JPH0375792B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧力流体を制御するための電歪式流体
制御弁に関するものである。

〔従来技術〕

従来の圧力流体を制御するための制御弁は、そ
の弁体をソレノイドによつて駆動するのが通常で
ある。しかし、このような制御弁では、高速応答
の要求には十分に応えていない。そこで、高速応
答に応える駆動装置としてピエゾ（電歪素子）を
用いることがポペツト弁において研究され始めて
いる。その一例として、特公昭44−6659号公報に
示される圧電式流体噴射ポンプが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の従来例においては、ポペ
ツト弁を開いた後にポンプ室内の流体圧力が徐々
に低下し、所定の圧力よりも小さくなつたときス
プリング力によつて閉弁する。このように、従来
例においては、ポペツト弁の閉弁時期を任意に制
御することができないという問題点を有してい
た。

本願発明は上記の点に鑑みてなされたもので、
弁体の閉弁時期を任意に制御することが可能な電
歪式圧力制御弁を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明による電
歪式流体制御弁は、 電歪式アクチユエータと、 室内が流体によつて満たされ、該電歪式アクチ
ユエータの伸縮に応じて内部容積が変化する圧力
室と、 該圧力室の内部容積の変化に応じて発生する流
体圧力を端面に受けて、連通位置と遮断位置との
間を往復動する弁体と、 該弁体が遮断位置となつたとき弁体によつて閉
塞され、連通位置となつたとき弁体によつて開口
される流体通路と、 該流体通路から分岐して、前記圧力室と連通す
る絞り通路とを備え、 該絞り通路は、少なくともその一部が前記弁体
によつて形成され、前記弁体が前記連通位置とな
つたとき、前記弁体によつて形成される絞り通路
が、前記弁体の位置変化によつて閉塞されるとと
もに、前記弁体が前記遮断位置となつたとき、前
記弁体の位置変化によつて開口されるように構成
される。

〔作用〕

上記構成により、弁体の往復動によつて流体通
路が遮断状態に切り換えられたとき絞り通路が連
通状態となつて、ポンプ室に流体が供給される。
一方、流体通路が連通状態に切り換えられたとき
絞り通路が遮断状態となるため、ポンプ室の容積
は変化せず、流体通路の連通状態は保持される。
また、本発明においては、絞り通路を弁体の一部
によつて形成し、その連通・遮断状態の切り換え
を弁体の往復動を利用して行つているために、ポ
ンプ室への流体の供給を簡素な構成によつて行う
ことができる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の三方弁をその中心
軸に沿つて切断して示す縦断面図である。

同図において、１は三方弁であつて、電歪式ア
クチエータ２により作動するポンプ３と、このポ
ンプ３の作動により駆動される弁体６と、所要の
機器にその制御用又は駆動用の流体を供給するた
めの制御用ポート４と、高圧ポート５と、低圧ポ
ート７とを具備している。

三方弁１のケーシングは、ケーシングボデイ８
を中心にして対向するようにケーシングアクチユ
エータ９とバルブリテーナ１０とを配して構成さ
れており、ケーシングアクチエータ９及びバルブ
リテーナ１０ともに自ら雄ねじとしてケーシング
ボデイ８にねじ結合されている。制御用ポート４
と高圧ポート５はケーシングボデイ８に、また低
圧ポート７はバルブリテーナ１０に設けてある。
ケーシングボデイ８内には、高圧バルブユニツト
１１と、低圧バルブユニツト１２の２個のバルブ
ユニツトが収納されている。両バルブユニツト１
１，１２は、ケーシングボデイ８に節状に設けた
隔壁１３を境として対向して設けられている。隔
壁１３には軸方向の貫通孔１４があつて、この貫
通孔１４と制御用ポート４とは隔壁１３内に半径
方向に設けた通路１５によつて導通している。高
圧バルブユニツト１１はバルブボデイ１６と、第
１の弁体であるバルブポペツト１７とにより構成
されている。バルブボデイ１６は円柱状であつ
て、その下端面は鏡面仕上げされており、同じく
鏡面仕上げされている隔壁１３の上端面と密着し
ている。バルブボデイ１６は隔壁１３の貫通孔１
４と同軸になるよう貫通孔が設けてあるが、この
貫通孔は上部が下部よりも大径となつている。こ
の貫通孔の小径部１８は隔壁の貫通孔１４と同
径、同軸で連通している。貫通孔の大径部１９は
十分なクリアランス（10μｍ〜50μｍ）をもつて
バルブポペツト１７のガイド部２０が摺動でき
る。このクリアランス１９′はまた絞りとしても
機能するが、これは後述する。小径部１８と大径
部１９とは円錐状に移行しており、この円錐部が
弁座２１を形成している。弁座２１の上は大径部
１９がさらにリング状に拡大されて油溜り２２を
形成しているが、この油溜り２２は通路２３によ
つて高圧ポート５と導通している。この通路２３
はバルブボデイ１６の下端面から隔壁１３へと移
行しているため、バルブボデイ１６と隔壁１３と
は図示しないノツクピン等によつて相対位置が固
定されるようにしてある。バルブポペツト１７は
大径のガイド部２０と小径の突出部２４を持つて
おり、ガイド部２０と突出部２４とは円錐状に連
続している。この円錐部が第１の弁部２５を形成
している。バルブポペツト１７の円錐部２５とバ
ルブボデイ１６の円錐部２１が密着したとき、高
圧バルブユニツト１１は閉の状態になるが、この
時バルブポペツト１７の円錐部２５の方がバルブ
ボデイ１６の円錐部２１よりも一回り大きくして
あり、その結果油溜り２２に導入された高圧ポー
ト５の油圧はバルブポペツト１７に上向きに作用
する。バルブポペツト１７の突出部２４は隔壁の
貫通孔１４より十分に小径であつて、0.1〜１mm
のクリアランスをもつた状態で、貫通孔１４の中
程迄突出している。突出部２４の先端は、バルブ
ポペツト１７のバルブリフトが最大より0.1mm小
さくなつた時に低圧バルブユニツト１２を構成す
るバルブポペツト２６の同様の突出部２７と当接
する。

低圧バルブユニツト１２は第２の弁体であるバ
ルブポペツト２６とバルブボデイ２８、コイルス
プリング２９とによつて構成されている。バルブ
ボデイ２８は円柱状であつて、その上端面は鏡面
仕上げされており、同じく鏡面仕上げされている
隔壁１３の下端面に密着している。この密着力を
作用させるのはバルブリテーナ１０であつて、バ
ルブリテーナ１０はその内部にバルブボデイ２８
を収納している。バルブボデイ２８は隔壁の貫通
孔１４と同軸になるように貫通孔が設けてあり、
この貫通孔は下部が上部よりも大径となつてい
る。この貫通孔の小径部３０は隔壁の貫通孔１４
と同径、同軸で連通している。貫通孔の大径部３
１は十分なクリアランス（0.1〜１mm）をもつて
バルブポペツト２６の大径部３２を収めている。
小径部３０と大径部３１とは円錐状に連続してお
り、この円錐部が弁座を形成している。バルブポ
ペツト２６は上から突出部２７、大径部３２、ス
プリングガイド３４とからなつている。突出部２
７は隔壁１３の貫通孔１４より十分に小径であつ
て、0.1〜１mmのクリアランスを持つた状態で貫
通孔１４の中程迄突出しており、低圧バルブユニ
ツト１２の開弁時にはバルブポペツト１７の突出
部２４と当接するようになつている。小径の突出
部２７と大径部３２とは円錐状に連続しており、
この円錐部が第２の弁部３５を形成している。バ
ルブポペツト２６の円錐部３５とバルブボデイ２
８の円錐部３３が密着した時低圧バルブユニツト
１２は閉の状態となる。突出部２４及び２７の寸
法は、バルブポペツト１７が全閉となつた時にバ
ルブポペツト２６のバルブリフトが0.1〜0.3mmと
なるよう設計されている。突出部２７が突出部２
４からの力を開放された時、バルブポペツト２６
のバルブリフトをゼロにして閉じるための力はコ
イルスプリング２９によつて与えられる。コイル
スプリング２９はバルブボデイ２８の貫通孔の大
径部３２内に収納されており、上端をバルブポペ
ツト２６に、下端をバルブリテーナ１０に当接し
ている。バルブボデイ２８の大径部３１はその下
端をバルブリテーナ１０によつて閉じられている
が、バルブリテーナ１０にも貫通孔３６があつ
て、大径部３１と低圧ポート７とを導通させてい
る。バルブポペツト１７を軸方向上下に駆動して
高圧バルブユニツト１１を開閉するための動力は
油圧であつて、バルブポペツト１７のガイド部２
０の上端面に作用するが、この油圧は、ポンプ室
３７によりデイスタンスピース３８の貫通孔３９
を介して供給される。デイスタンスピース３８は
円盤状で両面が鏡面仕上げされており、ケーシン
グボデイ８に収納されていて、下端面をバルブボ
デイ１６の上端面と密着しており、上端面の外周
部をケーシングアクチエータ９の外周壁で押圧固
定されている。ケーシングアクチエータ９は上端
が閉じた円筒状であつて、上から電歪式アクチエ
ータ２、ポンプピストン４０、皿ばね４１が収容
されている。このようにして、ポンプ３は、電歪
式アクチエータ２とポンプピストン４０とポンプ
室３７と皿ばね４１とデイスタンスピース３８と
により構成される。

電歪式アクチエータ２は薄い（約0.5mm）円盤
状の電歪素子を約50枚積層して円柱状としたもの
である。電歪素子はPZTと呼ばれるセラミツク
であり、チタン酸−ジルコン酸鉛を主成分として
おり、その厚み方向に500Vの電圧を印加すると
1μｍ伸びる。これを50枚積層して各々の素子の
厚み方向に500V印加すると全体として50μｍの伸
長が得られる。この電圧を解除するか又は若干の
負電圧を印加すれば50μｍの縮小を起こして元の
長さに戻る。電圧の印加、解除はリード線４３を
介して外部のコントローラによつて行われる。電
歪式アクチエータ２の伸縮は直接ポンプピストン
４０に伝達され、ポンプピストン４０は電歪式ア
クチエータ２が伸長した時ポンプ室３７の油を圧
縮し、電歪式アクチエータ２が縮小した時は皿ば
ね４１の付勢力によつてポンプ室３７を拡大す
る。ポンプ室３７は上端がポンプピストン４０の
下端面で、下端がデイスタンスピース３８の上端
面で形成されている。ポンプピストン４０にはＯ
リング４２が設けてあつて、ポンプ室３７の油圧
が電歪式アクチエータ２の側に漏洩しないように
なつている。電歪式アクチエータ２が伸長してい
る時には、バルブポペツト１７は弁座２１に密着
しており、この時ポンプ室３７には高圧ポート５
の高圧の、例えば200気圧の油圧が、通路２３、
油溜り２２、バルブボデイ１６の貫通孔の大径部
１９とバルブポペツト１７のガイド部２０とのク
リアランス即ち絞り１９′、デイスタンスピース
３８の貫通孔３９を経て導入される。この油圧は
バルブポペツト１７のガイド部２０の上端面全体
に作用してバルブポペツト１７が弁座２１に密着
して高圧バルブユニツト１１が閉の状態にあるこ
とを維持し続ける。電歪式アクチエータ２が縮小
している時には、バルブポペツト１７は弁座２１
に対して最大弁リフトの状態にあり、バルブポペ
ツト１７のガイド部２０の上端面はデイスタンス
ピース３８の下面に密着して貫通孔３９を閉じて
しまつている。そのためポンプ室３７はポンプ室
の拡大に伴う低圧状態を維持するので、バルブポ
ペツト１７は高圧ポート５から供給される高圧の
油圧を下面全体に受けて最大弁リフトの状態を維
持し、即ち高圧バルブユニツト１１は開状態を維
持し続ける。これらの機能を全うするため、バル
ブポペツト１７のガイド部２０の上端面をデイス
タンスピース３８の下面と平行な平面とししかも
鏡面仕上げする。またデイスタンスピース３８の
貫通孔３９はバルブポペツト１７と同軸でかつそ
の径はガイド部２０の径よりも十分小さくする。
その大きさはガイド部２０の径の約半分が望まし
い。

上記構成よりなる本実施例の適用例とその作動
について以下説明する。

三方弁１の低圧ポート７は燃料タンク５０に導
通している。燃料タンク５０にはデイーゼル燃料
として例えば軽油が入つており、低圧ポート７は
略大気圧に維持されている。高圧ポート５は、ア
キユームレータ５１に導通している。アキユーム
レーター５１には図示しない高圧ポンプやプレツ
シヤレギユレータ等を経て燃料タンク５０の燃料
油が200気圧で供給されている。制御用ポート４
は噴射ノズル５２に導入されている。噴射ノズル
５２はノズルボデイ５３とノズルニードル５４と
によつて基本的に構成されているノズルコンプリ
ートとして公知のものであつて、図示しないノズ
ルホルダーによつて内燃機関例えばデイーゼルエ
ンジンに取り付けられている。制御用ポート４よ
り供給される油圧はこの噴射ノズル５２のノズル
ニードル５４の背圧として導入されており、この
油圧は大きい程ノズルニードル５４がノズルボデ
イ５３に設けられた噴口５５を閉じる方向に作用
している。ノズルニードル５４が噴口５５を開け
る方向に作用する油圧は、アキユームレータ５６
よりノズルボデイ５３に設けられた燃料溜り５７
へ導入されている。アキユームレータ５６には図
示しない高圧ポンプやプレツシヤレギユレータ等
を経て燃料タンク５０の燃料油が150気圧で供給
されている。噴射ノズル５２が内燃機関に燃料を
供給すべきでない時期には、三方弁１の電歪式ア
クチエータ２には正電圧が印加されていないか、
又はわずかの負電圧が印加されており、電歪式ア
クチエータ２は縮小の状態にある。したがつてポ
ンプ室３７は拡大された状態であり、バルブポペ
ツト１７は高圧バルブユニツト１１を開の状態に
している。同時にバルブポペツト２６は、バルブ
ポペツト１７からの作動力から解放されており、
コイルスプリング２９の付勢力によつて低圧バル
ブユニツト１２を閉の状態にしている。この時高
圧ポート５は制御用ポート４と導通しており、噴
射ノズル５２のノズルニードル５４の背圧として
アキユームレータ５１から供給される200気圧が
作用するのでノズルニードル５４は噴口５５を閉
じている。

噴口ノズル５２が内燃機関に燃料を供給すべき
時期、例えばピストン位相が圧縮の上死点前10゜
クランク角となつた時に、三方弁１の電歪式アク
チエータ２には500Vの正電圧が印加される。こ
の瞬間に電歪式アクチエータ２は伸長し、ポンプ
室３７は圧縮され、生成された高圧の油圧がバル
ブポペツト１７に作用して高圧バルブユニツト１
１を閉じる。この高圧の油圧は絞り１９′を介し
て油溜り２２に逃げるが、高圧ポート５の油圧よ
りは低下することがないので閉弁を維持できる。
同時にバルブポペツト１７はバルブポペツト２６
の突出部２７と当接してこれをコイルスプリング
２９に逆つて押し下げて低圧バルブユニツト１２
を開く。この時低圧ポート７は制御用ポート４と
導通し、噴射ノズル５２のノズルニードル５４の
背圧を取り除くので、ノズルニードル５４は油溜
り５７の油圧によりリフトして噴射口５５を開
き、燃料を噴射して内燃機関に供給する。この燃
料噴射量は噴射ノズル５２の開弁時間に比例する
ので、必要かつ適切な時間の経過後、例えば電歪
式アクチエータ２に500Vを印加して1.5ｍsec後
に電歪式アクチエータ２に、−12Vの負電圧を印
加すると、ポンプ室３７は拡大されて、高圧バル
ブユニツト１１が開き、低圧バルブユニツト１２
は閉じる。この時ポンプ室３７には、絞り１９′
を介して油溜り２２の油の一部が吸入されるが、
貫通孔３９がすぐ閉じられるので全く問題はな
い。これによつて噴射ノズル５２は燃料の噴射を
停止する。

以上の作動における絞り１９′の作用について
さらに説明すると、まず絞り１９′が極めて小さ
い時（クリアランスで10μｍ以下）、もしくはシ
ールが良好で事実上絞りがない時は、ポンプ室３
７には作動流体を導入するための経路を必要と
し、しかもケーシングの熱膨張や予期しない微量
の洩れ等を補償するため常にポンプ室３７の油量
を調整する必要がある。これに対し絞り１９′は
適正な絞り（クリアランスで10〜50μｍ）となつ
ているので、電歪式アクチエータ２の伸長時に、
この絞り１９′を介して高圧ポート５の油圧がポ
ンプ室３７に導入されて、ポンプ室３７内の油量
は常に正常に保たれる。

なお上記実施例においては、制御用ポート４の
油圧は、噴射ノズル５２のノズルニードル５４に
対して直接背圧として作用しているが、実際の使
用に当つてはノズルニードル５４よりも大径のピ
ストンに制御用ポート４の油圧を作用させ、この
ピストンの力をノズルニードル５４に作用させた
方がより強大な力を得ることができる。この場
合、アキユームレータ５１の油圧はアサユームレ
ータ５６の油圧よりも必らずしも大きい必要はな
く、１個のアキユームレータを共通して用いるこ
とができる。

また上記構成の三方弁は、噴射ノズル５２の制
御のみならず、高圧を受けて往動し低圧によつて
復動するような、又はその逆の動作を行うような
あらゆる油圧機器の制御用として用いることがで
きる。

しかしこの三方弁は油圧機器を往復動作の途中
で停止させるような制御には適当でない。

また、上記実施例において、高圧ポート５と制
御用ポート４とを導通する通路が本発明の流体通
路に相当し、絞り１９′が絞り通路に相当する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、弁体の
閉弁時期を任意に制御することが可能であり、ま
た、ポンプ室への流体の供給を簡素な構成によつ
て実現可能であるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図である。 １……三方弁、２……電歪式アクチエータ、３
……ポンプ、４……制御用ポート、５……高圧ポ
ート、６……弁体、７……低圧ポート、１１……
高圧バルブユニツト、１２……低圧バルブユニツ
ト、１３……隔壁、１６，２８……バルブボデ
イ、１７，２６……バルブポペツト、１９′……
絞り。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電歪式アクチユエータ２と、 室内が流体によつて満たされ、該電歪式アクチ
   ユエータ２の伸縮に応じて内部容積が変化する圧
   力室３７と、 該圧力室３７の内部容積の変化に応じて発生す
   る流体圧力を端面に受けて、連通位置と遮断位置
   との間を往復動する弁体１７と、 該弁体１７が遮断位置となつたとき弁体１７に
   よつて閉塞され、連通位置となつたとき弁体１７
   によつて開口される流体通路２２と、 該流体通路２２から分岐して、前記圧力室３７
   と連通する絞り通路１９′とを備え、 該絞り通路１９′は、少なくともその一部が前
   記弁体１７によつて形成され、前記弁体１７が前
   記連通位置となつたとき、前記弁体１７によつて
   形成される絞り通路１９′が、前記弁体１７の位
   置変化によつて閉塞されるとともに、前記弁体１
   ７が前記遮断位置となつたとき、前記弁体１７の
   位置変化によつて開口されることを特徴とする電
   歪式流体制御弁。