【発明の詳細な説明】
モータ位置センサを有するダイレクトドライブサーボバルブ
発明の分野
本発明は一般的にはダイレクトドライブサーボバルブに関し、より詳細には、
モータのロータの位置を検出し、そのロータ位置を表示する電気信号を発生する
ダイレクトドライブサーボバルブに関する。
発明の背景
モータのロータから延びてスプールバルブに接触し、バルブハウジング内に設
けられたボア内でスプールバルブを直接往復動させるドライブ（駆動）部材を有
し、ドライブモータに印加された電気信号に応答して、負荷に対し流体源からの
流体の流量を制御するようになっているロータリートルクモータを利用すること
により作動するバルブを含むトルクモータ被動スプールバルブは、当分野では周
知である。かかるダイレクトドライブサーボバルブの代表例として、１９８８年
１２月２７日にラリー・Ｅ・ヘインズ等に付与された米国特許第4,793,377号に
示されているバルブがある。本明細書に記載し、請求する本発明は、この米国特
許第4,793,377号に開示されたダイレクトドライブサーボバルブの改良に関する
ものであり、よって米国特許第4,793,377号の開示内容を本明細
書で参考例として援用する。
出願人が知っている上記以外の従来技術として、米国特許第4,197,474号、同
第2,769,943号、同第2,697,016号、同第4,452,423号、同第4,339,737号、同第4,
702,123号のみならず、１９６０年７月１９日に発行されたカナダ特許第601808
号および１９７８年８月１６日に発行された英国特許第1,521,668号がある。サ
ーボループを閉じるのに利用する位置フィードバックを設け、特定の用途の条件
下でバルブを適正に作動させることがかかる従来技術のサーボバルブにおける条
件となっていることが多い。従来技術ではかかる位置フィードバック信号は、線
形可変差動トランス（ＬＶＤＴ）を利用して一般に発生され、この差動トランス
はスプール位置フィードバック信号を発生するよう、スプールバルブに結合され
ている。かかる差動トランスは極めて高価であるので、バルブのコストを大幅に
増している。差動トランスの高いコストの他に、シールおよび摩擦の間題を解消
するよう、この差動トランスを液圧チャンバ内で湿潤状態で作動させるための特
別な手段が一般に設けられる。更に、差動トランスをスプールに接続する方法は
極めてクリティカルであり、差動トランスを利用するバルブはゼロ点調節が困難
であり、更に差動トランスの入出力信号を適正に処理する複雑な電子回路が必要
である。代表的なサーボシステムにおける制御閉ループは、モータのコマンド信
号よりスプール位置フィードバック信号に関与している。モータと
スプールの接続が緩ければサーボバルブは不安定な結果となる。
発明の概要
本発明によれば、永久磁石手段を支持し、ベアリング手段によって支持された
シャフトを有するロータを含む液圧制御システムと共に使用するための駆動モー
タが提供される。ロータの周りには透磁性ラミネートから成るステータが配置さ
れ、このラミネートの上に通常の界磁巻線が配置されている。このモータのロー
タは３６０度よりも小さい、制限された回転角しか移動しないように設計され、
制限されている。位置センサ手段はモータによって支持され、トルクモータのロ
ータの回転角位置を表示する電気信号を発生する。
本発明のより特殊な特徴によれば、位置センサはロータの位置に関連する移動
磁界を検出するように設けられたアナログホール効果デバイスを含む。この移動
磁界はロータシャフトによって支持され、モータの正常な作動と関連して使用さ
れる永久磁石手段によって発生される磁界でよい。これとは異なり、モータのロ
ータの永久磁石に正しく整合し、ホール効果デバイスに隣接する別個の永久磁石
をロータシャフトに配置してもよい。
本発明の更に別の特徴によれば、モータ位置センサは一般に、ワイヤー巻線タ
イプでないポテンショメータとすることができ、このポテンショメータはポテン
ショメータのワイパーがロータシャフトによって支持され、モ
ータに印加される入力信号に応答してモータのロータが移動する際にワイパーが
回転角方向に移動される際のロータ位置信号を発生するように、モータのロータ
に隣接して設置される。
図面の簡単な説明
図１は、本発明の原理に従って製造された角度制限ダイレクトドライブサーボ
バルブを示す略横断面図である。
図２は、本発明の原理に従って位置信号を発生するための、永久磁石に隣接し
て設けられたホール効果デバイスを示す略図である。
図３は、図２に示されたような構造体からの出力信号を示すグラフである。
図４は、ロータによって支持された永久磁石手段により附勢され、モータの正
常な作動時に使用されるホール効果センサの位置を示す角度制限ロータリートル
クモータの略図である。
図５は、サーボモータの正常な作動時に使用される永久磁石を除く別個の永久
磁石をホール効果デバイスの附勢に使用する、図４に類似した略図である。
図６は、モータハウジングの頂部に抵抗素子が配置されているポテンショメー
タを利用する角度制限ロータリートルクモータの略図である。
図７は、ポテンショメータの抵抗素子がモータハウジングの側壁に配置されて
いる、図６に類似した部分図である。
図８は、出力電気信号が線形となっている、ポテンショメータ位置センサから
の出力を示すグラフである。
図９は、所定の関数に従って電気出力信号を整形する位置センサの出力電気信
号を示すグラフである。
図１０は、本発明の原理に従って製造された角度制限トルクモータを示す図で
ある。
図１１は、図１０の１１−１１線に沿った図１０のトルクモータの一部の平面
図である。
図示した実施例の説明
次に、特に図１を参照する。ここには、本発明の原理に従って製造された角度
制限ロータリー線形ダイレクトドライブサーボバルブが略図で示されている。こ
こに示されるように、ハウジング１０が設けられており、このハウジング１０内
にはトルクモータ１８のシャフト１６から延びる駆動部材１８の回転角方向の変
位に応答自在に往復動するためのスプールバルブ１２が配置されている。当業者
に周知であり、上記従来技術に示したように、駆動部材１４はシャフト１６がそ
の中心線２０を中心として回転する際に駆動部材１４が移動してスプールバルブ
１２を往復動させるよう、シャフト１６に対して偏心して設けられている。かか
る運動によりポート２２を通って、スプールバルブ１２の両端２４および２６に
流れ込んだ加圧流体が制御されるようになっている。スプールバルブ１２が図１
の右側へ移動すれば、加圧流体はポート２８を通ってロード側（図示せず）へ流
れ、これと
は逆に、スプールバルブ１２が左側へ移動すると流体はポート３０を通つてロー
ド側へ流れる。いずれの場合でも、戻り流はポート３２を通る。
当業者に周知のように、トルクモータ１８は永久磁石３４を含み、この永久磁
石はシャフト１６により支持され、界磁巻線３６内に配置され、これら巻線に囲
まれている。界磁巻線３６は適当な透磁性コア、すなわちラミネートスタックに
載っている。シャフト１６は両端がベアリング３８および４０に支持されている
。ある用途では、加圧流体をモータからアイソレートするため、適当なシール４
２を設けてもよい。
図１に示されるように、シャフト１６はその上端部に延長部４４を有する。こ
の延長部４４に位置検出手段４６が隣接している。この位置検出手段４６はトル
クモータ１８のロータの回転角位置に対応した出力電気信号を発生する。上記の
ように位置検出手段はかかる回転角位置に対応した出力電気信号を発生するよう
なものであれば、当業者に知られた任意の形態のものでよい。
図２には回転角位置検出手段４６の１つの好ましい例が示されている。この図
２を参照して、図示したようにシャフト５２に永久磁石５０が載っており、シャ
フトの周りには４つの磁極が配列されており、図示するように、異なる磁極が交
互に配置されている。磁石にはホール効果デバイス５４が隣接しており、このホ
ール効果デバイスには電気信号が印加され、電気信号リード線５６によ
りこのデバイスから出力信号を発生するようになっている。ロータ５２が１８０
度回転すると図３に示されるような出力信号が発生されることは、当業者には周
知である。図３において、スプール位置はＸ軸に示されており、出力電圧はＹ軸
に示されている。従って、ロータ５２が連続的に回転すると仮定すれば、図３に
示されるようなサイン波が連続的に発生される。しかしながら、本発明の要旨で
あるダイレクトドライブサーボバルブは角度制限ダイレクトドライブサーボバル
ブであることを思い出すであろう。すなわちサーボバルブのロータは、その回転
角が３６０度よりも小さい特定の角度に制限されている。例えば図２に示される
４磁極装置では、可能な制限された回転角は図３の点線５８および６０で示され
るように±２５度の大きさである。当業者であれば、ホール効果デバイス５４に
よって発生される電気出力信号は±２５度の間のレンジでほぼ線形であることに
も気づくであろう。２磁極モータを使用する場合、ほぼ線形となる作動レンジは
約±５０度まで拡大される。
当業者であれば、回転モータの整流のための電気センサとしてホール効果デバ
イスを使用することが周知であることは知っているであろう。適当な時間にスイ
ッチコイル巻線の電流を逐次オン、オフし、モータの回転をスムーズにするトル
クを発生するためのデジタルスイッチとしてかかるホール効果デバイスを使用し
ている。かかる従来デバイスの例は、米国特許第4,494,028号および同
第4,311,933号に示されている。当業者に周知のこれら特許のみならず、それ以
外の特許の各々では、ホール効果デバイスはブラッシュレスダイレクト電流モー
タのための整流装置の一部として使用されている。本発明によれば、このホール
効果デバイスは整流システムの一部として機能するのでなく、むしろ制限された
角度内のロータの正確な位置に比例する電気信号を発生するのに使用されている
。これは上記のように従来技術のモータで一般的な電圧をオン、オフスイッチン
グするのと異なる。
図４を参照すると、ここにはホール効果デバイスを位置センサとして使用する
本発明の原理に従って製造された角度制限ダイレクトドライブトルクモータの一
実施例が示されている。図４に示された実施例はモータハウジング６２を含み、
このハウジング内にステータ６４とロータ６６とが設けられている。ロータ６６
はシャフト６８を含み、このシャフト上に永久磁石手段７０が配置されている。
図４に示されるように、永久磁石手段はｄで示される長さだけ透磁性コア材料７
２の上に延びている。これにより、ロータに支持された永久磁石手段がハウジン
グ６２の上方部分内に伸長している。かかる伸長により、永久磁石手段７０によ
って発生された磁界は透磁性コア部材６４を越えて延び、ハウジング６２の内側
表面に設けられたホール効果デバイス７４に進入している。ホール効果デバイス
７４は、永久磁石手段７０が回転する際に最大の可能なＳ／Ｎ比が生じるように
位置決
めされている。このような位置決めを行うためにホール効果デバイス７４は永久
磁石手段７０に対して径方向外側および／または長手方向に設けられ、ホール効
果デバイス７４の磁気飽和現象を防止している。かかる調節は、ホール効果デバ
イス７４とハウジング６２の内側表面の間に材料を挿入し、ホール効果デバイス
７４を永久磁石手段７０に接近させるか、または図４においてホール効果デバイ
ス７４を垂直に上下させてホール効果デバイスからの出力信号の所望のＳ／Ｎ比
を得ることによって行うことができる。
次に、特に図５を参照する。ここには、図４に示されたモータに類似する角度
制限トルクモータが示されているが、シャフトに支持された永久磁石手段７６の
サイズが、当業者が知っているようなトルクモータで通常使用される標準サイズ
よりも縮小されている点が異なっている。図５から明らかなように、図４に示さ
れた永久磁石６６を伸長させる代わりに、別個の独立した永久磁石７８が設けら
れており、この磁石はシャフト６８に固定され、このシャフト６８とともに回転
するようになっている。付加された永久磁石７８は、モータが固定された、図１
に示されるようなサーボバルブの液圧ゼロ位置に対して所望のロータ位置とする
よう永久磁石手段７６に対して適正に配列しなければならない。また、ホール効
果デバイス７４もＳ／Ｎ比が最大の信号を発生するように、上記のように位置決
めしなければならず、よって磁気的
な飽和現象の発生を防止するように位置決めしている。
このようなことが望ましければ、仕様に合わせた磁界を発生し、実質的に線形
以外の関係となっている出力信号を作動位置の間で発生するように、磁石７８の
磁化を行うこともできる。例えば図９に示された曲線に沿って仕様に合わせた出
力信号を発生するように、永久磁石７８を磁化してもよい。すなわち、ゼロ点か
ら約±１５度のモータ回転角位置では、ホール効果デバイスからの出力信号はほ
ぼ線形であり、比較的緩やかな傾斜となっている。しかしながら１５度から３０
度の間ではゼロ点の両側で傾きが増し、信号は図示するような線形以外の関係に
なっている。このような出力信号を他の信号情報と組み合わせて処理すれば、界
磁巻線に適当なフィードバック信号を送り、印加されたコマンド信号に応答して
スプールバルブ１２の適当な位置関係を得ることも可能である。
当業者であれば、図４および５に示されたタイプの角度制限ロータリーダイレ
クトドライブトルクモータは、ロータ位置決めセンサをモータハウジング内に一
体化し、よって線形可変差動トランス（ＬＶＤＴ）の場合のように、バルブ上に
別の構造体を追加しなくてもよいように製造できることが理解できよう。更に、
ロータとホール効果センサとは直接物理的に接触しないので、図４および５に示
されるような構造体は湿式または乾式状態で作動でき、汚れまたは摩耗が生ぜず
、よって位置センサの
寿命は長くなることを理解すべきである。図４および５に示された別の実施例の
うち、この実施例はロータ位置検出をするために追加される付加的素子はホール
効果デバイスだけであるので、図４に示されている実施例のほうが製造が安価で
ある。
次に図６を参照する。ここには、ハウジング６２の頂部の内側表面に固定され
た抵抗素子８０およびロータリーシャフト６８に固定されたワイパー（スライド
）手段８２を含むポテンショメータを利用して製造されたロータ位置センサが示
されている。ワイパー手段８２は抵抗素子８０の内側表面に係合するワイパー接
点８６を支持するワイパーアーム８４を含む。回転シャフト６８がステータ６４
に印加される電気信号に応答して回転されるにつれ、ワイパー接点８６は抵抗素
子８０の表面に沿って移動し、モータのロータ位置に比例した出力電気信号を発
生する。
図７を参照すると、ここには、図６に示された頂部表面でなくて、ハウジング
６２の側壁の内側表面に抵抗素子８８が固定されている、図６に示された実施例
と別の実施例が示されている。このような状況では、ワイパー手段９０は回転シ
ャフト６８によって支持されたワイパーアーム９２と、抵抗素子８８の表面に係
合するようシャフトから延長するワイパー接点９４を含む。
図６および７で示されるようなポテンショメータ構造体によって得られる出力
電気信号は、図８に示されるよ
うに線形でもよいし、また特定の用途に応じて図９に示されるような形状でもよ
い。
本発明によって製造され、ダイレクトドライブサーボバルブに利用される角度
制限トルクモータは、特定の用途に応じて所望の形態をとり得ると、当業者は理
解すべきである。参考とする図１０および１１には、かかるモータの特定の一実
施例が示されている。ここに示すようにこのモータ１００はハウジング１０２を
含み、このハウジング内にはステータ１０４が設けられ、このステータ１０４は
回転防止ピン１０６によりハウジング１０２内の所定位置に保持されている。モ
ータはバルブハウジング１０８（一部表示されている）に設けられている。ロー
タ１１０はベアリング１１２および１１４に支持されており、当業者に周知のよ
うに、永久磁石手段１１６を支持している。ベアリング１１４はベアリングハウ
ジング１１８内に設けられており、ロータアセンブリをベアリング１１２側へ下
方に押圧する適当な波形スプリングおよびシム１２０によりバックラッシュを防
止するように、ベアリングハウジング１１８内に設けられている。シャフト１１
０の延長部１１５には別個の永久磁石１２２が支持されている。
図１１に示されるように、ホール効果デバイス１２４はブラケット１２６上の
所定位置に保持されている。適当なカバー１２８が設けられており、ブラケット
とこのカバーは適当な締結具１３７によって固定されている。
永久磁石１２２の長手方向の移動を防止するように、シャフト延長部１１５には
係止リング１３２が配置されている。モータおよびセンサとの間で信号を伝える
ために適当な配線１３４が使用される。モータを覆うようにカバー１３６が使用
され、電気装置１３８のための適当なハウジングがカバー上部に固定されている
。モータのハウジングをシールするように、参照番号１４０、１９３および１４
２で示されるような適当なパッキングまたはＯリングが使用されている。シャフ
ト１１０からは偏心的に配置された駆動ピン１４４が延びており、図１を参照し
て説明したように、この駆動ピンを使ってスプールバルブを係合し、このスプー
ルバルブを往復動させている。
以上で、ホール効果デバイスまたはポテンショメータのいずれかを含むモータ
、ロータ、回転角位置検出装置を一体的部品として含む、ダイレクトドライブサ
ーボバルブと共に利用するための角度制限トルクモータを開示した。
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フロントページの続き
(72)発明者 ミュース，ドナルド，エー.
アメリカ合衆国，カリフォルニア州
93532，レイク ヒューズ，レイク ヒュ
ーズ ロード 43502
(72)発明者 ニコルス，ラリー，エル.
アメリカ合衆国，カリフォルニア州
91354，ヴァレンシア，ポサーダ ドライ
ブ 23020
(72)発明者 スミス，ロバート，ダブリュ.
アメリカ合衆国，カリフォルニア州
91316，エンシノ，ナンバー 101，ゼルザ
ー アベニュー 5434