JP3212420B2 - 水圧サーボ弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【補正の内容】

【産業上の利用分野】本発明は一般産業機械の自動制御
に広く応用される方向・流量制御の水圧スプール型サー
ボ弁で、大出力・高精度・高応答を必要とする位置制御
・速度制御・力制御に使用される。

【０００２】

【従来の技術】流体圧スプール型サーボ弁としては、従
来例えば、図４縦断面図に示すように、トルクモータ０
１，ノズル０２，ノズル０３，フラッパ０４，フイード
バックスプリング０５等から構成されるパイロット部０
６と、ボデイ０７，スリーブ０８，スプール０９等から
構成されるメインスプール部０１０とから形成されたノ
ズルフラッパ型のものが知られている。

【０００３】このようなノズルフラッパ型サーボ弁にお
いては、トルクモータ０１のコイルに加えられる電流に
比例したトルクを発生し、アマチュア０１１が傾動する
とフラッパ０４を左右方向に変位させ、フラッパ０４の
ノズル０２，０３との隙間が変化し、圧力制御室０１２
と圧力制御室０１３との間の圧力がアンバランスとなる
ので、スプール０９が変位し、フイードバックスプリン
グ０５を介してのフラッパ０４が中立移動するといった
一連の動作によって入力電流に比例したスプール０９の
変位が得られ、これによってスプール０９とボデイ０７
のポート間を流れる流体の流れ方向と流量とが制御され
ている。

【０００４】ここで、０１４は図示例のサーボ弁の場
合、インレットオリフイス０１５，ノズル０２及び０３
の開口部がそれぞれ穴径０．１〜０．２mm程度と非常に
小さいため、これらへの微小ごみの目詰まり防止用に挿
入されたインレットフイルタである。

【０００５】この種サーボ弁ではスプール０９を左右方
向に変位させるのに、常時パイロット流量ＯＱ_L1が必要
である。また、制御性や不感帯領域の割合を極力小さく
し、かつスプール０９とスリーブ０８の摺動隙間からの
リーク量を小さく抑えるために、図５部分拡大図に示す
ように、スプール０９とスリーブ０８との隙間ＯＣは数
ミクロンから十数ミクロンに、スプール０９とスリーブ
０８のポート締切り部の重なり（オーバラップ）も十数
ミクロンに設定されている。

【０００６】弁体０７に配設された各ポートは、供給ポ
ート０１６にはポンプなどからの圧油が供給され、負荷
ポート０１８，０１９はシリンダなどのアクチユエータ
に、戻りポート０１７はタンクなどに接続されており、
弁としての内部リークは供給ポート０１６→負荷ポート
０１８，０１９→戻りポート０１７のメインスプール部
のリーク量ＯＱ_L3，供給ポート０１６→圧力制御室０１
１，０１２のリーク量ＯＱ_L2，供給ポート０１６→イン
レットフイルタ０１４→インレットオリフイス０１５→
圧力制御室０１２，０１３のパイロット流量ＯＱ_L1の３
種の内部リーク量が生じ、これらの量は供給圧力ＯＰｓ
が高圧になる程、また流体の粘性が水のようにサラサラ
に低下する程増加する特性を示し、エネルギ効率を低下
させる原因となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来のノ
ズルフラッパ型スプール弁では構造上からくる下記のよ
うな欠点がある。 (1) 内部リークの発生個所が３箇所あり、作動流体が水
のような低粘性流体の場合、内部リーク量が増加してエ
ネルギ効率が低下し、この結果経済性が悪化する。

【０００８】(2) 構造的にフイードバックスプリング０
５を介してのスプール変位制御を行なっているため、ス
プールの変位量が小さく（通常０±１．５mm程度）ポー
トを開いた場合の流量が制約され、大流量化が難しい。

【０００９】(3) インレットオリフイス０１５，ノズル
・フラッパ部０４の穴径が微小であるため目詰まり等に
よる故障も少なくない。また、インレットフイルタ０１
４の目詰まりによるパイロット流量低下からくる動作不
良も生ずる。

【００１０】(4) ノズルフラッパ０４部などを含めたパ
イロット部分０１が精密（ノズルとフラッパ間の隙間は
５０ミクロン程度）であるため、不具合発生時などの修
理・調整に時間を要する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記従来の課題
を解決したもので、スリーブとスプールで形成される流
路切換弁を弁ボディ内部に内蔵する弁装置部を有する水
圧サーボ弁において、電動駆動モータと、該電動駆動モ
ータに直結されたボールねじ、該ボールねじに回転自在
に嵌合されたナット、該ナットに固定され先端部に前記
スプールと連接するボール部を有する駆動レバー、及び
中央に摺動スリット溝を設けた駆動レバーガイドから構
成される直線運動化機構と、前記スプールの位置制御の
ために前記駆動レバーに取付けられ同スプールの変位を
検出しその信号をフィードバックする変位センサと、前
記電動駆動モータに直結され同電動駆動モータの速度制
御のために同電動駆動モータの回転速度を検出しその信
号をフィードバックするエンコーダとからなるスプール
駆動装置部を、前記スプールと前記ボールねじとが平行
２軸に配置されるように、前記弁装置部に取付けてなる
ことを特徴とする水圧サーボ弁を提供するものである。

【００１２】即ち、作動流体が低粘性流体の水の場合で
も内部リーク量が少なく、経済性を向上させるととも
に、弁構成として精密さが要求される従来のパイロット
部を排除し、スプール直動型とし、構造的にもシンプル
で、さらに弁装置部とスプール駆動装置部に分けて構成
されることによって、組立・調整を容易にした水圧スプ
ール型サーボ弁を提供するものである。

【００１３】そのために本発明では、スプールを駆動す
る手段として、回転型サーボモータと回転を直線運動に
変換するボールねじを有するスプール駆動装置部を、同
スプールと同ボールねじとが平行２軸に配置されるよう
に、弁装置部に取付けて組み合せるとともに、直線運動
に変換されたナットにスプールと接触する先端形状を球
とした駆動レバーを取り付け、駆動レバーによって直接
スプールを駆動するようにした。

【００１４】なお、従来弁でのスプール変位制御用フィ
ードバックスプリングに代るものとして、スプール駆動
レバーに変位検出用変位センサを取り付け、スプール変
位制御用電気フィードバック信号方式とした。また、上
記回転型サーボモータに直結するエンコーダを設け回転
型サーボモータの回転速度を検出してフィードバック
し、その速度制御用に用いるようにした。

【００１５】

【作用】本発明のようなサーボ弁構成とすることによ
り、下記の作用が行なわれる。 (1) パイロット部が無く、内部リーク発生部がメインス
プールだけとなるため、内部リーク量を大幅に低減する
ことが可能となる。

【００１６】(2) 駆動モータとして高速・高応答のサー
ボモータを採用し、回転運動から直線運動への変換部で
あるボールねじのリードを適性に選定することにより、
従来弁と同様の高速応答性を得ることができるととも
に、スプール変位の大ストローク化が可能となるため、
大容量化も容易に実現できる。また、スプール駆動レバ
ーに変位検出用の変位センサを取り付けフィードバック
し位置制御を行うとともに、前記サーボモータに直結す
るエンコーダを設け同サーボモータの回転速度を検出し
フィードバックして回転速度制御を行うことにより、安
定したスプール制御が得られる。

【００１７】(3) 構造的にも、従来弁のようなトルクモ
ータ、ノズル・フラッパなどの精密調整部分がないた
め、さらには弁装置部とスプール駆動装置部に分けて構
成されているので、組立調整及びメンテナンスが容易に
なる。

【００１８】(4) 駆動モータ、連動変換機構及びスプー
ル変位制御用変位センサを有するスプール駆動装置部を
弁装置部と分けて構成し作動流体の水に接しない弁体外
に配置したため、作動流体の水に対しても腐食絶縁不良
などの心配がないとともに、作動状態や故障発生時の原
因を容易に把握できる。

【００１９】

【実施例】本発明の一実施例の断面図を図１ないし図３
に示す。図１において、１は駆動モータ、２は駆動モー
タ１に直結されたエンコーダ、３はケースであり、左端
部には駆動モータ１がボルト等により固定されている。
４はボールねじ、５はナット、６は駆動モータ１の回転
軸とボールねじ４を接続するカップリング、７はナット
５に固定した駆動レバー、８は駆動レバー先端ボール
部、９は駆動レバー７に固定したコア、１０は変位セン
サ、１１はボールねじ４を支持する軸受、１２は駆動レ
バー７の回転止めとしての駆動レバーガイドであり、ボ
ールねじ４の回転に伴なうナット５及びそれに固定され
た駆動レバー７が回転するのを防止し、直線運動を得る
もので、紙面左右方向に駆動レバー７が摺動できるスリ
ット１３が設けられている。そして、上記駆動モータ１
からスリット１３までを有して、スプール駆動装置部が
構成されている。

【００２０】１４は弁ボディ、１５は弁ボディ１４内に
装着したスリーブであり、弁ボディ１４との隙間にはポ
ート間の水の流れを防止するためのシール１６が装着さ
れている。１７はスプールでスリーブ１５の円筒面に沿
って左右方向に摺動できるようになっている。１８はス
プール１７と駆動レバー先端ボール部８を連接する固定
金具であり、スプール１７とは図３に示すように、ねじ
結合されている。１９は弁ボディ１４に配設された圧力
ポート、２０，２１は負荷ポート、２２，２３は戻りポ
ートであり、圧力ポート１９はポンプ等に負荷ポート２
０，２１にはシリンダ、戻りポート２２，２３はタンク
等に接続される（いずれも図示せず）。２４はスプール
１７の貫通側フランジで、スプール１７との間には低摩
擦型の軸シール２５が装着され、内部の水の外部リーク
を防止している。２６はフランジである。そして、上記
弁ボディ１４からフランジ２６までを有して弁装置部が
構成されており、この弁装置部の弁ボディ１４には前記
スプール駆動装置部のケース３が、ボールねじ４とスプ
ール１７とが平行２軸に配置されるように、取付けられ
ている。

【００２１】このような構成において、駆動モータ１を
回転させると、カップリング６によって結合されたボー
ルねじ４は駆動モータ１を同回転・同方向に回転し、ボ
ールねじ４に回転自在に嵌合されたナット５及びナット
５に固定した駆動レバー７は駆動レバーガイド１２によ
って回転を規制されているため、ボールねじ４の軸方向
（紙面左右方向）に駆動レバーガイド１２のスリット１
３に沿って移動し、直線運動に変換される。この際駆動
レバー７に取り付けた変位センサのコア９が駆動レバー
７と共に移動し、変位センサ１０から変位量に応じた電
気出力が得られる。

【００２２】なお、駆動モータ１に直結されたエンコー
ダ２は駆動モータ１の回転速度を検出し、駆動モータ１
の速度制御用として用いるものであるが、本実施例では
制御回路の詳細は省略する。すなわち、上記のように、
スプール１７の変位信号としての変位センサ１０の信号
をフィードバックする位置制御ループを有するととも
に、エンコーダ２によって駆動モータ１の速度信号を検
出しフィードバックする速度制御ループを有するもので
ある。

【００２３】直線運動に変換された駆動レバー７の先端
ボール部８は固定金具１８によってスプール１７に連接
されているが、駆動レバー７によってスプール１７を駆
動する際、スプール１７がスリーブ１５内面に強制押付
け力が作用しないように、駆動レバー７先端部はボール
形状とし、点接触とすると共に、ボールねじ４の軸心と
スプール１７の軸心のズレが生じた場合でも半径方向に
不要な力が作用しないよう、わずか０．２mm程度（図３
のｈ−ｄ）の寸法的余裕を半径方向に持たせた連接方式
を採用している。

【００２４】以上の連接によって駆動されるスプール１
７はスリーブ１５内を矢印のように左右方向に変位する
ことにより、弁ボデイ１４とスリーブ１５で形成される
各ポート間の流れ方向と流量を制御することができる。

【００２５】すなわち、スプール１７が図示状態より右
方へ移動すれば、水の流れは圧力ポート１９→負荷ポー
ト２０→シリンダ（図示せず）→負荷ポート２１→戻り
ポート２３となり、スプール１７を左方へ移動すれば、
圧力ポート１９→負荷ポート２１→シリンダ（図示せ
ず）→負荷ポート２０→戻りポート２２の流れが形成さ
れ、流量はスプール１７の変位量に比例したものとな
り、サーボ弁としての機能を発揮することができる。

【００２６】スプール１７の変位量はスプール１７の変
位指令量とスプール１７、すなわち駆動レバー７の実変
位量を比較して指令量に合致するように、駆動モータ１
の回転角と回転方向を制御する制御回路が組まれる。

【００２７】図１に示す弁中立状態においては、内部リ
ークは圧力ポート１９→負荷ポート２０および負荷ポー
ト２１→戻りポート２２，２３のスプール１７とスリー
ブ１５の隙間からのリークのみであり、従来弁に比べる
と大幅に低減することが可能となる。

【００２８】サーボ弁としての応答性については、駆動
モータ１の回転数とボールねじ４のリードを弁仕様に合
うように適正に選定することにより、５０Ｈｚ以上の応
答性を得ることも可能である。また、駆動モータ１とボ
ールねじ４から形成される駆動系の高速化を図ることに
よってスプール１７の変位量も大きくとることができ、
本方式であれば０±４mmも容易に得ることが可能とな
り、従来弁と比べて大流量化を達成することができる。
また、従来、流体圧サーボ弁を水等の低粘性流体で使用
する場合、粘度が低いため自己減衰が小さくダンピング
効果が得られないため振動するなどのサーボ弁制御に不
安定現象を生ずることがあり、特にリンク機構、ばね等
ばね剛性の小さい構造を有する場合にはそれが助長され
るが、本実施例のようにばね剛性の非常に高いボールね
じ４と駆動レバー７を用い、エンコーダ２による駆動モ
ータ１の回転速度を検出しフィードバックして回転速度
制御を行うことにより、流体の粘性にかかわらず、特に
低粘性流体の水を作動流体とする水圧サーボ弁として、
安定したサーボ弁制御が可能となる。

【００２９】ちなみに試作実験結果では駆動モータ１の
回転数３０００ｒｐｍ，ボールねじ４のリード３mmでス
プール変位０→４mmを３０ｍｓｅｃ以下、また０±１mm
変位での周波数応答５０ＨＺ以上を達成している。

【００３０】

【００３１】

【発明の効果】上記のように本発明は、水圧サーボ弁
を、スリーブとスプールで形成される流路切換弁を弁ボ
ディ内部に内蔵する弁装置部を有する水圧サーボ弁にお
いて、電動駆動モータと、該電動駆動モータに直結され
たボールねじ、該ボールねじに回転自在に嵌合されたナ
ット、該ナットに固定され先端部に前記スプールと連接
するボール部を有する駆動レバー、及び中央に摺動スリ
ット溝を設けた駆動レバーガイドから構成される直線運
動化機構と、前記スプールの位置制御のために前記駆動
レバーに取付けられ同スプールの変位を検出しその信号
をフィードバックする変位センサと、前記電動駆動モー
タに直結され同電動駆動モータの速度制御のために同電
動駆動モータの回転速度を検出しその信号をフィードバ
ックするエンコーダとからなるスプール駆動装置部を、
前記スプールと前記ボールねじとが平行２軸に配置され
るように、前記弁装置部に取付けてなることを特徴とす
る水圧サーボ弁としたので、以下のような効果が得られ
る。

【００３２】(1) サーボ弁としての内部リーク量発生箇
所がスリーブ１５とスプール１７のポート間隙間だけと
なり、従来弁に比べてリーク量を低減させることがで
き、エネルギ損失が少なくなり、経済性が向上する。

【００３３】(2) 高速回転の駆動モータ１及びボールね
じ４を採用することにより、ボールねじ４のリードを大
きくとれば従来弁と同様に高速応答性が得られるととも
に、従来弁に比べ、スプール１７の変位量を大きくとる
ことができるため、大流量化にも対応可能となり、適応
範囲が拡大する。また、駆動レバー７に変位検出用の変
位センサ１０を取り付けフィードバックを行い、駆動モ
ータ１に直結するエンコーダ２を設け駆動モータ１の回
転速度を検出しフィードバックして回転速度制御を行う
ことにより、安定したスプール制御が得られる。

【００３４】(3) スプール駆動装置部がすべて弁装置部
の弁ボディ１４の外部に配置されているため、作動流体
の水に対しても駆動部の腐食によるトラブルや、駆動モ
ータ１、変位センサ１０など電気部品の絶縁不良による
トラブルの心配がない。 また、駆動機構部の作動状態
が直接目視できると共に、故障時などの際にも故障箇所
を容易に把握できるなどのメリットもある。

【００３５】(4) 構造的にも従来弁のトルクモータやノ
ズルフラッパ、フィードバックスプリングなどの精密構
造・調整を必要とする部分がないため、さらには、弁装
置部とスプール駆動装置部とが分けて構成されているた
め、組立・調整が容易であるなどのメンテナンス性やコ
スト低減にも寄与することができる。

【００３６】以上のように、内部リーク量の低減、構造
の簡素化、メンテナンス性の向上、制御の安定性、大容
量化への適応性など本発明は産業上極めて有益な水圧サ
ーボ弁である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る水圧サーボ弁の縦断面
図である。

【図２】本発明に係る図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図３】本発明に係るスプール駆動レバーの組立斜視図
である。

【図４】従来の流体圧スプール型サーボ弁を示す縦断面
図である。

【図５】図４のスプール・スリーブを示す部分拡大図で
ある。

【符号の説明】

１ 駆動モータ ２ エンコーダ ３ ケース ４ ボールねじ ５ ナット ６ カップリング ７ 駆動レバー ８ 駆動レバー先端ボール部 ９ コア １０ 変位センサ １１ 軸受 １２ 駆動レバーガイド １３ スリット １４ 弁ボデイ １５ スリーブ １６ シール １７ スプール １８ 固定金具 １９ 圧力ポート ２０，２１ 負荷ポート ２２，２３ 戻りポート ２４，２６ フランジ ２５ 軸シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−249781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−152320（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−51504（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−191508（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−25001（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭46−7412（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F15B 13/044 F16K 31/50

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スリーブとスプールで形成される流路切
   換弁を弁ボディ内部に内蔵する弁装置部を有する水圧サ
   ーボ弁において、電動駆動モータと、該電動駆動モータ
   に直結されたボールねじ、該ボールねじに回転自在に嵌
   合されたナット、該ナットに固定され先端部に前記スプ
   ールと連接するボール部を有する駆動レバー、及び中央
   に摺動スリット溝を設けた駆動レバーガイドから構成さ
   れる直線運動化機構と、前記スプールの位置制御のため
   に前記駆動レバーに取付けられ同スプールの変位を検出
   しその信号をフィードバックする変位センサと、前記電
   動駆動モータに直結され同電動駆動モータの速度制御の
   ために同電動駆動モータの回転速度を検出しその信号を
   フィードバックするエンコーダとからなるスプール駆動
   装置部を、前記スプールと前記ボールねじとが平行２軸
   に配置されるように、前記弁装置部に取付けてなること
   を特徴とする水圧サーボ弁。