JPH0330029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気信号に応じて流体の流量を制御
する制御弁を有するとともに、流体通路中に流量
センサを有し、その流量信号と所望の設定信号の
偏差に応じて前記制御弁をコントロールする流量
制御装置に関する。

従来の構成とその問題点 従来のこの種流量制御装置を第１図に示す。第
１図において、１は弁装置、２は弁装置１を駆動
する駆動装置、３は弁装置１の出口側に直列接続
された流量センサ、４は制御回路である。

弁装置１は、流体入口５と流体出口６、流体入
口５と流体出口６間の隔壁に形成された通口７、
及び弁体８、弁体８を閉弁方向に付勢するバネ９
を有する。駆動装置２は、弁体８と共動するプラ
ンジヤ１０、プランジヤ１０の両端を支持する軸
受１１、プランジヤ１０の外周に設けたコイル１
２、及びヨーク１３から構成され、コイル１２に
通電することにより、プランジヤ１０に電磁力
Fmが作用し、弁体８を押下げて開弁する。

流量センサ３は、流体出口６に通電する管状の
ハウジング１４と、ハウジング１４内に収容さ
れ、流体の流通により回転する翼車１５と、翼車
１５の縁部に設けた永久磁石１６と、永久磁石１
６に対向して設けられ、パルス状の磁束変化を検
知するホール素子１７とを有する。

制御回路４は、ホール素子１７の出力をパルス
信号に変換する検出回路１８と、パルス信号の発
生に比例した電圧信号を増幅して出力する積分回
路１９と、所望の設定信号と積分回路１９の信号
を比較し、かつ偏差信号を出力する比較器２０
と、この偏差信号によつてコイル１２に給電する
駆動回路２１を有する。

以上の構成において設定信号が供給されると、
比較器２０は、積分器１９と設定信号の偏差信号
を駆動回路２１に出力し、コイル１２へ給電がな
される。コイル１２に通電するとプランジヤ１０
は下方の電磁力Fmを受け、バネ９に抗して開弁
し、流体は流体出口６、回転翼１５をへて流出す
る。流体が通過すると回転翼１５は回転し、永久
磁石１６によるパルス状の磁束の変化をホール素
子１７で検出し、検出回路１８からパルス信号を
出力させる。このパルス信号は、流量センサ３を
通過する流体の流量に比例している。したがつて
設定信号により設定された流量となるよう常に流
量センサ３によつて流量が監視され、弁開度がコ
ントロールされる。また設定信号を可変すれば、
その信号に比例して高精度に流量を制御すること
ができる。

しかしながらこの従来例では、弁体８をバネ９
によつて通口７側に押し付けて閉止がなされるた
め、充分な閉止性能を確保しようとした場合、バ
ネ９の閉弁力を充分大きくしなければならない。
その結果、駆動装置２は流量を制御する力に加え
てバネ９の閉弁力に打勝つだけの電磁力Fmを発
生する必要があり、全体が大型化する。

また閉止を行なう場合、弁体８を弾性体で構成
するが、耐久性を考慮すると閉止信頼性に不安が
あり、特に燃料ガスの制御を行なう場合専用の閉
止弁を追加することが下可欠であつた。

さらに駆動装置２の比較的小さな電磁力Fmに
より流量を制御するため、プランジヤ１０の摺動
抵抗、弾性体で構成した弁体８の粘着等の外乱の
影響を受けその結果、流量センサ３によつてフイ
ードバツク制御を行なつているにもかかわらず、
流量のハンチングが発生してしまう。

発明の目的 本発明はこのような従来の問題点を解消するも
のであり、流量制御装置の小型化を図るとともに
閉止信頼性を向上させ、かつ流量制御性能の向上
を図ることを目的とする。

発明の構成 この目的を達成するため本発明による流量制御
装置は、流体通孔を設けた固定子と回転子を有
し、前記回転子の回転により流体通路面積を可変
する摺動弁と、前記回転子を駆動する超音波振動
モータと、流体流路中に設けた流量センサと、こ
の流量センサの出力信号に応じて前記超音波振動
モータを制御する制御回路とから構成したもので
ある。

この構成により、回転子を閉止位置で停止すれ
ば流体通路は遮断され、流量要求信号が供給され
ると超音波振動モータが回転し回転子を開弁位置
へ回転させる。流量は流量センサによつて検出さ
れ、流量要求信号と一致するように超音波振動モ
ータがフイードバツク制御される。

ここで超音波振動モータは、小型、軽量構造で
あるにもかかわらず高トルク、低速駆動が可能で
あり、また高応答性があり制御性が良い。さらに
従来の磁気モータと比較して磁気ノイズが発生し
ない等の特長がある。すなわち流量センサ信号に
応じて超音波振動モータによつて摺動弁を制御す
ることにより、弁閉止機能、流量比例制御機能を
有するとともに流量センサ信号をフイードバツク
制御するため従来弁部上流側の流体圧力を一定に
保つガバナが必要であつたが、それが不要とな
り、流量制御装置全体の小型化が図れる。

また摺動弁を用いるため閉止信頼性は一般のコ
ツク方式の閉止弁と同等となり超音波振動モータ
で駆動するため高分解能な弁開度制御が可能とな
り流量制御性能が向上する。

実施例の説明 以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明
する。

第２図において１ａは摺動弁、２ａは超音波振
動モータ、３は第１図従来例と同じ流量センサ、
４ａは制御回路である。

摺動弁１ａは、それぞれに複数の流体通孔２２
ａ，２２ｂを有する固定子２３と回転子２４を有
し、固定子２３は弁ボデイ２５に気密に固定され
た固定子２３と回転子２４の接触面は高平面度加
工され、潤滑剤が塗布されている。なお固定子２
３と回転子２４は耐摩耗性を有するとともに物理
的性質の安定した、例えばセラミツク等により構
成される。２６は後述する、回転子２４のストツ
プである。

超音波振動モータ２ａは圧電体２７を接合した
ステータ２８と耐摩耗板２９を接合したロータ３
０を有し、ロータ３０は回転子２４と一体に構成
されており、ロータ３０の回転が回転子２４に伝
達される。圧電体２７上には第３図に示すように
４分割の電極３１を構成している。３２は超音波
振動モータ２ａの非通電時に回転子２４を閉弁位
置に保持する戻しバネであり、第４図に示すよう
に、一端を弁ボデイ２５に固定し、他端は、ピン
３３によつてロータ３０に接合されている。

ここで超音波振動モータ２ａの動作について説
明する。圧電体２７に数10KHzの高周波電圧を印
加すると、ステータ２８にたわみ振動が発生す
る。このたわみ振動の横方向成分のみを耐摩耗板
２９を介してロータ３０に伝えることによりロー
タ３０が回転する。すなわち、単一のためみ振動
のみではステータ２８とロータ３０の接触点は上
下運動のみの動作をし横方向には動かないが、
90゜位相の異なる電圧を印加することによりロー
タ３０に回転運動が伝達される。また印加する電
圧の位相の方向を逆転すれば逆回転もできる。超
音波振動モータ２ａは従来の電磁駆動装置にくら
べ小型、軽量、高応答性、高トルクが得られ、ま
た低消費電力であり磁気ノイズが発生しない。特
に応答性に関しては電磁コイルを用いたモータに
比較して10倍以上が得られ、また回転角度を高精
度に制御することが可能であり弁開度制御の分解
能を向上させることができる。

制御回路４ａは、ホール素子１７の出力をパル
ス信号に変換する検出回路１８と、パルス信号の
発生に比例した電圧信号に増幅して出力する積分
回路１９と、所望の設定信号と積分回路１９の信
号を比較する比較器２０と、その比較器２０での
偏差信号が流量増加信号である時は超音波振動モ
ータ２ａに開弁方向の印加電圧の位相の方向を与
え、また流量減少信号である時は閉弁方向の位相
方向に切換えるスイツチング回路３４と、圧電体
２７を駆動する駆動回路３５を有する。他は、第
１図従来例と同一であり、同記号を付して説明を
省略する。

以上の構成において動作を説明する。

超音波振動モータ２ａに通電しない状態では、
戻しバネ３２の作用により弁閉止状態に保持さ
れ、流体通路は遮断される。第５図は固定子２３
及び回転子２４の平面図を示し、(a)の状態が閉止
状態を示す。つまり固定子２３と回転子２４がθ_a
だけずれて流体通孔２２ａ，２２ｂが連通しない
状態である。この状態では高平面度仕上げされた
固定子２３と回転子２４の接触面は密着してお
り、流体出口６側への流体洩れを防止する。

設定信号が供給されるとスイツチング回路３４
は流量増加信号であることを判別し、駆動回路３
５は圧電体２７に通電し、ロータ３０は回転子２
４を回転させる。第５図ｂの状態から流体通孔２
２ａ，２２ｂは連通しはじめ、流体は流体出口６
をへて流量センサ３内に流入する。流体が流れと
翼車１５が回転し、流量検出信号は制御回路４ａ
にフイードバツクされ、設定信号に対応した流量
となるよう超音波振動モータ２ａが制御される。
したがつて設定信号を変化させれば、その信号に
応じた流量が流体入口５の圧力変動に関係なく高
精度に得られる。

第５図ｃに示すように流体通孔２２ａと２２ｂ
が一致すると回転子２４がストツパ２６に当接
し、流量増加信号が供給されている状態で流体通
孔２２ａと２２ｂで形成される流体通路面積が減
少してしまう不具合は発生しない。そして通電を
停止すると戻しバネ３２の作用によつて自動的に
閉弁状態となる。なお本実施例では流量センサ３
として翼車式のものを説明したが、例えば流体出
口側の圧力を検出して流量信号としてもよい。つ
まり流量の関係因子であればいかなる信号を用い
てもよい。

以上の本実施例によれば以下の効果が得られる (1) 超音波振動モータ２ａにより直接摺動弁１ａ
の回転子２４を制御するとともに流量センサ３
を設けてフイードバツク制御する構造であるた
め、閉止機能、比例制御機能、ガバナ機能を果
す流量制御装置をワンユニツト化でき、さらに
弁駆動装置を超音波振動モータ２ａで構成した
ため装置全体の小型コンパクト化が図れる。

(2) 固定子２３と回転子２４の摺動により流体通
路面積を調整する摺動弁１ａにより閉止がなさ
れるため閉止信頼性が向上する。

(3) 回転トルクの大きくとれる超音波振動モータ
２ａにより大きな力によつて流体通路を制御す
るため、外乱の影響を受けにくく、流量のハン
チングが発生しない。

(4) 摺動弁１ａに回転子２４のストツパ２６を設
けたため、流量増加信号が供給されている状態
で回転子２４が回りすぎ、流体通路面積が減少
する不具合がない。

(5) 戻しバネ３２を設けて閉弁方向に付勢したた
め停電等が発生して通電が停止した場合、閉弁
方向に動作する。すなわちフエールセーフであ
る。

発明の効果 以上詳述したように本発明による流量制御装置
は、流体通孔を設けた固定子と回転子を有する摺
動弁を超音波振動モータで駆動するとともに流量
センサを設けてフイードバツク制御するものであ
り、以下の効果が得られる。

(1) 弁閉止機能、比例制御機能、ガバナ機能を有
した流量制御装置をワンユニツト化でき、また
超音波振動モータで駆動するため装置全体の小
型、低コスト化が図れる。

(2) 摺動弁を用いて閉止を行うため閉止信頼性が
向上し、燃料ガスの閉止を行う場合にも専用の
閉止弁を設ける必要がない。

(3) 超音波振動モータによつて摺動弁を駆動する
ため、高分解能な弁開度制御が可能となり小流
量の制御精度が向上する。また高トルク、高応
答性が得られるため摺動抵抗等の外乱の影響を
受けず流量制御性能が向上する。

(4) 高精度な回転角すなわち弁開度制御が行なえ
るため流体通孔を大流量用に設定しておけば広
い流量制御範囲が得られる。このことは燃料ガ
スのガス種転換に好適である。つまり従来ガス
種転換に際しては発熱量が異るため流量が異り
弁座もしくは弁装置そのものを交換する必要が
あつたが、本発明によれば設定信号を変えるの
みでガス種転換が完了する。

(5) 超音波振動モータを用いるため磁気ノイズが
発生しない。したがつて流量センサ等の検出信
号に妨害を与えずノイズ対策が不要であり高密
度実装が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の流量制御装置の構造図、第２図
は本発明の一実施例を示す流量制御装置の構造
図、第３図は同圧電体の斜視図、第４図は同装置
における戻しバネを示す要部拡大断面図、第５図
ａ，ｂ，ｃは同固定子との回転子の状態図であ
る。 １ａ……摺動弁、２ａ……超音波振動モータ、
３……流量センサ、４ａ……制御回路、２２ａ，
２２ｂ……流体通孔、２３……固定子、２４……
回転子、２６……ストツパ、３２……戻しバネ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体通孔を設けた固定子と回転子を有し、前
   記回転子が回転することにより流体通路面積を可
   変する摺動弁と、前記回転子を駆動する超音波振
   動モータと、流体通路中に設けた流量センサと、
   この流量センサの出力信号に応じて前記超音波振
   動モータを制御する制御回路とから構成した流量
   制御装置。 ２ 摺動弁に弁の全開位置を規制するストツパを
   設けた特許請求の範囲第１項記載の流量制御装
   置。 ３ 超音波振動モータの非通電時には回転子を閉
   弁位置に保持する戻しバネを設けた特許請求の範
   囲第１項記載の流量制御装置。