JP6492229B1 - フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁 - Google Patents

Abstract

フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁（１０）は、第１ノズル（５０）と第２ノズル（５２）、これらの間に配置されたフラッパ（３０）、第１ノズル（５０）と第２ノズル（５２）の背圧を導く第１背圧路（１２４）と第２背圧路（１２６）を含む。また、スリーブ（９０）に摺動可能に支持され、軸方向両端の第１気体圧室（１２０）及び第２気体圧室（１２２）にそれぞれ第１背圧路（１２４）と第２背圧路（１２６）が接続されたスプール（１００）を含む。また、フラッパ（３０）の先端から延びてスプール（１００）に接続されるフィードバックばね（３８）を含む。そして、第１気体圧室（１２０）及び第２気体圧室（１２２）にそれぞれ第１補助絞り部（１４４）及び第２補助絞り部（１４６）を介して接続された第１補助タンク（１４０）及び第２補助タンク（１４２）を含む。

Description

本発明は、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に関する。

ノズルフラッパ型のサーボ弁は、左右に配置したノズルと、この両ノズルの間に設置した可動部材であるフラッパとで可変オリフィスを形成する。そして、両ノズルのそれぞれの前段にある一対の固定絞りとの協働によって、フラッパの位置により変化する両ノズルの背圧を導出し、この導出した背圧差により弁体を作動させるものである。背圧差がある間は、その背圧差で弁体は移動し続けるが、フラッパが両ノズルに対して中立位置に戻れば、背圧差がなくなり、弁体の移動が止まる。

特許文献１には、ノズルフラッパ型の油圧サーボ弁において、スプール型の弁体を用い、両ノズルの背圧をスプールの軸方向両端に供給し、フラッパの位置変化でスプールを作動させる。ここで、フラッパにフィードバックばねを設け、その先をスプールに接続すると、フラッパの位置変化によりスプールが移動するが、それによってフィードバックばねが撓み、その弾性反力でフラッパを元の位置に戻し、スプールを中立位置に戻す。スプールの両端における背圧差がなくなると、これによりスプールは停止する。

特許文献２には、トルクモータあるいは動力モータによって運動が制御され、中心位置にある状態と、中心位置から外れる状態とを取り得る可動部材を有し、油圧流体源を用いる３つの流体増幅器が述べられている。１つ目は、特許文献１で述べられているものと同じノズルフラッパ型の流体増幅器である。

２つ目は、特許文献２の図４に示されるジェットパイプ増幅器である。これは、ボデーに対して駆動するように取り付けられるパイプを有し、パイプの位置はトルクモータあるいはその類似物によって制御される。ここでは、加圧流体がパイプに供給され、パイプの下端部における固定インピーダンスのノズルを通って、ボデーに設けられた一対のレシーバ通路に対応する一対の開口に向って下方にジェット流として放出される。放出されたジェット流は、パイプの位置が中立位置にあるときに一対の開口の間で均等に分割され、パイプの位置が中立位置から離れる制御を行うと、一対の開口の間で不均等に分割される。この場合には、１つのレシーバ通路における流体モーメント流が他の通路における流体モーメント流よりも大きくなり、そのような流体モーメント流の差を負荷に作用するように利用できる。

３つ目は、特許文献１の図７に示されるジェットデフレクター増幅器である。これは、特殊な形状を有する通路と、通路の中で可動的に取り付けられ、広い開口と狭い開口を結ぶデフレクターオリフィスを有するデフレクター部材とを備える。デフレクター部材に関する運動は、トルクモータあるいは動力モータによって制御される。ここでは、デフレクター部材の広い開口側に、加圧流体が供給されて首部オリフィスを通って放出する頭部が設けられ、デフレクター部材の狭い開口側に、一対のレシーブ開口を介して接続される一対の脚部が設けられる。頭部の首部オリフィスから放出されるジェット流は、デフレクター部材がその中心位置にあるときに、デフレクターオリフィスを通って一対のレシーブ開口の間で均等に分割される。デフレクター部材がその中心位置から外れると、首部オリフィスとデフレクターオリフィスを通って放出されるジェット流は、一対のレシーブ開口の間で不均等に分割され、一対の出力通路内の流体モーメント流の差が負荷にかかる。

特許文献２に開示されるジェットパイプ増幅器及びジェットデフレクター増幅器においても、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した構成が考えられている。これらは、特許文献１のフィードバックばね付きのノズルフラッパ型のサーボ弁と同様の動作を行う。

特開２０００−０３２７３１号公報 特開平８−０４２５０４号公報

中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した流体増幅器において、流体に気体を用いると、圧縮性流体である気体と非圧縮性流体である油との相違等によって、油圧では生じない発振現象が現われる。上記構成を「フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁」と呼ぶと、本発明の目的は、発振を抑制することが可能な「フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁」を提供することである。

本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁は、流体として圧縮性流体である気体を用い、互いに向かい合って配置された２つのノズルと、２つのノズルの間に配置されたフラッパと、ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、補助タンクは、スプールの内部に設けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、フラッパ駆動装置によって駆動されたフラッパの位置に応じて変化する２つのノズルの背圧差に応じてスプールが移動するが、フィードバックばねの作用によってフラッパが中立位置に戻されると背圧差がゼロとなり、スプールは停止する。この動作において発振が生じても、各ノズルの背圧が導かれる２つの気体圧室に補助絞り部を介して補助タンクが接続されているので、背圧差の変動を吸収でき、これによって発振を抑制できる。

本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁は、流体として圧縮性流体である気体を用い、互いに向かい合って配置された２つのノズルと、２つのノズルの間に配置されたフラッパと、ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、補助タンクは、スプールが内蔵された本体部の内部にスプール摺動空間と隔離されて設けられていることを特徴とする。

本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁は、流体として圧縮性流体である気体を用い、互いに向かい合って配置された２つのノズルと、２つのノズルの間に配置されたフラッパと、ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、補助タンクは、スプール摺動空間の軸方向両端に付加した側板部に設けられていることを特徴とする。

本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、フラッパ駆動装置は、フラッパの位置を移動駆動するためのコイルを有し、コイルの両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する駆動回路に接続されることが好ましい。

上記構成によれば、駆動回路の出力インピーダンスを低くできるので、発振によって生じる逆起電力がコイルにおいて電力として消費され、これによりダンピング効果が生じ、発振を抑制することができる。

本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁によれば、発振を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁について、部分的に破断して示す斜視図である。 図１におけるＸＺ平面に平行な断面図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の作動モデル図のうち、中立位置の状態を示す図である。 フラッパが中立位置から移動駆動されたときの状態を示す作動モデル図である。 図４から、フィードバックばねの帰還作用による釣合状態を示す作動モデル図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の作動時のゲイン特性図である。 比較例として、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、補助タンクを設けないときのゲイン特性図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に用いられる電圧帰還型の駆動回路の例を示す図である。 比較例として、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に用いられる電流帰還型の駆動回路の例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下において、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した流体増幅器として、ノズルフラッパ型のサーボ弁を述べるが、これは説明のための例示である。フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であれば、ノズルフラッパ型以外のジェットパイプ型あるいはジェットデフレクター型のサーボ弁であってもよい。

以下では、フラッパ駆動装置として、アーマチュアに巻回された１つのコイルが駆動される１コイル駆動型のトルクモータを述べるが、これは説明のための例示である。ノズルに対するフラッパの位置を駆動できる電気的な駆動装置であれば、これ以外の方式であってもよい。例えば、ボイスコイル型の駆動装置であってもよく、アーマチュアに巻回された２つのコイルが駆動される２コイル駆動型のトルクモータであってもよい。

以下において、気体とは乾燥空気であるが、空気以外の気体であってもよい。例えば、窒素やアルゴン等の乾燥不活性ガスであってもよい。以下に述べる形状、材質等は、説明のための例示であって、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０について、部分的に破断して示す斜視図である。以下では、特に断らない限り、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０を、サーボ弁１０と呼ぶ。

図１に直交する３方向として、Ｘ−Ｘ方向、Ｙ−Ｙ方向、Ｚ−Ｚ方向を示す。以下で述べるそれぞれの方向の±方向は、図１に示すものとする。図１においては、Ｚ軸を中心として直交するＸ−Ｘ方向とＹ−Ｙ方向で区分される４つの部分の内で、＋Ｘ方向と＋Ｙ方向とで区分される部分を破断図で示す。Ｘ−Ｘ方向は、後述するスプール１００の軸方向であり、Ｚ−Ｚ方向は後述するフラッパ３０の軸方向である。図２は、図１において、スプール１００の中心軸とフラッパ３０の中心軸とを含み、ＸＺ平面に平行な断面図である。なお、図１、図２は、サーボ弁１０においてすべての可動要素が中立位置の状態にあるときを示す図である。

サーボ弁１０は、下部筐体部１２と、下部筐体部１２の＋Ｚ側に配置されるカバー部１４とを含む。下部筐体部１２は、本体部１６と、本体部１６の±Ｘ側端部に配置される側板部２０，２２とを含む。これらは、金属材料を所定の形状に成形したものが用いられ、必要な個所にシールリング等を介して気密に結合されて一体化されサーボ弁１０の外形を形作る。

サーボ弁１０は、ノズルフラッパ型のサーボ弁であり、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材として、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを用い、これを回転可能に支持するフレキシブル支持部材を有する。下部筐体部１２とカバー部１４の内部空間には、フレキシブル支持部材であるフレキシブル管体２６、フラッパ３０、フィードバックばね３８、第１ノズル５０及び第２ノズル５２、フラッパ駆動装置６０、スリーブ９０、スプール１００等が配置される。最初に、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを構成するアーマチュア６２とフラッパ３０について述べ、ついでフレキシブル管体２６、フィードバックばね３８の関係を述べ、その後にスリーブ９０、スプール１００等について述べる。

アーマチュア６２は、フラッパ駆動装置６０の可動部である。フラッパ駆動装置６０は、永久磁石７０を有し、アーマチュア６２に第１コイル６６及び第２コイル６８が巻回されたコイル駆動型のトルクモータである。

永久磁石７０は、カバー部１４の内部空間の＋Ｙ側の内壁面と−Ｙ側の内壁面とに沿って２つ配置される。永久磁石７０は、Ｚ−Ｚ方向に沿って着磁される。図１では、＋Ｚ方向をＮ極、−Ｚ方向をＳ極として示す。これは例示であって、場合によって、逆方向に着磁してもよい。上部ヨーク７２は、永久磁石７０の＋Ｚ側に接続して配置され、Ｎ極ヨークとなる磁性体である。下部ヨーク７４は、永久磁石７０の＋Ｚ側に接続して配置され、Ｓ極ヨークとなる磁性体である。

上部ヨーク７２と下部ヨーク７４とは、ＸＹ平面に平行に互いに離間して配置されるが、±Ｘ方向端面の所で近接して、ポール７６，７８となる。ポール７６，７８の間は磁気ギャップとなる。

アーマチュア６２は、±Ｘ方向に細長く延びる磁性体アームで、その±Ｘ方向の端部は、上部ヨーク７２と下部ヨーク７４のポール７６，７８によって形成される磁気ギャップの間に配置される（なお、図３参照）。アーマチュア６２の延びる±Ｘ方向の中間（Ｘ＝０）には、＋Ｚ方向に突出して中心穴を有する中央環状部６３が設けられる。

第１コイル６６及び第２コイル６８は、それぞれＸ方向に中空穴を有するボビンに巻回され、アーマチュア６２の＋Ｘ方向側のアームに第１コイル６６が配置され、−Ｘ方向側のアームに第２コイル６８が配置される。

第１コイル６６及び第２コイル６８から引き出された４本のリード線は、まとめられて引出線チューブ８０を介し、サーボ弁１０の外部に引き出され、制御装置８２に含まれる駆動回路８４に接続される。フラッパ駆動装置６０は制御装置８２の駆動回路８４によって駆動される。駆動回路８４は、第１コイル６６及び第２コイル６８について、第１コイル６６または第２コイル６８のいずれか１コイルを駆動する。これに代えて、駆動回路８４は、第１コイル６６及び第２コイル６８を直列接続した１つのコイル体を駆動する２コイル直列駆動を行うことができ、あるいは、第１コイル６６及び第２コイル６８を並列接続して２つのコイルを駆動する２コイル並列駆動もできる。以下では、特に断らない限り、フラッパ駆動装置６０として、第１コイル６６のみが駆動回路８４によって駆動される１コイル駆動型のトルクモータについて述べる。

フラッパ３０は、本体部１６の内部空間とカバー部１４の内部空間に渡って配置され、軸方向であるＺ−Ｚ方向に沿って延びる中空管である。フラッパ３０の＋Ｚ方向の端部は、アーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径とほぼ同じ外径を有する肉厚の環状端部３１である。環状端部３１は、アーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴に挿入され、ロー付等の固定手段によって互いに固定され、アーマチュア６２とフラッパ３０とが一体化して、Ｔ字形アーマチュア・フラッパが形成される。

フラッパ３０の軸方向に沿った−Ｚ方向の端部には、一対のフラッパ面３４，３６が設けられる。一対のフラッパ面３４，３６は、フラッパ３０のＺ軸方向に対し互いに反対側に配置される２つのＹＺ面で、精密に平坦化された面である。

フレキシブル管体２６は、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを回転可能に支持する柔軟な支持部材である。フレキシブル管体２６は、肉厚が薄く、軸方向に撓み曲がることができる片持梁状の可撓管で、管の内径穴にフラッパ３０が配置される。フレキシブル管体２６は、フラッパ３０の中空管の外周面に沿ってＺ−Ｚ方向に延び、−Ｚ側の端部には、下部筐体部１２の本体部１６の上面に固定される固定部２８が設けられる。＋Ｚ側の端部には、フラッパ３０の環状端部３１よりも−Ｚ側で、フラッパ３０の外形とアーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径との間に配置される圧入環状部２７が設けられる。圧入環状部２７の内径には、フラッパ３０における環状端部３１よりも−Ｚ側の部分が圧入され、この圧入箇所において、フレキシブル管体２６とフラッパ３０及びアーマチュア６２は一体化される。圧入環状部２７の外径はアーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径より小さく、圧入箇所においてフレキシブル管体２６の外周面はアーマチュア６２と接触しない。圧入環状部２７における圧入箇所を除いて、フレキシブル管体２６はフラッパ３０の外周面に接触しない。

上記のように、下部筐体部１２の本体部１６に固定される固定部２８から立設された片持梁状のフレキシブル管体２６の＋Ｚ側の先端の圧入環状部２７に固定され、フラッパ３０は、圧入環状部２７から−Ｚ方向に垂れ下がるように支持される。フレキシブル管体２６が有する軸方向の可撓性を利用して、フラッパ３０及びフラッパ３０と一体のアーマチュア６２は、回転中心６４の周りに回転可能である。回転中心６４のＺ方向に沿った位置は、フレキシブル管体２６の圧入環状部２７と固定部２８の間の薄肉可撓部のほぼ中間の位置である。

フィードバックばねは、フラッパ３０の中空管の内部に配置されＺ−Ｚ方向に沿って延びる弾性軸である。フィードバックばねの＋Ｚ方向の端部であるばね上端部３９は、フラッパ３０の＋Ｚ方向側の環状端部３１の内径に固定され、−Ｚ方向の端部の接続ボール４０は、スプール１００の中央部近くに接続される。

第１ノズル５０と第２ノズル５２とは、フラッパ３０を挟んで互いに向い合って配置され、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源からの気体を先端のノズル口からＸ方向に沿ってフラッパ３０に向かって噴出する２つのノズルである。フラッパ３０がフレキシブル管体２６によって支持された状態において、フラッパ３０の２つのフラッパ面３４，３６は、それぞれ、第１ノズル５０のノズル口と第２ノズル５２のノズル口に向かい合う位置となる。すなわち、第１ノズル５０は、フラッパ３０の＋Ｘ方向側に配置されてフラッパ面３４に対向し、第２ノズル５２は、フラッパ３０の−Ｘ方向側に配置されてフラッパ面３６に対向する。

フラッパ駆動装置６０において、第１コイル６６に駆動電流が供給されないときは、第１コイル６６は磁束を発生せず、アーマチュア６２は着磁されず中立位置の状態で、フラッパ３０は回転中心６４の周りに回転しない。このとき、フラッパ３０のフラッパ面３４と第１ノズル５０のノズル口との間の距離、及び、フラッパ面３６と第２ノズル５２のノズル口との間の距離は等距離である。第１コイル６６に駆動電流が供給されると、アーマチュア６２が着磁され、その±Ｘ方向端面の着磁方向に従って、ポール７６及びポール７８の方向に吸引される。これによってアーマチュア６２と一体化しているフラッパ３０が回転中心６４の周りに、Ｘ−Ｚ平面上で回転する。このとき、フラッパ３０のフラッパ面３４と第１ノズル５０のノズル口との間の距離と、フラッパ面３６と第２ノズル５２のノズル口との間の距離は、異なる距離となる。すなわち、サーボ弁１０における可動部材であるＴ字アーマチュア・フラッパがフラッパ駆動装置６０によって駆動されると、可動部材の位置は、中立位置から外れる。

気体供給源と、第１ノズル５０及び第２ノズル５２との間には、図１、図２では隠れて図示されないが、第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２（図３から図５参照）がそれぞれ設けられる。したがって、第１ノズル５０及び第２ノズル５２には、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源から第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２によって絞られた後の気体が供給される。第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間からは第１背圧路１２４が分岐し、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間からは第２背圧路１２６が分岐する。第１背圧路１２４と第２背圧路１２６の詳細については、スプール１００に関連して後述する。

スリーブ９０は、下部筐体部１２の本体部１６の内部空間に配置される筒形の部材である。スリーブ９０の筒形の内壁面は、精密に加工されてスプール１００を摺動可能に支持するスプール摺動空間を形成する。筒形の内壁面の形状は、矩形穴形状等でもよいが、以下では、円形穴形状とする。したがって、スリーブ９０は、円形断面の貫通穴の内壁面を有し、その円形断面の穴の中をスプール１００が摺動する。

本体部１６の±Ｘ側端部に配置される側板部２０，２２は、スリーブ９０の±Ｘ側の両端を覆って収容する窪みが設けられる。窪みの内径は、スリーブ９０の外径よりも大径に設定される。側板部２０，２２における窪みは、スリーブ９０の±Ｘ側の両端における第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２を形成する。第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２の詳細については、スプール１００に関連して後述する。

スリーブ９０は、外周面と貫通穴の内壁面との間を貫通して気体が流通する４種類のポートを有する。図２においては、＋Ｘ側から−Ｘ側に向かって、Ｐｓと示す気体供給ポート９２、ＣＹ１と示す第１出力ポート９４、Ｅｘと示す排気ポート９６、ＣＹ２と示す第２出力ポート９８、Ｐｓと示す気体供給ポート９３の５つのポートが配置される。

下部筐体部１２の底面側には、スリーブ９０における気体供給ポート９２，９３、第１出力ポート９４、排気ポート９６、第２出力ポート９８に対応して、４つの外部接続口が設けられる。なお、スリーブ９０において５つのポートが４つの外部接続口となったのは、気体供給ポート９２，９３を本体部１６内で１つにまとめたためである。図２には、そのうちの第１出力ポート９４と第２出力ポート９８に対応する２つの外部接続口についてＣＹ１，ＣＹ２と示した。他の気体供給ポート９２，９３及び排気ポート９６に対応する２つの外部接続口は、紙面上の向こう側である＋Ｙ側及び手前側である−Ｙ側に配置されているため、図示されない。

気体供給ポート９２，９３に対応する外部接続口は、図示しない気体供給源に接続され、所定の供給気体圧Ｐｓの気体がサーボ弁１０に対して供給される。第１出力ポート９４と第２出力ポート９８に対応する２つの外部接続口は、図示しない外部負荷の２つの入力ポートに接続される。外部負荷は、例えば、各種機器に装備される気体圧弁である。排気ポート９６に対応する外部接続口は、サーボ弁１０から使用済みの気体が排気される。排気された気体は、回収タンクに戻され、あるいはそのまま大気に開放される。

スプール１００は、スリーブ９０の貫通穴の内壁面を摺動可能な外径を複数の有する複数のランドと、ランドよりも小さな外径を有し隣接するランドの間を接続する複数のステムとを有する軸体である。

スプール１００がスリーブ９０に対し中立位置のときは、図２に示すように、＋Ｘ側から−Ｘ側に向かって、第１ランド１０２、第２ランド１０４、第３ランド１０６、第４ランド１０８が配置される。各ランドの間には、それぞれ気体圧室が形成される。

中立位置では、スプール１００の４つのランド及びこれらの間に形成される３つの気体圧室と、スリーブ９０の５つのポートとは、以下の配置関係に設定される。まず第２ランド１０４はスリーブ９０においてＣＹ１と示す第１出力ポート９４を完全に閉じる位置にある。同様に、第３ランド１０６は、スリーブ９０においてＣＹ２と示す第２出力ポート９８を完全に閉じる位置にある。そして、第１ランド１０２と第２ランド１０４との間の気体圧室は、スリーブ９０においてＰｓと示す気体供給ポート９２に連通する位置にある。同様に、第２ランド１０４と第３ランド１０６の間の気体圧室は、スリーブ９０においてＥｘと示す排気ポート９６に連通する位置にある。また、第３ランド１０６と第４ランド１０８の間の気体圧室は、スリーブ９０においてＰｓと示す気体供給ポート９３に連通する位置にある。

第２ランド１０４と第３ランド１０６との間のステムには、フィードバックばね３８の先端の接続ボール４０にスプール１００の±Ｘ方向に沿った動きを伝達する接続部１１０である。接続部１１０は、スプール１００のＸ方向に沿った全長の中央位置に設けられた貫通穴で、その貫通穴に接続ボール４０が挿入される。貫通穴に代えて、接続ボール４０の±Ｘの両側に２つの案内鍔を設け、２つの案内鍔の間の案内溝に接続ボール４０を案内しながら保持する方法を用いてもよい。

スプール１００の軸方向であるＸ方向に沿った全長は、スリーブ９０のＸ方向に沿った全長よりも短く設定される。スリーブ９０の±Ｘ側端部には側板部２０，２２が配置され、側板部２０，２２には、スリーブ９０の±Ｘ側の両端における突出部分を覆って収容する窪みが設けられている。これにより、スリーブ９０の＋Ｘ側の貫通穴内壁面及び側板部２０の窪みと、スプール１００の第１ランド１０２の＋Ｘ側端部との間に第１気体圧室１２０が形成される。同様に、スリーブ９０の−Ｘ側の貫通穴内壁面及び側板部２２の窪みと、スプール１００の第４ランド１０８の−Ｘ側端部との間に第２気体圧室１２２が形成される。上記におけるスプール１００とスリーブ９０のＸ方向に沿った全長の関係は、例示であって、サーボ弁１０の仕様等に応じ適宜変更が可能である。

第１気体圧室１２０は、第１背圧路１２４によって第１ノズル５０の気体供給口と接続される。第１背圧路１２４は、第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間から分岐するので、第１背圧路１２４には、第１ノズル５０の背圧を有する気体が導かれる。同様に、第２気体圧室１２２は、第２背圧路１２６によって第２ノズル５２の気体供給口と接続される。第２背圧路１２６は、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間から分岐するので、第２背圧路１２６には、第２ノズル５２の背圧を有する気体が導かれる。

第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、スプール１００の内部に設けられる気体収容空間である。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、それぞれ、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６を介して第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２に接続される。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２の気体圧が変動したときにその変動を抑制するバッファタンクである。第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６としては、適当なオリフィスを用いることができる。

以上が、全ての可動要素が中立位置にあるときのサーボ弁１０の説明である。上記構成の作用について、図３から図５の作動モデル図を用いてさらに詳細に説明する。これらの図において、図１、図２では隠れて図示されなかった第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２が示される。

第１固定絞り１３０は、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源と第１ノズル５０との間に配置される。第１ノズル５０の背圧は、第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間から分岐した第１背圧路１２４を通って第１気体圧室１２０に導かれる。同様に、第２固定絞り１３２は、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源と第２ノズル５２との間に配置される。第２ノズル５２の背圧は、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間から分岐した第２背圧路１２６を通って第２気体圧室１２２に導かれる。

なお、これらの作動モデル図においては、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２をスプール１００と分離して示したのは、作動モデルとしての説明のためである。図１、図２では、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２をスプール１００の内部に設けたが、サーボ弁１０の作動上はスプール１００の内部以外のところに配置しても構わない。例えば、側板部２０に第１補助タンク１４０を配置し、側板部２２に第２補助タンク１４２を配置してもよい。あるいは、スプール１００が内蔵された本体部１６においてスリーブ摺動空間から隔離された領域に第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２を配置してもよい。

図３は、サーボ弁１０の作動モデル図のうち、中立位置の状態を示す図である。中立位置の状態においては、制御装置８２の駆動回路８４から第１コイル６６に駆動電流が供給されず、アーマチュア６２は着磁されず、したがって、フラッパ３０は第１ノズル５０及び第２ノズル５２と等距離の中立位置にある。気体供給源からＰｓの気体が第１ノズル５０及び第２ノズル５２に供給されても、第１ノズル５０の背圧及び第２ノズル５２の背圧は同じで、スプール１００は中立位置のままである。したがって、ＣＹ１と示す第１出力ポート９４は、第２ランド１０４によって完全に閉じられた状態にあり、ＣＹ２と示す第２出力ポート９８は、第３ランド１０６によって完全に閉じられた状態にある。

図４は、制御装置８２において駆動回路８４が作動し、第１コイル６６に駆動電流Ｉが流れ、アーマチュア６２において、＋Ｘ側のアームがＳ極、−Ｘ側のアームがＮ極に着磁された場合を示す図である。着磁されたアーマチュア６２とポール７６，７８の磁界との協働によって、アーマチュア６２の＋Ｘ側のアームがポール７６側に吸引され、−Ｘ側のアームがポール７８側に吸引される。図４において、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝を実線矢印で示す。これによって、アーマチュア６２と一体化しているフラッパ３０が回転中心６４の周りに回転し、フラッパ面３４は中立位置よりも第１ノズル５０側に近接し、フラッパ面３６は中立位置よりも第２ノズル５２から遠ざかる。

このように、第１ノズル５０及び第２ノズル５２に対するフラッパ面３４，３６の位置が変化するので、第１ノズル５０の背圧及び第２ノズル５２の背圧がそれぞれ変化する。図４の例では、（第１ノズル５０の背圧）＞（第２ノズル５２の背圧）となる。第１ノズル５０の背圧は、第１背圧路１２４によって第１気体圧室１２０に導かれ、第２ノズル５２の背圧は、第２背圧路１２６によって第２気体圧室１２２に導かれる。これにより、スプール１００の軸方向の両端に懸る圧力に差が生じるので、その圧力差に応じてスプール１００は軸方向に移動する。図４の例では、白抜矢印で示すように、中立位置から−Ｘ方向へ移動する。この移動によって、第２ランド１０４はＣＹ１と示す第１出力ポート９４を開いて気体供給ポート９２と連通し、第３ランド１０６はＣＹ２と示す第２出力ポート９８を開いて排気ポート９６と連通する。

スプール１００の軸方向移動と共に、フィードバックばね３８の先端の接続ボール４０も軸方向に移動する。図４の例では、スプール１００は−Ｘ方向に移動するので、接続ボール４０も−Ｘ方向に移動する。これによってフィードバックばね３８は−Ｘ方向に撓むので、その弾性反力は＋Ｘ方向を向く。つまり、フィードバックばね３８の弾性反力は、スプール１００を＋Ｘ方向へ戻すように生じる。｛（フィードバックばね３８の弾性反力）×（接続ボール４０から回転中心６４までの距離）｝が、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝と同じになると、アーマチュア６２とフラッパ３０とが中立位置の状態に戻る。フラッパ３０が中立位置に戻されて第１ノズル５０の背圧と第２ノズル５２の背圧との差がゼロとなると、スプール１００の軸方向両端の圧力が釣合状態となり、スプール１００の軸方向の移動を停止する。

図５は、スプール１００の軸方向の移動が停止した釣合状態を示す図である。｛（フィードバックばね３８の弾性反力）×（接続ボール４０から回転中心６４までの距離）｝による釣合トルクを破線で示す。釣合トルクは、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝と逆方向で同じ大きさである。アーマチュア６２と一体化されているフラッパ３０は中立位置で、（第１ノズル５０の背圧）は（第２ノズル５２の背圧）とほぼ同じとなる。釣合状態において、第１出力ポート９４には、釣合状態における第２ランド１０４の位置で定まる第１出力ポート９４の開口度に応じた流量Ｑの気体が気体供給源側から流れ込む。流量Ｑは、駆動回路８４から第１コイル６６に供給される駆動電流Ｉに応じた値となる。なお、第２出力ポート９８においては、釣合状態における第３ランド１０６の位置で定まる第２出力ポート９８の開口度に応じ、負荷側からＥｘに向けて排気が行われる。

釣合状態において発振が生じることがある。発振が生じると、スプール１００の軸方向両端における背圧差が振動状態となり、スプール１００は釣合状態の位置から±Ｘ方向にその位置を振動させる。これによって、第１出力ポート９４に流れる気体の流量Ｑが振動状態となる。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とは、この振動を抑制する働きをする。

図６と図７は、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２の振動抑制効果を示す図である。これらの図は、サーボ弁１０のゲイン特性図である。横軸は、第１コイル６６に供給される駆動電流Ｉの周波数であり、縦軸は、(流量Ｑ／駆動電流Ｉ)をサーボ弁１０のゲインとして、ゲイン及び位相を示す。

図６は、図１、図２の構成のゲイン特性図である。ここでは、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２がそれぞれ第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６を介して第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２に接続されている。これによって、第１気体圧室１２０と第２気体圧室１２２の間の背圧差の振動状態を抑制でき、スプール１００の±Ｘ方向の振動を抑制し、第１出力ポート９４の流量Ｑの振動状態を抑制する。図６において、発振周波数ｆ₀において抑制された後のゲインの持ち上り１５０を示す。ゲインの持ち上り１５０は発振特有のピークを有していない。

図７は、比較例として、図１、図２の構成において、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とを取り去ったときのゲイン特性図である。ここでは、発振周波数ｆ₀において、発振特有のピーク１５２が現れている。

図６、図７の比較において、（発振特有のピーク１５２）と（ゲインの持ち上り１５０）の差が、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とによる振動抑制効果である。この振動抑制効果は、気体供給源の所定の供給気体圧Ｐｓと、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６の絞り度とによって異なる。実験によれば、所定の供給気体圧Ｐｓに対し、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６の絞り度を適切化することで、およそ−２０ｄＢ程度の振動抑制効果が得られた。

サーボ弁１０が作動時に振動状態となると、第１コイル６６及び第２コイル６８に逆起電力が発生する。この逆起電力を利用して振動を抑制することができる。図８は、駆動回路８４として、第１コイル６６の両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する電圧帰還型のアンプの例を示す図である。図９は、比較のために、駆動回路８４として、第１コイル６６に流れる電流を帰還して駆動電流を供給する電流帰還型のアンプを示す図である。図９に示す電流帰還型のアンプは、ほぼ定電流源として作用し、その出力インピーダンスは無限大に近くなり、発振時に第１コイル６６に生じる逆起電力を電流として接地側に流すことが難しい。これに比較すると、図８の電圧帰還型のアンプは、その出力インピーダンスが小さいので、発振時の逆起電力を第１コイル６６において電力として消費させることができる。これによりダンピング効果が生じ、発振を抑制することができる。

別の方法として、発振が生じたときに、駆動に用いられていない第２コイル６８を短絡し、発振時の逆起電力を第２コイル６８において電力として消費させてもよい。発振が止まれば、短絡を解除して元の状態に戻す。短絡による駆動制限が強すぎるときは、第２コイル６８について抵抗を介した短絡としてもよい。この方法は、駆動に用いられる第１コイル６６について図８の電圧帰還型のアンプを用いるときに併用してもよい。また、この方法は、駆動に用いられる第１コイル６６について図９の電流帰還型のアンプを用いるときに適用しても発振を止める効果を有する。

上記構成のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０によれば、流体に気体を用いることで「フィードバックばねを用いた油圧サーボ弁」では生じない発振が生じても、発振を抑制できる。

１０ （フィードバックばねを用いた気体圧）サーボ弁、１２ 下部筐体部、１４ カバー部、１６ 本体部、２０，２２ 側板部、２６ フレキシブル管体、２７ 圧入環状部、２８ 固定部、 ３０ フラッパ、３１ 環状端部、３４，３６ フラッパ面、３８フィードバックばね、３９ ばね上端部、４０ 接続ボール、５０ 第１ノズル、５２ 第２ノズル、６０ フラッパ駆動装置、６２ アーマチュア、６３ 中央環状部、６４ 回転中心、６６ 第１コイル、６８ 第２コイル、７０ 永久磁石、７２ 上部ヨーク、７４ 下部ヨーク、７６，７８ ポール、８０ 引出線チューブ、８２ 制御装置、８４
駆動回路、９０ スリーブ、９２，９３ 気体供給ポート（Ｐｓ）、９４ 第１出力ポート（ＣＹ１）、９６ 排気ポート（Ｅｘ）、９８ 第２出力ポート（ＣＹ２）、１００
スプール、１０２ 第１ランド、１０４ 第２ランド、１０６ 第３ランド、１０８ 第４ランド、１１０ 接続部、１２０ 第１気体圧室、１２２ 第２気体圧室、１２４ 第１背圧路、１２６ 第２背圧路、１３０ 第１固定絞り、１３２ 第２固定絞り １４０ 第１補助タンク、１４２ 第２補助タンク、１４４ 第１補助絞り部、１４６ 第２補助絞り部、１５０ 持ち上り、１５２ ピーク。

Claims (4)

1. 流体として圧縮性流体である気体を用い、
   互いに向かい合って配置された２つのノズルと、
   ２つのノズルの間に配置されたフラッパと、
   ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、
   ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、
   各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、
   気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、
   スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、
   フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、
   を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、
   フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、
   補助タンクは、スプールの内部に設けられていることを特徴とするフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
2. 流体として圧縮性流体である気体を用い、
   互いに向かい合って配置された２つのノズルと、
   ２つのノズルの間に配置されたフラッパと、
   ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、
   ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、
   各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、
   気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、
   スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、
   フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、
   を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、
   フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、
   補助タンクは、スプールが内蔵された本体部の内部にスプール摺動空間と隔離されて設けられていることを特徴とするフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
3. 流体として圧縮性流体である気体を用い、
   互いに向かい合って配置された２つのノズルと、
   ２つのノズルの間に配置されたフラッパと、
   ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、
   ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、
   各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、
   気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、
   スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、
   フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、
   を備えるフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であって、
   フラッパ駆動装置によって生じるフラッパの回転中心の周りのトルクとフィードバックばねの弾性反力とが同じとなってスプールの軸方向両端の気体圧が釣合状態となりスプールの軸方向の移動が停止した状態において、気体の圧縮性に基づいて生じ得るスプールの軸方向両端の２つの気体圧室の圧力差の振動を抑制する補助絞り部付き補助タンクであって、２つの気体圧室にそれぞれ、気体供給ポートから供給される所定の供給気体圧に応じ、且つ、圧力差の振動周波数に応じた絞り度が設定された補助絞り部を介して接続された補助タンクを備え、
   補助タンクは、スプール摺動空間の軸方向両端に付加した側板部に設けられていることを特徴とするフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
4. フラッパ駆動装置は、
   フラッパの位置を移動駆動するためのコイルを有し、コイルの両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する駆動回路に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１に記載のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。

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