| 【発明の名称】 |
スプール型方向切換弁システム |
| 【発明者】 |
【氏名】大平 修司
【氏名】落合 正巳
【氏名】劉 小平
【氏名】大科 守雄
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| 【要約】 |
【課題】スプール型方向切換弁システムにおいて、流体力や摩擦力などパイロット圧力以外の力がスプールに作用していても、操作信号の指令値通りにスプールを動作させ正確にアクチュエータを制御できるようにする。
【解決手段】スプール２の両端部にそれぞれバネ１０ａ，１０ｂを介して当接するよう圧力センサ２０ａ，２０ｂを配置し、コントローラ４０でその信号からスプール２に作用するパイロット圧力による油圧力Ｆaと、スプール２に実際に作用している実際の駆動力Ｆmを計算し、その油圧力と実際の駆動力との比に操作信号５０の指令値Ｖoaを掛けて油圧力に対するフィードバック補正値Ｖrを計算し、この補正値を操作信号の指令値から減算して操作信号の指令値を補正する。この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bは電磁弁３０ａ，３０ｂに出力される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】操作信号の指令値に基づいて電磁弁を駆動し、スプールの両端部に作用するパイロット圧力を電磁弁により変化させ、スプールを変位させることにより、入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体の流量を制御するスプール型方向切換弁システムにおいて、前記パイロット圧力が前記スプールを押す油圧力を計測する第１計測手段と、前記スプールに作用している実際の駆動力を計測する第２計測手段と、前記第１計測手段で計測された油圧力と第２計測手段で計測された実際の駆動力とに基づいて油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように前記操作信号の指令値を補正し、この補正した指令値を電磁弁に出力する制御手段とを備えることを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項２】請求項１記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記第１計測手段は、前記スプールの両端部に作用するパイロット圧力のうち高圧側のパイロット圧力を検出する第１センサと、この第１センサで検出した圧力を前記油圧力に変換する第１演算手段とを有し、前記第２計測手段は、前記スプールの少なくとも一方の端部に弾性体を介して当接するよう配置され、前記実際の駆動力を検出する第２センサを有することを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項３】請求項２記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記第１センサ及び第２センサは、前記スプールの両端部にそれぞれ弾性体を介して当接するよう配置された２つの圧力センサを共通のセンサとして有し、前記２つの圧力センサのうち前記指令手段からの指令信号に対応する側の圧力センサを第１センサとして使用し、他方の圧力センサを第２センサとして使用することを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項４】請求項２記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記第１センサは前記スプールの両端部に作用するパイロット圧力の差圧を検出する差圧センサであることを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項５】請求項２記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記第２センサは圧力センサであり、前記第２計測手段は、前記圧力センサで検出した値を力に変換して前記実際の駆動力を求めることを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項６】請求項２記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記第２センサはロードセルであることを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項７】請求項１記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆動力との比に前記操作信号の指令値を掛けて油圧力に対するフィードバック補正値を計算し、このフィードバック補正値を前記操作信号の指令値から減算して操作信号の指令値を補正することを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
【請求項８】請求項１記載のスプール型方向切換弁システムにおいて、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆動力との偏差からパイロット圧力以外の力相当の補正値を計算し、この補正値を前記操作信号の指令値に加算して操作信号の指令値を補正することを特徴とするスプール型方向切換弁システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は油空圧システムに用いるスプール型方向切換弁に係わり、特に電磁弁によりパイロット圧力を変化させスプールを変位させることにより、入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体の流量を制御する電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁システムの一例を図１２に示す。
【０００３】図１２において、スプール型方向切換弁２００のハウジング２０１にはメインの油圧ポンプに接続されるポンプポートＰ、タンクに接続されるタンクポートＴ１，Ｔ２、アクチュエータに接続されるアクチュエータポートＣ１，Ｃ２が設けられ、これらポートの連通・遮断の切り換えがスプール２０２によって行われる。このスプール２０２はスプール両端部に設けられた圧力室Ａ，Ｂに電磁弁２３０ａ，２３０ｂよりパイロット圧力を導くことで動作させる。圧力室Ａ，Ｂはハウジング２０１に取り付けられたフランジ２６１，２６２内に形成されている。
【０００４】また、スプール２０２の位置決めを行うためのバネ２０７及びバネ座２０５，２０６がボルト２０８によってスプール２０２の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ２６２内に収納されている。
【０００５】スプール２０２は電磁弁２３０ａ，２３０ｂより圧力室Ａ，Ｂに導かれるパイロット圧力に応じて左右に移動し、スプール位置決め用バネ２０７と釣り合ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいずれかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１或いはＣ２にスプール２０２の位置に応じた流量が供給される。
【０００６】電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３１ａ，２３１ｂを介してフランジ２６１，２６２にそれぞれ接続され、また電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３２を介してパイロット用ポンプ２３３に、ホース２３４を介してタンク２３５にそれぞれ接続されている。電磁弁２３０ａ，２３０ｂはコントローラ２６０からの電流値によって動作する。例えばスプール２０２を左側に動かしたいときは指令電流２５１ａだけを出力することで電磁弁２３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しスプール２０２が動く。
【０００７】コントローラ２６０の詳細を図１３に示す。
【０００８】図１３において、指令手段からの操作レバーの角度信号（操作信号）２５０をコントローラ２６０の演算部２６０ａに読み込み、指令値の計算と指令値の出力方向の判定を行う。アンプ２４６ａ，２４６ｂはその処理結果に基づき指令電流２５１ａ，２５１ｂの一方を出力する。この信号によって前述したようにスプール２を動かすことができる。
【０００９】この場合、スプール２には流体力（フローフォース）が働き、目標通りの流量が得られない。これを解決する方法として、実開平５−２２９６４号公報には、スプールに作用する制御バネのバネ定数と、スプールの移動で形成される絞りの前後差圧の単位量当たりにおける流体力の開度に対する変化率との比が最適の値（３．５Ｍｐａ以上）になるよう、制御バネのバネ定数を選定することが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図１２に示した従来のスプール型方向切換弁においては、スプール２０２は上記のように圧力室Ａ又はＢに導かれるパイロット圧力によって動かされる。このとき、スプールには流体力や摩擦力が外乱として作用し、スプール開度に誤差を生じる。
【００１１】即ち、スプール２０２は、本来、圧力室Ａ又はＢに作用する圧力とスプール端部の受圧面積との積によって作用する力で移動し、スプール位置決め用バネ２０７の変形により生じるバネ力と釣り合うところで静止するため、その特性は直線的になる。このためポンプポートＰとアクチュエータポートＣ１或いはＣ２との間の開口面積（絞り面積）も圧力により一義的に決まり、その結果アクチュエータへの流量を電磁弁への指令値で制御することが可能となる。
【００１２】ところが、例えばスプール２０２が左側に移動したとすると、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１へ流体が流れ込み、その流速によってポートＣ１付近のスプール２０２に作用する圧力が低下する。そのためスプール２０２は押し戻される方向に力（流体力）を受け、実際の移動量は操作信号２５０の指令値よりも小さくなる。この流体力は流速によって大きく変化し、流速はアクチュエータの負荷によって変化するため、指令値が一定であっても指令値とスプールの移動量が一義的に決まることはあり得ない。
【００１３】電磁弁を使った方向切換弁はアクチュエータを制御するのに適しているが、上述した理由からアクチュエータを指令値通り正確に制御できないという欠点がある。
【００１４】アクチュエータを指令値通りに制御するためには、各アクチュエータの動きをセンシングするか、方向切換弁のスプールのストロークをセンシングすればよい。しかし、アクチュエータの動きのセンシングは方向切換弁のシステムを越えた方法であり、例えば油圧ショベル、工作機械、ロボット等、適用製品毎にシステムを作り直さなければならない。また、スプールのストロークのセンシングは、ストロークセンサを高圧の流体の中に入れる使用環境の問題や、ストロークセンサをスプールエンドに取り付けた場合の受圧面積の変化などの問題がある。
【００１５】更に、実開平５−２２９６４号公報では、スプールに作用する制御バネのバネ定数を最適化することで、流体力の影響を最小限に押さえようとしている。しかし、定常流体、非定常流体で変化する流体力を一義的に計算から推定する方法は、実際には多くの誤差を含むことになり、また複雑な開口面積等を持つスプールや、条件の変化に対応することはできない。
【００１６】本発明の目的は、上記課題に鑑み、流体力や摩擦力などパイロット圧力以外の力がスプールに作用していても、操作信号の指令値通りにスプールを動作させ正確にアクチュエータを制御することができるスプール型方向切換弁システムを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成するために、本発明は、操作信号の指令値に基づいて電磁弁を駆動し、スプールの両端部に作用するパイロット圧力を電磁弁により変化させ、スプールを変位させることにより、入力した流体の出力ポートを切り換えかつ流体の流量を制御するスプール型方向切換弁システムにおいて、前記パイロット圧力が前記スプールを押す油圧力を計測する第１計測手段と、前記スプールに作用している実際の駆動力を計測する第２計測手段と、前記第１計測手段で計測された油圧力と第２計測手段で計測された実際の駆動力とに基づいて油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように前記操作信号の指令値を補正し、この補正した指令値を電磁弁に出力する制御手段とを備えるものとする。
【００１８】このように油圧力と実際の駆動力を計測して求め、油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号の指令値を補正することにより、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になっていたパイロット圧力以外の力がスプールに働いていても、その力が大きくなるとその力に相当する分、油圧力が増大するよう補正されるので、操作信号の指令値通りにスプールを動作させ、正確にアクチュエータを制御することができる。
【００１９】（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１計測手段は、前記スプールの両端部に作用するパイロット圧力のうち高圧側のパイロット圧力を検出する第１センサと、この第１センサで検出した圧力を前記油圧力に変換する第１演算手段とを有し、前記第２計測手段は、前記スプールの少なくとも一方の端部に弾性体を介して当接するよう配置され、前記実際の駆動力を検出する第２センサを有する。
【００２０】このように第１センサでパイロット圧力を検出することにより、第１計測手段はその圧力に予め記憶しておいたスプール受圧面積を掛けることで油圧力を計測でき、第２センサで実際の駆動力を検出することにより、第２計測手段は実際の駆動力を計測できる。
【００２１】（３）また、上記（２）において、例えば、前記第１センサ及び第２センサは、前記スプールの両端部にそれぞれ弾性体を介して当接するよう配置された２つの圧力センサを共通のセンサとして有し、前記２つの圧力センサのうち前記指令手段からの指令信号に対応する側の圧力センサを第１センサとして使用し、他方の圧力センサを第２センサとして使用する。
【００２２】このように２つの圧力センサを交互に第１センサと第２センサとして使用することにより、圧力センサを第１センサとして使用する場合は、上記（２）で述べたように油圧力を計測でき、圧力センサを第２センサとして使用する場合は、その検出値を力に変換することにより実際の駆動力を計測できる。
【００２３】（４）更に、上記（２）において、前記第１センサは前記スプールの両端部に作用するパイロット圧力の差圧を検出する差圧センサであってもよい。
【００２４】このように第１センサとして差圧センサを用いることにより、１つのセンサでスプール両端部のいずれのパイロット圧力も検出できる。
【００２５】（５）また、上記（２）において、前記第２センサは圧力センサであり、前記第２計測手段は、前記圧力センサで検出した値を力に変換して前記実際の駆動力を求めてもよい。
【００２６】これにより第２センサが圧力センサであっても、第２計測手段は実際の駆動力を計測できる。
【００２７】（６）また、上記（２）において、前記第２センサはロードセルであってもよい。
【００２８】これにより第２計測手段はロードセルの検出力ダイレクトに実際の駆動力を計測できる。
【００２９】（７）また、上記（１）において、例えば、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆動力との比に前記操作信号の指令値を掛けて油圧力に対するフィードバック補正値を計算し、このフィードバック補正値を前記操作信号の指令値から減算して操作信号の指令値を補正する。
【００３０】これにより制御手段は、油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号の指令値を補正できる。
【００３１】（８）上記（１）において、前記制御手段は、前記油圧力と実際の駆動力との偏差からパイロット圧力以外の力相当の補正値を計算し、この補正値を前記操作信号の指令値に加算して操作信号の指令値を補正してもよい。
【００３２】これによっても制御手段は、油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号の指令値を補正できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３４】図１は本発明の第１の実施形態によるスプール型方向切換弁システムの全体を示すシステム構成図である。
【００３５】図１において、１００は本発明に係わるスプール型方向切換弁であり、このスプール型方向切換弁１００のハウジング１には、メインの油圧ポンプ１０１に接続されるポンプポートＰ、タンク３５に接続されるタンクポートＴ１，Ｔ２、アクチュエータ１０２に接続されるアクチュエータポートＣ１，Ｃ２が設けられ、スプール２によってこれらポートの連通・遮断の切り換えが行われる。スプール２はスプール両端部に設けられた圧力室Ａ，Ｂにパイロット圧力を導くことで動作させる。圧力室Ａ，Ｂはハウジング１に取り付けられたフランジ３，４内に形成されている。
【００３６】また、スプール２の位置決めを行うためのバネ７及びバネ座５，６がボルト８によってスプール２の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ４内に収納されている。
【００３７】スプール２の圧力室Ａ，Ｂには電磁弁３０ａ，３０ｂよりパイロット圧が導かれ、スプール２はこの圧力室Ａ，Ｂに導かれたパイロット圧力に応じて左右に移動し、スプール位置決め用バネ７と釣り合ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいずれかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１或いはＣ２にスプール２の位置に応じた流量が流入し、アクチュエータ１０２が駆動される。
【００３８】電磁弁３０ａ，３０ｂはホース３１ａ，３１ｂを介してフランジ３，４にそれぞれ接続されると共に、ホース３２を介してパイロット用ポンプ３３に、ホース３４を介してタンク３５にそれぞれ接続されている。また、電磁弁３０ａ，３０ｂはコントローラ６０からの電流値によって動作する。例えばスプール２を左側に動かしたいときは指令電流５１ａだけを出力することで電磁弁３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しスプール２が動く。
【００３９】以上は従来のスプール型方向切換弁と共通の構成である。本発明では、このようなスプール型方向切換弁に対して以下に述べるような制御システムを付加している。
【００４０】まず、スプール２の右端にはスプール２と共に移動するように力検出用バネ１０ａが固設されており、バネ１０ａの自由端側（反対側）には球状の突起を有するセンサ接触部１０ｃが固設されている。また、スプール２の左端側には、スプール位置決め用のバネ７を保持するボルト８の頭部８ａに同様のバネ１０ｂが固設され、このバネ１０ｂの自由端側（反対側）にも球状の突起を有するセンサ接触部１０ｄが固設されている。力検出用バネ１０ａ，１０ｂのそれぞれのセンサ接触部１０ｃ，１０ｄは圧力センサ２０ａ，２０ｂに接しており、圧力センサ２０ａ，２０ｂはそれぞれフランジ３，４に取り付けられている。説明の簡単化のため、本実施形態では、スプール２が図示の中立位置にある状態で圧力センサ２０ａ，２０ｂと力検出用バネ１０ａ，１０ｂのセンサ接触部１０ｃ，１０ｄとのクリアランスは０ｍｍとする。
【００４１】圧力センサ２０ａ，２０ｂの構造を図２に示す。図２では圧力センサ２０ａ，２０ｂを符号２０で代表して示している。
【００４２】図２において、圧力センサ２０はハウジング２００，２０１を有し、このハウジング２００，２０１間に圧力を検出するダイアフラム構造体２１を固定している。このダイアフラム構造体２１のダイアフラム面圧には複数の歪ゲージ２１aが設けられ、力センサ２０はこのダイアフラム構造体２１のダイアフラム面が圧力で歪むのを歪ゲージ２１ａで検出している。ハウジング２００内にはアンプ２２、歪ゲージ用電源２３が配置され、これらはケーブル２４に接続されている。
【００４３】ハウジング２０１の先端には油路２０２が形成され、圧力Ｐはこの油路２０２から誘導され、上記のように歪ゲージ２１ａで検出され、その信号はアンプ２２により増幅され信号５２ａ，５２ｂとなり、ケーブル２４を介してコントローラ４０に入力される。
【００４４】また、この圧力センサ２０は、ダイアフラム構造体２１のダイアフラム面に力を作用させても同様に信号５２ａ，５２ｂを出力する。本実施形態では、この信号５２ａ，５２ｂを用いてスプール２に作用している実際の駆動力（以下、単に駆動力という）を計測する。
【００４５】圧力センサ２０の信号５２ａ，５２ｂからスプール２の駆動力を計測する原理を図３を用いて説明する。
【００４６】図３において、スプール２の駆動力Ｆmとスプール２がフランジ４を押す力Ｆpとスプール２が圧力センサ２０を押す力Ｆsの間には以下の関係がある。
【００４７】Ｆm＝Ｆs＋Ｆp駆動力Ｆmによってスプール２がｘだけ変位したとすると、Ｆm＝（ｋd十ｋp）ｘとなる。ここで、ｋdはバネ１０ｂ（又は１０a）のバネ定数、ｋpはスプール位置決め用バネ７のバネ定数である。Ｆs＝ｋdｘであるから、変位ｘは、ｘ＝Ｆs／ｋdで求められる。即ち、Ｆpは以下の式になる。
【００４８】Ｆp＝Ｆs／ｋd×ｋp圧力センサ２０で検出できる力はＦsであり、バネ定数ｋd，ｋpは既知であるから、以上の式よりスプール２の駆動力Ｆmは次式となる。
【００４９】
Ｆm＝Ｆs＋Ｆs／ｋd×ｋp＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs圧力センサ２０は「圧力」を感知するセンサであるため、このセンサ２０の信号５２ｂ（又は５２ａ）の値をＶ20bとすると、圧力センサ２０には、Ｐs＝Ｃo×Ｖ20bＣo：比例定数の圧力に相当する力が働いている。この圧力センサ２０の受圧面積をＡdとすると、圧力センサ２０に働く力は、Ｆs＝Ｐs×Ａd＝Ｃo×Ｖ20b×Ａdとなる。
【００５０】以上よりスプール２の駆動力Ｆmは、Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｃo×Ｖ20b×Ａd）
と求められる。
【００５１】コントローラ４０は上記の圧力センサ２０ａ，２０ｂの信号５２ａ，５２ｂと指令手段からの操作レバーの角度信号（操作信号）５０を入力し、所定の演算処理を行い、電磁弁３０ａ，３０ｂに指令電流５１ａ，５１ｂを出力する。
【００５２】コントローラ４０の詳細を図４に示す。
【００５３】図４において、指令手段からの操作レバーの角度信号（操作信号）５０、圧力センサ２０ａ，２０ｂからの信号５２ａ，５２ｂはＡ／Ｄボード４７に入力される。このＡ／Ｄボード４７には、共通バス４１を介してＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３，ＣＰＵ４４がつながれ、Ａ／Ｄボード４７から入力された信号を基にＲＯＭ４２内にあるプログラムを基にＣＰＵ４４で演算処理を行う。ここで計算された指令値はＤ／Ａボード４５からアンプ４６ａ，４６ｂに送られ、電磁弁３０ａ，３０ｂへ指令電流５１ａ，５１ｂとして送られる。
【００５４】ＣＰＵ４４での演算処理の内容を図５のフローチャートに基づき説明する。
【００５５】手順S1で処理ルーチンをスタートし、手順S2で操作レバーの角度信号５０の値θoを読み取り、手順S3でθoに応じ、電磁弁３０ａ，３０ｂの比例ソレノイドに対する指令電流５１ａ，５１ｂを得るための指令電圧値Ｖoa，Ｖobを下記の式で演算する。
【００５６】Ｖoa＝ｆ（θo）
Ｖob＝ｇ（θo）
ここで、操作レバーの角度θoと比例ソレノイドへの指令電圧値Ｖoa，Ｖobの関係は線形、非線形のどちらでも構わない。
【００５７】操作例として、圧力室Ａに圧力を立て、圧力室Ｂを大気圧にするように操作レバーを動かすと、Ｖoa＝ｆ（θo）によって指令電圧値Ｖoaが上がり、Ｖob＝ｇ（θo）によって指令電圧値Ｖobは下がるように計算される。
【００５８】次に手順S4で圧力センサ２０ａ，２０ｂの信号５２ａ，５２ｂの値Ｖ20a，Ｖ20bを読み込む。
【００５９】上記の操作例では、圧力室Ａに配置された圧力センサ２０ａには、圧力室Ａの圧力が作用し、この圧力でスプール２は図６に示すように右側に移動するため、スプール２の右端に固設された力検出用バネ１０ａは圧力センサ２０ａに接していない。このため、圧力室Ａの圧力が信号５２ａの値Ｖ20aとしてコントローラ４０に読み込まれる。圧力室Ｂ内では圧力が大気圧になり、圧力センサ２０ｂにはスプール２の左端に配置されたバネ１０ｂが接しているため、この力が信号５２ｂの値Ｖ20bとして読み込まれる。
【００６０】次の手順S5では、指令電圧値Ｖoaと指令電圧値Ｖobを比較する。指令電圧値が、Ｖoa＞Ｖobであれば、圧力センサ２０ａの信号５２ａの値Ｖ20aは圧力、圧力センサ２０ｂの信号５２ｂの値Ｖ20bは力と判定でき、そうでなければ圧力センサ２０ａの信号５２ａの値Ｖ20aは力、圧力センサ２０ｂの信号５２ｂの値Ｖ20bは圧力と判定できる。
【００６１】上記操作例では、ここの判定がＹｅｓとなり、手順S6ａでパイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆaを計算する。まず、左側の圧力室Ｂの圧力は大気圧であるから、スプール２を動かそうとする油圧力Ｆaは圧力室Ａ内に発生する圧力で生じる。今、圧力室Ａ内の圧力をＰaとすると、この圧力Ｐaと圧力センサ２０ａの検出値Ｖ20aには、Ｐa＝Ｃo×Ｖ20aＣo：比例定数の関係があり、スプール２の受圧面積をＡsとしてスプール２を押す油圧力Ｆaは、Ｆa＝Ａs×Ｃo×Ｖ20aと計算される。なお、ここでは圧力センサ２０の検出値Ｖ20bと圧力Ｐsの関係をリニア（比例定数Ｃo）としたが、そうでなくてもよい。
【００６２】次に、手順S7ａでスプール２に作用する実際の駆動力Ｆmを計算する。スプール２には流体力や摩擦力などパイロット圧力以外の力が作用するため、実際には上記のＦaの油圧力で押されただけ変位しない。スプール２の駆動力Ｆmは油圧力Ｆaから流体力や摩擦力などパイロット圧力以外の力を引いたものであり、この駆動力Ｆmは圧力室Ｂに設置された圧力センサ２０ｂで検出される。この駆動力Ｆmは、上述したように、Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×Ｆs＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｃo×Ｖ20b×Ａd）
Ａd：圧力センサ２０ａ又は２０ｂの受圧面積ｋp：スプール位置決め用バネ７のバネ常数ｋd：力検出用バネ１０ａ又は１０ｂのバネ常数で求められる。
【００６３】以上によりスプール２に作用するパイロット圧力による油圧力Ｆaと実際の駆動力Ｆmが求められる。
【００６４】次いで手順S8ａで、実際の駆動力Ｆmをフィードバック電圧Ｖrに変換する。先に求めた油圧力Ｆaは電磁弁への出力電圧値がＶoaの時の力であるから、Ｆmに相当する電圧Ｖrは、Ｖr＝ＶoaＦm／Ｆaとなる。
【００６５】ＶoaがＶobより大きい場合は、Ｖoa側が制御対象であり、手順S10ａでフィードバック電圧Ｖrを補正値として用い、Ｖoaに対するフィードバック補正演算を行う。即ち、Ｖ30a＝ｈ（Ｖoa−Ｖr）
Ｖ30b＝Ｖobと電磁弁３０ａ，３０ｂへの補正指令値Ｖ30a，Ｖ30bを計算し、Ｖoa側の出力値を補正する。ここで、関数ｈは比例、積分、微分要素を持っていても良いし、そうでなくても構わない。
【００６６】これらの指令値Ｖ30a，Ｖ30bを手順S11で電磁弁３０ａ，３０ｂに信号５１ａ，５１ｂとして出力し、手順S2に戻る。このループでは、スプールヘ作用する油圧力Ｆaと駆動力Ｆmが一致するように電磁弁３０ａより出力されるパイロット圧力（圧力室Ａの圧力）Ｐaが調整される。
【００６７】また、手順S5でＮｏと判定された場合、即ち、Ｖoa≦Ｖobの場合は手順S6ｂ，S7ｂの処理を実行する。この場合、スプール２に作用するパイロット圧力Ｐｂによる力の計算では圧力センサ２０ｂの信号５２ｂを用い、スプール２に作用する実際の駆動力の計算では圧力センサ２０ａの信号５２ａを使うことになる。また、補正値は手順S8bで、Ｖｒ＝ＶobＦm／Ｆaで計算される。更に、電磁弁３０ａ，３０ｂへの補正指令値Ｖ30a，Ｖ30bの計算でも手順S10ｂを実行し、Ｖobに対してフィードバック補正演算を行うことになる。
【００６８】以上において、圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントローラ４０の図５に示す手順S4，S6ａ，S6ｂの機能は、パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆaを計測する第１計測手段を構成し、力検出用バネ１０ａ，１０ｂ，圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントローラ４０の図５に示す手順S4，S7ａ，S7ｂの機能は、スプール２に作用している実際の駆動力Ｆmを計測する第２計測手段を構成し、コントローラ４０の図５に示す手順S2，S3，S5，S8ａ，S8ｂ，S10ａ，S10ｂ，S11の機能は、上記第１計測手段で計測された油圧力Ｆaと第２計測手段で計測された実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧力と実際の駆動力との差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖobを補正し、この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３０ａ，３０ｂに出力する制御手段を構成する。
【００６９】以上のように構成した制御システムによるスプール２の変位特性を図７に示し、スプール２が変位したことによる流量特性を図８に示す。これらの特性図は、図１に示す電磁弁３０ａ，３０ｂ、ホース、方向切換弁１００について流体力を含んだモデル化を行い、シミュレーションを行った結果である。流体力は文献の理論値を用いている。
【００７０】また、図中（ａ）は流体力がある場合で本発明の図５に示す制御を行った場合を示し、図７のスプール変位線図ではスプール２が約６．５ｍｍまでストロークしていることが分かる。また、図８の流量特性図では約１９０リットル／ｍｉｎの流量が得られている。（ｂ）は流体力がある場合で制御を行わない場合であり、流体力によって５．２ｍｍまでスプール２は押し戻され、流量は１０５リットル／ｍｉｎと４５％も少なくなっている。（ｃ）は流体力が全くない場合のスプール変位、流量特性であり、本発明の制御を行えば流体力を殆どキャンセルできることが分かる。
【００７１】従って、本実施形態によれば、従来のスプール型方向切換弁のパイロット圧力室Ａ，Ｂに圧力センサ２０ａ，２０ｂと力検出用バネ１０ａ，１０ｂ及びセンサ接触部１０ｃ，１０ｄを付加するだけの簡単な構成で、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になっていたパイロット圧力以外の力がスプール２に作用していても、操作信号の指令値通りにスプール２を動作させ正確にアクチュエータ１０２を制御することができる。
【００７２】図１に示した第１の実施形態の変形例を図９に示す。図９は第１の実施形態の図５に示すフローチャートに対応するもので、手順S7ａ，S7ｂまでは図５と同じであり、その後のフィードバックの補正演算方法が異なる。よって、手順S1〜S7ｂまでの説明は割愛し、手順S8Ａからの説明を行う。
【００７３】手順S8Ａでは流体力や摩擦力などパイロット圧力以外の力（以下、流体力で代表する）Ｆfの計算を行う。流体力Ｆfは、Ｆf＝Ｆa−Ｆmとなり、このＦfを用いて制御することができる。即ち、Ｖoa又はＶobの指令電圧値によってスプール２に生じた圧力（力）は流体力の分だけ小さくなるのであるから、この流体力分の電圧を指令値Ｖoa又はＶobに更に加えればよい。
【００７４】手順S8Ｂでは、Ｖf＝Ｆf×Ｃpにより、検出した流体力に相当する電磁弁３０ａ又は３０ｂへの補正指令電圧Ｖfを計算する。ここでＣpは、力を電圧に変換するための補正係数である。
【００７５】手順S9では、２つの電磁弁３０ａ，３０ｂに対する指令値ＶｏａとＶｏｂの大きさの判定を行ってフィードバック補正を行う電磁弁を特定し、手順S10Ａａ，S10Ａｂで補正指令電圧Ｖfを補正値として用い、電磁弁３０ａ又は３０ｂへの補正指令値Ｖ30a，Ｖ30bを計算する。この場合、例えば、手順S10Ａａでは、Ｖ30a＝ｈ（Ｖoa＋Ｖf）
Ｖ30b＝Ｖobと計算する。
【００７６】これらの指令値Ｖ30a，Ｖ30bを手順S11で電磁弁３０ａ，３０ｂに信号５１ａ，５１ｂとして出力し、手順S2に戻る。
【００７７】以上において、圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントローラ４０の図９に示す手順S4，S6ａ，S6ｂの機能は、パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆaを計測する第１計測手段を構成し、力検出用バネ１０ａ，１０ｂ，圧力センサ２０ａ，２０ｂ及びコントローラ４０の図９に示す手順S4，S7ａ，S7ｂの機能は、スプール２に作用している実際の駆動力Ｆmを計測する第２計測手段を構成するのは、第１の実施形態と同じである。そして、コントローラ４０の図９に示す手順S2，S3，S5，S8Ａ，S8Ｂ，S9，S10Ａａ，S10Ａｂ，S11の機能は、上記第１計測手段で計測された油圧力Ｆaと第２計測手段で計測された実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧力Ｆaと実際の駆動力Ｆmとの差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖobを補正し、この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３０ａ，３０ｂに出力する制御手段を構成する。
【００７８】本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】なお、上記実施形態では、弾性体である力検出用バネ１０ａ，１０ｂをスプール２側に固定したが、これらの弾性体はスプール２の移動量に応じた力を発生させるためのものであり、力検出用バネ１０ａ，１０ｂを圧力センサ２０ａ，２０ｂ側に固定しても良いし、或いはスプール２と圧力センサ２０ａ，２０ｂに両端を固定しても構わない。
【００８０】本発明の第２の実施形態を図１０及び図１１により説明する。図中、図１、図５に示す部材、処理内容と同等のものには同じ符号を付している。この実施形態は信号処理を一層簡単にしたものである。
【００８１】図１０において、１００Ａは本発明に係わるスプール型方向切換弁であり、このスプール型方向切換弁１００Ａのハウジング１にはフランジ９，４が取り付けられ、フランジ９内に２つの圧力室Ａ，Ｃが形成され、フランジ４内には圧力室Ｂが形成されている。
【００８２】圧力室Ｂにおいて、スプール位置決め用のボルト８の端部８ａに力検出バネ１１が固設され、更にその延長上に１軸のロードセル２２が固設されている。力検出バネ１１の自然長はスプール２の中立時の位置決め用ボルト８とロードセル２２の長さに合わせても良いし、オフセットを持たせスプール２が右方向エンドまで移動したときにバネ力が生じるように、自然長＞最大ストロークにしても良い。本実施形態では力検出バネ１１はスプール２が右方向エンドまで移動したときでも、力検出用バネ１１が圧縮されており、ロードセル２２に力を及ぼすものとする。
【００８３】フランジ９内の圧力室Ｃにはスプール左側の圧力室Ｂの圧力が導入され、更にフランジ９には差圧センサ２１が取り付けられ、この差圧センサ２１によって圧力室Ａと圧力室Ｃの差圧を検出する。この差圧が正のときはスプール２が右側から左側に移動するときであり、負の時はその逆である。
【００８４】コントローラ４０Ａでの演算処理の内容を図１１のフローチャートに基づき説明する。
【００８５】まず、手順S1で処理ルーチンをスタートさせる。このときスプール２の両端にかかる圧力は大気圧であり、スプール２は中立位置にある。このときの力検出用バネ１１のバネ力を検出するため、手順S2Ａでロードセル２２の信号５４の値Ｆm0を読み取る。
【００８６】次いで手順S2，S3で図５のフローチャートと同様、操作レバーの角度信号５０の値θoを読み取り、電磁弁３０ａ，３０ｂの比例ソレノイドに対する指令電圧値Ｖoa，Ｖobを演算する。
【００８７】次に手順S4Ａで差圧センサ２１の信号５３の値Ｖ21を読み取る。最初のループでは圧力室Ａ，Ｃに圧力は作用していないが、２回目のループからはどちらかの圧力室に圧力が生じている。これ以降は、圧力室Ａ，Ｃに圧力が作用しスプール２が動き出した後の状態について説明する。
【００８８】手順S6Ａでは、差圧センサ２１の信号値Ｖ21からスプール２に作用するパイロット圧力による油圧力Ｆaを、図５の手順S6ａ，S6ｂと同様、Ｆa＝Ａs×Ｐa＝Ａs×Ｃo×Ｖ21と計算する。ここで、この例では、圧力室Ａに圧力が発生し、圧力室Ｃが大気圧になるように電磁弁３０ａが動作したとき、差圧センサ２１の信号値Ｖ21が正になるように差圧センサ２１を設置しているものとする。
【００８９】次に手順S7Ａで、このときのロードセル２２の信号５４の値Ｆm1を読み取る。ロードセル２２に働く力Ｆm1はバネ１１によって伝えられるが、スプール２が中立位置にあるときでもバネ１１は圧縮を受けているため、ロードセル２２には力Ｆm0が働いている。スプール２が動くことによって生じる力Ｆsはスプール２が中立位置にあるとこの力Ｆm0とスプール移動後の力Ｆm1の差であり、Ｆs＝Ｆm1−Ｆm0で求められる。このＦsによってスプール２の実際の駆動力Ｆmは、図５の手順S7ａ，S7ｂと同様、手順S7Ｂのように、Ｆm＝（１＋ｋp／ｋd）×（Ｆm1−Ｆm0）
と計算できる。
【００９０】手順S9では、２つの電磁弁３０ａ，３０ｂに対する指令値ＶｏａとＶｏｂの大きさの判定を行って制御対象となる電磁弁を特定する。
【００９１】手順S8ａ，S8ｂ以降は先に示した図５と同じ内容であるので、説明は割愛する。
【００９２】以上において、差圧センサ２１及びコントローラ４０Ａの図１１に示す手順S4Ａ，S6Ａの機能は、パイロット圧力がスプール２を押す油圧力Ｆaを計測する第１計測手段を構成し、力検出用バネ１１、ロードセル２２及びコントローラ４０Ａの図１１に示す手順S2Ａ，S7Ａ，S7Ｂの機能は、スプール２に作用している実際の駆動力Ｆmを計測する第２計測手段を構成し、コントローラ４０Ａの図１１に示す手順S2，S3，S8ａ，S8ｂ，S9，S10ａ，S10ｂ，S11の機能は、上記第１計測手段で計測された油圧力Ｆaと第２計測手段で計測された実際の駆動力Ｆmとに基づいて油圧力Ｆaと実際の駆動力Ｆmとの差が大きくなるに従い油圧力が大きくなるように操作信号５０の指令値Ｖoa，Ｖobを補正し、この補正した指令値Ｖ30a，Ｖ30bを電磁弁３０ａ，３０ｂに出力する制御手段を構成する。
【００９３】以上のように構成した本実施形態においても、従来のスプール型方向切換弁のパイロット圧力室Ａ，Ｂに圧力室Ｃと差圧センサ２１、ロードセル２２及びバネ１１を付加するだけの簡単な構成で、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になっていたパイロット圧力以外の力がスプール２に作用していても、操作信号の指令値通りにスプール２を動作させ正確にアクチュエータ１０２を制御することができる。
【００９４】なお、図１０の実施形態ではスプール２に働く力とスプール２が駆動する力を読み取り、これを基にスプール２の位置を制御したが、この原理を満足するのであれば、力検出用バネ１１はスプール位置決め用バネ７で代用し、ボルト８をダイレクトにロードセンサ２２に当てても構わない。また、スプール２の力検出のための弾性体（バネ１１）とセンサを持ち、左右の圧力室Ａ，Ｂの差圧を計ることが可能なセンサを持ち、これらの信号を基に電磁弁３０ａ，３０ｂを制御できるのであれば、どのような組み合わせを用いても構わない。
【００９５】また、ロードセルを用いるのであれば、差圧センサの代わりに図１の実施形態のように圧力センサを配置し、この圧力センサをパイロット圧の検出専用に用いても良い。この場合、圧力センサの取付位置は電磁弁直後の箇所でもかまわない。
【００９６】
【発明の効果】本発明によれば、従来のスプール型方向切換弁のパイロット圧力室に圧力センサやロードセル及び弾性体などを付加するだけの簡単な構成で、流体力や摩擦力など従来流量の制御に大きな誤差要因になっていたパイロット圧力以外の力がスプールに作用していても、操作信号の指令値通りにスプールを動作させ正確にアクチュエータを制御することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５５２２
【氏名又は名称】日立建機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１１月１０日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】春日 讓
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１４１６９６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２５日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３０７５１６ |
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