JP2009144775A

JP2009144775A - メカニカルバルブ

Info

Publication number: JP2009144775A
Application number: JP2007320904A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsunaga; 弘松永; Atsushi Saito; 敦斉藤
Original assignee: Teac Corp; Sony Corp
Current assignee: Teac Corp; Sony Corp
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: JP5096898B2; US20090159823A1; CN101457845B; CN101457845A

Abstract

【課題】小型でありながら簡易な構成のメカニカルバルブを提供する。
【解決手段】メカニカルバルブ１０は、シリンダ孔が形成された本体１２と、シリンダ孔に挿通されて進退する可動体１４と、可動体１４を駆動する駆動部１６と、を備えている。シリンダ孔の内周面には、エアが通過する孔が複数形成されており、当該孔が可動体１４の進退によって開放・遮蔽される。可動体１４の両端には可動磁石が固着されている。駆動部１６には、各可動磁石と対向する電磁石６２が設けられている。当該電磁石の磁力を利用して可動体１４を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一エアの通過を許容する第一状態と、第二エアの通過を許容する第二状態と、に切替可能なメカニカルバルブに関連する。

近年、高速で駆動可能な小型バルブが求められている。かかるバルブは、例えば、電子部品をプリント回路基板に装着する電子部品自動装着機などに用いられる。電子部品自動装着機では、電子部品を吸引保持する吸引ノズルを備えており、当該吸着ノズルに負圧エアおよび正圧エアを切替供給することで、部品の吸引と吸引解除が実現されている。この負圧エアおよび正圧エアの切替供給のために、高速駆動可能な小型バルブが求められている。

こうした要望に応えるために、特許文献１には、負圧供給用のバルブおよび正圧供給用のバルブが一体化され、各バルブの弁体として機能するロッドを交互に駆動する構成の吸着ノズルの空気圧切替機構が開示されている。また、特許文献２には、負圧および正圧の供給口が形成されたシリンダ内でピストンを上下動させることで空気圧を切り替えるメカバルブが開示されている。

特開平９−１４４９１１号公報特開平１１−４０９８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の空気圧切替機構は、部品点数が多く、コストアップや組み付け作業の煩雑化など、様々な問題があった。また、特許文献２では、弁体であるピストンを、モータやカム状のアームなどを介して駆動している。そのため、弁体の駆動機構が、大型になりやすいという問題があった。また、高速な駆動を実現するためには高価なモータを用意する必要があり、コストアップという問題も招いていた。つまり、従来、小型でありながら、簡易な構成のバルブは無かった。

そこで、本発明は、小型でありながら、構成簡易なメカニカルバルブを提供することを目的とする。

本発明のメカニカルバルブは、その内周面に、第一エアの通過を許容する第一エア口と、第二エアの通過を許容する第二エア口と、が形成されたシリンダと、前記シリンダに進退自在に挿通されたシャフトであって、進出することで前記第一エア口を開放するとともに第二エア口を閉鎖し、退避することで前記第二エア口を開放するとともに第一エア口を閉鎖するシャフトと、前記シャフトを進退駆動させる駆動手段と、を備え、前記駆動手段は、永久磁石からなり、前記シャフトの両端に設けられた一対の可動磁石と、各可動磁石に対向して設けられた一対の電磁石であって、励磁した際に対応する可動磁石との間に生じる磁力により前記シャフトを進退させる一対の電磁石と、前記一対の電磁石を励磁させる駆動回路と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記電磁石の磁心は、対向する可動磁石との間に磁気反発力を生じさせる磁石である。他の好適な態様では、前記シリンダの少なくとも両端近傍には、磁性材料からなり、可動磁石との間に磁気吸引力を発揮することで、当該可動磁石の移動を規制するラッチ機構として機能する磁性材料部が設けられている。他の好適な態様では、前記シャフトは、その内部が空洞である。

他の好適な態様では、前記第一エア口は、前記第一エアの進入を許容する第一エア入口と、当該第一エア入口と周方向に並んで配置されるとともに第一エアの排出を許容する第一エア出口と、を含み、前記第二エア口は、前記第二エアの進入を許容する第二エア入口と、当該第二エア入口と周方向に並んで配置されるとともに第二エアの外部排出を許容する第二エア出口と、を含み、前記シャフトは、前記シリンダの内径とほぼ同一の大径部であって、シャフト進出時には第二エア入口および第二エア出口を閉鎖し、シャフト退避時には第一エア入口および第一エア出口を閉鎖する大径部と、前記シリンダの内周面との間にエアの通過を許容する通過空間を形成する小径部であって、シャフト進出時には第一エア入口および第一エア出口を開放し、シャフト退避時には第二エア入口および第二エア出口を開放する小径部と、を有する。

本発明によれば、磁力を利用して、一つのシャフトを駆動することでエアの切り替え供給が可能となる。そのため、小型でありながら、構成簡易なメカニカルバルブが得られる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるメカニカルバルブ１０の断面図である。このメカニカルバルブ１０は、回路基板に電子部品を装着する電子部品自動装着装置（図示せず）に用いられることを想定したバルブである。すなわち、電子部品自動装着装置には、ＸＹＺ方向に移動可能なヘッドが設けられており、このヘッドには、電子部品を吸引保持する吸引ノズルが設けられている。本実施形態のメカニカルバルブ１０は、この吸引ノズルに正圧エアおよび負圧エアを切替供給するためのバルブである。

メカニカルバルブ１０は、電子部品自動装着装置のヘッド部に装着される本体１２と、当該本体１２に対して進退する可動体１４、および、当該可動体１４を駆動する駆動部１６に大別される。駆動部１６は、磁気的力を可動体１４に作用させることで、当該可動体１４を進退させる。可動体１４が進退することにより、本体１２に形成された各種エアの入口・出口が遮蔽または開放され、正圧エアおよび負圧エアが切り替え供給される。以下、このメカニカルバルブ１０の構成について詳説する。

はじめに、本体１２の構成について図２〜図６を用いて詳説する。図２は、本体１２および可動体１４の分解斜視図である。また、図３は、本体１２の正面図（図２におけるＡ方向視図）、図４は、図３におけるＢ−Ｂ断面図、図５は、図３におけるＣ−Ｃ断面図、図６は、図３におけるＤ−Ｄ断面図である。

既述したとおり、本体１２は、電子部品自動装着装置のヘッド部に装着される部材である。この本体１２は、ＰＣ（ポリカーボネイト）等のエンジニアリングプラスチック成型部品と、ＳＵＳ４４０Ｃ等の磁性材料からなるカラー３６と、で構成されており、ヘッド部に締結される装着部１８と、ブロック状のシリンダ部２０と、が一体成形されている。装着部１８は、ヘッド部に形成された取付溝（図示せず）に対応した略三角柱状をしており、この略三角柱の側面（斜面）が取付溝の側面に密着するようにヘッド部に締結される。なお、装着部１８の形状は、ヘッド部に形成された取付溝の形状に合わせて適宜変更であり、形状は限定されるものではない。

装着部１８の表面からは、シリンダ部２０に向かって伸びる四つの通路２２，２４，２６，２８が形成されている。負圧進入路２２は、負圧エアを供給する負圧用ポンプ（図示せず）に接続される通路（孔）で、当該負圧用ポンプから供給された負圧エアを後述するシリンダ孔３０まで導く。また、正圧進入路２４は、正圧エアを供給する正圧用ポンプ（図示せず）に接続される通路で、当該正圧用ポンプから供給された正圧エアをシリンダ孔３０まで導く。この負圧進入路２２および正圧進入路２４は、上下方向に並んで形成されており、図４に図示するように、いずれも、シリンダ孔３０まで延びている。

負圧排出路２６は、電子部品自動装着装置のノズルに接続される通路で、シリンダ孔３０に供給された負圧エアをノズルまで導く。また、正圧排出路２８もノズルに接続される通路で、シリンダ孔３０に供給された正圧エアをノズルまで導く。負圧排出路２６および正圧排出路２８は、上下に並んで形成されており、図５、図６に図示するように、いずれも、シリンダ孔３０まで延びる。

シリンダ部２０は、既述したとおり、装着部１８と一体成形される略ブロック状の部位である。このシリンダ部２０には、上下方向（略三角柱である装着部の軸方向）に延びるシリンダ孔３０が形成されている。このシリンダ孔３０は、後述する可動体１４が挿通される孔で、その内部には、孔径を調整するためのカラー３６が挿通される（図２参照）。このカラー３６は、磁性材料からなり、後述する可動磁石５０ｕ，５０ｄとの間に磁気吸引力を発揮することで、当該可動磁石５０ｕ，５０ｄの移動を規制するラッチ機構として機能する磁性材料部としても機能する。カラー３６の外径は、シリンダ孔３０の孔径とほぼ同じとなっており、シリンダ孔３０にカラー３６を装着した際、カラー３６の外表面とシリンダ孔３０の内表面とが互いに密着できるようになっている。

また、カラー３６には、上述した二つの進入路２２，２４および二つの排出路２６，２８と、シリンダ孔３０と、を連通するための孔３８，４０，４２，４４が四つ形成されている。この四つの孔３８，４０，４２，４４は、いずれも、カラー３６をシリンダ孔３０に装着した際に、対応する進入路２２，２４または排出路２６，２８（正確には排出路２６，２８に連通する連通路３２，３４）に正対する位置に設けられている。ここで、この四つの孔３８，４０，４２，４４の位置関係について説明する。

カラー３６に形成された四つの孔のうち、負圧進入路２２に対応する負圧入口３８と、正圧進入路２４に対応する正圧入口４０は、上下方向に並んで形成されている。また、負圧排出路２６に対応する負圧出口４２と、正圧排出路２８に対応する正圧出口４４は、上下方向に並んで形成されている。さらに、負圧入口３８と負圧出口４２は、周方向にほぼ隣接しており、正圧入口４０と正圧出口４４は周方向にほぼ隣接している。

次に、このシリンダ孔３０に挿通される可動体１４について図２、図７を用いて説明する。図７は、可動体１４の分解断面図である。可動体１４は、シリンダ孔３０（正確にはシリンダ孔３０に装着されたカラー３６）に挿通されるシャフト４６と、当該シャフト４６の両端に螺合締結される磁石ホルダ５２ｕ，５２ｄ、および、磁石ホルダ５２ｕ，５２ｄにより保持される可動磁石５０ｕ，５０ｄから構成される。

シャフト４６は、ＳＵＳ３０３などの非磁性の剛性材料からなる軸部材である。このシャフト４６は、軽量化のために中空となった管体となっている。そのため、シャフト４６を含む可動体１４全体を軽量化することができ、当該可動体１４の駆動に要する消費電力を低減することができるようになっている。なお、シャフト４６の両端には磁石ホルダ５２の螺合を受け付ける雌ネジ６０が形成されている。

ここで、このシャフト４６は、カラー３６の内径より僅かに小さい外径を有した大径部５８と、当該大径部５８より小径の外径を有した小径部５６と、に大別される。小径部５６の外径は、カラー３６の内周面との間に、エアの通過を許容するエア通過空間を形成でき得る程度の大きさとなっている。一方、小径部５６の両端から延びる大径部５８は、カラー３６の内径より僅かに小さい外径を有しており、カラー３６に挿通された際、カラー３６の内周面に近接するようになっている。

シリンダ孔３０に挿通された状態で、このシャフト４６が進退し、小径部５６が、負圧入口３８および負圧出口４２に正対する位置まで移動すると、当該小径部５６とカラー３６との間に形成されたエア通過空間を介して負圧エアの通過が許容される。同時に、正圧入口４０および正圧出口４４は、カラー３６の内径より僅かに小さい外径を有した大径部５８により遮蔽されることになるため、正圧エアの通過はほぼ阻害される。

また、小径部５６が、正圧入口４０および正圧出口４４に正対する位置まで移動すると、当該小径部５６とカラー３６との間に形成されたエア通過空間を介して正圧エアの通過が許容される。同時に、負圧入口３８および負圧出口４２は、大径部５８により遮蔽されることになるため、負圧エアの通過はほぼ阻害される。つまり、シャフト４６が進退することで、ノズルへの負圧エアおよび正圧エアを切替供給できるようになっている。

なお、実際には、大径部５８とカラー３６の内周面との間には、シャフト４６の進退を許容するための微小隙間が生じている。この微小隙間を通じて、極めて微量ながらエアのリークが発生する。この微量のエアは、シャフト４６を浮上させるエアベアリングとして機能する。その結果、シャフト４６やカラー３６の摩耗を低減できる。

シャフト４６の両端には、磁石ホルダ５２ｕ，５２ｄを介して一対の可動磁石、すなわち、上側可動磁石５０ｕおよび下側可動磁石５０ｄ（以下、上下を区別しない場合は、添字のｕ，ｄを省略する。他部材も同じ）が固着されている。各可動磁石５０は、ネオジム磁石などの永久磁石からなる円盤状磁石である。この可動磁石５０が、駆動部１６から磁力を受けることにより、可動体１４が進退することになるが、これについては後に詳説する。なお、図１に図示するように、シャフト４６の両端に設けられた二つの可動磁石５０は、互いに同極が向かいあうように（図示例では互いにＮ極が向かいあうように）設置される。

可動磁石５０を保持する磁石ホルダ５２は、ＳＵＳ３０３Ｃ等の非磁性の剛性材料からなる。この磁石ホルダ５２の上面には、可動磁石５０を収容保持するための円形の凹部が形成されている。また、磁石ホルダ５２の底面からは、シャフト４６に螺合締結される雄ネジ部５３が突出形成されている（図７参照）。なお、本実施形態では、二つの磁石ホルダ５２ｕ，５２ｄのいずれをもシャフト４６から着脱自在の構成としているが、磁石ホルダ５２ｕ，５２ｄのうちの少なくとも一方を、シャフト４６と一体成形して、部品点数の削減を図ってもよい。

ここで、既述したとおり、本実施形態では、シャフト４６等から構成される可動体１４を進退させることで負圧エアと正圧エアを切替供給するが、この可動体１４の進退位置は、磁石ホルダ５２の底面が、シリンダ部２０の外表面に当接することで規制される。別の見方をすれば、磁石ホルダ５２の底面は、可動体１４の進退の度にシリンダ部２０の外表面に衝突することになる。この衝突時の衝撃を低減し、磁石ホルダ５２およびシリンダ部２０の破損を防止するために、磁石ホルダ５２の底面にはダンパ部材５４が設けられている。ダンパ部材５４は、ＰＯＭ（ポリアセタール）等の非磁性かつ耐磨耗性に優れた材料からなる円盤状の部材で、その中央には、磁石ホルダ５２の底面から突出する雄ネジ部の通過を許容する貫通孔が形成されている。かかるダンパ部材５４を、磁石ホルダ５２の底面に固着することで、可動体１４の進退に伴って磁石ホルダ５２およびシリンダ部２０が受ける衝撃を低減できる。その結果、メカニカルバルブ１０の寿命低下を防止できる。また、このダンパ部材５４は、磁性材料からなるシリンダ部２０と、可動磁石５０と、の距離を調整し、適切なラッチ力を得るためのスペーサとしても機能するが、これについては後に詳説する。なお、磁石ホルダ５４を、ＰＯＭ（ポリアセタール）等のダンパ性に優れた材料からなる成形部品とし、磁石ホルダ５４そのものにダンパ機能を持たせて、ダンパ部材は省略してもよい。

次に、駆動部１６について詳説する。駆動部１６は、図１に図示するように、電磁石６２や、シャフト４６の進退状況を検出するセンサ６８、電磁石６２やセンサ６８などを保持するベース７０、および、電磁石６２を駆動する駆動回路（図１では図示せず）などから構成される。

電磁石６２は、各可動磁石５０に対応して一つずつ設けられており、対応する可動磁石５０に対向配置されている。各電磁石６２は、駆動回路に接続された励磁コイル６６と、当該励磁コイル６６の磁心として機能する固定磁石６４と、から構成される。励磁コイル６６は、駆動回路からの電流供給を受けて励磁し、当該励磁により生じる磁力により対応（対向）する可動磁石５０、ひいては、当該可動磁石５０に連結されたシャフト４６を移動させる。

固定磁石６４は、ネオジム磁石などの永久磁石からなり、励磁コイル６６の中央に配置されている。この固定磁石６４は、励磁コイル６６の磁心として機能することで、当該励磁コイル６６で生じる磁界強度を向上させる。また、固定磁石６４は、対応する可動磁石５０と、互いに同極が向かい合うような（図示例では互いにＳ極が向かいあうような）配置となっている。したがって、固定磁石６４と可動磁石５０との間には、励磁コイル６６の励磁状況に関わらず、常に、一定の磁気反発力が発生している。この固定磁石６４と可動磁石５０との間に生じる磁気反発力は、シャフト４６の移動を補助するバイアス力として機能するが、これについても、後に詳説する。

可動体１４の進退状況は二つのセンサ６８により検出される。各センサ６８は、対象物に検出光を照射し、その際、得られる反射光の状態などに基づいて当該対象物の有無や距離を検知する光学式非接触センサである。このセンサ６８は、予め規定された高さ位置に固定設置されている。具体的には、上側センサ６８ｕは、可動体１４が上方向に移動した際に、上側磁石ホルダ５２ｕに向かって検出光を照射できる高さ位置に設置されている。また、下側センサ６８ｄは、可動体１４が下方向に移動した際に、下側磁石ホルダ５２ｄに向かって検出光を照射できる高さ位置に設置されている。そして、上位制御装置（図示せず）は、このセンサ６８での検出結果に基づいて、可動体１４の移動状況を判断し、その判断結果に応じてバルブ１０の駆動を制御する。すなわち、上位制御装置は、上側センサ６８ｕで上側磁石ホルダ５２ｕが検出でき、下側センサ６８ｄで下側磁石ホルダ５２ｄが検出できなかった場合には、可動体１４は上方向に移動していると判断する。逆に、上側センサ６８ｕで上側磁石ホルダ５２ｕが検出できず、下側センサ６８ｄで下側磁石ホルダ５２ｄが検出できた場合、可動体１４は下方向に移動していると判断する。

ここで、従来のバルブの多くは、弁体そのものではなく、当該弁体を駆動する駆動部１６の部品、たとえば、モータの回転量や、カムなどの伝達部品、電磁プランジャなどの位置を検出することで弁体の位置を代替検出していた。そのため、弁体そのものの不具合、例えば、弁体の破損や、弁体のスタック（詰まり）などを検出することは困難であった。一方、本発明では、弁体である可動体１４の位置を直接センサ６８で検出している。そのため、弁体（可動体１４）そのものの不具合も確実に検出できる。また、制御対象である弁体そのもの位置を検出しているため、検出結果に含まれる時間遅れを低減することができ、より適切な制御が可能となる。

次に、励磁コイル６６を駆動する駆動回路について説明する。図８Ａ、図８Ｂは、励磁コイル６６に接続される駆動回路の回路図である。図８Ａに図示するように、ファンクションジェネレータ８０から出力された駆動信号は、ＮＯＴ回路および第一回路８１を経てＢ１端子に出力される。また、駆動信号（方形パルス信号）は、第二回路８２を経てＢ２端子にも出力される。第一回路８１および第二回路８２は、同一の構成を有しており、入力された駆動信号のデューティ比を調整する。具体的には、第一回路８１および第二回路８２は、タイミングジェネレータ８０から出力されたデューティ比０．５の駆動信号を、デューティ比０．０２〜０．０６程度の信号に変換する。デューティ比が変換された信号は、Ｂ１端子およびＢ２端子を経て、図８Ｂに図示するフルブリッジ回路８４に入力される。このフルブリッジ回路８４は、ブラシ付モータの正逆回転などに利用される回路で、集積化されて市場に多数流通している汎用の回路である。このフルブリッジ回路８４の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２には、励磁コイル６６が接続されている。この励磁コイル６６には、Ｂ１に「１」、Ｂ２に「０」を入力することで矢印ａ方向の電流が供給される。逆に、Ｂ１に「０」、Ｂ２に「１」を供給すると、励磁コイル６６には矢印ｂ方向の電流が供給される。本実施形態では、この駆動回路を用いて、二つの励磁コイル６６に互いに逆向きの電流を供給する。そして、これにより一方の励磁コイル６６と対応する可動磁石５０との間には磁気反発力を、他方の励磁コイル６６と対応する可動磁石５０との間には磁気吸引力を発生させる。また、負圧エアと正圧エアとを切り替える場合には、Ｂ１およびＢ２に入力する駆動信号を反転させて、各励磁コイル６６に流す電流の向きを逆転させる。つまり、本実施形態において、各励磁コイル６６は、プッシュプルの電流動作をする。ここで、既述したとおり、本実施形態では、フルブリッジ回路８４に入力される信号のデューティ比を低減し、励磁コイル６６への通電時間を駆動周期に比して小さくしている。これにより、消費電力および励磁コイル６６の発熱量が低減される。通電時の電流量が十分であれば、瞬間的な通電であっても、可動体１４は問題なく駆動させることができる。また、ここで例示した駆動回路は、一例であり、可動体１４を駆動できるのであれば、適宜、他の構成の回路を用いてもよい。

次に、このメカニカルバルブ１０の駆動の様子について図９、図１０を用いて説明する。図９、図１０は、メカニカルバルブ１０の要部断面図であり、図９は、正圧エア供給時の様子を、図１０は負圧エア供給時の様子をそれぞれ示している。

正圧エアを供給する場合、図９に図示するように、可動体１４は、シャフト４６の小径部５６が正圧入口４０および正圧出口４４に正対する位置まで移動する。その結果、正圧入口４０および正圧出口４４は、小径部５６とカラー３６の内周面との間に形成される通過空間に開放される。そして、正圧入口４０から２６進入した正圧エアが、通過空間、正圧出口４４を経て、ノズルに供給される。一方、このとき、負圧入口３８および負圧出口４２は、いずれも、シャフト４６の大径部５８により遮蔽されるため、シリンダ孔３０への負圧エアの侵入は阻害される。

この正圧エア供給時に可動体１４に作用する力について説明する。可動体１４が、下限位置まで移動した場合、駆動回路は、励磁コイル６６への通電を中断する。したがって、正圧エア供給時、可動磁石５０と対応する励磁コイル６６との間には、磁気的作用は生じないことになる。この励磁コイル６６への通電を中断した際に、可動体１４に作用する力は、図９において実線の矢印のようになる。すなわち、固定磁石６４は、励磁コイル６６への通電状況に関わらず、常に磁力を発揮する永久磁石である。また、固定磁石６４と対応する可動磁石５０は、互いに同極が向かい合うように配置されている。したがって、上側固定磁石６４ｕと上側可動磁石５０ｕとの間には磁気反発力Ｆａが、また、下側固定磁石６４ｄと下側可動磁石５０ｄとの間には磁気反発力Ｆｂが生じている。ここで、正圧エア供給時、可動体１４は、下側に移動しているため、上側の磁石間距離は、下側の磁石間距離に比して大きい。そのため、上側の磁気反発力Ｆａは、下側の磁気反発力Ｆｂに比して小さくなる（Ｆｂ＞Ｆａ）。つまり、可動磁石５０および固定磁石６４の間に生じる磁気反発力により、可動体１４には、（Ｆｂ−Ｆａ）の大きさを持った上向きの磁気的力が作用することになる。この上向きの磁気的力により可動体１４が上方向に移動すると正圧エアの供給を継続することができず、問題となる。

そこで、本実施形態では、シリンダ部２０（本体１２）を磁性材料部（カラー３６）を含む構成とし、当該シリンダ部２０の磁性材料部（カラー３６）と可動磁石５０との間に生じる磁気吸引力を、正圧エア供給状態を維持するラッチ力として利用している。すなわち、シリンダ部２０を磁性材料部を含む構成とした場合、上側可動磁石５０ｕとシリンダ部２０との間には磁気吸引力Ｆｃが、下側可動磁石５０ｄとシリンダ部２０との間には磁気吸引力Ｆｄが、それぞれ生じることになる。ただし、正圧エア供給時、上側可動磁石５０ｕとシリンダ部２０との距離は、下側可動磁石５０ｄとシリンダ部２０との距離に比して小さいため、上側に生じる磁気吸引力Ｆｃは、下側に生じる磁気吸引力Ｆｄに比して大きい（Ｆｃ＞Ｆｄ）。その結果、可動磁石５０とシリンダ部２０との間に生じる磁気吸引力にだけ着目すると、可動体１４には、（Ｆｃ−Ｆｄ）の大きさを持った下向きの磁気的力が生じることになる。本実施形態では、この磁気吸引力により生じる磁気的力（Ｆｃ−Ｆｄ）が、磁気反発力により生じる磁気的力（Ｆｂ−Ｆａ）より大きくなるように、各磁石の磁束密度や、各部の位置関係、例えば、ダンパ部材５４の厚みなどを調節している。その結果、正圧エア供給時、可動体１４には、総合的には、下向きの力が作用することになり、可動体１４が下側に移動した正圧エア供給状態を維持することが出来るようになっている。

続いて、この正圧エア供給状態から負圧エア供給状態（図９の状態から図１０の状態）に切り替える場合について説明する。この場合、駆動回路は、二つの励磁コイル６６ｕ，６６ｄに逆向きの電流を供給する。図９における破線矢印は、この通電により生じる磁気的力を示している。すなわち、正圧エア供給状態から負圧エア供給状態に切り替える場合、駆動回路は、下側励磁コイル６６ｄには、下側可動磁石５０ｄとの間に生じる磁気反発力Ｆｂを増加させるような向きの電流を流す。別の見方をすれば、駆動回路は、下側電磁石６２ｄが、下側可動磁石５０ｄとの間に磁気反発力Ｆｆを生じる電磁石となるような向きの電流を流す。

一方、駆動回路は、上側励磁コイル６６ｕには、下側励磁コイル６６ｄとは逆向きの電流を供給する。その結果、上側電磁石６２ｕには、上側可動磁石５０ｕとの間に生じる磁気反発力Ｆａを減少させるような磁力Ｆｅが生じる。換言すれば、逆向き電流の供給により、上側電磁石６２ｕは、上側可動磁石５０ｕとの間に磁気吸引力Ｆｅを生じる電磁石となる。

つまり、駆動回路による電流供給により、可動体１４には、それまで作用していた上向きの磁気的力（Ｆｂ＋Ｆｄ）および下向きの磁気的力（Ｆａ＋Ｆｃ）に加えて、さらに、上向きの磁気的力（Ｆｅ＋Ｆｆ）も作用することになる。そして、この電流供給により生じる上向きの磁気的力（Ｆｅ＋Ｆｆ）が、ラッチ力（Ｆａ＋Ｆｃ−Ｆｂ−Ｆｄ）を上回った時点で、可動体１４は、上方向へと移動する。そして、最終的に、図１０に図示するように、下側ダンパ部材５４ｄが、シリンダ部２０の端面に当接した時点で停止する。

このとき、シャフト４６の小径部５６は、負圧入口３８および負圧出口４２に正対する。その結果、負圧入口３８および負圧出口４２は、小径部５６とカラー３６の内周面との間に形成される通過空間に開放される。そして、負圧入口３８から進入した負圧エアが、通過空間、負圧出口４２を経て、ノズルに供給される。一方、このとき、正圧入口４０および正圧出口４４は、いずれも、シャフト４６の大径部５８により遮蔽されるため、シリンダ孔３０への正圧エアの侵入は阻害される。

この状態が、センサ６８で検出されれば、駆動回路は、励磁コイル６６への電流供給を中断する。このとき可動体１４に作用する力は、正圧エア供給時とほぼ同じである。すなわち、可動体１４には、上側可動磁石５０ｕと上側固定磁石６４ｕとの間に生じる磁気反発力Ｆａにより下向きの磁気的力が作用しているが、それ以上に大きな磁気吸引力Ｆｄ（上向きの磁気的力）が下側可動磁石５０ｄとシリンダ部との間に生じている。そのため、可動体１４は、負圧エア供給状態を維持し続ける。

負圧エア供給状態から再び正圧エア供給状態（図１０の状態から図９の状態）に切り替える場合には、再度、励磁コイル６６に電流を供給すればよい。図１０における破線矢印は、この通電により生じる磁気的力を示している。すなわち、この場合、供給される電流の向きは、負圧エア供給状態に切り替える場合とは、逆向きとなる。すなわち、下側励磁コイル６６ｄには、下側可動磁石５０ｄとの間に生じる磁気反発力Ｆｂを低減させるような向きの電流を流す。また、上側励磁コイル６６ｕには、上側可動磁石５０ｕとの間に生じる磁気反発力Ｆａを増加させるような向きの電流を供給する。これにより、可動体１４は、再び、下方向に移動し、図９に図示するような正圧エア供給状態に移行する。

以上の説明から明らかなとおり、本実施形態では、磁力を利用して、負圧エアと正圧エアとの切り替えを実現している。そのため、モータ等を利用する場合に比べて、非常に高速での切り替えが可能となる。また、カムなどの駆動力伝達機構が不要であるため、モータ等を利用する場合に比して、小型化することができる。さらに、単一の可動体１４を進退させることで、負圧エアと正圧エアとを切り替え供給する構成であるため、特許文献１のように二つのロッドを進退させるようなバルブに比して、小型化でき、また、部品点数を低減することができる。

ところで、これまでの説明で明らかなとおり、本実施形態では、固定磁石６４を磁心とする励磁コイル６６、すなわち、コアコイルを用いて可動体１４を駆動している。ここで、コアコイルに代えて、空芯コイルを用いる場合、すなわち、固定磁石６４を省略し、励磁コイル６６のみで可動体１４を駆動する場合も考えられる。しかし、空芯コイルで、可動体１４を移動させるに足る磁力を得るためには、当該空芯コイルに大電流を供給する必要があり、通電時間を短縮したとしても消費電力の増加を招く。また、電流増加に伴い、発熱量も増えるため、ヒートシンクなどの放熱部材を新たに設ける必要が生じてくる。その結果、バルブの大型化や、部品点数の増加、ひいては、コストアップといった問題を招く。もちろん、空芯コイルと可動磁石５０との間隙を狭めることで、可動磁石５０に作用する磁力を増加させることはできる。しかし、空芯コイルと可動磁石５０との間隙が過度に小さい場合、当該バルブの組み立て精度を維持することが困難になるという新たな問題が発生する。

こうした問題を避けるために、本実施形態では磁心を有した励磁コイル６６を用いている。また、この磁心として、永久磁石（固定磁石６４）を用いることにより、当該永久磁石と可動磁石５０との間に生じる磁気反発力が、バイアス力として作用する。その結果、励磁コイル６６に供給する電流量が比較的小さくても、十分な駆動力を得ることができ、消費電力を低減することができる。

なお、本実施形態では、磁心として永久磁石を用いているが、磁力によるバイアス力を付加できるのであれば、電磁石を磁心（固定磁石６４）として用いてもよい。すなわち、鉄心にコイルを巻回した電磁石を、各可動磁石５０に対向して配置し、さらに、この電磁石の周囲に励磁コイル６６を巻回するようにしてもよい。そして、対応する可動磁石５０との間に磁気的力を作用させたくない場合には、適宜、電磁石のコイルへの通電を中断するようにしてもよい。

また、以上の説明では、各部に作用する磁気的力のみを説明してきたが、上下方向に可動する可動体１４には、重力も作用する。その結果、下方向に移動する場合に比して、上方向に移動する場合のほうが、より大きな力を有することになる。そこで、この重力に起因する移動に要する力の相違を吸収するべく、上側に配置する磁石の強度と、下側に配置する磁石の強度と、を異ならせるようにしてもよい。また、本明細書では、電子部品自動装着装置に利用されるメカニカルバルブの構成を例に挙げて説明したが、当然ながら、他の装置に組み込まれるメカニカルバルブに応用してもよく、また、切り替え供給するエア種類も負圧エアおよび正圧エアに限定されるものではない。

本発明の実施形態であるメカニカルバルブの断面図である。本体および可動体の分解斜視図である。本体の図２におけるＡ方向視図である。図３におけるＢ−Ｂ断面図である。図３におけるＣ−Ｃ断面図である。図３におけるＤ−Ｄ断面図である。可動体の分解断面図である。駆動回路の一部を示す図である。駆動回路の残りの一部を示す図である。正圧エア供給時におけるメカニカルバルブの要部断面図である。負圧エア供給時におけるメカニカルバルブの要部断面図である。

符号の説明

１０メカニカルバルブ、１２本体、１４可動体、１６駆動部、１８装着部、２０シリンダ部、３０シリンダ孔、３６カラー、３８負圧入口、４２負圧出口、４０正圧入口、４４正圧出口、４６シャフト、５０可動磁石、５２磁石ホルダ、５４ダンパ部材、５６小径部、５８大径部、６２電磁石、６４固定磁石、６６励磁コイル、６８センサ。

Claims

その内周面に、第一エアの通過を許容する第一エア口と、第二エアの通過を許容する第二エア口と、が形成されたシリンダと、
前記シリンダに進退自在に挿通されたシャフトであって、進出することで前記第一エア口を開放するとともに第二エア口を閉鎖し、退避することで前記第二エア口を開放するとともに第一エア口を閉鎖するシャフトと、
前記シャフトを進退駆動させる駆動手段と、
を備え、
前記駆動手段は、
永久磁石からなり、前記シャフトの両端に設けられた一対の可動磁石と、
各可動磁石に対向して設けられた一対の電磁石であって、励磁した際に対応する可動磁石との間に生じる磁力により前記シャフトを進退させる一対の電磁石と、
前記一対の電磁石を励磁させる駆動回路と、
を備えることを特徴とするメカニカルバルブ。
請求項１に記載のメカニカルバルブであって、
前記電磁石の磁心は、対向する可動磁石との間に磁気反発力を生じさせる磁石であることを特徴とするメカニカルバルブ。
請求項１または２に記載のメカニカルバルブであって、
前記シリンダの少なくとも両端近傍には、磁性材料からなり、可動磁石との間に磁気吸引力を発揮することで、当該可動磁石の移動を規制するラッチ機構として機能する磁性材料部が設けられていることを特徴とするメカニカルバルブ。
請求項１から３のいずれか１項に記載のメカニカルバルブであって、
前記シャフトは、その内部が空洞であることを特徴とするメカニカルバルブ。
請求項１から４のいずれか１項に記載のメカニカルバルブであって、
前記第一エア口は、前記第一エアの進入を許容する第一エア入口と、当該第一エア入口と周方向に並んで配置されるとともに第一エアの排出を許容する第一エア出口と、を含み、
前記第二エア口は、前記第二エアの進入を許容する第二エア入口と、当該第二エア入口と周方向に並んで配置されるとともに第二エアの外部排出を許容する第二エア出口と、を含み、
前記シャフトは、
前記シリンダの内径とほぼ同一の大径部であって、シャフト進出時には第二エア入口および第二エア出口を閉鎖し、シャフト退避時には第一エア入口および第一エア出口を閉鎖する大径部と、
前記シリンダの内周面との間にエアの通過を許容する通過空間を形成する小径部であって、シャフト進出時には第一エア入口および第一エア出口を開放し、シャフト退避時には第二エア入口および第二エア出口を開放する小径部と、
を有することを特徴とするメカニカルバルブ。