JPH11141696A - スプール型方向切換弁システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スプール型方向切換弁システムにおいて、流体
力や摩擦力などパイロット圧力以外の力がスプールに作
用していても、操作信号の指令値通りにスプールを動作
させ正確にアクチュエータを制御できるようにする。 【解決手段】スプール２の両端部にそれぞれバネ１０
ａ，１０ｂを介して当接するよう圧力センサ２０ａ，２
０ｂを配置し、コントローラ４０でその信号からスプー
ル２に作用するパイロット圧力による油圧力Ｆaと、ス
プール２に実際に作用している実際の駆動力Ｆmを計算
し、その油圧力と実際の駆動力との比に操作信号５０の
指令値Ｖoaを掛けて油圧力に対するフィードバック補正
値Ｖrを計算し、この補正値を操作信号の指令値から減
算して操作信号の指令値を補正する。この補正した指令
値Ｖ30a，Ｖ30bは電磁弁３０ａ，３０ｂに出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は油空圧システムに用
いるスプール型方向切換弁に係わり、特に電磁弁により
パイロット圧力を変化させスプールを変位させることに
より、入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体の
流量を制御する電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電磁弁駆動方式のスプール型方向
切換弁システムの一例を図１２に示す。

【０００３】図１２において、スプール型方向切換弁２
００のハウジング２０１にはメインの油圧ポンプに接続
されるポンプポートＰ、タンクに接続されるタンクポー
トＴ１，Ｔ２、アクチュエータに接続されるアクチュエ
ータポートＣ１，Ｃ２が設けられ、これらポートの連通
・遮断の切り換えがスプール２０２によって行われる。
このスプール２０２はスプール両端部に設けられた圧力
室Ａ，Ｂに電磁弁２３０ａ，２３０ｂよりパイロット圧
力を導くことで動作させる。圧力室Ａ，Ｂはハウジング
２０１に取り付けられたフランジ２６１，２６２内に形
成されている。

【０００４】また、スプール２０２の位置決めを行うた
めのバネ２０７及びバネ座２０５，２０６がボルト２０
８によってスプール２０２の一端に固定され、かつこれ
ら部品はフランジ２６２内に収納されている。

【０００５】スプール２０２は電磁弁２３０ａ，２３０
ｂより圧力室Ａ，Ｂに導かれるパイロット圧力に応じて
左右に移動し、スプール位置決め用バネ２０７と釣り合
ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプ
ポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいず
れかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポ
ートＣ１或いはＣ２にスプール２０２の位置に応じた流
量が供給される。

【０００６】電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３１
ａ，２３１ｂを介してフランジ２６１，２６２にそれぞ
れ接続され、また電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２
３２を介してパイロット用ポンプ２３３に、ホース２３
４を介してタンク２３５にそれぞれ接続されている。電
磁弁２３０ａ，２３０ｂはコントローラ２６０からの電
流値によって動作する。例えばスプール２０２を左側に
動かしたいときは指令電流２５１ａだけを出力すること
で電磁弁２３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しスプ
ール２０２が動く。

【０００７】コントローラ２６０の詳細を図１３に示
す。

【０００８】図１３において、指令手段からの操作レバ
ーの角度信号（操作信号）２５０をコントローラ２６０
の演算部２６０ａに読み込み、指令値の計算と指令値の
出力方向の判定を行う。アンプ２４６ａ，２４６ｂはそ
の処理結果に基づき指令電流２５１ａ，２５１ｂの一方
を出力する。この信号によって前述したようにスプール
２を動かすことができる。

【０００９】この場合、スプール２には流体力（フロー
フォース）が働き、目標通りの流量が得られない。これ
を解決する方法として、実開平５−２２９６４号公報に
は、スプールに作用する制御バネのバネ定数と、スプー
ルの移動で形成される絞りの前後差圧の単位量当たりに
おける流体力の開度に対する変化率との比が最適の値
（３．５Ｍｐａ以上）になるよう、制御バネのバネ定数
を選定することが提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示した従来の
スプール型方向切換弁においては、スプール２０２は上
記のように圧力室Ａ又はＢに導かれるパイロット圧力に
よって動かされる。このとき、スプールには流体力や摩
擦力が外乱として作用し、スプール開度に誤差を生じ
る。

【００１１】即ち、スプール２０２は、本来、圧力室Ａ
又はＢに作用する圧力とスプール端部の受圧面積との積
によって作用する力で移動し、スプール位置決め用バネ
２０７の変形により生じるバネ力と釣り合うところで静
止するため、その特性は直線的になる。このためポンプ
ポートＰとアクチュエータポートＣ１或いはＣ２との間
の開口面積（絞り面積）も圧力により一義的に決まり、
その結果アクチュエータへの流量を電磁弁への指令値で
制御することが可能となる。

【００１２】ところが、例えばスプール２０２が左側に
移動したとすると、ポンプポートＰからアクチュエータ
ポートＣ１へ流体が流れ込み、その流速によってポート
Ｃ１付近のスプール２０２に作用する圧力が低下する。
そのためスプール２０２は押し戻される方向に力（流体
力）を受け、実際の移動量は操作信号２５０の指令値よ
りも小さくなる。この流体力は流速によって大きく変化
し、流速はアクチュエータの負荷によって変化するた
め、指令値が一定であっても指令値とスプールの移動量
が一義的に決まることはあり得ない。

【００１３】電磁弁を使った方向切換弁はアクチュエー
タを制御するのに適しているが、上述した理由からアク
チュエータを指令値通り正確に制御できないという欠点
がある。

【００１４】アクチュエータを指令値通りに制御するた
めには、各アクチュエータの動きをセンシングするか、
方向切換弁のスプールのストロークをセンシングすれば
よい。しかし、アクチュエータの動きのセンシングは方
向切換弁のシステムを越えた方法であり、例えば油圧シ
ョベル、工作機械、ロボット等、適用製品毎にシステム
を作り直さなければならない。また、スプールのストロ
ークのセンシングは、ストロークセンサを高圧の流体の
中に入れる使用環境の問題や、ストロークセンサをスプ
ールエンドに取り付けた場合の受圧面積の変化などの問
題がある。

【００１５】更に、実開平５−２２９６４号公報では、
スプールに作用する制御バネのバネ定数を最適化するこ
とで、流体力の影響を最小限に押さえようとしている。
しかし、定常流体、非定常流体で変化する流体力を一義
的に計算から推定する方法は、実際には多くの誤差を含
むことになり、また複雑な開口面積等を持つスプール
や、条件の変化に対応することはできない。

【００１６】本発明の目的は、上記課題に鑑み、流体力
や摩擦力などパイロット圧力以外の力がスプールに作用
していても、操作信号の指令値通りにスプールを動作さ
せ正確にアクチュエータを制御することができるスプー
ル型方向切換弁システムを提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、操作信号の指令値に基づいて電磁
弁を駆動し、スプールの両端部に作用するパイロット圧
力を電磁弁により変化させ、スプールを変位させること
により、入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体
の流量を制御するスプール型方向切換弁システムにおい
て、前記パイロット圧力が前記スプールを押す油圧力を
計測する第１計測手段と、前記スプールに作用している
実際の駆動力を計測する第２計測手段と、前記第１計測
手段で計測された油圧力と第２計測手段で計測された実
際の駆動力とに基づいて油圧力と実際の駆動力との差が
大きくなるに従い油圧力が大きくなるように前記操作信
号の指令値を補正し、この補正した指令値を電磁弁に出
力する制御手段とを備えるものとする。

【００１８】このように油圧力と実際の駆動力を計測し
て求め、油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従
い油圧力が大きくなるように操作信号の指令値を補正す
ることにより、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大
きな誤差要因になっていたパイロット圧力以外の力がス
プールに働いていても、その力が大きくなるとその力に
相当する分、油圧力が増大するよう補正されるので、操
作信号の指令値通りにスプールを動作させ、正確にアク
チュエータを制御することができる。

【００１９】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記第１計測手段は、前記スプールの両端部に作用する
パイロット圧力のうち高圧側のパイロット圧力を検出す
る第１センサと、この第１センサで検出した圧力を前記
油圧力に変換する第１演算手段とを有し、前記第２計測
手段は、前記スプールの少なくとも一方の端部に弾性体
を介して当接するよう配置され、前記実際の駆動力を検
出する第２センサを有する。

【００２０】このように第１センサでパイロット圧力を
検出することにより、第１計測手段はその圧力に予め記
憶しておいたスプール受圧面積を掛けることで油圧力を
計測でき、第２センサで実際の駆動力を検出することに
より、第２計測手段は実際の駆動力を計測できる。

【００２１】（３）また、上記（２）において、例え
ば、前記第１センサ及び第２センサは、前記スプールの
両端部にそれぞれ弾性体を介して当接するよう配置され
た２つの圧力センサを共通のセンサとして有し、前記２
つの圧力センサのうち前記指令手段からの指令信号に対
応する側の圧力センサを第１センサとして使用し、他方
の圧力センサを第２センサとして使用する。

【００２２】このように２つの圧力センサを交互に第１
センサと第２センサとして使用することにより、圧力セ
ンサを第１センサとして使用する場合は、上記（２）で
述べたように油圧力を計測でき、圧力センサを第２セン
サとして使用する場合は、その検出値を力に変換するこ
とにより実際の駆動力を計測できる。

【００２３】（４）更に、上記（２）において、前記第
１センサは前記スプールの両端部に作用するパイロット
圧力の差圧を検出する差圧センサであってもよい。

【００２４】このように第１センサとして差圧センサを
用いることにより、１つのセンサでスプール両端部のい
ずれのパイロット圧力も検出できる。

【００２５】（５）また、上記（２）において、前記第
２センサは圧力センサであり、前記第２計測手段は、前
記圧力センサで検出した値を力に変換して前記実際の駆
動力を求めてもよい。

【００２６】これにより第２センサが圧力センサであっ
ても、第２計測手段は実際の駆動力を計測できる。

【００２７】（６）また、上記（２）において、前記第
２センサはロードセルであってもよい。

【００２８】これにより第２計測手段はロードセルの検
出力ダイレクトに実際の駆動力を計測できる。

【００２９】（７）また、上記（１）において、例え
ば、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆動力との比
に前記操作信号の指令値を掛けて油圧力に対するフィー
ドバック補正値を計算し、このフィードバック補正値を
前記操作信号の指令値から減算して操作信号の指令値を
補正する。

【００３０】これにより制御手段は、油圧力と実際の駆
動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるよう
に操作信号の指令値を補正できる。

【００３１】（８）上記（１）において、前記制御手段
は、前記油圧力と実際の駆動力との偏差からパイロット
圧力以外の力相当の補正値を計算し、この補正値を前記
操作信号の指令値に加算して操作信号の指令値を補正し
てもよい。

【００３２】これによっても制御手段は、油圧力と実際
の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなる
ように操作信号の指令値を補正できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００３４】図１は本発明の第１の実施形態によるスプ
ール型方向切換弁システムの全体を示すシステム構成図
である。

【００３５】図１において、１００は本発明に係わるス
プール型方向切換弁であり、このスプール型方向切換弁
１００のハウジング１には、メインの油圧ポンプ１０１
に接続されるポンプポートＰ、タンク３５に接続される
タンクポートＴ１，Ｔ２、アクチュエータ１０２に接続
されるアクチュエータポートＣ１，Ｃ２が設けられ、ス
プール２によってこれらポートの連通・遮断の切り換え
が行われる。スプール２はスプール両端部に設けられた
圧力室Ａ，Ｂにパイロット圧力を導くことで動作させ
る。圧力室Ａ，Ｂはハウジング１に取り付けられたフラ
ンジ３，４内に形成されている。

【００３６】また、スプール２の位置決めを行うための
バネ７及びバネ座５，６がボルト８によってスプール２
の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ４内に収
納されている。

【００３７】スプール２の圧力室Ａ，Ｂには電磁弁３０
ａ，３０ｂよりパイロット圧が導かれ、スプール２はこ
の圧力室Ａ，Ｂに導かれたパイロット圧力に応じて左右
に移動し、スプール位置決め用バネ７と釣り合ったとこ
ろで位置が決まり、停止する。このときポンプポートＰ
はアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいずれかにつ
ながり、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１
或いはＣ２にスプール２の位置に応じた流量が流入し、
アクチュエータ１０２が駆動される。

【００３８】電磁弁３０ａ，３０ｂはホース３１ａ，３
１ｂを介してフランジ３，４にそれぞれ接続されると共
に、ホース３２を介してパイロット用ポンプ３３に、ホ
ース３４を介してタンク３５にそれぞれ接続されてい
る。また、電磁弁３０ａ，３０ｂはコントローラ６０か
らの電流値によって動作する。例えばスプール２を左側
に動かしたいときは指令電流５１ａだけを出力すること
で電磁弁３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しスプー
ル２が動く。

【００３９】以上は従来のスプール型方向切換弁と共通
の構成である。本発明では、このようなスプール型方向
切換弁に対して以下に述べるような制御システムを付加
している。

【００４０】まず、スプール２の右端にはスプール２と
共に移動するように力検出用バネ１０ａが固設されてお
り、バネ１０ａの自由端側（反対側）には球状の突起を
有するセンサ接触部１０ｃが固設されている。また、ス
プール２の左端側には、スプール位置決め用のバネ７を
保持するボルト８の頭部８ａに同様のバネ１０ｂが固設
され、このバネ１０ｂの自由端側（反対側）にも球状の
突起を有するセンサ接触部１０ｄが固設されている。力
検出用バネ１０ａ，１０ｂのそれぞれのセンサ接触部１
０ｃ，１０ｄは圧力センサ２０ａ，２０ｂに接してお
り、圧力センサ２０ａ，２０ｂはそれぞれフランジ３，
４に取り付けられている。説明の簡単化のため、本実施
形態では、スプール２が図示の中立位置にある状態で圧
力センサ２０ａ，２０ｂと力検出用バネ１０ａ，１０ｂ
のセンサ接触部１０ｃ，１０ｄとのクリアランスは０ｍ
ｍとする。

【００４１】圧力センサ２０ａ，２０ｂの構造を図２に
示す。図２では圧力センサ２０ａ，２０ｂを符号２０で
代表して示している。

【００４２】図２において、圧力センサ２０はハウジン
グ２００，２０１を有し、このハウジング２００，２０
１間に圧力を検出するダイアフラム構造体２１を固定し
ている。このダイアフラム構造体２１のダイアフラム面
圧には複数の歪ゲージ２１aが設けられ、力センサ２０
はこのダイアフラム構造体２１のダイアフラム面が圧力
で歪むのを歪ゲージ２１ａで検出している。ハウジング
２００内にはアンプ２２、歪ゲージ用電源２３が配置さ
れ、これらはケーブル２４に接続されている。

【００４３】ハウジング２０１の先端には油路２０２が
形成され、圧力Ｐはこの油路２０２から誘導され、上記
のように歪ゲージ２１ａで検出され、その信号はアンプ
２２により増幅され信号５２ａ，５２ｂとなり、ケーブ
ル２４を介してコントローラ４０に入力される。

【００４４】また、この圧力センサ２０は、ダイアフラ
ム構造体２１のダイアフラム面に力を作用させても同様
に信号５２ａ，５２ｂを出力する。本実施形態では、こ
の信号５２ａ，５２ｂを用いてスプール２に作用してい
る実際の駆動力（以下、単に駆動力という）を計測す
る。

【００４５】圧力センサ２０の信号５２ａ，５２ｂから
スプール２の駆動力を計測する原理を図３を用いて説明
する。

【００４６】図３において、スプール２の駆動力Ｆmと
スプール２がフランジ４を押す力Ｆpとスプール２が圧
力センサ２０を押す力Ｆsの間には以下の関係がある。

【００４７】Ｆm＝Ｆs＋Ｆp 駆動力Ｆmによってスプール２がｘだけ変位したとする
と、 Ｆm＝（ｋd十ｋp）ｘ となる。ここで、ｋdはバネ１０ｂ（又は１０a）のバネ
定数、ｋpはスプール位置決め用バネ７のバネ定数であ
る。Ｆs＝ｋdｘであるから、変位ｘは、 ｘ＝Ｆs／ｋd で求められる。即ち、Ｆpは以下の式になる。

【００４８】Ｆp＝Ｆs／ｋd×ｋp 圧力センサ２０で検出できる力はＦsであり、バネ定数
ｋd，ｋpは既知であるから、以上の式よりスプール２の
駆動力Ｆmは次式となる。

【００４９】 Ｆm＝Ｆs＋Ｆs／ｋd×ｋp ＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs 圧力センサ２０は「圧力」を感知するセンサであるた
め、このセンサ２０の信号５２ｂ（又は５２ａ）の値を
Ｖ20bとすると、圧力センサ２０には、 Ｐs＝Ｃo×Ｖ20b Ｃo：比例定数 の圧力に相当する力が働いている。この圧力センサ２０
の受圧面積をＡdとすると、圧力センサ２０に働く力
は、 Ｆs＝Ｐs×Ａd ＝Ｃo×Ｖ20b×Ａd となる。

【００５０】以上よりスプール２の駆動力Ｆmは、 Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs ＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｃo×Ｖ20b×Ａd） と求められる。

【００５１】コントローラ４０は上記の圧力センサ２０
ａ，２０ｂの信号５２ａ，５２ｂと指令手段からの操作
レバーの角度信号（操作信号）５０を入力し、所定の演
算処理を行い、電磁弁３０ａ，３０ｂに指令電流５１
ａ，５１ｂを出力する。

【００５２】コントローラ４０の詳細を図４に示す。

【００５３】図４において、指令手段からの操作レバー
の角度信号（操作信号）５０、圧力センサ２０ａ，２０
ｂからの信号５２ａ，５２ｂはＡ／Ｄボード４７に入力
される。このＡ／Ｄボード４７には、共通バス４１を介
してＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３，ＣＰＵ４４がつながれ、
Ａ／Ｄボード４７から入力された信号を基にＲＯＭ４２
内にあるプログラムを基にＣＰＵ４４で演算処理を行
う。ここで計算された指令値はＤ／Ａボード４５からア
ンプ４６ａ，４６ｂに送られ、電磁弁３０ａ，３０ｂへ
指令電流５１ａ，５１ｂとして送られる。

【００５４】ＣＰＵ４４での演算処理の内容を図５のフ
ローチャートに基づき説明する。

【００５５】手順S1で処理ルーチンをスタートし、手順
S2で操作レバーの角度信号５０の値θoを読み取り、手
順S3でθoに応じ、電磁弁３０ａ，３０ｂの比例ソレノ
イドに対する指令電流５１ａ，５１ｂを得るための指令
電圧値Ｖoa，Ｖobを下記の式で演算する。

【００５６】Ｖoa＝ｆ（θo） Ｖob＝ｇ（θo） ここで、操作レバーの角度θoと比例ソレノイドへの指
令電圧値Ｖoa，Ｖobの関係は線形、非線形のどちらでも
構わない。

【００５７】操作例として、圧力室Ａに圧力を立て、圧
力室Ｂを大気圧にするように操作レバーを動かすと、Ｖ
oa＝ｆ（θo）によって指令電圧値Ｖoaが上がり、Ｖob
＝ｇ（θo）によって指令電圧値Ｖobは下がるように計
算される。

【００５８】次に手順S4で圧力センサ２０ａ，２０ｂの
信号５２ａ，５２ｂの値Ｖ20a，Ｖ20bを読み込む。

【００５９】上記の操作例では、圧力室Ａに配置された
圧力センサ２０ａには、圧力室Ａの圧力が作用し、この
圧力でスプール２は図６に示すように右側に移動するた
め、スプール２の右端に固設された力検出用バネ１０ａ
は圧力センサ２０ａに接していない。このため、圧力室
Ａの圧力が信号５２ａの値Ｖ20aとしてコントローラ４
０に読み込まれる。圧力室Ｂ内では圧力が大気圧にな
り、圧力センサ２０ｂにはスプール２の左端に配置され
たバネ１０ｂが接しているため、この力が信号５２ｂの
値Ｖ20bとして読み込まれる。

【００６０】次の手順S5では、指令電圧値Ｖoaと指令電
圧値Ｖobを比較する。指令電圧値が、 Ｖoa＞Ｖob であれば、圧力センサ２０ａの信号５２ａの値Ｖ20aは
圧力、圧力センサ２０ｂの信号５２ｂの値Ｖ20bは力と
判定でき、そうでなければ圧力センサ２０ａの信号５２
ａの値Ｖ20aは力、圧力センサ２０ｂの信号５２ｂの値
Ｖ20bは圧力と判定できる。

【００６１】上記操作例では、ここの判定がＹｅｓとな
り、手順S6ａでパイロット圧力がスプール２を押す油圧
力Ｆaを計算する。まず、左側の圧力室Ｂの圧力は大気
圧であるから、スプール２を動かそうとする油圧力Ｆa
は圧力室Ａ内に発生する圧力で生じる。今、圧力室Ａ内
の圧力をＰaとすると、この圧力Ｐaと圧力センサ２０ａ
の検出値Ｖ20aには、 Ｐa＝Ｃo×Ｖ20a Ｃo：比例定数 の関係があり、スプール２の受圧面積をＡsとしてスプ
ール２を押す油圧力Ｆaは、 Ｆa＝Ａs×Ｃo×Ｖ20a と計算される。なお、ここでは圧力センサ２０の検出値
Ｖ20bと圧力Ｐsの関係をリニア（比例定数Ｃo）とした
が、そうでなくてもよい。

【００６２】次に、手順S7ａでスプール２に作用する実
際の駆動力Ｆmを計算する。スプール２には流体力や摩
擦力などパイロット圧力以外の力が作用するため、実際
には上記のＦaの油圧力で押されただけ変位しない。ス
プール２の駆動力Ｆmは油圧力Ｆaから流体力や摩擦力な
どパイロット圧力以外の力を引いたものであり、この駆
動力Ｆmは圧力室Ｂに設置された圧力センサ２０ｂで検
出される。この駆動力Ｆmは、上述したように、 Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs ＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｃo×Ｖ20b×Ａd） Ａd：圧力センサ２０ａ又は２０ｂの受圧面積 ｋp：スプール位置決め用バネ７のバネ常数 ｋd：力検出用バネ１０ａ又は１０ｂのバネ常数 で求められる。

【００６３】以上によりスプール２に作用するパイロッ
ト圧力による油圧力Ｆaと実際の駆動力Ｆmが求められ
る。

【００６４】次いで手順S8ａで、実際の駆動力Ｆmをフ
ィードバック電圧Ｖrに変換する。先に求めた油圧力Ｆa
は電磁弁への出力電圧値がＶoaの時の力であるから、Ｆ
mに相当する電圧Ｖrは、 Ｖr＝ＶoaＦm／Ｆa となる。

【００６５】ＶoaがＶobより大きい場合は、Ｖoa側が制
御対象であり、手順S10ａでフィードバック電圧Ｖrを補
正値として用い、Ｖoaに対するフィードバック補正演算
を行う。即ち、 Ｖ30a＝ｈ（Ｖoa−Ｖr） Ｖ30b＝Ｖob と電磁弁３０ａ，３０ｂへの補正指令値Ｖ30a，Ｖ30bを
計算し、Ｖoa側の出力値を補正する。ここで、関数ｈは
比例、積分、微分要素を持っていても良いし、そうでな
くても構わない。

【００６６】これらの指令値Ｖ30a，Ｖ30bを手順S11で
電磁弁３０ａ，３０ｂに信号５１ａ，５１ｂとして出力
し、手順S2に戻る。このループでは、スプールヘ作用す
る油圧力Ｆaと駆動力Ｆmが一致するように電磁弁３０ａ
より出力されるパイロット圧力（圧力室Ａの圧力）Ｐa
が調整される。

【００６７】また、手順S5でＮｏと判定された場合、即
ち、 Ｖoa≦Ｖob の場合は手順S6ｂ，S7ｂの処理を実行する。この場合、
スプール２に作用するパイロット圧力Ｐｂによる力の計
算では圧力センサ２０ｂの信号５２ｂを用い、スプール
２に作用する実際の駆動力の計算では圧力センサ２０ａ
の信号５２ａを使うことになる。また、補正値は手順S8
bで、 Ｖｒ＝ＶobＦm／Ｆa で計算される。更に、電磁弁３０ａ，３０ｂへの補正指
令値Ｖ30a，Ｖ30bの計算でも手順S10ｂを実行し、Ｖob
に対してフィードバック補正演算を行うことになる。

【００６８】以上において、圧力センサ２０ａ，２０ｂ
及びコントローラ４０の図５に示す手順S4，S6ａ，S6ｂ
の機能は、パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆ
aを計測する第１計測手段を構成し、力検出用バネ１０
ａ，１０ｂ，圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントロー
ラ４０の図５に示す手順S4，S7ａ，S7ｂの機能は、スプ
ール２に作用している実際の駆動力Ｆmを計測する第２
計測手段を構成し、コントローラ４０の図５に示す手順
S2，S3，S5，S8ａ，S8ｂ，S10ａ，S10ｂ，S11の機能
は、上記第１計測手段で計測された油圧力Ｆaと第２計
測手段で計測された実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧
力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大
きくなるように操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖobを補正
し、この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３０ａ，
３０ｂに出力する制御手段を構成する。

【００６９】以上のように構成した制御システムによる
スプール２の変位特性を図７に示し、スプール２が変位
したことによる流量特性を図８に示す。これらの特性図
は、図１に示す電磁弁３０ａ，３０ｂ、ホース、方向切
換弁１００について流体力を含んだモデル化を行い、シ
ミュレーションを行った結果である。流体力は文献の理
論値を用いている。

【００７０】また、図中（ａ）は流体力がある場合で本
発明の図５に示す制御を行った場合を示し、図７のスプ
ール変位線図ではスプール２が約６．５ｍｍまでストロ
ークしていることが分かる。また、図８の流量特性図で
は約１９０リットル／ｍｉｎの流量が得られている。
（ｂ）は流体力がある場合で制御を行わない場合であ
り、流体力によって５．２ｍｍまでスプール２は押し戻
され、流量は１０５リットル／ｍｉｎと４５％も少なく
なっている。（ｃ）は流体力が全くない場合のスプール
変位、流量特性であり、本発明の制御を行えば流体力を
殆どキャンセルできることが分かる。

【００７１】従って、本実施形態によれば、従来のスプ
ール型方向切換弁のパイロット圧力室Ａ，Ｂに圧力セン
サ２０ａ，２０ｂと力検出用バネ１０ａ，１０ｂ及びセ
ンサ接触部１０ｃ，１０ｄを付加するだけの簡単な構成
で、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要
因になっていたパイロット圧力以外の力がスプール２に
作用していても、操作信号の指令値通りにスプール２を
動作させ正確にアクチュエータ１０２を制御することが
できる。

【００７２】図１に示した第１の実施形態の変形例を図
９に示す。図９は第１の実施形態の図５に示すフローチ
ャートに対応するもので、手順S7ａ，S7ｂまでは図５と
同じであり、その後のフィードバックの補正演算方法が
異なる。よって、手順S1〜S7ｂまでの説明は割愛し、手
順S8Ａからの説明を行う。

【００７３】手順S8Ａでは流体力や摩擦力などパイロッ
ト圧力以外の力（以下、流体力で代表する）Ｆfの計算
を行う。流体力Ｆfは、 Ｆf＝Ｆa−Ｆm となり、このＦfを用いて制御することができる。即
ち、Ｖoa又はＶobの指令電圧値によってスプール２に生
じた圧力（力）は流体力の分だけ小さくなるのであるか
ら、この流体力分の電圧を指令値Ｖoa又はＶobに更に加
えればよい。

【００７４】手順S8Ｂでは、 Ｖf＝Ｆf×Ｃp により、検出した流体力に相当する電磁弁３０ａ又は３
０ｂへの補正指令電圧Ｖfを計算する。ここでＣpは、力
を電圧に変換するための補正係数である。

【００７５】手順S9では、２つの電磁弁３０ａ，３０ｂ
に対する指令値ＶｏａとＶｏｂの大きさの判定を行って
フィードバック補正を行う電磁弁を特定し、手順S10Ａ
ａ，S10Ａｂで補正指令電圧Ｖfを補正値として用い、電
磁弁３０ａ又は３０ｂへの補正指令値Ｖ30a，Ｖ30bを計
算する。この場合、例えば、手順S10Ａａでは、 Ｖ30a＝ｈ（Ｖoa＋Ｖf） Ｖ30b＝Ｖob と計算する。

【００７６】これらの指令値Ｖ30a，Ｖ30bを手順S11で
電磁弁３０ａ，３０ｂに信号５１ａ，５１ｂとして出力
し、手順S2に戻る。

【００７７】以上において、圧力センサ２０ａ，２０ｂ
及びコントローラ４０の図９に示す手順S4，S6ａ，S6ｂ
の機能は、パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆ
aを計測する第１計測手段を構成し、力検出用バネ１０
ａ，１０ｂ，圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントロー
ラ４０の図９に示す手順S4，S7ａ，S7ｂの機能は、スプ
ール２に作用している実際の駆動力Ｆmを計測する第２
計測手段を構成するのは、第１の実施形態と同じであ
る。そして、コントローラ４０の図９に示す手順S2，S
3，S5，S8Ａ，S8Ｂ，S9，S10Ａａ，S10Ａｂ，S11の機能
は、上記第１計測手段で計測された油圧力Ｆaと第２計
測手段で計測された実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧
力Ｆaと実際の駆動力Ｆmとの差が大きくなるに従い油圧
力が大きくなるように操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖob
を補正し、この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３
０ａ，３０ｂに出力する制御手段を構成する。

【００７８】本実施形態によっても、第１の実施形態と
同様の効果が得られる。

【００７９】なお、上記実施形態では、弾性体である力
検出用バネ１０ａ，１０ｂをスプール２側に固定した
が、これらの弾性体はスプール２の移動量に応じた力を
発生させるためのものであり、力検出用バネ１０ａ，１
０ｂを圧力センサ２０ａ，２０ｂ側に固定しても良い
し、或いはスプール２と圧力センサ２０ａ，２０ｂに両
端を固定しても構わない。

【００８０】本発明の第２の実施形態を図１０及び図１
１により説明する。図中、図１、図５に示す部材、処理
内容と同等のものには同じ符号を付している。この実施
形態は信号処理を一層簡単にしたものである。

【００８１】図１０において、１００Ａは本発明に係わ
るスプール型方向切換弁であり、このスプール型方向切
換弁１００Ａのハウジング１にはフランジ９，４が取り
付けられ、フランジ９内に２つの圧力室Ａ，Ｃが形成さ
れ、フランジ４内には圧力室Ｂが形成されている。

【００８２】圧力室Ｂにおいて、スプール位置決め用の
ボルト８の端部８ａに力検出バネ１１が固設され、更に
その延長上に１軸のロードセル２２が固設されている。
力検出バネ１１の自然長はスプール２の中立時の位置決
め用ボルト８とロードセル２２の長さに合わせても良い
し、オフセットを持たせスプール２が右方向エンドまで
移動したときにバネ力が生じるように、自然長＞最大ス
トロークにしても良い。本実施形態では力検出バネ１１
はスプール２が右方向エンドまで移動したときでも、力
検出用バネ１１が圧縮されており、ロードセル２２に力
を及ぼすものとする。

【００８３】フランジ９内の圧力室Ｃにはスプール左側
の圧力室Ｂの圧力が導入され、更にフランジ９には差圧
センサ２１が取り付けられ、この差圧センサ２１によっ
て圧力室Ａと圧力室Ｃの差圧を検出する。この差圧が正
のときはスプール２が右側から左側に移動するときであ
り、負の時はその逆である。

【００８４】コントローラ４０Ａでの演算処理の内容を
図１１のフローチャートに基づき説明する。

【００８５】まず、手順S1で処理ルーチンをスタートさ
せる。このときスプール２の両端にかかる圧力は大気圧
であり、スプール２は中立位置にある。このときの力検
出用バネ１１のバネ力を検出するため、手順S2Ａでロー
ドセル２２の信号５４の値Ｆm0を読み取る。

【００８６】次いで手順S2，S3で図５のフローチャート
と同様、操作レバーの角度信号５０の値θoを読み取
り、電磁弁３０ａ，３０ｂの比例ソレノイドに対する指
令電圧値Ｖoa，Ｖobを演算する。

【００８７】次に手順S4Ａで差圧センサ２１の信号５３
の値Ｖ21を読み取る。最初のループでは圧力室Ａ，Ｃに
圧力は作用していないが、２回目のループからはどちら
かの圧力室に圧力が生じている。これ以降は、圧力室
Ａ，Ｃに圧力が作用しスプール２が動き出した後の状態
について説明する。

【００８８】手順S6Ａでは、差圧センサ２１の信号値Ｖ
21からスプール２に作用するパイロット圧力による油圧
力Ｆaを、図５の手順S6ａ，S6ｂと同様、 Ｆa＝Ａs×Ｐa ＝Ａs×Ｃo×Ｖ21 と計算する。ここで、この例では、圧力室Ａに圧力が発
生し、圧力室Ｃが大気圧になるように電磁弁３０ａが動
作したとき、差圧センサ２１の信号値Ｖ21が正になるよ
うに差圧センサ２１を設置しているものとする。

【００８９】次に手順S7Ａで、このときのロードセル２
２の信号５４の値Ｆm1を読み取る。ロードセル２２に働
く力Ｆm1はバネ１１によって伝えられるが、スプール２
が中立位置にあるときでもバネ１１は圧縮を受けている
ため、ロードセル２２には力Ｆm0が働いている。スプー
ル２が動くことによって生じる力Ｆsはスプール２が中
立位置にあるとこの力Ｆm0とスプール移動後の力Ｆm1の
差であり、 Ｆs＝Ｆm1−Ｆm0 で求められる。このＦsによってスプール２の実際の駆
動力Ｆmは、図５の手順S7ａ，S7ｂと同様、手順S7Ｂの
ように、 Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｆm1−Ｆm0） と計算できる。

【００９０】手順S9では、２つの電磁弁３０ａ，３０ｂ
に対する指令値ＶｏａとＶｏｂの大きさの判定を行って
制御対象となる電磁弁を特定する。

【００９１】手順S8ａ，S8ｂ以降は先に示した図５と同
じ内容であるので、説明は割愛する。

【００９２】以上において、差圧センサ２１及びコント
ローラ４０Ａの図１１に示す手順S4Ａ，S6Ａの機能は、
パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆaを計測す
る第１計測手段を構成し、力検出用バネ１１、ロードセ
ル２２及びコントローラ４０Ａの図１１に示す手順S2
Ａ，S7Ａ，S7Ｂの機能は、スプール２に作用している実
際の駆動力Ｆmを計測する第２計測手段を構成し、コン
トローラ４０Ａの図１１に示す手順S2，S3，S8ａ，S8
ｂ，S9，S10ａ，S10ｂ，S11の機能は、上記第１計測手
段で計測された油圧力Ｆaと第２計測手段で計測された
実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧力Ｆaと実際の駆動力
Ｆmとの差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるよう
に操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖobを補正し、この補正
した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３０ａ，３０ｂに出力
する制御手段を構成する。

【００９３】以上のように構成した本実施形態において
も、従来のスプール型方向切換弁のパイロット圧力室
Ａ，Ｂに圧力室Ｃと差圧センサ２１、ロードセル２２及
びバネ１１を付加するだけの簡単な構成で、流体力や摩
擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になっていた
パイロット圧力以外の力がスプール２に作用していて
も、操作信号の指令値通りにスプール２を動作させ正確
にアクチュエータ１０２を制御することができる。

【００９４】なお、図１０の実施形態ではスプール２に
働く力とスプール２が駆動する力を読み取り、これを基
にスプール２の位置を制御したが、この原理を満足する
のであれば、力検出用バネ１１はスプール位置決め用バ
ネ７で代用し、ボルト８をダイレクトにロードセンサ２
２に当てても構わない。また、スプール２の力検出のた
めの弾性体（バネ１１）とセンサを持ち、左右の圧力室
Ａ，Ｂの差圧を計ることが可能なセンサを持ち、これら
の信号を基に電磁弁３０ａ，３０ｂを制御できるのであ
れば、どのような組み合わせを用いても構わない。

【００９５】また、ロードセルを用いるのであれば、差
圧センサの代わりに図１の実施形態のように圧力センサ
を配置し、この圧力センサをパイロット圧の検出専用に
用いても良い。この場合、圧力センサの取付位置は電磁
弁直後の箇所でもかまわない。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば、従来のスプール型方向
切換弁のパイロット圧力室に圧力センサやロードセル及
び弾性体などを付加するだけの簡単な構成で、流体力や
摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になってい
たパイロット圧力以外の力がスプールに作用していて
も、操作信号の指令値通りにスプールを動作させ正確に
アクチュエータを制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるスプール型方向
切換弁システムの全体構成を示す図である。

【図２】圧力センサの詳細構造を示す図である。

【図３】圧力センサで力を計測する原理を説明する図で
ある。

【図４】コントローラの処理機能の概略を示す図であ
る。

【図５】コントローラの処理内容を示すフローチャート
である。

【図６】方向切換弁の動作状態を示す図である。

【図７】本発明の方向切換弁システムによるスプールの
変位特性を示す図である。

【図８】本発明の方向切換弁システムのスプールが変位
したことによる流量特性を示す図である。

【図９】図５に示した第１の実施形態の処理内容の変形
例を示すフローチャートである。

【図１０】本発明の第２の実施形態によるスプール型方
向切換弁システムの全体構成を示す図である。

【図１１】コントローラの処理内容を示すフローチャー
トである。

【図１２】従来のスプール型方向切換弁システムの全体
構成を示す図である。

【図１３】従来のスプール型方向切換弁システムにおけ
るコントローラの処理機能の概略を示す図である。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ スプール ３，４ フランジ ７ スプール位置決め用バネ ８ ボルト ９ フランジ １０ａ，１０ｂ 力検出用バネ １０ｃ，１０ｃ センサ接触部 １１ 力検出用バネ ２０ａ，２０ｂ 圧力センサ ３０ａ，３０ｂ 電磁弁 ３１ａ，３１ｂ，３２，３４ ホース ３３ パイロット用ポンプ ３５ タンク ４０，４０Ａ コントローラ ５０ 操作信号 ５１ａ，５１ｂ 指令電流 ５２ａ，５２ｂ 信号 ５４ 信号 １００，１００Ａ 方向切換弁 １０１ 油圧ポンプ １０２ アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大科 守雄 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】操作信号の指令値に基づいて電磁弁を駆動
   し、スプールの両端部に作用するパイロット圧力を電磁
   弁により変化させ、スプールを変位させることにより、
   入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体の流量を
   制御するスプール型方向切換弁システムにおいて、 前記パイロット圧力が前記スプールを押す油圧力を計測
   する第１計測手段と、 前記スプールに作用している実際の駆動力を計測する第
   ２計測手段と、 前記第１計測手段で計測された油圧力と第２計測手段で
   計測された実際の駆動力とに基づいて油圧力と実際の駆
   動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるよう
   に前記操作信号の指令値を補正し、この補正した指令値
   を電磁弁に出力する制御手段とを備えることを特徴とす
   るスプール型方向切換弁システム。
2. 【請求項２】請求項１記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記第１計測手段は、前記スプールの両
   端部に作用するパイロット圧力のうち高圧側のパイロッ
   ト圧力を検出する第１センサと、この第１センサで検出
   した圧力を前記油圧力に変換する第１演算手段とを有
   し、前記第２計測手段は、前記スプールの少なくとも一
   方の端部に弾性体を介して当接するよう配置され、前記
   実際の駆動力を検出する第２センサを有することを特徴
   とするスプール型方向切換弁システム。
3. 【請求項３】請求項２記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記第１センサ及び第２センサは、前記
   スプールの両端部にそれぞれ弾性体を介して当接するよ
   う配置された２つの圧力センサを共通のセンサとして有
   し、前記２つの圧力センサのうち前記指令手段からの指
   令信号に対応する側の圧力センサを第１センサとして使
   用し、他方の圧力センサを第２センサとして使用するこ
   とを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
4. 【請求項４】請求項２記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記第１センサは前記スプールの両端部
   に作用するパイロット圧力の差圧を検出する差圧センサ
   であることを特徴とするスプール型方向切換弁システ
   ム。
5. 【請求項５】請求項２記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記第２センサは圧力センサであり、前
   記第２計測手段は、前記圧力センサで検出した値を力に
   変換して前記実際の駆動力を求めることを特徴とするス
   プール型方向切換弁システム。
6. 【請求項６】請求項２記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記第２センサはロードセルであること
   を特徴とするスプール型方向切換弁システム。
7. 【請求項７】請求項１記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆
   動力との比に前記操作信号の指令値を掛けて油圧力に対
   するフィードバック補正値を計算し、このフィードバッ
   ク補正値を前記操作信号の指令値から減算して操作信号
   の指令値を補正することを特徴とするスプール型方向切
   換弁システム。
8. 【請求項８】請求項１記載のスプール型方向切換弁シス
   テムにおいて、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆
   動力との偏差からパイロット圧力以外の力相当の補正値
   を計算し、この補正値を前記操作信号の指令値に加算し
   て操作信号の指令値を補正することを特徴とするスプー
   ル型方向切換弁システム。