JP2017101695A - リリーフ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】リリーフ弁のリリーフ圧の設定精度を高める。
【解決手段】リリーフ弁は、圧油ポート１１、排油ポート１２、圧油ポートと排油ポートの間に設けられた圧油室１３、及び、圧油室に設けられた弁座Ｓを有する弁本体１０と、弁座に対し進退方向に移動することにより当該弁座の油路を開閉するポペット式の弁体２０と、弁体に進行方向の荷重を直接的又は間接的に与えるピストン４１と、電動モータ３と、電動モータの出力軸の回転量をピストンの進退方向の直動変位に変換する直動機構４と、電動モータの出力軸のトルクが所定のリリーフ圧と対応した値となるように電動モータをサーボ制御するコントローラ５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リリーフ圧を調整可能なリリーフ弁に関する。

従来、電磁ソレノイドの推力を変化させることによってリリーフ圧を調整可能なリリーフ弁が知られている。例えば、特許文献１に記載の比例電磁式リリーフ弁は、弁本体と、この弁本体に設けられた圧油ポート及び排油ポートと、この圧油ポートと排油ポートとの間に設けられた圧油室と、この圧油室に設けられた弁座と、電磁ソレノイド（直流ソレノイド）によって駆動され、弁座の油路を開閉するポペット式の弁体とを備えている。このリリーフ弁では、電磁ソレノイドに流す電流に比例して弁体の推力が可変であり、これによりリリーフ圧（即ち、弁が開放される設定圧力）を調整することができる。そして、圧油室の油圧がリリーフ圧を上回ると弁座の油路が開放されて圧油室の油が排油ポートへ排出される。

実開昭６１−５４５６７号公報

上記のように電磁ソレノイドを備えたリリーフ弁では、電磁ソレノイドにヒステリシスがあり、設定されたリリーフ圧に対し実際のリリーフ圧に誤差が生じたり変動したりすることがある。その結果、リリーフ圧を設定したあとに、例えば、弁体が油圧によって振動するなど、不安定な油圧現象が発生するおそれがある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、リリーフ弁においてリリーフ圧の設定精度を高めることにある。

本発明の一態様に係るリリーフ弁は、
圧油ポート、排油ポート、前記圧油ポートと前記排油ポートの間に設けられた圧油室、及び、前記圧油室に設けられた弁座を有する弁本体と、
前記弁座に対し進退方向に移動することにより当該弁座の油路を開閉するポペット式の弁体と、
前記弁体に前記進退方向のうち進行方向の荷重を直接的又は間接的に与えるピストンと
電動モータと、
前記電動モータの出力軸の回転量を前記ピストンの前記進退方向の直動変位に変換する直動機構と、
前記電動モータの前記出力軸のトルクが所定のリリーフ圧と対応した値となるように前記電動モータをサーボ制御するコントローラとを備えていることを特徴としている。

上記構成のリリーフ弁では、ピストンが直接的又は間接的に弁体に与える荷重は電動モータの出力軸のトルクと対応している。よって、電動モータの出力軸のトルクが所定の値に維持されるように電動モータがサーボ制御されることによって、ピストンが弁体に与える荷重が一定に維持される。これにより、リリーフ弁のリリーフ圧の変動を抑制することができる。また、ピストンが電磁ソレノイドで駆動される場合と比較して、リリーフ弁のリリーフ圧を高い精度で設定することができる。更に、ピストンが電磁ソレノイドで駆動される場合と比較して、リリーフ弁を小型化することができる。

上記リリーフ弁において、前記コントローラが、前記ピストンに規定された基準点の位置を制御量とし、前記基準点の位置が所定の目標位置となるように前記電動モータをサーボ制御してよい。

上記構成のリリーフ弁によれば、ピストンが電磁ソレノイドで駆動される場合と比較して、ピストンの位置をより精確に制御することができ、より精確にリリーフ圧を設定することができる。

上記リリーフ弁が、前記ピストンと前記弁体との間に介在するバネを更に備えており、前記コントローラが、前記リリーフ圧に基づいて前記バネのセット長を決定し、前記セット長に基づいて前記目標位置を決定してよい。

上記構成のリリーフ弁によれば、サーボ制御される電動モータの出力でバネが弁体に与えるバネ荷重を調整することができるので、リリーフ圧をより精確に設定することが可能であり、また、設定されたリリーフ圧を維持することができる。

上記リリーフ弁において、前記ピストンが前記弁体を直接的に又は間に剛体を介して押圧しており、前記コントローラが、前記ピストンが前記弁体を押圧する荷重が一定となるように前記電動モータを制御してよい。

上記構成のリリーフ弁によれば、ピストンが一定の荷重で弁体を押圧している状態を維持することができる。

本発明によれば、リリーフ弁のリリーフ圧の設定精度を高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るリリーフ弁の概略構成を示す図である。 図２は、リリーフ弁のコントローラの制御構成を示す図である。 図３は、図１に示す実施形態の変形例１に係るリリーフ弁の概略構成を示す図である。 図４は、変形例１に係るリリーフ弁のコントローラの制御構成を示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。先ず、図１を参照しながら、本発明の一実施形態に係るリリーフ弁１の概略構成を説明する。

リリーフ弁１は、圧油ポート１１、排油ポート１２、圧油ポート１１と排油ポート１２の間に設けられた圧油室１３、及び、圧油室１３に設けられた弁座Ｓを有する弁本体１０と、弁座Ｓに対し進退方向Ｌに移動することにより当該弁座Ｓの油路を開閉するポペット式の弁体２０と、弁体２０にリリーフ圧を与えるとともにそれを制御するリリーフ圧制御装置３０とを概ね備えている。リリーフ弁１のリリーフ圧は固定でも可変でも構わない。

本実施形態においては、弁本体１０に弁座Ｓが形成された弁座体１４が挿入され、固定されている。但し、弁座Ｓは弁本体１０に一体的に形成されたものであっても構わない。弁体２０は、圧油室１３内において、弁座Ｓに対し直交する進退方向Ｌに移動可能である。進退方向Ｌのうち、弁体２０が弁座Ｓに向かう方向を「進行方向Ｌ１」といい、進行方向Ｌ１と相対する方向を「退行方向Ｌ２」ということとする。

リリーフ弁１では、定常時の弁体２０は弁座Ｓに着座している。弁体２０が弁座Ｓに着座することにより弁座Ｓの油路が閉塞され、圧油ポート１１から排油ポート１２への流体の流れが禁止される。圧油ポート１１側から弁体２０に係る油圧がリリーフ圧を超えると、弁体２０が退行方向Ｌ２へ移動して弁座Ｓから離れることにより弁座Ｓの油路が開放されて、圧油ポート１１から排油ポート１２への流体の流れが許容される。

リリーフ圧制御装置３０は、弁体２０に進行方向Ｌ１の荷重を直接的又は間接的に与えるピストン４１と、電動モータ３と、電動モータ３の出力軸３１の回転量をピストン４１の進退方向Ｌの直動変位に変換する直動機構４と、電動モータ３をサーボ制御するコントローラ５とを概ね備えている。

ピストン４１は、全体として進退方向Ｌと平行に延びる円柱形状を呈し、進行方向Ｌ１側に設けられた軸部４１２と、退行方向Ｌ２側に設けられた筒部４１１とが一体的に形成されている。ピストン４１の軸部４１２は、弁本体１０に内挿されている。また、ピストン４１の筒部４１１は、弁本体１０と結合されたシリンダ４２に内挿されている。筒部４１１の外壁には、シリンダ４２の内壁に形成された軸方向と平行なキー溝に嵌合するキーが形成されている（いずれも図示略）。ピストン４１はシリンダ４２に案内されることによって、振れることなく進退方向Ｌへ直動する。

シリンダ４２の退行方向Ｌ２側の端部は、モータ３のフランジと結合されている。モータ３の出力軸３１は、進退方向Ｌに延伸し、ピストン４１の筒部４１１に内挿されている。出力軸３１は、外周面に雄ネジ３１ａが形成されたネジ軸となっている。また、ピストン４１の筒部４１１の内周壁にはナット４４が固定されている。ナット４４の内壁に形成された雌ネジ４４ａには、出力軸３１の雄ネジ３１ａが螺入されている。

上記構成において、モータ３の出力軸３１が回動すると、雌ネジ４４ａに対する雄ネジ３１ａの相対的回動により、ナット４４及びピストン４１が一体的に出力軸３１に沿って直動する。つまり、モータ３の出力軸３１の回転量（及び、回転力）が、ピストン４１の進退方向Ｌの直動変位（及び、推力）に変換される。このように、本実施形態では、出力軸３１の雄ネジ３１ａと、ナット４４とにより、直動機構４が構成されている。但し、本発明に適用され得る直動機構４はこれに限定されない。直動機構４は、例えば、台形ネジ、滑りネジ、又は、ラックアンドピニオンなどであってもよい。

ピストン４１の軸部４１２と弁体２０との間には、剛性の高いバネ２３が介挿されている。つまり、弁体２０、バネ２３、ピストン４１の順に進退方向Ｌに並んでいる。バネ２３は弁体２０とピストン４１との間で押し縮められており、バネ２３にはバネ荷重（セット荷重）が作用している。このバネ荷重の反発力が弁体２０に作用してリリーフ圧を生じさせる。なお、ピストン４１又は弁体２０とバネ２３との間に、間隙調整のためのシムリング２４が設けられていてもよい。

コントローラ５は、モータ３の回転位置や電流値などの検出値を用いて、モータ３をサーボ制御している。つまり、モータ３はサーボモータである。モータ３は、例えば、ステッピングモータ、三相誘導モータ、永久磁石同期モータなどの、各種モータを採用することができ、その種類は限定されない。

モータ３には、位置検出器７１が設けられており、この位置検出器７１により検出されたモータ３の回転位置や回転数がコントローラ５へ伝達される。位置検出器７１は、例えば、ロータリエンコーダである。また、モータ３には、カレントセンサ７２（図２）が設けられており、このカレントセンサ７２により検出されたモータ３を流れる電流値がコントローラ５へ伝達される。

図２はコントローラ５の具体的構成を示す図である。図２に示すように、コントローラ５は、ホスト制御部５１と、サーボ制御部５２と、モータ駆動回路５３とを有している。

本実施形態に係るコントローラ５は、モータ３の出力軸３１のトルク（回転力）が目標値となるように、モータ３をトルク制御する。また、本実施形態に係るコントローラ５は、ピストン４１に規定された或る点を基準点とし、その基準点の位置を制御量とし、その基準点の位置が所定の目標位置へ至るように、モータ３を位置制御する。なお、コントローラ５による位置制御の基準点は、例えば、ピストン４１の軸部４１２の先端に規定されてよいが、これに限定されない。

ホスト制御部５１は、図示されない入力手段により入力された又は予め記憶された設定リリーフ圧に基づいて、位置指令を生成する演算処理を行う。この演算処理に際し、ホスト制御部５１は、予め記憶しているバネ２３のバネモデル６０を利用する。例えば、バネモデル６０を用いれば、弁体２０に与えられるバネ荷重の反力と圧油室１３内の流体により弁体２０に与えられる圧力とによって設定リリーフ圧が現出されるように、バネ荷重（セット荷重）を導出することができる。このバネ荷重は、即ち、モータ３の出力軸３１が出力すべき目標トルクと対応する。また、例えば、バネモデル６０を用いれば、バネ荷重からバネ２３のセット長を導出することができる。バネ２３のセット長が決まれば、予め記憶されたリリーフ弁１の各構成要素の寸法情報又は計算式に基づいて、ピストン４１の基準点の位置の目標位置を決定することができる。ホスト制御部５１は、このようにして導出されたバネ荷重、目標トルク、セット長、及び目標位置などに基づいて、位置指令を生成することができる。

ホスト制御部５１で生成された位置指令は、サーボ制御部５２へ出力される。サーボ制御部５２では、位置指令に基づいて、駆動指令を生成する演算を行う。具体的には、サーボ制御部５２では、ホスト制御部５１から出力された位置指令が減算器６１の一方に与えられ、位置検出器７１から出力された検出位置が減算器６１の他方に与えられ、減算器６１では位置指令から検出位置が減算される。減算器６１の出力は位置アンプ６２に与えられ、ここで位置ゲインＫｐで増幅される。位置アンプ６２から速度指令が減算器６３のプラス側に与えられる。

また、位置検出器７１から出力された検出位置はまた、微分回路６４で微分されてから、減算器６３のマイナス側に与えられる。減算器６３の出力は速度アンプ６５に与えられ、速度アンプ６５で速度ゲインＫｖで増幅される。速度アンプ６５から出力される指令が電流リミット６６に与えられて、電流指令（トルク指令）が生成される。ここで電流リミット６６を任意に設定することで、電流指令（トルク指令）を所望の値で制限することができる。このように設定された電流指令（トルク指令）が減算器６７のプラス側に与えられる。減算器６７のマイナス側には、モータ３に設けられたカレントセンサ７２からの検出電流値が与えられる。減算器６７からは駆動指令が生成される。

上記のようにサーボ制御部５２で生成された駆動指令は、モータ駆動回路５３へ出力される。モータ駆動回路５３は、入力された駆動指令に対応した駆動電流をモータ３へ供給する。これにより、モータ３の出力軸３１が回転し、ピストン４１に規定された基準点の位置が目標位置に追従するように、ピストン４１を移動させる。

上記のようにピストン４１の位置が制御されることによって、ピストン４１により押圧されるバネ２３のセット長が良好な精度で調整される。また、モータ３の出力軸３１のトルクにより、ピストン４１からバネ２３へ荷重が与えられるため、バネ２３から弁体２０に与えられる荷重が良好な精度で調整される。よって、ピストンが電磁ソレノイドで駆動される場合と比較して、リリーフ弁１のリリーフ圧の設定精度を高めることができる。また、リリーフ弁１に設定されたリリーフ圧は、ヒステリシスなどの影響を受けずに安定的に維持される。よって、リリーフ圧設定切替後の不安定な油圧現象を抑制することができる。

従来の電磁ソレノイドを備えたリリーフ弁では、設定されるリリーフ圧が大きい場合には電磁ソレノイドが巨大化する傾向があり、また、電磁ソレノイドを動作させるパイロット回路によってリリーフ弁の構造が煩雑化するおそれがある。これに対し、モータ３の大きさは、モータ３の出力軸３１のトルクと同程度の推力を得る電磁ソレノイドと比較して半分程度に抑えることができる。よって、本実施形態に係るリリーフ弁１では、ピストンが電磁ソレノイドで駆動される場合と比較して、全体として小型化することが可能となる。

［変形例］
次に、上記実施形態の変形例を説明する。図３は、上記実施形態の変形例１に係るリリーフ弁１Ａの概略構成を示す図であり、図４は、変形例１に係るリリーフ弁１Ａのコントローラ５の制御構成を示す図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

図３及び図４に示すように、変形例１に係るリリーフ弁１Ａは、上記実施形態に係るリリーフ弁１と対比して、バネ２３に代えて剛体である筒状部材２７を備えている点で相違している。その結果、リリーフ弁１Ａでは、弁体２０、筒状部材２７、ピストン４１が進退方向Ｌに並んでいる。

筒状部材２７は剛体であるので、筒状部材２７によってピストン４１が進行方向Ｌ１へ実質的に延長された態様となる。つまり、ピストン４１からの進行方向Ｌ１の荷重は、筒状部材２７を介してはいるが、直接的に弁体２０へ与えられる。よって、モータ３の出力軸３１のトルクがそのままリリーフ弁１Ａのリリーフ圧に影響を与える。

変形例１に係るリリーフ弁１Ａのコントローラ５では、ホスト制御部５１が入力された又は予め記憶された設定リリーフ圧に基づいて位置指令を生成する演算処理を行う。ここで、ホスト制御部５１は、ピストン４１又は筒状部材２７が弁体２０に与える進行方向Ｌ１の荷重と圧油室１３内の流体により弁体２０に与えられる圧力とによって設定リリーフ圧が現出されるように、モータ３の出力軸３１の目標トルクを導出する。ここで、ピストン４１又は筒状部材２７が弁体２０に与える進行方向Ｌ１の荷重は、即ち、モータ３の出力軸３１のトルクと対応する。

また、ホスト制御部５１は、ピストン４１が直接的又は筒状部材２７を介して弁体２０を押圧している時の、ピストン４１に規定された基準点の位置から進行方向Ｌ１へ進んだ位置を、基準点の目標位置に決定する。

そして、サーボ制御部５２では、位置アンプ６２の位置ゲインＫｐ、速度アンプ６５の速度ゲインＫｖが十分に小さく設定され、微分回路６４、及び減算器６３の機能が実質的に停止される。つまり、減算器６１の出力がそのまま減算器６７のプラス側に与えられるように、サーボ制御部５２の機能が制限される。

上記設定のコントローラ５では、目標位置が基準点の到達し得る位置よりも更に進行方向Ｌ１へ進んだ位置であるので、位置検出器７１の検出値から導出される基準点の現在位置と目標位置に常に偏差が生じる。つまり、速度アンプ６５の出力側には、常に過大な値が発生する。そして、コントローラ５は、電流リミット６６を任意の値に設定することによって、モータ３のトルクが一定となるように電動モータ３を制御する。つまり、コントローラ５は、ピストン４１が弁体２０を押圧する荷重が一定となるように、電動モータ３を制御する。これにより、ピストン４１が一定の荷重で弁体２０を押圧している状態が維持される。

以上に本発明の好適な実施形態及びその変形例を説明した。これらの説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

１，１Ａ ：リリーフ弁
３ ：電動モータ
４ ：直動機構
５ ：コントローラ
１０ ：弁本体
１１ ：圧油ポート
１２ ：排油ポート
１３ ：圧油室
１４ ：弁座体
２０ ：弁体
２３ ：バネ
２７ ：筒状部材（剛体）
３１ ：出力軸
４１ ：ピストン
６１ ：減算器
６３ ：減算器
６４ ：微分回路
Ｌ ：進退方向
Ｌ１ ：進行方向
Ｓ ：弁座

Claims (4)

1. 圧油ポート、排油ポート、前記圧油ポートと前記排油ポートの間に設けられた圧油室、及び、前記圧油室に設けられた弁座を有する弁本体と、
   前記弁座に対し進退方向に移動することにより当該弁座の油路を開閉するポペット式の弁体と、
   前記弁体に前記進退方向のうち進行方向の荷重を直接的又は間接的に与えるピストンと
   電動モータと、
   前記電動モータの出力軸の回転量を前記ピストンの前記進退方向の直動変位に変換する直動機構と、
   前記電動モータの前記出力軸のトルクが所定のリリーフ圧と対応した値となるように前記電動モータをサーボ制御するコントローラとを備えている、
   リリーフ弁。
2. 前記コントローラは、前記ピストンに規定された基準点の位置を制御量とし、前記基準点の位置が所定の目標位置となるように前記電動モータをサーボ制御する、
   請求項１に記載のリリーフ弁。
3. 前記ピストンと前記弁体との間に介在するバネを更に備えており、
   前記コントローラは、前記リリーフ圧に基づいて前記バネのセット長を決定し、前記セット長に基づいて前記目標位置を決定する、
   請求項２に記載のリリーフ弁。
4. 前記ピストンが前記弁体を直接的に又は間に剛体を介して押圧しており、
   前記コントローラは、前記ピストンが前記弁体を押圧する荷重が一定となるように前記電動モータを制御する、
   請求項１又は２に記載のリリーフ弁。

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