JP3139164B2 - 圧電型圧力制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力を電気的に制御する
圧力制御弁に関するものであり、特に、その応答速度を
速める技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記圧力制御弁は従来、実開平２−７６
５６８号公報にも記載されているように、ソレノイドが
駆動源とされて弁子が作動させられるソレノイド型とさ
れており、ソレノイドに供給される電流の量を制御する
ことによって弁子の作動状態すなわち圧力が制御される
ようになっていた。

【０００３】しかし、このソレノイド型圧力制御弁にお
いては、ソレノイドに供給される電流の量を変化させる
際にソレノイドの自己インダクタンスにより電流が素早
く変化することが妨げられるため、ソレノイドに発生す
る磁気力の変化を高速化して弁子の作動すなわち圧力の
変化を高速化するには限界があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】圧力変化の応答性を向
上させるために、ソレノイドより応答性が良好な圧電素
子を駆動源に選ぶ対策が考えられ、また、この対策を実
施するに際し、圧電素子と弁子とを一体的に連携させて
弁子を圧電素子と一体的に作動させる態様が考えられ
る。しかし、圧電素子はその変位量を増加させることが
困難であるため、その態様では、圧力制御のために必要
な弁子の作動量を実現することが困難であるという問題
がある。

【０００５】このような事情に鑑み、本発明は、圧電素
子が最伸長状態となった直後に弁子のフリーフライトを
利用して圧電素子の変位量を実質的に拡大することによ
り圧電素子を駆動源とすることを可能にすることを課題
としてなされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、圧電素子を駆動源とする圧電型圧力制御弁
を、(a) 高圧ポートおよび低圧ポートとそれらが接続さ
れた円柱状の空間とを有するハウジングと、(b) そのハ
ウジング内に実質的に気密かつ摺動可能に嵌合されたピ
ストンであって、前記空間をピストンの前方に位置する
とともに前記高圧ポートと常時連通する第１室とピスト
ンの後方に位置する第２室とに仕切るものと、(c) その
ピストン内に形成された連通路であって、一端が第１室
に接続され、他端が前記低圧ポートと常時連通するもの
と、(d) 前記第２室内に前記ピストンに係合可能な状態
で収容された圧電素子であって、最収縮状態となること
によって前記ピストンを後退端位置に位置させ、最伸長
状態となることによってピストンを前進端位置に位置さ
せるものと、(e) 前記ピストンに前向きでかつ前記連通
路に連通する状態で形成された弁座、およびそれに着座
して連通路を遮断する弁子を有する逆止弁であって、ピ
ストンが後退端位置にある状態では、弁子が弁座に着座
して高圧ポートから低圧ポートに向かう向きの圧力の伝
達を阻止するが、ピストンが前進端位置に達した直後に
は一時的に、弁子が自身の運動エネルギにより前後の圧
力差に抗して弁座から離間して高圧ポートから低圧ポー
トへ向かう向きの圧力の伝達を許容するものとを含むも
のとしたことを特徴とする。

【０００７】なお、本発明に係る圧電型圧力制御弁を用
いてピストン，圧電素子および逆止弁に予定の作用を行
わせるためには、圧電素子に次のようなコントローラが
接続される。それは、高圧ポートと低圧ポートとのいず
れかを制御圧ポートとしてその制御圧ポート内の圧力を
制御するコントローラであって、常には、圧電素子の電
圧を０とし、圧電素子を最収縮状態として前記逆止弁に
より高圧ポートを低圧ポートから遮断するが、制御圧ポ
ート内の圧力を変化させる必要がある場合には、圧電素
子にパルス状の電圧を印加し、圧電素子が最伸長状態と
なった後に前記弁子が自身の運動エネルギにより前記弁
座から一時的に離間する運動を利用して、高圧ポートを
一時的に低圧ポートに連通させるものである。

【０００８】

【作用】前述のように、圧電素子と弁子とを一体的に連
携させて圧電素子の伸長・収縮量と同じ量だけ弁子を作
動させる場合には、弁子の作動量が不足する。これに対
し、圧電素子と弁子とを、弁子の圧電素子への接近は阻
止されるが前方への離間は許容する状態で互いに連携さ
せ、弁子の圧電素子からの離間は圧電素子により付与さ
れた弁子自身の運動エネルギにより実現し、その離間状
態から接近状態への移行は、前後の圧力差により（逆止
弁が、弁子を弁座に着座させる付勢手段を有するもので
ある場合には、それの付勢力と前後の圧力差により）実
現することができ、この場合には、弁子の作動が圧電素
子の変位に拘束されず、弁子の作動量を圧電素子の変位
量より容易に増加させ得る。

【０００９】このような知見に基づき、本発明に係る圧
電型圧力制御弁においては、ハウジング内において逆止
弁，ピストンおよび圧電素子が直列に配置されている。
圧電素子は、最収縮状態となることによってピストンを
後退端位置に位置させ、最伸長状態となることによって
ピストンを前進端位置に位置させる。逆止弁は、ピスト
ンが後退端位置にある状態では、弁子が弁座に着座して
高圧ポートから低圧ポートに向かう向きの圧力の伝達を
阻止するが、ピストンが前進端位置に達した直後には一
時的に、弁子が自身の運動エネルギにより前後の圧力差
（または、前後の圧力差と付勢手段の付勢力）に抗して
弁座から離間して高圧ポートから低圧ポートへ向かう向
きの圧力の伝達を許容する。

【００１０】したがって、この圧電型圧力制御弁は、高
圧ポートが制御圧ポートとされた場合には、圧電素子が
最伸長状態とされれば制御圧ポートである高圧ポート内
の流体が逆止弁を経て低圧ポートに流出して制御圧ポー
ト内の圧力を減少させる減圧弁として機能し、一方、低
圧ポートが制御圧ポートとされた場合には、圧電素子が
最伸長状態とされれば高圧ポート内の流体が逆止弁を経
て制御圧ポートである低圧ポートに流入して制御圧ポー
ト内の圧力を増加させる増圧弁として機能することにな
る。

【００１１】

【発明の効果】このように、本発明によれば、圧電素子
の欠点である変位量拡大の困難性が解消されるため、圧
電素子を駆動源とすることが可能となり、圧電素子を採
用した場合の利点である制御応答の高速性が享受される
という効果が得られる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例である圧電型圧力制
御弁を備えた圧力制御システムを図面に基づいて詳細に
説明する。

【００１３】この圧力制御システムは、図１に示すよう
に、液体を圧力媒体とする圧力制御対象１０の液圧を増
圧・減圧させるものであって、増圧用の圧電型圧力制御
弁である増圧弁２０と減圧用の圧電型圧力制御弁である
減圧弁２２とを備えている。増圧弁２０は、アキュムレ
ータ３２と圧力制御対象１０との間に接続され、一方、
減圧弁２２は、圧力制御対象１０とリザーバ４６との間
に接続されている。リザーバ４６とアキュムレータ３２
との間にはポンプ５０が接続されている。ポンプ５０は
図示しないモータによって駆動され、そのモータが図示
しない制御回路により制御されることにより、アキュム
レータ３２の圧力が常に一定範囲に保たれるようになっ
ている。また、増圧弁２０および減圧弁２２にはコント
ローラ６０が接続されている。

【００１４】次に増圧弁２０および減圧弁２２の構成を
詳細に説明するが、両者の構成は共通であるため、減圧
弁２２の構成を図１ならびに図２の(a) ，(b) および
(c) に基づいて代表的に説明し、増圧弁２０については
説明を省略する。

【００１５】減圧弁２２は図１に示すように、ハウジン
グ７０を備えている。ハウジング７０には高圧ポート７
２と低圧ポート７４とが形成されている。なお、減圧弁
２２は、高圧ポート７２において圧力制御対象１０に、
低圧ポート７４においてリザーバ４６にそれぞれ接続さ
れているのに対し、増圧弁２０は、高圧ポート７２にお
いてアキュムレータ３２に、低圧ポート７４において圧
力制御対象１０にそれぞれ接続されている。

【００１６】ハウジング７０内には段付円柱状の穴７６
が形成されている。この穴７６は小径穴７８，中径穴８
０および大径穴８２がそれらの順に一列に並んだもので
ある。中径穴８０にはピストン８４が実質的に気密かつ
摺動可能に嵌合されている。これにより、穴７６内の空
間がピストン８４の前方（図において上方）に位置する
第１室８６とピストン８４の後方（図において下方）に
位置する第２室８８とに仕切られている。

【００１７】ピストン８４には連通路９０が形成されて
いて、その一端はピストン８４の上端面に開口し、他端
は低圧ポート７４に常時連通させられている。ピストン
８４が後述の後退端位置と前進端位置との間のいずれの
位置に位置する場合でも、連通路９０の他端は低圧ポー
ト７４に連通させられるのである。

【００１８】ピストン８４の上端面には、連通路９０の
一端に連通する弁座９２が形成されている。この弁座９
２は前方を向いている。そして、この弁座９２とハウジ
ング７０の一方の底壁９４との間に弁子としてのボール
９６と付勢手段としてのばね９８とがそれらの順に配置
され、これら弁座９２，ボール９６およびばね９８によ
り逆止弁１００が構成されている。

【００１９】前記第２室８８内にはそれの軸方向におい
て複数枚の圧電素子１１０が積層されて収容されてい
る。圧電素子１１０はその上端面においてピストン８４
の後端面に固着させられており、圧電素子１１０の上端
とピストン８４とは常に一体的に運動するようになって
いる。したがって、圧電素子１１０の電圧が０とされて
それが最収縮状態にあるときには、ピストン８４を図示
の後退端位置に位置させる。これに対して、圧電素子１
１０に電圧が印加され、図２の(b) に示すように、圧電
素子１１０が最伸長状態となれば、ピストン８４を前進
端位置まで移動させる。

【００２０】圧電素子１１０に接続されたコントローラ
６０は、常には、圧電素子１１０に電圧を印加せず、図
１および図２の(a) に示すように、圧電素子１１０を最
収縮状態とし、ピストン８４を後退端位置に保つ。その
ため、逆止弁１００においては、ボール９６が弁座９２
に着座し、高圧ポート７２から低圧ポート７４へ向かう
向きの作動液の流れが阻止され、その結果、高圧ポート
７２に接続された圧力制御対象１０内の液圧が保持され
る。

【００２１】これに対し、圧力制御対象１０内の液圧を
減少させる必要がある場合には、コントローラ６０は、
圧電素子１１０にパルス電圧を印加する。これにより、
圧電素子１１０は、図２の(b) に示すように、最収縮状
態から素早く伸長して最伸長状態に達し、これに伴い、
ピストン８４もボール９６も後退端位置から前進端位置
に素早く移動する。圧電素子１１０が最伸長状態に達し
た直後においては、ピストン８４は圧電素子１１０に固
着されているため、直ちに前進端位置に停止させられる
のに対し、ボール９６は単にピストン８４の先端面と当
接させられているのにすぎないため、同図の(c) に示す
ように、自身の運動エネルギによりさらに前方に運動す
る。ボール９６は前後の圧力差とばね９８の弾性力に抗
しつつフリーフライトを行うのであり、その結果、弁座
９２から離間し、高圧ポート７２から低圧ポート７４に
向かう向きの作動液の流れが許容されて、圧力制御対象
１０内の液圧が減圧されることになる。

【００２２】ボール９６の、圧電素子１１０により付与
された運動エネルギは前進するにつれて減少し、その代
わりにばね９８の弾性エネルギが増加する。その結果、
ボール９６はやがて停止させられ、その後、ばね９８に
よりピストン８４の側に押し戻され、やがて弁座９２に
着座するに至る。同図の(a) に示す非作用状態に復帰さ
せられるのである。

【００２３】このように、圧電素子１１０に１個のパル
ス電圧が印加された場合には、ボール９６が弁座９２か
ら一時的に離間して高圧ポート７２を低圧ポート７４に
一時的に連通させ、これにより圧力制御対象１０内の液
圧を減圧するのである。

【００２４】以上の説明から明らかなように、本実施例
においては、圧電素子１１０が駆動源とされているた
め、圧力制御対象１０内の液圧を高い応答性で制御する
ことができるという効果が得られる。

【００２５】また、本実施例においては、ボール９６の
フリーフライトを利用して圧電素子１１０の変位量が実
質的に拡大されるため、逆止弁１００の作動すなわち圧
力制御を支障なく行うことができるという効果も得られ
る。

【００２６】また、圧電素子１１０が発生する力の単位
体積当たりの割合はソレノイドの場合より大きいため、
圧力制御弁を容易に小形化し得るという効果も得られ
る。

【００２７】また、圧電素子１１０はそれが受ける圧力
の高さに応じた電圧を発生する性質もあるため、非制御
状態において、圧電素子１１０に発生した電圧から液圧
を検出することも可能となる。

【００２８】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、この他の態様で本発明を実施するこ
とが可能である。

【００２９】例えば、上記実施例においては、ピストン
８４と圧電素子１１０とが固着により連携させられてい
たが、単なる当接により連携させることが可能である。
ただし、この場合には、圧電素子１１０が最伸長状態に
達したときにピストン８４の前進を停止させる対策が必
要であり、その一例としては、例えば、図３の(a) ，
(b) および(c) に示すように、前記小径穴７８と中径穴
８０との間の肩面をストッパ手段１２０とする対策が考
えられる。

【００３０】また、前記実施例においては、逆止弁１０
０のばね９８の前端がハウジング７０の底壁９４に支持
されていたが、ピストン８４内に逆止弁１００を配設
し、それのばね９８の前端をピストン８４自体に支持さ
せることが可能である。

【００３１】これらの他にも特許請求の範囲を逸脱する
ことなく、当業者の知識に基づいて種々の変形，改良を
施した態様で本発明を実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である圧電型圧力制御弁を示
す正面断面図であるとともに、その圧電型圧力制御弁を
備えた圧力制御システムを示すシステム図である。

【図２】図１における減圧弁の作動状態を時間の経過に
つれて示す正面断面図である。

【図３】本発明の別の実施例である圧電型圧力制御弁の
作動状態を時間の経過につれて示す正面断面図である。

【符号の説明】

２０ 増圧弁 ２２ 減圧弁 ７０ ハウジング ７２ 高圧ポート ７４ 低圧ポート ８４ ピストン ８６ 第１室 ８８ 第２室 ９０ 連通路 ９２ 弁座 ９６ ボール １００ 逆止弁 １１０ 圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 16/00 - 16/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧ポートおよび低圧ポートとそれらが
   接続された円柱状の空間とを有するハウジングと、 そのハウジング内に実質的に気密かつ摺動可能に嵌合さ
   れたピストンであって、前記空間をピストンの前方に位
   置するとともに前記高圧ポートと常時連通する第１室と
   ピストンの後方に位置する第２室とに仕切るものと、 そのピストン内に形成された連通路であって、一端が前
   記第１室に接続され、他端が前記低圧ポートと常時連通
   するものと、 前記第２室内に前記ピストンに係合可能な状態で収容さ
   れた圧電素子であって、第２室の軸方向において最収縮
   状態となることによってピストンを後退端位置に位置さ
   せ、最伸長状態となることによってピストンを前進端位
   置に位置させるものと、 前記ピストンに前向きでかつ前記連通路に連通する状態
   で形成された弁座、およびそれに着座して連通路を遮断
   する弁子を有する逆止弁であって、ピストンが後退端位
   置にある状態では、弁子が弁座に着座して前記高圧ポー
   トから前記低圧ポートへ向かう向きの圧力の伝達を阻止
   するが、ピストンが前進端位置に達した直後には一時的
   に、弁子が自身の運動エネルギにより前後の圧力差に抗
   して弁座から離間して高圧ポートから低圧ポートへ向か
   う向きの圧力の伝達を許容するものとを含むことを特徴
   とする圧電型圧力制御弁。