JPS62233578A - 圧電素子式弁 - 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】 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明は各種弁においてその通路開閉用可動機構の改
良に関するものである。

（従来の技術） 弁は流体を通したり止めたり制御したりするために通路
を開閉することができる可動機構を持つ機器の総称であ
り、特に流れの形を変えたり圧力または流量を制御した
りする制御弁は機能上方向制御弁、圧力制御弁、流が制
御弁に大別されている。

従来、弁体の可動機構としては比例ソレノイド方式が多
く利用されている。その−例として第５図に示す圧力制
御弁においては、弁室２に弁座３が設けられ、入口ポー
ト４側の通路５と出口ポート６側の通路７とがこの弁座
３及び弁室２を介して連通されている。弁室２内には可
動子２５が移動可能に嵌め込まれ、この可動子２５の外
周にはソレノイド２６が配設されている。可動子２５の
弁体保持部２５ａには弁体２７が圧縮コイルばね２８を
介して取付けられ、この弁体２７が弁座３に対し開閉可
能に圧接されている。そして、ソレノイド２６に電流が
印加されると、可動子２５が移動して圧縮コイルばね２
８が圧縮され、弁座３に対する弁体２７の圧接力が増加
する。この電流値に応じてソレノイド推力は比例的に変
化する。

このソレノイド推力と圧縮コイルばね２８とが釣り合っ
たところで可動子２５が停止して圧縮コイルばね２８の
撓み伍が決まり、弁座３に対する弁体２７の圧接力も決
まる。入口ポート４側の圧力が上昇して弁体２７に働く
ノコが圧縮コイルばね２８の弾性力に打ち勝つと、弁体
２７が弁座３を開いて入口ポート４側と出口ポート６側
とが連通し、入口ポート４側の圧力が下がる。従って、
入口ポート４側の過度な昇圧を防止する。弁体２７に働
く力と圧縮コイルばね２８の弾性力とが釣り合ったとこ
ろで弁体２７は弁座３を閉じる。この動作が繰り返され
て入口ポート４側の圧力がほぼ一定になる。このように
して入口ポート４側の設定圧力をソレノイド２６の電流
値の変更により調節することができる。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、この比例ソレノイド方式においては、（イ）
電流比例の推力を得るための構造上の原因によりソレノ
イド推力が余り大きくなく、又ソレノイドのインダクタ
ンス等による消磁遅れのため、弁体の切換えが遅くなっ
て応答性が悪い、（ロ）ソレノイドの推力特性は熱影響
により変わり易いため、設定圧力にばらつきが生ずる、
（ハ）ソレノイドの吸引作用は可動子ばがりではなくボ
ディにも働くため、ヒステリシス損が発生し、ソレノイ
ド推力が低下して可動子の動作遅れの原因になる、（ニ
）比例ソレノイドは磁気回路に特殊な加工が必要である
、等の特有の欠点がある。

そこで、このように種々の欠点を有する比例ソレノイド
方式を採用せず、それらに代えて新規な圧電素子方式を
採用したものが本発明である。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） すなわち、第一発明は、弁室に弁座を設けて入口ポート
側の通路と出口ポート側の通路とをこの弁座及び弁室を
介して連通し、弁室には弁座に対し開閉可能な弁体を有
する可動機構を内装した弁において、前記可動機構には
弁体制御用圧電素子積層体により伸縮可能な可動体と、
この可動体に取付けた弁体が可動体の伸長により弁座を
閉じる方向へ動くときその反力を受ける位置決め手段と
を設けたものである。

又、第二発明は、弁室に弁座を設けて入口ポート側の通
路と出口ポート側の通路とをこの弁座及び弁室を介して
連通し、弁室には弁座に対し開閉可能な弁体を有する可
動機構を内装した弁において、前記可動機構には弁体制
御用圧電素子積層体により伸縮可能で且つその伸縮方向
へ弁室内を移動可能な可動体と、この可動体に取付けた
ばねにより弁座に対し圧接された弁体と、弁室内面に圧
接固定可能で且つ可動体に固定されてこれとともに移動
可能なクランプ用圧電素子積層体を有する位置決め手段
とを設け、弁室内にはこの可動体及６一 び位置決め手段により区画して、弁座に対応する弁体収
容室とその反対側の背圧室とを設け、この背圧室と入口
ポート側の通路とをパイロット通路により連通したもの
である。

（作用） そして、第一発明に係る圧Ｎ累子式弁を圧力制御弁とし
て利用した場合について説明すると、弁体制御用圧電素
子積層体に電圧指令がない場合には、入口ポートから供
給される圧油は弁座と弁体との間を通って出口ポートへ
流れる。弁体制御用圧電素子積層体に電圧を印加すると
、この圧電素子ｆｉｍ体は印加電圧に応じた寸法だけ伸
長し、この伸長寸法により弁座と弁体との間のｉｍ＋、
又は弁座に対する弁体の圧接力が決まる。従って、この
印加電圧を変更すれば、入日ポート側の圧力を任意の設
定値に保つことができる。

又、第二発明に係る圧電素子式弁を圧力ｔｆｉｌｊｌＪ
弁として利用した場合について説明すると、弁体＃ＩＩ
御用及びクランプ用圧電素子積層体に電圧指令がない場
合には、可動体及びクランプ用圧電素子積層体は弁室内
を移動可能であり、又入口ポートから供給される圧油は
弁座と弁体との間を通って出口ポートへ流れる。まず、
クランプ用圧電素子積層体に電圧を印加すると、クラン
プ用圧電素子積層体は伸長して弁室の内面に固定される
。次いで、弁体制御用圧電素子積層体に電圧を印加する
と、この圧Ｍ素子積層体は印加１１圧に応じた寸法だけ
伸長し、この伸長寸法によりばねの弾性力が変わって弁
座に対する弁体の圧接力が決まる。クランプ用圧電素子
積層体の印加電圧が短時間切られると、入口ポート側か
らパイロット通路を通って背圧室に流入された圧油によ
り、可動体及びクランプ用圧電素子積層体は弁座側へ移
動し、弁座に対する弁体の圧接力が増大する。短時間の
後再びクランプ用圧電素子積層体に電圧が印加されると
、この圧電素子積層体が伸長して弁室の内面に固定され
、可動体はこの移動位四で位置決めされる。

従って、弁体制御用圧電素子積層体の印加電圧の変更及
びクランプ用圧電素子４１ｉＷｉ体の印加電圧の大切調
節により、入口ボー！・側の圧力を任意の設定値に保つ
ことができる。

（実施例） まず、第一発明を圧り制御弁に具体化した第一実施例を
第１図及び第２図に従って説明する。

ボディ１内には弁室２が設けられ、その左側に弁ｆＡ３
が形成されている。ボディ１の左側には入口ポート４及
び出口ポート６がＩＱＧプられ、入口ポート４側の通路
５と出口ポート６側の通路７とは弁Ｆ！３及び弁室２を
介して連通されている。

前記弁室２内には弁座３を開閉する可動機構８が内装さ
れている。すなわち、その可動体９は伸縮可能な弁体制
御用圧電素子積層体１０（１＋ｕ＋厚前後の圧Ｉ！素子
をその伸縮方向が同一となるように積層したもの）と、
これを一体向に挟着する左右一対のガイド１１．１２と
からなり、この両ガイド１１，１２は弁室２の内周面に
摺接されて圧電素子積層体１０の伸縮方向へ移動可能に
なっている。弁座３に対応する左側ガイド１１には０リ
ング１３が嵌め込まれ、このガイド１１と弁座３との間
には弁体収容室２ａが設けられている。このガイド１１
には弁座３へ向けて弁体保持部１４が突設され、これに
形成された嵌合孔１４ａに対し、弁体１５に形成された
嵌合軸５Ｉ１１５ａが移動可能に嵌挿されている。この
弁体１５は弁座３を開閉することができるとようになっ
ている。右側ガイド１２に対応してボディ１の右側には
Ｉｌｍねじ１６が螺合され、その内端がこのガイド１２
に当接し得るようになっている。この調節ねじ１６は弁
体１５が圧電素子積層体１０の伸長（矢印へ方向）によ
り弁座３を閉じる方向へ動くときその反力を受けるよう
に可動体９の右方への移動を炭制する。

前記圧電素子１ｉｌｌｉ体１０の各圧電素子は圧力設定
器１７に接続されている。この圧力設定器１７は入口ポ
ート４側の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）から
の入力に基づき所定の電圧指令を圧電素子に出力するよ
うになっている。なお、圧電素子積層体１０の一部を感
圧センサとして使い、前記圧力センサの代用とすること
も可能である。

さて、圧電素子積層体１０に電圧指令がない場合には、
弁体１５は弁座３に対する圧接力がなく弁座３に対して
離れているか、又は離間可能な状態で可動体９の弁体保
持部１４に保持されている。

入力ポート４から供給される圧油は弁座３と弁体１５と
の間を通って出口ポート６へ流れる。

この状態から、まず調節ねじ１６を操作して可動体９の
移動規制位置を決め、その後圧力設定器１７により圧電
素子積層体１０に電圧を印加すると、圧電素子積層体１
０は印加電圧に応じた寸法だけＡ矢印方向へ伸ばされる
。このとき、可動体９の右側は調節ねじ１６により位置
決めされているため、可動体９はここを中心にして弁座
３側へ伸長される。この伸長により、弁体１５は弁座３
を閉じる方向へ動き、これに圧接される。弁体１５によ
り弁座３が閉じられると、入口ポート４側から出口ポー
ト６側への流れは遮断され、入口ポート４側の圧力は上
昇する。入口ポート４側の圧力は前記圧力センサにより
検出され、この検出圧力は圧力設定器１７に入力される
。この検出圧力が入口ポート４側の圧力の設定値よりも
高くなると、それらの圧力差に応じて印加電圧が変更さ
れ、圧電素子積層体１０が反Ａ矢印方向へ収縮する。

この収縮により、第２図に示すように弁座３と弁体１５
との間に隙間Ｓができ、入口ポート４側の圧油はこの隙
間Ｓを通って出口ポート６側へ流れ、入口ポート４側の
圧力が減少する。この圧力が設定値に近付くと、それら
の圧力差に応じて印加電圧が変更され、再び圧電素子積
層体１０が伸長して弁座３が弁体１５により閉じられる
か、又は弁座３と弁体１５との間の隙間Ｓが狭くなる。

このように、入口ポート４側の圧力に応じて印加電圧を
変更することにより、圧電素子積層体１０の伸縮寸法を
変更し、弁座３の閉塞又は弁座３と弁体１５との間の隙
間Ｓの増減調節を行って、入口ポート４側の圧力を任意
の設定値に保つことができる。

一方、別の制御方法としては、弁座３と弁体１５との間
に任意の隙間Ｓを常時確保することができるように圧電
索子ｗ４層体１０の伸縮を圧力設定器１７により制御す
れば、この隙間Ｓの絞り抵抗により圧力制御及び流量制
御が可能になる。

次に、第−及び第二発明を圧力制御弁に具体化した第二
実施例を前記第一実施例との相違点を中心に第３図に従
って説明する。

可動体９内において、弁体制御用圧電素子積層体１０と
右側ガイド１２との間に別のクランプ用圧電素子積層体
１８が一体的に挟着され、可動体９とともに弁室２内を
移動可能である。このクランプ用圧電素子積層体１８の
各圧電素子は圧力設定器１７に接続されている。この圧
力設定器１７からの印加電圧により、この圧電素子積層
体１８は伸長して弁室２の内面に圧接固定可能になって
いる。このクランプ用圧電素子積層体１８は弁体１５が
弁体制御用圧電素子積層体１０の伸長により弁座３を閉
じる方向へ動くときその反力を受けるように可動体９の
右方への移動を一規制する。弁室２のうち弁体収容室２
ａにおいて、弁体１５はこれと可動体９の左側ガイド１
１との間に介在された弁体用圧縮コイルばね１９により
弁座３に圧接されている。この弁体収容室２ａにはその
内面と左側ガイド１１との間において可動体リターン用
圧縮コイルばね２０が介在されている。可動体９の右側
ガイド１２には０リング２１が嵌め込まれ、可動体９及
びその内部のクランプ用圧電素子積層体１８により弁室
２内が区画されて、前記弁体収容室２ａとその反対側の
背圧室２ｂとが設けられている。この背圧室２ｂと入口
ポート４側の通路５とはパイロット通路２２により連通
されている。このパイロット通路２２と入口ポート４と
の間において入口ポート４側の通路５には絞り２３が設
けられている。

さて、弁体制御用及びクランプ用圧電素子積層体１０．
１８に電圧指令がない場合には、可動体９及びクランプ
用圧電素子積層体１８は弁室２内を移動可能であり、弁
体１５は弁座３に対する圧接力がなく弁座３に対して離
れているか、又は離間可能な状態になっている。入口ポ
ート４から供給される圧油は弁座３と弁体１５との間を
通って出口ポート６へ流れる。

この状態から、まず１節ねじ１６を操作して可動体９の
移動規制位置を決め、その後圧力設定器１７によりクラ
ンプ用圧電素子積層体１８に電圧を印加すると、クラン
プ用圧電素子積層体１８は伸長して弁室２の内面に固定
される。次いで、圧力設定器１７により弁体制御用圧電
素子積層体１０に電圧を印加すると、弁体制御用圧電素
子積層体１０は印加電圧に応じた寸法だけＡ矢印方向へ
伸ばされる。このとき、可動体９はクランプ用圧電素子
積層体１８により位置決めされているため、可動体９は
ここを中心にして弁座３側へ伸長される。この伸長によ
り、弁体用圧縮コイルばね１９が圧縮され、弁体１５が
弁座３に圧接される。弁体１５により弁座３が閉じられ
ると、入口ポート４側から出口ポート６側への流れは遮
断され、入口ポート４側の圧力は上背する。

この状態で、クランプ用圧電素子ｌｉ層体１８の印加電
圧が短時間切られると、入口ポート４側からパイロット
通路２２を通って背圧室２ｂに流入された圧油は可動体
９の右側ガイド１２に作用する。これにより、可動体９
及びクランプ用圧電素子積層体１８は可動体リターン用
圧縮コイルばね２０の付勢力に抗して弁座３側へ移動し
、弁座３に対する弁体１５の、圧接力が増大する。短時
間の後再びクランプ用圧電素子積層体１８に電圧が印加
されると、クランプ用圧電素子積層体１８が伸長して弁
室２の内面に固定され、可動体９はこの移動位置で位置
決めされる。

入口ポート４側の圧力は圧力センサにより検出され、こ
の検出圧力は圧力設定器１７に入力される。この検出圧
力が入口ポート４側の圧力の設定値よりも高くなると、
弁体１５に働く力が弁体用圧縮コイルばね１９の弾性力
に打ち勝ち、弁体１５が弁座３を開いて入口ポート４側
と出口ポート６側とが連通し、入口ポート４側の圧力が
下がる。

従って、入口ポート４側の過度な昇圧を防止し、入口ポ
ート４側の圧力を任意の設定値に保つことができる。

弁体制御用圧電素子積層体１０への印加電圧が変更され
ると、その印加電圧に応じて弁体制御用圧電素子積層体
１０が伸縮し、弁体用圧縮コイルばね１９の撓み量が変
わる。この撓み量に応じて弁座３に対する弁体１５の圧
接力が決まり、入口ポート４側の設定圧力を変更するこ
とができる。

前記クランプ用圧電素子積層体１８の切時間を変更する
と、クランプ用圧電素子積層体１８の固定位置が変わる
。従って、弁体制御用圧電素子積層体１０による弁体１
５の圧接力の調節に加えて、このクランプ用圧電素子積
層体１８によっても弁体１５の圧接力を調節することが
できる。

弁体制御用及びクランプ用圧電素子積層体１０゜１８の
印加電圧を切ると、弁体制御用圧電素子積層体１０が反
Ａ矢印方向へ収縮し、弁座３が開いて入口ポート４側の
圧油は出口ポート６側へ流れる。この入口ポート４側の
通路５には絞り２３があるため、この絞り２３と弁座３
との間が低圧になり、背圧室２ｂの圧油がパイロット通
路２２を通って入口ポート４側の通路５に逆流する。こ
れにより、可動体９及びクランプ用圧電素子積層体１８
は可動体リターン用圧縮コイルばね２０により右方へ戻
されて調節ねじ１６に当接したところで止まる。

第４図に示す第三実施例は前記第二実施例における可動
体リターン用圧縮コイルばね２０に代えて、背圧室２ｂ
に可動体リターン用引張コイルばね２４を設け、その両
端を可動体９の右側ガイド１２及び背圧室２ｂの内面に
固着したものであり、この第三実施例の作用は第二実施
例の場合と同様である。

発明の効果 要するに第一発明によれば、従来の比例ンレノイド方式
を採用せず、それに代えて圧電素子方式を採用したので
、比例ンレノイド方式特有の欠点を解消することができ
るばかりではなく、（イ）設定圧力変更が高速で行えて
応答性が良くなるとともに、脈動防止も良好である、（
ロ）消費電力が低減でき、オーバーヒートの心配がない
とともに、小形化が可能である、（ハ）部品点数の削減
及び構造の簡素化が図れる、（ニ）制御方法を変えれば
、同一構造のままで、減圧弁等としての使用が可能であ
る、（ホ）制御方法によっては、弁体と弁座との接触の
ないリリーフ弁が可能であって弁騒音低減、製品寿命の
向上が図れる、等の種々の利点がある。

又、第二発明によれば、前記第一発明の効果のうち（ホ
）を除く（イ）〜（ニ）と同様な効果があり、しかも弁
体制御用圧電素子積層体による弁体圧接力の調節に加え
て、パイロット通路及びクランプ用圧電素子積層体によ
る弁体圧接力のＭ節が行えるので、細かく広範囲の圧力
制御が可能であり、制御性が良くなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一実施例に係る圧力制御弁を示す高面図、第
２図は第一実施例においてその弁座及び弁体を示す部分
拡大断面図、第３図は第二実施例に係る圧力制御弁を示
す断面図、第４図は第三実施例に係る圧力制御弁を示す
断面図、第５図は従来の圧力制御弁を示す断面図である
。 図中、２は弁室、２ａは弁体収容室、２ｂは背圧室、３
ば弁座、４ば入口ポート、６は出口ポート、８は可動機
構、９は可動体、１０は弁体制御用圧電素子積層体、１
５は弁体、１６は調節ねじ（位置決め手段）、１８はク
ランプ用圧電素子積層体く位置決め手段）、１９は弁体
用圧縮コイルばね、２０は可動体リターン用圧縮コイル
ばね、２２はパイロット通路、２４は可動体リターン用
引張コイルばねである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弁室に弁座を設けて入口ポート側の通路と出口ポー
   ト側の通路とをこの弁座及び弁室を介して連通し、弁室
   には弁座に対し開閉可能な弁体を有する可動機構を内装
   した弁において、 前記可動機構には弁体制御用圧電素子積層体により伸縮
   可能な可動体と、この可動体に取付けた弁体が可動体の
   伸長により弁座を閉じる方向へ動くときその反力を受け
   る位置決め手段とを設けてなる圧電素子式弁。 ２、可動体はその弁体制御用圧電素子積層体の伸縮方向
   へ弁室内を移動可能であり、位置決め手段は弁体が可動
   体の伸長により弁座を閉じる方向へ動くときその反力を
   受けるように可動体に当接し得る調節ねじである特許請
   求の範囲第１項に記載の圧電素子式弁。 ３、可動体はその弁体制御用圧電素子積層体の伸縮方向
   へ弁室内を移動可能であり、位置決め手段は弁室内面に
   圧接固定可能なクランプ用圧電素子積層体であり、可動
   体に固定されてこれとともに移動可能である特許請求の
   範囲１項に記載の圧電素子式弁。 ４、弁室に弁座を設けて入口ポート側の通路と出口ポー
   ト側の通路とをこの弁座及び弁室を介して連通し、弁室
   には弁座に対し開閉可能な弁体を有する可動機構を内装
   した弁において、 前記可動機構には弁体制御用圧電素子積層体により伸縮
   可能で且つその伸縮方向へ弁室内を移動可能な可動体と
   、この可動体に取付けたばねにより弁座に対し圧接され
   た弁体と、弁室内面に圧接固定可能で且つ可動体に固定
   されてこれとともに移動可能なクランプ用圧電素子積層
   体を有する位置決め手段とを設け、弁室内にはこの可動
   体及び位置決め手段により区画して、弁座に対応する弁
   体収容室とその反対側の背圧室とを設け、この背圧室と
   入口ポート側の通路とをパイロット通路により連通して
   なる圧電素子式弁。