(57)【要約】【課題】マグネット及びホール素子を用いることなく、精度良くスプールの変位を検出できるスプール弁装置を提供する。【解決手段】スプール弁装置１は、スプール穴２０を備える筐体１０と、スプール穴２０内に、軸方向に沿って変位可能に配置されたスプール３０と、スプール穴２０内においてスプール３０の軸方向一方端部側に配置され、スプール３０を軸方向他方側に付勢する弾性部材４０と、筐体１０に対して固定され、弾性部材４０の軸方向一方端部が接触する圧電素子５０と、圧電素子５０に生じる電圧の変化を、スプール３０の変位量に変換する電圧−変位変換部６０と、を備える。【選択図】図１
2019152286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプール穴を備える筐体と、
前記スプール穴内に、軸方向に沿って変位可能に配置されたスプールと、
前記スプール穴内において前記スプールの軸方向一方端部側に配置され、前記スプールを軸方向他方側に付勢する弾性部材と、
前記筐体に対して固定され、前記弾性部材の軸方向一方端部が接触する圧電素子と、
前記圧電素子に生じる電圧の変化を、前記スプールの変位量に変換する電圧−変位変換部と、
を備える、スプール弁装置。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記スプール穴内に配置されている、請求項１に記載のスプール弁装置。
【請求項３】
前記スプール穴内への流体の供給又は排出を制御するコントロールユニットをさらに備え、前記電圧−変位変換部は前記コントロールユニットと電気的に接続されている、請求項１または２に記載のスプール弁装置。
【請求項４】
前記弾性部材はコイルばねによって構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のスプール弁装置。
【請求項５】
前記スプールの軸方向一端部に凹部を備え、前記凹部に前記コイルばねの軸方向他方側端部が収納されている、請求項４に記載のスプール弁装置。
【請求項６】
前記筐体に取り付けられ、前記スプール、前記弾性部材及び前記圧電素子が前記スプール穴から脱落するのを阻止する脱落阻止部材をさらに備え、
前記圧電素子は、前記弾性部材と前記脱落阻止部材とで挟まれることにより、前記筐体に対して固定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のスプール弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スプール弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スプールバルブに取り付けられるストロークセンサは、スプールバルブの外部に検出部を備え、検出用の測定子となるシャフトをスプールに突き当て、そのシャフトが軸方向に摺動し、シャフトに取り付けられたマグネットの磁束密度の強弱によりストローク検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−４４３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ストローク検出部がスプールバルブと別体であるため装置の体格の増大に繋がっている。また、マグネットの磁束密度の変化をホール素子で検出しているため、コンタミネーションにより生じた金属粉がマグネットに吸引され、検出精度にばらつきが生じる。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みて、マグネット及びホール素子を用いることなく、スプールの変位量を精度良く検出できるスプール弁装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るスプール弁装置の一態様は、スプール穴を備える筐体と、前記スプール穴内に、軸方向に沿って変位可能に配置されたスプールと、前記スプール穴内において前記スプールの軸方向一方端部側に配置され、前記スプールを軸方向他方側に付勢する弾性部材と、前記筐体に対して固定され、前記弾性部材の軸方向一方端部が接触する圧電素子と、前記圧電素子に生じる電圧の変化を、前記スプールの変位量に変換する電圧−変位変換部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様によれば、マグネット及びホール素子を用いることなく、スプールの変位量を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態のスプール弁装置の要部拡大図である。
【図２】図２は、本実施形態のスプール弁装置の全体構成の説明図である。
【図３】図３は、本実施形態のスプール弁装置の全体構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、スプールの中心軸に沿う方向を「軸方向」と称する。また、軸方向に沿って、スプール穴の開口側を「開口側」とし、その反対側を「閉塞側」として、各部の形状や位置関係を説明する。本願の各図には、「開口側」および「閉塞側」が、矢印で示されている。
【００１０】
＜スプール弁装置の構成＞
まず、図１から図３を参照して、本発明の一実施の形態に係るスプール弁装置１の構成を説明する。図１は、本実施形態のスプール弁装置の要部拡大図である。図２は、本実施形態のスプール弁装置の全体構成の説明図である。図３は、本実施形態のスプール弁装置の全体構成の説明図である。
【００１１】
スプール弁装置１は、例えば、自動車などの輸送機器に搭載され、輸送機機内の無段変速機にオイル（オートマチック・トランスミッション・フルード：ＡＴＦ）を供給することにより、無段変速機の駆動を制御する装置である。図１に示すように、スプール弁装置１は、筐体１０、スプール穴２０、スプール３０、弾性部材４０、圧電素子５０、及び電圧−変位変換部６０を備える。
【００１２】
筐体１０は、内部に複数の流路２２を有する金属製のバルブボディ（以下、筐体は「バルブボディ」と称する。）である。本実施形態では、流路２２に流れる流体として、潤滑油等のオイルが採用される（以下、流路は「油路」という。）。複数の油路２２は、バルブボディ１０の内部において、複雑に入り組んでいる。バルブボディ１０は、複数（例えば２〜３枚）の略板状の部材を、上下に多段に積層することにより構成される。複数の部材は、例えば、積層方向にねじ止め等されることによって、互いに固定される。バルブボディ１０を構成する個々の部材は、例えば、アルミニウム合金等の金属のダイカストにより形成される。なお、図１では、バルブボディ１０の一部分が示されている。
【００１３】
スプール穴２０は、円柱状の空間であって、バルブボディ１０内に設けられている。スプール穴２０は、複数の油路２２に繋がっている。スプール穴２０は、バルブボディ１０を構成する部材の側面から、当該部材の内部へ向けて、軸方向に延びている。
【００１４】
図２及び図３に示すように、本実施形態では、スプール穴２０に、信号油路２３、入力油路２４、出力油路２５、及び排出油路２６の４つの油路２２が、繋がっている。信号油路２３は、スプール穴２０の最も奥側の端部に接続される。信号油路２３は、後述するスプール２０に対して、軸方向開口側への圧力である信号圧を供給するための油路である。信号油路２３は、バルブボディ１０内の他の箇所に設けられたソレノイドバルブ７１を介して、バルブボディ１０の外部に設置されたオイルポンプ７２と繋がっている。
【００１５】
入力油路２４は、信号油路２３よりもスプール穴２０の開口側の位置に接続される。出力油路２５は、入力油路２４よりもスプール穴２０の開口側の位置に接続される。また、排出油路２６は、出力油路２５よりもスプール穴２０の開口側の位置に接続される。
【００１６】
スプール３０は、スプール穴２０内に配置された異形円柱状の部材である。スプール３０は、スプール穴２０の開口側から閉塞側へ、軸方向に延びる。スプール３０は、スプール穴２０の内径と略同等の外径を有する大径部３１と、大径部３１よりも小さい外径を有する小径部３２とを有する。スプール３０の軸方向一方端部側は、スプール穴２０の開口側に臨んで、凹部３３を備える。スプール３０の材料には、例えば、バルブボディ１０と同様にアルミニウム合金等の金属が用いられる。
【００１７】
弾性部材４０は、スプール穴２０内のスプール３０の軸方向一方端部側に配置され、スプール３０を軸方向他方側（閉塞側）へ付勢する。弾性部材４０は、例えば、コイルばね（以下、弾性部材は「コイルばね」と称する。）によって構成される。スプール３０の凹部３３には、図２の状態で、少なくとも、コイルばね４０の軸方向他方側端部（軸方向閉塞側端部）が収納されている。コイルばね４０は、自然長よりも軸方向に圧縮された状態で、スプール穴２０内に配置される。このため、スプール３０は、コイルばね４０から常に軸方向閉塞側へ向かう反発力を受ける。また、スプール３０の位置が軸方向開口側に変位するほど、コイルばね４０は圧縮されるため、コイルばね４０からスプール３０が受ける反発力は、より大きくなる。
【００１８】
圧電素子５０は、圧電体に加えられた圧力を電圧Ｖに変換する素子であり、ピエゾ素子ともいわれる。圧電素子５０の構造としては、圧電体を二枚の電極で挟んだ素子を基本として、モノモルフ、バイモルフ、及び積層型等が挙げられる。圧電素子５０は、バルブボディ１０に対して固定される。圧電素子５０には、コイルばね４０の軸方向一方端部が接触する。本実施形態の圧電素子５０は、スプール穴２０内に配置されているが、圧電素子５０の配置位置は、コイルばね４０の軸方向一方端部が接触可能であれば、スプール穴２０内に限定されない。
【００１９】
ここで、圧電効果とは、物質に圧力を加えると、圧力に比例した分極（表面電荷）が現れる現象をいう。圧電効果は圧電基本式と呼ばれる二元連立方程式で記述される。独立変数にどの物理量を取るかによって四種類の形式をとる。歪みをＳ、電束密度をＤ（ｃｍ／ｍ２）とすると、圧電基本式は応力Ｔ（Ｎ／ｍ２）及び電場Ｅ（Ｖ／ｍ）を独立変数として次のように示される。
（数１）
Ｓ＝ＳＥＴ＋ｄｔＥ
（数２）
Ｄ＝ｄＴ＋εＴＥ
【００２０】
ここで、ＳＥ：弾性コンプライアンス定数（ｍ２／Ｎ）、εＴ：誘電率（Ｆ／ｍ）であり、右肩の記号はその物理量が一定の条件下の値であることを示す。また、ｄｔ及びｄは圧電常数と呼ばれ、機械的効果と電気的効果を結びつける係数である。ｄｔの単位はＣ／Ｎである。圧電常数ｄｔ及びｄが０であるならば、
（数３）
Ｓ＝ＳＥＴ（フックの法則）
（数４）
Ｄ＝εＴＥ
となり、機械的および電気的現象それぞれのみの場合の記述となる。電気系の物理量がベクトル（1階のテンソル）、機械系の物理量が２階のテンソルで記述されるので、これらを結ぶ圧電定数は３階のテンソルで表される。即ち、２７個の独立した成分をもつことになるが、剪断応力（及び剪断歪み）の独立成分は３個であり、また結晶には対称性が存在するので、実際には圧電定数の独立成分はずっと少なくなる。
【００２１】
スプール弁装置１は、バルブボディ１０に取り付けられた脱落阻止部材９０をさらに備える。本実施形態の脱落阻止部材９０は、リテーナ部材によって構成される（以下、脱落阻止部材は「リテーナ部材」と称する。）。このリテーナ部材９０は、スプール３０、コイルばね４０及び圧電素子５０がスプール穴２０から脱落するのを阻止する。圧電素子５０は、コイルばね４０とリテーナ部材９０とで挟まれることにより、バルブボディ１０に対して固定（位置決め）されている。
【００２２】
スプール穴２０の開口部２１には、例えば、樹脂製の蓋部材１１が設けられる。リテーナ部材９０は、バルブボディ１０に対する蓋部材１１の相対移動を制限する機能も有する。リテーナ部材９０は、バルブボディ１０及び蓋部材１１の双方に対して、下から上へ挿入される。リテーナ部材９０は、例えば、アルミニウム合金等の金属により、形成される。バルブボディ１０には、スプール穴２０の上側および下側に、上下に貫通する一対の貫通孔１２，１３が設けられている。
【００２３】
なお、リテーナ部材９０の下端部は、軸方向に屈曲している。リテーナ部材９０を貫通孔１２，１３に挿入した後、リテーナ部材９０の下方には、バルブボディ１０の他の部材（図示せず）が配置される。これにより、リテーナ部材９０が下方へ脱落することが、防止される。
【００２４】
電圧−変位変換部６０は、圧電素子５０に生じる電圧Ｖの変化を、スプール３０の変位量に変換する変位センサである。電圧−変位変換部６０は、例えば、抵抗器、コンデンサ及び積算部を備える。この電圧−変位変換部６０は、抵抗器のインピーダンスと、コンデンサ及び圧電素子５０のキャパシタンスで決定される時定数と、圧電素子５０に負荷される圧力とで決定される遷移に比例する電圧に変換して出力し、積算部が出力電圧を積算して変位量を算出する。本実施形態の電圧−変位変換部６０は、蓋部材１１上に設けられているが、バルブボディ１０上に設けてもよい。圧電素子５０は、電圧−変位変換部６０と電気的に接続されている。
【００２５】
スプール弁装置１は、スプール穴２０内への流体の供給又は排出を制御するコントロールユニット７０をさらに備える。電圧−変位変換部６０は、コントロールユニット７０と電気的に接続されている。コントロールユニット７０は、ソレノイドバルブ７１と電気的に接続される。ソレノイドバルブ７１が開放されると、オイルポンプ７２から信号油路２３へオイルが供給される。
【００２６】
＜スプール弁装置の動作＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態のスプール弁装置１の動作について説明する。図２及び図３に示すように、スプール３０は、オイルの信号圧とコイルばね４０の反発力とによって、位置決めされる。ただし、同一の信号圧をかけた場合であっても、コイルばね４０のばね係数の個体差等によって、スプール３０の位置に微妙な差が生じる。また、スプール３０の位置が微妙に変化すると、出力されるオイルの流量も変化する。そのため、このスプール弁装置１では、圧電素子５０及び電圧−変位変換部６０を用いて、スプール３０の軸方向の位置を実測制御する。
【００２７】
コントロールユニット７０によりソレノイドバルブ７１が開閉制御される。ソレノイドバルブ７１が開放されて、信号油路２３へオイルが供給されると、スプール３０に対して、軸方向開口側へ向かう信号圧がかかる。ソレノイドバルブ７１は、輸送機器内のシフトレバーの操作状態や、輸送機器の速度、エンジンの回転数などの諸条件に応じて、コントロールユニット７０から供給される駆動電流に基づいて、開度が調節される。コントロールユニット７０の開度調整により、スプール３０にかかる信号圧が変化する。スプール３０は、オイルの信号圧と、コイルばね４０の反発力とが等しくなる位置に、位置決めされる。
【００２８】
スプール３０の軸方向の位置が変化すると、入力油路２４、出力油路２５、及び排出油路２６の相互の接続状態が変化する。例えば、図２の状態では、排出油路２６が、入力油路２４及び出力油路２５から孤立する。そして、入力油路２４と出力油路２５とが、スプール３０の大径部３１に設けられた切り欠き３３と、小径部３２の周囲の空間とを介して、互いに連通する。したがって、図２の状態では、入力油路２４から導入されるオイルが、出力油路２５へ流れ込み、制御対象となる無段変速機へ供給される。
【００２９】
図２において、スプール３０は、コイルばねの反発力により、スプール穴２０の閉塞側に配置されている。図２のコイルばね４０は伸長状態であるので、コイルばね４０の反発力は圧縮された状態に比べて小さく、圧電素子５０にかかる負荷は小さい。圧電素子５０は、圧電体に加えられた圧力に比例した電圧Ｖに変換する。圧電素子５０に生じた電圧Ｖは電圧−変位変換部６０に入力され、電圧−変位変換部６０は入力電圧Ｖをスプール３０の変位量に変換する。
【００３０】
図３の状態では、入力油路２４が、出力油路２５及び排出油路２６から孤立する。そして、出力油路２５と排出油路２６とが、スプール３０の大径部３１に設けられた切り欠き３３と、小径部３２の周囲の空間とを介して、互いに連通する。したがって、図３の状態では、無段変速機から出力油路２５へ返還されたオイルが排出油路２６へ流れ込み、排出油路２６から外部へ排出される。
【００３１】
図３において、スプール３０は、オイル圧がコイルばねの反発力に抗し、スプール穴２０の開口側に配置されている。コイルばね４０は圧縮された状態であるので、コイルばね４０の反発力は伸長状態に比べて大きく、圧電素子５０にかかる負荷は大きい。圧電素子５０は、圧電体に加えられた圧力に比例した電圧Ｖに変換する。圧電素子５０に生じた電圧Ｖは電圧−変位変換部６０に入力され、電圧−変位変換部６０は入力電圧Ｖをスプール３０の変位量に変換する。なお、この状態で、コイルばね４０の全体（軸方向における全体）がスプール３０の凹部３３に収納されている。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態のスプール弁装置１において、コイルばね４０がスプール３０を軸方向他端側（閉塞側）へ押し付ける。コイルばね４０の軸方向一端部（開口側端部）は、圧電素子５０と接触している。圧電素子５０にコイルばね４０から負荷がかかると、圧電素子５０は圧力に比例した電圧Ｖを発生する。電圧−変位変換部６０は、圧電素子５０に生じる電圧の変化を、スプール３０の変位量に変換する。したがって、本実施形態のスプール弁装置１によれば、マグネット及びホール素子を用いることなく、スプールの変位量を精度良く検出することができる。
【００３３】
また、本実施形態のスプール弁装置１は、スプール穴２０内へのオイルの供給又は排出を制御するコントロールユニット７０をさらに備える。電圧−変位変換部６０は、コントロールユニット７０と電気的に接続されている。したがって、圧電素子５０及び電圧−変位変換部６０で検出したスプール３０の変位量をコントロールユニット７０に提供し、スプール３０の変位量の検出精度を向上させることができる。
【００３４】
さらに、本実施形態のスプール弁装置１は、脱落阻止部材としてリテーナ部材９０をさらに備える。圧電素子５０は、コイルばね４０とリテーナ部材９０とで挟まれることにより、バルブボディ１０に固定されている。したがって、圧電素子５０にコイルばね４０の反発力が加わっても、圧電素子５０がスプール穴２０から脱落するのを阻止することができる。なお、弾性部材４０はコイルばねによって構成されているので、汎用性に富んでいる。
【００３５】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【００３６】
上記の実施形態では、輸送機器の無段変速機を制御対象としているが、本発明のスプール弁装置１は、無段変速機以外の自動変速機を、制御対象とするものであってもよい。また、本発明のスプール弁装置は、オイルにより制御される自動変速機以外の機器を、制御対象とするものであってもよい。
【００３７】
また、上記の実施形態では、スプールが水平方向に変位しているが、スプール弁装置の使用時の姿勢において、スプールの変位方向は、必ずしも水平方向でなくてもよい。
【００３８】
さらに、スプール弁装置の本発明の構成要件以外の部分については、特に限定されない。また、バルブボディ、スプール等の細部の形状については、本願の各図に示された形状と、相違していてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  スプール弁装置
１０  筐体
２０  スプール穴
３０  スプール
４０  弾性部材
５０  圧電素子
６０  電圧−変位変換部
７０  コントロールユニット
９０  脱落阻止部材
【図１】
2019152286.tif 000003
【図２】
2019152286.tif 000004
【図３】
2019152286.tif 000005