JPH057589B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、バイモルフ電歪素子を使用して流体
の流れ方向を切換える電気式切換弁に関する。

（従来技術） 従来、この種の電気式切換弁としては、一般に
第７図に示す電磁式切換弁がある。

第７図において、１は切換スプール２を摺動自
在に内蔵したバルブボデイであり、切換スプール
２の両側には電磁ソレノイド３，４が配置され、
電磁ソレノイド３，４の非通電時は図示のように
スプリングの押圧で切換スプール２は中立位置に
置かれ、電磁ソレノイド３又は４に通電するとプ
ランジヤ５又は６が切換スプール２を押し、左ま
たは右の切換位置に切換わる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の電磁ソレノイ
ドを使用した電気式切換弁にあつては、電磁ソレ
ノイドのユニツトに占める割合が大きく切換弁が
大型となり、当然に電磁ソレノイドの占めるコス
トも大きくなる。また、切換状態では電磁ソレノ
イドに通電し続けていることから消費電流が大き
く発熱の問題もある。更に、切換スプールを切換
途中の中間位置でスプールがゴミ等でロツクした
場合はコイルが焼けてしまうという問題あり、ま
た長期間使用ではコイルのゆるみ、稼働鉄心のへ
たりという問題があつた。

また、バイモルフ電歪素子の動きを流体制御に
用いることは考えられていたが、バイモルフ電歪
素子は駆動力が非常に小さくヒステリシスが大き
いため少量のガス体の制御のみにしか使用されて
おらず、圧力の高い液体用の弁制御には用いるこ
とは出来なかつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、方向のみを切換えるオン、オフ式
の切換弁においては電気駆動部のヒステリシスは
問題とならない点に着目し、ヒステリシスの欠点
を有し且つ駆動力の弱いバイモルフ電歪素子を特
殊ノズルフラツパーで駆動力を補うことにより新
しい電気式切換弁を提供するものである。

これは流体の流れ方向のみを切換える電気式切
換弁において、スプリングの押圧で中立位置に置
かれた切換スプールの一方また両側にパイロツト
液圧が供給されたスプール液室を形成し、このス
プール液室からタンクラインに連通する排出流路
を設けると共に、この排出流路をバイモルフ電歪
素子の微少力で開閉程度の制御できる特殊ノズル
フラツパーで制御するように構成したものであ
る。ここで特殊ノズルフラツパーは、フラツパー
との対向面をフラツトにし、その平行部を特定の
値以上に大きくしたもので、従来のノズルフラツ
パーはノズル先端のフラツト面は温度の影響をな
くすため少なくするのが常識である。

。 （作用） このような本発明の構成によれば、バイモルフ
電歪素子への非通電時には排出流路がほぼ閉鎖さ
れることで切換スプールの両端の液圧がバランス
し、スプリングの押圧で切換スプールは中立位置
に置かれ、バイモルフ電歪素子に通電すると素子
の電歪現象による変位室の排出流路が開放されて
パイロツト液圧が抜け、スプールを切換位置に移
動させる。

（発明の効果） 以上の構成及び作用をもつ本発明の電気式切換
弁にあつては、次の効果が得られる。

第１に電磁ソレノイドに比べバイモルフ電歪素
子は極く小さいことから切換弁を大幅に小型軽量
化できる。

第２に構造が簡単なため故障がなく、略メンテ
ナンスフリーとすることができる。

第３にバイモルフ電歪素子の駆動は電圧の印加
だけで良く、電流消費が略零であり、消費電力の
節減と発熱防止を図ることができ、従来のソレノ
イドでの問題点、焼付、大電力耐久性不足が解消
できる。

第４に弁制御用電線を電流用の太いものが必要
ではなく細い線で良く、他の制御信号ラインと同
居でき、コイルによる強力な磁気が発生せず、外
乱要因とはならない。

（実施例） 第１図は４方向切換弁を例にとつて本発明の一
実施例を示した断面図である。

まず構成を説明すると、１０はバルブボデイで
あり、バルブボデイ１０の内部に切換スプール１
２を摺動自在に設け、切換スプール１２の４箇所
にランド１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び１２ｄを形
成している。切換スプール１２の両端にはスプー
ル液圧室１３，１４が形成され、このスプール液
圧室１３，１４のそれぞれにはポンプラインＰか
らの液圧が絞り１５を介してパイロツト液圧とし
て供給されている。また、スプール液圧室１３，
１４のそれぞれには切換スプール１２を中立位置
に保つためのスプリング１６ａ，１６ｂが収納さ
れている。

スプール液圧室１３，１４の外側にはノズル１
７，１８及び連通路１９，２０をもつてタンクラ
インＴに至る排出流路が形成され、ノズル１７，
１８の先端に非通電状態で図示のようにノズル開
口部を閉鎖したバイモルフ素子２１，２２のそれ
ぞれを固定部２３，２４による片持支持で装着し
ており、バイモルフ素子２１，２２は一対のリー
ド端子線２５ａ，２５ｂ及び２６ａ，２６ｂによ
り、外部より駆動電圧が印加できるようにしてい
る。

尚、バルブボデイ１０にはポンプ液圧を供給す
るポンプラインＰ、タンクに連通したタンクライ
ンＴの他に切換ラインＡ，Ｂが形成され、図示の
中立位置で切換ラインＡ，ＢはポンプラインＰ及
びタンクラインＴから切り離された状態にある。

第２図は第１図の実施例に示すノズルフラツパ
ー構造を有するバイモルフ電歪素子２１，２２の
駆動電圧に対する変位量を示したもので、バイモ
ルフ電歪素子２１，２２に対する印加電圧に略比
例して変位量が増加する。尚、一度、駆動電圧を
印加してから電圧を下げたときには破線で示すヒ
ステリシスをもつた変位量の変化となる。また、
バイモルフ電歪素子の変位は駆動電圧の印加のみ
でよく、消費電流はほとんど流れることがない。

次に、第１図に実施例の動作を説明する。

まず、図示の中立位置にあつてはバイモルフ電
歪素子２１，２２に駆動電圧が印加されておら
ず、ノズル１７，１８の開口部に面着してタンク
ラインＴへの排出流路をほぼ閉鎖している（わず
かなもれはある）。

このため、スプール液圧室１３，１４には絞り
１５を介してポンプラインＰからの液圧が作用し
て液圧バランス状態にあり、両側のスプリング１
６，１７の押圧で切換スプール１２は中立位置に
置かれる。この中立位置では切換スプール１２の
ランド１２ｂ，１２ｃが切換ラインＡ，Ｂを閉鎖
し、ポンプラインＰ及びタンクラインＴも切り離
した状態にある。次に、左側に設けたバイモルフ
電歪素子２１にリード線２５ａ，２５ｂを介して
外部より駆動電圧を印加したとすると、第３図に
示すようにバイモルフ電歪素子２１が外側に湾曲
し、ノズル１７を開放する。このノズル１７の開
放でスプール液圧室１３が連通路１９を介してタ
ンクラインＴに連通し、絞り１５を介してポンプ
ラインＰよりスプール液圧室１３に液が流れ込む
ようになり、スプール液圧室１３の液圧は絞り１
５の発生差圧分だけポンプラインＰの液圧より低
い液圧となる。一方、右側のスプール液圧室１４
にはポンプラインＰの液圧がほぼそのまま作用し
ているため、切換スプール１２はスプール液圧室
１３と１４の差圧に応じた力で押されて左側に移
動し、ポンプラインＰが切換ラインＡに連通する
と共に切換ラインＢがタンクラインＴに連通した
切換状態となる。このような切換動作は右側のバ
イモルフ電歪素子２２に駆動電圧を印加した場合
にも同様に、スプール液圧室１４がタンクライン
Ｔに連通し、絞り１５で定まるスプール液圧室１
４とポンプラインＰの液圧を受けたスプール液圧
室１３との差圧に基づいた力で切換スプール１２
が右側に押されて移動し、ポンプラインＰを切換
ラインＢに連通すると共に、切換ラインＡをタン
クラインＴに連通する切換状態が得られる。

第４図は第１図の実施例で用いられるバイモル
フ電歪素子を用いたノズルフラツパー構造の他の
実施例を示した説明図であり、この実施例はバイ
モルフ電歪素子に駆動電圧を印加したときの変位
でノズル開口部を閉鎖させるようにしたことを特
徴とする。

第４図において、フラツパー部材２７は一対の
バイモルフ電歪素子２８，２９で挟まれたサンド
イツチ構造をもつて固定部３１によりバルブボデ
イ１０に片持支持されている。フラツパー部材２
７の先端に相対してノズル３０が設けられ、ノズ
ル３０にはスプール液圧室３３より直径ｄのノズ
ル孔３１が開口されており、ノズル孔３１の開口
部に直径Ｄのフラツト面３２を形成している。こ
こで、ノズル孔３１の直径ｄに対しフラツト面３
２の直径Ｄは２倍以上の大きさとしており、フラ
ツパー部材２７のフラツト面３２に対する隙間が
狭くなつたとき、ノズル孔３１からの噴流による
吸着力を利用してノズル３０をほぼ閉鎖できるよ
うにしている。

即ち、バイモルフ電歪素子２８，２９に駆動電
圧を印加すると、フラツパー部材２７が変位し微
細なスキマの変化でノズル内圧力が大きく変化す
ることを利用したものである。従来では、フラツ
パーに掛る液体圧による力は噴流による噴出力そ
のままで非常に大きく、バイモルフ電歪素子など
では全く制御することができなかつた。

しかし、ある形状のフラツパー部材２７におい
ては、ノズル３０からの噴流により、いわゆる噴
流の特異状態における流体力による負圧作用によ
つて逆にフラツパー部材２７が吸引される場合が
あり、この力を利用してバイモルフ電歪素子２８
によるノズルフラツパー制御を可能とすることが
できる。

一般に、フラツパーは、ノズルからの噴流力に
より押し広げられるが、この力に抗してフラツパ
ーに力を加え、フラツパーを押し戻し、フラツパ
ーとノズル間のスキマを制御する。

ここで、ノズル先端にフラツト面３２を作り、
これとフラツパー平面が狭いスキマで平行になる
と、ノズル３０からの液体噴流はノズル３０とフ
ラツパー２７のフラツト面３２との平行スキマを
放射状に同心円で流出して行く。ここで液体は圧
縮、膨脹はほとんどないから、流出液体の流速は
中心より外周部へ行く程遅くなる。

したがつて、ノズル平面部外周は大気圧または
タンク圧であるから、その内側の流速は外周部の
流速よりやや速く、従つてベルヌーイの定理によ
りその流体圧は外周部よりやや低くなる。

即ち、ノズル外周部の大気圧またはタンク圧よ
り低い圧力となり、放射状同心円状に噴き出す噴
流圧のノズル平面状の分布は、ノズル平面外周部
より内側に行くに従つて外周部より低くなり、す
なわち負圧となり、更に内側に行くとノズル部噴
流圧に近づき正圧になるという状況になる。その
特性は第５図に示すものとなる。

この外部圧より同心円状噴流圧が低くなる部分
において、フラツパー部材２７は外部圧によりノ
ズル側に押し付ける力が発生し、この部分の面積
が大きくなるとフラツパー部材２７はノズルの噴
出圧に抗してノズル２６に押し付けられることに
なる。

したがつて、噴流によるフラツパー押上力と、
上記ノズル平面内の負圧部によるフラツパー吸引
力とはある点でバランスする。この理由に基づい
てノズル先端に平面を有する特定な状態では非常
に弱い力で高圧流体のフラツパー２７を制御する
ことができることになる。

このように、先端にある大きさのフラツト面３
２を持つノズル３０を用いることにより、本来な
らば、高い液圧で作動するためには、強い駆動力
を必要とする液圧用ノズルフラツパーのフラツパ
ー駆動を、上記現象を利用して力が弱く、ストロ
ークの小さいバイモルフ電歪素子２８を用いて駆
動することを可能としたもので、これをパイロツ
トとして弁を制御するようにした。

したがつて、バイモルフ電歪素子２８の変位力
が小さくても確実にノズル３０の開度制御をする
ことができ、確実にスプール切換を行うことがで
きる。

第６図は、切換スプールの片側にのみバイモル
フ電歪素子を用いたフラツパー構造によるパイロ
ツト液圧切換機構を備えた本発明の他の実施例を
示した断面図であり、従来の片方向電磁ソレノイ
ド式切換弁に相当する。

第６図の実施例にあつては、切換スプール１２
の右側については中立位置に戻すスプリング１６
ｂを除いた点のみが異なり、他の構成は同様にバ
イモルフ電歪素子２２でスプール液圧室１４の排
出流路を開閉するノズルフラツパー構造が設けら
れる。一方、切換スプール１２の左側については
タンクラインＴに連通した液圧室１３が形成さ
れ、このスプール液圧室１３には切換スプール１
２を中立位置に戻すためのスプリング１６ａのみ
が組み込まれている。

この第６図の実施例の切換動作は、バイモルフ
電歪素子２２に駆動電圧を印加していないときに
はバイモルフ電歪素子２２がノズル１８の開口部
に面着して排出流路を閉鎖しており、スプール液
圧室１４にはオリフイス１５を介してポンプライ
ンＰの液圧がそのまま作用し、左側のスプリング
１３に抗して切換スプール１２を中立位置におい
ている。

続いて、バイモルフ電歪素子２２に駆動電圧を
印加すると、図示のようにバイモルフ電歪素子２
２が外側に歪曲してノズル１８を開き、スプール
液圧室１４の液圧が下がることでスプリング１６
の押圧で切換スプール１２が図示のように右側に
移動し、ポンプラインＰを切換ラインＢに連通す
ると共に切換ラインＡをタンクラインＴに連通し
た切換状態が得られる。

尚、第６図の実施例において、バイモルフ電歪
素子２２は、第２図に示したように駆動電圧によ
つて変位量が変わることから、駆動電圧を２段階
に切換え、先ずバイモルフ電歪素子２２に駆動電
圧を印加していないスプール１２の閉鎖状態で得
られるスプール液圧室１４の液圧で切換スプール
１２を左側の切換位置に置き、次に第１の駆動電
圧をバイモルフ電歪素子２２に印加すると、バイ
モルフ電歪素子２２は例えば図示の右側への切換
位置におけるノズル１８との隙間の半分となる隙
間を与える変位を作り、スプリング１６とノズル
１８の開口部における絞り作用で得られるスプー
ル液圧室１４のパイロツト液圧とのバランスで切
換スプールを中立位置におき、更に第１の駆動電
圧より高い第２の駆動電圧の印加で図示の右側へ
の切換状態を得るようにしてもよい。

尚、本発明は上記の実施例に限定されず、従来
の電磁ソレノイドを用いた各種の切換弁につい
て、電磁ソレノイドをバイモルフ電歪素子に置き
代えたものをすべて含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した断面図、第
２図は第１図の実施例で用いるバイモルフ電歪素
子の駆動電圧に対する変位量を示したグラフ図、
第３図は第１図の実施例の切換状態を示した断面
図、第４図は本発明で用いる他のフラツパーノズ
ル構造の説明図、第５図は第４図のフラツパーノ
ズル構造における流体の噴流による吸着力の発生
を示した説明図、第６図は片側切換構造をもつ本
発明の他の実施例を示した断面図、第７図は従来
例を示した断面図である。 １０……バルブボデイ、１２……切換スプー
ル、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ……ラン
ド、１３，１４，３３……スプール液圧室、１５
……絞り、１６ａ，１６ｂ……スプリング、１
７，１８，３０……ノズル、１９，２０……連通
路、２１，２２，２８，２９……バイモルフ電歪
素子、２３，２４……固定部、２５ａ，２５ｂ，
２６ａ，２６ｂ……リード端子線、２７……ノズ
ルフラツパー部材、３１……ノズル孔、３２……
フラツト面、３４，３５……圧力バランス、３
６，３７……ワイヤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れ方向を切換える電気式切換弁に於
   いて、 スプリングの押圧で中立位置に指示された切換
   スプールと； 該切換スプールの一方または両方のスプール端
   面に形成されパイロツト液圧が供給されたスプー
   ル液圧室と； 該スプール液圧室に供給されたパイロツト液圧
   を排出する排出流路と； 駆動電圧の印加で変位して排出流路を開放又は
   ほぼ閉鎖し前記切換スプールを切換位置に移動さ
   せるバイモルフ電歪素子とを備え、 前記スプール液圧室の排出流路をノズル構造と
   し、前記バイモルフ電歪素子は該ノズルを開閉す
   るノズルフラツパ構造とし、 更に前記バイモルフ電歪素子でなるノズルフラ
   ツパーが相対するノズル開口部のノズル部とフラ
   ツパー部のほぼ平行なるスキマを構成するフラツ
   ト面の直径をノズル孔直径の２倍以上としたこと
   を特徴とする電気式切換弁。