JP4732433B2 - 流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、供気ポートの圧力を制御ポートに選択的に及ぼす流体制御弁に関する。

圧力機器に対し可及的に同一の圧力を及ぼすために用いられる流体制御弁がある。

この流体制御弁は、応答性が速いことが要求されるが、従来品は、必ずしも十分な応答性を持たなかった。また、応答性を高めるためには、空気流速を高めることが必須であるが、流速を高めると、不確定うず、衝撃波、境界層剥離ポイント変動、よどみなどの問題が生じ、安定した性能が得られないという問題があった。
本発明は、応答性が速い流体制御弁を得ることを目的とする。また本発明は、衝撃波等の問題がない、安定した性能の流体制御弁を得ることを目的とする。

本発明の流体制御弁は、出力ポートを有する圧力室；この圧力室に連通し、同一直線上に位置する供気ノズルと排気ノズル；この供気ノズルと排気ノズルの開口端に対向する一対の開閉制御面を有し、該供気ノズルと排気ノズルの間を移動可能なフラッパアッシー；及びこのフラッパアッシーを移動させ、上記供気ノズルと排気ノズルの開口端とフラッパアッシーの一対の開閉制御面との距離を一方で増加させ他方で減少させるフラッパアッシー移動機構；を備え、上記フラッパアッシー移動機構は、上記フラッパアッシーに固定した永久磁石と、この永久磁石との間で電磁作用を生じさせ該フラッパアッシーを移動させる固定コイルとを有する電磁駆動機構であり、上記永久磁石は円柱状をなし、上記フラッパアッシーは上記開閉制御面を有する一対のフラッパを備えていて、この一対のフラッパの中心部間が、該円柱状永久磁石と該円柱状永久磁石の両端部に位置するマグネットヨークとを含む接続部材によって接続されており、この円柱状永久磁石及び一対のマグネットヨークの外囲に、上記一対のフラッパの中間位置から対称に配置される一対の固定コイルと、この固定コイルの両側および外囲に位置するコイルヨークとが構成され、上記コイルヨークのフラッパ側端面は、上記固定コイルへの非通電状態で、上記一対のマグネットヨークの外側端面より外側に位置し、かつ、上記一対の固定コイルには、互いに逆方向に電流が流れるように制御される、ことを特徴としている。

フラッパアッシーは、ばね手段によって、その一対の開閉制御面の一方が供気ノズルに密着して閉じる方向に移動付勢することができる。

供気ノズルのフラッパアッシー側端部には、フラッパアッシーに向けて径を徐々に拡げる拡径テーパ面を形成し、該供気ノズルに対応する開閉制御面は、この拡径テーパ面に対応する円錐状開閉制御面とすることが好ましい。

排気ノズルは、一定径とすることができ、この排気ノズルに対応する開閉制御面は、フラッパアッシーから離れるに従い径を縮めるニードル形状とすることが好ましい。

フラッパアッシーの一対の開閉制御面は、例えば、周縁部を固定したフラッパの両面に設けることができる。

また、フラッパは、一対を設け、この一対のフラッパに一体にそれぞれ供気ノズルと排気ノズルの開口端に対向する開閉制御面を設けることができる。

本発明の流体制御弁のフラッパアッシーは、供気ノズルと排気ノズルの開
口端面に直交する直線方向に移動することが好ましい。

本発明による流体制御弁の一実施形態を示す、非通電状態の縦断面図である。 図１の流体制御弁の通電状態の縦断面図である。 本発明による流体制御弁のより一般的な実施形態を示す縦断面図である。 本発明による流体制御弁を制御機器に組み合わせた一の例を示すブロック図である。 本発明による流体制御弁を制御機器に組み合わせた別の例を示すブロック図である。

図１、図２は、本発明による流体制御弁ＣＶの第一の実施形態を示している。この流体制御弁ＣＶは、全体として軸線Ｏを中心とする回転対称の柱状をなしており、左右の流路ブロック１０Ｌ、１０Ｒと、中心部の制御ブロック２０とを有している。流路ブロック１０Ｌ内には、隔壁１１で区画された供気ポート室１２と制御ポート室１３が形成されており、この供気ポート室１２と制御ポート室１３の間が、軸線Ｏ上に位置させて隔壁１１に穿設した供気ノズル１４で連通している。供気ノズル１４の制御ブロック２０側には、制御ブロック２０に向けて径を徐々に拡げる拡径テーパ面１４ａが形成されている。

流路ブロック１０Ｒ内には、流路ブロック１０Ｌにおけると同様に、隔壁１５で区画された制御ポート室１６と排気ポート室１７が形成されており、この制御ポート室１６と排気ポート室１７の間が、軸線Ｏ上に位置させて隔壁１５に穿設した一定径の排気ノズル１８で連通している。従って、供気ノズル１４と排気ノズル１８は、同一直線上（軸線Ｏ上）に位置している。

供気ポート室１２は、供気ポート１２ａを介して加圧空気源Ｐに連通し、制御ポート室１３と制御ポート室１６は、それぞれ制御ポート１３ａと制御ポート１６ａを介して制御機器Ｃに連通し、排気ポート室１７は排気ポート１７ａを介して大気と連通している。制御ポート室１３と制御ポート室１６は互いに連通している。

流路ブロック１０Ｌと流路ブロック１０Ｒの間に位置する制御ブロック２０は、フラッパアッシー３０と、このフラッパアッシー３０を軸線Ｏ方向に移動させるフラッパアッシー移動機構（電磁駆動機構）２２を備えている。フラッパアッシー３０は、流路ブロック１０Ｌ側に位置する円形の弾性変形可能なフラッパ３１Ｌと、流路ブロック１０Ｒ側に位置する同型のフラッパ３１Ｒとを有し、この左右のフラッパ３１Ｌ（３１Ｒ）の軸部間は、中心の円柱状永久磁石２５と左右のマグネットヨーク２６及びフラッパ接続片２７（左右対称形の接続部材）を介して結合されている。フラッパ３１Ｌ周縁部は、流路ブロック１０Ｌと制御ブロック２０の間に挟着固定され、フラッパ３１Ｒの周縁部は、流路ブロック１０Ｒと制御ブロック２０の間に挟着固定されている。円柱状永久磁石２５は、制御ブロック２０の中心部に浮動状態で位置している。フラッパ３１Ｌ（３１Ｒ）は勿論穴あきとすることができる。

フラッパ３１Ｌとフラッパ３１Ｒにはそれぞれ、供気ノズル１４と排気ノズル１８に対向する開閉制御体３２Ｌと３２Ｒが固定されている。この開閉制御体３２Ｌには、拡径テーパ面１４ａに対応する円錐状開閉制御面（円錐状突起）３３が形成されている。開閉制御体３２Ｒには、排気ノズル１８内に先端部を挿入するニードル状開閉制御面（ニードル状突起）３４が形成されている。ニードル状開閉制御面３４は、制御ブロック２０から離れるに従い径を縮めており、排気ノズル１８内に挿入されると、排気ノズル１８の制御ブロック２０側の開口端１８ａに当接する。また、開閉制御体３２Ｒと隔壁１５の間には、フラッパアッシー３０を供気ノズル１４側に押圧付勢するコイルばね３５が挿入されていて、常時は、円錐状開閉制御面３３が拡径テーパ面１４ａに密着して供気ポート室１２と制御ポート室１３の連通を断つ。

フラッパアッシー移動機構２２は、制御ブロック２０の円柱状永久磁石２５と、この円柱状永久磁石２５の外囲に位置する固定コイルヨーク部２４とによって構成されている。

全体として筒状をなす固定コイルヨーク部２４は、中心コイルヨーク２８ａと、その両側に位置する一対のコイル（固定コイル）２９と、このコイル２９の外側に位置する一対の端部コイルヨーク２８ｂとを有する左右対称形をしており、これら中心コイルヨーク２８ａ、コイル２９、端部コイルヨーク２８ｂの外周にはさらに、周囲コイルヨーク２８ｃが設けられている。一対のコイル２９は同一方向に巻かれ、互いに逆方向に電流が流れるように制御回路４４（図４、図５参照）に接続されている。この固定コイルヨーク部２４の左右の端部コイルヨーク２８ｂの両端面（外端面）は、中立位置で円柱状永久磁石２５の左右のマグネットヨーク２６の両端面（外端面）より、若干（距離ｄ（図２）だけ）外側に位置している。

上記構成の本流体制御弁は、次のように作動する。フラッパアッシー移動機構２２のコイル２９への非通電状態では、図１に示すように、コイルばね３５の力によってフラッパアッシー３０が供気ノズル１４側に移動し、その円錐状開閉制御面３３が拡径テーパ面１４ａに密着して供気ポート室１２と制御ポート室１３（制御ポート室１６）の連通を断っている。すなわち、加圧空気源Ｐの圧力が制御機器Ｃに及ぼされることはない。

フラッパアッシー移動機構２２の一対のコイル２９に正または逆の予め定めた方向に通電すると、一対のコイル２９には逆方向に電流が流れるため、左右の端部コイルヨーク２８ｂには、同一極性の磁極（Ｎ極またはＳ極）が発生し、中心コイルヨーク２８ａには端部コイルヨーク２８ｂに生じる磁極と異なる磁極（Ｓ極またはＮ極）が発生する。したがって、円柱状永久磁石２５は、端部コイルヨーク２８ｂと中心コイルヨーク２８ａの間で生じる、磁石同士の反発力または吸引力を受ける。

円柱状永久磁石２５の中立位置では、一対の端部コイルヨーク２８ｂの外端面は一対のマグネットヨーク２６の外端面よりも距離ｄだけ外側に位置しているため、一方の端部コイルヨーク２８ｂと円柱状永久磁石２５の間で反発力（吸引力）が生じるとき、他方の端部コイルヨーク２８ｂと円柱状永久磁石２５の間では吸引力（反発力）が生じる。このため、フラッパアッシー３０は、強い力を受け、フラッパ３１Ｌ（フラッパ３１Ｒ）が弾性変形し、図２に示すように、フラッパアッシー３０が図の右方に移動する。すると、拡径テーパ面１４ａと円錐状開閉制御面３３との間に隙間が生じ、開口端１８ａとニードル状開閉制御面３４との距離が小さくなる。つまり、フラッパアッシー３０の円錐状開閉制御面３３と供気ノズル１４の開口端（拡径テーパ面１４ａ）との距離が増加する一方で、ニードル状開閉制御面３４と排気ノズル１８の開口端１８ａとの距離が減少する。その結果、供気ポート室１２と制御ポート室１３（制御ポート室１６）が連通し、加圧空気源Ｐの圧力が制御機器Ｃに及ぼされる。このフラッパアッシー３０の移動の初期においては、制御ポート室１６と排気ポート室１７とが排気ノズル１８を介して連通し、制御ポート室１３（制御ポート室１６）内の空気は排気ポート１７ａを介して大気に開放されるため、制御ポート室１３（制御ポート室１６）の圧力は供気ポート室１２内の圧力より低い状態に保持される。

フラッパアッシー３０のコイルばね３５に抗する移動量は、コイル２９への通電量によって制御することができる。フラッパアッシー３０を最大に移動させ、ニードル状開閉制御面３４が排気ノズル１８の開口端１８ａを塞ぐと、制御ポート室１３（制御ポート室１６）内の空気が排気ノズル１８を介して外気に開放されることがなくなるため、制御ポート室１３（制御ポート室１６）内の圧力が上昇し、やがて制御ポート室１３（制御ポート室１６）内の圧力と供気ポート室１２内の圧力とが等しくなる。従って、フラッパアッシー３０の移動位置をコイル２９への通電量で制御することにより、制御ポート室１３（制御ポート室１６）の取出圧力を制御することができる。

供気ポート室１２内の空気が制御ポート室１３内に流れるとき、この実施形態では、拡径テーパ面１４ａと円錐状開閉制御面３３の間の環状で徐々に広がる隙間を空気が流れる。また、制御ポート室１６内の空気が排気ポート室１７に流れるとき、この実施形態では、排気ノズル１８とニードル状開閉制御面３４の間の環状で徐々に広がる隙間を空気が流れる。このため、不確定うず、衝撃波、境界層剥離ポイント変動あるいは、よどみがない安定した空気流を生じさせ、制御ポート室１３（制御ポート室１６）内の圧力を滑らかに上昇させることができる。

以上の実施形態では、コイルばね３５を用いているために、コイル２９への非通電時に供気ポート室１２と制御ポート室１３（制御ポート室１６）を非連通とさせることができるが、制御機器Ｃの性質によっては、コイルばね３５を省略し、コイル２９への非通電状態において、常時供気ノズル１４の拡径テーパ面１４ａと開閉制御体３２Ｌの円錐状開閉制御面３３との間に一定の隙間を形成する（中立位置に保持する）ことも可能である。この態様では、コイル２９への正逆の通電によって、拡径テーパ面１４ａと円錐状開閉制御面３３との間の隙間を大小に変化させ、制御ポート室１３（制御ポート室１６）の圧力を制御することができる。

図３は、本発明の流体制御弁をより一般的にした実施形態を示している。この実施形態では、以上の実施形態の円錐状開閉制御面３３とニードル状開閉制御面３４を廃止して左右の開閉制御体３２Ｌと３２Ｒにそれぞれ、平面状開閉制御面３４Ｌと３４Ｒを形成し、コイルばね３５を省略している。この実施形態によっても拡径テーパ面１４ａ（開口端１８ａ）と円錐状開閉制御面３３（ニードル状開閉制御面３４）による作用効果を除き、第一の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

フラッパアッシー移動機構は、軸線Ｏ上を直動する構成であることが良く、手動、空気圧駆動、油圧駆動、および圧電素子駆動などが可能である。制御性、低コスト化および省スペース化を考慮すると、電磁駆動機構が好適であり、永久磁石とコイルの位置関係は、上記実施形態の電磁駆動機構のようにフラッパアッシー側に永久磁石、固定側にコイルを配置する構成が良い。一対のコイルは、互いに逆方向に巻かれて、一連の導電線からなる複合コイルまたは２つの独立するコイルであって、互いに電流が逆方向に流れるように配置する構成であっても良い。

本発明の流体制御弁ＣＶは、各種の用途に用いることができ、その用途は問わない。図４は、本発明の流体制御弁ＣＶと制御機器Ｃの間に、整流絞り装置４０を介在させて、より正確な圧力を取り出すことができるようにした例を示している。流体制御弁ＣＶの制御ポート１３ａ、１６ａには、整流絞り装置４０が接続されている。整流絞り装置４０は、その入力側の圧力変動を小さくして出力側に取り出すものであり、その構成は問わない。この整流絞り装置４０には、その入力側と出力側の差圧を検出する差圧センサ４１と、絶対圧を検出する絶対圧検出センサ４２が設けられている。絶対圧検出センサ４２は、整流絞り装置４０を通過する流量または圧力などを考慮して、整流絞り装置４０の入力側と出力側のいずれか一方、または両側（入力側と出力側）に配置することができる。図４及び図５は、整流絞り装置４０の出力側に配置した絶対圧検出センサ４２を示している。演算回路４３は、差圧センサ４１で検出された差圧と、絶対圧検出センサ４２で検出した絶対圧とを積算し、整流絞り装置４０の出力側における流量を演算する。その流量信号は、流体制御弁ＣＶの制御回路４４にフィードバックされ、制御ポート１３ａ、１６ａから、より正確な制御圧力が取り出される。なお、絶対圧検出センサ４２に代えて、ゲージ圧センサ（不図示）と気圧センサ（不図示）を組み合わせて用いることができる。これらは、さらに温度センサ（不図示）を接続すると、流体演算の補正因子として流体温度を加えることができるため、より高精度な検出ができる。

整流絞り装置４０の出力側に接続された制御機器Ｃは、例えばポリエステルなどの化繊材料が充填される空圧シリンダを有する等温化空圧シリンダ装置を用いることができる。化繊材料は、空圧シリンダの内容積に対して数％充填されることがよい。このような等温化空圧シリンダ装置は、従来から、空圧シリンダ内に大きな空気の出し入れがあったときに発生する、瞬間的な温度変化を小さくすることが知られており、高精度の流量制御が可能である。

図５は、本発明の流体制御弁ＣＶと制御機器Ｃの間に、エアタンク４５に接続した整流絞り装置４０の分岐回路を設けて、より正確な圧力を取り出すことができるようにした例である。整流絞り装置４０回りの構成は、図４の構成と同一であり、同一の要素には同一の符号を付している。この適用例では、流体制御弁ＣＶと等温化空圧シリンダ装置（制御機器Ｃ）の間に、整流絞り装置４０を介在させないため、流路抵抗を大幅に小さくすることができ、等温化空圧シリンダ装置の高速な制御が可能である。

本発明によれば、応答性が速い流体制御弁を得ることができる。また本発明によれば、衝撃波等の問題がない、安定した性能の流体制御弁を得ることができ、各種の圧力制御機器に適用することができる。

Claims (7)

1. 出力ポートを有する圧力室；
   この圧力室に連通し、同一直線上に位置する供気ノズルと排気ノズル；
   この供気ノズルと排気ノズルの開口端に対向する一対の開閉制御面を有し、該供気ノズルと排気ノズルの間を移動可能なフラッパアッシー；及び
   このフラッパアッシーを移動させ、上記供気ノズルと排気ノズルの開口端とフラッパアッシーの一対の開閉制御面との距離を一方で増加させ他方で減少させるフラッパアッシー移動機構；を備え、
   上記フラッパアッシー移動機構は、上記フラッパアッシーに固定した永久磁石と、この永久磁石との間で電磁作用を生じさせ該フラッパアッシーを移動させる固定コイルとを有する電磁駆動機構であり、
   上記永久磁石は円柱状をなし、上記フラッパアッシーは上記開閉制御面を有する一対のフラッパを備えていて、この一対のフラッパの中心部間が、該円柱状永久磁石と該円柱状永久磁石の両端部に位置するマグネットヨークとを含む接続部材によって接続されており、この円柱状永久磁石及び一対のマグネットヨークの外囲に、上記一対のフラッパの中間位置から対称に配置される一対の固定コイルと、この固定コイルの両側および外囲に位置するコイルヨークとが構成され、上記コイルヨークのフラッパ側端面は、上記固定コイルへの非通電状態で、上記一対のマグネットヨークの外側端面より外側に位置し、かつ、上記一対の固定コイルには、互いに逆方向に電流が流れるように制御される、
   ことを特徴とする流体制御弁。
2. 請求項１記載の流体制御弁において、上記フラッパアッシーをその一対の開閉制御面の一方が供気ノズルに密着して閉じる方向に移動付勢するばね手段が設けられている流体制御弁。
3. 請求項１または２記載の流体制御弁において、上記供気ノズルのフラッパアッシー側端部には、径を徐々に拡げる拡径テーパ面が形成されており、該供気ノズルに対応する開閉制御面は、この拡径テーパ面に対応する円錐状開閉制御面である流体制御弁。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の流体制御弁において、上記排気ノズルは、一定径であり、該排気ノズルに対応する開閉制御面は、フラッパアッシーから離れるに従い径を縮めるニードル形状である流体制御弁。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の流体制御弁において、上記フラッパアッシーは、周縁部を固定したフラッパと、このフラッパの中心部に一体に設けた上記一対の開閉制御面とを備えている流体制御弁。
6. 請求項５記載の流体制御弁において、上記フラッパアッシーのフラッパは該フラッパアッシーの両端部に一対が備えられており、該一対のフラッパに一体にそれぞれ上記供気ノズルと上記排気ノズルの開口端に対向する開閉制御面が設けられている流体制御弁。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載の流体制御弁において、上記フラッパアッシーは、上記供気ノズルと上記排気ノズルの開口端面に直交する直線方向に移動する流体制御弁。

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