JPH05164109A - サーボバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】サーボバルブにおいて、少ない駆動エネルギで
高い応答性を得、電気系異常時にも暴走などを起こさな
いようにすること。 【構成】スプール１は引張ばね７，８によってケーシン
グ３および調整終了後ケーシング３に固定される中立点
調整ねじ９に結合され、スプール１の全運動範囲で引張
ばね７，８には常に引張力が作用するように調節されて
いる。また、スプール１には可動子４が一体的に結合さ
れており、スプール１の変位量を変位検出器１０を用い
て帰還している。引張ばね７，８のばね定数は電気系異
常時に最低限の機能を持ち得るだけの小さな値とし、通
常運転時に必要な応答性は位置帰還の方で実現してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサーボバルブに係り、特
に、摺動抵抗が小さくて良好な動作性が得られる上、少
ない駆動エネルギで高い応答性が得られ、電気系異常時
のシステムの暴走もなく信頼性の高い直動形サーボバル
ブを実現するのに好適なサーボバルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のサーボバルブとしては次
のような構造が採られていた。

【０００３】弁体をなすスプールがケーシングをなすス
リーブに対して直線運動することによって流体の流れを
制御するスプールバルブを弁部に用いたサーボバルブで
は、スプール両端とスリーブとの間をばねで結合し、ス
プールの運動範囲全域にわたって常にこれらのばねに圧
縮力が作用するようにしていた。

【０００４】また、弁体がケーシングに対して回転運動
することによって流体の流れを制御するロータリバルブ
を弁部に用いたロータリ・サーボバルブでは、例えば、
特開平1−283483 号公報に記載されているように、角変
位量検出器を設け、弁体の角変位量を検出し帰還するこ
とによって弁体を電気的に位置決めする構造が採られて
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種のサーボバルブ
では、高い制御精度と信頼性が要求されるとともに、小
さなエネルギで駆動できて高い応答性が得られることが
望まれる。

【０００６】しかし、従来技術では次のような問題があ
った。

【０００７】まず、スプール両端に圧縮ばねを設けた従
来技術のスプールバルブを用いたサーボバルブでは、両
圧縮ばねの圧縮によってスプールに作用するばね力の作
用点がスプールおよびスリーブの中心軸と完全には一致
しないためスリーブに対してスプールを傾けようとする
力のモーメントが作用し、スプールとスリーブが接触し
て摺動抵抗が大きくなるために動作性が損なわれるとい
う問題があった。特に、コイルばねを用いた場合には、
ばねの座面からスプール端面に力が伝わる際、スプール
の中心軸から離れた位置で伝わる上にその力の分布が均
一でないために偏心荷重となりやすく、この問題はより
顕著となる。また、スプールを動かすためにはばね力に
打ち勝つだけの駆動力が必要であるが、高い応答性を得
るためにはある程度大きなばね定数が必要なので大きな
駆動エネルギが必要となるという問題もあった。

【０００８】一方、弁体の角変位量を帰還することによ
って電気的に弁体を位置決めする従来技術のロータリ・
サーボバルブでは、何らかの異常が生じて電気系が停止
してしまった場合、弁体の位置決めができなくなりシス
テムの暴走を招く恐れがあるという問題があった。

【０００９】これらの問題は、特に、油圧増幅部を持た
ず、電磁力によって弁体を直接駆動する直動形サーボバ
ルブでは一層重要な問題であった。

【００１０】本発明の目的は、ケーシングに対して弁体
を傾けようとする力のモーメントが小さくなるので良好
な動作性が得られる上、ばね定数を小さくできるので駆
動エネルギが少なくて済み、しかも、少ない駆動エネル
ギで高い応答性が得られ、さらに、弁体を機械的に支持
するばねを備えているので電気系異常時にも暴走などを
生ずることがなく高い信頼性を有し、直動形サーボバル
ブを実現するに好適なサーボバルブを提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第一の特徴は、弁体とケーシングとを引張ば
ねで結合したことにある。

【００１２】また、本発明の第二の特徴は、弁体とケー
シングとを引張ばねで結合するとともに、弁体の位置を
帰還するように構成したことにある。

【００１３】

【作用】上記従来技術のスプールバルブにおいてスプー
ル両端に設けるばねを圧縮ばねとしているのは、主にば
ねの強度上の問題に起因する。すなわち、弁体の位置決
めをばねのみで行う場合、高い応答性を実現するために
はある程度大きなばね定数が必要となる。しかるに、引
張ばねではばね端部に設けるフックなどの強度が不足す
るため、充分なばね定数を得ることができないからであ
る。

【００１４】しかし、ばねを用いた機械的な弁体支持機
構には油圧源停止時の中立点保持や電気系異常時の最低
限の応答性確保など必要最小限の性能だけを持たせ、所
望の応答性を得るための強いばねの代わりとして位置帰
還による電気的な位置決めを併用するように構成すれば
ばねは小さなばね定数で済むので、これに引張ばねを用
いることが可能となる。

【００１５】引張ばねが使用できれば次のような効果が
得られる。

【００１６】すなわち、圧縮ばねは偏心荷重が生じやす
い上、この偏心荷重によってスプールを傾けようとする
力のモーメントはばね力がある限りスリーブに対するス
プールの傾きを無限に増大させようとする。これに対
し、引張ばねではばね力がフックなどを介してほぼスプ
ールの中心軸付近に作用するのでスプールを傾けようと
する力のモーメントが小さく、しかも、このモーメント
は両引張ばねのばね力の向きが互いに正反対の向きとな
ったところで消滅するのでスプールの傾きをそれ以上に
増大させることはなく、自ずからスリーブに対するスプ
ールの傾きを小さく抑える機能をもっている。その上、
位置帰還の併用によってばね定数が小さくてよいので、
スプールを傾けようとする力のモーメントは一層小さく
なる。従って、スプールとスリーブの接触を抑えること
ができるので摺動抵抗が小さくなり、良好な動作性が得
られるようになる。

【００１７】また、スプールの位置帰還による位置決め
方法では目標値と実際のスプール変位量との偏差の分だ
けを駆動力として与えてやれば良いので、良く追従し偏
差が小さいときにはエネルギをほとんど必要としない。
従って、この偏差に応じた分とばね力に打ち勝つための
分を合わせても小さな駆動力で済む。

【００１８】しかも、引張ばねを用いた機械的な弁体支
持機構を備えているので、万一、何らかの異常のために
電気系が停止してしまったとしても弁体は確実に支持さ
れ、予め設定された位置に戻るからシステムの暴走など
の事故を防止することができる。

【００１９】また、引張ばねによる支持と位置帰還とを
併用しているので、引張ばねの製作上の誤差等によって
ばね定数に誤差が生じてもサーボバルブの性能に与える
影響は小さく、安定した品質を得ることができる。

【００２０】尚、この作用はロータリバルブを弁部に用
いたロータリ・サーボバルブにおいても同様である。

【００２１】特に、ロータリ・サーボバルブの場合、２
つの引張ばねを互いに正反対の向きのばね力を発生する
よう、同一の中心軸上に対向して設ければ、ばね力のた
めに弁体の軸にラジアル力が作用することもなく、より
小さい摺動抵抗に抑えることができる。

【００２２】従って、本発明によれば、摺動抵抗が小さ
くて良好な動作性が得られる上、少ない駆動エネルギで
高い応答性が得られ、電気系異常時のシステムの暴走も
なく信頼性の高いサーボバルブを実現することができ
る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１および図２を
用いて説明する。本実施例はスプールバルブを弁部に用
いたサーボバルブの一実施例を示す。

【００２４】スプール１はケーシング３内に保持された
スリーブ２の内径部に所定の間隙をもって軸方向に直線
運動可能に設けられており、スプール１の端部には巻線
５をもつ可動子４が一体的に結合されている。可動子４
はケーシング３およびスリーブ２に対して一体的に結合
された磁気回路６の空隙内に所定の間隙をもって軸方向
に直線運動可能に設けられている。また、スプール１お
よび可動子４からなる可動部は引張ばね７および８によ
ってケーシング３および調整終了後はケーシング３に固
定される中立点調整ねじ９と結合されている。そして、
中立点調整ねじ９によって、スプール１の運動範囲全域
にわたって引張ばね７，８には常に引張力が作用し、か
つ、駆動力のないときにはスプール１が中立点に戻るよ
うに調節されている。さらに、スプール１には変位量検
出器１０の検出子が結合されており、その出力信号１１
を制御装置１２に帰還して目標値１３と比較し、これら
の偏差に応じた制御指令１４を可動子４上の巻線５に与
えるように構成している。すなわち、目標値１３に応じ
て可動子４がスプール１を直接駆動し、目標値に比例し
た流量を出力する直動形サーボバルブを構成している。

【００２５】さて、引張ばね７，８からフックを介して
スプール１に作用する引張力は基本的にはスプール１の
中心軸上に作用する。だが、図２中に二点鎖線で示した
ように、引張力の作用点が中心軸からわずかに偏心して
いたとすると、これらの引張力のためにスプール１をス
リーブ２に対して傾けようとする力のモーメントが生
じ、スプール１とスリーブ２の接触が生じて摺動抵抗が
大きくなってしまう。しかし、作用点の偏心量はわずか
なのでこの力のモーメントは小さく、しかも、図２中に
実線で示したように、両引張力が互いに正反対の向きと
なったところでこの力のモーメントは消滅してしまい、
スプール１の傾きをそれ以上に増大させることはない。
その上、引張ばね７，８には油圧源停止時に中立点を保
持し電気系異常時に最低限の応答性を確保する必要最小
限の機能だけを与えており、所望の応答性を得るために
は変位量検出器１０を用いた電気的な位置帰還によって
固有値を高める構成を採っているから、引張ばね７，８
のばね定数は小さくしてある。従って、スプール１を傾
けようとする力のモーメントは一層小さくなる。

【００２６】よって、本実施例によれば、スプール１と
スリーブ２の間の摺動抵抗は極めて小さいので常に良好
な動作性を得ることができる。また、ばね力が小さい
上、位置帰還による位置決め方法では目標値１３と変位
量１１の偏差の分だけを駆動力として与えるので、少な
い駆動エネルギで高い応答性を得ることができる。

【００２７】さらに、引張ばねによる支持と位置帰還と
を併用しているので、引張ばねの製作上の誤差等によっ
てばね定数に誤差が生じてもサーボバルブの性能に与え
る影響は小さく、安定した品質を得ることができる。

【００２８】また、万一、何らかの異常のために電気系
が停止してしまったとしても、引張ばねを用いた機械的
なスプール支持機構を備えているのでスプールはばね力
によって確実に中立点に戻るから、システムの暴走など
の事故を招くことがなく、信頼性の高いサーボバルブを
得ることができる。

【００２９】次に、図３ないし図６に本発明のロータリ
・サーボバルブの一実施例を示す。

【００３０】弁体２１はケーシング２２および２３によ
って、弁体２１よりも所定の厚み差だけ厚く成形された
スペーサ２４とともに狭設されており、弁体２１の端面
からは一体成形、あるいは、一体結合された駆動軸２５
が突出し、ケーシング２３の軸穴２６と嵌合して軸受を
形成している。従って、弁体２１はケーシング２２，２
３に対して回動することができる。また、弁体２１は引
張ばね２７および２８によってスペーサ２４および調整
終了後はスペーサ２４に固定される中立点調整ねじ２９
と結合されている。そして、中立点調整ねじ２９によっ
て、弁体２１の運動範囲全域にわたって引張ばね２７，
２８には常に引張力が作用し、かつ、駆動力のないとき
には弁体２１が中立点に戻るように調整されている。一
方、ケーシング２３には、磁石３０とヨークを兼ねるケ
ーシング２３によって構成された磁気回路が固定されて
おり、磁気回路の空隙内には巻線３２をもち弁体２１の
駆動軸２５に一体的に結合された可動子３１が設けられ
ている。さらに、弁体２１の駆動軸２５には角変位量検
出器３３の検出軸が結合され、その出力信号３４を制御
装置３５に帰還して目標値３６と比較し、その偏差に応
じた制御指令３７を可動子３１上の巻線３２に与えるよ
うに構成している。すなわち、目標値３６に応じて可動
子３１が弁体２１を直接駆動し、目標値に比例した流量
を出力する直動形ロータリ・サーボバルブを構成してい
る。

【００３１】また、弁体２１には円筒穴３８と貫通孔３
９が設けられており、ケーシング２２，２３には、弁体
２１の円筒穴３８の内径と同等の外径に成形され、か
つ、円筒穴３８と同心に設けられたスリーブ４０および
４１と、スリーブ４０，４１によって互いに分離される
ように構成された流路４２，４３および４４，４５がそ
れぞれ設けられ、ケーシング２２において、スリーブ４
０の内径部には制御ポート４６が、流路４２には供給ポ
ート４７が、また、流路４３には排出ポート４８がそれ
ぞれ接続されている。従って、スリーブ４０と４１の内
径部と円筒穴３８はともに制御ポート４６に接続し、流
路４２と４４は貫通孔３９を介してともに供給ポート４
７に接続している。また、弁体２１は制御ポート４６に
接続するスリーブ４０，４１と供給ポート４７に接続す
る流路４２，４４の全体を覆い、流路４３，４５につい
ては一部だけを覆う形状に成形してあるので、流路４３
と４５も互いに連通し、ともに排出ポート４８に接続し
ている。

【００３２】従って、可動子３１上の巻線３２に電流を
流す際に発生する電磁力によって弁体２１が回動する
と、円筒穴３８とスリーブ４０および４１との間にオリ
フィスが形成され、このオリフィスによって流量を制御
することができる。本実施例の弁部および駆動部の詳細
な作用については特開平1−283483 号公報に記載されて
いる通りである。

【００３３】さて、引張ばね２７，２８からフックを介
して作用する引張力は基本的には弁体２１の軸方向中央
に作用するように構成してある。だが、これらの引張力
の作用点が軸方向中央からわずかにずれていたとする
と、これらの引張力のために弁体２１をケーシング２
２，２３に対して傾けようとする力のモーメントが生
じ、弁体２１の端面など軸受部以外の場所で接触が生じ
て摺動抵抗が大きくなってしまう。しかし、作用点のず
れは小さいのでこの力のモーメントは小さい。その上、
引張ばね２７，２８には油圧源停止時に中立点を保持し
電気系異常時に最低限の応答性を確保する必要最小限の
機能だけを与えており、所望の応答性を得るためには変
位量検出器３３を用いた電気的な位置帰還によって固有
値を高める構成を採っているから、引張ばね２７，２８
のばね定数は小さくしてある。従って、弁体２１を傾け
ようとする力のモーメントは一層小さくなる。

【００３４】よって、本実施例によれば、弁体２１とケ
ーシング２２，２３の間の摺動抵抗は極めて小さいので
常に良好な動作性を得ることができる。また、ばね力が
小さい上、位置帰還による位置決め方法では目標値３６
と変位量３４の偏差の分だけを駆動力として与えるの
で、少ない駆動エネルギで高い応答性を得ることができ
る。

【００３５】さらに、引張ばねによる支持と位置帰還と
を併用しているので、引張ばねの製作上の誤差等によっ
てばね定数に誤差が生じてもサーボバルブの性能に与え
る影響は小さく、安定した品質を得ることができる。

【００３６】また、万一、何らかの異常のために電気系
が停止してしまったとしても、引張ばねを用いた機械的
な弁体支持機構を備えているので弁体はばね力によって
確実に中立点に戻るから、システムの暴走などの事故を
招くことがなく、信頼性の高いサーボバルブを得ること
ができる。

【００３７】尚、図７に示すように、弁体２１に突起５
０を設け、引張ばね２７と２８を同一の中心軸上に対向
して設けても良い。このようにすれば、両ばねの引張力
によって弁体２１の軸２５にラジアル荷重が作用するこ
とがないので摺動抵抗を一層小さくすることができる。

【００３８】また、以上に示した実施例では弁部を３方
弁としたが、４方弁など他の形式としても良い。さら
に、以上に示した実施例では引張ばねをコイルばねとし
たが、弁体に対して引張力を作用させるものであれば、
ゴムばね，板ばね，トーションバーなど他のばね機構を
用いても良い。

【００３９】図８に、本発明のサーボバルブを用いた圧
延機の油圧制御装置の一実施例を示す。

【００４０】圧延機６０には圧延材６１に圧延荷重を与
えるための押圧手段として油圧シリンダ６２が設けられ
ており、この油圧シリンダ６２に供給あるいは排出する
圧油の流れを制御するために油圧シリンダ６２と油圧源
６３の間にはサーボバルブ６４が設けられている。この
サーボバルブは図１に示した実施例の直動形サーボバル
ブであり、スプール両端とケーシングとの間は引張ばね
で結合され、かつ、スプールの変位量を帰還して電気的
にスプールの位置決めをする機構も備えている。また、
油圧シリンダ６２には変位量検出器６５が設けられてお
り、ここで検出された変位量信号６６は主フィードバッ
ク信号として制御装置６７に帰還されている。そして、
制御装置６７は目標値６８と変位量信号６６とを比較
し、その偏差に応じた制御指令６９をサーボバルブ６４
に与えてこれを駆動する。

【００４１】本実施例によれば、サーボバルブ６４は摺
動抵抗が小さくて動作性が良く、少ないエネルギで高い
応答性が得られるので、システムの制御性と応答性が向
上し、圧延製品の品質が向上する。また、サーボバルブ
６４の品質が安定しているので、サーボバルブを交換し
てもシステムの再調整を行う必要がないから、稼働率も
向上する。さらに、電気系に異常が生じた場合などにも
スプールは確実に設定された位置に戻るから、システム
が暴走することもなく、信頼性の高いシステムを実現す
ることができる。

【００４２】また、予めサーボバルブの駆動力がない状
態でスプールが中立点からわずかに油圧シリンダを開放
する側に位置するように中立点調整ねじで調整しておけ
ば、電気系異常時には速やかに油圧シリンダが開放され
るので、板切れや急激な蛇行などの事故を防止すること
ができ、信頼性が一層高くなる。

【００４３】尚、サーボバルブ６４は図３に示した直動
形ロータリ・サーボバルブとしても良い。

【００４４】

【発明の効果】本発明のサーボバルブによれば、ケーシ
ングに対して弁体を傾けようとする力のモーメントが小
さくなるので良好な動作性が得られる。また、ばね定数
を小さくできるので駆動エネルギが少なくて済む上、少
ない駆動エネルギで高い応答性を得ることができる。さ
らに、引張ばねの製作上の誤差等によってばね定数に誤
差が生じてもサーボバルブの性能に与える影響は小さ
く、安定した品質を得ることができる。その上、弁体を
機械的に支持するばねを備えているので電気系異常時に
も暴走などを生じることがなく、高い信頼性を実現する
ことができる。従って、特に、油圧増幅部を持たず、電
磁力によって弁体を直接駆動する直動形サーボバルブを
実現するのに好適である。

【００４５】また、本発明のサーボバルブを圧延機の油
圧制御装置に適用すれば、サーボバルブの性能向上によ
ってシステムの性能や信頼性が向上するのは勿論のこ
と、圧延製品の品質向上や稼働率の向上など、経済上の
効果も得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスプールバルブを用いたサーボバルブ
の一実施例を示す断面図。

【図２】図１の引張ばねの作用を示す説明図。

【図３】本発明のロータリ・サーボバルブの一実施例を
分解的に示す斜視図。

【図４】図３のロータリ・サーボバルブを組立てた状態
を示すＡ−Ａ線断面図。

【図５】図３のロータリ・サーボバルブの内部構造を示
す図４のＢ−Ｂ線矢視図。

【図６】図３のロータリ・サーボバルブの中立状態を示
す図５のＣ−Ｃ線展開図。

【図７】本発明のロータリ・サーボバルブの他の実施例
を示す説明図。

【図８】本発明のサーボバルブを用いた圧延機の油圧制
御装置の一実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１…スプール、２…スリーブ、３…ケーシング、７，８
…引張ばね、９…中立点調整ねじ、１０…変位量検出
器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下釜 宏徳 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングおよび前記ケーシング内に運動
   可能に設けた弁体を有する弁部と、前記弁体を駆動する
   駆動部とを備え、前記ケーシングと前記弁体との相対運
   動によって流体の流れを制御するサーボバルブにおい
   て、前記ケーシングと前記弁体とを引張ばねで結合した
   ことを特徴とするサーボバルブ。