JPH0611063A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が簡単で信頼性が高く、かつ、流体の微
量な流量制御が可能な磁歪素子を使用した流体制御弁の
提供を目的とする。 【構成】 磁歪素子の変位を利用して流体の流れを制御
する流体制御弁を、流体通路の管体１の周囲に配置され
た磁界を発生させる磁界発生部３と、この磁界発生部の
内側の前記管体内に配置され、磁界発生部３からの磁界
により管体の軸方向に伸長または収縮する最低１つの磁
歪素子２と、磁歪素子２の上流側および下流側に設けら
れ、この磁歪素子２を磁界発生部３の内側の管体１内に
位置決めする２つの位置決め部材4, 7とから構成し、２
つに位置決め部材4, 7の設置間隔は、少なくとも磁歪素
子２の最大伸長時の全長に等しくし、かつ、２つの位置
決め部材4, 7には管体１内の流体がスムーズに通過でき
る開口を設けて構成する。この結果、磁界発生量に応じ
て磁歪素子２が変位して直径が変化し、管体１を流れる
流体の流量が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流体制御弁に関し、特
に、磁界が印加された時に変位する磁歪素子の変位を利
用して流体の流れを制御する流体制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、管内を流れる流体の流量を制御す
る手段としては、スプリング等で付勢されたプランジャ
で流路を閉止しておき、ソレノイドに通電することによ
ってこのプランジャをスプリングの付勢力よりも大きな
力で吸引して開弁させる電磁弁が一般的に使用されてい
た。

【０００３】ところが、この電磁弁による流体の制御で
は、ソレノイドに通電した時のプランジャの移動量が大
きいので、流体のオンオフ制御は可能であるが、流体の
微量な流量制御が難しかった。また、流体が高圧流体で
ある場合には、プランジャの管体の開閉動作が緩慢にな
ったり、弁の開閉動作が困難になったりする不具合があ
った。

【０００４】そこで、近年、磁界が印加された時に変位
する磁歪素子を管体内の流体の流れと垂直方向に配置
し、一方、管体内には弁座と弁体とを設けてこの弁体に
前述の磁歪素子を接続し、磁歪素子の軸方向の変位を利
用して弁体と弁座との間隔を調整することによって流体
の流量を制御する流体制御弁が提案されている。（特開
平３−９１７９号公報参照）。この磁歪素子を使用した
流体制御弁では、印加する磁界の大きさによって磁歪素
子の変位量が変化するので、微量な流量制御が可能であ
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−９１７９号公報に示される従来の流体制御弁は、流
体の流れ方向に対して垂直方向に磁歪素子を配置し、こ
の磁歪素子の変位で弁体と弁座との間隔を調節して流量
を制御するために、装置が非常に複雑な構造となる上
に、流体のシール機構も複雑となって信頼性に欠けると
共にコストが高いという問題点があった。

【０００６】そこで、本発明は、構造が簡単で信頼性が
高く、かつ、流体の微量な流量制御が可能な磁歪素子を
使用した流体制御弁を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、磁歪素子の変位を利用して流体の流れを制御する
流体制御弁であって、流体通路の管体の周囲に配置され
た磁界を発生させる磁界発生部と、この磁界発生部配置
部位の内側の前記管体内流路に配置され、前記磁界発生
部からの磁界により径方向に伸長または収縮して前記流
路を開閉する少なくとも１つの磁歪素子と、前記磁歪素
子の上流側および下流側の流路に設けられ、この磁歪素
子を前記管体内流路に位置決めする２つの位置決め部材
とを備え、前記２つに位置決め部材の設置間隔は、少な
くとも前記磁歪素子の最大伸長時の全長に等しくされ、
かつ、前記２つの位置決め部材には前記管体内の流体が
スムーズに通過できる開口が設けられていることを特徴
としている。

【０００８】

【作用】本発明の流体制御弁によれば、磁界発生部から
の磁界の発生量に応じて、磁歪素子が伸長したり収縮し
たりして変位して弁体の機能は果たし、流体の流量が制
御される。すなわち、磁界発生部に磁界の発生がない時
は磁歪素子が管体の内壁に密着して流体を閉止している
ものにあっては、磁界発生部に磁界発生がある時にその
磁界発生量に応じて磁歪素子が伸長し、この伸長量に応
じて磁歪素子の直径が収縮する。この結果、直径方向に
収縮した磁歪素子と管体との隙間から、磁歪素子の収縮
度合いに応じて流体が流れ、磁界発生部からの磁界発生
量に応じて管体を流れる流体の流量が増大する方向に制
御される。また逆に、磁界発生部に磁界の発生がない時
に磁歪素子が直径方向に最大限伸長し、管体との隙間か
ら磁歪素子の収縮度合いに応じて流体が流れるものにあ
っては、磁界発生部に磁界発生がある時にその磁界発生
量に応じて磁歪素子が収縮し、この収縮量に応じて磁歪
素子の直径が増大して流量が低減される。この結果、磁
界発生部からの磁界発生量に応じて管体を流れる流体の
流量が低下する方向に制御される。

【０００９】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の流体制御弁１０の一実施例
の構成を示すものである。図において、１は流体制御弁
の外管、２は磁界が印加された時に伸長する正特性の超
磁歪材料からなる弁体、３は磁界を発生させるコイル、
４は上部台座、５はスプリング、６は金具、７は下部台
座である。超磁歪材料からなる弁体２は、流体制御弁１
０の外管１の内壁に理想的にはクリアランス０で内接さ
せ、下部台座７に接着することなく固定する。また、超
磁歪材料からなる弁体２の上面には金具６を片当たりす
ることなく設け、この金具６と上部台座４との間にはス
プリング５を圧縮状態で取り付ける。このスプリング５
により超磁歪材料からなる弁体２には常に均一な圧縮過
重が印加される。

【００１０】図２は上部台座４と下部台座７の形状の一
例を示すものであり、図１のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に
おける矢視図を示している。下部台座７は超磁歪材料か
らなる弁体２を受け止め、上部台座４はスプリング５の
上端を固定するために設けられるが、外管１内の流体は
スムーズに通過させる必要がある。従って、(a) に示す
例では上部台座４と下部台座７は十文字状をしており、
外管１との隙間から流体が流れるようになっている。
(b) に示す例では円板状の板の中央部に複数個の穴７ａ
が設けられている。この例のものは、上部台座４として
は問題なく使用することができるが、これを下部台座７
として使用する場合には、超磁歪材料からなる弁体２の
底面に穴７ａに通じる溝を設ける必要がある。

【００１１】正特性の超磁歪材料としては、Ｔｂ_0.3 Ｄ
ｙ_0.7 Ｆｅ１．９が使用できる。また、外管１は、非磁
性材料、例えばステンレス，ＳＵＳ等で構成すれば良
く、更に、、上部台座４と下部台座７は、磁性材料、非
磁性材料のどちらを使用しても良い。なお、正特性の超
磁歪材料の組成の割合、台座４，７の形状はこれらの実
施例に限定されるものではない。

【００１２】以上のように本発明の流体制御弁１０の構
成は非常に簡素である。次に、正特性の超磁歪材料を用
いた場合について、前述のように構成された流体制御弁
１０の動作を図３を用いて説明するが、この図には説明
を簡単にするために、スプリング５，金具６，上下の台
座４，７は図示を省略してある。図３(a) に示すよう
に、コイル３に通電が行われず磁界が０の時は、超磁歪
材料からなる弁体２の外周と外管１の内周がクリアラン
ス０で内接しているので、超磁歪材料からなる弁体２の
上部の外管１内に溜まっている高圧の流体８は超磁歪材
料からなる弁体２に遮断されて流体制御弁１０を通過出
来ない。ここで、図３(b) に示すようにコイル３に通電
が行われて磁界が発生すると、その磁界の印加により超
磁歪材料からなる弁体２が軸方向に伸長し、径方向に収
縮する。この結果、超磁歪材料からなる弁体２の外周部
と外管１の内周部との間に隙間が生じ、この間を流体８
が流れる。この流体８の流量は磁界の大きさ、即ち、コ
イル３に流す電流の大きさによって容易に制御可能であ
る。

【００１３】ここで、超磁歪材料からなる弁体２が伸長
した時の弁体２の外周部と外管１の内周部との隙間の断
面積Ｓについて説明する。超磁歪素子の縦歪みをλ
₁ （伸び方向を正とする）、横歪みをλ₂ （縮み方向を
正とする）とすると、体積磁歪は０であるので、以下の
式が成立する。 λ₂ ＝ 1/2λ₁ また、超磁歪材料からなる弁体２の外径をｄとすると、
隙間断面積Ｓは次式、 Ｓ＝π／２×λ₂ ×ｄ² の関係になり、λ₁ ＝１０００ｐｐｍ、λ₂ ＝５００ｐ
ｐｍとすると、断面積Ｓと外径ｄの関係は図４のように
なる。例えば、ＰＺＴを用いた燃料噴射弁のノズル先端
噴口部の断面積が０．１２ｍｍ² 程度であるので、φ１
３の磁歪材料を使用すれば、本発明の流体制御弁により
同様な燃料噴射弁が実現できることになる。

【００１４】なお、本発明の流体制御弁の構成として
は、基本的には外管１に内接させた超磁歪材料からなる
弁体２と、外管１の外周部に設けたコイル３だけで良い
が、前述の実施例では、外管１に内接させた超磁歪材料
からなる弁体２に金具６、スプリング５、および台座４
を設けて荷重を印加するようにしている。このように、
圧縮過重を超磁歪材料からなる弁体２に印加する理由
は、荷重を印加することによって磁歪量が大きくなるか
らである。図５は圧縮応力と発生変位との関係を示す図
であり、この図分かるように、超磁歪材料の特性上、
０．５ｋｇｆ／ｍｍ²〜３ｋｇｆ／ｍｍ² まで圧縮応力
が加わっている時が、超磁歪材料の伸び量が大きく、径
方向の縮みも大きくなるからである。

【００１５】以上のように、本発明の流体制御弁は、流
体中で使用するため、コイル３での発熱による影響が少
なく、リニアな制御が可能である。また、オイル中、或
いは非水径で本発明の流体制御弁を使用すると、大気雰
囲気で使用される時よりも腐食条件が緩和されるので、
信頼性が向上する。以上の実施例では、磁界が印加され
た時に伸長する正特性の超磁歪材料からなる弁体２を使
用した構成について説明したが、通常は伸長しており、
磁界が印加された時に収縮する負特性の超磁歪材料から
なる弁体２′を使用して流体制御弁１０′を構成するこ
ともできる。負特性の超磁歪材料としてはＳｍＦｅ₂ が
使用できる。この場合の構成は図１と全く同じで良いの
でその構成に付いては説明を省略し、その動作について
図６を用いて説明する。なお、図６も図３と同様に、図
１の構成において、スプリング５，金具６，上下の台座
４，７は図示を省略してある。

【００１６】図６(a) に示すように、コイル３に通電が
行われず磁界が０の時は、負特性の超磁歪材料からなる
弁体２′は軸方向に伸長し、径方向に収縮している。従
って弁体２′の外周部と外管１の内周部との間には隙間
が有り、この間を流体８が流れる。ここで、図６(b) に
示すようにコイル３に通電が行われて磁界が発生する
と、その磁界の印加により負特性の超磁歪材料からなる
弁体２′が軸方向に収縮し、径方向に伸長する。この結
果、弁体２′の外周と外管１の内周がクリアランス０で
内接することになり、弁体２′の上部の外管１内の流体
８は弁体２′に遮断されて流体制御弁１０′を通過出来
なくなる。この実施例でも流体８の流量をコイル３に流
す電流の大きさによって制御可能であるが、一般的には
この実施例の流体制御弁１０′は常時は流体を流し、止
めたい時に磁界印加することで流量制御を行う用途、例
えば、ガス等の流量制御弁に使用される。この用途にお
いては負特性の超磁歪材料の使用によりエネルギーの消
費量を少なくできる。

【００１７】次に、磁界が印加された時に伸長する正特
性の超磁歪材料からなる弁体２と、通常は伸長しており
磁界が印加された時に収縮する負特性の超磁歪材料から
なる弁体２′の両方を使用した流体制御弁２０について
図７を用いて説明する。なお、図７にはスプリング５，
金具６，上下の台座４，７は図示を省略してある。図７
の実施例の流体制御弁２０は２種類の流体ＡとＢとを切
り換えるように構成されており、その筐体２４には流体
Ａの流入口２１と流体Ｂの流入口２２が対向する位置に
設けられており、その中間部分に流体ＡまたはＢの流出
口２３が設けられている。そして、流体Ａの流入口２１
と流出口２３の間の流路内に正特性の超磁歪材料からな
る弁体２が設けられ、流体Ｂの流入口２２と流出口２３
の間の流路内に負特性の超磁歪材料からなる弁体２′が
設けられている。更に、弁体２，２′の外側の筐体２４
には共通コイル３Ｃ、正特性の超磁歪材料からなる弁体
２への磁界印加用のコイル３Ｐと負特性の超磁歪材料か
らなる弁体２′への磁界印加用のコイル３Ｎとが設けら
れている。

【００１８】図７(a) の流体制御弁２０では、コイル３
Ｃ，３Ｎ，３Ｐの何れにも通電がなされず、磁界が印加
されていない時には、正特性の超磁歪材料からなる弁体
２は閉弁状態にあり、負特性の超磁歪材料からなる弁体
２′は開弁状態にある。従って、流入口２２からの流体
Ｂが弁体２′を経て流出口２３から排出される。この状
態でコイル３Ｃ，３Ｎ，３Ｐに通電が行われて磁界が印
加された時は、図７(b) に示すように、正特性の超磁歪
材料からなる弁体２が開弁状態となり、負特性の超磁歪
材料からなる弁体２′が閉弁状態になる。従って、流入
口２１からの流体Ａが弁体２を経て流出口２３から排出
される。この構成の流体制御弁２０は構造が簡単で、微
量の流量制御が可能である。

【００１９】以上の動作では弁体２，２′が開弁状態と
閉弁状態の何れかの状態に制御されたが、図７(a) の状
態で弁体２′に磁界を印加して閉弁させるか、または図
７(b) の状態で弁体２に磁界を印加して閉弁させると、
流体Ａ，Ｂが共に遮断される状態となる。また、コイル
３Ｃ，３Ｎ，３Ｐへの通電量を変化させることにより、
弁体２，２′の開弁量を調節すれば、流体Ａ，Ｂを混合
して流出口２３から排出することもでき、また、その混
合率も制御することが可能である。更に、この実施例の
流体制御弁２０は、流出口２３から流体を流入させ、流
入口２１，２２から流体を排出するようにすれば、流体
の分配器としても使用することができる。

【００２０】次に、磁界が印加された時に伸長する正特
性の超磁歪材料からなる弁体２を用い、２つの流体の一
方を単独で得たり、一方の流体に他方の流体を連続的に
かつ微量精密に混合した混合流体を得ることができる流
体制御弁３０について図８を用いて説明する。この実施
例の流体制御弁３０は、例えば、液体医薬品等の混合器
やガスの混合器等として使用することができる。なお、
図８にはスプリング５，金具６，上下の台座４，７は図
示を省略してある。

【００２１】図８の実施例の流体制御弁３０の筐体３４
には、流体Ａの流入口３１と流体Ｂの流入口３２、およ
び流体Ｂのみ、または混合流体Ａ＋Ｂの流出口３３がこ
の順にずれて設けられている。そして、流体Ａの流入口
３１と流体Ｂの流入口３２との間の流路内に正特性の超
磁歪材料からなる弁体２が設けられている。更に、弁体
２の外側の筐体３４にはコイル３が設けられている。

【００２２】図８(a) の流体制御弁３０はコイル３に通
電がなされず、磁界が印加されていない時の状態を示し
ており、正特性の超磁歪材料からなる弁体２は閉弁状態
にある。従って、流入口３１からの流体Ａは弁体２によ
り遮断され、流入口３２からの流体Ｂのみが流出口３３
から排出される。この状態でコイル３に通電が行われて
磁界が弁体２に印加された時は、図８(b) に示すよう
に、正特性の超磁歪材料からなる弁体２が開弁状態とな
り、流入口３１からの流体Ａが弁体２を経て流入口３２
からの流体Ｂと混合され、混合流体Ａ＋Ｂが流出口３３
から排出される。この実施例の流体制御弁３０も構造が
簡単で、連続した混合ができ、かつ、微量制御が可能で
ある。

【００２３】磁界が印加された時に収縮する負特性の超
磁歪材料からなる弁体２′をこの実施例に使用した場合
は、磁界の印加がない状態で混合流体Ａ＋Ｂが流出口３
３から排出され、磁界の印加がある状態で流体Ｂのみが
流出口３３から排出されることになる。この実施例の流
体制御弁３０は流入口３１からの流体Ｂを、流出口３３
のみ、または流出口３３および流入口３１の両方から排
出させるという使い方も可能である。

【００２４】図９は図１の構成の流体制御弁１０におい
て、弁体２を軟磁性材９で挟んだ実施例の流体制御弁４
０を示すものであり、図９(a) が磁界の印加がない状
態、図９(b) が磁界が印加された状態である。弁体２は
正特性の超磁歪材料から構成されているので、図９(a)
では弁体２が閉弁状態にあって流体８が遮断され、図９
(b) では弁体２が開弁して流体８が流れている。このよ
うに、弁体２を軟磁性材９で挟むと、小さな電流で超磁
性材を駆動でき、かつ、コイル３の巻数も少なくできる
ので、駆動系を小型軽量化できる。

【００２５】ところで、以上説明した超磁歪材料の最適
な駆動方法としては、図１０に示す磁場Ｈと磁歪との関
係特性から分かるように、点Ａの近傍で磁場Ｈを変化さ
せると大きな変位が得られるので、磁界バイアスをして
駆動することが望ましい。この方法としては以下に示す
３通りがある。 (1) コイルによる磁界バイアス この方法は、図１１(a) に示すように、弁体２を内蔵す
る外管１の外側に第１のコイル３Ａを設け、この第１の
コイル３Ａの更に外側に第２のコイル３Ｂを設けて、第
１のコイル３Ａからは弁体２に交流磁界を印加し、第２
のコイル３Ｂから直流磁界を印加するものである。

【００２６】(2) 電源回路によるバイアス この方法は、図１の構成におけるコイル３に交流電流を
流す場合、通常は０を中心にした交流電流を印加するの
に対し、図１１(b) に示すように、電流値Ｉｏだけバイ
アスさせて印加するようにして、磁界バイアスを行うも
のである。 (3) 永久磁石によるバイアス この方法は図１１(c) に示すように、弁体２を永久磁石
１１で挟むことで磁界にバイアスをかけるものである。

【００２７】以上のような駆動方法を実現する本発明の
流体制御弁としては、図１２に示すような構造が望まし
い。すなわち、流体制御弁の外管１の内部に、磁界が印
加された時に伸長する正特性の超磁歪材料からなる弁体
２をクリアランスなく内装し、外管１の外側に磁界を発
生させるコイル３を配置し、弁体２の両側には永久磁石
１１を取り付け、この永久磁石１１を挟むように更に軟
磁性材料９を取り付ける。そして、軟磁性材料９の一方
は流体が通過可能な開口を備えた下部台座７に接着する
ことなく固定し、軟磁性材料９の他方は同じく流体が通
過可能な開口を備えた上部台座４にスプリング５を介し
て取り付ける。この構成によれば、コイル３の巻数も少
なくできると共に、小さな電流で超磁性材を駆動できる
ので、駆動系を小型軽量化できる。

【００２８】なお、以上説明した各実施例の流体制御弁
において、外管１内の内壁の形状を図１３(a) ，(b) に
示すような突起１Ａ，１Ｂを備えた形状、あるいはこれ
らに準ずるような形状にすれば、流体の流量の制御は容
易になる。この場合、突起１Ａ，１Ｂの個数は１つに限
定されるものではなく、複数でも構わない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流体制御
弁によれば、磁歪素子の直径方向の伸縮を利用して流体
の流量を制御しているので、流体制御弁の動作信頼性が
高くなると共に、構造が簡単になり、かつ、流体の精密
な流量制御が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流体制御弁の一実施例の構成を示す断
面図である。

【図２】(a) および(b) は図１の台座の実施例を示すも
のであり、図１のＡ−Ａ線またはＢ−Ｂ線における矢視
図である。

【図３】図１の流体制御弁の弁体を正特性の超磁歪材料
で構成した場合の動作を示すものであり、(a) は磁界を
印加しない時の状態を示す図であり、(b) は磁界を印加
した時の状態を示す図である。

【図４】本発明に使用する超磁歪材料の外径とこれを弁
体として使用した時の外管との間の隙間との関係を示す
線図である。

【図５】図１の実施例において超磁歪材料からなる弁体
に荷重を印加する理由を説明するための、圧縮応力と発
生変位との関係を示す図である。

【図６】図１の流体制御弁の弁体を負特性の超磁歪材料
で構成した場合の動作を示すものであり、(a) は磁界を
印加しない時の状態を示す図であり、(b) は磁界を印加
した時の状態を示す図である。

【図７】正特性と負特性の２種類の超磁歪材料で構成し
た２つの弁体を使用した３方流体制御弁の動作を示すも
のであり、(a) は磁界を印加しない時の状態を示す図、
(b) は磁界を印加した時の状態を示す図である。

【図８】正特性の超磁歪材料で構成した弁体を使用した
３方流体制御弁の動作を示すものであり、(a) は磁界を
印加しない時の状態を示す図、(b) は磁界を印加した時
の状態を示す図である。

【図９】図１の流体制御弁の弁体を軟磁性材料で挟んで
構成した実施例の動作を示すものであり、(a) は磁界を
印加しない時の状態を示す図、(b) は磁界を印加した時
の状態を示す図である。

【図１０】磁場Ｈと超磁歪材料の変位との関係を示す特
性図である。

【図１１】超磁歪材料に大きな変位をさせるための磁界
バイアス駆動法を示すものであり、(a) はコイルによる
磁界バイアスを示す図、(b) は電源回路によるバイアス
を示す図、(c) は永久磁石によるバイアスを示す図であ
る。

【図１２】図１１の駆動方法を実現する本発明の流体制
御弁の好ましい構成を示す構成図である。

【図１３】本発明の各実施例の流体制御弁において、外
管内の内壁の形状例を示すものであり、(a) は断面視半
円状の突起を設けた内壁の図、(b) は断面視三角形状の
突起を設けた内壁の図である。

【符号の説明】

１…外管 １Ａ，１Ｂ…突起 ２…正特性の超磁歪材料からなる弁体 ２′…負特性の超磁歪材料からなる弁体 ３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｎ，３Ｐ…コイル ４…上部台座 ５…スプリング ６…金具 ７…下部台座 ８…流体 ９…軟磁性材料 １０，１０′，２０，３０，４０…本発明の実施例の流
体制御弁 １１…永久磁石 ２１，３１…流入口 ２２，３２…流入口 ２３，３３…流出口 ３４…筐体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪素子の変位を利用して流体の流れを
   制御する流体制御弁であって、 流体通路の管体の周囲に配置されて磁界を発生させる磁
   界発生部と、 この磁界発生部配置部位の内側の前記管体内流路に配置
   され、前記磁界発生部からの磁界により径方向に伸長ま
   たは収縮して前記流路を開閉する少なくとも１つの磁歪
   素子と、 前記磁歪素子の上流側および下流側の流路に設けられ、
   この磁歪素子を前記管体内流路に位置決めする２つの位
   置決め部材とを備え、 前記２つに位置決め部材の設置間隔は、少なくとも前記
   磁歪素子の最大伸長時の全長に等しくされ、かつ、前記
   ２つの位置決め部材には前記管体内の流体がスムーズに
   通過できる開口が設けられていることを特徴とする流体
   制御弁。