JP2564619B2 - 直動形サーボ弁および該サーボ弁に用いられる筒状弾性体の加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フォースモータでスプールを直接駆動する
タイプの直動形サーボ弁および該サーボ弁に用いられる
筒状弾性体の加工方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の直動形サーボ弁の構造を第９図を例に示す。ボ
ディ８内に固定されたスリーブ２の中央部にスプール１
が摺動可能に配設され、スプール１の一端にコイル５が
巻回しされたボビン４が一体に結合されており、このボ
ビン４を介してゴム製弾性体15がマグネット側に設けら
れている。そして、コイル５に電流を流すことによりボ
ビン４とマグネット６との間に電磁力が発生し、の電磁
力とゴム製弾性体15のばね力が釣り合う位置までスプー
ル１が摺動することによりスプール１の位置決めが行な
われるようになっていた（特開昭55−10198号公報）。

一般に直動形サーボ弁の性能として、スプールを高応
答でかつ安定的に位置決めすることが要求される。すな
わち、応答性を高めるためには、第９図においてゴム製
弾性体15のばね定数を大きくするとともにスプール１と
スリーブ２の摺動抵抗を極力小さく抑えること、安定性
を高めるには、スプール１の動きに充分なダンピングを
与えることが必要である。

従来技術としては、例えば第８図や第９図に示すもの
が提案されていた。まず第９図では、スプール１の中心
軸に対して直角な端面を有するゴム製弾性体15をボビン
４に固着しているため、ゴム製弾性体15のばね力による
スプール１に対する半径方向の偏寄力を生じることが少
なく、スプール１とスリーブ２の摺動抵抗は小さく抑え
られる。よって、ゴム製弾性体15のばね定数を大きくす
ることにより応答性を高めることができる。また、ゴム
製弾性体15は内部ヒステリシスを有するため、スプール
１の動きに対するダンピング効果を奏する。このため、
スプール１は安定的に位置決めすることができる。

一方、第８図の例では、ボビン４に面して設置された
固定部材でありかつフォースモータを構成するマグネッ
ト６に面したスプール１の一端は円筒コイル状の金属ば
ね3Aによりマグネット６に保持されており、また、スプ
ール１の他端も同じく円筒コイル状の金属ばね3Bを介在
して固定部材に保持されていて、スプール１の定位性を
確保するようになっている。また、円筒コイル状の金属
ばね3A,3Bにおいては、内部ヒステリシスが実用上ない
のでスプール１の動きに対するダンピング効果もない。
よって、速度検出器によりスプール１の速度を信号とし
て検出し、コイル５への操作信号へフィードバックする
ことによりスプール１の動きにダンピングを与えて、ス
プール１を安定的に位置決めするようになっている（特
開昭49−133780号公報）。

このほか、スプール１の動きにダンピングを与える方
法として第10図に示すように、周囲に開口部が形成され
た伸縮自在の筒状体16をマグネット側と反対側のスプー
ル端部に連結するとともに、筒状体16にはピストン17が
内挿されているものも提案されている（特開昭57−2980
2号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術のうち第８図の例では、
次のような問題点があった。すなわち、スプール位置決
めの手段として円筒コイル状の金属ばね3A,3Bを使用し
ているが、この円筒コイル状の金属ばね3A,3Bは両端に
座巻を有するため、ばねの変位と荷重の関係は変位量の
全範囲において線形性を保つことができない。さらに、
円筒コイル状の金属ばね3A,3B端面の巻回終端部は隣接
コイルと密着する部分としない部分が存在し、円筒コイ
ル状の金属ばね3A,3Bの周方向におけるばね特性が不均
一となる。よって、スプール１を中心軸方向に摺動させ
るとスプール１の両端に不均一な軸方向の力を及ぼし、
その不均一な力の合力がスプール１の中心軸線に対し斜
め方向に作用するために、前記スプール１が円筒コイル
状の金属ばね3A,3Bによって半径方向に押されてスリー
ブ２内面に押し付けられる。この結果、スプール１とス
リーブ２間の摩擦力が増大し操作信号に対するスプール
１の応答性が悪くなるということである。

ここで、スプール位置決めを前記円筒コイル状の金属
バネを含む金属製の弾性体で行なう場合の課題は、該金
属製の弾性体には減衰効果が期待できないことである。
したがって、サーボ弁の高応答、高安定性を図るために
は何らかの減衰付与を講じる必要がある。

従来、上記のサーボ弁構造にしたときのスプール１の
ダンピング付与手段としては、スプール１の移動速度を
検出し操作信号にフィードバックする方式をとっている
が、この方式ではサーボ弁に速度検出器を配設する必要
がありサーボ弁の構造が複雑化、大型化する上、制御系
にはフィードバックループが必要となるため制御装置の
コストアップや制御系の信頼性の低下が余儀なくされる
ということである。

また、上記従来技術のうち第９図の例では、スプール
１の位置決めおよびダンピング付与手段としてゴム製弾
性体15を用いているが、このゴム製弾性体は、（１）周
囲温度により特性が変化する、（２）油による膨潤で特
性が劣化し易く寿命が短い、（３）経時的に特性が変化
する、（４）製造面において常に均一な性質を得にくく
製品の保留まりが非常に悪い、などの問題点があった。

さらに、上記従来技術のうち第10図の例では、スプー
ル１へのダンピング付与手段として、筒状体16とピスト
ン17をマグネット側と反対側に設けているため、サーボ
弁の構造が複雑化、大型化する上、適正なダンピングを
与えるのが難しいという問題点があった。

本発明の目的は、スプールの変位の全範囲にわたって
荷重と変位の関係において優れた線形性を発揮し、また
スプールの変位時に該スプールとスリーブの間の摩擦力
を増大させることがほとんどなく、もってスプール位置
決めに当って応答性及び安定性に優れた直動形サーボ弁
を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記直動形サーボ弁に用
いられる筒状弾性体を高精度に加工することができる加
工方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、スリーブ内に摺動
自在に配設されたスプールの一端に、コイルが巻回しさ
れたボビンを固定したスプール可動部材と、前記ボビン
の近傍に設けられたマグネットと、前記マグネットに一
端が固定され他端が前記スプール可動部材と引張および
圧縮の両方向の作用力に抗し得るように結合された弾性
体とを備え、前記コイルに入力される電流に比例して前
記弾性体をスプール可動部材と一体的に軸方向に伸長或
いは圧縮して変位するように構成した直動形サーボ弁に
おいて、前記弾性体を軸方向に連続的な螺旋状の開口部
が形成され且つ前記スプール側及びマグネット側に前記
開口部が形成されない非開口部を残して形成され且つ前
記スプール側の非開口部の軸方向長さが前記マグネット
側の非開口部の軸方向長さより小さく形成されて成る金
属製の筒状弾性体とし、更に、前記ボビンを電導材で形
成したことを特徴とするものである。

上記直動形サーボ弁において、好ましくは、前記金属
製の筒状弾性体をバネ鋼にて形成する。

さらに上記直動形サーボ弁において、好ましくは、前
記ボビンをアルミ合金にて形成する。

また、本発明の筒状弾性体の加工方法は、まず、金属
製の円筒体の中間部分に螺旋状の開口部を切削し、該開
口部に溶解可能な充填剤を充填した後、前記円筒体の内
径、外径および端面を研削し、次に前記充填剤を溶かし
て製作する。

〔作用〕

スプール可動部材のボビンに巻回されたコイルに通電
して入力指令すると、ボビン及びスプールは筒状弾性体
を弾性変形（伸長又は圧縮）して軸方向に変位する。但
し、この変位に当って実際に可動部となるのは、スプー
ル、ボビン及び筒状弾性体の内の螺旋状開口部より先端
側（スプール側）部分であり、筒状弾性体の内の基端部
側（マグネット側の非開口部部分）は実際には固定部と
なる。

先ず第１に、本発明によれば、筒状弾性体は、金属製
で、しかも軸方向に連続的な螺旋状の開口部が形成され
且つ前記スプール側及びマグネット側に前記開口部が形
成されない非開口部を残して形成されている。よって、
通常のコイルばねの如き座巻は存在しないため、過重に
よって有効巻数が変化しない。従って、コイル通電によ
る前記入力指令に対して、広い周波数領域にわたって荷
重と変位と関係において優れた線形性を発揮し、スプー
ル位置決めに当って応答性が向上する。

第２に、本発明に係る筒状弾性体は、前記スプール側
の非開口部の軸方向長さが前記マグネット側の非開口部
の軸方向長さより小さく形成されている。これは螺旋状
開口部の位置を、筒状弾性体全長の中央ではなく、前記
スプール側に偏位させたことを意味する。よって筒状弾
性体の全長に対して、螺旋状開口部の基端位置より先端
側となる可動部（螺旋状開口部及びスプール側の非開口
部）の占める長さは短くなる。この結果、筒状弾性体の
該可動部に軸線方向と交差する力が不用意に作用して、
可動部の基端位置を支点として可動部先端側が振れるこ
とがあっても、該可動部の長さが前記の如く短いため、
その可動部先端の振れの大きさを小さく抑えることが可
能となる。従って、このような不用意な力が作用した場
合においても、スプールとスリーブの間の摩擦力を増大
させることはほとんどないため、スプール位置決めに当
って応答性及び安定性が向上する。

また螺旋状開口部の前記偏位構造により、可動部（螺
旋状開口部及びスプール側の非開口部）の質量を小さく
抑えることができる。弾性体の固有振動数は可動部の質
量のルートに反比例する。この結果、可動部の質量を小
さく抑えることにより、直動形サーボ弁の固有振動数を
高くすることが可能となり、この点からも広い周波数領
域にわたって荷重と変位との関係において優れた線形性
を発揮させることができ、スプール位置決めに当って応
答性が向上する。

また、筒状弾性体の周方向に不均一なばね特性がが存
在しないため、スプールに半径方向の力を与えず、スプ
ールとスリーブの間の摩擦力を増大させることはなく、
操作信号に対するスプールの応答性が非常に良い。そし
て、通電が断たれるとスプール及びボビンは、筒状弾性
体の弾性力（ばね力）によって戻される。

また、筒状弾性体が金属製であるため操作油による特
性の劣化がなく、周囲温度の影響や経時的特性変化が極
小であるため、金属疲労限度以内の応力レベルで設計す
れば、半永久的な寿命を持つ。また、ゴムの場合のよう
な材料の成分や製造条件による特性のバラツキが非常に
小さいため、生産上高い保留まりを得ることができる。

さらに、スプールの一端に取り付けられたボビンの材
質を電導材としているので、巻回されたコイルに通電す
るとコイルには、Ｆ＝Ｂ・Ｉ・Ｌ（B:磁束密度、I:入力
電流、L:巻回されたコイルの長さ）によって表される駆
動力が発生し、ボビンおよびそれに固着されたスプール
が動く。そして、ボビンが磁束を横切ると、電磁誘導作
用によってボビンに電圧が誘起され、うず電流ｉがコイ
ルに流れる電流Ｉと逆向きに流れる（フレミングの右手
の法則）。さらには、うず電流ｉと磁束の間で電磁力ｆ
がコイルに発生する駆動力Ｆと逆方向に生じこれが減衰
力となるため、フォースモータのトータルの駆動力はＦ
−ｆとなる。ここで着目すべき点は、うず電流によって
生じる電磁力ｆはボビンが磁束を横切る速度に比例する
ため、入力電流の周波数が高くなると電磁力ｆも大きく
なることである。すなわち、これが駆動系の共振点を含
む領域で大きな減衰力として作用しスプールは安定した
停止特性となる。つまり、サーボ弁に特別な機構や検出
器を設けることなく、また、制御装置に特別な制御ルー
プを設けることなくスプールに充分なダンピングを付与
できることになる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に従って説明する。第
１図は本発明に係る３方弁タイプの直動形サーボ弁の断
面を示している。図において、１はスプールであり、ス
リーブ２の内部で摺動する。このサーボ弁は、Psより油
圧を供給され、この油圧をPcより図示されていない操作
物へ供給したり、または操作物からタンクへ逃したりす
るものである。スプール１はボビン４と結合され、この
ボビン４にはコイル５が巻かれている。そして、ボビン
４は筒状弾性体７と結合され、この筒状弾性体７の他端
は、マグネット６に結合されている。ボディ８はスリー
ブ２を収容し、油路の連通作用を与えるものである。フ
ォースモータを構成する前記コイル５は、磁気回路のエ
ア・ギァップ中に挿入されており、その磁路は、マグネ
ット６により形成される。ボビン４に設けられたコイル
５に電流を印加すると、印加電流の大きさに比例した電
磁力が発生し、この力がスプールを直接駆動する。この
駆動力によって、筒状弾性体７が伸長あるいは圧縮さ
れ、スプール１の移動量は入力電流に比例したものとな
る。

また、筒状弾性体７は、金属製で、しかも軸方向に連
続的な螺旋状の開口部7aが形成され且つ前記スプール１
側及びマグネット６側に前記開口部7aが形成されない非
開口部7b,7cを残して形成されている。しかも、スプー
ル１側の非開口部7bの軸方向長さがマグネット６側の非
開口部7cの軸方向長さより小さく形成されている。これ
は螺旋状開口部7aの位置を、筒状弾性体７全長の中央で
はなく、スプール１側に偏位させたことを意味する。よ
って、筒状弾性体７の全長に対して、螺旋状開口部7aの
基端位置より先端側となる可動部（螺旋状開口部7a及び
スプール１側の非開口部7b）の占める長さは短くなる。
この結果、筒状弾性体７の該可動部に軸線方向と交差す
る力が不用意に作用して、可動部の基端位置を支点とし
て可動部先端側が振れることがあっても、該可動部の長
さが前記の如く短いため、その可動部先端の振れの大き
さを小さく抑えることが可能となる。従って、スプール
１とスリーブ２の間の摩擦力を増大させることはほとん
どないため、スプール位置決めに当って応答性及び安定
性が向上する。

更に、前記の如く、両端に非開口部7b,7cを残して螺
旋状の開口部7aが形成された構成であるため、スプール
１と同軸心上に取り付けられた筒状弾性体７は、伸長あ
るいは圧縮により、力−変位特性に関して大変優れた線
形特性を発揮する。これにより、スプール１に対する偏
寄力を生じることはない。しかし、金属製の筒状弾性体
７は内部ヒステリシスを持たないため、減衰効果は殆ど
なく、これだけではサーボ弁は非常に不安定になる。そ
こで、ボビン４を第３図に示す構造とし、その材質をア
ルミ合金等の電導材とすることにより、ボビンの移動速
度に比例したうず電流を生じさせ、これにより減衰力を
発生させることができる。この減衰力により、共振点の
ピークは小さく安定であり、むやみに弾性体のばね定数
をかたくする必要はない。

前述の実施例によれば、ボビン４を電導材とすると、
第４図（本実施例の効果を確認するための実験結果）に
示すように、十分な減衰効果が得られ、共振点のピーク
が10dB以上のものを±3dB以内とすることができ、ばね
定数をかたくすることなく停止特性が良好となる。ま
た、筒状弾性体７はボビン４を介してスプール１に一体
的に固定されているので、１つの筒状弾性体７でスプー
ル１の中立位置を保持することができる。さらに、減衰
効果をボビン４に持たせてあるため、サーボ弁の制御装
置に特別な改良を施すことなしに筒状弾性体７を金属製
とすることができ、これによって筒状弾性体７の経年劣
化を防ぐことができるとともに、応力レベルを疲労限度
以内とすることにより、筒状弾性体７の寿命を半永久的
なものにすることが可能となる。また、材料成分及び製
造条件によりばね定数等の特性のバラツキが非常に少な
いため、製作時の歩留まりを概ね100％にすることがで
きる。これにより従来技術の課題を一掃することができ
る。

また、前述した筒状弾性体７は、第５図に示すよう
に、４方弁として２段形のサーボ弁30のパイロット弁と
して使用することもできる。

さらに、第６図は本発明の直動形サーボ弁を圧延機用
油圧圧下装置に使用した例である。図に示すように、ポ
ンプ14より供給された油は、本発明の直動形サーボ弁９
により、圧下ジャッキ11に送られたり、または圧下ジャ
ッキからタンク13へ戻されたりする。この時、ジャッキ
11には、圧下ラムの高さを検出するセンサ12が取り付け
られ、このセンサ12の信号を制御装置10に取り込み、サ
ーボ弁９の入力電流を制御し、圧下ジャッキ11のストロ
ークを制御するようになっている。

次に本発明の直動形サーボ弁に用いられる筒状弾性体
の加工方法について説明する。

筒状弾性体を加工する際には、第７図に示すように、
まず金属丸棒を図の２点鎖線で示す大きさに切断した後
に、その中間部に連続的ならせん溝を切削する。そし
て、内径及び外径を研削するが、この時、面19の円筒に
対する直角度がくるっていると、サーボ弁においては、
スプールに半径方向の偏寄力を発生させてしまう。この
ために十分な精度で面19を研削しなければならないが、
らせん溝18が削られているため、半径方向の剛性が低下
し、研削精度を上げられない。そこで、らせん溝18に充
填剤をつめ、内径、外径及び面19を研削し、その後、充
填剤を溶かす事により、十分精度の高い筒状弾性体７を
得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、筒状弾性体は、金属製で、しかも軸
方向に連続的な螺旋状の開口部が形成され且つ前記スプ
ール側及びマグネット側に前記開口部が形成されない非
開口部を残して形成されているので、広い周波数領域に
わたって荷重と変位との関係において優れた線形性を発
揮し、スプール位置決めに当って応答性を向上させるこ
とができる。

特に、本発明に係る筒状弾性体は、前記スプール側の
非開口部の軸方向長さが前記マグネット側の非開口部の
軸方向長さより小さく形成されているので、筒状弾性体
の全長に対して、螺旋状開口部の基端位置より先端側と
なる可動部の占める長さは短くなり、この結果、筒状弾
性体の該可動部に軸線方向と交差する力が不用意に作用
して、可動部の基端位置を支点として可動部先端側が振
れることがあっても、該可動部の長さが前記の如く短い
ため、その可動部先端の振れの大きさを小さく抑えるこ
とが可能となる。従って、このような不用意な力が作用
した場合においても、スプールとスリーブの間の摩擦力
を増大させることはほとんどないため、スプール位置決
めに当って応答性及び安定性を向上させることができ
る。

更に、螺旋状開口部の前記偏位構造により、可動部の
質量を小さく抑えることができるので、直動形サーボ弁
の固有振動数を高くすることが可能となり、この点から
も広い周波数領域にわたって荷重と変位との関係におい
て優れた線形性を発揮させることができ、スプール位置
決めに当って応答性を向上させることができる。

さらに、本発明の筒状弾性体の加工方法によれば、開
口部に充填される充填剤により円筒体の剛性が大きくな
り、研削精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る直動形サーボ弁の断面図、第２図
は筒状弾性体の正面図、第３図はボビンの斜視図、第４
図は本発明の直動形サーボ弁の応答性測定結果を示すグ
ラフ、第５図は本発明を２段形サーボ弁に用いた図、第
６図は本発明を圧延機用油圧圧化装置に用いた図、第７
図は筒状弾性体の加工方法を示す図、第８図乃至第10図
はそれぞれ従来の直動形サーボ弁の断面図である。 １……スプール、２……スリーブ、４……ボビン、５…
…コイル、６……マグネット、７……筒状弾性体、８…
…ボディ、９……直動形サーボ弁。

フロントページの続き (72)発明者 木ノ瀬 亮平 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 赤坂 ▲吉▼道 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−21008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−124104（ＪＰ，Ａ) 実公 昭50−762（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スリーブ内に摺動自在に配設されたスプー
   ルの一端に、コイルが巻回しされたボビンを固定したス
   プール可動部材と、前記ボビンの近傍に設けられたマグ
   ネットと、前記マグネットに一端が固定され他端が前記
   スプール可動部材と引張および圧縮の両方向の作用力に
   抗し得るように結合された弾性体とを備え、前記コイル
   に入力される電流に比例して前記弾性体をスプール可動
   部材と一体的に軸方向に伸長或いは圧縮して変位するよ
   うに構成した直動形サーボ弁において、 前記弾性体を軸方向に連続的な螺旋状の開口部が形成さ
   れ且つ前記スプール側及びマグネット側に前記開口部が
   形成されない非開口部を残して形成され且つ前記スプー
   ル側の非開口部の軸方向長さが前記マグネット側の非開
   口部の軸方向長さより小さく形成されて成る金属製の筒
   状弾性体とし、 更に、前記ボビンを電導材で形成したことを特徴とする
   直動形サーボ弁。
2. 【請求項２】請求項１記載の直動形サーボ弁において、
   前記ボビンをアルミ合金で形成したことを特徴とする直
   動形サーボ弁。
3. 【請求項３】直動形サーボ弁に用いられ、スリーブ内を
   摺動可能なスプールの一端側にボビンを介して結合され
   る筒状弾性体を加工する際に、先ず金属製の円筒体の軸
   方向中間部に螺旋状の開口部を切削し、該開口部に溶解
   可能な充填剤を充填した後、前記円筒体の内径、外径お
   よび端面を研削し、次に前記充填剤を溶かして製作する
   筒状弾性体の加工方法。