JPS63130980A - 位置フイ−ドバツク型電磁式流量調整弁 - 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】 （産業上の利用分野〉 本発明は、スプール位置検出に基づいた比例ソレノイド
によるスプールのフィードバック制御で流量を調整する
位置フィードバック型電磁式流量調整弁に関する。

（従来技術） 従来、この種の電磁式流量調整弁としては、例えば第５
図に示すものが知られている。

第５図において、１は流量制御のために弁開度を調整す
る主スプール、２は主スプールを駆動する比例ソレノイ
ド、３は比例ソレノイド２の可動鉄心に固設されて主ス
プール１の開度位置を検出する位置センサ（ＬＶＤＴ）
である。

その流量調整は、指令入力と位置センサ３で検出した主
スプール１の開度位置とに基づく制御信号（偏差信号）
に応じた駆動電流を比例ソレノイド２に流すフィードバ
ック制御を行ない、比例ソレノイド２の吸引力により主
スプール１を入力指令に応じた開度位置に高精度で制御
し、入力指令に応じた流量を負荷に供給するようになる
。

更に主スプールの前後圧力Ｐ１．Ｐ２を導入した圧力補
償ピストン４を内蔵しており、主スプール１の前後差圧
ΔＰ　（＝Ｐ１−Ｐ２＞をセットスプリング５で定まる
一定値に保つことで、主プール１による制御流量を一定
に保つようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の電磁式流量調整弁にあ
っては、圧力補償ピストン４の撮動的な動きを防止する
ために、前後圧力Ｐ１．Ｐ２の導入油路６，７は損失抵
抗を持たゼるために細くしたりチョーク部材（抵抗部材
〉を設けるようにしていたため、圧力補償ピストン４に
ダンピングがかかって動きが遅くなり、入力指令により
流量を変更した場合、比例ソレノイド２により主スプー
ル１の高速動作が行なわれたとしても、圧力補償ピスト
ン４の応答速度が遅いことから、設定変更後の流量に落
ち付くまでの時間遅れが大きいという問題があった。

更に従来の位置センサのフィードバック量によるスプー
ル制御にあっては、流体粘度の影響を受けて流量係数が
一定とならない小流量域及び弁内の通路圧損（圧力補償
ピストン４と主スプール１の間の油路等）が影響する大
流量域で直線性が悪くなり、ドリフトを生ずるという問
題がめった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、圧力補償ピストンに応答遅れがあっでも、この応
答遅れに影響されることなく主スプールの動作に追従し
た高速応答による流量制御ができ、しかも小流量域や大
流量域でのドリフトを無くして直線性が得られるように
した高精度の位置フィードバック型電磁式流量調整弁を
提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、開度調整に
より流量を制御する主スプールと、この主スプールを駆
動する比例ンレノイドと、主スプールの開度位置（Ｘ＞
を検出する位置センサと、主スプールの前後差圧（ΔＰ
）を略一定に保つように作動する圧力補償ピストンとを
備え、入力指令（Ｑｓ　）と前記位置センサの検出位置
（Ｘ＞とに基づいて比例ソレノイドをフィードバック制
御する位置フィードバック型電磁式流量調整弁において
、圧力補償ピストンに作用する主スプールの前後差圧（
ΔＰ）を検出する差圧センサと、少なくとも位置センサ
の検出位置（Ｘ）と差圧センサの検出差圧ΔＰとに基づ
いて実流ｍ＜ｏ＞を演算して前記流量制御のフィードバ
ック量として出力する流量演算手段とを設けるようにし
たものでおる。

更に、流量演算手段としては、スプール位置（Ｘ）及び
前後差圧（ΔＰ）に加えて流体温度（Ｔ＞を用いた実流
量の演算を行なうようにしたものである。

（作用） このような本発明の構成によれば、例えば流量零の状態
から設定流ｆｆ１（Ｑｓ＞を与える入力指令を出したと
きには、入力指令に応じた比例ソレノイドの駆動で主ス
プールは設定流ｔｉ（Ｑｓ）を与える開度位置に高速駆
動されるが、ダンピング機能をもった圧力補償ピストン
は主スプールの前後差圧ΔＰを一定に保つ動作に応答遅
れを生じ、主スプールを設定流量（ＱＳ　）に応じた位
置に駆動しても実流量は圧力補償ピストンによる応答遅
れを生ずる。

このとき本発明にあっては、位置センサで検出した主ス
プールの位置（Ｘ＞と差圧センサで検出した応答遅れを
もった検出差圧（ΔＰ）から、例えば Ｑ＝Ｃ−Ｆ　（Ｘ）　　・２で 但し、Ｃは流量係数（定数） Ｆ　（Ｘ）は検出位置Ｘで決る開口面積ρは流体密度（
定数） として実流量（Ｑ）を演算し、この実流量（Ｑ）を流量
制御のフィードバック量として出力するようになること
から、比例ソレノイドはフィードバック制御における流
量偏差へ〇＝ＱＳ　−Ｑ分だけ余分にスプール開度を開
くように駆動され、圧力補償ピストンによる前後差圧を
一定に保つ制御に応答遅れがあっても主スプールの高速
動作をもって入力指令による設定流量（ＱＳ　）を直ち
に得る高速流量応答が実現される。

更に、実流量（Ｑ＞の演算における流量係数（Ｃ）や流
体密度（ρ）を定数として取扱わずに、流体温度（Ｔ＞
に応じた値とすることで、高速流量応答は勿論のこと、
流量係数が一定とならない小流量域及び油路圧損失が影
響する大流量域でのドリフトを完全に取り除いた高精度
の流量制御ができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した断面図である。

まず構成を説明すると、８はバルブボディで必り、バル
ブボディ８内には流量調整用の主スプール１が組込まれ
、主スプール１は側方に設けた比例ソレノイド２の電流
駆動による吸引力を受けて入力指令で定まる開度位置に
制御される。比例ソレノイド２の外側には開度センサ３
が設置され、開度センサ３は比例ソレノイド２の可動鉄
心に固設されることで主スプール１の開度位置（Ｘ）を
検出するようになる。

更に、主スプール１の具体的構造を説明すると、主スプ
ール１はテーパ状の弁部９を一体に備えたランド１ａと
、ランド１ａに対し所定距離離れて一体に形成されたラ
ンド１ｂを備え、主スプール１の左側にはリターンスプ
リング］Ｏが組込まれ、主スプール１の右側には比例ソ
レノイド２における可動鉄心の先端が当接している。

主スプール１に対する油路としては、圧力補償ピストン
４側からの入口油路１１が図示の主スプール１の初期位
置（流量零）でランド１ａに閉鎖されるようにスプール
穴に開口しており、更にランド１ａと１ｂの間から出口
油路１２が外部に取出されている。また、主スプール１
の両側の部分はスプール内の内部油路１３により連通さ
れ、リターンスプリング１０の組込み側よりタンクに連
通されている。

次に、主スプール１に対する入口油路１１の途中に設け
られた圧力補償ピストン４は、右端に大径の差圧ピスト
ン部１４を備え、この差圧ピストン部１４の左側の液室
にピストンの内部油路１５を介して主スプール１に対す
る入口油路１１の圧力Ｐ１を導入しており、差圧ピスト
ン部１４の右側の液室には油路１６をもって主スプール
１の出口油路１２の液圧Ｐ２を導入している。また、差
圧ピストン部１４の右側にはセットスプリング１７が組
込まれる。更に、圧力補償ピストン４の左側には所定距
離を離してランド４ａと４ｂが一体に形成されており、
ランド４ｂは単なるガイドであるが、ランド４ａが環状
溝１８との間の開度を調整して主スプール１の前後差圧
ΔＰを一定値に保つようになる。

即ち、圧力補償ピストン４はセットスプリング１７のス
プリング荷重をＦとすると、 Ｆ＝Ｐ１−Ｐ２ を保つようにランド４ａと環状溝１８との絞り開度を制
御し、その結果、主スプール１の前後差圧ΔＰをセット
スプリング１７で定まる一定差圧に保つようになる。

勿論、圧力補償ピストン４に対し主スプール１の前俊圧
力Ｐ１．Ｐ２を導入するスプールの内部流路１５及び油
路１６のそれぞれは、圧力補償ピストン４の撮動的な動
きを防止するため細い油路として形成されており、これ
によって圧力補償ピストン４はダンピングを受けること
となり、主スプール１の前後差圧ΔＰの急激な変動に対
しては応答遅れをもつようなる。

このような構造は従来例と同じであるが、これに加えて
本発明にあっては、圧力補償ピストン４に作用する主ス
プール１の前後差圧ΔＰを検出する差圧センサ２０を設
けている。この差圧センサ２０は主スプール１に対する
入口油路１１の液圧を油路２１により導入した圧力セン
サ２０ａと、主スプール１の出口油路１２の液圧を油路
２２により導入した圧力センサ２０ｂを備え、圧力セン
サ２０ａと２０ｂの検出圧力の差分として前後差圧ΔＰ
を検出する。

第２図は第１図の実施例に用いられる流量制御手段の一
実施例を示したブロック図である。

第２図において、２３は設定流量（Ｑｓ＞を与える指令
入力を（＋）入力端に受けた駆動アンプであり、駆動ア
ンプ２３の制御出力（電流出力）は比例ソレノイド２に
与えられている。比例ソレノイド２による主スプール１
の動きは機械的に開度センサ３に与えられており、開度
センサ３で検出されたスプール位置＜Ｘ＞は実流ｆｉ（
Ｑ）を演算する演算器２４に与えられている。この演算
器２４に対しては圧力補償ピストン４に作用する主スプ
ール１の前後差圧（ΔＰ）を検出する差圧センサ２０の
検出出力が与えられており、演算器２４は検出位置（Ｘ
）と検出差圧（ΔＰ）に基づいて主スプール１の駆動で
得られた実流ｍ（Ｑ”）を演算し、演算器２４で演算さ
れた実流量（Ｑ）は駆動アンプ２３の（−）入力へ流量
制御におけるフィードバック量として与えられている。

ここで、演算器２４による実流ｔｉ　（Ｑ）の演算原理
を説明すると次のようになる。

演算器２４に対しては、開度センサ３で検出された主ス
プール１の開度位置（Ｘ＞及び差圧センサ２０で検出し
た主スプールの前後差圧（ΔＰ）が与えられることから
、主スプール１の制御流量Ｑは次式で与えられる。

Ｑ＝Ｃ−Ｆ　（Ｘ）・Ｆ■■Ｔ７万　・・・（１）但し
、Ｃ：流量係数 Ｘ：弁開度 ΔＰ：差圧 ρ：流体密度 この第（１）式におけるＦ　（Ｘ）はスプール開度位置
（Ｘ＞に基づいて得られる弁開口面積であり、説明を簡
単にするため、主スプール１における弁部９の開口面積
はストローク（Ｘ＞に対し比例関係にあるものとすると
、 Ｆ（Ｘ）＝に−Ｘ　　　　・・・（２）但し、Ｋはに＝
πＤｓｉｎθで決まる定数として一義的に開度センサ３
から得られるストローク（Ｘ＞に基づいて定まる。

ここで、前記第（１）式における流量係数（Ｃ＞、流体
密度（ρ）をそれぞれ定数として取扱うものとすると、
前記第（１）、（２＞式より弁開度（ストローク）Ｘと
前後差圧ΔＰにより一義的に主スプール１の制御流量（
実流量）Ｑを演算することができる。

次に、上記の実施例による流量調整の作用を説明する。

第３図は小流１（Ｑｌ）から中流量（Ｑ２）に設定流量
を変更したときの主スプール１による実流１（Ｑ）の変
化、圧力補償ピストン４の動き、及び主スプール１の動
きを従来例と対比して示したもので、第３図（ａ）が従
来例を、第３図（ｂ）が本発明を示す。

即ち、小流量（Ｑｌ）より中流量（Ｑ２〉に変更する入
力指令を時刻ｔｏで与えたとすると、比例ソレノイド２
は変更前の小流ｍ　（Ｑｌ）と変更後の中流＠（Ｑ２＞
との偏差流量（ΔＱ）に応じた駆動電流を比例ソレノイ
ド２に供給し、比例ソレノイド２の吸引力により主スプ
ール１は中流量（Ｑ２）に対応したストローク（×２）
に高速駆動される。

このような主スプール１の高速駆動に対し圧力補償ピス
トン４は前後差圧（ΔＰ）を一定に保つように環状溝１
８とランド４ａの絞り開度を広げるように移動していく
が、その移動速度はスプール１の高速駆動に追従できず
、主スプール１の開度に見合った補償開度とはならない
。

このため第３図（ａ＞に示すように、従来の流量調整に
あっては、圧力補償ピストン４の応答遅れを直接受けて
主スプールの高速駆動後の時刻ｔ１で実流ｆｆｌ　（Ｑ
）が入力指令に応じた設定流量（Ｑ２）に達するように
なる。

これに対し本発明にあって、主スプール１の高速駆動で
設定流量（Ｑ２）に対応したストローク（ｘ２）が開度
センサ３で検出されると、演算器２４はそのとき差圧セ
ンサ２０で検出している追従遅れをもった圧力補償ピス
トン４の前後差圧（ΔＰ）を検出しており、演算器２４
は前記第（１）式に基づいた実流量（Ｑ）を演算するこ
ととなり、この実流量（Ｑ）は圧力補償ピストン４の追
従遅れ分だけ中流ｆｆ１（Ｑ２＞に対し低い値となり、
その結果、駆動アンプ２３は入力指令に応じた設定中流
！（Ｑ２＞にそのときの実流量（Ｑ）との流量偏差（Δ
Ｑ）分だＧプ上乗せした駆動電流を比例ソレノイド２に
流し、第３図（ｂ＞に示すように主スプール１は圧力補
償ピストン４の追従遅れを補う形で余分にストロークす
る。この結果、圧力補償ピストン４に追従遅れがあって
も、主スプール１の高速応答で定まる時刻ｔ１において
、設定中流量（Ｑ２）を得ることができる。そして、時
刻ｔ１で設定中流量（Ｑ２）が得られると、圧力補償ピ
ストン４の追従遅れの回復に応じて主スプール１は余分
にストロークした分だけ徐々に戻され、圧力補償ピスト
ン４による主スプール１の前後差圧（ΔＰ）を一定に保
つ制御状態が得られると、設定中流量（Ｑ２）に対応し
たストローク（×２）を保持するようになる。

再び第２図を参照するに、演算器２４に対しては開度セ
ンサ３及び差圧センサ２０の検出出力にｈａえて主スプ
ール１を流れる油の４Ｋを検出する温度センサ２５の検
出出力を与えるようにしてもよい。

この温度センサ２５の検出温度（Ｔ＞を用いた実流量（
Ｑ）の演算により、温度の影響を受けて流量係数（Ｃ）
が一定とならない小流量域、及び弁内の通路圧損が影響
する大流量域での流量制御の直線性を補償して高精度の
流量制御を行なうことができる。

即ち、温度センサ２５の検出温度（Ｔ＞を用いた演算器
２４による実流量（Ｑ）の演算にあっては、前記第（１
）式における流量係数（Ｃ）及び流体密度（ρ）とを定
数として取扱わず、検出温度（Ｔ）に基づいて流量係数
（Ｃ）や流体密度（ρ）を演算し、これによって実流量
（Ｑ）を求めるようになる。

この温度センサ２５による油温度（Ｔ＞の検出に基づく
実流１（Ｑ）の演算において、まず流量係数（Ｃ）はレ
イノルズ数（Ｒｅ＞により変化する値をもち、流量係数
（Ｃ）は次式で与えられる。

１／ｎ Ｃ＝に−Ｒｅ　　　　　・・・（３） 更に、第（３）式で与えられるレイノルズ数Ｒｅは、 Ｒｅ＝Ｘ−Ｖ／ν　　・・・（４〉 但し、■＝流速 シ：動粘度 となる。ここで、流速（Ｖ）は、 Ｖ＝＋１　　・・・（５） で与えられ、動粘度（ν）は、 ｌ０Ｑ１ｏ　ｌ０ｇ１ｏ　（ν十Ｃ１）　＝−ｎｌｏ０
１０Ｔ＋　Ｃ２・・・（６） となり、この第（６）式から明らかなように、レイノル
ズ数（Ｒｅ）の演算に用いる動粘度νは流体温度（Ｔ＞
によって変動する。そこで、演算器２４にあっては前記
第（６）式を解くことにより流体温度（Ｔ）で補正した
動粘度（ν）から前記第（４）式のレイノルズ数（Ｒｅ
）を求め、更に前記第（３）式によって流量係数（Ｃ）
を求めることになる。

一方、流体密度（ρ）は流体温度（Ｔ）により変化し、
この流体密度（ρ）の温度（Ｔ＞に対する変化は次式で
与えられる。

ρ＝ρｏ（１＋ＡΔＴ−ＢΔＴ　　）　　−−−＜７＞
ここで、ＢΔＴ２＝Ｏとして無視すると、ρ＝ρｏ　（
１＋ＡΔ丁）　　・・・（８）となる。従って、演算器
２４にあっては流体の検出温度（Ｔ＞に基づいて前記第
（８）式から検出温度（Ｔ）により補正された流体密度
（ρ）を用いて前記第（１）式の流量計算を行なうよう
になる。勿論、検出温度（Ｔ＞により補正された流体密
度（ρ）は前記第（５）式における流速Ｖの演算にも用
いられるようになる。

このような流体温度（Ｔ＞に基づく流量係数（Ｃ）、及
び流体密度（ρ）の検出により、流体温度（Ｔ）により
流体密度（ρ）が変化し、且つ流体密度の影響を受けて
流量係数（Ｃ）が一定とならない小流量域、及び弁内の
通路圧力損が影響する大流量域のいずれにおいても、流
量制御の直線性が補償され高精度の流量制御を行なうこ
とができる。

第４図は本発明の他の実施例を示した断面図でおり、こ
の実施例は主スプールの駆動をパイロット駆動とし、更
にリリーフ型圧力補償ピストンを用いたことを特徴とす
る。

第４図において、主スプール１は両側にパイロット液室
２６ａ、２６ｂを備え、このパイロット液室２６ａ、２
６ｂに対してはパイロット油路２７ａ、２７ｂを介して
パイロットスプール２８ｈ１らのパイロット液圧が供給
されている。パイロットスプール２８は比例ンレノイド
２により駆動され、パイロット液室２６ａ、２６ｂに対
するパイロット圧の差圧に応じた主スプール１における
ポペット弁部９ａの弁開度をもたらす。尚、第４図の実
施例における主スプール１はポペット弁部９ａで開度制
御を行なうことから、全開が可能である。

一方、主スプール１の左側には位置センサ３が設けられ
、パイロットスプール２８に基づく主スプール１の弁開
度（ストローク）Ｘを検出する。

尚、パイロット油路２７ａに対してはパイロット油圧源
２９が接続される。

一方、主スプール１に対する入口油路１１と並列にはリ
リーフ型圧力補償ピストン３０が設けられる。リリーフ
型圧力補償ピストン３０は差圧ピストン部３２の左側に
主スプール１の入口圧力Ｐ１を導入し、右側に油路１６
によって主スプール１の出口圧力Ｐ２を導入しており、
この出口圧ツクＰ２の導入部にはセットスプリング３３
が組込まれている。また、リリーフ型圧力補償ピストン
３０の左側にはランド３０ａがガイド用として形成され
、ランド３０ａの左側の液室は内部油路３４により入口
圧力Ｐ１が導入されている。

主スプール１に対する入口油路１１に対しては、外部に
設けた固定吐出向ポンプ３５からの液圧が供給されてお
り、主スプール１のパイロットスプール２８に基づく移
動で得られた通過流量に対する前後差圧ΔＰを一定に保
つようにリリーフ型圧力補償ピストン３０のリリーフ動
作、即ち入口圧力Ｐ１の制御が行なわれる。

このリリーフ型圧力補償ピストン３０を用いた流量調整
弁にあっては、リリーフ動作による余剰流量はすべてタ
ンクに戻す形であり、固定吐出ポンプ３５の吐出圧力は
負荷圧力や圧力補償ピストンの差圧により運転される省
エネ運転となる。

そして、主スプール１における入口圧力Ｐ１及び出口圧
力Ｐ２のそれぞれは油路２１，２２を介して差圧センサ
２０にお【プる圧力センサ２０ａ。

２０ｂに導入されて前後差圧（ΔＰ）を検出するように
しており、更に固定吐出量ポンプ３５を接続した入口油
路１１の流入部分には温度センサ２５が設置され、流体
温度（Ｔ＞を検出できるようにしている。

この第４図のパイロットスプール２８により制御される
主スプール１及びリリーフ型圧力補償ピストン３０を備
えた流量調整弁にあっても、第２図に示した流量制御手
段を用いることで、リリーフ型圧力補償ピストン３０に
応答遅れがおっても、パイロットスプール２８による主
スプール１の動きに応じた高速流量制御ができ、更に温
度センサ３５で検出した流体温度（Ｔ＞に基づく流量係
数（Ｃ）や流体密度（ρ）を用いた実流量（Ｑ）の演算
により、小流量域及び大流量域で高精度の流量制御を行
なうことができる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、主スプールの
前後差圧を一定に保つ圧力補償ピストンに応答遅れがあ
っても、少なくとも主スプールのストローク（開度位置
）と前後差圧に基づいた実流量を演算して流量制御のフ
ィードバック量として出力するようにしたため、圧力補
償ピストンの追従遅れによる不足流量を主スプールの駆
動で補って比例ソレノイドによる主スプールの動作に見
合った高速流量制御を行なうことができる。

また、フィードバック量として演算する実流量の演算に
おいて、流体温度を検出して流量係数や流体密度を求め
ることで、流体温度によって流量係数が変動する小流量
域においても、また油路圧力損の影響を受ける大流量域
においても、極めて精度の高い流量制御を行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第２図は本
発明の流量制御手段の一実施例を示したブロック図、第
３図は本発明の流量制御における流量変化、圧力補償ピ
ストン及び主スプールの動きを従来例と対比して示した
特性図、第４図は本発明の他の実施例を示した断面図、
第５図は従来例を示した断面図である。 １：主スプール ２：比例ンレノイド ３：位置センサ ４：圧力補償ピストン ８：バルブボディ ９：弁部 ９ａ：ポペット弁部 １ｏ：リターンスプリング １１：入口油路 １２：出口油路 １３．１５：内部油路 １４．３２：差圧ピストン部 １７．３３：セットスプリング １８：環状溝 ２０：差圧センサ ２０ａ、２０ｂ：圧力センサ ２３：駆動アンプ ２４：演算器 ２５：温度センサ ２６ａ、２６ｂ：パイロット液室 ２７ａ、２７ｂ：パイロット油路 ２８：パイロットスプール ３０：リリーフ形圧力補償ピストン ３５：固定吐出量ポンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）開度調整により流量を制御する主スプールと、該
   主スプールを駆動する比例ソレノイドと、前記主スプー
   ルの開度位置を検出する位置センサと、前記主スプール
   の前後差圧を略一定保つように差動する圧力補償ピスト
   ンとを備え、入力指令と前記位置センサの検出位置とに
   基づいて前記比例ソレノイドをフィードバック制御する
   位置フィードバック型電磁式流量調整弁に於いて、 前記圧力補償ピストンに作用する主スプールの前後差圧
   を検出する差圧検出手段と、少なくとも前記位置センサ
   の検出位置と前記差圧センサの検出差圧とに基づいて実
   流量を演算して前記流量制御のフィードバック量として
   出力する流量演算手段とを設けたことを特徴とする位置
   フィードバック型電磁式流量調整弁。
2. （２）前記流量演算手段は、主スプールの検出位置、主
   スプールの前後差圧及び流体温度に基づいて流量を演算
   する手段を備えた特許請求の範囲第１項記載の位置フィ
   ードバック型電磁式流量調整弁。