JPH071765Y2 - ロータリーアクチュエータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、内燃機関のスロットルバルブ等を操作するの
に好適な電磁石式のロータリーアクチュエータに関する
ものである。

［従来の技術］ バルブ等のように機械的に操作される装置を電気的に制
御する場合、例えば内燃機関のスロットルバルブを電気
的に制御する場合には、スロットルバルブの操作軸に電
気式のアクチュエータを接続して、スロットルバルブの
位置を目標位置に一致させるように該アクチュエータに
供給する駆動電流を制御している。

電気式のアクチュエータとしては、ステッピングモー
タ、トルクモータ、電磁石式アクチュエータ等が用いら
れているが、高速応答性を必要とする制御には電磁石式
のアクチュエータが適している。

電磁石式のアクチュエータとしては、可動側を直線的に
変位させる直線変位形のリニアアクチュエータと、可動
側を一定の角度範囲で回動させるロータリーアクチュエ
ータとがある。本考案は、これらの内、ロータリーアク
チュエータを対象とする。

第２図（Ａ），（Ｂ）は従来の電磁石式のロータリーア
クチュエータを示したもので、同図において１は円筒面
状の磁極面を有する対のロータ磁極部1a,1aを対称位置
に有するロータである。このロータ１はその軸芯部に回
転軸２を有し、該回転軸２は図示しない軸受より回転自
在に支持されている。３はステータで、このステータ
は、ロータ１を間にして対向位置された対のステータ磁
極部4a,4aを有するほぼコの字形のステータ鉄心と、該
鉄心に巻装された励磁コイル５とからなっている。６は
ロータ１の側面に当接して該ロータの回動範囲を「閉」
と表示された第１の位置と、「開」と表示された第２の
位置との間に規制するストッパである。７はリターンス
プリングで、リターンスプリング７の一端及び他端はそ
れぞれロータ１に固定されたフックピン８及びステータ
鉄心４に固定されたフックピン９に固定されている。こ
のリターンスプリング７により、ロータ１が第１の位置
（「閉」位置）側に付勢されている。

ここでロータの第１の位置及び第２の位置は、第２の位
置におけるロータ磁極部1aとステータ磁極部4aとの対向
面積（以下単にロータとステータとの対向面積とい
う。）が第１の位置におけるロータとステータとの対向
面積よりも大きくなるように設定されている。

ロータの回転軸２は第１の位置側から第２の位置側に向
って軸摩擦トルクが減少する特性を有する負荷の操作軸
に連結される。

以下の説明では、この負荷が内燃機関のスロットルバル
ブであるとする。

第３図（Ａ），（Ｂ）は内燃機関のスロットルバルブを
示したもので、スロットルバルブ（バタフライバルブ）
10は内燃機関の吸気管11内に配置され、該バルブの操作
軸12は吸気管11を貫通して外部に導出されて上記アクチ
ュエータの回転軸２に連結される。第３図において
「閉」及び「開」と表示した位置はそれぞれスロットル
バルブが全閉状態になる位置及び全開状態になる位置で
あり、第２図に「閉」及び「開」と表示して示した第１
の位置及び第２の位置に対応している。また第３図にお
いて矢印Ｈは吸気が流れる方向を示している。

このスロットルバルブの軸摩擦トルクｔとバルブ開度θ
（操作軸12の回転角）との関係は第９図に示した通り
で、全閉位置側で軸摩擦トルクが最も大きくなり、全開
位置側に向かうに従って軸摩擦トルクが減少する。

従来のアクチュエータにおいては、リターンスプリング
７の反力が、ロータ１の可動範囲で直線的に変化するよ
うにフックピン８の位置を設定していた。第２図に示し
た例では、ロータが第１の位置にあるときのフックピン
８の位置と、図に破線で示したようにロータが第２の位
置にあるときのフックピン８の位置とが、固定子磁極部
4a,4a間を２分する位置Ｏに対してほぼ対称になるよう
に設定して、フックピン８の軌道をスプリング７の伸長
方向とほぼ平行させることにより、ロータの可動範囲で
リターンスプリングの反力が直線的に変化するようにし
ている。

上記のアクチュエータにおいて、励磁コイル５に励磁電
流Ｉを流すと、ステータ鉄心４及びロータ１に磁束が流
れ、ロータ１の磁極部1a,1aがステータ鉄心の磁極部4a,
4aに吸引される。励磁電流を一定とした場合、ステータ
鉄心を流れる磁束φはロータが第１の位置側から第２の
位置側に（ロータとステータとの対向面積が増大する方
向に）回動するに従って増加していく。ロータの第１の
位置側から第２の位置側への変位角をθとして変位角θ
に対する磁束φ²の変化を励磁電流をパラメータにとっ
て示すと第４図に示す通りである。

第４図においてI1,I2,I3…は励磁電流で、I1＜I2＜I3,
…の関係にある。第４図において破線よりも上の領域は
ステータ鉄心とロータとにより構成される磁路の飽和磁
化範囲を示している。

第４図から明らかなように、ロータの変位角が増加して
ロータとステータとの対向面積の増加していくと磁束φ
が増加していく。励磁電流が増加していくとロータとス
テータ鉄心との間の透磁率が低下していくので、励磁電
流と磁束φとの関係は比例関係でなくなり、磁束φの二
乗φ²が励磁電流に比例して増加するようになる。

第４図においては、励磁時電流ＩがI1〜I4の範囲にある
場合には、磁束量φ²が変位角θ及び励磁電流Ｉに比例
した関係になる。更に励磁電流Ｉを増加させると、ロー
タ及びステータ鉄心の飽和磁化領域に入るので、磁束量
φ²は頭打ちになる。

一般に電磁石において、磁束密度をＢ、透磁率をμとす
ると、内在するエネルギーは単位体積当りB²/2μである
から、エネルギーはφの二乗φ²に比例する。即ち、励
磁電流Ｉを一定とした場合に磁束φ²が変位角θに対し
て一定の割合で変化するということは、エネルギーが変
位角θに対して一定の割合で変化することを意味してい
る。

従って、微小変位角Δθに対する微小エネルギー変化量
ΔＷの割合は一定になり、電磁石の発生トルクＴ＝ΔW/
Δθは一定になる。第５図に実線で示した曲線は、第２
図に示した電磁石における変位角θと発生トルクＴとの
関係を、励磁電流Ｉをパラメータにとって示したもの
で、励磁電流ＩがI1〜I4の範囲にある場合、発生トルク
Ｔはロータの変位角θに対してほぼ一定であり、励磁電
流Ｉにほぼ比例する。励磁電流ＩがI5〜I7の範囲まで増
えると、ロータとステータ鉄心とが飽和磁化範囲に入る
ので、発生トルクＴは変位角θの増加に伴って減少する
傾向になる。

第５図に破線で示した特性は、第２図に示したようにリ
ターンスプリング７を取付けた場合に該リターンスプリ
ングの反力によりロータにかかる荷重トルクTsと変位角
θとの関係を示したので、この場合には、リターンスプ
リングの反力が変位角にほぼ比例して変化する。

このアクチュエータを使用してスロットルバルブを制御
する場合には、通常励磁電流ＩをI1ないしI4の範囲（発
生トルクＴが変位角θによっては変化せず、励磁電流Ｉ
に比例する範囲）に設定する。

第５図に示した例では、リターンスプリング７の反力に
よりロータに加わる初期荷重トルクを励磁電流がI1の時
の発生トルクＴに等しく設定し、最大スプリング反力に
よりロータに加わる荷重トルクが励磁電流がI4の時の発
生トルクに等しくなるように設定している。

このように設定しておくと、励磁電流Ｉにより発生する
トルクＴとスプリング７の反力によりロータにかかる荷
重トルクTsとが一致する点でロータ１が停止するアクチ
ュエータを構成することができる。この場合、ロータ１
の励磁電流Ｉと変位角θとの関係は、第７図のＡのよう
に直線的な関係になる。

［考案が解決しようとする課題］ 第５図においてロータ１の変位角θを目標値θ２に一致
させるように制御する場合を考える。この場合に必要な
励磁電流ＩはI2である。即ち、この場合変位角θ２にお
けるスプリング反力による荷重トルクに等しい発生トル
クが必要であり、この発生トルクを得るために励磁電流
I2を流す必要がある。

変位角θ２で発生トルクＴとスプリング反力による荷重
トルクTsとがバランスしてロータが停止している場合、
外部から見たロータの見掛上の発生トルクは零である。
この状態で外部から力が加えられて変位角θが「開」側
にΔθだけ変化したとすると、変位角θ２の位置に戻ろ
うとする見掛上の発生トルクはΔＦとなり、これはリタ
ーンスプリングの反力によるものである。この発生トル
クΔＦはロータが変位角θ２の位置に近付くにつれて小
さくなり、変位角θ２の位置に復帰したときに零にな
る。

ところが、このアクチュエータを用いて変位角を目標角
度θ２に一致させる制御を行わせるためには、上記見掛
け上の発生トルクΔＦを負荷の軸摩擦トルクｔよりも大
きくしておかなければならない。即ち、変位角θが第５
図のΔθだけ「開」側に変化した状態から目標の変位角
θ２に戻るためには、ΔＦが軸摩擦トルクｔよりも大き
い必要がある。

従って制御性を良好にするためには、上記見掛上の発生
トルクΔＦを大きくすることが必要であるが、そのため
には大きな発生トルクを得ることが必要になる。大きな
発生トルクを得るためには、励磁電流を大きくした場合
に磁束φ²が頭打ちになるのを改善する必要があり、そ
のためにはロータ１及びステータ鉄心４を大形にする必
要がある。

第９図のような特性を有するスロットルバルブを操作す
る場合、バルブの「閉」側で必要トルクが最大になり、
「開」側で必要トルクが最小になる。このバルブを操作
する場合の必要トルクに相当する見掛上の発生トルクΔ
Ｆに対応する微小変位角Δθはいわゆる不可動作角であ
り、アクチュエータの発生トルクが見掛上の発生トルク
ΔＦよりも小さいとロータは動くことができない。

ここでΔF/Δθを差動係数とすると、この差動係数が大
きければ大きい程ΔＦに対応するΔθの値、即ち不可動
作角が小さくなり、制御性が向上する。

第８図は、差動係数と変位角θとの関係を示したもの
で、第２図に示した従来のアクチュエータでは、第８図
の直線Ａのように、差動係数が変位角θの如何にかかわ
らず一定である。

第８図のＡのような特性のアクチュエータを用いて第３
図に示したようなスロットルバルブを操作する場合、バ
ルブ開度（変位角）θが「閉」側にあるときの最大軸摩
擦トルクt₀（第９図参照）を考慮して差動係数ΔF/Δθ
を大きく設定する必要がある。差動係数を大きくするた
めには、第５図においてスプリングの反力により荷重ト
ルクTsの傾きを立てて、Δθに対するΔＦを大きくすれ
ばよいが、このようにするためには、励磁電流Ｉが大き
い範囲（I5〜I7の範囲）で磁束量が頭打ちにならないよ
うにする必要があり、ロータ及びステータ鉄心が大形化
するのを避けられない。

本考案の目的は、ステータ鉄心に励磁コイルを巻装して
なるステータと、第１の位置と第２の位置との間を回動
し得るように設けられたロータと、ロータを第１の位置
側に付勢するリターンスプリングとを備えていて、ロー
タが第１の位置側から第２の位置側に回動するにしたが
って軸摩擦トルクが減少する特性を有する負荷に連結さ
れる電磁石式のロータリーアクチュエータにおいて、ロ
ータ及びステータの小形化を図ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本考案においては、上記の目的を達成するため、ロータ
が第１の位置から第２の位置側に回動するに従ってロー
タの変位角に対するリターンスプリングの反力の増加割
合が減少するようにリターンスプリングの反力の特性を
設定したことを特徴とする。

尚線形の制御特性を確保するためには、上記の条件に加
えて、更に励磁電流の変化に対して変位角が直線的に変
化するという条件を満足するように変位角に対するリタ
ーンスプリングの反力の特性を設定することが好まし
い。

［作用］ ロータが第１の位置から第２の位置側に回動するに従っ
てロータの変位角に対するリターンスプリングの反力の
増加割合が減少するようにリターンスプリングの反力の
特性を設定しておくと、変位角θに対する差動係数ΔF/
Δθの特性は第８図に破線で示したようになる。そのた
め差動係数の平均値が従来のものよりも大きくなり、平
均的制御特性が向上する。

また励磁電流の変化に対して変位角が直線的に変化する
という条件をも満足するように変位角に対するリターン
スプリングの反力の特性を設定しておけば、線形の制御
性を確保することができる。

［実施例］ 以下添付図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本考案の実施例を示したもので、その基本構成
は第２図に示したアクチュエータと同様であるが、本実
施例においては、前記の条件を満たすリータンスプリン
グ７の反力の特性を得るために、フックピン８の位置が
変更されている。第１図において第２図に示した従来の
アクチュエータの各部と同等の部分には同一の符号を付
してある。

この実施例では、フックピン８の位置をステータ磁極部
4a,4a間を２分する位置付近に移動させることにより、
ロータが第１の位置（「閉」位置）付近に位置するとき
にはリターンスプリング７の張力のベクトル方向とフッ
クピン８の軌道の方向とがほぼ一致し、ロータ１が第１
図に破線で示した第２の位置（「開」位置）に近付くに
つれてリターンスプリングの張力のベクトル方向とフッ
クピン８の軌道とのずれが大きくなるようにしてある。
このようにフックピン８の位置を設定することにより、
ロータ１の変位角θに対するスプリング反力の特性は第
６図に破線で示したように非線形になり、差動係数ΔF/
Δθは第８図に破線で示したＢのように、ロータの第１
の位置側から第２の位置側に向って減少する特性とな
る。

尚第６図の変位角θに対する発生トルクＴの特性は、第
５図に示したものと全く同様である。この場合、ロータ
が第２の位置「開」に近付く領域、即ち、発生トルクＴ
が減少し、励磁電流Ｉの変化に対する発生トルクＴの変
化割合が小さくなる領域（I5〜I7の範囲の励磁電流を流
す領域）の特定の位置で、リターンスプリングの反力に
よる最大荷重トルクが生じるように設定しておけば、第
７図のＢ特性に示すように励磁電流Ｉと変位角θとの間
に直線的な関係を持たせることができる。

上記の実施例によれば、第８図に示すように、差動係数
ΔF/Δθの平均値を従来よりも大きくすることができ、
また負荷を操作する場合の不可動作角Δθを小さくする
ことができるため、負荷の制御性を良好にすることがで
きる。

また上記のように構成すれば、負荷の軸摩擦トルクが最
大になる第１の位置側で差動係数が最大になり、負荷の
軸摩擦トルクが最小になる第２の位置側で差動係数が最
小になるので、負荷の特性に見合った差動係数を得るこ
とができ、ロータ及びステータ鉄心を必要以上に大形に
しないで負荷を操作することができる。

更に第７図に破線で示したＢ特性のように、励磁電流Ｉ
と変位角θとの間に直線的な関係を持たせることができ
るため、線形の制御性を確保することができる。

［考案の効果］ 以上のように、本考案によれば、差動係数の平均値を大
きくすることができる上に、不可動作角を小さくするこ
とができるため、負荷の制御性を良好にすることができ
る。

また本考案によれば、負荷の各変位角における軸摩擦ト
ルクに見合った差動係数を得ることができるため、ロー
タ及びステータ鉄心を必要最小限の大きさに構成するこ
とができ、アクチュエータの小形化を図ることができ
る。

特に請求項２に記載の考案によれば、励磁電流とロータ
の変位角との間に直線的な関係を持たせることができる
ため、線形の制御性を確保した上で前述の効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示した正面図、第２図（Ａ）
は従来のアクチュエータの正面図、第２図（Ｂ）は同図
（Ａ）の右側面図、第３図（Ａ）内燃機関のスロットル
バルブを示した正面縦断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）
の側面図、第４図は本考案が対象とするアクチュエータ
の変位角と磁束量との関係を励磁電流をパラメータにと
って示した線図、第５図は従来のアクチュエータの発生
トルク対変位角特性及びリターンスプリングの反力によ
る荷重トルク対変位角特性を示す線図、第６図は本考案
の実施例のアクチュエータの発生トルク対変位角特性及
びリターンスプリングの反力による荷重トルク対変位角
特性を示す線図、第７図は本考案の実施例及び従来例の
励磁電流対変位角特性を比較して示した線図、第８図は
本考案の実施例及び従来例の左動係数対変位角特性を比
較して示した線図、第９図は負荷の軸摩擦トルクとバル
ブ開度との関係を示す線図である。 １…ロータ、1a…ロータ磁極部、２…回転軸、３…ステ
ータ、４…ステータ鉄心、4a…ステータ磁極部、５…励
磁コイル、６…ストッパ、７…リターンスプリング、8,
9…フックピン。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータ鉄心に励磁コイルを巻装してなる
   ステータと、第１の位置と第２の位置との間を回動し得
   るように設けられたロータと、前記ロータを第１の位置
   側に付勢するリターンスプリングとを備えてなり、前記
   ロータは前記第１の位置側から第２の位置側に回動する
   にしたがって軸摩擦トルクが減少する特性を有する負荷
   の操作軸に連結される電磁石式のロータリーアクチュエ
   ータにおいて、 前記ロータが第１の位置から第２の位置側に回動するに
   従って前記ロータの変位角に対するリターンスプリング
   の反力の増加割合が減少するように前記リターンスプリ
   ングの反力の特性が設定されていることを特徴とするロ
   ータリーアクチュエータ。
2. 【請求項２】ステータ鉄心に励磁コイルを巻装してなる
   ステータと、第１の位置と第２の位置との間を回動し得
   るように設けられたロータと、前記ロータを第１の位置
   側に付勢するリターンスプリングとを備えてなり、前記
   ロータは前記第１の位置側から第２の位置側に回動する
   にしたがって軸摩擦トルクが減少する特性を有する負荷
   の操作軸に連結される電磁石式のロータリーアクチュエ
   ータにおいて、 前記ロータが第１の位置から第２の位置側に回動するに
   従って前記ロータの変位角に対するリターンスプリング
   の反力の増加割合が減少するように、かつ前記励磁コイ
   ルの励磁電流の変化に対して前記変位角が直線的に変化
   するように前記リターンスプリングの反力の特性が設定
   されていることを特徴とするロータリーアクチュエー
   タ。