JP2002506182A - 圧電作動高応答バルブ - Google Patents
圧電作動高応答バルブInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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- Y10T137/86718—Dividing into parallel flow paths with recombining
-
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
高応答バルブ（１０）は、予荷重され、オリフィス板（２３）を覆って位置されたリーフ・スプリング（２５）を有する。オリフィス板（２３）は、複数の交互配置されたリッジ（６２、６４）と溝（６１、６３、６５）を有し、溝は、バルブ入口（１３、１９）と連続的に連絡している。アパーチャ板（２３）の複数のスリットまたは開口（４９、５１）がバルブ出口（２１）と連続的に連絡し、各開口（４９、５１）は対応するリッジ（６２、６４）を通過する。中心軸（７１）を有する圧電ディスクの略円柱形スタックをそれぞれが備える一対の電気機械トランスデューサ（２７、２９）が、バルブ（１０）を作動する。各スタック（２７、２９）の一端は、調整ねじ（４１、４３）によってハウジングに対して調整可能に固定されており、スタックの他端にあるキャップ（３５、３７）が、スタックを対応するスプリング（２５）端部に結合する。各キャップ（３５、３７）が、対応するスプリング端部にかみ合って、対応する中心軸（７１）の近傍に維持するための切欠き（３９）を含む。圧電スタック（２７、２９）の付勢が、スプリング（２５）に追加の軸方向荷重を加え、バルブ（１０）の流れ領域をそれに比例して開く。圧電アクチュエータからの利用可能な高い機械的な力が、高自然応答周波数を有する非常に硬いシステムの構造を可能にし、複数の開口（４９、５１）が実質上大きな総流れ領域を提供する。
Description
【０００１】 本発明は一般にバルブに関し、さらに詳細には、空気やそれに類した気体材料
などの流体を選択的に通すための、電気で使用できるバルブに関する。具体的に
は、本発明は、高速応答圧電作動式流体通過バルブに関する。本発明のバルブの
１つの好ましい応用例は、タービン・エンジン中での能動的な圧縮機の安定化制
御のための空気噴射バルブである。
などの流体を選択的に通すための、電気で使用できるバルブに関する。具体的に
は、本発明は、高速応答圧電作動式流体通過バルブに関する。本発明のバルブの
１つの好ましい応用例は、タービン・エンジン中での能動的な圧縮機の安定化制
御のための空気噴射バルブである。
【０００２】 タービン・エンジンでの能動的な圧縮機の安定化制御は、エンジンの圧縮機の
環状部の周りに設けたいくつかの空気バルブの使用を含むことがある。このよう
な環境中の温度は、摂氏５００度から６００度に達することがある。また、この
ようなバルブの開閉速度は、１／２ｋＨｚから２ｋＨｚ程度となることが望まし
い。しかし、通常利用可能なバルブは、１秒間に約５００回までしか動作するこ
とができない。
環状部の周りに設けたいくつかの空気バルブの使用を含むことがある。このよう
な環境中の温度は、摂氏５００度から６００度に達することがある。また、この
ようなバルブの開閉速度は、１／２ｋＨｚから２ｋＨｚ程度となることが望まし
い。しかし、通常利用可能なバルブは、１秒間に約５００回までしか動作するこ
とができない。
【０００３】 米国特許第３１７４７１６号は、磁気ひずみによって生じたスプリングの一端
の位置の変化に応答して圧力ポートを様々に制限するために、弓形スプリングを
使用することを提案している。この特許はまた、一対の電気接点の開閉を制御す
るための、磁気ひずみによって生じる弓形スプリングの両端間を離す変化につい
ても提案している。この特許は、弓形スプリングが比較的小さな磁気ひずみによ
って生じた寸法の変化を増幅し、これらの変化を実際に使用できるようにするこ
とを指摘している。このバルブ配列は、摂氏３００度以下の動作温度に制限され
、上述の温度要件に適合することはできない。さらに、磁気ひずみアクチュエー
タは、その活動化位置を維持するために連続的な電力の印加を必要とする。さら
に、磁気ひずみ材料の利得は温度の上昇とともにかなり低下する。最後に、磁気
ひずみアクチュエータが必要とする予荷重によって、スプリング・エレメントの
全体的な寿命が短くなる。ＵＳ−Ａ−４５８５２０９およびＤＥ−Ｕ−２９７２
２０８５には、可たわ性リーフ・スプリング部材を利用したバルブが開示されて
いる。
の位置の変化に応答して圧力ポートを様々に制限するために、弓形スプリングを
使用することを提案している。この特許はまた、一対の電気接点の開閉を制御す
るための、磁気ひずみによって生じる弓形スプリングの両端間を離す変化につい
ても提案している。この特許は、弓形スプリングが比較的小さな磁気ひずみによ
って生じた寸法の変化を増幅し、これらの変化を実際に使用できるようにするこ
とを指摘している。このバルブ配列は、摂氏３００度以下の動作温度に制限され
、上述の温度要件に適合することはできない。さらに、磁気ひずみアクチュエー
タは、その活動化位置を維持するために連続的な電力の印加を必要とする。さら
に、磁気ひずみ材料の利得は温度の上昇とともにかなり低下する。最後に、磁気
ひずみアクチュエータが必要とする予荷重によって、スプリング・エレメントの
全体的な寿命が短くなる。ＵＳ−Ａ−４５８５２０９およびＤＥ−Ｕ−２９７２
２０８５には、可たわ性リーフ・スプリング部材を利用したバルブが開示されて
いる。
【０００４】 バルブの入口プレナムと出口プレナムの間は、経路が短く、かつアパーチャの
面積を大きくすることが望ましい。さらに、剛性が高く、慣性が低く、したがっ
て高速で応答するバルブ構成を作成することが望ましい。また、静止位置を保つ
ために電力の入力を必要としないバルブ作動機構を提供することが望ましい。温
度独立性、または高温の応用分野で温度とともに利得が増大することも、アクチ
ュエータにとって望ましい。
面積を大きくすることが望ましい。さらに、剛性が高く、慣性が低く、したがっ
て高速で応答するバルブ構成を作成することが望ましい。また、静止位置を保つ
ために電力の入力を必要としないバルブ作動機構を提供することが望ましい。温
度独立性、または高温の応用分野で温度とともに利得が増大することも、アクチ
ュエータにとって望ましい。
【０００５】 本発明は、複数アパーチャのバルブ・オリフィスを用いて、比較的大きなオリ
フィス面積とし、高い固有周波数を有するバルブ設計と結合した圧電材料から得
られる高い応答および力を使用することによって、上記の問題に対する解決策を
提供するものである。圧電材料のふるまいはコンデンサと同様である。漏れを無
視すると、電力入力の追加がなくても、一定の電荷に、すなわち長さまたは位置
が一定に保たれる。さらにいくつかの圧電材料は望ましい温度特性を呈する。
フィス面積とし、高い固有周波数を有するバルブ設計と結合した圧電材料から得
られる高い応答および力を使用することによって、上記の問題に対する解決策を
提供するものである。圧電材料のふるまいはコンデンサと同様である。漏れを無
視すると、電力入力の追加がなくても、一定の電荷に、すなわち長さまたは位置
が一定に保たれる。さらにいくつかの圧電材料は望ましい温度特性を呈する。
【０００６】 本発明の一態様によれば、開いた状態と閉じた状態の間で動作することができ
る高温の応用分野の高速応答空気バルブは、アパーチャ板中にリッジを通る複数
の開口を備え、複数のリッジと溝が交互に形成されたアパーチャ板を含む。アパ
ーチャを閉じる配列は、一対の両端の縁部と、通常はリッジ上に載り、バルブが
閉じた状態にあるときにリッジの開口を密封して覆うスプリング表面とを有する
湾曲したリーフ・スプリングを含む。一方のスプリング端部とそれぞれ係合し、
付勢されたときにスプリングの両端を互いに向けて押してリーフ・スプリングを
変形させ、それによりリーフ・スプリング表面をリッジの開口から離れるように
移動させ、バルブをその開いた位置に移動させる、一対の細長い電気機械トラン
スデューサがある。電気機械トランスデューサは、一般に、スタックの一方の端
部がバルブ・ハウジングによって調節可能に支持され、スタックのもう一方の端
部にある耐摩耗キャップがこのスタックを対応するスプリングの端部に結合する
圧電ディスクの円柱形スタックであることが好ましい。キャップは、対応するば
ねの端部と係合し、これを円柱の軸付近に維持するために、ノッチまたはそれと
同様の構造を含むことができる。
る高温の応用分野の高速応答空気バルブは、アパーチャ板中にリッジを通る複数
の開口を備え、複数のリッジと溝が交互に形成されたアパーチャ板を含む。アパ
ーチャを閉じる配列は、一対の両端の縁部と、通常はリッジ上に載り、バルブが
閉じた状態にあるときにリッジの開口を密封して覆うスプリング表面とを有する
湾曲したリーフ・スプリングを含む。一方のスプリング端部とそれぞれ係合し、
付勢されたときにスプリングの両端を互いに向けて押してリーフ・スプリングを
変形させ、それによりリーフ・スプリング表面をリッジの開口から離れるように
移動させ、バルブをその開いた位置に移動させる、一対の細長い電気機械トラン
スデューサがある。電気機械トランスデューサは、一般に、スタックの一方の端
部がバルブ・ハウジングによって調節可能に支持され、スタックのもう一方の端
部にある耐摩耗キャップがこのスタックを対応するスプリングの端部に結合する
圧電ディスクの円柱形スタックであることが好ましい。キャップは、対応するば
ねの端部と係合し、これを円柱の軸付近に維持するために、ノッチまたはそれと
同様の構造を含むことができる。
【０００７】 本発明は、入口および出口を備えたハウジングを有し、入口から出口に向けて
選択的に流体を通すように動作可能な、アパーチャ板、および出口と連続的に連
絡したこのアパーチャ板中の複数の開口を含むバルブであって、交互になった複
数のリッジと溝を有し、溝が入口と連続的に連絡したアパーチャ板と、対応する
リッジを通る各開口と、入口から開口中への流体流が遮断される閉じた位置と、
隣接する溝から間にあるリッジの開口中に流体が流れるようにする少なくとも１
つの開いた位置との間で動作可能なバルブを活動化する手段とをさらに含むこと
を特徴とするバルブを含む。
選択的に流体を通すように動作可能な、アパーチャ板、および出口と連続的に連
絡したこのアパーチャ板中の複数の開口を含むバルブであって、交互になった複
数のリッジと溝を有し、溝が入口と連続的に連絡したアパーチャ板と、対応する
リッジを通る各開口と、入口から開口中への流体流が遮断される閉じた位置と、
隣接する溝から間にあるリッジの開口中に流体が流れるようにする少なくとも１
つの開いた位置との間で動作可能なバルブを活動化する手段とをさらに含むこと
を特徴とするバルブを含む。
【０００８】 対応する参照符は、図面中の複数の図を通じて対応する部分を示している。
【０００９】 図１および図２で、バルブ１０のバルブ本体１１は、通路５７を介して入口チ
ャンバまたはプレナム領域１９中に空気を入れる高圧給気口１３を有する。バル
ブ本体内には、オリフィス板２３と選択的に密封係合する予荷重されたリーフ・
スプリング２５で入口プレナムから分離された、出口チャンバまたはプレナム領
域２１がある。入口プレナム１９と出口プレナム２１の間の唯一の流体経路は、
オリフィス板２３を通るものであり、この経路はリーフ・スプリング２５によっ
て選択的に遮断される。バルブ本体１１の凹状側面１７は、エンジンの圧縮機の
環状部の外壁部分に適合するような輪郭になっており、吐出しプレナム２１から
エンジンに選択的に空気を通す、図６でのみ見られる出口ポートを含む。
ャンバまたはプレナム領域１９中に空気を入れる高圧給気口１３を有する。バル
ブ本体内には、オリフィス板２３と選択的に密封係合する予荷重されたリーフ・
スプリング２５で入口プレナムから分離された、出口チャンバまたはプレナム領
域２１がある。入口プレナム１９と出口プレナム２１の間の唯一の流体経路は、
オリフィス板２３を通るものであり、この経路はリーフ・スプリング２５によっ
て選択的に遮断される。バルブ本体１１の凹状側面１７は、エンジンの圧縮機の
環状部の外壁部分に適合するような輪郭になっており、吐出しプレナム２１から
エンジンに選択的に空気を通す、図６でのみ見られる出口ポートを含む。
【００１０】 円盤形圧電素子の一対の円柱形または長方形のスタック２７および２９は、エ
ンド・キャップまたはエンド・カップ３３と３７の間、ならびに３１と３５の間
にそれぞれ位置する。図２の線１−１は、図１の断面図をとるための線を示すだ
けでなく、圧電スタック、カップ、およびその他いくつかの構成部品についての
円柱の対称性の中心線７１も示している。４５や４７などの一対のシール（例え
ばＯリング）は、スタック２９などの各円柱形スタックを支持し、スタックに加
わる有害な径方向剪断力から保護している。エンド・カップ３１および３３の軸
方向位置、ならびに良好な密封を確保するためのリーフ・スプリング２５の曲が
りは、一対の調節ねじ４１および４３によって決定される。リーフ・スプリング
２５の縁部は、カップ型インサートまたはカップ３５と３７の間で係留された状
態で保持される。したがって、例えば、調節ねじ４１を内側に向けて回すと、カ
ップ３１、スタック２９、およびカップ３５がバルブの中心に向かって移動し、
増大した軸方向力がリーフ・スプリング２５に加わり、これによりリーフ・スプ
リングがたわみ、オリフィス板２３からの離間が増大する。小さく調節すると、
リーフ・スプリング２５からオリフィス板２３に加わる力が調節されるだけであ
り、より大きく調節すると、スプリング２５を板２３から浮かせ、それによりバ
ルブ１０を開くことができる。
ンド・キャップまたはエンド・カップ３３と３７の間、ならびに３１と３５の間
にそれぞれ位置する。図２の線１−１は、図１の断面図をとるための線を示すだ
けでなく、圧電スタック、カップ、およびその他いくつかの構成部品についての
円柱の対称性の中心線７１も示している。４５や４７などの一対のシール（例え
ばＯリング）は、スタック２９などの各円柱形スタックを支持し、スタックに加
わる有害な径方向剪断力から保護している。エンド・カップ３１および３３の軸
方向位置、ならびに良好な密封を確保するためのリーフ・スプリング２５の曲が
りは、一対の調節ねじ４１および４３によって決定される。リーフ・スプリング
２５の縁部は、カップ型インサートまたはカップ３５と３７の間で係留された状
態で保持される。したがって、例えば、調節ねじ４１を内側に向けて回すと、カ
ップ３１、スタック２９、およびカップ３５がバルブの中心に向かって移動し、
増大した軸方向力がリーフ・スプリング２５に加わり、これによりリーフ・スプ
リングがたわみ、オリフィス板２３からの離間が増大する。小さく調節すると、
リーフ・スプリング２５からオリフィス板２３に加わる力が調節されるだけであ
り、より大きく調節すると、スプリング２５を板２３から浮かせ、それによりバ
ルブ１０を開くことができる。
【００１１】 直流電力は、電気コネクタ１５を介して圧電スタック２７および２９中の各デ
ィスクに選択的に印加される。付勢されると、スタックは軸方向に延び、リーフ
・スプリング２５に追加の軸方向荷重を加え、このスプリングを図４に矢印で示
すようにオリフィス板２３から離れるようにたわませる。図４のオリフィス板２
３とリーフ・スプリング２５の間の分離は、誇張してある。一実施形態では、約
０．０１２インチ（０．０３０ｃｍ）の分離を利用して、バルブ１０を完全に開
いた状態とする。
ィスクに選択的に印加される。付勢されると、スタックは軸方向に延び、リーフ
・スプリング２５に追加の軸方向荷重を加え、このスプリングを図４に矢印で示
すようにオリフィス板２３から離れるようにたわませる。図４のオリフィス板２
３とリーフ・スプリング２５の間の分離は、誇張してある。一実施形態では、約
０．０１２インチ（０．０３０ｃｍ）の分離を利用して、バルブ１０を完全に開
いた状態とする。
【００１２】 比較的硬いスプリング２５によって引き起こされることがある摩耗の問題を最
小限に抑えるために、カップ３５および３７は、Ｃａｒｂｏｌｏｙ（登録商標）
などの硬質の軸受材料（hard bearing material）のインサートにすることがで きる。ある程度の温度補償は、ステンレス鋼とＩｎｖａｒ（登録商標）（熱膨張
係数の低い鉄−ニッケル材料）の合金でカップ３１および３３を形成することに
よって達成することができる。個々の圧電ディスクは、Ｌｅａｄ Ｎｉｏｂａｔ
ｅセラミック材料で形成することができ、並列に接続されるが、２つの円柱形ス
タックは直列に接続することも並列に接続することもできる。リーフ・スプリン
グ２５の位置、したがってバルブが開いた状態であるか閉じた状態であるかは、
線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）５９や近接センサ、または望ましいならその他
の同様のデバイスなどのセンサによって監視することができる。
小限に抑えるために、カップ３５および３７は、Ｃａｒｂｏｌｏｙ（登録商標）
などの硬質の軸受材料（hard bearing material）のインサートにすることがで きる。ある程度の温度補償は、ステンレス鋼とＩｎｖａｒ（登録商標）（熱膨張
係数の低い鉄−ニッケル材料）の合金でカップ３１および３３を形成することに
よって達成することができる。個々の圧電ディスクは、Ｌｅａｄ Ｎｉｏｂａｔ
ｅセラミック材料で形成することができ、並列に接続されるが、２つの円柱形ス
タックは直列に接続することも並列に接続することもできる。リーフ・スプリン
グ２５の位置、したがってバルブが開いた状態であるか閉じた状態であるかは、
線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）５９や近接センサ、または望ましいならその他
の同様のデバイスなどのセンサによって監視することができる。
【００１３】 次に主として図３および図４を参照する。オリフィス板２３は、ハウジング１
１のタブ５３および５５によって、一対のシール６７および６９にクランプされ
ている。オリフィス板２３は、４９や５１など、出口プレナム２１中に開いた一
連のスリット、アパーチャ、または開口を含むものとして示してある。図３では
、これらのスリットは、リーフ・スプリング２５によって、入口プレナム１９と
連絡することを妨げられている。図５で最もよく分かるように、６１や６３、６
５などの一連のスロット、トラフ又は溝は、入口プレナム１９と連続的に連絡し
ている。圧電スタック２７および２９のいずれかが付勢されると、カップ３５お
よび／または３７は、図４に矢印で示すように互いに向かって軸方向に押され、
リーフ・スプリング２５に追加の軸方向荷重を加え、このスプリングをオリフィ
ス板２３から離れるようにたわませる。図３および図４で分かるように、スプリ
ングの弧の長さは一定であるが、図４の方がコード（cord）の長さが短く、たわ
みの量は大きい。したがって、図３のスプリングの曲率半径は図４より大きい。
一般に軸７１（図２に示す）に対して直角の方向にリーフ・スプリングが移動す
ると、例えば図４に小さな曲線の矢印で示すようにトラフ６１および６３からス
リット４９に、またトラフ６３および６５からスリット５１に流体経路が開く。
バルブを通る流れは、圧電スタック２７および２９の一方または両方の付勢に正
比例する。これは、構造領域と圧力の間に以下の関係があることによって達成さ
れる。第１に、バルブの両端間の圧力降下は常に、流れの詰まりまたは制限をも
たらす。第２に、図５の４９や５１などの各アパーチャは、アパーチャの周りの
周辺または外部の距離にオリフィス板２３とリーフ・スプリング２５の間の距離
をかけたものとして定義されるカーテン領域（curtain area）を形成する。アパ
ーチャの断面積、および図３から図５の６１や６３、６５などのトラフの断面積
は、常にアパーチャのカーテン領域より大きい。このバルブの特徴により、バル
ブを通る流れが圧電スタックの一方または両方の電荷または付勢に比例すること
になる。この特徴により、本発明は単純なオン／オフ・バルブと区別され、また
全制御システムで本発明の比例バルブを使用することが可能となる。オン／オフ
バルブを利用した場合には、流路の長さが制限要因となるので、必要とされる周
波数応答が実用には高すぎることになる。
１のタブ５３および５５によって、一対のシール６７および６９にクランプされ
ている。オリフィス板２３は、４９や５１など、出口プレナム２１中に開いた一
連のスリット、アパーチャ、または開口を含むものとして示してある。図３では
、これらのスリットは、リーフ・スプリング２５によって、入口プレナム１９と
連絡することを妨げられている。図５で最もよく分かるように、６１や６３、６
５などの一連のスロット、トラフ又は溝は、入口プレナム１９と連続的に連絡し
ている。圧電スタック２７および２９のいずれかが付勢されると、カップ３５お
よび／または３７は、図４に矢印で示すように互いに向かって軸方向に押され、
リーフ・スプリング２５に追加の軸方向荷重を加え、このスプリングをオリフィ
ス板２３から離れるようにたわませる。図３および図４で分かるように、スプリ
ングの弧の長さは一定であるが、図４の方がコード（cord）の長さが短く、たわ
みの量は大きい。したがって、図３のスプリングの曲率半径は図４より大きい。
一般に軸７１（図２に示す）に対して直角の方向にリーフ・スプリングが移動す
ると、例えば図４に小さな曲線の矢印で示すようにトラフ６１および６３からス
リット４９に、またトラフ６３および６５からスリット５１に流体経路が開く。
バルブを通る流れは、圧電スタック２７および２９の一方または両方の付勢に正
比例する。これは、構造領域と圧力の間に以下の関係があることによって達成さ
れる。第１に、バルブの両端間の圧力降下は常に、流れの詰まりまたは制限をも
たらす。第２に、図５の４９や５１などの各アパーチャは、アパーチャの周りの
周辺または外部の距離にオリフィス板２３とリーフ・スプリング２５の間の距離
をかけたものとして定義されるカーテン領域（curtain area）を形成する。アパ
ーチャの断面積、および図３から図５の６１や６３、６５などのトラフの断面積
は、常にアパーチャのカーテン領域より大きい。このバルブの特徴により、バル
ブを通る流れが圧電スタックの一方または両方の電荷または付勢に比例すること
になる。この特徴により、本発明は単純なオン／オフ・バルブと区別され、また
全制御システムで本発明の比例バルブを使用することが可能となる。オン／オフ
バルブを利用した場合には、流路の長さが制限要因となるので、必要とされる周
波数応答が実用には高すぎることになる。
【００１４】 図３では、スプリング２５の端部は３９などの当接部材か棚に載っている。カ
ップ３５および３７の端部が平坦であると、これらのカップの間の分離がごくわ
ずかに増大しても、図３で垂直方向に上向きにスプリングの端部がいくらか滑り
、スプリング２５の曲率半径のかなりの増大を招き、潜在的な漏れの問題を生じ
ることになる。同様に、図４では、図示のように棚３９をノッチの一部にするこ
とによって、スプリング２５の端部が下向きに滑ってバルブを再度閉じる可能性
を回避している。いくつかの応用例では、スプリングを７３などのアパーチャ板
２３のコーナに載せることで、この下向きの滑りを見込むことがある。図４では
スプリング２５の曲率半径が小さいので、７３などのコーナと係合していても、
アパーチャ板の中央部分は開いたままとなる。
ップ３５および３７の端部が平坦であると、これらのカップの間の分離がごくわ
ずかに増大しても、図３で垂直方向に上向きにスプリングの端部がいくらか滑り
、スプリング２５の曲率半径のかなりの増大を招き、潜在的な漏れの問題を生じ
ることになる。同様に、図４では、図示のように棚３９をノッチの一部にするこ
とによって、スプリング２５の端部が下向きに滑ってバルブを再度閉じる可能性
を回避している。いくつかの応用例では、スプリングを７３などのアパーチャ板
２３のコーナに載せることで、この下向きの滑りを見込むことがある。図４では
スプリング２５の曲率半径が小さいので、７３などのコーナと係合していても、
アパーチャ板の中央部分は開いたままとなる。
【００１５】 図５のスロット付きオリフィス板２３は、６１、６３、６５などの一連の溝ま
たはトラフと交互に配置された、６０、６２、６４などの一連のリッジを含むこ
とが分かる。トラフは、入口プレナム１９と連続的に連絡している。いくつかの
リッジは、出口プレナム２１と連続的に連絡した４９や５１などのスリットまた
はアパーチャを含む。スプリング２５が図４のように上向きにたわむと、流れを
制限する面積、またはバルブの有効口径は、アパーチャを含むリッジの周囲の長
さと、そのリッジの頂部とスプリング表面の間の分離距離とをかけたものとなる
。もちろん、各アパーチャ付きリッジは流れを制限する面積に寄与し、したがっ
てアパーチャ付きリッジを複数利用することにより、比較的小さなスプリングの
たわみで比較的大きな面積を実現することができる。
たはトラフと交互に配置された、６０、６２、６４などの一連のリッジを含むこ
とが分かる。トラフは、入口プレナム１９と連続的に連絡している。いくつかの
リッジは、出口プレナム２１と連続的に連絡した４９や５１などのスリットまた
はアパーチャを含む。スプリング２５が図４のように上向きにたわむと、流れを
制限する面積、またはバルブの有効口径は、アパーチャを含むリッジの周囲の長
さと、そのリッジの頂部とスプリング表面の間の分離距離とをかけたものとなる
。もちろん、各アパーチャ付きリッジは流れを制限する面積に寄与し、したがっ
てアパーチャ付きリッジを複数利用することにより、比較的小さなスプリングの
たわみで比較的大きな面積を実現することができる。
【００１６】 動作範囲にわたって、図４に示すスプリングのたわみまたは垂直方向の移動は
、コードの長さの軸方向の偏向または減少にほぼ比例する。これにより、圧電ス
タック中の電荷の変化に正比例するオリフィス流面積が変化する。また、わずか
な軸方向の変位によって、中心部での大きなたわみがもたらされる。その結果と
して、非常に小型かつ極めて効率的なバルブ構造となる。
、コードの長さの軸方向の偏向または減少にほぼ比例する。これにより、圧電ス
タック中の電荷の変化に正比例するオリフィス流面積が変化する。また、わずか
な軸方向の変位によって、中心部での大きなたわみがもたらされる。その結果と
して、非常に小型かつ極めて効率的なバルブ構造となる。
【００１７】 本発明は、空気または流体を噴射させ、バイパスまたは通気の機能を果たすバ
ルブを提供するために構成したものである。本発明は、摂氏−５５度から摂氏５
００度超の広い温度範囲で動作することができる、高速、低電力、線形可変でオ
リフィス面積の大きなバルブを提供する。
ルブを提供するために構成したものである。本発明は、摂氏−５５度から摂氏５
００度超の広い温度範囲で動作することができる、高速、低電力、線形可変でオ
リフィス面積の大きなバルブを提供する。
【図１】 本発明の一形態による高応答バルブを示す断面図である。
【図２】 図１の線２−２に沿ってとった断面図である。
【図３】 図１の下側中央部分からとった拡大断面図である。
【図４】 「開いた」位置にあるバルブを示す、図３と同様の拡大断面図である。
【図５】 図３の線５−５に沿ってとった断面図である。
【図６】 図３の線６−６に沿ってとった断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１０月２７日（２０００．１０．２７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エモ，スティーブン・エム アメリカ合衆国・46516・インディアナ 州・エルクハート・リバー ショア エス テイツ・29392 Ｆターム(参考） 3H062 AA02 AA14 BB30 BB33 CC07 DD01 DD11 EE06 FF39 HH02 HH10 【要約の続き】 グ（２５）に追加の軸方向荷重を加え、バルブ（１０） の流れ領域をそれに比例して開く。圧電アクチュエータ からの利用可能な高い機械的な力が、高自然応答周波数 を有する非常に硬いシステムの構造を可能にし、複数の 開口（４９、５１）が実質上大きな総流れ領域を提供す る。
Claims (20)
- 【請求項１】 入口と出口を有するハウジングを有し、入口から出口へ選択
的に流体を通すように動作可能なバルブであって、 複数のリッジと溝が交互になっており、その溝が入口と連続的に連絡している
アパーチャ板と、 それぞれが対応するリッジを通過する、出口と連続的に連絡するアパーチャ板
の複数の開口と、 入口から開口内への流体流れが遮断される閉じた位置と、交互配置されている
リッジの開口内へ隣接する溝からの流体流れを可能にする少なくとも１つの開い
た位置との間で動作可能なバルブを作動する手段と を備えるバルブ。 - 【請求項２】 バルブ作動手段が、一対の対向した端部と、閉じた位置にあ
るときに通常リッジ上にあり、開口を密閉してカバーする表面と有するリーフ・
スプリングを備える請求項１に記載のバルブ。 - 【請求項３】 前記表面が、開いた位置と閉じた位置の両方で、アパーチャ
板に対して凹形表面であり、開いた位置での凹形表面の曲率半径が、閉じた位置
での凹形表面の曲率半径よりも小さい請求項２に記載のバルブ。 - 【請求項４】 バルブ作動手段がさらに、それぞれがスプリング端部にかみ
合い、スプリング端部を互いに向かわせるように付勢されたときにリーフ・スプ
リングを変形させ、それによって凹形表面を開口から離すように動作可能な一対
の細長い電気機械トランスデューサを備える請求項２に記載のバルブ。 - 【請求項５】 各電気機械トランスデューサが、ハウジングに対して調整可
能に固定された一端と、それぞれのスタックを対応するスプリング端部に結合す
る他端にあるキャップとをそれぞれが有する圧電要素のスタックを備える請求項
４に記載のバルブ。 - 【請求項６】 各電気機械トランスデューサが、中心軸を有する圧電ディス
クの略細長いスタックを備え、スタックの一端がハウジングに対して調整可能に
固定されており、スタックの他端にあるキャップが、スタックを対応するスプリ
ング端部に結合し、前記キャップが、対応するスプリング端部にかみ合って、そ
れを対応する中心軸の近傍に維持するための切欠きを含む請求項４に記載のバル
ブ。 - 【請求項７】 リーフ・スプリングが閉じた位置で曲がった状態に予荷重さ
れている請求項３に記載のバルブ。 - 【請求項８】 バルブが、作動手段の付勢に線形に比例する流体流れを生じ
させる請求項１に記載のバルブ。 - 【請求項９】 入口と出口を有するハウジングを有し、入口から出口へ選択
的に流体を通すように動作可能なバルブであって、 入口と連続的に連絡する少なくとも１つのアパーチャと、 アパーチャを作動する手段であって、入口からのアパーチャを介する出口への
流体流れが遮断される閉じた位置と、入口からのアパーチャを介する出口への流
体流れを可能にする少なくとも１つの開いた位置との間で動作可能な手段とを備
え、 前記アパーチャ作動手段が、一対の対向した端部と、閉じた位置にあるときに
アパーチャに被さり、アパーチャを密閉して閉じる表面とを有するリーフ・スプ
リングを含み、一対の細長い電気機械トランスデューサが、それぞれ１つのスプ
リング端部にかみ合い、スプリング端部を互いに向かわせるように付勢されたと
きにリーフ・スプリングを変形し、それによってリーフ・スプリング表面をアパ
ーチャから離すように動作可能であるバルブ。 - 【請求項１０】 バルブが、作動手段の付勢に線形に比例する流体流れを生
じさせる請求項９に記載のバルブ。 - 【請求項１１】 各電気機械トランスデューサが、ハウジングに対して調整
可能に固定された一端と、それぞれのスタックを対応するスプリング端部に結合
する他端にあるキャップとをそれぞれが有する圧電要素のスタックを備える請求
項９に記載のバルブ。 - 【請求項１２】 各電気機械トランスデューサが、中心軸を有する圧電ディ
スクの略細長いスタックを備え、スタックの一端がハウジングに対して調整可能
に固定されており、スタックの他端にあるキャップが、スタックを対応するスプ
リング端部に結合し、前記キャップが、対応するスプリング端部にかみ合って、
それを対応する中心軸の近傍に維持するための切欠きを含む請求項９に記載のバ
ルブ。 - 【請求項１３】 リーフ・スプリングが閉じた位置で曲がった状態に予荷重
されている請求項９に記載のバルブ。 - 【請求項１４】 前記リーフ・スプリング表面が、開いた位置と閉じた位置
の両方で、アパーチャ板に対して凹形表面であり、開いた位置での凹形表面の曲
率半径が、閉じた位置での凹形表面の曲率半径よりも小さい請求項９に記載のバ
ルブ。 - 【請求項１５】 アパーチャが、 複数の交互のリッジと溝を有するアパーチャ板であって、溝が入口と連続的に
連絡するアパーチャ板と、 それぞれが対応するリッジを通過する、出口と連続的に連絡するアパーチャ板
の複数の開口とを備え、 アパーチャ作動手段が、隣接する溝から交互配置するリッジの開口内への流体
流れを可能にする開いた位置で動作可能である請求項９に記載のバルブ。 - 【請求項１６】 各電気機械トランスデューサが、中心軸を有する圧電ディ
スクの略円柱形スタックを備え、それぞれのスタックの一端がハウジングに対し
て調整可能に固定されており、スタックの他端にあるキャップが、スタックを対
応するスプリング端部に結合し、前記キャップが、対応するスプリング端部にか
み合って、それを対応する中心軸の近傍に維持するための切欠きを含み、リーフ
・スプリングが閉じた位置で曲がった状態に予荷重され、前記表面が、開いた位
置と閉じた位置の両方で凹形であり、開いた位置での表面の曲率半径が、閉じた
位置での表面の曲率半径よりも小さい請求項１５に記載のバルブ。 - 【請求項１７】 高温装置用の開いた位置と閉じた位置の間で動作可能な急
速応答比例空気バルブであって、 複数のリッジと溝を交互に有するアパーチャ板と、 それぞれが関連するリッジを通過するアパーチャ板の複数の開口と、 一対の対向した端部と、閉じた位置で通常リッジ上にあり、開口を密閉してカ
バーする表面とを有する予荷重されたリーフ・スプリングを含む、アパーチャ板
を作動する手段と、 それぞれ１つのスプリング端部にかみ合い、スプリング端部を互いに向かわせ
るように付勢されたときにリーフ・スプリングを変形し、それにより表面をリッ
ジ開口から離して、トランスデューサの付勢に比例する空気流れを生じさせるよ
うに動作可能な一対の細長い電気機械トランスデューサと を備える急速応答比例空気バルブ。 - 【請求項１８】 各電気機械トランスデューサが、中心軸を有する圧電ディ
スクの略円柱形スタックを備え、スタックの一端がハウジングに対して調整可能
に固定されており、スタックの他端にあるキャップが、スタックを対応するスプ
リング端部に結合し、前記キャップが、対応するスプリング端部にかみ合って、
それをそれぞれの中心軸の近傍に維持するための切欠きを含む請求項１７に記載
のバルブ。 - 【請求項１９】 入口と出口を有するハウジングを有し、入口から出口へ流
体を比例して通すように動作可能なバルブであって、 複数のリッジと溝が交互に配置され、溝が入口と連続して連絡しているアパー
チャ板と、 それぞれが対応するリッジを通過する、出口と連続して連絡するアパーチャ板
の複数の開口と、 バルブを作動する手段であって、入口から開口内への流体流れが遮断される閉
じた位置と、隣接する溝から交互配置したリッジの開口内への流体流れを可能に
する開いた位置との間で動作可能な手段と を備え、流体流れが作動手段の付勢に比例するバルブ。 - 【請求項２０】 作動手段が、閉じた位置で曲がった状態に予荷重されるリ
ーフ・スプリングを含む請求項１９に記載のバルブ。
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