JP2781543B2

JP2781543B2 - バルブの製造方法

Info

Publication number: JP2781543B2
Application number: JP7335396A
Authority: JP
Inventors: 康正萩原; 正篤伊東; 真一八束
Original assignee: 株式会社移動体通信先端技術研究所
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: JPH09264432A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体（液体や気体
またはその両方を含むもの）の制御に用いられるバルブ
（Valve ：弁とも言う）の製造方法に関し、特に、信頼
性の高いバルブの製造方法に関する。油圧機器や空圧機
器にとって、バルブは当然の部品であるが、弁体の固着
や摩耗が起きやすく、システムの故障間隔（ＭＴＢＦ：
Mean Time Between Failure）を左右する重要な部品で
もあるから、より信頼性の高いバルブが求められてい
る。

【０００２】

【従来の技術】信頼性を高めるには弁体を非接触にすれ
ばよい。弁座との間にクリアランスを確保しておけば、
固着や摩耗はまったく起きない。ところで、上記クリア
ランスは、μｍオーダのきわめて微小なものが要求され
る。大きすぎるとバルブを完全に閉鎖できないからであ
る。流体の粘性にもよるが、最大でも５μｍ、できれば
３μｍまたはそれ以下を確保したい。すなわち、限りな
く０に近いクリアランスを確保したいが、現在の機械加
工精度ではきわめて困難な要求である。

【０００３】機械加工以外では、ある種の溶液に浸して
材料を加工するというケミカル・エッチングの利用が考
えられる。しかしながら、ケミカル・エッチングは、バ
ルブの部品材料（一般に、鋼、例えばＳＵＳなど）のよ
うに異方性を持たない素材に対しては、素材の厚さに相
当する幅でしか制御性のよい加工を行うことができない
ため、とても要求を満たす程度の微小なクリアランスを
形成できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のことから、本発
明の課題は、弁体と弁座との間に所要の微小なクリアラ
ンスを確保でき、弁体を非接触にして、バルブの信頼性
を大幅に向上できる有益な技術の提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、バネ性を有する片持ち梁の揺動端に取り
付けられ、前記片持ち梁の所定の揺動方向に並行する第
１の面を有する弁体と、基台に支持され前記弁体の第１
の面に非接触で対向する第２の面に流体通路の開口端を
有する弁座と、を備え、前記片持ち梁の揺動により前記
弁体を移動させて前記流体通路の開口端を開閉するバル
ブを製造するに際し、複数の金属の薄板部材の各々に微
細な間隔で対向する弁体要素部および弁座要素部を形成
する第１の工程と、該弁体要素部および弁座要素部の位
置を揃えながら薄板部材を積層して一体化し、前記弁座
に前記流体通路の開口端を形成するとともに、前記第１
の面および第２の面の双方に前記片持ち梁の揺動により
前記流体通路の開口端を開閉する段差を形成する第２の
工程と、積層した弁体要素部を前記片持ち梁に固定する
とともに、積層した弁座要素部を基台に固定する第３の
工程と、を含むことを特徴とするものである。

【０００６】本発明では、金属の薄板部材に形成した弁
体要素部および弁座要素部を積み重ねて弁体と弁座を構
成する。二つの部分の間の間隔は、例えば、上述のケミ
カル・エッチングを利用した場合、薄板部材の厚さで与
えられるから、当該薄板部材を薄くすればするほど、限
りなく０に近い間隔（クリアランス）を確保できる。し
たがって、弁体を微小間隔で非接触にでき、バルブの信
頼性を大幅に向上できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１〜図９は本発明に係るバルブの製
造方法の一実施例を示す図である。はじめに、本製造方
法によって作り出されるバルブの構造及びその働きを説
明する。

【０００８】図１において、１はバルブである。バルブ
１は、ベース部（発明の要旨に記載の基台に相当）２
と、多数の薄板金属を所定形状（後述）に加工して積層
した積層体３とから構成されており、ベース部２と積層
体３の間、及び、積層体３の薄板金属同士を接着、融着
または溶着などの手法によって堅固に一体化し、次の各
部を形成している。

【０００９】すなわち、矩形断面を有する両端開放の枠
体４と、この枠体４の一短辺側内面５に一体形成された
凹形状の弁座６と、この弁座６の凹形状内部に微細なク
リアランスを保って移動可能に実装された弁体７と、弁
体７を先端に保持する揺動自在でバネ性を有する片持ち
梁８と、二つの流体出入口（以下、単に「出入口」と言
う）９、１０と、枠体４に囲まれた内部空間１１とを形
成している。なお、４ａは切り残し残余部（後述）であ
る。

【００１０】このような各部を有するバルブ１は、片持
ち梁８の揺動位置に応じて、弁座６の内部に形成された
後述の流体通路を弁体７で開閉し、二つの出入口９、１
０と枠体４の内部空間１１との間を連通したり遮断した
りする。図２は、連通状態の一例図である。この例で
は、流体１２は、二つの出入口９、１０に同時に流入
し、二つの経路をたどって枠体４の内部空間１１に流れ
出している。なお、流体の向きを逆にする場合（二つの
出入口９、１０から流れ出す場合）には、図示の矢印を
逆にすればよい。

【００１１】油圧機器や空圧機器に適用するには、例え
ば、当該機器の一の流体通路に二つの出入口９、１０を
接続し、他の流体通路に枠体４の内部空間１１を接続す
ればよい。弁体７の位置（すなわち片持ち梁８の位置）
に応じて、二つの流体通路間を自在に開閉できる。図３
は、弁座６、弁体７、片持ち梁８、及び、二つの出入口
９、１０を含む要部拡大図、図４（ａ）〜（ｃ）はこれ
ら各部の分解図である。

【００１２】図４（ａ）に示すように、弁座６はその凹
形状内部の対向する二つの面１３、１４（発明の要旨に
記載の第２の面に相当）を有し、また、図４（ｂ）に示
すように、弁体６は片持ち梁８の揺動方向に並行する二
つの面（発明の要旨に記載の第１の面に相当）１５、１
６を有している。そして、図３に示すように、弁体７の
上向きの面１５（以下「弁体上面」と言う）と弁座６の
下向きの面１３（以下「弁座下面」と言う）が対向し、
弁体７の下向きの面１６（以下「弁体下面」と言う）と
弁座６の上向きの面１４（以下「弁座上面」と言う）が
対向しており、対向面同士は、後述の方法によって実現
された、きわめて微小なクリアランスを保ち、非接触に
なっている。

【００１３】片持ち梁８には、その揺動を制御するため
の手段１７、１８が設けられている（図４（ｂ）参
照）。この手段１７、１８は、例えば、片持ち梁８の両
面に貼り付けた圧電素子であってもよい。圧電素子に適
当な電圧を印加して一方を伸長、他方を収縮させること
により、片持ち梁８の揺動を自在に制御し、弁体７の動
きをコントロールできる。

【００１４】ここで、弁座下面１３及び弁座上面１４、
並びに、弁体上面１５及び弁体下面１６には、クリアラ
ンスの更なる微少化を図るための好ましい工夫が施され
ている。すなわち、図４（ｂ）に示すように、弁体上面
１５には、弁体７の移動方向に直交するスパンＬの２本
の凸状部１５ａ、１５ｂ（弁体下面１６にあっては１６
ａ、１６ｂ）が形成され、また、図４（ａ）に示すよう
に、弁座上面１４には、同じく弁体７の移動方向に直交
する幅Ｌ′の１本の凸状部１４ａ（弁座下面１３にあっ
ては１３ａ）が形成されている。かかる工夫による有利
な作用効果は、後で説明する。

【００１５】弁座６の内部に形成される流体通路の形状
は、図４（ｃ）に模式的に示されている。弁座６の内部
に平行して掘られた二つの円筒状空間９ａ、１０ａは、
それぞれの開口端を出入口９、１０とするとともに、そ
の最深部付近で、矩形状空間９ｂ、１０ｂに連通し、さ
らに、矩形状空間９ｂ、１０ｂの開口端９ｃ、１０ｃ
は、弁座下面１３の凸状部１３ａ及び弁座上面１４の凸
状部１４ａの表面に開口するようにそれぞれ向きが設定
されている。なお、二つの流体通路を備える理由は、弁
体上面１５と弁体下面１６の圧力バランスをとって弁体
７の着座を防止するためである。

【００１６】次に、図５〜図７を使用して本実施例の具
体的な製造方法を説明する。積層体３（図１参照）は、
図５に示すような形状に加工された金属の薄板部材２０
を多数枚積み重ねて構成する。すべての薄板部材２０
は、枠体４に相当する部分２０ａ、積層後に切り離す部
分２０ｂ、及び、切り離し後に残る部分２０ｃ（図１の
切り離し残余部４ａ参照）を有する点で共通するが、図
中の破線部分の形状に注目すると、図６（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示す三つのタイプ（便宜的にタイプＡ、Ｂ、Ｃ
とする）に分類される。

【００１７】タイプＡは、弁座要素部（弁座６の構成要
素になるもの）２１と、この弁座要素部２１に形成され
た切り欠き部２２と、この切り欠き部２２の内部にレイ
アウトされた弁体要素部（弁体７の構成要素になるも
の）２３とを有している。タイプＢは、タイプＡと同様
に弁座要素部２１、切り欠き部２２、及び、弁体要素部
２３を有するほか、弁座要素部２１に、円筒状空間要素
部（円筒状空間９ａ、１０ａの構成要素となるもの）２
４、２５と、矩形状空間要素部（矩形状空間９ｂ、１０
ｂの構成要素となるもの）２６、２７とを有している。

【００１８】タイプＣは、タイプＡと同様に弁座要素部
２１、切り欠き部２２、及び、弁体要素部２３を有する
ほか、弁座要素部２１に、円筒状空間要素部２４、２５
を有している。ここで、切り欠き部２２の幅をＤ₁、弁
体要素部２３の幅をＤ₂とし、さらに、切り欠き部２２
と弁体要素部２３との間隔をＤ₃とすると、Ｄ₁〜Ｄ₃
は、次表１のようにまとめられる。なお、各タイプの弁
座要素部２１と弁体要素部２３は、発明の要旨に記載の
「微細な間隔で対向する二つの部分」に相当する。

【００１９】但し、Ｗ及びｗはWide、Ｎ及びｎはNarrowの略、αは薄
板部材の加工限界に近い微小値である。これらＷ、ｗ、
Ｎ、ｎ、αの大小関係は、Ｗ＞Ｎ＞ｗ＞ｎ》 α ……… であり、Ｗ−ｗ＝Ｎ−ｎ＝α ……… である。

【００２０】表１によると、タイプＢは一種類である
が、タイプＡとタイプＣについては、さらに３種類のサ
ブタイプ（Ａａ〜Ａｃ、Ｃａ〜Ｃｃ）に分かれている。
これらタイプ別に所要枚数の薄板部材２０を加工し、そ
れらを所定の順番で積層して図７に示すベース部２と一
体化する。ここで、ベース部２は、各タイプ別の薄板部
材２０とよく似た形状を有しているが、片持ち梁８の幅
Ｄ₄が上表１の“ｎ”よりも若干小さく、また、弁座６
を固定する部分２ａの切り欠き幅Ｄ₅が上表１の“Ｗ”
よりも若干大きい点で相違している。

【００２１】上記各タイプの薄板部材２０の積層順は、
図８に示すとおりである。図８は、図３のＡ−Ａ′矢視
断面図であり、特に、弁座下面１３と弁体上面１５との
対向部分の詳細断面図である。図８において、縦長矩形
は薄板部材の断面を表しており、薄板部材は、Ａａ〜Ａ
ｃ、Ｂ、Ｃａ〜Ｃｃの順番で所定枚数ずつ図面の右から
左に向かって積層されている。Ｗ、Ｎ、ｗ、ｎ、αは上
表１で用いた符号である。弁座下面１３と弁体上面１５
の凸状部１５ａ（または１５ｂ）との間は「Ｗ−ｗ＝
α」の間隔で対向し、さらに、弁座下面１３の凸状部１
３ａと弁体上面１５との間も「Ｎ−ｎ＝α」の間隔で対
向している。

【００２２】αは、薄板部材の加工をケミカル・エッチ
ングで行った場合、その薄板部材の厚さに相当する値に
なるため、できるだけ薄い部材を用いることにより、き
わめて小さな値にすることができる。このため、αその
ものを弁座６と弁体７との間のクリアランスにしてもよ
いが、クリアランスを限りなく０に近づけてバルブの閉
鎖性を高める観点からは、図４（ａ）（ｂ）に示すよう
に、弁座下面１３に凸状部１３ａ（及び弁座上面１４に
凸状部１４ａ）を形成するとともに、弁体上面１５に凸
状部１５ａ、１５ｂ（及び弁体下面１６に凸状部１６
ａ、１６ｂ）を形成し、これら凸状部によって作られる
段差のエッジを利用してαよりも小さいクリアランスβ
（図８参照）を確保するのが望ましい。

【００２３】この構成によれば、弁座６と弁体７との間
を非接触にでき、弁体７の固着、摩耗を完全に回避し
て、きわめて信頼性の高いバルブを実現できる。しか
も、図９に示すように、弁座６の流体通路９ｂの閉鎖時
には、弁座６と弁体７との間が微小なクリアランスβで
対向し、流体漏れを最小限（高粘性の流体であればほぼ
ゼロ）に抑えることができるから、閉鎖性を損なうこと
はない。

【００２４】なお、バルブ１の完成形状は、図１に示す
ような形状（枠体４を残したままの形状）であってもよ
いが、枠体４の一部を取り除いて弁座６と弁体７とを分
離した形状にしてもよい。弁体上面１５と弁体下面１６
の圧力バランスをとって着座を防止する構造（図４
（ｃ）参照）になっているため、常に圧力振動を発生す
る機器、例えば、パルス管冷凍機やＧＭ冷凍機又は一般
的なサーボ弁に適用できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、弁体と弁座との間に所
要の微小なクリアランスを確保でき、弁体を非接触にし
て、バルブの信頼性を大幅に向上できるという従来技術
にない格別有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のバルブの外観図である。

【図２】一実施例のバルブの連通状態図である。

【図３】一実施例のバルブの要部詳細図である。

【図４】一実施例のバルブの弁座、弁体及び流体通路の
分解図である。

【図５】一実施例のバルブの薄板部材形状図である。

【図６】一実施例のバルブのタイプ別薄板部材要部形状
図である。

【図７】一実施例のバルブのベース部形状図である。

【図８】一実施例のバルブの弁座と弁体との対向部分拡
大詳細図である。

【図９】一実施例のバルブの閉鎖状態図である。

【符号の説明】

Ｄ₃：間隔２：ベース部（基台）６：弁座７：弁体８：片持ち梁１３、１４：面（第２の面）１３ａ、１４ａ、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ：凸
状部（段差）１５、１６：面（第１の面）２０：薄板部材２１：弁座要素部（部分）２３：弁体要素部（部分）

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16K 3/314 F16K 3/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バネ性を有する片持ち梁の揺動端に取り付
けられ、前記片持ち梁の所定の揺動方向に並行する第１
の面を有する弁体と、基台に支持され前記弁体の第１の
面に非接触で対向する第２の面に流体通路の開口端を有
する弁座と、を備え、前記片持ち梁の揺動により前記弁
体を移動させて前記流体通路の開口端を開閉するバルブ
を製造するに際し、複数の金属の薄板部材の各々に微細な間隔で対向する弁
体要素部および弁座要素部を形成する第１の工程と、該弁体要素部および弁座要素部の位置を揃えながら薄板
部材を積層して一体化し、前記弁座に前記流体通路の開
口端を形成するとともに、前記第１の面および第２の面
の双方に前記片持ち梁の揺動により前記流体通路の開口
端を開閉する段差を形成する第２の工程と、積層した弁体要素部を前記片持ち梁に固定するととも
に、積層した弁座要素部を基台に固定する第３の工程
と、を含むことを特徴とするバルブの製造方法。
【請求項２】片持ち梁（８）の揺動端に取り付けられ該
片持ち梁の揺動によって移動する弁体（７）に、前記片
持ち梁の揺動方向と直交する幅方向の凸部（１５ａ，１
５ｂ）を設ける一方、該弁体に対し前記幅方向に微小ク
リアランスを隔てて対向するよう基台（２）に支持され
た弁座（６）に、前記弁体の凸部よって開閉可能な流体
通路の開口端部（９ｃ，１０ｃ）を形成したバルブであ
って、前記弁座および弁体が、前記片持ち梁の揺動方向に積層
された複数の薄板部材（Ａｂ、Ａｃ、Ｂ、Ｃａ、Ｃｂ）
からなり、該複数の薄板部材のうち一部の薄板部材（Ａｃ、Ｂ、Ｃ
ａ）が、前記流体通路の開口端部（９ｃ，１０ｃ）を形
成する第１弁座要素部（２１）と、該第１弁座要素部に
対して第１の微小クリアランスを隔てた第１弁体要素部
（２３）と、を有し、該複数の薄板部材のうち残りの薄板部材（Ａｂ、Ｃｂ）
が、前記幅方向で前記第１弁座要素部に対して前記第１
の微小クリアランスより小さい第２の微小クリアランス
（β）を隔てた第２弁体要素部（２３）および該第２弁
体要素部に対し第２の微小クリアランスより大きい第３
の微小クリアランス（α）を隔てた第２弁座要素部（２
１）を有することを特徴とするバルブ。
【請求項３】請求項２記載のバルブを製造する方法であ
って、前記第１弁座要素部および前記第１弁体要素部（２３）
を有する第１の薄板部材（Ａｃ、Ｂ、Ｃａ）と、前記第２弁体要素部（２３）および前記第２弁座要素部
（２１）を有する第２の薄板部材（Ａｂ、Ｃｂ）と、を
準備し、該第１の薄板部材および第２の薄板部材を所定の順序で
積層し、前記第１弁座要素部により前記流体通路の開口
端部（９ｃ，１０ｃ）を形成するとともに、前記第２弁
体要素部により前記凸部（１５ａ，１５ｂ）を形成した
後、該積層した第１の薄板部材および第２の薄板部材を前記
片持ち梁（８）および基台（２）に一体化し、前記積層した第１の薄板部材および第２の薄板部材の一
部を取り除いて前記弁体（６）と弁体（７）とが分離し
た形状にすることを特徴とするバルブの製造方法。