JP2019190594A

JP2019190594A - ポペット式流量制御弁

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Publication number: JP2019190594A
Application number: JP2018085463A
Authority: JP
Inventors: 英泰村岡; Hideyasu Muraoka; 英紀田中; Hidenori Tanaka; 博明清水; Hiroaki Shimizu
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: CN111971500A; JP7189676B2; US11415240B2; GB2587524A; US20210239231A1; CN111971500B; GB2587524B; WO2019208385A1; GB202016948D0; GB202213661D0

Abstract

【課題】弁体の位置決めをより高精度に行うことができるポペット式流量制御弁を提供する。【解決手段】ポペット式流量制御弁は、入口流路、出口流路、入口流路と出口流路の間に設けられた弁室、および、弁室に設けられた弁座を有する弁ハウジングと、弁ハウジング内に収容され、弁座に対し進退する弁体と、弁体が進退する進退方向に弁体と一体的に移動するピストンと、弁体が進退する進退方向に移動可能な移動部材であって、進退方向のうち少なくとも退行方向に移動する際に、弁体と一体的に退行方向に移動する移動部材と、電動モータと、電動モータの出力軸の回転角度を検出する位置検出器と、電動モータの出力軸の回転量をピストンの進退方向の直動変位量に変換する直動変換機構と、位置検出器により検出された出力軸の回転角度が、弁座と弁体の間の所定の目標間隔に対応した回転角度となるよう電動モータをフィードバック制御するコントローラと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ポペット式の流量制御弁に関する。

従来から、弁体が弁座に対し進退することにより当該弁体と弁座の間を通過する流体の流量を制御する、いわゆるポペット式の流量制御弁が種々開発されている。

例えば特許文献１には、弁体に対し弁座とは反対側に設けられた制御チャンバの圧力を制御することにより、第１及び第２ポート間の流量を選択的に制御するパイロット動作型のポペット式流量制御弁が開示されている。このポペット式流量制御弁は、制御チャンバと第２ポートを連通するパイロット通路と、パイロット通路を開閉するように動作するパイロットバルブ素子を有する。パイロットバルブ素子がソレノイドアクチュエータにより動作すると、パイロット通路の開口部が調整される。パイロット通路の開口部が所定の大きさに達すると、弁体は弁座から離間する。

特開２００７−２３９９９６号公報

上述のポペット式流量制御弁では、弁体と弁座の間を通過する流体の流量制御を行うために、パイロット通路を通過する流体の流量制御、すなわち、小流量域の流量制御を行って、制御チャンバの圧力を制御する。しかしながら、小流量域の流量制御は、僅かな流量変動により制御チャンバ内の圧力が変動しやすく、精度の良い制御が難しい。弁体の高精度な位置決めを行うために、制御チャンバの圧力制御に代わる別の方法を採用したポペット式流量制御弁が望まれる。

そこで、本発明は、弁体の位置決めをより高精度に行うことができるポペット式流量制御弁を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るポペット式流量制御弁は、入口流路、出口流路、前記入口流路と前記出口流路の間に設けられた弁室、および、前記弁室に設けられた弁座を有する弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に収容され、前記弁座に対し進退する弁体と、前記弁体が進退する進退方向に前記弁体と一体的に移動する移動部材と、電動モータと、前記電動モータの出力軸の回転角度を検出する位置検出器と、前記電動モータの出力軸の回転量を前記移動部材の前記進退方向の直動変位量に変換する直動変換機構と、前記位置検出器により検出された前記出力軸の回転角度が、前記弁座と前記弁体の間の所定の目標間隔に対応した回転角度となるよう前記電動モータをフィードバック制御するコントローラと、を備える。

上記の構成によれば、電動モータのフィードバック制御によって弁体の位置決めを行うため、弁座に対する弁体の位置決めを高精度に行うことができる。

また、上記のポペット式流量制御弁は、前記弁ハウジング内における前記弁体の前記退行方向側に形成され、前記弁体によって前記弁室と隔てられた背圧室と、前記入口流路と前記背圧室とを連通して、前記入口流路と前記背圧室の流体圧を等しくする連通路を備えてもよい。この構成によれば、弁体に対して退行方向に作用する力に抗した力を、入口流路内の流体圧と等しい背圧室内の流体圧により進行方向に作用させることができる。このため、弁体に対して進行方向に作用させるのに必要な電動モータの推力を低減することができる。

また、上記のポペット式流量制御弁において、前記弁座は、前記弁室に対する前記入口流路の開口の周囲に設けられており、前記弁ハウジングおよび前記弁体は、前記背圧室側の前記弁体の受圧面積が、前記入口流路側の前記弁体の受圧面積より大きくなるように形成されていてもよい。この構成によれば、背圧室内の流体圧により進行方向に弁体に作用する力を、入口流路内の流体圧により退行方向に弁体に作用する力より大きくすることができる。これにより、弁座が弁室に対する入口流路の開口の周囲に設けられている場合であっても、弁体を背圧室内の流体圧により進行方向に作用させることができる。また、弁体が弁座に当接している閉弁状態を維持する場合に、電動モータの推力が不要となるため、消費電力をほぼゼロとすることができる。

また、上記のポペット式流量制御弁において、前記連通路は、前記弁体に形成されていてもよい。この構成によれば、弁ハウジングの構成を簡略化して、ポペット式流量制御弁全体の大型化を防止することができる。

また、上記のポペット式流量制御弁は、前記弁体に対し前記進行方向に付勢力を付与する付勢部材を備え、前記弁体は、前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧を下回って、前記弁体に対し前記退行方向に作用する力が前記弁体に対し前記進行方向に作用する力を超えた場合、前記移動部材に対し前記弁体が前記退行方向に相対移動してもよい。

例えばショベルのブームなど自重のかかる要素を駆動する油圧シリンダの制御に流量制御弁を用いる場合、油圧シリンダへの供給流量が不足するとその流量制御弁の入口圧と出口圧の高低が逆転して、入口圧が出口圧より低圧になることがある。上記の構成によれば、油圧シリンダへの供給流量が不足する時に入口圧が出口圧より低圧になることにより、弁体に対し退行方向に作用する力が弁体に対し進行方向に作用する力を超えた場合に、弁体が退行方向に移動して弁座から離間し、出口流路の流体を入口流路に補給することができる。

前記移動部材に対し前記弁体が前記退行方向に相対移動する上記のポペット式流量制御弁において、前記移動部材は、前記弁体と係合するための係合部を有し、前記弁体は、前記係合部に前記進行方向側から当接される当接部を有し、前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧より高い場合、前記係合部が前記当接部に当接した状態が維持され、前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧を下回って、前記弁体に対し前記退行方向に作用する力が前記弁体に対し前記進行方向に作用する力を超えた場合、前記当接部が前記係合部から離間して、前記移動部材に対し前記弁体が前記退行方向に相対移動してもよい。

本発明によれば、弁体の位置決めをより高精度に行うことができるポペット式流量制御弁を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を示す図である。図１に示す弁ハウジングおよび弁体の拡大図であり、（Ａ）は閉弁状態を示す図であり、（Ｂ）は開弁状態を示す図である。図１に示すポペット式流量制御弁のアンチキャビテーション機能について説明するための図である。本発明の第２実施形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を示す図である。本発明の第４実施形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を示す図である。本発明の第５実施形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態に係るポペット式流量制御弁の概略構成を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るポペット式流量制御弁（以下、「流量制御弁」）１の概略構成を示す図である。流量制御弁１Ａは、弁ハウジング１０と、ポペット式の弁体２０と、弁体駆動装置３０とを備えている。

弁ハウジング１０は、入口ポートの流路である入口流路１１、出口ポートの流路である出口流路１２、および入口流路１１と出口流路１２の間に介在する弁室１３を有する。弁室１３には、弁座Ｓが設けられており、弁ハウジング１０内には、当該弁座Ｓに対し進退する略円柱状の弁体２０が収容されている。弁体２０は、弁座Ｓに対し直交する方向に進退する。入口流路１１は、弁体２０が弁座Ｓに向かう方向に弁室１３から延びており、出口流路１２は、弁体２０が弁座Ｓに向かう方向に対して直交する方向に弁室１３から延びている。弁座Ｓは、弁室１３に対する入口流路１１の開口の周囲に設けられている。本実施形態では、弁ハウジング１０内に、弁体２０の進退方向Ｄに摺動可能に当該弁体２０を支持する円筒状の摺動面１４が形成されている。

以下の説明では、弁体２０の進退方向Ｄのうち、弁体２０が弁座Ｓに向かう方向を「進行方向Ｄ１」といい、進行方向Ｄ１と相対する方向を「退行方向Ｄ２」ということとする。

流量制御弁１Ａでは、定常時の弁体２０は、図１に示すように弁座Ｓに着座（当接）した閉弁状態にある。本実施形態では、弁体２０の進行方向Ｄ１側の端部が、進行方向Ｄ１にいくにつれ縮径するテーパ状に形成されている。この弁体２０のテーパ面２０ａが弁座Ｓに当接することにより、弁室１３に対し入口流路１１が閉塞され、その結果、入口流路１１から出口流路１２への流体の流れが禁止される。

また、弁ハウジング１０内における弁体２０の退行方向Ｄ２側には、弁体２０によって弁室１３と隔てられた背圧室１５が形成されている。すなわち、弁体２０は、弁室１３と背圧室１５の間にある。背圧室１５の内部には、入口流路１１から流体が導かれる。より詳しくは、弁体２０には、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合に入口流路１１と背圧室１５とを連通する連通路２１が形成されている。

連通路２１は、入口流路１１と背圧室１５とを連通し、入口流路１１から背圧室１５に流体を供給する。これにより、連通路２１は、入口流路１１と背圧室１５の流体圧を等しくする。

本実施形態では、弁ハウジング１０および弁体２０が、背圧室１５側の弁体２０の受圧面積Ｓ１が、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合の入口流路１１側の弁体２０の受圧面積Ｓ２より大きくなるように形成されている。

より詳しくは、弁ハウジング１０および弁体２０は、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合に、背圧室１５内の流体圧を受けて進行方向Ｄ１に作用する荷重が付与される弁体２０の受圧面積Ｓ１が、入口流路１１内の流体圧を受けて退行方向Ｄ２に作用する荷重を付与される弁体２０の受圧面積Ｓ２より大きくなるように形成されている。言い換えれば、弁体２０の進退方向Ｄに垂直に切断した背圧室１５の断面積から後述の軸部４２の断面積を減算した値は、弁体２０の進退方向Ｄに垂直に切断した入口流路１１の断面積に比べて大きい。このため、弁体２０が弁座Ｓに当接したときに、背圧室１５内の流体圧によって進行方向Ｄ１に弁体２０に作用する力を、入口流路１１内の流体圧により退行方向Ｄ２に弁体２０に作用する力より大きくしている。

なお、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合だけでなく、弁体２０が弁座Ｓから離間する距離が微小な場合にも、流体圧によって進行方向Ｄ１に弁体２０に作用する力が、流体圧により退行方向Ｄ２に弁体２０に作用する力より大きくなる。これは、弁体２０が弁座Ｓから離間する距離が微小な場合には、入口流路１１と出口流路１２の間に圧力差があり、結果として、弁体２０における退行方向Ｄ２側の受圧面積Ｓ２に比べて、弁体２０における進行方向Ｄ１側に作用する受圧面積Ｓ１が大きくなるためである。

また、背圧室１５内には、弁体２０に対し進行方向Ｄ１に付勢力を付与する付勢部材１６が設けられている。付勢部材１６は、例えば圧縮コイルばねである。

弁体駆動装置３０は、弁座Ｓに当接した状態にある弁体２０を退行方向Ｄ２に駆動させて、弁体２０の位置を制御する。弁座Ｓに当接した状態にある弁体２０が、退行方向Ｄ２に移動して弁座Ｓから離間すると、弁体２０と弁座Ｓの間隔に応じた流量で、入口流路１１から弁室１３を介して出口流路１２へ流体が流れる。

弁体駆動装置３０は、電動モータ３１と、電動モータ３１の出力軸３２の回転角度を検出する位置検出器３３と、位置検出器３３から出力された検出値に基づき電動モータ３１をサーボ制御するコントローラ３４とを備える。つまり、電動モータ３１は、サーボモータである。位置検出器３３は、例えばレゾルバである。ただし、位置検出器３３は、レゾルバに限定されず、例えばエンコーダあるいはホール素子などでもよい。

さらに、弁体駆動装置３０は、進退方向Ｄに弁体２０と一体的に移動するピストン（本発明の「移動部材」に相当）４０と、電動モータ３１の出力軸３２の回転量をピストン４０の進退方向Ｄの直動変位量に変換する直動変換機構５０を備えている。

ピストン４０は、全体として進退方向Ｄと平行に延びる円柱形状を呈し、退行方向Ｄ２側に設けられた筒部４１と、進行方向Ｄ１側に設けられた軸部４２とが一体的に形成されている。

ピストン４０の筒部４１は、退行方向Ｄ２側に開口した大略有底筒状に形成されている。筒部４１は、弁ハウジング１０と結合された略円筒状のシリンダ４３に内挿されている。具体的に、シリンダ４３は、背圧室１５の退行方向Ｄ２側を閉塞する壁部１０ａに結合されている。なお、シリンダ４３の内周面とピストン４０の外周面とは当接していなくてもよく、シリンダ４３の内周面とピストン４０の外周面の間に隙間が設けられていてもよい。

シリンダ４３の退行方向Ｄ２側の端部は、電動モータ３１のフランジと結合されている。電動モータ３１の出力軸３２は、進退方向Ｄに延伸し、ピストン４０の筒部４１に内挿されている。出力軸３２は、外周面に雄ネジ５１が形成されたネジ軸となっている。また、ピストン４０の筒部４１の内周壁にはナット５２が固定されている。ナット５２の内壁に形成された雌ネジ５３には、出力軸３２の雄ネジ５１が螺入されている。

また、直動変換機構５０は、シリンダ４３に対してピストン４０の軸まわりの回転を防止する図略の回転防止機構を備える。具体的には、筒部４１の外周面には、径方向に突設した突起部が形成されており、また、シリンダ４３の内周面には、進退方向Ｄと平行な溝部が形成されている（いずれも図示略）。回転防止機構は、これら突起部および溝部により構成されており、筒部４１の外周面の突起部が、シリンダ４３の内周面の溝部に嵌り込むことで、シリンダ４３に対するピストン４０の出力軸３２まわりの回転が防止される。ただし、回転防止機構は、このような構成に限られず、例えば、筒部４１の外周面に、溝部が形成され、シリンダ４３の内周面に、当該溝部に嵌まる突起部が形成されてもよい。

このように、ピストン４０のシリンダ４３に対する回転が防止されているため、電動モータ３１の出力軸３２が回動すると、雌ネジ５３に対する雄ネジ５１の相対的回動により、ナット５２およびピストン４０が一体的に出力軸３２に沿って直動する。つまり、直動変換機構５０は、出力軸３２の雄ネジ５１とナット５２とを有するボールねじ機構である。ただし、本発明に適用され得る直動変換機構はこれに限定されない。直動変換機構は、例えば、台形ネジ、滑りネジ、または、ラックアンドピニオンなどであってもよい。

ピストン４０の軸部４２は、筒部４１から進行方向Ｄ１に延び、弁ハウジング１０の壁部１０ａに形成された孔１０ｂを挿通している。軸部４２は、進行方向Ｄ１の端部で弁体２０と係合している。以下、本実施形態におけるピストン４０の軸部４２と弁体２０の係合態様について、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して説明する。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１に示す弁体２０および弁ハウジング１０の拡大図である。図２（Ａ）は、図１と同様に、流量制御弁１Ａにおける閉弁状態を示す。図２（Ｂ）は、流量制御弁１Ａにおける弁体２０が弁座Ｓから離間した開弁状態を示す。

ピストン４０の軸部４２の進行方向Ｄ１における先端部には、ピストン４０が弁体２０と係合するための係合部４２ａが設けられている。本実施形態では、係合部４２ａは、軸部４２から径方向外方に突き出ており、軸部４２の径より拡径した略円柱状を呈している。弁体２０には、係合部４２ａを収容する収容室２２が形成されている。収容室２２は、弁体２０に形成された進退方向Ｄに延びる貫通孔２３により背圧室１５とつながっており、この貫通孔２３を軸部４２が挿通している。この貫通孔２３の径は係合部４２ａより径が小さいため、係合部４２ａは、収容室２２から脱出不能となっている。

本実施形態では、弁体２０は、ピストン４０に対し進退方向Ｄに所定の範囲内で相対移動可能である。具体的には、収容室２２における退行方向Ｄ２側の壁部２２ａと進行方向Ｄ１側の壁部２２ｂの間の間隔は、略円柱状である係合部４２ａの進退方向Ｄの長さより長く、収容室２２は、当該収容室２２における壁部２２ａと壁部２２ｂの間で係合部４２ａが進退方向Ｄに摺動可能に形成されている。

本実施形態では、弁体２０は、少なくとも付勢部材１６の付勢力により進行方向Ｄ１に押圧されているため、収容室２２の壁部２２ａが、係合部４２ａに押し付けられており、係合部４２ａと収容室２２の壁部２２ｂとの間には、隙間ｇが形成されている。収容室２２の壁部２２ａは、係合部４２ａに進行方向Ｄ１側から（言い換えれば、退行方向Ｄ２側に）当接される本発明の当接部に相当する。

このように、基本的に、付勢部材１６によって、収容室２２の壁部２２ａが係合部４２ａに当接された状態にあるため、弁体２０とピストン４０とは、進退方向Ｄに一体的に移動する。なお、後述するように、所定の条件が満たされた場合には、弁体２０がピストン４０に対して退行方向Ｄ２に相対移動する。

なお、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、上述した連通路２１は、弁体２０における進行方向Ｄ１側の端面２０ｂから退行方向Ｄ２に延びて収容室２２につながっている。具体的には、連通路２１は、第１流路２１ａと、第２流路２１ｂとを有する。第１流路２１ａは、弁体２０の端面２０ｂから収容室２２の壁部２２ｂへと延びる。第２流路２１ｂは、第１流路２１ａの退行方向Ｄ２側の端部から、弁体２０の退行方向Ｄ２側の端面２０ｃへと延びる。第２流路２１ｂは、収容室２２を取り囲む壁部および貫通孔２３の内周面に形成された溝である。

次に、流量制御弁１Ａにおける弁体２０の位置制御について説明する。本実施形態では、コントローラ３４は、位置検出器３３により検出された出力軸３２の回転角度が、弁座Ｓと弁体２０の間の所定の目標間隔（すなわち、所定の目標流量）に対応した回転角度となるよう電動モータ３１をフィードバック制御する。

より詳しくは、本実施形態では、直動変換機構５０が、出力軸３２の回転量をピストン４０の進退方向Ｄの直動変位量に変換するため、ピストン４０の位置は、出力軸３２の回転角度に対応した位置となる。また、上述したように、弁体２０とピストン４０とは進退方向Ｄに一体的に移動する。このため、弁体２０は、出力軸３２の回転量に応じた直動変位量だけ進退方向Ｄに移動する。

従って、本実施形態では、弁体２０の位置決めを、コントローラ３４による電動モータ３１の出力軸３２の回転角度のフィードバック制御により行うことが可能である。コントローラ３４は、ピストン４０に規定された或る点（例えばピストン４０の進行方向Ｄ１先端）を基準点とし、その基準点の位置が所定の目標流量に対応した目標位置へ至るように、電動モータ３１をフィードバック制御する。

本実施形態では、流量制御弁１Ａを閉弁状態にする場合、図２（Ａ）に示すように、コントローラ３４は、ピストン４０の位置を、弁体２０が弁座Ｓに当接し、且つ、壁部２２ａが係合部４２ａに当接した状態となる位置に制御する。

また、図２（Ｂ）に示すように、流量制御弁１Ａを開弁して出口流路１２から流出する流量を所定の流量に制御する場合、コントローラ３４は、弁座Ｓと弁体２０の間の所定の目標間隔（すなわち、所定の目標流量）に対応した位置にピストン４０が至るよう、電動モータ３１をフィードバック制御する。

さらに、本実施形態の流量制御弁１Ａは、図２（Ａ）に示す閉弁状態において、入口流路１１の流体圧が出口流路１２の流体圧より低くなった場合に、弁体２０を弁座Ｓから離間させて、出口流路１２から入口流路１１の作動液を補給して、入口流路１１の流体圧が負圧になることを防止するアンチキャビテーション機能を備えている。

図２（Ａ）および図３を参照して、流量制御弁１Ａのアンチキャビテーション機能について説明する。

図２（Ａ）に示す閉弁状態では、弁体２０が、弁体２０に流体圧により進行方向Ｄ１側に作用する力と退行方向Ｄ２側に作用する力の差分により作用する力と、付勢部材１６の付勢力とによって、弁座Ｓに対し押圧された状態にある。定常時では、入口流路１１内の流体圧が出口流路１２内の流体圧より高く、この場合、係合部４２ａが壁部２２ａに当接した状態が維持される。

ところが、例えばショベルのブーム下げなど自重のかかる要素を駆動する油圧シリンダの制御に流量制御弁１Ａを用いる場合、油圧シリンダへの供給流量が不足すると、流量制御弁１Ａの入口圧と出口圧の高低が逆転して、入口圧が出口圧より低圧になることがある。この場合、弁体２０に作用する力のうち、弁体２０のテーパ面２０ａが出口流路１２の流体圧を受けて弁体２０に退行方向Ｄ２側に作用する力が、相対的に大きくなる。

こうして、入口流路１１内の流体圧が出口流路１２内の流体圧を下回って、弁体２０に対し退行方向Ｄ２に作用する力が弁体２０に対し進行方向Ｄ１に作用する力を超えた場合、図３に示すように、壁部２２ａが係合部４２ａから離間して、ピストン４０に対し弁体２０が退行方向Ｄ２に相対移動する。こうして、出口流路１２の流体を入口流路１１に補給することができる。

なお、本実施形態では、弁体２０のテーパ面２０ａが出口流路１２の流体圧を受けて弁体２０に退行方向Ｄ２側に力が作用したが、弁体２０はテーパ面２０ａを有するものに限定されない。すなわち、弁体２０は、出口流路１２の流体圧を受けて、総合して弁体２０に退行方向Ｄ２側に力が作用するように構成されていればよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る流量制御弁１Ａによれば、電動モータ３１のフィードバック制御によって弁体２０の位置決めを行うため、弁座Ｓに対する弁体２０の位置決めを高精度に行うことができる。特に、本実施形態に係る流量制御弁１Ａでは、弁体Ｓの位置決めをフローフォースの影響を受け易い高圧且つ大流量の条件においても、より高精度且つ高応答に行うことができる。例えば、建設機械（主に油圧ショベル）のメインコントロールバルブのような高圧且つ大流量の用途においても、高精度に流量を制御することができる。

ところで、電動モータで弁体を位置決めする方法としては、ステッピングモータを用いて入力パルス数により弁体を位置決めする方法が考えられる。しかしながら、ステッピングモータは、ステータおよびロータの機械的精度やステータ巻線の抵抗のばらつきなどに起因した静止角度誤差を有するため、本実施形態のような弁体の高精度な位置決めを行うことが困難である。さらに、本実施形態では、サーボモータである電動モータ３１の回転制御に使用される位置検出器３３が、弁体２０の位置決めにも兼用される。このため、弁体２０の位置決めをシンプルな構成で実現することができる。

また、本実施形態では、連通路２１により入口流路１１と背圧室１５の流体圧を等しくするため、弁体２０に対して、入口流路１１内の流体圧により退行方向Ｄ２に作用する力に抗した力を、入口流路１１内の流体圧と等しい背圧室１５内の流体圧により進行方向に作用させることができる。このため、弁体２０に対して進行方向Ｄ１に作用させるために必要な電動モータ３１の推力、例えば弁体２０を弁座Ｓに当接させるために必要な電動モータ３１の推力を低減することができる。

また、弁ハウジング１０および弁体２０は、背圧室１５側の弁体２０の受圧面積Ｓ１が、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合の入口流路１１側の弁体２０の受圧面積Ｓ２より大きくなるように形成されている。このため、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合において、背圧室１５内の流体圧により進行方向Ｄ１に弁体２０に作用する力を、入口流路１１内の流体圧により退行方向Ｄ２に弁体２０に作用する力より大きくすることができる。これにより、弁座Ｓが弁室１３に対する入口流路１１の開口の周囲に設けられている場合であっても、弁体２０を背圧室１５内の流体圧により進行方向Ｄ１に作用させることができる。従って、電動モータ３１を駆動することなく、背圧室１５内の流体圧によって閉弁状態を維持することができ、その結果、閉弁状態の維持に電動モータ３１の推力が不要となるため、消費電力を低減することができる。また、流量制御弁１Ａは、背圧室側の弁体の受圧面積が、弁体が弁座に当接している場合の入口流路側の弁体の受圧面積と等しい流量制御弁に比べ、付勢部材１６の付勢力を小さくすることもできる。

また、本実施形態では、連通路２１は、弁体２０に形成されているため、弁ハウジング１０の構成を簡略化して、流量制御弁１Ａ全体の大型化を防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る流量制御弁１Ｂについて、図４を参照して説明する。なお、本実施形態および後述する実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、以降の図４〜図７において、コントローラ３４の図示は省略する。

本実施形態の流量制御弁１Ｂでは、係合部４２ａの進退方向Ｄにおける両側には軸部４２との隙間は形成されておらず、弁体２０とピストン４０とは、互いに相対移動不能となっており、常に一体的に移動する。

また、本実施形態では、連通路２１の一部が、ピストン４０の軸部４２にも形成されている。具体的には、本実施形態では、連通路２１が、弁体２０に形成された弁体側流路２１ｃと、軸部４２に形成された、当該弁体側流路２１ｃにつながる軸部側流路２１ｄとを有する。弁体側流路２１ｃは、弁体２０の端面２０ｂから軸部４２の進行方向Ｄ１側端部へと延びている。軸部側流路２１ｄは、軸部４２の進行方向Ｄ１側端部から軸部４２内を退行方向Ｄ２へ延び、途中で背圧室１５に面する軸部４２の外周面へ径方向に延びる。

本実施形態でも、第１実施形態と同様、電動モータ３１のフィードバック制御によって弁体２０の位置決めを行うため、弁座Ｓに対する弁体２０の位置決めを高精度に行うことができる。

なお、本実施形態では、入口流路１１と背圧室１５を連通する連通路２１が軸部側流路２１ｄを有していたが、連通路２１はこれに限定されない。例えば、連通路２１は、弁体２０にのみ形成されていてもよい。具体的には、弁体２０の中心軸からずれた位置に連通路２１を設けることで、軸部４２に通路を設けずに入口流路１１と背圧室１５を連通してもよい。

なお、本実施形態では、弁体２０とピストン４０とは、互いに相対移動不能であったが、このような構成であっても、直動変換機構５０に進退の両方向に低抵抗の機構を用いることで、第１実施形態と同様の効果をもたらすアンチキャビテーション機能を備えることができる。すなわち、流量制御弁１Ｂの閉弁時にその流量制御弁１Ｂの入口圧と出口圧の高低が逆転して、入口圧が出口圧より低圧になり、退行方向Ｄ２側に作用する力が、相対的に大きくなった場合、弁体２０、ピストン４０が一体となって、退行方向Ｄ２に相対移動する。こうして、出口流路１２の流体を入口流路１１に補給することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る流量制御弁１Ｃについて、図５を参照して説明する。

本実施形態の流量制御弁１Ｃは、入口流路１１と背圧室１５とを連通する方法以外は第２実施形態と同じである。但し、本実施形態の流量制御弁１Ｃは、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合に入口流路１１と背圧室１５とを連通する連通路６１が、弁体２０ではなく弁ハウジング１０内に形成されている点で、第２実施形態と異なる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係る流量制御弁１Ｄについて、図６を参照して説明する。

本実施形態では、上記実施形態の流量制御弁１Ａ〜１Ｃとは、弁ハウジング１０における入口流路１１の位置および出口流路１２の位置が異なる。より詳しくは、入口流路１１は、弁体２０の進行方向Ｄ１に対して直交する方向に弁室１３から延びており、出口流路１２は、弁体２０の進行方向Ｄ１に弁室１３から延びている。そして、弁座Ｓが、弁室１３に対する入口流路１１の開口の周囲に設けられる代わりに、弁室１３に対する出口流路１２の開口の周囲に設けられている。このため、弁体２０が弁座Ｓに当接することにより、弁室１３に対し出口流路１２が閉塞される。

また、本実施形態では、上記実施形態の流量制御弁１Ａ〜１Ｃとは異なり、弁体２０が弁ハウジング１０内の摺動面１４に支持されておらず、弁体２０の径方向の外周面と弁ハウジング１０の内壁との間に隙間が設けられている。このため、本実施形態では、弁ハウジング１０内に弁室１３と隔てられた背圧室１５が存在せず、弁室１３は、弁体２０全体を収容するように形成されている。

＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態に係る流量制御弁１Ｅについて、図７を参照して説明する。

本実施形態では、弁ハウジング１０における入口流路１１の位置および出口流路１２の位置については、第４実施形態と同様である。

また、弁ハウジング１０には、背圧室１５と外部のタンク７１とを連通する連通路７２が形成されている。連通路７２により、出口流路１２と背圧室１５の流体圧は概ね等しくなっている。ただし、入口流路１２の流体圧が弁体２０（本実施形態では、テーパ面２０ａ）に退行方向Ｄ２に作用するため、閉弁状態を維持するためには、付勢部材１６の付勢力を、この流体圧による力に打ち勝つように設定する必要がある。あるいは、電動モータ３１を常時駆動することにより、閉弁状態を維持してもよい。

＜その他の実施形態＞
本発明は上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、第１〜第５実施形態の構成は、適宜組合せ可能である。

例えば、第１〜第３実施形態の流量制御弁１Ａ〜１Ｃにおいて、弁ハウジング１０における入口流路１１の位置と出口流路１２の位置とが逆であってもよい。すなわち、第１〜第３実施形態の流量制御弁１Ａ〜１Ｃにおいて、入口流路１１は、弁体２０の進行方向Ｄ１に対して直交する方向に弁室１３から延び、出口流路１２は、弁体２０の進行方向Ｄ１に弁室１３から延びてもよい。また、第４および第５実施形態の流量制御弁１Ｄ，１Ｅにおいても、弁ハウジング１０における入口流路１１の位置と出口流路１２の位置とが逆であってもよい。すなわち、第４および第５実施形態の流量制御弁１Ｄ，１Ｅにおいて、入口流路１１は、弁体２０の進行方向Ｄ１に弁室１３から延び、出口流路１２は、弁体２０の進行方向Ｄ１に対して直交する方向に弁室１３から延びてもよい。例えば、第１実施形態の流量制御弁１Ａにおいて、入口流路１１が進行方向Ｄ１に対して直交する方向に延びており、出口流路１２が進行方向Ｄ１に延びている場合、例えば連通路２１の一端部は、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合に当該連通路２１が入口流路１１と背圧室１５とを連通するように、端面２０ｂではなく、弁体２０の外周面に設けられてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、背圧室１５側の弁体２０の受圧面積Ｓ１が、弁体２０が弁座Ｓに当接している場合の入口流路１１側の弁体２０の受圧面積Ｓ２より大きくなるように形成されていたが、本発明は、これに限定されない。例えば、受圧面積Ｓ１，Ｓ２は互いに等しくてもよい。この場合、例えば付勢部材１６の付勢力により、閉弁状態を維持してもよい。また、例えば、第２〜第５実施形態のように、弁体２０がピストン４０に対し相対移動不能に係合しており、且つアンチキャビテーション機能が不要な場合には、付勢部材１６の付勢力に加えてまたは代わりに、電動モータ３１を駆動させることにより閉弁状態を維持してもよい。

また、第１実施形態では、弁体２０に形成された連通路２１は、収容室２２につながっていたが、本発明の連通路はこれに限定されず、例えば、連通路は、収容室２２とはつながらずに、収容室２２の径方向外方側で進退方向Ｄに直線状に延びるように形成されていてもよい。

また、第３実施形態では、背圧室１５の流体圧と入口流路１１内の流体圧と等しくするための連通路６１が、弁ハウジング１０に形成されていたが、弁ハウジング１０の外部に、別途背圧室１５の流体圧と入口流路１１内の流体圧と等しくする流路を設けてもよい。

また、第１実施形態におけるアンチキャビテーション機能を備えるための構成は、図１〜図３に示した構成に限定されない。例えば、ピストン４０の軸部４２に設けられた係合部は、径方向内方に突設するように形成されていてもよい。

また、第１実施形態において、弁体２０が弁座Ｓから離間しているときに、例えば背圧室１５を弁室１３の圧力より高くするなど別の手段により、係合部４２ａが壁部２２ａ（当接部）に当接した状態を維持できる場合には、付勢部材１６はなくてもよい。また、第２〜第５の実施形態においても、付勢部材１６はなくてもよい。

また、上記第１〜第５実施形態では、付勢部材１６は背圧室１５に設けられていたが、付勢部材１６の位置はこれに限定されない。例えば、シリンダ４３の内周面とピストン４０の外周面との間に隙間を設け、この隙間に、ピストン４０に対して進行方向Ｄ１に付勢力を付与するように付勢部材１６を設けてもよい。

１Ａ〜１Ｅ：流量制御弁
１０：弁ハウジング
１１：入口流路
１２：出口流路
１３：弁室
１５：背圧室
１６：付勢部材
２０：弁体
２１：連通路
２２ａ：壁部（当接部）
３１：電動モータ
３２：出力軸
３３：位置検出器
３４：コントローラ
４０：ピストン（移動部材）
４２：軸部
４２ａ：係合部
５０：直動変換機構
Ｄ：進退方向
Ｄ１：進行方向
Ｄ２：退行方向
Ｓ：弁座
Ｓ１：受圧面積
Ｓ２：受圧面積
ｇ：隙間

Claims

入口流路、出口流路、前記入口流路と前記出口流路の間に設けられた弁室、および、前記弁室に設けられた弁座を有する弁ハウジングと、
前記弁ハウジング内に収容され、前記弁座に対し進退する弁体と、
前記弁体が進退する進退方向に前記弁体と一体的に移動する移動部材と、
電動モータと、
前記電動モータの出力軸の回転角度を検出する位置検出器と、
前記電動モータの出力軸の回転量を前記移動部材の前記進退方向の直動変位量に変換する直動変換機構と、
前記位置検出器により検出された前記出力軸の回転角度が、前記弁座と前記弁体の間の所定の目標間隔に対応した回転角度となるよう前記電動モータをフィードバック制御するコントローラと、を備える、ポペット式流量制御弁。
前記弁ハウジング内における前記弁体の前記退行方向側に形成され、前記弁体によって前記弁室と隔てられた背圧室と、
前記入口流路と前記背圧室とを連通して、前記入口流路と前記背圧室の流体圧を等しくする連通路を備える、請求項１に記載のポペット式流量制御弁。
前記弁座は、前記弁室に対する前記入口流路の開口の周囲に設けられており、
前記弁ハウジングおよび前記弁体は、前記背圧室側の前記弁体の受圧面積が、前記入口流路側の前記弁体の受圧面積より大きくなるように形成されている、請求項２に記載のポペット式流量制御弁。
前記連通路は、前記弁体に形成されている、請求項２または３に記載のポペット式流量制御弁。
前記弁体に対し前記進行方向に付勢力を付与する付勢部材を備え、
前記弁体は、前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧を下回って、前記弁体に対し前記退行方向に作用する力が前記弁体に対し前記進行方向に作用する力を超えた場合、前記移動部材に対し前記弁体が前記退行方向に相対移動する、請求項２〜４のいずれか１項に記載のポペット式流量制御弁。
前記移動部材は、前記弁体と係合するための係合部を有し、
前記弁体は、前記係合部に前記進行方向側から当接される当接部を有し、
前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧より高い場合、前記係合部が前記当接部に当接した状態が維持され、
前記入口流路内の流体圧が前記出口流路内の流体圧を下回って、前記弁体に対し前記退行方向に作用する力が前記弁体に対し前記進行方向に作用する力を超えた場合、前記当接部が前記係合部から離間して、前記移動部材に対し前記弁体が前記退行方向に相対移動する、請求項５に記載のポペット式流量制御弁。