JPH03214710A - アクチュエータの位置検出方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電磁石により駆動されるアクチュエータの可
動子の位置を電気的に検出する方法に関するものである
。

［従来の技術］ 制御機器に用いるアクチュエータとして、電磁石を駆動
源としたものが多く用いられている。例えば、内燃機関
の制御装置においては、内燃機関への燃料の供給量を調
節するバルブや、内燃機関の排気タイミングを調整する
バルブ、或いは内燃機関のマフラの共振周波数を調節す
るバルブを操作するために電磁石を駆動源としたアクチ
ュエータが用いられている。

この種のアクチュエータとしては直線変位形のものと、
回動変位形のものとがあるが、いずれの形式のものも、
励磁コイルを有する電磁石と、変位可能に支持されて電
磁石により駆動される可動子と、可動子を電磁石の吸引
力に抗する方向に付勢するばねとを備えている。

アクチュエータにより制御対象の操作部を操作して所定
の制御を行わせる制御装置においては、アクチュエータ
の可動子の位置を検出して、該可動子の位置を設定され
た位置に一致させるようなｑ 制御が行われる。そのためこの種の制御装置では、可動
子の位置を検出することが必要とされる。

アクチュエータの可動子の位置を検出する方法としては
、実開昭５７−１５７１１０号に見られるように位置検
出器として差動変圧器を用いて、該差動変圧器の出力信
号から可動子の位置を検出するものや、実開昭６３−１
９１２４８号に見られるように位置検出器としてボテン
ショメー夕を用いて、該ボテンショメー夕の出力信号か
ら可動子の位置を検出するものが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ アクチュエータの寿命は電磁石の寿命と位置検出器の寿
命とにより決まるが、ポテンショメー夕のような接触式
の位置検出器を用いた場合には、位置検出器の消耗が激
しいため、電磁石が十分機能する状態にあるにも拘らず
アクチュエータの寿命が尽きるという問題があり、アク
チュエータの耐久性を向上させることが難しいという問
題があった。

また位置検出器の摺動抵抗が電磁石の本来の動Ａ Ｏ 作に悪影響を与え、アクチュエータの特性を悪くすると
いう問題があった。

これに対し、差動変圧器のような非接触式の位置検出器
を用いた場合には、耐久性を向上させることができ、ま
たアクチュエータの特性に悪影響を与える摺動抵抗は発
生しないが、差動変圧器はその構成部材の熱膨脹や抵抗
値の変化によって特性が変わるため、周囲温度の変化に
より位置検出精度が変化し、位置検出の温度特性が悪く
なるという問題があった。

更に、従来のように位置検出器を用いて可動子の位置を
検出するようにした場合には、該位置検出器をアクチュ
エータの本体に取付ける必要があるため、アクチュエー
タが大形化するという問題もあった。

本発明の目的は、耐久性を低下させたり、位置検出の温
度特性を悪くしたり、アクチュエータの大形化を招いた
りする位置検出器を用いないで、可動子の位置を精度良
く検出することができるようにしたアクチュエータの位
置検出方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段コ 本発明は、励磁コイルと該励磁コイルにより磁化される
固定子鉄心とを備えた電磁石と、変位可能に支持されて
電磁石により駆動される可動子と、可動子を電磁石の吸
引力に抗する方向に付勢するばねとを備えたアクチュエ
ータの可動子の位置を検出する方法に係わるものである
。

本発明が対象とするアクチュエータは可動子が直線変位
する直線変位形のものでもよく、可動子が回動変位する
回動変位形のものでも良い。

本発明においては、励磁コイルに印加する電圧の波形を
周期が一定のパルス波形として該パルス波形のデューテ
ィ比を変化させることにより可動子の位置を変化させる
ようにする。パルス波形の周期は励磁コイルに流す励磁
電流の平均値に対する可動子の変位特性のヒステリシス
を除去するかまたは最小にする値に設定しておき、励磁
電流の平均値を示す電流検出信号を得て、該電流検出信
号を可動子の位置を示す信号として用いる。

上記の方法では、励磁コイルに印加される電圧の波形を
パルス波形として、該パルス波形の周期を調整すること
により励磁コイルの通電電流に対する可動子の変位特性
のヒステリシスを無くしているが、電磁石を振動が加え
られる箇所に取付けることによっても該ヒステリシスを
除去または最小にすることができる。このような方法に
よりヒステリシスを除去または低減させる場合には励磁
コイルに印加する電圧を直流電圧として、励磁電流を検
出することにより可動子の位置を検出することができる
。

［作　用］ 従来のアクチュエータでは、励磁電流を増大させていっ
たときと、減少させていったときとで励磁電流に対する
可動子の変位特性が異なり、該特性にヒステリシスが生
じるのを避けられなかったため、励磁電流から可動子の
位置を検出することができず、位置検出器を取付けるこ
とを余儀無くされていた。

これに対し本発明では、励磁電流に対する可動７ 子の変位特性のヒステリシスを除去するかまたは少なく
しているので、励磁電流を増大させる際にも減少させる
際にも、励磁電流と可動子の変位量との間に同じ直線的
な関係を成立させることができ、該励磁電流を検出する
ことにより可動子の位置を検出することができる。

従って本発明によれば位置検出器を必要としないため、
位置検出器を用いたことにより生じていた従来の問題点
をすべて解消することができ、アクチュエータの耐久性
の向上と、位置検出の温度特性の改善と、小形軽量化と
を図ることができる。

［実施例コ 以下添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

本発明の方法を適用するのに適したアクチュエータの構
造の一例を第２図に示した。同図において１は鉄等の磁
性材料から成るケースで、このケースは、円筒状のケー
ス本体２と、ケース本体２の一端側に取付けられた端部
カバー３とからなっ８ ている。ケース本体２の一端側にはその周壁部から径方
向の内側に突出した環状部２ａと、該環状部２ａの内周
部から端部カバ−３側に突出した突出部２ｂとが設けら
れている。端部カバ−３はカップ状に形成されていてそ
の開口側の端部にはフランジ３ａが設けられている。端
部カバ−３はケース本体の突出部２ｂに嵌合された状態
で配置されてそのフランジ３ａがケース本体２の環状部
２ａに当接され、ケース本体２の端部がフランジ３ａ側
にかしめられてケース本体２と端部カバ−３とが結合さ
れている。

ケース本体２内にはボビン４に巻かれた励磁コイル５が
挿入され、該励磁コイル５の端部カバー３と反対の側に
位置する端部側の内周に固定子鉄心６が挿入されている
。

固定子鉄心６は、励磁コイルのボビン４の内周に嵌合さ
れた胴部６ａと該胴部の一端に設けられた鍔部６ｂとか
らなり、胴部６ａの内側には端部カバー側に向かって次
第に径が大きくなる向きのテーパ孔６Ｃと、該テーパ孔
の小径側の端部に連続する径が均一な孔６ｄと、該孔６
ｄよりも小径な孔６ｅとが形成されている。

固定子鉄心６の孔６ｄ，６ｅ内に及び端部カノくー３に
設けられた孔３ｂ内にそれぞれ、励磁コイル５と中心軸
線を共有するスラスト軸受７及び８が取付けられている
。上記励磁コイル５及び固定子鉄心６により電磁石が構
成されている。

電磁石により駆動される可動子９は、鉄製の円柱体の端
部にテーパ面９ａを設けたもので、この可動子の両端に
操作軸１０及び１１が取付けられ、これらの操作軸１０
及び１１がそれぞれ軸受７及び８により摺動自在に支持
されている。

可動子９の端部と軸受７との間に圧縮ばね１２が配設さ
れ、このばねにより可動子９が一方向に（端部カバ−３
側に）付勢されている。また端部カバ−３には、可動子
９の変位を容易にするための空気抜き孔３Ｃが設けられ
ている。

上記の構成部材のうち、軸受７，８、操作軸１０，１１
及びばね１２は非磁性材料により形成されている。

上記のアクチュエータにおいて、第４図に示すように励
磁コイル５に一定の励磁電流■１ないし■４を通電した
場合、可動子の変位に対して吸弓力ＦａｌないしＦａ４
はほぼ一定に保たれる。

また吸引力Ｆａは励磁電流■１〜■４の増加にほぼ比例
して増加する。更に可動子９を固定子から離反させるば
ね１２のばね力Ｆｓは第４図に示すように可動子の変位
量に対してほぼ直線的に増加する。可動子９の停止位置
は吸引力Ｆａとばね力Ｆｓとの釣り合いにより定まる。

従って励磁電流と可動子９の位置との関係は、励磁電流
を増加させれば可動子の変位量が増加し、励磁電流を零
にすれば可動子の変位量が零になる、正比例関係にある
。

ところが実際には、励磁電流が流れ始めたときに電磁石
の吸引力が操作軸１０．１１と軸受７，８との間及び負
荷の可動部で生じる摩擦抵抗を超えるまでは可動子が動
くことができず、また励磁電流が減少した際には、ばね
１２による駆動力が上記摩擦抵抗を超えるまでは可動子
が動くことが１１ できないため、励磁電流と可動子の変位量との間の特性
には第５図に示すようなヒステリシスが生じる。第５図
の特性において、ヒステリシスの電流幅Ａは周囲温度の
影響を受けて（例えば温度変化に伴う潤滑剤の粘度の変
化の影響を受けて）多少変動するが、可動子の変位量の
励磁電流に対する特性の傾きは周囲温度を−４０°Ｃ〜
８０°Ｃのように広範囲に変化させても一定である。こ
れは電磁石の磁気回路中に存在する空隙や磁性体の透磁
率や寸法が温度的に安定なためである。

本発明の方法では、上記のように励磁電流と可動子の変
位量との間の関係が温度的に安定であることを利用して
、励磁電流から可動子の位置を検出しようとするもので
ある。

励磁電流から可動子の位置を検出するためには、上記ヒ
ステリシス特性をできるだけ少なくすることが必要であ
る。本願第１の発明では、励磁コイルに一定周期Ｔのパ
ルス電圧を印加して、そのデューティ比を変えることに
より（励磁電流の平均値を変えることにより）可動子の
位置を変化させ１２ るようにし、周期Ｔを適値に調整することによりヒステ
リシス特性を除去するか、または最小にする。

第１図は上記アクチュエータを駆動する回路の構成例を
示したもので、この例では、励磁コイル５の一端がＰＮ
Ｐ　トランジスタＴｒのコレクタに接続され、該トラン
ジスタのエミッタがダイオードＤ１を通して図示しない
直流電源に接続されている。トランジスタＴｒのコレク
タと接地間にフライホイールダイオードＤ２が接続され
、励磁コイル５の他端と接地間に電流検出用抵抗Ｒ１が
接続されている。トランジスタＴｒのベースには抵抗Ｒ
２の一端が接続され、該抵抗Ｒ２の他端とトランジスタ
Ｔｒのエミッタとの間にパルス状の駆動信号Ｖｄが与え
られるようになっている。電流検出用抵抗Ｒ１の両端の
電圧はローバスフィルタＬＦに印加され、該ローバスフ
ィルタＬＦから抵抗Ｒ１の両端の電圧の平均値を示す検
出信号Ｖｓが得られるようになっている。

第１図に示した駆動回路において、トランジスタＴｒの
ベースに第３図（Ａ）に示すようなパルス波形の駆動信
号Ｖｄを与えると、パルスが継続している時間だけトラ
ンジスタＴｒが導通して励磁コイル５に電源電圧を印加
する。従って励磁コイル５には駆動信号Ｖｄのパルス波
形の周期に等しい周期Ｔのパルス電圧が印加される。こ
れにより励磁コイル５には第３図（Ａ）に破線で示した
ような脈動波形の励磁電流ｉが流れる。これは励磁コイ
ル５のインピーダンスとフライホイールダイオードＤ２
とによる平滑作用によるものである。

本発明では、駆動信号Ｖｄの周期Ｔを変えないで、励磁
コイルに印加されるパルス電圧のデューティ比（駆動信
号Ｖｄのデューティ比）を変えることにより、可動子の
位置を変化させる。第３図（Ｂ）は同図（Ａ）の場合よ
りもデューティ比を増加させて可動子の変位量を増大さ
せた場合の駆動信号Ｖｄの波形と励磁電流ｉの波形を示
している。

このように励磁コイルにパルス電圧を印加して、そのデ
ューティ比により可動子の位置を変化させるようにした
場合、励磁電流ｉの脈動分の幅（高さ）ｉｒをヒステリ
シス特性の電流幅Ａ（第５図参照）よりも若干大きくす
るように、パルスの周期Ｔを設定してお《ことにより、
即ち脈動電流による吸引力Ｆａの変動幅が各操作軸と外
部負荷とを含めた全摺動抵抗（摩擦力）を上回るように
駆動信号パルスの周期Ｔを設定することによってヒステ
リシス特性を除去することができる。このとき励磁電流
の平均値と可動子の変位量との間には第６図に示すよう
な比例関係が成立する。

なお上記周期Ｔをあまり長くすると、可動子９が吸引力
Ｆａの変動に追従してしまい、動作が不安定になる。従
って周期Ｔは可動子９がその慣性によって吸引力Ｆａの
変動に追従しないような値以下に設定する。

抵抗Ｒ１の両端には、上記励磁電流ｉに比例した電圧が
生じる。この抵抗Ｒ１の両端の電圧をローバスフィルタ
ＬＦに通して励磁電流の平均値に相当する検出信号Ｖａ
を得る。この検出信号Ｖａと可動子の変位量との間には
第６図のような比例関係が成立するため、この検出信号
を位置検出信１５ 号として用いることにより可動子の位置を知ることがで
きる。

上記ローバスフィルタＬＦは、例えばコンデンサと抵抗
との並列回路により構成することができる。

上記の実施例では、励磁コイルに印加する電圧を周期が
一定のパルス電圧として、該パルス電圧の周期を適値に
設定することにより励磁電流に対する可動子の変位特性
のヒステリシスを除去または最小にするようにしている
が、励磁コイルに印加する電圧を直流電圧としても、ア
クチュエータを内燃機関のケースのような細かい振動を
受ける箇所に取付けることによってヒステリシスを低減
することができる。この場合には、ローバスフィルタＬ
Ｆを設けること無く、抵抗Ｒ１の両端に得られる励磁電
流の検出信号を可動子の位置検出信号として用いること
ができる。

なお第１図に示した駆動回路は一例を示したものであっ
て、本発明はこの駆動回路の構成に限定されないのはも
ちろんである。

１６ 本発明の位置検出方法によれば、位置検出器を設ける必
要がないが、従来の位置検出器を有する電磁石に対して
本発明の方法を適用することにより、位置検出器の故障
診断または寿命判定を行うこともできる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、位置検出器を用いる必
要が無いため、従来位置検出器により．制限されていた
アクチュエータの寿命を電磁石及び可動子の機構部分の
寿命まで延ばすことができ、アクチュエータの耐久性を
高めることができる利点がある。

また電磁石の励磁電流と可動子の変位量との間の関係は
温度的に極めて安定しているため、本発明によれば、周
囲温度の影響を受けずに可動子の位置を正確に検出する
ことができる。

更に本発明では位置検出器を設ける必要がないので、電
磁石の小形化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で用いる駆動回路の構成を示し
た回路図、第２図は本発明の方法を適用する電磁石の構
造の一例を示した断面図、第３図（Ａ），（Ｂ）は本発
明の実施例における駆動信号パルスの波形及び励磁電流
波形を示す波形図、第４図は電磁石のばね力と可動子の
変位量との関係及び可動子に作用する吸引力と可動子の
変位量との関係を示す線図、第５図は励磁電流と可動子
の変位量との関係を示す線図、第６図はヒステリシスを
除去した場合の平均励磁電流と可動子の変位量との関係
を示す線図である。 １・・・ケース、５・・・励磁コイル、６・・・固定子
鉄心、７，８・・・軸受、９・・・可動子、１０．１１
・・・操作軸、Ｒｌ・・・電流検出用抵抗、ＬＦ・・・
ローバスフィルタ。 特開平３ ２１４７１０　（６） 第 ４ 図 第 ５ 図 励磁電流一一÷

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）励磁コイルと該励磁コイルにより磁化される固定
   子鉄心とを備えた電磁石と、変位可能に支持されて前記
   電磁石により駆動される可動子と、前記可動子を前記電
   磁石の吸引力に抗する方向に付勢するばねとを備えたア
   クチュエータの前記可動子の位置を検出する方法におい
   て、 前記励磁コイルに印加する電圧の波形を周期が一定のパ
   ルス波形として該パルス波形のデューティ比を変化させ
   ることにより前記可動子の位置を変化させるようにし、 前記パルス波形の周期は前記励磁コイルに流す励磁電流
   の平均値に対する前記可動子の変位特性のヒステリシス
   を除去するかまたは最小にする値に設定しておき、 前記励磁電流の平均値を検出して該励磁電流の平均値を
   示す電流検出信号を得て該電流検出信号を前記可動子の
   位置を示す信号として用いることを特徴とするアクチュ
   エータの位置検出方法。
2. （２）励磁コイルと該励磁コイルにより磁化される固定
   子鉄心とを備えた電磁石と、変位可能に支持されて前記
   電磁石により駆動される可動子と、前記可動子を前記電
   磁石の吸引力に抗する方向に付勢するばねとを備えたア
   クチュエータの前記可動子の位置を検出する方法におい
   て、 前記励磁コイルに印加する電圧を直流電圧とし、前記電
   磁石を振動が加えられる箇所に取付けることにより前記
   励磁コイルに流す励磁電流に対する前記可動子の変位特
   性のヒステリシスを除去するかまたは低減させ、 前記励磁電流を検出して電流検出信号を得て該電流検出
   信号を前記可動子の位置を示す信号として用いることを
   特徴とするアクチュエータの位置検出方法。