JPS59140905A - 電気一流体圧力変換装置 - 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−
流体圧力変換装置に関するもので、各種流体制御システ
ムに用いることができるものである。

従来、サーボ弁の方式は一般に、電磁作用によって入力
電流を微小電位に変換するトルクモータまたはフォース
モーク、この微小変位によっ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。

第１図に従来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およびフラッパ１
０３、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
１０１は永久磁石１０５、コイル１０６、フラッパを駆
動するアーマチュア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るトルクでアー
マチュア１０７がこのスプリンン゛作用と平衡する位置
まで変位し、このアーマチエア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、
ここ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、サーボ弁の小型化
および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。その理由は、上述のアーマチュア１０７を駆動
するコイル１０６はある一定以上の巻数を巻かなければ
必要な駆動力を得ることができず、さらに永久磁石１０
５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ためである。

また、電気・流体サーボ系に圧電性材料を用いて、この
圧電歪みを利用する機構が特開昭５５−８２８０２等に
より提案されているが、一般に圧電性材料の圧電定数は
非常に小さいため、この圧電歪みを直接に流体制御用変
位として用いるには、非常な高圧電を必要とするという
問題がある。

本発明はこの点に鑑み小型で簡略な高速応答性を有する
サーボ弁に用いるのに適した電気−流体圧力変換装置を
提供することを目的とするもので、まずサーボ弁の小型
化および機構の簡略化に対処するために、従来のトルク
モータに代わり圧電性材料の圧電歪みを駆動力として利
用し、さらに比較的低高圧でも実用に供し得るように、
圧電歪みによる機械変位を拡大する行程拡大機構を併用
したことを特徴とするものである。

以下本発明を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油圧
回路を示す。

ｌ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、図左より
ランド部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有する。３ａ、３ｂ
はポンプ３０からの加圧油供給路である。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２
ａと２ｂの間の室２０と連通し、下流側はスプール左端
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、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の室３３に
油を供給する油連絡路、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に油を戻ずドレ
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。

以上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は圧電性を有する材料でつくられたブツシュ・プルロ
ッドで、これに電場が与えられると図中Ｘ軸方向に歪み
を生ずるように構成されている。

ブツシュ・プルロッド８の詳細を第３図に示す。

このブツシュ・プルロッド８に用いる圧電セラミックは
分極処理により電場内でその電場の大きさに比例した歪
みを生ずるが、一般に電場の大きさに対する歪み大きさ
を表わす圧電定数はＩＱ−１０ｍ　／　Ｖのオーダーと
非常に小さい。このため単層で焼成、分極された素子で
は数百Ｖ程度の電圧で実用に供する歪みを発生すること
は不可能であり、本実施例においては第３図に示すよう
にスライス状の圧電セラミック８ａ（図中×印付）と電
極８ｂとを交互に多ｍａＩｉｌＬ、導線１６ａ、１６ｂ
により各々の圧電セラミック８ａに並列に電圧を加えて
、数十μｍ程度の歪みを得ている。

第２図において、このブツシュ・プルロッド８は一端を
絶縁リング９を介してケーシング１に位置固定され、他
端はケーシング内穴ｌａ内に摺動自在に挿入され、かつ
スプリング１ｏにより図左へ付勢された絶縁スプール１
１に圧接されている。

１２はフラッパをなず弾性材料でつくられた薄板ばねで
、一端をケーシングｌに、他端を絶縁スプール１１のブ
ツシュ・プルロッド８に対し反対側端面にそれぞれ固定
支持され、絶縁スプールの図中Ｘ軸方向の変位により図
中Ｙ軸方向に円弧状の圧縮たわみを生ずるように構成さ
れている。

さらに、前記ノズル５ａと５ｂの先端孔部は、この薄板
ばねをはさんで、圧縮たわみ方向に近接対向し、薄板ば
ね表面との間にそれぞれ空隙を形成している。ここでブ
ツシュ・プルロッド８に負荷電圧がない時、つまり歪み
量が０の中立状態で、それぞれの空隙は等しくなってい
る。

また薄板ばねは円弧状の圧縮たわみが図の上方向範囲内
に限定されるように、前記中立状態において上方に適当
な初期圧縮たわみを持たせて取り付けられている。そし
てこの薄板ばねの収まる室１４はドレン通路１３により
、四方向案内スプールのランド部２ｂと２０の間のドレ
ン室２４に通じ、大気圧となっている。

１５は電圧制御回路で、その出力は導線１６ａ、１６ｂ
によりブツシュ・プルロッド８の電極に接続されている
。１７は０リングで油洩れを防止している。

次にこのサーボ弁の作動について説明する。電圧制御回
路１５より制御電圧がブツシュ・プルロッド８に入力さ
れると、その電圧の極性と大きさによって、ブツシュ・
プルロッドはＸ軸方向に数μｍから数十μｍ程度の所望
の伸びまたは縮みの歪みを生じ、この機械変位が絶縁ス
プール１１のＸ軸方向変位に変換され、この変位力が絶
縁スプールに圧接する薄板ばね１２にＹ軸方向の円弧状
・の圧縮たわみを生じさせる。この際に薄板ばね１２の
長さを絶縁スプール１１のＸ軸方向変位量に比べて充分
大きくすることにより、本発明の重要な特徴点である行
程拡大機能を発揮させることができ、絶縁スプール１１
の微小な変位を所望の大きさに拡大して薄板ばね１２の
圧縮たわみに変換することが可能である。

この行程拡大機能を第４図（ａｌの圧縮たわみモデルで
＋１’（８１１１に説明する。

薄板ばねの長さをｌ、圧縮変位をΔｅ、この圧縮変位に
よって発／、Ｉする圧縮たわみをｄとする。

この薄板ばねは円弧にたわむと仮定として、この円弧の
中心角をθ、ｉ’、ｔイをＲとすると、１玉縮たわみｄ
ｊ；ｔ’ （１−Ｒ（ｌ−ＣＯ８（θ／２）） ＝（１−ＣＱＳ（θ／２）　ｌ　　＃／θとなり、ここ
でθは ２Ｒｓｉｎ（θ／２）＝Ｊ−Δ１ ｓｉｎ（θ／２）＝　Ｃ１−Δ／）／２Ｒであるから θ；−２ｓｉｎ”　　（（Ｉ−八Ｎ）Ｉ２１？＋で表ね
・Ｕる。

１、−＝　２０　ａｓの時の計重結果を第５図に示す。

さらに１１１１述ｑ）式の慈味を理解しやすい形で与え
るためルこ、薄板ばねが二等辺三角形にたわむと仮定し
゛Ｃ１第４図１ｂｌのモデルで考えると、ｄ　２＝　　
（ｎ／２）　　２−　　（（β−Δ／）　Ｉ２）　　２
＝１／４　　（Ｉ２２−ｚ２＋２６　・Δｌ−Δ６２）
ここでΔβがＣに比べ微小な範囲内ではｄ２＝　（１／
２）ｊ２・Δｌ となり、第５図の結果と略一致する。

つまり、前述の行程拡大機能は１、ρＴ７］「Ｋ］′の
増幅率をもって圧縮変位Δｌを圧縮たわみｄに変換し、
その増幅率はｌがΔｌに対し充分に大きければ、有効な
値となることが理解できる。

この結果、圧電定数の低さ故に高電圧源無しに実用的な
機械叙位が得られなかった圧電セラミ・ツクが、適当な
長さを有する薄板ばねを介することにより、比較的低電
圧でも実用（こ供することが可能となる。

そして、この圧縮たわみにより、薄板ばね１２の表面と
ノズル５ａ、５ｂの先端孔部との空隙が変化し、一方の
空隙が広がり、他方の空隙が挟まり、その結′果Ｍ板ば
ね１２はノズルに対しフラッパとして動作することにな
る。

またこの薄板ばね１２の形状は平板に限定されるもので
はなく、第６図（ａｌに示されるように、予めたわみ方
向に曲げられ成形されたものや、（ｂｌに示されるよう
に中央部幅を狭め、曲げ剛性を弱くして少ない荷重でた
わむように成形されたものなど多種使用可能である。

以後の動作は従来周知のサーボ弁と同様である。

例えシ；μ立状憇から第２図の上方へ薄板ばねの圧縮た
わみが増加した場合、ノズル５ａ先端の空゛隙が広がり
、ノズル５ａから噴出する油量が増ず１゛− ので、固定絞り４ａの抵抗によりノズル５ａのノズル背
圧が低下し、従っζこれに連通ずる四方向案内スプール
の左端室２１の圧力も低下する。逆に、ノズル５ｂ先端
の空隙は挟まり、ノズル５ｂから噴出する油量は減るの
で、固定絞り４ｂの抵抗は減り、ノズル５ｂのノズル背
圧は上昇し、従ってこれに連通ずる四方向案内スプール
の右端室２３の圧力も上昇する。この結果、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１８．１９の付勢力と平衡するまで図左に移
動する。そしてランド部２ｃで閉じていた油連絡路６ｂ
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
ンダ内の室３３の中の油は油タンク８５へ戻る。

逆に中立状態から薄板ばねの圧縮たわみが減少した場合
は、ノズル５ａ先端の空隙は挟まり、ノズル５ｂ先端の
空隙は広がるので、四方向案内スプールは先程と逆方向
の左右端室の差圧力で図右へ移動し、ポンプ３０の吐出
油はピストン３２を右方へ駆動する。

ここで当然、電圧制御回路１５によっ入力される電圧の
大きさに応じてノズル先端の空隙の変化量が制御できる
ため、四方向案内スプールに作用する差圧力は、その方
向たりではなく大きさも制御され、従って油圧シリンダ
３１に流入する圧油の流速、つまり゛ピストン３２の駆
動速度も適当に変化させることが可能である。

第７図に本発明を自動車パワーステアリングシステムの
流量制御弁に用いた第２実施例を示す。

第７図において４１は流量制御弁本体のケーシング、４
２はケーシング内に摺動自在に挿入されたスプールで図
左より、ランド部４２ａ、４２ｂを有する。４３は図示
されないエンジンで駆動されるポンプ６０からの加圧油
供給路で、スプール４２の左端室４４を経て、パワース
テアリングのアクチェエータ部６１へ通、している。４
５はバイパス油通路で、ポンプ６０の吐出油のうらアク
チェエータ部６１が必要とする流量以上の余剰油をポン
プ６０の吸入通路に還流するものである。４６は加圧油
供給路４３の油を固定絞り４７を介してスプール４２の
右端室４８に導く加圧流体供給路をなず導圧路で、４９
はスプール４２を左方へ付勢する平衡スプリングである
。５０は圧電セラミックによるプソ’／ユ・プルロッド
で、第１実施例と同様に第３図に示す構曽で、一端は絶
縁リング５１を介してケーシング４１に位置固定され、
他端は、ケーシング４１に設けた穴４１ａに摺動自在に
挿入され、かつスプリング５３により下方へ付勢された
絶縁スプール５２に圧接されている。

５４は第１実施例と同様のフラッパをなす薄板ばねで、
両端をそれぞれ絶縁リング５べと絶縁スプール５２に固
定支持され、かつその表面はスプール４２の右端室４８
と連通ずるノズル５５の先端孔部に近接して空隙を形成
している。そして、これら薄板ばね等を収納する室５６
はドレン通路５７によりバイパス油通路４５に通じ、吸
入圧力雰囲気となっている。

６２は導線６３ａ、６３ｂによりブツシュ・プルロッド
５０に制御電圧を印加１゛る制御器で、車速センサ、負
荷センサ、ステアリング位置センサ等の各種センサ６４
からの入力により適切な制御流量を算出するものである
。

６５はアクチェエータ部６１へ流れる油量を計測するタ
ービン流量計であり、６６はこのタービン流量針の回転
数を計数するカウンタで制御流量のフィードバック信号
を制御ｖＥｒ６２に与える。

この実施例の作動について説明する。

制御器６２は、各種センサ６４より入力される車両運転
状態からアクチュエータ部６￥の必要油量を演算し、こ
れとタービン流量計６５およびカウンタ６６から入力さ
れる実際の吐出流量を比較する。

この結果、実際の吐出流量が多い場合は、制御器６２は
ブツシュ・プルロッド５０が図の下方向に縮むように出
力電圧を変化する。そして、ブツシュ・プルロッド５０
の縮みにより絶縁スプール５２がスプリング５３の付勢
力で図の下方へ変位し、この変位に連動して、薄板ばね
５４の圧縮たわみが櫓大して、ノズル５５との間に形成
されている空隙が広がる。

この空隙が広がるとノズル５５から噴出する油量が増加
し、固定絞り４７の抵抗により第１実施例と同様にノズ
ル背圧が低下するのでスプール右端室４８の圧力は低下
し、スプール４２は左右の差圧力と平衡スプリング４９
の力が平衡するまで図の右方へ移動し、加圧油供給路４
３はバイパス油通路４５に連通して油を還流する。この
スプール４２の移動は、実際の吐出流量が制御値と一致
するまで連続的に行なわれる。

また逆に実際の吐出流量がアクチュエータ部６１の必要
流量より少ない場合には、前述とまったく逆の動作が行
なわれる。

この第２実施例と先の第１実施例の異なる点は、第１実
施例が２つのノズル背圧でスプールの位置制御を行なう
のに対し、第２実施例は１つのノズル背圧でスプールの
位置制御を行なう点である。

１つのノズル背圧で制御可能なサーボ系に対しては第２
実施例が有効で、コンパクトな構造が可能である。

また、これら第１及び第２の実施例の構成が従来のサー
ボ弁と比較して優れる点は初めの目的である小型化、機
構の簡略化が可能となることのみではなく、本発明に用
いる圧電素子の圧電性による電歪応答性が従来のトルク
モータの電磁作用によるフラッパ吸引応答性より高いこ
と、また本発明による薄板ばねはノズルに対しフラッパ
として働くがこれは両端支持のため、従来のサーボ弁の
片持ち支持のフラッパに比べ支持剛性が高く、耐震安定
性に優れることなどがあげられる。

このように本発明は高い応答性を必要とする高速システ
ム、または航空機、車両等の強振動体に−適用するには
好適である。

以上の実施例は本発明の望ましい構成を示すも、のであ
るが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下の
例に示すように超電素子の微小変形を拡大してこの拡大
変位を利用して４．ノズル先端に設けられた空隙を変化
させノズル背圧を制御するもの全てを含むものである。

第８図に第３の実施例を示す。第８図においては第１実
施例のサーボ弁と異なる部分のみを示し、同一機能部品
は第２図と同゛−符号を付しである。

７０は第３図に示す圧電セラミックによるブツシュ・プ
ルロッドで、一端を絶縁リング９を介してケーシング１
に位置固定さ、れ、他端は絶縁キャンプ７１が取付けら
れている。７２はフラッパで、支点７３により回転自社
゛に支持され、先端部７２ａはノズル５ａ、５ｂに対し
それぞれ空隙を形成し、かつこの空隙はこのフラッパが
支点７３を中心に回転変位することにより変化するよう
に構成されている。またこのフラッパにはブツシュ・プ
ルロンドア０の変位を受ける着力部７２ｂと、これに対
し支点７３の反対側で付勢スプリング７４の図中右方へ
の力を受ける着力部７２Ｃとが備わっている。７５ａ、
７５ｂはブツシュ・プルロッドに電圧を印加する導線で
ある。

本実施例の作動を説明する。例えばプツシ；・プルロッ
ド７０が印加電圧により伸びて変形すると、フラッパ７
２は着力部７２ｂにその変位を受けるため、支点７３を
中心に反時計方向回りに回転変位する。この際に支点７
３から先端部７２ａまでの距離と、支点７３から着力部
７２ｂまでの距離の比に比例して、着力部７２ｂの変位
量が拡大されて先端部７２ａの変位量に伝達される。こ
のため、ブツシュ・プルロッド７０の微小変形でノズル
５ａ、５ｂのノズル５ａ、５ｂのノズル背圧を制御する
のに十分な空隙変化を与えることが可能となる。

第９図に第４の実施例を示す。８１はケーシング、８２
は圧電セラミックによるブツシュ・プルロッド、８３は
ブツシュ・プルロッドをケーシング８１に位置固定する
絶縁リング、８４はケーシングの大径シリンダ部り１ａ
内に摺動自在に挿入され、かつ付勢スプリング８５によ
りブツシュ・プルロッドの一端に圧接され、ブツシュ・
プルロッドの圧電変形に連動する絶縁ピストン、８６は
ケーシングの小径シリンダ部８１ｂ内に摺動自在に挿入
され乞ブツシュピストンである。ここで１、絶縁ピスト
ン８４とブツシュピストン８６と大径シリンダ８１ａと
小径シリンダ８１ｂに囲まれる室８７は油が洩れ無き状
態で充填され、この油を介して絶縁ピストン８４のスト
ロークは大径シリンダ８１ａの径と小径シリンダ８１ｂ
の径の比で拡大されて、ブツシュピストン８６のストロ
ークに変換される。

８８はフラッパで、一端をケーシングに固定し、他端の
一面を初期セット状態のたわみ応力でブツシュピストン
８６に圧接し、かつ反対側面がＪスル８９に対して空隙
を形成している。そしてブツシュピストンのストローク
変位に連動してこのフラッパのたわみ量を変化させ、そ
の結果ノズルに対する空隙を変化し、ノズル背圧を制御
する。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、油圧サー
ボ弁の中のノズル背圧制御方式において、ノズル先端孔
部に対し空隙を形成するフラッパ部材の空隙変化用駆動
源に圧電性を有する材料を用い、かつ一般には非常に小
さなこれら圧電性材料の圧電歪みを行程拡大機構により
拡大して、前記フラッパ部材に伝達するように構成する
ことにより従来のサーボ弁においてノズル背圧を制御し
ていたフラッパを駆動するトルクモータ等に代わり、サ
ーボ弁の小型化、機構の簡略化が可能になるという効果
が得られる。

【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実施例の断面図、第３図は第２図中のブツ
シュ・プルロッド８の詳細図、第４図および第５図は第
２図中の薄板ばね１２による行程拡大機能を説明するた
めの説明図、第６図は薄板ばね１２の他の形状を示す斜
視図、第７図は第２実施例の断面図、第８図は第３実施
例の断面図、第９図は第４実施例の断面図を各々示す。 ３ａ、３ｂ、４６・・・加圧流体供給路、４ａ、４ｂ、
４７−・・固定絞り、５ａ、５ｂ、５５．８９・−ノズ
ル、１２，５４，７２．８８・・・フラッパ、８゜５０
．７０．８２・・・ブツシュ・プルロッド。 代理人弁理士　岡　部　　　隆 第１図 第７図 ６ｎ 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加圧流体を通す加圧流体供給路と、該加圧流体供給路の
   途中に設けられた固定絞りと、該固定絞り下流側に形成
   され前記加圧流体を喰出するノズルと、該ノズルの開口
   部に対向して設けられたフラッパと、電気信号により圧
   電歪みを発生する圧電性部材から成るブツシュ・プルロ
   ッドとを備え、該ブツシュ・プルロッドの圧電歪みを前
   記フラッパに拡大伝達して前記ノズルの開口部と前記フ
   ラッパとの間に形成される空隙を調整することにより前
   記固定絞りとノズルとの間の加圧流体供給路の加圧流体
   圧力を制御することを特徴とする電気−流体圧力変換装
   置。