JPH0783344A - 圧電型制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弁体を高い応答性と発生力をもって速やかに
開閉弁し、精度よく流体の流量制御を行う。 【構成】 分割体として形成された一対の支持体３は、
ハウジング２内に互いに離間して摺動可能に設けられ、
各支持体３はコイルスプリング４により内壁２Ａにそれ
ぞれ異なる静止摩擦力が発生するように付勢されてい
る。また、圧電体８は、その一端側に一方の支持体３が
固着され、その他端側に他方の支持体３が固着され、一
端側と他端側を結ぶ軸線方向に伸縮する。これにより、
駆動電圧信号発生器１７からの電圧信号を圧電体８に印
加すると、圧電体８は伸縮し、弁体５が徐々に移動する
構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車用エンジ
ンの補助吸入空気の流量制御等に用いられる圧電型制御
弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車用エンジンには、アイド
リング時の負荷変動に応じて吸入空気量を補正すべく、
エアクリーナとインテークマニホルドの間にスロットル
バルブをバイパスする補助空気通路を設け、この補助空
気通路を通過する空気流量を制御する補助空気量制御弁
（アイドル制御弁）を設けている。そして、このような
補助空気量制御弁には駆動源として電磁ソレノイドが用
いられ、ソレノイドへの通電時間の割合を調整して補助
空気流量を制御するデューテイ制御が行われている。

【０００３】また、制御弁の小型軽量化を図るべく、ス
プリングリターン型のエア弁を主弁に用い、このエア弁
のシリンダ室に供給する負圧を制御する調圧弁の駆動源
としてバイモルフ型の圧電体を用いた制御弁も提案され
ている（例えば特開昭６０−２４３３３１号公報等参
照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たソレノイドを用いた制御弁では、コイルや鉄心等の重
い部品を必要とし、全体が大型化する。また、ソレノイ
ドの重量に比較して弁体を開閉する力が例えば１ｋｇｆ
程度以下と小さいため、弁体にオイルや燃焼室からの吹
き返し成分等の異物が徐々に付着し、やがてガム状の異
物となって滑らかな開弁動作、閉弁動作を阻害し、ひい
ては弁体の固着現象を招来して正確な流量制御が困難と
なりうる。そして、このような異物による固着現象を防
止すべく、ソレノイドの発生力を大きくすると、全体が
一層重くなり大型化する。

【０００５】一方、特開昭６０−２４３３３１号公報に
示すものでは、バイモルフ型の圧電体を用い、圧電体の
伸縮方向と異なる方向で調圧弁を開閉させるため、開閉
弁の作動力が弱く、弁体の固着現象を十分に防止でき
ず、吸入負圧に対して精度の高い流量制御を行うことが
できない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、弁体
の駆動源として直接圧電体を用い、圧電体の伸縮力を利
用して弁体を開閉させることにより、流体の流量制御を
行うようにした。すなわち、本発明に係る圧電型制御弁
は、ハウジングと、該ハウジング内に互いに離間して摺
動可能に設けられた一対の支持体と、該各支持体をハウ
ジングの内壁にそれぞれ異なる静止力が発生するように
付勢する付勢手段と、前記各支持体の一方に設けられた
弁体と、一端側が一方の支持体に固定され他端側が他方
の支持体に固定され、一端側と他端側を結ぶ軸線方向に
伸縮する圧電体とから構成されている。

【０００７】

【作用】圧電体が一端側と他端側を結ぶ軸線方向に伸縮
すると、この伸縮運動によって圧電体の両端側に設けら
れた支持体は、付勢手段による静止力の大きい方を基準
として移動し、弁体を開閉させる。

【０００８】

【実施例】以下、エンジンのアイドル回転数制御弁に適
用した本発明の一実施例を図１〜図１１に基づいて詳細
に説明する。

【０００９】まず、図１，図２は本発明の第１の実施例
に係る圧電型制御弁の構成説明図であって、図中、エン
ジンの吸気系に設けられた補助空気通路１は、その上流
側がスロットルバルブをバイパスするようにしてエアク
リーナに接続され、その下流側はインテークマニホルド
（いずれも図示せず）に接続されている。この補助空気
通路１の途中には段付円筒状のハウジング２が気密に設
けられ、ハウジング２内には、後述する弁体５の開閉弁
方向たる軸方向に離間して、例えばステンレス系材料か
ら分割体として形成された一対の支持体３が摺動可能に
設けられ、これら各支持体３は後述の圧電体８に連結さ
れた大端部３Ａと、大端部３Ａの端面に幅方向に離間し
て設けられた一対の軸部３Ｂと、該各軸部３Ｂに摺動可
能に設けられた小端部３Ｃとから構成されている。ま
た、各支持体３の円弧状の両端面はハウジング２の内壁
２Ａに面接触し、後述のコイルスプリング４により内壁
２Ａにそれぞれ異なる所定の静止摩擦力が発生するよう
に押し付けられている。さらに、各支持体３は移動時の
バランスをとるべく大端部３Ａと小端部３Ｃの位置関係
が互いに逆となっている。

【００１０】各支持体３に設けられた付勢手段としての
２本１組のコイルスプリング４は、図２の断面図に示す
如く、支持体３の各軸部３Ｂを中心にそれぞれ巻回さ
れ、これにより、大端部３Ａと小端部３Ｃをハウジング
２の内壁２Ａに向けて付勢している。ここで、各コイル
スプリング４は、一方の支持体３の静止摩擦力よりも他
方の支持体３の静止摩擦力が大きくなるよう、互いのば
ね定数が異なって設定されており、実施例では、図１中
の左側（弁体５側）における一方の支持体３の静止摩擦
力の方が他方の支持体３よりも大きくなっている。ま
た、これらコイルスプリング４のばね定数は、所望の開
閉弁速度、発生力を得るべく、ハウジング２と支持体３
の材質及び面粗度、弁体５と支持体３の質量、弁体５の
静止時にも作用するインテークマニホルドの吸入負圧等
を考慮して設定されている。なお、図２は図１中のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。

【００１１】弁体５はハウジング２に圧電体８の軸線方
向に移動可能に設けられ、その基端側は弁軸６を介して
一方の支持体３の大端部３Ａに取り付けられ、その先端
側はハウジング２の外部に突出して補助空気通路１内に
臨んでいる。そして、この弁体５は圧電体８が伸縮する
と、各支持体３と共に軸方向に移動し、これにより、補
助空気通路１内に形成された弁座７に離着座するもので
ある。なお、弁体５は耐熱性、軽量等の観点から、例え
ばポリアミド等の高分子材料より形成するのが好まし
い。

【００１２】圧電体８は各支持体３間を連結して設けら
れており、その軸方向一端側は一方の支持体３の大端部
３Ａに固着され、その軸方向他端側は他方の支持体３の
大端部３Ａに固着され、所定の波形を有するパルス電圧
信号が印加されると一端側と他端側を結ぶ軸線方向に伸
長する。この圧電体８は例えばチタン酸バリウムやチタ
ン酸ジルコン酸鉛等の圧電性セラミックス８Ａと図示し
ない薄膜電極とを交互に多数積層してなる積層型圧電体
として形成されている。また、圧電体８の表面は金属製
の保護部材９で覆われており、吸入負圧により弁体５に
閉弁方向の力が作用し、圧電体８が引っ張られたとき
に、電極面での剥離が生じるのを防止している。なお、
この金属製の保護部材９に替えて、圧電体８の伸縮方向
に平行にコイルスプリング等のばね部材を配設してもよ
い。

【００１３】ハウジング２内には、軸方向両端側に弁体
５の全閉位置，全開位置を検出する全閉スイッチ１０，
全開スイッチ１１が設けられている。これら全閉スイッ
チ１０及び全開スイッチ１１は、例えば支持体３に接触
すると接点間の抵抗値が変化することにより弁体５の全
閉位置及び全開位置を検出する抵抗式スイッチとして構
成されている。なお、これに限らず、例えば支持体３に
磁石を埋設し、磁力の変化をホール素子等で検出する磁
気センサとして構成してもよく、光電スイッチを用いて
もよい。

【００１４】マイクロコンピュータを含んで構成された
コントロールユニット１２は、その入力側に全閉スイッ
チ１０、全開スイッチ１１、スロットルセンサ１３、水
温センサ１４、クランク角センサ１５、エアコンディシ
ョナスイッチ１６（以下、「エアコンスイッチ１６」と
いう）等が接続され、その出力側には駆動電圧発生器１
７等が接続されている。そして、駆動電圧発生器１７は
リード線１８、プラグ１９、接続部材２０を介して圧電
体８の電極に接続され、コントロールユニット１２から
の制御信号に応じたパルス電圧信号を印加するものであ
る。

【００１５】次に、圧電体８の伸縮による弁体５の移動
動作について、図３〜図６を参照しつつ説明する。ま
ず、弁体５を閉弁方向に移動させる場合は、図３に示す
如く、圧電体８に鋭く立ち上がり緩やかに低下する略台
形状のパルス電圧信号を連続的に印加する。この急激な
電圧上昇部においては、最初、図４（Ａ）に示す如く非
通電の静止状態にあった圧電体８は、各支持体３の静止
摩擦力に打ち勝って急激に一端側と他端側にそれぞれ略
同じ長さだけ伸長し、図４（Ｂ）に示す状態となる。そ
して、緩やかに低下する電圧下降部において、圧電体８
は緩やかに縮小するが、弁体５側の支持体３は大きな摩
擦力で保持されているため、不動の基準となり、他方の
小さい摩擦力で保持された支持体３が引き戻されて、図
４（Ｃ）に示す状態となる。以下、再び電圧信号を印加
すると、同様に図４（Ｄ）に示す如く、圧電体８は急激
に伸長して両側の支持体３を移動させ、弁体５は図４
（Ｃ）の状態からさらに閉弁方向に移動する。この動作
を繰り返すことにより、弁体５は閉弁方向に向けて段階
的に移動していく。

【００１６】一方、弁体５を開弁方向に移動させるに
は、図５に示す如く、緩やかに立ち上がり急激に低下す
るパルス電圧信号を圧電体８に印加する。この緩やかな
電圧上昇部においては、最初、図６（Ａ）に示す如く静
止状態にあった圧電体８は緩やかに伸長し、これによ
り、摩擦力の大きい一方の支持体３を基準として他方の
支持体３のみが移動し、図６（Ｂ）に示す状態となる。
そして、急激に低下する電圧下降部において、圧電体８
は各支持体３の静止摩擦力に打ち勝って急速に縮小し、
両側の支持体３を略等量ずつ引き寄せて、図６（Ｃ）に
示す状態となる。従って、再びこの電圧信号を印加する
と、図６（Ｄ）に示す如く、一方の支持体３を基準とし
て他方の支持体３が移動するため、この動作の繰り返し
によって弁体５は開弁方向に移動する。なお、他方の静
止摩擦力を一方の静止摩擦力よりも大きくした場合に
は、上述の動作とは逆の動作を行わせることができる。
すなわち、図３に示す波形の電圧信号を印加した場合は
弁体５は開弁方向に移動し、図５に示す波形の電圧信号
を印加した場合は閉弁方向に移動する。

【００１７】次に、本実施例の構成による補助空気量の
流量制御について、図７に基づいて説明する。まず、ス
テップ１では、スロットルセンサ１３からの信号を読込
み、ステップ２では、この信号に基づいてエンジンがア
イドリング状態にあるか否かを判定する。このステップ
２で「ＮＯ」と判定した場合は、アイドリング状態にな
いときであるからステップ１に戻り、「ＹＥＳ」と判定
した場合は、ステップ３に移って、エンジンの運転状態
を検知すべく水温センサ１４、クランク角センサ１５、
エアコンスイッチ１６等の出力信号を読込む。次に、ス
テップ４では、各センサの信号に基づき、エンジンのア
イドリング時の目標回転数Ｎ_aを演算して求める。

【００１８】そして、ステップ５では、目標回転数Ｎ_a
と実際のエンジン回転数Ｎの偏差から補助空気通路１を
通過させる補助空気量を求め、この補助空気量を達成す
る弁開度、すなわち、弁体５の移動量と移動方向を算出
し、ステップ６では、この弁開度を実現すべく駆動電圧
発生器１７に制御信号を出力する。これにより、駆動電
圧発生器１７が圧電体８に所定のパルス電圧信号を印加
すると、圧電体８は伸縮し、弁体５が移動して補助空気
通路１内の空気流量が変化する。そして、ステップ７で
は、クランク角センサ１５からエンジン回転数Ｎを読込
み、ステップ８では、この回転数Ｎと目標回転数Ｎ_aが
一致したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定したときはス
テップ６に戻る一方、「ＹＥＳ」と判定したときはステ
ップ１に戻ることにより、フィードバック制御を行う。

【００１９】このように、本実施例によれば、コイルス
プリング４でハウジング２の内壁２Ａに付勢された一対
の支持体３を圧電体８を介して連結し、圧電体８の伸縮
運動により直接的に弁体５を移動させる構成であるか
ら、応答性、発生力の高い圧電体８の特性を十分に利用
して正確に弁開度を調整でき、弁体５にガム状の異物が
付着して固着現象が生じるのを未然に防止し、高い信頼
性をもって補助空気量の流量制御を行うことができる。

【００２０】ここで、圧電体８は、例えば素子長が４０
ｍｍに形成され、図８に示す如く、１００Ｖの電圧を印
加すると、圧電体８単体で約４５μｍ程度伸長し、約３
００ｋｇｆ／ｃｍ²の力を発生するものである。これに
より、図９に示す如く、例えば４ｋＨｚの周波数で電圧
信号を印加すると、圧電体８は伸縮を繰り返し、弁体５
を１秒間に約２５ｍｍ程度、約３ｋｇｆの力で徐々に移
動させるようになっている。従って、全閉から全開まで
の弁体５の移動距離、すなわち、リフト量を５ｍｍとす
ると、約０．１〜０．２秒で開閉弁が可能であり、この
程度の遅れであれば急激な負荷変動でも補助空気量を調
整して適正なアイドル回転数に制御できる。なお、図８
は印加電圧と圧電体８の変位量との関係を示す特性線
図、図９は圧電体８に印加する電圧信号の駆動周波数と
弁体５の移動距離との関係を示す特性線図である。

【００２１】また、圧電体８への給電を断てば、吸入負
圧に抗して各支持体３が摩擦力で固定され、弁体５は現
在位置を保持できるため、例えば数十μｍ程度の精度を
もって弁開度を微調整することができる。さらに、圧電
体８を保護部材９で封入する構成であるから、吸入負圧
によって圧電体８が引っ張られても、保護部材９が弾性
体として作用し、圧電体８が電極面で剥離するのを防止
することができる。

【００２２】次に、図１０および図１１に基づいて本発
明の第２の実施例を説明する。本実施例では、ハウジン
グ２の内壁２Ａに軸方向にわたるガイド突起２１を１８
０度対向して設け、各ガイド突起２１を支持体３に摺動
可能に係合させて、周方向の位置決めを行っている。

【００２３】すなわち、各ガイド突起２１はハウジング
２の内壁２Ａに固着、あるいは内壁２Ａの一部として一
体形成され、各支持体３はガイド突起２１に係合した状
態でハウジング２内を移動する。なお、各ガイド突起２
１を支持体３側に設け、内壁２Ａ側に係合溝を形成して
もよい。また、支持体３とハウジング２の内壁２Ａの表
面は高周波焼き入れにより硬化されており、移動時の摩
耗を防止している。さらに、ハウジング２内には絶縁性
の高いシリコンオイル２２で満たされ、ハウジング２の
先端側には弁体５との隙間からオイル２２が漏洩するの
を防止するシール部材２３が設けられている。

【００２４】このように、構成された本実施例では、１
８０度対向して設けられた一対のガイド突起２１によっ
て支持体３が周方向に回転するのを未然に防止し、圧電
体８に捩れ力が加わるのを防止して、信頼性を一層向上
することができる。また、ハウジング２内に充填された
シリコンオイル２２によって、圧電体８の伸縮時に生じ
る衝撃音が外部に漏れるのを防止でき、圧電体８の熱を
奪って温度上昇を防止し、耐久性を向上できる。

【００２５】なお、前記各実施例では、積層型の圧電体
８を用いる構成としたが、スタック型の圧電体を用いて
もよい。また、支持体３を付勢する付勢手段としてコイ
ルスプリング４を例示したが、これに替えて、例えば皿
ばね、ゴム等の弾性体を用いてもよく、あるいは油圧、
空圧によって付勢する構成としてもよい。さらに、補助
空気通路１の空気流量制御に用いる場合を例に挙げて説
明したが、本発明はこれに限らず、他の気体や水、オイ
ル等の液体の流量制御にも適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に係る圧電型
制御弁によれば、圧電体の伸縮運動を直接的に利用し
て、高い応答性と発生力をもって弁体を速やかに開閉弁
させることができ、異物により弁体が固着するのを未然
に防止して信頼性を向上することができ、全体を小型軽
量化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電型制御弁の構
成説明図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図３】閉弁時に圧電体に印加する電圧信号の波形図。

【図４】閉弁方向の圧電体の伸縮動作を示す動作説明
図。

【図５】開弁時に圧電体に印加する電圧信号の波形図。

【図６】開弁方向の圧電体の伸縮動作を示す動作説明
図。

【図７】補助空気流量の制御を示す流れ図。

【図８】印加電圧と圧電体の変位量との関係を示す特性
線図。

【図９】電圧信号の駆動周波数と弁体の移動距離との関
係を示す特性線図。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る圧電型制御弁の
構成説明図。

【図１１】図１０におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【符号の説明】

２…ハウジング ２Ａ…内壁 ３…支持体 ４…コイルスプリング ５…弁体 ８…圧電体 １２…コントロールユニット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、該ハウジング内に互いに
   離間して摺動可能に設けられた一対の支持体と、該各支
   持体をハウジングの内壁にそれぞれ異なる静止力が発生
   するように付勢する付勢手段と、前記各支持体の一方に
   設けられた弁体と、一端側が一方の支持体に固定され他
   端側が他方の支持体に固定され、一端側と他端側を結ぶ
   軸線方向に伸縮する圧電体とから構成してなる圧電型制
   御弁。