JP2005069456A - 環状オリフィス、流量制御弁または圧力制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的断面積が小さい、または深さを必要とする場合であっても、高精度かつ簡便に製作できる環状オリフィス、およびこの環状オリフィスを用いた流量制御弁または圧力制御弁を提供する。
【解決手段】流体機器の内部流路に形成される環状オリフィスにおいて、必要とされるオリフィスの断面積よりも大きな断面積を有する貫通孔と、この貫通孔内に挿入されるとともにその断面積が貫通孔の断面積との差が必要とされるオリフィスの断面積となるように調整されているロッドとで構成する。流量制御弁は、この環状オリフィスを採用したポペット弁機構を１以上内蔵した。流量制御弁または圧力制御弁は、この環状オリフィスを採用したポペット弁機構を２以上内蔵し、環状オリフィスの断面積がいずれも同一であるか、環状オリフィスの一部または全部の断面積が互いに異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力流体を制御するための弁および圧力流体によって作動するアクチュエータなどの流体機器、特に小断面積（例えば、内径φ１未満の穴に相当する断面積）のオリフィス、および断面積に比較して深さのある（例えば、アスペクト比（＝穴の深さ／穴の内径）が５を超える深さ）オリフィスを有する流体機器に関するものである。
流体機器の内部には、流体が通る１以上の流路が形成され、その流路の途中に１以上のオリフィスを形成することが一般的である。このオリフィスの形状・大きさは、流体機器の流量特性を決定する重要な要素である。流体機器が小形化・精密化するにともない、小断面積のオリフィスを高精度に製作することが必要となった。

従来、流体によって作動する機器の作動速度をデジタル的に調整するため、流体作動機器を制御するための流体を吐出する電磁弁マニホールドと、流体作動機器とをつなぐ流路の途中に、断面積の異なる複数のオリフィスを備えたオリフィスブロックを、回転可能な方法で設置した流体作動機器の速度調整装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この流体作動機器の速度調整装置では、所望の作動速度を得るために、オリフィスブロックを回転させ、適切な断面積のオリフィスを選択することができる。
特開２０００−９２４０号公報

しかしながら、特許文献１では、適切な間隔で作動速度をデジタル的な変化させるためには、オリフィスブロックに備える複数のオリフィスそれぞれの断面積を、適切に変化させなければならない。例えば、４つのオリフィスを設ける場合、それぞれの内径を必要流量から表１のように決定する。決定した内径のオリフィスを高精度に加工することは、ドリルなどの機械加工では相当に困難である。特に、内径φ１未満の穴加工や、アスペクト比が５を超える穴加工を必要とする場合に著しい。そのような場合、加工に時間と手間を要し、コストも上昇する。

オリフィスの内径を決定するためには、通常、表１の手順に続き、試作を行い、ねらった流量が得られるか否かを確認する。実用に耐えないほどの誤差が出た場合には、試行錯誤を繰返すことになる。また、流体機器のユーザにおいて、流体機器を搭載した装置を改造することが少なくない。この改造によって必要流量が変更になることもある。いずれの場合も、穴加工だけで製作したオリフィスでは、その断面積を簡単に変更することはできない。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、比較的断面積が小さい、または深さを必要とする場合であっても、高精度かつ簡便に製作できる環状オリフィスを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、この環状オリフィスを用いた流量制御弁または圧力制御弁を提供することにある。

請求項１に係る発明は、流体機器の内部流路に形成される環状オリフィスにおいて、必要とされるオリフィスの断面積よりも大きな断面積を有する貫通孔と、この貫通孔内に挿入されるとともにその断面積が前記貫通孔の断面積との差が必要とされるオリフィスの断面積となるように調整されているロッドとで構成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁において、請求項１記載の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を１以上内蔵したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁または圧力制御弁において、請求項１記載の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を２以上内蔵し、前記環状オリフィスの断面積がいずれも同一であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁または圧力制御弁において、請求項１の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を２以上内蔵し、前記環状オリフィスの一部または全部の断面積が互いに異なることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、ロッド外径を調整することによって、環状オリフィスの断面積を設定できるので、設定された断面積が高精度に設定できる。しかも、穴加工だけで製作する従来のオリフィスに比し、加工が容易でコストも削減できる。特に、内径φ１未満の穴に相当する断面積を有するオリフィス、またはアスペクト比が５を超えるオリフィスを製作する場合に極めて有効である。

また、ロッドを交換することによって、オリフィスの断面積を容易に変更できるので、流量調整・変更を必要とする場合に有効である。
請求項１に係る環状オリフィスを１以上設けることによって、請求項２に係る流体制御弁または請求項３，４に係る流体制御弁または圧力制御弁を簡単に構成できる。
また、請求項１に係る環状オリフィスによれば、過剰な速度がでないように、シリンダなどの流体用アクチュエータの給排気ポート内に設ける固定オリフィスの形成も容易にできる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の環状オリフィスを採用した１つのポペット弁機構で構成した流体制御弁を示す（請求項１、２に対応）。
本実施形態に係る流体制御弁Ａは、貫通孔１００を穿設したオリフィスプレート２を、上部カバー１と下部カバー４との間に密封状態で固定し、上部カバー１とオリフィスプレート２との間に上部空気室３を形成し、下部カバー４とオリフィスプレート２との間に下部空気室５を形成し、貫通孔１００を介して上部空位室３および下部空気室５とに跨るポペット弁機構２０を内蔵している。

ここで、上部カバー１の側面には、上部空気室３と連通する流体入口６が設けられている。また、下部カバー４の側面には、下部空気室５と連通する流体出口７が設けられている。さらに、貫通孔１００の上部空気室３側の口元には、弁座１０１が形成されている。
ポペット弁機構２０は、軸心を貫通孔１００の軸心と略一致させるとともに、弁座１０１に当接することができるように上部空気室３に配した円板状のポペット１０２と、上部空気室３内において上部カバー１とポペット１０２との間に設置されたばね１０３と、軸心を貫通孔１００の軸心と略一致させて下部空気室５内に配置された駆動装置１０５と、貫通孔１００内に挿通されポペット１０２と駆動装置１０５との間に配置された円筒状のロッド１０６とによって構成されている。

ポペット１０２には、弁座１０１とのシールのため、弁座１０１との接触面にシール材１０４が設けてある。
ポペット１０２を駆動するための駆動手段１０５は、その軸心を貫通孔１００の軸心と略一致するように設置されている。すなわち、駆動手段１０５の軸心は、ポペット１０２の軸心とも略一致する。ポペット１０２と駆動手段１０５との間には、それぞれに当接する円筒状のロッド１０６が配置されている。なお、駆動手段１０５は、ソレノイド、圧電素子、押しボタンなど、一般に流体制御弁の駆動手段に採用される手段を使用できる。特に、高速に自動制御しようという場合には、駆動手段として高速応答が可能なソレノイドや圧電素子を使用する。

貫通孔１００の内径と円筒状のロッド１０６の外径との差が、上部空気室３と下部空気室５とをつなぐ流路（以下、環状オリフィス１０という）となる。貫通孔１００の内径を一定とし、円筒状のロッド１０６の外径を調整することによって、流体出口７から流出する流体の流量を所望の大きさとする環状オリフィス１０の断面積を設定している。
次に、斯くして構成された本実施形態に係る流体制御弁Ａの作用を説明する。

流体は、空気源（図示せず）のあるＰ方向から流体入口６を通って、上部空気室３に流入する。ここで、駆動手段１０５を駆動して（出力状態となり）、ポペット１０２に向かう力が発生すると、この力は、円筒状のロッド１０６を介してポペット１０２に伝わり、上部空気室３内の流体の圧力およびばね１０３の張力に抗して、ポペット１０２を弁座１０１から離間させる。このとき、流体が、上部空気室３から環状オリフィス１０を通って、下部空気室５に流入し、流体出口７を通ってＸ方向（下流側）に流出し、下流側に設けられた流体圧シリンダなど（図示せず）に供給される。

一方、駆動手段１０５からの出力を停止すると、上部空気室３内の流体の圧力およびばね１０３の張力とによって、再び、ポペット１０２が弁座１０１に押圧され、上部空気室３に流入した流体が環状オリフィス１０を通って下部空気室５に流入するのを遮断する。
以上のように、本実施形態によれば、流体の吐出、遮断の切り換えを確実に行うことができる。

本実施形態によれば、環状オリフィス１０が、貫通孔１００の内径と円筒状のロッド１０６の外径との差によって形成しているので、貫通孔１００の内径を一定とし、円筒状のロッド１０６の外径を調整することによって、流体出口７から流出する流体の流量を所望の大きさとする環状オリフィス１０の断面積を設定することができる。すなわち、環状オリフィス１０の断面積を高精度に設定する必要があっても、高精度の加工が困難な穴加工は、比較的精度が出せる大きさの内径のもの（例えば、内径φ２以上の穴）までとし、高精度加工がたやすくできるロッドの外径加工によって、必要とする環状オリフィス１０の断面積の精度を確保しているので、従来の穴加工によって形成されている環状オリフィスに比し必要とする環状オリフィス１０の断面積の精度を確保することができる。勿論、環状オリフィス１０の内径と比較して深さがある（例えば、アスペクト比が５を超える）場合でも、同様に必要とする環状オリフィス１０の断面積の精度を確保できる。環状オリフィス１０の断面積を変更する必要が生じても、円筒状のロッド１０６を外径の異なるロッドに交換するだけで良い。

なお、本実施形態に係る流体制御弁Ａは、流体の吐出、遮断の切り換えだけではなく、流体の流量制御にも適用できる。その場合、流体出口７付近に検出手段５２を設置し、流出する流体の流量を検知し、その値を、駆動手段１０５を制御する電子回路などの機構（図示せず）にフィードバックし、制御機構からの指令によってポペット弁機構２０を断続的に開閉することで、流体の流量を制御することができる。一方、Ｐ方向の流体の圧力変動が激しい場合には、流体入口６付近に検知手段５１を設置し、流入する流体の圧力を検知して、その値も駆動手段１０５を制御する機構（図示せず）にフィードバックすると、より精密な流量制御が可能である。さらに、検出手段５２によって、圧力の検知を行い、その値を、駆動手段１０５を制御する機構にフィードバックし、制御機構からの指令によってポペット弁機構２０を断続的に開閉することで、圧力制御も可能となる。
（第二実施形態）
図２は、第一実施形態で説明したポペット弁機構を４つ内蔵したデジタル流量制御（または圧力制御弁）Ｂを示す（請求項３に対応）。

本実施形態に係るデジタル流量制御（または圧力制御弁）Ｂは、ポペット弁機構を４つ内蔵していることを除けば、第一実施形態と同様の構成である。個々のポペット弁機構についても、第一実施形態のポペット弁機構と同様に貫通孔（１００）、弁座（１０１）、円板状のポペット（１０２）、ばね（１０３）、シール材（１０４）、駆動手段（１０５）および円筒状のロッド（１０６）によって構成されている。１つのポペット弁機構を、以下ではポペット弁ユニットという。また、４つのポペット弁ユニットのそれぞれを識別するために、部品番号に添え字（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を付す。

図２では、４つのポペット弁ユニットととも、貫通孔（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ）の内径は同一である。円筒状のロッド（１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ）の外径も同一である。従って、環状オリフィス１０の断面積も同一である。環状オリフィス１０の断面積を変更する場合には、円筒状のロッド（１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ）を外径の異なるものに変更するだけで良い。

個々のポペット弁ユニットの動作は、第一実施形態と同様であり、添え字ａのものを代表として説明する。
上部空気室３には、円板状のポペット１０２ａを、その軸心が貫通穴１００ａの軸心と略一致するとともに、弁座１０１ａに当接するように配置する。さらに、弁座１０１ａとポペット１０２ａとのシールのため、円板状のポペット１０２ａにおける弁座１０１ａとの接触面にシール材１０４ａを設ける。このシールは、上部空気室３に流入する流体の圧力と、上部カバー１と円板状のポペット１０２ａとの間に設置されたばね１０３ａの張力によって、円板状のポペット１０２ａが弁座１０１ａに押圧されることで確実なものとなり、上部空気室３に流入した流体が貫通孔１００ａを通って下部空気室５に流入するのを遮断することができる。

下部空気室５には、円板状のポペット１０２ａを駆動するための駆動手段１０５ａを、その軸心が貫通孔１００ａの軸心と略一致するように設置する。すなわち、駆動手段１０５ａの軸心は、円板状のポペット１０２ａの軸心とも略一致する。円板状のポペット１０２ａと駆動手段１０５ａとの間には、それぞれに当接する円筒状のロッド１０６ａを配置する。駆動手段１０５ａを駆動して（出力状態となり）、円板状のポペット１０２ａ向かう力が発生すると、この力は、円筒状のロッド１０６ａを介して円板状のポペット１０２ａに伝わり、上部空気室３内の流体の圧力およびばね１０３ａの張力に抗して、円板状のポペット１０２ａを弁座１０１ａから離間させる。このとき、流体が、上部空気室３から貫通孔１０１ａを通って、下部空気室５に流入する。一方、駆動手段１０５ａの駆動を停止すると、上部空気室３内の流体の圧力およびばね１０３ａの張力とによって、再び、円筒状のポペット１０２ａが弁座１０１ａに押圧され、上部空気室３に流入した流体が貫通孔１００ａを通って下部空気室５に流入するのを遮断する。

上記のとおり、添え字ｂ，ｃ，ｄを付した部品で構成するポペット弁ユニットも、添え字ａを付した部品で構成するポペット弁ユニットと同様の機構で動作する。
本実施形態では、４つのポペット弁ユニットの内１つだけを開いた場合、２つ開いた場合、３つ開いた場合、すべて開いた場合を比較すると、環状オリフィス１０の断面積の和が順次増加し、それにともない流体の流量も順次増加する。すなわち、ポペット弁機構を開く個数を変化させることによって、４つのポペット弁機構がすべて開いたときを最大値とするステップ動作が可能となる。このステップ動作を加味することによって、第一実施形態の場合と比較して、より精密な流量制御（または圧力制御）が可能となる。
（第三実施形態）
図３は、第二実施形態と同様に４つのポペット弁ユニットを内蔵したデジタル流量制御弁（または圧力制御弁）Ｃを示す（請求項４に対応）。

本実施形態に係るデジタル流量制御弁（または圧力制御弁）Ｃは、ポペット弁ユニットの貫通孔（２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄ）の内径が、第二実施形態と同様に同一である。しかし、円筒状のロッド（２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄ）は、それぞれ外径を違えている。すなわち、環状オリフィス１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの断面積が、４つとも異なる（図４）。このような断面積の異なる環状オリフィス１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄも、円筒状のロッド（２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄ）の外径を変えるだけで容易に製作できる。また、環状オリフィス１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの断面積が異なっても、貫通孔（２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄ）は同一内径であり、それを加工する場合、同一の工具を使える。この点でも製作の上での容易化が図れる。

本実施形態に係るデジタル流量制御弁（または圧力制御弁）Ｃの動作は、第二実施形態と同様であり、ステップ動作を行えることも同様である。ただし、開状態にするポペット弁ユニットの個数だけではなく、同一個数を開状態とするにしても、どのポペット弁ユニット同士を組み合わせるかによって、開状態の環状オリフィス１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの断面積の和が異なるため、第二実施形態と比較してステップ数が増やせ、より精密な流量制御（または圧力制御）が可能となる。

また、Ｐ方向の圧力の変動が大きい場合でも、その時々の圧力に適合した断面積となるように、開状態とする環状オリフィス１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄまたはその組み合わせをきめ細かく選択できることから、確実に制御できる。
なお、第一実施形態および第二実施形態の説明では、ポペット弁機構またはポペット弁ユニットを構成する円筒状のロッド１０６が常に円板状のポペット１０２および駆動手段１０５に当接する場合について説明したが、ポペット１０２側または駆動手段１０５側のいずれか一方と一体化あるいは固定し、他方とはフリー状態としても良い。また、駆動手段１０５がＯＦＦの場合、フリー状態側のロッド端面が、円筒状のロッド１０６を固定しなかったポペット１０２ないしは駆動手段１０５とは当接している必要もない（ＯＮ時は当接を要す）。第三実施形態でも同様である。

また、ポペット弁ユニットを構成するシール材１０４は、材質を選ばない。ゴムなどの弾性体以外に、硬質プラスチックや金属でも良い。
また、第二実施形態および第三実施形態では、複数のポペット弁ユニットを直線上に配置した場合について説明したが、これに替えて、例えば、図５に示すように、円周上に配置しても良いし、図６に示すように、千鳥状に配置しても良い。

本発明の第一実施形態に係る流体制御弁を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係るデジタル流量制御（または圧力制御弁）を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係るデジタル流量制御（または圧力制御弁）を示す断面図である。 図３における環状オリフィス部の平面図である。 ４つの環状オリフィスを円周上に配列した例を示す平面図である。 ４つの環状オリフィスを千鳥状に配列した例を示す平面図である。

符号の説明

Ａ 流体制御弁
Ｂ，Ｃ デジタル流量制御弁（または圧力制御弁）
１ 上部カバー
２ オリフィスプレート
３ 上部空気室
４ 下部カバー
５ 下部空気室
６ 上部カバー１の側面に流体入口
７ 流体出口
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 環状オリフィス
２０ ポペット弁機構
５１ 検知手段
５２ 検出手段
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ 貫通孔
１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ 弁座
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ ポペット
１０３，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ ばね
１０４，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｄ，１０４ｄ シール材
１０５，１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ 駆動手段
１０６，１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ ロッド
２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄ ポペット弁ユニットの貫通孔
２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄ ロッド

Claims (4)

1. 流体機器の内部流路に形成される環状オリフィスにおいて、
   必要とされるオリフィスの断面積よりも大きな断面積を有する貫通孔と、
   この貫通孔内に挿入されるとともにその断面積が前記貫通孔の断面積との差が必要とされるオリフィスの断面積となるように調整されているロッドと
   で構成されていることを特徴とする環状オリフィス。
2. ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁において、
   請求項１記載の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を１以上内蔵した
   ことを特徴とする流体制御弁。
3. ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁または圧力制御弁において、
   請求項１記載の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を２以上内蔵し、
   前記環状オリフィスの断面積がいずれも同一である
   ことを特徴とする流量制御弁または圧力制御弁。
4. ポペットによって主弁を開閉する流体制御弁または圧力制御弁において、
   請求項１記載の環状オリフィスを採用したポペット弁機構を２以上内蔵し、
   前記環状オリフィスの一部又は全部の断面積が互いに異なる
   ことを特徴とする流量制御弁または圧力制御弁。
   
   

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