JPH066961B2 - 回転型サーボ弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は回転駆動体の駆動に応じて弁開度が調整され
る回転型サーボ弁に関する。

〔従来の技術〕

従来のサーボ弁は直動形のスプール弁が主流であり、ス
プールの駆動はトルクモータと油圧ノズル・フラッパ弁
とからなる電気油圧増幅器によって行われていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

スプール弁の場合、スプールの往復動によって弁開度を
制御するようになっているため応答性に限界があった。
すなわち、通常、サーボ弁の制御は所望の弁開度で完全
に静止しているわけではなく、その前後に往復動しなが
ら結果的に所望の弁開度に平均的に追従している。その
ため、スプールが常に微少に反転を繰返し、その度に停
止と加速及び減速を行うことになり、周波数応答性が常
に問題となる。また、フラッパ弁の場合、フラッパの揺
動に応じたオン・オフ制御となり、一定のオン時間に対
応する流量よりも微少な流量の制御は不可能であった。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、 新規な回転型サーボ弁を提供することにより、従来得ら
れなかった高い応答性能や微少流量制御を実現し得るよ
うにすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る回転型サーボ弁は、電気信号によって回
転駆動される第１及び第２の回転駆動体と、流体を内部
に給油する供給ポート、前記流体を外部に排出する戻り
ポート、及び負荷機器に前記流体を作用させる負荷ポー
トを具備した弁本体と、この弁本体内に回転可能に挿入
され、前記第１の回転駆動体の回転に応じて回転する第
１の回転弁部材と、この第１の回転弁部材内に回転可能
に挿入され、前記第２の回転駆動体の回転に応じて回転
する第２の回転弁部材とからなり、前記第１及び第２の
回転駆動体を夫々独立の電気信号によって制御すること
によって、前記第１及び第２の回転弁部材の相対的回転
位置角度に対応した前記供給ポート及び戻りポートと前
記負荷ポートとの間の弁開度を調整し、前記負荷機器に
作用する前記流体の流量を制御するように構成されたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

第１及び第２の回転駆動体は、電気信号に応じて夫々独
立に回転駆動される。第１の回転弁部材は第１の回転駆
動体に結合しており、かつ弁本体内に回転可能に挿入さ
れている。また、第２の回転弁部材は第２の回転駆動体
に結合しており、かつ第１の回転弁部材内に回転可能に
挿入されている。第１及び第２の回転弁部材は第１及び
第２の回転駆動体の回転に応じて夫々独立に回転するの
で、供給ポート及び戻りポートと、負荷ポートとの間の
弁開度は両者の相対的回転位置角度に応じて設定され、
これによって負荷機器に作用する流体の流量も制御され
る。

第１及び第２の回転弁部材の相対的回転位置角度は、第
１及び第２の回転駆動体の回転角度を調整することによ
って適宜制御可能であり、このような制御はフラッパ弁
に見られるようなオン・オフ切換え制御とはならない。
従って、弁開度の調整は極めて滑らかにかつ速やかに行
われ、応答性を高めることができる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照してこの発明の実施例を詳細に説
明しよう。

第１図はこの発明に係る回転型サーボ弁の第１の実施例
の縦断面図である。電気信号によって回転駆動される回
転駆動体に相当するものが第１及び第２のモータＭ１，
Ｍ２である。このモータＭ１，Ｍ２は、交流又は直流の
電気的アナログ信号によって駆動されるアナログ型モー
タ又はパルスモータのようなディジタル型モータのどち
らを用いてもよく、また一般的なモータに限らずロータ
リソレノイドのような回転駆動体を用いてもよい。第１
のモータＭ１の回転軸には第１の回転弁部材１が接続さ
れ、第２のモータＭ２の回転軸には第２の回転弁部材２
が接続されている。両回転弁部材１，２は円筒形状から
成り、部材２の内側に部材１が入れ子状に嵌合し、夫々
回転可能に弁本体３に収納されている。弁本体３は給油
ポートＳ，もどりポートＲ，負荷ポートＣ１，Ｃ２，Ｃ
３，Ｃ４を具備している。

内側の回転弁部材１の内部に隔壁１ｅを介して第１の室
４と室５が形成されており、第１の室４は弁本体３の給
油ポートＳに常時通じて給油室となている。第２の室５
はその一端が開放されて外側の回転弁部材２の内部の室
に通じ、更に弁本体３のもどりポートＲに常時通じても
どり室を形成している。給油ポートＳに対応する箇所の
II−II線断面を示すと第２図のようであり、回転弁部材
１の周囲を囲むリング状の溝空間から成るリング状流路
６が弁本体３側に形成されており、これが給油ポートＳ
に通じている。回転弁部材１の壁面には上記リング状流
路６に対応する位置に所定の角度範囲で適宜数（図では
２）の開口１ｓが設けられており、この開口１ｓは給油
室４に通じている。従って回転弁部材１がどのように回
転しても、常に、リング状流路６及び開口１ｓを介して
給油ポートｓと給油室４が通じるようになっている。も
どりポートＲに対応する箇所のIII−III線断面は第３図
のようであり、上述と同様に、もどりポートＲに通じる
リング状流路７が弁本体３に形成され、第２の回転弁部
材２には開口２ｒが設けられ、もどりポートＲともどり
室５が常時通じている。

各負荷ポートＣ１〜Ｃ４に対応する箇所のＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ線の横断面図は第４図、第５図の通りである。第４図
は負荷ポートＣ１に対応する箇所のＡ線断面図である
が、Ｃ４に対応する箇所のＤ線断面も同一形状である。
第５図は負荷ポートＣ２に対応する箇所のＢ線断面図で
あるが、Ｃ３に対応する箇所のＣ線断面も同一形状であ
る。弁本体３には、外側の回転弁部材２の周囲を囲むリ
ング状の溝空間から成るリング状流路８，９，１０，１
１が各負荷ポートＣ１〜Ｃ４に対応して形成されてお
り、これが対応する各負荷ポートＣ１〜Ｃ４に夫々通じ
ている。各回転弁部材１，２の壁面には各リング状流路
８〜１１に対応する位置に所定の角度範囲で開口１ａ，
１ｂ，１ｃ，１ｄ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ（２ａ〜２
ｄは縦断面から外れているため第１図には現われていな
い）が夫々設けられており、内側の弁部材１の開口１
ａ，１ｂは給油室４に通じ、開口１ｃ，１ｄはもどり室
５に通じている。外側の弁部材２の開口２ａ〜２ｄは夫
々リング状流路８〜11に臨んでおり、この弁部材２がど
の回転位置にあっても各開口２ａ〜２ｄが各負荷ポート
Ｃ１〜Ｃ４に通じるようになっている。従って、第１の
弁部材１の開口１ａ〜１ｄと第２の弁部材２の開口２ａ
〜２ｄとの重なり具合に応じて給油室４及びもどり室５
と負荷ポートＣ１〜Ｃ４との間の弁開度が決定される。

詳しくは、給油室４に対応する第１の負荷ポートＣ１と
もどり室５に対応する第３の負荷ポートＣ３が連通して
おり、負荷機器（例えば油圧シリンダ１２）の第１のポ
ートに接続される。また、給油室４に対応する第２の負
荷ポートＣ２ともどり室５に対応する第４の負荷ポート
Ｃ４が連通しており、負荷機器たる油圧シリンダ１２の
第２のポートに接続される。第１の回転弁部材１におい
ては、第１及び第４の負荷ポートＣ１，Ｃ４に対応する
第１及び第４の開口１ａ，１ｄが第４図に示すように互
に同じ角度位置に設けられ、第２及び第３の負荷ポート
Ｃ２，Ｃ３に対応する第２及び第３の開口１ｂ，１ｃも
第５図に示すように互に同じ角度位置に設けられいる。
また、第２の回転弁部材２においても、第１及び第４の
負荷ポートＣ１，Ｃ４に対応する第１及び第４の開口２
ａ，２ｄが第４図に示すように互に同じ角度位置に設け
られ、第２及び第３の負荷ポートＣ２，Ｃ３に対応する
第２及び第３の開口２ｂ，２ｃも第５図に示すように互
に同じ角度位置に設けられいる。なお、図では各ポート
Ｓ，Ｒ，Ｃ１〜Ｃ４が同じ角度位置にあるように示した
が、これに限らないのは勿論である。

第１及び第４の開口１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄのグループ
が第１の弁位置に対応しており、第２及び第３の開口１
ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃのグループが第２の弁位置に対応
している。すなわち、両回転弁部材１，２間で第１及び
第４の開口１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄが重なり合うとき第
２及び第３の開口１ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃが重なり合う
ことがないように（このとき第１図実線矢印の方向で流
路が形成される）、また、第２及び第３の開口１ｂ，２
ｂ，１ｃ，２ｃが重なり合うとき第１及び第４の開口１
ａ，２ａ，１ｄ，２ｄが重なり合うことがないように
（このとき第１図破線矢印の方向で流路が形成され
る）、両回転弁部材間の対応する開口の角度偏差が第１
及び第４の開口グループ１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄと第２
及び第３の開口グループ１ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃとの間
で所定角度ずれるように各開口が配されている。図の例
では、内側の回転弁部材１の開口１ａ〜１ｄはすべて同
じ角度位置に設けられており、外側の回転弁部材２の第
１及び第４の開口２ａ，２ｄと第２及び第３の開口２
ｂ，２ｃが略１８０度ずれて設けられている（第４図及
び第５図参照）。従って、第１及び第４の開口グループ
１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄに関する両弁部材１，２間の角
度偏差（開口の重なり具合に対応する）は、第２及び第
３の開口グループ１ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃに関する両弁
部材１，２間の角度偏差（開口の重なり具合に対応す
る）に対して略１８０度ずれている。これにより、一方
の開口グループ１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄが通じていると
きは他方が必ず閉じ、負荷ポートＣ１から負荷シリンダ
１２に流れ出て負荷ポートＣ４に流れ込む流路（第１図
の実戦矢印）が形成され、他方の開口グループ１ｂ，２
ｂ，１ｃ，２ｃが通じているときは一方が必ず閉じ、負
荷ポートＣ２から負荷シリンダ１２に流れ出て負荷ポー
トＣ３に流れ込む流路（第１図の破線矢印）が形成され
る。

各開口１ａ〜１ｄ，２ａ〜２ｄが開いている角度範囲は
夫々略９０度となっている。これにより、回転弁部材
１，２の一方が他方に対して相対的に１８０度回転する
範囲で一方の開口グループの重なりが制御され（この間
他方の開口グループは閉じたままである）、残りの１８
０度の相対的回転範囲で他方の開口グループの重なりが
制御される（この間一方の開口グループは閉じたままで
ある）。この点を図で示すと第６図（ａ）〜（ｄ）のよ
うであり、第２の回転弁部材２に対する第１の回転弁部
材１の相対的回転角度が（ａ）では０度（３６０度）、
（ｂ）では９０度、（ｃ）では１８０度、（ｄ）では２
７０度である。すなわち、（ａ），（ｂ），（ｃ）に示
すように相対的回転角度０度から１８０度の範囲では開
口グループ１ａ，２ａ，１ｄ，２ｄが通じ、（ｃ），
（ｄ），（ａ）に示すように１８０度から３６０度の範
囲では開口グループ１ｂ，２ｂ，１ｃ，２ｃが通じる。
各開口の角度範囲は９０度未満であれば何度にでも設定
できる。

弁の開度は、両回転弁部材１，２の相対的回転位置関係
つまり相対的回転角度によって定まる。例えば両者の相
対的位置関係が第６図（ａ）から（ｂ）の範囲では一方
の弁開度（開口１ａ，２ａ及び１ｄ，２ｄの重なり）が
０％から１００％まで制御可能であり、（ｂ）から
（ｃ）の範囲では１００％から０％まで制御可能であ
り、（ｃ）から（ｄ）の範囲では他方の弁開度（開口１
ｂ，２ｂ及び１ｃ，２ｃの重なり）が０％から１００％
まで制御可能であり、（ｄ）から（ａ）の範囲では１０
０％から０％まで制御可能である。

回転弁部材１，２の回転制御の仕方は、最終的に望みの
弁開度が達成できるのであればどのような制御でも可能
である。例えば、一方を静止させ、他方のみを回転す
る、あるいは正逆回転を任意に行わせる、等である。し
かし、高応答性能を実現するには両回転弁部材１，２を
常に同一方向に回転させるように制御するのが最も好ま
しい。例えば第６図で反時計方向に両部材１，２を回転
させるものとすれば、（ａ）から（ｂ）の範囲では弁開
度を増加するとき内側の弁部材１を回転し、弁開度を減
少するとき外側の弁部材２を回転し、（ｂ）から（ｃ）
の範囲では内側の弁部材１を回転すれば弁開度が減少
し、外側の弁部材２を回転すれば弁開度が増加する。こ
れを拡大展開図で示すと第７図のようであり、（ａ）の
状態から弁開度を増加したときは弁部材１を一方向に適
量回転して開口１ａ，２ａの関係を（ｂ）の如くし、こ
の状態から弁開度を減少したいときは弁部材２を一方向
に適量回転して開口１ａ，２ａの関係を（ｃ）の如くす
る。このように常に回転弁部材１，２を一方向に回転さ
せることにより所望の弁開度への追従（弁開度微調整）
を行うことができる。従って、サーボ弁制御において常
に要求される弁開度の増減微調整に際して、機械的な反
転運動が全く不要であり常に一方向の運動によって弁開
度の増減制御を達成することができるので、応答性能が
飛躍的に高まる。勿論、回転弁部材１，２が絶対的に逆
転してはならないわけではなく、例えば、弁位置を切換
える場合などは逆転しても一向にさしつかえない。

回転弁部材１，２、弁本体３、リング状流路６〜１１、
開口１ａ〜１ｄ，１ｓ，２ａ〜２ｄ，２ｒの構造及び形
状は図示のものに全く限定されず、様々な変更が可能で
ある。また、油圧駆動に限らず、空気圧その他の流体圧
駆動としてもよい。

なお、通常のサーボ弁と同様に、オフのときに弁を中立
位置に戻すようにするための手段が設けられているのは
勿論である。この手段は、例えば第１図に示すように一
端を弁部材１に固定し、他端を弁部材２に固定したスプ
リング１３からなる。

第８図は、回転弁部材を用いたこの発明に係るサーボ弁
の他の実施例を示すものである。第１のモータＭ１に結
合した第１の回転弁部材１４は、第２のモータＭ２に係
合した第２の回転弁部材１５に嵌合しており、これらが
弁本体１６に挿入されている。弁本体１６の内側には、
リング状の溝空間からなるリング状流路ＳＲ，ＲＲ，Ｃ
１Ｒ，Ｃ２Ｒが各ポートＳ，Ｒ，Ｃ１，Ｃ２に対応して
設けられている。内側の回転弁部材１４の側面には９０
度の間隔で４つの溝１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが
設けられている。外側の回転弁部材１５には、その壁面
を貫通する通路ＳＰ，ＲＰ，Ｃ１Ｐ，Ｃ２Ｐが夫々一対
づつ設けられている。１つの対（例えばＣ１Ｐ）は１８
０度離れた２つの通路から成り、各対は第９図から明ら
かなようにＣ１Ｐ，ＳＰ，Ｃ２Ｐ，ＲＰの順で順次４５
度づつずれて配されている。各通路Ｃ１Ｐ，ＳＰ，Ｃ２
Ｐ，ＲＰの内側の口は、内側の回転弁部材１４ａ〜14ｄ
に対応する位置に開口しており、外側の口は各々に対応
するリング状流路Ｃ１Ｒ，ＳＲ，Ｃ２Ｒ，ＲＲに対応す
る位置に開口している。

負荷ポートＣ１，Ｃ２に連絡する通路Ｃ１Ｐ，Ｃ２Ｐの
両隣には供給ポートＳに連絡する通路ＳＰと戻りポート
Ｒに連絡する通路ＲＰが位置している。内側の回転弁部
材１４の溝１４ａ〜１４ｄの横幅は、同時に３つの通路
の口にかからないようになっている。第９図の状態では
中立位置であり、負荷ポートＣ１，Ｃ２への流路は閉じ
られている。この状態から回転弁部材１４が相対的に反
時計方向に回転すると、溝１４ａ，１４ｃを介して通路
ＳＰとＣ１Ｐが通じ、溝１４ｂ，１４ｄを介して通路Ｓ
ＰとＣ２Ｐが通じるようになる。これにより負荷ポート
Ｃ１から出てＣ２から入る状態となる。図の位置から回
転弁部材１４が相対的に反時計方向に４５度回転すると
弁が閉じる。ここから更に反時計方向に回転すると、溝
１４ａ，１４ｃを介して通路ＳＰとＣ２Ｐが通じ、溝１
４ｂ，１４ｄを介して通路ＲＰとＣ１Ｐが通じるように
なる。これにより負荷ポートＣ２から出てＣ１に入る状
態となる。このようにして、両回転弁部材１４，１５の
相対的回転角度に応じてサーボ弁の切換え位置が設定さ
れ、かつ弁開度が調整される。前述の第１の実施例と同
様にモータＭ１，Ｍ２の回転方向は一定方向とすれば、
応答性能を向上させることができる。

第１０図及び第１１図は、弁本体１７内に挿入される弁
部材をスプール１８としたものである。

第１０図では、スプール１８の一端がねじ結合１９を介
してモータＭ１に結合し、他端がスプライン結合２０を
介してモータＭ２に結合している。モータＭ１の所定方
向の回転によりスプール１８は所定方向（例えば矢印ｘ
方向）に直動され、モータＭ２の所定方向の回転により
スプール１８は上記とは反対方向に直動される。この場
合も、モータＭ１，Ｍ２を常に所定の一方向にのみ回転
させながらスプール１８を左右に動かし、弁の切換え及
び弁開度調整を行うことができる。従って、高応答及び
微調整が可能である。第１１図も第１０図とほぼ同様で
あり、スプライン結合２０に代えてギア結合２１が用い
られている点のみが異なる。

第８図〜第１１図の実施例においても、図示は省略した
が、中立位置復帰用のばね等が適宜設けられている。

第１２図は本発明のサーボ弁２２を使用した数値制御シ
ステムの一例を示すもので、サーボ弁２２の負荷ポート
に流体圧アクチュエータ２３が接続されており、その位
置や速度が検出器２４で検出され、偏差演算器２５に与
えられる。プログラム設定器２６では数値制御のプログ
ラムを設定し、マイクロコンピュータ２７の制御の下で
設定された数値制御プログラムに対応する目標データが
供給される。偏差演算器２５では供給された目標データ
と検出器２４で検出された制御対象物のフィードバック
データとを演算し、その偏差データを出力する。パルス
供給回路２８は偏差データに応じてサーボ弁２２のパル
スモータＭ１，Ｍ２に駆動パルスを供給し、サーボ弁２
２の動作を制御する。

一例としてパルス供給回路２８は、偏差データの符号に
応じて、流体圧アクチュエータ２３を正方向に動かすべ
きときはアップパルスを最初に出力し、逆方向に動かす
べきときはダウンパルスを最初に出力する。例えば、ア
ップパルスは常に第１のモータＭ１に供給され、これに
応じて該モータＭ１が常に所定の一方向のみに回転され
る。また、ダウンパルスは常に第２のモータＭ２に供給
され、これに応じて該モータＭ２が常に所定の一方向の
みに回転される。両モータＭ１，Ｍ２の所定の一方向へ
の回転は、前述の通り、両モータの相対的回転角度を増
加又は減少する作用を及ぼす。

例えば、流体圧アクチュエータ２３を正方向に動かすと
きは、アップパルスを適宜数だけモータＭ１に与え、相
対的回転角度を適宜設定する。アクチュエータ２３の動
きを止めるときは、ダウンパルスをモータＭ２に同数与
え、相対的回転角度を０にし、弁を閉じる。

流体圧アクチュエータ２３を逆方向に動かすときは、ダ
ウンパルスを適宜数だけモータＭ２に与え、相対的回転
角度を適宜設定する。アクチュエータ２３の動きを止め
るときは、アップパルスをモータＭ１に同数与え、相対
的回転角度を０にし、弁を閉じる。

アクチュエータ２３を正逆どちらに動かす場合でもまた
弁開度の増減をどのように制御するときでも、モータＭ
１，Ｍ２の回転方向は変わらず、常に一定方向である。
従って、モータＭ１，Ｍ２の反転運動が無いので、高応
答性を確保することができる。

微少流量の制御は、モータＭ１，Ｍ２の相対的回転角度
を微少時間で制御することにより行うことができる。す
なわち、第１３図に示すように、モータＭ１，Ｍ２に与
えるパルスの位相をそのパルス幅ｔ_２未満の微少時間ｔ
_１で制御することにより微少電流が制御される。この場
合、モータＭ１の１パルス駆動に対応する相対的回転角
度に対応する弁開度が微少時間ｔ_１の間だけ設定され、
流量はその弁開度の微少時間ｔ_１だけの積分値となる。
このような微少流量制御を可能にしたことにより負荷ア
クチュエータ２３の制御制度を高めることができる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、この発明によれば、応答性能を向
上させることができると共に、微少流量制御にも優れて
おり、制御精度を高めることができるようになる、等の
種々の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る回転型サーボ弁の一実施例を示
す縦断面図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図
は第１図のIII−III線断面図、第４図は第１図のＡ線の
横断面図であり、Ｄ線の横断面と同一形状を示すもの、
第５図は第１図のＢ線の横断面図であり、Ｃ線の横断面
と同一形状を示すもの、第６図は同実施例における第１
及び第２の回転弁部材の相対的回転位置関係を例示する
横断面図、第７図は両回転弁部材の開口の重なりの変化
の一例を拡大して示す展開図、第８図はこの発明の回転
型サーボ弁の他の実施例を示す縦断面図、第９図は第８
図のIX−IX線断面図、第１０図及び第１１図はこの発明
に係るサーボ弁の更に他の実施例を夫々示す縦断面図、
第１２図はこの発明に係る回転型サーボ弁の制御方式の
一実施例を示す概略ブロック図、第１３図は微少流量制
御時の一例を示すタイミングチャート、である。 Ｍ１，Ｍ２…第１及び第２のモータ、１，２，１４，１
５…第１及び第２の回転弁部材、１ａ〜１ｄ，２ａ〜２
ｄ…各負荷ポートに対応する開口、１ｅ…隔壁、３，１
６，１７…弁本体、４…給油室、５…もどり室、Ｓ…流
体供給ポート、Ｒ…もどりポート、Ｃ１〜Ｃ４…負荷ポ
ート、６〜１１…リング状溝空間から成るリング状流
路、１２…負荷のシリンダ、１８…スプール、１９…ね
じ結合、２０…スプライン結合、２１…ギア結合。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気信号によって回転駆動される第１及び
   第２の回転駆動体と、 流体を内部に給油する供給ポート、前記流体を外部に排
   出する戻りポート、及び負荷機器に前記流体を作用させ
   る負荷ポートを具備した弁本体と、 この弁本体内に回転可能に挿入され、前記第１の回転駆
   動体の回転に応じて回転する第１の回転弁部材と、 この第１の回転弁部材内に回転可能に挿入され、 前記第２の回転駆動体の回転に応じて回転する第２の回
   転弁部材とからなり、 前記第１及び第２の回転駆動体を夫々独立の電気信号に
   よって制御することによって、前記第１及び第２の回転
   弁部材の相互的回転位置角度に対応した前記供給ポート
   及び戻りポートと前記負荷ポートとの間の弁開度を調整
   し、前記負荷機器に作用する前記流体の流量を制御する
   ように構成された回転型サーボ弁。