JP6732329B2 - Fluid servo valve and fluid servo device - Google Patents
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Description
本発明は、流体圧力・流量を制御するための流体制御機器に関するもので、詳しくは軸方向駆動機構により、フラッパとノズル間を相対移動させることで、流体の圧力・流量を制御する流体サーボバルブに関するものである。及び、この流体サーボバルブを搭載した流体サーボ装置に関するものである。 The present invention relates to a fluid control device for controlling fluid pressure/flow rate, and more specifically, a fluid servo valve for controlling fluid pressure/flow rate by moving a flapper and a nozzle relatively by an axial drive mechanism. It is about. And a fluid servo device equipped with this fluid servo valve.
1.世の中のトレンド・・・商品側からの要請
半導体製造プロセス、液晶製造プロセス、精密機械加工などの様々な分野で、微細な外乱振動を遮断・抑制するための振動制御の利用が広がっている。上記プロセスで用いられる走査型電子顕微鏡、半導体露光装置(ステッパ)などの微細加工・検査装置は、装置の性能を保障するための厳しい振動許容条件が要求される。外乱振動の影響を受け易い装置をアクチュータで支持すると共に、上記振動を減殺するようにアクチュエータを制御するアクティブタイプの精密除振台が用いられてきた。
1. Trends in the world: Requests from the product side In various fields such as semiconductor manufacturing processes, liquid crystal manufacturing processes, and precision machining, the use of vibration control to block and suppress minute disturbance vibrations is expanding. The fine processing/inspection apparatus such as the scanning electron microscope and the semiconductor exposure apparatus (stepper) used in the above process is required to have a strict vibration permissible condition to guarantee the performance of the apparatus. An active type precision vibration isolation table has been used in which an actuator is used to support a device that is easily affected by disturbance vibration, and an actuator is controlled so as to reduce the vibration.
近年の製品性能の向上に伴う微細化、精密化の要請に加えて、生産性向上のための設備の大型化、高速化が進んでいる。これに伴い、装置を支える除振装置においても、外乱振動の除去性能の向上に加えて、装置そのもの大型化や制御力の増加、多機能化が求められるようになってきている。 In recent years, in addition to demands for miniaturization and precision with the improvement of product performance, equipment for improving productivity has been increased in size and speed. Along with this, also in the vibration isolator that supports the apparatus, in addition to the improvement in the performance of removing the disturbance vibration, it is required that the apparatus itself be upsized, the control force be increased, and the multifunction be increased.
2.アクティブ除振台の従来例
除振台が支持する装置の大型化のトレンドに伴い、空気圧アクチュエータの長所を生かした空気ばね式除振台が、超精密機器の微振動制御に広く用いられているようになっている。図49に、空気圧アクチュエータを用いた従来のアクティブ除振台のモデル図を示す。このアクティブ除振台は、特許文献1、特許文献2にも記載されているように公知のものである。床面580には、定盤581を支持するための複数組の空気圧アクチュエータ(582a、582b)が配置されている。この定盤581の上に精密装置(詳細は図示せず)が搭載される。空気圧アクチュエータは、垂直方向の荷重を支持するための、内部に高圧空気が充填された空気室583と、この空気室の上部にダイヤフラム584を介して内挿されたピストン585から構成される。上記アクティブ除振台は、フィードバック制御(FB制御)とフィードフォワード制御(FF制御)の2つの制御系から構成される。
2. Conventional example of active vibration isolation table With the trend of increasing the size of the device supported by the vibration isolation table, the air spring type vibration isolation table, which takes advantage of the pneumatic actuator, is widely used for the micro vibration control of ultra-precision equipment. It is like this. FIG. 49 shows a model diagram of a conventional active vibration isolation table using a pneumatic actuator. This active vibration isolation table is a known one as described in Patent Document 1 and Patent Document 2. Plural sets of pneumatic actuators (582a, 582b) for supporting the surface plate 581 are arranged on the floor surface 580. A precision device (details not shown) is mounted on the surface plate 581. The pneumatic actuator is composed of an air chamber 583, which is internally filled with high-pressure air, for supporting a vertical load, and a piston 585 which is inserted above the air chamber via a diaphragm 584. The active vibration isolation table is composed of two control systems of feedback control (FB control) and feedforward control (FF control).
(1)フィードバック制御
586、587a、587bは、定盤581の垂直・水平方向の加速度と、床面580に対する定盤581の相対変位をそれぞれ検出するための加速度センサ及び変位センサである。588は、床面580の加速度(基礎の振動状態)を検出する加速度センサである。これら各センサからの出力信号がそれぞれフィードバック制御のコントローラG1589に入力される。
(1) Feedback Control 586, 587a, 587b are acceleration sensors and displacement sensors for respectively detecting vertical and horizontal accelerations of the surface plate 581 and relative displacement of the surface plate 581 with respect to the floor surface 580. Reference numeral 588 denotes an acceleration sensor that detects the acceleration of the floor surface 580 (basic vibration state). Output signals from each of these sensors are input to a feedback control controller G 1 589.
(2)フィードフォワード制御
590は定盤581の上に搭載されたステージである。このステージの挙動信号(鎖線)は、フィードフォワード制御のコントローラG2591に入力される。ステージの挙動信号はステージを駆動するドライバーの入力信号(2点鎖線592)が用いられる。
空気室583には、配管593を介して、前記2つのコントローラG1とG2の出力により制御されるサーボ弁593が接続されている。電空変換器であるサーボ弁593により、空気室583へ供給・排気される圧縮空気の流量を調整することで、空気室583の内圧Paが制御される。ここで、サーボ弁593は、外部から供給圧PSの気体を供給し、前記コントローラG1、G2により制御信号を与えられて所望の気体圧Paに調整して出力し、一部は大気P0に排気する機能を有する。
(2) Feedforward control 590 is a stage mounted on the surface plate 581. The behavior signal (chain line) of this stage is input to the controller G 2 591 for feedforward control. The input signal (two-dot chain line 592) of the driver that drives the stage is used as the behavior signal of the stage.
A servo valve 593 controlled by the outputs of the two controllers G 1 and G 2 is connected to the air chamber 583 via a pipe 593. The internal pressure P a of the air chamber 583 is controlled by adjusting the flow rate of the compressed air supplied to and discharged from the air chamber 583 by the servo valve 593 which is an electropneumatic converter. Here, the servo valve 593 externally supplies a gas having a supply pressure P S , receives a control signal from the controllers G 1 and G 2 , adjusts to a desired gas pressure P a , and outputs the gas. It has a function of exhausting to the atmosphere P 0 .
(3)従来サーボ弁の構造
空気圧アクチュエータを用いた空気圧サーボ装置であるアクティブ除振台において、アクチュエータの圧力と流量制御を行うために、ノズルフラッパ弁が主に用いられてきた。このノズルフラッパ弁は、たとえば、特許文献3に開示されているもので、その作動原理は一般に広く用いられているものである。図50は、従来サーボバルブの作動原理をモデル化した構造図を示すものである。サーボバルブの構成は大きく分けて、アクチュータ部A-1と流体制御部B-1に分けることができる。アクチュータ部A-1において、551はマグネット(永久磁石)、552はコイル、553はこのコイルを収納するボディ、554はフラッパ、555a、555bは先端を対抗させて取り付けられた一対のヨーク、556はアクチュータ側のフラッパ先端部である。557はシール部材を兼ねた板ばね、558は前記板ばねの支持中心部である。
(3) Conventional Servo Valve Structure In an active vibration isolation table which is a pneumatic servo device using a pneumatic actuator, a nozzle flapper valve has been mainly used to control the pressure and flow rate of the actuator. This nozzle flapper valve is disclosed, for example, in Patent Document 3, and its operating principle is generally widely used. FIG. 50 is a structural diagram modeling the operating principle of a conventional servo valve. The structure of the servo valve can be roughly divided into an actuator section A-1 and a fluid control section B-1. In the actuator unit A-1, 551 is a magnet (permanent magnet), 552 is a coil, 553 is a body that houses this coil, 554 is a flapper, 555a and 555b are a pair of yokes mounted with their tips facing each other, and 556 is This is the tip of the flapper on the actuator side. Reference numeral 557 is a leaf spring which also serves as a seal member, and 558 is a supporting center portion of the leaf spring.
流体制御部B-1において、560は順方向ノズル、561は逆方向ノズル、562は流体制御部側のフラッパ先端部である。563は供給口、564は排気口、565は負荷口(制御ポート)、566は制御室である。供給圧PSの気体は順方向ノズル560を経て制御室566に供給される。同時に制御室566内の気体は逆方向ノズルを経て大気に流出される。前記順方向ノズルからの流入量と前記逆方向ノズルからの流出量との差で、制御室566内の制御圧Paと負荷口565からの流出量が決定される。但し、実際に使用されるサーボバルブの構造は、永久磁石の磁気回路と電磁石の磁気回路が、直交して配置される3次元構造になっている。上記空気圧サーボバルブの基本構造は、長い歴史を有する油圧サーボバルブの技術を応用して派生的に生みだされたもので、電気油圧制御弁の一次制御弁(パイロット弁)として用いられているものである。 In the fluid control unit B-1, 560 is a forward nozzle, 561 is a backward nozzle, and 562 is a flapper tip on the fluid control unit side. 563 is a supply port, 564 is an exhaust port, 565 is a load port (control port), and 566 is a control chamber. The gas having the supply pressure P S is supplied to the control chamber 566 via the forward nozzle 560. At the same time, the gas in the control chamber 566 is discharged to the atmosphere through the backward nozzle. The difference between the inflow amount from the forward direction nozzle and the outflow amount from the reverse direction nozzle determines the control pressure P a in the control chamber 566 and the outflow amount from the load port 565. However, the structure of the servo valve actually used is a three-dimensional structure in which the magnetic circuit of the permanent magnet and the magnetic circuit of the electromagnet are arranged orthogonally. The basic structure of the pneumatic servo valve was derived by applying the hydraulic servo valve technology with a long history, and is used as a primary control valve (pilot valve) of an electrohydraulic control valve. Is.
特許文献4には、上記電気油圧制御弁の二次制御弁として用いられるスプール式を改良した気体圧制御弁が開示されている。図51に示すこの気体圧制御弁は、大きく分けて、スプール501、リニアモータ502、速度検出センサ503、制御部504より構成される。スプール501はスリーブ505に軸方向移動可能に支持されており、かつ前記スプールには、左側ランド部506、第1プランジ507、第2プランジ508、中央ランド部509、右側ランド部510が形成されている。左側ランド部506と右側ランド部510は、スリーブ505に対して静圧軸受により非接触支持されている。スリーブ505には、供給口511、負荷口512、排気口513が形成されている。514は制御圧力室である。リニアモータ502は、コイル515、磁石516、移動体517により構成される。また同様に、速度検出センサ503は、コイル518、磁石519、移動体520により構成される。スプール501はリニアモータ502によって軸方向に移動駆動される。521、522は、スプール501を両端で支持するつり合いばねである。スリーブ505の負荷口512と中央ランド部509の相対位置関係で制御圧力室514の圧力が変化するが、スプール501とスリーブ505を段付き構造とすることで、リニアモータの駆動電流と出力圧力とが比例関係にできる、としている。 Patent Document 4 discloses a gas pressure control valve which is an improved spool type valve used as a secondary control valve of the electrohydraulic control valve. The gas pressure control valve shown in FIG. 51 is roughly divided into a spool 501, a linear motor 502, a speed detection sensor 503, and a control unit 504. The spool 501 is supported by a sleeve 505 so as to be movable in the axial direction, and a left land portion 506, a first plunge 507, a second plunge 508, a central land portion 509, and a right land portion 510 are formed on the spool. There is. The left land portion 506 and the right land portion 510 are supported in a non-contact manner on the sleeve 505 by hydrostatic bearings. A supply port 511, a load port 512, and an exhaust port 513 are formed in the sleeve 505. Reference numeral 514 is a control pressure chamber. The linear motor 502 includes a coil 515, a magnet 516, and a moving body 517. Similarly, the speed detection sensor 503 includes a coil 518, a magnet 519, and a moving body 520. The spool 501 is axially moved and driven by a linear motor 502. 521 and 522 are balance springs that support the spool 501 at both ends. The pressure in the control pressure chamber 514 changes depending on the relative positional relationship between the load port 512 of the sleeve 505 and the central land portion 509. However, by forming the spool 501 and the sleeve 505 in a stepped structure, the drive current and output pressure of the linear motor can be reduced. Can be made proportional.
1.搭載機器の大型化・高速化への対応
近年、除振装置の搭載物に内包されるステージが大型化・高速化されたことにより、ステージの加速・減速時の加振によって、除振装置に発生する振動が課題となった。この課題の解決手段が、ステージの挙動信号を用いたフィードフォワード制御(FF制御)である。フィードバック制御(FB制御)によって自由振動が収まる時間は改善されるが、ステージ加減速の瞬間の応答を低減することはできない。それに対しステージFF制御は瞬間的な外乱入力を抑制する効果を有する。
1. Correspondence to increase in size and speed of on-board equipment In recent years, due to increase in size and speed of the stage included in the equipment of the vibration isolation device, vibration is added to the vibration isolation device during acceleration/deceleration of the stage. The generated vibration was a problem. The solution to this problem is feedforward control (FF control) using the behavior signal of the stage. Feedback control (FB control) improves the time for free vibration to settle, but it cannot reduce the response at the moment of stage acceleration/deceleration. On the other hand, stage FF control has the effect of suppressing momentary disturbance input.
また大重量ステージの場合、ステージ移動に伴う除振装置上の荷重の変化によってステージが傾斜して低周波振動が発生する。ステージFFを適用すると、FB制御だけの場合と比較して、振動を大幅に抑制することができる。 Further, in the case of a heavy stage, the stage tilts due to a change in the load on the vibration isolator accompanying the movement of the stage, and low frequency vibration occurs. When stage FF is applied, vibration can be greatly suppressed compared to the case of only FB control.
2.空気圧サーボバルブに要求される条件
さて、アクティブ除振台を構成する重要な基幹要素である空気圧サーボバルブに要求される条件は次のようである。
(1)高速応答性
(2)空気圧サーボバルブの一次共振点は十分に高く、数百Hz以上であること
(3)大排気流量・低消費空気流量
2. Conditions Required for Pneumatic Servo Valve Now, the conditions required for the pneumatic servo valve, which is an important basic element that constitutes the active vibration isolation table, are as follows.
(1) High-speed response (2) The primary resonance point of the pneumatic servo valve is sufficiently high and is several hundreds Hz or higher (3) Large exhaust flow rate/low air consumption flow rate
上記(1)の理由は次の様である。たとえば、除振テーブル上に搭載されるステージが発進・停止する際には、質量移動による駆動反力が直動外乱としてステージ設置面である定盤に入力される。この場合、ステージの加速度信号を用いて、除振装置にステージ・フィードフォワード制御を施すことにより、加速・減速時における定盤振動を減少させることができる。定盤振動を速やかに収束させるためには、空気圧アクチュータを駆動する空気バルブに高い応答性が要求される。 The reason for (1) above is as follows. For example, when the stage mounted on the anti-vibration table starts and stops, the driving reaction force due to the mass movement is input to the surface plate, which is the stage installation surface, as a linear disturbance. In this case, it is possible to reduce the surface plate vibration during acceleration/deceleration by performing stage feedforward control on the vibration isolation device using the stage acceleration signal. In order to quickly converge the platen vibration, a high responsiveness is required for the air valve that drives the pneumatic actuator.
上記(2)の理由は、次の様である。空気圧アクティブ除振系の応答性は、数Hz〜10数Hzのオーダーであるにもかかわらず、サーボバルブに数百Hzの高い共振周波数が必要となる理由は、空気圧アクティブ除振系固有のニーズに基づくものである。 The reason for (2) above is as follows. Even though the response of the pneumatic active vibration isolation system is in the order of several Hz to several tens of Hz, the reason why the servo valve needs a high resonance frequency of several hundred Hz is that it is unique to the pneumatic active vibration isolation system. It is based on.
アクチュエータの空気バネと搭載質量で決まる共振点のピークを低減させるために、アクティブ除振台では加速度フィードバック制御の適用は必須である。しかし加速度フィードバック制御を施した場合、アクティブ除振系の開ループ特性は、広い周波数範囲でゲインが増大すると共に、位相が遅れる特性になる。その結果、空気圧サーボバルブの共振点において、ゲイン余裕と位相余裕が低下する。サーボバルブの共振点が低い場合、アクティブ制御系は十分な性能を発揮することがでない。 In order to reduce the peak of the resonance point determined by the air spring of the actuator and the mounting mass, it is essential to apply the acceleration feedback control to the active vibration isolation table. However, when the acceleration feedback control is performed, the open loop characteristic of the active vibration isolation system is such that the gain increases and the phase lags in a wide frequency range. As a result, the gain margin and the phase margin are reduced at the resonance point of the pneumatic servo valve. If the resonance point of the servo valve is low, the active control system will not exhibit sufficient performance.
上記(3)は、搭載機器の大型化・高速化への対応として、フィードフォワード制御が重要な役割を担うようになったことに起因する。そのためには、大流量を高速で制御できる空気圧サーボ弁が必須となった。図49のアクティブ除振台におけるステージの挙動信号(2点鎖線592)において、ステージが発進、或いは停止する際に、慣性力による反力がステージ設置面に印加される。たとえば、m=100Kgのステージが、25msでa=10m/s2の一定加速度に立ち上がるとすれば、F=ma=1000Nの反力が発生する。 したがって、フィードフォワード制御により、この反力を抑制するためには、25msで1000Nの荷重を発生できる高速応答・大排気流量サーボバルブが必要である。
3.従来の空気圧サーボ弁の課題
The above (3) is due to the fact that the feedforward control has come to play an important role in dealing with the increase in the size and speed of the mounted equipment. To that end, a pneumatic servo valve that can control a large flow rate at high speed has become essential. In the behavior signal (two-dot chain line 592) of the stage in the active vibration isolation table of FIG. 49, when the stage starts or stops, the reaction force due to the inertial force is applied to the stage installation surface. For example, if a stage of m=100Kg rises to a constant acceleration of a=10m/s 2 in 25ms, a reaction force of F=ma=1000N will be generated. Therefore, in order to suppress this reaction force by feedforward control, a high-speed response/large exhaust flow rate servo valve that can generate a load of 1000 N in 25 ms is required.
3. Problems with conventional pneumatic servo valves
(i)ノズルフラッパ弁
従来、多くの除振装置は精密機器の設置環境の改善を図るために、設置床面からの振動絶縁を図ることを目的として適用されてきた。この場合、アクチュエータの圧力と流量制御を行うために、小排気流量のノズルフラッパ弁が主に用いられてきた。
(I) Nozzle flapper valve Conventionally, many vibration isolation devices have been applied for the purpose of vibration isolation from the floor of the installation floor in order to improve the installation environment of precision equipment. In this case, a nozzle flapper valve with a small exhaust flow rate has been mainly used to control the pressure and flow rate of the actuator.
搭載機器にステージのような変動荷重の発生源が内包された場合、複数個の小排気流量ノズルフラッパ弁を並列配置して流量を増大させれば、FF制御を施すことはできる。しかしノズルフラッパ弁は、後述するように、その動作原理から動作点(中立点)で消費流量が最も大きい。アクティブ除振台を構成する一例として、4点支持アクティブ制御を想定する。この場合、空気圧アクチュータは四隅に配置され、ユニットの設置向きは、水平X方向に2点、Y方向に2点が対角に配置される。また各アクチュータはZ方向の荷重を支持するアクチュータも組み込まれる。したがって、総計8個の空気圧アクチュータが配置され、各アクチュータを制御するための総計8組の空気圧サーボバルブが必要である。そのため、アクティブ除振台全体で、定常状態における空気消費流量が大幅に増大してしまうという課題があった。 When the mounted equipment includes a source of a fluctuating load such as a stage, FF control can be performed by arranging a plurality of small exhaust flow rate nozzle flapper valves in parallel to increase the flow rate. However, as described later, the nozzle flapper valve consumes the largest amount of flow at the operating point (neutral point) due to its operating principle. As an example of configuring an active vibration isolation table, 4-point support active control is assumed. In this case, the pneumatic actuators are arranged at the four corners, and the units are installed in the horizontal X direction at two points and in the Y direction at two points diagonally. Each actuator also incorporates an actuator that supports the load in the Z direction. Therefore, a total of eight pneumatic actuators are arranged, requiring a total of eight pneumatic servovalves to control each actuator. Therefore, there is a problem that the air consumption flow rate in the steady state significantly increases in the entire active vibration isolation table.
(ii)スプール弁
特許文献4に開示されているスプール式気体圧制御弁に一例を示すように、スプール式バルブをアクティブ除振台に適用する際の大きな課題は、可動部の一次の共振周波数を高くできないという点にある。図51において、スプール501を含む可動部の共振周波数は、前記可動部の質量mと、つり合いばね521、522のばね定数Kにより決定される。一次の共振周波数は(K/m)1/2に比例するために、質量mが小さい程、ばね定数Kが大きい程、高くできる。しかし、大流量の開口部を形成する前記スプール軸の軽量化には限界がある。また、ローレンツ力を利用したリニアモータ502の場合、入力電流に対する発生力の電気機械変換効率が小さく、大きな発生力は得られない。したがって、ばね522、522の剛性Kは小さくせざるを得なく、可動部の共振周波数を高くするのは困難である。
(Ii) Spool valve As shown in the example of the spool type gas pressure control valve disclosed in Patent Document 4, a major problem in applying the spool type valve to the active vibration isolation table is a primary resonance frequency of the movable part. The point is that you can't raise it. In FIG. 51, the resonance frequency of the movable portion including the spool 501 is determined by the mass m of the movable portion and the spring constant K of the balance springs 521 and 522. Since the primary resonance frequency is proportional to (K/m) 1/2 , the smaller the mass m and the larger the spring constant K, the higher the resonance frequency. However, there is a limit to the weight reduction of the spool shaft that forms the large flow rate opening. Further, in the case of the linear motor 502 utilizing the Lorentz force, the electromechanical conversion efficiency of the generated force with respect to the input current is small, and a large generated force cannot be obtained. Therefore, the stiffness K of the springs 522 and 522 must be reduced, and it is difficult to increase the resonance frequency of the movable portion.
前述したように、アクティブ除振台に空気圧サーボバルブを適用するためには、「サーボバルブの一次共振点は十分に高く、数百Hz以上」の条件を満足させる必要がある。そのため、上記スプール式制御弁では、速度検出センサ503の信号を用いて、加速度フィードバック制御を施している。すなわち、加速度フィードバックを施すことで、系の固有振動数を制御面から低減できることを利用して、低周波の伝達特性を補っているのである。要約すれば、スプール501を駆動するリニアモータ502に加えて、速度検出センサ503、制御部504を内蔵させる上記気体圧制御弁は、構成が複雑、大型化、コスト高にならざるを得ないという課題があった。 As described above, in order to apply the pneumatic servo valve to the active vibration isolation table, it is necessary to satisfy the condition "the primary resonance point of the servo valve is sufficiently high and several hundred Hz or more". Therefore, in the spool type control valve, acceleration feedback control is performed using the signal of the speed detection sensor 503. That is, the low frequency transfer characteristic is compensated by utilizing the fact that the natural frequency of the system can be reduced from the control side by performing acceleration feedback. In summary, in addition to the linear motor 502 that drives the spool 501, the gas pressure control valve that incorporates the speed detection sensor 503 and the control unit 504 must have a complicated structure, a large size, and a high cost. There were challenges.
具体的に、請求項1の発明は、流体供給側に流路が連絡した順方向ノズルと、
流体排気側に流路が連絡した逆方向ノズルと、前記順方向ノズルと前記逆方向ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、前記フラッパの一部を固定するフラッパ支持部材と、前記フラッパが前記順方向ノズルと前記逆方向ノズルの間を移動するように前記フラッパに作用する駆動手段と、前記順方向ノズルと前記フラッパの対向面側との間に形成された供給側流量制御部、又は、前記逆方向ノズルと前記フラッパの対向面側との間に形成された排気側流量制御部と、を備え、流体供給側から供給される作動流体は前記順方向ノズルを通過して、前記フラッパが収納される空間である制御室へ流入し、この制御室から前記逆方向ノズルを通過して前記流体排気側へ流出するように構成されており、前記供給側流量制御部、又は、前記排気側流量制御部の有効断面積が、前記フラッパの変位に対して非線形特性で変化するように構成され、前記非線形特性は下に凸の曲線又は折れ線で表されるものあり、その屈曲点における有効断面積をA0、有効断面積の最大値をAmaxとしたとき、0<A0/Amax<0.5となるように構成したものである。
Specifically, the invention of claim 1 is a forward nozzle in which a flow path communicates with a fluid supply side,
A reverse nozzle having a flow path communicating with the fluid exhaust side, a flapper provided so as to face the forward end of the forward nozzle and the tip of the reverse nozzle, and a flapper support member for fixing a part of the flapper. A driving means that acts on the flapper so that the flapper moves between the forward nozzle and the backward nozzle; and a supply side formed between the forward nozzle and the facing surface side of the flapper. A flow rate control section or an exhaust side flow rate control section formed between the reverse direction nozzle and the facing surface side of the flapper, and the working fluid supplied from the fluid supply side passes through the forward direction nozzle. Then, it is configured to flow into a control chamber that is a space for accommodating the flapper, pass through the reverse direction nozzle from the control chamber, and flow out to the fluid exhaust side. Alternatively, the effective cross-sectional area of the exhaust side flow rate control unit is configured to change with a non-linear characteristic with respect to the displacement of the flapper, the non-linear characteristic is represented by a downward convex curve or polygonal line, When the effective area at the bending point is A 0 and the maximum value of the effective area is A max , 0<A 0 /A max <0.5.
ここで、有効断面積とは例えば前記供給側流量制御部、又は、前記排気側流量制御部を通過する流体に対して流路抵抗として作用する流路面積として定義できる。また、前記屈曲点とは曲線においてはその点の前後で傾きの変化量が他の箇所よりも大きく変化する点、あるいは、包絡線の交点として表現される点である。加えて、前記屈曲点は折れ線においては2つの傾きの異なる直線の交点である。 Here, the effective cross-sectional area can be defined as, for example, a flow passage area that acts as flow passage resistance on the fluid passing through the supply side flow rate control unit or the exhaust side flow rate control unit. Further, the bending point is a point on the curve where the amount of change in inclination before and after that point changes more than at other points, or a point expressed as an intersection of envelopes. In addition, the bending point is an intersection of two straight lines having different inclinations in the polygonal line.
上記のような本発明においては、ノズルとフラッパの対向面側が例えば構造的に狭い流路を形成する流量制御部を構成し、(1)一方のノズル開度が増大したときには、もう一方のノズル開度は充分に小さくなる。(2)両方のノズル開度が同時に増大することはなく、定常時の空気消費量は前記フラッパがいかなる位置でも抑制されるといったことが可能となる。上記(1)(2)により、大排気流量制御と低消費空気流量を同時に実現できるサーボバルブを実現できる。 In the present invention as described above, the facing surface side of the nozzle and the flapper constitutes, for example, a flow rate control unit that structurally forms a narrow flow path, and (1) when one nozzle opening increases, the other nozzle The opening is sufficiently small. (2) Both nozzle openings do not increase at the same time, and the air consumption in a steady state can be suppressed at any position of the flapper. With the above (1) and (2), it is possible to realize a servo valve that can simultaneously realize a large exhaust flow rate control and a low air consumption flow rate.
具体的に、請求項2の発明は、前記供給側流量制御部、及び、前記排気側流量制御部は横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造であり、前記環状流路形成構造は、前記概略環状の流路の外側境界を形成する筒部の内周面と、前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体とから構成したものである。 Specifically, the invention of claim 2 is an annular flow passage forming structure in which the supply-side flow rate control unit and the exhaust-side flow rate control unit form a flow channel having a substantially annular cross section. The forming structure is configured by an inner peripheral surface of a cylindrical portion forming an outer boundary of the generally annular flow path, and an insert body inserted to be spaced apart from the inner peripheral surface in a radial direction.
すなわち、本発明においては、前記挿入体が前記筒部に深く侵入しているときには前記環状流路を通過する流量は小さく、前記挿入体が前記筒部から離反したときは前記筒部から流入・流出する流量は急峻に増大することを利用したものである。 That is, in the present invention, the flow rate passing through the annular flow path is small when the insert body is deeply entering the tubular portion, and flows in from the tubular portion when the insert body is separated from the tubular portion. The flow rate that flows out is used to make a sharp increase.
具体的に、請求項3の発明は、前記フラッパの供給側と排気側の概略中央箇所に凸部を形成して前記挿入体とし、前記順方向ノズル、及び、前記逆方向ノズルの内面に前記筒部を形成したものである。 Specifically, in the invention of claim 3, a convex portion is formed at a substantially central portion on the supply side and the exhaust side of the flapper to form the insert body, and the inner surface of the forward direction nozzle and the reverse direction nozzle is provided with the convex portion. A tubular part is formed.
すなわち、本発明においては、前記フラッパの中央箇所に形成した凸部と前記ノズルを組み合わせることにより、前記環状流路形成構造としたものである。前記フラッパに形成する凸部の外径と高さは小さくてよく、前記フラッパの共振周波数を充分に高く設定できる。 That is, in the present invention, the annular flow path forming structure is formed by combining the convex portion formed in the central portion of the flapper and the nozzle. The convex portion formed on the flapper may have a small outer diameter and height, and the resonance frequency of the flapper can be set sufficiently high.
具体的に、請求項4の発明は、前記挿入体の流体供給側の概略外径をΦdin、流体排気側の概略外径Φdouとして、Φdin>Φdouとなるように構成したものである。 Specifically, the invention of claim 4, the schematic outer diameter of the fluid supply side of the insert .PHI.d in, as schematically outer diameter .PHI.d ou fluid exhaust side, which was constructed such that .PHI.d in> .PHI.d ou is there.
すなわち、本発明においては、前記フラッパの表裏に設ける挿入体の外径をΦdin>Φdouとする簡易な構成により、メカニカル圧力フィードバック作用が得られることを見出したものである。このメカニカル圧力フィードバック作用により、定常時にさらなる低消費空気流量が図れると共に、電流に対する制御圧力特性の線形性を大幅に向上させることができる。 That is, in the present invention, it has been found that a mechanical pressure feedback action can be obtained with a simple configuration in which the outer diameters of the inserts provided on the front and back of the flapper are Φd in >Φd ou . By this mechanical pressure feedback action, it is possible to achieve a further lower air consumption flow rate in a steady state, and it is possible to greatly improve the linearity of the control pressure characteristic with respect to the current.
具体的に、請求項5の発明は、Pmaxを制御室圧力の最大値、P0を大気圧、中立点における制御室圧力をPB、供給側有効断面積をA0、供給側有効断面積の最大値をAmax、η=A0/Amax、及び、中間圧力比β=(PB-P0)/(Pmax-P0) と定義して、ηに対するβ曲線の包絡線の交点における前記ηをηcとしたとき、η>ηcとなるように、前記A0、及び、前記Amaxを設定したものである。 Specifically, in the invention of claim 5, P max is the maximum value of the control chamber pressure, P 0 is the atmospheric pressure, the control chamber pressure at the neutral point is P B , the supply side effective sectional area is A 0 , and the supply side effective disconnection is The maximum value of the area is defined as A max , η=A 0 /A max , and the intermediate pressure ratio β=(P B -P 0 )/(P max -P 0 ), and the envelope curve of β curve for η The above A 0 and A max are set so that η>η c , where η at the intersection point is η c .
すなわち、本発明においては、(i)フラッパ表裏に形成するマイクロピストン外径を非対称にする、(ii)吸・排気流路面積を2段階で変化させる。上記(i)(ii)を組み合せた相乗効果により、電流に対する制御圧力特性の線形性のさらなる向上が図れることを見出したものである。 That is, in the present invention, (i) the outer diameters of the micro pistons formed on the front and back of the flapper are made asymmetric, and (ii) the intake/exhaust passage area is changed in two steps. The inventors have found that the synergistic effect of combining the above (i) and (ii) can further improve the linearity of the control pressure characteristic with respect to the current.
具体的に、請求項6の発明は、前記筒部と前記挿入体から構成される前記環状流路形成構造において、前記筒部、もしくは、前記挿入体を構成する部品のいずれかは、前記環状流路形成構造を収納するハウジングに対して別部材で構成されており、ボルトなどの締結部材を取り外した状態で、前記環状流路の軸芯調整のために半径方向に移動可能としたものである。 Specifically, in the invention of claim 6, in the annular flow path forming structure composed of the tubular portion and the insert, either the tubular portion or a component constituting the insert is the annular It is configured as a separate member with respect to the housing that houses the flow passage forming structure, and is movable in the radial direction for adjusting the axial center of the annular flow passage with the fastening members such as bolts removed. is there.
すなわち、本発明においては、従来バルブとは異なる固有のバルブ構造に基づく次の課題、(1)2つのマイクロピストン部の同軸精度の確保が難しい。(2)前記フラッパは変形し易い弾性体である。上記(1)(2)の課題を解決する組立・調整方法と、この工法を可能にするバルブ構造を提案するものである。前記挿入体、もしくは前記筒部を構成する環状流路形成構造部品を、ハウジングに対して、軸芯調整のために半径方向に移動可能とする。上記工法と構造により、上記(1)(2)の課題を解決することができる。 That is, in the present invention, it is difficult to secure the following problems based on the unique valve structure different from the conventional valve, (1) ensuring the coaxial accuracy of the two micro pistons. (2) The flapper is an elastic body that is easily deformed. The present invention proposes an assembly/adjustment method that solves the problems (1) and (2) above, and a valve structure that enables this construction method. The insert or the annular flow path forming structural component forming the tubular portion is movable in the radial direction with respect to the housing for adjusting the axial center. The above methods and structures can solve the above problems (1) and (2).
具体的に、請求項7の発明は、半径方向に移動可能な隙間は0.05mm以上にしたものである。 Specifically, in the invention of claim 7, the gap movable in the radial direction is 0.05 mm or more.
すなわち、本発明においては、環状流路形成構造部品が半径方向に移動可能な隙間を0.05mm以上に設定することで、上記(1)(2)の課題をクリアできる。 That is, in the present invention, the problems (1) and (2) can be cleared by setting the gap in which the annular flow path forming structural component is movable in the radial direction to be 0.05 mm or more.
具体的に、請求項8の発明は、前記駆動手段に印加する電流が零の状態で、前記流体供給側から前記流体排気側に繋がる前記環状流路は前記フラッパと前記供給側ノズル間の密着により遮蔽するように構成したものである。 Specifically, in the invention of claim 8, when the current applied to the drive means is zero, the annular flow path connecting from the fluid supply side to the fluid exhaust side is in close contact between the flapper and the supply side nozzle. It is configured to be shielded by.
すなわち、本発明においては、本発明バルブが凸部とノズルで形成される「半径方向流路」と、フラッパとノズルで構成される「軸方向流路」の2つの流路を有する点を利用している。バルブ駆動電流I=0のとき、流体供給源と空気圧アクチュエータ間の流路を完全遮断できるため、停電時のフェルセーフ機能として活用できる。このフェルセーフ機能により、空気圧アクチュエータに重量物が搭載されている場合でも、重量物は容易には降下しない。 That is, in the present invention, the fact that the valve of the present invention has two flow passages, that is, a "radial flow passage" formed by a convex portion and a nozzle and an "axial flow passage" formed by a flapper and a nozzle are used. doing. When the valve drive current I=0, the flow path between the fluid supply source and the pneumatic actuator can be completely cut off, which can be used as a fail-safe function during a power failure. Due to this fail-safe function, even when a heavy load is mounted on the pneumatic actuator, the heavy load does not easily drop.
具体的に、請求項9の発明は、前記フラッパに対して吸引力が発生するように設けられた電磁石と、前記電磁石の吸引力により前記フラッパを変形させて、前記順方向ノズルの先端部、及び、又は、前記逆方向ノズルの先端部と前記フラッパとの離間距離を変化させるように前記駆動手段を構成したものである。 Specifically, the invention of claim 9 is characterized in that an electromagnet provided so that an attractive force is generated with respect to the flapper, the flapper is deformed by the attractive force of the electromagnet, and the tip portion of the forward direction nozzle, And, or, the drive means is configured to change the distance between the tip end portion of the reverse direction nozzle and the flapper.
すなわち、本発明においては、フラッパを駆動する手段に磁気吸引式アクチュエータを用いることにより、可動部の質量を軽量化できて、バルブの共振周波数を高く設定できる。 That is, in the present invention, by using the magnetic attraction type actuator as the means for driving the flapper, the mass of the movable portion can be reduced and the resonance frequency of the valve can be set high.
具体的に、請求項10の発明は、前記フラッパと、このフラッパに対向して設けられた前記フラッパに吸引作用を与える磁極と、この磁極と前記フラッパを含む磁性材料部品で閉ループ磁気回路を構成し、この閉ループ磁気回路の磁気特性が、磁化力に対する磁束密度の特性が概略比例関係にある線形領域と、
磁化力に対する磁束密度特性の傾斜角が前記線形領域と比べて小さく変化する
磁気飽和領域とを有し、前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入るように構成したものである。
Specifically, the invention of claim 10 forms a closed loop magnetic circuit with the flapper, a magnetic pole provided opposite to the flapper for giving an attraction action to the flapper, and a magnetic material component including the magnetic pole and the flapper. Then, the magnetic characteristic of this closed loop magnetic circuit is a linear region in which the characteristic of the magnetic flux density with respect to the magnetizing force is approximately proportional,
The magnetic material has a magnetic saturation region in which the inclination angle of the magnetic flux density characteristic with respect to the magnetizing force changes smaller than the linear region, and when the current flowing to the electromagnet is increased in the displaceable range of the flapper, the magnetic material. The magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the component is configured to enter the magnetic saturation region.
すなわち、本発明においては、既提案で見出した次の磁気吸引式アクチュエータを適用している。ストロークに限界のある従来式アクチュータに対して、フラッパに適切な磁性材料と薄いディスクを用いると、電流に対するフラッパの変位特性は、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができる。この磁気飽和現象を利用することにより、電流に対するフラッパ変位特性の線形性を失うことなく、ストロークを大幅に増大できる。このアクチュエータは大きなストロークが必要な本発明サーボバルブに効果的に適用出来る。 That is, in the present invention, the following magnetic attraction type actuator found in the proposal is applied. When a magnetic material suitable for the flapper and a thin disk are used for a conventional actuator having a limited stroke, the displacement characteristic of the flapper with respect to the electric current can be excellent in linearity. By utilizing this magnetic saturation phenomenon, the stroke can be greatly increased without losing the linearity of the flapper displacement characteristic with respect to the current. This actuator can be effectively applied to the servo valve of the present invention which requires a large stroke.
具体的に、請求項11の発明は、前記駆動手段が、前記フラッパに固定されたコイルボビンと、このコイルボビンに巻かれた電磁コイルと、この電磁コイルの外周部において、隙間を保って配置された永久磁石と、を備え、前記コイルボビン、前記電磁コイル、前記永久磁石によりローレンツ力を利用したリニアアクチュータとして構成したものである。 Specifically, in the invention of claim 11, the driving means is arranged with a gap maintained between a coil bobbin fixed to the flapper, an electromagnetic coil wound around the coil bobbin, and an outer peripheral portion of the electromagnetic coil. A permanent magnet, and is configured as a linear actuator using a Lorentz force by the coil bobbin, the electromagnetic coil, and the permanent magnet.
すなわち、本発明においては、本発明サーボバルブにローレンツ力を利用したリニアモータ式アクチュエータを用いたものである。可動部の共振周波数に大きな制約が無い場合には、リニアモータ式はストロークに制約が無いために、一層の大流量化に有利となる。 That is, in the present invention, the servo valve of the present invention uses a linear motor type actuator utilizing Lorentz force. When there is no great restriction on the resonance frequency of the movable part, the linear motor type has no restriction on the stroke, which is advantageous for further increasing the flow rate.
具体的に、請求項12の発明は、流体供給側に流路が連絡した第1ノズル、及び、第2ノズルと、前記第1ノズルと前記第2ノズルの間に配置され、前記第1ノズルと前記第2ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、前記フラッパが前記第1ノズルと前記第2ノズルの間を移動するように前記フラッパに作用する駆動手段と、前記第1ノズルと前記フラッパの間に形成された第1流量制御部と、前記第2ノズルと前記フラッパの間に形成された第2流量制御部と、外部と連絡する第1開口部を有する第1流量制御流路と
外部と連絡する第2開口部を有する第2流量制御流路と前記フラッパが前記第1ノズルに近接したとき、供給側から第1流量制御部を経て第1流量制御流路へ流路が開放されると同時に、第2流量制御流路から第2流量制御部を経て流路が開放され、前記フラッパが前記第2ノズルに近接したとき、供給側から第2流量制御部を経て第2流量制御流路へ流路が開放されると同時に、第1流量制御流路から第1流量制御部を経て流路が開放されるように構成したものである。
Specifically, the invention of claim 12 is arranged such that the first nozzle, the second nozzle of which the flow path communicates with the fluid supply side, and the first nozzle and the second nozzle are arranged between the first nozzle and the second nozzle. A flapper provided so as to face the tip of the second nozzle; driving means that acts on the flapper so that the flapper moves between the first nozzle and the second nozzle; A first flow rate control section formed between the first nozzle and the flapper, a second flow rate control section formed between the second nozzle and the flapper, and a first opening section communicating with the outside. When a second flow rate control flow path having a first flow rate control flow path and a second opening communicating with the outside and the flapper approach the first nozzle, the first flow rate control flow from the supply side through the first flow rate control unit. At the same time that the flow path is opened to the path, the flow path is opened from the second flow rate control path through the second flow rate control unit, and when the flapper approaches the second nozzle, the second flow rate control is performed from the supply side. The flow path is opened to the second flow rate control flow path through the section, and at the same time, the flow path is opened from the first flow rate control flow path via the first flow rate control section.
すなわち、本発明においても請求項1の発明と同様の効果を得つつ、さらには様々な用途で流体の流量制御を行うことができる。 That is, also in the present invention, it is possible to control the flow rate of the fluid for various purposes while obtaining the same effect as that of the invention of claim 1.
具体的に、請求項13の発明は、請求項1乃至12いずれかに記載の流体サーボバルブと、除振対象物を基礎に対して支持する気体ばねと、前記除振対象物の振動状態を検出する加速度センサと、前記加速度センサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記除振対象物の振動を低減する気体圧力を前記気体ばねに与えるアクティブ制御器とを備え、前記流体サーボバルブが、気体を供給側から前記気体ばねに供給し、当該気体ばねから排気側へ排気するように構成されており、前記フラッパの1次固有振動数が200Hz以上に構成されている流体サーボ装置である。 Specifically, the invention of claim 13 relates to the fluid servo valve according to any one of claims 1 to 12, a gas spring for supporting an object to be isolated against a foundation, and a vibration state of the object to be isolated. An acceleration sensor for detecting, and by adjusting the fluid servo valve based on the information from the acceleration sensor, an active controller that gives a gas pressure to the gas spring to reduce the vibration of the vibration isolation target, The fluid servo valve is configured to supply gas from the supply side to the gas spring and exhaust the gas to the exhaust side, and the primary natural frequency of the flapper is configured to be 200 Hz or higher. It is a fluid servo device.
すなわち本発明においては、優れた応答特性、及び、除振特性の流体サーボ装置を実現することができる。 That is, in the present invention, it is possible to realize a fluid servo device having excellent response characteristics and vibration isolation characteristics.
すなわち、本発明においては、第1流量制御流路と第2流量制御流路の2つの制御流路を設けて、一方の制御流路が供給側に連絡するときは他方の制御流路が排気側に連絡するように構成したものである。本バルブ構成により、本発明サーボバルブは油空圧分野で用途の多い4方弁としても適用できる。 That is, in the present invention, two control flow paths, a first flow control flow path and a second flow control flow path, are provided, and when one control flow path communicates with the supply side, the other control flow path is exhausted. It is configured to contact the side. With this valve configuration, the servo valve of the present invention can also be applied as a four-way valve which has many applications in the hydraulic and pneumatic fields.
さて、本発明による流体サーボバルブの特徴を列記すれば、
(1)低消費空気流量
(2)大排気流量
(3)高い共振周波数
(4)高速応答性
(5)構造の大幅な簡素化が図れる
従来バルブの欠点を大きく解消する本発明バルブにより、今後、空気圧サーボシステムの幅広い普及はおおいに加速すると予想される。その効果は顕著である。
Now, when the features of the fluid servo valve according to the present invention are listed,
(1) Low air consumption flow rate (2) Large exhaust flow rate (3) High resonance frequency (4) High-speed response (5) The valve of the present invention that greatly eliminates the drawbacks of the conventional valve that can greatly simplify the structure The widespread use of pneumatic servo systems is expected to greatly accelerate. The effect is remarkable.
第1の実施形態
本実施例は、従来式バルブでは達成できなかった次の課題、高速応答性、高い共振周波数、大排気流量、低消費空気流量に加えて、構造の大幅な簡素化を同時に実現する新バルブ構造を提案するものである。
First Embodiment In this embodiment, in addition to the following problems that cannot be achieved by the conventional valve, high-speed response, high resonance frequency, large exhaust flow rate, low air consumption flow rate, a great simplification of the structure is achieved at the same time. It proposes a new valve structure to be realized.
図1は、本発明の実施形態1に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、50は筒部形状の中心軸、51はこの中心軸底部、52は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された中心軸の外枠部、53は前記中心軸に装着されたコイルボビン、54は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸50、中心軸底部51、中心軸の外枠部52、コイルボビン53、コイル54により、フラッパ(後述)を吸引して、その変位を制御する磁気吸引式の電磁アクチュエータを構成している。本実施形態では、本発明者が特願2015-024794号で提案中の磁気吸引式のアクチュエータを用いている。 1 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to a first embodiment of the present invention, in which 50 is a central axis of a cylindrical portion, 51 is a bottom portion of the central axis, and 52 is a concentric circle with the axis of the central axis. The outer frame portion of the central shaft formed by (3), 53 is a coil bobbin mounted on the central shaft, and 54 is a coil wound on the coil bobbin. The central shaft 50, the central shaft bottom portion 51, the central shaft outer frame portion 52, the coil bobbin 53, and the coil 54 constitute a magnetic attraction electromagnetic actuator that attracts a flapper (described later) and controls its displacement. In the present embodiment, the present inventor uses a magnetic attraction type actuator proposed in Japanese Patent Application No. 2015-024794.
55は中心軸の底部51と外枠部52を収納する筒形状の排気側ハウジング、56はこの排気側ハウジング底部、57は排気側ハウジング底部56と中心軸底部51を締結するボルト、58は排気側ハウジング底部56に形成された排気側流通路、59は中心軸50に形成された吐出口である。60は供給側ハウジング、61はこの供給側ハウジングの中心部に形成された供給側流路、62は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。63は凸形円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)64aと、板厚の薄い外周部(弾性変形部)64bにより構成される。ちなみに、前記フラッパという呼称は、従来バルブのモデル図48に示すように、一般には揺動運動する平板のイメージがある。本実施例を含む本発明では、ノズルの対向面に配置されて、ノズルとの間で流体の流路面積を調節する部材を、その部材形状に関わり無くフラッパと呼ぶことにする。65は吸入口、66は供給側ハウジング60とフラッパ63の間に形成される供給側空隙部、67はフラッパ63と前記排気側ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。68a、68b、68c、68dはフラッパ63に形成された流通穴(68b、68dは図示せず)、69は供給側ノズル(順方向ノズル)、70は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。71は中心軸50のフラッパ弁側端面(中心軸端面)で電磁石の第1磁極である。72は外枠部52のフラッパ側端面に形成された第2磁極、73は前記供給側ハウジングと前記排気側ハウジングの間に、前記フラッパを挟み込み、前記供給側ハウジングと前記排気側ハウジングを締結する溶接部である。74は前記フラッパの供給側の中心部に形成された供給側凸部、75は前記フラッパの排気側の中心部に形成された排気側凸部である。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの制御室76を形成している。 Reference numeral 55 denotes a cylindrical exhaust side housing that houses the center shaft bottom portion 51 and outer frame portion 52, 56 denotes this exhaust side housing bottom portion, 57 denotes a bolt for fastening the exhaust side housing bottom portion 56 and the center shaft bottom portion 51, and 58 denotes exhaust gas. The exhaust side flow passage formed in the bottom portion 56 of the side housing, and 59 are discharge ports formed in the central shaft 50. Reference numeral 60 is a supply side housing, 61 is a supply side flow path formed in the center of the supply side housing, and 62 is a control side flow path connected to a pneumatic actuator (not shown). Reference numeral 63 denotes a convex disk-shaped flapper, which is composed of a convex portion (magnetic path portion) 64a having a thick plate thickness and an outer peripheral portion (elastic deformation portion) 64b having a thin plate thickness. Incidentally, the flapper is generally called a flapper as shown in FIG. 48, which is a model of a conventional valve. In the present invention including this embodiment, a member that is arranged on the facing surface of the nozzle and adjusts the flow passage area of the fluid with the nozzle is called a flapper regardless of the shape of the member. Reference numeral 65 is an intake port, 66 is a supply side gap formed between the supply side housing 60 and the flapper 63, and 67 is an exhaust side gap formed between the flapper 63 and the exhaust side housing side. 68a, 68b, 68c and 68d are flow holes (68b and 68d are not shown) formed in the flapper 63, 69 is a supply side nozzle (forward nozzle), and 70 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). Reference numeral 71 denotes the flapper valve side end surface of the central shaft 50 (central shaft end surface), which is the first magnetic pole of the electromagnet. Reference numeral 72 denotes a second magnetic pole formed on the flapper-side end surface of the outer frame portion 52, and 73, the flapper is sandwiched between the supply-side housing and the exhaust-side housing to fasten the supply-side housing and the exhaust-side housing. It is a welded part. Reference numeral 74 is a supply-side convex portion formed at the supply-side central portion of the flapper, and 75 is an exhaust-side convex portion formed at the exhaust-side central portion of the flapper. Further, the supply side space and the exhaust side space form a control chamber 76 of the present valve.
ちなみに、コイル54に通電することで発生する磁束により、「第1磁極71→空隙部→フラッパ63→空隙部→第2磁極72→外枠部52→中心軸底部51→中心軸50」の閉ループ磁気回路が形成される。但し、前記コイルに流す電流の方向が逆の場合、上記磁束の向きは逆になる。本実施形態では、この閉ループ磁気回路を形成する要素である前記フラッパに板厚の薄いディスクを用いて、このディスクを流れる磁束の磁気飽和現象を利用することにより、電流値に対する変位特性に充分な線形性と大きなストロークを得ている。磁気飽和現象を利用した上記磁気吸引式アクチュータは、本発明者が特願2015-024794号で提案中のものである。 By the way, by the magnetic flux generated by energizing the coil 54, a closed loop of “first magnetic pole 71→gap portion→flapper 63→gap portion→second magnetic pole 72→outer frame portion 52→center shaft bottom portion 51→center shaft 50” A magnetic circuit is formed. However, when the direction of the current flowing through the coil is opposite, the direction of the magnetic flux is opposite. In the present embodiment, a disk with a thin plate is used for the flapper, which is an element forming the closed loop magnetic circuit, and the magnetic saturation phenomenon of the magnetic flux flowing through the disk is used to obtain sufficient displacement characteristics with respect to the current value. Got linearity and big stroke. The magnetic attraction type actuator utilizing the magnetic saturation phenomenon is proposed by the present inventor in Japanese Patent Application No. 2015-024794.
本実施形態バルブは、前述したように、流体の供給側に連絡した順方向ノズル69と、流体の排気側に設けられた逆方向ノズル70と、前記2つのノズル間に設けられたフラッパ63により構成される双方向ノズルフラッパ弁である。前記順方向ノズルと前記フラッパにより供給側流通路のノズル開度(有効断面積)を調節し、前記逆方向ノズルと前記フラッパにより排気側流通路のノズル開度(有効断面積)を調節している。供給側流通路のノズル開度を調節する箇所を供給側流量制御部、排気側流通路のノズル開度を調節する箇所を排気側流量制御部とする。 As described above, the valve of this embodiment includes the forward nozzle 69 connected to the fluid supply side, the reverse nozzle 70 provided on the fluid discharge side, and the flapper 63 provided between the two nozzles. It is a bidirectional nozzle flapper valve constructed. The forward nozzle and the flapper adjust the nozzle opening (effective cross-sectional area) of the supply side flow passage, and the reverse nozzle and the flapper adjust the nozzle opening (effective cross-sectional area) of the exhaust side flow passage. There is. A portion of the supply side flow passage for adjusting the nozzle opening is referred to as a supply side flow rate control unit, and a portion of the exhaust side flow passage for adjusting the nozzle opening degree is referred to as an exhaust side flow rate control unit.
さて本実施例バルブは、大排気流量制御ができるにもかかわらず、定常状態における空気消費流量を充分に小さくできる。これは次の理由による。
(1)一方のノズル開度が増大したときには、もう一方のノズル開度は充分に小さくなる。
(2)両方のノズル開度が同時に増大することはなく、定常時の空気消費量は前記フラッパがいかなる位置でも抑制される。
By the way, the valve of this embodiment can sufficiently reduce the air consumption flow rate in the steady state, although the large exhaust flow rate can be controlled. This is for the following reason.
(1) When one nozzle opening increases, the other nozzle opening becomes sufficiently small.
(2) Both nozzle openings do not increase at the same time, and the steady-state air consumption is suppressed at any position of the flapper.
上記(1)(2)を実現する構造の一例が、供給側ノズル69とフラッパ63との間、及び、排気側ノズル70との間に横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造である。より具体的には前記環状流路形成構造は、各ノズル69、70の先端部の筒状の内周面と、前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体(74及び75)とからなるものである。すなわち、フラッパ63の面板部に対して垂直に突出させた凸部を挿入体(マイクロピストン)として、ノズル69、70への前記挿入体の挿入加減により環状の流路の軸方向の長さを変化させて、流量特性を変化させることができる。本実施形態で示す上記バルブ構造を、「マイクロピストン方式」と呼ぶことにする。 An example of a structure that realizes the above (1) and (2) is an annular flow path that forms a flow path between the supply side nozzle 69 and the flapper 63, and between the exhaust side nozzle 70 and a substantially circular cross section. It is a formation structure. More specifically, the annular flow path forming structure has a cylindrical inner peripheral surface at the tip of each of the nozzles 69 and 70, and an insert body (74) which is inserted so as to be radially separated from the inner peripheral surface. And 75). That is, by using a convex portion that protrudes perpendicularly to the face plate portion of the flapper 63 as an insert body (micro piston), the length of the annular flow path in the axial direction can be adjusted by adjusting the insertion of the insert body into the nozzles 69 and 70. The flow rate characteristic can be changed by changing the flow rate characteristic. The valve structure described in this embodiment will be referred to as a "micro piston system".
図2a〜2eはバルブ入力電流を変えたときの各ノズル69,70とフラッパ63の位置関係を示すモデル図である。図4は、上記モデル図に対応した駆動電流に対する吸気側、及び排気側の有効断面積を示すものである。図2aはバルブ入力電流I=0(初期値)の状態、図2bは0<I<Imax/2の状態、図2cはI≒Imax/2(中立点)の状態、図2dはImax/2<Imaxの状態、図2eはI=Imax(電流最大値)の状態である。同図において、77は供給側ノズル69と前記供給側凸部間の狭い環状隙間で形成される供給側ノズルオリフィス(供給側環状流路)、78は排気側ノズル70と排気側凸部75間の狭い環状隙間で形成される排気側ノズルオリフィス(排気側環状流路)である。79a、79b、79cは第1磁極71のフラッパ側端面に形成した流通溝、80は供給側凸部端面、81は排気側凸部端面、82は供給側ノズル端面、83は排気側ノズル端面である。 2a to 2e are model diagrams showing the positional relationship between the nozzles 69 and 70 and the flapper 63 when the valve input current is changed. FIG. 4 shows the effective cross-sectional areas of the intake side and the exhaust side with respect to the drive current corresponding to the above model diagram. 2a shows a state where the valve input current I=0 (initial value), FIG. 2b shows a state where 0<I<I max /2, FIG. 2c shows a state where I≈I max /2 (neutral point), and FIG. 2d shows I. The state of max /2<I max , and FIG. 2e shows the state of I=I max (maximum current value). In the figure, 77 is a supply-side nozzle orifice (supply-side annular flow path) formed by a narrow annular gap between the supply-side nozzle 69 and the supply-side convex portion, and 78 is between the exhaust-side nozzle 70 and the exhaust-side convex portion 75. Is an exhaust side nozzle orifice (exhaust side annular flow path) formed with a narrow annular gap. Reference numerals 79a, 79b and 79c are flow grooves formed on the flapper side end surface of the first magnetic pole 71, 80 is a supply side convex end surface, 81 is an exhaust side convex end surface, 82 is a supply side nozzle end surface, and 83 is an exhaust side nozzle end surface. is there.
図2aのバルブ駆動電流I=0では、前記フラッパの供給側凸部74は供給側ノズルオリフィス77に深く侵入して、供給側ノズル端面82はフラッパ63に密着している。このとき、供給側ノズルオリフィス(供給側環状流路)77は遮断状態にある。したがって、この段階では供給側流路61から制御室76への空気の流入は無い。詳細は[補足]で後述するが、バルブ駆動電流I=0のとき、あるいは、I= Imaxのとき、流路の有効断面積A=0(流量Q=0)にできるのは、本発明実施形態におけるマイクロピストン式サーボバルブ固有の特徴である。 When the valve drive current I=0 in FIG. 2A, the supply side convex portion 74 of the flapper deeply penetrates into the supply side nozzle orifice 77, and the supply side nozzle end surface 82 is in close contact with the flapper 63. At this time, the supply-side nozzle orifice (supply-side annular flow path) 77 is in a blocked state. Therefore, at this stage, there is no inflow of air from the supply-side flow passage 61 into the control chamber 76. Although details will be described later in [Supplement], when the valve driving current I=0 or I=I max , the effective cross-sectional area A=0 (flow rate Q=0) of the present invention can be achieved. This is a characteristic peculiar to the micro piston type servo valve in the embodiment.
図2bは電流が印加(I>0)されて、図2aと図2cの中間段階(0<I<Imax/2)を示し、フラッパ63は供給側ノズル端面82から離れる。ここで、図2bにおける鎖線円AAに注目する。この段階で流量は、凸部外周部とノズル内面で形成される「半径方向流路(隙間δr)」(供給側環状流路77)と、フラッパとノズル端面で構成される「軸方向流路(隙間δx)」の2つの流路抵抗により決定される。すなわち、マイクロピストン式バルブは、従来ノズルフラッパ弁(特許文献3)が有するノズル流量特性も兼ね備えているのである。フラッパ63が供給側ノズル端面82から離れた直後(図2b)においては、軸方向流路(隙間δx)の流体抵抗は充分に大きい。そのため、流量(有効断面積)は急峻には増大せず、緩やかに上昇していく。 FIG. 2b shows the intermediate stage (0<I<I max /2) of FIGS. 2a and 2c when the current is applied (I>0), and the flapper 63 moves away from the supply-side nozzle end surface 82. Attention is now paid to the dashed circle AA in FIG. 2b. At this stage, the flow rate is the "radial flow passage (gap δ r )" (supply side annular flow passage 77) formed by the outer peripheral portion of the convex portion and the inner surface of the nozzle, and the "axial flow" formed by the flapper and the end surface of the nozzle. Path (gap δ x )”. That is, the micro-piston valve also has the nozzle flow rate characteristic of the conventional nozzle flapper valve (Patent Document 3). Immediately after the flapper 63 separates from the supply-side nozzle end surface 82 (FIG. 2b), the fluid resistance of the axial flow path (gap δ x ) is sufficiently large. Therefore, the flow rate (effective cross-sectional area) does not increase sharply but gradually increases.
図2cの駆動電流I≒Imax/2(中立点)では、供給側凸部端面80は供給側ノズル端面82と近接した状態にある。また、排気側凸部75も排気側ノズル端面83に対して同様な状態にある。この段階では、前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流量、また、前記制御室から前記排気側ノズルに流入する流量(有効断面積)も狭い隙間δrにより抑制されている。 At the drive current I≈I max /2 (neutral point) in FIG. 2C, the supply-side convex end surface 80 is in a state of being close to the supply-side nozzle end surface 82. The exhaust side convex portion 75 is also in the same state as the exhaust side nozzle end surface 83. At this stage, the flow rate (effective cross-sectional area) flowing from the supply side nozzle into the control chamber and the flow rate (effective cross-sectional area) flowing from the control chamber into the exhaust side nozzle are also suppressed by the narrow gap δ r .
図2dは図2cと図2eの中間段階(Imax/2<I< Imax)を示す。同図に示すように、供給側凸部端面80と供給側ノズル端面82の距離をXd、供給側ノズル内径をdnとする。ノズル内径dnで決まる流路面積S1=(dn/2)π、ノズル開口端の仮想円筒面で決まる流路面積S1=2πdnXdとして、上記S1とS2の大きさを比較する。供給側凸部端面80が供給側ノズル端面82に充分に近い状態では、S2≪S1であるため、供給側流路の有効断面積A= S2となる。 FIG. 2d shows the intermediate stage (I max /2<I<I max ) between FIGS. 2c and 2e. As shown in the figure, the distance between the supply-side convex end surface 80 and the supply-side nozzle end surface 82 is X d , and the supply-side nozzle inner diameter is d n . The size of S 1 and S 2 above is defined as the flow passage area S 1 =(d n /2)π determined by the nozzle inner diameter d n and the flow passage area S 1 =2πd n X d determined by the virtual cylindrical surface at the nozzle opening end. To compare. In the state where the supply-side convex portion end surface 80 is sufficiently close to the supply-side nozzle end surface 82, S 2 <<S 1 , so that the effective cross-sectional area A of the supply-side flow path is A=S 2 .
図2eの駆動電流I=Imaxでは、供給側凸部74のノズル側端面80は前記供給側ノズル端面から十分に離れた状態にある。この場合、前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流量は最大となる。また、排気側ノズル端面83はフラッパ63に密着しており、排気側環状流路78は遮断状態にある。したがって、この状態(図2e)では制御室76から排気側流通路58への空気の流出は無い。 At the drive current I=I max in FIG. 2e, the nozzle-side end surface 80 of the supply-side convex portion 74 is sufficiently separated from the supply-side nozzle end surface. In this case, the flow rate flowing from the supply side nozzle into the control chamber becomes maximum. Further, the exhaust side nozzle end surface 83 is in close contact with the flapper 63, and the exhaust side annular flow path 78 is in a blocked state. Therefore, in this state (FIG. 2e), there is no outflow of air from the control chamber 76 to the exhaust side flow passage 58.
ちなみに、空気圧回路における流路(ノズル部)の有効断面積は、JIS B 8390-2000で定められた方法により、流量測定により実測することができる。たとえば、図4のグラフで示す供給側有効断面積は、次の方法で求められる。排気側流通路58の吐出口59を遮蔽し、供給側流路61に一定圧力源を連結して制御室76を大気開放する。この状態でバルブ駆動電流Iを変化させて、空気流量Qを実測する。圧力源の圧力を上流側圧力H、下流側圧力PL を大気圧、温度Tとして、関数f (PH, PL, T)を求める[式(1)参照]。電流Iにおける有効断面積A=Q/ f (PH, PL, T)として、AとIの関係を求めればよい。式(1)は流路面積が比較的大きな圧縮性流体を対象としているが、流路隙間が数ミクロンオーダーの場合は粘性流体なるために、粘性流体理論から導かれる式(公知)を適用して、上記有効断面積Aを求めればよい。 By the way, the effective cross-sectional area of the flow path (nozzle part) in the pneumatic circuit can be measured by measuring the flow rate by the method defined in JIS B 8390-2000. For example, the supply side effective area shown in the graph of FIG. 4 is obtained by the following method. The discharge port 59 of the exhaust side flow passage 58 is shielded, a constant pressure source is connected to the supply side flow passage 61, and the control chamber 76 is opened to the atmosphere. In this state, the valve drive current I is changed and the air flow rate Q is measured. The function f (P H , P L , T) is calculated with the pressure of the pressure source as the upstream pressure H , the downstream pressure P L as the atmospheric pressure, and the temperature T [see equation (1)]. The relation between A and I may be obtained by setting the effective area A=Q/f (P H , P L , T) at the current I. Equation (1) is intended for compressible fluid with a relatively large flow passage area, but if the flow passage gap is on the order of several microns, it becomes a viscous fluid, so the equation (known) derived from the viscous fluid theory is applied. Then, the effective area A may be obtained.
前述したように、他の実施形態も同様であるが、バルブ駆動電流I=0のとき有効断面積A=0(流量Q=0)にできるのは、本発明のマイクロピストン式サーボバルブ固有の特徴である。その理由は、本実施形態マイクロピストン式は流量の調節に、凸部とノズル部で形成される環状の「軸方向流路」と、フラッパとノズル端面で構成される「半径方向流路」の2つの流路を利用できるからである。特許文献4に開示されているスプール式気体圧制御弁(図49)の場合、円筒形状のスリーブ505の内部には、第1プランジ507と第2プランジ508が摺動可能に収納されている。したがって、流路の遮蔽(リーク流量の低減)は第1プランジ507、第2プランジ508の外周部とスリーブ505間の狭い隙間(軸方向流路)だけに依存せざるを得ない。リーク流量を僅少に保つためには、上記狭い隙間は流体の粘性流領域(10μm以下)にする必要があり、この狭い隙間を維持するために、静圧軸受でスプール501で非接触浮上させている。本発明の実施形態1、3は、環状流路のリークを線形化の効果として利用しているが、環状流路の隙間(マイクロピストンとノズル間の隙間)は0.1mmのオーダーでよく、従来スプール式と比べて、部品精度は大幅に緩和できる。上記実施形態における環状流路のリークは、定常時に許容される空気消費流量とのバランスを考慮して設定すればよい。 As described above, the other embodiments are similar, but the effective sectional area A=0 (flow rate Q=0) when the valve drive current I=0 is unique to the micro piston type servo valve of the present invention. It is a feature. The reason for this is that the micro-piston type of the present embodiment has an annular "axial flow path" formed by the convex portion and the nozzle portion and a "radial flow path" formed by the flapper and the nozzle end surface for adjusting the flow rate. This is because two channels can be used. In the case of the spool type gas pressure control valve (FIG. 49) disclosed in Patent Document 4, the first plunge 507 and the second plunge 508 are slidably accommodated inside the cylindrical sleeve 505. Therefore, the obstruction of the flow path (reduction of the leak flow rate) must depend only on the narrow gap (axial flow path) between the outer peripheral portions of the first plunge 507 and the second plunge 508 and the sleeve 505. In order to keep the leak flow rate small, it is necessary that the narrow gap be in the viscous flow region (10 μm or less) of the fluid. In order to maintain this narrow gap, a non-contact floating is performed by the spool 501 with a static pressure bearing. There is. In Embodiments 1 and 3 of the present invention, the leak of the annular flow path is used as an effect of linearization, but the clearance of the annular flow path (the clearance between the micro piston and the nozzle) may be on the order of 0.1 mm. Compared to the spool type, the precision of parts can be greatly eased. The leak in the annular flow path in the above embodiment may be set in consideration of the balance with the air consumption flow rate that is allowed in a steady state.
本実施形態では、バルブ駆動電流I=0のとき、流体供給源と空気圧アクチュエータ間の流路を完全遮断できるため、停電時のフェルセーフ機能として活用できる。このフェルセーフ機能により、空気圧アクチュエータに重量物が搭載されている場合でも、重量物は容易には降下しない。この機能は、半径方向流路(隙間δr)だけでバルブを構成する従来スプール式では困難だったものである。 In the present embodiment, when the valve drive current I=0, the flow path between the fluid supply source and the pneumatic actuator can be completely cut off, which can be utilized as a fail-safe function during a power failure. Due to this fail-safe function, even when a heavy load is mounted on the pneumatic actuator, the heavy load does not easily drop. This function is difficult in the conventional spool type in which the valve is constituted only by the radial passage (gap δ r ).
図4は、本実施形態における「マイクロピストン方式バルブ」の駆動電流に対する吸気側、及び排気側の有効断面積の一例を示すものである。実施例では、供給側、及び、有効断面積の最大値をAmax、中立点における両者の有効断面積をA0として、A0/ Amax=0.15に設定している。中立点における駆動電流I0=0.025Aとして、0<I< I0の範囲では吸気側開口面積は緩やかに上昇する。I0<I<Imax範囲では、供給側開口面積は急峻に増大する。 FIG. 4 shows an example of the effective cross-sectional areas of the intake side and the exhaust side with respect to the drive current of the “micro-piston type valve” in the present embodiment. In the embodiment, A 0 /A max =0.15 is set, where A max is the maximum value of the effective cross-sectional area on the supply side and A 0 is the effective cross-sectional area of both at the neutral point. With the drive current I 0 =0.025A at the neutral point, the intake side opening area gradually increases in the range of 0<I<I 0 . In the range of I 0 <I<I max , the opening area on the supply side sharply increases.
図5は、動作点における吸気側、及び排気側有効断面積を上記マイクロピストン方式と同一に設定した従来ノズルフラッパ弁の特性(駆動電流に対する吸気側、及び排気側の開口面積)を参考に示すものである。上記マイクロピストン方式と異なり、駆動電流に対する吸気側、及び排気側の有効断面積は、全電流領域(0<I<Imax)で直線的な比例関係にある。上記両バルの中立点(I=I0)におけるノズル開口面積は同一の値(A=0.25m2)に設定している。 FIG. 5 shows the characteristics of the conventional nozzle flapper valve (the opening areas on the intake side and the exhaust side with respect to the drive current) in which the effective cross-sectional areas of the intake side and the exhaust side at the operating point are set to be the same as those of the micro-piston method. Is. Unlike the above-mentioned micro-piston method, the effective cross-sectional areas of the intake side and the exhaust side with respect to the drive current have a linear proportional relationship in the entire current region (0<I<I max ). The nozzle opening areas at the neutral points (I=I 0 ) of both bars are set to the same value (A=0.25 m 2 ).
以下、駆動電流に対する吸気側、及び排気側の有効断面積を与えたときの、本実施例サーボバルブの圧力・流量特性を、従来ノズルフラッパ弁と対比して求める。サーボ弁のノズルを通過する気体の質量流量は、圧縮性流体の等エントロピ流れにおけるノズルの式(1)(2)を用いる。ノズルフラッパ間の有効断面積は、ノズル先端とフラッパ間で形成される環状の流路面積であり、ノズル内径をdとして、供給側有効断面積ain=dπx、排気側有効断面積aout=dπ(δa-x)である。以下、供給源側から空気室に流入する気体の質量流量Ginを次式に示す。ここで、Psは供給源圧力、Paはサーボバルブの制御室圧力、ρsは供給源気体密度、κは比熱比である。 Hereinafter, the pressure/flow rate characteristics of the servo valve of this embodiment when the effective cross-sectional areas of the intake side and the exhaust side with respect to the drive current are given will be determined in comparison with the conventional nozzle flapper valve. For the mass flow rate of the gas passing through the nozzle of the servo valve, the nozzle equations (1) and (2) in the isentropic flow of the compressive fluid are used. The effective cross-sectional area between the nozzle flappers is the annular flow path area formed between the nozzle tip and the flapper, where the nozzle inner diameter is d and the supply-side effective cross-sectional area a in =dπx and the exhaust-side effective cross-section a out =dπ. (δ a -x). The mass flow rate G in of the gas flowing into the air chamber from the supply source side is shown below. Here, P s is the supply source pressure, P a is the control chamber pressure of the servo valve, ρ s is the supply source gas density, and κ is the specific heat ratio.
前記制御室から大気側へ流出する気体の質量流量Goutは、式(1)、(2)において、Ps→ Pa、Pa→ P0、ρs→ρa、aout=dπ(δa-x) とすればよい。Vcは制御室33の容積、Rは気体定数である。この質量流量Gin、Goutにより、制御室33の圧力Paは、次式で求められる。 The mass flow rate G out of the gas flowing out from the control chamber to the atmosphere side is expressed by the following equations (1) and (2): P s →P a , P a →P 0 , ρ s →ρ a , a out =dπ( δ a -x). V c is the volume of the control chamber 33, and R is the gas constant. From the mass flow rates G in and G out , the pressure P a of the control chamber 33 is obtained by the following equation.
図6は、実施形態1に係る空気圧バルブにおいて、電流値に対する定常状態における制御圧力の解析結果を、従来ノズルフラッパ弁と対比して示す。制御圧力とは制御室33の圧力Paである。解析条件は、供給圧力PS=0.6MPa(abs)、大気圧P0=0.1MPa(abs)、空圧アクチュータの外径D=Φ96mm、空圧アクチュータの隙間δ0=3mm、空圧アクチュータの容積Vc=2.17×10-5m3である。 FIG. 6 shows the analysis result of the control pressure in the steady state with respect to the current value in the pneumatic valve according to the first embodiment, in comparison with the conventional nozzle flapper valve. The control pressure is the pressure P a of the control chamber 33. The analysis conditions are: supply pressure P S =0.6MPa(abs), atmospheric pressure P 0 =0.1MPa(abs), pneumatic actuator outer diameter D=Φ96mm, pneumatic actuator gap δ 0 =3mm, pneumatic actuator The volume V c =2.17×10 -5 m 3 .
図7は、実施形態1に係る空気圧バルブにおいて、電流値に対する定常状態における空気消費流量の解析結果を、従来ノズルフラッパ弁と対比して示す。前述したように、上記両バルブの中立点(I=I0)におけるノズル開口面積は同一の値(A=0.25m2)に設定しており、両バルブの空気消費流量はほぼ同レベルである。 FIG. 7 shows an analysis result of the air consumption flow rate in a steady state with respect to a current value in the pneumatic valve according to the first embodiment, in comparison with a conventional nozzle flapper valve. As described above, the nozzle opening area at the neutral point (I=I 0 ) of both valves is set to the same value (A=0.25 m 2 ), and the air consumption flow rate of both valves is almost the same level. ..
図8は、実施例バルブの駆動電流を急変させた場合の時間に対するバルブ流量の過渡応答特性を示すものである。目的は、前述したように、ステージ移動による反力を抑制するフィードフォワード制御を施すためである。同図に、従来フラッパ弁に駆動電流を急変させた場合の過渡応答特性を対比して示す。図6に示すように、実施例バルブの動作点における電流値はI=0.022A、従来ズルフラッパ弁はI=0.017Aであり、このときの制御圧力は、共にPa=2.5×105Pa(0.25MPa)である。 FIG. 8 shows the transient response characteristic of the valve flow rate with respect to time when the drive current of the example valve is suddenly changed. The purpose is to perform the feedforward control for suppressing the reaction force due to the stage movement, as described above. In the same figure, the transient response characteristics when the drive current is suddenly changed in the conventional flapper valve are shown in comparison. As shown in FIG. 6, the current value at the operating point of the embodiment valve is I=0.022A, and the conventional slip flapper valve is I=0.017A. At this time, the control pressures are both Pa=2.5×10 5 Pa (0.25 MPa).
実施例バルブはI=0.022→0.040Aに変化させた場合、従来ズルフラッパ弁はI=0.017→0.040Aに変化させた場合を示す。実施例バルブは最大流量Q=90NL/min近傍まで流量が得られるのに対して、従来ズルフラッパ弁は最大流量Q=33NL/min近傍までしか得られない。ちなみに、電流を急変させる前の定常時の空気消費流量は、共にQ=14〜18NL/minの範囲にある。 The example valve shows the case where I=0.022→0.040A, and the conventional slip flapper valve shows the case where I=0.017→0.040A. The valve of the embodiment can obtain a flow rate up to a maximum flow rate of Q=90 NL/min, whereas the conventional slipper flapper valve can only obtain a flow rate of up to a maximum flow rate of Q=33 NL/min. By the way, the air consumption flow rate in the steady state before the current is suddenly changed is in the range of Q=14 to 18 NL/min.
図9は、実施例バルブの駆動電流を急変させた場合の時間に対する発生荷重の過渡応答特性を、従来ズルフラッパ弁と対比して示すものである。図9bは図9aの部分拡大図である。図9において、発生荷重が最終到達値に対して0.632倍まで到達する時間を時定数Tとして定義する。実施例バルブ(マイクロピストン方式)の時定数T1=15.5ms、従来ズルフラッパ弁の時定数T2=60msである。したがって、本実施例バルブは従来ズルフラッパ弁と比べて、概略1/4の時間で所定の発生荷重を得ることができる。 FIG. 9 shows the transient response characteristics of the generated load with respect to time when the drive current of the embodiment valve is suddenly changed, in comparison with the conventional slip flapper valve. FIG. 9b is a partially enlarged view of FIG. 9a. In FIG. 9, the time required for the generated load to reach 0.632 times the final reached value is defined as the time constant T. The time constant T 1 of the example valve (micro piston system) is 15.5 ms, and the time constant T 2 of the conventional slip flapper valve is T 2 =60 ms. Therefore, the valve of this embodiment can obtain a predetermined generated load in about 1/4 of the time as compared with the conventional slip flapper valve.
さて、図1、及び、図2の説明で前述したように、本実施形態バルブは、供給側ノズル69とフラッパ63との間、及び、排気側ノズル70とフラッパ63の間に横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造をそれぞれ設けたものである。すなわち、前記環状流路形成構造は、各ノズル69、70の先端部の筒状の内周面と、前記内周面に対して半径方向に隙間を保って挿入される挿入体(74及び75)とから構成される。本発明は、上記隙間の大きさを適切に設定することにより、定常時の空気消費流量を低レベルに保ったままで、駆動電流に対する制御圧力特性に制御可能な線形領域が存在することを見出しものである。 As described above with reference to FIGS. 1 and 2, the valve of the present embodiment has a schematic cross section between the supply side nozzle 69 and the flapper 63 and between the exhaust side nozzle 70 and the flapper 63. Each is provided with an annular flow path forming structure that forms an annular flow path. That is, in the annular flow path forming structure, the cylindrical inner peripheral surface of the tip end of each of the nozzles 69 and 70 and the insert bodies (74 and 75) inserted with a gap in the radial direction from the inner peripheral surface. ) And. The present invention has found that by appropriately setting the size of the above-mentioned gap, there is a controllable linear region in the control pressure characteristic with respect to the drive current while keeping the air consumption flow rate in the steady state at a low level. Is.
図10は、中立点の有効断面積A0と最大有効断面積Amaxの比、すなわち、A0/Amaxをパラメータとして、駆動電流に対する制御圧力特性を求めたものである。ちなみに、中立点の有効断面積A0は、前記環状流路の半径方向隙間が小さい程小さく、最大有効断面積Amaxは、ノズル内径が大きい程大きい。図11は、駆動電流に対する空気消費流量を、図10と同一条件で求めたものである。 FIG. 10 shows the control pressure characteristics with respect to the drive current, with the ratio of the effective area A 0 at the neutral point and the maximum effective area A max , that is, A 0 /A max as a parameter. Incidentally, the effective cross-sectional area A 0 at the neutral point is smaller as the radial gap of the annular flow path is smaller, and the maximum effective cross-sectional area A max is larger as the nozzle inner diameter is larger. In FIG. 11, the air consumption flow rate with respect to the drive current is obtained under the same conditions as in FIG.
図10において、A0/Amax=0の場合、電流を増加していくと、0<I<0.025Aの範囲で制御圧力Pa=0である。I=0.025Aで制御圧力は急峻に増大して、Pa=6.0×105Pa(一定値)となる。したがって、この場合、駆動電流に対して制御圧力が比例関係にある線形領域は存在しない。但し、図11のグラフから全電流領域で空気消費流量Q=0である。 In FIG. 10, when A 0 /A max =0, as the current is increased, the control pressure Pa=0 in the range of 0<I<0.025A. At I=0.025A, the control pressure sharply increases to Pa=6.0×10 5 Pa (constant value). Therefore, in this case, there is no linear region in which the control pressure is proportional to the drive current. However, from the graph of FIG. 11, the air consumption flow rate Q=0 in the entire current region.
A0/Amaxの値が大きくなると、駆動電流に対して制御圧力が比例関係にある線形領域の幅は増大していく。同時に、図11のグラフから空気消費流量も増大していく。A0/Amax=0.5の場合、従来ノズルフラッパ弁の特性(図4)と等価になる。したがって、0<A0/Amax<0.5の範囲に設定すれば、駆動電流に対して制御圧力が比例関係にある線形領域を有すると共に、空気消費流量が従来ノズルフラッパ弁に対して、小さくできる。ノズルを通過する質量流量の式(1)、式(2)に示すように、質量流量はノズル部の有効断面積に比例する。したがって、I=Imax/2における環状流路のリーク流量をQ0、Amaxで決まる最大排気流量をQmaxとすれば、0<Q0/Qmax<0.5となるように設定してもよい。 As the value of A 0 /A max increases, the width of the linear region in which the control pressure is proportional to the drive current increases. At the same time, the air consumption flow rate also increases from the graph of FIG. When A 0 /A max =0.5, the characteristics are equivalent to those of the conventional nozzle flapper valve (Fig. 4). Therefore, by setting the range of 0<A 0 /A max <0.5, the control pressure has a linear region proportional to the drive current, and the air consumption flow rate can be made smaller than that of the conventional nozzle flapper valve. As shown in the equations (1) and (2) of the mass flow rate passing through the nozzle, the mass flow rate is proportional to the effective sectional area of the nozzle part. Therefore, if the leak flow rate of the annular flow path at I=I max /2 is Q 0 , and the maximum exhaust flow rate determined by A max is Q max , even if 0<Q 0 /Q max <0.5 is set. Good.
さて、本実施形態バルブは、低消費空気流量と大排気流量を同時に実現できる、という特徴に加えて、次の効果が得られる。
(1)共振周波数を高く設定できる
(2)小電力でバルブを駆動できる
(3)高速応答性が得られる
Now, in addition to the feature that the low air consumption flow rate and the large exhaust flow rate can be realized at the same time, the valve of this embodiment has the following effects.
(1) Resonance frequency can be set high (2) Valve can be driven with low power (3) High-speed response can be obtained
上記(1)の理由は次の様である。本研究において、バルブのフラッパに相当する部材を薄いディスク形状にすると、慣性負荷となる可動部の有効質量mはノズル先端近傍における弾性変形部分のみとなる点に注目した。一次の共振周波数は(K/m)1/2に比例するために、質量mが小さい程、ばね定数Kが大きい程、高くできる。従来ノズルフラッパ弁(図50)は質量mの剛体であるフラッパ554がバネ557で支持されているのに対して、本発明サーボバルブはフラッパ自身が弾性体(バネ)である。したがって、従来ノズルフラッパ弁と比べても、本実施形態バルブは共振周波数を高く設定できる。また、特許文献4に開示されているスプール弁(図51)において、前述したように、スプール501を含む可動部の共振周波数は、前記可動部の質量mと、つり合いばね521、522のばね定数Kにより決定される。しかし、大流量の開口部を形成する前記スプール軸の軽量化には限界がある。 The reason for (1) above is as follows. In this research, we paid attention to the fact that when the member corresponding to the flapper of the valve is made into a thin disk shape, the effective mass m of the movable part that becomes the inertial load is only the elastically deformed part near the nozzle tip. Since the primary resonance frequency is proportional to (K/m) 1/2 , the smaller the mass m and the larger the spring constant K, the higher the resonance frequency. In the conventional nozzle flapper valve (FIG. 50), a flapper 554, which is a rigid body having a mass of m, is supported by a spring 557, whereas in the servo valve of the present invention, the flapper itself is an elastic body (spring). Therefore, compared with the conventional nozzle flapper valve, the valve of this embodiment can set the resonance frequency higher. Further, in the spool valve (FIG. 51) disclosed in Patent Document 4, as described above, the resonance frequency of the movable portion including the spool 501 is equal to the mass m of the movable portion and the spring constants of the balancing springs 521 and 522. Determined by K. However, there is a limit to the weight reduction of the spool shaft that forms the large flow rate opening.
さて、パッシブ除振系に加速度フィードバックを施したアクティブ除振系の場合、高周波数域での除振性能の劣化を伴わずに、共振点のピークを低減できる。そのため、アクティブ除振台(図49)では加速度フィードバック制御の適用は必須である。詳細は既提案の特願2015-024794号で記載しているが、加速度フィードバック制御を施した場合、アクティブ除振系の開ループ特性は、広い周波数範囲で開ループゲインが増大すると共に、位相が遅れた特性になる。さらに、閉ループ制御系に組み込まれる空気圧サーボバルブの共振点において、開ループゲインは共振ピークを有し、位相は180度以上遅れる。その結果、空気圧サーボバルブの共振周波数を十分に大きく、たとえば200Hz以上に設定しないと、制御系は安定性に対する充分な裕度が得られないという課題があった。従来スプール式では困難だったこの課題に対して、本発明バルブは容易にクリアできる。 Now, in the case of an active vibration isolation system in which acceleration feedback is applied to the passive vibration isolation system, the peak of the resonance point can be reduced without deterioration of the vibration isolation performance in the high frequency range. Therefore, application of acceleration feedback control is essential for the active vibration isolation table (FIG. 49). The details are described in the previously proposed Japanese Patent Application No. 2015-024794, but when acceleration feedback control is applied, the open-loop characteristics of the active vibration isolation system show that the open-loop gain increases over a wide frequency range and the phase It becomes a delayed characteristic. Further, at the resonance point of the pneumatic servo valve incorporated in the closed loop control system, the open loop gain has a resonance peak and the phase is delayed by 180 degrees or more. As a result, there is a problem that the control system cannot have a sufficient margin for stability unless the resonance frequency of the pneumatic servo valve is set sufficiently high, for example, 200 Hz or higher. The valve of the present invention can easily solve this problem, which was difficult with the conventional spool type.
上記(2)の理由は次の様である。本発明のサーボバルブが小電力(小電流)で駆動できる理由は、駆動源に導体表面に働くMaxwellの応力を利用しているという点にある。通常は、0.1mm〜数mmオーダーの微小変位を直動運動させるアクチュエータとして、ボイスコイルモータ(リニアモータ)が使用される。しかし、ボイスコイルモータはローレンツ力を利用しており、大きな推力定数(電気機械変換効率)は得られない。本実施例は、板厚の薄いディスクを流れる磁束の磁気飽和現象に注目して、ローレンツ力よりもはるかに推力定数の高いMaxwellの応力が利用できるという点を利用している。上記理由により、本実施例サーボバルブを駆動する電源容量は十分に小さく、かつ小電流でよい。 The reason for (2) above is as follows. The reason why the servo valve of the present invention can be driven with a small electric power (small electric current) is that the driving source uses Maxwell's stress acting on the conductor surface. Usually, a voice coil motor (linear motor) is used as an actuator for linearly moving a small displacement of the order of 0.1 mm to several mm. However, since the voice coil motor uses Lorentz force, a large thrust constant (electromechanical conversion efficiency) cannot be obtained. In this embodiment, paying attention to the magnetic saturation phenomenon of the magnetic flux flowing through the thin disk, it is possible to use the Maxwell stress having a thrust constant much higher than the Lorentz force. For the above reason, the capacity of the power source for driving the servo valve of this embodiment is sufficiently small, and a small current is sufficient.
上記(3)の理由は、上記(1)(2)の本実施例バルブの特徴から、必然的に導かれるものである。すなわち、慣性負荷mとばね負荷Kが小さく、かつ電気機械変換効率が高いために、コイルの巻数も少なく、電気回路におけるインダクダンスも小さい。したがって、入力電流に対するフラッパ変位(流量)の伝達特性は、十分に高い応答性を得ることができる。 The reason for (3) above is inevitably derived from the features of the valve of this embodiment of (1) and (2) above. That is, since the inertial load m and the spring load K are small and the electromechanical conversion efficiency is high, the number of turns of the coil is small and the inductance in the electric circuit is small. Therefore, the flapper displacement (flow rate) transfer characteristic with respect to the input current can have sufficiently high responsiveness.
第2の実施形態
本実施例は、前述した実施例と比べて、定常時にさらなる低消費空気流量が図れると共に、電流に対する制御圧力特性の線形性を向上させたバルブ構造を提案するものである。すなわち、フラッパの表裏に形成する挿入体(マイクロピストン)の外径を非対称に形成することにより、メカニカル・フィードバック作用が得られることに着目したものである。
Second Embodiment This embodiment proposes a valve structure in which a further lower air consumption flow rate can be achieved in a steady state and the linearity of the control pressure characteristic with respect to the current is improved as compared with the above-mentioned embodiments. That is, it is focused on that a mechanical feedback action can be obtained by asymmetrically forming the outer diameter of the insert (micro piston) formed on the front and back of the flapper.
(1)非対称マイクロピストン方式の構成
図12は、本発明の実施形態2に係る空気圧サーボバルブの正面断面図である。図13にマイクロピストン部の部分拡大図を示す。150は筒部形状の中心軸、151はこの中心軸の底部、152は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された中心軸の外枠部、153は前記中心軸に装着されたコイルボビン、154は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。中心軸150、中心軸底部151、中心軸の外枠部152、コイルボビン153、コイル154により、フラッパ(後述)を吸引して、その変位を制御する電磁アクチュエータを構成している。
(1) Configuration of Asymmetric Micro Piston Method FIG. 12 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to the second embodiment of the present invention. FIG. 13 shows a partially enlarged view of the micro piston part. Reference numeral 150 is a cylindrical central axis, 151 is a bottom portion of the central axis, 152 is an outer frame portion of the central axis formed concentrically with the central axis of the central axis, and 153 is a coil bobbin attached to the central axis. Reference numeral 154 is a coil wound around the coil bobbin. The central shaft 150, the central shaft bottom portion 151, the central shaft outer frame portion 152, the coil bobbin 153, and the coil 154 constitute an electromagnetic actuator that sucks a flapper (described later) and controls its displacement.
155は中心軸の底部151と外枠部152を収納する筒形状の排気側ハウジング、156はこの排気側ハウジング底部、157はハウジング底部156と中心軸底部151を締結するボルト、158は排気側ハウジング底部156に形成された排気側流通路、159は中心軸150に形成された吐出口である。160は供給側ハウジング、161はこの供給側ハウジングの中心部に形成された供給側流路、162は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。163は凸形円盤形状のフラッパで、板厚の厚い凸部(磁気経路部)164aと、板厚の薄い外周部(弾性変形部)164bにより構成される。165は吸入口、166は供給側ハウジング160とフラッパ163の間に形成される供給側空隙部、167はフラッパ163と前記排気側ハウジング側との間に形成される排気側空隙部である。168a、168b、168c、168dはフラッパ163に形成された流通穴(168b、168dは図示せず)、169は供給側ノズル(順方向ノズル)、170は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。171は中心軸150のフラッパ弁側端面(中心軸端面)で、電磁石の第1磁極である。172は外枠部152のフラッパ側端面に形成された第2磁極、173は供給側ハウジング160と排気側ハウジング155を締結する溶接部である。174は前記フラッパの供給側の中心部に形成された供給側凸部(供給側マイクロピストン)、175は前記フラッパの排気側の中心部に形成された排気側凸部(排気側マイクロピストン)である。図13に示すように、供給側凸部174の外径をΦdin、排気側凸部175の外径をΦdoutとしてΦdin>Φdoutである。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの制御室176を形成している。 155 is a cylindrical exhaust side housing that houses the bottom 151 of the central shaft and the outer frame 152, 156 is this exhaust side housing bottom, 157 is a bolt that fastens the housing bottom 156 and the central shaft bottom 151, and 158 is the exhaust side housing. The exhaust side flow passage 159 formed in the bottom portion 156 is a discharge port formed in the central shaft 150. Reference numeral 160 is a supply-side housing, 161 is a supply-side flow path formed in the center of the supply-side housing, and 162 is a control-side flow path connected to a pneumatic actuator (not shown). A convex disk-shaped flapper 163 is composed of a convex portion (magnetic path portion) 164a having a thick plate thickness and an outer peripheral portion (elastic deformation portion) 164b having a thin plate thickness. Reference numeral 165 is a suction port, 166 is a supply side gap formed between the supply side housing 160 and the flapper 163, and 167 is an exhaust side gap formed between the flapper 163 and the exhaust side housing. 168a, 168b, 168c, 168d are flow holes (168b, 168d not shown) formed in the flapper 163, 169 is a supply side nozzle (forward nozzle), and 170 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). Reference numeral 171 denotes a flapper valve side end surface of the central shaft 150 (central shaft end surface), which is a first magnetic pole of the electromagnet. Reference numeral 172 is a second magnetic pole formed on the flapper side end surface of the outer frame portion 152, and 173 is a welding portion for fastening the supply side housing 160 and the exhaust side housing 155. Reference numeral 174 is a supply side convex portion (supply side micro piston) formed in the flap side supply side central portion, and 175 is an exhaust side convex portion (exhaust side micro piston) formed in the flap side exhaust side central portion. is there. As shown in FIG. 13, a Φd in> Φd out the outer diameter .PHI.d in, the outer diameter of the exhaust-side protrusion 175 as .PHI.d out of the supply-side protrusion 174. Further, the supply side void portion and the exhaust side void portion form a control chamber 176 of the present valve.
(2)非対称マイクロピストン方式バルブの理論解析
左右のディスク面に加わる力の平衡条件を求める。図14に、非対称マイクロピストンとノズル部の解析モデル図を示す。図14aは、(i)バルブ供給側に高圧源が連結されていなくPS=P0(大気圧)、かつ電磁石の駆動電流がI=0の状態、(ii)バルブ供給側に高圧源(たとえば、PS=0.6MPa)が連結されて、かつ駆動電流がI=0の状態、上記(i)(ii)のいずれかの状態を示す。上記(i)(ii)のいずれの場合でも、制御室176、排気側流路158の圧力は全て大気圧P0となる。図14bは、バルブ供給側に高圧源が連結された上記(ii)の条件で、駆動電流をI>0の場合を示す。
(2) Theoretical analysis of asymmetric micro-piston type valve The equilibrium condition of the force applied to the left and right disk surfaces is obtained. FIG. 14 shows an analytical model diagram of the asymmetric micro piston and the nozzle portion. FIG. 14a shows (i) a state in which a high-voltage source is not connected to the valve supply side, P S =P 0 (atmospheric pressure), and the drive current of the electromagnet is I=0, (ii) a high-voltage source on the valve supply side ( For example, P S =0.6 MPa) is connected, the drive current is I=0, and any one of the above (i) and (ii) is shown. In any of the above cases (i) and (ii), the pressures in the control chamber 176 and the exhaust side flow path 158 are all atmospheric pressure P 0 . FIG. 14b shows a case where the drive current is I>0 under the condition (ii) in which the high voltage source is connected to the valve supply side.
図13、及び、図14bにおいて、制御室176の圧力Pa、供給側マイクロピストンの面積をS1、排気側マイクロピストンの面積をS2、マイクロピストン変位をx、電磁石の駆動電流をI、推力定数をKi、ディスクのバネ定数をKd、圧力フィードバック定数をKPとする。各ピストン端面に加わる圧力による荷重、電磁石の吸引力、ディスクばねによる反力で決まる力の平衡条件は 13 and 14b, the pressure P a of the control chamber 176, the area of the supply side micropiston S 1 , the area of the exhaust side micropiston S 2 , the micropiston displacement x, the electromagnet drive current I, the thrust constant K i, the spring constant of the disc K d, the pressure feedback constant is K P. The equilibrium condition of the force determined by the load applied to the end face of each piston, the attraction force of the electromagnet, and the reaction force of the disc spring is
前述した式(1)〜式(3)、及び、式(8)を連立して解くことにより、非対称マイクロピストン方式バルブを用いた場合の圧力・流量特性を求めることができる。たとえば、PS=0.6Mpa(abs)、P0=0.1Mpa(abs)、Φdin=4.5mm、Φdout=1.8mm、及び、Kd=19200N/mの条件でマイクロピストンを構成した場合、バイアス荷重F0=3.14N、バイアス変位量x0=0.164mmである。 By solving the above equations (1) to (3) and equation (8) simultaneously, the pressure/flow rate characteristics when using the asymmetric micro-piston type valve can be obtained. For example, when P S =0.6Mpa (abs), P 0 =0.1Mpa (abs), Φd in =4.5mm, Φd out =1.8mm, and K d =19200N/m, the micropiston is configured as follows: Bias load F 0 =3.14N and bias displacement x 0 =0.164mm.
図15は、電磁石の駆動電流Iを入力として制御圧力Paを出力とした場合のブロック線図である。但し、同図において、ディスク変位xに対する制御圧力Paの伝達関数G(s)は、非線形方程式(1)〜式(3)を数値解析で解くことにより得られるもので、Paとxの関係は非線形である。 FIG. 15 is a block diagram when the drive current I of the electromagnet is input and the control pressure P a is output. However, in the figure, the transfer function G(s) of the control pressure P a with respect to the disc displacement x is obtained by solving the nonlinear equations (1) to (3) by numerical analysis, and P a and x The relationship is non-linear.
図16は、排気側凸部径(排気側マイクロピストン径)Φdout=1.8mm一定の条件下で、供給側凸部径(吸気側マイクロピストン径)Φdinをパラメータとして、駆動電流に対する供給側有効断面積を示すものである。但し、同グラフは供給側と排気側に圧力差が生じない無負荷状態を想定して、駆動電流値に比例してフラッパ163が供給側から排気側へ移動する場合を想定している。供給側ノズル169と供給側凸部174間の隙間は僅小と仮定しているため、電流値が0<I<0.025Aの範囲では、供給側有効断面積Ain≒0である。I>0.025Aでは、電流値に比例して供給側有効断面積Ainは直線的に増大する。同図中に駆動電流に対する排気側有効断面積(鎖線)を参考に示す。 FIG. 16 shows that, under the condition that the exhaust side convex portion diameter (exhaust side micropiston diameter) Φd out =1.8 mm is constant, the supply side convex portion diameter (intake side micropiston diameter) Φd in is used as a parameter for the drive current supply side. The effective area is shown. However, the graph assumes a no-load state in which there is no pressure difference between the supply side and the exhaust side, and assumes the case where the flapper 163 moves from the supply side to the exhaust side in proportion to the drive current value. Since it is assumed that the gap between the supply-side nozzle 169 and the supply-side convex portion 174 is small, the supply-side effective area A in ≈0 in the range of current value 0<I<0.025A. When I>0.025A, the supply side effective area A in increases linearly in proportion to the current value. In the figure, the exhaust side effective sectional area (chain line) with respect to the drive current is shown for reference.
本実施例では、供給側ノズル169と供給側凸部174間の隙間、及び、排気側ノズル170と排気側凸部175間で構成される環状流路の隙間は、数μm〜10μmに設定した。環状流路の隙間がこのオーダーになると、流体(空気)の流れは粘性流領域になる。一方、開口径が0.1mmオーダーを通過するノズルの流れは圧縮性流体の領域である。流路の入力側と出口側に同一の圧力差が加わった場合を比較すると、粘性流領域における流量は、その高い流体抵抗のために、圧縮性流体の領域と比べて大きく低減する。 In this embodiment, the gap between the supply side nozzle 169 and the supply side convex portion 174 and the gap of the annular flow path formed between the exhaust side nozzle 170 and the exhaust side convex portion 175 are set to several μm to 10 μm. .. When the gap of the annular flow path is in this order, the flow of fluid (air) becomes a viscous flow region. On the other hand, the flow of the nozzle having an opening diameter of the order of 0.1 mm is a region of compressible fluid. Comparing the case where the same pressure difference is applied to the input side and the outlet side of the flow path, the flow rate in the viscous flow region is greatly reduced as compared with the compressive fluid region because of its high fluid resistance.
図17は、供給圧力PS=0.6MPa(abs)、大気圧P0=0.1MPa(abs)、及び、表1の解析条件の基で、駆動電流に対する制御圧力特性を求めたものである。マイクロピストンの外径Φdin、Φdoutは図17に記載している。電流値が0<I<0.025Aの範囲では、供給側流路161と制御室176間の流路は遮断されているため、制御圧力Pa=0.1MPa(大気圧)である。 FIG. 17 shows the control pressure characteristics with respect to the drive current, based on the supply pressure P S =0.6 MPa(abs), the atmospheric pressure P 0 =0.1 MPa(abs), and the analysis conditions in Table 1. The outer diameters Φd in and Φd out of the micropiston are shown in FIG. When the current value is in the range of 0<I<0.025A, the control pressure Pa=0.1 MPa (atmospheric pressure) because the flow passage between the supply-side flow passage 161 and the control chamber 176 is blocked.
Φdin=1.8mmの場合、すなわち、吸気側マイクロピストン径と排気側マイクロピストン径が等しく、Φdin=Φdinの場合、I=0.025A前後で制御圧力は急峻に変化する。すなわち、I<0.025Aの範囲で大気圧Pa=P0、I >0.025Aの範囲で供給圧Pa=PSを保つ。したがって、この条件下では、本バルブによる圧力の比例制御は困難である。Φdin=2.7mmの場合、0.025<I<0.03Aの範囲でメカニカル・圧力フィードバックの効果が機能して、電流値に対する制御圧力は比例する。さらに、吸気側マイクロピストン径Φdinが大きくなる程、電流値に対する制御圧力が比例関係となる線形領域は増加していく。 When Φd in =1.8 mm, that is, when the intake-side micropiston diameter is equal to the exhaust-side micropiston diameter and Φd in =Φd in , the control pressure changes sharply around I=0.025A. That is, the atmospheric pressure P a =P 0 is maintained in the range of I<0.025A, and the supply pressure P a =P S is maintained in the range of I>0.025A. Therefore, under this condition, proportional control of pressure by this valve is difficult. When Φd in =2.7mm, the effect of mechanical/pressure feedback works in the range of 0.025<I<0.03A, and the control pressure is proportional to the current value. Furthermore, the linear region in which the control pressure is proportional to the current value increases as the intake-side micropiston diameter Φd in increases.
図18は、Φdin=4.5mm、Φdout=1.8mmの場合における電流値に対する制御圧力の静特性を示す。本バルブは、同グラフ中に示すように、開放状態と遮断状態の2ケースしか有しないON/OFFバルブである。にもかかわらず、何故電流値に対する制御圧力の静特性が比例関係を有することができるのかについて、以下説明する。 FIG. 18 shows static characteristics of the control pressure with respect to the current value when Φd in =4.5 mm and Φd out =1.8 mm. This valve is an ON/OFF valve that has only two cases, an open state and a shutoff state, as shown in the graph. Nevertheless, the reason why the static characteristic of the control pressure with respect to the current value can have a proportional relationship will be described below.
図19a〜図19cはマイクロピストン変位、吸入流量、制御圧力の過渡応答特性を示すものである。すなわち、時間t=0.4sで電流値I=0→0.03A、及び、I=0→0.04Aの2通りの目標値に変化させた場合を比較したものである。図19aにおけるマイクロピストン変位の過渡応答特性において、電流値I=0→0.03A、I=0→0.04Aのいずれもマイクロピストン変位x=0.35mmに収束する。その理由は、制御圧力の最終到達値に関わりなく、図20cで後述するように、圧力フィードバックによるマイクロピストンの移動により、供給側と排気側共に遮断状態になるからである。 19a to 19c show transient response characteristics of micropiston displacement, suction flow rate, and control pressure. That is, the comparison is made when the current value is changed to two target values of I=0→0.03A and I=0→0.04A at time t=0.4s. In the transient response characteristic of the micropiston displacement in FIG. 19a, both the current values I=0→0.03A and I=0→0.04A converge to the micropiston displacement x=0.35 mm. The reason is that, regardless of the final reached value of the control pressure, as will be described later with reference to FIG.
図19bにおける吸入流量の過渡応答特性において、電流値I=0の段階、及び、電流が目標値に到達後の定常状態では、空気消費流量Q=0の状態を保つことが分かる。また、図19cにおける制御圧力の過渡応答特性において、時間t>0.4sでは、圧力Paは電流値で決まる静特性圧力(図17参照)に到達する。 In the transient response characteristic of the intake flow rate in FIG. 19b, it can be seen that the state of the air consumption flow rate Q=0 is maintained at the stage of the current value I=0 and the steady state after the current reaches the target value. Further, in the transient response characteristic of the control pressure in FIG. 19c, at time t> 0.4 s, the pressure P a reaches the static characteristic pressure (see FIG. 17) determined by the current value.
図20a〜図20cは、図19aにおける非対称マイクロピストンの挙動をモデル化して示すものである。図20aは、電流を印加する前の状態を示し、供給側流路161と制御室176は遮断状態にある。図20bは、供給側ノズル169と供給側凸部174間が開口して、空気が密閉空間である制御室176に充填される状態を示す。このとき、左右のマイクロピストンの面積差に比例するフィードバック作用[FB=(S1-S2)Pa・・・式(4)の右辺第2項]が印加される。この力FBは、供給側凸部174を再び供給側に移動させるように作用する。図20cは、供給側ノズル169と供給側凸部174間、及び、排気側ノズル175排気凸部175間が共に遮断状態になった場合を示す。このとき、制御室176は密閉空間となり、駆動電流で決まる制御圧力(図18、図19c参照)に収束する。 20a to 20c show the behavior of the asymmetric micropiston shown in FIG. 19a as a model. FIG. 20a shows the state before the current is applied, and the supply-side flow channel 161 and the control chamber 176 are in the cutoff state. FIG. 20b shows a state in which the space between the supply-side nozzle 169 and the supply-side convex portion 174 is open and air is filled in the control chamber 176 which is a closed space. At this time, the feedback effect is proportional to the area difference between the left and right micro piston [F B = (S1-S2 ) Pa ··· Equation (4) the second term on the right side of] is applied. This force F B acts so as to move the supply side convex portion 174 to the supply side again. FIG. 20c shows a case where both the supply side nozzle 169 and the supply side convex portion 174 and the exhaust side nozzle 175 and the exhaust convex portion 175 are in a blocking state. At this time, the control chamber 176 becomes a closed space and converges to the control pressure (see FIGS. 18 and 19c) determined by the drive current.
さて、実施形態バルブをアクティブ除振台のフィードフォワード制御に適用する場合について、以下考察する。
図21は、駆動電流を急変させた場合、時間に対する発生荷重の過渡応答特性を求めたものである。図21bは図21aの部分拡大図である。図21bにおいて、電流I=0→0.04Aに変化させた場合、発生荷重が最終到達値(F=0→2700N)に対して0.632倍まで到達する時間を時定数Tとすれば、T=13.6msである。前述した従来ズルフラッパ弁の時定数T2=60msと比較しても、充分に高い応答性が得られる(図9b参照)。したがって、定常時の空気消費流量をゼロにできる非対称マイクロピストン方式でも、フィードフォワード制御に必要な充分な性能を得ることができることが分かる。
Now, the case of applying the valve of the embodiment to the feedforward control of the active vibration isolation table will be considered below.
FIG. 21 shows the transient response characteristics of the generated load with respect to time when the drive current is suddenly changed. FIG. 21b is a partially enlarged view of FIG. 21a. In FIG. 21b, when the current I=0→0.04A is changed, the time constant at which the generated load reaches 0.632 times the final reached value (F=0→2700N) is T=13.6. is ms. Even when compared with the time constant T 2 =60 ms of the conventional slip flapper valve described above, a sufficiently high response is obtained (see FIG. 9b). Therefore, it can be seen that sufficient performance required for feedforward control can be obtained even with the asymmetrical micro-piston system that can reduce the air consumption flow rate in the steady state to zero.
第3の実施形態
本実施例は、前述した下記の2つの実施例、すなわち、図22に示すように、
(i)フラッパ表裏に形成するマイクロピストン外径を非対称にする
(ii)吸・排気流路面積を2段階で変化させる
上記(i)(ii)を組み合せた相乗効果により、電流に対する制御圧力特性の線形性のさらなる向上が図れることを見出したものである。
Third Embodiment This embodiment is based on the following two embodiments, that is, as shown in FIG.
(I) The outer diameter of the micro piston formed on the front and back of the flapper is made asymmetrical. (ii) The intake/exhaust flow passage area is changed in two steps. Due to the synergistic effect of the combination of (i) and (ii) above, the control pressure characteristic with respect to the current is controlled. We have found that the linearity of can be further improved.
図23は、マイクロピストン部の部分拡大図で、261はこの供給側ハウジングの中心部に形成された供給側流路、262は供給側空隙部、263は排気側空隙部である。264は供給側ノズル(順方向ノズル)、265は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。266はフラッパ、267は中心軸、268は前記中心軸のフラッパ側端面で電磁石の第1磁極である。269は前記フラッパの供給側の中心部に形成された供給側凸部(吸気側マイクロピストン)、270は前記フラッパの排気側の中心部に形成された排気側凸部(排気側マイクロピストン)である。供給側凸部269の外径をΦdin、排気側凸部270の外径をΦdoutとして、前述した実施例同様に、Φdin>Φdoutである。271は、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部で形成される制御室である。鎖線円AAに注目すると、272は供給側ノズル264と供給側凸部269間の隙間で形成される供給側環状流路、273は排気側ノズル265と排気側凸部279間の環状隙間で形成される排気側環状流路(図24c参照)である。274は供給側凸部端面、275は排気側凸部端面、276は供給側ノズル端面、277は排気側ノズル端面である。 FIG. 23 is a partially enlarged view of the micro-piston portion. 261 is a supply-side flow passage formed in the center of the supply-side housing, 262 is a supply-side void portion, and 263 is an exhaust-side void portion. Reference numeral 264 is a supply side nozzle (forward nozzle) and 265 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). 266 is a flapper, 267 is a central axis, and 268 is a flapper side end surface of the central axis, which is the first magnetic pole of the electromagnet. Reference numeral 269 is a supply side convex portion (intake side micro-piston) formed in the supply side central portion of the flapper, and 270 is an exhaust side convex portion (exhaust side micro piston) formed in the flap side exhaust side central portion. is there. Assuming that the outer diameter of the supply side convex portion 269 is Φd in and the outer diameter of the exhaust side convex portion 270 is Φd out , Φd in >Φd out as in the above-described embodiment. Reference numeral 271 is a control chamber formed by the supply side void portion and the exhaust side void portion. Focusing on the chain line circle AA, 272 is a supply side annular flow path formed by a gap between the supply side nozzle 264 and the supply side convex portion 269, and 273 is formed by an annular gap between the exhaust side nozzle 265 and the exhaust side convex portion 279. The exhaust side annular flow path (see FIG. 24c). Reference numeral 274 is a supply-side convex end surface, 275 is an exhaust-side convex end surface, 276 is a supply-side nozzle end surface, and 277 is an exhaust-side nozzle end surface.
図23におけるフラッパ266と2つのノズル264、265の位置関係は、駆動電流が0<I<Imax/2の範囲にある場合を示す。駆動電流が上記範囲においては、供給側流路261から供給された空気は、供給側環状流路272を経て、制御室271にリークする。 The positional relationship between the flapper 266 and the two nozzles 264 and 265 in FIG. 23 shows the case where the drive current is in the range of 0<I<I max /2. When the drive current is in the above range, the air supplied from the supply-side flow passage 261 leaks to the control chamber 271 via the supply-side annular flow passage 272.
図24a〜24cはバルブ入力電流を変えたときのノズルフラッパ間の組み合わせ状態を示す。図24aのバルブ入力電流I=0(初期値)では、前記フラッパの供給側凸部269は供給側ノズル264に深く侵入して、供給側ノズル端面276はフラッパ266に密着して供給側環状流路272は遮断状態にある。したがって、この状態(図24a)では供給側流路261から制御室271への空気の流入は無い。 24a to 24c show combinations of nozzle flapper combinations when the valve input current is changed. At the valve input current I=0 (initial value) in FIG. 24a, the supply side convex portion 269 of the flapper penetrates deeply into the supply side nozzle 264, and the supply side nozzle end surface 276 is in close contact with the flapper 266 and the supply side annular flow. Path 272 is blocked. Therefore, in this state (FIG. 24a), there is no inflow of air from the supply-side flow passage 261 into the control chamber 271.
電流が印加(I>0)され、図24aと図24bの中間段階(図23の状態)において、フラッパ266は供給側ノズル端面276から離れる。しかし、供給側凸部269と供給側ノズル264で形成される環状流路は、実施例では0.1mmオーダーの狭い隙間で構成されており、供給側流路261から本バルブの前記制御室に流入する空気流量は小さい。また排気側凸部270は排気側ノズル265と大きく離れており、排気側は開放状態にある。 When the current is applied (I>0), the flapper 266 separates from the supply side nozzle end surface 276 in the intermediate stage between FIGS. 24a and 24b (state of FIG. 23). However, the annular flow path formed by the supply side convex portion 269 and the supply side nozzle 264 has a narrow gap of the order of 0.1 mm in the embodiment, and flows from the supply side flow path 261 into the control chamber of the present valve. The flow rate of air is small. The exhaust side convex portion 270 is largely separated from the exhaust side nozzle 265, and the exhaust side is in an open state.
図24cの入力電流I≒Imax/2(中立点)では、供給側凸部端面274は供給側ノズル端面276と近接した状態にある。また、排気側凸部275も排気側ノズル端面277に対して同様な状態にある。前記供給側ノズルから前記制御室に流入する流量、また、前記制御室から前記排気側ノズルに流入する流量も狭い隙間により抑制されている。 At the input current I≈I max /2 (neutral point) in FIG. 24c, the supply-side convex end surface 274 is close to the supply-side nozzle end surface 276. The exhaust side convex portion 275 is also in the same state as the exhaust side nozzle end surface 277. The flow rate flowing from the supply side nozzle into the control chamber and the flow rate flowing from the control chamber into the exhaust side nozzle are also suppressed by the narrow gap.
図24cの入力電流I=Imaxでは、供給側凸部端面274は供給側ノズル端面276から十分に離れた状態にある。この場合、供給側流路261から前記制御室に流入する流量は充分に大きい。また、排気側凸部270は、排気側ノズルオリフィス265に深く侵入しており、排気側ノズル端面277はフラッパ266に密着して排気側ノズルオリフィス(排気側環状流路)273は遮断状態にある。したがって、この状態(図24c)では制御室271から排気側流通路278への空気の流出は無い。 At the input current I=I max in FIG. 24c, the supply-side convex end surface 274 is sufficiently separated from the supply-side nozzle end surface 276. In this case, the flow rate flowing into the control chamber from the supply-side flow passage 261 is sufficiently large. Further, the exhaust side convex portion 270 deeply penetrates into the exhaust side nozzle orifice 265, the exhaust side nozzle end surface 277 is in close contact with the flapper 266, and the exhaust side nozzle orifice (exhaust side annular flow path) 273 is in a blocking state. .. Therefore, in this state (FIG. 24c), there is no outflow of air from the control chamber 271 to the exhaust side flow passage 278.
図25は、本実施形態における駆動電流に対する吸気側有効断面積を、前述した第2の実施形態と対比して示すものである。本実施形態では、供給側、及び、有効断面積の最大値をAmax、中立点における両者の有効断面積A0として、A0/ Amax=0.15に設定している。但し、本実施形態、及び、第2の実施形態共、排気側凸部径(排気側マイクロピストン径)Φdout=1.8mm、吸気側凸部径(吸気側マイクロピストン径)Φdin=4.5mmに設定している。また、同グラフは供給側と排気側に圧力差が生じない無負荷状態を想定して、駆動電流値に比例して前記フラッパが供給側から排気側へ移動する場合を想定している。 FIG. 25 shows the intake side effective sectional area with respect to the drive current in the present embodiment, in comparison with the second embodiment described above. In the present embodiment, A 0 /A max =0.15 is set as the maximum value of the effective cross-sectional area on the supply side and A max , and the effective cross-sectional area A 0 of both of them at the neutral point. However, in the present embodiment and the second embodiment, the exhaust side convex portion diameter (exhaust side micropiston diameter) Φd out =1.8 mm, the intake side convex portion diameter (intake side micropiston diameter) Φd in =4.5 mm Is set to. Further, the graph assumes a no-load state in which a pressure difference does not occur between the supply side and the exhaust side, and assumes the case where the flapper moves from the supply side to the exhaust side in proportion to the drive current value.
図26は、本実施形態3に係る空気圧サーボバルブにおいて、電流値に対する定常状態における制御圧力の解析結果を、第2の実施形態と対比して示す。供給圧力、空圧アクチュータの外径、隙間、容積などの解析条件は、前述した実施形態2と同一である。前述した実施形態2では、駆動電流が0.025<I<0.045Aの範囲でのみ、電流に対する制御圧力と特性は線形領域を有する。本実施形態3では、電流に対する制御圧力特性は、全電流領域0<I<0.05Aの広い範囲で、線形領域を有することができる。 FIG. 26 shows the analysis result of the control pressure in the steady state with respect to the current value in the pneumatic servo valve according to the third embodiment, in comparison with the second embodiment. The analysis conditions such as the supply pressure, the outer diameter of the pneumatic actuator, the gap, and the volume are the same as those in the second embodiment. In the second embodiment described above, the control pressure and the characteristic with respect to the current have a linear region only when the drive current is in the range of 0.025<I<0.045A. In the third embodiment, the control pressure characteristic with respect to the current can have a linear region in a wide range of the entire current region 0<I<0.05A.
さて、アクティブ除振台(図49参照)におけるサーボバルブ特性は、動作点を中心に、電流値に対する制御圧力が広い範囲で線形性を保つ領域を有するのが好ましい。その理由は次の様である。サーボバルブは流体サーボ装置(アクティブ除振台)の制御系を構成する一要素であるため、電流の変化分に対する流量の変化分の比率は流量ゲインとして、開ループゲインの中に組み込まれる。サーボバルブの流量特性が非線形の場合、アクティブ除振台全体の安定性裕度を見込むための開ループゲインは、流量ゲインの最大値で決定せざるを得ない。しかし、サーボバルブの動作点は、通常は駆動電流範囲の中間位置近傍(I≒Imax/2)で使用される場合が多い。そのため、電流に対する流量特性が非線形である程、動作点において必要以上に過剰なゲイン余裕を設定することになる。この場合、アクティブ除振台は本来有する十分な性能を発揮できない。
さらに、フィードフォワード制御(以下FF制御)は外乱が既知であって始めて成立する。上記ステージFF制御を施すためには、既知であるステージ挙動信号を用いる。ステージFF制御を用いて、直動外乱を効果的に相殺するためには、ステージの加速度信号を逆位相で忠実に再現する発生力の波形を作る必要がある。そのためには、バルブ駆動電流波形と発生圧力の波形が相似形になるように、すなわち、バルブ駆動電流の動作点を中心に、電流値に対する制御圧力特性が線形性を保つ領域を、出来るだけ広い範囲で持つのが好ましい。
By the way, it is preferable that the servo valve characteristic in the active vibration isolation table (see FIG. 49) has a region in which the control pressure with respect to the current value maintains linearity in a wide range around the operating point. The reason is as follows. Since the servo valve is one element constituting the control system of the fluid servo device (active vibration isolation table), the ratio of the flow rate change to the current change is incorporated in the open loop gain as a flow rate gain. When the flow characteristic of the servo valve is non-linear, the open loop gain for predicting the stability margin of the entire active vibration isolation table must be determined by the maximum value of the flow gain. However, the operating point of the servo valve is usually used near the intermediate position of the drive current range (I≈Imax/2). Therefore, the more nonlinear the flow rate characteristic with respect to the current, the more excessive gain margin is set at the operating point. In this case, the active anti-vibration table cannot exhibit the sufficient performance that it originally has.
Further, the feedforward control (hereinafter referred to as FF control) is established only when the disturbance is known. A known stage behavior signal is used to perform the stage FF control. In order to effectively cancel the linear disturbance using the stage FF control, it is necessary to create a waveform of the generated force that faithfully reproduces the acceleration signal of the stage in antiphase. To do so, make the waveform of the valve drive current and the waveform of the generated pressure similar to each other, that is, make the region where the control pressure characteristic with respect to the current value is linear with the operating point of the valve drive current as wide as possible. It is preferable to have it in the range.
図27a〜図27cは、本実施形態3に係る空気圧バルブにおいて、マイクロピストン変位、吸入流量、制御圧力の過渡応答特性を示すものである。すなわち、時間t=0.4sで電流値I=0→0.03A、及び、I=0→0.04Aの2通りの目標値に変化させた場合を比較したものである。以下、圧力フィードバック作用は有するが、供給・排気流路にリークの無い場合(実施形態2の図19)と対比して説明する。 27a to 27c show transient response characteristics of the micro-piston displacement, the suction flow rate, and the control pressure in the pneumatic valve according to the third embodiment. That is, the comparison is made when the current value is changed to two target values of I=0→0.03A and I=0→0.04A at time t=0.4s. Hereinafter, description will be made in comparison with the case where there is a leak in the supply/exhaust flow path although there is a pressure feedback function (FIG. 19 of Embodiment 2).
電流値をI=0→0.03A、I=0→0.04Aの2通りに変化させた場合、ピストン変位の過渡応答特性は、実施形態2の場合(図19a)、ピストン変位xは一定値に収束する。しかし本実施形態3の場合は(図27a)、各場合のピストン変位xの収束値は異なる。 When the current value is changed in two ways, I=0→0.03A and I=0→0.04A, the transient response characteristic of the piston displacement is that in the case of the second embodiment (FIG. 19a), the piston displacement x becomes a constant value. Converge. However, in the case of the third embodiment (Fig. 27a), the convergent value of the piston displacement x in each case is different.
図27bに示す流量の過渡応答特性において、本実施形態3の場合は零には収束しない。しかし、瞬間最大流量Q=250L/N(I=0→0.04A)と比べて、定常時の消費流量は充分に小さな値Q=30〜40L/Nを維持できる。 In the transient response characteristic of the flow rate shown in FIG. 27b, it does not converge to zero in the case of the third embodiment. However, compared with the instantaneous maximum flow rate Q=250L/N (I=0→0.04A), the steady-state consumption flow rate can maintain a sufficiently small value Q=30-40L/N.
図27cに示す発生圧力の過渡応答特性において、実施形態2(図19c)と比較すると、電流値I=0→0.03Aの場合の圧力の到達値は高い。この理由は、本実施形態3は、「電流値に対する制御圧力特性」が線形性を保つ領域を、広い範囲で有するからである(図26参照)。 In the transient response characteristic of the generated pressure shown in FIG. 27c, compared with the second embodiment (FIG. 19c), the reached value of the pressure is higher when the current value I=0→0.03A. The reason for this is that the third embodiment has a wide range in which the “control pressure characteristic with respect to the current value” maintains linearity (see FIG. 26).
図28は、中立点の有効断面積A0と最大有効断面積Amaxの比、すなわち、A0/Amaxをパラメータとして、駆動電流に対する制御圧力特性を求めたものである。ちなみに、中立点の有効断面積A0は、前記環状流路の半径方向隙間が小さい程小さく、最大有効断面積Amaxは、ノズル内径が大きい程大きい。図28において、A0/Amaxを小さくしていくと、駆動電流に対して制御圧力が比例関係にある線形領域は減少していく。A0/Amax=0のグラフは、前記環状流路の半径方向隙間が小さくリーク量が無視できる程小さな場合、すなわち、第2の実施形態に相当する。ここで、駆動電流I/Imax=0.5(I=0.025A)のとき中立点になるように設定して、この中立点における制御圧力をPB、Pmaxを制御圧力の最大値(供給源圧力)、P0を大気圧として、中間圧力比βは FIG. 28 shows the control pressure characteristics with respect to the drive current, with the ratio of the effective area A 0 at the neutral point and the maximum effective area A max , that is, A 0 /A max as a parameter. Incidentally, the effective cross-sectional area A 0 at the neutral point is smaller as the radial gap of the annular flow path is smaller, and the maximum effective cross-sectional area A max is larger as the nozzle inner diameter is larger. In FIG. 28, as A 0 /A max is decreased, the linear region where the control pressure is proportional to the drive current decreases. The graph of A 0 /A max =0 corresponds to the case where the radial gap of the annular flow path is small and the leak amount is small enough to be ignored, that is, the second embodiment. Here, the drive current I/I max = 0.5 (I = 0.025 A) is set so that the neutral point is reached, and the control pressure at this neutral point is P B , and P max is the maximum control pressure (source Pressure), P 0 is atmospheric pressure, and the intermediate pressure ratio β is
図29はη=A0/Amaxとして、ηに対する中間圧力比βを求めたものである。η=0.2のとき、β=0.5である。このとき、駆動電流I/Imax=0.5における制御圧力は最大圧力の1/2であり、全電流範囲で圧力制御ができる理想的な線形特性を示す。η= 0のとき、β=0である。このとき、圧力制御は1/2の電流範囲でのみ可能である。 FIG. 29 shows the intermediate pressure ratio β with respect to η, where η=A 0 /A max . When η=0.2, β=0.5. At this time, the control pressure at the drive current I/I max =0.5 is 1/2 of the maximum pressure, which shows an ideal linear characteristic capable of pressure control in the entire current range. When η=0, β=0. At this time, pressure control is possible only in the 1/2 current range.
図29のグラフにおいて、ηに対するβの2つの包絡線の交点をC点とする。η=ηc
を境にして、ηに対するにβの勾配は大きく変化する。すなわち、前記環状流路のリークがもたらす線形化の効果は、η>ηcに設定することにより、有効に活用できる。本実施形態の場合はηc=0.03である。ノズルを通過する質量流量の式(1)、式(2)に示すように、質量流量はノズルの開口面積に比例する。したがって、η=A0/Amax= Q0/Qmaxである。このQ0、QmaxからQ0/Qmax>ηcとなるように設定してもよい。
In the graph of FIG. 29, the intersection point of the two envelopes of β with respect to η is designated as point C. η=η c
The boundary of β changes greatly with respect to η. That is, the linearization effect brought about by the leakage of the annular flow path can be effectively utilized by setting η>η c . In the case of this embodiment, η c =0.03. As shown in the equations (1) and (2) of the mass flow rate passing through the nozzle, the mass flow rate is proportional to the opening area of the nozzle. Therefore, η=A 0 /A max =Q 0 /Q max . The Q 0, the Q max Q 0 / Q max> may be set such that the eta c.
図30は、駆動電流に対する空気消費流量を、図28と同一条件で求めたものである。同図において、A0/Amaxを小さくしていくと、空気消費流量は低減していく。たとえば、A0/Amax=0.15→0.03にすると、空気消費流量はQ=35→9NL/minに低減する。 In FIG. 30, the air consumption flow rate with respect to the drive current is obtained under the same conditions as in FIG. 28. In the figure, as A 0 /A max is reduced, the air consumption flow rate is reduced. For example, when A 0 /A max =0.15→0.03, the air consumption flow rate is reduced to Q=35→9NL/min.
質量流量はノズル部の有効断面積に比例するため、A0/Amax=0.03の場合、有効断面積A0で決まる空気消費流量は最大排気量の僅か3%のオーダーである。したがって、本実施形態の空気圧サーボバルブでは、定常時の空気消費流量を実用上ほとんど支障の無いレベルに保った状態で、制御圧力特性の線形領域範囲を大幅に向上させることができる。 Since the mass flow rate is proportional to the effective cross-sectional area of the nozzle portion, when A 0 /A max =0.03, the air consumption flow rate determined by the effective cross-sectional area A 0 is only 3% of the maximum exhaust amount. Therefore, in the pneumatic servo valve according to the present embodiment, the linear region range of the control pressure characteristic can be significantly improved in a state where the air consumption flow rate in the steady state is maintained at a level that practically causes no hindrance.
図31は、排気側凸部径Φdout=1.8mm、A0/Amax=0.15の条件下で、供給側凸部径Φdinをパラメータとして、駆動電流に対する制御圧力特性を求めたものである。吸気側凸部径Φdinが大きくなるほど、すなわち、非対称マイクロピストンのピストン面積差が大きい程、「電流値に対する制御圧力特性」が線形性を保つ領域を広くできることがわかる。 FIG. 31 shows the control pressure characteristics with respect to the drive current, with the supply-side convex portion diameter Φd in as a parameter under the conditions of the exhaust-side convex portion diameter Φd out =1.8 mm and A 0 /A max =0.15. .. It can be seen that the larger the intake side convex portion diameter Φd in , that is, the larger the piston area difference of the asymmetric micropiston, the wider the region where the “control pressure characteristic with respect to the current value” maintains linearity.
図32は、駆動電流を急変させた場合、時間に対する発生荷重の過渡応答特性を求めたものである。図32bは図32aの部分拡大図である。 FIG. 32 shows the transient response characteristic of the generated load with respect to time when the drive current is suddenly changed. 32b is a partially enlarged view of FIG. 32a.
第4の実施形態
前述した本発明サーボバルブの実施形態は、すべて3方弁構造であった。本発明サーボバルブの基本構造は、油空圧分野で用途の多い4方弁としても適用できる。
Fourth Embodiment All of the above-described embodiments of the servo valve of the present invention have a three-way valve structure. The basic structure of the servo valve of the present invention can also be applied as a four-way valve which has many applications in the hydraulic and pneumatic fields.
図33は、本発明の実施形態4に係る4方弁の機能を有する空気圧サーボバルブの正面断面図、図34は本実施形態バルブを空気圧アクチュータに連結した状態を示す図、図35a〜35cはフラッパと後述する第1、第2流路パーツの位置関係を示すモデル図である。750は第1(右側)中心軸、751はこの第1中心軸底部、752は前記第1中心軸の軸芯と同芯円で設けられた第1中心軸外枠部、753はコイルボビン、754は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。755は前記第1中心軸底部と外枠部752を収納する筒形状の第1ハウジング、756はこの第1ハウジング底部、757は前記第1ハウジング底部と前記第1中心軸底部を締結するボルト、758は第1供給流通路、759は第1供給口である。760は第2(左側)ハウジング、761は前記第2ハウジングに装着された第2中心軸である。762はこの第2中心軸の中心部で、フラッパ側に装着された第2流路パーツ、763は前記第1中心軸の中心部で、フラッパ側に装着された第1流路パーツである。764は前記コイルボビン、前記第1中心軸外枠、前記第1中心軸の間に装着された非磁性材料による円筒部、765は第2供給口である。 33 is a front sectional view of a pneumatic servo valve having the function of a four-way valve according to Embodiment 4 of the present invention, FIG. 34 is a view showing a state in which the valve of the present embodiment is connected to a pneumatic actuator, and FIGS. It is a model diagram which shows the positional relationship of the flapper and the 1st, 2nd flow path parts mentioned later. 750 is a first (right) central axis, 751 is a bottom portion of the first central axis, 752 is a first central axis outer frame portion provided concentrically with the axial center of the first central axis, 753 is a coil bobbin, 754 Is a coil wound around the coil bobbin. 755 is a cylindrical first housing for accommodating the first central shaft bottom portion and the outer frame portion 752, 756 is this first housing bottom portion, 757 is a bolt for fastening the first housing bottom portion and the first central shaft bottom portion, 758 is a first supply flow passage, and 759 is a first supply port. Reference numeral 760 is a second (left) housing, and 761 is a second central shaft mounted on the second housing. Reference numeral 762 denotes a central part of the second central axis, which is a second flow path part mounted on the flapper side, and 763 is a central part of the first central axis, which is a first flow path part mounted on the flapper side. Reference numeral 764 denotes the coil bobbin, the first central axis outer frame, a cylindrical portion made of a non-magnetic material mounted between the first central axes, and 765 a second supply port.
図34において、766は本実施形態バルブ、767は空気圧アクチュエータ、768は前記空気圧アクチュエータの第2空気室、769は前記空気圧アクチュエータの第1空気室、770は出力軸、771は本実施形態バルブ766と前記第2空気室を繋ぐ第2流路、772は本実施形態バルブ766と前記第1空気室を繋ぐ第1流路である。 In FIG. 34, 766 is the valve of the present embodiment, 767 is the pneumatic actuator, 768 is the second air chamber of the pneumatic actuator, 769 is the first air chamber of the pneumatic actuator, 770 is the output shaft, and 771 is the valve of the present embodiment 766. And 772 is a second flow path connecting the second air chamber and 772 is a first flow path connecting the valve 766 of the present embodiment and the first air chamber.
図33において、773は第2流路771に繋がる第2制御側流路、774は第1流路772に繋がる第1制御側流路、775はフラッパ、776は第2空隙部、777は第1空隙部である。778は第1中心軸750のフラッパ側端面で電磁石の第1磁極である。779は外枠部752のフラッパ側端面に形成された第2磁極、780は第1ハウジング755と第2ハウジング760を外周部で締結する溶接部である。図35a〜35cにおいて、781は前記フラッパの第2中心軸側に形成された第2凸部、782は前記フラッパの前記第1中心軸側に形成された第1凸部である。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの排気室783を形成している。784は大気圧に連絡する排気流路、785は前記第1凸部を摺動自在に勘合する第1供給ノズル、786は前記第2凸部を摺動自在に勘合する第2供給ノズルである。787は前記第1凸部外周部に形成された流通路、788、及び、789は前記第1流路パーツの半径方向、及び、外周部に形成された流通路、790、及び、791は前記第1中心軸の半径方向、及び、外周部に形成された流通路である。792は前記第2凸部外周部に形成された流通路、793、及び、794は前記第2流路パーツの半径方向、及び、外周部に形成された流通路、795、及び、796は前記第2中心軸の半径方向、及び、外周部に形成された流通路である。797、及び、798は前記第1流路パーツ、及び、前記第2流路パーツの前記フラッパ側に形成された流通路を兼ねたストッパ部である。 In FIG. 33, 773 is a second control-side flow path connected to the second flow path 771, 774 is a first control-side flow path connected to the first flow path 772, 775 is a flapper, 776 is a second void portion, and 777 is a 1 void portion. Reference numeral 778 denotes the flapper side end surface of the first central shaft 750, which is the first magnetic pole of the electromagnet. Reference numeral 779 is a second magnetic pole formed on the flapper side end surface of the outer frame portion 752, and 780 is a welded portion that fastens the first housing 755 and the second housing 760 at the outer peripheral portion. In FIGS. 35a to 35c, 781 is a second convex portion formed on the second central axis side of the flapper, and 782 is a first convex portion formed on the first central axis side of the flapper. Further, an exhaust chamber 783 of the present valve is formed by the supply side void portion and the exhaust side void portion. Reference numeral 784 is an exhaust passage communicating with atmospheric pressure, 785 is a first supply nozzle that slidably fits the first convex portion, and 786 is a second supply nozzle that slidably fits the second convex portion. .. 787 is a flow passage formed in the outer peripheral portion of the first convex portion, 788 and 789 are radial passages of the first flow path part, and flow passages formed in the outer peripheral portion, 790 and 791 are the flow passages. The flow passage is formed in the radial direction of the first central axis and the outer peripheral portion. 792 is a flow passage formed in the outer peripheral portion of the second convex portion, 793 and 794 are radial passages of the second flow path part, and flow passages formed in the outer peripheral portion, 795 and 796 are the aforesaid It is a flow passage formed in the radial direction of the second central axis and in the outer peripheral portion. Reference numerals 797 and 798 are stoppers formed also on the flapper side of the first flow path part and the second flow path part and also serving as flow passages.
図35a〜35cは前記フラッパと前記第1流路パーツ、前記第2流路パーツの位置関係を示すモデル図である。 35a to 35c are model diagrams showing the positional relationship between the flapper, the first flow path part, and the second flow path part.
図34aは、前記フラッパが前記第2流路パーツに密着した状態(駆動電流 I=0)の状態を示し、供給源側から第1供給流通路758→第1供給ノズル785を経て流入した流体は、流路796→流路789→流路790→流路791→第1制御側流路774→第1流路772を経て、前記空気圧アクチュエータの第1空気室769に流入される。一方、前記空気圧アクチュエータの第2空気室768の流体は、第2流路771→第2制御側流路773を経て、流路783→流路795→流路794→流路793→流路792→排気室783に流入して、排気流路784を経て大気に放出される。その結果、前記空気圧アクチュエータの第1空気室769の圧力は上昇し、第2空気室768の圧力は下降することにより、前記空気圧アクチュエータの出力軸770は左方へ移動する。 FIG. 34a shows a state where the flapper is in close contact with the second flow path part (driving current I=0), and the fluid flowing from the supply source side through the first supply flow passage 758→the first supply nozzle 785. Through the flow path 796→flow path 789→flow path 790→flow path 791→first control side flow path 774→first flow path 772 into the first air chamber 769 of the pneumatic actuator. On the other hand, the fluid in the second air chamber 768 of the pneumatic actuator passes through the second flow passage 771→the second control side flow passage 773, and then the flow passage 783→the flow passage 795→the flow passage 794→the flow passage 793→the flow passage 792. → It flows into the exhaust chamber 783 and is discharged to the atmosphere through the exhaust flow path 784. As a result, the pressure in the first air chamber 769 of the pneumatic actuator increases and the pressure in the second air chamber 768 decreases, so that the output shaft 770 of the pneumatic actuator moves to the left.
図35bは、前記フラッパが前記第1流路パーツと前記第2流路パーツ中間にある状態(駆動電流 I=Imax/2)の状態を示し、前記空気圧アクチュエータの第1空気室769、第2空気室768と流体供給源、大気圧に繋がる流路は遮蔽状態になる。その結果、第1空気室769、第2空気室768は密閉状態になる。
図35cは、前記フラッパが前記第1流路パーツに密着した状態(駆動電流 I=Imax)の状態を示し、図35aの場合と逆に、流体は供給源側から前記空気圧アクチュエータの第2空気室768に流入し、第1空気室769の流体は大気に放出される。
FIG. 35b shows a state where the flapper is in the middle of the first flow path part and the second flow path part (driving current I=I max /2), and the first air chamber 769 of the pneumatic actuator, The two air chambers 768, the fluid supply source, and the flow path connecting to the atmospheric pressure are in the shielded state. As a result, the first air chamber 769 and the second air chamber 768 are closed.
FIG. 35c shows a state where the flapper is in close contact with the first flow path part (driving current I=I max ). Contrary to the case of FIG. 35a, the fluid flows from the supply source side to the second side of the pneumatic actuator. The fluid in the first air chamber 769 flows into the air chamber 768 and is discharged to the atmosphere.
本実施形態とは逆に、供給源を排気室783に相当する空間に連絡して、第1供給流通路758、第2供給流通路786に相当する流路を排気側(大気圧)に連絡する構成でも、4方弁としての機能を満足することができる。 Contrary to the present embodiment, the supply source is connected to the space corresponding to the exhaust chamber 783, and the flow paths corresponding to the first supply flow passage 758 and the second supply flow passage 786 are connected to the exhaust side (atmospheric pressure). Even with such a configuration, the function as a four-way valve can be satisfied.
本実施形態では、前記フラッパを駆動する手段に磁気吸引式を用いた場合を示したが、後述するように、ローレンツ力を利用したリニアモータ(ボイスコイルモータ)を用いてもよい。この場合は、前記フラッパのストロークに制約が無く、より大排気量の4方弁を構成し易い。 In the present embodiment, the magnetic attraction type is used as the means for driving the flapper, but a linear motor (voice coil motor) using Lorentz force may be used as described later. In this case, there is no restriction on the stroke of the flapper, and it is easy to configure a four-way valve with a larger displacement.
第5の実施形態
前述した実施形態は、電磁石と前記フラッパ間に発生するMaxwell吸引応力で前記フラッパを可動させたものであった。本実施形態は、前記フラッパの可動手段にリニアモータ(ボイスコイルモータ)を用いたものである。
Fifth Embodiment In the above-described embodiment, the flapper is moved by the Maxwell attraction stress generated between the electromagnet and the flapper. In this embodiment, a linear motor (voice coil motor) is used as the flapper moving means.
図36は、本発明の実施形態5に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、350は筒部形状の中心軸、351は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された外枠部、352は前記外枠部に装着された永久磁石、353はフラッパ支持部材、354は前記中心軸の底部と外枠部351を収納する筒形状の排気側ハウジング、355は排気側ハウジング底部、356は前記排気側ハウジング底部に形成された吐出口である。357はフラッパ、358はこのフラッパとフラッパ支持部材353を締結するボルト、359は前記フラッパに装着されたコイルボビン、360は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。361はフラッパ357とコイルボビン359を締結するボルト、362は前記フラッパに形成された流通穴、363は中心軸350に装着固定された排気側ノズル、364はコイルボビン359の前記フラッパ側中心部に設けられた排気側凸部である。365と366は排気側ノズル363と中心軸350に形成された排気側流通路である。 FIG. 36 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to a fifth embodiment of the present invention, in which 350 is a central axis of a tubular portion, and 351 is an outer frame portion formed concentrically with the axis of the central axis. 352, a permanent magnet attached to the outer frame portion, 353, a flapper support member, 354, a cylindrical exhaust side housing for housing the bottom portion of the central shaft and the outer frame portion 351, 355, an exhaust side housing bottom portion, 356 Is a discharge port formed in the bottom of the exhaust side housing. 357 is a flapper, 358 is a bolt for fastening the flapper and the flapper support member 353, 359 is a coil bobbin attached to the flapper, and 360 is a coil wound around the coil bobbin. 361 is a bolt that fastens the flapper 357 and the coil bobbin 359, 362 is a flow hole formed in the flapper, 363 is an exhaust side nozzle fixed to the center shaft 350, and 364 is provided in the center part of the coil bobbin 359 on the flapper side. It is a convex portion on the exhaust side. Reference numerals 365 and 366 denote exhaust side flow passages formed in the exhaust side nozzle 363 and the central shaft 350.
コイルボビン359、コイル360、永久磁石352、外枠部351、フラッパ357、フラッパ支持部材353により、コイル360に印加する電流により、フラッパ357の変位を制御するリニアモータ(ボイスコイルモータ)を構成している。このリニアモータの原理は、磁界中に置かれた通電コイル360に働くローレンツ力を利用するものである。 The coil bobbin 359, the coil 360, the permanent magnet 352, the outer frame portion 351, the flapper 357, and the flapper support member 353 constitute a linear motor (voice coil motor) that controls the displacement of the flapper 357 by the current applied to the coil 360. There is. The principle of this linear motor utilizes the Lorentz force acting on the energizing coil 360 placed in a magnetic field.
367は供給側ハウジング、368はこの供給側ハウジングの中心部に形成された供給側流路、369は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路である。370は吸入口、371は供給側ハウジング367とフラッパ357の間に形成される供給側空隙部、372はフラッパ357と前記排気側ハウジング側の壁面との間に形成される排気側空隙部である。373は供給側ノズル(順方向ノズル)、374は供給側凸部、375は供給側ノズル373に形成された供給側流通路、376は供給側ハウジング367と排気側ハウジング354を締結するボルトである。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの制御室377を形成している。 367 is a supply side housing, 368 is a supply side flow path formed in the center of the supply side housing, and 369 is a control side flow path connected to a pneumatic actuator (not shown). Reference numeral 370 is an intake port, 371 is a supply side gap formed between the supply side housing 367 and the flapper 357, and 372 is an exhaust side gap formed between the flapper 357 and the exhaust side housing side wall surface. .. 373 is a supply side nozzle (forward nozzle), 374 is a supply side convex portion, 375 is a supply side flow passage formed in the supply side nozzle 373, and 376 is a bolt for fastening the supply side housing 367 and the exhaust side housing 354. .. A control chamber 377 of the present valve is formed by the supply side void portion and the exhaust side void portion.
本実施形態では、永久磁石を固定側、コイルを可動側に配置したムービング・コイル式を用いたが、永久磁石を可動側、コイルを固定側に配置するムービング・マグネット式でもよい。 In the present embodiment, the moving coil type in which the permanent magnet is arranged on the fixed side and the coil is arranged on the movable side is used, but a moving magnet type in which the permanent magnet is arranged on the movable side and the coil is arranged on the fixed side may be used.
前述した本発明の実施形態では、フラッパに作用する駆動手段として磁気吸引式アクチュータを用いた場合について説明したが、本実施形態のリニアモータを用いてもよい。リニアモータ式の場合、可動部の質量が磁気吸引式と比べて大きいため、バルブ単体の共振周波数は大きくならざるを得ない。しかし、フラッパにより大きなストロークが必要な用途には、リニアモータ式の長所を活かすことができる。 In the above-described embodiment of the present invention, the case where the magnetic attraction type actuator is used as the driving unit that acts on the flapper has been described, but the linear motor of the present embodiment may be used. In the case of the linear motor type, since the mass of the movable portion is larger than that of the magnetic attraction type, the resonance frequency of the valve unit must be increased. However, the advantages of the linear motor type can be utilized in applications where a larger stroke is required by the flapper.
第6の実施形態
本実施例は、空気圧サーボバルブの組立工法、及び、この組立工法を可能にするバルブ構造に関するものである。本発明サーボバルブの有する様々な特徴は、従来スプール式バルブ(特許文献4)とは異なる固有のバルブ構造に基づくものである。本発明の前述した各実施形態バルブに共有する実用上の課題を要約すれば、次のようである。以下、図1(実施形態1)を例にとり説明する。
Sixth Embodiment The present embodiment relates to a pneumatic servo valve assembling method and a valve structure that enables this assembling method. Various features of the servo valve of the present invention are based on a unique valve structure different from the conventional spool valve (Patent Document 4). The practical problems shared by the valves of the above-described embodiments of the present invention are summarized as follows. Hereinafter, description will be made with reference to FIG. 1 (Embodiment 1) as an example.
(1)2つのマイクロピストン部の同軸精度の確保が難しい
フラッパ63の表裏に凸部(74、75)が形成されて、これらの凸部は、狭い隙間を保って、各ノズル(69,70)に収納されている。すなわち、供給側凸部74は供給側ノズル69に収納されて、供給側マイクロピストン部を構成し、排気側凸部75は排気側ノズル70に収納されて、排気側マイクロピストン部を構成している。上記2つのマイクロピストン部は複数部材の組み合わせから構成されている。たとえば、前記フラッパを固定支持する排気側ハウジング55と、排気側凸部75を収納する中心軸50は別部材である。したがって、各部品単体の精度だけでは、上記2つのマイクロピストン部の同軸を確保するのは困難である。
(1) It is difficult to secure the coaxial accuracy of the two micropiston portions. Protrusions (74, 75) are formed on the front and back of the flapper 63, and these protrusions maintain a narrow gap, and each nozzle (69, 70). ). That is, the supply-side convex portion 74 is housed in the supply-side nozzle 69 to form a supply-side micro-piston portion, and the exhaust-side convex portion 75 is housed in the exhaust-side nozzle 70 to form an exhaust-side micro-piston portion. There is. The two micro-piston portions are composed of a combination of a plurality of members. For example, the exhaust side housing 55 that fixedly supports the flapper and the central shaft 50 that houses the exhaust side convex portion 75 are different members. Therefore, it is difficult to secure the coaxiality of the two micro piston parts only by the accuracy of each component alone.
(2)前記フラッパは変形し易い弾性体である
フラッパ63は変形し易い、ディスク形状の弾性体であり、各凸部(74、75)の突出量も、たとえば、0.5〜1.0mmと小さく、組み立て時における同軸度の調整は困難である。
(2) The flapper is an elastic body that is easily deformed. The flapper 63 is a disk-shaped elastic body that is easily deformed, and the protruding amount of each convex portion (74, 75) is small, for example, 0.5 to 1.0 mm, It is difficult to adjust the coaxiality during assembly.
以下、最初に本実施形態で提案する組立工法を可能にするバルブ構造について説明する。 図37は、本発明の実施形態5に係る空気圧サーボバルブの正面断面図であり、650は中心軸、651はこの中心軸底部、652は前記中心軸の軸芯と同芯円で形成された中心軸外枠部、653はコイルボビン、654は前記コイルボビンに巻かれたコイルである。655は中心軸の底部651と外枠部652を収納する筒形状の排気側ハウジング、656はこの排気側ハウジング底部、657は排気側ハウジング底部656と中心軸底部651を締結するボルト、658は排気側流通路、659は吐出口である。660は供給側ハウジング、661は前記供給側ハウジングに装着された供給流路部品である。 First, a valve structure that enables the assembly method proposed in the present embodiment will be described below. FIG. 37 is a front sectional view of a pneumatic servo valve according to the fifth embodiment of the present invention, in which 650 is a central axis, 651 is a bottom portion of the central axis, and 652 is a concentric circle with the central axis of the central axis. A central axis outer frame portion, 653 are coil bobbins, and 654 is a coil wound around the coil bobbin. 655 is a cylindrical exhaust side housing that houses the bottom 651 of the central shaft and the outer frame 652, 656 is this exhaust side housing bottom, 657 is a bolt that fastens the exhaust side housing bottom 656 and the central shaft bottom 651, and 658 is the exhaust. The side flow passage 659 is a discharge port. Reference numeral 660 is a supply-side housing, and reference numeral 661 is a supply flow path component mounted on the supply-side housing.
662はこの供給流路部品の中心部に形成された供給側流路、663は前記供給流路部品と供給側ハウジング660の間に設けられた半径方向隙間(δ2)である。664は前記供給流路部品を供給側ハウジング660に締結するボルトである。665は空気圧アクチュエータ(図示せず)に繋がる制御側流路、666はフラッパ、667は供給側空隙部、668は排気側空隙部である。669は供給側ノズル(順方向ノズル)、670は排気側ノズル(逆方向ノズル)である。671は中心軸650のフラッパ側端面(中心軸端面)で電磁石の第1磁極である。672は外枠部652のフラッパ側端面に形成された第2磁極、673は供給側ハウジング660と排気側ハウジング655を外周部で締結する溶接部である。 Reference numeral 662 is a supply-side flow passage formed in the center of the supply flow passage component, and 663 is a radial gap (δ 2 ) provided between the supply flow passage component and the supply-side housing 660. Reference numeral 664 is a bolt for fastening the supply flow path component to the supply side housing 660. Reference numeral 665 is a control side flow path connected to a pneumatic actuator (not shown), 666 is a flapper, 667 is a supply side void portion, and 668 is an exhaust side void portion. Reference numeral 669 is a supply side nozzle (forward nozzle), and 670 is an exhaust side nozzle (reverse direction nozzle). Reference numeral 671 denotes a flapper side end surface of the central shaft 650 (central shaft end surface), which is a first magnetic pole of the electromagnet. Reference numeral 672 is a second magnetic pole formed on the flapper side end surface of the outer frame portion 652, and 673 is a welded portion that fastens the supply side housing 660 and the exhaust side housing 655 at the outer peripheral portion.
674は前記フラッパの供給側中心部に形成された供給側凸部、675は前記フラッパの排気側中心部に形成された排気側凸部である。また、前記供給側空隙部と前記排気側空隙部により、本バルブの制御室676を形成している。
678は供給側ハウジング660と排気側ハウジング655の勘合部、679はフラッパ666を排気側ハウジング655に固定するための位置決めピン、680は供給側ハウジング660に形成された前記位置決めピンの頭部収納部である。681は中心軸外枠部652と排気側ハウジング655の間に設けられた半径方向隙間(δ1)である。中心軸底部651と中心軸外枠部652は、接合部682において接着、もしくは溶接などにより締結されている。
Reference numeral 674 is a supply-side convex portion formed at the supply-side central portion of the flapper, and 675 is an exhaust-side convex portion formed at the exhaust-side central portion of the flapper. Further, the supply side void portion and the exhaust side void portion form a control chamber 676 of the present valve.
678 is a fitting portion of the supply side housing 660 and the exhaust side housing 655, 679 is a positioning pin for fixing the flapper 666 to the exhaust side housing 655, and 680 is a head accommodating portion of the positioning pin formed in the supply side housing 660. Is. Reference numeral 681 denotes a radial gap (δ 1 ) provided between the central shaft outer frame portion 652 and the exhaust side housing 655. The central shaft bottom portion 651 and the central shaft outer frame portion 652 are fastened to each other at a joint portion 682 by adhesion, welding, or the like.
図38は、最終の製品に使用される凸形円盤形状のフラッパ666で、板厚の厚い凸部(磁気経路部)683aと、板厚の薄い外周部(弾性変形部)683bにより構成される。684a、684b、684c、684dはフラッパ666に形成された流通穴(684b、684dは図示せず)、685は位置決めピン679を挿入する穴部で、円周上に複数個形成されている。 FIG. 38 shows a convex disk-shaped flapper 666 used in the final product, which is composed of a convex portion (magnetic path portion) 683a having a thick plate thickness and an outer peripheral portion (elastic deformation portion) 683b having a thin plate thickness. .. 684a, 684b, 684c and 684d are flow holes formed in the flapper 666 (684b and 684d are not shown), and 685 are hole portions into which positioning pins 679 are inserted, and a plurality of holes are formed on the circumference.
図39は、本サーボバルブの組立時において、フラッパ666の代替として使用されるマスターディスク686である。弾性変形し易いフラッパ666と比べて、充分に厚い板厚により、高剛性ディスクとして構成される。 FIG. 39 shows a master disk 686 used as a substitute for the flapper 666 when assembling this servo valve. Compared with the flapper 666 which is easily elastically deformed, it is configured as a high-rigidity disk due to its sufficiently thick plate thickness.
687は供給側マスター凸部であり、フラッパ666の供給側凸部674と比べて外径は僅かに大きく、長さは長い。688は排気側マスター凸部であり、フラッパ666の排気側凸部675と比べて、同様に外径は僅かに大きく、長さは長い。689は位置決めピン679を挿入するマスター穴部で、フラッパ666に形成される穴部685と同一寸法位置で、円周上に複数個形成されている。以下、本実施形態の組立工程について説明する。 Reference numeral 687 denotes a supply-side master protrusion, which has a slightly larger outer diameter and a longer length than the supply-side protrusion 674 of the flapper 666. Reference numeral 688 denotes an exhaust-side master convex portion, which similarly has a slightly larger outer diameter and a longer length than the exhaust-side convex portion 675 of the flapper 666. Reference numeral 689 denotes a master hole portion into which the positioning pin 679 is inserted, and a plurality of master hole portions are formed on the circumference at the same position as the hole portion 685 formed in the flapper 666. The assembly process of this embodiment will be described below.
Step1 中心軸の軸芯調整
図40において、最初に中心軸650、及びこの中心軸と一体化した外枠部652を排気側ハウジング655内に収納する。次に、マスターディスク686を排気側ハウジング655に装着する。このとき、
(i)マスター穴部689、及び、排気側ハウジング655に予め形成されているハウジング穴部に位置決めピン679を挿入する。
(ii) 排気側マスター凸部688を排気側ノズル670に挿入する。
(iii)上記(i)(ii)により、中心軸650の軸芯は矢印AAに示すように、凸部687、688の軸芯Cに対して、半径方向隙間(δ1)681の範囲内で移動して自動調芯される。この状態で、排気側ハウジング底部656と中心軸底部651をボルト657により締結する。
Step 1 Adjustment of the central axis of the central shaft In FIG. 40, first, the central shaft 650 and the outer frame portion 652 integrated with the central shaft are housed in the exhaust side housing 655. Next, the master disk 686 is attached to the exhaust side housing 655. At this time,
(I) Insert the positioning pin 679 into the master hole 689 and the housing hole previously formed in the exhaust side housing 655.
(ii) Insert the exhaust side master protrusion 688 into the exhaust side nozzle 670.
(Iii) Due to the above (i) and (ii), the axial center of the central shaft 650 is within the range of the radial clearance (δ 1 ) 681 with respect to the axial center C of the convex portions 687 and 688 as shown by the arrow AA. Move with to perform automatic alignment. In this state, the exhaust side housing bottom portion 656 and the central shaft bottom portion 651 are fastened with bolts 657.
Step2 供給流路部品の軸芯調整
(i)図41において、上記Step1の状態を維持したままで、供給側ハウジング660を排気側ハウジング655の勘合部678に挿入する。次に、供給流路部品661を供給側ハウジング660に装着する。
Step 2 Shaft Core Adjustment of Supply Channel Component (i) In FIG. 41, the supply side housing 660 is inserted into the fitting portion 678 of the exhaust side housing 655 while maintaining the state of Step 1 above. Next, the supply flow path component 661 is attached to the supply side housing 660.
(ii)供給側マスター凸部687に供給側ノズル669を挿入する。
(iii)上記(i)(ii)により、供給流路部品661の軸芯は矢印BBに示すように、凸部687、688の軸芯Cに対して、半径方向隙間(δ2)663の範囲内で移動して自動調芯される。この状態で、供給流路部品661と供給側ハウジング660をボルト664により締結する。
(Ii) The supply side nozzle 669 is inserted into the supply side master convex portion 687.
(Iii) Due to the above (i) and (ii), the axial center of the supply flow path component 661 has a radial gap (δ 2 ) 663 with respect to the axial center C of the convex portions 687 and 688 as shown by an arrow BB. It moves within the range and is automatically aligned. In this state, the supply flow path component 661 and the supply side housing 660 are fastened with the bolt 664.
Step3 製品の最終組立
図42において、上記Step2の状態から供給側ハウジング660とマスターディスク686を取り外して、フラッパ666を位置決めピン679により排気側ハウジング655に固定する。次に供給側ハウジング660を排気側ハウジング655に装着して、両部材660、655の外周部を溶接、接着、ボルト等で締結する。
Step 3 Final Assembly of Product In FIG. 42, the supply side housing 660 and the master disk 686 are removed from the state of the above Step 2 and the flapper 666 is fixed to the exhaust side housing 655 by the positioning pin 679. Next, the supply-side housing 660 is attached to the exhaust-side housing 655, and the outer peripheral portions of both members 660 and 655 are welded, adhered, or fastened with bolts or the like.
上記Step1〜Step3の組立工程により、本発明空気圧サーボバルブに係る前述した課題、(1)複数個の部材から構成される2つのマイクロピストン部の同軸精度の確保が難しい、(2)フラッパは変形し易い弾性体である、上記(1)
(2)の課題を解消することができる。
By the assembly process of Step 1 to Step 3, the above-mentioned problems relating to the pneumatic servo valve of the present invention, (1) it is difficult to secure the coaxial accuracy of the two micropiston portions composed of a plurality of members, (2) the flapper is deformed An elastic body that is easy to do, above (1)
The problem (2) can be solved.
前述した2つの半径方向隙間、すなわち、中心軸外枠部652と排気側ハウジング655の間の隙間681(δ1)、供給流路部品661と供給側ハウジング660の間に設けられた半径方向隙間661(δ2)の大きさは、本バルブを構成する各部品の加工精度によって決めればよい。実施例では、上記半径隙間は0.05mm以上に設定すれば実用上充分であり、望ましくは、0.1mm以上に設定すれば、充分な余裕を保って、上記(1)(2)の課題を解消することができた。 The two radial gaps described above, that is, the gap 681 (δ 1 ) between the central shaft outer frame portion 652 and the exhaust side housing 655, and the radial gap provided between the supply flow path component 661 and the supply side housing 660. The size of 661 (δ 2 ) may be determined according to the processing accuracy of each component forming the present valve. In the embodiment, if the radius gap is set to 0.05 mm or more, it is practically sufficient. Desirably, if it is set to 0.1 mm or more, a sufficient margin is maintained and the problems (1) and (2) are solved. We were able to.
その他の実施形態について説明する。なお、この実施形態については図示しない。例えば、本発明の流体サーボバルブと、除振対象物を基礎に対して支持する気体ばねと、前記除振対象物の振動状態を検出する加速度センサと、前記加速度センサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記除振対象物の振動を低減する気体圧力を前記気体ばねに与えるアクティブ制御器とを組み合わせるとともに、前記流体サーボバルブが、気体を供給側から前記気体ばねに供給し、当該気体ばねから排気側へ排気するように構成し、前記フラッパの1次固有振動が200Hz以上に構成して、流体サーボ装置としてもよい。このようなものであれば、優れた応答特性及び除振特性を実現し、外乱入力に対して十分な振動抑制効果を得ることができる。 Other embodiments will be described. It should be noted that this embodiment is not shown. For example, a fluid servo valve of the present invention, a gas spring that supports an object to be isolated from a foundation, an acceleration sensor that detects a vibration state of the object to be isolated from the vibration, and the information based on information from the acceleration sensor. By adjusting the fluid servo valve, the fluid servo valve is combined with an active controller that applies gas pressure to the gas spring to reduce the vibration of the vibration isolation target, and the fluid servo valve is configured to move the gas from the supply side to the gas spring. The fluid servo device may be configured so that the gas spring is supplied and exhausted from the gas spring to the exhaust side, and the primary natural vibration of the flapper is 200 Hz or more. With such a structure, excellent response characteristics and vibration isolation characteristics can be realized, and a sufficient vibration suppressing effect with respect to disturbance input can be obtained.
[補足]
(1)磁気飽和現象の利用
さて前述したように、本実施例バルブが空気消費流量を大幅に低減できる理由は、双方向フラッパ両面の凸部と、各ノズル側オリフィスの勘合状態を、フラッパの軸方向移動により調節できるからである。そのためには、フラッパは出来るだけ大きなストロークで駆動されるのが構造面と部材の加工面から好ましい。しかし、通常Maxwellの応力を利用したアクチュエータの場合、磁気吸引作用が有効利用できる磁極とフラッパ間の磁気ギャップの最大値は0.05〜0.20mmのオーダーである。エアーギャップに対する磁気吸引力の特性は非線形であり、上記最大値を超えると、磁気吸引力は通常では大幅に低下する。しかし、フラッパに相当する可動部に適切な磁性材料と薄いディスクを用いると、電流に対するフラッパの変位特性は、線形性(直線性)の優れた特性を得ることができることが、本研究の過程で見出すことができた。この磁気飽和現象をさらに積極的に利用することにより、電流に対するフラッパの変位特性の線形性を失うことなく、フラッパのストロークを大幅に増大することができる。この結果は、本発明者によって、特願2015-024794号により既に提案済みのものである。
[Supplement]
(1) Utilization of Magnetic Saturation Phenomenon As described above, the reason why the valve of this embodiment can greatly reduce the air consumption flow rate is that the fitting state of the convex portions on both sides of the bidirectional flapper and the orifices on each nozzle side is This is because it can be adjusted by axial movement. For that purpose, it is preferable that the flapper is driven with a stroke as large as possible from the viewpoint of the structure and the processing of the member. However, in the case of an actuator using the Maxwell stress, the maximum value of the magnetic gap between the magnetic pole and the flapper that can effectively utilize the magnetic attraction is usually on the order of 0.05 to 0.20 mm. The characteristic of the magnetic attraction force with respect to the air gap is non-linear, and when it exceeds the above-mentioned maximum value, the magnetic attraction force usually decreases significantly. However, in the process of this research, the displacement characteristic of the flapper with respect to the current can be obtained with excellent linearity (linearity) by using a suitable magnetic material and a thin disk for the movable part corresponding to the flapper. I was able to find it. By more positively utilizing this magnetic saturation phenomenon, the stroke of the flapper can be significantly increased without losing the linearity of the displacement characteristic of the flapper with respect to the current. This result has already been proposed by the present inventor in Japanese Patent Application No. 2015-024794.
図43に電流値に対するフラッパ(ディスク)の変位特性の一例を示す。同グラフ中に本実施形態1〜3に用いた電磁石とディスク形状の仕様Type(II)を、別仕様Type(I)と対比して示す。Type(II)の電磁石の外径はType(I)と比べて2倍、コイル巻数は3倍である。電流値I=40mAのときType(I)ではフラッパ変位X=0.12mm程度であるのに対して、Type(II)ではフラッパ変位X=0.68mmが得られる。 FIG. 43 shows an example of the displacement characteristics of the flapper (disk) with respect to the current value. In the graph, the specification Type(II) of the electromagnet and the disk shape used in the first to third embodiments is shown in comparison with another specification Type(I). The outer diameter of the Type(II) electromagnet is twice that of Type(I), and the number of coil turns is three times. When the current value I=40 mA, the flapper displacement X is about 0.12 mm in Type(I), whereas the flapper displacement X=0.68 mm is obtained in Type(II).
ここで、電磁石、ノズル、フラッパなどの要素部品から構成されるサーボバルブの構造を想定する。このとき、各要素部品の形状、バルブ全体構成などは任意とする。本発明サーボバルブに磁気飽和現象が利用されているか否かは、次の方法で評価できる。 Here, a structure of a servo valve composed of element parts such as an electromagnet, a nozzle, and a flapper is assumed. At this time, the shape of each component, the overall configuration of the valve, etc. are arbitrary. Whether or not the magnetic saturation phenomenon is used in the servo valve of the present invention can be evaluated by the following method.
(i)閉ループ磁気回路の磁気抵抗の総和を求める。
ノズルフラッパ間の磁気抵抗Raは、電流最大値I=Imaxのとき最小となる。このときのノズルフラッパ間の距離をδn、磁極面積をSとして、Ra=δn/(μ0S)である。上記磁気抵抗Ra以外の線形磁気抵抗の総和をRXとして、閉ループ磁気回路の磁気抵抗の総和は、RS=Ra+RXである。線形磁気抵抗とは、透磁率μが一定で、磁化力Hと磁束密度Bの関係が正比例関係(B=μH)にある、と仮定した場合の磁気抵抗を示す。
(I) Obtain the sum of the magnetic resistances of the closed loop magnetic circuit.
The magnetic resistance R a between the nozzle flappers becomes minimum when the maximum current value I=I max . When the distance between the nozzle flappers at this time is Δ n and the magnetic pole area is S, R a =Δ n /(μ 0 S). The sum of the linear magnetic resistances other than the magnetic resistance R a is R X , and the total magnetic resistance of the closed loop magnetic circuit is R S =R a +R X. Linear reluctance refers to reluctance under the assumption that the magnetic permeability μ is constant and the relationship between the magnetizing force H and the magnetic flux density B is in a direct proportional relationship (B=μH).
(ii)閉ループ磁気回路に発生する磁束の最大値を求める
電磁コイルの巻数をNとして、起磁力の最大値Emax=N×Imaxであり、磁束の最大値はΦmax= N×Imax /RSである。
(Ii) The maximum value of the magnetomotive force is E max =N×I max , where N is the number of turns of the electromagnetic coil for obtaining the maximum value of the magnetic flux generated in the closed loop magnetic circuit, and the maximum value of the magnetic flux is Φ max =N×I max. /R S.
(ii)磁気飽和が発生し易い箇所の磁束密度Bmaxを求める。
閉ループ磁気回路において、(1)磁路面積の最も狭い箇所、あるいは、(2)飽和磁束密度の最も小さな磁性材料を用いている箇所、上記(1)(2)に注目し、その磁路面積をScとすれば、磁束密度Bmax=Φmax / Scである。
(Ii) Obtain the magnetic flux density B max at a location where magnetic saturation is likely to occur.
In a closed-loop magnetic circuit, (1) a portion with the smallest magnetic path area, or (2) a portion using a magnetic material with the smallest saturation magnetic flux density, paying attention to the above (1) and (2), the magnetic path area the if S c, a magnetic flux density B max = Φ max / S c .
(iv)磁気飽和現象発生の評価
ここで、上記(1)(2)の箇所に用いる磁性材料の「磁化力に対する磁束密度特性(BH特性)」を評価データとして用いる。線形領域と磁気飽和領域の境界域(磁化力境界値Hc)における磁束密度境界値Bcと、上記Bmaxの大きさを比較する。Bmax<Bcならば、磁気飽和現象は発生せず、磁気回路は線形領域内で使用されている。Bmax>Bcならば、磁気飽和現象が上記(1)(2)の箇所で発生しており、磁気飽和現象を適用する前提条件を満足していることが分かる。
(Iv) Evaluation of Occurrence of Magnetic Saturation Phenomenon Here, the “magnetic flux density characteristic (BH characteristic) with respect to the magnetizing force” of the magnetic material used in the above (1) and (2) is used as evaluation data. The magnetic flux density boundary value B c in the boundary region (magnetization force boundary value H c ) between the linear region and the magnetic saturation region is compared with the magnitude of B max . If B max <B c , the magnetic saturation phenomenon does not occur and the magnetic circuit is used in the linear region. If B max >B c , it can be seen that the magnetic saturation phenomenon occurs at the above-mentioned points (1) and (2), and the prerequisites for applying the magnetic saturation phenomenon are satisfied.
(2)環状流路形成構造
前述した実施形態では、給側ノズルとフラッパとの間、及び、排気側ノズルとの間に横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造を形成している。より具体的には前記環状流路形成構造は、たとえば、実施形態3の場合、各ノズル264、265の先端部の筒状の内周面と、前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体(269及び270)とから構成される。
(2) Annular flow path forming structure In the above-described embodiment, an annular flow path forming structure is formed which forms a flow path having a substantially annular cross section between the supply side nozzle and the flapper and between the exhaust side nozzle. doing. More specifically, for example, in the case of the third embodiment, the annular flow path forming structure is configured such that the inner circumferential surface of the nozzle at the tip of each nozzle 264, 265 is separated from the inner circumferential surface in the radial direction. And an insert body (269 and 270) to be inserted as a result.
図44は前記フラッパ本体を軽量化することで、本発明サーボバルブの共振周波数をより一層高く設定出来るように構成したものである。ちなみに、本発明の各実施形態に適用した磁気吸引式サーボバルブの共振周波数は、可動部であるフラッパの共振周波数f 0で決定される。フラッパは薄いディスク形状で構成され、かつ可動部は中心部のみに限定される。そのため、共振周波数f0は従来スプール式(特許文献4)、あるいは、ムービング・コイル式アクチュエータで駆動されるバルブと比較すると、充分に高く出来る。本発明の各実施形態において、前記挿入体(凸部)の中央部に空洞部を形成すれば、さらなる共振周波数向上を図ることができる。701は供給側ノズル、702は排気側ノズル、703はフラッパ、704は供給側凸部、705はこの供給側凸部の中央部に形成された供給側空洞部、706は排気側凸部、707はこの排気側凸部の中央部に形成された排気側空洞部である。各凸部に形成するこれらの空洞部は、供給側、及び、排気側流路には影響は与えない。前記フラッパ薄いディスクで形成し、ディスクを磁力で変形させる磁気吸引式の場合、ディスク中央部は変形量が最も大きい。このディスク中央部の質量がディスクの共振周波数に多大な影響を与えるために、中央部質量の軽量化は、サーボバルブの共振周波数向上におおいに貢献できる。 FIG. 44 shows a configuration in which the resonance frequency of the servo valve of the present invention can be set higher by reducing the weight of the flapper body. Incidentally, the resonance frequency of the magnetic attraction type servo valve applied to each of the embodiments of the present invention is determined by the resonance frequency f 0 of the flapper which is a movable part. The flapper has a thin disk shape, and the movable portion is limited to the central portion. Therefore, the resonance frequency f 0 can be made sufficiently higher than that of a valve driven by a conventional spool type (Patent Document 4) or moving coil type actuator. In each of the embodiments of the present invention, if a cavity is formed at the center of the insert (projection), the resonance frequency can be further improved. Reference numeral 701 is a supply side nozzle, 702 is an exhaust side nozzle, 703 is a flapper, 704 is a supply side convex portion, 705 is a supply side hollow portion formed in the center of the supply side convex portion, 706 is an exhaust side convex portion, 707. Is an exhaust side cavity formed in the center of the exhaust side convex portion. These cavities formed in each convex portion do not affect the supply-side and exhaust-side flow paths. In the case of the magnetic attraction type which is formed by the flapper thin disk and is deformed by magnetic force, the deformation amount is the largest in the central portion of the disk. Since the mass of the central part of the disk has a great influence on the resonance frequency of the disk, the reduction of the mass of the central part can greatly contribute to the improvement of the resonance frequency of the servo valve.
前述した実施形態は、フラッパの表裏面に凸部を形成し、ノズル側にこの凸部を挿入する筒状の内周面を形成する場合を示した。この逆の構成でも、本発明の機能を持たせることができる。図45において、711は供給側ノズル、712は排気側ノズル、713はフラッパ、714は供給ノズル側凸部、715は給側流通路、716は排気ノズル側凸部、717は排気側流通路である。718は前記フラッパの供給側に形成された供給側筒部、719は前記フラッパの排気側に形成された排気側筒部である。 In the above-described embodiment, the convex portion is formed on the front and back surfaces of the flapper, and the cylindrical inner peripheral surface into which the convex portion is inserted is formed on the nozzle side. The reverse configuration can also provide the functions of the present invention. In FIG. 45, 711 is a supply side nozzle, 712 is an exhaust side nozzle, 713 is a flapper, 714 is a supply nozzle side convex portion, 715 is a supply side flow passage, 716 is an exhaust nozzle side convex portion, and 717 is an exhaust side flow passage. is there. Reference numeral 718 is a supply-side cylinder portion formed on the supply side of the flapper, and 719 is an exhaust-side cylinder portion formed on the exhaust side of the flapper.
前述した実施形態は、フラッパの表裏面に形成する凸部(挿入体)は円柱形状であった。図46は前記凸部をテーパ形状に構成したもので、721は供給側ノズル、722は排気側ノズル、723はフラッパ、724は供給ノズル側凸部、725は給側流通路、726は供給側凸部のテーパ部、728は排気ノズル側凸部、729は排気側流通路、730は排気側凸部のテーパ部、731は供給側ノズル先端部、732は制御室、733は排気側ノズル先端部である。図46a〜46cはバルブ入力電流を変えたときの各ノズル721,722とフラッパ723の位置関係を示し、図46aはバルブ入力電流I=0(初期値)の状態、図46bはI≒Imax/2(中立点)の状態、図46cはI=Imax(最大値)の状態である。ここで、図46aおける鎖線円Dに注目する。供給側ノズル先端部731とフラッパ723は密着して、供給側ノズル先端部731の半径方向流路は遮蔽状態になる。その結果、給側流通路725と制御室732間の流路は完全に遮断される。図46cにおいても、排気側ノズル先端部733とフラッパ723は密着して、排気側ノズル先端部733の半径方向流路は遮蔽状態になる。その結果、制御室732と排気流通路729との流路は完全に遮断される。本構成により、たとえば、第1実施形態(図4)のグラフに示すように、I=0のとき有効断面積A=0、かつ電流が0<I<Imax/2の区間におけるフラッパの変位に対する吸気側有効断面積、及び、フラッパの変位に対する排気側有効断面積を単調増加する線形特性にすることができる。ノズルを通過する流量は、有効断面積に比例するため、前記テーパ部726、730の箇所を曲線形状にすれば、この曲線形状の選択により、電流が0<I<Imax/2の区間、及び、Imax/2<I<Imaxの区間における吸・排気流量を任意の曲線にできる。(図示せず) In the above-described embodiment, the protrusions (inserts) formed on the front and back surfaces of the flapper have a cylindrical shape. In FIG. 46, the convex portion is formed in a tapered shape. 721 is a supply side nozzle, 722 is an exhaust side nozzle, 723 is a flapper, 724 is a supply nozzle side convex portion, 725 is a supply side flow passage, and 726 is a supply side. Tapered portion of convex portion, 728 is convex portion on exhaust nozzle side, 729 is exhaust side flow passage, 730 is tapered portion of convex portion on exhaust side, 731 is tip of supply side nozzle, 732 is control chamber, 733 is tip of exhaust side nozzle It is a department. 46a to 46c show the positional relationship between the nozzles 721 and 722 and the flapper 723 when the valve input current is changed. FIG. 46a shows the state where the valve input current I=0 (initial value), and FIG. 46b shows I≈I max. A state of /2 (neutral point), and FIG. 46c shows a state of I=I max (maximum value). Attention is now paid to the dashed circle D in FIG. 46a. The supply side nozzle tip portion 731 and the flapper 723 are in close contact with each other, and the radial direction flow path of the supply side nozzle tip portion 731 is in a blocked state. As a result, the flow path between the supply side flow passage 725 and the control chamber 732 is completely blocked. Also in FIG. 46c, the exhaust side nozzle tip portion 733 and the flapper 723 are in close contact with each other, and the radial direction flow path of the exhaust side nozzle tip portion 733 is blocked. As a result, the flow path between the control chamber 732 and the exhaust flow passage 729 is completely cut off. With this configuration, for example, as shown in the graph of the first embodiment (FIG. 4), the displacement of the flapper in the section where the effective area A=0 when I=0 and the current is 0<I<I max /2. It is possible to make the intake side effective sectional area and the exhaust side effective sectional area relative to the displacement of the flapper linearly increase. Since the flow rate passing through the nozzle is proportional to the effective cross-sectional area, if the tapered portions 726 and 730 are formed in a curved shape, by selecting this curved shape, the section where the current is 0<I<I max /2, Also, the intake/exhaust flow rate in the section of I max /2<I<I max can be set to an arbitrary curve. (Not shown)
凸部にテーパ部を形成する代わりに、ノズルの内面をテーパにしてもよい。また全電流領域で、凸部はノズル内に常に収納されている構成でもよい。この場合でも、フラッパ変位に対して有効断面積(流量)が下に凸となるような非線形特性を持たせる流路形状にすればよい。(図示せず) Instead of forming the tapered portion on the convex portion, the inner surface of the nozzle may be tapered. Further, the convex portion may be always housed in the nozzle in the entire current region. Even in this case, the flow path may have a non-linear characteristic such that the effective area (flow rate) is convex downward with respect to the flapper displacement. (Not shown)
(3)表面絞り形ノズルの適用
前述した実施形態は、給側ノズルとフラッパとの間、及び、排気側ノズルとの間に横断面が概略環状の流路を形成する環状流路形成構造を形成していた。この環状流路形成構造以外として、狭い隙間を半径方向に流れる粘性流体抵抗を利用した非接触式ノズル(表面絞り形ノズル)も適用できる。
(3) Application of Surface-Drawing Nozzle The above-described embodiment has an annular flow passage forming structure that forms a flow passage having a substantially annular cross section between the supply side nozzle and the flapper and between the exhaust side nozzle. Had formed. In addition to this annular flow path forming structure, a non-contact type nozzle (surface throttle type nozzle) that utilizes viscous fluid resistance flowing in a narrow gap in the radial direction can also be applied.
図47において、741は供給側ノズル、742はフラッパ、743は供給ノズル側凸部、744は給側流通路、745は中心軸、746は排気側ノズル、747は中心軸745の前記フラッパ側に形成されて、排気ノズル径ΦD2よりも外径ΦD3が充分に大きな凸部である。この凸部747とフラッパ742間の隙間δにより、表面絞り形ノズルを構成している。この表面絞り形ノズルは隙間δが小さいときは、流体の流れが粘性領域にあるため流体抵抗が極めて大きい。前述した流路の有効断面積Aに換算すれば、Aは僅小である。隙間δが増大して流体の流れがポテンシャル領域に入れば、流体抵抗は大幅に低減して、有効断面積Aは大幅に増大する。すなわち、隙間δ(フラッパの変位)に対して、流量は非線形特性で変化する。前記非線形特性は下に凸の曲線であり、その変曲点A0を用いれば、前記環状流路形成構造と組み合わせて、本発明バルブを構成できる。 In FIG. 47, 741 is a supply side nozzle, 742 is a flapper, 743 is a supply nozzle side convex portion, 744 is a supply side flow passage, 745 is a central axis, 746 is an exhaust side nozzle, and 747 is a central axis 745 on the flapper side. The formed protrusion has an outer diameter ΦD3 that is sufficiently larger than the exhaust nozzle diameter ΦD2. The gap δ between the convex portion 747 and the flapper 742 constitutes a surface-throttle nozzle. When the gap δ is small, the surface restriction nozzle has a very large fluid resistance because the fluid flow is in the viscous region. If converted into the above-mentioned effective area A of the flow path, A is very small. When the gap δ increases and the fluid flow enters the potential region, the fluid resistance is significantly reduced and the effective area A is significantly increased. That is, the flow rate changes with a non-linear characteristic with respect to the gap δ (displacement of flapper). The non-linear characteristic is a downwardly convex curve, and if the inflection point A0 is used, the valve of the present invention can be configured in combination with the annular flow path forming structure.
図48は、供給側と排気側の両方に、上述した表面絞り形ノズルを適用した場合を示す。851は供給側中心軸、852は供給側ノズル、853は給側流通路、854は供給側凸部、855はフラッパ、856は排気側中心軸、857は排気側ノズル、858は排気側流通路、859は排気側凸部である。 FIG. 48 shows a case where the above-described surface-throttle nozzle is applied to both the supply side and the exhaust side. 851 is a supply side central axis, 852 is a supply side nozzle, 853 is a supply side flow passage, 854 is a supply side convex portion, 855 is a flapper, 856 is an exhaust side central axis, 857 is an exhaust side nozzle, and 858 is an exhaust side flow passage. , 859 are exhaust side convex portions.
(4)フラッパの形状
前述した本発明の実施例に適用したフラッパ(ディスク)の形状は、たとえば、実施形態1(図1)の場合、板厚の厚い凸部(磁気経路部)64aと、板厚の薄い外周部(弾性変形部)64bにより構成される凸形円盤形状のフラッパであった。この弾性変形部に用いるディスクばねとして、スパイラルディスクばね、雲形ばね等を用いてもよい。
(4) Shape of flapper The shape of the flapper (disk) applied to the above-described embodiment of the present invention is, for example, in the case of the first embodiment (FIG. 1), the convex portion (magnetic path portion) 64a having a large plate thickness, It was a convex disk-shaped flapper constituted by an outer peripheral portion (elastically deformable portion) 64b having a small plate thickness. A spiral disc spring, a cloud spring, or the like may be used as the disc spring used for this elastically deforming portion.
弾性変形部の板厚を極力薄くして剛性を低減すると、板厚が薄くなるほど弾性変形部に発生する応力が増大して、フラッパ部材の許容応力(弾性限界)を超えてしまうという問題がある。弾性変形部をスパイラルディスクばねにすることにより、最大発生応力の大幅な低減を図ることができる。スパイラルディスクばねの剛性と発生応力は、板厚以外にスパイラル角度α、グルーブ(リッジ)の本数、グルーブとリッジの幅比などによって選定できる(図示せず)。 If the plate thickness of the elastically deforming portion is made as thin as possible to reduce the rigidity, the stress generated in the elastically deforming portion increases as the plate thickness becomes thinner, and the allowable stress (elasticity limit) of the flapper member is exceeded. .. By using a spiral disc spring as the elastically deformable portion, the maximum generated stress can be significantly reduced. The rigidity and the generated stress of the spiral disc spring can be selected by the spiral angle α, the number of grooves (ridges), the width ratio of the grooves to the ridges, etc., in addition to the plate thickness (not shown).
(5)バルブ全体構造
前述した本発明の実施例は、バルブ構造は主に軸対称部品で構成したものであった。上記軸対称部品以外に、角柱、円柱、馬蹄形、環状、などの各種鉄心、長方形の薄板材、角型ブロックなどの組み合わせで磁気回路、及び流体回路を形成しても、本発明によるサーボバルブを実現できる。たとえば、断面視において磁性材料部材を概略多角形形状に連結して閉ループ磁気回路を形成し、前記磁性材料部材のそれぞれは、電磁石のコイルを巻く鉄芯、ヨーク材、フラッパとしてもよい(図示せず)。
(5) Overall Valve Structure In the above-described embodiment of the present invention, the valve structure is mainly composed of axially symmetric parts. In addition to the above-mentioned axially symmetric parts, even if a magnetic circuit and a fluid circuit are formed by combining various iron cores such as a prism, a cylinder, a horseshoe shape, and an annular shape, a rectangular thin plate material, and a rectangular block, the servo valve according to the present invention can be used. realizable. For example, magnetic material members may be connected in a substantially polygonal shape in cross-section to form a closed loop magnetic circuit, and each of the magnetic material members may be an iron core around which a coil of an electromagnet is wound, a yoke material, or a flapper (not shown). No).
本発明の前述した各実施例では、作動流体に空気を用いた場合を示したが、本発明で用いる作動流体としては、油、空気、様々な種類のガスを問わず適用できる。たとえば電磁コイルの部分は、樹脂でモールド(封止)成形することで液体が触れてもよい構成にしてもよい(図示せず)。 In each of the above-described embodiments of the present invention, the case where air is used as the working fluid is shown, but the working fluid used in the present invention may be oil, air, or various kinds of gases. For example, a portion of the electromagnetic coil may be molded (sealed) with resin so that the liquid may come into contact therewith (not shown).
ディスク(フラッパ)、及び、閉ループ磁気回路を構成する部品には磁性材料を用いて、たとえば、パーマロイ(B)、電磁ステンレス鋼、純鉄などが適用できる。また、それ以外のハウジングなどには非磁性材料を用いればよい。低ヒステリシス化を図るために、パーマロイ等の難加工性材料を用いる場合は、各部品を単純化形状の要素にする。これらの要素を接着、焼きばめ、圧入、溶接などの工法を選択して接合すればよい。たとえば、第1実施形態(図1)において、中心軸50を細い円筒形状、中心軸底部51を薄い円筒形状にして、これらの要素を上記工法で接合すればよい(図示せず)。 Magnetic materials such as permalloy (B), electromagnetic stainless steel, and pure iron can be used for the disk (flapper) and the parts that form the closed loop magnetic circuit. A non-magnetic material may be used for other housings. When a difficult-to-process material such as permalloy is used in order to achieve low hysteresis, each part should be a simplified shape element. These elements may be joined by selecting a construction method such as adhesion, shrink fitting, press fitting, and welding. For example, in the first embodiment (FIG. 1), the central shaft 50 may be formed into a thin cylindrical shape and the central shaft bottom portion 51 may be formed into a thin cylindrical shape, and these elements may be joined by the above-described method (not shown).
以上、本発明バルブを工業用アクティブ除振装置に適用した場合について説明したが、本発明は様々な空気圧サーボ装置に適用できる。たとえば、空気圧人工筋肉を用いた人と協調可能なパワーアシストシステムに適用すれば、細かな位置制御と共に、電磁モータにはない柔らかな動作が実現できる。あるいは、空気圧ゴム人工筋肉を用いた足関節の背屈動作を支援する歩行支援装置、空気圧シリンダで駆動されるパワーアシスト椅子、空気圧ベローズで駆動する微動ステージ、複雑な形状の物体を把持する空気圧マニュプレータ、鉄道車両用の空気圧ブレーキシステム、車両用のアクティブサスペッション、等々である。 Although the case where the valve of the present invention is applied to the industrial active vibration isolator has been described above, the present invention can be applied to various pneumatic servo devices. For example, if it is applied to a power assist system that uses a pneumatic artificial muscle and is capable of cooperating with a person, it is possible to realize fine position control and a soft operation that an electromagnetic motor does not have. Alternatively, a walking support device that supports dorsiflexion of the ankle joint using pneumatic rubber artificial muscles, a power assist chair driven by a pneumatic cylinder, a fine movement stage driven by a pneumatic bellows, and a pneumatic manipulator that grips an object with a complicated shape. , Pneumatic brake systems for rail vehicles, active suspensions for vehicles, and so on.
空気圧サーボシステムは、1.クリーン、2.保守が容易、3.出力/重量比が電動式と比べて高い、4.圧縮性のため動きがなめらかである、5.力制御ができる、など他方式にはない様々な特徴を有する。空気圧サーボシステムの性能とコストを最も支配するのは、システムの心臓部であるサーボバルブであると言っても過言ではなく、従来バルブの欠点を大きく解消する本発明バルブは、今後空気圧サーボシステムの幅広い普及をおおいに加速すると予想される。 The pneumatic servo system is 1. Clean, 2. Easy to maintain 3. Higher output/weight ratio compared to electric type 4. 4. Smooth movement due to compressibility 5. It has various features such as force control that are not found in other systems. It is no exaggeration to say that it is the servo valve, which is the heart of the system, that has the most control over the performance and cost of the pneumatic servo system. It is expected that widespread diffusion will be greatly accelerated.
(6)マイクロピストン式と部品精度について
前述したように、本発明のマイクロピストン式は「軸方向流路」と「半径方向流路」の2つの流路を利用することにより、バルブ駆動電流I=0のとき供給流量Qin=0、排気流量Qout=Qmax、I=Imaxのとき供給流量Qin=Qmax、排気流量Qout=0にできる。この流量Qmaxの値は流路が完全遮蔽されているため、リーク(部材間の隙間)の影響を受けない。上記特徴に、マイクロピストン径を非対称にすることで得られる圧力フィードバック作用を組み合わせることで、次の相乗効果が得られる。
(6) Micro-Piston Type and Component Accuracy As described above, the micro-piston type of the present invention uses two flow passages, an "axial flow passage" and a "radial flow passage", to obtain a valve drive current I. When =0, the supply flow rate Q in =0, exhaust flow rate Q out =Q max , and when I=I max , supply flow rate Q in =Q max , exhaust flow rate Q out =0. Since the flow path is completely shielded, the value of the flow rate Q max is not affected by leak (gap between members). The following synergistic effect can be obtained by combining the above characteristics with the pressure feedback action obtained by making the micropiston diameter asymmetric.
すなわち、環状流路形成構造を構成する各部品の精度・組立精度の影響を受けず、0<I<Imaxの範囲で、線形性に優れた電流に対する流量・圧力特性が得られる。この効果は、0<I< Imaxの範囲で働く圧力フィードバックによる線形化作用によるものである。したがって、本発明のマイクロピストン式バルブは、バルブ性能を維持したままで、加工・組立精度を大幅に緩和できる。この効果は、サブミクロン・レベルの精度が必須の従来スプール式バルブ等では得られないものである。 That is, the flow rate/pressure characteristic with respect to the current having excellent linearity can be obtained within the range of 0<I<I max without being affected by the precision/assembly precision of each component forming the annular flow path forming structure. This effect is due to the linearization effect by pressure feedback that works in the range of 0<I<I max . Therefore, the micro-piston type valve of the present invention can greatly reduce the processing/assembly accuracy while maintaining the valve performance. This effect cannot be obtained by a conventional spool valve or the like, which requires submicron level accuracy.
59 流体排気側
63 フラッパ
65 流体供給側
69 順方向ノズル
70 逆方向ノズル
76 制御室
77 供給側流量制御部
78 排気側流量制御部
59 Fluid exhaust side 63 Flapper 65 Fluid supply side 69 Forward nozzle 70 Reverse direction nozzle 76 Control chamber 77 Supply side flow rate control section 78 Exhaust side flow rate control section
Claims (13)
流体排気側に流路が連絡した逆方向ノズルと、
前記順方向ノズルと前記逆方向ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、
前記フラッパの一部を固定するフラッパ支持部材と、
前記フラッパが前記順方向ノズルと前記逆方向ノズルの間を移動するように前記フラッパに作用する駆動手段と、
前記順方向ノズルと前記フラッパの対向面の間に形成された供給側流量制御部、又は、前記逆方向ノズルと前記フラッパの対向面の間に形成された排気側流量制御部と、を備え、
流体供給側から供給される作動流体は前記順方向ノズルを通過して、前記フラッパが収納される空間である制御室へ流入し、この制御室から前記逆方向ノズルを通過して前記流体排気側へ流出するように構成されており、
前記供給側流量制御部、又は、前記排気側流量制御部の有効断面積が、前記フラッパの変位に対して非線形特性で変化するように構成され、
前記非線形特性は下に凸の曲線又は折れ線で表されるものあり、その屈曲点における有効断面積をA0、有効断面積の最大値をAmaxとしたとき、0<A0/Amax<0.5であることを特徴とする流体サーボバルブ。 A forward nozzle with a flow path connected to the fluid supply side,
A reverse nozzle with a flow path connected to the fluid exhaust side,
A flapper provided so as to face the tip portions of the forward direction nozzle and the reverse direction nozzle,
A flapper support member for fixing a part of the flapper,
Drive means for acting on the flapper such that the flapper moves between the forward nozzle and the reverse nozzle;
A supply side flow rate control unit formed between the forward direction nozzle and the facing surface of the flapper, or an exhaust side flow rate control unit formed between the reverse direction nozzle and the facing surface of the flapper,
The working fluid supplied from the fluid supply side passes through the forward direction nozzle, flows into a control chamber that is a space for accommodating the flapper, passes through the reverse direction nozzle from the control chamber, and passes through the fluid exhaust side. Is designed to flow out to
An effective cross-sectional area of the supply side flow rate control unit or the exhaust side flow rate control unit is configured to change with a non-linear characteristic with respect to the displacement of the flapper,
The non-linear characteristic is represented by a curved line or a polygonal line that is convex downward, the effective area at the bending point is A 0 , when the maximum value of the effective area is A max , 0 <A 0 /A max < A fluid servo valve characterized by being 0.5.
前記環状流路形成構造は、
前記概略環状の流路の外側境界を形成する筒部の内周面と、
前記内周面に対して半径方向に離間させて挿入される挿入体とからなる請求項1記載の流体サーボバルブ。 The supply-side flow rate control unit, and the exhaust-side flow rate control unit is an annular flow path forming structure that forms a substantially annular flow path in cross section,
The annular flow path forming structure,
An inner peripheral surface of a tubular portion forming an outer boundary of the generally annular flow path,
The fluid servo valve according to claim 1, wherein the fluid servo valve comprises an insert body that is inserted in the inner peripheral surface so as to be spaced apart in the radial direction.
この閉ループ磁気回路の磁気特性が、
磁化力に対する磁束密度の特性が概略比例関係にある線形領域と、
磁化力に対する磁束密度特性の傾斜角が前記線形領域と比べて小さく変化する領域を磁気飽和領域とを有し、
前記フラッパの変位可能範囲で前記電磁石に通電する電流を増大させたときに、前記磁性材料部品を流れる磁束の磁束密度は前記磁気飽和領域に入ることを特徴とする請求項1記載の流体サーボバルブ。 A closed loop magnetic circuit is configured by the flapper, a magnetic pole that is provided opposite to the flapper and applies a suction action to the flapper, and a magnetic material component including the magnetic pole and the flapper.
The magnetic characteristics of this closed loop magnetic circuit are
A linear region in which the characteristics of the magnetic flux density with respect to the magnetizing force are roughly proportional,
The magnetic saturation region has a region where the inclination angle of the magnetic flux density characteristic with respect to the magnetizing force changes smaller than the linear region,
2. The fluid servo valve according to claim 1, wherein the magnetic flux density of the magnetic flux flowing through the magnetic material component is within the magnetic saturation region when the current passing through the electromagnet is increased within the displaceable range of the flapper. ..
前記フラッパに固定されたコイルボビンと、
このコイルボビンに巻かれた電磁コイルと、
この電磁コイルの外周部において、隙間を保って配置された永久磁石と、を備え、
前記コイルボビン、前記電磁コイル、前記永久磁石によりローレンツ力を利用したリニアアクチュータとして構成したことを特徴とする請求項1又は9記載の流体サーボバルブ。 The drive means,
A coil bobbin fixed to the flapper,
An electromagnetic coil wound around this coil bobbin,
In the outer peripheral portion of the electromagnetic coil, a permanent magnet arranged with a gap is provided,
The fluid servo valve according to claim 1 or 9, wherein the coil bobbin, the electromagnetic coil, and the permanent magnet are configured as a linear actuator that utilizes a Lorentz force.
第2ノズルと、
前記第1ノズルと前記第2ノズルの間に配置され、前記第1ノズルと前記第2ノズルの先端部に対して対向するように設けられたフラッパと、
前記フラッパが前記第1ノズルと前記第2ノズルの間を移動するように前記フラッパに作用する駆動手段と、
前記第1ノズルと前記フラッパの間に形成された第1流量制御部と、
前記第2ノズルと前記フラッパの間に形成された第2流量制御部と、
外部と連絡する第1開口部を有する第1流量制御流路と
外部と連絡する第2開口部を有する第2流量制御流路と、を備え、
前記フラッパが前記第1ノズルに近接したときにおいて、供給側から第1流量制御部を経て第1流量制御流路へ流路が開放されると同時に、第2流量制御流路から第2流量制御部を経て流路が開放され、
前記フラッパが前記第2ノズルに近接したときにおいて、供給側から第2流量制御部を経て第2流量制御流路へ流路が開放されると同時に、第1流量制御流路から第1流量制御部を経て流路が開放されるように構成されていることを特徴とする流体サーボバルブ。 A first nozzle,
A second nozzle,
A flapper that is disposed between the first nozzle and the second nozzle and that is provided so as to face the tip portions of the first nozzle and the second nozzle.
Drive means for acting on the flapper such that the flapper moves between the first nozzle and the second nozzle;
A first flow rate controller formed between the first nozzle and the flapper;
A second flow rate controller formed between the second nozzle and the flapper;
A first flow control channel having a first opening communicating with the outside, and a second flow control channel having a second opening communicating with the outside,
When the flapper approaches the first nozzle, the flow path is opened from the supply side to the first flow rate control flow path via the first flow rate control unit, and at the same time, the second flow rate control flow path is controlled from the second flow rate control flow path. The flow path is opened through the section,
When the flapper approaches the second nozzle, the flow path is opened from the supply side to the second flow rate control flow path via the second flow rate control unit, and at the same time, the first flow rate control flow path is controlled from the first flow rate control flow path. A fluid servo valve, characterized in that the flow path is opened through the portion.
除振対象物を基礎に対して支持する気体ばねと、
前記除振対象物の振動状態を検出する加速度センサと、
前記加速度センサからの情報に基づいて前記流体サーボバルブを調節することで、前記除振対象物の振動を低減する気体圧力を前記気体ばねに与えるアクティブ制御器とを備え、
前記流体サーボバルブが、気体を供給側から前記気体ばねに供給し、当該気体ばねから排気側へ排気するように構成されており、
前記フラッパの1次固有振動数が200Hz以上に構成されている流体サーボ装置。 A fluid servo valve according to any one of claims 1 to 12,
A gas spring that supports the object to be isolated against the foundation,
An acceleration sensor for detecting the vibration state of the vibration isolation target,
By adjusting the fluid servo valve based on the information from the acceleration sensor, an active controller that applies a gas pressure to the gas spring to reduce the vibration of the vibration isolation object,
The fluid servo valve is configured to supply gas from the supply side to the gas spring and exhaust the gas from the gas spring to the exhaust side.
A fluid servo device in which the primary natural frequency of the flapper is 200 Hz or more.
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