JP4695856B2 - 気体圧制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、気体圧制御弁に係り、特に複数のランド部を有するスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持するスリーブとを備え、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により負荷圧を制御する気体圧制御弁に関する。

流体圧回路や流体供給回路において管路の圧力制御や流量調整を行うために、移送弁あるいはサーボ弁等と呼ばれるフィードバック機構を内蔵した制御弁装置が用いられる。例えば、特許文献１には、トルクモータでスプールを駆動する油圧回路の流量等を制御するサーボ弁が開示され、特許文献２にはフォースモータでスプールを駆動する流体回路の流量等を制御するパイロットバルブが開示される。これらにおいて、スプールは複数のランド部を有し、そのスプールは軸方向移動可能にスリーブにより支持され、スリーブには圧力流体の供給口と、排出口と、圧力等が制御された流体を負荷に出力する負荷口が設けられ、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により、スプールのランド部と負荷口等の位置関係を変化させて負荷に出力する流体の圧力や流量を制御している。

例えば、負荷口の軸方向の開口長さとほぼ同じ長さで、スプールの中央ランド部を設定し、そのランド部の一方側に供給口から圧力流体を供給し、他方側を排出口側に接続する構成をとる。この構成の場合では、中立位置ではスプールの中央ランド部がちょうど負荷口をふさぐが、スプールを僅かに排出口側に移動すると、中央ランド部と供給口との間の位置関係が変わり、供給口側と負荷口が連通し、圧力気体が負荷口に流れ込む。これによりスプールはさらに排出口側に移動しようとするが、実際にはサーボ弁にはスプールを中立位置に戻す付勢力が与えられ、あるいは位置検出等のフィードバックが行われるので、スプールは逆に供給口側に戻される。スプールが供給口側に戻されると、中央ランド部と排出口との間の位置関係が変わり、排出口側と負荷口が連通し、負荷側の流体は大気に排出される。そこで再び付勢力又はフィードバックによりスプールは供給口側に戻される。

このように、スプールのランド部と負荷口等との位置関係と、スプールの付勢力又は運動検出のフィードバックにより、スプールは中立位置を中心に微妙に移動させることで、負荷に出力する流体の圧力や流量を制御することができる。

特開昭４２−１２８８０号公報 特公昭３９−４９５８号公報

近年、位置決め装置において、その精度、分解能の向上の要求が著しい。例えば、半導体装置の露光装置では、半導体デバイスの最小寸法が１００ｎｍを切る。したがって、半導体デバイスの寸法精度の要求は１０ｎｍ以下となり、そのための位置決めアクチュエータの位置決め精度は１ｎｍ以下、つまりサブｎｍのものが要望される。また、その高速性も同様に要求される。このような精密位置決め装置や、精密移動機構等に気体アクチュエータを用いることが期待されている。すなわち、気体圧アクチュエータを用いる移動機構は、他の機構に較べ、コンタミネーションの発生が少ないほか、電磁的ノイズを発生せず、振動、騒音も少ないからである。

そのためには、気体アクチュエータに供給する気体圧を精密に制御する必要があるが、従来技術のスプールとスリーブを用いる気体圧制御弁においては限界がある。すなわち、上記のように、この方式ではスプールの僅かな変化で、負荷口の出力、例えば出力圧力を大きく変化させることができることに特徴があるが、そのために、スプールの移動量に対する出力圧力の関係は、ゲインは大きいが非線形となる。したがって、スプールの移動をいかに細かく調整しても、負荷口の出力圧力は非線形で大きく変化し、気体アクチュエータに供給する気体圧を精密に制御することに限度がある。

なお、特許文献１のようにトルクモータでアーマチュアを回転させ、その揺動をスプールの直線移動に変換する方式は、その回転自体で磁気ギャップが変化し、アーマチュアの運動にヒステリシスが生じ、駆動信号に対し、アーマチュアの位置、すなわちスプールの位置が不確定になる問題がある。

その観点からは、特許文献２のようなフォースモータにより直接スプールを直線駆動する方式の方が望ましい。フォースモータは、直線方向に配置された固定子磁気ギャップの中をコイルの可動子が移動するもので、いわゆるリニアモータである。この方式では、コイルに流す電流に比例して可動子の推力が決まり、可動子にスプールを接続することで、スプールの位置をコイルに流す電流で精度よく容易に制御できる。しかし、スプールの移動駆動を精密に調整しても、上記のように、負荷口の出力圧力は非線形で大きく変化してしまうので、そのままでは、気体アクチュエータに供給する気体圧を精密に制御することに限度がある。

また、負荷口において、供給口側から圧力気体が流れ込むとき、あるいは負荷側の気体が大気に連通する排出口に流れるとき、中央ランド部と供給口側、あるいは中央ランド部と排出口側のところでは狭い隙間を圧力気体が高圧側から低圧側に流れる。このように狭い隙間で気体が絞られるのは、オリフィスによって気体が絞られるのと同じで、乱流や渦流等が生ずることがあり、特に、高圧かつ高速の気体を扱うときはオリフィスのエッジ等から衝撃波が生ずることがあることが知られている（例えば、白倉等，「機械工学全書１２ 流体力学」，株式会社コロナ社，１９８２年７月１日，第１刷，ｐ１８１，ｐ２００等参照）。このような乱流、渦流、特に衝撃波は、絞られた後の気体の圧力に対し、ノイズとなる。したがって、負荷に供給される気体に衝撃波等のノイズが伴うことがあり、気体アクチュエータに供給する気体圧に好ましくない影響を与える。

このように、従来技術のスプール・スリーブ方式気体圧制御弁では、スプールの移動駆動に対し出力圧力が非線形となり、また、出力される気体に衝撃波等のノイズを伴うことがある。したがって、従来技術のスプール・スリーブ方式気体圧制御弁を用いて、例えば、精密位置決め装置や、精密移動機構等の気体アクチュエータに気体圧を供給すると、それらが要求する気体圧の精度に比べ不十分なことがある。

本発明の目的は、スプールの移動駆動に対する出力圧力の非線形性を抑制できる気体圧制御弁を提供することである。他の目的は、出力圧力のノイズを抑制することができる気体圧制御弁を提供することである。以下に述べる手段は、これらの目的の少なくとも１つに奉仕するものである。

本発明に係る気体圧制御弁は、間隔をおいて軸方向に配列された複数のランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室とを形成するスリーブであって、第１圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から２次側気体圧を有する気体を取出して出力する負荷口とを含むスリーブと、スプールを軸方向に直線駆動する駆動機構であって、軸方向に配置された固定子磁気ギャップと、駆動電流信号が入力されるコイルを有し固定子磁気ギャップと協働して軸方向に駆動される可動子とを含む駆動機構と、を備え、第１圧力室は、負荷口に向かい合う負荷口ランド部と、負荷口ランド部の一方側に隣接する一方側ランド部との間に形成され、第２圧力室は、負荷口ランド部の他方側に隣接し一方側ランド部の外径よりも小さい外径を有する他方側ランド部との間に形成され、負荷口ランド部は、第１圧力室側に設けられ、一方側ランド部の外径と同じ外径を有する第１フランジと、第２圧力室側に設けられ、他方側ランド部の外径と同じ外径を有する第２フランジと、第１フランジと第２フランジとの間を接続し第２フランジの外径と同じかそれより小さい外径の接続ランド部と、を有し、駆動機構は、スプールに加わる軸方向の気体圧による推力である気体圧推力が、第1フランジの受圧面積と第２フランジの受圧面積の差である受圧面積差に負荷口の２次側気体圧を乗算した値となることを利用し、２次側気体圧に比例した駆動電流信号による駆動力をこの気体圧推力に釣り合わせてスプールを軸方向に駆動し、スリーブに設けられる負荷口は、一方の開口が負荷口に面し、他方の開口がスリーブの外周に設けられる複数のスリットを含み、スリットの整流作用により流れる気体を乱れなく形成することを特徴とする。

また、本発明に係る気体圧制御弁において、スリーブに設けられる負荷口は、スリーブの円周に沿って一定間隔で設けられる複数のスリットで構成されることを特徴とする。

また、複数のスリットのそれぞれは、所定の平行隙間を有する平行隙間スリットであることが好ましい。また、複数のスリットのそれぞれは、一方の開口の隙間より他方の開口の隙間が広い隙間広がりスリットであることが好ましい。

また、本発明に係る気体圧制御弁において、スリーブに設けられる負荷口は、複数のスリットに代えて、一方の開口が負荷口に面し、他方の開口がスリーブの外周に設けられ、気体の流れ方向に沿い並列に配置された所定の断面積を有する複数の管路を含み、管路の整流作用により流れる気体を乱れなく形成することを特徴とする。

また、本発明に係る気体圧制御弁において、スプールに対し、軸方向に沿った任意のオフセット位置を中心に付勢するつり合いばねを備えることが好ましい。

また、本発明に係る気体圧制御弁において、スプールの軸方向の変位を検出する変位センサ又は軸方向の速度を検出する速度検出センサのうち少なくとも一方を備えることが好ましい。

上記構成により、スプールとスリーブを用いる気体圧制御弁において、軸方向に配置された固定子磁気ギャップと、可動子とを含む駆動機構により、スプールが軸方向に移動駆動される。この駆動機構は、いわゆるリニアモータ又はフォースモータと呼ばれることがある。固定子磁気ギャップは、可動子の移動方向である軸方向に配置され、可動子すなわちスプールの移動により磁気ギャップが変動することがなく、したがって、スプールの駆動においてヒステリシスを抑制することができる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、負荷口に向かい合うスプールのランド部は、両端にフランジを有し、１次側気体圧が供給される第１圧力室側の第１フランジの受圧面積の方が、排気口につながる第２圧力室側の第２フランジの受圧面積よりも大きい。これにより、以下に説明するように、リニアモータの駆動電流と、負荷口からの出力圧力との関係がほぼ直線関係とすることができる。

図１に、上記構成の要部を示す。図１において、スプール１０はスリーブ１２に軸方向移動可能に支持され、スプール１０は、軸方向に間隔を置いて配列された３つのランド部１４，１６，１８と、隣接するランド部を接続するステム部とを含む。スプール１０は図示されていないリニアモータによって、図１に示すＸ方向、すなわち軸方向に移動駆動される。

従来一般的なスプールとスリーブの組み合わせは、スリーブの内径は軸方向に一様で、スプールの各ランド部の外径も、スリーブの内径よりやや小さめであるが同じである。図１においては、スリーブ１２の内径が紙面の左側寄りの部分と右側寄りの部分とで異なり、それに応じ、左側ランド部１６の直径Ａは、右側ランド部１８の直径Ｂより大きい。そして中央ランド部１４は、左側ランド部１６に面する方に直径Ａの第１フランジ２０、右側ランド部１８に面する方に直径Ｂの第２フランジ２２を有し、その間は第２フランジ２２の直径Ｂと同じかそれよりさらに小さい直径Ｄの軸部で接続される。左側ランド部１６と第１フランジ２０との間、及び右側ランド部１８と第２フランジ２２との間は、いわゆるステム部で、その直径はｄである。図１においては、Ａ＞Ｂ≧Ｄ＞ｄの関係に設定される。このように、スプール１０は段付き構造となり、スリーブ１２もそれに対応し、内径が段付き構造となっている。

また、スリーブ１２には、１次側気体圧Ｐｓが供給される供給口２４と、大気Ｐ_０に開放される排気口２６と、中央ランド部１４の軸方向の幅に対応する開口を有し、図示されていない負荷に気体圧Ｐａを出力する負荷口２８とが設けられる。そして、左側ランド部１６と第１フランジ２０とスリーブ１２の内径と直径ｄのステムとにより第１圧力室３０が形成され、第１圧力室３０は供給口２４に向かい合う。同様に、右側ランド部１８と第２フランジ２２とスリーブ１２の内径と直径ｄのステムとにより第２圧力室３２が形成され、第２圧力室３２は排気口２６に向かい合う。中央ランド部１４においては、第１フランジ２０と第２フランジ２２とスリーブ１２の段付き内径と直径Ｄの軸部分とで、負荷口２８に向かい合う制御圧力室３４が形成される。

したがって、第１フランジ２０は、スリーブ１２の内径と協働して、第１圧力室３０と、制御圧力室３４ないし負荷口２８との間を仕切る機能を有し、第２フランジ２２は、スリーブ１２の内径と協働して、第２圧力室３２と、制御圧力室３４ないし負荷口２８との間を仕切る機能を有する。これにより、スプール１０が図１に示す−Ｘ方向に移動駆動されると、第１フランジ２０が負荷口２８の開口側に移動し、供給口２４から１次側気体圧Ｐｓが負荷口２８へ流れ込む。逆に、スプール１０が図１に示す＋Ｘ方向に移動駆動されると、第２フランジ２２が負荷口２８の開口側に移動し、図示されていない負荷から排気口２６を介し大気Ｐ_０に気体が開放される。そして、スプール１０の移動を元に戻す付勢力又は適当なフィードバックにより、負荷口２８に出力される２次側気体圧Ｐａが所望の値に調整されることになる。

このような構成で、スプール１０に図示されていないリニアモータから軸方向の駆動力Ｆが与えられると、この駆動力Ｆは、スプール１０に加わる軸方向の気体圧による推力とつりあう。スプール１０に加わる軸方向の気体圧による推力は、１次側気体圧Ｐｓが第１ランド部１６と第１フランジ２０にそれぞれ逆方向に加わり、大気Ｐ_０が第２ランド部１８と第２フランジ２２にそれぞれ逆方向に加わるほか、制御圧力室３４において、気体圧Ｐａが第１フランジ２０と第２フランジ２２にそれぞれ逆方向に加わる。第１ランド部１６の直径＝第１フランジ２０の直径＝Ａで、第２ランド部１８の直径＝第２フランジ２２の直径＝Ｂであるので、結局気体圧による推力は次の大きさとなる。

{（Ａ^２−Ｄ^２）−（Ｂ^２−Ｄ^２）}×（π／４）×Ｐａ＝（Ａ^２−Ｂ^２）×（π／４）×Ｐａ
したがって、気体圧による推力は、負荷に供給したい所望の２次側気体圧Ｐａに比例する大きさとなり、これが図示されていないリニアモータの駆動力Ｆとつりあう。リニアモータの駆動力は、可動子コイルに流す電流Ｉに比例するので、所望の２次側気体圧Ｐａは駆動電流Ｉと比例関係にあることになる。その様子を図２に示す。

図２は、リニアモータの可動コイルに流す入力電流Ｉと、それによりスプール１０が軸方向に移動駆動されて負荷口２８から出力される出力圧力Ｐの関係を示す図である。このように、入力電流Ｉと出力圧力Ｐとは、ほぼ比例関係にある。

このように、スプールとスリーブとを用いる気体圧制御弁において、スリーブを段付き構造とし、スプールの中央ランド部の構成を、気体圧を受ける面積の異なる２つのフランジを両端に備える構成とすることで、スプールの移動駆動に対する出力圧力の非線形性を抑制して、ほぼ比例関係とすることができる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、負荷口は、複数のスリットを含むものとし、スリットの整流作用により、流れる気体を乱れなく形成する。乱れなく形成された気体は、乱流、渦流を含まず、衝撃波を生ずることもない。したがって、出力圧力のノイズを抑制することができる。

また、スリットのそれぞれは平行隙間スリットとするので、負荷口を製作する加工が容易である。スリットのそれぞれは隙間広がりスリットとするので、気体の流れが下流側に向かって滑らかになる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、負荷口は、所定の断面積を有する複数の管路を並列に複数配置する。すなわち、気体流路をその断面積に渡り２次元的に多数の平行隙間に分割し、これを所定断面積の複数の管路としてその整流作用により流れる気体を乱れなく形成する。乱れなく形成された気体は、乱流、渦流を含まず、衝撃波を生ずることもない。したがって、出力圧力のノイズを抑制することができる。

また、つり合いばねを備えるので、スプールを任意のオフセット位置に設定でき、これによりスプールの中立位置あるいは駆動原点を正確に設定でき、スプールの駆動を正確なものとでき、出力圧力を精度よく制御できる。

また、スプールの運動について、変位センサ又は速度検出センサのうち少なくとも一方を備えるので、スプールの駆動に変位フィードバック又は速度フィードバック又はその双方のフィードバックが可能となり、正確なスプールの駆動を行うことができ、出力圧力を精度よく制御できる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下の説明に用いる寸法等の数値は、１例であり、気体圧制御弁に要求される性能、および全体の大きさ等を考慮して適宜変更することができる。

図３は、図示されていない負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータに、精密に調整された気体圧Ｐａを供給できる気体圧制御弁２の詳細な構成図である。ここで、図示されていない気体供給源からの供給圧Ｐｓ、大気Ｐ_０、負荷に供給される出力圧力である気体圧Ｐａは、図１と同じ記号として示す。また、スプール１０及びスリーブ１２の内容も図１で説明したものと同じであるので、同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、スプール１０の軸方向、すなわち移動方向をＸ方向として図１中に示す。

気体圧制御弁２は、気密構造の筐体４の中に、図１で説明したスプール１０とスリーブ１２と、スプール１０を軸方向に移動駆動するリニアモータ４０と、スプール１０を軸方向に付勢するつり合いばね５２，５４と、スプール１０の軸方向速度を検出するサーチコイル型の速度検出センサ６０等を備える。

気体圧制御弁２の動作は、制御部８０により制御される。制御部８０には、速度検出センサ６０の検出信号が入力され、これらに基づき、リニアモータ４０へ駆動信号が出力される。かかる制御部８０は、適当なアナログ電子回路又はディジタル電子回路や、コンピュータ等のデータ処理装置で構成することができる。制御部８０は、気体圧制御弁２の一部として構成してもよく、また独立して構成してもよく、あるいは気体圧制御弁２の出力圧力が供給される負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータ等における制御部の一部として構成することもできる。

筐体４は、内部に気体圧制御弁２の各構成要素を収納し、スリーブ１２の供給口２４、排気口２６、負荷口２８のそれぞれ接続されて外部に開口する各気体ポートを除いて気密であるケース体で、数個のブロックを組み立てて得ることができる。図３の例では、スリーブ１２の外周を固定保持するブロックを中心に、リニアモータ４０と速度検出センサ６０を組み込みやすいように、全体として４つのブロックに分けられている。かかる筐体４は、適当な金属ブロックを加工し、適当な気密シーリングを用いながら気密に組み立て、適当な固定手段で固定して得ることができる。材質は、気密性、堅牢性等を満たせば金属以外のものを一部用いることができるが、少なくともリニアモータ４０のヨーク及びサーチコイル型の速度検出センサ６０のヨークを構成する部分は、磁性体であることを要する。

スプール１０とスリーブ１２は、図１で説明したものと同じである。なお、図３においては、記号等の輻輳を避けるため、図１で示してある寸法のＡ，Ｂ，Ｄ，ｄの表示を省略してある。スプール１０とスリーブ１２の構成をまとめると以下のとおりである。すなわち、スリーブ１２の内径は、負荷口２８のところで段付き構造となり、図３の紙面の左側すなわち＋Ｘ側の内径の方が、−Ｘ側の内径より大きい。これに対応しスプール１０において、左側ランド部１６の直径Ａのほうが右側ランド部１８の直径Ｂよりも大きい。そして、中央ランド部１４は、左側ランド部１６に面する方に直径Ａの第１フランジ２０、右側ランド部１８に面する方に直径Ｂの第２フランジ２２を有し、その間は第２フランジ２２の直径Ｂと同じかそれよりさらに小さい直径Ｄで接続される。左側ランド部１６と第１フランジ２０との間、及び右側ランド部１８と第２フランジ２２との間は、いわゆるステム部で、その直径はｄである。図１においては、Ａ＞Ｂ≧Ｄ＞ｄの関係に設定される。このように、スリーブ１２は、内径が段付き構造となり、スプール１０もそれに対応し、段付き構造となっている。

そして、スリーブ１２には、１次側気体圧Ｐｓが供給される供給口２４と、大気Ｐ_０に開放される排気口２６と、中央ランド部１４の軸方向の幅に対応する開口を有し、図示されていない負荷に気体圧Ｐａを出力する負荷口２８とが設けられる。負荷口２８は、後述するように、気体の流れを乱れなく形成するためのスリットを含む。これらは、それぞれ筐体４の供給ポート、排気ポート、負荷ポートに開口し、筐体４の供給ポートには図示されていない気体供給源が接続され、排気ポートは大気に開放され、負荷ポートには微小移動機構のアクチュエータ等の負荷が接続される。

そして、左側ランド部１６と第１フランジ２０とスリーブ１２の内径と直径ｄのステムとにより第１圧力室３０が形成され、第１圧力室３０は供給口２４に向かい合う。同様に、右側ランド部１８と第２フランジ２２とスリーブ１２の内径と直径ｄのステムとにより第２圧力室３２が形成され、第２圧力室３２は排気口２６に向かい合う。中央ランド部１４においては、第１フランジ２０と第２フランジ２２とスリーブ１２の段付き内径と直径Ｄの軸部分とで、負荷口２８に向かい合う制御圧力室３４が形成される。

また、スプール１０の右側ランド部１８の外周部と、それを支持するスリーブ１２の内径との間に気体軸受が設けられる。具体的には、右側ランド部１８の外周部に、軸方向に沿って複数の浅溝が設けられ、この各浅溝に、第１圧力室３０の供給圧Ｐｓが供給される。そのために、スプール１０の中心には、連通路３６が設けられ、第１圧力室３０と、右側ランド部１８の外周部の各浅溝とが接続される。右側ランド部１８の直径と、これに対応するスリーブ１２の内径との間の隙間を例えば７μｍとすると、浅溝の深さは、約３〜７μｍとすることができる。このような浅溝から気体を噴出し、軸方向に流すことで、いわゆる表面絞り効果により、右側ランド部１８すなわちスプール１０をスリーブ１２から浮上させることができる。このような気体軸受を用いることで、スプール１０の軸方向移動の負荷を減少させて滑らかな移動とし、精度よくスプール１０を移動させることができる。

かかるスプール１０とスリーブ１２は、金属材料を精密に加工して得ることができる。特に、スプール１０のランド部１４，１６，１８と、スリーブ１２の内径は、お互いに摺動するので、滑らかに精度よく仕上げることが必要である。寸法例をあげると、スプール１０において、左側ランド部１６及び第１フランジ２０の直径Ａを１０ｍｍ、右側ランド部１８及び第２フランジ２２の直径Ｂを９．５ｍｍ、ステムの直径ｄを５ｍｍ、第１フランジ２０と第２フランジ２２との間の軸の直径Ｄを９ｍｍとすることができる。スリーブ１２の内径は、上記のように、スプール１０の直径Ａ，Ｂに対応し、それより約７μｍ程度大きめにすることが好ましい。

リニアモータ４０は、スプール１０を軸方向に移動駆動する駆動機構で、スプール１０の軸方向の一方側における先端部に固定して取り付けられる。図３の例では、左側ランド部１６に近い先端部に取り付けられる。リニアモータ４０は、軸方向、すなわち図３のＸ方向に沿って配置される固定子磁気ギャップと、その固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動する可動子を含む直線駆動装置で、スプール１０を軸方向に移動駆動する機能を有する。具体的には、磁性体である筐体４の一部に、Ｘ方向を軸方向とする円環状のギャップが設けられ、そのギャップの一方側に磁石４２が取り付けられる。このことで、ギャップが、軸方向に配置された固定子磁気ギャップとなる。可動子は、この固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動できる円環状の部分を有する移動体４４と、移動体４４の円環状の部分に軸方向に配列されたコイル４６を含んで構成される。

このような固定子磁気ギャップと可動子の組み合わせにより、コイル４６に駆動電流を流すことで、この電流と、コイル４６を鎖交する固定子磁気ギャップの磁束との協働作用により、コイル４６に軸方向の駆動力が与えられる。そして、このような構造において一般には、固定子磁気ギャップの中の磁束密度は、軸方向の場所により変化しない。したがって、固定子磁気ギャップの中をコイル４６が軸方向に移動する分には、磁気ギャップとの協働作用に大きな変化がなく、いわゆる移動についてのヒステリシスがほとんど生じない。

磁石４２は、固定子磁気ギャップを形成し、コイル４６に鎖交する磁束を発生するためのものである。磁石４２は、上記の円環状ギャップに合わせ、円環状としてもよく、また必要なトルクを得る程度に、円管状ギャップの一部に設けてもよい。かかる磁石としては、高性能の永久磁石を用いることができる。筐体４に磁石４２を取り付けるには、適当な接着材を用いてもよく、あるいは、磁性体と磁石の吸引力のみで保持することもできる。

移動体４４は、固定子磁気ギャップと協働して駆動力を発生するコイル４６を搭載し、またスプール１０が取り付けられる部品である。移動体４４は、概略お椀形の形状のもので、お椀形の円環状側面にコイル４６が円周方向に沿って巻きつけられる。お椀形の底にあたる部分は、スプール１０との接続部である。かかる移動体４４は、適当な強度を有する金属又は樹脂を用い、一体成形で得ることができる。また、必要なトルクを得られるならば、移動体４４を完全な円環状とせずに、円環状の一部の形状として、そこにコイル４６を巻回してもよい。

コイル４６は、絶縁被服導線を移動体４４の円環状側面に円周状に複数回巻回されたもので、導線の抵抗、巻数等は、固定子磁気ギャップの特性設定とともに、リニアモータ４０の速度や応答性性能の面から設定される。また、コイル４６の引き出し線は、移動体４４の円環状側面に沿って適当に這わされたのち、たわみを十分に持った自由端となって、空中を経由して接続端子５０に接続される。このたわみや、導線のしなやかさは、移動体４４の高速移動や応答性等に影響が少ないように選ぶことが好ましい。

スプール１０の軸方向の両端部には１対のつり合いばね５２，５４が設けられる。１対のつり合いばね５２，５４は、スプール１０の両端にそれぞれ軸方向の付勢力が釣り合わさって加えられるように設けられるばねである。かかるつり合いばね５２，５４としては、適当なコイルばねを用いることができる。コイルばね以外の板ばね等の付勢手段を用いてもよい。図３の例では、一方のつり合いばね５２には、スプール１０の一方側の先端部と、筐体４との間の圧縮コイルばねが用いられ、他方のつり合いばね５４は、スプール１０の他方側の先端部と、筐体４にねじ込まれるゼロ点調整ねじ５６の先端との間の圧縮コイルばねが用いられている。つり合いばねは１対でなくても、単一のばねでスプール１０の中立位置を釣り合わせるものであればよい。

ゼロ点調整ねじ５６は、筐体４にねじ込まれる量を調整することで、つり合いばね５２，５４の全体の長さを変化させ、これによりスプール１０を軸方向の任意のオフセット位置に設定できる機能を有するねじである。ここでゼロ点とは、Ｘ方向の幾何学的な原点という意味よりは、気体圧制御弁２の動作点のゼロ点という意味が強い。すなわち、ゼロ点調整ねじ５６により、気体圧制御弁２の組み立て後に、その動作点を最適に設定することができる。

上記のように移動体４４は、スプール１０の軸方向の一方側における先端部、詳しくは左側ランド部１６に近い先端部に取り付けられるが、スプール１０の軸方向の他方側における先端部には、サーチコイル型の速度検出センサ６０が取り付けられる。速度検出センサ６０の構成は、リニアモータ４０の構成と同様で、筐体４に軸方向に沿って設けられる磁石６２、コイル６６が巻回される移動体６４を含む。この構成により、スプール１０が軸方向に移動することで、筐体４と磁石６２とで形成される固定子磁気ギャップの磁束をスプール１０と一体として運動するコイル６６が鎖交し、コイル６６にスプール１０の速度に比例する起電力が発生する。その出力を接続端子７０を介して制御部８０へスプール１０の速度検出信号としてフィードバックすることができる。

スプール１０の運動状態を制御部８０にフィードバックするのは、スプール１０の速度以外のものでもよい。図４は、速度検出センサ６０に代えて、スプール１０の軸方向の位置情報を検出する差動変圧器方式の変位センサ８２を用いるときの構成を示す図である。ここでは、スプール１０の他方側の先端部をさらに延ばし、その先に軟磁性体プローブ８４を取り付け、これと協働するトランス巻線８６を筐体４側に設ける。軟磁性体プローブ８４は、スプール１０と一体として軸方向に移動し、トランス巻線８６の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線８６から出力される。トランス巻線８６の各端子は、接続端子８８を介して制御部８０に接続されるので、必要な動作条件は制御部８０から供給され、軟磁性体プローブ８４の軸方向変位に応じた信号は制御部８０に出力される。

この他に、光学式の位置検出センサ等を用いてもよい。また、位置検出及び速度検出をともに行い、制御部８０にフィードバックしてもよく、さらに加速度のフィードバックを行うこととしてもよい。このように、スプール１０の運動情報を検出して制御部８０に供給することで、制御部８０において、変位、速度、加速度等のフィードバック制御を行うことができ、精密な気体圧Ｐａの制御が可能になる。

次に、スリーブ１２の負荷口２８について、特に、気体の流れを乱れなく形成するためのスリットを説明する。図５は、気体圧制御弁２のスリーブ１２の部分を抜き出し、その外形を示す図である。スリーブ１２の外周には、供給口２４、排気口２６とともに負荷口２８が設けられる。一般的には、図５に示すように供給口２４、排気口２６は丸穴、負荷口２８は矩形穴が用いられることが多いが、もちろんそれ以外の形状の穴でもよい。

スプール１０とスリーブ１２の相対的位置関係で気体圧を制御する気体圧制御弁２においては、負荷口２８において、供給口２４側から圧力気体が流れ込むとき、あるいは負荷側の気体が大気に連通する排出口に流れるとき、中央ランド部と供給口側、あるいは中央ランド部と排出口側のところでは狭い隙間を圧力気体が高圧側から低圧側に流れることになる。このように狭い隙間で気体が絞られると、オリフィスによって気体が絞られるのと同様に乱流や渦流、また衝撃波が生ずることがある。そこで、スリーブ１２の負荷口２８には、気体の流れを乱れなく形成するためのスリットが設けられる。

図６は、矩形穴の負荷口２８にはめ込まれるスリット絞り１００を示す図である。スリット絞り１００全体の外形は、負荷口２８の内側形状にはめ込んで固定できるように形作られる。図６の例では、４つのスリット１０４を形成するように２つの広溝付き板１０２が積層される。スリット絞り１００全体としては、気体の流入側、つまりスリーブ１２の内径側の方が小さい寸法で、気体の流出側であるスリーブ１２の外周側の方が大きい寸法となっている。これは、矩形穴の負荷口２８が、スプール１０の中心軸から見て一定の見込み角で外周に向かって広がる形状となるのにあわせたものである。また、このように、気体の流入側のスリット開口面積より流出側のスリット開口面積を大きくすることで、気体の流れがより滑らかになる効果も有する。

スリット１０４の大きさは、気体圧Ｐａを２〜５×１０^５Ｐａとし、流速を１０〜３０ｍ／ｓｅｃとして、隙間をおよそ５０μｍとし、幅および長さを数ｍｍとするのが好ましい。このようにすることで、スリット１０４を流れる気体を整流し、乱流や渦流、また衝撃波が生ずることを抑制できる。

図６のスリット絞り１００は、気体の流入側の隙間より流出側の隙間のほうが広くなるいわば隙間広がりスリットであるが、もちろん隙間が一定の平行隙間であってもよい。また、スリット開口の長手方向をスリーブ１２の軸方向としたが、これを軸方向と直交する方向あるいは傾いた方向としてもよい。

また、図５においては、スリーブ１２の円周方向の一部に設けられた負荷口２８にスリット絞りをはめ込むものとしたが、この場合、負荷口２８は複数であってもよい。たとえば、スリーブ１２の円周方向に沿い、９０度毎に１つの負荷口２８を配置し、合計４個の負荷口２８にそれぞれスリット絞り１００をはめ込むものとしてもよい。

また、スリーブ１２の円周に沿い、一定間隔で、スリーブ１２に直接、複数のスリットを設けることにしてもよい。図７は、スリーブ１２の円周全体に渡って配置される、隙間がおよそ５０μｍ程度、幅および長さが数ｍｍの複数のスリット１１０で、負荷口２８を構成する様子を示す図である。図７のＭ−Ｍ線における断面図を図８に示す。この例では、スリーブ１２の円周全体に渡り、２０個のスリット１１０を配置して負荷口２８を構成している。各スリット１１０は、気体の流入側の隙間より流出側の隙間のほうが広くなるいわば隙間広がりスリットである。もちろん、隙間が一定の平行隙間スリットであってもよい。

上記において、乱れなく流れを形成するのに、負荷口２８の矩形開口に広溝付き板１０２を積層したスリット絞り１００をはめ込む構成を用いて説明したが、負荷口２８の開口は矩形でなくてもよい。また、流れを乱れなく形成する絞り部は、溝つき板の積層でなくてもよい。図９〜図１２は、他の絞り部の構成を示す模式図である。図９に示す絞り部２５０は、直径の異なる複数のパイプ２５２を同軸に配置し、パイプ間の隙間を平行隙間とし、その隙間を例えば約５０μｍとし、その長さを数ｍｍとするものである。図１０に示す絞り部２６０は、らせん状に巻いた管２６２からなり、らせん管の隣り合う隙間を平行隙間とし、その隙間を例えば約５０μｍとし、その長さを数ｍｍとするものである。図１１に示す絞り部２７０は、絞り部２７０の軸方向に平行な方向に複数の平行平板２７２を配置し、平行平板間の隙間を例えば約５０μｍとし、その長さを数ｍｍとするものである。

これらの構成のように、約５０μｍの隙間で、数ｍｍの長さを有する流路であれば、流れを乱れなく形成することができる。例えば、図１１において、絞り部２７０の軸方向に平行な方向に複数の平行平板を配置したが、絞り部の断面を複数に区分し、区分されたそれぞれの小断面積の大きさを所定の大きさ、例えば、５０μｍ角とすることでもよい。断面の形状は多角形でもよい。図１２に示す絞り部２８０は、断面を円としたもの、すなわち、直径が約５０μｍの細長い管路２８２を複数束ね、絞り部としたものである。

なお、上記において、隙間の大きさを約５０μｍとし、その長さを数mmとして説明したが、そこを流れる気体を乱れなくできる隙間の大きさ、隙間の長さは、そこに流す気体の圧力及び流速等により異なり、上記の値は一例であり、例えば５００μｍ程度の隙間でもある程度の効果がある。なお、かかる整流絞りは、ポートの数により３ＷＡＹ、４ＷＡＹ、５ＷＡＹ等と呼ばれることのある通常の流量制御弁に応用しても同様の効果がある。

かかる構成の気体圧制御弁２の作用を説明する。制御部８０からリニアモータ４０に駆動信号がまだ与えられていないときに、ゼロ点調整ねじ５６の調整によりつり合いばね５２，５４を釣り合わせて、スプール１０の中央ランド部１４がスリーブ１２の負荷口２８をちょうどふさぐようにする。これがリニアモータ４０の初期位置となる。そして、気体圧制御弁２の供給口２４に供給圧Ｐｓの気体が図示されていない気体供給源から供給され、排気口２６は大気Ｐ_０に開放される。このとき、負荷口２８からは何も出力されない。

次に、負荷であるアクチュエータ等を作動させるために、必要な気体圧Ｐａを負荷口２８から供給する指令が制御部８０に出されると、制御部８０は所望の気体圧Ｐａを出力するために必要なリニアモータ４０への駆動電流値Ｉを予め決められているテーブルあるいはソフトウェアを用いて読み出す。図２で説明したように、スプール１０とスリーブ１２の段付き構造の効果で、リニアモータ４０への駆動電流Ｉと、制御圧力室３４の出力圧力Ｐとは比例関係にあるので、その換算は容易である。そして、駆動回路に指示し駆動電流値Ｉの電流を、接続端子５０を経由してリニアモータ４０のコイル４６に供給する。電流Ｉが流れるコイル４６は、ヨークを構成する筐体４と磁石４２により形成される固定子磁気ギャップからの鎖交磁束と協働し、軸方向の駆動力を得る。これにより、リニアモータ４０の移動体４４と一体のスプール１０は、電流Ｉに応じて軸方向に移動駆動される。

そして、スプール１０の中央ランド部１４とスリーブ１２の負荷口２８の位置関係が変化し、それに応じ制御圧力室３４の出力圧力が変化し、上記のように駆動電流Ｉに略比例した気体圧Ｐａとなる。

このとき、負荷口２８には、供給口２４から、又は排気口２６へ、気体が流れるが、負荷口２８に設けられるスリット絞り１００により、気体の流れが整流され、乱流や渦流、また衝撃波が生ずることが抑制される。

このように、スプール１０とスリーブ１２とにおいて段付き構造を採用することで、スプールの移動駆動に対する出力圧力の非線形性を抑制でき、また、負荷口２８に気体の流れを整流するスリットを設けたので出力圧力のノイズを抑制することができる。

本発明に係る気体圧制御弁は、以下の気体アクチュエータに供給する気体圧を制御するのに用いることができる。すなわち、微小移動機構用の気体アクチュエータ、粗動及び微小移動可能な機構の気体アクチュエータ、アクティブ除振用の気体アクチュエータ、精密位置決め装置の気体アクチュエータ、容器内の精密な圧力制御等に、精密に制御された気体圧を供給するのに用いることができる。

本発明に係る実施の形態において、スプールとスリーブの要部を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、リニアモータへの入力電流Ｉと、負荷口からの出力圧力Ｐの関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態における気体圧制御弁の詳細な構成図である。 本発明に係る実施の形態において、スプールの軸方向変位を検出する変位センサを用いるときの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、気体圧制御弁のスリーブの外形を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、矩形穴の負荷口にはめ込まれるスリット絞りを示す図である。 本発明に係る実施の形態において、スリーブの円周全体に渡って配置される複数のスリットで負荷口を構成する様子を示す図である。 図７のＭ−Ｍ線における断面図である。 本発明に係る実施の形態において、負荷口に設けられ、流れを乱れなく形成する絞り部の他の例である。 本発明に係る実施の形態において、負荷口に設けられ、流れを乱れなく形成する絞り部のさらに他の例である。 本発明に係る実施の形態において、負荷口に設けられ、流れを乱れなく形成する絞り部の別の例である。 本発明に係る実施の形態において、負荷口に設けられ、流れを乱れなく形成する絞り部のさらに別の例である。

符号の説明

２ 気体圧制御弁、４ 筐体、１０ スプール、１２ スリーブ、１４ 中央ランド部、１６ 左側ランド部、１８ 右側ランド部、２０ 第１フランジ、２２ 第２フランジ、２４ 供給口、２６ 排気口、２８ 負荷口、３０ 第１圧力室、３２ 第２圧力室、３４ 制御圧力室、４０ リニアモータ、４２，６２ 磁石、４４，６４ 移動体、４６，６６ コイル、５０，７０，８８ 接続端子、５２，５４ つり合いばね、６０ 速度検出センサ、８０ 制御部、８２ 変位センサ、８４ 軟磁性体プローブ、８６ トランス巻線、１００ スリット絞り、１０４，１１０ スリット、１０２ 広溝付き板、２５０，２６０，２７０，２８０ 絞り部、２５２ パイプ、２６２ らせん状に巻いた管、２７２ 平行平板、２８２ 細長い管路。

Claims (7)

1. 間隔をおいて軸方向に配列された複数のランド部と、隣接するランド部を接続するステム部とを含むスプールと、
   スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも第１圧力室と第２圧力室とを形成するスリーブであって、第１圧力室に対し１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、第２圧力室から気体を排気する排気口と、第１圧力室又は第２圧力室から２次側気体圧を有する気体を取出して出力する負荷口とを含むスリーブと、
   スプールを軸方向に直線駆動する駆動機構であって、軸方向に配置された固定子磁気ギャップと、駆動電流信号が入力されるコイルを有し固定子磁気ギャップと協働して軸方向に駆動される可動子とを含む駆動機構と、
   を備え、
   第１圧力室は、負荷口に向かい合う負荷口ランド部と、負荷口ランド部の一方側に隣接する一方側ランド部との間に形成され、
   第２圧力室は、負荷口ランド部の他方側に隣接し一方側ランド部の外径よりも小さい外径を有する他方側ランド部との間に形成され、
   負荷口ランド部は、
   第１圧力室側に設けられ、一方側ランド部の外径と同じ外径を有する第１フランジと、
   第２圧力室側に設けられ、他方側ランド部の外径と同じ外径を有する第２フランジと、
   第１フランジと第２フランジとの間を接続し第２フランジの外径と同じかそれより小さい外径の接続ランド部と、
   を有し、
   駆動機構は、
   スプールに加わる軸方向の気体圧による推力である気体圧推力が、第1フランジの受圧面積と第２フランジの受圧面積の差である受圧面積差に負荷口の２次側気体圧を乗算した値となることを利用し、２次側気体圧に比例した駆動電流信号による駆動力をこの気体圧推力に釣り合わせてスプールを軸方向に駆動し、
   スリーブに設けられる負荷口は、
   一方の開口が負荷口に面し、他方の開口がスリーブの外周に設けられる複数のスリットを含み、スリットの整流作用により流れる気体を乱れなく形成することを特徴とする気体圧制御弁。
2. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   スリーブに設けられる負荷口は、
   スリーブの円周に沿って一定間隔で設けられる複数のスリットで構成されることを特徴とする気体圧制御弁。
3. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   複数のスリットのそれぞれは、所定の平行隙間を有する平行隙間スリットであることを特徴とする気体圧制御弁。
4. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   複数のスリットのそれぞれは、一方の開口の隙間より他方の開口の隙間が広い隙間広がりスリットであることを特徴とする気体圧制御弁。
5. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   スリーブに設けられる負荷口は、
   複数のスリットに代えて、
   一方の開口は負荷口に面し、他方の開口はスリーブの外周に設けられ、気体の流れ方向に沿い並列に配置された所定の断面積を有する複数の管路を含み、管路の整流作用により流れる気体を乱れなく形成することを特徴とする気体圧制御弁。
6. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   スプールに対し、軸方向に沿った任意のオフセット位置を中心に付勢するつり合いばねを備えることを特徴とする気体圧制御弁。
7. 請求項１に記載の気体圧制御弁において、
   スプールの軸方向の変位を検出する変位センサ又は軸方向の速度を検出する速度検出センサのうち少なくとも一方を備えることを特徴とする気体圧制御弁。

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