JPH0694908B2 - 圧電素子を用いた方向制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を用いた方向制御弁に関し、特にノ
ズルフラッパ構造を構成するバイモルフ構造の圧電素子
に係る負荷を小さくすることができる方向制御弁に適用
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
の変位を利用して流れを制御でき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
して作動されて流路を切り換える弁体とを備えた構造と
されている。

また、圧電素子の駆動方法には、連続電圧の印加で片側
変位させる方法、交番電圧の印加で交番変位させる方法
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、かつ一方側に変位
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ので、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される。

さらに、圧電素子の変位方向は一方側に限られるので、
同じく連続電圧の印加が長時間行われると、圧電素子は
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。

なお、このような圧電素子を用いた技術に、たとえば特
公昭49−6043号公報に記載される燃料噴射ノズルが挙げ
られるが、この圧電素子は一端が固着され、他端が自由
端として構成された積層構造であり、本発明のようにバ
イモルフ構造の圧電素子ではなく、従ってクリープ現象
および分極現象が発生されるものではない。

また、この圧電素子に類似するバイモルフ電歪素子を用
いたものに、たとえば実開昭61−14269号公報に記載さ
れる電気式切換弁が挙げられるが、これは特に機械的強
度が弱い圧電素子を用いるものではなく、かつ制御方法
も異なるものである。

さらに、特開昭56−35223号公報に記載されるPWM流量制
御方法および装置においても、前述と同様に機械的強度
が弱い圧電素子を用いるものではなく、従ってクリープ
現象および分極現象の発生を防ぐための技術ではない。

そこで、本発明の目的は、パルス電圧の印加による駆動
によって、ノズルフラッパ構造を構成するバイモルフ構
造の圧電素子に係る負荷を小さくすることができ、流体
の漏れ防止と、作動の安定性および長い寿命を持つ圧電
素子を用いた方向制御弁を提供することにある。

〔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
の流体圧によって変位する作動部材と、この作動部材の
変位によって流路を制御することのできる弁体を形成す
る主軸と、作動用流体室への流入路を開閉して作動用流
体室内の流体圧を制御するノズルフラッパ構造のパイロ
ット用弁体とを備えた方向制御弁に適用されるものであ
り、このパイロット用弁体の駆動源として、パイロット
用弁体に片持ち式構造の非固定側が固定され、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バイ
モルフ構造の圧電素子を用いるものである。

特に、ノズルフラッパ構造のパイロット用弁体の駆動に
バイモルフ構造の圧電素子を用いた方向制御弁を、主軸
を有する弁本体部の軸方向の両側に、作動用流体室、作
動部材およびパイロット用弁体を有する駆動部がそれぞ
れ設けられたダブルパイロット形の方向制御弁に適用す
るものである。

〔作用〕

前記した手段によれば、パルス電圧の印加されたバイモ
ルフ構造の圧電素子は、パルス幅の時間だけ片側変位し
て、ノズルフラッパ構造のパイロット用弁体が作動用流
体室の流入路を開放し、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れる弁体を形成する主軸
によって、流体圧の流れを制御することができる。

一方、パルス幅の時間以外の時、圧電素子は通常状態に
復帰していて、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はない。

それにより、流体の漏れを防止し、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
が可能となる。

〔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。

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、前記弁本体部１を挟んだ駆動部2a,2bとが
同軸状に結合され、前記駆動部2a,2bの電圧源として電
源部３が接続されている。

前記弁本体部１の下側面には、図示しない流体圧源に接
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の上側面には、出力ポート6a,6
b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の内周面には、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には、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、この主軸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11a,11b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12
a,12b内で軸方向に沿って変位自在に収容されている。

これらの作動用流体室12a,12bのうち、第１図において
左側の作動用流体室12aは、ブリード孔13aを通じて外部
に連通されていて、かつ、貫通孔14aを通じて流体室15a
に連通されている。

また、流体室15a内には、バイモルフ構造の圧電素子16a
が設けられ、この圧電素子16aは、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の非固定側端部の一側面（第１図
の右側面）には、パイロット用弁体17aが固定されてノ
ズルフラッパ構造となっており、他側面（同図の左側
面）には、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。

パイロット用弁体17aは、スプリング20aで付勢されて、
通常時は、入力ポート４に連通する流入路18のノズル19
aを閉塞する。

一方、パイロット用弁体17aは、電源部３で圧電素子16a
を駆動させることにより、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、このノズル19aを開くようになってい
る。

ピストン11a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11b、ノズルフラッパ
構造としての圧電素子16bおよびパイロット用弁体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ｂ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21を備え
たワンショットパルス回路22より、このワンショットパ
ルス回路22には供給電圧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21が
ONまたはOFF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からバイモル
フ構造の圧電素子16aまたは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
いた場合と、AC電源の全波整流回路を用いた場合とにつ
いて、それぞれ、第２図と第３図を参照しながら説明す
る。

まず、第２図は、DC電源の昇圧回路を用いた場合のタイ
ミング線図である。

この場合に、ワンショットパルス回路22に接続されてい
るスイッチ21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（ｂ）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、一方のバイモルフ構造の圧電素子16
a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、ノズルフラッパ構造のパイロット用弁体17
a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、すぐに閉塞される。

従って、入力ポート４から流入路18、ノズル19a、さら
には、流体室15a、貫通孔14aを経て作動用流体室12aに
流体圧が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11a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。

さらに、作動用流体室12aの流体圧は、圧電素子16aへの
駆動電圧の印加が終わると同時に、ブリード孔13a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1
1a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6aに流体が流入して、この出力ポー
ト6aの流体厚は第２図（ｄ）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6bの流体圧は第２図
（ｇ）のように低下する。

さらに、スイッチ21の状態を第２図（ａ）のようにOFF
にすると、圧電素子16bに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（ｅ）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、１パルスの幅に相当する時間だけ第１図の
右側に変位し、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、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
19b、流体室15b、貫通孔14bを経て作動用流体室12bに流
体圧が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（ｆ）のよう
に増加し、ピストン11b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。

さらに、作動用流体室12bの流体圧は、圧電素子16bへの
駆動電圧の印加が終わると同時に、ブリード孔13b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
（ｆ）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6b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11b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6bの流
体圧は第２図（ｇ）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6aは排出ポート5aと連通されるの
で、この出力ポート6aの流体圧は第２図（ｄ）のように
低下する。

次に、ワンショットパルス回路22の供給電圧Ｅの電源回
路として、AC電源の全波整流回路を用いた場合の本実施
例の作用を第３図のタイミング線図により説明する。

この場合、第３図（ｂ）、（ｅ）のように、バイモルフ
構造の圧電素子16a,16bの駆動電圧は、第２図（ｂ）、
（ｅ）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）、（ｆ）のように作動用
流体室12a,12bの流体圧の増加時の立上がり波形なども
第２図（ｃ），（ｆ）の場合とは異なるものの、基本的
には第３図（ａ）〜（ｇ）のタイミング線図は、第２図
（ａ）〜（ｇ）のものと対応している。

また、第３図（ａ）〜（ｇ）の各タイミングにおける第
１図の実施例の主軸９およびピストン11a,11bや、ノズ
ルフラッパ構造としての圧電素子16a,16bおよびパイロ
ット用弁体17a,17bなどの動作は、第２図（ａ）〜
（ｇ）の場合と同様であるので、第３図（ａ）〜（ｇ）
に関する重複説明は省略する。

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、本実施例では、バイモルフ構造の圧電素子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11a,11bを使用したが、このピストン11a,11b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）．バイモルフ構造の圧電素子は、パルス電圧の印
加によって駆動され、この圧電素子でノズルフラッパ構
造のパイロット用弁体を開閉するようにしたことによ
り、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発生を防
ぐことができる。

（２）．バイモルフ構造の圧電素子は、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
るので、クリープ現象による変形を防ぐことができる。

（３）．前記（１）、（２）により、流体の漏れがな
く、作動の安定性および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。

（４）．バイモルフ構造の圧電素子は、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できるた
めに、方向制御弁の形状を小さくすることが可能であ
る。

（５）．ダブルパイロット形の方向制御弁とすることに
より、ダブルパイロット形の弁は、シングルパイロット
形の弁に比べて最低作動圧が低いので、ワンショットパ
ルス回路のようなパルス幅の時間だけの駆動電圧によっ
て制御が可能である。

【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。 １……弁本体部、 2a,2b……駆動部、 ３……電源部、 ４……入力ポート、 5a,5b……排出ポート、 6a,6b……出力ポート、 ７……流路、 8a〜8d……弁座、 ９……主軸、 10a〜10d……主軸弁体、 11a,11b……ピストン（作動部材）、 12a,12b……作動用流体室、 13a,13b……ブリード孔、 14a,14b……貫通孔、 15a,15b……流体室、 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……スプリング、 21……スイッチ、 22……ワンショットパルス回路、 Ｅ……供給電圧。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−35223（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−14269（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−6043（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動用流体室の流体圧によって変位する作
   動部材と、前記作動部材の変位によって流路を制御する
   ことのできる弁体を形成する主軸と、前記作動用流体室
   への流入路を開閉して該作動用流体室内の流体圧を制御
   するノズルフラッパ構造のパイロット用弁体とを備え、
   前記主軸を有する弁本体部の軸方向の両側に、前記作動
   用流体室、前記作動部材および前記パイロット用弁体を
   有する駆動部がそれぞれ設けられたダブルパイロット形
   の方向制御弁であって、前記パイロット用弁体の駆動源
   として、該パイロット用弁体に片持ち式構造の非固定側
   が固定され、パルス電圧の印加によってパルス幅の時間
   だけ片側変位するバイモルフ構造の圧電素子を用い、該
   バイモルフ構造の圧電素子のパルス幅時間のみの変位に
   より前記パイロット用弁体を駆動させて前記作動用流体
   室への流入路を開放することを特徴とする圧電素子を用
   いた方向制御弁。