JP2011190821A - 制御弁の位置検出構造 - Google Patents

Abstract

【課題】制御弁において、その弁の現在の位置を検出するための制御弁の位置検出構造を小型で且つ安価に構成する。
【解決手段】全閉位置から全開位置まで移動するスプール２４に対して、スライダ２８がスプール２４の全閉位置から中間位置まで一緒に移動し、スプール２４のそれ以上の移動に対しては追従せずに、スプール２４がスライダ２８に対して相対移動する。スプール２４の全閉位置と中間位置とに夫々に対応するスライダ２８の第１位置と第２位置とを近接スイッチ３４で検出することで、弁の開閉状態を検出することができる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、制御弁において、その弁の現在の位置を検出するための位置検出構造に関する。

近年、制御弁の作動状態を外部から確認・監視することができるように、制御弁において弁の位置を検出することが求められている。

特許文献１では、ロジック弁（またはカートリッジ弁ともいう）において図７に示すような、弁の位置を検出する手段を開示する。図７において、７０は弁であるポペットであり、ポペット７０の一端にはバー７２が固定されており、バー７２の他端側にバー７２の動きを検出する差動トランス７４が取り付けられている。そして、この差動トランス７４によってバー７２の位置を検出して、その検出信号をフィードバックするようにしている。

特開昭６０−６９３８２号公報（第４頁、右下欄１〜１０行、第７図）

しかしながら、かかる従来の構成では、弁７０とバー７２が一緒に移動することになるため、弁７０の移動距離と同じ長さだけ、差動トランス７４の長さを確保しなければならず、装置が大型化するという問題がある。また、差動トランスを用いると、専用の電気回路を必要とするため、高価となる、という問題がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたもので、小型で且つ安価に構成することができ、弁の位置を検出して、制御弁の作動状態を外部から確認・監視することができる制御弁の位置検出構造を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の発明は、第１限界位置と第２限界位置との間で移動可能な弁を有し、第１限界位置と第２限界位置の間の中間位置において弁の開閉状態が変化するようになった制御弁における弁の位置を検出する位置検出構造であって、
弁に追従可能となって第１位置と第２位置との間で移動可能となった可動部材と、
前記可動部材が第１位置及び第２位置に位置することをそれぞれ検出可能となった検出センサと、
弁が第１限界位置から中間位置まで移動するときに、可動部材を第１位置から第２位置へと移動させると共に、弁が中間位置から第２限界位置まで移動するときに、可動部材に対して弁の相対移動を可能とし、可動部材を第２位置に保持させる追従手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の位置検出構造において、前記追従手段が、前記可動部材と前記弁との間に設けられる変形手段を有しており、可動部材が弁に対して追従するときに、該変形手段を介して弁から可動部材へと力が伝達され、弁が可動部材に対して相対移動するときに、該変形手段が変形することで弁の相対移動を可能とすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の位置検出構造において、前記変形手段が、前記可動部材と前記弁との間に介挿されて、可動部材を弁から離反する方向に常時付勢しており、前記追従手段は、可動部材の弁からの離反を規制するストッパーをさらに備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の位置検出構造において、前記可動部材が、前記弁に形成された中心孔内に摺動可能に且つ出没可能に配設され、中心孔と可動部材によって形成される室内に前記変形手段が配設されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の位置検出構造において、前記制御弁が、弁が弁シートに着座した全閉位置と弁シートから完全に離反した全開位置との間で移動可能となったポペット形制御弁であることを特徴とする。

本発明によれば、第１限界位置と第２限界位置との間を移動する弁に対して、第１限界位置から中間位置まで追従する可動部材が第１位置から第２位置まで移動することを検知センサで検知することによって、弁の開閉の状態を知ることができる。このように弁の状態が遷移する中間位置に移動したことを検出することによって、可動部材が弁の第１限界位置から第２限界位置までの全域に渡り弁と共に移動する必要がなく、弁が可動部材に対して相対移動することができるために、可動部材のストロークのための空間が削減でき、位置検出構造の小型化を図ることができる。

また、検出センサは、可動部材の第１位置と第２位置とを識別し得るようにオフ／オンを切り替えることができればよいために、安価に構成することができる。

本発明が適用される制御弁を示す断面図である。 本発明の第１実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が全閉位置にあるときの状態を示す。 本発明による位置検出構造の動作を表す断面図であり、弁が全閉位置と全開位置の中間の中間位置にあるときの状態を示す。 本発明による位置検出構造の動作を表す断面図であり、弁が全開位置にあるときの状態を示す。 本発明の第２実施形態が適用された制御弁の要部断面図である。 本発明の第３実施形態が適用された制御弁の要部断面図である。 本発明の第４実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が全閉位置にあるときの状態を示す。 本発明の第４実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が中間位置にあるときの状態を示す。 本発明の第４実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が全開位置にあるときの状態を示す。 本発明の第５実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が中立位置にあるときの状態を示す。 本発明の第５実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が中間位置にあるときの状態を示す。 本発明の第５実施形態が適用された制御弁の要部断面図であり、弁が切換位置にあるときの状態を示す。 従来の制御弁の位置検出構造を表す断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示す制御弁１０は、カートリッジ弁としてマニホールドブロック１２内に組み込むことができる弁を例にとっており、制御弁１０はカートリッジエレメントとして構成される。

図２に示したように、制御弁１０は、大略、マニホールドブロック内１２に挿入されるスリーブ２０と、スリーブ２０の開放された一端側を塞ぎ、前記マニホールドブロック１２に固定されるボディ２２と、からなる本体を有する。

スリーブ２０内には、小径の小径孔２０ａと大径の大径孔２０ｂとが軸方向に連なって同軸上に形成されており、小径孔２０ａは、スリーブ２０の他端部及び側面にそれぞれ形成された第１ポート２０ｃ及び第２ポート２０ｄと連通しており、第１ポート２０ｃの手前にある小径孔２０ａの端部には弁シート２０ｅが形成される。

スリーブ２０内には、主弁であるスプール２４が同軸上に配置されており、スプール２４は、小径孔２０ａに対して摺動可能となっている。スプール２４の外周面の中央部には、バネ受け鍔部２４ａが形成され、該バネ受け鍔部２４ａとボディ２２の内面２２ｂとの間にはスプリング２６が介挿される。スプリング２６は、スプール２４を弁シート２０ｅの方に向かって常時付勢している。

スリーブ２０内の大径孔２０ｂは、ボディ２２内に形成された不図示のパイロット流路に連通しており、該パイロット流路を介してパイロット圧が大径孔２０ｂ内に導入されるようになっている。

よって、公知のように、パイロット圧と、スプリング２６のスプリング力と、第１ポート２０ｃ及び第２ポート２０ｄに作用する流体圧力とのバランスによって、スプール２４の位置が決められ、スプール２４が弁シート２０ｅに着座している位置が弁の全閉位置（第１限界位置）であり、スプール２４が弁シート２０ｅから完全に離反すると、弁の全開位置（第２限界位置）になる。その関係は以下の式で表される（但し重力の影響は便宜上省略する。）。

Ｐ_PＡ_P＋Ｆ_SP−Ｐ_AＡ_A−Ｐ_BＡ_B （１）
＜０ならば開
＞０ならば閉
ここで、
Ｐ_P：パイロット圧
Ｆ_SP：スプリング力
Ｐ_A：第１ポート２０ｃの流体圧力
Ｐ_B：第２ポート２０ｄの流体圧力
Ａ_P，Ａ_A，Ａ_B：パイロット圧、第１ポート２０ｃの流体圧力、第２ポート２０ｄの流体圧力のそれぞれのスプール２４の受圧面積

以上の全閉位置及び全開位置の間を移動するスプール２４の現在位置を外部から確認するために位置検出構造が以下に説明するように構成される。

即ち、スプール２４には、そのボディ２２側にある一端側から有底の中心孔２４ｂが穿設されており、該中心孔２４ｂ内を可動部材としてのスライダ２８が摺動可能に且つ出没可能に配設される。スライダ２８と中心孔２４ｂの底面との間には変形手段としての第２スプリング３０が介挿されており、第２スプリング３０は、スライダ２８を常時、中心孔２４ｂの底面から離反する方向に付勢している。但し、スプール２４の中心孔２４ｂの途中位置には、ストッパー３２が固定されており、スライダ２８はストッパー３２によって、中心孔２４ｂの底面から離反する方向にそれ以上移動することはできないように規制される。第２スプリング３０のバネ定数は、スプリング２６のバネ定数と比較して小さく設定されるとよい。

スライダ２８の一端には、ストッパー３２を超えてボディ２２に向かって延びる小径の延長部２８ａが延設され、延長部２８ａからはさらに小径の第２延長部２８ｂが延設されており、第２延長部２８ｂは、ボディ２２に形成されたガイド孔２２ａ内を挿通している。そして、ガイド孔２２ａを挿通した第２延長部２８ｂの末端部は、ボディ２２内に配置された検出センサとしての近接スイッチ３４に対向している。

また、スプール２４には、複数の側孔２４ｃが形成されており、該側孔２４ｃが中心孔２４ｂと連通することによって、スプール２４の中心孔２４ｂとスライダ２８とによって画成される室は、側孔２４ｃを介してスプール２４外と連通している。

以上のように構成される位置検出構造の動作を、図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら説明する。

図２Ａに示すように、弁が全閉位置にある状態においては、スプール２４は弁シート２０ｅに着座しており、これによって、第２延長部２８ｂの末端部は近接スイッチ３４から離れた第１位置（図２ＡのＳ１だけ近接スイッチ３４から離れた位置）にあり、近接スイッチ３４はオフとなっている。これに伴い、延長部２８ａの末端部も、ボディ２２の内面２２ｂから離れた位置にある（図２ＡのＳ２だけ内面２２ｂから離れた位置）。

パイロット圧が低下していくと、（１）式が負となり、スプール２４は移動を開始する。スプール２４の運動は、第２スプリング３０を介してスライダ２８に伝達されるので、スライダ２８もスプール２４の移動に追従して、スプール２４と一緒に同じ方向に移動する。そして図２Ｂに示すように、スプール２４が弁シート２０ｅから離反して、弁が開き始めて第１ポート２０ｃと第２ポート２０ｄが導通し始めたとみなされる位置、またはそれに類するとみなされるある中間位置にスプール２４が到達すると、スライダ２８の延長部２８ａの末端部がボディ２２の内面２２ｂに当接して、スライダ２８はそれ以上の移動が不可能となる。この状態において、第２延長部２８ｂの末端部は近接スイッチ３４に接近した第２位置（図２ＢのＳ３だけ近接スイッチ３４から離れた位置）に到達して、近接スイッチ３４はオンとなる。

さらに、スプール２４が弁シート２０ｅから離反する方向に移動すると、スライダ２８はもはや同じ方向に移動することができないために、第２スプリング３０は圧縮変形し、スプール２４はスライダ２８に対して相対移動する。そして、図２Ｃに示すように、スプール２４の一端部がボディ２２の内面２２ｂに当接するまでスプール２４が移動すると、スプール２４はそれ以上の移動が不可能となり、この状態において弁は全開位置に到達する。この間、スライダ２８の第２延長部２８ｂの末端部は第２位置に留まって、近接スイッチ３４との関係は図２Ｂと同じ状態を維持しており、近接スイッチ３４はオンの状態となっている。

反対に、図２Ｃの弁が全開位置にある状態から、パイロット圧が高くなると、（１）式が正となり、スプール２４が弁シート２０ｅの方へ向って移動を開始する。このとき、ストッパー３２がスライダ２８に当接するまでは、スプール２４のみが移動しスライダ２８に対して相対移動し、ストッパー３２がスライダ２８に当接すると、ストッパー３２がスライダ２８をスプール２４と一緒に移動させるため、図２Ａの状態に戻ることができる。

以上の一連の動作において、第２スプリング３０が変形手段として作用して、スライダ２８がスプール２４に対して追従するときに、スプール２４からスライダ２８へと力を伝達すると共に、スプール２４がスライダ２８に対して相対移動するときに、変形することでスプール２４の相対移動を可能とする。そして、この第２スプリング３０、ストッパー３２及びボディ２２の内面２２ｂによって、追従手段が構成される。

近接スイッチ３４のオン／オフを外部で捉えることで、このオン／オフの切換によって、弁の開閉を外部において確認することができる。図２Ｃに示す弁の全開位置を検出する代わりに、開き始めた状態に相当する中間位置を検出することでも、十分に弁の開閉の状態を知ることができるからである。これによって、スライダ２８が弁の全閉位置から全開位置までの全域に渡りスプール２４と共に移動する必要がないために、スライダ２８のストロークのための空間が削減でき、位置検出構造の小型化を図ることができる。例えば、スライダ２８の全閉位置から中間位置までに対応するスライダ２８の第１位置と第２位置との間の移動ストローク（＝Ｓ１−Ｓ３＝Ｓ２）を１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度とし、スライダ２８の全閉位置から全開位置までのスプール２４の移動ストローク（図２ＡのＳ０）を２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度とすれば、従来に比して１／３０〜１／１０程度となった移動ストロークをスライダ２８の移動のために確保すればよいので、十分な小型化を図ることができる。また、検出センサは、スライダ２８の第１位置と第２位置とを識別し得るようにオフ／オンを切り替えることができる近接スイッチ３４のようなセンサで構成することができるため、安価に構成することができる。尚、検出センサとしては、この例で説明した非接触式センサに限らず、接触式センサを使用することもできる。

図３は、本発明の第２実施形態を表す図である。同一または同様の部材、部分は第１実施形態と同じ符号を付してその詳細説明を省略する。

この例では、側孔２４ｃ及び第２スプリング３０が取り除かれており、スプール２４の中心孔２４ｂとスライダ２８とによって囲繞された圧力室２４ｄが形成される。

圧力室２４ｄは、スプール２４を貫通する流路２４ｅ及びシャトル弁３６を介して第１ポート２０ｃ側及び第２ポート２０ｄ側と連通している。そしてシャトル弁３６によって、第１ポート２０ｃ側圧力と第２ポート２０ｄ側圧力のうちのより高い圧力が圧力室２４ｄに導入されるようになっている。この導入される圧力はパイロット圧力よりも高いために、スライダ２８は、常時、中心孔２４ｂの底面から離反する方向に付勢される。また、圧力室２４ｄは流路２４ｅを介して流体を排出することで圧縮可能となっている。

以上のように構成される位置検出構造においても、圧力室２４ｄ及びその室内の流体が、第１実施形態の第２スプリング３０と同様に変形手段として作用して、スライダ２８がスプール２４に対して追従するときに、スプール２４からスライダ２８へと力を伝達すると共に、スプール２４がスライダ２８に対して相対移動するときに、圧力室２４ｄの室内が変形することでスプール２４の相対移動を可能とするために、第１実施形態と同様に作用させることができる。

図４は、本発明の第３実施形態を表す図である。同一または同様の部材、部分は第１実施形態と同じ符号を付してその詳細説明を省略する。

この例では、スプール２４内の圧力室２４ｄがスプール２４の中心孔２４ｂとスライダ２８とによって完全に囲繞されており、圧力室２４ｄ内には、気体（例えば窒素等）を封入した可撓性の袋３８が配設される。

この袋３８内に封入される気体の圧力によって、スライダ２８は、常時、中心孔２４ｂの底面から離反する方向に付勢される。また、袋３８内の気体は圧縮可能となっている。

以上のように構成される位置検出構造においても、気体が封入された袋３８が、第１実施形態の第２スプリング３０と同様に変形手段として作用して、スライダ２８がスプール２４に対して追従するときに、スプール２４からスライダ２８へと力を伝達すると共に、スプール２４がスライダ２８に対して相対移動するときに、その袋３８が変形することでスプール２４の相対移動を可能とするために、第１実施形態と同様に作用させることができる。

図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の第４実施形態を表す図である。同一または同様の部材、部分は第１実施形態と同じ符号を付してその詳細説明を省略する。

この例では、スプール２４の外周面に、スプール２４に対して枢動可能に一端が軸着されるアーム４０が取り付けられており、アーム４０の他端側とスプール２４との間には板バネ４２が架設されている。アーム４０は、板バネ４２によってその回動が一方向に付勢されるものの、スプール２４に形成されたストッパー２４ｆによってアーム４０の一方向の回動は規制されるようになっている。アーム４０と板バネ４２とによって変形手段が構成される。

また、スプール２４と並列にスリーブ２０の大径孔２０ｂ内には、可動部材としてのスライドバー４３が配設される。スライドバー４３の一端は、ボディ２２内に配設された検出センサとしてのスイッチ４４の可動部４４ａに固定されており、スライドバー４３は可動部４４ａと一体に移動するようになっている。スイッチ４４の可動部４４ａは枢動可能となっており、可動部４４ａが枢動して可動部４４ａの接点が固定部４４ｂの接点に接触してスイッチ４４をオンとすることが可能となっているが、常時は、両接点が離反するように可動部４４ａが付勢されておりスイッチ４４がオフとなっている。スイッチ４４の可動部４４ａに作用する付勢力と、板バネ４２によってアーム４０に作用する付勢力とでは、後者の方が強いものとなっている。

スイッチ４４がオフで、スプール２４が全閉状態において、スライドバー４３の他端とアーム４０との間には、図５Ａに示したように、隙間Ｓ４が形成されているとよい。

以上のように構成される位置検出構造においては、弁の全閉状態において、前述のように、スイッチ４４はオフの状態になる。

この弁の全閉状態から、スプール２４が弁シート２０ｅから離反するように隙間Ｓ４分移動すると、アーム４０がスライドバー４３の他端に当接して、スライドバー４３がスプール２４と一緒に移動する。これによって、スイッチ４４の可動部４４ａが枢動し始める。そして、図５Ｂに示すように、スプール２４が中間位置に到達するタイミングで、スイッチ４４がオンとなる。そして、可動部４４ａ及びスライドバー４３はそれ以上の移動が不可能となる。

さらに、図５Ｃに示すように、スプール２４が弁シート２０ｅから離反するように移動したときに、可動部４４ａ及びスライドバー４３は移動不能となっているので、アーム４０が板バネ４２の付勢力に抗して枢動して、スプール２４がスライドバー４３に対して移動することができて、スプール２４は全開状態となる。また、このときに、スイッチ４４はオンの状態を維持している。

以上の実施形態においても、スイッチ４４のオン・オフを外部で捉えることで、第１実施形態と同様に、このオン／オフの切換によって、弁の開閉を外部において確認することができる。

尚、以上の各実施形態の位置検出構造は、カートリッジ弁について適用していたがこれに限るものではなく、また、スプール２４の移動方向が開閉するポートの開口面に対して垂直に移動するポペット形の制御弁に適用していたが、これに限るものではなく、開閉するポートの開口面に対して平行に移動するスプール形の制御弁に適用することも可能である。

図６Ａ〜６Ｃは、スプール形の制御弁において、本発明の位置検出構造を適用した場合の第５実施形態を表す要部図であり、同一または同様の部材、部分は第１実施形態と同じ符号を付してその詳細説明を省略する。

複数のポート５０ａ、５０ｂが形成される本体５０内をポートの開口面に対して平行に摺動可能にスプール２４が配設されている。そして、スプール２４の有底の中心孔２４ｂには、スライダ２８が摺動可能に且つ出没可能に配設されている。また、第１実施形態と同様に、スライダ２８の延長部２８ａがスプール２４に設けられたストッパー３２を超えて、スプール２４から延設されており、さらに第２延長部２８ｂが本体５０を挿通して本体５０内に別途配置された近接スイッチ３４に対向している。

この第５実施形態においても、第１実施形態と同様に作用させることができ、本体５０に形成される複数のポート５０ａ、５０ｂの非導通及び導通状態に相当するようにスプール２４が中立位置（全閉位置または第１限界位置）（図６Ａ）と切換位置（全開位置または第２限界位置）（図６Ｃ）との間を移動するときに、中立位置（図６Ａ）と、中立位置と切換位置との間にある中間位置（図６Ｂ）にスプール２４があることを検出することができるようになる。

１０ 制御弁
２４ スプール（弁）
２４ｄ 圧力室（変形手段）
２８ スライダ（可動部材）
３０ 第２スプリング（変形手段、追従手段）
３２ ストッパー（追従手段）
３４ 近接スイッチ（検出センサ）
３８ 袋（変形手段）
４０ アーム（変形手段）
４２ 板バネ（変形手段）
４３ スライドバー（可動部材）
４４ スイッチ（検出センサ）

Claims (5)

1. 第１限界位置と第２限界位置との間で移動可能な弁を有し、第１限界位置と第２限界位置の間の中間位置において弁の開閉状態が変化するようになった制御弁における弁の位置を検出する位置検出構造であって、
   弁に追従可能となって第１位置と第２位置との間で移動可能となった可動部材と、
   前記可動部材が第１位置及び第２位置に位置することをそれぞれ検出可能となった検出センサと、
   弁が第１限界位置から中間位置まで移動するときに、可動部材を第１位置から第２位置へと移動させると共に、弁が中間位置から第２限界位置まで移動するときに、可動部材に対して弁の相対移動を可能とし、可動部材を第２位置に保持させる追従手段と、
   を備えることを特徴とする制御弁の位置検出構造。
2. 前記追従手段は、前記可動部材と前記弁との間に設けられる変形手段を有しており、可動部材が弁に対して追従するときに、該変形手段を介して弁から可動部材へと力が伝達され、弁が可動部材に対して相対移動するときに、該変形手段が変形することで弁の相対移動を可能とすることを特徴とする請求項１記載の制御弁の位置検出構造。
3. 前記変形手段は、前記可動部材と前記弁との間に介挿されて、可動部材を弁から離反する方向に常時付勢しており、前記追従手段は、可動部材の弁からの離反を規制するストッパーをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の制御弁の位置検出構造。
4. 前記可動部材は、前記弁に形成された中心孔内に摺動可能に且つ出没可能に配設され、中心孔と可動部材によって形成される室内に前記変形手段が配設されることを特徴とする請求項２または３記載の位置検出構造。
5. 前記制御弁は、弁が弁シートに着座した全閉位置と弁シートから完全に離反した全開位置との間で移動可能となったポペット形制御弁であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の位置検出構造。

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