WO2018198355A1 - フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁 - Google Patents

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WO2018198355A1
WO2018198355A1 PCT/JP2017/017044 JP2017017044W WO2018198355A1 WO 2018198355 A1 WO2018198355 A1 WO 2018198355A1 JP 2017017044 W JP2017017044 W JP 2017017044W WO 2018198355 A1 WO2018198355 A1 WO 2018198355A1
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WO
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flapper
nozzle
spool
servo valve
gas pressure
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/017044
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝美 佐々木
智洋 下条
春彦 佐々木
Original Assignee
ピー・エス・シー株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by ピー・エス・シー株式会社 filed Critical ピー・エス・シー株式会社
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Priority to PCT/JP2017/017044 priority patent/WO2018198355A1/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
    • F15B13/043—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves

Definitions

  • the present invention relates to a gas pressure servo valve using a feedback spring.
  • the nozzle flapper type servo valve forms a variable orifice with nozzles arranged on the left and right sides and a flapper which is a movable member installed between the two nozzles. Then, the back pressure of both nozzles, which changes depending on the position of the flapper, is derived by cooperation with a pair of fixed throttles in the previous stage of both nozzles, and the valve body is operated by this derived back pressure difference. While there is a back pressure difference, the valve body continues to move due to the back pressure difference. However, if the flapper returns to the neutral position with respect to both nozzles, the back pressure difference disappears and the valve body stops moving.
  • a spool-type valve body is used in a nozzle flapper type hydraulic servo valve, the back pressure of both nozzles is supplied to both ends in the axial direction of the spool, and the spool is operated by changing the position of the flapper.
  • a feedback spring is provided in the flapper and the tip is connected to the spool, the spool moves due to a change in the position of the flapper, but this causes the feedback spring to bend and return the flapper to its original position by its elastic reaction force. Return to the neutral position.
  • the back pressure difference at both ends of the spool disappears, this causes the spool to stop.
  • Patent Document 2 describes three fluid amplifiers that have a movable member whose movement is controlled by a torque motor or a power motor and can take a state at a center position and a state at a position outside the center position, and uses a hydraulic fluid source. It has been. The first is the same nozzle-flapper type fluid amplifier as described in Patent Document 1.
  • the second is a jet pipe amplifier shown in FIG. It has a pipe that is mounted to drive against the body, and the position of the pipe is controlled by a torque motor or the like.
  • pressurized fluid is supplied to the pipe and is discharged as a jet stream downward through a fixed impedance nozzle at the lower end of the pipe toward a pair of openings corresponding to a pair of receiver passages provided in the body.
  • the ejected jet stream is evenly divided between the pair of openings when the pipe position is in the neutral position, and if the pipe position is controlled to move away from the neutral position, it is unevenly distributed between the pair of openings. Divided. In this case, the fluid moment flow in one receiver passage becomes larger than the fluid moment flow in the other passage, and such a difference in fluid moment flow can be used to act on the load.
  • the third is a jet deflector amplifier shown in FIG.
  • This comprises a passage having a special shape and a deflector member movably mounted in the passage and having a deflector orifice connecting a wide opening and a narrow opening. Motion with respect to the deflector member is controlled by a torque motor or a power motor.
  • a pair of heads that are supplied with pressurized fluid and discharged through the neck orifice are provided on the wide opening side of the deflector member, and are connected to the narrow opening side of the deflector member via a pair of receive openings.
  • Leg is provided.
  • the jet stream emitted from the head neck orifice is evenly divided between the pair of receive openings through the deflector orifice when the deflector member is in its central position.
  • JP 2000-032731 A Japanese Patent Laid-Open No. 8-042504
  • an object of the present invention is to provide a “gas pressure servo valve using a feedback spring” capable of suppressing oscillation.
  • a gas pressure servo valve using a feedback spring includes two nozzles disposed opposite to each other, a flapper disposed between the two nozzles, and a flapper driving device that moves and drives the position of the flapper with respect to the nozzle.
  • a back pressure path is connected to each of gas pressure chambers at both ends in the axial direction formed between a sleeve having two output ports and a spool that can slide in the sleeve, and the spool sliding space of the sleeve.
  • the spool moves in accordance with the back pressure difference between the two nozzles that changes in accordance with the position of the flapper driven by the flapper driving device, but when the flapper is returned to the neutral position by the action of the feedback spring, the back is moved.
  • the pressure difference becomes zero and the spool stops.
  • the auxiliary tank is preferably provided inside the spool.
  • the auxiliary tank is provided in the main body portion in which the spool is built, and is isolated from the spool sliding space.
  • the auxiliary tank is provided on the side plate portion added to both ends in the axial direction of the spool sliding space.
  • the flapper driving device has a coil for moving and driving the position of the flapper, and feeds back the voltage across the coil to supply a driving voltage. It is preferable to be connected.
  • the output impedance of the drive circuit can be lowered, the counter electromotive force generated by the oscillation is consumed as electric power in the coil, thereby producing a damping effect and suppressing the oscillation.
  • FIG. 5 is an operation model diagram showing a balanced state by a feedback action of a feedback spring from FIG. 4. It is a gain characteristic figure at the time of the action
  • a gas pressure servo valve using a feedback spring is a gain characteristic diagram when no auxiliary tank is provided. It is a figure which shows the example of the voltage feedback type drive circuit used for the gas pressure servo valve using the feedback spring of embodiment which concerns on this invention. It is a figure which shows the example of the current feedback type drive circuit used for the gas pressure servo valve which used the feedback spring as a comparative example.
  • a nozzle flapper type servo valve is described as a fluid amplifier in which a feedback spring is applied to a movable member that can take a state at a central position and a state deviated from the central position.
  • a feedback spring is applied to a movable member that can take a state at a central position and a state deviated from the central position.
  • a gas pressure servo valve using a feedback spring it may be a jet pipe type or jet deflector type servo valve other than the nozzle flapper type.
  • a 1-coil drive type torque motor in which one coil wound around an armature is driven will be described as a flapper drive device, but this is an illustrative example. As long as it is an electric drive device that can drive the position of the flapper relative to the nozzle, other methods may be used. For example, a voice coil type driving device or a two-coil driving type torque motor in which two coils wound around an armature are driven may be used.
  • the gas is dry air, but it may be a gas other than air.
  • a dry inert gas such as nitrogen or argon may be used.
  • the shapes, materials, and the like described below are examples for explanation, and can be appropriately changed depending on the specifications of a gas pressure servo valve using a feedback spring.
  • the same elements are denoted by the same reference symbols in all the drawings, and redundant description is omitted.
  • FIG. 1 is a partially broken perspective view of a gas pressure servo valve 10 using a feedback spring.
  • the gas pressure servo valve 10 using a feedback spring is referred to as a servo valve 10.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams showing a state where all the movable elements in the servo valve 10 are in the neutral position.
  • the servo valve 10 includes a lower housing portion 12 and a cover portion 14 disposed on the + Z side of the lower housing portion 12.
  • the lower housing part 12 includes a main body part 16 and side plate parts 20 and 22 arranged at ⁇ X side end parts of the main body part 16. These are formed by molding a metal material into a predetermined shape and are hermetically coupled to a required portion via a seal ring or the like to be integrated to form the outer shape of the servo valve 10.
  • the servo valve 10 is a nozzle flapper type servo valve, and a T-shaped armature flapper is used as a movable member capable of taking a state at a center position and a state deviating from the center position, and a flexible support member for rotatably supporting the same is provided.
  • a flexible tube 26 that is a flexible support member, a flapper 30, a feedback spring 38, a first nozzle 50 and a second nozzle 52, a flapper driving device 60, a sleeve 90, A spool 100 and the like are arranged.
  • the armature 62 and the flapper 30 constituting the T-shaped armature flapper will be described, then the relationship between the flexible tube 26 and the feedback spring 38 will be described, and then the sleeve 90, the spool 100, etc. will be described.
  • the armature 62 is a movable part of the flapper driving device 60.
  • the flapper driving device 60 has a permanent magnet 70 and is a coil driving type torque motor in which a first coil 66 and a second coil 68 are wound around an armature 62.
  • the two permanent magnets 70 are arranged along the + Y side inner wall surface and the ⁇ Y side inner wall surface of the internal space of the cover portion 14.
  • the permanent magnet 70 is magnetized along the ZZ direction.
  • the + Z direction is shown as the N pole
  • the ⁇ Z direction is shown as the S pole. This is an example, and in some cases, it may be magnetized in the opposite direction.
  • the upper yoke 72 is a magnetic body that is connected to the + Z side of the permanent magnet 70 and serves as an N-pole yoke.
  • the lower yoke 74 is a magnetic body that is connected to the + Z side of the permanent magnet 70 and serves as an S pole yoke.
  • the upper yoke 72 and the lower yoke 74 are spaced apart from each other in parallel to the XY plane, but are adjacent to each other at the end faces in the ⁇ X directions to form poles 76 and 78.
  • a magnetic gap is formed between the poles 76 and 78.
  • the armature 62 is a magnetic arm elongated in the ⁇ X direction, and the end in the ⁇ X direction is disposed between the magnetic gaps formed by the poles 76 and 78 of the upper yoke 72 and the lower yoke 74 (note that FIG. 3).
  • a central annular portion 63 that protrudes in the + Z direction and has a central hole is provided.
  • the first coil 66 and the second coil 68 are each wound around a bobbin having a hollow hole in the X direction, the first coil 66 is disposed on the arm on the + X direction side of the armature 62, and the first coil 66 is disposed on the arm on the ⁇ X direction side.
  • Two coils 68 are arranged.
  • the four lead wires drawn from the first coil 66 and the second coil 68 are gathered and drawn to the outside of the servo valve 10 through the lead tube 80 and connected to the drive circuit 84 included in the control device 82. Is done.
  • the flapper driving device 60 is driven by a driving circuit 84 of the control device 82.
  • the drive circuit 84 drives one of the first coil 66 and the second coil 68 with respect to the first coil 66 and the second coil 68.
  • the drive circuit 84 can perform two-coil series driving for driving one coil body in which the first coil 66 and the second coil 68 are connected in series, or the first coil 66 and the second coil. Two-coil parallel drive in which two coils are driven by connecting 68 in parallel is also possible.
  • a 1-coil drive type torque motor in which only the first coil 66 is driven by the drive circuit 84 will be described as the flapper drive device 60 unless otherwise specified.
  • the flapper 30 is a hollow tube that is arranged across the internal space of the main body 16 and the internal space of the cover 14 and extends along the ZZ direction that is the axial direction.
  • the end portion in the + Z direction of the flapper 30 is a thick annular end portion 31 having an outer diameter substantially the same as the inner diameter of the central hole of the central annular portion 63 of the armature 62.
  • the annular end portion 31 is inserted into the center hole of the central annular portion 63 of the armature 62 and fixed to each other by a fixing means such as a brazing.
  • the armature 62 and the flapper 30 are integrated to form a T-shaped armature flapper.
  • a pair of flapper surfaces 34 and 36 are provided at the end in the ⁇ Z direction along the axial direction of the flapper 30.
  • the pair of flapper surfaces 34 and 36 are two YZ surfaces disposed on opposite sides of the flapper 30 with respect to the Z-axis direction, and are surfaces that are precisely flattened.
  • the flexible tube 26 is a flexible support member that rotatably supports the T-shaped armature flapper.
  • the flexible tubular body 26 is a cantilevered flexible tube that is thin and can be bent in the axial direction, and a flapper 30 is disposed in an inner diameter hole of the tube.
  • the flexible tube 26 extends in the ZZ direction along the outer peripheral surface of the hollow tube of the flapper 30, and is fixed to the upper surface of the main body portion 16 of the lower housing portion 12 at the ⁇ Z side end portion.
  • a portion 28 is provided.
  • a press-fit annular portion 27 arranged between the outer shape of the flapper 30 and the inner diameter of the central hole of the central annular portion 63 of the armature 62 on the ⁇ Z side with respect to the annular end portion 31 of the flapper 30.
  • a portion of the flapper 30 on the ⁇ Z side from the annular end portion 31 is press-fitted into the inner diameter of the press-fitted annular portion 27, and the flexible tubular body 26, the flapper 30, and the armature 62 are integrated at this press-fitting location.
  • the outer diameter of the press-fit annular portion 27 is smaller than the inner diameter of the center hole of the central annular portion 63 of the armature 62, and the outer peripheral surface of the flexible tubular body 26 does not contact the armature 62 at the press-fit location.
  • the flexible tubular body 26 does not contact the outer peripheral surface of the flapper 30 except for the press-fitting locations in the press-fit annular portion 27.
  • the flapper is fixed to the press-fitted annular portion 27 at the + Z side end of the cantilever-like flexible tubular body 26 erected from the fixing portion 28 fixed to the main body portion 16 of the lower housing portion 12.
  • 30 is supported so as to hang down in the ⁇ Z direction from the press-fitted annular portion 27.
  • the flapper 30 and the armature 62 integrated with the flapper 30 can rotate around the rotation center 64 by utilizing the axial flexibility of the flexible tube 26.
  • the position along the Z direction of the rotation center 64 is a position substantially in the middle of the thin flexible portion between the press-fitted annular portion 27 and the fixed portion 28 of the flexible tube 26.
  • the feedback spring is an elastic shaft that is disposed inside the hollow tube of the flapper 30 and extends along the ZZ direction.
  • the upper end 39 of the spring which is the end of the feedback spring in the + Z direction, is fixed to the inner diameter of the annular end 31 on the + Z direction side of the flapper 30, and the connection ball 40 at the end of the ⁇ Z direction is connected to the central portion of the spool 100. Connected nearby.
  • the first nozzle 50 and the second nozzle 52 are arranged to face each other with the flapper 30 in between, and a gas from a gas supply source having a predetermined supply gas pressure Ps is supplied from the tip nozzle port to the flapper along the X direction. These are two nozzles ejecting toward 30.
  • the two flapper surfaces 34 and 36 of the flapper 30 are positioned to face the nozzle port of the first nozzle 50 and the nozzle port of the second nozzle 52, respectively. That is, the first nozzle 50 is disposed on the + X direction side of the flapper 30 and faces the flapper surface 34, and the second nozzle 52 is disposed on the ⁇ X direction side of the flapper 30 and faces the flapper surface 36.
  • the flapper driving device 60 when the driving current is not supplied to the first coil 66, the first coil 66 does not generate magnetic flux, the armature 62 is not magnetized, and the flapper 30 is in the neutral position. Does not rotate around. At this time, the distance between the flapper surface 34 of the flapper 30 and the nozzle opening of the first nozzle 50 and the distance between the flapper surface 36 and the nozzle opening of the second nozzle 52 are equal.
  • the armature 62 is magnetized and attracted in the direction of the pole 76 and the pole 78 in accordance with the magnetization direction of the ⁇ X direction end face.
  • the flapper 30 integrated with the armature 62 rotates around the rotation center 64 on the XZ plane.
  • the distance between the flapper surface 34 of the flapper 30 and the nozzle opening of the first nozzle 50 is different from the distance between the flapper surface 36 and the nozzle opening of the second nozzle 52. That is, when the T-shaped armature flapper which is a movable member in the servo valve 10 is driven by the flapper driving device 60, the position of the movable member deviates from the neutral position.
  • the first fixed throttle 130 and the second fixed throttle 132 are provided. Accordingly, the first nozzle 50 and the second nozzle 52 are supplied with the gas after being throttled by the first fixed throttle 130 and the second fixed throttle 132 from a gas supply source having a predetermined supply gas pressure Ps.
  • a first back pressure path 124 branches from between the first fixed throttle 130 and the first nozzle 50, and a second back pressure path 126 branches from between the second fixed throttle 132 and the second nozzle 52. Details of the first back pressure passage 124 and the second back pressure passage 126 will be described later in connection with the spool 100.
  • the sleeve 90 is a cylindrical member disposed in the internal space of the main body portion 16 of the lower housing portion 12.
  • the cylindrical inner wall surface of the sleeve 90 is precisely machined to form a spool sliding space that supports the spool 100 so as to be slidable.
  • the shape of the cylindrical inner wall surface may be a rectangular hole shape or the like, but in the following, it is a circular hole shape. Therefore, the sleeve 90 has an inner wall surface of a through hole having a circular cross section, and the spool 100 slides in the hole having the circular cross section.
  • the side plate portions 20 and 22 arranged at the ⁇ X side end portions of the main body portion 16 are provided with recesses that cover and accommodate both ends of the sleeve 90 on the ⁇ X side.
  • the inner diameter of the recess is set larger than the outer diameter of the sleeve 90.
  • the depressions in the side plate portions 20 and 22 form a first gas pressure chamber 120 and a second gas pressure chamber 122 at both ends of the sleeve 90 on the ⁇ X side. Details of the first gas pressure chamber 120 and the second gas pressure chamber 122 will be described later in connection with the spool 100.
  • the sleeve 90 has four types of ports through which gas flows through between the outer peripheral surface and the inner wall surface of the through hole.
  • the gas supply port 92 indicated by Ps from the + X side to the ⁇ X side, the gas supply port 92 indicated by Ps, the first output port 94 indicated by CY1, the exhaust port 96 indicated by Ex, the second output port 98 indicated by CY2, and the Ps Five ports of the gas supply port 93 shown are arranged.
  • External connection ports corresponding to the gas supply ports 92 and 93 are connected to a gas supply source (not shown), and a gas having a predetermined supply gas pressure Ps is supplied to the servo valve 10.
  • Two external connection ports corresponding to the first output port 94 and the second output port 98 are connected to two input ports of an external load (not shown).
  • the external load is, for example, a gas pressure valve equipped in various devices.
  • the used gas is exhausted from the servo valve 10. The exhausted gas is returned to the recovery tank or is released to the atmosphere as it is.
  • the spool 100 includes a plurality of lands having a plurality of outer diameters capable of sliding on the inner wall surface of the through hole of the sleeve 90 and a plurality of stems having an outer diameter smaller than the lands and connecting adjacent lands. It is a shaft body.
  • the first land 102, the second land 104, the third land 106, and the fourth land 108 are moved from the + X side to the ⁇ X side. Be placed.
  • a gas pressure chamber is formed between each land.
  • the four lands of the spool 100, the three gas pressure chambers formed between them, and the five ports of the sleeve 90 are set in the following positional relationship.
  • the second land 104 is in a position where the first output port 94 indicated by CY1 in the sleeve 90 is completely closed.
  • the third land 106 is in a position to completely close the second output port 98 indicated by CY ⁇ b> 2 in the sleeve 90.
  • the gas pressure chamber between the first land 102 and the second land 104 is in a position communicating with the gas supply port 92 indicated by Ps in the sleeve 90.
  • the gas pressure chamber between the second land 104 and the third land 106 is in a position communicating with the exhaust port 96 indicated by Ex in the sleeve 90.
  • the gas pressure chamber between the third land 106 and the fourth land 108 is in a position communicating with the gas supply port 93 indicated by Ps in the sleeve 90.
  • the stem between the second land 104 and the third land 106 is a connecting portion 110 that transmits the movement along the ⁇ X direction of the spool 100 to the connecting ball 40 at the tip of the feedback spring 38.
  • the connection part 110 is a through hole provided at the center position of the entire length along the X direction of the spool 100, and the connection ball 40 is inserted into the through hole.
  • two guide rods may be provided on both sides of ⁇ X of the connection ball 40, and the connection ball 40 may be guided and held in the guide groove between the two guide rods.
  • the total length along the X direction that is the axial direction of the spool 100 is set shorter than the total length along the X direction of the sleeve 90.
  • Side plate portions 20 and 22 are disposed at the ⁇ X side end portions of the sleeve 90, and the side plate portions 20 and 22 are provided with recesses that cover and accommodate protruding portions at both ends of the sleeve 90 on the ⁇ X side. Accordingly, the first gas pressure chamber 120 is formed between the inner wall surface of the through hole on the + X side of the sleeve 90 and the depression of the side plate portion 20 and the + X side end portion of the first land 102 of the spool 100.
  • a second gas pressure chamber 122 is formed between the inner wall surface of the through hole on the ⁇ X side of the sleeve 90 and the depression of the side plate portion 22 and the ⁇ X side end of the fourth land 108 of the spool 100.
  • the first gas pressure chamber 120 is connected to the gas supply port of the first nozzle 50 by the first back pressure path 124. Since the first back pressure path 124 branches from between the first fixed throttle 130 and the first nozzle 50, the gas having the back pressure of the first nozzle 50 is guided to the first back pressure path 124.
  • the second gas pressure chamber 122 is connected to the gas supply port of the second nozzle 52 by the second back pressure passage 126. Since the second back pressure path 126 branches from between the second fixed throttle 132 and the second nozzle 52, the gas having the back pressure of the second nozzle 52 is guided to the second back pressure path 126.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are gas storage spaces provided inside the spool 100.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are connected to the first gas pressure chamber 120 and the second gas pressure chamber 122 via the first auxiliary throttle portion 144 and the second auxiliary throttle portion 146, respectively.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are buffer tanks that suppress fluctuations when the gas pressures in the first gas pressure chamber 120 and the second gas pressure chamber 122 change.
  • appropriate orifices can be used as the first auxiliary throttle part 144 and the second auxiliary throttle part 146.
  • the first fixed throttle 130 is disposed between a gas supply source having a predetermined supply gas pressure Ps and the first nozzle 50.
  • the back pressure of the first nozzle 50 is guided to the first gas pressure chamber 120 through the first back pressure path 124 branched from between the first fixed throttle 130 and the first nozzle 50.
  • the second fixed throttle 132 is disposed between the gas supply source having the predetermined supply gas pressure Ps and the second nozzle 52.
  • the back pressure of the second nozzle 52 is guided to the second gas pressure chamber 122 through the second back pressure path 126 branched from between the second fixed throttle 132 and the second nozzle 52.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are shown separated from the spool 100 for explanation as an operation model.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are provided inside the spool 100.
  • the servo valve 10 may be arranged at a place other than the inside of the spool 100 for the operation of the servo valve 10.
  • the first auxiliary tank 140 may be disposed on the side plate portion 20 and the second auxiliary tank 142 may be disposed on the side plate portion 22.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 may be disposed in a region isolated from the sleeve sliding space in the main body portion 16 in which the spool 100 is incorporated.
  • FIG. 3 is a diagram showing a neutral position state in the operation model diagram of the servo valve 10.
  • the neutral position no drive current is supplied from the drive circuit 84 of the control device 82 to the first coil 66, the armature 62 is not magnetized, and therefore the flapper 30 is connected to the first nozzle 50 and the second nozzle 52. It is in an equidistant neutral position. Even if Ps gas is supplied from the gas supply source to the first nozzle 50 and the second nozzle 52, the back pressure of the first nozzle 50 and the back pressure of the second nozzle 52 are the same, and the spool 100 remains in the neutral position. is there. Accordingly, the first output port 94 indicated as CY1 is in a state of being completely closed by the second land 104, and the second output port 98 indicated as of CY2 is in a state of being completely closed by the third land 106.
  • the drive circuit 84 operates in the control device 82, the drive current I flows through the first coil 66, and the arm on the + X side is magnetized to the S pole and the arm on the -X side is magnetized to the N pole in the armature 62.
  • FIG. 4 By the cooperation of the magnetized armature 62 and the magnetic fields of the poles 76 and 78, the + X side arm of the armature 62 is attracted to the pole 76 side, and the ⁇ X side arm is attracted to the pole 78 side.
  • ⁇ the torque around the rotation center 64 of the armature 62 caused by the drive current I ⁇ is indicated by a solid arrow.
  • the flapper 30 integrated with the armature 62 rotates around the rotation center 64, the flapper surface 34 is closer to the first nozzle 50 side than the neutral position, and the flapper surface 36 is closer to the second nozzle than the neutral position. Move away from 52.
  • the second land 104 opens the first output port 94 indicated by CY1 and communicates with the gas supply port 92
  • the third land 106 opens the second output port 98 indicated by CY2 and communicates with the exhaust port 96. .
  • connection ball 40 at the tip of the feedback spring 38 also moves in the axial direction.
  • the connection ball 40 since the spool 100 moves in the ⁇ X direction, the connection ball 40 also moves in the ⁇ X direction.
  • the feedback spring 38 bends in the ⁇ X direction, and the elastic reaction force is directed in the + X direction. That is, the elastic reaction force of the feedback spring 38 is generated so as to return the spool 100 to the + X direction.
  • FIG. 5 is a diagram showing a balanced state in which the axial movement of the spool 100 is stopped.
  • a balanced torque represented by ⁇ (elastic reaction force of the feedback spring 38) ⁇ (distance from the connection ball 40 to the rotation center 64) ⁇ is indicated by a broken line.
  • the balance torque has the same magnitude in the opposite direction as ⁇ the torque around the rotation center 64 of the armature 62 caused by the drive current I ⁇ .
  • the flapper 30 integrated with the armature 62 is in a neutral position, and (back pressure of the first nozzle 50) is substantially the same as (back pressure of the second nozzle 52).
  • a gas having a flow rate Q corresponding to the opening degree of the first output port 94 determined by the position of the second land 104 in the balanced state flows into the first output port 94 from the gas supply source side.
  • the flow rate Q is a value corresponding to the drive current I supplied from the drive circuit 84 to the first coil 66.
  • exhaust is performed from the load side toward Ex according to the opening degree of the second output port 98 determined by the position of the third land 106 in the balanced state.
  • Oscillation may occur in the balanced state.
  • the back pressure difference between the axial ends of the spool 100 becomes a vibration state, and the spool 100 vibrates its position in the ⁇ X direction from the position in the balanced state.
  • the flow rate Q of the gas flowing through the first output port 94 is in a vibrating state.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142, and the first auxiliary throttle unit 144 and the second auxiliary throttle unit 146 function to suppress this vibration.
  • FIG. 6 and 7 are diagrams showing the vibration suppressing effect of the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142.
  • FIG. These diagrams are gain characteristic diagrams of the servo valve 10.
  • the horizontal axis represents the frequency of the drive current I supplied to the first coil 66, and the vertical axis represents the gain and phase with (flow rate Q / drive current I) as the gain of the servo valve 10.
  • FIG. 6 is a gain characteristic diagram of the configuration of FIGS.
  • the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142 are connected to the first gas pressure chamber 120 and the second gas pressure chamber 122 via the first auxiliary throttle portion 144 and the second auxiliary throttle portion 146, respectively.
  • the vibration state of the back pressure difference between the first gas pressure chamber 120 and the second gas pressure chamber 122 can be suppressed, the vibration of the spool 100 in the ⁇ X direction can be suppressed, and the vibration of the flow rate Q of the first output port 94 can be suppressed. Suppress the state.
  • FIG. 6 shows the gain increase 150 after being suppressed at the oscillation frequency f 0 .
  • the gain increase 150 does not have an oscillation-specific peak.
  • FIG. 7 shows, as a comparative example, gain characteristics when the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142, the first auxiliary throttle unit 144, and the second auxiliary throttle unit 146 are removed from the configuration of FIGS. FIG.
  • an oscillation-specific peak 152 appears at the oscillation frequency f 0 .
  • the difference between the (oscillation-specific peak 152) and the (gain increase 150) is the first auxiliary tank 140 and the second auxiliary tank 142, the first auxiliary throttle 144, and the second auxiliary
  • This vibration suppression effect differs depending on the predetermined supply gas pressure Ps of the gas supply source and the degree of throttle of the first auxiliary throttle unit 144 and the second auxiliary throttle unit 146.
  • the vibration suppression effect of about ⁇ 20 dB was obtained by optimizing the throttle degree of the first auxiliary throttle unit 144 and the second auxiliary throttle unit 146 with respect to the predetermined supply gas pressure Ps.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a voltage feedback type amplifier that feeds back the voltage across the first coil 66 and supplies the drive voltage as the drive circuit 84.
  • FIG. 9 is a diagram showing a current feedback type amplifier that feeds back a current flowing through the first coil 66 and supplies a drive current as a drive circuit 84 for comparison.
  • the current feedback type amplifier shown in FIG. 9 acts almost as a constant current source, its output impedance is almost infinite, and it is difficult to flow the counter electromotive force generated in the first coil 66 during oscillation to the ground side.
  • the voltage feedback amplifier of FIG. 8 has a small output impedance, and therefore, the back electromotive force at the time of oscillation can be consumed as power in the first coil 66. This produces a damping effect and can suppress oscillation.
  • the second coil 68 that is not used for driving may be short-circuited, and the counter electromotive force at the time of oscillation may be consumed as power in the second coil 68.
  • the short circuit is released and the original state is restored.
  • the second coil 68 may be short-circuited via a resistor.
  • This method may be used together when the voltage feedback type amplifier of FIG. 8 is used for the first coil 66 used for driving. Also, this method has an effect of stopping oscillation even when applied to the first coil 66 used for driving when the current feedback type amplifier of FIG. 9 is used.

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Abstract

フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁（１０）は、第１ノズル（５０）と第２ノズル（５２）、これらの間に配置されたフラッパ（３０）、第１ノズル（５０）と第２ノズル（５２）の背圧を導く第１背圧路（１２４）と第２背圧路（１２６）を含む。また、スリーブ（９０）に摺動可能に支持され、軸方向両端の第１気体圧室（１２０）及び第２気体圧室（１２２）にそれぞれ第１背圧路（１２４）と第２背圧路（１２６）が接続されたスプール（１００）を含む。また、フラッパ（３０）の先端から延びてスプール（１００）に接続されるフィードバックばね（３８）を含む。そして、第１気体圧室（１２０）及び第２気体圧室（１２２）にそれぞれ第１補助絞り部（１４４）及び第２補助絞り部（１４６）を介して接続された第１補助タンク（１４０）及び第２補助タンク（１４２）を含む。

Description

フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁
　本発明は、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に関する。
　ノズルフラッパ型のサーボ弁は、左右に配置したノズルと、この両ノズルの間に設置した可動部材であるフラッパとで可変オリフィスを形成する。そして、両ノズルのそれぞれの前段にある一対の固定絞りとの協働によって、フラッパの位置により変化する両ノズルの背圧を導出し、この導出した背圧差により弁体を作動させるものである。背圧差がある間は、その背圧差で弁体は移動し続けるが、フラッパが両ノズルに対して中立位置に戻れば、背圧差がなくなり、弁体の移動が止まる。
　特許文献１には、ノズルフラッパ型の油圧サーボ弁において、スプール型の弁体を用い、両ノズルの背圧をスプールの軸方向両端に供給し、フラッパの位置変化でスプールを作動させる。ここで、フラッパにフィードバックばねを設け、その先をスプールに接続すると、フラッパの位置変化によりスプールが移動するが、それによってフィードバックばねが撓み、その弾性反力でフラッパを元の位置に戻し、スプールを中立位置に戻す。スプールの両端における背圧差がなくなると、これによりスプールは停止する。
　特許文献２には、トルクモータあるいは動力モータによって運動が制御され、中心位置にある状態と、中心位置から外れる状態とを取り得る可動部材を有し、油圧流体源を用いる３つの流体増幅器が述べられている。１つ目は、特許文献１で述べられているものと同じノズルフラッパ型の流体増幅器である。
　２つ目は、特許文献２の図４に示されるジェットパイプ増幅器である。これは、ボデーに対して駆動するように取り付けられるパイプを有し、パイプの位置はトルクモータあるいはその類似物によって制御される。ここでは、加圧流体がパイプに供給され、パイプの下端部における固定インピーダンスのノズルを通って、ボデーに設けられた一対のレシーバ通路に対応する一対の開口に向って下方にジェット流として放出される。放出されたジェット流は、パイプの位置が中立位置にあるときに一対の開口の間で均等に分割され、パイプの位置が中立位置から離れる制御を行うと、一対の開口の間で不均等に分割される。この場合には、１つのレシーバ通路における流体モーメント流が他の通路における流体モーメント流よりも大きくなり、そのような流体モーメント流の差を負荷に作用するように利用できる。
　３つ目は、特許文献１の図７に示されるジェットデフレクター増幅器である。これは、特殊な形状を有する通路と、通路の中で可動的に取り付けられ、広い開口と狭い開口を結ぶデフレクターオリフィスを有するデフレクター部材とを備える。デフレクター部材に関する運動は、トルクモータあるいは動力モータによって制御される。ここでは、デフレクター部材の広い開口側に、加圧流体が供給されて首部オリフィスを通って放出する頭部が設けられ、デフレクター部材の狭い開口側に、一対のレシーブ開口を介して接続される一対の脚部が設けられる。頭部の首部オリフィスから放出されるジェット流は、デフレクター部材がその中心位置にあるときに、デフレクターオリフィスを通って一対のレシーブ開口の間で均等に分割される。デフレクター部材がその中心位置から外れると、首部オリフィスとデフレクターオリフィスを通って放出されるジェット流は、一対のレシーブ開口の間で不均等に分割され、一対の出力通路内の流体モーメント流の差が負荷にかかる。
　特許文献２に開示されるジェットパイプ増幅器及びジェットデフレクター増幅器においても、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した構成が考えられている。これらは、特許文献１のフィードバックばね付きのノズルフラッパ型のサーボ弁と同様の動作を行う。
特開２０００－０３２７３１号公報 特開平８－０４２５０４号公報
　中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した流体増幅器において、流体に気体を用いると、圧縮性流体である気体と非圧縮性流体である油との相違等によって、油圧では生じない発振現象が現われる。上記構成を「フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁」と呼ぶと、本発明の目的は、発振を抑制することが可能な「フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁」を提供することである。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁は、互いに向かい合って配置された２つのノズルと、２つのノズルの間に配置されたフラッパと、ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、２つの気体圧室にそれぞれ補助絞り部を介して接続された補助タンクと、を備えることを特徴とする。
　上記構成によれば、フラッパ駆動装置によって駆動されたフラッパの位置に応じて変化する２つのノズルの背圧差に応じてスプールが移動するが、フィードバックばねの作用によってフラッパが中立位置に戻されると背圧差がゼロとなり、スプールは停止する。この動作において発振が生じても、各ノズルの背圧が導かれる２つの気体圧室に補助絞り部を介して補助タンクが接続されているので、背圧差の変動を吸収でき、これによって発振を抑制できる。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、補助タンクは、スプールの内部に設けられることが好ましい。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、補助タンクは、スプールが内蔵された本体部の内部にスプール摺動空間と隔離されて設けられていることが好ましい。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、補助タンクは、スプール摺動空間の軸方向両端に付加した側板部に設けられることが好ましい。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、フラッパ駆動装置は、フラッパの位置を移動駆動するためのコイルを有し、コイルの両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する駆動回路に接続されることが好ましい。
　上記構成によれば、駆動回路の出力インピーダンスを低くできるので、発振によって生じる逆起電力がコイルにおいて電力として消費され、これによりダンピング効果が生じ、発振を抑制することができる。
　本発明に係るフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁によれば、発振を抑制することができる。
本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁について、部分的に破断して示す斜視図である。 図１におけるＸＺ平面に平行な断面図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の作動モデル図のうち、中立位置の状態を示す図である。 フラッパが中立位置から移動駆動されたときの状態を示す作動モデル図である。 図４から、フィードバックばねの帰還作用による釣合状態を示す作動モデル図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の作動時のゲイン特性図である。 比較例として、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁において、補助タンクを設けないときのゲイン特性図である。 本発明に係る実施の形態のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に用いられる電圧帰還型の駆動回路の例を示す図である。 比較例として、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁に用いられる電流帰還型の駆動回路の例を示す図である。
　以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下において、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材にフィードバックばねを適用した流体増幅器として、ノズルフラッパ型のサーボ弁を述べるが、これは説明のための例示である。フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁であれば、ノズルフラッパ型以外のジェットパイプ型あるいはジェットデフレクター型のサーボ弁であってもよい。
　以下では、フラッパ駆動装置として、アーマチュアに巻回された１つのコイルが駆動される１コイル駆動型のトルクモータを述べるが、これは説明のための例示である。ノズルに対するフラッパの位置を駆動できる電気的な駆動装置であれば、これ以外の方式であってもよい。例えば、ボイスコイル型の駆動装置であってもよく、アーマチュアに巻回された２つのコイルが駆動される２コイル駆動型のトルクモータであってもよい。
　以下において、気体とは乾燥空気であるが、空気以外の気体であってもよい。例えば、窒素やアルゴン等の乾燥不活性ガスであってもよい。以下に述べる形状、材質等は、説明のための例示であって、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０について、部分的に破断して示す斜視図である。以下では、特に断らない限り、フィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０を、サーボ弁１０と呼ぶ。
　図１に直交する３方向として、Ｘ－Ｘ方向、Ｙ－Ｙ方向、Ｚ－Ｚ方向を示す。以下で述べるそれぞれの方向の±方向は、図１に示すものとする。図１においては、Ｚ軸を中心として直交するＸ－Ｘ方向とＹ－Ｙ方向で区分される４つの部分の内で、＋Ｘ方向と＋Ｙ方向とで区分される部分を破断図で示す。Ｘ－Ｘ方向は、後述するスプール１００の軸方向であり、Ｚ－Ｚ方向は後述するフラッパ３０の軸方向である。図２は、図１において、スプール１００の中心軸とフラッパ３０の中心軸とを含み、ＸＺ平面に平行な断面図である。なお、図１、図２は、サーボ弁１０においてすべての可動要素が中立位置の状態にあるときを示す図である。
　サーボ弁１０は、下部筐体部１２と、下部筐体部１２の＋Ｚ側に配置されるカバー部１４とを含む。下部筐体部１２は、本体部１６と、本体部１６の±Ｘ側端部に配置される側板部２０，２２とを含む。これらは、金属材料を所定の形状に成形したものが用いられ、必要な個所にシールリング等を介して気密に結合されて一体化されサーボ弁１０の外形を形作る。
　サーボ弁１０は、ノズルフラッパ型のサーボ弁であり、中心位置にある状態及び中心位置から外れる状態を取り得る可動部材として、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを用い、これを回転可能に支持するフレキシブル支持部材を有する。下部筐体部１２とカバー部１４の内部空間には、フレキシブル支持部材であるフレキシブル管体２６、フラッパ３０、フィードバックばね３８、第１ノズル５０及び第２ノズル５２、フラッパ駆動装置６０、スリーブ９０、スプール１００等が配置される。最初に、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを構成するアーマチュア６２とフラッパ３０について述べ、ついでフレキシブル管体２６、フィードバックばね３８の関係を述べ、その後にスリーブ９０、スプール１００等について述べる。
　アーマチュア６２は、フラッパ駆動装置６０の可動部である。フラッパ駆動装置６０は、永久磁石７０を有し、アーマチュア６２に第１コイル６６及び第２コイル６８が巻回されたコイル駆動型のトルクモータである。
　永久磁石７０は、カバー部１４の内部空間の＋Ｙ側の内壁面と－Ｙ側の内壁面とに沿って２つ配置される。永久磁石７０は、Ｚ－Ｚ方向に沿って着磁される。図１では、＋Ｚ方向をＮ極、－Ｚ方向をＳ極として示す。これは例示であって、場合によって、逆方向に着磁してもよい。上部ヨーク７２は、永久磁石７０の＋Ｚ側に接続して配置され、Ｎ極ヨークとなる磁性体である。下部ヨーク７４は、永久磁石７０の＋Ｚ側に接続して配置され、Ｓ極ヨークとなる磁性体である。
　上部ヨーク７２と下部ヨーク７４とは、ＸＹ平面に平行に互いに離間して配置されるが、±Ｘ方向端面の所で近接して、ポール７６，７８となる。ポール７６，７８の間は磁気ギャップとなる。
　アーマチュア６２は、±Ｘ方向に細長く延びる磁性体アームで、その±Ｘ方向の端部は、上部ヨーク７２と下部ヨーク７４のポール７６，７８によって形成される磁気ギャップの間に配置される（なお、図３参照）。アーマチュア６２の延びる±Ｘ方向の中間（Ｘ＝０）には、＋Ｚ方向に突出して中心穴を有する中央環状部６３が設けられる。
　第１コイル６６及び第２コイル６８は、それぞれＸ方向に中空穴を有するボビンに巻回され、アーマチュア６２の＋Ｘ方向側のアームに第１コイル６６が配置され、－Ｘ方向側のアームに第２コイル６８が配置される。
　第１コイル６６及び第２コイル６８から引き出された４本のリード線は、まとめられて引出線チューブ８０を介し、サーボ弁１０の外部に引き出され、制御装置８２に含まれる駆動回路８４に接続される。フラッパ駆動装置６０は制御装置８２の駆動回路８４によって駆動される。駆動回路８４は、第１コイル６６及び第２コイル６８について、第１コイル６６または第２コイル６８のいずれか１コイルを駆動する。これに代えて、駆動回路８４は、第１コイル６６及び第２コイル６８を直列接続した１つのコイル体を駆動する２コイル直列駆動を行うことができ、あるいは、第１コイル６６及び第２コイル６８を並列接続して２つのコイルを駆動する２コイル並列駆動もできる。以下では、特に断らない限り、フラッパ駆動装置６０として、第１コイル６６のみが駆動回路８４によって駆動される１コイル駆動型のトルクモータについて述べる。
　フラッパ３０は、本体部１６の内部空間とカバー部１４の内部空間に渡って配置され、軸方向であるＺ－Ｚ方向に沿って延びる中空管である。フラッパ３０の＋Ｚ方向の端部は、アーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径とほぼ同じ外径を有する肉厚の環状端部３１である。環状端部３１は、アーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴に挿入され、ロー付等の固定手段によって互いに固定され、アーマチュア６２とフラッパ３０とが一体化して、Ｔ字形アーマチュア・フラッパが形成される。
　フラッパ３０の軸方向に沿った－Ｚ方向の端部には、一対のフラッパ面３４，３６が設けられる。一対のフラッパ面３４，３６は、フラッパ３０のＺ軸方向に対し互いに反対側に配置される２つのＹＺ面で、精密に平坦化された面である。
　フレキシブル管体２６は、Ｔ字形アーマチュア・フラッパを回転可能に支持する柔軟な支持部材である。フレキシブル管体２６は、肉厚が薄く、軸方向に撓み曲がることができる片持梁状の可撓管で、管の内径穴にフラッパ３０が配置される。フレキシブル管体２６は、フラッパ３０の中空管の外周面に沿ってＺ－Ｚ方向に延び、－Ｚ側の端部には、下部筐体部１２の本体部１６の上面に固定される固定部２８が設けられる。＋Ｚ側の端部には、フラッパ３０の環状端部３１よりも－Ｚ側で、フラッパ３０の外形とアーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径との間に配置される圧入環状部２７が設けられる。圧入環状部２７の内径には、フラッパ３０における環状端部３１よりも－Ｚ側の部分が圧入され、この圧入箇所において、フレキシブル管体２６とフラッパ３０及びアーマチュア６２は一体化される。圧入環状部２７の外径はアーマチュア６２の中央環状部６３の中心穴の内径より小さく、圧入箇所においてフレキシブル管体２６の外周面はアーマチュア６２と接触しない。圧入環状部２７における圧入箇所を除いて、フレキシブル管体２６はフラッパ３０の外周面に接触しない。
　上記のように、下部筐体部１２の本体部１６に固定される固定部２８から立設された片持梁状のフレキシブル管体２６の＋Ｚ側の先端の圧入環状部２７に固定され、フラッパ３０は、圧入環状部２７から－Ｚ方向に垂れ下がるように支持される。フレキシブル管体２６が有する軸方向の可撓性を利用して、フラッパ３０及びフラッパ３０と一体のアーマチュア６２は、回転中心６４の周りに回転可能である。回転中心６４のＺ方向に沿った位置は、フレキシブル管体２６の圧入環状部２７と固定部２８の間の薄肉可撓部のほぼ中間の位置である。
　フィードバックばねは、フラッパ３０の中空管の内部に配置されＺ－Ｚ方向に沿って延びる弾性軸である。フィードバックばねの＋Ｚ方向の端部であるばね上端部３９は、フラッパ３０の＋Ｚ方向側の環状端部３１の内径に固定され、－Ｚ方向の端部の接続ボール４０は、スプール１００の中央部近くに接続される。
　第１ノズル５０と第２ノズル５２とは、フラッパ３０を挟んで互いに向い合って配置され、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源からの気体を先端のノズル口からＸ方向に沿ってフラッパ３０に向かって噴出する２つのノズルである。フラッパ３０がフレキシブル管体２６によって支持された状態において、フラッパ３０の２つのフラッパ面３４，３６は、それぞれ、第１ノズル５０のノズル口と第２ノズル５２のノズル口に向かい合う位置となる。すなわち、第１ノズル５０は、フラッパ３０の＋Ｘ方向側に配置されてフラッパ面３４に対向し、第２ノズル５２は、フラッパ３０の－Ｘ方向側に配置されてフラッパ面３６に対向する。
　フラッパ駆動装置６０において、第１コイル６６に駆動電流が供給されないときは、第１コイル６６は磁束を発生せず、アーマチュア６２は着磁されず中立位置の状態で、フラッパ３０は回転中心６４の周りに回転しない。このとき、フラッパ３０のフラッパ面３４と第１ノズル５０のノズル口との間の距離、及び、フラッパ面３６と第２ノズル５２のノズル口との間の距離は等距離である。第１コイル６６に駆動電流が供給されると、アーマチュア６２が着磁され、その±Ｘ方向端面の着磁方向に従って、ポール７６及びポール７８の方向に吸引される。これによってアーマチュア６２と一体化しているフラッパ３０が回転中心６４の周りに、Ｘ－Ｚ平面上で回転する。このとき、フラッパ３０のフラッパ面３４と第１ノズル５０のノズル口との間の距離と、フラッパ面３６と第２ノズル５２のノズル口との間の距離は、異なる距離となる。すなわち、サーボ弁１０における可動部材であるＴ字アーマチュア・フラッパがフラッパ駆動装置６０によって駆動されると、可動部材の位置は、中立位置から外れる。
　気体供給源と、第１ノズル５０及び第２ノズル５２との間には、図１、図２では隠れて図示されないが、第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２（図３から図５参照）がそれぞれ設けられる。したがって、第１ノズル５０及び第２ノズル５２には、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源から第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２によって絞られた後の気体が供給される。第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間からは第１背圧路１２４が分岐し、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間からは第２背圧路１２６が分岐する。第１背圧路１２４と第２背圧路１２６の詳細については、スプール１００に関連して後述する。
　スリーブ９０は、下部筐体部１２の本体部１６の内部空間に配置される筒形の部材である。スリーブ９０の筒形の内壁面は、精密に加工されてスプール１００を摺動可能に支持するスプール摺動空間を形成する。筒形の内壁面の形状は、矩形穴形状等でもよいが、以下では、円形穴形状とする。したがって、スリーブ９０は、円形断面の貫通穴の内壁面を有し、その円形断面の穴の中をスプール１００が摺動する。
　本体部１６の±Ｘ側端部に配置される側板部２０，２２は、スリーブ９０の±Ｘ側の両端を覆って収容する窪みが設けられる。窪みの内径は、スリーブ９０の外径よりも大径に設定される。側板部２０，２２における窪みは、スリーブ９０の±Ｘ側の両端における第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２を形成する。第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２の詳細については、スプール１００に関連して後述する。
　スリーブ９０は、外周面と貫通穴の内壁面との間を貫通して気体が流通する４種類のポートを有する。図２においては、＋Ｘ側から－Ｘ側に向かって、Ｐｓと示す気体供給ポート９２、ＣＹ１と示す第１出力ポート９４、Ｅｘと示す排気ポート９６、ＣＹ２と示す第２出力ポート９８、Ｐｓと示す気体供給ポート９３の５つのポートが配置される。
　下部筐体部１２の底面側には、スリーブ９０における気体供給ポート９２，９３、第１出力ポート９４、排気ポート９６、第２出力ポート９８に対応して、４つの外部接続口が設けられる。なお、スリーブ９０において５つのポートが４つの外部接続口となったのは、気体供給ポート９２，９３を本体部１６内で１つにまとめたためである。図２には、そのうちの第１出力ポート９４と第２出力ポート９８に対応する２つの外部接続口についてＣＹ１，ＣＹ２と示した。他の気体供給ポート９２，９３及び排気ポート９６に対応する２つの外部接続口は、紙面上の向こう側である＋Ｙ側及び手前側である－Ｙ側に配置されているため、図示されない。
　気体供給ポート９２，９３に対応する外部接続口は、図示しない気体供給源に接続され、所定の供給気体圧Ｐｓの気体がサーボ弁１０に対して供給される。第１出力ポート９４と第２出力ポート９８に対応する２つの外部接続口は、図示しない外部負荷の２つの入力ポートに接続される。外部負荷は、例えば、各種機器に装備される気体圧弁である。排気ポート９６に対応する外部接続口は、サーボ弁１０から使用済みの気体が排気される。排気された気体は、回収タンクに戻され、あるいはそのまま大気に開放される。
　スプール１００は、スリーブ９０の貫通穴の内壁面を摺動可能な外径を複数の有する複数のランドと、ランドよりも小さな外径を有し隣接するランドの間を接続する複数のステムとを有する軸体である。
　スプール１００がスリーブ９０に対し中立位置のときは、図２に示すように、＋Ｘ側から－Ｘ側に向かって、第１ランド１０２、第２ランド１０４、第３ランド１０６、第４ランド１０８が配置される。各ランドの間には、それぞれ気体圧室が形成される。
　中立位置では、スプール１００の４つのランド及びこれらの間に形成される３つの気体圧室と、スリーブ９０の５つのポートとは、以下の配置関係に設定される。まず第２ランド１０４はスリーブ９０においてＣＹ１と示す第１出力ポート９４を完全に閉じる位置にある。同様に、第３ランド１０６は、スリーブ９０においてＣＹ２と示す第２出力ポート９８を完全に閉じる位置にある。そして、第１ランド１０２と第２ランド１０４との間の気体圧室は、スリーブ９０においてＰｓと示す気体供給ポート９２に連通する位置にある。同様に、第２ランド１０４と第３ランド１０６の間の気体圧室は、スリーブ９０においてＥｘと示す排気ポート９６に連通する位置にある。また、第３ランド１０６と第４ランド１０８の間の気体圧室は、スリーブ９０においてＰｓと示す気体供給ポート９３に連通する位置にある。
　第２ランド１０４と第３ランド１０６との間のステムには、フィードバックばね３８の先端の接続ボール４０にスプール１００の±Ｘ方向に沿った動きを伝達する接続部１１０である。接続部１１０は、スプール１００のＸ方向に沿った全長の中央位置に設けられた貫通穴で、その貫通穴に接続ボール４０が挿入される。貫通穴に代えて、接続ボール４０の±Ｘの両側に２つの案内鍔を設け、２つの案内鍔の間の案内溝に接続ボール４０を案内しながら保持する方法を用いてもよい。
　スプール１００の軸方向であるＸ方向に沿った全長は、スリーブ９０のＸ方向に沿った全長よりも短く設定される。スリーブ９０の±Ｘ側端部には側板部２０，２２が配置され、側板部２０，２２には、スリーブ９０の±Ｘ側の両端における突出部分を覆って収容する窪みが設けられている。これにより、スリーブ９０の＋Ｘ側の貫通穴内壁面及び側板部２０の窪みと、スプール１００の第１ランド１０２の＋Ｘ側端部との間に第１気体圧室１２０が形成される。同様に、スリーブ９０の－Ｘ側の貫通穴内壁面及び側板部２２の窪みと、スプール１００の第４ランド１０８の－Ｘ側端部との間に第２気体圧室１２２が形成される。上記におけるスプール１００とスリーブ９０のＸ方向に沿った全長の関係は、例示であって、サーボ弁１０の仕様等に応じ適宜変更が可能である。
　第１気体圧室１２０は、第１背圧路１２４によって第１ノズル５０の気体供給口と接続される。第１背圧路１２４は、第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間から分岐するので、第１背圧路１２４には、第１ノズル５０の背圧を有する気体が導かれる。同様に、第２気体圧室１２２は、第２背圧路１２６によって第２ノズル５２の気体供給口と接続される。第２背圧路１２６は、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間から分岐するので、第２背圧路１２６には、第２ノズル５２の背圧を有する気体が導かれる。
　第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、スプール１００の内部に設けられる気体収容空間である。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、それぞれ、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６を介して第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２に接続される。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２は、第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２の気体圧が変動したときにその変動を抑制するバッファタンクである。第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６としては、適当なオリフィスを用いることができる。
　以上が、全ての可動要素が中立位置にあるときのサーボ弁１０の説明である。上記構成の作用について、図３から図５の作動モデル図を用いてさらに詳細に説明する。これらの図において、図１、図２では隠れて図示されなかった第１固定絞り１３０及び第２固定絞り１３２が示される。
　第１固定絞り１３０は、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源と第１ノズル５０との間に配置される。第１ノズル５０の背圧は、第１固定絞り１３０と第１ノズル５０との間から分岐した第１背圧路１２４を通って第１気体圧室１２０に導かれる。同様に、第２固定絞り１３２は、所定の供給気体圧Ｐｓを有する気体供給源と第２ノズル５２との間に配置される。第２ノズル５２の背圧は、第２固定絞り１３２と第２ノズル５２との間から分岐した第２背圧路１２６を通って第２気体圧室１２２に導かれる。
　なお、これらの作動モデル図においては、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２をスプール１００と分離して示したのは、作動モデルとしての説明のためである。図１、図２では、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２をスプール１００の内部に設けたが、サーボ弁１０の作動上はスプール１００の内部以外のところに配置しても構わない。例えば、側板部２０に第１補助タンク１４０を配置し、側板部２２に第２補助タンク１４２を配置してもよい。あるいは、スプール１００が内蔵された本体部１６においてスリーブ摺動空間から隔離された領域に第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２を配置してもよい。
　図３は、サーボ弁１０の作動モデル図のうち、中立位置の状態を示す図である。中立位置の状態においては、制御装置８２の駆動回路８４から第１コイル６６に駆動電流が供給されず、アーマチュア６２は着磁されず、したがって、フラッパ３０は第１ノズル５０及び第２ノズル５２と等距離の中立位置にある。気体供給源からＰｓの気体が第１ノズル５０及び第２ノズル５２に供給されても、第１ノズル５０の背圧及び第２ノズル５２の背圧は同じで、スプール１００は中立位置のままである。したがって、ＣＹ１と示す第１出力ポート９４は、第２ランド１０４によって完全に閉じられた状態にあり、ＣＹ２と示す第２出力ポート９８は、第３ランド１０６によって完全に閉じられた状態にある。
　図４は、制御装置８２において駆動回路８４が作動し、第１コイル６６に駆動電流Ｉが流れ、アーマチュア６２において、＋Ｘ側のアームがＳ極、－Ｘ側のアームがＮ極に着磁された場合を示す図である。着磁されたアーマチュア６２とポール７６，７８の磁界との協働によって、アーマチュア６２の＋Ｘ側のアームがポール７６側に吸引され、－Ｘ側のアームがポール７８側に吸引される。図４において、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝を実線矢印で示す。これによって、アーマチュア６２と一体化しているフラッパ３０が回転中心６４の周りに回転し、フラッパ面３４は中立位置よりも第１ノズル５０側に近接し、フラッパ面３６は中立位置よりも第２ノズル５２から遠ざかる。
　このように、第１ノズル５０及び第２ノズル５２に対するフラッパ面３４，３６の位置が変化するので、第１ノズル５０の背圧及び第２ノズル５２の背圧がそれぞれ変化する。図４の例では、（第１ノズル５０の背圧）＞（第２ノズル５２の背圧）となる。第１ノズル５０の背圧は、第１背圧路１２４によって第１気体圧室１２０に導かれ、第２ノズル５２の背圧は、第２背圧路１２６によって第２気体圧室１２２に導かれる。これにより、スプール１００の軸方向の両端に懸る圧力に差が生じるので、その圧力差に応じてスプール１００は軸方向に移動する。図４の例では、白抜矢印で示すように、中立位置から－Ｘ方向へ移動する。この移動によって、第２ランド１０４はＣＹ１と示す第１出力ポート９４を開いて気体供給ポート９２と連通し、第３ランド１０６はＣＹ２と示す第２出力ポート９８を開いて排気ポート９６と連通する。
　スプール１００の軸方向移動と共に、フィードバックばね３８の先端の接続ボール４０も軸方向に移動する。図４の例では、スプール１００は－Ｘ方向に移動するので、接続ボール４０も－Ｘ方向に移動する。これによってフィードバックばね３８は－Ｘ方向に撓むので、その弾性反力は＋Ｘ方向を向く。つまり、フィードバックばね３８の弾性反力は、スプール１００を＋Ｘ方向へ戻すように生じる。｛（フィードバックばね３８の弾性反力）×（接続ボール４０から回転中心６４までの距離）｝が、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝と同じになると、アーマチュア６２とフラッパ３０とが中立位置の状態に戻る。フラッパ３０が中立位置に戻されて第１ノズル５０の背圧と第２ノズル５２の背圧との差がゼロとなると、スプール１００の軸方向両端の圧力が釣合状態となり、スプール１００の軸方向の移動を停止する。
　図５は、スプール１００の軸方向の移動が停止した釣合状態を示す図である。｛（フィードバックばね３８の弾性反力）×（接続ボール４０から回転中心６４までの距離）｝による釣合トルクを破線で示す。釣合トルクは、｛駆動電流Ｉによって生じるアーマチュア６２の回転中心６４の周りのトルク｝と逆方向で同じ大きさである。アーマチュア６２と一体化されているフラッパ３０は中立位置で、（第１ノズル５０の背圧）は（第２ノズル５２の背圧）とほぼ同じとなる。釣合状態において、第１出力ポート９４には、釣合状態における第２ランド１０４の位置で定まる第１出力ポート９４の開口度に応じた流量Ｑの気体が気体供給源側から流れ込む。流量Ｑは、駆動回路８４から第１コイル６６に供給される駆動電流Ｉに応じた値となる。なお、第２出力ポート９８においては、釣合状態における第３ランド１０６の位置で定まる第２出力ポート９８の開口度に応じ、負荷側からＥｘに向けて排気が行われる。
　釣合状態において発振が生じることがある。発振が生じると、スプール１００の軸方向両端における背圧差が振動状態となり、スプール１００は釣合状態の位置から±Ｘ方向にその位置を振動させる。これによって、第１出力ポート９４に流れる気体の流量Ｑが振動状態となる。第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とは、この振動を抑制する働きをする。
　図６と図７は、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２の振動抑制効果を示す図である。これらの図は、サーボ弁１０のゲイン特性図である。横軸は、第１コイル６６に供給される駆動電流Ｉの周波数であり、縦軸は、(流量Ｑ／駆動電流Ｉ)をサーボ弁１０のゲインとして、ゲイン及び位相を示す。
　図６は、図１、図２の構成のゲイン特性図である。ここでは、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２がそれぞれ第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６を介して第１気体圧室１２０及び第２気体圧室１２２に接続されている。これによって、第１気体圧室１２０と第２気体圧室１２２の間の背圧差の振動状態を抑制でき、スプール１００の±Ｘ方向の振動を抑制し、第１出力ポート９４の流量Ｑの振動状態を抑制する。図６において、発振周波数ｆ0において抑制された後のゲインの持ち上り１５０を示す。ゲインの持ち上り１５０は発振特有のピークを有していない。
　図７は、比較例として、図１、図２の構成において、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とを取り去ったときのゲイン特性図である。ここでは、発振周波数ｆ0において、発振特有のピーク１５２が現れている。
　図６、図７の比較において、（発振特有のピーク１５２）と（ゲインの持ち上り１５０）の差が、第１補助タンク１４０及び第２補助タンク１４２と第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６とによる振動抑制効果である。この振動抑制効果は、気体供給源の所定の供給気体圧Ｐｓと、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６の絞り度とによって異なる。実験によれば、所定の供給気体圧Ｐｓに対し、第１補助絞り部１４４及び第２補助絞り部１４６の絞り度を適切化することで、およそ－２０ｄＢ程度の振動抑制効果が得られた。
　サーボ弁１０が作動時に振動状態となると、第１コイル６６及び第２コイル６８に逆起電力が発生する。この逆起電力を利用して振動を抑制することができる。図８は、駆動回路８４として、第１コイル６６の両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する電圧帰還型のアンプの例を示す図である。図９は、比較のために、駆動回路８４として、第１コイル６６に流れる電流を帰還して駆動電流を供給する電流帰還型のアンプを示す図である。図９に示す電流帰還型のアンプは、ほぼ定電流源として作用し、その出力インピーダンスは無限大に近くなり、発振時に第１コイル６６に生じる逆起電力を電流として接地側に流すことが難しい。これに比較すると、図８の電圧帰還型のアンプは、その出力インピーダンスが小さいので、発振時の逆起電力を第１コイル６６において電力として消費させることができる。これによりダンピング効果が生じ、発振を抑制することができる。
　別の方法として、発振が生じたときに、駆動に用いられていない第２コイル６８を短絡し、発振時の逆起電力を第２コイル６８において電力として消費させてもよい。発振が止まれば、短絡を解除して元の状態に戻す。短絡による駆動制限が強すぎるときは、第２コイル６８について抵抗を介した短絡としてもよい。この方法は、駆動に用いられる第１コイル６６について図８の電圧帰還型のアンプを用いるときに併用してもよい。また、この方法は、駆動に用いられる第１コイル６６について図９の電流帰還型のアンプを用いるときに適用しても発振を止める効果を有する。
　上記構成のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁１０によれば、流体に気体を用いることで「フィードバックばねを用いた油圧サーボ弁」では生じない発振が生じても、発振を抑制できる。
　１０　（フィードバックばねを用いた気体圧）サーボ弁、１２　下部筐体部、１４　カバー部、１６　本体部、２０，２２　側板部、２６　フレキシブル管体、２７　圧入環状部、２８　固定部、　３０　フラッパ、３１　環状端部、３４，３６　フラッパ面、３８フィードバックばね、３９　ばね上端部、４０　接続ボール、５０　第１ノズル、５２　第２ノズル、６０　フラッパ駆動装置、６２　アーマチュア、６３　中央環状部、６４　回転中心、６６　第１コイル、６８　第２コイル、７０　永久磁石、７２　上部ヨーク、７４　下部ヨーク、７６，７８　ポール、８０　引出線チューブ、８２　制御装置、８４　駆動回路、９０　スリーブ、９２，９３　気体供給ポート（Ｐｓ）、９４　第１出力ポート（ＣＹ１）、９６　排気ポート（Ｅｘ）、９８　第２出力ポート（ＣＹ２）、１００　スプール、１０２　第１ランド、１０４　第２ランド、１０６　第３ランド、１０８　第４ランド、１１０　接続部、１２０　第１気体圧室、１２２　第２気体圧室、１２４　第１背圧路、１２６　第２背圧路、１３０　第１固定絞り、１３２　第２固定絞り　１４０　第１補助タンク、１４２　第２補助タンク、１４４　第１補助絞り部、１４６　第２補助絞り部、１５０　持ち上り、１５２　ピーク。

Claims (5)

  1. 　互いに向かい合って配置された２つのノズルと、
    　２つのノズルの間に配置されたフラッパと、
    　ノズルに対するフラッパの位置を移動駆動するフラッパ駆動装置と、
    　ノズルに対するフラッパの位置に応じて変化する各ノズルの背圧をそれぞれ導く２つの背圧路と、
    　各ノズルの前段にそれぞれ設けられた２つの固定絞りと、
    　気体供給ポート、排気ポート、及び、２つの出力ポートを有するスリーブと、
    　スリーブ内を摺動可能なスプールであって、スリーブのスプール摺動空間との間で形成される軸方向両端の気体圧室にそれぞれ背圧路が接続されたスプールと、
    　フラッパの先端から延びてスプールに接続されるフィードバックばねと、
    　２つの気体圧室にそれぞれ補助絞り部を介して接続された補助タンクと、
    　を備えることを特徴とするフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
  2. 　補助タンクは、スプールの内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
  3. 　補助タンクは、スプールが内蔵された本体部の内部にスプール摺動空間と隔離されて設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
  4. 　補助タンクは、スプール摺動空間の軸方向両端に付加した側板部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
  5. 　フラッパ駆動装置は、
    　フラッパの位置を移動駆動するためのコイルを有し、コイルの両端電圧を帰還して駆動電圧を供給する駆動回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載のフィードバックばねを用いた気体圧サーボ弁。
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