JPH01210672A - 圧電素子と変位拡大装置の取付け構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、制御弁の圧電素子と変位拡大装置の取付は構
造に係り、圧電素子と変位拡大装置の初期位置の調整を
する好適な構造に関する。

〔従来の技術〕

テーパエツジをストッパとし、常時はリターンスプリン
グの圧縮力により、閉じられている２方向スプール弁で
、スプールの駆動源を圧電素子と圧電素子の変位拡大機
構（弾性ヒンジ）で構成した制御弁としては、特開昭６
２−１７７３８４に記載されている燃料噴射弁の噴射率
を制御するための制御弁がある。この制御弁は変位拡大
機構を含む駆動源全体のケーシングと弁本体とを固定し
た後、圧電素子の初期位置を送りねじとロックナツトで
調整する構造となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、複数の制御弁を製作するとき、変位
拡大機構のスプール軸方向の弾性により変位拡大機構の
力点から圧ｆｒ１素子が受ける初期荷重は弁本体、変位
拡大機構のケーシング等の加工精度と送りねじの調整分
によりばらつきを生ずることが分った。これを第４図を
用いて説明する。

第４図は圧電素子と圧電素子の変位拡大機構で弁駆動源
を構成した２方向弁を簡略化して示すものである。第４
図において、スプール４は常時リターンばね６の圧縮力
Ｆｓにより弁本体のストッパ（実際はスプール４はテー
バエツジ形状で、それに対接するシート部のこと）５′
に押付けられるよう配置している。このときスプール４
の駆動源である圧電素子８と変位拡大機構９が、それぞ
れにおいてガタなく配置されるよう調整ねじ１２および
ロックナツト１３を用いて圧電素子８の初期位置をＷ７
Ｒ整する構造である。ここで変位拡大機構９はスプール
軸方向に弾性をもつので、これを等価ばねとして示し、
２０はアーム、２１は支点、２３は力点、２４は作用点
を示している。尚１１は駆動源のケーシングで図示して
いないが弁本体５と一体に結合されている。第４図にお
いて駆動源のケーシング１１の加工精度と圧電素子８の
位置によって１次の２通りの場合を生ずる。１つは変位
拡大機構９が初期状態で既にスプール４を押している場
合であり、他の１つは変位拡大機の作用点２４とスプー
ル４の間にギャップが生じている場合である。第４図で
、リターンばね６の圧縮力をＦｓ　、変位拡大機構の作
用点２４がスプール４を押す力（これを弁間動源取付力
とよぶ）をＦｌ、このＦｌ　によって圧電素子８が受け
る圧縮力をＦＲ、スプール４が弁本体のストッパ５′を
押す力をＦｐとしてそれぞれの場合を説明する。前者の
場合はＦ＋　が作用している状態であり、このときのＦ
ｌとＦｐの関係は第４図のような関係、すなわちＦｐ＝
Ｆｓ　　Ｆ＋　　　　　　　　　　　　・・・（１）で
表わせる。したがってＦ　＋　＞　Ｆ　１２となるＡの
領域ではＦｐ＜Ｏとなり、スプールが常時開度をもつ状
態となる。またスプール弁のシール性を確保するに必要
なスプール押付力をＦｐｚとすれば、Ｆ　ｓ　ｔ　＜　
Ｆ　ｔ　＜　Ｆ　ｔ　ｚの領域Ｂでは、スプール弁のシ
ール性が確保できない、したがって第５図でハツチング
をほどこしたＦ　Ｉ＞　Ｆ　ｔ　１の領域では、オンオ
フ弁として使えなくなる。またＦｌにより圧電素子８に
はＦＲ（Ｆｌ　が増幅された力）が圧縮力として作用す
る。そうすると第６図に圧電索子８のある一定電圧時の
発生力Ｆと変位Ｘの関係で示すように、ＦＲの値でＸが
変わる。すなわちＦＲが小さいＦＲＩのときはＸはｘｌ
と大きく、ＦＲが大きいＦＲＪのときは又はＸＪ　と小
さくなる。したがって、複数の制御弁を製作し同一電圧
で同一電圧レベルで駆動する場合、Ｆｓ　によって出力
流量あるいは出力圧力がばらつくという不具合が発生す
る。後者の場合、スプール４と変位拡大機構の作用点２
４の間のギャップの量によって、圧電素子８が変位して
も、スプール４に駆動力が伝わらない無効電圧が生じて
しまう。またこの無効電圧の大小も複数の制御弁の場合
、ばらつきがでるので、結果的に前者同様の不具合が生
ずることになる。以上のような場合が生ずるとたとえば
制御弁の入力電圧Ｖと出力流量Ｑの関係は第７図に示す
ように、大変ばらつき範囲が大きくなる。

本発明の目的は、圧電素子が受ける初期荷重を極力小さ
く、かつ容易に調整でき、複数の制御弁を製作するとき
個体間の出力流量あるいは出力圧力を均一にする取付構
造を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、圧電素子と圧電素子の変位拡大機構の力点
との間で、圧電素子の位置決めを行う第１の調整ねじと
、変位拡大機構と一体となす圧電素子ケーシングと弁本
体との位置決めを行う第２の調整ねじと、圧電素子ケー
シングのリターンばねを設けることにより達成される。

〔作用〕

弁駆動源となる圧電素子と、圧電素子の変位拡大機構の
力点との間で、圧電素子の位置決めを行う第１の調整ね
じと、変位拡大機構と一体となす圧電素子ケーシングと
弁本体との位置決めを行う第２の調整ねじと、圧電素子
ケーシングのリターンばねを設けた制御弁で、最初に、
第１の調整ねじて圧電素子と変位拡大機構の力点との間
に適当なギャップを設けた状態とし、第２の調整ねじて
、駆動力を受けるスプール端と変位拡大機構の作用点の
ギャップがほぼ零になるよう調整する。この後、第１の
調整ねじで圧電素子を変位拡大機構の力点に押し付け、
ある調整入力電圧を圧電素子に加えたとき、その調整入
力電圧に相当する出力流量あるいは出力圧力が得られる
よう位置決めを行う。これら第１の調整ねじおよび第２
のｗ！４整ねじにはいずれもばね反力が作用すると共に
ロックナツトで固定するので、これらの初期？Ａ整によ
り設定された位置にガタ等が生ずることはない。

〔作用〕

以下、本発明の一実施例を第１〜３図により説明する。

第５図において、１は本発明の対象である制御弁、２は
制御弁１の制御対象となる負荷で、詳細を示していない
が、２方向弁で流量あるいは圧力の制御が制御対象とな
るものなら何でもかまわない。制御弁１は、主にテーパ
エツジ３をもつスプール４と弁本体５およびスプール４
を弁本体シート部５′との間で常時閉に保つよう予圧縮
して配置されたリターンばね６を主構成要素とする弁部
７と、圧電素子８２弾性ヒンジで構成される変位拡大機
構９．変位拡大機構９と一体となす圧電素子のケーシン
グ１０．さらに圧電素子ケーシングをガイドする駆動部
全体のケーシング１１．第１の調整ねじ１２．第１のロ
ックナツト１３．第２の調整ねじ１４．第２のロックナ
ツト１５を主構成要素とする弁駆動部１６からなる。そ
して弁部７と弁駆動部１６はボルト（図示せず）で固定
されている弁本体５のＰｓ、Ｐｃは供給圧力ポート。

制御圧力ポートをそれぞれ示し、弁本体５と駆動部全体
のケーシング１１のＰａはドレンポートを示す。スプー
ル４の右端にはボール１７がスプール同軸上に配置され
、スプール駆動力を点接触でかつスプール同軸上に伝達
されるよう配慮されている。−同様の力由で圧電素子８
の両端にもそれぞれボール１８．１８’　が配置されて
いる。圧電素子８は圧電素子のケーシング１０の内で軸
方向に摺動可能に配置され、その位置は第１の調整ねじ
１２と変位拡大機構の弾性によるばね作用とで任意の位
置に位置決めすることができ、その位置は第１のロック
ナツト１３を締めることで固定できる。同様に圧電素子
８のケーシング１０も駆動源全体のケーシング１１の中
で軸方向に摺動可能に配置されており、弁本体５に対す
る駆動源全体のケーシング１１の位置は第２の調整ねじ
１４と予圧縮されて配置されたリターンばね１９のばね
力により任意に位置決めでき、その位置は第２のロック
ナツト１５を締めることで固定できる。変位拡大機構９
は、アーム２０と支点２１．ベース２２よりなり、アー
ムには圧電素子８の力、変位を受ける力点２３とスプー
ル４を駆動する作用点２４がある。また変位拡大機構９
は支点２１にガタの生じないよう弾性ヒンジで形成する
。したがってスプール軸方向に弾性をもつ、一方、圧電
素子８の変位を効率よく増幅するには支点２１のねじり
剛性は柔に、その他の部分のスプール軸方向の剛性は剛
にすることが望ましい。また制御弁１の応答性向上の点
からも同様である。他方、スプール４のリターンばね６
のばね力は大きくすると。

その分圧電素子８への負荷となり、圧電素子８の変位を
減少させることになる（第３図参照）ので、弁としての
シール性に必要かつ十分な押付力程度にとどめておくこ
とがよい。そして、そのばね定数ｋｓは小の方がよい。

したがって、変位拡大機構９のスプール軸方向等価ばね
定数をｋｇとすればｋｅ）’ｋｓとなるようにそれぞれ
の部材を選定する。今１図示の状態から圧電素子８に入
力電圧を加えると、圧電素子８は軸方向に変位し、変位
拡大機構９によりその変位はアーム２０の（作用点−支
点間長さ）／（力点−支点間長さ）に応じて増幅され、
スプール４を図中左方向にリターンばね６に抗して変位
させる。そうするとＰｓポートに供給されている高圧流
体は、そのスプール変位とＰｃポートの制御圧に応じ、
ｐｃポートに流入し、結果的に負荷２を制御する。尚、
この状態から圧電素子８への入力電圧を零に戻せば、図
示の状態に戻り、スプール４の開度は零となり、Ｐｓポ
ートとｐｃポートはスプール４のテーパエツジ３と弁本
体のシール部５′とでシールされしゃ断される。

第２図は第１図の初期状態を得るための第１の調整ねじ
１２と、第２の調整ねじ１４による弁駆動部１５の組立
調整方法をモデル化して順番に示すものである。同図で
第１，４図と同一部分は同−符号で示す、尚変位拡大機
構９は弾性体であるので、その軸方向の弾性を等測的に
ばねで表現した。第２の（ａ）図はＷ１４整の初期設定
状態を示し、スプール４はリターンばね６の予圧縮部分
の力を受けｆｐの力で弁本体５に押しつけられ、圧電素
子のケーシング１０もリターンばね１９予圧縮部分で第
２の調整ねじ１４の端面に押つけられている。変位拡大
機構９の作用点２４とスプール４の端面２５の間には適
当なギャップδ１、また変位拡大機構９の力点２３と圧
電素子８の間にも適当なギャップを設けておく。次に（
ｂ）図に示すように第２の調整ねじ１４を調整すること
により、圧電素子のケーシング１０を左方向に約６１だ
け移動させ、変位拡大機構９の作用点２４とスプール４
の間のギャップを、はぼ零に近い、＊小ギャップを残す
よう調整し第２のロックナツト１５を締めて、このギャ
ップを固定する。このとき、変位拡大機構９の力点と圧
電素子８端のギャップをΔ１とすれば、次に（ｃ）図に
示すように、第１の調整ねじ１２を調整して、Δ１だけ
圧電素子８を左方向に移動させる。そしてこの状態にて
一定圧力をＰｓポートに加えかつ圧電素子８にある調整
入力電圧を加え、このときある幅をもつ基準流量が得ら
れるよう（ｄ）図に示すようにさらにΔ２だけ第１の調
整ねじ１２をｉ！ｉｌｌ！ｌ、そこで第１のロックナツ
ト１３を締めロックする。そして最後に圧電素子８への
入力電圧を零にしたときＰｓからＰｃポートへのリーク
がないことを確認すればよい。以上のように第１の調整
ねじ及び第２のねじを用いて弁駆動源の初期位置と調整
することにより、圧電素子に加わる初期荷重が緩和し、
かつ複数の制御弁を製作するとき、その値を揃えやすい
。したがって複数の制御弁の特性は、たとえば入力電圧
と出力流量の関係は第３図に示すように、ある範囲に押
えることができ、ばらつきが少ない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の制御弁を製作するとき変位拡大
機構の位置の調整と、圧電素子の位置の調整の両方が容
易に行えるので、圧電素子が受ける初期荷重を極力小さ
くでき、かつ制御弁間の個体間の出力特性を均一にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である制御弁の断面図、第２
図は第１図の制御弁の駆動系の構成を示すモデル図、第
３図は本実施例の制御弁の入力電圧と出力流量の関係を
示す図で、第４図は従来の制御弁の駆動系の構成を示す
モデル図、第５図は弁駆動源取付力とスプール押付力の
関係を示す図、第６図は圧電素子の発生力と変位の関係
を示す図、第７図は、従来の制御弁の入力電圧と出力流
量の関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．高圧流体の流量あるいは圧力を制御するテーパシー
   トをストッパとするスプールと弁本体とからなる２方向
   スプール弁と、圧電素子と圧電素子の変位を機械的にテ
   コの原理で拡大する弾性ヒンジを変位拡機構としてもつ
   スプール駆動源とを主構成要素とする制御弁において、
   圧電素子と変位拡大機構の力点部との位相決めを行う第
   １の調整ねじと、変位拡大機構と一体となす圧電素子ケ
   ーシングと弁本体との位置決めを行う第２の調整ねじと
   、圧電素子ケーシングのリターンばねを設けたことを特
   徴とする圧電素子と変位拡大装置の取付構造。