JP4835354B2 - ニードル弁 - Google Patents

Description

この発明は、ニードル弁に関するものである。特に、油を燃焼させる形式のボイラにおいて、そのバーナへ供給する油の流量を調整するためのニードル式の油流量調整弁など、各種のニードル式流量調整弁に関するものである。

従来の一般的なニードル弁は、流入口と流出口とを備えた中空構造の弁箱と、この弁箱の蓋に対し進退可能にねじ込まれる弁棒とを備え、弁棒を回転させながら上下動させることで、弁箱内の流路を開度調整する構成である。このような構成では、弁棒は回転しつつ長手方向へ移動するので、弁棒と弁箱との間の封止部が耐久性に乏しく、その封止部から流体の漏れを生じるおそれがあった。

そこで、下記特許文献１に開示されるように、弁箱(11)に固定の雌ネジ(14a)に対し、弁棒(13e)の雄ネジ(13f)を進退可能にねじ込み、その弁棒(13e)の下端部に弁体(15)を別途設け、この弁体(15)をニードルガイド(11e)に対し上下動させることが提案されている。また、この特許文献１に記載の発明では、ストッパ機構(16)の機械的作用により、ロータ(13)を強制的に停止させる位置までステッピングモータを駆動することで、原点出しを行うことができる。
特開２００３−３２９６９８号公報（段落番号［００４４］−［００５２］、図１）

しかしながら、前記特許文献１に記載の発明は、構造が非常に複雑である。また、原点出しについても、ストッパ部に当接して機械的に強制停止する位置までモータを駆動する構成のため、モータに負担をかけるばかりか、原点の位置精度も良くない。

この発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で弁箱とニードル（弁棒）との間の封止を確実に行うことにある。また、ニードルの原点出しを、簡易な構造および制御で実現することにある。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、円筒状のロータを有するステッピングモータと、前記ロータの中央穴に進退可能にねじ込まれるニードルと、前記ロータに対し前記ニードルをその長手方向へ沿う移動は許容しつつ供回り防止する回転規制材と、前記ロータに対する前記ニードルの設定長さの突出を、前記ニードルの長手方向移動により検出する突出点センサと、前記ロータと一体回転する原点検出板と、この原点検出板の回転を監視する原点センサと、前記突出点センサが前記ニードルの設定長さの突出を検出するまで前記ステッピングモータを駆動した後、前記原点センサにより前記原点検出板の回転を監視して、前記原点検出板が所定の回転停止位置で停止するよう前記ステッピングモータを制御する制御器とを備えることを特徴とするニードル弁である。

請求項１に記載の発明によれば、ステッピングモータの円筒状ロータにニードルをねじ込み、そのニードルを回転規制材にて回転止めすることで、ニードルは回転せずに往復動のみする。従って、弁箱とニードルとの間の封止は、確実で耐久性にも優れる。また、ニードルの原点出しは、ニードルの軸方向移動量の他、ロータの回転方向移動量によっても調整するので、より正確な原点出しを行うことができる。しかも、その原点出しを行う機構および制御は簡易である。

請求項２に記載の発明は、前記ニードルは、棒状ネジ部の先端部に、丸棒部を介して先細りのテーパ部が形成されており、前記棒状ネジ部が前記ロータの中央穴に進退可能にねじ込まれると共に、前記丸棒部が弁箱に対し進退可能で弁箱との間を封止されて、前記テーパ部が前記弁箱内へ挿入され、前記回転規制材は、前記棒状ネジ部の基端部に固定されており、前記弁箱に対し位置決めされた支柱に沿って供回り防止されつつ進退可能とされ、前記突出点センサは、前記回転規制材が所定位置にあるのを検出するフォトセンサとされたことを特徴とする請求項１に記載のニードル弁である。

請求項２に記載の発明によれば、ニードルは、棒状ネジ部、丸棒部およびテーパ部から構成するだけでよい。しかも、回転せずに往復動するニードルは、その丸棒部において弁箱との間を封止されることで、封止が確実で耐久性にも優れる。また、ニードルがロータと供回りするのを防止するために、ニードルの基端部に回転規制材を設け、その回転規制材を支柱に沿って動かすだけでよい。さらに、ロータに対するニードルの設定長さの突出は、回転規制材の位置をフォトセンサで検出することで行うので、簡易な構造で安価である。

請求項３に記載の発明は、前記原点検出板は、外周部の一部に略扇形の被検出領域が形成された円板状とされ、前記原点センサは、前記被検出領域を検出するフォトセンサとされ、前記制御器は、前記突出点センサが前記ニードルの設定長さの突出を検出するまで前記ステッピングモータを駆動した後、前記原点センサを前記被検出領域が通過して所定量だけ行き過ぎるまで前記ステッピングモータを一方向へ回転させた後、再び前記被検出領域を検出するまで前記ステッピングモータを逆方向へ回転させて、前記ニードルの原点出しを行うことを特徴とする請求項２に記載のニードル弁である。

請求項３に記載の発明によれば、フォトセンサと円板状の原点検出板とを用いることで、簡易な構造で安価に、ロータの周方向の位置検出が可能である。しかも、原点センサを被検出領域が行き過ぎた後に戻すようステッピングモータを制御して原点出しを行うので、ロータとニードルとの間のネジ部におけるバックラッシの除去も図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記ロータと一体回転する円板状の回転検出板と、この回転検出板の回転を監視する回転センサとをさらに備え、前記制御器は、前記ステッピングモータを駆動制御中、前記回転センサの検出信号に基づき前記ステッピングモータの回転異常を監視することを特徴とする請求項３に記載のニードル弁である。

請求項４に記載の発明によれば、回転検出板と回転センサとを用いて、ロータの回転を監視することで、万一のステッピングモータの回転異常を検知することができる。

請求項５に記載の発明は、前記制御器は、前記ステッピングモータを駆動制御中、前記ロータの一回転ごとの前記原点センサによる前記被検出領域の検出により、前記ステッピングモータの回転異常を監視することを特徴とする請求項４に記載のニードル弁である。

請求項５に記載の発明によれば、原点検出板と原点センサとを、ロータの一回転ごとの監視にも用いることで、万一のステッピングモータの回転異常を、より確実に検知することができる。

請求項６に記載の発明は、前記回転検出板は、前記ステッピングモータのステップ角ごとに前記回転センサにより回転を検出可能とされ、前記原点検出板は、前記ステッピングモータのステップ角の二倍から数倍の大きさで前記被検出領域を有することを特徴とする請求項５に記載のニードル弁である。

請求項６に記載の発明によれば、ステップ角ごとに回転検出できるので、ステッピングモータへのパルス出力と比較して、回転異常を確実に検知することができる。一方、原点検出板の被検出領域は、ステップ角よりも大きいので、振動などによる誤検知を防止することができる。

請求項７に記載の発明は、前記弁箱内に配置されたオリフィスに、前記ニードルのテーパ部が進退可能に挿入されて流量調整され、弁開度と流量との間に比例関係が成立するように、前記テーパ部と前記オリフィスの形状が設定されたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のニードル弁である。

請求項７に記載の発明によれば、弁開度と流量との間に比例関係を確保して、流量調整を一層円滑で精度良く行うことができる。

さらに、請求項８に記載の発明は、前記ロータに対する前記ニードルの引き込み限界を検出する退避点センサをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のニードル弁である。

請求項８に記載の発明によれば、退避点センサを備えることで、必要以上のニードルの引き込みを未然に防止することができる。

この発明のニードル弁によれば、簡易な構成で弁箱とニードルとの間の封止ができ、しかも封止部においてニードルは回転せずに往復動するだけであるから、封止が確実で耐久性にも優れる。また、この発明のニードル弁によれば、ニードルの高精度な原点出しを、簡易な構造および制御で実現することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。
本発明のニードル弁は、流入口と流出口とを有する弁箱と、この弁箱内に形成された流体流路の開度を調整するニードルと、その開度調整のためにニードルを移動させるモータと、このモータの回転を制御する制御器とを備える。

弁箱は、流体流路が内部に形成されている。この流体流路は、両端部が弁箱の外面に開口して形成されており、一方の開口部は流体の流入口とされ、他方の開口部は流体の流出口とされる。流体流路の中途には、弁座が設けられている。この弁座にニードルの先端部が着座して流体流路を閉鎖する構成とすることもできるが、本実施形態では、弁座の穴に対しニードルの先端部が進退することで流量調整される構成である。具体的には、本実施形態の弁座はオリフィスを有し、このオリフィスにニードルの先端部が進退可能に差し込まれる。

ニードルは、細長い棒材から形成され、弁箱に対し進退可能に設けられる。本実施形態のニードルは、丸棒の外周面に雄ネジが形成された棒状ネジ部と、この棒状ネジ部の先端部に設けられ平滑な外周面を有する丸棒部と、この丸棒部の先端部に設けられ先端側へ行くに従って先細りとなるテーパ部とを有している。このような構成のニードルは、ニードル挿通穴を介して、先端部が弁箱内へ進退可能に差し込まれる。この際、ニードルは、丸棒部の外周部において、ニードル挿通穴との隙間が封止される。後述するように、ニードルは回転せずに往復動するので、この封止は確実で耐久性に優れる。

弁箱に対しニードルを進退させるモータとして、回転方向、回転速度、回転量の制御が容易なステッピングモータ（パルスモータまたはステップモータとも呼ばれる）が用いられる。このモータは、円筒状のロータを回転させる構成である。典型的には、モータ自体のロータが円筒状とされるが、場合によりモータの回転軸の回転が歯車を介して伝達される円筒材により構成してもよい。本実施形態では、モータ自体が円筒状ロータを有し、そのロータの中央穴に、ニードルの棒状ネジ部が進退可能にねじ込まれる。そのために、円筒状ロータの中央穴には、雌ネジが形成されている。

ロータに対するニードルの供回りを防止するために、ニードルには回転規制材が設けられる。本実施形態では、ロータを貫通するニードルの基端部に、回転規制材が固定される。この回転規制材は、弁箱に対し位置決めされた支柱に沿ってのみ移動可能とされる。この支柱は、ニードルと平行に配置されている。これにより、ロータが回転した場合、ニードルは、回転することなく、その長手方向へ沿ってロータに対し進退可能である。

ロータに対するニードルの設定長さ突出および退避は、突出点センサと退避点センサとにより、ニードルの長手方向移動により検出される。本実施形態では、突出点センサは、回転規制材が所定の突出位置，すなわちニードルが後述する原点の近傍位置にあるのを検出するものである。一方、退避点センサは、回転規制材が所定の退避位置，すなわちニードルがニードル挿通穴から抜けない限界位置にあるのを検出するものである。これらの両センサは、好ましくはフォトセンサから構成される。本実施形態では、突出位置では、ニードルのテーパ部の基端部が、オリフィスの最小径部に配置される。一方、退避位置では、ニードルのテーパ部の先端部が、オリフィスの最小径部に配置される。ここにおいて、テーパ部とオリフィスは、弁開度と流量との間に比例関係が成立するように、それぞれの形状を設定しておくのが好ましい。

本実施形態のニードル弁には、ロータと一体回転可能に、原点検出板と回転検出板とが設けられる。この原点検出板と回転検出板とは、典型的には同一直径寸法の円板状とされ、離隔して平行に配置され、ロータと一体回転可能に設けられる。

原点検出板は、外周部の一部に被検出領域が形成された円板状である。具体的には、不透明素材の円板を使用し、その外周部の一部に、略扇形の切欠きを形成すればよい。あるいは逆に、透明素材の円板を使用し、その外周部の一部に、略扇形の不透明領域を設けてもよい。いずれの場合も、略扇形の被検出領域は、ロータおよび円板と同心円状に形成される。また、ロータあるいはそれと一体回転する筒体から、半径方向外側へ不透明素材を単に延出させて、被検出領域を形成してもよい。

回転検出板は、外周部に沿って、周方向等間隔に被検出部が形成された円板状である。具体的には、不透明素材の円板を使用し、その外周部に沿って、周方向等間隔に切欠きを形成すればよい。あるいは逆に、透明素材の円板を使用し、その外周部に沿って、周方向等間隔に不透明領域を設けてもよい。回転検出板に形成する被検出部は、半径方向へ沿う略矩形または略扇形に形成するのがよい。

原点検出板の被検出領域は、原点センサにより検出可能とされる。すなわち、原点検出板の回転は、原点センサにより監視される。一方、回転検出板の各被検出部は、回転センサにより検出可能とされる。すなわち、回転検出板の回転は、回転センサにより監視される。原点センサおよび回転センサは、好ましくはフォトセンサから構成される。ここで、回転検出板は、ステッピングモータのステップ角ごとに、回転センサにより回転を検出可能とされるのがよい。一方、原点検出板は、ステッピングモータのステップ角の二倍から数倍の大きさで被検出領域を有するのがよい。

制御器は、モータの他、突出点センサ、退避点センサ、原点センサおよび回転センサに電気的に接続される。そして、制御器は、モータへ駆動パルスを含む制御信号を出力して、モータの正逆方向の駆動を制御するとともに、原点センサの検出信号を基準とする回転センサの検出信号（具体的には、フォトセンサによる検出パルス数）に基づき、モータの停止を制御して、弁開度を調節する。さらに、制御器は、突出点センサおよび退避点センサの各検出信号に基づき、ロータに対するニードルの突出位置または退避位置を検出する。また、制御器は、モータの駆動制御中、回転センサの検出信号に基づき、ロータの回転異常，すなわちモータの回転異常を監視する。

さらに、制御器は、突出点センサおよび原点センサの検出信号に基づきモータを制御して、ニードルの原点出しを行うことができる。より具体的には、制御器は、まずニードルが突出位置に来るまでモータを制御する。この制御には、突出点センサからの検出信号が利用される。ニードルを突出位置まで移動させた後、制御器は、原点検出板が所定の回転停止位置で停止するようモータを制御する。この制御には、原点センサによる原点検出板の被検出領域の検出信号が利用される。この際、制御器は、原点センサを被検出領域が通過して所定量だけ行き過ぎるまでモータを一方向へ回転させた後、再び被検出領域を検出するまでモータを逆方向へ回転させるのが好ましい。これにより、ロータとニードルとの間のネジ部におけるバックラッシの除去を図ることができる。

その他、制御器は、モータを駆動制御中、ロータの一回転ごとの原点センサによる被検出領域の検出により、モータの回転異常を監視するのが好ましい。これにより、回転センサだけでは振動による誤動作もあり得るが、原点センサも併用することで、ロータの回転異常を確実に検出できる。この確実な検出をなすために、上述したように、原点検出板の被検出領域は、モータのステップ角よりも大きくしておくのがよい。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明のニードル弁の一実施例を示す図であり、図１は正面視縦断面図、図２は左側面図である。また、図３は、図１におけるIII−III断面図であり、図４は、図１におけるIV−IV断面図である。さらに、図５は、本実施例のニードル弁の上部を示す右側面視の縦断面図であり、一部を省略して示している。

本実施例のニードル弁は、流入口１と流出口２とに開口して流体流路３が形成された弁箱４と、流体流路３の中途に設けられたオリフィス５と、オリフィス５に対し進退することで流体流路３の開度を調整するニードル６と、その開度調整のためにニードル６を進退させるモータ７と、モータ７の回転を制御する制御器８とを備える。

弁箱４は、軸線を上下方向へ沿って配置された円筒状の本体部９を有する。本体部９には、軸線に沿って段付き穴（１０〜１５）が形成されており、この段付き穴は上方へのみ開口して形成されている。段付き穴は、上から順に、第一穴１０、第二穴１１、第三穴１２、第四穴１３、第五穴１４および第六穴１５と、順次縮径して形成されている。第二穴１１および第六穴１５は、ネジ穴に形成されている。第四穴１３の底面（第四穴１３と第五穴１４との間の段部）には、弁箱４の下部へ開口して縦穴１６が形成されている。この縦穴１６は、第四穴１３の右側外周部に、第四穴１３と連通すると共に、第五穴１４および第六穴１５と離隔して平行に形成されている。縦穴１６の下部開口は、止めネジ１７がねじ込まれて閉塞されている。

本体部９の上部には、横断面が正方形状の分厚いフランジ１８が一体形成されている。横断面が正方形状のフランジ１８は、その四隅を前後および左右へ向けて配置される。フランジ１８の上面四隅は、切り欠かれて段部１９に形成されている。フランジ１８の四隅の各段部１９は、平面視が略三角形状とされている。

本体部９の下部には、左右方向外側へ延出して、それぞれ管部２０，２１が一体形成されている。左側管部２０の穴２２は、左端面へ開口しており、その開口側の内面はネジ穴２３に形成されている。そして、左側管部２０の穴２２は、左端面から第六穴１５の真下まで延出しており、第六穴１５と連通している。一方、右側管部２１の穴２４は、右端面へ開口しており、その開口側の内面はネジ穴２５に形成されている。そして、右側管部２１の穴２４は、右端面から縦穴１６と交わるまで延出しており、縦穴１６と連通している。左右の各管部２０，２１のネジ穴２３，２５は、配管（図示省略）への接続部とされる。本実施例では、右側管部２１が流入口１とされ、左側管部２０が流出口２とされる。

第四穴１３の下部から第六穴１５に掛けて、弁座２６が設けられる。この弁座２６は、段付き円柱形状とされ、弁箱４の上方から第五穴１４および第六穴１５にはめ込まれて設けられる。その際、弁座２６は、その下端部外周面が第六穴１５にねじ込まれて、弁箱４に固定される。弁座２６の外周面には、第五穴１４の位置に、Ｏリング２７が設けられている。これにより、弁座２６の外周面と第五穴１４の内周面との間が封止される。

弁座２６には、その軸線に沿って、上下方向に貫通して、オリフィス５が形成されている。オリフィス５の形状は、適宜に設定されるが、本実施例では上下方向中央部が、半径方向内側へ略半円形状に膨出する縦断面形状に形成されている。すなわち、下方へ行くに従って設定形状で縮径された後、下方へ行くに従って設定形状で拡径される部分を有するように、弁座２６にオリフィス５が形成される。

第一穴１０から第三穴１２に掛けて、プラグ２８が設けられる。このプラグ２８は、上部に六角頭を有する段付き円柱形状とされ、弁箱４の上方から第二穴１１および第三穴１２にはめ込まれて設けられる。その際、プラグ２８は、その中央部外周面が第二穴１１にねじ込まれて、弁箱４に固定される。プラグ２８の外周面には、第三穴１２の位置に、Ｏリング２９が設けられている。これにより、プラグ２８の外周面と第三穴１２の内周面との間が封止される。

プラグ２８には、その軸線に沿って、上下方向に貫通穴３０が形成されている。この貫通穴３０の上下方向中央部には、半径方向内側へ延出して縮径部３１が形成されている。この縮径部３１の下面に当接して、貫通穴３０には下方からニードルガイド３２がはめ込まれる。貫通穴３０の下部には、さらにガイド止メ３３がねじ込まれ、このガイド止メ３３と縮径部３１との間で、ニードルガイド３２が挟み込まれて固定される。ニードルガイド３２およびガイド止メ３３の中心部には、それぞれ貫通穴が形成されている。

ニードルガイド３２の外周面には、Ｏリング３４が設けられている。これにより、ニードルガイド３２の外周面とプラグ２８の貫通穴３０の内周面との間が封止される。ニードルガイド３２は、縮径部３１との間およびガイド止メ３３との間に、それぞれＸリング３５，３５が設けられている。各Ｘリング３５は、断面略Ｘ形状の合成樹脂製のシール用リングである。これらのＸリング３５により、ニードルガイド３２とニードル６との間が封止される。

ニードル６は、上下に細長い段付きの丸棒材から形成される。より具体的には、ニードル６は、丸棒の外周面に雄ネジが形成された棒状ネジ部３６と、この棒状ネジ部３６の先端部に設けられ平滑な外周面を有する丸棒部３７と、この丸棒部３７の先端部に設けられ先端側へ行くに従って先細りとなるテーパ部３８とを有している。テーパ部３８の傾斜は、緩やかに形成されており、テーパ部３８の先端部には、円錐部３９が形成されている。

ニードル６は、基端部を弁箱４から上方へ突出させた状態で、先端部が弁箱４内へ上方から差し込まれる。その際、丸棒部３７がニードルガイド３２に差し込まれ、テーパ部３８がオリフィス５に差し込まれる。また、棒状ネジ部３６は、プラグ２８の上部開口から上方へ延出して配置される。ニードル６は、弁箱４に対し所定範囲を上下に進退可能であるが、そのいずれの箇所においても、ニードルガイド３２には丸棒部３７が配置される。ニードルガイド３２には、上下二箇所にＸリング３５を設けているので、丸棒部３７の外周面とニードルガイド３２との間の封止は確実になされる。このようにして、ニードル６は、弁箱４との間を封止されて、弁箱４に対し上下に進退可能とされる。

弁箱４の上部には、ニードル６を駆動するためのモータ７が設けられる。このモータ７は、ステッピングモータとされ、従来公知の構造である。モータ７は、第一穴１０の上部開口を閉じるように、弁箱４の上部中央に設けられる。その際、モータ７の取付板４０が弁箱４の上面に重ね合わされて、ネジ４１にて固定される。

モータ７は、コイル４２を有するステータ４３に対し、円筒状のロータ４４が回転される構成である。ロータ４４は、上下両端部においてベアリング４５，４５に保持され、ステータ４３に対し回転自在とされる。円筒状のロータ４４の中央穴４６は、少なくとも一部がネジ穴とされている。ロータ４４の中央穴４６には、ニードル６が貫通して設けられる。その際、ニードル６の棒状ネジ部３６が、ロータ４４のネジ穴に進退可能にねじ込まれる。

ニードル６の上端部は、モータ７から上方へ突出して配置され、その上端部に回転規制材４７が設けられる。本実施例の回転規制材４７は、図３に示すように、略ホームベース形状の板材から構成され、その左右方向中央部には、後方へ延出して指示片４８が一体形成されている。この指示片４８は、長方形状とされ、その後端部は略三角形状に形成されている。また、回転規制材４７の後端辺の右側には、垂直板状の被検出片４９が、後方へ延出して一体形成されている。さらに、回転規制材４７の左右両端部には、略半円形状の切欠き５０，５０が形成されている。

ニードル６の棒状ネジ部３６の上端部には、縮径ネジ部５１が形成されている。この縮径ネジ部５１は、丸棒の直径方向両端部が切り欠かれた形状とされている。そして、このような縮径ネジ部５１の断面形状と対応した形状の穴５２が、回転規制材４７に形成されている。従って、回転規制材４７の穴５２に、ニードル６の縮径ネジ部５１をはめ込んで、上方からナット５３で締めることで、ニードル６に回転規制材４７を相対回転不能に取り付けることができる。

モータ７の上面には、ベースプレート５４がネジ５５により固定される。このベースプレート５４は、モータ７の上面に水平に保持される。ベースプレート５４の左右両端部には、板面に対し垂直上方へ延出して、円柱形状の支柱５６，５６が固定される。回転規制材４７は、左右の切欠き５０，５０が、支柱５６，５６の外周面にはめ合わされた状態で配置される。これにより、回転規制材４７は、支柱５６により回転不能で、支柱５６に沿って上下動のみ可能とされる。

このような構成により、ニードル６は、回転することなく、ロータ４４に対し上下動のみ可能とされる。すなわち、モータ７を駆動してロータ４４を回転させた場合、ニードル６が回転規制材４７によりロータ４４との供回りを阻止されているので、ニードル６は回転せずに上下動のみ行うことになる。ロータ４４の回転方向に応じて、ニードル６を下方へ移動させたり、あるいは上方へ移動させたりすることができる。

左右の支柱５６，５６の上部には、コネクタ基板５７が水平に保持される。ベースプレート５４とコネクタ基板５７とを架け渡すように、ベースプレート５４の後部には、センサ基板５８が垂直に設けられる。センサ基板５８は、略矩形板状とされ、板面を前後に配置して設けられる。センサ基板５８の幅方向中央部には、上下方向へ延出して矩形穴５９が形成されている。この矩形穴５９には、回転規制材４７の指示片４８が、上下に移動可能に通される。

センサ基板５８の右側には、上下に離隔して、上限センサ（退避点センサ）６０と下限センサ（突出点センサ）６１とが設けられる。これら各センサ６０，６１は、光透過型フォトインタラプタから構成され、発光素子と受光素子との間に、回転規制材４７の被検出片４９が介在されたか否かを検出する。回転規制材４７の被検出片４９は、ニードル６と共に上下動するが、その被検出片４９の上下方向の経路に沿って、上限センサ６０と下限センサ６１とが設けられる。各センサ６０，６１では、発光素子から受光素子への光路と対応した位置に、被検出片４９が配置されるか否かにより、受光素子における発光素子からの受光の有無が切り替えられる。これにより、各センサ６０，６１において、被検出片４９の検出が可能とされる。

図６および図７は、図１の部分拡大図であり、図６はニードル６の下限位置を示し、図７はニードル６の上限位置を示している。下限センサ６１が被検出片４９を検出する下限位置では、図６に示すように、ニードル６のテーパ部３８の基端部が、オリフィス５の最小径部にほぼ隙間なく配置される。一方、上限センサ６０が被検出片４９を検出する上限位置では、図７に示すように、ニードル６のテーパ部３８の先端部が、オリフィス５の最小径部に配置される。下限センサ６１と上限センサ６０とを用いることで、ニードル６は、概ね下限位置と上限位置との間で上下動される。

オリフィス５にはニードル６のテーパ部３８が差し込まれており、ニードル６の上下位置に応じて、流体流路３の開度が決定される。この開度（ニードル６の上下方向移動量でもある）と流量との間に比例関係が成立するように、テーパ部３８とオリフィス５の形状を設定しておくのが好ましい。

ロータ４４の上端部には、ロータ４４と一体回転可能に、原点検出板６２と回転検出板６３とが設けられる。原点検出板６２と回転検出板６３は、同一直径寸法のステンレス板から構成され、上下に離隔して同心で平行に設けられる。本実施例では、上側に原点検出板６２が配置され、下側に回転検出板６３が配置される。原点検出板６２と回転検出板６３は、厚肉円筒材６４の外周部にツバ状に固定されている。そして、この厚肉円筒材６４の穴に、段付き円筒状の装着筒６５がはめ込まれ、止めネジ６６にて一体化されている。

装着筒６５の下部には、拡径部６７が形成されている。一方、ロータ４４の上端部は、ベースプレート５４から上方へ突出して配置されている。従って、装着筒６５の拡径部６７をロータ４４の上端部にはめ込んで、止めネジ６８により一体化できる。これにより、原点検出板６２と回転検出板６３とは、ロータ４４と一体回転可能とされる。このようにして設けられた装着筒６５をニードル６は貫通し、その上端部に回転規制材４７が固定される。

原点検出板６２には、図３に示すように、外周部の一部に、被検出領域６９が形成されている。この被検出領域６９は、周方向へ沿う略扇形の切欠きにより形成されている。一方、回転検出板６３には、図４に示すように、外周部の全域に、被検出部７０，７０，…が周方向等間隔に多数形成されている。各被検出部７０は、同一の形状および大きさとされ、図示例では略扇形の切欠きにより形成されている。原点検出板６２および回転検出板６３は、ステンレスの円板に、被検出領域６９または被検出部７０としての切欠きを打ち抜き形成して構成される。

原点検出板６２の被検出領域６９、および回転検出板６３の各被検出部７０を検出するために、センサ基板５８の左右方向中央下部には、上下に並んで、原点センサ７１と回転センサ７２とが設けられる。これら各センサ７１，７２は、光透過型フォトインタラプタから構成され、発光素子と受光素子との間に、各検出板６２，６３の外周部が介在された状態に取り付けられる。各センサ７１，７２の発光素子と受光素子との間に各検出板６２，６３を介在させることで、各センサ７１，７２と対応した位置（発光素子から受光素子への光路と対応した位置）に切欠き（被検出領域６９または被検出部７０）が配置されるか否かにより、受光素子における発光素子からの受光の有無が切り替えられる。これにより、原点センサ７１では被検出領域６９の検出が可能とされ、回転センサ７２では各被検出部７０の検出が可能とされる。

弁箱４の上部に組み付けられた上記構成は、ケース７３にて覆われる。本実施例のケース７３は、下方へ開口した中空ボックス状に形成されている。ケース７３は、弁箱４のフランジ１８と同様に、横断面が正方形状に形成されると共に、その四隅を前後および左右へ向けて配置される。ケース７３は、下端部がフランジ１８の外周部に保持されて、弁箱４の上部に装着される。そして、ケース７３の上部から弁箱４の段部１９に取付ネジ７４，７４がねじ込まれて、弁箱４にケース７３が固定される。

ケース７３の後方角部には、上下方向に沿って細長い略矩形穴７５が形成されている。これにより、指示片４８の先端部は、ケース７３の外から視認可能とされる。指示片４８は、ニードル６の上下動に伴って、略矩形穴７５に沿って上下動する。従って、指示片４８の上下位置に基づき、ニードル弁の開度が確認可能となる。ケース７３の外面には、略矩形穴７５に沿った位置に、ニードル弁の開度を表示するシール７６を貼ることができる。

モータ７、上限センサ６０、下限センサ６１、原点センサ７１および回転センサ７２は、制御器８と接続される。本実施例では、各センサ６０，６１，７１，７２は、センサ基板５８を介してコネクタ基板５７と電気的に接続されている。また、モータ７も、コネクタ基板５７と電気的に接続されている。そして、弁箱４の正面側下部から導出されるケーブル７７を介して、コネクタ基板５７は制御器８と電気的に接続される。このようにして、本実施例では、一旦コネクタ基板５７を介して、モータ７、上限センサ６０、下限センサ６１、原点センサ７１および回転センサ７２は、制御器８に接続される。

制御器８は、上限センサ６０および下限センサ６１により被検出片４９を検出することで、ニードル６の上限位置および下限位置を検出する。また、制御器８は、原点センサ７１により、原点検出板６２の被検出領域６９の有無を検出すると共に、回転センサ７２により、回転検出板６３の各被検出部７０を検出する。さらに、制御器８は、モータ７への駆動パルスを含む制御信号の作成回路を有し、その作成した制御信号をモータ７へ出力可能である。これにより、モータ７は、正転または逆転と、その回転角が任意に制御される。また、駆動パルスの間隔を変えることで、回転速度が制御される。

以下の説明において、モータ７の回転方向について、「正転」とは、ニードル６を下方へ移動させる場合のロータ４４の回転方向（図３および図４における矢印方向）をいい、「逆転」とは、ニードル６を上方へ移動させる場合のロータ４４の回転方向をいう。

いま被検出片４９が上限センサと下限センサとの間に配置されているとして、制御器８は、次のようにしてニードル６の原点出しを行う。すなわち、制御器８は、まずモータ７を正転させて、下限センサ６１が被検出片４９を検出する下限位置まで、ニードル６を下方へ移動させる。これにより、まず被検出片４９の上下方向移動により、原点の粗出しがなされる。次に、制御器８は、原点センサ７１にて原点検出板６２を監視しながらモータ７を制御して、原点検出板６２ひいてはロータ４４を、所定の回転停止位置で停止させる。これにより、ニードル６の上下方向位置が微調整され、最終的な原点出しが高精度になされる。

より具体的に説明すると、下限センサ６１が被検出片４９を検出した状態では、図３に示すように、原点検出板６２の被検出領域６９は原点センサ７１と対応していない状態で配置されている。その状態で、ロータ４４ひいては原点検出板６２を正転させると、やがて原点センサ７１の位置に被検出領域６９が移動して、原点センサ７１が被検出領域６９を検知する。この地点を原点としてもよいが、本実施例では、原点センサ７１を被検出領域６９が通過して所定量（たとえば４パルス分）だけ行き過ぎるまでロータ４４を正転させる。その後、制御器８は、モータ７を逆転させて、再び原点センサ７１が原点検出板６２の被検出領域６９を検出する位置を原点とする。これにより、ロータ４４とニードル６との間のネジ部におけるバックラッシの除去を図ることができる。従って、原点位置から、ロータ４４を逆転させて所望だけニードル弁を開く際には、バックラッシの影響を受けず、正確な開度で開くことができる。

制御器８は、モータ７を駆動制御中、回転センサ７２にて回転検出板６３を監視する。ロータ４４ひいては回転検出板６３の回転に伴い回転センサ７２は定期的に被検出部７０を検出するので、その検出パルスが検出信号として制御器８へ入力される。つまり、制御器８は、ニードル６の上下動のためにモータ７を駆動すれば、それに伴い回転センサ７２から被検出部７０の検出信号をパルスとして取得する。従って、制御器８は、回転センサ７２からの検出信号をモータ７への制御信号と比較して、モータ７の回転異常を監視することができる。たとえば、モータ７へ駆動パルスを送ったのに、回転センサ７２から検出パルスが検出されない場合に、回転異常と検知する。

本実施例では、モータ７として、ステップ角が７．５度のステッピングモータが使用される。この場合、モータ７は、１パルスでロータ４４が７．５度回転し、４８パルスでロータ４４は一回転する。これに対応して、回転検出板６３には、周方向等間隔に、４８個の切欠きを形成して被検出部７０，７０，…を形成している。従って、モータ７を１パルス分だけ回転させるごとに、回転センサ７２から１パルス得られることになる。モータ７への駆動パルスと回転センサ７２からの検出パルスとを一対一に比較して、モータ７の回転を監視することができる。そして、両パルスが所定数（たとえば４パルス）以上ずれた場合には、制御器８はエラー信号を発する。

制御器８は、さらに、ロータ４４の一回転ごとの原点センサ７１による被検出領域６９の検出により、モータ７の回転異常を監視する。具体的には、モータ７を一回転させても、原点センサ７１が一度も被検出領域６９を検出しない場合には、制御器８はエラー信号を発する。これにより、回転センサ７２だけでは振動による誤動作もあり得るが、原点センサ７１も併用することで、ロータ４４の回転異常を確実に検出できる。この確実な検出をなすために、原点検出板６２の被検出領域６９は、モータ７のステップ角よりも大きくしておくのがよい。本実施例では、ステップ角の３倍の大きさだけ被検出領域６９を形成している。

制御器８は、ニードル弁の制御開始時の他、回転センサ７２または原点センサ７１によりエラーを検出した場合に、ニードル６を原点へ戻すよう制御する。また、制御器８は、上限センサ６０が被検出片４９を検出した場合にも、ニードル６を原点へ戻すよう制御する。

本実施例のニードル弁によれば、ニードル６は回転することなく上下動する。従って、弁箱４との間の封止は、確実で耐久性にも優れる。また、本実施例のニードル弁によれば、上下方向位置を検出する下限センサ６１に加えて、周方向位置を検出する原点センサ７１も利用することで、高精度な原点出しを行うことができる。

本実施例のニードル弁は、たとえば油を燃焼させる形式のボイラにおいて、そのバーナへ供給する油の流量を調整するために用いられる。本実施例の構成によれば、ボイラの低燃焼と高燃焼との間の燃焼移行時に、バーナへの供給空気量を調整する送風機のインバータ周波数の変化に応じて、油流量の調整を容易に行うことができる。この場合、ボイラの制御盤（図示省略）とニードル弁の制御器８とが電気的に接続されて使用される。

本発明のニードル弁は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。前記実施例では、回転規制材４７に形成した切欠き５０，５０に支柱５６，５６をはめ合わせたが、回転規制材４７を回転止めする構造は適宜に変更可能である。たとえば、回転規制材４７に開けた穴に、支柱５６をスライド可能に通してもよい。

さらに、前記実施例では、モータ７のステップ角ごとに回転センサ７２が被検出部７０を検出するよう構成したが、回転検出板６３への被検出部７０の形成は、必ずしもモータ７のステップ角と対応させる必要はない。

本発明のニードル弁の一実施例を示す正面視縦断面図である。 図１のニードル弁の左側面図である。 図１におけるIII−III断面図である。 図１におけるIV−IV断面図である。 図１のニードル弁の上部を示す右側面視の縦断面図であり、一部を省略して示している。 図１のニードル弁の部分拡大図であり、ニードルは下限位置に配置されている。 図１のニードル弁の部分拡大図であり、ニードルは上限位置に配置されている。

符号の説明

４ 弁箱
５ オリフィス
６ ニードル
７ モータ
８ 制御器
３６ 棒状ネジ部
３７ 丸棒部
３８ テーパ部
４４ ロータ
４６ 中央穴
４７ 回転規制材
４９ 被検出片
５６ 支柱
６０ 退避点センサ（上限センサ）
６１ 突出点センサ（下限センサ）
６２ 原点検出板
６３ 回転検出板
６９ 被検出領域
７０ 被検出部
７１ 原点センサ
７２ 回転センサ

Claims (8)

1. 円筒状のロータを有するステッピングモータと、
   前記ロータの中央穴に進退可能にねじ込まれるニードルと、
   前記ロータに対し前記ニードルをその長手方向へ沿う移動は許容しつつ供回り防止する回転規制材と、
   前記ロータに対する前記ニードルの設定長さの突出を、前記ニードルの長手方向移動により検出する突出点センサと、
   前記ロータと一体回転する原点検出板と、
   この原点検出板の回転を監視する原点センサと、
   前記突出点センサが前記ニードルの設定長さの突出を検出するまで前記ステッピングモータを駆動した後、前記原点センサにより前記原点検出板の回転を監視して、前記原点検出板が所定の回転停止位置で停止するよう前記ステッピングモータを制御する制御器と
   を備えることを特徴とするニードル弁。
2. 前記ニードルは、棒状ネジ部の先端部に、丸棒部を介して先細りのテーパ部が形成されており、
   前記棒状ネジ部が前記ロータの中央穴に進退可能にねじ込まれると共に、前記丸棒部が弁箱に対し進退可能で弁箱との間を封止されて、前記テーパ部が前記弁箱内へ挿入され、
   前記回転規制材は、前記棒状ネジ部の基端部に固定されており、前記弁箱に対し位置決めされた支柱に沿って供回り防止されつつ進退可能とされ、
   前記突出点センサは、前記回転規制材が所定位置にあるのを検出するフォトセンサとされた
   ことを特徴とする請求項１に記載のニードル弁。
3. 前記原点検出板は、外周部の一部に略扇形の被検出領域が形成された円板状とされ、
   前記原点センサは、前記被検出領域を検出するフォトセンサとされ、
   前記制御器は、前記突出点センサが前記ニードルの設定長さの突出を検出するまで前記ステッピングモータを駆動した後、前記原点センサを前記被検出領域が通過して所定量だけ行き過ぎるまで前記ステッピングモータを一方向へ回転させた後、再び前記被検出領域を検出するまで前記ステッピングモータを逆方向へ回転させて、前記ニードルの原点出しを行う
   ことを特徴とする請求項２に記載のニードル弁。
4. 前記ロータと一体回転する円板状の回転検出板と、この回転検出板の回転を監視する回転センサとをさらに備え、
   前記制御器は、前記ステッピングモータを駆動制御中、前記回転センサの検出信号に基づき前記ステッピングモータの回転異常を監視する
   ことを特徴とする請求項３に記載のニードル弁。
5. 前記制御器は、前記ステッピングモータを駆動制御中、前記ロータの一回転ごとの前記原点センサによる前記被検出領域の検出により、前記ステッピングモータの回転異常を監視する
   ことを特徴とする請求項４に記載のニードル弁。
6. 前記回転検出板は、前記ステッピングモータのステップ角ごとに前記回転センサにより回転を検出可能とされ、
   前記原点検出板は、前記ステッピングモータのステップ角の二倍から数倍の大きさで前記被検出領域を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載のニードル弁。
7. 前記弁箱内に配置されたオリフィスに、前記ニードルのテーパ部が進退可能に挿入されて流量調整され、
   弁開度と流量との間に比例関係が成立するように、前記テーパ部と前記オリフィスの形状が設定された
   ことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のニードル弁。
8. 前記ロータに対する前記ニードルの引き込み限界を検出する退避点センサをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のニードル弁。

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