JP2009219660A - 流量コントロール弁 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の流量コントロール弁の微細排気を実現するために弾性部材に形状的特徴を与える方法では軸ずれによって再現性に影響がでてしまう。また、流体排出口に形状的特徴を与える方法では金型製作時の微調整が難しいという問題があった。
【解決手段】軸ずれに影響されないように弾性部材を単純な形状とするとともに、弾性部材および流体排出口の圧接される面を弾性部材の駆動軸に対して垂直とし、かつ流体排出口の近傍に流体排出口よりわずかに背の高い単純な形状の突起を設けることで、微細排気領域で弾性部材を変形させ流体排出口と弾性部材の微小な開度をコントロールできるようにし、金型製作時の微調整を容易にした。
【選択図】図１

Description

本発明は血圧計等で使用される電磁式流量コントロール弁に関し、簡単な構造でありながらカフ内の圧力を連続的かつ微細に減圧する機能と、一気に減圧し、カフ内の空気を素早く抜く機能を併せ持つ流量コントロール弁に関する。

電子血圧計による血圧測定は多くの場合オシロメトリック法が用いられる。血圧測定では測定部位である上腕や手首にカフを巻き、そこに空気を送り込んで血管を圧迫し、一旦血液の流れを止める。その後徐々に、圧迫をゆるめていくと、血液の圧力が血管を圧迫しているカフの圧力を上回る。すると血液が心臓の脈動に合わせて断続的に流れ出す。
オシロメトリック法では、カフを加圧した後、減圧していく段階で、心臓の拍動に同調した血管壁の振動を反映したカフ圧の変動を観測することによって血圧値を決定する。一般的には圧脈波が急激に大きくなったときのカフ圧を最高血圧とし、急激に小さくなったときのカフ圧を最低血圧とする。このような電子血圧計において、カフの減圧に流量コントロール弁が用いられている。
図７はオシロメトリック法を用いた血圧計に用いられる流量コントロール弁の一般的な構成をしめす断面図である。図７の流量コントロール弁は、カフやポンプを接続する空気導入部７０１と弾性部材７０２を介して流体排出口７０３を開閉する駆動軸７０４と、これを電磁力で駆動する磁気回路を形成するコイル７０５、磁石７０６、ヨーク７０７等で構成されている。また駆動軸７０４はリリースバネ７０８により常に流体排出口７０３を開放状態にする方向に付勢されている。

上述のような血圧計の血圧測定を行う際の流量コントロール弁の動作の一例を以下に説明する。まず、コイル７０５に所定の電圧を印加して、磁石７０６、ヨーク７０７による磁気回路によりコイル７０５に推力を発生させ、駆動軸７０４を弾性部材７０２が流体排出口７０３に圧接する方向に移動させ、空気導入部７０１を閉じた状態にする。この時コイル７０５はリリースバネ７０８に負荷を受けているが、十分に磁気回路の推力が勝っている状態である。次にこの状態でポンプによりカフに空気を注入するが、前述の通り、カフは流量コントロール弁に接続されており、かつ閉じた状態であるので、カフが膨らみ腕又は手首を圧迫する。プログラムによって決められた圧力までカフの圧迫が到達するとここから減圧工程に移行するが、このときコイル７０５への印加電圧を徐々に減少させることにより、推力を弱めていくとリリースバネ７０８の力と空気導入部７０１からの空気の圧力により弾性部材７０２が圧接されていた流体排出口７０３から離れる方向に動き出す。カフの減圧工程はこのようにして流量コントロール弁のコイル７０５に印加される電圧をコントロールすることで、徐々にカフ内の空気を抜いてゆき、この工程内で血圧値の計測が行われる。通常、最高血圧値、最低血圧値の順に決定され、最低血圧値が算出された時点で血圧計測が終了すると、それ以降はカフの減圧をコントロールする必要がなくなり、また、使い勝手の観点からもカフの空気を素早く抜くことが望ましい。このとき流量コントロール弁はコイル７０５に印加される電圧をカットして磁気回路の推力を無くし、リリースバネ７０８と空気導入部７０１からの空気の圧力をもって弾性部材７０２と流体排出口７０３の間隔が最大になる位置関係まで駆動軸７０４を移動させる。

上記の説明から、流量コントロール弁の役割で重要なのはカフを加圧する際に空気漏れが発生しないようにする完全遮蔽能力と、カフの減圧工程における微少流量コントロール能力と、血圧測定終了時にカフ内の空気を素早く抜く開放能力である。特に微少流量コントロール能力は、血圧値決定に大きく寄与するものであり、従来よりこの能力の分解能を上げる方向で様々な方法が提案されてきている。特許文献１によれば、上記説明の弾性部
材に相当するオリフィスパッキンの流体排出口と圧接される端面を傾ける方法、特許文献２によれば、上記説明の弾性部材に相当するオリフィスパッキンの流体排出口と圧接される端面を曲面形状に形成する方法、特許文献３によれば、上記説明の弾性部材に相当する弁体の流体排出口と圧接される端面に微細な突起を並べて形成する方法、その他、流体排出口側の圧接される端面を傾けたり、圧接される端面に突起を設ける方法等がある。

特開平6−47007号公報（２頁） 特開2002-156051号公報（２頁） 特開2005-155898号公報（２頁）

従来の方法はいずれも弾性部材と流体排出口の接触領域付近の駆動軸のストロークに対する気体流量の分解能を拡大する狙いで提案されたものである。しかし、前述の従来技術では以下に示す問題を有している。オリフィスパッキンを流体排出口に対して傾ける方法は、図６に示すように駆動軸の軸ぶれが発生すると、オリフィスパッキンと流体排出口の間隔が変化してしまい、流量コントロールの繰り返し特性が変化してしまう。これはオリフィスパッキンの流体排出口との圧接される端面を曲面形状に形成する方法でも同様に接触開始位置がずれてしまうことで繰り返し特性が変化する。これらは駆動軸の軸受けにクリアランスが必要な限り逃れられない問題である。弁体の圧接される端面に微細な突起を並べて形成する方法は弁体の成型上の性質から特に微細な突起の寸法の生産時のバラツキを抑えることが難しい。このバラツキはそのまま流量コントロール特性のバラツキとなって現れてしまう。これらの弾性部材は以上の説明から駆動軸に対して芯合わせを必要とするため、キャップ形状に成型して駆動軸にかぶせる方法を採る場合が多く、弾性部材と駆動軸の間に空気が残り、これが流量コントロールの繰り返し特性に悪影響を与えることも考えられる。流体排出口側の圧接される端面を傾けたり、突起を設ける方法は流体排出口を製作する上で金型製作後の微調整が難しいという問題がある。また、微細な突起を設ける為の金型作製期間や、流体排出口の微調整のための金型修正期間が長くかかってしまうという問題もある。

そこで、本発明では上述した従来技術による問題点を解消するため、駆動軸の軸ぶれに影響されず、生産時の寸法バラツキが発生しにくく、金型製作後の微調整を容易にし、構成部品の制作期間や微調整の為の金型修正期間が短期間で済む簡単な構造を特別な装置の付加や構成の大きな変更をせずに実現することが可能な技術を提供する事を目的とする。

これらの課題を解決するために本発明の流量コントロール弁には、下記に記載の手段を採用する。すなわち本発明の流量コントロール弁は、圧縮性流体を排出させる流体排出口と、この流体排出口を任意に開閉する弾性部材とを備える流量コントロール弁であって、流体排出口及び弾性部材の圧接される端面を弾性部材の動作方向に対して垂直とし、微細排気を行う場合に流体排出口よりも先に弾性部材に接触するように形成された突起を有することを特徴としている。

また、本発明の流量コントロール弁は弾性部材が一定の厚さのシート材から型抜きされたものであることが好ましい。

また、本発明の流量コントロール弁は少なくとも空気導入部と流体排出口とが一体に成型されたトップケースと突起とが別体であることが好ましい。
（作用）
本発明による流量コントロール弁の圧縮性流体を排出させる流体排出口と、この流体排
出口を任意の開度で開閉する弾性部材の各当接面は平面形状とし、弾性部材の開閉動作方向軸に対し垂直という関係にある。また、流体排出口および弾性部材の圧接される端面は平面であり、凸凹を有さない。以上の構成だけでは弾性部材は流体排出口を閉塞するか否かの動作しかできないので、排気流量を連続的かつ徐々に制御しようとすれば、弾性部材の移動距離制御の精度を極めて高いものにしなければならないが、流体排出口の近傍に流体排出口よりも先に弾性部材に接触するように形成された突起を設けることで、弾性部材は流体排出口に当接しているとき、常に突起によってたわめられた状態となる。弾性部材が完全に流体排出口に当接して閉じている状態から、離れる方向に少し動いたとき、弾性部材はまだ突起により、その表面がたわめられて曲面状態になっているので流体排出口を一気に開放することはなく、流体排出口を段階的に開放することになる。このように、弾性部材と流体排出口の圧接状態が突起によって段階的に変化する為、圧縮気体を流体排出口から排出させる場合には排出流量を微細かつ連続的に制御することが可能である。

以上の説明のように、本発明の流量コントロール弁においては、下記に記載する効果を有する。

血圧計に用いられるような流量コントロール弁において、弾性部材の圧接される端面が流体排出口の圧接される端面に対して角度を有していたり、曲面状に形成されている場合、弾性部材の駆動軸の軸受け部等に生じる軸ずれによって繰り返し動作時の圧接される端面の間隔が変化したり、当たり始めの箇所が変わってしまうことで気体を流出させる開口部面積が変化してしまう。前述のように各圧接される端面を平面形状とし、弾性部材の開閉動作方向軸に対し垂直という関係にあり、互いに平行であれば、弾性部材の駆動軸の軸ずれが発生しても、流体排出口と弾性部材の圧接される端面の当たり方は、繰り返しても変わらず、軸ずれによる影響を受けない。また、弾性部材の圧接される端面には凸凹を有さない。これは凸凹を設けた場合よりも制御の再現性で有利である。何故なら凸凹を設けた場合も前述したように動作方向軸の軸ずれが発生すると、凸の当たり方が変わり、気体を流出させる開口部面積が変化してしまうことになるが、圧接される端面に凸凹を有さなければ軸ずれは問題にならないからであるし。さらに言えば、凸凹を付加するということは、その分、金型製造期間がかかることになり、生産性を考え多数個取をしたときの寸法精度の管理も難しくなるうえ、寸法のバラツキが個々の流量コントロール弁の流量コントロール特性のバラツキに反映される。流体排出口側の圧接される端面を傾けたり、突起を設ける場合は流体排出口を製作する上で金型製作後の微調整が難しいという問題があるが、流体排出口とは別に設けた突起の形状は円柱形のボス等の簡単な形状でも機能としては問題ないので、微調整のための金型修正は容易となる。

本発明の流量コントロール弁に用いられる弾性部材は、一定の厚さのシート材から型抜きで作製することにより、生産性を向上することが出来る。何故なら、弾性部材の表面に傾斜等、特殊な形状を与える場合は、大きなシートにまとめて成型してからビク型等で抜き取るとすれば、抜き取り時の位置精度が必要になる。しかし、本発明の弾性部材にはこのような特殊な形状を付加する必要がないので、抜き取り時に精密な位置決めをする必要がない。また、上記説明の弾性部材の駆動軸への取り付けにおいても精密な芯合わせは必要なく、必然的に両面テープや接着剤による貼り付け等、駆動軸との間に隙間が出来ない方法となり、キャップ状の弾性部材を駆動軸にかぶせる取り付け方法に対して、流量コントロールの繰り返し特性で有利となる。

本発明の流量コントロール弁に用いられる流体排出口とは別に設けた突起は流体排出口と一体にせずに、例えばネジ式の別部品とし、突出量を調整可能にすることで、金型作成後の微調整で発生する金型修正作業を無くすことが出来る。

以下、図面を用いて本発明を利用した流量コントロール弁の最適な実施形態を説明する。

図１は本発明の実施形態の一例として流量コントロール弁の概略断面図を図示したものである。この流量コントロール弁の全体的な構成は、ポンプやカフに接続する空気導入部１０１、流体排出口１０２、突起１０３はトップケース１０４の一部として一体で形成されている。その他、気体流路の開閉弁となる弾性部材１０５、駆動軸１０６とこれを電磁力によって駆動するコイル１０７、磁石１０８、ヨーク１０９、駆動電圧をカットされた際に開閉弁を開いた状態にするリリースバネ１１０などで構成されている。

ここで、本実施形態の特徴は、流体排出口１０２、突起１０３、弾性部材１０５の当接時の状態であり、図2にその動作状態を示す。血圧計の動作順序に沿って説明すると、まず流体排出口２０１を弾性部材２０２で閉じた図２（ａ）に示す完全遮蔽状態でポンプによりカフの加圧を開始する。このとき、突起２０３も弾性部材２０２に当接しているが、磁気回路により弾性部材２０２を強く流体排出口２０１側に押し付けているので、流体排出口２０１と弾性部材２０２の間に隙間は無い。ポンプによる加圧が終了して減圧工程に移行すると、磁気回路の電圧を少し落として電磁力を減少させ、弾性部材２０２が流体排出口２０１から離れる方向に動くが、完全に離れてしまわないように制御して、突起２０３により表面をたわめられた弾性部材２０２と流体排出口２０１の一部に隙間が出来る図２（ｂ）に示す微細流量コントロール状態を作り出す。この状態を細かくコントロールしてカフ内圧を徐々に減らしその間に最高血圧値と最低血圧値を決定する。最低血圧値を決定した後はカフ内の空気を一気に抜くために、磁気回路の印加電圧をカットして電磁力が発生しない状態にすると、リリースバネとカフから流れてくる空気圧によって、弾性部材２０２が流体排出口２０１から完全に離れた図２（ｃ）に示す弁開放状態となり、血圧測定を終了する。

図３は弾性部材を一定の厚さのシート材から製作する場合を説明する図である。均一厚さに成型したシート材３０１からビク型等で弾性部材３０２を多数、容易に作製できる。こうして作られた弾性部材の駆動軸への取り付けを図４（ａ）に示す。前述した弾性部材４０１の駆動軸４０２への取り付け方法は、両面テープ、接着剤等考えられるが、両面テープや接着剤の厚さによる寸法精度への影響までも排除したければ、インサート成型によって弾性部材４０１と駆動軸４０２を一体成型することも可能である。いずれの方法であっても、図４（ｂ）に示したキャップ状の弾性部材４０３を駆動軸４０４に被せる取り付け方法に対し、弾性部材と駆動軸との間に空気層の隙間を無くすことが可能である。

図５は突起をトップケースとは独立した別部品とした時の断面図である。トップケース５０１に雌ネジを設け、突起５０２の側面の一部に雄ネジを形成して突起５０２の流体排出口５０４の端面からの突出量Ｌを調節可能にするものである。突起５０２は微細排気を行う場合に流体排出口５０４より先に弾性部材５０３に接触して、弾性部材５０３を曲面状にたわませて、流体排出口５０４と弾性部材５０３との接触の際に隙間を作り出し、段階的な微細排気が可能にするものである。突出量Ｌは微細排気の特性に大きく影響する重要な寸法であるが、本構成を採用することによって、実際に流量コントロール弁を動作させながら突起５０２の突出量Ｌを希望する微細排気の特性が得られるように調整し、最適な突出量を探ることが出来る。流量コントロール弁を構成する各部品の寸法および組み立て精度が十分に良く保たれていれば、突出量Ｌを一定の値に管理してあらかじめトップケース５０１に組み込めば良いし、なんらかの原因で微細排気の特性が最適な状態からずれてしまった場合には、突出量Ｌの再調整も可能である。

図６は従来の流量コントロール弁の弾性部材６０２の駆動軸の軸ずれによる影響を示す
図である。図６（ａ）は弾性部材の流体排出口６０１との当接面を傾けた場合の図であり、軸ずれによって流体排出口６０１との間隔がｈ1からｈ2に変化することを示している。図６（ｂ）は弾性部材６０２の流体排出口６０１との当接面を曲面にした場合の図であり、軸ずれによって流体排出口６０１との開口具合が未接触寸法ｐ1からｐ2に変化することを示している。図６（ｃ）は弾性部材６０２の流体排出口６０１との当接面に凸凹を設けた場合の図であり、軸ずれにより流体排出口６０１と弾性部材６０２の接触具合が変化し、未接触部が発生した場合を示している。本発明のように、流体排出口と、弾性部材の各当接面は平面形状とし、弾性部材の開閉動作方向軸に対し垂直という関係にあることと、流体排出口および弾性部材の圧接される端面は平面であり、凸凹を有さない構成であれば上述の軸ずれによる影響は受けない。

本発明の流量コントロール弁の実施形態における構成を示す概略断面図である。 本発明の流量コントロール弁の実施形態における流体排出口周辺での動きを示す説明図である。 本発明の流量コントロール弁の弾性部材の製作方法の一例について示す斜視図である。 本発明の流量コントロール弁の弾性部材の駆動軸への取り付け状態を示した断面図である。 本発明の流量コントロール弁の突起の突出量を調節可能にした場合を示した断面図である。 従来の流量コントロール弁の弾性部材の軸ずれによる影響を示した断面図である。 流量コントロール弁の一般的な構成を示す断面図である。

符号の説明

１０１ 空気導入部
１０２ 流体排出口
１０３ 突起
１０４ トップケース
１０５ 弾性部材
１０６ 駆動軸
１０７ コイル
１０８ 磁石
１０９ ヨーク
１１０ リリースバネ
２０１ 流体排出口
２０２ 弾性部材
２０３ 突起
３０１ シート材
３０２ 弾性部材
４０１ 弾性部材
４０２ 駆動軸
５０１ トップケース
５０２ 突起
５０３ 弾性部材
６０１ 流体排出口
６０２ 弾性部材
７０１ 空気導入部
７０２ 弾性部材
７０３ 流体排出口
７０４ 駆動軸
７０５ コイル
７０６ 磁石
７０７ ヨーク
７０８ リリースバネ

Claims (3)

1. 圧縮性流体を排出させる流体排出口と、該流体排出口を開閉する弾性部材とを備える流量コントロール弁であって、前記流体排出口および前記弾性部材の圧接される端面を前記弾性部材の動作方向に対して垂直とし、微細排気を行う場合に前記流体排出口より先に前記弾性部材に接触するように形成された突起を有する流量コントロール弁。
2. 前記弾性部材が一定の厚さのシート材から型抜きされたものであることを特徴とする請求項1に記載の流量コントロール弁。
3. 少なくとも空気導入部と前記流体排出口とが一体に成型されたトップケースと前記突起とが別体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流量コントロール弁。

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