JP3434960B2 - 空気圧を用いた調整弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、空気圧で作動する
センサ、アクチュエータ、静圧直線案内装置などの制御
ユニット、自動車の速度制御やブレーキシステム、航空
機の姿勢制御、あるいは医療分野における人工呼吸器や
アシストロボット等の気体を利用した各種システム製品
の高速化・高精度化に利用できるものであり、特に、主
弁の高速調整が可能でかつ大流量に対応した調整弁に関
するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、空気圧で作動する各種システム製
品に用いられている調整弁には、例えば、図４（ａ）に
示すような入力流路２０１と出力流路２０３を備えたケ
ーシング２０２内にシール部材２０９を介して円盤状の
弁体２０６を回転可能に配置し、上記弁体２０６の回転
角度によって開口度を制御して入力流路２０１に加えら
れる流体の圧力および流量を調整するようにしたボール
弁タイプの調整弁２００や図４（ｂ）に示すような入力
流路３０１と出力流路３０３を備えたケーシング３０２
内に、前記入力流路３０１側と出力流路３０３側にそれ
ぞれ孔３１０ａ、３１０ｂを有する壁部材３１０を備
え、該壁部材３１０内に孔３０６ａを有する円筒状の弁
体３０６をシール部材３０９を介して回転可能に配置
し、弁体３０６の回転角度を調整することによって壁部
材３１０の孔３１０ａ、３１０ｂと弁体３０６の孔３０
６ａとの開口度を制御して入力流路３０１に加えられる
流体の圧力および流量を調整するようにしたロータリ弁
タイプの調整弁３００があった。 【０００３】また、図４（ａ）、（ｂ）に示す各弁体２
０６、３０６の回転角度は、角度センサ２０４、３０４
で測定され、弁体駆動用の電磁モータ２０５、３０５
と、図５に示す制御増幅器４００（サーボアンプ）にて
自動的に角度を調整するようになっていた。即ち、目標
角度４０１に対して角度センサ２０４、３０４の入力値
４０２が異なると、制御増幅器４００を介して電磁モー
タ２０５、３０５が駆動され、角度センサ２０４、３０
４の入力値４０２が目標角度４０１となるように制御さ
れるようになっていた。 【０００４】なお、各弁体２０６、３０６と電磁モータ
２０５、３０５との連結にはカップリング２０７、３０
７が用いられ、電磁モータ２０５、３０５の回転の支承
にはボールベアリング２０８、３０８が使用されてい
た。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところが、図４
（ａ）、（ｂ）に示す調整弁２００、３００では次のよ
うな課題があった。 【０００６】まず、弁体２０６、３０６とシール部材２
０９、３０９とは気密に接していることから、弁体２０
６、３０６が回転することに伴いシール部材２０９、３
０９との間に摺動抵抗が発生するとともに、各弁体２０
６、３０６と電磁モータ２０５、３０５とを連結するカ
ップリング２０７、３０７の剛性歪や電磁モータ２０
５、３０５の回転を支承するボールベアリング２０８、
３０８の摺動抵抗等により弁体２０６、３０６の開閉時
間をさらに短くするには限界があった。 【０００７】また、電磁モータ２０５、３０５のインダ
クタンスや負荷イナーシャ（慣性重量）により、動作の
立ち上がり時などに大きな遅れが生じるため、弁体２０
６、３０６を直ちに作動させることができないというよ
うに、弁体２０６、３０６の高速調整が可能な調整弁２
００、３００とすることができなかった。 【０００８】例えば、図４（ａ）に示す調整弁２００に
おいて、弁体２０６を直径１８ｍｍ、厚み４．５ｍｍの
ステンレス（SUS304）製とし、電磁モータ２０５には４
０ＷのＡＣサーボモータを、角度センサ２０４には光電
式のエンコーダを用いたものでは、弁体２０６とシール
部材２０９との間の摺動抵抗等により弁体２０６を全開
させるまでに１２０ｍｓｅｃも要し、また、弁体２０６
の負荷イナーシャ（慣性重量）が大きいことから弁体２
０６を作動させるのに３５ｍｓｅｃも要するというよう
に、弁体２０６の開閉速度が非常に遅いものであった。
その為、流量リニアリティ精度および流量繰り返し精度
を向上させることができなかった。 【０００９】また、図４（ｂ）に示す調整弁３００にお
いて、弁体３０６を外径８ｍｍ、厚み０．３ｍｍのステ
ンレス（SUS304）製とし、弁体３０６および壁部材３１
０の側面に直径２ｍｍ程度の孔３０６ａ、３１０ａ、３
１０ｂを穿設するとともに、電磁モータ３０５に４０Ｗ
のＡＣサーボモータ、角度センサ３０４に光電式のエン
コーダを用いたものでは、図４（ａ）の調整弁２００に
比べて弁体３０６の高速調整が可能であるものの、弁体
３０６を全開させるまでに１０ｍｓｅｃを要し、弁体３
０６を作動させるのに４ｍｓｅｃかかることから、流量
リニアリティ精度および流量繰り返し精度を０．１％以
下の精度にまで向上させることは難しいものであった。 【００１０】しかも、図４（ｂ）に示す調整弁３００
は、弁体３０６および壁部材３１０の孔３０６ａ、３１
０ａ、３１０ｂを大きくすることが構造上難しいため
に、オリフィス直径（許容最大口径）を大きく設定する
ことができず、大流量に対応可能な調整弁３００とする
ことができなかった。 【００１１】このように弁体の高速調整が可能でかつ大
流量に対応できる調整弁は未だ得られていなかった。 【００１２】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、上
記の課題に鑑み、縦型のケーシングと、該ケーシング内
を上下に移動自在に配置され、一方が閉鎖し、他方が開
口した略円筒状のピストンと、該ピストンの閉鎖側と上
記ケーシングとで形成した第１の加圧室と、該第１の加
圧室側に設けた圧力調整部と、上記ピストンの開口側と
上記ケーシングとで形成した第２の加圧室と、該第２の
加圧室側で上記ピストンの移動方向に形成した入力流路
および上記ピストンの移動方向に対して垂直に形成した
出力流路と、上記ケーシングに対してピストンを静圧支
持するために上記ケーシングとピストンとの間隙に空気
を噴出する供給孔とから成り、上記圧力調整部は、上記
供給孔から噴出した空気を上記第１の加圧室を介してケ
ーシングから噴出するノズルと、該ノズルの噴出側に配
置し、上記ノズルとの距離を大小させて開口度を可変に
する圧力調整体とを有し、上記供給孔から空気を供給す
ると、ピストンがケーシング内に静圧支持され、かつ、
ピストンがその自重により入力流路側のケーシング内面
と当接して入力流路を閉じ、該ピストンで入力流路を閉
じた状態で入力流路から空気を供給すると入力流路より
供給される圧力によりピストンが上方に移動するととも
に該圧力と上記第１の加圧室が同じ圧力となったところ
で静止するように構成され、上記ピストンが静止した状
態で上記圧力調整体をノズルに近づけると、上記ノズル
の開口度が小さくなって上記第１の加圧室の圧力が高ま
り上記ピストンが入力流路側に移動するとともに、該ピ
ストンの移動により上記出力流路に供給される空気の流
量を減少させ、一方、上記ピストンが静止した状態で上
記圧力調整体をノズルから遠ざけると、上記ノズルの開
口度が大きくなって上記第１の加圧室の圧力が低くなり
上記ピストンが上記圧力調整部側に移動するとともに、
該ピストンの移動によって上記出力流路に供給される空
気の流量を増大させることを特徴とする空気圧を用いた
調整弁を提供するものである。 【００１３】 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１に
説明する。本発明に係る調整弁１００は、ケーシング１
０２内に主弁をなす略円筒状のピストン１０４を移動自
在に配置し、該ピストン１０４により隔離されるケーシ
ング１０２内の２つの加圧室１１０、１１１のうち一方
には圧力調整部１０９を設けるとともに、他方には入力
流路１０１および出力流路１０３を形成してあり、ケー
シング１０２内のピストン１０４側面に対応する部分に
は噴出流体を供給するための流体供給孔１０８を設けて
ある。なお、上記入力流路１０１はピストン１０４の移
動方向に、出力流路１０３はピストン１０４の移動方向
に対し垂直方向にそれぞれ形成してある。 【００１５】上記圧力調整部１０９は、加圧室１１１に
連通するノズル１０５と、該ノズル１０５の噴出側に配
置した圧力調整体としての圧力調整板１０６と、該圧力
調整板１０６を駆動させて前記ノズル１０５との距離を
可変にするための圧電アクチュエータ１０７を備えたも
のであり、加圧室１１１内の流体が圧力調整板１０６に
よって抵抗を受けながらノズル１０５より放出されるよ
うになっている。また、上記圧電アクチュエータ１０７
は、多数の圧電素子を積層した構造のものであり、電圧
を印加することにより積層方向（矢印方向）を微小に伸
縮駆動させることができる。 【００１６】その為、圧電アクチュエータ１０７を伸ば
してノズル１０５と圧力調整板１０６との距離ｄを小さ
くすると、ノズル１０６の開口度が小さくなるために噴
出流体に対する抵抗が大きくなり、加圧室１１１の圧力
を高くすることができる。逆に、圧電アクチュエータ１
０７を縮めてノズル１０５と圧力調整板１０６との距離
ｄを大きくすると、ノズル１０５の開口度が大きくなる
ために噴出流体に対する抵抗が小さくなり、加圧室１１
１の圧力を低くすることができる。 【００１７】即ち、圧電アクチュエータ１０７への通電
を制御し、伸縮駆動させることにより、加圧室１１１内
の圧力を調整することができるようになっている。な
お、圧電アクチュエータ１０７の直線性を向上させるた
めに、バネ等の弾性部材を介在させて圧電アクチュエー
タ１０７の収縮方向に予圧を加えておいても良い。 【００１８】次に、図１に示す調整弁１００の作動につ
いて説明する。 【００１９】まず、流体供給孔１０８より主弁をなすピ
ストン１０４とケーシング１０２との間隙に流体を噴出
させて、ピストン１０４をケーシング１０２内で静圧支
持させる。この時、主弁をなすピストン１０４は自重に
より入力流路１０１側のケーシング２内面と当接して流
路を閉じている。 【００２０】次に、入力流路１０１より流体を供給する
と、入力流路１０１より供給される圧力により、ピスト
ン１０４が上方に移動し、加圧室１１１内の圧力と同じ
圧力となったところでピストン１０４はケーシング１０
２内で静止する。 【００２１】なお、流体供給孔１０８より供給された噴
出流体は２つの加圧室１１０、１１１にそれぞれ流れ込
み、加圧室１１１では圧力を高めるように作用するが、
圧力調整部１０９によって一定圧となるように調整され
るようになっている。 【００２２】ここで、圧力調整部１０９の圧電アクチュ
エータ１０７に通電してノズル１０５と圧力調整板１０
６との距離ｄを小さくすると、ノズル１０５の開口度が
小さくなるために加圧室１１１内の圧力が高まるために
ピストン１０４の平衡状態が崩れて入力流路１０１側に
移動し、圧力調整部１０９側のピストン１０４に加わる
圧力と入力流路１０１側のピストン１０４の圧力とが同
じ圧力となるところでピストン１０４が静止する。この
時、加圧室１１０の容積が小さくなるために出力流路１
０３の開口度が小さくなり、入力流路１０１に供給され
る流体圧に対する抵抗が大きくなることから、出力流路
１０３に供給される流量を減少させることができる。逆
に、圧力調整部１０９の圧電アクチュエータ１０７に通
電してノズル１０５と圧力調整板１０６との距離ｄを大
きくすると、ノズル１０５の開口度が大きくなり加圧室
１１１内の圧力が低くなるためにピストン１０４の平衡
状態が崩れて圧力調整部１０９側に移動し、圧力調整部
１０９側のピストン１０４に加わる圧力と入力流路１０
１側のピストン１０４の圧力とが同じ圧力となるところ
でピストン１０４が静止する。この時、加圧室１１０の
容積が大きくなるために、出力流路１０３の開口度が大
きくなり、入力流路１０１に供給される流体圧に対する
抵抗が小さくなることから出力流路１０３に供給される
流量を増大させることができる。 【００２３】このように、本発明に係る調整弁１００は
主弁をピストン構造とし、該ピストン１０４をケーシン
グ１０２内で静圧支持するようにしたことから、動作抵
抗や動作反力が極めて小さく、しかも摺動や屈曲部分が
ないために経時変化がない。その為、長期間にわたって
主弁をなすピストン１０４の高速調整を可能とすること
ができる。しかも、加圧室１１０の表面積を大きくとる
ことができ、かつ軸方向剛性を高くすることができるた
め、大流量に対応可能な調整弁１００とすることができ
る。 【００２４】また、圧力調整部１０９をノズル１０５と
圧力調整板１０６とで構成したことによって、ノズル１
０５径を大きくして放出量を多くすることが可能である
ため、ピストン１０４の速度を２ｍ／秒、加速度１０Ｇ
以上と移動速度を速くすることができ、ピストン１０４
の開閉速度を向上させることができる。 【００２５】なお、本発明に係る調整弁１００を構成す
るピストン１０４、ケーシング１０２、圧力調整板１０
６等の材質は、軽量で比較的高精度に加工可能なステン
レスやアルマイト処理されたアルミニウムを用いること
ができ、さらに好ましくは軽量でかつ高精度に加工で
き、しかも、高剛性で低熱膨張率等の特性を有する、ア
ルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等のセラミッ
クスで形成することが良い。 【００２６】また、本発明に係る調整弁１００は主弁を
なすピストン１０４を静圧支持した構造としてあるた
め、その形状としては円筒状だけに限らず、角柱状や楕
円柱状をしたものであっても構わない。なお、図１に示
す調整弁１００では、ピストン１０４の軽量化のために
内部をくり抜いた構造としてあるが、比重の小さな材料
により形成する場合には、中実の円柱状であっても良
い。 【００２７】次に、圧力調整部１０９の他の実施形態を
図２（ａ）〜（ｃ）に説明する。 【００２８】図２（ａ）に示す圧力調整部１０９は、図
１に示す圧力調整部１０９のノズル１０５を延設し、そ
の周囲に前記ノズル１０５に流体を噴出するための圧力
供給孔１２０を設けたものである。その為、上記圧力供
給孔１２０よりノズル１０５を介して加圧室１１１に流
体を噴出させることにより、加圧室１１１内の加圧速度
を上昇させ、入力流路１０１側へのピストン１０４の移
動速度を速めることができるため、より高速調整が可能
な調整弁１００とすることができる。 【００２９】また、図２（ｂ）に示す圧力調整部１０９
のように、図１に示す圧力調整部１０９のノズル１０５
を延設し、該ノズル１０５の内側に圧力調整体としての
圧力調整板１０６および圧電アクチュエータ１０７を配
置し、ノズル１０５の噴出口１０５’と圧力調整板１０
６との距離を調整するようにしても良い。 【００３０】さらに、図２（ｃ）に示す圧力調整部１０
９のような、ノズル１０５の先端側に配置した圧力調整
板１２１自体を、電圧印加により歪みを生じるような圧
電素子で形成し、電圧を印加して圧力調整板１２１を歪
ませることにより圧力調整板１２１とノズル１０５との
距離を調整するようにしたものであっても良い。 【００３１】なお、圧電素子からなる圧力調整板１２１
としては、ＣａＴｉＯ₃ やＢａＴｉＯ₃ などにより形成
すれば良く、さらには薄肉のアルミナ、ジルコニア、窒
化珪素等のセラミック板に上記圧電素子を印刷して振動
板としたものであっても構わない。 【００３２】また、上記圧力調整部１０９としては、図
１および図２に示したものだけに限らず、ボイスコイル
を用いたリニアモータ等の電磁力を利用した移動手段を
用いることも可能である。 【００３３】 【実施例】図１に示す本発明の調整弁１００を試作して
特性について測定を行った。 【００３４】主弁をなすピストン１０４はステンレス製
とし、有効面積が約２００ｍｍ² の略円筒体をしたもの
を用い、真鍮製のケーシング１０２内に静圧支持させ
た。なお、圧力調整部１０９のノズル１０５径は２ｍｍ
としてある。 【００３５】そして、流体として空気を用い、入力流路
１０１に供給する圧縮空気のケージ圧を１ｋｇ／ｃｍ²
とし、出力流路１０３は大気に開放（ケージ圧：０ｋｇ
／ｃｍ² ）とした。 【００３６】また、比較例として図２（ａ）、（ｂ）に
示す調整弁２００、３００も用意し、同様に測定を行っ
た。ただし、各調整弁２００、３００の構造は以下に示
す通りである。 【００３７】 〔図４（ａ）に示す調整弁２００〕 弁体２０６ ：材質 ステンレス（SUS304） ：寸法 直径１８ｍｍ、厚み４．５ｍｍの板状体 シール部材２０９：材質 ふっ素樹脂 電磁モータ２０５：４０ＷのＡＣサーボモータ 角度センサ２０４：光電式のエンコーダ 〔図４（ｂ）に示す調整弁３００〕 弁体３０６ ：材質 ステンレス（SUS304） ：寸法 外径８ｍｍ、厚み０．３ｍｍの円筒体 孔径２ｍｍラ３ 壁部材３１０ ：寸法 孔径２ｍｍラ２ シール部材３０９ ：材質 ふっ素樹脂 電磁モータ３０５ ：４０ＷのＡＣサーボモータ 角度センサ３０４ ：光電式のエンコーダ 各調整弁１００、２００、３００のスペックは表１に示
す通りであり、弁体の開閉速度を示す特性グラフは図３
に示す通りである。 【００３８】 【表１】 【００３９】この結果、表１および図３に示すように本
発明に係る調整弁１００は、主弁をなすピストン１０４
の動作反力が極めて小さく、また摺動や屈曲部分がない
ことから開閉速度を２．４ｍｓｅｃとすることができ、
図４（ａ）に示す従来の調整弁２００に比べて１／５０
に、図４（ｂ）に示す従来の調整弁３００と比較しても
大幅に短くすることができた。また、最大遅れ時間（弁
体をなすピストン１０４を動作させるまでの時間）も
０．３ｍｓｅｃと大幅に短くすることができた。その結
果、流量リニアリティ精度で０．０８％、流量繰り返し
精度では０．０４％と主弁の高速調整が可能でかつ信頼
性の高いものとすることができた。 【００４０】また、本発明に係る調整弁１００はオリフ
ィス直径を大きくすることができ、かつ大きな軸方向剛
性を有しているため、最大８８００Ｎｌ／ｍｉｎもの大
流量にも対応可能であった。 【００４１】なお、本発明に係る調整弁１００において
オリフィス直径とは、ピストン１０４が最も上方に位置
した時の加圧室１１０の表面積を算出し、この表面積と
同じ面積を有する円に置き換えた時の円の直径のことで
ある。 【００４２】 【発明の効果】以上のように、本発明は、上述の構成に
したことにより、動作抵抗や動作反力が極めて小さく、
しかも摺動や屈曲部分がないために経時変化がないた
め、長期間にわたって主弁をなすピストンの高速調整を
可能とすることができる。しかも、入力流路および出力
流路を備える加圧室の表面積を大きくとることができ、
かつ軸方向剛性を高くすることができるため、大流量に
も対応可能とすることができる。 【００４３】また、本発明は上記圧力調整部をノズルと
圧力調整板とで構成したことによって、ノズル径を大き
くして放出量を多くすることができるため、ピストンの
移動速度を速くすることができ、高速調整を可能とする
ことができる。 【００４４】その為、本発明に係る調整弁を用いれば、
最大流量５０００Ｎｌ以上、主弁の開閉速度５ｍｓｅｃ
以下、流量リニアリティ精度および流量繰り返し精度
０．１％以下が要求される自動車の速度制御やブレーキ
システム、航空機の姿勢制御、あるいは医療分野におけ
る人工呼吸器やアシストロボット等の気体や液体などの
流体を利用した各種システム製品の高速化・高精度化を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る調整弁を示す断面図である。 【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る調整弁に備える
他の圧力調整部を示す断面図である。 【図３】本発明および従来の調整弁の弁体の開閉速度を
示す特性図である。 【図４】従来の調整弁を示す断面図であり、（ａ）はボ
ール型調整弁、（ｂ）はロータリ型調整弁である。 【図５】従来の調整弁に備える弁体の制御方法を示す説
明図である。 【符号の説明】 １００・・・調整弁、 １０１・・・入力流路、 １０
２・・・ケーシング、１０３・・・出力ポート、 １０
４・・・ピストン、 １０５・・・ノズル、１０６・・
・圧力調整板、 １０７・・・圧電アクチュエータ、１
０８・・・流体供給孔、 １０９・・・圧力調整部、
１１０・・・加圧室、１１１・・・加圧室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−280981（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−307408（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−307406（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−313405（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−123911（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−249487（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−258514（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−255774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−94686（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−36643（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 31/00 - 31/42 G05D 16/00 - 16/20

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 縦型のケーシングと、 該ケーシング内を上下に移動自在に配置され、一方が閉
   鎖し、他方が開口した略円筒状のピストンと、 該ピストンの閉鎖側と上記ケーシングとで形成した第１
   の加圧室と、 該第１の加圧室側に設けた圧力調整部と、 上記ピストンの開口側と上記ケーシングとで形成した第
   ２の加圧室と、 該第２の加圧室側で上記ピストンの移動方向に形成した
   入力流路および上記ピストンの移動方向に対して垂直に
   形成した出力流路と、 上記ケーシングに対してピストンを静圧支持するために
   上記ケーシングとピストンとの間隙に空気を噴出する供
   給孔とから成り、 上記圧力調整部は、上記供給孔から噴出した空気を上記
   第１の加圧室を介してケーシングから噴出するノズル
   と、該ノズルの噴出側に配置し、上記ノズルとの距離を
   大小させて開口度を可変にする圧力調整体とを有し、 上記供給孔から空気を供給すると、ピストンがケーシン
   グ内に静圧支持され、かつ、ピストンがその自重により
   入力流路側のケーシング内面と当接して入力流路を閉
   じ、該ピストンで入力流路を閉じた状態で入力流路から
   空気を供給すると入力流路より供給される圧力によりピ
   ストンが上方に移動するとともに該圧力と上記第１の加
   圧室が同じ圧力となったところで静止するように構成さ
   れ、 上記ピストンが静止した状態で上記圧力調整体をノズル
   に近づけると、上記ノズルの開口度が小さくなって上記
   第１の加圧室の圧力が高まり上記ピストンが入力流路側
   に移動するとともに、該ピストンの移動により上記出力
   流路に供給される空気の流量を減少させ、一方、 上記ピストンが静止した状態で上記圧力調整体をノズル
   から遠ざけると、上記ノズルの開口度が大きくなって上
   記第１の加圧室の圧力が低くなり上記ピストンが上記圧
   力調整部側に移動するとともに、該ピストンの移動によ
   って上記出力流路に供給される空気の流量を増大させる
   ことを特徴とする空気圧を用いた調整弁。