JP2692691B2 - 流量検出器付電磁弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業機械で使用される
電磁弁に関し、さらに詳細には、金属加工機械等の切屑
や切粉である金属粉を含む研削液や切削液（いわゆるク
ーラント液）の流れを制御するための電磁弁に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、油空圧シリンダ等の駆動機器を制
御するため、流体の流れを制御する電磁弁が産業界で広
く使用されている。例えば、圧縮空気や作動油を作動媒
体とする油空圧シリンダが工場の生産設備においてロボ
ットハンド等の駆動装置として広く使用されている。こ
のとき、生産設備等においては、複数のロボットハンド
等が錯綜して稼働する場合があり、電磁弁が故障すると
ロボットハンド同士が干渉して装置が故障したり、場合
によっては周囲にいる作業者に危害が及ぶ恐れがあるた
め、電磁弁が正常に作動しているか否かを検出すること
が行われている。

【０００３】電磁弁の異常を検出する手段としては、
（１）誘導コイル方式、（２）磁気変化検出方式、
（３）圧力検出方式、（４）流量計測方式等の方式が従
来使用されている。 （１）誘導コイル方式とは、電磁弁のコイルへの通電状
態を検出する方式である。 （２）磁気変化検出方式とは、電磁弁のコイルで発生す
る磁界の変化を検出する方式である。 （３）圧力検出方式とは、入力ポートまたは出力ポート
における圧力の変化を検出する方法である。

【０００４】しかしながら、上記（１）及至（３）の方
式では、配管の詰まりや外れが発生した場合に検出する
ことができない問題があった。そのため、直接流量を検
出することにより電磁弁の異常を検出する方式が考えら
れている。従来、流量を検出する方法として以下の方式
が実用化されている。 （１）マスフローコントローラその他のバイパス加熱方
式 （２）流路配管加熱方式 （３）金属ケース内センサ格納方式 （４）羽根車方式

【０００５】このうち、（１）マスフローコントローラ
方式とは、図８の（ａ）に示すように、主流路に対して
細いパイプによりバイパス通路２１を設け、流体Ｆに所
定の熱量を与え、流体の温度変化を計測して流量を算出
する方式である。 （２）流路配管方式とは、図８の（ｂ）に示すように、
主流路２２自体の流体に所定の熱量を与え、流体Ｆの温
度変化を計測して流量を算出する方式である。

【０００６】（３）金属ケース内センサ格納方式とは、
図８の（ｃ）に示すように、ＳＵＳケース２３で保護さ
れている温度センサ２４を流体Ｆの流れの中に直接挿入
し、奪われる熱量から流量を算出する方式である。 （４）羽根車方式とは、図８の（ｄ）に示すように、流
体Ｆの流れを受けて回転する羽根車２５の回転数を計測
することにより流量を検出する方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
流量検出方式には以下のような問題があった。 （１）工作機械の切削油であるクーラント液の流れを制
御する電磁弁が故障等した場合、工作機械にクーラント
液が供給されないと、直ちに刃物に焼付けが発生し、工
作機械が破損する問題がある。従って、流路配管加熱方
式や金属ケース内センサ格納方式は応答性が２〜１０秒
と悪いため、クーラント液の供給に使用することができ
ない。

【０００８】（２）工作機械に使用されるクーラント液
には、例えば研削砥粒が混入しているため、マスフロー
コントローラ方式は応答性は良いが、バイパス細管が目
詰まりを発生する問題がある。 （３）流れが直接当たる状態となる羽根車方式および金
属ケース内センサ格納方式は、クーラント液に含まれる
研削砥粒により削られたり、また羽根表面や羽根車の軸
受け部等に堆積物が付着する問題がある。

【０００９】（４）羽根車は、配管径が変わると配管毎
に用意する必要があり、煩雑である。 （５）従来の異常検出は流量検出器の応答性が良くない
ので、コイルの通電と同期的に行うことができなかった
ため、異常の検出に時間遅れが発生し、機器の故障を発
生させていた。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、クーラント液の流れを制御する
電磁弁であって、流量を算出することにより異常を検出
できる流量検出器付電磁弁を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の流量検出器付電磁弁は、コイルに通電し
て、弁体が固設された可動式鉄心を移動させ、該弁体と
電磁弁本体に形成された弁座とを離間させることにより
入力ポートと出力ポートとを導通させる電磁弁であっ
て、入力ポートまたは出力ポートのうち少なくともいず
れか一方に付設される熱式流量検出器と、コイルへの通
電状態を示す通電信号を発生する通電信号発生手段と、
流量検出器の出力と通電信号との入力を受けて、電磁弁
の異常を検出する制御手段とを有している。

【００１２】また、本発明の流量検出器付電磁弁は、コ
イルに通電して、弁体が固設された可動式鉄心を移動さ
せ、該弁体と弁座とを離間させることにより入力ポート
と出力ポートとを導通させる電磁弁であって、入力ポー
トまたは出力ポートのうち少なくともいずれか一方に付
設される熱式流量検出器と、コイルへの通電状態を示す
通電信号を発生する通電信号発生手段と、流量検出器の
出力と通電信号との入力を受けて、電磁弁の異常を検出
する制御手段とを有し、熱式流量検出器の絶縁膜の外側
に形成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チタン等の
熱伝導性金属により形成された厚さ１乃至５ミクロンの
薄膜である。

【００１３】また、本発明の流量検出器付電磁弁は、コ
イルに通電して、弁体が固設された可動式鉄心を移動さ
せ、該弁体と弁座とを離間させることにより入力ポート
と出力ポートとを導通させる電磁弁であって、入力ポー
トまたは出力ポートのうち少なくともいずれか一方に付
設される熱式流量検出器と、コイルへの通電状態を示す
通電信号を発生する通電信号発生手段と、流量検出器の
出力と通電信号との入力を受けて、電磁弁の異常を検出
する制御手段とを有し、熱式流量計の絶縁膜の外側に形
成される金属薄膜が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝
導性金属をスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質
金属コート法により形成した薄膜である。

【００１４】また、本発明の流量検出器付電磁弁は、上
記制御手段が電磁弁の異常状態を検出する異常検出手段
と、異常状態と正常状態の中間にある注意状態を検出す
る注意検出手段とを有すると共に、上記異常検出手段の
信号を受けて電磁弁の異常状態を表示する異常ランプ
と、上記注意検出手段の信号を受けて電磁弁の注意状態
を表示する注意ランプとを有している。また、本発明の
流量検出器付電磁弁は、上記異常検出手段の検出する異
常状態のレベルを変更する異常レベル変更手段と、上記
注意検出手段の検出する注意状態のレベルを変更する注
意レベル変更手段とを有している。

【００１５】

【作用】上記の構成よりなる本発明の流量検出器付電磁
弁の熱式流量計は、一定の断面積を有する流体通路中に
配設され、流体の流速を計測することにより流量を計測
する。ここで、絶縁体の表面に白金で抵抗パターンによ
るブリッジ回路を形成したセンサである２以上の感温抵
抗素子は、１つの発熱抵抗が常時流体温度より一定温度
だけ高くなるように加熱されている。そして、流速を増
すと奪い去られる熱量が多くなるので、抵抗パターンの
温度が下がり、その結果抵抗値が減少する。この抵抗パ
ターンの微小抵抗変化をブリッジ回路により検出して流
速を計測する。

【００１６】感温抵抗素子を覆って形成される絶縁膜
は、導電性の流体に接触して抵抗パターンの抵抗値が変
化することを防止している。絶縁膜の外側に形成される
金属薄膜は、流体に含まれている固形物等により絶縁膜
等が損傷することを防止している。また、金属薄膜は１
乃至５μと薄いので、流体の温度をきわめて少ない時間
遅れで抵抗パターンに熱伝導することができる。

【００１７】また、金属薄膜は、熱式流量用計全体を覆
って形成されているので、モータ等により発生する外部
ノイズを遮断して熱式流量計が誤計測することを防止し
ている。上記のように流体の流量を正確かつ迅速に計測
することにより、電磁弁の通電信号との同期を取りなが
ら電磁弁通電時の正常な流量変化のパターンと比較し
て、制御装置は、異常を検出する。また、電磁弁に通電
されていない状態で所定量異常の流量が計測された場合
には、配管チューブの外れ等の異常を検出する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例である流
量検出付電磁弁について図面を参照しながら説明する。
図１に流量検出器付電磁弁１の断面図を示す。中空状の
コイルボビンに導線が巻かれてなるコイル６の中空部の
一端に固定鉄心８が固定されている。中空部の他端に可
動鉄心７が摺動可能に嵌合されている。可動鉄心７の固
定鉄心側には、復帰ばね２０が取り付けられ、反対側に
は弾性体からなる弁体９が固設されている。

【００１９】電磁弁のボディ２の弁体９と対抗する位置
に弁座１０が形成されている。ボディ２には、入力ポー
ト１８および出力ポート１９が形成されている。入力ポ
ート１８と出力ポート１９とは、弁座１０の中央部に形
成された孔により導通している。入力ポート１８の流路
に熱式流量計５が突設されている。熱式流量計５は、信
号演算部４に電気的に接続している。信号演算部４に
は、表示灯３および調整部１１が付設されている。

【００２０】熱式流量計５は、流体の流れの中に装着さ
れている。このとき熱式流量計５が配設されているボデ
ィ２の熱式流量計えを含む流路の断面積は一定に構成さ
れている。また、ボディ２においてクーラント液Ｆの流
れが層流状態となるように構成されている。熱式流量計
５において、流体温度補償センサ２６が発熱抵抗センサ
２５の上流側に配設されている。これにより、流体温度
補償センサ２６は発熱抵抗センサ２５で発熱された熱の
影響を受けることがない。

【００２１】従って、流速を計測すれば、流速と断面積
との積を計算することにより容易に流量を計測すること
ができる。ホディ２の両端には、配管がネジにより連結
されている。

【００２２】次に、流量検出器付電磁弁の制御の構成を
図６を基に説明する。熱式流量計５、電磁弁駆動回路４
６、赤ランプ、黄ランプと緑ランプとからなる表示灯
３、中央制御装置に連結する出力信号線４２および異常
検出の上限値を設定するための上限調整つまみ１１ａと
異常検出の下限値を設定するための下限調整つまみ１１
ｂとが各々コントローラ４５に電気的に接続している。
コントローラ４５には、熱式流量計５の出力電圧を流量
に換算する信号演算部４１、電磁弁に送る通電信号を発
生する通電信号発生部４７とが含まれている。

【００２３】次に、熱式流量計５の構成について詳細に
説明する。図３の（ａ）に熱式流量計５の構成を断面図
で示す。熱式流量計５には、発熱温度の低い流体温度補
償抵抗センサ２６と発熱温度の高い発熱抵抗センサ２５
とが流れの方向に平行かつ一列にホルダ２７に取り付け
られ樹脂２９により埋め込まれている。

【００２４】次に、発熱抵抗センサ２５と流体温度補償
センサ２６の構成を説明する。図２に発熱抵抗センサ２
５と流体温度補償センサ２６の構成をセンサ３２として
断面図で示す。基板３６上に、０．３μ以下の膜厚でス
パッタ蒸着された白金薄膜パターン３３が形成されてい
る。また、基板３６と白金薄膜パターン３３とを覆って
絶縁膜３４が形成されている。また、絶縁膜を覆って膜
厚１〜５μのチタン薄膜２８が形成されている。

【００２５】次に、熱式流量計５の製造方法を説明す
る。 （１）基板３６上に白金をスパッタ蒸着して膜厚０．３
μ以下の白金薄膜を形成する。そして、白金薄膜を熱処
理する。 （２）フォトリソグラフにより不必要な白金薄膜を除去
して白金薄膜パターン３３を形成する。 （３）基板３６および白金薄膜パターン３３の上に、ガ
ラス系またはポリイミド系の材料を蒸着法または浸積法
により付着させ絶縁膜３４を形成する。これにより、発
熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２６が製造
される。

【００２６】（４）発熱抵抗センサ２５および流体温度
補償センサ２６をホルダ３７の孔にホルダ３７から同じ
長さ突き出している状態で嵌合させる。そして、融解さ
せた仮止め接着用樹脂２９ａを流し込んで冷却し、図３
の（ｂ）に示すように、仮止め接着用樹脂２９ａにより
発熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２６をホ
ルダ３７に固定する。 （５）ホルダ３７の発熱抵抗センサ２５および流体温度
補償センサ２６が突き出している側にチタンまたは窒化
チタンをスパッタ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金
属コート法により密着させ厚さ１乃至５ミクロンの薄膜
を形成する。 （６）発熱抵抗センサ２５および流体温度補償センサ２
６に各々一組の信号線３１を接続する。そして、充填用
樹脂２９を注入し冷却する。

【００２７】ここで、発熱抵抗センサ２５および流体温
度補償センサ２６をホルダ３７に組み込んだ状態でスパ
ッタ蒸着等を行ないチタン薄膜を形成しているのは、熱
式流量計５全体の強度を高めるためと、また、チタン薄
膜等にアースを取ることにより、熱式流量計５全体をシ
ールドして外部のノイズの影響を遮断するためである。
また、信号線３１の接続を蒸着後に行っているのは、蒸
着温度が高いため、先に信号線３１を接続していると半
田が溶けてしまうからである。

【００２８】次に、全体の電磁弁の作用を説明する前
に、熱式流量計５の作用について説明する。図１におい
て、クーラント液Ｆが入力ポート１８から右方向にボデ
ィ２に流入する。ボディ２においてクーラント液Ｆの流
れは層流状態となっている。ここで、絶縁体の表面に白
金で抵抗パターンによるブリッジ回路を形成したセンサ
である発熱抵抗センサ２５は、常時クーラント液Ｆの温
度より一定温度だけ高くなるように加熱されている。そ
して、クーラント液Ｆの流速が増すと奪い去られる熱量
が多くなり、発熱抵抗センサ２５の抵抗パターンの温度
が下がり、その結果発熱抵抗センサ２５の抵抗値が減少
する。この抵抗パターンの微小抵抗変化を図４に示すブ
リッジ回路により検出して流速を計測する。

【００２９】すなわち、発熱抵抗センサ２５と流体温度
補償センサ２６の各々の抵抗と２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ
２とによりブリッジ回路が構成されている。また、チタ
ン薄膜２８は１乃至５μと薄いので、流体の温度をきわ
めて少ない時間遅れで抵抗パターンに熱伝導することが
できるので、チタン薄膜２８が流速の計測に与える影響
はほとんどない。。そして、流体温度補償センサ２６が
発熱抵抗センサ２５と共にクーラント液Ｆ中に配設され
ているので、クーラント液Ｆ本体の温度変化による影響
を排除できるため、熱式流量計の精度を高めることがで
きる。

【００３０】クーラント液Ｆ中の研削粒等が、速い流速
をもって流体温度補償センサ２６および発熱抵抗センサ
２５に衝突するが、流体温度補償センサ２６および発熱
抵抗センサ２５はチタン薄膜２８により保護されている
ので、センサ部本体が損傷を受けることがないため、正
確かつ安定してクーラント液Ｆの流量を計測することが
できる。また、耐久性能が向上し、熱式流量計のコスト
ダウンが可能となる。

【００３１】次に、流量検出器付電磁弁１の全体の作用
について説明する。図１に示す状態においては、電磁弁
のコイル６には通電がされていない。ここで、コントロ
ーラ４１により、電磁弁１が切り換えられた場合を説明
する。電磁弁１のコイル６に通電されると、可動鉄心７
が固定鉄心８に吸引される。これにより、弁体９が弁座
１０と離間して、入力ポート１８と出力ポート１９とが
導通し、クーラント液Ｆが入力ポート１８から出力ポー
ト１９へと流れる。

【００３２】電磁弁に通電が開始されてから所定の時間
経過後に、出力ポート１９へ供給されるクーラント液Ｆ
の流量は、図５の（ａ）のＦ２以上Ｆ３以下のばすであ
る。図５の（ａ）は、クーラント液Ｆの流量と熱式流量
計５の出力電圧Ｖとの関係を示している。ここで、流量
計の制御部は、４つのスレッシュホールド値Ｖ１，Ｖ
２，Ｖ３，Ｖ４を記憶している。

【００３３】そして、電磁弁の通電信号Ｈがハイ状態に
なってから所定時間後に、流量がＦ１の値に達しない場
合すなわち熱式流量計５の出力電圧ＶがＶ１の値に達し
ない場合、電磁弁１に配管詰まり等の異常が発生したと
判断し、コントローラ４５は異常状態を検出し、表示灯
３の異常表示用の赤ランプを点灯すると同時に異常信号
出力４２を中央制御装置に出力する。また、流量がＦ１
には達しているがＦ２以下である場合、すなわち出力電
圧ＶがＦ１以上Ｆ２以下の場合には、注意状態の発生を
検出して注意表示用の黄ランプを点灯する。また、流量
がＦ２以上でＦ３以下である場合は、正常運転の中の安
定状態を示す緑ランプを点灯する。

【００３４】また、電磁弁の通電信号Ｈがハイ状態にな
った後に、流量がＦ４の値を越えた場合すなわち熱式流
量計５の出力電圧ＶがＶ４の値を越えた場合、電磁弁１
にチューブ外れ等の異常が発生したと判断し、コントロ
ーラ４５は異常状態を検出し、表示灯３の異常表示用の
赤ランプを点灯すると同時に異常信号出力４２を中央制
御装置に出力する。また、流量がＦ３を越えているがＦ
４以下である場合、すなわち出力電圧ＶがＦ３以上Ｆ４
以下の場合には、注意状態の発生を検出して注意表示用
の黄ランプを点灯する。

【００３５】図７に通電信号が出てから流量検出が作動
するまでのデータを示す。（ａ）が通電信号を示し、
（ｂ）が従来の流量検出器の作動状態を示し、（ｃ）が
本実施例の熱式流量計５の作動状態を示している。この
ように、従来の流量検出器と比較して、本実施例の熱式
流量計５によれば、通電信号に対する時間遅れがＬから
Ｍへと大きく減少できるので、通電信号が短くなった場
合でも十分応答することが可能である。

【００３６】また、図６に示す上限調整つまみ１１ａお
よび下限調整つまみ１１ｂとを調整することにより、４
つのスレッシュホールド値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を変
更することができる。これにより、特にクーラント液Ｆ
の供給の停止が大きな故障につながる恐れのある工作機
械に使用する場合等、注意範囲と異常範囲の設定を通常
より厳格にすることで、より高い安全性を確保できる。

【００３７】上記説明したように、本実施例の流量検出
器付電磁弁によれば、電磁弁のクーラント液Ｆの通路中
に流量計を配置し、電磁弁のコイルへの通電に対応して
流量を計測し、チェックしているので、電磁弁の動作異
常を正確かつ迅速に検出することができる。また、異常
を中央制御装置に通報して、工作機械を停止することに
より、刃物の焼き付き等の故障を未然に防止することが
できる。また、異常には至らないが正常でない状態を注
意状態としてランプで表示しているので、作業者が事前
に工作機械を停止して点検することも可能であり、刃物
の焼き付き等の故障を未然に防止することができる。

【００３８】本発明は、上記実施例に限定されることな
く色々な応用が可能である。すなわち、熱式流量計５を
電磁弁の入力ポート側に配設せず、出力ポート側に配設
しても同様である。また、本実施例では、チタン薄膜を
スパッタ蒸着法により形成しているが、窒化チタン等の
硬質金属を使用してもよい。また、スパッタ蒸着法によ
らずに、無電解メッキや硬質金属コーティング等の金属
薄膜製造法により薄膜を形成してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の流量検出器付電磁弁によれば、電磁弁の入力ポー
ト等に配設した熱式流量計により、電磁弁通電時に対応
して流量を計測して異常を検出しているので、クーラン
ト液を制御する電磁弁であっても、電磁弁のコイルの通
電に対応して応答性良く流量を検出し、電磁弁等の異常
を確実かつ迅速に検出することができる。

【００４０】また、本発明の流量検出器付電磁弁によれ
ば、クーラント液等により損傷されることがなく、安定
かつ確実に電磁弁の異常を検出することができる。ま
た、金属薄膜がアースに接続されているので、熱式流量
計全体がシールドされるため、電磁弁が使用される工場
等の大型パルスモータ等で発生するノイズの影響を受け
ることがなく、安定してクーラント液の流量を計測し、
電磁弁の異常を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である流量検出器付電磁弁の
断面図である。

【図２】本発明の流量検出器付電磁弁で使用する熱式流
量計センサ部の断面図である。

【図３】本発明の流量検出器付電磁弁で使用する熱式流
量計の断面図である。

【図４】本発明の実施例である熱式流量計の部分制御回
路図である。

【図５】流量と出力電圧の関係を示すデータ図である。

【図６】流量検出器付電磁弁の制御回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図７】流量検出器の応答性を示すデータ図である。

【図８】従来の流量検出器の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 電磁弁 ５ 熱式流量計 ２５ 発熱抵抗センサ ２６ 流体温度補償センサ ３２ チタン薄膜 ３３ 白金抵抗パターン ３４ 絶縁膜 ４１ 信号演算部

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイルに通電して、弁体が固設された可
   動式鉄心を移動させ、該弁体と電磁弁本体に形成された
   弁座とを離間させることにより入力ポートと出力ポート
   とを導通させる電磁弁において、 前記入力ポートまたは前記出力ポートのうち少なくとも
   いずれか一方に付設される熱式流量検出器と、 前記コイルへの通電状態を示す通電信号を発生する通電
   信号発生手段と、 前記流量検出器の出力と前記通電信号との入力を受け
   て、前記電磁弁の異常を検出する制御手段とを有するこ
   とを特徴とする流量検出器付電磁弁。
2. 【請求項２】 請求項１に記載するものにおいて、 前記熱式流量検出器の絶縁膜の外側に形成される金属薄
   膜が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝導性金属により
   形成された厚さ１乃至５ミクロンの薄膜であることを特
   徴とする流量検出器付電磁弁。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載するもの
   において、 前記熱式流量計の絶縁膜の外側に形成される金属薄膜
   が、チタンまたは窒化チタン等の熱伝導性金属をスパッ
   タ蒸着法、無電解メッキ法または硬質金属コート法によ
   り形成した薄膜であることを特徴とする流量検出器付電
   磁弁。
4. 【請求項４】 請求項１に記載するものにおいて、 前記制御手段が電磁弁の異常状態を検出する異常検出手
   段と、異常状態と正常状態の中間にある注意状態を検出
   する注意検出手段とを有すると共に、 前記異常検出手段の信号を受けて電磁弁の異常状態を表
   示する異常ランプと、 前記注意検出手段の信号を受けて電磁弁の注意状態を表
   示する注意ランプとを有することを特徴とする流量検出
   器付電磁弁。
5. 【請求項５】 請求項４に記載するものにおいて、 前記異常検出手段の検出する異常状態のレベルを変更す
   る異常レベル変更手段と、 前記注意検出手段の検出する注意状態のレベルを変更す
   る注意レベル変更手段とを有することを特徴とする流量
   検出器付電磁弁。