(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォースモータと、流路を変更するスプールを有する制御弁本体と、前記スプールの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランスとを備え、
前記フォースモータは、筒状のハウジングと、ハウジング内に納められる一対の電磁コイルと、一対の電磁コイルの間に配設された永久磁石と、電磁コイルに近接し電磁コイル内周部に設けられるステータと、ステータに間隙を持って対向する如く変位自在に保持されて前記スプールを駆動するアーマチュアと、アーマチュアを定位置に保持しかつ変位自在に弾性力を付勢するスプリングを有し、
前記一対の電磁コイルに印加する電流を制御することにより、前記ハウジング、前記ステータおよび前記アーマチュアで構成される磁気回路の磁束密度を変えて、前記アーマチュアを吸引、変位せしめる電磁サーボバルブの駆動方法において、
アーマチュアの変位端部における間隙を微小間隙となして吸引力の非線形増加を許容し、一方、フォースモータのアーマチュアの変位端部で電磁コイルに印加される電流を、磁気回路の一部で磁束密度が飽和するような電流となし、アーマチュアの変位端部における吸引力の非線形増加を磁気回路における磁束密度の飽和による吸引力の非線形減少で補償し、印加電流に対する吸引力の線形性を維持することを特徴とする電磁サーボバルブの駆動方法。
【請求項２】
フォースモータと、流路を変更するスプールを有する制御弁本体と、前記スプールの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランスとを備え、
前記フォースモータは、筒状のハウジングと、該ハウジング内に納められる一対の環状の電磁コイルと、該一対の電磁コイルの間に配設された永久磁石と、電磁コイルに近接し電磁コイル内周部に設けられる環状のステータと、該ステータに間隙を持って対向する如く変位自在に保持されて前記スプールを駆動する円板状のアーマチュアと、該アーマチュアを変位自在に保持するディスクスプリングを有し、前記電磁コイルに印加する電流を制御することにより、前記ハウジング、前記ステータおよび前記アーマチュアで構成される磁気回路の磁束密度を変えて、前記アーマチュアを吸引、変位せしめ、前記アーマチュアの変位端での前記ステータとアーマチュアの間隙を、変位端部における吸引力の非線形増加を磁気回路における磁束密度の飽和による吸引力の非線形減少で補償し、印加電流に対する吸引力の線形性を維持できるごとき微小な間隙となしたことを特徴とする電磁サーボバルブ。
【請求項３】
前記ステータが前記アーマチュアを挟むように配置され、前記ディスクスプリングが前記アーマチュアの両軸端に設けられた請求項２に記載の電磁サーボバルブ。
【請求項４】
前記一対の電磁コイルの各々が複数の単位電磁コイルからなる請求項２または３に記載の電磁サーボバルブ。
【請求項５】
前記ハウジングの磁気回路断面の磁束密度を飽和させるようにした請求項２、３または４に記載の電磁サーボバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石により駆動される電磁アクチュエータであり、コントロールバルブのスプール弁等を駆動制御するフォースモータを備えた電磁サーボバルブの駆動方法および電磁サーボバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁アクチュエータであるフォースモータは、また、比例ソレノイド型アクチュエータとも言われ、流体の量あるいは圧力を制御するスプール弁のスプールの駆動、制御等に広く用いられている。このようなフォースモータを用いた、直動形の電磁バルブは、航空機の舵面制御に用いられる油圧シリンダの制御あるいは自動車のブレーキ油の供給制御などに用いられているが、特に、航空機用途においては重量軽減のための小型化が従来からの課題である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであって、フォースモータの小型化を可能にする電磁サーボバルブの駆動方法および小型化出来るフォースモータを備えた電磁サーボバルブを提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する本発明の電磁サーボバルブの駆動方法は、フォースモータと、流路を変更するスプールを有する制御弁本体と、前記スプールの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランスとを備え、前記フォースモータは、筒状のハウジングと、ハウジング内に納められる一対の電磁コイルと、一対の電磁コイルの間に配設された永久磁石と、電磁コイルに近接し電磁コイル内周部に設けられるステータと、ステータに間隙を持って対向する如く変位自在に保持されて前記スプールを駆動するアーマチュアと、アーマチュアを定位置に保持しかつ変位自在に弾性力を付勢するスプリングを有し、前記電磁コイルに印加する電流を制御することにより、前記ハウジング、前記ステータおよび前記アーマチュアで構成される磁気回路の磁束密度を変えて、前記アーマチュアを吸引、変位せしめる電磁サーボバルブの駆動方法において、アーマチュアの変位端部における間隙を微小間隙となして吸引力の非線形増加を許容し、一方、フォースモータのアーマチュアの変位端部で電磁コイルに印加する電流を、磁気回路で磁束密度が飽和するような電流となし、アーマチュアの変位端部における吸引力の非線形増加を磁気回路における磁束密度の飽和による吸引力の非線形減少で補償し、印加電流に対する吸引力の線形性を維持することを特徴とする。
【０００５】
このように、ステータとアーマチュアの間隙の微小な範囲で作動するので比較的低い磁束密度で大きな吸引力を発生し、また、磁気回路内で磁束密度を飽和させるようにするので磁気回路断面積が小さくなり、使用するフォースモータを小型化出来る。
【０００６】
また、本発明の電磁サーボバルブは、フォースモータと、流路を変更するスプールを有する制御弁本体と、前記スプールの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランスとを備え、前記フォースモータは、筒状のハウジングと、該ハウジング内に納められる一対の環状の電磁コイルと、該一対の電磁コイルの間に配設された永久磁石と、電磁コイルに近接し電磁コイル内周部に設けられる環状のステータと、該ステータに間隙を持って対向する如く変位自在に保持されて前記スプールを駆動する円筒状のアーマチュアと、該アーマチュアを定位置に保持しかつ変位自在に弾性力を付勢するスプリングを有し、前記電磁コイルに印加する電流を制御することにより、前記ハウジング、前記ステータおよび前記アーマチュアで構成される磁気回路の磁束密度を変えて、前記アーマチュアを吸引、変位せしめ、前記アーマチュアの変位端での前記ステータとアーマチュアの間隙を、変位端部における吸引力の非線形増加を磁気回路における磁束密度の飽和による吸引力の非線形減少で補償し、印加電流に対する吸引力の線形性を維持できるごとき微小な間隙となしたことを特徴とする。
【０００７】
これにより、フォースモータは、ステータとアーマチュアの間隙を微小とするので比較的低い磁束密度で大きな吸引力を発生し、また、磁気回路内で磁束密度を飽和させるようにするので磁気回路断面積が小さくなり、電磁コイルも小型化でき、また、磁気回路断面を小さくして装置を全体として小型化出来る。
【０００８】
その他の構成的特徴および効果は以下の説明で述べる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電磁サーボバルブの駆動方法および電磁サーボバルブを図面に基づき説明する。図１は本発明方法を適用するフォースモータを使用する直動形電磁サーボバルブの１例の断面図であり、図２は、そのフォースモータ部の部分拡大断面図である。
【００１０】
図１において、この直動形電磁サーボバルブは、フォースモータ1と、作動油などの流体の入力ポート2a、出力ポートまたはドレンポート2bと各ポートを切替えて作動油の流路を変更するスプール2cとを有する制御弁本体２と、スプール2cの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランス３から構成される。
【００１１】
フォースモータ１は、制御弁のスプール2cに直結され、スプール2cを駆動、制御することにより、制御弁本体２に形成された作動流体の流路を切替え、制御弁本体２に連結された油圧シリンダ(図示せず)の作動を制御する。差動トランス３の可動鉄心3aはスプール2cに連結され、スプール2cの変位を電気信号に変換してこれを電気制御系にフィードバックして制御精度を高める。
【００１２】
この制御弁本体２、差動トランス３および電磁サーボバルブの制御方式などは従来から良く知られたものであるので詳しい説明は省略し、以下、図２のフォースモータに基づき本発明方法および装置について述べる。
【００１３】
図２において、11は、筒状のハウジングであり、磁性材からなりヨークとして機能する。12a、12b、12c、12dはハウジング11内に納められ、内接して設けられた一対の電磁コイルであり、12aと12bおよび12cと12dとが一対をなす。各電磁コイル12a、12b、12c、12dは外形を小さくするために線径の小さいものとなし、各単位電磁コイルでもある12a、12b、12c、12dは並列に結線され、吸引力を下げたい場合はそれぞれ単位電磁コイルの一つの電流を遮断することができる。13は、一対の電磁コイル12a、12bと電磁コイル12c、12dの間に配設され、電磁コイル12bと電磁コイル12cとの中央に位置する永久磁石である。
14a、14bは、ハウジング11に内接して、ハウジング11に嵌着され、相互に向い合うように間隔を持って固定された磁性材からなる一対のステータであり、その外周部には電磁コイル12a、12b、12c、12dおよび永久磁石13を収納する環状の電磁コイル室15を形成し、また中心には貫通孔を有し、全体として円筒状の形態のものである。
【００１４】
16は、電磁コイル室15の底面を形成する非磁性材からなる保護筒で、ステータ14a、14bに固定される。17a、17b、17cおよび17dはオイルシールであり、17aは、ステータ14aとハウジング11の内周の間に、17bは、ステータ14aと保護筒16の内周の間に、17cは、ステータ14bと保護筒16の内周の間に、また、17dは、ステータ14bとハウジング11の内周の間に、それぞれ取付けられ、ハウジング11とステータ14a、14bとの嵌合部および保護筒16とステータ14a、14bとの嵌合部から、右方の制御弁本体２からの作動油が電磁コイル室15に侵入しない様に保護している。
【００１５】
18は、アーマチュアであり、磁性材からなり、ステータ14a、14bに挟まれるように位置する円環状の可動体18aと、この可動体18aに嵌入された非磁性材からなる両持ち軸18bと、可動体18aの両側面に取付けられた非磁性体からなる一対の円板状のストッパ19a、19bと、両持ち軸18bの両端側に嵌合された一対の非磁性材のスリーブ20a、20bからなる。可動体18aと両側のステータ14a、14bとの間には、可動体18aの左右の所要変位(ストローク)より若干広い間隙Gが形成される。非磁性材からなるストッパ19a、19bは，ステータ14a、14bに可動体18aが近接して吸引力により固着するのを防止する。また、アーマチュア18の可動体18aの外周面と保護筒16内周面の間は可動体18aの左右動を可能にするよう微細な隙間が形成され、また、同じく、スリーブ20a、20bの外周面とステータ14a、14bの中心の貫通孔との間は、両持ち軸18bが左右動できるよう微細な隙間が形成される。
【００１６】
21a、21bは、両持ち軸18bの両端側に嵌合されたディスクスプリングであり、ディスクスプリング21a、21bの内周部は、それぞれ、両持ち軸18bの両端部に螺合されたナット22a、22bにより、スリーブ20a、20bに押し付ける如く固定され、また、ディスクスプリング21a、21bの外周部は、それぞれステータ14a、14bに螺合するナット23a、23bによりステータ14a、14bに固定される。このディスクスプリング21a、21bは薄い弾性鋼板から作られ、ディスク面には螺旋状の打ち抜きがなされ、図２の左右方向に微小な変形が可能なものである。
【００１７】
かかる構成のフォースモータにおいては、可動体18a（アーマチュア18）から間隙Gを介してステータ14aに到り、ハウジング11の周面を貫通して永久磁石13に返る右側の閉磁気回路と、同じく、可動体18a（アーマチュア18）から間隙Gを介してステータ14bに到り、ハウジング11の周面を貫通して永久磁石13に返る左側の閉磁気回路とが形成される。
【００１８】
電磁コイル12a、12b、12c、12dの何れもが励磁されていない場合(電流が供給されないとき)は、永久磁石13の磁束は、前記左右の閉磁気回路に均等に流れ、アーマチュア18は中立の位置（変位ゼロ）に保持される。右方向の磁束が発生するように電磁コイル12a、12b、12c、12dが励磁されるとステータ14aと可動体18aの間の吸引力が増加し、アーマチュア18は、ディスクスプリング21a、21bの弾性力に抗して右に変位し、磁気吸引力とディスクスプリング21a、21bの反発力が均衡する位置まで変位する。アーマチュア18を左に変位させるときは電磁コイル12a、12b、12c、12dに印加する電流極性を逆にし、左方向に磁束を発生させ、左方向にアーマチュア18を吸引する。
【００１９】
従って、アーマチュア18の変位すなわちストローク値とディスクスプリング21a、21bの変形に伴う反発力が比例し（線形関係）、かつ、アーマチュア18に作用する吸引力が各電磁コイルに供給される電流の大きさと比例する（線形関係）のであれば、アーマチュア18の変位すなわちスプール弁の変位（ストローク）は、各電磁コイルに印加する電流値で一義的に決定され、スプール弁の制御が簡易になる。
【００２０】
しかしながら、良く知られているように、両物体間の距離（この場合は、アーマチュアとステータの間隙）と磁気吸引力は、図３に示すように間隙が微小になると比例関係（線形関係）から外れ、急増する（非線形増加）。従って、従来は、吸引力とストローク（変位、従って、間隙）の線形性を維持するため、比較的動作間隙を大きく取っていた。この場合、吸引力が小さくなるので、一定の吸引力を維持するためには、印加電流を大きくし磁束密度を上げるため閉磁気回路断面積を大きく取る必要があり、装置が大きくならざるを得なかった。
【００２１】
ここに、本発明においては、アーマチュア18の可動体18aと両側のステータ14a、14bとの設定間隙Gを可及的に小さくし、可動体18aの左右方向への変位端（ストロークエンド）においては変位に対して吸引力が非線形増加を起こすようになし、かつ、変位端近傍においては閉磁気回路において磁束密度が飽和するようになして、微小間隙における吸引力の非線形増加を、磁束密度の非線形減少（磁束密度が電流値に比例して増加しない現象を言う）による吸引力の見掛けの減少で相殺、補償し、印加電流と変位との線形性を維持するものである。
【００２２】
なお、最終的に線形性を得るには、まず、個々の仕様のフォースモータにおいて所要最低吸引力を定めて、設定間隙Gを定め、変位端（ストロークエンド）における吸引力の非線形性を確認した上で、この非線形増分を相殺するように磁束密度が飽和するように磁気回路の仕様（磁気回路断面積の大きさ）を定める。ここに、線形性とは、必ずしも完全な比例関係を言うのではなく、比例に近い関係であれば良く、また、非線形性とは比例関係からかなりの程度外れた関係（例えば、２次関数的増加など）を言う。
【００２３】
以上のようにして、吸引力を相対的に大きくして比較的低い磁束密度でフォースモータを作動することができ、電磁コイルを小型化できるとともに磁気回路断面積を小さくすることにより、ハウジングなどを小さく出来、装置を小型化出来るので、実用上非常に有用である。
【００２４】
上述の説明においては、本発明を、図示したごとき、一対のステータに挟まれたアーマチュアを両側のディスクスプリングで弾性的に保持したものを電磁コイルで駆動する形式のフォースモータに適用したものを説明した。このものは、それ自体小型で制御性の良いフォースモータの構造を提供するが、本発明はこれに限らず、アーマチュアと間隙を持ったステータとの間に閉磁気回路を形成してこれを駆動する他の任意の形式のフォースモータあるいは電磁比例ソレノイドにも適用でき、弾性力を付勢するスプリングはディスクにスプリングに限らず他の形式のスプリングを採用できる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、フォースモータと、流路を変更するスプールを有する制御弁本体と、前記スプールの変位を検出して電気制御系にフィードバックする差動トランスとを備え、前記フォースモータは、筒状のハウジングと、ハウジング内に納められる一対の電磁コイルと、一対の電磁コイルの間に配設された永久磁石と、電磁コイルに近接し電磁コイル内周部に設けられるステータと、ステータに間隙を持って対向する如く変位自在に保持されて前記スプールを駆動するアーマチュアと、アーマチュアを定位置に保持しかつ変位自在に弾性力を付勢するスプリングを有し、前記一対の電磁コイルに印加する電流を制御することにより、前記ハウジング、前記ステータおよび前記アーマチュアで構成される磁気回路の磁束密度を変えて、前記アーマチュアを吸引、変位せしめる電磁サーボバルブの駆動方法において、アーマチュアの変位端部における間隙を微小間隙となして吸引力の非線形増加を許容し、一方、フォースモータのアーマチュアの変位端部で電磁コイルに印加される電流を、磁気回路の一部で磁束密度が飽和するような電流となし、アーマチュアの変位端部における吸引力の非線形増加を磁気回路における磁束密度の飽和による吸引力の非線形減少で補償し、印加電流に対する吸引力の線形性を維持するので、比較的低い磁束密度で大きな吸引力を利用でき、装置を小さく出来る上磁気回路も小さくできるので装置は非常にコンパクトになる。また、フォースモータにおいては、アーマチュア変位端での間隙を小さくし、吸引力の非線形増加を磁束密度の飽和で相殺、補償して、線形性を維持するので制御性を損なうこと無く小型化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用するフォースモータの１例を用いた直動形電磁サーボバルブの側断面図である。
【図２】  図１のフォースモータ部の部分拡大断面図である。
【図３】  磁気吸引力と間隙の関係を例示するグラフである。
【符号の説明】
１    フォースモータ
２    制御弁本体
2a    入力ポート
2b    出力ポート／ドレンポート
2C    スプール
３    差動トランス
3a    可動鉄心
11    ハウジング
12a、12b、12c、12d    電磁コイル
13    永久磁石
14a、14b    ステータ
18    アーマチュア
18a    可動体
18b    両持ち軸
21a、21b    ディスクスプリング
【図１】
0003795247.tif 000002
【図２】
0003795247.tif 000003
【図３】
0003795247.tif 000004