JP2019143649A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの両極検知型ホールＩＣで弁体の位置を検出可能な流体制御弁を提供する。【解決手段】流路を開閉する弁体１３と、Ｓ極２４とＮ極２５とが弁体１３の移動方向となるように弁体１３に固定された磁石２３と、磁石２３の移動方向の側方にあるＳ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣ３０と、弁体１３を駆動するアクチュエータ２を備え、感磁部を磁石２３の中心軸に向かう磁束密度を印加する方向に配置した両極検知型ホールＩＣ３０が、弁体１３の閉時にＳ極２４あるいはＮ極２５の磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、また弁体１３の開時に逆極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知することにより弁体１３の位置が判断、確認できる。【選択図】図７

Description

本発明は、流体制御弁に関する。より詳しくは、弁体の位置を検出可能な流体制御弁に関する。

特許文献１は、流体制御弁を開示する。同流体制御弁は、電動機であるステッピングモータと、ステッピングモータの回転軸に係止され回転軸の回転を直動に変換する変換手段と、変換手段に係止され流路を開閉する弁体と、弁体の位置検出手段とを備えている。弁体の位置検出手段としては、弁体の一端に設けられた磁石と、流路の外面に配置した弁体の開状態を検出する開用磁気検出素子及び弁体の閉状態を検出する閉用磁気検出素子との構成が開示されている。

特開２００１−１４１０９４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ステッピングモータの回転軸の回転を直動に変換する変換手段により弁体が移動して流路を開閉する。その際、弁体が開状態時の磁石と、弁体が閉状態時の磁石とを検出するため、それぞれ専用の磁気検出素子が必要になるという課題を有していた。また、磁石のＮ極とＳ極の向き、その配置、磁気検出素子の特性やその具体例が開示されていない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、磁石の移動方向の側方にあるＳ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣが１つで、弁体の開状態と閉状態とを検知する流体制御弁を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体制御弁は、流路を開閉する弁体と、Ｓ極とＮ極とが弁体の移動方向となるように弁体に固定された磁石と、磁石の移動方向の側方にあるＳ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣと、弁体を駆動するアクチュエータとを備え、感磁部を前記磁石の中心軸に向かう磁束密度を印加する方向に配置した前記両極検知型ホールＩＣが、弁体の閉時にＳ極あるいはＮ極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、また弁体の開時に逆極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知することにより弁体の位置が判断できるものである。

これによって、アクチュエータが駆動して弁体と磁石を閉状態へ移動させる。次に、両極検知型ホールＩＣが、Ｓ極あるいはＮ極の中心軸に向かう磁束密度を動作磁束密度以上と検知する場合、弁体が閉状態と判断する。他方、アクチュエータが駆動して弁体と磁石を開状態へ移動させる。次に、両極検知型ホールＩＣが、逆極の中心軸に向かう磁束密度を動作磁束密度以上と検知する場合、弁体が開状態と判断する。

本発明の流体制御弁によれば、磁石の移動方向の側方にある両極検知型ホールＩＣが１つで弁の開状態と閉状態とを検知できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる流体制御弁の概略構成の開状態を示す図 実施の形態１にかかる流体制御弁の閉状態を示す図 実施の形態１にかかる流体制御弁の斜視図 （ａ）実施の形態１にかかる流体制御弁のアクチュエータと流体制御部の斜視図、（ｂ）実施の形態１にかかる流体制御弁の弁ゴムを除く斜視図 実施の形態１にかかる流体制御弁の磁石移動による磁束密度の測定結果を示す図 実施の形態１にかかる両極検知型ホールＩＣと基板に配線した斜視図 （ａ）実施の形態１にかかる流体制御弁の開状態の弁ゴム受、磁石、流路、両極検知型ホールＩＣの要部拡大図、（ｂ）実施の形態１にかかる流体制御弁の閉状態の弁ゴム受、磁石、流路、両極検知型ホールＩＣの要部拡大図

第１の発明は、流路を開閉する弁体と、Ｓ極とＮ極とが前記弁体の移動方向となるように前記弁体に固定された磁石と、前記磁石の移動方向の側方にあるＳ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣと、前記弁体を駆動するアクチュエータとを備え、感磁部を前記磁石の中心軸に向かう磁束密度を印加する方向に配置した前記両極検知型ホールＩＣが、前記弁体の閉時にＳ極あるいはＮ極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、また前記弁体の開時に逆極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知することにより前記弁体の位置が判断できるものである。

これにより、アクチュエータが駆動して弁体を閉状態へ移動させると、磁石も弁体と一緒に移動する。次に、極検知型ホールＩＣの感磁部が、Ｓ極あるいはＮ極の磁石の中心軸に向かう磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、同時に逆極の磁石の中心軸に向かう磁束密度を復帰磁束密度以下と検知する場合、弁体が閉状態と判断、確認できる。他方、アクチュエータが駆動して弁体を開状態へ移動させると、両極検知型ホールＩＣの感磁部が、Ｎ極あるいはＳ極の磁石の中心軸に向かう磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、同時に逆極の磁石の中心軸に向かう磁束密度を復帰磁束密度以下と検知する場合、弁体が開状態と判断、確認できる。すなわち、両極検知型ホールＩＣが、１つで弁体の全開状態と全閉状態とを検知できる。

第２の発明は、特に第１の発明の前記磁石が前記弁体の閉時と前記弁体の開時とを移動する経路中間に前記両極検知型ホールＩＣを配置することにより、両極検知型ホールＩＣの感磁部が弁体の閉時に検知するＳ極あるいはＮ極の磁石の中心軸に向かう磁束密度と、弁体の開時に逆極の磁石の中心軸に向かう磁束密度とは、方向は反対であるが、絶対値はほぼ同じである。したがって、磁石は両極検知型ホールＩＣの感磁部が検知できる動作磁束密度になる磁力（表面磁束密度）を、磁石と両極検知型ホールＩＣとの距離などのバラツキを考慮して最低限保持すればよい。すなわち、弁体の開状態と弁体の閉状態との磁束密度差を考慮して、余分な磁力を保持する強力な磁石を選択する必要がない。要は、大型、高級材質の磁石は不要である。

第３の発明は、特に第２の発明の前記磁石の厚さは前記磁石が前記弁体の閉時と前記弁体の開時とを移動する経路の長さの２０〜３０％とすることにより、両極検知型ホールＩＣの感磁部は略ピーク磁束密度を検知する。すなわち、両極検知型ホールＩＣの感磁部から磁石の厚さの約２倍の位置、弁体の閉時と開時の２ケ所に、磁石の中心軸に向かう磁束密度がピークになるので、磁石が移動する経路の長さが決まれば、最適な磁石の厚さがその経路の長さの２０〜３０％に決まる。

第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明の前記アクチュエータが駆動中は前
記両極検知型ホールＩＣによる前記弁体の位置検知を停止することにより、両極検知型ホールＩＣは弁体の開時あるいは弁体の閉時の磁束密度を検知することができる。すなわち、磁石の移動中、両極検知型ホールＩＣの感磁部に印加される磁石の中心軸に向かう磁束密度は著しく変化し、同時に、弁体を移動させているアクチュエータにより発生する磁界、ノイズなどの影響が大きいので、両極検知型ホールＩＣを使用すること自体意味がない。言い換えると、両極検知型ホールＩＣは弁体が開状態または閉状態を判断し確認するものである。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明の前記両極検知型ホールＩＣが動作磁束密度以上を検知できない場合、前記流体制御弁を故障と判断することにより、両極検知型ホールＩＣは弁体を閉または開状態及び故障の３つを判断できる。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態にかかる流体制御弁の概略構成の一例を示す図であり、開状態を示す図である。図２は、本実施の形態にかかる流体制御弁の閉状態を示す図である。図３は、本実施の形態の流体制御弁の斜視図である。図４（ａ）は、尾本実施の形態にかかる流体制御弁のアクチュエータと流体制御部の斜視図であり、図４（ｂ）は、本実施の形態にかかる流体制御弁の弁ゴムを除く弁体の斜視図である。以下、図１〜図４を参照しつつ、本実施の形態の流体制御弁について説明する。

なお、説明における方向については、原則として各図中の方向の記載に従うものとする。また、本流体制御弁は、図示しない制御部により制御されるものである。

図１〜４に例示するように、流体制御弁１はアクチュエータ２と流体制御部３及び流路４で構成している。アクチュエータ２は電動機であるステッピングモータであり、コイル５を有するステータ６と、コイル５への通電による励磁により回転するロータ７及びベース８で構成されている。ロータ７は円筒形状をしており、外側に磁石９と内側に回転軸１０とを一体成形する樹脂製のブッシュ１１からなる。ベース８は下方へ突出した４つの櫛状の上回転抑制板１２を形成している。

流体制御部３は、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）製の弁体１３と変換手段１４とで構成している。弁体１３は、弁ゴム受１５と弁ゴム１６及びスプリング１７とからなる。また、弁体１３は、アクチュエータ２により弁の開状態と弁の閉状態とを移動する。本実施例では、移動経路は６ｍｍに設定している。

弁ゴム受１５は、回転軸１０先端に形成されたオネジ１８に係止されたネジピッチ１〜２の短いメネジ１９（円筒の絞りの場合もあり）を内部に形成した円筒部２０と、下面に弁ゴム１６を取付ける円盤２１と、円盤２１からベース８側へ（上方）突出した４つの櫛状の下回転抑制板２２とから形成されている。

また、円盤２１の上面に、かつ外周縁に接するように、マーカーとなる磁石２３が、樹脂バネ（接着、圧入などでもよい）により固定されている。本実施例では、磁石２３は円筒Φ４．０×ｔ１．５、材質ネオジウムで、着磁は厚さ方向で、上がＳ極２４、下（円盤２１側）がＮ極２５になるように配置している。

スプリング１７は、ベース８と弁ゴム受１５との間に、圧縮可能な方向に摺動自在に設けられ弁ゴム受１５と弁ゴム１６とを付勢する。変換手段１４は、上回転抑制板１２と下回転抑制板２２が勘合し構成したものである。

流路４は、樹脂製で、形状はＬ型の円筒で、入口２６、弁座２７、出口２８、アクチュ
エータ挿入口２９を開口している。アクチュエータ挿入口２９には、アクチュエータ２が配置されている。

そして、Ｓ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣ３０が、磁石２３の６ｍｍの移動経路の側方で、流路４の外面に直接接触するように配置されている。両極検知型ホールＩＣ３０は、磁石のＳ極またはＮ極の磁場の強弱に対してＯＮ／ＯＦＦの動作をする。

具体例としては、両極検知型ホールＩＣは旭日化成エレクトロニクス株式会社製 ＥＭ−１７９１（Ｗ２．１×Ｄ２．１×Ｈ０．５５）：印加磁束密度は感磁部（ホール素子）を貫通する方向。この方向に応してＳ極あるいはＮ極の２つ出力。動作磁束密度（絶対値）３．２ｍＴ、復帰磁束密度１．４ｍＴ（絶対値）、設計（メーカ推奨）動作磁束密度６ｍＴ前後や、パナソニック株式会社製 ＡＮ４８８３６Ｂなどがある。

動作磁束密度は両極検知型ホールＩＣがＯＮする閾値であり、復帰磁束密度は両極検知型ホールＩＣがＯＦＦする閾値である。他方、磁気センサの１つであるＡＭＲセンサ（磁気抵抗効果素子）では、印加磁束密度は感磁部の表面を横切る方向であり、ホールＩＣとは異なる。

図５は、両極検知型ホールＩＣ３０内部で上面に平行に配置された感磁部（図示せず）を基準に磁石２３を上下１０ｍｍ程度移動した時の半径（磁石２３の中心軸に向かう）方向、軸（厚さ）方向、周方向の磁束密度をガウスメータで測定した結果を示す。ガウスメータは、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部と同じ位置で、磁石２３の円筒中心軸から６ｍｍ離れた位置にある。

両極検知型ホールＩＣ３０は、磁石２３が磁石２３自身の中心軸に沿って移動すると、方向が正反対であるが２つの大きなピークを示す半径方向の磁束密度が印加される。詳しく説明すると、磁石２３が両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部から磁石２３の中心軸に沿って上方に約３ｍｍ移動した位置と下方に約３ｍｍ移動した位置が半径方向の磁束密度のピークになる。なお、周方向の磁束密度は、変化が少ないので利用できない。

また、軸（厚さ）方向の磁束密度は１つ大きなピークを示すが、ホールＩＣを開用と閉用の２つ必要という課題があり、印加磁束密度に利用できない。なお、磁石２３の中心軸と両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部との距離が短くなると、半径方向のピーク磁束密度位置が少し離れる傾向がある。

一般的に、図６に示すように、両極検知型ホールＩＣ３０は小さいので、基板３１に配線されている。両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部が磁石２３の６ｍｍの移動経路の中間に位置するように、基板３１の四隅に開口した４つの位置決め穴３２と流路４の外面から突出した４つの位置決めピン３３で位置決めする。

そして、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部が、半径方向の磁束密度を印加できるように、両極検知型ホールＩＣ３０の上面が流路４の外面に接するように、位置決めピン３３に位置決め穴３２を挿入する。他方、この配置でのＡＭＲセンサの場合、ＡＭＲセンサの感磁部は、軸（厚さ）方向の磁束密度が印加される。

以上のように構成された流体制御弁１について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図１に示すように、弁体１３が開状態の場合、気体（白抜き矢印）が入口２６から流路４に入り、弁体１３の側から弁座２７を通り、出口２８から流出している。この弁体１３の開状態について、図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）、（ｂ）の楕円状の
矢印ＡはＮ極２５からＳ極２４へ向かう磁力線を示している。図７（ａ）に示すように、磁石２３が両極検知型ホールＩＣ３０の上方３ｍｍに位置しているので、流路４内から外へ向かう磁力線が両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部を貫通する。すなわち、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部は、Ｎ極２５磁場の半径方向の磁束密度が印加されている。

具体的には、図５に示すように、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部（Ｎ極）には、動作磁束密度以上の約７ｍＴの磁束密度が印加されている。当然、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部（Ｓ極）には、Ｓ極２４磁場の半径方向の磁束密度が印加されない。そこで、弁体１３の位置を確認するために、制御部（図示せず）が指示を出し、両極検知型ホールＩＣ３０に給電されると、両極検知型ホールＩＣ３０のＮ極用出力がＯＮ、Ｓ極用出力がＯＦＦを出力する。このことから、弁体１３が開状態であることが判断できる。

他方、気体が、弁ゴム１６に遮断されている、図２の弁体１３の閉状態について、図７を用いて説明する。図７（ｂ）に示すように、磁石２３が両極検知型ホールＩＣ３０の下方３ｍｍに位置しているので、流路４外から内へ向かう磁力線が両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部を貫通する。すなわち、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部は、Ｓ極２４磁場の半径方向の磁束密度が印加されている。

具体的には、図５に示すように、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部（Ｓ極）には、動作磁束密度以上の約−７ｍＴの磁束密度が印加されている。当然、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部（Ｎ極）には、Ｎ極２５磁場の半径方向の磁束密度が印加されない。そこで、弁体１３の位置を確認するために、制御部が指示を出し、両極検知型ホールＩＣ３０に給電されると、両極検知型ホールＩＣ３０のＮ極用出力がＯＦＦ、Ｓ極用出力がＯＮを出力する。このことから、弁体１３が閉状態であることが判断できる。流体制御弁１は、かかる態様により両極検知型ホールＩＣ３０が弁体１３の位置を検出し、確認できる。

その後、アクチュエータ２が駆動あるいは両極検知型ホールＩＣ３０が弁体１３を開状態と判断するまで、流速測定などの機器（図示せず）への電源供給を停止する。すなわち、気体が流れていないので、流速測定などの他の機器への電源供給は不要であり省エネが図れる。

なお、磁石２３を上がＮ極、下（円盤２１側）がＳ極に配置すると出力が反対になるので、注意が必要である。同様に、両極検知型ホールＩＣ３０を反対に取付けると出力が反対になるので、注意が必要である。

また、図５と図７に示すように、弁体１３の開状態と閉状態とでは、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部を貫通する磁力線は反対方向であるが、半径方向の磁束密度の絶対値はほぼ同じである。したがって、磁石２３は両極検知型ホールＩＣ３０が検知できる動作磁束密度になる磁力を最低限保持すればよい。言い換えると、弁体１３の開状態と弁体１３の閉状態との半径方向の磁束密度差を考慮して、余分な磁力（表面磁束密度）を有する強力な磁石２３を選択する必要がない。要は、大型、高級材質の磁石２３は不要である。

ところで、弁体１３の位置を確認するために、制御部が指示を出し、両極検知型ホールＩＣ３０に給電された時、両極検知型ホールＩＣ３０のＮ極出力とＳ極用出力が共にＯＮまたは共にＯＦＦを出力した場合、流体制御弁１が故障と判断でき、続いて、表示、音などの警報ができる。

これらの結果、１つの両極検知型ホールＩＣ３０により、弁体１３の開状態と閉状態及び流体制御弁１の故障が判断できる。

また、図５に示すように、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部を基準とした磁石２３の移動距離が、磁石２３自身の厚さの約２倍の３ｍｍ位置に、半径方向のピーク磁束密度がある。言い換えると、磁石２３の厚さは、磁石２３の６ｍｍの移動経路の２０〜３０％が最適である。

例えば、磁石２３の厚さを６ｍｍの移動経路の１５％と薄くすると、磁石２３の磁力は当然弱くなり、かつ半径方向のピーク磁束密度の位置が近づくので、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部には半径方向のピーク磁束密度を超えた小さい磁束密度が印加される。加えて、磁石２３が薄い分、当然磁力（表面磁束密度）が低下する。この磁束密度の低下を補うには、高コストの高級材質による磁石の磁力向上が必要になる。逆に、磁石２３の厚さを６ｍｍの移動経路の３５％と厚くすると、半径方向のピーク磁束密度の位置が離れるので、両極検知型ホールＩＣ３０は半径方向のピーク磁束密度前の磁束密度が印加される。ただし、磁石２３が厚い分、磁力（表面磁束密度）が増加するので、両極検知型ホールＩＣ３０には動作磁束密度以上が印加されるので、弁体１３の位置が検知できる。ただ、磁石２３は不必要に大きく、その分弁体１３への固定が難しくなるという課題がある。

次に、制御部がアクチュエータ２を駆動させると、回転軸１０が回転してオネジ１８とメネジ１９とを介して、弁体１３に回転力が伝わる。次に、上回転抑制板１２と下回転抑制板２２の接触により、弁体１３は回転動作を抑制され、開状態または閉状態へ６ｍｍ直進移動する。両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部は、弁体１３が約２ｍｍ移動すると印加される磁束密度は復帰磁束密度未満になり、更に２ｍｍ移動すると印加される磁束密度は逆極の動作磁束密度以上になる。

すなわち、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部に印加される磁束密度は、アクチュエータ２が駆動中急激に変化し、かつアクチュエータ２により発生する磁界、ノイズなどの影響を受ける。すなわち、アクチュエータ２が駆動中は、両極検知型ホールＩＣ３０を使用すること自体意味がないので、弁体１３の位置検知を停止する。要は、両極検知型ホールＩＣ３０は弁体１３が開状態または閉状態を確認するものである。

なお、本実施形態では、磁石２３として円筒形状のネオジム磁石を使用したが、両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部と磁石の中心軸との距離が近ければ、磁力の弱いサマコバ磁石やフェライト磁石でもよい。要は 両極検知型ホールＩＣ３０の感磁部が動作磁束密度を超えていれば、磁石２３の材質や形状は問わない（磁石２３の厚さは、磁石２３の移動経路長さの２０〜３０％）。

また、両極検知型ホールＩＣ３０が検知した半径方向の磁束密度に関する情報は、何らかの制御部に送られて処理されるが、該処理を行う主体は特に限定されない。例えば、アクチュエータ２を制御する制御部が設けられる場合には、制御部がかかる情報の処理を行う機能を兼ね備えていてもよい。あるいは、制御部とは別個に、弁体１３の位置を検出するための制御部が設けられていてもよい。また、実施の形態１の流体制御弁１は、必ずしも制御部を備えていなくてもよい。

上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。特に、流体制御弁は垂直以外に、水平、斜めと取付方向は自在である。

本発明の流体制御弁は、１つの両極検知型ホールＩＣで、弁体の位置を検出可能な流体制御弁として有用である。

２ アクチュエータ
４ 流路
１３ 弁体
２３ 磁石
２４ Ｓ極
２５ Ｎ極
３０ 両極検知型ホールＩＣ

Claims (5)

1. 流路を開閉する弁体と、
   Ｓ極とＮ極とが前記弁体の移動方向となるように前記弁体に固定された磁石と、
   前記磁石の移動方向の側方にあるＳ極及びＮ極の両極検知型ホールＩＣと、
   前記弁体を駆動するアクチュエータと、を備え、
   感磁部を前記磁石の中心軸に向かう磁束密度を印加する方向に配置した前記両極検知型ホールＩＣが、前記弁体の閉時にＳ極あるいはＮ極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知し、また前記弁体の開時に逆極の磁束密度を動作磁束密度以上と検知することにより前記弁体の位置が判断できる流体制御弁。
2. 前記磁石が前記弁体の閉時と前記弁体の開時とを移動する経路中間に前記両極検知型ホールＩＣを配置する、請求項１に記載の流体制御弁。
3. 前記磁石の厚さは前記磁石が前記弁体の閉時と前記弁体の開時とを移動する経路の長さの２０〜３０％とする、請求項２に記載の流体制御弁。
4. 前記アクチュエータが駆動中は前記両極検知型ホールＩＣによる前記弁体の位置検知を停止する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体制御弁。
5. 前記両極検知型ホールＩＣが動作磁束密度以上を検知できない場合、前記流体制御弁を故障と判断する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体制御弁。