JPH07167112A - 制御バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、サーボバル
ブの高速且つ高精度な制御性能を維持しつつ、バルブ構
造を改良することにより、無信号時には高圧流体の消費
流量を極力小さく抑え、かつ必要な場合には大きな制御
流量を得ることが出来るようにすることである。 【構成】 バルブ本体(1)には、高圧ポ
ート(2)、低圧ポート(3)及び圧力制御ポート(4)とが設
けられている。前記高圧ポート(2)は流体の高圧供給源
に接続されており、圧力制御ポート(4)は制御圧力供給
対象である圧力装置に接続されており、低圧ポート(3)
は高圧ポート(2)より低い圧力源に接続されている。前
記高圧ポート(2)側に高圧側比例制御弁(5)が設けられて
おり、操作信号に比例して弁開度を調整し、高圧ポート
(2)からバルブ本体(1)内に流入する高圧流体の流入量を
制御している。一方、低圧ポート(3)側には低圧側比例
制御弁(6)が設けられており、低圧ポート(3)から流出す
る流体の流出量を制御するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧ポートと低圧ポー
トの各々に制御弁が設けられており、高圧側に吸気動
作、低圧側に排気動作をさせることにより、省排気流量
且つ大制御流量、高精度制御、高速度動作が得られ、例
えば高速高精度な圧力制御を必要とする能動振動制御な
どを可能とする制御バルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御バルブの内、サーボバルブ
(B)は広い周波数範囲で高い圧力分解能を有し、高速且
つ高精度な制御が可能であるが、図９に示すように高圧
ポート口(11)と低圧ポート口(12)との間に１枚のフラッ
パ(20)を配置し、前記フラッパ(20)に設けられたトルク
モータ(21)を入力信号(O)にてフラッパ(20)を動かし、
高圧ポート(2)側のギャップ(a)と低圧ポート(3)側のギ
ャップ(b)の間隔を調整し、圧力降下を利用することに
より制御流体圧を決めている。従って、交流制御を行う
場合は、最大のスイング幅を得るためにバイアス入力を
与え、動作点をギャップ(a)、(b)の間隔が等しくなる中
点に置くのが通常であった。それ故、無信号時の消費流
量が最大流量になってしまうという問題があった。又、
この構造のまま制御流量を大きく取るためには、ギャッ
プ(a)、(b)の間隔をともに広げる必要があり、消費流量
は更に多くなってしまう欠点がある。なお、図におい
て、(4)は制御圧力供給対象である圧力装置（例えば、
空気バネのようなもの）に接続される圧力制御ポートで
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
例の問題点に鑑みてなされたもので、サーボバルブの高
速且つ高精度な制御性能を維持しつつ、バルブ構造を改
良することにより、無信号時には高圧流体の消費流量を
極力小さく抑え、かつ必要な場合には大きな制御流量を
得ることが出来るようにすることがその解決課題であ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる制御バル
ブ(A)は、 流体の高圧供給源に接続される高圧ポート(2)と、 制御圧力供給対象である圧力装置に接続される圧力
制御ポート(4)と、 高圧ポート(2)より低い圧力源に接続される低圧ポ
ート(3)と、 前記高圧ポート(2)、低圧ポート(3)及び圧力制御ポ
ート(4)とが設けられたバルブ本体(1)と、 高圧ポート(2)側に設けられ、操作信号に比例して
弁開度を調整し、高圧ポート(2)からバルブ本体(1)内に
流入する高圧流体の流入量を制御する高圧側比例制御弁
(5)と、 低圧ポート(3)側に設けられ、低圧ポート(3)から流
出する流体の流出量を制御する低圧側比例制御弁(6)と
で構成された事を特徴とする。

【０００５】これにより本発明にかかる制御バルブは、 圧力装置内の圧力が所定圧力である場合には、両比
例制御弁(5)(6)を両ポート(2)(3)の開口部分に極く近接
又は当接させることにより、流体の消費量を抑制乃至ゼ
ロにする事ができる。 圧力装置内の圧力が不足する場合には、高圧側比例
制御弁(5)を高圧側ポート(2)の開口部分から離間させて
高圧流体を圧力装置に供給し、一方、低圧側比例制御弁
(6)を高圧側ポート(3)の開口部分に近接乃至当接させた
ままにしておく事により、圧力装置からの流体のリーク
を減じ又はゼロとして、効果的に圧力装置の圧力を所定
圧迄高める。 逆に、圧力装置内の圧力が高すぎる場合には、低圧
側比例制御弁(6)を高圧側ポート(3)の開口部分から離間
させて、高圧流体を圧力装置からリークさせ、一方、高
圧側比例制御弁(5)を高圧側ポート(2)の開口部分に近接
乃至当接させたままにしておく事により、高圧流体供給
源からの流体の供給を減じ又はゼロとして、効果的に圧
力装置の圧力を所定圧まで低下させる事ができるもの
で、このようにする事により、制御流体の消費量を最小
限にして圧力装置の最大の制御効果を得る事ができるも
のである。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って詳述す
る。本発明にかかる制御バルブは、外部からの電圧又は
電流の入力操作信号に応じて、無段階且つ高精度な流体
圧力制御を可能とする多用途な圧力制御機器である。

【０００７】(1)はバルブ本体で、バルブ本体(1)には高
圧ポート(2)、低圧ポート(3)及び圧力制御ポート(4)が
設けられている。高圧ポート(2)は高圧側流体供給源に
接続されており、低圧ポート(3)は大気開放となってお
り、圧力制御ポート(4)は制御圧力供給対象である圧力
装置（例えば、空気バネばね）に接続されている。

【０００８】高圧ポート口(11)の近傍には、高圧側枢着
部(9)を介して高圧側比例制御弁(5)《ここでは、高圧側
及び低圧側の両方とも『フラッパ』が比例制御弁として
使用されており、以下、比例制御弁の一例としてフラッ
パを使用した場合を中心に説明するが、勿論、これに限
られるものでなく、後述するピエゾを利用するような場
合も含まれる。》が枢着されており、低圧ポート(3)の
低圧ポート口(12)の近傍には、低圧側枢着部(10)を介し
て低圧側フラッパ(6)が枢着されている。高圧ポート口
(11)及び低圧ポート口(12)は、高圧ポート(2)及び低圧
ポート口(12)の開口部を絞ったもので、高圧側フラッパ
(5)及び低圧側フラッパ(6)が近接離間し、高圧ポート口
(11)と高圧側フラッパ(5)との間の高圧側ギャップ(a)、
低圧ポート口(12)と低圧側フラッパ(6)との間の低圧側
ギャップ(b)を適宜調整する事により、高圧ポート(2)か
ら圧力制御ポート(4)に流れる高圧流体の流量や、圧力
制御ポート(4)から低圧ポート(3)に流れる排気量を制御
するようになっている。

【０００９】高圧側フラッパ(5)には高圧側枢着部(15)
と高圧側コイル(13)とで構成される高圧側トルクモータ
(7)が、低圧側フラッパ(6)には低圧側コイル(14)と低圧
側枢着部(16)とで構成される低圧側トルクモータ(8)が
それぞれ設けられており、高圧側トルクモータ(7)を入
力信号(m)にて制御する事により、高圧側ギャップ(a)の
量を制御するようになっており、低圧側では入力信号
(n)によって低圧側トルクモータ(8)を制御し、低圧側ギ
ャップ(b)の量を制御するようになっている。

【００１０】圧力制御ポート(4)に接続される圧力装置
（図示せず）は一般的に防振又は制振用の空気バネのよ
うなものが考えられる。今、圧力装置内の空気圧が所定
の圧力に比較して低く、高圧空気の供給が必要とされる
場合には、入力信号(m)がコントローラ（図示せず）か
ら高圧側トルクモータ(7)に送られ、入力信号(m)に比例
して高圧側枢着部(15)が高圧側コイル(13)に吸引され、
高圧側フラッパ(5)が高圧ポート口(11)から離間して高
圧側ギャップ(a)の間隔が拡大する。

【００１１】一方、低圧側フラッパ(6)側では低圧側フ
ラッパ(6)が低圧ポート口(12)に近接又は閉塞していて
圧力制御ポート(4)から低圧ポート口(12)を通って低圧
ポート(3)に流れる流量を絞るかゼロに押さえている。
これによって、高圧側ギャップ(a)から圧力制御ポート
(4)内に流れ込む高圧流体の流量が増加し、低圧側ギャ
ップ(b)を通過し、圧力制御ポート(4)から低圧ポート
(3)を通って大気に放出される流体量が急速に制限又は
抑制され、圧力制御ポート(4)に接続される圧力装置内
の圧力が上昇する。所定の圧になった時に、入力信号
(m)により高圧側トルクモータ(7)が作動して高圧側フラ
ッパ(5)を高圧ポート口(11)側に移動させ、高圧側ギャ
ップ(a)の間隙を狭くする。これによって高圧側ギャッ
プ(a)から流入する流体の流入量と、ギャップ(b)から低
圧ポート(3)を通って流出する流体の流出量とがバラン
ス（又は、一方は閉塞）されて、圧力制御ポート(4)に
接続される圧力装置内の空気圧が一定に保たれる。

【００１２】今、圧力装置内の空気圧が一定に保たれる
と、高圧側ギャップ(a)及び低圧側ギャップ(b)を出来る
限り狭くする事によって、流体流出量を最小限に絞る事
が出来、流体の消費量を削減する事が出来る。（勿論、
高圧側ギャップ(a)並びに低圧側ギャップ(b)を閉じてし
まってもよい。）

【００１３】逆に、圧力制御ポート(4)に接続された圧
力装置の気圧が高すぎる場合には、入力信号(n)によっ
て低圧側トルクモータ(8)を作動させて、低圧側ギャッ
プ(b)を低圧ポート口(12)から離間させ、低圧側ギャッ
プ(b)の間隙を広くして圧力装置内の流体を圧力制御ポ
ート(4)を通って低圧ポート(3)から大気開放させる。こ
の時、高圧側フラッパ(5)を高圧ポート口(11)に近接又
は当接させて高圧側ギャップ(a)の間隙を狭くしたり閉
塞し、高圧ポート(2)からの高圧流体の流入量を制限乃
至遮断する。これによって効果的に、圧力装置内の流体
が低圧ポート(3)を通って流出し、圧力装置内の圧力が
低下する。圧力装置内の圧力が所定の値になった時、前
述と同様に入力信号(n)によって低圧側トルクモータ(8)
を逆作動させ、低圧側ギャップ(b)の間隙を低圧側フラ
ッパ(6)によって調整する。

【００１４】このようにして、高圧ポート(2)からの高
圧流体の流入量と低圧ポート(3)からの流体流出量とを
バランス（乃至遮断）させ、圧力制御ポート(4)に接続
せる高圧制御部内の圧力を一定に保つ。

【００１５】即ち、ギャップ(a)、(b)は個別のフラッパ
(5)(6)によって独立に調整されることになる。そして動
作点を中点に置くとギャップ(a)、(b)の開度は等しくな
り、開度を絞ることによって消費流体量が低減される事
になる。前述した入力信号(m)(n)において交流信号が入
力されるとプラス入力信号(m)にてギャップ(b)｛又は
(a)｝が開く。この時静止側のギャップ(a)｛又は(b)｝
は最小に絞られているので供給流体のほぼすべてが制御
流体（例えば、エア）となり、また排出流体のほぼすべ
てが制御流体（例えば、エア）となる。よってギャップ
(a)(b)全開時の高圧ポート口(11)及び低圧ポート口(12)
の面積を広く設計すれば、結果として低消費流量を維持
し制御流量を増大させることができるものである。

【００１６】本バルブ構造は比例制御バルブの形態に制
約をうけるものではない。本実施例は前述のように単
に、フラッパ弁を使用した例である。

【００１７】入力信号(m)(n)に対するフラッパ(5)(6)の
基本的動作としては、ゼロ点（フラッパ(5)(6)がポート
口(11)(12)に最も近接又は当接した位置）を基準とする
交流信号(m)(n)に対し、前述のように信号のプラス側入
力信号(m)ではフラッパ(5)が動作し、マイナス側入力信
号(n)ではフラッパ(6)が動作する。動作方向は両者とも
ギャップ(a)、(b)が広がる方向である。従って、圧力装
置内の圧力が所定圧に一致している場合には、両フラッ
パ(5)(6)はゼロ点に位置し、流体消費量が最小に絞られ
る事になる。図２に入力信号とフラッパ(5)(6)の作動関
係を示す。

【００１８】前述の場合は、フラッパ(5)又は(6)のいず
れかを制御する場合について説明したが、勿論これに限
らず、高圧側フラッパ(5)と低圧側フラッパ(6)を入力信
号(m)入力信号(n)によって各々独立に制御することも可
能であり、これにより、２種類の入力信号(m)(n)の加算
（例えば、高圧側フラッパ(5)と低圧側フラッパ(6)に同
一信号を入力すると、制御圧力の変化分はゼロ）等をバ
ルブ部において実現することが出来るものである。

【００１９】尚、入力信号(m)又は入力信号(n)に正比例
した制御圧力を得るためには、図３に示すように圧力制
御ポート(4)内の制御圧力を圧力センサ(17)でモニター
し、これをフィードバック制御することによって可能と
なる。

【００２０】本実施例ではフラッパ(5)(6)の作動をトル
クモータ(7)(8)にて行わせたが、勿論これに限らず、ピ
エゾ素子(18)(19)をフラッパ(5)(6)に装着し、フラッパ
(5)(6)をピエゾ素子(18)(19)にて作動させても良いし
（図４）、バルブ本体(1)内に設けた隔壁(1a)にピエゾ
素子(5a)(6a)を近接させて設け、ピエゾ素子(5a)(6a)と
隔壁(1a)との間隙(a)(b)を制御するようにしても良い
（図５）。この場合、ピエゾ素子(5a)(6a)がフラッパ
(5)(6)と同一の働きをなす。

【００２１】尚、非感応側のフラッパ(5)｛又は(6)｝を
閉じ、感応側のフラッパ(6)｛又は(5)｝のみを作動させ
て最省流量で制御を行う場合、図６の太線のように直線
性(53)が最大となるが、これは非常にハイゲインである
という効果が得られる。これにリニア特性を持たせたい
場合は、出力のフィードバック（例えば、本制御バルブ
を用いて振動制御を行うのであれば、振動センサ出力の
フィードバック）を行うことにより実現出来る。

【００２２】又、一方のギャップ(a)又は(b)を閉じ、フ
ラッパ(5)又は(6)を制御する場合、圧力制御ポート(4)
における流体圧の圧力応答波形の歪みが最大となり、制
御精度低下の原因となる。本実施例では、ギャップ(a)
(b)の最大開度の２０％の開度をギャップ(a)(b)にバイ
アス量として与え、サイン波を操作信号として入力した
時の圧力応答が、図８に示す波形である。バイアスがこ
れ以下であると、次第に圧力応答波形は歪みを形成す
る。図７にバイアス１０％の場合の例を示す。尚、バイ
アス量は要求される制御精度によって適宜選択される。

【００２３】

【発明の効果】叙上のように、従来の制御バルブは単一
の比例制御機構しか持たないので、高精度な制御は可能
であるが、大きな制御流量を求める場合、ギャップを大
きくする必要があり、消費流量も増大する。これに対し
本発明の制御バルブは、制御流量の増大と消費流量の低
減を実現する。又、従来例では、無信号の場合に、高圧
側、低圧側のギャップを等しくする必要があるために、
流体の消費量が最大になるという欠点があるが、本発明
では、無信号の場合、両フラッパにてギャップをゼロ又
はほぼゼロにする事が出来るので、流体の消費量をゼロ
又はほぼゼロに抑える事が出来るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制御バルブの概略図。

【図２】本発明に係る入力信号とフラッパーの作動関係
を示す波形図。

【図３】本発明に係る制御バルブに圧力センサーを設け
た場合の概略図。

【図４】本発明に係る制御バルブにピエゾ素子を使用し
た場合の概略図。

【図５】本発明の制御バルブとしてピエゾ素子を用いた
場合の他の例の説明概略図。

【図６】本発明における小流量制御時の制御特性を表す
グラフ。

【図７】本発明における、ギャップ開度最大を１００％
とし、バイアスを１０％とした場合の圧力波形応答グラ
フ

【図８】本発明における、ギャップ開度最大を１００％
とし、バイアスを２０％とした場合の圧力波形応答グラ
フ

【図９】従来の制御バルブの概略図説明図

【符号の説明】

(A)…制御バルブ (1)…バルブ本体 (2)…高圧ポート (3)…低圧ポート (4)…圧力制御ポート (5)…高圧側フラッパ (6)…低圧側フラッパ (7)…高圧側トルクモータ (8)…低圧側トルクモータ (9)…高圧側枢着部 (10)…低圧側枢着部 (11)…高圧ポート口 (12)…低圧ポート口 (13)…高圧側コイル (14)…低圧側コイル (15)…高圧側枢着部 (16)…低圧側枢着部 (17)…圧力センサ (18)…高圧側ピエゾ素子 (19)…低圧側ピエゾ素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の高圧供給源に接続される高
   圧ポートと、制御圧力供給対象である圧力装置に接続さ
   れる圧力制御ポートと、高圧ポートよりも低い圧力源に
   接続される低圧ポートと、前記高圧ポート、低圧ポート
   並びに圧力制御ポートとが設けられたバルブ本体と、高
   圧ポート側に設けられ、操作信号に比例して弁開度を調
   整し、高圧ポートからバルブ本体内に流入する高圧流体
   の流入量を制御する高圧側比例制御弁と、低圧ポート側
   に設けられ、低圧ポートから流出する流体の流出量を制
   御する低圧側比例制御弁とで構成された事を特徴とする
   制御バルブ。