JPH0456886B2

JPH0456886B2 -

Info

Publication number: JPH0456886B2
Application number: JP59151014A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Doi
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1984-07-20
Publication date: 1992-09-09
Also published as: JPS6131705A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、パワーシヨベルやウインチ等の負
荷の移動装置に用いたカウンターバランス弁の制
御装置であつて、当該負荷の逸走を防止したもの
である。

（従来の技術）第３図は、従来装置の制御回路で、負荷Ｗを昇
降させるシリンダＳのロツド側室１を、通路２を
介して切換弁Ｖに接続する一方、ボトム側室３
は、通路４を介して切換弁Ｖに接続している。

そして、上記通路４にカウンターバランス弁Ｃ
を接続しているが、このカウンターバランス弁Ｃ
は、制御弁部５とチエツク弁部６とを主要素とし
ている。

上記制御弁部５は、そのパイロツト室５ａを設
けるとともに、このパイロツト室５ａは、ダンピ
ングオリフイス５ｂを介して前記通路２に連通さ
せている。そして、この制御弁部５は、上記パイ
ロツト室５ａとは反対側に設けたスプリング７の
作用で、通常は閉弁状態を維持するが、上記パイ
ロツト室５ａに作用するパイロツト圧が設定圧以
上になつたとき、そのパイロツト圧に応じてその
開度を制御されるようにしている。

また、上記チエツク弁部６は、切換弁Ｖからボ
トム側室３への油の流れのみを許容する構成にし
ている。

しかして、切換弁Ｖを図面左側位置に切換える
と、ポンプＰの吐出油が、通路４及びチエツク弁
部６を経由してボトム側室３に供給されるととも
に、ロツド側室１の油はタンクＴに戻るので、シ
リンダＳが動作して当該負荷Ｗを上昇させる。

また、切換弁Ｖを図面右側位置に切換えると、
ポンプＰの吐出油はロツド側室１に供給されると
ともに、この通路２内の圧力がパイロツト圧とし
てパイロツト室５ａに作用する。

そして、このパイロツト圧が設定圧以上になれ
ば、制御弁部５が開弁して、上記ボトム側室３内
の油をタンクＴに戻すので、シリンダＳが動作し
て当該負荷Ｗを下降させる。このように制御弁部
５が開弁すれば、負荷Ｗが下降するとともに、そ
のときの下降速度は制御弁部５の開度に比例す
る。

結局、上記パイロツト圧の大きさに応じて、制
御弁部５の開度を制御し、ボトム側室３からの戻
り流量を規制して、当該負荷の自走を防止してい
る。

（本発明が解決しようとする問題点）この従来の装置では、通路２側からパイロツト
圧を導いて、制御弁部５の開度を制御するように
しているので、ハンチング現象を生じる問題があ
つた。

例えば、上記パイロツト圧で制御弁部５を開弁
させると、その瞬間に当該負荷Ｗが急降下するの
で、ロツド側室１への油の供給が追従できず、そ
のために通路２側の圧力が低下する。通路２側の
圧力低下にともなつて、パイロツト圧が低くな
り、その瞬間に当該制御弁部５が閉弁作用をす
る。

このような開弁作用と閉弁作用とを繰り返すこ
とによつて、制御弁部５がハンチングを起すが、
当該制御弁部がパイロツト圧の変化に対して敏感
に反応すればするほど、また、負荷Ｗが大きけれ
ば大きいほど、上記ハンチングが激しくなる。

そこで、上記ダンピングオリフイス５ｂの開口
面積を小さくして、パイロツト圧の変化に対する
制御弁部５の応答性を悪くすれば、上記ハンチン
グをある程度防止できるが、このダンピングオリ
フイス５ｂを小さくすると、そこにごみがつまり
やすくなる。もし、このオリフイス５ｂにごみが
つまると、バルブ機能が損なわれるので、このオ
リフイス５ｂを小さくするにも限界があり、その
ために上記ハンチング現象を完全に防止すること
ができないという問題があつた。

つまり、この従来のカウンターバランス弁は、
供給通路２側の圧力すなわちパイロツト圧P₁を、
制御弁部５のクラツキング圧力P_crと等しくする
ような制御方式を採用しているために、当該制御
弁部５の開度を間接的にしか制御できない。しか
も、上記パイロツト圧P₁の圧力変動が非常に大
きいので、このパイロツト圧P₁の変動につられ
て、制御弁部５の開度が変動しやすくなる。

したがつて、上記ダンピングオリフイス５ｂを
よほど小さくしないと、そのハンチングを防止で
きないが、ダンピングオリフイス５ｂを小さくす
るにも、上記したように限界があり、結局、従来
のカウンターバランス弁の制御方式では、ハンチ
ングを防止できなかつた。

この発明は、、カウンター負荷が作用するとき
に供給通路となる側の圧力とは無関係に、当該カ
ウンターバランス弁の開度を調整して、ハンチン
グを防止するとともに、急操作時のシヨツクを緩
和し、しかも、目標信号発生部における演算誤差
をも修正できるようできる制御装置の提供を目的
にする。

（問題点を解決するための手段）この発明は、上記の目的を達成するために、制
御スプールの移動量に応じて制御部の開度を調整
するとともに、この制御部の開度を調整すること
によつて、カウンター負荷が作用したときの戻り
側の流量を制御して負荷の逸走を防止したカウン
ターバランス弁において、上記制御スプールは比
例ソレノイド、サーボモータ、ステツプモータ等
の電気アクチエータの電気信号入力に応じて、そ
の移動量が制御される構成にするとともに、上記
カウンター負荷の作用する状況のときに供給通路
となる側の流量と、そのとき戻り通路となる側の
圧力とを検出し、それら流量信号及び圧力信号を
演算部に入力させ、それらの信号を基にして当該
カウンターバランス弁の制御部の目標開度を演算
するとともに、この目標開度信号を目標信号発生
部に入力させ、この目標開度信号を基にして制御
スプールの目標変位を演算し、この目標変位信号
を安定性補償部に入力し、この安定性補償部にお
いて上記目標変位信号に係数を乗じて制御スプー
ルの移動速度を検出するとともに、この移動速度
を積分して再びバルブ変位を演算し、電気アクチ
エータに対する電気信号入力に変換して出力する
一方、このバルブ変位信号をフイードバツクし
て、上記目標バルブ変位信号と対比して調整する
ループを構成する一方、上記供給通路側の圧力を
検出し、その圧力信号をもとにしてバルブ移動速
度を演算するとともに、そのバルブ移動速度信号
を、上記安定性補償部のバルブ移動速度信号にプ
ラスする修正信号発生部を設けている。

（本発明の目的）上記のように構成したので、カウンター負荷が
作用するときの供給流量と、戻り側の圧力とを検
出して、当該カウンターバランス弁の制御部の目
標開度を求め、それを基にして制御スプールの目
標変位を求める。そして、この目標変位に応じた
電気信号入力を電気アクチエータに供給し、当該
電気アクチエータの作用で、制御スプールの移動
量を制御する。

したがつて、カウンター負荷が作用するとき、
供給通路となる側の圧力とは無関係に、上記制御
部の開度を調整できる。

また、上記目標バルブ変位を移動速度に変換
し、それを積分して再びバルブ変位信号とし、当
該バルブ変位信号を上記目標バルブ変位信号と対
比するループを構成したので、切換弁を急激に操
作した場合にも、そのシヨツクを緩和できる。

また、上記目標信号発生部に演算誤差があつて
も、修正信号発生部から出力される信号によつ
て、上記演算誤差を修正できる。

（本発明の実施例）第１図はこの発明の回路図、第２図は電気アク
チエータとして比例ソレノイドを使用したカウン
ターバランス弁であり、負荷Ｗを昇降させるシリ
ンダＳのロツド側室１０を、通路１１を介して切
換弁Ｖに接続する一方、ボトム側室１２には通路
１３を接続するとともに、この通路１３にオペレ
ートチエツク弁１４及びカウンターバランス弁Ｃ
を接続している。

そして、上記オペレートチエツク弁１４は、通
常、カウンターバランス弁Ｃからボトム側室１２
への流通のみを許容し、その逆の流れを阻止する
が、通路１１側の圧力がこのオペレートチエツク
弁１４に作用したときに開弁し、上記逆の流れも
許容する構成にしている。

また、上記カウンターバランス弁Ｃは、その本
体１５に第１〜４ポート１６〜１９を形成してい
る。

そして、上記第１ポート１６は、通路２０を介
して、上記切換弁Ｖに接続し、第２ポート１７は
上記通路１３に接続するとともに、第３ポート１
８はタンクＴに接続している。さらに、第４ポー
ト１９は、パイロツトポンプPPに接続している。

この本体１５には、さらに弁孔２１を形成する
とともに、この弁孔２１の一端を閉塞部材２２で
ふさぐ一方、他端には、励磁電流に応じてプツシ
ユロツド２３ａのストローク量を制御する比例ソ
レノイド２３を設けている。

そして、上記弁孔２１には、制御スプールCS
を内装するとともに、この制御スプールCSには
パイロツトスプールPSを移動自在に内装してい
る。上記制御スプールCSは、上記閉塞部材２２
側に設けたばね受け２４との間にスプリング２５
を介在させ、通常は、このスプリング２５の作用
で、比例ソレノイド２３に隣接して設けたスペー
サ２６の端面に接触させている。

さらに、上記パイロツトスプールPSは、ばね
受け２４のロツド部２４ａ先端面との間にスプリ
ング２７を介在させ、通常は、このパイロツトス
プールPSが、上記スペーサ２６の内径に形成し
た段部２６ａに接触するようにしている。

そして、上記パイロツトスプールPSの先端、
すなわち、上記スプリング２７とは反対端に、比
例ソレノイド２３のプツシユロツド２３ａが作用
する関係にしているが、これら両スプールPS及
びOSの具体的な構成は次のとおりである。

すなわち、上記制御スプールCSは、上記第１
ポート１６と対応する第１環状凹部２８を形成す
るとともに、この第１環状凹部２８側に向つて先
細りとなる制御部２９を形成している。そして、
制御スプールCSがスプリング２５に抗して移動
したとき、その移動位置に応じて制御部２９が機
能し、第１ポート１６と第２ポート１７との連通
時の開度を制御するようにしている。

また、上記第１環状凹部２８以外に、第２環状
凹部３０、第３環状凹部３１を形成するととも
に、スペーサ２６側のパイロツト室３９に開放さ
れた環状通路３２を形成している。

上記第２環状凹部３０は、制御スプールCSの
移動位置に関係なく、常に、第３ポート１８に連
通するとともに、この環状凹部３０の底部に形成
した孔３３を介して、制御スプールCSの中空部
３４に連通する関係にしている。

また、第３環状凹部３１は、同じく制御スプー
ルCSの移動位置に関係なく、常に、第４ポート
１９に連通するが、この環状凹部３１の底部に形
成した孔３５は、上記パイロツトスプールPSの
移動位置に応じて開閉するようにしている。つま
り、両スプールCS，PSが図示のノーマル位置に
あるとき、上記孔３５がパイロツトスプールPS
でふさがれるが、パイロツトスプールPSがスプ
リング２７に抗して移動すると、この孔３５とパ
イロツトスプールPSに形成した環状溝３６とが
連通する。

さらに、上記環状通路３２は、制御スプール
CSに形成の孔３７を介して、上記環状溝３６に
常時連通する関係にしている。

そして、パイロツトスプールPSには、連通孔
３８を形成しているが、両スプールCS，PSが図
示の位置関係にある状態から制御スプールCSの
みがスプリング２５により図面右方へ移動したと
き、上記連通孔３８がパイロツト室３９側に開口
するようにしている。

しかして、上記比例ソレノイド２３を励磁する
と、その励磁電流に応じてプツシユロツド２３ａ
のストロークするとともに、そのストローク量に
応じてパイロツトスプールPSを、スプリング２
７に抗して移動させる。

このようにパイロツトスプールPSが移動する
と、第３環状凹部３１と環状溝３６とが連通する
ので、パイロツトポンプPPからの圧油は、第４
ポート１９→第３環状凹部３１→孔３５→環状溝
３６→孔３７→環状通路３２を経由して、パイロ
ツト室３９に流入し、その圧力が制御スプール
CSの端面に作用する。

このパイロツト圧が作用すると、制御スプール
CSがスプリング２５に抗して移動するとともに、
制御スプールCSの孔３５がパイロツトスプール
PSでふさがれる位置で停止する。このようにし
て制御スプールCSが停止した位置に応じて、第
１ポート１６と第２ポート１７との開度が決まる
が、それは結局比例ソレノイド２３の励磁電流に
比例する。

つまり、上記制御スプールCSは、パイロツト
スプールPSに追随して移動するとともに、制御
スプールCSがパイロツトスプールPSに追いつい
て、両スプールCS，PSが図示の相対関係を維持
したときに、当該制御スプールCSが停止するの
で、この制御スプールCSの移動量は、パイロツ
トスプールPSの移動量と比例する。そして、こ
のパイロツトスプールPSの移動量は、上記のよ
うにプツシユロツド２３ａのストロークに比例す
るが、このプツシユロツド２３ａのストローク
は、比例ソレノイド２３の励磁電流に比例するの
で、当該制御スプールCSの移動量は、比例ソレ
ノイド２３の励磁電流に比例することになる。

いま、切換弁Ｖを図示の中立位置から左側位置
に切換えるとともに、比例ソレノイド２３の励磁
電流を最大にして、上記制御部２９における開度
を最大にすれば、第１ポート１６と第２ポート１
７間は、フリーフローの状態になる。

したがつて、ポンプＰの吐出油は、通路２０→
第１ポート１６→第１環状凹部２８→全開状態の
制御部２９→第２ポート１７→オペレートチエツ
ク弁１４を経由して、ボトム側室１２に供給され
るとともに、ロツド側室１０の油が通路１１を経
由からタンクに戻るので、当該負荷Ｗが上昇す
る。

また、切換弁Ｖを図面右側位置に切換えると、
ポンプＰからの圧油がロツド側室１０に供給され
るとともに、その供給圧がオペレートチエツク弁
１４に作用してそれを開弁させる。

これと同時に、前記比例ソレノイド２３を励磁
させて、上記制御部２９の開度を定めておけば、
その開度に応じて、ボトム側室１２からの戻り油
がタンクＴに戻るので、上記負荷Ｗが下降する。

そして、この負荷Ｗの下降速度は、制御部２９
の開度に応じて定まるが、その開度は、比例ソレ
ノイド２３の励磁電流によつて制御される。

なお、上記の状態から比例ソレノイド２３の通
電を遮断すると、パイロツトスプールPSがスプ
リング２７の作用で図面右方向に移動し、連通孔
３８とパイロツト室３９とを連通させる。したが
つて、当該パイロツト室３９は、孔３３→第２環
状凹部３０→第３ポート１８を経由して、タンク
Ｔに連通する。

パイロツト室３９がタンクＴに連通するので、
制御スプールCSは、スプリング２５の作用で、
パイロツトスプールPSに追随して図面右方向に
移動するとともに、図示の位置に復帰する。

そして、上記のように制御部２９の開度を定め
るための励磁電流を制御するのが、第１図に示し
た制御機構Ｄである。

この制御機構Ｄは、目標信号発生部４０、安定
性補償部４１及び修正信号発生部４２を主要素に
し、この安定性補償部４１からの信号をアンプ４
３を介して前記比例ソレノイド２３に伝達し、当
該信号に応じた励磁電流が得られるようにしてい
る。

そして、前記通路１１には流量検出器４４を接
続し、この流量検出器４４で検出した流量信号
Q₁を、上記目標信号発生部４０の第１演算部４
０ａに入力するようにしている。また、前記通路
１３には第１圧力検出器４５を接続し、この第１
圧力検出器４５で検出した圧力信号P₂も、上記
第１演算部４０ａに入力するようにしている。

このように流量信号Q₁と圧力信号P₂とが第１
演算部４０ａに入力されると、この第１演算部４
０ａで、ボトム側室１２からの戻り油の目標流量
Q₂を算出し、この目標流量₂を基準として前記
制御部２９の目標開度を演算するが、その演算
式は次のとおりである。

₂＝（A₂／A₁）Q₁ Q₂／Ｃ√2² 上記式において、A₁はロツド側室１０の受圧
面積、A₂はボトム側室１２の受圧面積、は制
御部２９の開度、Ｃはオリフイス流量係数、ρは
作動油密度を示している。

上記通路１３側の供給流量Q₁と、ボトム側室
１２の戻り側の圧力P₂とを基準にして演算され
た制御部２９の目標開度信号は、第２演算部４
０ｂに入力される。この第２演算部４０ｂでは、
上記目標開度信号にもとづいて、制御スプール
CSの目標変位を演算して出力する。

このようにして出力された目標変位は、安定
性補償部４１に入力される。この安定性補償部４
１では、上記目標変位と現在変位ｙの差に係数
βを乗じてバルブ移動速度y〓を演算するととも
に、このバルブ移動速度y〓を積分してバルブ変位
ｙを算出して出力する。

このようにして出力された目標信号は、比例ソ
レノイド２３に対する入力電流として、この比例
ソレノイド２３に伝達される。

したがつて、前記したように、制御スプール
CSは、上記励磁電流に応じてその移動量を制御
され、制御部２９の開度を調整する。

すなわち、上記安定性補償部４１では、そのバ
ルブ変位信号ｙをフイードバツクして、上記目標
バルブ変位信号と対比し、バルブ移動速度y〓＝（−ｙ）β を算出するとともに、再びこのバルブ移動速度y〓
を積分してバルブ変位ｙを算出するというループ
を構成している。

このようにループを構成しているので、当該制
御スプールCSが急激に変位することがなく、し
たがつて、切換弁Ｖを急激に操作してもシヨツク
が発生しない。

上記のようにこの実施例では、制御スプール
CSの変位ｙを直接制御するようにしたので、カ
ウンター負荷が作用するときに供給通路となる通
路１３側の圧力P₁に関係なく制御スプールCSを
制御できる。

したがつて、上記圧力P₁が変動しても、当該
制御スプールCSの変位が変動することがないの
で、従来のようなハンチングを起す問題もなくな
つた。

なお、上記係数βを制御してその値を変化させ
れば、上記バルブ移動速度をさらに調整できる。

さらに、上記修正信号発生部４２には、通路１
１に設けた第２圧力検出器４６からの圧力信号
P₁が入力される。

このように入力した圧力信号をもとにして、バルブ移動速度y〓＝α（P₁−P_cr）を算出する。

なお、上記式において、αは移動速度に対する
係数、P_crは目標圧力信号である。

上記y〓＝α（P₁−P_cr）は、安定性補償部４１のy〓
＝β（−ｙ）の信号にプラスされ、 y〓＝β（−ｙ）＋α（P₁−P_cr）を算出する。

なお、符号４７は比較器で、バルブ変位ｙがｙ≦0and（P₁≦P_cr）の関係になつたとき、修
正信号発生部４２と安定性補償部４１との連絡を
遮断する機能を保持している。

つまり、上記ｙ≦0and（P₁≦P_cr）の関係は、
当該制御スプールCSが中立位置にあるときであ
つて、信号としては０かマイナス信号となる。も
し、上記信号がマイナスのときには、バルブ移動
速度y〓がマイナスになることも考えられるが、こ
のようにバルブ移動速度y〓がマイナスになると、
当該制御スプールCSが移動しなくなる。そこで、
中立時における当該制御スプールCSがスムーズ
に移動しうるようにするために、上記比較器４７
を設けたものである。

しかして、上記したように供給流量Q₁及び戻
り通路１３側の圧力P₂によつて、目標バルブ変
位が演算される。そして、この目標バルブ変位
ｙをもとにしてバルブ移動速度y〓が y〓＝β（ｙ−ｙ）として演算される。

これと同時に、通路１１側の供給圧力P₁の上
昇により、α（P₁−P_cr）の分だけバルブ移動速度
が加算されるので、 y〓＝β（ｙ−ｙ）＋α（P₁−P_cr）という式に則つて制御され、当該制御スプール
CSはゆつくりと移動して目標値に達する。

そして、切換弁Ｖを急激に操作し、仮に、流量
検出器４４による流量Q₁を十分に計測できない
場合に、当然のこととして目標信号発生部４０か
ら出力される目標バルブ変位に誤差がでる。

このように目標バルブ変位に誤差が生じたま
まだと、通路１１側の圧力にも変化を生じるが、
このときの圧力変化に応じて修正信号発生部４２
が機能するので、当該制御スプールCSは安定的
に作動する。

そして、この実施例では、上記α及びβを電気
的に調整すれば、その安定性を向上させることも
簡単になる。

（本発明の効果）この発明は、制御スプールの変位の目標値を割
り出し、その目標変位と現在変位からバルブ移動
速度を演算し、その移動速度をもとにして算出し
たバルブ変位信号で、制御部の開度を調整し、カ
ウンター負荷が作用したとき供給通路となる側の
圧力とは無関係に制御が可能なので、たとえ、上
記供給通路側の圧力の変動が激しくても、ハンチ
ングを防止できる。

しかも、上記変位信号をフイードバツクして目
標変位信号と対比して、再びバルブ移動速度を演
算してそれを積分するループを構成したので、切
換弁を急操作した場合にもシヨツクが発生しな
い。

さらに、上記目標信号発生部での演算誤差があ
つても、修正信号発生部でそれを修正できるの
で、例えば、切換弁を急操作しても、当該制御ス
プールを安定して作動させられる。

また、電気的な制御にしたので、従来のような
ダンピングオリフイスが不要になり、したがつ
て、ダンピングオリフイスの目詰まりを考慮した
管理がいらなくなる。

【図面の簡単な説明】

図面第１図及び第２図は、この発明の実施例を
示すもので、第１図は回路図、第２図はカウンタ
ーバランス弁の断面図、第３図は従来の装置の回
路図である。１１，１３…通路、２３…比例ソレノイド、
CS…制御スプール、２９…制御部、４０…目標
信号発生部、４１…安定性補償部。

Claims

【特許請求の範囲】

１制御スプールの移動量に応じて制御部の開度
を調整するとともに、この制御部の開度を調整す
ることによつて、カウンター負荷が作用したとき
の戻り側の流量を制御して負荷の逸走を防止した
カウンターバランス弁において、上記制御スプー
ルは電気アクチエータの電気信号入力に応じて、
その移動量が制御される構成にするとともに、上
記カウンター負荷が作用する状況のときに供給通
路となる側の流量とそのとき戻り通路となる側の
圧力とを検出し、それら流量信号及び圧力信号を
演算部に入力させ、それらの信号を基にして当該
カウンターバランス弁の制御部の目標開度を演算
するとともに、この目標開度信号を目標信号発生
部に入力させ、この目標開度信号を基にして制御
スプールの目標変位を演算し、この目標変位信号
を安定性補償部に入力し、この安定性補償部にお
いて上記目標変位信号と現在変位信号との差に係
数を乗じて制御スプールの移動速度を演算すると
ともに、この移動速度を積分して再びバルブ変位
を演算し、電気アクチエータに対する電気信号に
変換して出力する一方、上記供給通路側の圧力を
検出し、その圧力信号を基にしてバルブ移動速度
を演算するとともに、そのバルブ移動速度信号
を、上記安定性補償部のバルブ移動速度信号にプ
ラスする修正信号発生部を設けたカウンターバラ
ンス弁の制御装置。