JPH034797B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スプール位置検出に基づいた比例ソ
レノイドによるスプールのフイードバツク制御で
流量を調整する位置フイードバツク型電磁式流量
調整弁に関する。

（従来技術） 従来、この種の電磁式流量調整弁としては、例
えば第５図に示すものが知られている。

第５図において、１は流量制御のために弁開度
を調整する主スプール、２は主スプールを駆動す
る比例ソレノイド、３は比例ソレノイド２の可動
鉄心に固設されて主スプール１の開度位置を検出
する位置センサ（LVDT）である。

その流量調整は、指令入力と位置センサ３で検
出した主スプール１の開度位置とに基づく制御信
号（偏差信号）に応じた駆動電流を比例ソレノイ
ド２に流すフイードバツク制御を行ない。比例ソ
レノイド２の吸引力により主スプール１を入力指
令に応じた開度位置に高精度で制御し、入力指令
に応じた流量を負荷に供給するようになる。

更に主スプールの前後圧力Ｐ１，Ｐ２を導入し
た圧力補償ピストン４を内蔵しており、主スプー
ル１の前後差圧△Ｐ（＝P1−P2）をセツトスプリ
ング５で定まる一定値に保つことで、主プール１
による制御流量を一定に保つようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の電磁式流量調
整弁にあつては、圧力補償ピストン４の振動的な
動きを防止するために、前後圧力Ｐ１，Ｐ２の導
入油路６，７は損失抵抗を持たせるために細くし
たりチヨーク部材（抵抗部材）を設けるようにし
ていたため、圧力補償ピストン４にダンピングが
かかつて動きが遅くなり、入力指令により流量を
変更した場合、比例ソレノイド２により主スプー
ル１の高速動作が行なわれたとしても、圧力補償
ピストン４の応答速度が遅いことから、設定変更
後の流量に落ち付くまでの時間遅れが大きいとい
う問題があつた。

更に従来の位置センサのフイードバツク量によ
るスプール制御にあつては、流体粘度の影響を受
けて流量係数が一定とならない小流量域及び弁内
の通路圧損（圧力補償ピストン４と主スプール１
の間の油路等）が影響する大流量域で直線性が悪
くなり、ドリフトを生ずるという問題があつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、圧力補償ピストンに応答遅れがあ
つても、この応答遅れに影響されることなく主ス
プールの動作に追従した高速応答による流量制御
ができ、しかも小流量域や大流量域でのドリフト
を無くして直線性が得られるようにした高精度の
位置フイードバツク型電磁式流量調整弁を提供す
ることを目的とする。

この目的を達成するため本発明にあつては、開
度調整により流量を制御する主スプールと、この
主スプールを駆動する比例ソレノイドと、主スプ
ールの開度位置Ｘを検出する位置センサと、主ス
プールの前後差圧（△Ｐ）を略一定に保つように
作動する圧力補償ピストンとを備え、入力指令
Qsと前記位置センサの検出位置Ｘとに基づいて
比例ソレノイドをフイードバツク制御する位置フ
イードバツク型電磁式流量調整弁において、圧力
補償ピストンに作用する主スプールの前後差圧
（△Ｐ）を検出する差圧センサと、少なくとも位
置センサの検出位置Ｘと差圧センサの検出差圧△
Ｐとに基づいて実流量Ｑを演算して前記流量制御
のフイードバツク量として出力する流量演算手段
とを設けるようにしたものである。

更に、流量演算手段としては、スプール位置Ｘ
及び前後差圧（△Ｐ）に加えて流体温度Ｔを用い
た実流量の演算を行なうようにしたものである。

（作用） このような本発明の構成によれば、例えば流量
零の状態から設定流量Qsを与える入力指令を出
したときには、入力指令に応じた比例ソレノイド
の駆動で主スプールは設定流量Qsを与える開度
位置に高速駆動されるが、ダンピング機能をもつ
た圧力補償ピストンは主スプールの前後差圧△Ｐ
を一定に保つ動作に応答遅れを生じ、主スプール
を設定流量Qsに応じた位置に駆動しても実流量
は圧力補償ピストンによる応答遅れを生ずる。

このとき本発明にあつては、位置センサで検出
した主スプールの位置Ｘと差圧センサで検出した
応答遅れをもつた検出差圧（△Ｐ）から、例えば Ｑ＝Ｃ・Ｆ（Ｘ）・√△ 但し、Ｃは流量系数（定数） Ｆ（Ｘ）は検出位置Ｘで決る開口面積 ρは流体密度（定数） として実流量Ｑを演算し、この実流量Ｑを流量制
御のフイードバツク量として出力するようになる
ことから、比例ソレノイドはフイードバツク制御
における流量偏差△Ｑ＝Qs−Ｑ分だけ余分にス
プール開度を開くように駆動され、圧力補償ピス
トンによる前後差圧を一定に保つ制御に応答遅れ
があつても主スプールの高速動作をもつて入力指
令による設定流量Qsを直ちに得る高速流量応答
が実現される。

更に、実流量Ｑの演算における流量系数Ｃや流
体密度ρを定数として取扱わずに、流体温度Ｔに
応じた値とすることで、高速流量応答は勿論のこ
と、流量係数が一定とならない小流量及び油路圧
損失が影響する大流量域でのドリフトを完全に取
り除いた高精度の流量制御ができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した断面図であ
る。

まず構成を説明すると、８はバルブボデイであ
り、バルブボデイ８内には流量調整用の主スプー
ル１が組込まれ、主スプール１は側方に設けた比
例ソレノイド２の電流駆動による吸引力を受けて
入力指令で定まる開度位置に制御される。比例ソ
レノイド２の外側には開度センサ３が設置され、
開度センサ３は比例ソレノイド２の可動鉄心に固
設されることで主スプール１の開度位置Ｘを検出
するようになる。

更に、主スプール１の具体的構造を説明する
と、主スプール１はテーパ状の弁部９を一体に備
えたランド１ａと、ランド１ａに対し所定距離離
れて一体に形成されたランド１ｂを備え、主スプ
ール１の左側にはリターンスプリング１０が組込
まれ、主スプール１の右側には比例ソレノイド２
における可動鉄心の先端が当接している。

主スプール１に対する油路としては、圧力補償
ピストン４側からの入口油路１１が図示の主スプ
ール１の初期位置（流量零）でランド１ａに閉鎖
されるようにスプール穴に開口しており、更にラ
ンド１ａと１ｂの間から出口油路１２が外部に取
出されている。また、主スプール１の両側の部分
はスプール内の内部油路１３により連通され、リ
ターンスプリング１０の組込み側よりタンクに連
通されている。

次に、主スプール１に対する入口油路１１の途
中に設けられた圧力補償ピストン４は、右端に大
径の差圧ピストン部１４を備え、この差圧ピスト
ン部１４の左側の液室にピストンの内部油路１５
を介して主スプール１に対する入口油路１１の圧
力Ｐ１を導入しており、差圧ピストン部１４の右
側の液室には油路１６をもつて主スプール１の出
口油路１２の液圧Ｐ２を導入している。また、差
圧ピストン部１４の右側にはセツトスプリング１
７が組込まれる。更に、圧力補償ピストン４の左
側には所定距離を離してランド４ａと４ｂが一体
に形成されており、ランド４ｂは単なるガイドで
あるが、ランド４ａが環状溝１８との間の開度を
調整して主スプール１の前後差圧△Ｐを一定値に
保つようになる。

即ち、圧力補償ピストン４はセツトスプリング
１７のスプリング荷重をＦとすると、 Ｆ＝P1−P2 を保つようにランド４ａと環状溝１８との絞り開
度を制御し、その結果、主スプール１の前後差圧
△Ｐをセツトスプリング１７で定まる一定差圧に
保つようになる。

勿論、圧力補償ピストン４に対し主スプール１
の前後圧力Ｐ１，Ｐ２を導入するスプールの内部
流路１５及び油路１６のそれぞれは、圧力補償ピ
ストン４の振動的な動きを防止するため細い油路
として形成されており、これによつて圧力補償ピ
ストン４はダンピングを受けることとなり、主ス
プール１の前後差圧△Ｐの急激な変動に対しては
応答遅れをもつようになる。

このような構造は従来例と同じであるが、これ
に加えて本発明にあつては、圧力補償ピストン４
に作用する主スプール１の前後差圧△Ｐを検出す
る差圧センサ２０を設けている。この差圧センサ
２０は主スプール１に対する入口油路１１の液圧
を油路２１により導入した圧力センサ２０ａと、
主スプール１の出口油路１２の液圧を油路２２に
より導入した圧力センサ２０ｂを備え、圧力セン
サ２０ａと２０ｂの検出圧力の差分として前後差
圧△Ｐを検出する。

第２図は第１図の実施例に用いられる流量制御
手段の一実施例を示したブロツク図である。

第２図において、２３は設定流量Qsを与える
指令入力を（＋）入力端に受けた駆動アンプであ
り、駆動アンプ２３の制御出力（電流出力）は比
例ソレノイド２に与えられている。比例ソレノイ
ド２による主スプール１の動きは機械的に開度セ
ンサ３に与えられており、開度センサ３で検出さ
れたスプール位置Ｘは実流量Ｑを演算する演算器
２４に与えられている。この演算器２４に対して
は圧力補償ピストン４に作用する主スプール１の
前後差圧（△Ｐ）を検出する差圧センサ２０の検
出出力が与られており、演算器２４は検出位置Ｘ
と検出差圧（△Ｐ）に基づいて主スプール１の駆
動で得られた実流量Ｑを演算し、演算器２４で演
算された実流量Ｑは駆動アンプ２３の（−）入力
へ流量制御におけるフイードバツク量として与え
られている。

ここで、演算器２４による実流量Ｑを演算原理
を説明すると次のようになる。

演算器２４に対しては、開度センサ３で検出さ
れた主スプール１の開度位置Ｘ及び差圧センサ２
０で検出した主スプールの前後差圧（△Ｐ）が与
えられることから、主スプール１の制御流量Ｑは
次式で与えられる。

Ｑ＝Ｃ・Ｆ（Ｘ）・√△ …(1) 但し、Ｃ：流量係数 Ｘ：弁開度 △Ｐ：差圧 ρ：流体密度 この第(1)式におけるＦ（Ｘ）はスプール開度位
置Ｘに基づいて得られる弁開口面積であり、説明
を簡単にするため、主スプール１における弁部９
の開口面積はストロークＸに対し比例関係にある
ものとすると、 Ｆ（Ｘ）＝Ｋ・Ｘ …(2) 但し、ＫはＫ＝πDsinθで決まる定数 として一義的に開度センサ３から得られるストロ
ークＸに基づいて定まる。

ここで、前記第(1)式における流量係数Ｃ、流体
密度Ｐをそれぞれ定数として取扱うものとする
と、前記第(1)，(2)式より弁開度（ストローク）Ｘ
と前後差圧△Ｐにより一義的に主スプール１の制
御流量（実流量）Ｑを演算することができる。

次に、上記の実施例による流量調整の作用を説
明する。

第３図は小流量Ｑ１から中流量Ｑ２に設定流量
を変更したときの主スプール１による実流量Ｑの
変化、圧力補償ピストン４の動き、及び主スプー
ル１の動きを従来例と対比して示したもので、第
３図ａが従来例を、第３図ｂが本発明を示す。

即ち、小流量Ｑ１より中流量Ｑ２に変更する入
力指令を時刻t₀与えたとすると、比例ソレノイド
２は変更前の小流量Ｑ１と変更後の中流量Ｑ２と
の偏差流量△Ｑに応じた駆動電流を比例ソレノイ
ド２に供給し、比例ソレノイド２の吸引力により
主スプール１は中流量Ｑ２に対応したストローク
Ｘ２に高速駆動される。

このような主スプール１の高速駆動に対し圧力
補償ピストン４は前後差圧△Ｐを一定に保つよう
に環状溝１８とランド４ａの絞り開度を広げるよ
うに移動していくが、その移動速度はスプール１
の高速駆動に追従できず、主スプール１の開度に
見合つた補償開度とはならない。

このため第３図ａに示すように、従来の流量調
整にあつては、圧力補償ピストン４の応答遅れを
直接受けて主スプールの高速駆動後の時刻ｔ１で
実流量Ｑが入力指令に応じた設定流量Ｑ２に達す
るようになる。

これに対し本発明にあつて、主スプール１の高
速駆動で設定流量Ｑ２に対応したストロークＸ２
が開度センサ３で検出されると、演算器２４はそ
のとき差圧センサ２０で検出している追従遅れを
もつた圧力補償ピストン４の前後差圧△Ｐを検出
しており、演算器２４は前記第(1)式に基づいた実
流量Ｑを演算することとなり、この実流量Ｑは圧
力補償ピストン４の追従遅れ分だけ中流量Ｑ２に
対し低い値となり、その結果、駆動アンプ２３は
入力指令に応じた設定中流量Ｑ２にそのときの実
流量Ｑとの流量偏差△Ｑ分だけ上乗せした駆動電
流を比例ソレノイド２に流し、第３図ｂに示すよ
うに主スプール１は圧力補償ピストン４の追従遅
れを補う形で余分にストロークする。この結果、
圧力補償ピストン４に追従遅れがあつても、主ス
プール１の高速応答で定まる時刻ｔ１において、
設定中流量Ｑ２を得ることができる。そして、時
刻t1で設定中流量Ｑ２が得られると、圧力補償ピ
ストン４の追従遅れの回復に応じて主スプール１
は余分にストロークした分だけ徐々に戻され、圧
力補償ピストン４による主スプール１の前後差圧
△Ｐを一定に保つ制御状態が得られると、設定中
流量Ｑ２に対応したストロークＸ２を保持するよ
うになる。

再び第２図を参照するに、演算器２４に対して
は開度センサ３及び差圧センサ２０の検出出力に
加えて主スプール１を流れる油の温度を検出する
温度センサ２５の検出出力を与えるようにしても
よい。

この温度センサ２５の検出温度Ｔを用いた実流
量Ｑの演算により、温度の影響を受けて流量係数
Ｃが一定とならない小流量域、及び弁内の通路圧
損が影響する大流量域での流量制御の直線性を補
償して高精度の流量制御を行なうことができる。

即ち、温度センサ２５の検出温度Ｔを用いた演
算器２４による実流量Ｑの演算にあつては、前記
第(1)式における流量係数Ｃ及び流体密度ρとを定
数として取扱わず、検出温度Ｔに基づいて流量係
数Ｃや流体密度ρを演算し、これによつて実流量
Ｑを求めるようになる。

この温度センサ２５による油温度Ｔの検出に基
づく実流量Ｑの演算において、まず流量係数Ｃは
レイノルズ数Reにより変化する値をもち、流量
係数Ｃは次式で与えられる。

Ｃ＝Ｋ・Re^1/n …(3) 更に、第(3)式で与えられるレイノルズ数Reは、 Re＝Ｘ・Ｖ／ν …(4) 但し、Ｖ：流速 ν：動粘度 となる。ここで、流速Ｖは、 Ｖ＝√△ …(5) で与えられ、動粘度（ν）は、 log₁₀log₁₀（ν＋C1）＝−nlog₁₀T＋C2 …(6) となり、この第(6)式から明らかなように、レイノ
ルズ数Reの演算に用いる動粘度νは流体温度Ｔ
によつて変動する。そこで、演算器２４にあつて
前記第(6)式を解くことにより流体温度Ｔで補正し
た動粘度νから前記第(4)式のレイノルズ数Reを
求め、更に前記第(3)式によつて流量係数Ｃを求め
ることになる。

一方、流体密度ρは流体温度Ｔにより変化し、
この流体密度ρの温度Ｔに対する変化は次式で与
えられる。

ρ＝ρ₀（１＋Ａ△Ｔ−Ｂ△T²） …(7) ここで、Ｂ△T²＝０として無視すると、 ρ＝ρ₀（１＋Ａ△Ｔ） …(8) となる。従つて、演算器２４にあつては流体の検
出温度Ｔに基づいて前記第(8)式から検出温度Ｔに
より補正された流体密度ρを用いて前記第(1)式の
流量計算を行なうようになる。勿論、検出温度Ｔ
により補正された流体密度ρは前記第(5)式におけ
る流速Ｖの演算にも用いられるようになる。

このような流体温度Ｔに基づく流量係数Ｃ、及
び流体密度ρの検出により、流体温度Ｔにより流
体密度ρが変化し、且つ流体密度の影響を受けて
流量係数Ｃが一定とならない小流量域、及び弁内
の通路圧力損が影響する大流量域のいずにおいて
も、流量制御の直線性が補償され高精度の流量制
御を行なうことができる。

第４図は本発明の他の実施例を示した断面図で
あり、この実施例は主スプールの駆動をパイロツ
ト駆動とし、更にリリーフ型圧力補償ピストンを
用いたことを特徴とする。

第４図において、主スプール１は両側にパイロ
ツト液室２６ａ，２６ｂを備え、このパイロツト
液室２６ａ，２６ｂに対してパイロツト油路２７
ａ，２７ｂを介してパイロツトスプール２８から
のパイロツト液圧が供給されている。パイロツト
スプール２８は比例ソレノイド２により駆動さ
れ、パイロツト液室２６ａ，２６ｂに対するパイ
ロツト圧の差圧に応じた主スプール１におけるポ
ペツト弁部９ａの弁開度をもたらす。尚、第４図
の実施例における主スプール１はポペツト弁部９
ａで開度制御を行なうことから、全閉が可能であ
る。

一方、主スプール１の左側には位置センサ３が
設けられ、パイロツトスプール２８に基づく主ス
プール１の弁開度（ストローク）Ｘを検出する。

尚、パイロツト油路２７ａに対してはパイロツ
ト油圧源２９が接続される。

一方、主スプール１に対する入口油路１１と並
列にはリリーフ型圧力補償ピストン３０が設けら
れる。リリーフ型圧力補償ピストン３０は差圧ピ
ストン部３２の左側に主スプール１の入口圧力Ｐ
１を導入し、右側に油路１６によつて主スプール
１の出口圧力Ｐ２を導入しており、この出口圧力
Ｐ２の導入部にはセツトスプリング３３が組込ま
れている。また、リリーフ型圧力補償ピストン３
０に左側にはランド３０ａがガイド用として形成
され、ランド３０ａの左側の液室は内部油路３４
により入口圧力Ｐ１が導入されている。

主スプール１に対する入口油路１１に対して
は、外部に設けた固定吐出量ポンプ３５からの液
圧が供給されており、主スプール１のパイロツト
スプール２８に基づく移動で得られた通過流量に
対する前後差圧△Ｐを一定に保つようにリリーフ
型圧力補償ピストン３０のリリーフ動作、即ち入
口圧力Ｐ１の制御が行なわれる。

このリリーフ型圧力補償ピストン３０を用いた
流量調整弁にあつては、リリーフ動作による余剰
流量はすべてタンクに戻す形であり、固定吐出ポ
ンプ３５の吐出圧力は負荷圧力や圧力補償ピスト
ンの差圧により運転される省エネ運転となる。

そして、主スプール１における入口圧力Ｐ１及
び出口圧力Ｐ２のそれぞれは油路２１，２２を介
して差圧センサ２０における圧力センサ２０ａ，
２０ｂに導入されて前後差圧△Ｐを検出するよう
にしており、更に固定吐出量ポンプ３５を接続し
た入口油路１１の流入部分には温度センサ２５が
設置され、流体温度Ｔを検出できるようにしてい
る。

この第４図のパイロツトスプール２８により制
御される主スプール１及びリリーフ型圧力補償ピ
ストン３０を備えた流量調整弁にあつても、第２
図に示した流量制御手段を用いることで、リリー
フ型圧力補償ピストン３０に応答遅れがあつて
も、パイロツトスプール２８による主スプール１
の動きに応じた高速流量制御ができ、更に温度セ
ンサ３５で検出した流体温度Ｔに基づく流量係数
Ｃや流体密度ρを用いた実流量Ｑの演算により、
小流量域及び大流量域で高精度の流量制御を行な
うことができる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、主ス
プールの前後差圧を一定に保つ圧力補償ピストン
に応答遅れがあつても、少なくとも主スプールの
ストローク（開度位置）と前後差圧に基づいた実
流量を清算して流量制御のフイードバツク量とし
て出力するようにしたため、圧力補償ピストンの
追従遅れによる不足流量を主スプールの駆動で補
つて比例ソレノイドによる主スプールの動作に見
合つた高速流量制御を行なうことができる。

また、フイードバツク量として演算する実流量
の演算において、流体温度を検出して流量係数や
流体密度を求めることで、流体温度によつて流量
係数が変動する小流量域においても、また油路圧
力損の影響を受ける大流量域においても、極めて
精度の高い流量制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第
２図は本発明の流量制御手段の一実施例を示した
ブロツク図、第３図は本発明の流量制御における
流量変化、圧力補償ピストン及び主スプールの動
きを従来例と対比して示した特性図、第４図は本
発明の他の実施例を示した断面図、第５図は従来
例を示した断面図である。 １：主スプール、２：比例ソレノイド、３：位
置センサ、４：圧力補償ピストン、８：バルブボ
デイ、９：弁部、９ａ：ポペツト弁部、１０：リ
ターンスプリング、１１：入口油路、１２：出口
油路、１３，１５：内部油路、１４，３２：差圧
ピストン部、１７，３３：セツトスプリング、１
８：環状溝、２０：差圧センサ、２０ａ，２０
ｂ：圧力センサ、２３：駆動アンプ、２４：演算
器、２５：温度センサ、２６ａ，２６ｂ：パイロ
ツト液室、２７ａ，２７ｂ：パイロツト油路、２
８：パイロツトスプール、３０：リリーフ形圧力
補償ピストン、３５：固定吐出量ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 開度調整により流量を制御する主スプール
   と、該主スプールを駆動する比例ソレノイドと、
   前記主スプールの開度位置を検出する位置センサ
   と、前記主スプールの前後差圧を略一定保つよう
   に差動する圧力補償ピストンとを備え、入力指令
   と前記位置センサの検出位置とに基づいて前記比
   例ソレノイドをフイードバツク制御する位置フイ
   ードバツク型電磁式流量調整弁に於いて、 前記圧力補償ピストンに作用する主スプールの
   前後差圧を検出する差圧検出手段と、少なくとも
   前記位置センサの検出位置と前記差圧センサの検
   出差圧とに基づいて実流量を演算して前記流量制
   御のフイードバツク量として出力する流量演算手
   段とを設けたことを特徴とする位置フイードバツ
   ク型電磁式流量調整弁。 ２ 前記流量演算手段は、主スプールの検出位
   置、主スプールの前後差圧及び流体温度に基づい
   て流量を演算する手段を備えた特許請求の範囲第
   １項記載の位置フイードバツク型電磁式流量調整
   弁。