(57)【要約】  サーボバルブが、メイン流体チャンバに内蔵され、２つのノズル間で直に動作して、２つのポート内に圧力差を生成するための小型フォースモータを有する。その小型フォースモータは、磁気的な向きが対向する２つの円環状磁石と、電機子ベースと、各電機子シャフト端においてパイロットステージバルブを形成するために接続するパイロット端を有する電機子シャフトに結合される、磁性材料のポペット端とを含む。電機子シャフトは、磁石、電機子ベース及びポペット端内の中心穴を貫通して延在し、各端部においてベアリング素子と係合し、それにより電機子が横方向に運動することができるようにする。２つの弾性部材が、電機子アセンブリに復元力を与える。ガイド／ストッパが、整形された磁性表面を有し、磁路を制御し、力対ストロークを直線化し、且つ電機子の比例ストロークを増やす。
2008502860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備える第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバと、
ステータコイルを有すると共に前記チャンバの円筒形部分を形成するステータを備えるフォースモータと、
前記チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートと
を備え、
前記フォースモータは、
前記ステータコイル内の電流に応答して前記チャンバ内で移動可能に弾性部材により前記チャンバのいずれかの端部に保持される電機子アセンブリであって、前記チャンバと接続することによって形成され且つそれぞれパイロットが前記第１のパイロットバルブシート及び前記第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される複数のパイロットバルブを備えた電機子アセンブリと、
該電機子アセンブリと接触して前記ステータの一部を形成する複数のガイド／ストッパと
を含むことを特徴とするサーボバルブ。
【請求項２】
前記電機子アセンブリは、
電機子ベースと、
該電機子ベースに取り付けられる複数の磁石と
をさらに備え、該複数の磁石は、軸方向において対向する向きに磁気分極される請求項１に記載のサーボバルブ。
【請求項３】
前記複数の磁石と軸方向において結合される磁性材料のポペット端をさらに備え、前記電機子アセンブリは、前記複数のポペット端及び前記電機子ベースのベアリング接触表面上で摺動する請求項２に記載のサーボバルブ。
【請求項４】
前記電機子ベース上で且つ前記複数のガイド／ストッパのうちの１つの上に配置される表面特徴をさらに備え、該表面特徴は、第１の空隙及び第２の空隙の磁路と、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の漏れ経路とを変更するように傾斜し、該表面特徴を調整することにより、印加される入力電流に対する磁力の直線性が調整される請求項２に記載のサーボバルブ。
【請求項５】
前記表面特徴のうちの１つは、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の磁束漏れ経路に影響を及ぼす傾斜特徴である請求項４に記載のサーボバルブ。
【請求項６】
前記複数のガイド／ストッパのうちの少なくとも１つのガイド／ストッパの表面特徴は、凹形を近似するように構成される階段状表面を含み、前記凹形の長さは、前記比例ストロークを長くするように調整することができ、前記比例ストロークの直線性は、前記階段状表面が前記凹形を近似する度合いによって調整される請求項４に記載のサーボバルブ。
【請求項７】
前記第１の空隙は、前記電機子ベースの第１の端部と前記複数のガイド／ストッパのうちの第１のガイド／ストッパとの間に形成され、前記第２の空隙は、前記電機子ベースの第２の端部と前記複数のガイド／ストッパのうちの第２のガイド／ストッパとの間に形成され、前記第１の空隙及び前記第２の空隙は、前記電機子アセンブリが前記チャンバ内で横方向に運動するのに応じて直接互いに反対の関係で変化する請求項４に記載のサーボバルブ。
【請求項８】
前記第１のポート及び前記第２のポートへの流体の流れは、前記電機子アセンブリの位置によって制御され、前記電機子アセンブリの前記位置は、前記ステータコイル内の前記電流の大きさ及び方向によって制御される請求項７に記載のサーボバルブ。
【請求項９】
前記ステータコイルは、前記チャンバを取り囲むボビンアセンブリの外周に巻きつけられ、電圧を印加されるときに、前記複数の磁石の磁束と相互作用して横方向への力を生成する磁束を生成する請求項２に記載のサーボバルブ。
【請求項１０】
前記ステータコイルによって生成される前記磁束は、前記ステータコイル内の前記電流の方向に基づいて、前記複数の磁石のうちの１つによって生成される前記磁束を強めるか、又は弱め、前記複数の磁石の別の磁石によって生成される前記磁束を強める請求項９に記載のサーボバルブ。
【請求項１１】
前記電機子アセンブリが前記チャンバ内で運動するのに応じて、前記複数のパイロットバルブの第１のパイロットバルブが徐々に開き、前記複数のパイロットバルブの第２のパイロットバルブが徐々に閉じて、それにより前記第１のポート及び前記第２のポートにおける圧力降下を変化させる請求項１に記載のサーボバルブ。
【請求項１２】
前記電機子アセンブリの表面上にテフロン（登録商標）の層が堆積され、ベアリングとしての役割を果たす請求項１に記載のサーボバルブ。
【請求項１３】
第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備える第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバと、
ステータコイルを有すると共に前記チャンバの円筒形部分を形成するステータを備えるフォースモータと、
前記チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートと
を備え、
前記フォースモータは、
前記ステータコイル内の電流に応答して前記チャンバ内で移動可能に弾性部材により前記チャンバのいずれかの端部に保持される電機子アセンブリであって、前記チャンバと接続することによって形成され且つそれぞれパイロットが前記第１のパイロットバルブシート及び前記第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される複数のパイロットバルブを備えた電機子アセンブリと、
該電機子アセンブリと接触して前記ステータの一部を形成し且つ外周ベアリング素子を用いて前記電機子アセンブリ上のポペット端と接触する複数のガイド／ストッパと
を含むことを特徴とするサーボバルブ。
【請求項１４】
前記外周ベアリング素子は、高密度ポリエチレンから形成される請求項１３に記載のサーボバルブ。
【請求項１５】
前記外周ベアリング素子は、摩擦接触表面として用いられる請求項１３に記載のサーボバルブ。
【請求項１６】
前記電機子アセンブリは、
電機子ベースと、
該電機子ベースに取り付けられる複数の磁石と
をさらに備え、該複数の磁石は、軸方向において対向する向きに磁気分極される請求項１３に記載のサーボバルブ。
【請求項１７】
前記外周ベアリング素子を用いて前記電機子アセンブリを前記複数のガイド／ストッパに接触させることから空隙が生じ、該空隙は、前記電機子アセンブリが外部からの振動力の影響下で横方向以外の方向に運動するときに、前記複数のガイド／ストッパ及び前記電機子ベースがさらに接触しないような大きさである請求項１６に記載のサーボバルブ。
【請求項１８】
前記電機子ベース上で且つ前記複数のガイド／ストッパのうちの１つの上に配置される表面特徴をさらに備え、該表面特徴は、第１の空隙及び第２の空隙の磁路と、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の漏れ経路とを変更するように傾斜し、該表面特徴を調整することにより、印加される入力電流に対する磁力の直線性が調整される請求項１６に記載のサーボバルブ。
【請求項１９】
前記表面特徴のうちの１つは、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の磁束漏れ経路に影響を及ぼす傾斜特徴である請求項１８に記載のサーボバルブ。
【請求項２０】
前記複数のガイド／ストッパのうちの少なくとも１つのガイド／ストッパの表面特徴は、凹形を近似するように構成される階段状表面を含み、前記凹形の長さは、前記比例ストロークを長くするように調整することができ、前記比例ストロークの直線性は、前記階段状表面が前記凹形を近似する度合いによって調整される請求項１８に記載のサーボバルブ。
【請求項２１】
前記ステータコイルは、前記チャンバを取り囲むボビンアセンブリの外周に巻きつけられ、電圧を印加されるときに、前記複数の磁石の磁束と相互作用して横方向への力を生成する磁束を生成する請求項１８に記載のサーボバルブ。
【請求項２２】
前記ステータコイルによって生成される前記磁束は、前記ステータコイル内の前記電流の方向に基づいて、前記複数の磁石のうちの１つによって生成される前記磁束を強めるか、又は弱め、前記複数の磁石の別の磁石によって生成される前記磁束を強める請求項２１に記載のサーボバルブ。
【請求項２３】
第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備える第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバと、
ステータコイルを有すると共に前記チャンバの円筒形部分を形成するステータを備えるフォースモータと、
前記チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートと
を備え、
前記フォースモータは、
前記ステータコイル内の電流に応答して前記チャンバ内で移動可能に弾性部材により前記チャンバのいずれかの端部に保持される電機子アセンブリであって、前記チャンバと接続することによって形成され且つそれぞれパイロットが前記第１のパイロットバルブシート及び前記第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される複数のパイロットバルブと、円筒形ベアリング素子と係合するように構成され且つ前記第１のパイロットバルブシートと前記第２のパイロットバルブシートとの間の中央に該電機子アセンブリを保持するように作用する前記弾性部材に結合される非磁性シャフトとを備えた電機子アセンブリと、
該電機子アセンブリと接触して前記ステータの一部を形成する複数のガイド／ストッパと
を含むことを特徴とするサーボバルブ。
【請求項２４】
前記円筒形ベアリング素子は、ベアリング表面において前記非磁性シャフトと係合する請求項２３に記載のサーボバルブ。
【請求項２５】
前記非磁性シャフトの各パイロット端は、前記電機子アセンブリが横方向に左右に運動するのに応じて、前記第１のパイロットバルブシート及び前記第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するように動作可能である請求項２３に記載のサーボバルブ。
【請求項２６】
前記円筒形ベアリング素子は、前記非磁性シャフトの１つのパイロット端と、前記第１のパイロットバルブシート及び前記第２のパイロットバルブシートのうちの一方との間の空間に流体が供給されるようにポートが設けられた請求項２３に記載のサーボバルブ。
【請求項２７】
前記電機子アセンブリは、
電機子ベースと、
該電機子ベースに取り付けられる複数の磁石と
をさらに備え、該複数の磁石は、軸方向において対向する向きに磁気分極される請求項２３に記載のサーボバルブ。
【請求項２８】
前記電機子ベース上で且つ前記複数のガイド／ストッパのうちの１つの上に配置される表面特徴をさらに備え、該表面特徴は、第１の空隙及び第２の空隙の磁路と、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の漏れ経路とを変更するように傾斜し、該表面特徴を調整することにより、印加される入力電流に対する磁力の直線性が調整される請求項２７に記載のサーボバルブ。
【請求項２９】
前記表面特徴のうちの１つは、前記複数のガイド／ストッパのうちの前記１つのガイド／ストッパと前記電機子ベースとの間の磁束漏れ経路に影響を及ぼす傾斜特徴である請求項２８に記載のサーボバルブ。
【請求項３０】
前記複数のガイド／ストッパのうちの少なくとも１つのガイド／ストッパの表面特徴は、凹形を近似するように構成される傾斜した階段状表面を含み、前記凹形の長さは、前記比例ストロークを長くするように調整することができ、前記比例ストロークの直線性は、前記階段状表面が前記凹形を近似する度合いによって調整される請求項２８に記載のサーボバルブ。
【請求項３１】
所望の凹形面を近似するように構成される前記傾斜した階段状表面は、前記シャフトから離れる方向に向かう窪みを有し、そのような階段状表面は、前記電機子アセンブリに向かって直径が徐々に小さくなる複数の円筒形表面をさらに含む請求項２８に記載のサーボバルブ。
【請求項３２】
前記ステータコイルは、前記チャンバを取り囲むボビンアセンブリの外周に巻きつけられ、電圧を印加されるときに、前記複数の磁石の磁束と相互作用して横方向への力を生成する磁束を生成する請求項２７に記載のサーボバルブ。
【請求項３３】
前記ステータコイルによって生成される前記磁束は、前記ステータコイル内の前記電流の方向に基づいて、前記複数の磁石のうちの１つによって生成される前記磁束を強めるか、又は弱め、前記複数の磁石の別の磁石によって生成される前記磁束を強める請求項３２に記載のサーボバルブ。
【請求項３４】
前記非磁性シャフトは、該非磁性シャフトに取り付けられる圧縮ばねを介して空間的に強化される請求項２３に記載のサーボバルブ。
【請求項３５】
前記非磁性シャフトは、前記ベアリング表面との接触を保持しながら、前記圧縮ばねを圧縮する磁束によって変位する請求項３４に記載のサーボバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的にはサーボバルブに関し、より詳細には、小型及び低コストを維持しながら、より耐久性のあるフォースモータを内蔵した油圧式サーボバルブ構造に関する。
【０００２】
［優先権の恩典及び関連出願の相互参照］
本特許出願は本出願人による以下の係属中の米国特許出願に関連する。
米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき先行する出願日の利益を主張する、２００４年６月１４日付出願の仮出願第６０／５７８，６９５号「Miniature Force Motor Embedded Pilot Stage for Servo Valve」。
米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき先行する出願日の利益を主張する、２００４年１２月１６日付出願の仮出願第６０／６３６，６５７号「Servo Valve with Embedded Miniature Force Motor with Improved Armature」。
米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき先行する出願日の利益を主張する、２００４年１２月１６日付出願の仮出願第６０／６３６，６０６号「Servo Valve with Embedded Miniature Force Motor with Stiffened Armature」。
【背景技術】
【０００３】
［背景情報］
サーボバルブは、電磁制御を用いる油圧システムにおいて用いられる種類のデバイスである。典型的には、電磁ステージがパイロットステージから分離され、パイロットステージは、より大きな表面積に差圧を印加することによって、より大きなバルブを動かすように作用することができる、圧力差がある流体の流れを生成するために用いられる。サーボバルブを利用する油圧システム全体に電子フィードバック制御をかけることができるように、電磁ステージが用いられる。電磁ステージは典型的には、ソレノイド、トルクモータ、又はフォースモータ構造である。ソレノイドの場合、力を印加することによって、円筒形素子がソレノイドコイルの中に移動し、電源が断たれるときに、ばねの復元力を用いて、その円筒形素子がコイルの外に移動する。その構造に永久磁石を追加することによって、線形フォースモータを構成することができ、それにより、電機子が、低い入力電力で両方向に電気的に駆動されるようになる。
【０００４】
サーボバルブシステムにおいて用いられるフォースモータのための現在の工業的設計は、１つの永久磁石と、１組のコイルとを用いて、２つの空隙において磁界を重ね合わせて、磁力差を生成する。コイルは、円筒形の空間を通って誘導される磁界を生成し、永久磁石は、コイルの磁界と相互作用する磁界を生成する。永久磁石は、静止している円筒形の電機子の外側に配置され、コイルが第１のステージのフォースモータとして構成される。従来技術の設計では、フォースモータはパイロットバルブの外部にあり、２つの圧力差流体流路内に圧力差を生成するためのフラップ／ノズルバルブ構造に接続される。２つの圧力差流体流路はその後、メインサーボバルブに接続され、そこで、圧力差を利用して、より大きなサーボバルブの素子が動かされ、大きな物体を動かすために、油圧によって生み出された力が増幅される。３つの独立した個別のステージを有することは、現在のサーボバルブのサイズを制限する。これらの応用形態の多くにおいて、現在のサーボバルブ構造のサイズによって、油圧サーボシステムの適用可能性が制限される。
【０００５】
振動性の高い応用形態において、フォースモータを内蔵したパイロットステージを用いるサーボバルブが用いられるとき、結果として電機子の摺動表面の摩耗を増大し、信頼性を損ねることになる撓みを食い止めるために、電機子は強化される必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それゆえ、小型及び低コストを維持しながら、より耐久性のあるフォースモータを内蔵したサーボバルブ構造が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［概要］
サーボバルブ構造は、２つのポペットバルブを介して流体が供給されるメインチャンバに結合される２つの独立した制御ポートを有している。サーボバルブを操作するためのフォースモータがサーボバルブに内蔵されている。チャンバ壁は、フォースモータのステータにおいて用いられる磁性材料のヨーク及び非磁性のボビン素子を含んだボビンアセンブリを備えている。チャンバは、チャンバ内に配置される可動電機子アセンブリとの磁気結合を提供する表面特徴を有するガイド／ストッパを有している。電機子アセンブリは、非磁性材料から構成される電機子シャフトと、磁性材料から成る電機子ベースと、互いに反対に磁気分極され且つ電機子シャフト上に嵌め込まれると共に非磁性リングによって保持される２つの内蔵された円環状の永久磁石とを備えている。電機子シャフトの両端は、電機子シャフトを支持する円筒形ベアリングに嵌め込まれ、さらに、電機子アセンブリが横方向に運動することを可能としている。電機子シャフトは、コイルが電源を断たれるときに、メインチャンバ内の長手方向中央に電機子アセンブリを保持するように構成される、各端部にあるベアリングによって懸吊されている。駆動コイルが、ボビンアセンブリの外周に巻きつけられ、コイル電流に応答して磁束を生成する。コイル内の電流の方向に応じて、コイルの磁束は、一方の空隙において磁石の磁束を強め、他方の空隙において磁石の磁束を弱める。このようにして、力の差が生成され、電機子は、２つの螺旋アルキメデスばねの復元力に打ち勝つように作用する磁力差によって、チャンバ内で長手方向に運動させられる。電機子シャフトは、それぞれが２つのパイロットバルブの一方を形成する２つの端部を有している。電機子アセンブリはメインチャンバ内で運動し、メインチャンバは戻りポートに接続される。電機子の位置に応じて、２つのパイロットバルブのうちの一方が開き、他方が閉じて、パイロットバルブの相対的な開口断面積に比例した圧力降下が生じる。このようにして、２つの制御ポートは圧力差を生み出す。これらの２つの制御ポートを用いて、さらに大きな、メインステージサーボバルブを制御する。
【０００８】
本発明のこの実施の形態では、電機子アセンブリは、いずれかの端部において円筒形ベアリングに嵌め込まれるポペット端を有する電機子シャフトによって支持される。この実施の形態では、電機子アセンブリと、メインチャンバを構成する素子との間に摺動接触はない。このようにして、電機子シャフトによって、電機子アセンブリの剛性が制御される。電機子アセンブリとメインチャンバとの間の隙間は、サーボバルブが横方向以外の方向において高い振動力を受けるときに、確実に接触しないようにするだけの大きさにされる。
【０００９】
電機子の表面特徴及びチャンバの表面特徴は、電機子が運動する範囲にわたって、磁束が最適化された直線力を確実に生成するように構成される。
【００１０】
本発明の別の実施の形態では、サーボバルブは、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバを備え、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップは、第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備えている。サーボバルブは、ステータを備えるフォースモータをさらに備えることができ、ステータはステータコイルを有すると共にチャンバの円筒形部分を形成する。フォースモータは、ステータコイル内の電流に応答して、チャンバ内で運動可能な電機子アセンブリをさらに備えることができる。電機子アセンブリは、弾性部材によって、チャンバのいずれかの端部上に保持されることができる。電機子アセンブリは、チャンバと接続することによって形成される複数のパイロットバルブを備えることができる。複数のパイロットバルブの各パイロットバルブは、パイロットが第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される。フォースモータは、電機子アセンブリと接触している複数のガイド／ストッパをさらに備えることができ、複数のガイド／ストッパはフォースモータのステータの一部を形成する。サーボバルブは、チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートをさらに備えることができる。
【００１１】
本発明の別の実施の形態では、サーボバルブは、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバを備え、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップは、第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備えている。サーボバルブは、ステータを備えるフォースモータをさらに備えることができ、ステータはステータコイルを有すると共にチャンバの円筒形部分を形成する。フォースモータは、ステータコイル内の電流に応答して、チャンバ内で運動可能な電機子アセンブリをさらに備えることができる。電機子アセンブリは、弾性部材によって、チャンバのいずれかの端部上に保持されることができる。電機子アセンブリは、チャンバと接続することによって形成される複数のパイロットバルブを含むことができる。複数のパイロットバルブの各パイロットバルブは、パイロットが第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される。フォースモータは、電機子アセンブリと接触している複数のガイド／ストッパをさらに備えることができ、複数のガイド／ストッパはフォースモータのステータの一部を形成する。さらに、複数のガイド／ストッパは、外周ベアリング素子を用いて電機子アセンブリ上のポペット端と接触する。サーボバルブは、チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートをさらに備えることができる。
【００１２】
本発明の別の実施の形態では、サーボバルブは、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップを有するチャンバを備え、第１のエンドキャップ及び第２のエンドキャップは、第１のポート及び第２のポートへの開口部を有する第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートを備えている。サーボバルブは、ステータを備えるフォースモータをさらに備えることができ、ステータはステータコイルを有すると共にチャンバの円筒形部分を形成する。フォースモータは、ステータコイル内の電流に応答して、チャンバ内で運動可能な電機子アセンブリをさらに備えることができる。電機子アセンブリは、弾性部材によって、チャンバのいずれかの端部上に保持されることができる。電機子アセンブリは、チャンバと接続することによって形成される複数のパイロットバルブを備えることができる。複数のパイロットバルブの各パイロットバルブは、パイロットが第１のパイロットバルブシート及び第２のパイロットバルブシートのうちの一方と接続するときに形成される。電機子アセンブリは、円筒形ベアリング素子と係合するように構成される非磁性シャフトをさらに備えることができ、非磁性シャフトは、第１のパイロットバルブシートと第２のパイロットバルブシートとの間の中央に電機子アセンブリを保持するように作用する弾性部材に結合される。フォースモータは、電機子アセンブリと接触している複数のガイド／ストッパをさらに備えることができ、複数のガイド／ストッパはフォースモータのステータの一部を形成する。サーボバルブは、チャンバに結合され、圧力下で流体を受け取るように構成される第３のポートをさらに備えることができる。
【００１３】
上記の内容は、以下に記述される本発明の詳細な説明をより十分に理解できるようにするために、本発明の特徴及び技術的利点をかなり幅広く略述している。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する、本発明のさらに別の特徴及び利点が後に記述されるであろう。
【００１４】
本発明、及びその利点をより完全に理解してもらうために、ここで、添付の図面と共に取り上げられる、以下の説明が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［詳細な説明］
以下の説明では、本発明を完全に理解してもらうために、多くの具体的な細部が記述される。しかしながら、そのような具体的な細部を用いることなく、本発明を実施できることは当業者には明らかであろう。大部分の部品の場合に、既知の素子等に関する細部は、そのような細部が本発明を完全に理解する上で必要ではなく、且つ関連技術の熟練者（当業者）の技能の範囲内にある限り省略されている。
【００１６】
本発明は、１つの電機子（電機子ベース、円板形永久磁石の２つの部品、及びポペット端を有する２つの部品を含む）、及び２つ以上の絶縁体から構成される、或る種の新しいコンパクトフォースモータ設計を提供する。フォースモータのステータは、コイル／ボビンアセンブリと、コイルケースと、２つの電機子ストッパ／ガイド部材とを備え、電機子ベースと共に、円板形永久磁石の磁路を通る制御コイルからの磁束を結合するための磁路を形成する。フォースモータは、円板形永久磁石の２つの部品が、軸方向に沿って磁化され、背中合わせの向きに電機子ベースを埋め込まれるという点で、新規の構造を有している。制御コイル内の電流の方向に応じて、制御コイルの磁束は、永久磁石の一方において強め合う磁界を生成し、他方において相殺する磁界を生成する。さらに、磁性材料から成るポペット端が、円板形永久磁性素子と軸上で結合される。ポペット端は、電機子のいずれかの端部において２つのポペットバルブを形成するように接続される。電機子がフォースモータの作用によって運動させられるとき、電機子上にある２つのポペット端が、中央から両方の端部まで、ポペット／ノズルバルブを両方向に直に駆動するパイロットとして作用する。これは、サーボバルブにおいて用いられる従来技術のフォースモータと比べ、出力される力の制御コイル内の励磁電流に対する比において非常に効率的で極めてコンパクトな寸法のフォースモータを作り出す。
【００１７】
本発明の実施の形態において用いられるフォースモータは、中央の電機子ベース及びガイド／ストッパ部材の磁性材料の表面に対する新規の幾何学的形状も有する。ガイド／ストッパの表面特徴のうちの１つは、電機子アセンブリから離れる方向に向かう窪みによって所望の凹形を近似するように構成される階段状表面であり、それは、より長い比例ストローク及びフォースストローク曲線の最適な直線性の両方を達成するのに適している。フォースストローク曲線は、ガイド／ストッパの２つの断面積、及び電機子の面角を調整することによって、局所的な磁束分布を通して制御することができる。２つの永久磁石及びコイルによって生成される磁束は、内部寸法、並びにガイド／ストッパの各円筒形表面の長さ及び直径の組み合わせによって制限される。
【００１８】
この特殊な表面形状によって、本発明のフォースモータは、従来技術のフォースモータと比べて、非常に長いストローク範囲にわたり、電流（電力）に比例して一定出力の力を生成できるようになる。本発明の実施の形態において用いられる円板形永久磁石は、寸法が小さく、磁化するのが容易である。電機子アセンブリは、２つのアルキメデスばね（各端部に１つ）によって支持され、複数の実施の形態が電機子及びガイド／ストッパ上で円筒形ベアリング表面を使用し、個別の心棒を必要としない。１つの実施の形態は、磁性電機子ベース、ガイド／ストッパ、及びポペット端において、Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｂｒｏｎｚｅ／ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））摺動表面を用いる。他の実施の形態は、高密度ポリエチレンベアリング素子を用いて、磁性表面同士が接触しないようにする。他の実施の形態は、磁気表面が接触できるようにする代わりに、又は摺動ベアリング素子の代わりに、エンドベアリングを有する個別の電機子シャフトを用いる。
【００１９】
ここで図面を参照するが、図示される素子はかならずしも縮尺どおりに図示されるわけではなく、また、いくつかの図を通して、同じ又は類似の素子は同じ参照番号によって指示される。以下の説明では、円板形は、円形であり、その厚みが、その直径よりも著しく小さい素子を指している。以下の説明では、パイロットバルブは、より大きな制御バルブへの圧力下で、流体を制御するように動作する小さなバランスバルブを意味する。パイロットバルブは、リレーバルブと呼ばれることもある。サーボバルブは、フィードバックを用いて、圧力下で流体を正確に制御できるようにし、油圧システムを動作させて、機械素子に対して油圧出力を供給する電気機械バルブである。
【００２０】
図１Ａは、本発明の実施の形態によるサーボバルブ１００の断面図である。図１Ａを参照すると、サーボバルブ１００は、メインチャンバ１３２内で運動する電機子アセンブリを有する。一実施の形態では、本明細書において用いる場合、「電機子アセンブリ」は、電機子ベース１０１、ポペット端１０３、円板形磁石１０２、１５２の素子の組み合わせを指している。電機子アセンブリは、本明細書では述べられない他の素子を含む場合もあることに留意されたい。さらに、異なる実施の形態、たとえば図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに関連して、本明細書において用語「電機子アセンブリ」が用いられる場合に、用語「電機子アセンブリ」は、上記の素子の組み合わせを指していることにも留意されたい。
【００２１】
図１Ａを参照すると、メインチャンバ１３２は、ボビンアセンブリを構成するヨーク１０６及びボビン部品１３８を含む素子によって形成される。一実施の形態では、ボビンアセンブリは、ヨーク素子１０６、ケース１０７、非磁性ボビン部品１３８及びコイル１０５を含むことができる。ボビンアセンブリは、本明細書には述べられない他の素子を含む場合もあることに留意されたい。さらに、異なる実施の形態、たとえば図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに関連して、本明細書において用語「ボビンアセンブリ」が用いられる場合、用語「ボビンアセンブリ」は、上記の素子の組み合わせを指していることにも留意されたい。
【００２２】
図１Ａを参照すると、磁性ヨーク１０６が磁性材料から形成され、制御コイル１０５に電圧を印加することから生じる磁束の経路の一部を形成する。ガイド／ストッパ１０４は、フォースモータのステータの一部を形成し、運動する電機子アセンブリと接触する表面を有している。一実施の形態では、ステータは、ボビンアセンブリ及びガイド／ストッパ１０４を含むことができる。ステータは、本明細書では述べられない他の素子を含む場合もあることに留意されたい。さらに、異なる実施の形態、たとえば図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに関連して、本明細書において用語「ステータ」が用いられる場合に、用語「ステータ」は、上記の素子の組み合わせを指していることにも留意されたい。一実施の形態では、フォースモータは、ステータ及び電機子アセンブリを含むことができる。フォースモータは、本明細書では述べられない他の素子を含む場合もあることに留意されたい。さらに、異なる実施の形態、たとえば図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに関連して、本明細書において用語「フォースモータ」が用いられる場合に、用語「フォースモータ」は、上記の素子の組み合わせを指していることにも留意されたい。
【００２３】
ベアリング接触表面１３１、並びにガイド／ストッパ１０４及び電機子ベース１０１上の特殊な表面形状の細部が、破線で囲まれたエリア１５０内に示される。破線で囲まれたエリア１５０は、後にさらに説明されるように、図１Ｂ及び図１Ｃにさらに詳細に示される。流体がポート１２４に高い圧力で供給され、経路１２０及び１２１のそれぞれに１つずつ設けられた２つの固定オリフィス（図示せず）のうちの最初のオリフィスを通って圧力降下を受ける。電機子アセンブリ上のポペット端１０３によって制御される各パイロットバルブにおいて、第２の圧力降下が起こる。一実施の形態では、パイロットバルブは、パイロット端１３０及びパイロットバルブシート１４６を含むことができる。パイロットバルブは、本明細書では述べられない他の素子を含む場合もあることに留意されたい。さらに、異なる実施の形態、たとえば図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに関連して、本明細書において用語「パイロットバルブ」が用いられる場合に、用語「パイロットバルブ」は、上記の素子の組み合わせを指していることにも留意されたい。メインチャンバ１３２内の流体は、大気圧状態にある戻りポート（図示せず）に結合される。
【００２４】
電機子アセンブリはメインチャンバ１３２内で運動し、電機子ベース１０１、２つの円板形磁石１０２及び１５２、並びに２つのポペット端１０３から構成される。ポペット端１０３はそれぞれ、各流路１２０及び１２１上のパイロットバルブと接続するパイロット端１３０を有する。円板形磁石１０２及び１５２は、互いに対向する向きに磁気分極される。例示的な永久磁石１０２からの磁束（この図には示されない）は、左向きに発生し、左側ポペット端１０３、左側ガイド／ストッパ１０４を通り、空隙１３９を通って誘導され、電機子ベース１０１を通って閉じる。例示的な永久磁石１５２からの磁束（この図には示されない）は、右方向に、右側ポペット端１０３、右側ガイド／ストッパ１０４を通り、空隙１３７を通って誘導され、再び電機子ベース１０１を通って閉じる。円板形磁石１０２及び１５２は、電機子ベース１０１に取り付けられ、非磁性絶縁体１０９が電機子ベース１０１と２つのポペット端１０３との間で磁束が漏れるのを防ぐ。電機子は、ベアリング表面を形成するように構成される（たとえば、Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｂｒｏｎｚｅ／ＰＴＦＥ）ベアリング接触表面１３１上を摺動する。ベアリング接触表面１３１は、後にさらに説明されるように、図１Ｂに詳細に示される。電機子アセンブリは、弾性部材１１０（たとえば、アルキメデスばね）によって、メインチャンバ１３２内のいずれかの端部に保持される。
【００２５】
図１Ａを参照すると、制御コイル１０５が、ヨーク素子１０６及び非磁性ボビン部品１３８によって形成されるボビンアセンブリの外周に巻きつけられる。制御コイル１０５に電圧が印加されると、磁束が生成され（この図では示されない）、その磁束は、空隙１３７及び１３９において円板形磁石１０２及び１５２の磁束と相互作用して、横方向への力を生成する。コイル１０５の磁束は主に、１つのガイド／ストッパ１０４、空隙１３７及び１３９、電機子ベース１０１、第２のガイド／ストッパ１０４を通って誘導され、コイルケース１０７を通って戻る。コイル１０５内の電流の方向に応じて、空隙１３７及び１３９内の磁束は、対応する永久磁石１０２及び１５２の磁束を強めるか、又は弱めるかのいずれかである。制御コイル１０５並びに永久磁石１０２及び１５２の磁界の相互作用から生じる力により、電機子は、制御コイル１０５の電流の方向に応じて、支持ばね１１０に対して左右いずれかの方向に運動する。上記のように、ポペット端１０３上の各パイロット端１３０は、シート１４６と接続し、パイロットバルブを形成する。内臓フォースモータの作用によって、電機子アセンブリが運動するのに応じて、パイロットバルブの一端が徐々に開き、他端が徐々に閉じて、それにより、パイロットバルブにわたる圧力降下が変化し、経路１２０及び１２１内の流体が圧力差を示す。制御ポート１２２及び１２３は、メインステージ（図示せず）に対して圧力差を与える。メインチャンバ１３２内の流体は、大気圧状態にある戻りポート（図示せず）に結合される。
【００２６】
図１Ｂは、電機子ベース１０１及びガイド／ストッパ１０４上のベアリング接触表面１３１及び表面特徴１４０〜１４２をさらに説明するために、図１Ａの破線で囲まれたエリア１５０の拡大図で、本発明の一実施の形態を示す。図１Ｂを参照すると、図１Ｂは、電機子ベース１０１、ポペット端１０３、磁石１０２、及び磁石１０２を保持するために用いられる非磁性絶縁体１０９の一部を示す。ベアリング接触表面１３１が破線で示されており、ガイド／ストッパ１０４がポペット端１０３及び電機子ベース１０１と接触している場所を示している。これらのベアリング接触表面１３１は、摺動摩擦を低減するように構成される。特徴１４０〜１４２は、空隙１３９の磁路及びガイド／ストッパ１０４と電機子ベース１０１との間の漏れ経路を変更し、コイル１０５（この図には示されない）に印加される入力電流に対して直線力を確保するのを助けるように傾斜をつけられる。この図は４つの断面のうちの１つだけを示しており、これらの摺動表面の関係、及び電機子とフォースモータのステータとの間の磁気的な特徴を示すが、他の３つのエリアも同様の特徴を有することは理解されるであろう。傾斜した表面特徴１４０〜１４１の細部は主に、例示的な空隙１３９を制御する。さらに、傾斜した特徴１４２は、ガイド／ストッパ１０４と電機子ベース１０１との間の漏れ経路に影響を及ぼす。角度１７０〜１７１は同じにすることも、変えることもできる。同様に、角度１７２を調整して、漏れ磁束特性を最適化することができる。通常、角度１７０〜１７２を互いに調整して、電機子ストロークに対する所望の力の特性が得られる。たとえば、本発明の実施の形態では、それらの角度を互いに調整して、概ね一定の、電機子ストロークに対する合力が与えられる。
【００２７】
電機子アセンブリが左に運動し、例示的な空隙１３９が閉じるとき、磁束経路の磁気抵抗（空隙１３９によって左右される）が小さくなる。こうして、空隙１３９内の磁束が増加し、結果として生成される力も増加することになることが予想されるであろう。しかしながら、空隙１３９の周囲の漏れ磁束を結合するエリア（表面１４２の角度１７２によって制御される）も増加し、それにより空隙１３９内の磁束が減少する。正味の効果によって、その合力は、電機子アセンブリストロークに対して概ね一定になる。
【００２８】
図１Ｃは、電機子ベース１０１、ポペット端１０３、磁石１０２、及び磁石１０２を保持するために用いられる非磁性絶縁体１０９の一部を示す別の実施の形態である。図１Ｃを参照すると、ベアリング接触表面１３１が破線で示されており、ガイド／ストッパ１０４がポペット端１０３及び電機子ベース１０１と接触している場合を示す。これらのベアリング接触表面は、摺動摩擦を低減するように構成される。図１Ｂの傾斜をつけられた表面１４２の代わりに、傾斜した階段状表面１４５が用いられ、それは、漏れ磁束を調整し、且つ局所的な磁界分布を制御して、概ね一定の力対ストローク曲線、及びフォースモータのための相対的に長い比例ストロークを実現するように構成される。階段状傾斜１４５は、ガイド／ストッパ１０４と電機子ベース１０１との間の界面にわたる漏れ磁束を変更する。電機子ベース１０１に対する実効的な漏れ経路は、距離１７３、及びＸｎ１７４及びＹｎ１７５の段寸法の関数であり、それは、所与の距離１７３の場合に実現される段数を決定するであろう。傾斜１４５上の段を構成する、Ｘｎ１７４及びＹｎ１７５の寸法はそれぞれ同じにしてもよく、又は段毎に変えて、所望の曲面をより厳密に近似するために異なってもよく、それにより、サーボバルブ１００のための力対電機子アセンブリストロークをカスタマイズするために用いることができる付加的なパラメータを追加することができる。この図は４つの断面のうちの１つだけを示しており、この実施の形態並びにこれらの摺動表面の関係、及び電機子とフォースモータのステータとの間の磁気的な特徴を示すが、他の３つのエリアも同様の特徴を有することは理解されよう。
【００２９】
さらに説明すると、ガイド／ストッパの表面特徴のうちの１つは、電機子アセンブリから離れる方向に向かう窪みによって所望の凹形を近似するように構成される階段状表面１４５であり、それは、より長い比例ストローク、及び力−ストローク曲線の最適な直線性の両方を達成するのに適している。階段状表面は、電機子に向かって直径が徐々に減少する一群の円筒形表面、及び各円筒形表面間にある平坦な表面から構成される。所望の凹形は、円筒形表面と平坦な表面との接合点を内側で結ぶ線によって形成され、それらの接合点はそれぞれ、直径が小さな円筒形の表面と、それよりも直径が大きな次の円筒形表面と接続される平面との間に位置する。凹形表面の形状は、円筒形表面の直径及び長さを調整することを通して調整することができる。磁束経路は主に、凹形表面と、ガイド／ストッパの内側表面との間の断面積によって影響を及ぼされる。その断面積は、比例ストロークに沿って、凹形の形状に応じて変化する。比例ストロークの長さは主に、凹形の長さに依存し、比例ストロークの直線性は主に、所望の凹形の近似の度合いに依存する。比例ストロークを延長し、力−ストローク曲線を改善するために広く用いられる円錐形表面と比べて、階段状表面、すなわち本発明の新規の構造は、所望の凹形に近く、それゆえ、より長い比例ストローク及び力−ストローク曲線のより良好な直線性を達成することができる。
【００３０】
力−ストローク曲線は、ガイドの２つの断面積と、電機子の面角とを調整することによって、局所的な磁束分布を通して制御することができる。２つの永久磁石及びコイルによって生成される磁束は、内側寸法と、ガイドの各円筒形表面の長さ及び直径との組み合わせによって制限される。
【００３１】
図１Ｄは、図１Ａ及び図１Ｂに示される経路１２０と１２１との間の界面におけるパイロットバルブを示す、本発明のサーボバルブ１００の一実施の形態を示す。図１Ｄを参照すると、例示的な各パイロットバルブ（たとえば、経路１２０内）は、傾斜した「Ｖ」の底においてノズル開口部１６０を有するバルブ本体を有する。左側パイロット端にある対応する「Ｖ」１６２は、電機子が横方向に運動するのに応じて、開口部１６０への経路を開閉するように機能する。弾性部材１１０（たとえば、アルキメデスばね）が、電機子アセンブリを保持し、２つのパイロットステージバルブに対する中立位置である中央に電機子アセンブリを配置するための復元力を与える。非磁性絶縁体１０９が、永久磁石１０２及び１５２を電機子アセンブリ内に保持する。ガイド／ストッパ１０４は、ベアリング界面及び磁路特徴１４０〜１４２を与える。経路１２１は、同様のバルブ本体を有し、右側パイロット端１３０上にノズル開口１６１及び対応する「Ｖ」１６３を備える。
【００３２】
図２Ａは、本発明の実施の形態による、サーボバルブ２００内の内蔵フォースモータの一実施の形態の断面図である。図１Ａのサーボバルブ１００では、摺動ベアリング接触表面１３１が、電機子ベース１０１、パイロット端１３０及びガイド／ストッパ１０４の表面を含む。摺動摩擦を改善するために、摺動ベアリング接触表面１３１をコーティングすることができるが、それらの表面は、サーボバルブが高い振動力を受ける必要がある応用形態において操作されるときに、所望の寿命及び信頼性を有するほど十分に頑強でない可能性がある。電機子の横方向以外の運動を生み出す高い振動力によって、表面にひび割れ又は他の変形が生じる可能性があり、それにより、摩擦が大きくなり、性能が低下し、最終的には破損に繋がる恐れがある。図１Ａのサーボバルブ１００の電機子アセンブリは、簡単で、低コストであるが、堅固でない構造を含み、その構造において、電機子ベース１０１、永久磁石１０２及び１５２、及びポペット端１０３が付加的な素子（たとえば、非磁性絶縁体１０９）と結合されるので、高い振動力によって刺激されるときに、望ましくない動きを受ける可能性がある構造が形成される。
【００３３】
図２Ａを参照すると、サーボバルブ２００が、同じくメインチャンバ２３２内で運動する電機子アセンブリを備える内蔵フォースモータを有する。メインチャンバ２３２は、ボビンアセンブリを構成するヨーク２０６及びボビン部品２３８によって形成される。磁性ヨーク２０６は、磁性材料から形成され、制御コイル２０５に電圧を印加することから生じる磁束のための経路の一部を形成する。ガイド／ストッパ２０４は、フォースモータのステータの一部を形成し、可動電機子アセンブリのポペット端２０３上にあるベアリング素子２３１と接触している表面を有する。ベアリング素子２３１及び接触表面の細部が、ガイド／ストッパ２０４及び電機子ベース２０１の特殊な表面形状と共に、破線で囲まれるエリア２５０内に示される。破線で囲まれるエリア２５０は図２Ｂにさらに詳細に示されており、以下にさらに詳細に説明される。流体が高い圧力でポート２２４に供給され、経路２２０及び２２１毎に１つの、２つの固定オリフィス（図示せず）のうちの最初のものを通して圧力降下を受ける。第２の圧力降下は、電機子アセンブリ上のポペット端２０３によって制御される各パイロットバルブにおいて起こる。メインチャンバ２３２内の流体は、大気圧状態にある戻りポート（図示せず）に結合される。
【００３４】
電機子アセンブリはメインチャンバ２３２内で運動し、電機子ベース２０１、２つの円板形磁石２０２及び２５２、並びに２つのポペット端２０３から構成される。ポペット端２０３はそれぞれ、各流路２２０及び２２１上のパイロットバルブ（パイロット端２３０及びパイロットバルブシート２４６）と接続するパイロット端２３０を有する。円板形磁石２０２及び２５２は、対向する向きに磁気分極される。例示的な永久磁石２０２からの磁束（この図には示されない）は、左方向において発生し、左側ポペット端２０３、左側ガイド／ストッパ２０４を通り、空隙２３９を通って誘導され、電機子ベース２０１を通って閉じる。典型的な永久磁石２５２からの磁束（この図には示されない）は、右方向に、右側ポペット端２０３、右側ガイド／ストッパ２０４を通って誘導され、同じく電機子ベース２０１を通って閉じる。円板形磁石２０２及び２５２は、電機子ベース２０１に取り付けられ、非磁性絶縁体２０９が電機子ベース２０１と２つのポペット端２０３との間で磁束が漏れるのを防ぐ。電機子は、低い摺動摩擦力を与えるベアリングインサート２３１に適合するベアリング表面（たとえば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ））上を摺動する。ベアリング素子２３１及びそれと接触する表面は、図２Ｂに詳細に示されており、後にさらに説明される。電機子アセンブリは、弾性部材２１０（たとえば、アルキメデスばね）によって、メインチャンバ２３２内のいずれかの端部に保持される。
【００３５】
制御コイル２０５が、ヨーク素子２０６によって形成されるスロットの外周に巻きつけられる。制御コイル２０５に電圧が印加されるとき、磁束が生成され（この図では示されない）、その磁束は、空隙２３７及び２３９において円板形磁石２０２及び２５２の磁束と相互作用して、横方向への力を生成する。コイル２０５の磁束は主に、１つのガイド／ストッパ２０４、空隙２３７及び２３９、電機子ベース２０１、第２のガイド／ストッパ２０４を通って誘導され、コイルケース２０７を通って戻る。コイル２０５内の電流の方向に応じて、空隙２３７及び２３９内の磁束は、対応する永久磁石２０２及び２５２の磁束を強めるか、又は弱めるかのいずれかである。制御コイル２０５並びに永久磁石２０２及び２５２の磁界の相互作用から生じる力によって、電機子は、制御コイル２０５の電流の方向に応じて、弾性部材２１０に対して左右いずれかの方向に運動する。ポペット端２０３の各パイロット端２３０は、シート２４６と接続し、パイロットバルブを形成する。内蔵フォースモータの作用によって、電機子アセンブリが運動するのに応じて、パイロットバルブの一端が徐々に開き、他端が徐々に閉じて、それにより、パイロットバルブにわたる圧力降下が変化し、経路２２０及び２２１内の流体が圧力差を示す。制御ポート２２２及び２２３は、メインステージ（図示せず）に対して圧力差を与える。
【００３６】
図２Ｂは、図２Ａに示される破線で囲まれたエリア２５０の拡大図を示す本発明の一実施の形態を示しており、サーボバルブ１００の摺動ベアリング接触表面１３１の代わりに用いられるベアリング表面２６０をさらに示す。図２Ｂを参照すると、図２Ｂは、電機子ベース２０１、ポペット端２０３、磁石２０２及び磁石２０２を保持するために用いられる非磁性絶縁体２０９の一部を示す。ここでは、ガイド／ストッパ２０４は、外周ベアリング素子２３１を用いて、ポペット端２０３においてだけ電機子アセンブリと接触している。特徴２４０〜２４２は、磁路を変更し、コイル２０５（この図には示されない）に印加される入力電力に対して直線力を確保するのを助けるために傾斜をつけられる。この図は、４つの断面のうちの１つだけを示しており、これらの摺動表面の関係、及び電機子アセンブリとフォースモータのステータとの間の磁気的な特徴を示すが、他の３つのエリアも同様の特徴を有することは理解されよう。空隙２６１は、ベアリング素子２３１を用いて、電機子をガイド／ストッパ２０４とだけ接触させることから生じる。空隙２６１は、電機子アセンブリが外部からの振動力の影響下で横方向以外の方向に運動するときでも、ガイド／ストッパ２０４、電機子ベース２０１及びポペット端２０３がさらに接触しないことが確実になるような大きさにされる。ベアリング素子２３１は、Meldin社によって製造されるような高密度ポリエチレンから形成することができる。接触エリア２６０の対応する表面も同様に、ベアリング表面２３１に適合するように準備されるであろう。本発明の実施の形態は、ベアリング素子２３１を、摩擦性の接触表面として用いて、サーボバルブ２００のためのより信頼でき且つ予測可能な摩擦力を確保すると共に、摩擦性表面が、横方向以外の振動力によって損傷を受けないようにする。さらに、図１Ａ〜図１Ｄのサーボバルブ１００内のベアリング接触表面１３１のような磁性表面が接触できないようにすることによって、磁束が結合する結果として、これらの表面の残留磁気から生じる力が除去される。磁性表面を接触させることから生じるこれらの力は「スティクション（sticktion）」と呼ばれることもある。
【００３７】
図１Ｃのサーボバルブ１００に関して説明された傾斜した表面１４５のように、傾斜した表面２４２は階段状にすることができる（簡単にするために示されない）。サーボバルブ１００に関して説明された階段状傾斜１４５の機能の説明は、図２Ａの実施の形態のサーボバルブ２００の場合にも同じであり、簡潔にするために繰り返されない。
【００３８】
図３Ａは本発明の一実施の形態であり、小型フォースモータを内蔵されたサーボバルブ３００の断面が、電機子内に非磁性シャフト３７０を用いて、電機子アセンブリの剛性を高める。図３Ａを参照すると、サーボバルブ３００は、フォースモータを内蔵し、そのフォースモータは同じく、メインチャンバ３３２内で運動する電機子アセンブリを備える。メインチャンバ３３２は、ボビンアセンブリを構成するヨーク３０６及びボビン部品３３８によって形成される。磁性ヨーク３０６は、磁性材料から形成され、制御コイル３０５に電圧を印加することから生じる磁束のための経路の一部を形成する。ガイド／ストッパ３０４は、フォースモータのステータの一部を形成し、運動する電機子アセンブリと接触している表面を有する。ガイド／ストッパ３０４及び電機子ベース３０１上の特殊な表面形状の細部が破線で囲まれるエリア３５０内に示されており、図２Ｂの類似の特徴と同じように機能する。ガイド／ストッパ３０４及び電機子ベース３０１の説明は、簡潔にするためにここでは繰り返されない。流体が高い圧力でポート３２４に供給され、経路３２０及び３２１のそれぞれに１つずつ設けられた２つの固定オリフィス（図示せず）のうちの最初のものを通して圧力降下を受ける。第２の圧力降下が、電機子アセンブリ上のポペット端３０３によって制御される各パイロットバルブにおいて起こる。メインチャンバ３３２内の流体は、大気圧状態にある戻りポート（図示せず）に結合される。
【００３９】
電機子アセンブリはメインチャンバ３３２内で運動し、電機子ベース３０１、対向する向きに磁気分極される２つの円板形永久磁石３０２及び３５２、並びに磁路の一部を形成する２つのポペット端３０３を支持する電機子シャフト３７０を備える。電機子シャフト３７０の各端部は、円筒形ベアリング素子３４０に係合し、各流路３２０及び３２１上のパイロットバルブと接続するパイロット３３０を有する。ガイド／ストッパ３０４は、永久磁石３０２及び３５２の磁界の磁路を局所的に整形しながら、電機子アセンブリの過剰な横方向への運動に対する係止作用を与える。非磁性絶縁性素子３０９を用いて、円環状磁石３０２及び３５２が電機子ベース３０１及び電機子端部３０３に保持される。円環状磁石３０２及び３５２は、対向する向きに磁気分極される。例示的な永久磁石３０２からの磁束（この図には示されない）は、左方向において発生し、左側ポペット端３０３及び空隙３３１、左側ガイド／ストッパ３０４を通り、空隙３３９を通って誘導され、電機子ベース３０１を通って閉じる。例示的な永久磁石３５２からの磁束（この図には示されない）は、右方向に、右側ポペット端３０３及び空隙３３１を通り、空隙３３７を通り、右側ガイド／ストッパ３０４を通って誘導され、同じく電機子ベース３０１を通って閉じる。円環状磁石３０２及び３５２は、電機子ベース２０１及び電機子シャフト３７０に取り付けられ、非磁性絶縁体３０９が電機子ベース３０１と２つの電機子端部３０３との間で磁束が漏れるのを防ぐ。電機子シャフト３７０の各端部は、円筒形ベアリング素子３４０に係合する。同様に、電機子シャフト３７０は、コイル３０５が電圧を印加されないときに、２つのパイロットバルブシート３４６間の中央に電機子アセンブリを保持するように作用する弾性素子３１０（たとえば、アルキメデスばね）に結合される。
【００４０】
制御コイル３０５が、磁性ヨーク素子３０６及び非磁性ボビン素子３３８によって形成されるボビンアセンブリの外周に巻きつけられる。制御コイル３０５に電圧が印加されるとき、磁束が生成され（この図では示されない）、その磁束は、空隙３３７及び３３９において円板形永久磁石３０２及び３５２の磁束と相互作用して、横方向への力を生成する。コイル３０５の磁束は主に、１つのガイド／ストッパ３０４、空隙３３７及び３３９、電機子ベース３０１、第２のガイド／ストッパ３０４を通って誘導され、コイルケース３０７を通って戻る。コイル３０５内の電流の方向に応じて、空隙３３７及び３３９内の磁束は、対応する永久磁石３０２及び３５２の磁束を強めるか、又は弱めるかのいずれかである。制御コイル３０５並びに永久磁石３０２及び３５２の磁界の相互作用から生じる力によって、電機子は、制御コイル３０５の電流の方向に応じて、支持弾性部材３１０に対して左右いずれかの方向に運動する。電機子シャフト３７０上のパイロット端３３０はシート３４６と接続して２つのパイロットバルブを形成し、一方は経路３２０内に、もう一方は経路３２１内にある。電機子アセンブリが内蔵フォースモータの作用によって運動するのに応じて、パイロットバルブのうちの一方が徐々に開き、他方が徐々に閉じて、それによりパイロットバルブにわたる圧力降下が変化し、経路３２０及び３２１内の流体が圧力差を示す。制御ポート３２２及び３２３は、メインステージ（図示せず）に圧力差を与える。
【００４１】
図３Ｂは、図３Ａのサーボバルブ３００の電機子アセンブリの断面図を示す、本発明の一実施の形態を示す。図３Ｂを参照すると、図３Ｂはさらに、電機子シャフト３７０の両端及びパイロットバルブシート３４６の部分の上に円筒形ベアリング素子３４０がある、本発明の一実施の形態を示す。また、電機子アセンブリとガイド／ストッパ３０４との間の界面も示される。電機子シャフト３７０、磁石３０２及び３５２、並びに磁性材料電機子端部３０３は、非磁性絶縁体素子３０９と結合され、電機子アセンブリが形成される。ガイド／ストッパ３０４は、磁束分布を整形し、且つ磁石３０２及び３５２からの漏れ磁束経路を変更するように作用する磁性表面３４２〜３４４を有する。これらの特徴は図１Ｂ〜図１Ｃ及び図２Ｂに関して説明されており、簡潔にするためにここでは繰り返されない。磁束路は空隙３６０及び３６１も含む。これらの経路内の磁束は、横方向への力を生成しない。電機子シャフト３７０は、弾性部材３１０によって、ガイド／ストッパ３０４に結合される。円筒形ベアリング３４０は、ベアリング表面３４５において、電機子シャフト３７０と係合する。
【００４２】
本発明の別の実施の形態では、ベアリング表面が、ローラ素子（この図には示されない）を有する適当な形状の直線ベアリングによって置き換えられる。電機子シャフト３７０の各パイロット端３４８は、電機子アセンブリが横方向に左右に運動するのに応じて、パイロットバルブシート３４１と相互作用するように動作することができる。円筒形ベアリング３４０は、経路３２０及び３２１からの流体が電機子シャフト３７０のパイロット端３４８とパイロットバルブシート３４１との間の空間３４７に供給されるようにポート（３４７）が設けられる。電機子シャフト３７０は主に、電機子アセンブリの剛性を、それゆえ、振動力及び重力下での横方向以外への運動を決定する。摺動摩擦表面は存在しないので、摩耗磁力、摩耗粒子磁力、及び残留表面磁力が最小限に抑えられるか、又は除去される。
【００４３】
図４Ａは、サーボバルブ４００の断面を示す、本発明の別の実施の形態である。図４Ａを参照すると、サーボバルブ４００は、延長された長さ４０２及び４０３を有するシャフト４０１を用いて、ベアリング表面４０４及び４０５を、シャフト４０１の全行程にわたって１００％接触にまで高める。シャフト４０１の空間的な剛性を高め、シャフト４０１への衝撃及び振動の影響を減衰させる標準的な圧縮ばね４０６及び４０７によって、中心に戻す復元力が与えられる。
【００４４】
図４Ｂは、図４Ａのサーボバルブ４００のシャフトアセンブリの断面図を示す、本発明の一実施の形態を示す。図４Ｂを参照すると、非磁性シャフト４０１が、最大ベアリング接触４０４及び４０５を保持しながら、ばね４０６を圧縮し、且つばね４０７を伸長する磁束（この図には示されない）によって動かされている。
【００４５】
本発明及びその利点が詳細に説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明において種々の変更、置換及び改変を行うことができることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】本発明の実施の形態において用いられる機能素子との相互作用を示す、フォースモータを内蔵される小型サーボバルブの断面図である。
【図１Ｂ】フォースモータの電機子を運動させる力が電機子ストロークと共に概ね一定であることを確実にする、本発明の実施の形態において用いられる表面特徴を詳細に示す、図１Ａの小型サーボバルブの一部の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態において用いられるガイドストッパの一方の側にある、摺動ベアリング表面、及び階段状の傾斜した磁束表面を示す、図１Ａのフォースモータの一部の断面図である。
【図１Ｄ】本発明の実施の形態において用いられるパイロットバルブの細部を示す、図１Ａのフォースモータの一部の断面図である。
【図２Ａ】電機子が非磁性ベアリング表面上で運動するフォースモータを内蔵する、本発明の実施の形態による小型サーボバルブの断面図である。
【図２Ｂ】摩擦、摩耗を低減し、且つ図２Ａの小型サーボバルブの性能を改善するために用いられる非磁性ベアリング表面を詳細に示す、図１Ａの小型サーボバルブの一部の断面図である。
【図３Ａ】電機子アセンブリの剛性を高めるために電機子内に非磁性シャフトを用いる小型フォースモータを内蔵する、本発明の実施の形態によるサーボバルブの断面図である。
【図３Ｂ】ベアリング表面、及びパイロットバルブを形成するポペット端を詳細に示す、図３Ａのサーボバルブの一部の断面図である。
【図４Ａ】ベアリング面積を増やすために伸張された非磁性シャフトを使用し、且つ衝撃及び振動への耐性を高めるために標準的な圧縮ばねを使用する、小型フォースモータを内蔵する本発明の実施の形態によるサーボバルブの断面図である。
【図４Ｂ】ベアリング表面及び圧縮ばね構成を詳細に示す、図４Ａのサーボバルブの一部の断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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