気体圧制御弁
【課題】気体圧制御弁において、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることである。
【解決手段】気体圧制御弁１０は、３つのランド部２０，２２，２４と、ステム部２６とを含むスプール１４と、スプール１４を軸方向移動可能に支持し、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口４０と、気体を排出する排気口４２と、２次側気体圧を取り出す負荷口４４とを有するスリーブ１６とを備える。スプール１４の軸方向の両端に配置される前後ランド部２０，２４は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部１９，３０，３１と、摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブ１６の内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部２１，３２，３３を含む。スプール１４は、機械加工によって得ることができる。
【解決手段】気体圧制御弁１０は、３つのランド部２０，２２，２４と、ステム部２６とを含むスプール１４と、スプール１４を軸方向移動可能に支持し、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口４０と、気体を排出する排気口４２と、２次側気体圧を取り出す負荷口４４とを有するスリーブ１６とを備える。スプール１４の軸方向の両端に配置される前後ランド部２０，２４は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部１９，３０，３１と、摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブ１６の内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部２１，３２，３３を含む。スプール１４は、機械加工によって得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体圧制御弁に係り、特に、スプールとスリーブとを備える気体圧制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体圧回路や流体供給回路において管路の圧力制御や流量調整を行うために、移送弁あるいはサーボ弁等と呼ばれるフィードバック機構を内蔵した制御弁装置が用いられる。例えば、特許文献１には、トルクモータでスプールを駆動する油圧回路の流量等を制御するサーボ弁が開示され、特許文献２にはフォースモータでスプールを駆動する流体回路の流量等を制御するパイロットバルブが開示される。これらにおいて、スプールは複数のランド部を有し、そのスプールは軸方向移動可能にスリーブにより支持され、スリーブには圧力流体の供給口と、排出口と、圧力等が制御された流体を負荷に出力する負荷口が設けられ、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により、スプールのランド部と負荷口等の位置関係を変化させて負荷に出力する流体の圧力や流量を制御している。
【０００３】
例えば、負荷口の軸方向の開口長さとほぼ同じ長さで、スプールの中央ランド部を設定し、そのランド部の一方側に供給口から圧力流体を供給し、他方側を排出口側に接続する構成をとる。この構成の場合では、中立位置ではスプールの中央ランド部がちょうど負荷口をふさぐが、スプールを僅かに排出口側に移動すると、中央ランド部と供給口との間の位置関係が変わり、供給口側と負荷口が連通し、圧力気体が負荷口に流れ込む。これによりスプールはさらに排出口側に移動しようとするが、実際にはサーボ弁にはスプールを中立位置に戻す付勢力が与えられ、あるいは位置検出等のフィードバックが行われるので、スプールは逆に供給口側に戻される。スプールが供給口側に戻されると、中央ランド部と排出口との間の位置関係が変わり、排出口側と負荷口が連通し、負荷側の流体は大気に排出される。そこで再び付勢力又はフィードバックによりスプールは供給口側に戻される。
【０００４】
このように、スプールのランド部と負荷口等との位置関係と、スプールの付勢力又は運動検出のフィードバックにより、スプールは中立位置を中心に微妙に移動させることで、負荷に出力する流体の圧力や流量を制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開昭４２−１２８８０号公報
【特許文献２】特公昭３９−４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなスプールとスリーブを備え、ランド部と負荷口との相対的な位置関係によって負荷側の流体圧を制御する方式においては、スリーブに対するスプールの動きが滑らかであることが望まれる。そこで、スプールとスリーブとを用いる気体圧制御弁においては、スプールのランド部の外周と、ランド部に対向するスリーブの内壁との間に気体軸受機構を設けることが試みられる。気体軸受機構は、狭い隙間に気体を流し、それによってランド部をスリーブの内壁に対し浮上させるものである。
【０００７】
気体軸受機構において、隙間に流れる気体の流れを滑らかにし、浮上効果を効率的にするために、例えばランド部の表面に軸方向に沿って浅溝が設けられることが望ましい。この浅溝は、スプールの軸方向に沿って流れる気体の高圧側から始まり、軸方向に沿って適当な長さで低圧側に延びる。したがって、気体は、高圧側から浅溝を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れ、この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、スプールをスリーブに対し効率的に浮上させることができる。細溝の寸法の例としては、幅が１０分の数ｍｍから数ｍｍ程度、溝深さが数μｍから２０μ程度、細溝の長さは数ｍｍから数１０ｍｍ程度である。
【０００８】
このような細溝をランド部の表面に形成するには、複雑な工程を要する。１つの方法は、ランド部に部分的なエッチングを行うことである。この方法は、細溝部分以外の全部の領域について耐エッチング性を有するレジスト材料でマスキングされる必要がある。もう１つの方法は、円筒状のランドから出発し、細溝以外の領域に、細溝の深さに相当する厚みでメッキを行う方法である。この方法は、細溝部分にメッキされないように、細溝部分のところにレジスト材料が配置されてマスキングされる。
【０００９】
いずれの方法を採用するにしても、細い幅に対するマスキングが必要で、エッチングあるいはメッキ工程のあと、そのマスキングに用いられたレジスト材料を除去する必要がある。このように、気体圧制御弁において、スプールのスリーブに対する動きを滑らかにするために、気体軸受機構を設けるには、複雑な工程を必要としている。
【００１０】
また、スリーブにセラミック材料を用いると、腐食性環境に強い等の利点があるが、このような細溝加工等を行うことが極めて困難である。
【００１１】
本発明の目的は、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる気体圧制御弁を提供することである。他の目的は、セラミック材料で構成されるスプール又はスリーブを用いて、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる気体圧制御弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る気体圧制御弁は、間隔をおいて軸方向に配置された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続しランド部の外径より細い外径を有するステム部とを含むスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも２つの圧力室を形成するスリーブであって、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、気体を排出する排気口と、２次側気体圧を取り出す負荷口とを有するスリーブと、を備え、スリーブに対してスプールを相対的に移動駆動することで２次側気体圧を制御する気体圧制御弁であって、スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部と、を含み、圧力室の気体が表面絞りの隙間を通って、摺動部とスリーブの内壁との間の隙間に流れることを特徴とする。
【００１３】
また、絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る気体圧制御弁において、スプールの軸の内部に設けられる気体流路であって、供給口から１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路を有することが好ましい。
【００１５】
また、スプール又はスプールの少なくとも１つは、セラミック材料で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部とを含む。つまり、ランド部は、一様な外径の摺動部と、摺動部より細い一様な外径の絞り外径部とからなっている。したがって、異なる外径の加工のみで表面絞り隙間を形成でき、複雑なマスキング工程やその除去工程等を要しない。
【００１７】
また、絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有するので、例えば研削加工等の周知の外形加工によって所望の寸法を得ることができる。
【００１８】
また、１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路がスプールの内部に設けられる。これにより、スプールの前後ランド部の一方のランド部には１次側気体圧の圧力室から直接に絞り外径部に、他方のランド部には、スプールの内部を通る気体流路からその絞り外径部に、１次側気体圧を有する気体が導かれて、それぞれ表面絞りを形成することができる。
【００１９】
また、スプール又はスリーブのうち、少なくとも１方は、セラミック材料で構成されているとする。この場合、異なる外径形状、例えば直径が異なる加工のみで表面絞り隙間を形成できるので、セラミック材料のスプール又はスプールに対し、簡単な工程で、表面絞り隙間を形成できる。
【００２０】
上記のように、本発明に係る気体圧制御弁によれば、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる。また、セラミック材料で構成されるスプール又はスリーブを用いる気体圧制御弁についても、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、気体圧制御弁は、３つのランド部を有し、１つの負荷口を有するいわゆる三方弁として説明するが、ランド部の数はこれ以外であってもよい。例えば４つのランド部を有し、２つの負荷口を有するいわゆる五方弁であってもよい。また、スプールを軸方向に駆動するものとしてリニアモータを説明するが、それ以外の駆動機構であってもよい。たとえば、トルクモータであってもよい。また、ランド部及びスプールの断面は円形として説明するが、相互的に摺動が可能な外径形状であれば、多角形断面等であってもよい。ここで外径形状とは、断面の差し渡し代表寸法である外径を規定する形状を意味する。断面が円形の場合、外径は直径で、外径形状は円形である。
【００２２】
図１は、図示されていない負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータに、精密に調整された２次側気体圧Ｐａを供給できる気体圧制御弁１０の詳細な構成図である。気体圧制御弁１０は、気密構造の筐体１２の中に、スプール１４とスリーブ１６と、スプール１４を軸方向に移動駆動するリニアモータ５０と、スプール１４の軸方向の位置情報を検出する差動変圧器方式の変位センサ６０等を備える。
【００２３】
気体圧制御弁１０の動作は、制御部８０により制御される。制御部８０には、変位センサ６０の検出信号が入力され、これらに基づき、リニアモータ５０へ駆動信号が出力される。かかる制御部８０は、適当なアナログ電子回路又はディジタル電子回路や、コンピュータ等のデータ処理装置で構成することができる。制御部８０は、気体圧制御弁１０の一部として構成してもよく、また独立して構成してもよく、あるいは気体圧制御弁１０の出力圧力が供給される負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータ等における制御部の一部として構成することもできる。
【００２４】
筐体１２は、内部に気体圧制御弁１０の各構成要素を収納し、スリーブ１６の供給口４０、排気口４２、負荷口４４にそれぞれ接続されて外部に開口する各気体ポートを除いて気密であるケース体で、数個のブロックを組み立てて得ることができる。図１の例では、スリーブ１６の外周を固定保持するブロックを中心に、リニアモータ５０と変位センサ６０を組み込みやすいように、全体として３つのブロックに分けられている。かかる筐体１２は、適当な金属ブロックを加工し、適当な気密シーリングを用いながら気密に組み立て、適当な固定手段で固定して得ることができる。材質は、気密性、堅牢性等を満たせば金属以外のものを一部用いることができるが、少なくともリニアモータ５０のヨークを構成する部分は、磁性体であることを要する。
【００２５】
スプール１４はスリーブ１６に軸方向移動可能に支持され、スプール１４は、軸方向に間隔を置いて配列された３つのランド部２０，２２，２４と、隣接するランド部を接続するステム部２６とを含む。スプール１４はリニアモータ５０によって、図１に示すＸ方向、すなわち軸方向に移動駆動される。
【００２６】
スリーブ１６には、１次側気体圧Ｐｓが供給される供給口４０と、大気Ｐ０に開放される排気口４２と、図示されていない負荷に２次側気体圧Ｐａを出力する負荷口４４とが設けられる。
【００２７】
スプール１４とスリーブ１６の組み合わせは、一般的なもので、スリーブの内径は軸方向に一様で、スプールの各ランド部の外径も、後述する絞り外径部等の一部を除いて、スリーブの内径よりやや小さめであるが同じである。そして、スプール１４とスリーブ１６との組み合わせで、−Ｘ方向から＋Ｘ方向の順に、第１圧力室４６、第２圧力室４８が形成される。
【００２８】
すなわち、スプール１４の中央側に配置されるランド部２２は、その幅がスリーブ１６の負荷口４４のＸ方向の開口幅とほぼ等しくあるいはやや長めに設定され、中立状態では、ランド部２２は負荷口４４をふさぐように向かい合っている。そして、この中央のランド部２２と、最も−Ｘ側で左側のランド部２０と、スリーブ１６の内壁と、ステム部２６とに囲まれる空間が第１圧力室４６で、第１圧力室４６に供給口４０が接続される。また、この中央のランド部２２と、最も＋Ｘ側で右側のランド部２４と、スリーブ１６の内壁と、ステム部２６とに囲まれる空間が第２圧力室４８で、第２圧力室４８には排気口４２が接続される。
【００２９】
したがって、中央のランド部２２は、スリーブ１６の内径と協働して、第１圧力室４６と、第２圧力室４８との間を仕切る機能を有し、その前後の２つのランド部２０，２４は、それぞれ第１圧力室４６、第２圧力室４８を外部から仕切り、特に、スプール１４の軸方向の移動に対し、スリーブ１６の内壁と協働して、直進性のよい摺動を保持する機能を有する。これにより、スプール１４が中立状態から図１に示す＋Ｘ方向に移動駆動されると、中央のランド部２２は負荷口４４の−方向側を開け、供給口４０から１次側気体圧Ｐｓが負荷口４４へ流れ込む。逆に、スプール１４が中立状態から図１に示す−Ｘ方向に移動駆動されると、中央のランド部２２は負荷口４４の＋Ｘ方向側を開け、負荷口４４からの気体が排気口４２のほうへ開放される。
【００３０】
スリーブ１６の供給口４０、排気口４２、負荷口４４は、それぞれ筐体１２の供給ポート、排気ポート、負荷ポートに開口し、筐体１２の供給ポートには図示されていない気体供給源が接続され、排気ポートは大気に開放され、負荷ポートには微小移動機構のアクチュエータ等の負荷が接続される。
【００３１】
スプール１４とスリーブ１６の構成、特にスプール１４の詳細な構成は後述することにして、その他の要素について先に説明する。
【００３２】
リニアモータ５０は、スプール１４を軸方向に移動駆動する駆動機構で、スプール１４の軸方向の一方側における先端部に固定して取り付けられる。図１の例では、スプール１４の最も左側のランド部２０に近い先端部に取り付けられる。リニアモータ５０は、軸方向、すなわち図１のＸ方向に沿って配置される固定子磁気ギャップと、その固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動する可動子を含む直線駆動装置で、スプール１４を軸方向に移動駆動する機能を有する。具体的には、磁性体である筐体１２の一部に、Ｘ方向を軸方向とする円環状のギャップが設けられ、そのギャップの一方側に磁石５２が取り付けられる。このことで、ギャップが、軸方向に配置された固定子磁気ギャップとなる。可動子は、この固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動できる円環状の部分を有する移動体５４と、移動体５４の円環状の部分に軸方向に配列されたコイル５６を含んで構成される。
【００３３】
磁石５２は、固定子磁気ギャップを形成し、コイル５６に鎖交する磁束を発生するためのものである。磁石５２は、上記の円環状ギャップに合わせ、円環状としてもよく、また必要なトルクを得る程度に、円管状ギャップの一部に設けてもよい。かかる磁石としては、高性能の永久磁石を用いることができる。筐体１２に磁石５２を取り付けるには、適当な接着材を用いてもよく、あるいは、磁性体と磁石の吸引力のみで保持することもできる。
【００３４】
移動体５４は、固定子磁気ギャップと協働して駆動力を発生するコイル５６を搭載し、またスプール１４が取り付けられる部品である。移動体５４は、概略お椀形の形状のもので、お椀形の円環状側面にコイル５６が円周方向に沿って巻きつけられる。お椀形の底にあたる部分は、スプール１４との接続部である。かかる移動体５４は、適当な強度を有する樹脂又は金属を用い、一体成形で得ることができる。また、必要なトルクを得られるならば、移動体５４を完全な円環状とせずに、円環状の一部の形状として、そこにコイル５６を巻回してもよい。
【００３５】
コイル５６は、絶縁被服導線を移動体５４の円環状側面に円周状に複数回巻回されたもので、導線の抵抗、巻数等は、固定子磁気ギャップの特性設定とともに、リニアモータ５０の速度や応答性性能の面から設定される。また、コイル５６の引き出し線５８は、移動体５４の円環状側面に沿って適当に這わされたのち、たわみを十分に持った自由端となって、空中を経由して接続端子７０に接続される。このたわみや、導線のしなやかさは、移動体５４の高速移動や応答性等に影響が少ないように選ぶことが好ましい。
【００３６】
変位センサ６０は、スプール１４の軸方向の他方側における先端部に取り付けられ、スプール１４の軸方向の変位を差動変圧器方式により検出する機能を有する。ここでは、スプール１４の他方側の先端部をさらに延ばし、その先に軟磁性体プローブ６２を取り付け、これと協働するトランス巻線６４を筐体１２側に設ける。軟磁性体プローブ６２は、スプール１４と一体として軸方向に移動し、トランス巻線６４の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線６４から出力される。トランス巻線６４の各端子は、接続端子７２を介して制御部８０に接続されるので、必要な動作条件は制御部８０から供給され、軟磁性体プローブ６２の軸方向変位に応じた信号は制御部８０に出力される。
【００３７】
なお、変位センサ６０に代えて、サーチコイル型の速度検出センサ、磁気式の位置検出センサ等を用いてもよい。また、位置検出及び速度検出をともに行い、制御部８０にフィードバックしてもよく、さらに加速度のフィードバックを行うこととしてもよい。このように、スプール１４の運動情報を検出して制御部８０に供給することで、制御部８０において、変位、速度、加速度等のフィードバック制御を行うことができ、精密な２次側気体圧Ｐａの制御が可能になる。
【００３８】
このような構成の気体圧制御弁１０において、制御部８０よりリニアモータ５０に駆動信号が与えられると、それに応じてリニアモータ５０の移動体５４が軸方向に移動駆動され、移動体５４と接続されるスプール１４がスリーブ１６に対して相対的に軸方向に移動する。これにより、スプール１４のランド部２２と負荷口４４との相対位置が変化し、その変化量に応じ、負荷口４４に調整された２次側気体圧Ｐａが出力され、これを用いて気体アクチュエータ等の負荷が駆動される。
【００３９】
次に、スプール１４とスリーブ１６の構成について説明する。図２は、気体圧制御弁１０のスプール１４とスリーブ１６の部分を抜き出して示す図であり、図３は、スプール１４の中核部分の斜視図である。中央のランド部２２は、スリーブ１６の内径に対応する一様な外径を有する。ここでスリーブ１６の内径に対応するとは、摺動に適した隙間分だけスリーブ１６の内径より細い外径であることを意味する。例えば、スリーブ１６が軸方向に一様な内径を有しているとし、その内径が１０ｍｍの場合、中央のランド部２２の外径は、１０ｍｍより約１４μｍ程度細い。
【００４０】
最も左側のランド部２０は、太さの異なる２つの外径部を有する。１つは、スプール１４の最も左側に配置され、スリーブ１６の内径に対応する一様な外径を有する摺動部１９である。摺動部１９の外径は、中央のランド部２２の外径と同じで、スリーブ１６の内径に対応する外径である。ランド部２０のもう１つの外径部は、ステム部２６の外径より太く、かつ摺動部１９の外径より細い一様な外径を有し、スリーブ１６の内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部２１である。このように絞り外径部２１の外径は、表面絞りを形成するために摺動部１９の外径より細いが、その細さは、上記の寸法例では、直径で約５μｍ以上約４０μｍ以下がよい。スリーブ内径の大きさによりこの細さ範囲は異なるが、スリーブ内径が数ｍｍから数１０ｍｍの範囲であれば、絞り外径部２１の外径形状は、摺動部１９の外径形状より直径で約５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細いことが好ましい。なお、最も左側のランド部２０において、スリーブ内径を約１０ｍｍとして、摺動部１９の軸方向の長さを約２ｍｍ、絞り外径部２１の軸方向の長さを約８ｍｍ程度とすることができる。
【００４１】
最も右側のランド部２４は、太さが３段階に異なる３つの外径部を有する。最も太い外径部は、第２圧力室４８の右側に配置される摺動部３０と、スプール１４の最も右側に配置される摺動部３１である。摺動部３０，３１の外径は、最も左側のランド部２０の摺動部１９の外径と同じで、また、中央のランド部２２の外径と同じであり、スリーブ１６の内径に対応する外径である。ランド部２４において、次に細い外径部は、摺動部３０のすぐ右側の絞り外径部３２と、摺動部３１のすぐ左側の絞り外径部３３である。絞り外径部３２，３３の外径は、最も左側のランド部２０の絞り外径部２１の外径と同じである。ランド部２４において、最も細い外径部は、気体供給外径部３４である。気体供給外径部３４の直径は、ステム部２６の外径より太いが、同じであってもよい。なお、最も左側のランド部２０において、スリーブ内径を約１０ｍｍとして、摺動部３０，３１の軸方向の長さをそれぞれ約２ｍｍ、絞り外径部２１の軸方向の長さをそれぞれ約６ｍｍから約８ｍｍ程度、気体供給外径部３４の軸方向の長さを約２ｍｍから約４ｍｍ程度とすることができる。
【００４２】
気体供給路２８は、最も左側のランド部２０と中央のランド部２２との間のステム部に一方の開口２７を有し、最も右側のランド部２４の気体供給外径部３４に他方の開口２９を有し、ステム部２６の内部を通る気体流路である。図２から理解できるように、気体供給路２８の一方の開口２７は、第１圧力室４６に面して開口する。したがって、供給口４０から第１圧力室４６に導かれる１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、この開口２７から気体供給路２８を通り、他方の開口２９から流れ出ることができる。このように、気体供給路２８は、１次側気体圧Ｐｓを有する気体を、最も右側のランド部２４の気体供給外径部３４のところに導く機能を有する。
【００４３】
このようなスプールを得るには、次のような機械加工の工程を用いることができる。最初に、スリーブの内径よりやや太目の直径を有する軸を用意する。そして、次にその外径をスリーブの内径とほぼ同じに切削加工する。そして、ステム部に相当する部分も切削加工により細く加工する。ステム部の直径の精度はそれほど重要ではない。これにより、ステム部の加工と、３つのランド部の粗加工がなされたことになる。そして、３つのランド部の外径をすべて同じとして、研削加工により、スリーブの内径より、摺動に適した隙間分細くなるように加工する。この細さは、一例を上げると、スリーブ内径を約１０ｍｍとするときに、半径で約７μｍ程度細く、直径で約１４μｍ程度細くする。その後に、絞り外径部に対応する部分を、さらに半径で約２．５μｍから１５μｍ、直径で約５μｍから３０μｍ細く研削加工する。
【００４４】
このように、機械加工により、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを得ることができる。スプールの材質としては、ＳＵＳやアルミニウム等の金属材料を用いることができる。
【００４５】
スプールの材質として、アルミナ等のセラミックを用いることもできる。材質としてセラミックを用いる場合は、金属材料に対し加工性が劣るが、その熱伝導性等により、例えば研削時の温度変化を少なくでき、高精度に加工できる。また、加工が切削加工および研削加工であるので、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを容易に得ることができる。
【００４６】
図４、図５は、スプールの前後ランド部における絞り外径部と摺動部の機能を説明する図である。図４は最も左側のランド部についての気体の流れを示し、図５は最も右側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【００４７】
図４において、最も左側のランド部における絞り外径部２１の右側は、第１圧力室４６で、上記のようにここには１次側気体圧Ｐｓを有する気体が導かれている。一方で、最も左側のランド部における摺動部１９の左側は大気Ｐｏに開放されている。したがって、第１圧力室４６の１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、スリーブ１６と絞り外径部２１との間の隙間を通り、さらに狭い隙間であるスリーブ１６と摺動部１９との間を通って、大気Ｐｏ側に流れる。隙間は、軸の半径について測られるので、上記の例では、絞り外径部２１における隙間と、摺動部１９における隙間の差は、約２．５μｍ以上１５μｍ程度である。このように、気体は、高圧側からスリーブ１６と絞り外径部２１との間の隙間を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、摺動部１９をスリーブ１６に対し浮上させる。
【００４８】
図５においては、最も右側のランド部の気体供給外径部３４の開口２９から１次側気体圧Ｐｓを有する気体が導かれている。一方で、最も右側のランド部における摺動部３０の左側は第２圧力室４８で大気Ｐｏに開放されており、また摺動部３１の右側も大気Ｐｏに開放されている。したがって、１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、スリーブ１６と絞り外径部３２，３３との間の隙間を通り、さらに狭い隙間であるスリーブ１６と摺動部３０，３１との間を通って、大気Ｐｏ側に流れる。このように、気体は、高圧側からスリーブ１６と絞り外径部３２，３３との間の隙間を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、摺動部３０，３１をスリーブ１６に対し浮上させる。
【００４９】
このように、摺動部をスリーブの内径に対応した一様な直径を有するものとし、絞り外径部を、摺動部の外径形状より直径で約５μｍから約３０μｍの範囲で細くした一様な直径を有するものとすることで、スプールとスリーブとの間に気体軸受機構を形成することができる。この構成の場合、切削加工と研削加工等で、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを容易に得ることができ、複雑なマスキング工程及びその除去工程を要しない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る実施の形態における気体圧制御弁の詳細な構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、スプールとスリーブの部分を抜き出して示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、スプールの中核部分の斜視図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、最も左側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、最も右側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 気体圧制御弁、１２ 筐体、１４ スプール、１６ スリーブ、１９，３０，３１ 摺動部、２０，２２，２４ ランド部、２１，３２，３３ 絞り外径部、２６ ステム部、２７，２９ 開口、２８ 気体供給路、３４ 気体供給外径部、４０ 供給口、４２ 排気口、４４ 負荷口、４６ 第１圧力室、４８ 第２圧力室、５０ リニアモータ、５２ 磁石、５４ 移動体、５６ コイル、５８ 引き出し線、６０ 変位センサ、６２ 軟磁性体プローブ、６４ トランス巻線、７０，７２ 接続端子、８０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体圧制御弁に係り、特に、スプールとスリーブとを備える気体圧制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体圧回路や流体供給回路において管路の圧力制御や流量調整を行うために、移送弁あるいはサーボ弁等と呼ばれるフィードバック機構を内蔵した制御弁装置が用いられる。例えば、特許文献１には、トルクモータでスプールを駆動する油圧回路の流量等を制御するサーボ弁が開示され、特許文献２にはフォースモータでスプールを駆動する流体回路の流量等を制御するパイロットバルブが開示される。これらにおいて、スプールは複数のランド部を有し、そのスプールは軸方向移動可能にスリーブにより支持され、スリーブには圧力流体の供給口と、排出口と、圧力等が制御された流体を負荷に出力する負荷口が設けられ、スリーブに対するスプールの軸方向移動駆動により、スプールのランド部と負荷口等の位置関係を変化させて負荷に出力する流体の圧力や流量を制御している。
【０００３】
例えば、負荷口の軸方向の開口長さとほぼ同じ長さで、スプールの中央ランド部を設定し、そのランド部の一方側に供給口から圧力流体を供給し、他方側を排出口側に接続する構成をとる。この構成の場合では、中立位置ではスプールの中央ランド部がちょうど負荷口をふさぐが、スプールを僅かに排出口側に移動すると、中央ランド部と供給口との間の位置関係が変わり、供給口側と負荷口が連通し、圧力気体が負荷口に流れ込む。これによりスプールはさらに排出口側に移動しようとするが、実際にはサーボ弁にはスプールを中立位置に戻す付勢力が与えられ、あるいは位置検出等のフィードバックが行われるので、スプールは逆に供給口側に戻される。スプールが供給口側に戻されると、中央ランド部と排出口との間の位置関係が変わり、排出口側と負荷口が連通し、負荷側の流体は大気に排出される。そこで再び付勢力又はフィードバックによりスプールは供給口側に戻される。
【０００４】
このように、スプールのランド部と負荷口等との位置関係と、スプールの付勢力又は運動検出のフィードバックにより、スプールは中立位置を中心に微妙に移動させることで、負荷に出力する流体の圧力や流量を制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開昭４２−１２８８０号公報
【特許文献２】特公昭３９−４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなスプールとスリーブを備え、ランド部と負荷口との相対的な位置関係によって負荷側の流体圧を制御する方式においては、スリーブに対するスプールの動きが滑らかであることが望まれる。そこで、スプールとスリーブとを用いる気体圧制御弁においては、スプールのランド部の外周と、ランド部に対向するスリーブの内壁との間に気体軸受機構を設けることが試みられる。気体軸受機構は、狭い隙間に気体を流し、それによってランド部をスリーブの内壁に対し浮上させるものである。
【０００７】
気体軸受機構において、隙間に流れる気体の流れを滑らかにし、浮上効果を効率的にするために、例えばランド部の表面に軸方向に沿って浅溝が設けられることが望ましい。この浅溝は、スプールの軸方向に沿って流れる気体の高圧側から始まり、軸方向に沿って適当な長さで低圧側に延びる。したがって、気体は、高圧側から浅溝を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れ、この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、スプールをスリーブに対し効率的に浮上させることができる。細溝の寸法の例としては、幅が１０分の数ｍｍから数ｍｍ程度、溝深さが数μｍから２０μ程度、細溝の長さは数ｍｍから数１０ｍｍ程度である。
【０００８】
このような細溝をランド部の表面に形成するには、複雑な工程を要する。１つの方法は、ランド部に部分的なエッチングを行うことである。この方法は、細溝部分以外の全部の領域について耐エッチング性を有するレジスト材料でマスキングされる必要がある。もう１つの方法は、円筒状のランドから出発し、細溝以外の領域に、細溝の深さに相当する厚みでメッキを行う方法である。この方法は、細溝部分にメッキされないように、細溝部分のところにレジスト材料が配置されてマスキングされる。
【０００９】
いずれの方法を採用するにしても、細い幅に対するマスキングが必要で、エッチングあるいはメッキ工程のあと、そのマスキングに用いられたレジスト材料を除去する必要がある。このように、気体圧制御弁において、スプールのスリーブに対する動きを滑らかにするために、気体軸受機構を設けるには、複雑な工程を必要としている。
【００１０】
また、スリーブにセラミック材料を用いると、腐食性環境に強い等の利点があるが、このような細溝加工等を行うことが極めて困難である。
【００１１】
本発明の目的は、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる気体圧制御弁を提供することである。他の目的は、セラミック材料で構成されるスプール又はスリーブを用いて、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる気体圧制御弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る気体圧制御弁は、間隔をおいて軸方向に配置された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続しランド部の外径より細い外径を有するステム部とを含むスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも２つの圧力室を形成するスリーブであって、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、気体を排出する排気口と、２次側気体圧を取り出す負荷口とを有するスリーブと、を備え、スリーブに対してスプールを相対的に移動駆動することで２次側気体圧を制御する気体圧制御弁であって、スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部と、を含み、圧力室の気体が表面絞りの隙間を通って、摺動部とスリーブの内壁との間の隙間に流れることを特徴とする。
【００１３】
また、絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る気体圧制御弁において、スプールの軸の内部に設けられる気体流路であって、供給口から１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路を有することが好ましい。
【００１５】
また、スプール又はスプールの少なくとも１つは、セラミック材料で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部とを含む。つまり、ランド部は、一様な外径の摺動部と、摺動部より細い一様な外径の絞り外径部とからなっている。したがって、異なる外径の加工のみで表面絞り隙間を形成でき、複雑なマスキング工程やその除去工程等を要しない。
【００１７】
また、絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有するので、例えば研削加工等の周知の外形加工によって所望の寸法を得ることができる。
【００１８】
また、１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路がスプールの内部に設けられる。これにより、スプールの前後ランド部の一方のランド部には１次側気体圧の圧力室から直接に絞り外径部に、他方のランド部には、スプールの内部を通る気体流路からその絞り外径部に、１次側気体圧を有する気体が導かれて、それぞれ表面絞りを形成することができる。
【００１９】
また、スプール又はスリーブのうち、少なくとも１方は、セラミック材料で構成されているとする。この場合、異なる外径形状、例えば直径が異なる加工のみで表面絞り隙間を形成できるので、セラミック材料のスプール又はスプールに対し、簡単な工程で、表面絞り隙間を形成できる。
【００２０】
上記のように、本発明に係る気体圧制御弁によれば、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる。また、セラミック材料で構成されるスプール又はスリーブを用いる気体圧制御弁についても、より簡単な工程で、スプールとスリーブの間に気体軸受機構を設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、気体圧制御弁は、３つのランド部を有し、１つの負荷口を有するいわゆる三方弁として説明するが、ランド部の数はこれ以外であってもよい。例えば４つのランド部を有し、２つの負荷口を有するいわゆる五方弁であってもよい。また、スプールを軸方向に駆動するものとしてリニアモータを説明するが、それ以外の駆動機構であってもよい。たとえば、トルクモータであってもよい。また、ランド部及びスプールの断面は円形として説明するが、相互的に摺動が可能な外径形状であれば、多角形断面等であってもよい。ここで外径形状とは、断面の差し渡し代表寸法である外径を規定する形状を意味する。断面が円形の場合、外径は直径で、外径形状は円形である。
【００２２】
図１は、図示されていない負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータに、精密に調整された２次側気体圧Ｐａを供給できる気体圧制御弁１０の詳細な構成図である。気体圧制御弁１０は、気密構造の筐体１２の中に、スプール１４とスリーブ１６と、スプール１４を軸方向に移動駆動するリニアモータ５０と、スプール１４の軸方向の位置情報を検出する差動変圧器方式の変位センサ６０等を備える。
【００２３】
気体圧制御弁１０の動作は、制御部８０により制御される。制御部８０には、変位センサ６０の検出信号が入力され、これらに基づき、リニアモータ５０へ駆動信号が出力される。かかる制御部８０は、適当なアナログ電子回路又はディジタル電子回路や、コンピュータ等のデータ処理装置で構成することができる。制御部８０は、気体圧制御弁１０の一部として構成してもよく、また独立して構成してもよく、あるいは気体圧制御弁１０の出力圧力が供給される負荷、例えば微小移動機構のアクチュエータ等における制御部の一部として構成することもできる。
【００２４】
筐体１２は、内部に気体圧制御弁１０の各構成要素を収納し、スリーブ１６の供給口４０、排気口４２、負荷口４４にそれぞれ接続されて外部に開口する各気体ポートを除いて気密であるケース体で、数個のブロックを組み立てて得ることができる。図１の例では、スリーブ１６の外周を固定保持するブロックを中心に、リニアモータ５０と変位センサ６０を組み込みやすいように、全体として３つのブロックに分けられている。かかる筐体１２は、適当な金属ブロックを加工し、適当な気密シーリングを用いながら気密に組み立て、適当な固定手段で固定して得ることができる。材質は、気密性、堅牢性等を満たせば金属以外のものを一部用いることができるが、少なくともリニアモータ５０のヨークを構成する部分は、磁性体であることを要する。
【００２５】
スプール１４はスリーブ１６に軸方向移動可能に支持され、スプール１４は、軸方向に間隔を置いて配列された３つのランド部２０，２２，２４と、隣接するランド部を接続するステム部２６とを含む。スプール１４はリニアモータ５０によって、図１に示すＸ方向、すなわち軸方向に移動駆動される。
【００２６】
スリーブ１６には、１次側気体圧Ｐｓが供給される供給口４０と、大気Ｐ０に開放される排気口４２と、図示されていない負荷に２次側気体圧Ｐａを出力する負荷口４４とが設けられる。
【００２７】
スプール１４とスリーブ１６の組み合わせは、一般的なもので、スリーブの内径は軸方向に一様で、スプールの各ランド部の外径も、後述する絞り外径部等の一部を除いて、スリーブの内径よりやや小さめであるが同じである。そして、スプール１４とスリーブ１６との組み合わせで、−Ｘ方向から＋Ｘ方向の順に、第１圧力室４６、第２圧力室４８が形成される。
【００２８】
すなわち、スプール１４の中央側に配置されるランド部２２は、その幅がスリーブ１６の負荷口４４のＸ方向の開口幅とほぼ等しくあるいはやや長めに設定され、中立状態では、ランド部２２は負荷口４４をふさぐように向かい合っている。そして、この中央のランド部２２と、最も−Ｘ側で左側のランド部２０と、スリーブ１６の内壁と、ステム部２６とに囲まれる空間が第１圧力室４６で、第１圧力室４６に供給口４０が接続される。また、この中央のランド部２２と、最も＋Ｘ側で右側のランド部２４と、スリーブ１６の内壁と、ステム部２６とに囲まれる空間が第２圧力室４８で、第２圧力室４８には排気口４２が接続される。
【００２９】
したがって、中央のランド部２２は、スリーブ１６の内径と協働して、第１圧力室４６と、第２圧力室４８との間を仕切る機能を有し、その前後の２つのランド部２０，２４は、それぞれ第１圧力室４６、第２圧力室４８を外部から仕切り、特に、スプール１４の軸方向の移動に対し、スリーブ１６の内壁と協働して、直進性のよい摺動を保持する機能を有する。これにより、スプール１４が中立状態から図１に示す＋Ｘ方向に移動駆動されると、中央のランド部２２は負荷口４４の−方向側を開け、供給口４０から１次側気体圧Ｐｓが負荷口４４へ流れ込む。逆に、スプール１４が中立状態から図１に示す−Ｘ方向に移動駆動されると、中央のランド部２２は負荷口４４の＋Ｘ方向側を開け、負荷口４４からの気体が排気口４２のほうへ開放される。
【００３０】
スリーブ１６の供給口４０、排気口４２、負荷口４４は、それぞれ筐体１２の供給ポート、排気ポート、負荷ポートに開口し、筐体１２の供給ポートには図示されていない気体供給源が接続され、排気ポートは大気に開放され、負荷ポートには微小移動機構のアクチュエータ等の負荷が接続される。
【００３１】
スプール１４とスリーブ１６の構成、特にスプール１４の詳細な構成は後述することにして、その他の要素について先に説明する。
【００３２】
リニアモータ５０は、スプール１４を軸方向に移動駆動する駆動機構で、スプール１４の軸方向の一方側における先端部に固定して取り付けられる。図１の例では、スプール１４の最も左側のランド部２０に近い先端部に取り付けられる。リニアモータ５０は、軸方向、すなわち図１のＸ方向に沿って配置される固定子磁気ギャップと、その固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動する可動子を含む直線駆動装置で、スプール１４を軸方向に移動駆動する機能を有する。具体的には、磁性体である筐体１２の一部に、Ｘ方向を軸方向とする円環状のギャップが設けられ、そのギャップの一方側に磁石５２が取り付けられる。このことで、ギャップが、軸方向に配置された固定子磁気ギャップとなる。可動子は、この固定子磁気ギャップの中を軸方向に移動できる円環状の部分を有する移動体５４と、移動体５４の円環状の部分に軸方向に配列されたコイル５６を含んで構成される。
【００３３】
磁石５２は、固定子磁気ギャップを形成し、コイル５６に鎖交する磁束を発生するためのものである。磁石５２は、上記の円環状ギャップに合わせ、円環状としてもよく、また必要なトルクを得る程度に、円管状ギャップの一部に設けてもよい。かかる磁石としては、高性能の永久磁石を用いることができる。筐体１２に磁石５２を取り付けるには、適当な接着材を用いてもよく、あるいは、磁性体と磁石の吸引力のみで保持することもできる。
【００３４】
移動体５４は、固定子磁気ギャップと協働して駆動力を発生するコイル５６を搭載し、またスプール１４が取り付けられる部品である。移動体５４は、概略お椀形の形状のもので、お椀形の円環状側面にコイル５６が円周方向に沿って巻きつけられる。お椀形の底にあたる部分は、スプール１４との接続部である。かかる移動体５４は、適当な強度を有する樹脂又は金属を用い、一体成形で得ることができる。また、必要なトルクを得られるならば、移動体５４を完全な円環状とせずに、円環状の一部の形状として、そこにコイル５６を巻回してもよい。
【００３５】
コイル５６は、絶縁被服導線を移動体５４の円環状側面に円周状に複数回巻回されたもので、導線の抵抗、巻数等は、固定子磁気ギャップの特性設定とともに、リニアモータ５０の速度や応答性性能の面から設定される。また、コイル５６の引き出し線５８は、移動体５４の円環状側面に沿って適当に這わされたのち、たわみを十分に持った自由端となって、空中を経由して接続端子７０に接続される。このたわみや、導線のしなやかさは、移動体５４の高速移動や応答性等に影響が少ないように選ぶことが好ましい。
【００３６】
変位センサ６０は、スプール１４の軸方向の他方側における先端部に取り付けられ、スプール１４の軸方向の変位を差動変圧器方式により検出する機能を有する。ここでは、スプール１４の他方側の先端部をさらに延ばし、その先に軟磁性体プローブ６２を取り付け、これと協働するトランス巻線６４を筐体１２側に設ける。軟磁性体プローブ６２は、スプール１４と一体として軸方向に移動し、トランス巻線６４の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線６４から出力される。トランス巻線６４の各端子は、接続端子７２を介して制御部８０に接続されるので、必要な動作条件は制御部８０から供給され、軟磁性体プローブ６２の軸方向変位に応じた信号は制御部８０に出力される。
【００３７】
なお、変位センサ６０に代えて、サーチコイル型の速度検出センサ、磁気式の位置検出センサ等を用いてもよい。また、位置検出及び速度検出をともに行い、制御部８０にフィードバックしてもよく、さらに加速度のフィードバックを行うこととしてもよい。このように、スプール１４の運動情報を検出して制御部８０に供給することで、制御部８０において、変位、速度、加速度等のフィードバック制御を行うことができ、精密な２次側気体圧Ｐａの制御が可能になる。
【００３８】
このような構成の気体圧制御弁１０において、制御部８０よりリニアモータ５０に駆動信号が与えられると、それに応じてリニアモータ５０の移動体５４が軸方向に移動駆動され、移動体５４と接続されるスプール１４がスリーブ１６に対して相対的に軸方向に移動する。これにより、スプール１４のランド部２２と負荷口４４との相対位置が変化し、その変化量に応じ、負荷口４４に調整された２次側気体圧Ｐａが出力され、これを用いて気体アクチュエータ等の負荷が駆動される。
【００３９】
次に、スプール１４とスリーブ１６の構成について説明する。図２は、気体圧制御弁１０のスプール１４とスリーブ１６の部分を抜き出して示す図であり、図３は、スプール１４の中核部分の斜視図である。中央のランド部２２は、スリーブ１６の内径に対応する一様な外径を有する。ここでスリーブ１６の内径に対応するとは、摺動に適した隙間分だけスリーブ１６の内径より細い外径であることを意味する。例えば、スリーブ１６が軸方向に一様な内径を有しているとし、その内径が１０ｍｍの場合、中央のランド部２２の外径は、１０ｍｍより約１４μｍ程度細い。
【００４０】
最も左側のランド部２０は、太さの異なる２つの外径部を有する。１つは、スプール１４の最も左側に配置され、スリーブ１６の内径に対応する一様な外径を有する摺動部１９である。摺動部１９の外径は、中央のランド部２２の外径と同じで、スリーブ１６の内径に対応する外径である。ランド部２０のもう１つの外径部は、ステム部２６の外径より太く、かつ摺動部１９の外径より細い一様な外径を有し、スリーブ１６の内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部２１である。このように絞り外径部２１の外径は、表面絞りを形成するために摺動部１９の外径より細いが、その細さは、上記の寸法例では、直径で約５μｍ以上約４０μｍ以下がよい。スリーブ内径の大きさによりこの細さ範囲は異なるが、スリーブ内径が数ｍｍから数１０ｍｍの範囲であれば、絞り外径部２１の外径形状は、摺動部１９の外径形状より直径で約５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細いことが好ましい。なお、最も左側のランド部２０において、スリーブ内径を約１０ｍｍとして、摺動部１９の軸方向の長さを約２ｍｍ、絞り外径部２１の軸方向の長さを約８ｍｍ程度とすることができる。
【００４１】
最も右側のランド部２４は、太さが３段階に異なる３つの外径部を有する。最も太い外径部は、第２圧力室４８の右側に配置される摺動部３０と、スプール１４の最も右側に配置される摺動部３１である。摺動部３０，３１の外径は、最も左側のランド部２０の摺動部１９の外径と同じで、また、中央のランド部２２の外径と同じであり、スリーブ１６の内径に対応する外径である。ランド部２４において、次に細い外径部は、摺動部３０のすぐ右側の絞り外径部３２と、摺動部３１のすぐ左側の絞り外径部３３である。絞り外径部３２，３３の外径は、最も左側のランド部２０の絞り外径部２１の外径と同じである。ランド部２４において、最も細い外径部は、気体供給外径部３４である。気体供給外径部３４の直径は、ステム部２６の外径より太いが、同じであってもよい。なお、最も左側のランド部２０において、スリーブ内径を約１０ｍｍとして、摺動部３０，３１の軸方向の長さをそれぞれ約２ｍｍ、絞り外径部２１の軸方向の長さをそれぞれ約６ｍｍから約８ｍｍ程度、気体供給外径部３４の軸方向の長さを約２ｍｍから約４ｍｍ程度とすることができる。
【００４２】
気体供給路２８は、最も左側のランド部２０と中央のランド部２２との間のステム部に一方の開口２７を有し、最も右側のランド部２４の気体供給外径部３４に他方の開口２９を有し、ステム部２６の内部を通る気体流路である。図２から理解できるように、気体供給路２８の一方の開口２７は、第１圧力室４６に面して開口する。したがって、供給口４０から第１圧力室４６に導かれる１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、この開口２７から気体供給路２８を通り、他方の開口２９から流れ出ることができる。このように、気体供給路２８は、１次側気体圧Ｐｓを有する気体を、最も右側のランド部２４の気体供給外径部３４のところに導く機能を有する。
【００４３】
このようなスプールを得るには、次のような機械加工の工程を用いることができる。最初に、スリーブの内径よりやや太目の直径を有する軸を用意する。そして、次にその外径をスリーブの内径とほぼ同じに切削加工する。そして、ステム部に相当する部分も切削加工により細く加工する。ステム部の直径の精度はそれほど重要ではない。これにより、ステム部の加工と、３つのランド部の粗加工がなされたことになる。そして、３つのランド部の外径をすべて同じとして、研削加工により、スリーブの内径より、摺動に適した隙間分細くなるように加工する。この細さは、一例を上げると、スリーブ内径を約１０ｍｍとするときに、半径で約７μｍ程度細く、直径で約１４μｍ程度細くする。その後に、絞り外径部に対応する部分を、さらに半径で約２．５μｍから１５μｍ、直径で約５μｍから３０μｍ細く研削加工する。
【００４４】
このように、機械加工により、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを得ることができる。スプールの材質としては、ＳＵＳやアルミニウム等の金属材料を用いることができる。
【００４５】
スプールの材質として、アルミナ等のセラミックを用いることもできる。材質としてセラミックを用いる場合は、金属材料に対し加工性が劣るが、その熱伝導性等により、例えば研削時の温度変化を少なくでき、高精度に加工できる。また、加工が切削加工および研削加工であるので、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを容易に得ることができる。
【００４６】
図４、図５は、スプールの前後ランド部における絞り外径部と摺動部の機能を説明する図である。図４は最も左側のランド部についての気体の流れを示し、図５は最も右側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【００４７】
図４において、最も左側のランド部における絞り外径部２１の右側は、第１圧力室４６で、上記のようにここには１次側気体圧Ｐｓを有する気体が導かれている。一方で、最も左側のランド部における摺動部１９の左側は大気Ｐｏに開放されている。したがって、第１圧力室４６の１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、スリーブ１６と絞り外径部２１との間の隙間を通り、さらに狭い隙間であるスリーブ１６と摺動部１９との間を通って、大気Ｐｏ側に流れる。隙間は、軸の半径について測られるので、上記の例では、絞り外径部２１における隙間と、摺動部１９における隙間の差は、約２．５μｍ以上１５μｍ程度である。このように、気体は、高圧側からスリーブ１６と絞り外径部２１との間の隙間を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、摺動部１９をスリーブ１６に対し浮上させる。
【００４８】
図５においては、最も右側のランド部の気体供給外径部３４の開口２９から１次側気体圧Ｐｓを有する気体が導かれている。一方で、最も右側のランド部における摺動部３０の左側は第２圧力室４８で大気Ｐｏに開放されており、また摺動部３１の右側も大気Ｐｏに開放されている。したがって、１次側気体圧Ｐｓを有する気体は、スリーブ１６と絞り外径部３２，３３との間の隙間を通り、さらに狭い隙間であるスリーブ１６と摺動部３０，３１との間を通って、大気Ｐｏ側に流れる。このように、気体は、高圧側からスリーブ１６と絞り外径部３２，３３との間の隙間を通り、より狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、摺動部３０，３１をスリーブ１６に対し浮上させる。
【００４９】
このように、摺動部をスリーブの内径に対応した一様な直径を有するものとし、絞り外径部を、摺動部の外径形状より直径で約５μｍから約３０μｍの範囲で細くした一様な直径を有するものとすることで、スプールとスリーブとの間に気体軸受機構を形成することができる。この構成の場合、切削加工と研削加工等で、前後ランド部において摺動部と絞り外径部とを備えるスプールを容易に得ることができ、複雑なマスキング工程及びその除去工程を要しない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る実施の形態における気体圧制御弁の詳細な構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、スプールとスリーブの部分を抜き出して示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、スプールの中核部分の斜視図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、最も左側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、最も右側のランド部についての気体の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 気体圧制御弁、１２ 筐体、１４ スプール、１６ スリーブ、１９，３０，３１ 摺動部、２０，２２，２４ ランド部、２１，３２，３３ 絞り外径部、２６ ステム部、２７，２９ 開口、２８ 気体供給路、３４ 気体供給外径部、４０ 供給口、４２ 排気口、４４ 負荷口、４６ 第１圧力室、４８ 第２圧力室、５０ リニアモータ、５２ 磁石、５４ 移動体、５６ コイル、５８ 引き出し線、６０ 変位センサ、６２ 軟磁性体プローブ、６４ トランス巻線、７０，７２ 接続端子、８０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をおいて軸方向に配置された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続しランド部の外径より細い外径を有するステム部とを含むスプールと、
スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも２つの圧力室を形成するスリーブであって、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、気体を排出する排気口と、２次側気体圧を取り出す負荷口とを有するスリーブと、
を備え、スリーブに対してスプールを相対的に移動駆動することで２次側気体圧を制御する気体圧制御弁であって、
スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、
スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、
ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部と、
を含み、圧力室の気体が表面絞りの隙間を通って、摺動部とスリーブの内壁との間の隙間に流れることを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有することを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項３】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
スプールの軸の内部に設けられる気体流路であって、供給口から１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路を有することを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項４】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
スプール又はスプールの少なくとも１つは、セラミック材料で構成されていることを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項１】
間隔をおいて軸方向に配置された少なくとも３つのランド部と、隣接するランド部を接続しランド部の外径より細い外径を有するステム部とを含むスプールと、
スプールを軸方向移動可能に支持する内壁を有し、スプールと協働してスプールの隣り合うランド部の間の空間を内壁で囲むことで少なくとも２つの圧力室を形成するスリーブであって、１次側気体圧を有する気体を供給する供給口と、気体を排出する排気口と、２次側気体圧を取り出す負荷口とを有するスリーブと、
を備え、スリーブに対してスプールを相対的に移動駆動することで２次側気体圧を制御する気体圧制御弁であって、
スプールの軸方向の両端に配置される前後ランド部の少なくとも一方は、
スリーブの内径に対応する一様な外径を有する摺動部と、
ステム部の外径より太く、かつ摺動部の外径より細い一様な外径を有し、スリーブの内壁との間で表面絞り隙間を形成する絞り外径部と、
を含み、圧力室の気体が表面絞りの隙間を通って、摺動部とスリーブの内壁との間の隙間に流れることを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
絞り外径部は、摺動部の外径形状よりも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲で細い外径形状を有することを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項３】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
スプールの軸の内部に設けられる気体流路であって、供給口から１次側気体圧を有する気体が導かれる圧力室から、前後ランド部の一方のランド部における絞り外径部へ、１次側気体圧を有する気体を導く気体流路を有することを特徴とする気体圧制御弁。
【請求項４】
請求項１に記載の気体圧制御弁において、
スプール又はスプールの少なくとも１つは、セラミック材料で構成されていることを特徴とする気体圧制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１８７２９６（Ｐ２００７−１８７２９６Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７６７２（Ｐ２００６−７６７２）
【出願日】平成１８年１月１６日（２００６．１．１６）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１６日（２００６．１．１６）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
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