JPS62288782A - 制御弁 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は制御弁に関するもので、特にセラミック素子を
利用した応答性に優れる高精度な制御弁に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来より、ＰＺＴ等のセラミック素子を多数枚積層する
とともに高電圧電力を供給して伸縮させ、この伸縮を利
用して機械的な力を発生させて各種機械的な制御を行な
うことは知られている。

このようなセラミック素子を利用した機械的装置は、電
気的な信号によって効果的に応答性良好に制御されるも
のであり、かつ大きな機械的作動力が得られるものであ
るため種々の応用が考えられる。

その−例として、電圧を印加することにより流量調整方
向に変位もしくは変形可能な複数枚の圧電板の積層体を
備え、電圧の印加に応して積層体が伸縮し弁体を変位さ
せて流体の流量を制御する高速応答で微量調整用の制御
弁が特開昭６０−１７５８８１号公報に開示となってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなセラミック素子を利用した制
御弁にあっては、印加する電圧とセラミック素子の変位
量との間にはヒステリシスが発生し、また、温度等の使
用条件によってセラミック素子の印加電圧に対する変位
量が異なり、さらには経時変化も発生してしまうため、
高精度に流量制御あるいは圧力制御ができないという問
題点があった。

本発明は以上の様な問題点に鑑みてなされるもので、セ
ラミック素子を利用する状態でありながら、電圧の印加
に対応するセラミック素子群の変位量を正確に制御し、
高精度に流量制御あるいは圧力制御を行なう制御弁を提
供することを目　的としている。

ｃ問題点を解決するための手段〕 前記問題点を解決するために本発明は次のような技術的
手段を講じた。

本発明の制御弁は、複数の板状のセラミック素子を相互
間に電極板を介して積層して形成されるとともに電圧の
印加に応じて伸縮するセラミ、り素子群と、このセラミ
ック素子群のセラミック素子と絶縁層を介在する状態で
一体に積層されるとともにセラミック素子群の伸縮に対
応して発生する機械的作動力を検出する検出用セラミン
ク素子と、セラミック素子群の伸縮を受けて往復動する
とともに流体が流通する流体通路を変動せしめる往復動
部材と、セラミック素子群に印加する印加電圧に対応し
て決定される機械的作動力の目標値が予め設定されてい
る制御回路とを備え、セラミック素子群の伸縮に対応し
て実際に発生する機械的作動力を検出用セラミック素子
により検出し、制御回路において、この検出値と目標値
との比較を行ない、セラミック素子群に印加する印加電
圧を増減する。

〔作用］ 前記構成による本発明は次のように作用する。

すなわち、セラミック素子群の各セラミック素子に電圧
を印加すると、各セラミック素子には印加される電圧の
状態に応じた歪みが発生し、セラミック素子群は伸縮す
る。

往復動部材は、このセラミック素子群の伸縮を受けて往
復動じ、流体が流通する流体通路の通路面積を変動させ
、流量制御あるいは圧力制御を行なう。

ここで、往復動部材がセラミック素子群の伸縮を受けて
往復動すると、この往復動部材の位置により決定される
機械的作動力が発生する。つまり、セラミック素子群の
変位量に起因して機械的作動力が発生する。この機械的
作動力は、セラミック素子と一体に積層されている検出
用セラミック素子により検出され、制御回路では、この
検出値と目標値との比較を行ない、セラミック素子群に
印加されている印加電圧を増減し、検出値とを目標（直
とを一致させる。

従って、印加する電圧とセラミック素子群の変位量との
間にヒステリシスが発生したり、あるいは温度等の使用
条件によって、セラミ、り素子群の変位量が変化したり
、さらには経時変化が発生したとしても、上記のように
セラミック素子群に印加する印加電圧を増減させて調整
することによりセラミック素子群の変位量を常に安定し
た精度で制御することができ、高精度に流量制御あるい
は圧力制御を行なうことができる。

〔実施例〕

次に、第１図を用いて本発明の第１実施例を説明する。

第１図は本実施例の構成を示す縦断面図である。

第１図において、本実施例の制御弁の外形を形成するケ
ーシング１は、第１ケーシング１ａと第２ケーシング１
ｂと固定部材１ｃとから構成される。

第１ケーシング１ａは円筒形状であり、第１ケーシング
１ａ内にはピストン３２が摺動自在に嵌挿されている。

ピストン３２は底面部３２ａを有する底付き円筒形状で
、後述する圧電素子群２０の伸縮の力を受けて第１ケー
シング１ａ内を摺動する。

ピストン３２の底面部３２ａと第１ケーシング１ａに固
定された円板状の固定部材１ｃとの間には、圧電素子群
２０及び検出用圧電素子３０が配設されている。

圧電素子群２０は、本実施例のセラミック素子群で円板
状の圧電素子を相互間に電極板２１を介挿して多数枚積
層したものであり、制御回路３７からリード線２５を介
して高電圧信号が印加される。この印加される高電圧信
号の状態に応じて各圧電素子板には歪みが発生し、圧電
素子群２０の積層方向の長さが伸縮制御される。

圧電素子群２０のピストン３２側の面には圧電素子群２
０の変位量に起因する機械的作動力を検出する本実施例
の検出用セラミック素子である検出用圧電素子３０がセ
ラミック等の絶縁板３１を介して一体に積層されている
。そして、この検出用圧電素子３０からの検出信号はリ
ード線３５を介して制御回路３７に供給される。

ここで、圧電素子群２０、絶縁板３１及び検出用圧電素
子３０は一体に固定して積層されており、この一体構造
体の一側面は固定部材ＩＣに対して固定設定されている
。

圧力室１０は、ピストン３２の底面部３２ａと第１ケー
シングｌａの内周面と、後述するニードル端部２Ｃの端
面とにより形成され、この圧力室１０内には作動流体が
貯えられている。この圧力室１０の容積は、ピストン３
２が第１ケーシング１ａ内を摺動することにより変動す
る。また、圧力室１０内にはスプリング３６が配設され
ており、ピストン３２を固定部材ｌｃ側に付勢している
。

なお、第１ケーシング１ａとピストン３２との摺動面で
ある第１ケーシングｌの内周面には圧力室１０内の作動
流体の洩れを防止するためにＯリング１２が設けられて
いる。

第２ケーシング１ｂは第１ケーシング１ａに固定連結さ
れており、第２ケーシングｌｂ内には摺動室４が形成さ
れていて、この摺動室４は第１ケーシング１ａに穿設さ
れた連通穴５を介して圧力室１０と連通している。また
、摺動室４は導入穴８を介して導入通路６と連通し、導
出穴９を介して導出通路７と連通している。この導入通
路６は油圧ポンプ等の油圧発生源と連通しており、摺動
室４内には導入通路６を介して流体が導入される。

摺動室４内には、本実施例の往復動部材であるニードル
２が摺動自在に嵌合されており、このニードル２は弁部
２ａと円板部２ｂと端部２Ｃとから構成される。

ニードル２の端部２ｃは第１ケーシング１ａの連通穴５
に摺動自在に嵌挿されており、圧力室１θ内の作動流体
の液圧を受けて摺動する。ここで、ニードル２の端部２
ｃが受ける受圧面積はピストン３２が圧力室１０におい
て受ける受圧面積より小さくなっているので、ニードル
２の変位量はピストン３２の変位量よりも大きくなる。

また、ニードル２の端部２ｃが摺動する連通穴５の内周
面には圧力室１０内の作動流体の洩れを防止するために
Ｏリング１１が設けられている。

ニードル２の円板部２ｂは摺動室４に摺動自在になって
おり、この円板部２ｂは摺動室４内に配設されたスプリ
ング３により圧力室１０側に付勢されている。

ニードル２の弁部２ａは円柱形状であって、先端部は円
錐形状になっている。弁部２ａの径は導入穴６の内径よ
りも太き（なっており、ニードル２が摺動室４内を図中
左方へ摺動すると弁部２ａは導入穴８０通路面積を減少
させ、導入通路６側の液圧は上昇する。すなわち、ニー
ドル２の往復動運動により上流側の液圧が制御される。

ここで、導入通路６及び導入穴８を介して流入する流体
からニードル２が受ける液圧をＦ、ニードル２の端部２
Ｃの断面積をＡ１、ピストン３２の断面積をＡ２とする
と、圧力室１０内の流体圧力はＦ／ＡＩ　となり、ピス
トン３２及び検出用圧電素子３０はＦ　’　Ａ　Ｚ　／
　Ａ　ｌなる荷重を受ける。

つまり、検出用圧電素子３０が受ける荷重はニードル２
が受ける液圧Ｆにより一義的に決定される。

従って、圧電素子群２０の伸縮によりニードル２が摺動
すると、検出用圧電素子３０が受ける圧電素子群２０の
伸縮による機械的作動力はニードル２が液体から受ける
液圧による一義的に決定される。また、圧電素子群２０
の伸縮は基本的には圧電素子群２０に印加される印加電
圧の状態によって決定されるので、印加電圧に対応して
発生する機械的作動力の目標値を設定することができる
。

制御回路３７には、上記論理に基づき圧電素子２０に印
加する印加電圧に対応して決定される目標値が予め設定
されている。

以上の構成からなる本実施例は次のように作動する。

圧電素子群２０に電圧が印加されていない状態にあって
は、ニードル２は第１図に示されるように、圧力室１０
側にスプリング３により付勢されており、翼人通路６及
び通人穴８を介して摺動室４内に導入された流体は導出
穴９を介して導出通路７に導出される。

次に、流量制御を行なうため制御回路３７を介して圧電
素子群２０に所定の電圧を印加すると、この圧電素子群
２０は印加電圧に対応して伸長する。このため、ピスト
ン３２はスプリング３５に抗して図中左側に摺動し、圧
力室１０の容積は減少する。従って、圧力室１０内の作
動流体は連通穴５内に流入し、ニードル２の端部２ｃは
この液圧を受けることにより連通穴５内を図中左方へ摺
動する。この摺動に伴ないニードル２は摺動室４内を図
中左方へ摺動する。これにより、ニードル２の弁部２ａ
は導入穴８０通路面積を減少させ、導入通路６側の液圧
は通路面積に関連して上昇する。通路面積はニードルの
変位量により決まるため、導入通路６側の液圧はニード
ル２の変位量により制御されることになる。

ここで、圧電素子群２０の伸長に対応して、ニードル２
が導入通路６及び導入穴８を介して流入する流体から受
ける液圧は増加し、この機械的作動力はニードル２、圧
力室１０内の作動流体及びピストン３２を順次介して検
出用圧電素子３０に作用する。機械的作動力は、この検
出用圧電素子３０により検出され、電気信号として制御
回路３７に送られる。制御回路３７では、この検出値と
予め設定された目標値との比較を行ない、検出値が目標
値より大きい場合には圧電素子群２０に印加している印
加電圧を減少させ、検出値が目標値より小さい場合には
圧電素子群２０に印加している印加電圧を増加させる。

従って、印加する電圧と圧電素子群２０の変位量との間
にヒステリシスが発生したり、あるいは温度等の使用条
件によって、圧電素子群２０の変位量が変化したり、さ
らには経時変化が発生したとしても、印加する印加電圧
を増減させて調整することにより圧電素子群２０の変位
量を常に安定した精度で制御することができ、高精度に
流量制御あるいは圧力制御を行なうことができる。

次に、第２図を用いて本発明の第２実施例を説明する。

第２図は本実施例の構成を示す縦断面図である。

第２図において、ケーシング１０１内には前記第１実施
例と同様に、ピストン３２、圧電素子群２０、絶縁板３
１及び検出用圧電素子３０が配設されており、圧電素子
群２０．絶縁板３１及び検出用圧電素子３０は一体に固
定して積層されて固定部材１０２に固定設定されている
。また、圧電素子群２０及び検出用圧電素子３０は制御
回路３７に連結されている。

圧力室１０は、ピストン３２の底面部３２ａとケーシン
グ１０１の内周面とにより形成され、この圧力室１０内
には作動流体が貯えられている。

また、ピストン３２がケーシングｌａ内を摺動すること
により圧力室１０の容積は変動する。さらに、圧力室１
０内にはスプリング３６が配設されており、ピストン３
２を固定部材１０２側に付勢している。

ケーシング１０１内には、一端が圧力室１０に連通ずる
スプール室１０３が形成されており、スプール室１０３
の内周側には洩れを防止するため０リング１０４が設け
られている。このスプール室１０３には、スプール室１
０３内に流体を導入する汎人通路６０と、スプール室１
０３内の流体を導出する第１導出通路６Ｉ及び第２導出
通路６２とが連通している。

スプール室１０３内には、往復動部材である円柱状のス
プール５０が摺動自在に嵌挿されており、このスプール
５０は両端の端部５０ａ及び５０ｃと中心の小径部５０
ｂとから構成される。スプール５０は、端部５０ｃの端
面により圧力室１０内の作動流体の液圧を受け、スプー
ル室１０３内を摺動する。このスプール５０の摺動によ
り、導入通路６０からスプール室１０３内に導入された
流体の第１導出通路６１より導出される流量及び第２導
出通路６２より導出される流量が制御される。

すなわち、第２図に示される状態においては、スプール
５０の端部５０ａにより第１導出通路６１は所定面積閉
塞されていて第１導出通路６１より導出される流量は制
限されるが、スプール５０が図中左方へ摺動すると第１
導出通路６１は閉塞されなくなり流量はしだいに増加す
る。一方、第２導出通路６２に関しても、第２図に示さ
れる状態においては第２導出通路６２は閉塞されておら
ず一体流量の流体が導出されるが、スプール５０の摺動
により第２導出通路６２はスプール５０の端部５０ｃに
より閉塞されて導出される流量は制御される。

また、スプール室１０３の他端側にはスプリング５１が
配設されており、第１図に示されるように圧電素子群２
０に電圧が印加されていない状態においてはスプール５
０を図中右方に付勢する。

以上の構成からなる本実施例は次のように作動する。

圧電素子群２０に高電圧が印加されていない状態にあっ
ては、第２図に示されるように、導入通路６０からスプ
ール室１０３内に導入された流体は、第１導出通路６１
及び第２導出通路６２より所定量づつ導出される。

次に、図示しない制御回路を介して圧電素子群２０に高
電圧を印加すると、この圧電素子群２０は伸長する。こ
のため、ピストン３２はスプリング３６に抗して図中左
側に摺動し、圧力室１０の容積は減少する。従って、圧
力室１０内の作動流体はスプール室１０３の一端側に導
入され、スプール５０はスプリング５１の付勢力に抗し
てスプール室１０３内を摺動する。このスプール５０の
摺動に伴い、スプール５０の端部５０ａにより所定面積
閉塞されていた第１導出通路６１は閉塞されなくなり、
第１導出通路６１より導出される流体の流量はしだいに
増加する。逆に、第２導出通路６２はスプール５０の端
部５０ｃによりしだいに閉塞され、第２導出通路６２よ
り導出される流体の流量は減少する。

ここで、スプール５０の摺動に伴ないスプール５０の端
部５０ａの端面に作用するスプリング５１の付勢力が大
きくなり、この機械的作動力はスプール５０、圧力室１
０内の作動流体及びピストン３２を順次弁して検出用圧
電素子に作用する。

なお、以下の作動は前記実施例と同様である。

このように、本実施例によれば、スプール室１０３内に
導入された流体の第１４出通路６１より導出される流量
及び第２導出通路６２より４出される？Ｘｉｔを一度に
制御することができる。また、本実施例においても前記
実施例と同様に圧電素子群２０の伸縮に対応して発生す
る機械的作動力を検出する検出用圧電素子３０を圧電素
子群２０と一体に積層しであるので、常に安定した精度
でスプール５０を摺動させることができ、高精度の流量
制御を行なうことができる。

なお、前記２つの実施例では検出用セラミック素子とし
て圧電素子を用いたが、圧電素子の代わりに電歪素子を
用いても良い。電歪素子は圧電素子よりも荷重−電荷特
性が良好であるので、より高精度な制御が可能となる。

また、前記２つの実施例では検出用圧電素子３０を積層
設定された圧電素子群２０の一方の面部分に対応して設
定するようにしたが、この検出用圧電素子３０を圧電素
子群２０の圧電素子と圧電素子との間に介在設定しても
同様の効果が得られる。

さらに、前記２つの実施例ではセラミック素子群として
、圧電素子を用いたが、電歪素子を用いても同様の効果
が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、セラミック素子
群に印加する印加電圧を制御回路において増減させて調
整することによりセラミック素子群の変位量を常に安定
した精度で制御することができる。従って、往復動部材
を正確な精度で往復動させることができ、高精度に流量
制御あるいは圧力制御を行なうことができる。

また、検出用セラミック素子をセラミック素子群と一体
に積層しているため、何ら体格を増大させることはない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す縦断面図であ
る。 第２図は本発明の第２実施例の構成を示す縦断面図であ
る。 ２・・・ニードル（往復動部材）、６・・・導入通路。 ７・・・導出通路、２０・・・圧電素子群（セラミック
素子群）、２１・・・電極板、３０・・・検出用圧電素
子（検出用セラミック素子）、３１・・・絶縁板、３７
・・・制御回路、５０・・・スプール（往復動部材）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　複数の板状のセラミック素子を相互間に電極板を介し
   て積層して形成されるとともに電圧の印加に応じて伸縮
   するセラミック素子群と、 このセラミック素子群のセラミック素子と絶縁層を介在
   する状態で一体に積層されるとともに前記セラミック素
   子群の伸縮に対応して発生する機械的作動力を検出する
   検出用セラミック素子と、前記セラミック素子群の伸縮
   を受けて往復動するとともに流体が流通する流体通路を
   変動せしめる往復動部材と、 前記セラミック素子群に印加する印加電圧に対応して決
   定される機械的作動力の目標値が予め設定されている制
   御回路とを備え、 前記セラミック素子群の伸縮に対応して実際に発生する
   機械的作動力を前記検出用セラミック素子により検出し
   、前記制御回路において、この検出値と目標値との比較
   を行ない、前記セラミック素子群に印加する印加電圧を
   増減することを特徴とする制御弁。