JP2006132565A

JP2006132565A - 気体圧制御弁

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Publication number: JP2006132565A
Application number: JP2004319024A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Sasaki; 勝美佐々木; Toshifumi Hara; 敏文原; Terutsugu Matsubara; 輝次松原
Original assignee: PSC KK; Shimadzu Corp
Current assignee: PSC KK; Shimadzu Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP4559822B2

Abstract

【課題】気体圧制御弁において、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることである。
【解決手段】気体圧制御弁のスプール１４はランド部２０，２２，２４，２６を有し、スリーブ１６は供給口３０、排気口３２，３４、負荷口３６，３８を備える。スプール１４が−Ｘ方向に移動駆動されると、負荷口３６の開口のうち、広い開口８２の部分はランド部２２に覆われているが、狭い開口８４はランド部２２に覆われず、供給口３０からの１次側気体圧は狭い開口８４を通って負荷に供給される。また負荷口３８の開口のうち、狭い開口８８の部分はランド部２４に覆われているが、広い開口８６はランド部２４に覆われていず、負荷側からの気体は広い開口８６を通って排気口３４に流れる。開口の狭い部分と広い部分の具体的寸法を調整することで、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにできる。
【選択図】図４

Description

本発明は、気体圧制御弁に係り、複数のランド部を有するスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持するスリーブとを備え、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により負荷圧を制御するものであって、互いに異なる負荷圧を有する気体を負荷に供給する気体圧制御弁に関する。

流体圧回路や流体供給回路において管路の圧力制御や流量調整を行うために、移送弁あるいはサーボ弁等と呼ばれるフィードバック機構を内蔵した制御弁装置が用いられる。例えば、特許文献１には、トルクモータでスプールを駆動する油圧回路の流量等を制御するサーボ弁が開示され、特許文献２にはフォースモータでスプールを駆動する流体回路の流量等を制御するパイロットバルブが開示される。これらにおいて、スプールは複数のランド部を有し、そのスプールは軸方向移動可能にスリーブにより支持され、スリーブには圧力流体の供給口と、排出口と、圧力等が制御された流体を負荷に出力する負荷口が設けられ、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により、スプールのランド部と負荷口等の位置関係を変化させて負荷に出力する流体の圧力や流量を制御している。

例えば、負荷口の軸方向の開口長さとほぼ同じ長さで、スプールの中央ランド部を設定し、そのランド部の一方側に供給口から圧力流体を供給し、他方側を排出口側に接続する構成をとる。この構成の場合では、中立位置ではスプールの中央ランド部がちょうど負荷口をふさぐが、スプールを僅かに排出口側に移動すると、中央ランド部と供給口との間の位置関係が変わり、供給口側と負荷口が連通し、圧力気体が負荷口に流れ込む。これによりスプールはさらに排出口側に移動しようとするが、実際にはサーボ弁にはスプールを中立位置に戻す付勢力が与えられ、あるいは位置検出等のフィードバックが行われるので、スプールは逆に供給口側に戻される。スプールが供給口側に戻されると、中央ランド部と排出口との間の位置関係が変わり、排出口側と負荷口が連通し、負荷側の流体は大気に排出される。そこで再び付勢力又はフィードバックによりスプールは供給口側に戻される。

このように、スプールのランド部と負荷口等との位置関係と、スプールの付勢力又は運動検出のフィードバックにより、スプールは中立位置を中心に微妙に移動させることで、負荷に出力する流体の圧力や流量を制御することができる。

特開昭４２−１２８８０号公報特公昭３９−４９５８号公報

スプールとスリーブとを用いる気体圧制御弁において、供給口、排気口、負荷口がそれぞれ１つずつのものは３ウエイ等と呼ばれる。この３ウエイ気体圧制御弁から供給される気体圧を用いてピストン・シリンダ型のアクチュエータ等を駆動することができる。また、ピストンの両側の気体室に、異なる気体圧を有する気体を供給し、その気体圧の差でピストンを駆動するタイプのアクチュエータがあるが、この場合には、相互に異なる気体圧を有する気体の供給が必要なので、気体圧制御弁では、ランド部等の数を増やし、１つの供給口、２つの排気口、２つの負荷口を設ける。このタイプの気体圧制御弁は５ウエイ等と呼ばれる。

５ウエイの気体圧制御弁では、スプールが駆動機構により軸方向に移動駆動されると、２つの負荷口には、一方の気体圧が高くなれば他方の気体圧が低くなる関係の下で、相互に異なる気体圧が生成される。これらがピストンの両側の気体室にそれぞれ供給されることで、その気体圧の差に応じてピストンが駆動されることになる。例えば、５ウエイの気体圧制御弁のスプールを駆動機構により正弦波駆動すると、負荷であるアクチュエータのピストンもほぼ正弦波に近い移動を行う。例えば、正弦波よりややだれた波形の移動を行う。

アクチュエータの移動制御の精度がある程度のものであるときはこれでも問題が少なかったが、高精度の位置決め等が要求されると、このスプール移動とピストン移動の乖離がより大きな問題となる。

この乖離の原因の１つは、２つの負荷口における気体圧の関係が正確に対応付けて変化していないことにある。すなわち、一方の気体圧が高くなればその高くなった分に正確に対応して他方の気体圧が低くならない。その理由は、２つの負荷口の開口条件を同じとして、２つの負荷口における流体抵抗が異なることにあると考えられる。すなわち、２つの負荷口のうち、一方側は供給口からの高圧気体を負荷側に供給するのに対し、他方側は、負荷側の高圧気体を一気に排気口に戻す機能を有し、気体の流れる状態がかなり相違し、気体の圧縮性等を考えると、後者の方が前者に比べ、流体抵抗がより大きいものと考えられる。ちなみに、非圧縮性の油を用いる油圧制御弁の場合は、このような問題は生じない。

本発明の目的は、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることを可能とする気体圧制御弁を提供することである。

本発明に係る気体圧制御弁は、間隔をおいて軸方向に配列された少なくとも４つのランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室と第３圧力室を形成するスリーブであって、第２圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室の両側に配置する第１圧力室及び第３圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から一方側の２次側気体圧を有する気体を取り出す第１負荷口と、第３圧力室又は第２圧力室から他方側の２次側気体圧を有する気体を取り出して出力する第２負荷口とを含むスリーブと、スプールを軸方向に直線駆動する駆動機構と、を備え、駆動機構の駆動に応じ、第１圧力室及び第２圧力室と第３圧力室とがスリーブの供給口及び排気口及び第１負荷口及び第２負荷口に対し相対的に移動することにより、負荷に供給される一方側及び他方側の２次側気体圧を制御する気体圧制御弁において、第１負荷口の開口は、スプールの軸方向に沿って、第２圧力室側の開口が第１圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有し、第２負荷口の開口は、スプールの軸方向に沿って、第２圧力室側の開口が第３圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有することを特徴とする。

また、本発明に係る気体圧制御弁は、互いに異なる気体圧を有する気体を負荷に供給するために第１及び第２の制御圧生成部を有する気体圧制御弁であって、第１制御圧生成部と第２制御圧生成部はそれぞれ、間隔をおいて軸方向に配列された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室を形成するスリーブであって、第１圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から２次側気体圧を有する気体を取り出す負荷口と、を含むスリーブと、を含み、第１制御圧生成部のスプールと第２制御圧生成部のスプールとは、駆動機構により同期してそれぞれ軸方向に直線駆動され、第１制御圧生成部の負荷口の開口及び第２制御圧生成部の負荷口の開口は、それぞれ、スプールの軸方向に沿って、その第２圧力室側の開口がその第１圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有することを特徴とする。

上記構成は、１つの供給口、２つの排気口、２つの負荷口を有するいわゆる５ウエイ気体圧制御弁である。そして、例えばスプールが第１圧力室側に移動すると、第２圧力室が第１負荷口に連通し、第３圧力室が第２負荷口に連通するので、第１負荷口から高圧気体が負荷に供給され、負荷からの高圧気体は第２負荷口から大気に排気される。同様に、スプールが第３圧力室側に移動すると、第２圧力室が第２負荷口に連通し、第１圧力室が第１負荷口に連通するので、第２負荷口から高圧気体が負荷に供給され、負荷からの高圧気体は第１負荷口から大気に排気される。

第１負荷口及び第２負荷口における開口は軸方向に沿って非対称とし第２圧力室側の開口を小さくしたので、開口の位置及び開口を通る気体の流れは次のようになる。すなわち、スプールが第１圧力室側に移動するときは、ランド部が第１負荷口をふさいでいる状態から第１圧力室側に移動し、第１負荷口において第２圧力室側の開口の小さい部分が開き、負荷側と連通する。つまり、供給口からの高圧気体は、開口の小さい部分を通って負荷に供給される。そのとき、第２負荷口では、ランド部が第２負荷口をふさいでいる状態から第１圧力室側に移動し、第３圧力室側の開口の大きい部分が開き、負荷側と連通する。

つまり、負荷からの高圧気体は、開口の大きい部分を通って大気に排気される。したがって、供給口からの高圧気体を流すのは開口の小さい部分を通し、負荷からの気体を大気に排気するのは開口の大きい部分を通す。スプールが第３圧力室側に移動するときも同じである。これにより、２つの負荷口の開口条件が同じのときに２つの負荷口における流体抵抗が異なることを打ち消して、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

また、１つの供給口、１つの排気口、１つの負荷口を有するスプール及びスリーブを２つ用い、２つのスプールは同期して駆動し、それぞれの負荷口の開口は軸方向に沿って非対称とし、第２圧力室側の開口を小さくしたので、１つのスプールで５ウエイ気体制御弁を構成するのに比べ、配置の自由度が増える。

上記のように、本発明に係る気体制御弁によれば、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、図示されていない負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータに、精密に調整された２つの異なる気体圧Ｐａ，Ｐｂを供給できる気体圧制御弁１０の詳細な構成図である。気体圧制御弁１０は、気密構造の筐体１２の中に、スプール１４とスリーブ１６と、スプール１４を軸方向に移動駆動するリニアモータ５０と、スプール１４の軸方向の位置情報を検出する差動変圧器方式の変位センサ６０等を備える。

気体圧制御弁１０の動作は、制御部８０により制御される。制御部８０には、変位センサ６０の検出信号が入力され、これらに基づき、リニアモータ５０へ駆動信号が出力される。かかる制御部８０は、適当なアナログ電子回路又はディジタル電子回路や、コンピュータ等のデータ処理装置で構成することができる。制御部８０は、気体圧制御弁１０の一部として構成してもよく、また独立して構成してもよく、あるいは気体圧制御弁１０の出力圧力が供給される負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータ等における制御部の一部として構成することもできる。

筐体１２は、内部に気体圧制御弁１０の各構成要素を収納し、スリーブ１６の供給口３０、排気口３２，３４、負荷口３６，３８のそれぞれ接続されて外部に開口する各気体ポートを除いて気密であるケース体で、数個のブロックを組み立てて得ることができる。図１の例では、スリーブ１６の外周を固定保持するブロックを中心に、リニアモータ５０と変位センサ６０を組み込みやすいように、全体として３つのブロックに分けられている。かかる筐体１２は、適当な金属ブロックを加工し、適当な気密シーリングを用いながら気密に組み立て、適当な固定手段で固定して得ることができる。材質は、気密性、堅牢性等を満たせば金属以外のものを一部用いることができるが、少なくともリニアモータ５０のヨークを構成する部分は、磁性体であることを要する。

スプール１４はスリーブ１６に軸方向移動可能に支持され、スプール１４は、軸方向に間隔を置いて配列された４つのランド部２０，２２，２４，２６と、隣接するランド部を接続するステム部２８とを含む。スプール１４はリニアモータ５０によって、図１に示すＸ方向、すなわち軸方向に移動駆動される。

スリーブ１６には、１次側気体圧Ｐｓが供給される供給口３０と、大気Ｐ₀に開放される排気口３２，３４と、図示されていない負荷に気体圧Ｐａ，Ｐｂを出力する負荷口３６，３８とが設けられる。

スプール１４とスリーブ１６の組み合わせは、一般的なもので、スリーブの内径は軸方向に一様で、スプールの各ランド部の外径も、スリーブの内径よりやや小さめであるが同じである。そして、スプール１４とスリーブ１６との組み合わせで、−Ｘ方向から＋Ｘ方向の順に、第１圧力室４０、第２圧力室４２、第３圧力室４４が形成される。

すなわち、スプール１４の中央側に配置される２つのランド部２２，２４は、その幅がスリーブ１６の２つの負荷口３６，３８のＸ方向の開口幅とほぼ等しくあるいはやや長めに設定され、中立状態では、２つのランド部２２，２４は２つの負荷口３６，３８をふさぐように向かい合っている。そして、この２つのランド部２２，２４と、スリーブ１６の内壁と、ステム部とに囲まれる空間が第２圧力室４２で、第２圧力室４２に供給口３０が接続される。また、最も左側のランド部２０と中央側で左寄りのランド部２２とスリーブ１６の内径とステム部に囲まれる空間が第１圧力室４０で、第１圧力室４０には排気口３２が接続される。同様に、最も右側のランド部２６と中央側で右寄りのランド部２４とスリーブ１６の内径とステム部に囲まれる空間が第３圧力室４４で、第３圧力室４４には排気口３４が接続される。

したがって、中央側で左寄りのランド部２２は、スリーブ１６の内径と協働して、第１圧力室４０と、第２圧力室４２との間を仕切る機能を有し、中央側で右寄りのランド部２４は、スリーブ１６の内径と協働して、第３圧力室４４と、第２圧力室４２との間を仕切る機能を有する。これにより、スプール１４が中立状態から図１に示す−Ｘ方向に移動駆動されると、中央側で左寄りのランド部２２は負荷口３６の＋Ｘ方向側を開け、供給口３０から１次側気体圧Ｐｓが負荷口３６へ流れ込む。このとき、中央側で右寄りのランド部２４は負荷口３８の＋Ｘ方向側を開け、負荷側と排気口３４とが連通する。逆に、スプール１４が中立状態から図１に示す＋Ｘ方向に移動駆動されると、中央側で右寄りのランド部２４は負荷口３８の−Ｘ方向側を開け、供給口３０から１次側気体圧Ｐｓが負荷口３８へ流れ込む。このとき、中央側で左寄りのランド部２２は負荷口３６の−Ｘ方向側を開け、負荷側と排気口３２とが連通する。そして、制御部８０による適当なフィードバックにより、負荷口３６，３８に出力される２次側気体圧Ｐａ，Ｐｂが所望の値に調整されることになる。負荷口３６，３８の開口の形状と、気体の流れとの関係については、後に詳述する。

スリーブ１６の供給口３０、排気口３２，３４、負荷口３６，３８は、それぞれ筐体１２の供給ポート、排気ポート、負荷ポートに開口し、筐体１２の供給ポートには図示されていない気体供給源が接続され、排気ポートは大気に開放され、負荷ポートには微小移動機構のアクチュエータ等の負荷が接続される。

かかるスプール１４とスリーブ１６は、金属材料を精密に加工して得ることができる。特に、スプール１４のランド部２０，２２，２４，２６と、スリーブ１６の内径は、お互いに摺動するので、滑らかに精度よく仕上げることが必要である。寸法例をあげると、スプール１４において、各ランド部２０，２２，２４，２６の直径を１０ｍｍ、ステム部２８の直径を５ｍｍとし、スリーブ１６の内径はランド部２０，２２，２４，２６の直径より約７μｍ程度大きめにすることが好ましい。

リニアモータ５０は、スプール１４を軸方向に移動駆動する駆動機構で、スプール１４の軸方向の一方側における先端部に固定して取り付けられる。図１の例では、スプール１４の最も左側のランド部２０に近い先端部に取り付けられる。リニアモータ５０は、軸方向、すなわち図１のＸ方向に沿って配置される固定子磁気ギャップと、その固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動する可動子を含む直線駆動装置で、スプール１４を軸方向に移動駆動する機能を有する。具体的には、磁性体である筐体１２の一部に、Ｘ方向を軸方向とする円環状のギャップが設けられ、そのギャップの一方側に磁石５２が取り付けられる。このことで、ギャップが、軸方向に配置された固定子磁気ギャップとなる。可動子は、この固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動できる円環状の部分を有する移動体５４と、移動体５４の円環状の部分に軸方向に配列されたコイル５６を含んで構成される。

磁石５２は、固定子磁気ギャップを形成し、コイル５６に鎖交する磁束を発生するためのものである。磁石５２は、上記の円環状ギャップに合わせ、円環状としてもよく、また必要なトルクを得る程度に、円管状ギャップの一部に設けてもよい。かかる磁石としては、高性能の永久磁石を用いることができる。筐体１２に磁石５２を取り付けるには、適当な接着材を用いてもよく、あるいは、磁性体と磁石の吸引力のみで保持することもできる。

移動体５４は、固定子磁気ギャップと協働して駆動力を発生するコイル５６を搭載し、またスプール１４が取り付けられる部品である。移動体５４は、概略お椀形の形状のもので、お椀形の円環状側面にコイル５６が円周方向に沿って巻きつけられる。お椀形の底にあたる部分は、スプール１４との接続部である。かかる移動体５４は、適当な強度を有する樹脂を用い、一体成形で得ることができる。また、必要なトルクを得られるならば、移動体５４を完全な円環状とせずに、円環状の一部の形状として、そこにコイル５６を巻回してもよい。

コイル５６は、絶縁被服導線を移動体５４の円環状側面に円周状に複数回巻回されたもので、導線の抵抗、巻数等は、固定子磁気ギャップの特性設定とともに、リニアモータ５０の速度や応答性性能の面から設定される。また、コイル５６の引き出し線５８は、移動体５４の円環状側面に沿って適当に這わされた後、たわみを十分に持った自由端となって、空中を経由して接続端子７０に接続される。このたわみや、導線のしなやかさは、移動体５４の高速移動や応答性等に影響が少ないように選ぶことが好ましい。

変位センサ６０は、スプール１４の軸方向の他方側における先端部に取り付けられ、スプール１４の軸方向の変位を差動変圧器方式により検出する機能を有する。ここでは、スプール１４の他方側の先端部をさらに延ばし、その先に軟磁性体プローブ６２を取り付け、これと協働するトランス巻線６４を筐体１２側に設ける。軟磁性体プローブ６２は、スプール１４と一体として軸方向に移動し、トランス巻線６４の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線６４から出力される。トランス巻線６４の各端子は、接続端子７２を介して制御部８０に接続されるので、必要な動作条件は制御部８０から供給され、軟磁性体プローブ６２の軸方向変位に応じた信号は制御部８０に出力される。

なお、変位センサ６０に代えて、サーチコイル型の速度検出センサ、光学式の位置検出センサ等を用いてもよい。また、位置検出及び速度検出をともに行い、制御部８０にフィードバックしてもよく、さらに加速度のフィードバックを行うこととしてもよい。このように、スプール１４の運動情報を検出して制御部８０に供給することで、制御部８０において、変位、速度、加速度等のフィードバック制御を行うことができ、精密な気体圧Ｐａ，Ｐｂの制御が可能になる。

このような構成の気体圧制御弁１０において、制御部８０よりリニアモータ５０に駆動信号が与えられると、それに応じてリニアモータ５０の移動体５４が軸方向に移動駆動され、移動体５４と接続されるスプール１４がスリーブ１６に対して相対的に軸方向に移動する。これにより、スプール１４のランド部２２，２４と２つの負荷口３６，３８との相対位置が変化し、その変化量に応じ、負荷口３６，３８の一方には供給口３０からの１次側供給圧Ｐｓが調整された２次側気体圧が出力され、他方は負荷からの気体圧を調整して排気口に接続する。このようにして調整された２つの気体圧によって、気体アクチュエータ等の負荷が駆動される。

次に、負荷口３６，３８の開口の形状と、そこにおける気体の流れの様子について説明する。図２は、スプール１４とスリーブ１６の部分の断面図である。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図３（ａ）は、スリーブ１６の正面図、すなわち外観図で、負荷口３６，３８が見えるように図２の構成を軸周りに９０度回転させたものである。なお、図３（ｂ）は、参考のために示すもので、従来用いられているスリーブ１７の正面図で、従来型の負荷口３７，３９の形状が示されている。

これからわかるように、負荷口３６，３８は、軸方向に沿って非対称の形状を有している。具体的には、負荷口３６は、＋Ｘ方向側の開口８４が−Ｘ方向側の開口８２よりも小さくしてあり、負荷口３８は、−Ｘ方向側の開口８８が＋Ｘ方向側の開口８６よりも小さくしてある。この形状の共通点は、供給口３０に向かう方向の開口８４，８８の方が、排気口３２，３４に向かう方向の開口８２，８６より小さいということである。圧力室との関係で言えば、第２圧力室４２に向かう方向の開口８４，８８が、第１圧力室４０又は第３圧力室４４に向かう方向の開口８２，８６より小さいということである。

かかる開口形状の作用について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、スプール１４が中立状態から−Ｘ方向に移動駆動された状態を示す図である。このとき、上記のように、中央側で左寄りのランド部２２は負荷口３６の＋Ｘ方向側を開ける。この様子を示すため、ランド部２２が負荷口３６から見える部分を斜線で示した。すなわち、負荷口３６の開口のうち、広い開口８２の部分は依然としてランド部２２に覆われているが、狭い開口８４はランド部２２に覆われていない。したがって、供給口３０からの１次側気体圧Ｐｓは調整された気体圧Ｐａとして、この狭い開口８４を通って流れ、負荷に供給される。またこのとき、中央側で右寄りのランド部２４は負荷口３８の＋Ｘ方向側を開ける。すなわち、負荷口３８の開口のうち、狭い開口８８の部分は依然としてランド部２４に覆われているが、広い開口８６はランド部２４に覆われていない。したがって、負荷側からの気体は気体圧Ｐｂとして、この広い開口８６を通って排気口３４に流れる。

図４（ｂ）は、スプール１４が中立状態から＋Ｘ方向に移動駆動された状態を示す図である。このとき、上記のように、中央側で右寄りのランド部２４は負荷口３８の−Ｘ方向側を開ける。すなわち、負荷口３８の開口のうち、広い開口８６の部分は依然としてランド部２４に覆われているが、狭い開口８８はランド部２４に覆われていない。したがって、供給口３０からの１次側気体圧Ｐｓは、調整された気体圧Ｐｂとして、この狭い開口８８を通って流れ、負荷に供給される。またこのとき、中央側で左寄りのランド部２２は負荷口３６の−Ｘ方向側を開ける。すなわち、負荷口３６の開口のうち、狭い開口８４の部分は依然としてランド部２２に覆われているが、広い開口８２はランド部２２に覆われていない。したがって、負荷側からの気体は気体圧Ｐａとして、この広い開口８２を通って排気口３４に流れる。

このようにして、スプール１４の移動駆動の方向にかかわらず、供給口からの高圧気体を流すのは開口の小さい部分を通し、負荷からの気体を大気に排気するのは開口の大きい部分を通すことができる。開口の狭い部分と広い部分の具体的寸法を調整することで、２つの負荷口の開口条件が同じのときに２つの負荷口における流体抵抗が異なってくることを打ち消して、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

図５は、非対称開口の効果を定性的に説明する図である。図５（ａ）は、横軸に時間ｔ、縦軸にスプール１４の軸方向変位Ｘを取って示す図で、この例では、正弦波移動駆動が行われ、スプール１４の軸方向変位９０は正弦波形を描いている。図５（ｂ）の実線は、２つの非対称開口形状を有する負荷口３６，３８を用いて駆動されるアクチュエータの軸方向変位９２を示す図で、横軸の時間ｔは、原点を図５（ａ）と合わせ、縦軸は倍率を調整して図５（ａ）に相当するものにしてある。このとき、スプール１４の軸方向変位９０は流量の関数であるのに対し、アクチュエータの軸方向変位９２は流量の積分の関数であるので、時間軸を共通として、後者は前者より位相が９０度以上遅れる。図５（ｃ）は、図３（ｂ）のように従来型の矩形開口形状を有する負荷口３７，３９を用いて駆動されるアクチュエータの軸方向変位９４を示す図で、横軸の時間ｔは、原点を図５（ａ）と合わせ、縦軸は倍率を調整して図５（ａ）に相当するものにしてある。なお、比較しやすいように、図５（ｂ）において、変位９４を破線で重ねて示した。

これらからわかるように、従来型の矩形開口形状を有する負荷口３７，３９を用いて駆動されるアクチュエータの軸方向変位９４は、正弦波形状からずれて、ややだれた変位波形となり、正確な位置決めが行われない。これに対し、非対称開口形状を有する負荷口３６，３８を用いて駆動されるアクチュエータの軸方向変位９２は、正弦波形に近く、変位波形９４よりかなり改善されて、正確な位置決め制御が行われている。

上記のように、負荷口の開口形状を、供給口側の方に向かう部分を狭く、排気口側の方に向かう部分を広くして、軸方向に非対称とすることで、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

上記においては、いわゆる５ウエイの気体制御弁を説明したが、３ウエイのスプールとスリーブの組み合わせを１つの制御圧生成部とし、これを２つ用い、スプールを同期して駆動し、それぞれの負荷口からの制御圧を負荷に供給する構成において、それぞれの負荷口の開口形状を軸方向に非対称としてもよい。この場合にも、供給口側の方に向かう部分を狭く、排気口側の方に向かう部分を広くすることで、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

図６は、そのような構成の気体圧制御弁１１を示す図で、図６（ａ）は、スプールとスリーブの部分を断面図で示し、図６（ｂ）は、２つの負荷口が見えるようにスリーブを軸方向に回転してその外観図を示すものである。図１から図４と共通の要素には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。気体圧制御弁１１は、２つの制御圧生成部９６，９８を有し、各制御圧生成部９６，９８は、同じ構成からなっている。すなわち、いずれも、３つのランド部２０，２２，２６を有するスプール１４と、スプール１４を案内するスリーブ１６を備える。そして、ランド部２０とランド部２２とスリーブ１６の内壁とステム部とで供給口３０に接続される圧力室を形成し、ランド部２２とランド部２６とスリーブ１６の内壁とステム部とで排気口３２に接続される圧力室を形成する。一方の制御圧生成部９６の中央のランド部２２は、負荷口３６と向かい合う。すなわち、中立状態において、負荷口３６をふさいでいる。同様に、他方の制御圧生成部９８の中央のランド部２２は、負荷口３８と向かい合い、中立状態において、負荷口３８をふさいでいる。

そして、各制御圧生成部９６，９８のスプール１４は、駆動装置５１により、同期して移動駆動され、あたかも５ウエイの気体圧制御弁と同様な動作をするように制御される。例えば、一方側の制御圧生成部９６の負荷口３６がより高い気体圧を出力するとき、他方側の制御圧生成部９８の負荷口３８がこれに対応してより低い気体圧を出力する。

２つの負荷口３６，３８の開口形状は、図３（ａ）で説明したものと同様で、軸方向に沿って非対称の形状で、具体的には、供給口３０に向かう方向の開口８４，８８の方が、排気口３２に向かう方向の開口８２，８６より狭い。開口の狭い部分と広い部分の具体的寸法を調整することで、２つの負荷口の開口条件が同じのときに２つの負荷口における流体抵抗が異なってくることを打ち消して、２つの負荷口における流体抵抗を略同じにすることができる。

本発明に係る気体圧制御弁は、以下の気体アクチュエータに供給する気体圧を制御するのに用いることができる。すなわち、微小移動機構用の気体アクチュエータ、粗動及び微小移動可能な機構の気体アクチュエータ、アクティブ除振用の気体アクチュエータ、精密位置決め装置の気体アクチュエータ、容器内の精密な圧力制御等に、精密に制御された気体圧を供給するのに用いることができる。

本発明に係る実施の形態における気体圧制御弁の構成図である。本発明に係る実施の形態の気体圧制御弁におけるスプールとスリーブの断面図である。本発明に係る実施の形態の気体圧制御弁における負荷口の形状を従来例と比較して示す図である。本発明に係る実施の形態における負荷口の非対称開口形状の作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態における負荷口の非対称開口形状の効果を定性的に説明する図である。他の実施の形態における気体圧制御弁を示す図である。

符号の説明

１０，１１気体圧制御弁、１２筐体、１４スプール、１６，１７スリーブ、２０，２２，２４，２６ランド部、２８ステム部、３０供給口、３２，３４排気口、３６，３７，３８，３９負荷口、４０，４２，４４圧力室、５０リニアモータ、５１駆動装置、５２磁石、５４移動体、５６コイル、５８引き出し線、６０変位センサ、６２軟磁性体プローブ、６４トランス巻線、７０，７２接続端子、８０制御部、８２，８４，８６，８８開口、９０，９２，９４軸方向変位、９６，９８制御圧生成部。

Claims

間隔をおいて軸方向に配列された少なくとも４つのランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、
スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室と第３圧力室を形成するスリーブであって、第２圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室の両側に配置する第１圧力室及び第３圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から一方側の２次側気体圧を有する気体を取り出す第１負荷口と、第３圧力室又は第２圧力室から他方側の２次側気体圧を有する気体を取り出して出力する第２負荷口とを含むスリーブと、
スプールを軸方向に直線駆動する駆動機構と、
を備え、駆動機構の駆動に応じ、第１圧力室及び第２圧力室と第３圧力室とがスリーブの供給口及び排気口及び第１負荷口及び第２負荷口に対し相対的に移動することにより、負荷に供給される一方側及び他方側の２次側気体圧を制御する気体圧制御弁において、
第１負荷口の開口は、スプールの軸方向に沿って、第２圧力室側の開口が第１圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有し、
第２負荷口の開口は、スプールの軸方向に沿って、第２圧力室側の開口が第３圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有することを特徴とする気体圧制御弁。
互いに異なる気体圧を有する気体を負荷に供給するために第１及び第２の制御圧生成部を有する気体圧制御弁であって、
第１制御圧生成部と第２制御圧生成部はそれぞれ、
間隔をおいて軸方向に配列された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、
スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室を形成するスリーブであって、第１圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から２次側気体圧を有する気体を取り出す負荷口と、を含むスリーブと、
を含み、
第１制御圧生成部のスプールと第２制御圧生成部のスプールとは、駆動機構により同期してそれぞれ軸方向に直線駆動され、
第１制御圧生成部の負荷口の開口及び第２制御圧生成部の負荷口の開口は、それぞれ、スプールの軸方向に沿って、その第２圧力室側の開口がその第１圧力室側の開口より小さい非対称の形状を有することを特徴とする気体圧制御弁。