JP2019007594A - サーボ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた締切り性能を備えたサーボ弁を提供する。【解決手段】サーボ弁は、制御ポートに通じる流入ポートを有する流入路と、制御ポートと通じる流出ポートを有する流出路とを有する管体と、流入路内に配置された流入弁と、流出路内に配置された流出弁と、流入路及び流出路を横切り且つ流入弁及び流出弁の下流に配置されたカムシャフトとを有する。流入弁は、流入開口を有する流入弁座と、流入弁座の上流に配置され且つ流入開口を閉塞する流入弁体ボールとを有する。流出弁は、流出開口を有する流出弁座と、流出弁座の上流に配置され且つ流出開口を閉塞する流出弁体ボールとを有する。カムシャフトは、流入弁座の下流に配置され且つカムシャフトの運動に従って流入弁座から流入弁体ボールを変位させる流入カムと、流出弁座の下流に配置され且つカムシャフトの運動に従って流出弁座から流出弁体ボールを変位させる流出カムとを有する。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、例えば、空気圧システム、流体機械、医療器具、自動車に使用されるサーボ弁に関する。

サーボ弁は、例えば、流入ポート、制御ポート、流出ポートの３つのポート、及び、スプールを有する。スプールを移動させることにより、流入ポートから制御ポートへの流れと、制御ポートから流出ポートへの流れとを切り替え、弁の開度も変化させる（特許文献１参照）。
また、別のサーボ弁は、ポートを開閉する球体と、球体をポートから変位させるカムを有する（特許文献１参照）。そして、カムによって球体をポートから横へ変位させることにより、ポートを開放し、ポートに冷媒ガスを流入させる。

特開２００９−１９６８４号 特許３８８６０９２号公報

前者では、スプールと各ポートとの間に隙間が生じ、この隙間から流体が漏れ、各ポートを完全に遮断することができない。
一方、後者では、カムはポートの上流に配置され、球体はポートから横へ変位するので、ポートの流入する冷媒ガスの流れは非軸対称となり、同流れのチョーク域を広く取ることができない。

本発明の第１の課題は、優れた締切り性能を備えたサーボ弁を提供することにある。
本発明の第２の課題は、広いチョーク域を取ることができるサーボ弁を提供することにある。

上記課題を達成するため、サーボ弁は、制御ポートに通じる流入ポートを有する流入路と、前記制御ポートと通じる流出ポートを有する流出路とを有する管体と、前記流入路内に配置された流入弁と、前記流出路内に配置された流出弁と、前記流入路及び前記流出路を横切り且つ前記流入弁及び前記流出弁の下流に配置されたカムシャフトとを有する。前記流入弁は、流入開口を有する流入弁座と、前記流入弁座の上流に配置され且つ前記流入開口を閉塞するように前記流入弁座の上流に配置された流入弁体ボールとを有する。前記流出弁は、流出開口を有する流出弁座と、前記流出弁座の上流に配置され且つ前記流出開口を閉塞する流出弁体ボールとを有する。前記カムシャフトは、前記流入弁座の下流に配置され、且つ、前記カムシャフトの運動に従って前記流入弁座から前記流入弁体ボールを変位させて記流入開口に対する前記流入弁体ボールの位置を決定する流入カムと、前記流出弁座の下流に配置され、且つ、前記カムシャフトの運動に従って前記流出弁座から前記流出弁体ボールを変位させて前記流出開口に対する前記流出弁体ボールの位置を決定する流出カムと、を有する。

本発明のサーボ弁によれば、優れた締切り性能を達成する。
また、同サーボ弁によれば、広いチョーク域を取ることができる。

第１の実施形態に係わる空気圧システムの概要図である。 空気圧システムの制御のブロック線図である。 図１に示すサーボ弁の断面図である。 図３Ａに示す流入弁座及び流出弁座の側面図である。 図３Ｂに示す流入弁座及び流出弁座の長手方向の断面図である。 図３Ａに示す流入カム及び流出カムの拡大断面図である。 図３Ａに示すカムシャフトの拡大斜視図である。 図３Ａに示す流入弁の拡大断面図であり、流入弁が開いた状態を示す。 図３Ａに示す流入弁の拡大断面図であり、流入弁が閉じた状態を示す。 図５Ｂに示す流出弁及び流出カムの模式図である。 図３Ａに示すサーボ弁の模式図であり、流入弁及び流出弁が閉じた状態を示す。 図５Ｂに示す流入弁及び流入カムの模式図を示す。 図６Ｂに示す流出弁及び流出カムの模式図である。 図３Ａに示すサーボ弁の模式図であり、流入弁が開いた状態、流出弁が閉じた状態を示す。 図６Ｂに示す流入弁及び流入カムの模式図である。 図７Ｂに示す流出弁及び流出カムの模式図である。 図３Ａに示すサーボ弁の模式図であり、流入弁が最大に開いた態、流出弁が閉じた状態を示す。 図７Ｂに示す流入弁及び流入カムの模式図である。 図８Ｂに示す流出弁及び流出カムの模式図である。 図３Ａに示すサーボ弁の模式図であり、流入弁が閉じた態、流出弁が開いた状態を示す。 図８Ｂに示す流入弁及び流入カムの模式図である。 図９Ｂに示す流出弁及び流出カムの模式図である。 図３Ａに示すサーボ弁の模式図であり、流入弁が閉じた状態、流出弁が最大に開いた状態を示す。 図９Ｂに示す流入弁及び流入カムの模式図である。 カム角度と流量特性との実験結果を示すグラフである。 サーボ弁の圧力制御試験の結果示すグラフである。 サーボ弁の圧力比と流量との関係を示すグラフである。 変形形態に係わるサーボ弁の一部断面図である。 図１２に示すサーボ弁のカム角度と流量との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係わるサーボ弁の断面図である。 図１４に示すカムシャフトの斜視図である。 図１６Ｂに示す流出弁の一部拡大断面図である。 図１４に示す直動カムの模式図である。 図１４に示す流出弁の拡大断面図であり、流出弁は閉じた状態である。 図１４に示す流出弁の拡大断面図であり、流出弁は開いた状態である。 第１の変形形態に係わるカムシャフトの一部斜視図である。 図１７Ａに示すカムシャフトの側面図である。 第２の変形形態に係わるカムシャフトの一部斜視図である。 図１８Ａに示すカムシャフトの側面図である。 図１７Ａ、図１８Ａに示すカムシャフトを用いたサーボ弁の流量特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
第１の実施形態
図１に示すように、空気圧システム１００は、モータ１０１によって駆動されるコンプレッサ１０２と、コンプレッサ１０２の下流に配置されたタンク１０３と、タンク１０３に取り付けられた逃がし弁１０４、ドレン排出器１０５と、タンクの下流に配置されたレギュレータ１０６と、レギュレータ１０６の下流に配置されたタンク１０７と、タンク１０７の下流に配置されたサーボ弁１０と、サーボ弁１０の下流に配置された空気圧シリンダ１０８と、空気圧シリンダ１０８のピストンに取り付けられた変位センサ１０９とを有する。また、空気圧システム１００は、タンク１０３の圧力を測定する圧力センサ１１１と、レギュレータ１０６の下流の圧力を測定する圧力センサ１１２と、サーボ弁１０の下流の圧力を測定する圧力センサ１１３とを有する。なお、動作対象は、直動タイプの空気圧シリンダ１０８の他、回転タイプのベーンモータを用いてもよい。

図３Ａに示すように、サーボ弁１０は、流入路１２及び流出路１３を有する管体１１と、流入路１２に設置された流入弁２０と、流出路１３に設置された流出弁３０と、管体１１を貫通すると共に流入路１２及び流出路１３を横切るカムシャフト４０を有する。流入弁２０は、中空の流入弁座２１と、流入弁座２１に配置されたポペットとしての流入弁体ボール２２とを有する。流出弁３０は、流出路１３に設置された流出弁座３１と、流出弁座３１に配置されたポペットとしての流出弁体ボール３２とを有する。

ここで、管体１１は、外部と流入路１２とに連通する第１の貫通孔１１ａと、外部と流出路１３とに連通する第２の貫通孔１１ｂと、流入路１２と流出路１３とに連通する第３の貫通孔１１ｃを有する。
流入路１２は、一端に流入ポート１２ａ、及び、他端に第１の制御ポート１２ｂを有する。流入ポート１２ａはレギュレータ１０６と連通し、第１の制御ポート１２ｂは空気圧シリンダ１０８と連通する。流出路１３は、一端に流出ポート１３ａ、及び、他端に第２の制御ポート１３ｂを有する。流出ポート１３ａは外気と連絡し、第２の制御ポート１３ｂの空気圧シリンダ１０８と連通する。

図４Ａ、４Ｂに示すように、流入弁座２１は流入路１２より小さい内径を有する円筒形の外殻２１ａを有する。外殻２１ａの外周面はネジ山２１ｄを有し、ネジ山２１ｄは流入通路１２の内周面に形成されたネジ溝と噛み合う。流入弁座２１は、外殻２１ａの出口端から径方向内側へ突出する円環状のシート部２１ｂを有する。シート部２１ｂは、外殻２１ａの内周面から円筒形の中心へ向けて先細りとなり、円錐台形のテーパー面を有する。シート部２１ｂの先端は円形のオリフィス（開口）２１ｃを画成する。

球体の流入弁体ボール２２の直径は、外殻２１ａの内径よりも小さく、シート部２１ｂのオリフィス２１ａの直径よりも大きい。流入弁体ボール２２が、圧縮空気Ｆ1によってシート部２１ｂのオリフィス２１ｃの位置Ｐ１を横切り、オリフィス２１ｃを常時閉塞する（図４Ｂ参照）。

流出弁座３１は、流入弁座２１と同様な構造を有し、外殻３１ａ、シート部３１ｂ、オリフィス３１ｃを有する。

図３Ａに示すように、カムシャフト４０は、第１の貫通孔１１ａ及び第２の貫通孔１１ｂに設置されたベアリング１４Ａ、１４Ｂによって回転自在に支持されている。カムシャフト４０は、第３の貫通孔１１ｃに一致する部位に凹部を有し、この凹部にＯリング１５が嵌め込まれる。カムシャフト４０は、流入路１２に配置された流入カム４１と、流出路１３に配置された流出カム４２とを有する。

流入カム４１は、シート部２１ｂのオリフィス２１ｃの下流に配置される。即ち、流入カム４１はオリフィス２１ｃについて流入弁体ボール２２と反対側に配置される。図３Ｄに示すように、流入カム４１は、カムシャフト４０の外周面に形成された偏心の板カムである。流入カム４１は、長軸Ｌ１および短軸Ｓ１を有し、長軸Ｌ１と短軸Ｓ１との交点となる回転中心Ｃ１を有する。長軸Ｌ１はカムシャフト４０の直径Ｄ１よりも小さく（図４Ｂ参照）、回転中心Ｃ１はカムシャフト４０の回転軸と一致する。また、遠点Ｅ１は、カムシャフト４０の外周よりも少し内側に位置決めされる。流入カム４１は、短軸Ｓ１について一方側に半円部４１ａと、他方側に山形部４１ｂを有する。山形部４１ｂのカム周面の曲率半径は、短軸Ｓ１の両端から長軸Ｌ１の端Ｅ１へ向けて大きくなり、この長軸Ｌ１の一端は回転中心Ｃ１から最も遠い遠点Ｅ１となる。山形部４１ｂの遠点Ｅ１から回転中心Ｃ１までの長さは、カムシャフト４０の半径より少し小さい。一方、半円部４１ａは短軸Ｓ１の両端の間に延び、回転中心Ｃ１について一定の半径を有する。半円部４１ａの半径はカムシャフト４０の半径よりも小さく、半円部４１ａのカム周面は回転中心から最も近い。

図３Ａに示すように、流出カム４２は、シート部３１ｂのオリフィス３１ｃの下流に配置される。即ち、流出カム４２は、オリフィス３１ｃについて流出弁体ボール３２と反対側に配置される。図３Ｄに示すように、流出カム４２は、流入カム４１と同じ構造であり、半円部４２ａ、山形部４２ｂを有する。

図３Ｅに示すように、流入カム４１及び流出カム４２は、カムシャフト４０の軸について１２０度を成すように形成される。例えば、図４Ｂにおいて、流入弁体ボール２２はオリフィス２１ｃを閉塞しており、このときのカムシャフト４０及び流入カム４１の角度位置を中立位置とする。図４Ａに示すように、カムシャフト４０を反時計方向に６０度回転させると（カム角度＋６０度）、流入カム４１は流入弁体ボール２２をオリフィス２１ｃから引き離し、流入弁２０は全開となる。このとき、流入カム４１の遠点Ｅ１はシート部２１ｂに干渉せず、オリフィス位置Ｐ１を越えてオリフィス２１ｃの上流側に到達する。この間、流出カム４２は流出弁体ボール３２を変位させず、流出弁３０は閉状態に保たれる。一方、カムシャフト４０を時計方向に６０度回転させると（カム角度−６０度）、流出カム４２は流出弁体ボール３２をオリフィス３１ｃから引き離し、流出弁３０は全開となる。この間、流入カム４１は流入弁体ボール２２を変位させず、流入弁２０は閉状態に保たれる。
なお、流入カム４１と流出カム４２との成す角度を変更することにより、流入弁２０と流出弁３０の開閉のタイミングを調整することができる。例えば、流入カム４１と流出カム４２との成す角度が１８０度であると、流入弁２０と流出弁３０とは同期して開閉する。

以上の流入弁２０、流出弁３０を通過する圧縮空気の流量は、流入カム２２、流出カム３２のカム角度に対して線形特性を示す共に、優れた締切性能を奏する。
図１０Ａは、カム角度と流量特性との実験結果を示す。０〜＋６０度のカム角度の各点は流入カム２２のオリフィス２１ｃの下流（流出側）の圧縮空気の流量を示す。０〜−６０度のカム角度の各点は、流出カム３２のオリフィス３１ｃの下流（流出側）の圧縮空気の流量を示す。

カム角度が０度から６０度に変化するに従って、流入側の流量も比例的に増加し、線形特性を示す。一方、カム角度が０度から−６０度に変化するに従って流出側の流量も比例的に増加し、線形特性を示す。

図１０Ｂは、サーボ弁１０の圧力制御実験を行った結果を示す。この実験では圧力目標値を与えたときの応答を確認した。第１の制御ポート１２ｂに直接圧力センサを取り付け、その測定値から圧力のフィードバックシステムを構築し、フィードバック制御を行った。このグラフから、カム角度が０[度]付近で圧力測定値の変動がないことから漏れ流量がほとんどないことが確認された。

また、円環形のシート部２１ｂ、３１ｂ、円形のオリフィス２１ｃ、３１ｃ、球形の弁体ボール２２、３２を用いることにより、オリフィス２１ｃ、３１ｃを通過する圧縮空気の流れの軸対称性が保たれ、圧縮空気のチョーク域（音速域）を広くとることが可能になる。

図１１において、サーボ弁１０の圧力比に対する流量の関係を示す。圧力比は、オリフィス２１ｃ、３１ｃを通過する圧縮空気のオリフィス２１ｃ、３１ｃの流入前の圧力に対する流出後の圧力の比である。本実施形態の流入弁２０及び流出弁３０の臨界圧力比は０．５４を示す。臨界圧力比とは、圧縮空気の亜音速流れ（圧力比０．５４以上）とチョーク流れ（音速流れ、圧力比０．５４以下）との境界となる値である。これに対し、電磁弁の臨界圧力比は、例えば、０．２４であり、他のサーボ弁の臨界圧力比は、例えば、０．３５であり、本実施形態の臨界圧力比はより大きな値を示す。

次に、図５Ａ〜図９Ｃに基づいてサーボ弁１０の動作について説明する。説明の便宜上、流入カム４１、流出カム４２は同じ方向を向き、流入カム４１、流出カム４２のカム角度は、中立位置から−９０度及び＋９０度の範囲とする。
先ず、圧縮空気Ｆ１の流入について説明する。
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、カムシャフト４０の動作前の流入弁２０及び流出弁３０の両方は閉鎖している。即ち、流入弁体ボール２２及び流出弁体ボール３２は、圧縮空気Ｆ１、Ｆ２によりそれぞれシート部２１ｂ、３１ｂに押し付けられ、それぞれのシート部２１ｂ、３１ｂのオリフィス２１ｃ、３１ｃを閉塞している。このとき、圧縮空気は、流入弁２０、流出弁２０からそれぞれの下流へ漏れない。一方、流入カム４１、流出カム４２の短軸方向の端面は、それぞれ流入弁体ボール２２、流出弁体ボール３２と接している一方で、流入弁体ボール２２、流出弁体ボール３２を変位させない。このとき、カムシャフト４０の回転角度、流入カム４１及び流出カム４２のカム角度は０度（中立位置）である。

次に、図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示すように、カムシャフト４０を中立位置から反時計方向に４５度回転させる（カム角度＋４５度）。このとき、流入カム４１の山形部４１ｂは、圧縮空気Ｆ１に抗して流入弁体ボール２２をシート部２１ｂの上流へ押し、すなわち、流入ポート１２ａへ向けて変位させ、シート部２１ｂから流入弁体ボール２２を分離させる。これにより、流入弁体ボール２２とシート部２１ｂとの間に隙間が生じ、オリフィス２１ｃは開放され、圧縮空気Ｆ１はシート部２１ｂのオリフィス２１ｃを通って第１の制御ポート１２ｂへ流れる。
一方、流出カム４２の半円部４２ａは、カムシャフト４０の回転の間、流出弁体ボール３２に接しているだけで、流出弁体ボール３２を変位させない。これにより、流出弁体ボール３２はシート部３１ｂのオリフィス３１ｃを閉塞し続ける。

次に、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃに示すように、カムシャフト４０を中立位置から反時計方向に９０度まで回転させる（カム角度＋９０度）。このとき、流入カム４１の山形部４１ｂの遠点Ｅ１は流入弁体ボール２２をさらに変位させ、流入弁体ボール２２とシート部２１ｂとの隙間は最大になる。即ち、流入弁２０の開度は最大となり、オリフィス２１ｃの下流の圧縮空気Ｆ１の流量も最大となる。
一方、流出カム４２の半円部４２ａは、カムシャフト４０の回転の間、流出弁体ボール３２と接するだけで、流出弁体ボール３２を変位させない。これにより、流出弁体ボール３２はオリフィス３１ｃを閉塞し続ける。

次に、圧縮空気Ｆ２の流出について説明する。
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃに示すように、カムシャフト４０を中立位置から時計方向に４５度回転させる（カム角度−４５度）。このとき、流出カム４２の山形部４２ｂは圧縮空気Ｆ２に抗して流入弁体ボール３２をシート部３１ｂの上流へ押し、すなわち、第２の制御ポート１３ｂへ向けて流入弁体ボール３２を変位させ、シート部３１ｂから流入弁体ボール３２を分離させる。これにより、流出弁体ボール３２とシート部３１ｂとの間に隙間が生じ、シート部３１ｂのオリフィス３１ｃは開放され、圧縮空気Ｆ２はオリフィス３１ｃを通って流出ポート１３ａへ流れる。
一方、流入カム４１の半円部４１ａは、カムシャフト４０の回転の間、流入弁体ボール２２に接するだけで、流入弁体ボール２２を変位させない。これにより、流入弁体ボール２２はオリフィス２１ｃを閉塞し続ける。

次に、図９Ａ、９Ｂ、９Ｃに示すように、カムシャフト４０を初期位置に対して時計方向に９０度まで回転させる（カム角度−９０度）。このとき、流出カム４２の山形部４２ｂの遠点Ｅ１は流入弁体ボール３２をさらに変位させ、流出弁体ボール３２とシート部３１ｂとの隙間は最大になる。即ち、流出弁３０の開度は最大となり、オリフィス３１ｃの下流の圧縮空気Ｆ２の流量も最大となる。
一方、流入カム４１の半円部４１ａは、カムシャフト４０の回転の間、流入弁体ボール２２と接するだけで流入弁体ボール２２を変位させない。これにより、流入弁体ボール２２はオリフィス２１ｃを閉塞し続ける。

図１を参照して、空気圧システム１００の使用方法を説明する。
コンプレッサ１０２はモータ１０１によって駆動される。コンプレッサ１０２は、外の空気を取り込み、この空気を圧縮し、圧縮空気を生成する。圧縮空気はタンク１０３に流入する。圧縮空気が所定の圧力以上である場合、圧縮空気の一部は逃がし弁１０４から排出される。一方、圧縮空気中の水分はタンク１０３の底部に溜まり、ドレン排出器１０５から排出される。
次に、圧縮空気はレギュレータ１０６に流入する。ここで、圧縮空気の圧力はレギュレータ１０６によって所定圧力に調整され、レギュレータ１０６の下流の圧縮空気の圧力は一定に保たれる。

次に、圧縮空気はタンク１０７に流入する。ここで、タンク１０７は、圧縮空気の急激な圧力低下を防止するバッファとして機能する。次に、圧縮空気は、サーボ弁１０の流入路１２に流入する。サーボ弁１０は、流入弁２０の開度を調節し、サーボ弁１０の下流の圧縮空気の流量、圧力を制御する。次に、圧縮空気は空気圧シリンダ１０８に流入し、空気圧シリンダ１０８のピストンを駆動する。

また、図２に示すように、空気圧システム１００は、変位センサ１０９によって空気圧シリンダ１０８のピストンの位置（Ｘ）を計測し、フィードバック制御により制御目標の位置（Ｘ_ref）に対して空気圧シリンダ１０８の位置（Ｘ）を追従させてもよい。フィードバック制御は、シリンダ１０８のピストンの位置を計測する変位センサ１０９及び位置制御器１１４による位置制御、及び、圧力センサ１１３及び圧力制御器１１５によるサーボ弁１０の下流の圧力制御からなる。

以上の実施形態によれば、流入弁２０及び流出弁３０の閉鎖時、弁体ボール２２、３２とオリフィス２１ｃ、３１ｃとの間に隙間を生じせないので、圧縮空気は流入弁２２及び流出弁３２から漏れない。したがって、サーボ弁１０は、流路を完全に閉塞することができ、優れた締切性能を達成する。

流入カム４１、流出カム４２はそれぞれオリフィス２１ｃ、３１ｃの下流に配置されているので、オリフィス２１ｃ、３１ｃを通過する圧縮空気の流れを阻害しない。

また、円筒形の外殻２１ａ、３１ａ、円形のオリフィス２１ｃ、３１ｃ、球体の弁体ボール２２、３２を用いることにより、オリフィス２１ｃ、３１ｃを通過する圧縮空気の流れは軸対称性を保ち、圧縮空気のチョーク域（音速域）を広くとることが可能になる。

なお、流出カム４２及び流入カム４１は互いに異なる回転角度位置に設定してよい。これにより、流入弁２０と流出弁３０とを同時に開放し、また、同時に閉鎖することができる。

変形形態
図１２に示すように、流入弁２０、流出弁３０の流入弁座２１、流出弁座３１を管体１１に対して回転させると、外殻２１ａ、３１ａのネジ山２１ｄ、３１ｄと管体１１のネジ溝との作用により、流入弁座２１、流出弁座３１はカムシャフト４０へ向けて移動する。これにより、流入弁２０の流入弁座２１及び流出弁３０の流出弁座３１は、第１の実施形態と比較して、カムシャフト４０へより近くに配置される。これにより、流入カム４１はオリフィス２１ｃの上流側へ流入弁体ボール２２を変位させ、オリフィス２１ｃの一部を開放する。流出カム４２は、オリフィス３１ｃの上流側へ流出弁体ボール３２を変位させ、オリフィス３１ｃの一部を開放する。この結果、流入弁２０及び流出弁３０は、中立位置のカム角度でもアンダーラップ（流入弁２０及び流出弁３０が共に開の状態）になる（例えば、図１３のラインＸ２を参照）。

一方、流入弁２０、流出弁３０の流入弁座２１、流出弁座３１を管体１１に対して反対方向に回転させると、外殻２１ａ、３１ａのネジ山２１ｄ、３１ｄと管体１１のネジ溝との作用により、外殻２１ａ、３１ａはカムシャフト４０から遠ざかる。これにより、外殻２１ａ、３１ａは、第１の実施形態と比較して、カムシャフト４０からより遠くに配置される。これにより、流入弁体ボール２２は流入カム４１から離れ、オリフィス２１ｃを閉塞状態に保つ。また、流出弁体ボール３２は流出カム４２から離れ、オリフィス３１ｃを閉塞状態に保つ。この結果、流入弁２０及び流出弁３０は中立位置から一定のカム角度の範囲でオーバーラップ（流入弁及び排気弁が共に閉の状態）になる（例えば、図１３のラインＸ３参照）。なお、第１の実施形態のように、流入弁２０及び流出弁３０が中立位置でゼロラップであると、流入弁２０及び流出弁３０の流量特性は中立位置を跨いで線形を示す（例えば、図１３のラインＸ１参照）。
以上のように、流入弁２０及び流出弁３０の流入弁座２１、流出弁座３１の設置位置を変えることによって、流入弁２０、流出弁３０同士のラップ状態を調整することができる。

第２の実施形態
図１４に示すように、サーボ弁１０Ａは、往復直線運動可能なカムシャフト４０Ａと、カムシャフト４０Ａの端部に取り付けられた磁石５１と、磁石５１の周りに配置されたコイル５２を有する。

図１５Ａに示すように、カムシャフト４０Ａは、軸方向に沿って、流入直動カム４３、流出直動カム４４を有する。
流入直動カム４３は、カムシャフト４０Ａの軸方向に延びる第1の平坦面４３ａと、第１の平坦面４３ａに対して段差を有する第２の平坦面４３ｂと、第1の平坦面４３ａと第２の平坦面４３ｂとの間に延びるカム斜面４３ｃとを有する。カム斜面４３ｃは第１の平坦面４３ａ及び第２の平坦面４３ｂに対して斜めに延びる。
ここで、第１の実施形態の流入弁体ボール２２は、流入カム４１によって、例えば、初期位置から０．２５ｍｍ移動され、流入弁２０を最大開度にする。カム斜面４３ｃを直角三角形の斜辺とすると、短辺は０．２５ｍｍであり、長辺は１．２５ｍｍである。すなわち、短辺と長辺との比は１：６である（図１５Ｃ参照）。

流出直動カム４４は、流入直動カム４３と同様に、第1の平坦面４４ａと、第２の平坦面４４ｂと、第1の平坦面４４ａと第２の平坦面４４ｂとの間にカム斜面４４ｃとを有する。

次に、サーボ弁１０Ａの動作を説明する。
図１６Ａに示すように、中立位置では、カムシャフト４０Ａのカム斜面４４ｃと流出弁体ボール３２とは離れており、流出弁体ボール３２はオリフィス３１ｃ（図３Ｂ、３Ｃ参照）を閉塞している。一方、流入弁体ボール２２もカム斜面４３ｃから離れており、オリフィス２１ｃ（図３Ｂ、３Ｃ参照）を閉塞している。
次に、流出弁３０を開状態にする。コイル５２が励磁されて、電磁力が磁石５１に作用すると、カムシャフト４０Ａが図中下方へ移動する。このとき、カム斜面４４ｃは流出弁体ボール３２に接触する。さらに、図１６Ｂに示すように、カムシャフト４０Ａを下方へ移動させると、カム斜面４４ｃは流出弁体ボール３２をオリフィス３１ｃの上流へ押し、流出弁体ボール３２をシート部３１ｂから分離させる。これにより、オリフィス３１ｃは開放され、流出弁３０は開状態となる（図１５Ｂ参照）。この間、流入弁体ボール２２はカム斜面４３ｃから離れており、オリフィス２１ｃを閉塞しており、流入弁２０は閉状態である。
一方、流入弁２０を開状態にするとき、カムシャフト４０Ａを図中上方へ移動させればよい。カム斜面４３ｃは流入弁体ボール２２をオリフィス２１ｃの上流へ押し、流入弁体ボール２２をシート部２１ｂから分離させる。これにより、オリフィス２１ｃは開放され、流入弁２０は開状態となる。この間、流出弁３０は閉状態を保つ。

第１の変形形態
図１７Ａ、１７Ｂに示すように、カムシャフト４０Ｂの直動カム４５は、第1の平坦面４５ａを始点とするカム凹面４５ｃと、カム凹面４５ｃと連続し、第２の平坦面４５ｂを終点とするカム凸面４５ｄとを有する。

この直動カム４５よれば、カムシャフト４０Ｂが下方へ直線移動すると、カム凹面４５ｃの中間部位は流出弁体ボール３２と接触する。さらに、カムシャフト４０Ｂを下方へ移動させると、図１９のＹ２に示すように、オリフィスを通過する圧縮空気の流量は、先ず、カム凹面４５ｃに従って急激に増加し、カム凸面４５ｄの中間部位まで急激に増加し続ける。一方、流出弁体ボール３２がカム凸面４５ｄの中間部位を過ぎると、圧縮空気の流量は緩やかに増加する。なお、図１９の曲線Ｙ１は、第２の実施形態の流入直動カム４３、流出直動カム４４のカム移動量に対するオリフィスの通過流量を示す。

第２の変形形態
図１８Ａ、１８Ｂに示すように、カムシャフト４０Ｃの直動カム４６は、第1の平坦面４６ａを始点とするカム凸面４６ｃと、カム凸面４６ｃと連続し、第２の平坦面４６ｂを終点とするカム凹面４６ｄとを有する。
この直動カム４６によれば、カムシャフト４０Ｃが下方へ直線移動すると、カム凸面４６ｃの中間部位は流出流体ボール３２と接触する。さらに、カムシャフト４０Ｃを下方へ移動させると、図１９の曲線Ｙ３に示すように、オリフィスを通過する圧縮空気の流量は、カム凸面４６ｃに従って緩やかに増加し、その後、カム凹面４６ｄの中途部位まで緩やかに増加する。一方、弁体ボールがカム凹面４６ｄの中間部位を過ぎると、圧縮空気の流量は急激に増加する。

なお、本発明は、実施形態に限定されない。例えば、作用媒体は、空気及び他の気体、作動油及びその他の液体を含む流体であってもよい。本実施形態のサーボ弁は、３ポートの他、例えば、２ポート、４ポート、５ポートの弁に適用し、ポート数は限定されない。

１０ サーボ弁
１１ 管体
１２ 流入路
１２ａ 流入ポート
１２ｂ 第１の制御ポート
１３ 流出路
１３ａ 流出ポート
１３ｂ 第２の制御ポート
２０ 流入弁
２１ 流入弁座
２１ａ 外殻
２１ｂ シート部
２１ｃ オリフィス
２２ 流入弁体ボール
３０ 流出弁
３１ 流出弁座
３２ 流出弁体ボール
４０ カムシャフト
４１ 流入カム
４２ 流出カム
１００ 空気圧システム
１０１ モータ
１０２ コンプレッサ
１０３ タンク
１０４ 逃がし弁
１０５ ドレン排出器
１０６ レギュレータ
１０７ タンク
１０８ シリンダ
１０９ 変位センサ

Claims (7)

1. 制御ポートに通じる流入ポートを有する流入路と、前記制御ポートと通じる流出ポートを有する流出路とを有する管体と、
   前記流入路内に配置された流入弁と、
   前記流出路内に配置された流出弁と、
   前記流入路及び前記流出路を横切り且つ前記流入弁及び前記流出弁の下流に配置されたカムシャフトとを有し、
   前記流入弁は、流入開口を有する流入弁座と、前記流入弁座の上流に配置され且つ前記流入開口を閉塞する流入弁体ボールとを有し、
   前記流出弁は、流出開口を有する流出弁座と、前記流出弁座の上流に配置され且つ前記流出開口を閉塞する流出弁体ボールとを有し、
   前記カムシャフトは、
   前記流入弁座の下流に配置され、且つ、前記カムシャフトの運動に従って前記流入弁座から前記流入弁体ボールを変位させて記流入開口に対する前記流入弁体ボールの位置を決定する流入カムと、
   前記流出弁座の下流に配置され、且つ、前記カムシャフトの運動に従って前記流出弁座から前記流出弁体ボールを変位させて前記流出開口に対する前記流出弁体ボールの位置を決定する流出カムと、を有する、
   サーボ弁。
2. 前記流入開口及び前記流出開口の少なくとも一方はオリフィスである、
   請求項１に記載のサーボ弁。
3. 前記カムシャフトの運動が直線運動であり、
   前記流入カム及び前記流出カムは前記カムシャフトの軸方向に形成された直動カムである、
   請求項１に記載のサーボ弁。
4. 前記カムシャフトの運動が回転運動であり、
   前記流入カム及び前記流出カムは前記カムシャフトの軸周りに形成された板カムである、
   請求項１に記載のサーボ弁。
5. 前記流入弁座及び前記流出弁座の少なくとも一方の弁座は、前記管体に対して変位可能であり、前記少なくとも一方の弁座の位置によって前記流入弁及び前記流出弁のラップが調整される、
   請求項１に記載のサーボ弁。
6. 前記オリフィスを通過する流体は軸対称な流れを有する、
   請求項２に記載のサーボ弁。
7. 流路を有する管体と、
   前記流路内に配置された弁と、
   前記流路を横切る共にカムを有するカムシャフトとを有し、
   前記弁は、開口を有する弁座と、前記弁座の上流に配置され且つ前記開口を閉塞する弁体ボールとを有し、
   前記カムは、前記弁座の下流に配置され、且つ、前記カムシャフトの運動に従って前記弁座から前記弁体ボールを変位させて前記開口に対する前記弁体ボールの位置を決定する、
   サーボ弁。

Images