JPH09133106A - 電磁比例サーボ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動特性と耐ゴミ性との向上、作動油エネルギ
ー損失の低減、及びメンテナンス容易性の実現を課題と
する。 【解決手段】 機械油圧変換機構の出力流量を安定に大
きくして動特性を向上するために、機械油圧変換機構を
機械駆動スプール弁とした。これにより耐ゴミ性も向上
し、またサーボ弁駆動の入力制御信号が０であるときの
機械油圧変換機構における作動油エネルギーの損失が低
減する。機械駆動スプール６の直線的変位はリニアモー
タ１により得る。油圧駆動スプール弁の清掃、メンテナ
ンスをエンドユーザが容易に行うことができるよう、油
圧駆動スプール弁の平衡手段をそのスプール両端のコイ
ルばね１６、１７とし、従来のフィードバックばねを廃
して、油圧増幅機構１２を分離・分解できる構成とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】サーボ制御系において用いら
れる電磁比例サーボ弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】サーボ弁は、空圧又は油圧を用いて被制
御部の駆動又は位置決め制御を行うためのサーボループ
内において、前記制御部からのフィードバック信号によ
って弁開度を任意に調節するために用いられ、各種の工
作機械その他の産業用機械、特に近年においては、各種
用途に用いられるロボットの制御弁として広範囲に用い
られている。

【０００３】図２は、従来のサーボ弁の１種である、ノ
ズルフラッパ方式の電磁比例サーボ弁の断面構造を示す
平面図である。

【０００４】この電磁比例サーボ弁は電気機械変換機構
としてトルクモータ５１を有する。トルクモータ５１は
電機子５２とコイル５３とを有する。電機子５２は入力
制御信号を受けてコイル５３が発生する磁界により傾斜
する。すると電機子５２に接続され機械油圧変換機構を
構成するノズルフラッパ５４が揺動し、ノズル５５、５
６のノズル背圧Ｐｎ１、Ｐｎ２の差を生じる。ここで、
ノズルフラッパ５４の変位量が同じであっても、作動油
供給源の供給圧が異なるとノズル背圧差は異なる。

【０００５】スプール５９を有するスプール弁は油圧増
幅機構である。スプール５９はこのノズル背圧差により
シリンダ内を変位する。スプール５９に接続されたフィ
ードバックばね６０はスプール５９を平衡させる手段で
あるとともに、ノズルフラッパ５４へのフィードバック
手段である。すなわち、スプール５９はその両端に作用
するノズル背圧差と、フィードバックばね６０から受け
るばね力とが平衡する位置に停止する。一方、フィード
バックばね６０はスプール５９から受ける反力をノズル
フラッパ５４に伝達する。この反力は電機子５２による
ノズルフラッパ５４の変位を縮小するようにフィードバ
ックされる。このフィードバックにより、上述した作動
油の供給圧の違いによるノズル背圧差の違い、ひいては
スプール５９の変位量の違いが、抑制される。これによ
り、被制御系に対する駆動力の、供給圧依存性が抑制さ
れる。

【０００６】さて、具体例として、図において右にスプ
ール５９が変位した場合を考える。シリンダ壁に設け
た、コントロールポートＰ１、Ｐ２の窓がスプール５９
の変位に応じて開き、作動油がプレッシャーポートＰｓ
からコントロールポートＰ１を経由して被制御系に供給
され、被制御系から排出される作動油はコントロールポ
ートＰ２を経由してリターンポートＰｒに吸引される。
上述したように、トルクモータ５１への入力制御信号に
応じてシリンダ壁の窓の開度を制御するので、被制御系
に供給される駆動力も入力制御信号によって制御される
こととなる。

【０００７】このノズルフラッパ方式電磁比例サーボ弁
は、作動油流入源から流入する作動油の一部を流路断面
積が微小な、オリフィス５７、５８、ノズル５５、５６
に流し、ここで生じるノズル背圧を、ノズル５５、５６
とノズルフラッパ５４との間の微小な間隙（ギャップ）
を変化させることにより制御している。フィルタ６１は
これら、オリフィス、ノズル、及びノズルとノズルフラ
ッパとのギャップという微小な流路に流れ込む作動油か
らゴミを除去し、これら各部がゴミ詰まりを起こすこと
を防止するために設けられている。フィルタ６１は筒状
であり、この端部の開口にオリフィス５７、５８が差し
込まれて、ノズルフラッパ方式電磁比例サーボ弁の本体
に装着される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のノズルフラッパ
方式電磁比例サーボ弁においては、機械油圧変換機構で
あるノズル５５、５６の出力流量を大きくすることによ
り動特性を向上させることができる。しかし、ノズル、
ノズルフラッパ及びオリフィスからなるノズルフラッパ
弁を大きくすると、ノイズ成分も大きくなる。このため
後段の油圧増幅機構であるスプール弁はこのノイズも増
幅し、スプール５９が自励振動する。このようにサーボ
弁の機能が不安定となるため、ノズルフラッパ系を大き
くすることによる動特性の向上には限界があるという問
題があった。

【０００９】また、ノズルフラッパ弁はμｍ単位で寸法
管理されており、作動油中に含まれるフィルタ６１で除
去できなかったゴミで詰まるなどの問題も生じる。

【００１０】さらに、ノズルフラッパ弁は、ノズルフラ
ッパ５４が中立位置にあるときでも、ノズル５５、５６
とノズルフラッパ５４との間に間隙があり、作動油がノ
ズルから流出する。このため常時、エネルギーの損失が
発生しているという問題があった。

【００１１】次に、ノズルフラッパ５４とスプール５９
とがフィードバックばね６０により接続される構造を有
しており、ノズルとノズルフラッパとは高精度に加工さ
れているため、エンドユーザがこれを分解して、例えば
スプール５９を取り出して洗浄し、再度組み立て直すと
いうことが困難であるという問題があった。

【００１２】本発明は、動特性と耐ゴミ性との向上、及
び作動油エネルギー損失の低減を図ること、加えて油圧
増幅機構を構成するスプール弁部分の分解を容易とし、
エンドユーザがメンテナンスを容易に行うことができる
電磁比例サーボ弁を提供すること、を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電磁比例サーボ
弁は、電気機械変換機構はリニアモータからなり、機械
油圧変換機構は、作動油流入源と作動油排出口との間に
並列に設けられ作動油流入源側にオリフィスを備えた、
第１油圧変換室及び第２油圧変換室と、リニアモータに
連動してスプールがシリンダ内を往復変位し両油圧変換
室の作動油排出口側をそれぞれ開閉制御して両油圧変換
室間にスプールの変位に応じた油圧差を発生させる機械
駆動スプール弁とを有し、油圧増幅機構は、シリンダ内
を油圧駆動スプールが往復変位し油圧駆動スプールの変
位に比例した流量を出力する油圧駆動スプール弁を有
し、油圧駆動スプールは、一端に第１油圧変換室の圧力
が導かれ他端に第２油圧変換室の油圧が導かれ、かかる
両油圧の差に応じて変位し、油圧駆動スプール弁は、油
圧駆動スプールに対しその変位に比例した復元力を及ぼ
すスプール平衡手段であって、油圧駆動スプール両端の
シリンダ空間に配置された１対の弾性体を有することを
特徴とする。

【００１４】本発明では電気機械変換機構をリニアモー
タとし、この直線運動を機械駆動スプール弁に伝達し
て、機械油圧変換機構を実現する。機械駆動スプール弁
はノズルフラッパ弁においては問題となったノイズ成分
による不安定性を生じないので、その出力流量を大きく
できる。これにより、サーボ弁の動特性を向上する目的
を達成できる。また機械駆動スプール弁は、ノズルフラ
ッパ弁のノズル部分、ノズルとフラッパとの間隙のよう
な微細な流路を有さないので、ゴミ詰まりを起こしにく
い。ノズルフラッパ弁を用いないこととしたため、フィ
ードバックばねも無くなり、その代わりとなる油圧駆動
スプール平衡手段として、このスプール両端に弾性体を
配置する。フィードバックばねを廃したことにより油圧
駆動スプール弁を機械油圧変換機構から分離可能に構成
でき、油圧駆動スプール弁部分の分解が容易となり、エ
ンドユーザがメンテナンスを容易に行うことができると
いう目的を達成できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態であ
る、電磁比例サーボ弁を説明する。

【００１６】図１は、本発明を実施した電磁比例サーボ
弁の断面構造を示す平面図である。まず電気機械変換機
構を説明する。リニアモータ１内のプランジャー２は、
コイル３に電流を流すと生じる磁界の変化に応じて力を
受け、図の面内において左または右に変位し、板ばね４
によって平衡する。本機構の機能は、プランジャー２と
ドライブシャフト５で接続された機械駆動スプール６
を、電気信号に応じて変位させることである。

【００１７】次に機械油圧変換機構を説明する。第１油
圧変換室７と第２油圧変換室８の各一端はそれぞれオリ
フィス９、１０を介して作動油流入源であるプレッシャ
ーポートＰｓに接続されている。また各油圧変換室の他
端は機械駆動スプール弁のシリンダに開けられたポート
にそれぞれ接続される。機械駆動スプール弁は作動油排
出口であるリターンポートＰｒも有していて、このポー
トＰｒは機械駆動スプール６の中央に設けられたランド
１１によって開閉される。すなわち、機械駆動スプール
６が、例えば右に変位すると、ポートＰｒは第１油圧変
換室７に対しては開状態となり、一方第２油圧変換室８
に対しては閉状態となる。さて、流体の連続条件により
管を流れる流体の速度は管の断面積に反比例するので、
オリフィスで絞られた流体の流速は増加し、このときの
流体圧力は、ベルヌーイの定理により低下する。よっ
て、両油圧変換室内の油圧は、リターンポートＰｒが開
いているときはプレッシャーポートＰｓに供給される油
圧より低くなるが、リターンポートＰｒが閉じていると
きは、流れが阻止されるのでプレッシャーポートＰｓの
油圧に近くなる。すなわち、両油圧変換室間には、機械
駆動スプール６の変位に応じた油圧差が生じる。

【００１８】油圧増幅機構１２は両油圧変換室間に生じ
た油圧差を増幅する機構である。両油圧変換室の油圧
は、油圧駆動スプール１３の両端１４、１５に導かれ
る。油圧駆動スプール１３はこの油圧差によって変位す
る。その両端の油圧駆動スプール弁のシリンダ空間には
それぞれコイルばね１６、１７が配置されており、これ
らコイルばねは油圧駆動スプール１３にその変位と反対
向きの弾性力を及ぼす。油圧駆動スプール１３は、これ
ら油圧差と弾性力とが平衡する位置に停止する。油圧駆
動スプール弁のシリンダには、プレッシャーポートＰ
ｓ、リターンポートＰｒ、及びランドによって開閉制御
されるコントロールポートＰ１、Ｐ２が設けられてい
る。油圧駆動スプール１３が変位すると、コントロール
ポートＰ１、Ｐ２がそれぞれプレッシャーポートＰｓ、
リターンポートＰｒのいずれかに接続される。プレッシ
ャーポートＰｓに接続された一方のコントロールポート
からは作動油が流出し被制御系に供給され、リターンポ
ートＰｒに接続された他方のコントロールポートは被制
御系から排出される作動油を吸引する。それら流量は油
圧駆動スプール１３の変位と各コントロールポートの開
口面積に応じた量であり、機械駆動スプール弁の出力と
比較して大きな出力を得られる。

【００１９】より具体的に説明する。まずサーボ弁への
入力制御信号が０の場合、機械駆動スプール６は変位せ
ず、リターンポートＰｒは両油圧変換室に対して閉状態
である。そのため第１、第２油圧変換室内の油圧Ｐｎ
１、Ｐｎ２は相等しい。よって油圧駆動スプール１３
は、両端にこの等しい油圧Ｐｎ１、Ｐｎ２を作用される
ため中央の位置から変位しない。そのため、コントロー
ルポートＰ１、Ｐ２とプレッシャーポートＰｓ、リター
ンポートＰｒとの間を機械駆動スプール６が閉鎖してい
るので、作動油は流れず、サーボ弁の出力は０である。
このとき、機械駆動スプール弁をプレッシャーポートＰ
ｓからリターンポートＰｒへ流れる作動油は原理的には
０である。

【００２０】次に、入力制御信号を受けて、プランジャ
ー２が右に変位した場合を考える。このとき機械駆動ス
プール６も右に変位し、リターンポートＰｒは第１油圧
変換室７に対しては開状態となり、一方第２油圧変換室
８に対しては閉状態となる。このため、Ｐｎ１＜Ｐｎ２
となる。油圧Ｐｎ１、Ｐｎ２はそれぞれスプール端１
４、１５に作用し、油圧駆動スプール１３はこの油圧差
により左に変位する。油圧駆動スプール１３は左に変位
すると、コイルばね１６を圧縮するので、コイルばね１
６から右向きの力を受ける。油圧駆動スプール１３はこ
のばね力と油圧差とが均衡する位置まで変位する。変位
によってコントロールポートＰ１、Ｐ２が開き、作動油
がプレッシャーポートＰｓからコントロールポートＰ１
を経由して被制御系に供給され、被制御系から排出され
る作動油はコントロールポートＰ２を経由してリターン
ポートＰｒに吸引される。リニアモータ１への入力制御
信号がコントロールポートＰ１、Ｐ２の開度を制御する
ので、被制御系に供給される駆動力も入力制御信号によ
って制御される。

【００２１】さて、従来のノズルフラッパ方式電磁比例
サーボ弁は、機械油圧変換機構であるノズルフラッパ弁
部分と油圧増幅機構であるスプール弁部分との間がフィ
ードバックばねで接続されていた。しかし本電磁比例サ
ーボ弁は電気機械変換機構と機械油圧変換機構とからな
る部分１８と、油圧増幅機構１２からなる部分との間
を、そのような機械的構造によって接続されていないの
で、エンドユーザは両部分を容易に分離し、さらに油圧
駆動スプール弁を分解して油圧駆動スプール１３を取り
出すことができ、油圧駆動スプール弁の流路、シリンダ
及び油圧駆動スプール１３を清掃することができる。ま
た清掃後、容易に組み立て直すこともできる。

【００２２】

【発明の効果】本発明の電磁比例サーボ弁によれば、機
械油圧変換機構をスプール弁としたことにより、機械油
圧変換機構の出力流量を安定に大きくすることができ動
特性が向上するという効果と、耐ゴミ性が向上するとい
う効果と、サーボ弁駆動の入力制御信号が０であるとき
には、機械油圧変換機構における作動油エネルギーの損
失がないという効果とが得られる。

【００２３】電気機械変換機構は、スプール弁の直線的
変位に適したリニアモータとした。これにより電気機械
変換機構が、簡単な構成となり、故障が少ない、また生
産コストを低減できるといった効果がある。

【００２４】さらに、油圧増幅機構を分離して分解可能
な構成とできることにより、この部分の清掃、メンテナ
ンスをエンドユーザが容易に行うことができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る電磁比例サーボ弁の
断面構造を示す平面図。

【図２】 従来のノズルフラッパ方式電磁比例サーボ弁
の断面構造を示す平面図。

【符号の説明】

１ リニアモータ、２ プランジャー、３ コイル、４
板ばね、５ ドライブシャフト、６ 機械駆動スプー
ル、９，１０，５７，５８ オリフィス、１３油圧駆動
スプール、１６，１７ コイルばね、５１ トルクモー
タ、５４ ノズルフラッパ、５５、５６ ノズル、５９
スプール、６０ フィードバックばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気信号に応じた機械的変位を生じる電
   気機械変換機構と、前記機械的変位に応じた油圧力を生
   じる機械油圧変換機構と、前記油圧力を増幅する油圧増
   幅機構と、を備えた電磁比例サーボ弁において、 電気機械変換機構は、リニアモータからなり、 機械油圧変換機構は、 作動油流入源と作動油排出口との間に並列に設けられ、
   作動油流入源側にオリフィスを備えた、第１油圧変換室
   及び第２油圧変換室と、 リニアモータに連動してスプールがシリンダ内を往復変
   位し、両油圧変換室の作動油排出口側をそれぞれ開閉制
   御して両油圧変換室間にスプールの変位に応じた油圧差
   を発生させる機械駆動スプール弁と、 を有し、 油圧増幅機構は、 シリンダ内を油圧駆動スプールが往復変位し、油圧駆動
   スプールの変位に比例した流量を出力する油圧駆動スプ
   ール弁を有し、 油圧駆動スプールは、一端に第１油圧変換室の圧力が導
   かれ、他端に第２油圧変換室の油圧が導かれ、かかる両
   油圧の差に応じて変位し、 油圧駆動スプール弁は、油圧駆動スプールに対しその変
   位に比例した復元力を及ぼすスプール平衡手段であっ
   て、油圧駆動スプール両端のシリンダ空間に配置された
   １対の弾性体を有し、 油圧駆動スプール弁が機械油圧変換機構から分離可能に
   構成されること、 を特徴とする電磁比例サーボ弁。