JPH04211774A - 遊星ローラ式流量制御弁 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料流量制御その他、き
わめて精確な微少流量制御を要求される装置等に用いら
れる遊星ローラ式流量制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の代表的な流量制御弁として、図１
２に示すようなニードル弁式流量制御弁、図１３に示す
ようなスリット円筒式流量制御弁および図１４に示すよ
うなスリット円板式流量制御弁とがある。ニードル弁式
流量制御弁は図１２に示すように流体出口５１に対し、
ニードル弁５２が軸方向に出入して流体出口５１の開口
面積を変化させ、流量を制御するもので、ニードル弁５
２の出入は、流体入口５３から入る流体を反対方向へ漏
出しないように外周をシール５４によって密封され、ボ
ールスクリュウ５５によって回転しながら進退するニー
ドル弁５２をステッピングモータ５７によって回転駆動
させて行なう。なお、５６はニードル弁５２とステッピ
ングモータ５７とのカップリングである。

【０００３】スリット円筒式流量制御弁は図１３に示す
ように流体入口３２側から穿孔されたスリット３３をス
テッピングモータ３６の軸に設けられた切欠又は穴３４
が回転に応じて開閉することにより流量を制御する。な
お、図中、３１は流体出口、３５はシールである。

【０００４】スリット円板式流量制御弁は図１４に示す
ように流体入口４２側と流体出口４１との間に室内の、
流体出口４１に垂直に設けられた壁のスリット４３を回
転可能に当接された円板４９の切欠又は穴４４が回転に
応じて開閉することにより流量を制御する。図中、４７
はステッピングモータ４６の回転速度を適切に減速して
円板４９に伝えるための減速装置、４８は壁に対する円
板４９の押圧力を充分にするための予圧バネ、４５はシ
ールである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の流量制御弁
（以降、単に弁という）には解決すべき次の課題があっ
た。

【０００６】即ち、微少流量を精確に制御するには０．
１　ｍｍ２　程度以下の絞り面積を正確に調整する必要
がある。ところが従来のニードル弁式では０．４　ｍｍ
以下の直径とストロークを持つニードル弁および駆動装
置（ボールスクリュウとステッピングモータの組合せ）
が必要であるのに対し、加工誤差の点で充分な精度が得
られないという問題があり、かつ、全閉時にニードルの
バルブシートが損耗し、耐久性がないという問題がある
。従来のスリット円筒式及びスリット円板式弁では０．
０２ｍｍ×５ｍｍ程度のスリットが必要となり燃料等流
体中の異物がスリットを閉鎖する恐れが大きいという問
題があり、かつ、全閉を実現するには摺動面の隙間をゼ
ロにする必要があるのに対し、スリット円筒式弁ではそ
れが実現不可能であり、スリット円板式弁では摺動面を
バネ等で押圧接触させておく必要があり、駆動時の摩擦
が大きくなるという問題がある。

【０００７】更に、従来のニードル弁又はスリット円筒
式及びスリット円板式弁をデジタルコントローラで制御
するステッピングモータで駆動する場合、減速装置（ボ
ールスクリュウ又は歯車装置等）を用いて駆動力を拡大
すると共に制御分解能を高める必要がある。しかし、通
常、制御用に用いられるステッピングモータの駆動トル
クは数ｋｇ・ｃｍと小さいためこの必要を満たすために
は、ニードル弁又はスリット弁の摩擦力に打ち勝つよう
充分大きな減速比の減速装置を用いる必要がある。とこ
ろが大きな減速を行なうと応答性が低下し目的とする制
御機能を満せなくなるという問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題の解決
手段として、次の（１）　、（２）　に記載の遊星ロー
ラ式流量制御弁を提供しようとするものである。 （１）　入力軸を兼ねるローラに外接した相互に直径の
異る複数の遊星ローラと、同遊星ローラと内接すると共
に軸方向に所定の幅を有するリングと、同リングの外周
にその内周を一部接して嵌り合う上記入力軸を兼ねるロ
ーラと同心かつ液密のハウジングと、同ハウジングの内
周の一方に上記リングの所定の幅によって遮閉可能に設
けられた流体の入口と、同ハウジングの内周の他方に上
記リングの所定幅によって遮閉可能に設けられた流体の
出口とを具備してなることを特徴とする遊星ローラ式流
量制御弁。 （２）　上記（１）　に記載の遊星ローラ式流量制御弁
において、入力軸が駆動装置の回転軸を兼ねると共に遊
星ローラが上記回転軸の軸受を兼ねてなることを特徴と
する遊星ローラ式流量制御弁。

【０００９】

【作用】本発明は上記のように構成されるので次の作用
を有する。

【００１０】即ち、上記（１）　の構成にあっては遊星
ローラに直径差を与えた場合に得られるリングとハウジ
ングの隙間の円周方向分布に変化が生じ、隙間が最小か
ら最大に変化する範囲で流量の制御が行なわれる。たと
えば相対する２対の遊星ローラに直径差を与え、かつ、
遊星ローラの減速比が６の場合、入力軸では１．５　回
転が制御範囲となり、入力軸を兼ねたローラのトルク、
分解能、応答性の点で適当な特性が得られる。

【００１１】流量を完全に遮断する必要のある時はリン
グとハウジングの嵌合を強くし、接触面圧を高めればよ
い。又、遊星ローラを中空にして剛性を低めると安定し
た接触面圧が得られる。

【００１２】また、上記（２）　の構成にあっては上記
（１）　に記載の遊星ローラ式流量制御弁の入力軸が駆
動装置の回転軸と兼用され、かつ、遊星ローラが軸受と
兼用されるので上記（１）　の構成の作用に加え部品点
数、重量等が低減する。

【００１３】

【実施例】本発明の第１実施例に係るガスタービンエン
ジンの燃料流量制御弁を図１及び図２により説明する。 図１は本実施例の図で、（ａ）　は一部破断して示す正
面図、（ｂ）　は（ａ）　の側断面図即ちＢ−Ｂ矢視断
面図である。

【００１４】図において、ローラ状をなす入力軸１の外
周に接して相互に径の異る２対４個の遊星ローラ２がリ
ング３に内接してリング３と共にハウジング４内に収納
されている。入力軸１の一端はカップリング８を介して
、ハウジング４に固定されたステッピングモータ９に連
結され、ステッピングモータ９が回転すれば入力軸１が
回転し、遊星ローラ２は入力軸１廻りを自転しながら公
転し、それにつれてリング３もハウジング４内を回転す
る。ハウジング４とリング３の外周との間にはシールリ
ング７が嵌められており、ハウジング４の内周の一方に
は流体入口５が、他方には流体出口６がそれぞれ半径方
向に貫通されている。

【００１５】次に上記構成の作用について図２を援用し
ながら説明する。直接に差を有する遊星ローラ２が入力
軸１の外周を公転するとリング３の外周と入力軸１の軸
心との半径相当の距離には軸心まわりの位置によって差
が生じ、従ってハウジング４の内周とリング３との間は
強く接触する範囲とその反対側に隙間の生じる範囲とが
併存し、それらの軸心まわりの位置は回転に応じて刻々
に変ってゆく。図１（ａ）　のＸはこの隙間を示し、図
２はこの隙間Ｘと接触側との関係を縦軸に、遊星ローラ
２の公転角度を横軸にして線図として示したものである
。図から明らかな通り、遊星ローラ２の直径差を制御す
ることによって所望の隙間Ｘが得られ、流量を自由に制
御することができる。

【００１６】次に本発明の第２実施例について図３及び
図４により説明する。第１実施例はハウジング４に流体
出口６を１個所設ける例であったが、第２実施例は周方
向に３個所設ける例で、図３においてハウジング４の周
上には流体入口５に対し、流体出口６ａ、６ｂ、６ｃが
３個所設けられており、流量特性は入力軸１の回転によ
り、予め設定された流量スケジュールに従って制御され
る。なお、図示以外は図１と同様である。

【００１７】図４は図２に対応させて示した本実施例の
線図で、θ１　は図３のθ３　に１８０°を加えた角度
、θ２　は図３　のθ２　に対応する角度である。

【００１８】本実施例のように複数の流量制御に求めら
れる主なパラメータとしては遮断状態から開へのタイミ
ングおよび流量変化率がある。タイミングについては各
々の流体出口６ａ、６ｂ、６ｃの位相（図１のθ２　，
θ３）および予圧量対最大隙間（図４のＹ対Ｘ）で調整
可能である。流量変化率については流体出口６ａ，６ｂ
，６ｃの穴直径（図３のＤ１　，Ｄ２　，Ｄ３　）で調
整可能である。

【００１９】なお、流体出口の数は３個に限定されるも
のではなく、必要に応じて増減されてよい。

【００２０】次に本発明の第３実施例について図５によ
り説明する。上記第１、第２実施例は何れも遊星ローラ
２とステッピングモータ９を分離型とし、相互の軸心の
ミスアライメントを吸収するためカップリング８を用い
る構成としたが本来、遊星ローラ２は軸受の機能を有し
ており、ステッピングモータ９の一方の軸受を兼用する
ことができる。

【００２１】第３実施例はこのような観点から構成され
る流量制御弁で、１ａは後述のステッピングモータ９ａ
の駆動軸を兼ねた回転軸で遊星ローラ３はこの回転軸１
ａの廻りに自転及び公転を行なう。ステッピングモータ
９ａは図示の如くモータ回転子１０、モータコイル１１
、モータハウジング１２及び回転軸１ａの一端を支承す
るベアリング１３からなり、ベアリング１３に対応する
他端のベアリングは上記遊星ローラ３が兼ねることにな
る。その他の構成については第１、第２実施例と基本的
に同様である。

【００２２】本実施例の場合、第１、第２実施例と同様
の効果があることに加え、ステッピングモータ９ａの回
転軸１ａが直接、遊星ローラ２の入力軸を兼ね、かつ、
遊星ローラ２が軸受を兼ねるので、第１、第２実施例の
ように入力軸やカップリングを別に用意する必要がなく
、かつ、軸受も１個でよいので部品点数、重量、コスト
が共に低減し、かつ、小型化できるという利点がある。

【００２３】次に本発明の第４実施例について図６〜図
９により説明する。本実施例は、図７〜図９に示す、シ
リンダ１９、ピストン２０よりなるアクチュエータに精
確に流量を制御しながら流体供給する遊星ローラ式サー
ボバルブの例で、第１〜第３実施例と同様の構成部品に
は同符号を付し、説明を省略する。

【００２４】図６において、１ｂは入力軸を兼ねる太陽
ローラでモータ回転子１０によって回転され、その外周
の遊星ローラ２を自転及び公転させる。１４は加圧流体
入口、１５ａはアクチュエータへの供給ポート、１６ｂ
はアクチュエータからの戻りポート、１７はリング３と
ハウジング４との隙間から排出される排油、１８はシー
ルリング７ａ，７ｂの保持及び加圧流体入口１４に連通
して加圧流体の流入を受入れるため、ハウジング４の内
周の円周に穿設された溝である。その他、たとえば図７
に示すように、太陽ローラ１ｂの軸心に対称に、即ち図
６の下側にアクチュエータへの供給ポート１５ａに対向
して、かつ、シールリング７ａ，７ｂによって軸方向に
区画されたアクチュエータへの供給ポート１５ａと同一
の円周面上にアクチュエータへの供給ポート１５ｂが、
また、図６の上側にアクチュエータからの戻りポート１
６ｂに対向して、かつ、シールリング７ａの左側に区画
されたアクチュエータからの戻りポート１６ｂと同一円
周面上にアクチュエータからの戻りポート１６ａがそれ
ぞれ設けられている。

【００２５】次に上記構成の遊星ローラ式サーボバルブ
を用いてアクチュエータを往復作動させる例を図７〜図
９により説明する。図７〜図９はシリンダ１９及びピス
トン２０よりなるアクチュエータに図６に示す遊星ロー
ラ式サーボバルブを連結した模式図で、図６のＡ−Ａ矢
視断面に相当する図で示されており、図６のＢ−Ｂ矢視
断面上のアクチュエータへの供給ポート１５ａ及びアク
チュエータからの戻りポート１６ｂは破線で示されてい
る。なお、図では理解を用意にするため、要部のみが示
され、加圧流体入口１４その他は省略されている。

【００２６】図７はピストン２０の上側に加圧流体（ハ
ッチングを施して示す）が供給され、ハッチング矢印の
向き（下向き）にピストン２０が移動している状態を示
す図、図８は流体の移動がなく、ピストン２０が停止（
アクチュエータ固定）している状態を示す図、図９は図
７とは逆にピストン２０の下側に加圧流体が供給され、
ハッチング矢印の向き（上向き）にピストン２０が移動
している状態を示す図である。細い矢印は流体の移動の
向きを示す。φはステッピングモータによる回転角度を
、Ｘは、リング３が内側を遊星ローラ２によって圧され
ないことよりリング３とハッチング４との間に円周上、
中心を挟んで対向位置の２個所に生じる隙間をそれぞれ
示す。なお、アクチュエータからの戻り流体にはドット
を付して示す。

【００２７】先ず、図６において、加圧流体入口１４よ
り加圧流体が流入し、溝１８を満たす。そして隙間Ｘの
到来しているアクチュエータへの供給ポート１５ａへ隙
間Ｘを通って流入し、次いでアクチュエータへ流入し、
図７の状態を創出する。即ち、ピストン２０を下方へ強
く押圧し、図示しない対象物を変位させる。ピストン２
０の下側の流体は戻り流体となって、上記隙間Ｘの対向
側の隙間Ｘが到来しているアクチュエータからの戻りポ
ート１６ｂを経、隙間Ｘを通って排油１７となって排出
してゆく。この状態ではアクチュエータへの供給ポート
１５ｂ及びアクチュエータからの戻りポート１６ａは、
リング３が内側を遊星ローラ２によって圧され、隙間Ｘ
がゼロの位置にあってそれぞれ塞がれいる。

【００２８】なお、図７においては説明の都合上、隙間
Ｘを大き目に図示したが、実機においては加圧流体が通
れる程度の隙間、たとえば０．５ｍｍ以下程度のわずか
な隙間で十分である。即ち、図６におけるリング３とハ
ウジング４との隙間Ｘはシールリング７ａ，７ｂの太さ
に比べて極めて小さく、隙間Ｘによりシールリング７ａ
，７ｂのシール性が損なわれることはない。従って加圧
流体入口１４から入った加圧流体が、シールリング７ａ
を越えてアクチュエータからの戻りポート１６ａ，１６
ｂ側に漏れたり、シールリング７ｂを越えてステッピン
グモータ９ａ側へ漏れたりすることはない。

【００２９】太陽ローラ１ｂがステッピングモータ９ａ
によって回転し、遊星ローラ２が自転・公転し、図８の
状態が創出されると、アクチュエータへの供給ポート１
５ａ，１５ｂ及びアクチュエータからの戻りポート１６
ａ，１６ｂのすべての部位における隙間Ｘはゼロとなっ
てこれらポートはすべて塞がれる。従ってピストン２０
の上下の流体は移動できず、ピストン２０は固定される
。即ち、図示しない対象物は固定される。

【００３０】太陽ローラ１ｂがステッピングモータ９ａ
によって回転し、遊星ローラ２が自転・公転し、図９の
状態が創出されると、各隙間Ｘはアクチュエータへの供
給ポート１５ｂ及びアクチュエータからの戻りポート１
６ａの部位に到来し、図７の場合とは逆に加圧流体は隙
間Ｘを通ってアクチュエータへの供給ポート１５ｂへ流
入し、次いでアクチュエータへ流入し、ピストン２０の
下側に入ってピストン２０を強く押し上げる。そして図
７の場合とは逆の向きに図示しない対象物を変位させる
。ピストン２０の上側の流体は戻り流体となって隙間Ｘ
の到来したアクチュエータからの戻りポート１６ａを経
、隙間Ｘを通って排油１７となって排出してゆく。この
ようにして制御容易な電気信号により、ステッピングモ
ータ９ａの回転を精確に制御し、アクチュエータの往復
運動を精確に制御することができる。

【００３１】次に本発明の第５実施例について図１０及
び図１１により説明する。本実施例は図６に示す遊星ロ
ーラ式サーボバルブと、いわゆる斜板型液圧回転機械と
を一体的に組合わせ、遊星ローラ式サーボバルブによっ
て制御するピストンの往復運動を回転運動に変換して取
出すロータリアクチュエータの例である。図１０は本実
施例の側断面図、図１１は本実施例を分解的に示した作
用の説明図である。図６と同様の構成部材には同符号を
付し、説明を省略する。

【００３２】図１０において、概略、右側中央近傍が遊
星ローラ式サーボバルブをなし、その他の部分は斜板型
液圧回転機械をなしている。４ａは遊星ローラ式サーボ
バルブのハウジングで、その一端は後述するシリンダ２
３と連続している。２１は斜板、２２はそれに連続した
出力軸で、出力軸２２の軸心回わりにかつ筒軸を平行に
４個のシリンダ２３が均等配設されている。シリンダ２
３にはそれぞれピストン２４がシリンダ２３の筒軸方向
に往復動可能に収納され、各々頂部を自在結合子２５に
よって斜板２１に自在結合されている。自在結合子２５
は斜板２１との結合面に沿って摺動可能で、出力軸２２
がその軸心廻わりに回転しても軸心と垂直方向に変位す
ることはなく、斜板２１の傾斜度に応じて軸心方向にの
み変位する。従ってそれに自在結合されたピストン２４
はシリンダ２３内をその筒軸方向に変位する。

【００３３】次に上記構成の作用を図１１により説明す
る。図の左側が遊星ローラ式サーボバルブで、図７に示
す第４実施例の場合と原理的に同様であるが、本実施例
の場合は図示のように、アクチュエータへの供給ポート
１５ｃ，１５ｄ及びアクチュエータからの戻りポート１
６ｃ，１６ｄが太陽ローラ１ｂの軸心を挟んで対向する
２個所に、アクチュエータへの供給ポート１５ａ，１５
ｂ及びアクチュエータからの戻りポート１６ａ，１６ｂ
のそれぞれのペアの間をほゞ均分する形で加設された点
のみが相違する。太陽ローラ１ｂが回転すると遊星ロー
ラ２が自転・公転し、たとえば図７の場合と同様の作用
によってピストン２４の頂部側へ加圧流体が送り込まれ
て、ピストン２４を押圧、移動させる。すると斜板２１
は出力軸２２の軸心廻りに回転する。出力軸２２の軸心
を挟んで対向側のピストン２４は斜板２１によって逆方
向に押し返されることになるので、そのピストン２４の
頂部側の流体はシリンダ２３より戻り流体となって遊星
ローラ式サーボバルブに戻り、排出される。この作用が
出力軸２２の軸心廻りに順次的に繰返されて出力軸２２
は強力なトルクと精確な回転を図示しない対象物に伝達
する。なお本実施例はピストン２４を４個備えた例で説
明したが、斜板２１が回転上のデッドポイントを生じな
い個数、即ち、出力軸２２の軸心廻りに斜板２１の円周
上をほゞ３等分して配設した場合の個数３個以上のピス
トンであれば、リング３とハウジング４ａとの隙間とそ
れが閉塞される位置関係が許す範囲で如何ような個数の
ピストンが用いられてもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されるので次
の効果を有する。 （１）　遊星ローラの直径差による隙間を利用するので
流量を正確に制御できる。　　 （２）　小面積同志で押圧したり、滑り合ったりする個
所がないので耐摩性に優れる。 （３）　スリットを有しないので、異物等によって閉鎖
する怖れがない。 （４）　バネ等で押圧されて高速摺動する個所がないの
で摩擦損失が小さい。 （５）　遊星ローラの公転を利用するので大きなトルク
と正確なタイミングを得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の図で（ａ）　は正面図、
（ｂ）　は側断面図である。

【図２】上記第１実施例の遊星ローラの公転角度と流体
の通過するハウジングとリングとの隙間等の関係線図で
ある。

【図３】本発明の第２実施例の正面図である。

【図４】第１実施例の図２に対応させて示した第２実施
例の関係線図である。

【図５】本発明の第３実施例の側断面図である。

【図６】本発明の第４実施例の側断面図である。

【図７】上記第４実施例により往復動型のアクチュエー
タを流体制御する往復作動の説明図で、ピストンが下向
きに押圧される状態の図である。

【図８】図７と同様の説明図で、ピストンが停止（アク
チュエータ固定）状態の図である。

【図９】図７と同様の説明図で、ピストンが上向きに押
圧される状態の図である。

【図１０】本発明の第５実施例の側断面図である。

【図１１】上記第５実施例を分解的に示した作用の説明
図である。

【図１２】一従来例の側断面図である。

【図１３】別の従来例の側断面図である。

【図１４】更に別の従来例の側断面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　入力軸 １ａ　　　　　　回転軸 １ｂ　　　　　　太陽ローラ ２　　　　　　　　遊星ローラ ３　　　　　　　　リング ４，４ａ　　ハウジング ５　　　　　　　　流体入口 ６，６ａ，６ｂ，６ｃ　　流体出口 ７，７ａ，７ｂ　　　　　　　　シールリング８　　　
　　　　　カップリング ９，９ａ　　ステッピングモータ １３　　　　　　ベアリング １４　　　　　　加圧流体入口 １５ａ，１５ｂ　　アクチュエータへの供給ポート１６
ａ，１６ｂ　　アクチュエータからの戻りポート１７　
　　　　　排油 １８　　　　　　溝 １９　　　　　　シリンダ ２０　　　　　　ピストン ２１　　　　　　斜板 ２２　　　　　　出力軸 ２３　　　　　　シリンダ ２４　　　　　　ピストン ２５　　　　　　自在結合子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入力軸を兼ねるローラに外接した相互
   に直径の異る複数の遊星ローラと、同遊星ローラと内接
   すると共に軸方向に所定の幅を有するリングと、同リン
   グの外周にその内周を一部接して嵌り合う上記入力軸を
   兼ねるローラと同心かつ液密のハウジングと、同ハウジ
   ングの内周の一方に上記リングの所定の幅によって遮閉
   可能に設けられた流体の入口と、同ハウジングの内周の
   他方に上記リングの所定幅によって遮閉可能に設けられ
   た流体の出口とを具備してなることを特徴とする遊星ロ
   ーラ式流量制御弁。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の遊星ローラ式流量制
   御弁において、入力軸が駆動装置の回転軸を兼ねると共
   に遊星ローラが上記回転軸の軸受を兼ねてなることを特
   徴とする遊星ローラ式流量制御弁。