JPS59131006A - 電気−流体圧力変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号に応動して流体圧力を制御する電気−
流体圧力変換素子に関するもので、各種流体制御システ
ムに用いるものである。

従来周知のサーボ弁の方式は一般に、電磁作用によって
入力電流を微小変位に変換するトルクモータまたはフォ
ースモータ、この微小変位によっ（１） て供給流体の圧力を変化するノズルフラッパ、この流体
圧力変化に対応して動くスプール案内弁で構成されてい
る。ここで特に電気−油圧サーボ系は高速応答性が要求
される各種制御システムには好適で用途は広がっている
が、その需要の多様化に伴い、サーボ弁の小型化、簡略
化が望まれている。しかしながら前述の構成では、以下
に説明するようにこれらの要望に対し限界がある。

第１図に従来周知の一般的なサーボ弁の構造を示す。そ
の機能部は大別すると、電磁作用によって入力電流を微
小変位に変換するトルクモータ部１０１、この微小変位
によって加圧供給流体の圧力を変化するノズル１０２及
びフラッパ１０３、この流体圧力変化に応答して動くス
プール案内弁１０４で構成されている。ここでさらにト
ルクモータ部１０２は永久磁石１０５、コイル１０６、
フラッパ１０３を駆動するアーマチャ１０７で構成され
ている。

このサーボ弁の動作を簡単に述べる。コイル１０６に入
力電流が加えられると電磁的吸引力によ（２） るトルクでアーマチャ１０７がこのスプリング作用と平
衡する位置まで変位し、このアーマチャの先端はこれに
対応して設けられたノズル１０２に対しフラッパとして
作用し図の左右の方向に湾曲変位してノズル１０２とフ
ラッパ１０３との間に形成される空隙を変化する。各ノ
ズルは固定絞り１０８を介して加圧流体が供給されてい
るので、フラッパとの間の空隙が変化すると、ここを流
れ出る流量が変化し、その結果固定絞り１０８の抵抗で
ノズル背圧も変化する。そしてこのノズル背圧をスプー
ル案内弁に作用させ、この位置制御を行なうものである
。

現在、電気−油圧サーボ系は高速応答性、高信頼性が要
求される各種制御システムには好適で用途は広がってい
るが、その需要の多様化に伴ないサーボ系の小型化、機
構の簡略化が望まれている。

しかしながら前述の構成では、これらの要望に対し限界
がある。

何となれば、上述のアーマチャ１０７を駆動するコイル
１０６はある一定以上の巻線を巻かなけ（３） れば必要な駆動力を得ることができず、さらに永久磁石
１０５にはコア１０５ａが必要であって、磁気回路を形
成するためにコア１０５ａはかなりの大きさとなる。さ
らにはコイルを励磁するにはある程度の時間が必要であ
って、高応答性にも限界がある。

本発明はこの点を鑑みて発明された、入力電気信号とノ
ズル背圧の変換機構となるもので、以下に示す特徴をも
って従来のサーボ弁の欠点を解消せんとするものである
。

本発明の特徴はまず第一にフラッパの動力源として圧電
セラミックの圧電歪み応力を利用したことで、かつその
圧電セラミックがバイモルフ構造であるために、その圧
電歪みによる変位が湾曲モードであって同一電圧下で直
線モード変位と比較して大きな変位が得られ、この圧電
セラミック自身が直接にフラッパとなり得るように構成
されていることである。この結果、フラッパ駆動力を発
生するため必要であったトルクモータの磁気回路が全て
不要となり、サーボ弁の小型化、簡略化に（４） 大いに有効であり、さらに加えてバイモルフ型圧電セラ
ミックによるフラッパはそれ自身の内部応力によって変
位するため、駆動応答性に優れるという利点も生まれる
。

しかしながら、このようなバイモルフ型圧電セラミック
によるフラッパにおいては、そのフラッパ先端の湾曲変
位は圧電セラミックの長さの２乗に比例し、厚さの２乗
に反比例する反面、湾曲変位のトルクは圧電セラミック
の長さに反比例し、厚さに比例するという特性がある。

つまり、フラッパは湾曲変位を大きくとる形状にすると
湾曲変位トルクは小さくなる。

このためにノズル噴流の流体圧力がフラッパの湾曲変位
方向に作用する第１図に示すような従来のノズルフラッ
パの相対的変位関係では、その流体圧力の影響度が大き
くフラッパの位置が安定しないため制御の安定性が充分
に得られないという新たな問題がある。

そこで本発明の構成の第二の特徴はこの点を改良するも
ので、ノズルの先端開孔部がフラッパに（５） 対しその湾曲変位方向に空隙をもって対向するのではな
く、フラッパの湾曲変位方向ではない側の側面に摺接し
て対向し、その開孔部がフラッパ側面により閉ざされる
面積をフラッパの湾曲変位で変化させ、同時にここから
流れ出る油量を変化させて、ノズル背圧を制御するよう
構成したことである。

この結果、フラッパに作用するノズル噴流の流体圧力は
、その方向がフラッパの湾曲変位方向に直角であり、フ
ラッパの湾曲変位に与える影響は微小であるため、フラ
ッパは小さな湾曲変位トルクしか得られない場合におい
てもフラッパ位置の安定が可能となるものである。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

第２図に本発明の第１実施例であるサーボ弁を含む経用
回路を示す。

１はサーボ弁本体のケーシング、２はケーシング１内に
摺動自在に挿入された四方向案内スプールで、図表より
ランド部２　ａ１２　ｂｚ　２０％　２　ｄ（６） を有する。３ａ、３ｂはポンプからの加圧流体供給路で
ある。３ａは途中に固定絞り４ａを備え、その上流側は
、スプールランド部２ａと２ｂの間の室２０と連通し、
下流側はスプール左側室２１を経て、ノズル５ａに至る
。同様に３ｂも途中に固定絞り４ｂを備えて、その上流
側はスプールランド部２ｃと２ｄの間の室２２に連通し
、下流側はスプール右端室２３を経て、ノズル５ｂに至
る。

６ａは図示しない負荷を駆動する油圧シリンダ３１内の
ピストン３２の油室３３に油を供給する油連結路、６ｂ
はピストンの右室３４に油を供給する油連絡路、７は油
タンク３５に油を戻すドレン路である。１８．１９はそ
れぞれ四方向案内スプール２を右、左へ付勢する平衡ス
プリングである。

以」二に説明した部分は従来のサーボ弁と同構造であり
、以下に説明する部分が本発明の特徴をなすもので、従
来周知のサーボ弁におけるトルクモータ及びノズルフラ
ッパに替わるものである。

８は圧電セラミックを含むフラッパで、その圧電セラミ
ックは公知の如く、分極処理により電場（７） 内でその電場の大きさに比例した歪みを発生するもので
ある。

フラッパ８の構造を第３図に詳細に示し説明する。第３
図ｔａ＋は第２図と同方向で切断した拡大断面図、山）
は第２図のＹ−Ｘ断面の拡大断面図、ｔｅｌは第２図の
Ｘ−Ｘ断面の拡大断面図である。９は弾性を有する電極
板で、表面および裏面に各々圧電セラミック８ａ、８ｂ
が接着され、所謂バイモルフ構成で、かつ電極板９の下
端側面１０ａ、１０ｂは前述のノズル５ａ、５ｂの先端
開孔部に摺接してこれを閉ざすシール面を形成し、上端
１１は絶縁体１２を介してケーシング１に固定支持され
る支持部となっている。

ここで、各々の圧電セラミックは第３図（Ｃ）の実線矢
印の方向に分極処理されたものを用いている。

つまり、圧電セラミック９ａ、３ｂは互いに極性の異な
る分極面で電極板９に接着されていること゛になる。１
６ａは導線で並列にかつ圧電セラミック８ａ、８ｂの電
極板９とは反対側面に接続し、１６ｂも導線で電極板９
に接続しており、第２図（８） 中の電圧制御回路１５の制御出力を圧電セラミックに与
えている。

フラッパ８を収納する室１４は四方案内スプールのラン
ド部２ｂと２０の間のドレン室２４と連通しているため
大気圧雰囲気である。

次にこのサーボ弁の動作について説明する。電圧制御回
路１５より任意の極性と、大きさの制御電圧がバイモル
フ型圧電セラミックフラッパ８に与えられると、各々の
圧電セラミック８ａ、８ｂは並列回路で接続されている
ため、双方共に電極板９に対し同方向の電場（第３図（
Ｃ）中の■、ｅ印を付して示す方向）が形成されるが、
この電場の方向に対し、各々の圧電セラミック１３ａ、
１３ｂは分極処理の方向（第３図ｔｃｔ中の実線矢印方
向）が異なっているため、これらの圧電特性に従って発
生するｄ３１方向の圧電歪みは互いに伸縮が逆になる。

例えば第３図（Ｃ１に示すように、導線１６ａが正電極
、導線１６ｂが負電極とすると、圧電セラミック８ａは
図中破線矢印の方向に縮み歪みを発生する。この結果、
フラッパ８は全体として、（９） 支持点１１を中心として第３図ｆｃｌの右方向へ湾曲す
ることになる。

導線１６ａ、１６ｂの極性がこれと逆になると、圧電セ
ラミック８ａは縮み歪みを発生し、逆に８ｂは延び歪み
を発生するのでフラッパ８は図の左方向へ湾曲する。

ここでフラッパ８の湾曲モードの特性について具体的数
値を用いて説明し、バイモルフ構造の有意性を述べる。

第４図（ｂ）に示すように、 フラッパの長さ：１ｌ＝０．０４ｍ 各々の圧電セラミックの厚さ：ｔ＝Ｏ，００１ｍ各々の
圧電セラミックの圧電定数ｄ３＋−２Ｘ１０−”ｍ／Ｖ
として、駆動電圧■と自由端変位εの関係を求めると、
電極板の厚さ及び接着剤の膜厚を無視して近似的に、 ε＃　（３ｐ　２ｘｖｘａ　３．）÷４．ｔ２　　［ｍ
］となり第４図ｔＭｌの実線で示す結果となる。

さらに、第４図（Ｃ１に示すような＃＝０．０４ｍの単
純な円柱形電圧セラミックの駆動電圧Ｖとｄ３３（１０
） 方向圧電歪みεの関係、 ε−ＶＸｄ３３　［ｍ］　　　　但しｄ３３＝４Ｘ１０
−１０ｍ／ｖを求め、この結果を第４図ｔａｌに破線で
併記する。

両者を比較すると、実線で示す前者のバイモルフ型圧電
セラミックの湾曲モードの方が、破線で示す後者の単純
な直線モードに比べ格段に大きな変位が得られ、本装置
に有効であることは明らかである。

そしてこのようにして得られたフラッパ８の変位は、即
ち前述のフラッパ下端側面のシール面１０ａ、１０ｂの
変位である。

ここで第３図（ｂｌに示すようにノズル５ａ、５ｂは互
いに軸線がずれて設置されており、かつ、前記フラッパ
の中立状態において、各々のノズル開孔部がシール面１
０ａ、１０ｂにより閉ざされている面積は等しくなって
いる。従ってノズル５ａと５ｂを通った噴出する加圧油
の量は等しい。

しかし、シール面が変位した場合、例えば第３図（ｅｌ
においてフラッパ８が右方向へ湾曲すると、即ち第３図
（ｂ）においてシール面１０ａ、１０ｂが共に上方向へ
変位すると、ノズル５ａの開孔部はシール面１０ａによ
り閉ざされる面積が減少し、ここから噴出する油流が増
し、逆にノズル５ｂの開孔部はシール面１０ｂにより閉
ざされる面積が増加し、ここから噴出する油量が減る。

この結果、第２図において固定絞り４ａの抵抗増加によ
りノズル５ａの背圧は低下してこれに連通ずる四方向案
内スプールの左端室２１の圧力も低下し、逆に固定絞り
４ｂの抵抗減少によりノズル５ｂの背圧は上昇し、これ
に連通ずる四方向案内スプール右端室２３の圧力も上昇
する。

従って、四方向案内スプール２は、左右端室の差圧力が
作用し、これが平衡スプリング１８，１９０付勢力と平
衡するまで同左へ移動する。そして、ランド部２Ｃで閉
じていた油量ＦｔＦ１６ｂが開き、ランド間室２２を介
して加圧油供給路３ｂに連通ずるので、ポンプ３０の吐
出油は油圧シリンダ３１内の室３４に流入し、ピストン
３２を左方へ駆動する。またランド部２ｂで閉じていた
油連絡路６ａも開き、ドレン室２４を介してドレン路７
に連通するので、油圧シリンダ３１内の室３３の中の油
は油タンク３５へ戻る。

この場合と逆に、第３図（Ｃ１においてフラッパ８が左
方向へ湾曲すると、即ち第３図（ｔ＋３においてシール
面ｔＯａ、１０ｂが共に下方向へ変位すると、ノズル５
ａの開孔部はシール面１０ａにより閉ざされる面積が増
加してここから噴出する油量が減り、逆にノズル５ｂの
開孔部はシール面１０ｂにより閉ざされる面積が減少し
、ここから噴出する油量は増す。

この結果、先の場合とは逆方向の差圧力が四方向案内ス
プールに作用し、この四方向案内スプールは第２図右へ
移動してポンプ３０の吐出油はピストン３２を右方へ駆
動する。

第３図（ｄ＞は第１実施例においてフラッパ８配設位置
とシール面を変更した第２実施例で、第３図（ｂｌと同
じく第２図Ｙ−Ｙ断面の拡大断面図である。

第２実施例ではノズル５ａ、５ｂは同一軸線上に対向し
て配置されたおり、またフラッパ８のシー（１３） ル面１０ａと１０ｂとは互いに平行でかつフラッパの湾
曲方向に対して傾斜して形成されている。

このため、各々ノズルの開孔部とシール面との間の空隙
は第３図（ｄ）に示す中立点では等しく、フラッパが湾
曲するとノズルの開孔部とシール面の間の空隙は一方が
広がってここから噴出する油量が増し、他方は狭まって
ここから噴出する油量が減る。この結果、このような構
成でも前述の例と同様な作動が可能となる。

以上の例では、当然のことながら、電圧制御回路１５に
よって入力される電圧の大きさに比例して、前記バイモ
ルフ型圧電セラミックの湾曲変位量が変化するため、四
方向案内スプールに作用する差圧力はその方向だけでは
なく大きさも制御され、従って油圧シリンダに流入する
圧油の流速、つまりピストンの駆動速度も任意に変化さ
せることが可能で、本実施例による装置は電気入力信号
によるサーボ機構を構成することが可能となる。

また、本発明の特徴としてフラッパとノズルの配設位置
関係が挙げられるが、第５図にこれを示（１４） し説明する。８はフラッパで、５ａ、５ｂはノズルであ
る。

第５図（ｂ）は従来周知の配置で、破線矢印で示すフラ
ッパ８の湾曲方向と同方向にノズル５ａ１５ｂが設けら
れているため、実線矢印で示すノズル５ａ、５ｂの各々
の噴流圧力の差圧力がフラッパの湾曲変位に影響を及ぼ
す。この影響は、ノズル噴流差圧力に比べて大きな力を
フラッパに与えられる従来のトルクモータ駆動において
は無視し得るものであるが、必要量の変位を得んがため
駆動力が小さくならざるをえないバイモルフ型圧電セラ
ミックを用いた本発明においては無視し得るものではな
く、フラッパの位置制御を不安定にしてしまう。

この点を改良せんがため、本発明では第５図（ａｌに示
す配置としている。これによればノズルが破線矢印で示
すフラッパの湾曲方向と直角な方向に設けられているた
め、実線矢印で示すノズル５　ａ　’−。

５ｂの各々の噴流圧力の差圧力は、フラッパに対し湾曲
変化方向に影響を与えず、かつフラッパの曲げ剛性の大
きい側面方向に作用するためその影響は極めて小さいも
ので、従って駆動力の小さなバイモルフ型圧電セラミッ
クを用いた本発明には極めて有効となる。

第６図に第３実施例を示す。４１はケーシング、４２は
フラッパで、第１実施例と同様のバイモルフ構造であり
、支持部４２ａでケーシング４１に固定支持され、かつ
支持部４２ａと反対側先端にはシール部４２ｂが形成さ
れている。ケーシング４１には加圧流体供給路４３が形
成され、ここを通って外部より本装置内に加圧流体が流
入する。

４４は加圧流体供給路４３中に設けられた固定絞りで、
それより下流側の加圧流体供給路４３は４３ａと４３ｂ
に分岐し、４３ａはその下流端を前記フラッパ先端に形
成されたシール部４２ｂに対向する位置に開口してノズ
ル４３ｎを形成しており、シール部４２ｂとノズル部４
３ｎとの間の空隙は非常に微小である。ここでシール部
４２ｂのシール面形状と４３ａの開口部の形状とは同形
で、前記フラッパ４２が中立状態の時に、丁度重畳する
ように構成されていて、４３ａの開口部はシール部４２
　ｂで閉ざされている。また、４３ｂは本装置により圧
力制御される図示しない外部装置に通じる通路となって
いる。４５は前記フラッパ４２を収納する室４６の圧力
を大気圧に開放するドレン通路である。４７ａ、４７ｂ
は制御電圧を入力する導線である。

次にこの第３実施例の動作について説明する。

本装置はひとつの制御用パイロット圧力を発生し、これ
により被制御装置を制御するためのもので、第１実施例
と異なり、２つの制御用パイロット圧力で制御するもの
に比べ比較的簡単な装置に用いられ、入力される制御電
圧も極性は一定でよく、その大きさだけを可変とすれば
よいため、制御電圧発生回路も簡単にすることができる
という利点を有するものである。

第６図において導線４７ａ、４７ｂによりバイモルフ型
圧電セラミックによるフラッパ４２に制御電圧が印加さ
れると、フラッパ４２はその圧電特性に従って支持部４
２ａを中心として第６図の（１７） 上下方向のいずれかに所定量湾曲変形する。この湾曲変
形により、フラッパ先端のシール部４２ｂは上下方向に
変位して、前記加圧流体供給路の固定絞り下流４３ａの
開口部であるノズル４３ｎを必要量だけ一部開く。そし
てこの開口面積に応じてノズル４３ｎから噴出する加圧
流体の油量が変化するので、固定絞り４４の抵抗の増減
によって固定絞り下流４３ａ、４３ｂの背圧を制御する
ことができる。そしてこの圧力は制御用パイロット圧力
として４３ｂを通じて外部の被制御装置へ送られ、本装
置はサーボ機構の電気−流体圧力変換器として作用する
ものである。

以上詳細に説明したように、本発明は電気−油圧サーボ
系中の入力電気信号とノズル背圧の変換機構において、
ノズルからの加圧流体噴出量を変化させるフラッパをバ
イモルフ型圧電セラミックで構成し、その圧電歪みによ
る湾曲変位を直接にフラッパの運動としたこと、さらに
バイモルフ型圧電セラミックのように比較的小さな駆動
力でもフラッパの位置制御を安定させることができるよ
（１８） うにノズルをフラッパの湾曲変形方向と異なる側のフラ
ッパ側面に対向させて配置し、ノズル噴流の圧力方向と
フラッパの湾曲変位方向を異にしてフラッパからノズル
噴流の圧力影響を除去したことを特徴とするもので、従
来のサーボ弁におけるトルクモータに替えてサーボ弁の
小型化、簡略化等を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサーボ弁の構造を示す断面図、第２図は
本発明の第１実施例の油圧回路図、第３図はフラッパ８
の構造および作動を示す詳細図で、第３図１ａ）は第２
図と同方向で切断した拡大断面図、第３図（ｂｌは第２
図のＹ−Ｙ断面の拡大断面図、第３図（ｃｌは第２図の
Ｘ−Ｘ断面の拡大断面図であり、第３図１ｄｌは第３図
（ｂｌに対応する断面位置における第２実施例の拡大断
面図である。第４図、第５図は本発明の詳細な説明する
ための説明図であり、第６図は第３実施例の断面図であ
る。 ３ａ、３ｂ、４３・・・加圧流体供給路、４ａ、４ｂ、
４４・・・絞り、５ａ、５ｂ、　　４３ｎ・・・ノズル
、８．４２・・・フラッパ。 代理人弁理士　岡　部　　　隆 第４図 １％ＩＬ動電７９−ｖ ／Ｃ） 第５図 （６１（ｂ） 峨″ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電歪みにより湾曲変位するバイモルフ型圧電素子で形
   成された板状のフラッパと、該フラッパの湾曲変形方向
   と異なる側のフラッパ側面に対向させて配設されたノズ
   ルと、該ノズルに加圧流体を供給する加圧流体供給路と
   、該加圧流体供給路の途中に配設された絞りとを備え、
   前記フラッパへの電気信号を調整することにより前記絞
   りとノズルとの間の加圧流体供給路の流体圧力を制御す
   ることを特徴とする電気−流体圧力変換素子。