JP6773233B2 - 切替バルブ - Google Patents

Description

本発明は、ポート間を接続するための溝が設けられたロータを回転させることによってポート間の接続状態を切り替えるロータリー式の切替バルブに関するものである。

液体クロマトグラフなどの分析装置では、流路構成をロータリー式の切替バルブを用いて切り替えるように構成されていることが一般的である。例えば、液体クロマトグラフでは、試料を自動的に分析流路中に注入するオートサンプラが用いられており、オートサンプラは試料容器から試料を採取するときの流路構成と、採取した試料を分析流路に注入するときの流路構成とに、ロータリー式の切替バルブによって切り替えられるように構成されている。

ロータリー式の切替バルブは、内部にロータを有するバルブヘッドと、バルブヘッド内のロータを回転させるためのステッピングモータ等を有する駆動部とで構成されている。バルブヘッドの先端側外面には、配管を接続するための複数のポートが設けられ、バルブヘッド内に配置されたロータにはポート間を接続するための溝が設けられており、ロータをモータによって回転させることで、ポート間の接続状態が切り替えられるように構成されている（特許文献１参照。）。

ロータの回転方向における所望の位置への位置決めは、ロータの初期位置からのステッピングモータの駆動量、すなわち、ステッピングモータへ与えられる駆動パルス数を制御することによって行なわれる。ロータの初期位置を検出するために、ステッピングモータの回転をロータへ伝える軸にスリットを有する円板が取り付けられ、その円板のスリットを検出するための光センサ（以下、ホームポジションセンサという。）が設けられている。

ロータの回転方向における位置決め精度は、ロータ軸（円板のスリット位置）に対するロータの取付角度によって決まる。しかし、そのような位置精度には加工、組立てのばらつきによる誤差があり、設計上、そのような誤差を完全になくすことは困難である。

そこで、切替バルブを組み立てた後で、ロータ軸に対するロータの取付角度を制御装置に覚え込ませるためのティーチングを行なうことが一般的である（特許文献２参照。）。

特開２０１４−１７８００２号公報 特開平１０−１９７５０４号公報

液体クロマトグラフを用いた分析では、近年、高速分析の要求が高まっており、オートサンプラなどの装置に高い耐圧性能が求められ、それに伴ってそれらの装置に組み込まれる切替バルブにも高い耐圧性能が要求されている。一方で、切替バルブを高耐圧なものにすると、その分だけバルブヘッド内におけるロータとステータとの間の摺動時の摩擦力も大きなものとなるため、ロータやステータの摩耗等による劣化の速度が速くなり、耐久性が低下する。そのため、ユーザの用途に応じた耐圧性能の切替バルブが使用されることが望ましい。

一般的に、高耐圧の切替バルブと低耐圧の切替バルブの違いはバルブヘッド部分にあり、モータ等を有する駆動部の構成は同じである。したがって、オートサンプラ等に組み込まれている切替バルブの耐圧性能は、切替バルブのバルブヘッド部分のみを交換することで変更することができる。

しかし、従来の切替バルブでは、バルブヘッドのみを交換することができるようにはなっていない。バルブヘッドのみを交換できるようにした場合、ロータとロータ軸との相対的な位置関係はバルブヘッドごとに異なるため、バルブヘッドの交換前に取得したティーチング情報をバルブヘッドの交換後に使用することができない。そのため、バルブヘッド部分を交換した後で、再度、ティーチングを行なう必要があり、ユーザに大きな作業負担が生じる。

そこで、本発明は、ロータリー式切替バルブのバルブヘッドを交換してもティーチングを実行する必要がないようにすることを目的とするものである。

本発明に係る切替バルブは、配管を接続するための複数の接続ポートを先端側外面に有し、それらの前記接続ポート間を接続するための溝を有するロータが内部に収容されているとともに、前記ロータを先端で保持して回転可能に設けられたロータ軸を有するバルブヘッドと、前記バルブヘッドを保持するホルダを有するとともに、前記ホルダに保持された前記バルブヘッドの前記ロータ軸を回転させるためのモータを有する駆動部と、を備えている。さらに、バルブヘッドには、前記ロータ軸の回転方向における基準位置を検出するためのホームポジションセンサ、及び前記ロータが所定位置となったときの前記ロータ軸の位置と前記基準位置との相対的な位置関係に関する情報をティーチング情報として保持するティーチング情報保持部が設けられている。

既述のように、ロータの回転方向における位置決め精度は、ロータ軸に対するロータの相対的な取付け位置の精度によって決まるものである。従来では、ロータを交換した場合に、ロータ軸に対するロータの取付け位置が変化するため、再度、ティーチングを行なってロータ軸とロータとの相対的な位置関係に関する情報を取得する必要があった。

これに対し、本発明では、ロータ軸の回転方向における基準位置を検出するためのホームポジションセンサをバルブヘッドに具備させている。そのため、ホームポジションセンサを用いて取得された、ロータ軸とロータとの相対的な位置関係に関する情報、すなわちティーチング情報は、そのバルブヘッド固有の情報となる。本発明では、各バルブヘッド固有のティーチング情報を保持するティーチング情報保持部をバルブヘッドに具備させている。

本発明に係る切替バルブでは、駆動部のホルダに保持された前記バルブヘッドの前記ティーチング情報保持部から前記ティーチング情報を読み取り、当該ティーチング情報に基づいて前記モータの動作を制御するように構成された制御部を備えていることが好ましい。これにより、バルブヘッドが交換されたときに、新たなバルブヘッドのティーチング情報保持部からそのバルブヘッド固有のティーチング情報が読み出されてロータの位置決めに利用されるので、ユーザがティーチング作業を実施する必要がない。

本発明に係る切替バルブでは、バルブヘッドが、ロータ軸の回転方向における基準位置を検出するためのホームポジションセンサと、そのホームポジションセンサを用いて取得された、ロータ軸とロータとの相対的な位置関係に関するバルブヘッド固有のティーチング情報を保持するティーチング情報保持部と、を備えているので、バルブヘッド固有のティーチング情報をバルブヘッド自身が保持していることになる。そのため、バルブヘッドを新たなものに交換した際に、その新たなバルブヘッドに設けられているティーチング情報保持部からティーチング情報を読み出せば、新たにティーチング作業を行なう必要がなくなる。これにより、バルブヘッドを交換した後のティーチング作業が不要になる。

切替バルブの一実施例のバルブヘッドと駆動部とを切り離した状態を示す斜視図である。 同実施例の切替バルブのバルブヘッドを駆動部に装着した状態を示す斜視図である。 同実施例の切替バルブの断面図である。 同実施例の制御系統の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る切替バルブの一実施例について、図１から図４を用いて説明する。

図１及び図２に示されているように、切替バルブはバルブヘッド２と駆動部４を備えており、バルブヘッド２と駆動部４は互いに着脱可能である。図１はバルブヘッド２が駆動部４から取り外された状態を示しており、図２はバルブヘッド２が駆動部４に取り付けられた状態を示している。

バルブヘッド２は、先端部に配管を接続するための複数のポート６を有する円筒状の部材である。バルブヘッド２内にはステータ４２やロータ４４、ロータ４４を回転させるためのロータ軸４６が設けられており（図３を参照）、バルブヘッド２が駆動部４に取り付けられたときにロータ軸４６の基端が駆動部４のモータ２８の駆動軸２８ａと連結され、モータ２８によってロータ４４が回転させられるように構成されている。バルブヘッド２や駆動部４の内部構造については後述する。

駆動部４は、基端側にバルブヘッド２のロータ軸４６（図３を参照）を回転させるためのモータ２８を備え、先端側にバルブヘッド２を基端側から嵌め込んで保持するためのホルダ３０を備えている。ホルダ３０は先端に開口３２をもつ円筒状の部材である。バルブヘッド２は、基端部８よりも先端側に設けられた大径部１２が開口３２からホルダ３０内に嵌め込まれることにより駆動部４に装着される。

駆動部４のホルダ３０には、バルブヘッド２がホルダ３０内の所定の位置まで挿入されたときにバルブヘッド２の外面の段差部分１４に引っかかってバルブヘッド２をホルダ３０に対して固定する固定ピン３４（固定具）が互いに対向する２箇所の位置に設けられている。固定ピン３４は基端がネジによってホルダ３０の外面に固定され、先端がホルダ３０の先端側（開口３２側）へ伸び、その先端部にバルブヘッド２の段差部分１４と係合する爪部３６が設けられている。固定ピン３４は、合成樹脂などの弾性変形可能な弾性部材からなり、爪部３６をホルダ３０の半径方向へ弾性的に変位させることができる。

バルブヘッド２の基端部８よりも先端側に設けられた大径部１２は、ホルダ３０に設けられた２つの固定ピン３４の互いの爪部３６の間隔よりも大きい外径を有する。バルブヘッド２の大径部１２よりも先端側は大径部１２よりも外径の小さい小径部１０となっており、小径部１０と大径部１２の境界部分に段差部分１４が設けられている。

バルブヘッド２の大径部１２は２つの固定ピン３４の爪部３６の互いの間隔よりも外径が大きいため、バルブヘッド２がホルダ３０内へ挿入されていったときに、固定ピン３４の爪部３６がバルブヘッド２の大径部１２と接触して互いに離れる方向へ広がり、各固定ピン３４が弾性変形する。その状態からさらにバルブヘッド２がホルダ３０内へ挿入されて固定ピン３４の爪部３６がバルブヘッド２の小径部１０へ達すると、固定ピン３４の弾性力によって爪部３６が内側方向へ戻り、段差部分１４と爪部３６とが互いに係合する。これにより、バルブヘッド２がホルダ３０から抜けなくなり、バルブヘッド２がホルダ３０に対して固定される。

逆に、駆動部４からバルブヘッド２を取り外す際は、２つの固定ピン３４の爪部３６の互いの間隔をバルブヘッド２の大径部１２の外形よりも広くすれば、固定ピン３４によるバルブヘッド２の段差部分１４に対する引っ掛かりがなくなってバルブヘッド２をホルダ３０から引き抜くことが可能となる。

駆動部４からのバルブヘッド２の取外しを容易に行なうことができるように、バルブヘッド２に固定解除部材１６が設けられている。固定解除部材１６はバルブヘッド２の小径部１６の外周に設けられたリング状の部材である。固定解除部材１６はバルブヘッド２の基端側へ延びる解除用爪部１８をもち、その解除用爪部１８の先端部２０は先端側へ行くほど細くなるように傾斜した形状を有する。固定解除部材１６には、バルブヘッド２の小径部１０の外周面から半径方向へ突起した回転防止ピン２４を貫通させる回転防止溝２２が設けられている。これにより、固定解除部材１６は回転防止ピン２４によってバルブヘッド２の周方向に対しては固定されるものの、小径部１０の外面に沿って一定範囲内でスライド可能である。

固定ピン３４の爪部３６の近傍には、固定解除部材１６のスライドを利用して爪部３６を外側へ押し広げるための解除用突起部３８が設けられている。解除用突起部３８は、バルブヘッド２がホルダ３０に固定されている状態で、固定解除部材１６の解除用爪部１８が基端側へ移動したときに解除用爪部１８と当接し、爪部３６を外側へ押し広げる方向への応力を解除用爪部１８から受けるように構成されている。すなわち、固定解除部材１６は、固定解除部材１６をバルブヘッド２の基端側へスライドさせていったときに、解除用爪部１８の先端部２０がホルダ３０の外周面と解除用突起部３８との間に入り込み、解除用爪部１８の先端部２０の傾斜を利用して爪部３６を外側へ変位させ、それによって固定ピン３４によるバルブヘッド２の固定を解除するものである。

このように、バルブヘッド２に固定解除部材１６が設けられていることで、駆動部４からバルブヘッド２を取り外す際に、固定解除部材１６をバルブヘッド２の基端側へスライドさせるだけで固定ピン３４の爪部３６がバルブヘッド２の段差部分１４から外れ、バルブヘッド２を駆動部４のホルダ３０から引き抜くことができる状態となるので、駆動部４からのバルブヘッド２の取外しが非常に容易である。

なお、バルブヘッド２が駆動部４に装着された際に、固定解除部材１６の解除用爪部１８の位置が固定ピン３４の設けられている位置に自動的に位置決めされるように、バルブヘッド２の外面には突起２６が設けられ、ホルダ３０にはその突起２６を通過させるガイド溝４０が設けられている。これにより、バルブヘッド２を駆動部４に装着する際は、突起２６がガイド溝４０を通過するように位置合わせして、バルブヘッド２をホルダ３０内の一定の位置まで挿し込むだけで、駆動部４へのバルブヘッド２の装着と、解除用爪部１８の固定ピン３４に対する位置決めがなされる。

次に、図３を用いて、切替バルブの内部構造について説明する。

バルブヘッド２の内部には、主に、ステータ４２、ロータ４４及びロータ軸４６が設けられている。ステータ４２とロータ４４はともに円盤状の部材であり、ステータ４２はバルブヘッド２の内壁面に固定され、ロータ４４はロータ軸４６の先端部に固定されている。ステータ４２とロータ４４は互いに密接しており、ロータ軸４６の回転に伴ってロータ４４がステータ４２と摺動しながら回転するようになっている。ステータ４２には、バルブヘッド２の各ポート６に連通する貫通孔が設けられており、ロータ４４にはステータ４２のそれらの貫通孔間を接続するための溝が設けられている。

ロータ軸４６の基端はバルブヘッド２の基端側へ延びている。ロータ軸４６の基端部には、駆動部４のモータ２８の駆動軸２８ａと連結するためのロータ軸側連結具４８が取り付けられている。駆動部４のモータ２８は、ホルダ３０に固定されたバルブヘッド２のロータ軸４６と同軸上に駆動軸２８ａがくるように設けられている。モータ２８の駆動軸２８ａの先端には、ロータ軸側連結具４８と嵌合構造を有する駆動軸側連結具５０が設けられている。

この実施例では、ロータ軸側連結具４８に直線形状の突起が設けられ、駆動軸側連結具５０にはロータ軸側連結具４８の突起を嵌め込むための溝が設けられている。駆動軸側連結具５０の溝にロータ軸側連結具４８の直線形状の突起が嵌め込まれることで、駆動軸２８ａの回転がロータ軸４６に伝達され、それによってロータ４４が回転する。

駆動軸側連結具５０には、駆動軸２８ａの軸方向へ伸縮するコイルバネなどの弾性体５２が取り付けられている。弾性体５２は、バルブヘッド２が固定ピン３４によってホルダ３０に固定されたときに、ロータ軸側連結具４８と駆動軸側連結具５０との間に介在して圧縮状態となるように設けられている。これにより、バルブヘッド２が固定ピン３４によってホルダ３０に固定されたときに、圧縮状態となった弾性体５２がロータ軸側連結具４８をバルブヘッド２の先端側へ押圧し、それによってバルブヘッド２全体がホルダ３０から引き抜かれる方向へ付勢される。バルブヘッド２がホルダ３０から引き抜かれる方向へ付勢されることで、バルブヘッド２の段差部分１４が固定ピン３４の爪部３６に強く押し付けられる。これにより、バルブヘッド２の姿勢が安定する。

すなわち、弾性体５２は、バルブヘッド２がホルダ３０に固定されたときに圧縮状態となって、バルブヘッド２をホルダ３０から引き抜く方向へ付勢する付勢部材をなすものである。このような付勢部材は、必ずしも図３に示された位置に設けられている必要はなく、バルブヘッド２の他の部分、例えばバルブヘッド２の大径部１２の下端面など、を押圧するように設けられていてもよい。

また、ロータ軸４６には、ロータ４４の基準位置を検出するための円板状のスリット板５４が、ロータ軸４６の軸方向に対して垂直に取り付けられている。スリット板５４は１箇所にスリットを有するものである。スリット板５４は、ロータ軸４６の回転に伴って回転することで、回転方向へ変位する。

バルブヘッド２は、スリット板５４のスリットを検出する光センサからなるホームポジションセンサ５６を備えている。ホームポジションセンサ５６はロータ軸４６の「基準位置」を検出するためのものである。すなわち、ロータ軸４６を回転させていってホームポジションセンサ５６がスリット板５４のスリットを検出したときのロータ軸４６の回転位置が、ロータ軸４６の回転方向における「基準位置」となる。

図４に示されているように、ホームポジションセンサ５６による検出信号は制御部６０に取り込まれる。制御部６０は、ロータ軸４６の基準位置をホームポジションセンサ５６によって検出し、その基準位置からのモータ２８の駆動量によってロータ４４を所望の位置へ位置決めするように構成されている。なお、制御部６０は、マイクロコンピュータ等の演算素子とその演算素子によって実行されるプログラムによって実現されるものである。

ロータ軸４６が基準位置にあるときからロータ４４を所望の位置に位置決めするために必要なモータ２８の駆動量は、ロータ４４とロータ軸４６（スリット板５４のスリット）との相対的な位置関係によって決まる。この実施例では、バルブヘッド２内に不揮発メモリ（ＲＯＭ）５８が設けられており、その不揮発メモリ５８内に、ロータ４４が所定位置にあるときのロータ軸４６の位置と基準位置との相対的な位置関係に関する情報がティーチング情報として保持されている。不揮発メモリ５８は、ティーチング情報を保持するティーチング情報保持部を実現するものである。

なお、ロータ４４が所定位置にあるときとは、ロータ４４に設けられた切欠きなどの目印が決められた位置にあるときである。ティーチング作業では、例えば、ホームポジションセンサ５６がスリット板５４のスリットを検出する位置、すなわち、ロータ軸４６が基準位置にある状態から、ロータ４４に設けられた目印が決められた位置に到達するまでに必要なモータ２８の駆動パルス数を計測する。このようなティーチング作業は、バルブヘッド２が組み立てられた段階で実施され、その計測結果がティーチング情報として不揮発メモリ５８に保持される。ティーチング情報はバルブヘッド２ごとの固有の情報である。

制御部６０は、駆動部４に装着されたバルブヘッド２の不揮発メモリ５８からティーチング情報を読み込み、そのティーチング情報を利用してロータ４４を所望の位置へ位置決めするように構成されている。

図示は省略されているが、バルブヘッド２には、ホームポジションセンサ５６及び不揮発メモリ５８に対して制御部６０を電気的に接続するためのコネクタが設けられている。バルブヘッド２を交換した際に、ユーザがバルブヘッド２に設けられたコネクタを介して制御部６０をホームポジションセンサ５６及び不揮発メモリ５８に接続することで、制御部６０がホームポジションセンサ５６の検出信号と不揮発メモリ５８のティーチング情報を利用してロータ４４の位置決め制御を行なうことができる。

２ バルブヘッド
４ 駆動部
６ ポート
８ バルブヘッドの基端部
１０ 小径部
１２ 大径部
１４ 段差部分
１６ 固定解除部材
１８ 解除用爪部
２０ 解除用爪部の先端部
２２ 回転防止溝
２４ 回転防止ピン
２６ 突起
２８ モータ
３０ ホルダ
３２ 開口
３４ 固定ピン
３６ 爪部
３８ 解除用突起部
４０ ガイド溝
４２ ステータ
４４ ロータ
４６ ロータ軸
４８ ロータ軸側連結具
５０ 駆動軸側連結具
５２ 弾性体（付勢部材）
５４ スリット板
５６ ホームポジションセンサ
５８ 不揮発メモリ（ティーチング情報保持部）
６０ 制御部

Claims (2)

1. 配管を接続するための複数の接続ポートを有し、前記接続ポート間を接続するための溝を有するロータが内部に収容されているとともに、前記ロータを保持して回転可能に設けられたロータ軸を有するバルブヘッドと、
   前記バルブヘッドを保持するホルダを有するとともに、前記ホルダに保持された前記バルブヘッドの前記ロータ軸を回転させるためのモータを有する駆動部と、を備え、
   前記バルブヘッドは、前記ロータ軸の回転方向における基準位置を検出するためのホームポジションセンサ、及び前記ホームポジションセンサを用いて取得された、前記ロータが所定位置となったときの前記ロータ軸の位置と前記基準位置との相対的な位置関係に関する情報をティーチング情報として保持するティーチング情報保持部を有する、切替バルブ。
2. 前記駆動部のホルダに保持された前記バルブヘッドの前記ティーチング情報保持部から前記ティーチング情報を読み取り、当該ティーチング情報に基づいて前記モータの動作を制御するように構成された制御部を備えている、請求項１に記載の切替バルブ。