サーボバルブ｜高応答・高分解能の精密油圧制御

サーボバルブ

サーボバルブは、電気信号を油圧の流量・圧力へ高精度に変換する電気油圧変換機器である。微小な電流でパイロット段を駆動し、スプール位置を連続的に制御することで、アクチュエータの位置・速度・力を高応答で調整できる。代表的な内部機構はフラッパ・ノズル式やジェットパイプ式で、いずれもトルクモータやLVDTなどのフィードバック要素を備える。高分解能・低ヒステリシス・広帯域が求められる成形機や油圧プレス、航空機作動系、振動台などで広く用いられる。比例弁に比べ内部漏れや清浄度要求が高いが、その代償として優れた追従性と安定性を提供する。

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サーボバルブ

動作原理

サーボバルブは2段（または3段）構成が基本である。第1段のパイロット圧差を利用して第2段スプールを駆動し、ポート間のΔPと開口面積を連続制御する。フラッパ・ノズル式ではトルクモータがフラッパを偏位させ、左右ノズルの圧差を作る。ジェットパイプ式では微小噴流の当たり位置を変え、受圧面の圧差を得る。スプール位置はLVDT等で検出し電気的に閉ループ化され、ゼロ点（ニュートラル）近傍の感度と直線性が確保される。

主要構成要素

トルクモータ：微小電流でパイロット段を駆動する電磁素子。
フラッパ／ノズルまたはジェットパイプ：圧力差を生成する要素。
スプール・スリーブ：ポートの開口を連続変化させる制御部。
LVDT等の位置センサ：スプール位置のフィードバック用。
サーボアンプ：電流駆動・PID補償・ディザ付与などを行う。
フィルタ／ストレーナ：清浄度維持（ISO 4406推奨クラス）に必須。

代表方式

フラッパ・ノズル式

サーボバルブの定番方式で、ノズル背圧差をパイロット信号として利用する。微小変位で高い圧力ゲインを得やすく、低流量域の分解能が高い。

ジェットパイプ式

噴流の衝突位置で圧力差を得る。粒子に対する耐性が比較的高く、汚染度の厳しい環境でも安定しやすい。

ダイレクトドライブ式

電磁アクチュエータでスプールを直動させる。構造が簡潔でメンテナンス性に優れるが、高応答化には磁気回路と可動部の最適化が要る。

特性指標

流量ゲイン（Kq）：入力電流あたりの流量変化。弁定格とΔPに依存。
圧力ゲイン（Kp）：負荷圧の変化特性。負荷剛性や配管インダクタンスに影響。
周波数応答：−3 dB帯域や位相遅れ。一般に数十〜数百Hz。
ヒステリシス／スティクション：ゼロ点近傍の微小運動で重要。
内部漏れ：発熱・効率とトレードするため仕様で規定される。
ゼロシフト／ドリフト：温度や経時で生じ、定期調整が必要。

制御と応用

サーボバルブは位置・速度・力の高帯域制御に適する。成形機や油圧プレスの圧力プロファイル、振動試験台の波形追従、航空機アクチュエータの操舵などで利用される。指令生成にはPIDに加えモデル追従やフィードフォワードを併用し、負荷側（例：油圧シリンダ）の固有振動数・摩擦・コンプライアンスを見込むと安定化しやすい。

選定の要点

定格流量と供給圧：アクチュエータ必要流量とΔP（通常70〜21MPa系）で弁容量を整合。
負荷特性：質量・ばね・減衰・外乱力を同定し、帯域と余裕度を設計。
清浄度：ISO 4406クラスを満たす濾過。起動前のフラッシングが有効。
電気系：サーボアンプの電流駆動能力、ディザ周波数、ノイズ耐性。
周辺機器：油圧制御回路の減衰付与、背圧設定、配管共振の抑制。

メンテナンスと故障モード

代表的な不具合は、スラッジによるスプール固着、ノズル詰まり、ゼロ点偏差増大、コイル断線やフィードバックワイヤ破断である。対策として、適切なフィルタ選定、オイル管理（酸化・含水の監視）、ディザ付与による摩擦低減、定期のゼロ点再調整と周波数応答点検を行う。異常診断ではステップ応答、正弦スイープ、流量バランステストが有効である。

データシートの読み方

定格流量／圧力損失曲線：実使用ΔPでの有効流量を読み替える。
周波数応答：−3 dB点と位相余裕を確認し、目標帯域の2〜3倍の弁を選ぶ。
ヒステリシス／しきい値：微小位置決めや等速制御の品質に直結。
許容汚染度・推奨粘度：寿命と信頼性を左右する重要項目。

立ち上げ・調整の勘所

初期は機械ゼロ合わせと電気ゼロ調整を順守し、リークと背圧を規定値に合わせる。ディザ周波数・振幅はスティクション低減に有効だが、帯域近傍に置くと振動を誘発するため注意する。閉ループ同定で負荷の固有振動数を把握し、コントローラのゲインと位相余裕を確保すれば、サーボバルブの高応答を安定に引き出せる。