JP4003218B2

JP4003218B2 - 電空比例差圧制御弁

Info

Publication number: JP4003218B2
Application number: JP16437298A
Authority: JP
Inventors: 春陽於; 春洋王; ▲たん▼ ▲趙▼
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: CN1149341C; CN1241688A; JPH11344147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体圧アクチュエータの２つのポート、例えば流体圧シリンダのピストンの両側のシリンダ室にそれぞれ連通した２つのポートに、差圧を供給してアクチュエータに所定の力を出力させるための電空比例差圧制御弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクチュエータのストローク終端で一定の作用力を保持するための電空比例弁として、特公平３−１５５３号に記載されたものが知られている。この電空比例弁は、スプールの一方に復帰ばねを作用させ、スプールの他方に比例ソレノイドの出力を作用させ、スプールの両側にフィードバック圧力が作用するように構成されている。電空比例弁のＡポート及びＢポートの差圧を設定値（目標値）に設定し、流体圧アクチュエータの一対の出力ポートを通して、流体圧アクチュエータの対向する圧力室に供給しようとするものである。
【０００３】
この電空比例弁では、ソレノイドと可動鉄心を用いてスプールを駆動しているので、フィードバック信号に対する応答性があまりよくなかった。また、この電空比例弁では、比例ソレノイドに入力する電流が０〜２５％の範囲ではＢポートの圧力が電流に比例して低下し、比例ソレノイドに入力する電流が２５〜１００％の範囲ではＡポートの圧力が電流に比例して上昇する。このように電流２５％の位置でＢポートの圧力変化からＡポートの圧力変化へと切り換わるので、差圧の変化に円滑性を欠くものとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電空比例差圧制御弁において、フィードバック信号に対する応答性をよくすることを第１の課題とし、電空比例差圧制御弁のＡポート及びＢポートの差圧出力を、所望の範囲にわたり電圧入力に比例して直線的に変化させることを第２の課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するために、制御弁本体に圧力供給ポート、排出ポート及び信号圧力ポートＡ及びＢを配設し、制御弁本体内のスプールを第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構により移動させて、２つの信号圧力ポートＡ及びＢの圧力差を目標値に近づける電空比例差圧制御弁において、第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室に２位置３ポートの第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁を通して圧力流体を給排させ、第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁を一定周波数のパルス列で駆動し、パルス列のパルス幅を目標値と現在値との誤差に応じて変化させたことを第１の構成とする。
本発明は、第１の構成において、信号圧力ポートＡ及びＢの各圧力を２つの圧力センサにより検出し、各圧力センサにより検出された差圧の現在値と目標値との誤差に応じたデューティ比を算出し、第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁における流体圧力源と第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室とを連通させる開口面積を、デューティ比と比例させるようにしたことを第２の構成とする。
本発明は、第１及び第２の構成において、第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各シリンダ孔にピストンが摺動自在に配設され、各ピストンがスプールに連結され、各ピストンの外側室がパイロット室とされ、各ピストンの内側室がフィードバック室とされ、第１流体圧操作機構のフィードバック室と信号圧力ポートＡとを連通するとともに第２流体圧操作機構のフィードバック室と信号圧力ポートＢとを連通したことを第３の構成とする。
なお、本発明において、電空比例差圧制御弁の電空とは、電気信号を空気圧信号に変換することのみでなく、電気信号を空気圧、液体圧等の流体圧信号に変換することを意味することとする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は電空比例差圧制御弁の本発明の実施の形態を示す図である。本発明の実施の形態の電空比例差圧制御弁は、制御弁本体１、第１オンオフ電磁弁２、第２オンオフ電磁弁３、第１圧力センサ４、第２圧力センサ５、中央処理装置７及び空気圧源（流体圧源）８によって構成されている。制御弁本体１のスプール19を操作するための第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構があり、第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室46、47に２位置３ポートの第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を通して圧力流体を給排させ、第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を一定周波数のパルス列で駆動し、パルス列のパルス幅を目標値と現在値との誤差に応じて変化させるようになっている。
【０００７】
制御弁本体１は、第１カバー10、弁ボデー11及び第２カバー12が順次に接合され連結して構成されている。弁ボデー11には長手方向（図１では左右方向）に延びる段付の中央孔が形成され、この中央孔は左方から第１シリンダ孔14、挿入孔15及び第２シリンダ孔16であり、第１シリンダ孔14と第２シリンダ孔16とは同径で挿入孔15はそれらよりも小径である。挿入孔15にはスリーブ18が挿入され固定されており、スリーブ18内にはスプール19が摺動自在に挿入されている。挿入孔15には５個の環状溝21〜25が左側から順に形成され、またスリーブ18には内面と外面とを接続する５個の連通孔31〜35が形成され、環状溝21〜25のそれぞれと連通孔31〜35のそれぞれとが図示のように連通されている。スリーブ18の外面には連通孔31〜35の間及び連通孔31・35の外側に図示のように環状溝が形成され、各環状溝にはＯリングが装着され、スリーブ18の外面と挿入孔15の内面との間を密封している。
【０００８】
スプール19には第１ランド27, 中央ランド28及び第２ランド29が形成され、スプール19が図示の中立位置にあるとき、第１ランド27, 中央ランド28及び第２ランド29はそれぞれ連通孔31、連通孔33及び連通孔35を閉鎖している。スプール19の両端には小径部があり、左右の小径部に第１ピストン44と第２ピストン45がそれぞれ嵌合され、各小径部にワッシャを嵌合しナットを螺合して、第１ピストン44と第２ピストン45が所定位置に固定されている。第１カバー10及び第２カバー12にはスプリング室39及び40がそれぞれ形成され、スプリング室39及び40は第１シリンダ孔14及び第２シリンダ孔16にそれぞれ連通されている。スプリング室39の端面と第１ピストン44との間にはスプリング41が装着され、スプリング室40の端面と第２ピストン45との間にはスプリング42が装着されており、スプール19は中立位置に向けて押圧されている。
【０００９】
弁ボデー11の下端面にはベース板37が当接されかつ連結されており、ベース板37の一面には排気ポートＲ１、信号圧力ポートＡ、圧力供給ポートＰ、信号圧力ポートＢ及び排気ポートＲ２が左方から順次に開口されている。図示の連通路により、排気ポートＲ１、信号圧力ポートＡ、圧力供給ポートＰ、信号圧力ポートＢ及び排気ポートＲ２は、それぞれ環状溝21〜25に連通されている。第１ピストン44の外側（左側）の室を第１パイロット室46といい、第２ピストン45の外側（右側）の室を第２パイロット室47という。また、第１ピストン44の内側（右側）の室を第１フィードバック室48といい、第２ピストン45の内側（左側）の室を第２フィードバック室49という。信号圧力ポートＡは第１フィードバック室48にも連通され、また信号圧力ポートＢは第２フィードバック室49にも連通されている。
【００１０】
第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３は、ともに高速の３ポート２位置弁であり、それぞれ圧力供給ポートｐ、信号圧力ポートａ及び排気ポートｒがある。第１オンオフ電磁弁２の信号圧力ポートａは第１パイロット室46に連通され、第２オンオフ電磁弁３の信号圧力ポートａは第２パイロット室47に連通されている。第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３の圧力供給ポートｐはそれぞれ空気圧源８に連通され、第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁３の排気ポートｒはそれぞれ大気に連通されている。
【００１１】
弁ボデー11の上面には第１圧力センサ４及び第２圧力センサ５が載置され、第１圧力センサ４及び第２圧力センサ５の圧力感知部はそれぞれ連通路51、52、環状溝22、24を介して信号圧力ポートＡ及び信号圧力ポートＢに連通されている。第１圧力センサ４及び第２圧力センサ５の出力はそれぞれ中央処理装置７に入力され、中央処理装置７からのオンオフ電磁弁操作信号は配線53、54を通って第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３の操作部（単動ソレノイド）に入力される。信号圧力ポートＡ及び信号圧力ポートＢは、配管を介して空気圧（流体圧）シリンダ55のヘッド側給排ポート及びロッド側給排ポートに連通されている。
【００１２】
本発明の実施の形態の電空比例差圧制御弁の作用について説明する。信号圧力ポートＡ及び信号圧力ポートＢの圧力をＰａ及びＰｂとするとき、電空比例差圧制御弁の現在の出力は差圧ＰＬ＝Ｐａ−Ｐｂである。第１ピストン44の第１パイロット室46側の受圧面積及び第２ピストン45の第２パイロット室47の受圧面積をともにＡ１とし、第１ピストン44の第１フィードバック室48側の受圧面積及び第２ピストン45の第２フィードバック室49の受圧面積をともにＡ２とする。また、スプリング41及び42の、ばね定数をそれぞれＫとし、また第１パイロット室46及び第２パイロット室47の作用圧力をそれぞれＰ１、Ｐ２とし、スプール19のずれをｄＸとすれば、力の釣り合いから次式が得られる。
（Ｐ１−Ｐ２）・Ａ１＋２Ｋ・ｄＸ＝（Ｐａ−Ｐｂ）・Ａ２
すなわち
ＰＬ＝Ｐａ−Ｐｂ＝（（Ｐ１−Ｐ２）・Ａ１＋２Ｋ・ｄＸ）／Ａ２
【００１３】
ここでは、Ｔ１／Ｔ及び１−Ｔ１／Ｔをそれぞれ第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３の開弁時間割合（デューティ比）として、ＰＷＭ法（パルス幅変調法）で制御する。すなわち、第１及び第２圧力センサ４，５により検出された差圧の現在値（Ｐａ−Ｐｂ）と目標値との誤差に応じた第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３の操作信号を中央処理装置７から発生させる。なお、Ｔ１／Ｔの変化によって差圧Ｐ１−Ｐ２は変わる。従ってＴ１／Ｔだけを調整して、差圧Ｐ１−Ｐ２を介して出力ＰＬを制御することができる。なお、スプール19を中立位置から左方へ移動すると、圧力供給ポートＰと信号圧力ポートＢとが連通して圧力流体が空気圧シリンダ55のロッド側に流入し、信号圧力ポートＡと排出ポートＲ１とが連通して、空気圧シリンダ55のヘッド側の流体が排出ポートＲ１から排出され、空気圧シリンダ55のロッドが後退する。スプール19を右方へ移動したときは、流体が反対方向に流れ、空気圧シリンダ55のロッドが前進する。
【００１４】
図２は電空比例差圧制御弁を用いてＰＷＭ法により出力ＰＬを制御するフローチャートを示す。ステップＳ１でＰＷＭサイクルが始まったか否かが判断され、ＰＷＭサイクルが始まったと判断されたときは、ステップＳ２で第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を作動させ、ステップＳ３へ進む。ステップＳ１でＰＷＭサイクルが始まったと判断されなかったときは、ステップＳ３へ進む。
【００１５】
ステップＳ３では、サンプル時刻になったか否かが判断され、サンプル時刻になったと判断されたときは、ステップＳ４で入力信号（目標圧力差）及び制御対象圧力差（差圧の現在値：Ｐａ−Ｐｂ）をサンプリングする。次にステップＳ５に進み、差圧の現在値と目標値との誤差に応じたデューティ比を算出し、さらにステップＳ６に進んでデューティ比に従って第１・第２オンオフ電磁弁を操作させる。すなわち、算出された開弁（オン）時間割合Ｔ１／Ｔ及び１−Ｔ１／Ｔの操作信号が中央処理装置７から配線53、54を通って第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３の単動ソレノイドに伝送される。第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３ではデューティ比Ｔ１／Ｔ及び１−Ｔ１／Ｔに応じた信号圧力Ｐ１、Ｐ２が発生し（第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３における、空気圧源８と第１流体圧操作機構のパイロット室46及び第２流体圧操作機構のパイロット室47とを連通させる開口面積をデューティ比と比例させた）、それぞれ第１パイロット室46及び第２パイロット室47に導入される。スプール19は、第１パイロット室46及び第２パイロット室47の信号圧力Ｐ１、Ｐ２に従った位置に移動し、前記誤差をなくそうとする。
【００１６】
ステップＳ５の動作の次にステップＳ１に戻る。ステップＳ３でサンプル時刻になったと判断されなかったときも、ステップＳ１に戻る。
前記の制御により、例えば現在の差圧ＰＬが目標値よりも大きいときは、第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を操作して、第１流体圧操作機構のパイロット室46の圧力を低下させ、第２流体圧操作機構のパイロット室47の圧力を上昇させる。これによりスプール19が左方へ移動し、差圧ＰＬは小さくなる。逆の場合は、第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を操作して、差圧ＰＬを大きくする。
【００１７】
【実施例】
次に実験結果を説明する。まず、供給圧力を0.4 ＭＰａとし、第１オンオフ電磁弁２及び第２オンオフ電磁弁３を周波数５０ヘルツのパルス列で駆動した。信号圧力ポートＡ、Ｂに連通される配管、アクチュエータ等の容積はそれぞれＶａ＝５Ｌ、Ｖｂ＝５Ｌである。制御方法はＰＩＤ制御であり、数多くの実験をして、図３の目標値の電圧入力Ｖ１と差圧出力ＰＬとの関係曲線を作成した。目標値の電圧入力Ｖ１の１〜５Ｖの範囲において、電圧入力に比例して差圧出力ＰＬが直線的に変化することが判明した。
【００１８】
図４は、前記と同一の条件で、−0.2 ＭＰａ、0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。このグラフから、応答時間が２〜２．５秒であることが分かり、目標値と現在値との誤差の判断、及びフィードバック信号に対する応答性がともに良いことが判明した。
【００１９】
図５は、供給圧力を0.22ＭＰａとし、Ｖａ＝0.15Ｌ、Ｖｂ＝0.15Ｌとし、0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。また、図６は供給圧力を0.3 ＭＰａとし、Ｖａ＝0.15Ｌ、Ｖｂ＝0.15Ｌとし、0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。図５・図６に示すように、信号圧力ポートＡ、Ｂに連通される配管、アクチュエータ等の容積を小さくすると、電空比例差圧制御弁の応答が速くなり、バランス状態下での振動が著しくなる。また、供給圧力は高い方が応答が速く、オーバーランが生ずる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１記載の電空比例差圧制御弁では、第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁が一定周波数のパルス列で駆動され、パルス列のパルス幅が目標値と現在地との誤差に応じて変化し、第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室に２位置３ポートの第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁を通して圧力流体を給排させてスプールを移動させている。従って、比例ソレノイド・可動鉄心を用いた従来例に比べ、本発明はフィードバック信号に対する応答性がきわめてよい。また、所望の範囲にわたり電圧入力に比例して差圧を直線的に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電空比例差圧制御弁の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の電空比例差圧制御弁の実施の形態のフローチャートである。
【図３】目標値の電圧入力Ｖ１と差圧出力ＰＬとの関係を示す曲線図である。
【図４】−0.2 ＭＰａ及び0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。
【図５】供給圧力を0.22ＭＰａとし、Ｖａ＝0.15Ｌ、Ｖｂ＝0.15Ｌとし、0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。
【図６】供給圧力を0.3 ＭＰａとし、Ｖａ＝0.15Ｌ、Ｖｂ＝0.15Ｌとし、0.2 ＭＰａを目標値とするステップ応答の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１制御弁本体
２第１オンオフ電磁弁
３第２オンオフ電磁弁
４第１圧力センサ
５第２圧力センサ
14 第１シリンダ孔
16 第２シリンダ孔
19 スプール
44 第１ピストン
45 第２ピストン
46 第１パイロット室
47 第２パイロット室
48 第１フィードバック室
49 第２フィードバック室

Claims

制御弁本体に圧力供給ポート、排出ポート及び信号圧力ポートＡ及びＢを配設し、制御弁本体内のスプールを第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構により移動させて、２つの信号圧力ポートＡ及びＢの圧力差を目標値に近づける電空比例差圧制御弁において、第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室に２位置３ポートの第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁を通して圧力流体を給排させ、第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁を一定周波数のパルス列で駆動し、パルス列のパルス幅を目標値と現在値との誤差に応じて変化させたことを特徴とする電空比例差圧制御弁。
信号圧力ポートＡ及びＢの各圧力を２つの圧力センサにより検出し、各圧力センサにより検出された差圧の現在値と目標値との誤差に応じたデューティ比を算出し、第１オンオフ電磁弁及び第２オンオフ電磁弁における流体圧力源と第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各パイロット室とを連通させる開口面積を、デューティ比と比例させるようにした請求項１記載の電空比例差圧制御弁。
第１流体圧操作機構及び第２流体圧操作機構の各シリンダ孔にピストンが摺動自在に配設され、各ピストンがスプールに連結され、各ピストンの外側室がパイロット室とされ、各ピストンの内側室がフィードバック室とされ、第１流体圧操作機構のフィードバック室と信号圧力ポートＡとを連通するとともに第２流体圧操作機構のフィードバック室と信号圧力ポートＢとを連通した請求項１又は２記載の電空比例差圧制御弁。