JPS6084404A - サーボ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、電気その他の入力信号の関数として、流量ま
たは圧力を制御する弁、ずなわら、サーボ弁に関する。

〔従来技術〕

従来の電気−空気圧サーボ弁としては、ノズル−フラッ
パ式のものが一般的であった。しかし、このようなノズ
ル−フラッパ式の空気圧サーボ弁では、 （イ）機械的構造が非常に複雑で、小型化が困難である
とともに、製造コストが非常に高くなる。

（ロ）ノズル−フラッパ系等の、機械系の動作部ために
応答が遅くなる。

等の欠点があった。

また、最近、第１図に示されるような電気−空気圧サー
ボ弁も提案されている。次に、これを説明すると、１は
本体、２は本体１内に形成された第一の部屋、３は本体
１内に形成された第二の部屋である。４は第一の部屋２
に間口され、元圧ｐｏを供給される元圧弁口、５は元圧
弁口４と協働する弁体であり、前記元圧弁口４および弁
体５は元圧弁６を構成している。７は弁体５に取りイ」
けられた元圧弁側磁極鉄片である。

８は第一の部屋２と第二の部屋３とを連通づ゛る放圧弁
口、９は放圧弁口８と協働する弁体であり、前記放圧弁
口８および弁体９はｈｋ圧弁１０を構成している。１１
は弁体９に取り付けられた放圧弁側磁極鉄片、１２は磁
極鉄片７，１１間に介装されることにより、元圧弁口４
を閉じる方向に弁体５を付勢すると同時に、放圧弁口８
をｖ■＜方向に弁体９を付勢するゲイン調整用ばねであ
る。

１３は放圧弁口８を閉じる方向に弁体９を付勢する零点
調整用ばね、１４は第二の部屋３を大気と連通する間口
、１５は第一の部屋２に間口された出力圧口、１６はコ
イルである。

いま、元圧弁口４に常に一定の元圧ｐｏが加えられてい
るものとすると、元圧弁の弁体５に作用するｈのバラン
スにより、次式が成立する。

ｐｏ　Ａ＋ｆ≦ｐＡ＋ｋｌＸ＋　（１）ここで、Ａは元
圧弁口４および放圧弁口８の有効断面積、ｆは磁極鉄片
７，１１間の電磁引力、ｋｌはゲイン調整用ばね１０の
ばね定数、×１はゲイン調整用ばね１０の変位である。

また、放圧弁の弁体９に作用りる力のバランスにより、
次式が成立する。

ＰＡ＋ｋ　＋　Ｘ　＋≦に２ｘ２＋ｆ　（２）ここで、
ｋｌは零点調整用ばね１３のばね定数、×２は零点調整
用ばね１３の変位である。

上の２つの式が等式でなく、不等式となるのは、元圧弁
６および放圧弁１０が逆止弁を構成しているからである
。さて、出力圧口１５に得られる出力圧Ｐは、（１）式
および（２）式を同時に満足するような値となるが、 ＰｏＡ＝に＋Ｘ＋＝ｋｚＸ２　（３） が成立するように、図示しない調整機構によりばね１２
．１３の初期変位を調整すると、（１）式と（２）式と
の連立不等式の解は、 Ｐ＝ｆ／Ａ　（４） となる。

この式から明らかなように、コイル１６に流す電流を制
御し、磁極鉄片７，１１間に作用する電磁用ツノｆを変
化することにより、出力圧Ｐを制御することができる。

この空気圧サーボ弁は、前記ノズル−フラッパ式の空気
圧サーボ弁の欠点をある程度改善することがぐきる。

しかしながら、この空気圧サーボ弁では、（イ）依然と
して機械的構造が複雑で、部品点数が多い。

（ロ）応答速度がまだ十分でない。− （ハ）ゲイン調整用ばね１２と零点調整用ばね１３の機
械的調整が微妙で、かつ熟練を要′する。

（ニ）（ハ）の理由により、個々のサーボ弁のゲインの
ばらつきが生じる虞や、磁極鉄片７．１１が互いに接着
づる虞がある。

（ホ）元圧ｐｏが変化すると、ゲイン調整用ばね１２お
よび零点調整用ばね１３の機械的調整を再度やり直さな
ければならない。

等の欠点があった。

この（イ）〜（ホ）のような欠点は、本質的には、この
サーボ弁においては元圧弁６と放圧弁１０とが機械系に
より連結されているということにより生じるものである
。

なお、これまで、空気圧サーボ弁についてのみ述べてき
たが、油圧サーボ弁においても全く同様の欠点があった
。

〔発明の目的〕

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、より一層、機械的構造が簡単で、小型化が容易であ
り、製造コストを安価にすることができ、応答が速く、
かっばね等の機械的調整が不要であるサーボ弁を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明によるサーボ弁は、元圧弁と放圧弁とを機械的に
は相互に独立して動作するようにする一方、該２つの弁
を電気回路により結合することによって、前記目的を達
成するらのである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいてさらに詳細
に説明づる。なお、本発明は油圧サーボ弁にも適用可能
であるが、以下の実施例は、本発明を空気圧サーボ弁に
適用した例である。

第２図は、本発明の一実施例のサーボ弁２０の機械的構
成部分を示１…ｉ面図である。ケース２１内には、仕切
壁２２により互いに仕切られた第一の部屋２３および第
二の部屋２４が形成されている。２５は管状の元圧通路
材であり、この元圧通路′４Ａ２５の一端部はケース２
１外に突出し、他端部は第一の部屋２３内に侵入してい
る。また、この元圧通路材２５の中空部は元圧通路２６
を形成しており、この元圧通路２６は元圧ｐｏを供給す
る元圧供給源（図示せず）に接続されている。そして、
前記元圧通路２６の、第一の部屋２３側の端部には、弁
座２７が形成されている。

前記第一の部屋２３内には、磁性体からなる大略二重円
筒状の磁極材２８が固定されており、この磁極材２８の
内筒部２８ａと外筒部２８ｂとの間には、コイル２９が
収容されている。

前記磁極材２８とケース２１との間には、磁性体からな
る円板状の磁極材３０が遊嵌されており、この磁極材３
０と弁座２７との間には、球状の弁体３１が収容されて
いる。ここにおいて、本実施例では、前記元圧通路２６
、弁座２７、磁極材２８、コイル２９、磁極材３０およ
び弁体３１等によって元圧弁３２が構成されている。

前記第一の部屋２３と第二の部屋２４とは、本体２１内
に設けられた放圧孔３４を介して連通されており、この
放圧孔３４の先端部には、弁座３５が形成されている。

前記第二の部屋２４内には、磁性体からなる大略二ｍ円
筒状の磁極材３６が固定されており、この磁極材３６の
内筒部３６ａと外筒部３６ｂとの間には、コイル３７が
収容されている。前記磁極材３６とケース２１との間に
は、磁性体からなる円板状の磁極材３８が遊嵌されてお
り、この磁極材３８と弁座３５との間には、球状の弁体
３９が収容されている。ここにおいて、本実施例では、
前記放圧孔３４、弁座３５、磁極材３６、コイル３７、
磁極材３８および弁体３９等によって放圧弁４０が構成
されている。

また、前記本体２１には、第一の部屋２３に連通される
出力圧口４１と、第二の部屋２４に連通される開口４２
とが設けられている。

第３図は、サーボ弁２０の全体を示すブロック図である
。４３は電気回路であり、入力電気信号ａを増幅する増
幅器４４と、一定のバイアス電圧ｖｂを出力づる直流電
源４５とを有してなる。そして、放圧弁４０のコイル３
７には、増幅器４４の出力電圧Ｖが直接印加される一方
、元圧弁３２のコイル２９には、バイアス電圧ｖｂから
増幅器４４の出力電圧Ｖを差し引いた電圧（Ｖｂ　−ｖ
　）が印加されるようになっている。

次に、このサーボ弁の作動を、まず簡単に説明する。

元圧弁３２（放圧弁４０）において、コイル２９（３７
）に電流を流すと、磁極材２８と３０との間（磁極材３
６と３８との間）に電磁引力が作用する結果、磁極材３
０　（３８）が弁体３１（３９）を弁座２７　（３５）
に向って押し、元圧弁３２（放圧弁４０）を閉じようと
する。また、コイル２９（３７）に電流を流さなければ
、前記電磁引力は生じないので、元圧弁３２（放圧弁４
０）は聞かれる。

さて、元圧弁３２において磁極４７１２８．３０間に作
用する電磁引力をｆ＋、弁座２７の有効断面積をＡとす
ると、元圧弁の弁体３１に作用する力のバランスにより
、次式が成立する。

ＰｏＡ≦ｆ　＋　＋ＰＡ　＋＋　（５）ただし、ｐｏ≧
Ｐ≧０である。

ここで、注意すべきは、（５）式が必ず成立するのは、
出力圧Ｐを上昇させる過程においてのみであることであ
る。これは、元圧弁３２のみでは、空気を抜くことがで
きないので、出力圧Ｐを下げることができないからであ
る。

他方、放圧弁４０において、磁極材３６．３８間の電磁
引力をｆ２、弁座３５の有効断面積をＡ（弁座２７と同
一）とすると、放圧弁の弁体３９に作用する力のバラン
スにより、次式が成立する。

Ｐ△≦「２　・・・（６） ここで、注意すべきは、（６）式が必ず成立りるのは、
出力圧Ｐを下降させる過程においてのみであることであ
る。これは、放圧弁４０は空気をｈｋ出するのみで、出
力圧Ｐを上昇させることはできないからである。

さて、このシーボ弁２０では、入力信号ａのレベルが上
昇づると、増幅器４４の出力電圧Ｖも上昇し、元圧弁３
２のコイル２９に印加される電圧（Ｖｂ　−Ｖ　）は下
降する一方、放圧弁のコイル４０に印加される電圧Ｖは
上昇するので、電磁力ｆ、は減少する一方、ｆｚは増大
する。したがって、出ツノ圧Ｐは、（５〉式によって定
まるある値にまで上昇覆る。

逆に、入力信号ａのレベルが下降すると、増幅器４４の
出力電圧も下降し、元圧弁のコイル２９に印加される電
圧（Ｖｂ　−ｖ　）は上昇する一方、放圧弁のコイル４
０に印加される電圧Ｖは下降するので、電磁力ｔ１は増
大りる一方、ｔ２は減少づる。したがって、出力圧Ｐは
、（６）式によって定まるある値にまで下ｊＬする。

このように、このサーボ弁２０では、出力圧Ｐが上昇す
る過程では、そのＰの値が実質的に元圧弁３２のみによ
って決定される一方、出力圧Ｐが下降する過程では、そ
のＰａ′）Ｉｌｔｉが実質的に放圧弁４０のみによって
決定されると考えられるので、このサーボ弁２０は等価
的に、第４図のようなブロック図で表すことができる。

ここで、Ｓはスイッチで出力圧Ｐが上昇すろ過程では元
圧弁３２側に、まｌ〔、出力圧Ｐが下降する過程では放
圧弁４０側に自動的に切り替わるものとする。

したがって、元圧弁３２と放圧弁４０とを同一特性とす
るとともに、バイアス電圧ｖｂを適当に定めれば（本実
施例では、入力電気信＠ａの電圧がＯのときに、出力圧
ＰがＯとなるように、バイアス電圧ｖｂの値を定めるも
のとする）、出力圧Ｐを入力信号ａの関数とすることが
できる。

ここにおいて、このサーボ弁２０では、元圧弁３２と放
圧弁４０どを電気回路４３により結合しているため、 （ａ　）機械的に、構造が非常に単純になり、部品点数
も非常に少なくなる。

（ｂ）応答が非常に速い。

（（ｊ）前記従来装置におけるような微妙な機械的調整
を必要としない。

（ｄ　）　（ｃ　）の理由により、個々のサーボ弁のゲ
インのばらつきが生じる虞や、磁極材２８，３０．３６
．３８が互いに接＠づ−る虞がない。

（ｅ）元圧ｐｏが変化しても機械的調整を再度やり直す
必要がない（特に後述するように適切な補償を加えてフ
ィードバック制御を行えば、元圧ｐｏが多少変化しても
、その影響を除去することができる）。

なお、このナーボ弁２０の裸特性においては、出力圧Ｐ
を上昇させて行く場合と、下降させて行く場合とでヒス
テリシス現象が生じる。これは、磁極材２８．３０．３
６．３８のヒステリシス特性等を原因として生じるもの
であるが、前記ヒステリシス現象も、後述するようにフ
ィードバック制御を行えば、その影響を除去することが
できる。

次に、このサーボ弁２０に対する気体力学的な解析を第
５図を用いて説明する。

各変数、定数を以下のように定義する。

Ｐｏ　：元圧（ｋｏ１０１１１’　） Ｐ　：出力圧（ｋｏ／　ｃｍ２） Ｐａ　：放圧弁４０の排気圧（ｋｇ／　ａｍ’　）■　
：元圧弁３２から放圧弁４０までの全容積（ｃｍ’　） ｇｌ　：元圧弁３２における流量（ｋｇ／ｓ）■１　：
元圧弁３２のコイル２９への供給電圧（Ｖ）ｆｌ　：元
圧弁３２における磁極材間の電磁力（ｋ（１）ｃｆ、　
：元圧弁３２の抵抗係数（ｓ）ｇ２　：放圧弁４０にお
ける流量（ｋｇ／ｓ）■２　：放圧弁４０のコイル３７
への供給電圧（Ｖ）ｆｚ　：ｈ’ｒｌ圧弁４圧延４０る
磁極材間の電磁力（ｋｇ〉Ｃｆｘ：放圧弁４０の抵抗係
数（Ｓ） ここで、各変数、定数の間には次の関係が設立する。

ｆ＋＝に＋Ｖ＋　・　ｔ’ｚ＞ ｆｚ−に２Ｖ２　・・・（８） ｄＰ／ｄｔ−Ｋ　（０＋’　Ｑ　２　）　／Ｖ　・・・
　（９）ただし、Ｋ＋　、に２　、には比例定数である
。

さて、元圧弁３２．敢圧弁４０に関し、定常状態におい
てそれぞれ次の関係が成立する。

元圧弁３２に関し、 ＰｏＡ＝ｆ　＋　＋ＰＡ　−（１０） 放圧弁４０に関し、 ＰＡ−ｆ　２　＋ｐａ　Ａ　−（１１）流量が発生ずる
のは、＜１０＞、（１１）式が成立しないとぎと考える
ことができる。よって、０１’　Ｍ　Ｏ２は ｕ＋＝（ＰｏＡ−ｆ＋　Ｐ　Δ　）　／　Ｃ＋１・・・
（１２） ０２　＝　（ＰＡ　ｆ　２　Ｐａ　Ａ）／Ｃ（ｘ・・・
（１３） と表わすことができる。ここで、元圧弁３２と放圧弁４
０とが同一特性とされていることから、Ｃ＋＋＝Ｃｆλ
−ｃ４　とおくことが出来る。また、排気圧Ｐａは大気
へ逃がしているため、ｐａ　＝ｏとし、これらの関係式
を（９）式に代入すると、次式になる。

ｄＰ／ｄｔ ”　（Ｋ／Ｃ＋　Ｖ）　・　（１〕ｏ　Ａ−ｆ　＋　−
ＰＡ−ＰＡ＋ｆ　２　） ＝　（Ｋ１０＋　Ｖ）　−（Ｐｏ　Ａ−２ＰＡＫＩＶＩ
＋に２Ｖ２） ・・・（１４） 上式において、やはり元圧弁３２と放圧弁４０とが同一
特性とされているということから、Ｋ＋＝に２＝に’　
とおける。よって、 （ｄ　Ｐ／ｄｔ）　＋　（Ｋ／Ｃ千■）・２ＰＡ−（Ｋ
　Ｋ’　／　Ｃ；４　Ｖ　）　Ｖ　２−　（ＫＫ’　／
Ｃ４Ｖ）　Ｖ　＋ ＋　（Ｋ／Ｃ＋　Ｖ）　Ｐａ　Ａ ・・・（１５） と変数分離し、両辺ラプラス変換すると、２△Ｐ　（（
０４Ｖ／２ＫＡ）ｓ　＋１＞−に’　（ＶＩ　Ｖ２）＋
ＰＯＡ　−（１６）となる。（１６）式をブロック線図
で表わりと、第６図のようになる。ただし、Ｋ′はに＋
　、Ｋ２に分けて示しである。また、 Ｔ＝Ｃ４Ｖ／２ＫＡ　（１７） Ｋ″＝１／２Ａ　（１８） としている。

なお、入力信号の電圧がＯのときに、出力圧ＰをＯにす
るには、Ｐ、Ａの力を打ち消すために、元圧弁３２への
供給電圧にあらかじめバイアス電圧を加えておかなけれ
ばならない。そこで、サーボ弁２０全体のブロック線図
は、第７図のようになる。

なお、前記実施例では、放圧弁４０の出口側を人気に接
続しているが、この放圧弁４０の出口側を真空ポンプに
接続すれば、出力圧Ｐを正圧から負圧にまで制御するこ
とができる。

次に、本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動制
御系について説明する。

第８図は本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動
制御系の一実施例のブロック図である。

この第８図において、サーボ弁は、後で詳しく説明する
電気回路５０．および前記第２図と同一構造の元圧弁３
２、および放圧弁４０゛によって構成されている。５１
は、出力口４１に得られる出ノｊ圧Ｐを検出して電気信
号である主フイードバツク信号すに変換する変換部であ
る。５３は目標値を示す入力信号ａと主フイードバツク
信号すとを比較し、これらの差、すなわら制御偏差を示
す制御偏差信号Ｃを出力する比較部である。

前記電気回路５０は、補償回路５４．５５と、直流電源
５６とを有してなる。補償回路５４．５５は後述する補
償動作を行うものであり、共に制御偏差信号Ｃを入力す
る。そして、元圧弁３２には、直流電源５６より印加さ
れるバイアス電圧■ｌ）から補償回路５４の出力電圧を
差し引いた電圧が印加される一方、放圧弁４０には、補
償回路５５の出力電圧がそのまま印加されるようになっ
ている。

第９図は、第８図のブロック図を第６．７図と同じ形に
描き替えたブロック線図である。

さて、第８図において、補償回路５４．５５を里なる比
例補償要素とする場合、すなわら、第９図において、 ト１＋＝ＫＩｌ＋（定数） Ｈ２＝Ｋｐ２（定数） とし、単なるゲイン補償を行う場合には、一般に、制御
誤差を小さくすることは困難であり、元圧ｐｏの変動の
影響も受けやずい。

また、補償回路５４．５５を積分補償要素とする場合、
すなわち、第９図において、 Ｈ＋−１／Ｔ＋Ｓ Ｈｚ　−１／Ｔ２　！３ とし、積分補償を行う場合には、定常偏差をＯとし、制
ｗ精度を良好にすることが２でき、かっ元圧Ｐａが多少
変動しても、その影響を除去できるが、発振を生じやす
くなる。

また、補償回路５４−．５５を位相遅れ補償要素と１”
る場合、りなわら、第９図において、Ｈ＋　＝１／　（
１＋Ｔ＋　５） Ｈ２”１／　（１＋Ｔ２　Ｓ） とし、位相補償を行う場合には、制御精度を割合良好に
することができ、かつ元圧ｐｏが多少変動してもその影
響を除去でき、また系を安定にすることができる。

さらに、補償回路５４．５５を微分・積分補償要素とす
る場合、すなわち、第９図において、Ｈ＋　＝　（１＋
Ａ＋　３　＞／Ｔ＋　ＳＨ２−（１＋Ａ２　Ｓ　）／Ｔ
２　Ｓ とし、微分・積分補償を行う場合には、制御精度を非常
に高精度とすることができ、元圧ｐｏが多少変動しても
その影響を除去できるとともに、系を安定にすることが
でき、しかも、応答性をより一層良好にすることができ
る。

なお、前記実施例では、圧力をフィードバックづる例を
示したが、アクチュエータの変位その他をフィードバッ
クしてもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によるサーボ弁は、（ａ）機械的溝
造が非常に単純になり、部品点数も非常に少なくなる。

（ｂ）応答が非常に速い。

（０）従来装置におけるような微妙な機械的調整を必要
としない。

（ｄ　）　（Ｃ）の理由により、個々のサーボ弁のゲイ
ンのばらつきが生じる虞や、磁極材が互いに接着する虞
がない。

（ｅ　）元圧が変化しても機械的調整を再度やり直す必
要がない。

という優れた効果を得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の空気圧サーボ弁を示す断面図、第２図は
本発明によるサーボ弁の一実施例における機械的構成を
示ず断面図、第３図は前記実施例を示すブロック図、第
４図は前記実施例を別の形で示すブロック図、第５図は
前記実施例の気体力学的な解析の説明図、第６図、７図
は前記実施例をさらに別の形で示すブロック線図、第８
図は本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動制御
系の実施例を示１ブロック図、第９図は前記自動１１１
＠系の実施例を別の形で示すブロック線図である。 ２０・・・サーボ弁、３２・・・元圧弁、４０・・・放
圧弁、４１・・・出力口、４３．５０・・・電気回路。 特許出願人　伊　藤　誠　− 代理人　弁理士　人　森　泉 第１図 Ｐ 第２図 第３図 第４図 ３ （ 手続補正書 昭和５９年ｇ月）９日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５８年　特許願　第９６９２６号 ２、発明の名称 ナーボ弁 ３、補正をづる者 事件との関係　特ル′Ｆ出願人 住　所　東京都港区芝２丁目１９番６号４、代理人 ７、補正の対象 明ａｌｌ書全文、ｌＪよび図面 ８、補正の内容 １）明細書全文を別紙の通り補正する。 ２）第５図および９図の記号を朱書の通り補正する。 明　細　書 １、発明の名称 サーボ弁 ２、特許請求の範囲 入口側に元圧を供給される元圧弁と、出口側を前記元圧
より低い圧力に維持され、かつ機械的には前記元圧弁と
独立に動作する放圧弁と、前記元圧弁の出口側および前
記放任弁の入口側に接続された出力口と、入力信号が、
前記出力口に得られる出力圧を上昇させるべき方向に変
化したときは、前記元圧弁を、該元圧弁の入口側と出口
側との圧ツノ差が小さくなる方向に動作させるとともに
、前記放圧弁を、該放圧弁の入口側と出口側との圧力差
が大きくなる方向に動作させる一方、前記入力信号が、
前記出力圧を下降させるべき方向に変化したときは、前
記元圧弁を、該元圧弁の入口側と出口側との圧力差が大
きくなる方向に動作さぼるとともに、前記放圧弁を、該
放圧弁の入口側と出口側との圧力差が小さくなる方向に
動作させる電気回路とを有してなるサーボ弁。 ３、発明の詳細な説明 〔技術分野〕 本発明は、電気その他のパノｊ信号の関数として、流量
または圧力を制御する弁、すなわち、サーボ弁に関する
。 （従来技術） 従来の電気−空気圧サーボ弁としては、ノズル−フラッ
パ式のものが一般的であった。しかし、このようなノズ
ル−フラッパ式の空気圧サーボ弁では、 （イ）機械的構造が非常に複雑で、小型化が困難である
とともに、製造コストが非常に高くなる。 （ロ）ノズル−フラッパ系等の、機械系の動作部ために
応答が遅くなる。 等の欠点があった。 また、最近、第１図に略示されるような電気−空気圧サ
ーボ弁も提案されている。次に、これを説明づると、１
は本体、２は本体１内に形成された第一の部屋、３は本
体１内に形成された第二の部屋である。４は第一の部屋
２に開口され、元圧ｐｏを供給される元圧弁口、５は元
圧弁口４と協働する弁体であり、前記元圧弁口４および
弁体５は元圧弁６を構成している。７は弁体５に取りイ
」けられた元圧回倒磁極鉄片である。 ８は第一の部屋２と第二の部屋３とを連通ずる放圧弁口
、９は放圧弁口８と協働する弁体であり、前記放圧弁口
８および弁体９は放圧弁１０を構成している。１１は弁
体９に取り付けられた放圧弁側１１極鉄片、１２は磁極
鉄片７．１１間に介装されることにより、元圧弁口４を
閉じる方向に弁体５を付勢すると同時に、放圧弁口８を
開く方向に弁体９をイ」勢するゲイン調整用ばねである
。 １３は放圧弁口８を閉じる方向に弁体９を付勢する零点
調整用ばね、１４は第二の部屋３を大気と連通ずる開口
、１５は第一の部屋２に間口された出ノ〕口、１６はコ
イルである。 いま、元圧弁口４に常に一定の元圧ｐｏが加えられてい
るものとすると、元圧弁の弁体５に作用する力のバラン
スにより、次式が成立する。 ｐｏΔ＋［≦ＰＡ＋に＋Ｘ＋　（１） ここで、Ａは元圧弁口４および放圧弁口８の有効断面積
、ｆは磁極鉄片７，１１間の電磁引力、ｋｌはゲイン調
整用ばね１２のばね定数、Ｐは出力口１５に得られる出
力圧、×１はゲイン調整用ばね１２の変位である。 ま１ｃ、放圧弁の弁体９に作用する力のバランスにより
、次式が成立する。 ＰＡ＋ｋ　Ｉ　Ｘ　＋≦に２ｘ２＋ｆ　（２＞ここで、
ｋ２は零点調整用ばね１３のばね定数、×２は零点調整
用ばね１３の変位である。 上の２つの式が等式でなく、不等式となるのは、元圧弁
６および放圧弁１０が逆止弁を構成しているからである
。さて、出力口１５に得られる出力圧Ｐは、（１）、式
および（２）式を同時に満足するにうな値となるが、 ＰｏＡ＝に＋Ｘ＋＝に２Ｘ２　（３） が成立するように、図示しない調整機構によりばね１２
．１３の初期変位を調整すると、（１）式と（２）式と
の連立不等式の解は、 Ｐ＝ｆ／Ａ　（４） となる。 この式から明らかなように、］イル１６に流す電流を制
御し、磁極鉄片７，１１間に作用する電　、磁引力ｆを
変化することにより、出力圧Ｐを制御することができる
。 この空気圧サーボ弁は、前記ノズル−フラッパ式の空気
圧サーボ弁の欠点をある程洩改善することができる。 しかしながら、この空気圧サーボ弁では、（イ）依然と
して機械的構造が複雑で、部品点数が多い（第１図は、
このサーボ弁の動作原理を説明する目的で描かれたもの
なので、非常に構造を簡略化して描かれおり、部品点数
が少ないようにみえるが、実際には、このサーボ弁は、
前記ばね１２，１３の初期変位を調整する調整機構等に
より、部品廃数が多くならざるを得ない）。 （ロ）応答速度がまだ十分でない。 （ハ）ゲイン調整用はね１２と零点調整用ばね１３の機
械的調整が微妙で、かつ熟練を要する。 〈二〉前記（ハ）の理由により、個々のサーボ弁の製品
毎にゲインのばらつきが大きくなる虞がある。 （ホ）ｌａ磁極鉄片、１１が互いに接着してしまい、１
ナ一ボ弁本来の機能を果たせなくなる虞がある。 （へ）元圧ｐｏが変化すると、ゲイン調整用ばね１２お
よび零点調整用ばね１３の機械的調整を再度やり直さな
ければならない。 等の欠点があった。 上述の（イ）〜（へ）のような欠点は、本質的には、こ
のサーボ弁においては元圧弁６と放圧弁１０とが機械系
により連結されているということにより生じるものであ
る。 なお、これまで、空気圧サーボ弁についてのみ述べてき
たが、油圧サーボ弁においても全く同様の欠点があった
。 〔発明の目的〕 本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、より一層、機械的構造が簡単で、小型化が容易であ
り、製造コストを安価にすることができ、応答が速く、
かつばね等の機械的調整が不要であるサーボ弁を提供す
ることを目的とする。 〔発明の概要〕 本発明によるサーボ弁は、元圧弁と放圧弁とを機械的に
は相互に独立して動作するようにする一方、該２つの弁
を電気回路により互いに連動して動作するようにしたこ
とによって、前記目的を達成するものである。 〔実施例〕 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいてさらに詳細
に説明する。なお、本発明は油圧サーボ弁にも適用可能
であるが、以下の実施例は、本発明を空気圧サーボ弁に
適用した例である。 第２図は、本発明の一実施例のサーボ弁２０の機械的構
成部分を示す断面図である。ケース２１内には、仕切壁
２２により互いに仕切られた第一の部屋２３および第二
の部屋２４が形成されている。２５は管状の元圧通路材
であり、この元圧通路材２５の一端部はケース２１外に
突出し、他端部は第一の部屋２３内に侵入している。Ｊ
、た、この元圧通路材２５の中空部は元圧通路２６を形
成しており、この元圧通路２６は元圧Ｐｏを供給する元
圧供給源（図示せず）に接続されている。そして、前記
元圧通路２６の、第一の部屋２３側の端部には、弁座２
７が形成されている。 前記第一の部屋２３内には、磁性体からなる大略二重円
筒状の磁極材２８が固定されており、この磁極材２８の
内筒部２８１）と外筒部２８’ａとの間には、コイル２
９が収容されている。 前記磁極ｔＩ４２８とケース２１との間には、磁性体か
らなる円板状の磁極材３０が遊嵌されており、この磁４
！ｉＩ、１３０と弁座２７どの間には、球状の弁体３１
が収容されている。ここにおいて、本実施例では、前記
元圧通路２６、弁座２７、磁極材２８、コイル２９、磁
極材３０および弁体３１等によって元圧弁３２が構成さ
れている。 前記第一の部屋２３と第二の部屋２４とは、本体２１内
に設けられた放圧孔３４を介して連通されてＪ３す、こ
の放圧孔３４の先端部には、弁座３５が形成されている
。前記第二の部屋２４内には、磁性体からなる大略二重
円筒状の磁極材３６が固定されており、この磁極材３６
の内筒部３６ａと外筒部３６ｂとの間には、コイル３７
が収容されている。前記磁極材３６とケース２１との間
には、磁性体からなる円板状の磁極材３８が遊嵌されて
おり、この磁極材３８と弁座３５との間には、球状の弁
体３９が収容されている。ここにおいて、本実施例では
、前記放圧孔３４、弁座３５、磁極材３６、コイル３７
、磁極材３８および弁体３９等によって放圧弁４０が構
成されている。 また、前記本体２１には、第一の部屋２３に連通される
出力口４１と、第二の部屋２４を人気にに接続する間口
４２とが設けられている。 第３図は、→ノーーボ弁２０の全体を示すブロック図で
ある。４３は電気回路であり、入力電気信号ａを増幅す
る増幅器４４と、一定のバイアス電圧ｖｂを出力づる直
流電源／Ｉ５とを有してなる。そして、放圧弁４０のコ
イル３７には、増幅器４４の出力電圧Ｖが直接印加され
る一方、元圧弁３２のコイル２９には、バイアス電圧ｖ
ｂから増幅器４４の出力電圧Ｖを差し引いた電圧Ｖ　＋
　＝　（Ｖｂ−Ｖ）が印加されるようになっている。 次に、このサーボ弁の作動を、まず簡単に説明する。 元圧弁３２（放圧弁４０）において、コイル２９（３７
）に電流を流すと、磁極材２８と３０との間（磁極材３
６と３８との間）に電磁引力が作用する結果、磁極材３
０　（３８）が弁体３１（３９）を弁座２７（３５）に
向って押し、元圧弁３２〈放圧弁４０〉を閉じようとす
る。また、コイル２９　（３７）に電流を流さな（プれ
ば、前記電磁用ツノは生じないので、元圧弁３２〈放圧
弁４０）は聞かれる。 さて、元圧弁３２において磁極材２８．３０間に作用す
る電磁引力をｆｌ、弁座２７の有効断面積を△とづると
、元圧弁の弁体３１に作用する力のバランスにより、次
式が成立する。 ｐｏΔ≦ｆ　、　＋ｐ△　・（５） ただし、Ｐは出力口４１に得られる出力圧で、Ｐａ≧Ｐ
≧０である。 ここで、注意ずべきは、（５）式が必ず成立するのは、
出力圧Ｐを上昇させる過程においてのみであることであ
る。これは、元圧弁３２のみでは、空気を抜くことがで
きないので、出ノｊ圧Ｐを下げることができないからで
ある。 他方、放圧弁４０において、磁極材３６．３８間の電磁
引力をｆ２、弁座３５の有効断面積をＡ（弁座２７と同
一）とすると、放圧弁の弁体３９に作用りる力のバラン
スにより、次式が成立する。 ＰΔ≦［２・・・（６） ここで、注意づべきは、（６）式が必ず成立するのは、
出力圧Ｐを下降させる過程においてのみであることであ
る。これは、放圧弁４０は空気を放出するのみで、出ツ
ノ圧Ｐを上昇させることはできないからである。 さて、このサーボ弁２０では、入力信号ａのレベルが上
昇すると、増幅器４４の出力電圧Ｖも上昇し、元圧弁３
２のコイル２９に印加される電圧Ｖ　＋　＝　（Ｖｂ　
−ｖ　）は下降する一方、放圧弁のコイル４０に印加さ
れる電圧Ｖは上昇するので、電磁力ｆ１は減少する一方
、ｆ２は増大する。したがって、出力圧Ｐは、（５）式
によって定まるある値にまで上昇づる。 逆に、入力信号ａのレベルが下降づると、増幅器４４の
出力電圧も下降し、元圧弁のコイル２９に印加される電
圧Ｖ　＋　＝　（Ｖｂ　−Ｖ　）は上昇する一方、放圧
弁のコイル４０に印加される電圧■は下降するので、電
磁力１１は増大する一方、ｆ２は減少づる。したがって
、出力圧Ｐは、（６）式によって定まるある値にまで下
降りる。 このように、このサーボ弁２０では、出力圧Ｐが上昇づ
る過程では、そのＰの値が実質的に元圧弁３２のみによ
って決定される一方、出力圧Ｐが下降する過程では、そ
のＰの値が実質的に放圧弁４０のみによって決定される
と考えられるので、このサーボ弁２０は等価的に、第４
図のようなブロック図で表すことができる。ここＣＳＳ
はスイッチで出力圧Ｐが上昇する過程では元圧弁３２側
に、また、出力圧Ｐが下降する過程では放圧弁４０側に
自動的に切り替わるものとする。 以上のようにして、このサーボ弁２０では、入力信号ａ
と出力圧Ｐとが、（５）式および（６）式で定まる所定
の関係となる。すなわち、入力信号ａによって出力圧Ｐ
を制御できる。 また、ここにおいて、このサーボ弁２０では、元圧弁３
２と放圧弁４０とが機械的に結合されておらず、（すな
わち、機械的には独立に動作するようになっており）、
電気回路４３によりその動作をそれぞれ制御されるよう
になっているため、（ａ）ｔ！１械的に、構造が非常に
単純になり、部品点数も非常に少なくなる。 （ｂ）応答が非常に速い。 （Ｃ）前記従来装置におけるような微妙な機械的調整を
必要としない。 （ｄ　＞上述の（Ｃ）の理由により、個々のサーボ弁の
製品毎のゲインのばらつきを非常に小さくづ゛ることが
できる。 ＜８　）元圧ｐｏが変化しても機械的調整を再度やり直
す必要がない（特に後述するように適切な補償を加えて
フィードバック制御を行えば、元圧ｐｏが多少変化して
も、その影響を除去することができる）。 なお、このサーボ弁２０の裸特性にＪ５いては、出ツノ
圧Ｐを上昇させて行く場合と、下降させて行く場合とぐ
ヒステリシス現象が生じる。これは、磁極材２８，３０
，３６．３８のヒステリシス特性等を原因として生じる
ものであるが、前記ヒステリシス現象も、後述するよう
にフィードバック制御を行えば、その影響を除去するこ
とができる。 次に、このサーボ弁２０に対する気体力学的な解析を第
５図を用いて説明する。 各変数、定数を以下のように定義する。 Ｐｏ　：元圧（ｋ（１／　ｃｍｐ　） Ｐ　：出力圧（ｋｏ／ａｍ２） Ｐａ：放圧弁４０の排気圧（１ｇ７０ｍ２）■　：元圧
弁３２から放圧弁４０までの全容積（ｃｍ”　） ｇＩ　二元圧延３２における流量（ｋｇ／５）ｖｌ　：
元圧弁３２のコイル２９への供給電圧（Ｖ）ｆｌ　：元
圧弁３２における１ｊ極月間の電磁力（ｋｇ）Ｃ子１：
元圧弁３２の抵抗係数＜Ｓ） ｇ２　：放圧弁４０にＪ３ける流量（ｋｇ／ｓ　）ｖｌ
　：放圧弁４０のコイル３７への供給電圧（Ｖ）ｆ２　
：放圧弁４０における磁極材間の電磁力（ｋｇ）Ｃ（２
：放圧弁４０の抵抗係数（ｓ） ここで、各変数、定数の間には次の関係が設立する。 ｆ　＋　＝に＋　Ｖ＋　−（７） ｆ２＝に２Ｖ２　＝（８） ｄＰ／ｄｔ＝Ｋ　（！］　＋−９２〉／Ｖ　・・・（９
）ただし、Ｋｌ、に２．には比例定数である。 さて、元圧弁３２．放圧弁４０に関し、定常状態におい
てそれぞれ次の関係が成立する。　（元圧弁３２に関し
、 ＰｏＡ＝ｆ　Ｉ十ＰＡ　＋＋＋　（１０）放圧弁４０に
関し、 ＰＡ＝ｆ　２　＋ｐａ　Ａ　−（１１）流量が発生する
のは、（１０）、（１１）式が成立しないときと考える
ことができる。よって、！Ｉ＋、（＋２は ｇ＋　＝　（ＰｏＡ　、ｆ　＋　ＰＡ）／Ｃ４１・・・
（１２） Ｑ２＝（１〕八−Ｃ２−Ｐａ　Ａ）　／　Ｃ４２・・・
（１３） と表わづことができる。ここで、元圧弁３２と放圧弁４
０とが同一特性とされていることから、（４Ｈ＝　Ｃ４
２＝　Ｃ４とおくことが出来る。また、排気圧１）ａは
人気へ逃がしているため、Ｐａ＝Ｏとし、これらの関係
式を（９）式に代入すると、次式になる。 ｄＰ／ｄｔ ＝（Ｋ／Ｃ４Ｖ）　・　（ＰｏＡ　ｆ＋　ＰＡ−ＰＡ＋
ｆ　２　＞ ＝（Ｋ／Ｃ４Ｖ）　・　（Ｐｏ　Ａ−２Ｐ　ΔＫＩＶＩ
＋に２Ｖ２） ・・・（１４） 上式に４３いて、やはり元圧弁３２と放圧弁４０とが同
一特性とされているということから、Ｋ１＝に２＝に’
　とおける。よって、 （ｄ　Ｐ、／ｄｔ）　＋　（Ｋ／Ｃ＋Ｖ）　・２Ｐ△−
（ＫＫ’　／Ｃ４，Ｖ）Ｖ　２ （ＫＫ’　／Ｃ＋Ｖ）Ｖ　＋ ＋　（Ｋ／ＣＪｒ　Ｖ）Ｐｏ　Ａ ・・・〈１５） と変数分離し、両辺ラプラス変換すると、２ＡＰ　（（
Ｃ−Ｆ　Ｖ／２ＫＡ）　Ｓ　−１−１＞−に’、（Ｖ　
＋　Ｖ　２　）　＋ｐｏ△　・（１６）となる。（１６
）式をブロック線図で表わすと、第６図のようになる。 ただし、Ｋ′はに＋　、Ｋ２に分けて示しである。 なお、入力信号の電圧がＯのときに、出力圧ＰをＯにす
るには、ＰｏＡの力を打ち消すために、元圧弁３２への
供給電圧にあらかじめバイアス電圧を加えておかなけれ
ばならない。そこで、サーボ弁２０全体のブロック線図
は、第７図のようになる。ただし、 Ｔ＝Ｃ千　Ｖ／２ＫＡ　（１７） Ｋ″　−１／２Ａ　（１８） としている。 なお、前記実施例では、／ｊｋ圧弁圧延の出口側を大気
に接続しているが、この放圧弁４０の出口側を真空ポン
プに接続すれば、出力圧Ｐを正圧から負圧にまで制御す
ることができる。 次に、本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動制
御系について説明する。 第８図は本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動
制御系の一実施例のブロック図である。 この第８図において、サーボ弁は、後で詳しく説明する
電気回路５０．並びに前記第２図と同一構造の元圧弁３
２および放圧弁４０によって構成されている。５１は、
出力口４１に得られる出力圧Ｐを検出して電気信号であ
る主フイードバツク信号すに変換する変換部である。５
３は目標値を示づ入力信号ａと主フイードバツク信号す
とを比較し、これらの差、すなわち制御偏差を示す制ｍ
＋ｉ差信号Ｃを出力する比較部である。 前記電気回路５０は、補償回路５４．５５と、直流電源
５６とを有してなる。補償回路５４．５５は後述する補
償動作を行うものであり、共に制＠＠差信号Ｃを入力す
る。そして、元圧弁３２には、直流電源５６より印加さ
れるバイアス電圧Ｖｂから補償回路５４の出力電圧を差
し引いた電圧が印加される一方、放圧弁４０には、補償
回路５５の出力電圧がそのまま印加されるようになって
いる。 第９図は、第８図のブロック図を第６．７図と同じ形に
描き替えたブロック線図である。 さて、第８図において、補ＩＲ回路５４．５５を単なる
比例補償要素とする場合、ずなわら、第９図において、 Ｈ＋＝Ｋｌｌ＋（定数） Ｈ２＝ＫＤ２（定数） とし、単なるゲイン補償を行う場合は、比例ゲインＫｐ
＋、Ｋｐ２をある程度以−ト小さくすると、一般に制御
誤差を小さくすることは困難となり、元圧ｐｏの変動の
影響も受けやすくなるが、比例ゲインＫｌ）Ｉ、ＫＤ２
を十分大きくすれば、制御精度を良好にすることができ
、かつ元圧ｐｏが多少変動しても、その影響を除去でき
、また系を安定にすることができる。 また、補償回路５４．．５５を積分補償要素と覆る場合
、づなわら、第９図において、 １１＋　＝　１　／Ｔ＋　９ Ｈ２＝１／Ｔ２Ｓ とし、積分補償を行う場合には、定常偏差をＯとし、制
御精度を良好にすることができ、かっ元圧ｐｏが多少変
動しても、その影響を除去できるが、発振を生じやすく
なる。 また、補償回路５４．５５を位相遅れ補償要素とする場
合、すなわら、第９図において、Ｈ＋　＝　１　／　（
１＋　Ｔ　＋　Ｓ　）Ｈ２＝　１　／　（１＋Ｔ　２　
Ｓ　）とし、位相補償を行う場合には、制御精度を割合
良好にすることができ、かつ元圧ｐｏが多少変動しても
ぞの影響を除去でき、また系を安定にすることができる
。 さらに、補償回路５４．５５を微分・積分補償要素とす
る場合、りなわら、第９図において、ト１＋　＝　（１
＋Ａ＋　Ｓ　）／Ｔ＋　５ｌ−ｔ２＝（１＋へ２　３　
）　／Ｔ２　ｓとし、微分・積分補償を行う場合には、
制御精度を非常に高精度とすることができ、元圧ｐｏが
多少変動してもその影響を除去できるとともに、系を安
定にすることができ、しかも、応答性をより一層良好に
することができる。 なお、前記実施例では、圧力をフィードバックする例を
示したが、このサーボ弁によって動作されるアクチュエ
ータの変位その他をフィードバックしてもよいことは言
うまでもない。 〔発明の効果〕 以上のように本発明にＪこるり一−ボ弁は、（ａ）機械
的椙造が非常に単純になり、部品点数も非常に少なくな
る。 （１））応答が非常に速い。 （Ｃ）従来装置におけるような微妙な機械的調整を必要
としない。 （ｄ　）上ｊホの（Ｃ）の理由により、個々のサーボ弁
の製品毎のゲインのばらつきが大き（なる虞かない。 （ｅ）元圧が変化しても機械的調整を再度やり直１必要
がない。 という優れた効果を得られるものである。 ４、図面の簡単な説明 第１図は従来の空気圧サーボ弁を示ター断面図、第２図
は本発明によるサーボ弁の一実施例における機械的構成
を示す断面図、第３図は前記実施例を示すブロック図、
第４図は前記実施例を別の形で示づ一ブロック図、第５
図は前記実施例の気体力学的な解析の説明図、第６図、
７図は前記実施例をざらに別の形で示すブロック線図、
第８図は本発明によるサーボ弁を用いて構成される自動
制御系の実施例を示すブロック図、第９図は前記自動制
御系の実施例を別の形で示すブロック線図である。 ２０・・・サーボ弁、３２・・・元圧弁、４ｏ・・・放
圧弁、４′１・・・出力口、４３．５０・・・電気回路
。 手　続　嗜１）　正　書く方式） 昭和５９年１１月２７日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５８年　特許１ｔ（ｉ　第９６９２６号２、発明の
名称 サーボ弁 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都港区芝２丁目１９番６号６、補正により
増加する発明の数　０ ７、補正の対象 図面の第５図ａ３よび９図 ８、補正の内容 図面の滲出（内容に変更なし）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入口側に元圧を供給される元圧弁と、出口側を前記元圧
   より低い圧力に維持され、かつ機械的には前記元圧弁と
   独立に動作り゛る放圧弁と、前記元圧弁の出口側および
   前記放圧弁の入口側に接続された出力口と、入力信号が
   、前記出力口に得られる出力圧を上昇させるべき方向に
   変化したときは、前記元圧弁を、該元圧弁の入口側と出
   口側との圧力差が小さくなる方向に動作させるとともに
   、前記放圧弁を、該放圧弁の入口側と出口側との圧力差
   が大きくなる方向に動作させる一方、前記入力信号が、
   前記出力圧を下降させるべき方向に変化したときは、前
   記元圧弁を、該元圧弁の入口側と出口側との圧力差が大
   きくなる方向に動作させるとともに、前記放圧弁を、該
   放圧弁の入口側と出］］側との圧力差が小さくなる方向
   に動作させる電気回路とを有してなるサーボ弁。