JP4354300B2 - 流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システム - Google Patents

Description

本発明は、流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムに関し、特に、斜板を備える流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムに関する。

ロボットハンド、船舶の舵、航空機の操舵翼のような駆動対象を駆動する駆動機械は、アクチェータと称されて多様に用いられる。大質量物体に外力を与える機械要素の駆動関係部位には、大きい反作用力が働く。移動（変位）対象物体を位置Ａから位置Ｂに移動させ、位置Ｂでその移動対象物体を停止的に固定するためには、流体圧ポンプ又は流体圧ポンプのピストンの位置を制御するサーボモータが用いられる。そのような機械要素には、移動中にも停止中にも大反作用力を受容し保持する保持力が要求される。

そのようなアクチュエータとして、ＥＨＡ（電動流体圧アクチュエータ）が知られている。ＥＨＡ原理に基づく流体圧シリンダ装置は、電動モータと、流体圧ポンプと、駆動関係部位である既述の機械要素（出力ピストン）とから形成される。流体圧ポンプの複数のピストンの動作端面は相対的に回転する斜板の斜面に対して回転的に摺動する。大きい力を与えて駆動対象を運動させ又は特定される駆動位置に高精度の位置精度で停止させる機械要素（例示：大質量物体を停止位置に停止させたままで把持するロボットハンドを駆動する出力ピストン）には、大きい反作用力が働く。大反作用力は、流体圧ポンプを介して電動モータのロータに伝達される。そのロータを制御位置に保持するためには、その電動モータに大電力が流され、モータの複数の部位に過大電流が生じる。ＥＨＡ原理に基づくアクチュエータは、斜板の使用により、そのような過大電流を抑制するために重要な機械要素を構成している。

大外力を反作用力として受けるアクチュエータの高速・高精度の制御のためには、斜板のダイナミックな斜面角度の制御が新たに採り入れられることが求められる。その場合に、流体圧ポンプを含む流体系に含まれる流体の量の変化に対応する制御の高速化と高精度化が重要である。

特開２００１−２９５８０２号

本発明の課題は、斜板のダイナミックな斜面角度の制御を実現する流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムを提供することにある。
本発明の他の課題は、過大電流の生成を抑制することにより小型化され軽量化される流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムを提供することにある。
本発明の更に他の課題は、過大電流の生成を抑制することにより発熱を抑制し電動モータの小型軽量化を実現する流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムを提供することにある。
本発明の更に他の課題は、高速化と高精度化を更に実現する流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムを提供することにある。

本発明による流体圧アクチュエータは、駆動系と、駆動系の出力により流体量を制御する流体系と、制御系とから構成されている。その流体系は、流体圧シリンダ（２）と、流体圧シリンダ（２）の出力ピストン（１７）に動作流体を給排し駆動系により駆動される流体圧ポンプ（３）とから形成されている。流体圧ポンプ（３）は、本体（５）と、本体（５）の中で進退動し互いに位相が異なって、出力ピストン（１７）に流体を給排する複数の給排ピストン（１３，１４）と、複数の給排ピストン（１３，１４）に接合し給排ピストン（１３，１４）を進退動させる斜面形成体（４’：当該業界では斜板と慣用的に呼称されていて、以下、斜板といわれる。）とから形成されている。駆動系は、斜板（４’）と本体（５）との間の相対的回転を行う電動モータ（１）を構成している。制御系は、出力ピストン（１７）の位置に対応して出力ピストン（１７）を目標位置にフィードバック制御する位置制御系と、出力ピストン（１７）の出力（Ｆ）と出力ピストン（１７）の目標速度（Ｖ）とに対応して斜板（４’）の斜面角度（３７：θ）を制御する角度制御系（３２，２４）と、目標速度（Ｖ）と出力（Ｆ）と斜面角度（θ）とに対応して電動モータ（１）の回転数（１０１）を制御する回転数制御系とから形成されている。互いに位相が異なって進退動する複数の給排ピストン（１３）は、出力ピストンを連続的に同一方向に移動させることができる。そのような進退動は、斜板（４’）の回転により実行される。

本発明の目標速度と斜面角度の多変数制御は、出力ピストン（１７）を目標位置に制御する公知のフィードバック制御系の中で実行される。斜面角度は、回転数（１０１）に相関的に制御される。このような相関的制御又はマッピング制御は、斜板（４’）の斜面角度を系全体（駆動系と流体系）のリアルタイムの状態量に忠実に対応する回転数（１０１）に相関させて最適切に定めることにより、斜面角度をダイナミックに制御することができる。このようなダイナミックな制御は、後述される高精度制御と小型軽量化のための基幹的な制御技術を実現する。

位置制御ループの制御は、出力ピストン（１７）と目標位置の差分に対応して、電動モータ（１）の回転方向の正負が定められ、差分が零になるように総回転数がフィードバック制御により制御される点は、公知技術の制御に同じである。本発明では、回転数（Ｎ：目標速度に概ね対応）と斜面角度（３７：θ）の２変数がリアルタイムに制御される。そのような制御をマッピング規則により実行することは、過去の経験則を活用することが効果的であるが、理論上の評価関数又は経験則上の評価関数に基づいて最適制御を計算により実行することが好ましい。マッピング規則は、リアルタイムな制御のために参照される。このような回転数・斜面角度の同時制御は、位置制御のためのフィードバック制御と同じ時系列点で実行されることが高精度化のために顕著に効果的である。

回転数・斜面角度制御では、モータが大外力反作用に制御される適正斜面角度θにより高精度位置制御の時系列点上でリアルタイムにその反作用力が適正に低減され、過大電流の生成が抑制され、モータの小型軽量化が結果的に実現される。そのような小型化が特に要求されるアクチュエータとしてはロボットハンドが好適に例示され、そのような軽量化が特に要求されるアクチュエータとしては航空機の操舵システムが好適に例示される。

回転数制御系は回転数制御規則を有している。回転数制御規則は、出力ピストン（１７）の位置（３４）と目標位置（３３）との位置偏差（３２）に対応して目標速度（Ｖ）を計算する計算規則と、目標速度（Ｖ）と出力（Ｆ）と斜面角度（θ）とに対応して電動モータの回転数を規定する回転数マッピング規則（４４）とから形成されている。角度制御系は角度制御規則を有している。角度制御規則は、出力（Ｆ）と目標速度（Ｖ）とに対応して斜面角度（θ）を規定する角度マッピング規則（４５）を形成している。制御対象は２変数であり、且つ、その２変数を記述する変数は２変数又は３変数であり、領域分けされるマッピング規則は、現実の適正運転によく反映される。

制御規則は、速度（Ｖ）に対応する流量と出力に対応する流出量に対応することが高精度化のために顕著に有効である。多くの流体機械では、その系の流体が潤滑用流体として積極的に利用される。流体量の変化は、位置制御に反映されることが重要である。流体量に対応して回転数が補正される。ＥＨＡでは、流体の給排量の連続化のために、本体は必ず回転部分（５）と非回転部分（６）とに分けられる。回転部分（５）と非回転部分（６）の間の回転摺動面（７）には、流体系の一部分（１１，２１）の流体が潤滑のために積極的に用いられる。その潤滑流体は、摺動面（７）から流体系外に積極的に逃がされる（現場では、漏れるといわれる。）。圧力流体給排室（８）の中の流体は、給排ピストン（１３）と非回転本体（５）との間の摺動面から積極的に逃がされる。更には、流体系の中の流体は、給排ピストン（１３）と斜面板（４’）との摺動面に潤滑のために供給される。その他に、系内流体が部分的に系外に逃がされ、又は、漏れる部位がある。このように流体量は減少し一定ではない。流体量の一定化のために流体の補充が有効である。流体の系外流出量と流体の系内補充量は、各流体機械に固有であるパラメータとして計算器の中で記述される。このような流体変化量に対応して既述の回転数と斜面角度を制御することは、高速化制御を前提とする制御系で、位置制御を高精度化することができる。高精度化は、リアルタイムの時系列制御では、応答性の改善として現れる。

制御則は、目標速度（Ｖ：図６のステップＳ４）に対応する第１斜面角度（θ１）を求め、且つ、出力（Ｆ）に対応する第２斜面角度（θ２）を求め、第１斜面角度（θ１）と第２斜面角度（θ２）のうち小さい方を斜面角度（θ）として選択する選択規則を含んでいる。斜面角度が、反作用力に比例するため小さい方が好ましい。制御則は、出力ピストン（１７）を目標位置まで動作せる動作過程で電動モータの回転数（回転数速度）を最大回転数以下に制限する制限則を更に含む。制限を越えて高速にアクチェータが動作することにより機械的毀損が起こることが防止される。制御規則は、斜面の無効性と斜面の利きすぎとを防止する点で、斜面角度（θ）を最大角度と最小角度の範囲に収める制限則を更に含むことが好ましい。

本発明は、航空機の操舵システムに利用されて顕著にその有用性が活用される。既述の流体圧アクチュエータを搭載する航空機は、操舵器の舵（６４−１，２）と操舵制御コンピュータ（６７）とから構成されている。出力ピストン（１７）は操縦舵（６４−１，２）に機械的に接続する。操舵制御コンピュータ（６７）は操舵指令を出力する。操舵指令は、パイロットの手動操縦器の位置信号に対応する。出力ピストンの目標位置（３３）は、その位置信号に対応する。

流体圧シリンダ（２）と斜板（４’）を含む流体圧ポンプ（３）と電動モータ（１）とは機械的に結合するアクチュエータユニット（５１）として形成される。アクチュエータユニット（５１）は複数体が用いられる。航空機の操縦舵は、航空機の主翼（５７）に配置され複数の第１操舵器（６４）と、水平尾翼又は垂直尾翼（６１）に配置される複数の第２操舵器の舵（６６）と、操舵器に等価であるその他の機器とから形成される。アクチェータユニット（５１）は、複数の第１操舵器と複数の第２操舵器に位置的に対応して分散的に配置される。この場合に、複数体のアクチェータユニット（５１）は機体の中心面に対して概ね鏡面対称に配置されることが特に好ましい。このような鏡面対称配置は、旋回方向の操舵性を対称化し、コンピュータの計算又はパイロットの操縦を容易にする。複数のアクチュエータの統合的制御は、別途に設けられるフライト・コントロール・コンピュータにより統括的に実行される。

複数のアクチュエータのユニット化は、流体圧シリンダ（２）と斜板（４’）を含む流体圧ポンプ（３）と電動モータ（１）とが機械的に互いに結合する機械系ユニットとして構造化される。流体系と駆動系の電気的配線、流体配管はそれぞれのアクチュエータの内部で短く構成され、機体全体に配線、配管をめぐらすことにより配線、配管が冗長に長くなることがない。このため、機械的故障の原因が少なくなるとともに、個々のアクチュエータユニットがコンパクトに構造化され、結果的に軽量化される。このような軽量化は、多くのユニットが用いられるロボット、航空機で顕著に効果が大きい。

本発明によるアクチュエータの動作方法は、電動モータの回転力で流体圧ポンプを回転し流体圧シリンダ出力ピストンを進退動するＥＨＡ原理に基づくアクチュエータを動作させるアクチュエータの動作方法であり、電動モータの回転力を流体圧ポンプの流体の給排力に変換すること、アクチュエータの出力ピストンのピストン位置を計測すること、出力ピストンの出力を計測すること、ピストン位置と出力ピストンの目標位置との差分に対応して出力ピストンの位置を時系列制御点でフィードバック制御すること、その差分に対応する電動モータの目標回転数を計算すること、出力と出力ピストンの目標回転数とに対応して斜面の斜面角度を計算すること、目標回転数と出力と斜面角度とに対応して目標速度に対応する電動モータの制御回転数を計算することとから構成されている。電動モータは、リアルタイムに制御回転数と斜面角度の複数制御変数により回転制御される。制御回転数の計算には、流体圧ポンプを含む流体系の中の流体の変化量が考慮されて、高速・高精度で高応答の制御が実現される。

本発明による流体圧アクチュエータ、その動作方法、及び、航空機の操舵システムは、時系列的フィードバック制御の中で、斜板のダイナミックな斜面角度の制御が実現する。回転数に相関する斜面角度が制御され、電動モータにかかる負荷が軽減され、結果的に、高速応答制御が実現する。付加的に、過大電流の生成が抑制され、電動モータの小型軽量化が実現し、航空機、ロボットのような分野に対する利用が拡大される。

本発明による流体圧アクチュエータの実現態は、図に対応して、詳細に記述される。電動モータ１は、図１に示されるように、流体圧シリンダ２と流体圧ポンプ３とともに設けられている。斜板４は、固定されて設けられ流体圧ポンプ３に対して接合し機械的に結合している。

流体圧ポンプ３の本体は、回転本体５と非回転本体６とから形成されている。回転本体５は、図示されない軸受ケーシングに回転摺動自在に支持されている。回転本体５は、非回転本体６に回転摺動面７を介して回転自在に接合している。回転本体５は、複数の第１圧力流体給排室８と複数の第２圧力流体給排室９を形成している。第１圧力流体給排室８と第２圧力流体給排室９は、それぞれに共軸心線方向に延びる複数の圧力流体給排孔として回転本体５に形成されている。図１に示されるように、第１圧力流体給排室８は第１圧力流体給排口１１に接続している。第２圧力流体給排室９は、第２圧力流体給排口１２に接続している。第１圧力流体給排室８の個数と第２圧力流体給排室９の個数の総数は、図２に示されるように、特に奇数（例示：７）に設定されている。第１圧力流体給排室８と第２圧力流体給排室９は、等角度間隔で同一円周上に配列されている。第１圧力流体給排口１１と第２圧力流体給排口１２は、図３に示されるように、互いに等しい角度範囲で回転本体５に刳り抜かれて形成されている。ＥＨＡ原理の流体給排出ポンプは、回転本体５が同一方向に回転している間で、出力ピストン１７の一方側室に一方方向に流体を供給し、出力ピストン１７の他方側室から一方方向に流体を吸引する。

複数の第１圧力流体給排室８には、複数のポンプ側第１ピストン１３がそれぞれに挿入されている。複数の第２圧力流体給排室９には、複数のポンプ側第２ピストン１４がそれぞれに挿入されている。ポンプ側第１ピストン１３とポンプ側第２ピストン１４の総数は、既述の例示では、７である。７つのピストンは、順繰りの進退位相で第１圧力流体給排室８と第２圧力流体給排室９の中で往復運動する。

ポンプ側第１ピストン１３とポンプ側第２ピストン１４の外側端面は球面に形成され、その球面は斜板４に同時に接合して相対的に回転的に摺動する。回転本体５は、結合軸１５を介して電動モータ１の出力軸に固定的に結合して連結している。電動モータ１から回転駆動力を受けて回転する回転本体５に保持されているポンプ側第１ピストン１３とポンプ側第２ピストン１４は、単一の共軸心線のまわりに回転して、斜板４から反作用を受けて、既述の通りにそれぞれに進退動する。

流体圧シリンダ２は、図１に示されるように、シリンダ本体１６と出力ピストン１７とから形成されている。出力ピストン１７の出力は、ピストンロッド１８を介して取り出される。その出力は、ロボットハンドのような機械動作部位に動作力を提供する。第１圧力流体給排口１１はシリンダ本体１６の一方側シリンダ室１９に第１圧力流体通路２１を介して接続し、第２圧力流体給排口１２はシリンダ本体１６の他方側シリンダ室２２に第２圧力流体通路２３を介して接続している。

電動モータ１の出力軸１５に結合する回転本体５が回転し、ポンプ側第１ピストン１３とポンプ側第２ピストン１４はそれらの回転力を斜板４の斜面から反作用力として受け、回転方向に順繰りに等しい位相差で進退動する。前進するポンプ側第１ピストン１３又はポンプ側第２ピストン１４は、第１圧力流体給排室８の中の作動油を第１圧力流体給排口１１から押し出して、第１圧力流体通路２１を介してシリンダ本体１６の一方側シリンダ室１９に圧力流体として供給する。後退するポンプ側第１ピストン１３又はポンプ側第２ピストン１４は、他方側シリンダ室２２の中の作動流体を第２圧力流体通路２３を介して第２圧力流体給排口１２から第２圧力流体給排室９に吸引する。このような運動では、斜板４の斜面と回転本体５の回転面（回転軸に直交する面）との間の斜面角度は、ポンプ側第１ピストン１３，ポンプ側第２ピストン１４と斜板４との間の反作用力の大小を決定する。その斜面角度が零であれば、ポンプ側第１ピストン１３，ポンプ側第２ピストン１４と斜板４との間の伝達力は零である。

図４に示されるように、流体圧ポンプで慣用されている斜面角度設定器２４が追加されている。斜板４は、斜面角度設定斜板４’として再構成されている。斜面角度設定器２４は、斜面角度設定用サーボモータ連結スクリュー又は斜面角度設定用サーボ流体圧シリンダとして提供されている。そのような出力軸２５の動作端は、斜面角度設定用斜板４’の一部に回転自在に結合している。斜面角度可変斜板４’は、適正な位置で結合軸１５に直交する支点軸２６を中心として回転可能に支点軸２６に支持されている。出力軸２５の前進後退運動の運動距離は斜面角度設定斜板４’の斜面角度に対応する。出力位置は、出力ピストン１７に同体に運動するピストンロッド１８の定点２７の位置を検出する位置検出器２８により電気的に検出される。

図５は、本発明による流体圧制御回路を示している。その流体圧制御回路は、減算器３１とＥＨＡの制御則を定める制御則設定器３２を備えている。減算器３１には、アクチェータ動作目標位置信号３３と位置検出器２８が検出するアクチェータ動作位置信号（アクチュエータ位置、具体的には、出力ピストン１７の位置）３４とが入力する。減算器３１は、アクチュエータ動作目標位置信号３３とアクチュエータ動作位置信号３４の差分の差分信号（位置偏差信号）３５を制御則設定器３２に対して出力する。制御則設定器３２は、位置偏差信号３５に対応して多変数信号を生成して出力する。その多変数信号は、目標モータ回転数指令値３６と、斜面角度指令値３７とから形成されている。目標モータ回転数指令値３６は、電動モータ制御ドライバ３８に入力される。斜面角度指令値３７は、斜面角度設定器２４に入力される。斜面角度設定器２４は、斜面角度指令値３７に対応する斜面角度を斜面角度可変斜板４’に出力軸２５を介して設定する。

ピストンロッド１８が動作制御対象から反作用力として受ける荷重は、荷重検出器３９により検出される。荷重検出器３９は、一方側シリンダ室１９と他方側シリンダ室２２のの作動流体の圧力差を検出することによりその荷重を検出することができる。荷重検出器３９により検出される荷重検出信号４１は、アクチュエータ動作位置信号３４とともにフィードバック信号として制御則設定器３２に既述の通りに入力される。電動モータ１は、回転数速度信号４２と角度位置信号４３をフィードバック信号として出力する。回転数速度信号４２と角度位置信号４３は、モータ回転数速度指令値３６とともに電動モータ制御ドライバ３８に入力される。

図６は、本発明による流体圧アクチュエータの制御方法の実現態を示している。本実現態は、制御則を有している。その制御則は、アクチュエータ動作目標位置信号３３とアクチェータ動作位置信号３４と荷重検出信号４１とから形成される入力信号に対応してモータ回転数指令値１０１と斜面角度指令値３７を出力信号として出力するための規則である。初期ステップＳ０では、アクチュエータ動作目標位置信号３３とアクチュエータ動作位置信号３４と荷重検出信号４１とが制御則設定器３２に対して入力される。ステップＳ１では、アクチュエータ動作目標位置信号３３に対してアクチュエータ動作位置信号３４の減算が減算器３１で実行され、その実行による位置偏差３５が制御則設定器３２に入力される。

ステップＳ２では、位置偏差３５はアクチュエータ動作位置信号３４からアクチュエータ動作目標位置信号３３に到達する制御過程である時系列制御点の各時刻のモータ回転数が制御則設定器３２の計算器部分（図示されず）で計算されて求められる。ステップＳ３は、そのモータ回転数に対する制限を判定する。計算によるモータ回転数が最大許容回転数より大きい場合には、そのモータ回転数はその最大許容回転数に設定され、その計算によるモータ回転数が最大許容回転数より小さい場合には、そのモータ回転数は計算による回転数に設定される。このように、電動モータ１は制限回転数を越えて回転することはない。

ステップＳ４では、モータ回転数に対応する出力ピストン１７の目標速度（アクチェータの出力ピストン１７の線形速度）Ｖが計算されて求められる。アクチェータ線形速度Ｖは、目標位置に到達するまでの時間と出力の推力が適正であるような速度として計算される。目標速度Ｖは、ステップＳ５で、モータ回転数マップ４４に入力される。モータ回転数マップ４４は、制御則設定器３２に内蔵されている。

荷重検出信号４１であるアクチュエータ力（ピストンロッド１８の推力）Ｆは、ステップＳ６で、目標速度Ｖとともに斜面角度マップ４５に対して入力される。斜面角度マップ４５は、制御則設定器３２に内蔵されている。アクチュエータ力Ｆは、斜面角度マップ４５に入力され、且つ、ステップＳ５で回転数マップ４４に入力される。斜面角度マップ４５は、ステップＳ６で、目標速度Ｖとアクチュエータ力Ｆに対応する斜面角度θを選択する。斜面角度θは、ステップＳ５で、目標速度Ｖとアクチュエータ力Ｆとともに回転数マップ４４に入力される。

ステップＳ７では、目標速度Ｖと斜面角度指令値θ３７とアクチュエータ力Ｆとに対応するモータ回転数指令値１０１がモータ回転数マップ４４により計算され又は対応表により求められてモータ回転数マップ４４から出力され、モータ回転数指令値１０１は電動モータ制御ドライバ３８に入力される。斜面角度指令値３７は、斜面角度マップ４５で計算され又は対応表により求められて制御則設定器３２から出力され斜面角度設定器２４に入力される。

図７は、ステップＳ５の回転数マップ４４の具体化を示している。その具体化のフローは、制御則設定器３２に設定されている。ステップＳ８で、目標速度Ｖに対応するピストン移動に必要であるピストン移動対応流量（出力ピストン１７の線形移動量に対応する流体流量）が計算される。そのピストン移動対応流量は、目標速度Ｖと出力ピストン１７の断面積から計算される。ステップＳ９で、アクチュエータ力Ｆに対応し流体圧ポンプ３を含む流体系の内部の流体系内流体変化量が計算される。その変化量は、出力ピストン１７の推力に対応して流体圧系の中で計測により予め知られ、又は、流体力学的に計算されて知られ得る。更には、流体の補充量が考慮される。ステップＳ１０で、ピストン移動対応流量と流体系内流体変化量とに対応する流体圧シリンダ内目標流量が計算される。モータ回転数指令値１０１は、ステップＳ１１で、斜面角度θと流体圧シリンダ内目標流量とに対応する値として計算される。モータ回転数指令値１０１は、流体系内流体変化量により補正されている。このような補正は、既述の時系列点で実行され、特には制御周期の全ての時刻で実行される。斜面角度とモータ回転数とが相関的に制御される本発明では、そのモータ回転数が流体流量の変化に対応して補正され、出力ピストン１７はより高精度に且つより高速度に制御され、大外力を受けるアクチュエータの高応答性が実現される。

図８は、ステップＳ６の斜面角度マップ４５の具体化を示している。その具体化のフローは、制御則設定器３２に設定されている。ステップＳ１２で、アクチェータ線形速度Ｖに対応する斜面角度可変斜板４’の速度対応斜面角度θ１が計算される。小さい斜面角度は、同じモータ回転速度に対して出力ピストン１７の遅い速度に対応する。ステップＳ１３で、アクチュエータ力Ｆに対応する斜面角度可変斜板４’の推力対応斜面角度θ２が計算される。ステップＳ１４で、速度対応斜面角度θ１と推力対応斜面角度θ２とが比較されて、それらのうちの小さい斜面角度が選択斜面角度θ（＝Ｓｍｉｎ（θ１，θ２））として選択される。より小さい斜面角度は、出力ピストン１７の推力に対して電動モータ１に発生するより小さい反作用力に対応する。θ１とθ２のうちの小さい方は、Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）で表される。

ステップＳ１５は、リミッタによる斜面角度制限を示している。選択斜面角度θｓが設定されている最大斜面角度θｍａｘより大きい場合には、選択斜面角度Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）は最大斜面角度θｍａｘに設定される。選択斜面角度Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）が設定されている最小斜面角度θｍｉｎより小さい場合には、選択斜面角度Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）は最小斜面角度θｍｉｎに設定される。選択斜面角度Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）が最大斜面角度θｍａｘより小さく最小斜面角度θｍｉｎより大きい場合には、選択斜面角度Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）はステップＳ１４で選択されたＳｍｉｎ（θ１，θ２）にそのままに維持される。このようにリミッタにより、適正範囲の斜面角度θ３７が制御則設定器３２により決定されて斜面角度設定器２４に入力される。
θｍｉｎ≦θ＝Ｓｍｉｎ（θ１，θ２）≦θｍａｘ

図９は、斜面角度制御則のマッピングを実行する斜面角度マップ４５の具体例を示している。図９の３次元座標系で、縦軸は出力軸（θ）を示し、２つの横軸は入力軸（Ｆ，Ｖ）を示している。縦軸は出力である斜面角度（指令値）３７を示し、第１横軸はステップＳ４で定められるピストン速度Ｖを示し、第２横軸はアクチュエータ力Ｆ（ピストン推力）を示している。曲面又は概平面Ｓは、Ｓ（θ，Ｖ，Ｆ）＝０で表され、θ＝θ（Ｖ，Ｆ）で表される。概平面Ｓは、理論計算又は実験により得られる経験則が付加された理論計算により採択されている。より多くの経験により、概平面Ｓは補正され修正される。

概平面Ｓは、更に、モータ回転速数度（ｒｐｍ）の情報を有している。図示化の便宜上、モータ回転数速度指令値は１０個の領域Ｒ１〜Ｒ１０に段階化されて示されているが、実機ではそのようには離散化されずコンピュータの能力の範囲で連続化されている。図は、１つの座標点（θ，Ｖ，Ｆ）を例示している。

図１０は、既述のマップにより定められる斜面角度θとモータ回転数指令値１０１とにより運転される実機について、その電動モータ１の発熱量を示している。２次元座標軸は、ピストンの目標速度Ｖとアクチュエータ力Ｆとから形成されている。縦軸は、発熱量を示している。その概曲面は、２変数関数の発熱量分布を示している。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃは、図１０で選択される３つの特定の目標速度（図１０中の目標速度Ａ，Ｂ，Ｃ）について、図１０の発熱量−アクチュエータ力の２次元断面を示している。公知の固定斜板に対して本発明の可変斜板のＥＨＡでは、その発熱量は全領域で最大７０％の減少を示している。

図１２と図１３は、既述の発熱量低減効果がある本発明の制御則により運転駆動される実機について数値解析により応答性を確認するためのグラフを示している。図１２で、縦軸は振幅比を示し横軸は周波数を示している。図１３で、縦軸は位相を示し横軸は周波数を示している。横軸は対数目盛で表されている。実機に対して、応答性評価のために制限要素に定常正弦波を入力して出力波形の振幅比と位相が計測される。図１２に示されるように、本発明では、全周波数範囲で減衰性が改善されている。図１３に示されるように、本発明では、実用周波数範囲で位相遅れが改善されている。

図１４〜図１６は、本発明によるアクチュエータの既述の実現態の適用を示している。その適用は、特には、航空機の操舵の分野に関する。図１又は図５に示される流体圧アクチュエータは、図１４に示されるように、航空機の機体の中の複数の分散位置に複数セットとしてそれぞれに立体構造的に配置される。電動モータ１として、特に、位置制御の高精度化と即時応答性に優れるサーボモータが採択される。電動モータ１と流体圧ポンプ３と流体圧シリンダ２は、アクチュエータユニット５１として互いに機械的に同体化される。このようなユニット化は、既述の通りの軽量化を実現する。第１圧力流体通路２１と第２圧力流体通路２３の間の圧力流体の圧力の連動制御を行う弁構造を含むマニホールド（図５参照）５２は、アクチュエータユニット５１に更に同体化される。流体圧シリンダ２の一方側シリンダ室１９と他方側シリンダ室２２に対する圧力流体の分圧（正圧と負圧）を円滑に制御するためにアキュムレータ５３が追加される。アキュムレータ５３は、更に、アクチュエータユニット５１に同体化される。

図１５は、アクチュエータユニット５１の改善を示している。本実現態では、ＡＣＣ５４の制御器ボックス５５が更にアクチュエータユニット５１に同体化されてアクチュエータユニット５１に組み込まれる。モータ回転数速度指令値３６と斜面角度指令値３７を送信する送信線は、機械的に電動モータ１と流体圧ポンプ３に同体化され、操舵システムの小型に関してより改善される。

図１６は、航空機の機体の中の複数の分散位置に配置される複数セットのアクチュエータユニット５１の分散常態を示している。航空機本体５６は、本体胴５７と両側主翼５８と両側尾翼５９と垂直尾翼６１から形成されている。操舵のために複数種の他の可動翼が配置されている。両側主翼５８の前縁部位にはスラット６２が配置され、両側主翼５８の後縁部位にはエルロン６３とフラップ６４とが配置されている。フラップ６４は、内弦フラップ６４−１と外弦フラップ６４−２とから形成されている。両側尾翼５９の後縁部位には、エレベータ６５が配置されている。垂直尾翼６１の後縁部位には、ラダー６６が配置されている。

１つのスラット６２には２つ（又は複数）のＥＨＡ（アクチュエータユニット５１に一致又は対応）が対応して装備されている。１つのエルロン６３には２つ（又は複数）のＥＨＡ５１が対応して装備されている。１つのフラップ６４−１には２つ（又は複数）のＥＨＡ５１が対応して装備されている。１つの外弦フラップ６４−２には２つ（又は複数）のＥＨＡ５１が対応して装備されている。１つのエレベータ６５には２つ（又は複数）のＥＨＡ５１が対応して装備されている。１つの垂直尾翼６１には３つ（又は複数）のＥＨＡ５１が対応して装備されている。

フライト制御のために、フライト・コントロール・コンピュータ（ＦＣＣ）６７と、既述のアクチュエータ・コントロール・コンピュータ（ＡＣＣ）５４と、スラット／フラップ・コントロール・コンピュータ（ＳＦＣＣ）６８と、グランド・スポイラ・アクチュエータ・コントロール・コンピュータ（ＧＡＣＣ）６９とが分散的に配置されている。その他に、フライト・スポイラ（Ｆ．Ｓ．）７１とグランド・スポイラ（Ｇ．Ｓ．）７２とが配置されている。

ＦＣＣ６７は、全操舵系統を統括する操舵（機体姿勢制御を含む操舵）目標に対応して操舵角その他の姿勢制御パラメータを出力する。ＡＣＣ５４は、ＦＣＣ６７から指令される指令信号（例示：アクチェータ動作目標位置信号３３）に対応して既述の制御則に基づく制御信号（例示：モータ回転数速度指令値３６と斜面角度指令値３７）を出力する。

１つのアクチュエータユニット５１は質量的には可能な限りに軽量化され、多数（図示分だけで４１）のアクチュエータユニット５１は、機体の全体に分散的に配置される。図１５に示されるユニット化されるＡＣＣ５１は、１つの動作体に対して１対１の対応で分散的に配置される。この場合には、ＡＣＣは、統括ＡＣＣと分散されるＡＣＣ要素とから構成される。複数体のアクチェータユニットは機体の中心面に対して質量的に概ね鏡面対称に配置される。ラダー６６に位置対応して配置されるＡＣＣは、概ね中心面近傍に配置され、その鏡面対称性を良好に保持する。

図１は、本発明の適用対象を示す断面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図４は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態を示す断面図である。 図５は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態を示す回路図である。 図６は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態の制御則を示すフロー図である。 図７は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態の他の制御則を示すフロー図である。 図８は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態の更に他の制御則を示すフロー図である。 図９は、本発明による流体圧アクチュエータの実現態のマップを示すテーブルである。 図１０は、発熱量を示すグラフである。 図１１Ａは、発熱量を示すグラフである。 図１１Ｂは、他の発熱量を示すグラフである。 図１１Ｃは、更に他の発熱量を示すグラフである。 図１２は、減衰量を示すグラフである。 図１３は、位相遅れを示すグラフである。 図１４は、流体圧アクチュエータのユニット化を示す斜軸投影図である。 図１５は、流体圧アクチュエータの他のユニット化を示す斜軸投影図である。 図１６は、航空機内アクチュエータの分散配置を示す平面断面図である。

符号の説明

１…電動モータ
２…流体圧シリンダ
３…流体圧ポンプ
４’…斜板
５…本体（回転部分）
６…非回転部分
１３…ポンプ側第１ピストン
１４…ポンプ側第２ピストン
１７…出力ピストン
２４…斜面角度制御器
４４…モータ回転数マッピング規則
４５…斜面角度マッピング規則
Ｖ…速度
Ｆ…出力
θ…斜面角度
θ１…第１斜面角度
θ２…第２斜面角度

Claims (11)

1. 駆動系と、
   前記駆動系の出力により流体量を制御する流体系と、
   制御系とを具え、
   前記流体系は、
   流体圧シリンダと、
   前記流体圧シリンダの出力ピストンに動作流体を給排し前記駆動系により駆動される流体圧ポンプとを備え、
   前記流体圧ポンプは、
   本体と、
   前記本体の中で進退動し互いに位相が異なり前記出力ピストンに流体を給排する複数の給排ピストンと、
   前記複数の前記給排ピストンに接合し前記給排ピストンを進退動させる斜板とを備え、
   前記駆動系は、前記斜板と前記本体との間の相対的回転を行う電動モータを備え、
   前記制御系は、
   前記出力ピストンの位置に対応して前記出力ピストンを目標位置にフィードバック制御する位置制御系と、
   前記出力ピストンの出力と前記出力ピストンの目標速度とに対応して前記斜板の斜面角度を制御する角度制御系と、
   前記目標速度と前記出力と前記斜面角度とに対応して前記電動モータの回転数を制御する回転数制御系とを備え、
   前記制御系は、前記回転数制御系の回転数制御と前記角度制御系の角度制御とを同時に実行する
   流体圧アクチェータ。
2. 前記回転数制御系は回転数制御規則を有し、
   前記回転数制御規則は、
   前記出力ピストンの位置と目標位置との位置偏差に対応して前記速度を計算する計算規則と、
   前記目標速度と前記出力と前記斜面角度とに対応して前記電動モータの回転数を規定する回転数マッピング規則とを具え、
   前記角度制御系は角度制御規則を有し、前記角度制御規則は前記出力と前記目標速度とに対応して前記斜面角度を規定する角度マッピング規則を具える
   請求項１の流体圧アクチュエータ。
3. 前記計算規則は、前記目標速度に対応する流量と前記出力とに対応し前記流体系から流出する流体の流出量に更に対応して前記回転数を補正する補正規則を備える
   請求項２の流体圧アクチュエータ。
4. 前記本体は回転部分と非回転部分とを備え、前記給排ピストンは前記回転部分の中で進退動し、
   前記流出量には、前記給排ピストンと前記回転部分の間の摺動面から外部に流出する流体と、前記回転部分と前記非回転部分との間の摺動面から外部に流出する流体との両方又は一方の流体の流体量が含まれる
   請求項３の流体圧アクチュエータ。
5. 前記角度制御規則は、前記目標速度に対応する第１斜面角度を求め、且つ、前記出力に対応する第２斜面角度を求め、前記第１斜面角度と前記第２斜面角度のうち小さい方を前記斜面角度として選択する選択規則を備える
   請求項２の流体圧アクチュエータ。
6. 前記角度制御規則は、前記斜面角度を最大角度と最小角度の範囲に収める制限則を備える
   請求項５の流体圧アクチュエータ。
7. 前記回転数制御規則は、前記回転数の最大値を規定する制限則を備える
   請求項２の流体圧アクチュエータ。
8. 請求項１〜７のいずれかの流体圧アクチュエータを搭載する航空機の操舵システムであり、
   操舵制御コンピュータを具え、
   前記出力ピストンは操縦舵に機械的に接続し、
   前記操舵制御コンピュータは前記出力ピストンの位置に対応する操舵指令を出力し、
   前記回転数は前記操舵指令に対応して制御される
   航空機の操舵システム。
9. 前記流体圧シリンダと前記流体圧ポンプと前記電動モータとは機械的に結合するアクチュエータユニットとして形成され、前記アクチュエータユニットは複数体が配置され、
   前記舵は主翼の複数の位置に配置される複数の舵の集合として提供され、
   前記アクチェータユニットは前記複数の舵に位置的に対応して分散的に配置される
   請求項８の航空機の操舵システム。
10. 前記複数体の前記アクチェータユニットは機体の中心面に対して概ね鏡面対称に配置される
    請求項９の航空機の操舵システム。
11. 請求項１〜７のいずれかの流体圧アクチュエータの動作方法であって、
    前記出力ピストンのピストン位置を計測すること、
    前記出力ピストンの出力を計測すること、
    前記ピストン位置と前記出力ピストンの目標位置との差分に対応して前記出力ピストンの位置を時系列制御点でフィードバック制御すること、
    前記差分に対応する前記電動モータの目標回転数を計算すること、
    前記出力と前記出力ピストンの目標回転数とに対応して前記斜面角度を計算すること、
    前記目標回転数と前記斜面角度とに対応して前記目標速度に対応する前記電動モータの制御回転数を計算すること
    とを備え、
    前記目標回転数の計算には、前記流体圧ポンプを含む流体系の中の流体の変化量が考慮される
    アクチュエータの動作方法。

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