JPH0674861B2 - 切換弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電素子を用いた切換弁に関し、特に空気圧
の流れを切り換える切換弁に適用して有効な技術に関す
る。

［従来の技術］ 空気圧の流れを切り換える切換弁としては、磁界中に配
設されたコイル等の推力により主弁が間接的に作動させ
る構造のものがある。しかし、この切換弁は、消費電力
が大きく、またそのマグネット等によって大形化や重量
化する傾向がある。

このような傾向は、電磁ポンプを作動源とする構造の制
御弁（たとえば、特開昭58−21080号公報記載）におい
ても同様である。

そこで、この構造に代わる切換弁として、圧電素子の変
形力により主弁が作動される構造のものがある。

この圧電素子を用いた切換弁は、たとえば一次側の流体
圧が流入する作動用流体室と、この作動用流体室のブリ
ード用のノズルに接離することにより該ノズルを開閉す
る圧電素子と、作動用流体室の流体圧の上昇によりダイ
ヤフラムを介して作動されて流路を切り換える主弁とを
備えた構造とされている。

また、圧電素子を用いた制御弁として、たとえば、圧電
素子に駆動軸と弁体が結合され、この圧電素子の変形力
が駆動軸を介して弁体に伝達されることにより、流路が
切り換えられるものもある（たとえば、実開昭61−7748
3号公報記載）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前記した前者の圧電素子による切換弁
は、その圧電素子がブリード用のノズルに対して直接に
当接して該ノズルを閉じるため、そのノズルへの当接に
より圧電素子自体が変形ないし損傷され易く、耐久性に
劣り、ノズルに対する開閉動作の不確実性を招くという
問題点がある。

特に、圧電素子は機械的強度が比較的小さいため、この
ような問題点が生じ易い。

また、後者の圧電素子を用いた制御弁においても、圧電
素子に駆動軸と弁体が結合され、圧電素子の変形力が駆
動軸と弁体に機械的に直接伝達される構造とされている
ため、前者の制御弁と同様な問題点がある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の切換弁は、振動して外部の空気を吸入しこの吸
入した空気を圧縮させて吐出圧を発生させる圧電素子
と、前記圧電素子に対して軸方向に相互に機械的に独立
にかつ離間して同軸的に設けられ、前記圧電素子の振動
による前記吐出圧によって変位される可動部材と、前記
圧電素子の前記可動部材側の空間と大気を連通させる吸
入口に設けられ、この吸入口から前記圧電素子の前記可
動部材側の空間への空気の吸入のみを可能とし、前記吸
入口から大気への空気の流出を阻止する空気吸入用逆止
弁と、前記可動部材側の空間と前記可動部材の前記圧電
素子側の空間とを連通させる吐出路に設けられ、前記圧
電素子の前記可動部材側の空間から前記可動部材の前記
圧電素子側の空間への吐出圧の吐出のみを可能とし、そ
の逆方向への空気の流れを阻止する吐出用逆止弁と、前
記圧電素子および前記可動部材に対して軸方向に同軸的
に設けられ、前記可動部材の変位により作動されて流路
を切り換える主弁とを備えていることを特徴とするもの
である。

［作用］ 前記した手段によれば、圧電素子の振動が可動部材に機
械的に伝達されて主弁が作動される構造ではなく、圧電
素子と可動部材とが軸方向に相互に独立にかつ離間して
同軸的に設けられ、圧電素子の振動による吐出圧によっ
て可動部材が変位されて、主弁による流路の切り換えが
行われるので、圧電素子と可動部材との機械的な連結に
起因する圧電素子の変形ないし損傷を確実に防止するこ
とができ、耐久性や作動信頼性の向上を図ることがで
き、また切換弁の小形化を図ることができる。

しかも、圧電素子の振動による吐出圧の形成のために、
空気吸入用逆止弁および吐出用逆止弁よりなる逆止弁構
造を用いているので、簡単な構造で所望の吐出圧を得る
ことができる。

［実施例１］ 第１図は本発明の一実施例である切換弁を示す断面図で
ある。

本実施例の切換弁は、ベース１と、このベースに固定さ
れた弁本体２と、該弁本体２に取り付けられたキャップ
３とを備えている。

弁本体２には、第１図の右側面に供給ポート４、同図の
左側面に出口ポート５、同図背面側に排出ポート（図示
せず）が夫々開設されている。

弁本体２の内部の上下には、下側が密閉蓋６で閉塞され
た弁室７と、上側がシール部材８で閉塞された弁室９と
が流通孔10を介して連通可能に形成されている。流通孔
10の上下開口部は、弁孔11,12とされている。

弁室7,9は、その軸方向に夫々移動自在に設けられた主
弁13,14により、夫々上部弁室と下部弁室とに仕切られ
ていて、弁室９の上部弁室が作動用流体室9aとされてい
る。また、弁室７の上部弁室が供給ポート４に、弁室９
の下部弁室が前記排出ポート（図示せず）に夫々連通さ
れている。

主弁13,14は、たとえばゴム等の弾性材製のダイヤフラ
ムによって形成されていて、軸部15を介して連結されて
いる。また、主弁13,14および軸部15は、弁室７の下部
弁室に設けられたスプリング16によって第１図の上側に
付勢されている。

さらに、一方の主弁13は、その外周端がシール部材８を
介して弁室９の段部とスナップリング17とによって挟持
されて固定されている。

他方の主弁14は、その外周端が密閉蓋６を介して弁室７
の段部とスナップリング18とによって挟持されて固定さ
れ、また該主弁14には、孔14aが穿設されている。

軸部15は、流通孔10にその内周面に対し半径方向に間隙
をおき、またその軸方向に沿って移動自在に配置されて
いる。軸部15の内部には、その軸芯上を貫通する流路15
aが形成され、この流路15aにより弁室７の下部弁室と、
弁室９の作動用流体室9aとが連通されている。

前記キャップ３は、弁本体２の上部に螺合され、ロック
ナット19により確実に固定されている。キャップ３の両
側面には、サイレンサ20付きのブリード口21が開設され
ている。ブリード口21は、シール部材８の内部に形成さ
れたノズル8aと孔8bとを通じて作動用流体室9aと連通さ
れている。

キャップ３の内部の上側には、空間22,23が形成されて
いる。空間22,23には、第１図の破線で示すように同図
の上下方向に振動して吐出圧を発生させるバイモルフ形
の圧電素子24と、その吐出圧によって変位されるパイロ
ット用ダイヤフラム25（可動部材）とが夫々相互に軸方
向に同軸的にかつ相互に独立に離間して設けられてい
る。

圧電素子24の上側の空間22aは、大気孔26を介して大気
中と連通されている。圧電素子24の下側の空間22bは、
吸入口27を通じて大気圧中と連通可能とされ、該吸入口
27には、大気圧中側から該空間22b側にのみ流体を流す
逆止弁28（空気吸入用逆止弁）が設けられている。ま
た、空間22bは、吐出路29を通じてダイヤフラム25の上
側の空間23aと連通可能とされ、該吐出路29には、空間2
2b側から空間23a側にのみ流体を流す逆止弁30（吐出用
逆止弁）が設けられている。

空間23aは、排気ポート31を通じて大気圧中と連通され
ている。

圧電素子24は、たとえばシリコンゴム等の弾性材32でモ
ールドされた一対の圧電セラミックにより形成され、そ
の弾性材32の外周端が空間22の内壁面の溝に嵌合されて
固定されている。また、圧電素子24は、交流電源33と接
続されている。

ダイヤフラム25は、その断面リング状の外周部が空間23
の内壁面に押接されて固定されている。

ダイヤフラム25の下面の中央には、プランジャ等のノズ
ル開閉部34が突設されている。ノズル開閉部34は、ノズ
ル8aにその軸方向に沿って移動自在に挿入され、ダイヤ
フラム25の振動により作動されてノズル8aを開閉するよ
うになっている。そして、このノズル開閉部34の作動に
よるノズル8aの開閉に対応して、作動用流体室9aに流入
する作動用流体の放出と該放出の停止とが行われる構造
とされている。

次に、本実施例の作用について説明する。

第１図の状態は、圧電素子24の非作動時を示し、この状
態においてはノズル8aが開口状態とされ、またスプリン
グ16の付勢力により主弁14が弁孔12に当接されて該弁孔
12が閉じられ、主弁13が弁孔11から離反されて該弁孔11
が開かれている。

この状態においては、排気圧等の流体圧が出口ポート５
と、流通孔10と、弁孔11と、弁室９の下部弁室と、排出
ポート（図示せず）とを通じて外部に排出されている。

他方、供給ポート４には空気圧等の流体圧が供給され続
け、この流体圧は、弁室７と、孔14aと、流路15aと、作
動用流体室9aと、ノズル8aと、孔8bと、ブリード口21と
を通じて大気中にブリードされている。

次いで、この状態において、圧電素子24に通電させ、該
圧電素子24を第１図の上下方向に振動させると、吐出圧
が発生する。すなわち、圧電素子24および弾性材32が第
１図の上側に変位すると、外部の大気圧中の空気が吸入
口27および逆止弁28を通じて空間22bに吸入され、次い
で圧電素子24および弾性材32が同図の下側に変位する
と、その吸入された空気が圧縮されて吐出圧が発生す
る。

この吐出圧は吐出路29および逆止弁30を通じて空間23a
に吐出され、該空間23aの流体圧が上昇し、この空間23a
の流体圧によりダイヤフラム25およびノズル開閉部34が
押し下げられる。圧電素子24を非通電にすると、空間23
aの流体圧は、排気ポート31から大気圧中に排出され、
ダイヤフラム25等は第１図の状態に復帰する。

この場合に、圧電素子24の振動がダイヤフラム25に機械
的に伝達させる構造ではなく、圧電素子24の振動により
発生された吐出圧がダイヤフラム25に伝達されて該ダイ
ヤフラム25が変位される構造とされているので、圧電素
子24とダイヤフラム25との機械的な連結による圧電素子
24の変形ないし損傷を確実に防止することができ、耐久
性や作動信頼性の向上を図ることができる。

吐出圧によってダイヤフラム25が押し下がり、ノズル8a
が閉じることによって流体室9aの流体圧が所定の流体圧
まで上昇すると、該流体圧により主弁13がスプリング16
の付勢力に抗して押し下げられ、これに同伴して主弁14
が軸部15を介して押し下げられ、流路が切り換えられ
る。すなわち、弁孔11が閉じ、弁孔12が開かれることに
より、出口ポート５から排出ポート（図示せず）への流
体圧の流れが遮断され、また供給ポート４に供給されて
いる流体圧が弁室７と、流通孔10とを通じて出口ポート
５に流れる。

このように、本実施例によれば、圧電素子24の振動によ
って発生した吐出圧により主弁13,14が大きく変位され
るので、該電圧素子24の微小変位を主弁13,14への大き
な変位に変換させて流路を切り換えることができる。

［実施例２］ 第２図は本発明の他の実施例である切換弁を示す断面図
である。

本実施例２における切換弁は、実施例１のポペット形の
切換弁と異なり、スプール形の切換弁とされている。

また、実施例１の切換弁は、主弁13,14がダイヤフラム2
5の変位により間接的に作動される構造とされている
が、本実施例２の切換弁は、主軸35の外周囲に形成され
た主弁13がダイヤフラム25の変位により直接的に作動さ
れる構造とされている。すなわち、ダイヤフラム25に主
軸35が接続されていることにより、該ダイヤフラム25の
変位が主軸35に直接的に伝達されて該主軸35および主弁
13が軸孔36の軸方向に沿って変位される構造とされてい
る。

また、主軸35を作動する圧電素子24やダイヤフラム25等
が該主軸35の両側に一対設けられている。

ここで、第２図に示す状態は、主軸35のノーマルな位置
の状態を示している。

この状態において、第２図の右側の圧電素子24を通電状
態とすると、該圧電素子24が振動し、吐出圧が発生す
る。この吐出圧は、第２図の右側の空間23aに吐出され
て該空間23aの流体圧が上昇し、ダイヤフラム25が同図
の左側に移動され、これに同伴して主軸35および主弁13
が同様に移動される。この移動により、供給ポート４か
ら出口ポート５に流体が流れ、また出口ポート37から排
出ポート38に流体が流れる。

次いで第２図の右側の圧電素子24を非通電とし、同図の
左側の圧電素子24を通電状態とすると、この左側の圧電
素子24が振動し、吐出圧が発生する。この吐出圧は、第
２図の左側の空間23aに吐出されて該空間23aの流体圧が
上昇し、ダイヤフラム25と主軸35と主弁13とが同図の右
側に移動される。この移動により、供給ポート４から出
口ポート37に流体が流れ、また出口ポート５から排出ポ
ート39に流体が流れる。

このように本実施例２によれば、一対の圧電素子24に交
互に通電することにより、流路を確実に切り換えること
ができる。

［実施例３］ 第３図は本発明の更に他の実施例である切換弁を示す断
面図である。

本実施例３における切換弁は、その主軸35を作動する圧
電素子24やダイヤフラム25等が実施例２と異なり、該主
軸35の一側（第３図においては右側）にのみ設けられ、
主軸35の他側（第３図においては左側）には、スプリン
グ40が設けられている。このスプリング40は、圧電素子
24の作動により第３図の左側に移動された主軸35を第３
図の右側に移動させて同図に示すようなノーマルな位置
に復帰させるものである。

以上、本発明を実施例１〜３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。

たとえば、可動部材は、低摩擦摺動のピストンでもよ
い。

［発明の効果］ 本発明によれば、振動して外部の空気を吸入しこの吸入
した空気を圧縮させて吐出圧を発生させる圧電素子と、
前記圧電素子に対して軸方向に相互に機械的に独立にか
つ離間して同軸的に設けられ、前記圧電素子の振動によ
る前記吐出圧によって変位される可動部材と、前記圧電
素子の前記可動部材側の空間と大気を連通させる吸入口
に設けられ、この吸入口から前記圧電素子の前記可動部
材側の空間への空気の吸入のみを可能とし、前記吸入口
から大気への空気の流出を阻止する空気吸入用逆止弁
と、前記可動部材側を空間と前記可動部材の前記圧電素
子側の空間とを連通させる吐出路に設けられ、前記圧電
素子の前記可動部材側の空間から前記可動部材の前記圧
電素子側の空間への吐出圧の吐出のみを可能とし、その
逆方向への空気の流れを阻止する吐出用逆止弁と、前記
圧電素子および前記可動部材に対して軸方向に同軸的に
設けられ、前記可動部材の変位により作動されて流路を
切り換える主弁とを備えていることにより、以下のよう
な効果を得ることができる。

（１）．圧電素子の振動が可動部材に機械的に伝達され
て主弁が作動させる構造ではなく、圧電素子と可動部材
とが軸方向に相互に独立にかつ離間して同軸的に設けら
れ、圧電素子の振動により外部の空気を吸入し、この吸
入した空気を圧縮して発生された吐出圧が可動部材に伝
達されて該可動部材が変位することにより主弁が作動さ
れる構造とされているので、圧電素子と可動部材との機
械的な連結による圧電素子の変形ないし損傷を確実に防
止することができる。

（２）．（１）の効果により、圧電素子を用いた切換弁
の耐久性の向上を図ることができる。

（３）．（１）の効果により、主弁の開閉動作を確実に
することができるので、圧電素子を用いた切換弁の作動
信頼性の向上を図ることができる。

（４）．切換弁が圧電素子により作動される構造とした
ので、切換弁の省電力化や小形軽量化を図ることができ
る。

（５）．しかも、圧電素子の振動による吐出圧の形成の
ために、空気吸入用逆止弁および吐出用逆止弁よりなる
逆止弁構造を用いているので、簡単な構造で所望の吐出
圧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切換弁を示す断面図、
第２図は本発明の他の実施例である切換弁を示す断面
図、第３図は本発明の更に他の実施例による切換弁を示
す断面図である。 １……ベース、 ２……弁本体、 ３……キャップ、 ４……供給ポート、 ５……出口ポート、 ６……密閉蓋、 ７……弁室、 ８……シール部材、 8a……ノズル、 8b……孔、 ９……弁室、 9a……作動用流体室、 10……流通孔、 11,12……弁孔、 13,14……主弁、 14a……孔、 15……軸部、 15a……流路、 16……スプリング、 17,18……スナップリング、 19……ロックナット、 20……サイレンサ、 21……ブリード口、 22,22a,22b……空間、 23,23a,23b……空間、 24……圧電素子、 25……ダイヤフラム（可動部材）、 26……大気孔、 27……吸入口、 28……逆止弁（空気吸入用逆止弁）、 29……吐出路、 30……逆止弁（吐出用逆止弁）、 31……排気ポート、 32……弾性材、 33……交流電源、 34……ノズル開閉部、 35……主軸、 36……軸孔、 37……出口ポート、 38,39……排出ポート、 40……スプリング。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動して外部の空気を吸入しこの吸入した
   空気を圧縮させて吐出圧を発生させる圧電素子と、前記
   圧電素子に対して軸方向に相互に機械的に独立にかつ離
   間して同軸的に設けられ、前記圧電素子の振動による前
   記吐出圧によって変位される可動部材と、前記圧電素子
   の前記可動部材側の空間と大気を連通させる吸入口に設
   けられ、この吸入口から前記圧電素子の前記可動部材側
   の空間への空気の吸入のみを可能とし、前記吸入口から
   大気への空気の流出を阻止する空気吸入用逆止弁と、前
   記可動部材側の空間と前記可動部材の前記圧電素子側の
   空間とを連通させる吐出路に設けられ、前記圧電素子の
   前記可動部材側の空間から前記可動部材の前記圧電素子
   側の空間への吐出圧の吐出のみを可能とし、その逆方向
   への空気の流れを阻止する吐出用逆止弁と、前記圧電素
   子および前記可動部材に対して軸方向に同軸的に設けら
   れ、前記可動部材の変位により作動されて流路を切り換
   える主弁とを備えていることを特徴とする切換弁。
2. 【請求項２】前記主弁が前記可動部材の変位により間接
   的に作動されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の切換弁。
3. 【請求項３】前記主弁が前記可動部材の変位により直接
   的に作動されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の切換弁。
4. 【請求項４】前記圧電素子がバイモルフ形の圧電素子で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の切換
   弁。