JP7177492B2 - Fluid servo valve and fluid servo device - Google Patents

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Description

本発明は、流体圧力・流量を制御するための流体制御機器に関するもので、詳しくは軸方向駆動機構により、フラッパとノズル間を相対移動させることで、流体の圧力・流量を制御する流体サーボバルブに関するものである。及び、この流体サーボバルブを搭載した流体サーボ装置に関するものである。 The present invention relates to a fluid control device for controlling fluid pressure and flow rate. More specifically, the present invention relates to a fluid servo valve that controls fluid pressure and flow rate by relatively moving a flapper and a nozzle with an axial drive mechanism. It is about. Also, the present invention relates to a fluid servo device equipped with this fluid servo valve.

1.世の中のトレンド・・・商品側からの要請
半導体製造プロセス、液晶製造プロセス、精密機械加工などの様々な分野で、微細な振動を遮断・抑制するための振動制御の利用が広がっている。これらのプロセスで用いられる走査型電子顕微鏡、半導体露光装置(ステッパ)などの微細加工・検査装置は、装置の性能を保障するための厳しい振動許容条件が要求される。今後、製品のさらなる高集積化・微細化と共に、加工プロセスの高速化と装置の大型化が進み、振動許容条件はますます厳しくなる傾向にある。
1. Trends in the world... Requests from the product side In various fields such as semiconductor manufacturing processes, liquid crystal manufacturing processes, and precision machining, the use of vibration control to block and suppress minute vibrations is spreading. Microfabrication/inspection devices such as scanning electron microscopes and semiconductor exposure devices (steppers) used in these processes require strict vibration tolerance conditions in order to guarantee the performance of the devices. In the future, along with the further integration and miniaturization of products, the processing speed will increase and the size of the equipment will increase, and the vibration tolerance conditions will tend to become more and more severe.

従来、これらの振動の影響を受け易い装置をアクチュータで支持すると共に、その振動を減殺するようにアクチュエータを制御するアクティブタイプの精密除振台が用いられてきた。 Conventionally, an active type precision vibration isolation table has been used in which an actuator is used to support a device susceptible to these vibrations and to control the actuator so as to dampen the vibration.

2.アクチュエータの種類
アクティブ精密除振台の制御に用いられるアクチュエータは幾種類かあり、それぞれの特徴を要約すれば次のようである。リニアモータ(ボイスコイルモータ)は発生変位が大きいが、発熱が大きく、発生力が小さい点に課題がある。ピエゾアクチュエータはコンパクトで応答性に優れるが、発生変位がせいぜい数十ミクロンと小さく、また長期にわたる耐久性に課題がある。超磁歪アクチュエータは、応答性に優れるが、発生変位もピエゾアクチュエータの2倍程度と小さく、リニアモータ同様に発熱と漏洩磁束に課題がある。
2. Types of Actuators There are several types of actuators used to control the active precision vibration isolation table, and the characteristics of each are summarized below. Linear motors (voice coil motors) generate a large amount of displacement, but have problems in that they generate a large amount of heat and generate a small amount of force. Piezo actuators are compact and have excellent responsiveness, but the generated displacement is as small as several tens of microns at most, and there are problems with long-term durability. The giant magnetostrictive actuator has excellent responsiveness, but the generated displacement is about twice as small as that of the piezo actuator.

これらに対して、空気圧アクチュエータは上述した各アクチュータと比べて応答性は劣るが、ピストン外径と供給源圧力の選択により、発生力を容易に大きくできる長所を有する。またアクチュエータ自体がエアーの圧縮性により、床面からの振動を絶縁する効果(除振性能)を有する。また、空気ばね圧力を制御することで、直動外乱を制振制御することができる。すなわち、「除振」と「制振」の両方を併せ持つことができるという点が、他方式のアクチュエータには無い空気圧式の特徴である。 On the other hand, pneumatic actuators are inferior in responsiveness to each of the actuators described above, but have the advantage of being able to easily increase the generated force by selecting the outer diameter of the piston and the pressure of the supply source. In addition, the actuator itself has an effect of isolating vibration from the floor surface (vibration isolation performance) due to the compressibility of air. In addition, by controlling the air spring pressure, it is possible to perform damping control of the direct-acting disturbance. That is, the pneumatic type actuator is characterized by the ability to have both "vibration isolation" and "vibration damping" functions, which actuators of other types do not have.

3.アクティブ除振台の従来例
図68に、空気圧アクチュエータを用いた従来のアクティブ除振台のモデル図を示す。このアクティブ除振台は、特許文献1、特許文献2にも記載されているように公知のものである。床面580には、定盤581を支持するための複数組の空気圧アクチュエータ(582a、582b)が配置されている。この定盤581の上に精密装置(図示せず)が搭載される。空気圧アクチュエータは、垂直方向の荷重を支持するための、内部に高圧空気が充填された空気室583と、この空気室の上部にダイヤフラム584を介して内挿されたピストン585から構成される。586、587a、587bは、定盤581の垂直・水平方向の加速度と、床面580に対する定盤581の相対変位をそれぞれ検出するための加速度センサ及び変位センサである。588は、床面580の加速度(基礎の振動状態)を検出する加速度センサである。これら各センサからの出力信号がそれぞれコントローラ589に入力される。空気室583には、配管590を介して、コントローラ589により制御されるサーボ弁591が接続されている。ノズル-フラッパ型の電空変換器であるサーボ弁591により、空気室583へ供給・排気される圧縮空気の流量を調整することで、空気室583の内圧Paが制御される。ここで、サーボ弁591は、外部から供給圧PSの気体を供給し、コントローラ589により制御信号を与えられて所望の気体圧Paに調整して出力し、一部は大気P0に排気する機能を有する制御弁である。除振台が支持する装置の大型化のトレンドに伴い、空気圧アクチュエータの長所を生かした空気ばね式除振台が、超精密機器の微振動制御に広く用いられているようになっている。
3. Conventional Example of Active Anti-vibration Table FIG. 68 shows a model diagram of a conventional active anti-vibration table using a pneumatic actuator. This active anti-vibration table is known as described in Patent Document 1 and Patent Document 2 as well. A plurality of sets of pneumatic actuators (582a, 582b) for supporting the surface plate 581 are arranged on the floor surface 580. As shown in FIG. A precision device (not shown) is mounted on the surface plate 581 . The pneumatic actuator consists of an air chamber 583 filled with high-pressure air for supporting a vertical load, and a piston 585 inserted through a diaphragm 584 above the air chamber. 586, 587a and 587b are acceleration sensors and displacement sensors for detecting vertical and horizontal acceleration of the surface plate 581 and relative displacement of the surface plate 581 with respect to the floor surface 580, respectively. An acceleration sensor 588 detects the acceleration of the floor surface 580 (the vibration state of the foundation). Output signals from these sensors are input to the controller 589 respectively. A servo valve 591 controlled by a controller 589 is connected to the air chamber 583 via a pipe 590 . The internal pressure Pa of the air chamber 583 is controlled by adjusting the flow rate of compressed air supplied to and exhausted from the air chamber 583 by a servo valve 591 which is a nozzle-flapper type electro-pneumatic converter. Here, the servo valve 591 has the function of supplying a gas having a supply pressure Ps from the outside, receiving a control signal from the controller 589, adjusting it to a desired gas pressure Pa and outputting it, and exhausting a part of it to the atmosphere P0. It is a control valve with Along with the trend toward larger devices supported by vibration isolation tables, air spring type vibration isolation tables that take advantage of pneumatic actuators have come to be widely used for micro-vibration control of ultra-precision equipment.

4.従来空気圧バルブ(その1)
さて、空気圧アクチュエータを用いた空気圧サーボ装置であるアクティブ除振台において、アクチュエータの圧力制御や流量調整を行うために、ノズルフラッパ弁が用いられてきた。このノズルフラッパ弁は、主に電気油圧制御弁の一次制御弁(パイロット弁)として用いられている部分である。ノズルフラッパ弁はトルクモータとパイロット弁を組み合わせることによって、入力指令信号に基づいてアーマチュアを回転駆動する。このときに発生するトルクでノズルフラッパ機構によるパイロット弁を開閉して、アクチュエータへ所望の流体圧を供給する。このパイロット弁は、アーマチュアの回動により変位するフラッパと、フラッパの両側面に向かい合って配置される1組のノズルが備えられるので、双方向フラッパによるノズルフラッパ弁と呼ばれる。
4. Conventional pneumatic valve (Part 1)
Nozzle flapper valves have been used in active vibration isolation tables, which are pneumatic servo devices using pneumatic actuators, to control the pressure of the actuators and adjust the flow rate. This nozzle flapper valve is a part mainly used as a primary control valve (pilot valve) of an electrohydraulic control valve. A nozzle flapper valve combines a torque motor and a pilot valve to rotationally drive an armature based on an input command signal. The torque generated at this time opens and closes the pilot valve by the nozzle flapper mechanism to supply the desired fluid pressure to the actuator. This pilot valve is called a nozzle flapper valve with a two-way flapper because it has a flapper that is displaced by the rotation of the armature and a pair of nozzles that are arranged facing each other on both sides of the flapper.

図69はノズルフラッパ型の従来空気圧サーボバルブの一例を示し、特許文献3に開示されているもので、その作動原理は、一般に広く用いられているものである。図69aは正面断面図、及び図69bは側面断面図である。ちなみに、アクティブ除振台で用いられるこの種の空気圧サーボバルブは、油圧サーボバルブのパイロット弁から派生的に応用されてきたものである。 FIG. 69 shows an example of a nozzle flapper type conventional pneumatic servo valve, which is disclosed in Patent Document 3, and whose operating principle is generally widely used. Figure 69a is a front sectional view and Figure 69b is a side sectional view. Incidentally, this type of pneumatic servovalve used in the active vibration isolation table has been derived from the pilot valve of the hydraulic servovalve.

サーボバルブ501は、ボディ502と、取付ボルト503によって前記ボディに組み付けられたフラッパ変位手段504と、後記するコイル505への通電によって変位するフラッパ506とを備えている。 The servo valve 501 includes a body 502, a flapper displacing means 504 attached to the body with mounting bolts 503, and a flapper 506 displaced by energizing a coil 505, which will be described later.

ボディ502は、フラッパ変位手段504側の面に形成した直径方向の凹溝508と、 これと反対側の面に開設した圧縮空気の入力ポートP、 出力ポートA及び排出ポートRと、 出力ポートAを凹溝508に連通させるフラッパ挿通孔509と、一端がフラッパ挿通孔509に開口して、出力ポートAを入力ポートPと排出ポートRとに個別に連通させる流路510a, 510bと、この流路510a, 510bに先端(ノズル部)を対向させて組み付けられた一対のノズル511a, 511bとを備えている。 The body 502 has a diametrical concave groove 508 formed on the surface on the side of the flapper displacement means 504, an input port P, an output port A and an exhaust port R for compressed air, and an output port A, which are opened on the opposite surface. groove 508, passages 510a and 510b, one end of which is open to the flapper insertion hole 509 and individually communicates the output port A with the input port P and the discharge port R; It has a pair of nozzles 511a and 511b assembled with their tips (nozzle portions) opposed to the paths 510a and 510b.

上記フラッパ変位手段504は、マグネットアセンブリ513と、該マグネットアセンブリ513内に組み付けられた上記コイル505とを備えている。マグネットアセンブリ513は、直径方向に対向して配設された一対の第1ヨーク514a,514bと、平面視円筒状で円周方向の両端がこれらの第1ヨークに固着された一対のマグネット515a,515b(図69b)と、第1ヨーク514a,514bのボディ502と反対側の面に、取付ボルト516により先端を対向させて取付けられた一対の第2ヨーク517を備え、コイル505が巻かれたボビン505aは、第1ヨーク514a, 514b間に嵌着等によって取付けられている。 The flapper displacement means 504 comprises a magnet assembly 513 and the coil 505 assembled in the magnet assembly 513 . The magnet assembly 513 includes a pair of first yokes 514a and 514b that are arranged to face each other in the diametrical direction, and a pair of magnets 515a that are cylindrical in plan view and fixed to the first yokes at both ends in the circumferential direction. 515b (FIG. 69b) and a pair of second yokes 517 attached to the surfaces of the first yokes 514a and 514b opposite to the body 502 by means of mounting bolts 516 so that their tips face each other, and a coil 505 is wound thereon. The bobbin 505a is attached by fitting or the like between the first yokes 514a and 514b.

第1ヨーク514a, 514bのボディ502側には、第2ヨーク517と直交する方向において中心を向く突出部518a, 518bが一体に形成されており、第2ヨーク517, 517の先端及び突出部518a,518b(図69b)側面先端部は、フラッパ506を介して対向している。上記マグネット515a,515b(図69b)の円周方向端面は、ろー付けまたは接着剤等によって第1ヨーク514a,514bに固着されており、フラッパ変位手段504は、第1ヨーク514a、514bの凹み部分に開口する貫通孔519を通る上記取付ボルト503によって、ボディ502に組み付けられている。 On the body 502 side of the first yokes 514a and 514b, projecting portions 518a and 518b are integrally formed so as to face the center in a direction orthogonal to the second yoke 517. , 518b (FIG. 69b) face each other with a flapper 506 interposed therebetween. Circumferential end surfaces of the magnets 515a and 515b (FIG. 69b) are fixed to the first yokes 514a and 514b by brazing or an adhesive, and the flapper displacement means 504 is formed by recesses of the first yokes 514a and 514b. It is attached to the body 502 by means of the mounting bolts 503 passing through the through holes 519 which are partially opened.

上記フラッパ506は、ボビン505aの中心孔及びフラッパ挿通孔509を通る先端506aの偏平面がノズル511a, 511bの先端に対向し、第2ヨーク517と対向する端部506bは二面幅とされている。また、フラッパ506の軸方向中間部は、 両端がそれぞれが2個の取付ねじ521(図69b)によって凹溝508に取付けられた板ばね520の中心孔に嵌着されており、 これによって軸方向の両端506a,506bが、板ばね520による取付部を中心として互いに反対の方向に変位可能とされている。 In the flapper 506, a flat surface of the tip 506a passing through the center hole of the bobbin 505a and the flapper insertion hole 509 faces the tips of the nozzles 511a and 511b, and the end 506b facing the second yoke 517 is made width across flats. there is The axially intermediate portion of the flapper 506 is fitted into the center hole of a leaf spring 520 whose both ends are each attached to the recessed groove 508 by two mounting screws 521 (Fig. 69b). are capable of being displaced in directions opposite to each other around the mounting portion by the plate spring 520. As shown in FIG.

上記流路510a, 510bの開口は、それぞれプラグ522によって閉鎖され、 フラッパ変位手段504は、 フラッパ506の外周面に嵌着されたOリング523によってボディ502からシールされている。また、フラッパ変位手段504を覆いボディ502に嵌着されたカバー524は、先端が止めねじ525(図69b)によってボディ502に取付けられている。526は、コイル505のリード線(図示省略)が通るリード線挿通部材である。 The openings of the flow paths 510 a and 510 b are closed by plugs 522 respectively, and the flapper displacement means 504 is sealed from the body 502 by an O-ring 523 fitted on the outer peripheral surface of the flapper 506 . A cover 524 that covers the flapper displacing means 504 and is fitted to the body 502 is attached to the body 502 with a set screw 525 (FIG. 69b). 526 is a lead wire insertion member through which a lead wire (not shown) of the coil 505 passes.

上記サーボバルブ501は、コイル505に通電すると、マグネットアセンブリ513によってフラッパ506が板ばね520による支持部を中心として揺動して、 これにより先端506aがノズル511a, 511bの先端に接離してその間隙が調節されるので、 出力ポートAの空気圧がコイル505への通電量に応じて増減する。 In the servo valve 501, when the coil 505 is energized, the magnet assembly 513 causes the flapper 506 to swing about the supporting portion of the leaf spring 520, thereby causing the tip 506a to contact and separate from the tips of the nozzles 511a and 511b. is adjusted, the air pressure at the output port A increases or decreases in accordance with the amount of power supplied to the coil 505 .

すなわち、上記サーボバルブ501は一対のマグネット(永久磁石)515a,515bが発生する磁界の中に電磁石の磁極となるフラッパ弁の先端506bを配置する。前記電磁石のコイル505に通電する電流を可変させることにより、入力電流に対するフラッパ変位を制御するものである。 That is, the servo valve 501 places the tip 506b of the flapper valve, which is the magnetic pole of the electromagnet, in the magnetic field generated by the pair of magnets (permanent magnets) 515a and 515b. By varying the current applied to the coil 505 of the electromagnet, the flapper displacement with respect to the input current is controlled.

特開2006-283966号公報JP-A-2006-283966 特開2007-155038号公報JP-A-2007-155038 特開平11-294627号公報JP-A-11-294627 特許第4636830号公報Patent No. 4636830

1.空気圧サーボバルブに要求される条件
さて、アクティブ除振台を構成する重要な基幹要素である空気圧サーボバルブに要求される条件は次のようである。
(1)高速応答性
(2)空気圧サーボバルブの一次共振点は十分に高く、数百Hz以上であること
(3)線形性・・・バルブ駆動電流に対する流量、及び発生圧力が直線的比例関係にある
1. Conditions Required for Pneumatic Servovalve The conditions required for the pneumatic servovalve, which is an important basic element constituting the active vibration isolation table, are as follows.
(1) High-speed response (2) The primary resonance point of the pneumatic servo valve is sufficiently high, several hundred Hz or more (3) Linearity: the flow rate and the generated pressure are linearly proportional to the valve driving current It is in

上記(1)の理由は次の様である。たとえば、除振テーブル上に搭載されるステージ(図68の592)が発進・停止する際には、質量移動による駆動反力が直動外乱としてステージ設置面である定盤に入力される。この場合、ステージの加速度信号を用いて、除振装置にステージ・フィードフォワード制御(以下、ステージFF制御)を施すことにより、加速・減速時における定盤振動を減少させることができる。定盤振動を速やかに収束させるためには、空気圧アクチュータを駆動する空気バルブに高い応答性が要求される。 The reason for the above (1) is as follows. For example, when the stage (592 in FIG. 68) mounted on the anti-vibration table starts and stops, the drive reaction force due to the movement of mass is input to the surface plate, which is the stage installation surface, as linear motion disturbance. In this case, by applying stage feedforward control (hereinafter referred to as stage FF control) to the vibration isolator using the acceleration signal of the stage, it is possible to reduce surface plate vibration during acceleration/deceleration. High responsiveness is required for the air valve that drives the pneumatic actuator in order to quickly converge the surface plate vibration.

上記(2)の理由は、次の様である。空気圧アクティブ除振系の応答性は、数Hz~10数Hzのオーダーであるにもかかわらず、サーボバルブに数百Hzの高い共振周波数が必要となる理由は、空気圧アクティブ除振系固有のニーズに基づくものである。バネと減衰と質量だけで構成されるパッシブ除振系の場合、アクチュータのバネ定数と減衰係数で決まる共振点において、減衰を増大すれば共振点のピークは低減できる。しかし、共振点以上の高周波数域において、減衰性能の低下を招いてしまう。 The reason for the above (2) is as follows. Although the responsiveness of the pneumatic active vibration isolation system is on the order of several Hz to tens of Hz, the reason why the servo valve requires a high resonance frequency of several hundred Hz is due to the unique needs of the pneumatic active vibration isolation system. It is based on In the case of a passive vibration isolation system composed only of a spring, damping, and mass, the peak at the resonance point can be reduced by increasing the damping at the resonance point determined by the spring constant and damping coefficient of the actuator. However, in the high frequency range above the resonance point, the damping performance is degraded.

上記パッシブ除振系に加速度フィードバックを施したアクティブ除振系の場合、図65[補足(2)で説明]に示すように、高周波数域での除振性能の劣化を伴わずに、共振点のピークを低減できる。そのため、アクティブ除振台では加速度フィードバック制御の適用は必須である。しかし加速度フィードバック制御を施した場合、補足(2)で後述するように、アクティブ除振系の開ループ特性は、広い周波数範囲で開ループゲインが増大すると共に、位相が遅れた特性になる。さらに、閉ループ制御系に組み込まれる空気圧サーボバルブの共振点において、開ループゲインは共振ピークを有し、位相は180度以上遅れる。その結果、空気圧サーボバルブの共振周波数を十分に大きく、たとえば200Hz以上に設定しないと、制御系は安定性に対する充分な裕度が得られない。 In the case of the active vibration isolation system in which acceleration feedback is applied to the above passive vibration isolation system, as shown in FIG. peak can be reduced. Therefore, application of acceleration feedback control is essential for active vibration isolation table. However, when acceleration feedback control is performed, as will be described later in Supplement (2), the open-loop characteristics of the active vibration isolation system have an increased open-loop gain over a wide frequency range and lag in phase. Furthermore, at the resonance point of the pneumatic servo valve incorporated in the closed loop control system, the open loop gain has a resonance peak and the phase lags by 180 degrees or more. As a result, unless the resonance frequency of the pneumatic servo valve is set to a sufficiently high value, for example, 200 Hz or higher, the control system cannot obtain a sufficient margin for stability.

上記(3)の理由は次の様である。
サーボバルブは流体サーボ装置(アクティブ除振台)の制御系を構成する一要素であるため、電流の変化分に対する流量の変化分の比率は流量ゲインとして、開ループゲインの中に組み込まれる。サーボバルブの流量特性が非線形の場合、アクティブ除振台全体の安定性裕度を見込むための開ループゲインは、流量ゲインの最大値で決定せざるを得ない。しかし、サーボバルブの動作点は、通常は駆動電流範囲の中間位置近傍(I≒Imax/2)で使用される場合が多い。そのため、電流に対する流量特性が非線形である程、動作点において必要以上に過剰なゲイン余裕を設定することになる。この場合、アクティブ除振台は本来有する十分な性能を発揮できない。
The reason for the above (3) is as follows.
Since the servo valve is one element that constitutes the control system of the fluid servo device (active anti-vibration table), the ratio of the change in flow rate to the change in current is incorporated in the open loop gain as a flow rate gain. When the flow rate characteristic of the servo valve is non-linear, the open loop gain for considering the stability margin of the entire active vibration isolator must be determined by the maximum value of the flow rate gain. However, the operating point of the servo valve is usually used near the middle position (I≈Imax/2) of the drive current range in many cases. Therefore, the more nonlinear the flow rate characteristic with respect to the current, the more excessive the gain margin is set at the operating point. In this case, the active anti-vibration table cannot exhibit its original sufficient performance.

さらに、フィードフォワード制御(以下FF制御)は外乱が既知であって始めて成立する。上記ステージFF制御を施すためには、既知であるステージ挙動信号を用いる。ステージFF制御を用いて、直動外乱を効果的に相殺するためには、ステージの加速度信号を逆位相で忠実に再現する発生力の波形を作る必要がある。そのためには、バルブ駆動電流波形と発生圧力の波形が相似形になるように、すなわち、バルブ駆動電流の動作点を中心に、電流値に対する発生圧力(発生力)の特性が線形性を保つ領域を、出来るだけ広い範囲で持つのが好ましい。 Furthermore, feedforward control (hereinafter referred to as FF control) is established only when the disturbance is known. A known stage behavior signal is used to perform the stage FF control. In order to effectively cancel the linear motion disturbance using the stage FF control, it is necessary to create a generated force waveform that faithfully reproduces the acceleration signal of the stage in opposite phase. For this purpose, the waveform of the valve driving current and the generated pressure should be similar, that is, the area where the characteristics of the generated pressure (generated force) with respect to the current value maintain linearity around the operating point of the valve driving current. should be as wide as possible.

2.従来の空気圧サーボ弁の課題
アクティブ除振台を構成する一例として、4点支持アクティブ制御を想定する。この場合、空気圧アクチュータは四隅に配置され、ユニットの設置向きは、水平X方向に2点、Y方向に2点が対角に配置される。また各アクチュータはZ方向の荷重を支持するアクチュータも組み込まれる。したがって、総計8個の空気圧アクチュータが配置され、各アクチュータを制御するための総計8個の空気圧サーボバルブが必要である。
2. Problems of Conventional Pneumatic Servovalve As an example of configuring an active vibration isolation table, four-point support active control is assumed. In this case, the pneumatic actuators are arranged at the four corners, and the installation direction of the units is such that two points in the horizontal X direction and two points in the Y direction are diagonally arranged. Each actuator also incorporates an actuator that supports loads in the Z direction. Therefore, a total of 8 pneumatic actuators are arranged and a total of 8 pneumatic servo valves are required to control each actuator.

上記(1)~(3)を必要条件として要求される従来空気圧サーボバルブは、図69に従来バルブの一例を示したように、精度の高い多くの部品を必要とする。かつ3次元的な部材配置ゆえに、高い精度が要求されるノズルフラッパ部分での累積誤差が大きく、均一な性能を得るのが難しいという課題があった。また多軸制御のアクティブ除振台に上記バルブを搭載した場合、必要個数の多さゆえに、除振台に占めるコスト比率が高いという課題があった。 A conventional pneumatic servo valve that requires the above (1) to (3) as necessary conditions requires a large number of high-precision parts, as shown in FIG. In addition, due to the three-dimensional arrangement of members, there is a large accumulated error in the nozzle flapper portion, which requires high accuracy, and it is difficult to obtain uniform performance. Moreover, when the above valves are mounted on a multi-axis control active vibration isolation table, there is a problem that the cost ratio of the vibration isolation table is high due to the large number of necessary valves.

したがって、本研究に課せられた基本的命題は、従来の空気圧サーボバルブの複雑な構造を大幅に簡素化できる「新原理サーボバルブ」の可能性をいかにして見出すかということであった。そのためには、現在採用されている空気圧サーボバルブ技術の歴史的背景を分析する必要がある。現在の空気圧サーボバルブの基本形態は、長い歴史を有する油圧サーボバルブの技術を応用して派生的に生みだされたものである。 Therefore, the basic proposition given to this research was how to discover the possibility of a "new-principle servovalve" that can greatly simplify the complicated structure of conventional pneumatic servovalves. To do so, it is necessary to analyze the historical background of pneumatic servovalve technology currently in use. The basic form of the current pneumatic servovalve is derived from the application of the hydraulic servovalve technology that has a long history.

図70は、従来サーボバルブ共通の作動原理をモデル化した構造図を示すものである。サーボバルブの構成は大きく分けて、アクチュータ部A-1と流体制御部B-2に分けることができる。アクチュータ部A-1において、551はマグネット(永久磁石)、552はコイル、553はこのコイルを収納するボディ、554はフラッパ、555a、555bは先端を対向させて取り付けられた一対のヨーク、556はアクチュータ側のフラッパ先端部である。557はシール部材を兼ねた板ばね、558は前記板ばねの支持中心部である。但し、実際に使用されるサーボバルブの構造は、図69に一例を示したように、永久磁石と電磁石の各磁気回路を構成するためのそれぞれのヨーク材は、円周方向で直交して配置される3次元構造になっている。 FIG. 70 shows a structural diagram modeling the operating principle common to conventional servo valves. The configuration of the servo valve can be broadly divided into an actuator section A-1 and a fluid control section B-2. In the actuator part A-1, 551 is a magnet (permanent magnet), 552 is a coil, 553 is a body that houses this coil, 554 is a flapper, 555a and 555b are a pair of yokes attached with their tips facing each other, 556 is This is the tip of the flapper on the actuator side. Reference numeral 557 denotes a leaf spring that also serves as a sealing member, and 558 denotes a support central portion of the leaf spring. However, in the structure of the servo valve actually used, as shown in FIG. 69, the yoke members for forming each magnetic circuit of the permanent magnet and the electromagnet are arranged orthogonally in the circumferential direction. It has a three-dimensional structure that is

ここで、フラッパ先端部556近傍の磁極部A-2(鎖線の円)に注目する。559aは前記フラッパ先端部とヨーク555a間の空隙部a、559bは前記フラッパ先端部とヨーク555b間の空隙部bである。図中の鎖線Φ1は、前記フラッパ先端部と前記各ヨーク間で電磁石が作る磁束、2点鎖線Φ2は、各ヨーク555a、555bの間に形成される永久磁石551による磁束である。ここで、磁極間の空隙部分の磁束Φ、磁極の断面積をS、空気の透磁率をμ0とすれば、発生するMaxwellの全応力Tは Here, attention is focused on the magnetic pole portion A-2 (dotted line circle) in the vicinity of the flapper tip portion 556 . 559a is the gap a between the tip of the flapper and the yoke 555a, and 559b is the gap b between the tip of the flapper and the yoke 555b. The dashed line Φ1 in the figure is the magnetic flux generated by the electromagnet between the tip of the flapper and the yokes, and the two-dot chain line Φ2 is the magnetic flux generated by the permanent magnet 551 formed between the yokes 555a and 555b. Here, if the magnetic flux Φ in the air gap between the magnetic poles, the cross-sectional area of the magnetic poles is S, and the magnetic permeability of the air is μ0, the generated Maxwell's total stress T is

Figure 0007177492000001
したがって、フラッパ先端部に加わる力Fは、左右の磁極に発生する全応力(=応力×磁路面積)の差T1 -T2に比例する。
Figure 0007177492000001
Therefore, the force F applied to the tip of the flapper is proportional to the difference T1-T2 between the total stresses (=stress x magnetic path area) generated in the left and right magnetic poles.

Figure 0007177492000002
フラッパの変位を制御するために、電磁石が作る磁束Φ1を電流により可変させたときフラッパ先端部に加わる力Fは、式(2)に示すように、永久磁石が作る磁束Φ2によりアシスト(増強)されるのである。
Figure 0007177492000002
In order to control the displacement of the flapper, the force F applied to the tip of the flapper when the magnetic flux Φ1 created by the electromagnet is varied by current is assisted (enhanced) by the magnetic flux Φ2 created by the permanent magnet, as shown in Equation (2). It is done.

流体制御部B-1において、560は順方向ノズル、561は逆方向ノズル、562は流体制御部側のフラッパ先端部である。563は供給口、564は排気口、565は負荷口(制御ポート)、566は制御室である。供給圧PSの気体は順方向ノズル560に供給され、フラッパ562と前記順方向ノズルの間隔に比例した流量が制御室566に流入する。一方、制御室566内の気体は、フラッパ562と前記逆方向ノズルの間隔に比例した流量が排気口564を経て大気に流出する。順方向ノズル560からの流入量と逆方向ノズル561からの流出量との差で、制御室566内の制御圧Paと負荷口565からの流出量が決定される。 In the fluid control unit B-1, 560 is a forward nozzle, 561 is a reverse nozzle, and 562 is a flapper tip on the fluid control unit side. 563 is a supply port, 564 is an exhaust port, 565 is a load port (control port), and 566 is a control room. A gas having a supply pressure P S is supplied to the forward nozzle 560 and flows into the control chamber 566 at a rate proportional to the distance between the flapper 562 and the forward nozzle. On the other hand, the gas in the control chamber 566 flows out to the atmosphere through the exhaust port 564 at a flow rate proportional to the distance between the flapper 562 and the backward nozzle. The difference between the inflow from the forward nozzle 560 and the outflow from the reverse nozzle 561 determines the control pressure Pa in the control chamber 566 and the outflow from the load port 565 .

油圧サーボにおいて、サーボバルブのアクチュータ部A-1と流体制御部B-2を分離構造にした理由は、電流を流す電磁石を導電体である油の中に浸すことはできなかったからである。また、永久磁石と電磁石を併用した理由は、油圧サーボの場合、ノズルから噴出した油の墳力がフラッパ面に加わる力は、墳力が流体の密度に比例するために、空気と比べて桁違いに大きい。この墳力に抗するためには、フラッパには大きな駆動力が必要であった。 In the hydraulic servo, the reason why the actuator part A-1 and the fluid control part B-2 of the servo valve are separated is that the electromagnet that carries the current could not be immersed in oil, which is a conductor. The reason for using both a permanent magnet and an electromagnet is that in the case of a hydraulic servo, the force applied to the flapper surface by the force of the oil ejected from the nozzle is proportional to the density of the fluid. Big difference. In order to resist this force, the flapper needed a large driving force.

一方、空気圧アクティブ除振台に適用されるこの種のサーボバルブにおいても、永久磁石を必要とする理由は次のようである。フラッパ554の等価質量をm、板ばね557の等価ばね剛性をKとしたとき、共振周波数f0は式(7)で後述するように、 に比例する。サーボ系を構成する場合、上記(2)の理由により、共振周波数f0を充分に高く設定する必要がある。フラッパ554の質量mは構造上小さくするのは限界があるため、共振周波数f0を高くするためには、ばね剛性Kを高くせねばならない。その結果、フラッパ554を駆動する駆動力Fを大きくする必要があり、永久磁石を利用して電磁石の駆動力をアシストする必要があったのである。 On the other hand, the reason why a permanent magnet is required even in this type of servo valve applied to the pneumatic active vibration isolation table is as follows. Assuming that the equivalent mass of the flapper 554 is m and the equivalent spring stiffness of the plate spring 557 is K, the resonance frequency f0 is proportional to the following expression (7). When constructing a servo system, it is necessary to set the resonance frequency f0 sufficiently high for the reason (2) above. Since there is a structural limit to reducing the mass m of the flapper 554, the spring stiffness K must be increased in order to increase the resonance frequency f0. As a result, it is necessary to increase the driving force F for driving the flapper 554, and it is necessary to use a permanent magnet to assist the driving force of the electromagnet.

幅広い用途を有する油圧サーボと比べて、当初、空気圧サーボはマイナーな存在であった。時代の要請としてアクティブ除振台の登場により、空気圧サーボのニーズが浮上したとき、油圧サーボ技術で培われた従来サーボバルブ(図69)の基本構造の採用は、歴史的に必然の選択であったと考えられる。 Compared to hydraulic servos, which have a wide range of applications, pneumatic servos were a minor presence at first. When the need for pneumatic servos emerged due to the emergence of active vibration isolation tables as a demand of the times, the adoption of the basic structure of conventional servo valves (Fig. 69) cultivated through hydraulic servo technology was historically an inevitable choice. It is thought that

2-2.空気圧サーボバルブの従来提案例
上述したサーボバルブの実施例が、永久磁石と電磁石の組み合わせによる磁気吸引作用を利用しているのに対して、磁界中に置かれた通電コイルに働くローレンツ力(リニアモータの原理)を利用して、フラッパ弁を調節するサーボバルブが特許文献4に提案されている。
2-2. Examples of conventional proposals for pneumatic servo valves
While the above-described servo valve embodiment utilizes the magnetic attraction effect of a combination of a permanent magnet and an electromagnet, it utilizes the Lorentz force (the principle of a linear motor) acting on a current-carrying coil placed in a magnetic field. Patent document 4 proposes a servo valve for adjusting a flapper valve.

図71に示すサーボバルブにおいて、601は順方向フラッパ、602は順方向ノズル、603は逆方向フラッパ、604は逆方向ノズル、605は供給口、606は排気口、607は負荷口(制御ポート)である。供給口605からの供給圧Psを有する気体は順方向ノズル602に供給され、順方向フラッパ601との間隔に応じて順方向ノズル602から噴き出した気体は、逆方向ノズル604の先の排気口606と、負荷口607の先の負荷とに並列に供給される。したがって、逆方向ノズル604は、気体を吸い込む機能を有し、いわば吸い込みノズルである。逆方向ノズル604における気体の吸い込み量は、逆方向フラッパ603との間隔に応じて変化する。このように、リニアモータの移動により、順方向ノズル602からの気体の噴き出しと、逆方向ノズル604への気体の吸い込みとを同期して制御することで、負荷口607に出力される気体圧Paを調整することができる。 In the servo valve shown in FIG. 71, 601 is a forward flapper, 602 is a forward nozzle, 603 is a reverse flapper, 604 is a reverse nozzle, 605 is a supply port, 606 is an exhaust port, and 607 is a load port (control port). is. Gas having a supply pressure Ps from the supply port 605 is supplied to the forward nozzle 602 , and the gas ejected from the forward direction nozzle 602 according to the distance from the forward direction flapper 601 is discharged to the exhaust port 606 at the tip of the reverse direction nozzle 604 . , and the load ahead of the load port 607 are supplied in parallel. Therefore, the reverse nozzle 604 has a function of sucking gas, and is a so-called suction nozzle. The amount of gas sucked in the reverse direction nozzle 604 changes according to the distance from the reverse direction flapper 603 . In this way, by moving the linear motor, the ejection of gas from the forward direction nozzle 602 and the intake of gas into the reverse direction nozzle 604 are synchronously controlled, so that the gas pressure Pa can be adjusted.

なお、 リニアモータ608は、 筐体609に固定される磁石610、移動体611、移動体611に設置されるコイル612を有し、コイル612は、信号線613により接続端子614に接続される。 接続端子614は、 制御部(図示せず)に制御ケーブル等で接続される。移動体611の両端部は、 雲形ばね615,616を介して筐体609に支持される。 前記雲形ばねは、 薄板に例えば雲形のスリットを設けた板ばねで、 その中心に物体を接続し、周辺を固定端とすることで、 物体の軸周りの回転を規制し、 軸方向の移動を可能にして物体を支持できるラジアル支持ばねとしての機能を有する。 The linear motor 608 has a magnet 610 fixed to a housing 609 , a moving body 611 , and a coil 612 installed on the moving body 611 . The connection terminal 614 is connected to a control unit (not shown) by a control cable or the like. Both ends of the moving body 611 are supported by the housing 609 via cloud springs 615 and 616 . The cloud spring is a leaf spring having, for example, cloud-shaped slits in a thin plate, and an object is connected to the center of the leaf spring, and the periphery is used as a fixed end to restrict the rotation of the object around the axis and prevent the movement in the axial direction. It functions as a radial support spring that enables and supports an object.

上記提案のフラッパ弁は、アクティブ制御除振台に要求される上記(2)の必要条件、すなわち、「空気バルブの一次共振点は十分に高い」という点に課題がある。リニアモータの可動部は、順方向フラッパ601、逆方向フラッパ603、コイル612、移動体611から構成されるため、可動部質量mは従来空気圧サーボバルブ(図69、表1参照)以上に大きくならざるを得ない。高い共振点を得るためには、ばね615,616の剛性を高くする必要がある。かつ高い剛性のばねに抗して駆動するリニアモータの発生力を大きくする必要がある。しかし、ローレンツ力を利用したリニアモータの場合、入力電流Iに対する発生力Fの電気機械変換効率が小さく、大きな発生力は得られない。したがって、ばね615,616の剛性Kは小さくせざるを得ないのである。前述したように、共振周波数は に比例するために、空気バルブの共振点を十分に高くできず、アクティブ制御除振台に要求される上記(2)の必要条件を満足することはできない。 The flapper valve proposed above has a problem in that the above requirement (2) required for the active control anti-vibration table, that is, "the primary resonance point of the air valve is sufficiently high". Since the moving part of the linear motor consists of the forward flapper 601, the reverse flapper 603, the coil 612, and the moving body 611, the mass m of the moving part must be larger than that of the conventional pneumatic servo valve (Fig. 69, see Table 1). I can't help it. In order to obtain a high resonance point, it is necessary to increase the rigidity of the springs 615, 616. In addition, it is necessary to increase the force generated by the linear motor that drives against the high-rigidity spring. However, in the case of a linear motor using the Lorentz force, the electromechanical conversion efficiency of the generated force F with respect to the input current I is small, and a large generated force cannot be obtained. Therefore, the stiffness K of the springs 615, 616 must be reduced. As described above, since the resonance frequency is proportional to , the resonance point of the air valve cannot be made sufficiently high, and the above requirement (2) required for the active control anti-vibration table cannot be satisfied.

具体的に、本発明は、流体供給源に流路が連絡したノズルと、前記ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、前記フラッパの一部を固定するフラッパ支持部材と、前記フラッパに対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、を備え、前記電磁石の吸引力により前記フラッパを変形させて、前記ノズルの先端部と前記フラッパとの離間距離を変化させるように構成したものである。
Specifically, the present invention includes a nozzle having a flow path communicating with a fluid supply source, a flapper provided so as to face the tip of the nozzle, and a flapper support member fixing a part of the flapper. and an electromagnet provided to generate an attraction force with respect to the flapper, the flapper being deformed by the attraction force of the electromagnet to change the separation distance between the tip of the nozzle and the flapper. It is configured as follows.

すなわち、本発明においては、従来サーボバルブのように、支点を中心に揺動運動する剛体フラッパ構造とは異なり、電磁石の吸引力でフラッパ自身を弾性変形させて、前記ノズルと前記フラッパとの離間距離を可変することで、流体圧力と流量を制御したものである。 That is, in the present invention, unlike the conventional servo valve, which has a rigid flapper structure that swings around a fulcrum, the flapper itself is elastically deformed by the attractive force of the electromagnet, thereby separating the nozzle from the flapper. By varying the distance, the fluid pressure and flow rate are controlled.

具体的に、本発明は、前記流体供給源は空気を供給するものであり、前記電磁石と、前記フラッパと、前記フラッパ固定部材と、がアクチュータ部を構成し、前記ノズルを通過する流体が、前記アクチュエータ部を構成する前記各部材の各壁面で構成される空間を通過するように構成したものである。
Specifically, in the present invention , the fluid supply source supplies air, the electromagnet, the flapper, and the flapper fixing member constitute an actuator section, and the fluid passing through the nozzle is It is constructed so as to pass through a space formed by each wall surface of each member constituting the actuator section.

すなわち、本発明においては、油圧サーボ技術から派生的に生まれた従来エアーサーボ弁が、アクチュータ部と流体制御部が分離構造であるのに対して、アクチュエータ部を構成する各部材の壁面をエアーの流通路としたものである。 That is, in the present invention, the wall surfaces of the members that make up the actuator section are separated from the actuator section and the fluid control section in the conventional air servo valve derived from hydraulic servo technology. It is used as a flow passage.

具体的に、本発明は、流体供給源に流路が連絡し、先端部の内径が先細るように構成されたノズルと、前記ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、前記フラッパの一部固定支持するフラッパ支持部材と、前記フラッパの面板部に対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、前記電磁石と前記フラッパを少なくとも含むように構成された閉ループ磁気回路と、を備え、前記電磁石の吸引力により前記フラッパを変形させて、前記ノズルの先端部と前記フラッパとの離間距離を変化させるように構成されており、かつ、前記フラッパと前記電磁石との離間距離が所定値以下となった場合に、前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品を流れる磁束が磁気飽和し、磁気飽和しない場合と比較して前記電磁石に印加される電流に対する前記フラッパの変位の変化率を小さくするとともに、フラッパの可動範囲の中央点近傍において、フラッパに作用する前記電磁石の吸引力と前記フラッパの弾性変形による復元力により、制御時のバルブ動作点が所定の電流値に対して所定のフラッパ位置になるように構成したものである。
Specifically, the present invention includes a nozzle having a flow path connected to a fluid supply source and configured such that the inner diameter of the tip portion is tapered, and a flapper provided so as to face the tip portion of the nozzle. , a flapper support member that fixedly supports a part of the flapper, an electromagnet provided to generate an attractive force with respect to the face plate portion of the flapper, and a closed loop configured to include at least the electromagnet and the flapper a magnetic circuit, wherein the flapper is deformed by the attractive force of the electromagnet to change the separation distance between the tip of the nozzle and the flapper, and the flapper and the electromagnet When the separation distance of becomes equal to or less than a predetermined value, the magnetic flux flowing through the magnetic material parts constituting the closed loop magnetic circuit is magnetically saturated, and the flapper's response to the current applied to the electromagnet is compared with the case where the magnetic material component is not magnetically saturated. In addition to reducing the rate of change in displacement, the attraction force of the electromagnet acting on the flapper and the restoring force due to the elastic deformation of the flapper in the vicinity of the center point of the flapper's movable range allow the valve operating point during control to reach a predetermined current value. It is configured to be a predetermined flapper position with respect to .

すなわち、本発明においては、前記閉ループ磁気回路に狭い磁路面積を有する箇所、あるいは磁気抵抗の高い箇所を設けて、電流値(磁化力)に対する磁束密度特性が、本来ならば急峻に立ち上がる領域に磁気飽和領域を設定する。その結果、電流値に対するフラッパ変位(流量)特性は、線形性・制御性の優れた特性を得ることができる。 That is, in the present invention, a portion having a narrow magnetic path area or a portion having a high magnetic resistance is provided in the closed-loop magnetic circuit so that the magnetic flux density characteristic with respect to the current value (magnetizing force) should normally rise sharply. Set the magnetic saturation region. As a result, the flapper displacement (flow rate) characteristic with respect to the current value has excellent linearity and controllability.

具体的に、本発明は、前記磁性材料部品の磁化力に対する磁束密度特性において、磁化力Hに対して磁束密度Bが比例して増加する 0<H<Hcの範囲を線形領域、磁化力Hに対して磁束密度Bの勾配が大きく低下するH>Hcの範囲を磁気飽和領域として、かつ前記Hcは、0<H<Hcの前記線形領域におけるB-H特性の包絡線と、H>Hcの前記磁気飽和領域におけるB-H特性の包絡線の交点から求められる磁化力境界値であり、前記線形領域と、前記磁気飽和領域の境界域における磁束密度境界値をBc、前記電磁石に通電させる電流値が最大値Imaxにおける閉ループ磁気回路の線形磁気抵抗の総和をRS、前記電磁石のコイル巻数をN、磁束をΦmax= N×Imax /RSとして、前記磁性材料部品の磁路面積をSc、磁束密度をBmax=Φmax / Scとしたとき、Bmax>Bcとなるように構成したものである。
Specifically, in the magnetic flux density characteristic with respect to the magnetizing force of the magnetic material part, the range of 0<H<Hc in which the magnetic flux density B increases in proportion to the magnetizing force H is defined as a linear region, and the magnetizing force H The range of H>Hc in which the gradient of the magnetic flux density B drops significantly with respect to the It is a magnetic force boundary value obtained from the intersection of the envelope of the BH characteristic in the magnetic saturation region, the magnetic flux density boundary value in the boundary region between the linear region and the magnetic saturation region is Bc, and the current value that energizes the electromagnet is the maximum. Let RS be the total linear magnetic resistance of the closed loop magnetic circuit at the value Imax, N be the number of turns of the electromagnet, and Φmax=N×Imax/RS be the magnetic flux, Sc be the magnetic path area of the magnetic material part, and Bmax be the magnetic flux density. It is configured such that Bmax>Bc when Φmax/Sc.

すなわち、本発明においては、磁性材料部品の磁気飽和現象を利用することで、線形性(制御性)の優れた特性を得ることができる点を利用しており、閉ループ磁気回路を構成するいずれかの要素が、バルブの動作範囲内で磁気飽和することが本発明を適用する上で前提条件となる。すなわち、Bmax<Bcならば、磁気飽和現象は発生せず、磁気回路は線形領域内で使用されている。Bmax>Bcならば、磁気飽和現象が上記(1)(2)の箇所で発生しており、本発明を適用する上で前提条件を満足していることが分かる。 That is, in the present invention, by utilizing the magnetic saturation phenomenon of magnetic material parts, it is possible to obtain characteristics with excellent linearity (controllability). is magnetically saturated within the operating range of the valve is a prerequisite for applying the present invention. That is, if Bmax<Bc, the magnetic saturation phenomenon does not occur and the magnetic circuit is used within the linear region. If Bmax>Bc, the magnetic saturation phenomenon occurs at the points (1) and (2) above, which means that the preconditions for applying the present invention are satisfied.

具体的に、本発明は、前記電磁石に通電させる電流の最大値近傍で、電流に対する流量特性は上に凸の曲線となるように構成したものである。
Specifically, in the present invention, in the vicinity of the maximum value of the current that is passed through the electromagnet, the flow rate characteristic with respect to the current is configured to form an upwardly convex curve.

すなわち、本発明においては、電流値の増大と共にフラッパの変位(流量)特性が、本来ならば急峻に立ち上がる領域に磁気飽和現象を利用することで、線形性(制御性)の優れた特性を得ることができる。したがって、入力電流の最大値近傍で流量は急峻に増大せず、制御性の良い抑制された特性となる。 That is, in the present invention, by utilizing the magnetic saturation phenomenon in the region where the displacement (flow rate) characteristic of the flapper rises sharply as the current value increases, a characteristic with excellent linearity (controllability) is obtained. be able to. Therefore, the flow rate does not sharply increase in the vicinity of the maximum value of the input current, and the characteristics are suppressed with good controllability.

具体的に、本発明は、前記フラッパを概略平板形状部材で構成し、前記フラッパ自身の弾性を利用して前記ノズルと前記フラッパ間の隙間の大きさに比例した復元力を前記フラッパに持たせたものである。
すなわち、本発明においては、バルブのフラッパに相当する部材を薄いディスク形状にすると、慣性負荷となる可動部の有効質量はノズル先端近傍における弾性変形部分のみとなる。従来サーボバルブは剛体であるフラッパがバネで支持されているのに対して、本発明サーボバルブはフラッパ自身が弾性体(バネ)である。そのため、可動部の有効質量を小さくできて、共振周波数を高くできる。また、フラッパを支持するばね剛性を十分に小さくできるために、本実施例バルブは高い共振周波数を有するにもかかわらず、電磁石のみでフラッパを駆動することができる。
Specifically, in the present invention, the flapper is composed of a substantially flat plate-shaped member, and the elasticity of the flapper itself is used to give the flapper a restoring force proportional to the size of the gap between the nozzle and the flapper. It is a thing.
That is, in the present invention, if the member corresponding to the flapper of the valve is formed into a thin disc shape, the effective mass of the movable portion acting as the inertial load is only the elastic deformation portion near the tip of the nozzle. In the conventional servo valve, the flapper, which is a rigid body, is supported by a spring, whereas in the servo valve of the present invention, the flapper itself is an elastic body (spring). Therefore, the effective mass of the movable portion can be reduced, and the resonance frequency can be increased. Moreover, since the stiffness of the spring that supports the flapper can be made sufficiently small, the flapper can be driven only by the electromagnet, although the valve of this embodiment has a high resonance frequency.

具体的に、本発明は、前記フラッパは前記磁性材料部品で構成したものである。
Concretely, according to the present invention , the flapper is composed of the magnetic material part.

すなわち、本発明においては、1.電流に対するバルブ流量の応答性を高めるためには、可動部であるフラッパを軽量化、すなわち、フラッパの板厚を薄くする必要がある。2.フラッパの板厚を薄くすることで、磁束が流れる磁路面積が小さくなり、前記磁気飽和現象を利用できる。上記1.2.の目的が合致することを利用したものである。また可動部であるフラッパの板厚を薄くしても、構造体としてのバルブ本体の強度に影響を与えない。 That is, in the present invention, 1. In order to improve the responsiveness of the valve flow rate to the current, it is necessary to reduce the weight of the flapper, which is the movable part, that is, to reduce the plate thickness of the flapper. 2. By reducing the plate thickness of the flapper, the magnetic path area through which the magnetic flux flows becomes smaller, and the magnetic saturation phenomenon can be utilized. 1.2 above. It utilizes the fact that the purposes of Further, even if the plate thickness of the flapper, which is the movable portion, is reduced, the strength of the valve body as a structural body is not affected.

具体的に、本発明は、前記電磁石が、前記フラッパと対向する内側端面に形成された第1磁極と、前記フラッパと対向する外側端面に形成される第2磁極と、を具備し、前記フラッパが、前記電磁石が形成する磁気閉ループ回路において前記第1磁極と第2磁極との間の一部が形成される磁気経路部と、前記フラッパ支持部材に支持されるとともに、前記磁気経路部を弾性的に支持する弾性支持部と、を具備し、前記磁気経路部と前記弾性支持部の曲げ剛性が異なっているように構成されたものである。
Specifically, in the present invention , the electromagnet includes a first magnetic pole formed on an inner end face facing the flapper and a second magnetic pole formed on an outer end face facing the flapper, and the flapper is supported by the magnetic path part formed between the first magnetic pole and the second magnetic pole in the magnetic closed loop circuit formed by the electromagnet, and the flapper supporting member, and the magnetic path part is elastically and an elastic support portion for positively supporting the magnetic path, and the magnetic path portion and the elastic support portion are configured to have different flexural rigidity.

すなわち、本発明においては、フラッパに相当するディスクを、たとえば凸形円盤形状にすることにより、ディスクに作用する磁気吸引を利用する箇所(磁気経路部)を前記第1磁極と第2磁極の間に形成し、ディスクのバネ剛性を設定する箇所(弾性支持部)を前記ディスクの固定側に形成したものである。ディスクを上記形状にすることにより、たとえば、「ディスク剛性を低下するために、ディスクを薄くすると磁気抵抗が増加する」という相矛盾した関係を断ち切ることができる。その結果、十分な吸引力を得るための磁気回路と、適切な剛性を得るためのディスク形状を個別に選択することができる。 That is, in the present invention, the disk corresponding to the flapper is formed, for example, in the shape of a convex disk so that the portion (magnetic path portion) utilizing the magnetic attraction acting on the disk is located between the first magnetic pole and the second magnetic pole. and a portion (elastic support portion) for setting the spring rigidity of the disk is formed on the fixed side of the disk. By forming the disk into the above shape, for example, it is possible to break the contradictory relationship that "reducing the thickness of the disk to reduce the rigidity of the disk increases the magnetic resistance". As a result, the magnetic circuit for obtaining sufficient attractive force and the disk shape for obtaining appropriate rigidity can be individually selected.

具体的に、本発明は、前記弾性支持部の曲げ剛性は、前記磁気経路部の曲げ剛性よりも小さ構成したものである。
すなわち、本発明においては、磁気回路設計とディスクの構造設計を個別に行うことができるため、同一の剛性を維持したままで、大きなディスク変位を得ることができる。
Specifically, in the present invention , the bending rigidity of the elastic support portion is configured to be smaller than the bending rigidity of the magnetic path portion.
That is, in the present invention, since the magnetic circuit design and the disk structure design can be performed separately, a large disk displacement can be obtained while maintaining the same rigidity.

具体的に、本発明は、前記第1磁極が前記磁気経路部の中央部と対向しており、前記第2磁極が前記磁気経路部の外縁近傍と対向しているように構成したものである。
Specifically, in the present invention , the first magnetic pole faces the central portion of the magnetic path portion, and the second magnetic pole faces the vicinity of the outer edge of the magnetic path portion. .

すなわち、本発明においては、閉ループ磁気回路を形成する第2磁極を、前記弾性支持部を迂回する磁路となるバイパス部材を介して設けることにより、適正な吸引力を得るための磁気回路設計と、適正な剛性を得るためのフラッパの構造設計を分離できる。 That is, in the present invention, the magnetic circuit is designed to obtain an appropriate attractive force by providing the second magnetic pole that forms a closed loop magnetic circuit via a bypass member that serves as a magnetic path that bypasses the elastic support portion. , can separate the structural design of the flapper to obtain the proper stiffness.

具体的に、本発明は、前記ノズルが2ケ所に設けられており、一方のノズルが流体の供給側に設けられて順方向ノズルとして構成され、他方のノズルが流体の排気側に設けられて逆方向ノズルとして構成され、前記順方向ノズルと、前記逆方向ノズルと、前記フラッパとが双方向ノズルフラッパ弁を構成しており、流体供給源から供給される作動流体は供給源側から前記順方向ノズルを通過して、前記フラッパが収納される空間である制御室へ流入し、この制御室から前記逆方向ノズルを通過して流体の排気側へ流出するように構成され、前記順方向ノズルと概略同軸上で、前記フラッパに対して反対側に前記逆方向ノズルを配置したものである。
Specifically, in the present invention , the nozzles are provided at two locations, one of which is provided on the fluid supply side and configured as a forward nozzle, and the other nozzle is provided on the fluid exhaust side. The forward nozzle, the reverse nozzle, and the flapper constitute a two-way nozzle flapper valve, and the working fluid supplied from the fluid supply source flows in the forward direction from the supply source side. The fluid passes through the nozzle, flows into the control chamber, which is a space in which the flapper is housed, and flows out from the control chamber through the reverse nozzle to the discharge side of the fluid. The reverse direction nozzle is arranged substantially coaxially on the opposite side of the flapper.

すなわち、本発明においては、磁気ギャップの変化が直接エアーギャップの変化となるように構成するメリットは、順方向ノズル(供給側ノズル)と逆方向ノズル(排気側ノズル)と双方向フラッパから構成されるノズルフラッパ弁にも適用できる。 That is, in the present invention, the advantage of configuring the magnetic gap to directly change the air gap is that the forward nozzle (supply side nozzle), the reverse nozzle (exhaust side nozzle), and the two-way flapper are configured. It can also be applied to nozzle flapper valves with

具体的に、本発明は、設定したい電流に対するフラッパ変位特性、もしくは、電流に対するフラッパ流量特性の変化領域における傾きに応じて、前記フラッパを構成する材料の磁化力に対する磁束密度の磁気特性を選択したものである。
Specifically, according to the present invention , the magnetic characteristics of the magnetic flux density with respect to the magnetizing force of the material constituting the flapper are selected according to the slope of the change region of the flapper displacement characteristics with respect to the desired current or the flapper flow characteristics with respect to the current. It is.

すなわち、本発明においては、前記フラッパ材料の磁化力に対する磁束密度の磁気特性において、線形領域の電流値における傾斜角、線形領域から磁気飽和領域へ遷移する磁化力の境界値、及び、磁束密度の最大値(飽和磁束密度)を適切に選択することにより、電流値に対するフラッパ変位(流量)特性は、バルブの要求仕様に合わせた特性を得ることができる。 That is, in the present invention, in the magnetic characteristics of the magnetic flux density with respect to the magnetic force of the flapper material, the inclination angle of the current value in the linear region, the boundary value of the magnetic force transitioning from the linear region to the magnetic saturation region, and the magnetic flux density By appropriately selecting the maximum value (saturation magnetic flux density), the flapper displacement (flow rate) characteristic with respect to the current value can be obtained in accordance with the required specifications of the valve.

具体的に、本発明は、吸入口を流体供給源に連結して、制御室から大気に繋がる流路に流量計を装着して、前記電磁石に通電させる電流が最大値Imax(A)のときに前記流量計により測定される流量をQmax (L/min)、勾配Qmax/Imaxを基準流量ゲインα、入力電流に対する流量特性のプロフィールにおいて、勾配の最大値を最大流量ゲインβとして、線形化の効果指標η=α/βを定義したとき、η>0.2となるように構成したものである。
Specifically, the present invention connects the suction port to the fluid supply source, attaches a flow meter to the flow path leading from the control room to the atmosphere, and when the current energized to the electromagnet is the maximum value Imax (A) The flow rate measured by the flow meter is Qmax (L/min), the slope Qmax/Imax is the reference flow rate gain α, and the maximum value of the slope is the maximum flow rate gain β in the profile of the flow characteristic for the input current, and linearization It is configured so that η>0.2 when the effect index η=α/β is defined.

すなわち、本発明においては、線形化の効果指標η>0.2となるように設定することにより、除振特性・制振特性共に、実用上は支障の無い性能が得られる。適用対象による性能不足は、制御系全体のシンセシス(総合設計)で補うことができる。 That is, in the present invention, by setting the linearization effect index η>0.2, practically satisfactory performances can be obtained for both the vibration isolation characteristics and the vibration damping characteristics. Insufficient performance due to the application target can be compensated for by synthesis (comprehensive design) of the entire control system.

具体的に、本発明は、η>0.4となるように構成したものである。
すなわち、本発明においては、線形化の効果指標η>0.4となるように設定することにより、除振特性・制振特性共に十分な性能が得られる。バルブの汎用性は高く、バルブの適用対象に依存しない。
Specifically, the present invention is constructed so that η>0.4.
That is, in the present invention, by setting the linearization effect index η>0.4, sufficient performance can be obtained for both vibration isolation and damping characteristics. The valve is highly versatile and does not depend on the application of the valve.

具体的に、本発明は、前記電磁石は磁性材料である支持軸と、この支持軸を軸芯として巻かれたコイルと、このコイルを収納するように配置された磁性材料である筒部から構成され、前記支持軸と、前記フラッパと、前記筒部とにより閉ループ磁気回路を構成したものである。
Specifically, in the present invention , the electromagnet is composed of a support shaft made of a magnetic material, a coil wound around the support shaft as an axis, and a cylindrical portion made of a magnetic material arranged to accommodate the coil. A closed loop magnetic circuit is formed by the support shaft, the flapper, and the cylindrical portion.

すなわち、本発明においては、前記支持軸を磁路の中心として、前記コイルを収納する筒部、前記フラッパにより、閉ループ磁気回路を構成する。磁気回路が軸対称であるために、流体の流れも軸対称にできる。また、これらの部品を収納するハウジングも加工性の良い軸対称部品で構成によるシンプルな構造の流体サーボバルブが実現できる。 That is, in the present invention, a closed loop magnetic circuit is configured by the cylindrical portion housing the coil and the flapper with the support shaft as the center of the magnetic path. Since the magnetic circuit is axially symmetrical, the fluid flow can also be axially symmetrical. In addition, a fluid servo valve having a simple structure can be realized by constructing a housing that houses these parts with axisymmetric parts that are easy to work.

具体的に、本発明は、前記支持軸を貫通して流体の供給側、もしくは排気側に連絡する流通路を形成して、前記ノズルは前記流通路の前記フラッパ側開口端に設けたものである。
Specifically, according to the present invention , a flow passage is formed through the support shaft and communicates with a fluid supply side or an exhaust side, and the nozzle is provided at the opening end of the flow passage on the flapper side. be.

すなわち、本発明においては、コイルを外周部に収納する支持軸を貫通して流通路を形成し、かつ流通路の前記フラッパ側開口端にノズルを設けることにより、閉ループ磁気回路に影響を与えることなく、シンプルな構成で流体サーボバルブを実現できる。 That is, in the present invention, the closed loop magnetic circuit is affected by forming a flow passage through the support shaft that houses the coil in the outer peripheral portion, and by providing a nozzle at the opening end of the flow passage on the flapper side. Therefore, a fluid servo valve can be realized with a simple configuration.

具体的に、本発明は、前記ノズルが2ケ所に設けられており、一方のノズルが流体の供給側に設けられて順方向ノズルとして構成され、他方のノズルが流体の排気側に設けられて逆方向ノズルとして構成され、前記順方向ノズルと、前記逆方向ノズルと、前記フラッパとが双方向ノズルフラッパ弁を構成しており、 前記順方向ノズル、もしくは、前記逆方向ノズルは前記支持軸を貫通して形成された流通路の前記フラッパ側開口端に設けたものである。
Specifically, in the present invention , the nozzles are provided at two locations, one of which is provided on the fluid supply side and configured as a forward nozzle, and the other nozzle is provided on the fluid exhaust side. The forward nozzle, the reverse nozzle, and the flapper constitute a two-way nozzle flapper valve, and the forward nozzle or the reverse nozzle passes through the support shaft. It is provided at the flapper side open end of the flow passage formed by the above.

すなわち、本発明においては、前記支持軸を利用して流路となる貫通穴(流通路)を形成し、かつ2つのノズルの一方を貫通穴の前記フラッパ側開口端に設けることで、前記ノズルを装着しやすく、前記ノズルの突出量の調整が容易である。あるいは、前記ノズルを支持軸に貫通した流路のフラッパ側端面に、機械加工により直接形成する場合でも、突出量を高い加工精度で形成できる。本構成により、流路抵抗が小さく、シール性(漏れ防止)が良い流路構成ができる双方向フラッパによるノズルフッパ弁を実現できる。 That is, in the present invention, the support shaft is used to form a through hole (flow path) that serves as a flow path, and one of the two nozzles is provided at the opening end of the through hole on the flapper side. is easy to mount, and adjustment of the projection amount of the nozzle is easy. Alternatively, even when the nozzle is directly formed by machining on the flapper-side end face of the flow path penetrating the support shaft, the protrusion amount can be formed with high machining accuracy. With this configuration, it is possible to realize a nozzle flapper valve using a two-way flapper that allows a flow path configuration with low flow path resistance and good sealing performance (leakage prevention).

具体的に、本発明は、前記順方向ノズルが設けられ、流体の供給源側に繋がる流路が形成された供給側ハウジングと、前記逆方向ノズルが設けられ、流体の排気側に繋がる流路が形成された排気側ハウジングと、前記フラッパと前記供給側ハウジングの前記フラッパ対向面の間に形成される空間である供給側空隙部と、前記フラッパと前記排気側ハウジングの前記フラッパ対向面の間に形成される空間である排気側空隙部と、を具備し、前記フラッパに前記供給側空隙部と前記排気側空隙部を連絡する流通穴を形成したものである。
Specifically, the present invention includes a supply-side housing provided with the forward nozzle and having a flow path leading to the fluid supply source side, and a flow path provided with the reverse nozzle and leading to the fluid exhaust side. is formed, a supply-side gap that is a space formed between the flapper and the flapper-facing surface of the supply-side housing, and between the flapper and the flapper-facing surface of the exhaust-side housing and an exhaust side gap that is a space formed in the flapper, and a communication hole that connects the supply side gap and the exhaust side gap is formed in the flapper.

すなわち、本発明においては、独立した密閉空間である前記供給側空隙部と前記排気側空隙部を連絡する流通穴を前記フラッパに形成することにより、2つの密閉空間は圧力差の無い共有空間(制御室)となる。その結果、前記フラッパに圧力差による軸方向荷重が加わらない構成にできる。 That is, in the present invention, by forming a communication hole in the flapper that connects the supply-side gap and the exhaust-side gap, which are independent sealed spaces, the two sealed spaces are a common space ( control room). As a result, the flapper can be configured so that an axial load due to a pressure difference is not applied.

具体的に、本発明は、前記フラッパが、板状をなし、前記ノズル側へ変形可能に構成された弾性変形部を具備するように構成したものである。
Specifically, in the present invention , the flapper has a plate-like shape and is provided with an elastically deformable portion configured to be deformable toward the nozzle.

すなわち、本発明においては、前記磁気経路部を前記第1磁極近傍に形成し、前記弾性支持部を閉ループ磁気回路から外れた前記フラッパ外周部固定側に形成することで、磁気吸引力特性と無関係にフラッパの支持剛性を設定できる。 That is, in the present invention, the magnetic path portion is formed in the vicinity of the first magnetic pole, and the elastic support portion is formed on the flapper outer peripheral portion fixed side away from the closed loop magnetic circuit. can set the support stiffness of the flapper.

具体的に、本発明は、前記電磁石が、前記フラッパと対向する端面に形成された磁極を具備し、前記フラッパが、板状をなし、中央部で前記磁極と対向するとともに、前記弾性変形部が、前記フラッパにおいて当該フラッパの中央部と前記フラッパ支持部材の間に形成された厚み方向に貫通する貫通穴により形成したものである。
Specifically, according to the present invention , the electromagnet has a magnetic pole formed on an end face facing the flapper, the flapper has a plate-like shape, faces the magnetic pole at the central portion, and has the elastic deformation portion. is formed by a through-hole penetrating in the thickness direction formed between the central portion of the flapper and the flapper support member in the flapper.

すなわち、本発明においては、前記弾性支持部に弾性変形し易い螺旋形状ばね、あるいは雲形ばねを適用することで、前記フラッパの支持外径を小さくでき、バルブ本体の径小化が図れる。 That is, in the present invention, by applying a helical spring or a cloud-shaped spring that is easily elastically deformable to the elastic support portion, the supporting outer diameter of the flapper can be reduced, and the diameter of the valve body can be reduced.

具体的に、本発明は、前記支持軸の前記フラッパ側端面に、前記支持軸に設けられた前記ノズルの開口端と連絡する半径方向流通路を形成したものである。
Specifically, according to the present invention , a radial flow passage is formed in the flapper-side end surface of the support shaft to communicate with the open end of the nozzle provided on the support shaft.

すなわち、本発明においては、前記支持軸の前記フラッパ側端面に、前記ノズルの開口端と連絡する半径方向流通路を形成することで、前記支持軸端面と前記フラッパ側端面間の隙間を十分に小さく設定できる。そのため、支持軸端面からの前記ノズルの突出量は小さくてよく、フラッパと磁極(支持軸端面)間の初期ギャップを小さくできるため、小さな電流で大きなフラッパ最大変位(最大流量)を得ることができる。 That is, in the present invention, the gap between the end surface of the support shaft and the end surface of the flapper is sufficiently formed by forming radial flow passages communicating with the opening end of the nozzle in the end surface of the support shaft on the flapper side. Can be set smaller. Therefore, the amount of protrusion of the nozzle from the end face of the support shaft can be small, and the initial gap between the flapper and the magnetic pole (end face of the support shaft) can be made small, so that a large flapper maximum displacement (maximum flow rate) can be obtained with a small current. .

具体的に、本発明は、磁束が前記弾性支持部を迂回する磁路で、かつ外径がコイル径よりも小さいバイパス部材と第2磁極を、前記閉ループ磁気回路内に形成したものである。
Specifically, according to the present invention , a bypass member and a second magnetic pole are formed in the closed loop magnetic circuit so that the magnetic flux bypasses the elastic support portion and has an outer diameter smaller than the coil diameter.

すなわち、本発明においては、閉ループ磁気回路を形成する第2磁極を、たとえばコイル外径よりも小さな内径のリング形状で設けて、かつ前記弾性支持部を迂回する磁路となるバイパス部材と連結することにより、ディスク外径を径小化しても十分な吸引力を得ることができてバルブ本体の小型化が図れる。 That is, in the present invention, the second magnetic pole that forms a closed loop magnetic circuit is provided in a ring shape with an inner diameter smaller than the outer diameter of the coil, for example, and is connected to a bypass member that serves as a magnetic path that bypasses the elastic support portion. As a result, a sufficient suction force can be obtained even if the outer diameter of the disk is reduced, and the size of the valve body can be reduced.

具体的に、本発明は、横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造が、前記ノズルと前記フラッパとの間に形成されており、前記環状流路形成構造が、前記概略環状の流路の外側境界を形成する筒状の内周面と、前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体とからなるものである。
Specifically, in the present invention , an annular flow path forming structure that forms a flow path having a substantially annular cross section is formed between the nozzle and the flapper, and the annular flow path forming structure It consists of a cylindrical inner peripheral surface that forms the outer boundary of the annular flow path, and an insert that is inserted radially away from the inner peripheral surface.

すなわち、本発明においては、前記環状流路形成構造が前記ノズルと前記フラッパとの間に形成されているので、前記環状流路形成構造により形成される流路の軸方向の長さは、前記フラッパの移動により変化することになるので、通常のノズルフラッパ弁とは異なる流量特性を得ることができる。たとえば、電流に対する流量の勾配が極めて小さい区間を有するバルブが構成できる。 That is, in the present invention, since the annular flow path forming structure is formed between the nozzle and the flapper, the axial length of the flow path formed by the annular flow path forming structure is Since it changes according to the movement of the flapper, it is possible to obtain a flow rate characteristic different from that of a normal nozzle flapper valve. For example, a valve can be constructed that has a section with a very small slope of flow versus current.

具体的に、本発明は、前記順方向ノズルと前記フラッパとの間、前記逆方向ノズルと前記フラッパとの間にそれぞれに前記環状流路形成構造が形成されており、流体は供給源側から前記順方向ノズルを通過して、前記フラッパが収納される空間である制御室へ流入し、この制御室から前記逆方向ノズルを通過して流体の排気側へ流出するように構成されていることを特徴とする。
Specifically, in the present invention , the annular flow path forming structure is formed between the forward nozzle and the flapper and between the reverse nozzle and the flapper, and the fluid flows from the supply source side. It is configured to pass through the forward nozzle, flow into a control chamber, which is a space in which the flapper is housed, and flow out from the control chamber through the reverse nozzle to the discharge side of the fluid. characterized by

すなわち、本発明においては、例えば前記フラッパの可動範囲の概略中間位置(動作点)で、供給側挿入体のノズル側端面は供給側ノズルの開口端と近接した状態にし、前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流体の流れは、粘性流領域からポテンシャル流領域に移り変わる遷移領域にすることができる。また、前記制御室から前記排気側ノズルに流入する流体の流れも、同様に遷移領域にすることができる。そのため、フラッパ変位に対する流量特性は前記フラッパの変位量に対して下に凸の曲線にできる。したがって、バルブの前記動作点において、流体の供給源側から排気側に流出する定常状態における流量を充分に小さくすることができる。 That is, in the present invention, for example, at a substantially intermediate position (operating point) of the movable range of the flapper, the nozzle-side end face of the supply-side insert is brought into a state close to the opening end of the supply-side nozzle, and the The fluid flow entering the control chamber can be a transition region transitioning from a viscous flow region to a potential flow region. Also, the flow of fluid from the control chamber to the exhaust-side nozzle can similarly be in the transition region. Therefore, the flow rate characteristic with respect to the flapper displacement can be a downwardly convex curve with respect to the amount of displacement of the flapper. Therefore, at the operating point of the valve, the steady-state flow rate of the fluid flowing from the supply source side to the exhaust side can be made sufficiently small.

具体的に、本発明は、前記筒状の内周面が、前記ノズルの先端部の内周面であり、前記挿入体が、前記フラッパの面板部に形成された概略円錐形状の凸部であることを特徴とする。
Specifically, in the present invention , the cylindrical inner peripheral surface is the inner peripheral surface of the tip portion of the nozzle, and the insert is a substantially conical convex portion formed on the face plate portion of the flapper. characterized by being

すなわち、本発明においては、電流値に対するノズルフラッパ間の流路面積がなだらかに変化するように、ノズルと勘合するフラッパ側凸部をテーパ形状にすることで、電流値に対する流量特性を線形性に優れた特性にすることができる。 That is, in the present invention, by tapering the flapper-side convex portion that engages with the nozzle so that the flow passage area between the nozzle flappers changes gently with respect to the current value, the flow rate characteristic with respect to the current value is excellent in linearity. characteristics.

具体的に、本発明は、前記電磁石と前記フラッパを少なくとも含むように構成された閉ループ磁気回路を用いて、かつ、前記ノズルと前記電磁石間の最大ストロークを0.5mm以上に設定したものである。
Specifically, the present invention uses a closed loop magnetic circuit configured to include at least the electromagnet and the flapper, and sets the maximum stroke between the nozzle and the electromagnet to 0.5 mm or more.

すなわち、本発明においては、磁気飽和現象をさらに積極的に利用することにより、電流に対するフラッパの変位特性の線形性を失うことなく、フラッパのストロークを大幅に増大することができるという点を利用したものである。フラッパが大きなストロークで駆動できるため、フラッパの凸部と、ノズル側オリフィスの勘合状態を、フラッパの軸方向移動により調節できる部品の構成と加工が可能となる。 That is, in the present invention, by further actively utilizing the magnetic saturation phenomenon, the stroke of the flapper can be greatly increased without losing the linearity of the displacement characteristic of the flapper with respect to the current. It is. Since the flapper can be driven with a large stroke, it is possible to construct and process parts that can adjust the fitting state of the convex portion of the flapper and the orifice on the nozzle side by moving the flapper in the axial direction.

具体的に、本発明は、流体供給源に流路が連絡し、先端部の内径が先細るように構成されたノズルと、前記ノズルの先端部に対して対向するように設けられた板状のフラッパと、前記フラッパの一部固定支持するフラッパ支持部材と、前記フラッパの面板部に対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、を備え、前記電磁石の吸引力により前記フラッパを変形させて、前記ノズルの先端部と前記フラッパの面板部との離間距離を変化させるように構成され、前記フラッパを収納する空間が、当該フラッパによって仕切られて、前記フラッパの一方の面と接する制御室内、前記フラッパの他方の面と接し、概略一定圧力に保たれる定圧室とが形成されて、かつ、前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性が、磁化力境界値Hc以下の領域であり、磁化力Hに対する磁束密度Bの特性が概略比例関係となる部分がある線形領域と、磁化力境界値Hc以上の領域であり、磁化力Hが大きくなるにつれて磁束密度Bが所定値に収束する磁気飽和領域とを有し、前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入ることを特徴とする
Specifically, the present invention includes a nozzle having a flow path connected to a fluid supply source and having a tapered inner diameter at the tip, and a plate-like nozzle provided so as to face the tip of the nozzle. a flapper, a flapper support member that fixedly supports a part of the flapper, and an electromagnet provided to generate an attraction force with respect to a face plate portion of the flapper, and the attraction force of the electromagnet causes the flapper is deformed to change the separation distance between the tip of the nozzle and the face plate portion of the flapper, and the space for storing the flapper is partitioned by the flapper, one surface of the flapper and A control chamber in contact with the flapper and a constant-pressure chamber in contact with the other surface of the flapper and kept at a substantially constant pressure are formed. Hc or less, the magnetic flux density B converges to a predetermined value, and the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component increases in the magnetic saturation region when the current flowing through the electromagnet is increased in the displacement range of the flapper characterized by entering

すなわち、本発明においては、前記フラッパと前記固定側ハウジングの間に形成された概略一定圧力を保つ定圧室を設けることで、フラッパの前後に加わる圧力差による荷重と電磁石吸引力が平衡するため、電磁石の入力電流に対する制御圧力が比例関係になるようなバルブ特性を得ることができる。 That is, in the present invention, by providing a constant pressure chamber formed between the flapper and the fixed housing, which maintains a substantially constant pressure, the load due to the pressure difference applied before and after the flapper and the electromagnetic attractive force are balanced. A valve characteristic can be obtained in which the control pressure is proportional to the input current of the electromagnet.

具体的に、本発明は、断面視において磁性材料部材を概略多角形形状に連結して閉ループ磁気回路を形成し、前記磁性材料部材のそれぞれは、電磁石のコイルを巻く鉄芯、ヨーク材、フラッパで構成したものである。
Specifically, the present invention forms a closed loop magnetic circuit by connecting magnetic material members in a substantially polygonal shape in a cross-sectional view, and each of the magnetic material members includes an iron core around which a coil of an electromagnet is wound, a yoke member, and a flapper. It consists of

具体的に、本発明は、前記磁性材料部材の一つの端部に磁極を形成し、その対向面に間隙を介して前記フラッパを配置したものである。
Specifically, according to the present invention , a magnetic pole is formed at one end of the magnetic material member, and the flapper is disposed on the opposing surface with a gap therebetween.

具体的に、本発明は、前記磁性材料部材の一つを貫通して流体の供給側、もしくは排気側に連絡する流通路を形成して、前記ノズルは前記流通路の前記フラッパ側の開口端に設けたものである。
Specifically, according to the present invention , a flow passage is formed through one of the magnetic material members and communicates with a fluid supply side or an exhaust side, and the nozzle is an open end of the flow passage on the flapper side. It is set in

具体的に、本発明は、前述した流体サーボバルブと、前記制御対象物の変位及び又は振動状態を検出するセンサと、このセンサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記制御対象物の変位、速度、加速度などを制御する気体圧力を前記空気圧アクチュータに与える制御手段から構成したものである。
Specifically, the present invention includes the above -described fluid servo valve, a sensor for detecting the displacement and/or vibration state of the object to be controlled, and adjusting the fluid servo valve based on information from the sensor. It is composed of control means for applying gas pressure to the pneumatic actuator for controlling the displacement, velocity, acceleration, etc. of the object to be controlled.

すなわち、本発明においては、油圧サーボ技術から派生的に生まれた従来の空気圧サーボバルブの複雑な構造が大幅に簡素化できることで、性能を低下させることなく、構造と制御面でのシンプルな構成による空気圧サーボ装置が実現できる。 In other words, in the present invention, the complicated structure of the conventional pneumatic servo valve derived from hydraulic servo technology can be greatly simplified, so that the performance can be maintained by a simple configuration in terms of structure and control. A pneumatic servo system can be realized.

具体的に、本発明は、前記フラッパの1次固有振動数を200Hz以上に構成し、除振対象物を基礎に対して支持する気体ばねと、気体を供給側から前記気体ばねに供給してかつ排気側へ排気する前記流体サーボバルブと、前記除振対象物の振動状態を検出する加速度センサと、この加速度センサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記除振対象物の振動を低減する気体圧力を前記気体ばねに与えるアクティブ制御手段から構成したものである。
Specifically, the present invention comprises a gas spring configured to have a primary natural frequency of 200 Hz or more of the flapper, and supporting an object to be vibration-isolated on a foundation, and supplying gas from a supply side to the gas spring. The fluid servo valve for exhausting air to the exhaust side, an acceleration sensor for detecting the vibration state of the vibration isolation object, and the vibration isolation object by adjusting the fluid servo valve based on information from the acceleration sensor. It is composed of active control means for applying a gas pressure to the gas spring to reduce the vibration of the object.

すなわち、本発明においては、本実施例バルブの下記特徴、つまり、(1)共振周波数を高く設定できる、(2)小電力でバルブを駆動できる、(3)高速応答性が得られる、(4)構造がシンプルで部品点数が少なく、部品加工、組み立て・調整が容易、などにより、装置全体の大幅な性能向上と、1次固有振動数を高く設定できることから、加速度フィードバックをより効果的に活かせるアクティブ除振台が実現できる。 That is, in the present invention, the following features of the valve of the present embodiment are provided: (1) the resonance frequency can be set high, (2) the valve can be driven with a small electric power, (3) high-speed response can be obtained, and (4) ) The structure is simple, the number of parts is small, and the parts are easy to process, assemble, and adjust.The overall performance of the device is greatly improved, and the primary natural frequency can be set high, so acceleration feedback can be used more effectively. An active anti-vibration table can be realized.

具体的に、本発明は、電磁石と、ディスクと、このディスクを固定する支持部材と、前記電磁石、前記ディスク、ヨーク材により閉ループ磁気回路を構成して、前記磁極と前記ディスク間に発生するMaxwell吸引応力で可動され、かつ前記ディスクに固定された出力軸と、前記電磁石と、前記ディスクと、前記支持部材と、前記ヨーク材と、前記出力軸で構成される箇所をマイクロアクチュータ部とし、流体の吸入口と、吐出口と、この吐出口と前記吸入口の間に介在する流路開度調節部から構成される箇所を流体制御部とし、前記マイクロアクチュータ部の前記出力軸と前記流体制御部を連結させて、前記出力軸により前記流路開度調節部を操作することを特徴とする流体サーボバルブであって、前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性を、磁化力境界値Hc以下の領域であり、磁化力Hに対する磁束密度Bの特性が概略比例関係となる部分がある線形領域と、磁化力境界値Hc以上の領域であり、磁化力Hが大きくなるにつれて磁束密度Bが所定値に収束する磁気飽和領域と定義して、前記ディスクの作動可能範囲で電磁石に通電する電流値を増大させたとき、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記飽和領域に入るように構成したものである。
Specifically, the present invention comprises an electromagnet, a disk, a supporting member for fixing the disk, the electromagnet, the disk, and the yoke material to form a closed loop magnetic circuit, and the Maxwell magnetic field generated between the magnetic pole and the disk. A portion composed of an output shaft that is movable by an attractive stress and is fixed to the disk, the electromagnet, the disk, the support member, the yoke material, and the output shaft is defined as a microactuator portion, A portion composed of a fluid suction port, a fluid discharge port, and a passage opening adjustment portion interposed between the discharge port and the suction port is defined as a fluid control section, and the output shaft of the microactuator section and the A fluid servo valve characterized by connecting a fluid control unit and operating the passage opening adjustment unit by the output shaft, wherein the magnetic characteristics of the magnetic material parts constituting the closed loop magnetic circuit are magnetized . The area below the force boundary value Hc, where the magnetic flux density B with respect to the magnetizing force H has a roughly proportional relationship , and the area above the magnetizing force boundary value Hc, where as the magnetizing force H increases, The magnetic flux density B is defined as a magnetic saturation region where the magnetic flux density B converges to a predetermined value. It is configured to enter

すなわち、本発明においては、磁気飽和現象を上記方法で利用することで、電流に対する出力軸の変位特性は、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができるという点に加えて、出力軸のストロークを大幅に増大することができる点を利用したものである。50~100μm程度が限界であった従来のピエゾアクチュータ、超磁歪アクチュータでは得られなかったミリ・オーダーの変位制御が可能である。さらに、ボイスコイルモータ(リニアモータ)と比較しても、推力定数が高く、小電力で駆動できてアクチュータの大幅な小型化が可能である。 That is, in the present invention, by utilizing the magnetic saturation phenomenon in the above-described manner, the displacement characteristic of the output shaft with respect to the current can be obtained with excellent linearity (linearity). It utilizes the fact that the stroke of the shaft can be greatly increased. Milli-order displacement control is possible, which was not possible with conventional piezo actuators and giant magnetostrictive actuators, which were limited to about 50 to 100 μm. Furthermore, compared to voice coil motors (linear motors), the thrust constant is high and can be driven with a small amount of electric power, making it possible to significantly reduce the size of the actuator.

具体的に、本発明は、前記電磁石の中央部を貫通して、前記出力軸が設けられているものである。
Specifically, in the present invention , the output shaft is provided so as to pass through the central portion of the electromagnet.

すなわち、本発明においては、前記コイルに電流を印加したとき、前記出力軸端部はアクチュエータ本体から突き出る動作をする。したがって、本アクチュータが磁気吸引式であるにも関わらず、従来から広く用いられている圧電型、磁歪型アクチュータ等と同様の使い方ができる。 That is, in the present invention, when a current is applied to the coil, the end of the output shaft protrudes from the actuator main body. Therefore, although the present actuator is of the magnetic attraction type, it can be used in the same manner as the widely used piezoelectric and magnetostrictive actuators.

具体的に、本発明は、変位・速度・加速度センサは前記出力軸の前記電磁石とは反対側の端部に、前記出力軸の変位、速度、加速度等の位置情報を検出するセンサを配置したものである。
Specifically, in the present invention , a displacement/velocity/acceleration sensor is arranged at the end of the output shaft opposite to the electromagnet for detecting positional information such as displacement, speed, and acceleration of the output shaft. It is.

すなわち、本発明においては、中心軸が前記外枠部を貫通した構成にすることにより、前記出力軸端部と反対側の空間を利用してセンサを配置できて、センサ内蔵型のマイクロアクチュータをコンパクトに構成できる。 That is, in the present invention, the sensor can be arranged using the space on the opposite side of the output shaft end by making the central shaft pass through the outer frame portion, and the microactuator with a built-in sensor can be provided. can be configured compactly.

具体的に、本発明は、前記出力軸は静圧軸受によって半径方向が支持されているように構成したものである。
Specifically, according to the present invention , the output shaft is radially supported by a hydrostatic bearing.

すなわち、本発明においては、中心軸を支持する軸受に静圧軸受を用いれば、クーロン摩擦(静摩擦)の影響から回避できるため、前記出力軸端部は精度の高い変位制御ができる。 That is, in the present invention, if a hydrostatic bearing is used for the bearing that supports the central shaft, the influence of Coulomb friction (static friction) can be avoided, so the displacement of the output shaft end can be controlled with high accuracy.

具体的に、本発明は、前記吸入口と前記ノズル開口部間を繋ぐ供給側流路において、前記開口部より上流側に設けられた整流化区間の長さをL、この整流化区間の平均内径をdとして、L/d>4となるように構成したものである。
Specifically, in the present invention , in the supply-side channel connecting the suction port and the nozzle opening, the length of the rectification section provided on the upstream side of the opening is L, and the average length of the rectification section is It is constructed so that L/d>4, where d is the inner diameter.

すなわち、本発明においては、前記フラッパには前記供給側ノズルからの高圧流体墳力が加わり、この流体墳力が前記フラッパを励振させ、異音を発生させ、流量を不安定にするなどの問題を解消するものである。前記供給側ノズル開口部に最も近接した流路径の平均値をΦd、流速に急峻な変化を生じさせない長さLの整流化区間を形成して、この長さLを充分に大きく設定することにより、流体墳力がもたらす前記フラッパの不安定現象を解消することができることを見出したものである。 That is, in the present invention, a high-pressure fluid force is applied to the flapper from the supply-side nozzle, and this fluid force excites the flapper, generating noise and destabilizing the flow rate. is to eliminate By setting the average value of the channel diameter closest to the nozzle opening on the supply side to Φd, forming a rectification section with a length L that does not cause a steep change in the flow velocity, and setting this length L to be sufficiently large. , it was found that the unstable phenomenon of the flapper caused by the fluid force can be eliminated.

さて、本発明による流体サーボバルブの特徴を列記すれば、
(1)共振周波数を高く設定できる
(2)小電力でバルブを駆動できる
(3)高速応答性が得られる
(4)構造がシンプルで部品点数が少なく、部品加工、組み立て・調整が容易
従来バルブの欠点を大きく解消する本発明バルブにより、今後、空気圧サーボシステムの幅広い普及はおおいに加速すると予想される。その効果は顕著である。
Now, if the features of the fluid servo valve according to the present invention are listed,
(1) The resonance frequency can be set high (2) The valve can be driven with a small amount of power (3) High-speed response can be obtained (4) The structure is simple, the number of parts is small, and the parts are easy to process, assemble and adjust Conventional valves It is expected that the valve of the present invention, which largely eliminates the shortcomings of (1), will greatly accelerate the widespread use of pneumatic servo systems in the future. The effect is remarkable.

本発明の実施形態1に係る流体サーボバルブの正面断面図。1 is a front sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 1 of the present invention; FIG. 実施形態1における円盤形状ディスクであるフラッパの形状を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the shape of a flapper, which is a disk-shaped disk in Embodiment 1; 実施形態1におけるフラッパと電磁石近傍の拡大図で、図3(a)は図3(b)の上面図、図3(b)は正面断面図。3(a) is a top view of FIG. 3(b), and FIG. 3(b) is a front cross-sectional view. FIG. 実施形態1におけるフラッパ、供給側ノズル、排気側ノズルの位置関係を示す部分拡大図で、図4aはコイルに通電する電流値I=0の状態、図4bはコイルに電流が通電された状態を示す図。FIG. 4A is a partial enlarged view showing the positional relationship of the flapper, the supply side nozzle, and the exhaust side nozzle in Embodiment 1, FIG. illustration. 電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the flapper displacement characteristic with respect to an electric current. 電流に対する制御圧力特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of control pressure characteristics with respect to current; 排気ポートを遮断した状態における、電流に対する制御流量特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of control flow rate characteristics with respect to current when the exhaust port is blocked; 電流に対する内部リーク流量特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of internal leak flow rate characteristics with respect to current; 本発明の実施形態2の概要を説明するための、電流に対するフラッパ変位特性を示すグラフ。6 is a graph showing flapper displacement characteristics with respect to current, for explaining the outline of the second embodiment of the present invention; 図10aはディスクを流れる磁束の磁気抵抗を解析的に求めるためのモデル図、図10bはフラッパであるディスクと電磁石を示す正面断面図、図10cは、ディスクを放射状に流れる磁束の流出源である磁束コントロール面を示す図。FIG. 10a is a model diagram for analytically obtaining the magnetic resistance of the magnetic flux flowing through the disk, FIG. 10b is a front cross-sectional view showing the disk and the electromagnet as a flapper, and FIG. 10c is an outflow source of the magnetic flux flowing radially through the disk. FIG. 4 shows a flux control surface; 本実施例における供試材料の磁気特性の一例で、磁化力に対する磁束密度特性を示すグラフ。4 is a graph showing magnetic flux density characteristics with respect to magnetizing force, as an example of the magnetic characteristics of the test material in the present example. 電流に対する磁束密度特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the magnetic flux density characteristic with respect to an electric current. 電流に対する電磁石吸引力特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of electromagnet attractive force characteristics with respect to electric current; 電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the flapper displacement characteristic with respect to an electric current. 排気ポートを遮断した状態における、電流に対する制御流量特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of control flow rate characteristics with respect to current when the exhaust port is blocked; 電流値に対する流量の実測値を基に、線形化の効果指標を求める方法を示すグラフ。The graph which shows the method of calculating|requiring the effect index of linearization based on the measured value of the flow rate with respect to a current value. 「線形化の効果指標」を求めるためのバルブの流量特性を実測する一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of actual measurement of valve flow characteristics for obtaining a “linearization effect index”; 本発明の実施形態3に係る、凸型円盤形状ディスクによる流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve using a convex disc-shaped disk according to Embodiment 3 of the present invention; 実施形態3におけるフラッパと電磁石近傍の拡大図。FIG. 11 is an enlarged view of the vicinity of the flapper and the electromagnet in Embodiment 3; 電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the flapper displacement characteristic with respect to an electric current. 電流に対する発生力の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the generated force with respect to an electric current. 排気ポートを遮断した状態における、電流に対する制御流量特性の解析結果を示すグラフ。4 is a graph showing analysis results of control flow rate characteristics with respect to current when the exhaust port is blocked; 実施形態3に係る流体サーボバルブにおいて、ディスク形状を凹型円盤形状にした場合の電磁石近傍の拡大図。FIG. 11 is an enlarged view of the vicinity of the electromagnet when the disc shape is a concave disc shape in the fluid servo valve according to the third embodiment; 本発明の実施形態4に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 5 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 4 of the present invention; 実施形態4において、排気ノズル及び吸気ノズル近傍の部分拡大図で、図25aは図25bのAA矢視図、図25bは図25cのBB矢視図、図25cはコイルに電流が印加された状態を示す図。25a is a partial enlarged view of the vicinity of the exhaust nozzle and the intake nozzle in Embodiment 4, FIG. 25a is a view on arrow AA of FIG. 25b, FIG. 25b is a view of arrow BB of FIG. 25c, and FIG. illustration. 電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the flapper displacement characteristic with respect to an electric current. 本発明の実施形態5に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 5 of the present invention; 本発明の実施形態6に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 6 of the present invention; 磁極を一個だけ設けた前述した第5実施形態の閉ループ磁気回路の拡大図。FIG. 12 is an enlarged view of the closed loop magnetic circuit of the fifth embodiment described above, in which only one magnetic pole is provided; 第1磁極に加えて第2磁極を補助的に設けた本実施形態の閉ループ磁気回路の拡大図。FIG. 4 is an enlarged view of the closed-loop magnetic circuit of the present embodiment in which a second magnetic pole is provided as an auxiliary in addition to the first magnetic pole; 電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。The graph which shows the analysis result of the flapper displacement characteristic with respect to an electric current. フラッパに空隙部を形成することで、剛性を調節した図。The figure which adjusted rigidity by forming a gap part in a flapper. 本発明の実施形態7に係る流体サーボバルブで、図33aは図33cのAA矢視図でスパイラルディスクばねを示す図、図33bは、図33aの部分拡大図、図33cは正面断面図。Fig. 33a is a view showing a spiral disk spring in the AA view of Fig. 33c, Fig. 33b is a partial enlarged view of Fig. 33a, and Fig. 33c is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 7 of the present invention. 図33cのスパイラルディスクばね部の部分拡大図。Fig. 33c is a partially enlarged view of the spiral disk spring portion of Fig. 33c; 磁気経路部の中心部に荷重を加えたときの、スパイラルディスクばねの変形の構造解析結果を示す図。FIG. 4 is a diagram showing structural analysis results of deformation of the spiral disk spring when a load is applied to the central portion of the magnetic path; 本発明の実施形態7で、ディスクに雲形ばねを用いた図。The figure which used the cloud-shaped spring for the disk in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施形態8に係る流体サーボバルブで、図37aは図37bの上面図、図37bは正面断面図。Fig. 37a is a top view of Fig. 37b, and Fig. 37b is a sectional front view of a fluid servo valve according to Embodiment 8 of the present invention; 本発明の実施形態9に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 9 of the present invention; 本発明の実施形態10に係る流体サーボバルブで、図39aは図39bの上面図、図39bは正面断面図。39a is a top view of FIG. 39b, and FIG. 39b is a cross-sectional front view of a fluid servo valve according to Embodiment 10 of the present invention. 本発明の実施形態11に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 11 of the present invention; 本発明の実施形態12に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 12 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 12 of the present invention; 本発明の実施形態13に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 21 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 13 of the present invention; 実施形態13におけるノズルとフラッパの部分拡大図で、図43a、図43b、図43cはノズルとフラッパ間の勘合状態を示す図。Fig. 43a, Fig. 43b, Fig. 43c are partial enlarged views of the nozzle and the flapper in the thirteenth embodiment, showing a fitting state between the nozzle and the flapper; 実施形態13における流体サーボバルブの原理を示す図で、図44aにおける図A、図B、図Cはノズルとフラッパ間の勘合状態を示す図、図44bはノズルフラッパ間の隙間に対するバルブ流量を示すグラフ。Fig. 44a is a diagram showing the principle of the fluid servo valve in Embodiment 13, Fig. 44a is a diagram showing the fitting state between the nozzle and the flapper, and Fig. 44b is a graph showing the valve flow rate with respect to the gap between the nozzle flappers. . 実施形態13に係る流体サーボバルブの低消費流量の原理を示す図で、図45aは従来バルブのノズルフラッパ間隙間に対するバルブ流量を示すグラフ、図45bは本発明のノズルフラッパ間の隙間に対するバルブ流量を示すグラフ。Fig. 45a is a graph showing the valve flow rate with respect to the gap between the nozzle flappers of the conventional valve, and Fig. 45b shows the valve flow rate with respect to the gap between the nozzle flappers of the present invention. graph. 実施形態13における電流に対するフラッパ変位特性の解析結果を示すグラフ。FIG. 20 is a graph showing analysis results of flapper displacement characteristics with respect to current in the thirteenth embodiment; FIG. 実施形態13に係る流体サーボバルブにおいて、フラッパ側凸部をテーパ形状にした場合を示す図で、図47a、図47b、図47cはノズルとフラッパ間の勘合状態を示す図。Fig. 47a, Fig. 47b, and Fig. 47c are diagrams showing the fitting state between the nozzle and the flapper in the fluid servo valve according to the thirteenth embodiment when the flapper-side convex portion is tapered; 本発明の実施形態14に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 21 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 14 of the present invention; 実施形態14に係る流体サーボバルブにおいて、図49a、図49b、図49cはノズルとフラッパ間の勘合状態を示す図。49a, 49b, and 49c are diagrams showing the fitting state between the nozzle and the flapper in the fluid servo valve according to the fourteenth embodiment; FIG. 本発明の実施形態15に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 20 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 15 of the present invention; 実施形態15に係る流体サーボバルブにおいて、図50のノズルフラッパ部の拡大図。FIG. 51 is an enlarged view of the nozzle flapper portion of FIG. 50 in the fluid servo valve according to the fifteenth embodiment; 本発明の実施形態16を示す正面断面図で、本発明を電空変換器として使用する場合を示す図。FIG. 12 is a front cross-sectional view showing Embodiment 16 of the present invention, showing a case where the present invention is used as an electro-pneumatic converter; 本発明の実施形態17を示す正面断面図で、本発明をパイロット弁として使用する場合を示すバルブの正面断面図。FIG. 14 is a front cross-sectional view showing Embodiment 17 of the present invention, and is a front cross-sectional view of a valve showing a case where the present invention is used as a pilot valve; 本発明の実施形態17で駆動される4方案内弁を示す図。FIG. 11 shows a four-way guide valve driven by Embodiment 17 of the present invention; 本発明の実施形態18を示す正面断面図で、マイクロアクチュエータ部を示す図。FIG. 18 is a front cross-sectional view showing an eighteenth embodiment of the present invention, showing a microactuator section; 本発明の実施形態18のマイクロアクチュエータ部に連結されるポペット弁の正面断面図。FIG. 18 is a cross-sectional front view of a poppet valve coupled to a microactuator portion of embodiment 18 of the present invention; 本発明の実施形態18のマイクロアクチュエータ部に連結されるスプール弁の正面断面図。FIG. 18 is a cross-sectional front view of a spool valve coupled to a microactuator portion of embodiment 18 of the present invention; 本発明の実施形態19に係る流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 20 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 19 of the present invention; 本発明の実施形態20に係る流体サーボバルブと比較する参考図で、実施形態3におけるノズルとフラッパ部分の拡大図。FIG. 20 is a reference diagram for comparison with the fluid servo valve according to Embodiment 20 of the present invention, and is an enlarged view of the nozzle and flapper portions in Embodiment 3; 本発明の実施形態20に係る流体サーボバルブで、実施形態6におけるノズルとフラッパ部分の拡大図。FIG. 12 is an enlarged view of the nozzle and flapper portions in Embodiment 6 of the fluid servo valve according to Embodiment 20 of the present invention; 磁界強度に対する磁束密度特性が異なる3種類(A、B、C)の磁性材料特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of three types (A, B, and C) of magnetic materials having different magnetic flux density characteristics with respect to magnetic field intensity; 図61のA,B,Cの材料を用いたときの、電流に対するフラッパの変位特性の違いを定性的に示す図。FIG. 62 is a diagram qualitatively showing the difference in the displacement characteristics of the flapper with respect to current when the materials A, B, and C in FIG. 61 are used; 中心軸に磁気飽和現象を調節するための、磁路面積の小さな箇所を設けた場合を示す電磁石を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electromagnet in which a portion with a small magnetic path area is provided on the central axis for adjusting the magnetic saturation phenomenon; アクティブ制御におけるスカイフック理論を説明するモデル図で、図64aは空中に張られた架空の線に物体を宙吊りした状態を示す図、図64bは物体をアクチュータで支持して、加速度センサを配置した図。It is a model diagram explaining the skyhook theory in active control. Fig. 64a shows a state in which an object is suspended in an imaginary line stretched in the air, Fig. 64b shows an object supported by an actuator and an acceleration sensor arranged. figure. 空気圧アクチュエータを用いた除振装置の除振性能をモデル的に示すグラフ。4 is a graph showing a model of vibration isolation performance of a vibration isolator using a pneumatic actuator. アクティブ制御除振台の解析モデルの一例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing an example of an analysis model of an active control anti-vibration table; アクティブ制御除振台の開ループ伝達特性の解析結果の一例を示す図で、図67aは周波数に対するゲイン特性、図67aは周波数に対する位相特性を示す図。Fig. 67a is a diagram showing an example of analysis results of open-loop transfer characteristics of an active control anti-vibration table, Fig. 67a is a diagram showing gain characteristics with respect to frequency, and Fig. 67a is a diagram showing phase characteristics with respect to frequency; 従来の流体サーボバルブを搭載したアクティブ除振台を示すモデル図。A model diagram showing an active anti-vibration table equipped with a conventional fluid servo valve. 従来の流体サーボバルブを示す図で、図69aは正面断面図、図69bは側面断面図。Fig. 69a is a front sectional view, Fig. 69b is a side sectional view, showing a conventional fluid servo valve; 従来の流体サーボバルブをモデル化した図。The figure which modeled the conventional fluid servo valve. リニアモータを用いた従来提案流体サーボバルブの正面断面図。FIG. 2 is a front cross-sectional view of a conventionally proposed fluid servo valve using a linear motor;

<第1の実施形態>
図1は、本発明の実施形態1に係る空気圧サーボバルブの正面断面図である。
10は磁性材料である筒部形状の中心軸(支持軸)、11はこの中心軸の底部、12は前記中心軸と同芯円で形成された外枠部、13は前記中心軸に装着された非磁性材料のコイルボビン、14は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸10、外枠部12、コイルボビン13、コイル14により、フラッパ(後述)の面板部を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータ(電磁石)を構成している。15は外枠部12を収納する筒形状のハウジング、16は前記ハウジングの側面に締結される排気側底板、17は底部11と排気側底板16を締結するボルト、18はハウジング15と排気側底板16を締結するボルト、19は中心軸10に形成された気体(作動流体)の排気側流通路、20は排気側底板16に形成された吐出口である。21は供給側底板、22は前記供給側底板の中心部に形成された気体の供給側流路、23は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる気体の制御側流路である。24は円盤ディスク形状のフラッパでボルト25によりハウジング15と供給側底板21の間に装着される。すなわち、前記ボルト、前記ハウジング、前記供給側底板がフラッパ支持部材であり、前記フラッパ24の外縁部を挟み込んで固定して外縁部については動かないようにしている。26はフラッパ24と供給側底板21の壁面間に形成される供給側空隙部、27はフラッパ24と排気側壁面(コイルボビン13、ハウジング15等)の間に形成される排気側空隙部である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 1 of the present invention.
Reference numeral 10 denotes a cylindrical central shaft (support shaft) made of a magnetic material; 11, a bottom portion of the central shaft; 12, an outer frame formed concentrically with the central shaft; A coil bobbin made of a non-magnetic material, 14 is a coil wound around the coil bobbin. The central shaft 10, the outer frame portion 12, the coil bobbin 13, and the coil 14 constitute an electromagnetic actuator (electromagnet) that attracts a face plate portion of a flapper (described later) and controls its displacement. Reference numeral 15 denotes a cylindrical housing that houses the outer frame portion 12; 16, an exhaust-side bottom plate fastened to the side surface of the housing; 17, bolts for fastening the bottom portion 11 and the exhaust-side bottom plate 16; 18, the housing 15 and the exhaust-side bottom plate; 19 is an exhaust-side flow passage for gas (working fluid) formed in the central shaft 10; 20 is a discharge port formed in the exhaust-side bottom plate 16; 21 is a supply-side bottom plate, 22 is a gas supply-side channel formed in the center of the supply-side bottom plate, and 23 is a gas control-side channel connected to a pneumatic actuator (not shown). A disk-shaped flapper 24 is mounted between the housing 15 and the bottom plate 21 on the supply side with bolts 25 . That is, the bolt, the housing, and the bottom plate on the supply side are flapper supporting members, which sandwich and fix the outer edge of the flapper 24 so that the outer edge does not move. 26 is a supply side gap formed between the flapper 24 and the wall surface of the supply side bottom plate 21, and 27 is an exhaust side gap formed between the flapper 24 and the exhaust side wall surface (coil bobbin 13, housing 15, etc.).

図2に示す円盤ディスク形状のフラッパ24において、28a、28b、28c、28dは供給側空隙部26と排気側空隙部27を連絡するフラッパに形成された流通穴(電磁石には28b、28dは図示せず)である。29は供給側ノズル(順方向ノズル)、30は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。31は中心軸10のフラッパ側端面(中心軸端面で第1磁極)、32は外枠部のフラッパ側端面(外枠部端面で第2磁極)である。供給側空隙部26と排気側空隙部27、及び、制御側流路23で形成される空間が本バルブの制御室33、34は吸入口である。ちなみに、前記フラッパという呼称は、従来バルブのモデル図64に示すように、一般には揺動運動する平板のイメージがある。本実施例を含む本発明では、ノズルの対向面に配置されて、ノズルとの間で流体の流路面積を調節する部材を、その部材形状に関わり無くフラッパと呼ぶことにする。 In the disk-shaped flapper 24 shown in FIG. 2, 28a, 28b, 28c, and 28d are communication holes formed in the flapper that connect the supply side gap 26 and the exhaust side gap 27 (28b and 28d are not shown). 29 is a supply side nozzle (forward direction nozzle), and 30 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). Reference numeral 31 denotes a flapper-side end face of the central shaft 10 (first magnetic pole at the central shaft end face), and 32 a flapper-side end face of the outer frame portion (second magnetic pole at the outer frame end face). The space formed by the supply-side gap 26, the exhaust-side gap 27, and the control-side passage 23 is the intake port of the control chambers 33 and 34 of this valve. Incidentally, the term "flapper" generally conjures up an image of a flat plate that oscillates, as shown in a model diagram 64 of a conventional valve. In the present invention including this embodiment, a member that is arranged on the surface facing the nozzle and adjusts the flow path area of the fluid between the nozzle and the nozzle is called a flapper regardless of the shape of the member.

後述する実施例も同様であるが、本実施例では前記磁極(第1磁極と第2磁極)の中心線上で、かつ前記磁極側に排気側ノズルを配置し、さらに前記フラッパを介在して前記磁極の反対側に供給側ノズルを配置している。 In the present embodiment, the exhaust-side nozzle is arranged on the center line of the magnetic poles (the first magnetic pole and the second magnetic pole) and on the side of the magnetic poles, and the flapper is interposed. A supply nozzle is arranged on the opposite side of the magnetic pole.

図3a、及び図3bは電磁アクチュエータ近傍の拡大図で、図3aは上面図、図3bは正面断面図である。図中の矢印を有した点線は、コイル14に通電することで発生する磁束を示すもので、この磁束により、「第1磁極31→空隙部27→フラッパ24→空隙部27→第2磁極32→外枠部12→底部11→中心軸10」の閉ループ磁気回路が形成される。但し、コイル14に流す電流の方向が逆の場合、上記磁束の向きは逆になる。ここで、磁気回路を流れる磁束をФ、中心軸端面31(第1磁極)のリング形状面積をS1、外枠部端面32(第2磁極)のリング形状面積をS2、空気の透磁率をμ0とすれば、Maxwellの応力によるフラッパ24の面板部に働く吸引力Fは、 3a and 3b are enlarged views of the vicinity of the electromagnetic actuator, with FIG. 3a being a top view and FIG. 3b being a front sectional view. The dotted line with an arrow in the figure indicates the magnetic flux generated by energizing the coil 14. This magnetic flux causes the following sequence: first magnetic pole 31→air gap 27→flapper 24→air gap 27→second magnetic pole 32 →Outer frame portion 12→Bottom portion 11→Center shaft 10” forms a closed loop magnetic circuit. However, when the direction of the current flowing through the coil 14 is reversed, the direction of the magnetic flux is reversed. Here, Φ is the magnetic flux flowing through the magnetic circuit, S1 is the ring-shaped area of the center shaft end face 31 (first magnetic pole), S2 is the ring-shaped area of the outer frame end face 32 (second magnetic pole), and μ0 is the magnetic permeability of air. Then, the attractive force F acting on the face plate of the flapper 24 due to Maxwell's stress is

Figure 0007177492000003
吸引力Fによりフラッパが変位して、フラッパに働く円盤ばねの反力とこの吸引力Fが平衡する。磁束Фはコイル14に通電する電流値に比例するために、電流を可変させることにより、フラッパ変位、即ちノズルとその対向面間の隙間(離間距離)を調節できる。
Figure 0007177492000003
The flapper is displaced by the attraction force F, and the reaction force of the disk spring acting on the flapper and this attraction force F are balanced. Since the magnetic flux Φ is proportional to the current flowing through the coil 14, the flapper displacement, that is, the gap (separation distance) between the nozzle and its opposing surface can be adjusted by varying the current.

図4はフラッパ24と供給側ノズル29、排気側ノズル30の位置関係を示す部分拡大図で、図4aはコイルに通電する電流値I=0で、フラッパ24が供給側ノズル29先端を遮蔽している状態、図4bはコイルに電流が通電されて、フラッパ24が供給側ノズル29と排気側ノズル30の中間にある状態を示す。図4aにおいて、X0はフラッパ24と第1磁極31間の隙間(初期ギャップ)、δn は第1磁極31端面に対する排気側ノズル30先端部の突出量、δaは排気側ノズル30先端部とフラッパ24間の隙間(流路長さ)であり、フラッパ24の最大ストロークである。実施例では、コイル14に通電する電流値I=0のときは、図4aに示すごとく、フラッパ24が供給側ノズル29先端を遮蔽するように各部材の位置関係を設定している。コイル14に電流が印加されると、図4bに示すように、フラッパ24は供給側ノズル29先端から離れる。ここで変位Xは、フラッパ24が初期ギャップX0の位置から排気ノズル30側への移動量である。以降の実施例においても、「変位Xは初期ギャップX0の位置からの移動量」として定義する。 FIG. 4 is a partial enlarged view showing the positional relationship between the flapper 24, the supply side nozzle 29, and the exhaust side nozzle 30. FIG. FIG. 4b shows the state where the coil is energized and the flapper 24 is between the supply side nozzle 29 and the exhaust side nozzle 30. FIG. 4a, X0 is the gap (initial gap) between the flapper 24 and the first magnetic pole 31, .delta.n is the amount of protrusion of the tip of the exhaust side nozzle 30 with respect to the end face of the first magnetic pole 31, and .delta.a is the tip of the exhaust side nozzle 30 and the flapper 24. It is the gap (flow path length) between the two, and is the maximum stroke of the flapper 24 . In the embodiment, the positional relationship of each member is set so that the flapper 24 shields the tip of the supply side nozzle 29 as shown in FIG. When the coil 14 is energized, the flapper 24 moves away from the tip of the supply nozzle 29, as shown in FIG. 4b. Here, the displacement X is the amount of movement of the flapper 24 from the position of the initial gap X0 toward the exhaust nozzle 30 side. Also in the following embodiments, "displacement X is defined as the amount of movement from the position of the initial gap X0".

図5は、同図中に記載された設定条件の基で、電流値Iに対するフラッパ変位Xを示すものである。解析方法は
i.磁極とフラッパ間のギャップ(X0-X)を与えて、磁場解析により吸引力Fを求める
ii.上記吸引力Fとフラッパの支持剛性Kからフラッパ変位Xを求める
iii.磁束コントロール面における磁化力Hと磁束密度B関係(図11)を考慮しながら、上記i.ii.を連成問題として収束計算をする。
FIG. 5 shows the flapper displacement X with respect to the current value I under the setting conditions described in the same figure. The analysis method is i. Given the gap (X0-X) between the magnetic pole and the flapper, find the attractive force F by magnetic field analysisii. Find the flapper displacement X from the attraction force F and the flapper support stiffness K iii. Considering the relationship between the magnetizing force H and the magnetic flux density B (FIG. 11) on the magnetic flux control surface, i. ii. as a coupled problem and perform convergence calculations.

上記のステップi.~iii.を経て求めたものである。但し、上記iii.について詳細は後述する。図5のグラフから、I=0.02AのときX=0.045mmである。ここでI=0.02Aのとき、フラッパ24が排気ノズル30を遮蔽するように設定すれば、フラッパの最大ストロークXmax=δa=0.045mmである。したがって、ノズル突出量δn = X0-δa =0.250-0.045=0.205mmに設定すればよい。 Step i. ~iii. It was obtained through However, the above iii. will be described in detail later. From the graph in FIG. 5, X=0.045 mm when I=0.02A. Here, when I=0.02A, if the flapper 24 is set to shield the exhaust nozzle 30, the maximum flapper stroke Xmax=.delta.a=0.045 mm. Therefore, the nozzle protrusion amount Δn should be set to X0-Δa=0.250-0.045=0.205 mm.

以下、各ノズルとフラッパ間のギャップを与えたときの、本実施例サーボバルブの圧力・流量特性を求める。サーボ弁のノズルを通過する気体の質量流量は、圧縮性流体の等エントロピ流れにおけるノズルの式(4)(5)を用いる。ノズルフラッパ間の開口面積は、ノズル先端とフラッパ間で形成される環状の流路面積であり、ノズル内径をdとして、供給側開口面積ain=dπX、排気側開口面積aout=dπ(δa-X)である。以下、供給源側から空気室に流入する気体の質量流量Ginを次式に示す。ここで、Psは供給源圧力、Paはサーボバルブの制御室圧力、ρsは供給源気体密度、κは比熱比である。 Below, the pressure/flow rate characteristics of the servo valve of this embodiment are obtained when the gap between each nozzle and flapper is given. The gas mass flow rate through the nozzle of the servovalve uses the nozzle equations (4) and (5) for isentropic flow of compressible fluid. The opening area between the nozzle flappers is the area of the annular flow path formed between the nozzle tip and the flapper, where the nozzle inner diameter is d, the supply side opening area ain = dπX, the exhaust side opening area aout = dπ(δa-X) is. The mass flow rate Gin of the gas flowing into the air chamber from the supply source side is shown by the following equation. where Ps is the source pressure, Pa is the control chamber pressure of the servovalve, ρs is the source gas density, and κ is the specific heat ratio.

Figure 0007177492000004
但し、Pa/Ps<{2/(κ+1)}2/(κ-1) のときは
Figure 0007177492000004
However, when Pa/Ps<{2/(κ+1)}2/(κ-1)

Figure 0007177492000005
Figure 0007177492000005

前記制御室から大気側へ流出する気体の質量流量Goutは、式(4)、(5)において、Ps→ Pa、Pa→ P0、ρs→ρa、aout=dπ(δa-X) とすればよい。Vcは制御室33の容積、Rは気体定数である。この質量流量Gin、Goutにより、制御室33の圧力Paは、次式で求められる。 The mass flow rate Gout of the gas flowing out from the control chamber to the atmosphere side may be Ps → Pa, Pa → P0, ρs → ρa, aout = dπ(δa-X) in equations (4) and (5). . Vc is the volume of the control chamber 33 and R is the gas constant. Based on these mass flow rates Gin and Gout, the pressure Pa in the control chamber 33 is obtained by the following equation.

Figure 0007177492000006
Figure 0007177492000006

図6は、実施形態1に係る空気圧バルブにおいて、電流値に対する定常状態における制御圧力の解析結果を示すものである。制御圧力とは、制御側流路23に繋がる供給側空隙部26と排気側空隙部27で形成される制御室33の圧力Paである。解析条件は、供給圧力PS=0.6MPa(abs)、大気圧P0=0.1MPa(abs)、供給側ノズル29と排気側ノズル30のノズル内径は共にΦ1.2mmである。 FIG. 6 shows analysis results of the control pressure in the steady state with respect to the current value in the pneumatic valve according to the first embodiment. The control pressure is the pressure Pa in the control chamber 33 formed by the supply-side gap 26 and the exhaust-side gap 27 connected to the control-side channel 23 . The analysis conditions are supply pressure PS=0.6 MPa (abs), atmospheric pressure P0=0.1 MPa (abs), and nozzle inner diameters of the supply side nozzle 29 and the exhaust side nozzle 30 are both Φ1.2 mm.

図7は、排気ポートを遮断した状態における、電流に対する制御流量特性を示すものである。電流値に対する制御流量特性の曲線のプロフィールは、図5の電流値に対するフラッパ変位特性のそれにほぼ一致する。 FIG. 7 shows the control flow rate characteristics with respect to the current when the exhaust port is blocked. The profile of the control flow rate characteristic versus current value substantially matches that of the flapper displacement characteristic versus current value in FIG.

図8は、上記空気圧サーボバルブにおいて、電流値に対する内部リーク流量を示すものである。ここで内部リーク流量とは、バルブの制御側流路23を遮断した状態における排気側流路19からの流量QLとして定義する。
電流値に対するフラッパ変位の図5のグラフにおいて、電流値I=0.0118Aで変位X=0.02mmであり、フラッパ27は供給側ノズル29と排気側ノズル30の概略中間にある。このとき、図7に示す内部リーク流量QLは最大値を示すことが分かる。
FIG. 8 shows the internal leak flow rate with respect to the current value in the pneumatic servo valve. Here, the internal leak flow rate is defined as the flow rate QL from the exhaust side flow path 19 in a state where the control side flow path 23 of the valve is blocked.
In the graph of FIG. 5 of flapper displacement versus current value, current value I=0.0118 A, displacement X=0.02 mm, and flapper 27 is roughly midway between nozzle 29 on the supply side and nozzle 30 on the exhaust side. At this time, it can be seen that the internal leak flow rate QL shown in FIG. 7 exhibits the maximum value.

さて、本実施例バルブの特徴を列記すれば、次のようである。
(1)共振周波数を高く設定できる
(2)小電力でバルブを駆動できる
(3)高速応答性が得られる
(4)構造がシンプルで部品点数が少なく、部品加工、組み立て・調整が容易
上記(1)の理由は次の様である。ここで、フラッパの可動質量をm、このフラッパを支持するばね定数をKとすれば、共振周波数f0 は
The features of the valve of this embodiment are listed below.
(1) The resonance frequency can be set high (2) The valve can be driven with low power (3) High-speed response can be obtained (4) The structure is simple and the number of parts is small, making it easy to process, assemble and adjust parts The reason for 1) is as follows. Here, if the flapper's movable mass is m and the spring constant that supports this flapper is K, the resonance frequency f0 is

Figure 0007177492000007
Figure 0007177492000007

前述したように、従来サーボバルブ(図69)において、剛体であるフラッパ506は揺動運動をするため、前記フラッパの質量mは大きくならざるを得ない。そのため、前記フラッパを支持するバネ剛性Kを高く設定することで、共振周波数f0 [式(7)]を高く設定している。フラッパ支持のバネ剛性Kが大きいと、フラッパを駆動するためには大きな力を必要とする。前述したように、従来サーボバルブの場合、フラッパを駆動する力は、式(2)に示すように、F∝Φ1Φ2 であった。つまり電磁コイルの発生する磁束Φ1を永久磁石が発生する磁束Φ2 で増幅させることで、大きな駆動力を得ているのである。 As described above, in the conventional servo valve (FIG. 69), the flapper 506, which is a rigid body, oscillates, so the mass m of the flapper is inevitably large. Therefore, by setting the stiffness K of the spring supporting the flapper high, the resonance frequency f0 [formula (7)] is set high. If the spring stiffness K of the flapper support is large, a large force is required to drive the flapper. As mentioned above, in the case of the conventional servo valve, the force driving the flapper was F∝Φ1Φ2 as shown in equation (2). In other words, a large driving force is obtained by amplifying the magnetic flux Φ1 generated by the electromagnetic coil with the magnetic flux Φ2 generated by the permanent magnet.

しかし、本実施例の場合、電磁コイルの発生する磁束Φ1だけがフラッパ弁を駆動する力となる。にもかかわらず、高い共振周波数が得られる理由は次のようである。 However, in the case of this embodiment, only the magnetic flux Φ1 generated by the electromagnetic coil becomes the force for driving the flapper valve. The reason why a high resonance frequency is obtained in spite of this is as follows.

本研究において、バルブのフラッパに相当する部材を薄いディスク形状にすると、慣性負荷となる可動部の有効質量mはノズル先端近傍における弾性変形部分のみとなる点に注目した。すなわち、従来サーボバルブは質量mの剛体であるフラッパがバネで支持されているのに対して、本発明サーボバルブはフラッパ自身が弾性体(バネ)である。表1は、可動部の有効質量、フラッパ支持のばね剛性、共振周波数について、本実施例バルブと従来フラッパ弁(一例)を比較したものである。本実施例における可動部の有効質量mは、ばね剛性Kと共振周波数f0 の実測値から、式(7)を用いて求めた。また、従来例サーボバルブの可動部であるフラッパ(図69のフラッパ506に相当)は揺動運動するため、慣性負荷となる有効質量は実測値(5g)の1/2と仮定した。 In this study, we focused on the fact that the effective mass m of the movable part, which acts as an inertial load, is only the elastically deformed part near the tip of the nozzle when the member corresponding to the flapper of the valve is made into a thin disc shape. That is, in the conventional servo valve, the flapper, which is a rigid body of mass m, is supported by a spring, whereas in the servo valve of the present invention, the flapper itself is an elastic body (spring). Table 1 compares the valve of this embodiment and the conventional flapper valve (an example) with respect to the effective mass of the movable portion, the spring stiffness of the flapper support, and the resonance frequency. The effective mass m of the movable portion in this embodiment was obtained from the spring stiffness K and the measured value of the resonance frequency f0 using the equation (7). Also, since the flapper (corresponding to the flapper 506 in FIG. 69), which is the movable part of the conventional servo valve, oscillates, the effective mass, which is the inertial load, was assumed to be 1/2 of the measured value (5 g).

Figure 0007177492000008
Figure 0007177492000008

表1から、本発明の実施例バルブは、従来バルブと比べて同等以上の共振周波数を有するにもかかわらず、可動部の有効質量は約1/7、ばね剛性は約1/4である。フラッパを支持するばね剛性を十分に小さくできるために、本実施例バルブは、高い共振周波数を有するにもかかわらず、電磁石のみでフラッパを駆動することができる。永久磁石と電磁石の両方を必要とする従来の空気圧サーボ弁は、図69a、図69bに示すように、永久磁石と電磁石のそれぞれの磁気回路を形成するためのヨーク材が直交して配置される3次元構造で、かつアクチュータ部と流体制御部は分離して構成されている。そのため、構成の複雑さと必要部品点数の多さゆえに、フラッパとノズル間の位置調整が難しく、またコストが高いという課題があった。 As can be seen from Table 1, the valves according to the present invention have an effective mass of about 1/7 and a spring stiffness of about 1/4 compared to the conventional valve, although they have a resonance frequency equal to or greater than that of the conventional valve. Since the stiffness of the spring supporting the flapper can be made sufficiently small, the valve of this embodiment can drive the flapper only with the electromagnet, although it has a high resonance frequency. Conventional pneumatic servo valves that require both permanent magnets and electromagnets, as shown in Figures 69a and 69b, have yoke members arranged orthogonally to form respective magnetic circuits of the permanent magnets and electromagnets. It has a three-dimensional structure, and the actuator section and the fluid control section are configured separately. Therefore, due to the complexity of the configuration and the large number of required parts, there is a problem that it is difficult to adjust the position between the flapper and the nozzle, and the cost is high.

上記(2)の理由は次の様である。本発明のサーボバルブが小電力(小電流)で駆動できる理由は、駆動源に導体表面に働くMaxwellの応力を利用しているという点にある。通常は、0.1mm~数mmオーダーの微小変位を直動運動させるアクチュエータとして、ボイスコイルモータ(リニアモータ)が使用される。前述した特許文献4においても、上記ボイスコイルモータを利用したサーボバルブが考案されている。しかし、ボイスコイルモータはローレンツ力を利用しており、大きな推力定数(電気機械変換効率)は得られない。本実施例は、空気圧サーボバルブという限定された対象ならば、ローレンツ力よりもはるかに推力定数の高いMaxwellの応力が利用できるという点を利用している。本実施例の推力定数を、市販されているボイスコイルモータと比較した一例を表2に示す。 The reason for the above (2) is as follows. The reason why the servo valve of the present invention can be driven with a small power (small current) is that Maxwell's stress acting on the conductor surface is used as a drive source. Generally, a voice coil motor (linear motor) is used as an actuator that linearly moves a minute displacement on the order of 0.1 mm to several mm. A servo valve using the above-described voice coil motor is also devised in Patent Document 4 mentioned above. However, the voice coil motor uses the Lorentz force, and a large thrust constant (electromechanical conversion efficiency) cannot be obtained. This embodiment takes advantage of the fact that Maxwell's stress, which has a much higher thrust constant than the Lorentz force, can be used for the limited target of pneumatic servo valves. Table 2 shows an example in which the thrust constant of this embodiment is compared with that of a commercially available voice coil motor.

Figure 0007177492000009
Figure 0007177492000009

表2から、本実施例バルブのアクチュータの推力定数は、ボイスコイルモータと比べて20倍以上である。上記理由により、本実施例サーボバルブを駆動する電源容量は十分に小さく、かつ小電流でよい。ちなみに、本実施例の推力定数は、電流に対する変位特性を示す図5のグラフを用いて、最大変位におけるばねの反力(F=1.92×104×4.5×10-5)に最大電流(Imax=0.02A)を除して求めたものである。 From Table 2, the thrust constant of the actuator of the valve of this embodiment is 20 times or more that of the voice coil motor. For the above reason, the capacity of the power supply for driving the servo valve of this embodiment is sufficiently small, and a small current is sufficient. By the way, the thrust force constant of this embodiment is calculated by using the graph of FIG. 0.02A).

上記(3)の理由は、上記(1)(2)の本実施例バルブの特徴から、必然的に導かれるものである。すなわち、慣性負荷mとばね負荷Kが小さく、かつ電気機械変換効率が高いために、コイルの巻数も少なく、電気回路におけるインダクダンスも小さい。したがって、入力電流に対するフラッパ変位(流量)の伝達特性は、十分に高い応答性を得ることができる。 The reason (3) above is inevitably derived from the features (1) and (2) of the valve of this embodiment. That is, since the inertia load m and the spring load K are small and the electromechanical conversion efficiency is high, the number of turns of the coil is small and the inductance in the electric circuit is also small. Therefore, the transfer characteristic of the flapper displacement (flow rate) with respect to the input current can obtain sufficiently high responsiveness.

上記(4)の理由は次の様である。油圧サーボ技術から派生的に生まれた従来空気圧サーボ弁(図69、図70参照)が、アクチュータ部と流体制御部が分離構造であるのに対して、本実施例は、アクチュータ部と流体制御部は一体化構造である。後述する実施例も同様であるが、本実施例におけるアクチュータ部は、前記電磁アクチュエータ部(電磁石)、前記フラッパ、前記フラッパ支持部材(筒形状のハウジング、供給側底板21)から構成される。また、流体制御部は前記フラッパ、前記ノズル、前記吸入口を含む供給側流路22、前記吐出口を含む排気側流路19、前記支持部材で構成される。ノズル部の拡大図を示す図4a、図4bにおいて、前述したように、図4aはコイルに通電する電流値I=0の状態、図4bはバルブの駆動状態を示す。本発明において、アクチュータ部と流体制御部を一体化構造にできる理由は、磁気吸引作用が有効利用できる磁極とフラッパ間の磁気ギャップ最大値X0と、エアーサーボ弁として有効利用できるノズルとフラッパ間のエアーギャップδa(流路長さ)の最大値が0.05~0.20mmと同オーダーであることに着目したものである。エアーギャップδmに対する磁気吸引力の特性は非線形であり、上記最大値を超えると、磁気吸引力は通常では大幅に低下する。ノズルフラッパ弁の場合も同様に、流量を線形に可変できるエアーギャップδaは、通常上記範囲が限界である。さらに本実施例では電磁アクチュエータの中心軸10を筒部形状にして、エアーの排気側流通路19を形成している。この構成により、双方向フラッパによるノズルフラッパ弁の大幅な簡素化を図ることができる。ちなみに、実施例では、図4aはコイル電流値I=0において、供給側ノズル29はフラッパ24によって遮断された状態になるように、供給側ノズル29とフラッパ24の位置を設定した。これは停電時、アクティブ制御が不能となった場合に、空気圧アクチュエータ(図示せず)への高圧空気の流入を遮断する安全機能(フェルセーフ機能)である。 The reason for the above (4) is as follows. While the conventional pneumatic servo valve (see FIGS. 69 and 70) derived from hydraulic servo technology has a separate structure for the actuator section and the fluid control section, this embodiment has an actuator section and a fluid control section. is an integral structure. The actuator section in this embodiment is composed of the electromagnetic actuator section (electromagnet), the flapper, and the flapper support member (cylindrical housing, supply side bottom plate 21). Further, the fluid control unit is composed of the flapper, the nozzle, the supply side channel 22 including the suction port, the exhaust side channel 19 including the discharge port, and the support member. 4a and 4b showing enlarged views of the nozzle portion, as described above, FIG. 4a shows the state of the current value I=0 applied to the coil, and FIG. 4b shows the valve driving state. In the present invention, the reason why the actuator section and the fluid control section can be integrated is the maximum magnetic gap X0 between the magnetic pole and the flapper that can effectively use the magnetic attraction action, and the gap between the nozzle and the flapper that can be effectively used as an air servo valve. This is based on the fact that the maximum value of the air gap δa (channel length) is on the same order as 0.05 to 0.20 mm. The characteristic of the magnetic attraction force with respect to the air gap Δm is non-linear, and the magnetic attraction force usually drops significantly beyond the above maximum value. Similarly, in the case of the nozzle flapper valve, the air gap .delta.a that can linearly vary the flow rate is usually limited to the above range. Further, in this embodiment, the center shaft 10 of the electromagnetic actuator is shaped like a cylinder to form an air exhaust side flow passage 19 . With this configuration, it is possible to greatly simplify the nozzle flapper valve using the bidirectional flapper. Incidentally, in the embodiment, the positions of the supply side nozzle 29 and the flapper 24 are set so that the supply side nozzle 29 is blocked by the flapper 24 at the coil current value I=0 in FIG. 4A. This is a safety function (fail-safe function) that cuts off the inflow of high-pressure air to the pneumatic actuator (not shown) when active control becomes impossible during a power failure.

さらに本実施例バルブは、すべて軸対称部品で構成されている。そのため、すべての部品は旋盤加工のみで製作できて、部品点数も少なく、組み立て後の調整も簡素化できた。本実施例バルブが軸対称で構成できる理由は、前述したように、前記磁極(第1磁極と第2磁極)の中心線上で、かつ前記磁極側に排気側ノズルを配置し、さらに前記フラッパを介在して前記磁極の反対側に供給側ノズルを配置しているからである。但し、排気側ノズルと供給側ノズルの位置は逆でもよい。 Further, the valve of this embodiment is composed entirely of axially symmetrical parts. Therefore, all parts can be manufactured only by lathe processing, the number of parts is small, and adjustment after assembly is simplified. The reason why the valve of the present embodiment can be configured with axial symmetry is that, as described above, the exhaust side nozzle is arranged on the center line of the magnetic poles (the first magnetic pole and the second magnetic pole) and on the magnetic pole side, and the flapper is arranged. This is because the supply-side nozzle is arranged on the opposite side of the magnetic pole intervening. However, the positions of the exhaust-side nozzle and the supply-side nozzle may be reversed.

また前述したように、供給側空隙部26と排気側空隙部27、及び、制御側流路23の各空間の総和が空気圧アクチュータに繋がる制御室33の総容積Vcとなる。この容積Vcの大きさが、アクティブ制御(流体サーボ)を施す上で、制御性能(応答性)に重大な影響を与えるために、容積Vcは極力小さい方が好ましい。本実施例のバルブは、軸対称部品で構成されるために、隙間δt1とδt2を狭く構成でき、3次元構造で構成されるバルブ(後述)と比べて、コイルを収納する空間を必要としないため、制御室33の総容積Vcは十分に小さくできる。 Further, as described above, the sum of the spaces of the supply-side gap 26, the exhaust-side gap 27, and the control-side passage 23 is the total volume Vc of the control chamber 33 connected to the pneumatic actuator. Since the size of this volume Vc has a significant effect on control performance (response) when performing active control (fluid servo), it is preferable that the volume Vc be as small as possible. Since the valve of this embodiment is composed of axially symmetrical parts, the gaps Δt1 and Δt2 can be narrowed, and a space for housing the coil is not required compared to a valve having a three-dimensional structure (described later). Therefore, the total volume Vc of the control chamber 33 can be made sufficiently small.

<第2の実施形態>
電磁石に電流を印加して、Maxwellの全応力Tによる可動部の磁気吸引作用を利用する機器を想定する。図9のグラフAの場合、電流に対する可動部の変位特性は、電流値の増大に伴い変位が急峻に立ち上がる非線形な特性となるため、ON/OFF的な機能を要する機器(リレー等)に使用される場合が多い。しかし、本研究の過程において、フラッパに相当する可動部に適切な磁性材料と薄いディスクを用いると、電流に対するフラッパの変位特性は、図9のグラフBに示すように、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができることがわかった。この効果は偶然の発見により、見出したものである。本研究が見出したこの現象を理論的に究明し、ノズルフラッパ弁への適用可能性を評価するために、以下に示す理論解析をおこなった。
<Second embodiment>
Assume a device that applies a current to an electromagnet and utilizes the magnetic attraction of the moving part due to Maxwell's total stress T. In the case of graph A in Fig. 9, the displacement characteristics of the moving part with respect to the current are non-linear characteristics in which the displacement rises sharply as the current value increases, so it is used for devices that require ON/OFF functions (relays, etc.). It is often done. However, in the course of this research, if an appropriate magnetic material and a thin disk were used for the movable part corresponding to the flapper, the displacement characteristics of the flapper with respect to the current would be linear (linearity), as shown in graph B in Fig. 9. It was found that excellent characteristics of This effect was found by an accidental discovery. In order to theoretically investigate this phenomenon found in this research and to evaluate its applicability to nozzle flapper valves, the following theoretical analysis was performed.

1.理論解析
図10は、実施形態1における空気圧サーボバルブの構造(図1)をモデル化したもので、図10aはディスク(フラッパ)の部分断面図、図10bは空気圧サーボバルブのモデル化した正面断面図、図10cは後述する最大磁束コントロール面を示す図である。図10bにおいて、210は中心軸、211は空隙部、212はフラッパ、213は外枠部である。上記モデル図10bにおいて、コイルの通電によって発生する磁束Φは、前述したように、「中心軸210→空隙部211→フラッパ212→空隙部211→外枠部213」の経路を経て閉ループを描く。ここで、ディスクを放射状に流れる磁気回路の磁気抵抗を求める。図10a、図10bにおいて、半径方向Δrの部分の磁気抵抗ΔReは
1. Theoretical Analysis Fig. 10 is a model of the pneumatic servo valve structure (Fig. 1) in Embodiment 1. Fig. 10a is a partial sectional view of a disk (flapper), and Fig. 10b is a modeled front section of the pneumatic servo valve. FIG. 10c shows a maximum flux control surface, which will be described later. In FIG. 10b, 210 is the central shaft, 211 is the gap, 212 is the flapper, and 213 is the outer frame. In the model diagram 10b, the magnetic flux Φ generated by energization of the coil draws a closed loop through the route of "center axis 210→air gap 211→flapper 212→air gap 211→outer frame 213" as described above. Here, the magnetic resistance of the magnetic circuit radially flowing through the disk is obtained. In FIGS. 10a and 10b, the magnetic resistance ΔRe in the radial direction Δr is

Figure 0007177492000010
式(8)において、hはディスク(フラッパ)の厚み、μ0は空気の透磁率、μsはディスク材料の比透磁率である。半径r=r1からr=r2までの全抵抗を求めると
Figure 0007177492000010
In equation (8), h is the thickness of the disk (flapper), μ0 is the permeability of air, and μs is the relative permeability of the disk material. Finding the total resistance from radius r=r1 to r=r2

Figure 0007177492000011
上記ディスクの磁気抵抗 以外の磁気抵抗を として、磁束Φは
Figure 0007177492000011
The magnetic flux Φ is

Figure 0007177492000012
Figure 0007177492000012

式(10)において、Nはコイルの巻数、Iはコイルに流す電流値である。また、 は前記フラッパと磁極間の2つの空隙部211、中心軸210、外枠部213、底部の各磁気抵抗の総和である。図11は、本実施例における供試材料の磁気特性の一例で、磁化力(磁界強度)Hに対する磁束密度B特性を示すものである。磁化力Hに対して磁束密度Bが比例して増加する 0<H<Hcの範囲を線形領域、磁化力Hに対して磁束密度Bの勾配が大きく低下するH>Hcの範囲を磁気飽和領域と定義する。ちなみにHcは、0<H<Hcの範囲におけるBH特性の包絡線Aと、H>Hcの領域にあるBH特性の包絡線Bの交点から求められるものである。Hcを線形領域と磁気飽和領域の磁化力境界値、H=Hcのときの磁束密度を磁束密度境界値Bcと定義する。図11の磁性材料特性の場合は、Hc=1500AT/m、Bc=1.5Wb/m2である。
磁束Φが流れる閉ループ磁気回路に、磁路面積Scの極度に狭い箇所があれば、その箇所において、磁束密度(B=Φ/Sc)は最も大きい。すなわち、この箇所において、磁化力Hが所定の値を超えれば、磁束密度Bは磁気飽和する。磁気飽和したときのB=Bmaxとすれば、磁束の大きさは、Φ<S・Bmaxの範囲で抑制される。
In Equation (10), N is the number of turns of the coil, and I is the value of current flowing through the coil. Also, is the sum of the magnetic resistances of the two air gaps 211 between the flapper and the magnetic pole, the central axis 210, the outer frame 213, and the bottom. FIG. 11 shows an example of the magnetic properties of the test material in this example, showing magnetic flux density B properties with respect to magnetizing force (magnetic field strength) H. FIG. The range of 0<H<Hc, where the magnetic flux density B increases in proportion to the magnetizing force H, is the linear region, and the range of H>Hc, where the gradient of the magnetic flux density B decreases significantly with respect to the magnetizing force H, is the magnetic saturation region. defined as Incidentally, Hc is obtained from the intersection of the BH characteristic envelope A in the range of 0<H<Hc and the BH characteristic envelope B in the range of H>Hc. Hc is defined as the magnetic force boundary value between the linear region and the magnetic saturation region, and the magnetic flux density when H=Hc is defined as the magnetic flux density boundary value Bc. For the magnetic material properties of FIG. 11, Hc=1500AT/m and Bc=1.5Wb/m2.
If the closed-loop magnetic circuit in which the magnetic flux Φ flows has a location where the magnetic path area Sc is extremely narrow, the magnetic flux density (B=Φ/Sc) is the highest at that location. That is, at this location, if the magnetizing force H exceeds a predetermined value, the magnetic flux density B is magnetically saturated. If B=Bmax at the time of magnetic saturation, the magnitude of the magnetic flux is suppressed within the range of Φ<S·Bmax.

図10cにおいて、半径r=r1 、厚みhのリング形状の側面(磁路面積Sc=2πr1h)に注目する。この部分はディスクを放射状に流れる磁束の流出源(あるいは流入源)とも言うべき箇所で、磁気飽和現象を調節する箇所(以下、最大磁束コントロール面と呼ぶ)である。この箇所における磁束密度は In FIG. 10c, note the ring-shaped side surface (magnetic path area Sc=2πr1h) with radius r=r1 and thickness h. This portion is a source (or a source) of magnetic flux radially flowing through the disk, and is a portion for adjusting the magnetic saturation phenomenon (hereinafter referred to as maximum magnetic flux control surface). The magnetic flux density at this point is

Figure 0007177492000013
上式から、最大磁束コントロール面の磁路面積Sc(=2πr1h)が極度に小さい場合、磁化力Hが所定の値を超えれば、すなわちH>Hcならば、グラフ(図11)の曲線に沿って磁束密度、及び磁束は磁気飽和し、フラッパ(図10bの212)に働く吸引力F(式3)も抑制される。
Figure 0007177492000013
From the above formula, when the magnetic path area Sc (=2πr1h) of the maximum magnetic flux control surface is extremely small, if the magnetizing force H exceeds a predetermined value, that is, if H>Hc, then along the curve in the graph (Fig. 11) As a result, the magnetic flux density and magnetic flux are magnetically saturated, and the attractive force F (equation 3) acting on the flapper (212 in FIG. 10b) is also suppressed.

図12~図15はディスクの板厚hを各種変えた場合について、電流値に対する磁束密度Br1、電磁石の吸引力F、フラッパ変位X、制御ポートからの流量Qを、前述した解析方法で求めた解析結果である。解析条件は、図12のグラフ中に記載しているように、フラッパの支持剛性が一定となるように、フラッパ支持部の半径r3の値を設定している。図12の電流値に対する磁束密度Br1の特性に注目すると、 Figures 12 to 15 show magnetic flux density Br1, electromagnet attraction force F, flapper displacement X, and flow rate Q from the control port for current values when various disk plate thicknesses h are varied, using the analysis method described above. This is the analysis result. As for the analysis conditions, as described in the graph of FIG. 12, the value of the radius r3 of the flapper support portion is set so that the support rigidity of the flapper is constant. Focusing on the characteristics of the magnetic flux density Br1 with respect to the current value in FIG. 12,

a.ディスク厚みが厚くh=0.5mmの場合、電流値が大きくなると、I=Ic(=0.017A)近傍から磁束密度Br1は急峻に増大する非線形な特性を示す。I>Icの領域では、磁束密度Br1は飽和して一定値Br1=1.7Wb/m2(図11参照)に収束する。
b.ディスク厚みが薄くh=0.2mmの場合、電流値に対する磁束密度Br1は全領域で線形な特性を示す。
a. When the disk thickness is thick and h=0.5 mm, as the current value increases, the magnetic flux density Br1 shows a non-linear characteristic that sharply increases from the vicinity of I=Ic (=0.017 A). In the region of I>Ic, the magnetic flux density Br1 is saturated and converges to a constant value Br1=1.7Wb/m2 (see FIG. 11).
b. When the disk thickness is thin and h=0.2 mm, the magnetic flux density Br1 with respect to the current value exhibits linear characteristics over the entire region.

上記b.の場合、0<I<Icの領域で磁束密度Br1は、上記i.の場合と比べて大きい。
I>Icの領域で磁束密度が上昇後、なだらか抑制されるのは電流値がIcに達した段階
で、磁束密度Br1は既に磁気飽和と同レベルの値まで増大しており、この段階からBr1は磁気飽和領域に入るからである。したがって、(1)磁路面積(ディスク厚み)を小さくして、電流値が小さい段階から磁束密度を高くする。(2)磁束密度が急峻に増大する電流値Icの近傍で、磁気飽和が始まるようにする。上記(1)(2)により、電流値に対する磁束密度Br1特性は、線形領域から磁気飽和領域になだらかに移行して、極めて線形性に優れた特性となる。線形性に優れた磁束密度特性は、変位特性、流量特性等の線形性にも反映される。
above b. , the magnetic flux density Br1 in the region of 0<I<Ic is the above i. is larger than in the case of
After the magnetic flux density increases in the region of I>Ic, it is gradually suppressed when the current value reaches Ic, and the magnetic flux density Br1 has already increased to the same level as magnetic saturation. is in the magnetic saturation region. Therefore, (1) the magnetic path area (disk thickness) is reduced, and the magnetic flux density is increased from the stage where the current value is small. (2) Magnetic saturation begins in the vicinity of the current value Ic at which the magnetic flux density sharply increases. Due to the above (1) and (2), the magnetic flux density Br1 characteristic with respect to the current value smoothly shifts from the linear region to the magnetic saturation region, resulting in a characteristic with extremely excellent linearity. Magnetic flux density characteristics with excellent linearity are also reflected in the linearity of displacement characteristics, flow characteristics, and the like.

本研究で得られた上記知見を用いて、図13~図15の電流値に対する電磁石吸引力、フラッパ変位、及び流量特性の特徴について説明する。図13はディスクの板厚hを各種変えた場合について、電流値に対する電磁石吸引力(=ディスクばねの復元力)を求めたものである。電流値に対する電磁石吸引力特性の曲線プロフィールは、後述する電流値に対するフラッパ変位特性の曲線プロフィール(図14)とほぼ一致する。図14の電流値に対するフラッパ変位特性において、h=0.5mmの場合、I>Icでフラッパ変位が一定値X=0.25mmを保つのは、フラッパと第1磁極間の最大隙間(初期ギャップ)をX0=0.25mmに設定しているからである。(図4参照)h=0.2~0.3mmのとき、電流値に対してフラッパ弁変位特性(及び流量特性)はほぼ直線的に変位し、制御性の観点から理想的な特性が得られる。前述したように、この条件はアクティブ除振台に適用される空気圧サーボバルブに要求される3つ目条件、すなわち、(3)「線形性・・・バルブ駆動電流に対する発生圧力が直線的比例関係にある」を満足させるものである。h>0.35の場合、電流値が大きくなると、I=Ic(=0.017A)近傍からフラッパ変位は急峻に増大して、非線形な特性を示す。 Using the above knowledge obtained in this study, the characteristics of the electromagnet attractive force, flapper displacement, and flow rate characteristics with respect to the current values in FIGS. 13 to 15 will be described. FIG. 13 shows the electromagnet attractive force (=restoring force of the disk spring) with respect to the current value when the plate thickness h of the disk is varied. The curve profile of the electromagnetic attractive force characteristic with respect to the current value substantially coincides with the curve profile (FIG. 14) of the flapper displacement characteristic with respect to the current value, which will be described later. In the flapper displacement characteristics with respect to the current value in FIG. This is because X0 is set to 0.25 mm. (Refer to FIG. 4) When h=0.2 to 0.3 mm, the flapper valve displacement characteristics (and flow rate characteristics) change almost linearly with respect to the current value, and ideal characteristics are obtained from the viewpoint of controllability. As mentioned above, this condition is the third condition required for the pneumatic servo valve applied to the active vibration isolation table: (3) “Linearity: The generated pressure is linearly proportional to the valve drive current. It is something that satisfies the "in". When h>0.35, as the current value increases, the flapper displacement sharply increases from the vicinity of I=Ic (=0.017A), exhibiting nonlinear characteristics.

図15は、フラッパ変位特性のグラフを求めた解析条件(図14に記載)の基で、ノズルの流出流量を求めたものである。これは、図1のサーボバルブにおいて、排気側流路20を遮断して、制御側流路を大気開放した相当する。解析条件は、供給圧力PS=0.6MPa(abs)、大気圧Pa=0.1MPa(abs)、供給側ノズル29のノズル径はΦ1.2mmである。図14と図15の比較から、フラッパ変位特性とノズルの流量特性の曲線プロフィールはほぼ同一であることがわかる。 FIG. 15 shows the outflow flow rate of the nozzle obtained based on the analysis conditions (shown in FIG. 14) for obtaining the graph of the flapper displacement characteristics. This corresponds to the servo valve of FIG. 1 in which the exhaust side passage 20 is blocked and the control side passage is opened to the atmosphere. The analysis conditions are supply pressure PS=0.6 MPa (abs), atmospheric pressure Pa=0.1 MPa (abs), and the nozzle diameter of the supply side nozzle 29 is Φ1.2 mm. From a comparison of FIGS. 14 and 15, it can be seen that the curve profiles of the flapper displacement characteristics and the nozzle flow characteristics are nearly identical.

要約すれば、フラッパ(ディスク)を薄い板厚の弾性体構造にすることにより
a.可動部の有効質量を小さくして、共振周波数を上げる。(表1参照)
b.磁気飽和現象の利用により、電流に対する流量特性の線形性を向上させる。
上記a.b.の相乗効果をもたらすのである。
In summary, by making the flapper (disk) a thin elastic body structure, a. Reduce the effective mass of the moving part to increase the resonance frequency. (See Table 1)
b. By using the magnetic saturation phenomenon, the linearity of the flow rate characteristic to the current is improved.
above a. b. brings about a synergistic effect.

2.線形化の効果指標と実測による評価
ここで、バルブ駆動電流に対するフラッパの変位(流量)特性における「線形化の効果指標」を定義する。図16は電流値に対する流量の実測値を基に、「線形化の効果指標」を求める方法を示すモデル図である。バルブは電流値:0(a点)<I<Imax(d点)の範囲で駆動されるものとする。本実施例バルブの場合、電流値に対する磁気吸引力は非線形であるために、電流値が小さい領域では電流値に対して吸引力はゆるやかに上昇し、電流値の増加と共に急峻に増大する。しかし、電流値がさらに増大して磁気飽和の領域に入ると、磁束Φ(及び吸引力F)の増大は抑制される。その結果、電流に対する流量特性(フラッパ変位特性)のプロフィールは、電流値が低い領域では下に凸、電流値が高い領域では上に凸の曲線になる。ここで、「下に凸の曲線」から「上に凸の曲線」に移り変わる変極点Eを、2つの包絡線BbとCdの交点から求める。電流に対する流量特性の曲線をAaとして、上記Bb(一点鎖線)は曲線Aaが下に凸の領域の包絡線である。また、上記Cd(一点鎖線)は、曲線Aaが上に凸の領域の包絡線である。包絡線BbとCdの交点が上記変極点Eである。変極点EのX軸座標をc、包絡線BbがX軸と交差するX軸座標をbとする。また、曲線AaのI=Imax(d点)におけるY軸との交差点をFとする。交差点Fと原点(0,0)を結ぶ直線(鎖線)をDaとする。包絡線Bbの勾配QE/Ibc(角度β)が本バルブの流量ゲイン(電流に対する流量の比)の最大値である。直線Daの勾配QF/Iad(角度α)を流量ゲインの基準値とする。ここで、「流量ゲインの最大値」に対する「流量ゲインの基準値」の比を、線形化の効果指標ηとして、次のように定義する。
2. Effect index of linearization and evaluation by actual measurement Here, the “effect index of linearization” in the displacement (flow rate) characteristic of the flapper with respect to the valve driving current is defined. FIG. 16 is a model diagram showing a method of obtaining the "linearization effect index" based on the actual measurement value of the flow rate with respect to the current value. The valve is driven in the range of current value: 0 (point a) < I < Imax (point d). In the case of the valve of this embodiment, since the magnetic attraction force is non-linear with respect to the current value, the attraction force rises gently with respect to the current value in a region where the current value is small, and increases steeply as the current value increases. However, when the current value further increases and enters the magnetic saturation region, the increase in magnetic flux Φ (and attractive force F) is suppressed. As a result, the profile of the flow rate characteristic (flapper displacement characteristic) with respect to the current becomes a downwardly convex curve in the region where the current value is low and upwardly convex in the region where the current value is high. Here, the inflection point E at which the "curve that is downwardly convex" changes to the "curve that is upwardly convex" is obtained from the intersection of the two envelopes Bb and Cd. Assuming that Aa is the curve of the flow characteristic with respect to the current, Bb (one-dot chain line) is the envelope of the downwardly convex region of the curve Aa. Cd (one-dot chain line) is the envelope of the upwardly convex region of the curve Aa. The inflection point E is the intersection of the envelopes Bb and Cd. Let c be the X-axis coordinate of the inflection point E, and b be the X-axis coordinate where the envelope Bb crosses the X-axis. Let F be the intersection of the curve Aa with the Y axis at I=Imax (point d). Let Da be the straight line (dashed line) connecting the intersection F and the origin (0, 0). The slope QE/Ibc (angle β) of the envelope Bb is the maximum value of the flow rate gain (ratio of flow rate to current) of this valve. The gradient QF/Iad (angle α) of the straight line Da is used as the reference value for the flow rate gain. Here, the ratio of the "reference value of the flow rate gain" to the "maximum value of the flow rate gain" is defined as the linearization effect index η as follows.

Figure 0007177492000014
η=1のとき、曲線Aaは直線Daと一致して、電流に対して流量は正比例の関係となり、線形性の評価はベストとなる。
Figure 0007177492000014
When η=1, the curve Aa coincides with the straight line Da, and the flow rate is directly proportional to the current, giving the best linearity evaluation.

さて、サーボバルブの電流に対する流量特性に線形性が要求される理由は次ぎのようである。サーボバルブは流体サーボ装置(アクティブ除振台)の制御系を構成する一要素であるため、電流の変化分に対する流量の変化分の比率:KQ=δQ/δIは流量ゲインとして、開ループゲインKLの中に組み込まれる。即ち、サーボバルブ以外で制御要素のゲインをKXとして各要素を結合すると、KL=KX・KQである。たとえば、安定性に対する周波数応答法を用いた裕度設定の一例として
(1)ゲイン余裕は10dB以上
(2)位相余裕は45deg以上
などの調整条件が生産現場において適用されている。サーボバルブの流量ゲイン最大値が電流値I=Imax 近傍でKQMAXの場合、アクティブ除振台全体の安定性裕度を見込むための開ループゲインKLは、上記最大値KQMAXで決定せざるを得ない。しかし、サーボバルブの動作点は、通常は駆動電流範囲の中間位置近傍(I≒Imax/2)で使用される場合が多い。そのため、電流に対する流量特性が非線形である程、動作点において必要以上に過剰なゲイン余裕を設定することになる。この場合、アクティブ除振台は最も使用時間の長い動作点において、本来有する十分な性能を発揮できない。したがって、サーボバルブの電流に対する流量特性が線形であるほど、制御系は適切な安定度(ゲイン余裕、位相余裕)を設定できるのである。
Now, the reason why the flow rate characteristic with respect to the current of the servo valve is required to be linear is as follows. Since the servo valve is one element that constitutes the control system of the fluid servo device (active vibration isolation table), the ratio of the change in flow rate to the change in current: KQ = δQ/δI is the flow rate gain, and the open loop gain KL incorporated within. That is, if the gain of the control element other than the servo valve is KX and each element is combined, KL=KX·KQ. For example, as an example of margin setting using the frequency response method for stability, adjustment conditions such as (1) gain margin of 10 dB or more (2) phase margin of 45 deg or more are applied at the production site. If the maximum value of the flow rate gain of the servo valve is KQMAX near the current value I=Imax, the open loop gain KL to anticipate the stability margin of the entire active vibration isolation table must be determined by the above maximum value KQMAX. . However, the operating point of the servo valve is usually used near the middle position (I≈Imax/2) of the drive current range in many cases. Therefore, the more nonlinear the flow rate characteristic with respect to the current, the more excessive the gain margin is set at the operating point. In this case, the active anti-vibration table cannot exhibit its original sufficient performance at the operating point where it is used for the longest time. Therefore, the more linear the flow rate characteristic with respect to the current of the servo valve, the more suitable the stability (gain margin, phase margin) can be set for the control system.

さらに補足すれば、サーボバルブの電流に対する発生圧力(発生力)の特性が線形性を有するのが好ましい。これは、本サーボバルブをアクティブ制御装置に適用したときに要求される条件である。前述したように、フィードフォワード制御は外乱が既知であって始めて成立する。上記ステージFF制御を施すためには、既知であるステージ挙動信号を用いる。フィードバック制御により定盤の自由振動が収束する時間は改善されるが、ステージ加減速の瞬間の応答まで低減するのは難しい。ステージFF制御を用いて、直動外乱を効果的に相殺するためには、ステージの加速度信号を逆位相で再現する、精度の高い発生力の波形を作る必要がある。そのためには、バルブ駆動電流波形と発生圧力の波形が相似形になるように、すなわち、バルブ駆動電流に対する発生圧力(発生力)の特性が、動作点を中心に広い範囲で線形性を持つ必要がある。 Supplementally, it is preferable that the characteristics of the generated pressure (generated force) with respect to the current of the servo valve have linearity. This is a requirement when applying this servo valve to an active control device. As described above, the feedforward control is established only when the disturbance is known. A known stage behavior signal is used to perform the stage FF control. Feedback control improves the convergence time of the free vibration of the surface plate, but it is difficult to reduce the instantaneous response of stage acceleration/deceleration. In order to effectively cancel the linear motion disturbance using the stage FF control, it is necessary to create a highly accurate generated force waveform that reproduces the acceleration signal of the stage in the opposite phase. For this reason, the valve driving current waveform and the generated pressure waveform must be similar, that is, the characteristics of the generated pressure (generated force) with respect to the valve driving current must have linearity over a wide range centering on the operating point. There is

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図17に、「線形化の効果指標」を求めるためのバルブの流量特性を実測する一例を示す。バルブの基本構造は、図1の実施形態で示した順方向ノズルと逆方向ノズルが対向して配置される2ノズル型を用いた場合を想定している。「線形化の効果指標」は電流に対するフラッパの変位特性からも求められるが、フラッパ変位の計測はバルブの構造面から容易ではない場合が多い。しかし、フラッパ変位特性と電流値に対するプロフィールがほぼ同一なバルブの流量特性は、バルブ本体を解体することなく、図17に示す方法で求められる。 FIG. 17 shows an example of actually measuring the flow rate characteristics of the valve for obtaining the "linearization effect index". As for the basic structure of the valve, it is assumed that the two-nozzle type shown in the embodiment of FIG. 1, in which the forward nozzle and the reverse nozzle are arranged facing each other, is used. The "linearization effect index" can also be obtained from the displacement characteristics of the flapper against the current, but measurement of the flapper displacement is often not easy due to the structure of the valve. However, the flow rate characteristic of a valve having substantially the same profile with respect to the current value as the flapper displacement characteristic can be obtained by the method shown in FIG. 17 without dismantling the valve body.

図17において、230は測定対象となるバルブ、231はこのバルブを駆動する電源、232は制御ポート、233は供給圧力源234に繋がる供給口、235は排気口、236は流量計である。排気ポート235を遮断した状態で、制御ポート232の大気解放時の流量を測定すれば、「線形化の効果指標」を評価するために必要な、電流値に対するバルブの流量特性を求めることができる。図1の実施形態の場合は、フラッパに対向して配置された一個のノズル(この場合は順方向ノズル)とフラッパ間の流量である。本方法により、バルブの詳細な構造に関わり無く、「線形化の効果指標」を求めることができる。 In FIG. 17, 230 is a valve to be measured, 231 is a power supply for driving this valve, 232 is a control port, 233 is a supply port connected to a supply pressure source 234, 235 is an exhaust port, and 236 is a flow meter. By measuring the flow rate when the control port 232 is open to the atmosphere while the exhaust port 235 is shut off, it is possible to obtain the flow rate characteristics of the valve with respect to the current value, which is necessary for evaluating the "linearization effect index." . In the case of the embodiment of FIG. 1, it is the flow rate between one nozzle (in this case, the forward nozzle) arranged opposite to the flapper and the flapper. With this method, the "linearization effect index" can be obtained regardless of the detailed structure of the valve.

3.磁気飽和現象利用の評価方法
本実施例は、電流値の増大と共にフラッパの変位(流量)特性が、本来ならば急峻に立ち上がる領域に磁気飽和現象を利用することで、線形性(制御性)の優れた特性を得ることができる点を利用したものである。したがって、閉ループ磁気回路を構成するいずれかの要素が、バルブの動作範囲内で磁気飽和することが本実施例を適用する上で前提条件となる。磁気飽和現象を利用せず、電流に対してフラッパ変位が急峻に立ち上がる手前でバルブ電流の上限値を設定しても、サーボバルブとして適用は可能である。但し、大きなフラッパ変位(流量)は得られない。
3. Evaluation Method Using Magnetic Saturation Phenomenon In this embodiment, the magnetic saturation phenomenon is used in the region where the displacement (flow rate) characteristic of the flapper rises steeply as the current value increases. It utilizes the fact that excellent characteristics can be obtained. Therefore, it is a precondition for applying this embodiment that any one of the elements constituting the closed loop magnetic circuit is magnetically saturated within the operating range of the valve. Even if the upper limit of the valve current is set before the flapper displacement rises sharply with respect to the current without using the magnetic saturation phenomenon, it can be applied as a servo valve. However, a large flapper displacement (flow rate) cannot be obtained.

また磁気飽和現象を利用して、前記電磁石に通電させる電流の最大値近傍で、電流に対する流量特性は上に凸の曲線となるように、即ち変曲点(モデル図16のE点)を有するように構成することで、次の効果が得られる。図4を用いて説明すれば、フラッパ24と磁極31間の隙間(初期ギャップ)は裕度を持って設定できる。上記磁気飽和現象を利用しなければ、部材の加工・組み立て精度、電磁石吸引力特性、磁性材料の磁気特性などの僅かなばらつきにより、電流に対してフラッパ変位(流量)が急峻に立ち上がる領域に入ってしまうため、不安定なバルブ特性になりやすい。 In addition, by utilizing the magnetic saturation phenomenon, the flow rate characteristic with respect to the current near the maximum value of the current flowing through the electromagnet has an upwardly convex curve, that is, has an inflection point (point E in the model diagram 16). The following effects can be obtained by configuring as follows. 4, the gap (initial gap) between the flapper 24 and the magnetic pole 31 can be set with a margin. If the above magnetic saturation phenomenon is not used, the flapper displacement (flow rate) will rise sharply with respect to the current due to slight variations in the processing and assembly accuracy of the parts, the characteristics of the attractive force of the electromagnet, and the magnetic characteristics of the magnetic material. As a result, unstable valve characteristics tend to occur.

ここで、電磁石、ノズル、フラッパなどの要素部品から構成されるサーボバルブの構造を想定する。このとき、各要素部品の形状、バルブ全体構成などは任意とする。磁気飽和現象を利用したサーボバルブを具体化するために、次の方法で本実施例発明の適用可否を評価する。 Here, assume the structure of a servo valve composed of element parts such as an electromagnet, a nozzle, and a flapper. At this time, the shape of each component part, the overall configuration of the valve, etc. are arbitrary. In order to embody a servo valve that utilizes the magnetic saturation phenomenon, applicability of the present invention is evaluated by the following method.

i.閉ループ磁気回路の磁気抵抗の総和を求める。
ノズルフラッパ間の磁気抵抗Raは、電流最大値I=Imaxのとき最小となる。このときのノズルフラッパ間の距離をδn(図4参照)、磁極面積をSとして、Ra=δn/(μ0S)である。上記磁気抵抗Ra以外の線形磁気抵抗の総和をRXとして、閉ループ磁気回路の磁気抵抗の総和は、RS=Ra+ RXである。線形磁気抵抗とは、透磁率μが一定で、磁化力Hと磁束密度Bの関係が正比例関係(B=μH)にある、と仮定した場合の磁気抵抗を示す。
i. Find the total reluctance of the closed-loop magnetic circuit.
The magnetic resistance Ra between the nozzle flappers becomes minimum when the current maximum value I=Imax. At this time, Ra=.delta.n/(.mu.0S) where .delta.n is the distance between the nozzle flappers (see FIG. 4) and S is the magnetic pole area. Let RX be the sum of the linear magnetic resistances other than the magnetic resistance Ra, and the sum of the magnetic resistances of the closed-loop magnetic circuit is RS=Ra+RX. The linear magnetoresistance indicates the magnetoresistance when it is assumed that the magnetic permeability μ is constant and the relationship between the magnetizing force H and the magnetic flux density B is in a direct proportional relationship (B=μH).

ii.閉ループ磁気回路に発生する磁束の最大値を求める
電磁コイルの巻数をNとして、起磁力の最大値Emax=N×Imaxであり、磁束の最大値はΦmax= N×Imax /RSである。
ii. The maximum value of the magnetomotive force is Emax=N×Imax, and the maximum value of the magnetic flux is Φmax=N×Imax/RS, where N is the number of turns of the electromagnetic coil for obtaining the maximum value of the magnetic flux generated in the closed loop magnetic circuit.

iii.磁気飽和が発生し易い箇所の磁束密度Bmaxを求める。
閉ループ磁気回路において、(1)磁路面積の最も狭い箇所、あるいは、(2)飽和磁束密度の最も小さな磁性材料を用いている箇所、上記(1)(2)に注目し、その磁路面積をScとすれば、磁束密度Bmax=Φmax / Scである。
iii. Find the magnetic flux density Bmax at a location where magnetic saturation is likely to occur.
In the closed loop magnetic circuit, (1) the point with the narrowest magnetic path area, or (2) the point where a magnetic material with the smallest saturation magnetic flux density is used, focusing on the above (1) and (2), the magnetic path area is Sc, magnetic flux density Bmax=Φmax/Sc.

iv.磁気飽和現象発生の評価
ここで、上記(1)(2)の箇所に用いる磁性材料の「磁化力に対する磁束密度特性
(BH特性)」を評価データ(図11参照)として用いる。線形領域と磁気飽和領域の境界域(磁化力境界値Hc)における磁束密度境界値Bcと、上記Bmaxの大きさを比較する。Bmax<Bcならば、磁気飽和現象は発生せず、磁気回路は線形領域内で使
用されている。Bmax>Bcならば、磁気飽和現象が上記(1)(2)の箇所で発生しており、本実施例の発明を適用する上で前提条件を満足していることが分かる。
iv. Evaluation of Occurrence of Magnetic Saturation Here, the "magnetic flux density characteristics (BH characteristics) with respect to the magnetizing force" of the magnetic materials used in the above (1) and (2) are used as evaluation data (see FIG. 11). The magnetic flux density boundary value Bc in the boundary region (magnetic force boundary value Hc) between the linear region and the magnetic saturation region is compared with the magnitude of Bmax. If Bmax<Bc, the magnetic saturation phenomenon does not occur and the magnetic circuit is used within the linear region. If Bmax>Bc, the magnetic saturation phenomenon occurs at the points (1) and (2) above, which means that the preconditions for applying the invention of this embodiment are satisfied.

<第3の実施形態>
図18は、本発明の実施形態3に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、フラッパに相当するディスクを凸形円盤形状にすることにより、ディスクを流れる磁束の磁気飽和現象を利用する箇所と、ディスクのバネ剛性を設定する箇所を2つに分離したバルブ形態を示すものである。
<Third Embodiment>
FIG. 18 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 3 of the present invention. 1 and 2 show a valve configuration in which the location for setting the spring stiffness of the disk is separated into two.

110は筒部形状の中心軸、111はこの中心軸の底部、112は前記中心軸と同芯円で形成された外枠部、113は前記中心軸に装着されたコイルボビン、114は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸111、外枠部112、コイルボビン113、コイル114により、フラッパ(後述)の面板部を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータを構成している。 Reference numeral 110 denotes a central axis of the tubular shape, 111 denotes a bottom portion of the central axis, 112 denotes an outer frame formed concentrically with the central axis, 113 denotes a coil bobbin mounted on the central axis, and 114 denotes the coil bobbin. It is a wound coil. The central shaft 111, the outer frame portion 112, the coil bobbin 113, and the coil 114 constitute an electromagnetic actuator that attracts a face plate portion of a flapper (described later) and controls its displacement.

115は外枠部12を収納する筒形状のハウジング、116は前記ハウジングの側面に締結される排気側底板、117は底部111と排気側底板116を締結するボルト、118はハウジング115と排気側底板116を締結するボルト、119は中心軸110に形成された気体(作動流体)の排気側流通路、120は排気側底板116に形成された吐出口である。121は供給側底板、122は前記供給側底板の中心部に形成された気体の供給側流路、123は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる気体の制御側流路である。124は凸型ディスク形状のフラッパでボルト125によりハウジング115と供給側底板121の間に装着される。 Reference numeral 115 denotes a cylindrical housing that houses the outer frame portion 12; 116, an exhaust-side bottom plate fastened to the side surface of the housing; 117, bolts for fastening the bottom portion 111 and the exhaust-side bottom plate 116 together; 118, the housing 115 and the exhaust-side bottom plate. A bolt 116 is fastened, 119 is an exhaust-side flow passage for gas (working fluid) formed in the central shaft 110, and 120 is a discharge port formed in the exhaust-side bottom plate 116. FIG. 121 is a supply-side bottom plate, 122 is a gas supply-side channel formed in the center of the supply-side bottom plate, and 123 is a gas control-side channel connected to a pneumatic actuator (not shown). Reference numeral 124 denotes a convex disk-shaped flapper which is mounted between the housing 115 and the supply side bottom plate 121 with bolts 125 .

フラッパ124は板厚の厚い凸部124a(磁気経路部)と、板厚の薄い外周部(弾性支持部)124bにより構成される。126は供給側底板121とフラッパ124の間に形成される供給側空隙部、127はフラッパ124と前記ハウジング側との間に形成される排気側空隙部、128a、128b、128c、128dはフラッパに形成された流通穴(図18には128b、128dは図示せず)、129は供給側ノズル(順方向ノズル)、130は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。131は中心軸110のフラッパ側端面(中心軸端面で第1磁極)、132は外枠部のフラッパ側端面(外枠部端面で第2磁極)、133は吸入口である。 The flapper 124 is composed of a thick convex portion 124a (magnetic path portion) and a thin peripheral portion (elastic support portion) 124b. Reference numeral 126 denotes a supply-side clearance formed between the supply-side bottom plate 121 and the flapper 124; 127, an exhaust-side clearance formed between the flapper 124 and the housing; Formed flow holes (128b and 128d are not shown in FIG. 18), 129 is a supply side nozzle (forward direction nozzle), and 130 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). Reference numeral 131 denotes a flapper-side end face of the central shaft 110 (first magnetic pole at the end face of the central shaft), 132 a flapper-side end face of the outer frame portion (second magnetic pole at the end face of the outer frame portion), and 133 a suction port.

図19は図18における中心軸110、フラッパ124、コイル114等の部品で形成される閉ループ磁気回路のモデル図である。なおこのモデル図では、供給側底板121、供給側ノズル129などは省略している。 本実施例バルブのフラッパは、半径r2、厚みh2の凸部を有するが、半径r= r1の箇所(磁路面積S1=2πr1h2)がディスクを放射状に流れる磁束の流出源で、前述した磁気飽和を調節する最大磁束コントロール面である。フラッパの外周部(r2<r< r3)の厚みh1はh2と比べて十分に薄く、弾性変形し易い。また凸部の外半径r2は、外枠部端面132(第2磁極)の外半径r4と比べて、r2<r4でも良い。その理由は、半径r= r1を磁気飽和の調節箇所とした場合、2つの磁路面積S1(2πr1h2)とS2(2πr2h1)において、S1<S2となればよいからである。この場合、弾性変形部(r2<r<r3)の区間を十分に長く取れるため、厚みh1は極度に薄い値に設定しなくてもよい。 FIG. 19 is a model diagram of a closed loop magnetic circuit formed by parts such as the central shaft 110, the flapper 124, and the coil 114 in FIG. In this model diagram, the supply side bottom plate 121, the supply side nozzle 129, etc. are omitted. The flapper of the valve of this embodiment has a protrusion with a radius of r2 and a thickness of h2. is the maximum flux control surface that regulates the The thickness h1 of the outer peripheral portion (r2<r<r3) of the flapper is sufficiently thinner than h2 and easily elastically deformed. Also, the outer radius r2 of the convex portion may be r2<r4 when compared with the outer radius r4 of the outer frame portion end surface 132 (second magnetic pole). The reason for this is that when the radius r=r1 is used as the magnetic saturation adjustment point, S1<S2 should be satisfied in the two magnetic path areas S1 (2πr1h2) and S2 (2πr2h1). In this case, since the section of the elastic deformation portion (r2<r<r3) can be sufficiently long, the thickness h1 need not be set to an extremely thin value.

図20は、板厚形状とばね剛性の異なる3種類のフラッパ形状を想定して、電流値に対するフラッパ変位を比較したものである。図21は、電流値に対する電磁石の発生力を比較したものである。図20、図21から、同一電流値のとき次のようである。 FIG. 20 compares the flapper displacement with respect to the current value, assuming three types of flapper shapes with different plate thickness shapes and spring stiffnesses. FIG. 21 compares the generated force of the electromagnet with respect to the current value. From FIGS. 20 and 21, it is as follows when the current value is the same.

i.変位の大きさはC>B>A
ii.発生力の大きさはC>A>B
変位と発生力でAとBが逆転する理由は、次のようである。発生力でA>Bとなるのは、板厚の厚いAの方がBと比べて磁気飽和が緩和されるからである。しかし変位でA<Bとなるのは、ディスクのばね剛性が板厚の3乗に比例するため、ばね剛性はA>>Bであるからである。ディスク中心部が同じ板厚のCとAを比較したとき、発生力がC>Aとなる理由は、CはAと比べて変形し易く、同一電流値でディスクと磁極間のCのギャップはAと比べて小さくなるからである。上記結果から、凸形状のディスクは均一厚みのディスクと比べて、十分な線形性を維持したままで、同一の電流値でより大きな変位を得ることができる。
i. The magnitude of the displacement is C>B>A
ii. The magnitude of the generated force is C>A>B
The reason why A and B are reversed due to displacement and generated force is as follows. The reason why the generated force is A>B is that A, which is thicker than B, has less magnetic saturation. However, the reason why the displacement is A<B is that the spring stiffness of the disc is proportional to the cube of the plate thickness, and thus the spring stiffness is A>>B. When comparing C and A, which have the same plate thickness at the center of the disk, the reason why the generated force is C>A is that C deforms more easily than A, and the gap between the disk and the magnetic pole at the same current value is This is because it is smaller than A. From the above results, it can be seen that the convex disk can obtain a larger displacement at the same current value than the uniform thickness disk while maintaining good linearity.

図22は、前述した3種類のフラッパ形状を有するバルブ(図18の構造)において、排気口120を遮断した状態における電流値に対する制御流量を比較したものである。解析条件は、供給圧力PS=0.6MPa(abs)、大気圧P0=0.1MPa(abs)、供給側ノズル129と排気側ノズル130のノズル径は共にΦ1.2mmである。3種類のフラッパ形状を有するバルブはいずれも、電流値I=0のときフラッパ124によって供給側ノズル129が遮断される場合を想定している。最大電流値I=0.025Aのとき排気側ノズル130が遮断されるためには、排気側ノズル130先端部の突出量δn(図4a参照)を次のように設定すればよい。δaをI=0.025Aのときのフラッパ変位として、Type Aはδn=X0-δa=0.222mm、Type Bはδn=0.207mm、Type Cはδn=0.135mmである。 FIG. 22 compares the control flow rate with respect to the current value when the exhaust port 120 is shut off in valves having the three types of flapper shapes (the structure of FIG. 18). The analysis conditions are supply pressure PS=0.6 MPa (abs), atmospheric pressure P0=0.1 MPa (abs), and nozzle diameters of the supply side nozzle 129 and the exhaust side nozzle 130 are both Φ1.2 mm. All of the valves having the three types of flapper shapes assume that the supply side nozzle 129 is shut off by the flapper 124 when the current value I=0. In order to block the exhaust side nozzle 130 when the maximum current value I=0.025 A, the projection amount .delta.n (see FIG. 4a) of the tip portion of the exhaust side nozzle 130 should be set as follows. Where Δa is the flapper displacement when I=0.025A, Type A has Δn=X0−Δa=0.222 mm, Type B has Δn=0.207 mm, and Type C has Δn=0.135 mm.

図23は、本発明の実施形態3に係る空気圧サーボバルブにおいて、フラッパに相当するディスクを凹型円盤形状にしたものである。140は中心軸、141はフラッパ、142はコイル、143はコイル外枠部、144aと144bはフラッパ固定部である。フラッパ141は板厚の薄い141a(磁気経路部)と、板厚の薄い外周部(弾性支持部)141bにより構成される。ディスクが凹型円盤形状の場合、ディスクの中央部では、板厚が薄いため磁気飽和により吸引力の発生は抑制される。ディスク外周部では、板厚が厚いためディスクは変形しにくい。空気圧サーボバルブの適用対象によって、たとえば、ディスク変形量(流量)が微小でもよい場合に本構造は適用できる。あるいは、弾性支持部141bに流通穴を数多く形成して、板厚が厚くても剛性を小さくした場合(たとえば第7の実施形態)などにも本構造は適用できる。 FIG. 23 shows a pneumatic servo valve according to Embodiment 3 of the present invention, in which a disc corresponding to a flapper is formed in a concave disk shape. 140 is a central axis, 141 is a flapper, 142 is a coil, 143 is a coil outer frame portion, and 144a and 144b are flapper fixing portions. The flapper 141 is composed of a thin plate thickness 141a (magnetic path portion) and a thin plate thickness peripheral portion (elastic support portion) 141b. If the disk has a concave disk shape, the plate thickness is thin at the center of the disk, so magnetic saturation suppresses the generation of attractive force. Since the plate thickness is thick at the outer circumference of the disk, the disk is less likely to deform. Depending on the application of the pneumatic servo valve, this structure can be applied, for example, when the disk deformation amount (flow rate) may be very small. Alternatively, this structure can also be applied to a case where a large number of circulation holes are formed in the elastic support portion 141b to reduce the rigidity even if the plate thickness is large (for example, the seventh embodiment).

<第4の実施形態>
図24は、本発明の実施形態4に係る空気圧サーボバルブの正面断面図である。
中心軸のフラッパ側端面(第1磁極)において、ノズル開口部と中心軸外周部の間に半径方向流通路を形成することにより、小さな電流値で大きなフラッパ変位(流量)を得ることができるバルブ構成を示すものである。50は筒部形状の中心軸、51はこの中心軸の底部、52は外枠部、53はコイルボビン、54はコイル、55は筒形状のハウジング、56は前記ハウジングの排気側底部、57は締結ボルト、58及び59は排気側流通路である。60は供給側底板、61は供給側流路、62は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。63は凸型ディスク形状のフラッパでボルト64によりハウジング55と供給側底板60の間に装着される。フラッパ63は板厚の厚い凸部63a(磁気経路部)と、板厚の薄い外周部(弾性支持部)63bにより構成される。64は供給側空隙部、65は排気側空隙部である。66a、66b、66c、66dは円盤ディスク形状フラッパに形成された流通穴(図24には66b、66dは図示せず)、67は供給側ノズル(順方向ノズル)の開口部、68は排気側ノズル(逆方向ノズル)の開口部である。69は中心軸50のフラッパ側端面(中心軸端面で第1磁極)、70は外枠部のフラッパ側端面(外枠部端面で第2磁極)である。
<Fourth Embodiment>
24 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 4 of the present invention. FIG.
A valve that can obtain a large flapper displacement (flow rate) with a small current value by forming a radial flow passage between the nozzle opening and the outer peripheral portion of the central shaft at the flapper side end surface (first magnetic pole) of the central shaft. It shows the configuration. 50 is the central axis of the cylindrical portion, 51 is the bottom of this central axis, 52 is the outer frame portion, 53 is the coil bobbin, 54 is the coil, 55 is the cylindrical housing, 56 is the exhaust side bottom of the housing, and 57 is the fastening. Bolts 58 and 59 are exhaust side passages. 60 is a supply side bottom plate, 61 is a supply side channel, and 62 is a control side channel connected to a pneumatic actuator (not shown). A convex disk-shaped flapper 63 is mounted between the housing 55 and the supply side bottom plate 60 with a bolt 64 . The flapper 63 is composed of a thick convex portion 63a (magnetic path portion) and a thin peripheral portion (elastic support portion) 63b. 64 is a supply side gap, and 65 is an exhaust side gap. 66a, 66b, 66c, and 66d are flow holes formed in the disk-shaped flapper (66b and 66d are not shown in FIG. 24), 67 is the opening of the supply side nozzle (forward direction nozzle), and 68 is the exhaust side. This is the opening of the nozzle (reverse nozzle). Reference numeral 69 denotes a flapper-side end face of the central shaft 50 (first magnetic pole at the central shaft end face), and 70 a flapper-side end face of the outer frame portion (second magnetic pole at the outer frame end face).

図25は排気ノズル及び吸気ノズル近傍の部分拡大図で、図25aは図25bのAA矢視図で、フラッパが吸気ノズルを遮蔽した状態、図25bは図25cのBB矢視図、図25cはコイルに電流が印加された状態を示す。本実施例では、排気ノズル及び吸気ノズルは図1の実施例のように別部品を装着するのではなく、中心軸50及び供給側ハウジング60を利用して一体で形成した。71a、71b、71cは第1磁極69のフラッパ側端面に形成した流通溝、72は排気ノズル開口部68と第1磁極69の間に形成した窪み部、73は排気ノズル開口部68の外周側に形成されたテーパ部である。前記流通溝の溝深さは充分に深く、0.3~0.5mmに形成した。 Fig. 25 is a partial enlarged view of the vicinity of the exhaust nozzle and the intake nozzle, Fig. 25a is an AA view of Fig. 25b showing a state in which the flapper blocks the intake nozzle, Fig. 25b is a BB arrow view of Fig. 25c, and Fig. 25c is a view of the intake nozzle. It shows a state in which a current is applied to the coil. In this embodiment, the exhaust nozzle and the intake nozzle are integrally formed by using the center shaft 50 and the supply side housing 60 instead of attaching separate parts as in the embodiment of FIG. Reference numerals 71a, 71b, and 71c denote circulation grooves formed on the flapper-side end surface of the first magnetic pole 69, 72 a depression formed between the exhaust nozzle opening 68 and the first magnetic pole 69, and 73 the outer peripheral side of the exhaust nozzle opening 68. It is a tapered portion formed in the The groove depth of the circulation groove was sufficiently deep and formed to 0.3 to 0.5 mm.

本実施例では、排気ノズル開口部68は第1磁極69端面に対して、δn=0.046mm(δnは図4a参照)だけ僅かに突出させた状態で形成した。したがって、フラッパ63が排気ノズル開口部68を遮蔽したとき、第1磁極端面69とフラッパ63の間隙は上記δnの狭い値になる。しかし、この場合でも排気ノズル開口部68の外周側(窪み部72)と排気側空隙部64は、溝深さが充分に深い前記流通溝と連絡しており、排気ノズル開口部68の外周側圧力は排気側空隙部64、吸気側空隙部64と同一の圧力を保つことができる。 In this embodiment, the exhaust nozzle opening 68 is formed so as to protrude slightly from the end surface of the first magnetic pole 69 by .delta.n=0.046 mm (.delta.n is shown in FIG. 4a). Therefore, when the flapper 63 shields the exhaust nozzle opening 68, the gap between the first magnetic pole end face 69 and the flapper 63 becomes the narrow value of .delta.n. However, even in this case, the outer peripheral side (recessed portion 72) of the exhaust nozzle opening 68 and the exhaust-side gap 64 communicate with the circulation groove having a sufficiently deep groove depth, and the outer peripheral side of the exhaust nozzle opening 68 The pressure can be maintained at the same pressure as the exhaust-side gap 64 and the intake-side gap 64 .

図26は、電流値に対するフラッパ変位特性を示すもので、下記2ケースを比較したものである。
i.排気ノズル開口部68を、第1磁極69端面に対して僅かにδnだけ突出させて形成(本実施形態で初期ギャップX0=0.15mm、ノズル突出量δn=0.046mm)
ii.排気ノズル開口部を、第1磁極から充分な距離を保って突出させる(実施形態3の構造でX0=0.25mm、δn=0.135mmに設定した場合)
FIG. 26 shows flapper displacement characteristics with respect to current values, and compares the following two cases.
i. The exhaust nozzle opening 68 is formed to protrude slightly from the end face of the first magnetic pole 69 by δn (initial gap X0 = 0.15 mm, nozzle protrusion amount δn = 0.046 mm in this embodiment).
ii. Make the exhaust nozzle opening protrude with a sufficient distance from the first magnetic pole (when X0 = 0.25 mm and δn = 0.135 mm in the structure of Embodiment 3)

上記ii.でδn=0.135mmに設定した理由は次のようである。ノズル突出量δnを小さくすると、半径方向流路の空気抵抗が増大して、第1磁極69の外径を総面積Sとする空隙部全体が大気圧(PS =0.1MPa)に近くなる可能性がある。この場合、前記フラッパ左右の圧力差に比例した力f=(Pa-PS)Sが前記フラッパに加わることになる。実験の結果、前記フラッパは前記第1磁極面に密着した状態となり、フラッパ変位(制御圧力)の電流制御に支障をきたすことがわかった。したがって、充分な距離を保って、突出量δnの値を設定するのが好ましい。上記ii.の条件では、変位X=0.102mm(このとき制御圧Pa =0.6MPa)に到達(B点)するために電流値I=0.025Aを必要とする。上記i.の本実施形態では、δnを十分に小さくしても安定したフラッパ変位の電流制御ができ、同変位(同制御圧)に到達(A点)する電流値はI=0.015Aである。 ii. above. The reason for setting Δn=0.135 mm is as follows. If the nozzle protrusion amount δn is reduced, the air resistance in the radial flow path increases, and the entire air gap with the total area S of the outer diameter of the first magnetic pole 69 may approach atmospheric pressure (PS = 0.1 MPa). There is In this case, force f=(Pa-PS)S proportional to the pressure difference between the left and right sides of the flapper is applied to the flapper. As a result of the experiment, it was found that the flapper was brought into close contact with the first magnetic pole surface, which hindered the current control of the flapper displacement (control pressure). Therefore, it is preferable to set the value of the protrusion amount Δn while maintaining a sufficient distance. ii. above. Under the condition of , a current value I = 0.025 A is required to reach (point B) the displacement X = 0.102 mm (control pressure Pa = 0.6 MPa at this time). above i. In this embodiment, stable flapper displacement current control is possible even if Δn is sufficiently small, and the current value at which the same displacement (same control pressure) is reached (point A) is I=0.015A.

<第5の実施形態>
図27は、本発明の実施形態5に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、
外枠部のフラッパ弁側端面をフラッパ面と密着させることで、第2磁極を省略して、第1磁極だけでフラッパに対する吸引作用を得るように磁気回路を形成したものである。この構成により、凸形状フラッパの弾性支持部の外径を小さくできるため、サーボバルブ本体の外径(ΦD)を小さくできる。たとえば、アクティブ除振台の場合、ステージの4隅を支持する空気圧ユニットには、多軸の空気圧アクチュータが装着される。空気圧アクチュータとサーボバルブの制御ポート間は近接して配置する必要があるため、サーボバルブ本体の外径(ΦD)は出来るだけ小さくするのが好ましい。
<Fifth Embodiment>
27 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 5 of the present invention,
By bringing the flapper valve-side end surface of the outer frame into close contact with the flapper surface, the second magnetic pole is omitted, and a magnetic circuit is formed so that the first magnetic pole alone can obtain the attraction to the flapper. With this configuration, the outer diameter of the elastic support portion of the convex flapper can be reduced, so that the outer diameter (ΦD) of the servo valve main body can be reduced. For example, in the case of an active vibration isolation table, multi-axis pneumatic actuators are attached to the pneumatic units that support the four corners of the stage. Since the pneumatic actuator and the control port of the servovalve need to be arranged close to each other, it is preferable to make the outside diameter (ΦD) of the servovalve body as small as possible.

150は筒部形状の中心軸、151はこの中心軸の底部、152は前記中心軸の外枠部、153はコイルボビン、154はコイル、155は筒形状のハウジング、156はこのハウジング底部、157は締結ボルト、158は排気側流通路、159は吐出口、160は供給側ハウジング、161は供給側流路、162は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路、163は凸形円盤形状のフラッパでフラッパ163は板厚の厚い凸部(磁気経路部)164と、板厚の薄い外周部(弾性変形部)165により構成される。166は供給側空隙部、167は排気側空隙部、168a、168b、168c、168dはフラッパ163に形成された流通穴(168b、168dは図示せず)、169は供給側ノズル(順方向ノズル)開口部、170は排気側ノズル(逆方向ノズル)開口部、171は電磁石の磁極、172は中心軸の外枠部152のフラッパ側端面であり、フラッパ163と密着している。173は吸入口である。 Reference numeral 150 denotes a cylindrical central shaft, 151 a bottom portion of the central shaft, 152 an outer frame portion of the central shaft, 153 a coil bobbin, 154 a coil, 155 a cylindrical housing, 156 a bottom portion of the housing, and 157 a bottom portion of the housing. 158 is an exhaust-side flow passage, 159 is a discharge port, 160 is a supply-side housing, 161 is a supply-side flow passage, 162 is a control-side flow passage connected to a pneumatic actuator (not shown), and 163 is a convex disc shape. The flapper 163 is composed of a convex portion (magnetic path portion) 164 with a thick plate and a peripheral portion (elastic deformation portion) 165 with a thin plate. 166 is a supply-side gap, 167 is an exhaust-side gap, 168a, 168b, 168c, and 168d are circulation holes formed in the flapper 163 (168b and 168d are not shown), and 169 is a supply-side nozzle (forward nozzle). An opening 170 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) opening, 171 is a magnetic pole of an electromagnet, and 172 is a flapper side end surface of the outer frame portion 152 of the central shaft, which is in close contact with the flapper 163 . 173 is an intake port.

<第6の実施形態>
図28は、本発明の実施形態6に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、コイル外径よりも径小のリング形状の第2磁極を、閉ループ磁気回路内に設けることにより、磁気吸引力を維持したままで、サーボバルブ本体の外径(ΦD)を小型化したものである。すなわち、バルブ本体小型化に伴う弾性変形部の磁気飽和の影響(吸引力低下)を解消するものである。250は筒部形状の中心軸、251はこの中心軸の底部、252は前記中心軸(支持軸)の外枠部、253はコイルボビン、254はコイルである。255は筒形状のハウジング、256はこのハウジング底部、257は締結ボルト、258は排気側流通路、259は吐出口、260は供給側ハウジング、261は供給側流路、262は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。263は凸形円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)264と、板厚の薄い外周部(弾性変形部)265により構成される。266は供給側空隙部、267は排気側空隙部である。268a、268b、268c、268dはフラッパ263に形成された流通穴(268b、268dは図示せず)、269は供給側ノズル(順方向ノズル)開口部、270は排気側ノズル(逆方向ノズル)開口部、271は電磁石の第1磁極、272は中心軸の外枠部252のフラッパ側端面、273は締結ボルト、274はハウジング底部256とハウジング255を締結するボルトである。275は外枠部252のフラッパ側端面272とハウジング255の間に矜持された磁極用リング、276はこの磁極用リングのフラッパ263側端面に形成された第2磁極である。277は磁極用リング275とフラッパ265の間に介在するハウジング255の一部で、このハウジング255は非磁性材料で構成されている。278は吸入口である。
<Sixth Embodiment>
FIG. 28 is a front cross-sectional view of a pneumatic servovalve according to Embodiment 6 of the present invention. By providing a ring-shaped second magnetic pole with a diameter smaller than the outer diameter of the coil in the closed-loop magnetic circuit, the magnetic attraction force The outer diameter (ΦD) of the servo valve body is reduced while maintaining the That is, the effect of magnetic saturation (decrease in attractive force) of the elastically deformable portion due to the miniaturization of the valve body is eliminated. Reference numeral 250 denotes a cylindrical center shaft, 251 a bottom portion of the center shaft, 252 an outer frame portion of the center shaft (support shaft), 253 a coil bobbin, and 254 a coil. 255 is a cylindrical housing, 256 is the bottom of this housing, 257 is a fastening bolt, 258 is an exhaust side flow path, 259 is a discharge port, 260 is a supply side housing, 261 is a supply side flow path, and 262 is a pneumatic actuator (not shown). ) is the control-side flow path connected to Reference numeral 263 denotes a convex disk-shaped flapper, which is composed of a thick convex portion (magnetic path portion) 264 and a thin peripheral portion (elastic deformation portion) 265 . 266 is a supply side gap, and 267 is an exhaust side gap. 268a, 268b, 268c, and 268d are circulation holes (268b and 268d are not shown) formed in the flapper 263, 269 is a supply side nozzle (forward direction nozzle) opening, and 270 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) opening. 271 is the first magnetic pole of the electromagnet; 272 is the flapper side end surface of the outer frame 252 of the central axis; 273 is a fastening bolt; A magnetic pole ring 275 is held between the flapper side end face 272 of the outer frame portion 252 and the housing 255, and a second magnetic pole 276 is formed on the flapper 263 side end face of the magnetic pole ring. A portion 277 of the housing 255 interposed between the magnetic pole ring 275 and the flapper 265 is made of a non-magnetic material. 278 is an intake port.

図29は、磁極を一個だけ設けた前述した第5実施形態の閉ループ磁気回路、図30は第1磁極に加えて第2磁極を補助的に設けた本実施形態の閉ループ磁気回路の拡大図である。図29の場合、閉ループ磁気回路は、「中心軸150→磁極171→磁気経路部164→弾性変形部165→外枠部152」の経路を経る。 FIG. 29 is an enlarged view of the closed loop magnetic circuit of the above-described fifth embodiment in which only one magnetic pole is provided, and FIG. be. In the case of FIG. 29, the closed loop magnetic circuit passes through the route of "center axis 150→magnetic pole 171→magnetic path portion 164→elastic deformation portion 165→outer frame portion 152".

図30に示す本実施形態の場合、閉ループ磁気回路は、「中心軸250→第1磁極271→磁気経路部264→第2磁極276→磁極用リング275→外枠部252」の経路を経る。上記2つの閉ループ磁気回路の違いは、図29の磁気回路が弾性変形部165を経るのに対して、図30の磁気回路では弾性変形部265をスキップ(離脱)して閉ループを描くという点である。 In the case of this embodiment shown in FIG. 30, the closed loop magnetic circuit passes through the route of "center axis 250→first magnetic pole 271→magnetic path portion 264→second magnetic pole 276→magnetic pole ring 275→outer frame portion 252". The difference between the two closed loop magnetic circuits is that the magnetic circuit in FIG. 29 passes through the elastically deforming portion 165, whereas the magnetic circuit in FIG. be.

図31は、上記2つの磁気回路を想定して、「電流値に対するフラッパ変位特性」を比較したものである。図中に示すように、各ディスクの形状・剛性は同一である。
Type Aは本実施形態(図30の構造)、Type Bは図29の構造を用いた場合である。
バルブの小型化を図るためにディスク外径を小さくした場合、弾性変形部の半径方向の長さも小さくせざるを得ない。そのため、低い剛性を維持するために、弾性変形部の板厚をh1=0.08mmまで薄くした条件下での解析結果である。
電流値I=0.025Aにおいて、Type Aのフラッパ最大変位はXmax=0.13mmであるのに対して、Type Bのフラッパ最大変位はXmax=0.018mmしか得られない。その理由は、
i.Type Bの場合、磁気回路は薄い板厚h1の箇所を経由する。しかしその結果、磁束は磁路面積の狭い経路を通過することになり、磁気飽和の影響を受けて、最大磁束が大きく抑制されてしまう。
ii.Type Aの場合、磁束は弾性変形部265である薄い板厚h1の箇所をスキップして
磁気経路部264→第2磁極276→外枠部252の経路を描く。そのため、閉ループ磁気回路を流れる磁束の大きさは、板厚の薄い弾性変形部265の影響を受けない。
FIG. 31 compares "flapper displacement characteristics with respect to current values" assuming the above two magnetic circuits. As shown in the figure, each disk has the same shape and rigidity.
Type A is the case of this embodiment (the structure of FIG. 30), and Type B is the case of using the structure of FIG.
When the outer diameter of the disk is reduced in order to reduce the size of the valve, the radial length of the elastically deformable portion must also be reduced. Therefore, in order to maintain low rigidity, the analysis results are obtained under the condition that the plate thickness of the elastically deformed portion is reduced to h1=0.08 mm.
At a current value of I=0.025 A, the Type A flapper maximum displacement is Xmax=0.13 mm, while the Type B flapper maximum displacement is only Xmax=0.018 mm. The reason is,
i. In the case of Type B, the magnetic circuit passes through a thin plate thickness h1. As a result, however, the magnetic flux passes through a path with a narrow magnetic path area, and the maximum magnetic flux is greatly suppressed due to the influence of magnetic saturation.
ii. In the case of Type A, the magnetic flux skips the elastically deformable portion 265 and has a thin plate thickness h1, and draws a route of the magnetic path portion 264→the second magnetic pole 276→the outer frame portion 252. FIG. Therefore, the magnitude of the magnetic flux flowing through the closed loop magnetic circuit is not affected by the thin elastic deformation portion 265 .

すなわち、本実施例ではディスク部のばね剛性を決める構造設計と、電流値に対する吸引力特性を決める磁気回路設計を、それぞれ独立して行うことができる。 That is, in this embodiment, the structural design for determining the spring rigidity of the disk portion and the magnetic circuit design for determining the attraction force characteristic with respect to the current value can be performed independently.

前述した第5、第6の実施形態では、前記弾性変形部の板厚h1を変えることで、剛性を調節していた。しかし、前記フラッパに適切な空隙部を形成することで、剛性を調節できる。図32において、280はフラッパ、281は弾性変形部、282は空隙部、283は締結ボルト、284は磁気経路部である。 In the fifth and sixth embodiments described above, the rigidity is adjusted by changing the plate thickness h1 of the elastic deformation portion. However, the rigidity can be adjusted by forming an appropriate gap in the flapper. 32, 280 is a flapper, 281 is an elastic deformation portion, 282 is a gap portion, 283 is a fastening bolt, and 284 is a magnetic path portion.

あるいは前記フラッパの剛性を調節する手段として、たとえば、円周方向で軸対称に小さな複数個の穴を前記フラッパに形成してもよい。(図示せず) Alternatively, as means for adjusting the rigidity of the flapper, for example, a plurality of small holes may be formed in the flapper axisymmetrically in the circumferential direction. (not shown)

<第7の実施形態>
図33は、本発明の実施形態7に係る空気圧サーボバルブであり、図33aは図33cのAA矢視図、図33bは図33aの部分拡大図、図33cは正面断面図、図34は図33cのスパイラルディスクばね部の部分拡大図である。本実施例は、フラッパの弾性変形部の剛性を板厚ではなく、フラッパに形成したスパイラルの形状で選択したものである。350は中心軸(支持軸)、351はこの中心軸の底部、352は中心軸の外枠部、353はコイルボビン、354は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸350、中心軸底部351、中心軸の外枠部352、コイルボビン353、コイル354により、フラッパ(後述)の面板部を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータを構成している。355は筒形状のハウジング、356はこのハウジング底部、357はボルト、358は排気側流通路、359は吐出口、360は供給側ハウジング、361は供給側流路、362は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。363は円盤形状のフラッパで、中央部の磁気経路部364と、スパイラルディスクばね(後述)が形成された弾性変形部365により構成される。366は供給側ハウジング360とフラッパ363の間に形成される供給側空隙部、367はフラッパ363と前記ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。368は供給側ノズル(順方向ノズル)開口部、369は排気側ノズル(逆方向ノズル)開口部である。370は中心軸350の前記フラッパ側端面(中心軸端面)で電磁石の磁極、371は吸入口である。
<Seventh Embodiment>
Fig. 33 shows a pneumatic servo valve according to Embodiment 7 of the present invention, Fig. 33a is an AA view of Fig. 33c, Fig. 33b is a partially enlarged view of Fig. 33a, Fig. 33c is a sectional front view, and Fig. 34 is a 33c is a partially enlarged view of the spiral disk spring portion of 33c. FIG. In this embodiment, the rigidity of the elastic deformation portion of the flapper is selected not by the plate thickness but by the shape of the spiral formed in the flapper. 350 is a central shaft (supporting shaft), 351 is a bottom portion of this central shaft, 352 is an outer frame portion of the central shaft, 353 is a coil bobbin, and 354 is a coil wound around the coil bobbin. The central shaft 350, the central shaft bottom portion 351, the outer frame portion 352 of the central shaft, the coil bobbin 353, and the coil 354 constitute an electromagnetic actuator that attracts a face plate portion of a flapper (described later) and controls its displacement. 355 is a cylindrical housing, 356 is the bottom of this housing, 357 is a bolt, 358 is an exhaust side flow path, 359 is a discharge port, 360 is a supply side housing, 361 is a supply side flow path, 362 is a pneumatic actuator (not shown). ) is a control-side flow path connected to A disk-shaped flapper 363 is composed of a central magnetic path portion 364 and an elastic deformation portion 365 formed with a spiral disk spring (described later). 366 is a supply side gap formed between the supply side housing 360 and the flapper 363, and 367 is an exhaust side gap formed between the flapper 363 and the housing side. 368 is a supply side nozzle (forward direction nozzle) opening, and 369 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) opening. Reference numeral 370 denotes a flapper-side end face (center shaft end face) of the central shaft 350, and a magnetic pole of the electromagnet, and 371 a suction port.

弾性変形部365であるスパイラルディスクばねは、本実施例では、8本のリッジ(峰部)と同数のグルーブ(空隙部)により構成した。図34のスパイラルディスクばね部の部分拡大図において、372a、372b、372c、372dはスパイラルディスクばね(弾性変形部365)の空隙部であり、372dは磁極370近傍に形成した開口面積の最も大きい空隙部である。さて、本実施例におけるスパイラルディスクばね(弾性変形部365)は、以下i.~iii.に示す役割を同時に担っている。
i.発生応力を緩和して、適切なフラッパ支持剛性を得る
ii.グルーブ(空隙部)を利用して、供給側空隙部366と排気側空隙部367を繋ぐ流通路とする
iii.閉ループ磁気回路の磁路とする
In this embodiment, the spiral disk spring, which is the elastically deformable portion 365, is composed of eight ridges (peaks) and the same number of grooves (voids). In the partially enlarged view of the spiral disk spring portion in FIG. 34, 372a, 372b, 372c, and 372d are the air gap portions of the spiral disk spring (elastic deformation portion 365), and 372d is the air gap formed near the magnetic pole 370 and having the largest opening area. Department. Now, the spiral disk spring (elastic deformation portion 365) in this embodiment will be described as follows: i. ~iii. It also plays the role shown in .
i. Relieve generated stresses to obtain adequate flapper support stiffness ii. A groove (gap portion) is used to form a flow path connecting the supply side gap portion 366 and the exhaust side gap portion 367 iii. Let it be the magnetic path of the closed loop magnetic circuit

上記i.の効果は次ぎのようである。サーボバルブ本体の外径(ΦD)を小型化するために、フラッパを凸形状にして、かつ弾性支持部の板厚を極力薄くして剛性を低減すると共に、第2磁極を設ける方法(第6の実施形態)と比較する。この場合、板厚が薄くなるほど弾性支持部に発生する応力が増大して、ディスク形状のフラッパ部材の許容応力(弾性限界)を超えてしまうという問題があった。凸形状部材をスパイラルディスクばねにすることにより、最大発生応力の大幅な低減を図ることができる。スパイラルディスクばねの剛性と発生応力は、板厚以外にスパイラル角度α(図33a)、グルーブ(リッジ)の本数、グルーブとリッジの幅比などによって選定できる。但し、磁気経路部364と前記リッジの境界線で、スパイラル曲線の開始点の部分は鋭角になるため、応力集中が発生する。この応力集中を低減するために、図33bに示すように本来のスパイラル曲線とは異なる曲面部373、374を形成した。この曲面部の形成により、応力集中が大幅に緩和できることが分った。 above i. The effect of is as follows. In order to reduce the outer diameter (ΦD) of the servo valve main body, the flapper is formed in a convex shape, the plate thickness of the elastic support portion is reduced as much as possible to reduce rigidity, and a second magnetic pole is provided (6th embodiment). In this case, as the plate thickness becomes thinner, the stress generated in the elastic support portion increases, and there is a problem that the allowable stress (elastic limit) of the disk-shaped flapper member is exceeded. By using a spiral disk spring as the convex member, it is possible to greatly reduce the maximum generated stress. The rigidity and generated stress of the spiral disk spring can be selected by the spiral angle α (Fig. 33a), the number of grooves (ridges), the width ratio of grooves and ridges, etc., in addition to the plate thickness. However, since the boundary line between the magnetic path portion 364 and the ridge forms an acute angle at the starting point of the spiral curve, stress concentration occurs. In order to reduce this stress concentration, curved surface portions 373 and 374 different from the original spiral curve are formed as shown in FIG. 33b. It has been found that the formation of this curved surface portion can significantly alleviate the stress concentration.

上記ii.の場合、空隙部372a、372b、372c、372dを利用して、供給側空隙部366と排気側空隙部367と繋ぐ流通路を兼ねることができる。応力集中の緩和を兼ねて曲面部373、374から形成される空隙部372dは、開口面積を最も大きく確保することができる。図34に空気の流れを矢印(実線)で示す。 ii. above. In the case of , the gaps 372 a , 372 b , 372 c , and 372 d can also serve as flow passages connecting the supply-side gap 366 and the exhaust-side gap 367 . The gap 372d formed by the curved surface portions 373 and 374 to relieve stress concentration can secure the largest opening area. The flow of air is indicated by arrows (solid lines) in FIG.

上記iii.は、スパイラルディスクばねの板厚を充分に厚くしても、その形状で剛性の選択ができる点を利用している。板厚が厚く磁路面積が大きくできるため、磁気飽和が発生せず、第6の実施形態で示したような第2磁極を形成しなくてもよい。その結果、バルブ構造本体の簡素化を図ることができる。磁束の流れは、図34に矢印(鎖線)で示すように、「磁極370→スパイラルディスクばねのリッジ(峰部)→中心軸の外枠部352」である。実施例では、弾性変形部365(スパイラルディスクばね)の板厚は磁気経路部364と同じに設定したが、磁気経路部364のそれよりも厚めに設定してもよい。この場合、図23で示したように、フラッパ全体のプロフィールは凹形状となる。図35に、磁気経路部364の中心部に荷重Fを加えたときの、スパイラルディスクばねの変形の構造解析結果を示す。 above iii. utilizes the fact that even if the plate thickness of the spiral disk spring is sufficiently thick, the rigidity can be selected according to the shape. Since the plate thickness is large and the magnetic path area can be increased, magnetic saturation does not occur, and the second magnetic pole need not be formed as shown in the sixth embodiment. As a result, simplification of the valve structure main body can be achieved. As indicated by arrows (dashed lines) in FIG. 34, the flow of magnetic flux is "magnetic pole 370→ridge (peak) of spiral disk spring→outer frame 352 of center shaft". In the embodiment, the plate thickness of the elastic deformation portion 365 (spiral disk spring) is set to be the same as that of the magnetic path portion 364, but it may be set to be thicker than that of the magnetic path portion 364. In this case, as shown in FIG. 23, the profile of the entire flapper is concave. FIG. 35 shows structural analysis results of deformation of the spiral disk spring when a load F is applied to the central portion of the magnetic path portion 364 .

前記弾性変形部に用いることのできるディスクばねとして、図36に示すような公知の雲形ばねを用いてもよい。380はフラッパ、381は弾性変形部、382a、382bは円弧形状の空隙部、383は磁気経路部、384は締結ボルトである。 A known cloud spring as shown in FIG. 36 may be used as the disk spring that can be used for the elastic deformation portion. 380 is a flapper, 381 is an elastic deformation portion, 382a and 382b are arcuate gaps, 383 is a magnetic path portion, and 384 is a fastening bolt.

<第8の実施形態>
前述した本発明の実施例は、バルブ構造は主に軸対称部品で構成したものであった。上記軸対称部品以外に、角柱、円柱、馬蹄形、環状、などの各種鉄心、長方形の薄板材、角型ブロックなどの組み合わせで磁気回路、及び流体回路を形成しても、本発明によるサーボバルブを実現できる。
<Eighth embodiment>
In the embodiments of the present invention described above, the valve structure is mainly composed of axially symmetrical parts. In addition to the axially symmetrical parts described above, the servo valve according to the present invention can also be formed by combining various iron cores such as prismatic, cylindrical, horseshoe-shaped, and annular iron cores, rectangular thin plates, square blocks, and the like to form magnetic circuits and fluid circuits. realizable.

図37は、本発明の実施形態8に係る空気圧サーボバルブで、図37aは上面図、図37bは正面断面図である。400は支持軸、401はこの支持軸に装着された電磁コイル、402はL形部材底部、403はL形部材直立部、404は弾性部材である薄板のフラッパ、405はこのフラッパと支持軸400を締結するボルト、406はL形部材底部402と支持軸400を締結するボルトである。支持軸400、電磁コイル401、L形部材底部402、L形部材直立部材403、フラッパ404により、このフラッパを吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータ(アクチュエータ部)を構成している。「支持軸400→L形部材底部402→L形部材直立部403→フラッパ404→支持軸400」により、閉ループ磁気回路を形成している。406はL形部材直立部材403に形成された排気側流通路、407はこの排気側流通路のフラッパ側に装着された排気側ノズル(逆方向ノズル)である。408は供給側ブロック、409はこの供給側ブロックに形成された供給側流路、410はこの供給側流路の前記フラッパ側に装着された供給側ノズル(順方向ノズル)、411は供給側ブロック408と支持軸400を締結するボルト、412は供給側空隙部、413は排気側空隙部、414は制御ポートである。供給側空隙部412と排気側空隙部413の2つの空間は繋がっており、この2つの空間が本サーボバルブの制御室415となる。この制御室から制御ポート414を経由して空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がっている。前記フラッパ、前記供給側ノズル、前記排気側ノズル、前記供給側流路、前記排気側流通路、前記供給側ブロック、前記L形部材直立部により流体制御部を構成している。416はL形部材直立部403の前記フラッパ側端面であり、電磁石の磁極である。417は吸入口、418は吐出口である。 Figure 37 shows a pneumatic servo valve according to Embodiment 8 of the present invention, Figure 37a is a top view and Figure 37b is a front cross-sectional view. Reference numeral 400 denotes a support shaft; 401, an electromagnetic coil mounted on this support shaft; 402, the bottom of an L-shaped member; 406 is a bolt for fastening the L-shaped member bottom portion 402 and the support shaft 400 . The support shaft 400, the electromagnetic coil 401, the L-shaped member bottom portion 402, the L-shaped member upright member 403, and the flapper 404 constitute an electromagnetic actuator (actuator section) that attracts the flapper and controls its displacement. A closed loop magnetic circuit is formed by "support shaft 400→L-shaped member bottom portion 402→L-shaped member upright portion 403→flapper 404→support shaft 400". 406 is an exhaust-side flow passage formed in the L-shaped member upright member 403, and 407 is an exhaust-side nozzle (reverse nozzle) mounted on the flapper side of this exhaust-side flow passage. 408 is a supply-side block, 409 is a supply-side channel formed in this supply-side block, 410 is a supply-side nozzle (forward nozzle) mounted on the flapper side of this supply-side channel, and 411 is a supply-side block. 412 is a supply-side gap, 413 is an exhaust-side gap, and 414 is a control port. The two spaces of the supply-side gap 412 and the exhaust-side gap 413 are connected, and these two spaces form the control chamber 415 of this servo valve. The control chamber is connected to a pneumatic actuator (not shown) via control port 414 . The flapper, the supply-side nozzle, the exhaust-side nozzle, the supply-side channel, the exhaust-side channel, the supply-side block, and the L-shaped member upright portion constitute a fluid control section. 416 is the flapper side end face of the L-shaped member upright portion 403, which is the magnetic pole of the electromagnet. 417 is a suction port, and 418 is a discharge port.

本実施例では、実施形態1の場合と同様に、前記磁極の中心線上で、前記フラッパの前後に一対のノズルを配置して、双方向フラッパによるノズルフラッパ弁を構成している。また、前記流体に空気を用いて、前記アクチュータ部と前記流体制御部は前記流体が貫通する同一空間内に配置されている。前記フラッパは閉ループ磁気回路を構成する一部品として、平板形状部材で構成し、前記フラッパ自身の弾性を利用して、電磁石の吸引力と平衡するように、前記ノズルと前記フラッパ間の隙間に比例した復元力を前記フラッパに持たせている。 In this embodiment, as in the case of the first embodiment, a pair of nozzles are arranged on the front and rear sides of the flapper on the center line of the magnetic pole to form a nozzle flapper valve with a two-way flapper. Further, air is used as the fluid, and the actuator section and the fluid control section are arranged in the same space through which the fluid penetrates. The flapper is composed of a flat plate-shaped member as a part of a closed loop magnetic circuit, and is proportional to the gap between the nozzle and the flapper so as to balance the attractive force of the electromagnet by utilizing the elasticity of the flapper itself. The flapper is provided with a restoring force.

さらに、前記フラッパの作動範囲で前記電磁石に通電する電流値を増大させたとき、前記前記フラッパを流れる磁束の磁束密度は磁気飽和領域に入るように、フラッパの磁路面積(Sc=b×h)を選択している。そのため、実施形態2同様に、線形性の良い電流値に対するフラッパ変位(流量)特性を得ることができる。 Furthermore, the magnetic path area of the flapper (Sc = b x h ) is selected. Therefore, similarly to the second embodiment, it is possible to obtain a flapper displacement (flow rate) characteristic with respect to a current value with good linearity.

磁気飽和現象を調節する最大磁束コントロール面に、上記フラッパの磁路面積を選ぶのではなく、たとえば、実施形態2と同様に、円環形状の磁極415の外径(あるいは筒部の厚み)を極力小さくするような構成でもよい。 Instead of selecting the magnetic path area of the flapper as the maximum magnetic flux control surface for adjusting the magnetic saturation phenomenon, for example, as in the second embodiment, the outer diameter (or the thickness of the cylindrical portion) of the annular magnetic pole 415 is selected. It may be configured to be as small as possible.

本実施例では、前記フラッパは片持ち支持構造であるため、シンプルなバルブ構成にできる。しかし、後述する実施例も同様であるが、前記フラッパを両端支持構造にすれば、i.磁気吸引力と平衡させるための必要な剛性、ii.磁気飽和現象を利用する場合の適切な磁路面積、iii.ノズルからの流体墳力によって生じる不安定振動、上記i.~iii.に対してより適切なフラッパの形状を選択することができる。(図示せず) In this embodiment, since the flapper has a cantilever support structure, the valve structure can be simplified. However, if the flapper has a structure that supports both ends, i. the required stiffness to balance the magnetic attraction, ii. Appropriate magnetic path area when using the magnetic saturation phenomenon, iii. Unstable vibration caused by fluid force from the nozzle, above i. ~iii. A more appropriate flapper shape can be selected for (not shown)

<第9の実施形態>
本実施形態は第8の実施形態を改良するもので、前記電磁石のフラッパ側端面に2つの磁極を設けて、第1磁極のフラッパ側端面と前記第2磁極のフラッパ側端面の間に前記閉ループ磁気回路の主経路となる磁気経路部を形成して、前記フラッパの固定側に弾性支持部を設けたものである。本実施例により、軸対称バルブである第6の実施形態同様に、磁気吸引力特性と無関係にフラッパの支持剛性が設定できため、同一の電流値でより大きなフラッパ変位(流量)を得ることができる。
<Ninth Embodiment>
This embodiment is an improvement of the eighth embodiment. Two magnetic poles are provided on the flapper-side end surface of the electromagnet, and the closed loop is provided between the flapper-side end surface of the first magnetic pole and the flapper-side end surface of the second magnetic pole. A magnetic path portion serving as the main path of the magnetic circuit is formed, and an elastic support portion is provided on the fixed side of the flapper. According to this embodiment, as in the sixth embodiment, which is an axially symmetrical valve, the supporting rigidity of the flapper can be set independently of the magnetic attractive force characteristics, so that a larger flapper displacement (flow rate) can be obtained with the same current value. can.

図38は、本発明の実施形態9に係る空気圧サーボバルブの正面断面図である。
430は支持軸、431は電磁コイル、432はL形部材底部、433はL形部材直立部、434はフラッパ、435は締結ボルト、436は排気側流通路、437は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。438は供給側ブロック、439は供給側流路、440は供給側ノズル(順方向ノズル)、441は締結ボルト、442は供給側空隙部、443は排気側空隙部、444は制御ポート、445は制御室、446は電磁石の第1磁極である。前記制御室から制御ポート444を経由して空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がっている点は、前述した実施例と同様である。447は磁極用ヨーク材、448はこの磁極用ヨーク材の前記フラッパ側端面に形成された第2磁極、449は非磁性材料によるスペーサ、450は前記スペーサを介して前記磁極用ヨーク材と前記フラッパを供給側ブロック438に締結するボルト、451は前記第2磁極と前記フラッパの固定側との間で、前記フラッパに形成された弾性変形部である。すなわち、前記フラッパの表裏に凹部を形成して前記弾性変形部を構成している。また、452は前記フラッパにおいて、前記供給側ノズルと前記第2磁極の間は磁気経路部である。453は吸入口、454は吐出口である「支持軸430→L形部材底部432→L形部材直立部433→第1磁極446→前記フラッパの磁気経路部452→第2磁極448→磁極用ヨーク材447→支持軸430」により、閉ループ磁気回路を形成している。
38 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 9 of the present invention. FIG.
430 is the support shaft, 431 is the electromagnetic coil, 432 is the bottom of the L-shaped member, 433 is the upright portion of the L-shaped member, 434 is the flapper, 435 is the fastening bolt, 436 is the exhaust side flow passage, and 437 is the exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). ). 438 is a supply-side block, 439 is a supply-side channel, 440 is a supply-side nozzle (forward nozzle), 441 is a fastening bolt, 442 is a supply-side gap, 443 is an exhaust-side gap, 444 is a control port, and 445 is a control port. Control room, 446 is the first pole of the electromagnet. The point that the control chamber is connected to a pneumatic actuator (not shown) via a control port 444 is the same as the above-described embodiment. 447 is a magnetic pole yoke material, 448 is a second magnetic pole formed on the flapper side end surface of this magnetic pole yoke material, 449 is a spacer made of a non-magnetic material, and 450 is the magnetic pole yoke material and the flapper via the spacer. to the supply side block 438, and 451 is an elastically deforming portion formed in the flapper between the second magnetic pole and the fixed side of the flapper. That is, concave portions are formed on the front and back surfaces of the flapper to constitute the elastic deformation portion. Further, 452 is a magnetic path portion between the supply side nozzle and the second magnetic pole in the flapper. Reference numeral 453 denotes a suction port, and 454 denotes a discharge port. A closed-loop magnetic circuit is formed by "material 447→support shaft 430".

<第10の実施形態>
本実施形態は第9の実施形態を改良するもので、フラッパを両端固定支持にすることにより、電磁石に電流が印加されない初期状態において、フラッパの弾性変形部の板厚が薄く剛性が小さな場合でも、経年変化の影響を受けず、上記磁気ギャップ、エアーギャップは常に一定に保つことができる。
<Tenth Embodiment>
This embodiment is an improvement over the ninth embodiment. By fixing and supporting the flapper at both ends, even if the plate thickness of the elastic deformation portion of the flapper is thin and the rigidity is small in the initial state where no current is applied to the electromagnet, , the magnetic gap and the air gap can always be kept constant without being affected by aging.

図39は、本発明の実施形態10に係る空気圧サーボバルブで、図39aは上面図、図39bは正面断面図である。460は支持軸、461は電磁コイル、462a、462bはW形部材底部、463a、463bはW形部材直立部、464はフラッパ、465a、465bは締結ボルト、466は排気側流通路、467は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。468は供給側ブロック、469は供給側流路、470は供給側ノズル(順方向ノズル)、471a、471bは供給側空隙部、472a、472bは排気側空隙部、473は制御ポート、474は制御室、475は電磁石の第1磁極である。前記制御室から制御ポート473を経由して空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がっている点は、前述した実施例と同様である。476a、476bは磁極用ヨーク材、477a、477bはこの磁極用ヨーク材の前記フラッパ側端面に形成された第2磁極、478a、478bは非磁性材料によるスペーサ、479a、479bは前記スペーサを介して前記磁極用ヨーク材と前記フラッパを供給側ブロック468に締結するボルト、480a、480bは前記第2磁極と前記フラッパの固定側との間で、前記フラッパに形成された弾性変形部である。すなわち、前記フラッパの表裏に凹部を形成して前記弾性変形部を構成している。また前記フラッパにおいて、481a、481bは前記供給側ノズルと前記第2磁極の間に形成される磁気経路部である。482は吸入口、483は吐出口である。右半分のみの閉ループ磁気回路は、「支持軸460→第1磁極475→前記フラッパの磁気経路部481b→第2磁極477b→磁極用ヨーク材476b→L形部材直立部463b→W形部材底部462b→支持軸460」である。 39 shows a pneumatic servo valve according to Embodiment 10 of the present invention, where FIG. 39a is a top view and FIG. 39b is a front sectional view. 460 is a support shaft, 461 is an electromagnetic coil, 462a and 462b are W-shaped member bottoms, 463a and 463b are W-shaped member upright portions, 464 is a flapper, 465a and 465b are fastening bolts, 466 is an exhaust side flow passage, and 467 is an exhaust. It is a side nozzle (reverse direction nozzle). 468 is a supply-side block, 469 is a supply-side channel, 470 is a supply-side nozzle (forward nozzle), 471a and 471b are supply-side gaps, 472a and 472b are exhaust-side gaps, 473 is a control port, and 474 is a control. Chamber 475 is the first pole of the electromagnet. The connection from the control chamber to a pneumatic actuator (not shown) via a control port 473 is the same as in the previous embodiment. 476a and 476b are yoke materials for magnetic poles, 477a and 477b are second magnetic poles formed on the flapper side end faces of the yoke materials for magnetic poles, 478a and 478b are spacers made of a non-magnetic material, and 479a and 479b are via the spacers. Bolts 480a and 480b for fastening the magnetic pole yoke material and the flapper to the supply side block 468 are elastic deformation portions formed in the flapper between the second magnetic pole and the fixed side of the flapper. That is, concave portions are formed on the front and back surfaces of the flapper to constitute the elastic deformation portion. In the flapper, 481a and 481b are magnetic path portions formed between the supply side nozzle and the second magnetic pole. 482 is a suction port, and 483 is a discharge port. The closed loop magnetic circuit of only the right half is "support shaft 460→first magnetic pole 475→magnetic path portion 481b of the flapper→second magnetic pole 477b→magnetic pole yoke material 476b→L-shaped member upright portion 463b→W-shaped member bottom portion 462b. → support shaft 460”.

<第11の実施形態>
前述した実施形態は、いずれもアクチュータ部を構成する閉ループ磁気回路内に、「ノズル⇔ノズルフラッパ間の間隙⇔制御室」に繋がる流路を設けたものであった。したがって、アクチュータ部と流体制御部の部材を一部共有化したものであった。本実施例は、前記アクチュータ部から前記フラッパを延長して設け、この延長したフッッパ面にノズルを対向して配置する流路を構成したものである。
<Eleventh Embodiment>
In each of the above-described embodiments, a flow path is provided in the closed-loop magnetic circuit that constitutes the actuator section to connect "the gap between the nozzle and the nozzle flapper to the control chamber". Therefore, the members of the actuator section and the fluid control section are partly shared. In this embodiment, the flapper is provided by extending from the actuator portion, and a flow path is constructed in which the nozzles are arranged to face the extended flapper surface.

図40は、本発明の実施形態11に係る空気圧サーボバルブの正面断面図である。
800は支持軸、801は電磁コイル、802はL形部材底部、803はL形部材直立部、804はフラッパ、805は上部支持部材、806は前記支持軸と前記上部支持部材を締結するボルト、807は前記支持軸と前記フラッパを締結するボルトである。
FIG. 40 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 11 of the present invention.
800 is a support shaft, 801 is an electromagnetic coil, 802 is an L-shaped member bottom, 803 is an L-shaped member upright portion, 804 is a flapper, 805 is an upper support member, 806 is a bolt for fastening the support shaft and the upper support member, A bolt 807 fastens the support shaft and the flapper.

「支持軸800→L形部材底部802→L形部材直立部803→フラッパ804→支持軸800」により、閉ループ磁気回路を形成している。想像線で描かれている下記流体制御部は、上記閉ループ磁気回路から離脱した箇所に設けられている。808は排気側ブロック、809は排気側流通路、810は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。811は供給側ブロック、812は供給側流路、813は供給側ノズル(順方向ノズル)、814は吸気口、815は吐出口である。816は制御室であり、制御ポート(図示せず)に連絡している。817は磁極であるが、この磁極の中心線上に前記2つのノズル(810、813)は配置されていない。他の実施例の場合も同様であるが、磁極とノズルは同一軸上に配置されなくて、たとえば両者が隣接した位置に設置されもよい。この場合でも本発明を適用する上で支障はなく、バルブ全体構造を考慮していずれかを選択すればよい。本実施例の場合は、前記フラッパの締結部807(前記ボルト)に対して、前記磁極よりも外側に前記2つのノズル(810、813)を配置したため、ノズルとフラッパ間の変位(流量)を増幅して得ることができる。 A closed loop magnetic circuit is formed by "support shaft 800→L-shaped member bottom portion 802→L-shaped member upright portion 803→flapper 804→support shaft 800". The following fluid control unit drawn in imaginary lines is provided at a location separate from the closed loop magnetic circuit. 808 is an exhaust-side block, 809 is an exhaust-side flow passage, and 810 is an exhaust-side nozzle (reverse nozzle). 811 is a supply-side block, 812 is a supply-side channel, 813 is a supply-side nozzle (forward nozzle), 814 is an intake port, and 815 is a discharge port. 816 is a control room, which communicates with a control port (not shown). 817 is a magnetic pole, but the two nozzles (810, 813) are not arranged on the center line of this magnetic pole. As in other embodiments, the magnetic pole and the nozzle may not be arranged on the same axis, but may be arranged adjacent to each other, for example. Even in this case, there is no problem in applying the present invention, and any one of them may be selected in consideration of the overall structure of the valve. In the case of this embodiment, the two nozzles (810, 813) are arranged outside the magnetic pole with respect to the fastening portion 807 (the bolt) of the flapper, so the displacement (flow rate) between the nozzle and the flapper is It can be obtained by amplification.

<第12の実施形態>
前述した実施形態は、いずれも電磁石のみで閉ループ磁気回路を形成して、フラッパを駆動する構成であった。しかし、電磁石と永久磁石を併用して、フラッパの吸引力を増強し、かつ流体制御部とアクチュータ部を一体化することで、流体サーボバルブの構成を簡素化することも可能である。電磁石と永久磁石を併用は、軸対称構造である第1~第7の実施形態のバルブにも適用できる。
<Twelfth Embodiment>
In the above-described embodiments, only electromagnets form a closed loop magnetic circuit to drive the flapper. However, it is also possible to simplify the configuration of the fluid servo valve by using both an electromagnet and a permanent magnet to increase the attractive force of the flapper and by integrating the fluid control section and the actuator section. The combined use of an electromagnet and a permanent magnet can also be applied to the valves of the first to seventh embodiments, which have axially symmetrical structures.

図41において、951はマグネット(永久磁石)、952はコイル、953はこのコイルを収納するボディ、954はフラッパ、955a、955bは先端を対向させて取り付けられた一対のヨーク、956はフラッパ先端部である。957はフラッパ支持部材である板ばね、958は前記板ばねの支持中心部である。959は供給側ノズル(順方向ノズル)、960は排気側ノズル(逆方向ノズル)、961は供給側流路、962は排気側流路、963は制御ポート、964は制御室、965は吸入口、966は吐出口である。前記供給側ノズルと前記供給側流路、及び、前記排気側ノズルと前記排気側流路は、前記一対のヨークを利用して形成される。 In FIG. 41, 951 is a magnet (permanent magnet), 952 is a coil, 953 is a body that houses this coil, 954 is a flapper, 955a and 955b are a pair of yokes attached with their tips facing each other, and 956 is the tip of the flapper. is. 957 is a leaf spring which is a flapper supporting member, and 958 is a support center of the leaf spring. 959 is a supply side nozzle (forward direction nozzle), 960 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle), 961 is a supply side flow path, 962 is an exhaust side flow path, 963 is a control port, 964 is a control chamber, and 965 is an intake port. , 966 are outlets. The supply-side nozzle and the supply-side channel, and the exhaust-side nozzle and the exhaust-side channel are formed using the pair of yokes.

<第13の実施形態>
本実施例は、従来の「双方向フラッパを用いるノズルフラッパ弁」の駆動原理に係る課題、すなわち、定常状態におけるバルブの動作点で空気消費流量が最も大きいという欠点を解消するバルブ構造を提案するものである。
<Thirteenth Embodiment>
This embodiment proposes a valve structure that solves the problem associated with the driving principle of the conventional "nozzle flapper valve using a two-way flapper", that is, the drawback that the air consumption flow rate is the largest at the operating point of the valve in the steady state. is.

図42は、本発明の実施形態13に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、750は筒部形状の中心軸、751はこの中心軸の底部、752は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された中心軸の外枠部、753は前記中心軸に装着されたコイルボビン、754は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸750、中心軸底部751、中心軸の外枠部752、コイルボビン753、コイル754により、フラッパ(後述)を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータを構成している。 FIG. 42 is a front cross-sectional view of a pneumatic servovalve according to Embodiment 13 of the present invention, wherein 750 is a cylindrical central shaft, 751 is the bottom of this central shaft, and 752 is concentric with the central shaft. An outer frame portion of the central shaft formed by a circle, 753 a coil bobbin mounted on the central shaft, and 754 a coil wound around the coil bobbin. The central shaft 750, the central shaft bottom portion 751, the outer frame portion 752 of the central shaft, the coil bobbin 753, and the coil 754 constitute an electromagnetic actuator that attracts a flapper (described later) and controls its displacement.

755は中心軸の底部251と外枠部752を収納する筒形状のハウジング、756はこのハウジング底部、757はハウジング底部756と中心軸底部751を締結するボルト、758はハウジング底部756に形成された排気側流通路、759は中心軸750に形成された吐出口である。760は供給側ハウジング、761はこの供給側ハウジングの中心部に形成された供給側流路、762は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。763は凸形円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)764aと、板厚の薄い外周部(弾性変形部)764bにより構成される。765は吸入口、766は供給側ハウジング260とフラッパ763の間に形成される供給側空隙部、767はフラッパ763と前記ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。768a、768b、768c、768dはフラッパ763に形成された流通穴(768b、768dは図示せず)、769は供給側ノズル(順方向ノズル)、770は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。771は中心軸750のフラッパ弁側端面(中心軸端面)で電磁石の第1磁極である。772は外枠部752のフラッパ側端面に形成された第2磁極、773はフラッパ763とハウジング755の間に矜持された非磁性リングである。供給側ハウジング760とハウジング755は、前記フラッパと前記非磁性リングを挟み込み、ボルト(図示せず)により締結されている。774は前記フラッパの供給側の中心部に形成された供給側凸部、775は前記フラッパの排気側の中心部に形成された排気側凸部である。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの制御室776を形成している。 Reference numeral 755 denotes a cylindrical housing that accommodates the bottom portion 251 of the central shaft and the outer frame portion 752; 756, the bottom portion of the housing; 757, bolts for fastening the housing bottom portion 756 and the central shaft bottom portion 751; An exhaust-side flow passage 759 is a discharge port formed in the central shaft 750 . 760 is a supply-side housing, 761 is a supply-side channel formed in the center of the supply-side housing, and 762 is a control-side channel connected to a pneumatic actuator (not shown). Reference numeral 763 denotes a convex disk-shaped flapper, which is composed of a thick convex portion (magnetic path portion) 764a and a thin peripheral portion (elastic deformation portion) 764b. 765 is an intake port, 766 is a supply side gap formed between the supply side housing 260 and the flapper 763, and 767 is an exhaust side gap formed between the flapper 763 and the housing side. 768a, 768b, 768c, and 768d are circulation holes (768b and 768d are not shown) formed in the flapper 763, 769 is a supply side nozzle (forward direction nozzle), and 770 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). 771 is the first magnetic pole of the electromagnet on the flapper valve side end face (center shaft end face) of the center shaft 750 . A second magnetic pole 772 is formed on the flapper-side end surface of the outer frame portion 752 , and a non-magnetic ring 773 is held between the flapper 763 and the housing 755 . The supply-side housing 760 and the housing 755 sandwich the flapper and the non-magnetic ring and are fastened with bolts (not shown). Reference numeral 774 denotes a supply-side projection formed at the center of the flapper on the supply side, and 775 denotes an exhaust-side projection formed at the center of the flapper on the exhaust side. A control chamber 776 of the valve is formed by the supply-side gap and the exhaust-side gap.

さて本実施例バルブは、定常状態におけるバルブの動作点で空気消費流量を充分に小さくできる。これは、前記供給側ノズル769と前記フラッパ763との間、及び、前記排気側ノズル770との間に横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造がそれぞれ設けてあることに起因する。より具体的には前記環状流路形成構造は、各ノズル769、770の先端部の筒状の内周面と、前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体とからなるものである。すなわち、フラッパ763の面板部に対して垂直に突出させた凸部を挿入体としてあり、ノズル769、770への挿入体の挿入加減により環状の流路の軸方向の長さを変化させ、流量特性を変化させることができる。図43a~43cはノズルフラッパ間の組み合わせ状態を示し、図44aと図44bは一個のノズルに注目したときの、バルブ流量とノズルフラッパ間の隙間の関係をモデル化して示している。以下、上記2つの図(図44aと図44b)を対比させながら、本バルブの動作原理について、図43a~43cを用いて説明する。 The valve of this embodiment can sufficiently reduce the air consumption flow rate at the operating point of the valve in the steady state. This is because annular passage forming structures are provided between the supply-side nozzle 769 and the flapper 763 and between the exhaust-side nozzle 770 to form a passage having a substantially annular cross section. to cause. More specifically, the annular flow path forming structure is composed of a cylindrical inner peripheral surface at the tip of each nozzle 769, 770 and an insert inserted radially away from the inner peripheral surface. It will be. In other words, the protruding portion protruding perpendicularly to the face plate portion of the flapper 763 is used as an insert. properties can be changed. Figures 43a to 43c show the combination state between the nozzle flappers, and Figures 44a and 44b model the relationship between the valve flow rate and the gap between the nozzle flappers when focusing on one nozzle. 43a to 43c, the principle of operation of this valve will be described below while comparing the above two figures (FIGS. 44a and 44b).

図43aはバルブ入力電流I=0(初期値)の状態、図43bは入力電流I≒Imax/2(動作点)の状態、図43cは入力電流I=Imax(最大値)の状態である。同図において、777は供給側ノズルオリフィス、778は排気側ノズルオリフィスである。779a、779b(図示せず)、779cは第1磁極771のフラッパ側端面に形成した流通溝であり、実施形態4(図25b)と同様の機能を有する。 43a shows the state of the valve input current I=0 (initial value), FIG. 43b shows the state of the input current I≈Imax/2 (operating point), and FIG. 43c shows the state of the input current I=Imax (maximum value). In the figure, 777 is a supply side nozzle orifice, and 778 is an exhaust side nozzle orifice. 779a, 779b (not shown), and 779c are circulation grooves formed in the flapper-side end face of the first magnetic pole 771, and have the same function as in the fourth embodiment (FIG. 25b).

図43aのバルブ入力電流I=0では、前記フラッパの供給側凸部774は供給側ノズルオリフィス777に深く侵入している。図44aにおける図Aの状態であり、供給側凸部774と供給側ノズルオリフィス777で形成される狭い環状隙間の流れは粘性流となっている。したがって、空気圧供給源(図示せず)から本バルブの前記制御室に流入する空気量は微小量である。 At valve input current I=0 in FIG. 44a, the flow in the narrow annular gap formed by the supply-side protrusion 774 and the supply-side nozzle orifice 777 is a viscous flow. Therefore, the amount of air flowing into the control chamber of this valve from an air pressure source (not shown) is very small.

図43bの入力電流I≒Imax/2(動作点)では、供給側凸部774のノズル側端面780は供給側ノズルオリフィス777の開口端と近接した状態にある。図44aにおける図Bであり、前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流体の流れは、粘性流領域からポテンシャル流領域に移り変わる遷移領域にある。また、前記制御室から前記排気側ノズルに流入する流体の流れも、同様に遷移領域にある。 At the input current I≈Imax/2 (operating point) in FIG. FIG. 44b is view B in FIG. 44a, wherein the flow of fluid entering the control chamber from the supply nozzle is in a transition region transitioning from a viscous flow regime to a potential flow regime. Fluid flow from the control chamber into the exhaust nozzle is also in the transition region.

図43cの入力電流I=Imaxでは、供給側凸部774のノズル側端面780は供給側ノズルオリフィス777の開口端から十分に離れた状態にある。図44aにおける図Cであり、前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流体の流れは、ポテンシャル流領域にある。また、前記フラッパの排気側凸部775は、排気側ノズルオリフィス778に深く侵入しており、両部材で形成される狭い環状隙間の流れは粘性流となっている。したがって、制御室776から大気に流出する空気量は微小量である。 At the input current I=Imax in FIG. FIG. 44a, view C, the flow of fluid entering the control chamber from the supply nozzle is in the potential flow regime. Further, the exhaust-side convex portion 775 of the flapper penetrates deeply into the exhaust-side nozzle orifice 778, and the flow in the narrow annular gap formed by both members is a viscous flow. Therefore, the amount of air flowing out from the control chamber 776 to the atmosphere is very small.

図44bに、本実施例バルブの「ノズルとフラッパ間の隙間X(バルブ入力電流)に対するバルブ流量Q」の特性(実線)を、従来バルブ特性(一点鎖線)との対比のもとで示す。本実施例バルブの場合、粘性流領域Aから遷移領域Bまでは流量は十分に小さく、ポテンシャル流領域Cに入ると流量は急峻に増大する。従来バルブの場合は、全領域(A→B→C)がポテンシャル流領域であるため、隙間Xが小さい段階から流量は大きい。この流量特性の違いが、両者の動作点における空気消費流量の差となる。 Fig. 44b shows the characteristics (solid line) of the "valve flow rate Q with respect to the gap X between the nozzle and the flapper (valve input current)" of the valve of this embodiment in comparison with the characteristics of the conventional valve (chain line). In the case of the valve of this embodiment, the flow rate is sufficiently small from the viscous flow region A to the transition region B, and when entering the potential flow region C, the flow rate sharply increases. In the case of the conventional valve, since the entire region (A→B→C) is the potential flow region, the flow rate increases from the stage where the gap X is small. The difference in this flow rate characteristic becomes the difference in the air consumption flow rate at the two operating points.

図45a、図45bは本実施例バルブが従来バルブと比べて、動作点における空気消費流量が大幅に削減できることを摸式的に示すものである。制御室の圧力を一定と仮定して、隙間Xに対する流量Qの特性を、i.供給側から制御室への流入量(実線)、ii.制御室から大気への流出量(鎖線)について記載している。図45aは従来バルブで、図45bは本実施例バルブである。流入量と流出量の交点を動作点とすれば、本実施例バルブの動作点における空気消費流量は、従来バルブと比較して大幅に小さくなることがわかる。動作点近傍で、従来バルブの曲線i.ii.は共に上に凸の曲線であり、本実施例バルブの曲線i.ii.は共に下に凸の曲線の組み合わせとなる。すなわち、ノズルとフラッパの詳細な構造に関わりなく、あるいは粘性流領域、ポテンシャル流領域のどの領域であっても、隙間X(あるいは電流値)に対する流量Qの特性が、動作点近傍で下に凸の曲線になるバルブ特性を有することが消費空気流量を低減させるポイントである。 45a and 45b schematically show that the valve of this embodiment can greatly reduce the air consumption flow rate at the operating point compared to the conventional valve. Assuming a constant pressure in the control chamber, the characteristics of flow rate Q with respect to gap X are: i. Inflow from the supply side to the control room (solid line), ii. The outflow from the control room to the atmosphere (dashed line) is indicated. FIG. 45a is the conventional valve, and FIG. 45b is the valve of this embodiment. Assuming that the intersection of the inflow and outflow is the operating point, it can be seen that the air consumption flow rate at the operating point of the valve of this embodiment is significantly smaller than that of the conventional valve. Near the operating point, curve i. ii. are both upwardly convex curves, and the curve i. ii. are a combination of downward convex curves. In other words, regardless of the detailed structure of the nozzle and flapper, or whether it is in the viscous flow region or the potential flow region, the characteristic of the flow rate Q with respect to the gap X (or current value) is convex downward near the operating point. It is the point of reducing the consumption air flow rate to have a valve characteristic that follows the curve of .

さて前述したように、本実施例バルブが空気消費流量を大幅に低減できる理由は、双方向フラッパ両面の凸部と、各ノズル側オリフィスの嵌合状態を、フラッパの軸方向移動により調節できるからである。そのためには、フラッパは出来るだけ大きなストロークで駆動されるのが構造面と部材の加工面から好ましい。しかし、たとえば第1の実施形態で示したように、Maxwellの応力を利用したアクチュエータの場合、磁気吸引作用が有効利用できる磁極とフラッパ間の磁気ギャップの最大値は0.05~0.20mmのオーダーであった。エアーギャップに対する磁気吸引力の特性は非線形であり、上記最大値を超えると、磁気吸引力は通常では大幅に低下する。しかし、第3の実施形態で説明したように、フラッパに相当する可動部に適切な磁性材料と薄いディスクを用いると、電流に対するフラッパの変位特性は、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができることが、本研究の過程で見出すことができた。 As mentioned above, the reason why the valve of this embodiment can greatly reduce the air consumption rate is that the fitting state between the protrusions on both sides of the two-way flapper and the orifices on the nozzle side can be adjusted by moving the flapper in the axial direction. is. For this purpose, it is preferable that the flapper is driven with a stroke that is as large as possible from the viewpoint of structure and processing of members. However, as shown in the first embodiment, for example, in the case of an actuator using Maxwell's stress, the maximum value of the magnetic gap between the magnetic pole and the flapper where the magnetic attraction can be effectively used is on the order of 0.05 to 0.20 mm. rice field. The characteristic of the magnetic attraction force with respect to the air gap is non-linear, and above the maximum value the magnetic attraction force usually falls off significantly. However, as described in the third embodiment, if an appropriate magnetic material and a thin disk are used for the movable portion corresponding to the flapper, the displacement characteristic of the flapper with respect to the current exhibits excellent linearity (linearity). I was able to find out what I could get in the process of this research.

この磁気飽和現象をさらに積極的に利用することにより、電流に対するフラッパの変位特性の線形性を失うことなく、フラッパのストロークを大幅に増大することができる。 By further actively utilizing this magnetic saturation phenomenon, the stroke of the flapper can be greatly increased without losing the linearity of the displacement characteristic of the flapper with respect to current.

図46のグラフ中に本実施形態に用いた電磁石とディスク形状の仕様
[Type(II)]を、前述した第2の実施形態の仕様[Type(I)]と対比して示す。Type(II)の電磁石の外径はType(I)と比べて2倍、コイル巻数は3倍である。電流値I=40mAのときType(I)ではフラッパ変位X=0.12mm程度であるのに対して、本実施例Type(II)ではフラッパ変位X=0.68mmとなる。本実施例バルブの開発において、構造・性能面と部品の精密加工面からの検討結果では、前記閉ループ磁気回路の磁気飽和特性を利用して、前記ノズルと前記電磁石間の最大ストロークを0.5mm以上に設定すれば、十分な性能が得られることが分かった。
Specifications of the electromagnet and disk shape used in this embodiment are shown in the graph of FIG.
[Type(II)] is shown in comparison with the specification [Type(I)] of the second embodiment described above. The type (II) electromagnet has twice the outer diameter of the type (I) and has three times the number of coil turns. When the current value I=40 mA, the flapper displacement X is approximately 0.12 mm in Type (I), while the flapper displacement X is 0.68 mm in Type (II) of the present embodiment. In the development of the valve of this embodiment, as a result of examination from the aspects of structure and performance and precision machining of parts, the maximum stroke between the nozzle and the electromagnet was set to 0.5 mm or more by using the magnetic saturation characteristics of the closed loop magnetic circuit. I found that setting it to 0 gives good performance.

図47は、前述した実施例の構造を利用して、電流値に対する流量特性をより線形性に優れた特性にするために、ノズルフラッパ間の嵌合状態に工夫を施したものである。すなわち、電流値に対するノズルフラッパ間の流路面積がよりなだらかに変化するように、ノズルと嵌合するフラッパ側凸部をテーパ形状にしている。図47aはバルブ入力電流I=0(初期値)の状態、図47bは入力電流I≒Imax/2(動作点)の状態、図47cは入力電流I=Imax(最大値)の状態である。780は供給側ハウジング、781は中心軸、782はフラッパ、783は前記フラッパの中央部に形成された供給側テーパ部、784は排気側テーパ部、785は前記供給側テーパ部と勘合するように形成された供給側ノズル(順方向ノズル)オリフィス、786は前記排気側テーパ部と嵌合するように形成された排気側ノズル(逆方向ノズル)オリフィスである。787は第1磁極、788a、788b(図示せず)、788cは第1磁極787のフラッパ側端面に形成した流通溝であり、実施形態4(図25)と同様の機能を有する。789は制御室である。 FIG. 47 uses the structure of the above-described embodiment and devises the fitting state between the nozzle flappers in order to make the flow rate characteristic with respect to the current value more linear. That is, the flapper-side convex portion that fits with the nozzle is tapered so that the flow passage area between the nozzle flappers with respect to the current value changes more smoothly. 47a shows the valve input current I=0 (initial value), FIG. 47b shows the input current I≈Imax/2 (operating point), and FIG. 47c shows the input current I=Imax (maximum value). 780 is a supply-side housing, 781 is a central shaft, 782 is a flapper, 783 is a supply-side tapered portion formed in the central portion of the flapper, 784 is an exhaust-side tapered portion, and 785 is fitted with the supply-side tapered portion. Formed supply side nozzle (forward direction nozzle) orifice 786 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) orifice formed to fit with the exhaust side taper portion. Reference numeral 787 denotes a first magnetic pole, 788a, 788b (not shown), and 788c denote flow grooves formed on the end face of the first magnetic pole 787 on the flapper side, and have the same function as in the fourth embodiment (FIG. 25). 789 is a control room.

図47aのバルブ入力電流I=0では、前記フラッパの供給側テーパ部783は供給側ノズルオリフィス785に深く侵入しており、空気圧供給源(図示せず)から本バルブの制御室789に流入する空気量は微小量である。 At valve input current I=0 in FIG. 47a, the supply taper 783 of the flapper penetrates deeply into the supply nozzle orifice 785 and flows from a pneumatic supply (not shown) into the control chamber 789 of the valve. The amount of air is minute.

図47bの入力電流I≒Imax/2(動作点)では、供給側テーパ部783は供給側ノズルオリフィス785の開口端に浅く侵入した状態にある。また排気側テーパ部784と排気側ノズルオリフィス786の開口端との関係も同様である。したがって、この段階では供給側から制御室789へ流出する流量、また前記制御室から大気側へ流出する流量は、共に僅少である。 At the input current I≈Imax/2 (operating point) in FIG. The same applies to the relationship between the exhaust-side tapered portion 784 and the opening end of the exhaust-side nozzle orifice 786 . Therefore, at this stage, the flow rate from the supply side to the control chamber 789 and the flow rate from the control chamber to the atmosphere side are both very small.

図47cの入力電流I=Imaxでは、前記フラッパの排気側テーパ部784は、排気側ノズルオリフィス786に深く侵入しており、制御室789から大気に流出する空気量は僅少量である。 At the input current I=Imax of FIG. 47c, the flapper exhaust tapered portion 784 penetrates deeply into the exhaust nozzle orifice 786 and the amount of air flowing out of the control chamber 789 to atmosphere is very small.

本実施例では、凸形円盤形状のフラッパを用いたが、第7実施形態で用いたようにスパイラルディスクばねを適用すれば、フラッパの大きな軸方向変位にも関わらず、発生応力を緩和して、かつ適切な軸方向剛性の設定ができる。あるいは、たとえば、雲形ばねでも適用できる。 In this embodiment, a convex disk-shaped flapper is used, but if a spiral disk spring is used as in the seventh embodiment, the generated stress can be relaxed despite the large axial displacement of the flapper. , and appropriate axial rigidity can be set. Alternatively, for example, cloud springs can also be applied.

本実施例では、前記フラッパの供給側の中心部に供給側凸部774を形成して、この供給側凸部と非接触で嵌合する供給側ノズルオリフィス777を形成した。また前記フラッパの排気側の中心部の排気側凸部775を形成して、この排気側凸部と非接触で嵌合する排気側ノズルオリフィス778を形成した。すなわち、供給側と排気側において、左右対称に凸部とこの凸部を収納するオリフィスを形成した。後述する第14、第15の実施形態も同様であるが、左右対称に凸部とこの凸部を収納するオリフィスを形成しなくても、吸気側、あるいは排気側のいずれか一方だけに形成してもよい。凸部とこの凸部を収納するオリフィスが一方だけでも設ければ、凸部がオリフィスに深く侵入することで流出量を遮断でき、また侵入の度合い(バルブ電流値)で流量制御を図ることができる。たとえば、一方に凸部とこの凸部を収納するオリフィスを設けて、もう一方は一般のノズルフラッパ弁(たとえば図1参照)の組み合わせでもよい。(図示せず) In this embodiment, a supply-side protrusion 774 is formed in the central portion of the supply side of the flapper, and a supply-side nozzle orifice 777 is formed to fit into the supply-side protrusion in a non-contact manner. Further, an exhaust-side convex portion 775 is formed in the central portion of the flapper on the exhaust side, and an exhaust-side nozzle orifice 778 is formed to fit into the exhaust-side convex portion without contact. That is, on the supply side and the exhaust side, symmetrical projections and orifices for accommodating the projections were formed. The same applies to the fourteenth and fifteenth embodiments, which will be described later. However, even if the convex portion and the orifice for accommodating the convex portion are not formed symmetrically, they can be formed only on either the intake side or the exhaust side. may If only one of the protrusion and the orifice that accommodates the protrusion is provided, the protrusion penetrates deeply into the orifice to block the outflow, and the degree of penetration (valve current value) can be used to control the flow rate. can. For example, one may be provided with a protrusion and an orifice for accommodating this protrusion, and the other may be a combination of a general nozzle flapper valve (eg, see FIG. 1). (not shown)

本実施例では、フラッパ側に凸部を形成して、ノズル側にこの凸部を収納するオリフィスを設けたがその逆でもよい。後述する実施例も同様であるが、ノズル側に供給源に連絡する開口穴が形成された円筒部を形成して、フラッパ側にこの円筒部を狭い隙間を保って収納する凹部を形成してもよい。あるいは、ノズルのテーパ部(凸部)の先端自体を挿入体としてフラッパ側に形成された逆テーパ部(凹部)の内周面に対して非接触で収納されるような構成でもよい。要はノズルとフラッパの相対移動によって、流路の軸方向長さが変化するような環状流路形成構造を設ければよい。(図示せず) In this embodiment, the protrusion is formed on the flapper side and the orifice for accommodating this protrusion is provided on the nozzle side. As in the embodiments described later, a cylindrical portion having an opening communicating with a supply source is formed on the nozzle side, and a concave portion is formed on the flapper side to accommodate this cylindrical portion while maintaining a narrow gap. good too. Alternatively, the tip of the tapered portion (convex portion) of the nozzle itself may be used as an insert and accommodated without contact with the inner peripheral surface of the reverse tapered portion (concave portion) formed on the flapper side. What is necessary is to provide an annular flow path forming structure in which the axial length of the flow path changes according to the relative movement of the nozzle and the flapper. (not shown)

<第14の実施形態>
図48は、本発明の実施形態14に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、低消費空気流量の特徴を維持して、かつ入力電流に対する制御圧力が比例関係になるように、バルブ構造に工夫を施したものである。
<Fourteenth Embodiment>
FIG. 48 is a front cross-sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 14 of the present invention. It is devised.

300は中心軸、301はこの中心軸の底部、302は前記中心軸の外枠部、303はコイルボビン、304はコイルである。305は筒形状のハウジング、306はこのハウジング底部、307は締結ボルト、308は排気側流通路、309は吐出口、310は供給側ハウジング、311aは吸入口、311bは供給側流路、312は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。313はフラッパで、供給側ハウジング310とハウジング305に挟み込まれた状態で、両部材305、310を締結するボルト(図示せず)により固定される。 300 is a central shaft, 301 is a bottom portion of this central shaft, 302 is an outer frame portion of the central shaft, 303 is a coil bobbin, and 304 is a coil. 305 is a cylindrical housing, 306 is the bottom of the housing, 307 is a fastening bolt, 308 is an exhaust side flow passage, 309 is a discharge port, 310 is a supply side housing, 311a is an intake port, 311b is a supply side flow passage, and 312 is a supply side flow passage. It is a control-side channel leading to a pneumatic actuator (not shown). A flapper 313 is sandwiched between the supply-side housing 310 and the housing 305 and is fixed by a bolt (not shown) that fastens the two members 305 and 310 .

314は前記供給側ハウジングと前記フラッパの間に形成される供給側空隙部、315は前記フラッパと前記ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。 Reference numeral 314 denotes a supply-side gap formed between the supply-side housing and the flapper, and 315 an exhaust-side gap formed between the flapper and the housing.

316a、316b、316c、316dは前記フラッパに形成された流通穴(316b、316dは図示せず)、317は供給側ノズル(順方向ノズル)開口部、318は排気側ノズル(逆方向ノズル)開口部である。319は大気に繋がる定圧源ポート、320は電磁石の磁極、321は前記外枠部のフラッパ側端面で前記フラッパと密着している。 316a, 316b, 316c, and 316d are circulation holes formed in the flapper (316b and 316d are not shown), 317 is a supply side nozzle (forward direction nozzle) opening, and 318 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) opening. Department. 319 is a constant-pressure source port connected to the atmosphere, 320 is the magnetic pole of the electromagnet, and 321 is in close contact with the flapper at the flapper-side end surface of the outer frame.

図49aはバルブ入力電流I=0(初期値)の状態、図49bは入力電流I≒Imax/2(動作点)の状態、図49cは入力電流I=Imax(最大値)の状態である。同図において、322は供給側ノズルオリフィス、323は排気側ノズルオリフィスである。324a、324b(図示せず)、324cは磁極320のフラッパ側端面に形成した流通溝であり、実施形態4(図25)と同様の機能を有する。325は前記フラッパの供給側に形成されたフラッパ供給側凸部、326は前記フラッパの排気側に形成されたフラッパ排気側凸部、327は前記供給側ハウジングのフラッパ側に形成された供給ハウジング側凸部、328は前記フラッパの供給側に形成されたフラッパ側凹部、329は制御室、330は定圧室である。この定圧室は大気に繋がる定圧源ポート319と連結しているため、圧力は常に一定にP=P0(大気圧)維持されている。供給ハウジング側凸部327とフラッパ側凹部328の2つの部材は、常に狭い隙間を保って軸方向に摺動自在に勘合されており、非接触シール部331を形成している。 49a shows the valve input current I=0 (initial value), FIG. 49b shows the input current I≈Imax/2 (operating point), and FIG. 49c shows the input current I=Imax (maximum value). In the figure, 322 is a supply side nozzle orifice, and 323 is an exhaust side nozzle orifice. 324a, 324b (not shown), and 324c are circulation grooves formed on the flapper-side end face of the magnetic pole 320, and have the same function as in the fourth embodiment (FIG. 25). 325 is a flapper supply side projection formed on the supply side of the flapper, 326 is a flapper exhaust side projection formed on the exhaust side of the flapper, and 327 is a supply housing side formed on the flapper side of the supply side housing. A projection 328 is a flapper-side depression formed on the supply side of the flapper, 329 is a control chamber, and 330 is a constant pressure chamber. Since this constant-pressure chamber is connected to a constant-pressure source port 319 connected to the atmosphere, the pressure is always maintained at a constant P=P0 (atmospheric pressure). The two members of the supply housing side projection 327 and the flapper side recess 328 are slidably fitted in the axial direction while always maintaining a narrow gap to form a non-contact seal portion 331 .

図49aのバルブ入力電流I=0では、フラッパ供給側凸部325は供給側ノズルオリフィス322に深く侵入しており、両部材で形成される狭い環状隙間の流れは粘性流となっている。したがって空気圧供給源(図示せず)から本バルブの制御室329に流入する空気量は微小量である。 At the valve input current I=0 in FIG. 49a, the flapper supply-side protrusion 325 penetrates deeply into the supply-side nozzle orifice 322, and the flow in the narrow annular gap formed by both members is viscous. Therefore, the amount of air flowing into the control chamber 329 of this valve from an air pressure supply (not shown) is very small.

図49bの入力電流I≒Imax/2(動作点)では、フラッパ供給側凸部325の端面は供給側ノズルオリフィス322の開口部317(開口端)と近接した状態にある。前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流体の流れは、粘性流領域からポテンシャル流領域に移り変わる遷移領域にある。また、前記制御室から前記排気側ノズルに流入する流体の流れも、同様に遷移領域にある。したがって、空気圧供給源(図示せず)から排気側に流出する空気流量はまだ充分に小さい。 At the input current I≈Imax/2 (operating point) in FIG. The flow of fluid entering the control chamber from the supply nozzle is in a transition region transitioning from a viscous flow region to a potential flow region. Fluid flow from the control chamber into the exhaust nozzle is also in the transition region. Therefore, the flow rate of air flowing out from the air pressure source (not shown) to the exhaust side is still sufficiently small.

図49cの入力電流I=Imaxでは、フラッパ供給側凸部325の端面は供給側ノズルオリフィス322の前記開口部から十分に離れた状態にある。前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流体の流れは、ポテンシャル流領域にある。また、前記フラッパ排気側凸部は、排気側ノズルオリフィス326に深く侵入しており、両部材で形成される狭い環状隙間の流れは粘性流となっている。したがって、前記制御室から大気に流出する空気量は微小量である。 At the input current I=Imax in FIG. The flow of fluid entering the control chamber from the supply nozzle is in the potential flow regime. Further, the flapper exhaust-side convex portion penetrates deeply into the exhaust-side nozzle orifice 326, and the flow in the narrow annular gap formed by both members is a viscous flow. Therefore, the amount of air flowing out from the control chamber to the atmosphere is very small.

さて、入力電流が0<I<Imaxの範囲で、制御室329の圧力Paは前記フラッパの位置によって、P0<Pa<PSの範囲で変化する。しかし、定圧室330はシール部331によって、制御室329と遮蔽されているため、圧力はP= P0(一定)である。 Now, when the input current is in the range of 0<I<Imax, the pressure Pa in the control chamber 329 changes in the range of P0<Pa<PS depending on the position of the flapper. However, since the constant pressure chamber 330 is shielded from the control chamber 329 by the seal portion 331, the pressure is P=P0 (constant).

電磁石の発生力(吸引力)Fとフラッパ両面の圧力差による荷重、及びフラッパのばね剛性による復元力が平衡する。定圧室330の圧力が前記フラッパに有効に作用する面積をS1、非接触シール部331で覆われる前記フラッパの供給側の面積をS2とすれば、前記フラッパの排気側で制御圧Paが加わる総面積はS1+S2である。前記フラッパ(ディスク)のばね剛性をK、前記フラッパの変位をXとすれば The generated force (attractive force) F of the electromagnet, the load due to the pressure difference between both sides of the flapper, and the restoring force due to the spring rigidity of the flapper are balanced. Assuming that the area where the pressure in the constant pressure chamber 330 effectively acts on the flapper is S1 and the area on the supply side of the flapper covered with the non-contact seal portion 331 is S2, the total amount of control pressure Pa applied on the exhaust side of the flapper is The area is S1+S2. If the spring stiffness of the flapper (disk) is K and the displacement of the flapper is X, then

Figure 0007177492000016
(Pa- P0)S1 >>Kxとなるように、定圧室330のフラッパ面積S1を設定すれば、電磁石の発生力と制御圧力のゲージ圧Pa- P0は概略比例する。
Figure 0007177492000016
If the flapper area S1 of the constant pressure chamber 330 is set so that (Pa-P0)S1>>Kx, the force generated by the electromagnet and the gauge pressure Pa-P0 of the control pressure are approximately proportional.

Figure 0007177492000017
Figure 0007177492000017

磁気飽和現象を利用すれば、たとえば、図21のグラフ(Type C)に示すように、電流値に対する電磁石の発生力は比例関係を持たせることができる。したがって本実施例では、低消費空気流量の特徴を維持して、かつ入力電流に対する制御圧力が比例関係になるようなバルブ特性を得ることができる。 By using the magnetic saturation phenomenon, for example, as shown in the graph (Type C) of FIG. 21, the force generated by the electromagnet can have a proportional relationship with the current value. Therefore, in this embodiment, it is possible to obtain a valve characteristic in which the control pressure is proportional to the input current while maintaining the feature of low air consumption.

本実施例では、電磁石の磁極は中心軸のみに設けたが、吸引力を増加するために前述した実施例のように、第2磁極を設けてもよい。(図示せず) In this embodiment, the magnetic poles of the electromagnet are provided only on the central axis, but a second magnetic pole may be provided as in the above-described embodiments in order to increase the attractive force. (not shown)

<第15の実施形態>
図50は、本発明の実施形態15に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、前述した実施例同様に、低消費空気流量の特徴を維持して、かつ入力電流に対する制御圧力が比例関係になるように、バルブ構造に工夫を施したものである。前述した実施例は定圧室をフラッパの外周部に設けたが、本実施例はフラッパの中心部で排気側に設けている。
<Fifteenth Embodiment>
FIG. 50 is a front cross-sectional view of a pneumatic servovalve according to Embodiment 15 of the present invention, which maintains the characteristic of low air consumption and maintains a proportional relationship between the control pressure and the input current, as in the previous embodiment. The valve structure has been devised so that In the above embodiment, the constant pressure chamber is provided on the outer peripheral portion of the flapper, but in this embodiment, it is provided on the exhaust side at the center of the flapper.

900は中心軸、901はこの中心軸の底部、902は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された外枠部、903はコイルボビン、904はコイルである。905は筒形状の供給側ハウジング、906はこの供給側ハウジング底部、907は締結ボルト、908は供給側流通路、909は吸入口、910は排気側ハウジング、911aは吐出口、911bは排気側流路、912は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。913はフラッパで、排気側ハウジング910と供給側ハウジング905に挟み込まれた状態で、両部材905、910を締結するボルト(図示せず)により固定される。914は前記供給側ハウジングと前記フラッパの間に形成される供給側空隙部、915は前記フラッパと前記排気側ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。916a、916b、916c、916dは前記フラッパに形成された流通穴(916b、916dは図示せず)、917は電磁石の磁極、918は前記外枠部のフラッパ側端面で前記フラッパと密着している。 900 is a central shaft, 901 is the bottom of this central shaft, 902 is an outer frame portion formed by a circle concentric with the axis of the central shaft, 903 is a coil bobbin, and 904 is a coil. 905 is a cylindrical supply side housing, 906 is the bottom of the supply side housing, 907 is a fastening bolt, 908 is a supply side flow passage, 909 is an intake port, 910 is an exhaust side housing, 911a is a discharge port, and 911b is an exhaust side flow. Channel 912 is a control side channel leading to a pneumatic actuator (not shown). A flapper 913 is sandwiched between the exhaust-side housing 910 and the supply-side housing 905 and fixed by a bolt (not shown) that fastens the two members 905 and 910 . Reference numeral 914 denotes a supply-side gap formed between the supply-side housing and the flapper, and 915 an exhaust-side gap formed between the flapper and the exhaust-side housing. 916a, 916b, 916c, and 916d are communication holes formed in the flapper (916b and 916d are not shown), 917 is the magnetic pole of the electromagnet, and 918 is in close contact with the flapper at the flapper-side end surface of the outer frame. .

以下、拡大図51において、919は供給側ノズルオリフィス、920は前記フラッパの供給側に形成されたフラッパ供給側凸部である。このフラッパ供給側凸部と供給側ノズルオリフィス919が勘合することで、供給側流路の流体抵抗R1が調節される。 Hereinafter, in the enlarged view 51, 919 is a supply side nozzle orifice, and 920 is a flapper supply side projection formed on the supply side of the flapper. The fluid resistance R1 of the supply-side channel is adjusted by fitting the flapper supply-side convex portion with the supply-side nozzle orifice 919 .

921は前記フラッパの排気側に形成されたフラッパ排気側凹部、922は前記排気側ハウジングに形成されたハウジング排気側凸部である。このハウジング排気側凸部とフラッパ排気側凹部921が勘合することで、排気側流路の流体抵抗R2が調節される。供給側空隙部914と排気側空隙部は前記流通穴により連絡しており、前述した実施例同様に、この2つの空隙部により制御室923を形成している。この制御室の圧力Paは、供給源圧力PSと、供給側流路の流体抵抗R1と排気側流路の流体抵抗R2により決定される。 921 is a flapper exhaust side concave portion formed on the exhaust side of the flapper, and 922 is a housing exhaust side convex portion formed on the exhaust side housing. The fluid resistance R2 of the exhaust-side channel is adjusted by fitting the housing exhaust-side protrusion and the flapper exhaust-side recess 921 together. The supply-side gap 914 and the exhaust-side gap are connected by the communication hole, and these two gaps form a control chamber 923 in the same manner as in the above-described embodiments. The pressure Pa in the control chamber is determined by the supply source pressure PS, the fluid resistance R1 of the supply side channel, and the fluid resistance R2 of the exhaust side channel.

924は定圧室であり、大気に繋がる排気側流路911bと連結しているため、圧力は常に一定にP=P0(大気圧)維持されている。前述した実施例同様に、電磁石の発生力(吸引力)Fとフラッパ両面の圧力差による荷重、及びフラッパのばね剛性による復元力が平衡する。定圧室924の半径r1で決まる面積をS1、この定圧室反対側で、半径r2で決まる前記フラッパ供給側面積をS2とすれば、前記フラッパの排気側で制御圧Paが加わる総面積はS2-S1である。 924 is a constant pressure chamber, which is connected to the exhaust side passage 911b connected to the atmosphere, so that the pressure is always kept constant P=P0 (atmospheric pressure). As in the above-described embodiment, the generated force (attractive force) F of the electromagnet, the load due to the pressure difference between the flapper surfaces, and the restoring force due to the spring stiffness of the flapper are balanced. S1 is the area determined by the radius r1 of the constant pressure chamber 924, and S2 is the flapper supply side area determined by the radius r2 on the opposite side of the constant pressure chamber. is S1.

Figure 0007177492000018
式(15)において、(Pa- P0)S1 >>Kxとなるように、定圧室924の半径r1を設定すれば、電磁石の発生力と制御圧力のゲージ圧Pa- P0は概略比例する。したがって、前述した実施例同様に、低消費空気流量の特徴を維持して、かつ入力電流に対する制御圧力が比例関係になるようなバルブ特性を得ることができる。
Figure 0007177492000018
In equation (15), if the radius r1 of the constant pressure chamber 924 is set so that (Pa-P0)S1>>Kx, the force generated by the electromagnet and the gauge pressure Pa-P0 of the control pressure are approximately proportional. Therefore, it is possible to obtain a valve characteristic in which the control pressure is proportional to the input current while maintaining the feature of low air consumption, as in the above-described embodiment.

実施例では、定圧室330の圧力を一定に保つために非接触シール部331を形成したが、Oリングなどのシール部材を用いてもよい。 In the embodiment, the non-contact seal portion 331 is formed to keep the pressure in the constant pressure chamber 330 constant, but a seal member such as an O-ring may be used.

<第16の実施形態>・・・ その他の実施例(電空変換器)
図52は、本発明の実施形態16に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、本発明を電空変換器として用いた場合を示す。前述した実施例は、双方向フラッパと2つのノズル(順方向と逆方向)の組み合わせによるノズルフラッパ弁の構成であった。しかし、本発明はフラッパの片面と一個のノズルの組み合わせによる、たとえば電空変換器としても適用できる。
<Sixteenth Embodiment> ... Other Examples (Electropneumatic Converter)
FIG. 52 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to Embodiment 16 of the present invention, showing a case where the present invention is used as an electropneumatic converter. In the above-described embodiment, the configuration of the nozzle flapper valve is a combination of a bidirectional flapper and two nozzles (forward direction and reverse direction). However, the present invention can also be applied as an electro-pneumatic transducer, for example, by combining one side of the flapper and one nozzle.

650は中心軸、651はこの中心軸の底部、652は中心軸の外枠部、653はコイルボビン、654は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸650、中心軸底部651、中心軸の外枠部652、コイルボビン653、コイル654により、フラッパ(後述)を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータを構成している。655は筒形状のハウジング、656はこのハウジング底部、657は締結ボルト、658は供給側ハウジング、659aは吸入口、659bは供給側流路、660は大気側に繋がる排気側流路、661は電空変換器の圧力室(図示せず)に繋がる制御側流路である。662は円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)663と、板厚の薄い外周部(弾性変形部)664により構成される。665は供給側ハウジング658とフラッパ662の間に形成される供給側空隙部、666はフラッパ662と前記電磁アクチュエータ側との間に形成されるアクチュエータ側空隙部である。667a、667b、667c、667dは前記フラッパに形成された流通穴(667b、667dは図示せず)、668は供給側流路の上流側に設けられた第1ノズル、669は前記フラッパの対向面に設けられた第2ノズル、670は前記第1ノズルと第2ノズルの間に形成される制御室である。671は中心軸650のフラッパ側端面である第1磁極、672は前記外枠部のフラッパ側端面に設けられた磁極用リング、673はこの磁極用リングのフラッパ662側端面に形成された第2磁極である。674は前記磁極用リングと前記フラッパの間に介在して設けられた非磁性材料のスペーサである。 650 is a central shaft, 651 is the bottom of this central shaft, 652 is an outer frame of the central shaft, 653 is a coil bobbin, and 654 is a coil wound around the coil bobbin. The central shaft 650, the central shaft bottom portion 651, the outer frame portion 652 of the central shaft, the coil bobbin 653, and the coil 654 constitute an electromagnetic actuator that attracts a flapper (described later) and controls its displacement. 655 is a cylindrical housing, 656 is the bottom of this housing, 657 is a fastening bolt, 658 is a supply side housing, 659a is an intake port, 659b is a supply side flow path, 660 is an exhaust side flow path connected to the atmosphere side, 661 is an electric current. It is a control-side flow path connected to a pressure chamber (not shown) of the air converter. A disk-shaped flapper 662 is composed of a thick projection (magnetic path portion) 663 and a thin peripheral portion (elastic deformation portion) 664 . 665 is a supply side gap formed between the supply side housing 658 and the flapper 662, and 666 is an actuator side gap formed between the flapper 662 and the electromagnetic actuator side. 667a, 667b, 667c, 667d are circulation holes formed in the flapper (667b, 667d are not shown), 668 is the first nozzle provided upstream of the supply side flow path, and 669 is the facing surface of the flapper. A second nozzle 670 is a control chamber formed between the first and second nozzles. Reference numeral 671 denotes a first magnetic pole on the flapper side end face of the central shaft 650; 672, a magnetic pole ring provided on the flapper side end face of the outer frame; 673, a second magnetic pole ring formed on the flapper 662 side end face of the magnetic pole ring magnetic poles. A non-magnetic spacer 674 is interposed between the magnetic pole ring and the flapper.

本バルブに電流を印加すると、第2ノズル669と前記フラッパ間の隙間が変化して、第2ノズル669の流体抵抗は変化する。第2ノズル669を可変抵抗RXとすれば、入力電流の増加に伴い、可変抵抗RX は低下する。第1ノズル668の固定抵抗をR0として、電気回路モデルで表現すれば、制御室670の圧力Pa={RX/( RX+R0)}×PSである。したがって、本バルブの構成により、入力電流に逆比例して、電空変換器の圧力室(図示せず)の圧力Paを調節することができる。 When an electric current is applied to this valve, the gap between the second nozzle 669 and the flapper changes, and the fluid resistance of the second nozzle 669 changes. Assuming that the second nozzle 669 is a variable resistor RX, the variable resistor RX decreases as the input current increases. Assuming that the fixed resistance of the first nozzle 668 is R0, the pressure in the control chamber 670 Pa={RX/(RX+R0)}×PS when expressed in an electric circuit model. Therefore, the configuration of this valve makes it possible to adjust the pressure Pa in the pressure chamber (not shown) of the electro-pneumatic converter in inverse proportion to the input current.

<第17の実施形態>
図53は、本発明の実施形態17に係る流体サーボバルブの正面断面図であり、本発明を4方案内弁を上流側で制御するパイロット弁(一次制御弁)として適用した事例である。700は中心軸、701はこの中心軸の底部、702は中心軸の外枠部、703はコイルボビン、704はコイルである。705は筒形状のリア側ハウジング、706はこのハウジング底部、707はボルト、708及び709は第1供給側流路、710はフロント側ハウジング、711は第2供給側流路、712は排気側流路である。713は円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)714と、板厚の厚い弾性変形部715により構成される。716はフロント側空隙部、717はリア側空隙部である。718a、718b、718c、718dはフラッパ713に形成された流通穴(718b、718dは図示せず)、719は第1ノズル、720は第2ノズルである。721は前記第1ノズルの上流側に設けられた第1固定ノズル、722は前記第2ノズルの上流側に設けられた第2固定ノズルである。723は前記第1ノズルと前記第1固定ノズルの間に形成される第1制御室、724は前記第2ノズルと前記第2固定ノズルの間に形成される第2制御室、725は4方弁のスプール右端面(図54)に繋がる第1制御流路、726はスプール左端面(図54)に繋がる第2制御流路である。727は中心軸700の前記フラッパ側端面(中心軸端面)で電磁石の第1磁極、728は外枠部702の前記フラッパ側に形成された第2磁極である。
<Seventeenth Embodiment>
FIG. 53 is a front cross-sectional view of a fluid servo valve according to Embodiment 17 of the present invention, which is an example in which the present invention is applied as a pilot valve (primary control valve) that controls a four-way guide valve on the upstream side. 700 is a central shaft, 701 is the bottom of this central shaft, 702 is an outer frame of the central shaft, 703 is a coil bobbin, and 704 is a coil. 705 is a cylindrical rear side housing, 706 is the bottom of this housing, 707 is a bolt, 708 and 709 are first supply side flow paths, 710 is a front side housing, 711 is a second supply side flow path, and 712 is an exhaust side flow path. is the road. A disk-shaped flapper 713 is composed of a thick projection (magnetic path portion) 714 and a thick elastic deformation portion 715 . 716 is a front-side gap, and 717 is a rear-side gap. 718a, 718b, 718c, and 718d are circulation holes (718b and 718d are not shown) formed in the flapper 713, 719 is a first nozzle, and 720 is a second nozzle. 721 is a first fixed nozzle provided upstream of the first nozzle, and 722 is a second fixed nozzle provided upstream of the second nozzle. 723 is a first control chamber formed between the first nozzle and the first fixed nozzle; 724 is a second control chamber formed between the second nozzle and the second fixed nozzle; A first control channel leading to the valve spool right end face (Fig. 54), 726 is a second control channel leading to the spool left end face (Fig. 54). Reference numeral 727 denotes a first magnetic pole of the electromagnet on the flapper-side end surface (center shaft end surface) of the central shaft 700, and 728 denotes a second magnetic pole formed on the outer frame portion 702 on the flapper side.

図54は、前述した本発明によるパイロット弁で駆動される4方案内弁を示す図である。730は4方案内弁、731は4方案内弁のスプール、732a、732bは前記スプールの両端面に装着されたばね、733は供給ポート、734a、734bは戻りポートである。735a、735bは制御ポートであり、制御対象である流体圧シリンダの左右の各室に連結される。 FIG. 54 is a diagram showing a four-way guide valve driven by a pilot valve according to the invention described above. 730 is a 4-way guide valve, 731 is a spool of the 4-way guide valve, 732a and 732b are springs attached to both ends of the spool, 733 is a supply port, and 734a and 734b are return ports. Control ports 735a and 735b are connected to the left and right chambers of the fluid pressure cylinder to be controlled.

<第18実施形態>
図55は、本発明の実施形態18に係るマイクロアクチュータの正面断面図であり、本発明を図56のポペット弁、あるいは、図57に示す4方案内弁などと組み合わせることで、流体サーボバルブとして適用することができる。
850はマイクロアクチュータの全体を示し、851は中心軸、852はコイルボビン、853は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。854は前記中心軸と前記コイルボビンを収納する外枠部、855はこの外枠部を収納する筒形状のコイル側ハウジング、856は前記外枠部と前記コイル側ハウジングを締結するボルト、857はフラッパ側ハウジング、858は円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)859と、板厚の薄い外周部(弾性変形部)860により構成される。
<Eighteenth Embodiment>
FIG. 55 is a front cross-sectional view of a microactuator according to embodiment 18 of the present invention. By combining the present invention with the poppet valve of FIG. 56 or the four-way guide valve of FIG. can be applied as
Reference numeral 850 denotes the entire microactuator, 851 a central shaft, 852 a coil bobbin, and 853 a coil wound around the coil bobbin. Reference numeral 854 denotes an outer frame portion that accommodates the central shaft and the coil bobbin; 855, a cylindrical coil-side housing that accommodates the outer frame portion; 856, bolts for fastening the outer frame portion and the coil-side housing; and 857, a flapper. The side housing 858 is a disk-shaped flapper, and is composed of a thick convex portion (magnetic path portion) 859 and a thin peripheral portion (elastic deformation portion) 860 .

861は中心軸851のフラッパ側端面である第1磁極、862は前記外枠部のフラッパ側端面に設けられた磁極用リング、863はこの磁極用リングの前記フラッパ側端面に形成された第2磁極である。864は前記磁極用リングと前記フラッパの間に介在して設けられた非磁性材料のスペーサ、865はフラッパ側ハウジング857と、コイル側ハウジング855を締結するボルトである。866aと866bは前記中心軸を摺動自在に支持する軸受、867はマイクロアクチュータとしての本ユニットの出力軸端部(前記中心軸の右端部)である。868は本ユニットの出力軸で駆動される流体制御部である。 861 is a first magnetic pole on the flapper side end face of the central shaft 851, 862 is a magnetic pole ring provided on the flapper side end face of the outer frame portion, and 863 is a second magnetic pole ring formed on the flapper side end face of the magnetic pole ring. magnetic poles. 864 is a spacer made of a non-magnetic material interposed between the magnetic pole ring and the flapper, and 865 is a bolt for fastening the flapper-side housing 857 and the coil-side housing 855 together. 866a and 866b are bearings for slidably supporting the central shaft, and 867 is the output shaft end (the right end of the central shaft) of this unit as a microactuator. 868 is a fluid control section driven by the output shaft of this unit.

869は前記フラッパの変位を検出する変位センサで、フラッパ側ハウジング857の中心部に装着される。変位センサ869からの信号はコントローラ870に入力されて、マイクロアクチュータの出力軸端部867が所定の位置になるように、コイル853に流す電流が制御される。 A displacement sensor 869 detects the displacement of the flapper, and is mounted in the central portion of the flapper-side housing 857 . A signal from the displacement sensor 869 is input to the controller 870 to control the current flowing through the coil 853 so that the output shaft end 867 of the microactuator is at a predetermined position.

本実施例のマイクロアクチュータ850は、前記コイルに電流を印加したとき、前記出力軸端部867はアクチュエータ本体から突き出る動作をする。したがって、本アクチュータが磁気吸引式であるにも関わらず、従来から広く用いられている圧電型、磁歪型アクチュータ等と同様の使い方ができる。この動作を可能にしたのは、中心軸が前記外枠部(コイルボビン852)を貫通した構成にしたからである。かつ前記出力軸端部と反対側の空間を利用して、センサ869を配置することで、センサ内蔵型のマイクロアクチュータがコンパクトに構成できる。 In the microactuator 850 of this embodiment, when a current is applied to the coil, the output shaft end 867 protrudes from the actuator main body. Therefore, although the present actuator is of the magnetic attraction type, it can be used in the same manner as the widely used piezoelectric and magnetostrictive actuators. This operation is made possible because the central axis penetrates the outer frame portion (coil bobbin 852). In addition, by arranging the sensor 869 utilizing the space on the side opposite to the end of the output shaft, the sensor built-in microactuator can be compactly constructed.

中心軸851を支持する軸受(866a、866bに相当)に静圧軸受を用いれば、クーロン摩擦(静摩擦)の影響から回避できるため、前記出力軸端部は精度の高い変位制御ができる。その結果、前記出力軸と連結する流体制御部において、高い流量と圧力の制御ができる(図示せず)。あるいは、中心軸851を収納する外枠部854との半径方向の間隙を十分に大きくして、中心軸851の右端部(前記出力軸端部側)を前記フラッパに相当する弾性部材で支持する。すなわち、中心軸851の両端をディスク形状ばねで弾性支持することで、中心軸851はクーロン摩擦の影響を受けない非接触支持にできる。ディスク形状ばねとしては、第7実施形態で前述したスパイラルディスクばね、あるいは、雲形ばねなどが適用できる(図示せず)。 If hydrostatic bearings are used for the bearings (corresponding to 866a and 866b) that support the central shaft 851, the effects of Coulomb friction (static friction) can be avoided, and the displacement of the output shaft ends can be controlled with high accuracy. As a result, the fluid control unit connected to the output shaft can control high flow rate and pressure (not shown). Alternatively, the radial gap between the center shaft 851 and the outer frame portion 854 is sufficiently large, and the right end (the output shaft end side) of the center shaft 851 is supported by an elastic member corresponding to the flapper. . That is, by elastically supporting both ends of the central shaft 851 with disk-shaped springs, the central shaft 851 can be supported in a non-contact manner without being affected by Coulomb friction. As the disc-shaped spring, the spiral disc spring described above in the seventh embodiment, or the cloud-shaped spring can be applied (not shown).

図56に前記マイクロアクチュータで駆動されるポペット弁の一例を示す。
880はテーパ部、881はこのテーパ部と勘合するノズル部、882はハウジング、883は流体供給ポート、884は流体出力ポートである。
FIG. 56 shows an example of a poppet valve driven by the microactuator.
880 is a tapered portion, 881 is a nozzle portion fitted with this tapered portion, 882 is a housing, 883 is a fluid supply port, and 884 is a fluid output port.

図57は、前記マイクロアクチュータで駆動される4方案内弁を示す図である。890は4方案内弁、891は4方案内弁のスプール、892は供給ポート、893a、893bは戻りポートである。894a、894bは制御ポートであり、制御対象である流体圧シリンダの左右の各室に連結される。 FIG. 57 is a diagram showing a four-way guide valve driven by the microactuator. 890 is a 4-way guide valve, 891 is a spool of the 4-way guide valve, 892 is a supply port, and 893a and 893b are return ports. Control ports 894a and 894b are connected to the left and right chambers of the fluid pressure cylinder to be controlled.

前述したように、Maxwellの応力を利用したアクチュエータの場合、磁気吸引作用が有効利用できる磁極とフラッパ間の磁気ギャップの最大値は0.05~0.20mmのオーダーであった。エアーギャップに対する磁気吸引力の特性は非線形であり、上記最大値を超えると、磁気吸引力は通常では大幅に低下する。しかし、第2の実施形態で説明したように、フラッパに相当する可動部に適切な磁性材料と薄いディスクを用いると、電流に対するフラッパの変位特性は、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができることが、本研究の過程で見出すことができた。第13の実施形態[図46のType(II)のグラフ参照]で前述したように、この磁気飽和現象をさらに積極的に利用することにより、電流に対するフラッパの変位特性の線形性を失うことなく、フラッパのストロークを大幅に増大することができる。ちなみに、従来から多用されているピエゾアクチュータは、ストロークはせいぜい50μm程度が限界であり、超磁歪アクチュータも100μm程度が限界である。したがって、磁気飽和現象を利用することにより、従来のピエゾアクチュータ、超磁歪アクチュータでは得られなかったmmオーダーの変位制御が可能となる。さらに、第1の実施形態(表2参照)で前述したように、ボイスコイルモータ(リニアモータ)と比較しても、推力定数が高く、小電力で駆動できてアクチュータの大幅な小型化が可能である。 As mentioned above, in the case of Maxwell's stress-based actuator, the maximum value of the magnetic gap between the magnetic pole and the flapper where the magnetic attraction can be effectively used was on the order of 0.05 to 0.20 mm. The characteristic of the magnetic attraction force with respect to the air gap is non-linear, and above the maximum value the magnetic attraction force usually falls off significantly. However, as described in the second embodiment, if a suitable magnetic material and a thin disk are used for the movable portion corresponding to the flapper, the displacement characteristic of the flapper with respect to the current exhibits excellent linearity (linearity). I was able to find out what I could get in the process of this research. As described above in the thirteenth embodiment [see the Type (II) graph in FIG. , the stroke of the flapper can be greatly increased. Incidentally, the stroke of piezo actuators, which have been widely used in the past, is limited to about 50 μm at most, and the limit of giant magnetostrictive actuators is about 100 μm. Therefore, by utilizing the magnetic saturation phenomenon, it becomes possible to control displacement on the millimeter order, which was not possible with conventional piezo actuators and giant magnetostrictive actuators. Furthermore, as described above in the first embodiment (see Table 2), the thrust constant is higher than that of a voice coil motor (linear motor), and it can be driven with a small amount of electric power, making it possible to significantly reduce the size of the actuator. is.

<第19実施形態>
図58は、本発明の実施形態19に係るマイクロアクチュータの正面断面図であり、実施形態18同様に、本発明を図56のポペット弁、あるいは、図57に示した4方案内弁などと組み合わせることで、流体サーボバルブとして適用することができる。但し、実施形態18の構造が電流を印加させることにより、出力軸が突き出る動作をするのに対して、本実施形態では出力軸が引っ込む動作をする。
<Nineteenth Embodiment>
58 is a front cross-sectional view of a microactuator according to Embodiment 19 of the present invention. Similar to Embodiment 18, the present invention can be used with the poppet valve of FIG. 56 or the 4-way guide valve of FIG. By combining them, they can be applied as a fluid servo valve. However, while the structure of Embodiment 18 causes the output shaft to protrude by applying a current, the output shaft of this embodiment causes a retraction.

820はマイクロアクチュータの全体を示し、821は中心軸、822はコイルボビン、823は前記コイルボビンに巻かれたコイル、824は前記中心軸と前記コイルボビンを収納する外枠部、825は筒形状のコイル側ハウジング、826は締結ボルト、827はフラッパ側ハウジング、828は円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)829と、板厚の薄い外周部(弾性変形部)830により構成される。 820 denotes the entire microactuator, 821 denotes a central shaft, 822 denotes a coil bobbin, 823 denotes a coil wound around the coil bobbin, 824 denotes an outer frame housing the central shaft and the coil bobbin, and 825 denotes a cylindrical coil. A side housing, 826 is a fastening bolt, 827 is a flapper side housing, and 828 is a disk-shaped flapper, which is composed of a thick convex portion (magnetic path portion) 829 and a thin outer peripheral portion (elastic deformation portion) 830. be done.

831は中心軸821のフラッパ側端面である第1磁極、832は前記外枠部のフラッパ側端面に設けられた磁極用リング、833はこの磁極用リングの前記フラッパ側端面に形成された第2磁極である。834は締結ボルト、835は前記フラッパと一体化した本ユニットの出力軸端部、836は非磁性材料のスペーサである。837は本ユニットの出力軸で駆動される流体制御部である。 Reference numeral 831 denotes a first magnetic pole on the flapper side end face of the central shaft 821; 832, a magnetic pole ring provided on the flapper side end face of the outer frame; 833, a second magnetic pole ring formed on the flapper side end face of the magnetic pole ring; magnetic poles. 834 is a fastening bolt, 835 is an output shaft end of the unit integrated with the flapper, and 836 is a spacer made of non-magnetic material. 837 is a fluid control section driven by the output shaft of this unit.

ここで、本実施例のマイクロアクチュータを、図56に示したポペット弁に直結した場合を想定する。電流を印加しない状態で、ポペット弁のテーパ部がノズル部880に密着していれば、流体の流れは遮断されている。電流を印加することで、前記テーパ部は前記テーパ部から離れ、流体は流体供給ポート883から流体出力ポート884に供給される。すなわち、電源が突然OFFとなる非常時には、流路は遮断されるフェルセーフ機能を持たせることができる。前述した実施形態も同様であるが、本マイクロアクチュータの適用対象は、流体機器に留まらず様々な用途に適用できる。 Here, it is assumed that the microactuator of this embodiment is directly connected to the poppet valve shown in FIG. With no current applied, if the tapered portion of the poppet valve is in close contact with the nozzle portion 880, fluid flow is blocked. By applying electrical current, the taper moves away from the taper and fluid is supplied from fluid supply port 883 to fluid output port 884 . In other words, it is possible to provide a fail-safe function that shuts off the flow path in an emergency when the power is suddenly turned off. As with the above-described embodiments, the microactuator can be applied to various applications other than fluid devices.

<第20実施形態>
本実施例は、ノズルからの流体墳力によるフラッパの動的安定性を改善するもので、図59は、実施形態3(図18)におけるノズルとフラッパ部分の拡大図、図60は、実施形態6(図28)におけるノズルとフラッパ部分の拡大図である。
<Twentieth Embodiment>
This embodiment improves the dynamic stability of the flapper due to the fluid force from the nozzle. 6 (FIG. 28) is an enlarged view of the nozzle and flapper portion.

理想的なサーボバルブの構造を追求する本研究の過程において、供給側流路の形状がフラッパの動的安定性に多大な影響を与えることが分かった。フラッパにはノズルからの高圧流体墳力が加わり、この流体墳力がフラッパを励振させる。板厚と支持外径で決まるフラッパ(ディスク)の支持剛性を小さくすれば、電磁アクチュータの吸引力が弱くても、大きなフラッパ変位(流量)を得ることができる。しかし、フラッパの支持剛性が弱い程、また流体の流れに脈動成分が多い程、流体墳力によってフラッパは、その共振周波数で振動して、異音を発生させ、流量を不安定にするなどの問題が生じた。 In the process of this research, which pursues the ideal servo valve structure, it was found that the shape of the supply side channel has a great effect on the dynamic stability of the flapper. A high-pressure fluid force from the nozzle is applied to the flapper, and this fluid force excites the flapper. If the supporting rigidity of the flapper (disk), which is determined by the plate thickness and supporting outer diameter, is reduced, a large flapper displacement (flow rate) can be obtained even if the attractive force of the electromagnetic actuator is weak. However, the weaker the supporting rigidity of the flapper and the more the pulsating component in the fluid flow, the more the flapper vibrates at its resonance frequency due to the fluid force, generating noise and destabilizing the flow rate. I have a problem.

図59は、実施形態3においてノズルが装着された構造を示すものである。供給側ノズル(順方向ノズル)129と排気側ノズル(逆方向ノズル)130はそれぞれ供給側流路122と排気側流路119に圧入装着されている。上記ノズルの装着方法は、ノズルの突出量δn(図4a参照)を調整し易くするために、従来サーボバルブ(図69、図71参照)で通常に採用されているものである。 FIG. 59 shows a structure in which nozzles are attached in Embodiment 3. FIG. A supply side nozzle (forward direction nozzle) 129 and an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle) 130 are press-fitted to the supply side channel 122 and the exhaust side channel 119, respectively. The nozzle mounting method described above is commonly employed in conventional servo valves (see FIGS. 69 and 71) in order to facilitate adjustment of the nozzle projection .delta.n (see FIG. 4a).

図60は、実施形態6の構造を示すもので、供給側ノズル(開口部269を示す)は、供給側ハウジング260と一体で形成されている。また排気側ノズル(開口部270を示す)も同様に中心軸250と一体で形成されている。ノズル開口部269に最も近接した流路径をΦdとして、長さLの流路を形成している。この長さLの流路を整流化区間279と呼ぶことにする。独立したノズル129を装着した図59の場合と比較して、図60の整流化区間279の長さLは充分に長い。研究の結果、流路長Lを長く、かつ流速に急峻な変化を生じさせないように形成することで、フラッパ263は流体墳力による励振作用の影響を受けにくくなることがわかった。流体の流れの中に障害物があるとカルマン渦が発生して、障害物の下流側にある弾性体は、カルマン渦列で風に靡く旗(ディスクに相当)のように、その共振周波数で振動することが知られており、同様の現象として説明できる。流路径ΦDから流路径Φdに急変する箇所(図中の鎖線Aの箇所)が、流速に急峻な変化をもたらし、流体の円滑な流れを妨げる障害となる。比率L/dが大きい程、フラッパ263は流体墳力に対して安定であり、ノズル129を装着した図59の場合と比較して、L/d>4に構成すれば、実用上充分な改善効果が得られる。L/d>5に構成すれば、フラッパ剛性を充分に小さくしても、フラッパ263は動的な安定性を保つことができた。整流化区間279における流路径Φdは均一でなくてもよく、鎖線Aの箇所の流路径段差を無くして、上流側に向けて先細りとなるような形状でもよい。この場合は区間Lにおける平均内径をΦdとして、上記L/dの条件を満足するように設定する。 FIG. 60 shows the structure of Embodiment 6, in which the supply-side nozzle (opening 269 is shown) is integrally formed with the supply-side housing 260 . Similarly, the exhaust-side nozzle (opening 270 is shown) is also integrally formed with the central shaft 250 . A channel having a length L is formed with the diameter of the channel closest to the nozzle opening 269 being Φd. This flow path of length L will be called a rectifying section 279 . The length L of the straightening section 279 in FIG. 60 is sufficiently long compared to the case of FIG. 59 with independent nozzles 129 attached. As a result of research, it has been found that the flapper 263 is less likely to be affected by the excitation action due to the fluid force by making the flow path length L longer and preventing the flow velocity from abruptly changing. If there is an obstacle in the fluid flow, a Karman vortex will be generated, and the elastic body downstream of the obstacle will vibrate at its resonance frequency like a flag (corresponding to a disc) fluttering in the wind in the Karman vortex street. It is known to vibrate and can be explained as a similar phenomenon. The location where the channel diameter ΦD suddenly changes from the channel diameter ΦD to the channel diameter Φd (the location indicated by the dashed line A in the figure) causes a sharp change in the flow velocity and becomes an obstacle to the smooth flow of the fluid. The larger the ratio L / d, the more stable the flapper 263 against the fluid force, and compared to the case of FIG. effect is obtained. If configured to satisfy L/d>5, the flapper 263 could maintain dynamic stability even if the flapper stiffness was made sufficiently small. The channel diameter Φd in the rectification section 279 may not be uniform, and may be tapered toward the upstream side by eliminating the channel diameter step at the portion indicated by the dashed line A. In this case, the average inner diameter in section L is set to Φd so as to satisfy the above condition of L/d.

従来サーボバルブのフラッパは剛体で構成されているのに対して、本発明の実施形態はフラッパ自身が薄いディスク形状の弾性体であり、ばね剛性を小さくできるために、上記整流化区間を設ける効果は大きい。(実施形態1の表1参照) While the flapper of the conventional servo valve is composed of a rigid body, in the embodiment of the present invention, the flapper itself is a thin disk-shaped elastic body, and the spring rigidity can be reduced. is big. (See Table 1 of Embodiment 1)

実施形態6ではノズルをハウジングと一体で形成したが、長い流路Lを有する独立したノズルを装着してもよい。あるいは、実施形態3(図59)の短いノズル129の突出量δnを調整後に、同内径の長いパイプを挿入して、長さLの整流化区間に相当する流路を設けてもよい。さらに、吸入口278に近い箇所の供給側流路261に、たとえば、内径の小さな細いオリフィスを蜂の巣状に束ねたレギュレータあるいは、求心方向に流動する狭い隙間を円周方向に複数個形成した流路、などを設ければより効果的である。(図示せず) Although the nozzle is integrally formed with the housing in Embodiment 6, an independent nozzle having a long flow path L may be attached. Alternatively, after adjusting the protrusion amount δn of the short nozzle 129 of Embodiment 3 (Fig. 59), a long pipe having the same inner diameter may be inserted to provide a flow path corresponding to the rectifying section of length L. Further, in the supply side channel 261 near the suction port 278, for example, a regulator in which thin orifices with a small inner diameter are bundled in a honeycomb shape, or a channel in which a plurality of narrow gaps flowing in the centripetal direction are formed in the circumferential direction. , etc. is more effective. (not shown)

本実施例では、流体の供給側流路に上記整流化区間を設けたが、排気側流路にも同様の整流化区間を設ければ、フラッパの動的安定性はより向上する。(図示せず) In this embodiment, the rectifying section is provided in the flow path on the supply side of the fluid, but if the same rectifying section is provided in the flow path on the exhaust side, the dynamic stability of the flapper is further improved. (not shown)

さて、供給側ノズル269近傍の供給側空隙部266を狭い隙間に設定した場合、前記供給側ノズル開口部から流出して、半径方向に流れる流体の流速が大きくなり、左右の空隙部266、267の動圧差の違いにより、前記フラッパは供給側に吸引される力が生じる。その結果、たとえば電流値が小さい段階で、フラッパ変位(流量)特性に不感帯(前記フラッパが壁面に吸着)が生じるなどの不具合があった。そこで、供給側ノズル269開口部の外周側近傍のフラッパ263に、微小径の貫通穴を、たとえば円周方向に複数個形成する。流体は供給側空隙部266から排気側空隙部267に最短距離で流入するため、左右の空隙部間の動圧差は小さくなり上記不具合は解消される。この効果は、本実施例を含む前述した実施例でも同様に得られる。また排気側空隙部の隙間が狭い場合でも、電流の最大値近傍で同様の現象が発生するが、前述した微小径の貫通穴を形成することで、この問題は解消される。(図示せず) Now, when the supply-side gap 266 near the supply-side nozzle 269 is set to be a narrow gap, the flow velocity of the fluid that flows out from the supply-side nozzle opening and flows in the radial direction increases, and the left and right gaps 266 and 267 Due to the difference in the dynamic pressure difference, the flapper generates a force that attracts the supply side. As a result, for example, when the current value is small, a dead zone (the flapper sticks to the wall surface) occurs in the flapper displacement (flow rate) characteristics. Therefore, in the flapper 263 in the vicinity of the outer peripheral side of the opening of the supply nozzle 269, a plurality of small-diameter through holes are formed, for example, in the circumferential direction. Since the fluid flows from the supply-side gap 266 to the exhaust-side gap 267 in the shortest distance, the dynamic pressure difference between the left and right gaps becomes small, thereby solving the above problem. This effect can be similarly obtained in the above-described embodiments including the present embodiment. Even if the gap on the exhaust side is narrow, a similar phenomenon occurs in the vicinity of the maximum value of the current, but this problem can be solved by forming the through hole with a small diameter as described above. (not shown)

さらに、両空隙部266、267の隙間を、たとえば半径の大きさに比例して増加するテーパ形状にする等の方策も、動圧差に係る上記問題点の解消に効果的である。(図示せず) Further, it is also effective to solve the above-mentioned problems related to the dynamic pressure difference by making the gap between the two gaps 266 and 267 tapered, for example, increasing in proportion to the size of the radius. (not shown)

補足(1)
(1)磁性材料のBH特性を選択してフラッパの変位特性を変える
第2の実施形態で示したように、たとえば、フラッパに相当する可動部に適切な磁性材料と薄いディスクを用いて磁気飽和現象を利用すると、電流に対するフラッパの変位特性は、線形性(制御性)の優れた特性を得ることができる。
前述した実施例では、フラッパの形状をたとえば凸形状にすることで、電流に対するフラッパの変位特性を変えることができた。しかし、磁性材料のBH特性(磁界強度に対する磁束密度特性)によっても、電流に対するフラッパの変位特性は変わる。
Supplement (1)
(1) Changing the displacement characteristics of the flapper by selecting the BH characteristics of the magnetic material As shown in the second embodiment, for example, magnetic saturation is achieved by using an appropriate magnetic material and a thin disk for the movable part corresponding to the flapper. By using this phenomenon, the displacement characteristic of the flapper with respect to the current can have excellent linearity (controllability).
In the above-described embodiment, by making the shape of the flapper convex, for example, it was possible to change the displacement characteristics of the flapper with respect to the current. However, the displacement characteristics of the flapper with respect to current also change depending on the BH characteristics of the magnetic material (magnetic flux density characteristics with respect to magnetic field intensity).

図61は、「磁界強度に対する磁束密度特性」が異なる3種類(A、B、C)の磁性材料特性を示す。前述したように、HCは線形領域と磁気飽和領域の磁化力境界値、BCはH=HCのときの磁束密度境界値、Bmaxは最大飽和磁束密度である。上記HC、BC、Bmaxにより、任意の磁性材料の特性を整理できる。 FIG. 61 shows the characteristics of three types (A, B, and C) of magnetic materials having different "magnetic flux density characteristics with respect to magnetic field intensity". As described above, HC is the magnetic force boundary value between the linear region and the magnetic saturation region, BC is the magnetic flux density boundary value when H=HC, and Bmax is the maximum saturation magnetic flux density. The above HC, BC, and Bmax can be used to organize the properties of any magnetic material.

図62は、上記A,B,Cの材料を用いたときの、電流に対するフラッパの変位特性の違いを定性的に示すものである。すなわち、磁性材料のBH特性(HC、BC、Bmax)を選択することで、電流に対するフラッパの変位(流量)特性は、適用する対象に要求される特性に併せて選択することが可能である。 FIG. 62 qualitatively shows the difference in the displacement characteristics of the flapper with respect to current when the materials A, B, and C are used. That is, by selecting the BH characteristics (HC, BC, Bmax) of the magnetic material, the displacement (flow rate) characteristics of the flapper with respect to the current can be selected according to the characteristics required for the application target.

(2)フラッパ以外の箇所に磁気飽和する部分を設ける方法
前述した実施例では、磁路面積の小さな薄板のフラッパを利用して、磁気飽和の調節していた。しかし、閉ループ磁気回路を構成する各要素のいずれを利用しても、磁気飽和現象を利用することができる。
(2) Method of providing a magnetically saturated portion at a location other than the flapper In the above-described embodiments, the magnetic saturation is adjusted by using a thin plate flapper having a small magnetic path area. However, the magnetic saturation phenomenon can be used by using any of the elements constituting the closed loop magnetic circuit.

図63は、中心軸に磁路面積の小さな箇所を設けたものである。280は中心軸、281はフラッパ、282はコイル、283はコイル外枠部、284aと284bはフラッパ固定部である。フラッパ281は板厚の厚い281a(磁気経路部)と、板厚の薄い外周部(弾性支持部)281bにより構成される。285は前記中心軸の中間部に形成された径小部で、閉ループ磁気回路の中で磁路面積の最も小さな箇所である。すなわち、径小部285の断面が磁気飽和現象を調節する最大磁束コントロール面(図10c参照)に相当する。磁気飽和現象を調節する磁路面積を最も小さくする箇所として、たとえば、コイル外枠部283の外周面、あるいは中心軸底部286等に最大磁束コントロール面を設けてもよい。あるいは、287を第1磁極、288を第2磁極として、これらの磁極のフラッパ側端面の面積を局所的に充分に小さく形成して、磁路面積の小さな最大磁束コントロール面としてもよい。たとえば、コイル外枠部283の前記フラッパ側を局所的にテーパ形状にしてもよい。(図示せず) In FIG. 63, a portion with a small magnetic path area is provided on the central axis. 280 is a central axis, 281 is a flapper, 282 is a coil, 283 is a coil outer frame portion, and 284a and 284b are flapper fixing portions. The flapper 281 is composed of a thick plate 281a (magnetic path portion) and a thin outer peripheral portion (elastic support portion) 281b. Reference numeral 285 denotes a small-diameter portion formed in the intermediate portion of the central axis, which has the smallest magnetic path area in the closed-loop magnetic circuit. That is, the cross section of the small diameter portion 285 corresponds to the maximum magnetic flux control surface (see FIG. 10c) for controlling the magnetic saturation phenomenon. A maximum magnetic flux control surface may be provided, for example, on the outer peripheral surface of the coil outer frame portion 283 or the center shaft bottom portion 286 as a portion that minimizes the magnetic path area for adjusting the magnetic saturation phenomenon. Alternatively, 287 may be the first magnetic pole and 288 the second magnetic pole, and the areas of the flapper-side end surfaces of these magnetic poles may be locally made sufficiently small to form maximum magnetic flux control surfaces with small magnetic path areas. For example, the flapper side of the coil outer frame portion 283 may be locally tapered. (not shown)

本発明の前述した各実施例では、作動流体に空気を用いた場合を示したが、本発明で用いる作動流体としては、油、空気、様々な種類のガスを問わず適用できる。たとえば電磁コイルの部分は、樹脂でモールド(封止)成形することで液体が触れてもよい構成にしてもよい。 In each of the above-described embodiments of the present invention, air is used as the working fluid, but oil, air, and various types of gas can be applied as the working fluid used in the present invention. For example, the electromagnetic coil portion may be molded (sealed) with resin so that it can be exposed to liquid.

ディスク(フラッパ)材料に用いる材料としては、パーマロイ(B)、電磁ステンレス鋼、純鉄などが適用できる。また、閉ループ磁気回路を構成する部品には磁性材料を用いて、それ以外のハウジングなどには非磁性材料を用いればよい。 Permalloy (B), electromagnetic stainless steel, pure iron, etc. can be used as the disk (flapper) material. Also, magnetic materials may be used for the parts constituting the closed-loop magnetic circuit, and non-magnetic materials may be used for other parts such as the housing.

たとえば第2、第3の実施形態では、閉ループ磁気回路を構成する部品(ディスク)の磁気飽和現象を利用することにより、線形性が良く、かつストロークの大きな電流に対する流量(変位)特性を得ることができることを示した。しかし、磁気飽和現象を利用しない場合でも、各実施例で開示したバルブ構造を用いて本発明を適用できる。たとえば、図14の電流値に対する変位特性のグラフにおいて、ディスク板厚h=0.5mmの場合、Imax=0.015Aとなるように、変位が急峻に立ち上がる手前で電流の上限値を設定する。この場合は、変位(流量)のストロークは小さくなるが、0<I<Imaxの範囲で流体サーボバルブが実現できる。 For example, in the second and third embodiments, flow rate (displacement) characteristics with good linearity and large stroke current are obtained by utilizing the magnetic saturation phenomenon of the parts (disks) that make up the closed loop magnetic circuit. showed that it is possible. However, even if the magnetic saturation phenomenon is not used, the present invention can be applied using the valve structure disclosed in each embodiment. For example, in the graph of displacement characteristics against current value in FIG. 14, the upper limit of the current is set before the displacement rises sharply so that Imax=0.015A when the disk plate thickness h=0.5 mm. In this case, the displacement (flow rate) stroke is small, but the fluid servo valve can be realized in the range of 0<I<Imax.

磁気飽和現象を利用した第2実施形態では、磁路面積が最も小さな箇所を「最大磁束コントロール面」として、磁気飽和現象を調節した。磁路面積の大きさではなく、透磁率の小さな磁性材料を用いて、磁気飽和現象を調節することもできる。この場合、閉ループ磁気回路内に、透磁率の小さな磁性材料で構成される部材を局所的に配置すればよい。また、電流値に対する流量特性を実測した結果、図16のグラフに示すように、「下に凸の曲線」から「上に凸の曲線」に移り変わる変極点E点の存在が見出されたならば、磁気飽和現象が効果的に利用されていることを示すものである。但し、バルブの最大使用電流の設定範囲がE点におけるX軸の値以下(I<IC)の場合でも、たとえば、磁気飽和を含まない「下に凸の曲線」だけに設定した場合でも、上記実施例のバルブは適用できる。その理由は、図15に示すように、たとえば、ディスクの板厚を薄くした場合、流量特性線形化の効果は電流が充分に小さい段階から得られるからである。この場合、図16のc点を Imax(=Iad)として、勾配が最も大きい包絡線Bbから電流範囲Ibc求め、式(12)により「線形化の効果指標η」を評価すればよい。あるいは、角度α、βから効果指標ηを求めてもよい。 In the second embodiment using the magnetic saturation phenomenon, the magnetic saturation phenomenon is adjusted by setting the location where the magnetic path area is the smallest as the “maximum magnetic flux control surface”. The magnetic saturation phenomenon can also be adjusted by using a magnetic material with a small magnetic permeability instead of the size of the magnetic path area. In this case, a member composed of a magnetic material having a low magnetic permeability may be locally arranged in the closed loop magnetic circuit. Also, as a result of actually measuring the flow rate characteristics with respect to the current value, as shown in the graph of FIG. This indicates that the magnetic saturation phenomenon is effectively utilized. However, even if the setting range of the maximum operating current of the valve is less than the value of the X axis at point E (I<IC), even if, for example, it is set only to a "downward convex curve" that does not include magnetic saturation, the above The valves of the examples are applicable. The reason for this is that, as shown in FIG. 15, for example, when the plate thickness of the disk is reduced, the effect of linearizing the flow characteristics can be obtained from the stage where the current is sufficiently small. In this case, the point c in FIG. 16 is set to Imax (=Iad), the current range Ibc is obtained from the envelope curve Bb having the largest gradient, and the "linearization effect index η" can be evaluated by equation (12). Alternatively, the effect index η may be obtained from the angles α and β.

また、周知のように、制御要素の一部が非線形であっても、フィードバック制御を施すことで、「入力に対する出力」特性は、制御システム全体で線形化する作用を有し、制御要素の非線形性は補うことができる。したがって、線形化の効果指標ηが低い場合でも、用途によっては本実施例バルブの効用を否定するものではない。また、永久磁石を電磁石と並列に配置して、磁気飽和のレベルを調節してもよい。 Also, as is well known, even if some of the control elements are nonlinear, by applying feedback control, the "output to input" characteristic has the effect of linearizing the entire control system, and the nonlinearity of the control elements Gender can compensate. Therefore, even if the linearization effect index η is low, the utility of the valve of this embodiment is not denied depending on the application. A permanent magnet may also be placed in parallel with the electromagnet to adjust the level of magnetic saturation.

補足[2] 本発明バルブを適用した流体サーボ装置
近年、半導体製造装置や検査装置に用いられる除振台に求められる性能は、製品の高集積化につれて益々高くなっている。除振テーブル上に搭載されるステージ(図68の592)は生産性向上のために、近年益々大型化、高速化しており、除振台には一層俊敏な制振制御と位置制御の実現が求められている。周知のように、制御対象に対して、速度、加速度、圧力あるいは圧力微分フィードバック、フィードフォワード等の制御系の選定と工夫(シンセシス)により、装置の除振と制振の性能改善は可能である。たとえば、
i.加速度フィードバック(図68の加速度センサ586を利用)を施せば、質量m の
増加と等価となり、条件次第ではあるが、固有振動数を低下させ、共振ピークを低減させるなどの効果が得られる。
ii.定盤直下に配置された地動加速度センサ(図68の588)からの信号を用いて、フィードフォワードを施せば、広い周波数領域で大幅な除振性能の改善ができる。
Supplement [2] Fluid Servo Device to which the Valve of the Present Invention is Applied In recent years, the performance required for the anti-vibration table used in semiconductor manufacturing equipment and inspection equipment has become higher and higher as products become more highly integrated. The stage mounted on the vibration isolation table (592 in FIG. 68) has been increasing in size and speed in recent years in order to improve productivity. It has been demanded. As is well known, it is possible to improve the vibration isolation and damping performance of a device by selecting and devising a control system (synthesis) such as speed, acceleration, pressure or pressure differential feedback, feedforward, etc. for the controlled object. . for example,
i. Acceleration feedback (using the acceleration sensor 586 in FIG. 68) is equivalent to an increase in mass m. Depending on the conditions, effects such as lowering the natural frequency and reducing the resonance peak can be obtained.
ii. If feedforward is performed using a signal from a ground motion acceleration sensor (588 in FIG. 68) arranged directly under the surface plate, the vibration isolation performance can be greatly improved over a wide frequency range.

さて、アクティブ除振装置の根幹をなす考え方はスカイフック理論と呼ばれているものである。スカイフック理論とは、図64aに示すように、物体をもし空中に張られた架空の線(ワイヤー)に宙吊り(スカイフック)の状態にして移動させることができれば、物体は常に安定した状態を保つことができるという理論である。 The concept underlying the active vibration isolator is called the skyhook theory. The skyhook theory states that if an object can be moved in a state of suspension (skyhook) on an imaginary wire (wire) stretched in the air, as shown in Figure 64a, the object will always be in a stable state. The theory is that it can be preserved.

しかし、現実には空中にワイヤーを張ることは出来ないために、図64bに示すように、物体(制御対象)をアクチュータで支持して、上記物体の上部に加速度センサを配置する。この加速度センサの出力α→0になるように、アクチュエータを加速度FB制御すれば、仮想のスカイフックが実現できる。図65は、空気圧アクチュエータを用いた除振装置の除振性能をモデル的に示すグラフである。図中のグラフa、b、cは比例変位フィードバックだけを施した場合であり、a、b、cの順で空気室の容積は小さく、共振周波数は高い。同図中のグラフa’、b’、c’は、上記a、b、cのアクチュエータに対して、制御系の選定により除振性能の改善を図ったものである。すなわち、比例変位フィードバックに加えて、加速度フィードバック(上記i.)と地動加速度フィードフォワード(上記ii.)を施した場合を示す。地動外乱に対する除振性能(振動絶縁性能)と、直動外乱に対する制振性能はトレードオフの関係にあり、除振装置を適用する対象がいずれを重視するかで上記特性a’~c’が選択されるのである。したがって、加速度フィードバックと地動加速度フィードフォワードは、除振性能改善に重要な役割を担っており、主に加速度フィードバックの適用は共振ピークを低減させるために、アクティブ除振装置には必須条件である。 However, in reality, it is not possible to stretch wires in the air, so as shown in FIG. 64b, an object (controlled object) is supported by an actuator and an acceleration sensor is arranged above the object. A virtual skyhook can be realized by controlling the acceleration FB of the actuator so that the output of this acceleration sensor becomes α→0. FIG. 65 is a graph showing a model of vibration isolation performance of a vibration isolator using a pneumatic actuator. Graphs a, b, and c in the figure are the cases where only proportional displacement feedback is applied. Graphs a', b', and c' in the figure show improvements in vibration isolation performance by selecting a control system for the actuators a, b, and c. That is, in addition to proportional displacement feedback, acceleration feedback (above i.) and ground motion acceleration feedforward (above ii.) are applied. There is a trade-off between vibration isolation performance (vibration isolation performance) against ground motion disturbance and vibration suppression performance against linear motion disturbance. It is selected. Therefore, acceleration feedback and ground acceleration feedforward play an important role in improving vibration isolation performance, and the application of acceleration feedback is a prerequisite for active vibration isolators, mainly to reduce resonance peaks.

図66はアクティブ除振装置の制御ブロック図の一例を示すもので、鎖線で示す部分Aが定盤(図68の581)を含む制御対象である。 FIG. 66 shows an example of a control block diagram of an active vibration isolator, and part A indicated by a chain line is a controlled object including a surface plate (581 in FIG. 68).

図67は図66の制御ブロック図から得られる開ループ伝達特性の一例を示すもので、一巡伝達関数(GL=Xout/Xin)の周波数に対するゲイン特性(図67a)と、位相特性(図67b)を示すものである。このグラフ(Bode線図)を用いて、系全体の応答性(固有値)が数Hz~10数Hz程度のアクティブ空気圧サーボ除振装置に用いられるサーボバルブに、何故、数百Hzの高い共振周波数が必要とされるかについて説明する。グラフ中の表に示すように、
(1)曲線i.は加速度フィードバック(FB)を施さず、空気圧サーボバルブの共振周波数が低く、f0=100Hz(図中のA点)の場合を示す。
(2)曲線ii.は加速度FBを施して、空気圧サーボバルブの共振周波数が低く、f0=100Hz(図中のB点)の場合を示す。
(3)曲線iii.は加速度FBを施して、かつ本発明の空気圧サーボバルブを適用した場合を示し、共振周波数が高く、f0=1000Hz(図中のC点)である。
FIG. 67 shows an example of open loop transfer characteristics obtained from the control block diagram of FIG. is shown. Using this graph (Bode diagram), we can see why the servo valve used in the active pneumatic servo vibration isolator, whose responsiveness (eigenvalue) of the entire system is several Hz to tens of Hz, has a high resonance frequency of several hundred Hz. explain what is required. As shown in the table in the graph,
(1) Curve i. shows the case where no acceleration feedback (FB) is applied, the resonance frequency of the pneumatic servo valve is low, and f0 = 100 Hz (point A in the figure).
(2) curve ii. shows the case where acceleration FB is applied, the resonance frequency of the pneumatic servo valve is low, and f0 = 100 Hz (point B in the figure).
(3) Curve iii. shows the case where acceleration FB is applied and the pneumatic servo valve of the present invention is applied, the resonance frequency is high, f0=1000 Hz (point C in the figure).

上記(1)(2)(3)について、制御安定性の観点から評価する。ちなみに、図中のD点(5.5Hz)は、定盤を含む制御対象と空気圧アクチュータのばね剛性できまる固有値である。さて一巡伝達関数のBode線図上で、次の2点を満足すれば、よく知られているように系は安定である。
(i)位相交点で正のゲイン余裕がある
(ii)ゲイン交点で正の位相余裕がある
The above (1), (2), and (3) are evaluated from the viewpoint of control stability. Incidentally, point D (5.5 Hz) in the figure is an eigenvalue determined by the spring rigidity of the controlled object including the surface plate and the pneumatic actuator. As is well known, the system is stable if the following two points are satisfied on the Bode diagram of the open-loop transfer function.
(i) Positive gain margin at phase crossing (ii) Positive phase margin at gain crossing

上記(1)の場合、空気圧サーボバルブの共振周波数がf0=100Hzでも上記(i)(ii)を満足しており、系は安定である。
上記(2)の場合、加速FBを施すことでゲインが上昇して、かつ位相は180度遅れる。さらに、サーボバルブの共振点f0=100Hz(B点)において、ゲイン余裕はマイナス(ゲイン>0)であるため、系は不安定となる。
上記(3)の場合、加速FBを施すことでゲインが上昇して、かつ位相は180度遅れる点は上記(2)と同様である。但し、本発明のサーボバルブの共振点f0=1000Hzにおいて、系のゲインは十分に低下しており、十分に大きなゲイン余裕(ゲイン<0)があるため、系は安定となる。
In the case of (1) above, even if the resonance frequency of the pneumatic servo valve is f0=100 Hz, the above (i) and (ii) are satisfied, and the system is stable.
In the case of (2) above, the acceleration FB increases the gain and delays the phase by 180 degrees. Furthermore, the system becomes unstable because the gain margin is negative (gain>0) at the resonance point f0=100 Hz (point B) of the servo valve.
In the case of (3) above, the application of acceleration FB increases the gain and delays the phase by 180 degrees, as in (2) above. However, at the resonance point f0=1000 Hz of the servo valve of the present invention, the gain of the system is sufficiently lowered and there is a sufficiently large gain margin (gain<0), so the system is stable.

多くの実験結果、空気圧サーボバルブの共振周波数を200Hz以上にすれば、加速度FBのゲインを必要最低限のレベルで設定することができた。しかし、望ましくは300Hz以上であった。したがって、上記条件を満足するように、たとえば実施形態1の場合は、円盤形状ディスク(フラッパ)の板厚、外径、支持条件などを決めればよい。その他の実施形態でアクティブ除振装置に適用する場合も同様である。アクティブ除振装置以外の空気圧サーボ装置で、加速度フィードバックを施す場合は同様の課題が生じるため、満足できる共振周波数になるようにフラッパの仕様を決めればよい。 As a result of many experiments, if the resonance frequency of the pneumatic servo valve is set to 200Hz or more, the gain of the acceleration FB can be set at the minimum necessary level. However, it was desirably 300 Hz or more. Therefore, in the case of the first embodiment, for example, the plate thickness, outer diameter, support conditions, etc. of the disk-shaped disk (flapper) may be determined so as to satisfy the above conditions. The same applies to active vibration isolation devices in other embodiments. A similar problem arises when acceleration feedback is applied to a pneumatic servo device other than an active vibration isolator, so the flapper specifications should be determined so as to achieve a satisfactory resonance frequency.

以上、本発明バルブを工業用アクティブ除振装置に適用した場合について説明したが、本発明は様々な空気圧サーボ装置に適用できる。たとえば、空気圧人工筋肉を用いた人と協調可能なパワーアシストシステムに適用すれば、細かな位置制御と共に、電磁モータにはない柔らかな動作が実現できる。あるいは、空気圧ゴム人工筋肉を用いた足関節の背屈動作を支援する歩行支援装置、空気圧シリンダで駆動されるパワーアシスト椅子、空気圧ベローズで駆動する微動ステージ、複雑な形状の物体を把持する空気圧マニュプレータ、鉄道車両用の空気圧ブレーキシステム、車両用のアクティブサスペッション、等々である。 Although the case where the valve of the present invention is applied to an industrial active vibration isolator has been described above, the present invention can be applied to various pneumatic servo devices. For example, if it is applied to a power assist system that uses pneumatic artificial muscles that can cooperate with humans, fine position control and soft movements not found in electromagnetic motors can be achieved. Alternatively, a walking support device that supports ankle dorsiflexion using pneumatic rubber artificial muscles, a power-assisted chair driven by pneumatic cylinders, a fine movement stage driven by pneumatic bellows, and a pneumatic manipulator that grasps objects with complex shapes. , pneumatic braking systems for rail vehicles, active suspension for vehicles, and so on.

空気圧サーボシステムは、i.クリーン、ii.保守が容易、iii.出力/重量比が電動式と比べて高い、iv.圧縮性のため動きがなめらかである、v.力制御ができる、など他方式にはない様々な特徴を有する。空気圧サーボシステムの性能とコストを最も支配するのは、システムの心臓部であるサーボバルブであると言っても過言ではなく、従来バルブの欠点を大きく解消する本発明バルブは、今後空気圧サーボシステムの幅広い普及をおおいに加速すると予想される。 The pneumatic servo system i. clean, ii. Easy to maintain, iii. High power/weight ratio compared to electric type, iv. It has various features not found in other methods, such as smooth movement due to compressibility, and v. force control. It is no exaggeration to say that the servo valve, which is the heart of the system, determines the performance and cost of the pneumatic servo system the most. Widespread adoption is expected to accelerate significantly.

その他の実施形態について説明する。フラッパ支持部材は、フラッパの一部を固定して電磁石の吸引力によりフラッパ自体を変形させるためのものであったが、例えばフラッパを揺動可能に支持し、フラッパの姿勢を変化させるものであっても構わない。すなわち、本発明は、フラッパ支持部材により揺動可能に設けられたフラッパ自体に磁力線が通るように電磁石を配置し、ノズルとフラッパとの離間距離を変化させるようにしてもよい。この場合は、前記フラッパを磁性材料で形成するとともに、前記フラッパに印加される磁力が磁気飽和領域に入るまで前記電磁石に電流が印加されるようにすることで、流量制御特性は各実施形態に記載したものに近いものを実現することができる。 Other embodiments will be described. The flapper support member is for fixing a part of the flapper and deforming the flapper itself by the attractive force of the electromagnet, but for example, it supports the flapper so that it can swing and changes the attitude of the flapper. I don't mind. That is, in the present invention, the electromagnet may be arranged so that the magnetic lines of force pass through the flapper itself which is oscillatably provided by the flapper supporting member, and the separation distance between the nozzle and the flapper may be changed. In this case, the flapper is made of a magnetic material, and a current is applied to the electromagnet until the magnetic force applied to the flapper enters the magnetic saturation region. Something close to what is described can be implemented.

10 中心軸
11 中心軸の底部
12 外枠部
13 コイルボビン
14 コイル
15 ハウジング
16 排気側底板
19 排気側流通路
20 吐出口
21 供給側底板
22 供給側流路
23 制御側流路
24 フラッパ
26 供給側空隙部
27 排気側空隙部
28a、28b、28c、28d 流通穴
29 順方向ノズル
30 逆方向ノズル
31 第1磁極
32 第2磁極
33 制御室
34 吸入口

10 central shaft 11 central shaft bottom 12 outer frame 13 coil bobbin 14 coil 15 housing 16 exhaust side bottom plate 19 exhaust side flow path 20 discharge port 21 supply side bottom plate 22 supply side flow path 23 control side flow path 24 flapper 26 supply side gap Portion 27 Exhaust-side gaps 28a, 28b, 28c, 28d Flow hole 29 Forward nozzle 30 Reverse nozzle 31 First magnetic pole 32 Second magnetic pole 33 Control chamber 34 Suction port

Claims (30)

流体供給源に流路が連絡し、先端部の内径が先細るように構成されたノズルと、
前記ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、
前記フラッパの一部を固定支持するフラッパ支持部材と、
前記フラッパの面板部に対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、
前記電磁石と前記フラッパを少なくとも含むように構成された閉ループ磁気回路と、を備え、
前記電磁石の吸引力により前記フラッパを弾性変形させて、前記ノズルの先端部と前記フラッパとの離間距離を変化させるように構成されており、かつ、
前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性が、
磁化力境界値Hc以下の領域であり、磁化力Hに対する磁束密度Bの特性が概略比例関係となる部分がある線形領域と、
磁化力境界値Hc以上の領域であり、磁化力Hが大きくなるにつれて磁束密度Bが所定値に収束する磁気飽和領域とを有し、
磁化力境界値Hcは、前記線形領域におけるB-H特性の包絡線と、前記磁気飽和領域におけるB-H特性の包絡線の交点から求められる値であり、
前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入ることを特徴とする流体サーボバルブ。
a nozzle configured such that the flow path communicates with the fluid supply source and the inner diameter of the tip portion is tapered;
a flapper provided to face the tip of the nozzle;
a flapper support member that fixedly supports a portion of the flapper;
an electromagnet provided to generate an attractive force with respect to the face plate portion of the flapper;
a closed loop magnetic circuit configured to include at least the electromagnet and the flapper;
The flapper is elastically deformed by the attraction force of the electromagnet to change the separation distance between the tip of the nozzle and the flapper, and
The magnetic properties of the magnetic material parts that make up the closed loop magnetic circuit are
A linear region that is a region below the magnetic force boundary value Hc and has a portion where the characteristics of the magnetic flux density B with respect to the magnetic force H are in a roughly proportional relationship,
It has a magnetic saturation region, which is a region above the magnetic force boundary value Hc and where the magnetic flux density B converges to a predetermined value as the magnetic force H increases,
The magnetic force boundary value Hc is a value obtained from the intersection of the BH characteristic envelope in the linear region and the BH characteristic envelope in the magnetic saturation region,
A fluid servo valve according to claim 1, wherein the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component enters the magnetic saturation region when the current flowing through the electromagnet is increased within the movable range of the flapper .
前記線形領域と、前記磁気飽和領域の境界域における磁束密度境界値をBc、前記電磁石に通電させる電流値が最大値Imaxにおける閉ループ磁気回路の線形磁気抵抗の総和をRS、前記電磁石のコイル巻数をN、磁束をΦmax= N×Imax /RSとして、前記磁性材料部品の磁路面積をSc、磁束密度をBmax=Φmax / Scとしたとき、Bmax>Bcであることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。 Bc is the magnetic flux density boundary value in the boundary region between the linear region and the magnetic saturation region, RS is the sum of linear magnetic resistances of the closed loop magnetic circuit at the maximum value Imax of the current flowing through the electromagnet, and RS is the number of coil turns of the electromagnet. 2. The method according to claim 1, wherein Bmax>Bc, where N, magnetic flux is Φmax=N×Imax/RS, magnetic path area of the magnetic material part is Sc, and magnetic flux density is Bmax=Φmax/Sc. fluid servo valve. 前記電磁石に通電させる電流の最大値近傍で、電流に対する流量特性は上に凸の曲線となることを特徴とする請求項2記載の流体サーボバルブ。 3. A fluid servo valve according to claim 2, wherein the flow rate characteristic with respect to the current forms an upwardly convex curve in the vicinity of the maximum value of the current applied to the electromagnet. 前記フラッパを概略平板形状部材で構成し、前記フラッパ自身の弾性を利用して前記ノズルと前記フラッパ間の隙間の大きさに比例した復元力を前記フラッパに持たせたことを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。 3. The flapper is composed of a substantially flat plate-shaped member, and the flapper is provided with a restoring force proportional to the size of the gap between the nozzle and the flapper by utilizing the elasticity of the flapper itself. 2. A fluid servovalve according to claim 1. 前記フラッパは前記磁性材料部品であることを特徴とする請求項2記載の流体サーボバルブ。 3. A fluid servo valve according to claim 2, wherein said flapper is said magnetic material component. 前記電磁石が、
前記フラッパと対向する内側端面に形成された第1磁極と、
前記フラッパと対向する外側端面に形成される第2磁極と、を具備し、
前記フラッパが、
前記電磁石が形成する磁気閉ループ回路において前記第1磁極と第2磁極との間の一部が形成される磁気経路部と、
前記フラッパ支持部材に支持されるとともに、前記磁気経路部を弾性的に支持する弾性支持部と、を具備し、
前記磁気経路部と前記弾性支持部の曲げ剛性が異なっている請求項4記載の流体サーボバルブ。
The electromagnet is
a first magnetic pole formed on an inner end face facing the flapper;
a second magnetic pole formed on an outer end face facing the flapper,
The flapper
a magnetic path part formed between the first magnetic pole and the second magnetic pole in a magnetic closed loop circuit formed by the electromagnet;
an elastic support portion that is supported by the flapper support member and that elastically supports the magnetic path portion;
5. A fluid servo valve according to claim 4, wherein said magnetic path portion and said elastic support portion have different flexural rigidity.
前記弾性支持部の曲げ剛性は、前記磁気経路部の曲げ剛性よりも小さいことを特徴とする請求項6記載の流体サーボバルブ。 7. The fluid servo valve according to claim 6, wherein the bending rigidity of said elastic support portion is smaller than the bending rigidity of said magnetic path portion. 前記第1磁極が前記磁気経路部の中央部と対向しており、前記第2磁極が前記磁気経路部の外縁近傍と対向していることを特徴とする請求項6記載の流体サーボバルブ。 7. A fluid servo valve according to claim 6, wherein said first magnetic pole faces the central portion of said magnetic path portion, and said second magnetic pole faces the vicinity of the outer edge of said magnetic path portion. 吸入口を流体供給源に連結して、制御室から大気に繋がる流路に流量計を装着して、前記電磁石に通電させる電流が最大値Imax(A)のときに前記流量計により測定される流量をQmax (L/min)、勾配Qmax/Imaxを基準流量ゲインα、入力電流に対する流量特性のプロフィールにおいて、勾配の最大値を最大流量ゲインβとして、線形化の効果指標η=α/βを定義したとき、η>0.2であることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。 The suction port is connected to a fluid supply source, a flow meter is attached to the flow path from the control room to the atmosphere, and the flow meter measures when the current applied to the electromagnet reaches the maximum value Imax (A). The flow rate is Qmax (L/min), the gradient Qmax/Imax is the reference flow rate gain α, the maximum value of the gradient is the maximum flow rate gain β in the profile of the flow rate characteristic for the input current, and the linearization effect index η = α/β is 2. The fluid servovalve of claim 1, wherein .eta.>0.2 when defined. η>0.4であることを特徴とする請求項9記載の流体サーボバルブ。 10. The fluid servovalve of claim 9, wherein η>0.4. 前記電磁石は磁性材料である支持軸と、この支持軸を軸芯として巻かれたコイルと、このコイルを収納するように配置された磁性材料である筒部から構成され、
前記支持軸と、前記フラッパと、前記筒部とにより閉ループ磁気回路を構成したことを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。
The electromagnet is composed of a support shaft made of a magnetic material, a coil wound around the support shaft as an axis, and a cylindrical portion made of a magnetic material arranged to accommodate the coil,
2. A fluid servo valve according to claim 1, wherein said support shaft, said flapper, and said cylindrical portion constitute a closed loop magnetic circuit.
前記支持軸を貫通して流体の供給側、もしくは排気側に連絡する流通路を形成して、前記ノズルは前記流通路の前記フラッパ側開口端に設けられていることを特徴とする請求項11記載の流体サーボバルブ。 11. A fluid passage passing through said support shaft and communicating with a fluid supply side or an exhaust side is formed, and said nozzle is provided at said opening end of said fluid passage on said flapper side. A fluid servovalve as described. 前記ノズルが2ケ所に設けられており、一方のノズルが流体の供給側に設けられて順方向ノズルとして構成され、他方のノズルが流体の排気側に設けられて逆方向ノズルとして構成され、前記順方向ノズルと、前記逆方向ノズルと、前記フラッパとが双方向ノズルフラッパ弁を構成しており、
前記順方向ノズル、もしくは、前記逆方向ノズルは前記支持軸を貫通して形成された流通路の前記フラッパ側開口端に設けたことを特徴とする請求項12記載の流体サーボバルブ。
The nozzles are provided at two locations, one nozzle is provided on the fluid supply side and configured as a forward nozzle, and the other nozzle is provided on the fluid exhaust side and configured as a reverse nozzle, The forward nozzle, the reverse nozzle, and the flapper constitute a two-way nozzle flapper valve,
13. A fluid servo valve according to claim 12, wherein said forward nozzle or said reverse nozzle is provided at said flapper side open end of a flow passage formed through said support shaft.
前記順方向ノズルが設けられ、流体の供給源側に繋がる流路が形成された供給側ハウジングと、
前記逆方向ノズルが設けられ、流体の排気側に繋がる流路が形成された排気側ハウジングと、
前記フラッパと前記供給側ハウジングの前記フラッパ対向面の間に形成される空間である供給側空隙部と、
前記フラッパと前記排気側ハウジングの前記フラッパ対向面の間に形成される空間である排気側空隙部と、を具備し、
前記フラッパに前記供給側空隙部と前記排気側空隙部を連絡する流通穴を形成したことを特徴とする請求項13記載の流体サーボバルブ。
a supply-side housing provided with the forward nozzle and formed with a flow path connected to a fluid supply source;
an exhaust-side housing provided with the reverse-direction nozzle and formed with a flow path leading to the exhaust side of the fluid;
a supply-side gap that is a space formed between the flapper and the flapper-facing surface of the supply-side housing;
an exhaust-side gap that is a space formed between the flapper and the flapper-facing surface of the exhaust-side housing;
14. The fluid servovalve according to claim 13, wherein the flapper is formed with a communication hole connecting the supply side gap and the exhaust side gap.
前記フラッパが、板状をなし、前記ノズル側へ変形可能に構成された弾性変形部を具備する請求項11記載の流体サーボバルブ。 12. The fluid servo valve according to claim 11, wherein the flapper has a plate-like shape and includes an elastically deformable portion configured to be deformable toward the nozzle. 前記電磁石が、前記フラッパと対向する端面に形成された磁極を具備し、
前記フラッパが、板状をなし、中央部で前記磁極と対向するとともに、前記弾性変形部が、前記フラッパにおいて当該フラッパの中央部と前記フラッパ支持部材の間に形成された厚み方向に貫通する貫通穴により形成されている請求項15記載の流体サーボバルブ。
The electromagnet has a magnetic pole formed on an end face facing the flapper,
The flapper has a plate-like shape and faces the magnetic pole at its central portion, and the elastically deformable portion penetrates the flapper in the thickness direction formed between the central portion of the flapper and the flapper support member. 16. The fluid servovalve of claim 15, wherein the fluid servovalve is defined by a hole.
前記支持軸の前記フラッパ側端面に、前記支持軸に設けられた前記ノズルの開口端と連絡する半径方向流通路を形成したことを特徴とする請求項11記載の流体サーボバルブ。 12. The fluid servovalve according to claim 11, wherein a radial flow passage communicating with an open end of said nozzle provided on said support shaft is formed in said flapper-side end surface of said support shaft. 磁束が前記弾性変形部を迂回する磁路で、かつ外径がコイル径よりも小さいバイパス部材と第2磁極を、前記閉ループ磁気回路内に形成したことを特徴とする請求項15記載の流体サーボバルブ。 16. The fluid servo according to claim 15, wherein a bypass member and a second magnetic pole are formed in the closed loop magnetic circuit so that the magnetic flux bypasses the elastically deformable portion and have an outer diameter smaller than the diameter of the coil. valve. 流体供給源に流路が連絡し、先端部の内径が先細るように構成されたノズルと、
前記ノズルの先端部に対して対向するように設けられた板状のフラッパと、
前記フラッパの一部を固定支持するフラッパ支持部材と、
前記フラッパの面板部に対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、
前記電磁石と前記フラッパを少なくとも含むように構成された閉ループ磁気回路と、を備え、
前記電磁石の吸引力により前記フラッパを変形させて、前記ノズルの先端部と前記フラッパの面板部との離間距離を変化させるように構成され、
前記フラッパを収納する空間が、当該フラッパによって仕切られて、前記フラッパの一方の面と接する制御室と、前記フラッパの他方の面と接し、概略一定圧力に保たれる定圧室とが形成されており、かつ、
前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性が、
磁化力境界値Hc以下の領域であり、磁化力Hに対する磁束密度Bの特性が概略比例関係となる部分がある線形領域と、
磁化力境界値Hc以上の領域であり、磁化力Hが大きくなるにつれて磁束密度Bが所定値に収束する磁気飽和領域とを有し、
磁化力境界値Hcは、前記線形領域におけるB-H特性の包絡線と、前記磁気飽和領域におけるB-H特性の包絡線の交点から求められる値であり、
前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入ることを特徴とする流体サーボバルブ。
a nozzle configured such that the flow path communicates with the fluid supply source and the inner diameter of the tip portion is tapered;
a plate-shaped flapper provided to face the tip of the nozzle;
a flapper support member that fixedly supports a portion of the flapper;
an electromagnet provided to generate an attractive force with respect to the face plate portion of the flapper;
a closed loop magnetic circuit configured to include at least the electromagnet and the flapper;
The flapper is deformed by the attraction force of the electromagnet to change the separation distance between the tip of the nozzle and the face plate of the flapper,
A space containing the flapper is partitioned by the flapper to form a control chamber in contact with one surface of the flapper and a constant pressure chamber in contact with the other surface of the flapper and maintained at a substantially constant pressure. and
The magnetic properties of the magnetic material parts that make up the closed loop magnetic circuit are
A linear region that is a region below the magnetic force boundary value Hc and has a portion where the magnetic flux density B characteristic with respect to the magnetic force H has a roughly proportional relationship,
It has a magnetic saturation region which is a region above the magnetic force boundary value Hc and where the magnetic flux density B converges to a predetermined value as the magnetic force H increases,
The magnetic force boundary value Hc is a value obtained from the intersection of the BH characteristic envelope in the linear region and the BH characteristic envelope in the magnetic saturation region,
A fluid servo valve according to claim 1, wherein the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component enters the magnetic saturation region when the current applied to the electromagnet is increased within the movable range of the flapper.
断面視において磁性材料部材を概略多角形形状に連結して閉ループ磁気回路を形成し、前記磁性材料部材のそれぞれは、電磁石のコイルを巻く鉄芯、ヨーク材、フラッパであることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。 A closed loop magnetic circuit is formed by connecting magnetic material members in a substantially polygonal shape in a cross-sectional view, and each of the magnetic material members is an iron core around which a coil of an electromagnet is wound, a yoke member, and a flapper. Item 1. A fluid servo valve according to Item 1. 前記磁性材料部材の一つの端部に磁極を形成し、その対向面に間隙を介して前記フラッパを配置したことを特徴とする請求項20記載の流体サーボバルブ。 21. A fluid servo valve according to claim 20, wherein a magnetic pole is formed at one end of said magnetic material member, and said flapper is disposed on the opposing surface with a gap therebetween. 前記磁性材料部材の一つを貫通して流体の供給側、もしくは排気側に連絡する流通路を形成して、前記ノズルは前記流通路の前記フラッパ側の開口端に設けられていることを特徴とする請求項20記載の流体サーボバルブ。 A fluid passage is formed through one of the magnetic material members to communicate with a fluid supply side or an exhaust side, and the nozzle is provided at an opening end of the fluid passage on the flapper side. 21. The fluid servovalve of claim 20. 請求項1で記載される流体サーボバルブと、
前記流体サーボバルブに接続される空気圧アクチュエータと、
制御対象物の変位及び又は振動状態を検出するセンサと、
このセンサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記制御対象物の変位、速度、加速度の少なくとも1つを制御する気体圧力を前記空気圧アクチュエータに与える制御手段と、を備えた流体サーボ装置。
a fluid servovalve as claimed in claim 1;
a pneumatic actuator connected to the fluid servo valve;
a sensor that detects the displacement and/or vibration state of the object to be controlled;
and control means for applying a gas pressure to the pneumatic actuator that controls at least one of displacement, velocity and acceleration of the controlled object by adjusting the fluid servo valve based on information from the sensor. Fluid servo device.
前記フラッパの1次固有振動数を200Hz以上に構成し、除振対象物を基礎に対して支持する気体ばねと、
気体を供給側から前記気体ばねに供給してかつ排気側へ排気する前記流体サーボバルブと、
前記除振対象物の振動状態を検出する加速度センサと、
この加速度センサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記除振対象物の振動を低減する気体圧力を前記気体ばねに与えるアクティブ制御手段とを備えた請求項23記載の流体サーボ装置。
a gas spring that configures the flapper to have a primary natural frequency of 200 Hz or more and supports an object to be isolated from a foundation;
the fluid servo valve for supplying gas from the supply side to the gas spring and exhausting it to the exhaust side;
an acceleration sensor that detects the vibration state of the object to be isolated;
24. The fluid according to claim 23, further comprising active control means for applying a gas pressure to said gas spring that reduces vibration of said vibration isolation object by adjusting said fluid servo valve based on information from said acceleration sensor. Servo device.
電磁石と、
フラッパと、
このフラッパを支持するフラッパ支持部材と、
電磁石、ディスク、ヨーク材により閉ループ磁気回路を構成して、前記電磁石と前記フラッパ間に発生するMaxwell吸引応力で可動され、かつ前記フラッパに固定された出力軸と、
前記電磁石と、前記ディスクと、前記支持部材と、前記ヨーク材と、前記出力軸で構成される箇所をマイクロアクチュータ部とし、
ハウジングと、このハウジングに形成された流体の吸入口と、吐出口と、前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ流路の開度を調整する流量調整弁と、前記マイクロアクチュータ部の前記出力軸により前記流量調整弁を駆動させると共に、
前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性を、
磁化力境界値Hc以下の領域であり、磁化力Hに対する磁束密度Bの特性が概略比例関係となる部分がある線形領域と、
磁化力境界値Hc以上の領域であり、磁化力Hが大きくなるにつれて磁束密度Bが所定値に収束する磁気飽和領域と定義して、
磁化力境界値Hcは、前記線形領域におけるB-H特性の包絡線と、前記磁気飽和領域におけるB-H特性の包絡線の交点から求められる値であり、
前記フラッパの作動可能範囲で電磁石に通電する電流値を増大させたとき、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記飽和領域に入ることを特徴とする流体サーボバルブ。
an electromagnet;
flapper and
a flapper support member that supports the flapper;
an output shaft that forms a closed loop magnetic circuit with an electromagnet, a disk, and a yoke material, is moved by Maxwell attraction stress generated between the electromagnet and the flapper, and is fixed to the flapper;
a microactuator portion comprising the electromagnet, the disk, the support member, the yoke material, and the output shaft;
a housing, a fluid suction port and a discharge port formed in the housing, a flow control valve for adjusting the degree of opening of a flow path connecting the suction port and the discharge port, and the output shaft of the microactuator section. By driving the flow control valve,
The magnetic properties of the magnetic material parts that make up the closed loop magnetic circuit are
A linear region that is a region below the magnetic force boundary value Hc and has a portion where the characteristics of the magnetic flux density B with respect to the magnetic force H are in a roughly proportional relationship,
Defined as a magnetic saturation region, which is a region above the magnetic force boundary value Hc and where the magnetic flux density B converges to a predetermined value as the magnetic force H increases,
The magnetic force boundary value Hc is a value obtained from the intersection of the BH characteristic envelope in the linear region and the BH characteristic envelope in the magnetic saturation region,
A fluid servo valve according to claim 1, wherein the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component enters the saturation region when the current value applied to the electromagnet is increased within the operable range of the flapper.
前記電磁石の中央部を貫通して、前記出力軸が設けられていることを特徴とする請求項25記載の流体サーボバルブ。 26. A fluid servo valve according to claim 25, wherein said output shaft is provided so as to pass through the central portion of said electromagnet. 前記出力軸の前記電磁石とは反対側の端部に、前記出力軸の変位、速度、加速度等の位置情報を検出するセンサを配置したことを特徴とする請求項26記載の流体サーボバルブ。 27. A fluid servo valve according to claim 26, wherein a sensor for detecting positional information such as displacement, speed and acceleration of said output shaft is arranged at the end of said output shaft opposite said electromagnet. 前記出力軸は静圧軸受によって半径方向が支持されていることを特徴とする請求項27記載の流体サーボバルブ。 28. A fluid servovalve according to claim 27, wherein said output shaft is radially supported by hydrostatic bearings. 前記閉ループ磁気回路を構成する磁性材料部品の磁気特性において、
磁化力Hに対して磁束密度Bが比例して増加する 0<H<Hcの範囲を線形領域、磁化力Hに対して磁束密度Bの勾配が低下するH>Hcの範囲を磁気飽和領域として、かつ前記Hcは、0<H<Hcの前記線形領域におけるB-H特性の包絡線と、H>Hcの前記磁気飽和領域におけるB-H特性の包絡線の交点から求められる磁化力境界値であり、
前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入ることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。
In the magnetic properties of the magnetic material parts that make up the closed loop magnetic circuit,
The range of 0<H<Hc, where the magnetic flux density B increases in proportion to the magnetizing force H, is defined as the linear region, and the range of H>Hc, where the gradient of the magnetic flux density B decreases with respect to the magnetizing force H, is defined as the magnetic saturation region. and the Hc is a magnetic force boundary value obtained from the intersection of the envelope of the BH characteristics in the linear region of 0<H<Hc and the envelope of the BH characteristics in the magnetic saturation region of H>Hc,
2. The fluid servo valve according to claim 1, wherein the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component enters the magnetic saturation region when the current flowing through the electromagnet is increased within the movable range of the flapper. .
前記電磁石が、
筒状をなし、コイルが巻回され、その先端面が前記フラッパと対向して第1磁極を構成する中心軸と、
前記中心軸において前記フラッパとは反対側の端部から半径方向に広がる円板状の底部と、
円筒状をなし、前記底部の外周部に対して前記中心軸と同心円をなすように設けられ、前記フラッパ側の先端面が前記フラッパと対向して第2磁極を構成する外枠部と、を具備し、
前記閉ループ磁気回路が、前記第1磁極から、前記フラッパ、前記フラッパと前記第2磁極との間にある空隙部、前記外枠部の前記フラッパ側の先端面である前記第2磁極、前記外枠部内、前記底部内を介して、前記中心軸に至る回路として構成されていることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。
The electromagnet is
a cylindrical central axis around which a coil is wound, the front end face of which faces the flapper and forms a first magnetic pole;
a disk-shaped bottom extending radially from the end opposite to the flapper on the central axis;
an outer frame portion which has a cylindrical shape and is provided so as to form a circle concentric with the central axis with respect to the outer peripheral portion of the bottom portion, and the front end surface on the flapper side faces the flapper to form a second magnetic pole; Equipped with
The closed-loop magnetic circuit comprises the first magnetic pole, the flapper, the gap portion between the flapper and the second magnetic pole, the second magnetic pole which is the front end surface of the outer frame portion on the flapper side, and the outer magnetic pole. 2. The fluid servo valve according to claim 1, wherein the fluid servo valve is configured as a circuit extending through the inside of the frame portion and the inside of the bottom portion to reach the central axis.
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