JPH0684635A - 差動式電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比例制御が可能なストロークが広範囲であ
り、電流−力または変位特性の非直線性が小さく、かつ
温度変化や外部磁界の影響が小さい差動式電磁ソレノイ
ドを提供する。 【構成】 直列配置された一対のコイル５，６の内側に
プランジャ７をスライド変位可能に収容し、プランジャ
７に力または変位出力用のシャフト８を設ける。両コイ
ル５，６にプランジャ７を駆動するための駆動回路１０
を電気的に接続し、その駆動回路１０に入力された励磁
電圧制御用の電圧信号に基づき、各コイル５，６を差動
励磁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、差動式電磁アクチュエ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、自動制御系を構成している多くの
機械装置の中で電磁アクチュエータは機構の駆動源とし
て重要な役割を果たしており、あらゆる分野において電
磁アクチュエータの高性能化を目的とした研究が行われ
ている。

【０００３】本発明者らも、数多くある電磁アクチュエ
ータの中で古くから存在している電磁ソレノイドについ
て串型、磁極分割型、円錐型などの電磁ソレノイドを開
発し、その出力、応答の高性能化を目的に研究を続けて
きた。

【０００４】自動制御系を構成している機構の駆動源と
しては、一般に電気式、空気圧式、油圧式などがある。
電気式は信号や動力の伝達は完全１方向性で取扱いが簡
単だが、瞬時に大きい力を出すのが苦手である。空気圧
式は動力源のコストが安く、安全性の面では他に勝るも
のはないが、小型化や長距離の伝達が難しい。

【０００５】また、油圧式はアクチュエータの大きさに
比べて非常に大きなパワーが得られることが特徴であ
る。油圧式の代表例としては、従来からサーボ弁が使わ
れており、高精度の位置・速度制御に適していたが、高
価で耐汚染性において欠点があった。近年、これに代わ
る電気−油圧サーボシステムとして、各種の比例制御弁
が開発されている。

【０００６】この種の比例制御弁は、アナログ入力電流
に比例して、アクチュエータとしての比例ソレノイドが
変化し、これに応じた圧力や流量を出力する方式であ
る。近年では、耐汚染性に優れると共に安価であり、従
来のサーボ弁に匹敵する高精度を出せるものも開発され
ている。

【０００７】図１には比例ソレノイド３１及びスプール
弁３２からなる比例制御弁の一例が示されている。前記
比例ソレノイド３１のケーシング３３にはコイル３４が
設けられ、そのコイル３４内にはプランジャ３５がスラ
イド変位可能に収容されている。プランジャ３５には変
位伝達用のシャフト３６が一体形成され、そのシャフト
３６の一端は前記ケーシング３３外部に突出している。
また、比例ソレノイド３１とスプール弁３２とは密接配
置され、かつ前記シャフト３６の突出端とバルブスプー
ル３７の一端とが接離可能に当接し合っている。

【０００８】この比例ソレノイド３１は、アナログ入力
電流に比例した直線運動をする電磁ソレノイドで、流量
制御や圧力制御としての比例制御弁のアクチュエータと
して使われる場合が多い。流量制御の場合は、バルブス
プール３７の移動ストロークは一般に長く（３〜１０
［ｍｍ］程度）、圧力制御の場合は短く（１〜２［ｍ
ｍ］）てもよい。いずれの場合も比例ソレノイド３１と
しては、ストロークが移動しても各電流ごとに推力が一
定であるような特性が必要である。

【０００９】また、図１に示すように、比例ソレノイド
３１には、ストロークによって推力が変化するアプロー
チゾーンＺａと、ストロークが移動しても電流に対して
吸引力（推力）をほぼ一定に保つコントロールゾーンＺ
ｃとがある。

【００１０】比例ソレノイド３１では、図１のようにコ
ントロールゾーンＺｃの初めが動作原点となるようにス
トッパ３８を設け、アプローチゾーンＺａを使わないよ
うにしている。従って、平衡スプリングの負荷特性に対
し、各電流ｉ₁ ，ｉ₂ ，ｉ₃に相当する比例ソレノイド
３１の力と平衡した点Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ がコントロール
ゾーンＺｃの範囲内で得られる。すなわち、スプリング
の負荷が定まれば、任意の位置が電流に比例して得られ
るという特性がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記比例ソ
レノイド３１の移動ストロークは一般に数ミリ程度と短
いものであるにも関わらず、一定推力が得られるコント
ロールゾーンＺｃの範囲は全ストロークの約半分に過ぎ
なかった。また、一般に図１に示すようなプランジャ型
ソレノイドの推力（吸引力）は駆動電流の２乗に比例し
て増加することが知られており、この場合の推力と駆動
電流との関係は非線型になる。従って、上記事情から推
力と電流との比例関係をストロークの広範囲で得ること
ができなかった。

【００１２】更に、比例ソレノイドでは雰囲気温度の変
化や外部磁界の影響により推力−駆動電流特性に大きい
ズレが生じること、即ちドリフト及び感度変化の問題が
あり、またヒステリシス特性を有する。ヒステリシスに
は磁気的な要素と機械的な要素があるが、一般の比例ソ
レノイドでは機械的なヒステリシスを抑制する目的でデ
ィザを与え、たとえば、比例制御弁の弁スプールに微小
振動を与えることにより、静摩擦を防いでいる。しかし
ながら、このようにディザを与えたとしても磁気的なヒ
ステリシスを確実にキャンセルすることは困難であり、
ドリフト及びヒステリシスを約５〜８％以下に抑制する
ことはできなかった。

【００１３】この種の比例ソレノイドをバリ取り、研磨
加工、精密研削などの機械加工に使用する力制御用アク
チュエータに応用することが従来より提案されている。
しかし、前記比例ソレノイドを力制御用アクチュエータ
に応用しても、一定推力が得られる有効ストローク範囲
が狭いため、優れた追従性及び安定性を備える実用性の
高いものとすることができなかった。

【００１４】本発明は上記の事情に鑑みて成されたもの
であり、その目的は、比例制御が可能なストロークが広
範囲であり、電流−力特性の非直線性が小さく、かつ温
度変化や外部磁界の影響が小さい差動式電磁アクチュエ
ータを提供すると共に、その差動式電磁アクチュエータ
を用いることにより実用性の高い力制御用アクチュエー
タを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そのために第１の発明で
は、入力信号に比例した駆動信号を出力する第１の電源
回路と、前記入力信号に逆比例した駆動信号を出力する
第２の電源回路と、第１の電源回路によって励磁される
第１のソレノイドと、第２の電源回路によって励磁され
る第２のソレノイドと、第１及び第２のソレノイドによ
って互いに逆方向への駆動作用を受ける可動体とを備え
た差動式電磁アクチュエータを構成した。

【００１６】第２の発明では、第１の発明の構成要件
と、可動体に作用する第１及び第２のソレノイドの差動
作用量を可動体を介して検出するセンサと、前記差動作
用量を設定するための差動作用量設定手段と、設定され
た差動作用量と検出された差動作用量との偏差を演算す
る演算手段と、前記偏差を前記入力信号にフィードバッ
クするフィードバック手段とを備えた差動式電磁アクチ
ュエータを構成した。

【００１７】第３の発明では、第２の発明の構成要件
と、第１及び第２のソレノイドに等しく作用する１次コ
イルを交流励磁するか、または第１及び第２のソレノイ
ドを脈流で重畳励磁すると共に、両ソレノイドから前記
交流励磁による差動交流出力あるいは重畳励磁による差
動脈流出力を取り出す変位検出手段とを備えた差動式電
磁アクチュエータを構成した。

【００１８】

【作用】以下に、第１の発明における差動式電磁アクチ
ュエータの基本的な動作原理について図２〜図５に基づ
き詳しく説明する。

【００１９】図２に示すように、一般にはコイル４１内
にプランジャ４２が備えられたプランジャ型ソレノイド
４３の推力（吸引力）Ｆは、プランジャ４２の透磁率を
μ＝∞として次式（１）に示すように、ギャップ４４部
分に貯えられる磁気エネルギＷm をギャップ長で微分し
たもので表される。 Ｆ＝ δＷm ／δｘ＝μ₀ ＳＮ² ｉ² ／２ｘ² ［Ｎ］ …（１） 但し、ギャップ長をｘ［ｍ］、コイル巻数をＮ［ター
ン］、プランジャ断面積をＳ［ｍ³ ］、ギャップ透磁率
をμ₀ ［Ｈ／ｍ］≒４π×１０^-7［Ｈ／ｍ］、駆動電流
をｉ［Ａ］とする。

【００２０】式（１）から、プランジャ型ソレノイド４
３の推力は、ギャップ長ｘを固定して考えると、駆動電
流の２乗に比例して増加することがわかる。つまり、こ
の場合の推力と駆動電流の関係は非線形である。

【００２１】本発明の差動式電磁ソレノイドＭs は、図
３に示すように、一対のコイルＣa，Ｃb から構成され
た一種のプランジャ型ソレノイドであり、その共通のプ
ランジャＰに対してコイルＣa とコイルＣb を直列配置
している。

【００２２】図３においてコイルＣa とコイルＣb とを
それぞれ単体で励磁した場合と、差動励磁した場合の推
力と励磁電流の関係を図４に示す。ここで、差動励磁と
は一対のコイルＣa ，Ｃb の磁束が互いに減じ合う向き
に生じ、互いの吸引力の向きが反対方向に働くように励
磁することである。この場合、コイルＣa ，Ｃb には電
源回路Ｅa ，Ｅb から電圧が印加され、有効な励磁電流
はそれぞれのコイルＣa ，Ｃb に流れる電流の差、つま
り差動電流のことである。

【００２３】コイルＣa ，Ｃb をそれぞれ単体で励磁し
た場合の推力は前述の通り駆動電流の２乗に比例して増
加し、図４の破線曲線Ｌ_1a，Ｌ_2a，Ｌ_1b，Ｌ_2bのように
なる。また、ヒステリシスの影響による非線形要素も無
視できない。

【００２４】一方、一対のコイルＣa ，Ｃb を差動励磁
した場合には、図４の実線直線ＬのようにプランジャＰ
に働く推力はそれぞれのコイルＣa ，Ｃb によって生じ
る吸引力の差であり、電流の２乗で利く項が消去されて
推力と差動電流の関係は広範囲にわたって１次直線の比
例関係となる。また、雰囲気温度変化や外部磁界の影響
による非線形要素も抑制される。図中の差動電流△ｉに
おいて、コイルＣa の推力Ａ雰囲気温度変化や外部磁界
の影響により、Ａ' となったとすると、コイルＣb の推
力Ｂは同様の影響を受けてＢ' となり、、出力推力Ｃは
次式（２）に示されるように、各コイルＣa ，Ｃb の推
力の差となる。また、推力とバランスする平衡ばねを付
加することによって、希望する変位出力を得ることがで
きることは、公知の通りである。 Ｃ＝Ａ−Ｂ＝Ａ' −Ｂ’ …（２） つまり、それぞれの雰囲気温度や外部磁界の影響が同じ
割合で生じれば、ドリフトや感度変化特性は互いに打ち
消し合い、推力または変位特性に極めて好適な線形性が
得られる。

【００２５】以上のことをまとめると、差動式電磁ソレ
ノイドＭs の代表的な動作特徴は、 １）推力または変位と差動電流の比例関係が広範囲で得
られること ２）雰囲気温度や外部磁界の影響によるドリフトや感度
変化が抑制されること であることが分かる。

【００２６】また、上記の特徴を備えた差動式電磁ソレ
ノイドＭs を用いる第２の発明の力または変位制御用ア
クチュエータでは、可動体に作用する第１及び第２のソ
レノイドの差動作用量を可動体を介して検出するセンサ
と、前記差動作用量を設定するための差動作用量設定手
段と、設定された差動作用量と検出された差動作用量と
の偏差を演算する演算手段と、前記偏差を前記入力信号
にフィードバックするフィードバック手段とを備える。

【００２７】第２の発明では、力制御を考える上で機械
加工等の分野において、曲面で構成された物体を精密研
磨する場合などが想定されている。この力制御対象物と
しての自由曲面を一定速度で移動させ、本ソレノイドの
推力を自由曲面に対して一定に保持する力制御を可能に
することは、前述の機械加工分野への応用として、例え
ばレンズ表面を精密研磨する場合の力制御用アクチュエ
ータとして、その実用化が期待できる。また、推力とバ
ランスする平衡ばねと変位センサとを付加することによ
って、精密変位制御用のアクチュエータとしても実用で
きる。

【００２８】上記の構成によれば、前記推力または変位
検出用のセンサからの推力または変位信号は、演算手段
のプログラム上で設定した目標推力または変位と比較さ
れ、その補償された電気信号は駆動回路に出力される。
従って、移動曲面に対する推力または変位制御性が向上
し、目標推力に対するばらつきが少なくなる。これによ
り、優れた追従性及び安定性を兼ね備えた実用性の高い
力または変位制御用アクチュエータを実現することが可
能になる。

【００２９】第３の発明では、第１及び第２のソレノイ
ドに等しく作用する各１次コイルによって交流励磁され
るか、または第１及び第２の電源回路によって差動励磁
される第１及び第２のソレノイドが脈流で重畳励磁され
る。この差動か誘導交流出力あるいは重畳励磁による差
動脈流が各ソレノイドから取り出され、両者の差から可
動体の変位が検出される。

【００３０】

【実施例】以下に、第１の発明を具体化した第１の実施
例について図５〜図１１に基づき詳しく説明する。 〔差動式電磁ソレノイドの構造〕図５には、本実施例の
差動式電磁ソレノイドが示されている。円筒状のヨーク
１の両端面にはそれぞれサイドヨーク２が配置されてお
り、これにより全長２１４mm，直径５８mmのケーシング
３が構成されている。また、ヨーク１及びサイドヨーク
２は低炭素鋼によって形成されている。前記ケーシング
３内には全長２００mmのコイルボビン４が収容され、そ
のボビン４の外周部には各々同一寸法、同一特性を持つ
一対のコイル５，６が図５の上下方向に対して正確にか
つ対称に配設されている。ボビン４の内周部には純鉄製
のプランジャ７がスライド変位可能に収容されている。
プランジャ７にはジュラルミンからなる変位出力用のシ
ャフト８が一体に形成されており、その両端は各サイド
ヨーク２の中心に設けられたブッシュ（含油アセタール
樹脂軸受）９を貫通して、ケーシング３の外部に突出し
ている。

【００３１】本実施例のソレノイドでは、コイル５，６
の長さとプランジャ７の長さが、いずれも１００［ｍ
ｍ］で等しく設定されている。従って、本ソレノイドの
ストローク長は、プランジャ７がソレノイドの中央に位
置している場合、即ちプランジャ７が両コイル５，６に
同程度属している場合は、片方向で５０［ｍｍ］、両方
向で１００［ｍｍ］となる。

【００３２】コイル５とコイル６とは同一仕様であり、
それぞれ巻数Ｎが２４００［ターン］，抵抗Ｒが１３.
０［Ω］，巻線径がφ０. ６［ｍｍ］に設定されてい
る。 〔差動式電磁ソレノイドの駆動回路〕差動式電磁ソレノ
イドを差動駆動させるために、駆動回路への入力電圧信
号Ｖinに対して、ソレノイドのコイル５とコイル６とに
印加される励磁電圧に逆向きの特性を持たせた。つま
り、コイル５，６の励磁電圧をそれぞれＶa ，Ｖb とす
ると、Ｖinに対してＶa とＶb とを同じ傾きで単調増
加、単調減少させるようにした。これは、それぞれのコ
イル５，６に印加される励磁電圧によって定まる駆動電
流の差と入力電圧信号との関係に線形性を与えるためで
あり、最終的にはこの入力電圧信号によって、本差動式
電磁ソレノイドの出力である推力を比例制御する目的の
ためである。

【００３３】図５には本ソレノイドの駆動回路１０が示
されている。駆動回路１０には入出力の線形性に優れる
オペアンプ１０ａ₁ ，１０ｂ₁ を用い、反転増幅回路を
含む電源回路Ｅa と非反転増幅回路を含む電源回路Ｅb
とを構成した。オペアンプ１０ａ₁ ，１０ｂ₁ には、±
３０［ｖ］の電源電圧、及び５［Ａ］までの連続出力電
流動作が可能なハイパワー・モノリシックオペアンプを
用いた。また、コイル５，６の誘起電圧を抑制するため
に、コイル５，６と並列に保護ダイオード（フライ・ホ
イール・ダイオード）１０ａ₂ ，１０ｂ₂ を設けた。な
お、Ｒb₀，Ｒa₁，Ｒb₁，Ｒa₂，Ｒb₂，Ｒa₃，Ｒb₃は抵抗
器である。

【００３４】図６には駆動回路１０の入出力特性が示さ
れている。出力直線Ｏ₁ と出力直線Ｏ₂ とは、コイル
５，６に印加する励磁電圧となり、前述の通り、互いに
逆向きの特性を持っている。

【００３５】ここで、出力Ｏ₁ と出力Ｏ₂ との交点Ｐc
（コイル５，６に印加される励磁電圧が等しくなる入力
電圧値）について考えると、プランジャ７が本ソレノイ
ドの中央に位置している場合には、それぞれのコイル
５，６によって生じる吸引力は、逆向きに等しい大きさ
である。つまり、プランジャ７に働く吸引力は互いに打
ち消し合い、推力は発生しない。従って、この交点Ｐc
は駆動系から見た動作原点になる。 〔性能評価〕本発明の差動式電磁ソレノイドの静特性を
評価するために、 (a) 入力電圧に対する差動電流特性 (b) 入力電圧に対する推力特性 (c) 差動電流に対する推力特性 (d) ストロークに対する推力特性 について、それぞれ性能評価試験を行った。以下、それ
らの試験方法及び結果について述べる。 〔試験方法及び結果〕 (a) 入力電圧に対する差動電流特性 駆動回路１０への入力電圧信号に対する、コイル５，６
に流れる駆動電流の差（差動電流）の変化を測定した。
入力電圧信号とそれぞれのコイル５，６に印加される励
磁電圧の関係は、入力電圧信号が０［ｖ］のとき、互い
の励磁電圧の差が最大となり、入力電圧信号が１. ８
［ｖ］のとき、互いの励磁電圧が等しくなる。従って、
０〜１. ８［ｖ］の入力電圧信号について差動電流の変
化を測定した。差動電流を求めるには、コイル５，６に
直列に設けた外付け抵抗Ｒa₁，Ｒb₁両端での電圧降下を
測定し、それぞれの駆動電流を求め、その差を計算し
た。

【００３６】本ソレノイドの片側ストローク５０［ｍ
ｍ］に対し、５［ｍｍ］ピッチでそれぞれのストローク
をパラメータに、システムへの入力電圧信号に対する差
動電流の変化を測定した。その結果が図７の直線Ｌ₃ に
示されている。これによると、差動電流特性はソレノイ
ドのストロークとは関係なく、入力電圧信号に対して非
直線性が２．９８％という優れた線形性を示した。

【００３７】すなわち、差動電流△Ｉはシステムへの入
力電圧信号Ｖinによって比例制御することが可能であ
り、次式（３）で表される。 △Ｉ＝ｋ・ Ｖin＋ｃ ｋ：比例定数，ｃ：定数 …（３） そして、図７に示した差動電流特性から最小二乗法によ
る回帰を行い、次式（４）に示す回帰式を得た。 △Ｉ＝−０. ８７Ｖin＋１. ５６ …（４） ここで、差動電流特性の線形性を数値として表現した非
直線性とは、図８に示すように、式（４）で求めた回帰
直線からのずれの小さい程度を表すものである。つま
り、図中の点Ｏ（ｘo ，ｙo ）から点Ｍ（ｘm ，ｙm ）
の範囲内で回帰直線を求めた場合、非直線性は回帰直線
からの偏差の最大値｜ｙi −ｙi'｜max を用いて次式
（５）のように求める。 非直線性＝１００×｜ｙi −ｙi'｜max ／｜ｙo −ｙm ｜ ［％］…（５） (b) 入力電圧に対する推力特性 入力電圧信号を０〜１. ８［ｖ］の範囲で変化させ、そ
の際に生じる本ソレノイドの推力を測定した。推力の測
定には、図１０に示すような高精度の荷重変換器１１及
び図１３に示す荷重変換器１１用のアンプ１３を使用し
た。

【００３８】尚、試験に際して予め荷重変換器１１のキ
ャリブレーションを行った。荷重変換器１１に６［Ｖ］
の印加電圧を入力し、その出力を同変換器用アンプ１２
で１０００倍に増幅した結果、次式（６）に示すように
本荷重変換器１１の定格出力は一般仕様の１［ｍＶ／
Ｖ］に対し、１. ２８８［ｍＶ／Ｖ］であった。 １. ２８８［ｍＶ／Ｖ］×６［Ｖ］×１０００＝７. ７２８［Ｖ］…（６） 従って、アンプ１３を介した荷重変換器１１の出力電圧
信号ｖ［Ｖ］を本来の目的である荷重信号Ｆ［ｋｇｆ］
に変換するには、次式（７）が成立することを予め確認
した。 Ｆ＝ｖ×２［ｋｇｆ］／７. ７２８［Ｖ］ ＝ｖ×０. ２５９［ｋｇｆ］ …（７） そして、ストローク長の代表として、０，１０，２０，
３０，４０［ｍｍ］の各点を選択し、システムへの入力
電圧信号に対する推力の変化を前記各点においてそれぞ
れ測定した。その結果が図９（ａ）の直線Ｌ₄ ，Ｌ₅ ，
Ｌ₆ ，Ｌ₇ ，Ｌ ₈ に示されている。入力電圧に対する推
力特性の非直線性は、Ｌ₄ 〜Ｌ₈ の順に０，１０，２
０，３０，４０［ｍｍ］にて、２．２２％，１．５６
％，１．６４％，２．２０％，２．４１％であった。上
記のストローク範囲では、推力は入力電圧信号（０. ４
［ｖ］〜１. ８［ｖ］）に対して好適な線形性を示して
いる。また、これら測定値は一般の比例ソレノイドに比
して極めて優れている。

【００３９】すなわち、次式（８）に示されるように、
推力Ｆはシステムへの入力電圧信号Ｖinによって比例制
御できることが分かる。 Ｆ＝ｋ・ Ｖin＋ｃ ｋ：比例定数，ｃ：定数 …（８） (c) 差動電流に対する推力特性 前記(a) 及び(b) の試験結果から、差動電流に対する推
力の変化を解析を行った。その結果、システムへの入力
電圧信号Ｖinに対して、差動電流△Ｉおよび推力Ｆは比
例特性を有し、以下の関係式（９）〜（１１）が成り立
つことを確認した。

【００４０】式（３）においてｋ＝ｋ₁ （比例定数）、
ｃ＝ｃ₁ とおくことによって次式（９）が得られる。 △Ｉ＝ｋ₁ ・ Ｖin＋ｃ₁ …（９） 式（８）においてｋ＝ｋ₂ （比例定数）、ｃ＝ｃ₂ とお
くことによって次式（１０）が得られる。

【００４１】 Ｆ＝ｋ₂ ・ Ｖin＋ｃ₂ …（１０） 式（９），式（１０）より Ｆ＝ΔＩ・ｋ₂ ／ｋ₁ −ｃ₁ ・ｋ₂ ／ｋ₁ ＋ｃ₂ ＝ｋ₃ △Ｉ＋ｃ₃ …（１１） 但し、ｋ₃ ＝ｋ₂ ／ｋ₁ 、ｃ₃ ＝−ｃ₁ ・ｋ₂ ／ｋ₁ ＋
ｃ₂ である。

【００４２】式（９）は、入力電圧信号によって差動電
流を介した推力の比例制御が可能であることを意味して
いる。ここでは、上記の試験結果から差動電流に対する
推力特性を定量的に解析した。図９（ｂ）の直線Ｌ₉ ，
Ｌ₁₀，Ｌ₁₁，Ｌ₁₂，Ｌ₁₃に示されるように、０，１０，
２０，３０，４０［ｍｍ］のストローク長における差電
流と推力の関係の非直線性はそれぞれ、３．２０％，
３．７９％，１．２９％，０．８３％，２．０３％であ
った。

【００４３】この解析結果によると、上記のストローク
範囲では、推力は差電流に対しても極めて好適な線形性
を示していることが確認できる。このことは、式（１
１）を定量的に導出したことにもなる。

【００４４】(d) ストロークに対する推力特性 本実施例のソレノイドのストロークは、プランジャ７を
ソレノイド中央に位置させたときを原点とした場合、片
方向では５０［ｍｍ］で、両方向では１００［ｍｍ］で
あることは上述のとおりである。前記両コイル５，６で
は、ソレノイドの構造、駆動方式はともに対称性を有す
るため、片方向５０［ｍｍ］のストロークについてのみ
推力を測定した。

【００４５】測定に際しては、５［ｍｍ］ピッチで区切
ったストローク点における推力を前記(b) の実験方法と
同様にて測定した。この測定結果に基づいて、入力電圧
信号によって推力の比例制御が可能なストローク長、即
ち、有効ストローク長を求めた。

【００４６】図１０に示すように、シャフト８の先端に
荷重変換器（ロードセル）１１を接触配置して、ロード
セル１１を固定する治具１２の移動変位をノギスで測定
することにより、ストロークを求めた。そして、ソレノ
イドの片側ストローク５０［ｍｍ］に対し、システムへ
の入力電圧信号をパラメータに、５［ｍｍ］ピッチでそ
れぞれのストロークに対する推力の変化を測定した。そ
の結果が図１１の曲線Ｃ₁ ，Ｃ₂ ，Ｃ₃ ，Ｃ₄ ，Ｃ₅ に
示されている。入力電圧は曲線Ｃ₁ 〜Ｃ₅ の順に０，
０．５，１．０，１．５，１．８〔Ｖ〕である。

【００４７】図１１から明らかなように、それぞれの入
力電圧信号における推力は、ストロークが４０［ｍｍ］
を越えると急激に増加することがわかる。つまり、スト
ロークに対する推力の変化率が小さい０〜４０［ｍｍ］
のストローク範囲ではフィードバック制御系での力制御
が可能であるが、その変化率が大きくなる４０［ｍｍ］
を越えるストローク範囲では力制御が困難となることが
わかる。

【００４８】従って、本ソレノイドにおいて力制御が可
能であるストローク範囲を有効ストロークとすると、有
効ストローク長は４０［ｍｍ］になり、比例ソレノイド
の有効ストローク長に比して極めて広範囲であることが
分かる。

【００４９】次に、第１の発明の第２の実施例を図１２
に基づいて説明する。２１は片持ち支持された板ばねを
付属した可動鉄芯であり、可動鉄芯２１の両側には電磁
石２２，２３が配設されている。両電磁石２２，２３は
第１の実施例と同様に駆動回路１０によって差動励磁さ
れる。この差動励磁による両電磁石２２，２３の吸引力
の差と差動電流とは差動式電磁ソレノイドＭｓと同様に
高い線形性を示す。従って、可動鉄芯２１はシステムへ
の入力電圧信号Ｖinに比例した吸引力を受けるか、板ば
ねが付属しているため吸引力に正確に比例して変位す
る。図２に示す第２の実施例は、図５に示す第１の実施
例に比べて動作ストローク範囲の狭い精度変位制御に適
するものである。両電磁石２２，２３と可動鉄芯２１と
は第１の実施例よりも磁気回路が閉じ易く、小型で強力
な吸収力を生じるためと摺動摩擦部がないため、微細な
変位制御が可能となる。このことは一般にチューブラ形
鉄芯ソレノイドと平板ばね形鉄芯ソレノイドとの特徴比
較からも容易に理解できる。

【００５０】次に、第２の発明を具体化した一実施例に
ついて図１３及び図１４に基づき詳しく説明する。図１
３に示されるように、差動式電磁ソレノイドＭｓから突
出するシャフト８の一端には、推力を検出するための小
型ロードセル１１が配置されており、ロードセル１１は
荷重変換器用アンプ１３及びＡ／Ｄ変換モジュール１６
を介してコンピュータ１４の入力側に電気的に接続され
ている。コンピュータ１４の出力側には差動式電磁ソレ
ノイドＭｓを駆動するための駆動回路１０がＤ／Ａ変換
モジュール１７を介して電気的に接続されている。駆動
回路１０の構成は図５の構成と同一である。

【００５１】アンプ１３によって増幅されたアナログ信
号はＡ／Ｄ変換モジュール１６にてデジタル信号化され
た後にコンピュータ１４に入力される。また、コンピュ
ータ１４から出力されるデジタル信号はＡ／Ｄ変換モジ
ュール１７によってアナログ信号化された後に駆動回路
１０に出力される。 〔性能評価〕本発明の力制御用アクチュエータ２６の動
特性を評価するため、移動する曲面への定推力制御特性
についての性能評価試験を行った。以下、試験方法及び
結果について述べる。 〔試験方法及び結果〕プランジャ７のストローク方向を
Ｘ軸にとり、自由曲面を加工した試験片Ｔ_PをＹ軸方向
に一定速度で移動させ、曲面に対する任意の推力保持制
御をＰ. Ｉ.Ｄ制御を導入した閉ループ系で試みた。自
由曲面を有する試験片としては、図１４（ａ）に示すよ
うに、凹凸型円弧曲面（Ｒ＝３１３［ｍｍ］）を有する
試験片Ｔ_P を有する試験片Ｔ_P を用いた。

【００５２】推力の測定には、前記(b) の試験と同様の
ロードセル１１を用いた。また、ここでは推力保持の対
象物が移動するため、ロードセル１１固定用のホルダー
１８を製作し、このホルダー１８をシャフト８の先端に
取り付け、小型ベアリング１９を介して移動対象物と転
がり接触させた。

【００５３】図１４（ｂ）には凹凸型円弧曲面における
定推力制御特性の測定結果のグラフが示されている。グ
ラフの横軸に示すＹ軸方向変位とは試験片Ｔ_P の移動変
位であり、試験片Ｔ_P の送り速度は２. ７［ｍｍ／ｓｅ
ｃ］にて測定した。ここで、Ｙ軸方向変位を時間軸に換
算すれば、８０［ｍｍ］の送り量に対して約３０秒の定
推力制御を行ったことになる。また、Ｙ軸方向の変位に
伴って変化するストローク方向（Ｘ軸方向）の変位は１
mmである。その結果、一定移動する曲面に対する定推力
制御特性は好適であり、設定推力に対して優れた追従性
を示していることが判った。

【００５４】尚、図１３のシャフト８の左端に平衡ばね
８’を固定端との間に介在することにより、推力Ｆとバ
ランスさせて推力Ｆに比例した変位に変換し、ロードセ
ル１１の代わりに変位センサを使用することにより、フ
ィードバック位置または変位制御システムを構成するこ
ともできる。

【００５５】次に、第３の発明を具体化した第１の実施
例を図１５〜図１７に基づいて説明する。この実施例で
はコイル５，６を等しくかつ一様に包囲するように一次
コイル２４が取り付けられている。コイル５，６は駆動
回路２５によって差動励磁され、コイル２４は脈流電源
Ｅc によって励磁される。駆動回路２５は前記実施例の
駆動回路１０にダイオード２６，２７を付加した点のみ
相違する。脈流電源Ｅc は図１６の全波整流あるいは図
１７の半波整流を発生し、コイル２４が脈流励磁され
る。即ち、コイル５，６がこの脈流励磁によって重畳励
磁される。従って、コイル５とダイオード２６との間の
電位Ｖc₁、及びコイル６とダイオード２７との間の電位
Ｖc₂はいずれも脈流励磁による重畳励磁分の脈流電位と
駆動回路２５からの直流電位との和となり、電位Ｖc₁と
電位Ｖc₂との差（Ｖc₁−Ｖc₂）は差動脈流電圧となる。
一次コイル２４の励磁に交流ではなく脈流を採用した理
由は、交流分の一部が工藤回路２５に逆流することをダ
イオード２６，２７によって阻止するためである。

【００５６】コイル２４の励磁によるコイル５側の相互
インダクタンス、及びコイル２４の励磁によるコイル６
側の相互インダクタンスはプランジャ７の変位によって
変化する。プランジャ７が両コイル５，６から等距離に
ある場合、コイル５側の相互インダクタンスとコイル６
側の相互インダクタンスとは等しい。従って、差動脈流
電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）は零となる。尚、プランジャ７は固
定端との間に介在した平衡ばね８’によって各コイル
５，６の差動吸引力に比例した変位に変換される。

【００５７】プランジャ７がコイル５側へ変位すると、
コイル５側の相互インダクタンスが増大すると共に、コ
イル６側の相互インダクタンスが減少する。従って、差
動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）は正値となる。プランジャ７
がコイル６側へ変位すると、コイル５側の相互インダク
タンスが減少すると共に、コイル６側の相互インダクタ
ンスが増大する。従って、差動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）
は負値となる。

【００５８】即ち、差動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）はプラ
ンジャ７の変位を表し、本実施例の差動式電磁アクチュ
エータはプランジャ７の変位を検出する機能を備えてい
る。プランジャ７によって弁体を駆動して流量制御を行
なうような流量制御弁では弁体の開度が流量を左右する
ため、高精度の流量制御を行なうためには弁体の位置を
検出する必要がある。本発明の変位検出機能はこの弁体
位置検出等への適用に有効である。

【００５９】なお、各コイル５，６から出力される脈流
はダイオード２６，２７の存在によって駆動回路２５側
への流入を阻止され、検出精度の低下が防止される。検
出精度を高めるには全波あるいは半波の脈流が最適であ
るが、交流の採用も勿論十分高い検出精度をもたらす。
交流による場合は、ダイオード２６，２７の代わりに抵
抗器（図示略）を使用しても良い。

【００６０】次に、第３の発明の第２の実施例を図１８
に基づいて説明する。反実施例は図１２の場合と同様に
可動鉄芯２１に板ばねを付属しているため、電磁石２
２，２３の差動吸引力に比例した鉄芯変位が得られる。

【００６１】この実施例では電磁石２２，２３が前記実
施例と同様の駆動回路２５によって差動励磁され、駆動
回路２５には脈流電源Ｅc が同等のインピーダンス負荷
２８，２９を含むブリッジ回路３０を介して接続されて
いる。脈流電源Ｅc は前記実施例と同様に全波あるいは
半波整流を発生し、電磁石２２，２３がこの脈流励磁に
よって同等に重畳励磁される。従って、電磁石２２とア
ースとの間の電位Ｖc₁、及び電磁石２３とアースとの間
の電位Ｖc₂はいずれも脈流励磁による重畳励磁分の脈流
電位と駆動回路２５からの直流電位との和となり、電位
Ｖc₁と電位Ｖc₂との差（Ｖc₁−Ｖc₂）は差動脈流電圧と
なる。Ｃ_a ，Ｃ_b ，Ｃ_c ，Ｃ_d は直流分を阻止するため
のコンデンサである。

【００６２】脈流電源Ｅc の重畳励磁による電磁石２２
側の自己インダクタンス、及び脈流電源Ｅc の重畳励磁
による電磁石２３側の自己インダクタンスは可動鉄芯２
１の変位によって変化する。可動鉄芯２１が両電磁石２
２，２３から等距離にある場合、電磁石２２側の自己イ
ンダクタンスと電磁石２３側の自己インダクタンスとは
等しい。従って、差動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）は零とな
る。

【００６３】可動鉄芯２１が電磁石２２側へ変位する
と、電磁石２２側の自己インダクタンスが増大すると共
に、電磁石２３側の自己インダクタンスが減少する。従
って、差動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）は正値となる。可動
鉄芯２１が電磁石２３側へ変位すると、電磁石２２側の
自己インダクタンスが減少すると共に、電磁石２３側の
自己インダクタンスが増大する。従って、差動脈流電圧
（Ｖc₁−Ｖc₂）は負値となる。

【００６４】即ち、差動脈流電圧（Ｖc₁−Ｖc₂）は可動
鉄芯２１の変位を表し、本実施例の差動式電磁アクチュ
エータは可動鉄芯２１の変位を検出する機能を備えてい
る。本実施例は図１２の場合と同様に、狭いストローク
範囲の精密変位制御に適する。尚反実施例においても図
１５の場合と同様に一次コイル（図示略）を電磁石２
２，２３に等しくかつ一様に巻き、交流または脈流を一
次コイルに励磁することにより、更に容易に変位出力を
得ることもできる。

【００６５】なお、インピーダンス負荷２８，２９の代
わりに抵抗器を用いてもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述したように、第１の発明の差動
式電磁ソレノイドによれば、比例制御が可能なストロー
クが広範囲になると共に、電流−力または変位特性の非
直線性が小さくなり、かつ雰囲気温度の変化や外部磁界
の影響が消去されるという優れた効果を奏する。

【００６７】第２の発明では、第１の発明にサーボ機能
を組み込んだので、従来よりも実用性の高い好適な力ま
たは変位制御用アクチュエータを実現することができる
という優れた効果を奏する。

【００６８】第３の発明では、一対のソレノイドを交流
または脈流で重畳励磁すると共に、両ソレノイドから重
畳励磁による差動交流または脈流出力を取り出すように
したので、差動励磁される可動体の変位を精度よく検出
し得るという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の比例ソレノイド（シングルチャンネ
ル）の構成と特性を示す簡略図である。

【図２】 従来のプランジャ型ソレノイドの動作原理を
示す簡略図である。

【図３】 第１の発明の差動式電磁ソレノイドの動作原
理を示す簡略図である。

【図４】 差動式電磁ソレノイドの推力−差動電流特性
を示すグラフである。

【図５】 差動式電磁ソレノイドの構造及び駆動回路を
示す組合せ図である。

【図６】 図５の駆動回路の入出力特性を示すグラフで
ある。

【図７】 入力電圧に対する差動電流特性を示すグラフ
である。

【図８】 非直線性の表し方を示すグラフである。

【図９】 （ａ）は入力電圧に対する推力特性を示すグ
ラフであり、（ｂ）は差動電流に対する推力特性を示す
グラフである。

【図１０】 ストロークの測定方法を示す概念図であ
る。

【図１１】 ストロークに対する推力特性を示すグラフ
である。

【図１２】 第１の発明の第２実施例を示す差動式電磁
石の構造及び駆動回路を示す組合せ図である。

【図１３】 第２の発明を具体化した一実施例の力また
は変位制御用アクチュエータを示す簡略図である。

【図１４】 （ａ）は凹凸型円弧曲面を有する試験片の
形状を示し、（ｂ）は凹凸型円弧曲面における定推力制
御特性を示すグラフである。

【図１５】 第３の発明の第１の実施例を示す差動式電
磁ソレノイドの構造及び駆動回路を示す組合せ図であ
る。

【図１６】 全波整流を示すグラフである。

【図１７】 半波整流を示すグラフである。

【図１８】 第３の発明の第２の実施例を示す差動式電
磁石の構造及び駆動回路を示す組合せ図である。

【符号の説明】

５…（第１の）ソレノイドとなるコイル、６…（第２
の）ソレノイドとなるコイル、７…可動体としてのプラ
ンジャ、１０…駆動回路、１１…ロードセル、１４…演
算回路としてのコンピュータ、１５…作動作用量設定手
段としての入力設定器、Ｅａ…（第１の）電源回路、Ｅ
ｂ…（第２の）電源回路、Ｅc …脈流電源。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号に比例した駆動信号を出力する第
   １の電源回路（１０ａ）と、 前記入力信号に逆比例した駆動信号を出力する第２の電
   源回路（１０ｂ）と、 第１の電源回路（１０ａ）によって励磁される第１のソ
   レノイド（５）と、 第２の電源回路（１０ｂ）によって励磁される第２のソ
   レノイド（６）と、 第１及び第２のソレノイド（５，６）によって互いに逆
   方向への駆動作用を受ける可動体（７）とを備えたこと
   を特徴とする差動式電磁アクチュエータ。
2. 【請求項２】入力信号に比例した駆動信号を出力する第
   １の電源回路（１０ａ）と、 前記入力信号に逆比例した駆動信号を出力する第２の電
   源回路（１０ｂ）と、 第１の電源回路（１０ａ）によって励磁される第１のソ
   レノイド（５）と、 第２の電源回路（１０ｂ）によって励磁される第２のソ
   レノイド（６）と、 第１及び第２のソレノイド（５、６）によって互いに逆
   方向への駆動作用を受ける可動体（７）と、 可動体（７）に作用する第１及び第２のソレノイド
   （５、６）の差動作用量を可動体（７）を介して検出す
   るセンサ（１１）と、 前記差動作用量を設定するための差動作用量設定手段
   （１５）と、 設定された差動作用量と検出された差動作用量との偏差
   を演算する演算手段（１４）と、 前記偏差を前記入力信号にフィードバックするフィード
   バック手段（１４）とを備えたことを特徴とする差動式
   電磁アクチュエータ。
3. 【請求項３】入力信号に比例した駆動信号を出力する第
   １の電源回路（１０ａ）と、 前記入力信号に逆比例した駆動信号を出力する第２の電
   源回路（１０ｂ）と、５ 第１の電源回路（１０ａ）によって励磁される第１のソ
   レノイド（５）と、 第２の電源回路（１０ｂ）によって励磁される第２のソ
   レノイド（６）と、 第１及び第２のソレノイド（５、６）によって互いに逆
   方向への駆動作用を受ける可動体（７）と、 第１及び第２のソレノイド（５、６）に等しく作用する
   １次コイル（２４）を脈流励磁するか、または第１及び
   第２のソレノイド（５、６）を脈流で重畳励磁し、両ソ
   レノイド（５、６）から前記脈流励磁による差動脈流出
   力あるいは重畳励磁による差動脈流出力を取り出す変位
   検出手段とを備えたことを特徴とする差動式電磁アクチ
   ュエータ。
4. 【請求項４】前記脈流は全波整流又は半波整流である請
   求項３に記載の差動式電磁アクチュエータ。