JP4027795B2 - ダイレクトドライブサーボバルブおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイレクトドライブサーボバルブ、とりわけ、モータ回転子の回転運動がスプールバルブの直線運動に変換され、モータ回転子およびスプールバルブシャフト間の新しい駆動接続を特徴とするダイレクトドライブサーボバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スプールバルブが駆動されるトルクモータは、回転するトルクモータの利用を通じて作動するものとして従来からよく知られている。このトルクモータは、回転子から延出し、スプールバルブに接触する駆動部を有しており、バルブハウジング内に駆動モータからの電気信号に応じてソースから負荷へと流れる流体の流量を制御するための孔を有するスプールバルブを直接的に往復運動させる。このような装置は、ダイレクトドライブバルブとして一般的であり、モータの回転子シャフトの所定の角度範囲における回転運動をスプールバルブの直線運動に変えるための偏心方式におけるスプールバルブとシャフトとを相互接続する様々な方法がある。
【０００３】
このような従来技術における接続の一例は、米国特許４７９３３７７号公報に示されており、球状のチップがモータの回転子のシャフトに完全に形成され、スプールバルブに接続させて、バルブハウジングを通過する液体の流量を制御するものが開示されている。
【０００４】
球状のボール駆動装置を利用するダイレクトドライブバルブの他の従来技術は、米国特許４５７３４９４号公報に示される。本公報には、スプールバルブに配される外側案内溝と、当該外側案内溝の内側に支持される外側表面がすべり取り付け方式によりモータ回転子シャフトの端部に配される球状のベアリング部とを具備する球状のベアリングアッセンブリが開示されている。
【０００５】
さらに、駆動部の接続装置における従来技術としては、米国特許５０５２４４１号公報に示されている。これには、開口された孔を有するボールであって、偏心配置されたシャフトの端部に支持され、モータ回転子上のシャフトの端部にボールとシャフトとが互いに蝋付けされる旨が開示されている。このタイプの典型的な装置は、ボールおよびスプールバルブの開口部間における摩擦による磨耗に抵抗することが必要となるため、硬質のボールが用いられる。ボールが硬質部材であるため、それに開口される孔は、一般に電子放電機械加工（ＥＤＭ）により機械加工される。モータ回転子から延びたシャフトは、ボール内にＥＤＭによって形成された開口部内に支持されるような直径を有する円筒形の支柱となるように機械加工される。ＥＤＭ作業を行うことは、高価であり、支柱が蝋付け作業によりボールに完全に固着してしまう前に除去しなければならないボール上の再溶解層が放置されてしまう。再溶解層の除去は、通常、ＥＤＭ作業と同様に高価なラッピングにより行われる。再溶解層が完全に除去されない場合、蝋付けによってボール部材をシャフトの支柱に完全に固着することができず、蝋付けによる接合の弱い箇所、すなわち、使用中にダイレクトドライブバルブの欠陥が生じることとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、回転するダイレクトドライブバルブのスプールバルブのための駆動部として接続するためのモータ回転子シャフトの端部において単純な球状のボール駆動機構を提供する必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダイレクトドライブサーボバルブは、モータに沿って流れる流体の流量を制御するための孔内に往復可能に取り付けられたバルブスプールを具備するバルブハウジングを備えている。前記モータは、前記バルブスプールに接続するための駆動部を具備し、駆動部は、縦軸と偏心配置された孔を有する端部とを具備し、前記孔に適合可能な大きさの一体成形された凸部を有するボールがシャフトに固定されているものである。
【０００８】
本発明のさらなる側面におけるダイレクトドライブサーボバルブの製造方法は、流体の流量を制御するためのバルブスプールに接続する駆動部のシャフトの一端に偏心配置された孔を形成するステップと、ボールを形成するステップと、前記ボールの一部を除去し、凸部を設けるステップと、前記ボールを前記シャフトの端部に蝋付けのような永久的方法によって固定するステップとを具備するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照することにより、本発明の原理に基いたダイレクトドライブバルブボール駆動機構を利用する方式のダイレクトドライブサーボバルブについて説明する。図１に示されるように、バルブハウジング１２は、孔１４を具備している。スプールバルブ１６は、孔１４内に配設されており、孔内を往復する。スプールバルブ１６が往復して通過すると、負荷（図示せず）へ、および負荷からの圧力下にある流体の流量が制御される。「Ｐ」で示される圧力下にある流体は、図示される孔１４と連通している水路または通路１８内に存在する。「Ｒ」で示される帰還液または排水は、水路または通路２０内に存在する。スプールバルブ１６が図１に示すような位置に動いたとき、圧力下にある流体は、スプールバルブ１６に開口されたポートを通過した水路１８から、「Ｃ１」で示されるように、制御水路または制御通路２２へ流れ負荷へ向かい、「Ｃ２」で示されるように、制御水路または制御通路２４から、スプールバルブ１６に開口されたポートを通じて帰還液または排水Ｒとなって戻ってくる。当業者によって知られていることだが、スプールバルブ１６が離れると、負荷に行き来する流れは、上記と逆転するものとなる。
【００１０】
バルブハウジング１２に取り付けられたモータ２６は、スプールバルブ１６に接続する駆動部２８を具備している。駆動部２８は、所定角度範囲内で回転し、この回転がスプールバルブ１６の往復直線運動に変換される。駆動部２８の回転は、命令信号によって制御される。この命令信号は、所定の電源３４を有する所定の増幅器３２に接続された電気リード線３０によりもたらされる。増幅器３２の出力は、駆動モータ２６の固定子に接続される。所望の場合は、破線３６で示されるように、所定の位置フィードバック信号が、増幅器３２に接続される。位置フィードバック信号は、位置変換器３７によって発生する。位置変換器３７は、装置の特定の用途および構造が制御されることに依存する駆動モータ２６の回転子の回転位置、または、その代わりのスプールバルブ１６の直線位置に、比例する電気信号を供給する。
【００１１】
図１ａにおいてより具体的に示されるように、駆動部２８は、偏心配置されたボール４０が取り付けられたモータ回転シャフト３８を具備している。ボール４０は、スプールバルブ１６内に形成された孔、スロットまたは溝である所定の開口部内に取り付けられる。当業者にはよく知られていることだが、シャフトが矢符４２および４４で示されるようなどちらの方向へ回転しても、開口部４２内に位置するボールは、流体の流れを上記のように制御するために、矢符４６および４８のそれぞれに示されるように、スプールバルブを直線運動させる。
【００１２】
上記のようなボール４０は、様々な方法によりシャフト３８に固定されるかもしれない。例えば、シャフトに一体成形により形成されていたり、ボール内に開口部を形成し、当該開口部にシャフト端部を延設していたり、球状のベアリングアッセンブリ等を利用していたりするものである。いずれの例においても、これらの構造は、製造するには比較的高価であり、回転式のダイレクトドライブバルブの総コストを引き上げることとなる。
【００１３】
本発明に係るスプールバルブに接続する駆動部の原理によれば、全体的に異なる方法および構造により構成され、本構成の製造コストを相当低減させることができるものである。
【００１４】
図２には、本発明の原理によって構成されたダイレクトドライブサーボバルブのモータ内に使用されるシャフトのアッセンブリが例示されている。図２に示されるように、シャフト５０は、その一端部５２にボール５４が偏心配置される。シャフト５０は、当業者によく知られるように、所定のベアリング等によりモータの回転子内で支持されるべく適合される。このような構造は、本発明の一部を形成することはないが、従来技術である米国特許５０５２４４１号公報に明示されており、これを参照することによって具体化され、その結果、ここには開示されていないモータのさらに詳細な記載が開示される。図２から図５を参照することによって、駆動部が本発明の原理に従って構成されることについてさらに詳細に記載される。図示されるように、シャフト５０は、孔５２を有しており、シャフト５０の縦軸５４から偏心してオフセットされる。図３Ａに特に示されるように、シャフト５０は、孔５２回りに実質的に平面である表面５６を有する。さらに、孔５２に交差する横孔５８が形成される。横孔５８の目的は、以下により詳しく説明する。
【００１５】
上記で指摘したスプールバルブ１６は、孔１４内で往復運動するために、開口部４２内に配置されたボールに接触している。本発明の原理に従うこのようなボールは、図４に示される。図４において示されるように、ボール５４は、直径５７を有している。凸部６０は、ボール５４に一体成形されて突出している。平面である表面６２は、凸部６０の土台回りに設けられている。ボール５４の一体部分として凸部６０形成する場合、当業者によく認知されているものとして、破線で示される部分６４，６６内のボールの一部を除去することによって最もよく形成される。当該「部分」は、実際には、平面である表面６２および凸部６０の外周および破線６７，６８で示されたボール５４の表面で囲まれる連続的な部分である。当該部分は、凸部６０を形成するために、様々な方法によりボール５４から除去される。本発明のより好ましい形態として最も好ましいのは、良好な取り付け部内に固定し、前述のように平面である表面６２から突出した支柱として凸部６０を設けるために前記部分を研磨する。凸部６０を形成するために除去した材料の量は、特定の用途および所望の構造強度によって異なるであろう。しかしながら、凸部６０の長さをボール５４の半径より短くすることは、重要である。このような構成は、ダイレクトドライブサーボバルブの適切な作動を得るべく、ボールおよびスプールバルブ１６の開口部４２間に接触する線としてボール５４の表面にボール５４の大円（赤道）を欠けることなく有するために、必要である。本発明のより好ましい形態において、ボール５４の直径に沿って計測される凸部６０の長さは、ボール５４の半径の２０％から６０％の間である。
【００１６】
ボール５４は、シャフト５０に固着される。この取り付けに関しては、当業者に知られている様々な手段がある。好ましくは、凸部の外周、すなわち外径表面６９を実質的に覆い、ボールの平面である表面６２およびボールが孔５２に挿入されるように、蝋付け材が凸部６０に対して塗布される。このとき、蝋付けによるシャフトおよびボールの結合は、適正な温度に上昇させ、孔５２内に凸部６０の外周６９に固着させ、平面である表面６２を平面である表面５６に固着させることによって、ボールをシャフトに蝋付けするのに十分な時間その温度が維持されて行われる。この方法においては、駆動部は、孔１４内においてスプールバルブ１６が往復運動するためにシャフトが回転することによる引張負荷に対して十分に支持することができる。孔５２の内表面に対する凸部６０の外周６９と同様に、平面である表面５６と６２とを蝋付けすることにより、意外な強度が加えられる。この強度により、シャフト５０は、従来用いられた材料より安価な材料で構成されるだろう。例えば、支柱がシャフトにより形成され、当該支柱がボールに形成された孔に挿入されていた場合、シャフトは、インコネルのようなより硬い材料で作られていた。本発明の構造を利用した場合、シャフトは、例えば３００系のステンレス鋼で構成してもよいこととなる。
【００１７】
ボールが、蝋付けによってシャフトに固着させた場合、横孔５８は、ボール上にある過剰な蝋付け材を孔５２の内部から移動させ、横孔５８内を通して逃がすためのクリープホールとして利用される。また、横孔５８は、蝋付け工程において形成された気体の通気孔として、孔５２に蝋付け材と同様に留められたものを除外するために利用される。さらに、横孔５８は、駆動部の製造後に利用される点検ポートとしても便利である。これにより、上記記載のように、それが適正に形成されているか否か、すなわち、ボール５６が上記方法によりシャフト５０に完全に固定されているか否かを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明に係る駆動部を組み込んだダイレクトドライブサーボバルブの概略図である。
図１Ａは図１に例示される構造の一部を拡大した図である。
【図２】 図２は本発明に係る駆動部アッセンブリの部分断面図である。
【図３】 図３は図２の断面図である。
図３Ａは図２の駆動シャフトの一部を拡大した図である。ただし、ボールは除いてある。
【図４】 図４は図２および本発明に基く駆動部の一部として使用されるボールを示す図である。
【符号の説明】
１０ ダイレクトドライブサーボバルブ
１２ バルブハウジング
１４ 孔
１６ スプールバルブ
２６ モータ
２８ 駆動部
４２ 開口部
５０ シャフト
５２ 孔
５４ ボール
５６，６２ 平面である表面
５８ 横孔
６０ 凸部

Claims (9)

1. （１）孔を有するバルブハウジングと、
   （２）供給ポートから負荷への流体の流れを制御するために、前記孔内に往復運動可能に支持されるバルブスプールと、
   （３）前記孔内の前記バルブスプールを移動させるために、予め定められた地点で前記バルブスプールに接続される駆動部を有するモータとを具備し、
   前記駆動部は、
   （ａ）縦軸と偏心配置された第１の直径の孔を有する端部とを備えたシャフトと、
   （ｂ）第２の直径を有する一体成形された凸部を備えたボールと、
   （ｃ）前記シャフトの前記孔内に前記凸部を支持する支持手段と、
   （ｄ）前記シャフトを固着させるための固着手段とを具備するとともに、
   前記ボールは、前記凸部の土台回りに第１の略平面である表面を有し、前記シャフトは、前記孔の回りに第２の略平面である表面を有し、前記第１および第２の略平面である表面は、前記固着手段により互いに固着され、
   前記固着手段は、蝋付け材により構成され、
   前記偏心配置された孔は、予め定められた深さを有し、前記深さは、前記凸部の長さより長く、
   前記シャフトは、前記偏心配置された孔に交差する横孔をさらに有し、前記横孔は、前記シャフトが前記凸部に固着された後に、実質的に開口していることを特徴とするダイレクトドライブサーボバルブ。
2. 前記凸部は、前記ボールの一部を除去することにより形成することを特徴とする請求項１記載のダイレクトドライブサーボバルブ。
3. 前記凸部は、前記ボールを前記シャフトに固着させるために、前記偏心配置された孔内に蝋付けされることを特徴とする請求項１記載のダイレクトドライブサーボバルブ。
4. 前記第１の直径は、前記第２の直径よりわずかに大きく、前記凸部は、蝋付け材に実質的に取り囲まれることを特徴とする請求項１記載のダイレクトドライブサーボバルブ。
5. 前記凸部は、前記ボールを研磨することにより、当該ボールの一部を除去し、前記ボールの半径より短い長さの凸部を残すことにより形成されることを特徴とする請求項１記載のダイレクトドライブサーボバルブ。
6. 前記凸部の長さは、前記ボールの半径の２０％から６０％であることを特徴とする請求項１記載のダイレクトドライブサーボバルブ。
7. 孔を有し、当該孔内に配されるスプールバルブを有するバルブハウジングと、前記孔内に前記スプールバルブが往復移動可能とするために、前記スプールバルブに接続するための駆動部を有するモータとを具備し、前記駆動部は回転シャフトを具備するダイレクトドライブサーボバルブの製造方法であって、
   （ａ）前記駆動部の前記回転シャフトの一端に偏心配置される孔を形成するステップと、
   （ｂ）ボールを形成するステップと、
   （ｃ）前記ボールの一部を除去し、当該ボールに凸部を形成するステップと、
   （ｄ）蝋付け材を前記凸部に塗布するステップと、
   （ｅ）前記凸部を前記シャフトの前記穴に挿入するステップと、
   （ｆ）前記蝋付け材が前記ボールを前記シャフトに固着させるのに十分な温度および時間で、前記シャフトおよび前記ボールを加熱するステップとを具備し、
   前記シャフトに形成された前記偏心配置された孔の回りに第１の平面である表面を形成 するステップと、前記凸部の回りに第２の平面である表面を形成するステップと、蝋付け材を前記第１および第２の平面である表面に塗布するステップとをさらに具備し、
   前記第１の平面である表面に配置され、前記シャフトに形成された前記偏心配置された孔に交差する横孔を前記シャフトに形成するステップをさらに具備することを特徴とするダイレクトドライブサーボバルブの製造方法。
8. 前記ボールの一部を除去するステップは、研磨することを含み、前記凸部は、前記ボールの半径より短い長さを有して形成されることを特徴とする請求項７記載のダイレクトドライブサーボバルブの製造方法。
9. 前記偏心配置された孔を形成するステップは、前記横孔が蝋付け後に実質的に開口される程度に、前記凸部の長さより深さを有する前記偏心配置された孔を形成することを特徴とする請求項７記載のダイレクトドライブサーボバルブの製造方法。

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