JPH0694909B2 - 圧電素子を用いた流体制御バルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は圧電素子を用いた流体制御バルブに関し、特
に同バルブの高速応答および高出力化を図るものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、圧電素子を用いた流体制御バルブとしては例えば
特公昭60−14954号に示すものがある。この装置におい
ては、断面積の大きいピストンと断面積の小さなピスト
ンの間に液体を封入し、圧電素子の圧電効果によって断
面積の大きいピストンを動作することにより前記封入液
体を介して断面積の小さなピストンを作動させ、これに
より両ピストンの断面積比分の変位増幅を行なうように
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この従来方式は、封入液体の圧縮性によって
変位の大部分がこの封入液体に吸収される問題を有して
おり、圧電素子のような変位の小さいアクチュエータの
増幅方式には有効でない。また、この従来装置におい
て、封入液体による変位吸収率を小さくしようとする
と、圧電素子の寸法が大きくなり、バルブ構成が大型化
する問題がある。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、変
位拡大機構による変位吸収を無くし、高速応答および高
出力化を図るようにした圧電素子を用いた流体制御バル
ブを提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕

そこでこの発明では、圧電素子と、この圧電素子の変位
をてこ作用によって拡大する切欠き形状の一体型弾性体
と、一方端部がスプリングによって付勢され他方端部に
前記一体型弾性体の出力取り出し部位が当接される往復
移動可能な弁体とを有し、前記圧電素子の変位を前記一
体型弾性体で変位拡大して前記弁体を移動することによ
りバルブ開閉動作を行なう圧電素子を用いた流体制御バ
ルブにおいて、前記圧電素子及び一体型弾性体を内蔵さ
せた第１のハウジングと前記弁体及びスプリングを内蔵
させた第２のハウジングとを粗位置調整用の所定厚さの
板状のシムを介して結合すると共に、左右中央部がそれ
ぞれ外側に突出した形状であってかつその下部が前記圧
電素子に当接している枠体と、前記枠体の左右突出部に
螺着されるボルトとを有し、前記ボルトを締めることに
より前記枠体下部を介して圧電素子に該圧電素子の変位
方向の押圧力を作用させるとともに、前記ボルトの締め
量を調整して前記圧電素子の変位方向に対する微小位置
決めを行うことにより前記一体型弾性体のプリロード量
を調整する微小位置決め機構を前記第１のハウジング内
に具えるようにしている。

〔実施例〕

以下、この発明を添付図面に示す実施例にしたがって詳
細に説明する。

第１図はこの発明にかかる流体制御バルブの実施例を示
すものであり、このバルブはシムSMを境にして大きくは
バルブドライブ部１とポペット弁座部２とで構成され
る。

バルブドライブ部１は、微小位置決め機構３、圧電素子
４、一体結合型弾性体５、変位検出体６、変位センサ７
等で構成されており、これらがケース８、プレート９に
よって形成された空間に収容されている。圧電素子４の
リード線10はケース８の孔11を介して装置外へ導出され
ている。

微小位置決め機構３は、第２図（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、左右対称に外側へ屈曲した２本の柱状体12,13を
支持部材14,15によって上下で支持固定し、これら柱状
体12,13をボルト16とナット17で連結するようにしてい
る。すなわち、ボルト16およびナット17を締めれば、柱
状体12,13の屈曲部間の距離が締まることになり、この
結果柱状体12,13は上下方向に伸張することになり、上
記ボルト16およびナット17の締め具合を調整することに
より、上下方向の微小位置決めを行なうことができる。
なお、第２図の構成では、外側に屈曲した２本の柱状体
を用いるようにしたが、第１図に示すようなＩ字状の中
空部を有する一体成形部材を用いて上下方向の位置決め
を行なうようにしてもよい。

微小位置決め機構３は、ビス18によってプレート９に結
合され、また接着剤で圧電素子４と固着されている。圧
電素子４の下端にはピン20が設けられ、これが一体結合
型弾性体５のＶノッチ部21に着座されており、このＶノ
ッチ部21に圧電素子４の圧電効果による力が作用する。

一体結合型弾性体５は、例えばリン青銅で作られた一体
型の切欠き形状であり、２段てこの原理により変位拡大
の作用をなす。第３図にその拡大図を示す。圧電素子４
によって弾性体５のＶノッチ部21に力ｆが加えられたと
すると、肉厚の薄い各ヒンジ部が弾性変形し、この変位
はほぼてこ比の分だけ拡大されて伝達され、この拡大変
位はピン30が当接されたP₀点から取り出される。すなわ
ち、１段目5aにおいては、Ｖノッチ部21を力点、点P₁を
支点、点P₂を作用点とするてこ作用が働き、また２段目
5bにおいては点P₃を力点、点P₄を支点、点P₀を作用点と
するてこ作用が働き、この結果弾性体５全体としての変
位拡大率はbd/acとなる。この一体結合型弾性体５は、
てこの原理に基づき動作する純機械的な変位拡大機構で
あり、摺動部もないため、変位吸収が無く、大きな変位
拡大率を得ることができる。

一体結合型弾性体５には変位検出体６が設けられてお
り、変位センサ７で変位検出体６の上下方向変位を検出
することで、一体結合型弾性体５の出力取出部の上下変
位を検出する。変位センサ７はこの場合磁気抵抗式のも
のであり、カバー22を介してビス42でケース８に固着さ
れている。

ポペット弁座部２は、油路31,32が形成されたボデイ3
3、きのこ形のポペット弁34、ピン30、スプリング36等
で構成されている。ポペット弁34の上側に設けられたピ
ン30は一体結合型弾性体５からポペット弁34への力伝達
体としての作用をなすもので、ボデイ33との間にはゴム
スペーサ35を介在させている。バルブドライブ部１側に
突出したピン30の先端は球面状に形成され、この球面状
先端が一体結合型弾性体５の出力取出部に当接してい
る。すなわち、一体結合型弾性体５から力を受けてピン
30が下方に移動すると、これに伴ってポペット弁34も下
方に移動し、これによりポペット弁34の傘部37がボデイ
33から離れる。この結果、油路31と油路32とが導通し、
油路31を介して流入した流体が油路32を介して外部へ流
出することになり、被作動体（図示せず）を作動する。

ポペット弁34はスプリング36によって支持されており、
圧電素子４への電圧印加が停止されると、ポペット弁34
はスプリング36によって押上げられ、油路31と油路32を
遮断する。なお、ボデイ33とカバー38とはＯリング39に
よってシールされている。

また、ポペット弁座部２とバルブドライブ部１との間に
はシムSMが設けられており、該シムSMによって上下位置
の粗調整ができるようになっている。

すなわち、かかる流体制御バルブにおいては、圧電素子
４にリード線10を介して電圧を印加すると、圧電素子４
が変位し、ピン20を介して一体結合型弾性体５を押す。
圧電素子４の変位は一体結合型弾性体５を介することに
より該弾性体５のてこ比分だけ拡大して伝達され、この
拡大された変位によって一体結合型弾性体５がピン30を
介してポペット弁34を押下げる。この結果、油路31,32
が導通し、バルブは開状態となって図示しない被作動体
を作動する。圧電素子４への電圧印加を中止すると、圧
電素子４は元の状態に復帰し、この結果スプリング36の
作用によってポペット弁34が押上げられ、バルブは閉状
態に戻る。

ところで、かかる流体制御バルブの組立ての際には、ま
ずバルブドライブ部１とポペット弁座部２とを別個に組
立てた後、シムSMによってピン30と一体結合型弾性体５
の上下位置の粗調整を行った後、ボルト40を締めてこれ
らを結合する。次に貫通孔41を介して微小位置決め機構
３のボルト16を回し、微小位置決め機構３の柱状体12,1
3の上下方向長さを調整することによりピン30と一体結
合型弾性体５との上下位置の微調整を行なう。

また、この実施例装置においては、第４図に示すよう
に、変位センサ７の検出出力を圧電素子４を駆動する指
令信号にフィードバックするようにしている。すなわ
ち、圧電素子自体は電圧−変位特性に関して第５図に示
すように大きなヒステリシスを持つが、変位センサ７の
出力によるフィードバックループを組むことにより変位
特性は第６図に示すようにヒステリシスが大幅に低減さ
れたものになり、これにより高速応答および高精度の圧
電素子駆動が可能となる。

第７図および第８図はかかる流量制御弁を４個並列接続
したバルブ60の構成を示すものであり、このバルブ60で
は４個の流量制御弁PA、PB、ATおよびBTの各ポペット弁
座部２をモジュール化して１つのボディに組込むように
しており、このバルブ60によってモータＭを正逆転駆動
する。各流量制御弁PA、PB、ATおよびBTは駆動回路50か
らの指令信号によって開閉および流量制御される。

かかる構成において、モータＭを正転するときには、駆
動回路50は流量制御弁PA、BTを開、流量制御弁PB、ATを
閉とする。これにより、ポンプＰからの油はまず入力ポ
ート55（第８図）に流入した後、実線矢印Ｒで示すよう
に、流量制御弁PA、（AT）、を経た後モータＭのポート
Ａに流入し、さらにモータＭのポートＢ、流量制御弁BT
を経た後タンクＴにドレンされる。

モータＭを逆転するときには、上記と逆であり、駆動回
路50は流量制御弁PB、ATを開、流量制御弁PA、BTを閉と
する。これにより、入力ポート55に流入したポンプＰか
らの油は、一点鎖線矢印で示すように、流量制御弁PB、
（BT）、を経た後、モータＭのポートＢに流入し、さら
にモータＭのポートＡ、流量制御弁ATを経た後タンクＴ
にドレンされる。

かかるバルブ構成によれば、４個の流量制御弁を１つの
ボディに組込むようにしたので、装置のコンパクト化を
図れるとともに、各バルブに対して独立に流量コントロ
ールができるため、例えば急激な負荷変動に対しても好
適な対応をなし得る。

なお、本考案は上述した実施例に限定されることなく適
宜の変更実施が可能なものであり、例えば弁形状もポペ
ット形に限るわけでなく、圧電素子の圧電力と弾性体
（スプリング）の反発力によって往復駆動されるもので
あれば任意のバルブに本発明を適用することができる。
また、一体結合型弾性体の形状も実施例の形状に限定さ
れるものでなく、任意である。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、圧電素子の変位
を一体型弾性体で変位拡大して前記弁体を移動すること
によりバルブ開閉動作を行なう圧電素子を用いた流体制
御バルブにおいて、前記圧電素子の変位方向に対する押
圧力を調整して前記圧電素子の変位方向に対する位置決
めを行なう位置決め機構を設けるようにしたので、位置
決め機構の押圧力を調整することにより変位拡大機構を
少し撓ませてスプリングの付勢力に等しいプリロードを
与えるようにすれば、前記弁体のスプリングの付勢力が
相殺することができ、これにより圧電素子に対する印加
電圧の全てを弁体の実際の移動に利用することができる
ようになり、この結果として、圧電素子への同一印加電
圧範囲に対する弁体の有効移動距離を増大するという作
用効果を奏する。また、本発明によれば上記位置決め機
構により装置組み立ての際の位置決めを容易に行えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図
（ａ），（ｂ）は微小位置決め機構を拡大して示す正面
図，側面図、第３図は一体結合型弾性体の拡大図、第４
図は圧電素子の駆動回路を例示するブロック図、第５図
はフィードバックが無いときの印加電圧−変位特性を示
すグラフ、第６図はフィードバックが有るときの指令電
圧、変位特性を示すグラフ、第７図は第１図に示した実
施例バルブを４個並列接続したバルブ構成を例示する液
圧回路図、第８図はその断面図である。 １……バルブドライブ部、２……ポペット弁座部、３…
…微小位置決め機構、４……圧電素子、５……一体結合
型弾性体、６……変位検出体、７……変位センサ、８…
…ケース、９……プレート、10……リード線、11,41…
…貫通孔、12,13……柱状体、16,40……ボルト、17……
ナット、18,42……ビス、20,30……ピン、21……Ｖノッ
チ部、31,32……油路、33……ボディ、34……ポペット
弁、35……ゴムスペーサ、36……スプリング、22,38…
…カバー、39……Ｏリング、SM……シム。 50……駆動回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子と、この圧電素子の変位をてこ作
   用によって拡大する切欠き形状の一体型弾性体と、一方
   端部がスプリングによって付勢され他方端部に前記一体
   型弾性体の出力取り出し部位が当接される往復移動可能
   な弁体とを有し、前記圧電素子の変位を前記一体型弾性
   体で変位拡大して前記弁体を移動することによりバルブ
   開閉動作を行なう圧電素子を用いた流体制御バルブにお
   いて、 前記圧電素子及び一体型弾性体を内蔵させた第１のハウ
   ジングと前記弁体及びスプリングを内蔵させた第２のハ
   ウジングとを粗位置調整用の所定厚さの板状のシムを介
   して結合すると共に、 左右中央部がそれぞれ外側に突出した形状であってかつ
   その下部が前記圧電素子に当接している枠体と、前記枠
   体の左右突出部に螺着されるボルトとを有し、前記ボル
   トを締めることにより前記枠体下部を介して圧電素子に
   該圧電素子の変位方向の押圧力を作用させるとともに、
   前記ボルトの締め量を調整して前記圧電素子の変位方向
   に対する微小位置決めを行うことにより前記一体型弾性
   体のプリロード量を調整する微小位置決め機構を前記第
   １のハウジング内に具えるようにしたことを特徴とする
   圧電素子を用いた流体制御バルブ。