JP6480172B2 - サーボ弁 - Google Patents

Description

本発明はサーボ弁に関し、詳細には、油圧流を制御するための電気油圧サーボ弁に関する。

電気油圧サーボ弁は、電気入力信号を無段油圧出力（流れまたは圧力）に変換する、連続作動弁である。サーボ弁は、位置、速度、圧力および力の正確な制御を提供することができる。通常サーボ弁は、電気制御信号を、例えば、機械的位置制御のために、アクチュエータの線形または回転出力運動に変換するために、線形または回転アクチュエータ上に装着される。多くの航空機飛行制御およびエンジン制御は、サーボ弁を使用して作動される。例えば、ヘリコプターなどの回転翼機において、主回転翼および尾部回転翼のアクチュエータは、どちらもサーボ弁を内蔵していることがある。サーボ弁の適用には、航空宇宙、気候制御、流体および気体処理、油圧、空気圧、ならびにプロセス制御が含まれる。

典型的な電気油圧サーボ弁は、第２段階のスプール弁を駆動する油圧油の流れを制御する第１段階として、電気トルクモータを備え、次いで第２段階のスプール弁は、負荷を駆動するアクチュエータへの流れを制御できる。油圧の第２段階は、スプールおよびスリーブ、例えば、固定圧力損失において弁からの出力が、零位位置からのスプール変位に比例する、従来の４方向スプール設計を備える。油圧増幅器は、第１段階と第２段階との間で作動してパイロット流を変化させる。油圧増幅器は、様々な異なる設計、例えば、噴射管および受信機、噴射偏向器および受信機、またはノズルフラッパを有することができる。

噴射管のサーボ弁において、システム圧力での油圧油は、噴射管を通って第２段階のスプールに連結された受信機ポートに向けられる。弁の零位位置では、スプールの両側に等しい圧力が存在するように、噴射は受信機ポートの間に等しく向けられる。噴射管の偏向は、スプールの一端から他端に差圧を生成するように、流れを受信機ポートの間に不規則に分割する。スプールを跨いで生成された差圧は、流れを噴射変位と反対方向に移動させる。

従来のサーボ弁設計において、可撓性部材（例えば、曲げ管またはねじり橋）は、トルクモータ電機子に固く取り付けられる。またビームも可撓性部材に、また電機子に取り付けられ、このビームは、油圧増幅器によって生成されたパイロット流の変化を可能にする。電気信号をトルクモータに印加すると、電機子は枢動し、可撓性部材およびビームを屈曲させ、それによりビームが偏向し差圧がスプールを跨いで生成される。電気または機械的フィードバックを提供してビームがその零位位置に戻ることができる。

機械的フィードバックシステムにおいて、フィードバックバネを使用して、第１段階によって加えられたトルクを平衡化することができる。この機械的フィードバックシステムは、スプールの一端およびビームの他端に固定される。スプールが動くにつれて、フィードバックバネは、ビームを零位位置に向かって引き戻すように作用する。入力電流に比例するトルクモータのトルクと、フィードバックバネ上に作用し、ビームを通ってトルクモータに戻るスプール変位によって生成されたトルクとの間の均衡は、特定のスプール位置をもたらし、これにより特定の油圧流がサーボ弁によって通過される。出力流を、入力電流に正確に比例するように制御することができる。

多くのサーボ弁設計において、フィードバックバネは、スロットまたは孔にスプールの中心で係合するボールによって終結する。ボールインスロットまたはボールインホール式設計を使用して、結合問題を緩和する。スロットまたは孔内のボールが動くことにより、スプールとビームとの間のフィードバックバネの長さの変化が可能になる。しかし、特に鋼球をフィードバック線上に使用する際は、フィードバック機構におけるボールの早期の摩耗が、弁の性能を低下させ、その耐用期間を低減させることが多い。油圧サーボ弁は、何百万の周期、すなわち２５年程度の長さの稼働を期待できる。タングステンカーバイドまたはサファイアなどの代替物質は、ボールに摩耗保護の延長を提供できるが、費用が増加する。

従来の電気油圧サーボ弁は、出力において多くの非線形に悪影響を受けることがある。弁の非線形は、ボールまたはスプールの摩耗からもたらされる、ボールとスプールとの隙間を含む異常から生じる可能性がある。この現象は、ボールがスプール孔内で緩いとき、電子機器内で容易に補正されず、弁の修理または置換を通常必要とする。一部のサーボ弁設計は、剛性のピンフィードバック設計を使用してこの問題を回避する。しかし、スプールが零位位置から移動すると、フィードバックバネは、（柔軟な曲げ剛性に起因して）偏向され、スプールへのその固い連結は、望ましくないラジアル荷重を加え、これによりスプールを油圧ブロック内で半径方向に移動させる。未知の解決策は、フィードバックバネ／ビームの取付けの垂直変位を可能にするように、フィードバックバネとビームとの間に減結合リングを加えることである。しかしこれは、一緒に溶接する／蝋付けする／はんだ付けする部品の数、および弁の複雑さを増加させる。

電気油圧サーボ弁のためのフィードバック機構の改良された設計が、依然として必要とされている。

本発明によれば、電気トルクモータと、油圧ブロックに入る油圧油の流れを制御するように配置された可撓性部材および剛性ビームと、差圧に応答して軸方向運動のために油圧ブロック内に摺動装着されたスプールと、スプールの運動に応答して復帰力（return force）を伝送するように、ビームに直接連結されたフィードバックバネと、を備えた電気油圧サーボ弁が提供され、トルクモータは、剛性ビームに連結されるとともに電気入力に応答してビームおよび可撓性部材を偏向するために可動である、駆動部材を含んでおり、フィードバックバネは、スプールに固定的に取り付けられ、かつ、油圧ブロック内のスプールの半径方向変位を吸収するように配置された、一体型バネ部材である。

このような電気油圧サーボ弁は、減結合リングまたは他の媒介が油圧ブロック内のスプールの半径方向変位の抵抗を吸収するために必要とされることなく、一体型バネ部材がスプールとビームを相互接続させるので、従来設計より少ない部品を有することができる。一体型バネ部材がスプールとビームとの間に取り付けられることは、フィードバック機構において、はんだ付けまたは蝋付け接合部などの、より少ない取付け点が存在することを意味する。一方、従来設計では、追加のはんだ付けまたは蝋付けが、ビームと減結合リングなどの媒介との間、および媒介とフィードバックバネとの間に必要とされる。フィードバック機構内の金属接合部の数を削減することにより、弁の製造は単純化され、費用は低減されることがある。さらに、フィードバックバネがスプールに固定的に取り付けられるとき、ボールインホール式連結に関連した摩耗およびボールの異常などの問題は回避される。サーボ弁の信頼性および耐用期間は、それによって改良されることがある。

一体型バネ部材を、スプールにあらゆる適切な方法で固定的に取り付けてもよい。一部の例では、バネ部材を１つまたは複数のネジなどの少なくとも１つの固定部材によって取り付けてもよい。例えば、バネ部材の一端を、スプールを軸方向に通過する１対のネジの間に固定してもよい。１対のネジの間のフィードバックバネを固定することに関する潜在的問題は、ネジ間の距離が、例えば、ネジの交差および長さに依存して、極めてばらつきがあり得ることである。さらに、フィードバックバネを固定中にネジの回転は、スプール内のフィードバックバネの望ましくない回転を誘発することがある。これにより、一貫性のない締付け力を生じる可能性がある。したがってある特定の例では、一体型バネ部材は、少なくとも１つの（ネジなどの）固定部材によりスプールに固定的に取り付けられ、１つまたは複数のスペーサは、固定部材（複数可）とフィードバックバネとの間に位置付けられる。該１つまたは複数のスペーサを使用して、固定部材（複数可）からのあらゆる公差に適合してもよく、その結果、フィードバックバネは、油圧油の漏出が生じることなく、スプールに確実に固定的に取り付けられる。固定部材（複数可）は、スプールを軸方向に通過する１つまたは複数のネジを備えてもよい。

一体型バネ部材を、剛性ビームにスプールの動きに応答して復帰力を伝送するあらゆる方法で直接連結してもよい。ビームは、パイロット流を変化させるサーボ弁の部品である。ビームは、トルクモータの駆動部材（例えば、電機子）に固定的に取り付けられる、またはトルクモータの駆動部材（例えば、電機子）と一体化されてもよい。可撓性部材を、ビームの偏向に適合するように、剛性ビームに連結してもよい。一部の設計では、可撓性部材は、ねじり橋（torsion bridge）であってもよい。一部の設計では、可撓性部材は、例えば、ベリリウム銅などの、例えば金属合金材料からなる、曲げ管であってもよい。ビームは、曲げ管と同軸方向に延在してもよい。またビームは、金属合金材料で作成されてもよい。

ある特定の例では、一体型バネ部材は、金属接続部によってビームに固定的に取り付けられる。一部の例では、金属接合部は、はんだ付けまたは蝋付け材料によって形成されてもよい。一部の例では、金属接合部は、バネ部材をビームに溶接することによって形成されてもよい。その他の例では、ビームは、例えば、曲げ管から出る流体噴流を含んでもよい。すべての例において、ビームは、駆動部材を動かしてトルクモータによって生成されたトルクを平衡化するまで、フィードバックバネを負荷することによって生成されたトルクを伝送する。

剛性ビームは、適切な油圧増幅器を介して油圧ブロックに入る油圧油の流れを制御するように配置されてもよい。一部の例では、油圧増幅器は、噴射管および受信機、または噴射偏向器および受信機（例えば、単一入口）を備えてもよい。その他の例では、油圧増幅器は、ノズルフラッパ（例えば、複数の入口）を備えてもよい。ビームはそれ自体が、例えば、反対側に平板化され、２つのノズル開口の間に配置されたその自由端部を有する、フラッパとして働いてもよい。

当業者は、油圧ブロック内でスプールの半径方向変位に確実に抵抗する、曲げ剛性などの１つまたは複数の適切な材料特性を有する、一体型バネ部材を選択することができることになる。所与の材料に対して、バネ部材の直径を、スプールのサイズ、その軸方向運動の通常の範囲、およびフィードバックバネの長さのうちの１つまたは複数に依存して選択してもよい。フィードバックバネの最小曲げ半径は、サーボ弁の作動中にスプールの最大軸変位によって決定され、バネ部材の直径の半分を下回るべきではない。したがって、一体型バネ部材は、スプールの軸方向運動によって生成される最小曲げ半径が直径の半分を下回らないように選択された直径を有してもよい。例えば、バネ部材は、少なくとも０．５ｍｍの直径を有してもよい。一体型バネ部材は、ワイヤ（例えば、円形断面）またはストリップ（例えば、長方形断面）の形を取ってもよい。

例の１つの任意の組では、一体型バネ部材は、１７−７合金などの析出硬化型ステンレス鋼で作成されてもよい。このようなステンレス鋼は、所望の強度レベルに達するために熱処理によって硬化されてもよい。例えば、析出硬化型ステンレス鋼合金は、摂氏約４８０度（華氏９００度）で条件ＣＨ９００に熱処理されてもよい。

実施形態の別の任意の組では、一体型バネ部材は、Ｓａｎｄｖｉｋから市販のバネ線などの、ステンレス鋼バネ線で作成されてもよい。例えば、バネ線は、モリブデンと合金されたオーステナイト・ステンレス鋼で作成されてもよい。バネ線は、円形または平坦な断面をもつ硬引であってもよい。このようなバネ線は、１９００〜２３００ＭＰａの範囲の引張強度を有してもよい。

本明細書に開示されたあらゆる例において、一体型バネ部材は、ＡＳＴＭ規格Ａ３１３に従って製造されたステンレス鋼バネ線で作成されてもよい。

実施形態の別の任意の組では、一体型バネ部材は、炭素鋼ピアノ線で作成されてもよい。ピアノ線は、高い引張強度を達成するために冷間引きされる。適切な炭素鋼ピアノ線は、ＡＭＳ５１１２またはＡＳＴＭ Ａ２２８によって指定されてもよい。

実施形態の別の任意の組では、一体型バネ部材は、Ｕｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販のＷａｓｐａｌｏｙなどの、時効硬化のニッケル基超合金で作成されてもよい。このような合金は、卓越した強度特性、例えば、１３００〜１６００ＭＰａの範囲の引張強度を有する。

適切なバネ部材は、１つまたは複数の材料パラメータを使用して選択されてもよい。例えば、一体型バネ部材は、少なくとも１２００ＭＰａ、１３００ＭＰａ、１４００ＭＰａ、１５００ＭＰａ、１６００ＭＰａ、１７００ＭＰａ、または１８００ＭＰａの最終引張強度を有してもよい。一体型バネ部材は、最高２０００ＭＰａ、２１００ＭＰａ、または２２００ＭＰａの最終引張強度を有してもよい。加えて、または別法として、一体型バネ部材は、少なくとも１４０ＧＰａ、１５０ＧＰａ、１６０ＧＰａ、１７０ＧＰａ、１８０ＧＰａ、１８０ＧＰａ、１９０ＧＰａ、または２００ＧＰａの弾性係数を有してもよい。

次に１つまたは複数の非限定的な例について、添付図面を参照に説明する。

電気油圧サーボ弁の図式的概観を示す図である。 先行技術による電気油圧サーボ弁を示す図である。 本発明による電気油圧サーボ弁の略図である。

図１は、典型的な４方向制御の電気油圧サーボ弁システムの主要構成要素を示す。電流は、トルクモータの第１および第２のコイルに供給されて電機子の運動を誘発する。この例では、電機子は、曲げ材（例えば、曲げ管またはねじり部材）、および可撓性ビーム４に連結される。電流がコイルに印加されると、電機子は枢動し、トルクは、電気入力に応答して可撓性ビーム４に印加される。可撓性ビーム４は、油圧油の流れを制御するように、印加されたトルクを油圧増幅器に伝送する。油圧増幅器からの差圧／流れによりスプール８の軸方向運動が生じ、スプール８の軸方向運動はピストンとして作用してもよい。スプール８の運動は、可撓性ビーム４を通過してトルクモータ電機子に進む、戻しトルクを生成し、トルクモータ電機子は、トルクモータのトルクの平衡を保ち、ビーム変位を中止する傾向がある。

電気トルクモータ（図示せず）から延びるビーム４を備える、電気油圧サーボ弁の第１段階２が図２ａに示されている。サーボ弁の第２段階６では、油圧スプール８は、軸方向運動のために油圧ブロック内に摺動して装着される。機械的フィードバックバネ１０は、ビーム４とスプール８との間に連結される。図２ｂに示すように、フィードバックバネ１０は、中板または減結合リング（decoupling ring）１２を介してビーム４に間接的に連結される。図２ｃに示すように、フィードバックバネ１０は、スプール８を通過する１対の軸ネジの間に固定される。フィードバックバネ１０は、低い曲げ剛性を有する。減結合リング１２は、曲げ剛性を低下することなくフィードバックバネ１０の垂直変位を可能にする。

図２ａおよび２ｂに概略的に示したように、油圧スプール８が最初の零位位置（左側に示されている）から動くと、距離ＥＦが増加する。フィードバックバネ１０は、スプール８の軸方向運動に抵抗する傾向があるが、スプール８に加えられるラジアル荷重が存在し、これはスプール８を油圧ブロック内で半径方向に動かす。減結合リング１２は距離ＥＦの増加を吸収するために垂直に動くことができ、その結果、ブロック内のスプール８の軸方向運動を回避または低減する。しかし、これは、フィードバックバネ１０とビーム４との間にはんだ付けされるために、追加の減結合リング１２を必要とする。

図３ａおよび３ｂは、それぞれ本発明によるフィードバックバネの配置の正面図および側面図を示す。この配置では、中板または減結合リング１２は取り除かれ、ビーム４は、フィードバックバネ１０’によってスプール８に直接結合されている。フィードバックバネ１０’は、第１段階２において一端でビーム４に連結され、第２段階６において他端でスプール８に固定的に取り付けられる、一体型バネ部材である。フィードバックバネ１０’が、スロット内で可動のボールで終結するより、むしろスプール８に固定されるので、フィードバックバネ１０’の回転は点Ｆで遮断される。いかなる垂直変位もなしにフィードバックバネ１０’とビーム４との間に直接連結されることは、スプール８がｘ方向、すなわち、油圧ブロックによって提供されるスリーブに沿った軸方向運動に変位されることのみが可能であることを意味する。フィードバックバネ１０’の剛性は、スプールのそのブロック内での半径方向変位が確実に低減する、または回避されることに役立つ。例えば、フィードバックバネは、硬化した炭素鋼、例えば、ピアノ線で作成されてもよい。フィードバックバネ１０’に適切な材料には、１７−７ＰＨ ＣＨ９００ステンレス鋼、Ｗａｓｐａｌｏｙ、およびＳａｎｄｖｉｋバネ線が含まれるが、これに限定されない。

図３ｃからわかるように、フィードバックバネ１０’の一端は、一対のネジ１６および一対のピン１８によりスプール８に固定的に取り付けられる。ネジ１６は、１組の標準サイズの１つの形であり、これは、ネジのみを使用してフィードバックバネ１０’の端部を固定する場合は、油圧油の漏出が起き得ることを意味する。フィードバックバネ１０’をスプール８に確実にしっかりと取り付けるために、ピン１８を、ネジ１６とフィードバックバネ１０’との間に挿入する。ピン１８とスプール８との隙間を最小にするために、スプール８内の通路の直径に応じて様々なピン１８を選択してもよい。

図３ａ〜３ｃに示した配置では、フィードバックバネ１０’は、０．７ｍｍの直径を有するピアノ線で作成され、０．６ｍｍの最大ｘ変位を有するスプール８に固定された。ｘ軸に沿って点Ｆで記録された荷重は１．２０Ｎであった。ｚ軸に沿って点Ｆで記録されたトルクは、１２．６Ｎｍｍであった。フィードバックバネ１０’は、スプール８の半径方向変位の発生が防止されたことが見られた。

他の例では、フィードバックバネ１０’の直径は、ｘ軸に沿ってスプール８の最大軸方向変位に依存して選択されてもよい。これは、サーボ弁のサイズおよびその適用に依存してもよい。

２…第１段階
４…ビーム
６…第２段階
８…油圧スプール
１０’…フィードバックバネ
１６…ネジ
１８…ピン

Claims (6)

1. 電気トルクモータと、油圧ブロックに入る油圧油の流れを制御するように配置された可撓性部材および剛性ビームと、差圧に応答した軸方向運動のために前記油圧ブロック内に摺動装着されたスプールと、
   前記スプールの運動に応答して復帰力を伝送するように、その一端（Ｅ）が前記ビームに直接連結されたフィードバックバネと、
   を備え、
   前記トルクモータは、前記剛性ビームに連結されるとともに電気入力に応答して前記ビームおよび可撓性部材を偏向するために可動である、駆動部材を含み、
   前記フィードバックバネは、その他端（Ｆ）が、前記スプールを軸方向に通過する一対のネジ（１６）の間に締結されることにより、前記スプールに固定して取り付けられ、それにより、前記油圧ブロック内の前記スプールの半径方向変位を吸収するように配置された、一体型バネ部材であり、
   前記フィードバックバネは、前記ビームに直接連結された前記一端（Ｅ）から半径方向に延在し、次いで前記スプールに向かって垂直方向に延在し、次いで前記他端（Ｆ）へと半径方向に延在しており、
   前記一体型バネ部材は、析出硬化型ステンレス鋼、オーステナイト・ステンレス鋼合金、時効硬化のニッケル基超合金、または炭素鋼ピアノ線で作成されるとともに、前記油圧ブロック内で前記スプールの半径方向変位に確実に抵抗する曲げ剛性を有する、電気油圧サーボ弁。
2. １つまたは複数のスペーサが、前記ネジと前記フィードバックバネとの間に位置付けられる、請求項１に記載のサーボ弁。
3. 前記一体型バネ部材は、金属接続部によって前記ビームに固定して取り付けられる、請求項１または２に記載のサーボ弁。
4. 前記一体型バネ部材は、前記スプールの前記軸方向運動によって生成される最小曲げ半径が直径の半分を下回らないように選択された前記直径を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のサーボ弁。
5. 前記一体型バネ部材は、少なくとも１４０ＧＰａ、１５０ＧＰａ、１６０ＧＰａ、１７０ＧＰａ、１８０ＧＰａ、１８０ＧＰａ、１９０ＧＰａ、または２００ＧＰａの弾性係数を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のサーボ弁。
6. 前記一体型バネ部材は、少なくとも１２００ＭＰａ、１３００ＭＰａ、１４００ＭＰａ、１５００ＭＰａ、１６００ＭＰａ、１７００ＭＰａ、または１８００ＭＰａの最終引張強度を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のサーボ弁。

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