JP6459397B2 - ロータ位置検出装置及びロータリバルブ - Google Patents

Description

本発明は、入力ポートと複数の出力ポートを備え、入力ポートに接続する出力ポートをロータの位置によって切り替えるロータリバルブと、それに用いるのに適するロータ位置検出装置に関するものである。

ロータリバルブは、入力ポートと複数の出力ポートを備え、入力ポートに接続する出力ポートをロータ（回転弁体）の位置（回転位置）を制御することによって切り替えるように構成されている。ロータの位置制御はエンコーダを用いて行なうことが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

ロータの位置制御を行なうためのエンコーダは、ロータと連動して回転し、周縁部に複数のスリットが均等に設けられている円板型のエンコーダ板と、エンコーダ板のスリットを検出するセンサを備えている。エンコーダ板が回転すると、エンコーダの変位に応じた数のスリットがセンサによって検出される。したがって、センサで検出されるスリットの数をカウントすることにより、ロータの変位の検知やロータの位置決めを行なうことができる。

特開平１０−２５２９３８号公報 特開２００４−１２５８１２号公報

ロータの位置は、ロータの変位の基準位置であるホームポジションからのエンコーダのカウント数によって相対的に検出する。しかし、ロータの位置を相対的に検出する方法では、ホームポジションの誤検知やカウント間違いが発生するとロータの位置決め及び位置検出を正しく行なうことができなくなるという問題があった。

エンコーダ板に絶対位置検出用のパターンが設けられ、光学的センサでそのパターンを読み取ることでエンコーダ板の絶対位置を検出する絶対位置検出用のアブソリュートエンコーダ（例えば、特許文献２参照。）を用いることが考えられる。しかし、かかるアブソリュートエンコーダは高価であり、ロータリバルブのコストが高くなってしまう。

そこで、本発明は、ロータリバルブのロータの絶対位置を検出する装置を安価に実現することを目的とするものである。

本発明に係るロータ位置検出装置は、複数設けられた出力ポートのうち入力ポートに接続する出力ポートをロータの位置によって切り替えるロータリバルブのロータに連動して回転し、その主平面の周縁部に切欠き部を有する位置検出用プレート、及び切欠き部の回転軌道上の複数の位置で切欠き部の有無を検出する複数のセンサを備え、位置検出用プレートの切欠き部とその切欠き部を検出するセンサが、出力ポートが入力ポートに接続される各位置にロータが位置決めされたときの各センサの検出信号の組合せパターンがすべて異なるように設けられている位置検出部と、各センサの検出信号の組合せパターンとそのときのロータの位置との信号パターンデータを保持する信号パターン保持部と、各センサの検出信号を取り込み、信号パターン保持部に保持されている信号パターンデータに基づいてロータの絶対位置を検出する位置検出手段と、を備えたものである。

本発明において、位置検出用プレートの切欠き部の有無を検出するセンサとしては、切欠き部の有無を検出しさえすれば良いため、高性能なセンサを用いる必要がなく、安価なフォトセンサでよい。かかるセンサの信号を二値化し、例えば、切欠き部を検出したときは信号＜１＞、切欠き部を検出しないときは信号＜０＞とする。したがって、ｎ個のセンサを用いたときのそれらのセンサの検出信号の組合せパターンは２ⁿ通り存在することになり、ロータの絶対位置として２ⁿ個の位置を検出することができる。

本発明に係るロータリバルブは、入力ポート、複数の出力ポート及び入力ポートに接続する出力ポートを切り替えるためのロータを備えたポート接続部と、ロータを回転させるモータと、本発明のロータ位置検出装置と、ロータ位置検出装置によって検出されるロータ位置に基づいて、ロータが所定位置に位置決めされるようにモータを駆動する制御部と、を備えたものである。

本発明のロータ位置検出装置は、位置検出用プレートに設けられた切欠き部の有無を検出する複数のセンサの検出信号の組合せパターンによってロータの絶対位置を検出するものであるので、位置検出用プレートの切欠き部の有無を検出するセンサとして一般的な光学的センサを用いることができる。したがって、絶対位置検出用アブソリュートエンコーダのように、エンコーダ板に設けられた絶対位置検出用パターンを読み取る高性能なセンサは不要であり、ロータの絶対位置の検出を安価な構成で実現することができる。

本発明のロータリバルブは、本発明のロータ位置検出装置を用いてロータの絶対位置を検出するので、ロータの位置制御を高精度にかつ安価に行なうことができる。

ロータリバルブの一実施例の外観を示す斜視図である。 同実施例の位置検出部の構造を示すロータリバルブの正面図である。 同実施例の位置検出部の構成を示す位置検出部内の斜視図である。 同位置検出部の位置検出用プレートとフォトセンサを上方からみた図である。 同位置検出部の位置決め用プレートとフォトセンサを上方からみた図である。 同実施例の制御系統を概略的に示すブロック図である。 同実施例の位置検出用の各フォトセンサの信号パターンとそのときの接続ポートとの対応の一例を示す表である。 同実施例におけるロータの位置決め動作の一例を示すフローチャートである。 ロータリバルブの他の実施例の構造を示すロータリバルブの正面図である。 同実施例の各位置検出用プレートの平面図である。 同実施例の位置検出用の各フォトセンサの信号パターンとそのときの接続ポートとの対応の一例を示す表である。

本発明のロータ位置検出装置では、位置検出用プレートは一枚であってよい。そうすれば、位置検出装置のロータ回転軸方向の寸法を小さくすることができる。

また、位置検出用プレートを複数設けてもよい。そうすれば、位置検出用プレートが一枚である場合に比べて、複数の回転位置ごとに各センサの検出信号の組合せパターンを異ならせるように切欠き部を設計することが容易になる。

本発明のロータリバルブにおいて、ロータ位置検出装置の位置検出部がセンサをｎ個備えている場合には、ポート接続部に２ⁿ個の出力ポートを設けることができる。

本発明のロータリバルブでは、ロータの位置決め用のエンコーダを備えていることが好ましい。かかる位置決め用エンコーダとしては、ロータに連動して回転し、周縁部の周方向に対して均等な複数の位置にスリットを有する位置決め用プレート、及び位置決め用プレートのスリットを検出する位置決め用センサを備え、いずれか一つの出力ポートが入力ポートに接続される位置にロータが位置決めされたときに、位置決め用センサがスリットを検出するように構成されているものが挙げられる。

以下、ロータリバルブの一実施例について図面を用いて説明する。

まず、この実施例のロータリバルブ全体の概略的な構成について、図１を用いて説明する。

この実施例のロータリバルブは、ロータ駆動部２、ロータ位置検出部４（位置検出部）及びポート接続部６を備えている。ロータ位置検出部４はロータ駆動部２とポート接続部６の間に設けられている。

ロータ駆動部２は、ポート接続部６に設けられているロータを回転駆動するためのステッピングモータ８を備えている。ステッピングモータ８はモータ固定板９にボルトとナットの締結により固定されている。

ポート接続部６は円筒形状の筐体１１を有し、筐体１１の外周面に、周方向に均等に配置された８つの出口ポート１０を備えている。図１では見えていないが、ポート接続部６の背面（ロータ駆動部２とは反対側の面）中央部に入口ポート１３（図２参照。）が設けられている。図示されていないが、ポート接続部６の内部にはステータ（固定子）とロータ（回転子）が設けられており、ロータがステータと摺動しながら回転することで、ロータのステータ側の面に設けられた溝が変位し、それによって入口ポートに接続される出口ポート１０が切り換えられるようになっている。ポート接続部６の筐体１１とモータ固定板９は支持柱３０により連結され、互いに固定されている。

ロータ位置検出部４は、ポート接続部６のロータに連動してロータと同軸上で回転する位置決め用プレート２２と位置検出用プレート２６のほか、位置決め用プレート２２の周縁部に設けられている切欠き部を検出するための第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃと、位置検出用プレート２６の周縁部に設けられているスリットを検出するための位置決め用センサ２８（位置決め用センサ２８は図１には表れていない。）を備えている。第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃは共通のセンサ取付用カバー１２に固定されている。センサ取付用カバー１２はモータ固定板９に固定されている。位置決め用センサ２８はポート接続部６の筐体１１側に取り付けられている。

ロータ位置検出部４の内部構造を図２、図３、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。なお、ロータ位置検出部４の内部構造を見やすくするため、図２において支持柱３０を透明視するとともに第１センサ１４ａ及び第３センサ１４ｃの図示を省略している。

ロータ位置検出部４において、ステッピングモータ８の駆動軸１６の端部とロータを回転させるための回転軸１８の端部とが連結部２０によって連結されており、ステッピングモータ８によってロータが回転させられるようになっている。位置決め用プレート２２と位置検出用プレート２６がポート接続部６と連結部２０との間において互いに平行に設けられている。位置決め用プレート２２と位置検出用プレート２６の主平面中央部を回転軸１８が貫通している。

位置決め用プレート２２は回転軸１８とともに回転する円柱形状の支持ブロック２１に固定されている。位置決め用プレート２２と位置検出用プレート２６との間にスペーサ２４が介在している。スペーサ２４の一端は位置決め用プレート２２に対してボルトとナットの締結により固定され、他端は位置検出用プレート２６に対してボルトとナットの締結により固定されている。これにより、位置決め用プレート２２及び位置検出用プレート２６はロータに連動して回転する。

位置決め用プレート２２は、図４Ｂに示されているように、その周縁部に８個のスリット２２ａが周方向に均等に設けられている。位置決め用プレート２２の側方にそのスリット２２ａを検出するための位置決め用センサ２８が設けられている。位置決め用センサ２８は互いに対向する発光素子と受光素子を有するフォトセンサであり、発光素子と受光素子との間に位置決め用プレート２２の周縁部が挿入されている。

スリット２２ａが位置決め用センサ２８の位置にないときは発光素子からの光が位置決め用プレート２２によって遮光され、受光素子は発光素子からの光を検出しない。スリット２２ａが位置決め用センサ２８の位置にきたときは、発光素子からの光が受光素子に入射し、受光素子は発光素子からの光を検出する。位置決め用センサ２８の検出信号は二値化され、スリット２２ａを検出していないときの検出信号は信号＜０＞、スリット２２ａを検出しているときの検出信号は信号＜１＞とされる。位置決め用プレート２２及び位置決め用センサ２８は、いずれか一つの出力ポート１０が入力ポート１３に接続された状態となるようにロータの位置決めを行なうための位置決め用エンコーダを構成している。

スリット２２ａと位置決め用センサ２８の位置は、スリット２２ａが位置決め用センサ２８の位置にきたときにいずれか１つの出力ポート１０が入力ポート１３に接続された状態となるように調整されている。したがって、いずれかの出力ポート１０が入力ポート１３に接続されているときは位置決め用センサ２８の二値化された信号が＜１＞となり、いずれの出力ポート１０も入力ポート１３に接続されていないときは該信号が＜０＞となる。ロータの位置決めは、位置決め用センサ２８の二値化された信号が＜１＞となるように、位置決めセンサ２８の信号を監視しながらステッピングモータ８を駆動することで行なう。

位置検出用プレート２６は、図４Ａに示されているように、その周縁部に複数の切欠き部２６ａが設けられている。位置検出用プレート２６の側方にその切欠き部２６ａを検出するための第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃを備えている。第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃのそれぞれは、位置決め用センサ２８と同様に、互いに対向する発光素子と受光素子を有するフォトセンサであり、発光素子と受光素子の間に位置検出用プレート２６の周縁部が挿入されている。

第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃはそれぞれ、発光素子からの光を受光素子が検出するか否かにより各センサ１４ａ〜１４ｃの位置における切欠き部２６ａの有無を検出する。各センサ１４ａ〜１４ｃの検出信号は二値化され、切欠き部２６ａを検出していないセンサの検出信号は信号＜０＞、切欠き部２６ａを検出しているセンサの検出信号は信号＜１＞とされる。

第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃの位置と位置検出用プレート２６の切欠き部２６ａの幅及び数は、位置決め用センサ２８がスリット２２ａを検出する８つのポジションにロータが位置決めされているときの各センサ１４ａ〜１４ｃの検出信号（信号＜０＞又は＜１＞）の組合せのパターンがすべて異なるように設計されている。図６は各センサ１４ａ〜１４ｃの検出信号の組合せパターンと各パターンのときに入口ポート１３に接続されている出口ポート１０（表中における接続ポート）との対応関係を示す信号パターンデータの一例である。

このロータリバルブの動作を制御する制御部３２（図５参照。）はかかる信号パターンデータを予め保持しており、その信号パターンデータに基づいて入口ポート１３に接続されている出口ポート１０、すなわちロータの絶対位置を検出する。センサ１４ａ〜１４ｃ、位置検出用プレート２６及び制御部３２は、ロータの絶対位置を検出するためのロータ位置検出装置を構成する。

図５にこの実施例の制御系統を示す。

ステッピングモータ８は制御部３２により制御される。制御部３２は専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現することができる。制御部３２には、位置検出手段３２ａ、位置決め手段３２ｂ及び信号パターン保持部３２ｃが設けられている。位置検出手段３２ａ及び位置決め手段３２ｂは、制御部３２に格納されたプログラムが制御部３２に設けられたＣＰＵなどの演算装置により実行されることで得られる機能である。信号パターン保持部３２ｃは制御部３２に設けられているＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などの記憶装置の一領域により実現することができる。

信号パターン保持部３２ｃは、図６に示されているような、各センサ１４ａ〜１４ｃの信号の組合せパターンとそのときの接続ポートとの対応関係を示す信号パターンデータを保持している。

位置検出手段３２ａは、第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃの検出信号と信号パターン保持部３２ｃに保持されている信号パターンデータを用いてロータの絶対位置（入口ポート１３に接続されている出口ポート１０の番号）を検出するように構成されている。

位置決め手段３２ｂは、位置決め用センサ２８の信号と位置検出手段３２ａにより検出されるロータの絶対位置に基づいて、所望の出口ポート１０が入口ポート１３に接続されるようにステッピングモータを制御してロータを位置決めするように構成されている。

ロータの位置決め動作の一例を図７のフローチャートを用いて説明する。

ロータを位置決めすべき目標位置（入力ポートに接続する出力ポートの番号）を特定する。第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃの信号を取り込み、その信号の組合せパターンから信号パターン保持部３２ｃの信号パターンデータに基づいてロータの現在位置を検出する。

ロータの現在位置が目標位置と異なっているときは、位置決め用センサ２８が位置決め用プレート２２のスリット２２ａを検出するまでステッピングモータ８（図１参照。）を駆動する。位置決め用センサ２８がスリット２２ａを検出したときは、そのときの第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃの信号からロータの現在位置を検出し、現在位置が目標位置と一致しているか否かを確認する。この動作を繰り返し実行し、ロータの現在位置と目標位置が一致すればロータの位置決めを終了する。

上記の実施例では、１枚の位置検出用プレート２６の周囲に３つのセンサ１４ａ〜１４ｃを配置し、その信号の組合せパターンによってロータの絶対位置を検出するように構成されているが、複数枚の位置検出用プレートを用いてロータの絶対位置を検出してもよい。図８を用いて、３枚の位置検出用プレート３６，３７及び３８を用いた実施例について説明する。

この実施例のロータ位置検出部４ａは、１枚の位置決め用プレート２２と３枚の位置検出用プレート３６，３７及び３８を備えている。位置決め用プレート２２は最もポート接続部６側に設けられており、回転軸１８とともに回転する円柱形状の支持ブロック２１に固定されている。位置検出用プレート３６はスペーサ３４ｃを介して位置決め用プレート２２と連結されている。位置検出用プレート３７はスペーサ３４ｂを介して位置検出用プレート３６と連結されている。位置検出用プレート３８はスペーサ３４ａを介して位置検出用プレート３７と連結されている。これにより、４枚のプレート２２，３６，３７及び３８はロータと連動して同軸上で回転する。

位置検出用プレート３８の平面形状は図９（Ａ）に示されている形状であり、その周縁部の周方向に均等な４か所の位置に回転角４５°分の幅の切欠き部３８ａを有する。位置検出用プレート３７の平面形状は図９（Ｂ）に示されている形状であり、その周縁部の周方向に均等な２ヶ所の位置に回転角９０°分の幅の切欠き部３７ａを有する。位置検出用プレート３６の平面形状は図９（Ｃ）に示されている形状であり、その周縁部に回転角１８０°分の切欠き部３６ａを有する。

第１センサ１４ａは位置検出用プレート３８の周縁部の切欠き部３８ａを検出する位置に設けられている。第２センサ１４ｂは位置検出用プレート３７の周縁部の切欠き部３７ａを検出する位置に設けられている。第３センサ１４ｃは位置検出用プレート３６の周縁部の切欠き部３６ａを検出する位置に設けられている。

この実施例では、第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃが縦方向（回転軸３８と平行な方向）に一列に並んで配置されているが、必ずしも一列に並んで配置されている必要はない。第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ及び第３センサ１４ｃの位置と位置検出用プレート３６，３７及び３８の位置関係（位相差）は、位置決め用センサ２８がスリット２２ａを検出する８つのポジションにロータが位置決めされているときの各センサ１４ａ〜１４ｃの検出信号（信号＜０＞又は＜１＞）の組合せのパターンがすべて異なるように設計されている。図１０は各センサ１４ａ〜１４ｃの検出信号の組合せパターンと各パターンのときに入口ポートに接続されている出口ポート（接続ポート）との対応関係を示す信号パターンデータの一例である。

第１センサ１４ａ、第２センサ１４ｂ、第３センサ１４ｃ及び位置決め用センサ２８の信号を用いたロータの位置決め方法は、図１から図７を用いて説明した実施例と同様である。

２ ロータ駆動部
４，４ａ ロータ位置検出部
６ ポート接続部
８ ステッピングモータ
９ モータ固定板
１０ 出力ポート
１１ ポート接続部の筐体
１２ センサ取付用カバー
１４ａ 第１センサ
１４ｂ 第２センサ
１４ｃ 第３センサ
１６ 駆動軸
１８ 回転軸
２０ 連結部
２１ 支持ブロック
２２ 位置決め用プレート
２２ａ スリット
２４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ スペーサ
２６，３６，３７，３８ 位置検出用プレート
２６ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ 切欠き部
３８ 位置決め用センサ
３０ 支持柱
３２ 制御部
３２ａ 位置検出手段
３２ｂ 位置決め手段
３２ｃ 信号パターン保持部

Claims (4)

1. 複数設けられた出力ポートのうち入力ポートに接続する出力ポートをロータの位置によって切り替えるロータリバルブの前記ロータに連動して回転し、その周縁部に切欠き部を有する複数の位置検出用プレート、及び前記切欠き部の回転軌道上の複数の位置で前記切欠き部の有無を検出する複数のセンサを備え、前記位置検出用プレートの前記切欠き部と前記センサが、前記出力ポートが前記入力ポートに接続される各位置に前記ロータが位置決めされたときの各センサの検出信号の組合せパターンがすべて異なるように設けられている位置検出部と、
   前記各センサの検出信号の組合せパターンとそのときの前記ロータの位置との信号パターンデータを保持する信号パターン保持部と、
   前記各センサの検出信号を取り込み、前記信号パターン保持部に保持されている前記信号パターンデータに基づいて前記ロータの絶対位置を検出する位置検出手段と、を備え、前記位置検出用プレートが複数設けられている、ロータ位置検出装置。
2. 入力ポート、複数の出力ポート及び入力ポートに接続する出力ポートを切り替えるためのロータを備えたポート接続部と、
   前記ロータを回転させるモータと、
   請求項１に記載のロータ位置検出装置と、
   前記ロータ位置検出装置によって検出されるロータ位置に基づいて、前記ロータが所定位置に位置決めされるように前記モータを駆動する制御部と、を備えたロータリバルブ。
3. 前記ロータ位置検出装置の位置検出部はセンサをｎ（ｎは正の整数）個備え、
   前記ポート接続部は２^ｎ個の出力ポートを備えている請求項２に記載のロータリバルブ。
4. 前記ロータに連動して回転し、周縁部の周方向に対して均等な複数の位置にスリットを有する位置決め用プレート、及び前記位置決め用プレートの前記スリットを検出する位置決め用センサを備え、いずれか一つの前記出力ポートが前記入力ポートに接続される位置に前記ロータが位置決めされたときに、前記位置決め用センサが前記スリットを検出するように構成されている位置決め用エンコーダをさらに備えている請求項３に記載のロータリバルブ。