施形態では、ｉ番目（ｉは１から３までの整数）のコイルの巻数を２ｉ−１としている。
【００１７】
また、各コイルへの電流の供給／遮断を切り替えるための３個のスイッチ（第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３）と、各スイッチを介して各コイルに同一の電流を供給する３個の定電流源（第１定電流源３０１、第２定電流源３０２及び第３定電流源３０３）が新たに設けられている。これら第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３としては、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等の半導体スイッチング素子を用いることができる。
【００１８】
第１定電流源３０１、第２定電流源３０２及び第３定電流源３０３の入力端子は正極側電源ＶＣＣと接続されている。第１スイッチ２０１の一端は第１定電流源３０１の出力端子と接続され、他端は第１コイル１０１の一端と接続されている。第２スイッチ２０２の一端は第２定電流源３０２の出力端子と接続され、他端は第２コイル１０２の一端と接続されている。第３スイッチ２０３の一端は第３定電流源３０３の出力端子と接続され、他端は第３コイル１０３の一端と接続されている。第１コイル１０１、第２コイル１０２及び第３コイル１０３の他端は負極側電源ＶＳＳと接続されている。
【００１９】
また、本実施形態におけるモータ制御部９０Ａは、アクチュエータ７０の目標変位量ΔＸｔと変位計８０によって計測された計測変位量ΔＸｓとの偏差ΔＸに比例ゲイン定数Ｋｐを乗算することで算出した操作量Ｃｐに応じて、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３のオン／オフを制御する。つまり、モータ制御部９０Ａは、目標変位量ΔＸｔと計測変位量ΔＸｓとを一致させるために必要なトルクに応じて、各スイッチのオン／オフを制御する。
【００２０】
続いて、上記のように構成されたトルクモータ１０Ａの動作原理について説明する。
第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の各々をオンにした場合に、第１コイル１０１、第２コイル１０２及び第３コイル１０３の各々に流れる電流をＩとする。このように各コイルに流れる電流が同一の場合、１つのコイルに電流が流れることで生じるトルクは、そのコイルの巻数に比例する。よって、巻数「１」の第１コイル１０１に電流Ｉが流れることで生じるトルクを「τ」とすると、巻数「２」の第２コイル１０２に電流Ｉが流れることで生じるトルクは「２τ」となり、巻数「４」の第３コイル１０３に電流Ｉが流れることで生じるトルクは「４τ」となる。
【００２１】
すなわち、トルク「τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１をオンにして第１コイル１０１に電流Ｉを流せば良い。トルク「２τ」が必要な場合は、第２スイッチ２０２をオンにして第２コイル１０２に電流Ｉを流せば良い。トルク「３τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１及び第２スイッチ２０２をオンにして第１コイル１０１及び第２コイル１０２に電流Ｉを流せば良い。トルク「４τ」が必要な場合、第３スイッチ２０３をオンにして第３コイル１０３に電流Ｉを流せば良い。
【００２２】
トルク「５τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１及び第３スイッチ２０３をオンにして第１コイル１０１及び第３コイル１０３に電流Ｉを流せば良い。トルク「６τ」が必要な場合は、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３をオンにして第２コイル１０２及び第３コイル１０３に電流Ｉを流せば良い。トルク「７τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の全てをオンにして第１コイル１０１、第２コイル１０２及び第３コイル１０３の全てに電流Ｉを流せば良い。
なお、当然、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の全てをオフにすればトルクは「０」となる。
【００２３】
このように、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３のオン／オフを切り替えることによって、トルクモータ１０Ａに発生するトルクを「０、τ、２τ、３τ、４τ、５τ、６τ、７τ」の８段階で制御することができる。言い換えれば、２のｎ乗（ｎはコイルの個数：本実施形態では「３」）の分解能でトルクモータ１０Ａに発生するトルクを制御できる。
【００２４】
従って、モータ制御部９０Ａは、フィードバック演算によって算出した操作量Ｃｐに応じて、例えばトルク「３τ」が必要ならば第１スイッチ２０１及び第２スイッチ２０２をオンにし、トルク「７τ」が必要ならば第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の全てをオンにするという制御を行う。ここで、各スイッチのオン／オフを切り替えるために、モータ制御部９０Ａからハイレベルまたはローレベルのデジタル信号（本実施形態では３ビットのデジタル信号）を制御信号として各スイッチに出力すれば良いため、トルクモータ１０Ａに発生するトルクをデジタル制御することが可能となり、従来のようにデジタル−アナログ変換機能を有する電流ドライバを使用する必要はなくなる。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、トルクモータ１０Ａに発生するトルクをデジタル制御することが可能となり、従来のようにデジタル−アナログ変換機能を有する電流ドライバを使用する必要はなくなるため、低コスト化及び部品実装スペースの省スペース化を図ることが可能である。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、トルクモータ１０Ａのアーマチュア１３に３個のコイルを巻いた場合を例示して説明したが、巻数を２ｉ−１とするコイルをさらに複数個設けるような構成としても良い（勿論、コイルの増設に応じてスイッチ、定電流源も増設する必要がある）。このようにアーマチュア１３に巻くコイルの個数（ｎ）を増やす程、トルクモータ１０Ａに発生するトルクを高分解能で制御することが可能となる。
【００２７】
（２）上記実施形態では、アーマチュア１３の片側のみにコイルを巻いた場合を例示して説明したが、アーマチュア１３の反対側にも同様にコイル、スイッチ、定電流源をそれぞれ３個ずつ設けることにより、信頼性向上のための冗長化を図るようにしても良い。
【００２８】
（３）上記実施形態では、トルクモータ１０Ａをノズルフラッパ機構に用いたサーボバルブを例示したが、その他のシステムに本実施形態のトルクモータ１０Ａを使用しても良いことは勿論である。
【００２９】
（４）上記実施形態では、アーマチュア１３に巻かれているｉ番目のコイルの巻数を２ｉ−１とした場合を例示して説明したが、図２に示すように、ｉ番目のコイルの巻数をｉとするような構成としても良い。すなわち、図２に示すトルクモータ１０Ｂのアーマチュア１３には、３個の第１コイル１０１Ｂ、第２コイル１０２Ｂ、第３コイル１０３Ｂが巻かれており、１番目の第１コイル１０１Ｂの巻数を「１」、２番目の第２コイル１０２Ｂの巻数を「２」、３番目の第３コイル１０３Ｂの巻数を「３」としている。
【００３０】
図２のようなコイルの巻数を採用した場合、巻数「１」の第１コイル１０１Ｂに電流Ｉが流れることで生じるトルクを「τ」とすると、巻数「２」の第２コイル１０２Ｂに電流Ｉが流れることで生じるトルクは「２τ」となり、巻数「３」の第３コイル１０３Ｂに電流Ｉが流れることで生じるトルクは「３τ」となる。
【００３１】
すなわち、トルク「τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１をオンにすれば良い。トルク「２τ」が必要な場合は、第２スイッチ２０２をオンにすれば良い。トルク「３τ」が必要な場合は、第３スイッチ２０３をオンにすれば良い。トルク「４τ」が必要な場合、第１スイッチ２０１及び第３スイッチ２０３をオンにすれば良い。トルク「５τ」が必要な場合、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３をオンにすれば良い。トルク「６τ」が必要な場合、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３をオンにすれば良い。なお、当然、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の全てをオフにすればトルクは「０」となる。
【００３２】
このように、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３のオン／オフを切り替えることによって、トルクモータ１０Ｂに発生するトルクを「０、τ、２τ、３τ、４τ、５τ、６τ」の７段階で制御することができる。また、この場合でも、アーマチュア１３に巻くコイルの個数（ｎ）を増やす程、トルクモータ１０Ｂに発生するトルクを高分解能で制御することが可能となる。
【００３３】
（５）上記実施形態では、アーマチュア１３に巻かれているｉ番目のコイルの巻数を２ｉ−１とした場合を例示して説明したが、図３に示すように、全てのコイルの巻数を同一（例えば「１」）とするような構成としても良い。すなわち、図３に示すトルクモータ１０Ｃのアーマチュア１３には、３個の第１コイル１０１Ｃ、第２コイル１０２Ｃ、第３コイル１０３Ｃが全て巻数「１」で巻かれている。
【００３４】
図３のようなコイルの巻数を採用した場合、巻数「１」の第１コイル１０１Ｃに電流Ｉが流れることで生じるトルクを「τ」とすると、第２コイル１０２Ｂに電流Ｉが流れることで生じるトルクも「τ」となり、また、第３コイル１０３Ｂに電流Ｉが流れることで生じるトルクも「τ」となる。
【００３５】
すなわち、トルク「τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１をオンにすれば良い。トルク「２τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２、第３スイッチ２０３の内２つをオンにすれば良い。トルク「３τ」が必要な場合は、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２、第３スイッチ２０３の全てをオンにすれば良い。なお、当然、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３の全てをオフにすればトルクは「０」となる。
【００３６】
このように、第１スイッチ２０１、第２スイッチ２０２及び第３スイッチ２０３のオン／オフを切り替えることによって、トルクモータ１０Ｃに発生するトルクを「０、τ、２τ、３τ」の４段階で制御することができる。また、この場合でも、アーマチュア１３に巻くコイルの個数（ｎ）を増やす程、トルクモータ１０Ｃに発生するトルクを高分解能で制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るトルクモータと、当該トルクモータのアーマチュアにフラッパを連結して成るノズルフラッパ機構とを備えるサーボバルブの構成概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るトルクモータの変形例に関する第１説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るトルクモータの変形例に関する第２説明図である。
【図４】従来のサーボバルブの構成概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０Ａ…トルクモータ、１１、１２…永久磁石、１３…アーマチュア、１０１、１０２、１０３…コイル、２０１、２０２、２０３…スイッチ、３０１、３０２、３０３…定電流源、２０…フラッパ、５０…ノズル、６０…圧力入力部、７０…アクチュエータ、８０…変位計、９０Ａ…モータ制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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