JPH03213780A - 圧電素子を用いた方向制御弁およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ：産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を用いた方向制御弁に関し、特に圧
電素子に係る負荷を小さくすることができ、作動の安定
性および長寿命化が可能にされると同時に、確実な作動
による切換が可能とされる方向制御弁およびその駆動方
法に適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

流体圧の流れを制御する方向制御弁としては、圧電素子
の変位を利用する構造のものがあり、たとえば流体圧が
流入する作動用流体室と、この作動用流体室の流入路に
接離することにより開閉する圧電素子と、作動用流体室
の流体圧の上昇により作動部材を介して作動させて流路
を切り換える弁体とを備えた構造となっている。

また、圧電素子の駆動方法には、連続電圧の印加により
片側変位させる方法、交番電圧の印加により交番変位さ
せる方法などが考えられる。

たとえば、圧電素子を連続電圧の印加で片側変位させる
駆動方法とした場合、バイモルフ構造である片側は常に
分極方向と逆方向に電圧が印加され、−刃側に変位する
ことにより作動用流体室の流入路の開閉が行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、前記のような圧電素子の駆動方法による方向制
御弁では、圧電素子を構成するバイモルフ構造の片側は
、常に分極方向と逆方向に電圧が印加されるために、連
続電圧の印加が長時間行われるとバイモルフ構造の圧電
素子に分極現象による分極劣化が発生する。

さらに、圧電素子の変位方向が一方側に限られるために
、同様に連続電圧の印加が長時間行われると圧電素子が
クリープ現象による変形を生じてくる。特に、圧電素子
は機械的強度が比較的小さいためにこのような問題点を
生じ易い。

また、作動部材が流体圧の上昇により逆方向に変位また
は復帰する場合に、流体圧のブリード孔の位置によって
作動部材の切換速度が大きく左右され、たとえば流体圧
の上昇時に流体圧が流出される場所にブリード孔が開設
された場合には、流体圧の流れの切換が敏速にできない
という問題がある。

そこで、本発明の目的は、パルス電圧の印加による駆動
により圧電素子に係る負荷を小さくすることができ、流
体圧の漏れ防止と、作動の安定性および長寿命化が可能
とされる圧電素子を用いた方向制御弁およびその駆動方
法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、流体圧ブリード孔の位置お
よび各圧電素子に対応するスイッチにより確、実な作動
による切換が可能とされる圧電素子を用いた方向制御弁
およびその駆動方法を提供することにある。

５課題を解決するための手段〕 本発明の圧電素子を用いた方向制御弁は、作動用流体室
の流体圧により変位する作動部材と、該作動部材の変位
により流路を制御する弁体が形成される主軸とを備えた
方向制御弁であって、前記作動用流体室に連通されるパ
イロット流体室内でパルス電圧の印加により片側変位す
る圧電素子と、該圧電素子の変位端の各主面に固定され
るパイロット用弁体とを備え、前記パイロット流体室に
流体圧流入路および流体圧ブリード孔が連通され、前記
圧電素子の変位時に前記流体圧流入路が前記パイロット
用弁体の一方側により開状態とされ、かつ前記流体圧ブ
リード孔が前記パイロット用弁体の他方側により閉状態
とされるようにしたものである。

また、本発明の圧電素子を用いた方向制御弁の駆動方法
は、第１および第２の作動用流体室の流体圧により変位
する第１の作動部材および第２の作動部材と、該第１お
よび第２の作動部材の変位に↓り流路を制御する弁体が
形成される主軸とを備えたダブルパイロット形の方向制
御弁であって、前記第１および第２の作動用流体室に連
通される第１および第２のパイロット流体室内でパルス
電圧の印加により片側変位する第１の圧電素子および第
２の圧電素子と、該第１および第２の圧電素子にパルス
電圧を印加する第１のスイッチおよび第２のスイッチと
を備え、前記第１つスイッチにより前記第１の圧電素子
を変位させ、かつ前記第２のスイッチにより前記第２の
圧電素子を変位させ、前記第１および第２のパイロット
流体室に連通ずる第１の流体圧流入路および第２の流体
圧流入路を独立に開閉させるようにしたものである。

〔作用〕

前記した圧電素子を用いた方向制御弁によれば、作動用
流体室に連通されるパイロ−／　）流体室内でパルス電
圧の印加により片側変位する圧電素子と、この圧電素子
の変位端の各主面に固定されるノくイロ７）用弁体とを
備え、パイロット流体室に流体圧流入路および流体圧ブ
リード孔が連通され、圧電素子の変位時に流体圧流入路
がパイロット用弁体の一方側により開状態とされ、かつ
流体圧ブリード孔がパイロット用弁体の他方側によって
閉状態とされることにより、パルス電圧の印加された圧
電素子は、パルス幅の時間だけ片側変位し、１＜ルス幅
の時間以外の時に通常状態に復帰するので、バイモルフ
構造の圧電素子への電圧の印加が長時間連続で行われる
ことがない。これにより、流体圧の漏れを防止し、また
安定した作動と長い寿命を持つ圧電素子を用いた方向制
御弁を得ることができる。

また、この場合にパイロット流体室に連通される流体圧
流入路が圧電素子の変位時に開状態とされ、かつ流体圧
ブリード孔が閉状態とされることにより、流１本圧の流
入時に流体圧ブリード孔を閉じることができるので、流
体圧の上昇におけるノ（イロット流体室内の流体圧の漏
れを防止することができる。

さらに、前記した圧電素子を用いた方向制御弁の駆動方
法によれば、第１および第２の作動用流体室に連通され
る第１および第２の）くイロット流体室内でパルス電圧
の印加により片側変位する第１の圧電素子および第２の
圧電素子と、この第１および第２の圧電素子にパルス電
圧を印加する第１のスイッチおよび第２のスイッチとを
備えたダブルパイロット形の方向制御弁において、第１
のスイッチにより第１の圧電素子を変位させ、かつ第２
のスイッチにより第２の圧電素子を変位させ、第１およ
び第２のパイロット流体室に連通ずる第１の流体圧流入
路および第２の流体圧流入路を独立に開閉させることに
より、第１および第２の作動部材を介して変位される主
軸の動作を確認した上で切換を行うことができる。これ
により、主軸が確実に作動され、流体圧の制御を確実に
行うことができる方向制御弁の駆動方法を得ることがで
きる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である圧電素子を用いた方向
制御弁の断面図、第２図は本実施例の供給電圧電源とし
てＤＣ電源の昇圧回路を用いた場合のタイミング線図、
第３図は本実施例の供給電圧電源として、へ〇電源の全
波整流回路を用いた場合のタイミング線図である。

本実施例の圧電素子を用いた方向制御弁は、たとえば空
気作動形のダブルパイロット形方向制御弁とされ、弁本
体部１とこの弁本体部１を挟んだ駆動部２ａ、２ｂとが
同軸状に結合され、駆動部２ａ、２ｂの電圧源として電
源部３が接続された構成となっている。

前記弁本体部１の下側面には、図示しな　Ｍ体圧源に接
続されている入力ポート４と排出ポート５ａ、５ｂとが
開設され、また弁本体部１の上側面に出力ポートロａ、
６ｂが開設されている。

弁本体部１の内部には、その軸方向に沿って流路７が形
成され、この流路７の内周面にその軸方向に沿って所定
の間隔をおいて弁座８ａ〜８ｄが周設されている。

前記流路７には、主軸９がその軸方向に沿って変位自在
に設けられ、この主軸９に弁座８ａ〜８ｄにそれぞれ接
離される主軸弁体１０ａ〜１０ｄが軸方向に所定の間隔
をおいて形成されている。

主軸９の両端面には、主軸９の作動部材としてのピスト
ン１１ａ、１１ｂがこの主軸９の端面に対して固定また
は非固定で設けられ、このピストンｌｌａ、ｌｌｂは２
つの作動用流体室１２ａ。

１２ｂに仕切り、これらの作動用流体室１２ａ。

１２ｂ内で軸方向に沿って変位自在に収容されている。

これろの作動用流体室１２ａ、１２ｂのうち、第１図に
おいて左側の作動用流体室１２　ａ　ｉ！貫通孔１３ａ
を通じてパイロット流体室１４ａに連通されている。

また、パイロット流体室１４ａはブリード孔１５ａを通
じて外部に連通され、このブリード孔１５ａが流体圧の
流入時に閉じられる位置に開孔されている。

さらに、パイロット流体室１４ａ内に圧電素子１６ａが
設けられ、この圧電素子１６ａはパルス電圧の印加によ
り片側変位するバイモルフ構造とされ、一端（第１図で
は下端）側において固定され、他端が非固定の片持ち式
の構造となっている。

そして、圧電素子１６ａの非固定側端部の両側面にはパ
イロット用弁体１７ａが固定され、また−左側（同図の
左側）にパイロット用弁体１７ａを第１図の右方向に付
勢するスプリング２０ａが設けられている。

また、圧電素子１６ａの一側面（第１図の右側面）のパ
イロット用弁体１７ａはスプリング２０ａで付勢され、
通常時は人力ポート４に連通ずる流入路１８のノズル１
９ａが閉塞される。

一方、電源部３で圧電素子１６ａを駆動させ、この圧電
素子１６ａをスプリング２０ａの付勢力に抗して第１図
の左側に湾曲変位させることによって、圧電素子１６ａ
の一側面（同図の右側面）のパイロット用弁体１７ａが
ノズル１９ａを開き、他側面（同図の左側面）のパイロ
ット用弁体１７ａがブリード孔１５ａを閉じるようにな
っている。

ピストンｌｌａおよび圧電素子１６ａ、パイロット用弁
体１７ａなどについて上記した構造は、第１図で見て主
軸９の右端側に同様に設けられたピストンｌｌｂおよび
圧電素子１６ｂ１パイロツト用弁体１７ｂなどについて
も同様であるので、後者の説明は前者と同一数字に接尾
記号すを付して省略する。

また、前記電源部３は、回路駆動用のスイッチ２１ａ、
２１ｂを備えたワンショットパルス回路２２かち構成さ
れ、このフンショットパルス回路２２に供給電圧Ｅが印
加されている。

そして、このワンショットパルス回路２２のスイッチ２
１ａがＯＮの状態にされると、パルス電圧としての駆動
電圧がこのワンショットパルス回路２２から圧電素子１
６ａに印加され、またスイッチ２１ｂがＯＮの状態にさ
れると、パルス電圧としての駆動電圧がこのワンショッ
トパルス回路２２から圧電素子１６ｂに印加される。

次に、本実施例の作用を、ワンショットパルス回路２２
への供給電圧Ｅの電源電圧として、ＤＣ電源の昇圧回路
を用いた場合について第２図を参照しながら説明する。

始めに、ワンショットパルス回路２２に接続されている
スイッチ２１ａの状態を第２図（ａ）のようにＯＮにす
ると、ＤＣ電源の昇圧回路によって、同図Ｑ））のよう
な１パルスの駆動電圧が電源部３のワンショットパルス
回路２２から、たとえば一方（第１図の左側〉の圧電素
子１６ａに印加される。

この時、圧電素子１６ａの自由端は、スプリング２０ａ
の付勢力に抗して１パルスの幅の時間だけ第１図の左側
に湾曲変位する。

それにより、圧電素子１６ａの右側面のパイロット用弁
体１７ａは、第１図の状態のように１パルスの幅に相当
する時間だけノズル１９ａを開放する。第１図左側の圧
電素子１６ａは、パルス電圧が印加されている状態図で
ある。

さらに、ノズル１９ａは、１パルスの時間だけ開放され
た後にすぐに閉塞される。

従って、入力ポート４から流入された流体圧は、流入路
１８、ノズル１９ａ、さらにパイロット流体室１４ａ１
貫通孔１３ａを経て作動用流体室１２ａに１パルス分だ
け流入される。

その結果、圧電素子１６ａの変位による若干の遅れ時間
をもって作動用流体室１２ａの流体圧は第２図（Ｃ）の
ように増加し、ピストンｌｌａを作動用流体室１２ａの
右方向に押動するので主軸９は第１図の右方向に移動す
る。

この場合に、ブリード孔１５ａが閉じられて流体圧の漏
れを防止することができるので、流体圧の上昇を迅速に
行うことができる。

さらに、作動用流体室１２ａの流体圧は、圧電素子１６
ａへの駆動電圧の印加が終わると同時に、ブリード孔１
５ａから１パルス分の流体圧が外部へ放出されるので第
２図（Ｃ）のように徐々に低下する。

また、作動用流体室１２ａの流体圧の増加によるピスト
ンｌｌａと主軸９の変位の僅かな遅れ時間をもって、入
力ポート４から出力ポートロａに流体圧が流入して、こ
の出力ポートロａの流体圧は第２図（ｄ）のように増加
し、人力ポート４の供給流体圧で飽和状態となる。

この時、出カポ−）６ｂから流体圧が排出ポート５ｂを
経て排出されるので、この出力ポートロｂの流体圧は第
２図屯のように低下する。

さらに、主軸９の変位が確認されて確実に切り換わった
状態、たとえばスイッチ２１ａをＯＦＦにしてからの時
間差Ｔをおいて、スイッチ２１ｂの状態を第２図（ｅ）
のようにＯＮにすると、上記と同様に圧電素子１６ｂｉ
、：ＤＣ電源の昇圧回路によって、ワンショットパルス
回路２２から第２図（ｆ）のような１パルスの駆動電圧
が印加される。

この時、圧電素子１６ｂの自由端は、スプリング２０ｂ
の付勢力に抗してｌパルスの幅に相当する時間だけ第１
図の右側に変位し、圧電素子１６ｂの左側面のパイロッ
ト用弁体１７ｂはノズル１９ｂを開放する。

さらに、ノズル１９ｂは、１パルスの時間だけ開放され
た後にすぐに閉塞される。

従って、入力ポート４からの流体圧が、流入路１８、ノ
ズル１９ｂ１パイロット流体室１４ｂ。

貫通孔１３ｂを経て作動用流体室１２ｂに１パルス分だ
け流入される。

その結果、圧電素子１６ｂの変位による若干の遅れ時間
をもって作動用流体室１２ｂの流体圧は第２図（ｇ）の
ように増加し、ピストンｌｌｂを作動用流体室１２ｂ内
で第１図の左方向に押動するので主軸９も第１図の左方
向に移動する。

この場合に、ブリード孔１５ｂが閉じられて流体圧の漏
れを防止することができるので、流体圧の上昇を迅速に
行うことができる。

さらに、作動用流体室１２ｂの流体圧は、圧電素子１６
ｂへの駆動電圧の印加が終わると同時に、ブリード孔１
５ｂから１パルス分の流体圧が外部へ放出されるので第
２図（（イ）のように徐々に低下する。

また、入力ポート４は出力ポートロｂと連通されるので
、作動用流体室１２ｂの流体圧によるピストンｌｌｂお
よび主軸９の変位の僅かな遅れ時間をもって、出力ポー
トロｂの流体圧は第２図おのように増加し、入力ポート
４の供給流体圧で飽和状態となる。

この時、出力ポートロａは排出ポート５ａと連通される
ので、この出カポ−）６ａの流体圧は第２図（ｄ）のよ
うに低下する。

以上のように、本実施例の方向制御弁によれば、流体圧
の流入時にブリード孔１５ａ、１５ｂが、圧電素子１６
ａの左側面に固定されるパイロット用弁体１７ａおよび
圧電素子１６ｂの右側面に固定されるパイロット用弁体
１７ｂによって閉じろれる位置に開孔されていることに
より、流体圧の上昇時に流体圧の漏れを防止することが
できるので、主軸９の変位を迅速に行わせることができ
る。

また、ワンショットパルス回路２２のスイッチ２１ａに
よって圧電素子１６ａを変位させ、またスイッチ２１ｂ
によって圧電素子１６ｂを変位させることにより、主軸
９の動作を確認した上でスイッチ２１ａおよび２１ｂを
切り換えることができるので、流体圧の流れの制御を確
実に行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。− たとえば、本実施例の方向制御弁においては、ワンショ
ットパルス回路２２への供給電圧Ｅの電源電圧として、
ＤＣＩＥ源の昇圧回路を用いた場合について説明したが
、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、たと
えば第３図のようにＡＣ電源の全波整流回路を用いた場
合についても適用可能である。

この場合には、第３図ら）、（ｆ）のように、圧電素子
１６ａ、１６ｂの駆動電圧は、第２図（ｂ）、げ）のよ
うな方形波ではなく、交流波の全波整流波形になること
の他、第３図（Ｃ）、（印のように作動用流体室１２’
ａ、１２ｂの流体圧の増加時の立上がり波形なども第２
図（Ｃ）、（ｇ）の場合とは異なるものの、基本的には
第３図（ａ）〜（社）のタイミング線図は、第２図（ａ
）〜（社）のものと対応している。また、第３図（ａ）
〜（社）の各タイミングにおける１１図の実施例の主軸
９およびピストンｌｌａ、ｌｌｂや圧電素子１６ａ、１
６ｂおよびパイロット用弁体１７ａ。

１７ｂなどの動作は、第２図（ａ）〜（社）の場合と同
様である。

また、本実施例の方向制御弁においては、圧電素子１６
ａ、１６ｂによる主軸９の変位のための作動部材として
ピストンｌｌａ、ｌｌｂを使用したが、このピストンｌ
ｌａ、ｌｌｂの代わりにダイヤフラムを使用することも
できる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものについ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。

〔１〕１作動用流体室の流体圧により変位する作動部材
と、この作動部材の変位により流路を制御する弁体が形
成される主軸とを備えた方向制御弁において、作動用流
体室に連通されるパイロット流体室内でパルス電圧の印
加により片側変位する圧電素子を備えることにより、圧
電素子をパルス電圧の印加によって駆動し、この圧電素
子に対する電圧の印加が長時間連続で行われることがな
いので、分極現象による分極劣化の防止が可能とされ、
また圧電素子はパルス電圧の印加によってパルス幅の時
間だけ片側変位するのみであるためにクリープ現象によ
る変形の防止が可能である。

（２）、前記（１）により、分極劣化および変形の防止
によって流体圧の漏れが防止され、作動の安定性および
長寿命化が可能にされると同時に、圧電素子は作動用流
体室の流体圧を制御できるだけの有効断面積があればよ
いので、圧電素子にかかる負荷を小さくすることが可能
である。

（３）９作動用流体室に連通されるパイロット流体室内
でパルス電圧の印加により片側変位する圧電素子と、こ
の圧電素子の変位端の各主面に固定されるパイロット用
弁体とを備え、パイロット流体室に流体圧流入路および
流体圧ブリード孔が連通され、圧電素子の変位時に流体
圧流入路がパイロット用弁体の一方側により開状態とさ
れ、かつ流体圧ブリード孔がパイロット用弁体の他方側
により閉状態とされることにより、流体圧の流入時に流
体圧ブリード孔が閉じられ、流体圧の上昇におけるパイ
ロット流体室内の流体圧の漏れを防止することができる
ので、主軸の変位が速やかに行われ、流体圧の流れを迅
速に制御することが可能である。

（４）、ダブルパイロット形の方向制御弁において、第
１および第２の作動用流体室に連通される第１および第
２のパイロット流体室内でパルス電圧の印加により片側
変位する第１の圧電素子および第２の圧電素子と、これ
らの第１および第２の圧電素子にパルス電圧を印加する
第１のスイッチおよび第２のスイッチとを備え、第１の
スイッチにより第１の圧電素子を変位させ、かつ第２の
スイッチにより第２の圧電素子を変位させ、第１および
第２のパイロット流体室に連通ずる第１の流体圧流入路
および第２の流体圧流入路を独立に開閉させることによ
り、第１および第２の作動部材を介して変位される主軸
の動作を確認した上で第１および第２のスイッチの切換
を行うことができるので、主軸が確実に作動され、流体
圧の流れを確実に制御することが可能である。

（５）、前記（１）〜（４）により、圧電素子にかかる
負荷の軽減により小形化が可能にされると同時に、流体
圧の切換を迅速および確実に行うことが可能とされる方
向制御弁およびその駆動方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧電素子を用いた方向
制御弁の断面図、第２図は本実施例の供給電圧電源とし
てＤＣ電源の昇圧回路を用し）だ場合のタイミング線図
、第３図は本実施例の供給電圧電源としてＡＣ電源の全
波整流回路を用いた場合のタイミング線図である。 ｌ・・・・・・・弁本体部、 ２ａ、２ｂ・・・駆動部、 ３・・・・・・・電源部、 ４・・・・・・・入力ボート、 ５ａ、５ｂ・・・排出ポート、 ５ａ、５ｂ・・・出力ポート、 ７・・・・・・・流路、 ８ａ〜８ｄ・・・弁座、 ９・・・・・・・主軸、 １０３〜１０ｄ・・主軸弁体、 １１ａ、ｌｌｂ・・ピストン（作動部材）、１２ａ、１
２ｂ・・作動用流体室、 １３ａ、１３ｂ・・貫通孔 １４ａ、１４ｂ・・パイロット流体室、１５ａ、　　１
５ｂ　・　・ブリード孔、１６ａ、１６ｂ・・圧電素子
、 １７ａ、１７ｂ・・パイロット用弁体、１８・・・・・
・・流入路、 １９ａ、１９ｂ・・ノズル、 ２０ａ、２０ｂ・・スプｌ）　ング、 ２１ａ、２１ｂ・・スイッチ、 ２２・・・・・・・ワンショットパルス回路、Ｅ・・・
・・・・供給電圧、 Ｔ・・・・・・・時間差。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作動用流体室の流体圧により変位する作動部材と、
   該作動部材の変位により流路を制御する弁体が形成され
   る主軸とを備えた方向制御弁であって、前記作動用流体
   室に連通されるパイロット流体室内でパルス電圧の印加
   により片側変位する圧電素子と、該圧電素子の変位端の
   各主面に固定されるパイロット用弁体とを備え、前記パ
   イロット流体室に流体圧流入路および流体圧ブリード孔
   が連通され、前記圧電素子の変位時に前記流体圧流入路
   が前記パイロット用弁体の一方側により開状態とされ、
   かつ前記流体圧ブリード孔が前記パイロット用弁体の他
   方側により閉状態とされることを特徴とする圧電素子を
   用いた方向制御弁。 ２、第１および第２の作動用流体室の流体圧により変位
   する第１の作動部材および第２の作動部材と、該第１お
   よび第２の作動部材の変位により流路を制御する弁体が
   形成される主軸とを備えたダブルパイロット形の方向制
   御弁であって、前記第１および第２の作動用流体室に連
   通される第１および第２のパイロット流体室内でパルス
   電圧の印加により片側変位する第１の圧電素子および第
   ２の圧電素子と、該第１および第２の圧電素子にパルス
   電圧を印加する第１のスイッチおよび第２のスイッチと
   を備え、前記第１のスイッチにより前記第１の圧電素子
   を変位させ、かつ前記第２のスイッチにより前記第２の
   圧電素子を変位させ、前記第１および第２のパイロット
   流体室に連通する第１の流体圧流入路および第２の流体
   圧流入路を独立に開閉させることを特徴とする圧電素子
   を用いた方向制御弁の駆動方法。