(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプールを有する弁体と、固定鉄心と可動プランジャとを備え、コイルの励磁によって前記可動プランジャが前記固定鉄心に吸着され、ばねによって可動プランジャが復帰されるように構成される比例ソレノイドと、を備えて構成される電磁比例バルブにおいて、
前記弁体と、前記ソレノイドとの間に接続体が配設され、
前記接続体には、前記スプールと、前記可動プランジャと一体的に形成されるシャフトと、を接続する接続ピンが配設され、
少なくとも前記弁体と前記接続ピンとの間にシール手段が配設される産業用の電磁比例バルブであって、
前記ソレノイドの制御回路が
前記コイルに流れる電流を微小変化させる制御手段と、微小変化される電流を調整するための制御電圧を増幅する増幅手段と、を有し、
前記増幅手段で設定されるゲインが、前記可動プランジャの微小移動に伴って発生する摩擦ばね負荷線の勾配より大きくなるように設定されることを特徴とする産業用電磁比例バルブ。
【請求項２】
前記制御回路が、変位センサ手段と、パルス発振手段と、を有し、前記変位センサ手段から出力された変位信号と所定のストロークを設定する指令信号とによって合成された合成指令信号が、前記パルス発振手段から出力された発振波形と比較され、前記発振波形の振幅を調整することによって前記コイルに流れる電流の制御をすることを特徴とする請求項１記載の産業用電磁比例バルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、産業用に使用される電磁比例バルブに関し、安定した位置制御が可能な電磁比例バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ソレノイドは可動プランジャと固定鉄心とを備えてなり、コイルの励磁によって可動プランジャが固定鉄心側に吸着される。コイルの励磁が解除されると戻りばねにより吸着された可動プランジャが復帰される。そして、この可動プランジャの先端側をバルブ体のスプールに連結するとソレノイドバルブとして使用することができる。しかし、このソレノイドバルブでは、供給される電流において、ストロークに対する吸引力は、吸着側が吸引力の上昇する特性の曲線となって現れるため、ソレノイドの吸引力と戻りばねの負荷を釣り合わせることが困難であり、ストロークの途中の位置で可動プランジャを停止させることはできない。
【０００３】
この課題を解決するために比例ソレノイドが使用される。比例ソレノイドは、ばね等の負荷との釣合位置を取ることができるものであり、制御される電流値において、略全ストロークに対して吸引力が一定になるような水平特性部を形成することによって、上昇する電流に対して吸引力を比例的に上昇させる。従って、電流を制御することによって、ばねとの釣合の位置を連続的に変化させて、任意の位置に調整することができるため、バルブ体内のスプールの位置の調整を行うことができ、位置精度を保つことができる。その結果、設定したストロークで、バルブに流れる流体の流量あるいは圧力を精度よく保つことができる。
【０００４】
従来、電磁比例ソレノイドは油圧電磁バルブＢ１に多く使用されている。電磁比例ソレノイド４１は、図７に示されるように、油圧バルブ体４０に直接取り付けるようになっていて、可動プランジャ４２のシャフト４３が油圧バルブ体４０内で移動可能なポペット４４に、戻りばね４５を介して接続されている。油圧バルブ体４０内に供給される油は、ソレノイド４１の内部の可動プランジャ４２等の可動部に潤滑するように流入されている。そのため、ソレノイド４１内の可動部にはシールがされず、ソレノイド４１の外部に対して油の漏れ防止のためにシール等が施されている。
【０００５】
そして、このタイプの負荷特性は、図８に示されるように、ばねの負荷は、ストロークに対して直線的に現れる。従って、可動プランジャの吸引力はばね負荷だけに影響される。
【０００６】
しかし、電磁比例バルブに流入される流体が油だけでなく、一般産業用の流体、例えば、水、薬品等を使用する場合は、電磁比例バルブ（以下、バルブという）Ｂは、図１に示されるように、バルブ体３からの流体が比例ソレノイド（以下、ソレノイドという）１内に流入されないように、ソレノイド１はバルブ体３に対して離れるように取り付けられる。そのため、バルブ体３とソレノイド１との間には接続体としてのシールケース２が配設され、バルブ体３内の流体の漏れを防止している。
【０００７】
ソレノイド１には固定鉄心１１と可動プランジャ１２が配設され、可動プランジャ１２はソレノイド１内に巻回されるコイル１０が通電されることにより、固定鉄心１１側に吸着されるように構成されている。そして、可動プランジャ１２と一体的に形成されるシャフト１３の一端には、コア１４ａが取り付けられコア１４ａの回りに差動トランス１４ｂが配設され、コア１４ａと差動トランス１４ｂとを含んで、可動プランジャ１２の位置を検出する変位センサ１４が構成される。シャフト１３の他端は、後述のシールケース２内に配設されるばね受け２２に接続されている。さらに固定鉄心１１の可動プランジャ１２側先端には、テーパ状の水平特性形成部１１ａが形成されている。
【０００８】
シールケース２内には、戻りばね２３が配設されるばね室２１とシールパッキン２６が配設される接続窓部２４が形成され、ばね室２１には挿入される可動プランジャ１２のシャフト１３に接続されるばね受け２２と、ばね受け２２をバルブ体３側に付勢する戻りばね２３とが配設され、接続窓部２４には一端がばね受け２２に接続され、他端がバルブ体３内のスプール３１に接続される接続ピン２５と、接続ピン２５の回りに配設されバルブ体３の流体の漏れを防止するためのシールパッキン２６とシールパッキン２６をバルブ体３側に押圧するシール押え２７とが配設されている。
【０００９】
そして、このバルブＢにおける制御回路は、図２に示されるように、第１指令信号ａから入力され、第１指令信号を増幅する指令信号増幅器４と、ソレノイド１側に取り付けられる変位センサ１４から入力される変位信号ｂを増幅する変位信号増幅器５と、指令信号増幅器４と変位信号増幅器５から出力される信号ｃ、ｄを合成する差動増幅器６と、パルス波形を発振するディザー発振回路７と、差動増幅器６から出力される第２指令信号ｅとディザー発振回路から発振される波形信号ｆを比較する比較器８と、比較器８から出力される指令信号ｇにもとづいてソレノイド１のコイル１０に流す電流を制御するトランジスタ部９と、を有して構成されている。トランジスタ部９は、一般的なトランジスタでなくでも、例えばＦＥＴなどのパワースイッチング素子を用いてもよい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バルブ体３内の流体の漏れを防止するシールパッキン２６はシール押え２７により、接続ピン２５とバルブ体３とを強固な嵌合でシールするため、可動する接続ピン２５との間に発生する摩擦抵抗が大きくなり、スプール３１の停止位置を安定するためには、戻りばね２３の圧力を大きくするようにして使用されることになる。そのためバルブＢには、ばね負荷と摩擦による負荷の合成された負荷がかかることになる。
【００１１】
この摩擦が加わった負荷は、単にばね負荷のみによる負荷に比べて、与える電流の制御が困難であり、スプールの位置精度を向上することができずヒステリシスを小さくすることができない。
【００１２】
この発明は、上述の課題を解決するものであり、スプールの位置制御の精度を向上するとともにヒステリシスの小さくできる産業用電磁比例バルブを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかわる産業用電磁比例バルブでは、上記の課題を解決するために次のように構成するものである。すなわち、
スプールを有する弁体と、固定鉄心と可動プランジャとを備え、コイルの励磁によって前記可動プランジャが前記固定鉄心に吸着され、ばねによって可動プランジャが復帰されるように構成される比例ソレノイドと、を備えて構成される電磁比例バルブにおいて、
前記弁体と、前記ソレノイドとの間に接続体が配設され、
前記接続体には、前記スプールと、前記可動プランジャと一体的に形成されるシャフトと、を接続する接続ピンが配設され、
少なくとも前記弁体と前記接続ピンとの間にシール手段が配設される産業用の電磁比例バルブであって、
前記ソレノイドの制御回路が
前記コイルに流れる電流を微小変化させる制御手段と、微小変化される電流を調整するための制御電圧を増幅する増幅手段と、を有し、
前記増幅手段で設定されるゲインが、前記可動プランジャの微小移動に伴って発生する摩擦ばね負荷線の勾配より大きくなるように設定されることを特徴とするものである。
【００１４】
また好ましくは、前記制御回路が、変位センサ手段と、パルス発振手段と、を有し、前記変位センサ手段から出力された変位信号と所定のストロークを設定する指令信号とによって合成された合成指令信号が、前記パルス発振手段から出力された発振波形と比較され、前記発振波形の振幅を調整することによって前記コイルに流れる電流の制御をすることを特徴とするものであれば良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。電磁比例バルブの構成は前述の図１に示されるものと同様であり、その制御回路も前述の図２に示されるものと同様であるため省略する。
【００１６】
本発明の主要部は、図１に示される構成と図２に示される制御回路を有するバルブにおいて、そのバルブにかかる負荷、つまり、可動プランジャ１２の微小移動量に対する制御される微小電流値の変化を解明することによって明確になるものである。
【００１７】
図３のグラフはソレノイド１の負荷（電流値）特性を示すものであり、横軸に可動プランジャのストローク量、縦軸に水平吸引力（負荷力）が示されている。例えば、吸引力２０ｋｇが必要な場合、電流値を約１．３Ａ流す必要がある。電流値を変化させて可動プランジャ１２を可動させることによる全ての負荷Ｙ（電流値）は、ばねによる負荷（電流値）Ｓと全ての摩擦抵抗による負荷Ｔ（電流値）の合計されたものになり、可動プランジャ１２の吸着する方向（図のグラフではＡ→Ｂ）ではＹ＝Ｓ＋Ｔになり、可動プランジャの戻る方向（図のグラフではＣ→Ｄ）ではＹ＝Ｓ−Ｔになり、可動プランジャの全ストローク内では、負荷（電流値）の範囲がかなり広い幅にわたって現れる。
【００１８】
今、コイル１０が通電され可動プランジャ１２が吸着される方向（Ａ→Ｂ）に移動され、指令された電流によって、Ｐ１の位置で、ばね負荷と摩擦負荷の合成された総負荷に対して釣合の取れた位置に制御されている。この状態で外乱によって、可動プランジャ１２がストロークの大きい方向（Ｃ→Ｄ）に向かって僅かに移動された場合、移動する時点で摩擦負荷がかかり、可動プランジャ１２はＰ１の位置からＰ２を通ってＰ３の位置に移動される。このＰ１とＰ３を結ぶ線（Ｎ−Ｎ線）を摩擦ばね負荷線Ｎと呼ぶものとする。つまり、この摩擦ばね負荷線Ｎ上においては、与えられるストローク量に対応する電流値が決められるので、電流による制御が可能になる。従って、この摩擦ばね負荷線Ｎが差動増幅器６におけるゲインの最低限になるように設定すれば良い。
【００１９】
次に、上述の説明と比較するために差動増幅器６のゲインが低い場合について、図４に従って説明する。
【００２０】
現在、位置Ｑ１にある可動プランジャ１２が吸着側の負荷線に移動するように制御される場合、Ｑ１の位置に対して摩擦ばね負荷線ＮはＱ１、Ｑ２、Ｑ３を通る線（Ｎ−Ｎ線）であり、差動増幅器６のゲインがＱ１とＱ５を結ぶ線（摩擦ばね負荷線Ｎより低いＬ−Ｌ線）に設定されている。今、可動プランジャ１２がＱ１から摩擦ばね負荷線Ｎの中間点Ｑ０に移動しようとする場合、Ｑ１からＱ０の変位に対する負荷（電流値）はＬ−Ｌ線上にあるため、Ｑ０の負荷に対応する線と差動増幅器６のゲイン（Ｌ−Ｌ線）と交わる点Ｑ′０に対応するストローク位置Ｑ４までずれてしまう。従って、実際に必要な移動量Ｘに対して、Ｘ１に移動してしまう。このＸ１−Ｘがヒステリシスの幅として現れてくる。
【００２１】
従って、差動増幅器のゲインが摩擦ばね負荷線より低いと可動プランジャ１２のストローク位置の制御ができず、ヒステリシスも大きくなる。
【００２２】
逆に、差動増幅器のゲインが摩擦ばね負荷線より大きい場合は、可動プランジャ１２のストローク位置は、摩擦ばね負荷線上に乗るため電流による制御が可能となる。
【００２３】
上述のようにバルブＢにおける可動プランジャ１２の位置の制御は、摩擦ばね負荷線Ｎと差動増幅器６のゲインとの関係にあることがわかる。
【００２４】
図５及び図６は、可動プランジャ１２の位置精度をさらに高めるために、ディザー発振回路７から出される波形に対してトランジスタ部９に印加する電圧を制御するものであり、図２におけるディザー発振回路７から発振される発振波形ｆと差動増幅器６から出力される第２指令信号ｅとが比較器８で比較され印加される電圧をパルス信号に変換する方法を示すものである。
【００２５】
図５において、発振波形ｆ１に対して差動増幅器６からの第２指令信号ｅが比較され、ｆ１からｅ１を差し引くと（ａ）に示されるようなパルス幅によるＯＮ−ＯＦＦ波形の指令信号ｇ１が得られ、この指令信号ｇ１をトランジスタ部９に送ってソレノイド１に電流を流すことになる。そして、この電流によって移動される可動プランジャの変位が、設定位置に対して行き過ぎていれば指令信号ｇ１の波形の幅を狭くしソレノイド１に流す電流を小さくする。また、逆に設定位置に対して不足していれば指令信号ｇ１の波形の幅を大きくしソレノイド１に大きい電流を流すようにフィードバックさせる。今、可動プランジャ１２のストローク位置が設定位置より行き過ぎている場合、指令信号ｇ１の波形の幅を小さくする。まず、変位センサ１４から変位信号ｂが出力され、変位信号増幅器５に入力される。そして、差動増幅器６で第１指令信号ａから増幅された信号ｃと合成されて第２指令信号ｅ２が比較器８に入力される。第２指令信号ｅ２は第２指令信号ｅ１より低い電圧になる信号であり、比較器８でｆ１からｅ２が差し引かれると、（ｂ）に示されるように、指令信号ｇ１よりパルス幅の小さい電圧値を示す指令信号ｇ２となってトランジスタ部９に送られる。そして、ソレノイド１に電流を流すと、電流値は以前より低くなるので可動プランジャ１２は戻る方向に移動される。
【００２６】
次に、図６の場合について説明する。この場合は、ディザー発振回路７から出力される波形ｆの振幅を調整し、電圧を制御するものであり、波形ｆの振幅の調整は、例えば、図示しないボリューム等で手動で操作する。図５に示された波形ｆ１の振幅が大きい場合、ボリュームで調整される波形ｆ１の振幅より小さい振幅の波形ｆ２を比較器８に出力する。波形ｆ２は差動増幅器６で出力される第２指令信号ｅ３を差し引かれ、指令信号ｇ３に変換される。さらに、波形ｆ２に対して、第２指令信号ｅ３より小さい電圧に相当する第２指令信号ｅ４が入力されるようにフィードバックされると、ｇ３より小さいパルス幅の指令信号ｇ４に変換される。ここで波形ｆ１と比較される第２指令信号ｅ１とｅ２との電圧差と、波形ｆ２と比較される第２指令信号ｅ３とｅ４との電圧差が同じだとすると、各々の場合の指令信号ｇにおいて、指令信号ｇ１とｇ２とのパルス幅の変動よりも指令信号ｇ３とｇ４とのパルス幅の変動の方が大きくなってくる。即ち、ディザー発振回路から出力される波形ｆの振幅が小さいほど第２指令信号ｅの変動に対して、指令信号ｇのパルス幅は大きく変化する。
【００２７】
このように、ディザー発振回路７から出力される波形ｆと第２指令信号ｅとを比較してフィードバックすると可動プランジャの変位の精度をさらに高めることができる。
【００２８】
なお、変位センサ１４は本形態においては差動トランスを使用しているが、ポテンションメータでもよい。
【００２９】
【発明の効果】
上述のように、本発明の産業用電磁比例バルブは、
スプールを有する弁体と、固定鉄心と可動プランジャとを備え、コイルの励磁によって前記可動プランジャが前記固定鉄心に吸着され、ばねによって可動プランジャが復帰されるように構成される比例ソレノイドと、を備えて構成され、
前記弁体と、前記ソレノイドとの間に接続体が配設され、前記接続体には、前記スプールと、前記可動プランジャと一体的に形成されるシャフトと、を接続する接続ピンが配設され、少なくとも前記弁体と前記接続ピンとの間にシール手段が配設されるため、特に、油圧以外の流体を使用するものに適している。そして、前記ソレノイドの制御回路が、前記コイルに流れる電流を微小変化させる制御手段と、微小変化される電流を調整するための制御電圧を増幅する増幅手段と、を有し、前記増幅手段で設定されるゲインが、前記可動プランジャの微小移動に伴って発生する摩擦ばね負荷線の勾配より大きくなるように設定されているため、スプールの位置制御の精度を向上することができ、弁の開度の精度が向上できるとともにヒステリシスを小さくすることができる。
【００３０】
さらに、前記制御回路が、変位センサ手段と、パルス発振手段と、を有し、前記変位センサ手段から出力された変位信号と所定のストロークを設定する指令信号とによって合成された合成指令信号が、前記パルス発振手段から出力された発振波形と比較され、前記発振波形の振幅を調整することによって前記コイルに流れる電流の制御をすることができるため、より精度の高いスプールの位置精度を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な産業用電磁比例バルブの断面図
【図２】図１における制御回路図
【図３】本発明の主要部を説明するための負荷特性を示すグラフ
【図４】摩擦ばね負荷線とゲインを比較するための解明図
【図５】ディザー発振回路から出力される波形をパルス波形に変換する図その１
【図６】ディザー発振回路から出力される波形をパルス波形に変換する図その２
【図７】従来の電磁比例バルブを示す図
【図８】図７における電磁比例バルブの負荷特性を示すグラフ
【符号の説明】
Ｂ…電磁比例バルブ
１…ソレノイド
２…シールケース（接続体）
３…バルブ体
６…差動増幅器
７…ディザー発振回路
８…比較器
１０…コイル
１１…固定鉄心
１２…可動プランジャ
１３…シャフト
１４…変位センサ
２３…戻りばね
２５…接続ピン
２６…シールパッキン（シール部材）
３１…スプール
Ｎ…摩擦ばね負荷線
ｅ…第２指令信号
ｆ…発振波形
ｇ…指令信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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