JP5636548B2

JP5636548B2 - サーボバルブ

Info

Publication number: JP5636548B2
Application number: JP2010067454A
Authority: JP
Inventors: 芳伸水野; 伊藤　誠; 伊藤　　誠
Original assignee: Ｅｃｏ−Ａ株式会社
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011196536A

Description

この発明は、流路の切換を行うサーボバルブに関するものである。

流路の切換を行う従来のサーボバルブは、流体を流入又は流出させるための複数のポートと、当該ポートと連通する流路と、を有するサーボバルブ本体と、流路内に配置され、ポート間の流路を切り換える切換弁と、切換弁を流路内の軸方向に往復移動させるための電磁アクチュエータと、で主に構成される（例えば、特許文献１）。

電磁アクチュエータとしては、永久磁石とコイルから成りリニアモータの原理からなるものが多く用いられている。また、サーボバルブを構成する材質としては、耐圧性及び気密性と生産方式の合理性から、ダイカスト法によるアルミダイカスト材又は亜鉛ダイカスト材が多く用いられている。

特開２００３−２０６９０８

近年、技術の高度化や用途の多様化等に伴い、サーボバルブの小型化、軽量化およびコストダウンが望まれている。

しかしながら、従来のサーボバルブに用いられる電磁アクチュエータは、切換弁を駆動できるだけの高出力を必要とするため、大きなコイルと比較的磁力の強い磁石を用いなければならず、大型かつ高価なものになるという問題があった。また、複数のサーボバルブを近距離で整列させると、電磁アクチュエータのコイルや永久磁石の磁力や磁界が他のサーボバルブに影響する。したがって、マニホールドを使用した集中配管仕様にすることは困難で、広い設置面積が必要であるという問題があった。

また、従来の電磁弁における切換弁の動力は、小型化及び省エネの要求から小型のソレノイドを用いている。この場合、これだけでは直接切換弁を駆動するだけの推力が得られないため、パイロット弁からの補助圧縮空気によって切換弁を駆動するパイロット式が主流である。しかしながら、省配線の要求から、ダブルソレノイドタイプは一方向に２個のパイロット弁を設置することと、手動操作のための構造が必要であることにより、益々補助圧縮空気の流路が極細になり、複雑化すると共に、部品点数も増加している。また、補助圧縮空気による推力は面積に比例するが、サーボバルブが小型化する程、補助圧縮空気を受ける面積が小さくなるため、切換弁を駆動するだけの十分な推力が得られなくなるという問題もある。

更に、従来の電磁弁の切換方式は、ソレノイド及び切換弁を用いたパイロット式による３ポート、４ポート、５ポートの２位置又は３位置が主流である。しかし、電磁弁の動作はＯＮ／ＯＦＦのみであり、アクチュエータに取付けられる速度制御弁によって速度を調節できるものの、その動作は一定の速度による往復運動に限定される。

また、従来のダイカスト法による製造では、サーボバルブが小型になる程、パイロット式であるが故の複雑で小口径の流路の製造が困難になる。また、環境問題において、生産時の省エネ及びＣＯ_２排出量の低減などが望まれており、工法の見直しが不可欠になっている。

また、従来のダイカスト法による加工では、切換弁をサーボバルブ本体の流路に直接摺動させるだけの加工精度が得られないことと、耐摩耗性向上の目的で、外周にパッキンが挿着されたスリーブと称する中間部品を組み込むことで対策している。したがって、その分だけ部品点数が増加し、製造も複雑になる。

そこで本発明は、軽量化、小型化、コストダウン、生産時の省エネ及びＣＯ_２排出量の低減を図ることができるサーボバルブを提供することを特徴とする。

本発明のサーボバルブは、流体を流入又は流出させるための複数のポートと、前記ポートと連通する流路と、を有するサーボバルブ本体と、前記流路内に配置され、前記ポート間の流路を切り換える切換弁と、前記切換弁を前記流路内の軸方向に往復移動させるためのすべりねじと、前記すべりねじを支える軸受と、前記すべりねじを回転させる電動モータと、を具備することを特徴とする。

この場合、前記サーボバルブ本体は、樹脂からなると共に前記切換弁が前記流路内を直接摺動可能に形成される方が良い。また、前記サーボバルブ本体に用いられる樹脂は、少なくともセラミックス粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を含有しても良い。また、前記サーボバルブ本体は、流路の表面に樹脂より耐久性及び耐摩耗性の高い表面処理層を有しても良い。

また、前記切換弁の雌ねじは樹脂製でも良い。また、前記切換弁に用いられる樹脂は、少なくともセラミックス粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を含有しても良い。

また、前記軸受は、転がり軸受およびすべり軸受のいずれかを用いれば良い。

更に、前記サーボバルブ本体は、前記流路両端の開口部をパッキンと共に閉塞するアダプタプレート及びエンドプレートを有し、前記パッキンは、前記アダプタプレート及びエンドプレートにそれぞれ射出成形によって融着された熱可塑性エラストマーであっても良い。

本発明のサーボバルブは、切換弁を往復運動させるためのすべりねじと、これを駆動し、速度及び位置決め制御可能な電動モータからなる構造にすることで、従来の電磁弁による切換方式である２位置シングル、２位置ダブル、３位置ダブルの構造の種類を集約することができる。また、速度及び位置決め制御を併用することでアクチュエータの様々な動作パターンが実現可能となる。

また、アクチュエータに取付けられる速度制御弁やエアシリンダのストローク端で使用される衝撃吸収用の絞り弁を必要としないので、部品点数の削減を図ることができる。

その他、部品点数が削減されるため、生産手法が合理的かつ簡素化され、オートメーション化が可能となる。したがって、人件費が削減される等のコストダウンを図ることが可能となる。

また、サーボバルブ本体を樹脂製とする場合には、その製造をダイカスト法から樹脂成形法に変更することで、生産時の省エネやＣＯ_２排出量の低減を行うことができる。また、軽量化、小型化、コストダウンが可能となる。

本発明のサーボバルブの一部断面図である。

本発明のサーボバルブは、図１に示すように、気体や液体等の流体を流入又は流出させるための複数のポート11と、ポート11と連通する流路12と、を有するサーボバルブ本体１と、流路12内に配置され、ポート11間の流路を切り換える切換弁２と、切換弁２を流路12内の軸方向に往復移動させるためのすべりねじ３と、すべりねじ３を支える軸受４と、すべりねじ３を回転させる電動モータ５と、で主に構成される。

サーボバルブ本体１は、流路12を有する筒状に形成され、軸方向両端の開口部は、アダプタプレート15とエンドプレート16によって閉塞されている。また、サーボバルブ本体１とアダプタプレート15及びエンドプレート16との間には、パッキン17が配置され、サーボバルブ本体１内は気密に形成される。パッキン17は、例えば、熱可塑性エラストマーを２色成形にて、１次成型品であるアダプタプレート15又はエンドプレート16に直接射出成形して融着すれば良い。熱可塑性エラストマーとしては、例えばポリエステル系のものを用いることができる。

アダプタプレート15には、略中央部に穴15Ａが形成されており、この穴15Ａを介して、電動モータ５の軸芯51とすべりねじ３が接続される。また、エンドプレート16の流路12側には軸受４が配置されており、すべりねじ３の外面を支持する。なお、軸受４には、金属や樹脂、セラミック等の材質によるジャーナル軸受やスラスト軸受等のすべり軸受を用いることができる。また、モータの負荷、耐久性、耐摩耗性を考慮すると、アンギュラ玉軸受又は円筒コロ軸受等の転がり軸受を使用しても良い。

また、サーボバルブ本体１は、樹脂により形成することができる。この場合、サーボバルブ本体１を射出成形により形成すれば、流路12を非常に高い精度で形成することができる。更に、ホーニング加工、特にＳＦ式ワンパスホーニング加工を用いれば、１μｍ以下の円筒度、真円度および真直度と0.4μｍ以下の面粗度を得ることができる。これにより、従来必要であったスリーブ等の中間部品を省略して、切換弁２を流路12内で直接摺動させることができる。したがって、製造コストを下げることができる他、スリーブを省略する分の有効断面積が増加するため、推力を向上させたり、サーボバルブ本体１を小型化することができる。また、生産時の省エネ及びＣＯ_２排出量の低減も図ることができる。なお、流路12と切換弁２との間の精度誤差は、１μｍ以下であることが好ましい。

樹脂としては、サーボバルブ本体１を形成できるものであればどのようなものでも良いが、例えば、耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性に優れたポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）や、熱膨張率が小さいポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂を使用することができる。また、樹脂の強化材としてセラミック粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を添加しても良い。添加量は25〜35％、特に好ましくは30％前後混入させるのが良い。また、セラミック粒子としては、環境問題を考慮して、ホタテや牡蠣などの貝殻から製造した焼成パウダーを使用しても良い。なお、粒子の大きさは、従来強化剤として用いられている粒子と同程度の大きさに形成すれば良い。

また、サーボバルブ本体１の流路12の表面、特に切換弁２が摺動する衝動面は、樹脂より耐久性及び耐摩耗性の高い表面処理層（図示せず）を形成しても良い。表面処理層としては、例えばニッケル等の金属を用いることができる。また、表面処理層はどのように形成しても良く、例えば、ニッケル等の金属層を無電解メッキにより形成すれば良い。

ポート11は、コンプレッサによって流路12内に圧縮空気を供給するための供給用ポート11Ｓと、切換弁２が軸方向に往復移動した際に流路12内の残圧を排気するための排気用ポート11Ｅと、供給用ポート11Ｓからの圧縮空気を流路12内からアクチュエータに出力するための出力用ポート11Ｐからなる。ポート11の形成場所は任意で良いが、例えば図１に示すように、流路12の中央に供給用ポート11Ｓを形成し、その両隣に排気用ポート11Ｅを形成し、対向する側にアクチュエータの二つのポートに接続するための出力用ポート11Ｐを二つ形成すれば良い。また、ポートへの接続は、ワンタッチ管継手配管やねじ配管を用いることができる。

切換弁２は、他のポート11から圧縮空気が流入又は流出するのを遮断するための凸状のシール部21と、供給用ポート11Ｓと出力用ポート11Ｐを接続し、供給用ポート11Ｓから出力用ポート11Ｐへ圧縮空気を供給する凹状の連通部22とを有する。ここで、圧縮空気の流出入を防止するためには、流路12の摺動面と切換弁２のシール部21との間の精度誤差は、１μｍ以下であることが好ましい。また、アクチュエータが高出力を得るためには、大流量の圧縮空気を必要とするため、連通部22の形状及び寸法は、できるだけ大容積に設計することが好ましい。当該切換弁２は、例えば金属によって形成される。

また、切換弁２は、後述するすべりねじ３の雄ねじ31と螺合可能な雌ねじ32が形成され、すべりねじ３が回転することにより、すべりねじ３の回転軸方向の前後（図１中の矢印方向）に移動する。したがって、切換弁２と各ポート11の位置関係によって、供給用ポート11Ｓと出力用ポート11Ｐを接続したり、遮断したりすることができる。雌ねじ32はどのように形成しても良いが、例えば、金属からなる切換弁に切削加工を用いて形成したり、回転軸方向に穴を有する切換弁２に、射出成形によって樹脂からなる雌ねじ32を一体成形しても良い。

後者の場合、あらかじめ切換弁２の穴の表面に金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層（図示せず）を形成すれば、より強固に金属と樹脂を固着させることができる。なお、樹脂としては、耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性に優れ、熱膨張率が小さいポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂を使用することができる。また、樹脂の強化材としてセラミック粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を添加しても良い。添加量は25〜35％、特に好ましくは30％前後混入させるのが良い。また、セラミック粒子としては、環境問題を考慮して、ホタテや牡蠣などの貝殻から製造した焼成パウダーを使用しても良い。なお、粒子の大きさは、従来強化剤として用いられている粒子と同程度の大きさに形成すれば良い。また、中間処理層は、例えば、金属をアンモニア、ヒドラジン、ヒドラジン複合体、水溶性アミン系化合物から選択される１種以上の水溶液に浸漬して処理したものや（特開２００３−２５１６５４号公報参照）、トリアジンチオール誘導体を用いて金属表面を電気化学的に処理したもの（特開２０００−１６０３９２）等を用いることができる。もちろん、金属と樹脂の固着強度を高めるものであれば、その他のどのような方法を用いても良い。

すべりねじ３は、電動モータ５の回転運動を直線運動に変換するもので、電動モータ５を正転及び逆転することにより、切換弁２の雌ねじ32と共働して往復移動させることができる。すべりねじ３はどのように製造しても良いが、例えば、ステンレスシャフトや薄肉ステンレスパイプのような金属製のシャフトやパイプに、切換弁２の雌ねじ32に螺合可能な雄ねじ31を転造又は切削によって形成すれば良い。なお、すべりねじ３は、電動モータ５の軸芯51と一体に形成するか、係合可能に形成すれば良い。

電動モータ５は、すべりねじ３を回転させるためのものであるが、回転速度や位置決め制御が可能なものが好ましく、例えば、直流電源を用いる場合には、ＤＣモータ、ＤＣサーボモータ又はステッピングモータ等を用いれば良い。また、交流電源を用いる場合には、ＡＣサーボモータ、インダクションモータ又はレバーシブルモータ等を用いれば良い。また、切換弁２が往復運動する際の摺動抵抗に対し、電動モータ５の出力トルクが不足する場合には、ギヤヘッドを組み合わせて使用しても良い。更に、より高精度な制御を必要とする場合には、エンコーダ付き又はタコジェネレータ付きのものを選定することもできる。このように、使用用途や目的により、最も適したものを選択すれば良い。これにより、従来必要であったアクチュエータの速度制御弁やエアシリンダのストローク端で使用される衝撃吸収用の絞り弁を不要とすることができる。なお、切換弁２を手動操作したい場合には、電動モータ５の軸芯51を直接回転させて行えば良い。これにより、手動操作のための構造を別途設ける必要がなく、小型化とコスト削減を行うことができる。

１サーボバルブ本体
２切換弁
３すべりねじ
４軸受
５電動モータ
11 ポート
11Ｓ供給用ポート
11Ｅ排気用ポート
11Ｐ出力用ポート
12 流路
15 アダプタプレート
16 エンドプレート
17 パッキン
21 シール部
22 連通部
31 雄ねじ
32 雌ねじ
51 軸芯

Claims

流体を流入又は流出させるための複数のポートと、前記ポートと連通する流路と、を有するサーボバルブ本体と、
前記流路内に配置され、前記ポート間の流路を切り換える切換弁と、
前記切換弁を前記流路内の軸方向に往復移動させるためのすべりねじと、
前記すべりねじを支える軸受と、
前記すべりねじを回転させる電動モータと、
を具備し、
前記サーボバルブ本体は樹脂からなると共に前記切換弁が前記流路内を直接摺動可能に形成され、流路の表面に樹脂より耐久性及び耐摩耗性の高い表面処理層を有することを特徴とすることを特徴とするサーボバルブ。
前記サーボバルブ本体は、前記流路両端の開口部をパッキンを介して閉塞するアダプタプレート及びエンドプレートを有し、前記パッキンは、前記アダプタプレート及びエンドプレートにそれぞれ射出成形によって融着された熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１記載のサーボバルブ。
流体を流入又は流出させるための複数のポートと、前記ポートと連通する流路と、を有するサーボバルブ本体と、
前記流路内に配置され、前記ポート間の流路を切り換える切換弁と、
前記切換弁を前記流路内の軸方向に往復移動させるためのすべりねじと、
前記すべりねじを支える軸受と、
前記すべりねじを回転させる電動モータと、
を具備し、
前記サーボバルブ本体は、前記流路両端の開口部をパッキンを介して閉塞するアダプタプレート及びエンドプレートを有し、前記パッキンは、前記アダプタプレート及びエンドプレートにそれぞれ射出成形によって融着された熱可塑性エラストマーであることを特徴とするサーボバルブ。
前記サーボバルブ本体は、樹脂からなると共に前記切換弁が前記流路内を直接摺動可能に形成されることを特徴とする請求項３記載のサーボバルブ。
前記サーボバルブ本体に用いられる樹脂は、少なくともセラミックス粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を含有することを特徴とする請求項１，２又は４のいずれかに記載のサーボバルブ。
前記切換弁は、雌ねじが樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のサーボバルブ。
前記切換弁に用いられる樹脂は、少なくともセラミックス粒子及びガラス粒子のいずれか一方又は両方を含有することを特徴とする請求項６記載のサーボバルブ。
前記軸受は、転がり軸受およびすべり軸受のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のサーボバルブ。