JPH039179A

JPH039179A - 流体制御バルブ

Info

Publication number: JPH039179A
Application number: JP14072789A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 剛中村
Original assignee: NIPPON TAIRAN KK
Current assignee: NIPPON TAIRAN KK
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1991-01-17
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPH0765695B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、流体の質量流量制御や圧力制御等に用いる
ことのできる流体制御バルブに関するものである。

（従来の技術）従来の斯種流体制御バルブとしては、第８図に示される
質量流量制御装置に用いられたピエゾバルブが知られて
いる。

この質量流量制御装置は、流体入口８０１から到来する
流体をバイパス８０２及びセンサ管８０３へ導く。８０
４は、質量流量センサ部を示し、センサ管８０３を介し
て到来した流体に基づき、例えば、特願昭５９−２２７
８４４に示される手法を用いて質量流量を計測する。計
測結果と設定された質量流量とに基づきピエゾスタック
アクチュエータ８０５へ所定の電圧が印加される。これ
によって、とニジスタックアクチュエータ８０５が伸縮
し、これに追従してダイヤフラム８０６が上下に変位し
て、弁座８０７どの間で形成されたオリフィスが調整さ
れる。以上の動作によって、流体の質量流量が制御可能
である。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記質量流量制御装置による流体制御バ
ルブは、第９図に示される構造のピエゾスタックをアク
チュエータ８０５として用いるなめ、以下のような問題
点が生じていた。

即ち、外部電極９０１Ａ、　９０１Ｂ間にピエゾ素子９
０４１．９０４２　、・・・内部電極９０２１．　９０
２２．・・・が積層接続され、端子９０３Ａ、　９０３
Ｂに電圧を与える構造となっている。そして、この電圧
を与えることによって、とニジスタック全体が図の上下
方向に伸縮する。ところが、このような伸縮変位の繰返
しを１万回程度行うと当該ピエゾスタックは破壊する。

このため、年間に１００万回程度の伸縮動作を必要とす
る質量流量制御装置に用いると信頼性に欠け、また、保
守が煩しいという問題点がある。

更に、内部電極９０２１．　９０２２・・・間の間隔が
０．１〜０．３ｍと狭く、この間に数百ボルトの高電圧
を印加して使用するため、湿気等によりマイグレーショ
ンを起し絶縁不良により、バルブが故障する可能性があ
るという問題点もあった。

本発明はこのような従来の流体制御バルブの問題点を解
決せんとしてなされたもので、その目的は、長寿命であ
って信頼性が高く保守性に優れ、湿度等による影響を受
けることがない流体制御バルブを提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明では、中空穴を有し、この中空穴の長さ方向に磁
界が生じるようにコイルが巻かれて形成された磁界発生
部と、前記中空穴に挿入される棒状の磁歪素子と、この磁歪素
子の一端側に設けられ、この磁歪素子の伸縮に応じて変
位する弁体と、流体の流通口を有し、前記弁体の変位に応じて前記弁体
と協働してオリフィスを形成する弁座と、前記磁歪素子
の他端側に設けられ、前記磁歪素子を前記弁体側へ付勢
する付勢手段とを備えさせて流体制御バルブを構成した
。

（作用）上記のように構成されるため、磁歪素子の伸縮によって
オリフィスが調整され、流体の質量流量、圧力等の制御
を行い得る。また、磁歪素子は単一構造であり積層構造
でないため、内部応力による破壊が生じにくく寿命が長
い。また、湿気等による影響が生じることもないことが
判る。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。各図面
において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複
説明を省く。第１図は本発明の一実施例に係る流体制御
バルブを組込んだ質量流量制御装置を示す。同図におい
て、１はベースを示し、制御する流体に応じて適当な金
属により作られる。ベース１には流体の流入口２と流出
口３とを結ぶ図のような流路が形成されている。流入口
２から到来する流体はバイパス４とセンサ管５とに分岐
される。センサ管５へ分岐された流体はセンサ部６へ到
る。センサ部６の構成は、特願昭５９−２２７８４４に
示されているようなもので、同手法により流体の質量流
量を検出する。センサ部６を通過した流体はセンサ管５
の出口５Ａでバイパス４を通過した流体と合流し、弁座
７へ到る。弁座７の中央部には流体を通過させる流通口
が穿設されている。弁座７の上方には、中央部が突出し
た弁体となっているダイヤフラム８が設けられている。

このダイヤフラム８とベース１との嵌合部にはシールリ
ング９が介装され、流体の上方への漏れを防止する構造
となっている。ダイヤフラム８には、底面にダイヤフラ
ム８を収める穴を有するソレノイドケース１０が覆い被
せられ、ソレノイドケース１０がボルト１１によりベー
ス１に固定されている。ソレノイドケース１０は円筒状
であって、内部中央には大きな円柱穴が形成され、その
下部には細い円柱穴が形成されている。ソレノイドケー
ス１０の大きな円柱穴には第２図に示されるボビン２１
にコイル２２が巻かれたソレノイド２３が埋設される。

ボビン２１の中央部には、ソレノイドケース１０の内部
下方に形成された細い円柱穴と同径の円柱穴２４が形成
されている。この円柱穴２４を介して、先ず、鋼鉄等に
より作られる円柱状の固定ガイド１２が挿入され、次い
で円柱棒状の磁歪素子１３が挿入される。１４はソレノ
イドケース１０の蓋体であって、下部の側縁にはソレノ
イドケース１０の内壁上縁部に形成されたネジと螺合す
るネジ１５が形成され、中央部には上下方向に貫通した
穴が穿設されている。蓋体１４の頭部は下部より小径の
円柱状をなし、その周縁部には雄ネジ１６が形成されて
いる。

上記蓋体１４の穴には円柱棒状の固定ガイド１７が挿入
される。固定ガイド１２、磁歪素子１３、固定ガイド１
７を挿入して、固定ガイド１２の先端がダイヤフラム８
に当接したとき、固定ガイド１７の頭部が僅かに蓋体１
４の頭部から突出した状態となる。１８は袋ナツトを示
し、螺合回転により固定ガイド１７を下方に押圧する。

１９は固定ナツトを示し、袋ナツト１８で磁歪素子１３
に対する所定の押圧状態を作り出したとき、当該固定ナ
ツト１９を上方に移動させて、いわゆるダブルナツトに
より袋ナツト１８との固定状態を現出させる。２０はソ
レノイド２３のコイル２２へ電流を流すためのリード線
であり、センサ部６により検出された流量と設定された
流量とに基づき所定の電流が与えられる。

上記の電流によって、ソレノイド２３の励磁が生じ磁歪
素子１３の長さ方向に磁界が生じる。これによって、磁
歪素子１３は第３図に示されるように磁界の強さと極性
とに応じて伸縮する。これによって、ダイヤフラム８が
固定ガイド１２を介して押圧され変位を生じるから、ダ
イヤフラム８の突出部と弁座７とによって形成されたオ
リフィスの調整が起き、ノーマリ−オープンのバルブを
提供できる。

ところで、磁歪素子１３は第３図から判るように、外部
からの圧力で、加圧方向の寸法変位量を変える。そこで
、ダイヤフラム８の厚さや材料を適宜変えることによっ
て、ダイヤフラム８のバネ定数を選定し、所定の変位量
が得られるようにすることができる。また、袋ナツト１
８のネジ込み量によっても、磁歪素子１３に対する加圧
力（付勢）を調整するとともに、弁口の初期開度（ダイ
ヤフラム８の初期位置）を決定できる。

また、磁歪素子１３は伸縮に対する強度は十分であるも
のの、外的な力に弱く、もろいという性質がある。そこ
で、磁歪素子１３がボビン２１の穴に沿って真っ直ぐ伸
縮しなければ、折れてしまう可能性がある。このため本
実施例では、第４図（ａ）に示されるように磁歪素子１
３の上方及び下方に配される固定ガイド１２及び１７の
底部及び上部に円錐状の六を形成し、ダイヤフラム８の
中央にも対応する円錐状の穴を形成する。これらの穴の
間に硬球４１を介装し硬球４２を上記穴と袋ナツト１８
との間に介装することにより、磁歪素子１３が真っ直ぐ
下方に伸びない場合でも、押圧力は硬球４１方向へ集中
し、磁歪素子１３が折れてしまうことを防止できる。

この結果、磁歪素子１３を含むアクチエエータ部の取付
誤差を吸収できる。又硬球４２により、ナツト１８によ
る締め込み時回転応力も吸収できる。また、固定ガイド
１７に代えて第４図（ｂ）に示されるように頭部に突部
を有する固定ガイド１７Ａを用いても同じ効果を得るこ
とができる。

また、磁歪素子１３の変位は磁界に対し、第５図に示す
ような特性曲線に沿って遷移する。従って、ソレノイド
２３によって発生できる磁界の強さが限れている場合に
は、固定ガイド１７の全部または一部を永久磁石として
、バイアス磁界を磁歪素子１３に与えた構成とする。こ
のような構成とすると、ソレノイド２３によって発生で
きる磁界が２５０エルステツドであり、磁歪素子１３に
加えられた圧力が約３ＫｐＳｉであるときに、バイアス
磁界は以下のように働く。まず、バイアス磁界なしでは
、０〜２５０エルステツドで磁界を変化させたとき得ら
れる磁歪素子１３の変化量は約ｉｏｏ　ｐｐｍである。

これに対し、バイアス磁界がソレノイド２３によって発
生される磁界と同方向及び同極性の方向に加わるように
２５０エルステツドの磁界を発生する永久磁石（固定ガ
イド１７）を配置すると、２５０〜５００エルステツド
で磁界変化が生じ、磁歪素子１３の変化量は約３５０　
ｐｐｍとなることが第５図から判る。

さらに、コイルの励磁電流を反転し、永久磁石の磁界と
反対方向に２５０エルステツドの磁界を生じさせると磁
歪素子に加わるコイルと永久磁石の総合磁界の変化範囲
は、０〜５００エルステツドになり磁歪素子の変化量は
約４５０ｐｐｍになる。このように永久磁石によるバイ
アス磁界の方向をも含め強さを選定することで、コイル
による発生磁界に限りがあっても第５図に示すような磁
歪材料の特性に従い変化量を大きくとることができる。

第６図はベース１Ａ内に弁室６０を形成した流体制御バ
ルブが示されている。弁室６０には、中央の弁座６１が
突出し、外周側部が下方へ延び、全体として円板状であ
る弁座台６２が設けられるとともに、ダイヤフラム８Ａ
の下方に突出した弁頭部６６を別体で設け、この弁頭６
６にバネ６３を支持するフランジ６４を横方向に張り出
して形成する。弁座台６２の外周部の角とベース１Ａと
の接合部にはシールリング６５が介装され、流体がオリ
フィス以外を経て弁室６０に入らぬ構成とされている。

６７は弁室６０と流出口とを連通ずる穴を有し、流体の
滞留部となる弁室６０を形成する機能を有するリンク状
の仕切体である。これにより流体の滞留部を少なくし、
構成を小型化できる。かかる構成によって、バネ６３が
弁頭６６をダイヤフラム８Ａ方向へ押し付け、これに抗
して磁歪素子１３が伸縮してオリフィスの調整が行われ
る。このように弁頭６６と弁座台６２とが他の部分と別
体であるため、この部分のみを取換えることによって所
望の弁口が提供され、流体の制御（量）範囲、用途に応
じた流体制御バルブを得ることができる。

第７図には、ノーマリクローズタイプの流体制御バルブ
が示されている。この実施例では、ダイヤフラムは第１
図と同型のものを用い、弁座台６２に設けられた流体通
過用の穴の下端にて皿状の弁体７１をバネ７２で上方へ
押付けている。弁体７１の中央部から上方へブツシュビ
ン７３が延びダイヤフラム８の突出部の中央に当接して
いる。このような構成により、磁歪素子１３Ａが伸縮す
るとダイヤフラム８が変位し、弁座６１の穴を塞いでい
た弁体１１が上下してオリフィスが調整され、ノーマリ
−クローズタイプの流体制御バルブを実現できる。なお
、この実施例では、耐衡撃性を強化し、磁歪素子１３Ａ
が脆性材料で作られることに鑑み、その側面を樹脂コー
ティングするとともに、磁界方向に垂直となる面にＮｉ
　にッケル）等によるメツキ１３Ｂを施しである。また
、蓋体１４Ａの中央に穿設された穴の径を、ボビン２１
に形成された穴の径よりやや大きくし、固定ガイド１７
Ａを、下部が上部より小径の円柱状とされたブツシュピ
ン８１でバネ８２に抗して下方へ袋ナツト１８により押
圧する構成としである。このような構成によれば、バネ
８２のバネ定数を適宜選択して、磁歪素子１３Ａに与え
る圧力を調整できることになる。

また、他のノーマリ−ローズタイプの流体制御バルブと
して第１図の構造を応用した例を説明する。ガイド１２
又は１７の全部または一部を永久磁石にし、コイルより
発生する磁界と反対方向の磁界を磁歪素子に加え、コイ
ルの磁界が０のときダイヤフラム８の突出部が弁座７を
塞ぐまで袋ナツト１８を締め込む。この状態でコイルの
励磁電流を制御し、永久磁石の磁界と反対方向に磁界を
変えることにより磁歪素子が伸縮し流体を制御する。例
えば、永久磁石により発生する磁界を５００エルステツ
ド、コイルより発生する磁界が２５０エルステツドで磁
歪素子に加わる力が３ｘｐｓ＋のとき、第５図に示す磁
歪素子の特性の場合約３５０ｐｌ）ｍの変化量をもつノ
ーマリ−クローズタイプの流体制御バルブができる。

なお、本実施例は第１図、第６図、第７図のいずれも質
量流量制御装置に適用した例を示したが、これに限られ
ず、各種流体制御の装置に適用できる。例えば、圧力制
御装置とする場合には、センサ部６を公知の圧力センサ
に変え、この圧力センサによって検出された圧力と設定
に係る圧力とに基づき、リード線２０へ流す電流値をコ
ントロールするようにすればよい。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、磁歪素子の変位に
よって弁体を移動させるため、駆動力が大きく、また、
応答速度が数ｎ　ＳｅＣ〜数μｓｅｃと高応答性を有す
る流体制御バルブを実現できる。

また、アクチュエータが磁歪素子という単一物の構成で
あるため、繰返して使用しても内部応力等による破壊や
湿気を原因とする破壊に強く、寿命が長く、保守性に優
れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を適用した質量流量制御装置
の構成図、第２図、第４図は第１図の装置の要部構成図
、第３図、第５図は磁歪素子の特性を示す図、第６図、
第７図は本発明の他の実施例を適用した質量流量制御装
置の要部構成図、第８図は従来の流体制御バルブを用い
た質量流量装置の構成図、第９図はとニジスタックの構
成図である。１．１Ａ・・・ベース　　　７．６１・・・弁座８．８
Ａ・・・ダイヤフラム１０・・・ソレノイドケース１２、１７．１７Ａ・・・固定ガイド

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中空穴を有し、この中空穴の長さ方向に磁界が生
じるようにコイルが巻かれて形成された磁界発生部と、前記中空穴に挿入される棒状の磁歪素子と、この磁歪素
子の一端側に設けられ、この磁歪素子の伸縮に応じて変
位する弁体と、流体の流通口を有し、前記弁体の変位に応じて前記弁体
と協働してオリフィスを形成する弁座と、前記磁歪素子
の他端側に設けられ、前記磁歪素子を前記弁体側へ付勢
する付勢手段とを備えたことを特徴とする流体制御バル
ブ。
（２）中空穴を有し、この中空穴の長さ方向に磁界が生
じるようにコイルが巻かれて形成された磁界発生部と、前記中空穴に挿入される棒状の磁歪素子と、この磁歪素
子の一端側に設けられ、この磁歪素子の伸縮に応じて変
位する弁体と、流体の流通口を有し、前記弁体の変位に応じて前記弁体
と協働してオリフィスを形成する弁座と、前記磁歪素子
の他端側に設けられ、前記磁歪素子を前記弁体側へ付勢
する付勢手段と、前記磁歪素子と前記付勢手段との間または前記弁体と前
記磁歪素子との間の少なくとも一方に配置され、前記磁
界発生部の中空穴の長さ方向と一致する方向に磁界を生
じてバイアス磁界を前記磁歪素子へ与える永久磁石とを
備えたことを特徴とする流体制御バルブ。
（３）磁歪素子には、機械的破壊からの保護用の部材が
具備されていることを特徴とする請求項（１）または（
２）記載の流体制御バルブ。