JP5750425B2 - サーボバルブ駆動装置及びサーボバルブ - Google Patents

Description

本発明は、サーボバルブ駆動装置及びサーボバルブに関する。

下記特許文献１には、作動油を用いてバルブの開度を調整するサーボバルブが開示されている。このようなサーボバルブは、アーマチュアと、アーマチュアの周囲に巻回されるコイルと、アーマチュアの両端においてアーマチュアの端部を挟んで対向する磁極を有する磁石と、アーマチュアの中央部に垂直状態で固定される棒状のフラッパと、フラッパを挟んで対向すると共に作動油を噴出する一対のノズルと、外周面に凹部が設けられると共にノズルにおける背圧の差に応じて移動するスプールを有するスプール弁機構と、一端部がフラッパの先端部に結合される弾性変形可能なフィードバックワイヤと、フィードバックワイヤの他端部に設けられると共にスプールの凹部に摺動自在に設けられるボールとを備え、コイルに電力が供給されることでアーマチュアの両先端部に磁極を生じさせ、磁石との間に働く力によりアーマチュアを傾けることでフラッパと各ノズルとの間隔を調整し、各ノズルから噴出する作動油の流量を変化させることで各ノズルにおける背圧を変化させてスプール弁機構（バルブ）の開度を調整する。

特開平４−６４７０２号公報

ところで、上記従来技術において、スプール弁機構の開度を調整するたびにスプールを移動させるのでボールが変位するが、磁気等の影響によってボールの変位の往路と復路との間に変位差が生じ、この変位差によってコイルに供給される駆動電力の電流に変位ヒステリシスが発生する。上記従来技術では、この変位ヒステリシスによってスプール弁機構の制御精度が低下するという問題が発生していた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ボールの変位に起因するコイルに供給される駆動電力の電流の変位ヒステリシスを低減して、スプール弁機構の制御精度を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、サーボバルブ駆動装置に係る解決手段として、アーマチュアと、アーマチュアの周囲に巻回されると共に外部から駆動電力が供給されるコイルと、アーマチュアの両端においてアーマチュアの端部を挟んで対向する第１の磁極及び第２の磁極を有する磁石と、アーマチュアの中央部に垂直状態で固定される棒状のフラッパと、フラッパを挟んで対向すると共に作動油を噴出する一対のノズルと、一端部がフラッパの先端部に結合される弾性変形可能なフィードバックワイヤと、ノズルにおける背圧の差に応じて移動する外部のスプール弁機構におけるスプールの凹部に摺動自在に設けられると共にフィードバックワイヤの他端部に設けられるボールとを備えるサーボバルブ駆動装置であって、アーマチュアと第１の磁極との間に形成される第１のギャップと、アーマチュアと第２の磁極との間に形成される第２のギャップとは、不均衡に設定され、さらに第１のギャップと第２のギャップとのギャップ比は、ボールの変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されている、という手段を採用する。

また、本発明では、サーボバルブに係る解決手段として、上記解決手段に係るサーボバルブ駆動装置と、外周面に凹部が設けられると共にノズルにおける背圧の差に応じて移動するスプールを有するスプール弁機構とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、アーマチュアと第１の磁極との間に形成される第１のギャップと、アーマチュアと第２の磁極との間に形成される第２のギャップとは、不均衡に設定され、さらに第１のギャップと第２のギャップとのギャップ比は、ボールの変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されているので、ボールの変位に起因するコイルに供給される駆動電力の電流の変位ヒステリシスを低減して、スプール弁機構の制御精度を向上できる。

本発明の実施形態に係るサーボバルブＡの断面図である。 本発明の実施形態における第１のギャップＧ１及び第２のギャップＧ２を示す図である。 本発明の実施形態におけるギャップ比（第１のギャップＧ１/第２のギャップＧ２）の理想値との差と、ボール３２の変位に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスとの関係を示すグラフである。 従来における駆動電力の電流の変位ヒステリシスと、本発明の実施形態における駆動電力の電流の変位ヒステリシスとを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るサーボバルブＡは、図１に示すように、駆動部１、スプール弁機構２及びフィードバック部３から構成されており、駆動部１により生成された油圧によってスプール弁機構２の開度を調整する。なお、駆動部１及びフィードバック部３は、本実施形態におけるサーボバルブ駆動装置を構成するものである。

上記駆動部１は、磁石１１、コイル１２、アーマチュア１３、フラッパ１４、支持部１５及びノズル１６から構成されている。このような駆動部１は、図示しない制御装置からコイル１２に駆動電力が供給されることによってスプール弁機構２を駆動するためのノズル１６における背圧を生成するものである。

磁石１１は、図１に示すように、コイル１２及びアーマチュア１３の上方を覆う上部カバー片１１ａと、上部カバー片１１ａの端部に設けられると共にＮ極としての性質を有する第１の磁極片１１ｂと、第１の磁極片１１ｂを上部カバー片１１ａにネジ止めする第１のネジ１１ｃと、コイル１２及びアーマチュア１３の下方を覆う下部カバー片１１ｄと、下部カバー片１１ｄの端部に設けられると共にＳ極としての性質を有する第２の磁極片１１ｅと、第２の磁極片１１ｅを下部カバー片１１ｄにネジ止めする第２のネジ１１ｆとを備える。

このような磁石１１は、アーマチュア１３の両端においてアーマチュア１３の端部を挟んで対向するＮ極（第１の磁極片１１ｂ）及びＳ極（第２の磁極片１１ｅ）を有する。また、磁石１１において、上記６つの構成要素（上部カバー片１１ａ、第１の磁極片１１ｂ、第１のネジ１１ｃ、下部カバー片１１ｄ、第２の磁極片１１ｅ及び第２のネジ１１ｆ）は鉄や磁性合金等の磁性材からなり、これらに図示しない永久磁石が固定されることで第１の磁極片１１ｂがＮ極としての性質を有し、一方第２の磁極片１１ｅがＳ極としての性質を有する。

コイル１２は、アーマチュア１３の周囲に巻回されており、上述した制御装置から駆動電力が供給されることでアーマチュア１３の両先端部に磁極を生じさせる。
アーマチュア１３は、鉄や磁性合金等の磁性材からなり、周囲にコイル１２が巻回され、磁石１１における第１の磁極片１１ｂと第２の磁極片１１ｅとの間で水平かつ傾斜自在に設けられている。

フラッパ１４は、棒状部材からなり、アーマチュア１３の中心部に垂直状態で上端部が固定されると共に支持部１５によって傾斜自在に支持されている。
支持部１５は、フラッパ１４を傾斜自在に支持するものである。
すなわち、上述した制御装置からコイル１２に駆動電力が供給されると、コイル１２に通電される駆動電力の大きさに応じた角度でアーマチュア１３が水平状態から所望の角度だけ傾く、つまりフラッパ１４が支持部１５を支点として垂直状態から左側あるいは右側に所望の角度だけ傾斜するようになっている。

ノズル１６は、フラッパ１４を挟んで対向して設けられる一対のノズルであり、各先端とフラッパ１４との間には、例えば数十μの隙間が形成されている。また、ノズル１６は、後述するスプール弁機構２のケーシング２１のシリンダ室２１ａの両端部に連通されている。つまり、上述したフラッパ１４の傾斜角度に応じて各ノズル１６とフラッパ１４との間隔が調整されるので、ノズル１６から噴出する作動油の流量はフラッパ１４の傾斜角度に応じて変化して、各ノズル１６における背圧が、作動油を介して、ケーシング２１のシリンダ室２１ａの両端部、すなわち後述するスプール弁機構２のスプール２２の両端面に導かれるようになっている。

スプール弁機構２は、内部にシリンダ室２１ａが設けられたケーシング２１と、ケーシング２１のシリンダ室２１ａ内を摺動自在に移動するスプール２２とから構成されている。
ケーシング２１は、シリンダ室２１ａの両端部に駆動部１の両ノズル１６の背圧が導かれるように構成されている。

スプール２２は、両ノズル１６の背圧の差に応じてケーシング２１のシリンダ室２１ａを軸心方向に移動するように構成されている。また、スプール２２には、軸心方向に沿って間隔を保って４個のランド２２ａ〜２２ｄが設けられている。これらランド２２ａ〜２２ｄの内、２２ａ、２２ｂは軸心方向の両端側にそれぞれ設けられ、ランド２２ｃ，２２ｄは軸心方向の中心部にそれぞれ設けられている。そして、ランド２２ｃ、２２ｄ間にはこれらランド２２ｃ、２２ｄによって凹部２２ｅが形成、つまりスプール２２の軸心方向の中心部の外周面には凹部２２ｅが環状に設けられ、この凹部２２ｅ内に後述するフィードバック部３のボール３２が摺動自在に設けられている。

なお、スプール弁機構２では、図面を簡略化するために省略されているが、スプール２２の中心部に設けられるランド２２ｃ、２２ｄに対応するケーシング２１に、液体の入出用ポートが設けられ、スプール２２の移動によってランド２２ｃ，２２ｄが移動することによりポート開度、すなわち弁開度を調節できるように構成されている。

フィードバック部３は、一端部がフラッパ１４の先端部に結合される弾性変形可能なフィードバックワイヤ３１と、フィードバックワイヤ３１の他端部に設けられると共にスプール２２の凹部２２ｅに摺動自在に設けられるボール３２とから構成されている。

フィードバックワイヤ３１は、スプール２２の変位に追従して撓ると、その撓った状態から元の状態に復帰することにより、フラッパ１４を中立位置に押し戻し、スプール２２をその位置に停止させ、スプール２２を介しての液体の流量を決定する。すなわち、フィードバックワイヤ３１は、スプール２２の変位をフラッパ１４にフィードバックさせる機能を有するものである。

ここで、駆動部１において、図２に示すように、アーマチュア１３と磁石１１の第１の磁極片１１ｂとの間に形成される第１のギャップＧ１（Ｌ/２−ｇ）と、アーマチュア１３と磁石１１の第２の磁極片１１ｅとの間に形成される第２のギャップＧ２（Ｌ/２＋ｇ）とは、不均衡に設定され、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２とのギャップ比（Ｇ１/Ｇ２）は、ボール３２の変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されている。つまり、コイル１２に供給される駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなる第１のギャップＧ１及び第２のギャップＧ２が形成されるように、第１の磁極片１１ｂと第２の磁極片１１ｅとの間にアーマチュア１３を配置している。なお、この第１のギャップＧ１及び第２のギャップＧ２による作用の詳細については後述する。

次に、このように構成された本サーボバルブＡの動作及び作用について図３、４を参照して説明する。
本サーボバルブＡでは、駆動部１へ供給される駆動電力が０の場合、フラッパ１４は両ノズル１６から等距離に位置し、両ノズル１６から同量・同圧の作動油が噴出し、両ノズル１６の背圧はバランスがとれた状態となる。このとき、スプール２２は中立位置に位置している。

上述した制御装置から駆動部１に駆動電力が供給されると、その駆動電力に比例して駆動部１にトルクが発生し、アーマチュア１３が傾く。アーマチュア１３が傾くと、アーマチュア１３の傾きに追従してフラッパ１４が一方のノズル１６の方向に変位し、両ノズル１６から等距離に位置していたフラッパ１４と両ノズル１６との距離が変化する。フラッパ１４と両ノズル１６との距離が変化することで、両ノズル３２の背圧に差が生じる。この両ノズル１６の背圧が変化することで、スプール２２の両端面にかかる圧力に差が生じ、圧力の低い方へ向けてスプール２２が移動することとなる。

スプール２２が移動すると、スプール２２の移動に伴ってフィードバック部３のフィードバックワイヤ３１が撓る。フィードバックワイヤ３１が撓ると、フィードバックワイヤ３１が元の形態に戻ろうとし、フラッパ１４が押し戻される。この結果、スプール２２の両端面にかかる圧力差が減少し、ついには、アーマチュア１３にかかるトルクとスプール２２の位置に基づくフィードバックワイヤ３１にかかるトルクとが釣り合った位置でスプール２２がその位置に停止する。このようにして、スプール弁機構２におけるケーシング２１とスプール２２との相対位置により、ケーシング２１に設けられた入出用ポートを流れる液体の流量が決定される。

この際、本サーボバルブＡにおいて、アーマチュア１３と磁石１１の第１の磁極片１１ｂとの間に形成される第１のギャップＧ１（Ｌ/２−ｇ）と、アーマチュア１３と磁石１１の第２の磁極片１１ｅとの間に形成される第２のギャップＧ２（Ｌ/２＋ｇ）とが、図２に示すように、アーマチュア１３と第１の磁極片１１ｂとの間に形成される第１のギャップＧ１と、アーマチュア１３と第２の磁極片１１ｅとの間に形成される第２のギャップＧ２とは、不均衡に設定され、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２とのギャップ比（Ｇ１/Ｇ２）は、ボール３２の変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されているので、駆動電力の電流の変位ヒステリシスは低減される。

第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２とのギャップ比（Ｇ１/Ｇ２）には、駆動電力の電流の変位ヒステリシスを極小にするような理想値が存在する。図３は、その理想値との差と、ボール３２の変位によって生じる駆動電力の電流の変位ヒステリシスとの関係を示したグラフである。

図３に示すように、ギャップ比の理想値との差に比例して駆動電力の電流の変位ヒステリシスは大きくなる。つまり、第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２とを理想値に近づけて設定した場合には、駆動電力の電流の変位ヒステリシスを小さくすることができる。

例えば、従来のように第１のギャップＧ１及び第２のギャップＧ２を調整しない場合には、図４（ａ）に示すように、ボールの往路における駆動電力の電流が５ｍＡである場合における駆動電力の電流の変位ヒステリシスは１．０ｍＡである。一方、本実施形態において、第１のギャップＧ１及び第２のギャップＧ２を理想値になるように調整した場合には、図４（ｂ）に示すように、ボールの往路における駆動電力の電流が５ｍＡである場合における駆動電力の電流の変位ヒステリシスは０．６ｍＡである。

なお、その際、本サーボバルブＡにおける圧力ゲインは、４０.３４ｐｓｉｇ/ｍＡである。また、本サーボバルブＡでは、上述した制御装置からコイル１２へ供給される駆動電力が０である場合でも、アーマチュア１３を一定の初期傾斜に保持するために、ナルバイアスが印加されているが、このナルバイアスについては、−６．２３ｍＡであり、ギャップの調整前と同等である。

このような本実施形態によれば、アーマチュア１３と第１の磁極片１１ｂの間に形成される第１のギャップＧ１と、アーマチュア１３と第２の磁極片１１ｅとの間に形成される第２のギャップＧ２とは不均衡に設定され、さらに第１のギャップＧ１と第２のギャップＧ２とのギャップ比は、ボール３２の変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されているので、ボール３２の変位に起因するコイル１２に供給される駆動電力の電流の変位ヒステリシスを低減して、スプール弁機構２の制御精度を向上できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

Ａ…サーボバルブ、１…駆動部、２…スプール弁機構、３…フィードバック部、１１…磁石、１２…コイル、１３…アーマチュア、１４…フラッパ、１５…支持部、１６…ノズル、１１ａ…上部カバー片、１１ｂ…第１の磁極片、１１ｃ…第１のネジ、１１ｄ…下部カバー片、１１ｅ…第２の磁極片、１１ｆ…第２のネジ、２１…ケーシング、２２…スプール、２１ａ…シリンダ室、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…ランド、２２ｅ…凹部、３１…フィードバックワイヤ、３２…ボール、Ｇ１…第１のギャップ、Ｇ２…第２のギャップ

Claims (2)

1. アーマチュアと、アーマチュアの周囲に巻回されると共に外部から駆動電力が供給されるコイルと、前記アーマチュアの両端において前記アーマチュアの端部を挟んで対向する第１の磁極及び第２の磁極を有する磁石と、前記アーマチュアの中央部に垂直状態で固定される棒状のフラッパと、前記フラッパを挟んで対向すると共に作動油を噴出する一対のノズルと、一端部が前記フラッパの先端部に結合される弾性変形可能なフィードバックワイヤと、前記ノズルにおける背圧の差に応じて移動する外部のスプール弁機構におけるスプールの凹部に摺動自在に設けられると共に前記フィードバックワイヤの他端部に設けられるボールとを備えるサーボバルブ駆動装置であって、
   前記アーマチュアと前記第１の磁極との間に形成される第１のギャップと、前記アーマチュアと前記第２の磁極との間に形成される第２のギャップとは、不均衡に設定され、さらに前記第１のギャップと前記第２のギャップとのギャップ比は、前記ボールの変位の往路と復路との間に生じる変位差に起因する前記駆動電力の電流の変位ヒステリシスが小さくなるように設定されていることを特徴とするサーボバルブ駆動装置。
2. 請求項１に記載される前記サーボバルブ駆動装置と、外周面に凹部が設けられると共に前記ノズルにおける背圧の差に応じて移動するスプールを有するスプール弁機構とを備えることを特徴とするサーボバルブ。
   
   
   
   
   

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