JPH0414646Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、電気信号によりスプールを駆動する
アクチユエータとして圧電体を用いたサーボ弁に
関する。

〔従来の技術〕

従来のサーボ弁は、比例ソレノイドや可動コイ
ルを有するフオースモータ等の電磁式アクチユエ
ータを用いて電気信号を機械的変位に変換し、直
接またはパイロツト圧を介してスプールを駆動す
る構成となつていた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

このような電磁式アクチユエータを用いた従来
のサーボ弁においては、スプールを直接駆動する
場合、アクチユエータが大型になり、またアクチ
ユエータが電流動作型であることから本質的に応
答の遅れを伴い、パイロツト圧を介してスプール
を駆動する場合には、さらに応答性が低下すると
いう問題点があつた。また、サーボ弁の駆動方式
としてパルス幅変調などによる不連続制御方式を
採用した場合、キヤリア周波数でのスプールの振
動に追従して系内の油圧に脈動が発生し、サーボ
弁やパワーシリンダ、配管などに振動を与え、振
動に伴う騒音が発生する場合があるが、応答性の
悪い従来のアクチユエータではキヤリア周波数を
あまり高く設定することができず、振動及び騒音
を抑制するためのキヤリア周波数の設定自由度が
低いという問題点もあつた。

本考案は上記した従来技術の問題点にかんがみ
なされたもので、より小型軽量で、高速応答性に
優れ、かつ振動、騒音を抑制できるサーボ弁を提
供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は、第１図〜第４図に実施例に対応させ
て示したように、(イ)パワーシリンダ１０の左右室
１０ａ，１０ｂへの作動流体の流路を切換えるた
めのスプール１７を摺動自在に収納したサーボ弁
本体１と、(ロ)該サーボ弁本体の左右端にそれぞれ
配置された第１および第２の圧電体２１ａ，２１
ｂと、(ハ)これら圧電体の出力端の変位を拡大して
前記スプール１７に伝達する手段として第１およ
び第２の圧電体２１ａ，２１ｂの各出力端に装着
したピストン２４ａ，２４ｂと前記スプール１７
の左右端面との間に設けられ、内部に流体を充填
されたポンプ室２６ａ，２６ｂと、(ニ)前記圧電体
を駆動するための指令信号をパルス幅変調するパ
ルス幅変調回路３３と、(ホ)このパルス幅変調され
た信号のオン・オフに応じて第１および第２の圧
電体のいずれか一方に交互に電圧を印加してその
出力端に変位を生じさせ、もつて前記スプールを
左右に変位させる電圧印加手段３２，２８ａ，２
８ｂとを備えてなるサーボ弁である。

〔作用〕

圧電体は、電圧を印加するとほとんど瞬時に伸
張し、電圧解除と共に収縮する。本考案のサーボ
弁は、スプールを駆動するアクチユエータとして
圧電体を２組用い、第１および第２の圧電体２１
ａ，２１ｂのいずれか一方に交互に電圧を印加し
たとき、該圧電体の出力端に生じる変位によりピ
ストン、２４ａ，２４ｂを介してポンプ室２６
ａ，２６ｂ内の流体を圧縮加圧し、この流体圧力
をスプール１７の左右端面に作用させ、前記ピス
トン２４ａ，２４ｂとスプール端面の面積比に比
例して、該圧電体の出力の変位を拡大してスプー
ル１７に伝達することにより、第１の圧電体２１
ａへの電圧印加時にはスプール１７を右方向に変
位させ、第２の圧電体２１ｂへの電圧印加時には
スプール１７を左方向に変位させて、作動流体の
流路切換を行なうもので、駆動方式は、駆動用指
令信号をパルス幅変調した信号のオン・オフに応
じて第１および第２の圧電体のいずれか一方に交
互に電圧を印加する不連続制御方式とする。

〔実施例〕

本考案の一実施例を第１図〜第４図に示す。

第１図において、サーボ弁本体１はバルブボデ
イ２、スリーブ３および圧電式アクチユエータの
ケーシング４，５からなつている。

円筒形状のバルブボデイ２には、リザーバ６内
の作動流体を加圧して吐出するポンプ７の吐出口
に接続されたインレツトポート８、リザーバ６に
接続されたドレンポート９およびパワーシリンダ
１０の左右室１０ａ，１０ｂにそれぞれ接続され
た２つのアウトレツトポート１１，１１ｂが形成
されている。

パワーシリンダ１０は、図中矢印方向に摺動可
能なピストン１２と、このピストン１２に連結さ
れたロツド１３を有している。

バルブボデイ２内に圧入固定されたスリーブ３
には、インレツトポート８に連通した環状溝１
４，ドレンポート９に連通した２つの環状溝１５
ａ，１５ｂおよび各アウトレツトポート１１ａ，
１１ｂに連通した２つの環状溝１６ａ，１６ｂが
形成されている。

スリーブ３内には、スプール１７が摺動自在に
嵌入されており、このスプール１７には、前記ス
リーブ３の環状溝１６ａ，１６ｂに対応した２つ
の突条１８ａ，１８ｂが形成され、この突条１８
ａ，１８ｂにより３つの条溝１９，２０ａ，２０
ｂが画定されている。スプール１７は、その左右
変位により、条溝１９，２０ａ，２０ｂを介して
環状溝１６ａ，１６ｂを環状溝１４または環状溝
１５ａ，１５ｂに選択的に連通させ、各アウトレ
ツトポート１１ａ，１１ｂからインレツトポート
８またはドレンポート９への流路の切換を行な
う。

バルブボデイ２の左右端に装着された圧電式ア
クチユエータのケーシング４，５はバルブボデイ
２と同心のボア４ａ，５ａを有し、それぞれのボ
アに第１の圧電体２１ａ，第２の圧電体２１ｂが
収納されている。これら圧電体２１ａ，２１ｂは
円板状のセラミツク圧電素子を多数積層して構成
されたもので、第１の圧電体２１ａの両端面には
非圧縮性のスペーサ２２ａ，２３ａが設けられて
おり、一方のスペーサ２２ａはケーシング４の一
端部に固定され、他方のスペーサ２３ａ，すなわ
ち圧電体２１ａの出力端側にはピストン２４ａが
摺動自在に装着されている。同様に、第２の圧電
体２１ｂの両端面には非圧縮性のスペーサ２２
ｂ，２３ｂが設けられており、一方のスペーサ２
２ｂはケーシング５の一端部に固定され、他方の
スペーサ２３ｂ、すなわち圧電体２１ｂの出力端
側にはピストン２４ｂが摺動自在に装着されてい
る。ピストン２４ａ，２４ｂはバルブボデイ２の
左右端面で支承された皿ばね２５ａ，２５ｂに所
定の予荷重をもつて当接し、ピストン２４ａは第
１図の左方向に、ピストン２４ｂは第１図の右方
向にそれぞれ押圧されている。

ピストン２４ａ，２４ｂとスプール１７の左右
端面との間には、バルブボデイ２、スリーブ３お
よびケーシング４，５の壁面の一部で囲まれたポ
ンプ室２６ａ，２６ｂが形成されている。これら
ポンプ室２６ａ，２６ｂは第１および第２の圧電
体２１ａ，２１ｂの出力端の変位を拡大してスプ
ール１７に伝達するために設けられたもので、各
ポンプ室２６ａ，２６ｂには作動流体と同じ非圧
縮性流体を充填し、ピストン２４ａ，２４ｂの周
溝には流体もれを防止するためのＯリング２７
ａ，２７ｂを装着してある。

上記構成において、第１の圧電体２１ａに電圧
を印加すると、この第１の圧電体２１ａは伸長
し、皿ばね２５ａに抗してピストン２４ａを右方
向へ変位させる。この結果、ポンプ室２６ａ内の
流体は加圧されて、ケーシング４のボア４ａ内か
らスリーブ３内へと移動し、スプール１７を中立
位置から右方向へ変位させる。このとき、スプー
ル１７の変位量に応じた開口面積で一方のアウト
レツトポート１１ｂがインレツトポート８に連通
するとともに、他方のアウトレツトポート１１ａ
がドレンポート９に連通する。よつて、シリンダ
右室１０ｂ内の流体圧力が高まり、シリンダ左室
１０ａ内の流体圧力が低下して、ピストン１２を
左行させる。

第１の圧電体２１ａの電圧を解除し、第２の圧
電体２１ｂに電圧を印加すると、第１の圧電体２
１ａは収縮し、第２の圧電体２１ｂが伸長するた
め、皿ばね２５ｂに抗してピストン２４ｂが左方
向に変位する。この結果、ポンプ室２６ｂ内の流
体は加圧されて、ケーシング５のボア５ａ内から
スリーブ３内へと移動し、スプール１７を中立位
置から左方向へ変位させる。この場合は、前記と
は逆に、アウトレツトポート１１ａがインレツト
ポート８に連通し、アウトレツトポート１１ｂが
ドレンポート９に連通するため、シリンダ左室１
０ａ内の流体圧力が高まり、シリンダ右室１０ｂ
内の流体圧力が低下して、ピストン１２を右行さ
せる。

このように、第１および第２の圧電体２１ａ，
２１ｂのいずれか一方に電圧を印加することによ
り、スプール１７を左右方向に変位させ、パワー
シリンダ１０の左右室への作動流体の流路切換を
行なわせることができる。ここで、第２図に示す
ように、ピストン２４ａ，２４ｂの直径をd₁、ス
プール１７の直径をd₂、ピストン２４ａ，２４ｂ
の変位を△₁とすると、スプール１７の変位△
₂は、△₂＝（d₁／d₂）²・△₁で表わされ、変
位の拡大がなされる。これにより、変位量の小さ
い圧電体を用いてスプールを駆動することが可能
とする。

なお、第１の圧電体２１ａに電圧を印加したと
き、この第１の圧電体２１ａの伸長に応じて第２
の圧電体２１ｂには圧縮歪が生じ、ピストン２４
ｂをピストン２４ａの変位方向と同方向に逃がし
て、スプール１７の変位を吸収する。第２の圧電
体２１ｂに電圧を印加した場合も同様である。

次に、本実施例のサーボ弁を駆動する制御回路
について説明する。制御回路は、第１図に示すパ
ワーシリンダ１０のロツドの変位量を検出する変
位検出器２９からの変位フイードバツク信号e_pと
変位量設定器３０からの変位量設定信号e_iとの偏
差信号を増幅器３１で増幅し、この偏差信号（圧
電体を駆動するための指令信号）をパルス幅変調
回路３３でパルス幅変調し、このパルス幅変調さ
れた信号のオン・オフに応じてサーボ弁駆動回路
３２が第１および第２の圧電体２１ａ，２１ｂの
いずれか一方に電圧を印加するようになつてお
り、サーボ弁駆動回路３２とリード線２８ａ，２
８ｂが電圧印加手段に相当する。

第３図はサーボ弁駆動回路３２の構成例を示
し、パルス幅変調による不連続制御方式でサーボ
弁を駆動するものであり、変位検出器２９からの
変位フイードバツク信号e_pと変位量設定器３０か
らの変位量設定信号e_iとの偏差信号を増幅する増
幅器３１の出力をパルス幅変調回路３３でパルス
幅変調されたパルス波形の信号に変換し、この信
号のオン・オフに応じてサーボ弁駆動回路３２が
第１および第２の圧電体２１ａ，２１ｂのいずれ
か一方に電圧を印加するようにしてある。すなわ
ち、入力信号のオン期間には、この信号がダイオ
ード３５ａにより第１の圧電体２１ａの駆動信号
として選択され、抵抗３７ａを通してトランジス
タ３８ａのベースに入力される。すると、トラン
ジスタ３８ａがオンし、コレクタ電位が零となる
ため、後段トランジスタ４２ａ，４４ａが共にオ
ンとなり、電源電圧＋Ｖが第１の圧電体２１ａに
印加される。また、入力信号のオフ期間には、増
幅器３４により反転された信号がダイオード３５
ｂにより第２の圧電体２１ｂの駆動信号として選
択され、抵抗３７ｂを通してトランジスタ３８ｂ
のベースに入力される。すると、トランジスタ３
８ｂがオンし、コレクタ電位が零となるため、後
段トランジスタ４２ｂ，４４ｂが共にオンとな
り、電源電圧＋Ｖが第２の圧電体２１ｂに印加さ
れる。

次に、第４図を参照して本実施例のサーボ弁の
動作を説明する。

第４図ａは増幅器３１の出力波形、ｂはこれに
対応するパルス幅変調回路３３の出力波形で、そ
の一定周期Ｔに対するオン時間△ｔ、オフ時間△
t′の割合はａ図に示す偏差信号の正負の値に対応
している。このパルス幅変調回路３３の出力信号
は、前述のように、サーボ弁駆動回路３２におい
て、デユーテイがＤ＝△ｔ／Ｔ，D′＝△t′／Ｔで
ある２つのオン・オフ的な駆動信号に変換され、
第４図ｃに示すＤ＝△ｔ／Ｔなる駆動信号は第１
の圧電体２１ａをオン・オフ制御し、第４図ｄに
示すD′＝△t′／Ｔなる駆動信号は第２の圧電体２
１ｂをオン・オフ制御する。

したがつて、第１の圧電体２１ａは時間△ｔの
間、電圧を印加されて伸長し、ピストン２４ａを
皿ばね２５ａに抗して右方向に変位させる。この
結果、ポンプ室２６ａ内の流体が加圧されて、ス
プール１７を中立位置から右方向に変位させ、そ
の変位量はピストン２４ａとスプール１７の直径
比の２乗に比例した量となる。このスプール１７
の右方向変位により、一方のアウトレツトポート
１１ｂはインレツトポート８に連通し、他方のア
ウトレツトポート１１ａはドレンポート９に連通
して、両アウトレツトポート１１ａ，１１ｂが全
開状態となり、パワーシリンダ１０の右室１０ｂ
の流体圧力を高めるとともに、左室１０ａの圧力
を低下させる。その後、時間△t′の間は、第１の
圧電体２１ａが電圧を解除されて収縮し、この第
１の圧電体２１ａの収縮と共にスプール１７は中
立位置へ戻り、両アウトレツトポート１１ａ，１
１ｂは全閉状態となる。

一方、第２の圧電体２１ｂは、時間△ｔの間は
電圧を解除されて収縮した状態にあるが、その
後、時間△t′の間、電圧を印加されて伸長し、ピ
ストン２４ｂを皿ばね２５ｂに抗して左方向に変
位させる。この結果、ポンプ室２６ｂ内の流体が
加圧されて、スプール１７を中立位置から左方向
に変位させ、その変位量はピストン２４ｂとスプ
ール１７の直径比の２乗に比例した量となる。こ
のスプール１７の左方向変位により、一方のアウ
トレツトポート１１ａはインレツトポート８に連
通し、他方のアウトレツトポート１１ｂはドレン
ポート９に連通して、両アウトレツトポート１１
ａ，１１ｂが全開状態となり、パワーシリンダ１
０の左室１０ａの流体圧力を高めるとともに、右
室１０ｂの流体圧力を低下させる。

ここで、偏差信号に対するパワーシリンダのロ
ツド１３の動きを見ると、偏差信号が零であるt₁
の区間には、パルス幅変調信号の各周期Ｔにおい
て、第１の圧電体２１ａに電圧が印加される時間
△ｔと第２の圧電体２１ｂに電圧が印加される時
間△t′とが等しいため、シリンダ左室１０ａに流
入する流体の流量とシリンダ右室１０ｂに流入す
る流体の流量は差引零で、ロツド１３は変位量設
定器３０で設定された位置に位置決めされるが、
偏差信号が正の値であるt₂の区間には、時間△ｔ
が時間△t′よりも長いため、シリンダ右室１０ｂ
に流入する流体の流量の積分値がシリンダ左室１
０ａに流入する流体の流量の積分値よりも大とな
り、結果として、ロツド１３は偏差信号の正の値
に比例した速度で左方向に変位する。逆に、偏差
信号が負の値であるt₃の区間には、時間△t′が時
間△ｔよりも長いため、シリンダ左室１０ｂに流
入する流体の流量の積分値がシリンダ右室１０ｂ
に流入する流体の流量の積分値よりも大となり、
結果として、ロツド１３は偏差信号の負の値に比
例した速度で右方向に変位することになる。

このように本実施例のサーボ弁は、第１および
第２の圧電体に一定周期で交互に電圧を印加し
て、スプールを右方向と左方向に変位させ、駆動
信号のデユーテイによりパワーシリンダの左右室
への作動流体の流量を不連続的に制御する方式と
したものであり、本実施例によれば、スプールは
第１、第２の圧電体に電圧を印加するかしないか
で全開、全閉のいずれかの位置をとるだけでよ
く、連続制御の場合のように、偏差信号の正負の
値に比例した位置をとる必要がないため、サーボ
弁の加工精度がより低くてすみ、またスプールは
常にパルス幅変調信号のキヤリア周波数に同期し
て左右に摺動しているため、ゴミ等の混入により
作動流体が汚染しても動作にほとんど影響を受け
ないという利点がある。

〔考案の効果〕

本考案によれば、パワーシリンダの左右室への
作動流体の流路を切換えるためのスプールを摺動
自在に収納したサーボ弁本体と、該サーボ弁本体
の左右端にそれぞれ配置された第１および第２の
圧電体と、これら圧電体の出力端の変位を拡大し
て前記スプールに伝達する手段として第１および
第２の圧電体の各出力端に装着したピストンと前
記スプールの左右端面との間に設けられ、内部に
流体を充填されたポンプ室と、前記圧電体を駆動
するための指令信号をパルス幅変調する回路と、
このパルス幅変調された信号のオン・オフに応じ
て第１および第２の圧電体に交互に電圧を印加し
てその出力端に変位を生じさせ、もつて前記スプ
ールを左右に変位させる圧電印加手段とを備えた
構成としたため、従来の電磁式アクチユエータを
用いたサーボ弁に比べて、小型軽量であり、かつ
高速応答性に優れたサーボ弁を得ることができ
る。また、本考案のサーボ弁に用いる圧電式アク
チユエータは、比例ソレノイド、フオースモータ
等の電磁式アクチユエータに比べ、動作周波数を
１桁以上高くとることも可能であり動作周波数の
設定自由度が高いため、仮にサーボ弁やパワーシ
リンダ、配管などの振動およびこれに伴う騒音が
発生する場合でも、動作周波数を油圧系の共振周
波数から容易にずらすことができ、これら振動お
よび騒音を抑制できるという効果がある。さら
に、本発明によれば、スプールは全開、全閉のい
ずれかの位置をとるだけでよく、連続制御の場合
のように、偏差信号の正負の値に比例した位置を
とる必要がないため、サーボ弁の加工精度がより
低くてすみ、またスプールは常にパルス幅変調信
号のキヤリア周波数に周期して左右に摺動してい
るため、ゴミ等の混入により作動流体が汚染して
も動作にはほとんど影響を受けないという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例におけるサーボ弁の
断面図、第２図は変位拡大機構の動作説明図、第
３図は本実施例におけるサーボ弁駆動回路の詳細
図、第４図はその各部信号波形図である。 １……サーボ弁本体、１０……パワーシリン
ダ、１０ａ……シリンダ左室、１０ｂ……シリン
ダ右室、１７……スプール、２１ａ……第１の圧
電体、２１ｂ……第２の圧電体、２４ａ，２４ｂ
……ピストン、２６ａ，２６ｂ……ポンプ室、２
８ａ，２８ｂ，３２……電圧印加手段、３３……
パルス幅変調回路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (イ) ワーシリンダ１０の左右室１０ａ，１０ｂへ
   の作動流体の流路を切換えるためのスプール１
   ７を摺動自在に収納したサーボ弁本体１と、 (ロ) サーボ弁本体の左右端にそれぞれ配置された
   第１および第２の圧電体２１ａ，２１ｂと、 (ハ) これら圧電体の出力端の変位を拡大して前記
   スプールに伝達する手段として第１および第２
   の圧電体の各出力端に装着したピストン２４
   ａ，２４ｂと前記スプールの左右端面との間に
   設けられ、内部に流体を充填されたポンプ室２
   ６ａ，２６ｂと、 (ニ) 記圧電体を駆動するための指令信号をパルス
   幅変調するパルス幅変調回路３３と、 (ホ) このパルス幅変調された信号のオン・オフに
   応じて第１および第２の圧電体のいずれか一方
   に交互に電圧を印加してその出力端に変位を生
   じさせ、もつて前記スプールを左右に変位させ
   る電圧印加手段３２，２８ａ，２８ｂと を備えてなるサーボ弁。