JP3919270B2

JP3919270B2 - 変位又は力の増幅機構

Info

Publication number: JP3919270B2
Application number: JP32121296A
Authority: JP
Inventors: 正博南部
Original assignee: アドバンスドエナジージャパン株式会社
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2016-11-18
Also published as: JPH10148248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位又は力の増幅機構に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体流量制御弁として、特開平３−１５７５７０号公報に示されるピエゾタイプの流体流量制御弁がある。この流体流量制御弁は、ピエゾスタックによる変位をダイアフラムを介して弁体に伝達している。
この流体流量制御弁では、弁体に閉曲線を描くような隔壁を形成して、弁体を通過する流体の通過面積を実効的に大きくし、僅かな変位で大流量の流体を制御できるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような構成の流体流量制御弁では、弁体に隔壁を形成して開口面積を大きくしても、ピエゾスタックの変位が最大４０から５０ミクロンしかないため、開口面積に比較して圧力損失が大きく、流量範囲の拡大には限界がある。また、流量範囲を拡大できてもバルブの変位は同じであるため、バルブゲイン（流量／変位）が高くなり、微妙な流量制御は難しいという問題を有する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一組のリテーナと、
前記リテーナの間に等間隔で固着された３つのスペーサと、
前記スペーサ間に等間隔で配された３つの球体収納部材とを有し、
前記球体収納部材は、一方の面に１つの球体が、他方の面に少なくとも３つの球体が前記リテーナの中心に向う三角形の各頂点の位置に、それぞれ、前記球体収納部材に設けた凹みに収納されており、
前記リテーナには前記球体の直径よりも小さい直径の孔があけられ、該孔に前記球体が該孔との間に隙間を設けて嵌合されており、
前記球体収納部材の他方の面の少なくとも３つの球体のうち外側にある２つの球体は不動のハウジングに接し、内側の球体は入出力部材の一方に接し、
前記球体収納部材の一方の面にある球体は入出力部材の他方に接するようになっていることを特徴とする、
変位又は力の増幅機構によって、前記の課題を解決した。
【０００５】
【作用】
本発明の変位又は増幅機構は、変位又は力を拡大したい入出力部材の間で使用され、低摩擦の球体の３点での接触を介して、てこの原理によって、変位又は力を拡大して出力側に伝達する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の増幅機構の実施形態を、図１乃至図６によって説明する。
図１（ａ）は、本発明の変位増幅機構としての第１実施形態の上面図である。この変位増幅機構１０は、円板状（これに限定されない。）の上部リテーナ２１及び下部リテーナ２２の間に、等間隔に３つの円柱状（これに限定されない。）スペーサ４を固着し、各スペーサ４の間に３つの球体収容部材６を等間隔で挟んで形成されている。
上部リテーナ２１には、等間隔に、３箇所、孔２１ａ，２１ｂ，２１ｃがあけられており、一方、下部リテーナ２２には、中心付近に３つ、円周付近に６つ、合計９つの孔があけられている。下部リテーナ２２の前記孔は、１つの球体収容部材６について見ると、中心に向う三角形の各頂点の位置にある。
上部リテーナ２１の中心に近い部分は、下向きに凹ませられているが、これは、作動時に、鋼球６３が球体収容部材６の凹みから外れて内側に移動したりしないようにするためである。
【０００７】
球体収容部材６は、スペーサ４を固着した２枚のリテーナ２１，２２の間に入る厚さを持つ二等辺三角形（これに限定されない。）の板状で、その上面には、１つの鋼球６２、下面には３つの鋼球６１，６１，６３を受け入れるように、鋼球の直径よりもやや大きな直径で断面が略半円状の凹みが形成され、その中に、各鋼球が入れられている。これらの鋼球６１，６２，６３は、通常、ボールベアリングに使用される焼き入れ硬化された鋼球であり、入手は容易である。なお、鋼球は、本発明で使用する「球体」の一例であり、材質としては、必ずしも鋼球に限定されるわけではない。例えば、セラミック球体のようなものでもよい。
【０００８】
鋼球６１，６２，６３の直径は、リテーナ２１，２２にあけられた孔の直径よりも大きい。従って、球体収納部材６の上面及び下面においてリテーナ２１，２２にあけられた孔に鋼球が所定の位置に入れられ、後述の入出力部材とハウジングに接したとき、各鋼球はリテーナ２１，２２との間で遊びがあって（換言すれば、各鋼球はリテーナ２１，２２にあけられた孔と各鋼球との間に隙間を設けて嵌合させられているので）、その動きが妨げられないとともに、拘束状態から抜け出すことがない。すなわち、リテーナ２１，２２は、ボールベアリングにおけるリテーナと同じ作用をしている。
【０００９】
上部リテーナ２１の孔２１ａ，２１ｂ，２１ｃに遊びをもって嵌合された鋼球６２は、入力部材２０２ａと接し、下部リテーナ２２の孔に遊びをもって嵌合された鋼球６１は固定ハウジング２０１と、鋼球６３は出力部材２０２ｂと、それぞれ接している。入力部材２０２ａ、出力部材２０２ｂ、及び固定ハウジング２０１の、鋼球６１，６２，６３と接する箇所は、ベアリング用鋼球と点接触して、てこの作用をしなければならないので、例えば、ステンレス鋼に焼き入れ硬化処理が施されている。そして、摩擦低減のため、鋼球にはグリースを塗っておくのが好ましい。
固定ハウジング２０１は動かないから、固定ハウジング２０１に接する鋼球６１は、後述の「てこ」の作用において、不動の支点として働くことになる。従って、入力部材２０２ａを介して鋼球６２に与えられた変位が、作用点となる鋼球６３を介して増幅して伝達され、出力部材２０２ｂの拡大された動きとなる。
【００１０】
図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、スペーサ４は、上下のリテーナ２１，２２に、接着、又は溶接のような手段によって固着されている。
具体的数値の一例をあげると、鋼球はベアリング用の直径２ｍｍのものであり、リテーナは直径３０ｍｍの円板であり、スペーサの長さは５ｍｍである。
【００１１】
図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図１（ｃ）に示すように、球体収納部材６の外側下部鋼球６１と上部鋼球６２との距離をＬ１、下部鋼球６１，６３間の距離をＬ２とする。変位は入力部材２０２ａを介して球体収納部材６の上部鋼球６２へ伝えられ、次に下部鋼球６１をてこの支点として、作用点である下部鋼球６３を介して、出力部材２０２ｂに伝えられる。このとき、入力変位をＸ１、出力変位をＸ２とすると、近似的に、Ｘ２＝Ｘ１×Ｌ２／Ｌ１となり、出力変位Ｘ２は、入力変位Ｘ１のＬ２／Ｌ１倍に拡大されて伝達されることになる。図１（ｄ）は、従来のものと比較して、本発明による変位拡大機能を図示したものである。
【００１２】
図２は、増幅機構１０の斜視図である。
この増幅機構１０を使用したピエゾタイプの流体流量制御弁３００を、図３に示す。
ベース１００には、流入側通路１０１と流出側通路１０２が形成されている。ベース１００の上部にはダイアフラム押さえ１０３が設けられ、ダイアフラム１０３押さえの内側にはホルダー１０４を介して弁座１０５が配置され、ダイアフラム１０３ａの真下には、ロッド１０７と弁体１０６が設けられ、弁体１０６はバネ２００によって常に上方へ押圧されている。ベース１００とダイアフラム押さえ１０３及びベース１００とホルダー１０４との間は、Ｏリング１０８，１０９により、シールされている。ダイアフラム１０３ａの上部にはブースターハウジング（固定ハウジング）２０１が固定されている。ブースターハウジング２０１内には入力部材２０２ａ及び出力部材２０２ｂが配され、これらの部材の間に、本発明の増幅機構１０が配置される。
入力部材２０２ａは、ピエゾスタック２０４からの変位Ｘ１をダイアフラム２０３を介して増幅機構１０に伝え、増幅機構１０によって増幅された変位Ｘ２は、出力部材２０２ｂからダイアフラム１０３ａを介してロッド１０７に伝達され、バルブが開閉される。
【００１３】
本発明の増幅機構の第２実施形態を図４に示す。図４の増幅機構１０’では、上下リテーナの図示を省略している。
この第２実施形態では、各球体収納部材６’について、出力部材２０２ｂ’に接する下部鋼球６４を、内側鋼球６３’の外側に配置し、内側鋼球６３’については、出力部材２０２ｂ’との間に、δの遊び、すなわち、隙間を持たせている。上部鋼球６２’と下部鋼球６１’の距離はＬ１、鋼球６４と鋼球６１’の距離はＬ２、鋼球６３’と鋼球６１’の距離はＬ３である。この隙間δによって、入力部材２０２ａ’からの変位Ｘ１は、２段階に拡大され、拡大された変位Ｘ２は、近似的に、Ｘ１×Ｌ２／Ｌ１及び、Ｘ１×Ｌ３／Ｌ１と計算される。図２（ｃ）は、この拡大機能を図示したものである。
このように、変位を２段階に増幅することによって、バルブ開き始めの流量制御を微細に行ない、最大流量を大きくすることができる。
【００１４】
次に、本発明の第３実施形態として、図５（ａ）に示すように、本発明の増幅機構１０”を用いてブースターユニットを構成し、力の増幅機構として利用する場合を説明する。
てこの作用により、小さな力を大きな力に変換する（その結果、大きな変位は小さな変位に変換される。）ことができるが、このような機能は、例えば、電磁弁において、推力を拡大して作用させたいような場合に応用することができる。
これを実現するには、これまで説明した変位拡大機構において、入力と出力を逆にすればよい。図５（ａ）はこの構成を図示したものであるが、その構成と作用は、これまで説明したことから明らかであるから、詳細な説明は省略する。図５（ｂ）は、力の拡大機能を図示したものであるが、増幅された力Ｆ１は加えられた力Ｆ２のＬ２／Ｌ１倍となる。
【００１５】
図６に、ピエゾタイプの流体流量制御弁に印加された電圧と変位量の関係を示す。図中の１は本発明の変位増幅機構を用いたときの変位、２は従来装置による変位を示し、本発明の増幅機構を用いたピエゾタイプの流体流量制御弁の変位量は、従来の流体流量制御弁と比較して略４倍とすることができる。
なお、本発明の増幅機構は、流量制御弁のみならず圧力制御弁にも応用できることは、言うまでもない。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は上記の構成により、下記の効果を奏する。
■ピエゾスタックの微小なストロークを拡大して、ピエゾタイプの流体流量制御弁の流量制御範囲を大きくすることができる。
■前記ストロークの拡大により、ピエゾタイプの流体流量制御弁の流量制御性を高めることができる。
■電磁弁の推力拡大機構としても使用することができる。
■球体を使用しているので、摩擦損失が少なく、増幅効率がよい。
■球体の３箇所での点接触構造を基本としているので、力を均一に分散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位又は力の増幅機構を示し、（ａ）は増幅機構の上面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）はこの変位の増幅機構の入力変位Ｘ１と出力変位Ｘ２との関係を示す図。
【図２】本発明の変位又は力の増幅機構の斜視図。
【図３】本発明の変位増幅機構を使用したピエゾタイプ流体流量制御弁の断面図。
【図４】本発明の変位増幅機構の第２実施形態を示し、（ａ）は入力が加えられていない状態の増幅機構の断面図、（ｂ）は入力が加えられた状態の増幅機構の断面図、（ｃ）はこの増幅機構の入力変位Ｘ１と出力変位Ｘ２との関係を示す図。
【図５】本発明の第３実施形態としての力の増幅機構を示し、（ａ）は増幅機構の断面図、（ｂ）はこの増幅機構の入力Ｆ２と増幅された出力Ｆ１の関係を示す図。
【図６】本発明の変位増幅機構を使用した流体流量制御弁と従来の流体流量制御弁の、ピエゾ電圧と変位の関係を示す図。
【符号の説明】
１０，１０’，１０”：変位又は力の増幅機構
２１，２２：リテーナ
４：スペーサ
６，６’，６”：球体収納部材
６１，６２，６３，６１’，６２’，６３’，６４：鋼球（球体）
２０２ａ：入力部材
２０２ｂ：出力部材

Claims

一組のリテーナと、
前記リテーナの間に等間隔で固着された３つのスペーサと、
前記スペーサ間に等間隔で配された３つの球体収納部材とを有し、
前記球体収納部材は、一方の面に１つの球体が、他方の面に少なくとも３つの球体が前記リテーナの中心に向う三角形の各頂点の位置に、それぞれ、前記球体収納部材に設けた凹みに収納されており、
前記リテーナには前記球体の直径よりも小さい直径の孔があけられ、該孔に前記球体が該孔との間に隙間を設けて嵌合されており、
前記球体収納部材の他方の面の少なくとも３つの球体のうち外側にある２つの球体は不動のハウジングに接し、内側の球体は入出力部材の一方に接し、
前記球体収納部材の一方の面にある球体は入出力部材の他方に接するようになっていることを特徴とする、
変位又は力の増幅機構。
前記球体収納部材の他方の面に、入出力部材の一方に接する球体を前記内側の球体より外側に配置し、前記内側の球体と前記入出力部材の一方との間に隙間を持たせた、請求項１の変位又は力の増幅機構。
ピエゾタイプの流体流量制御弁のピエゾスタックに前記入力部材が連結されている、請求項１の変位の増幅機構。
電磁弁に使用されて推力を拡大する、請求項１の力の増幅機構。