JP6315778B2 - パイロット圧調整装置、サーボ弁、および、アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、パイロット圧調整装置、サーボ弁、および、アクチュエータに関する。

油などの作動流体により駆動されるアクチュエータにおいては、緻密な動作が必要な場合にサーボ弁を用いることがある。このようなアクチュエータを駆動するためのサーボ弁は、大きな制御量、および、高応答性が要求されることが多い。そこで、大きな制御量、および、高い応答性を実現するために、圧電素子によって変位される可変絞りによってサーボ弁のパイロット圧を調整することが行われている。

特許文献１には、サーボ弁のスプール位置を決めるためのパイロット圧調整装置として、バイモルフ型圧電素子や、積層型圧電素子を用いて圧力調整絞りを作動させる技術が開示されている。
特許文献２には、積層された圧電素子と、圧電素子に支持される押圧部材と、圧電素子の積層方向に延びる孔を備えるノズルと、孔に連通され流体供給手段に接続されるチャンバとを備えるノズル装置が記載されている。この特許文献２のノズル装置によれば、ノズルと押圧部材との隙間を圧電的に調整することで、作動流体圧を調整することが可能となっている。

特許第５２３２７１４号公報 特開平６−１０９１５８号公報

ところで、上述したノズル装置は、押圧部材とノズルとの初期隙間の設定が重要となる。一般に、初期隙間が小さいと、作動流体の圧力変化に非線形性が生じたり、飽和特性が現れたりする。一方で、初期隙間が大きいと、流量ゲインが小さくなってしまう。
さらに、圧電素子による押圧部材のストローク量が非常に小さく、この押圧部材のストローク量と同様に隙間も非常に小さく設定される。そのため、初期隙間を正確に設定することが難しく、初期隙間の調整に熟練を要してしまう。また、初期隙間の調整に熟練を要することから調整作業に時間が掛かるという課題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、隙間調整を容易に行うことができ作業者の負担軽減を図ることができるパイロット圧調整装置、サーボ弁、および、アクチュエータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るパイロット圧調整装置は、圧電素子によって押圧部材を変位させる圧電ユニットと、前記押圧部材の変位方向における前記押圧部材の端部との間に作動流体が流れる隙間を形成するノズルと、前記ノズルをスライド可能に支持するケースと、前記押圧部材の変位方向に前記ノズルの位置を調整するノズル位置調整機構と、を備える。
このように構成することで、ノズル位置調整機構により押圧部材の変位方向におけるノズルの位置を調整することができる。そのため、圧電ユニットの位置を調整することなしに押圧部材とノズルとの初期隙間を調整することができる。

さらに、この発明に係るパイロット圧調整装置は、上記パイロット圧調整装置における前記ノズルが、前記押圧部材の端部との間に隙間を形成する第一端部を有するノズル本体部と、前記第一端部とは前記変位方向で反対側となる前記ノズル本体部の第二端部側に配され、前記ケースに対向配置されるベース部と、を備え、前記ノズル位置調整機構が、前記ベース部と前記ケースとの間の距離を調整するようにしてもよい。
このように構成することで、第二端部側に配されているベース部とケースとの距離調整をすることで、第一端部の位置調整を行うことができる。その結果、容易に初期隙間の調整を行うことができる。

さらに、この発明に係るパイロット圧調整装置は、上記パイロット圧調整装置における前記ノズル位置調整機構が、前記ベース部に対して前記ケースから離間させる方向の力を付与する第一調整部材と、前記ベース部に対して前記ケースを接近させる方向の力を付与する第二調整部材と、を備えていても良い。
このように構成することで、第一調整部材と第二調整部材とに対して、互いの付与する力と反対方向の力を作用させることができるため、位置調整によるがたつきなどを低減することができる。その結果、容易にベース部の位置を微調整することができる。

この発明に係るサーボ弁は、作動流体を供給する第一流体供給部、および、第二流体供給部と、前記第一流体供給部から供給される作動流体によりパイロット圧力を調整する上記パイロット圧調整装置と、前記パイロット圧調整装置により調整されたパイロット圧力に応じて、前記第二流体供給部から供給される作動流体の圧力を調整するスプールと、を備える。
このように構成することで、ノズルと押圧部材との隙間をより正確に調整できるため、パイロット圧調整装置による圧力変化の非線形特性および飽和特性を抑制することができるとともに、流量ゲインが低下することを抑制できる。

この発明に係るアクチュエータは、上記サーボ弁を備え、前記サーボ弁により調整された作動流体によって駆動する。
このように構成することで、圧力変化の非線形特性および飽和特性を抑制することができるため、大きな制御量、および、高い応答性を確保しつつ、制御が複雑化することを抑制できる。

この発明に係るパイロット圧調整装置、サーボ弁、および、アクチュエータによれば、初期隙間の調整を容易に行うことができ作業者の負担軽減を図ることができる。

この発明の一実施形態におけるアクチュエータの概略構成図である。 この発明の一実施形態におけるパイロット圧調整装置のノズルの拡大図である。 この発明の一実施形態におけるベース部の平面図である。

以下、この発明の一実施形態に係るパイロット圧調整装置、サーボ弁、および、アクチュエータについて説明する。
図１は、この発明の一実施形態におけるアクチュエータの概略構成図である。
この実施形態におけるアクチュエータ１は、内燃機関の吸気バルブ、および、排気バルブを作動させるアクチュエータである。
ここで、アクチュエータを用いて吸気バルブ、および、排気バルブを作動させる場合、吸気バルブ、および、排気バルブを一般的なカムにより作動させる場合よりも、複雑な動作が可能となる。とりわけ、燃費向上や、排気ガス中の有害物質を低減するための試験などにおいては、上記アクチュエータを用いて吸気バルブ、および、排気バルブを作動させることが有効である。

図１に示すように、この実施形態におけるアクチュエータ１は、サーボ弁２と、アクチュエータ本体３と、を備えている。
サーボ弁２は、アクチュエータ本体３を駆動するための作動流体の圧力を電気的に制御する。このサーボ弁２は、パイロット圧調整装置４と、サーボ弁本体５と、を備えている。

パイロット圧調整装置４は、第一ポンプ（第一流体供給部）Ｐ１から供給されるパイロット用流体の圧力（以下、単にパイロット圧力と称する）を調整して、パイロット用流体をサーボ弁本体５に供給する。このパイロット圧調整装置４は、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子Ｐを有したピエゾアクチュエータ（圧電ユニット）６を備えている。パイロット圧調整装置４は、ピエゾアクチュエータ６を作動させてタンク２３へ繋がるドレン流路２４の面積を変化させることで、パイロット圧力を調整する。

サーボ弁本体５は、パイロット圧調整装置４の圧力を増幅する。より具体的には、サーボ弁本体５は、パイロット圧力に応じて第二ポンプＰ２から供給される作動流体の圧力を調整し、この圧力調整された作動流体をアクチュエータ本体３へ供給する。このサーボ弁本体５は、内部にスプール７を備えている。スプール７は、パイロット圧力に応じてその長手方向に変位可能となっている。

スプール７は、パイロット圧力が相対的に高い場合に、第二ポンプＰ２（第二流体供給部）から供給される作動流体をドレンＤに逃がす量を少なくして圧力低下を小さくする。一方で、スプール７は、パイロット圧力が相対的に低い場合に、第二ポンプＰ２から供給される作動流体をドレンＤに逃がす量を多くして圧力低下を大きくする。つまり、サーボ弁本体５は、パイロット圧力によりスプール７を作動させることで、第二ポンプＰ２から供給される作動流体の圧力を調整する。

アクチュエータ本体３は、作動流体の圧力に応じて出没するロッド８を備えている。この実施形態におけるロッド８には、その端部に、内燃機関の排気バルブ又は吸気バルブ（何れも図示せず）が取り付けられる。アクチュエータ本体３は、例えば、作動流体の圧力が相対的に高い場合に、ロッド８が突出する方向（図１中、紙面下側）に変位する。また、アクチュエータ本体３は、例えば、作動流体の圧力が相対的に低い場合に、ロッド８が没入する方向（図１中、紙面上側）に変位する。この実施形態の一例におけるアクチュエータ本体３は、このロッド８の出没動作によって排気バルブ又は吸気バルブの開閉を行う。

図２は、この発明の実施形態におけるパイロット圧調整装置のノズルを拡大した断面図である。
図１、図２に示すように、パイロット圧調整装置４は、ピエゾアクチュエータ６と、押圧部材１１と、ノズル１２と、ホルダ１３と、を備えている。

ピエゾアクチュエータ６は、円筒状のケーシング１５を備えている。ピエゾアクチュエータ６は、このケーシング１５の内部に、軸線方向に向かって多層に積層されたピエゾ素子（圧電素子）Ｐ（図１参照）を有している。ピエゾアクチュエータ６は、エンド部材１６を更に備えている。エンド部材１６は、ピエゾ素子Ｐの伸縮に応じてピエゾ素子Ｐの積層方向に変位する。このエンド部材１６の端部１６ａは、ケーシング１５の端面に形成された孔（図示せず）を介してケーシング１５の外部に露出している。つまり、エンド部材１６がピエゾ素子Ｐの圧電効果によってストロークすることによって、ケーシング１５の外部に露出したエンド部材１６の端部１６ａもストロークすることとなる。

押圧部材１１は、上記エンド部材１６と共にピエゾ素子Ｐの積層方向（以下、単に変位方向と称する）にストローク可能とされている。押圧部材１１は、受圧部１７と、ロッド部１８とを備えている。
受圧部１７は、上記エンド部材１６の端部１６ａを位置決めする凹部１７ｂが中央に形成された円盤状に形成されている。
ロッド部１８は、ピエゾ素子Ｐの積層方向の外側に向かって延びる円柱状に形成されている。

押圧部材１１は、弾性部材１９により、ピエゾアクチュエータ６側に付勢されている。より具体的には、押圧部材１１の受圧部１７が、ロッド部１８よりも径方向外側で、複数の弾性部材１９によってピエゾアクチュエータ６側に押圧されている。弾性部材１９により押圧部材１１が付勢されることで、ロッド部１８がエンド部材１６の変位（ストローク）に常に追従するようになっている。この実施形態における弾性部材１９として、コイルばねを図示しているが、弾性部材１９はコイルばねに限られるものではない。

ノズル１２は、ロッド部１８の端部１８ａと対向する端面（第一端部）１２ａを備える。ノズル１２の端面１２ａは、ロッド部１８の端部１８ａとの間に隙間Ｓ１を形成する。ノズル１２は、その内部に端面１２ａ側に開口する流路２０備えている。この流路２０は、サーボ弁本体５（図１参照）に接続される主流路２１に対して、横孔１２ｂを介して連通されている。そのため、流路２０には、第一ポンプＰ１から供給されたパイロット用流体の一部が分流することとなる。また、ノズル１２およびロッド部１８の周囲には、空間２２が形成されている。この空間２２は、パイロット用流体を貯留するタンク２３に連通するドレン流路２４に連通している。つまり、ノズル１２とロッド部１８との隙間Ｓ１の大きさに応じて、主流路２１からドレン流路２４へと流出するパイロット用流体の流量が変化する。言い換えれば、隙間Ｓ１の大きさを調整することで、主流路２１におけるパイロット用流体の圧力を調整することが可能となっている。

ホルダ１３は、上述したピエゾアクチュエータ６、押圧部材１１、および、弾性部材１９を収容する。このホルダ１３は、押圧部材１１のロッド部１８が挿通される孔部３１を備えている。言い換えれば、孔部３１により、ロッド部１８が摺動可能に支持されている。ロッド部１８の端部１８ａは、この孔部３１を介して空間２２内に臨んでいる。ここで、ロッド部１８の外周面には、複数のリング状溝１８ｂが形成されている。これらリング状溝１８ｂは、作動流体を潤滑油として摺動部分に留めてロッド部１８の外周面における油膜切れを抑制している。

ホルダ１３は、孔部３１とは軸線方向で反対側に開口部１３ａ（図１参照）を備えている。この開口部１３ａは、ピエゾアクチュエータ６をホルダ１３内に収容する際に用いられる。開口部１３ａには、ピエゾアクチュエータ６を収容した後に蓋部４５によって閉塞される。蓋部４５は、開口部１３ａを閉塞すると同時にピエゾアクチュエータ６を押圧可能とされている。この蓋部４５は、位置調整機構４６を介してホルダ１３に固定される。

位置調整機構４６は、押圧部材１１の変位方向における蓋部４５の位置を調整する。位置調整機構４６は、ボルト４６ａ，４６ｂ、孔部４７ａ，４７ｂ、および、雌ネジ部４８を備えている。２種類の孔部４７ａ，４７ｂは、蓋部４５を上記押圧部材１１の変位方向に貫通して形成されている。孔部４７ａには、ボルト４６ａをねじ込むことが可能な雌ネジが形成されている。一方で、孔部４７ｂは、ボルト４６ｂのネジの呼び径よりも大きな遊挿孔となっている。雌ネジ部４８は、蓋部４５の上記孔部４７ｂに対応する位置に形成されている。雌ネジ部４８には、ボルト４６ｂをねじ込むことができる。

つまり、位置調整機構４６によれば、ボルト４６ａを孔部４７ａにねじ込むことで、ボルト４６ａの端部がホルダ１３を押圧する。これにより、ボルト４６ａから蓋部４５に対してホルダ１３から離間する方向の力を作用させることができる。一方で、ボルト４６ｂを孔部４７ｂに挿通し雌ネジ部４８にねじ込むことで、ボルト４６ｂの頭部によって蓋部４５をピエゾアクチュエータ６側に押圧することができる。これにより、ボルト４６ｂに対して適正な軸力を掛けることが可能となる。その結果、蓋部４５のがたつき等を抑制して蓋部４５の位置を精度よく調整することが可能となる。

ここで、上述したピエゾアクチュエータ６は、上述したボルト４６ａ，４６ｂによる蓋部４５の位置調整により、弾性部材１９により付勢された押圧部材１１によりエンド部材１６が押圧される圧力が予め設定された予圧となるように位置決めされる。すなわち、押圧部材１１の位置は、ホルダ１３に対してピエゾアクチュエータ６が位置決めされた時点で決まり、その後、押圧部材１１の位置調整のためにピエゾアクチュエータ６の位置調整が行われることはない。

ノズル１２は、上述した流路２０を形成するノズル本体部５０と、ベース部５２とを備えている。
ノズル本体部５０は、端面１２ａ近傍のみが縮径された円筒状に形成されている。このノズル本体部５０は、主流路２１を形成するブロック４２の底部４４に形成された取付孔５１に挿通される。この実施形態におけるノズル本体部５０は、その長手方向の中央部に上述した横孔１２ｂが形成されている。

ベース部５２は、端面１２ａとは押圧部材１１の変位方向で反対側となるノズル本体部５０の端部（第二端部）１２ｃに形成されている。ベース部５２は、ノズル本体部５０よりも径方向外側に延びるように形成されている。ベース部５２は、ブロック４２の底面４２ａに対して対向配置される。ベース部５２は、ノズル位置調整機構５３によって、押圧部材１１の変位方向にノズル１２の位置を調整可能となっている。

ノズル位置調整機構５３は、ベース部５２とブロック４２の底面４２ａとの間の距離Ｌ１を調整する。ノズル位置調整機構５３は、ボルト（第一調整部材）５４ａ、ボルト（第二調整部材）５４ｂ、孔部５５ａ，５５ｂ、および、雌ネジ部５６を備えている。２種類の孔部５５ａ，５５ｂは、ベース部５２を上記押圧部材１１の変位方向に貫通して形成されている。孔部５５ａには、ボルト５４ａをねじ込むことが可能な雌ネジが形成されている。一方で、孔部５５ｂは、ボルト５４ｂのネジの呼び径よりも大きな遊挿孔となっている。雌ネジ部５６は、ベース部５２の上記孔部５５ｂの延長上に形成されている。雌ネジ部５６には、ボルト５４ｂをねじ込むことが可能となっている。

図３は、この発明の実施形態におけるベース部の平面図である。
図３に示すように、ベース部５２は、複数のボルト５４ａ、および、複数のボルト５４ｂによってブロック４２に対して位置調整可能に固定される。ボルト５４ａと、ボルト５４ｂは、ベース部５２の中心Ｏの周りに４５度間隔で交互に配されている。この実施形態における一例では、ボルト５４ａがベース部５２の角部５２ａに配され、ボルト５４ｂが周方向で角部５２ａ同士を繋ぐ中間部５２ｂに配されている。このようにボルト５４ａ，５４ｂが配置されることで、ベース部５２の全体を均一に位置調整することが可能となっている。

ノズル位置調整機構５３によれば、ボルト５４ａを孔部５５ａにねじ込むことで、ボルト５４ａの端部がブロック４２の底面４２ａを押圧する。これにより、ボルト５４ａからベース部５２に対してブロック４２の底面４２ａから離間する方向の力を作用させることができる。一方で、ボルト５４ｂを孔部５５ｂに挿通し雌ネジ部５６にねじ込むことで、ボルト５４ｂの頭部がベース部５２をブロック４２の底面４２ａ側に押圧する。これにより、ボルト５４ｂからベース部５２に対してブロック４２の底面４２ａに接近する方向の力を作用させることがきる。そのため、ボルト５４ｂに適正な軸力を掛けることが可能となり、ベース部５２のがたつき等を抑制してノズル１２と押圧部材１１の隙間Ｓ１を精度よく調整することが可能となる。

したがって、上述した実施形態のパイロット圧調整装置４によれば、ノズル位置調整機構５３により押圧部材１１の変位方向におけるノズル１２の位置を調整することができる。そのため、ピエゾアクチュエータ６の位置を調整することなしに押圧部材１１とノズル１２との初期隙間を調整することができる。その結果、初期隙間の調整を容易に行うことができ、作業者の負担軽減を図ることができる。

さらに、ノズル位置調整機構５３により、ノズル１２の端部１２ｃ側に配されているベース部５２とブロック４２の底面４２ａとの距離調整をすることで、ノズル１２の端面１２ａの位置調整を行うことができる。そのため、容易に押圧部材１１とノズル１２との初期隙間の調整を行うことができる。

また、ボルト５４ａおよびボルト５４ｂに対して、互いの付与する力と反対方向の力を作用させることができるため、位置調整によるベース部５２のがたつきなどを低減することができる。その結果、容易にベース部５２の位置を微調整することができる。

さらに、上述した実施形態のサーボ弁２によれば、ノズル１２と押圧部材１１との隙間Ｓ１をより正確に調整できるため、パイロット圧調整装置４における作動流体の圧力変化に非線形特性および飽和特性が現れることを抑制できる。また、パイロット圧調整装置４の流量ゲインが低下することを抑制できる。
また、上述した実施形態のアクチュエータ１によれば、パイロット圧調整装置４における圧力変化の非線形特性および飽和特性を抑制することができるため、大きな制御量、および、高い応答性を確保しつつ、アクチュエータ１の制御が複雑化することを抑制できる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、ノズル位置調整機構５３がボルト５４ａ，５４ｂにより位置調整を行う場合について説明した。しかし、ノズル位置調整機構５３は、ベース部５２とブロック４２の底面４２ａとの距離を調整可能な構成であれば、上記構成に限られるものではない。

また、上述した実施形態においては、アクチュエータ１を内燃機関の排気バルブ、および、吸気バルブを駆動するアクチュエータとして用いる一例について説明した。しかし、アクチュエータ１は、ロッド８のストロークにより作動するものであれば、内燃機関のバルブ開閉以外に適用しても良い。さらに、実施形態においては、アクチュエータ本体３がロッド８をストロークさせる場合について説明したが、作動流体により駆動するアクチュエータであればよく、例えば、ロッド８のストローク以外の動作を行うアクチュエータにも適用可能である。

さらに、上述した実施形態においては、ボルト５４ａとボルト５４ｂとをベース部５２の周方向に交互に配置する場合について説明した。しかし、ボルト５４ａ，５４ｂの配置は上述した実施形態の配置に限られるものではなく、例えば、上述した実施形態のボルト５４ａの配置とボルト５４ｂの配置とを入れ替えてもよい。また、ボルト５４ａ，５４ｂの配置は、周方向に間隔をあけて並べる配置に限られず、ベース部５２に対してボルト５４ａ，５４ｂによる力ができるだけ均等に加わる配置であればよい。

１ アクチュエータ
２ サーボ弁
３ アクチュエータ本体
４ パイロット圧調整装置
５ サーボ弁本体
６ ピエゾアクチュエータ（圧電ユニット）
７ スプール
８ ロッド
１１ 押圧部材
１２ ノズル
１２ａ 端面（第一端部）
１２ｂ 横孔
１２ｃ 端部（第二端部）
１３ ホルダ
１５ ケーシング
１５ａ 外周面
１６ エンド部材
１６ａ 端部
１７ 受圧部
１８ ロッド部
１８ａ 端部
１８ｂ リング状溝
１９ 弾性部材
２０ 流路
２１ 主流路
２２ 空間
２３ タンク
２４ ドレン流路
３１ 孔部
４２ ブロック（ケース）
４５ 蓋部
４６ａ，４６ｂ ボルト
４７ａ，４７ｂ 孔部
４８ 雌ネジ部
５０ ノズル本体部
５１ 取付孔
５２ ベース部
５３ ノズル位置調整機構
５４ａ ボルト
５４ｂ ボルト
５５ａ 孔部
５５ｂ 孔部
５６ 雌ネジ部
Ｐ ピエゾ素子（圧電素子）
Ｐ１ 第一ポンプ（第一流体供給部）
Ｐ２ 第二ポンプ（第二流体供給部）
Ｓ１ 隙間

Claims (4)

1. 圧電素子によって押圧部材を変位させる圧電ユニットと、
   前記押圧部材の変位方向における前記押圧部材の端部との間に作動流体が流れる隙間を形成するノズルと、
   前記ノズルをスライド可能に支持するケースと、
   前記押圧部材の変位方向に前記ノズルの位置を調整するノズル位置調整機構と、を備え、
   前記ノズルは、
   前記押圧部材の端部との間に隙間を形成する第一端部を有するノズル本体部と、
   前記第一端部とは前記変位方向で反対側となる前記ノズル本体部の第二端部側に配され、前記ケースに対向配置されるベース部と、を備え、
   前記ノズル位置調整機構は、
   前記ベース部と前記ケースとの間の距離を調整するパイロット圧調整装置。
2. 前記ノズル位置調整機構は、
   前記ベース部に対して前記ケースから離間させる方向の力を付与する第一調整部材と、
   前記ベース部に対して前記ケースを接近させる方向の力を付与する第二調整部材と、を備える請求項１に記載のパイロット圧調整装置。
3. 作動流体を供給する第一流体供給部、および、第二流体供給部と、
   前記第一流体供給部から供給される作動流体によりパイロット圧力を調整する請求項１又は２に記載のパイロット圧調整装置と、
   前記パイロット圧調整装置により調整されたパイロット圧力に応じて、前記第二流体供給部から供給される作動流体の圧力を調整するスプールと、を備えるサーボ弁。
4. 請求項３に記載のサーボ弁を備え、
   前記サーボ弁により調整された作動流体によって駆動するアクチュエータ。

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