JPH0313457B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体制御弁に関し、一層詳細には複
数個の圧電素子を制御弁に組み込み、電圧の印加
により生起する圧電素子の変位を利用して弁の流
路の開閉制御を行うように構成した流体制御弁に
関する。

空気、油のような流体の圧力乃至流量を調節す
ることによりアクチユエータ等の駆動制御あるい
は位置制御を行うものとして従来より電磁弁が広
汎に用いられるに至つている。この種の電磁弁で
は弁体自体の駆動はソレノイドの付勢下に行われ
るのが一般的である。然しながら、周知の通り、
ソレノイドを多数回付勢・滅勢するとソレノイド
自体が発熱して他の周辺機器に悪影響を与えるこ
とがある。また、ソレノイドも些程に小型化でき
ない制約があるために、電磁弁全体としてもある
程度の大きさまでしか小型化できない。しかもソ
レノイドを構成するコイルの付勢の際、供給され
る電流の周波数によりその応答性が悪いという難
点もある。さらに、ソレノイドの付勢・滅勢によ
る電磁弁の制御には多くの電力消費が必要とされ
るために、例えば、電磁弁を多数連設する電磁弁
マニホールドタイプのものでは経済的に相当の負
担を強いられる等種々の欠点が指摘されていた。

そこで、本発明者等は、鋭意考究並びに工夫を
重ねた結果、電圧の印加極性によつてその厚み方
向に変位する圧電素子に着目し、流体制御弁の内
部に少なくとも垂直方向および水平方向に変位す
る二つの積層された圧電素子群を配設し且つこれ
らの圧電素子群と制御弁の弁体とを係着し、前記
圧電素子群の各々に電圧を印加して生ずる変位を
弁体に及ぼせば、前記弁体はその変位により流体
の流路の開閉を行うことになり前記の種々の問題
点が一挙に解消することが伴つた。

従つて、本発明の目的は、小型で、発熱等によ
り周辺機器に悪影響を与えることのない、しかも
廉価に製造することが可能であり、さらに経済的
に稼働することができ応答性に優れた流体制御弁
を提供するにある。

前記の目的を達成するために、本発明はハウジ
ングに流体の流路を形成し、前記ハウジング内部
に室を画成すると共にこの室内に前記流路に対応
する弁体を移動自在に配設し、さらに前記ハウジ
ング内部に互いに直角方向に変位する二つの圧電
素子群を配置し、前記弁体に圧電素子を係合させ
てこの圧電素子の付勢・滅勢制御下に弁体をクラ
ンプしあるいは変位させ前記流路の開孔面積の調
節を行うよう構成することを特徴とする。

次に、本発明に係る流体制御弁について好適な
実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳
細に説明する。

第１図において、参照符号１０は、流体制御弁
を示し、この流体制御弁１０を構成するハウジン
グ１２の内部には段部１４を有する略矩形体状の
室１６が画成される。ハウジング１２には、図に
おいて垂直方向上部に第１ポート用孔１８および
第２ポート用孔２０が並設され、一方、垂直方向
下部には流体の第１排出孔２２、第２排出孔２４
が並設され且つ前記第１排出孔２２、第２排出孔
２４の中間位置に流体供給用の孔２６が穿設され
る。

室１４には弁本体２８が配置される。この場
合、弁本体２８には第１乃至第６の突出する弁体
３０，３２，３４，３６，３８および４０が形成
され、弁本体２８の両端部は前記室１６の内部に
おいて摺動自在に配置しておく。

次に、前記弁本体２８の中央部を水平方向に貫
通する孔４２を設け、この孔４２に前記弁本体２
８を水平方向に移動する一対の弁体駆動機構４
４，４６を嵌合する。すなわち、第１図から諒解
されるように、ハウジング１２に鍔受部を有する
孔４８，５０を前記孔４２に対応するように画成
し、これらの孔４８，５０に夫々鍔部５２，５４
を有するロツド５６，５８を嵌着する。ロツド５
６，５８の先端部には各々第１の圧電素子群６
０，６２を装着し、また前記圧電素子群６０，６
２の先端にやや短めのロツド６４，６６を固着す
る。そして、ロツド６４，６６にはさらに一組の
保持板６８，７０並びに保持板７２，７４により
挟持された第２の圧電素子群７６，７８を夫々装
着しておく。

第２図にロツド５６、第１圧電素子群６０、ロ
ツド６４、保持板６８，７０および第２圧電素子
群７６の相互の関係を一層詳細に示す。

第１圧電素子群６０は、図に示すように板状の
圧電素子８０を複数枚水平方向に積層したもので
あるが、実際上は、薄板状の極板８２が前記のよ
うに積層された圧電素子８０，８０間に介装され
る。隣接して積層している圧電素子８０の一方の
面と他方の面とに夫々異なる極性で所定の電圧を
印加するために、前記極板８２には交互に接続点
を有するリード線８４，８６を接続する。これら
のリード線８４，８６の導入を容易にするため
に、全ての圧電素子８０と極板８２とに夫々切欠
８８，９０を形成しておくとよい。

第２圧電素子群７６は、図において垂直方向に
板状の複数枚の圧電素子９２を積層し、且つ前記
圧電素子９２の間に極板９４を介装してなるもの
であり、前記と同様に隣接する極板には互いに異
なる極性の電圧が印加されるようにリード線９
６，９８を介してこれらの極板を並列に接続して
おく。この場合、リード線９６，９８は、圧電素
子９２、極板９４に形成された切欠８８，９０を
通過し、最終的にはロツド５６に形成された孔部
１００から導出されて外部電源に接続する。

なお、第１圧電素子群６２、第２圧電素子群７
８も同様に構成されることは勿論である。

そこで、以上のように構成される流体制御弁１
０の作用について説明する。

先ず、リード線９６，９８を介して第２圧電素
子群７６に所定の電圧を印加する。この結果、第
２圧電素子群７６は、図において矢印Ａ方向に変
位するための弁本体２８に設けられた孔４２の壁
部に圧接し、結局、前記弁本体２８をクランプす
るに至る。次いで、リード線８４，８６を介して
所定の電圧を前記第１圧電素子群６０に印加すれ
ば、これを構成する圧電素子８０は、全体として
矢印Ｂ方向に伸長する。この場合、ロツド５６
は、ハウジング１２に固定されているために圧電
素子８０の伸長はクランプされた弁本体２８に伝
達されてこれを矢印Ｂ方向に移動させる。すなわ
ち、この時点では他方の第１圧電素子群６２、第
２圧電素子群７８は滅勢状態にあるために前記作
用は容易に達成される。この結果、弁体３０乃至
４０が移動するために、圧電素子８０に印加され
る電圧によつて第１ポート用孔１８、第２ポート
用孔２０、第１排出孔２２、第２排出孔２４およ
び流体供給用孔２６がその開孔面積を少なくされ
るが、あるいは全く閉塞され流体制御が好適に達
成されることになる。

これと反対に、弁本体２８を原位置に復帰させ
ようとする場合には、第１圧電素子群６０、第２
圧電素子群７６を滅勢し、これに代えて第１圧電
素子群６２、第２圧電素子群７６を付勢すればよ
いことは明らかであろう。

次に、本発明に係る流体制御弁の別の実施例を
第３図に示す。なお、図中、第１図と同一の参照
符号は同一の構成要素を示すものとする。

そこで、この実施例では弁本体２８を貫通する
孔４２に多数の水平方向に積層された板状の圧電
素子１１０からなる圧電素子群１１２を嵌合し、
前記圧電素子群１１２を弁本体２８の中央部で固
定すると共に孔４８，５０に嵌合するロツド１１
４，１１６で挟持している。一方、前記弁本体２
８の水平方向の両端部近傍に、夫々垂直方向に延
在する孔１１８，１２０を画成し、これらに積層
された圧電素子１２２，１２４からなる圧電素子
群１２６並びに１２８を配置しておく。なお、図
示していないが、圧電素子群１１２，１２６およ
び１２８に所定の電圧を印加するためのリード線
は前記実施例と同様の構成とすればよく、また、
以後に述べる実施例においても同様とする。

この実施例では、先ず、圧電素子群１２６を付
勢する。この結果、ロツド１１４は、クランプさ
れるに至る。次いで圧電素子群１１２が付勢され
ると、ロツド１１４のクランプのためにその変位
はロツド１１６側に指向し、この結果、弁本体２
８が移動して前記と同様に第１ポート用孔１８等
がその開孔面積を減少させられるか、あるいは全
く閉塞されて所望の流体制御が達成されることに
なる。一方、このように移動した弁本体２８を原
位置に復帰させる場合には、一旦、圧電素子群１
１２および１２６を滅勢し、さらに圧電素子群１
２８を付勢してロツド１１６をクランプした後、
再び圧電素子群１１２を付勢すればよい。

第４図に、本発明のさらにまた別の実施例を示
す。この実施例においても前記二つの実施例と同
一の参照符号は同一の構成要素を示すものとす
る。

そこで、本実施例では前記圧電素子群１２６，
１２８と同一の作用を行う圧電素子群１３０，１
３２をロツド１１４，１１６に形成された孔１３
４，１３６に組み込んだ。従つて、圧電素子群１
３０を付勢してロツド１１４側を一旦クランプの
後、圧電素子群１１２を付勢すれば、弁本体２８
はロツド１１６側に移動し、一方、圧電素子群１
１２，１３０を滅勢して圧電素子群１３２を付勢
すれば、ロツド１１６側がクランプされる。そこ
で、圧電素子群１１２を付勢すれば、弁本体２８
は、原位置に復帰することになる。

第５図に、本発明に係る流体制御弁の別の実施
例を示す。

この実施例において、流体制御弁１０を構成す
る弁本体２８には、駆動用室１４０と弁室１４２
とが画成される。弁室１４２に弁座１４４が突出
形成されると共にこの弁室１４２は互いに直角方
向に延在する第１ポート用孔１４５および第２ポ
ート用孔１４６によつて外部と連通する。弁本体
２８には前記第２ポート用孔１４６に対応して孔
１４８が画成され、この孔１４８にはロツド１５
０が挿通される。すなわち、ロツド１５０の一端
部は、弁室１４２の内部に臨み、その先端部には
前記弁座１４４に着座する弁体１５２が装着され
る。次に駆動用室１４０には圧電素子が配設され
る。すなわち、前記ロツド１５０の延在方向に沿
つて一組の圧電素子群１５４，１５６が配設さ
れ、前記圧電素子群１５４，１５６の夫々の先端
部に保持部材１５８，１６０が装着される。そし
て、保持部材１５８，１６０に画成された孔部に
前記ロツド１５０に向つて圧電素子群１６２，１
６４が嵌着される。

以上のように構成される流体制御弁１０におい
て、弁座１４４に弁体１５２を着座させるため
に、先ず、圧電素子群１６４が付勢される。これ
によりロツド１５０がクランプされる。そこで、
圧電素子群１５６が付勢されるとその変位は弁室
１４２方向を指向するために、弁体１５２は、弁
座１４４に着座することになり、第２ポート用孔
１４６はそれにより閉塞されるに至る。

次に、前記のように閉塞された孔１４６を開く
ためには圧電素子群１６４，１５６が滅勢された
状態で圧電素子群１６２を付勢する。すなわち、
これによりロツド１５０は再びクランプされ、次
いで、圧電素子群１５４を付勢すれば、その変位
はロツド１５０を原位置に復帰させるように動作
する。従つて、弁体１５２は弁座１４４から離間
して孔１４６は再度開くことになる。

第６図に、第５図に関連する本発明の別の実施
例を示す。

この実施例では、駆動用室１４０の隅部近傍か
ら突起部１７０を突出させこれに保持部材１７２
を係合させている。保持部材１７２には、図にお
いて垂直方向に積層された第１の圧電素子群１７
４を係着し、一方、水平方向には第２の圧電素子
群１７６を係着する。そして、前記第２圧電素子
群１７６の先端部にさらに保持部材１７８を装着
し、この保持部材１７８からロツド１５０に指向
して第３の圧電素子群１８０を係着しておく。

なお、図中、参照符号１８２は、第１圧電素子
群１７４、第３圧電素子群１８０の先端部に固着
された弾性部材、例えば、ゴムである。

以上のように構成される流体制御弁１０の作用
は次の通りである。

先ず、第１圧電素子群１７４を滅勢している状
態で第３圧電素子群１８０を付勢する。この結
果、第３圧電素子群１８０によりロツド１５０は
クランプされるに至る。そこで、第２圧電素子群
１７６を付勢すれば、突起部１７０により固定さ
れている保持部材１７２のためにこの圧電素子群
１７６は矢印Ｂ方向に変位する。従つて、ロツド
１５０もまた矢印Ｂ方向に移動することになる。

この結果、弁体１５２は、弁座１４４に圧接
し、孔１４６は、閉塞される。

弁１４６を再び開成しようとする時は、第３圧
電素子群１８０をそのまま付勢している状態で第
２圧電素子群１７６を滅勢すればよい。この結
果、前記圧電素子群１７６は、矢印Ｃ方向に変位
し、クランプされているロツド１５０もまた矢印
Ｃ方向に変位することになる。このようにして原
位置に戻つたロツド１５０は、第１圧電素子群１
７４を付勢することによりしつかりとその位置に
保持されることになる。

この場合、弾性部材１８２は、ロツドのクラン
プの際適度の柔らかさと摩擦力を付与するために
変位動作を円滑に行わしめる効果を奏する。

このように、一方の圧電素子群が突起部により
定位置に保持される構成と対応する別の実施例に
係る流体制御弁を第７図および第８図に示す。

この実施例では、ハウジング１２に画成された
室１４の内部に図において水平方向に多数の圧電
素子を積層した一対の第１圧電素子群１９０，１
９０を設け、その両端部に夫々垂直方向に積層さ
れた第２圧電素子群１９２および第３圧電素子群
１９４を配設する。すなわち、前記第２圧電素子
群１９２および第３圧電素子群１９４は、第１圧
電素子群１９０，１９０の両端部に固着された保
持部材１９６，１９６並びに保持部材１９８，１
９８により支承される。図から諒解されるよう
に、第１圧電素子群１９０乃至第３圧電素子１９
４は、長方形を画成し、その内部において筐体１
９９を囲繞する。筐体１９９は、これを貫通して
弁体２００，２０２および２０４を保持するロツ
ド２０５の端部を支承し、また、第２圧電素子群
１９２は、その中間部で筐体１９９から突出する
ロツド２０５の一端部を支承し、同様に第３圧電
素子群１９４は、その中間部において前記ロツド
２０５の他端部を支承する。第１ポート用孔２０
６、第２ポート用孔２０８、第１排出孔２１０、
第２排出孔２１２および供給孔２１４は、第８図
から諒解されるように水平方向に延在する前記第
１圧電素子群１９０，１９０に対し垂直方向に指
向してハウジング１２内に形成される。なお、図
中、参照符号２１６は保持部材１９６，１９６に
ハウジング１２側から突出する突起を示す。

以上のように構成される流体制御弁１０では、
先ず、第３圧電素子群１９４が付勢されてロツド
２０５をクランプする。そこで、第１圧電素子群
１９０，１９０が付勢されると、保持部材１９
６，１９６により一方向のみ変位を許容されてい
るためにそれは矢印Ｂ方向へと伸長する。この結
果、筐体１９９と共にロツド２０５もまた矢印Ｂ
方向へ移動し、弁体２００，２０２および２０４
は電圧の程度に応じて、前記第１ポート用孔２０
６、第２ポート用孔２０８、第１排出孔２１０、
第２排出孔２１２および供給孔２１４の開孔面積
を挟くしあるいは完全に閉塞する。

これらの孔部を開成しようとする時には、前記
実施例と同様に第１圧電素子群１９０，１９０を
先ず滅勢し、これにより矢印Ｃ方向へ変位させた
後、第２圧電素子群１９２を付勢し且つ第３圧電
素子群１９４を滅勢すればよい。

本発明によれば、以上のように、極めて簡単な
構成でありながら流体制御弁の機能を十分に達成
することが可能となり、また、小型化に適し且つ
温度変化による他機器への影響もない。また、圧
電素子はパワーに優れ応答性も電磁力より優れる
ために従来のサーボ弁よりも良好な制御効果が得
られる。

以上、本発明に係る流体制御弁につき好適な実
施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではなく、例えば、印加され
ている電圧を滅勢することによりクランプするこ
とが可能な圧電素子を採用しても同様な効果の達
成が可能である等、本発明の要旨を逸脱しない範
囲において種々の改良並びに設計変更が可能であ
ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例を示すものであり、第１
図は、流体制御弁の縦断面図、第２図は、第１図
の弁に組み込まれる圧電素子とロツドの組合わせ
状態を示す斜視図、第３乃至第７図は、夫々異な
る実施例を示す流体制御弁の縦断面図、第８図
は、第７図に示す流体制御弁の側部縦断面図であ
る。 １０……流体制御弁、１２……ハウジング、１
４……段部、１６……室、１８……第１ポート用
孔、２０……第２ポート用孔、２２……第１排出
孔、２４……第２排出孔、２６……孔、２８……
弁本体、３０，３２，３４，３６，３８，４０…
…弁体、４２……孔、４４，４６……弁体駆動機
構、４８，５０……孔、５２，５４……鍔部、５
６，５８……ロツド、６０，６２……第１圧電素
子群、６４，６６……ロツド、６８，７０，７
２，７４……保持板、７６，７８……第２圧電素
子群、８０……圧電素子、８２……極板、８４，
８６……リード線、８８，９０……切欠、９２…
…圧電素子、９４……極板、９６，９８……リー
ド線、１００……孔部、１１０……圧電素子、１
１２……圧電素子群、１１４，１１６……ロツ
ド、１１８，１２０……孔、１２２，１２４……
圧電素子、１２６，１２８，１３０，１３２……
圧電素子群、１３４，１３６……孔、１４０……
駆動用室、１４２……弁室、１４４……弁座、１
４５，１４６，１４８……孔、１５０……ロツ
ド、１５２……弁体、１５４，１５６……圧電素
子群、１５８，１６０……保持部材、１６２，１
６４……圧電素子群、１７０……突起部、１７２
……保持部材、１７４，１７６……圧電素子群、
１７８……保持部材、１８０……圧電素子群、１
８２……弾性部材、１９０，１９２，１９４……
圧電素子群、１９６，１９８……保持部材、１９
９……筐体、２００，２０２，２０４……弁体、
２０５……ロツド、２０６，２０８，２１０，２
１２，２１４……孔、２１６……突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジングに流体の流路を形成し、前記ハウ
   ジング内部に室を画成すると共にこの室内に前記
   流路に対応する弁体を移動自在に配設し、さらに
   前記ハウジング内部に互いに直角方向に変位する
   二つの圧電素子群を配置し、前記弁体に圧電素子
   を係合させてこの圧電素子の付勢・滅勢制御下に
   弁体をクランプしあるいは変位させ前記流路の開
   孔面積の調節を行うよう構成することを特徴とす
   る流体制御弁。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   いずれか一方の圧電素子は弁体に形成された孔の
   内部に配設されてなる流体制御弁。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   他方の圧電素子群は、弁体を移動するロツドの内
   部またはロツドに対するハウジング内部に配設さ
   れて前記ロツドをクランプすることからなる流体
   制御弁。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   室は、弁体を介して弁座を開閉する弁室と前記弁
   体をロツドにより移動変位する圧電素子群を収容
   する駆動用室とに分離構成してなり、駆動用室の
   内部にロツドをクランプする圧電素子群と、前記
   ロツドを変位する圧電素子群とを収容してなる流
   体制御弁。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   室内部に筐体を移動自在に配置し、前記筐体の内
   部にさらに弁体を配設すると共にこの筐体を互い
   に直角方向に変位する二組の圧電素子群で囲繞
   し、さらに前記筐体内部と外部とを孔部を介して
   連通してなる流体制御弁。