JP2004251160A

JP2004251160A - パルス式流量制御バルブ

Info

Publication number: JP2004251160A
Application number: JP2003040450A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Sugiyama; 龍男杉山; Yoshio Akimune; 淑雄秋宗; Kazuo Matsuo; 一雄松尾
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】従来のＰＺＴ系圧電素子のような鉛を含んだ圧電素子使用しない非鉛系圧電素子により、高温で安定して作動するアクチュエータを構成し、パルス式に駆動できる流量制御バルブ駆動用アクチュエータとする。
【解決手段】非鉛系圧電素子としてＳＣＮＮ系圧電素子を用いてアクチュエータ２５とする。外部からこれにパルス電圧を供給することにより、その作動部２８によってピストンを図中左側に移動させ、差圧室３４の流体を介してニードル弁１３を図中左側に移動し、ノズル１５の開口１６を閉じる。アクチュエータに対するパルス電圧の解放時には作動部が図中右側に移動するとき、流体室３３の流体圧によってニードル弁１３が右方向に移動する力が作用しているので、差圧室３４の流体によりピストン２３を図中右方向に移動し、前記作動部の移動に追従して右側に移動し、以降同様の作動を繰り返す。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を制御する流量制御バルブに関し、特に圧電素子を用いてパルス式に流路を開閉して流量を制御するパルス式流量制御バルブに関する。装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量を制御する流量制御バルブとしては従来より種々のものが用いられているが、多くのものは弁の開口面積を調節することにより流量を制御している。しかしながらこの種の流量制御弁は高圧・高速での微細な流量制御ができないという問題があった。
【０００３】
そのため、このような高圧・高速での微細な流量制御を行う分野においては、流体の開口を開閉する弁をパルス的に作動し、所定時間における弁の解放時間を制御することにより流量を制御するパルス式流量制御バルブが用いることが好ましい。その際には、多くの場合電磁コイルを作動して弁を開閉することが行われるが、このような電磁コイルの作動においては、特に高速で微細な流量制御を行うことが困難である。
【０００４】
例えばディーゼルエンジンの燃料噴射弁のように、高圧で、しかも極めて短時間の間に精密に開閉作動を行わなければならない分野においては、上記のような電磁コイルによる作動では正確な作動を行うことができないため、高速で作動可能な圧電素子を用いてパルス的に弁を開閉制御することが提案され、一部実用化されている。
【０００５】
上記のようなパルス式流量制御バルブに用いる圧電素子は、圧電セラミックと内部電極または外部電極を形成する金属とを積層し一体化した圧電積層セラミックが用いられ、電圧印加による伸びが大きいなどの理由で、鉛、ジルコニウム、チタンの複合酸化物を主成分とするいわゆるＰＺＴ系の材料が用いられることが多い。
【０００６】
なお、圧電素子を用いてパルス式流量制御バルブを開閉制御する技術は例えば特許文献１に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−８７８２２号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、従来の圧電素子は前記のように鉛を含むＰＺＴ系の圧電素子を用いていたため、近年は環境問題がクローズアップされることによってこの材料の廃棄処理にも考慮することが必要が生じている。そのため、鉛を含有しない実用的な圧電特性を有する材料の出現が強く望まれている。そこで、Ｂｉ、Ｔｉを主成分とするＢＴ系の圧電素子が検討され、更にＳｒ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５の組成からなる焼結体を用いたＳＣＮＮ系の圧電素子が検討されている。
【０００９】
このような種々の非鉛系の圧電素子が提案されているが、前記のような例えばディーゼルエンジンの燃料噴射弁のように、高温になる環境で使用され、極めて高速で且つ応答性良く開閉作動を行い、長期間安定して使用できる非鉛系の圧電素子はどのようなものが適切であるのか、その研究開発が行われているが、未だその結論が得られていない。
また、適切な素材からなる圧電素子が得られた場合においても、その圧電素子を用いて実際に所定のパルスにより所定の作動を行うことができる流量制御バルブの開発が望まれており、更に適切な流量制御バルブが開発された場合においても、正確に作動させることができる制御手段の開発も必要となる。
【００１０】
したがって本発明は、高温環境下でも安定して作動を行う素材からなる圧電素子を用い、少ない駆動電流で確実に作動するパルス式流量制御弁を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記課題を解決するため、種々の組成からなる非鉛系の圧電素子についてその特性を明らかにする実験を重ねた結果、ＳＣＮＮ系圧電素子が前記課題に合致する圧電素子であることを見出し、この圧電素子からなるアクチュエータによって作動するパルス式流量制御弁を開発したものである。
【００１２】
本発明のパルス式流量制御バルブは、ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータと、このアクチュエータにより往復動するピストンと、このピストンの往復動により開口を開閉作動するニードル弁と、前記アクチュエータに駆動電圧をパルス的に印加し解放する制御手段とを備え、前記制御手段から前記アクチュエータへのパルス電圧の印加時に前記ピストンを押し出して、流体を介しニードル弁を開口の開放または閉鎖方向に作動し、前記制御手段から前記アクチュエータへの前記パルス電圧の解放時に流体圧により前記ピストンを押し戻し、ニードル弁を閉鎖または開放方向に作動するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明に係る他のパルス式流量制御バルブは、前記ＳＣＮＮ系圧電素子を、Ｓｒ_２−ｘＣａ_ｘＮａＮｂ_５Ｏ_１５（０．０５＜ｘ＜０．２５）の組成としたものであり、また、前記制御手段は、前記開口から流出する流体の流量を検出するセンサからの信号によりアクチュエータの作動をフィードバック制御するようにしたものであり、また、前記バルブをディーゼルエンジン用燃料噴射弁に用いたものである
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は上記のように、非鉛系の圧電素子として知られている特にＢｉ、Ｔｉを主成分とする焼結体を用いたＢＴ系圧電素子を用いたアクチュエータと、例えばＳｒ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５等の一般式Ｓｒ_２−ｘＣａ_ｘＮａＮｂ_５Ｏ_１５の組成からなる焼結体を用いた圧電素子（以下「ＳＣＮＮ系圧電素子」という）を用いたアクチュエータと、従来から用いられているＰＺＴ系圧電素子を用いたアクチュエータと比較しつつ検討を行った。前記ＳＣＮＮ系圧電素子については、そのｘの値を例えば（０．０１＜ｘ＜０．５）等のものを用いることが可能であるが、特に（０．０５＜ｘ＜０．２５）の組成からなる焼結体が好ましいことが実験によって得られたため、このＳＣＮＮ系圧電素子について、各種材料からなる圧電素子と比較検討を行った。
【００１５】
最初各圧電素子の温度特性について実験を行った結果、図１に示すような温度に対する比誘電率特性が得られた。このグラフからキューリー温度を読み取るとＳＣＮＮ系圧電素子は３３２℃、ＢＴ系圧電素子は２０４℃、ＰＺＴ系圧電素子は２４８℃であり、また、室温〜キューリ温度点までの曲線からＳＣＮＮ系圧電素子は室温〜２００℃間において温度依存性がみられない。このことからＳＣＮＮ系圧電素子は、他材料系の圧電素子と比較して高温域まで安定して使用できる材料系であり、その点ＢＴ系圧電素子は高温時には不安定となることがわかる。
【００１６】
上記のように、高温時にその作動が不安定となるＢＴ系圧電素子に対して、高温時に安定して作動するＳＣＮＮ系の圧電素子は、これを積層して形成するアクチュエータとして用いた場合において、例えばディーゼルエンジンの燃料噴射弁のように高速で作動し、且つ特に応答性を必要とされるものに使用することが適しているか否かの検討を行い、更に従来のＰＺＴ系圧電素子と比較して使用に耐えうる性能を備えているか否かについて検討を行った。以下その実験結果について説明する。
【００１７】
この実験に用いたＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータは表１に示すとおりであり、０．４ｍｍの厚さの素子を８３枚積層したアクチュエータを用いた。また、これと比較を行うＢＴ系圧電素子を用いたアクチュエータ、及び従来から使用されているＰＺＴ系圧電素子を用いたアクチュエータについても、それらの材料特性を表１に示している。
【表１】材料特性

【００１８】
また、上記のような圧電素子の特性を調べるため、表２に示すような条件で実験を行った。即ち、静的特性である電圧変位特性を調べるため、印加電圧は０〜８００Ｖの三角波を印可し、印加荷重は０〜４００ｋｇｆで変化させた。また、動特性である応答性を調べるため、印加電圧は０〜５００Ｖの矩形波を印加し、印加荷重は２００ｋｇｆとした。
【表２】実験条件

【００１９】
上記実験の結果、ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータについては表３に示すとおりであり、これと比較されるＢＴ系圧電素子を用いたアクチュエータについては表４に示すとおりであり、また、従来のＰＺＴ系アクチュエータについては表５に示すとおりである。
【表３】

【表４】

【表５】

【００２０】
また、印加電圧５００Ｖ、プリロード２００ｋｇｆにおける立ち上がり応答性について、上記各種の圧電素子を用いたアクチュエータの特性を調べた結果を表６に示す。
【表６】

【００２１】
上記実験結果から、ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータは、荷重に対する変位量については他材料系と比較して安定しており、アクチュエータに加わる荷重が大きく変動しても一定の変位量を得ることができることがわかった。また、応答性については他の材料系とほぼ同等であるが、比誘電率が小さい分アクチュエータ駆動用ドライバ（電源）の電流容量を抑えることができるので、ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータの優位性がわかった。
【００２２】
このように他の材料系の圧電素子を用いたアクチュエータと比較して高温時の安定性が良く、作動特性も充分なＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータについて、静的特性及び動的特性を調べるために実験を行った結果を図２及び図３に示す。図２から明らかなように、このＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータは３００Ｖで変位量は１．７５μｍを得ることができた。また、図３から明らかなように、発生変位は印加電圧の挙動に対応し基準波形に対しての応答性は、０．１３ｍｓであり、いずれも充分な高速応答性を備えていることがわかる。
【００２３】
上記のように、ＳＣＮＮ系圧電素子を積層して形成したアクチュエータを用い、パルス式流量制御バルブを実際に作成した例を図４に示す。同図に示すパルス式流量制御バルブにおいては、バルブブロック１１内に固定したニードルホルダー１２内にニードル弁１３を後述するように図中左右に移動自在に支持しており、バルブブロック１１の先端部にはノズルカバー１４との間にノズル１５を挟持し、ニードル弁１３の先端がノズル１５の開口１６に対して離接可能となっている。
【００２４】
ニードル弁１３の図中右側には拡径端部１７を形成しており、この拡径端部１７の外周をニードルホルダー１２によって摺動自在に支持するとともに、ニードル弁の図中左側端部外周をニードルホルダー１２の内周に固定したスペーサ２９により摺動自在に支持し、それによりニードル弁１３を図中左右に移動可能に支持している。ニードル弁１３の拡径端部１７内には、スプリングガイド１８の端部に形成したスプリング受部１９を支持している。スプリングガイド１８によってガイドされるスプリング２０は、前記スプリング受部１９とピストンガイド２１との間に縮設している。
【００２５】
ピストンガイド２１の図中右側端部にはシリンダ２２を形成しており、このシリンダ２２内にピストン２３を図中左右に摺動自在に嵌合している。ピストンガイド２１は図中右側端部外周に形成したフランジ２４を、バルブブロック１１の外周にアクチュエータカバー２５をねじ２６で螺合することによりに、バルブブロック１１とアクチュエータカバー２５間に挟持することにより固定している。アクチュエータカバー２７内にはアクチュエータ２５を収納しており、アクチュエータ２５の先端の作動部２８とピストン２３との間にはスペーサ２９を介してピストン２３を操作可能としている。
【００２６】
バルブブロック１１の側部には流体導入口３０を形成しており、この流体導入口３０に連通する導入孔３１はニードルホルダー１２の外周から連通開口３２を介してニードルホルダー１２の内周とニードル弁１３間に形成される流体導入室３３に連通し、それにより、流体導入孔３０からの流体を流体室３３に導入可能としている。一方、ニードル弁１３の図中右側端部におけるスプリング２０を収容する差圧室３４には流体を密封しており、後述するようにピストン２３が左右に移動するとき、差圧室３４内の流体の圧縮と膨張により圧力が変化し、流体室３３の流体圧との差圧によってニードル弁１３を図中左右に移動可能としている。
【００２７】
概略上記のような構成からなる流量制御バルブにおいて、アクチュエータ２５に外部から電圧を印加すると、内部に例えば８３個等の多数集積した圧電素子が伸長し、圧電素子の作動部２８が図中左方向に移動することにより、スペーサ２９を介してピストン２３が左方向に移動する。ピストン２３の直径は差圧室３４の直径より充分大きいので、ピストン２３のわずかの移動でも差圧室３４内の流体を介してニードル弁１３はその移動が増幅され、ニードル弁３の先端がノズル１５の開口１６に押しつけられ、開口１６は閉鎖されて図４に示す状態となる。
【００２８】
この状態から、アクチュエータ２７の印加電圧をパルス的に解放し、圧電素子の電荷を外部に放出すると、アクチュエータ内部の圧電素子は収縮し圧電素子の作動部２８が図中右方向に移動する。それに伴い、常時高圧の流体圧が作用している流体室３３の圧力によりニードル弁１３が図中右方向に付勢されているので、その力によって差圧室３４の流体を介してピストン２３が図中右方向に付勢され、戻しバネ等の力を付与することなしに、作動部２８の図中右方向への移動に追従してピストン２３を移動することができる。
【００２９】
その結果、圧電素子の作動部２８の図中右方向への移動によりニードル弁１３が流体室３３の圧力によって図中右方向に移動し、ニードル部１３の先端はノズル１５の開口１６から離れる方向に移動するため、開口１６は解放して流体室３３の流体は開口１６から外部に噴射される。その後パルス的な印加電圧の解放が終了し、その後再びアクチュエータ２７に電圧が印可されるとき、前記作動と同様にニードル弁１３を図中左方向に移動し、開口１６を閉鎖して流体の噴出を停止する。
【００３０】
このようにアクチュエータ２７に対して印可している電圧をパルス的に解放することにより、流体導入孔３０から導入した高圧流体を開口１６からパルス的に供給することができ、単位時間あたりのパルス印加回数、パルス印加時間の制御等によって任意の流量制御を行うことができる。特に、このパルス式流量制御バルブにおいては、アクチュエータ２７内の圧電素子の収縮にピストン２３を追従させるに際して、戻しバネを用いることなしに流体圧のみによって追従させ、バルブを作動させることができるようにしている。
【００３１】
上記のような構造のパルス式流量制御バルブは、例えば図５（ａ）に示す機能ブロック図からなる制御方式によりフィードバック制御を行うことができる。即ち、図示実施例においてはガスの流量制御を行う例を示しており、パルス式流量制御弁４１にガス４２が供給され、制御弁駆動ドライバ４３によってパルス式流量制御弁４１が前記のようにパルス的に作動し、開口からガスを噴射する。ここから噴射されるガスの流量を各種のセンサー４４により検出し、その信号をフィードバック制御装置４５に出力する。フィードバック制御装置４３では、入力したセンサー４４の信号と設定値とを比較し、その誤差を修正するように制御弁駆動ドライバ４３の駆動制御を行い、それによりパルス式流量制御弁４１は予め設定された流量のガスを供給することができる。
【００３２】
上記構成から成り、上記のように作動するパルス式流量制御弁によって、図５（ｂ）に示す表のように、従来の電磁弁を用いたパルス式流量制御バルブによって気体の流量を制御する際には、駆動速度は１ｍｓｅｃ以上であり、気体圧力は０〜５ＭＰａ程度であるのに対して、前記構成からなる圧電素子を用いたパルス式流量制御バルブにおいては、駆動速度は０．５ｍｓｅｃ以下で作動し、作動可能な気体圧力は０〜２０ＭＰａが可能となる。
【００３３】
本発明によるＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータにより作動するパル式流量制御バルブは、気体、液体等の各種流体の流量制御に用いることができ、例えばディーゼルエンジンの燃料噴射弁のように、バルブから流体を噴霧する部分に用いることもできる。また前記実施例においては、アクチュエータに対してパルス電圧を印可することによりピストンを作動してニードル弁を開口の閉鎖方向に付勢する例を示したが、それとは逆にニードル弁を開口の開放方向に付勢するように構成することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によるパルス式流量制御バルブは上記のようにＳＣＮＮ系圧電素子からなるアクチュエータを用いたので、アクチュエータに加わる荷重が大きく変動しても一定の変位量を得ることができ、また高温環境下で安定して作動させることができる。また、ＳＣＮＮ系圧電素子は比誘電率が小さい分アクチュエータ駆動用ドライバの電流容量を抑えることができ、小型の電源でも駆動することができる。また、アクチュエータの作動にピストンを追従させるに際して戻しバネを使用することなく流体の圧力のみによって追従させることができるので、アクチュエータの作動時にピストンを押すに際して大きな力を必要とせず、ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータに適する流量制御弁構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種組成の圧電素子における比誘電率特性を表すグラフである。
【図２】ＳＣＮＮ圧電素子利用アクチュエータの静的特性を表すグラフである。
【図３】ＳＣＮＮ圧電素子利用アクチュエータの動的特性を表すグラフである。
【図４】ＳＣＮＮ圧電素子利用アクチュエータを用いたパルス式流量制御バルブの断面図である。
【図５】（ａ）は前記パルス式流量制御バルブを作動する制御方式を示すブロック図であり、（ｂ）は電磁弁式と圧電式のパルス式流量制御バルブの目標値を示す表である。
【符号の説明】
１１バルブブロック
１２ニードルホルダー
１３ニードル弁
１４ノズルカバー
１５ノズル
１６開口
１７拡径部
１８スプリングガイド
１９スプリング受部
２０スプリング
２１ピストンガイド
２２シリンダ
２３ピストン
２４フランジ
２５アクチュエータカバー
２６ねじ
２７アクチュエータ
２８作動部
２９スペーサ
３０流体導入口
３１導入孔
３２連通開口
３３流体室

Claims

ＳＣＮＮ系圧電素子を用いたアクチュエータと、
前記アクチュエータにより往復動するピストンと、
前記ピストンの往復動により開口を開閉作動するニードル弁と、
前記アクチュエータに駆動電圧をパルス的に印加し解放する制御手段とを備え、
前記制御手段から前記アクチュエータへのパルス電圧の印加時に前記ピストンを押し出して、流体を介しニードル弁を開口の開放または閉鎖方向に作動し、
前記制御手段から前記アクチュエータへの前記パルス電圧の解放時に流体圧により前記ピストンを押し戻し、ニードル弁を閉鎖または開放方向に作動することを特徴とするパルス式流量制御バルブ。
前記ＳＣＮＮ系圧電素子は、Ｓｒ_２−ｘＣａ_ｘＮａＮｂ_５Ｏ_１５（０．０５＜ｘ＜０．２５）の組成からなることを特徴とする請求項１記載のパルス式流量制御バルブ。
前記制御手段は、前記開口から流出する流体の流量を検出するセンサからの信号によりアクチュエータの作動をフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載のパルス式流量制御バルブ。
前記バルブをディーゼルエンジン用燃料噴射弁に用いたことを特徴とする請求項１記載のパルス式流量制御バルブ。