JP4986286B2

JP4986286B2 - 流体制御装置

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Publication number: JP4986286B2
Application number: JP2007093893A
Authority: JP
Inventors: 康一鈴森; 岳文神田; 一俊河野; 良太郎大場
Original assignee: Koganei Corp
Current assignee: Koganei Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008249083A

Description

本発明は流体圧作動機器に対して供給される圧縮空気等の流体の流量や圧力を制御するための流体制御装置に関する。

空気圧を作動流体とするアクチュエータには空気圧シリンダや空気圧モータ等の空気圧機器があり、これらの空気圧機器を有する空気圧システムには、空気圧源からの圧縮空気の圧力を調整して空気圧機器に供給する圧力制御弁や圧縮空気の流量を調整して空気圧機器に供給する流量制御弁が設けられている。流量制御弁としてはアクチュエータに供給またはアクチュエータから排出される空気の流量を調整してアクチュエータの速度制御や空気圧回路内の流量を一定に保つために絞り弁があり、絞り弁には固定式のものと可変式のものがある。可変式の絞り弁は、調整ねじにより弁開度を調節して空気流量を規制するようにしており、通常はニードル弁が使用されている。このため、空気流量を設定するには調整ねじを手動で回転させる必要がある（非特許文献１参照）。

空気圧機器に供給される圧縮空気の圧力を制御するための圧力制御弁としては、上記非特許文献１に記載されるように一次側ポートと二次側ポートを開閉する主弁と、二次側ポートの圧力に応じて主弁の開度を調整するダイヤフラム弁とを有する減圧弁がある。
日本油空圧学会編「油空圧便覧」株式会社オーム社 1989年２月２５日発行（第463頁、第467頁）

従来の可変式絞り弁は、弁開度を調整するには作業者が手動で調整ねじを操作する必要があり、電気信号により弁開度を調整することはできない。また、従来の圧力制御弁のようにダイヤフラム弁を用いると、ダイヤフラムの受圧面積を確保するために圧力制御弁の大型化が避けられない。

本発明の目的は、電気信号により弁開度を調整することができる小型の流体制御弁を提供することにある。

本発明の流体制御装置は、流体の流入口が設けられた弁ケーシングと、前記弁ケーシング内に前記流入口に連通する弁室を形成するとともに前記弁室から流出口に流体をそれぞれ連通させる複数の連通孔が形成されるオリフィス板と、前記弁室内に収容され、前記連通孔の内径よりも大きな粒径を有する複数の粒子と、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換して前記オリフィス板を振動させる振動子と、前記振動子に前記オリフィス板を共振させる周波数の交流電圧を供給する電力制御器とを有し、前記オリフィス板の共振によって前記粒子を前記連通孔から引き離して複数の前記連通孔と複数の前記粒子との間に隙間を発生させて、複数の前記連通孔全体により形成される連通面積を変化させることを特徴とする。

本発明の流体制御装置において、前記振動子は圧電素子であることを特徴とする。

本発明の流体制御装置は、前記オリフィス板を流体の流れ方向に振動させることを特徴とする。また、本発明の流体制御装置は、前記オリフィス板を流体の流れを横切る方向に振動させることを特徴とする。さらに、本発明の流体制御装置は、前記オリフィス板を前記弁ケーシングの径方向と円周方向の少なくともいずれか一方に振動させことを特徴とする。

本発明によれば、オリフィス板を振動子により振動させると、オリフィス板に形成された複数の連通孔から粒子が引き離なされて連通孔と粒子との間に隙間が発生し、複数の連通孔全体による連通面積が設定されるので、振動子によるオリフィス板の振動量を変化させることによって、連通面積による弁開度を調整することができる。オリフィス板を振動子により振動させて弁開度を調整するようにしたので、流体制御装置の小型化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。

この流体制御装置は弁基台１０を有し、弁基台１０には空気案内孔１１が形成され、この空気案内孔１１に連通させて弁基台１０にはほぼ円筒形状の弁ケーシング１２が取り付けられている。弁ケーシング１２の一端部には弁基台１０の取付孔１３に固定されるフランジ部１４が設けられ、フランジ部１４の内側は空気案内孔１１に連通する流体の流入口１５となっており、他端部は流出口１６となっている。弁基台１０に空気案内孔１１に連通して形成された流入ポート１７には、流体である空気を案内する図示しない一次側の空気配管が接続され、流出口１６には図示しない二次側の空気配管が接続されるようになっている。

弁ケーシング１２にはオリフィス板２１が一体に設けられており、このオリフィス板２１により弁ケーシング１２内は流入口１５に連通する弁室２２と流出口１６とに仕切られており、オリフィス板２１には複数の連通孔２３が弁開度を調整する弁孔として形成されている。連通孔２３は、図２に示すように、オリフィス板２１の中心部から径方向外方に向けて一定間隔置きに直線状に複数列形成されているが、オリフィス板２１全体に分散させて連通孔２３を形成するようにしても良い。弁室２２内にはそれぞれの連通孔２３の内径よりも大きな粒径を有する複数の粒子２４が収容されており、粒子２４の個数は連通孔２３の数よりも多い数となっている。図１に示す連通孔２３の内径は0.5mmとし、粒子２４としては粒径が0.8mmの鉄球を用いた。

連通孔２３の弁室２２側の開口部には粒子２４の外径に対応した円弧面形状のテーパ部２５が形成されており、粒子２４が自重により容易にテーパ部２５に入り込んで連通孔２３を確実に閉じるようになっている。テーパ部２５の形状としては、円弧面形状に代えて円錐面形状としても良い。

弁ケーシング１２の外側にはオリフィス板２１に対応させて径方向外方に突出させて環状の振動板２６が弁ケーシング１２に一体に設けられており、振動板２６には電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換して振動板２６を介してオリフィス板２１を振動させる振動子として圧電素子２７が取り付けられている。この圧電素子２７としては、板状のセラミック振動子が使用されており、圧電素子２７は弁ケーシング１２の軸方向に分極している。圧電素子２７には制御手段としての電力制御器２８から電力が供給されるようになっている。電力制御器２８からは、オリフィス板２１と振動板２６を含めた固有振動数に対応した共振周波数の交流電圧が圧電素子２７に供給されるようになっており、この電力制御器２８により圧電素子２７に加えられる電圧に応じてオリフィス板２１の振幅量が調整される。

図３は圧電素子２７に電力制御器２８から交流電圧を供給してオリフィス板２１を振動させてオリフィス板２１が弁室２２に向けて最大振幅となって変形した状態を示す断面図である。図３に示すように、圧電素子２７により環状の振動板２６はその外周部が弁ケーシング１２の軸方向に変位するように振動するので、振動板２６と一体となったオリフィス板２１は弁ケーシング１２の部分を基点として中心部が最も大きく空気の流れ方向に変位するように振動する。振動モードとしては、オリフィス板２１の中心部が振動の腹となり、外周端部が節となるように一次振動モードで振動させても、高次の振動モードで振動させるようにしても良い。この振動によって、粒子２４が連通孔２３から引き離なされて連通孔２３と粒子２４との間に隙間を発生させることにより複数の連通孔２３全体による連通面積が変化し、流入口１５と流出口１６との連通面積が変化する。オリフィス板２１が図３に示すように変位すると、オリフィス板２１のそれぞれの連通孔２３を塞いでいる粒子２４のうち、オリフィス板２１の中心部の連通孔２３を塞いでいる粒子２４には周辺部の連通孔２３を塞いでいる粒子２４よりも大きな加速度が加わり、中心部の連通孔２３を塞いでいる粒子２４は周辺部の連通孔２３を塞いでいる粒子２４よりもオリフィス板２１から大きく離れることになる。

したがって、オリフィス板２１から大きく離れる粒子２４と、僅かにしか離れない粒子２４とが混在し、全ての連通孔２３により流入口１５と流出口１６とを連通させる連通面積が設定される。

圧電素子２７に供給される電圧を変化させると、それぞれの粒子２４に加えられる加速度が変化し、オリフィス板２１に形成された複数の連通孔２３全体により設定される連通面積が変化する。連通面積の変化割合は、連通孔２３の数と数の粒子２４の数に応じて圧電素子２７によるオリフィス板２１の振動によって粒子２４により閉塞される連通孔２３の数と開放状態となる連通孔２３の数と開放状態の連通孔２３と粒子２４との距離によって設定されることになり、連通面積の変化割合は粒子２４のこのような挙動の確率により設定される。これにより、圧電素子２７に供給される電圧を高めると、連通孔２３から大きく離れる粒子２４の数が増加して連通孔２３全体の開口面積が大きくなる。したがって、この流体制御装置を空気の流量を調整する流量調整弁や絞り弁として使用すると、圧電素子２７に供給される電圧に応じて空気の流量を制御することができる。

弁基台１０の流入ポート１７近傍には弁室２２内の粒子２４が外部に飛び出すのを防止するために網目状部材２９が取り付けられている。この網目状部材２９は粒子２４よりも小さい多数の連通孔を有し、流体制御装置を運搬する際に内部の粒子２４が外部に飛び出すのが防止される。この網目状部材２９を弁ケーシング１２の流入側端部に設けるようにしても良い。この流体制御装置は粒子２４の自重により連通孔２３を塞ぐようにしているので、弁ケーシング１２を上下方向に向けて使用することが好ましいが、自重によって粒子２４が連通孔２３を塞ぐことができれば、傾斜した状態で使用するようにしても良い。

図４は本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、この流体制御装置は円筒形状の弁基台１０ａを有し、その内部には弁ケーシング１２が環状支持板３１を介して取り付けられており、弁ケーシング１２内は環状支持板３１により流入口１５と流出口１６とに仕切られている。弁ケーシング１２は円筒形状の部材により形成され、流出口１６側の端部にはオリフィス板２１が取り付けられており、弁ケーシング１２には円筒形状の圧電素子２７ａが振動子として取り付けられている。この圧電素子２７ａは弁ケーシング１２の軸方向に分極している。オリフィス板２１には上述した流体制御装置と同様に複数の連通孔２３が形成され、弁ケーシング１２内に形成される弁室２２内に収容された複数の粒子２４によりそれぞれの連通孔２３が閉塞されるようになっている。

弁ケーシング１２の固有振動数に対応する振動数の交流電圧を圧電素子２７ａに供給すると、弁ケーシング１２が環状支持板３１の外周部を基点として空気の流れ方向に振動し、これに取り付けられたオリフィス板２１も全体的に空気の流れ方向に振動することになる。したがって、弁室２２内に収容されたそれぞれの粒子２４にはほぼ均一に加速度が加えられて、粒子２４はオリフィス板２１から離れることになる。この離れる距離は圧電素子２７ａに供給される電圧によって変化し、複数の連通孔２３全体による連通面積が変化する。これにより、流入口１５と流出口１６との連通面積が変化する。

図１に示した流体制御装置ではオリフィス板２１を湾曲させるように振動変形させているが、図４に示すように、弁ケーシング１２を軸方向に振動させることによりオリフィス板２１を振動させるようにしても流入口１５と流出口１６との連通面積を変化させることができる。

図５は本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、この流体制御装置においては、図４に示した流体制御装置と同様に環状支持板３１を介して円筒形状の弁基台１０ａに弁ケーシング１２が取り付けられている。この弁ケーシング１２は円筒形状の圧電素子２７ａにより形成されており、圧電素子２７ａは流入口１５の部分で環状支持部材３１に取り付けられ、流出口１６側の端部にはオリフィス板２１が取り付けられている。したがって、図５に示す流体制御装置においても、圧電素子２７ａに交流を供給すると、弁ケーシング１２が環状支持板３１の外周部を基点として空気の流れ方向に振動し、これに取り付けられたオリフィス板２１も全体的に空気の流れ方向に振動することになる。これにより、弁室２２内に収容されたそれぞれの粒子２４にはほぼ均一に加速度が加えられて、粒子２４はオリフィス板２１から離れることになる。この離れる距離は圧電素子２７ａに供給される電圧によって変化し、複数の連通孔２３全体による連通面積が変化する。これにより、流入口１５と流出口１６との連通面積が変化する。このように弁室２２を形成するための弁ケーシング１２自体を圧電素子２７ａにより形成するようにしても良い。

図６は本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、図７は図６に示された弁ケーシング１２を示す斜視図である。図６に示すように、円筒形状の弁基台１０ａに内方に突出して設けられた環状支持部材３１には弁ケーシング１２の上端面が取り付けられており、弁ケーシング１２は環状の圧電素子２７ｂにより形成されている。環状の圧電素子２７ｂの内側は粒子２４を収容する弁室２２となっており、圧電素子２７ｂの端面にはオリフィス板２１が取り付けられている。圧電素子２７ｂは円周方向に分極されており、電力を供給すると、オリフィス板２１は円周方向に振動することになる。

したがって、オリフィス板２１が円周方向に振動すると、弁室２２内に収容されたそれぞれの粒子２４とオリフィス板２１は相対的に円周方向にずれ移動し、オリフィス板２１の周辺部の連通孔２３と粒子との相対的ずれ距離は、オリフィス板２１の中心部の連通孔２３と粒子との相対的なずれ距離よりも大きくなる。このずれ距離は圧電素子２７ｂに供給される電圧によって変化し、粒子２４が連通孔２３から引き離なされて連通孔２３と粒子２４との間に隙間を発生させることにより複数の連通孔２３全体による連通面積が変化する。これにより、流入口１５と流出口１６との連通面積が変化する。なお、図７に示すオリフィス板２１には連通孔２３が全体に分散して形成されているが、図２に示すように、放射方向に直線状に整列させて連通孔２３を形成するようにしても良い。

図８は本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、図６に示した流体制御装置と同様に環状の圧電素子２７ｂによって弁ケーシング１２が形成されている。この弁ケーシング１２は円筒形状の弁基台１０ａに内方に突出して設けられた環状支持部材３１にオリフィス板２１が乗せられるように環状支持部材３１の上に配置されており、圧電素子２７ｂの流入口１５側の端部は弁基台１０ａに固定されている。したがって、この流体制御装置においても、オリフィス板２１が円周方向に振動すると、弁室２２内に収容されたそれぞれの粒子２４とオリフィス板２１は相対的に円周方向にずれ移動し、オリフィス板２１の周辺部の連通孔２３と粒子との相対的ずれ距離は、オリフィス板２１の中心部の連通孔２３と粒子との相対的なずれ距離よりも大きくなる。このずれ距離は圧電素子２７ｂに供給される電圧によって変化し、流入口１５と流出口１６との連通面積が変化する。

図９は本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図であり、この流体制御装置は弁基台１０ａに設けられた環状支持部材３１の上には図８に示した環状の圧電素子２７ｂにより形成される弁ケーシング１２が径方向に移動自在に配置されている。圧電素子２７ｂは円周方向に分極されており、電力を供給すると、オリフィス板２１は円周方向に振動することになる。さらに、圧電素子２７ｂには弁基台１０ａに取り付けられた振動発生器３２により径方向に振動するようになっており、圧電素子２７ｂからなる弁ケーシング１２は振動発生器３２により径方向にも振動するようになっている。この振動発生器３２を圧電素子により形成するようにしても良い。また、圧電素子２７ｂにより弁ケーシング１２を形成することなく、環状の部材により弁ケーシング１２を形成し、弁ケーシング１２を振動発生器３２により径方向にのみ振動させるようにしても良い。

図１に示す流体制御装置を用いて流量制御特性を測定した。粒子２４がオリフィス板２１から離れる際に必要な条件を求めると、以下の通りである。粒子２４の質量をｍ、空気圧をｐ、オリフィス板２１に形成された連通孔２３の半径をｒとしたときの粒子２４が連通孔２３から離れる際に必要なオリフィス板２１の加速度αは、α>（πｒ²ｐ±ｍｇ）／ｍとなる。ここで、空気圧を0.30Mpa、連通孔２３の半径を0.25mmとすると、粒子２４を外径0.8mmの鉄球としたので、質量は2.11×１０^-6kgとなる。このときの加速度は2.84×１０⁴ｍ/ｓ²を目標加速度として設定する。

図１に示す形状の流体制御装置において高次のモードで目標加速度αを達成できる形状を有限要素法による解析によって求めたところ、オリフィス板２１の厚みを0.8mm、内径8mm、振動板２６の直径を19mm、半径方向の寸法を10mmとしたとき、５次のモードで高い加速度が得られた。

図１０は上述した寸法に設定した流体制御装置における空気の流量変化特性を示すグラフである。空気の供給圧力（MPa）をそれぞれ[1]は0.10とし、[2]は0.15とし、[3]は0.20とし、[4]は0.25とした。圧電素子２７による振動周波数は27kHzとした。図１０に示すように、印加電圧が増加するほど流量が増加し、空気の供給圧力が高いほど流量が変化し始める印加電圧が高く、供給圧力が低いほど印加電圧の増加に伴う流量の増加割合が多くなった。このように、本発明の流体制御装置においては、圧電素子に供給する電圧を調整すると、連通孔２３を介して流入口１５と流出口１６の連通開口面積が変化し、空気の流量制御を行うことができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図示する流体制御装置は空気の流量を制御するために適用されているが、空気以外の他の流体の流量を制御するためにも適用することができる。また、空気の圧力を制御するための圧力制御装置としても本発明を適用することができる。その場合には、二次側の空気の圧力を検出し、電力制御器２８に対してフィードバック信号を送るようにすることになる。図４〜図９に示す流体制御装置においても、弁室２２内からの粒子２４の飛び出しを防止するために網目状部材２９を弁基台１０ａや弁ケーシング１２の流入口側に設けるようにしても良い。

本発明の一実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１に示す圧電素子に電力制御機から交流電圧を供給してオリフィス板を振動させている状態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。図６に示された弁ケーシングを示す斜視図である。本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である流体制御装置を示す断面図である。図１に示した流体制御装置における空気の流量変化特性を示すグラフである。

符号の説明

１０，１０ａ弁基台
１１空気案内孔
１２弁ケーシング
１４フランジ部
１５流入口
１６流出口
１７流入ポート
２１オリフィス板
２２弁室
２３連通孔
２４粒子
２５テーパ部
２６振動板
２７，２７ａ，２７ｂ圧電素子（振動子）
２８電力制御器
３１環状支持板
３２振動発生器

Claims

流体の流入口が設けられた弁ケーシングと、
前記弁ケーシング内に前記流入口に連通する弁室を形成するとともに前記弁室から流出口に流体をそれぞれ連通させる複数の連通孔が形成されるオリフィス板と、
前記弁室内に収容され、前記連通孔の内径よりも大きな粒径を有する複数の粒子と、
電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換して前記オリフィス板を振動させる振動子と、
前記振動子に前記オリフィス板を共振させる周波数の交流電圧を供給する電力制御器とを有し、
前記オリフィス板の共振によって前記粒子を前記連通孔から引き離して複数の前記連通孔と複数の前記粒子との間に隙間を発生させて、複数の前記連通孔全体により形成される連通面積を変化させることを特徴とする流体制御装置。
請求項１記載の流体制御装置において、前記振動子は圧電素子であることを特徴とする流体制御装置。
請求項１または２記載の流体制御装置において、前記オリフィス板を流体の流れ方向に振動させることを特徴とする流体制御装置。
請求項１または２記載の流体制御装置において、前記オリフィス板を流体の流れを横切る方向に振動させることを特徴とする流体制御装置。
請求項４記載の流体制御装置において、前記オリフィス板を前記弁ケーシングの径方向と円周方向の少なくともいずれか一方に振動させことを特徴とする流体制御装置。