JP5252264B2 - 流体用積層構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、流体流路が形成される流体用積層構造体に関し、一層詳細には、金属製のブロック部材間に中間部材が介装されて流体用の流路が形成され、且つ前記中間部材の弾性定数を前記ブロック部材よりも大きくし、しかも各部材が拡散接合や溶接により接合された流体用積層構造体に関する。
圧力流体を所望の部位まで導出して流体用機器を駆動するために、圧力供給源（負圧供給源）と該流体用機器との間に流体用流路が配置される。この種の流体用流路は金属製又は樹脂製のブロック体にドリルで孔を開けたりフォトエッチングや場合によってはプレスで溝を形成することにより設けられる。近年、省スペース化や機器の配置の都合により流体流路がブロック体の内部に３次元に展開する構造体が採用されるに至り、この要請に沿ってブロック体の構造自体複数のブロック片を積層した構造が採用されている。
この種の流体用積層構造体では、積層された複数のブロック片を接合するにあたって種々の方法が採用されている。
例えば、複数のアルミニウム合金部材の接合面にマグネシウム等の粉末を供給して拡散接合したり（特許文献１、２、非特許文献１参照）、接合母材の接合面にメッキ膜を形成し、他のブロック片とを拡散接合する方法が知られている（特許文献３参照）。また、アルミニウム部材と銅部材の接合面に銀層を形成し、両部材を接合する方法（特許文献４参照）が知られている。
しかしながら、上記の特許文献に記載された技術的思想では、部材に流体用の流路が形成されている状態で当該部材上に他の部材を接合すると、当該流路が他の部材により変形する場合がある。この変形した流路では、例えば、流体抵抗が変化して所望の圧力（負圧）で流体圧機器を駆動したり制御することは困難となる。しかも、前記部材を合成樹脂で構成すると強度が劣り、経年変化がし易く、さらに、環境条件によりその機能が変動する可能性がある。
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、ブロック部材を積層して、その内部に流体用流路を形成する場合に流路の変形を最小限に抑制し、強度に優れ、耐久性に富むとともに流体圧機器を所望の状態で駆動し、又は制御することが可能な流体用積層構造体を提供することを目的とする。
本発明の流体用積層構造体は、２以上のブロック部材が積層された流体用積層構造体であって、隣接するブロック部材の弾性定数が異なることを特徴とする。
流体用積層構造体は、３つのブロック部材（第１ブロック部材、中間部材、第２ブロック部材）を有し、前記第１ブロック部材、前記中間部材、第２ブロック部材は、この順で積層され、前記各部材は相互に接合され、しかも前記中間部材の弾性定数は、前記第１及び第２ブロック部材の弾性定数よりも大きい。
前記各部材は溶接又は拡散接合されていることが好ましく、また、前記第１及び第２ブロック部材は、軽金属又は軽金属合金からなり、好ましくはアルミニウム−マグネシウム−ケイ素系合金とし、前記中間部材は、軽金属又は軽金属合金からなり、好ましくはアルミニウム−銅−マグネシウム系合金とすると、軽量で且つ耐久性に富み流路と第１及び第２ブロック材よりも中間部材が弾性に優れるために一層の強度が確保され、耐久性にも優れる効果が得られる。
本発明に係る流体用積層構造体によれば、前記第１ブロック部材、前記中間部材、第２ブロック部材は、この順で積層され、中間部材の弾性定数を、第１ブロック部材及び第２ブロック部材の弾性定数よりも大きくすることにより、第１ブロック部材に形成されている流路の変形を最小限にすることができ、精度の高い流路が形成された流体用積層構造体を得ることができる。また、前記第１及び第２ブロック部材は、軽金属又は軽金属合金からなり、好ましくはアルミニウム−マグネシウム−ケイ素系合金とし、さらに、前記中間部材は、軽金属又は軽金属合金からなり、好ましくはアルミニウム−銅−マグネシウム系合金とすると、軽量で且つ耐久性に富み流路と第１及び第２ブロック材よりも中間部材が弾性に優れるために一層の強度が確保され、耐久性にも優れる効果が得られる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照し詳細に説明する。図１は、流体用積層構造体１０の分解斜視図であり、図２は、図１に示す流体用積層構造体１０の斜視説明図である。
図１に示されるように、流体用積層構造体１０は、第１ブロック部材１２と中間部材１４と第２ブロック部材１６から構成される。第１ブロック部材１２は、金属製の板体であって、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、さらに好ましくはＪＩＳ規格で規定される６０００系のアルミニウム合金からなる。ＪＩＳ規格の６０００系のアルミニウム合金は、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素を主成分としている。第１ブロック部材１２には圧力流体を流通させる溝部１８〜２４、排気孔２６が形成されている。
中間部材１４は、金属製の板体であって、好ましくはアルミニウム合金からなり、さらに好ましくはＪＩＳ規格で規定される２０００系のアルミニウム合金からなる。ＪＩＳ規格の２０００系のアルミニウム合金は、アルミニウム、銅、マグネシウムを主成分としている。なお、中間部材１４の弾性定数は、第１ブロック部材１２の弾性定数よりも大きく、好ましくは、中間部材１４の縦弾性係数、横弾性係数が第１ブロック部材１２の縦弾性係数、横弾性係数よりも大きい。
中間部材１４には貫通孔３０〜５６が形成されている。貫通孔３０は、溝部１８の一端である端部１８ａで溝部１８と連通し、貫通孔３２は、溝部２０の一端である端部２０ａで溝部２０と連通し、貫通孔３４は、溝部２２の一端である端部２２ａで溝部２２と連通し、貫通孔３８は、三つ叉である溝部２４の一端である端部２４ａで溝部２４と連通する。また、貫通孔４２は、溝部２２の他端である端部２２ｂで溝部２２と連通し、貫通孔４４は、溝部２４の一方の他端である端部２４ｂで溝部２４と連通する。さらに、貫通孔４６は、溝部１８の他端である端部１８ｂで溝部１８と連通し、貫通孔４８は、溝部２４の他方の他端である溝部２４ｃで溝部２４と連通し、貫通孔５０は、溝部２０の中途の屈曲部２０ｂで溝部２０と連通する。さらに、貫通孔５２は、溝部２０の他端である端部２０ｃで溝部２０と連通し、貫通孔５４は、排気孔２６と連通し、貫通孔５６は、溝部１８の中途で分岐した溝部の端部１８ｃで溝部１８と連通している。そして、第１ブロック部材１２の溝部１８〜２４と中間部材１４の底面部５７とによって流体流路が形成される。
第２ブロック部材１６は、金属製の板体であって、第１ブロック部材１２と同様の材料からなる。第２ブロック部材１６には入力孔５８、出力孔６０、排気孔６２が形成され、第２ブロック部材１６の底面部６３には、流体を流通させる三つ叉の溝部６４が形成される。入力孔５８は、貫通孔３０を介して端部１８ａで溝部１８と連通し、出力孔６０は、貫通孔３２を介して端部２０ａで溝部２０と連通し、排気孔６２は、貫通孔３４を介して端部２２ａで溝部２２と連通する。また、溝部６４の一端である端部６４ａで貫通孔３８と連通し、溝部６４の他端である端部６４ｂで貫通孔３６と連通し、溝部６４の他端である端部６４ｃで貫通孔４０と連通している。なお、中間部材１４の上面部６５と第２ブロック部材１６の溝部６４によって流体流路が形成される。
本発明の実施形態の流体用積層構造体１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６はこの順（図１中Ｚ方向）で積層されて互いに拡散接合される。拡散接合は、高温下において、流体用積層構造体１０に対してＺ方向に圧縮力を作用することにより行われる。図２は、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６を拡散接合して得られた流体用積層構造体１０を示している。
図３Ａ、図３Ｂは、流体用積層構造体１０に圧縮力を作用させた場合の図２のＩＩ−ＩＩ断面におけるＸ方向の変位分布を示すシミュレーションの結果説明図であって、図３Ａは、Ｚ方向の圧縮変位量が３ｍｍの場合であって、図３Ｂは、Ｚ方向の圧縮変位量が６ｍｍの場合である。図３Ｃは、流体用積層構造体１０と同等の厚みの板体をＪＩＳ規格６０００系合金で形成し、積層方向の圧縮変位量が３ｍｍの場合の積層方向の断面におけるＸ方向の変位分布を示すシミュレーションの結果説明図である。
図４Ａ、図４Ｂは、流体用積層構造体１０に圧縮力を作用させた場合の図２のＩＩ−ＩＩ断面における相当応力の分布を示すシミュレーションの結果説明図であって、図４Ａは、Ｚ方向の圧縮変位量が３ｍｍの場合であって、図４Ｂは、Ｚ方向の圧縮変位量が６ｍｍの場合である。図４Ｃは、流体用積層構造体１０と同等の厚みの板体をＪＩＳ規格６０００系合金で形成し、積層方向の圧縮変位量が３ｍｍの場合の積層方向の断面における相当応力の分布を示すシミュレーションの結果説明図である。ここで、相当応力は、Ｘ方向、Ｙ方向の２乗平均である。
図３Ａ〜３Ｃ、図４Ａ〜４Ｃに示すシミュレーションの結果では、拡散接合が達成される圧縮力値において、当該圧縮力値を変化させた場合のＸ方向の変位、相当応力の比較している。
変位量について溝部１８〜２４が形成される第１ブロック部材１２の上面付近の変位に着目すると、変位量が０．１４３×１０-3（ｍｍ）以下の領域である小変位領域は、図３Ａに示す圧縮変位量が３ｍｍの場合では、小変位領域は幅方向の約５０％を占めている。図３Ｂに示す圧縮変位量が６ｍｍの場合では、小変位領域は幅方向の約２５％を占めている。図３Ｃに示す圧縮変位量が３ｍｍの場合では、小変位領域は幅方向の約１２％を占めている。図３Ａ、図３Ｂから諒解されるように、同じ３層構造の流体用積層構造体１０において、圧縮変位量が３ｍｍの場合の方が、圧縮変位量が６ｍｍの場合に比べて、約２倍の小変位領域を得ることができる。また、図３Ａ、図３Ｃから諒解されるように、圧縮変位量が３ｍｍと同じであっても、流体用積層構造体１０の方が、単一材料で形成された板体よりも約４倍の小変位領域を得ることができる。
また、相当応力について溝部１８〜２４が形成される第１ブロック部材１２の上面付近の変位に着目すると、相当応力が０．４４７×１０10（Ｐａ）以下の応力が低い低応力領域は、図４Ａに示す圧縮変位量が３ｍｍの場合では、低応力領域は幅方向の約９０％を占めている。図４Ｂに示す圧縮変位量が６ｍｍの場合では、幅方向では、全く存在せずに０．７１８×１０10（Ｐａ）以上の相当応力で占められている。図４Ｃに示す圧縮変位量が３ｍｍの場合では、低応力領域は幅方向の約５０％を占めている。図４Ａ、図４Ｂから諒解されるように、同じ３層構造の流体用積層構造体１０において、圧縮変位量が３ｍｍの場合は低応力領域を得ることができるが、圧縮変位量が６ｍｍでは低応力領域を得ることができない。また、図４Ａ、図４Ｃから諒解されるように、圧縮変位量が３ｍｍと同じであっても、流体用積層構造体１０の方が、単一材料で形成された板体よりも約２倍の低応力領域を得ることができる。
従って、流体用積層構造体１０のように、第１ブロック部材１２と第２ブロック部材１６に弾性定数が比較的に小さい部材、すなわち、柔らかい部材である第１ブロック部材１２、第２ブロック部材１６を選択し、一方、これらの第１ブロック部材１２、第２ブロック部材１６の間に介装される中間部材１４に弾性定数が比較的に大きい部材、すなわち、硬い部材を積層する構造を選択すると、中間部材１４と、第１ブロック部材１２、第２ブロック部材１６との間で、変位量及び応力の影響を低くすることが可能となる。その結果、第１ブロック部材１２、第２ブロック部材１６に形成されている流路の変形が最小限に抑制され、精度が高く耐久性に富む流体用の流路を有する流体用積層構造体１０を得ることができる。
次に、流体用積層構造体１０に、例えば、電磁バルブを固着して用いる場合の加工について説明する。図５は、電磁バルブを固着する前の前加工がされた流体用積層構造体１０の概略斜視図であり、図６Ａ及び図６Ｂは、電磁バルブが固着された流体用積層構造体１０を上方及び下方からそれぞれ見た概略斜視図である。
流体用積層構造体１０では、まず、図５に示すように、一部の隅角部を大きくえぐるように第２ブロック部材１６を切り出す。次いで、この第２ブロック部材１６の上面から貫通孔である取付穴６６ａ、６６ｂを形成するとともに、端部６４ｂで溝部６４に連通する貫通孔６８を形成する。また、入力孔５８、出力孔６０に対してコネクタを接続するために拡径処理をする。
次に、中間部材１４に電磁バルブを固着するためのねじ穴７０ａ〜７０ｄ及び取付穴７２ａ〜７２ｃを形成する。この場合、流体用積層構造体１０の第１ブロック部材１２の底面に排気孔２６と連通する溝部７４を形成するとともに、後述するセンサ８４を取り付けるための取付穴（図示無し）を形成する。
次に、入力孔５８にコネクタ７６ａが、出力孔６０にコネクタ７６ｂが、貫通孔６８にコネクタ７６ｃが取り付けられる。この場合、電磁バルブ７８ａは取付穴７２ａに対応する位置に、電磁バルブ７８ｂは取付穴７２ｂに対応する位置に、電磁バルブ７８ｃは取付穴７２ｃに対応する位置に載置され、ねじ８０ａをねじ穴７０ａに螺合し、ねじ８０ｂをねじ穴７０ｂに螺合し、ねじ８０ｃをねじ穴７０ｃに螺合し、ねじ８０ｄをねじ穴７０ｄに螺合し、さらに、電磁バルブ７８ｃの側面部分に抑え板８２を設ける。これによって、電磁バルブ７８ａ〜７８ｃが中間部材１４に固着される。電磁バルブ７８ａは内部の図示しない電磁弁を駆動して貫通孔４２、４４を開閉し、電磁バルブ７８ｂは内部の図示しない電磁弁を駆動して貫通孔４６〜５０を開閉し、電磁バルブ７８ｃは内部の図示しない電磁弁を駆動して貫通孔５２〜５６を開閉する。さらに、第１ブロック部材１２の底面部には、貫通孔３６、４０を流通する流体の流量及び流圧を検知するセンサ８４が設けられている。
電磁バルブ７８ａ〜７８ｃが固着された流体用積層構造体１０では、コネクタ７６ａから流体が入力され、電磁バルブ７８ａ〜７８ｃの電磁弁（図示せず）の各々が駆動され、貫通孔４２〜５６を開閉することによりコネクタ７６ｂから流体が出力される。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る流体用積層構造体１０は、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６を備え、これらの部材はこの順で積層され、前記各部材は相互に接合され、しかも中間部材１４の弾性定数は、第１ブロック部材１２及び第２ブロック部材１６の弾性定数よりも大きくすることにより、第１ブロック部材１２に形成されている溝部１８〜２４の変形を最小限にすることができ、精度の高い流路が形成された流体用積層構造体１０を得ることができる。
次に、本発明の実施形態の変形例である流体用積層構造体１０Ａを説明する。図７は、流体用積層構造体１０Ａの変形例である流体用積層構造体の分解斜視図である。
図５及び図６Ａ、図６Ｂに示す流体用積層構造体１０では、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６を拡散接合した後に取付穴６６ａ、６６ｂ等を形成していたが、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６を確実に拡散接合することができれば、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６に取付穴６６ａ、６６ｂ等を形成した後に拡散接合することにより、流体用積層構造体１０Ａを形成してもよい。すなわち、第１ブロック部材１２に溝部１８〜２４、排気孔２６、取付穴６６ｃ、６６ｄ、センサ８４を取り付けるための取付穴８６を形成し、さらに底面部に溝部７４を形成する。次に、中間部材１４に、貫通孔３０〜５６、取付穴６６ｅ、６６ｆ、ねじ穴７０ａ〜７０ｄ、取付穴７２ａ〜７２ｃを形成する。さらに、第２ブロック部材１６に入力孔５８、出力孔６０、排気孔６２、取付穴６６ｇ、６６ｈ、貫通孔６８を形成する。そして、第１ブロック部材１２、中間部材１４及び第２ブロック部材１６をこの順番に積層し拡散接合することにより、流体用積層構造体１０Ａを形成してもよい。
また、上述した流体用積層構造体１０では、３つの部材から構成される３層構造であったが、これに限定されるものではなく、例えば、第１ブロック部材１２又は第２ブロック部材１６と中間部材１４の２つの部材で形成してもよく、さらに、４つ以上の部材からなる多層構造としてもよい。
本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０、１０Ａ…流体用積層構造体 １２…第１ブロック部材
１４…中間部材 １６…第２ブロック部材
１８〜２４、６４、７４…溝部
１８ａ〜１８ｃ、２０ａ、２０ｃ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ〜２４ｃ、６４ａ〜６４ｃ…端部
２０ｂ…屈曲部 ２６、６２…排気孔
３０〜５６、６８…貫通孔 ５７、６３…底面部
５８…入力孔 ６０…出力孔
６５…上面部
６６ａ〜６６ｈ、７２ａ〜７２ｃ、８６…取付穴
７０ａ〜７０ｄ…ねじ穴 ７６ａ〜７６ｃ…コネクタ
７８…電磁バルブ ８０ａ〜８０ｄ…ねじ
８２…抑え板 ８４…センサ
１４…中間部材 １６…第２ブロック部材
１８〜２４、６４、７４…溝部
１８ａ〜１８ｃ、２０ａ、２０ｃ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ〜２４ｃ、６４ａ〜６４ｃ…端部
２０ｂ…屈曲部 ２６、６２…排気孔
３０〜５６、６８…貫通孔 ５７、６３…底面部
５８…入力孔 ６０…出力孔
６５…上面部
６６ａ〜６６ｈ、７２ａ〜７２ｃ、８６…取付穴
７０ａ〜７０ｄ…ねじ穴 ７６ａ〜７６ｃ…コネクタ
７８…電磁バルブ ８０ａ〜８０ｄ…ねじ
８２…抑え板 ８４…センサ
Claims (5)
- ２以上のブロック部材が積層された流体用積層構造体であって、
隣接するブロック部材の弾性定数が異なり、
前記２以上のブロック部材は、それぞれ金属製で形成された第１ブロック部材、中間部材、第２ブロック部材からなり、前記第１ブロック部材、前記中間部材、前記第２ブロック部材は、この順で積層されて相互に接合され、
前記中間部材の弾性定数は、前記第１及び第２ブロック部材の弾性定数よりも大きく、
前記第１ブロック部材と前記第２ブロック部材とが流体用流路を構成する溝部を有すると共に、前記中間部材が前記溝部に連通する貫通孔を有し、前記各部材が拡散接合されていることを特徴とする流体用積層構造体。 - 請求項１記載の流体用積層構造体において、
前記第１及び第２ブロック部材は、軽金属又は軽金属合金からなることを特徴とする流体用積層構造体。 - 請求項２記載の流体用積層構造体において、
前記第１及び第２ブロック部材を構成する軽金属合金は、アルミニウム−マグネシウム−ケイ素系合金であることを特徴とする流体用積層構造体。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体用積層構造体において、
前記中間部材は、軽金属又は軽金属合金からなることを特徴とする流体用積層構造体。 - 請求項４記載の流体用積層構造体において、
前記中間部材を構成する軽金属合金は、アルミニウム−銅−マグネシウム系合金であることを特徴とする流体用積層構造体。
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