JPH06109158A

JPH06109158A - 流体機械用のノズル装置

Info

Publication number: JPH06109158A
Application number: JP6138892A
Authority: JP
Inventors: Herbert Lembke; ヘルベルト、レムケ
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1994-04-19
Also published as: US5314118A

Abstract

(57)【要約】【目的】構造においてコンパクトであり、製造コスト
が安く、かつ容易に調整可能な圧電的に制御されるノズ
ル装置を提供する。【構成】長手方向の孔４を有したハウジング２と、長
手方向の孔４内に位置している圧電素子５と、圧電素子
５によって支持されているバッフル板８と、長手方向の
孔４内に位置するノズル本体１１と、このノズル本体１
１内を伸びるとともにその一端部がバッフル板８に隣接
している孔１５と、長手方向の孔４によって形成される
とともに孔１５の他端部に連通されたチャンバ２０とを
備え、チャンバ２０は流体供給手段に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体機械用のノズル装
置に係り、特に圧電手段によって制御されるノズル装置
に関する。本ノズル装置はノズル抵抗又はジェット抵抗
又はオリフィス抵抗とも称される。本発明は、特にサー
ボバルブのパイロット手段に応用され、さらに、電気的
入力信号に対応して流体の出力信号を発生する装置であ
り、２段または多段サーボバルブにおいて有用である。

【０００２】

【従来の技術】ドイツ特許１７７６１４２号は、電気的
に膨張するモジュールによって機械的なエレメントの位
置を調整する装置を開示している。電気的に膨張する材
料の例として圧電材料が述べられている。前記モジュー
ルは、流体が満たされたチャンバを仕切る面を有してい
る。このチャンバはスプールバルブの第１チャンバに接
続されている。前記チャンバ内で、第１スプールは可動
に配設されている。前記第１スプールは、電気的な膨張
モジュールに対して異なった電圧を印加することによっ
て一方向又は反対方向にその中心位置から動くようにな
っている。前記機械的エレメントの位置を調整するため
に、第２スプールが第２スプールバルブチャンバ内に設
けられており、この第２スプールバルブチャンバは前記
第１スプールバルブチャンバに連通されている。流体で
満たされた第１スプールバルブチャンバは流体密封構造
からなり、前記第１スプールはその中心位置に前記チャ
ンバ内の圧力に対してスプリングによって維持される。
スプールの位置によって機械的エレメントの所望の動き
が得られる。

【０００３】英国特許ＥＰ１２１７２２５号は流体の流
れを案内する装置を開示しており、この特許は入口を介
して流体が流入するとともに出口を介して流体が流出す
るチャンバを備えている。入口及び／又は出口に隣接し
て、バッフルエレメントが設けられており、このバッフ
ルエレメントは流体の流れに影響をあたえるようにギャ
ップを形成している。このバッフルエレメントは、電気
的な信号によって制御される圧電ユニット上に配設され
ている。

【０００４】西独公開公報（ＤＥ−ＯＳ）２４１７４５
０号は、制御電流の流れの差異を作動流体の速度の差異
に変換する電気ー流体信号トランスデューサーを開示し
ている。この電気ー流体信号トランスデューサーは比例
及び／又はサーボバルブのパイロット制御段（ステー
ジ）として使用され得る。サーボバルブのパイロット手
段として使用されるときには、完全なブリッジを構成
し、電気的信号のフィードバック用の２つの一定の流体
抵抗を有したペルチェ（peltier）素子を使用すること
が好ましい。ドイツ公開公報（ＤＥ−ＯＳ）３５２７０
６９号及び２５１１７５２号は付加的な先行技術に関す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、構造におい
てコンパクトであり、製造コストが安く、かつ容易に調
整可能な圧電的に制御されるノズル装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】本発明の他の目的は、多段、特に２段サー
ボバルブの第１段ユニットを提供することを目的とす
る。一般的に、サーボバルブの第１段ユニットはいわゆ
る制御モータと流体増幅器を備えている。より詳細には
流体トレーナー（The Hydrau-lic Trainer）、１９８１
年マネスマンレックスロート発行の１５０頁参照のこ
と。第１段ユニットは、制御モータに加えられた電気的
に制御される信号を第２段ユニットを作動させるための
流体の信号に変える機能を有している。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】前述した目的を
達成するため、本発明の第１の態様によれば、圧電的に
制御されるノズル装置は流体機械に設置される。ノズル
装置は長手方向の孔を有したハウジングを備えている。
前記長手方向内には圧電素子が配置され、バッフル板を
支持する。前記長手方向孔内にはノズル本体が配置さ
れ、このノズル本体を通って伸びる孔が前記バッフル板
に隣接した第１チャンバ内でその一端が終わるようにな
っている。好ましくは、前記孔は前記ノズル本体内で軸
方向に伸びている。中空の空間、または、第２チャンバ
は、好ましくは前記ノズル本体内に形成されている。前
記ノズル本体内の前記孔は前記第２チャンバと連通して
いる他端部を有している。１又は複数の半径方向に伸び
た孔は流体出力信号を供給するため外部と第１チャンバ
とを連通させる。また、１又は複数の半径方向の孔は第
２チャンバと連通しており、また、圧力流体を受け入れ
るようにハウジングに形成された半径方向の孔を介して
外部に連通されている。ノズル装置は既にチェックされ
たユニットとして回路内で使用可能であり、コンパクト
でかつ予め調整されたエレメントを構成する。本発明の
ノズル装置は摩擦及び摩耗を引き起こす機械的に可動な
要素を有していない。ノズル装置は、好ましくは個々の
エレメントの構成をなしており、これ故、このノズル装
置はメンテナンスのために容易にアクセス可能である。
高度な「０（ゼロ）」安定性がノズル装置内で使用され
る圧電素子の高度な安定性によって得られる。

【０００８】本発明の他の態様によれば、ノズル装置は
サーボバルブ用のパイロット手段として使用される。圧
力素子（又はディスク）の共振振動数（共振周波数）
が、約１０ｋＨ_Zと小さな信号の領域であるため、及び
流体機械への信号の移動が迅速に行われるため、制御の
性能が制御スプールの位置制御と関連して非常に高い。
また、圧電素子の調整が高い精度で行われ得る。閉ルー
プの電気的ゲインに基づいて位置のフィードバックを行
うため、圧電素子のヒステリシスを除去する。

【０００９】圧電素子に分極電圧を加えると、素子は比
例的に膨張する。これ故、圧電素子が動作するとき、ノ
ズル本体の孔とバッフル板との間に形成されるノズルの
出力断面が変化し、ノズル抵抗が変化、即ち、増加また
は減少する。本発明の好ましい実施例によれば、圧電素
子のための制御電圧は電気的手段によって制限され、そ
れ故、圧電素子によって支持されるバッフル板とノズル
装置におけるノズル間に機械的な接触が生じない。さも
なければ、極めて高い圧電力がノズルの損傷を引き起こ
す。好ましくは電気的制御信号は圧電素子又はトランス
レータの高度な分解能力を利用することができるように
高度に安定した電圧源によって供給される。加えて、ツ
ェナーダイオードによって安全のために最大電圧が制限
される。制御信号は圧電素子の作動のために必要な電圧
まで、電圧増幅器によって増幅される。

【００１０】本発明の他の態様によれば、圧電的に制御
されるノズル装置はサーボバルブにおけるパイロット制
御タスク（task）に使用される。主にサーボバルブの制
御スプールは、圧力差ΔＰまたは流体の流量の差ΔＱに
よって動かされ、制御位置に位置する。これ故、本発明
によれば、制御装置は固定のオリフィスと直列に接続さ
れた２つの抵抗エレメントを有している。この装置は流
体のセンタタップとともに使用される。適正な機能を得
るために、アナログ的に同時に２つのノズル抵抗を制御
することが必要である。どの対のノズルが必要かは、ス
イッチングロジックによって得られた制御スプールの位
置の制御偏差の極性から生ずる。制御偏差「０（ゼ
ロ）」のために、抵抗エレメントは制御されない。装置
の一側にある入力ノズルの制御と装置の他側にある出力
ノズルの同時の制御とによって、従来技術のノズル−バ
ッフル板又はフラッパー装置と同じパイロット出力信号
が発生する。ノズル抵抗エレメントの上述した組み合わ
せによって、電気的に高度な増幅が行える。

【００１１】本発明の他の態様によれば、圧電素子（又
は積層された圧電素子）にバイアスすることが可能であ
り、それによってプラス及びマイナスの方向に移動が生
ずる。これによって利用可能な流体力が増加する。本発
明のさらに他の態様によれば、流体のセンタタップとと
もに２つのノズル抵抗エレメントを直列に配置すること
が可能であり、回路構成を二重にすることが可能であ
る。また、抵抗エレメントの１又は２以上の組み合わせ
が使用される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明にかかる流体機械用のノズル装
置の一実施例を図面を参照して説明する。第１図におい
て、ノズル装置１は圧電手段によって制御されるように
なっている。このノズル装置はノズル抵抗またはジェッ
ト抵抗またはオリフィス抵抗ともいうことができる。ノ
ズル装置１はスリーブ状の回転対称なハウジング２を備
えている。ハウジング２の外面には、溝が設けられてお
りこの溝はシール３を受け入れるようになっている。長
手方向の孔４（好ましくは符号１４０で示されるように
階段状になっている）は前記ハウジング２の内側に伸び
ている。符号５は圧電素子であり、この圧電素子５は積
層された複数の圧電ディスクからなっている。圧電素子
５は圧電トランスレータともいうことができ、シール及
び固定部材６によって前記孔４の底部に固定されてい
る。そして、圧電素子５は、その上端で、バッフル板８
を備えている。ハウジング２の底部には、シールされた
ケーブル通路９がケーブル６１を通すために設けられて
おり、そして、ケーブル６１によって電気入力信号２８
が前記圧電素子５に加えられるようになっている。

【００１３】ノズル本体１１は前記孔４に嵌合され、そ
の端部が前記バッフル板８に隣接するように孔４内に固
定されている。圧電素子５と同様に、ノズル本体１１は
ノズル装置１のハウジング２の長手方向の軸線７に対し
て回転対称に位置している。ノズル本体１１内には、中
空の空間またはノズルチャンバ２０が形成されている。
前記ノズルチャンバ２０はネジ１２に螺合されるプラグ
（図示せず）によってその一端が閉塞されている。ま
た、ノズル本体１１は前記バッフル板８に隣接した端部
を備えるとともに内径Ｄを有する軸方向の開口１５を備
えている。

【００１４】さらに、ハウジング２には複数の円周方向
に間隔を置いた半径方向の開口１３が設けられている。
前記半径方向の開口１３と整合して半径方向に伸びた孔
１４がノズル本体１１内に設けられ、この孔１４によっ
てノズルチャンバ２０とハウジング２の外部との連通が
なされている。

【００１５】動作時にはスリーブ状のハウジング２は流
体機械のブロック、例えばバルブブロック内に挿入され
る。これ故、矢印１８は加圧された流体の、好ましくは
作動油の流入を示し、矢印１９は前記流体の流出を示し
ている。ノズル本体１１と圧電素子５間に形成された制
御室２１とハウジング２の外部との間に伸びている円周
方向に間隔を置いた半径方向の開口１７を介して流出が
起こる。また、図１において、バッフル板８の上面と軸
方向の開口１５の下端との間の距離はＸ₀によって示さ
れる。この距離Ｘ₀は、電気信号２８によって圧電素子
５を制御することによって、その大きさを変えることが
できる。圧電素子５の動き又はストロークは２５μｍの
範囲で成し得る。好ましくは、バッフル板８はセラミッ
ク材上に設けられた硬質合金またはルビー（Ruby）から
成っている。図１で示されるように、ノズル装置１は種
々の用途があるコンパクトなエレメントまたはユニット
である。このユニットは、好ましくは予め調整されそし
て自己調整式になっている。

【００１６】図１で示されるようにノズル装置１は電気
信号２８を圧電素子５に印加することによって、流体抵
抗を小さく、または、大きくすることができるようにな
っている。図２は固定オリフィスまたはノズル７５とと
もに使用されるノズル装置１の応用例を示している。図
２において、Ｐはポンプポート、Ａはユーザーポート、
及びＴはタンクポートを示す。ＰとＡ間の差圧はＡＰと
表され、ＰとＴ間の差圧はＰＴとそれぞれ表される。図
３は流体センタータップ（Hydraulic Center Tap）とと
もに直列に２つのノズル装置１を接続した回路を開示し
ている。差圧は図２と同様にＡＴ及びＰＴで表される。

【００１７】図４は図２に類似した回路を開示している
が、この回路は二重回路になっている。この回路は両側
に圧力を受ける制御スプールを作動させるためのサーボ
バルブに好適に使用される。この実施例は、図８に関連
して後に詳細に説明する。図５は図３に類似した回路を
示し、またこれは二重回路になっている。この回路は制
御スプールの作動に関連して図６及び図７を説明すると
きに詳細に説明する。

【００１８】図６は第１段ユニット（３１）と第２段ユ
ニット（３２）から成る２段サーボバルブ３０を示して
いる。図９で示されるように、サーボバルブ３０は閉ル
ープ回路の一部を構成し、流体シリンダ３７を作動させ
るようになっている。図６及び図９に関して、図６に示
す回路は第２段ユニット（３２）に位置測定装置３６を
備えている。図９で示されるように、位置測定装置３６
は、また、流体シリンダ３７に隣接して位置している。

【００１９】図６の説明に戻ると、サーボバルブ３０は
電気入力信号２８によって作動可能であり、制御バルブ
１３４のハウジング３４内に往復移動可能に配設されて
いる調整または制御スプール３５の移動を引き起こすよ
うになっている。制御スプール３５は２段サーボバルブ
３０の第２段ユニット（３２）の一部である。第２段ユ
ニット（３２）のポートはＰ，Ａ，Ｔ及びＢで示され
る。作動されるべき流体シリンダ３７はポートＡとポー
トＢ間に位置している。第２段ユニット（３２）は公知
の構造であるが、第１段ユニット（３１）の構造は本発
明のノズル装置を組み込んでいる。

【００２０】第１段ユニット（３１）は、その入力側
に、上述した電気信号２８を受けて、その出力側に流体
の出力を提供するようになっており、この流体の出力信
号は、矢印２９によって示され、ポートＡ_STとポートＢ
_STとの間に生じる。流体の出力信号２９は制御スプール
３５を有した制御バルブ１３４の各制御チャンバと接続
されている。制御バルブ１３４のポンプポートＰ及びタ
ンクポートＴはチャンネル５０及び６０によって第１段
ユニット（３１）の各ポートＰ及びＴと適宜接続されて
おり、また、チャンネル５０内にはフィルタ５１が設置
されている。４つのノズル装置４１，４２，４３及び４
４は図６に示されるような方法で接続されている。特
に、ノズル装置４１の入力側１８は導管４７を介してノ
ズル装置４４の入力側１８と接続されている。ノズル装
置４１の出力側１９は導管５８及び導管４８を介して制
御バルブ１３４のポートＡ_STに接続されるとともに導管
５８及び導管４９を介してノズル装置４２の入力側１８
に接続されている。ノズル装置４２の出力側１９は導管
５７及び導管５２を介して制御バルブ１３４のタンクポ
ートＴに接続されている。また、ノズル装置４２の出力
側１９は導管５７及び導管５３を介してノズル装置４３
の出力側１９に接続されている。ノズル装置４３の入力
側１８は導管５６及び導管５４を介して制御バルブ１３
４のポートＢ_STと接続されているとともに導管５６及び
導管５５を介してノズル装置４４の出力側１９に接続さ
れている。

【００２１】上述したように、図７は図６の模式的な回
路図であり、同図に示されるようにノズル装置４１〜４
４は、ブリッジを形成している。図６及び図７を同時に
参照すると、ノズル装置４１，４２，４３及び４４の制
御は、電気入力または制御信号が供給される制御回路４
０によって行われる。制御回路４０は、第１制御手段６
８及び第２制御手段６９を備えている。第１制御手段６
８はライン６１及び６３を介してノズル装置４１の圧電
素子に接続されるとともに、ライン６１及び６２を介し
てノズル装置４３の圧電素子に接続されている。更に前
記第２制御手段６９はライン６４及び６５を介してノズ
ル装置４４に接続されるとともに、ライン６４及び６６
を介してノズル装置４２に接続されている。前記制御手
段６８及び６９は、前記電気信号２８が入力される、ま
た別の回路７０に接続されている。電気信号２８に加え
て、例えば制御手段６８及び６９を作動させるための他
の制御信号等が前記制御回路４０に供給され得る。

【００２２】典型的には、特定のサーボバルブにとって
ノズル装置４１，４３及び４２，４４のうち２つのノズ
ル装置は、ライン６１上の所定の励起手段（例えば所定
の信号）によって調整される（例えば所定の信号）。他
のノズル装置４２，４４は、ライン６４を介して電気制
御信号２８によって制御され、流体出力信号を変化させ
る。

【００２３】図８は、図６の構成の２つのノズル装置が
２つの固定のオリフィスまたは固定のノズル８０，８１
によって置き換えられた他の実施例を示す。図８の構成
は、図６の構成に類似しており、これ故、当業者には、
容易に理解できるため、説明は省略する。図９は、上述
したように図６または図８に示されるサーボバルブが好
適に使用される閉ループ制御回路を示している。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電手段に供給される電気的制御信号によって流体の出力
信号を変化させることができ、構造においてコンパクト
であり、製造コストが安く、かつ容易に調整可能なノズ
ル装置とすることができる。

【００２５】また、本発明によるノズル装置は、多段、
特に２段サーボバルブの第１段ユニットとして使用する
ことができ、この第１段ユニットによって、電気的に制
御される信号を第２段ユニットを作動させるための流体
の信号に変えることができる。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体機械用のノズル装置の断面図
である。

【図２】図１のノズル装置の応用例を示す説明図であ
る。

【図３】図１のノズル装置の第２の応用例を示す説明図
である。

【図４】図１のノズル装置の第３の応用例を示す説明図
である。

【図５】図１のノズル装置の第４の応用例を示す説明図
である。

【図６】電気入力信号に対応する流体出力信号を発生す
る装置において、本発明のノズル装置を適用した例を示
す図であり、本装置は２段サーボバルブの第１段ユニッ
トとして使用される。

【図７】図６の装置の模式的な回路図である。

【図８】電気入力信号に対応する流体出力信号を発生す
る装置の他の実施例を示す構成図である。

【図９】公知の閉ループ制御回路の回路図である。

【符号の説明】１ノズル装置２ハウジング４孔５圧電素子８バッフル板１１ノズル本体１３開口１４孔１５開口１７開口２０ノズルチャンバ２１制御室２８電気信号３０サーボバルブ３１第１段ユニット３２第２段ユニット３５制御スプール４０制御回路４１,４２，４３，４４ノズル装置６８第１制御手段６９第２制御手段１３４制御バルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長手方向の孔（４）を有したハウジング
（２）と、前記長手方向の孔（４）内に位置している圧
電素子（５）と、前記圧電素子によって支持されている
バッフル板（８）と、前記長手方向の孔（４）内に位置
するノズル本体（１１）と、このノズル本体（１１）内
を伸びるとともにその一端部が前記バッフル板（８）に
隣接している孔（１５）と、前記長手方向の孔（４）に
よって形成されるとともに前記孔（１５）の他端部に連
通されたチャンバ（２０）とを備え、前記チャンバ（２
０）は流体供給手段に接続されていることを特徴とする
圧電素子によって制御されるノズル装置。
【請求項２】前記孔（１５）は前記ハウジング（２）
及び前記ノズル本体（１１）の軸方向に伸びることを特
徴とする請求項１記載のノズル装置。
【請求項３】前記チャンバ（２０）は前記ノズル本体
（１１）内に形成されていることを特徴とする請求項１
記載のノズル装置。
【請求項４】前記チャンバ（２０）は前記ノズル本体
（１１）及び前記ハウジング（２）を通って伸びている
孔手段を介して前記流体供給手段に接続されていること
を特徴とする請求項３記載のノズル装置。
【請求項５】前記孔手段は前記ノズル本体（１１）の
側壁を通って伸びている１またはそれ以上の半径方向の
孔から成り、この孔手段は前記ハウジング（２）を通っ
て伸びている半径方向の孔（１３）と連通していること
を特徴とする請求項４記載のノズル装置。
【請求項６】前記圧電素子（５）は複数の圧電ディス
クから成ることを特徴とする請求項１記載のノズル装
置。
【請求項７】前記バッフル板は硬質合金またはルビー
からなり、セラミック材に装着されていることを特徴と
する請求項１記載のノズル装置。
【請求項８】前記ノズル本体（１１）は前記ハウジン
グ（２）に嵌合されていることを特徴とする請求項１記
載のノズル装置。
【請求項９】固定オリフィス（７５）と請求項１記載
のノズル装置とを直列に接続するとともに前記固定オリ
フィスと前記ノズル装置間に流体センタータップを設け
たことを特徴とする回路構造。
【請求項１０】請求項１記載のノズル装置を直列に接
続するとともに前記ノズル装置間にセンタータップを設
けたことを特徴とする回路構造。
【請求項１１】請求項１記載のノズル装置と固定オリフ
ィスとを直列に接続した第１回路と、この第１回路に並
列に、請求項１記載のノズル装置と固定オリフィスとを
直列に接続した第２回路を設けたことを特徴とする回路
構造。
【請求項１２】直列に接続された請求項１記載の２つ
のノズル装置からなる第１回路と、直列に接続された請
求項１記載の他の２つのノズル装置からなる第２回路と
を並列に設けたことを特徴とする回路構造。
【請求項１３】請求項１記載の４つのノズル装置から
ブリッジ回路が構成されている、電気入力制御信号に対
応する流体出力制御信号を発生する装置。
【請求項１４】第１段ユニットは請求項１記載の４つ
のノズル装置からなるブリッジ回路によって形成され、
前記ブリッジ回路はサーボバルブ（３０）の第２段ユニ
ット（３２）に印加される出力制御信号を発生すること
を特徴とする２段サーボバルブ。
【請求項１５】２つの斜めに対向して配置されたノズ
ル装置は、前記入力制御信号（２８）によって制御さ
れ、２つの他の斜めに配置されたノズル装置はそれらが
予め定められた流体抵抗をとるように制御されることを
特徴とする請求項１４記載のサーボバルブ。
【請求項１６】前記ブリッジ回路において固定の抵抗
値を表すノズル装置は固定ノズルまたは固定のオリフィ
スによって置換されることを特徴とする請求項９記載の
サーボバルブ。
【請求項１７】第２段ユニット（３２）は、第１段ユ
ニット（３１）の流体出力信号によって制御される制御
スプール（３５）からなり、前記第１段ユニット（３
１）は制御可能な圧電ノズル装置によって構成されてい
ることを特徴とする２段または多段サーボバルブ。
【請求項１８】ノズル装置はブリッジ回路内に配置さ
れ、このノズル装置は第２段ユニット（３２）に供給す
るために増幅された流体信号（２９）を発生するように
電気的な制御信号（２８）によって制御されることを特
徴とする請求項１７記載のサーボバルブ。
【請求項１９】電気的信号によって流体出力信号を発
生する可変ノズル抵抗手段であって、ハウジング（２）
と、前記電気的信号の発生によってバッフル板（８）の
移動を制御するための圧電手段と、前記ハウジング
（２）内に固定されたノズル本体（１１）と、このバル
ブ本体（１１）内を伸びるとともにその一端部が前記バ
ッフル板（８）に隣接して位置される少なくとも一つの
孔（１５）と、前記ハウジング（２）内に設けられ流体
圧力供給源に連通されるとともに前記孔（１５）と連通
している第２チャンバ（２０）と、前記ハウジング
（２）内に設けられる前記第２チャンバ（２０）とは分
離されているとともに前記孔（１５）と連通している第
１チャンバ（２１）と、前記流体出力信号（１９）をユ
ーザーに供給するために前記第１チャンバ（２１）と連
通された出力手段（１７）とを備え、前記チャンバ（２
１）内で終端する前記孔（１５）の一端部と前記バッフ
ル板（８）の表面との距離Ｘ₀は、前記圧電手段に供給
される入力信号によって変化され、これによって流体出
力信号（１９）が変化するようになっていることを特徴
とする可変ノズル抵抗手段。