KR20160098056A

KR20160098056A - 유체 서보 밸브 및 유체 서보 장치

Info

Publication number: KR20160098056A
Application number: KR1020160014022A
Authority: KR
Inventors: 데르오 마루야마; 고조 오카모토; 다쿠미 오카다; 사토키 야마구치; 마사타카 나카시마
Original assignee: 독쿄키키 가부시키가이샤
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2016-08-18
Also published as: US11335491B2; TWI691667B; US10465816B2; CN105864135B; JP6628968B2; JP2016148373A; CN105864135A; US20200018418A1; TW201629378A; KR102622059B1; US20160228889A1

Abstract

균일한 성능을 얻을 수 있도록 하기 위해서 전자석, 플래퍼(flapper), 요크재(yoke material)에 의해 폐루프 자기 회로(closed loop magnetic circuit)를 구성하여, 상기 전자석의 자극(磁極)과 상기 플래퍼 사이에 발생하는 맥스웰(Maxwell)의 흡인력에 의해, 플래퍼 자신을 탄성 변형시키고, 상기 노즐과 상기 플래퍼와의 이격거리(離隔距離)를 가변시키는 것으로, 유체 압력과 유량을 제어한 것이다. 종래 서보 밸브(servo valve)와 같이, 지지점을 중심으로 슬라이딩 운동하는 강체 플래퍼 구조와는 달리, 자기 갭의 변화가 직접 에어 갭(air gap)의 변화가 되도록, 상기 전자석, 상기 자극, 상기 노즐, 상기 플래퍼 등을 구성했다.

Description

유체 서보 밸브 및 유체 서보 장치{FLUID SERVO VALVE AND FLUID SERVO APPARATUS}

본 발명은, 유체 압력·유량을 제어하기 위한 유체 제어 기기에 관한 것으로, 상세하게는 축방향 구동 기구에 의해, 플래퍼(flapper)와 노즐간을 상대 이동시키는 것으로, 유체의 압력·유량을 제어하는 유체 서보 밸브(fluid servo valve)에 관한 것이다. 및, 이 유체 서보 밸브를 탑재한 유체 서보 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 프로세스, 액정 제조 프로세스, 정밀 기계 가공 등의 여러가지 분야에서, 미세한 외란 진동(disturbance vibration)을 차단·억제하기 위한 진동 제어의 이용이 확산되고 있다. 상기 프로세스에서 이용되는 주사형 전자 현미경, 반도체 노광 장치(스테퍼(stepper)) 등의 미세 가공·검사 장치는, 장치의 성능을 보장하기 위한 엄격한 진동 허용 조건이 요구된다. 외란 진동의 영향을 받기 쉬운 장치를 액추에이터(actuator)로 지지함과 함께, 상기 진동을 감쇄하도록 액추에이터를 제어하는 액티브 타입의 정밀 제진대(除振臺)가 이용되어 왔다.

공기압 액추에이터를 이용한 공기압 서보 장치인 액티브 제진대에 있어서, 액추에이터의 압력과 유량 제어를 행하기 위해서, 노즐 플래퍼 밸브가 이용되어 왔다. 도 49는, 종래 서보 밸브 공통의 작동 원리를 모델화한 구조도를 나타내는 것이다. 서보 밸브의 구성은 크게 나누어, 액추에이터 부(actuator part)(A-1)와 유체 제어부(B-1)로 나눌 수 있다. 액추에이터 부(A-1)에 있어서, 551은 마그넷(영구자석), 552는 코일, 553은 이 코일을 수납하는 보디, 554는 플래퍼, 555a, 555b는 선단을 대항시켜서 장착된 한 쌍의 요크(yoke), 556은 액추에이터측의 플래퍼 선단부이다. 557은 시일 부재를 겸한 판 스프링, 558은 상기 판 스프링의 지지 중심부이다.

유체 제어부(B-1)에 있어서, 560은 순방향 노즐, 561은 역방향 노즐, 562는 유체 제어부측의 플래퍼 선단부이다. 563은 공급구, 564는 배기구, 565는 부하구(제어 포트), 566은 제어실이다.

공급압(P_s)의 기체는 순방향 노즐(560)을 거쳐서 제어실(566)로 공급된다. 동시에 제어실(566)내의 기체는 역방향 노즐(561)을 거쳐서 대기에 유출된다. 상기 순방향 노즐로부터의 유입량과 상기 역방향 노즐로부터의 유출량과의 차이에서, 제어실(566)내의 제어압(P_a)과 부하구(565)로부터의 유출량이 결정된다. 단, 실제로 사용되는 서보 밸브의 구조는, 영구자석의 자기(磁氣) 회로와 전자석의 자기 회로가, 직교하여 배치되는 3차원 구조로 되어 있다. 상기 공기압 서보 밸브의 기본 구조는, 긴 역사를 가지는 유압 서보 밸브의 기술을 응용하여 파생적으로 만들어진 것으로, 전기(電氣) 유압 제어 밸브의 1차 제어 밸브(파일럿 밸브)로서 이용되고 있는 것이다.

일본 공개특허공보 2006-283966호 일본 공개특허공보 2007-155038호 일본 공개특허공보 평11-294627호 일본 특허공보 제4636830호

1. 공기압 서보 밸브에 요구되는 조건

한편, 액티브 제진대를 구성하는 중요한 기간(基幹) 요소인 공기압 서보 밸브에 요구되는 조건은 다음과 같다.

(1) 고속 응답성

(2) 공기압 서보 밸브의 1차 공진점은 충분히 높고, 수백 Hz 이상일 것

(3) 선형성…밸브 구동 전류에 대한 유량, 및 발생 압력이 직선적 비례 관계에 있음

상기 (1)의 이유는 다음의 같다. 예를 들어, 제진 테이블상에 탑재되는 스테이지가 발진·정지될 때에는, 질량 이동에 의한 구동반력(驅動反力)이 직동외란(直動外亂)으로서 스테이지 설치면인 정반(定盤)에 입력된다. 이 경우, 스테이지의 가속도 신호를 이용하여, 제진 장치에 스테이지·피드 포워드(feedforward) 제어를 실시하는 것으로써, 가속·감속시에 있어서의 정반 진동을 감소시킬 수 있다. 정반 진동을 신속하게 수렴시키기 위해서는, 공기압 액추에이터를 구동하는 공기 밸브에 높은 응답성이 요구된다.

상기 (2)의 이유는, 다음의 같다. 공기압 액티브 제진계(除振系)의 응답성은, 수 Hz ~ 십 수 Hz의 등급(order)임에도 불구하고, 서보 밸브에 수백 Hz가 높은 공진 주파수가 필요한 이유는, 공기압 액티브 제진계 고유의 요구에 근거하는 것이다. 액추에이터의 공기 스프링과 탑재 질량으로 결정되는 공진점의 피크를 저감시키기 위해서, 액티브 제진대에서는 가속도 피드백 제어의 적용은 필수이다. 그러나 가속도 피드백 제어를 실시했을 경우, 액티브 제진계의 개루프(open loop) 특성은, 넓은 주파수 범위에서 게인이 증대됨과 함께, 위상(phase)이 지연되는 특성이 된다. 그 결과, 공기압 서보 밸브의 공진점에 있어서, 게인 마진(gain margin)과 위상 마진(phase margin)이 저하된다. 서보 밸브의 공진점이 낮은 경우, 액티브 제어계는 충분한 성능을 발휘할 수 없다. [상세한 사항은 본 명세서의 보충 [2] 참조]

상기 (3)의 이유는 다음의 같다.

서보 밸브는 유체 서보 장치(액티브 제진대)의 제어계를 구성하는 한 요소이기 때문에, 전류의 변화분에 대한 유량의 변화분의 비율은 유량 게인으로서, 개루프 게인 중에 넣어진다. 서보 밸브의 유량 특성이 비선형의 경우, 액티브 제진대 전체의 안정성 여유도를 예측하기 위한 개루프 게인은, 유량 게인의 최대치로 결정할 수 밖에 없다. 그러나, 서보 밸브의 동작점은, 통상은 구동 전류 범위의 중간 위치 근방(I≒I_max/2)에서 사용되는 경우가 많다. 이 때문에, 전류에 대한 유량 특성이 비선형일수록, 동작점에 있어서 필요이상으로 과잉의 게인 마진을 설정하게 된다. 이 경우, 액티브 제진대는 본래 가지는 충분한 성능을 발휘할 수 없다.

2. 종래의 공기압 서보 밸브의 과제

액티브 제진대를 구성하는 일례로서 4점 지지 액티브 제어를 상정한다. 이 경우, 공기압 액추에이터는 네 모서리에 배치되고, 유닛의 설치 방향은, 수평 X방향으로 2점, Y방향으로 2점이 대각으로 배치된다. 또한 각 액추에이터는 Z방향의 하중을 지지하는 액추에이터도 넣어진다. 따라서, 총 계 8개의 공기압 액추에이터가 배치되고, 각 액추에이터를 제어하기 위한 총 계 8개의 공기압 서보 밸브가 필요하다.

상기 (1) ~ (3)을 필요 조건으로서 요구되는 종래 공기압 서보 밸브는, 영구자석과 전자석의 각 자기 회로가 직교하여 배치되는 3차원적인 부품 배치로 구성된다.

이 때문에, 높은 정밀도가 요구되는 노즐 플래퍼 부분에서의 누적 오차가 크고, 균일한 성능을 얻는 것이 어렵다는 과제가 있었다. 또한 다축 제어의 액티브 제진대에 상기 밸브를 탑재했을 경우, 필요 개수가 많기 때문에, 제진대에 차지하는 코스트 비율이 높다는 과제가 있었다.

폭넓은 용도를 가지는 유압 서보와 비교하여, 당초, 공기압 서보는 마이너한 존재였다. 시대의 요청으로서 액티브 제진대의 등장에 의해, 공기압 서보의 요구가 부상했을 때, 유압 서보 기술에서 성장된 종래 서보 밸브(도 49)의 기본 구조의 채용은, 역사적으로 필연의 선택이었다고 생각된다.

상술한 서보 밸브의 실시예가, 영구자석과 전자석의 조합에 의한 자기 흡인 작용을 이용하고 있는 것에 비하여, 자계중에 놓여진 통전(通電) 코일에 작용하는 로렌츠력(리니어 모터의 원리)을 이용하여, 플래퍼 밸브를 조절하는 서보 밸브가 특허문헌 4에 제안되어 있다. 그러나, 로렌츠력을 이용한 리니어 모터의 경우, 통전 코일의 질량을 포함하는 가동부의 총 질량(m)은 크다. 또한 전류(I)에 대한 발생력(F)의 전기 기계 변환 효율이 작고, 큰 발생력은 얻어지지 않는다. 따라서, 스프링 강성(K)은 작게 할 수 밖에 없는 것이다. 공진 주파수는 (m/k)^(1/2)에 비례하기 때문에, 공기 밸브의 공진점을 충분히 높게 할 수 없고, 액티브 제어 제진대에 요구되는 상기 (2)의 필요 조건을 만족할 수 없다.

구체적으로, 본 발명의 유체 서보 밸브는, 유체 공급원에 유로(流路)가 연락(連絡)된 노즐(nozzle)과, 상기 노즐의 선단부에 대해서 대향하도록 마련된 플래퍼와, 상기 플래퍼의 일부를 고정하는 플래퍼 지지 부재와, 상기 플래퍼에 대해서 흡인력이 발생하도록 마련된 전자석을 구비하고, 상기 전자석의 흡인력에 의해 상기 플래퍼를 변형시켜서, 상기 노즐의 선단부와 상기 플래퍼와의 이격거리(離隔距離)를 변화시키도록 구성한 것이다.

즉, 본 발명에 있어서는, 종래 서보 밸브와 같이, 지지점(支點)을 중심으로 슬라이딩 운동하는 강체(剛體) 플래퍼 구조와는 달리, 전자석의 흡인력으로 플래퍼 자신을 탄성 변형시켜서, 상기 노즐과 상기 플래퍼와의 이격거리를 가변하는 것으로, 유체 압력과 유량을 제어한 것이다.

한편, 본 발명에 의한 유체 서보 밸브의 특징을 열거하자면,

(1) 공진 주파수를 높게 설정할 수 있음

(2) 소전력으로 밸브를 구동할 수 있음

(3) 고속 응답성이 얻어짐

(4) 구조가 심플하고 부품수가 적고, 부품 가공, 조립·조정이 용이

종래 밸브의 결점을 크게 해소하는 본 발명 밸브에 의해, 향후, 공기압 서보 시스템의 폭넓은 보급은 크게 가속될 것으로 예상된다. 그 효과는 현저하다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 2는 실시형태 1에 있어서의 원반 형상 디스크인 플래퍼의 형상을 나타내는 도이다.
도 3은 실시형태 1에 있어서의 플래퍼와 전자석 근방의 확대도이며, 도 3의 (a)는 도 3의 (b)의 상면도, 도 3의 (b)는 정면 단면도이다.
도 4는 실시형태 1에 있어서의 플래퍼, 공급측 노즐, 배기측 노즐의 위치 관계를 나타내는 부분 확대도이며, 도 4의 (a)는 코일에 통전(通電)하는 전류치 I = 0의 상태, 도 4의 (b)는 코일에 전류가 통전된 상태를 나타내는 도이다.
도 5는 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 전류에 대한 제어 압력 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 배기 포트를 차단한 상태에 있어서의, 전류에 대한 제어 유량 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 전류에 대한 내부 리크 유량 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2의 개요를 설명하기 위한, 전류에 대한 플래퍼 변위 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10의 (a)는 디스크를 흐르는 자속의 자기 저항을 해석적으로 구하기 위한 모델도, 도 10의 (b)는 플래퍼인 디스크와 전자석을 나타내는 정면 단면도, 도 10의 (c)는, 디스크를 방사 형상으로 흐르는 자속의 유출원인 자속 컨트롤면을 나타내는 도이다.
도 11은 본 실시예에 있어서의 공시재료(供試材料)의 자기 특성의 일례이며, 자화력에 대한 자속 밀도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 전류에 대한 자속 밀도 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 전류에 대한 전자석 흡인력 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 배기 포트를 차단한 상태에 있어서의, 전류에 대한 제어 유량 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 전류치에 대한 유량의 실측치에 기초하여, 선형화의 효과 지표를 구하는 방법을 나타내는 그래프이다.
도 17은 「선형화의 효과 지표」를 구하기 위한 밸브의 유량 특성을 실측하는 일례를 나타내는 도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 3에 관한, 볼록형 원반 형상 디스크에 의한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 19는 실시형태 3에 있어서의 플래퍼와 전자석 근방의 확대도이다.
도 20은 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 21은 전류에 대한 발생력의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 22는 배기 포트를 차단한 상태에 있어서의, 전류에 대한 제어 유량 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시형태 4에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 24는 실시형태 4에 있어서, 배기 노즐 및 흡기 노즐 근방의 부분 확대도이며, 도 24의 (a)는 도 24의 (b)의 AA 방향에서 본 도, 도 24의 (b)는 도 24의 (c)의 BB 방향에서 본 도, 도 24의 (c)는 코일에 전류가 인가된 상태를 나타내는 도이다.
도 25는 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시형태 5에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시형태 6에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 28은 자극(磁極)을 한 개만 마련한 상술한 제5 실시형태의 폐루프 자기 회로의 확대도이다.
도 29는 제 1 자극에 더하여 제 2 자극을 보조적으로 마련한 본 실시형태의 폐루프 자기 회로의 확대도이다.
도 30은 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 31은 본 발명의 실시형태 7에 관한 유체 서보 밸브이며, 도 31의 (a)는 도 31의 (c)의 AA 방향에서 본 도로 스파이럴 디스크 스프링을 나타내는 도, 도 31의 (b)는, 도 31의 (a)의 부분 확대도, 도 31의 (c)는 정면 단면도이다.
도 32는 도 31의 (c)의 스파이럴 디스크 스프링부의 부분 확대도이다.
도 33은 자기 경로부의 중심부에 하중을 가했을 때의, 스파이럴 디스크 스프링의 변형의 구조 해석 결과를 나타내는 도이다.
도 34는 본 발명의 실시형태 8에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 35는 본 발명의 실시형태 9에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 36은 실시형태 9에 있어서의 노즐과 플래퍼의 부분 확대도이며, 도 36의 (a), 도 36의 (b), 도 36의 (c)는 노즐과 플래퍼 사이의감합(嵌合) 상태를 나타내는 도이다.
도 37은 실시형태 9에 있어서의 유체 서보 밸브의 원리를 나타내는 도이며, 도 37의 (a)에 있어서의 도 A, 도 B, 도 C는 노즐과 플래퍼 사이의 감합 상태를 나타내는 도, 도 37의 (b)는 노즐 플래퍼 사이의 간극에 대한 밸브 유량을 나타내는 그래프이다.
도 38은 실시형태 9에 관한 유체 서보 밸브의 저소비 유량의 원리를 나타내는 도이며, 도 38의 (a)는 종래 밸브의 노즐 플래퍼 간극 사이에 대한 밸브 유량을 나타내는 그래프, 도 38의 (b)는 본 발명의 노즐 플래퍼사이의 간극에 대한 밸브 유량을 나타내는 그래프이다.
도 39는 실시형태 9에 있어서의 전류에 대한 플래퍼 변위 특성의 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 40은 실시형태 9에 관한 유체 서보 밸브에 있어서, 플래퍼측 볼록부를 테이퍼 형상으로 했을 경우를 나타내는 도이며, 도 40의 (a), 도 40의 (b), 도 40의 (c)는 노즐과 플래퍼 사이의 감합 상태를 나타내는 도이다.
도 41은 본 발명의 실시형태 10에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 42는 실시형태 10에 관한 유체 서보 밸브에 있어서, 도 42의 (a), 도 42의 (b), 도 42의 (c)는 노즐과 플래퍼 사이의 감합 상태를 나타내는 도이다.
도 43은 본 발명의 실시형태 11에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 44는 실시형태 11에 관한 유체 서보 밸브에 있어서, 도 43의 노즐 플래퍼부의 확대도이다.
도 45는 본 발명의 실시형태 12의 마이크로 액추에이터 부(micro actuator part)에 연결되는 포핏 밸브(puppet valve)의 정면 단면도이다.
도 46은 본 발명의 실시형태 12에 관한 유체 서보 밸브의 정면 단면도이다.
도 47은 액티브 제어 제진대의 해석 모델의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 48은 액티브 제어 제진대의 개루프 전달 특성의 해석 결과의 일례를 나타내는 도이며, 도 48의 (a)는 주파수에 대한 게인 특성, 도 48의 (b)는 주파수에 대한 위상 특성을 나타내는 도이다.
도 49는 종래의 유체 서보 밸브를 모델화한 도이다.

<제1의 실시형태>

도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이다.

10은 자성 재료인 통부 형상의 중심축(지지축), 11은 이 중심축의 바닥부, 12는 상기 중심축과 동심원으로 형성된 바깥프레임부, 13은 상기 중심축에 장착된 비자성 재료의 코일보빈, 14는 상기 코일보빈에 권취된 코일이다. 중심축(10), 바깥프레임부(12), 코일보빈(13), 코일(14)에 의해, 플래퍼(후술)의 면판부를 흡인하여, 그 변위를 제어하는 전자(電磁) 액추에이터(전자석)를 구성하고 있다. 15는 바깥프레임부(12)를 수납하는 통 형상의 하우징, 16은 상기 하우징의 측면에 체결되는 배기측 바닥판, 17은 바닥부(11)와 배기측 바닥판(16)을 체결하는 볼트, 18은 하우징(15)과 배기측 바닥판(16)을 체결하는 볼트, 19는 중심축(10)에 형성된 기체(氣體)(작동 유체)의 배기측 유통로, 20은 배기측 바닥판(16)에 형성된 토출구이다. 21은 공급측 바닥판, 22는 상기 공급측 바닥판의 중심부에 형성된 기체의 공급측 유로, 23은 공기압 액추에이터(도시하지 않음)으로 이어지는 기체의 제어측 유로이다. 24는 원반 디스크 형상의 플래퍼로 볼트(25)에 의해 하우징(15)과 공급측 바닥판(21) 사이에 장착된다. 즉, 상기 볼트, 상기 하우징, 상기 공급측 바닥판이 플래퍼 지지 부재이며, 상기 플래퍼(24)의 바깥가장자리부를 협지하여 고정하여 바깥가장자리부에 대해서는 움직이지 않도록 하고 있다. 26은 플래퍼(24)와 공급측 바닥판(21)의 벽면 사이에 형성되는 공급측 공극부, 27은 플래퍼(24)와 배기측 벽면(코일보빈(13), 하우징(15) 등) 사이에 형성되는 배기측 공극부이다.

도 2에 나타내는 원반 디스크 형상의 플래퍼(24)에 있어서, 28a, 28b, 28c, 28d는 공급측 공극부(26)와 배기측 공극부(27)를 연락하는 플래퍼에 형성된 유통 구멍(도 1에는 28b, 28d는 도시하지 않음)이다. 29는 공급측 노즐(순방향 노즐), 30은 배기측 노즐(역방향 노즐)이다. 31은 중심축(10)의 플래퍼측 단면(端面)(중심축 단면이며 제 1 자극(磁極)), 32는 상기 바깥프레임부의 플래퍼측 단면(바깥프레임부 단면이며 제 2 자극)이다. 공급측 공극부(26)와 배기측 공극부(27), 및, 제어측 유로(23)로 형성되는 공간이 본 밸브의 제어실(33), 34는 흡입구이다. 덧붙여서, 상기 플래퍼라는 호칭은, 종래 밸브의 모델도 49에 나타내는 바와 같이, 일반적으로는 슬라이딩 운동하는 평판이라는 이미지가 있다. 본 실시예를 포함하는 본 발명에서는, 노즐의 대향면에 배치되어서, 노즐 사이에서 유체의 유로 면적을 조절하는 부재를, 그 부재 형상에 관계없이 플래퍼로 칭하기로 한다.

후술하는 실시예도 마찬가지인데, 본 실시예에서는 상기 자극(제 1 자극과 제 2 자극)의 중심선 상에서, 또한 상기 자극측에 배기측 노즐을 배치하고, 또한 상기 플래퍼를 개재하여 상기 자극의 반대측에 공급측 노즐을 배치하고 있다.

도 3의 (a), 및 도 3의 (b)는 전자 액추에이터 근방의 확대도이며, 도 3의 (a)는 상면도, 도 3의 (b)는 정면 단면도이다. 도면 중의 화살표를 가진 점선은, 코일(14)에 통전하는 것으로 발생하는 자속을 나타내는 것으로, 이 자속에 의해, 「제 1 자극(31)→공극부(27)→플래퍼(24)→공극부(27)→제 2 자극(32)→바깥프레임부(12)→바닥부(11)→중심축(10)」의 폐루프 자기 회로가 형성된다. 단, 코일(14)에 흘리는 전류의 방향이 반대인 경우, 상기 자속의 방향은 반대로 된다. 여기서, 자기 회로를 흐르는 자속을 Ф, 중심축 단면(31)(제 1 자극)의 링 형상 면적을 S₁, 바깥프레임부 단면(32)(제 2 자극)의 링 형상 면적을 S₂, 공기의 투자율을 μ₀로 하면, 맥스웰(Maxwell)의 응력에 의한 플래퍼(24)의 면판부에 작용하는 흡인력(F)은 하기 수학식 1에 따라 계산된다.

[수학식 1]

흡인력(F)에 의해 플래퍼가 변위하여, 플래퍼에 작용하는 원반 스프링의 반력과 이 흡인력(F)이 균형을 이룬다. 자속(Ф)은 코일(14)에 통전하는 전류치에 비례하기 때문에, 전류를 가변시키는 것으로써, 플래퍼 변위, 즉 노즐과 그 대향면사이의 간극(이격거리)을 조절할 수 있다.

도 4는 플래퍼(24)와 공급측 노즐(29), 배기측 노즐(30)의 위치 관계를 나타내는 부분 확대도이며, 도 4의 (a)는 코일에 통전하는 전류치 I = 0에서, 플래퍼(24)가 공급측 노즐(29) 선단을 차폐하고 있는 상태, 도 4의 (b)는 코일에 전류가 통전되어서, 플래퍼(24)가 공급측 노즐(29)과 배기측 노즐(30)의 중간에 있는 상태를 나타낸다. 도 4의 (a)에 있어서, X₀는 플래퍼(24)와 제 1 자극(31)사이의 간극(초기 갭), δ_n는 제 1 자극(31) 단면에 대한 배기측 노즐(30) 선단부의 돌출량, δ_a는 배기측 노즐(30) 선단부와 플래퍼(24)사이의 간극(유로 길이)이며, 플래퍼(24)의 최대 스트로크이다. 실시예에서는, 코일(14)에 통전하는 전류치 I = 0일 때는, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 플래퍼(24)가 공급측 노즐(29) 선단을 차폐하도록 각 부재의 위치 관계를 설정하고 있다. 코일(14)에 전류가 인가되면, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 플래퍼(24)는 공급측 노즐(29) 선단으로부터 이격된다. 여기서 변위(X)는, 플래퍼(24)가 초기 갭(X₀)의 위치로부터 배기 노즐(30)측에의 이동량이다. 이후의 실시예에 있어서도, 「변위(X)는 초기 갭(X₀)의 위치로부터의 이동량」으로서 정의한다.

도 5는, 동일 도면 중에 기재된 설정 조건에 기초하여, 전류치(I)에 대한 플래퍼 변위(X)를 나타내는 것이다. 해석 방법은

i. 자극과 플래퍼 사이의 갭(X₀-X)을 부여하여, 자장 해석에 의해 흡인력(F)을 구한다

ii. 상기 흡인력(F)과 플래퍼의 지지 강성(K)으로부터 플래퍼 변위(X)를 구한다

iii. 자속 컨트롤면에 있어서의 자화력(H)과 자속 밀도(B) 관계(도 11)를 고려하면서, 상기 i. ii. 를 연결된 문제로서 수렴 계산을 한다.

상기의 스텝 i. ~ iii.을 거쳐서 구한 것이다. 단, 상기 iii.에 대해서 상세한 사항은 후술한다. 도 5의 그래프로부터, I = 0.02 A일 때 X = 0.045 mm이다. 여기서 I = 0.02 A일 때, 플래퍼(24)가 배기 노즐(30)을 차폐하도록 설정하면, 플래퍼의 최대 스트로크 X_max = δ_a = 0.045 mm이다. 따라서, 노즐 돌출량 δ_n = X₀-δ_a = 0.250-0.045 = 0.205 mm로 설정하면 좋다.

이하, 각 노즐과 플래퍼 사이의 갭을 부여했을 때의, 본 실시예 서보 밸브의 압력·유량 특성을 구한다. 서보 밸브의 노즐을 통과하는 기체의 질량 유량은, 압축성 유체의 등엔트로피 유동(isentropic flow)에 있어서의 노즐의 수학식 2, 수학식 3을 이용한다. 노즐 플래퍼 사이의 개구 면적은, 노즐 선단과 플래퍼 사이에서 형성되는 환 형상의 유로 면적이며, 노즐 내경을 d로 하여, 공급측 개구 면적 a_in = dπX, 배기측 개구 면적 a_out = dπ(δ_a-X)이다. 이하, 공급원측으로부터 공기실에 유입되는 기체의 질량 유량(G_in)를 하기 수학식 2로 나타낸다. 여기서, P_s는 공급원 압력, P_a는 서보 밸브의 제어실 압력, ρ_s는 공급원 기체 밀도, κ는 비열비(比熱比)이다.

[수학식 2]

단, P_a/P_s < {2/(κ+1)}2/(κ-1)일 때는 하기 수학식 3에 의해서 구해진다.

[수학식 3]

상기 제어실로부터 대기측에 유출되는 기체의 질량 유량(G_out)은, 상기 수학식 2 및 수학식 3에서, P_s→P_a, P_a→P₀, ρs→ρa, a_out = dπ(δ_a-X)로 하면 좋다. V_c는 제어실(33)의 용적, R은 기체 정수이다. 이 질량 유량(G_in, G_out)에 의해, 제어실(33)의 압력(P_a)은, 하기 수학식 4에 의해서 구해진다.

[수학식 4]

도 6은, 실시형태 1에 관한 공기압 밸브에 있어서, 전류치에 대한 정상 상태에 있어서의 제어 압력의 해석 결과를 나타내는 것이다. 제어 압력은, 제어측 유로(23)로 이어지는 공급측 공극부(26)와 배기측 공극부(27)로 형성되는 제어실(33)의 압력(P_a)이다. 해석 조건은, 공급 압력 P_s = 0.6MPa(abs), 대기압 P₀ = 0.1MPa(abs), 공급측 노즐(29)과 배기측 노즐(30)의 노즐 내경은 모두 Φ1.2 mm이다.

도 7은, 배기 포트를 차단한 상태에 있어서의, 전류에 대한 제어 유량 특성을 나타내는 것이다. 전류치에 대한 제어 유량 특성의 곡선의 프로필은, 도 5의 전류치에 대한 플래퍼 변위 특성의 그것에 거의 일치한다.

도 8은, 상기 공기압 서보 밸브에 있어서, 전류치에 대한 내부 리크 유량을 나타내는 것이다. 여기서 내부 리크 유량은, 밸브의 제어측 유로(23)를 차단한 상태에 있어서의 배기측 유로(19)로부터의 유량(Q_L)으로서 정의한다.

전류치에 대한 플래퍼 변위의 도 5의 그래프에 있어서, 전류치 I = 0.0118 A에서 변위 X = 0.02 mm이며, 플래퍼(24)는 공급측 노즐(29)과 배기측 노즐(30)의 개략 중간에 있다. 이 때, 도 8에 나타내는 내부 리크 유량(Q_L)은 최대치를 나타내는 것을 알 수 있다.

한편, 본 실시예 밸브의 특징을 열거하면, 다음과 같다.

(1) 공진 주파수를 높게 설정할 수 있음

(2) 소전력으로 밸브를 구동할 수 있음

(3) 고속 응답성이 얻어짐

상기 (1)의 이유는 다음의 같다. 여기서, 플래퍼의 가동 질량을 m, 이 플래퍼를 지지하는 스프링 상수를 K로 하면, 공진 주파수(f₀)는 하기 수학식 5에 의해 구해진다.

[수학식 5]

상술한 바와 같이, 종래 서보 밸브(도 49)에 있어서, 강체(剛體)인 플래퍼(554)는 슬라이딩 운동을 하기 때문에, 상기 플래퍼의 질량(m)은 커질 수 밖에 없다. 이 때문에, 상기 플래퍼를 지지하는 스프링 강성(K)을 높게 설정하는 것으로, 공진 주파수(f₀)[수학식 5]를 높게 설정하고 있다. 플래퍼 지지의 스프링(557)의 강성(K)이 크면, 플래퍼(554)를 구동하기 위해서는 큰 힘을 필요로 한다. 종래 서보 밸브(도 49)의 경우, 전자 코일이 발생시키는 자속(Φ₁)을 영구자석이 발생시키는 자속(Φ₂)으로 증폭시키는 것으로, 큰 플래퍼 구동력(F∝Φ₁×Φ₂)을 얻고 있다.

그러나, 본 실시예의 경우, 전자 코일이 발생시키는 자속(Φ₁)만이 플래퍼 밸브를 구동하는 힘이 된다. 그럼에도 불구하고, 높은 공진 주파수가 얻어지는 이유는 다음과 같다.

본 연구에 있어서, 밸브의 플래퍼에 상당하는 부재를 얇은 디스크 형상으로 하면, 관성 부하가 되는 가동부의 유효 질량(m)은 노즐 선단 근방에 있어서의 탄성 변형 부분만으로 이루어지는 점에 주목했다. 즉, 종래 서보 밸브는 질량(m)의 강체인 플래퍼(554)가 스프링(557)으로 지지되어 있는데 비하여, 본 발명 서보 밸브는 플래퍼 자신이 탄성체(스프링)이다. 표 1은, 가동부의 유효 질량, 플래퍼 지지의 스프링 강성, 공진 주파수에 대해서, 본 실시예 밸브와 종래 플래퍼 밸브(일례)를 비교한 것이다. 본 실시예에 있어서의 가동부의 유효 질량(m)은, 스프링 강성(K)과 공진 주파수(f₀)의 실측치로부터, 수학식 5를 이용하여 구했다. 또한, 종래예 서보 밸브의 가동부인 플래퍼(554)는 슬라이딩 운동하기 때문에, 관성 부하가 되는 유효 질량은 실측치(5 g)의 1/2로 가정했다.

표 1로부터, 본 발명의 실시예 밸브는, 종래 서보 밸브와 비교하여 동등 이상의 공진 주파수를 가짐에도 불구하고, 가동부의 유효 질량은 약 1/7, 스프링 강성은 약 1/4이다. 플래퍼를 지지하는 스프링 강성을 충분히 작게 할 수 있기 때문에, 본 실시예 밸브는, 높은 공진 주파수를 가짐에도 불구하고, 전자석만으로 플래퍼를 구동할 수 있다.

상기 (2)의 이유는 다음의 같다. 본 발명의 서보 밸브가 소전력(소전류)으로 구동할 수 있는 이유는, 구동원에 도체 표면에 작용하는 맥스웰의 응력을 이용하고 있다는 점에 있다. 통상은, 0.1 mm ~ 수 mm 등급(order)의 미소 변위를 직동 운동시키는 액추에이터로서, 보이스 코일 모터(리니어 모터)가 사용된다. 상술한 특허문헌 4에 있어서도, 상기 보이스 코일 모터를 이용한 서보 밸브가 고안되어 있다. 그러나, 보이스 코일 모터는 로렌츠력을 이용하고 있고, 큰 추력 정수(전기 기계 변환 효율)는 얻어지지 않는다. 본 실시예는, 공기압 서보 밸브라고 하는 한정된 대상이라면, 로렌츠력보다 훨씬 추력 정수가 높은 맥스웰의 응력을 이용할 수 있다는 점을 이용하고 있다. 본 실시예의 추력 정수를, 시판되고 있는 보이스 코일 모터와 비교한 일례를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 본 실시예 밸브의 액추에이터의 추력 정수는, 보이스 코일 모터와 비교하여 20배 이상이다. 상기 이유에 의해, 본 실시예 서보 밸브를 구동하는 전원 용량은 충분히 작고, 또한 소전류라도 좋다. 덧붙여서, 본 실시예의 추력 정수는, 전류에 대한 변위 특성을 나타내는 도 5의 그래프를 이용하여, 최대 변위에 있어서의 스프링의 반력(F = 1.92×10⁴×4.5×10^-5)에 최대 전류(I_max = 0.02A)를 나누어서 구한 것이다.

상기 (3)의 이유는, 상기 (1), (2)의 본 실시예 밸브의 특징으로부터, 필연적으로 유도되는 것이다. 즉, 관성 부하(m)와 스프링 부하(K)가 작고, 또한 전기 기계 변환 효율이 높기 때문에, 코일의 권수도 적고, 전기 회로에 있어서의 인덕턴스도 작다. 따라서, 입력 전류에 대한 플래퍼 변위(유량)의 전달 특성은, 충분히 높은 응답성을 얻을 수 있다.

상기 (4)의 이유는 다음과 같다. 유압 서보 기술로부터 파생적으로 만들어진 종래 공기압 서보 밸브(도 49 참조)가, 액추에이터 부와 유체 제어부가 분리 구조인 것에 비하여, 본 실시예는, 액추에이터 부와 유체 제어부는 일체화 구조이다. 후술하는 실시예도 마찬가지인데, 본 실시예에 있어서의 액추에이터 부는, 상기 전자 액추에이터 부(전자석), 상기 플래퍼, 상기 플래퍼 지지 부재(통 형상의 하우징, 공급측 바닥판(21))로부터 구성된다. 또한, 유체 제어부는 상기 플래퍼, 상기 노즐, 상기 흡입구를 포함하는 공급측 유로(22), 상기 토출구를 포함하는 배기측 유로(19), 상기 지지 부재로 구성된다. 노즐부의 확대도를 나타내는 도 4의 (a), 도 4의 (b)에 있어서, 상술한 바와 같이, 도 4의 (a)는 코일에 통전하는 전류치 I = 0 상태, 도 4의 (b)는 밸브의 구동 상태를 나타낸다. 본 발명에 있어서, 액추에이터 부와 유체 제어부를 일체화 구조로 할 수 있는 이유는, 자기 흡인 작용이 유효이용 가능한 자극과 플래퍼 사이의 자기(磁氣) 갭 최대치(X₀)와, 에어 서보 밸브로서 유효이용 가능한 노즐과 플래퍼 사이의 에어 갭(air gap)(δ_a)(유로 길이)의 최대치가 0.05 ~ 0.20 mm로 동일 등급(order)인 것에 착안한 것이다. 에어 갭에 대한 자기 흡인력의 특성은 비선형이며, 상기 최대치를 초과하면, 자기 흡인력은 통상적으로는 큰폭으로 저하된다. 노즐 플래퍼 밸브의 경우도 마찬가지로, 유량을 선형으로 가변 가능한 에어 갭(δ_a)은, 통상 상기 범위가 한계이다. 또한, 본 실시예에서는 전자 액추에이터의 중심축(10)을 통부 형상으로 하여, 에어의 배기측 유통로(19)를 형성하고 있다. 이 구성에 의해, 쌍방향 플래퍼에 의한 노즐 플래퍼 밸브의 대폭적인 간소화를 도모할 수 있다. 덧붙여서, 실시예에서는, 도 4의 (a)는 코일 전류치 I = 0에 있어서, 공급측 노즐(29)은 플래퍼(24)에 의해서 차단된 상태가 되도록, 공급측 노즐(29)과 플래퍼(24)의 위치를 설정했다. 이것은, 정전시, 액티브 제어가 불능으로 되었을 경우에, 공기압 액추에이터(도시하지 않음)에의 고압 공기의 유입을 차단하는 안전 기능(페일 세이프 기능)이다.

또한, 본 실시예 밸브는, 모두 축대칭 부품으로 구성되어 있다. 이 때문에, 모든 부품은 선반 가공만으로 제작할 수 있고, 부품수도 적고, 조립 후의 조정도 간소화할 수 있었다. 본 실시예 밸브가 축대칭으로 구성될 수 있는 이유는, 상술한 바와 같이, 상기 자극(제 1 자극과 제 2 자극)의 중심선 상이며, 또한 상기 자극측에 배기측 노즐을 배치하고, 또한 상기 플래퍼를 개재하여 상기 자극의 반대측에 공급측 노즐을 배치하고 있기 때문이다. 단, 배기측 노즐과 공급측 노즐의 위치는 반대라도 좋다.

또한 상술한 바와 같이, 공급측 공극부(26)와 배기측 공극부(27), 및, 제어측 유로(23)의 각 공간의 총합이 공기압 액추에이터로 이어지는 제어실(33)의 총 용적(V_c)이 된다. 이 용적(V_c)의 크기가, 액티브 제어(유체 서보)를 실시하는데 있어서, 제어 성능(응답성)에 중대한 영향을 주기 때문에, 용적(V_c)은 최대한 작은 것이 바람직하다. 본 실시예의 밸브는, 축대칭 부품으로 구성되기 때문에, 간극(δ_t1)과 간극(δ_t2)을 좁게 구성할 수 있고, 3차원 구조로 구성되는 밸브(후술)와 비교하여, 코일을 수납하는 공간을 필요로 하지 않기 때문에, 제어실(33)의 총 용적(V_c)은 충분히 작게 할 수 있다.

<제2의 실시형태>

전자석에 전류를 인가하여, 맥스웰의 전체 응력(T)에 의한 가동부의 자기 흡인 작용을 이용하는 기기를 상정한다. 도 9의 그래프 A의 경우, 전류에 대한 가동부의 변위 특성은, 전류치의 증대에 수반하여 변위가 급격하게 상승하는 비선형인 특성이 되기 때문에, ON/OFF적인 기능을 필요로 하는 기기(릴레이 등)에 사용되는 경우가 많다. 그러나, 본 연구의 과정에 있어서, 플래퍼에 상당하는 가동부에 적절한 자성 재료와 얇은 디스크를 이용하면, 전류에 대한 플래퍼의 변위 특성은, 도 9의 그래프 B에 나타내는 바와 같이, 선형성(직선성)이 우수한 특성을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이 효과는 우연한 발견에 의해, 찾아낸 것이다. 본 연구가 찾아낸 이 현상을 이론적으로 구명하고, 노즐 플래퍼 밸브에의 적용 가능성을 평가하기 위해서, 이하에 나타내는 이론 해석을 행했다.

1. 이론 해석

도 10은, 실시형태 1에 있어서의 공기압 서보 밸브의 구조(도 1)를 모델화한 것으로, 도 10의 (a)는 디스크(플래퍼)의 부분 단면도, 도 10의 (b)는 공기압 서보 밸브의 모델화한 정면 단면도, 도 10의 (c)는 후술하는 최대 자속 컨트롤면을 나타내는 도이다. 도 10의 (b)에 있어서, 210은 중심축, 211은 공극부, 212는 플래퍼, 213은 바깥프레임부이다. 상기 모델도 10의 (b)에 있어서, 코일의 통전에 의해서 발생하는 자속(Φ)은, 상술한 바와 같이, 「중심축(210)→공극부(211)→플래퍼(212)→공극부(211)→바깥프레임부(213)」의 경로를 거쳐서 폐루프를 그린다. 여기서, 디스크를 방사 형상으로 흐르는 자기 회로의 자기 저항을 구한다. 도 10의 (a), 도 10의 (b)에 있어서, 반경 방향(Δr)의 부분의 자기 저항(ΔR_e)은 하기 수학식 6에 의해서 구해진다.

[수학식 6]

상기 수학식 6에서, h는 디스크(플래퍼)의 두께, μ₀은 공기의 투자율, μ_s는 디스크 재료의 비투자율이다. 반경 r = r₁에서 반경 r = r₂까지의 전체 저항은 하기 수학식 7에 의해서 구해진다.

[수학식 7]

상기 디스크의 자기 저항(R_e) 이외의 자기 저항을 R_b로 하여, 자속(Φ)은 하기 수학식 8에 의해서 구해진다.

[수학식 8]

상기 수학식 8에서, N은 코일의 권수(卷數), I는 코일에 흘리는 전류치이다. 또한, R_b는 상기 플래퍼와 자극 사이의 2개의 공극부(211), 중심축(210), 바깥프레임부(213), 바닥부의 각 자기 저항의 총합이다. 도 11은, 본 실시예에 있어서의 공시재료의 자기 특성의 일례로, 자화력(자계 강도)(H)에 대한 자속 밀도(B) 특성을 나타내는 것이다. 자화력(H)에 대해서 자속 밀도(B)가 비례하여 증가되는 0 < H < H_c의 범위를 선형 영역, 자화력(H)에 대해서 자속 밀도(B)의 구배가 크게 저하되는 H > H_c의 범위를 자기 포화 영역으로 정의한다. 덧붙여서, H_c는, 0 < H < H_c의 범위에 있어서의 BH 특성의 포락선(A)과 H > H_c의 영역에 있는 BH 특성의 포락선(B)의 교점으로부터 구할 수 있는 것이다. H_c를 선형 영역과 자기 포화 영역의 자화력 경계치, H = H_c일 때의 자속 밀도를 자속 밀도 경계치(B_c)로 정의한다. 도 11의 자성 재료 특성의 경우는, H_c = 1500 AT/m, B_c = 1.5 Wb/m²이다.

자속(Φ)이 흐르는 폐루프 자기 회로에, 자로(磁路) 면적(S_c)이 극도로 좁은 개소가 있으면, 그 개소에 있어서, 자속 밀도(B = Φ/S_c)는 가장 크다. 즉, 이 개소에 있어서, 자화력(H)이 소정의 값을 초과하면, 자속 밀도(B)는 자기 포화된다. 자기 포화되었을 때의 B = B_max로 하면, 자속의 크기는, Φ < S·B_max의 범위에서 억제된다.

도 10의 (c)에 있어서, 반경 r = r₁, 두께(h)의 링 형상의 측면(자로 면적 S_c = 2πr₁h)에 주목한다. 이 부분은 디스크를 방사 형상으로 흐르는 자속의 유출원(혹은 유입원)으로도 언급될 수 있는 개소에서, 자기 포화 현상을 조절하는 개소(이하, 최대 자속 컨트롤면이라고 칭한다)이다. 이 개소에 있어서의 자속 밀도는

[수학식 9]

상기 수학식 9로부터, 최대 자속 컨트롤면의 자로 면적 S_c(= 2πr₁h)가 극도로 작은 경우, 자화력(H)이 소정의 값을 초과하면, 즉 H > H_c이면, 그래프(도 11)의 곡선에 따라서 자속 밀도, 및 자속은 자기 포화되고, 플래퍼(도 10의 (b)의 212)의 면판부에 작용하는 흡인력(F)(식 1)도 억제된다.

도 12 ~ 도 15는 디스크의 판 두께(h)를 여러가지로 변경한 경우에 대해서, 전류치에 대한 자속 밀도(B_r1), 전자석의 흡인력(F), 플래퍼 변위(X), 제어 포트로부터의 유량(Q)을, 상술한 해석 방법으로 구한 해석 결과이다. 해석 조건은, 도 12의 그래프중에 기재하고 있는 바와 같이, 플래퍼의 지지 강성이 일정해지도록, 플래퍼 지지부의 반경(r₃)의 값을 설정하고 있다. 이 경우, 자속 밀도(B_r1), 및 흡인력(F)는, 전류치와 전자석과 디스크 사이의 간극의 함수가 된다. 즉, 자속 밀도(B_r1) 및 흡인력(F)는 전류치가 클수록, 상기 간극이 작을수록 크다.

도 12의 전류치에 대한 자속 밀도(B_r1)의 특성에 주목하면,

a. 디스크 두께가 두껍고 h = 0.5 mm의 경우, 전류치가 커지면, I = I_c(= 0.017A) 근방에서 자속 밀도(B_r1)는 급격하게 증대되는 비선형인 특성을 나타낸다. I > I_c의 영역에서는, 자속 밀도(B_r1)는 포화되어서 일정치 B_r1 = 1.7 Wb/m²(도 11 참조)에 수렴한다. 그 이유는, 자속 밀도(B_r1)는 전류치의 증대만이 아니라 전자석과 플래퍼 사이의 간극(도 9의 X에 상당)이 작아짐으로써 급격하게 증대되기 때문이다. 즉, 도 9의 그래프 A의 특성에 대응하고, ON/OFF적인 기능을 갖는 통상적인 전자석의 특성이다.

b. 디스크 두께가 얇고 h = 0.2 mm의 경우, 전류치에 대한 자속 밀도(B_r1)는 전체 영역에서 선형인 특성을 나타낸다.

상기 b. 의 경우, 0 < I < I_c의 영역에서 자속 밀도(B_r1)는, 상기 a. 의 경우와 비교해서 크다. I > I_c의 영역에서 자속 밀도가 상승 후, 완만히 억제되는 것은 전류치가 I_c에 도달한 단계이며, 자속 밀도(B_r1)는 이미 자기 포화와 동일 레벨의 값까지 증대되어 있고, 이 단계에서 B_r1은 자기 포화 영역에 들어가기 때문이다.

이러한 결과는 본 발명이 밝혀낸 도 9의 그래프 B의 특성에 대응한다. 즉, 전자석과 플래퍼 사이의 간극이 작아짐으로써 자속 밀도(B_r1)의 증대는 자기 포화 현상의 이용에 의해서 억제된다. 즉, 상기 a.는 전류치의 증대에 따라 플래퍼 변위가 최대치에 도달한 후, 자기 포화 영역에 들어가는 것인데 대해, 상기 b.는 전류치의 증대에 따라 플래퍼 변위가 최대치에 도달하기 전에 이미 자기 포화 영역에 들어갔다.

따라서, (1) 자로 면적(디스크 두께)을 작게 하여, 전류치가 작은 단계에서 자속 밀도를 높게 한다. (2) 자속 밀도가 급격하게 증대하는 전류치(I_c)의 근방에서, 자기 포화가 시작되도록 한다. 상기 (1), (2)에 의해, 전류치에 대한 자속 밀도(B_r1) 특성은, 선형 영역에서 자기 포화 영역으로 완만하게 이행되어, 극히 선형성이 우수한 특성이 된다. 선형성이 우수한 자속 밀도 특성은, 변위 특성, 유량 특성 등의 선형성에도 반영된다.

본 연구에서 얻어진 상기 발견을 이용하여, 도 13 ~ 도 15의 전류치에 대한 전자석 흡인력, 플래퍼 변위, 및 유량 특성의 특징에 대해서 설명한다. 도 13은 디스크의 판 두께(h)를 여러가지로 변경한 경우에 대해서, 전류치에 대한 전자석 흡인력(= 디스크 스프링의 복원력)을 구한 것이다. 전류치에 대한 전자석 흡인력 특성의 곡선 프로필은, 후술하는 전류치에 대한 플래퍼 변위 특성의 곡선 프로필(도 14)과 거의 일치한다. 도 14의 전류치에 대한 플래퍼 변위 특성에 있어서, h = 0.5 mm의 경우, I > I_c에서 플래퍼 변위가 일정치 X = 0.25 mm를 유지하는 것은, 플래퍼와 제 1 자극 사이의 최대 간극(초기 갭)을 X₀ = 0.25 mm로 설정하고 있기 때문이다.(도 4 참조) h = 0.2 ~ 0.3 mm일 때, 전류치에 대해서 플래퍼 밸브 변위 특성(및 유량 특성)은 거의 직선적으로 변위되고, 제어성의 관점으로부터 이상적인 특성이 얻어진다. 상술한 바와 같이, 이 조건은 액티브 제진대에 적용되는 공기압 서보 밸브에 요구되는 3번째 조건, 즉, (3) 「선형성…밸브 구동 전류에 대한 발생 압력이 직선적 비례 관계에 있다」를 만족시키는 것이다. h > 0.35의 경우, 전류치가 커지면, I = I_c(= 0.017A) 근방에서 플래퍼 변위는 급격하게 증대되어, 비선형인 특성을 나타낸다.

도 15는, 플래퍼 변위 특성의 그래프를 구한 해석 조건(도 14에 기재)에 기초하여, 노즐의 유출 유량을 구한 것이다. 이것은, 도 1의 서보 밸브에 있어서, 배기측 유로(20)를 차단하여, 제어측 유로를 대기 개방한 것에 상당한다. 해석 조건은, 공급 압력 P_s = 0.6MPa(abs), 대기압 P_a = 0.1MPa(abs), 공급측 노즐(29)의 노즐 지름은 Φ1.2 mm이다. 도 14와 도 15의 비교로부터, 플래퍼 변위 특성과 노즐의 유량 특성의 곡선 프로필은 거의 동일하다는 것을 알 수 있다.

요약하자면, 플래퍼(디스크)를 얇은 판 두께의 탄성체 구조로 하는 것으로써

a. 가동부의 유효 질량을 작게 하여, 공진 주파수를 증가시킨다. (표 1 참조)

b. 자기 포화 현상의 이용에 의해, 전류에 대한 유량 특성의 선형성을 향상시킨다.

상기 a. b. 의 상승(相乘) 효과를 가져오는 것이다.

2. 선형화의 효과 지표와 실측에 의한 평가

여기서, 밸브 구동 전류에 대한 플래퍼의 변위(유량) 특성에 있어서의 「선형화의 효과 지표」를 정의한다. 도 16은 전류치에 대한 유량의 실측치에 기초하여, 「선형화의 효과 지표」를 구하는 방법을 나타내는 모델도이다. 밸브는 전류치: 0(a점) < I < I_max(d점)의 범위에서 구동되는 것으로 한다. 본 실시예 밸브의 경우, 전류치에 대한 자기 흡인력은 비선형이기 때문에, 전류치가 작은 영역에서는 전류치에 대해서 흡인력은 완만하게 상승하고, 전류치의 증가와 함께 급격하게 증대한다. 그러나, 전류치가 더 증대하여 자기 포화의 영역에 들어가면, 자속(Φ)(및 흡인력(F))의 증대는 억제된다. 그 결과, 전류에 대한 유량 특성(플래퍼 변위 특성)의 프로필은, 전류치가 낮은 영역에서는 아래로 볼록, 전류치가 높은 영역에서는 위로 볼록한 곡선이 된다. 여기서, 「아래로 볼록한 곡선」에서 「위로 볼록한 곡선」으로 이행하는 변극점(E)을, 2개의 포락선(Bb, Cd)의 교점으로부터 구한다. 전류에 대한 유량 특성의 곡선을 Aa로 하고, 상기 Bb(일점쇄선)는 곡선(Aa)이 아래로 볼록한 영역의 포락선이다. 또한, 상기 Cd(일점쇄선)는, 곡선(Aa)이 위로 볼록한 영역의 포락선이다. 포락선(Bb, Cd)의 교점이 상기 변극점(E)이다. 변극점(E)의 X축 좌표를 c, 포락선(Bb)이 X축과 교차하는 X축 좌표를 b로 한다. 또한, 곡선(Aa)의 I = I_max(d점)에 있어서의 Y축과의 교차점을 F로 한다. 교차점(F)과 원점(0,0)을 연결하는 직선(쇄선)을 Da로 한다. 포락선(Bb)의 구배 Q_E/I_bc(각도β)가 본 밸브의 유량 게인(전류에 대한 유량의 비)의 최대치이다. 직선(Da)의 구배 Q_F/I_ad(각도(α))를 유량 게인의 기준치로 한다. 여기서, 「유량 게인의 최대치」에 대한 「유량 게인의 기준치」의 비를, 선형화의 효과 지표(η)로 하여, 다음과 같이 정의한다.

[수학식 10]

η = 1일 때, 곡선(Aa)은 직선(Da)와 일치하여, 전류에 대해서 유량은 정비례의 관계가 되고, 선형성의 평가는 베스트가 된다.

한편, 서보 밸브의 전류에 대한 유량 특성에 선형성이 요구되는 이유는 다음과 같다. 서보 밸브는 유체 서보 장치(액티브 제진대)의 제어계를 구성하는 한 요소이기 때문에, 전류의 변화분에 대한 유량의 변화분의 비율: K_Q = δQ/δI는 유량 게인으로서 개루프 게인(K_L) 중에 넣어진다. 즉, 서보 밸브 이외에서 제어 요소의 게인을 K_x로 하여 각 요소를 결합하면, K_L = K_x·K_Q이다. 예를 들어, 안정성에 대한 주파수 응답법을 이용한 여유도 설정의 일례로서

(1) 게인 마진(gain margin)은 10 dB 이상

(2) 위상 마진은 45 deg 이상

등의 조정 조건이 생산 현장에 있어서 적용되고 있다. 서보 밸브의 유량 게인 최대치가 전류치 I = I_max 근방에서 K_QMAX의 경우, 액티브 제진대 전체의 안정성 여유도를 예측하기 위한 개루프 게인(K_L)은, 상기 최대치 K_QMAX로 결정할 수 밖에 없다. 그러나, 서보 밸브의 동작점은, 통상은 구동 전류 범위의 중간 위치 근방(I≒I_max/2)에서 사용되는 경우가 많다. 이 때문에, 전류에 대한 유량 특성이 비선형일수록, 동작점에 있어서 필요이상으로 과잉의 게인 마진을 설정하게 된다. 이 경우, 액티브 제진대는 가장 사용시간이 긴 동작점에 있어서, 본래 가지는 충분한 성능을 발휘할 수 없다. 따라서, 서보 밸브의 전류에 대한 유량 특성이 선형일수록, 제어계는 적절한 안정도(게인 마진, 위상 마진)를 설정할 수 있는 것이다.

더 보충하자면, 서보 밸브의 전류에 대한 발생 압력(발생력)의 특성이 선형성을 가지는 것이 바람직하다. 이것은, 본 서보 밸브를 액티브 제어 장치에 적용했을 때에 요구되는 조건이다. 상술한 바와 같이, 피드 포워드 제어는 외란이 미리 알려져 있으므로 비로서 성립한다. 상기 스테이지 FF 제어를 실시하기 위해서는, 미리 알려져 있는 스테이지 거동 신호를 이용한다. 피드백 제어에 의해 정반의 자유진동이 수렴하는 시간은 개선되지만, 스테이지 가감속의 순간의 응답까지 저감하는 것은 어렵다. 스테이지 FF 제어를 이용하여, 직동 외란을 효과적으로 상쇄하기 위해서는, 스테이지의 가속도 신호를 역위상으로 재현하는, 정밀도가 높은 발생력의 파형을 만들 필요가 있다. 그러기 위해서는, 밸브 구동 전류 파형과 발생 압력의 파형이 상사형(相似形)이 되도록, 즉, 밸브 구동 전류에 대한 발생 압력(발생력)의 특성이, 동작점을 중심으로 넓은 범위에서 선형성을 가질 필요가 있다.

선형화의 효과지표 적용범위	실시예의 평가	참고(액티브 제진대의 경우)
0.4 < η < 1.0	◎	제진(除振)특성·제진(制振)특성 모두 충분한 성능이 얻어졌다. 밸브의 범용성은 높고, 적용 대상에 의존하지 않는다.
0.2 < η < 0.4	○	제진특성·제진특성 모두 실용상 지장이 없는 성능이 얻어졌다. 적용 대상에 따른 성능 부족은, 제어계 전체의 신세시스(synthesis)(종합 설계)로 보충할 수 있다.
0.1 < η < 0.2	△	적용 대상이 크게 한정된다. 주파수 대역에 따라서는, 충분한 제진성능이 얻어지지 않고, 대변동 하중의 FF 제어에는 대응할 수 없다.
η < 0.1	×	액티브 제어·제진대로서, 본래의 성능이 얻어지지 않는다.

도 17에, 「선형화의 효과 지표」를 구하기 위한 밸브의 유량 특성을 실측하는 일례를 나타낸다. 밸브의 기본 구조는, 도 1의 실시형태에서 나타낸 순방향 노즐과 역방향 노즐이 대향하여 배치되는 2 노즐형을 이용했을 경우를 상정하고 있다. 「선형화의 효과 지표」는 전류에 대한 플래퍼의 변위 특성으로부터도 구해지지만, 플래퍼 변위의 계측은 밸브의 구조면에서 용이하지 않은 경우가 많다. 그러나, 플래퍼 변위 특성과 전류치에 대한 프로필이 거의 동일한 밸브의 유량 특성은, 밸브 본체를 해체하는 일 없이, 도 17에 나타내는 방법으로 구해진다.

도 17에 있어서, 230은 측정 대상이 되는 밸브, 231은 이 밸브를 구동하는 전원, 232는 제어 포트, 233은 공급 압력원(234)으로 이어지는 공급구, 235는 배기구, 236은 유량계이다. 배기 포트(235)를 차단한 상태에서, 제어 포트(232)의 대기 해방시의 유량을 측정하면, 「선형화의 효과 지표」를 평가하기 위해서 필요한, 전류치에 대한 밸브의 유량 특성을 구할 수 있다. 도 1의 실시형태의 경우는, 플래퍼에 대향하여 배치된 하나의 노즐(이 경우는 순방향 노즐)과 플래퍼 사이의 유량이다. 본 방법에 의해, 밸브의 상세한 구조에 관계없이, 「선형화의 효과 지표」를 구할 수 있다.

3. 자기 포화 현상 이용의 평가방법

본 실시예는, 전류치의 증대와 함께 플래퍼의 변위(유량) 특성이, 본래라면 급격하게 상승하는 영역에 자기 포화 현상을 이용하는 것으로, 선형성(제어성)이 우수한 특성을 얻을 수 있는 점을 이용한 것이다. 따라서, 폐루프 자기 회로를 구성하는 어느 하나의 요소가, 밸브의 동작 범위내에서 자기 포화되는 것이 본 실시예를 적용하는데 있어서 전제 조건이 된다. 자기 포화 현상을 이용하지 않고, 전류에 대해서 플래퍼 변위가 급격하게 상승하기 전에 밸브 전류의 상한치를 설정해도, 서보 밸브로서 적용은 가능하다. 단, 큰 플래퍼 변위(유량)는 얻어지지 않는다.

또한 자기 포화 현상을 이용하여, 상기 전자석에 통전시키는 전류의 최대치 근방에서, 전류에 대한 유량 특성은 위로 볼록한 곡선이 되도록, 즉 변곡점(모델도 16의 E점)을 가지도록 구성하는 것으로, 다음의 효과가 얻어진다. 도 4를 이용하여 설명하면, 플래퍼(24)와 자극(31)사이의 간극(초기 갭)은 여유도를 가지고 설정할 수 있다. 상기 자기 포화 현상을 이용하지 않으면, 부재의 가공·조립 정밀도, 전자석 흡인력 특성, 자성 재료의 자기 특성 등의 약간의 편차에 의해, 전류에 대해서 플래퍼 변위(유량)가 급격하게 상승하는 영역에 들어가 버리기 때문에, 불안정한 밸브 특성이 되기 쉽다.

여기서, 전자석, 노즐, 플래퍼 등의 요소 부품으로부터 구성되는 서보 밸브의 구조를 상정한다. 이 때, 각 요소 부품의 형상, 밸브 전체 구성 등은 임의로 한다. 자기 포화 현상을 이용한 서보 밸브를 구체화하기 위해서, 다음의 방법으로 본 실시예 발명의 적용 가부를 평가한다.

i. 폐루프 자기 회로의 자기 저항의 총합을 구한다.

노즐 플래퍼 사이의 자기 저항(R_a)은, 전류 최대치 I = I_max일 때 최소가 된다. 이 때의 노즐 플래퍼 사이의 거리를 δ_n(도 4 참조), 자극 면적을 S로 하여, R_a = δ_n/(μ₀S)이다. 상기 자기 저항(R_a) 이외의 선형 자기 저항의 총합을 R_X로 하여, 폐루프 자기 회로의 자기 저항의 총합은, R_S = R_a+R_X이다. 선형 자기 저항은, 투자율(μ)이 일정하고, 자화력(H)과 자속 밀도(B)의 관계가 정비례 관계(B = μH)에 있다고 가정했을 경우의 자기 저항을 나타낸다.

ii. 폐루프 자기 회로에 발생하는 자속의 최대치를 구한다

전자 코일의 권수를 N으로 하여, 기자력(起磁力)의 최대치 E_max = N×I_max이며, 자속의 최대치는 Φ_max = N×I_max/R_S이다.

iii. 자기 포화가 발생하기 쉬운 개소의 자속 밀도(B_max)를 구한다.

폐루프 자기 회로에 있어서, (1) 자로 면적의 가장 좁은 개소, 혹은, (2) 포화 자속 밀도의 가장 작은 자성 재료를 이용하고 있는 개소, 상기 (1), (2)에 주목하여, 그 자로 면적을 S_c로 하면, 자속 밀도 B_max = Φ_max/S_c이다.

iv. 자기 포화 현상 발생의 평가

여기서, 상기 (1), (2)의 개소에 이용하는 자성 재료의 「자화력에 대한 자속 밀도 특성(BH 특성)」을 평가 데이터(도 11 참조)로서 이용한다. 선형 영역과 자기 포화 영역의 경계역(자화력 경계치(H_c))에 있어서의 자속 밀도 경계치와, 상기 B_max의 크기를 비교한다. B_max < 라면, 자기 포화 현상은 발생하지 않고, 자기 회로는 선형 영역내에서 사용되고 있다. B_max > 라면, 자기 포화 현상이 상기 (1), (2)의 개소에서 발생하고 있고, 본 실시예의 발명을 적용하는데 있어서 전제 조건을 만족한다는 것을 알 수 있다.

<제3의 실시형태>

도 18은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 플래퍼에 상당하는 디스크를 볼록형 원반 형상으로 하는 것으로써, 디스크를 흐르는 자속의 자기 포화 현상을 이용하는 개소와 디스크의 스프링 강성을 설정하는 개소를 2개로 분리한 밸브 형태를 나타내는 것이다.

플래퍼(124)는 판 두께가 두꺼운 볼록부(124a)(자기 경로부)와, 판 두께가 얇은 외주부(탄성 지지부)(124b)에 의해 구성된다. 126은 공급측 바닥판(121)과 플래퍼(124) 사이에 형성되는 공급측 공극부, 127은 플래퍼(124)와 상기 하우징측 사이에 형성되는 배기측 공극부, 128a, 128b, 128c, 128d는 플래퍼에 형성된 유통 구멍(도 18에는 128b, 128d는 도시하지 않음), 129는 공급측 노즐(순방향 노즐), 130은 배기측 노즐(역방향 노즐)이다. 131은 중심축(110)의 플래퍼측 단면(중심축 단면이며 제 1 자극), 132는 바깥프레임부의 플래퍼측 단면(바깥프레임부 단면이며 제 2 자극), 133은 흡입구이다.

도 19는 도 18에 있어서의 중심축(110), 플래퍼(124), 코일(114) 등의 부품으로 형성되는 폐루프 자기 회로의 모델도이다. 또한 이 모델도에서는, 공급측 바닥판(121), 공급측 노즐(129) 등은 생략하고 있다. 본 실시예 밸브의 플래퍼는, 반경(r₂), 두께(h₂)의 볼록부를 가지는데, 반경 r = r₁의 개소(자로 면적 S₁ = 2πr₁h₂)가 디스크를 방사 형상으로 흐르는 자속의 유출원이며, 상술한 자기 포화를 조절하는 최대 자속 컨트롤면이다. 플래퍼의 외주부(r₂ < r < r₃)의 두께(h₁)는 두께(h₂)와 비교하여 충분히 얇고, 탄성 변형하기 쉽다. 또한 볼록부의 바깥반경(r₂)은, 바깥프레임부 단면(132)(제 2 자극)의 바깥반경(r₄)과 비교하여, r₂ < r₄라도 좋다. 그 이유는, 반경 r = r₁을 자기 포화의 조절 개소로 했을 경우, 2개의 자로 면적 S₁(2πr₁h₂)과 S₂(2πr₂h₁)에 있어서, S₁ < S₂가 되면 좋기 때문이다. 이 경우, 탄성 변형부(r₂ < r < r₃)의 구간을 충분히 길게 취할 수 있기 때문에, 두께(h₁)는 극도로 얇은 값으로 설정하지 않아도 좋다.

도 20은, 판 두께 형상과 스프링 강성이 다른 3 종류의 플래퍼 형상을 상정하여, 전류치에 대한 플래퍼 변위를 비교한 것이다. 도 21은, 전류치에 대한 전자석의 발생력을 비교한 것이다. 도 20, 도 21으로부터, 동일 전류치일 때, 다음과 같다.

i. 변위의 크기는 C > B > A

ii. 발생력의 크기는 C > A > B

변위와 발생력에서 A와 B가 역전하는 이유는, 다음과 같다. 발생력에서 A > B가 되는 것은, 판 두께의 두꺼운 A 쪽이 B와 비교하여 자기 포화가 완화되기 때문이다. 그러나 변위에서 A < B가 되는 것은, 디스크의 스프링 강성이 판 두께의 3승에 비례하기 때문에, 스프링 강성은 A >> B이기 때문이다. 디스크 중심부가 동일한 판 두께의 C와 A를 비교했을 때, 발생력이 C > A가 되는 이유는, C는 A와 비교하여 변형되기 쉽고, 동일 전류치에서 디스크와 자극 사이의 C의 갭은 A와 비교하여 작아지기 때문이다. 상기 결과로부터, 볼록 형상의 디스크는 균일 두께의 디스크와 비교하여, 충분한 선형성을 유지한 채로, 동일한 전류치에서 보다 큰 변위를 얻을 수 있다.

도 22는, 상술한 3 종류의 플래퍼 형상을 가지는 밸브(도 18의 구조)에 있어서, 배기구(120)를 차단한 상태에 있어서의 전류치에 대한 제어 유량을 비교한 것이다. 해석 조건은, 공급 압력 P_s = 0.6MPa(abs), 대기압 P₀ = 0.1MPa(abs), 공급측 노즐(129)과 배기측 노즐(130)의 노즐 지름은 모두 Φ1.2 mm이다. 3 종류의 플래퍼 형상을 가지는 밸브는 어느 것도, 전류치 I = 0일 때 플래퍼(124)에 의해서 공급측 노즐(129)이 차단되는 경우를 상정하고 있다. 최대 전류치 I = 0.025 A일 때 배기측 노즐(130)이 차단되기 위해서는, 배기측 노즐(130) 선단부의 돌출량(δ_n)(도 4의 (a) 참조)을 다음과 같이 설정하면 좋다. δ_a를 I = 0.025 A일 때의 플래퍼 변위로 하여, Type A는 δ_n = X₀-δ_a = 0.222 mm, Type B는 δ_n = 0.207 mm, Type C는 δ_n = 0.135 mm이다.

<제4의 실시형태>

도 23은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이다.

중심축의 플래퍼측 단면(제 1 자극)에 있어서, 노즐 개구부와 중심축 외주부 사이에 반경 방향 유통로를 형성하는 것으로써, 작은 전류치로 큰 플래퍼 변위(유량)를 얻을 수 있는 밸브 구성을 나타내는 것이다. 66a, 66b, 66c, 66d는 원반 디스크 형상 플래퍼에 형성된 유통 구멍(도 23에는 66b, 66d는 도시하지 않음), 67은 공급측 노즐(순방향 노즐)의 개구부, 68은 배기측 노즐(역방향 노즐)의 개구부이다. 69는 중심축(50)의 플래퍼측 단면(중심축 단면이며 제 1 자극), 70은 바깥프레임부의 플래퍼측 단면(바깥프레임부 단면이며 제 2 자극)이다.

도 24는 배기 노즐 및 흡기 노즐 근방의 부분 확대도이며, 도 24의 (a)는 도 24의 (b)의 AA 방향에서 본 도이며, 플래퍼가 흡기 노즐을 차폐한 상태, 도 24의 (b)는 도 24의 (c)의 BB 방향에서 본 도, 도 24의 (c)는 코일에 전류가 인가된 상태를 나타낸다. 본 실시예에서는, 배기 노즐 및 흡기 노즐은 도 1의 실시예와 같이 별도의 부품을 장착하는 것이 아니라, 중심축(50) 및 공급측 하우징(60)을 이용하여 일체로 형성했다. 71a, 71b, 71c는 제 1 자극(69)의 플래퍼측 단면에 형성한 유통 홈, 72는 배기 노즐 개구부(68)와 제 1 자극(69) 사이에 형성한 파임부, 73은 배기 노즐 개구부(68)의 외주측에 형성된 테이퍼부이다. 상기 유통 홈의 홈 깊이는 충분히 깊고, 0.3 ~ 0.5 mm로 형성했다.

본 실시예에서는, 배기 노즐 개구부(68)는 제 1 자극(69) 단면에 대해서, δ_n = 0.046 mm(δ_n는 도 4의 (a) 참조)만큼 약간 돌출시킨 상태로 형성했다. 따라서, 플래퍼(63)가 배기 노즐 개구부(68)를 차폐했을 때, 제 1 자극 단면(69)과 플래퍼(63)의 간극은 상기 δ_n의 좁은 값이 된다. 그러나, 이 경우에서도 배기 노즐 개구부(68)의 외주측(파임부(72))과 배기측 공극부(65)는, 홈 깊이가 충분히 깊은 상기 유통 홈과 연락하고 있고, 배기 노즐 개구부(68)의 외주측 압력은 배기측 공극부(65), 흡기측 공극부(64)와 동일한 압력을 유지할 수 있다.

도 25는, 전류치에 대한 플래퍼 변위 특성을 나타내는 것으로, 하기 2 케이스를 비교한 것이다.

i. 배기 노즐 개구부(68)를, 제 1 자극(69) 단면에 대해서 겨우 δ_n만큼 돌출 시켜서 형성(본 실시형태에서 초기 갭 X₀ = 0.15 mm, 노즐 돌출량 δ_n = 0.046 mm)

ii. 배기 노즐 개구부를, 제 1 자극으로부터 충분한 거리를 유지하여 돌출시킴(실시형태 3의 구조에서 X₀ = 0.25 mm, δ_n = 0.135 mm로 설정했을 경우)

상기 ii. 에서 δ_n = 0.135 mm로 설정한 이유는 다음과 같다. 노즐 돌출량(δ_n)을 작게 하면, 반경 방향 유로의 공기 저항이 증대되어, 제 1 자극(131)(도 18)의 외경을 총 면적(S)으로 하는 공극부 전체가 대기압(P_s = 0.1 MPa)에 가까워질 가능성이 있다. 이 경우, 상기 플래퍼 좌우의 압력차에 비례하는 힘 f = (P_a-P_s)S가 상기 플래퍼에 가해지게 된다. 실험의 결과, 상기 플래퍼는 상기 제 1 자극면에 밀착한 상태가 되고, 플래퍼 변위(제어 압력)의 전류 제어에 지장을 초래하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 충분한 거리를 유지하여, 돌출량(δ_n)의 값을 설정하는 것이 바람직하다. 상기 ii. 의 조건에서는, 변위 X = 0.102 mm(이 때 제어압 P_a = 0.6 MPa)에 도달(B점)하기 위해서 전류치 I = 0.025 A를 필요로 한다. 상기 i. 의 본 실시형태에서는, δ_n를 충분히 작게 해도 안정된 플래퍼 변위의 전류 제어를 할 수 있고, 동일 변위(동일 제어압)에 도달(A점)하는 전류치는 I = 0.015 A이다.

<제5의 실시형태>

도 26은, 본 발명의 실시형태 5에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 바깥프레임부의 플래퍼 밸브측 단면을 플래퍼면과 밀착시키는 것으로, 제 2 자극을 생략하여, 제 1 자극만으로 플래퍼에 대한 흡인 작용을 얻도록 자기 회로를 형성한 것이다. 이 구성에 의해, 볼록 형상 플래퍼의 탄성 지지부의 외경을 작게 할 수 있기 때문에, 서보 밸브 본체의 외경(Φ_D)을 작게 할 수 있다. 예를 들어, 액티브 제진대의 경우, 스테이지의 네 모서리를 지지하는 공기압 유닛에는, 다축의 공기압 액추에이터가 장착된다. 공기압 액추에이터와 서보 밸브의 제어 포트간은 근접하여 배치할 필요가 있기 때문에, 서보 밸브 본체의 외경(Φ_D)은 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 152는 상기 중심축의 바깥프레임부, 172는 중심축의 바깥프레임부(152)의 플래퍼측 단면이며, 공극부를 없애서, 플래퍼(124)와 밀착한 구성으로 되어 있다.

<제6의 실시형태>

도 27은, 본 발명의 실시형태 6에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 코일 외경보다 지름이 작은 링 형상의 제 2 자극을, 폐루프 자기 회로 내에 마련하는 것으로, 자기 흡인력을 유지한 채로, 서보 밸브 본체의 외경(Φ_D)을 소형화한 것이다. 즉, 밸브 본체 소형화에 수반하는 탄성 변형부의 자기 포화의 영향(흡인력 저하)을 해소하는 것이다. 263은 볼록형 원반 형상의 플래퍼이며, 판 두께가 두꺼운 볼록부(자기 경로부)(264)와 판 두께가 얇은 외주부(탄성 변형부)(265)에 의해 구성된다. 266은 공급측 공극부, 267은 배기측 공극부이다. 268a, 268b, 268c, 268d는 플래퍼(263)에 형성된 유통 구멍(268b, 268d는 도시하지 않음), 269는 공급측 노즐(순방향 노즐) 개구부, 270은 배기측 노즐(역방향 노즐) 개구부, 271은 전자석의 제 1 자극, 272는 중심축의 바깥프레임부(252)의 플래퍼측 단면, 273은 체결 볼트, 274는 하우징 바닥부(256)와 하우징(255)를 체결하는 볼트이다. 275는 바깥프레임부(252)의 플래퍼측 단면(272)과 하우징(255) 사이에 협지된 자극용 링, 276은 이 자극용 링의 플래퍼(263)측 단면에 형성된 제 2 자극이다. 277은 자극용 링(275)과 플래퍼(265) 사이에 개재되는 하우징(255)의 일부이며, 이 하우징(255)은 비자성 재료로 구성되어 있다. 278은 흡입구이다.

도 28은, 자극을 1개만 마련한 상술한 제5 실시형태의 폐루프 자기 회로, 도 29는 제 1 자극에 더하여 제 2 자극을 보조적으로 마련한 본 실시형태의 폐루프 자기 회로의 확대도이다. 도 28의 경우, 폐루프 자기 회로는, 「중심축(150)→자극(171)→자기 경로부(164)→탄성 변형부(165)→바깥프레임부(152)」의 경로를 거친다.

도 29에 나타내는 본 실시형태의 경우, 폐루프 자기 회로는, 「중심축(250)→제 1 자극(271)→자기 경로부(264)→제 2 자극(276)→자극용 링(275)→바깥프레임부(252)」의 경로를 거친다. 상기 2개의 폐루프 자기 회로의 차이는, 도 28의 자기 회로가 탄성 변형부(165)를 거치는 것에 비하여, 도 29의 자기 회로에서는 탄성 변형부(265)를 스킵(이탈)하여 폐루프를 그린다고 하는 점이다.

도 30은, 상기 2개의 자기 회로를 상정하여, 「전류치에 대한 플래퍼 변위 특성」을 비교한 것이다. 도면 중에 나타내는 바와 같이, 각 디스크의 형상·강성은 동일하다.

Type A는 본 실시형태(도 29의 구조), Type B는 도 28의 구조를 이용했을 경우이다.

밸브의 소형화를 도모하기 위해서 디스크 외경을 작게 했을 경우, 탄성 변형부의 반경 방향의 길이도 작게할 수 밖에 없다. 이 때문에, 낮은 강성을 유지하기 위해서, 탄성 변형부의 판 두께를 h₁ = 0.08 mm까지 얇게 한 조건하에서의 해석 결과이다.

전류치 I = 0.025 A에 있어서, Type A의 플래퍼 최대 변위는 X_max = 0.13 mm인 것에 비하여, Type B의 플래퍼 최대 변위는 X_max = 0.018 mm 밖에 얻어지지 않는다. 그 이유는,

i. Type B의 경우, 자기 회로는 얇은 판 두께(h₁)의 개소를 경유한다. 그러나 그 결과, 자속은 자로 면적의 좁은 경로를 통과하게 되고, 자기 포화의 영향을 받아서, 최대 자속이 크게 억제되어 버린다.

ii. Type A의 경우, 자속은 탄성 변형부(265)인 얇은 판 두께(h₁)의 개소를 스킵하여 자기 경로부(264)→제 2 자극(276)→바깥프레임부(252)의 경로를 그린다. 이 때문에, 폐루프 자기 회로를 흐르는 자속의 크기는, 판 두께가 얇은 탄성 변형부(265)의 영향을 받지 않는다.

즉, 본 실시예에서는 디스크부의 스프링 강성을 결정하는 구조 설계와, 전류치에 대한 흡인력 특성을 결정하는 자기 회로 설계를, 각각 독립하여 행할 수 있다.

상술한 제5, 제6의 실시형태에서는, 상기 탄성 변형부의 판 두께(h₁)를 변경하는 것으로, 강성을 조절하고 있다. 그러나, 상기 플래퍼에 적절한 공극부를 형성하는 것으로, 강성을 조절할 수 있다.

혹은 상기 플래퍼의 강성을 조절하는 수단으로서, 예를 들어, 원주 방향으로 축대칭으로 작은 복수개의 구멍을 상기 플래퍼에 형성해도 좋다. (도시하지 않음)

<제7의 실시형태>

도 31은, 본 발명의 실시형태 7에 관한 공기압 서보 밸브이며, 도 31의 (a)는 도 31의 (c)의 AA 방향에서 본 도, 도 31의 (b)는 도 31의 (a)의 부분 확대도, 도 31의 (c)는 정면 단면도, 도 32는 도 31의 (c)의 스파이럴 디스크 스프링부의 부분 확대도이다. 본 실시예는, 플래퍼의 탄성 변형부의 강성을 판 두께가 아니라, 플래퍼에 형성한 스파이럴의 형상으로 선택한 것이다. 363은 원반 형상의 플래퍼이며, 중앙부의 자기 경로부(364)와, 스파이럴 디스크 스프링(후술)이 형성된 탄성 변형부(365)에 의해 구성된다.

탄성 변형부(365)인 스파이럴 디스크 스프링은, 본 실시예에서는, 8개의 릿지(ridge)(능선부)와 동일수의 그루브(groove)(공극부)에 의해 구성했다. 도 32의 스파이럴 디스크 스프링부의 부분 확대도에 있어서, 372a, 372b, 372c, 372d는 스파이럴 디스크 스프링(탄성 변형부(365))의 공극부이며, 372d는 자극(370) 근방에 형성한 개구 면적의 가장 큰 공극부이다. 그런데, 본 실시예에 있어서의 스파이럴 디스크 스프링(탄성 변형부(365))은, 이하 i. ~ iii. 에 나타내는 역할을 동시에 담당하고 있다.

i. 발생 응력을 완화하여, 적절한 플래퍼 지지 강성을 얻음

ii. 그루브(공극부)를 이용하여, 공급측 공극부(366)와 배기측 공극부(367)를 잇는 유통로로 함

iii. 폐루프 자기 회로의 자로(磁路)로 함

상기 i. 의 효과는 다음과 같다. 서보 밸브 본체의 외경(Φ_D)을 소형화하기 위해서, 플래퍼를 볼록 형상으로 하고, 또한 탄성 지지부의 판 두께를 최대한 얇게 하여 강성을 저감함과 함께, 제 2 자극을 마련하는 방법(제6의 실시형태)과 비교한다. 이 경우, 판 두께가 얇아질수록 탄성 지지부에 발생하는 응력이 증대되어, 디스크 형상의 플래퍼 부재의 허용 응력(탄성한계)을 초과해 버린다는 문제가 있었다. 볼록 형상 부재를 스파이럴 디스크 스프링으로 하는 것으로써, 최대 발생 응력의 대폭적인 저감을 도모할 수 있다. 스파이럴 디스크 스프링의 강성과 발생 응력은, 판 두께 이외에 스파이럴 각도(α)(도 31의 (a)), 그루브(릿지)의 갯수, 그루브와 릿지의 폭 비 등에 의해 선정할 수 있다. 단, 자기 경로부(364)와 상기 릿지의 경계선에서, 스파이럴 곡선의 개시점의 부분은 예각이 되기 때문에, 응력 집중이 발생한다. 이 응력 집중을 저감하기 위해서, 도 31의 (b)에 나타내는 바와 같이 본래의 스파이럴 곡선과는 다른 곡면부(373, 374)를 형성했다. 이 곡면부의 형성에 의해, 응력 집중을 큰폭으로 완화할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

상기 ii. 의 경우, 공극부(372a, 372b, 372c, 372d)를 이용하여, 공급측 공극부(366)와 배기측 공극부(367)를 잇는 유통로를 겸할 수 있다. 응력 집중의 완화를 겸하여 곡면부(373, 374)로부터 형성되는 공극부(372d)는, 개구 면적을 가장 크게 확보할 수 있다. 도 32에 공기의 흐름을 화살표(실선)로 나타낸다.

상기 iii. 은, 스파이럴 디스크 스프링의 판 두께를 충분히 두껍게 해도, 그 형상으로 강성의 선택을 할 수 있는 점을 이용하고 있다. 판 두께가 두껍고 자로 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 탄성 변형부(365)에 자기 포화가 발생되지 않고, 제6의 실시형태에서 나타낸 바와 같은 제 2 자극을 형성하지 않아도 좋다. 그 결과, 밸브 구조 본체의 간소화를 도모할 수 있다. 자속의 흐름은, 도 32에 화살표(쇄선)로 나타낸 바과 같이, 「자극(370)→스파이럴 디스크 스프링의 릿지(능선부)→중심축의 바깥프레임부(352)」이다. 실시예에서는, 탄성 변형부(365)(스파이럴 디스크 스프링)의 판 두께는 자기 경로부(364)와 동일하게 설정했지만, 자기 경로부(364)의 그것보다 두껍게 설정해도 좋다. 이 경우, 플래퍼 전체의 프로필은 오목 형상이 된다. 도 33에, 자기 경로부(364)의 중심부에 하중(F)을 가했을 때의, 스파이럴 디스크 스프링의 변형의 구조 해석 결과를 나타낸다.

상기 탄성 변형부에 이용할 수 있는 디스크 스프링으로서, 예를 들어, 구름형(雲形, curved) 스프링을 이용해도 좋다.

<제8의 실시형태>

상술한 본 발명의 실시예는, 밸브 구조는 주로 축대칭 부품으로 구성한 것이었다. 상기 축대칭 부품 이외에, 각기둥, 원기둥, 말발굽형, 환 형상, 등의 각종 철심, 직사각형의 박판재(薄板材), 각형(角型) 블록 등의 조합으로 자기 회로, 및 유체 회로를 형성해도, 본 발명에 의한 서보 밸브를 실현할 수 있다.

도 34는, 본 발명의 실시형태 8에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이다.

430은 지지축, 431은 전자 코일, 432는 L형 부재 바닥부, 433은 L형 부재 직립부, 434는 플래퍼, 435는 체결 볼트, 436은 배기측 유통로, 437은 배기측 노즐(역방향 노즐)이다. 438은 공급측 블록, 439는 공급측 유로, 440은 공급측 노즐(순방향 노즐), 441은 체결 볼트, 442는 공급측 공극부, 443은 배기측 공극부, 444는 제어 포트, 445는 제어실, 446은 전자석의 제 1 자극이다. 상기 제어실로부터 제어 포트(444)를 경유하여 공기압 액추에이터(도시하지 않음)로 이어져 있는 점은, 상술한 실시예와 마찬가지이다. 447은 자극용 요크재(yoke material), 448은 이 자극용 요크재의 상기 플래퍼측 단면에 형성된 제 2 자극, 449는 비자성 재료에 의한 스페이서, 450은 상기 스페이서를 개재하여 상기 자극용 요크재와 상기 플래퍼를 공급측 블록(438)에 체결하는 볼트, 451은 상기 제 2 자극과 상기 플래퍼의 고정측 사이에서, 상기 플래퍼에 형성된 탄성 변형부이다. 즉, 상기 플래퍼의 표리(表裏)에 오목부를 형성하여 상기 탄성 변형부를 구성하고 있다. 또한, 상기 플래퍼에 있어서, 상기 공급측 노즐과 상기 제 2 자극 사이에 자기 경로부(452)를 형성하고 있다. 453은 흡입구, 454는 토출구이다. 「지지축(430)→L형 부재 바닥부(432)→L형 부재 직립부(433)→제 1 자극(446)→상기 플래퍼의 자기 경로부(452)→제 2 자극(448)→자극용 요크재(447)→지지축(430)」에 의해, 폐루프 자기 회로를 형성하고 있다.

본 실시예에서는, 유로는 폐루프 자기 회로 내에 형성하고 있지만, 상기 제 1 자극으로부터 상기 플래퍼를 연장하여 마련하고, 이 연장한 플래퍼면에 노즐을 대향하여 배치하는 유로를 별도로 구성해도 좋다. 혹은, 상기 실시예에서는, 플래퍼(434)는 캔틸레버 지지 구조였지만, 양단 지지 구조라도 좋다. 이 경우, 지지축(430)을 좌우 대칭으로 구성하여, 상기 L형 부재 직립부에 전자 코일(431)을 장착해도 좋다.

<제9의 실시형태>

본 실시예는, 종래의 「쌍방향 플래퍼를 이용하는 노즐 플래퍼 밸브」의 구동 원리에 관한 과제, 즉, 정상 상태에 있어서의 밸브의 동작점에서 공기 소비 유량이 가장 크다는 결점을 해소하는 밸브 구조를 제안하는 것이다.

도 35는, 본 발명의 실시형태 9에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 763은 볼록형 원반 형상의 플래퍼이며, 판 두께가 두꺼운 볼록부(자기 경로부)(764a)와, 판 두께가 얇은 외주부(탄성 변형부)(764b)에 의해 구성된다. 769는 공급측 노즐(순방향 노즐), 770은 배기측 노즐(역방향 노즐)이다. 771은 중심축(750)의 플래퍼 밸브측 단면(중심축 단면)이며 전자석의 제 1 자극이다. 772는 바깥프레임부(752)의 플래퍼측 단면에 형성된 제 2 자극, 773은 플래퍼(763)와 하우징(755) 사이에 협지된 비자성 링이다. 공급측 하우징(760)과 하우징(755)는, 상기 플래퍼와 상기 비자성 링을 협지하여, 볼트(도시하지 않음)에 의해 체결되어 있다. 774는 상기 플래퍼의 공급측의 중심부에 형성된 공급측 볼록부, 775는 상기 플래퍼의 배기측의 중심부에 형성된 배기측 볼록부이다. 또한, 상기 공급측 공극부와 상기 배기측 공극부에 의해, 본 밸브의 제어실(776)을 형성하고 있다.

한편 본 실시예 밸브는, 정상 상태에 있어서의 밸브의 동작점에서 공기 소비 유량을 충분히 작게 할 수 있다. 이것은, 상기 공급측 노즐(769)과 상기 플래퍼(763) 사이, 및, 상기 배기측 노즐(770) 사이에 횡단면이 개략 환 형상의 유로를 형성하는 환 형상 유로 형성 구조가 각각 마련되어 있는 것에 기인한다. 보다 구체적으로는 상기 환 형상 유로 형성 구조는, 각 노즐(769, 770)의 선단부의 통 형상의 내주면과, 상기 내주면에 대해서 반경 방향으로 이격(離隔)시켜서 삽입되는 삽입체로부터 이루어지는 것이다. 즉, 플래퍼(763)의 면판부에 대해서 수직으로 돌출시킨 볼록부를 삽입체로 하고 있고, 노즐(769, 770)에의 삽입체의 삽입 가감에 의해 환 형상의 유로의 축방향의 길이를 변화시켜서, 유량 특성을 변화시킬 수 있다. 도 36의 (a) ~ 도 36의 (c)는 노즐 플래퍼 사이의 조합 상태를 나타내고, 도 37의 (a)와 도 37의 (b)는 한 개의 노즐에 주목했을 때의, 밸브 유량과 노즐 플래퍼사이의 간극의 관계를 모델화하여 나타내고 있다. 이하, 상기 2개의 도(도 37의 (a)와 도 37의 (b))를 대비시키면서, 본 밸브의 동작 원리에 대해서, 도 36의 (a) ~ 도 43의 (c)를 이용하여 설명한다.

도 36의 (a)는 밸브 입력 전류 I = 0(초기치) 상태, 도 36의 (b)는 입력 전류 I≒I_max/2(동작점) 상태, 도 36의 (c)는 입력 전류 I = I_max(최대치) 상태이다. 상기 도에 있어서, 777은 공급측 노즐 오리피스, 778은 배기측 노즐 오리피스이다. 779a, 779b(도시하지 않음), 779c는 제 1 자극(771)의 플래퍼측 단면에 형성한 유통 홈이며, 실시형태 4(도 24의 (b))와 마찬가지의 기능을 가진다.

도 36의 (a)의 밸브 입력 전류 I = 0에서는, 상기 플래퍼의 공급측 볼록부(774)는 공급측 노즐 오리피스(777)에 깊이 침입하고 있다. 도 37의 (a)에 있어서의 도 A 상태이며, 공급측 볼록부(774)와 공급측 노즐 오리피스(777)로 형성되는 좁은 환 형상 간극의 흐름은 점성류(粘性流)로 되어 있다. 따라서, 공기압 공급원(도시하지 않음)으로부터 본 밸브의 상기 제어실에 유입하는 공기량은 미소량이다.

도 36의 (b)의 입력 전류 I≒I_max/2(동작점)에서는, 공급측 볼록부(774)의 노즐측 단면(780)은 공급측 노즐 오리피스(777)의 개구단과 근접한 상태에 있다. 도 37의 (a)에 있어서의 도 B이며, 상기 공급측 노즐로부터 상기 제어실에 유입하는 유체의 흐름은, 점성류 영역으로부터 포텐셜류 영역으로 이행하는 전이 영역에 있다. 또한, 상기 제어실로부터 상기 배기측 노즐에 유입하는 유체의 흐름도, 마찬가지로 전이 영역에 있다.

도 36의 (c)의 입력 전류 I = I_max에서는, 공급측 볼록부(774)의 노즐측 단면(780)은 공급측 노즐 오리피스(777)의 개구단으로부터 충분히 이격된 상태에 있다. 도 37의 (a)에 있어서의 도 C이며, 상기 공급측 노즐로부터 상기 제어실에 유입하는 유체의 흐름은, 포텐셜류 영역에 있다. 또한, 상기 플래퍼의 배기측 볼록부(775)는, 배기측 노즐 오리피스(778)에 깊이 침입하고 있고, 양 부재로 형성되는 좁은 환 형상 간극의 흐름은 점성류로 되어 있다. 따라서, 제어실(776)로부터 대기에 유출되는 공기량은 미소량이다.

도 37의 (b)에, 본 실시예 밸브의 「노즐과 플래퍼사이의 간극(X)(밸브 입력 전류)에 대한 밸브 유량(Q)」의 특성(실선)을, 종래 밸브 특성(일점쇄선)과의 대비하에서 나타낸다. 본 실시예 밸브의 경우, 점성류 영역(A)에서 전이 영역(B)까지는 유량은 충분히 작고, 포텐셜류 영역(C)에 들어가면 유량은 급격하게 증대된다. 종래 밸브의 경우는, 전체 영역(A→B→C)이 포텐셜류 영역이기 때문에, 간극(X)이 작은 단계에서부터 유량은 크다. 이 유량 특성의 차이가, 양자의 동작점에 있어서의 공기 소비 유량의 차이가 된다.

도 38의 (a), 도 38의 (b)는 본 실시예 밸브가 종래 밸브와 비교하여, 동작점에 있어서의 공기 소비 유량을 큰폭으로 삭감할 수 있는 것을 모식적으로 나타내는 것이다. 제어실의 압력을 일정하다고 가정하고, 간극(X)에 대한 유량(Q)의 특성을, i. 공급측으로부터 제어실에의 유입량(실선), ii. 제어실로부터 대기에의 유출량(쇄선)에 대해서 기재하고 있다. 도 38의 (a)는 종래 밸브이며, 도 38의 (b)는 본 실시예 밸브이다. 유입량과 유출량의 교점을 동작점으로 하면, 본 실시예 밸브의 동작점에 있어서의 공기 소비 유량은, 종래 밸브와 비교하여 큰폭으로 작아지는 것을 알 수 있다. 동작점 근방에서, 종래 밸브의 곡선 i. ii. 는 모두 위로 볼록한 곡선이며, 본 실시예 밸브의 곡선 i. ii. 는 모두 아래로 볼록한 곡선의 조합이 된다. 즉, 노즐과 플래퍼의 상세한 구조에 관계없이, 혹은 점성류 영역, 포텐셜류 영역의 어느 영역이라도, 간극(X)(혹은 전류치)에 대한 유량(Q)의 특성이, 동작점 근방에서 아래로 볼록한 곡선이 되는 밸브 특성을 가지는 것이 소비 공기 유량을 저감시키는 포인트이다.

한편 상술한 바와 같이, 본 실시예 밸브가 공기 소비 유량을 큰폭으로 저감할 수 있는 이유는, 쌍방향 플래퍼 양면의 볼록부와 각 노즐측 오리피스의 감합 상태를, 플래퍼의 축방향 이동에 의해 조절할 수 있기 때문이다. 그러기 위해서는, 플래퍼는 가능한 한 큰 스트로크로 구동되는 것이 구조면과 부재의 가공면으로부터 바람직하다. 그러나, 예를 들어 제1의 실시형태에서 나타낸 바와 같이, 맥스웰의 응력을 이용한 액추에이터의 경우, 자기 흡인 작용이 유효이용 가능한 자극과 플래퍼 사이의 자기 갭의 최대치는 0.05 ~ 0.20 mm의 등급(order)이었다. 에어 갭에 대한 자기 흡인력의 특성은 비선형이며, 상기 최대치를 초과하면, 자기 흡인력은 통상적으로는 큰폭으로 저하한다. 그러나, 제2의 실시형태에서 설명한 것처럼, 플래퍼에 상당하는 가동부에 적절한 자성 재료와 얇은 디스크를 이용하면, 전류에 대한 플래퍼의 변위 특성은, 선형성(직선성)이 우수한 특성을 얻을 수 있다는 것을, 본 연구의 과정에서 발견할 수 있었다.

이 자기 포화 현상을 더 적극적으로 이용하는 것으로써, 전류에 대한 플래퍼의 변위 특성의 선형성을 잃는 일 없이, 플래퍼의 스트로크를 큰폭으로 증대시킬 수 있다.

도 39의 그래프중에 본 실시형태에 이용한 전자석과 디스크 형상의 사양[Type (II)]을, 상술한 제2의 실시형태의 사양[Type (I)]과 대비하여 나타낸다. Type (II)의 전자석의 외경은 Type (I)와 비교하여 2배, 코일 권수는 3배이다. 전류치 I = 40 mA일 때 Type (I)에서는 플래퍼 변위 X = 0.12 mm 정도인 것에 비하여, 본 실시예 Type (II)에서는 플래퍼 변위 X = 0.68 mm가 된다. 본 실시예 밸브의 개발에 있어서, 구조·성능면과 부품의 정밀 가공면에서의 검토 결과에서는, 상기 폐루프 자기 회로의 자기 포화 특성을 이용하여, 상기 노즐과 상기 전자석 사이의 최대 스트로크를 0.5 mm 이상으로 설정하면, 충분한 성능이 얻어진다는 것을 알 수 있었다.

도 40은, 상술한 실시예의 구조를 이용하여, 전류치에 대한 유량 특성을 보다 선형성이 우수한 특성으로 하기 위해서, 노즐 플래퍼 사이의 감합 상태에 개량을 실시한 것이다. 즉, 전류치에 대한 노즐 플래퍼 사이의 유로 면적이 보다 완만하게 변화하도록, 노즐과 감합하는 플래퍼측 볼록부를 테이퍼 형상으로 하고 있다. 도 40의 (a)는 밸브 입력 전류 I = 0(초기치) 상태, 도 40의 (b)는 입력 전류 I≒I_max/2(동작점) 상태, 도 40의 (c)는 입력 전류 I = I_max(최대치) 상태이다. 780은 공급측 하우징, 781은 중심축, 782는 플래퍼, 783은 상기 플래퍼의 중앙부에 형성된 공급측 테이퍼부, 784는 배기측 테이퍼부, 785는 상기 공급측 테이퍼부와 감합하도록 형성된 공급측 노즐(순방향 노즐) 오리피스, 786은 상기 배기측 테이퍼부와 감합하도록 형성된 배기측 노즐(역방향 노즐) 오리피스이다. 787은 제 1 자극, 788a, 788b(도시하지 않음), 788c는 제 1 자극(787)의 플래퍼측 단면에 형성한 유통 홈이며, 실시형태 4(도 24)와 마찬가지의 기능을 가진다. 789는 제어실이다.

도 40의 (a)→도 40의 (b)→도 40의 (c)로 이행할 때의 「밸브 유량과 간극의 관계」는, 도 37의 (a), 도 37의 (b)에서 나타낸 내용과 개략 동일하다. 단, 간극의 변화에 대해서 밸브 유량은 한층 완만하게 변화된다.

도 40의 (c)의 입력 전류 I = I_max에서는, 상기 플래퍼의 배기측 테이퍼부(784)는, 배기측 노즐 오리피스(786)에 깊게 침입하고 있고, 제어실(789)로부터 대기에 유출되는 공기량은 근소량이다.

본 실시예에서는, 볼록형 원반 형상의 플래퍼를 이용했지만, 제7 실시형태에서 이용한 것처럼 스파이럴 디스크 스프링을 적용하면, 플래퍼가 큰 축방향 변위임에도 불구하고, 발생 응력을 완화시키고, 또한 적절한 축방향 강성의 설정을 할 수 있다. 혹은, 예를 들어, 구름형 스프링에서도 적용할 수 있다.

후술하는 제10, 제11의 실시형태도 마찬가지이지만, 좌우 대칭으로 볼록부와 이 볼록부를 수납하는 오리피스를 형성하지 않고, 흡기측, 혹은 배기측의 어느 한쪽에만 형성해도 좋다. 볼록부와 이 볼록부를 수납하는 오리피스가 한쪽만이라도 마련하면, 볼록부가 오리피스에 깊게 침입하는 것으로 유출량을 차단할 수 있고, 또한 침입의 정도(밸브 전류치)로 유량 제어를 도모할 수 있다. 예를 들어, 한쪽에 볼록부와 이 볼록부를 수납하는 오리피스를 마련하고, 다른 한쪽은 일반의 노즐 플래퍼 밸브(예를 들어 도 1 참조)의 조합이라도 좋다. (도시하지 않음)

본 실시예에서는, 플래퍼측에 볼록부를 형성하여, 노즐측에 이 볼록부를 수납하는 오리피스를 마련했지만 그 반대라도 좋다. 후술하는 실시예도 마찬가지이지만, 노즐측에 공급원에 연락하는 개구 구멍이 형성된 원통부를 형성하고, 플래퍼측에 이 원통부를 좁은 간극을 유지하여 수납하는 오목부를 형성해도 좋다. 혹은, 노즐의 테이퍼부(볼록부)의 선단 자체를 삽입체로 하고 플래퍼측에 형성된 역테이퍼부(오목부)의 내주면에 대해서 비접촉으로 수납되는 구성이라도 좋다. 중요한 것은 노즐과 플래퍼의 상대 이동에 의해서, 유로의 축방향 길이가 변화하는 환 형상 유로 형성 구조를 마련하면 좋다. (도시하지 않음)

<제10의 실시형태>

도 41은, 본 발명의 실시형태 10에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 저소비 공기 유량의 특징을 유지하고, 또한 입력 전류에 대한 제어 압력이 비례 관계가 되도록, 밸브 구조에 개량을 실시한 것이다.

300은 중심축, 301은 이 중심축의 바닥부, 302는 상기 중심축의 바깥프레임부, 303은 코일보빈, 304는 코일이다. 305는 통 형상의 하우징, 306은 이 하우징 바닥부, 307은 체결 볼트, 308은 배기측 유통로, 309는 토출구, 310은 공급측 하우징, 311a는 흡입구, 311b는 공급측 유로, 312는 공기압 액추에이터(도시하지 않음)로 이어지는 제어측 유로이다. 313은 플래퍼이며, 공급측 하우징(310)과 하우징(305)에 협지된 상태로, 양 부재(305, 310)를 체결하는 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정된다.

314는 상기 공급측 하우징과 상기 플래퍼 사이에 형성되는 공급측 공극부, 315는 상기 플래퍼와 상기 하우징측 사이에 형성되는 배기측 공극부이다.

316a, 316b, 316c, 316d는 상기 플래퍼에 형성된 유통 구멍(316b, 316d는 도시하지 않음), 317은 공급측 노즐(순방향 노즐) 개구부, 318은 배기측 노즐(역방향 노즐) 개구부이다. 319는 대기로 이어지는 정압원(定壓源) 포트, 320은 전자석의 자극, 321은 상기 바깥프레임부의 플래퍼측 단면이며 상기 플래퍼와 밀착하고 있다.

도 42의 (a)는 밸브 입력 전류 I = 0(초기치) 상태, 도 42의 (b)는 입력 전류 I≒I_max/2(동작점) 상태, 도 42의 (c)는 입력 전류 I = I_max(최대치) 상태이다. 상기 도에 있어서, 322는 공급측 노즐 오리피스, 323은 배기측 노즐 오리피스이다. 324a, 324b(도시하지 않음), 324c는 자극(320)의 플래퍼측 단면에 형성한 유통 홈이며, 실시형태 4(도 24)와 마찬가지의 기능을 가진다. 325는 상기 플래퍼의 공급측에 형성된 플래퍼 공급측 볼록부, 326은 상기 플래퍼의 배기측에 형성된 플래퍼 배기측 볼록부, 327은 상기 공급측 하우징의 플래퍼측에 형성된 공급 하우징측 볼록부, 328은 상기 플래퍼의 공급측에 형성된 플래퍼측 오목부, 329는 제어실, 330은 정압실(定壓室)이다. 이 정압실은 대기로 이어지는 정압원 포트(319)와 연결되어 있기 때문에, 압력은 항상 일정하게 P = P₀(대기압) 유지되어 있다. 공급 하우징측 볼록부(327)와 플래퍼측 오목부(328)의 2개의 부재는, 항상 좁은 간극을 유지하여 축방향으로 슬라이딩 가능하게 감합되어 있고, 비접촉 시일부(331)를 형성하고 있다.

한편, 입력 전류가 0 < I < I_max의 범위에서, 제어실(329)의 압력(P_a)은 상기 플래퍼의 위치에 의해서, P₀ < P_a < P_s의 범위에서 변화한다. 그러나, 정압실(330)은 시일부(331)에 의해서, 제어실(329)과 차폐되어 있기 때문에, 압력은 P = P₀(일정)이다.

전자석의 발생력(흡인력)(F)과 플래퍼 양면의 압력차에 의한 하중, 및 플래퍼의 스프링 강성에 의한 복원력이 균형을 이룬다. 정압실(330)의 압력이 상기 플래퍼에 유효하게 작용하는 면적을 S₁, 비접촉 시일부(331)로 덮이는 상기 플래퍼의 공급측의 면적을 S₂로 하면, 상기 플래퍼의 배기측에서 제어압(P_a)이 가해지는 총 면적은 S₁+S₂이다. 상기 플래퍼(디스크)의 스프링 강성을 K, 상기 플래퍼의 변위를 X로 하면

[수학식 11]

(P_a-P₀)S₁ >> K_x가 되도록, 정압실(330)의 플래퍼 면적(S₁)를 설정하면, 전자석의 발생력과 제어 압력의 게이지압 P_a-P₀는 개략 비례한다.

[수학식 12]

자기 포화 현상을 이용하면, 예를 들어, 도 21의 그래프(Type C)에 나타내는 바와 같이, 전류치에 대한 전자석의 발생력은 비례 관계를 가지게 할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는, 저소비 공기 유량의 특징을 유지하고, 또한 입력 전류에 대한 제어 압력이 비례 관계가 되는 밸브 특성을 얻을 수 있다.

본 실시예에서는, 전자석의 자극은 중심축에만 마련했지만, 흡인력을 증가시키기 위해서 상술한 실시예와 같이, 제 2 자극을 마련해도 좋다. (도시하지 않음)

<제11의 실시형태>

도 43은, 본 발명의 실시형태 11에 관한 공기압 서보 밸브의 정면 단면도이며, 상술한 실시예와 마찬가지로 저소비 공기 유량의 특징을 유지하고, 또한 입력 전류에 대한 제어 압력이 비례 관계가 되도록, 밸브 구조에 개량을 실시한 것이다. 상술한 실시예는 정압실을 플래퍼의 외주부에 마련했지만, 본 실시예는 플래퍼의 중심부에서 배기측에 마련하고 있다.

900은 중심축, 901은 이 중심축의 바닥부, 902는 상기 중심축의 축심과 동심원으로 형성된 바깥프레임부, 903은 코일보빈, 904는 코일이다. 905는 통 형상의 공급측 하우징, 906은 이 공급측 하우징 바닥부, 907은 체결 볼트, 908은 공급측 유통로, 909는 흡입구, 910은 배기측 하우징, 911a는 토출구, 911b는 배기측 유로, 912는 공기압 액추에이터(도시하지 않음)로 이어지는 제어측 유로이다. 913은 플래퍼이며, 배기측 하우징(910)과 공급측 하우징(905)에 협지된 상태로, 양 부재(905, 910)를 체결하는 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정된다. 914는 상기 공급측 하우징과 상기 플래퍼 사이에 형성되는 공급측 공극부, 915는 상기 플래퍼와 상기 배기측 하우징측 사이에 형성되는 배기측 공극부이다. 916a, 916b, 916c, 916d는 상기 플래퍼에 형성된 유통 구멍(916b, 916d는 도시하지 않음), 917은 전자석의 자극, 918은 상기 바깥프레임부의 플래퍼측 단면이며 상기 플래퍼와 밀착하고 있다.

이하, 확대도 44에 있어서, 919는 공급측 노즐 오리피스, 920은 상기 플래퍼의 공급측에 형성된 플래퍼 공급측 볼록부이다. 이 플래퍼 공급측 볼록부와 공급측 노즐 오리피스(919)가 감합하는 것으로, 공급측 유로의 유체 저항(R₁)이 조절된다.

921은 상기 플래퍼의 배기측에 형성된 플래퍼 배기측 오목부, 922는 상기 배기측 하우징에 형성된 하우징 배기측 볼록부이다. 이 하우징 배기측 볼록부와 플래퍼 배기측 오목부(921)가 감합하는 것으로, 배기측 유로의 유체 저항(R₂)이 조절된다. 공급측 공극부(914)와 배기측 공극부는 상기 유통 구멍에 의해 연락하고 있고, 상술한 실시예와 마찬가지로 이 2개의 공극부에 의해 제어실(923)을 형성하고 있다. 이 제어실의 압력(P_a)은, 공급원 압력(P_s)과 공급측 유로의 유체 저항(R₁)과 배기측 유로의 유체 저항(R₂)에 의해 결정된다.

924는 정압실이며, 대기로 이어지는 배기측 유로(911b)와 연결되어 있기 때문에, 압력은 항상 일정하게 P = P₀(대기압) 유지되어 있다. 상술한 실시예와 마찬가지로 전자석의 발생력(흡인력)(F)와 플래퍼 양면의 압력차에 의한 하중, 및 플래퍼의 스프링 강성에 의한 복원력이 균형을 이룬다. 정압실(924)의 반경(r₁)으로 정해지는 면적을 S₁, 이 정압실 반대측에서, 반경(r₂)으로 정해지는 상기 플래퍼 공급측면적을 S₂로 하면, 상기 플래퍼의 배기측에서 제어압(P_a)이 가해지는 총 면적은 S₂-S₁이다.

[수학식 13]

상기 수학식 13에서, (P_a-P₀) S₁ >> K_x가 되도록, 정압실(924)의 반경(r₁)을 설정하면, 전자석의 발생력과 제어 압력의 게이지압 P_a-P₀는 개략 비례한다. 따라서, 상술한 실시예와 마찬가지로 저소비 공기 유량의 특징을 유지하고, 또한 입력 전류에 대한 제어 압력이 비례 관계가 되는 밸브 특성을 얻을 수 있다.

실시예에서는, 정압실(924)의 압력을 일정하게 유지하기 위해서 비접촉 시일부(921, 922)를 형성했지만, O링 등의 시일 부재를 이용해도 좋다.

<제12의 실시형태>

도 46은, 본 발명의 실시형태 12에 관한 마이크로 액추에이터의 정면 단면도이며, 자기 포화 현상을 적극적으로 이용하는 것으로, 스트로크를 큰폭으로 증대시킬 수 있는 점에 주목하여, 제6의 실시형태에 있어서의 플래퍼 부분에 출력축을 별도로 마련하여, 마이크로 액추에이터로서 독립한 유닛을 구성한 것이다.

본 발명을 포핏 밸브, 혹은, 4방향 안내 밸브 등과 조합하는 것으로, 유체 서보 밸브로서 적용할 수 있다.

820은 마이크로 액추에이터의 전체를 나타내고, 821은 중심축, 822는 코일보빈, 823은 상기 코일보빈에 권취된 코일, 824는 상기 중심축과 상기 코일보빈을 수납하는 바깥프레임부, 825는 통 형상의 코일측 하우징, 826은 체결 볼트, 827은 플래퍼측 하우징, 828은 원반 형상의 플래퍼이며, 판 두께가 두꺼운 볼록부(자기 경로부)(829)와 판 두께가 얇은 외주부(탄성 변형부)(830)에 의해 구성된다.

831은 중심축(821)의 플래퍼측 단면인 제 1 자극, 832는 상기 바깥프레임부의 플래퍼측 단면에 마련된 자극용 링, 833은 이 자극용 링의 상기 플래퍼측 단면에 형성된 제 2 자극이다. 834는 체결 볼트, 835는 상기 플래퍼와 일체화한 본 유닛의 출력축 단부, 836은 비자성 재료의 스페이서이다. 837은 본 유닛의 출력축에서 구동되는 유체 제어부이다.

여기서, 본 실시예의 마이크로 액추에이터를, 도 45의 포핏 밸브에 직결했을 경우를 상정한다. 도 45에 있어서, 880은 테이퍼부, 881은 이 테이퍼부와 감합되는 노즐부, 882는 하우징, 883은 유체 공급 포트, 884는 유체 출력 포트이다.

전류를 인가하지 않는 상태에서, 포핏 밸브의 테이퍼부(880)가 노즐부(881)에 밀착되어 있으면, 유체의 흐름은 차단되어 있다. 전류를 인가하는 것으로, 상기 테이퍼부는 상기 테이퍼부로부터 이격되고, 유체는 유체 공급 포트(883)로부터 유체 출력 포트(884)로 공급된다. 즉, 전원이 돌연 OFF가 되는 비상시에는, 유로는 차단되는 페일 세이프 기능을 가지게 할 수 있다.

출력축(835)을 중심축(821)에 관통시켜서, 코일측 하우징(825)의 바닥면(도 46의 좌단)으로부터 상기 출력축을 돌출시키는 구조로 하면, 상기 코일에 전류의 크기에 비례하여, 상기 출력축은 액추에이터 본체로부터 돌출하는 동작을 한다. 따라서, 본 액추에이터가 자기 흡인식임에도 불구하고, 종래로부터 널리 이용되고 있는 압전형, 자왜형(磁歪型) 액추에이터 등과 마찬가지의 사용법이 생긴다. 이 경우, 상기 중심축의 양단을 디스크 형상 스프링으로 탄성 지지하는 것으로, 상기 중심축은 클롱 마찰의 영향을 받지 않는 비접촉 지지로 할 수 있다.

덧붙여서, 종래부터 다용되고 있는 피에조 액추에이터는, 스트로크는 겨우 50μm 정도가 한계이며, 초자왜(超磁歪) 액추에이터도 100μm 정도가 한계이다. 따라서, 자기 포화 현상을 이용하는 것으로써, 종래의 피에조 액추에이터, 초자왜 액추에이터에서는 얻을 수 없었던 mm 등급(order)의 변위 제어가 가능해진다. 또한, 제1의 실시형태(표 2 참조)에서 상술한 바와 같이, 보이스 코일 모터(리니어 모터)와 비교해도, 높은 공진 주파수와 고속 응답성을 가지고, 추력 정수가 높기 때문에 소전력으로 구동할 수 있고, 액추에이터의 대폭적인 소형화가 가능하다.

보충 [1]

본 발명 밸브는 전공 변환기(electropneumatic converter)로서도 적용할 수 있다. 예를 들어, 제1 ~ 제7의 실시형태에 있어서, 플래퍼와 대항하는 공급측 노즐을 제2 노즐, 이 제2 노즐의 상류측에 마련된 고정 오리피스를 제1 노즐로 한다. 상기 제 1 노즐과 상기 제 2 노즐 사이를 제어실 A로 하면, 이 제어실 A의 압력은 상기 플래퍼와 상기 제2 노즐사이의 간극을 제어하는 것으로써 가변할 수 있다. 제어실 A의 압력을 전공 변환기의 출력 압력으로서 이용하면 좋다.

또한 배기측 노즐의 하류측에 고정 오리피스를 마련하여, 이 고정 오리피스와 상기 배기측 노즐 사이를 제어실 B로 한다. 상기 제어실 A와 상기 제어실 B의 압력을 파일럿압으로 하여, 예를 들어, 4방향 안내 밸브를 상류측으로 제어하는 파일럿 밸브(1차 제어 밸브)로서 적용할 수 있다.

상술한 실시예에서는, 자로 면적이 작은 박판의 플래퍼를 이용하여, 자기 포화의 조절을 하고 있었다. 그러나, 폐루프 자기 회로를 구성하는 각 요소의 어느 것을 이용해도, 자기 포화 현상을 이용할 수 있다. 예를 들어, 중심축(도 19의 110)의 중간부에 원통부의 판 두께가 얇은 자로 면적의 작은 개소를 마련하여, 이 개소에서 자기 포화 현상을 조절하는 최대 자속 컨트롤면(도 10의 (c) 참조)으로 해도 좋다.

혹은, 자로 면적의 크기가 아니라, 투자율이 작은 자성 재료를 이용하여, 자기 포화 현상을 조절할 수도 있다. 이 경우, 폐루프 자기 회로 내에, 투자율이 작은 자성 재료로 구성되는 부재를 국소적으로 배치하면 좋다.

본 발명의 상술한 각 실시예에서는, 작동 유체로 공기를 이용했을 경우를 나타냈지만, 본 발명으로 이용하는 작동 유체로서는, 기름, 공기, 여러가지 종류의 가스를 불문하고 적용할 수 있다. 예를 들어 전자 코일의 부분은, 수지로 몰드(밀봉) 성형하는 것으로 액체가 접해도 좋은 구성으로 해도 좋다.

디스크(플래퍼) 재료에 이용하는 재료로서는, 퍼멀로이(B), 전자(電磁) 스테인리스강, 순철(純鐵) 등을 적용할 수 있다. 또한, 폐루프 자기 회로를 구성하는 부품에는 자성 재료를 이용하고, 그 이외의 하우징 등에는 비자성 재료를 이용하면 좋다.

또한 자기 포화 현상을 이용하지 않는 경우에서도, 각 실시예에서 개시한 밸브 구조를 이용하여 본 발명을 적용할 수 있다. 예를 들어, 도 14의 전류치에 대한 변위 특성의 그래프에 있어서, 디스크 판 두께 h = 0.5 mm의 경우, I_max = 0.015 A가 되도록, 변위가 급격하게 상승하는 앞에서 전류의 상한치를 설정한다. 이 경우는, 변위(유량)의 스트로크는 작아지지만, 0 < I < I_max의 범위에서 유체 서보 밸브를 실현할 수 있다. 이 경우에서도, 본 발명 밸브가 원래 가지는 특징, 즉, 높은 공진 주파수, 고속 응답성, 소전력 구동, 심플 구조 등은 널리 활용할 수 있다.

예를 들어, 제4의 실시형태(도 23)에 있어서, 공급측 노즐(67) 근방의 공급측 공극부(64)를 좁은 간극으로 설정했을 경우, 상기 공급측 노즐 개구부로부터 유출되어, 반경 방향으로 흐르는 유체의 유속이 커지고, 좌우의 공극부(64, 65)의 동압차(動壓差)의 차이에 의해, 상기 플래퍼는 공급측에 흡인되는 힘이 생긴다. 그 결과, 예를 들어 전류치가 작은 단계에서, 플래퍼 변위(유량) 특성에 불감대(상기 플래퍼가 벽면에 흡착)가 생기는 등의 문제가 있었다. 양 공극부(64, 65)의 간극의 단면 형상이, 반경의 크기에 비례하여 증가하는 테이퍼 형상으로 하는 등의 구조로 하면, 동압차에 관한 상기 문제점의 해소에 효과적이다.

보충 [2]

공기압 액추에이터로 구동되는 액티브 제진 장치의 계 전체의 응답성은, 겨우 수 Hz ~ 십 수 Hz 정도이다. 그럼에도 불구하고, 서보 밸브에, 왜 수백 Hz의 높은 공진 주파수가 필요해지는지에 대해서 설명한다. 도 47은 액티브 제진 장치의 제어 블럭도의 일례를 나타내는 것으로, 쇄선으로 나타내는 부분 A가 정반을 포함하는 제어 대상이다. 도 48은 도 47의 제어 블럭도로부터 얻어지는 개루프 전달 특성(Bode 선도)의 일례를 나타내는 것으로, 일순(一巡) 전달 함수(G_L = X_out/X_in)의 주파수에 대한 게인 특성(도 48의 (a))과 위상 특성(도 48 b)을 나타낸다. 그래프중의 표에 나타내는 바와 같이,

(1) 곡선 i. 은 가속도 피드백(이하, 가속도(FB))을 실시하지 않고, 공기압 서보 밸브의 공진 주파수가 낮고, f₀ = 100 Hz(도면 중의 A점)의 경우를 나타낸다.

(2) 곡선 ii. 는 가속도(FB)를 실시하고, 공기압 서보 밸브의 공진 주파수가 낮고, f₀ = 100 Hz(도면 중의 B점)의 경우를 나타낸다.

(3) 곡선 iii. 은 가속도(FB)를 실시하고, 또한 본 발명의 공기압 서보 밸브를 적용했을 경우를 나타내고, 공진 주파수가 높고, f₀ = 1000 Hz(도면 중의 C점)이다.

상기 (1), (2), (3)에 대해서, 제어 안정성의 관점에서 평가한다. 덧붙여서, 도면 중의 D점(5.5 Hz)은, 정반을 포함하는 제어 대상과 공기압 액추에이터의 스프링 강성으로 정해지는 고유치이다. 한편, 일순 전달 함수의 Bode 선도 상에서, 다음의 2가지를 만족하면, 잘 알려진 바와 같이 계는 안정된다.

(i) 위상 교점에서 +의 게인 마진이 있다

(ii) 게인 교점에서 +의 위상 마진이 있다

상기 (1)의 경우, 공기압 서보 밸브의 공진 주파수가 f₀ = 100 Hz에서도 상기 (i), (ii)를 만족하고 있고, 계는 안정한다.

상기 (2)의 경우, 가속도(FB)를 실시하는 것으로 게인이 상승하고, 또한 위상은 180도 지연된다. 또한, 서보 밸브의 공진점 f₀ = 100 Hz(B점)에 있어서, 게인 마진은 마이너스(게인 > 0)이기 때문에, 계는 불안정해진다.

상기 (3)의 경우, 가속도(FB)를 실시하는 것으로 게인이 상승하고, 또한 위상은 180도 지연되는 점은 상기 (2)와 마찬가지이다. 단, 본 발명의 서보 밸브의 공진점 f₀ = 1000 Hz에 있어서, 계의 게인은 충분히 저하되어 있고, 충분히 큰 게인 마진(게인 < 0)이 있기 때문에, 계는 안정된다.

수많은 실험을 거듭한 결과, 공기압 서보 밸브의 공진 주파수를 200 Hz 이상으로 하면, 가속도(FB)의 게인을 필요 최저한의 레벨로 설정할 수 있었다. 그러나, 바람직하게는 300 Hz 이상이었다. 얇은 디스크의 탄성 변형을 이용하여, 노즐 개방도를 제어하는 본 발명 밸브는, 표 1에서 나타낸 바와 같이, 가동부의 유효 질량을 종래 밸브보다 작게 할 수 있다. 공진 주파수가 높고, 고속 응답성이 얻어지기 때문에, 종래 밸브를 이용했을 경우보다 성능이 우수한 액티브 제진대, 혹은 공기압 서보 장치를 실현할 수 있다.

이상, 본 발명 밸브를 공업용 액티브 제진 장치에 적용했을 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 여러가지 공기압 서보 장치에 적용할 수 있다.

공기압 서보 시스템은, i. 클린, ii. 보수가 용이, iii. 출력/중량비가 전동식과 비교하여 높고, iv. 압축성이기 때문에 움직임이 부드럽고, v. 힘 제어를 할 수 있는, 등 다른 방식에는 없는 여러가지 특징을 가진다. 공기압 서보 시스템의 성능과 비용을 가장 지배하는 것은, 시스템의 심장부인 서보 밸브라고 해도 과언이 아니고, 종래 밸브의 결점을 크게 해소하는 본 발명 밸브는, 향후 공기압 서보 시스템의 폭넓은 보급을 크게 가속할 것으로 예상된다.

그 외의 실시형태에 대해서 설명한다. 플래퍼 지지 부재는, 플래퍼의 일부를 고정하여 전자석의 흡인력에 의해 플래퍼 자체를 변형시키기 위한 것이었지만, 예를 들면 플래퍼를 슬라이딩 가능하게 지지하고, 플래퍼의 자세를 변화시키는 것이라도 상관없다. 즉, 본 발명은, 플래퍼 지지 부재에 의해 슬라이딩 가능하게 마련된 플래퍼 자체에 자력선이 통과하도록 전자석을 배치하고, 노즐과 플래퍼와의 이격거리를 변화시키도록 해도 좋다. 이 경우는, 상기 플래퍼를 자성 재료로 형성함과 함께, 상기 플래퍼에 인가되는 자력이 자기 포화 영역에 들어갈 때까지 상기 전자석에 전류가 인가되도록 하는 것으로, 유량 제어 특성은 각 실시형태에 기재한 것에 가까운 것을 실현할 수 있다.

10: 중심축
11: 중심축의 바닥부
12: 바깥프레임부
13: 코일보빈
14: 코일
15: 하우징
16: 배기측 바닥판
19: 배기측 유통로
20: 토출구
21: 공급측 바닥판
22: 공급측 유로
23: 제어측 유로
24: 플래퍼
26: 공급측 공극부
27: 배기측 공극부
28a, 28b, 28c, 28d: 유통 구멍
29: 순방향 노즐
30: 역방향 노즐
31: 제 1 자극
32: 제 2 자극
33: 제어실
34: 흡입구

Claims

유체 공급원에 유로(流路)가 연락(連絡)된 노즐(nozzle)과,
상기 노즐의 선단부에 대해서 대향(對向)하도록 마련된 플래퍼(flapper)와,
상기 플래퍼의 일부를 고정하는 플래퍼 지지 부재와,
상기 플래퍼에 대해서 흡인력이 발생하도록 마련된 전자석을 구비하고,
상기 전자석의 흡인력에 의해 상기 플래퍼를 변형시켜서, 상기 노즐의 선단부와 상기 플래퍼와의 이격거리(離隔距離)를 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브(fluid servo valve).
제 1 항에 있어서,
상기 유체 공급원은 공기를 공급하는 것이며,
상기 전자석과, 상기 플래퍼와, 상기 플래퍼 고정 부재가 액추에이터 부(actuator part)를 구성하고,
상기 노즐을 통과하는 유체가, 상기 액추에이터 부를 구성하는 상기 각 부재의 각 벽면으로 구성되는 공간을 통과하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
유체 공급원에 유로가 연락된 노즐과,
상기 노즐의 선단부에 대해서 대향하도록 마련된 플래퍼와,
상기 플래퍼를 지지하는 플래퍼 지지 부재와,
상기 플래퍼의 면판부(面板部)에 대해서 흡인력이 발생하도록 마련된 전자석과,
상기 전자석과 상기 플래퍼를 적어도 포함하도록 구성된 폐루프 자기 회로(closed loop magnetic circuit)를 구비하고,
상기 전자석의 흡인력에 의해 상기 플래퍼를 변위시켜서, 상기 노즐의 선단부와 상기 플래퍼와의 이격거리를 변화시키도록 구성되어 있고, 또한,
상기 폐루프 자기 회로를 구성하는 자성 재료 부품의 자기 특성이, 자화력에 대한 자속 밀도의 특성이 개략(槪略) 비례 관계에 있는 선형 영역과, 자화력에 대한 자속 밀도 특성의 경사각이 상기 선형 영역과 비교하여 작게 변화하는 영역인 자기 포화 영역을 가지고,
상기 전자석에 통전(通電)하는 전류를 증대시켰을 때에, 상기 플래퍼의 변위가 최대치 보다 작은 변위에서, 상기 자성 재료 부품을 흐르는 자속의 자속 밀도는 상기 자기 포화 영역에 들어가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 3 항에 있어서,
상기 자성 재료 부품의 자화력에 대한 자속 밀도 특성에 있어서, 상기 선형 영역과, 상기 자기 포화 영역의 경계역에 있어서의 자속 밀도 경계치를, 상기 전자석에 통전시키는 전류치가 최대치 I_max에 있어서의 폐루프 자기 회로의 선형 자기 저항의 총합을 R_S, 상기 전자석의 코일 권수를 N, 자속을 Φ_max = N×I_max/R_S로 하여, 상기 자성 재료 부품의 자로(磁路) 면적을 S_c, 자속 밀도를 B_max = Φ_max/S_c로 했을 때, B_max 보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 4 항에 있어서,
상기 전자석에 통전시키는 전류의 최대치 근방에서, 전류에 대한 유량 특성은 위로 볼록한 곡선이 되는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 플래퍼를 개략 평판 형상 부재로 구성하고, 상기 플래퍼 자신의 탄성을 이용하여 상기 노즐과 상기 플래퍼 사이의 간극의 크기에 비례하는 복원력을 상기 플래퍼에 가지게 한 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 4 항에 있어서,
상기 플래퍼는 상기 자성 재료 부품인 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 6 항에 있어서,
상기 전자석이,
상기 플래퍼와 대향하는 내측 단면에 형성된 제 1 자극과,
상기 플래퍼와 대향하는 외측 단면에 형성되는 제 2 자극을 구비하고,
상기 플래퍼가,
상기 전자석이 형성하는 자기 폐루프 회로에 있어서 상기 제 1 자극과 제 2 자극 사이의 일부가 형성되는 자기 경로부와,
상기 플래퍼 지지 부재에 지지됨과 함께, 상기 자기 경로부를 탄성적으로 지지하는 탄성 지지부를 구비하고,
상기 자기 경로부와 상기 탄성 지지부의 굽힘 강성이 다른 유체 서보 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐이 2개소에 마련되어 있고, 한쪽의 노즐이 유체의 공급측에 마련되어서 순방향 노즐로서 구성되며, 다른 쪽의 노즐이 유체의 배기측에 마련되어서 역방향 노즐로서 구성되고, 상기 순방향 노즐과, 상기 역방향 노즐과, 상기 플래퍼가 쌍방향 노즐 플래퍼 밸브를 구성하고 있으며,
유체 공급원으로부터 공급되는 작동 유체는 공급원측으로부터 상기 순방향 노즐을 통과하여, 상기 플래퍼가 수납되는 공간인 제어실에 유입되고, 이 제어실로부터 상기 역방향 노즐을 통과하여 유체의 배기측으로 유출되도록 구성되고,
상기 순방향 노즐과 개략 동일축 상, 상기 플래퍼에 대해서 반대측에 상기 역방향 노즐이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 1 항에 있어서,
흡입구를 유체 공급원에 연결하여, 제어실로부터 대기로 이어지는 유로에 유량계를 장착하여, 상기 전자석에 통전시키는 전류가 최대치 I_max(A)일 때에 상기 유량계에 의해 측정되는 유량을 Q_max(L/min), 구배 Q_max/I_max를 기준 유량 게인(gain) α, 입력 전류에 대한 유량 특성의 프로필에 있어서, 구배의 최대치를 최대 유량 게인 β로서 선형화의 효과 지표 η = α/β를 정의했을 때, η > 0.2인 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 전자석은 자성 재료인 지지축과, 이 지지축을 축심으로 하여 권취된 코일과, 이 코일을 수납하도록 배치된 자성 재료인 통부로부터 구성되고,
상기 지지축과, 상기 플래퍼와, 상기 통부에 의해 폐루프 자기 회로를 구성한 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 11 항에 있어서,
상기 지지축을 관통하여 유체의 공급측, 혹은 배기측에 연락하는 유통로를 형성하고, 상기 노즐은 상기 유통로의 상기 플래퍼측 개구단(開口端)에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 11 항에 있어서,
상기 플래퍼가, 판 형상을 이루고, 상기 노즐측에 변형 가능하게 구성된 탄성 변형부를 구비하고,
상기 전자석이, 상기 플래퍼와 대향하는 단면에 형성된 자극(磁極)을 구비하고,
상기 플래퍼가, 판 형상을 이루고, 중앙부에서 상기 자극과 대향함과 함께, 상기 탄성 변형부가, 상기 플래퍼에 있어서 상기 플래퍼의 중앙부와 상기 플래퍼 지지 부재 사이에 형성된 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍에 의해 형성되어 있는 유체 서보 밸브.
제 1 항에 있어서,
횡단면이 개략 환 형상의 유로를 형성하는 환 형상 유로 형성 구조가, 상기 노즐과 상기 플래퍼 사이에 형성되어 있고,
상기 환 형상 유로 형성 구조가,
상기 개략 환 형상의 유로의 외측 경계를 형성하는 통 형상의 내주면과,
상기 내주면에 대해서 반경 방향으로 이격시켜서 삽입되는 삽입체로부터 이루어지는 유체 서보 밸브.
제 14 항에 있어서,
상기 순방향 노즐과 상기 플래퍼 사이, 상기 역방향 노즐과 상기 플래퍼 사이에 각각 상기 환 형상 유로 형성 구조가 형성되어 있고,
유체는 공급원측으로부터 상기 순방향 노즐을 통과하여, 상기 플래퍼가 수납되는 공간인 제어실에 유입되고, 이 제어실로부터 상기 역방향 노즐을 통과하여 유체의 배기측으로 유출되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 14 항에 있어서,
상기 통 형상의 내주면이, 상기 노즐의 선단부의 내주면이며,
상기 삽입체가, 상기 플래퍼의 면판부에 형성된 개략 원추 형상의 볼록부인 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 1 항에 기재된 유체 서보 밸브와,
상기 제어 대상물의 진동 상태를 검출하는 센서와,
이 센서로부터의 정보에 근거하여 상기 유체 서보 밸브를 조절하는 것으로, 상기 제어 대상물의 진동 상태를 제어하는 기체 압력을 상기 공기압 액추에이터에 부여하는 제어 수단을 구비한 유체 서보 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 플래퍼의 1차 고유 진동수를 200 Hz 이상으로 구성하고, 제진 대상물을 기초에 대해서 지지하는 기체 스프링(gas spring)과,
기체를 공급측으로부터 상기 기체 스프링으로 공급하고 또한 배기측으로 배기하는 상기 유체 서보 밸브와,
상기 제진 대상물의 진동 상태를 검출하는 가속도 센서와,
이 가속도 센서로부터의 정보에 근거하여 상기 유체 서보 밸브를 조절하는 것으로, 상기 제진 대상물의 진동을 저감하는 기체 압력을 상기 기체 스프링에 부여하는 액티브 제어 수단(active control means)을 구비하는 유체 서보 장치.
전자석과,
플래퍼와, 이 플래퍼를 지지하는 플래퍼 지지 부재와,
상기 전자석, 상기 디스크, 요크재(yoke material)에 의해 폐루프의 자기 회로를 구성하여, 상기 전자석과 상기 플래퍼 사이에 발생하는 맥스웰(Maxwell) 흡인 응력으로 가동되고, 또한 상기 플래퍼에 고정된 출력축과,
상기 전자석과, 상기 디스크와, 상기 지지 부재와, 상기 요크재와, 상기 출력축으로 구성되는 개소를 마이크로 액추에이터 부(micro actuator part)로 하고,
하우징과, 이 하우징에 형성된 유체의 흡입구와, 토출구와, 상기 흡입구와 상기 토출구를 잇는 유로의 개방도를 조정하는 유량 조정 밸브와, 상기 마이크로 액추에이터 부의 상기 출력축에 의해 상기 유량 조정 밸브를 구동시킴과 함께, 상기 폐루프 자기 회로를 구성하는 자성 재료 부품의 자기 특성을, 자화력에 대한 자속 밀도의 특성이 개략 비례 관계에 있는 선형 영역과, 자화력에 대한 자속 밀도 특성의 경사각이 상기 선형 영역과 비교하여 작게 변화하는 영역인 포화 영역으로 정의하여,
상기 전자석에 통전하는 전류를 증대시켰을 때에, 상기 플래퍼의 변위가 최대치 보다 작은 변위에서, 상기 자성 재료 부품을 흐르는 자속의 자속 밀도는 상기 자기 포화 영역에 들어가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.
제 19 항에 있어서,
상기 전자석의 중앙부를 관통하여, 상기 출력축이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 서보 밸브.