JP3634675B2 - 位置検出機能付き切換弁 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スプールなどの弁部材の動作位置を検出することができる位置検出機能付き切換弁に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マグネットを利用してスプールの切換動作を検出できるようにした切換弁は、例えば実開平2−66784号公報に開示されているようにすでに公知である。この公知の切換弁は、スプールの外周にマグネットを取り付けると共に、ケーシングに磁気センサーを取り付け、スプールが一方の切換位置に移動したときマグネットが磁気センサーに近付いて該磁気センサーがオンとなり、他方の切換位置に移動したときマグネットが磁気センサーから離れて該磁気センサーがオフになるようにしたもので、磁気センサーのオン・オフによってスプールが切り換わったことを検出するものである。
【0003】
しかしながら、上記従来の切換弁は、スプールがストローク端に到達したとき磁気センサーにオン又はオフの検出信号を出力させる方式であるため、ストローク端にあるスプールの位置は検出することができても、ストローク中のスプールの位置を検出することはできなかった。このため、スプールがストローク中に何らかの異常によって円滑さを欠いた不規則な動きをした場合でも、その異常を検知することは不可能で、故障や事故が発生する前に適切な対策を施すといったことは困難であり、保守、管理の面で問題が多かった。
【0004】
しかも、上記磁気センサーは一般に、磁束密度が一定値を越えた時にオンとなり、他の一定値を下回った時にオフとなるように構成されているため、スプールの駆動ストローク時に、マグネットの接近によって磁束密度が一定値より大きくなると、スプールがストローク端に到達する前であっても磁気センサーはオンになり、逆に、スプールの復帰ストローク時に、マグネットの離間によって磁束密度が一定値を下回ると、スプールが復帰ストローク端に到達する前であっても磁気センサーはオフになる。このため例えば、磁気センサーがオン又はオフになった瞬間にスプールが何らかの原因でその位置に停止した場合でも、磁気センサーからはスプールが完全に切り換わったことを知らせるオン・オフ信号が出力されるだけで、その異常を検出することはできなかった。
【0005】
また、上記従来の切換弁は、マグネットを、スプール外周の作動流体の流路中に設けているため、該マグネットが作動流体と直接接触することになり、この作動流体中に水分や化学ミストあるいは金属粉のような磁性体粒子等が含まれていると、それらと接触することによって該マグネットが錆びたり腐食したり微細粒子を吸着したりし、磁力の低下による検出制度の低下や、吸着した微細粒子による弁部材の動作不良等を生じ易かった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主要な技術的課題は、弁部材の全ストローク中の動作位置を検出することが可能な位置検出機能付き切換弁を提供することにある。
【0007】
本発明の従属的な技術的課題は、上記切換弁において、位置検出手段を構成する部品が作動流体と接触するのを防止して該作動流体による影響を排除し、優れた位置検出精度と動作安定性とを維持することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の切換弁は、複数のポートと、該ポートが開口する弁孔と、上記ポート及び弁孔を有するケーシングと、上記弁孔内に摺動自在に収容された流体流路切換用の弁部材と、該弁部材の端部側に配設され、パイロット流体圧の作用により作動して弁部材を移動させることにより流体流路を切り換えるピストン、及びパイロット流路を開閉するパイロット弁を備えた駆動手段と、上記弁部材とピストンとの間に形成されて外部に開放する呼吸室と、上記呼吸室内に設けられ、上記ピストンで移動する弁部材の端部に同軸状に取り付けられた円柱形をした基材の外面に、磁性部と非磁性部とを交互に配することにより、上記弁部材の全ストロークに対応する長さに形成された磁気目盛を有する検出ヘッドと、上記検出ヘッドに対応するケーシング部分に設けられ、該検出ヘッドの磁気目盛を読み取ることにより弁部材の動作位置を検出する磁気センサーとを有することを特徴とするものである。
【0009】
上記構成を有する本発明の切換弁によれば、弁部材と共に変移する磁気目盛を読み取ることによって磁気センサーからは、パルス状の検出信号が出力されるから、この信号をカウントすることにより、弁部材の全ストローク中の動作位置を検出することができる。従って、各動作位置と動作時間との関係から、弁部材が正常に動作したかどうかといったようなことを判別することが可能となり、故障や事故が発生する前に適切な対策を施すことができる。
【0011】
また、上記切換弁は、上記弁部材とピストンとの間に外部に開放する呼吸室が形成され、上記検出ヘッドが該呼吸室内において上記弁部材の端部に同軸状に取り付けられていることにより、磁気目盛が作動流体と直接接触することを防止することができるため、作動流体中に水分や化学ミストあるいは金属粉のような磁性体粒子等が含まれていても、該磁気目盛がそれらと接触して錆びたり腐食したりあるいは磁性体粒子を吸着したりするようなことがなく、磁力の低下による位置検出精度の低下や、吸着した微細粒子による弁部材の動作不良等を生じることがない。
【0012】
本発明の具体的な実施形態によれば、上記検出ヘッドが、上記基材の内部を貫通するプラグによって上記弁部材に取り付けられている。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る切換弁の第1実施例を示すもので、ここに例示された切換弁は、1つのパイロット弁2で主弁1を切り換えるシングルパイロット式の切換弁である。
【0015】
上記主弁1は、5ポート弁としての構成を有するもので、非磁性体素材からなるケーシング4を含んでいる。このケーシング4は、直方体状をした第1部材4aと、その一端に連結されてパイロット弁2を取付けるためのアダプターを兼ねる第2部材4bと、他端に連結されてエンドカバーとして機能する第3部材4cとからなっている。
【0016】
上記第1部材4aの上下何れか一方の面には、供給ポートPと2つの排出ポートE1,E2とが設けられ、他方の面には2つの出力ポートA,Bが設けられ、第1部材4aの内部には、これらの各ポートが軸線方向に並んで開口する弁孔5が設けられ、この弁孔5内に、流路切換用の弁部材であるスプール6が摺動自在に収容されている。
【0017】
上記スプール6の外周には、上記各ポート間を結ぶ流路同士を相互に区画するための複数のシール部材7が設けられると共に、スプール6の両端部外周に、該スプール6の端部が臨む呼吸室9と一部の流路との間を遮断する端部シール部材8がそれぞれ設けられている。図中10は、スプール6の摺動を安定化させるためのガイドリングである。
【0018】
一方、上記第2部材4b及び第3部材4cには、スプール6の両端が臨む位置にピストン室11a,11bがそれぞれ形成されている。第2部材4bに形成された第1ピストン室11aは大径で、その中には大径の第1ピストン12aが摺動自在に収容され、第3部材4cに形成された第2ピストン室11bはそれより小径で、その中には小径の第2ピストン12bが摺動自在に収容されている。そして、これらの各ピストンのうち第2ピストン12bは、スプール6の端面に直接当接し、これに対して第1ピストン12aは、位置検出機構20の一部を構成する検出ヘッド21を介してスプール6の端面に当接している。
【0019】
また、上記各ピストン12a,12bの背面側、即ちスプール6に当接している面とは反対側の部分には、第1パイロット圧力室13aと第2パイロット圧力室13bとがそれぞれ形成され、各ピストン12a,12bとスプール6の端面との間には、外部に開放する上記呼吸室9,9がぞれぞれ形成されており、これらの圧力室13a,13bと呼吸室9,9との間は、ピストン12a,12bの外周に取り付けられたピストンパッキン15,15で気密に遮断されている。
【0020】
大径の第1ピストン12a側にある第1圧力室13aは、パイロット流路16a,16bにより上記パイロット弁2及び手動操作機構17を介して供給ポートPに連通し、小径の第2ピストン12b側にある第2圧力室13bは、パイロット流路16cを通じて上記供給ポートPに常時連通している。
【0021】
そして、上記パイロット弁2がオフの状態にあって第1圧力室13aにパイロット流体が供給されていないときは、第2圧力室13bに供給されているパイロット流体圧により第2ピストン12bが押されるため、スプール6は図1に示すように左側に移動した第1切換位置にある。この状態から上記パイロット弁2がオンとなって第1圧力室13aにパイロット流体が供給されると、2つのピストン12a,12bの受圧面積の差により、第1ピストン12aに作用する流体圧作用力の方が第2ピストン12bに作用する流体圧作用力より大きいため、スプール6はこの第1ピストン12aに押されて右側に移動し、第2切換位置を占める。
【0022】
また上記手動操作機構17は、操作子17aを押し下げることによりパイロット流路16a,16b同士を直接接続させて、第1圧力室13aを供給ポートPに連通させるもので、その操作状態はパイロット弁2がオンになった場合と同じである。
【0023】
なお、上記パイロット弁2は、ソレノイドへの通電によってパイロット流路を開閉する電磁操作式のパイロット弁であって、その構成及び作用は公知のものと同じであるため、その具体的な説明は省略する。
【0024】
上記切換弁には、スプール6の動作位置を検出するための上記位置検出機構20が設けられている。この位置検出機構20は、上記スプール6に取り付けられた検出ヘッド21と、ケーシング4側の定位置に固定的に取り付けられて該検出ヘッド21上の磁気目盛23を読み取る磁気センサー22とを含んでいる。
【0025】
上記検出ヘッド21は、図2〜図4からわかるように、スプール6の端部と同径かあるいはそれより僅かに小径の円筒形をした基材24の外面に、磁性部23aと非磁性部23bとを一定ピッチ(例えば0.8mmピッチ)で軸線方向に交互に配設した上記磁気目盛23を有するもので、上記スプール6の端部の呼吸室9に臨む位置に、該検出ヘッド21に挿通したプラグ25でスプール6と同軸状に取り付けられている。
【0026】
上記磁気目盛23を形成する場合、非磁性体からなる基材24を使用して、その外面に一定間隔で磁性体を埋め込むようにしても、それとは逆に、磁性体からなる基材24を使用して、その外面に一定間隔で非磁性体を埋め込むようにしても良い。また、上記磁性体又は非磁性体を埋め込む場合は、図示した如くリング状に形成したものを基材24の全周を取り巻くように埋め込んでも、短線状に形成したものを基材24外面の必要な領域だけに部分的に埋め込んでも良い。
【0027】
かくして上記検出ヘッド21を、端部シール部材8で作動流体の流路から遮断された呼吸室9に臨む位置に設けることにより、磁気目盛23が作動流体と接触するのが防止されるため、作動流体中に水分や化学ミストあるいは金属粉のような磁性体粒子等が含まれていたとしても、該磁気目盛23がそれらと接触して錆びたり腐食したりあるいは磁性体粒子を吸着したりするようなことがなく、磁力の低下による検出精度の低下や、吸着した微細粒子によるスプール6の動作不良等を生じることがない。
【0028】
一方、上記磁気センサー22は、ケーシング4の第1部材4aに形成された収容室26内に、検出ヘッド21上の磁気目盛23をスプール6の全ストロークにおいて検出できるように、該磁気目盛23に近接させて取り付けられている。この場合、上記収容室26の先端を端部シール部材8より呼吸室9側に寄った位置で弁孔5に開口させることにより、磁気センサー22を磁気目盛23と直接向かい合わせるようにしても良い。このように収容室26を呼吸室9に通じる位置で弁孔5内に開口させても、作動流体が漏洩することはない。
【0029】
上記磁気センサー22としては、磁力で電気抵抗値が変化する磁気抵抗素子が好適に使用され、この磁気センサーが、リード線22aで信号処理回路27に接続されている。この信号処理回路27は、磁気センサー22からの読取信号を増幅する増幅回路や、増幅された信号を分割してパルス信号として出力する分割回路等を含んでいて、次のような原理でスプールの位置を検出する。なお、この信号処理回路27は、図示したようにケーシング4上の適宜位置に取り付けることができる。
【0030】
即ち、上記磁気センサー22がスプール6と共に移動する磁気目盛23を読み取ると、この磁気センサー22から図6に示すようなsin/cosの波形を持ったA相とB相との2相信号が出力される。これらの波形は、その1周期分が磁気目盛23の1ピッチに相当している。
【0031】
上記信号は、信号処理回路に送られて増幅回路で増幅されたあと、分割回路で複数に分割され、図7に示すようなパルス信号が図示しないコントローラーに向けて出力される。そこで、このパルスをカウンターで計数することにより、スプールの動作位置を検出することができる。
【0032】
例えば、磁気目盛23が0.8mmピッチで刻まれている場合、磁気センサー22からの信号を増幅して1/8に分割すると、0.1mm/パルスの90度位相差パルス信号が出力されるから、0.1mmの分解能でスプールの位置を検出することができる。また、信号を1/20に分割すると、0.04mmという高い分解能でスプールの位置を検出することができる。
【0033】
従って、スプール6が正常に動作したときの動作時間と各動作位置との関係など、自動制御や保守、管理等に必要なデータをコントローラーに予め入力しておいて、検出結果をこれらのデーターと比較することにより、スプール6の動作が正常であったか否かといったようなことを判別することができ、これにより、故障前にその前兆を検知して予防処置を施すことが可能となり、故障や事故等の発生により機器の運転を長時間停止するといったような事態を未然に防ぐことができる。
なお、検出されたスプール6の動作位置や動作時間等は、ディスプレイ装置に数値やグラフ等で表示することができる。
【0034】
図5は本発明の第2実施例を示すもので、この第2実施例が上記第1実施例と相違する点は、第1実施例ではケーシング4の第1部材4aに磁気センサー22を取り付けているのに対し、この第2実施例では、センサー取付用の専用の第4部材4dを第1部材4aと第2部材4bとの間に介設し、この第4部材4dに磁気センサー22を取り付けた点である。
上記以外の構成及び作用については第1実施例と同じであるから、それらの説明は省略する。
【0035】
上記各実施例では、弁部材としてスプールが示されているが、弁部材はこのようなスプールに限定されない。例えばポペットタイプの弁部材であっても良く、特に、少なくとも一端部に弁孔内を摺動する摺動部と呼吸室とを有していて、この摺動部に呼吸室と流体流路との間を遮断する端部シール部材を有しているものであれば、本発明を好適に適用することができる。
【0036】
更に、切換弁のタイプについても、実施例にあるようなシングルパイロット式のものに限定されるものでなく、ダブルパイロット式の切換弁であっても良く、あるいは電磁的又は機械的な駆動手段によってスプールが直接駆動される直動形の切換弁であっても良い。
【0037】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、弁部材と同期して変移する磁気目盛と、この磁気目盛を読み取る磁気センサーとを設けたことにより、弁部材の全ストローク中の動作位置を検出することができる。
また、上記磁気目盛を作動流体の流路から遮断された場所に設けることにより、該磁気目盛が作動流体と接触するのを防止して、作動流体中に水分や化学ミストあるいは金属粉のような磁性体粒子等が含まれている場合でも、該磁気目盛の錆びや腐食の発生、磁性体粒子の吸着等が生じないようにし、優れた位置検出精度と動作安定性とを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る切換弁の第1実施例を示す断面図である。
【図2】図1の要部拡大図である。
【図3】スプールと検出ヘッドの連結方法の詳細を示す要部断面図である。
【図4】スプールの全体斜視図である。
【図5】本発明の第2実施例を示す要部断面図である。
【図6】磁気センサーによる検出信号を示す線図である。
【図7】磁気センサーからの検出信号を分割して得られるパルス信号の図である。
【符号の説明】
P,A,B,E1 ,E2 ポート
4 ケーシング
5 弁孔
6 スプール
9 呼吸室
12a,12b ピストン
20 位置検出機構
21 検出ヘッド
22 磁気センサー
23 磁気目盛
23a 磁性部
23b 非磁性部
24 基材
Claims (2)
- 複数のポートと;
上記各ポートが開口する弁孔と;
上記ポート及び弁孔を有するケーシングと;
上記弁孔内に摺動自在に収容された流体流路切換用の弁部材と;
上記弁部材の端部側に配設され、パイロット流体圧の作用により作動して弁部材を移動させることにより流体流路を切り換えるピストン、及びパイロット流路を開閉するパイロット弁を備えた駆動手段と;
上記弁部材とピストンとの間に形成されて外部に開放する呼吸室と;
上記呼吸室内に設けられ、上記ピストンで移動する弁部材の端部に同軸状に取り付けられた円柱形をした基材の外面に、磁性部と非磁性部とを交互に配することにより、上記弁部材の全ストロークに対応する長さに形成された磁気目盛を有する検出ヘッドと;
上記検出ヘッドに対応するケーシング部分に設けられ、該検出ヘッドの磁気目盛を読み取ることにより弁部材の動作位置を検出する磁気センサーと;
を有することを特徴とする位置検出機能付き切換弁。 - 請求項1に記載の切換弁において、上記検出ヘッドが、上記基材の内部を貫通するプラグによって上記弁部材に取り付けられていることを特徴とするもの。
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