JPH06159324A

JPH06159324A - 制御弁

Info

Publication number: JPH06159324A
Application number: JP31034592A
Authority: JP
Inventors: Kenji Heiko; 賢二平工; Haruo Watanabe; 春夫渡辺; Ichiro Nakamura; 一朗中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】流体の流量、圧力を制御する制御弁の制御性
の向上【構成】制御弁１４に、弁本体１の弁体３の速度を加
振手段７の入力信号にポジティブにフィードバックする
制御装置１３を持たせ、制御装置には入出力関係や流体
の温度に応じてゲインを調節する調節部１６を持たせ、
さらに、弁体３の変位を加振手段７の入力信号にフィー
ドバックし入出力関係に応じてゲインを調節する制御装
置１３ａを持たせて構成した制御弁装置。【効果】制御弁の減衰係数を制御することができるの
で共振倍率の任意設定、及び外乱に対する補償ができ、
さらに、制御弁を常に共振点で駆動することができるの
で、高効率化、安定化を図れる効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流体の流量、圧力を制御
する制御弁に関し、特に制御性の向上を図った制御弁に
関する。

【０００２】

【従来の技術】弁体−ばね系の固有周波数で加振源によ
り加振して、入力信号の振幅を変えることで弁体の共振
振幅を制御して流体の圧力、流量を制御する制御弁は、
特開昭63-268952号公報に記載のように変位拡大の手段
として共振を利用していたが、各種の外乱やパラメータ
の変化とは無関係に弁をオープンループで制御していた

【０００３】。

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、流体
の流れに起因して弁体に軸方向の力を及ぼす非定常流体
力や、弁体が摺動するときの粘性抵抗に対する対策がな
されておらず、このため何も制御を行わない状態では、
弁部の圧力差の変化による非定常流体力の変化や、流体
の温度変化による粘性抵抗の変化により弁体の共振倍率
が変化してしまい、弁体の振幅の制御が不充分という問
題があった。

【０００４】本発明は、弁体の共振倍率の増大とその安
定化を図ることを目的としている。

【０００５】また、上記従来技術は、流体の流れに起因
して弁体に軸方向の力を及ぼす定常流体力のばね効果に
対する対策がなされておらず、このため何も制御を行わ
ない状態では、弁部の圧力差の変化による定常流体力の
変化の結果、ばね定数が変化し弁体駆動系の共振周波数
が変化してしまうという問題があった。

【０００６】本発明は、弁体の共振倍率の増大とその安
定化を図ることを第１の目的としている。

【０００７】本発明はまた、制御弁を常に弁体駆動系の
共振周波数で駆動することを第２の目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、本発明に係る第１の発明の制御弁の構成
は、位置を変えることにより流体の流れを制御する弁体
と該弁体を入力信号に基づいて加振する加振手段とをば
ね要素を介して結合し、この系の固有周波数近傍の周波
数で加振して流体の流れを制御する方式の制御弁におい
て、前記弁体の可動部の速度を前記加振手段の入力信号
に正（ポジティブ）にフィードバックする制御装置を持
たせたものであり、さらにはこの制御装置に指令信号と
前記弁体の可動部の変位との比較結果や流体の温度に応
じて該制御装置のゲインを調節する調節部を持たせたも
のである。

【０００９】また、上記の第１の目的を達成するため
に、本発明に係る第２の発明の制御弁の構成は、位置を
変えることにより流体の流れを制御する弁体と該弁体を
加振する加振手段とをばね要素を介して結合し、この系
の固有周波数近傍の周波数で加振して流体の流れを制御
する方式の制御弁において、前記弁体の可動部周囲に粘
度を制御できる流体を配置し、前記弁体の可動部の減衰
係数が一定になるよう流体の粘度を制御する手段を備え
たものである。

【００１０】また、上記第１の目的を達成するために、
本発明に係る第３の発明の制御弁の構成は、位置を変え
ることにより流体の流れを制御する弁体と該弁体を加振
する加振手段とをばね要素を介して結合し、この系の固
有周波数近傍の周波数で加振して流体の流れを制御する
方式の制御弁において、前記弁体の可動部の減衰係数が
所望量以下になるよう前記弁体の減衰長を設定し、動作
時には別の手段で正の減衰力を前記弁体の可動部に付与
し、その付与量を調節することにより前記弁体の可動部
の減衰係数を制御する構成としたものである。

【００１１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明に係る第４の発明の制御弁の構成は、位置を変え
ることにより流体の流れを制御する弁体と該弁体を加振
する加振手段とをばね要素を介して結合し、この系の固
有周波数近傍の周波数で加振して流体の流れを制御する
方式の制御弁において、前記ばね要素のばね定数を流体
力によるばねのばね定数に比較して十分に大きくしたも
のである。

【００１２】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明に係る第５の発明の制御弁の構成は、位置を変え
ることにより流体の流れを制御する弁体と該弁体を入力
信号に基づいて加振する加振手段とをばね要素を介して
結合し、この系の固有周波数近傍の周波数で加振して流
体の流れを制御する方式の制御弁において、前記弁体の
可動部の変位を前記加振手段の入力信号にフィードバッ
クし、指令信号と前記弁体の可動部の変位との比較によ
りゲインを調節する手段を備えたものである。

【００１３】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明に係る第６の発明の制御弁の構成は、位置を変え
ることにより流体の流れを制御する弁体と該弁体を入力
信号に基づいて加振する加振手段とをばね要素を介して
結合し、この系の固有周波数近傍の周波数で加振して流
体の流れを制御する方式の制御弁において、指令信号と
前記弁体の可動部の変位との比較により前記加振手段の
加振周波数を調節する構成としたものである。

【００１４】

【作用】上記技術的手段による作用を第１〜第６の発明
にそれぞれ分けて次に述べる。

【００１５】第１の発明において、弁体の共振倍率を制
御するには駆動される系の減衰係数を制御すればよいこ
とになる。流体外乱を考えなければ減衰係数は流体の粘
性抵抗で決まる。温度変化がなければこの値は一定なの
で減衰係数は制御できないが、減衰係数とは弁の速度に
比例した抵抗なので、制御装置において弁の速度を加振
手段への入力信号にフィードバックして、そのフィード
バックゲインを選ぶことにより等価的に減衰係数が操作
でき、これにより共振倍率の制御が可能となる。このと
き、速度信号を前記加振手段への入力信号に正（ポジテ
ィブ）にフィードバックすることによって系の減衰係数
が減少され共振倍率の増大が電気的制御手段によって図
られる。また、このとき制御装置への指令信号と弁の変
位を比較してフィードバックゲインを調節することによ
り、入力信号に対して安定した共振倍率が得られ、さら
に作動流体の温度に応じてフィードバックゲインを変え
ることにより、温度変化による粘性抵抗の影響を補償す
ることが可能となり、安定した弁体の共振倍率が得られ
る。

【００１６】第２の発明において、弁体の共振倍率を制
御するには駆動される系の減衰係数を制御する必要があ
り、制御弁、特にスプール弁の場合はスプールが摺動す
るときの粘性抵抗が減衰係数の支配要因となる。そこで
スプール摺動部に粘度が制御できる流体を配置し、その
粘度を制御することにより減衰係数の制御が可能とな
り、弁体の共振倍率を安定して増大させることができ
る。

【００１７】第３の発明において、弁体駆動系の減衰係
数は弁体摺動時の粘性抵抗力と流体の流れに起因して弁
体に軸方向の力を及ぼす非定常流体力との和で定まる。
通常の制御弁の場合この減衰係数を正の適当な値に設定
することにより弁の安定性を高めているが、本発明にお
ける制御弁は共振を利用して加振源の変位を拡大してい
るため減衰係数を減らして共振倍率を高める必要があ
る。そこで、弁部の減衰長を変えることにより非定常流
体力を調節し、減衰係数を減少させる方法が有効であ
る。このとき減衰長を、減衰係数が所望量より小さくな
るように設定しておく。そして駆動時には正の減衰力を
付与し、その付与量を制御することにより弁体の共振倍
率の増大と安定が同時に得られる。

【００１８】第４の発明において、流体の流れに起因し
て弁体に軸方向の力を及ぼす定常流体力は弁を開くとそ
れを閉じようとする方向に働く。すなわち定常流体力は
ばね力と等しい効果があり、制御弁のばね要素と定常流
体力によるばねとの和が弁体駆動系全体のばね要素とな
る。従って使用圧力（流体圧力）が変化すると定常流体
力によるばねのばね定数が変化し、弁体駆動系の共振周
波数が変化してしまう。しかし制御弁のばね要素のばね
定数を定常流体力によるばね定数に比して十分に大きく
することにより定常流体力による共振周波数の変化を無
視できる程度に相対的に小さくでき、制御弁を常に弁体
駆動系の共振周波数で駆動することができる。

【００１９】第５の発明において、弁体駆動系に働くば
ね力とは弁体の変位に比例した力であるので、弁体の変
位を加振手段への入力信号にフィードバックして、その
フィードバックゲインを選ぶことにより等価的に弁体駆
動系のばね定数が操作できる。このとき、指令信号と弁
体の変位との比較によりフィードバックゲインを調節す
ることにより、制御弁を常に弁体駆動系の共振周波数で
駆動することができ、さらに共振倍率の安定化も図られ
る。

【００２０】第６の発明において、制御弁を常に共振周
波数で駆動するための方法として、弁体駆動系の固有周
波数が変化したらそれに合わせて加振する周波数を追従
させることが考えられる。このとき、指令信号と弁体の
変位との比較により加振周波数を調節することにより制
御弁を常に弁体駆動系の共振周波数で駆動することがで
きる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図１２を参
照して説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施例である制御弁の
断面図、図２は、本発明の各実施例に共通した制御シス
テムの基本構成を示すブロック図、図３は、本発明のそ
の他の実施例である制御弁の断面図、図４は、本発明の
一実施例に係る制御弁と弁の速度フィードバックを行う
制御装置との関係を説明するブロック線図、図５は作動
流体の温度が変化したときの共振倍率の変化を説明する
図、図６は、粘度制御用流体使用時の制御弁の構成を説
明する図、図７は、粘度制御用流体及び非定常流体力の
効果を説明する図、図８は、弁部における流体の流れ方
向と減衰長を説明する図、図９は、固有周波数が変化し
たときの共振倍率の変化を説明する図、図１０は、本発
明の一実施例に係る制御弁と弁の変位フィードバックを
行う制御装置との関係を説明するブロック線図、図１１
は、本発明の一実施例に係る制御弁と弁の加振周波数の
調節を行う制御装置との関係を説明するブロック線図、
図１２は、本発明の一実施例である制御弁を使用した流
体圧サーボシステムの実施例を説明する図である。

【００２３】図１に示す制御弁は、内部軸線上に全通す
る空洞部を備えた弁本体１と、該弁本体１の空洞部の長
手方向ほぼ中央部に同心状に内装され中心軸線上に全通
する空洞部を備えたスリーブ２と、該スリーブ２と弁本
体１の図上むかって右側端の間の空洞部に軸線と同心状
をなして内装されたフレーム５と、断面がほぼＴ字形を
なす該フレーム５の弁本体１の右端に向かって延びるＴ
字形の足の部分を前記弁本体１に軸線と同心状に支持す
る転がり軸受６と、弁本体１の空洞部に前記フレーム５
のＴ字形の足の端部に接して配置された圧電素子７と、
該圧電素子７の端部に接して配置された中立点調整ねじ
８と、前記スリーブ２と弁本体１の図上むかって左側端
の間の空洞部に軸線と同心状をなして内装された断面が
ほぼＴ字形をなすフレーム５’と、前記スリーブ２の中
心軸線の空洞部に軸線方向に移動可能に内装された弁体
３と、前記フレーム５，５’のＴ字形の横棒部分の上に
該横棒部分に支持されて配置された板ばね４，４’と、
前記弁体３と板ばね４，４’の間に配置されて弁体３を
板ばね４，４’の間に支持する延長ステム９，９’と、
板ばね４，４’と延長ステム９，９’の間に介装された
硬球１０，１０’と、前記フレーム５’の足の部分に形
成された中空部に嵌挿され前記板ばね４’軸方向の変位
を検出する変位センサ１７と、フレーム５’の軸方向位
置を調整する中立点調整ねじ８’とを含んで構成されて
いる。

【００２４】弁体３は、スリーブ２の空洞部の内径とほ
ぼ同じ径のランド３ａ、３ｂと、該ランド３ａ、３ｂを
連結するランド３ａ、３ｂよりも小さい径のステム３ｃ
よりなっている。また弁本体１の、ランド３ａ，３ｂが
配置された空洞部には高圧である供給ポートＰsが、ス
テム３cが配置された空洞部には低圧である制御ポート
Ｐcが、フレーム５，５’が配置された空洞部にはドレ
ンポートＴが、それぞれ空洞部と弁本体外面を連通する
ように設けられている。二つの供給ポートＰsが前記空
洞部に開口する部分は、それぞれ空洞部内壁面に沿って
円周上に形成された環状の溝をなしており、該ふたつの
溝の制御ポートＰcに近い側の壁面の間隔は、前記ラン
ド３ａ、３ｂを連結するステム３ｃの長さとほぼ同じに
してある。そして、ランド３ａ、３ｂのステム３ｃ側端
面と前記環状の溝のステム３ｃ側端面との間の環状の隙
間を、それぞれ制御オリフィス２ａ，２ｂと呼ぶ。

【００２５】圧電素子７は、フレーム５，板ばね４，延
長ステム９を介して弁体３を軸線方向に駆動する。

【００２６】図２に本発明に係る制御弁が適用される制
御システムの基本構成を示す。図示の制御システムは、
一定圧力源１１と、該圧力源１１により駆動される負荷
１５と、圧力源１１と負荷１５を結ぶ管路に介装された
２方向の制御弁１４と、該制御弁１４と圧力源１１の間
の管路に接続されたアキュムレータ１２と、流量を指定
する指令信号を受けて制御弁１４への入力信号を発生す
る制御装置１３とを含んで構成されている。２方向の制
御弁１４は制御装置１３からの入力信号に応じて開閉動
作する。

【００２７】図４は制御弁１４と該制御弁の速度フィー
ドバックを行う制御装置１３の関係を示す制御ブロック
線図である。制御装置１３は、該制御弁１４で流れるべ
き流量を指定する指令信号Ｖinを受け、これを共振周波
数の入力信号に変換する掛算器１８と、指令信号Ｖinと
弁体変位ｘとの比較により、または作動流体の温度に応
じてフィードバックゲインＫvを調節する調節部１６を
備えて成っている。図６において、延長ステム９，９’
の周囲には粘度制御用流体貯蔵部２０，２０’が形成さ
れ、該粘度制御用流体貯蔵部２０，２０’とランド３
ａ，３ｂが内装された空洞部の間には絶縁材２１、２１
´が配置されている。２２、２２´は粘度制御用流体用
モジュールを示す。また、粘度制御用流体貯蔵部２０，
２０’には粘度制御用流体供給ポートＰnが設けられて
いる。

【００２８】図１２において、１１´は一定圧力源、１
４´は制御弁、１３ｃは制御装置、４０は４方弁、４１
は弁本体、４２は弁体、４３、４３´は圧力制御室、４
４、４４´はオリフィス、４５はアクチュエータ、４６
は負荷、４７はタンク、４８、４８´は変位センサであ
る。

【００２９】以下に、本発明に係る制御弁の構成及び動
作を図１及び図２を参照して説明する。本実施例では図
２に示すように、制御弁の上流側（圧力源１１側）管路
にアキュムレータを設けて定圧力源とし、制御弁を流量
制御弁として使用する場合について説明する。図１に示
す第１の実施例では、加振手段として圧電素子７を用い
る。図示の状態は中立状態を示しており、制御オリフィ
ス２ａ、２ｂは閉じられている。弁体３は、ばね、質量
で定まる固有振動を持つ振動系となっており、このた
め、共振周波数ｆnによって圧電素子７を振幅ｘoで駆動
するように、振幅Ｖoの電圧を圧電素子に印加すれば、
弁体３は共振倍率をαとするときαｘoの振幅で振動す
る。これは、圧電素子７の変位が小さい欠点をカバーす
るために設けた変位拡大機構の一つである。

【００３０】弁体３がαｘoの振幅で振動していると
き、制御ポートＰcからは間欠的に高圧流体が流出する
ことになる。このとき、出力流量ｑは、弁体振幅αｘo
に比例する。従って、圧電素子７に印加する電圧の振幅
Ｖoを変えることにより、出力流量ｑを制御できる。ま
た、弁体３の駆動周波数が高い程、弁体振幅がαｘoに
至るまでの立上り時間が短縮され、制御弁としての応答
性の向上が図られる。尚、板ばね４、４´及びフレーム
５は高周波で振動するためフレームが内装してある室
（空洞部）内に作動流体が満たされていたり、空気が密
閉されていると駆動に際してかなりの抵抗となるため、
これを防ぐ目的で弁本体１にはドレンポートＴが設けら
れている。尚、弁体３の変位は変位センサ１７で計測さ
れ、これを微分することにより速度信号が算出される。

【００３１】図１３に、圧電素子への入力信号（振幅Ｖ
c，共振周波数の正弦波）と、この入力信号による圧電
素子の変位Ｘoと、圧電素子により駆動される弁体（ス
プール）の変位αＸoと、弁体（スプール）の変位αＸo
によって生ずる出力流量ｑ及び実効流量を対比してして
同一時間軸上に示す。

【００３２】図１における実施例では、弁体３は板ばね
４及び４´で両側から延長ステム９，９’を押し付けて
支持する方法を取っているが、これは図３に示す本発明
のその他の実施例の制御弁のようにばねを片側のみとす
ることも可能である。この方法は両側をばねで支持した
場合に比べ単純に２倍の弁体の変位量が得られるという
長所があるが、反面短所も多い。短所の１つとして弁体
の支持方法、具体的には延長ステム９と板ばね４との接
続方法が挙げられ、図１の両側ばねの場合のように硬球
１０を介して支持する方法をとれないので、ねじや接着
などの方法で固定する必要がある。固定により弁体３は
半径方向の拘束を受けるため、弁体３の中心と接続点と
フレーム５の軸中心の全てを一致させる必要がある。仮
にわずかでも偏心が生じると、弁体３がスリーブ２に押
し付けられ摩擦が増大し弁体３の動きが妨げられるとい
う問題が起こる。また、接続部におけるガタも微小な圧
電素子７の変位量を考えた場合問題である。従って、こ
の接続部の構成が片側ばねの場合のポイントとなる。

【００３３】次に、制御装置における構成を図４を用い
て説明する。図４において、流体力や摩擦などの外乱を
無視すれば、制御弁は機械振動系として図中のようなブ
ロック線図で表される。但し、図中のｍは弁体質量、Ｃ
fは粘性抵抗係数、ｋmは機械式ばねのばね定数、ｘは弁
体変位、ｓはラプラス演算子、ｔは時間、Ｖinは指令信
号、Ｔflowは流体の温度、ｆnは共振周波数である。

【００３４】弁体の共振倍率αは、制御弁全体のばね定
数をｋ、制御弁全体の減衰係数をｃとするとα＝（√
（ｍｋ））／２ｃで表される。ここで、制御弁全体のば
ね定数ｋは、機械式ばねのばね定数ｋmと後述する定常
流体力によるばね定数ｋeと変位フィードバックゲイン
Ｋdの和で表され、制御弁全体の減衰係数ｃは、粘性抵
抗係数Ｃfと後述する非定常流体力による粘性抵抗係数
Ｃlと速度フィードバックゲインＫvの和で表される。上
式より共振倍率αを制御するには制御弁全体の減衰係数
ｃの制御が求められる（ｍを変えるのは不可能、ｋにつ
いてはその平方根によりαが変化するので効果が小さく
また制御もしづらい。）。減衰係数ｃは流体外乱がなけ
れば粘性抵抗係数Ｃfと等しく、流体の温度が一定であ
ればこの値は一定なので減衰係数ｃは制御できないが、
減衰係数とはすなわち弁体の移動速度dx/dtに比例した
抵抗であるので、制御装置１３において、弁体速度dx/d
tを変位センサ１７により取り出し、これにゲインＫvを
乗じて入力信号にフィードバックすることにより等価的
に減衰係数ｃの操作ができる。このとき、速度信号を入
力信号にポジティブにフィードバックすることによって
減衰係数ｃが（Ｃf−Ｋv）に減少され共振倍率の増幅を
図ることができる。

【００３５】しかしながら、減衰係数ｃが減少して共振
倍率αが大きくなると、共振周波数ｆnのわずかなずれで
弁体振幅が大きく変動し、同じ入力電圧振幅Ｖoに対し
ての弁体振幅αｘoが変化しやすいという問題が起こる
が、調節部１６において、指令信号と弁体変位（例えば
弁体振幅αｘo）とを比較して弁体振幅αｘoの変化に応
じてフィードバックゲインＫvを調節することによりこ
れを補償することが可能となり、圧電素子に印加する電
圧振幅Ｖoに対し常に安定した共振倍率αが得られる。

【００３６】図５は、制御弁の弁体振幅の周波数応答を
示すものであり、図示のように作動流体の温度が高いと
きは粘性抵抗係数Ｃfが減少するため共振点における弁
体振幅は大きくなり、逆に温度が低いときは粘性抵抗係
数Ｃfが増大するため弁体振幅は小さくなる。このた
め、温度変化によってもやはり同じ入力電圧振幅Ｖoに
対しての弁体振幅αｘoが使用条件によって変化すると
いう問題が起こるが、調節部１６において、作動流体の
温度Ｔflowに応じてフィードバックゲインＫvを調節す
ることにより、温度変化の影響を補償することが可能と
なり、圧電素子に印加する電圧振幅Ｖoに対し常に安定
した共振倍率αが得られる。尚、実施例ではフィードバ
ックゲインを調節することにより制御を行う構成として
いるが、フィードバックゲインの代わりにループゲイン
を調節しても同様の効果がある。

【００３７】前記のように作動流体は温度変化により粘
性抵抗係数Ｃfが変化するため共振倍率が安定しないと
いう問題が起こるが、もし流体の粘性抵抗を積極的に制
御できる粘度制御用流体を使用したならば粘性抵抗係数
Ｃfを一定に制御して共振倍率の安定化を図ることが可
能となる。このときの制御弁の構成の実施例を図６を用
いて説明する。

【００３８】図６において、粘度制御用流体として電界
流体を用いた場合の例を示す。図では延長ステム９、９
´部に粘度制御用流体用モジュール２２、２２´を組み
込んだ場合を示しており、延長ステム９、９´部で粘度
制御用流体の粘性抵抗を受ける構成としてある。粘度制
御用流体用モジュール２２、２２´は、絶縁材２１、２
１´を介してスリーブ１及び弁体３に組み付けられてい
る。これは粘度制御用流体に印加すべき電圧Ｖoが短絡
しないように金属同志の接触を避けるためのものであ
る。尚、金属接触による摩擦を防止するため延長ステム
と粘度制御用流体用モジュールの間には半径方向に隙間
を設けてある。従ってこの部分の加工精度はランド−ス
リーブ部と同程度にする必要がある。この隙間からの粘
度制御用流体の漏れに対する対策として、粘度制御用流
体貯蔵部２０、２０´には粘度制御用流体供給ポートＰ
nが接続されている。

【００３９】以上のような構成によれば、延長ステム部
の粘度制御用流体による粘性抵抗とランド−スリーブ間
の作動流体による粘性抵抗との和が弁体に働く粘性抵抗
となる。そして、弁体３と粘度制御用流体用モジュール
２２，２２’に電極を取り付け、電圧Ｖoを印加する
と、電圧Ｖoの大きさに応じて粘度制御用流体貯蔵部内
の粘性が変化し弁体の粘性抵抗係数Ｃfを制御すること
ができる。このときの制御方法及びその効果について図
７を用いて説明する。

【００４０】図７は流体の温度変化と弁体に働く減衰係
数との関係を示したもので、何も制御を行わない状態で
はＩのように温度の上昇と共に減衰係数が低下する。こ
こで粘度制御用流体によりIIのように減衰係数を与えれ
ば、ＩとIIの和で表される弁体の減衰係数はIIIのよう
に使用温度範囲において一定に保つことができる。尚、
粘度制御用流体により与えられる最小の減衰係数をＣo
とするならば、弁体に働く減衰係数は、Ｃ₁＋Ｃo以上の
範囲で一定に制御することができる。

【００４１】次に、流体が弁体振動へ及ぼす影響につい
て、図８を参照して説明する。弁体に流体が流入出する
とき弁体には流体力と呼ばれる抵抗力が軸方向に加わ
る。流体質量の慣性力を無視したとき、ρを流体の密
度、Ｑを弁体に流入出する流量、ｕを流れの速度、φを
流れの軸方向に対する角度、Ｌを減衰長（図８中に記
載）とすると流体力Ｆflowは次式で表される。

【００４２】

【数１】

【００４３】この式の第１項目は定常項で流量Ｑに比
例、すなわち弁体変位に比例して力を及ぼし、第２項目
は非定常項で流量Ｑの時間変化に比例、すなわち弁体速
度に比例して力を及ぼす。第２項目の符号が±となって
いるのは流体の流れの向きにより力のかかる方向が逆に
なることを示す。例えば図８のように、流体の流れ方向
を弁体３のランド部３ａ、３ｂの制御オリフィス２ａ、
２ｂから弁体３のステム部３ｃの方向に内向きに流れる
ように流路を構成した場合、上式の第２項目の符号が負
となり、非定常流体力を弁体の移動と同方向へ作用させ
ることができる。このことをもう少し詳しく説明するた
めに、流体力の定常項と非定常項の効果を以下に説明す
る。

【００４４】流体が流入出しているときの弁体振動系を
単純なばね質量系＋流体力とみなした場合、Ｆを加振力
とすると弁体の運動方程式は次式で表される。

【００４５】

【数２】

【００４６】流量係数をＣs、速度係数をＣv、弁体径を
ｄ、弁差圧をΔｐとすると上式は次式のようになる。

【００４７】

【数３】

【００４８】但し、

【００４９】

【数４】

【００５０】

【数５】

【００５１】すなわち定常流体力はばね力と同じ働きが
あり、系全体のばね定数の増加となって表れる。尚、定
常流体力によるばね力は弁差圧Δｐをパラメータにして
そのばね定数ｋeを変化させる。また、非定常流体力は
粘性抵抗力と同じ働きがあり、上記のような内向きに流
体が流れる流路構成とした場合には系全体の減衰係数ｃ
を減少させる効果があり、流れの向きを反対にした場合
は減衰係数ｃを増加させる効果がある。尚、非定常流体
力による粘性抵抗力は弁差圧Δｐが一定である場合、減
衰長Ｌをパラメータにしてその粘性抵抗係数Ｃlを変化
させる。

【００５２】前述の粘度制御用流体を用いた減衰係数一
定化制御では減衰係数を低減することができず、減衰係
数を制御できる範囲が限られてしまうという制約があっ
たが、この非定常流体力をうまく利用することでこの問
題が解決できる。すなわち、流体の流れ方向を内向きに
することにより弁体の減衰係数ｃを（ｃ−Ｃl）に低減
することができ、減衰長Ｌにより低減量を調節できる。
このとき、この減衰長Ｌの設定により弁体の減衰係数ｃ
を所望の値(弁体の共振倍率αが所望の値になる減衰係
数ｃ)よりも少し小さくなるようにしておく。そして動
作時には弁体が所望の減衰係数となるように正の減衰力
をなんらかの方法で与えてやる。例えば弁体速度を入力
信号にネガティブにフィードバックしたり、弁体の周囲
に電磁流体や電界流体などの粘度制御用流体を満たしそ
の粘度を制御するなどである。

【００５３】一例として粘度制御用流体を使用した場合
の効果を図７を用いて説明する。非定常流体力が作用し
ない場合の一定化制御し得る最小の減衰係数はIIIのよ
うに（Ｃ₁＋Ｃo）であったが、仮に所望する減衰係数が
Ｃαである場合、内向き流れの非定常流体力を使用して
温度Ｔ₁における減衰係数が（Ｃα−Ｃo）以下になるよ
うに減衰長Ｌにより調節する。これにより無制御のとき
の減衰係数ＩはＩ’のようになる。ここで前述の場合と
同様に粘度制御用流体によりIIのような減衰係数をＩ’
に加えてやる。これによりIII’に示すように使用温度
範囲において所望の減衰係数Ｃαを得ることができる。

【００５４】以上のように非定常流体力と減衰力付与手
段をうまく組み合わせることにより、共振倍率αを任意
に増大でき、なおかつその安定化を図ることができる。

【００５５】さて、上述のように定常流体力はばね力と
等しい作用があり、弁差圧Δｐをパラメータにしてばね
定数が変化する。従って使用圧力を変更したり、動作中
に圧力が変動したりすると弁体駆動系の固有周波数の変
化が起こる。このときの弁体振動に及ぼす影響を図９を
用いて説明する。図９は弁体駆動系の周波数応答を示し
たもので、Ｉのように固有周波数ｆnにおいてゲインｇn
を得る２次の振動系とする。本制御弁は共振を利用して
いるので弁体駆動系に与える加振周波数ｆrは固有周波
数ｆnと等しくしてある。ここで、仮に固有周波数がII
のようにｆn₁にずれたとすると、加振周波数ｆrはｆnの
ままなのでゲインはｇn₁に低下する。このことは同じ入
力信号に対しての弁体の変位拡大率が変化することを意
味する。従って定常流体力による固有周波数の変動をな
んらかの方法で補償する必要がある。

【００５６】そこで、制御弁のばね要素(実施例では板
ばね)のばね定数ｋを定常流体力によるばね定数ｋeに対
して十分に大きくしておけば、両者のばね定数の和で表
される系全体のばね定数の変化は微小となるため固有周
波数ｆnの変化は無視できる程度に小さくできる。従っ
て同一の入力信号に対して常に一定の共振倍率αを保つ
ことができる。

【００５７】しかし、固有周波数ｆnと加振周波数ｆrを
一致できるならばより正確に共振倍率αを一定に保つこ
とができる。これには固有周波数ｆnを変化させて加振
周波数ｆrに一致させる方法、あるいは加振周波数ｆrを
変化させて固有周波数ｆnに一致させる方法の２通りが
考えられる。まず、前者の実施例を図１０を用いて説明
する。弁体駆動系の固有周波数ｆnの変動を補償するに
はばね定数を変化させることが考えられ、ばね定数の変
更は瞬時に行う必要がある。しかし、通常用いられるコ
イルばねや板ばねなどの機械式ばねの場合、動作途中に
そのばね定数を変化させるのは困難である。従って、こ
こではばね定数を電気的に制御する方法が有効である。
すなわちばね定数は弁体変位ｘに比例した抵抗力である
ので、制御装置１３ａにおいて、弁体変位ｘを取り出
し、これにゲインＫdを乗じて入力信号にフィードバッ
クすることにより等価的にばね定数の操作ができる。こ
のとき調節部１６ａにおいて指令信号と弁体変位（例え
ば弁体振幅αｘo）とを比較して、例えば、予め調べた
共振時における弁体振幅と時々刻々変化する弁体振幅α
ｘoとの差を取ってその値に応じてフィードバックゲイ
ンＫdを調節することにより、弁体駆動系のばね定数を
制御して固有周波数ｆnを一定に保つことができる。従
って加振周波数ｆrと固有周波数ｆnが一致され、制御弁
を常に共振点で駆動することができる。

【００５８】次に、後者の実施例を図１１を用いて説明
する。この場合は固有周波数ｆnの変動はそのままにし
て加振源側の加振周波数ｆrを制御する。すなわち、制
御装置１３ｂにおける調節部１６ｂにおいて、指令信号
と弁体変位（例えば弁体振幅αｘo）とを比較して、例
えば予め調べた共振時における弁体振幅と時々刻々変化
する弁体振幅αｘoとの差を取ってその値に応じて加振
周波数ｆrを調節することにより弁体駆動系の固有周波
数ｆnに一致させることができる。従って前者の場合と
同様、制御弁を常に共振点で駆動することができる。

【００５９】最後に、実際にこの制御弁を用いて流体圧
サーボシステムを構成した時の実施例を図１２を用いて
説明する。制御弁１４は加振源である圧電素子７の変位
が微小であるため変位を拡大しているが大流量を扱うに
はやはり不向きで、大流量化を図るために弁体３を大き
くするなどした場合、固有周波数の減少によりその高速
性が損なわれる。そこで、制御弁１４の高速性を損なう
ことなく大流量を制御するための方法として、図１２に
示すように２個の制御弁１４、１４’を使用し、これを
圧力源１１’と負荷であるアクチュエータ４５を結ぶ管
路に介装された４方弁４０を駆動するパイロット段とす
る方法がある。制御弁１４、１４’からの流量は制御圧
力室４３、４３’を通ってタンク４７へ抜ける。このと
き流路の途中にオリフィス４４、４４’が設けられてい
るので制御弁１４、１４’からの流量の変化により制御
圧力室４３、４３’内の圧力が変化する。従って、制御
弁１４、１４’の弁開度の制御により制御圧力室４３、
４３’内の圧力を制御できるので、４方弁の弁体４２を
両室内の圧力差により駆動することができる。以上のよ
うな流体圧系の構成によれば弁体４２の移動量は任意な
ので、制御弁１４の高速性をはそのままに大流量を制御
することができる。この４方弁にアクチュエータ４５を
接続し負荷４６を駆動するような流体圧サーボシステム
を構成する場合、制御系の構成例としては次のようにな
る。

【００６０】アクチュエータ４５の変位を制御する場合
を例にとると、制御装置１３ｃには制御弁１４、１４’
からの変位信号のほかに、制御情報として弁体４２及び
アクチュエータ４５の変位をそれぞれ変位センサ４８、
４８’によりフィードバック信号として取り込む。弁体
４２の変位は弁体４２の定位を保つために取り込んでお
り、制御弁１４、１４’と４方弁４０との間でマイナー
ループ系を構成している。制御弁１４、１４’への信号
の割り振り方には種々の方法があるが、最も単純には弁
体４２を図中右の方向へ移動したい場合は制御弁１４’
を駆動し１４は閉じておく。また左方向の場合はこの逆
を行う。すなわち制御装置内で信号の正負により駆動す
る制御弁を選択するようにする。制御系の構成に際して
は、まずマイナーループ系において弁体４２の制御が安
定して行えるようにマイナーループ系のフィードバック
ゲインを設定する。次に、このマイナーループ系にアク
チュエータ４５を接続し、その変位を制御装置１３ｃに
フィードバックしてメインループ系を構成する。そし
て、アクチュエータ４５の制御が安定して行えるように
メインループ系のフィードバックゲインを設定すれば制
御系が完成する。以上によりアクチュエータ４５の位置
制御が可能となる。

【００６１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、制
御弁の減衰係数を制御することができるので共振倍率の
任意設定、及び外乱に対する補償ができ、さらに、制御
弁を常に共振点で駆動することができるので、制御弁の
高効率化、安定化を図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である制御弁の断面図であ
る。

【図２】本発明の各実施例に共通した、制御弁が適用さ
れる系統の基本構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の他の実施例である制御弁の断面図であ
る。

【図４】本発明の一実施例に係る制御弁と弁の速度フィ
ードバックを行う制御装置との関係を説明する制御系統
図である。

【図５】作動流体の温度と共振倍率の関係を説明する概
念図である。

【図６】本発明の実施例である粘度制御用流体を使用す
る制御弁の構成を説明する断面図である。

【図７】粘度制御用流体を用いたときの粘度制御用流体
の温度と粘度制御用流体及び非定常流体力の効果を説明
する概念図である。

【図８】弁部における流体の流れ方向と減衰長を説明す
る部分断面図である。

【図９】弁体及び該弁体とともに振動する系の固有周波
数が変化したときの共振倍率の変化を説明する概念図で
ある。

【図１０】本発明の一実施例に係る制御弁と弁の変位フ
ィードバックを行う制御装置との関係を説明する制御系
統図である。

【図１１】本発明の一実施例に係る制御弁と弁の加振周
波数の調節を行う制御装置との関係を説明する制御系統
図である。

【図１２】本発明の一実施例である制御弁を使用した流
体圧サーボシステムの実施例を説明する部分断面ブロッ
ク図である。

【図１３】入力信号と加振手段の変位と弁体の変位と出
力流量及び実効流量の関連を示す概念図である。

【符号の説明】

１弁本体２スリーブ２ａ，２ｂ制御オリフィス３弁体３ａ、３ｂランド３ｃステム４，４’ 板ばね５，５’ フレーム６転がり軸受７加振手段（圧電素子）８，８’ 中立点調整ねじ９、９´ 延長ステム１０，１０’ 硬球１１一定圧力源１２アキュムレータ１３、１３ａ、１３ｂ制御装置１４制御弁１５負荷１６、１６ａ、１６ｂ調節部１７変位センサ１８掛算器２０、２０´ 粘度制御用流体用モジュール２１、２１´ 絶縁材２２、２２´ 粘度制御用流体貯蔵部４０四方弁４１弁本体４２弁体４３，４３’ 圧力制御室４４，４４’ オリフィス４５アクチュエータ４６負荷４７タンク４８，４８’ 変位センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を入力信号に基づいて加振する加振
手段とをばね要素を介して結合し、この系の固有周波数
近傍の周波数で加振して流体の流れを制御する方式の制
御弁において、前記弁体の可動部の速度を前記加振手段
の入力信号に正にフィードバックする制御装置を含んで
なることを特徴とする制御弁。
【請求項２】請求項１に記載の制御弁において、指令
信号と前記弁体の可動部の変位との比較により前記制御
装置のゲインを調節する調節部を含んでなることを特徴
とする制御弁。
【請求項３】請求項１に記載の制御弁において、流体
の温度に応じて前記制御装置のゲインを調節する調節部
を含んでなることを特徴とする制御弁。
【請求項４】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を加振する加振手段とをばね要素を
介して結合し、この系の固有周波数近傍の周波数で加振
して流体の流れを制御する方式の制御弁において、前記
弁体の可動部周囲に粘度を制御できる流体を配置し、該
流体の粘度を制御する手段を備えたことを特徴とする制
御弁。
【請求項５】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を加振する加振手段とをばね要素を
介して結合し、この系の固有周波数近傍の周波数で加振
して流体の流れを制御する方式の制御弁において、前記
弁体の可動部の減衰係数が所望量以下になるよう前記弁
体の減衰長を設定し、動作時に前記弁体の可動部に付与
する正の減衰力の付与量を調節する手段を備えたことを
特徴とする制御弁。
【請求項６】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を加振する加振手段とをばね要素を
介して結合し、この系の固有周波数近傍の周波数で加振
して流体の流れを制御する方式の制御弁において、前記
ばね要素のばね定数を流体力によるばねのばね定数に比
較して十分に大きくしたことを特徴とする制御弁。
【請求項７】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を入力信号に基づいて加振する加振
手段とをばね要素を介して結合し、この系の固有周波数
近傍の周波数で加振して流体の流れを制御する方式の制
御弁において、前記弁体の可動部の変位を前記加振手段
の入力信号にフィードバックし、指令信号と前記弁体の
可動部の変位との比較によりゲインを調節する手段を備
えたことを特徴とする制御弁。
【請求項８】位置を変えることにより流体の流れを制
御する弁体と該弁体を入力信号に基づいて加振する加振
手段とをばね要素を介して結合し、この系の固有周波数
近傍の周波数で加振して流体の流れを制御する方式の制
御弁において、指令信号と前記弁体の可動部の変位との
比較により前記加振手段の加振周波数を調節する手段を
備えたことを特徴とする制御弁。