JPS61180075A - 電歪体駆動の可変絞り弁 - 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、電圧の印加に応じて伸縮する電歪体を利用し
て弁体を駆動する電歪体駆動の可変絞り弁に関するもの
で、油圧回路等の高応答性絞り弁として用いて有効であ
る。

〔従来の技術〕

従来、油圧回路等の流量制御に用いられる絞り弁は、モ
ータ等の駆動源により絞り弁体を開閉して制御が行われ
てきた。ところが近年、エレクトロニクスの進歩により
、油圧回路も電気的な制御が行われるようになってきた
。このため、モータ等による制御では、十分な応答速度
が得られないという問題が生じた。そこで、リニアソレ
ノイド等によって制御される開閉弁、もしくは絞り弁が
提案されている。

また一方で、電歪効果を有する電歪素子が、電気的制御
に対して極めて応答速度が速いということで、様々の用
途のアクチュエータとして検討されている。ところが、
電歪素子を複数積層してその全体の変位量を増大するよ
うにしたものにおいて、数百ポルトの高電圧を印加して
も、その伸び量（変位量）は数十ミクロンと非常に少な
いという欠点をもつ。この欠点の改善案として、電歪素
子の変位を大面積のピストンから、密封空間に封入され
た非圧縮性液体を媒体として、小面積のロッドに伝達す
る、いわゆるパスカルの原理を応用した変位量拡大機構
を用いるものが考案されている。ところが、上記変位量
拡大機構は、封入される液体及び他の構成部材が温度変
化によって熱膨張するために、温度変化に対して影響を
まぬがれることができない。あるいはその拡大率が上記
ピストンとロッドの面積比に依存するためにせいぜい数
十倍であるといった問題点を有していることが判明した
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされるもので、そ
の目的は、応答速度の極めて速い電歪素子を利用し、か
つその電歪素子の微少変位量を拡大し、しかも温度変化
に対して影響を受けることのない可変絞り機構を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための手段として、非圧縮性流体
の流通する流路（７，８）の流通面積を変化する弁体（
９）を有する絞り弁において、電圧の印加に応じて伸縮
する電歪体（１）と、この電歪体（１）の伸縮によって
前記流路（７，８）から流体が流入するのみを許容する
、もしくは前記流路へ流体が流出するのみを許容するこ
とによって流体量が変化する空間、（ポンプ室１０、も
しくは作動室１８）とを設け、この空間の流体量に応じ
て前記弁体（９）が移動するようにしたことを特徴とす
るものである。

〔作　用〕

以上のように構成すると、電圧の印加に応じて伸縮をす
る電歪体（１）の変位によって空間（１０、又↓よ１０
と１８）が容積変化する。この変化に伴って空間（１０
）には、流路（７，８）から流体が流入する、もしくは
流路（７，８＞へ流体が流出することによって、その空
間内を満たす流体量が増加、もしくは減少して変化する
。この空間内の流体量の変化は、弁体（９）に作用して
弁体（９）を変位させて、弁体（９）が流路の流通面積
を変化させることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１実施例を図面に基いて説明する。

第１図は第１実施例の可変絞り弁を、その中心軸に沿っ
て切断して示す縦断面図である。

第１図において、可変絞り弁は、流体の流通する流路７
，８と、流路７，８の流通面積を変化させる弁体９と、
電歪素子積層体１によって容積変動するポンプ室１０、
ポンプ室１０内への流体の流入のみを許容する逆止弁１
１とを具備する。

電歪素子積層体１は、円柱上のハウジング２内に穿設さ
れた円筒状の穴２ａ内に配設されており、その下端面は
円盤状の取付板３に同心円上に固定され、その上端面に
はピストン４が設けられている。ピストン４は、ハウジ
ング２内の円筒状の穴２ａの軸方向に摺動自在で、かつ
油密的に設けられて、電歪素子積層体１によって図中上
下方向に駆動変位される。また、電歪素子積層体１は、
薄い（約０．５ｍ）円盤状の電歪素子を数十枚積層して
円柱状にしたものである。電歪素子はＰＺＴと呼ばれる
セラミックであり、チタン酸−ジルコン酸鉛を主成分と
しており、その厚み方向の数百Ｖの電圧を印加すると約
μｍ伸びる。この電歪素子を数十枚積層して、各々の素
子の厚み方向に上記電圧を印加すると、全体として数十
μｍの伸長が得られる。この電圧を解除するか又は若干
の負電圧を印加すれば縮小して元の長さに戻る。

またピストン４の上面の外周に沿っては、０リング５が
設けられており、Ｏリング４はピストン４の上下変位を
吸収して変形する。尚、電歪素子積層体１は、図中下方
向より約１００〜２００　ｋｇ重程度の荷重を加えた状
態で、固定部材６及び固定せぬボルト等の固定手段によ
ってハウジング１に固定されている。また、取付板３及
びピストン４には、積層体１と当接又は固定される側端
面に、環状の溝３ａ、４ａが形成されて、積層体１の上
下端面の外周部分が直接的に取付板３及びピストン４と
接触しない構造である。またハウジング２の円筒状の穴
２ａは、連通路２ｂを介して外部と連通しており、電歪
素子積層体１はこの連通路２ｂを介して図示せぬリード
線によってパルス電圧が印加される。

ハウジング２には、非圧縮性液体例えば作動油等の作れ
る流路７，８が形成されている。流路７゜８の間には、
スプール弁体９が図中上下方向に摺動自在に設けられ、
弁体９の軸方向にはその上。

下端面を連通ずる流路９ａが設けられるとともに、流路
９ａと弁体９の外周面を連通ずる通路９ｂが形成されて
、流路７，８及び弁体９によって絞り弁が構成される。

弁体９の下端面及びピストン４の上端面によって、ポン
プ室１０が区画形成される。弁体９の通路９ａには、流
路７もしくは流路８からポンプ室１０への流体の流入の
みを許容する応答性の良い逆止弁１１が設けられている
。また弁体９は、取付部材１２に支持されたスプリング
１３によって図中下方向に付勢されているとともに、弁
体９の外周には環状の段差部９ｃが形成されており、こ
の段差部９ｃがハウジング２ストップ部２ｃと当接する
ことにより弁体９の最下位置が規制される。

また、弁体９の段差部９ｃの下方の外周面には、その軸
方向に沿うリザーブ溝９ｄが形成されている。リリーフ
９ｄは、流路７，８側とポンプ室１０とを連通して、ポ
ンプ室ｌｏ内の流体を流路７゜８側へ流すものである。

溝９ｄを通って流れる流量は、逆止弁１１を介してポン
プ室１０内へ流入する流量よりも少なくなるように設定
されている。

次に、上述の構成に基いてその作動について説明する。

電歪素子積層体１に８００Ｖ程度のパルス電圧を印加す
る。尚、このパルス電圧は、図示せぬ制御回路によって
制御されて、周波数が数百ヘルツ、１回のパルス毎の電
圧印加時間が、積層体１の応答時間（電圧を印加してか
ら積層体１が完全に伸びるまでの時間）よりも長いもの
である。すると積層体１は上下方向に伸縮し、ピストン
４を上下に駆動する。このピストン４は、ゴム等の弾性
体から成る０リング５の変形、復元によて容易に上下方
向に移動して、ポンプ室１０の容積を増減変化させる。

ポンプ室１０の容積が増加する、すなわちピストン４が
下方へ移動する時、弁体９に設けられた逆止弁１１が開
き、流路７，８の流体が通路９ａからポンプ室１０内に
流入して、ポンプ室１０内の流体量が増加する。ただし
逆止弁１１の開弁力は、ピストン４が下方へ移動して弁
体９が下方へ移動しようとする際に、弁体９に作用する
慣性力よりも小さく設定されているので、ピストン４の
下方移動に伴って逆止弁１１は容易に開弁する。一方、
ポンプ１０の容積が減少する、すなわちピストン４が上
方へ移動する時、逆止弁１１は閉じられるために（弁体
９の外周の溝９ｄから微少量の流体の洩れはあるものの
）、ポンプ室１０内の非圧縮性流体は、スプリング１３
の付勢力に抗して弁体９を上方へ移動させることになる
。

すなわち電歪素子積層体１へのパルス電圧印加毎に、ポ
ンプ室１０内の流体量が増加して、弁体９が上方へ移動
することになる。ここで１回のパルス電圧印加による弁
体９の移動距離は、ピストン４すなわち電歪素子積層体
ｌ変位量、°及びピストン４と弁体９の径の比等によっ
てほぼ決まるものである。そしてパルス電圧を電歪素子
積層体１に繰り返して印加すると、１回のパルス電圧毎
にポンプ室１０内の流体量が増加して、弁体９が上方へ
移動し、流路７，８の通路面積を絞り、ついには流路７
．８を閉塞する。

一方、パルス電圧の印加を停止すると、弁体９に作用す
るスプリング１３の付勢力により、ポンプ室１０内の流
体は、弁体９の外周の溝９ｄを通って流路７，８側へ徐
々に流出する。よって、ポンプ室１０内の流体量が減少
して、弁体９は徐々に下方へ移動し、流路７．８を開放
する。

上記動作を第２図に示すと、数回のパルス電圧の印加（
第２図においては３回のパルス電圧の印加）によって、
前述した様に弁体９は上昇して絞り弁を閉塞する。その
後パルス電圧を印加し続けられると、弁体７は絞り弁を
閉塞した状態を維持する。パルス電圧の印加を停止する
と、前述した様に弁体９は下降し絞り弁を開いてゆくこ
とになる。

また第２図に示したパルス電圧の代わりに、第３図に示
す様なパルス電圧を印加することによって、絞り弁を任
意の開度にすることができる。このパルス電圧は、電圧
を印加する時間と、電圧印加を停止する時間との比、い
わゆのデユーティ比を変えたものである。印加する時間
が長い場合は、電歪素子積層体１が完全に伸び（これを
以下ロングパルス電圧と呼ぶ）、印加する時間が短い場
合は、積層体１完全に伸びる前の途中の伸びで停止する
（これを以下ショートパルス電圧と呼ぶ）。

このロングパルス電圧とショートハルスミｌ圧１ｉ宜組
み合せるとともに、各パルス電圧印加にする時間的間隔
を制御することによって、第３図に示す様に弁体９の移
動量を任意に制御することが可能となり、絞り弁の開度
を任意に制御することができる。

次に第２実施例を第４図に基いて説明する。

第１実施例との相違点は、逆止弁１１がポンプ室１０内
から流体の流出する方向のみの流れを許容するように設
けられている点にある。また、スプリング１３は、弁体
９の段差部９ｃとハウジング２ストップ部２ｃの間に設
けられて弁体９を上方に付勢している０段差部９ｃには
、スプリング１３の設けられる空間と流路７，８に連通
する通路９ｂを連通する穴１４が設けられて、スプリン
グ１３の設けられる空間が油密状態とならないようにな
っている。また弁体９は、その上端面が取付部材１２の
ストップ部１２ａに当接することによって、上方位置が
規制される。尚、その他の構成は第１実施例と同様であ
るので、同一符号を付してその説明は省略する。

第４図において、電歪素子積層体１が伸びてピストン４
が上方へ移動する時、ポンプ室１０内の容積が減少し、
逆止弁１１を通してポンプ室１０内の流体が流して、そ
の流体量が減少する。次にピストン４が上方へ移動する
時は、逆止弁１１が閉じるので弁体９はピストン４の下
降にともなって、スプリング１３の付勢力に抗して下方
へ移動する。すなわち１回のパルス電圧印加毎に、ポン
プ室１０内の流体量が減少して、弁体９が下方へ移動す
ることになる。ゆえに前述の第１実施例で説明した様に
パルス電圧を繰り返して印加すると、弁体９は絞り弁を
絞り、ついには流路７．８を閉塞する。

一方、パルス電圧の印加を停止すると、スプリング１３
の付勢力により、ポンプ室１０内には穴１４及び弁体９
の外周の溝９ｄを通って流体が徐々に流入するので、弁
体９は上方へ移動して、流路７，８を開放する。

つぎに第３実施例を第５図に基いて説明する。

第１実施例との相違は、ポンプ室１０に吸入用逆止弁１
６、吐出用逆止弁１７を設けることによって、ポンプ室
１０から吐出された流体を作動室１８導くことにより弁
体９を移動する点にある。

ハウジング２には、流路７もしくは流路８と連通ずる吸
入通路１５が設けられている。吸入通路１５がポンプ室
１０に開口する部分には、ポンプ室１０内に流体が流入
するのみを許容する吸入用逆止弁いわゆる吸入弁１６が
設けられている。また吸入弁１６と逆方向の流れのみを
許容する、すなわちポンプ室１０内から流体が流出する
のみを許容する吐出用逆止弁いわゆる吐出弁１７がハウ
ジング２内部に設けられている。この吐出弁１７と弁体
９との間に作動室１８が形成されており、この作動室１
８にはポンプ室１０から吐出弁１７を介して吐出された
流体が導かれる。尚、その他の構成は第１実施例と同様
であるので同一符号を付して、その説明は省略する。

第５図にいて、ピストン４が下方へ移動すると、ポンプ
室１０は、吸入通路１５及び吸入弁１６を介して流体を
吸入し、ピストン４が上方へ移動すると吐出弁１７を介
して作動室１８へ流体を吐出する。作動室１８の流体量
が増加することによって、弁体９はスプリング１３の付
勢力に抗して上方へ移動して絞り弁として作動する。一
方、ポンプ室が作動室１８へ流体を吐出しないときは、
スプリング１３によって、作動室１８内の流体が弁体９
の外周の溝９ｄを通って流出するので、弁体９は下方へ
移動する。よって、第１．第２実施例においてはピスト
ン４の移動に伴って弁体９が微少量移動する現象があっ
たが、上述の様に吸入弁１６、吐出弁１７を設けること
によりその現象もなくなり、弁体９が絞り弁として確実
に移動することができるようになる。尚、上述の実施例
において、吸入弁１６、吐出弁１７を交換して設けるこ
とによって、作動室１８内の流体量を減少させて弁体９
を移動させることは言うまでもない。

次に第４実施例を第６図に基いて説明する。

第１実施例との相違点は、逆止弁１１及び弁体９の外周
のリリーフ溝９ｄの代わりに、一方の流れに対しては容
易に流し、その逆方向の流れに対しては大きな流通抵抗
をもつ通路、いわゆる流体ダイオード１９を弁体９の通
路９ａに設けた点にある。この流体ダイオード１９は、
ポンプ室１０内へ流入する流体に対しては容易に流し、
ポンプ室１０から流出する流体に対して大きな流通抵抗
をもつように設けられている。このため、前述の如くに
ピストン４が上下移動すると、ポンプ室１０内の流体が
流入し、流体量が増加し、弁体９は上方へ移動して絞り
弁として作動する。他の構成及び作動は、第１実施例と
同様である。尚、流体ダイオード１９を第７図（ａ）に
拡大図に示す、またその他の流体ダイオードとして、第
７１１！Ｊｆｆｉ）、　（Ｃ）。

（ｄ）に示す様なものを利用しても良い。

次に第５実施例を第８図に基いて説明する。これは、第
１実施例の弁体９の位置をポテンションメータ等の検出
装置２０で検出して、図示せぬ制御回路へフィードバッ
クして、パルス電圧を制御することによって、絞り弁の
開度を精度良く制御するものである。

スプール弁体９の上方には、スプールロフト２１が延長
して設けてあり、このロッド２１の先端の位置が検出装
置２０で検出されて、電気的信号に変換される。弁体９
には弁体９が容易に摺動するようにスプールロッド２１
の根本部には孔９ｅが設けられ、弁体９の段差部９Ｃの
下部には孔９ｆが設けている。また、この検出装置は、
リミットスイチ、発光受光素子等の検出手段でも良いこ
とは言うまでもない。

また上述の第１．第２．第４実施例において、弁体９に
逆止弁１１、もしくは流体ダイオード１９を設けるよう
にしたが、ハウジング２に流体７゜８とポンプ室１０と
を連通ずる通路を設け、その通路の途中に弁体１１もし
くは流体ダイオード１９を設けるようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、電圧の印加に応じた伸縮する電歪体（
１）の変位によって、空間（１０又は１Ｏと１８）が容
積変化すると、空間には流路（７゜８）から流体が流入
する、もしくは空間がら流路（７，８＞へ流出し、その
空間内を満たす流体量が増加、もしくは減少する。この
空間内の流体量の変化は、弁体（９）に作用して弁体（
９）を移動させることになり、弁体（９）は流路の流通
面積を変化することが可能となる。したがうて、弁体（
！ｌ）は応答速度の極めて速い電歪体（応答速度は数十
μｓｅｃ、）によって駆動されるため、ソレノイドによ
って駆動される弁、電磁弁（これらの応答速度は数十ｍ
５ｅｃ、程度）と比較して、高速駆動される。また、多
数回のパルス電圧の印加によって電歪体を伸縮すると、
空間を満たす流体量は大きく変化するため、電歪体の微
少変位量は空間を満たす流体によって大きく拡大されて
弁体を駆動することになる。さらに上述空間は、従来技
術において説明した様な密封空間と、温度変化の影響を
うけにくいとともに、密封空間を形成する厳密な部材が
不要となるという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図、第３
図は本発明の詳細な説明するに供するパルス電圧とスプ
ール弁体の移動量を示す図、第４図は本発明の第２実施
例の縦断面図、第５図は本発明の第３実施例の縦断面図
、第６図は本発明の第４実施例の縦断面図、第７図は流
体ダイオードを示す説明図、第８図は本発明の第５実施
例の縦断面図である。 １・・・電歪素子積層体、２・・・ハウジング、４・・
・ピストン、５・・・０リング、７．８・・・流路、９
・・・スプール弁体、１０・・・ポンプ室、１１・・・
逆止弁、１３・・・スプリング、１５・・・吸入通路、
１６・・・吸入弁、Ｉ７・・・吐出弁、１８・・・作動
室、１９・・・流体ダイオード、２０・・・位置検出装
置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）非圧縮性流体の流通する流路の流通面積を変化す
   る弁体を有する絞り弁において、パルス電圧の印加に応
   じて伸縮する電歪体と、この電歪体の伸縮によって前記
   流路から流体が流入するのみを許容する、もしくは前記
   流路へ流体が流出することのみを許容するによって流体
   量の変化する空間とを具備し、この空間の流体量に応じ
   て前記弁体が移動するようにしたことを特徴とする電歪
   体駆動の可変絞り弁。
2. （２）前記空間は前記電歪体の伸縮によって容積変化す
   るポンプ室であるとともに、このポンプ室は前記流路か
   ら流体が流入する、もしくは前記流路へ流体が流出する
   一方向の流れのみを容易に許容する流体一方向流通手段
   を介して、前記流路と連通していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の電歪体駆動の可変絞り弁。
3. （３）前記空間は、前記電歪体の伸縮によって容積変化
   するとともに一方向の流れのみを容易に許容する流体一
   方向流通手段を介して前記流路と連通するポンプ室と、
   前記流体一方向流通手段と逆方向の流れのみを容易に許
   容する第２の流体一方向流通手段を介して前記ポンプ室
   に連通する作動室であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の電歪体駆動の可変絞り弁。
4. （４）前記流体一方向流通手段は、逆止弁である特許請
   求の範囲第２項又は第３項記載の電歪体駆動の可変絞り
   弁。
5. （５）前記流体一方向流通手段は、一方向の流れのみ容
   易に許容し、その逆方向の流れに対して流通抵抗を有す
   る流体ダイオードである特許請求の範囲第２項又は第３
   項記載の電歪体駆動の可変絞り弁。
6. （６）前記電歪体は、電圧の印加によって伸縮する電歪
   素子を複数積層した電歪素子積層体である特許請求の範
   囲第１項記載の電歪体駆動の可変絞り弁。