JP2012036989A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流体のフローフォースを相殺すると共に摺動部品間に圧密状態を作り出し、流体の通過面積を連続的且つ滑らかに変化させる流量制御弁を提供する。
【解決手段】第１、第２の流路が中心を通る直線の両側に対称に配置され、一側端面１１ａに１つの開口部が開口し内部で二股に分岐されて他側端面１１ｂに２つの開口部が開口するステータ１１と、一側端面１２ａがステータの他側端面１１ｂに密着して回動され、第１の制御位置にて第１の流路の２つの開口部と第２の流路の２つの開口部との連通を遮断して第１、第２の流路を遮断し、第１の制御位置から第２の制御位置まで回動するに伴い第１、第２の流路の各２つの開口部の各一側の対応する開口部同士及び各他側の対応する開口部同士を連通させて第１、第２の流路を連通させるロータ１２と、ケーシング１３と、ロータとケーシングとの間に設けられてロータをステータに密着させる押圧手段１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

流量制御弁としては、流路の断面積を絞りによって変えて流量を規制する絞り弁（通常圧力補償が無い）がある。この絞り弁は、図１８に示すようにボデイ1内にニードル弁（弁体）２が収容され、弁軸２ａに形成したねじ部２ｂにより進退自在に収容されて先端部２ｃに形成されたテーパ面２ｄより弁座３との間の環状の断面積を変えて流量を調整するものである。この絞り弁は、構造が簡単で低廉であること、高圧の油圧回路にも適用できる等の特徴がある。

また、流路面積の調整は、ニードル弁２の弁軸２ａの上端に固定した手動ハンドル４の回転操作により調整するものが主体となっており、操作が簡単である。閉弁状態の確認は、作業者が手動ハンドル４を回してニードル弁２のテーパ面２ｄが弁座３に圧接したときの摩擦力を感知して判断している。従って、このような絞り弁は、手動操作の元では極めてシンプルな構造で、且つ安定した性能を有しているために極めて多くの分野に用いられている。

また、このような構造の絞り弁の流路面積の調整を電気的に行う方法として、ニードル弁２の手動ハンドル４に代えて電気モータを取り付けて駆動する方式が採用されている。
また、電気モータを使用したニードルバルブとして、ニードルバルブの弁軸の上端部に設けた座金と弁軸を軸支する弁装体との間にスプリングを縮設すると共に、弁軸の上端面に出力軸が軸方向に摺動する直動モータの出力軸の先端面を当接させ、閉弁時には、直動モータの出力軸を弁座に近接させる方向に移動させてスプリングを圧縮させてニードルバルブのテーパ面を弁座に圧接させ、開弁時には出力軸を弁座から離間する方向に移動させ、スプリングのバネ力により出力軸に追従させてニードルバルブを開弁方向に移動させてテーパ面を弁座から離隔させるようにしたニードルバルブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１５３２０５号公報（４−５頁、図１）

図１２に示したような構造の絞り弁の流路面積の調整を電気的に行う方法として、ニードル弁２の手動ハンドル４に代えて電気モータを取り付けて駆動する方式においては、開弁、閉弁の制御に自由度が低いことと、使用時間の経過（経時変化）と共に、シートポイント（制御位置）がずれてしまうという大きな欠点があった。特に閉弁位置の位置決めには過負荷状態を作り出しての位置決め手段しか見出せないような制御系体となる。即ち、閉弁状態の確認は、手動操作においては作業者が手動ハンドル４を回してニードル弁２のテーパ面２ｄが弁座３に圧接したときの摩擦力を感知して判断しているが、電気モータを使用した場合にはニードル弁２を過剰に締め付けて弁座３に圧接させて閉弁させるという制御系体となり、これが電気モータの過負荷状態を発生させることとなり、電気モータや制御系の過電流等の故障の要因となっている。

また、ニードル弁方式の流量制御弁は、本来の使用状況、即ち手動操作の観点からパワーアシストや圧力バランスやフローフォースへの対応が施されていないのが実態である。技術的にはパワーアシストや圧力バランス機構を施す方法があるが、形状が甚だしく大きくなり、また、フローフォースへの対応は形状上技術的に困難である。
フローフォースへの対処がなされていない場合には、流体の脈動に起因する振動が発生し、これに伴いギヤ等のバックラッシュの部分に振動が発生して位置決め制御の不安定の要因となる。このためフローフォースに対抗して逆方向の力を加える必要がある。このフローフォースは、流体の圧力が高く、且つ流量に応じて大きくなり、パワーアシストや圧力バランス機構を施すことが必要となる。しかしながら、パワーアシストや圧力バランス機構が設けられていない場合にはフローフォースにより位置決め制御に必要以上の操作力（駆動力・制止力）を必要とし、電気モータや制御系が大型化し、コストも高くなる。従って、フローフォースへの対応がなされないと、手動操作による制御はもとより電動モータによる制御においても高圧、大流量の流体の流量制御への不安定要因が生じる。

更に、ニードル弁方式の電動制御においては、ニードル弁の軸方向の変位（リフト）の変位を必要とし、この変位を吸収するためには弁軸と電動モータとをスプライン機構又はこれに匹敵する機構により連結することが必要となる。このため、これらの機構とニードル弁の送りねじの双方にクリアランスに起因するガタ、即ちバックラッシュが発生し、ニードル弁を目的位置に正確に固定することが困難となり、再現性の欠如の要因にもなっている。

また、特許文献１に開示されているニードルバルブは、構造が複雑であり、これに伴い部品点数が多くなり組み立てが困難であると共に高価である。また、制御流体の通過回路内にＯリングを有し、このＯリングを定期的に交換する必要が生じ保守の定期化が必要条件となる。更に構造上高圧及び大流量の流体制御に使用することには難がある。また、フローフォースへの対応もなされておらず、概ね図１２に示す絞り弁と同様の問題を内蔵（残存）している。

また、構造的には、流量制御、特に通過面積を定量的に変化させる制御においては、直動形スプール機構が一般的ではあるが、スプールとランド間の寸法管理、穴加工、円筒度、真直度等に特別な設備、技術が必要となり、コストが高くなる等の要素が残留している。
本発明の目的は、流体の入出力間を２分流化してフローフォースを相殺すると共に、制御流体の源圧側をバックプレッシャとして用いて摺動する部品間に圧密状態を作り出し、接触部からの流体の漏れを防止し且つ回動自在を保持し、簡単な構造で流体の通過面積を連続的且つ滑らかに変化させることができる流量制御弁を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る流量制御弁は、
第１の流路と第２の流路が一側の端面から他側の端面まで貫通して設けられ、これらの第１の流路と第２の流路は、中心を通る直線の両側に対称に配置され、且つ前記一側の端面にそれぞれ１つの開口部が開口し、内部で二股に分岐されて前記他側の端面に２つの開口部が開口して形成されたステータと、
一側の端面が前記ステータの他側の端面に密着して回動可能とされ、前記一側の端面に、第１の制御位置において前記第１の流路と第２の流路とを遮断し、前記第１の制御位置から第２の制御位置まで回動するに伴い前記第１の流路と第２の流路の各２つの開口部の各一側の対応する開口部同士及び各他側の対応する開口部同士をそれぞれ連通させて前記第１の流路と第２の流路とを連通させる第１の連通溝と第２の連通溝が設けられたロータと、
前記ステータとロータを収容するケーシングと、
前記ロータの他側の端面とケーシングとの間に設けられて前記ロータの一側の端面を前記ステータの他側の端面に密着させる押圧手段とを備えたことを特徴としている。

ステータの第１の流路の１つの開口部から流入した流体は、内部で二股に分流されて２つの開口部から対向するロータの第１、第２の連通溝に流入する。ロータの第１の制御位置においては、ステータの第１の流路と第２の流路とが遮断されている。これにより、流量制御弁が閉弁されている。ロータが第１の制御位置から第２の制御位置に回動するに伴いロータの第１の連通溝と第２の連通溝がステータの第１の流路の対向する２つの開口部と第２の流路の対向する２つの開口部に連通して流体がステータの第１の流路の２つの開口部から第２の流路の２つの開口部に流れ込み、ステータ内部で合流して１つの開口部から吐出する。これにより、流量制御弁が開弁する。このとき、ロータの第１の連通溝と第２の連通溝を流れる流体は、中心軸対称から見るとフローフォースが相殺される方向に流れることになる。これにより、流体の脈動に起因する振動も低減されて位置決め制御が容易となる。

ロータは、ステータと密着する反対側の端面とハウジングとの間の空間部に縮設された押圧手段により、ステータに密着し且つ回転可能に支持される。そして、ロータの回動により、第１の流路と第２の流路とが遮断又は連通される。即ち、流量制御弁が閉弁又は開弁される。これにより、油圧や空気圧等のパワーアシストを使用することなく機能に見合った電動操作のみでロータを回動させて流量制御弁を開閉させることが可能となる。この結果、高圧、大流量の油圧回路にも容易に対応することができる。

また、本発明の請求項２に係る流量制御弁は、請求項１に記載の流量制御弁において、
前記ステータの他側の端面に開口する前記第１及び第２の流路の各２つの開口部は同一円周上に配置され、
前記ロータの第１及び第２の連通溝は、少なくとも両端部が前記第１及び第２の流路の各２つの開口部と対向する同一円周上に配置されていることを特徴としている。

ステータの第１、第２の流路の各２つの開口部を同一円周上に配置し、ロータの第１、第２の連通溝は、少なくとも両端部がステータの第１、第２の流路の各２つの開口部と対向する同一円周上に配置し、ロータを回動させることにより、第１の流路と第２の流路とを遮断し、又は連通させることができる。
また、本発明の請求項３に係る流量制御弁は、請求項１又は請求項２に記載の流量制御弁において、
前記押圧手段は、前記ロータの他側の端面と前記ケーシングの対向する端面との間に縮設されたバネと、
前記ロータ内に設けられ、各一端がそれぞれ前記第１及び第２の連通溝の底面に開口し、各他端がそれぞれ他側の端面に開口して前記各連通溝側から他側の端面側へのみ流体の流れを許容する一方向弁からなることを特徴としている。

ロータとケーシングとの間の空間部に縮設したバネと、連通溝側からロータとケーシングとの間の空間部に一方向弁を通して流体圧を供給してバックプレッシャ（背圧）を付与してロータとケーシング間の機械的摩擦力を低減し、ステータの端面とロータの端面との圧密状態を保持しつつ小さな駆動力でロータを回動可能とする。
また、本発明の請求項４に係る流量制御弁は、請求項１又は請求項２に記載の流量制御弁において、
前記押圧手段は、前記ロータの他側の端面と前記ケーシングの対向する端面との間に縮設されたバネと、
前記ステータの第１、第２の流路の何れか一方を流体の入口、何れか他方を流体の出口としたときに、閉弁時において前記連通溝まで流体が導入され得る側の連通溝の底面に一端が開口し、他端が前記ロータの他側の端面に開口して流体の一部を供給する流路からなることを特徴としている。

ロータとケーシングとの間の空間部に縮設したバネと、連通溝側からロータとケーシングとの間の空間部に流路を通して流体圧を供給してバックプレッシャ（背圧）を付与してステータとロータの対向面を圧密状態に押し付け且つロータを回動可能とする。これにより、構造が簡単で油圧や空気圧等のパワーアシストを使用することなく電気操作のみで流量制御弁を開閉駆動させることが可能となる。

また、本発明の請求項５に係る流量制御弁は、
第１の流路と第２の流路が同一円周上に配置されて一側の端面から他側の端面まで貫通して設けられたステータと、
一側の端面が前記ステータの他側の端面に密着して回動可能とされ、前記一側の端面に、第１の制御位置において前記第１の流路と第２の流路を遮断し、前記第１の制御位置から第２の制御位置まで回動するに伴い前記第１の流路と前記第２の流路とを連通させる連通溝が設けられたロータと、
前記ステータとロータを収容するケーシングと、
前記ロータの他側の端面とケーシングとの間に設けられて前記ロータの一側の端面を前記ステータの他側の端面に密着させる押圧手段とを備えたことを特徴としている。

ステータの一方の流路に流入した流体は、対向するロータの連通溝に流入する。ロータの第１の制御位置においては、ステータの第１の流路と第２の流路とが遮断されており、流量制御弁が閉弁されている。ロータが第１の制御位置から第２の制御位置に回動するに伴いロータの連通溝が他方の流路に連通し、第１の流路と第２の流路とが連通して流量制御弁が開弁する。これに伴い第１の流路の流体が第２の流路から吐出する。かかる構造の流量制御弁は、フローフォースへの対応を考慮する必要が無い低圧・小流量、特に微量且つ微細な流量制御を目的とする流体回路における流量制御弁に好適である。

本発明によると、ステータの入力・出力間の流路を二分化し、第１の流路から入力された流体をロータに設けた二つの連通溝により反対方向に流して第２の流路に流入させることにより、フローフォースを相殺することができ、位置決め制御が容易となる。また、流量制御弁の構成が簡単であり、組み付け性が良く且つコストの低廉化を図ることができる。

また、バネと協働して流体の圧力を利用してロータにバックプレッシャ（背圧）を付与することにより、機械的バネ機構により生ずるロータとケーシング間の摩擦を低減し、且つステータとロータ間の接触面の圧力を高めて圧密状態を作り出して接触部からの流体の漏れを防止することができ、油圧や空気圧等のパワーアシストを使用することなく電動操作のみで駆動させることができる。従って、高圧、大流量の油圧回路に適用することが可能となる。

本発明に係る流量制御弁の断面図である。 図１に示した流量制御弁計の矢線II方向から見たステータの端面図である。 図１に示した流量制御弁の矢線III−III方向から見たステータの端面図である。 図１に示した流量制御弁の矢線ＩＶ−ＩＶ方向から見たロータの端面図である。 図１に示した流量制御弁の閉弁時におけるステータの第１、第２の流路とロータの第１、第２の連通溝との関係を示す説明図である。 図５に示した流量制御弁の開弁時におけるステータの第１、第２の流路とロータの第１、第２の連通溝との関係を示す説明図である。 図５に示したロータの連通溝とステータの流路の開口部間の開口面積の変化を示す説明図である。 ロータの連通溝とステータの流路の開口部間の開口面積の変化を示す変形例を示す説明図である。 図１に示した流量制御弁を系統的に示した回路図である。 図１に示した流量制御弁の変形例を系統的に示した回路図である。 図１に示した流量制御弁の変形例を系統的に示した回路図である。 本発明の他の実施形態に係る流量制御弁の断面図である。 図１２に示した流量制御弁の矢線XIII−XIII方向から見たステータの端面図である。 図１２に示した流量制御弁の矢線XIV−XIV向から見たロータの端面図である。 図１３及び図１４に示した流量制御弁の閉弁時におけるステータの第１、第２の流路とロータの連通溝との関係を示す説明図である。 図１５に示した流量制御弁の開弁時におけるステータの第１、第２の流路とロータの連通溝との関係を示す説明図である。 図１４に示した流量制御弁を系統的に示した回路図である。 従来の流量制御弁（ニードル弁）の一例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る流量制御弁について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の流量制御弁の概略構成を示し、流量制御弁１０は、制御弁本体としてのステータ（固定部）１１と、弁体としてのロータ（回転部）１２と、これらを収容するケーシング１３と、ロータ１２とケーシング１３との間に設けられてロータ１２を押圧してステータ１１に密着させるための押圧手段１４等により構成されている。

図１乃至図３に示すようにステータ１１は、円柱形状をなし、一側の端面１１ａ側から見て中心Ｏを通る１点鎖線で示す直線αの左右両側に対称に第１の流路２１と第２の流路２２が一側の端面１１ａから他側の端面１１ｂまで貫通して設けられている。そして、これらの第１の流路２１、第２の流路２２は、図１及び図２に点線で示すように内部で二股に分岐されている。第１の流路２１、第２の流路２２は、端面１１ａにそれぞれ１つの開口部２１Ａ，開口部２２Ａが開口し、端面１１ｂにそれぞれ２つの開口部２１ａ，２１ｂ，開口部２２ａ，２２ｂが開口している。開口部２１Ａ，２２Ａの内周面には図示しない雌ネジが刻設されており、管継手と接続可能とされている。

図２及び図３に示すように第１の流路２１、第２の流路２２の開口部２１Ａ，２２Ａ及び各２つの開口部２１a，２１ｂ、及び開口部２２ａ，２２ｂは、同一円周上に配置されている。そして、図３に示すように第１の流路２１の２つの開口部２１ａ，２１ｂは、点線で示す開口部２１Ａの両側に所定の角度、例えば中心角４５度の位置に配置されており、この場合、第２の流路２２の２つの開口部２２ａ，２２ｂも、点線で示す開口部２２Ａの両側に中心角４５度をなして配置されている。即ち、開口部２１ａ，２１ｂ、及び開口部２２ａ，２２ｂは、同一円周上に周方向に沿って中心角９０度をなして等間隔に配置されている。従って、開口部２１ａと２２ａ、開口部２１ｂと２２ｂは、中心Ｏを通る直線αの両側に対称位置に配置されている。

また、図３に示すようにステータ１１の端面１１ｂの中心位置にロータ１２の回転中心位置を決めるための位置決め用の軸穴１１ｃが設けられており、外周部近傍の所定位置にロータ１２の回動位置、即ち後述する閉弁位置及び開弁位置を規制するための位置決め用の溝１１ｄが開口部２１a，２１ｂ，２２ａ，２２ｂと同心的に円弧状をなして所定の長さに設けられている。

図１に示すようにロータ１２は、ステータ１１と同径の円柱形状をなし、ステータ１１の端面１１ｂに密着する一側の端面１２ａに図４に示すように回動位置に応じて第１の流路２１と第２の流路２２の対応する開口部２１ａと２２ａ、開口部２１ｂと２２ｂに連通可能な２つの連通溝２３と連通溝２４が設けられている。ロータ１２の他側の端面１２ｂの中心位置には回転軸１５が設けられている。連通溝２３は、開口部２１ａと開口部２１ｂと対応する同一円周上に、連通溝２４は、開口部２２ａと２２ｂと対応する同一円周上にそれぞれ円弧状をなして配置され且つ同一の形状、即ち対称の形状とされている。尚、図４において連通溝２３は開口部２１ａと２２ａ、連通溝２４は開口部２１ｂと２２ｂを連通している状態を示している。

連通溝２３は、図５に示す閉弁時には開口部２１ａと連通しており、図６に示す開弁時には対応する開口部２１ａと開口部２２ａとを連通する。連通溝２４は、図５に示す閉弁時には開口部２２ｂと連通しており、図６に示す開弁時には対応する開口部２２ｂと開口部２１ｂとを連通する。そして、連通溝２３は、開口部２２ａと連通する一側の端面２３ａが当該開口部２２ａに外接する平面をなしている。

このように端面２３ａが平面をなしていることで、図７に示すように開口部２２ａの開口面積を矢印で示すロータ１２の回動に応じて２点鎖線で示すように変化させることが可能となる。更に、開口部２２ａの形状を図８に示すように周方向に沿う略台形状にすることで、開口面積をロータ１２の回動に比例して２点鎖線で示すように変化させることが可能となる。連通溝２４についても同様である。尚、連通溝２３，２４の一側の端面２３ａ，２４ａは、他側の端面２３ｂ、２４ｂと同様に曲面でも良い。また、各開口部の形状は、上述した円形や略台形等に限るものではなく、他の形状でもよい。

また、連通溝２３は、対応する開口部２１ａと開口部２２ａとを連通し、連通溝２４は、対応する開口部２１ｂと開口部２２ｂとを連通すればよく、従って、必ずしも円弧状に形成する必要はなく、図４に２点鎖線で示すように直線状に形成してもよい。
図１及び図４に示すようにロータ１２の端面１２ａの中心位置にステータ１１の位置決め用の軸穴１１ｃと対向して位置決め用の軸穴１２ｃが設けられている。この軸穴１２ｃにはピン（回転軸）２５の略半分が回転可能に嵌挿され、略半分が突出している。また、図４に示すようにロータ１２には図３に示すステータ１１の端面１１ｂに設けられた位置決め用の溝１１ｄと対応する位置に、当該位置決め用の溝１１ｄ内を閉弁位置から開弁位置まで摺動可能な位置決めピン２６が設けられている。

図１及び図４に示すようにロータ１２には、連通溝２３，２４の底面の所定位置、例えば略中央位置と端面１２ｂとの間にこれらの連通溝２３，２４側から端面１２ｂ側へのみ流体の流れを許容する一方向弁（逆止弁）１６，１７が内装されている。そして、ステータ１１の端面１１ｂとロータ１２の端面１２ａは、精密に表面加工処理が施されており、ロータ１２の端面１２ａがステータ１１の端面１１ｂに良好に密着した状態で回動可能とされている。

ケーシング１３は、有底円筒形状をなし、ロータ１２が極めて僅かなクリアランスを存して回転可能に収容されており、一側の端面１３ａの中心にロータ１２の回転軸１５が挿通する軸穴１３ｂが設けられている。ロータ１２は、Ｏリング２８を介してケーシング１３内に回転可能に嵌挿され、回転軸１５がケーシング１３の軸穴１３ｂから突出し、Ｏリング２７により液密に回転可能に支持されて収容されている。ロータ１２の端面１２ｂとケーシング１３の対向する端面１３ａとの間の空間部にバネ部材としての皿バネ１８が複数枚、例えば４枚交互に重ねて縮設されている。

図１に示すようにステータ１１は、軸穴１１ｃにロータ１２の軸穴１２ｃに嵌合されたピン（回転軸）２５の突出している半分が嵌挿され、位置決め用の溝１１ｄに位置決めピン２６が摺動可能に嵌挿され、端面１１ｂがロータ１２の端面１２ａに皿バネ１８のバネ力に抗して密着されてケーシング１３に嵌挿収容され、環状の端板１９によりケーシング１３に逸脱不能且つ回転不能に固定されている。尚、ステータ１１は、Ｏリング２９によりケーシング１３内に液密に嵌挿されている。そして、一方向弁１６，１７と皿バネ１８とにより押圧手段１４が形成されている。

そして、第１の流路２１、第２の流路２２の開口部２１Ａ、開口部２２Ａがステータ１１の端面１１ａの外方に開口しており、何れか一方、例えば開口部２１Ａを流体の入口（入力開口部）、何れか他方、例えば開口部２２Ａを流体の出口（出力開口部）としている。このようにして、対向面切替構造の流量制御弁１０が構成されている。
以下に図５乃至図８により作用を説明する。尚、流量制御弁１０を圧縮流体回路、例えば高圧の油圧回路に適用し、開口部２１Ａを圧縮流体（以下、「圧油」と称する）の入口、開口部２２Ａを圧油の出口として説明する。図５及び図６は、図１に示した流量制御弁１０をステータ１１とロータ１２との密着面におけるステータ１１の第１の流路２１、第２の流路２２の対応する開口部２１ａと２１ｂ、開口部２２ａと２２ｂ、及びロータ１２の対応する２つの連通溝２３、連通溝２４との関係をロータ１２の端面１２ａ側から見た状態を示している。尚、図４及び図５中ステータ１１の端面１１ｂの各開口部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂは、分かり易くするために実線で描いてある。

図５に示すようにロータ１２の位置決めピン２６がステータ１１の位置決め用の溝１１ｄの一側端部（以下、「第１の制御位置」という）に係止されている状態においては、連通溝２３，２４は、それぞれ開口部２１ａ，２２ｂのみに連通しており、開口部２２ａ、開口部２１ｂとは連通していない。従って、流量制御弁１０は、第１の流路２１と第２の流路２２とが遮断された状態、即ち閉弁状態にある。

ロータ１２が図中矢印Ｃで示す時計方向に回動すると、これに伴い連通溝２３，２４の各一側（端面２３ａ，２４ａ側）がそれぞれ開口部２２ａ，２１ｂと徐々に連通する（図７参照）。これにより、流量制御弁１０が徐々に開弁して圧油が開口部２１ａから開口部２２ａ、開口部２１ｂから開口部２２ｂへと流れ始める。即ち、第１の流路２１から第１の連通溝２３と第２の連通溝２４を通して第２の流路２２に圧油が流れ始める。

ロータ１２が更に時計方向Ｃに回転して図６に示すように位置決めピン２６がステータ１１の位置決め用の溝１１ｄの他側端部（以下、「第２の制御位置」という）に係止されると、連通溝２３、連通溝２４の各一側がそれぞれ開口部２２ａ，開口部２１ｂに全開して連通する。また、連通溝２３，２４の他側（端面２３ｂ，２４ｂ側）は、開口部２１ａ，２２ｂと連通している。これにより、第１の流路２１、第２の流路２２の各２つの開口部２１ａと２１ｂ、開口部２２ａと２２ｂの、各一側の対応する開口部２１ａと２２ａ、各他側の対応する開口部２１ｂと２２ｂ同士が連通されて、第１の流路２１と第２の流路２２とが連通される。これにより、流量制御弁１０が全開する。

前述したように、ステータ１１の第１、第２の流路２１，２２が中心Ｏを通る直線αの左右両側に対称に配置され（図２及び図３参照）、これらの各２つの開口部２１ａと２１ｂ、開口部２２ａと２２ｂが、同一円周上に対称位置に配置され、ロータ１２の連通溝２３、連通溝２４もこれらと同一円周上に配置され且つ同一の形状とされている。そして、これらの連通溝２３、連通溝２４が第１の流路２１、第２の流路２２の各二つの開口部の各一側の対応する開口部２１ａと２２ａ、各他側の対応する開口部２１ｂと２２ｂを連通させている。

これにより、図６に示すように第１の流路２１の開口部２１Ａから流入した圧油は、ステータ１１の内部で分岐して開口部２１ａから連通溝２３を通して開口部２２ａに、開口部２１ｂから連通溝２４を通して開口部２２ｂへと流れてステータ１１の内部で再び合流して第２の流路２２の開口部２２Ａから流出する。これにより、連通溝２３、連通路２４内を流れる圧油は、同じ大きさのフローフォースＦＨ，ＦＨを発生し、且つ反対方向に流れることとなる。この結果、これらの連通溝２３、連通溝２４内を流れる圧油によるフローフォースＦＨ，ＦＨは相殺される。これにより、ロータ１２の回転の制御力は、フローフォースに対して重要な要素では無くなる。

尚、上述したように２つのフローフォースＦＨ，ＦＨが効率よく相殺するためにはステータ１１の第１、第２の流路２２の開口部２１Ａ，２２Ａ、開口部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ、及び特にロータ１２の連通溝２３，２４の溝構造寸法と対称性、位置付けが重要な要素となるが、これらの加工は、前述したスプールの加工や管理に比べて容易である。

また、ステータ１１の端面１１ｂとロータ１２の端面１２ａとの接触面間では、ロータ１２の連通溝２３，２４に加わる流体圧力に抗して何らかの外圧によってのみ密着状態が保持される、又は保持されていなければならない。流体圧が加えられていない状態においてロータ１２の端面１２ａは、皿バネ１８のバネ力のみによりステータ１１の端面１１ｂへの密着状態が保持されている。

しかしながら、第１の流路２１を圧油の入口、第２の流路２２を圧油の出口として圧油が加えられると、図５に示す閉弁状態、即ち開口部２２ａと開口部２１ｂが遮断状態にある場合においても、第１の流路２１の開口部２１ａから連通溝２３内に流入している圧油の一部が図１に示す一方向弁１６を通してロータ１２とケーシング１３との間の空間部に流入してバックプレッシャ（背圧）ＢＰとして作用し、皿バネ１８と協働してロータ１２を押圧して端面１２ａをステータ１１の対向する端面１１ｂに圧接させる。

また、閉弁状態において第１の流路２１に連通する連通溝２３から一方向弁１６を通してロータ１２とケーシング１３との間の空間部に流入した圧油は、一方向弁１７により連通溝２４側への流出が阻止される。即ち、流体の出口側の第２の流路２２側への圧油の流れが阻止される。これにより、ロータ１２に付与されるバックプレッシャＢＰの低下が防止されて上記平衡状態が保持される。

平衡状態を保持することは、以後ロータ１２の端面１２ａ側の圧油の流路（連通溝２３，２４）の回転軸（ピン２５）に垂直な面積と端面１２ｂ側（皿バネ１８側）の回転軸に垂直な面積との差分と圧油の圧力との積に応じた力によりロータ１２をステータ１１に圧密させる状態（密着状態）を作り出すことになる。そして、この圧密状態によりステータ１１の端面１１ｂとロータ１２の端面１２ａとの密着面からの圧油の漏れを防止することができる。

更に、圧油によるバックプレッシャ（背圧）ＢＰを用いて圧油の圧力自体にて密着状態を保持する機械的な外圧機構に対して回転制御に必要な力は、皿バネ１８のバネ力（反力）によって生じる摩擦力と密着面での摩擦力となる。密着面は相互に精密な表面加工処理を施した面を有し、且つ液膜（油膜）が保持されているために円滑な滑りとなる。即ち、ロータ１２の回動が円滑となる。

バックプレッシャＢＰを使用しない場合には、皿バネ１８、或いはスプリング等により必要な押圧力を作り出さなければならないため、組立時におけるバネ力及び組立後のスプリング等とケーシング１３との間に発生する接触摩擦力が大きくなり、回転制御力をより増大せざるを得なくなる。しかしながら、上述したようにバックプレッシャＢＰを有効に使用することによりこのような問題を容易に解決することができる。

これにより、ロータ１２の回転軸１５を電気モータにより正確に且つ過負荷状態にすることなく駆動させることが可能となり、流量制御弁の電動化を図ることができる。更に、油圧や空気圧等のパワーアシストを使用することなく電動操作のみで駆動させることができ、高圧、大流量の圧縮流体回路（油圧回路）に容易に対応することができる。
上述と反対に第２の流路２２を流体の入口、第１の流路２１を流体の出口とした場合も上述と同様である。このときには、一方向弁１７からロータ１２とケーシング１３との間の空間部に流体を導入してバックプレッシャＢＰを作り出し、一方向弁１６は、ロータ１２とケーシング１３との間に導入されている前記流体を出口側から流出さないようにしてバックプレッシャＢＰを保持する。これにより、流量制御弁１０は、両方向への対応が可能となる。

図９は、図５及び図６に示した流量制御弁１０の流体の通過面積変化を系統的な回路に示したものである。図９において、開口部２１ａと２２ａ間の流路においては、連通溝２３から見れば出口側の流路面積の制御であり、開口部２１ｂと２２ｂ間の流路においては連通溝２４から見れば入口側の流路面積の制御系体となる。図９において、実線の矢印で示す流体の流れは、第１の流路２１を流体の入口側、第２の流路２２を出口側とした場合を示し、点線の矢印で示す流体の流れは、第２の流路２２を流体の入口側、第１の流路２１を出口側とした場合を示す。

以上は、両方向に対応可能な流量制御弁について説明したが、一方向性の対応であれば、連通溝の何れか一方にのみ一方向弁を設ければよい。即ち、図５において第１の流路２１を流体の入口側、第２の流路２２を出口側とした場合には、閉弁時において連通している入口側の一方の開口部２１ａに連通する連通溝２３側にのみに一方向弁１６を設け、これとは反対に第２の流路２２を流体の入口側、第１の流路２１を出口側とした場合には閉弁時において連通している入口側の一方の開口部２２ｂに連通する連通溝２４側にのみに一方向弁１７を設ける。

また、この場合、一方向弁に替えて流体の一部を端面１２ｂ側に導入するための流路、例えば小孔を設けても良い。このように一方向弁に替えて小孔とすることで、部品点数の低減及びこれに伴う組付け性の向上、コストの低減を図ることが可能である。図１０及び図１１に小孔とした場合の系統的な回路を示す。尚、図１０、図１１に示す流路３１，３２がそれぞれ上記小孔を示している。

また、上記実施形態においては、ロータ１２のステータ１１との密着状態を保つための初期荷重を皿バネ１８等のバネにより作り出しているが、バネ部とロータと回転軸を一体物とし、バネ部に相当する部分に複数のスリットを切り込み、これらのスリットに挟まれた部分にばね性を持たせた一種のフレキシブルカップリングを形成したものを使用しても良い。このようなフレキシブルカップリングとして、例えばフレクサス（登録商標）がある。そして、このような構成とすることにより、部品点数の低減、組立及び組立後のステータ側（固定）とロータ側（回転側）の回動に伴うに平行度をより安定させることが可能となる。

また、ニードル弁方式と異なり、電気制御が容易になることにより、流量制御系の制御部と操作部の位置（距離）的な分離が可能となる。即ち、従来のように操作部までの油圧回路の配管が不要となり、主要回路の一部に流量制御弁を組み込むことが可能となり、配管工数の低減化、及び流体の長い通路の短縮に伴う配管中の流体より発生する騒音の低減及び乱流の発生要因の低減へと繋がる。また、ハウジング及びステータ（固定側）の応用対処することにより直配管対応、マニホールド対応と多様化が可能である。

更に、ステータ側、ロータ側の位置関係、即ち制御範囲の特定は、両者間において作動範囲の機械的位置決めを行えばよい。また、電気制御にかかわる位置制御はロータの回転軸に連動させてポテンショメータ、エンコーダ等の電気変位検知センサを用いることによって行うことができる。
また、ロータの回転軸の制御は、直接、間接に拘らず電気モータを用いることとなり、その間にギヤ等の減速機構を用いざるを得ないが、これらは制御一般的な手法と何ら特異なものを必要とするものではない。

上述した流量制御弁１０は、高圧、大流量の制御において流体におけるフローフォース（発生流体力）、及び制御流体の流体圧から生じる制御力の増大が流体圧のバックプレッシャへの運用にて縮小化できることにより、油圧系のテストスタンド、高圧化が進められている飛行技術系への対応が可能となる。
図１２乃至図１４は、本発明に係る流量制御弁の他の実施形態を示し、図１２は図１に、図１３は図３に、図１４は図４にそれぞれ対応している。尚、図１２、図１３、図１４において、図１、図３、図４に示す部材及び部位に相当する部材及び部位に１００番台の符号を付し、同一の構成部材については説明を省略する。

図１２に示すように、流量制御弁１１０は、制御弁本体としてのステータ（固定部）１１１と、弁体としてのロータ（回転部）１１２と、これらを収容するケーシング１１３と、ロータ１１２とケーシング１１３との間に設けられてロータ１１２を押圧してステータ１１１に密着させるための押圧手段１１４等により構成されている。
図１２及び図１３に示すようにステータ１１１は、円柱形状をなし、第１の流路１２１と第２の流路１２２が一側の端面１１１ａから他側の端面１１１ｂまで貫通して設けられている。これらの第１の流路１２１、第２の流路１２２は、同径とされて同一円周上に周方向に沿って等間隔で配置されており、第１の流路１２１は、直孔とされて端面１１１ｂに開口部１２１ａとして開口し、第２の流路１２２は、端面１１１ｂに第１の流路１２１と第２の流路１２２との同一円周上に周方向に沿って円弧状に設けられた連通溝１２２ｅの底面略中央位置に開口している。第１の流路１２１と第２の流路１２２が端面１１１ａに開口する開口部１２１Ａ，１２２Ａの内周面には図示しない雌ネジが刻設されており、管継手と接続可能とされている。

連通溝１２２ｅの溝幅は、第２の流路１２２の内径よりも幅狭（例えば、１／２程度）とされている。このように、連通溝１２２ｅの溝幅を第２の流路１２２の内径よりも幅狭とすることにより、当該第２の流路１２２へ流入する流体、又は第２の流路１２２から流出する流体の微小流量制御が可能となる。
図１２及び図１４に示すようにロータ１１２は、ステータ１１１と同径の円柱形状をなし、ステータ１１１の端面１１１ｂに密着する一側の端面１１２ａに回動位置に応じて第１の流路１２１と第２の流路１２２の連通溝１２２ｅに連通可能な連通溝１２３が設けられている。連通溝１２３の溝幅は、第１の流路１２１の開口部１２１ａの内径よりも僅かに幅狭、且つ連通溝１２２ｅよりも僅かに幅広とされている。連通溝１２３の底面にはロータ１１２の端面１１２ｂに開口して流体の一部を端面１１２ｂ側に導入するための流路としての小孔１２３ｄが設けられている。小孔１２３ｄは、皿バネ１１８と協働して押圧手段１１４を形成し、ロータ１１２の他側の端面１１２ｂに流体圧によるバックプレッシャＢＰを付与してロータ１１２の端面１１２ａをステータ１１１の対向する端面１１１ｂに圧密させる。

連通溝１２３の溝幅を第１の流路１２１の開口部１２１ａの内径よりも幅狭とすることにより、第１の流路１２１の開口部１２１ａの開口面積よりも連通溝１２３の対向する底面積を小さくすることができ、これに応じて第１の流路１２１から受ける流体圧を小さくすることができる。これにより、ロータ１１２の他側の端面１１２ｂとケーシング１１３の対向する端面１１３ａとの間の空間部に縮設する皿バネ１１８のバネ力を小さくする（弱くする）ことが可能となる。

図１５に示すようにロータ１１２の位置決めピン１２６がステータ１１１の位置決め用の溝１１１ｄの一側端部（以下、「第１の制御位置」という）に係止されている状態においては、連通溝１２３は、第１の連通路１２１の開口部１２１ａに連通しており、連通溝１２２ｅとは連通していない。従って、流量制御弁１１０は、第１の流路１２１と第２の流路１２２とが遮断された閉弁状態にある。

ロータ１１２が図中矢印Ｃで示す時計方向に回動すると、これに伴い連通溝１２３の一側（端面１２３ａ側）が連通溝１２２ｅの一側と徐々に連通する。これに伴い流体が連通溝１２３から連通溝１２２ｅを通して第２の流路１２２へと流れ始め、流量制御弁１１０が徐々に開弁する。
ロータ１１２が更に時計方向Ｃに回転して図１６に示すように位置決めピン１２６がステータ１１１の位置決め用の溝１１１ｄの他側端部（以下、「第２の制御位置」という）に係止されると、連通溝１２３の一側（端部１２３ａ側）が連通溝１２２ｅと第２の流路１２２に全開し、他側（端面１２３ｂ側）が第１の流路１２１の開口部１２１ａの開口端近傍に位置する。これにより、第１の流路１２１と第２の流路１２２とが連通され、流量制御弁１１０が全開する。

図１７は、図１５及び図１６に示した流量制御弁１１０の流体の通過面積変化を系統的回路に示したものである。図１７において、第１の流路１２１と第２の流路１２２間の流路においては、連通溝１２３から見れば出口側（連通溝１２２ｅと第２の流路１２２側）の流路面積の制御である。
前述した流量制御弁１０のような大流量の制御を目的とすることなく、微量且つ微細な流量制御を目的とする場合は、フローフォースへの対応、考慮をする必要がない。この場合には、上述した流量制御弁１１０のような対向面切替構造でも単なる流路の入口、出口間の１流路系の制御で可能となる。更に、圧力バランス用のバックプレッシャ経路は、１経路の穴とし、一方向弁（逆止弁）の必要性はない。制御流体の圧力が極めて低圧の場合にはバックプレッシャは不要でもかまわない。

上述した流量制御弁１１０の有効性は、制御流体の通過経路に「Ｏリング」等の経時変化を伴う考慮しなければならない機能部品が無いことが特色となり、あらゆる分野の流量調整を行うことが可能となる。特に、半導体製造装置、化学、医療、食品プラント等の定期的なメンテナンスを義務化している業種においては、そのメンテナンス時間の短縮・削減にも大きく貢献できる。また、構造の単純性は、長期に亘って良好な状態を保持でき、経済性にも貢献できる。

１ ボデイ
２ ニードル弁
２ａ 弁軸
２ｂ ねじ部
２ｃ 先端部
２ｄ テーパ面
３ 弁座
４ ハンドル
１０ 流量制御弁
１１ ステータ（弁本体、固定部）
１１ａ 一側の端面
１１ｂ 他側の端面
１１ｃ 軸穴
１１ｄ 位置決め用の溝
１２ ロータ（弁体、回転部）
１２ａ 一側の端面
１２ｂ 他側の端面
１２ｃ 軸穴
１３ ケーシング
１３ａ 端面
１３ｂ 軸穴
１４ 押圧手段
１５ 回転軸
１６，１７ 一方向弁
１８ 皿バネ
１９ 端板
２１ 第１の流路
２１Ａ 開口部
２１ａ，２１ｂ 開口部
２２ 第２の流路
２２Ａ 開口部
２２ａ，２２ｂ 開口部
２３，２４ 連通溝
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ 端部
２５ ピン（回転軸）
２６ 位置決めピン
２７，２８，２９ Ｏリング
３１，３２ 流路（小孔）
ＦＨ フローフォース
ＢＰ バックプレッシャ（背圧）
１１０ 流量制御弁
１１１ ステータ（弁本体、固定部）
１１１ａ 一側の端面
１１１ｂ 他側の端面
１１１ｃ 軸穴
１１１ｄ 位置決め用の溝
１１２ ロータ（弁体、回転部）
１１２ａ 一側の端面
１１２ｃ 軸穴
１１３ ケーシング
１１３ａ 端面
１１３ｂ 軸穴
１１４ 押圧手段
１１５ 回転軸
１１８ 皿バネ
１１９ 端板
１２１ 第１の流路
１２１Ａ 開口部
１２１ａ 開口部
１２２ 第２の流路
１２２Ａ 開口部
１２２ｅ 連通溝
１２３ 連通溝
１２３ａ，１２３ｂ 端部
１２３ｄ 流路（小孔）
１２５ ピン（回転軸）
１２６ 位置決めピン
１２７，１２８，１２９ Ｏリング

Claims (5)

1. 第１の流路と第２の流路が一側の端面から他側の端面まで貫通して設けられ、これらの第１の流路と第２の流路は、中心を通る直線の両側に対称に配置され、且つ前記一側の端面にそれぞれ１つの開口部が開口し、内部で二股に分岐されて前記他側の端面に２つの開口部が開口して形成されたステータと、
   一側の端面が前記ステータの他側の端面に密着して回動可能とされ、前記一側の端面に、第１の制御位置において前記第１の流路と第２の流路とを遮断し、前記第１の制御位置から第２の制御位置まで回動するに伴い前記第１の流路と第２の流路の各２つの開口部の各一側の対応する開口部同士及び各他側の対応する開口部同士をそれぞれ連通させて前記第１の流路と第２の流路とを連通させる第１の連通溝と第２の連通溝が設けられたロータと、
   前記ステータとロータを収容するケーシングと、
   前記ロータの他側の端面とケーシングとの間に設けられて前記ロータの一側の端面を前記ステータの他側の端面に密着させる押圧手段とを備えたことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記ステータの他側の端面に開口する前記第１及び第２の流路の各２つの開口部は同一円周上に配置され、
   前記ロータの第１及び第２の連通溝は、少なくとも両端部が前記第１及び第２の流路の各２つの開口部と対向する同一円周上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記押圧手段は、前記ロータの他側の端面と前記ケーシングの対向する端面との間に縮設されたバネと、
   前記ロータ内に設けられ、各一端がそれぞれ前記第１及び第２の連通溝の底面に開口し、各他端がそれぞれ他側の端面に開口して前記各連通溝側から他側の端面側へのみ流体の流れを許容する一方向弁からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の流量制御弁。
4. 前記押圧手段は、前記ロータの他側の端面と前記ケーシングの対向する端面との間に縮設されたバネと、
   前記ステータの第１、第２の流路の何れか一方を流体の入口、何れか他方を流体の出口としたときに、閉弁時において前記連通溝まで流体が導入され得る側の連通溝の底面に一端が開口し、他端が前記ロータの他側の端面に開口して流体の一部を供給する流路からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の流量制御弁。
5. 第１の流路と第２の流路が同一円周上に配置されて一側の端面から他側の端面まで貫通して設けられたステータと、
   一側の端面が前記ステータの他側の端面に密着して回動可能とされ、前記一側の端面に、第１の制御位置において前記第１の流路と第２の流路を遮断し、前記第１の制御位置から第２の制御位置まで回動するに伴い前記第１の流路と前記第２の流路とを連通させる連通溝が設けられたロータと、
   前記ステータとロータを収容するケーシングと、
   前記ロータの他側の端面とケーシングとの間に設けられて前記ロータの一側の端面を前記ステータの他側の端面に密着させる押圧手段とを備えたことを特徴とする流量制御弁。

Images