CN105864135A - 流体伺服阀和流体伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供流体伺服阀和流体伺服装置。为了得到均匀的性能，由电磁铁、挡板、磁轭件构成闭环磁路，利用所述电磁铁的磁极和所述挡板之间产生的麦克斯韦吸引力使挡板自身弹性变形，使所述喷嘴与所述挡板的间隔距离可变，由此控制流体压力和流量。与现有伺服阀那样的以支点为中心摆动运动的刚体挡板结构不同，以磁隙的变化直接成为气隙的变化的方式，来构成所述电磁铁、所述磁极、所述喷嘴和所述挡板等。

Description

流体伺服阀和流体伺服装置

技术领域

本发明涉及用于控制流体压力及流量的流体控制设备，具体而言，涉及利用轴向驱动机构使挡板和喷嘴之间相对移动，由此来控制流体的压力及流量的流体伺服阀，以及装载了所述流体伺服阀的流体伺服装置。

背景技术

半导体制造工程、液晶制造工程、精密机械加工等各种领域中，用于遮断及抑制精细的干扰振动的振动控制已被广泛利用。上述工程中采用的扫描型电子显微镜、半导体曝光装置(步进式)等精细加工及检查装置中，为了保障装置的性能需要严格的振动容许条件。因此采用了一种主动式的精密除振台，用执行器支承容易受到干扰振动的影响的装置，并控制执行器以消除上述振动。

在作为使用空气压力执行器的空气压力伺服装置的主动除振台中，为了进行执行器的压力和流量控制，采用了喷嘴挡板阀。图49表示了将现有伺服阀共通的动作原理模型化的结构图。伺服阀的结构可以大体区分为执行器部A-1和流体控制部B-1。在执行器部A-1中，设有磁铁(永磁铁)551、线圈552、收纳所述线圈的主体553、挡板554、前端对置安装的一对磁轭555a、555b、以及执行器侧的挡板前端部556。还设有兼作密封构件的板簧557和所述板簧的支承中心部558。

在流体控制部B-1中，设有顺向喷嘴560、逆向喷嘴561和流体控制部侧的挡板前端部562。还设有供给口563、排气口564、负载口(控制口)565和控制室566。

供给压力P_s的气体经过顺向喷嘴560供给至控制室566。同时控制室566内的气体经过逆向喷嘴561向大气流出。利用所述顺向喷嘴的流入量与所述逆向喷嘴的流出量之差，决定了控制室566内的控制压力P_a和负载口565的流出量。但是，实际使用的伺服阀的结构中，永磁铁的磁路与电磁铁的磁路成为垂直配置的三维结构。上述空气压力伺服阀的基本结构，是采用具有长期历史的油压伺服阀的技术而派生出的技术，采用了电气油压控制阀的一次控制阀(先导阀)。

专利文献1：日本专利公开公报特开2006-283966号

专利文献2：日本专利公开公报特开2007-155038号

专利文献3：日本专利公开公报特开平11-294627号

专利文献4：日本专利公报第4636830号

1.空气压力伺服阀所要求的条件

作为构成主动除振台的重要的骨干要素的空气压力伺服阀所要求的条件如下。

(1)高速响应性

(2)空气压力伺服阀的一次共振点足够高，达数百Hz以上

(3)线性…流量和产生压力相对于阀驱动电流呈线性比例关系

上述(1)的理由如下。例如，除振台上装载的载物台发动及停止时，质量移动所产生的驱动反力作为直线运动干扰输入作为载物台设置面的平台。此时，通过用载物台的加速度信号对除振装置实施载物台前馈控制，可以减少加速及减速时的平台振动。为了使平台振动快速收束，要求驱动空气压力执行器的空气阀具有高响应性。

上述(2)的理由如下。尽管空气压力主动除振系统的响应性是数Hz～10数Hz的级别，但是伺服阀需要数百Hz的高共振频率的理由是基于空气压力主动除振系统固有的需求。为了降低由执行器的空气弹簧和装载质量决定的共振点的峰值，主动除振台必须采用加速度反馈控制。可是实施加速度反馈控制时，主动除振系统的开环特性，在宽广频率范围内呈现出增益增大且相位延迟的特性。其结果，在空气压力伺服阀的共振点上，增益余量和相位余量降低。伺服阀的共振点低时，主动控制系统不能发挥足够的性能(具体参照本说明书的补充[2])。

上述(3)的理由如下。

由于伺服阀是构成流体伺服装置(主动除振台)的控制系统的一个要素，所以流量的变化部分与电流的变化部分的比率作为流量增益，被组入开环增益中。伺服阀的流量特性为非线性时，用于预估主动除振台整体的稳定性余量的开环增益，不得不由流量增益的最大值决定。可是，伺服阀的动作点通常多在驱动电流范围的中间位置附近(I≒I_max/2)使用。因此，流量相对于电流的特性越是非线性，在动作点处越要额外设定过度的增益余量。此时，主动除振台不能充分发挥原有的性能。

2.现有的空气压力伺服阀的问题

作为构成主动除振台的一例，假设4点支承主动控制。此时，空气压力执行器配置在四角，机构的设置方向为水平X方向2点、Y方向2点对角配置。此外，各执行器也组入支承Z方向的负荷的执行器。因此，合计配置8个空气压力执行器，需要用于控制各执行器的合计8个空气压力伺服阀。

以上述(1)～(3)作为必要条件所要求的现有空气压力伺服阀，由永磁铁和电磁铁的各磁路垂直配置的三维部件配置构成。

因此，存在要求高精度的喷嘴挡板部分处的累积误差大、难以得到均匀性能的问题。此外，在多轴控制的主动除振台装载上述阀时，因为需要个数多，所以存在除振台所占成本比率高的问题。

相比于具有广泛用途的油压伺服，当初空气压力伺服是次要的存在。因为时代的需求而出现主动除振台，从而产生了空气压力伺服的需求时，由油压伺服技术培育出的现有伺服阀(图49)的基本结构的采用，可以认为是历史的必然选择。

上述的伺服阀的实施例利用了由永磁铁和电磁铁的组合产生的磁吸引作用，对此，专利文献4提出了利用放置在磁场中的通电线圈上作用的洛伦兹力(线性电机的原理)来调节挡板阀的伺服阀。可是，利用洛伦兹力的线性电机的情况下，包含通电线圈的质量的可动部的总质量m大。此外，与电流I对应的产生力F的机电转换效率小，得不到大的产生力。因此，不得不减小弹簧刚性K。为了使共振频率与(m/k)＾(1/2)成比例，不能充分提高空气阀的共振点，不能满足主动控制除振台所要求的上述(2)的必要条件。

发明内容

具体而言，本发明的流体伺服阀包括：喷嘴，由流路连通至流体供给源；挡板，与所述喷嘴的前端部相对设置；挡板支承构件，固定所述挡板的一部分；以及电磁铁，设置成对所述挡板产生吸引力，利用所述电磁铁的吸引力使所述挡板变形，以改变所述喷嘴的前端部和所述挡板的间隔距离。

即，与现有伺服阀那样的以支点为中心摆动运动的刚体挡板结构不同，在本发明中利用电磁铁的吸引力使挡板自身弹性变形，使所述喷嘴和所述挡板的间隔距离可变，由此来控制流体压力和流量。

本发明的流体伺服阀的特征如下。

(1)能较高地设定共振频率

(2)能以较小功率驱动阀

(3)能得到高速响应性

(4)结构简单且部件个数少，部件加工、组装及调整容易

此外，本发明的流体伺服阀包括：喷嘴，由流路连通至流体供给源；挡板，与所述喷嘴的前端部相对设置；挡板支承构件，支承所述挡板；电磁铁，设置成对所述挡板的面板部产生吸引力；以及闭环磁路，构成为至少包含所述电磁铁和所述挡板，利用所述电磁铁的吸引力使所述挡板位移，以改变所述喷嘴的前端部和所述挡板的间隔距离，并且，构成所述闭环磁路的磁性材料部件的磁特性具有：磁通密度相对于磁化力的特性大致成比例关系的线性区域；以及磁通密度相对于磁化力的特性的倾斜角相比于所述线性区域变小的磁饱和区域，当增大对所述电磁铁通电的电流时，在所述挡板的位移为比最大值小的位移处，流过所述磁性材料部件的磁通的磁通密度进入所述磁饱和区域。

此外，本发明的流体伺服装置包括：上述的流体伺服阀；传感器，检测控制对象物的振动状态；以及控制部件，根据来自所述传感器的信息调节所述流体伺服阀，由此对空气压力执行器赋予用于控制所述控制对象物的振动状态的气体压力。

此外，本发明的流体伺服阀包括：电磁铁；挡板；挡板支承构件，支承所述挡板；输出轴，利用所述电磁铁和所述挡板之间产生的麦克斯韦吸引应力而可动，且固定于所述挡板，利用所述电磁铁、所述挡板和磁轭件构成闭环磁路，将由所述电磁铁、所述挡板、所述挡板支承构件、所述磁轭件和所述输出轴构成的部位作为微执行器部，还包括外壳、形成于所述外壳的流体的吸入口、喷出口、用于调整连通所述吸入口和所述喷出口的流路的开度的流量调整阀，利用所述微执行器部的所述输出轴驱动所述流量调整阀，并且构成所述闭环磁路的磁性材料部件的磁特性具有：磁通密度相对于磁化力的特性大致成比例关系的线性区域；以及磁通密度相对于磁化力的特性的倾斜角相比于所述线性区域变小的饱和区域，当增大对所述电磁铁通电的电流时，在所述挡板的位移为比最大值小的位移处，流过所述磁性材料部件的磁通的磁通密度进入所述饱和区域。

利用大幅消除现有阀的缺点的本发明的阀，今后预期可以大幅加速空气压力伺服系统的广泛普及，其效果显著。

附图说明

图1是本发明实施方式1的流体伺服阀的正面断面图。

图2是表示实施方式1中的作为圆盘的挡板的形状的图。

图3是实施方式1中的挡板和电磁铁附近的放大图，图3的(a)是图3的(b)的俯视图，图3的(b)是正面断面图。

图4是表示实施方式1中的挡板、供给侧喷嘴、排气侧喷嘴的位置关系的局部放大图，图4的(a)是表示向线圈通电的电流值I＝0的状态的图，图4的(b)是表示线圈流通有电流的状态的图。

图5是表示挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图6是表示控制压力相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图7是表示排气口遮断状态下，控制流量相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图8是表示内部泄漏流量相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图9是表示用于说明本发明实施方式2的概要的、挡板位移相对于电流的特性的坐标图。

图10的(a)是用于以解析方式求出流过圆盘的磁通的磁阻的模型图，图10的(b)是表示作为挡板的圆盘和电磁铁的正面断面图，图10的(c)是作为呈放射状流通圆盘的磁通的流出源的磁通控制面的图。

图11是本实施例的试验材料的磁特性的一例，是表示磁通密度相对于磁化力的特性的坐标图。

图12是表示磁通密度相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图13是表示电磁铁吸引力相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图14是表示挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图15是表示排气口遮断状态下，控制流量相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图16是表示基于与电流值对应的流量的实际测量值，求出线性化的效果指标的方法的坐标图。

图17是表示实际测量用于求出“线性化的效果指标”的阀的流量特性的一例的图。

图18是本发明实施方式3的凸型圆盘所形成的流体伺服阀的正面断面图。

图19是实施方式3中的挡板和电磁铁附近的放大图。

图20是表示挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图21是表示与电流对应的产生力的解析结果的坐标图。

图22是表示排气口遮断状态下，控制流量相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图23是本发明实施方式4的流体伺服阀的正面断面图。

图24是表示实施方式4中的排气喷嘴和吸气喷嘴附近的局部放大图，图24的(a)是图24的(b)的AA箭头视图，图24的(b)是图24的(c)的BB箭头视图，图24的(c)是表示线圈施加有电流的状态的图。

图25是表示挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图26是本发明实施方式5的流体伺服阀的正面断面图。

图27是本发明实施方式6的流体伺服阀的正面断面图。

图28是仅设置一个磁极的前述第五实施方式的闭环磁路的放大图。

图29是在第一磁极之外辅助性设置第二磁极的本实施方式的闭环磁路的放大图。

图30是表示挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图31表示本发明实施方式7的流体伺服阀，图31的(a)是在图31的(c)的AA箭头视图中表示螺旋盘簧的图，图31的(b)是图31的(a)的局部放大图，图31的(c)是正面断面图。

图32是图31的(c)的螺旋盘簧部的局部放大图。

图33是表示对磁路径部的中心部施加负荷时的螺旋盘簧的变形的结构解析结果的图。

图34是本发明实施方式8的流体伺服阀的正面断面图。

图35是本发明实施方式9的流体伺服阀的正面断面图。

图36是实施方式9中的喷嘴和挡板的局部放大图，图36的(a)、图36的(b)、图36的(c)是表示喷嘴和挡板之间的匹配状态的图。

图37是表示实施方式9中的流体伺服阀的原理的图，图37的(a)中的图A、图B、图C是表示喷嘴和挡板之间的匹配状态的图，图37的(b)是表示与喷嘴和挡板之间的间隙对应的阀流量的坐标图。

图38是表示实施方式9的流体伺服阀的低消耗流量的原理的图，图38的(a)是表示现有阀的与喷嘴和挡板之间的间隙对应的阀流量的坐标图，图38的(b)是表示本发明的与喷嘴和挡板之间的间隙对应的阀流量的坐标图。

图39是表示实施方式9中的挡板位移相对于电流的特性的解析结果的坐标图。

图40是表示在实施方式9的流体伺服阀中，将挡板侧凸部形成为锥形时的图，图40的(a)、图40的(b)、图40的(c)是表示喷嘴和挡板之间的匹配状态的图。

图41是本发明实施方式10的流体伺服阀的正面断面图。

图42表示实施方式10的流体伺服阀，图42的(a)、图42的(b)、图42的(c)是表示喷嘴和挡板之间的匹配状态的图。

图43是本发明实施方式11的流体伺服阀的正面断面图。

图44是在实施方式11的流体伺服阀中，对图43的喷嘴挡板部进行放大的放大图。

图45是与本发明实施方式12的微执行器部连接的提升阀的正面断面图。

图46是本发明实施方式12的流体伺服阀的正面断面图。

图47是表示主动控制除振台的解析模型的一例的框图。

图48是表示主动控制除振台的开环传递特性的解析结果的一例的图，图48的(a)表示增益相对于频率的特性，图48的(b)表示相位相对于频率的特性。

图49是将现有的流体伺服阀模型化的图。

附图标记说明

10 中心轴

11 中心轴的底部

12 外框部

13 线圈架

14 线圈

15 外壳

16 排气侧底板

19 排气侧通道

20 喷出口

21 供给侧底板

22 供给侧流路

23 控制侧流路

24 挡板

26 供给侧空隙部

27 排气侧空隙部

28a、28b、28c、28d 流通孔

29 顺向喷嘴

30 逆向喷嘴

31 第一磁极

32 第二磁极

33 控制室

34 吸入口

具体实施方式

(第一实施方式)

图1是本发明实施方式1的空气压力伺服阀的正面断面图。

其中设有：作为磁性材料的筒状的中心轴(支承轴)10；所述中心轴的底部11；与所述中心轴呈同心圆形成的外框部12；安装于所述中心轴的非磁性材料的线圈架13；以及缠绕于所述线圈架的线圈14。利用中心轴10、外框部12、线圈架13和线圈14，构成吸引挡板(后述)的面板部而控制其位移的电磁执行器(电磁铁)。此外设有：收纳外框部12的筒状的外壳15；紧固于所述外壳的侧面的排气侧底板16；紧固底部11和排气侧底板16的螺栓17；紧固外壳15和排气侧底板16的螺栓18；形成于中心轴10的气体(工作流体)的排气侧通道19；以及形成于排气侧底板16的喷出口20。此外设有：供给侧底板21；形成在所述供给侧底板的中心部的气体的供给侧流路22；以及与空气压力执行器(未图示)连接的气体的控制侧流路23。圆盘形状的挡板24由螺栓25安装在外壳15和供给侧底板21之间。即，所述螺栓、所述外壳和所述供给侧底板是挡板支承构件，夹持并固定所述挡板24的外缘部而使外缘部不可移动。挡板24和供给侧底板21的壁面之间形成有供给侧空隙部26，挡板24和排气侧壁面(线圈架13、外壳15等)之间形成有排气侧空隙部27。

在图2所示的圆盘形状的挡板24中，形成于挡板的流通孔28a、28b、28c、28d(图1未图示28b、28d)连通供给侧空隙部26和排气侧空隙部27。此外设有供给侧喷嘴(顺向喷嘴)29、排气侧喷嘴(逆向喷嘴)30、中心轴10的挡板侧端面31(中心轴端面为第一磁极)和所述外框部的挡板侧端面32(外框部端面为第二磁极)。由供给侧空隙部26、排气侧空隙部27和控制侧流路23形成的空间是本阀的控制室33，此外，设有吸入口34。此外，所述挡板的称谓如现有阀的模型图49所示，通常具有摆动运动的平板的印象。在包含本实施例的本发明中，对于配置在喷嘴的对置面的、用于在其与喷嘴之间调节流体的流路面积的构件，不论其构件形状如何都称作挡板。

本实施例中，排气侧喷嘴配置在所述磁极(第一磁极和第二磁极)的中心线上且位于所述磁极侧，进而隔着所述挡板在所述磁极的相反侧配置供给侧喷嘴，后述实施例也相同。

图3的(a)和图3的(b)是电磁执行器附近的放大图，图3的(a)为俯视图，图3的(b)为正面断面图。图中的具有箭头的虚线表示通过向线圈14通电而产生的磁通，利用所述磁通，形成“第一磁极31→空隙部27→挡板24→空隙部27→第二磁极32→外框部12→底部11→中心轴10”的闭环磁路。但是，流通线圈14的电流的方向相反时，上述磁通的朝向变为反向。在此，如果设流通磁路的磁通为Ф，中心轴端面31(第一磁极)的环状面积为S₁，外框部端面32(第二磁极)的环状面积为S₂，空气的磁导率为μ₀，则由于麦克斯韦(Maxwell)应力而对挡板24的面板部作用的吸引力F如下。

(式1)

$F={\mathrm{\φ}}^2\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}_0}(\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2})$

挡板利用吸引力F而位移，作用在挡板上的圆盘弹簧的反力和所述吸引力F平衡。由于磁通Ф与向线圈14通电的电流值成比例，所以通过使电流可变，从而可以调节挡板位移、即喷嘴与其对置面之间的间隙(间隔距离)。

图4是表示挡板24与供给侧喷嘴29、排气侧喷嘴30的位置关系的局部放大图，图4的(a)是向线圈通电的电流值I＝0、挡板24遮蔽供给侧喷嘴29前端的状态，图4的(b)表示线圈流通有电流、挡板24处于供给侧喷嘴29和排气侧喷嘴30的中间的状态。在图4的(a)中，挡板24和第一磁极31间的间隙(初始间隙)为X₀，排气侧喷嘴30的前端部相对于第一磁极31的端面的突出量为δ_n，排气侧喷嘴30的前端部和挡板24之间的间隙(流路长度)为δ_a，并且δ_a是挡板24的最大行程。实施例中向线圈14通电的电流值I＝0时，如图4的(a)所示，以挡板24遮蔽供给侧喷嘴29前端的方式设定各构件的位置关系。对线圈14施加电流时如图4的(b)所示，挡板24离开供给侧喷嘴29的前端。在此，位移X是挡板24从初始间隙X₀的位置向排气喷嘴30侧的移动量。在以后的实施例中，也定义为“位移X是从初始间隙X₀的位置的移动量”。

图5基于同图中记载的设定条件，表示了与电流值I对应的挡板位移X。解析方法如下。

i.赋予磁极与挡板间的间隙(X₀-X)，利用磁场解析求出吸引力F

ii.从上述吸引力F和挡板的支承刚性K求出挡板位移X

iii.考虑磁通控制面上的磁化力H和磁通密度B的关系(图11)，将上述i.ii.作为复合问题收束计算。

经过上述的步骤i.～iii.求出挡板位移X。但是，上述iii.具体后述。从图5的坐标图可知，I＝0.02A时X＝0.045mm。在此，当I＝0.02A时，如果挡板24设定成遮蔽排气喷嘴30，则挡板的最大行程Xmax＝δa＝0.045mm。因此，只要设定喷嘴突出量δn＝X₀-δa＝0.250-0.045＝0.205mm即可。

以下，求出赋予各喷嘴和挡板间的间隙时的本实施例伺服阀的压力及流量特性。流经伺服阀的喷嘴的气体的质量流量，采用了压缩性流体等熵流动中的喷嘴的式2、式3。喷嘴和挡板之间的开口面积为喷嘴前端和挡板之间形成的环状的流路面积，设喷嘴内径为d、供给侧开口面积a_in＝dπX、排气侧开口面积a_out＝dπ(δ_a-X)。以下，从供给源侧流入空气室的气体的质量流量G_in如下式所示。在此，P_s为供给源压力，P_a为伺服阀的控制室压力，ρ_s为供给源气体密度，κ为比热比。

(式2)

但是，P_a/P_s＜{2/(κ+1)}2/(κ-1)时，

(式3)

$G_{in}=a_{in}\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_s{P}_s\·\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}(\frac{2}{\mathrm{\κ}+1}}{)}^{2/(\mathrm{\κ}-1)}$

从所述控制室向大气侧流出的气体的质量流量G_out在式2、式3中，只要P_s→P_a、P_a→P₀、ρs→ρa、a_out＝dπ(δ_a-X)即可。V_c是控制室33的容积，R是气体常数。利用所述质量流量G_in、G_out，用下式求出控制室33的压力P_a。

(式4)

$\frac{{\mathrm{dP}}_a}{dt}=\frac{{\mathrm{\κRT}}_s}{V_c}(G_{in}-G_{out})$

图6表示了在实施方式1的空气压力阀中，与电流值对应的稳定状态下的控制压力的解析结果。控制压力是与控制侧流路23连通的供给侧空隙部26和排气侧空隙部27所形成的控制室33的压力P_a。解析条件为供给压力P_s＝0.6Mpa(abs)、大气压P₀＝0.1MPa(abs)、供给侧喷嘴29和排气侧喷嘴30的喷嘴内径都是Φ1.2mm。

图7表示了排气口遮断状态下的控制流量相对于电流的特性。控制流量相对于电流值的特性的曲线的轮廓，与图5的挡板位移相对于电流值的特性的曲线的轮廓大体一致。

图8表示了在上述空气压力伺服阀中，与电流值对应的内部泄漏流量。在此，内部泄漏流量定义为阀的控制侧流路23遮断状态下来自排气侧流路19的流量Q_L。

在与电流值对应的挡板位移的图5的坐标图中，电流值I＝0.0118A且位移X＝0.02mm，挡板24处于供给侧喷嘴29和排气侧喷嘴30的大致中间。此时，可知图8所示的内部泄漏流量Q_L表示出最大值。

本实施例阀的特征列举如下。

(1)能较高地设定共振频率

(2)能以较小功率驱动阀

(3)能得到高速响应性

(4)结构简单且部件个数少，部件加工、组装及调整容易

上述(1)的理由如下。在此，如果挡板的可动质量为m，支承所述挡板的弹簧常数为K，则共振频率f₀如下。

(式5)

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m}}$

如上所述，在现有伺服阀(图49)中，由于作为刚体的挡板554摆动运动，因而所述挡板的质量m不得不较大。因此，通过较高地设定支承所述挡板的弹簧刚性K，从而较高地设定共振频率f₀(式5)。支承挡板的弹簧557的刚性K越大，则为了驱动挡板554就需要更大的力。在现有伺服阀(图49)的情况下，通过将电磁线圈产生的磁通Φ₁用永磁铁产生的磁通Φ₂放大，得到大的挡板驱动力(F∝Φ₁×Φ₂)。

可是，在本实施例的情况下，仅仅由电磁线圈产生的磁通Φ1成为驱动挡板阀的力。尽管如此，也能得到高共振频率的理由如下。

本研究中的关注点在于，将相当于阀的挡板的构件形成为薄圆盘形状时，成为惯性负载的可动部的有效质量m仅仅是喷嘴前端附近的弹性变形部分。即，现有伺服阀中由弹簧557支承质量m的作为刚体的挡板554，对此，本发明伺服阀的挡板自身是弹性件(弹簧)。表1中针对可动部的有效质量、支承挡板的弹簧刚性、共振频率，比较了本实施例阀和现有挡板阀(一例)。本实施例中的可动部的有效质量m，用式5从弹簧刚性K和共振频率f₀的实际测量值求出。此外，由于现有例的伺服阀的作为可动部的挡板554摆动运动，所以假定成为惯性负载的有效质量是实际测量值(5g)的1/2。

(表1)

	可动部的有效质量	弹簧刚性	共振频率
				本发明的实施例	0.338g	1.92×104N/m	1200Hz
现有挡板阀(一例)	2.5g	7.98×104N/m	900Hz

根据表1，本发明实施例的阀相比现有伺服阀具有同等以上的共振频率，而可动部的有效质量为约1/7，弹簧刚性为约1/4。为了使支承挡板的弹簧刚性能充分减小，本实施例阀尽管具有高共振频率，仍可以仅用电磁铁驱动挡板。

上述(2)的理由如下。本发明的伺服阀能够用较小功率(小电流)驱动的理由在于，驱动源利用了导体表面上作用的麦克斯韦应力。通常，作为以0.1mm～数mm级的微小位移进行直动运动的执行器，使用音圈电机(线性电机)。在前述的专利文献4中，也考虑了利用上述音圈电机的伺服阀的方案。可是，音圈电机利用洛伦兹力，得不到大的推力常数(机电转换效率)。本实施例中如果是空气压力伺服阀这样的限定的对象，则利用了可以采用推力常数远远高于洛伦兹力的麦克斯韦应力这一点。表2表示了本实施例的推力常数与市场销售的音圈电机相比较的一例。

(表2)

	执行器部外径	推力常数(N/A)
			本发明的实施例	20mm	43.2
音圈电机(一例)	20mm	1.90

根据表2，本实施例阀的执行器的推力常数相比音圈电机为20倍以上。根据上述理由可知，驱动本实施例伺服阀的电源容量足够小且小电流即可。作为参照，使用表示位移相对于电流的特性的图5的坐标图，用最大位移处的弹簧的反力(F＝1.92×10＾4×4.5×10^-5)除以最大电流(I_max＝0.02A)求出本实施例的推力常数。

上述(3)的理由根据上述(1)、(2)的本实施例阀的特征可以必然地导出。即，由于惯性负载m和弹簧负载K小且机电转换效率高，因此线圈的匝数也少，电路中的电感也小。因此，与输入电流对应的挡板位移(流量)的传递特性可以得到足够高的响应性。

上述(4)的理由如下。从油压伺服技术派生出的现有空气压力伺服阀(参照图49)的执行器部和流体控制部呈分离结构，对此，本实施例的执行器部和流体控制部为一体化结构。后述实施例也同样，本实施例中的执行器部由所述电磁执行器部(电磁铁)、所述挡板、所述挡板支承构件(筒状的外壳、供给侧底板21)构成。此外，流体控制部由所述挡板、所述喷嘴、包含所述吸入口的供给侧流路22、包含所述喷出口的排气侧流路19和所述挡板支承构件构成。在表示喷嘴部的放大图的图4的(a)、图4的(b)中，如上所述，图4的(a)表示向线圈通电的电流值I＝0的状态，图4的(b)表示阀的驱动状态。在本发明中，可以将执行器部和流体控制部设为一体化结构的理由是关注如下情况：能有效利用磁吸引作用的磁极和挡板间的磁隙最大值X₀，以及能有效用作气体伺服阀的喷嘴和挡板间的气隙δ_a(流路长度)的最大值，与0.05～0.20mm为同级。磁吸引力相对于气隙的特性为非线性，当超过上述最大值时，磁吸引力通常大幅降低。喷嘴挡板阀的情况下也同样，能使流量线性可变的气隙δ_a通常以上述范围为界限。而且本实施例中将电磁执行器的中心轴10形成为筒状，并形成气体的排气侧通道19。利用所述结构，可以大幅简化双向挡板所形成的喷嘴挡板阀的结构。作为参照，实施例的图4的(a)在线圈电流值I＝0时，以供给侧喷嘴29被挡板24遮断的状态设定供给侧喷嘴29和挡板24的位置。这是发挥安全功能(故障防护功能)，即，在停电时不能主动控制的情况下，遮断高压空气流入空气压力执行器(未图示)。

另外，本实施例阀全部由轴对称部件构成。因此，所有部件可以仅由车床加工制作，部件个数少，还能简化组装后的调整。本实施例阀能轴对称地构成的理由如上所述，排气侧喷嘴配置在所述磁极(第一磁极和第二磁极)的中心线上且位于所述磁极侧，进而隔着所述挡板在所述磁极的相反侧配置供给侧喷嘴。但是，排气侧喷嘴和供给侧喷嘴的位置可以相反。

此外如上所述，供给侧空隙部26、排气侧空隙部27和控制侧流路23的各空间的总和，成为与空气压力执行器连接的控制室33的总容积V_c。由于所述容积V_c的大小在实施主动控制(流体伺服)方面，对控制性能(响应性)造成重大的影响，所以优选容积V_c极小。因为本实施例的阀由轴对称部件构成，所以能减小间隙δ_t1和δ_t2，相比于三维结构的阀(后述)，由于不需要收纳线圈的空间，所以能充分减小控制室33的总容积V_c。

(第二实施方式)

假定一种对电磁铁施加电流，并利用了麦克斯韦全应力T所产生的对可动部的磁吸引作用的设备。图9的曲线A的情况下，可动部的位移相对于电流的特性呈现出位移伴随电流值的增大而急剧上升的非线性特性，所以通常应用于需要接通/断开的功能的设备(继电器等)。可是，在本研究的过程中发现，相当于挡板的可动部采用适当的磁性材料和薄圆盘时，挡板的位移相对于电流的特性如图9的曲线B所示，可以得到线性(直线性)良好的特性。所述效果是偶然发现的。为了通过理论探究本研究发现的所述现象，并评价对于喷嘴挡板阀的应用可行性，进行了以下所示的理论解析。

1.理论解析

图10是将实施方式1中的空气压力伺服阀的结构(图1)模型化的图，图10的(a)是圆盘(挡板)的局部断面图，图10的(b)是将空气压力伺服阀模型化的正面断面图，图10的(c)是表示后述最大磁通控制面的图。在图10的(b)中示出了中心轴210、空隙部211、挡板212和外框部213。在上述的作为模型图的图10的(b)中，由线圈通电产生的磁通Φ如上所述，经过“中心轴210→空隙部211→挡板212→空隙部211→外框部213”的路径描绘出闭环。在此，求出呈放射状流通圆盘的磁路的磁阻。在图10的(a)、图10的(b)中，半径方向Δr的部分的磁阻ΔR_e如下。

(式6)

${\mathrm{\ΔR}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}r}{2{\mathrm{\πrh\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s}$

在式6中，h为圆盘(挡板)的厚度，μ₀为空气的磁导率，μ_s为圆盘材料的相对磁导率。求出从半径r＝r₁至r＝r₂的总阻如下。

(式7)

$R_e=\frac{1}{2{\mathrm{\πh\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s}{\∫}_{r_1}^{r_2}\frac{1}{r}dr=\frac{1}{2{\mathrm{\πh\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_s}log\frac{r_2}{r_1}$

设上述圆盘的磁阻R_e以外的磁阻为R_b，则磁通Φ如下。

(式8)

Φ＝NI/(R_e+R_b)

在式8中，N为线圈的匝数，I为流通线圈的电流值。此外，R_b是所述挡板和磁极间的两个空隙部211、中心轴210、外框部213、底部的各磁阻的总和。图11是本实施例中的试验材料的磁特性的一例，表示了磁通密度B相对于磁化力(磁场强度)H的特性。将磁通密度B相对于磁化力H成比例增加的0<H<H_c的范围定义为线性区域，将磁通密度B相对于磁化力H的斜度大幅降低的H>H_c的范围定义为磁饱和区域。作为参照，根据0<H<H_c的范围中的BH特性的包络线A与处于H>H_c的区域的BH特性的包络线B的交点求出H_c。将H_c定义为线性区域和磁饱和区域的磁化力临界值，将H＝H_c时的磁通密度定义为磁通密度临界值B_c。图11的磁性材料特性的情况下，H_c＝1500AT/m，B_c＝1.5Wb/m²。

在磁通Φ流通的闭环磁路中，如果有磁路面积S_c极窄的部位，则该部位处磁通密度(B＝Φ/S_c)最大。即，在所述部位处，如果磁化力H超过规定的值，则磁通密度B磁饱和。如果磁饱和时的B＝B_max，则磁通的大小被控制在Φ＜S·B_max的范围。

在图10的(c)中，关注半径r＝r₁、厚度h的环状的侧面(磁路面积S_c＝2πr₁h)。所述部分是应称作呈放射状流通圆盘的磁通的流出源(或者流入源)的部位，是调节磁饱和现象的部位(以下称为最大磁通控制面)。所述部位的磁通密度如下。

(式9)

$B_{r1}=\frac{\mathrm{\&Phi;}}{2{\mathrm{\&pi;r}}_{1}h}$

根据上式，最大磁通控制面的磁路面积S_c(＝2πr₁h)极小时，如果磁化力H超过规定的值，即H>H_c，则沿着坐标图(图11)的曲线，磁通密度和磁通磁饱和，挡板(图10的(b)的附图标记212)的面板部上作用的吸引力F(式1)受到抑制。

图12～图15是对圆盘的板厚h进行各种变更时，用前述的解析方法求出与电流值对应的磁通密度Br₁、电磁铁的吸引力F、挡板位移X、来自控制口的流量Q的解析结果。解析条件如图12的坐标图中所记载的那样，以挡板的支承刚性为恒定的方式，设定挡板支承部的半径r₃的值。此时，磁通密度Br₁和吸引力F成为电流值以及电磁铁和圆盘之间的间隙的函数。即，电流值越大、上述间隙越小，则磁通密度Br₁和吸引力F越大。在关注图12的磁通密度B_r1相对于电流值的特性时，

a.在圆盘厚度厚达h＝0.5mm的情况下，如果电流值变大，则示出了磁通密度B_r1从I＝I_c(＝0.017A)附近急剧增大的非线性特性。I>I_c的区域中磁通密度B_r1饱和并收束为恒定值B_r1＝1.7Wb/m²(参照图11)。

其原因在于，磁通密度Br₁不仅由于电流值的增大，而且由于电磁铁和挡板之间的间隙(相当于图9的X)变小，而急剧增大。即，与图9的曲线A的特性对应，是具有接通/断开的功能的通常的电磁铁的特性。

b.在圆盘厚度薄至h＝0.2mm的情况下，与电流值对应的磁通密度B_r1在全区域中示出了线性特性。

该结果与本发明发现的图9的曲线B的特性对应。即，由于电磁铁和挡板之间的间隙变小而产生的磁通密度Br₁的增大，因磁饱和现象的利用而受到抑制。即，上述a是利用电流值的增大使挡板位移到达最大值之后，进入磁饱和区域，而上述b是利用电流值的增大使挡板位移到达最大值之前，已经进入磁饱和区域。

上述b.的情况下，在0<I<I_c的区域中磁通密度B_r1比上述a.的情况下大。在I>I_c的区域中，磁通密度上升后被平稳抑制的是电流值到达了I_c的阶段，磁通密度B_r1已经增大到与磁饱和相同水平的值，从所述阶段开始磁通密度B_r1进入磁饱和区域。因此，(1)通过减小磁路面积(圆盘厚度)，从电流值小的阶段提高磁通密度。(2)在磁通密度急剧增大的电流值I_c的附近，开始磁饱和。利用上述(1)、(2)，磁通密度B_r1相对于电流值的特性从线性区域平稳转移到磁饱和区域，成为线性极为良好的特性。线性良好的磁通密度特性也反映于位移特性、流量特性等的线性。

应用本研究得到的上述观点，说明图13～图15的与电流值对应的电磁铁吸引力、挡板位移和流量特性的特征。图13是对圆盘的板厚h进行各种变更时，求出与电流值对应的电磁铁吸引力(＝圆盘弹簧的复原力)的图。电磁铁吸引力相对于电流值的特性的曲线轮廓，和后述的挡板位移相对于电流值的特性的曲线轮廓(图14)大体一致。在图14的挡板位移相对于电流值的特性中，h＝0.5mm的情况下，在I＞I_c时挡板位移保持为恒定值X＝0.25mm，这是由于挡板和第一磁极间的最大间隙(初始间隙)设定为X₀＝0.25mm(参照图4)。h＝0.2～0.3mm的情况下，与电流值对应的挡板阀位移特性(和流量特性)大体线性位移，从控制性的观点得到理想的特性。如上所述，上述条件是为了满足应用于主动除振台的空气压力伺服阀所要求的第三个条件，即(3)“线性…产生压力相对于阀驱动电流呈线性比例关系”。h>0.35的情况下，当电流值变大时，挡板位移从I＝I_c(＝0.017A)附近急剧增大，示出了非线性特性。

图15示出了基于从挡板位移特性的坐标图得到的解析条件(记载于图14)，求出喷嘴的流出流量。这种情况相当于在图1的伺服阀中，遮断排气侧流路20并将控制侧流路向大气开放。解析条件为供给压力P_s＝0.6MPa(abs)、大气压P_a＝0.1MPa(abs)、供给侧喷嘴29的喷嘴径是Φ1.2mm。从图14和图15的比较可知，挡板位移特性与喷嘴的流量特性的曲线轮廓大体相同。

综上所述，通过将挡板(圆盘)形成为薄的板厚的弹性件结构，带来了下述a.b.的叠加效果。

a.减小了可动部的有效质量，提高了共振频率(参照表1)。

b.通过利用磁饱和现象，提高了流量相对于电流的特性的线性。

2.线性化的效果指标和实际测量的评价

在此，定义挡板的位移(流量)相对于阀驱动电流的特性中的“线性化的效果指标”。图16是表示基于与电流值对应的流量的实际测量值，求出“线性化的效果指标”的方法的模型图。设阀在电流值：0(a点)＜I＜I_max(d点)的范围被驱动。本实施例阀的情况下，由于与电流值对应的磁吸引力为非线性，所以在电流值小的区域中，吸引力相对于电流值平缓上升，并随着电流值的增加急剧增大。可是，当电流值进一步增大并进入磁饱和的区域时，磁通Φ(和吸引力F)的增大受到抑制。其结果，流量相对于电流的特性(挡板位移特性)的轮廓，成为在电流值低的区域中向下凸出、在电流值高的区域中向上凸出的曲线。在此，从“向下凸出的曲线”转变为“向上凸出的曲线”的拐点E，从两个包络线Bb和Cd的交点求出。将流量相对于电流的特性的曲线作为Aa，上述包络线Bb(点划线)是曲线Aa向下凸出的区域的包络线。此外，上述包络线Cd(点划线)是曲线Aa向上凸出的区域的包络线。包络线Bb和Cd的交点为上述拐点E。设拐点E的X轴坐标为c，包络线Bb与X轴交叉的X轴坐标为b。此外，设曲线Aa的I＝I_max(d点)与Y轴的交叉点为F。连接交叉点F和原点(0，0)的直线(虚线)为Da。包络线Bb的斜度QE/I_bc(角度β)是本阀的流量增益(流量与电流之比)的最大值。将直线Da的斜度QF/I_ad(角度α)设为流量增益的基准值。在此，把“流量增益的基准值”与“流量增益的最大值”之比，作为线性化的效果指标η定义如下。

(式10)

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&beta;}}=\frac{Q_F/I_{ad}}{Q_E/I_{bc}}=\frac{I_{bc}}{I_{ad}}$

η＝1时，曲线Aa和直线Da一致，流量与电流为正比的关系，线性的评价成为最佳。

伺服阀的流量相对于电流的特性被要求线性的理由如下。由于伺服阀是构成流体伺服装置(主动除振台)的控制系统的一个要素，所以流量的变化部分与电流的变化部分的比率：K_Q＝δQ/δI作为流量增益，组入开环增益K_L中。即，在伺服阀以外将控制要素的增益作为K_x来结合各要素时，成为K_L＝K_x·K_Q。例如，作为针对稳定性的频率响应法所采用的余量设定的一例，在生产现场中应用如下的调整条件：

(1)增益余量在10dB以上

(2)相位余量在45deg以上

伺服阀的流量增益最大值在电流值I＝I_max附近为K_QMAX的情况下，用于预见主动除振台整体的稳定性余量的开环增益K_L，只能由上述最大值K_QMAX决定。可是，伺服阀的动作点通常在驱动电流范围的中间位置附近(I≒I_max/2)使用。因此，流量相对于电流的特性越呈非线性，则越是要在动作点处额外设定过度的增益余量。此时，主动除振台在使用时间最长的动作点处不能发挥原本具有的足够的性能。因此，伺服阀的流量相对于电流的特性越是呈线性，控制系统就越能设定适当的稳定度(增益余量、相位余量)。

进一步补充说明，优选伺服阀的产生压力(产生力)相对于电流的特性呈线性。这是将本伺服阀应用在主动控制装置时所要求的条件。如上所述，前馈控制在干扰已知时才开始成立。为了实施上述载物台FF控制，采用已知的载物台动作信号。利用反馈控制，平台的自由振动收束的时间得到改善，但是难以降低到载物台加减速的瞬间的响应。为了使用载物台FF控制而有效抵消直线运动干扰，需要制作将载物台的加速度信号以相反相位再现的、精度高的产生力的波形。因此，需要使阀驱动电流波形和产生压力的波形成为相似形，即，产生压力(产生力)相对于阀驱动电流的特性需要在以动作点为中心的宽广范围保持线性。

(表3)

图17表示了实际测量用于求出“线性化的效果指标”的阀的流量特性的一例。阀的基本结构假设为采用图1的实施方式所示的顺向喷嘴和逆向喷嘴相对配置的二喷嘴型。“线性化的效果指标”也能从挡板的位移相对于电流的特性求出，但是挡板位移的测量从阀的结构方面考虑大多情况下很困难。可是，不必将阀主体解体，就可以用图17所示的方法求出阀的流量特性，阀的流量特性与挡板位移特性相对于电流值的轮廓大体相同。

在图17中，设有成为测定对象的阀230、驱动所述阀的电源231、控制口232、与供给压力源234连接的供给口233、排气口235和流量计236。在将排气口235遮断的状态下，如果测定控制口232在大气开放时的流量，就可以求出用于评价“线性化的效果指标”所必要的阀的流量相对于电流值的特性。图1的实施方式的情况是与挡板相对配置的一个喷嘴(此时为顺向喷嘴)与挡板之间的流量。利用本方法，可以与阀的具体结构无关地求出“线性化的效果指标”。

3.利用磁饱和现象的评价方法

通过在原本急剧上升的区域利用磁饱和现象，挡板的位移(流量)特性随着电流值的增大可以得到线性(控制性)良好的特性，本实施例利用了这一点。因此，构成闭环磁路的某一要素在阀的动作范围内磁饱和，成为本实施例在应用上的前提条件。即使不利用磁饱和现象，针对电流在挡板位移即将急剧上升前设定阀电流的上限值，也能作为伺服阀应用。但是，这样得不到大的挡板位移(流量)。

此外，通过利用磁饱和现象，在向所述电磁铁通电的电流的最大值附近，构成以流量相对于电流的特性成为向上凸出的曲线的方式，即具有拐点(模型图16的E点)的结构，能得到下述效果。用图4说明时，可以保持余量地设定挡板24和磁极31之间的间隙(初始间隙)。如果不利用上述磁饱和现象，由于构件的加工及组装精度、电磁铁吸引力特性、磁性材料的磁特性等的稍许偏差，挡板位移(流量)相对于电流就会进入急剧上升的区域，因此容易成为不稳定的阀特性。

在此，假设由电磁铁、喷嘴、挡板等要素部件构成伺服阀的结构。此时，各要素部件的形状、阀整体结构等为任意的。为了将利用了磁饱和现象的伺服阀具体化，用下述方法评价本实施例发明可否应用。

i.求出闭环磁路的磁阻的总和。

喷嘴和挡板之间的磁阻R_a在电流最大值I＝I_max时成为最小。设此时的喷嘴和挡板之间的距离为δ_n(参照图4)、磁极面积为S，则R_a＝δ_n/(μ₀S)。将上述磁阻R_a以外的线性磁阻的总和设为R_X，则闭环磁路的磁阻的总和为R_S＝R_a+R_X。线性磁阻表示了假设磁导率μ恒定且磁化力H和磁通密度B的关系成正比关系(B＝μH)时的磁阻。

ii.求出闭环磁路产生的磁通的最大值

将电磁线圈的匝数设为N，则磁动势的最大值为E_max＝N×I_max，磁通的最大值为Φ_max＝N×I_max/R_S。

iii.求出容易产生磁饱和的部位的磁通密度B_max。

在闭环磁路中，关注(1)磁路面积最小的部位，或者(2)采用饱和磁通密度最小的磁性材料的部位，设磁路面积为S_c，则磁通密度B_max＝Φ_max/S_c。

iv.产生磁饱和现象的评价

在此，作为评价数据(参照图11)采用上述(1)、(2)的部位所使用的磁性材料的“磁通密度相对于磁化力的特性(BH特性)”。比较线性区域和磁饱和区域的边界区域(磁化力临界值H_c)的磁通密度临界值与上述B_max的大小。如果B_max＜，则不产生磁饱和现象，磁路在线性区域内使用。如果B_max＞磁通密度临界值，则在上述(1)(2)的部位产生磁饱和现象，可知满足应用本实施例的发明的前提条件。

(第三实施方式)

图18是本发明实施方式3的空气压力伺服阀的正面断面图，通过将相当于挡板的圆盘设为凸形圆盘形状，成为利用流通圆盘的磁通的磁饱和现象的部位以及设定圆盘的弹簧刚性的部位这两个部位分离的阀形态。

挡板124由板厚大的凸部124a(磁路径部)和板厚小的外周部(弹性支承部)124b构成。供给侧底板121和挡板124之间形成有供给侧空隙部126，挡板124和所述外壳侧之间形成有排气侧空隙部127，挡板形成有流通孔128a、128b、128c、128d(图18中未图示128b、128d)，还设有供给侧喷嘴(顺向喷嘴)129、排气侧喷嘴(逆向喷嘴)130、中心轴110的挡板侧端面(中心轴端面为第一磁极)131、外框部的挡板侧端面(外框部端面为第二磁极)132和吸入口133。

图19是由图18中的中心轴110、挡板124、线圈114等部件形成的闭环磁路的模型图。另外，所述模型图中省略了供给侧底板121、供给侧喷嘴129等。本实施例阀的挡板具有半径r₂、厚度h₂的凸部，半径r＝r₁的部位(磁路面积S₁＝2πr₁h₂)是呈放射状流通圆盘的磁通的流出源，并且是调节前述磁饱和的最大磁通控制面。挡板的外周部(r₂<r<r₃)的厚度h₁相比于h₂足够小，容易弹性变形。此外，凸部的外半径r₂与外框部端面132(第二磁极)的外半径r4相比，可以是r₂<r4。其理由在于，将半径r＝r₁设为磁饱和的调节部位时，在两个磁路面积S₁(2πr₁h₂)和S₂(2πr₂h₁)中，只要S₁<S₂即可。此时，由于可以取得足够长的弹性变形部(r₂<r<r₃)的区间，所以厚度h₁也可以不设定为极薄的值。

图20假设了板厚形状和弹簧刚性不同的三种挡板形状，并比较了与电流值对应的挡板位移。图21中比较了与电流值对应的电磁铁的产生力。根据图20、图21，相同电流值时如下。

i.位移的大小为C>B>A

ii.产生力的大小为C>A>B

位移和产生力中的A和B逆转的理由如下。之所以产生力成为A>B，是因为板厚大的A比B的磁饱和缓和。可是位移成为A<B是因为，圆盘的弹簧刚性与板厚的立方成比例而使弹簧刚性成为A>>B。比较圆盘中心部板厚相同的C和A时，产生力成为C>A的理由是，C比A更容易变形，相同电流值下圆盘和磁极间的C的间隙比A小。根据上述结果，凸形状的圆盘相比均一厚度的圆盘，可以在原状维持足够的线性的情况下，利用相同的电流值得到更大的位移。

图22是在具有前述三种挡板形状的阀(图18的结构)中，比较了排气口120遮断状态下的与电流值对应的控制流量的图。解析条件为供给压力P_s＝0.6MPa(abs)、大气压P₀＝0.1MPa(abs)、供给侧喷嘴129和排气侧喷嘴130的喷嘴直径都是Φ1.2mm。具有三种挡板形状的阀都假设电流值I＝0时供给侧喷嘴129被挡板124遮断。最大电流值I＝0.025A时为了遮断排气侧喷嘴130，只要如下设定排气侧喷嘴130前端部的突出量δ_n(参照图4的(a))即可。I＝0.025A时的挡板位移作为δ_a，类型A为δ_n＝X₀-δ_a＝0.222mm，类型B为δ_n＝0.207mm，类型C为δ_n＝0.135mm。

(第四实施方式)

图23是本发明实施方式4的空气压力伺服阀的正面断面图。

示出了在中心轴的挡板侧端面(第一磁极)，通过在喷嘴开口部和中心轴外周部之间形成半径方向通道，在小电流值时可以得到大挡板位移(流量)的阀结构。圆盘形状挡板形成有流通孔66a、66b、66c、66d(图23中未图示66b、66d)，还设有供给侧喷嘴(顺向喷嘴)的开口部67、排气侧喷嘴(逆向喷嘴)的开口部68、中心轴50的挡板侧端面69(中心轴端面为第一磁极)和外框部的挡板侧端面(外框部端面为第二磁极)70。

图24是排气喷嘴和吸气喷嘴附近的局部放大图，图24的(a)是图24的(b)的AA箭头视图，表示了挡板遮蔽吸气喷嘴的状态，图24的(b)是图24的(c)的BB箭头视图，图24的(c)表示了线圈施加有电流的状态。本实施例中排气喷嘴和吸气喷嘴不是如图1的实施例所示的那样安装单独部件，而是利用中心轴50和供给侧外壳60一体形成。还设有：形成在第一磁极69的挡板侧端面上的流通槽71a、71b、71c；形成在排气喷嘴开口部68和第一磁极69之间的凹入部72；以及形成在排气喷嘴开口部68的外周侧的锥形部73。所述流通槽的槽深足够深，形成为0.3～0.5mm。

本实施例中，排气喷嘴开口部68以相对于第一磁极69的端面仅仅略微突出δ_n＝0.046mm(δ_n参照图4的(a))的状态形成。因此，挡板63遮蔽排气喷嘴开口部68时，第一磁极端面69和挡板63的间隙成为上述δ_n的狭小值。可是，此时排气喷嘴开口部68的外周侧(凹入部72)和排气侧空隙部65也与槽深足够深的所述流通槽连通，排气喷嘴开口部68的外周侧压力可以保持为与排气侧空隙部65和吸气侧空隙部64相同的压力。

图25表示挡板位移相对于电流值的特性，比较了下述两种情况。

i.将排气喷嘴开口部68形成为相对于第一磁极69的端面仅仅略微突出δ_n(本实施方式中初始间隙X₀＝0.15mm，喷嘴突出量δ_n＝0.046mm)

ii.将排气喷嘴开口部从第一磁极保证充分的距离突出(实施方式3的结构下设定为X₀＝0.25mm、δ_n＝0.135mm时)

上述ii.中设定为δ_n＝0.135mm的理由如下。减小喷嘴突出量δ_n时，半径方向流路的空气阻力增大，以第一磁极131(图18)的外径求得总面积S的空隙部整体存在接近大气压(Ps＝0.1MPa)的可能性。此时，所述挡板上被施加与所述挡板左右的压力差成比例的力f＝(P_a-P_s)S。试验的结果为，所述挡板成为与所述第一磁极面紧密接触的状态，可知挡板位移(控制压力)对电流控制产生妨碍。因此，优选保证充分的距离来设定突出量δ_n的值。上述ii.的条件下，为了到达位移X＝0.102mm(此时控制压力P_a＝0.6MPa)(B点)需要使电流值I＝0.025A。上述i.的本实施方式中，即使充分减小δ_n也能进行稳定的挡板位移的电流控制，到达相同位移(相同控制压力)(A点)的电流值为I＝0.015A。

(第五实施方式)

图26是本发明实施方式5的空气压力伺服阀的正面断面图，通过使外框部的挡板阀侧端面和挡板面紧密接触，省略了第二磁极，以仅用第一磁极得到对挡板的吸引作用的方式形成磁路。由于利用所述结构可以减小凸形状挡板的弹性支承部的外径，所以能减小伺服阀主体的外径(Φ_D)。例如，在主动除振台的情况下，支承载物台的四角的空气压力机构安装有多轴的空气压力执行器。因为空气压力执行器和伺服阀的控制口之间需要接近配置，所以优选尽可能减小伺服阀主体的外径(Φ_D)。附图标记152为所述中心轴的外框部，中心轴的外框部152的挡板侧端面172形成消除了空隙部并与挡板124紧密接触的结构。

(第六实施方式)

图27是本发明实施方式6的空气压力伺服阀的正面断面图，通过将直径小于线圈外径的环状的第二磁极设置在闭环磁路内，在维持磁吸引力的状态下，使伺服阀主体的外径(Φ_D)小型化。即，消除了伴随阀主体小型化而对弹性变形部的磁饱和的影响(吸引力降低)。凸形圆盘形状的挡板263由板厚大的凸部(磁路径部)264和板厚小的外周部(弹性变形部)265构成。还设有供给侧空隙部266、排气侧空隙部267、形成在挡板263上的流通孔268a、268b、268c、268d(268b、268d未图示)、供给侧喷嘴(顺向喷嘴)开口部269、排气侧喷嘴(逆向喷嘴)开口部270、电磁铁的第一磁极271、中心轴的外框部252的挡板侧端面272、紧固螺栓273、以及紧固外壳底部256和外壳255的螺栓274。还设有被夹持在外框部252的挡板侧端面272和外壳255之间的磁极用环275、形成在所述磁极用环的挡板263侧端面的第二磁极276。存在于磁极用环275和挡板265之间的外壳255的一部分标注为附图标记277，所述外壳255由非磁性材料构成。还设有吸入口278。

图28是仅设置一个磁极的前述第五实施方式的闭环磁路，图29是在第一磁极以外辅助地设置第二磁极的本实施方式闭环磁路的放大图。图28的情况下，闭环磁路是经过“中心轴150→磁极171→磁路径部164→弹性变形部165→外框部152”的路径。

图29所示的本实施方式的情况下，闭环磁路是经过“中心轴250→第一磁极271→磁路径部264→第二磁极276→磁极用环275→外框部252”的路径。上述两个闭环磁路的不同在于，相对于图28的磁路经过弹性变形部165，图29的磁路跳过(脱离)弹性变形部265而形成闭环。

图30中假设了上述两个磁路，并比较了“挡板位移相对于电流值的特性”。如图中所示，各圆盘的形状及刚性相同。类型A是采用本实施方式(图29的结构)的情况，类型B是采用图28的结构的情况。为了实现阀的小型化而减小圆盘外径时，弹性变形部的半径方向的长度也不得不减小。因此，是为了维持低刚性而将弹性变形部的板厚减薄到h₁＝0.08mm的条件下的解析结果。

在电流值I＝0.025A式，类型A的挡板最大位移为Xmax＝0.13mm，对此，类型B的挡板最大位移只能得到Xmax＝0.018mm。其理由如下。

i.类型B的情况下，磁路经过薄的板厚h1的部位。可是其结果为，磁通经过磁路面积狭窄的路径，受到磁饱和的影响，最大磁通被大幅抑制。

ii.类型A的情况下，磁通跳过作为弹性变形部265的薄的板厚h₁的部位，形成磁路径部264→第二磁极276→外框部252的路径。因此，流通闭环磁路的磁通的大小不受板厚小的弹性变形部265的影响。

即，本实施例可以分别独立进行用于决定圆盘部的弹簧刚性的结构设计，以及决定吸引力相对于电流值的特性的磁路设计。

在前述第五、第六实施方式中，通过改变所述弹性变形部的板厚h₁，调节了刚性。可是，也可以通过在所述挡板上形成适当的空隙部来调节刚性。

或者作为调节所述挡板的刚性的手段，例如在所述挡板上以沿圆周方向呈轴对称的方式形成多个小孔(未图示)。

(第七实施方式)

图31是本发明实施方式7的空气压力伺服阀，图31的(a)是图31的(c)的AA箭头视图，图31的(b)是图31的(a)的局部放大图，图31的(c)是正面断面图，图32是图31的(c)的螺旋盘簧部的局部放大图。本实施例中不是利用板厚选择挡板的弹性变形部的刚性，而是利用挡板上形成的螺旋的形状来选择挡板的弹性变形部的刚性。圆盘形状的挡板363由中央部的磁路径部364和形成有螺旋盘簧(后述)的弹性变形部365构成。

本实施例中，作为弹性变形部365的螺旋盘簧由8条脊(峰部)和相同数量的沟槽(空隙部)构成。在图32的螺旋盘簧部的局部放大图中，设有螺旋盘簧(弹性变形部365)的空隙部372a、372b、372c、372d，空隙部372d是形成在磁极370附近的开口面积最大的空隙部。另外，本实施例中的螺旋盘簧(弹性变形部365)同时担负着以下i.～iii.所示的功能。

i.缓和产生应力，得到适当的挡板支承刚性

ii.利用沟槽(空隙部)，设置连接供给侧空隙部366和排气侧空隙部367的路径

iii.构成闭环磁气回路的磁路

上述i.的效果如下。与以下方法(第六实施方式)进行比较：为了使伺服阀主体的外径(Φ_D)小型化，将挡板设为凸形状且极力减薄弹性支承部的板厚以降低刚性，并且设置第二磁极。此时，板厚越薄则弹性支承部所产生的应力越大，存在超过圆盘形状的挡板构件的容许应力(弹性界限)的问题。通过将凸形状构件设为螺旋盘簧，可以实现最大产生应力的大幅降低。螺旋盘簧的刚性和产生应力除了取决于板厚以外，可以由螺旋角度α(图31的(a))、沟槽(脊)的条数、沟槽和脊的宽度比等决定。但是，在磁路径部364和所述脊的边界线上，由于螺旋曲线的开始点的部分呈锐角，所以产生应力集中。为了降低所述应力集中，如图31的(b)所示，形成与原本的螺旋曲线不同的曲面部373、374。可知利用所述曲面部的形成，能大幅缓和应力集中。

上述ii.的情况下，利用空隙部372a、372b、372c、372d，可以兼作为连接供给侧空隙部366和排气侧空隙部367的通道。兼用于应力集中的缓和并从曲面部373、374形成的空隙部372d，可以最大地确保开口面积。图32中用箭头(实线)表示空气的流动。

上述iii.利用了即使充分加厚螺旋盘簧的板厚，也可以根据其形状进行刚性的选择这一点。由于板厚大时能加大磁路面积，所以弹性变形部365不产生磁饱和，可以不形成第六实施方式所示的第二磁极。其结果，可以实现阀结构主体的简化。磁通的流动如图32中箭头(虚线)所示，为“磁极370→螺旋盘簧的脊(峰部)→中心轴的外框部352”。实施例中弹性变形部365(螺旋盘簧)的板厚设定成与磁路径部364的板厚相同，但是也可以设定为大于磁路径部364的板厚。此时，挡板整体的轮廓成为凹形状。图33中表示了对磁路径部364的中心部施加负荷F时的螺旋盘簧的变形的结构解析结果。

作为所述弹性变形部能采用的圆盘弹簧，例如可以采用鞍形弹簧。

(第八实施方式)

上述的本发明的实施例中，阀结构主要由轴对称部件构成。除了上述轴对称部件以外，通过组合棱柱、圆柱、马蹄形、环状等的各种铁心，以及长方形的薄板材、方块件等而形成磁路和流体回路，也能够实现本发明的伺服阀。

图34是本发明实施方式8的空气压力伺服阀的正面断面图。

设有支承轴430、电磁线圈431、L形构件底部432、L形构件直立部433、挡板434、紧固螺栓435、排气侧通道436和排气侧喷嘴(逆向喷嘴)437。还设有供给侧块件438、供给侧流路439、供给侧喷嘴(顺向喷嘴)440、紧固螺栓441、供给侧空隙部442、排气侧空隙部443、控制口444、控制室445和电磁铁的第一磁极446。从所述控制室经由控制口444连接空气压力执行器(未图示)这一点，与前述的实施例相同。此外还设有：磁极用磁轭件447；形成在所述磁极用磁轭件的所述挡板侧端面的第二磁极448；非磁性材料制成的垫片449；借助所述垫片而将所述磁极用磁轭件和所述挡板紧固于供给侧块件438的螺栓450；以及在所述第二磁极和所述挡板的固定侧之间形成于所述挡板的弹性变形部451。即，通过在所述挡板的正反面形成凹部，构成所述弹性变形部。此外，在所述挡板中，所述供给侧喷嘴和所述第二磁极之间形成有磁路径部452。453为吸入口，454为喷出口，由“支承轴430→L形构件底部432→L形构件直立部433→第一磁极446→所述挡板的磁路径部452→第二磁极448→磁极用磁轭件447→支承轴430”形成闭环磁路。

本实施例中，流路形成在闭环磁路内，但是也可以把所述挡板从所述第一磁极延长设置，在所述延长的挡板面上单独构成与喷嘴相对配置的流路。或者，上述实施例中挡板434是悬臂支承结构，但是也可以是两端支承结构。此时，可以将支承轴430构成为左右对称，在所述L形构件直立部上安装电磁线圈431。

(第九实施方式)

本实施例提出的阀结构用于消除以往的“采用双向挡板的喷嘴挡板阀”的驱动原理所存在的问题，即稳定状态下的阀的动作点处的空气消耗流量最大这一缺点。

图35是本发明实施方式9的空气压力伺服阀的正面断面图，凸形圆盘形状的挡板763由板厚大的凸部(磁路径部)764a和板厚小的外周部(弹性变形部)764b构成。此外设有：供给侧喷嘴(顺向喷嘴)769；排气侧喷嘴(逆向喷嘴)770；设在中心轴750的挡板阀侧端面(中心轴端面)上的电磁铁的第一磁极771；形成在外框部752的挡板侧端面上的第二磁极772；以及被夹持在挡板763和外壳755之间的非磁性环773。供给侧外壳760和外壳755将所述挡板和所述非磁性环夹入，并由螺栓(未图示)紧固。所述挡板的供给侧的中心部形成有供给侧凸部774，所述挡板的排气侧的中心部形成有排气侧凸部775。此外，由所述供给侧空隙部和所述排气侧空隙部形成本阀的控制室776。

本实施例阀在稳定状态下的阀的动作点处，能够使空气消耗流量足够小。这是因为，所述供给侧喷嘴769与所述挡板763之间以及所述排气侧喷嘴770与所述挡板763之间，分别设有环状流路形成结构，所述环状流路形成结构形成横断面为大致环状的流路。更具体而言，所述环状流路形成结构由各喷嘴769、770的前端部的筒状的内周面，以及相对于所述内周面沿半径方向间隔地插入的插入件构成。即，把相对于挡板763的面板部垂直突出的凸部作为插入件，可以利用插入件向喷嘴769、770的插入程度而改变环状的流路的轴向长度，从而改变流量特性。图36的(a)～图36的(c)表示了喷嘴和挡板之间的组合状态，图37的(a)和图37的(b)模型化表示了关注一个喷嘴时的阀流量与喷嘴和挡板间的间隙的关系。以下，对比上述两个图(图37的(a)和图37的(b))，用图36的(a)～图43的(c)说明本阀的动作原理。

图36的(a)是阀输入电流I＝0(初始值)的状态，图36的(b)是输入电流I≒I_max/2(动作点)的状态，图36的(c)是输入电流I＝I_max(最大值)的状态。在同图中，设有供给侧喷嘴节流孔777和排气侧喷嘴节流孔778。形成在第一磁极771的挡板侧端面上的流通槽779a、779b(未图示)、779c具有与实施方式4(图24的(b))的流通槽同样的功能。

图36的(a)的阀输入电流I＝0时，所述挡板的供给侧凸部774深入供给侧喷嘴节流孔777。图37的(a)的图A的状态下，由供给侧凸部774和供给侧喷嘴节流孔777形成的狭窄环状间隙的流动成为粘性流。因此，从空气压供给源(未图示)流入本阀的所述控制室的空气量为微小量。

图36的(b)的输入电流I≒I_max/2(动作点)时，供给侧凸部774的喷嘴侧端面780处于接近供给侧喷嘴节流孔777的开口端的状态。图37的(a)的图B中，从所述供给侧喷嘴流入所述控制室的流体的流动，处于从粘性流区域向势流区域转变的过渡区域。此外，从所述控制室流入所述排气侧喷嘴的流体的流动，也同样处于过渡区域。

图36的(c)的输入电流I＝I_max时，供给侧凸部774的喷嘴侧端面780处于足够远离供给侧喷嘴节流孔777的开口端的状态。图37的(a)的图C中，从所述供给侧喷嘴流入所述控制室的流体的流动处于势流区域。此外，所述挡板的排气侧凸部775深入排气侧喷嘴节流孔778，由两构件形成的狭窄环状间隙的流动成为粘性流。因此，从控制室776向大气流出的空气量为微小量。

图37的(b)以和现有阀特性(点划线)进行对比的方式，表示了本实施例阀的“与喷嘴和挡板间的间隙X(阀输入电流)对应的阀流量Q”的特性(实线)。本实施例阀的情况下，流量从粘性流区域A至过渡区域B充分小，进入势流区域C后流量急剧增大。现有阀的情况下，由于全区域(A→B→C)为势流区域，所以从间隙X小的阶段开始，流量较大。上述流量特性的不同，成为两者的动作点处的空气消耗流量的差异。

图38的(a)、图38的(b)示意性表示了本实施例阀与现有阀相比，能够大幅削减动作点处的空气消耗流量。假设控制室的压力恒定，关于i.从供给侧向控制室的流入量(实线)，ii.从控制室向大气的流出量(虚线)，记载了流量Q相对于间隙X的特性。图38的(a)是现有阀，图38的(b)是本实施例阀。设流入量和流出量的交点为动作点时，可知本实施例阀的动作点处的空气消耗流量相比现有阀大幅减小。在动作点附近，现有阀的曲线i.ii.都是向上凸出的曲线，本实施例阀的曲线i.ii.都成为向下凸出的曲线的组合。即，重点是与喷嘴和挡板的具体结构无关，或者即使处于粘性流区域、势流区域的任何区域，具有流量Q相对于间隙X(或者电流值)的特性在动作点附近成为向下凸出的曲线的阀特性，从而使消耗空气流量降低。

如上所述，本实施例阀能使空气消耗流量大幅降低的理由是，可以利用挡板的轴向移动调节双向挡板两面的凸部与各喷嘴侧节流孔的嵌合状态。因此，从结构方面和构件加工方面考虑，优选以尽可能大的行程驱动挡板。可是，例如第一实施方式所示，利用麦克斯韦应力的执行器的情况下，能有效利用磁吸引作用的磁极和挡板间的磁隙的最大值为0.05～0.20mm的级别。磁吸引力相对于气隙的特性为非线性，超过上述最大值时，磁吸引力通常大幅降低。可是如第二实施方式所述，在本研究的过程中发现，在相当于挡板的可动部采用了适当的磁性材料和薄圆盘时，挡板的位移相对于电流的特性可以得到线性(直线性)良好的特性。

通过进一步积极利用所述磁饱和现象，不会失去挡板的位移相对于电流的特性的线性，可以使挡板的行程大幅增大。

图39的坐标图中对比前述第二实施方式的规格(类型(I))，表示了本实施方式采用的电磁铁和圆盘形状的规格(类型(II))。类型(II)的电磁铁的外径相比类型(I)为2倍，线圈匝数为3倍。电流值I＝40mA时，类型(I)中挡板位移X＝0.12mm左右，对此，本实施例类型(II)中挡板位移成为X＝0.68mm。在本实施例阀的开发中，从结构及性能方面和部件的精密加工方面的探讨结果可知，如果利用所述闭环磁路的磁饱和特性，并将所述喷嘴和所述电磁铁间的最大行程设定在0.5mm以上，则能得到足够的性能。

图40表示为了利用前述实施例的结构，将流量相对于电流值的特性设为线性更良好的特性，对喷嘴和挡板之间的嵌合状态加以改进。即，以使与电流值对应的喷嘴和挡板之间的流路面积更平稳变化的方式，将与喷嘴嵌合的挡板侧凸部设为锥形。图40的(a)是阀输入电流I＝0(初始值)的状态，图40的(b)是输入电流I≒I_max/2(动作点)的状态，图40的(c)是输入电流I＝I_max(最大值)的状态。还设有供给侧外壳780、中心轴781、挡板782、形成在所述挡板的中央部的供给侧锥形部783、排气侧锥形部784、以和所述供给侧锥形部嵌合的方式形成的供给侧喷嘴(顺向喷嘴)节流孔785、以和所述排气侧锥形部嵌合的方式形成的排气侧喷嘴(逆向喷嘴)节流孔786。流通槽788a、788b(未图示)、788c形成在第一磁极787的挡板侧端面上，具有和实施方式4(图24)同样的功能。另外还设有控制室789。

按照图40的(a)→图40的(b)→图40的(c)转变时的“阀流量与间隙的关系”，和图37的(a)、图37的(b)表示的内容大致相同。但是，相对于间隙的变化，阀流量更加缓和地变化。

图40的(c)的输入电流I＝I_max时，所述挡板的排气侧锥形部784深入排气侧喷嘴节流孔786，从控制室789向大气流出的空气量为极少量。

本实施例采用了凸出圆盘形状的挡板，但是只要如第七实施方式那样应用螺旋盘簧，则尽管挡板大幅轴向位移，也可以缓和产生应力且设定适当的轴向刚性。或者，例如还可以采用鞍形弹簧。

后述第十、第十一实施方式也同样，即使不左右对称地形成凸部和收纳所述凸部的节流孔，也可以仅仅在吸气侧或者排气侧的任意一方上形成。仅设置一方的凸部和收纳所述凸部的节流孔，就能够利用凸部深入节流孔来遮断流出量，此外可以利用进入的程度(阀电流值)实现流量控制。例如，可以是在一方设置凸部和收纳所述凸部的节流孔，另一方为一般的喷嘴挡板阀(例如参照图1)的组合(未图示)。

本实施例在挡板侧形成凸部，在喷嘴侧设置收纳所述凸部的节流孔，但是也可以相反地设置。后述实施例也同样，可以在喷嘴侧形成具有与供给源连通的开口孔的圆筒部，在挡板侧形成保持狭窄间隙来收纳所述圆筒部的凹部。或者，构成为与倒锥形部(凹部)的内周面非接触地收纳的结构，所述倒锥形部形成在挡板侧，将喷嘴的锥形部(凸部)的前端自身作为插入件。只要是利用喷嘴和挡板的相对移动，以使流路的轴向长度改变的方式来设置环状流路形成结构即可(未图示)。

(第十实施方式)

图41是本发明实施方式10的空气压力伺服阀的正面断面图，表示了维持低消耗空气流量的特征且以控制压力与输入电流成比例关系的方式，改进了阀结构。

设有中心轴300、所述中心轴的底部301、所述中心轴的外框部302、线圈架303、线圈304、筒状的外壳305、所述外壳的底部306、紧固螺栓307、排气侧通道308、喷出口309、供给侧外壳310、吸入口311a、供给侧流路311b、以及与空气压力执行器(未图示)连接的控制侧流路312。挡板313在被供给侧外壳310和外壳305夹入的状态下，由紧固外壳305和供给侧外壳310的螺栓(未图示)固定。

所述供给侧外壳和所述挡板之间形成有供给侧空隙部314，所述挡板和所述外壳侧之间形成有排气侧空隙部315。

此外设有形成在所述挡板上的流通孔316a、316b、316c、316d(316b、316d未图示)、供给侧喷嘴(顺向喷嘴)开口部317、排气侧喷嘴(逆向喷嘴)开口部318、与大气连通的定压源口319、电磁铁的磁极320，所述外框部的挡板侧端面321与所述挡板紧密接触。

图42的(a)是阀输入电流I＝0(初始值)的状态，图42的(b)是输入电流I≒I_max/2(动作点)的状态，图42的(c)是输入电流I＝I_max(最大值)的状态。在同图中设有供给侧喷嘴节流孔322、排气侧喷嘴节流孔323。此外设有形成在磁极320的挡板侧端面的流通槽324a、324b(未图示)、324c，它们具有和实施方式4(图24)同样的功能。此外设有形成在所述挡板的供给侧的挡板供给侧凸部325、形成在所述挡板的排气侧的挡板排气侧凸部326、形成在所述供给侧外壳的挡板侧的供给外壳侧凸部327、形成在所述挡板的供给侧的挡板侧凹部328、控制室329和定压室330。由于所述定压室连接至与大气连通的定压源口319，所以压力始终维持为恒定P＝P₀(大气压)。供给外壳侧凸部327和挡板侧凹部328这两个构件始终保持狭窄间隙沿轴向滑动自如地匹配，形成非接触密封部331。

这样，在输入电流0<I<I_max的范围内，控制室329的压力P_a利用所述挡板的位置而在P₀<P_a<P_s的范围变化。可是，定压室330利用密封部331与控制室329遮断，所以压力P＝P₀(恒定)。

电磁铁的产生力(吸引力)F与挡板两面的压力差所产生的负荷，与利用挡板的弹簧刚性所产生的复原力平衡。设定压室330的压力有效作用于所述挡板的面积为S₁、被非接触密封部331覆盖的所述挡板的供给侧的面积为S₂时，在所述挡板的排气侧施加控制压力P_a的总面积为S₁+S₂。设所述挡板(圆盘)的弹簧刚性为K，所述挡板的位移为X时，

(式11)

F＝P_a(S₁+S₂)-S₁P₀-S₂P_a+kx＝(P_a-P_a)S₁+kx

以(P_a-P₀)S₁＞＞K_x的方式设定定压室330的挡板面积S₁时，电磁铁的产生力和控制压力的表压P_a-P₀大致成比例。

(式12)

F≈(P_a-P₀)S₁

如果利用磁饱和现象，则例如图21的坐标图(类型C)所示，可以使电磁铁的产生力与电流值保持比例关系。因此本实施例可以得到维持低消耗空气流量的特征且控制压力与输入电流成比例关系的阀特性。

本实施例中电磁铁的磁极仅设置于中心轴，但是为了增加吸引力，也可以如前述的实施例那样，设置第二磁极(未图示)。

(第十一实施方式)

图43是本发明实施方式11的空气压力伺服阀的正面断面图，和前述实施例同样，以维持低消耗空气流量的特征且控制压力与输入电流成比例关系的方式，改进了阀结构。前述的实施例将定压室设置在挡板的外周部，但是本实施例中在挡板的中心部将定压室设置在排气侧。

设有中心轴900、所述中心轴的底部901、与所述中心轴的轴心呈同心圆形成的外框部902、线圈架903、线圈904、筒状的供给侧外壳905、所述供给侧外壳的底部906、紧固螺栓907、供给侧通道908、吸入口909、排气侧外壳910、喷出口911a、排气侧流路911b以及与空气压力执行器(未图示)连接的控制侧流路912。挡板913在被排气侧外壳910和供给侧外壳905夹入的状态下，由紧固供给侧外壳905和排气侧外壳910的螺栓(未图示)固定。所述供给侧外壳和所述挡板之间形成有供给侧空隙部914，所述挡板和所述排气侧外壳侧之间形成有排气侧空隙部915。所述挡板上形成有流通孔916a、916b、916c、916d(916b、916d未图示)，并且设有电磁铁的磁极917，所述外框部的挡板侧端面918与所述挡板紧密接触。

以下，在放大图44中，设有供给侧喷嘴节流孔919以及形成在所述挡板的供给侧的挡板供给侧凸部920。通过使所述挡板供给侧凸部与供给侧喷嘴节流孔919匹配，来调节供给侧流路的流体阻力R₁。

挡板排气侧凹部921形成在所述挡板的排气侧，外壳排气侧凸部922形成于所述排气侧外壳。通过使所述外壳排气侧凸部与挡板排气侧凹部921匹配，来调节排气侧流路的流体阻力R₂。供给侧空隙部914和排气侧空隙部由所述流通孔连通，和前述的实施例同样，由所述两个空隙部形成控制室923。所述控制室的压力P_a由供给源压力P_s、供给侧流路的流体阻力R₁和排气侧流路的流体阻力R₂决定。

由于定压室924连接至与大气连通的排气侧流路911b，所以压力始终维持恒定P＝P₀(大气压)。和前述实施例同样，电磁铁的产生力(吸引力)F与挡板两面的压力差所产生的负荷，与利用挡板的弹簧刚性所产生的复原力平衡。设由定压室924的半径r₁决定的面积为S₁，在所述定压室相反侧由半径r₂决定的所述挡板供给侧面积为S₂，则在所述挡板的排气侧施加控制压力P_a的总面积为S₂-S₁。

(式13)

F＝P_aS₂-(S₂-S₁)P_a-S₁P₀+kx＝(P_a-P_a)S₁+kx

在式13中，如果以(P_a-P₀)S₁＞＞K_x的方式设定定压室924的半径r₁，则电磁铁的产生力和控制压力的表压P_a-P₀大致成比例。因此，和前述实施例同样，可以得到维持低消耗空气流量的特征且控制压力与输入电流成比例关系的阀特性。

实施例中为了将定压室924的压力保持恒定而形成了非接触密封部921、922，但是也可以采用O形环等密封构件。

(第十二实施方式)

图46是本发明实施方式12的微执行器的正面断面图，关注通过积极利用磁饱和现象能使行程大幅增加这一点，在第六实施方式中的挡板部分单独设置输出轴，构成独立的机构作为微执行器。

本发明通过组合提升阀或者四方引导阀等，可以作为流体伺服阀应用。

设有微执行器的整体820、中心轴821、线圈架822、卷绕于所述线圈架的线圈823、收纳所述中心轴和所述线圈架的外框部824、筒状的线圈侧外壳825、紧固螺栓826、挡板侧外壳827和圆盘形状的挡板828，挡板828由板厚大的凸部(磁路径部)829和板厚小的外周部(弹性变形部)830构成。

设有作为中心轴821的挡板侧端面的第一磁极831、设置在所述外框部的挡板侧端面上的磁极用环832、形成在所述磁极用环的所述挡板侧端面上的第二磁极833。此外设有螺栓834、与所述挡板一体化的本机构的输出轴端部835、非磁性材料的垫片836、以及由本机构的输出轴驱动的流体控制部837。

在此，假设将本实施例的微执行器直接连接于图45的提升阀的情况。在图45中，设有锥形部880、与所述锥形部匹配的喷嘴部881、外壳882、流体供给口883和流体输出口884。

在不施加电流的状态下，如果提升阀的锥形部880与喷嘴部881紧密接触，则流体的流动被遮断。通过施加电流，所述锥形部离开所述锥形部，流体从流体供给口883向流体输出口884供给。即，可以具有电源突然断开的紧急情况下使流路遮断的故障防护功能。

如果采用使输出轴835贯穿中心轴821、使所述输出轴从线圈侧外壳825的底面(图46的左端)突出的结构，则所述输出轴与所述线圈的电流的大小成比例地进行从执行器主体突出的动作。因此，尽管本执行器为磁吸引式装置，但是也可以与以往广泛采用的压电型、磁致伸缩型执行器等同样使用。此时，通过用圆盘形状弹簧弹性支承所述中心轴的两端，所述中心轴可以形成为不受库仑摩擦的影响的非接触支承。

作为参照，以往广泛使用的压电执行器的行程充其量以50μm左右为极限，超磁致伸缩执行器也以100μm左右为极限。因此，通过利用磁饱和现象，使现有的压电执行器、超磁致伸缩执行器得不到的mm级的位移控制成为可能。而且，如第一实施方式(参照表2)所述，即使与音圈电机(线性电机)相比，也具有高共振频率和高速响应性，因推力常数高，所以利用较小功率就能驱动，能使执行器大幅小型化。

补充(1)

本发明阀还可以用作电空转换器。例如，在第一～第七实施方式中，设与挡板对置的供给侧喷嘴为第二喷嘴，设置在所述第二喷嘴的上游侧的固定节流孔为第一喷嘴。如果将所述第一喷嘴和所述第二喷嘴之间设为控制室A，则通过控制所述挡板与所述第二喷嘴间的间隙可以改变所述控制室A的压力。只要将控制室A的压力用作电空转换器的输出压力即可。

此外，在排气侧喷嘴的下游侧设置固定节流孔，将所述固定节流孔和所述排气侧喷嘴之间设为控制室B。将所述控制室A和所述控制室B的压力作为先导压力，例如，可以将四方引导阀用作在上游侧进行控制的先导阀(一次控制阀)。

前述的实施例中利用磁路面积小的薄板的挡板来调节磁饱和。可是，即使利用构成闭环磁路的各要素中的任意一个，也可以利用磁饱和现象。例如，可以在中心轴(图19的附图标记110)的中间部设置圆筒部的板厚小且磁路面积小的部位，作为在所述部位调节磁饱和现象的最大磁通控制面(参照图10的(c))。

或者，不是利用磁路面积的大小，而是利用磁导率小的磁性材料，也可以调节磁饱和现象。此时，只要在闭环磁路内局部配置由磁导率小的磁性材料构成的构件即可。

本发明的前述各实施例中，表示了工作流体采用空气的情况，但是本发明采用的工作流体可以是油、空气以及各种气体。例如电磁线圈的部分可以形成为利用树脂铸型(封止)成形而不接触液体的结构。

作为圆盘(挡板)材料所采用的材料，可以采用强磁性铁镍合金(B)、电磁不锈钢、纯铁等。此外，可以是构成闭环磁路的部件使用磁性材料，除此之外的外壳等采用非磁性材料。

此外，不利用磁饱和现象时，也可以采用各实施例公开的阀结构来实施本发明。例如，在图14的位移相对于电流值的特性的坐标图中，圆盘板厚h＝0.5mm的情况下，以成为I_max＝0.015A的方式，在位移即将急剧上升之前设定电流的上限值。此时，位移(流量)的行程变小，但是在0<I<I_max的范围可以实现流体伺服阀。此时，也可以大力应用本发明阀原有的特征，即高共振频率、高速响应性、较小功率驱动和结构简单等。

例如，在第四实施方式(图23)中，将供给侧喷嘴67附近的供给侧空隙部64设定为狭窄间隙时，从所述供给侧喷嘴开口部流出并沿半径方向流动的流体的流速变大，利用左右的空隙部64、65的动压差的不同，产生把所述挡板向供给侧吸引的力。其结果，例如在电流值小的阶段，存在挡板位移(流量)特性产生死区(所述挡板吸附于壁面)等故障。如果两空隙部64、65的间隙的断面形状设为与半径的大小成比例增加的锥形等结构，则会有效解决动压差的上述问题。

补充(2)

由空气压力执行器驱动的主动除振装置的系统整体的响应性，充其量在数Hz～10数Hz左右。尽管如此，也说明伺服阀为什么需要数百Hz的高共振频率。图47表示了主动除振装置的控制框图的一例，虚线所示的部分A是包含平台的控制对象。图48表示了从图47的控制框图得到的开环传递特性(伯德图)的一例，示出了与开环传递函数(G_L＝X_out/X_in)的频率对应的增益特性(图48的(a))以及相位特性(图48的(b))。如坐标图中的表所示，

(1)曲线i.表示了不实施加速度反馈(以下称为加速度FB)，空气压力伺服阀的共振频率低、f₀＝100Hz(图中的A点)的情况。

(2)曲线ii.表示了通过实施加速度FB，空气压力伺服阀的共振频率低、f₀＝100Hz(图中的B点)的情况。

(3)曲线iii.表示了通过实施加速度FB且应用本发明的空气压力伺服阀时，共振频率高、f₀＝1000Hz(图中的C点)。

对于上述(1)、(2)、(3)，从控制稳定性的观点进行评价。作为参照，图中的D点(5.5Hz)是由包含平台的控制对象和空气压力执行器的弹簧刚性决定的固有值。在开环传递函数的伯德图上，如果满足下述两点，则如众所周知的那样，系统稳定。

(i)相位交点处存在正的增益余量

(ii)增益交点处存在正的相位余量

在上述(1)的情况下，即使空气压力伺服阀的共振频率为f₀＝100Hz也满足上述(i)、(ii)，系统稳定。

在上述(2)的情况下，通过实施加速度FB，从而增益上升，且相位延迟了180度。而且，在伺服阀的共振点f₀＝100Hz(B点)处，由于增益余量为负(增益＞0)，所以系统不稳定。

在上述(3)的情况下，通过实施加速度FB从而增益上升且相位延迟180度这一点和上述(2)相同。但是，本发明的伺服阀在共振点f₀＝1000Hz处，系统的增益充分降低，由于存在足够大的增益余量(增益＜0)，故系统稳定。

根据重复多次试验的结果可知，如果空气压力伺服阀的共振频率为200Hz以上，则能够将加速度FB的增益设定在必要最低限的水平。但是，优选300Hz以上。利用薄圆盘的弹性变形来控制喷嘴开度的本发明阀如表1所示，能够使可动部的有效质量小于现有阀。由于能得到高共振频率、高速响应性，所以能实现比使用现有阀时性能更好的主动除振台或者空气压力伺服装置。

以上，说明了将本发明阀应用于工业用主动除振装置的情况，本发明也可以应用于各种空气压力伺服装置。

空气压力伺服系统具有i.清洁、ii.容易保养、iii.输出/重量比高于电动式、iv.因压缩性而动作平滑、v.可以进行力控制等其他方式所不具有的各种特征。可以说最影响空气压力伺服系统的性能和成本的是作为系统的心脏部的伺服阀，可以预想大幅消除现有阀的缺点的本发明阀，今后会大幅加快空气压力伺服系统的广泛普及。

说明其他的实施方式。挡板支承构件将挡板的一部分固定，并利用电磁铁的吸引力使挡板自身变形，例如挡板支承构件也可以将挡板支承成能够摆动，来改变挡板的姿势。即，本发明能够以使磁力线经过利用挡板支承构件被设置成能够摆动的挡板自身的方式，来配置电磁铁，从而改变喷嘴和挡板的间隔距离。此时，通过用磁性材料形成所述挡板，并且对所述电磁铁施加电流直到所述挡板上施加的磁力进入到磁饱和区域为止，从而可以实现流量控制特性接近各实施方式记载的流量控制特性的装置。

Claims (20)

1.一种流体伺服阀，其特征在于，包括：

喷嘴，由流路连通至流体供给源；

挡板，与所述喷嘴的前端部相对设置；

挡板支承构件，固定所述挡板的一部分；以及

电磁铁，设置成对所述挡板产生吸引力，

利用所述电磁铁的吸引力使所述挡板变形，以改变所述喷嘴的前端部和所述挡板的间隔距离。

2.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，

所述流体供给源用于供给空气，

由所述电磁铁、所述挡板和所述挡板支承构件构成执行器部，

流经所述喷嘴的流体流过由所述电磁铁、所述挡板和所述挡板支承构件各自的壁面形成的空间。

3.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，由大致平板形状构件构成所述挡板，利用所述挡板自身的弹性，使所述挡板具有与所述喷嘴和所述挡板之间的间隙的大小成比例的复原力。

4.根据权利要求3所述的流体伺服阀，其特征在于，

所述电磁铁包括：

第一磁极，形成在与所述挡板相对的内侧端面；以及

第二磁极，形成在与所述挡板相对的外侧端面，

所述挡板包括：

磁路径部，在所述电磁铁所形成的闭环磁路中形成所述第一磁极和第二磁极之间的一部分；以及

弹性支承部，由所述挡板支承构件支承，并且弹性支承所述磁路径部，

所述磁路径部与所述弹性支承部的弯曲刚性不同。

5.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，

在两个部位设置所述喷嘴，一方的喷嘴设置在流体供给侧，构成顺向喷嘴，另一方的喷嘴设置在流体排出侧，构成逆向喷嘴，由所述顺向喷嘴、所述逆向喷嘴和所述挡板构成双向喷嘴挡板阀，

从流体供给源供给的工作流体从供给源侧流经所述顺向喷嘴，流入作为收纳所述挡板的空间的控制室，并从所述控制室流经所述逆向喷嘴而向流体排出侧流出，

所述逆向喷嘴配置成与所述顺向喷嘴大致同轴，且相对于所述挡板位于所述顺向喷嘴的相反侧。

6.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，将吸入口连接至流体供给源，在从控制室连通至大气的流路上安装流量计，对所述电磁铁通电的电流为最大值I_max(A)时由所述流量计测定的流量设为Qmax(L/min)，斜度Qmax/I_max设为基准流量增益α，流量相对于输入电流的特性的轮廓中，斜度的最大值设为最大流量增益β，当定义线性化的效果指标η＝α/β时，η＞0.2。

7.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，

所述电磁铁由作为磁性材料的支承轴、以所述支承轴为轴心进行卷绕的线圈和以收纳所述线圈的方式配置的作为磁性材料的筒部构成，

由所述支承轴、所述挡板和所述筒部构成闭环磁路。

8.根据权利要求7所述的流体伺服阀，其特征在于，贯穿所述支承轴而形成连通流体供给侧或者流体排出侧的通道，所述喷嘴设置于所述通道的所述挡板侧的开口端。

9.根据权利要求7所述的流体伺服阀，其特征在于，

所述挡板具备呈板状且能向所述喷嘴侧变形的弹性变形部，

所述电磁铁具备形成在与所述挡板相对的端面上的磁极，

所述挡板呈板状且在中央部与所述磁极相对，并且利用在所述挡板中形成在所述挡板的中央部和所述挡板支承构件之间的沿厚度方向贯穿的贯穿孔，而形成所述弹性变形部。

10.根据权利要求1所述的流体伺服阀，其特征在于，

形成有横断面为大致环状的流路的环状流路形成结构，形成在所述喷嘴和所述挡板之间，

所述环状流路形成结构包括：

筒状的内周面，形成大致环状的所述流路的外侧边界；以及

插入件，相对于所述内周面沿半径方向分开地插入。

11.根据权利要求10所述的流体伺服阀，其特征在于，

在两个部位设置所述喷嘴，一方的喷嘴设置在流体供给侧，构成顺向喷嘴，另一方的喷嘴设置在流体排出侧，构成逆向喷嘴，

在所述顺向喷嘴和所述挡板之间以及所述逆向喷嘴和所述挡板之间，分别形成有所述环状流路形成结构，

流体从供给源侧流经所述顺向喷嘴，流入作为收纳所述挡板的空间的控制室，并从所述控制室流经所述逆向喷嘴而向流体排出侧流出。

12.根据权利要求10所述的流体伺服阀，其特征在于，

所述筒状的内周面是所述喷嘴的前端部的内周面，

所述插入件是形成在所述挡板的面板部上的大致圆锥形状的凸部。

13.一种流体伺服阀，其特征在于，包括：

喷嘴，由流路连通至流体供给源；

挡板，与所述喷嘴的前端部相对设置；

挡板支承构件，支承所述挡板；

电磁铁，设置成对所述挡板的面板部产生吸引力；以及

闭环磁路，构成为至少包含所述电磁铁和所述挡板，

利用所述电磁铁的吸引力使所述挡板位移，以改变所述喷嘴的前端部和所述挡板的间隔距离，并且，

构成所述闭环磁路的磁性材料部件的磁特性具有：磁通密度相对于磁化力的特性大致成比例关系的线性区域；以及磁通密度相对于磁化力的特性的倾斜角相比于所述线性区域变小的磁饱和区域，

当增大对所述电磁铁通电的电流时，在所述挡板的位移为比最大值小的位移处，流过所述磁性材料部件的磁通的磁通密度进入所述磁饱和区域。

14.根据权利要求13所述的流体伺服阀，其特征在于，对所述电磁铁通电的电流值为最大值I_max时的闭环磁路的线性磁阻的总和设为R_S、所述电磁铁的线圈匝数设为N、磁通设为Φ_max＝N×I_max/R_S，并且所述磁性材料部件的磁路面积设为S_c、磁通密度设为B_max＝Φ_max/S_c时，在所述磁性材料部件的磁通密度相对于磁化力的特性中，所述线性区域和所述磁饱和区域的边界区域处的磁通密度临界值小于B_max。

15.根据权利要求14所述的流体伺服阀，其特征在于，在对所述电磁铁通电的电流的最大值附近，流量相对于电流的特性成为上凸的曲线。

16.根据权利要求14所述的流体伺服阀，其特征在于，所述挡板为所述磁性材料部件。

17.一种流体伺服装置，其特征在于，包括：

权利要求1所述的流体伺服阀；

传感器，检测控制对象物的振动状态；以及

控制部件，根据来自所述传感器的信息调节所述流体伺服阀，由此对空气压力执行器赋予用于控制所述控制对象物的振动状态的气体压力。

18.根据权利要求17所述的流体伺服装置，其特征在于，

包括气体弹簧，所述气体弹簧构成为使所述挡板的一阶固有频率在200Hz以上，并将作为所述控制对象物的除振对象物支承于基台；

所述流体伺服阀从供给侧向所述气体弹簧供给气体且向排气侧排气，

所述传感器为加速度传感器，所述加速度传感器检测所述除振对象物的振动状态，

所述控制部件为主动控制部件，所述主动控制部件根据来自所述加速度传感器的信息调节所述流体伺服阀，由此对所述气体弹簧赋予用于降低所述除振对象物的振动的气体压力。

19.一种流体伺服阀，其特征在于，包括：

电磁铁；

挡板；

挡板支承构件，支承所述挡板；

输出轴，利用所述电磁铁和所述挡板之间产生的麦克斯韦吸引应力而可动，且固定于所述挡板，

利用所述电磁铁、所述挡板和磁轭件构成闭环磁路，

将由所述电磁铁、所述挡板、所述挡板支承构件、所述磁轭件和所述输出轴构成的部位作为微执行器部，

还包括外壳、形成于所述外壳的流体的吸入口、喷出口、用于调整连通所述吸入口和所述喷出口的流路的开度的流量调整阀，

利用所述微执行器部的所述输出轴驱动所述流量调整阀，并且构成所述闭环磁路的磁性材料部件的磁特性具有：磁通密度相对于磁化力的特性大致成比例关系的线性区域；以及磁通密度相对于磁化力的特性的倾斜角相比于所述线性区域变小的饱和区域，当增大对所述电磁铁通电的电流时，在所述挡板的位移为比最大值小的位移处，流过所述磁性材料部件的磁通的磁通密度进入所述饱和区域。

20.根据权利要求19所述的流体伺服阀，其特征在于，所述输出轴设置成贯穿所述电磁铁的中央部。