【手続補正書】
【提出日】平成17年4月25日(2005.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    安定化静磁気トルクによる電気アクチュエータ及びこのようなアクチュエータを設けた絞り弁装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  透磁性の固定子体と、回転軸を中心に固定子体に対して限定回転角度にわたって旋回し得る永久磁石の回転子体とを具えている電気的アクチュエータであって、固定子体は回転子体に電磁トルクをかける電気的附勢手段を具え、前記電磁トルクは附勢手段に流れる電流値にほぼ比例し、且つ回転角度の第１関数に従って固定子体に対する回転子体の回転角度に依存し、固定子体はさらに回転角度の第２関数に従って回転角度に依存する静磁トルクを回転子体にかけるようにした電気的アクチュエータにおいて前記第１関数と第２関数とが実質上異なり、電流が予定値を有し、且つ電磁トルクと静磁トルクの和がほぼ０となる回転子体の各平衡位置に対して、前記予定電流値を維持したまま回転角度が増加する場合には、前記和が負の値を呈し、また前記予定電流値を維持したまま回転角度が減少する場合には、前記和が正の値を呈するようにしたことを特長とする電気的アクチュエータ。
【請求項２】  前記固定子体が回転子体に付加的な静磁トルクをかける補助永久磁石を具えることを特徴とする請求項1に記載の電気的アクチュエータ。
【請求項３】  前記回転子体が直径方向に磁化した円筒状の永久磁石を具えると共に、前記固定子体が回転子体の両側に直径方向に対向して配置した２個の磁極片を具え、前記第１関数は実質上cos(φ)関数に相当し且つ前記第２関数は実質上−sin(2φ)関数に相当し、ここでφは固定子体に対する回転子体の回転角度としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気的アクチュエータ。
【請求項４】  前記磁極片がそれぞれ第１スロット及び第２スロットを具え、これらのスロットはそれぞれの磁極片の中央部に設けられ且つ回転子体の両側に直径方向に対向して配置され、また磁極片は回転子体の両側に直径方向に対向して配置した第３スロット及び第４スロットにより互いに離間され、第１、第２、第３及び第４スロットはほぼ同じスロット幅を有し、さらに第１及び第２スロットの両側における各磁極片と回転子体との間に存在するギャップの幅が、第３及び第４スロットの両側における前記ギャップの幅より十分に大きくなるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電気的アクチュエータ。
【請求項５】  前記磁極片がそれぞれ第１スロット及び第２スロットを具え、これらのスロットはそれぞれの磁極片の中央部に設けられ且つ回転子体の両側に直径方向に対向して配置され、またこれらの磁極片は回転子体の両側に直径方向に対向して配置した第３スロット及び第４スロットにより互いに離間され、第１及び第２スロットの幅が第３及び第４スロットの幅よりも十分に大きくなるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電気的アクチュエータ。
【請求項６】  前記第１スロット内に第１補助永久磁石を収納し、且つ第２スロット内に第２補助永久磁石を収納し、第１及び第２補助永久磁石は等方向に磁化され、付加的な静磁トルクは実質上−cos(φ)関数に従って回転角度に依存するようにしたことを特徴とする請求項２に従属する請求項４又は請求項５に記載の電気的アクチュエータ。
【請求項７】  内燃機関の空気取り入れ口に用いる絞り弁装置であって、絞り弁ハウジングと、空気取り入れ口に接続可能な空気通路と、空気通路内で旋回できるよう絞り弁ハウジング内に軸支した絞り弁と、絞り弁を旋回させる電気的アクチュエータとを具えている絞り弁装置において、前記電気的アクチュエータを請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気的アクチュエータとしたことを特徴とする、絞り弁装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透磁性の固定子体と、回転軸を中心に固定子体に対して限定回転角度にわたって旋回し得る永久磁石の回転子体とを具えている電気的アクチュエータであって、固定子体は回転子体に電磁トルクをかける電気的附勢手段を具え、前記電磁トルクは、附勢手段に流れる電流値にほぼ比例し、且つ回転角度の第１関数に従って固定子体に対する回転子体の回転角度に依存し、固定子体はさらに回転角度の第２関数に従って回転角度に依存する静磁トルクを回転子体にかけるようにした電気的アクチュエータに関するものである。
【０００２】
本発明は、内燃機関の空気取り入れ口に用いる絞り弁装置であって、絞り弁ハウジングと、空気取り入れ口に接続可能な空気通路と、空気通路内で旋回できるよう絞り弁ハウジング内に軸支した絞り弁と、絞り弁を旋回させる電気的アクチュエータとを具えている絞り弁装置にも関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
冒頭にて述べた種類の電気的アクチュエータ及び絞り弁装置は、国際特許出願公開明細書第WO-A-95/34903号から既知である。この既知の絞り弁装置の絞り弁は、既知のアクチュエータによって空気通路内で旋回し得る。そのアクチュエータの固定子体には、回転子体に付加的な静磁トルクをかける補助永久磁石を設けてある。アクチュエータの回転子体及びこの回転子体に取付けられた絞り弁は、附勢手段に電流が供給されない場合は、前記付加的な静磁トルクの影響を受け休止位置に押しやられる。附勢手段に電流が供給されると、回転子体及び絞り弁は、附勢手段による電磁トルクの影響を受けて回転軸線を中心に動作位置まで限定回転角度にわたって旋回する。既知のアクチュエータには附勢手段に流れる電流を制御する電子制御ユニットが設けてある。この制御ユニットには、回転子体の固定子体に対する実際の回転角度値を測定するためのセンサーを具えているフィードバック制御ループが設けられている。さらにその制御ユニットは、所望な回転角度値に対応する入力信号を受信する電気的入力端子も具えている。制御ユニットは、実際の回転角度値が所望な回転角度値に等しくなるように、附勢手段に流れる電流を制御する。
【０００４】
従来のアクチュエータの欠点は、回転子体が電磁トルクの影響を受けて旋回し到達し得る動作位置の安定性が非常に低いということにある。従って従来のアクチュエータには、回転子体の所望の回転角度が乱れるのを回避するために、比較的複雑な制御ユニット、特にディジタル制御ユニットを設けなくてはならない。このような回転角度の乱れは、例えば絞り弁にかかる外部負荷の影響により生じ得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、冒頭にて述べた種類の、従来の電気的アクチュエータ及び絞り弁装置の欠点を回避する電気的アクチュエータ及び絞り弁装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的のために、本発明による電気的アクチュエータは、第１関数と第２関数が実質上異なり、電流が予定値を有し、且つ電磁トルクと静磁トルクの和がほぼ０となる回転子体の各平衡位置に対して、前記予定電流値を維持したまま回転角度が増す場合には前記トルクの和が負の値となり、前記予定電流値を維持したまま回転角度が減少する場合には、前記トルクの和が正の値となるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
前記目的に対する本発明による絞り弁装置は、これに使用する電気的アクチュエータを本発明による電気的アクチュエータとしたことを特徴とする。
【０００８】
電磁トルクが回転角度に依存する第１関数と、静磁トルクが回転角度に依存する第２関数とは実質上異なるから、回転子体の平衡位置、すなわち電磁トルクと静磁トルクの和がほぼ０となる固定子体に対する回転子体の回転角度は、附勢手段に流れる電流値により決定される。さらに、回転子体の各平衡位置について、前記平衡位置を決定する電流値を維持したまま回転角度が増す場合には、電磁トルクと静磁トルクの和が負の値を呈し、また電流値を維持したまま回転角度が減少する場合には、前記トルクの和が正の値を呈するから、平衡位置が例えば回転子体にかかる外部負荷の影響により乱れる場合でも、回転子体は電磁トルクと静磁トルクとの合成トルクの影響を受けて平衡位置に押しやられる。従って、電磁トルクと静磁トルクとの合成トルクは、回転子体の各平衡位置において安定化特性を有する。回転子体の各平衡位置は電流の予定値により決定され、また電磁トルクと静磁トルクとの合成トルクは各平衡位にて安定化特性を有するので、本発明による電気的アクチュエータは、例えば回転子体の回転角度を制御する簡単なアナログ制御ユニットのような比較的簡単な制御ユニットで満足に作動する。
【０００９】
本発明の好適例では、固定子体が回転子体に付加的な静磁トルクをかける補助永久磁石を具えるようにする。電流が附勢手段に供給されない場合に、固定子体が回転子体に及ぼす静磁トルクによって、回転子体は休止位置へと押しやられる。前記休止位置において、回転子体は、前記休止位置にて回転子体にかかる静磁トルクにより決定される力で機械的停止部に当接する。回転子体を休止位置に押しやり、且つ休止位置にて機械的停止部に当接させる力は、補助磁石の付加的な静磁トルクによって増加するため、回転子体に外部負荷の影響により生じ得る回転子体の休止位置の乱れは、可能な限り回避される。補助磁石の付加的な静磁トルクは、電磁トルクと静磁トルクとの合成トルクの安定化特性を損ねない。
【００１０】
さらに本発明の他の好適例では、回転子体が直径方向に磁化された円筒状の永久磁石を具えると共に、固定子体が回転子体の両側に直径方向に対向して配置した２個の磁極片を具え、第１関数は実質上cos(φ)関数に相当し且つ第２関数は実質上−sin(2φ)関数に相当し、ここでφは固定子体に対する回転子体の回転角度とする。このcos(φ)関数は、円筒状で直径方向に磁化された永久磁石を有する回転子体と、この回転子体の両側に直径方向に対向して配置された２個の磁極片を具える固定子体とを有する電気的アクチュエータの電磁トルクの特性である。ここでφ＝０°となるのは、回転子体の磁極が、固定子体が具える２つの磁極片の間に延在する仮想対称平面内に位置する場合である。−sin(2φ)関数に従って回転角度に依存する静磁トルクを有する電気的アクチュエータは、電磁トルクと静磁トルクとの合成トルクが安定化特性を呈する回転角度の値を比較的広い範囲で与える。従ってこの電気的アクチュエータは比較的広範囲の動作レンジを有する。特に、前記−sin(2φ)関数により、約−90度から約＋90度までの安定した動作レンジを得ることができ、全動作レンジを通して電流値と回転子体の平衡位置との間には一対一の関係が存在する。
【００１１】
本発明の他の好適例では、２つの磁極片がそれぞれ第１スロット及び第２スロットを有し、これらのスロットはそれぞれの磁極片の中央部に設けられ、且つ回転子体の両側に直径方向に対向して配置されるようにする。また磁極片は、回転子体の両側に直径方向に対向して配置されている第３スロット及び第４スロットにより互いに離間され、第１、第２、第３及び第４スロットの幅がほぼ等しくなるようにする。さらに、第１及び第２スロットの両側でそれぞれの磁極片と回転子体との間に存在するギャップの幅は、第３及び第４スロットの両側に存在する前記ギャップの幅よりも十分に大きくする。固定子体に前記第１、第２、第３及び第４スロットを設け、また磁極片と回転子体との間に前記異なるギャップ幅を設けることで、静磁トルクが回転角度に依存する−sin(2φ)関数が、非常に簡単且つ実用的な方法で得られる。
【００１２】
本発明のさらに他の好適例では、２つの磁極片がそれぞれ第１スロット及び第２スロットを有し、これらのスロットはそれぞれの磁極片の中央部に設けられ、且つ回転子体の両側に直径方向に対向して配置されるようにする。また磁極片は、回転子体の両側に直径方向に対向して配置されている第３スロット及び第４スロットにより互いに離間されており、第１及び第２スロットの幅は第３及び第４スロットの幅よりも十分に大きくする。前記異なるスロット幅を有する前記第１、第２、第３、及び第４スロットを固定子体に設けることで、静磁トルクが回転角度に依存する−sin(2φ)関数が、非常に簡単且つ実用的な方法で得られる。
【００１３】
本発明による電気的アクチュエータの特定例は、第１スロット内に第１補助永久磁石が収納され、また第２スロット内に第２補助永久磁石が収納されて、第１及び第２補助永久磁石は等方向に磁化され、且つ付加的な静磁トルクは実質上−cos(φ)関数に従って回転角度に依存するようにしたことを特徴とする。第１スロット及び第２スロットに補助磁石を収納することで、補助磁石は固定子体内に簡単且つ実用的に収納される。附勢手段に電流が供給されない場合には、−sin(2φ)関数による静磁トルクによって、回転子体はφ＝０°において平衡位置になる。−cos(φ)関数による付加的な静磁トルクで前記静磁トルクを増加させることで、附勢手段に電流が供給されない場合に生じる回転子体の平衡位置はφ＝−90°からφ＝０°の範囲内に位置する。補助磁石に適切な強度を与える場合には、φ＝−90からφ＝０°の間に機械的停止部を設け、この停止部により、附勢手段に電流が供給されない場合に、回転子体をしっかり押し当てる回転子体の休止位置を規定することができる。予定したしきい値よりも大きい値の電流が附勢手段に供給されると、回転子体は休止位置から動作位置へと回転し、この回転子体の回転角度は電流値の増加に伴って増し、また、電流値と、電磁トルク、静磁トルク及び付加的な静磁トルクの合成トルクがアクチュエータの全動作レンジにわたって０となる回転子体の回転角度との間には一対一の関係が存在する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面につき詳細に説明する。
【００１５】
図１に示した本発明による絞り弁装置は、管状の空気通路３及びフランジ５を有する絞り弁ハウジング１を具えており、このハウジングによって、絞り弁装置を不図示の内燃機関の空気取り入れ口又はマニホルドに接続することができる。この絞り弁装置はさらに、ディスク状の絞り弁７も具えており、これは空気通路３を経て直径方向に延在しているシャフト９に取付けられる。シャフト９は絞り弁ハウジング１のフランジ５内に枢支して、絞り弁７が空気通路３内で旋回し得るようにする。絞り弁７を旋回させると、空気通路３の開口及び内燃機関の燃焼室への空気流が変化する。
【００１６】
絞り弁７は本発明による電気的アクチュエータ11によって空気通路３内で旋回することができる。アクチュエータ11は透磁性の固定子体13を具えており、これは絞り弁ハウジング１のアクチュエータハウジング15内に取付けられ、またアクチュエータ11は永久磁石の回転子体17も具え、これは回転軸線19を中心に固定子体13に対して回動し得るようにシャフト９に取付けられている。図2A及び2Bに示すように、回転子体17は、直径方向に磁化されN極とS極とを有する円筒状の永久磁石21を具えている。固定子体13はＵ字状をしており、これは例えば焼結鉄のような高い透磁率を有する材料又は磁性鋼積層物で作られる。Ｕ字状の固定子体13は、基部27により相互接続された２個のリム23、25を具えている。固定子体13はさらに、電気コイル31を有する電気的附勢手段29を具えており、電気コイル31は固定子体13の基部27の周りに巻回され支持されている。固定子体13のリム23には磁極片33が設けられ、また固定子体13のリム25には磁極片35が設けられており、これらの磁極片は回転子体17の両側に直径方向に対向して配置されている。
【００１７】
さらに図2A及び2Bに示すように、磁極片33は回転子体17に面する湾曲面37を有し、また磁極片35も回転子体17に面する湾曲面39を有しており、これらの湾曲面37及び39は回転子体17を部分的に包囲する。湾曲面37と回転子体17との間にはギャップ41が存在し、また湾曲面39と回転子体17との間にはギャップ43が存在している。磁極片33の湾曲面37における中央部には第１スロット45が設けられ、また磁極片35の湾曲面39における中央部には第２スロット47が設けられている。第１スロット45及び第２スロット47は回転子体17の両側に直径方向に対向して配置されている。さらに磁極片33、35は、回転子体17の附勢手段29とは反対側に位置する第３スロット49と、回転子体17の附勢手段29に面する側に位置する第４スロット51とにより互いに離間されている。第３スロット49及び第４スロット51は回転子体17の両側に直径的に反対方向に配置されている。図2Aに示すように、第１スロット45、第２スロット47、第３スロット49及び第４スロット51の幅は、ほぼ等しいスロット幅ＷSである。さらに、磁極片33と回転子体17との間にあるギャップ41は、第１スロット45の両側に延在しギャップ幅がＷ1の第１部分53と、この第１部分53と第３スロット49との間に延在しギャップ幅がＷ2の第２部分55と、第１部分53と第４スロット51との間に延在しギャップ幅が同じくＷ2の第３部分57とを有している。第１部分53のギャップ幅Ｗ1は、第２部分55及び第３部分57のギャップ幅Ｗ2よりも十分に大きくする。同様に、磁極片35と回転子体17との間にあるギャップ43は、第２スロット47の両側に延在しギャップ幅がＷ1の第１部分59と、この第１部分59と第３スロット49との間に延在しギャップ幅がＷ2の第２部分61と、第１部分59と第４スロット51との間に延在しギャップ幅が同じくＷ2の第３部分63とを有している。さらに図2A及び2Bに示すように、第１スロット45内には第１補助永久磁石65が収納され、また第２スロット47内には第２補助永久磁石67が収納されている。補助磁石65、67は、第１補助磁石65が回転子体17に面する側にS極を、回転子体17と反対側にN極を有し、また第２補助磁石67が回転子体17に面する側にN極を、回転子体17と反対側にS極を有するように等方向に磁化する。
【００１８】
動作中には、回転子体17に機械的トルクＴR がかかる。この機械的トルクＴRは、電気コイル31に電流が供給される際に附勢手段29が回転子体17に及ぼす電磁トルクＴEMと、固定子体13の透磁性材料が回転子体17に及ぼす静磁トルクＴMSと、補助永久磁石65、67が回転子体17に及ぼす付加的な静磁トルクＴMMとからなる。直径方向に磁化した回転子体17と、この回転子体17の両側に正反対に対向して設けた２個の磁極片33、35とを用いることにより、電磁トルクＴEMは、附勢手段29に流れる電流値Ｉにほぼ比例する。さらにこの電磁トルクＴEMは、附勢手段29に流れる電流値Ｉに実質上従って回転子体17が固定子体13に対して回転する角度φに依存すると共に、さらにcos(φ)関数に実質上従って回転子体17が固定子体13に対して回転する角度φに依存する。ここでφ＝０°となるのは、回転子体17の磁極が、磁極片33、35間に延在する仮想対称平面69内に位置する場合であり、またφ＞０°となるのは、図2Bに示すように、回転子体17のN極が磁極片35の方を向く場合である。ほぼ等しい幅ＷSの４個のスロット45、47、49、51と、第１スロット45及び第２スロット47のそれぞれ両側のギャップ幅がＷ1及び第３スロット49及び第４スロット51の両側のギャップ幅が十分小さいＷ2のギャップ41、43を用いることにより、静磁トルクＴMSは実質上−sin(2φ)関数に従って回転角度φに依存する。さらに、付加的な静磁トルクＴMMは、補助磁石65、67が回転子体17に対して正反対に位置する第１スロット45及び第２スロット47内に収納されていることにより、実質上−cos(φ)関数に従って回転角度φに依存する。従って、電磁トルクＴEMと、静磁トルクＴMSと、付加的な静磁トルクＴMMとの合成トルクＴRは次のように表される。すなわち
【数１】
ＴR ＝ＴEM＋ＴMS＋ＴMM
＝ｋEM・Ｉ・cos(φ) −ｋMS・sin(2φ) −ｋMM・cos(φ) 
＝ｋEM・cos(φ)・｛Ｉ−ｋMM／ｋEM−２・ｋMS／ｋEM・sin(φ) ｝
……（１）
ここでｋEM、ｋMS及びｋMMは一定の正の係数であり、これらの係数は回転子体17、固定子体13、補助磁石65、67及び附勢手段29の形状、寸法及び物理的特性と材料特性とにより決定される。
【００１９】
補助永久磁石65、67を用いることにより、次のような効果がある。式（１）より、電流が附勢手段29に供給されていないアクチュエータ11の非附勢状態においては、アクチュエータ11に補助磁石65、67が設けられていない場合、すなわちｋMMが０の場合に、合成トルクＴR がφ＞０°に対して負、またφ＜０°に対して正となる。従って、ｋMMが０の場合に、φ＝０°によってアクチュエータ11の非附勢状態にて回転子体17の平衡位置となる。実際には補助磁石65、67を用いるので、アクチュエータ11の非附勢状態における回転子体17の平衡位置は、回転角度φ＝−sin−1（ｋMM／２ｋMS）に相当し、この位置はφ＝−90°とφ＝０°の間に位置する。図１に示すように、回転子体17には、アクチュエータハウジング15に取付けた機械的停止部73と協働するスタッド71が設けてある。このスタッド71及び機械的停止部73は、スタッド71が機械的停止部73に当接する回転子体17の休止位置にて、回転子体17の回転角度がφ0＞−sin−1（ｋMM／２ｋMS）となり、φ0 が図2Aに示すようにφ＝−50°となるような、φ＝−90°とφ＝０°との間に位置するように互に配置する。かくして回転子体17は、アクチュエータ11の非附勢状態にて補助磁石65、67の付加的静磁トルクの影響下で、前記休止位置φ0に押しやられる。補助磁石65、67には、例えばｋMM＞２ｋMSとなるような適切な強度を与える。かくして、電流が附勢手段29に供給されていない場合には、回転子体17及びこの回転子体17に結合された絞り弁７は、休止位置において機械的停止部73に強く押しつけられる。従って、例えば絞り弁７にかかる変動流力により、休止位置において起こり得る回転子体17と絞り弁７の振動が可能な限り阻止される。
【００２０】
図１に示すように、回転子体17と絞り弁７の休止位置は空気通路３内における絞り弁７のいわゆるリンプホーム位置に相当し、この位置は空気通路３の開口部が最小となる、絞り弁７のいわゆるアイドリング位置とは多少異なる。例えば絞り弁装置への電気的エネルギーの供給が不足する場合に生じる絞り弁７のリンプホーム位置においては、空気通路３の開口部により内燃機関の燃焼室に向けて少量の空気を流せるので、機関の緊急運転が依然可能である。機械的停止部73は機械的に調整可能であるので、絞り弁７のリンプホーム位置にて空気通路３を通る空気流を調整することができる。
【００２１】
−sin(2φ)関数にほぼ従う回転角度に依存する静磁トルクＴMSには次のような効果がある。式（１）より、アクチュエータ11に静磁トルクＴMSがかからない場合、すなわちｋMSが０の場合には、ＴR＝ｋEM・cos(φ)・（Ｉ−ｋMM／ｋEM）となる。従って、ｋMSが０の場合には、−90°から＋90°までの各φの値に対してＩ＞ｋMM／ｋEMならばＴRは正の値に、またＩ＜ｋMM／ｋEMならばＴR は負の値になる。すなわち、回転子体17はＩ＞ｋMM／ｋEMならばφ＝＋90°の位置に押しやられ、またＩ＜ｋMM／ｋEMならば休止位置φ0 に押しやられる。この状況においてφ＝φ0 とφ＝＋90°との間で回転子体17の安定位置を達成できるのは、附勢手段29を流れる電流値Ｉを制御するための高度なディジタル制御ユニットのような、比較的複雑な制御ユニットをアクチュエータ11に設ける場合だけであった。本発明によるアクチュエータ11には、−sin(2φ)関数にほぼ従って回転角度φに依存する静磁トルクＴMSを与えるので、式（１）より、電磁トルクＴEMと、静磁トルクＴMSと、付加的な静磁トルクＴMMとの合成トルクＴR は次のような場合に０となる。
【数２】
φTR=0＝sin−1｛（Ｉ・ｋEM−ｋMM）／２ｋMS｝            ……（２）
式（２）より、ＴR＝０における回転角度φTR=0は附勢手段29に流れる電流値Ｉの関数となる。式（２）によるφTR=0とＩの関係をφ0 ＜φ＜＋90°の範囲に対して図3Aに示すが、回転角度φのこの値の範囲内において、両者の関係は１対１、すなわち、図3Aに示す範囲Ｉ0＜Ｉ＜ＩMAX内で附勢手段29を流れる電流の各予定値Ｉは、固定子体13に対する回転子体17の平衡位置φを規定するのであり、この位置で電磁トルクＴEMと、静磁トルクＴMSと、付加的な静磁トルクＴMMとの合成トルクＴR は０になる。
【００２２】
式（１）からさらに次のようになる。
【数３】
δＴR／δφ＝（ｋMM−Ｉ・ｋEM）・sin(φ)−２ｋMS・｛１−２・sin2(φ)｝
……（３）
式（２）から、次式のような関係式が回転子体17の平衡位置において成立する。
【数４】
ｋMM−Ｉ・ｋEM＝−２ｋMS・sin(φ)                       ……（４）
式（４）を式（３）に代入すると、回転子体17の平衡位置において次の関係式が成立する。
【数５】
（δＴR／δφ）TR=0＝−２ｋMS・｛１−sin2 (φ) ｝      ……（５）
範囲φ0＜φ＜＋90°においては１−sin2 (φ)＞０であるから、範囲φ0＜φ＜＋90°において（δＴR／δφ）TR=0＜０となり、すなわち、附勢手段29に流れる電流のある予定値Iに対してＴR＝０となる回転子体17の各平衡位置に対し、例えば回転子体17に外部負荷がかかるために回転角度φが増加し且つ前記予定値Iが維持される場合には、ＴR の値が負となり、またこのような外部負荷がかかるために回転角度φが減少し且つ前記予定値Iが維持される場合には、ＴR の値が正となる。その結果、外部負荷の影響により回転子体17の平衡位置が乱されても、回転子体17は合成トルクＴRの影響を受けて、平衡位置へと戻される。従って、−sin(2φ)関数によるφに依存する静磁トルクＴMSを含む合成トルクＴR は、範囲φ0＜φ＜＋90°内の回転子体17の各平衡位置において安定な特性を呈する。
【００２３】
回転子体17の平衡位置を決めるのは、附勢手段29に流れる電流値Ｉであり、また合成トルクＴRは各平衡位置において安定な特性を呈するので、本発明による電気的アクチュエータ11は、例えば、固定子体13に対する回転子体17の角度φを制御するための簡易なアナログ制御ユニット75のような、比較的簡単な制御ユニットにより満足に作動させることができる。制御ユニット75を図１に概略的に示してあり、これは回転角度の所望値に対応する電気入力信号ｕφを受信するための第１電気入力端子77を具えている。この電気入力信号ｕφは、例えば図１には不図示の内燃機関の電子式モータ管理システムから入力される。制御ユニット75はさらに、シャフト９及びこのシャフト９に連結した絞り弁７の実際の回転角度を測定するために絞り弁ハウジング１に取付けたセンサー81から、実際の回転角度値に対応する電気入力信号ｕM を受信するための第２電気入力端子79を具えている。制御ユニット75は、附勢手段29に流れる電流値Ｉに比例し且つ図１には不図示の増幅器に供給する電気出力信号ｕI を出力するための電気出力端子83も具えている。
【００２４】
本発明による電気的アクチュエータ11の動作は次の通りである。附勢手段29に電流が供給されない場合は、回転子体17は休止位置φ0 にあり、また絞り弁７は上述したようにリンプホーム位置にある。図2A及び3Aに示した例においては、φ0＝−50°である。電流が附勢手段29に供給されても、Ｉ＜Ｉ0である限り回転子体17は休止位置φ0 に留まり、ここに、Ｉ0は休止位置φ0においてＴR＝０となるしきい値である。Ｉ＞Ｉ0となる場合に、回転子体17は合成トルクＴRの影響を受けて平衡位置φTR=0に向かう限られた回転角度にわたって旋回し、この平衡位置φTR=0は実質上式（２）により附勢手段29を流れる電流値Ｉにより決定される。電流値Ｉが増加すれば平衡位置φTR=0は大きくなるが、電流値Ｉが減少すれば平衡位置φTR=0は小さくなる。図１、2A及び3Aに示した例において、値φ＝−40°は空気通路３の開口部が最小となる絞り弁７のアイドリング位置に相当する。従って、値φ＝＋50°は空気通路３の開口部が最大となる絞り弁７のいわゆる全開位置に相当する。Ｉ＝Ｉ1の場合に得られるこの全開の位置は、図3Aにも示してある。なお、絞り弁装置には、この全開の位置にて回転子体17及び絞り弁７の回転を制限するための別の機械的停止部を設けることができる。図3Bには、−50°＜φ＜＋50°の範囲内でＩ0＜Ｉ＜Ｉ1 に対する合成トルクＴR と回転角度φとの関係を示してある。
【００２５】
上述した電気的アクチュエータ11においては、静磁トルクＴMSが回転角度φに依存する−sin(2φ)関数が、固定子体13に第１スロット45、第２スロット47、第３スロット49及び第４スロット51並びにギャップ41及び43を設けることにより非常に簡単且つ実用的に達成される。図４には本発明による電気的アクチュエータ85の第２実施例を示してあり、この例の電気的アクチュエータ85にも実質上−sin(2φ)関数に従って回転角度φに依存する静磁トルクＴMSが与えられる。図４では、電気的アクチュエータ85の部品で前述したアクチュエータ11の部品と対応するものには、同じ参照符号を付して示してある。電気的アクチュエータ85において、磁極片33の湾曲面37における中央部には第１スロット87が設けられ、また磁極片35の湾曲面39における中央部には第２スロット89が設けられている。第１スロット87及び第２スロット89は回転子体17の両側に直径方向に対向して配置されており、これらのスロット幅は等しくＷS1である。第１スロット87内には第１補助永久磁石91が収納され、また第２スロット89内には第２補助永久磁石93が収納され、補助磁石91、93は上述したアクチュエータ11の補助磁石65、67の磁化方向と同一方向に磁化する。さらに、アクチュエータ85の磁極片33、35は、回転子体17の附勢手段29とは反対側に位置する第３スロット95と、回転子体17の附勢手段29に面する側に位置する第４スロット97とにより互いに離間されている。第３スロット95及び第４スロット97は回転子体17の両側に直径的に反対方向に配置されており、これらのスロット幅は等しいスロット幅ＷS2である。図４に示すように、第１スロット87及び第２スロット89のスロット幅ＷS1は、第３スロット95及び第４スロット97のスロット幅ＷS2よりも十分に大きくする。湾曲面37と回転子体17との間には、ほぼ均一なギャップ幅ＷG を有するギャップ99があり、また湾曲面39と回転子体17との間には、ギャップ99と等しいほぼ均一なギャップ幅ＷG を有するギャップ101 がある。静磁トルクＴMSが回転角度に依存する−sin(2φ)関数は、電気的アクチュエータ85の固定子体13に、上述の異なるスロット幅ＷS1及びＷS2を有する第１スロット87、第２スロット89、第３スロット95及び第４スロット97を設けることにより非常に簡単且つ実用的に達成される。さらにこのアクチュエータ85には、アクチュエータ11の電磁トルクに相当する電磁トルク及びアクチュエータ11の付加的な静磁トルクに相当する付加的な静磁トルクが与えられる。
【００２６】
上述の電気的アクチュエータ11及び85において、電磁トルクＴEMは附勢手段29に流れる電流値Ｉにほぼ比例し、且つ実質上cos(φ)関数に従って回転角度φに依存するも、静磁トルクＴMSは実質上−sin(2φ)関数に従って回転角度φに依存する。なお本発明は、電磁トルクがアクチュエータの附勢手段に流れる電流値にほぼ比例し且つ回転角度の第１関数に従ってアクチュエータの固定子体に対する回転子体の回転角度に依存する電気的アクチュエータや、静磁トルクが回転角度の第２関数に従って回転角度に依存する電気的アクチュエータも対象とする。本発明によれば、このようなアクチュエータにおいて、前記第１関数が前記第２関数と実質上異なる場合でも、附勢手段に流れる電流の予定値でそれぞれ決まる、固定子体に対する回転子体の平衡位置が安定化され、また各平衡位置に対して、回転角度が増加する場合には電磁トルクと静磁トルクの合成トルクの値が負となり、回転角度が減少する場合には正の値となる。このような、上述のcos(φ)関数及び−sin(2φ)関数とは異なる第１関数及び第２関数は、回転子体、固定子体及び附勢手段の適切な形状、適切な大きさ及び適切な物理的材質的特性により達成することができる。このような代替第１関数及び第２関数の一例は、〔１−｛２φ／π｝2 〕にほぼ相当する第１関数及び−φ・〔１−｛２φ／π｝2 〕にほぼ相当する第２関数である。
【００２７】
さらに本発明は、回転子体に付加的な静磁トルクをかける補助磁石を設けていない電気的アクチュエータも対象とする。上述したように、補助磁石は、アクチュエータの非附勢状態において回転子体の平衡位置を最適化するために用いられるのであり、電磁トルク及び静磁トルクの合成トルクの安定化特性を損ねるものではない。
【００２８】
最後に、本発明による電気的アクチュエータは、シャフトの回転角度位置を一定値又は可変基準値に制御すべきとする他の装置にも適用可能である。この電気的アクチュエータは、例えば化学プラント若しくは発電所のサーボ起動弁、又は航空機の操縦面を偏向させる装置において使用することができる。アクチュエータは、伝動装置がないいわゆる主アクチュエータとして用いることができ、この場合には、上述した本発明の実施例におけるようにアクチュエータが旋回すべき物体を直接駆動する。また、このアクチュエータは回転運動を他の回転運動又は直線運動に変換する伝動装置と共に用いることもでき、この場合には、物体の直線位置を電気的アクチュエータにより正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  内燃機関の空気取り入れ口に用いられる、本発明による絞り弁装置を示す概略図である。
【図２】  図2Aは非附勢状態における図１の絞り弁装置に適用する、本発明による電気的アクチュエータの第１実施例の断面図であり、図2Bは附勢状態における図2Aの電気的アクチュエータの断面図である。
【図３】  図3Aは、図2Aの電気的アクチュエータにおける電流と平衡位置との関係を示し、図3Bは図2Aの電気的アクチュエータにおける電流及び回転角度と、電磁トルク、静磁トルク及び付加的な静磁トルクの合成トルクとの関係を示した図である。
【図４】  図１の絞り弁装置に使用する、本発明による電気的アクチュエータの第２実施例の断面図である。
【符号の説明】
３  中空空気通路
５  フランジ
７  ディスク状絞り弁
９  シャフト
11  電気的アクチュエータ
13  透磁性の固定子体
15  アクチュエータハウジング
17  永久磁石を有する回転子体
19  回転軸線
21  円筒状の永久磁石
23，25  リム
27  基部
29  電気的附勢手段
31  電気コイル
33，35  磁極片
37，39  湾曲面
41，43  ギャップ
45  第１スロット
47  第２スロット
49  第３スロット
51  第４スロット
53  第１部分
55  第２部分
57  第３部分
59  第１部分
61  第２部分
63  第３部分
65  第１補助永久磁石
67  第２補助永久磁石
69  仮想対称平面
71  スタッド
73  機械的停止部
75  アナログ制御ユニット
77  第１電気入力端子
79  第２電気入力端子
81  センサー
83  電気出力端子
85  電気的アクチュエータ
87  第１スロット
89  第２スロット
91  第１補助永久磁石
93  第２補助永久磁石
95  第３スロット
97  第４スロット
99, 101 ギャップ