JP2001132706A - 油圧サーボ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 油圧シリンダのロッドの前進と後退の切り替
わり時の圧力変動の防止及び前進時と後退時でロッドの
応答性の均一化の両立を行うことのできる油圧サーボ弁
を提供する。 【解決手段】 油圧シリンダのヘッド側油圧室の断面積
とロッド側油圧室の断面積の比に基づき、油圧サーボ弁
のスリーブ２８とスプール３０の相対位置で決まる第一
供給開口（ヘッド側サーボ弁上流開口面積）Ｓ1、第一
排出開口（ロッド側サーボ弁下流開口面積）Ｓ2、第二
供給開口（ロッド側サーボ弁上流開口面積）Ｓ3、第二
排出開口（ヘッド側サーボ弁下流開口面積）Ｓ4の面積
比を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油圧サーボ弁、特
に、油圧サーボ弁によって駆動制御される油圧シリンダ
の動作時の振動や騒音の低減及び駆動速度の安定化を行
うことのできる油圧サーボ弁の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から工作機械や重量物を駆動する設
備を制御するアクチュエータとして、重荷重を比較的高
速でかつ容易に制御することのできる油圧サーボ機構が
しばしば用いられている。工作機械としては、例えば、
高速パンチングプレスや高速圧延機、高速杭打ち機等が
あり、重量物を駆動する設備としては、例えば、パイロ
ット訓練用フライトシュミレータや舞台装置、高速振動
試験機等がある。

【０００３】このような工作機械や設備の可動部分を制
御する油圧サーボ機構は、実際に工作機械や設備の可動
部分に接続されるロッドを有する油圧シリンダと、この
油圧シリンダのロッドを進退させるために油圧供給源か
ら動作油を油圧シリンダの油圧室に対して供給及び排出
制御する油圧サーボ弁を含んでいる。

【０００４】一般的な油圧サーボ弁は、油圧サーボ弁本
体内部に円筒状のスリーブと当該スリーブの内部を摺動
可能なスプールを備えている。そして、前記スリーブに
は、油圧供給源が接続されるプレッシャーポートに連通
し前記油圧シリンダのロッドを前進させるために動作油
を油圧シリンダの油圧室（ヘッド側油圧室）に供給する
ヘッド側供給開口と、前記油圧シリンダのロッドを後退
させるために動作油を油圧シリンダの油圧室（ロッド側
油圧室）に供給するロッド側供給開口、及び前記ヘッド
側油圧室への動作油の流入に伴いロッド側油圧室から排
出される動作油またはロッド側油圧室への動作油の流入
に伴いヘッド側油圧室から排出される動作油を油圧供給
源側に戻すロッド側排出開口及びヘッド側排出開口が形
成されている。なお、スリーブを含む油圧サーボ弁本体
には、前記ヘッド側供給開口とヘッド側排出開口が連通
可能で、油圧シリンダのヘッド側油圧ホースが接続され
るヘッド側コントロールポートと、前記ロッド側供給開
口とロッド側排出開口が連通可能で、油圧シリンダのロ
ッド側油圧ホースが接続されるロッド側コントロールポ
ートと、油圧供給源の油圧供給ホースが接続されるプレ
ッシャーポートと、油圧供給源の油圧回収側が接続され
るリターンポートが形成されている。

【０００５】前記スプールは、電磁バルブのＯＮ・ＯＦ
Ｆ制御やコイルに流れる磁束によるトルク制御を利用し
た油圧制御等によりスリーブ内を摺動し、前述した供給
開口や排出開口の開閉を行っている。その結果、油圧シ
リンダ側に対して供給及び排出される動作油の流路の切
り換えを行い、ロッドの進退制御を行っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常、油圧サーボ弁
は、様々なタイプ（片ロッドシリンダや両ロッドシリン
ダ、有効径やストロークの異なるシリンダ等）の油圧シ
リンダに接続できるように、前述した供給開口や排出開
口は同一形状に形成され、供給開口及び排出開口の開閉
面積関係はロッドの前進時と後退時とで、同一になるよ
うにしている。

【０００７】しかし、例えば、片ロッドタイプの油圧シ
リンダでは、ヘッド側油圧室とロッド側油圧室とでは、
その断面積が異なっているため、供給開口と排出開口と
が同一形状の油圧サーボ弁で制御を行った場合、ロッド
の駆動方向が切り替わる時、ヘッド側油圧室で作用する
圧力とロッド側油圧室で作用する圧力が異なってしま
う。そのため、切り替わりの前後で、例えば、ヘッド側
油圧室に着目すると、そこに作用する圧力は急激に変化
（圧力ジャンプ）してしまう。図１０（ａ），（ｂ）に
片ロッド油圧シリンダを駆動した場合のシュミレーショ
ン結果を示す。図１０（ａ）は、目標値（油圧シリンダ
システム側からのヘッド（ロッド）位置の目標値）とロ
ッド（ヘッド）の変位を示し、図１０（ｂ）は、その時
のヘッド側油圧室の圧力Ｐ1とロッド側油圧室の圧力Ｐ2
の変化を示している。図１０（ａ）において、横軸の時
間０．０４の時にロッドの前進が開始され、時間０．０
５の時に前進から後退に切り替わっている（目標値に対
してオーバランしているので、フィードバック制御がか
かっている）。その後、時間０．０９まで僅かずつ後退
し時間０．０９以降ロッドの本格的な後退が開始されて
いる。図１０（ｂ）に示すように、ロッドの駆動方向が
切り替わる時、時間０．０４付近と時間０．０５付近で
ヘッド側油圧室の圧力Ｐ1とロッド側油圧室の圧力Ｐ2が
それぞれ急激に変化している。ロッドの駆動方向が切り
替わる時に、圧力Ｐ1，Ｐ2が変動する原因を以下に示
す。

【０００８】まず、油圧の基本的な関係式を示す。ベル
ヌーイの定理より同一流線上では以下の式が成り立つ。

【０００９】

【数１】 この条件で、下流側速度Ｖ2を求めると以下のようにな
る。

【００１０】

【数２】 そして、流線を通る面積をＳとすれば、単位時間に流れ
る流量Ｑは以下の式で表される。ただし、流量係数（補
正係数）をＣとする。

【００１１】

【数３】 上述の関係に基づき、片ロッドシリンダを油圧サーボ弁
で制御して、油圧シリンダのロッドが前進及び後退する
場合の挙動について説明する。なお、以下の説明におい
て、油圧シリンダのヘッド側サーボ弁上流開口面積（第
一供給開口の開口面積）Ｓ1、ロッド側サーボ弁下流開
口面積（第一排出開口の開口面積）Ｓ2、ロッド側サー
ボ弁上流開口面積（第二供給開口の開口面積）Ｓ3、ヘ
ッド側サーボ弁下流開口面積（第二排出開口の開口面
積）Ｓ4とし、油圧シリンダのヘッド側油圧室の断面積
Ａ1、ロッド側油圧室の断面積Ａ2、ロッドの前進時のヘ
ッド側圧力Ｐ1g、ロッドの前進時ロッド側圧力Ｐ2g、ロ
ッドの後退時のヘッド側圧力Ｐ1r、ロッドの後退時ロッ
ド側圧力Ｐ2r、ロッドの前進速度Ｖg、ヘッド側を基準
にしたロッドの前進速度Ｖg1、ロッド側を基準にしたロ
ッドの前進速度Ｖg2、ロッドの後退速度Ｖr、ヘッド側
を基準にしたロッドの後退速度Ｖr1、ロッド側を基準に
したロッドの後退速度Ｖr2、ロッドにかかる外力Ｆ、油
圧供給源の供給圧力ＰS、とする。

【００１２】油圧シリンダに働く力のバランス式と流体
の連続の式は、前進の場合と後退の場合とで以下のよう
になる。

【００１３】

【数４】 そして、片ロッドシリンダの油圧室の面積の一例として
Ａ1／Ａ2＝２の場合（Ｆ＝０とする）、（式１）の力の
バランスがＡ1Ｐ1g＝Ａ2Ｐ2gとなり、Ｐ1g＝１／２Ｐ2g
となり、（式２）に代入する。同様に、（式３）の力の
バランスがＡ1Ｐ1r＝Ａ2Ｐ2rとなり、Ｐ1r＝１／２Ｐ2r
となり、（式４）に代入すると、（式５）に示しように
Ｖg1，Ｖg2，Ｖr1，Ｖr2が求まる。

【００１４】

【数５】 この時、Ｐ2g及びＰ2rを０〜ＰSまで変化させると、
（式５）のＶg1，Ｖg2，Ｖr1，Ｖr2は、図１１（ａ），
（ｂ）のようになる。図１１（ａ）において、Ｖg1とＶ
g2の交点が前進時の動作点であり、図１１（ｂ）におい
て、Ｖr1とＶr2の交点が後退時の動作点である。すなわ
ち、前進時と後退時の動作点が異なるため、ロッドの駆
動方向の切り替え時に圧力ジャンプが発生する。

【００１５】この圧力ジャンプが起こるときには、動作
油の急激な流れが発生する。この急激な動作油の流れ
は、衝撃力として油圧サーボ弁や油圧シリンダに作用
し、振動や騒音の原因に成ってしまうという問題があ
る。また、局部的に発生するキャビテーションにより油
圧サーボ弁を構成している材料の壊食を招く。さらに、
切り替わり時の圧力ジャンプは、動作油の急激な流速の
変化を招く。その結果、油圧サーボ弁の動作指令に対す
る実際のロッドの動作応答性の違いに繋がり、ロッドの
前進と後退を同一の応答特性で制御することが困難であ
るという問題がある。

【００１６】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、油圧シリンダの前進と後退の切り替わり時に発生
する振動や騒音を低減することができる油圧サーボ弁を
提供することを目的とする。また、油圧シリンダの前進
と後退における応答性の均一化を行うことのできる油圧
サーボ弁を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、第１の発明は、油圧シリンダのロッドを所
定方向に駆動するために油圧供給源からの動作油を前記
油圧シリンダの第一油圧室に供給する第一供給開口及び
それに伴う油圧シリンダからの排出油を回収する第一排
出開口と、前記油圧シリンダのロッドを逆方向に駆動す
るために動作油を油圧シリンダの第二油圧室に供給する
第二供給開口及びそれに伴う油圧シリンダからの排出油
を回収する第二排出開口と、を有するスリーブと、前記
スリーブ内を摺動して前記第一供給開口と第一排出開口
及び第二供給開口と第二排出開口の開口状態を決定する
スプールと、を含む油圧サーボ弁において、前記油圧シ
リンダの第一油圧室と第二油圧室との断面積比に応じ
て、前記第一供給開口、第一排出開口、第二供給開口、
第二排出開口の開口面積比を決定することを特徴とす
る。

【００１８】この構成によれば、開口面積比を油圧シリ
ンダの第一油圧室と第二油圧室の断面積に応じて変化さ
せることで、第一油圧室と第二油圧室の動作圧力の調節
を行うことができるので、油圧シリンダのロッドの前進
と後退の切り替わり時に圧力差を生じないようにするこ
とができる。従って、動作油の急激な流れを防止するこ
とが可能になり、切り替わり時のキャビテーションの発
生防止と振動や騒音の発生を低減することができる。ま
た、動作油の流速の急激な変化も防止することができる
ので、ロッドの前進時と後退時の応答性の差異を低減す
ることができる。

【００１９】上記のような目的を達成するために、第２
の発明は、第１の発明において、前記第一供給開口と第
二排出開口の開口面積比が第一排出開口と第二供給開口
の開口面積比に等しく、かつ前記第一供給開口と第一排
出開口の開口面積比が前記第一油圧室と第二油圧室の面
積比に等しいことを特徴とする。

【００２０】この構成によれば、特に片ロッドタイプの
油圧シリンダのロッドの前進と後退の切り替わり時の圧
力格差を無くすことができるので、動作油の急激な流れ
を防止することが可能になり、切り替わり時の振動や騒
音の発生を低減することができる。

【００２１】上記のような目的を達成するために、第３
の発明は、第１または第２の発明において、前記第一供
給開口と第二排出開口の開口面積比が第一排出開口と第
二供給開口の開口面積比に等しく、かつ前記第二供給開
口と第一排出開口の開口面積比が前記第一油圧室と第二
油圧室の面積比の平方根に等しいことを特徴とする。

【００２２】この構成によれば、動作油の流速をロッド
の前進時と後退時とで等しくすることができるので、特
に片ロッドタイプの油圧シリンダで外力の付加を無視す
る場合、ロッドの前進時と後退時の応答性の差異を低減
することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。

【００２４】油圧サーボ弁のスプールを駆動制御する方
式には、スプールを電磁コイル等を用いて直接制御する
直動方式やノズルフラッパと呼ばれる揺動子を電磁コイ
ル等で駆動してノズルフラッパに作用している油圧バラ
ンスを変化させて、その油圧バランスの変化でスプール
を駆動する間接駆動方式等がある。前記直動方式が制御
信号のＯＮ・ＯＦＦによりスプールを間欠的に駆動し、
それによるスプールの動きをフィードバックして位置制
御を行っているのに対して、ノズルフラッパを用いた間
接駆動方式では、ノズルフラッパの揺動量を電磁コイル
に供給する信号によって任意に制御できるためスプール
も連続的に駆動することが可能であり、微妙なスプール
の制御を行うことができる。すなわち、油圧サーボ弁で
制御する油圧シリンダに対して微妙な駆動制御を行うこ
とができる。

【００２５】本実施形態では、図１に示すようにノズル
フラッパを用いた間接駆動方式で制御する油圧サーボ弁
を例に取って説明する。図１において、油圧サーボ弁本
体１０のハウジングの表面に積層される形でノズルフラ
ッパ本体１２が配置されている。ノズルフラッパ本体１
２の内部には、電機子（アーマチュア）１４とコイル１
６と永久磁石（不図示）を有するトルクモータ１８が配
置されている。コイル１６は入力制御信号に応じて磁界
を発生し、永久磁石との相互作用により、電機子１４に
トルクを及ぼす。すなわち電機子１４はコイル１６の磁
界に応じて図面に垂直な軸に対して時計回り又は反時計
回りに傾斜する。前記電機子１４にはノズルフラッパ２
０が接続され、このノズルフラッパ２０は一対の対向す
るノズル２２ａ，２２ｂの間に配置されている。

【００２６】油圧サーボ弁本体１０で油圧供給源（不図
示）が接続されるプレッシャーポートＰｓからの流路
は、油圧サーボ弁本体１０内部で分岐し、その一部は、
フィルタ２４及びその両端側に配置されたオリフィス２
６ａ，２６ｂに連通している。そして、オリフィス２６
ａ，２６ｂの下流で、更に流路が分岐し、一方は前記ノ
ズル２２ａ，２２ｂに連通し、他方は、油圧サーボ弁本
体１０内部のスリーブ２８の内径部を摺動するスプール
３０の両端側の圧力室３２ａ，３２ｂに連通している。
また、前記油圧サーボ弁本体１０には、駆動対象である
油圧シリンダ（不図示）のヘッド側油圧室（第一油圧
室）に接続され動作油圧の供給及び排出を行うコントロ
ールポートＰ1と、ロッド側油圧室（第二油圧室）に接
続され動作油圧の供給及び排出を行うコントロールポー
トＰ2が形成されている。このコントロールポートＰ1，
Ｐ2は油圧シリンダの第一油圧室または第二油圧室に動
作油を供給する場合、前記プレッシャーポートＰｓと連
通する。更に、油圧サーボ弁本体１０には、コントロー
ルポートＰ1，Ｐ2を介して回収された第一油圧室または
第二油圧室からの動作油を油圧供給源に戻すリターンポ
ートＲが形成されている。なお、ノズル２２ａ，２２ｂ
を通過する動作油の量は微量であるが、通過した動作油
はリターンポートＲに戻る。

【００２７】前記スプール３０は、複数のフランジを有
する円筒形状を呈している。一方、スリーブ２８は壁面
に複数の窓を有している。そして、前記スプール３０が
スリーブ２８内部を摺動することによりフランジと窓の
位置関係が変化し、開口が形成され、プレッシャーポー
トＰｓ、コントロールポートＰ1，Ｐ2、リターンポート
Ｒの連通状態の切り換えを行い、油圧シリンダのロッド
の進退駆動を行っている。図１において、前記開口は、
プレッシャーポートＰｓとコントロールポートＰ1とを
連通して、動作油を油圧シリンダのヘッド側油圧室に供
給する第一供給開口Ｓ1と、コントロールポートＰ2とリ
ターンポートＲを連通して、油圧シリンダのロッド側油
圧室から排出された動作油を油圧供給源に戻す第一排出
開口Ｓ2と、プレッシャーポートＰｓとコントロールポ
ートＰ2とを連通して、動作油を油圧シリンダのロッド
側油圧室に供給する第二供給開口Ｓ3と、コントロール
ポートＰ1とリターンポートＲを連通して、油圧シリン
ダのヘッド側油圧室から排出された動作油を油圧供給源
に戻す第二排出開口Ｓ4である。

【００２８】次に、スプール３０の動作概略を示す。前
記電機子１４は入力制御信号を受けたコイル１６が発生
する磁界と永久磁石の磁界の相互作用により傾斜する。
その結果、電機子１４に接続されたノズルフラッパ２０
が揺動し、ノズル２２ａ側とノズル２２ｂ側とで動作油
の流れ易さが変化する。その結果、ノズル２２ａ，２２
ｂのノズル背圧Ｐｎ１，Ｐｎ２（圧力室３２ａ，３２ｂ
における圧力と同じ）に差を生じる。例えば、電機子１
４が反時計回りに回転しノズルフラッパ２０が右に傾い
た場合、ノズル２２ｂ側の動作油が流れ難くなり、ノズ
ル背圧Ｐｎ２が高くなり、逆にノズル２２ａ側の動作油
が流れ易くなり、ノズル背圧Ｐｎ１が低くなる。その結
果、スプール３０はこのノズル背圧差によりスリーブ２
８内を図中左方向に変位する。なお、この変位はスプー
ル３０に接続されたフィードバックばね３４によりノズ
ルフラッパ２０にフィードバックされる。このフィード
バックによりノズルフラッパ２０が中心位置に戻り、ノ
ズル背圧Ｐｎ１＝Ｐｎ２、すなわちノズル背圧差が０と
なる位置で、スプール３０は平衡し停止する。図１にお
いて例えば左にスプール３０が変位した場合、前記第一
供給開口Ｓ1と第一排出開口Ｓ2が開き、動作油を油圧シ
リンダのヘッド側油圧室に供給すると同時に、ロッド側
油圧室から動作油を排出させて、油圧シリンダのロッド
を前進方向（突出方向に）移動させる。また、右にスプ
ール３０が変位した場合、前記第二供給開口Ｓ3と第二
排出開口Ｓ4が開き、動作油を油圧シリンダのロッド側
油圧室に供給すると同時に、ヘッド側油圧室から動作油
を排出させて、油圧シリンダのロッドを後退方向（引込
み方向に）移動させる。

【００２９】また、入力制御信号が０の場合、電機子１
４は傾斜せず、ノズルフラッパ２０はノズル２２ａ，２
２ｂの中央に位置する。その結果、ノズル背圧Ｐｎ１＝
Ｐｎ２となり、スプール３０中央の位置から変位しな
い。そのため、コントロールポートＰ１，Ｐ２とプレッ
シャーポートＰｓ、リターンポートＲとの間をスプール
３０が閉鎖しているので、動作油は流れず、油圧サーボ
弁１０の出力は０である。

【００３０】このように、トルクモータ１８への入力制
御信号が各開口の開度を制御するので、被制御系である
油圧シリンダのロッドの駆動力も入力制御信号によって
制御される。

【００３１】本実施形態の特徴的事項は、第一供給開口
Ｓ1と、第一排出開口Ｓ2と、第二供給開口Ｓ3と、第二
排出開口Ｓ4の開口面積比を油圧シリンダの第一油圧室
と第二油圧室の断面積比に応じて、決定することによっ
て、油圧シリンダのロッドの駆動方向が切り替わるとき
の第一油圧室や第二油圧室に対する動作油の圧力変動や
速度変動を防止しているところである。

【００３２】すなわち、ロッドの駆動方向が切り替わる
ときに第一油圧室及び第二油圧室に与えられる力が等し
くなるように動作油を供給することによって、第一油圧
室または第二油圧室における圧力ジャンプを防止するこ
とができる。

【００３３】先に述べた油圧の基本的な関係式に基づ
き、片ロッドシリンダを油圧サーボ弁で制御した場合の
挙動について詳細に説明する。まず、図２を用いて、油
圧シリンダのロッドが前進する場合について説明する。
図２は、図１の油圧サーボ弁に接続される片ロッドタイ
プの油圧シリンダ３６のロッド３８が前進する場合の状
態概念図であり、コントロールポートＰ１を介して第一
供給開口Ｓ1がヘッド側油圧室（第一油圧室）３６ａに
接続され、コントロールポートＰ２を介して第一排出開
口Ｓ2がロッド側油圧室（第二油圧室）３６ｂに接続さ
れている状態を示している。この時の油圧シリンダの挙
動は、以下の式で示すことができる。なお、第一供給開
口を示すＳ1は、以下に示す式においてヘッド側サーボ
弁上流開口面積、すなわち第一供給開口の開口面積を示
すものとする。同様にＳ2は、ロッド側サーボ弁下流開
口面積、すなわち第一排出開口の開口面積を示すものと
する。また、Ａ1は、ヘッド側油圧室３６Ａの断面積、
Ｐ1gは、ロッド３８の前進時のヘッド側圧力、Ａ2は、
ロッド側油圧室３６ｂの断面積、Ｐ2gは、ロッド３８の
前進時ロッド側圧力、Ｆは、ロッド３８にかかる外力、
Ｖgは、ロッド３８の前進速度、ＰSは、油圧供給源の供
給圧力とする。

【００３４】この時、力のバランスから（式６）が導き
出され、前述した基本関係式に基づき（式７）が導き出
される。

【００３５】

【数６】 そして、（式６）及び （式７）を解き、Ｐ1g，Ｐ2g，
Ｖgを求めると以下のようになる。

【００３６】

【数７】 一方、図３は、図１の油圧サーボ弁に接続される片ロッ
ドタイプの油圧シリンダ３６のロッド３８が後退する場
合の状態概念図であり、コントロールポートＰ１を介し
て第二排出開口Ｓ4がヘッド側油圧室３６ａに接続さ
れ、コントロールポートＰ２を介して第二供給開口Ｓ3
がロッド側油圧室３６ｂに接続されている状態を示して
いる。この時の油圧シリンダの挙動は、以下の式で示す
ことができる。なお、第二排出開口を示すＳ4は、以下
に示す式においてヘッド側サーボ弁下流開口面積、すな
わち第二排出開口の開口面積を示すものとする。同様に
Ｓ3は、ロッド側サーボ弁上流開口面積、すなわち第二
供給開口の開口面積を示すものとする。また、Ｐ1rは、
ロッド３８の後退時のヘッド側圧力、Ｐ2rは、ロッド３
８の後退時ロッド側圧力、Ｖrは、ロッド３８の後退速
度とする。そして、上述した前進時と同様な手順によ
り、Ｐ1r，Ｐ2r，Ｖrを求めると以下のようになる。

【００３７】

【数８】 前述したように、ロッド３８の前進と後退の切り替わり
時に圧力ジャンプを発生させないためには、前進及び後
退でヘッド側及びロッド側の油圧室３６ａ，３６ｂで発
生する圧力に変化が無くなればよい（Ｐ1g＝Ｐ1r）。そ
の条件を求めると以下のようになる。ただし、この時、
Ｆ＝０として計算する。

【００３８】（式８）及び（式１３）及びＦ＝０より

【数９】 この時、Ｐ1g＝Ｐ1rより

【数１０】 従って、（式１６）を満たす条件は、以下のようにな
る。

【００３９】 （Ｓ2／Ｓ1）＝（Ｓ3／Ｓ4）かつ（Ａ1／Ａ2）＝（Ｓ1／Ｓ2）・・・条件１ 同様に、Ｐ2g＝Ｐ2rとなる条件を求めると以下のように
なる。

【００４０】

【数１１】 この（式１７）を満たす条件も（式１６）を満たす条件
と同じになる。

【００４１】従って、条件１を満たすように、ヘッド側
油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド側油圧室３６ｂの断
面積Ａ2の比に基づき、第一供給開口Ｓ1、第一排出開口
Ｓ2、第一供給開口Ｓ3、第一排出開口Ｓ4の面積比を決
定すれば、油圧シリンダ３６の前進と後退の切り替わり
時に圧力変動を起こさせなくすることができる。

【００４２】この条件で、図２，図３のように油圧シリ
ンダ３６を駆動した場合のシュミレーション結果を図４
（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ）は、図１０（ａ）と
同様に、目標値（油圧シリンダシステム側からのヘッド
（ロッド）位置の目標値）とロッド３８（ヘッド）の変
位を示し、図４（ｂ）は、その時のヘッド側油圧室３６
ａの圧力Ｐ1とロッド側油圧室３６ｂの圧力Ｐ2の変化を
示している。図４（ａ）において、横軸の時間０．０４
の時にロッドの前進が開始され、時間０．０５の時に前
進から後退に切り替わっている（目標値に対してオーバ
ランしているので、フィードバック制御がかかってい
る）。その後、時間０．０９まで僅かずつ後退し時間
０．０９以降ロッドの本格的な後退が開始されている。
図４（ｂ）と図１０（ｂ）の比較から明らかなように、
上述の（式１６）の条件を満たせば、ヘッド側油圧室３
６ａの圧力Ｐ1及びロッド側油圧室３６ｂの圧力Ｐ2の急
激な変化は無くなる。つまり、急激（衝撃的）な動作油
の流れが防止され、振動や騒音を回避することができ
る。

【００４３】しかしながら、図４（ａ）に示されるよう
に、ロッド（ヘッド）の変位速度（応答性）が前進時
（時間０．０４以降）と後退時（時間０．０９以降）で
異なっている。工作機械や各種設備を動作させる場合、
前進時と後退時とで、同じ応答性であることが望まし
い。従来では、応答性を同じにするため、複雑な制御を
行っていた。本実施形態においては、この応答性の均一
化も実現する。つまり、前述した（式１０）及び（式１
４）よりＶg² ＝Ｖr²となる条件を算出する（ヘッド側
油圧室３６ａ側で考えた場合）。この場合もＦ＝０とし
て計算する。

【００４４】

【数１２】 従って、（式１８）を満たす条件は、以下のようにな
る。

【００４５】 （Ｓ1／Ｓ2）＝（Ｓ4／Ｓ3）かつ（Ａ1／Ａ2）＝（Ｓ3／Ｓ2）²・・・条件２ 同様に、ロッド側油圧室３６ｂ側で考えた場合、Ｖg²
＝Ｖr²となる条件を求めると以下のようになる。

【００４６】

【数１３】 この（式１９）を満たす条件も（式１８）を満たす条件
と同じになる。

【００４７】従って、条件２を満たすように、ヘッド側
油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド側油圧室３６ｂの断
面積Ａ2の比に基づき、第一供給開口Ｓ1、第一排出開口
Ｓ2、第一供給開口Ｓ3、第一排出開口Ｓ4の面積比を決
定すれば、油圧シリンダ３６の前進時と後退時の応答性
を同じにすることができる。

【００４８】この条件で、図２，図３のように油圧シリ
ンダ３６を駆動した場合のシュミレーション結果を図５
（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ）と図１０（ａ）の比
較から明らかなように、上述の（式１３）の条件を満た
せば、ロッドの前進時と後退時で変位速度（応答性）が
等しくなる。つまり、複雑な制御を行うことなく容易な
制御で安定した油圧シリンダ（特に片ロッドタイプ）の
駆動制御を行うことが可能なる。

【００４９】以上のことから条件１及び条件２にを満た
すように、ヘッド側油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド
側油圧室３６ｂの断面積Ａ2の比に基づき、第一供給開
口Ｓ1、第一排出開口Ｓ2、第一供給開口Ｓ3、第一排出
開口Ｓ4の面積比を決定し、図２，図３のように油圧シ
リンダ３６を駆動した場合のシュミレーション結果を図
６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）と図１０
（ａ），（ｂ）の比較から明らかなように、油圧シリン
ダ３６の前進と後退の切り替わり時に圧力変動を起すこ
となく、かつロッドの前進時と後退時で変位速度（応答
性）を等しくすることが可能になり、容易な制御で良好
な油圧シリンダの駆動制御を行うことができる。

【００５０】ところで、ヘッド側油圧室３６ａの断面積
Ａ1とロッド側油圧室３６ｂの断面積Ａ2の比に基づき、
第一供給開口Ｓ1、第一排出開口Ｓ2、第一供給開口Ｓ
3、第二排出開口Ｓ4の面積比を決定する場合の方法とし
ては、図１に示るスリーブ３８やスプール３０の形状を
適宜変更し、スプール３０が摺動した場合に形成される
第一供給開口Ｓ1、第一排出開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ
3、第二排出開口Ｓ4の面積を決定することができる。図
７（ａ）にスリーブ２８の断面図、図７（ｂ）にスプー
ル３０の断面図を示す。

【００５１】図７（ａ）に示すように、スリーブ２８の
壁面には、第一供給開口Ｓ1、第一排出開口Ｓ2、第二供
給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4を形成するための開口２８
ａ1〜２８ａ4及び、コントロールポートＰ１，Ｐ２、リ
ターンポートＲが接続される開口２８ｂ，２８ｃ，２８
ｄが形成されている。一方、図７（ｂ）に示すように、
スプール３０には、フランジ３０ａ1〜３０ａ4が形成さ
れている。開口２８ａ1〜２８ａ4及びフランジ３０ａ1
〜３０ａ4の組み合わせにより、第一供給開口Ｓ1、第一
排出開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4の開
口面積が決定される。

【００５２】図８（ａ），（ｂ）には、ヘッド側油圧室
３６ａの断面積Ａ1とロッド側油圧室３６ｂの断面積Ａ2
の比が２：１の場合に、ロッドの前進時と後退時に圧力
変動が無く、また速度変化（応答性の変動）もない状態
を実現するために、スリーブ２８の断面形状を変化させ
た状態を示している。図８（ａ）は、ロッドを前進させ
るためにスプール３０が図中左方向に移動している状態
を示し、図８（ｂ）は、ロッドを後退させるためにスプ
ール３０が図中右方向に移動している状態を示してい
る。前述したように、スプール３０は摺動するのみであ
るので、その摺動動作で第一供給開口Ｓ1、第一排出開
口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4の開口面積
を個々に変化させることはできない。そのため、スプー
ル３０のフランジ３０ａ1〜３０ａ4が同一形状の場合、
スリーブ２８側の断面形状を変えている。断面積Ａ1と
断面積Ａ2の比が２：１の場合、上述した条件１及び条
件２を満たすためには、図８（ａ），（ｂ）に示すよう
に、第二排出開口Ｓ4で形成される動作油の流路を基準
（１００％）にした場合、第一供給開口Ｓ1で形成され
る動作油の流路は７０％、第一排出開口Ｓ2が３５％、
第二供給開口Ｓ3が５０％となるようにスリーブ２８の
断面形状の加工をする。このような断面形状（流路）に
することにより、スプール３０の摺動動作のみで、最適
な動作油の流路を形成することができる。もちろん、必
要に応じて、条件１のみを満たすようにスリーブ２８側
の断面形状を選択してもよいし、条件２のみを満たすよ
うにスリーブ２８側の断面形状を選択してもよい。ま
た、図８（ａ），（ｂ）では、流路が４カ所形成できる
ように４分割している例を示しているが、分割数は任意
であり、例えば２分割等でもよい。なお、加工性や対象
性を考慮すると、分割数は偶数で２または４を選択する
のが好ましい。

【００５３】また、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、
スリーブ２８の開口２８ａ1〜２８ａ4の形状を同一とし
て、スプール３０のフランジ３０ａ〜３０ｄの形状を切
り欠くことによって変化させて、第一供給開口Ｓ1、第
一排出開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4の
開口面積比を決めてもよい。もちろんこの場合もフラン
ジの切り欠き数や切り欠き方は任意であり、適宜選択可
能であり本実施形態と同様な効果を得ることができる。

【００５４】なお、前述した条件１及び条件２の算出を
行う際に、Ｆ＝０として、計算を行ったが、Ｆを考慮し
て、計算する場合、前記（式８）〜（式１５）を利用す
ると、Ｐ1g，Ｐ1r，Ｐ2g，Ｐ2rは以下のようになる。

【００５５】

【数１４】 この時、Ｐ1g＝Ｐ1rとなる条件、または、Ｐ2g＝Ｐ2rと
なる条件を求めると、以下のようになる。

【００５６】（Ｓ1／Ｓ2）＝（Ｓ4／Ｓ3）かつ（Ｓ1／
Ｓ2）＝（Ａ1／Ａ2） 一方、ヘッド側油圧室３６ａ側で考えた場合のＶg²、Ｖ
r²は以下のようになる。

【００５７】

【数１５】 また、ロッド側油圧室３６ｂ側で考えた場合のＶg²、Ｖ
r²は以下のようになる。

【００５８】

【数１６】 そして、Ｖg² ＝Ｖr²となる条件を求めると、ヘッド側
油圧室３６ａ側及びロッド側油圧室３６ｂ側、いずれの
場合も以下のようになる。

【００５９】

【数１７】 すなわち、片ロッド油圧シリンダで外力Ｆを考慮する場
合でも、ヘッド側油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド側
油圧室３６ｂの断面積Ａ2の比に基づき、第一供給開口
Ｓ1、第一排出開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開
口Ｓ4の面積比を決定すれば、前進と後退の切り替わり
時の急激な圧力変動を防止することができると共に、ヘ
ッド側油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド側油圧室３６
ｂの断面積Ａ2の比に補正を加えて、第一供給開口Ｓ1、
第一排出開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4
の面積比を決定すれば、前進時と後退時の応答性の均一
化も行うことが可能になる。さらに、その圧力変動の防
止と応答性の均一化の両立も行うことが可能になる。

【００６０】なお、上述した構成は、一例であり、ヘッ
ド側油圧室３６ａの断面積Ａ1とロッド側油圧室３６ｂ
の断面積Ａ2の比に基づき、第一供給開口Ｓ1、第一排出
開口Ｓ2、第二供給開口Ｓ3、第二排出開口Ｓ4の面積比
を決定する構成であれば、同様な効果を得ることができ
る。また、図１においては、ノズルフラッパを用いて油
圧でスプールを動作させるシステムを示しているが、電
磁バルブ等によりスリーブを直接機械的に動作させるタ
イプの油圧サーボ弁システム等にも本実施形態を適用す
ることが可能であり同様な効果を得ることができる。

【００６１】また、参考のため、両ロッド油圧シリンダ
（ヘッドの左右の面積Ａ1＝Ａ2）で外力Ｆを考慮する場
合について以下に示す。前記（式８）〜（式１５）を利
用すると、Ｐ1g，Ｐ1r，Ｐ2g，Ｐ2rは以下のようにな
る。

【００６２】

【数１８】 この時、Ｐ1g＝Ｐ1rとなる条件、または、Ｐ2g＝Ｐ2rと
なる条件を求めると、以下のようになる。

【００６３】 （Ｓ1／Ｓ2）＝（Ｓ3／Ｓ4）かつ（Ｓ3／Ｓ4）＝１ つまり、Ｓ1＝Ｓ2＝Ｓ3＝Ｓ4となる。

【００６４】一方、ヘッド側油圧室３６ａ側で考えた場
合のＶg²、Ｖr²は以下のようになる。

【００６５】

【数１９】 また、ロッド側油圧室３６ｂ側で考えた場合のＶg²、Ｖ
r²は以下のようになる。

【００６６】

【数２０】 そして、Ｖg² ＝Ｖr²となる条件を求めると、ヘッド側
油圧室３６ａ側及びロッド側油圧室３６ｂ側、いずれの
場合も以下のようになる。

【００６７】

【数２１】 すなわち、両ロッド油圧シリンダで外力Ｆを考慮する場
合、前進と後退の切り替わり時の急激な圧力変動を防止
と、前進時と後退時の応答性の均一化は、個々に行うこ
とは可能であるが、その圧力変動の防止と応答性の均一
化の両立を行うことはできないことがわかる。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、油圧サーボ弁のスプー
ルとスリーブで形成される開口面積比を油圧シリンダの
第一油圧室と第二油圧室の断面積に応じて変化させるこ
とで、第一油圧室と第二油圧室の動作圧力の調節を行う
ことができるので、油圧シリンダのロッドの前進と後退
の切り替わり時に圧力差を生じないようにすることがで
きる。従って、動作油の急激な流れを防止することが可
能になり、切り替わり時の振動や騒音の発生を低減する
ことができる。また、動作油の流速の急激な変化も防止
することができるので、ロッドの前進時と後退時の応答
性の差異を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用する油圧サーボ弁の概略構成図
である。

【図２】 片ロッドシリンダを油圧サーボ弁で制御し
て、ロッドを前進させる場合の挙動を説明するための説
明図である。

【図３】 片ロッドシリンダを油圧サーボ弁で制御し
て、ロッドを後退させる場合の挙動を説明するための説
明図である。

【図４】 本発明の係る油圧サーボ弁を用いて、ロッド
の前進と後退の切り替わり時に圧力変動が防止されるこ
とを説明する説明図である。

【図５】 本発明の係る油圧サーボ弁を用いて、前進時
と後退時でロッドの応答性が均一化されることを説明す
る説明図である。

【図６】 本発明の係る油圧サーボ弁を用いて、ロッド
の前進と後退の切り替わり時の圧力変動の防止及び前進
時と後退時でロッドの応答性の均一化の両立が行われる
ことを説明する説明図である。

【図７】 本発明を適用する油圧サーボ弁のスリーブと
スプールの構成を説明する概略説明図である。

【図８】 本発明を適用する油圧サーボ弁の好適な開口
面積比を得るためのスリーブの形状の一例を説明する説
明図である。

【図９】 本発明を適用する油圧サーボ弁の好適な開口
面積比を得るためのスプールの形状の一例を説明する説
明図である。

【図１０】 従来の油圧サーボ弁で、ロッドの前進と後
退の切り替わり時に圧力変動及び前進時と後退時でロッ
ドの応答性の変動が発生することを説明する説明図であ
る。

【図１１】 片ロッドシリンダの前進時と後退時の動作
点を説明する説明図である。

【符号の説明】

１０ 油圧サーボ弁本体、１２ ノズルフラッパ本体、
１４ 電機子（アーマチュア）、１６ コイル、１８
トルクモータ、２０ ノズルフラッパ、２２ａ，２２ｂ
ノズル、２４ フィルタ、２６ａ，２６ｂ オリフ
ィス、２８ スリーブ、３０ スプール、３２ａ，３２
ｂ 圧力室、Ｓ1 第一供給開口（ヘッド側サーボ弁上
流開口面積）、Ｓ2 排出開口（ロッド側サーボ弁下流
開口面積）、Ｓ3 第二供給開口（ロッド側サーボ弁上
流開口面積）、Ｓ4 第二排出開口（ヘッド側サーボ弁
下流開口面積）。

フロントページの続き (72)発明者 田中 玄昌 愛知県西加茂郡三好町油田24番地 東京精 密測器株式会社内 Ｆターム(参考） 3H002 BA01 BB01 BB03 BC05 BD04 BE02 3H053 AA35 BA04 DA11 3H056 AA09 BB02 BB04 BB24 BB49 CA02 CB07 CC05 CD06 EE06 GG12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油圧シリンダのロッドを所定方向に駆動
   するために油圧供給源からの動作油を前記油圧シリンダ
   の第一油圧室に供給する第一供給開口及びそれに伴う油
   圧シリンダからの排出油を回収する第一排出開口と、前
   記油圧シリンダのロッドを逆方向に駆動するために動作
   油を油圧シリンダの第二油圧室に供給する第二供給開口
   及びそれに伴う油圧シリンダからの排出油を回収する第
   二排出開口と、を形成可能なスリーブと、前記スリーブ
   内を摺動して前記第一供給開口と第一排出開口及び第二
   供給開口と第二排出開口の開口状態を決定するスプール
   と、 を含む油圧サーボ弁において、 前記油圧シリンダの第一油圧室と第二油圧室との断面積
   比に応じて、前記第一供給開口、第一排出開口、第二供
   給開口、第二排出開口の開口面積比を決定することを特
   徴とする油圧サーボ弁。
2. 【請求項２】 請求項１記載のサーボ弁において、 前記第一供給開口と第二排出開口の開口面積比が第一排
   出開口と第二供給開口の開口面積比に等しく、かつ前記
   第一供給開口と第一排出開口の開口面積比が前記第一油
   圧室と第二油圧室の面積比に等しいことを特徴とする油
   圧サーボ弁。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のサーボ弁
   において、 前記第一供給開口と第二排出開口の開口面積比が第一排
   出開口と第二供給開口の開口面積比に等しく、かつ前記
   第二供給開口と第一排出開口の開口面積比が前記第一油
   圧室と第二油圧室の面積比の平方根に等しいことを特徴
   とする油圧サーボ弁。