JP2664556B2

JP2664556B2 - 切換弁

Info

Publication number: JP2664556B2
Application number: JP3143568A
Authority: JP
Inventors: 緑西垣
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1991-06-14
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPH04370481A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気制御によって流体の
流れの方向を切り換えるための切換弁に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の切換弁が実公平２−２１６６５
号公報、実公平２−２５０２０号公報及び実公平２−４
７８２２号公報に開示されている。実公平２−２１６６
５号公報の開閉弁は入力ポート、出力ポート及び排気ポ
ートの３つの外部ポートを備えており、出力ポートがケ
ーシングの内部空間に連通されると共に、入力ポート及
び排気ポートが内部空間にて対向配置された一対の内部
流通口に接続されている。ケーシングには各流通口を開
閉するためにバイモルフ型圧電素子板の固定端が片持ち
支持されており、その自由端は両流通口間にて揺動可能
に配置されている。バイモルフ型圧電素子板に通電操作
を行うことで圧電素子板が何れかの流通口を閉塞するよ
うに揺動変位し、これにより入力ポートと出力のポート
との間の連通、或いは出力ポートと排気ポートとの間の
連通が速やかに切り換えられる。

【０００３】実公平２−２５０２０号公報の従来装置で
は一対の圧電素子板が使用されており、非通電状態では
各圧電素子板が各流通口を閉塞するようになっている。
実公平２−４７８２２号公報の従来装置はＣＯＭポー
ト、ＮＯポート及びＮＣポートの３つの外部ポートを備
えており、ＣＯＭポートがケーシングの内部空間に連通
されると共に、ＮＯポート及びＮＣポートが内部空間に
て対向配置された一対の内部流通口に接続されている。
内部空間内には一対のシール材及び小スプリングを備え
る鉄製プランジャがスライド可能に収容されており、プ
ランジャはその外周に配置された大スプリングにより通
常はＮＣポート側に付勢されている。プランジャを包囲
するソレノイドコイルに通電を行うとプランジャは大ス
プリングの付勢力に抗して移動し、プランジャの移動に
伴いＮＣポートとＮＣポートシール材とが離間すると共
にＮＯポートとＮＯポートシール材とが当接する。この
プランジャの駆動変位制御によりＣＯＭポートとＮＯポ
ートとの連通、或いはＣＯＭポートとＮＣポートとの連
通が切り換えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、圧電素子板
の揺動変位により流通口を閉塞する実公平２−２１６６
５号公報の従来方法では、圧電バイモルフの変位形態か
らして流通口を完全にシールすることが困難であり、ま
た、圧電素子板の揺動による切換過程においては両方の
流通口が同時開放する状態が生じてしまう。このような
同時開放状態では全てのポートが連通することになり、
給排気制御性はよくない。流通口からは絶えず少量の流
体がリークし、結果として流体消費量の増大を招いてし
まう。

【０００５】実公平２−２５０２０号公報に開示される
切換弁では、内部流通口を閉塞するときの圧電素子板の
形状は湾曲のない直線状であり、流通口閉塞性はよい
が、一対の圧電素子板を内蔵するために装置全体が複雑
化してしまい、コストの高騰が避けられない。実公平２
−４７８２２号公報の従来装置では各流通口が平行移動
するシール材によりシールされるため流通口閉塞性に優
れるものの、ＮＣポートとＮＯポートとを同時に閉塞す
るような制御は困難である。即ち、通常プランジャはＮ
Ｃポート側に付勢されているため両ポートの同時閉塞状
態はプランジャの駆動変位過程における特定位置でしか
実現されない。そのため、給気または排気の何れか一方
の状態では通電維持しなければならない。

【０００６】本発明は上記の問題点に鑑みて成されたも
のであり、その目的は、無駄な電力消費及び流体消費を
極力低減することができ、かつ安定した流体制御性を達
成することが可能な切換弁を簡単な構造により提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、切換弁本体に第１ポート、第２ポート及び
第３ポートを形成するとともに、前記切換弁本体内部に
前記各ポートに連通する通路をそれぞれ開口させ、前記
切換弁本体内部に設けられた弁体を電気的駆動手段にて
変位させることにより、第１ポートが第２ポートに連通
しかつ第３ポートが他の両ポートに非連通となる第１連
通状態、又は第１ポートが第３ポートに連通しかつ第２
ポートが他の両ポートに非連通となる第２連通状態に選
択的に切換可能な切換弁において、前記第２ポートの通
路の開口部と第３ポートの通路の開口部とを前記切換弁
本体内で対向配置し、前記弁体を、前記両開口部間に配
置され、該両開口部を結ぶ方向に延びるとともに前記電
気的駆動手段によりその長手方向に変位する筒状体と、
前記筒状体の内部で該筒状体の長手方向に移動可能に設
けられ、前記第２ポート側の開口部を閉塞するための第
１のシール体及び第３ポート側の開口部を閉塞するため
の第２のシール体と、前記筒状体の長手方向両端部に設
けられ、該筒状体内にてその長手方向に移動する前記両
シール体の最大離間距離を前記両開口部間の間隔よりも
長い位置で規制する規制部と、前記筒状体内の前記両シ
ール体間に収容され、前記第１のシール体及び第２のシ
ール体を互いに離間する方向に付勢する付勢手段とから
構成することにより、前記弁体の第１連通状態と第２連
通状態との間の変位の過程では第１ポート、第２ポート
及び第３ポートが互いに非連通となる非連通状態を維持
させるとともに、前記電気的駆動手段の非通電時に前記
非連通状態となるようにした。

【０００８】

【作用】電気的駆動手段への通電により弁体が第１連通
状態或は第２連通状態に変位される。又、弁体の第１連
通状態と第２連通状態との間の変位の過程では各ポート
が互いに非連通となる非連通状態に維持される。従っ
て、弁体の何れの変位過程においても第２ポートと第３
ポートとが非連通となって第２ポートと第３ポートとの
間での流体の漏洩を常に抑止でき、良好な流体流制御及
び流体消費抑制が達成される。しかも、電気的駆動手段
の非通電時には前記非連通状態となるので、各ポート間
で流体の授受を行わない場合に無駄に電力消費すること
もない。更には、以上の作用をなすための弁体を、基本
的に筒状体、シール体及び付勢手段からなるユニット化
された構造とすることができるため、構造の簡略化を達
成し得る。

【０００９】

【実施例】以下に本発明を具体化した一実施例を図１〜
図７に基づき説明する。図１に示すように１は切換弁本
体としてのケーシングであり、ケーシング１の下側には
接続板３が接合固定されている。接続板３には、第１ポ
ートとしての第１の外部ポート４、第２ポートとしての
第２の外部ポート５、第３ポートとしての第３の外部ポ
ート６がそれぞれ形成されている。

【００１０】ケーシング１の下部には円筒形状の第１の
流通管９及び第２の流通管１０が螺合止着されており、
各流通管９，１０の先鋭端はケーシング１の内部空間２
に突出している。即ち、各流通管９，１０の内端口１
１，１２は内部空間２に開口しており、両内端口（以下
内部流通口という）１１，１２は内部空間２内で対向し
ている。各流通管９，１０の外端口は栓７，８によって
封止されている。

【００１１】第１の外部ポート４と内部空間２とは通路
１７を介して連通している。第２の外部ポート５と流通
管９の内部通路１３とは通路１５によって接続されてお
り、第３の外部ポート６と流通管１０の内部通路１４と
は通路１６によって接続されている。図１に示すよう
に、ケーシング１の上端に止着されれたキャップ１８に
は板状圧電素子１９が片持ち支持されており、その自由
端は両流通管９，１０の内部流通口１１，１２の対向間
隙近くまで垂下している。この板状圧電素子１９は、電
極板２０と、その両面に接合された一対の圧電素子板２
１ａ，２１ｂと、各圧電素子板２１ａ，２１ｂの外面に
接合された電極板２２ａ，２２ｂとによって構成される
バイモルフ型圧電素子である。一対の圧電素子板２１
ａ，２１ｂはそれらの厚み方向及びかつ同一向きに分極
しており、両圧電素子板２１ａ，２１ｂの厚み方向に対
し電圧を互いに逆方向に印加することにより、一方が伸
長しかつ他方が収縮するという特性を有している。電極
板２２ａ，２２ｂは同極であり、電極板２２ａ，２２ｂ
と電極板２０とは異極である。

【００１２】図１及び図２に示すように、板状圧電素子
１９の先端には筒状の弁体２６が止着されている。弁体
２６は筒状体２３、付勢手段としてのバネ２４及び一対
のシール体２５ａ，２５ｂで構成される。弁体２６は内
部流通口１１，１２の対向間隙に位置しており、規制部
としての筒状体２３の両端開口２３ａ，２３ｂは内部流
通口１１，１２に対向している。筒状体２３内には第１
のシール体２５ａ及び第２のシール体２５ｂがそれぞれ
スライド可能に収容されている。両シール体２５ａ，２
５ｂの間にはバネ２４が介在されており、このバネ２４
により両シール体２５ａ，２５ｂが互いに離間する方向
に付勢されている。

【００１３】図２〜図４に示すように、筒状体２３の内
部長ｄ₁は内部流通口１１，１２間の間隔ｄ₂よりもわ
ずかに長く設定されている。従って、板状圧電素子１９
に電圧印加が行われていない図１及び図２の状態では、
両内部流通口１１，１２はそれぞれシール体２５ａ，２
５ｂと接合状態にある。圧電素子板２１ａ，２１ｂに対
して電極板２０を正、電極板２２ａ，２２ｂを負とする
電圧の印加制御を行うと、板状圧電素子１９は右方向へ
湾曲変位し、筒状体２３が図３に示すように同方向に移
動する。この状態では第２の内部流通口１２と第２のシ
ール体２５ｂとの接合が維持され、第１の内部流通口１
１と第１のシール体２５ａとが離間する。図３は両者１
１，２５ａの最大離間状態（離間距離Ｌ₀）を表す。従
って、第２の外部ポート５と第１の外部ポート４とが連
通する。

【００１４】圧電素子板２１ａ，２１ｂに対して電極板
２０を負、電極板２２ａ，２２ｂを正とする電圧の印加
制御を行うと、板状圧電素子１９は左方向へ湾曲変位
し、筒状体２３が図４に示すように同方向に移動する。
この状態では第１の内部流通口１１と第１のシール体２
５ａとの接合が維持され、第２の内部流通口１２と第２
のシール体２５ｂとが離間する。図４は両者１２，２５
ｂの最大離間状態（離間距離Ｌ₀）を表す。従って、第
３の外部ポート６と第１の外部ポート４とが連通する。

【００１５】電圧印加がなされない図１及び図２の中立
状態では、板状圧電素子１９が何れの方向にも湾曲変位
することはなく、筒状体２３は両流通管９，１０の中間
に位置している。この中立状態ではバネ２４により付勢
されている各シール体２５ａ，２５ｂのシール作用によ
り両内部流通口１１，１２は共に完全に閉止され、内部
空間２を介した外部ポート４，５，６間の連通は生じな
い。

【００１６】弁体２６が図３に示す第１の連通状態と、
図４に示す第２の連通状態との間におけるどの駆動変位
位置にあったとしても両内部流通口１１，１２が同時に
開放することはなく、何れか一方の内部流通口１１，１
２は常に閉止状態が維持される。従って、両内部流通口
１１，１２の同時開放に起因する給排気制御の不完全性
及び流体浪費が解消される。

【００１７】弁体２６の駆動手段として１枚の板状圧電
素子１９を使用する本実施例の切換弁によれば、従来装
置のように所望の流通口閉塞性を得るために２枚の板状
圧電素子板を必要としない。従って、装置全体の複雑化
及びコストの増加を回避しつつ所望の流通口閉塞性を実
現することができる。また、この切換弁では板状圧電素
子１９に対して通電を行わなければ、弁体２６が両内部
流通口１１，１２を同時閉塞する。従って、例えばエア
シリンダの給気完了あるいはエアシリンダからの排気完
了の何れの状態においても電圧印加を停止すればシール
体２５ａ，２５ｂが両内部流通口１１，１２を閉塞し、
給気完了状態あるいは排気完了状態維持するために電圧
を印加する必要はない。故に、長時間電圧印加に起因す
る板状圧電素子１９の脱分極、永久歪みの発生を回避す
ることができ、板状圧電素子１９が延命する。

【００１８】図５はこの切換弁の通電制御特性を表すグ
ラフであり、Ｘ軸は圧電素子板２１ａ，２１ｂに対する
印加電圧、Ｙ軸のプラス側は第１のシール体２５ａと第
１の内部流通口１１との離間度（％）、Ｙ軸のマイナス
側は第２のシール体２５ｂと第２の内部流通口１２との
離間度（％）を示している。ここでいう離間度とは、電
圧印加時の弁体２６の移動距離、即ちシール体２５ａ，
２５ｂと内部流通口１１，１２との離間距離Ｌと、両者
の最大離間距離Ｌ₀との比Ｌ／Ｌ₀のことをいう。従っ
て、第１のシール体２５ａと第１の内部流通口１１とが
当接すると共に、及び第２のシール体２５ｂと第２の内
部流通口１２とが当接するＬ＝０の状態では離間度は０
％になる。また、第１のシール体２５ａと第１の内部流
通口１１とが最大離間するＬ＝Ｌ₀の状態では離間度１
００％になり、第２のシール体２５ｂと第２の内部流通
口１２とが最大に離間するＬ＝−Ｌ₀の状態では離間度
−１００％になる。

【００１９】図５のグラフに示すように、圧電素子板２
１ａ，２１ｂに対する印加電圧の増減に対して離間度も
ほぼ直線的に増減する。第１及び第２の連通状態におけ
る各外部ポート４，５，６間の流体流量はこの離間度の
大小に応じて決定されるものであるため、印加電圧によ
って所望の流体流量の調整ができる。図６は本実施例の
切換弁３５，３６を空気圧シリンダ３０の速度制御用に
用いた場合のブロック図である。エア供給源Ｐは両切換
弁３５，３６の外部ポート４に接続され、サイレンサＳ
₁，Ｓ₂は外部ポート６に接続されている。切換弁３５
の外部ポート５はピストン３２によって区画される一方
の給気室３３に接続され、切換弁３６の外部ポート５は
他方の給気室３４に接続されている。即ち、給気室３３
における給排気は切換弁３５によって制御され、給気室
３４における給排気は切換弁３６によって制御される。
ピストン３２がストローク端付近に達したときに両切換
弁３５，３６に対する電圧を低下すれば、切換弁３５に
おけるエア供給量及び切換弁３６におけるエア供給量が
低減する。従って、ピストン３２の移動速度が低下し、
ストローク端における衝撃が緩衝される。ピストン３２
を右動させる場合にも、同様の通電制御を行うことによ
ってストローク端における衝撃緩衝をすることができ
る。

【００２０】図７は本実施例の切換弁４０によって上記
のような速度制御を行う場合の別のブロック図である。
エア供給源Ｐとシリンダ３０との間には５ポート２位置
電磁切換弁４１が介在されており、図７に示す電磁切換
弁４１の消磁状態では給気室３３とエア供給源Ｐとが連
通し、排気室３４と外部ポート６とが連通する。電磁切
換弁４１の励磁状態では排気室３４とエア供給源Ｐとが
連通し、給気室３３と外部ポート４とが連通する。Ｓ₃
はサイレンサであり、外部ポート５に接続されている。

【００２１】電磁切換弁４１を消磁状態にし、かつ切換
弁４０を図３の連通状態にすればエアが給気室３３に供
給されると共に、給気室３４のエアが排気され、ピスト
ン３２が左動する。ピストン３２がストローク端付近に
達したときに切換弁４０に対する印加電圧を低下させれ
ば排気エア量が規制される。従って、ピストン３２の移
動速度が低下し、ストローク端における衝撃が緩衝され
る。

【００２２】図８は別の実施例を示すものである。５
１，５２は一対のノズルブロックであり、ノズルブロッ
ク５１，５２はスペーサ５３を介して対向配置されてい
る。ノズルブロック５１，５２の下側には接続板５４が
接合固定されており、接続板５４には外部ポートとして
の入力ポート５５、出力ポート５６及び排気ポート５７
がそれぞれ形成されている。対向する両ノズルブロック
５１，５２間には内部空間５８が設けられ、内部空間５
８は通路５９を介して入力ポート５５に接続されてい
る。両ノズルブロック５１，５２の対向面にはそれぞれ
第１の内部流通口６０及び第２の内部流通口６１が対向
形成されている。出力ポート５６と内部空間５８とは通
路６２及び内部流通口６０を介して接続され、排気ポー
ト５７と内部空間５８とは通路６３及び内部流通口６１
を介して接続される。

【００２３】内部空間５８内には筒状の弁体６７が左右
方向へスライド可能に収容されている。弁体６７は鉄製
の筒状体６４、第１のシール体６５ａ、第２のシール体
６５ｂ及びバネ６６によって構成される。両ノズルブロ
ック５１，５２の対向面上には一対のソレノイドコイル
６８ａ，６８ｂが内部流通口６０，６１及び筒状体６４
を包囲するように取付けられている。

【００２４】鉄製の筒状体６４は可動鉄心としての役割
を果たしており、一方のソレノイドコイル６８ａに電流
を通電すれば弁体６７が第２の内部流通口６０側に移動
し、第１のシール体６５ａと第１の内部流通口６０とが
離間する。他方のソレノイドコイル６８ｂに通電すれば
弁体６７が第１の内部流通口６０側に移動し、第２のシ
ール体６５ｂと第２の内部流通口６１とが離間する。

【００２５】図９はこの切換弁の通電制御特性を表すグ
ラフであり、Ｘ軸はソレノイドコイル６８ａ，６８ｂに
対する印加電流、Ｙ軸のプラス側は第１のシール体６５
ａと第１の内部流通口６０との離間度（％）、Ｙ軸のマ
イナス側は第２のシール体６５ｂと第２の内部流通口６
１との離間度（％）を示している。離間度はソレノイド
コイル６８ａ，６８ｂに対する印加電流の増減に対して
ほぼ直線的に増減する。従って、電圧制御による前記実
施例と同様に電流制御によっても各ポート５５，５６，
５７間の流体流制御を行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の切換弁によれば、無駄な電力消
費及び流体消費を極力低減することができ、かつ安定し
た流体流制御性を達成することができ、更には構造を簡
略化して組立作業の簡素化及びコスト低減を図ることも
可能となるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の切換弁の断面図である。

【図２】中立状態における切換弁の要部拡大断面図で
ある。

【図３】第１の連通状態における切換弁の要部拡大断
面図である。

【図４】第２の連通状態における切換弁の要部拡大断
面図である。

【図５】圧電素子に対する印加電圧と離間度（％）と
の関係を示すグラフである。

【図６】本実施例の切換弁を空気圧シリンダの速度制
御装置に用いた場合のブロック図である。

【図７】本実施例の切換弁を空気圧シリンダの速度制
御装置に用いた場合の別のブロック図である。

【図８】別の実施例における切換弁の断面図である。

【図９】ソレノイドコイルに対する通電電流と離間度
（％）との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ケーシング、２内部空間、４第１の外部ポー
ト、５第２の外部ポート、６第３の外部ポート、１
１（第１の）内部流通口、１２（第２の）内部流通
口、１９駆動手段としての板状圧電素子、２３収容
体としての筒状体、２４付勢手段としてのバネ、２５
ａ（第１の）シール体、２５ｂ（第２の）シール
体、２６弁体。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】切換弁本体（１）に第１ポート（４）、
第２ポート（５）及び第３ポート（６）を形成するとと
もに、前記切換弁本体（１）内部に前記各ポート（４，
５，６）に連通する通路（１３，１４，１７）をそれぞ
れ開口させ、前記切換弁本体（１）内部に設けられた弁
体（２６）を電気的駆動手段（１９）にて変位させるこ
とにより、第１ポート（４）が第２ポート（５）に連通
しかつ第３ポート（６）が他の両ポート（４，５）に非
連通となる第１連通状態、又は第１ポート（４）が第３
ポート（６）に連通しかつ第２ポート（５）が他の両ポ
ート（４，６）に非連通となる第２連通状態に選択的に
切換可能な切換弁において、前記第２ポート（５）の通路（１３）の開口部（１１）
と第３ポート（６）の通路（１４）の開口部（１２）と
を前記切換弁本体（１）内で対向配置し、前記弁体（２６）を、前記両開口部（１１，１２）間に配置され、該両開口部
（１１，１２）を結ぶ方向に延びるとともに前記電気的
駆動手段（１９）によりその長手方向に変位する筒状体
（２３）と、前記筒状体（２３）の内部で該筒状体（２３）の長手方
向に移動可能に設けられ、前記第２ポート（５）側の開
口部（１１）を閉塞するための第１のシール体（２５
ａ）及び第３ポート（６）側の開口部（１２）を閉塞す
るための第２のシール体（２５ｂ）と、前記筒状体（２３）の長手方向両端部に設けられ、該筒
状体（２３）内にてその長手方向に移動する前記両シー
ル体（２５ａ，２５ｂ）の最大離間距離を前記両開口部
（１１，１２）間の間隔よりも長い位置で規制する規制
部（２３ａ，２３ｂ）と、前記筒状体（２３）内の前記両シール体（２５ａ，２５
ｂ）間に収容され、前記第１のシール体（２５ａ）及び
第２のシール体（２５ｂ）を互いに離間する方向に付勢
する付勢手段（２４）とから構成することにより、前記
弁体（２６）の第１連通状態と第２連通状態との間の変
位の過程では第１ポート（４）、第２ポート（５）及び
第３ポート（６）が互いに非連通となる非連通状態を維
持させるとともに、前記電気的駆動手段（１９）の非通
電時に前記非連通状態となるようにした切換弁。