JP3788877B2 - スプール型方向切換弁パイロットシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スプール型方向切換弁パイロットシステムに係り、特に、電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁パイロットシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁パイロットシステムとしては、例えば、特開平８−２１０３０５号公報や特開平８−２０９７５１号公報に記載されているものがある。これらの公知のシステムでは、制御装置からの信号により電磁比例弁を駆動し、指令値に応じた圧力を発生させ、この圧力をメインスプールの両端の圧力室に供給して、スプール型方向切換弁の方向を切り換えるようにしている。
【０００３】
また、特開平５−１９５５４６号公報には、電気レバー変位相当の信号にレバー速度相当の信号を上乗せすることにより、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を改善する方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２１０３０５号公報や特開平８−２０９７５１号公報に記載されている電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁では、切換速度が遅いという問題があった。切換速度が遅い理由は、レバー信号が入力されてから圧力が発生するまでの無駄時間と、パイロット圧力が上昇し目標圧力になるまでの立ち上がり時間があるためである。圧力発生までの無駄時間は、ソレノイドの励磁にかかる時間、電磁比例弁内のコントロールスプールの移動時間であり、これらはソレノイドそのものの特性である。また、圧力の立ち上がりの遅れは、電磁比例弁の圧力特性である。即ち、電磁比例弁ではメカニカルな圧力フィードバックを行っているため、圧力の上昇具合は電磁比例弁の圧力特性で決まってくる。従って、差圧が大きいとき電磁比例弁はフルオープンとなり圧力上昇とともに絞られ始める。しかし、方向切り替え弁のようにメインスプールが移動する場合は、圧力室の容積がスプールの移動とともに大きくなり、圧力上昇は鈍く、電磁比例弁の流すことができる最大流量が足りなくなるからである。
【０００５】
また、特開平５−１９５５４６号公報に記載されている方法では、レバー速度を検出した後制御信号を形成するようにしているため、後追い制御となり、応答性が充分でないという問題があった。特に、アクチュエータに大流量を流す大型のスプール型方向切り替え弁ではスプール径を大きくする必要があり、スプールが移動する体積，即ち、パイロット圧力室への流量が増えるため、小型のスプール型方向切り替え弁に比べて立ち上がりの応答が著しく遅れるものであった。
【０００６】
これらの問題に対して、例えば、高速応答で大流量を流すことのできる電磁比例弁を用いる方法も考えられるが、このような電磁比例弁は高価なものであり、実用的でないものである。
【０００７】
また、高価な電磁比例弁に代えて電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を用いる方法も考えられる。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁は、安価であり、高速応答で大流量を流すことが可能であるが、パイロット室の圧力を制御するためには、ＰＷＭ（Pluse Width Modulation：パルス幅変調）等の制御が必要であるとともに、ＰＷＭ方式の電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁では、パイロット圧力の制御精度が低いものである。
【０００８】
本発明の目的は、高速応答で、大流量を流すことが可能であるとともに、パイロット圧力の制御精度が高く、しかも、安価なスプール型方向切換弁パイロットシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、流体の方向を切り換えるメインスプールと、このメインスプールの両端部の圧力室とパイロット圧力を供給するパイロットポンプの間に配置された電磁比例弁と、電気レバー装置からの信号に応じて前記電磁比例弁を駆動する制御手段とを有するスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、前記パイロットポンプと前記メインスプールのパイロット圧力室の間に、前記電磁比例弁に対して並列に電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を配置し、前記制御手段は、前記電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動し、前記パイロットポンプから前記電磁比例弁を介して前記メインスプールのパイロット圧力室に供給されるパイロット圧油に、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を介して供給されるパイロット圧油を合流するようにしたものである。かかる構成により、電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、パイロット圧力室への流量が増えた場合でも、高速応答で大流量を流すことにより、応答性を向上させることができ、また、電磁比例弁を駆動して、操作レバーの信号に比例してパイロット圧力の制御精度を高くしてスプール型方向切換弁の切換も行い得るとともに、安価に構成し得るものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、さらに、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁と前記パイロット圧力室の間に逆流防止弁を設けるようにしたものである。
かかる構成により、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が閉位置にあるとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁からのリークを防止し得るものとなる。
【００１１】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記電気レバー装置の操作レバーの操作速度に基づいて前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間を計算し、この時間だけ前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしたものである。
かかる構成により、操作レバーの操作速度に応じて、操作速度が大きいときは電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間が長くすることにより、大流量を流すことができ、応答性を向上し得るものとなる。
【００１２】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を一定時間駆動するようにしたものである。
かかる構成により、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動時間は一定時間であるため、操作レバーの角度の変化量に対応するような駆動時間の演算処理が不要となり、制御装置の処理が容易となる。
【００１３】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記操作レバーの操作速度が一定以上のとき、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成について説明する。
【００１５】
電気レバー装置１０のレバー１２を操作すると、レバー１２の操作量に応じた操作信号が出力し、コントローラ２０に入力する。コントローラ２０は、電気レバー装置１０からの操作信号を元に流体の流れる方向と流量を計算し、電磁比例弁３０，３２及び電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２に、指令値（電流値或いは電圧値）を出力する。電磁比例弁３０，３２と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２は、パイロットポンプ５０とタンク５２につながっており、コントローラ２０からの指令値に応じて２次側に圧力を発生させる。電磁比例弁３０，３２は、指令値に比例した圧力を発生させる。電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２は、オンとオフだけの操作である。
【００１６】
電磁比例弁３０の２次側と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０の２次側は、パイロット用ホース７０，７２によって、メインスプール８０の一端のパイロット室８２につながっている。また、電磁比例弁３２の２次側と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４２の２次側は、パイロット用ホース７４，７６によって、メインスプール８０の他端のパイロット室８４につながっている。
【００１７】
電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の２次側には、それぞれ、逆流防止弁であるチェック弁６０，６２が取付けられており、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２が未操作の場合、パイロット圧力室がタンク５２に連通することを防いでいる。
【００１８】
本実施形態においては、上記のように、電磁比例弁３０，３２の他に、電磁比例弁３０，３２に並列に接続された電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２を備えるようにしている。その目的は、電磁比例弁３０，３２の無駄時間や圧力応答の遅れを、補正するためである。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２は、電磁比例弁３０，３２の２次側の圧力の立ち上がり時にだけオンし、流量を流すものであり、電磁比例弁３０，３２の２次側が圧力目標圧力に近づくと電磁比例弁３０，３２のみによって圧力を制御するようにしている。なお、電磁比例弁３０，３２及び電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の制御の詳細については、図３を用いて後述する。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態に用いるコントローラ２０の構成について説明する。
コントローラ２０は、ＲＡＭ２１と、ＲＯＭ２２と、ＣＰＵ２３と、Ａ／Ｄボード２４と、Ｄ／Ａボード２５と、これらを接続する共通バス２６と、ＡＭＰ２７とから構成されている。
【００２０】
電気レバー装置１０から入力する操作信号は、Ａ／Ｄボード２４によってディジタル信号に変換され、ＲＡＭ２１に一時的に格納される。また、ＲＡＭ２１には、プログラム実行時に必要なデータが格納される。ＣＰＵ２３は、ＲＯＭ２２に格納された制御演算に必要なプログラムを実行して、電気レバー装置１０から入力した操作信号に基づいて、電磁比例弁３０，３２及び電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２に対する指令値を演算する。演算された指令値は、Ｄ／Ａボード２５によってアナログ信号に変換された後、ＡＭＰ２７によって、電磁比例弁３０，３２或いは電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の信号レベルに変換され、電磁比例弁３０，３２或いは電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２に出力される。各データ，プログラムのやり取りは、共通バス２６を介して行われる。
【００２１】
次に、図３〜図８を用いて、本実施形態に用いるコントローラ２０の制御処理について説明する。
最初に、図３に示すフローチャートを用いて、コントローラ２０の制御処理の流れについて説明する。
【００２２】
電磁弁の制御処理がスタートすると、最初に、設定が必要なパラメータは書き込まれている。
ステップ１１０において、コントローラ２０は、現在の電気レバー装置１０のレバー１２のレバー角度θ１を検出する。レバー角度θ１は、エンコーダやポテンショ等で検出することができる。本実施形態においては、ポテンショを用いて検出するものとして、レバー中立位置をポテンショ信号ＯＶの時とし、電気レバー装置１０のレバー１２を＋側に動かした場合は正の信号を、レバー１２を−側に倒した場合は負の信号が出力する。ここでは、レバー角度θ１を符号付きで読みとる。
【００２３】
次に、ステップ１２０において、前回のレバー角度θ０と、ステップ１００において検出された現在のレバー角度θ１に基づいて、レバー１２の単位時間辺りの変位量Δθを計算する。レバーの変位量Δθは、Δθ＝θ１−θ０として計算する。
【００２４】
次に、ステップ１３０において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力処理を実行する。
【００２５】
出力処理としては、ステップ１３２において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決める。出力時間ｔ＿ｏｎは、レバー１２の変位量Δθ（即ち、レバー１２の操作速度）の関数となり、
ｔ＿ｏｎ＝ｆ（Δθ）
として求める。
【００２６】
ここで、図４〜図７を用いて、関数ｆを求める方法について説明する。
図４は、レバー角度θと電磁弁出力Ｖｐの関係を示している。
本実施形態においては、電磁比例弁３０は、レバー角度θが負の時、電磁弁出力Ｖｐは出力０に保持し、レバー角度θが正の時、レバー角度θに対して電磁弁出力Ｖｐがリニアとなる特性を持たせている。電磁比例弁３２は、電磁比例弁３０とは逆の特性を有しており、レバー角度θが正の時、電磁弁出力Ｖｐは出力０に保持し、レバー角度θが負の時、レバー角度θに対して電磁弁出力Ｖｐがリニアとなる特性を持たせている。
【００２７】
次に、図５は、レバー角度θとパイロット圧力Ｐｐの関係を示している。
電磁比例弁の出力Ｖｐとパイロット圧力Ｐｐは、静的にはリニアな関係になるため、図４に示した特性に基づいて、図５に示すように書き換えることができる。パイロット圧力Ｐｐとレバー角度θとの関係は、図示するように、不感帯を有している。ここで、レバー角度θ０に相当するパイロット圧力はＰ０であり、レバー角度θ１に相当するパイロット圧力はＰ１である。例えば、前回のレバー角度がθ０であり、今回のレバー角度をθ１とすると、パイロット圧力はＰ０からＰ１まで加圧すればよいことになる。
【００２８】
次に、図６は、パイロット圧Ｐｐとメインスプール８０の変位量ｘを示している。
メインスプール８０はバネます系であるので、静的にはリニアであるがクラッキング圧力が作用しているため、線形にはならないものである。例えば、前回のパイロット圧力がＰ０であり、今回のパイロット圧力がＰ１とすると、メインスプールの変位ｘは、Ｘ０からＸ１まで変位させればよいことになる。
【００２９】
ここで、メインスプールの変位量ｘが分かれば、そこに必要となる総流量，即ち、変位による体積が求められる。体積をＶｏ１とし、メインスプール８０の断面積をＡｓとし、前回のメインスプールの変位Ｘ０と、今回のメインスプールの変位Ｘ１とから、
Ｖｏ１＝Ａｓ×（Ｘ１−Ｘ０）
として、求められる。
【００３０】
一方、図７は、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を開いたときの流量特性を示している。
電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を開いたとき、パイロット圧力室８２，８４に流入する流入体積Ｃは時間ｔと共に、図示するように、暫次増加するので、スプールがＸ０からＸ１まで移動するのに必要な流量Ｖｏｌは、流れ込む時間ｔとして求めることができる。
【００３１】
以上のようにして、ステップ１３２において、レバーの変位量Δθから、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決めることができる。なお、図７に示した流量特性は、スプールに外乱が加わらない場合の時間と容積の関係であり、実際のコントロールバルブでは通油しているためフローフォースが働き、もう少し長い時間が必要となる。また、フローフォースは、メインのスプールを押し戻す方向に働くため、目標指令値より少な目の移動量になる。図７を用いて求める時間ｔは厳密でなくても良く、最終圧力は電磁比例弁３０，３２によって調整するようにしている。
【００３２】
次に、図３に戻り、ステップ１３３〜１３６において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２のどちらに出力するかを決める。すなわち、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２は、圧力信号立ち上がりに対して有効に働くように設定される。
具体的には、ステップ１３３において、レバー角θ１の符号が正か否かを確認して、正であればステップ１３５に進み、正でなければステップ１３４に進む。
さらに、ステップステップ１３４において、レバー角θ１の符号が負か否かを確認して、負であればステップ１３６に進み、負でなければステップ１４０に進む。
【００３３】
レバー角θ１が正の場合は、オペレータがレバーを＋側の領域で操作している状況を表している。
そこで、ステップ１３５において、レバー変位量Δθが正か否かを確認し、正であればステップ１３７に進み、そうでなければステップ１４０に進む。
【００３４】
レバー変位量Δθが正の場合には、オペレータはレバーをさらに＋側に押し込んでいる最中である。
そこで、ステップ１３７において、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に指令電圧Ｖを出力する。この状態は、オペレータが操作レバーを＋側に動かしている状況を表している。
【００３５】
ここで、図８を用いて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に出力する指令電圧Ｖについて説明する。
電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に出力する指令電圧Ｖは、Ｖｍａｘと０の２値であり、ステップ１３２において求められた出力時間ｔ＿ｏｎの間だけ、指令電圧ＶをＶｍａｘとする。
【００３６】
また、レバー角θ１が負で、レバー変位量Δθが負の場合は、レバーをマイナス側で操作している状況を表している。
そこで、ステップ１３８において、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２に指令電圧Ｖを出力する。
【００３７】
さらに、ステップ１３４，１３５，１３６における判定が「ＮＯ」の場合は、レバーを減速側に動かしているか、或いはレバーが中立の状態を表しいるため、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２による高速化は行わないため、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２への出力は行わずに、ステップ１４０にジャンプする。
【００３８】
なお、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２への出力が終わると電磁０Ｎ／０ＦＦ４０，４２弁の２次圧はタンク圧になるが、パイロット圧力室８２，８４と電磁ＯＮ／０ＦＦ弁４０，４２の間に挿入したチェック弁６０，６２によって、パイロット室８２，８４がタンク５２につながることはないものである。
【００３９】
次に、ステップ１４０において、電磁比例弁３０，３２に、レバー角θ１に応じた出力Ｖｐを行う。レバー角θ１と出力Ｖｐの関係は、図４に示すようにする。このとき、ステップ１３７若しくはステップ１３８の処理により、パイロット室８２，８４の圧力は、ある程度上がっているため、この後の最終圧力の調整を電磁比例弁３０，３２で行うようにしている。パイロット室８２，８４の圧力が、目標圧力より小さければ電磁比例弁３０，３２が開き、圧油を供給し、目標圧より高ければタンク５２に連通して減圧する。
【００４０】
一方、レバー１２を中立方向に戻した場合、加圧されていたパイロットは、電磁比例弁３０，３２のタンクポートのみを伝わり減圧される。そのため、減圧が滑らかになり、急停止における激しいショックを緩和することができる。
最後に、ステップ１５０において、現在のレバー角度θ１を、角度θ０として格納して、ステップ１１０に戻る。
【００４１】
ここで、図９を用いて、メインスプールの位置の応答波形のシミュレーション結果について説明する。
図において、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示しており、縦軸はメインスプールの位置（ｍｍ）を示している。
【００４２】
時間０ｓｅｃにおいて、図８に示したステップ状の信号を電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁に印加するとともに、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の開口時間ｔ＿ｏｎを、▲１▼５ｍｓｅｃ，▲２▼７ｍｓｅｃ，▲３▼８ｍｓｅｃ，▲４▼１０ｍｓｅｃの４種類に変えた時のステップ応答を示している。また、参考のため、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使用しない場合の応答特性を「ノーマル」として図示している。
【００４３】
５種類の応答特性を比較すると明かなように、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の開口時間を一番長くした▲４▼（１０ｍｓｅｃ）は、応答が最も早く見えるが、４．５ｍｍの目標位置に対し、ストロークエンドの１０ｍｍまで行ってしまい、オーバーシュートが大きすぎるものである。また、▲１▼（５ｍｓｅｃ）では、途中でノーマルの方式と同じ応答になっている。しかし、いずれも電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使わない場合に比べ、応答特性が改善され、無駄時間が短くなっている。応答の早い、遅いの感覚はスプールが目標位置の１００％になるまでの時間ではなく、無駄時間と目標の６０〜８０％になるまでの時間であるので、本実施形態によって、応答性を向上することができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、パイロット圧力室への流量が増えた場合でも、高速応答で大流量を流すことにより、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、最終圧力は、電磁比例弁を駆動して、操作レバーの信号に比例して制御するようにしているため、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、電磁比例弁自体は、従来程度の応答性を持つ安価なものを使用できるので、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁とパイロット圧力室の間に逆流防止弁を設けるようにしているので、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が閉位置にあるとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁からのリークを防止することができる。
また、さらに、電気レバー装置の操作レバーの操作速度に基づいて電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間を計算し、この時間だけ電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、操作速度が大きいときは電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間が長くすることにより、大流量を流すことができ、応答性を向上することができる。
【００４５】
次に、図１０〜図１２を用いて、本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態に用いるコントローラの構成も、図２に示したものと同様である。
【００４６】
本実施形態においては、電気レバー装置のレバーを操作する速度（レバー速度）（レバーの単位時間辺りの変位量）に基づいて、１回のレバー操作で、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を１回のみ開くようにしている。なお、「１回のレバー操作」については、図１１を用いて後述する。
【００４７】
最初に、図１０に示すフローチャートを用いて、コントローラ２０の制御処理の流れについて説明する。なお、図３に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
【００４８】
電磁弁の制御処理がスタートすると、最初に、設定が必要なパラメータは書き込まれている。
ステップ１０５において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オフにする。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆがオンのとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２が開くように制御されるため、最初に、出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆをオフにしてイニシャライズする。
【００４９】
次に、図３と同様にして、ステップ１１０において、コントローラ２０は、現在の電気レバー装置１０のレバー１２のレバー角度θ１を検出する。また、ステップ１２０において、前回のレバー角度θ０と、ステップ１００において検出された現在のレバー角度θ１に基づいて、レバー１２の変位量Δθを計算する。ここで、レバー１２の変位量Δθは、単位時間辺りのレバー１２の動きを示しているため、レバー１２の速度を求めていることになる。
【００５０】
ここで、図１１を用いて、レバーの操作の実例について説明する。
図において、横軸は時間ｔを示しており、縦軸はレバー１２の角度を示している。ここでは、４種類のレバー操作Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを例示している。
【００５１】
レバー操作Ａとレバー操作Ｂは、１回のレバー操作の例であり、レバー操作Ｃとレバー操作Ｄは、２回のレバー操作の例である。レバー操作がされた場合、ステップ１２０において、レバーの変位量Δθを検出している。レバーの変位量Δθは、レバー速度（図１１におけるレバー操作の曲線の傾き）を表している。そして、例えば、レバー操作Ａにおいては、時点Ａ１においてレバー速度が第１の所定値を越えているとすると、この時点でレバー操作が開始されたと判断する。同様にして、レバー操作Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては、時点Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１においてこの時点でレバー操作が開始されたと判断する。なお、レバー速度が所定値以下の場合とは、例えば、手ブレ等により操作レバーが動いた場合であり、このような場合には、本実施形態による電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁がＯＮすると、メインスプールの圧力室にかかる圧力が急激に増加して誤動作となるため、以下に述べるように、レバー操作が開始されていないものとして、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の制御を行わないようにしている。即ち、レバー速度が所定値以上となったことを検出することにより、オペレータの操作の意志を検出して、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を制御するようにしている。
【００５２】
さらに、レバー操作の開始後、レバー速度が減少して第２の所定値以下になると、レバー操作の終了と判断する。例えば、レバー操作Ａにおいては、時点ａ１においてレバー速度が第２の所定値以下になるとすると、この時点でレバー操作が終了したと判断する。従って、時点Ａ１から時点ａ１までは１回のレバー操作ということになる。レバー操作Ｂにおいては、時点Ｂ２においてもレバー速度が第１の所定値を越えているが、この時点ではまだ時点Ｂ１以降レバー操作の終了が判断されていないため、まだ、１回目のレバー操作と判断しており、時点ｂ１においてレバー速度が第２の所定値以下になるとすると、この時点でレバー操作が終了したと判断する。従って、時点Ｂ１から時点ｂ１までは１回のレバー操作ということになる。また、レバー操作Ｃにおいては、時点Ｃ１から時点ｃ１までは１回目のレバー操作であり、時点Ｃ２から時点ｃ２までが２回目のレバー操作ということになる。同様にして、レバー操作Ｄにおいては、時点Ｄ１から時点ｄ１までは１回目のレバー操作であり、時点Ｄ２から時点ｄ２までが２回目のレバー操作ということになる。
【００５３】
次に、図１０に戻り、ステップ１２２において、レバー１２の変位量Δθの絶対値Ａｂｓ（Δθ）が、所定値Ｚ１より大きいかどうかを判定する。ここで、所定値Ｚ１は、上述したレバー操作の開始を判断するための第１の所定値に相当するものである。所定値Ｚ１より大きいときはステップ１２４に進み、そうでないときはステップ１２６にジャンプする。
【００５４】
レバー速度が所定値Ｚ１より大きいときは、ステップ１２４において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オンにする。
【００５５】
次に、ステップ１２６において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆがオンか否かを判定し、オンであればステップ１３０Ａに進み、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力処理を行い、そうでなければステップ１４０にジャンプする。
【００５６】
ここで、図１２に示すフローチャートを用いて、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力処理ステップ１３０Ａの詳細について説明する。なお、図３に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
本実施形態においては、ステップ１３５Ａとステップ１３６Ａの判定処理が、図３のステップ１３５とステップ１３６の判定処理とは異なっている。
【００５７】
即ち、ステップ１３５Ａにおいて、レバー変位量Δθ（レバー速度）が第２の所定値Ｚ２よりも大きいか否かを判断する。ここで、第２の所定値Ｚ２は、上述したレバー操作の終了を判断するための第２の所定値に相当するものである。所定値Ｚ２より大きいときはステップ１３７に進み、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に指令電圧Ｖを出力する。そうでない場合には、レバー操作が終了したものとして、ステップ１３０Ａを抜けて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０への出力を中止する。
【００５８】
同様にして、ステップ１３６Ａにおいて、レバー変位量Δθ（レバー速度）が第２の所定値Ｚ２よりも大きいか否かを判断する。所定値Ｚ２より大きいときはステップ１３８に進み、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２に指令電圧Ｖを出力する。そうでない場合には、レバー操作が終了したものとして、ステップ１３０Ａを抜けて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２への出力を中止する。
【００５９】
次に、図１０に戻り、ステップ１３９において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オフにする。
さらに、図３と同様にして、ステップ１４０において、電磁比例弁３０，３２に、レバー角θ１に応じた出力Ｖｐを行い、ステップ１５０において、現在のレバー角度θ１を、角度θ０として格納して、ステップ１１０に戻る。
【００６０】
以上のようにして、本実施形態においては、レバー速度に着目して、レバー操作の１回辺りに一度だけ電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するため、１回のレバー操作の間中電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が駆動し続けることがなくなり、メインスプール８０が振動的に動作することを防止できるものである。
【００６１】
なお、レバー操作の開始時を判定するための第１の所定値Ｚ１と、終了時を判定するための第２の所定値Ｚ２を異ならせているが、Ｚ２をＺ１に等しくしてもよいものである。このようにすることにより、図１１に示す例において、レバー操作Ｂの場合、時点Ｂ１でレバー操作開始となった後、時点Ｂ２の前で終了となるため、時点Ｂ２をレバー操作開始と判断して電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、メインスプールが振動的に動作することを防止できるものである。
【００６３】
次に、図１３を用いて、本発明の第３の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態に用いるコントローラの構成も、図２に示したものと同様である。さらに、コントローラ２０の制御処理の全体的な流れは、図１０に示したものと同様である。
本実施形態においては、図１０に示したステップ１３０Ａの出力処理に代えて、図１３に示した出力処理１３０Ｂを行うようにしている。なお、図１０に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
【００６４】
本実施形態においては、ステップ１３２Ｂの処理が、図１０のステップ１３２の処理とは異なっている。
即ち、ステップ１３２Ｂにおいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを、一定時間ｃｏｎｓｔと設定する。図９の応答特性のシュミレーション結果において説明したように、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を所定時間駆動することにより、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使わない場合に比べ、応答特性が改善され、無駄時間が短くなっている。無駄時間と目標の６０〜８０％になるまでの時間であるので、本実施形態によって、応答性を向上することができる。
【００６５】
そして、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決める処理を行わない分、コントローラ２０の処理が容易となる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、メインスプールが振動的に動作することを防止できるものである。
さらに、コントローラの処理を容易にすることができる。
【００６７】
なお、以上の各実施形態の説明は、圧力の立ち上がり応答を早める点について説明しているが、立ち下がり応答を早めたい場合には、メインスプール逆側に圧力を発生させるようにすればよいものである。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上でき、パイロット圧力の制御精度が高く、しかも、安価にシステムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおけるシュミレーション結果の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおけるレバー操作の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおける電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の出力処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの出力制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…電気レバー装置
１２…レバー
２０…コントローラ
３０，３２…電磁比例弁
４０，４２…電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁
５０…パイロットポンプ
５２…タンク
６０，６２…チェック弁
７０，７２…パイロット用ホース
８０…メインスプール
８２，８４…パイロット室
【発明の属する技術分野】
本発明は、スプール型方向切換弁パイロットシステムに係り、特に、電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁パイロットシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁パイロットシステムとしては、例えば、特開平８−２１０３０５号公報や特開平８−２０９７５１号公報に記載されているものがある。これらの公知のシステムでは、制御装置からの信号により電磁比例弁を駆動し、指令値に応じた圧力を発生させ、この圧力をメインスプールの両端の圧力室に供給して、スプール型方向切換弁の方向を切り換えるようにしている。
【０００３】
また、特開平５−１９５５４６号公報には、電気レバー変位相当の信号にレバー速度相当の信号を上乗せすることにより、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を改善する方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２１０３０５号公報や特開平８−２０９７５１号公報に記載されている電磁比例弁を用いたスプール型方向切換弁では、切換速度が遅いという問題があった。切換速度が遅い理由は、レバー信号が入力されてから圧力が発生するまでの無駄時間と、パイロット圧力が上昇し目標圧力になるまでの立ち上がり時間があるためである。圧力発生までの無駄時間は、ソレノイドの励磁にかかる時間、電磁比例弁内のコントロールスプールの移動時間であり、これらはソレノイドそのものの特性である。また、圧力の立ち上がりの遅れは、電磁比例弁の圧力特性である。即ち、電磁比例弁ではメカニカルな圧力フィードバックを行っているため、圧力の上昇具合は電磁比例弁の圧力特性で決まってくる。従って、差圧が大きいとき電磁比例弁はフルオープンとなり圧力上昇とともに絞られ始める。しかし、方向切り替え弁のようにメインスプールが移動する場合は、圧力室の容積がスプールの移動とともに大きくなり、圧力上昇は鈍く、電磁比例弁の流すことができる最大流量が足りなくなるからである。
【０００５】
また、特開平５−１９５５４６号公報に記載されている方法では、レバー速度を検出した後制御信号を形成するようにしているため、後追い制御となり、応答性が充分でないという問題があった。特に、アクチュエータに大流量を流す大型のスプール型方向切り替え弁ではスプール径を大きくする必要があり、スプールが移動する体積，即ち、パイロット圧力室への流量が増えるため、小型のスプール型方向切り替え弁に比べて立ち上がりの応答が著しく遅れるものであった。
【０００６】
これらの問題に対して、例えば、高速応答で大流量を流すことのできる電磁比例弁を用いる方法も考えられるが、このような電磁比例弁は高価なものであり、実用的でないものである。
【０００７】
また、高価な電磁比例弁に代えて電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を用いる方法も考えられる。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁は、安価であり、高速応答で大流量を流すことが可能であるが、パイロット室の圧力を制御するためには、ＰＷＭ（Pluse Width Modulation：パルス幅変調）等の制御が必要であるとともに、ＰＷＭ方式の電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁では、パイロット圧力の制御精度が低いものである。
【０００８】
本発明の目的は、高速応答で、大流量を流すことが可能であるとともに、パイロット圧力の制御精度が高く、しかも、安価なスプール型方向切換弁パイロットシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、流体の方向を切り換えるメインスプールと、このメインスプールの両端部の圧力室とパイロット圧力を供給するパイロットポンプの間に配置された電磁比例弁と、電気レバー装置からの信号に応じて前記電磁比例弁を駆動する制御手段とを有するスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、前記パイロットポンプと前記メインスプールのパイロット圧力室の間に、前記電磁比例弁に対して並列に電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を配置し、前記制御手段は、前記電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動し、前記パイロットポンプから前記電磁比例弁を介して前記メインスプールのパイロット圧力室に供給されるパイロット圧油に、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を介して供給されるパイロット圧油を合流するようにしたものである。かかる構成により、電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、パイロット圧力室への流量が増えた場合でも、高速応答で大流量を流すことにより、応答性を向上させることができ、また、電磁比例弁を駆動して、操作レバーの信号に比例してパイロット圧力の制御精度を高くしてスプール型方向切換弁の切換も行い得るとともに、安価に構成し得るものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、さらに、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁と前記パイロット圧力室の間に逆流防止弁を設けるようにしたものである。
かかる構成により、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が閉位置にあるとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁からのリークを防止し得るものとなる。
【００１１】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記電気レバー装置の操作レバーの操作速度に基づいて前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間を計算し、この時間だけ前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしたものである。
かかる構成により、操作レバーの操作速度に応じて、操作速度が大きいときは電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間が長くすることにより、大流量を流すことができ、応答性を向上し得るものとなる。
【００１２】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を一定時間駆動するようにしたものである。
かかる構成により、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動時間は一定時間であるため、操作レバーの角度の変化量に対応するような駆動時間の演算処理が不要となり、制御装置の処理が容易となる。
【００１３】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記操作レバーの操作速度が一定以上のとき、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成について説明する。
【００１５】
電気レバー装置１０のレバー１２を操作すると、レバー１２の操作量に応じた操作信号が出力し、コントローラ２０に入力する。コントローラ２０は、電気レバー装置１０からの操作信号を元に流体の流れる方向と流量を計算し、電磁比例弁３０，３２及び電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２に、指令値（電流値或いは電圧値）を出力する。電磁比例弁３０，３２と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２は、パイロットポンプ５０とタンク５２につながっており、コントローラ２０からの指令値に応じて２次側に圧力を発生させる。電磁比例弁３０，３２は、指令値に比例した圧力を発生させる。電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２は、オンとオフだけの操作である。
【００１６】
電磁比例弁３０の２次側と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０の２次側は、パイロット用ホース７０，７２によって、メインスプール８０の一端のパイロット室８２につながっている。また、電磁比例弁３２の２次側と電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４２の２次側は、パイロット用ホース７４，７６によって、メインスプール８０の他端のパイロット室８４につながっている。
【００１７】
電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の２次側には、それぞれ、逆流防止弁であるチェック弁６０，６２が取付けられており、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２が未操作の場合、パイロット圧力室がタンク５２に連通することを防いでいる。
【００１８】
本実施形態においては、上記のように、電磁比例弁３０，３２の他に、電磁比例弁３０，３２に並列に接続された電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２を備えるようにしている。その目的は、電磁比例弁３０，３２の無駄時間や圧力応答の遅れを、補正するためである。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２は、電磁比例弁３０，３２の２次側の圧力の立ち上がり時にだけオンし、流量を流すものであり、電磁比例弁３０，３２の２次側が圧力目標圧力に近づくと電磁比例弁３０，３２のみによって圧力を制御するようにしている。なお、電磁比例弁３０，３２及び電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の制御の詳細については、図３を用いて後述する。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態に用いるコントローラ２０の構成について説明する。
コントローラ２０は、ＲＡＭ２１と、ＲＯＭ２２と、ＣＰＵ２３と、Ａ／Ｄボード２４と、Ｄ／Ａボード２５と、これらを接続する共通バス２６と、ＡＭＰ２７とから構成されている。
【００２０】
電気レバー装置１０から入力する操作信号は、Ａ／Ｄボード２４によってディジタル信号に変換され、ＲＡＭ２１に一時的に格納される。また、ＲＡＭ２１には、プログラム実行時に必要なデータが格納される。ＣＰＵ２３は、ＲＯＭ２２に格納された制御演算に必要なプログラムを実行して、電気レバー装置１０から入力した操作信号に基づいて、電磁比例弁３０，３２及び電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２に対する指令値を演算する。演算された指令値は、Ｄ／Ａボード２５によってアナログ信号に変換された後、ＡＭＰ２７によって、電磁比例弁３０，３２或いは電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２の信号レベルに変換され、電磁比例弁３０，３２或いは電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２に出力される。各データ，プログラムのやり取りは、共通バス２６を介して行われる。
【００２１】
次に、図３〜図８を用いて、本実施形態に用いるコントローラ２０の制御処理について説明する。
最初に、図３に示すフローチャートを用いて、コントローラ２０の制御処理の流れについて説明する。
【００２２】
電磁弁の制御処理がスタートすると、最初に、設定が必要なパラメータは書き込まれている。
ステップ１１０において、コントローラ２０は、現在の電気レバー装置１０のレバー１２のレバー角度θ１を検出する。レバー角度θ１は、エンコーダやポテンショ等で検出することができる。本実施形態においては、ポテンショを用いて検出するものとして、レバー中立位置をポテンショ信号ＯＶの時とし、電気レバー装置１０のレバー１２を＋側に動かした場合は正の信号を、レバー１２を−側に倒した場合は負の信号が出力する。ここでは、レバー角度θ１を符号付きで読みとる。
【００２３】
次に、ステップ１２０において、前回のレバー角度θ０と、ステップ１００において検出された現在のレバー角度θ１に基づいて、レバー１２の単位時間辺りの変位量Δθを計算する。レバーの変位量Δθは、Δθ＝θ１−θ０として計算する。
【００２４】
次に、ステップ１３０において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力処理を実行する。
【００２５】
出力処理としては、ステップ１３２において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決める。出力時間ｔ＿ｏｎは、レバー１２の変位量Δθ（即ち、レバー１２の操作速度）の関数となり、
ｔ＿ｏｎ＝ｆ（Δθ）
として求める。
【００２６】
ここで、図４〜図７を用いて、関数ｆを求める方法について説明する。
図４は、レバー角度θと電磁弁出力Ｖｐの関係を示している。
本実施形態においては、電磁比例弁３０は、レバー角度θが負の時、電磁弁出力Ｖｐは出力０に保持し、レバー角度θが正の時、レバー角度θに対して電磁弁出力Ｖｐがリニアとなる特性を持たせている。電磁比例弁３２は、電磁比例弁３０とは逆の特性を有しており、レバー角度θが正の時、電磁弁出力Ｖｐは出力０に保持し、レバー角度θが負の時、レバー角度θに対して電磁弁出力Ｖｐがリニアとなる特性を持たせている。
【００２７】
次に、図５は、レバー角度θとパイロット圧力Ｐｐの関係を示している。
電磁比例弁の出力Ｖｐとパイロット圧力Ｐｐは、静的にはリニアな関係になるため、図４に示した特性に基づいて、図５に示すように書き換えることができる。パイロット圧力Ｐｐとレバー角度θとの関係は、図示するように、不感帯を有している。ここで、レバー角度θ０に相当するパイロット圧力はＰ０であり、レバー角度θ１に相当するパイロット圧力はＰ１である。例えば、前回のレバー角度がθ０であり、今回のレバー角度をθ１とすると、パイロット圧力はＰ０からＰ１まで加圧すればよいことになる。
【００２８】
次に、図６は、パイロット圧Ｐｐとメインスプール８０の変位量ｘを示している。
メインスプール８０はバネます系であるので、静的にはリニアであるがクラッキング圧力が作用しているため、線形にはならないものである。例えば、前回のパイロット圧力がＰ０であり、今回のパイロット圧力がＰ１とすると、メインスプールの変位ｘは、Ｘ０からＸ１まで変位させればよいことになる。
【００２９】
ここで、メインスプールの変位量ｘが分かれば、そこに必要となる総流量，即ち、変位による体積が求められる。体積をＶｏ１とし、メインスプール８０の断面積をＡｓとし、前回のメインスプールの変位Ｘ０と、今回のメインスプールの変位Ｘ１とから、
Ｖｏ１＝Ａｓ×（Ｘ１−Ｘ０）
として、求められる。
【００３０】
一方、図７は、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を開いたときの流量特性を示している。
電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を開いたとき、パイロット圧力室８２，８４に流入する流入体積Ｃは時間ｔと共に、図示するように、暫次増加するので、スプールがＸ０からＸ１まで移動するのに必要な流量Ｖｏｌは、流れ込む時間ｔとして求めることができる。
【００３１】
以上のようにして、ステップ１３２において、レバーの変位量Δθから、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決めることができる。なお、図７に示した流量特性は、スプールに外乱が加わらない場合の時間と容積の関係であり、実際のコントロールバルブでは通油しているためフローフォースが働き、もう少し長い時間が必要となる。また、フローフォースは、メインのスプールを押し戻す方向に働くため、目標指令値より少な目の移動量になる。図７を用いて求める時間ｔは厳密でなくても良く、最終圧力は電磁比例弁３０，３２によって調整するようにしている。
【００３２】
次に、図３に戻り、ステップ１３３〜１３６において、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２のどちらに出力するかを決める。すなわち、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２は、圧力信号立ち上がりに対して有効に働くように設定される。
具体的には、ステップ１３３において、レバー角θ１の符号が正か否かを確認して、正であればステップ１３５に進み、正でなければステップ１３４に進む。
さらに、ステップステップ１３４において、レバー角θ１の符号が負か否かを確認して、負であればステップ１３６に進み、負でなければステップ１４０に進む。
【００３３】
レバー角θ１が正の場合は、オペレータがレバーを＋側の領域で操作している状況を表している。
そこで、ステップ１３５において、レバー変位量Δθが正か否かを確認し、正であればステップ１３７に進み、そうでなければステップ１４０に進む。
【００３４】
レバー変位量Δθが正の場合には、オペレータはレバーをさらに＋側に押し込んでいる最中である。
そこで、ステップ１３７において、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に指令電圧Ｖを出力する。この状態は、オペレータが操作レバーを＋側に動かしている状況を表している。
【００３５】
ここで、図８を用いて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に出力する指令電圧Ｖについて説明する。
電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に出力する指令電圧Ｖは、Ｖｍａｘと０の２値であり、ステップ１３２において求められた出力時間ｔ＿ｏｎの間だけ、指令電圧ＶをＶｍａｘとする。
【００３６】
また、レバー角θ１が負で、レバー変位量Δθが負の場合は、レバーをマイナス側で操作している状況を表している。
そこで、ステップ１３８において、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２に指令電圧Ｖを出力する。
【００３７】
さらに、ステップ１３４，１３５，１３６における判定が「ＮＯ」の場合は、レバーを減速側に動かしているか、或いはレバーが中立の状態を表しいるため、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２による高速化は行わないため、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２への出力は行わずに、ステップ１４０にジャンプする。
【００３８】
なお、電磁０Ｎ／０ＦＦ弁４０，４２への出力が終わると電磁０Ｎ／０ＦＦ４０，４２弁の２次圧はタンク圧になるが、パイロット圧力室８２，８４と電磁ＯＮ／０ＦＦ弁４０，４２の間に挿入したチェック弁６０，６２によって、パイロット室８２，８４がタンク５２につながることはないものである。
【００３９】
次に、ステップ１４０において、電磁比例弁３０，３２に、レバー角θ１に応じた出力Ｖｐを行う。レバー角θ１と出力Ｖｐの関係は、図４に示すようにする。このとき、ステップ１３７若しくはステップ１３８の処理により、パイロット室８２，８４の圧力は、ある程度上がっているため、この後の最終圧力の調整を電磁比例弁３０，３２で行うようにしている。パイロット室８２，８４の圧力が、目標圧力より小さければ電磁比例弁３０，３２が開き、圧油を供給し、目標圧より高ければタンク５２に連通して減圧する。
【００４０】
一方、レバー１２を中立方向に戻した場合、加圧されていたパイロットは、電磁比例弁３０，３２のタンクポートのみを伝わり減圧される。そのため、減圧が滑らかになり、急停止における激しいショックを緩和することができる。
最後に、ステップ１５０において、現在のレバー角度θ１を、角度θ０として格納して、ステップ１１０に戻る。
【００４１】
ここで、図９を用いて、メインスプールの位置の応答波形のシミュレーション結果について説明する。
図において、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示しており、縦軸はメインスプールの位置（ｍｍ）を示している。
【００４２】
時間０ｓｅｃにおいて、図８に示したステップ状の信号を電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁に印加するとともに、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の開口時間ｔ＿ｏｎを、▲１▼５ｍｓｅｃ，▲２▼７ｍｓｅｃ，▲３▼８ｍｓｅｃ，▲４▼１０ｍｓｅｃの４種類に変えた時のステップ応答を示している。また、参考のため、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使用しない場合の応答特性を「ノーマル」として図示している。
【００４３】
５種類の応答特性を比較すると明かなように、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の開口時間を一番長くした▲４▼（１０ｍｓｅｃ）は、応答が最も早く見えるが、４．５ｍｍの目標位置に対し、ストロークエンドの１０ｍｍまで行ってしまい、オーバーシュートが大きすぎるものである。また、▲１▼（５ｍｓｅｃ）では、途中でノーマルの方式と同じ応答になっている。しかし、いずれも電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使わない場合に比べ、応答特性が改善され、無駄時間が短くなっている。応答の早い、遅いの感覚はスプールが目標位置の１００％になるまでの時間ではなく、無駄時間と目標の６０〜８０％になるまでの時間であるので、本実施形態によって、応答性を向上することができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、パイロット圧力室への流量が増えた場合でも、高速応答で大流量を流すことにより、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、最終圧力は、電磁比例弁を駆動して、操作レバーの信号に比例して制御するようにしているため、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、電磁比例弁自体は、従来程度の応答性を持つ安価なものを使用できるので、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁とパイロット圧力室の間に逆流防止弁を設けるようにしているので、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が閉位置にあるとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁からのリークを防止することができる。
また、さらに、電気レバー装置の操作レバーの操作速度に基づいて電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間を計算し、この時間だけ電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するようにしているので、操作速度が大きいときは電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間が長くすることにより、大流量を流すことができ、応答性を向上することができる。
【００４５】
次に、図１０〜図１２を用いて、本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態に用いるコントローラの構成も、図２に示したものと同様である。
【００４６】
本実施形態においては、電気レバー装置のレバーを操作する速度（レバー速度）（レバーの単位時間辺りの変位量）に基づいて、１回のレバー操作で、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を１回のみ開くようにしている。なお、「１回のレバー操作」については、図１１を用いて後述する。
【００４７】
最初に、図１０に示すフローチャートを用いて、コントローラ２０の制御処理の流れについて説明する。なお、図３に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
【００４８】
電磁弁の制御処理がスタートすると、最初に、設定が必要なパラメータは書き込まれている。
ステップ１０５において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オフにする。電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆがオンのとき、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２が開くように制御されるため、最初に、出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆをオフにしてイニシャライズする。
【００４９】
次に、図３と同様にして、ステップ１１０において、コントローラ２０は、現在の電気レバー装置１０のレバー１２のレバー角度θ１を検出する。また、ステップ１２０において、前回のレバー角度θ０と、ステップ１００において検出された現在のレバー角度θ１に基づいて、レバー１２の変位量Δθを計算する。ここで、レバー１２の変位量Δθは、単位時間辺りのレバー１２の動きを示しているため、レバー１２の速度を求めていることになる。
【００５０】
ここで、図１１を用いて、レバーの操作の実例について説明する。
図において、横軸は時間ｔを示しており、縦軸はレバー１２の角度を示している。ここでは、４種類のレバー操作Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを例示している。
【００５１】
レバー操作Ａとレバー操作Ｂは、１回のレバー操作の例であり、レバー操作Ｃとレバー操作Ｄは、２回のレバー操作の例である。レバー操作がされた場合、ステップ１２０において、レバーの変位量Δθを検出している。レバーの変位量Δθは、レバー速度（図１１におけるレバー操作の曲線の傾き）を表している。そして、例えば、レバー操作Ａにおいては、時点Ａ１においてレバー速度が第１の所定値を越えているとすると、この時点でレバー操作が開始されたと判断する。同様にして、レバー操作Ｂ，Ｃ，Ｄにおいては、時点Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１においてこの時点でレバー操作が開始されたと判断する。なお、レバー速度が所定値以下の場合とは、例えば、手ブレ等により操作レバーが動いた場合であり、このような場合には、本実施形態による電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁がＯＮすると、メインスプールの圧力室にかかる圧力が急激に増加して誤動作となるため、以下に述べるように、レバー操作が開始されていないものとして、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の制御を行わないようにしている。即ち、レバー速度が所定値以上となったことを検出することにより、オペレータの操作の意志を検出して、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を制御するようにしている。
【００５２】
さらに、レバー操作の開始後、レバー速度が減少して第２の所定値以下になると、レバー操作の終了と判断する。例えば、レバー操作Ａにおいては、時点ａ１においてレバー速度が第２の所定値以下になるとすると、この時点でレバー操作が終了したと判断する。従って、時点Ａ１から時点ａ１までは１回のレバー操作ということになる。レバー操作Ｂにおいては、時点Ｂ２においてもレバー速度が第１の所定値を越えているが、この時点ではまだ時点Ｂ１以降レバー操作の終了が判断されていないため、まだ、１回目のレバー操作と判断しており、時点ｂ１においてレバー速度が第２の所定値以下になるとすると、この時点でレバー操作が終了したと判断する。従って、時点Ｂ１から時点ｂ１までは１回のレバー操作ということになる。また、レバー操作Ｃにおいては、時点Ｃ１から時点ｃ１までは１回目のレバー操作であり、時点Ｃ２から時点ｃ２までが２回目のレバー操作ということになる。同様にして、レバー操作Ｄにおいては、時点Ｄ１から時点ｄ１までは１回目のレバー操作であり、時点Ｄ２から時点ｄ２までが２回目のレバー操作ということになる。
【００５３】
次に、図１０に戻り、ステップ１２２において、レバー１２の変位量Δθの絶対値Ａｂｓ（Δθ）が、所定値Ｚ１より大きいかどうかを判定する。ここで、所定値Ｚ１は、上述したレバー操作の開始を判断するための第１の所定値に相当するものである。所定値Ｚ１より大きいときはステップ１２４に進み、そうでないときはステップ１２６にジャンプする。
【００５４】
レバー速度が所定値Ｚ１より大きいときは、ステップ１２４において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オンにする。
【００５５】
次に、ステップ１２６において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆがオンか否かを判定し、オンであればステップ１３０Ａに進み、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力処理を行い、そうでなければステップ１４０にジャンプする。
【００５６】
ここで、図１２に示すフローチャートを用いて、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力処理ステップ１３０Ａの詳細について説明する。なお、図３に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
本実施形態においては、ステップ１３５Ａとステップ１３６Ａの判定処理が、図３のステップ１３５とステップ１３６の判定処理とは異なっている。
【００５７】
即ち、ステップ１３５Ａにおいて、レバー変位量Δθ（レバー速度）が第２の所定値Ｚ２よりも大きいか否かを判断する。ここで、第２の所定値Ｚ２は、上述したレバー操作の終了を判断するための第２の所定値に相当するものである。所定値Ｚ２より大きいときはステップ１３７に進み、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０に指令電圧Ｖを出力する。そうでない場合には、レバー操作が終了したものとして、ステップ１３０Ａを抜けて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０への出力を中止する。
【００５８】
同様にして、ステップ１３６Ａにおいて、レバー変位量Δθ（レバー速度）が第２の所定値Ｚ２よりも大きいか否かを判断する。所定値Ｚ２より大きいときはステップ１３８に進み、ステップ１３２において求めた電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁の出力時間ｔ＿ｏｎに基づいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２に指令電圧Ｖを出力する。そうでない場合には、レバー操作が終了したものとして、ステップ１３０Ａを抜けて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４２への出力を中止する。
【００５９】
次に、図１０に戻り、ステップ１３９において、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力フラグｆｌａｇ＿ｏｎ／ｏｆｆを、オフにする。
さらに、図３と同様にして、ステップ１４０において、電磁比例弁３０，３２に、レバー角θ１に応じた出力Ｖｐを行い、ステップ１５０において、現在のレバー角度θ１を、角度θ０として格納して、ステップ１１０に戻る。
【００６０】
以上のようにして、本実施形態においては、レバー速度に着目して、レバー操作の１回辺りに一度だけ電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動するため、１回のレバー操作の間中電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁が駆動し続けることがなくなり、メインスプール８０が振動的に動作することを防止できるものである。
【００６１】
なお、レバー操作の開始時を判定するための第１の所定値Ｚ１と、終了時を判定するための第２の所定値Ｚ２を異ならせているが、Ｚ２をＺ１に等しくしてもよいものである。このようにすることにより、図１１に示す例において、レバー操作Ｂの場合、時点Ｂ１でレバー操作開始となった後、時点Ｂ２の前で終了となるため、時点Ｂ２をレバー操作開始と判断して電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、メインスプールが振動的に動作することを防止できるものである。
【００６３】
次に、図１３を用いて、本発明の第３の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成及び動作について説明する。
本実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態に用いるコントローラの構成も、図２に示したものと同様である。さらに、コントローラ２０の制御処理の全体的な流れは、図１０に示したものと同様である。
本実施形態においては、図１０に示したステップ１３０Ａの出力処理に代えて、図１３に示した出力処理１３０Ｂを行うようにしている。なお、図１０に示したステップと同一符号のステップは、同一処理を行うものである。
【００６４】
本実施形態においては、ステップ１３２Ｂの処理が、図１０のステップ１３２の処理とは異なっている。
即ち、ステップ１３２Ｂにおいて、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを、一定時間ｃｏｎｓｔと設定する。図９の応答特性のシュミレーション結果において説明したように、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２を所定時間駆動することにより、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を使わない場合に比べ、応答特性が改善され、無駄時間が短くなっている。無駄時間と目標の６０〜８０％になるまでの時間であるので、本実施形態によって、応答性を向上することができる。
【００６５】
そして、電磁０Ｎ／ＯＦＦ弁４０，４２の出力時間ｔ＿ｏｎを決める処理を行わない分、コントローラ２０の処理が容易となる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上することができる。
また、スプール型方向切換弁パイロットシステムの制御精度が低下することはないものである。
さらに、スプール型方向切換弁パイロットシステムを安価に構成することができる。
また、メインスプールが振動的に動作することを防止できるものである。
さらに、コントローラの処理を容易にすることができる。
【００６７】
なお、以上の各実施形態の説明は、圧力の立ち上がり応答を早める点について説明しているが、立ち下がり応答を早めたい場合には、メインスプール逆側に圧力を発生させるようにすればよいものである。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、スプール型方向切換弁パイロットシステムの応答性を向上でき、パイロット圧力の制御精度が高く、しかも、安価にシステムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおけるシュミレーション結果の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの制御処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおけるレバー操作の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムにおける電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の出力処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態によるスプール型方向切換弁パイロットシステムに用いるコントローラの出力制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…電気レバー装置
１２…レバー
２０…コントローラ
３０，３２…電磁比例弁
４０，４２…電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁
５０…パイロットポンプ
５２…タンク
６０，６２…チェック弁
７０，７２…パイロット用ホース
８０…メインスプール
８２，８４…パイロット室
Claims (5)
- 流体の方向を切り換えるメインスプールと、このメインスプールの両端部の圧力室とパイロット圧力を供給するパイロットポンプの間に配置された電磁比例弁と、電気レバー装置からの信号に応じて前記電磁比例弁を駆動する制御手段とを有するスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、
前記パイロットポンプと前記メインスプールのパイロット圧力室の間に、前記電磁比例弁に対して並列に電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を配置し、前記制御手段は、前記電気レバー装置からの信号が変化したとき一時的に前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動し、前記パイロットポンプから前記電磁比例弁を介して前記メインスプールのパイロット圧力室に供給されるパイロット圧油に、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を介して供給されるパイロット圧油を合流することを特徴とするスプール型方向切換弁パイロットシステム。 - 請求項１記載のスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、
さらに、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁と前記パイロット圧力室の間に逆流防止弁を設けたことを特徴とするスプール型方向切換弁パイロットシステム。 - 請求項１記載のスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、
前記制御手段は、前記電気レバー装置の操作レバーの操作速度に基づいて前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁の駆動時間を計算し、この時間だけ前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動することを特徴とするスプール型方向切換弁パイロットシステム。 - 請求項１記載のスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、
前記制御手段は、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を一定時間駆動することを特徴とするスプール型方向切換弁パイロットシステム。 - 請求項１記載のスプール型方向切換弁パイロットシステムにおいて、
前記制御手段は、前記操作レバーの操作速度が一定以上のとき、前記電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を駆動することを特徴とするスプール型方向切換弁パイロットシステム。
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