JPH09257137A - ダイレクトドライブ形油圧サーボ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成を大形化することなしに、応答性および
信頼性を向上することができるダイレクトドライブ形油
圧サーボ弁を提供する。 【解決手段】 磁気的に中立位置に復帰する出力軸２を
有するモータによってスプール９ａ，９ｂを変位させ、
各スプール９ａ，９ｂが挿通するスリーブを内スリーブ
８ａ，８ｂと外スリーブ７ａ，７ｂとの２重構造とし、
スプール９ａ，９ｂの第３通路１４ａ，１４ｂと、内ス
リーブ８ａ，８ｂの第２通路１３ａ，１３ｂとの間に異
物が噛込んでジャミングを発生したとき、内スリーブ８
ａ，８ｂをスプール９ａ，９ｂに追従させ、出力軸２の
回転が抑制されることを防ぎ、応答性および信頼性を向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般産業用油圧系
統および航空機用油圧系統において、作動油の方向およ
び流量を制御するために用いられ、スプールを電気モー
タによって直接駆動するダイレクトドライブバルブ（略
称ＤＤＶ）と呼ばれる油圧サーボ弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧分野において、作動油の方向および
流量を制御するスプール弁のサーボコントロールは、一
般産業用および航空機用のいずれも、いわゆる電油サー
ボ弁（略称ＥＨＳＶ；Electric Hydraulic Servo Valve
または略称ＥＨＶ;ElectricHydraulic Valve）が主に用
いられていたけれども、近年は、（１）構造がシンプル
であること、（２）異物の噛込みに強いことによって故
障が少なく、信頼性が高いこと、（３）電子技術の発達
によって電気系統の大容量小形化が可能となったこと、
などによって、ダイレクトドライブ形油圧サーボ弁が積
極的に採用されている。このダイレクトドライブ形油圧
サーボ弁は、航空機の分野においても、バルブシステム
の軽量化、高信頼性化の観点から、ロッドやケーブル等
の機械的操縦系統に代えて、パイロット操縦装置からた
とえばヘリコプタのロータ等の舵面までを電線で結び、
電気信号のみによって舵面を制御するフライ・バイ・ワ
イヤ（略称ＦＢＷ）操縦システムには不可欠の技術とな
ってきており、固定翼機を中心に採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の技術
では、上記の電油サーボ弁にはスプールを中立位置へ復
帰させるために機械的ばねが用いられているため、この
機械的ばねの存在は、故障に対する冗長性を与えること
が困難であり、高信頼性を要求される航空機にとって、
高信頼性化を抑制する一要因となっている。また、機械
的ばねは、応答性を向上するには自ずと限界があるた
め、高応答性化を妨げるという問題も有している。さら
に、上記電油サーボ弁は、スプールとスリーブによって
形成される油通路がスプールの変位に応じて開度を変化
させて、各種のアクチュエータへの作動油の油量が制御
されるけれども、前記開度が小さくなったとき、異物を
噛込むと、スプールを円滑に変位させることができなく
なってしまい、アクチュエータが作動不能となる問題が
ある。

【０００４】本発明の目的は、構成を大形化することな
しに、応答性および信頼性を向上することができるよう
にしたダイレクトドライブ形油圧サーボ弁を提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、通電によって出力軸を中立位置から所定の角度範囲
で回転させ、かつ出力軸を磁気的に前記中立位置に復帰
させる力を有するモータと、作動油を導く第１通路が形
成される外スリーブと、外スリーブにその軸線方向に変
位可能に収納され、第１通路に連通して作動油を導く第
２通路が形成される内スリーブと、内スリーブにその軸
線方向に前記モータによって変位可能に収納され、第２
通路に連通して作動油を導く第３通路が形成されるスプ
ールとを含むことを特徴とするダイレクトドライブ形油
圧サーボ弁である。 本発明に従えば、モータへの通電によって出力軸を中立
位置から所定の角度範囲、たとえば±２０〜３０°の角
度範囲で回転させ、スプールを変位させる。通電を遮断
すると、前記出力軸は磁気的に中立位置へ復帰する。こ
のような磁気的な中立位置への復元力は、永久磁石の磁
束の磁気回路によって磁気リラクタンストルクによって
実現可能である。このようにして、機械的ばねを用いず
にモータの出力軸を中立位置に静安定させて復帰させる
力を有するので、構成を大形化せずに軽量で信頼性の高
い油圧サーボ弁を実現することができる。 上記モータによって直接駆動されるスプールは、第３通
路を有し、内スリーブに収納されて、モータの出力軸の
回転によって第３通路を第２通路に対して開度を変化さ
せながら連通する。内スリーブは外スリーブに収納さ
れ、第２通路が第１通路に連通する。第２通路および第
３通路間に異物を噛込んだとき、内スリーブはスプール
とともに同一方向に変位し、スプールの変位が異物によ
って妨げられることが防がれる。これによって、異物噛
込みによる弁の機能喪失が防がれ、信頼性が向上され
る。

【０００６】請求項２記載の本発明は、モータの出力軸
の回転またはスプールの変位を検出する作動検出器が設
けられ、その検出信号によって前記モータがフィードバ
ック制御されることを特徴とする。 本発明に従えば、前記油圧サーボ弁には作動検出器が設
けられる。この作動検出器は、モータの出力軸の回転を
検出してもよく、あるいはスプールの変位を検出しても
よい。このような作動検出器によって、アクチュエータ
への作動油の供給量および供給方向を制御し、したがっ
てアクチュエータを高精度で制御することが可能とな
る。

【０００７】請求項３記載の本発明は、第１通路の圧力
を検出する圧力検出器を備えることを特徴とする。 本発明に従えば、圧力検出器によって第１通路の圧力が
検出される。このような圧力検出器を設けることによっ
て、請求項１または２に記載される油圧サーボ弁をいわ
ゆるジャムプルーフバルブと呼ばれる多重系コントロー
ルバルブを採用したとき、バルブへの異物の噛込みを検
出し、異常を知らせることが可能となる。これによっ
て、より一層信頼性の高いアクチュエータへの制御を行
うことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
ダイレクトドライブ形油圧サーボ弁１を示す断面図であ
る。ダイレクトドライブ形油圧サーボ弁（略称ＤＤＶ、
以下、油圧サーボ弁と略記する）１は、基本的に、通電
によって回軸中心から偏心した出力軸２を中立位置から
所定の角度範囲で回転させ、かつ出力軸２を磁気的に前
記中立位置に復帰させる力を有するトルクモータ３と、
このトルクモータ３によって直接駆動される弁本体４と
を有する。この油圧サーボ弁１は、高い応答性および信
頼性が要求されるたとえばヘリコプタにおいて、パイロ
ット操縦装置からロータまでを電線で結んで、舵面を制
御するフライ・バイ・ワイヤ（略称ＦＢＷ）操縦系統の
並列アクチュエータＣｙ１，Ｃｙ２のサーボコントロー
ルバルブとして用いられ、弁本体４は、各アクチュエー
タＣｙ１，Ｃｙ２に対応した第１および第２ブロック５
ａ，５ｂの２系統から成る。

【０００９】弁本体４は、ほぼ中央にトルクモータ３が
取付けられ、相互に連結される２つのハウジング６ａ，
６ｂと、各ハウジング６ａ，６ｂにそれぞれ収納される
外スリーブ７ａ，７ｂと、各外スリーブ７ａ，７ｂに収
納される内スリーブ８ａ，８ｂと、各内スリーブ８ａ，
８ｂに収納されるスプール９ａ，９ｂとを有する。これ
らの外スリーブ７ａ，７ｂ、内スリーブ８ａ，８ｂおよ
びスプール９ａ，９ｂは、同軸を成し、ハウジング６
ａ，６ｂ内で共通な軸線方向に相互に変位可能である。

【００１０】各ハウジング６ａ，６ｂは、図示しないポ
ンプから作動油が供給される圧力ポートＰ、図示しない
タンクに連なるタンクポートＲ、および一方のアクチュ
エータＣｙ１の各ポートＰ１ａ，Ｐ１ｂに流路１１ａ，
１１ｂを介して連なる２つのポートＡ，Ｂをそれぞれ有
する。各外スリーブ７ａ，７ｂは、各ポートＰ，Ｒ，
Ａ，Ｂに連通して作動油を導く第１通路１２ａ，１２ｂ
を有し、各内スリーブ８ａ，８ｂは第１通路１２ａ，１
２ｂに連通して作動油を導く第２通路１３ａ，１３ｂを
有し、各スプール９ａ，９ｂは第２通路１３ａ，１３ｂ
に連通して作動油を導く第３通路１４ａ，１４ｂを有す
る。

【００１１】第１ブロック５ａの外スリーブ７ａは、そ
の出力軸２寄りの軸線方向一端部が、第２ブロック５ｂ
の外スリーブ７ｂの出力軸２寄りの軸線方向一端部に嵌
合し、同一軸線を成して配置される。各外スリーブ７
ａ，７ｂの軸線方向他端部は、押圧リング１６ａ，１６
ｂに当接し、各押圧リング１６ａ，１６ｂは一端部がハ
ウジング６ａ，６ｂによって支持される第１ばね１７
ａ，１７ｂによって弾発的に押圧され、各内スリーブ８
ａ，８ｂを支持する。各内スリーブ８ａ，８ｂは、出力
軸２寄りの各軸線方向一端部が相互に間隔をあけて離間
し、各軸線方向他端部には一直径線方向に挿通された係
止ピン１８ａ，１８ｂによって係止されるばね受け片２
０ａ，２０ｂが装着され、第２ばね１９ａ，１９ｂの一
端部が支持される。第２ばね１９ａ，１９ｂの他端部
は、内スリーブ８ａ，８ｂの段差面２１ａ，２１ｂを支
持する前記押圧リング１６ａ，１６ｂに当接し、各内ス
リーブ８ａ，８ｂを弾発的に押圧する。前記第１および
第２ばね１７ａ，１７ｂ；１９ａ，１９ｂは、圧縮コイ
ルばねによって実現される。

【００１２】このような構成によって、第１ブロック５
ａにおいて、内スリーブ８ａの第２通路１３ａとスプー
ル９ａの第３通路１４ａとの間に異物を噛込んでジャミ
ングが発生したとき、スプール９ａが図１の右方へ移動
中であれば、第２ばね１９ａのばね力に抗して内スリー
ブ８ａはスプール９ａと同一方向へ変位することがで
き、またスプール９ａが図１の左方へ移動中であれば、
第１ばね１７ａのばね力に抗してスプール９ａと同一方
向へ変位することができる。したがって、トルクモータ
３の出力軸２の回転がジャミングによって害されること
が防がれ、異物の噛込みによって制御不能な故障状態に
陥ることが回避される。このことは、第２ブロック５ｂ
においても同様である。

【００１３】また、第１ブロック５ａ側のスプール９ａ
と係止ピン１８ａとの間には、圧縮コイルばねから成る
第３ばね２２が介在し、出力軸２とスプール９ａ，９ｂ
間のバックラッシュの発生を防止している。

【００１４】第２ブロック５ｂのハウジング６ｂには、
各スプール９ａ，９ｂの変位を検出する作動検出器であ
るリニアセンサ（略称ＬＶＤＴ；Linear VariableDiffe
rential Transformer）Ｓ１が設けられる。このリニア
センサＳ１から出力される各スプール９ａ，９ｂの変位
検出信号は、サーボ制御手段１５に入力され、このサー
ボ制御手段１５からのモータ駆動電流によってトルクモ
ータ３の出力軸２の回転量が制御される。これによっ
て、各スプール９ａ，９ｂが同時に変位し、第３通路１
４ａ，１４ｂの第２通路１３ａ，１３ｂに対する開口量
が制御され、第１および第２アクチュエータＣｙ１，Ｃ
ｙ２の各ピストン棒２４ａ，２４ｂの動作が制御され
る。各ピストン棒２４ａ，２４ｂは相互に連結され、そ
の変位は前記リニアセンサＳ１と同様なリニアセンサＳ
３によって検出される。この検出信号は、サーボ制御手
段１５に入力され、フィードバック制御によってトルク
モータ３の動作の外乱などによる作動遅れが補償され
る。

【００１５】上記のリニアセンサＳ１に代えて、図１の
仮想線で示されるように、トルクモータ３の出力軸２の
回転、したがってロータ２５の回転を検出するロータリ
センサ（略称ＲＶＤＴ；Rotary Variable Differential
Transformer）Ｓ２を設けるようにしてもよい。

【００１６】各ハウジング６ａ，６ｂにはまた、圧力検
出ポート２６ａ，２６ｂが形成され、これらの圧力検出
ポート２６ａ，２６ｂを介して第１通路１２ａ，１２ｂ
内の作動油が圧力検出器Ｓ４ａ，Ｓ４ｂに導かれる。各
圧力検出器Ｓ４ａ，Ｓ４ｂは、圧力スイッチまたは圧力
センサによって実現され、バルブへの異物の噛込みを検
出する。

【００１７】図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見
たトルクモータ３の拡大断面図である。トルクモータ３
のケーシング３１内には、磁性体から成るリング状のヨ
ーク３２に巻線３３ａ，３３ｂがトロイダルに巻回され
た電磁コイル３４ａ，３４ｂ，３４ｃが図２の紙面に垂
直な軸線方向に３層に積重され、各電磁コイル３４ａ〜
３４ｃの内周面には、各巻線３３ａ，３３ｂ間にわたっ
て周方向に９０°位置を違えて２つのポール３５ａ，３
５ｂが固着される。各ポール３５ａ，３５ｂは、磁性体
から成り、軸対称に２つのスリット３６ａ，３６ｂをあ
けて離間している。

【００１８】各ポール３５ａ，３５ｂ間には、軸線方向
一端部に前記出力軸２が固定される大略的に直円柱状の
ロータ２５が収納され、このロータ２５の軸線方向両端
部はボール軸受３７ａ，３７ｂによってそれぞれ軸支さ
れる。ロータ２５は、ロータケーシング３８内に図２に
示される軸直角断面において一直径線方向の両端をＮ極
およびＳ極の両磁極とする永久磁石３９が設けられる。
各電磁コイル３４ａ〜３４ｃは、２本のボルト４０ａ，
４０ｂによって端板４１上に固定され、この端板４１に
は蓋４２がボルト４３によって液密な状態で固定され
る。

【００１９】サーボ制御手段１５によって各巻線３３
ａ，３３ｂへ通電されると、破線の矢印４８ａ，４８ｂ
で示されるように磁界が発生し、ロータ２５は図２に示
される中立位置から回転軸線４７まわりに矢符Ｄ１方向
または矢符Ｄ２方向に所定の角度範囲で回転する。各巻
線３３ａ，３３ｂの通電が遮断されると、永久磁石３９
によって実線の矢印４９ａ，４９ｂで示されるように磁
界が発生し、ロータ２５は前記所定の角度の回転位置か
ら図２に示される初期位置に磁気的に復帰する。このよ
うなロータ２５の復元力は、磁気リラクタンストルクに
よるものである。

【００２０】図３はスプール９ａと出力軸２との連結構
造を示す簡略化した斜視図であり、図４は図３の切断面
線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。前記出力軸２の先
端部２ａは、大略的に球状に形成され、スプール９ａの
軸線方向一端部に形成された軸孔５０に嵌まり込んで内
周面に摺接する。出力軸２の軸線５１は、ロータ２５の
回転軸線４７から距離ΔＬだけ偏心しており、出力軸２
の軸線５１とスプール９ａの軸線５２とは直交し、出力
軸２の回転をスプール９ａがその軸線５２まわりに矢符
５３方向に回転することによって解消している。図１に
示される構成では、第２ブロック５ｂのスプール９ｂの
軸線方向一端部が第１ブロック５ａのスプール９ａの軸
線方向一端部に嵌まり込み、相互に連結された状態で、
スプール９ｂの軸線方向一端部に形成される軸孔５０に
出力軸２の先端部２ａが嵌まり込み、各スプール９ａ，
９ｂが連動するように構成され、トルクモータ３と各ス
プール９ａ，９ｂとがロータリ／リニア結合形式で連結
されている。

【００２１】図５は本発明の実施の他の形態のスプール
９ａと出力軸２との連結構造を示す簡略化した斜視図で
あり、図６は図５の切断面線ＶＩ−ＶＩから見た断面図
である。本形態では、スプール９ａは、中空のスプール
本体５５と、スプール本体５５の軸線方向他端部に固定
され、かつ軸線方向一端部から突出するスプール軸５６
とを有し、スプール軸５６のスプール本体５５とは隙間
をあけて離間している。スプール軸５６の先端部にはブ
ッシュ５７が嵌着され、このブッシュ５７に出力軸２の
先端部２ａ付近が挿通される。このような構成によっ
て、出力軸２のロータ２５の回転軸線４７に対する偏心
をスプール軸５６のたわみによって吸収することができ
る。

【００２２】図７は本発明の実施のさらに他の形態のス
プール９ａと出力軸２との連結構造を示す簡略化した斜
視図であり、図８は図７の切断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ
から見た断面図である。本形態では、スプール９ａの軸
線方向一端部に球面状の内周面を有する嵌合孔６１が形
成され、この嵌合孔６１には球面状の外周面を有するブ
ッシュ６２が嵌着される。ブッシュ６２には、出力軸２
の先端部２ａ付近が挿通される。ブッシュ６２の嵌合孔
６１内における回転中心６３は、スプール９ａの軸線５
２よりもずれた位置に存在し、これによって出力軸２の
偏心は、スプール９ａがその軸線５２まわりに矢符６４
方向に回転することによって許容することができる。

【００２３】図１〜図８に示される各実施の形態では、
ロータリ／リニア結合形式によってトルクモータ３の出
力軸２と各スプール９ａ，９ｂとが直角に連結して出力
軸２の回転によって各スプール９ａ，９ｂを駆動するよ
うにしたけれども、本発明の実施のさらに他の形態とし
て、図９に示されるように、ラウンドの幅ｂが相互に変
化するスプール６５をロータリモータ６６によって回転
させる構成であってもよい。このような構成を図１に示
されるようなジャムプルーフバルブとして実施する場合
には、スプール６５を同軸に直列に接続すればよい。本
形態では、スプール６５の操作力Ｆｓは、モータトルク
Ｔｍとし、スプール６５の半径をｒとしたとき、Ｆｓ＝
Ｔｍ／ｒである。

【００２４】本発明の実施のさらに他の形態として、ラ
ウンドの幅ｂが周方向に一様なスプール６８をフォース
モータ６９によって軸線方向に変位するように構成され
てもよい。このような構成を図１に示されるジャムプル
ーフバルブとして実施する場合には、スプール６８を同
軸に直列接続すればよい。本形態のスプール６８の軸線
方向の操作力Ｆｓは、フォースモータ６９の出力Ｆｍと
したとき、Ｆｓ＝Ｆｍである。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、機械的
ばねを用いずにモータの出力軸を中立位置に復帰させる
力を有するので、構成を大形化することなしに、軽量で
信頼性の高い油圧サーボ弁を実現することができる。ま
た第２通路および第３通路間に異物を噛込んでジャミン
グが発生した場合であっても、内スリーブはスプールの
移動方向と同一方向に変位し、出力軸の回転がジャミン
グによって妨げられることが防がれ、これによってバル
ブの機能喪失を生じず、信頼性が向上される。

【００２６】請求項２記載の本発明によれば、作動検出
器によってスプールの変位またはモータの出力軸の回転
を検出して、アクチュエータへの作動油の供給量および
供給方向を高精度で制御することができる。

【００２７】請求項３記載の本発明によれば、圧力検出
器によって第１通路の圧力が検出されるので、この圧力
検出器からの検出出力を用いて、ジャミングの発生を検
出することができ、このような圧力検出器をジャムプル
ーフバルブなどの多重系コントロールバルブに実施する
ことによって、より信頼性の高いバルブを構成すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態のダイレクトドライブ形
油圧サーボ弁１を示す断面図である。

【図２】図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見たトルクモー
タ３の拡大断面図である。

【図３】スプール９ａと出力軸２との連結構造を示す簡
略化した斜視図である。

【図４】図３の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図であ
る。

【図５】本発明の実施の他の形態のスプール９ａと出力
軸２との連結構造を示す簡略化した斜視図である。

【図６】図５の切断面線ＶＩ−ＶＩから見た断面図であ
る。

【図７】本発明の実施のさらに他の形態のスプール９ａ
と出力軸２との連結構造を示す簡略化した斜視図であ
る。

【図８】図７の切断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩから見た断
面図である。

【図９】本発明の実施のさらに他の形態のスプール６５
およびロータリモータ６６を示す斜視図である。

【図１０】本発明の実施のさらに他の形態のスプール６
８およびフォースモータ６９を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ ダイレクトドライブ形油圧サーボ弁 ２ 出力軸 ３，３ａ，３ｂ トルクモータ ４ 弁本体 ６ａ，６ｂ ハウジング ７ａ，７ｂ 外スリーブ ８ａ，８ｂ 内スリーブ ９ａ，９ｂ；６５；６８ スプール １２ａ，１２ｂ 第１通路 １３ａ，１３ｂ 第２通路 １４ａ，１４ｂ 第３通路 Ｓ１，Ｓ３ リニアセンサ Ｓ２ ロータリセンサ Ｓ４ａ，Ｓ４ｂ 圧力検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通電によって出力軸を中立位置から所定
   の角度範囲で回転させ、かつ出力軸を磁気的に前記中立
   位置に復帰させる力を有するモータと、 作動油を導く第１通路が形成される外スリーブと、 外スリーブにその軸線方向に変位可能に収納され、第１
   通路に連通して作動油を導く第２通路が形成される内ス
   リーブと、 内スリーブにその軸線方向に前記モータによって変位可
   能に収納され、第２通路に連通して作動油を導く第３通
   路が形成されるスプールとを含むことを特徴とするダイ
   レクトドライブ形油圧サーボ弁。
2. 【請求項２】 モータの出力軸の回転またはスプールの
   変位を検出する作動検出器が設けられ、その検出信号に
   よって前記モータがフィードバック制御されることを特
   徴とする請求項１記載のダイレクトドライブ形油圧サー
   ボ弁。
3. 【請求項３】 第１通路の圧力を検出する圧力検出器を
   備えることを特徴とする請求項１または２記載のダイレ
   クトドライブ形油圧サーボ弁。