JP7477860B2 - 流体サーボバルブ及び流体サーボ装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対のノズル間で可動板を変位させることで、流体の圧力又は流量を制御する流体サーボバルブ及び流体サーボバルブを備えた流体サーボ装置に関するものである。

例えば超精密機器等の微振動制御においては、空気圧アクチュエータを用いたアクティブ除振台が用いられている。このようなアクティブ除振台は、超精密機器等が載置されるステージの位置、速度、加速度が各種センサで検出され、各センサの出力信号に基づいて空気圧アクチュエータの内圧が制御される。

また、空気圧アクチュエータの内圧制御のために、流体サーボバルブの電磁石に印加するバルブ駆動電流を変化させ、ノズル間における可動板の位置を変位させることで、圧縮空気の流量が調節される（特許文献１参照）。

ところで、アクティブ除振台に使用される流体サーボバルブに求められる特性は、用途によって大きく異なっている。例えば電子顕微鏡用のアクティブ除振台では、０．５Hz～１．０Hzの周波数領域において－２０dB以下の除振性能を求められることがある。このような低周波領域で優れた除振性能を得るには、流体サーボバルブによって高分解能の微小流量制御を実現する必要がある。言い換えると、バルブ駆動電流に対して流量変化率が小さい流体サーボバルブが必要となる。

従来、微小流量制御を実現するために、供給・排気ノズルの内径や、可動板のストローク等を小さくして、流体サーボバルブから出力される流体の流量を微小化している。

しかしながら、流体サーボバルブの各部の構成を微細化することで微小流量制御を実現しようすると、高精度の部品加工や組み立てや、微小径ノズルの目詰まり防止対策等も必要となる。したがって、各構成を微細化する方向で微小流量制御を実現しようとすると、大流量制御用の流体サーボバルブと比較して量産時における歩留まりが大きく低下していまい、製造コストの上昇を招いてしまう。

特開2016-148373号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、微小流量制御用でありながら、高精度の加工や組み立てが必要となる箇所を低減でき、量産時における歩留まりの良い流体サーボバルブを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る流体サーボバルブは、供給側流路に連絡し、先端部から流体が吐出される供給ノズルと、前記供給ノズルから吐出された流体の少なくとも一部が流通し、制御対象へ供給される制御流路と、排気側流路に連絡し、先端部から流体が吸引される排気ノズルと、前記供給ノズル及び前記排気ノズルのそれぞれの先端部の間に設けられた可動板と、前記可動板の少なくとも一部を変形させ、前記供給ノズルと前記排気ノズルとの間で変位させる電磁石と、を備え、前記制御流路に絞りが形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記制御流路に絞りが形成されているので、例えば前記供給ノズル及び前記排気ノズルの内径や前記可動板のストロークが大流量用途のスケールで構成されていたとしても、前記制御流路に流れる流量は微小化できる。

したがって、前記制御流路以外の構成については大流量用途の流体サーボバルブと同一構造にすることが可能となり、各部品の加工精度や組立精度を緩和できる。この結果、微小流量制御用の流体サーボバルブであっても量産時における歩留まりを従来よりも改善できる。

また、微小流量用途と大流量用とで前記供給ノズル、前記排気ノズル、前記可動板といった基本構造を共有化できるので、流量制御範囲を広くカバーできるバリエーションを実現しつつ、部品点数の上昇はそれほど生じないようにできる。

加えて、前記制御流路から出力される流体の流量を絞りで制限するだけなので、流量制御レンジと分解能を微小化でき、例えばアクティブ除振台に適用した際に優れた除振性能の達成に寄与できる。

前記流体サーボバルブが制御対象と接続される接続ポートの大きさを共通化しながら、大流量用と微小流量用の流体サーボバルブのバリエーションを作りやすくするには、前記制御流路において流入側に絞りが形成されていればよい。

前記制御流路に形成される絞りの一例としては、前記制御流路において流入口の内径が、その他の部分の内経よりも小さく形成されているものが挙げられる。

例えば大流量用の流体サーボバルブと微小流量用の流体サーボバルブにおいて、前記制御流路についても絞り以外の部分を共通化させて、微小流量用の流体サーボバルブの歩留まりをさらに良くするには、前記制御流路が、流入口の近傍以外の内径が一定の円筒形状をなすものであればよい。

前記制御流路に特殊な加工を施さなくても簡単に絞りを後付できるようにして、製造性をさらに良くするには、形成前記制御流路の流入口を塞ぐ閉塞板をさらに備え、前記閉塞板が前記制御流路の内径よりも小さい直径を有する絞り孔が形成されており、前記制御流路の流入口と前記絞り孔が連通するように配置されるものであればよい。

制御対象に流体を供給するための制御流路等を形成しても前記供給ノズル側の構成を容易に小型化できるとともに、前記可動板が前記電磁石に対して離れた位置にある場合でも、前記電磁石に印加されるバルブ駆動電流に対する流体の流量又は圧力の線形性を向上させるには、前記電磁石が、前記可動板に対して前記排気ノズル側に設けられており、前記供給ノズルの有効断面積が、前記排気ノズルの有効断面積よりも大きくすればよい。

前記供給ノズルの先端部の内径が、前記排気ノズルの先端部の内径よりも大きいものであれば、各ノズルの外径寸法はほぼ揃えつつ、前記電磁石から遠い方に配置された前記供給ノズルの有効断面積を前記排気ノズルの有効断面積よりも大きくできる。

前記排気側流路に絞りが設けられたものであれば、前記供給ノズル及び前記排気ノズルが同型のものであっても、前記排気ノズルの有効断面積を小さくして相対的に前記供給ノズルの有効断面積を大きくできる。

前記制御流路から流出する流体の流量を微小化しつつ、バルブ駆動電流に対する流量の変化特性を線形化するには、前記供給ノズルの有効断面積をA_in 、前記排気ノズルの有効断面積をA_outとした場合に、1.5≦A_in/A_out≦5.0を満たすように構成されたものであればよい。より好ましくは、2.5≦A_in/A_out≦4.0を満たすように構成すればよい。

前記可動板が前記供給ノズル側にある場合だけでなく、前記排気ノズル側にある場合でも、前記電磁石に印加されるバルブ駆動電流に対する流量又は圧力の線形性が保たれるようにし、ほぼ全範囲で良好な線形性が得られるようにするには、前記電磁石により発生する磁束のうち、少なくとも前記可動板内を通るように形成された閉ループ磁気回路において、前記閉ループ磁気回路を形成する磁性材料部品の磁気特性が、磁化力に対する磁束密度の特性が概略比例関係にある線形領域と、磁化力に対する磁束密度の傾斜角が前記線形領域と比べて小さく変化する領域を磁気飽和領域とを有し、前記可動板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が前記磁気飽和領域に入るように構成されたものであればよい。

例えば部品形状や寸法を調節することで容易に磁気飽和現象を利用できるようにするには、前記可動板において磁束の磁束密度が前記磁気飽和領域に入るように構成されていればよい。

本発明に係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、制御対象物の変位又は振動状態を検出するセンサと、前記センサの出力に基づいて前記流体サーボバルブを制御する制御器と、を備えた流体サーボ装置であれば、前記流体サーボバルブは広範囲のバルブ駆動電流に対して流量又は圧力の線形性を実現できるので、（１）動作点を中心に広い制御範囲が得られ、（２）外乱をキャンセルする精度の高いフィードフォワード信号を生成して、高精度の制振制御を実現でき、（３）動作点近傍でのゲイン・位相特性の振幅依存性も小さくできる。

このように本発明に係る流体サーボバルブによれば、前記制御流路に絞りが形成されているので、前記供給ノズル、前記排気ノズル、前記可動板については大流量用の流体サーボバルブと同一構造で構成しながら微小流量を実現できる。したがって、微小流量用の流体サーボバルブであっても必要となる部品精度や組立精度を従来よりも緩和できる。このため、微小流量制御用の流体サーボバブルでありながら、量産時における歩留まりを良くすることができる。

また、前記制御流路に形成される絞りを調整するだけで、様々な流量制御レンジに適した流体サーボバルブを構成できる。したがって、流体サーボバルブの流量域に関するバリエーションを増やしても、基本構造は共有して歩留まりを高く保つ事が可能となる。

本発明の第１実施形態における流体サーボバルブの模式的分解斜視図。 第１実施形態における流体サーボバルブの模式的縦断面図。 第１実施形態における流体サーボバルブの閉ループ磁気回路について示す模式的部分拡大図。 従来の流体サーボバルブと第１実施形態における流体サーボバルブのバルブ駆動電圧に対する流量特性の違いを示すグラフ。 第１実施形態における流体サーボバルブのバルブ駆動電圧に対するディスク変位及び制御圧力の特性を示すグラフ。 本発明の第２実施形態における流体サーボバルブの模式的縦断面図及び部分拡大図。 第２実施形態における流体サーボバルブの供給ノズルと排気ノズルの有効断面積とバルブ駆動電圧に対する流量特性の間の関係を示すグラフ。 第２実施形態における流体サーボバルブの供給ノズルと排気ノズルの有効断面積とバルブ駆動電圧に対する圧力特性との間の関係を示すグラフ。 第２実施形態における流体サーボバルブの供給ノズルと排気ノズルの有効断面積と制御圧力と供給圧力との比との間の関係を示すグラフ。 本発明の第３実施形態における流体サーボバルブの模式的縦断面図。 第３実施形態における流体サーボバルブのシミュレーションモデル。 第３実施形態における流体サーボバルブの排気側流路に設けられた絞り径とバルブ駆動電圧に対する流量特性の間の関係を示すグラフ。 第３実施形態における流体サーボバルブの排気側流路に設けられた絞り径とバルブ駆動電圧に対する圧力特性との間の関係を示すグラフ。 各ノズルの有効断面積を測定する際の可動板の位置を示す模式図。 各ノズルの有効断面積を測定するための構成について示す模式図。 本発明の第４実施形態における流体サーボバルブを示す模式的縦断面図。 第４実施形態における流体サーボバルブの変形例を示す模式的縦断面図。 本発明の第５実施形態における流体サーボ装置を示す模式図。

本発明の第１実施形態における流体サーボバルブ１００について各図を参照しながら説明する。

＜流体サーボバルブ１００の構成＞
この流体サーボバルブ１００は、例えばアクティブ除振台に設けられた空気圧アクチュエータの内圧を制御するために、圧縮空気の流量を制御するために用いられる。第1実施形態においては特に電子顕微鏡用のアクティブ除振台等に用いられることを想定しており、０．５Hz～１．０Hzの周波数領域において－２０dB以下の除振性能を発揮できるように、流体サーボバルブ１００は微小流量制御を実現できるように構成されている。

図１の分解斜視図に示すように流体サーボバルブ１００は、概略直方体状に形成され、流体サーボバルブ１００の内部に圧縮空気を供給するための供給側流路１２が形成された供給側バルブボディ１と、概略二段円筒状をなし、供給された圧縮空気の一部を外部に排気するための排気側流路２２が形成された排気側バルブボディ２と、供給側バルブボディ１と排気側バルブボディ２との間に挟持される可動板３と、を備えている。

図２の断面図に示すように供給側バルブボディ１は、中心軸に沿って形成された貫通穴である供給側流路１２と、中心軸から所定距離半径方向外側に偏位させて供給側流路１２と並行に貫通させた貫通穴である制御流路１３を具備している。供給側バルブボディ１の内側面には概略薄円盤状の凹部が形成されており、可動板３との間に供給側空隙部１４を形成する。また、供給側流路１２において可動板３と対向する側には供給ノズル１１が設けられている。

一方、排気側バルブボディ２は中心軸に沿って形成された貫通穴である排気側流路２２を備えている。排気側流路２２において排気側バルブボディ２の内面側には排気ノズル２１が可動板３と対向するように設けられている。すなわち、供給ノズル１１及び排気ノズル２１は同軸上に並んで配置されており、各ノズルの先端部の間に可動板３の中心部が配置される。また排気側バルブボディ２は、概略円柱状をなすとともに中心軸に前述した排気ノズル２１及び排気側流路２２が形成された電磁石４と、この電磁石４を内部に収容するとともに、供給側バルブボディ１に対して固定されて可動板３を挟持する概略円筒状の外側カバー２Ｃと、からなる。

ここで、供給ノズル１１及び排気ノズル２１は同じ内径を有しており、これらは対称ノズルを構成している。

さらに第１実施形態の流体サーボバルブ１００は、供給側バルブボディ１の内面側に開口する制御流路１３の流入口に絞り１３Ｎが形成されている。また、供給側バルブボディ１の外面側に開口する制御流路１３の流出口側は制御対象である空気圧アクチュエータ等への配管が接続される接続ポートとして利用される。図２に示されるように制御流路１３は流入口に形成された絞り１３Ｎ以外の部分では内径が一定となっている。なお、制御流路１３の絞り１３Ｎの絞り経は流体サーボバルブ１００によって制御したい圧縮空気の流量レンジに応じて適宜変更される。言い換えると、第１実施形態の流体サーボバルブ１００は、大流量用に構成される別のラインナップの流体サーボバルブと部品の共通化を図っており、例えば制御流路１３以外の各部品の少なくとも外形寸法の大部分は共通化されている。制御対象となる流量レンジが最も大きい場合には、制御流路１３の絞り１３Ｎは設けられず、制御流路１３は直管として形成される。また、制御対象となる流量レンジが小さくなるほど、制御流路１３の絞りＮの絞り径は小さく形成される。

図２及び図３に示すように電磁石４は、コイルボビン４１と、コイルボビン４１に巻回されたコイル４２と、コイル４２に対してバルブ駆動電流が印加されることによって発生する磁束の閉ループ磁気回路ＭＣを形成するヨーク４３と、を備えている。コイルボビン４１は非磁性体材料で形成されており、ヨーク４３は磁性体材料で形成されている。

ヨーク４３は、概略円筒状をなし、その外側周面にコイルボビン４１が嵌合される中心軸部４４と、中心軸部４４の基端側から半径方向外側に広がって薄肉円板状をなし、外側カバーとボルトによって固定される底面部４５と、底面部４５の外周から軸方向に延びる概略薄肉円筒状の外周部４６と、外周部４６の先端側から半径方向内側に広がって概略薄肉二段円筒状をなす天面部４７と、からなる。天面部４７と可動板３との間には排気側空隙部２３が形成される。

中心軸部４４は中空円筒状をなしており、内部の空洞によって排気側流路２２が形成される。また、中心軸部４４の先端部には前述した排気ノズル２１が形成されている。さらに、図３（ｂ）に示すように排気ノズル２１の周囲を囲むように３箇所の切り欠きが形成された円環状の突条により第1磁極４８が形成されている。加えて、図３（ａ）に示すように天面部４７は中心部に可動板３側に近接するように突出させた円環状の突条により第２磁極４９が形成されている。すなわち、コイル４２によって発生する磁束は、「中心軸部４４内→第1磁極４８→排気側空隙部２３→可動板３→排気側空隙部２３→第２磁極４９→天面部４７→外周部４６→底面部４５→中心軸部４４」の経路を経て、磁束が循環するように閉ループ磁気回路ＭＣが形成される。また、可動板３の材質、又は、その厚みや形状等によって磁束の可動板３内において磁束の磁束密度が磁気飽和を生じるように構成されている。

より具体的には閉ループ磁気回路ＭＣを形成する磁性材料部品の磁気特性は、磁化力に対する磁束密度の特性が概略比例関係にある線形領域と、磁化力に対する磁束密度の傾斜角が線形領域と比べて小さく変化する領域を磁気飽和領域とを有している。閉ループ磁気回路ＭＣの一部を形成する可動板３の厚みや形状は、バルブ駆動電流が所定の範囲である場合に、可動板３において磁化力に対する磁束密度の特性が前述した磁気飽和領域に入るように設定されている。供給ノズル１１と排気ノズル２１との間において、可動板３が所定位置よりも電磁石４側に近づいている場合に、バルブ駆動電流に対する可動板３の急峻な変位は、磁気飽和現象により抑制される。すなわち、バルブ駆動電流の変化に対して、可動板３の変位が概略比例して変化するように構成されている。

可動板３は、図１及び図２に示すように薄肉円板状をなすディスクであって、電磁石４の磁気吸引力によって供給ノズル１１と排気ノズル２１の各先端部の間で変位するように構成されている。より具体的には可動板３は、外縁部は供給側バルブボディ１と排気側バルブボディ２との間に挟まれて固定されおり、固定されていない部分の弾性変形により中央部に最大の変位が発生するように構成されている。

すなわち、可動板３の中央部である変位部３１が電磁石４の磁気吸引力により最大変位する箇所である。また、可動板３の外縁部は供給ノズル１１及び排気ノズル２１に対して位置が固定された被固定部３２である。具体的には被固定部３２は、供給側バルブボディ１と排気側バルブボディ２との間に押圧挟持されている部分であり、可動板３において固定端支持されている部分である。また、変位部３１は供給側と排気側の圧力により生じる力と、電磁石４による磁気吸引力とが作用して膜変形によって変位が生じる部分である。

また、可動板３の面板部には供給側空隙部１４から排気側空隙部２３へと流体である圧縮空気を通過させる流体流通孔３３が４つ形成されており、各流体流通孔３４は可動板３の中心に対して螺旋状に配置されている。

また、流体流通孔３４は外縁側から中央側に進むに従ってスリット幅が小さくなるように形成されている。また、この流体サーボバルブ１００は、電磁石４による磁気吸引力のみで可動板３が駆動される。したがって、供給側バルブボディ１及び排気側バルブボディ内には永久磁石は設けられていない。このため、供給側バルブボディ１、可動板３、排気側バルブボディ２を中心軸に沿って並べた状態で、供給側バルブボディ１及び排気側バルブボディ２との間をボルトによって固定するだけで組み立てることができる。

このように構成された流体サーボバルブ１００は、供給ノズル１１から供給される圧縮空気は、供給側空隙部１４へ流入して、一部は制御流路１３から空気圧アクチェータへ流出する。また供給側空隙部１４に流入した圧縮空気の残りは可動板３の流体流通孔３４を通って排気側空隙部２３へと流入する。排気側空隙部２３内の圧縮空気は排気ノズル２１から吸引され、排気側流路２２をとって外部へと排気される。また、供給ノズル１１と排気ノズル２１との間における可動板３の位置が電磁石４の磁気吸引力で制御されることにより、制御流路１３から空気圧アクチュエータに供給される圧縮空気の流量が制御される。

＜解析結果＞
次に本実施形態の流体サーボバルブ１００に関する解析結果について図４のグラフを参照しながら説明する。なお、以下の説明において動作点とは、例えば流体サーボバルブ１００に印加されるバルブ駆動電流又はバルブ駆動電圧の印加範囲において中央値の電流値又は電圧値に設定される値である。なお、中央値からずらして動作点を設定しても構わない。

従来の流体制御バルブのように制御流路１３に絞り１３Ｎを設けておらず、大流量の流体サーボバルブとして構成した場合と、制御流路１３に絞り１３Ｎを設けて、第1実施形態の流体サーボバルブ１００として構成した場合の制御流路１３から流出する圧縮空気の流量の比較結果を図４のグラフに示している。なお、各流体サーボバルブは、制御流路１３の絞り１３Ｎ以外の構成は同じ構成に揃えてある。

図４のグラフに示すように、３５Ｌの流量制御レンジを有する大流量用の流体サーボバルブに対して、制御流路１３に絞り１３Ｎを形成するだけで、５Ｌの流量制御レンジを有する微小流量用の第1実施形態の流体サーボバルブ１００として構成できていることが分かる。すなわち、供給ノズル１１、排気ノズル２１、可動板３、電磁石４、供給側空隙部１４、排気側空隙部２３といった構成の少なくとも寸法は、大流量又は微小流量に関わらず共通化でき、制御流路１３の絞り１３Ｎで流量制御レンジ、及び、分解能を調節できる。なお、この比較例では各構成の寸法だけでなく、可動板３の剛性や各ノズル１１、１２に対する可動板３の位置も共通化させてあるが、微小流量用の流体サーボバルブ１００としてさらに特化した特性を持たせるために、これらのパラメータの一部を大流量用のものとは異ならせてもよい。図４のグラフに示すように絞り１３Ｎを形成することで流量制御レンジのほぼ全域において制御流路１３から出力される流量をほぼ１／７にできている。したがって、バルブ駆動電圧の変化に対して現れる流量の変化も１／７となっており、分解能も１／７に小さくできることが分かる。

次に従来の大流量用の流体サーボバルブと第１実施形態の流体サーボバルブ１００の電磁石４に対して印加されるバルブ駆動電圧に対するディスク変位（可動板３の変位）及び制御流路から出力される圧縮空気の圧力である制御圧力の変化特性の解析結果について図５のグラフに示す。

図５に示されるように、第１実施形態の流体サーボバルブ１００のように制御流路１３に絞り１３Ｎを形成しても、ディスク変位及び制御圧力について変化は生じない。すなわち、第１実施形態の流体サーボバルブ１００は、ディスク（可動板３）のストローク、圧力特性については変化を生じさせないようにしながら、制御流路１３から流出する圧縮空気の流量と分解能だけを微小化できる。

＜流体サーボバルブ１００の効果＞
このように第１実施形態の流体サーボバルブ１００であれば、制御流路１３に絞り１３Ｎが形成されているので、絞り１３Ｎが形成されていない大流量の流体サーボバルブと比較して、可動板３のストロークや制御圧力については同じ特性を実現しながら、制御流路１３から流出する圧縮空気の流量及び分解能については所定倍率で微小化できる。

このように制御流路１３に絞り１３Ｎを形成するだけで、微小流量制御を実現できるので、従来のように供給ノズル１１や排気ノズル２１の内径をさらに微小化したり、可動板３のストロークや制御分解能を小さくしたりする必要がない。このため、従来の微小流量用の流体サーボバルブのような高い部品精度や組立精度は必要とされず、量産時においても歩留まりを改善できる。

また、制御流路の絞り１３Ｎの有無により、大流量用と微小流量用を切り替えることができるので、それぞれの流体サーボバルブを構成する部品をほとんど共通化して、流量制御レンジのバリエーションを増やしながら製造コストも低減できる。例えば供給側バルブボディ１において制御流路１３のみ追加工の有無で大流量用か微小流量用かを切り替えるといったことも可能となる。

次に本発明の第２実施形態における流体サーボバルブ１００について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

＜流体サーボバルブ１００の構成＞
第２実施形態の流体サーボバルブ１００は、第１実施形態と比較して供給ノズル１１と排気ノズル２１の構成が異なっている。具体的には、図６の供給ノズル１１と排気ノズル２１の各先端部の拡大図に示すように供給ノズル１１の先端部の内径は、排気ノズル２１の内径よりも大きく形成されており、それぞれの有効断面積が異なる。すなわち、可動板３を基準として電磁石４とは反対側に配置されている供給ノズル１１の有効断面積は、可動板３に対して電磁石４と同じ側に配置されている排気ノズル２１の有効断面積よりも大きくなるように構成されている。このように、供給ノズル１１と排気ノズル２１は各ノズルの中点に対してその特性が非対称に構成されている。

加えて、図６における供給ノズル１１の先端部周辺の拡大図に示すように電磁石４にバルブ駆動電流が印加されていない状態では、可動板３の変位部３１は供給ノズル１１の先端部に対して接触し、その開口を塞いだ状態となるように構成されている。具体的には可動板３の被固定部３２に対して供給ノズル１１の先端は所定の突き出し量だけ排気ノズル２１側へと突き出してある。したがって、可動板３に対して磁気吸引力が作用しておらず、可動板３の表裏における圧力差のよる力が作用している状態では、可動板３の被固定部３２に対して変位部３１は排気ノズル２１側に突出するように可動板３は微小変形している。

＜解析結果＞
このような制御流路１３に絞り１３Ｎが形成されている流体サーボバルブ１００において、供給ノズル１１と排気ノズル２１のそれぞれの有効断面積比（開口面積比）と流量特性との関係について解析した結果を図７のグラフに示す。なお、以降では供給ノズル１１の開口面積をA_in、排気ノズル２１の開口面積をA_outとする。ここで、有効断面積比は1.0≦A_in/A_out≦5.0の範囲で変化させている。本実施形態では、供給ノズル１１の開口面積A_inを一定値に保ち、排気ノズル２１の開口面積A_outを変えた場合を示す。図７のグラフに示すように有効断面積比を大きくして供給ノズル１１と排気ノズル２１の特性を非対称にすることでバルブ駆動電圧に対する制御流量の特性を線形化できることが分かる。

次に供給ノズル１１と排気ノズル２１のそれぞれの有効断面積比（開口面積比）と制御圧力との関係について解析した結果を図８のグラフに示す。制御圧力についても同様の傾向がみられ、供給ノズル１１と排気ノズル２１の特性を非対称とすることで、バルブ駆動電圧に対する制御圧力の特性を線形化できる。

バルブ駆動の中心電圧（5V）における動作点において、「電圧に対する制御圧力特性」が線形性を保つことのできる有効断面積比A_in/A_outの適正範囲を求めた。図８において、A_in/A_out=1.5の特性曲線の包絡線C（想像線）を図中に示す。この包絡線Cと上記特性曲線から、線形性を保つことのできる制御圧力Paの範囲は0.1 MPa≦Pa≦0.4MPaである。Pa＞0.4 MPa、及び、Pa＜0.1 MPaの範囲では、制御圧力Paは包絡線Cから離れた値になるため、線形性を保てない。図９に有効断面積比A_in/A_outに対する制御圧力Paの特性を示す。線形性を保つことのできる制御圧力範囲、すなわち、0.1 MPa≦Pa≦0.4MPaを満足する有効断面積比の適正範囲は、1.5≦A_in/A_out≦5.0である。さらに、アクティブ除振台に本バルブを搭載した実験結果では、2.5＜A_in/A_out＜4.0の範囲に設定すれば、大振幅入力のフィードフォワード制御にも対応できることがわかった。すなわち、大きな荷重変動を逆位相の圧力波形でキャンセルするフィードフォワード制御において、ベストな効果が得られた。

＜流体サーボバルブ１００の効果＞
これらの解析結果を整理すると、電圧（電流）に対する制御圧力特性が非線形（下に凸の曲線）となる理由は、電流が小さい場合は可動板が前記電磁石に対して離れるために、当該可動板に対する磁気吸引作用が急激に小さくなるからである。本提案は、電流に対するバルブ変位特性が非線形となる上記領域において、前記供給ノズルと前記排気ノズルの流量特性を非対称にすることで、バルブ変位特性の非線形性がもたらす影響を「相殺」することができることに着目したものである。

すなわち、制御流路１３に絞り１３Ｎを形成することで微小流量制御を実現しつつ、それとはほぼ独立に供給ノズル１１と排気ノズル２１の非対称性によって、制御流量及び制御圧力の線形性を改善することができる。

また、前述した解析結果からわかるように1.5≦A_in/A_out≦5.0であれば微小流量制御に適した制御圧力を実現しつつ、各制御特性が線形な流体制御バルブ１００を実現できる。

次に第３実施形態における流体サーボバルブ１００について図１０を参照しながら説明する。なお、第２実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

＜流体サーボバルブ１００の構成＞
第３実施形態の流体サーボバルブ１００は、第２実施形態の流体サーボバルブ１００と比較して以下の点で異なっている。すなわち、第３実施形態の流体サーボバルブ１００は、供給ノズル１１と排気ノズル２１の内径は同じ直径に設定されているのに対して、排気側流路２２中に絞りが設けられている点が異なっている。この絞りは、例えば排気側流路２２中を塞ぐように設けられた閉塞板５と、排気ノズル２１の先端部の内径よりも小さい直径の孔５１とからなる。

＜解析結果＞
図１１に、制御流路１３及び排気側流路２２の双方に絞りを形成した流体サーボバルブ１００の構成を等価電気回路に置き換えた場合を示す。以下、閉塞板５の孔５１の直径に対する制御流量及び制御圧力の特性について流体解析を行った。

図１２のグラフに示すように孔５１を小さくし、排気側流路２２を絞るほどバルブ駆動電圧に対する制御流量の特性を線形化できることが分かる。同様に図１３のグラフに示すように制御圧力についても同様に排気側流路２２を絞るほど線形化できることが分かる。

＜流体サーボバルブ１００の効果＞
すなわち、第３実施形態の流体サーボバルブ１００であれば、供給ノズル１１及び排気ノズル２１の構成は共通化しつつ、排気側流路２２に設けられた絞りによって供給ノズル１１と排気ノズル２１の特性を変化させることができる。この結果、第３実施形態でも供給ノズル１１の有効断面積を、排気ノズル２１の有効断面積よりも大きく設定できる。

この結果、第３実施形態でも第２実施形態と同様にバルブ駆動電圧に対する制御流量及び制御圧力の特性を線形化できる。言い換えると、供給ノズル１１と排気ノズル２１の特性を同じに設定しても、排気側流路２２に設けられる閉塞板５の孔５１の直径を調節することで、制御特性を線形化しつつ、微小流量制御を実現できる。

また実験の結果、閉塞板５の孔５１の直径の大きさの条件によって、可動板３が排気ノズル２１に近接したとき、すなわち、最大電圧（10Ｖ）近傍で、電圧に対する制御圧力が非線形な特性となる場合があることが分かった。この理由は、可動板３の位置によって、排気ノズル２１と前記閉塞板の孔５１間の排気流路内空隙部４４の中間圧力が変化するからである。この中間圧力の変化は、可動板３が排気ノズル２１に近接したとき、可動板３の変位特性に微妙に影響を与える。この場合、制御圧力が非線形な特性となる電圧をV=V_Xとしたとき、0＜V＜V_Xの範囲で本サーボバルブを適用すればよい。この方法は制御流路１３絞りを設けない場合でも適用できる。

ここで、ノズルの有効断面積（有効流量面積）の定義について補足する。第２実施形態の流体サーボバルブ１００のように排気側流路２２に絞りを設けない場合、あるいは、第３実施形態の流体サーボバルブ１００のように排気側流路２２に絞りを設ける場合のいずれであっても、以下に説明する実験方法によって供給ノズル１１及び排気ノズル２１の有効断面積を実測できる。

図１４に示すように供給ノズル１１の有効断面積A_in を実測する場合、バルブ駆動電圧を最大にして排気ノズル２１を可動板３で閉塞した状態にする。このときの供給ノズル１１の供給圧Psと大気開放されている制御流路１３を流れる流体の実測流量とに基づいて有効断面積A_in が算出される。同様に排気ノズル２１の有効断面積A_outを実測する場合、バルブ駆動電圧をゼロにして供給ノズル１１を可動板３で閉塞した状態にする。このときの制御流路１３の供給圧Psと排気側流路２２を流れる流体の実測流量とに基づいて有効断面積A_outが算出される。図１５に示すような実験装置及び有効断面積の算出式は例えばJIS B 8390に規定されているものを用いればよい。

実験装置は、図１５に示すように流体サーボバルブ１００の供給側流路１２又は制御流路１３に接続される調圧器Ｐ１と圧力センサＰ２を具備する圧力測定機構ＰＭと、流体サーボバルブ１００の制御流路１３又は排気側流路２２に接続される流量測定機構ＦＭとからなる。

また前述した第３実施形態では、排気側流路２２に絞りを付けた場合のみを説明したが、供給側流路１２にも同様に絞りを付けることもできる。この場合でも、有効断面積A_in は上述した実測方法で算出すればよい。

次に第４実施形態における流体サーボバルブ１００について図１６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第１乃至第３実施形態の流体サーボバルブ１００は、軸対称部品のみで構成されたものであった。これに対して第４実施形態の流体サーボバルブ１００は、軸対称部品以外に、角柱、円柱、馬蹄形、環状等の各種鉄心、長方形の薄板材、角型ブロックなどの組み合わせで閉ループ磁気回路ＭＣ、及び流体回路を形成したものである。

より具体的には、図１６において上側に配置されたブロックが供給側流路１２及び制御流路１３が形成された供給側バルブボディ１であり、下側に配置されたブロックが排気側バルブボディ２である。第３実施形態では各バルブボディにおいて外縁部に圧縮空気の流れる供給側流路１２と排気側流路２２が同軸となるように配置されている。また、可動板３については供給側バルブボディ１に対して一端が固定された長方形状の薄板であり、片持ち梁の状態で自由端側が供給側ノズルと排気ノズル２１の各先端部間に配置されている。加えて、排気側バルブボディ２は、ヨーク４３において可動板３の中央部と磁極が対向するように設けられたアーム部４Ａと、アーム部４Ａ及び供給側バルブボディ１にボルト固定された芯材部４Ｂとからなる。

また、供給ノズル１１の内径は排気ノズル２１の内径よりも大きく形成されており、非対称ノズルとして構成されている。加えて、可動板３を含む閉ループ磁気回路ＭＣは芯材部４Ｂ、アーム部４Ａ、可動板３内、芯材部４Ｂの順番で磁束が循環するように構成されている。そして、閉ループ磁気回路ＭＣを構成する各部材のうち最も厚みが薄く形成されている可動板３において可動板３の変位範囲内で磁気飽和現象が発生するように構成されている。

さらに制御流路１３には流入口側に絞り１３Ｎが形成されている。

このような第３実施形態の流体サーボバルブ１００であっても、制御流路１３に絞り１３Ｎが形成されていることにより、圧縮空気の制御流量を微小化できる。また、制御流路１３に形成される絞り１３Ｎの絞り径に応じて流量制御範囲を調節できる。したがって、供給ノズル１１及び排気ノズル２１等の構成は共通化しながら、様々な流量制御範囲の流体サーボバルブ１００のバリエーションを作ることが容易にできる。

加えて、磁気飽和現象を利用しつつ、供給ノズル１１と排気ノズル２１を非対称ノズルとして構成することによって、可動板３の変位範囲全体に対して、バルブ駆動電流に対する可動板３の変位特性、制御圧力、及び、制御流量は線形化される。

第４実施形態の変形例について図１７を参照しながら説明する。

図１７に示すように電磁石４のコイル４２については供給側バルブボディ１と排気側バルブボディ２の間に形成される収容空間内から外側に露出するように構成してもよい。加えて、排気側バルブボディ２の芯材部４Ｂの形状を変更して、排気側バルブボディ２に対して可動板３の固定端がボルト固定されてもよい。図１７に示すように可動板３の一部に薄肉部又は切り欠き３４を形成し、電磁石４の磁気吸引力に対して変位部３１がより大きく変位するようにしてもよい。

第５実施形態の流体サーボ装置２００について説明する。図１８に示すように前述した各実施形態において説明した流体サーボバルブ１００を用いて流体サーボ装置２００であるアクティブ除振台を構成してもよい。具体的にアクティブ除振台は、除振又は制振の対象となる搭載物が載せられるテーブルＳＴと、テーブルＳＴの脚部に設けられ、流体サーボバルブ１００に接続される空気圧アクチュエータＡＳと、制御対象物であるテーブルＳＴの変位又は振動状態を検出するセンサＳＮと、センサＳＮの出力に基づいて流体サーボバルブ１００を制御する制御器ＣＮと、を備えている。

また、テーブルＳＴの位置、速度、加速度は、テーブルＳＴや基礎に対して設けられた複数のセンサＳＮによって検出され、それらの出力信号は制御器ＣＮへと入力される。制御器ＣＮは例えばコンピュータを利用してその機能が実現されるものであり、入力される各センサＳＮの出力に基づいて例えば基礎の振動等の外乱影響がキャンセルされるように流体サーボバルブ１００をフィードフォワード制御によって制御する。すなわち、制御器ＣＮは圧縮空気の供給源と接続された流体サーボバルブ１００から制御流路１３を介して空気圧アクチュエータＡＳに供給される圧縮空気の圧力又は流量を制御する。

このような流体サーボ装置２００であれば、流体サーボバルブ１００が広範囲のバルブ駆動電流に対して出力される流体の圧力又は流量が線形性を有しているので、テーブルＳＴに対する各種外乱をキャンセルできるように高精度のフィードフォワード制御を実現できる。また、流体サーボバルブ１００は微小流量制御が可能であるので、０．５Hz～１．０Hzの周波数領域において－２０dB以下の除振性能を実現できる。

その他の実施形態について説明する。流体サーボバルブは、供給側バルブボディに電磁石が設けられていてもかまわない。このような場合には、可動板に対して電磁石とは反対側に設けられている排気ノズルの有効断面積を供給側ノズルの有効断面積よりも大きくすればよい。すなわち、可動板を基準として電磁石から離れている側のノズルの有効断面積を他方のノズルの有効断面積よりも大きくすることで、可動板が電磁石から動作点よりも離れた位置に変位している状態で変位を線形化できる。

可動板は薄肉円板状のディスク、薄肉直方体状の板部材に限られるものではなく、様々な形状であってもよい。また、本発明に係る流体サーボバルブは、閉ループ磁気回路において、磁気飽和現象が発生しないように構成してもよい。

供給側ノズル、及び、排気側ノズルの各有効断面積を非対称にするには、例えば供給側流路又は排気側流路の流路径を細くして、流路抵抗として作用させることで調整してもよい。また、制御流路を絞りとして作用させるために、全体の流路径を供給側流路及び排気側流路よりも細く形成してもよい。また、第３実施形態において説明した閉塞板を用いて、制御流路に絞りを形成してもよい。例えば供給側バルブボディの内側面に開口する制御流路の流出口を塞ぐように閉塞板を設けるようにすれば、後付けで微小流量制御に適した制御流路を実現できる。

電磁石にバルブ駆動電流が印加されていない状態における可動板の位置は、供給ノズルを閉塞できる位置に限られない。例えば別のフェイルセーフ機構を設けるのであれば、電磁石にバルブ駆動電流が印加されていない状態で供給ノズルの先端に対して可動板が離間していてもよい。

本発明に係る流体サーボバルブは、空気圧アクチュエータを制御するために用いられるものに限られない。その他の流体の圧力や流量の制御を必要とする用途に用いても構わない。

本発明に係る流体サーボ装置は、アクティブ除振台に限られるものではなく、例えばフィードバック制御のみが行われるパッシブ除振台やその他の装置であっても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形を行ったり、各実施形態の一部同士を組み合わせたりしても構わない。

２００・・・流体サーボ装置
１００・・・流体サーボバルブ
１１ ・・・供給ノズル
２１ ・・・排気ノズル
３ ・・・可動板
４ ・・・電磁石

Claims (13)

1. 供給側流路に連絡し、先端部から流体が吐出される供給ノズルと、
   前記供給ノズルから吐出された流体の少なくとも一部が流通し、制御対象へ供給される制御流路と、
   排気側流路に連絡し、先端部から流体が吸引される排気ノズルと、
   前記供給ノズル及び前記排気ノズルのそれぞれの先端部の間に設けられた可動板と、
   前記可動板の少なくとも一部を変形させ、前記供給ノズルと前記排気ノズルとの間で変位させる電磁石と、を備え、
   前記制御流路に絞りが形成されていることを特徴とする流体サーボバルブ。
2. 前記制御流路において流入側に絞りが形成されている請求項１記載の流体サーボバルブ。
3. 前記制御流路において流入口の内径が、その他の部分の内経よりも小さく形成されている請求項１又は２記載の流体サーボバルブ。
4. 前記制御流路が、流入口の近傍以外の内径が一定の円筒形状をなす請求項１乃至３いずれかに記載の流体サーボバルブ。
5. 前記制御流路の流入口を塞ぐ閉塞板をさらに備え、
   前記閉塞板が前記制御流路の内径よりも小さい直径を有する絞り孔が形成されており、前記制御流路の流入口と前記絞り孔が連通するように配置される請求項１乃至４いずれかに記載の流体サーボバルブ。
6. 前記電磁石が、前記可動板に対して前記排気ノズル側に設けられており、
   前記供給ノズルの有効断面積が、前記排気ノズルの有効断面積よりも大きい請求項１乃至５いずれかに記載の流体サーボバルブ。
7. 前記供給ノズルの先端部の内径が、前記排気ノズルの先端部の内径よりも大きい請求項６記載の流体サーボバルブ。
8. 前記排気側流路に絞りが形成された請求項６記載の流体サーボバルブ。
9. 前記供給ノズルの有効断面積をA_in 、前記排気ノズルの有効断面積をA_outとした場合に、1.5≦A_in/A_out≦5.0満たすように構成された請求項１乃至８いずれかに記載の流体サーボバルブ。
10. 2.5≦A_in/A_out≦4.0を満たすように構成された請求項９に記載の流体サーボバルブ。
11. 前記電磁石により発生する磁束のうち、少なくとも前記可動板内を通るように形成された閉ループ磁気回路において、
    前記閉ループ磁気回路を形成する磁性材料部品の磁気特性が、磁化力に対する磁束密度の特性が概略比例関係にある線形領域と、磁化力に対する磁束密度の傾斜角が前記線形領域と比べて小さく変化する領域を磁気飽和領域とを有し、
    前記可動板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が前記磁気飽和領域に入るように構成された請求項１乃至１０いずれかに記載の流体サーボバルブ。
12. 前記可動板において磁束の磁束密度が前記磁気飽和領域に入るように構成された請求項１１記載の流体サーボバルブ。
13. 請求項１乃至１２いずれかに記載の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、
    制御対象物の変位又は振動状態を検出するセンサと、
    前記センサの出力に基づいて前記流体サーボバルブを制御する制御器と、を備えた流体サーボ装置。