JPWO2011040156A1

JPWO2011040156A1 - 電動式ニードル弁

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Publication number: JPWO2011040156A1
Application number: JP2011534147A
Authority: JP
Inventors: 良太郎大場
Original assignee: Koganei Corp
Current assignee: Koganei Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN102483177A; EP2484948A1; TW201111667A; CN102483177B; JP5061258B2; KR20120066622A; TWI421426B; KR101581493B1; EP2484948B1; WO2011040156A1; EP2484948A4

Abstract

ハウジング２４としてのポートブロック１０には、連通孔３１の一端部に連通する第１のポート１１と他端部に連通する第２のポート１２が形成され、連通孔３１内には、テーパ部１８ａが設けられたニードル弁軸１８が軸方向に移動自在に装着されている。ニードル弁軸１８はねじ軸２７を電動モータ２０により回転駆動することにより軸方向に駆動され、ニードル弁軸１８の回転はガイドとしての棒材４２により規制される。ニードル弁軸１８には、受圧ピストン３８を有する圧力相殺軸３６が設けられており、第２のポート１２の流体によりニードル弁軸１８にねじ軸２７に向けて加えられる軸方向推力が受圧ピストン３８により相殺される。

Description

本発明はテーパ形状のニードル弁軸を電動モータにより駆動するようにした電動式ニードル弁に関する。

ニードル弁は、一次側ポートと二次側ポートとを連通させる連通孔内に軸方向に往復動自在に組み込まれるテーパ形状のニードル弁軸を有している。ニードル弁軸を軸方向に移動させると、連通孔の内周面により形成される弁座面とニードル弁軸の外周面との間の隙間幅が変化して弁開度が調整される。ニードル弁は、流体の流れに抵抗を与えアクチュエータに供給される流体の流量を制御するための流量制御弁や絞り弁として使用され、さらにアクチュエータの作動速度を調節するための速度制御弁として使用される。

ニードル弁軸は一次側ポートと二次側ポートとを連通させる連通孔内に設けられているので、流体圧が軸方向に加わることになり、流体圧はニードル弁軸を軸方向に調整移動する際に抵抗力となる。弁体内にバランス室を形成し、このバランス室内に弁体に加わる流体圧を案内するようにして弁体に加わる流体圧を相殺させるようにした絞り弁が特許文献１に記載されている。

実開昭５１−１３０９３６号公報

通常のニードル弁はハンドルを手動操作することによってニードル弁軸を軸方向に駆動し弁開度を調節するようにしているが、弁開度の調整を外部からの信号により自動的に行うようにした電動式ニードル弁の開発が望まれている。電動モータにより弁開度を調節することができると、アクチュエータに供給される流体の流量や圧力を遠隔操作することができるとともに、弁開度を高精度で調節することができることになる。電動式ニードル弁を小型化するには、小型の電動モータによりニードル弁軸を軸方向に駆動する必要があるが、出力トルクが小さい小型の電動モータによりニードル弁軸を駆動するようにすると、ニードル弁軸に加わる流体圧に対抗してニードル弁軸を軸方向に駆動することができないという問題点がある。

ニードル弁軸を電動モータにより軸方向に駆動するには、電動モータにより駆動されるねじ軸をニードル弁軸に形成されたねじ孔にねじ結合させる必要があるので、ニードル弁軸にバランス室とねじ孔とを形成すると、ニードル弁軸を小径とすることができなくなり、ニードル弁の大型化が避けられないという問題点がある。

本発明の目的は、電動式ニードル弁の小型化を達成することにある。

本発明の電動式ニードル弁は、円筒形状の連通孔の一端部に連通する第１のポート、および前記連通孔の他端部に連通する第２のポートが形成されたハウジングと、前記連通孔内に軸方向に移動自在に装着され、前記連通孔の前記一端部側から前記他端部側に向けて外径が変化し軸方向の位置に応じて前記連通孔の弁座面との間の隙間が変化するテーパ部が形成されたニードル弁軸と、前記ニードル弁軸にねじ結合され、電動モータにより回転駆動され前記ニードル弁軸を軸方向に駆動するねじ軸と、前記ハウジングに設けられ、前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドと、前記ニードル弁軸の先端に設けられ、前記第１と第２のポートの一方のポートの流体により前記ニードル弁軸に前記ねじ軸に向けて加えられる軸方向推力を相殺する受圧ピストンを備えた圧力相殺軸とを有することを特徴とする。

本発明の電動式ニードル弁は、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に形成されこれらを連通させる弁体収容孔内に、前記連通孔が形成された円筒部を有する弁体受け部材を装着し、前記弁体受け部材に前記第１のポートと前記第２のポートとの連通を遮断するシール部材を装着することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記弁体受け部材の内部に前記受圧ピストンを摺動自在に配置し、前記受圧ピストンと前記テーパ部との間で前記弁体受け部材内に形成される圧力相殺室と前記第１と第２のポートの一方のポートとを連通させる貫通孔を前記弁体受け部材に形成することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記第１と第２の一方のポートと連通して形成される圧力相殺室を介して前記弁体受け部材と同軸にスリーブを前記ハウジングに装着し、前記スリーブに前記受圧ピストンを摺動自在に配置することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記電動モータを前記ハウジングに組み込むことを特徴とする。

本発明の電動式ニードル弁は、前記電動モータを前記ハウジングに取り外し自在に装着することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記電動モータを前記ハウジングから取り外したときに前記ねじ軸の回転を規制する回転防止機構を前記ハウジングに設けることを特徴とする。

本発明の電動式ニードル弁は、前記第１のポートと前記第２のポートとを直結させる直結孔を前記ハウジングに形成し、一方の前記ポートから流体が供給されたときに前記直結孔を閉じて流体を前記連通孔に案内し、他方の前記ポートから流体が供給されたときに前記直結孔を開いて前記直結孔を介して一方の前記ポートに直接流体を案内する逆止弁を前記直結孔内に装着することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記圧力相殺軸にその径方向に貫通して軸方向に延びる長孔を形成し、当該長孔を貫通して前記円筒部に固定される棒材により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記ニードル弁軸の外周面に軸方向に延びる平坦面を形成し、前記ハウジングに取り付けられ前記平坦面に接触する棒材により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記ニードル弁軸の外周面に軸方向に延びる平坦面を形成し、前記ハウジングに形成され前記平坦面に接触するガイド面により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする。

本発明によれば、連通孔内に装着されるニードル弁軸には受圧ピストンを有する圧力相殺軸が設けられているので、連通孔内の流体圧力によりニードル弁軸にこれを駆動するためのねじ軸に向けて加わる推力は圧力相殺軸によりほとんど相殺されることになる。これにより、電動モータによりニードル弁軸をこれに加わる流体圧に抗して駆動する際には、ニードル弁軸に加わる流体圧がわずかであるので、出力トルクが小さい小型の電動モータにより自動的に弁開度を調節することができる。ニードル弁軸には連通孔内の流体圧がわずかにしか加わらないので、電動モータにより高精度で弁開度を設定することができる。

ニードル弁軸はこれにねじ結合されるねじ軸により駆動され、ねじ軸を回転させたときにニードル弁軸がねじ軸により回転されるのを阻止するために、ニードル弁軸はガイドにより回転が規制されて軸方向に駆動される。ねじ軸を駆動するための電動モータを電動式ニードル弁のハウジングに対して取り外し自在に装着するようにすると、弁開度を調整した後には電動モータを取り外すことができ、１つの電動モータにより複数の電動式ニードル弁の開度を調整することができる。電動モータを取り外した後には、ねじ軸の回転は回転防止機構により防止されるので、設定された弁開度は電動モータを取り外しても維持される。

電動式ニードル弁に逆止弁を組み込むと、第１のポートと第２のポートの一方から供給された流体の流量が調整される。これに対し、他方のポートから供給された流体は流量が調整されることなく、直接反対側のポートに排出させることができる。

本発明の一実施の形態である電動式ニードル弁の断面図である。図１における２−２線断面図である。図１の左側面図である。本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁の断面図である。図４における５−５線断面図である。本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁における図２と同様の部分の断面図である。比較例の電動式ニードル弁の断面図である。本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁を示す断面図である。（Ａ）は図８における９Ａ−９Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図８における９Ｂ−９Ｂ線断面図である。（Ａ）は図８における１０Ａ−１０Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図８に示されたニードル弁軸を示す正面図である。本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁を示す断面図である。（Ａ）は本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）における１２Ｂ−１２Ｂ線断面図である。（Ａ）は本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）における１３Ｂ−１３Ｂ線断面図である。（Ａ）は本発明の他の実施の形態である電動式ニードル弁を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示された遊星歯車機構からなる減速ユニットを示すスケルトン図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。それぞれの図においては、共通する部材には同一の符号が付されている。

図１〜図３に示すニードル弁は、全体的に直方体形状の部材からなるポートブロック１０を有している。このポートブロック１０にはその一端面に開口する第１のポート１１と、他端面に開口する第２のポート１２とが形成されている。それぞれのポート１１，１２は図１における上側の取付面１３に開口している。取付面１３にはバルブケース１４が配置されている。このバルブケース１４は図３に示されるようにポートブロック１０を貫通するボルト１５によりポートブロック１０に固定されている。バルブケース１４には、図１における左端面に開口する円筒形状の弁体収容孔１６が形成されている。この弁体収容孔１６にはその底壁面側に第１のポート１１が連通し、その内周面に第２のポート１２が連通しており、弁体収容孔１６を介して第１のポート１１と第２のポート１２とが連通している。バルブケース１４には、第１のポート１１と弁体収容孔１６とを連通させる給排孔１９ａが形成されるとともに、第２のポート１２と弁体収容孔１６とを連通させる給排孔１９ｂが形成されている。

バルブケース１４には弁体収容孔１６と同軸上となったガイド孔１７が形成されている。このガイド孔１７は弁体収容孔１６の底壁面とバルブケース１４の一端面との間を貫通している。ガイド孔１７内にはニードル弁軸１８の基端部が軸方向に往復動自在となっている。

バルブケース１４の一端面には、電動モータ２０を支持する支持ブロック２１が突き当てられ、支持ブロック２１に突き当てられる取付ブロック２２により電動モータ２０は支持ブロック２１に固定されている。取付ブロック２２と支持ブロック２１は、図２に示されるように、これらを貫通してバルブケース１４にねじ結合されるボルト２３によりバルブケース１４に固定されている。

ポートブロック１０，バルブケース１４，支持ブロック２１および取付ブロック２２により、電動式ニードル弁のハウジング２４が形成されている。

ニードル弁軸１８は、基端部側の大径部から先端部側の小径部に向けて外径が漸減するテーパ部１８ａを有しており、テーパ部１８ａの基端部には外径が一定となったストレート部１８ｂが設けられている。ストレート部１８ｂに形成された環状溝には弁体収容孔１６からガイド孔１７とストレート部１８ｂとの間の隙間を介して流体が外部に漏れるのを防止するためにシール部材２５が設けられている。ニードル弁軸１８にはねじ孔２６が形成され、このねじ孔２６にはねじ軸２７の先端に設けられた雄ねじ部２７ａがねじ結合されている。ねじ軸２７の基端部には大径のジョイント部２７ｂが設けられ、このジョイント部２７ｂには電動モータ２０の主軸２８が連結され、この主軸２８はねじ軸２７に止めねじ２９により固定されている。電動モータ２０によりねじ軸２７を回転駆動すると、ニードル弁軸１８は軸方向に往復動される。電動モータ２０にはロータの回転を減速して主軸２８に伝達するための図示しない減速機構が組み込まれている。

弁体収容孔１６には弁体受け部材３０が装着されている。この弁体受け部材３０は弁体収容孔１６の他端部に嵌合されるフランジ３０ａと、フランジ３０ａから弁体収容孔１６の底壁に向けて突出する円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂには円筒形状の連通孔３１が軸方向に貫通して形成されている。この連通孔３１は第１のポート１１に向けて開口され、弁体受け部材３０とニードル弁軸１８との隙間を介して第１のポート１１に連通するようになっている。円筒部３０ｂには連通孔３１と第２のポート１２とを連通させるための貫通孔３２が形成されている。これにより、連通孔３１はその一端部で第１のポート１１に連通し、他端部で貫通孔３２を介して第２のポート１２に連通するようになっている。

弁体収容孔１６内には弁体受け部材３０の円筒部３０ｂの外周面３０ｃに密着嵌合されて固定される環状のシールホルダー３３が装着されている。このシールホルダー３３により第１のポート１１と第２のポート１２とが円筒部３０ｂの外側を介して連通しないように、両方のポート間が遮断されている。シールホルダー３３の外周面には弁体収容孔１６の内周面をシールするシール材３４が設けられている。

ニードル弁軸１８は連通孔３１内に軸方向に移動自在に装着されている。連通孔３１の一端部側はニードル弁軸１８のテーパ部１８ａのうち大径側部が接触する弁座面３５となっている。ニードル弁軸１８を電動モータ２０により軸方向に駆動すると、テーパ部１８ａと弁座面３５との間の隙間が変化して弁開度が調節される。この弁開度に応じて、第１のポート１１と第２のポート１２の一方から流入して他方に流出する流体の流量が調節される。したがって、この電動式ニードル弁は、アクチュエータに供給される流体の流量を制御するために使用されると流量制御弁や絞り弁となり、アクチュエータの作動速度を調節するために使用されると速度制御弁となる。

この電動式ニードル弁は、第１のポート１１を一次側ポートとし第２のポート１２を二次側ポートとすると、第１のポート１１から流入した流体は第２のポート１２に流量調節されて流出することになる。一方、第２のポート１２を一次側ポートとし第１のポート１１を二次側ポートとすると、第２のポート１２から流入した流体は第１のポート１１に流量調節されて流出することになる。いずれの使用形態においても、第２のポート１２内の流体によりニードル弁軸１８には、これをねじ軸２７に向かわせる方向、つまり開弁方向に軸方向の推力が加わることになる。この推力は、おおよそ、ニードル弁軸１８の断面積に第２のポート１２又は第１のポート１１の圧力を乗じた値となる。

ニードル弁軸１８に開弁方向に加わる推力を相殺するために、ニードル弁軸１８には圧力相殺軸３６が設けられている。この圧力相殺軸３６の一端部にはニードル弁軸１８のねじ孔２６の他端部にねじ結合される雄ねじ３７が設けられている。圧力相殺軸３６はニードル弁軸１８の他端部にねじ固定され、両者は密着して嵌合しねじ孔２６への流体の漏出はない。弁体受け部材３０の円筒部３０ｂ内の連通孔３１の他端部側には大径孔３１ａが形成されており、この大径孔３１ａは連通孔３１の一端部側よりもやや大径となっている。圧力相殺軸３６の他端部には大径孔３１ａの内周面に摺動接触する受圧ピストン３８が設けられている。弁体受け部材３０内には受圧ピストン３８とニードル弁軸１８との間に圧力相殺室４０が区画されており、圧力相殺室４０は貫通孔３２を介して第２のポート１２に連通している。

圧力相殺軸３６がニードル弁軸１８の先端に設けられている。貫通孔３２を介して第２のポート１２に連通する圧力相殺室４０内の流体は、圧力相殺軸３６の受圧ピストン３８とテーパ部１８ａの外周面を主として加圧してほぼバランスするから、ニードル弁軸１８の軸方向推力はわずかである。圧力相殺軸３６の外径はテーパ部１８ａの最小径よりもやや小径となっているので、連通孔３１内の流体は、ニードル弁軸１８に対してこれを図１および図２において右方向つまり開弁方向に推力を加えるが、受圧ピストン３８に対しては逆方向に推力を加えることになる。これにより、ニードル弁軸１８に対して開弁方向に加わる軸方向推力は、圧力相殺軸３６によって相殺されることになる。

このように、ニードル弁軸１８に開弁方向に加わる軸方向推力を圧力相殺軸３６により相殺すると、ニードル弁軸１８を閉弁方向に駆動する際には、加圧された流体による軸方向推力はわずかなので、出力トルクが小さい小型の電動モータ２０を使用してニードル弁軸１８を駆動することができる。また、電動式ニードル弁を小型化することができるとともに、少ない消費電力でニードル弁を駆動することができる。受圧ピストン３８の外周面に形成された環状溝には受圧ピストン３８と連通孔３１の大径孔３１ａとの間をシールするためのシール部材３９が装着されている。

圧力相殺軸３６には径方向に貫通して軸方向に延びる長孔４１が形成されている。弁体受け部材３０の円筒部３０ｂには長孔４１を貫通する棒材４２がガイドとして固定されている。この棒材４２は、ねじ軸２７を回転させてニードル弁軸１８を軸方向に駆動する際に、ニードル弁軸１８とそれと一体となっている圧力相殺軸３６の回転を規制してニードル弁軸１８の軸方向移動を許容する。

電動式ニードル弁を所定の据え付け部に固定するために、ポートブロック１０とバルブケース１４には、ハウジング２４の幅方向に貫通する取付孔４３が図１に示されるように形成されている。また、ハウジング２４の高さ方向に貫通する取付孔４４が図２に示されるようにポートブロック１０とバルブケース１４に形成されている。

図１および図２は、ニードル弁軸１８のテーパ部１８ａが連通孔３１の弁座面３５に接触して連通孔３１がニードル弁軸１８により遮断された閉弁状態を示している。この状態のもとで、連通孔３１を開放するには、電動モータ２０に駆動電流を流してねじ軸２７を回転させてニードル弁軸１８を図１，２において右方向つまり開弁方向に駆動する。これにより、テーパ部１８ａと弁座面３５との間には隙間が形成されて、連通孔３１は第１のポート１１と第２のポート１２とを連通させる開弁状態となる。弁開度はニードル弁軸１８の軸方向の位置により設定される。

ニードル弁軸１８を閉弁方向に駆動して弁開度を絞る際には、電動モータ２０を開弁方向とは逆方向に駆動することになる。第２のポート１２の圧力によりニードル弁軸１８には開弁方向に推力が加えられているが、ニードル弁軸１８には圧力相殺軸３６が設けられているので、圧力相殺軸３６によりニードル弁軸１８には開弁方向の推力を減少させてこれ相殺する方向に推力が加えられていることになる。これにより、出力トルクの小さい小型の電動モータ２０によって確実にニードル弁軸１８を閉弁方向に駆動することができる。

図１〜図３に示された電動式ニードル弁は、圧縮空気を作動流体としてこれを空気圧シリンダ等のアクチュエータに対して供給する空気圧回路に設けられ、アクチュエータに対して供給される圧縮空気の流量を調整するための流量制御弁や絞り弁として使用される。この電動式ニードル弁においては、ニードル弁軸１８のストレート部１８ｂの外径が約８ｍｍ程度であり、電動モータ２０の外径寸法もニードル弁軸１８の外径とほぼ同様な外径となっている。このような小型であって低出力トルクの電動モータ２０を使用しても、ニードル弁軸１８に開弁方向に加わる推力を圧力相殺軸３６によって相殺することにより、確実にニードル弁軸１８を駆動することが可能となった。

次に、図４および図５に示す電動式ニードル弁について説明する。図４および図５においては上述した電動式ニードル弁と共通する部材には同一の符号が付されている。

この電動式ニードル弁においては、バルブケース１４が第１のケース片１４ａと第２のケース片１４ｂの２つの部材により形成されている。ケース片１４ａには弁体収容孔１６が形成され、ケース片１４ｂにはガイド孔１７が形成されている。弁体収容孔１６内に装着される弁体受け部材３０は、その一端部に設けられたフランジ３０ａがケース片１４ａに気密に圧入され、フランジ３０ａと第２のケース片１４ｂの間にはＯリング２５ａが挟み付けられてハウジング２４に固定されている。弁体受け部材３０の円筒部３０ｂ内には連通孔３１が形成されている。連通孔３１は円筒部３０ｂに形成された貫通孔３２により第１のポート１１に連通している。貫通孔３２は円筒部３０ｂの連通孔３１の大径孔３１ａに開口されている。

弁体受け部材３０の他端部には、円筒部３０ｂの外側を介して第１のポート１１と第２のポート１２とが連通しないように、環状のシール突起部３０ｄが設けられ、この環状のシール突起部３０ｄにより両方のポート間が遮断されている。シール突起部３０ｄの外周面には弁体収容孔１６の内周面をシールするシール材３４が設けられている。

ニードル弁軸１８のストレート部１８ｂ内には底付のねじ孔２６が形成されている。このねじ孔２６には、電動モータ２０により駆動されるねじ軸２７の雄ねじ部２７ａがねじ結合されている。ストレート部１８ｂとガイド孔１７との間の隙間を介して弁体収容孔１６から流体が外部に漏れるのを防止するために、バルブケース１４にはシール部材２５が装着されている。

ニードル弁軸１８のストレート部１８ｂの外周面には、図５に示されるように、軸方向に延びる平坦面４５が形成されている。平坦面４５はストレート部１８ｂを円周方向に１８０度の位相をずらして２個所切り欠くことにより２つの平坦面４５が相互に平行となってニードル弁軸１８に形成されている。ケース片１４ｂにはそれぞれの平坦面４５に接触する棒材４６がガイドとして固定されている。２本の棒材４６はニードル弁軸１８の移動方向に対して直角方向を向いてケース片１４ｂに固定されている。２本の棒材４６は、ねじ軸２７を回転させてニードル弁軸１８を軸方向に駆動する際に、ニードル弁軸１８の回転を規制して軸方向移動を許容する。

ニードル弁軸１８にはテーパ部１８ａに連なって圧力相殺軸３６がニードル弁軸１８に一体に設けられている。この圧力相殺軸３６には受圧ピストン３８が設けられており、受圧ピストン３８はケース片１４ａに設けられたガイド部材としてのスリーブ４７内に軸方向に摺動自在に嵌合されている。圧力相殺軸３６はスリーブ４７のガイド孔４７ａに案内されて軸方向に移動する。スリーブ４７のガイド孔４７ａと圧力相殺軸３６との間から流体が外部に漏れるのを防止するために、スリーブ４７に取り付けられたホルダ４８内にはシール部材４９が装着されている。

弁体受け部材３０とスリーブ４７との間は圧力相殺室４０となっている。この圧力相殺室４０に第２のポート１２が給排孔１９ｂを介して連通されている。したがって、圧力相殺室４０内は第２のポート１２の流体の圧力となるが、圧力相殺軸３６がテーパ部１８ａに一体となっており、圧力相殺室４０内の流体は圧力相殺軸３６に対して図４において左方向に向かわせる推力とテーパ部１８ａに対して右方向に向かわせる推力とに主として作用し、これらの推力が相殺されるので、ニードル弁軸１８に加わる軸方向推力はわずかである。受圧ピストン３８の外径はテーパ部１８ａの最小径にほぼ対応しており、テーパ部１８ａには圧力相殺室４０内の流体によって開弁方向の推力が加えられるが、テーパ部１８ａの最大径と最小径の差は僅かであり、ニードル弁軸１８を閉弁する際にニードル弁軸１８に加わる開弁方向の推力は電動モータ２０により閉弁動作には影響を与えることがない。受圧ピストン３８の外径をテーパ部１８ａの最大径に対応させると、テーパ部１８ａに加わる開弁方向の推力の相殺力を高めることができる。

次に、図６に示す電動式ニードル弁について説明する。図６は図１〜図３に示した電動式ニードル弁における図２と同様の部分が示されている。

図１〜図３に示した電動式ニードル弁においては、シールホルダー３３と弁体受け部材３０とが別部品となっており、シールホルダー３３が弁体受け部材３０に密着嵌合されている。これに対して、図６に示す電動式ニードル弁においては、シールホルダー３３が弁体受け部材３０に一体に設けられている。また、図１〜図３に示した電動式ニードル弁においては、受圧ピストン３８とニードル弁軸１８とが別部品となっており、ニードル弁軸１８は受圧ピストン３８の雄ねじ３７にねじ結合されている。これに対して、図６に示す電動ニードル弁においては、受圧ピストン３８がニードル弁軸１８に一体に設けられている。

図６に示されるニードル弁軸１８のテーパ部１８ａにおける大径部と小径部は、上述したニードル弁軸１８とは大小関係が逆となっている。つまり、テーパ部１８ａは電動モータ２０側の一端部が小径部となっており、他端部が大径部となっている。このように、テーパ部１８ａのテーパ面の向きは、いずれを小径部としても良い。図６に示されるように、ニードル弁軸１８の大径部に圧力相殺軸３６が設けられている形態においては、圧力相殺室４０内の流体によりニードル弁軸１８には閉弁方向の推力がねじ軸２７に向けて加わることになるが、受圧ピストン３８には圧力相殺室４０内の流体により開弁方向に加わるので、ニードル弁軸１８を開弁方向に駆動する際には電動モータ２０には大きな負荷が加わることが防止される。図２に示されたバルブケース１４と支持ブロック２１と取付ブロック２２は、図１に示した電動式ニードル弁と同様のポートブロック１０に取り付けられ、ハウジング２４を構成している。

図７は比較例の電動ニードル弁を示す断面図である。この電動ニードル弁の基本構造は図４および図５に示したものと同様であり、図７においては図４および図５に示された部材と共通する部材には同一の符号が付されている。

図７に示されるように、ニードル弁軸１８はテーパ部１８ａとストレート部１８ｂを有しているが、ニードル弁軸１８には圧力相殺軸は設けられていない。したがって、第２のポート１２の流体はニードル弁軸１８の端面５０とテーパ部１８ａの表面を加圧することになり、ニードル弁軸１８には図７において右方向つまり開弁方向の推力が流体により加えられることになる。このため、ニードル弁軸１８を閉弁方向に駆動する際には、流体によりニードル弁軸１８に加わる推力に抗して電動モータ２０によりニードル弁軸１８を駆動することになる。比較例として示した試作品を使用したところ、ニードル弁軸１８の外径とほぼ同様の外径となった小型の電動モータ２０ではニードル弁軸１８を確実に駆動することができなかった。

これに対して、ニードル弁軸１８に圧力相殺軸３６を設けて、ニードル弁軸１８の端面方向には流体圧を相殺するようにしたところ、小型の電動モータ２０によって確実にニードル弁軸１８を駆動することができた。

次に、図８〜図１０に示す電動式ニードル弁について説明する。ポートブロック１０には取付面１３に突き当ててバルブケース１４が取り付けられ、バルブケース１４はポートブロック１０に取り付けられるカバー５１により覆われている。バルブケース１４の弁体収容孔１６内には、図６に示された弁体受け部材３０と同様にシールホルダー３３が一体となった弁体受け部材３０が組み込まれている。弁体受け部材３０の円筒部３０ｂに形成された貫通孔３２は、図９（Ａ）に示されるようにバルブケース１４に形成された給排孔１９ｂによりポート１２の連通室１２ａを介して第２のポート１２に連通してしいる。一方、バルブケース１４に形成された給排孔１９ａは、図９（Ｂ）に示されるようにポートブロック１０の両側に形成された凹部５２に連通している。この凹部５２はポートブロック１０に形成された貫通孔５２ａを介して連通室１１ａに連通しており、ポート１１は給排孔１９ａを介して弁体受け部材３０の端面に連通している。

第１のポート１１と第２のポート１２はポートブロック１０に同軸状に形成されており、両方のポート１１，１２は直結孔５３により直結されている。第１のポート１１には流体案内管５４ａが接続される継手５４が取り付けられ、第２のポート１２には流体案内管５５ａが接続される継手５５が取り付けられている。流体案内管５５ａから第２のポート１２に流体が供給されたときには直結孔５３を閉じて流体を連通孔３１に案内し、流体案内管５４ａから第１のポート１１に流体が供給されたときに直結孔５３を開放して流体を直接第２のポート１２に案内するために、ポートブロック１０には逆止弁５６が装着されている。

逆止弁５６はポート１２と連通孔３１とを連通させる流路５７ａが形成された弁体５７を有し、ポートブロック１０に固定された固定リング５８と弁体５７との間に装着されたばね部材としての圧縮コイルばね５９により、弁体５７には直結孔５３を閉じる方向のばね力が加えられている。弁体５７には直結孔５３と弁体５７との間をシールするためにシール材６０が装着されている。例えば、この電動式ニードル弁がピストンロッドを直線往復動するために流体圧シリンダと流体供給源とを有する図示しない流体回路に使用される場合には、第１のポート１１が流体案内管５４ａにより流体供給源に接続され、第２のポート１２が流体案内管５５ａにより流体圧シリンダの圧力室に接続されて使用される場合がある。この場合には、流体圧源から流体案内管５４ａにより第１のポート１１に供給された流体を流体圧シリンダの圧力室に供給するときには、流体は直結孔５３を貫通して流体が圧力室に供給される。一方、圧力室内から排出されて流体案内管５５ａにより第２のポート１２に戻される流体は、連通孔３１を流れてニードル弁軸１８により流量が調節されて第１のポート１１に流れる。

弁体受け部材３０に組み込まれたニードル弁軸１８の先端には圧力相殺軸３６が取り付けられ、圧力相殺軸３６には受圧ピストン３８が設けられている。バルブケース１４には、弁体収容孔１６よりも小径の円筒部１４ｃが一体に設けられており、この円筒部１４ｃにはニードル弁軸１８の基端に設けられた連結端部１８ｃが軸方向に摺動自在に嵌合されている。この連結端部１８ｃはストレート部１８ｂよりも大径となっており、受圧ピストン３８の外径とほぼ同一の外径となっている。ストレート部１８ｂにはスペーサ６１が取り付けられ、弁座面３５にニードル弁軸１８のテーパ部１８ａが接触すると、スペーサ６１が弁体受け部材３０の端面に接触するようになっている。連結端部１８ｃにはウエアリング６２とシール部材２５が設けられている。

連結端部１８ｃにはねじ孔２６が形成され、このねじ孔２６にはねじ軸２７の雄ねじ部２７ａがねじ結合されている。バルブケース１４にはモータ収容孔１６ａが形成されており、このモータ収容孔１６ａに組み込まれる電動モータ２０の主軸２８は、ねじ軸２７の基端部に設けられたジョイント部２７ｂに連結されるようになっている。

ニードル弁軸１８の連結端部１８ｃの外周面には、図１０（Ｂ）に示されるように、軸方向に延びる平坦面４５が形成されている。平坦面４５は連結端部１８ｃを円周方向に１８０度の位相をずらして２個所切り欠くことにより２つの平坦面４５が相互に平行となってニードル弁軸１８の連結端部１８ｃに形成されている。バルブケース１４には、図１０（Ａ）に示されるように、それぞれの平坦面４５に接触するガイド面６３がガイドとして形成されている。それぞれのガイド面６３はニードル弁軸１８の移動方向に対して直角方向を向いている。それぞれのガイド面６３は、ねじ軸２７を回転させてニードル弁軸１８を軸方向に駆動する際に、ニードル弁軸１８の回転を規制して軸方向移動を許容する。

図８に示されるように、カバー５１の内部には電動モータ２０の給電ケーブル６４が接続される基板６５が組み込まれている。基板６５には給電ケーブル６４に電気的に接続されたコネクタ６６が取り付けられており、コネクタ６６には電源に接続された電源ケーブルが接続されるようになっている。カバー５１には開閉蓋６７が取り付けられており、開閉蓋６７を開くとコネクタ６６が外部に露出される。

図８に示される電動式ニードル弁も、上述したそれぞれの電動式ニードル弁と同様に、ニードル弁軸１８の先端に圧力相殺軸３６が設けられ、この圧力相殺軸３６には受圧ピストン３８が取り付けられており、受圧ピストン３８は連通孔３１のうち弁座面３５に連なるとともに弁座面３５よりも大径の大径孔３１ａの内周面に接触して圧力相殺室４０を介してテーパ部１８ａに対向している。したがって、貫通孔３２を介して第２のポート１２に連通する圧力相殺室４０内の流体は、圧力相殺軸３６の受圧ピストン３８とテーパ部１８ａの外周面を主として加圧してほぼバランスすることになり、ニードル弁軸１８の軸方向推力はわずかである。連通孔３１内の流体は、ニードル弁軸１８に対してこれを図１および図２において右方向つまり開弁方向に推力を加えるが、受圧ピストン３８に対しては逆方向に推力を加えることになる。これにより、ニードル弁軸１８に対して開弁方向に加わる軸方向推力は、圧力相殺軸３６によって相殺されることになる。

次に、図１１に示す電動式ニードル弁について説明する。この電動式ニードル弁はポートブロック１０とバルブケース１４とを有している。それぞれは図８に示されたポートブロック１０とバルブケース１４と基本構造が同一であり、ポートブロック１０とバルブケース１４とによりハウジング２４が形成されている。

バルブケース１４にはモータ装着孔１６ｂが形成されており、モータ装着孔１６ｂには電動モータ２０が取り外し自在に装着されるようになっている。電動モータ２０の主軸２８には十字形状の噛み合い部７１が設けられ、ねじ軸２７のジョイント部２７ｂには噛み合い部７１が入り込む噛み合い孔７２が形成されている。これにより、電動モータ２０をモータ装着孔１６ｂに挿入して噛み合い部７１を噛み合い孔７２に噛み合わせると、主軸２８はねじ軸２７に連結される。電動モータ２０をモータ装着孔１６ｂから取り外すと、噛み合い部７１は噛み合い孔７２から離れて主軸２８とねじ軸２７との連結が解除される。

図１１に示される電動式ニードル弁においては、電動モータ２０をハウジング２４のバルブケース１４から取り外すことができるので、１つの電動式ニードル弁の弁開度を調整した後には、電動モータ２０をバルブケース１４が取り外して他の電動式ニードル弁の弁開度を調整することができる。電動モータ２０を取り外した後に、ねじ軸２７が回転するのを防止するために、バルブケース１４にはロックねじ７３が回転防止機構として取り付けられている。ロックねじ７３は、電動モータ２０によりねじ軸２７を駆動する際には緩められ、電動モータ２０を取り外す際にはねじ軸２７に締め付けられる。

次に、図１２（Ａ），（Ｂ）に示す電動式ニードル弁について説明する。図１２に示される電動式ニードル弁においては、バルブケース１４に形成されたギヤ収容室１６ｃにはねじ軸２７を支持する軸受７４が配置され、ねじ軸２７にはウオームホイール７５が設けられている。バルブケース１４には図１２（Ｂ）に示されるようにねじ軸２７に対して直角方向に延びる駆動軸７６が回転自在に組み込まれ、この駆動軸７６にはウオームホイール７５に噛み合うウオーム７７が設けられている。駆動軸７６には電動モータ２０の主軸２８に設けられた十字形状の噛み合い部７１が入り込む噛み合い孔７２が形成されている。これにより、電動モータ２０をバルブケース１４の側面から噛み合い部７１を噛み合い孔７２に噛み合わせるようにバルブケース１４に押し込むと、主軸２８は駆動軸７６に連結される。電動モータ２０をバルブケース１４から取り外すと、噛み合い部７１は噛み合い孔７２から離れて主軸２８と駆動軸７６との連結が解除される。

ウオーム７７とウオームホイール７５とからなる減速機構は、ウオーム７７の回転をウオームホイール７５に伝達する。一方、ウオームホイール７５に回転力が加えられても、ウオームホイール７５の回転はウオーム７７により規制されることになり、ウオーム７７とウオームホイール７５とからなる減速機構は回転防止機構となっている。これにより、電動モータ２０を取り外しても、ねじ軸２７の回転が防止されてニードル弁軸１８の軸方向移動が防止される。

次に、図１３（Ａ），（Ｂ）に示す電動式ニードル弁について説明する。図１３に示す電動式ニードル弁においては、バルブケース１４に形成されたモータ装着孔１６ｂにはねじ軸２７を支持する軸受８１が配置されている。ねじ軸２７には、図１１に示したねじ軸２７と同様に、電動モータ２０の主軸２８に設けられた噛み合い部７１が入り込む噛み合い孔７２が形成されている。これにより、電動モータ２０をねじ軸２７に連結した状態と、連結を解除した状態とにすることができる。

ねじ軸２７にはラチェットホイール８２が設けられ、ラチェットホイール８２に隣接させてバルブケース１４にはラチェット爪８３が取り付けられている。ラチェット爪８３とラチェットホイール８２との噛み合いにより、ねじ軸２７には回転抵抗が加えられている。電動モータ２０による主軸２８の回転力はねじ軸２７に加わる回転抵抗よりも大きく設定されている。これにより、主軸２８によりねじ軸２７を回転させるときには、ラチェット爪８３はラチェットホイール８２の外周面に円周方向に山形となった凹凸部を滑ることになる。一方、電動モータ２０をハウジング２４から取り外した状態のもとでは、ねじ軸２７にはラチェット爪８３の抵抗力が加えられるので、ねじ軸２７の回転が規制される。このように、ラチェットホイール８２とラチェット爪８３とによりねじ軸２７の回転を規制する回転防止機構が形成されている。

次に、図１４（Ａ），（Ｂ）に示す電動式ニードル弁について説明する。図１４に示される電動式ニードル弁おいては、モータ装着孔１６ｂには遊星歯車機構からなる減速ユニット８５が装着されており、この減速ユニット８５の出力軸はねじ軸２７に連結されている。上述したそれぞれの電動モータ２０には減速ユニット８５が内蔵されているのに対し、図１４に示す電動モータ２０ａには減速ユニット８５が内蔵されていない。これにより、電動モータ２０ａの軸方向長さは上述した電動モータ２０よりも短くなっている。

減速ユニット８５は、図１４（Ｂ）に示されるように、ユニットケース８６に取り付けられた固定内歯車８７と、ユニットケース８６内に回転自在に組み込まれる可動内歯車８８とを有し、可動内歯車８８はねじ軸２７に連結されている。固定内歯車８７と可動内歯車８８には複数の遊星歯車８９が噛み合っており、それぞれの遊星歯車８９は回転自在のキャリア９１に回転自在に装着されている。電動モータ２０の主軸２８には太陽歯車９２が固定されており、電動モータ２０をモータ装着孔１６ｂに挿入すると、太陽歯車９２はそれぞれの遊星歯車８９に噛み合わされる。

固定内歯車８７と可動内歯車８８は歯数が僅かに相違しそれぞれ転移歯車となっており、それぞれ遊星歯車８９に噛み合っているので、主軸２８の太陽歯車９２の回転は、減速されてねじ軸２７に伝達される。減速ユニット８５は太陽歯車９２を含めて不思議歯車減速機とも言われる減速機構を構成している。この減速ユニット８５は、可動内歯車８８に回転力を加えても遊星歯車８９は回転しないので、ねじ軸２７の回転を規制する回転防止機構となっている。

図１１〜図１４に示される電動式ニードル弁においては、ニードル弁軸１８の構造は図８に示されたものと同様の構造となっており、ニードル弁軸１８に開弁方向に加わる軸方向推力は圧力相殺軸３６により相殺される。したがって、ニードル弁軸１８を閉弁方向に駆動する際には、加圧された流体による軸方向推力はわずかなので、出力トルクが小さい小型の電動モータ２０を使用してニードル弁軸１８を駆動することができる。また、電動式ニードル弁を小型化することができるとともに、少ない消費電力でニードル弁を駆動することができる。

図１１〜図１４に示される電動式ニードル弁においても、図６に示した電動式ニードル弁と同様に、テーパ部１８ａの向きを図において左右反転させて、テーパ部１８ａの大径側をニードル弁軸１８の先端部側に設けるようにしても良い。

ニードル弁軸１８を駆動するための電動モータ２０を図１１〜図１４に示されるようにハウジング２４に対して取り外し自在に装着するようにした形態においては、弁の開度を調整した後には電動モータ２０をハウジング２４から取り外すことができる。電動モータ２０をハウジング２４から取り外すようにした形態においては、図１１〜図１４に示されるように、ねじ軸２７の回転を規制するための回転防止機構がハウジング２４内に組み込まれることになる。回転防止機構としては、図示された構造に限られない。

この電動式ニードル弁は、流体回路内を流れる圧縮空気等の流体の流量を調整するために使用される。

本発明の電動式ニードル弁は、円筒形状の連通孔の一端部に連通する第１のポート、および前記連通孔の他端部に連通する第２のポートが形成されたハウジングと、前記連通孔内に軸方向に移動自在に装着され、前記連通孔の前記一端部側から前記他端部側に向けて外径が変化し軸方向の位置に応じて前記連通孔の弁座面との間の隙間が変化するテーパ部が形成されたニードル弁軸と、前記ニードル弁軸にねじ結合され、電動モータにより回転駆動され前記ニードル弁軸を軸方向に駆動するねじ軸と、前記ハウジングに設けられ、前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドと、前記ニードル弁軸の先端に設けられ、前記第１と第２のポートの一方のポートの流体により前記ニードル弁軸に前記ねじ軸に向けて加えられる軸方向推力を相殺する受圧ピストンを備えた圧力相殺軸と、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に形成されてこれらを連通させる弁体収容孔内に装着され、前記連通孔が形成された円筒部を有する弁体受け部材と、前記弁体受け部材に装着され、前記第１のポートと前記第２のポートとの連通を遮断するシール部材とを有することを特徴とする。

本発明の電動式ニードル弁は、前記弁体受け部材の内部に前記受圧ピストンを摺動自在に配置し、前記受圧ピストンと前記テーパ部との間で前記弁体受け部材内に形成される圧力相殺室と前記第１と第２のポートの一方のポートとを連通させる貫通孔を前記弁体受け部材に形成することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記第１と第２の一方のポートと連通して形成される圧力相殺室を介して前記弁体受け部材と同軸にスリーブを前記ハウジングに装着し、前記スリーブに前記受圧ピストンを摺動自在に配置することを特徴とする。本発明の電動式ニードル弁は、前記電動モータを前記ハウジングに組み込むことを特徴とする。

Claims

円筒形状の連通孔の一端部に連通する第１のポート、および前記連通孔の他端部に連通する第２のポートが形成されたハウジングと、
前記連通孔内に軸方向に移動自在に装着され、前記連通孔の前記一端部側から前記他端部側に向けて外径が変化し軸方向の位置に応じて前記連通孔の弁座面との間の隙間が変化するテーパ部が形成されたニードル弁軸と、
前記ニードル弁軸にねじ結合され、電動モータにより回転駆動され前記ニードル弁軸を軸方向に駆動するねじ軸と、
前記ハウジングに設けられ、前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドと、
前記ニードル弁軸の先端に設けられ、前記第１と第２のポートの一方のポートの流体により前記ニードル弁軸に前記ねじ軸に向けて加えられる軸方向推力を相殺する受圧ピストンを備えた圧力相殺軸とを有することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１記載の電動式ニードル弁において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に形成されこれらを連通させる弁体収容孔内に、前記連通孔が形成された円筒部を有する弁体受け部材を装着し、前記弁体受け部材に前記第１のポートと前記第２のポートとの連通を遮断するシール部材を装着することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項２記載の電動式ニードル弁において、前記弁体受け部材の内部に前記受圧ピストンを摺動自在に配置し、前記受圧ピストンと前記テーパ部との間で前記弁体受け部材内に形成される圧力相殺室と前記第１と第２のポートの一方のポートとを連通させる貫通孔を前記弁体受け部材に形成することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項２記載の電動式ニードル弁において、前記第１と第２の一方のポートと連通して形成される圧力相殺室を介して前記弁体受け部材と同軸にスリーブを前記ハウジングに装着し、前記スリーブに前記受圧ピストンを摺動自在に配置することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記電動モータを前記ハウジングに組み込むことを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記電動モータを前記ハウジングに取り外し自在に装着することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項６記載の電動式ニードル弁において、前記電動モータを前記ハウジングから取り外したときに前記ねじ軸の回転を規制する回転防止機構を前記ハウジングに設けることを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記第１のポートと前記第２のポートとを直結させる直結孔を前記ハウジングに形成し、一方の前記ポートから流体が供給されたときに前記直結孔を閉じて流体を前記連通孔に案内し、他方の前記ポートから流体が供給されたときに前記直結孔を開いて前記直結孔を介して一方の前記ポートに直接流体を案内する逆止弁を前記直結孔内に装着することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記圧力相殺軸にその径方向に貫通して軸方向に延びる長孔を形成し、当該長孔を貫通して前記円筒部に固定される棒材により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記ニードル弁軸の外周面に軸方向に延びる平坦面を形成し、前記ハウジングに取り付けられ前記平坦面に接触する棒材により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする電動式ニードル弁。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電動式ニードル弁において、前記ニードル弁軸の外周面に軸方向に延びる平坦面を形成し、前記ハウジングに形成され前記平坦面に接触するガイド面により前記ニードル弁軸の回転を規制して軸方向移動を許容するガイドを形成することを特徴とする電動式ニードル弁。