JPH0762502B2

JPH0762502B2 - 制御弁

Info

Publication number: JPH0762502B2
Application number: JP61133244A
Authority: JP
Inventors: 兼仁中村; 裕之安藤
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1986-06-09
Filing date: 1986-06-09
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPS62288782A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は制御弁に関するもので、特にセラミック素子を
利用した応答性に優れる高精度な制御弁に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来より、PZT等のセラミック素子を多数枚積層すると
ともに高電圧電力を供給して伸縮させ、この伸縮を利用
して機械的な力を発生させて各種機械的な制御を行なう
ことは知られている。

このようなセラミック素子を利用した機械的装置は、電
気的な信号によって効果的に応答性良好に制御されるも
のであり、かつ大きな機械的作動力が得られるものであ
るため種々の応用が考えられる。

その一例として、電圧を印加することにより流量調整方
向に変位もしくは変形可能な複数枚の圧電板の積層体を
備え、電圧の印加に応じて積層体が伸縮し弁体を変位さ
せて流体の流量を制御する高速応答で微量調整用の制御
弁が特開昭60−175881号公報に開示となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなセラミック素子を利用した制
御弁にあっては、印加する電圧とセラミック素子の変位
置との間にはヒステリシスが発生し、また、温度等の使
用条件によってセラミック素子の印加電圧に対する変位
量が異なり、さらには経時変化も発生してしまうため、
高精度に流量制御あるいは圧力制御ができないという問
題点があった。

本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされたものであ
り、電圧の印加に応じて伸縮するセラミック素子群の変
位量に対応して発生する機械的作動力を検出して、この
機械的作動力に基づいて印加電圧を増減することによ
り、高精度な圧力制御あるいは流量制御を行う制御弁を
提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点を解決するために本発明は次のような技術的
手段を講じた。

本発明の制御弁は、複数の板状のセラミック素子を相互
間に電極板を介して積層して形成されるとともに電圧の
印加に応じて伸縮するセラミック素子群と、このセラミ
ック素子群のセラミック素子と一体に積層されるととも
にセラミック素子群の伸縮に対応して発生する機械的作
動力を検出する検出用セラミック素子と、セラミック素
子群の伸縮を受けて往復動するとともに流体が流通する
流体通路を変動せしめる往復動部材と、セラミック素子
群に印加する印加電圧に対応して決定される機械的作動
力の目標値が予め設定されている制御回路とを備え、セ
ラミック素子群の伸縮に対応して実際に発生する機械的
作動力を検出用セラミック素子により検出し、制御回路
において、この検出値と目標値との比較を行ない、セラ
ミック素子群に印加する印加電圧を増減する。

〔作用〕

前記構成による本発明は次のように作用する。すなわ
ち、セラミック素子群の各セラミック素子に電圧を印加
すると、各セラミック素子には印加される電圧の状態に
応じた歪みが発生し、セラミック素子群は伸縮する。

往復動部材は、このセラミック素子群の伸縮を受けて往
復動し、流体が流通する流体通路の通路面積を変動さ
せ、流量制御あるいは圧力制御を行なう。

ここで、往復動部材がセラミック素子群の伸縮を受けて
往復動すると、この往復動部材の位置により決定される
機械的作動力が発生する。つまり、セラミック素子群の
変位量に起因して機械的作動力が発生する。この機械的
作動力は、セラミック素子と一体に積層されている検出
用セラミック素子により検出され、制御回路では、この
検出値と目標値との比較を行ない、セラミック素子群に
印加されている印加電圧を増減し、検出値とを目標値と
を一致させる。

従って、印加する電圧とセラミック素子群の変位量との
間にヒステリシスが発生したり、あるいは温度等の使用
条件によって、セラミック素子群の変位量が変化した
り、さらには経時変化が発生したとしても、上記のよう
にセラミック素子群に印加する印加電圧を増減させて調
整することにより、セラミック素子群の変位量に対応し
て発生する機械的作動力を常に安定した精度で制御する
ことができ、高精度に圧力制御あるいは流量制御を行う
ことができる。

〔実施例〕

次に、第１図を用いて本発明の第１実施例を説明する。
第１図は本実施例の構成を示す縦断面図である。

第１図において、本実施例の制御弁の外形を形成するケ
ーシング１は、第１ケーシング1aと第２ケーシング1bと
固定部材1cとから構成される。

第１ケーシング1aは円筒形状であり、第１ケーシング1a
内にはピストン32が摺動自在に嵌挿されている。ピスト
ン32は底面部32aを有する底付き円筒形状で、後述する
圧電素子群20の伸縮の力を受けて第１ケーシング1a内を
摺動する。

ピストン32の底面部32aと第１ケーシング1aに固定され
た円板状の固定部材1cとの間には、圧電素子群20及び検
出用圧電素子30が配設されている。

圧電素子群20は、本実施例のセラミック素子群で円板状
の圧電素子を相互間に電極板21を介挿して多数枚積層し
たものであり、制御回路37からリード線25を介して高電
圧信号が印加される。この印加される高電圧信号の状態
に応じて各圧電素子板には歪みが発生し、圧電素子群20
の積層方向の長さが伸縮制御される。

圧電素子群20のピストン32側の面には圧電素子群20の変
位量に起因する機械的作動力を検出する本実施例の検出
用セラミック素子である検出用圧電素子30がセラミック
等の絶縁板31を介して一体に積層されている。そして、
この検出用圧電素子30からの検出信号はリード線35を介
して制御回路37に供給される。

ここで、圧電素子群20、絶縁板31及び検出用圧電素子30
は一体に固定して積層されており、この一体構造体の一
側面は固定部材1cに対して固定設定されている。

圧力室10は、ピストン32の底面部32aと第１ケーシング1
aの内周面と、後述するニードル端部2cの端面とにより
形成され、この圧力室10内には作動流体が貯えられてい
る。この圧力室10の容積は、ピストン32が第１ケーシン
グ1a内を摺動することにより変動する。また、圧力室10
内にはスプリング36が配設されており、ピストン32を固
定部材1c側に付勢している。なお、第１ケーシング1aと
ピストン32との摺動面である１ケーシング１の内周面に
は圧力室10内の作動流体の洩れを防止するためにＯリン
グ12が設けられている。

第２ケーシング1bは第１ケーシング1aに固定連結されて
おり、第２ケーシング1b内には摺動室４が形成されてい
て、この摺動室４は第１ケーシング1aに穿設された連通
穴５を介して圧力室10と連通している。また、摺動室４
は導入穴８を介して導入通路６と連通し、導出穴９を介
して導出通路７と連通している。この導入通路６は油圧
ポンプ等の油圧発生源と連通しており、摺動室４内には
導入通路６を介して流体が導入される。

摺動室４内には、本実施例の往復動部材であるニードル
２が摺動自在に嵌合されており、このニードル２は弁部
2aと円板部2bと端部2cとから構成される。

ニードル２の端部2cは第１ケーシング1aの連通穴５に摺
動自在に嵌挿されており、圧力室10内の作動液体の液圧
を受けて摺動する。ここで、ニードル２の端部2cが受け
る受圧面積はピストン32が圧力室10において受ける受圧
面積より小さくなっているので、ニードル２の変位量は
ピストン32の変位量よりも大きくなる。また、ニードル
２の端部2cが摺動する連通穴の内周面には圧力室10内の
作動流体の洩れを防止するためにＯリング11が設けられ
ている。

ニードル２の円板部2bは摺動室４に摺動自在になってお
り、この円板部2bは摺動室４内に配設されたスプリング
３により圧力室10側に付勢されている。

ニードル２の弁部2aは円柱形状であって、先端部は円錐
形状になっている。弁部2aの径は導入穴６の内径よりも
大きくなっており、ニードルが摺動室４内を図中左方へ
摺動すると弁部2aは導入穴８の通路面積を減少させ、導
入通路６側の液圧は上昇する。すなわち、ニードル２の
往復動運動により上流側の液圧が制御される。

ここで、導入通路６及び導入穴８を介して流入する流体
からニードル２が受ける液圧をＦ、ニードル２の端部2c
の断面積をA₁、ピストン32の断面積をA₂とすると、圧力
室10内の流体圧力はF/A₁となり、ピストン32及び検出用
圧電素子30はＦ・A₂/A₁なる荷重を受ける。つまり、検
出用圧電素子30が受ける荷重はニードル２が受ける液圧
Ｆにより一義的に決定される。従って、圧電素子群20の
伸縮によりニードル２が摺動すると、検出用圧電素子30
が受ける圧電素子群20の伸縮による機械的作動力はニー
ドル２が液体から受ける液圧により一義的に決定され
る。また、圧電素子群20の伸縮は基本的には圧電素子群
20に印加される印加電圧の状態によって決定されるの
で、印加電圧に対応して発生する機械的作動力の目標値
を設定することができる。

制御回路37には、上記論理に基づき圧電素子20に印加す
る印加電圧に対応して決定される目標値が予め設定され
ている。

以上の構成からなる本実施例は次のように作動する。

圧電素子群20に電圧が印加されていない状態にあって
は、ニードル２は第１図に示されるように、圧力室10側
にスプリング３により付勢されており、導入通路６及び
通入穴８を介して摺動室４内に導入された流体は導出穴
９を介して導出通路７に導出される。

次に、流量制御を行なうため制御回路37を介して圧電素
子群20に所定の電圧を印加すると、この圧電素子群20は
印加電圧に対応して伸長する、このため、ピストン32は
スプリング36に抗して図中左側に摺動し、圧力室10の容
積は減少する。従って、圧力室10内の作動流体は連通穴
５内に流入し、ニードル２の端部2cはこの液圧を受ける
ことにより連通穴５内を図中左方へ摺動する。この摺動
に伴ないニードル２は摺動室４内を図中左方へ摺動す
る。これにより、ニードル２の弁部2aは導入穴８の通路
面積を減少させ、導入通路６側の液圧は通路面積に関連
して上昇する。通路面積はニードルの変位量により決ま
るため、導入通路６側の液圧はニードル２の変位量によ
り制御されることになる。

ここで、圧電素子群20の伸長に対応して、ニードル２が
導入通路６及び導入穴８を介して流入する液体から受け
る液圧は増加し、この機械的作動力はニードル２、圧力
室10内の作動流体及びピストン32を順次介して検出用圧
電素子30に作用する。機械的作動力は、この検出用圧電
素子30により検出され、電気信号として制御回路37に送
られる。制御回路37では、この検出値と予め設定された
目標値との比較を行ない、検出値が目標値より大きい場
合には圧電素子群20に印加している印加電圧を減少さ
せ、検出値が目標値より小さい場合には圧電素子群20に
印加している印加電圧を増加させる。

従って、印加する電圧と圧電素子群20の変位量との間に
ヒステリシスが発生したり、あるいは温度等の使用条件
によって、圧電素子群20の変位量が変化したり、さらに
は経時変化が発生したとしても、印加する印加電圧を増
減させて調整することにより圧電素子群20の変位量に対
応して発生する機械的作動力、すなわちニードル２が受
ける液圧により一義的に決定される荷重を常に安定した
精度で制御することができ、よって高精度に流量制御あ
るいは圧力制御ができる。

ここで、上述したように、ニードル２が受ける液圧はニ
ードル２の変位量により決定されるとともに、このニー
ドル２の変位量は圧電素子群20の変位量により決定され
るものであり、機械的作動力をなす荷重を常に安定した
精度で制御できるということは、圧電素子群20の変位量
を常に安定した精度で制御できることになり、高精度に
流量制御あるいは圧力制御を行うことができることにな
る。

次に、第２図を用いて本発明の第２実施例を説明する。
第２図は本実施例の構成を示す縦断面図である。

第２図において、ケーシング101内には前記第１実施例
と同様に、ピストン32、圧電素子群20、絶縁板31及び検
出用圧電素子30が配設されており、圧電素子群20、絶縁
板31及び検出用圧電素子30は一体に固定して積層されて
固定部材102に固定設定されている。また、圧電素子群2
0及び検出用圧電素子30は制御回路37に連結されてい
る。

圧力室10は、ピストン32の底面部32aとケーシング101の
内周面とにより形成され、この圧力室10内には作動流体
が貯えられている。また、ピストン32がケーシング1a内
を摺動することにより圧力室10の容積は変動する。さら
に、圧力室10内にはスプリング36が配設されており、ピ
ストン32を固定部材102側に付勢している。

ケーシング101内には、一端が圧力室10に連通するスプ
ール室103が形成されており、スプール室103の内周側に
は洩れを防止するためのリング104が設けられている。
このスプール室103には、スプール室103内に流体を導入
する導入通路60と、スプール室103内の流体を導出する
第１導出通路61及び第２導出通路62とが連通している。

スプール室103内には、往復動部材である円柱状のスプ
ール50が摺動自在に嵌挿されており、このスプール50は
両端の端部50a及び50cと中心の小径部50bとから構成さ
れる。スプール50は、端部50cの端面により圧力室10内
の作動流体の液圧を受け、スプール室103内を摺動す
る。このスプール50の摺動により、導入通路60からスプ
ール室103内に導入された流体の第１導出通路61より導
出される流量及び第２導出通路62より導出される流量が
制御される。

すなわち、第２図に示される状態においては、スプール
50の端部50aにより第１導出通路61は所定面積閉塞され
ていて第１導出通路61より導出される流量は制限される
が、スプール50が図中左方へ摺動すると第１導出通路61
は閉塞されなくなり流量はしだいに増加する。一方、第
２導出通路62に関しても、第２図に示される状態におい
ては第２導出通路62は閉塞されておらず一体流量の流体
が導出されるが、スプール50の摺動により第２導出通路
62はスプール50の端部50cにより閉塞されて導出される
流量は制御される。

また、スプール室103の他端側にはスプリング51が配設
されており、第１図に示されるように圧電素子群20に電
圧が印加されていない状態においてはスプール50を図中
右方に付勢する。

以上の構成からなる本実施例は次のように作動する。

圧電素子群20に高電圧が印加されていない状態にあって
は、第２図に示されるように、導入通路60からスプール
室103内に導入された流体は、第１導出通路61及び第２
導出通路62より所定量づつ導出される。

次に、図示しない制御回路を介して圧電素子群20に高電
圧を印加すると、この圧電素子群20は伸長する。このた
め、ピストン32はスプリング36に抗して図中左側に摺動
し、圧力室10の容積は減少する。従って、圧力室10内の
作動流体はスプール室103の一端側に導入され、スプー
ル50はスプリング51の付勢力に抗してスプール室103内
を摺動する。このスプール50の摺動に伴い、スプール50
の端部50aにより所定面積閉塞されていた第１導出通路6
1は閉塞されなくなり、第１導出通路61より導出される
流体の流量はしだいに増加する。逆に、第２導出通路62
はスプール50の端部50cによりしだいに閉塞され、第２
導出通路62より導出される流体の流量は減少する。

ここで、スプール50の摺動に伴ないスプール50の端部50
aの端面に作用するスプリング51の付勢力が大きくな
り、この機械的作動力はスプール50、圧力室10内の作動
流体及びピストン32を順次介して検出用圧電素子に作用
する。なお、以下の作動は前記実施例と同様である。

このように、本実施例によれば、スプール室103内に導
入された流体の第１導出通路61より導出される流量及び
第２導出通路62より導出される流量を一度に制御するこ
とができる。また、本実施例においても前記実施例と同
様に圧電素子群20の伸縮に対応して発生する機械的作動
力を検出する検出用圧電素子30を圧電素子群20と一体に
積層してあるので、圧電素子群20の変位に対応して発生
する機械的作動力、すなわちスプリング51の付勢力によ
り一義的に決定される荷重を常に安定した精度で制御す
ることができ、よって高精度に流量制御ができる。

ここで、上述したように、スプリング51の付勢力はスプ
ール50の変位量で決定されるとともに、このスプール50
の変位量は圧電素子群20の変位量で決定されるものであ
り、機械的作動力をなす荷重を常に安定した精度で制御
できるということは、圧電素子群20の変位量を常に安定
した精度で制御できることになり、高精度に流量制御を
行うことができることになる。

なお、前記２つの実施例では検出用セラミック素子とし
て圧電素子を用いたが、圧電素子の代わりに電歪素子を
用いても良い。電歪素子は圧電素子よりも荷重−電荷特
性が良好であるので、より高精度な制御が可能となる。

また、前記２つの実施例では検出用圧電素子30を積層設
定された圧電素子群20の一方の面部分に対応して設定す
るようにしたが、この検出用圧電素子30を圧電素子群20
の圧電素子と圧電素子との間に介在設定しても同様の効
果が得られる。

さらに、前記２つの実施例ではセラミック素子群とし
て、圧電素子を用いたが、電歪素子を用いても同様の効
果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、セラミック素子
群に印加する印加電圧を制御回路において増減させ調整
することによりセラミック素子群の変位量を常に安定し
た精度で制御することができる。従って、往復動部材を
正確な精度で往復動させることができ、高精度に流量制
御あるいは圧力制御を行なうことができる。

また、検出用セラミック素子をセラミック素子群と一体
に積層しているため、何ら体格を増大させることはな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す縦断面図であ
る。第２図は本発明の第２実施例の構成を示す縦断面図であ
る。２……ニードル（往復動部材）,6……導入通路,7……導
出通路,20……圧電素子群（セラミック素子群）,21……
電極板,30……検出用圧電素子（検出用セラミック素
子）,31……絶縁板,37……制御回路,50……スプール
（往復動部材）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の板状のセラミック素子を相互間に電
極板を介して積層して形成されるとともに電圧の印加に
応じて伸縮するセラミック素子群と、このセラミック素子群のセラミック素子と一体に積層さ
れるとともに前記セラミック素子群の伸縮に対応して発
生して機械的作動力を検出する検出用セラミック素子
と、前記セラミックス素子群の伸縮を受けて往復動するとと
もに流体が流通する流体通路を変動せしめる往復動部材
と、前記セラミック素子群に印加する印加電圧に対応して決
定される機械的作動力の目標値が予め設定されている制
御回路とを備え、前記セラミック素子群の伸縮に対応して実際に発生する
機械的作動力を前記検出用セラミック素子により検出
し、前記制御回路において、この検出値と目標値との比
較を行ない、前記セラミック素子群に引火する印加電圧
を増減することを特徴とする制御弁。
【請求項２】前記セラミック素子群と前記検出用セラミ
ック素子は絶縁板を介在する状態で一体に積層されるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の制御弁。