JP4158782B2 - 電磁アクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、磁石可動型の電磁アクチュエーターに関するものである。

従来より、流体圧シリンダー等に供給される圧力流体を制御する機器として、スプール式の切換弁が知られており、その駆動源として、例えば特許文献１に記載されているような、磁石可動型の電磁アクチュエーターを使用している例がある。この電磁アクチュエーターは、円筒状に巻かれたコイルの内部に棒状の永久磁石を可動体として配設し、該コイルへの通電により発生する磁束と永久磁石による磁束との相互作用によってこの永久磁石を変位させ、この永久磁石でスプールを切り換えるものである。そして、変位センサーで上記スプールの動作位置を検出し、その検出信号で上記電磁アクチュエーターをフィードバック制御することにより、流量制御を行うようにしている。

ところが、上記公知の電磁アクチュエーターは、可動体として棒状の永久磁石を使用しているため、サイズによっては発生推力／永久磁石重量の比が小さくなり、応答性が悪いという問題がある。また、Ｎ極とＳ極とを永久磁石の軸線方向に着磁しているため、作動時に横荷重の影響を受け易いという問題もある。さらに、上記フィードバック制御にあたっては、磁気センサーで上記永久磁石の変位を検出するようにすれば、スプールの変位を直接検出する必要がないため都合が良いが、磁束密度が線形に変化せず、永久磁石の変位を正確に検出するのが非常に難しい。
特開平６−３８４８６号公報

本発明の技術的課題は、磁石可動型の電磁アクチュエーターにおいて、上記従来の欠点を解消し、応答性に勝れ、また、動作安定性に勝れ、さらに、上記可動体である永久磁石の変位を正確に検出し得るものを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電磁アクチュエーターは、円筒状のヨークと、少なくとも一つの円筒状の励磁コイルと、これらヨーク及び励磁コイルの中空部内に軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石とを有する駆動部により構成されていて、上記永久磁石の中空部内に該磁石の中心軸線上に位置するように配設され、磁束密度の変化から該永久磁石の変位を検出する変位センサーと、上記変位センサーからの検出信号を設定値と比較し、それらの偏差に基づいて上記駆動部を制御する制御部と、を備えていることを特徴とするものである。

このような構成を有する電磁アクチュエーターにおいては、円筒形の永久磁石を可動体として使用しているため、棒状の永久磁石を使用する従来品に比べ、可動体の重量に対して推力を大きくすることができ、応答性に勝れる。

また、上記電磁アクチュエーターにおいて好ましくは、上記ヨークが、空隙を保って相対する一対の極歯を備えていて、該ヨークに上記励磁コイルが巻かれることにより構成される。

このように構成することにより、上記励磁コイルに通電すると、その電流の向きに応じてヨークの一方の極歯がＮ極に、他方の極歯がＳ極になる。そして、これらの極歯に発生した磁極と永久磁石の外周側の磁極とが異極であればそれらの間に吸引力が作用し、同極であれば反発力が作用するので、それらの作用力によって永久磁石が軸線方向に変位する。

一方、上記永久磁石の変位は、上記変位センサーによって検出され、その検出信号が上記制御回路にフィードバックされる。そしてこの制御回路において、その検出信号が設定値と比較され、それらの偏差がゼロになるようにこの制御回路から上記駆動部に制御信号が出力され、上記永久磁石の変位量が調節される。このとき、ラジアル方向に着磁された円筒形の永久磁石は磁束密度がその中心軸線上で線形に変化するため、上記変位センサーを、該永久磁石の中空部内にその中心軸線上に位置するように配設することにより、該永久磁石の変位を精度良く検出することができる。

本発明においては、巻き方向を逆にした複数の励磁コイルをヨークの軸線方向に並べて設置すると共に、各励磁コイルに流れる電流の大きさを個別に制御可能なるように構成することもできる。

このように構成することにより、上記ヨークの第１極歯と第２極歯とに発生する磁極とその強さが、二つの励磁コイルにより発生する磁界の総和によって決まるため、二つの励磁コイルに流れる電流の向きを正逆に切り換えることなく、電流の大きさを個別に制御するだけで、永久磁石の移動方向を正逆に切り換えることができる。

本発明において好ましくは、上記励磁コイルに流れる電流を検出するための電流センサーを設け、この電流センサーで検出されたコイル電流を上記制御部にフィードバックすることにより、コイル電圧に対するコイル電流の応答遅れが補償されるように構成されている。

本発明の電磁アクチュエーターによれば、円筒形の永久磁石を可動体として使用しているため、棒状の永久磁石を使用する従来品に比べて発生推力／可動部重量の比が大きくなり、応答性に勝れる。
また、変位センサーを、円筒形をした永久磁石の中空部内にその中心軸線上に位置するように配設したことにより、ラジアル方向に着磁された円筒形の永久磁石は磁束密度がその中心軸線上で線形に変化するという性質を有効に利用し、該永久磁石の変位を精度良く検出することができる。

図１は本発明の第１実施形態を示すもので、エアサーボバルブ１Ａは、スプール３で流体流路の接続状態を切り換える５ポート式の弁切換部２と、電磁アクチュエーターで上記スプール３を駆動するように構成された駆動部４と、この駆動部４をフィードバック制御する制御部５とを備えている。

上記弁切換部２は、矩形断面を持つケーシング８を有していて、このケーシング８に、供給ポートＰと、二つの出力ポートＡ，Ｂと、二つの排出ポートＥＡ，ＥＢと、これらの各ポートが連通する弁孔９とが形成されている。そしてこの弁孔９内には、上記各ポートに通じる開口を周囲に備えたスリーブ１０が取り付けられ、このスリーブ１０内に、上記各ポート間の流路を切り換える上記スプール３が摺動自在に収容されている。図中１１は、上記ケーシング８の一端に取り付けられたエンドカバーである。

また、電磁アクチュエーターからなる上記駆動部４は、上記弁切換部２の軸方向の一端側に設置されていて、上記ケーシング８の端部に連設された円筒形のヨーク１３を有している。このヨーク１３は磁性体からなるもので、円筒状をした外筒部１４と、左右一対の内筒部１５ａ，１５ｂとを有している。これらの内筒部１５ａ，１５ｂは、上記外筒部１４の内周面両端部寄りの位置から該外筒部１４の中心に向けて延びたあと、該外筒部１４の中心軸線と平行で互いに向かい合う方向に折れ曲がり、相互間に一定の空隙を保って対向しており、これら一対の内筒部１５ａ，１５ｂによって第１極歯１６ａと第２極歯１６ｂとが形成されている。そして、上記外筒部１４と内筒部１５ａ，１５ｂとの間の空間部には、ボビンに巻かれた円筒状の励磁コイル１７が収容されている。

上記ヨーク１３の第１極歯１６ａと第２極歯１６ｂとで外周を取り囲まれた中空部１８内には、軸方向の一端が開放する円筒状をした非磁性体製の磁石ホルダー１９が、その軸線方向に変位自在なるように収容されると共に、ねじ２０で上記スプール３の端部に連結され、この磁石ホルダー１９の外周面に、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒形の永久磁石２１が、その外周面の磁極を上記両極歯１６ａ，１６ｂに対向させた状態に嵌め付けられ、該磁石ホルダー１９の端部に螺着したナット２２でこの磁石ホルダー１９に固定されている。

上記永久磁石２１の好ましい長さは、両極歯１６ａ，１６ｂ間に跨がる長さであり、特に、永久磁石２１が一方のストローク端まで移動したときにも、該永久磁石２１の他端が反対側の極歯と一部重複しているか、あるいは小さいギャップで近接しているような長さであることが望ましい。
また、上記ヨーク１３は、永久磁石２１の起磁力によって磁気飽和しないような磁気飽和特性を有するものであり、これによって上記永久磁石２１が、励磁コイル１７の非通電時に、該永久磁石２１と第１極歯１６ａとの間及び第２極歯１６ｂとの間にそれぞれ形成される磁路の磁気抵抗が等しくなる位置、即ち中間位置に停止するようになっている。

上記ヨーク１３の端部にはエンドカバー２３が取り付けられていて、このエンドカバー２３の内面に支持部材２５が固定されると共に、この支持部材２５の中央部に、円筒形をしたセンサーホルダー２４が、上記磁石ホルダー１９の中空部１９ａ内に延出するように設けられ、このセンサーホルダー２４の先端部に、上記永久磁石２１の変位を検出する変位センサー２７が取り付けられている。この変位センサー２７は、ホール素子やＭＲ素子等からなるもので、上記永久磁石２１から生じる磁束密度を検出し、この磁束密度の変化から該永久磁石２１の変位をスプール３の変位として検出するものである。この場合、上記永久磁石２１の変位を高精度に検出するため、この変位センサー２７は、円筒形をした該永久磁石２１の中空部内にその中心軸線上に位置するように配設されている。これは、ラジアル方向に着磁された円筒形の永久磁石２１の磁束密度が、その中心軸線上では線形に変化するという性質を有効に利用するもので、このような円筒形の永久磁石２１を可動体として使用することにより始めて、その中心軸線上に変位センサー２７を配置することが可能となり、それによって該永久磁石２１の変位を精度良く検出することが可能となる。

上記変位センサー２７は、上記センサーホルダー２４の内部を延びるリード線２８によって上記制御部５に接続されている。この制御部５は、上記駆動部４をフィードバック制御することによってスプール３の開度を調節するもので、図２には、上記制御部５と駆動部４及び変位センサー２７とを接続した状態が記号で示されている。同図において、スプール３の開度についての設定値が制御部５に入力されると、ＰＩＤ調節器を経て駆動部４の励磁コイル１７に上記設定値に応じた電圧Ｅが印加される。すると、この励磁コイル１７には、抵抗ＲとインダクタンスＬとに応じた電流Ｉが流れて磁力が発生するため、上記永久磁石２１による磁力との相互作用によってこの永久磁石２１に、推力定数Ｋｆに応じた推力Ｆが発生し、この推力Ｆによって永久磁石２１は、運動方程式に基づく速度ｖで移動する。

上記永久磁石２１の変位は変位センサー２７によってスプール３の変位ｘとして検出され、その検出信号は上記制御部５にフィードバックされ、予め設定された弁開度についての設定値と比較される。そして、それらの偏差がゼロになるように制御部５から上記駆動部４に制御信号が出力され、永久磁石２１の変位量が制御されることにより上記スプール３の変位に伴う弁開度が調整され、それによって流量制御が行われる。例えば、スプール３の変位が設定値に達していないときは、それらの差に応じた正電圧が励磁コイル１７に印加され、スプール３が設定値に近付く方向に変位するように推力が発生する。逆に、スプール３の変位が設定値をオーバーしているときは、それらの差に応じた負電圧が励磁コイル１７に印加され、スプール３が設定値に近付く方向の推力が発生する。また、スプール３の変位が設定値と一致しているときは、励磁コイル１７に印加される電圧は零となり、推力は発生しない。

上記制御部５にはまた、励磁コイル１７に流れる電流を検出する電流センサー３２が接続され、この電流センサー３２からの検出信号をフィードバックすることにより、コイル電圧に対するコイル電流の応答遅れを補償するように構成されている。これによって応答性の向上を図ることができる。
なお、図２中の記号のうち、ＫｐはＰＩＤ調節器の比例ゲイン、Ｋｄは同じく微分ゲイン、Ｋｉは同じく積分ゲイン、ｓはラプラス演算子、ｍは永久磁石を含む可動部の質量、Ｋｅは逆起電力定数、Ｋｓは上記可動部に作用するばね定数、Ｋａは電流フィードバックゲイン、Ｋは変位フィードバックゲインをそれぞれ表している。

上記構成を有する本発明の第１実施形態においては、図１に示すように、上記永久磁石２１が、その外周側がＮ極に、内周側がＳ極になるようにラジアル方向に着磁されている。また、上記永久磁石２１は、ヨーク１３が該永久磁石２１の起磁力によって磁気飽和しないような磁気飽和特性を有しているため、励磁コイル１７の非通電時に、該永久磁石２１と第１極歯１６ａとの間及び第２極歯１６ｂとの間にそれぞれ形成される磁路の磁気抵抗が等しくなる位置、即ち中間位置に停止する。このためスプール３も中立位置に停止し、各ポートＰ，Ａ，Ｂ，ＥＡ，ＥＢ間の流路は何れも遮断されている。

この状態で、上記励磁コイル１７に図１中に記号で示す方向に通電すると、その電流の向きによってヨーク１３の第１極歯１６ａがＮ極に、第２極歯１６ｂがＳ極になる。このため、磁気吸引力によって上記永久磁石２１は第２極歯１６ｂ側に変位し、それに伴ってスプール３も図の右方向に変位するから、供給ポートＰと出力ポートＡとが連通し、出力ポートＢと排出ポートＥＢとが連通する。

上記励磁コイル１７に逆方向に通電すると、ヨーク１３の第１極歯１６ａがＳ極になり、第２極歯１６ｂがＮ極になるため、上記永久磁石２１は第１極歯１６ａ側に変位し、それに伴ってスプール３も図の左方向に変位する。このため、供給ポートＰと出力ポートＢとが連通し、出力ポートＡと排出ポートＥＡとが連通する。ここで、上記制御部５において円筒形の永久磁石２１を可動体として使用しているため、棒状の永久磁石２１を使用する場合に比べて発生推力／可動部重量の比が大きくなり、応答性に勝れる。

一方、上記永久磁石２１の変位は、上記変位センサー２７によりスプール３の変位として検出され、その検出信号が上記制御部５にフィードバックされる。そしてこの制御部５において、その検出信号が設定値と比較され、それらの偏差がゼロになるようにこの制御部５から上記駆動部４に制御信号が出力され、永久磁石２１の変位量が制御されることによって弁開度が調整され、それによって流量制御が行われる。このとき、上記変位センサー２７を、円筒形の永久磁石２１の内部の中心軸線上に配設しているため、ラジアル方向に着磁された円筒形の永久磁石２１は磁束密度がその中心軸線上で線形に変化するという性質を有効に利用し、該永久磁石２１の変位を精度良く検出することができ、高精度の流量制御を行うことが可能になる。

上記励磁コイル１７の通電を断つと、上記永久磁石２１が両極歯１６ａ，１６ｂの中間位置に位置決めされるため、スプール３も中立位置を占める。このように、励磁コイル１７の非通電時に上記スプール３が中立位置を占めるようにしておくことにより、何らかの異常事態が発生して励磁コイル１７への通電が停止したような場合でも、このエアサーボバルブ１Ａで駆動中のエアシリンダ等のアクチュエーターはその位置に停止するため、安全性が高い。

図３は本発明の第２実施形態を示すもので、この第２実施形態が上記第１実施形態と異なる点は、駆動部４が複数の励磁コイル１７ａ，１７ｂを備えているという点である。即ち、ヨーク１３の空間部内には、互いに逆向きに巻かれた第１励磁コイル１７ａと第２励磁コイル１７ｂとが軸線方向に並べて設けられていて、これらの励磁コイル１７ａ，１７ｂに流れる電流の大きさを制御部５によって個別に制御できるように構成されている。

上記以外の構成については、実質的に第１実施形態と同じであるから、主要な同一構成部分に第１実施形態と同じ符号を付してその説明は省略する。

エアサーボバルブ１Ｂにおいて、ヨーク１３の第１極歯１６ａと第２極歯１６ｂとに発生する磁極とその強さは、上記二つの励磁コイル１７ａ，１７ｂにより発生する磁界の総和によって決まる。従って、第１励磁コイル１７ａに流れる電流が第２励磁コイル１７ｂに流れる電流より大きい場合には、第１極歯１６ａがＳ極になって第２極歯１６ｂがＮ極になる。このため、上記永久磁石２１は第１極歯１６ａ側に変位し、それに伴ってスプール３も図の左方向に変位する。逆に、第１励磁コイル１７ａに流れる電流より励磁コイル１７ｂに流れる電流が大きい場合には、第１極歯１６ａがＮ極になって第２極歯１６ｂがＳ極になるため、上記永久磁石２１は第２極歯１６ｂ側に変位し、それに伴ってスプール３も図の右方向に変位する。

従って、二つの励磁コイル１７ａ，１７ｂに流れる電流の向きを正逆に切り換えることなく、電流の大きさを個別に制御するだけで、永久磁石２１及びスプール３の移動方向を正逆に切り換えることができる。これは、構成が簡単で安価かつ高性能の制御回路の実現を容易にするものである。

図４及び図５は本発明の第３実施形態を示すもので、この第３実施形態が上記第１実施形態と異なる点は、スプール３の両側に復帰ばね３５，３５をそれぞれ設けて、非通電時にこれらの復帰ばね３５，３５でスプール３を中立位置に保持させるようにした点と、上記スプール３を手動で切り換えるための手動操作機構３６を設けた点、及び、制御部５を駆動部４の端部に付設した点である。

即ち、上記スプール３の一端には、該スプール３の端面とエンドカバー１１の端面とにそれぞれ凹部３ａ，１１ａが形成され、これらの凹部内に一方の復帰ばね３５の両端が収容されている。また、上記スプール３の他端側においては、磁石ホルダー１９の内部と円筒形のセンサーホルダー２４の先端部とにそれぞればね座３８，３９が設けられ、これらのばね座３８，３９の間に他方の復帰ばね３５が設置されている。これにより、励磁コイル１７の非通電時に上記スプール３を、より迅速かつ確実に中立位置に停止させることができる。

上記センサーホルダー２４は、ヨーク１３の端面を覆う支持部材４０と一体に形成されていて、この支持部材４０の外面には基板４１が取り付けられ、この基板４１上に上記制御部５が組み付けられている。また、上記支持部材４０にはカバー４２が取り付けられ、このカバー４２で上記基板４１全体が覆われている。図中４３は、上記基板４１上の制御部５やその他の電子部品等に給電するためのコネクターである。

また、上記手動操作機構３６は、図６からも分かるように、ケーシング８にホルダー４８を介して自身の軸線方向に進退自在かつ軸線の回りに回転操作可能なるように取り付けられた円柱状のハンドル４５と、該ハンドル４５の先端に偏心状態に設けられたピン４６と、上記磁石ホルダー１９の外面全周に形成されて上記ピン４６が係合する係合溝４７とを有している。上記ハンドル４５は、ばね４９で後退方向に常時弾発されることにより、通常は上記ピン４６が係合溝４７から外れた復帰位置を占めるようになっており、その頭部には、ドライバー等の工具で回転操作するための操作溝４５ａを有している。また、上記ホルダー４８の上部には、このハンドル４５の頭部を覆う保護カバー４８ａが取り付けられ、不意にハンドル４５が回転操作されないようにしている。図中４８ｂは、上記保護カバー４８ａに設けられた操作用の孔である。なお、上記係合溝４７は磁石ホルダー１９に設けられているが、スプール３に設けても良い。

上記手動操作機構３６でスプール３を変位させるときは、図７に示すように、ドライバー等の工具を上記ハンドル４５の操作溝４５ａに差し込んでこのハンドル４５を軸線方向に押し込むことにより、先端のピン４６を係合溝４７に嵌合させ、その状態で上記ハンドル４５を時計回りか又は半時計回りに９０度回転させる。すると、上記ピン４６がハンドル４５の軸線を中心にして偏心回転運動をするから、磁石ホルダー１９従ってスプール３がピン４６に押されて変位する。図７では、ハンドル４５を半時計回りに回転させたときスプール３が右方向に変位する場合が示されている。従ってこの場合には、ハンドル４５を時計回りに回転させることにより、スプール３を図の左方向に変位させることができる。かくして、停電時等に、スプール３を手動で左右に変位させることによって流路を切り換えることができる。

なお、上記第３実施形態における上記以外の構成及び作用は、実質的に第１実施形態と同じであるから、主要な同一構成部分に第１実施形態と同じ符号を付してその説明は省略する。

また、上記第３実施形態において、励磁コイル１７を第２実施形態と同様に複数設けても良い。あるいは、上記復帰ばね３５，３５と手動操作機構３６のうち何れか一方を省略した構成とすることもできる。

本発明の第１実施形態を示す断面図である。 フィードバック制御のための制御系の説明図である。 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 図４の断面図である。 図４における手動操作機構部の拡大図である。 手動操作機構の動作を説明する説明図である。

符号の説明

Ｐ，Ａ，Ｂ，ＥＡ，ＥＢ ポート
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ エアサーボバルブ
２ 弁切換部
３ スプール
４ 駆動部
５ 制御部
８ ケーシング
９ 弁孔
１３ ヨーク
１６ａ，１６ｂ 極歯
１７，１７ａ，１７ｂ 励磁コイル
１９ 磁石ホルダー
２１ 永久磁石
２７ 変位センサー
３２ 電流センサー
３５ 復帰ばね
３６ 手動操作機構
４５ ハンドル
４６ ピン
４７ 係合溝

Claims (4)

1. 円筒状のヨークと、少なくとも一つの円筒状の励磁コイルと、これらヨーク及び励磁コイルの中空部内に軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石とを有する駆動部により構成されていて、
   上記永久磁石の中空部内に該磁石の中心軸線上に位置するように配設され、磁束密度の変化から該永久磁石の変位を検出する変位センサーと、
   上記変位センサーからの検出信号を設定値と比較し、それらの偏差に基づいて上記駆動
   部を制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とする電磁アクチュエーター。
2. 上記ヨークは、空隙を保って相対する一対の極歯を有していて、該ヨークに上記励磁コイルが巻かれている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエーター。
3. 巻き方向を逆にした複数の励磁コイルを有し、これらの励磁コイルがヨークの軸線方向に並べて設置されると共に、各励磁コイルに流れる電流の大きさが個別に制御可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁アクチュエーター。
4. 励磁コイルに流れる電流を検出するための電流センサーを備えていて、この電流センサーで検出されたコイル電流を上記制御部にフィードバックすることにより、コイル電圧に対するコイル電流の応答遅れを補償するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電磁アクチュエーター。

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