JPH02223368A - 作動装置及び該装置を含む流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気的アクチュエータと、電源と、作動ユニ
ットとを具え、前記アクチュエータが、径方向に配置さ
れた２つの磁極を有する第１のアクチュエータ本体と、
前記第１のアクチュエータ本体と同心的に配置され且つ
周方向に等間隔に配置された少なくとも３つの歯部を有
した第２の軟磁性アクチュエータ本体とを具え、各歯部
に付勢コイルを設け、前記第１のアクチュエータ本体と
第２のアクチュエータ本体は、空隙部を介して互いに協
動すると共に、回転軸線を中心に所定角度もって相対回
動じてなる電気的アクチュエータを含む作動装置に関す
るものである。

上述した装置は米国特許明細書４４４７７９３号により
既知であると共に、径方向に対珂して配置されたＮ極及
びＳ極を有する非Ａ型の筒状ロータを包囲する円筒形の
固定子を具えたアクチュエータを有している。固定子は
、３つの固定子歯部と３つの付勢コイルを有する固定子
本体を具えている。

ロータに対して回転方向に延在する固定子歯部は、互い
に１２０°の角度をもって形成されていると共に、彎曲
した歯面を有し、隣接した２つの歯面の間には狭い通路
が形成されている。ロータの極と歯面との協動により、
極の両側で平らな空隙部が形成されている。

既知の装置の歯部を包囲する各付勢コイルは２つのバイ
ファイラ巻線並びに第３の単巻き線を具えている。付勢
コイルは切換えスイッチを介してり、Ｃ源に連結されて
、バイファイラ巻線のうちの一方と第３の単巻き線とを
同時に付勢する。この付勢方法により２つの安定なロー
タ位置を呈する結果となる。

既知の装置のアクチュエータは、ロータのトルクが２つ
の安定位置の間の中央で最大となり、ロータのトルクが
２つ安定位置で最小となるようなトルク角度特性を有し
ている。その結果、米国特許明細書に述べられているよ
うに、既知の装置は２つの個別的な位置をもつスイッチ
の作動に適している。しかしながら、既知の装置におい
ては、ガス又は液体の満たされたシステム内で例えば９
０＠の角度をもって回動する例えば制御弁の場合のよう
に、初期位置と終端位置との間に配置された任意の作動
地点に制御部材を無段階的に及び確定的に位置決めする
ことのできる制御システムに利用した場合に問題が生じ
る。

既知のアクチュエータの他の欠点は、戻り止めトルクに
対抗するために、歯面ば大きな接線寸法を有し、その結
果として隣接する歯面間の有効空間が小さくなり、アク
チュエータの製造に際し歯部の周囲にコイルを配置する
作業を複雑にする。

更に他の欠点は固定子本体が様々な部品から構成される
点にある。

本発明の目的は、制御システムの制御部材を、その制御
範囲内で正確に任意の位置に位置決めすることのできる
ような冒頭段落に述べた形式の作動装置を提供すること
にある。更に本発明の目的は、戻り止めトルクが殆ど生
ぜず、簡単かつ丈夫な構成をもつような作動装置のアク
チュエータを提供することにある。

したがって、本発明の目的を達成するために、本発明の
装置の作動ユニットは制限された作動範囲を有し、本発
明の装置は、作動ユニットの作動範囲を複数のサブレン
ジに分割し、且つサブレンジに依存し、且つ１つの付勢
コイル、全てではないが少なくとも２つの付勢コイル並
びに全ての付勢コイルを流れる電流をそれぞれ制御自在
に供給するための制御ユニットを具えてなることを特徴
とする。

本発明の作動装置の利点は、制御部材をその制御範囲の
全ての位置で正確に位置決めすることができるように、
アクチュエータのトルク角度特性を、制御ユニットの制
御部材の位置決めに利用することができる点にある。制
御部材の負荷が制御部材の変位の関数として増加する場
合、本発明の装置により、トルクを変位の関数として増
加させることができ、その結果、制御部材の端位置で比
較的大きなトルクを得ることができると共に、前記端位
置まで最小の力をもって到達させることができる。

歯部の数及びアクチュエータの付勢コイルの数を３つに
した本発明の作動装置の好適な実施態様において４サブ
レンジの数を３つにしてなることを特徴とする。この装
置において、アクチュエータは明確にことなる３つのト
ルク角度特性を有する。制御ユニットは作動ユニットの
作動範囲を３つのサブレンジに分割するので、適切な電
流を、１つの付勢コイル、２つの付勢コイル並びに３つ
の付勢コイルを通して連続的に供給する場合、３つのト
ルク角度特性を最適な状態で利用することができる。

本発明の他の実施態様において、アクチュエータの第１
のアクチュエータ本体を、少なくとも概ね円柱形にする
と共に、径方向に磁化してなることを特徴とすることに
より、アクチュエータの戻り止めを最小限にすることが
できる。第２のアクチュエータ本体を回転対称形に構成
すると同時に、第１のアクチュエータ本体の周囲の磁界
を正弦曲線的変化させることにより、戻り止めを好適に
回避することができる。

アクチュエータを一般的な３相電磁駆動ユニットにする
と、第１のアクチュエータ本体は好適には回動自在本体
となり、第２のアクチュエータ本体は固定子本体として
機能する。

更に本発明は、本発明の装置を連続的に使用することの
できる方法に関するものである。本発明における装置の
使用方法は、作動ユニットの作動範囲を通過する際、制
御ユニットは、１つの第１の付勢コイル、全てではない
が第１のコイル及び少なくとも１つの別のコイル並びに
全ての付勢コイルを流れる電流を連続的に供給してなる
ことを特徴とする。好適には、本発明の装置は、３つの
歯部並びに３つの付勢コイルをもったアクチュエータを
具えている。１つの第１の付勢コイル、全てではないが
第１のコイル及び少なくとも１つの別のコイル並びに全
ての付勢コイルを流れるように電流を連続的に供給する
と更に好適である。

本発明における装置の使用方法の利点は、比較的小さな
平均的電気入力をもったアクチュエータによって駆動さ
れる制御部材の全作動範囲にわたって、アクチュエータ
のトルク角度特性を適切に使用する・ことができる。更
に、比較的小さな平均的電気入力は、付勢コイルにおい
て最小の熱放散を行わしめ、その結果、特に高温度環境
下において有効に利用することができる。

更に本発明は、ガス又は液体媒体の流速の制御を行うた
めの流体流れ制御装置に関し、この装置は、回動軸線を
中心に制限された角度をもって回動自在をなす制御部材
を具えた制御ユニットと、本発明に関する作動装置とを
具え、そして、制御部材をアクチュエータのアクチュエ
ータシャフトに機械的に連結してなること特徴とする。

また、制御部材を例えば機械的にアクチュエータシャフ
トに直接連結して、アクチュエータシャフトが作動する
角度を、例えば制御部材の回動に対応させてもよい。制
御部材をアクチュエータシャフトに対して位置決めする
と好適であり、その結果、制御部材の終端位置において
アクチュエータに大きなトルクを発生させることができ
る。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図に示された本発明に関する装置のアクチュエータ
２は、第１のアクチュエーター本体１と、第２のアクチ
ュエータ本体３と、ハウジング４Ａ。

４Ｂとを具えている。第１のアクチュエータ本体１は、
径方向に磁化され且つ回動自在に構成された円筒形の永
久磁石本体５を具え、この本体５はＳ極及びＮ極を有し
ている０回動自在な本体５は、例えば鉄焼結体からなる
軟磁性スリーブ７によってアクチュエータシャフト９に
取り付けられ、このシャフト９は、２個の軸受１１．１
３内で支持されると共に、回動軸線１５を中心に第２の
アクチュエータ本体３に対して回動させることができる
。第２のアクチュエータ本体３は固定子本体１７を具え
、この固定子本体は、径方向内方に指向され且つ鉄焼結
体からなる歯部１９．２０及び２１を有し、これら歯部
は、回り止めトルクに対抗させるために、好適には互い
に同一に形成されている。また、必要に応じて、例えば
薄板を重ね合わせて１つの積層体を形成することで固定
子本体１７を製造することもできる。

歯部１９．２０及び２１は以下、固定子歯部という。

各固定子歯部は彎曲した歯面１９Ａ、２０Ａ及び２１Ａ
をそれぞれ有している。歯面の全ては、同一の仮想円柱
面上に配置されていると共に、回動本体５に対して空隙
部２３を形成している。３つの固定子歯部１９．２０及
び２１は、同一の形状及び寸法を有すると共に、互いに
１２０°の角度をもって配置された中心軸線を有してい
る。その結果、固定子本体１７を、少なくとも内側で回
転対称形をなすアクチュエータ部分と見なすこともでき
る。したがって、歯面２１Ａと２２Ａと２３Ａとの間の
接線方向の通路３３を比較的大きくすることができる。

本実施例において、各歯面の接線方向寸法は前記仮想円
柱面の周方向の長さの概ね１／４に相当している。

各固定子歯部１９．２０及び２１にはそれぞれ付勢コイ
ル２９．３０及び３１が設けられている。コイル２９゜
３０及び３１は歯部１９．２０及び２１の周囲に複数回
巻かれて配置されており、各コイル２９．３０及び３１
は、電源３５（第３図示参照）に電気的に接続されたコ
イルリード線（図示せず）を具えている。歯部間の通路
３３は比較的大きいので、歯部１９．２０及び２１にコ
イルを簡単に巻き付けることができる。

第３図に示された本発明に関するシステムは、例えば車
両のキャプレタ内のスロットを制御するのに利用されて
いる。このシステムは、作動部材例えば車両のアクセル
ペダルを有した作動ユニット３７と位置センサー３９と
を具えている。位置センサー３９は電位差計を具えても
よく、この電位差計の出力信号は、その作動範囲におけ
る作動部材の位置の関数である。システムは更に制御ユ
ニット４１例えばマイクロプロセッサを具え、この制御
ユニット４１は作動ユニット３７に電気的に連結されて
いると共に、電源３５に電気的に連結されている。

電源３５は、アクチュエータ２の付勢コイル２９；　３
０及び３１に電位的に連結されている。この目的を達成
するために、電源３５は、制御可能な電流を各コイル２
９．３０及び３１に供給するための３つの独立出力部４
３．４４及び４５を具えている。アクチュエータ２のア
クチュエータシャフト９は制御ユニット４９（Ｄ’ｉヤ
フト４７に機械的に連結されている。シャフト４７は制
御部材、例えば弁５１を支持している。本実施例におい
て、シャフト４７は引張ばね５５に連結されたディスク
５３を支持している。引張ばね５５を設ける結果として
、アクチュエータ２が付勢されない場合に、制御部材５
１を、十分に画成された初期位置すなわち静止位置に確
実に止めおくことができる。

本発明に関するシステムの作動を以下に詳述する。

作動ユニット３７の作動部材を作動させた場合、制御ユ
ニット４１は位置センサー３９からの信号を受ける。制
御ユニット４１は、例えば第４図のグラフで示されてい
るように、作動ユニットの作動範囲を３つのサブレンジ
Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩに分割するようにプログラムされて
いる。制御ユニット４１は、例えば第５図に示されてい
るように、３つのサブレンジの関数として電源３５を制
御している。

第５図に示すように、付勢コイル例えばコイル２９はサ
ブレンジ■内で付勢され、この場合、電流は、第１のサ
ブレンジ■から第２のサブレンジＩＩへの変り目での最
大値まで比例増加する。また、この場合の電流は、作動
範囲の残りの部分においては一定値を維持している。サ
ブレンジＩＩにおいて、第２の付勢コイル例えばコイル
３０は、サブレンジＩＩからサブレンジＩＩＩへの変り
目での一定値まで比例的に付勢され、その変り目以降の
電流は一定値に維持される、サブレンジＩＩＩにおいて
、付勢コイル３１は比例的に付勢される。

各付勢コイル２９．３０及び３１の最大電流強度に対す
るトルク角度特性すなわち最大トルク角度特性は、第６
図においてベクトル５９．６０及び６１によって示され
ている。ベクトルの長さは、トルク角度特性における最
大トルクに対応し、ベクトルの方向は、ゼロ値を有する
トルクが不安定になっている位置に対応している。第７
図に示すように、この位置は、コイル２９の最大トルク
角度特性（５９）に対しては参照数字６３で示している
。

第５図に示されているようにコイル２９．３０及び３１
を流れる付勢電流を供給することにより、そして、第６
図に示すようにベクトルの適切な組み合わせにより、互
いに位相のずれた３つの最大トルク角度特性（５９）　
、　　（５９＋６０）及び（５９＋６０＋６１）が得ら
れる。本実施例におけるこの位相ずれは３０゜までであ
る。

第７図は制御ユニット４９の負荷のトルク角度特性（６
５）を示している。本発明に関する装置によって得られ
た最大トルク角度特性（５９）　、　　（５９＋６０）
及び（５９＋６０＋６１）により、十分画成された平衡
位置を得ることができ、その平衡位置は、初期位置Ｂと
制御部材５１の終端位置Ｅとの間に配置されている。本
実施例において、制御部材５１は、９０°の角度をもっ
て初期位置Ｂと終端位置Ｅとの間で回動する。

制御ユニットの制御部材を、アクチュエータのアクチュ
エータシャフトに正確に連結させることを保証するため
に、アクチュエータに機械的止部を設けて、回転シャフ
トの回転を制限するようにしてもよい。

閉鎖された制御ユニット構成するために、本発明に関す
るシステムは、例えばシャフト４７に機械的に連結され
た角度位置検出器６７を具えてもよい（第３図参照）。

この角度位置検出器６７は、制御部材５１の位置の関数
である信号を供給する。角度位置検出器６７を制御ユニ
ット４１に電気的に連結することにより、所望の弁位置
からの僅かな離脱を修正することができる。

本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、種々
の変更を加えることができるのは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の装置のアクチュエータの一実施例を示
す断面図、 第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、第３図は
本発明のシステムの一実施例を示す概略図、 第４図は第３図に示された作動ユニットの出力信号を関
数として示したグラフ、 第５図は各付勢コイルの平均電流をアクチュエータユニ
ットの作動レンジにおける位置の関数として示したグラ
フ、 第６図は第１図に示したアクチュエータにより分割する
ことのできるトルクを示すベクトル図、第７図はアクチ
ュエータの３つの最大トルク角度特性及び負荷のトルク
角度特性を示す図である。 １・・・第１のアクチュエータ本体 ２・・・アクチュエータ ３・・・第２のアクチュエータ本体 ９・・・アクチュエータシャフト １７・・・固定子本体 １９、２０．２１・・・歯部 ２３・・・空隙部 ２９、３０．３１・・・付勢コイル ３５・・・電源 ３７・・・作動ユニット ３９・・・位置センサー ４１・・・制御ユニット ５１・・・制御部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電気的アクチュエータ、電源、並びに作動ユニット
   を含み、 前記アクチュエータが、径方向に配置され た２つの磁極を有する第１のアクチュエータ本体と、前
   記第１のアクチュエータ本体と同心的に配置され且つ周
   方向に等間隔に配置された少なくとも３つの歯部を有し
   た第２の軟磁性アクチュエータ本体とを具え、各歯部に
   付勢コイルを設け、前記第１のアクチュエータ本体と第
   ２のアクチュエータ本体が、空隙部を介して互いに協動
   すると共に、回転軸線を中心に所定角度もって相対回動
   するよう構成した作動装置において、 前記作動ユニットは制限された作動範囲を 有し、前記作動ユニットの作動範囲を複数のサブレンジ
   に分割するための、且つ前記サブレンジに依存するため
   の、且つ１つの前記付勢コイル、全てではないが少なく
   とも２つの前記付勢コイル並びに全ての付勢コイルを流
   れる電流をそれぞれ制御自在に供給するための制御ユニ
   ット更に具えてなることを特徴とする作動装置。 ２、前記歯部の数及び前記アクチュエータの前記付勢コ
   イルの数を３つにした請求項１記載の装置において、前
   記サブレンジの数を３つにしてなることを特徴とする装
   置。 ３、請求項１又は２記載の装置において、前記アクチュ
   エータの前記第１のアクチュエータ本体を、少なくとも
   概ね円柱形にすると共に、径方向に磁化してなることを
   特徴とする装置。 ４、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置において
   、前記アクチュエータの前記第１のアクチュエータ本体
   を回動自在本体として構成し、第２のアクチュエータ本
   体を固定子歯部を有する固定子本体として構成してなる
   ことを特徴とする装置。 ５、請求項２記載の装置において、前記アクチュエータ
   を３相電磁駆動ユニットにしてなることを特徴とする装
   置。 ６、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置において
   、前記作動ユニットは、移動自在をなすその作動部材に
   連結され且つ制御ユニットに電気的に接続された位置セ
   ンサーを具えてなることを特徴とする装置。 ７、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置を使用す
   る方法において、前記作動ユニットの作動範囲を通過す
   る際、制御ユニットは、１つの第１の付勢コイル、全て
   ではないが前記第１のコイル及び少なくとも１つの別の
   コイル並びに全ての付勢コイルを流れる電流を連続的に
   供給してなることを特徴とする作動装置の使用方法。 ８、ガス又は液体媒体の流速の制御を行うための流体流
   れ制御装置であって、回動軸線を中心に制限された角度
   をもって回動自在をなす制御部材を具えた制御ユニット
   と、 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置 とを具え、前記制御部材を前記アクチュエータの前記ア
   クチュエータシャフトに連結してなること特徴とする流
   体流れ制御装置。 ９、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置に使用し
   てなることを特徴とするアクチュエータ。