JPH0771635A - 共振駆動式制御弁とその駆動装置及びそれを利用した流体圧サーボシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加振源の駆動回路に流入する電流または電圧
を抑制して、弁を加振して駆動する共振駆動式制御弁の
駆動系の省電力化を図る。 【構成】 共振駆動式制御弁１４において、加振手段７
を駆動する電気信号を出力するアンプ１６と加振手段７
との間に、加振手段７が本来有する電気的特性（圧電素
子の場合には静電容量Ｃ）を含めて電気的共振動作を起
こす回路（ＬＣＲ共振回路）から構成される駆動回路を
挿入する。さらに、このＬＣＲ共振回路の共振周波数
を、弁体３とそれを含んで振動する系の固有周波数と等
しく設定し、また、加振手段７に与える駆動信号の周波
数を、弁体とそれを含んで振動する系の固有周波数に一
致させるよう制御し、もって、駆動回路の共振周波数を
加振手段７に与える駆動周波数に一致させるよう制御す
る。 【効果】 駆動回路に流入する電流または電圧を抑制
し、省電力化を図り、小容量のアンプでの駆動を可能に
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は弁体を加振駆動して流体
の流量や圧力を制御する共振駆動式制御弁に関し、特
に、駆動電力の省電力化に好適な共振駆動式制御弁とそ
の駆動装置、さらにはそれを利用した流体圧サーボシス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】弁体を駆動することにより流体の圧力や
流量を制御する、いわゆる制御弁は種々の方式のものが
知られている。このような制御弁のなかで、加振源によ
り弁体振動系の固有周波数で加振することによって弁体
を振動させて駆動する共振駆動式の制御弁を利用して高
圧燃料を噴射する燃料噴射装置が、例えば特開昭６３−
２６８９５２号公報により既に知られている。この従来
技術の制御弁においては、その高周波の加振源の入力信
号の振幅を変えることにより弁体の共振振幅を制御して
流体の圧力、流量を制御するものである。そして、この
従来技術では、その明細書にも詳細に示されるように、
本来変位の少ない圧電素子を高周波加振源として使用す
ることの欠点を補い、すなわち変位拡大の手段として共
振を利用し、弁体振動系の固有周波数で圧電素子を高周
波加振し、もって、機械系の高効率化を図るものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の制御弁では、弁体振動系の固有周波数による共
振を利用して機械系の高効率化を図ろうとはするもの
の、電気系である加振源の駆動回路に関しては何等の配
慮もなされておらず、特に、駆動回路系の高効率化、す
なわち消費電力の低下の方法についてはなにも触れられ
ていない。かかる制御弁は、例えば上記従来技術のよう
に、自動車の燃料を噴射供給する燃料噴射装置として使
用される場合、その駆動回路系の駆動力供給源として車
載のバッテリを使用することから、この駆動回路系の高
効率化は特に重要な要素である。しかも、かかる制御弁
の電気系駆動回路の高効率化は、かかるバッテリを電源
とするもののみに限らず、商用電源を使用する場合にお
いても同様に非常に重要な課題である。

【０００４】そこで、本発明の目的は、弁体振動系の固
有周波数による共振を利用して機械系の高効率化を図っ
た共振駆動式制御弁において、その加振源の駆動回路に
流入する電流または電圧を抑制し、もって、駆動回路系
の省電力化をも同時に図った共振駆動式制御弁とその駆
動装置、及び、それを利用した流体圧サーボシステムを
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、本発明によれば、まず、位置を変えるこ
とにより流体の流れを制御する弁体と、該弁体を電気的
入力信号に基づいて加振する加振手段と、該弁体と該加
振手段とを機械的に連結するばね要素とを備え、該加振
手段によって該弁体を、該弁体とそれを含んで振動する
系の固有周波数の近傍の周波数で加振して流体の流れを
制御する共振駆動式制御弁において、該加振手段は、さ
らに、前記加振手段を駆動するための電気回路を含み、
かつ、当該電気回路を電気的共振動作を起こす回路によ
り構成した共振駆動式制御弁が提供される。

【０００６】また、上記目的を達成するための他の手段
として、本発明によれば、加振手段により弁体を、該弁
体とそれを含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波
数で加振し、もって該弁体の位置を変位させることによ
って流体の流れを制御する共振駆動式制御弁の駆動装置
であって、駆動信号を増幅して前記加振手段に駆動電力
を供給する手段と、前記駆動電力供給手段と弁体を加振
する前記加振手段との間に設けられ、前記弁体とそれを
含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波数付近で共
振する共振回路とを有する共振駆動式制御弁の駆動装置
が提供される。

【０００７】さらに、やはり上記本発明の目的を達成す
る更に他の手段として、加振手段により弁体を、該弁体
とそれを含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波数
で加振し、もって該弁体の位置を変位させることによっ
て流体の流れを制御する共振駆動式制御弁と、前記共振
駆動式制御弁を介して流体源からの流体圧力あるいは流
体流量を制御して動作を行う負荷と、入力信号に対応
し、前記共振駆動式制御弁の加振手段に駆動電気信号を
供給する駆動系回路とからなる流体圧サーボシステムに
おいて、前記駆動系回路は、該弁体とそれを含んで振動
する系の固有周波数近傍の周波数の駆動電気信号を発生
して前記共振駆動式制御弁の加振手段に供給すると共
に、前記共振駆動式制御弁の加振手段は、前記駆動電気
信号の周波数に共振する共振回路を備えた流体圧サーボ
システムが提供される。

【０００８】加えて、上記本発明の実施例では、さら
に、共振回路の共振状態を負荷の変動にもかかわらず常
に保持する手段が設けられる。

【０００９】

【作用】上記の本発明になる共振駆動式制御弁とその駆
動装置及びそれを利用した流体圧サーボシステムによれ
ば、加振手段の駆動回路を共振回路により構成し、か
つ、駆動される側の弁体とそれを含んで振動する系の固
有周波数と共振回路の共振周波数とが等しく設定される
ことから、弁の駆動周波数は弁体振動系の固有周波数に
一致するので、制御弁の駆動時にはおのずと駆動回路が
共振状態となり、それによって回路に流入する電流また
は電圧を常に最小にしながら弁の駆動が可能となるた
め、駆動電力の省力化が図られ、すなわち、電気系と機
械系の両方を常に共振状態で駆動できるので入力エネル
ギに対する出力エネルギの増幅率が大きくなる。

【００１０】さらに、上記の本発明の実施例によれば、
弁体振動系の固有周波数が変化した場合でも、これに応
じて加振手段の駆動周波数及び共振回路の共振周波数を
追従させることにより、常に最小の電流または電圧で弁
を駆動し、従って、負荷側の変化に対応しながら、か
つ、電気系と機械系の両方を常に入力エネルギに対する
出力エネルギの増幅率を最大に保ちながら運転すること
が可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照しながら詳細に説明をする。図２は、本発明の一実
施例である共振駆動式制御弁の断面図であり、この図に
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の図上向かっ
て右側端との間に形成された空洞部に、軸線と同心状を
なして内装された断面がほぼＴ字形をなす第１のフレー
ム５と、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の図上向かって左
側端との間に形成された空洞部に、軸線と同心状をなし
て内装された断面がほぼＴ字形をなす第２のフレーム
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、前記第１及び第２の
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それぞれの板ばね４、４′
と、前記弁体３と板ばね４、４′と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、前記板ばね４、４′と延長ステム９、９′の間
に介装された鋼球１０、１０′と、前記第２のフレーム
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′の軸方向の変位を検出する変位センサ４５と、
前記第２のフレーム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。なお、上記圧
電素子７としては、例えば、石英、ロッシェル塩、チタ
ン酸バリウムなどによる圧電効果を発生する半導体素子
などが用いられている。

【００１２】上記のような構成の制御弁において、さら
に、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
ためのランド３ａ、３ｂよりも小さい径のステム３ｃよ
りなっている。また、ランド３ａ、３ｂが配置された弁
本体１の空洞部には、高圧側の導入口である供給ポート
Ｐsが、ステム３cが配置された空洞部には、低圧側であ
る制御ポートＰcが、さらに、前記第１及び第２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１の外面とを連通するように
設けられている。これら二つの供給ポートＰs、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、該二
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
じになっている。そして、ランド３ａ、３ｂのステム３
ｃ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。また、圧電素子７は、前記第１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。

【００１３】次に、図３は、本発明に係る制御弁が適用
される制御システム系統の基本構成を示すブロック図で
あり、この図に示した制御システムは、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と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との間の管路に接
続されたアキュムレータ１２と、負荷１５に流入する流
量を指定する指令信号、及び、前記制御弁１４や負荷１
５からの帰還信号を受けて前記制御弁１４の開閉量を決
める制御信号を発生する制御装置１３と、前記制御弁１
４の共振周波数の正弦波を発生する発振器１８と、前記
制御装置１３からの制御信号と前記発振器１８の正弦波
信号の乗算を行い、前記制御弁１４の駆動信号を生成す
る掛算器１９と、駆動信号を電圧増幅するアンプ１６
と、加振源を駆動するための駆動回路１７とを含んで構
成されている。

【００１４】続いて、上述の本発明に係る制御弁の動作
を図２及び図３を参照して説明する。なお、本実施例で
は図３に示すように、制御弁１４の上流側（圧力源１１
側）管路にアキュムレータ１２を設けて定圧力源とし、
制御弁１４を流量制御弁として使用する場合について説
明する。また、図２に示す実施例では、加振手段として
圧電素子７を用いている。図３に示した状態は中立状態
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７に印加すれば、弁体３は共振倍率をαとす
る時、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。

【００１５】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′及び第１のフ
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。そのため、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４５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。

【００１６】図４（ａ）〜（ｅ）には、この時の、上記
圧電素子７への入力信号（振幅Ｖc、共振周波数ｆnの正
弦波）と、この 入力信号による圧電素子７の変位Ｘo
と、圧電素子７により駆動される弁体（スプー ル）３
の変位αＸoと、弁体（スプール）３の変位αＸoによっ
て生ずる出力流量ｑ、及び、実効流量とが、それぞれ、
対比されながら同一時間軸上に示されている。

【００１７】ここで加振源として選んだ積層型の圧電素
子７は印加電圧にほぼ比例した変位を発生するものであ
り、代表的な素子では、最大印加電圧ＤＣ１００Ｖの時
に約１０数μｍ変位する。このような圧電素子７を利用
して弁体３を高速に機能させるには圧電素子７に０〜数
１０Ｖ（好ましくは、数Ｖ〜数１０Ｖ）程度の振幅の交
流電圧を、ｋＨｚオーダの高周波で与える必要がある。
圧電素子７は電気的には静電容量Ｃを有するコンデンサ
と等価であるので、容量性負荷となる圧電素子７を高速
に充放電させるための高速大電力型のアンプが必要とな
る。ところで、アンプは一般的に、入力電圧を数倍から
数１０倍に増幅した電圧を出力する定電圧駆動型のアン
プが用いられ、圧電素子７の静電容量が数μＦと比較的
大きいため、圧電素子７を直接つないだ場合、回路に数
Ａオーダの電流が流れ消費電力が大きくなるという問題
がある。したがって、アンプから回路に流れ出る電流を
抑制し、省電力化を図る必要がある。

【００１８】図１は、上記本発明の一実施例である制御
弁と駆動回路との関係を説明する図であり、特に、省電
力化のための駆動回路の一例とアンプ及び制御弁との関
係が概念的に示されている。この図において、上記図２
に示した制御弁１４がモデル化されて示されており、ま
た、符号３１は駆動回路のコイルを、そして、符号３２
は上記コイル３１に含まれる抵抗分をそれぞれ示してい
る。さらに、この図において、符号１６は、省電力化の
ための駆動回路の一例のアンプであり、例えば定電圧駆
動型のものである。また、符号１５は負荷を示してい
る。

【００１９】この図１に示す駆動回路において、アンプ
１６から回路に流入する電流をｉ、電圧をＶ、回路のイ
ンピーダンスをＺとすると、流れる電流はｉ＝ｖ／Ｚで
表されるので、流れる電流ｉを小さくするにはインピー
ダンスを大きくすればよい。圧電素子７への印加電圧を
下げることなく回路全体のインピーダンスを上げるた
め、ここでは圧電素子７がコンデンサと等価であること
を利用して、圧電素子７と並列にインダクタンスＬを持
つコイル３１を挿入し、いわゆるＬＣ並列共振回路を構
成してインピーダンスの増大を図る。現実には、コイル
３１には抵抗分３２が含まれるため、図示のような回路
構成となる。ここで、上記コイル３１の抵抗分３２の抵
抗値Ｒが十分に小さければ、回路の共振周波数ｆncは以
下の様に表わされ、

【数１】 このとき回路のインピーダンスは最大となる。従って、
入力電圧ｖの周波数変化に対する電流ｉの関係は、図５
に示すように、周波数ｆ（横軸）が共振周波数ｆncにお
いて最小となる。従って、回路の共振周波数ｆncで圧電
素子７を駆動すれば、極めて僅かな消費電力での弁の駆
動が可能となり、駆動回路系の高効率化、そして、アン
プの小容量化が可能となる。

【００２０】ここで、本制御弁の駆動周波数とは弁体振
動系の共振周波数であるので、弁体振動系の共振周波数
ｆnvと共振回路の共振周波数ｆncを一致させるようにコ
イル３１のインダクタンスＬや抵抗値Ｒを選択しておけ
ば、弁駆動時に回路がおのずと共振状態になり省電力駆
動が可能になる。具体的には、弁体振動系の共振周波数
ｆnvは、制御弁の可動部等価質量をｍ、板ばね４、４′
のばね定数をｋ／２とすると、以下のように与えられ
る。

【数２】 そこで、これに上記ＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆnc
が一致するようにコイルのインダクタンスＬを設計すれ
ばよい。すなわち、必要なインダクタンスＬは、以下の
式で与えられる。

【数３】

【００２１】なお、上記の実施例では加振源として圧電
素子を使用して説明しているが、これに代えて例えばボ
イスコイルモータなどの電磁力を利用したものでもよ
く、その場合には、ボイスコイルモータは電気的にはイ
ンダクタンスＬと抵抗Ｒの直列接続に相当する。ボイス
コイルモータは電流に比例した力を発生するものなの
で、入力信号に比例した電流を遅れなくボイスコイルモ
ータに入力できるアンプが必要になる。そのため、通常
の定電圧駆動アンプにより一定電圧を印加しても、コイ
ルの持つインダクタンスＬにより電流に遅れが生じるた
め、出力電流を入力に帰還して一定電流を発生させる定
電流駆動型のアンプが、一般的には、使用される。この
アンプによりボイスコイルモータをｋＨｚオーダで駆動
する場合、高周波でのコイルのインピーダンスＺの増大
により電流が流れにくくなるため、それに打ち勝つだけ
の大電圧がアンプに要求され、やはり省電力化という問
題が付きまとう。

【００２２】従って、ボイスコイルモータなどの電磁力
を利用したものの場合には、上記の圧電素子を使用する
場合とは逆に、回路のインピーダンスＺを下げて小さな
印加電圧で定電流駆動が保てるようにする必要がある。
そこで、この場合は回路にコンデンサを直列に挿入して
ＬＣＲ直列共振回路を構成し、共振時のインピーダンス
Ｚの減少効果を利用する。そして共振回路の共振周波数
ｆncと制御弁の共振周波数ｆnvを等しくしておけば弁駆
動時に回路のインピーダンスが最小となり省電力化を図
ることができる。

【００２３】次に、流体が弁体３の振動へ及ぼす影響に
ついて簡単に説明する。弁体３を介して流体が流入出す
るとき、弁体３には流体力と呼ばれる抵抗力がその軸方
向に加わる。この流体力には定常流体力と非定常流体力
とがあり、前者の定常流体力はばね力と等しく、後者の
非定常流体力は粘性抵抗力と等しい働きがある。また、
流体力は弁体４の前後の流体圧力に大きく依存するの
で、供給圧が変わったり負荷圧力が変動したりすると、
弁体振動系の共振周波数及び共振倍率が変化するという
問題が起こる。

【００２４】図６は弁体振動系の周波数応答を示したも
ので、弁体振動系を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。ここで流体圧力
が大きく（圧力高）なるとＩ′のように固有周波数がｆ
n1に増大し、ゲインもｇn1に増大する。但し、ゲインに
関しては流体の流れ方向により増える場合と減る場合と
がある。これは上述の定常流体力によるばね定数の変化
及び非定常流体力による減衰係数の変化のためである。
本制御弁では共振を利用して加振源の変位拡大をしてい
るが、駆動周波数を一定にしている場合、固有周波数が
Ｉ′のようにｆn1にずれると共振点を外れてしまい、高
効率化の観点からもこれは望ましくない。従って、弁体
振動系の固有周波数が変化したら、これに合わせて駆動
周波数を追従させる必要があることがわかる。

【００２５】図７は、上記弁体振動系の固有周波数にお
ける変化に対応し、制御弁１４の加振源である圧電素子
７の振動周波数を適宜変化させる駆動回路を概念的に示
している。この駆動回路では、上記図３の構成に加え
て、弁体３の共振点の追従を行うための共振点追尾装置
２１が設けられている。この共振点追尾装置２１は弁体
変位を示す信号（弁変位）と発振器１８の入力周波数に
関する信号（入力周波数）とを取り込んで、両者の位相
差を割り出す位相差比較のための回路２１１と、その差
値に応じて発振器１８の入力周波数ｆrefを変化させる
発信器２１２とからなる構成となっている。一般的に、
共振状態というのは入力に対し出力の位相が９０°遅れ
ているので、この位相遅れを一定に保つことが共振状態
を保つことになる。しかし、実際の装置では、各使用機
器や変位を測定するセンサの間に必ず遅れが存在するた
め、この９０°位相遅れがすなわち共振状態とはならな
い。そこで、あらかじめ弁が共振状態にある時の入力周
波数に対する弁変位の位相差を測定しておいて、この位
相差になるように入力周波数の調節を行う。これによっ
て流体力等の外乱により弁体振動系の固有周波数が変化
しても常に共振状態を保つことが出来るようになる。こ
のことを図８の波形を用いて更に説明する。

【００２６】図８は共振点追尾装置の動作波形である。
一般に共振状態では入力に対し出力の位相が９０゜遅れ
ているので、入力周波数信号と弁体変位信号との関係は
共振時には図のようになる。実際上、各使用機器や変位
センサ等の遅れにより９０゜から若干ずれて測定される
ことが考えられる。ここで、流体力等の外乱により弁体
振動系の固有周波数が変化すると（例えば高くなると）
弁体振動系は共振状態から外れてしまい、位相が図のよ
うに変化する。つまり、位相を観測すれば弁体振動系の
共振状態が判別できると言える。従って、あらかじめ共
振状態の位相差を測定しておいて、この位相差になるよ
うに入力周波数の調節を行えば弁体振動系を常に共振状
態に保つことができる。具体的には図８の例のように位
相差が少なくなった場合は入力周波数を高くしていき、
逆に位相差が大きくなった場合は低くしていき共振状態
の位相差を常に保持するようにする。

【００２７】以上のようにして弁体振動系の共振点追尾
を行い、機械系の高効率化が図れたが、加振源に与える
駆動周波数がこのように変化しても共振回路の共振周波
数は最初の設定のままであるので、両者の間には当然ず
れが起こり、電気系の共振点から外れたところでの駆動
となる。消費電力の低減のためには、弁体振動系の共振
も共振回路の共振周波数で駆動を行うべきであり、その
ためには、弁体振動系の駆動周波数の変化に対し共振回
路の共振周波数も追従させる必要がある。すなわち弁体
振動系の共振周波数が変化した場合には、それに対応し
てまず駆動周波数を変化させ、次に駆動周波数の変化に
対応して共振回路の共振周波数も変化させる必要があ
る。これにより機械系と電気系の共振状態を常に保つこ
とができ、入力に対する出力のエネルギ変換効率が最大
になる。

【００２８】上述のように、共振回路の共振周波数を変
える具体的な方式として、添付の図９にその一例を示
す。図において、符号１３′は制御装置を、符号３１′
はコイルを、符号３３はステッピングモータを、そし
て、符号３４はモータの回転運動を直線運動に換えるリ
ンク系を示している。この方式では、共振回路の共振周
波数を変えるにはコンデンサの静電容量Ｃかあるいはコ
イルのインダクタンスＬを変えればよいのだが、圧電素
子７自らが持つ静電容量Ｃは変えられないことを考慮す
れば、コイルを可変インダクタンス型のものとすること
が結論される。この実施例では、可変型インダクタンス
として、例えば棒形コア入りコイル３１′を採用し、コ
アの移動量を変えることによってコイルのインダクタン
スＬを可変にしたものである。すなわち、この可動コア
はリンク系３４を介してステッピングモータ３３に連結
しており、制御装置１３′では駆動周波数と回路の共振
周波数の差からステッピングモータに与えるべき制御信
号を演算出力し、リンク系３４の回転角度を制御しなが
らコイルのインダクタンスＬを制御する構成となってい
る。

【００２９】この他の例として図１０に示すように可変
コンデンサ３５を回路に並列に挿入して図１０の例と同
様にステッピングモータ３３で静電容量Ｃ′を変化させ
る方法が考えられる。この場合、圧電素子の静電容量Ｃ
と可変コンデンサの静電容量Ｃ′の和が回路全体の静電
容量となる。この方法だと可変インダクタンスを使う場
合に比べ、装置を小型にできるという長所がある。ま
た、ステッピングモータの如き機械式の静電容量の可変
形ではなく、可変容量形半導体素子（ダイオード）を使
えば電気的に静電容量の可変化を達成できる。

【００３０】上記図９の実施例には加振源として静電容
量型の圧電素子を採用した場合における共振回路の共振
周波数を変える方式を具体的に示したが、他方、このれ
がボイスコイルモータ等の電磁型の加振源を使用する場
合は、上記とは逆に、インダクタンスＬは変えられない
のでコンデンサを可変型のバリコンなどに代えて、同様
の制御を行えばよいことは当業者であれば明らかであろ
う。可変容量形ダイオードを使っても電気的に容量の可
変化を行ってもよい。

【００３１】最後に、実際に本発明の２方向制御弁を用
いて流体圧サーボシステムを構成したときの実施例を、
添付の図１１及び図１２を用いて詳細に説明する。図１
１において、符号１１ａは一定圧力源を、符号２０ａは
駆動系回路を、符号４１は固定絞りを、符号４２はタン
クを、符号４３はシリンダを、符号４４はピストンであ
る負荷を、そして符号４５ａは変位センサを示してい
る。この図８に示すシステムは、２方向の制御弁を用い
たときの最も簡単なサーボシステムの一例であり、一定
圧力源１１ａと、固定絞り４１と、片ポート型の流体圧
シリンダ４３などから構成されている。制御弁１４が閉
じた状態にある時には、流体圧シリンダ４３の内圧力Ｐ
ｃは圧力源１１ａの圧力に等しく、流体圧による力と流
体圧シリンダ４３のばね力が釣り合う位置でピストン
（負荷）４４は静止している。ここで、駆動系２０ａか
らの信号により圧電素子７が駆動され、弁体３が共振振
動を起こすと、制御弁１４を介してその上流側（圧力源
１１ａ）から下流側のタンク４２に向かって間欠的に高
圧流体が流れる。このとき圧力源１１ａからの流れは、
固定絞り４１を通る際に減圧されるので、シリンダ内圧
力Ｐｃは低下する。このため、ピストン４４は図中の左
方向に変位し、ばね力との釣り合いにより位置が決ま
る。すなわち制御弁１４の開口面積を制御することによ
り、シリンダ４３の内圧力Ｐｃが変化し、ピストン４４
の位置が制御できる。

【００３２】この時、上記のシステムでは、弁体３及び
ピストン（負荷）４４の変位はそれぞれ変位センサ４
５、４５ａにより検出され、検出信号は駆動系回路２０
ａに帰還される。すなわち、駆動系回路２０により、入
力信号に対応した制御弁１４への駆動信号が演算出力さ
れる。このとき弁体振動系の共振周波数に比べ、シリン
ダ−負荷系の固有周波数が十分に低ければ、弁体振動系
の高周波振動による圧力Ｐｃの高周波変動は負荷の変位
にはほとんど影響しないので、入力信号の大きさに応じ
て負荷を定位置に制御できる。また、シリンダ−負荷系
の固有周波数が十分に高ければ、弁体振動に等しい高い
周波数で負荷が振動するので、特に高速な加振を行いた
い加振装置などへの適用が有効である。なお、シリンダ
−負荷系の固有周波数と弁体振動系の共振周波数を一致
させておけばピストン（負荷）４４が共振変位を起こす
ので、加振効率は最大になる。

【００３３】以上述べたように、図１１に示した流体圧
サーボシステムは、特に加振装置に適用したときに有効
となるが、しかしながら、その制御弁１４で扱える流量
はあまり大きいものではない。従って、アクチュエータ
を高速に大きく変位させたり、あるいは大きなパワーを
得たい場合には不向きである。そこで、この短所を補う
べく図１２のようなシステム構成が提案される。

【００３４】図１２において、符号１１ｂは一定圧力源
を、符号２０ｂは駆動系回路を、符号４２′はタンク
を、符号４３′はシリンダを、符号４５ｂは変位センサ
を、そして符号４６はサーボ弁を示している。この図１
２のシステムは、上記図９のシステムにおける流体圧シ
リンダ４３に大型の流体圧シリンダ４３′を連結し、こ
のシリンダ４３′を駆動するためのサーボ弁４６を上記
制御弁１４とは別に設けたものである。さらに、図にお
いて、一定圧力源１１ｂ、タンク４２′、シリンダ４
３′の変位を検出するためのセンサ４５ｂ、各センサか
らの信号と入力信号に基づいて制御弁１４及びサーボ弁
４６への駆動信号を演算出力する駆動系回路２０ｂによ
り構成されたものである。なお、本実施例ではサーボ弁
を使用しているが、これは大流量を扱えるものであれば
サーボ弁である必要はなく、所望とするシリンダ４３′
の応答に応じて選択すればよい。なお、このようなシス
テム構成にすることにより、制御弁１４の流量不足とい
う短所が補えることとなる。

【００３５】このシステムにおける動作を説明すると、
例えば、大型のシリンダ４３′により、シリンダ４３及
びピストン（負荷）４４の粗送りをしておいて、微小位
置決めを、制御弁１４とシリンダ４３とからなるシステ
ムで行う、という使い方がある。また、プレス機などの
圧下装置においては、圧下対象を振動させながら圧下力
を加えることにより変形効率が向上することが知られて
いる。そこで、シリンダ４３により高周波で対象物を振
動させながら、大型のシリンダ４３′で大きな圧下量、
並びに圧下力を加えるといった使い方が考えられる。特
に、後者の使用方法においては、制御弁１４によりシリ
ンダ４３を弁体振動系と同じ高い周波数で加振できると
いう長所を最大限に活かすことが出来る。これを、例え
ば圧延設備で用いられる幅プレスに適用すれば、最も変
形効率がよいとされる材料の共振点での加振が行えるの
で、小さな駆動力で圧下でき、その結果装置全体の小型
化が図れる。その他にも、省エネルギ化や生産性の向上
など大きな効果をもたらすことができる。

【００３６】

【発明の効果】以上に述べた本発明の詳細な説明からも
明らかなように、本発明によれば、駆動回路に流入する
電流または電圧を最小に抑制できるので、駆動電力の省
力化が可能となり、小容量のアンプで駆動が行えると同
時に、電気系と機械系の両方を常に共振状態で駆動でき
るので入力エネルギに対する出力エネルギの増幅率が大
きい共振駆動式制御弁とその駆動装置を提供すると共
に、それを利用して小電力化が可能で実用的な流体圧サ
ーボシステムを提供することが可能になるという技術的
にも非常に優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である共振駆動式制御弁とそ
の駆動回路の構成を概念的に示す図である。

【図２】上記共振駆動式制御弁の詳細な内部構造を示す
断面図である。

【図３】上記本発明の共振駆動式制御弁とその駆動回路
を適用した制御システム系統の基本構成を示すブロック
図である。

【図４】上記図３に示す共振駆動式制御弁と駆動回路の
各部の信号波形を示す図である。

【図５】上記駆動回路の共振回路に流入する電流の変化
を説明する特性図である。

【図６】流体の圧力が変化したときの弁体を含んだ振動
系の周波数応答の変化の一例を示す特性図である。

【図７】本発明の他の実施例になる共振点追尾装置を備
えた共振駆動式制御弁とその駆動回路を適用した系統の
基本構成を示すブロック図である。

【図８】本発明の追尾形の動作波形を示す図である。

【図９】本発明の他の実施例になる、駆動回路のコイル
のインダクタンスを変化させる具体的方法の一例を説明
する図である。

【図１０】本発明の可変容量形のコンデンサ素子を用い
た実施例図である。

【図１１】上記本発明の共振駆動式制御弁を使用した流
体圧サーボシステムの一例を説明するブロック図であ
る。

【図１２】上記本発明の共振駆動式制御弁を使用した、
さらに大形の流体圧サーボシステムの他の例を説明する
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′ 鋼球 １１、１１ａ、１１ｂ 一定圧力源 １２ アキュムレータ １３、１３′ 制御装置 １４ 制御弁 １５ 負荷 １６ アンプ １７ 駆動回路 １８ 発振器 １９ 掛算器 ２０、２０ａ、２０ｂ 駆動系 ２１ 共振点追尾装置 ３１、３１′ コイル ３２ コイルの抵抗分 ３３ ステッピッングモータ ３４ リンク系 ４１ 固定絞り ４２、４２′ タンク ４３、４３′ シリンダ ４４ 負荷 ４５、４５ａ、４５ｂ 変位センサ ４６ サーボ弁

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【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、該弁体と該加振手段とを機械的に連結するば
   ね要素とを備え、該加振手段によって該弁体を、該弁体
   とそれを含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波数
   で加振して流体の流れを制御する共振駆動式制御弁にお
   いて、該加振手段は、さらに、前記加振手段を駆動する
   ための電気回路を含み、かつ、当該電気回路を電気的共
   振動作を起こす回路により構成したことを特徴とする共
   振駆動式制御弁。
2. 【請求項２】 前記請求項１の共振駆動式制御弁におい
   て、前記電気回路の共振周波数を、前記弁体とそれを含
   んで振動する系の固有周波数と等しくしたことを特徴と
   する共振駆動式制御弁。
3. 【請求項３】 前記請求項１の共振駆動式制御弁におい
   て、前記加振手段は電気的入力信号の駆動周波数に対応
   する周波数で振動する振動体により構成され、かつ、前
   記電気回路の共振周波数は、前記加振手段に与える電気
   的入力信号の駆動周波数と一致するように設定されたこ
   とを特徴とする共振駆動式制御弁。
4. 【請求項４】 前記請求項１の共振駆動式制御弁におい
   て、前記電気回路の共振周波数は可変となっていること
   を特徴とする共振駆動式制御弁。
5. 【請求項５】 加振手段により弁体を、該弁体とそれを
   含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波数で加振
   し、もって該弁体の位置を変位させることによって流体
   の流れを制御する共振駆動式制御弁の駆動装置であっ
   て、駆動信号を増幅して前記加振手段に駆動電力を供給
   する手段と、前記駆動電力供給手段と弁体を加振する前
   記加振手段との間に設けられ、前記弁体とそれを含んで
   振動する系の固有周波数の近傍の周波数付近で共振する
   共振回路とを備えていることを特徴とする共振駆動式制
   御弁の駆動装置。
6. 【請求項６】 前記請求項５の共振駆動式制御弁の駆動
   装置において、前記加振手段は電気的に静電容量を示す
   静電容量型の振動体であり、一方、前記共振回路はイン
   ダクタンスを有する回路素子を備えていることを特徴と
   する共振駆動式制御弁の駆動装置。
7. 【請求項７】 前記請求項５の共振駆動式制御弁の駆動
   装置において、前記加振手段は電気的にインダクタンス
   を示す電磁型の振動体であり、一方、前記共振回路は静
   電容量を有する回路素子を備えていることを特徴とする
   共振駆動式制御弁の駆動装置。
8. 【請求項８】 前記請求項６の共振駆動式制御弁の駆動
   装置において、前記共振回路のインダクタンスは可変で
   あることを特徴とする共振駆動式制御弁の駆動装置。
9. 【請求項９】 前記請求項７の共振駆動式制御弁の駆動
   装置において、前記共振回路の静電容量は可変であるこ
   とを特徴とする共振駆動式制御弁の駆動装置。
10. 【請求項１０】 前記請求項８の共振駆動式制御弁の駆
    動装置において、前記共振回路の可変インダクタンス
    を、当該可変インダクタンスのコアに連結されかつステ
    ッピングモータにより回転されるリンク機構の回転角度
    に応じて変化させるようにしたことを特徴とする共振駆
    動式制御弁の駆動装置。
11. 【請求項１１】 請求項６の共振駆動式制御弁の駆動装
    置において、前記共振回路はインダクタンスを有する回
    路素子を及び可変の静電容量を有する回路素子より成る
    共振駆動式制御弁の駆動装置。
12. 【請求項１２】 請求項９又は１１の共振駆動式制御弁
    の駆動装置において、可変の静電容量を有する回路素子
    は、ステッピングモータにより静電容量が変更されるも
    のとした共振駆動式制御弁の駆動装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１の共振駆動式制御弁の駆動
    装置において、可変の静電容量を有する回路素子は、可
    変容量形の半導体素子とする共振駆動式制御弁の駆動装
    置。
14. 【請求項１４】 加振手段により弁体を、該弁体とそれ
    を含んで振動する系の固有周波数の近傍の周波数で加振
    し、もって該弁体の位置を変位させることによって流体
    の流れを制御する共振駆動式制御弁と、前記共振駆動式
    制御弁を介して流体源からの流体圧力あるいは流体流量
    を制御して動作を行う負荷と、入力信号に対応し、前記
    共振駆動式制御弁の加振手段に駆動電気信号を供給する
    駆動系回路とからなる流体圧サーボシステムにおいて、
    前記駆動系回路は、該弁体とそれを含んで振動する系の
    固有周波数近傍の周波数の駆動電気信号を発生して前記
    共振駆動式制御弁の加振手段に供給すると共に、前記共
    振駆動式制御弁の加振手段は、前記駆動電気信号の周波
    数に共振する共振回路を備えていることを特徴とする流
    体圧サーボシステム。
15. 【請求項１５】 前記請求項１４の流体圧サーボシステ
    ムにおいて、前記駆動系回路は、さらに、前記共振駆動
    式制御弁の弁体とそれを含んで振動する系の固有周波数
    を検出する手段と、前記加振手段に供給する駆動電気信
    号の周波数を、前記検出手段で検出した前記固有周波数
    に追尾させる共振点追尾手段とを備えたことを特徴とす
    る流体圧サーボシステム。
16. 【請求項１６】 前記請求項１５の流体圧サーボシステ
    ムにおいて、前記駆動系回路は、さらに、前記共振回路
    の共振周波数を調整して前記駆動電気信号からの追尾す
    る周波数に一致させる手段を備えていることを特徴とす
    る流体圧サーボシステム。
17. 【請求項１７】 前記請求項１４の流体圧サーボシステ
    ムにおいて、さらに、前記負荷の変位を検出する検出手
    段を設け、前記駆動系回路は、前記入力信号と共に前記
    負荷変位検出手段で検出した負荷変位に対応して駆動電
    気信号を供給することを特徴とする流体圧サーボシステ
    ム。
18. 【請求項１８】 前記請求項１４の流体圧サーボシステ
    ムを加振装置に使用することを特徴とする流体圧サーボ
    システム。
19. 【請求項１９】 前記請求項１４の流体圧サーボシステ
    ムを圧延設備の幅プレスに適用することを特徴とする流
    体圧サーボシステム。