(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の作動角度範囲内を揺動する可動磁石型の直流トルクモータにおいて、
電流と角度とトルクとの関係を、正方向の電流を流した場合に上記直流トルクモータが揺動する角度方向を正、そのとき得られるトルクの方向を正とし、負方向の電流を流した場合に上記直流トルクモータが揺動する角度方向を負、そのとき得られるトルクの方向を負としたとき、
上記正方向の一定電流により得られる正方向のトルクのうち、ピークトルクの位置が、上記作動角度範囲のうち角度の小さい側に偏在した角度−トルク特性を備え、
上記負方向の一定電流により得られる負方向のトルクのうち、ピークトルクの位置が、上記作動角度範囲のうち角度の大きい側に偏在した角度−トルク特性を備えることを特徴とする直流トルクモータ。
【請求項２】
コイルが巻かれた固定子と永久磁石からなる可動子とを有し、該可動子が所定の作動角度範囲内を揺動する直流トルクモータにおいて、
前記永久磁石及び前記コイルへの通電によって前記固定子内に形成される磁束量が、前記作動角度が前記可動子が前記固定子に対して反発する反発域にある間は飽和せず、前記作動角度が前記可動子が前記固定子に吸引される吸引域にある間で飽和する磁路が前記固定子に形成されていることを特徴とする直流トルクモータ。
【請求項３】
請求項２に記載する直流トルクモータにおいて、
前記固定子の最小断面積と前記固定子の飽和磁束密度の積から求まる磁束量が、前記コイル通電により形成される最大通電磁束量と前記永久磁石により形成される作動角度範囲における最大永久磁束量との和よりも小さいことを特徴とする直流トルクモータ。
【請求項４】
請求項３に記載する直流トルクモータにおいて、
前記固定子が、飽和磁束密度が１．６Ｔ（ステラ）以上の電磁鋼帯を重ね合わせて構成されていることを特徴とする直流トルクモータ。
【請求項５】
直流トルクモータを用いた駆動制御装置であって、
請求項１乃至請求項４に記載の直流トルクモータを備え、
上記直流トルクモータについて、前記作動角度によるフィードバック制御を行うことを特徴とする駆動制御装置。
【請求項６】
スロットル弁制御装置であって、
スロットル弁と、
前記スロットル弁を開閉動作させる請求項１乃至請求項４に記載の直流トルクモータと、
前記スロットル弁の開度の情報を出力するスロットル開度センサとを有することを特徴とするスロットル弁制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載するスロットル弁制御装置において、
前記スロットル弁を弁閉方向に付勢するバックスプリングを備え、
上記バックスプリングによるトルクに釣り合って上記スロットル弁の開度を保持する保持トルクを得るために前記直流トルクモータに流す保持コイル電流が、前記作動角度範囲内において、角度によらず略一定であることを特徴とするスロットル弁制御装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６に記載するスロットル弁制御装置において、
作動角度範囲内においてバックスプリングが発生させる最大トルク値が、一定の電流に対してほぼフラットなトルク特性の得られる領域の中に含まれていることを特徴とするスロットル弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応答性が高く制御が容易で、小型軽量な直流トルクモータ、および例えば制御バルブなど、これを用いた駆動制御装置、内燃機関等のスロットル弁制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、所定の作動角度範囲内でのみ軸を揺動可能としたトルクモータが知られている。例えば、特開平６−６９６４号公報においては、図１１の説明図に示すように、軟鉄心１０４の周囲に２つの永久磁石１０５、１０６が固着されて構成され、軸１０３の周りに揺動可能な回転子１０１と、これと空隙を形成して、極性部分１０９，１１０が対向して形成され、基部（図中上部）にコイル１１２が巻かれた略コ字状の固定子１０２と、からなる直流トルクモータ１００が記載されている。
このような直流トルクモータにおいては、所定の角度範囲内において、コイルに流す電流を一定としたとき、角度によらずトルクが略一定になるように、即ち、角度に対してトルクがフラットになるように設計される。例えば、上記公報においては、「回転子の行程のほぼ全体において一定電流で一定トルクを確保」することが記載されている（上記公報第３頁右欄第７、８行）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような特性を達成するには、固定子１０２の断面積（磁路断面積）を大きくする必要がある。固定子１０２には、回転子１０１に固着された磁石１０５，１０６による磁界のほか、コイル１１２に電流を流したときに形成される磁界が加わるが、可動子１０１の角度αによっては、この両者の磁界が同じ向きとなることがある。このとき、固定子１０２は、軟鉄心等の軟磁性体であるので、固定子１０２を通る磁束量が飽和すると、コイルに電流を流しても、磁束量がさほど増加しないので、磁束量の変化量に比例して発生するトルクが小さくなる。このため、磁束量が飽和しないように、磁路断面積を大きくすることが必要となるのである。
【０００４】
ところが、このようにして、固定子１０２の磁路断面積を大きくすると、固定子１０２の寸法、体積や重量が増加する。
また、直流トルクモータをその軸の角度（揺動角度）αによって制御する場合において、直流トルクモータを大きな角度にわたって揺動させるときには、応答性を高くするため、揺動の初期に大きなトルクが必要となる。しかし、揺動の終期には大きなトルクは不要である、また、小さな角度だけ揺動させる場合にも、さほど大きなトルクは必要ない。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、応答性が高く、小型軽量な直流トルクモータ、およびこれを用いた駆動制御装置、内燃機関等のスロットル弁制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
しかして、その解決手段は、所定の作動角度範囲内を揺動する可動磁石型直流トルクモータにおいて、電流と角度とトルクとの関係を、正方向の電流を流した場合に上記直流トルクモータが揺動する角度方向を正、そのとき得られるトルクの方向を正とし、負方向の電流を流した場合に上記直流トルクモータが揺動する角度方向を負、そのとき得られるトルクの方向を負としたとき、上記正方向の一定電流により得られる正方向のトルクのうち、ピークトルクの位置が、上記作動角度範囲のうち角度の小さい側に偏在した角度−トルク特性を備え、上記負方向の一定電流により得られる負方向のトルクのうち、ピークトルクの位置が、上記作動角度範囲のうち角度の大きい側に偏在した角度−トルク特性を備えることを特徴とする直流トルクモータである。
【０００６】
上記構成を有する本発明の直流トルクモータ（以下、単にモータとも言う）は、電流、角度及びトルクの方向を上記の如く取ったとき、上記のような角度−トルク特性を備える。
ここで、まず、角度を大きくする方向（正方向）にモータを揺動させようとする場合について考える。
そのうち大きく揺動させる場合、つまり、作動角度範囲の下限から上限まで揺動させる場合のように、小さな角度θ１から大きな角度θ２（θ１＜＜θ２）まで揺動させる場合、ピークトルクの位置が角度の小さい側に偏在している。このため、角度θの小さいうち、即ち、モータの動き始めで、トルクが大きく得られるので、素早く加速される。また、角度が大きくなってくると、即ち、モータの停止位置近くでは、得られるトルクが小さくなる。つまり、大きな角度（θ２−θ１）にわたって揺動させるにも拘わらず、モータを所望の角度θ２に素早く、スムーズに揺動させることができる。
一方、小さく揺動しようとする場合、角度の変化量が小さいので、応答速度も問題になることはないので、大きなトルクは不要である。従って、大きめの角度θ３からそれよりもやや大きな角度θ４（θ３＜θ４）までに揺動させようとする場合、ピークトルクの位置が角度の小さい側に偏在しているが、制御上問題はない。
【０００７】
ついで、上記とは逆に、角度を小さくする方向（負方向）にモータを揺動させようとする場合について考える。
そのうち、大きく揺動させる場合、つまり、作動角度範囲の上限から下限まで揺動させる場合のように、大きな角度θ５から小さな角度θ６（θ５＞＞θ６）まで揺動させようとする場合、ピークトルクの位置が角度の大きい側に偏在している。このため、角度θの大きいうち、即ち、モータの動き始めで、トルクが大きく得られるので、素早く加速される。また、角度が小さくなってくると、即ち、モータの停止位置近くでは、得られるトルクが小さくなる。つまり、大きな角度（θ５−θ６）にわたって揺動させるのも拘わらず、モータを所望の角度θ６に素早く、スムーズに揺動させることができる。
一方、小さく揺動しようとする場合、大きなトルクは不要であり、角度の変化量が小さいので、応答速度も問題となることはない。従って、小さめの角度θ７からそれよりもやや小さな角度θ８（θ７＞θ８）までに揺動させようとする場合、ピークトルクの位置が角度の大きい側に偏在しているが、制御上問題とならない。
つまり、大きく角度を変化させようとする場合には、十分加速できるように大きなトルクが得られ、高い応答性を得ることができ、一方、小さく角度変化させる場合には、得られるトルクが小さくなることがあるが、制御上問題はない。
【０００８】
また、他の解決手段は、コイルが巻かれた固定子と永久磁石からなる可動子とを有し、該可動子が所定の作動角度範囲内を揺動する直流トルクモータにおいて、永久磁石及びコイルへの通電によって固定子内に形成される磁束量が、作動角度が可動子が固定子に対して反発する反発域にある間は飽和せず、作動角度が可動子が固定子に吸引される吸引域にある間で飽和する磁路が前記固定子に形成されている。
さらに、上記直流トルクモータにおいて、前記固定子の最小断面積と前記固定子の飽和磁束密度の積から求まる磁束量が、前記コイル通電により形成される最大通電磁束量と前記永久磁石により形成される作動角度範囲における最大永久磁束量との和よりも小さいことを特徴とする。
さらに、上記直流トルクモータにおいて、前記固定子が、飽和磁束密度が１．６Ｔ（ステラ）以上の電磁鋼帯を重ね合わせて構成されていることを特徴とする。
【０００９】
直流トルクモータにおいて、ある角度にあるモータに生じるトルクＴは、磁石が固定子内に形成する磁界Ｈ０および磁束量Φ０に対して、コイルに電流を流すことで固定子内に形成される磁界Ｈｃによって、磁束量Φ０から磁束量Φに変化した変化量△Φ（＝Φ−Φ０）に比例する（Ｔ∞△Φ）。また、直流トルクモータにおいては、作動角度範囲は、主として磁石と固定子にできる磁極との間の反発力によってトルクが与えられる反発域と、この逆に、主として磁石と固定子の磁極との吸引力によってトルクが与えられる吸引域とに分けられる。すなわち、反発域とは、磁石で構成された可動子が固定子から受ける吸引力より反発力の方が大きい可動子の回転角度領域を言う。また、吸引域とは、可動子が固定子から受ける反発力より吸引力の方が大きい可動子の角度領域を言う。
さらに、直流トルクモータにおいては、例えば、角度が増える方向（正方向）に揺動（回転）させる場合、角度の小さい領域が反発域に、角度の大きい領域が吸引域になるように作動させる、つまりこのようになる向きにコイル電流を流す。逆に、角度が減る方向（負方向）に揺動させる場合、角度の大きい領域が反発域に、角度の小さい領域が吸引域になるように作動させる。つまり、例えば、作動角度範囲の端から端まで揺動させるなど、大きな角度にわたって揺動させる場合には、揺動の当初は常に反発域を用いる。
【００１０】
上記構成を有する本発明の直流トルクモータでは、固定子の磁路断面積が上記のようである。可動子が反発域にある場合には、磁石によって生じる磁界Ｈ０とコイルによって生じる磁界Ｈｃとは、逆向きとなり、固定子内を通る磁束量は減る方向に変化するので、飽和しない。従って、磁束量Φの変化量△Φが大きくなるため、大きなトルクが得られる。
一方、可動子が吸引域にある場合には、磁石によって生じる磁界Ｈ０とコイルによって生じる磁界Ｈｃとは、同じ向きとなる。ここで、固定子の磁路断面積が小さい場合には、磁界Ｈ０に磁界Ｈｃが加わっても、固定子を通る磁束量Φは、磁石による磁束量Φ０からそれほど増加した値にならない。固定子内の磁束量Φが飽和しているためである。このため、磁界Ｈｃによって磁界Ｈを増加させても磁束量Φがそれほど増加せず、磁束量Φの変化量△Φが小さくなるため、得られるトルクが小さくなる。
【００１１】
従って、かかるモータでは、反発域から吸引域まで角度が変化する場合のように、角度が大きく変化する場合には、大きなトルクで十分加速できるため、高い応答性を得ることができる。一方、吸引域内での小さな角度変化の場合には、得られるトルクが小さくなる場合があるが、それほど高いトルクは不要であるので、制御上問題はない。しかも、吸引域で磁束量が飽和する程度の小さな磁路断面積を有する固定子であるので、固定子の寸法、体積や重量が小さくて足り、直流トルクモータを小型軽量とすることができる。
【００１２】
なお、これらの直流トルクモータにおいて、低電流を流した場合の角度−トルク特性は、前記作動角度範囲において、角度に拘わらず略一定となっていることを特徴とすると良い。例えば、直流トルクモータに流しうる最大コイル電流、または、定格電流の２０％以下程度の低電流を流す場合は、もともと大きなトルクを要しない場合であると考えられる。このような場合には、角度に拘わらずトルクが略一定の特性となっていれば、角度によってフィードバック制御の係数を変更させるなどの調整が不要あるいは容易となり、制御アルゴリズムが簡単になるなど、制御が容易になるからである。
【００１３】
さらに、他の解決手段は、直流トルクモータを用いた駆動制御装置であって、上記の直流トルクモータを備え、上記直流トルクモータについて、前記角度によるフィードバック制御を行うことを特徴とする駆動制御装置である。
【００１４】
上記構成を有する本発明の駆動制御装置は、上記のような角度−トルク特性を有する直流トルクモータを用い、角度によるフィードバック制御を行っている。このため、大きく揺動軸の角度を変化させようとする場合には、大きなトルクで加速するので、応答性の高い角度制御が可能である。一方、小さな角度変化でも、問題なく安定な角度制御が可能である。つまり、高応答性で安定な制御が可能となる。
ここで、角度によるフィードバック制御としては、揺動軸の角度を直接計測してフィードバック制御する場合だけでなく、装置に応じ、例えば弁の開度など、角度に対応する物理量を計測し、その物理量を用いて間接的に角度を制御することも含まれる。
また、フィードバック制御の手法としては、現在の角度と所望角度との偏差を基に、ＰＤ制御やＰＩＤ制御を行うことが挙げられるが、駆動制御装置の制御精度等を考慮して、ロバスト制御、Ｈ∞制御など他の制御手法によっても良い。
このような駆動制御装置としては、例えば、内燃機関のスロットル弁の開閉を制御する駆動制御装置が挙げられるが、その他、各種の弁の開閉を制御する弁駆動制御装置や、各種の機械装置における揺動軸の角度制御装置などが挙げられる。
【００１５】
さらに、他の解決手段は、スロットル弁制御装置であって、スロットル弁と、上記スロットル弁を開閉させる上記記載の直流トルクモータと、上記スロットル弁の開度の情報を出力するスロットル開度センサと、を備えることを特徴とするスロットル弁制御装置である。
【００１６】
上記構成を有する本発明のスロットル弁制御装置は、前記角度−トルク特性を有する直流トルクモータを用いてスロットル弁を開閉させ、さらにスロットル開度センサを備える。このため、このスロットル開度センサの出力を用いてフィードバック制御を行えば、スロットル弁の開度を大きく変化（例えば、全閉から全開に、あるいは全開から全閉に）させようとする場合には、動き始めにおいて大きなトルクでスロットル弁の揺動を加速することができ、高い応答性が得られる。一方、小さな開度変化をさせるときには、得られるトルクが小さい場合があるが問題はなく、容易かつ安定にスロットル弁を所望の開度に制御できる。
また、直流トルクモータを、固定子の断面積を小さくすることにより小型軽量化できるので、スロットル弁制御装置全体を小型軽量とすることができる。
ここで、スロットル開度センサとしては、開度が検出できるものであればいずれのものでも良いが、例えば、ポテンショメータを用いたものやロータリーエンコーダ等が挙げられる。
【００１７】
ここで、上記のスロットル弁制御装置において、前記スロットル弁を弁閉方向に付勢するバックスプリングを備え、上記バックスプリングによるトルクに釣り合って上記スロットル弁の開度を保持する保持トルクを得るために前記直流トルクモータに流す保持コイル電流が、前記作動角度範囲内において、角度によらず略一定であることを特徴とするスロットル弁制御装置とするのが好ましい。
例えば、直流トルクモータの最大電流値が５Ａである場合、本発明の直流トルクモータでは、スロットル弁の作動角度によらず、スロットル弁を現在位置に保持するための保持電流が約１Ａに一定である。
【００１８】
スロットル弁制御装置においては、モータの故障時等にスロットル弁を自動的に閉じるため、スロットル弁を弁閉方向に付勢するバックスプリングを備えるものがある。このバックスプリングは、小さなバネ定数に、従って、バックスプリングによるトルクは、開度が大きくなっても、さほど増えないようにされている。このようなスロットル弁制御装置では、通常時（正常時）において、スロットル弁をある開度に保持（維持）するには、このバックスプリングの付勢によるトルクと釣り合うような保持トルクを発生させるコイル電流（保持コイル電流）を、モータに流すのである。
そこで、この保持コイル電流が、作動角度範囲内において、角度によらず略一定、つまり、スロットル弁の全閉から全開の範囲内において、スロットル弁の開度によらず略一定である場合には、スロットル弁の開度について、フィードバック制御を行うにあたり、開度毎にフィードバック制御の係数を変化させるなどの調整が不要あるいは容易であるので、制御用アルゴリズムが簡単になるなど、フィードバック制御が容易になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
ついで、本発明の実施の形態を、図面と共に説明する。図１は、本実施形態にかかる直流トルクモータ１０の形状を示す説明図である。この直流トルクモータ１０は、単極可動磁石型直流トルクモータである。すなわち、このモータ１０は、軸３を中心にした円柱状で、電磁軟鉄からなる鉄心４の周囲に、半円筒形の永久磁石５，６を固着した可動子１と、略コ字形状であって、その端部にはそれぞれ可動子１と所定の空隙を保って対向する第１磁極部７、第２磁極部８が形成され、基部（図中上方）にはコイル９が巻き付けられた、固定子２とからなる。ここで、固定子２は、飽和磁束密度１．６Ｔ（ステラ）以上の電磁鋼帯を重ね合わせたものである。図１（ｂ）に図１（ａ）のＸＸ断面図を示す。電磁鋼帯を重ね合わせて構成しているので、四角形状となっている。ＸＸ断面における断面積は、Ａｃｍ2である。
【００２０】
鉄心４に固着された永久磁石５，６は、互いに逆方向に磁化されている。つまり、磁石５は、表面（外周面）側がＮ極で、裏面（内面）側がＳ極とされ、一方、磁石６は、表面（外周面）側がＳ極で、裏面（内面）側がＮ極とされている。この永久磁石５，６と、コイル９に流したコイル電流Ｉｃによって固定子の第１、第２磁極部７，８に発生する磁極との反発、吸引により、可動子１は、軸３の周りを所定角度範囲にわたって揺動する。なお、本実施形態のモータ１０においては、可動子１（軸３）の揺動角度θを、軸３を通り、第１磁極部７と第２磁極部８との間を通る中心線Ｂを基準とし、２つの磁石５，６の境界と軸３とを結ぶ線Ｃがなす角とし、図１中矢印の方向（時計方向）の角度θを正に取る。
本実施形態にかかるモータ１０は、原理上θ＝０〜１８０度の範囲で揺動可能であるが、θ＝０度または１８０度付近では、安定点となり、揺動方向が不定となること、トルクが極端に低下することから、本実施形態では、実際の揺動角度θの範囲を、θ＝４５〜１３５度の９０度の範囲に制限している。
なお、このモータ１０の固定子２の両腕部は、前記した従来例のモータ１００（図１１参照）や、後述する比較形態１のモータ１１０（図６参照）と異なり、２つの磁極部７，８に比べ他の部分がやや細く形成されている。すなわち、固定子２を磁束回路とし、固定子内を通る磁束量は、固定子２の断面積Ａが最も小さい部分（ＸＸ断面部）において、通る磁束量が飽和し易くされている。
【００２１】
ついで、本実施形態のモータ１０の角度θとトルクＴの関係を、図２に示す。図２は、ある角度θに可動子１（軸３）を固定した場合において、コイル電流Ｉｃを流したときに発生するトルクＴの大きさを、コイル電流Ｉｃをパラメータとして示している。なお、本実施形態では、横軸に角度θを取り、角度θが増加する方向に揺動する時のトルク（揺動トルク）Ｔを正とし、この逆に角度θが減少する方向に揺動する時の揺動トルクＴを負とした。また、正方向の揺動トルクＴを発生させるコイル電流Ｉｃの向きを正とし、逆に負方向の揺動トルクＴを発生させるコイル電流Ｉｃの向きを負として表示した。
従って、本実施形態のモータ１０は、図２中、実線で示す作動角度範囲θ＝４５〜１３５度において、正方向のコイル電流Ｉｃを流すと、正方向の揺動トルクＴを、負方向のコイル電流Ｉｃを流すと、負方向の揺動トルクＴを発生する。
【００２２】
ここで、図２に示すモータ１０の角度−トルク特性を見ると、最大コイル電流Ｉｃ＝±５Ａであるこのモータ１０において、比較的大きな正方向のコイル電流Ｉｃ＝２，３，４，５Ａの各グラフにおいては、揺動トルクＴのピーク（ピークトルク）が、角度θが小さい側（例えば、Ｉｃ＝５Ａの場合、ピークトルクは概略θ＝５０〜８０度の範囲）に偏在していることが判る。一方、比較的（絶対値の）大きな負方向のコイル電流Ｉｃ＝−２，−３，−４，−５Ａの各グラフにおいては、揺動トルクの負のピーク（ピークトルク）が、角度θが大きい側（例えば、Ｉｃ＝−５Ａの場合、ピークトルクは概略θ＝９５〜１３０度の範囲）に偏在していることが判る。
なお、比較的小さなコイル電流Ｉｃ＝１Ａおよび−１Ａの場合には、いずれも作動角度範囲θ＝４５〜１３５度において、ほぼフラットなトルク特性を有している。
【００２３】
モータ１０の上記特性は、定性的には以下に説明する理由によるものと考えられる。但し、説明を簡単にするため、残留磁束量については考慮しない。
まず、図３に示すように、コイル電流Ｉｃを流さない状態において、磁石５，６によって固定子２内に生じる磁界Ｈ０を横軸に、固定子２内を通る磁束量Φを縦軸にとる。磁界Ｈ０の強さは、可動子１の位置、すなわち、角度θに対応しており、θ＝０および１８０度で、極性が互いに反対であるがいずれも最大となり、θ＝９０度において、Ｈ０＝０となる。そこで、θ＝０〜９０度の範囲で固定子２内に発生する磁界を負、このときに固定子２内に生じる磁束の向きも負とし、θ＝９０〜１８０度の範囲で固定子２内に発生する磁界を正、このときに固定子２内に生じる磁束の向きも正とする。
すると、固定子２は軟磁性体（軟鉄）であるので、磁界Ｈ０と磁束量Φとは図３に示すような曲線となる。なお、破線で示す磁界に対応する、θ＝４５度および１３５度の位置では、モータ１０の可動子１は、それぞれ図３の下方に示す状態となる。このとき、固定子２内には、それぞれ実線で示す方向の磁界Ｈ０が発生している。なお、本図下方に示すモータ１０においては、可動子１の表面に現れる磁極（Ｎ極、Ｓ極）を明示するため、可動子１の磁石５，６は半円柱状であるかのように略記した。従って、本モータ１０は、θ＝４５〜１３５度の作動角度範囲において、磁界Ｈ０の強さが、２つの破線の間で変化することになる。
【００２４】
ついで、コイル９にコイル電流Ｉｃを流した場合を考える。この場合、コイル電流Ｉｃによっても磁界が発生する。図４は、上記図３に示すグラフと同じグラフであるが、横軸は、固定子２内に発生する磁界Ｈ、即ち、磁石５，６及びコイル９による磁界の和である。例えば、図４の左下方に示すように、可動子１が角度θ＝４５度に保持されている場合において、角度θを大きくする方向（正方向）に揺動させるためには、正方向のコイル電流Ｉｃを流すことで、図４の左下方の図に示すように、磁石５，６による磁界Ｈ０の方向とは逆向きの磁界Ｈ１を発生させ、磁石５，６と固定子２の磁極部とを反発させる必要がある。このため、固定子２内の磁界Ｈの強さはＨ１分だけ図中右方向に移動する。即ち、固定子２内の磁界Ｈの強さの絶対値が減少する。これにより、固定子２内の磁束量Φも、△Φ１だけ変化する（磁束量Φの絶対値が減少する）。すなわち、図中Φ４５で示す磁束量に減少している。
【００２５】
一方、図４の右上方に示すように、角度θが大きい場合、つまりθ＝１３５度の破線に近い状態、例えばθ＝１３０度において、さらに、角度θを大きくする方向（正方向）に揺動させるときにも、上記磁界Ｈ１を発生させた場合と同方向（正方向）のコイル電流Ｉｃを流して、同方向の磁界Ｈ２を発生させる。ただし、この場合には、図４の右下方の図に示すように、磁石５，６によって発生している磁界Ｈ０と磁界Ｈ２とは同方向となり、磁石５，６と固定子２の磁極部７，８とは互いに吸引する。このため、固定子２内の磁界Ｈの強さはＨ２分だけ図中右方向に移動する。すなわち、固定子２内の磁界Ｈの強さの絶対値が増加する。これにより、固定子２内の磁束量Φも、△Φ２だけ変化する（磁束量Φの絶対値が増加する）。図中Φ130で示す磁束量に増加している。
【００２６】
しかし、この場合の磁束量Φの変化量△Φ２は、上記した変化量△Φ１より小さくなる（△Φ１＞△Φ２）。
本実施の形態のモータ１０におけるコイル励磁電流と発生磁束との関係を図５に示す。横軸が励磁電流であり、最大５Ａである。縦軸が磁束である。励磁電流の最大値５Ａにおいて、磁束は１６ＫＷｂである。
磁石５，６によって発生する磁界Ｈ２の作動角度範囲における最大磁束は２２ＫＷｂであり、固定子の飽和磁束密度Ｂは、１．６Ｔ（ステラ）である。断面積Ａは、ＢとＡとの積、Ｂ＊Ａの値が、最大励磁電流５Ａにより発生する磁束１６ＫＷｂと磁石５，６により発生する磁束、２２ＫＷｂとの和である３８ＫＷｂより小さくなるように決定される。本実施の形態のモータ１０では、Ａ＝２．３７ｃｍ2としている。これにより、Ｂ＊Ａ＝３７．９ＫＷｂとなり、最大励磁電流により発生する磁束と磁石５，６により発生する磁束の和、３８ＫＷｂより僅かに小さくしている。
【００２７】
本実施形態のモータ１０では、固定子２の磁路断面積Ａが、さほど大きくされていないので、後者の場合、磁界Ｈの強さが増加しても、発生する磁束量Φが飽和して、磁束量Φがさほど増えないからである。これに対し、前者では、磁界Ｈの強さの絶対値が減少するため、磁束量Φの減少も大きくなる。
上記では、角度が増える方向（正方向）に揺動する場合について説明したが、角度が減る方向（負方向）に揺動させる場合において、コイル９により磁界Ｈ３，Ｈ４を発生させた場合でも、磁束量Φの変化量△Φ３，△Φ４の大きさは同様に、△Φ３＞△Φ４となる。
【００２８】
なお、上記の説明から判るように、正方向に揺動させる場合には、磁石５，６による磁界Ｈ０が負の場合、つまり、図４にグラフにおいて、左半分側、即ち、角度θが、θ＝０〜９０度の範囲にある場合には、可動子１の磁石５，６と、固定子２の磁極部７，８との反発力によってトルクが発生する反発域となる。また、磁石５，６による磁界Ｈ０が正の場合、すなわち、角度θが、θ＝９０〜１８０度の範囲にある場合には、可動子１の磁石５，６と、固定子２の磁極部７，８との吸引力によってトルクが発生する吸引域となる（図２参照）。
これとは逆に、負方向に揺動する場合には、磁石による磁界Ｈ０が正の場合、つまり、図４にグラフにおいて、右半分側、すなわち、角度θが、θ＝９０〜１８０度の範囲にある場合には、括弧内に示すように反発域となる。また、磁石による磁界Ｈ０が負の場合、すなわち、角度θが、θ＝０〜９０度の範囲にある場合には、括弧内に示すように吸引域となる。
【００２９】
ところで、直流トルクモータに発生する揺動トルクＴは、磁束量Φの変化量△Φに概略比例する（Ｔ∞△Φ）。従って、上述したように、△Φ１＞△Φ２であるので、同じコイル電流Ｉｃを流しても、正方向に揺動させる場合には、角度θが小さい領域で大きなトルクが得られ、角度θが大きい領域では得られるトルクが小さくなる。同様に、△Φ３＞△Φ４であるので、負方向に揺動させる場合、角度θが大きい領域で大きなトルクが得られ、角度θが小さい領域では得られるトルクが小さくなる。これは、モータ１０についての角度−トルク特性（図２参照）の特徴と一致する。
【００３０】
上記したような特性（図２参照）を有しているモータ１０を用いた場合、以下のような利点がある。すなわち、大きく角度θを変化させる場合、例えば、角度θａ＝４５度からθｂ＝１３５度まで変化させる場合を考える。この場合に、応答性を良好にするには、揺動の当初に、十分加速する（高い角加速度を与える）必要がある。本モータ１０では、図２のグラフから判るように、正方向の揺動において、θが小さい範囲、即ち、反発域では、高いトルクが得られるため十分に加速できる。一方、停止位置であるθｂ＝１３５度近くでは、得られるトルクが小さくなるので、停止させやすくなる。つまり、θａ＝４５度からθｂ＝１３５度まで９０度にわたって角度θを変化させたにも拘わらず、応答性が高く、スムーズに揺動させることができる。
一方、角度θを小さく変化させる場合には、角度変化が小さいのであるから、大きな角加速度を与える必要はない。したがって、例えば、θｃ＝１２５度からθｄ＝１３５度まで変化させる場合には、図２のグラフから判るように、正方向の揺動において、θが大きい範囲、即ち、吸引域では、得られるトルクは小さいが、問題なく制御が可能となる。
また、負の揺動をさせる場合でも、同様に、大きな角度変化の場合には、応答性が高く、スムーズに揺動させることができ、小さな角度変化の場合には、制御が容易となる。
【００３１】
特に、本モータ１０においては、前記したように、コイル電流Ｉｃ＝１Ａ、−１Ａの場合には、角度θに拘わらずトルクＴが変化しない、フラットな角度−トルク特性をもつ。このような低電流を流す場合というのは、もともと大きなトルクを必要としない場合であり、従って、これよりも高いコイル電流Ｉｃを流す場合のように、ピークトルクを偏在させる必要がない。むしろ、トルクＴが角度θによって変化しないので、角度によるフィードバック制御によってモータ１０を駆動する場合に、角度に応じて制御係数を変更するなどの調整が不要、あるいは容易となるので、フィードバック制御のアルゴリズムが簡略化できるなど、制御が容易となる。
【００３２】
（比較形態１）
このようなモータ１０に対して、固定子の磁路断面積を増やした比較形態のモータ１１０を、図６（ａ）に示す。このモータ１１０の可動子１は上記実施形態１のモータ１０と同じであるが、モータ１０に比べ、固定子１１２の断面積Ｍ２が大きくされている（Ｍ２＞Ｍ１）点が異なる。即ち、固定子１１２が、モータ１０の固定子２よりも太く（幅広に）されて、磁極部１１７，１１８を含め固定子１１２のいずれの部分も、ほぼ同じ断面積になっている。
ついで、このモータ１１０について、実施形態１と同様にして測定した角度−トルク特性を、図６（ｂ）に示す。このグラフから判るように、モータ１１０においては、θ＝４５〜１３５度の作動角度範囲において、反発域のみならず、吸引域でも、つまり全体にわたって、揺動トルクＴが角度θによらずほぼ一定にされている。これは、固定子２２の断面積Ｍ２が大きくされたため、コイル電流Ｉｃによる磁界が加わっても、固定子２２の磁束量Φが飽和しないため、十分大きなトルクＴが得られると考えられる。
このような特性のモータ１１０は、前記した従来のモータに相当すると考えられるが、角度θによらず、コイル電流Ｉｃによって得られるトルクがほぼ一定となるので、制御が容易となる。しかし、図５（ａ）から容易に理解できるように、モータ１１０はモータ１０に比して、軟鉄からなる固定子１１２の寸法や体積が相当大きくなり、従って、重量も、相当重くなる。このことから判るように、上記実施形態１のモータ１０のようにすれば、固定子２の寸法や重量を小さくして、小型軽量のモータとなし得る。
【００３３】
（実施形態２）
ついで、このモータ１０を用いた実施形態として、機械装置（駆動対象物）２２の揺動軸２１を、このモータ１０で揺動させる駆動制御装置２０について説明する。
この駆動制御装置３０においては、機械装置２２とモータ１０とが揺動軸２１で結ばれている。また、揺動軸２１の揺動角度を、例えば、ポテンショメータ等の角度センサ２３で検出している。この角度センサ２３のアナログ出力を、制御ユニット２４内のＡ／Ｄコンバータ２５でデジタル値に変換した後、別途入力される目標角度との偏差などからコンピュータ２６で、例えばＰＩＤ制御などの手法に従って所定の演算を行って駆動条件を算出する。その後、モータ駆動回路２７で、モータ１０のコイル電流Ｉｃの値を駆動条件に従って制御して、モータ１０のフィードバック制御を行っている。
【００３４】
ここで、モータ１０を用いると、揺動軸２１を大きく揺動させる場合には、揺動当初に大きなトルクで駆動できるため、大きな角加速度が得られるので応答性が高く、揺動の終了付近では、トルクが小さくなってスムーズに停止させうる。また、小さく揺動させる場合には、揺動角度の変化量が小さいので応答性を高くする必要はなく、得られるトルクが小さくても、問題を生じることはなく、安定した制御ができる。従って、応答性が高く制御が容易な駆動制御装置２０となる。しかも、前述したように、固定子２の寸法や重量が小さいため、モータ１０を小型軽量にすることができ、従って、駆動制御装置２０も、小型軽量とすることができる。
【００３５】
（実施形態３）
ついで、上記モータ１０を用いた実施形態として、モータ１０でスロットル弁を開閉するスロットル弁制御装置３０について説明する。図８に示すスロットル弁制御装置３０では、吸入管３２を径方向に貫くスロットル軸３１に、バタフライバルブ形式のスロットル弁３３が形成され、このスロットル軸３１を上記直流トルクモータ１０が、全閉から全開まで約９０度の角度にわたって揺動させる。さらに、このスロットル軸３１の揺動角度θ、すなわち、開度は、例えば、ポテンショメータからなるスロットル開度センサ３４によって検知できるようにされている。また、スロットル軸３１は、図中Ｌ字形状で示されたレバー３５を介して、バックスプリング３６によって弁閉方向（図中下方）に付勢されている。
なお、モータ１０の電源をｏｆｆしたり、モータ１０が故障した場合には、スロットル軸３１が弁閉方向（図中下方）に移動し、全閉に近い状態になると、レバー３５が全閉ストッパ３８に当接し、バックスプリング３６による付勢がスロットル軸３１に掛からない状態となる。この状態においては、リリーフスプリング３７によって、スロットル軸３１が弁開方向（図中上方）に付勢されるので、スロットル弁３３は、全閉状態よりも僅かに弁が開いた状態で保持される。
【００３６】
ここで、バックスプリング３６は、モータ１０のｏｆｆ時や故障時等にスロットル弁３３を自動的に閉じるため、スロットル弁３３を閉方向に付勢するものである。このバックスプリング３６は、例えば、巻き数の多いつる巻きバネなどが用いられ、小さなバネ定数に設定されている。従って、バックスプリング３６によって生じる弁閉方向へのトルク（バックトルク）Ｔｂは、スロットル弁３３の開度が大きくなってもさほど増えない、つまり、バックトルクＴｂは、開度に拘わらずほぼ一定となるようにされている。また、リリーフスプリング３７は、モータ１０の電源ｏｆｆ時やモータ１０が故障した場合等に、バックスプリング３６の付勢によってスロットル弁３３が完全に閉じてしまうのを防止し、スロットル弁３３を若干開いた状態に保持するため、スロットル軸３１を弁開方向に付勢するスプリングである。
【００３７】
なお、図８においては、リリーフスプリング３７及びバックスプリング３６の作用を示すため、図中矢印で示したように、スロットル弁３３の開き方向を上方向きとして記載している。しかし、容易に理解できるように、実際は、スロットル弁３３およびスロットル軸３１はこの軸の周りを揺動するし、バックスプリング３６およびリリーフスプリング３７は、それぞれこのスロットル軸３１をこの周りに捻る方向に付勢するものである。
図９にバックスプリング３６及びリリーフスプリング３７のトルクとスロットル弁開度との関係を示す。Ｔｈ１は、バックスプリング３６によるトルク量及び摩擦等のばらつきを含めた最大閉じトルク量を示している。またＴｈ２は、リリーフスプリング３７によるトルク及び摩擦等のばらつきを含めた最大開きトルク量を示す。
モータ１０における保持トルクは、Ｔｈ１＝１．５Ｋｇ・ｃｍが最大となる。この最大の保持トルクが、直流トルクモータに一定電流を加えた時にほぼフラットなトルク特性を得られる領域の中に含まれれば、リニアな電流値の制御でバックスプリング３６に打ち勝ってスロットル弁３３をリニアに制御できるので、制御用アルゴリズムが簡単になる等フィードバック制御が容易となる。
【００３８】
本実施形態においては、モータ１０の揺動角度θが、そのままスロットル軸３１の揺動角度に対応している。即ち、モータ１０の鉄心４（図１参照）をその軸方向（図１において紙面に垂直な方向）に延ばしたものをスロットル軸３１として用いている。そこで、本実施形態では、モータ１０の揺動角度θ＝４５度の状態をスロットル弁３３の全閉状態に、またθ＝１３５度の状態をスロットル弁３３の全開状態に、それぞれ対応させて、９０度の揺動角度によって、スロットル弁３３の全閉から全開までの動作を実現する。従って、図３、図４に示すグラフにおいても、θ＝４５度およびθ＝１３５を示す破線は、括弧内に示すようにそのままスロットルバルブ３３の全閉及び全開の状態に対応する。
従って、モータ１０における揺動角度θの正方向は、スロットル弁３３の開度では開き方向（開き側）に対応し、角度θの負方向は、閉じ方向（閉じ側）に対応する。また、角度θの小さい側は、スロットル弁３３の閉じ側を指し、角度θの大きい側は、開き側を指す。
【００３９】
ついで、図１０に、このスロットル弁制御装置３０をエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵともいう）４１に接続して制御する様子を示す。この装置全体は、上記実施形態２における駆動制御装置２０に相当するスロットル弁制御システム４０となる。
上記した構成を有するスロットル弁制御装置３０のうち、スロットル開度センサ３４の出力は、ＥＣＵ４１に入力される。なお、図１０では、バックスプリング３６等の記載は省略し、スロットル弁制御装置３０を簡略化して記載している。このＥＣＵ４１では、スロットル開度センサ３４からのアナログ出力をＡ／Ｄコンバータ４２によりデジタル値のスロットル開度信号Ｓｉｇ１に変換する。一方、運転者が操作するアクセル（図示しない）の踏み込み量を検出する、ポテンショメータからなるアクセルセンサ４６のアナログ出力も、第２Ａ／Ｄコンバータ４５でデジタル値の要求開度信号Ｓｉｇ２に変換する。ついで、スロットル開度信号Ｓｉｇ１の要求開度信号Ｓｉｇ２に対する偏差などから、コンピュータ４３で、例えばＰＩＤ制御などの制御手法に従って所定の演算を行って駆動条件を算出する。この駆動条件に従い、モータ駆動回路４４で、モータ１０のコイル電流Ｉｃの値を制御することで、スロットル弁制御装置３０（モータ１０）がフィードバック制御される。
【００４０】
ここで、モータ１０は、前述した角度−トルク特性（図２参照）を持つので、軸３、即ち、スロットル軸３１を大きく揺動させる場合には、揺動当初に大きなトルクでスロットル軸３１およびスロットル弁３３を揺動させ、大きな角加速度を得ることができる。従って、例えば、スロットル弁３３を全閉付近（θ＝４５度付近）から全開付近（θ＝１３５度付近）まで、あるいはこの逆に全開から全閉まで変化させる場合などにおいて、スロットル弁３３の応答性を高くすることができる。また、揺動の終了付近では、得られるトルクが小さくなるのでスムーズに停止させうる。一方、小さく揺動させる場合には、揺動角度θの変化量が小さいため応答性を高くする必要はないので、得られるトルクが小さくても問題を生じることはなく、安定した制御ができる。しかも、前述したように、固定子２の寸法や重量が小さいため、モータ１０を小型軽量にすることができ、従って、スロットル弁制御装置３０も、小型軽量とすることができる。従って、応答性が高く、安定な制御が可能であり、しかも小型軽量なスロットル弁制御装置３０とすることができる。
【００４１】
ところで、本スロットル制御装置３０は、上記したように、通常の作動状態においては、スロットル軸３１がバックスプリング３６によって弁閉方向に付勢されている。従って、スロットルバルブ３３をある開度、従って、モータ１０の揺動角度θをある角度θｈに保持したい場合には、正方向の保持コイル電流Ｉｃｈを流して、バックスプリング３６の付勢によるバックトルクＴｂとほぼ釣り合う弁開方向の保持トルクＴｈを発生させる必要がある。
なお、バックスプリング３６は、上記したように小さいバネ定数に設定されているので、バックトルクＴｂは、スロットル弁３３の開度が大きくなってもさほど増えない。バネ定数が大きく、バックトルクＴｂが開度と共に大きく変動（増加）すると、バックトルクＴｂに抗してスロットル弁３３を全開状態に揺動させるのに、大きなトルク、従って、大きなコイル電流が必要となる。また、全開状態を保持するのにも、大きなバックトルクＴｂに釣り合う大きな保持トルクＴｈを発生させるため、大きな保持コイル電流Ｉｃｈを流すことが必要となり、消費電流（コイル電流）の無駄が多くなるからである。
【００４２】
ここで、図２の角度−トルク特性のグラフにおいて、上記バックトルクＴｂを示すと、実線で示すようになる。このバックトルクＴｂは、弁閉方向のトルクであるので、負の揺動トルクとして表される。これに対して、バックトルクＴｂに釣り合ってスロットル弁３３の開度を保持するために、モータ１０が発生すべき保持トルクＴｈは、バックトルクＴｂと横軸について線対称な一点鎖線で示す正のトルクとなる。
ここで、コイル電流Ｉｃ＝１Ａの場合の角度−トルク特性を見ると、Ｉｃ＝２Ａ以上の場合に、ピークトルクの位置が角度θが小さい側に偏在しているのとは異なり、角度θ＝４５〜１３５度の作動角度範囲にわたって、角度によらず得られるトルクがほぼ一定である。図２において、一点鎖線で示す保持トルクＴｈは、このＩｃ＝１Ａの場合の角度−トルク特性のグラフに隣接した位置にあるので、この保持トルクＴｈを得るための保持コイル電流Ｉｃｈも、角度θに拘わらず、Ｉｃｈ＝１Ａ弱のほぼ一定の電流値となることが判る。従って、スロットル弁３３の開度をある開度に保持するために、スロットル開度センサ３４の出力を使ってモータ１０をフィードバック制御する場合に、開度に応じてコンピュータ４３のフィードバック制御演算における係数を変化させるなどの調整が不要となるので、フィードバック制御が容易になる。
【００４３】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態１に示すモータ１０の作動角度範囲は、θ＝４５〜１３５度の９０度の範囲としたが、これに限定されることはなく、要求される角度範囲に合わせて適宜作動角度範囲を調整すればよい。また、単極の直流トルクモータ１０を示したが、多極であっても良い。
また、実施形態３において、スロットル弁３３の駆動制御を行うためのスロットル弁制御装置３０について説明したが、他の弁（バルブ）を駆動し制御する駆動制御装置に本発明適用しても良い。また、その他の機械の駆動制御装置に適用しても良い。
また、上記実施形態３のスロットル弁制御装置３０においては、モータ１０の鉄心４とスロットル軸３１とを共通の部材として用いたが、鉄心４とスロットル軸３１とを、別部材とし、ギヤやタイミングベルト等で鉄心４の揺動をスロットル軸３１に伝達するようにしても良いことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１にかかる直流トルクモータの形状を示す説明図である。
【図２】実施形態１にかかる直流トルクモータの角度−トルク特性を示すグラフである。
【図３】実施形態１にかかる直流トルクモータの角度−トルク特性が生じる理由を説明するための説明図のうち、コイルに電流を流さない状態において、固定子に生じる磁界および磁束量の関係を示すグラフである。
【図４】図３のグラフにコイルに電流を流した状態において固定子に生じる磁界および磁束量の関係を示すグラフである。
【図５】励磁電流と発生磁束との関係を示す図面である。
【図６】（ａ）は、固定子の磁路断面積を、実施形態１のモータより大きくした比較形態１の直流トルクモータの形状を、（ｂ）は、その角度−トルク特性を示すグラフである。
【図７】実施形態２にかかり、実施形態１の直流トルクモータを用いて機械装置を駆動する駆動制御装置を示す説明図である。
【図８】実施形態３にかかり、実施形態１の直流トルクモータを用いてスロットル弁を開閉するスロットル弁制御装置の構成を示す説明図である。
【図９】バックスプリング３６とリリーフスプリング３７によるトルクとスロットル開度との関係を示す図である。
【図１０】図７に示すスロットル弁制御装置をエンジン制御ユニットで制御する構成を示す説明図である。
【図１１】従来の直流トルクモータの形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１０            直流トルクモータ
１              可動子
２              固定子
３              軸
４              鉄心
５、６          永久磁石
７、８          磁極部
９              コイル
２０            駆動制御装置
２１            揺動軸
２２            機械装置
２３            角度センサ
２４            制御ユニット
２５、４２      Ａ／Ｄコンバータ
２６、４３      コンピュータ
２７、４４      モータ駆動回路
３０            スロットル弁制御装置
３１            スロットル軸
３２            吸気管
３３            スロットル弁
３４            スロットル開度センサ
３５            レバー
３６            バックスプリング
３７            リリーフスプリング
３８            全閉ストッパ
４０            スロットル弁制御システム
４１            エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
θ              揺動角度
【図１】
0003665710.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003665710.tif 000009
【図９】
0003665710.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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