(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口（１２）及び出口（１３）を有するハウジング（１０）によって囲われたチャンバ（１１）の内部に、弁体（１９）、及び該弁体（１９）によって閉止され得る出入孔（１８）を設けたバルブシート（１７）を備え、該バルブシート（１７）が、作動信号に感応して動作するアクチュエータ（１５）により支持されている速動弁であって、
前記出口（１３）は、前記ハウジング（１０）の底壁に設けてあり、前記アクチュエータ（１５）は、前記底壁上に前記バルブシート（１７）を支持し、前記出入孔（１８）を前記出口（１３）に連通する排出孔（１６）を備えており、前記出入孔（１８）を閉止した前記弁体（１９）から離すように前記バルブシート（１７）を動かし、この動作は、前記弁体（１９）が追随し得ないような急速度にて実行されることを特徴とする速動弁。
【請求項２】
前記アクチュエータ（１５）は圧電体であることを特徴とする請求項１記載の速動弁。
【請求項３】
前記圧電体は、中間電極層（２１）を有する複数の圧電材料の層（２０）からなることを特徴とする請求項２記載の速動弁。
【請求項４】
前記アクチュエータ（１５）は、前記バルブシート（１７）を急速に移動させた後、前記出入孔（１８）から離れた前記弁体（１９）を拾い上げるために、前記バルブシート（１７）をゆっくりと移動させるように制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の速動弁。
【請求項５】
入口（１２）及び出口（１３）を有するハウジング（１０）によって囲われたチャンバ（１１）の内部に、弁体（１９）、及び該弁体（１９）によって閉止され得る出入孔（１８）を設けたバルブシート（１７）を備え、該バルブシート（１７）が、作動信号に感応して動作するアクチュエータ（１５）により支持されている速動弁であって、
前記アクチュエータ（１５）は、前記ハウジング（１０）の外側に配置され、該ハウジング（１０）を介して前記バルブシート（１７）を間接的に支持しており、該アクチュエータ（１５）の動作による前記バルブシート（１７）の移動方向は、前記出入孔（１８）を閉止する前記弁体（１９）の着座面に対して横断する方向であることを特徴とする速動弁。
【請求項６】
入口（１２）及び出口（１３）を有するハウジング（１０）によって囲われたチャンバ（１１）の内部に、弁体（１９）、及び該弁体（１９）によって閉止され得る出入孔（１８）を設けたバルブシート（１７）を備え、該バルブシート（１７）が、作動信号に感応して動作するアクチュエータ（１５）により支持されている速動弁であって、
前記アクチュエータ（１５）は、前記ハウジング（１０）の外側に配置され、該ハウジング（１０）を介して前記バルブシート（１７）を間接的に支持しており、該アクチュエータ（１５）の動作による前記バルブシート（１７）の移動方向は、前記出入孔（１８）を閉止する前記弁体（１９）の着座面に対して平行な方向であることを特徴とする速動弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入口、出口、及び可動弁体によって閉止され得るバルブシートを備えるチャンバを有する速動弁に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
その内部を急に通過する流体の流れを許容できると共に、高速での切換えが可能な速動弁が、所定の用途において必要とされている。このようなバルブは、例えば、予め計量されたガス試料を分光試験するための分光計、衛星の制御ノズルの加圧、及びマイクロシステム技術の領域において用いられる。このような用途においては、非常に短い切換時間と高い反復速度を有するバルブが必要とされている。
【０００３】
独国特許ＤＥ３８３５７８８Ａ１には、バルブシートに着座するボールを備える速動ボール弁が記載されている。バルブシートに対して横断する方向に作用するアクチュエータ装置は、横からの衝撃によって、ボールをバルブシートから離すことを可能にする。結果として起る流れがボールをバルブシートへ押し戻す。この速動弁は、実用上よい結果をもたらす。
【０００４】
雑誌Ｏ＋Ｐ（Oilhydraulic and Pneumatic）３８（１９９４），Ｎｏ．９，５５４−５６２ページには、速動作動駆動装置用に圧電アクチュエータを使用することが記載されている。圧電アクチュエータは、例えば、エアージェット内に流体を噴出するノズル管に取り付けられたアクチュエータを有する流体の分配ユニットに用いられている。このようにして、種々の粘度及び滴下速度に適合できる速動分配装置を実現することができる。
【０００５】
雑誌ＶＤＩ−Ｚ  １１９（１９７７），Ｎｏ．１１−Ｊｕｎｅ（１），５６９−５７０ページには、パルス持続時間／変調法則に基づいてバルブ開放プロセスを制御するために伸縮する圧電ロッドを有する燃料噴射用バルブが開示されている。
【０００６】
本発明の目的は、短い切換時間、高反復速度、及び耐用年数を限定した繰返し回数に関して改良された速動弁を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
この目的は、本発明の請求項１に述べられた特徴に基いて解決される。
【０００８】
本発明のバルブにおいて、バルブシートはアクチュエータと連結されている。アクチュエータは、その作動時に、弁体が追随し得ないような高加速度でバルブシートを動かし、弁体からバルブシートをはずす。バルブシートに設けた出入孔は、流れている媒体による作用力下にて弁体が戻り、閉止されるまでの所定の短い時間開放される。次いで、アクチュエータは、弁体によって出入孔が閉止されたバルブシートを、次のサイクルが実行され得るように、その初期位置へ戻すように位置決めする。
【０００９】
本発明の速動弁は、最大１００μｓ単位の短い切換時間が実現されるように構成され得る。また、４００〜１０００Ｈｚの実反復速度が達成される。反応速度及び反復速度は、勿論、弁の全体寸法、特に、弁体の質量に依存する。弁体は、小質量となるように低密度であるべきであり、例えば、中空体として製作されていてもよい。
【００１０】
本発明の弁は、特に、ガスの制御に適合される。しかしながら本発明の弁は、流体の制御に用いられてもよく、例えば、内燃機関の燃料噴射に向いている。
【００１１】
弁体を支持するアクチュエータは、作動信号に感応して収縮する圧電収縮体として製作されていることが好ましい。またアクチュエータは、例えば、電磁気ユニットとして作動してもよい。最も重要な点は、媒体圧力を受ける弁体の加速度よりも高いバルブシートの高加速度を短時間で実現することである。
【００１２】
本発明によるバルブの特有の利点は、弁体とバルブシートの磨耗率が低いことである。バルブシートは軸方向に弁体から離れ、引き続き軸方向に移動する弁体を拾い上げるので、衝撃力はバルブシート及び弁体に環状に分散される。更に磨耗を減少するために、アクチュエータは、作動信号に感応して、バルブシートを急速に移動させ、次いで、バルブシートから離昇した弁体をスムーズに受けるためにバルブシートますますゆっくりと移動させるという本発明に従った手法により制御される。
【００１３】
弁体としてボールを用いてもよい。しかし、本発明はこの形状に限定されず、円錐又は同様の形状をなす弁体を用いることもまた可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１において、弁は、外界に対して閉じられたチャンバ１１を囲むハウジング１０を備えている。チャンバ１１は、同一軸上に配置された入口１２及び出口１３を備えている。入口１２は、制御される媒体用の加圧源（図示せず）に連結され、出口１３は、消費先に連通されている。
【００１６】
アクチュエータ１５は、ハウジング１０において出口１３を囲む底壁１４上に配置されており、出口１３に連通する排出孔１６が貫通形成されている。バルブシート１７はアクチュエータ１５に取りつけられている。このバルブシート１７は、好ましくは金属製のディスクであり、中央部に出入孔１８が設けられている。該出入孔１８の下部は、アクチュエータ１５に設けた排出孔１６に連通している。弁体１９は、前記出入孔１８の上部に着座され、ここでは出入孔１８を封止するボール形に形成されている。バルブシート１７及びアクチュエータ１５はユニットを形成し、ハウジング１０と密接に結合されている。弁体１９は、該弁体１９の受チャンバ１１ａとしての役割をなすチャンバ１１の延長部内に、入口１２と同軸上に配置されている。受チャンバ１１ａの直径は、弁体１９の直径の最大５倍である。これは、受チャンバ１１ａを通過する流れが、弁体１９を、任意の位置から出入孔１８に対して相対的に中心に置くことを保証する。これにより前記弁体１９は、流体の流れによって閉止位置に移動せしめられる。
【００１７】
図２は、アクチュエータ１５の概略断面図を示す。前記アクチュエータは、複数の圧電層２０からなる圧電収縮体であり、複数の圧電層２０は、薄い金属シート２１が配置された間に平行に配列されている。第２シート２１の夫々は、第１導線２２と接続されており、中間シートは、第２導線２３と接続されている。このようにして、誘電材料としての圧電材料を有する複数のコンデンサが形成されている。圧電層２０は、導線２２と２３とに電圧を供給したときに膨張し、電圧を減少させたとき、又は遮断したときに収縮する。
【００１８】
図１に示す弁は、以下の様に動作する。非使用状態においては、アクチュエータ１５の導線２２，２３へ電圧が供給され、アクチュエータ１５が膨張状態を呈するようにする。これによってバルブシート１７は、チャンバ１１内の所定レベルに保持される。弁体１９は、バルブシート１７の出入孔１８に着座して、該出入孔１８を塞ぎ、入口１２にある加圧された媒体は出口１３へ向けて流れることができない。アクチュエータ１５にかかる電圧は、作動信号に感応して減少し、アクチュエータ１５は軸方向に収縮する。この結果バルブシート１７は、弁体１９から離れるように軸方向に動く。弁体１９は、その慣性によって予め想定された位置にとどまる。この結果、バルブシート１７の出入孔１８が開放され、流体が弁体１９の周りを流れ、出入孔１８、排出孔１６を通って出口１３から送出される。前記流れの影響により弁体１９は、バルブシート１７に向けて動かされ、出入孔１８を再度閉止する。弁体１９がバルブシート１７に到達し、出入孔１８に着座したとき、アクチュエータ１５は再度膨張し、これによりバルブシート１７と弁体１９とは、図１に示す初期位置に戻る。
【００１９】
弁は、図１に示す垂直位置に作用するだけでなく、他のいかなる方向にも作用する。この理由は、弁体１９をバルブシート１７へ押し戻す流れによって働く力が、入口１２と出口１３との間に広く行き渡る十分な圧力差を与える重力よりもかなり大きいためである。
【００２０】
図１に示す実施例とは反対に、ハウジング１０を底壁を上として配置し、この底壁に固定したアクチュエータ１５の下側にバルブシート１７を支持することも可能である。この場合、アクチュエータは、バルブシート１７から離れるように弁体１９を動かす目的で一時的に膨張する。
【００２１】
アクチュエータ１５の制御は、制御ユニット（図示せず）へ作動信号が送られることによって実行される。図３には、ハウジング１０内のバルブシート１７の軸方向に想定される位置ｘが、縦座標に沿って示されている。横座標に沿って時間ｔがプロットされている。時間ｔ0 で作動信号が発生される。これによってアクチュエータ１５は、時間ｔ1 に到達するまでの間急激に収縮する。ｔ0 とｔ1 の間隔が弁の開放時間である。次いでアクチュエータ１５は、時間ｔ2 までのキャッチング時間の間、更に収縮されるが、この収縮は、かなり低い速度に置き換えてなされる。ｔ1 からｔ2 まで延長したキャッチング時間の間、弁体１９はバルブシート１７によってスムースに拾い上げられ、これにより、強い衝撃が防止され、磨耗率が減少する。時間ｔ3 において復帰段階が始まり、アクチュエータ１５は、ゆっくりと再膨張し、時間ｔ4 においてその初期位置に到達する。その後弁は、新たな開放サイクルを実行する為の準備をする。
【００２２】
図４は、本発明の弁の他の実施例を示しており、ボール形の弁体１９を含む受チャンバ１１ａの形状が、図１に示すそれと異なっている。この場合受チャンバ１１ａは、球又は半球により形成されており、これらの中心点は、バルブシート１７の出入孔１８上に着座したときの弁体１９の中心点と略一致させてある。受チャンバの壁には、一様に分布された複数の開孔２５が配置され、媒体はこれらを通って弁体１９に向けて流れる。
【００２３】
第１に、入口１１は分配チャンバ２６につながっており、媒体は、分配チャンバ２６の外側から開孔２５を通って流れる。受チャンバ１１ａの球形状は、バルブシートの出入孔１８に対する弁体１９のセンタリングを向上させるという利点を与える。受チャンバ１１ａは、弁体１９の移動を制限し、またその形状及び寸法によって、出入孔１８を通過する流れが弁体１９を閉止位置へ押し戻すことを確実にする。
【００２４】
図５の実施例において、アクチュエータ１５は、ハウジング１０の外側に配置されている。ハウジング１０はアクチュエータ１５に取り付けられており、一方アクチュエータ１５は、静止保持固定体３０に固定されている。バルブシート１７は、出口１３が設けられたハウジング１０の底壁に不変に固定されている。即ち、バルブシート１７は、アクチュエータ１５によってハウジング１０の底壁に間接的に支持されている。
【００２５】
本実施例では、ハウジング１０全体が移動可能にアクチュエータ１５取り付けられているので、前記入口１２は弾性ライン３１と連結されている。アクチュエータ１５が作動したとき、ハウジング１０と、これに収容されたバルブシート１７とは、両方向の矢印３２により指されている方向に移動する。
【００２６】
図６の実施例においてもまた、アクチュエータ１５は、静止保持固定体３０に取り付けられており、ハウジング１０を、底壁に設けた出口１３の方向と垂直の方向に動かす。ハウジング１０の内部においてバルブシート１７は、出口１３が設けられた底壁上に固定されている。アクチュエータ１５が作動したときバルブシート１７は、この急激な変位に追随することができないボール形の弁体１９を伴わずに、弁体１９が閉止する出入孔の形成面と平行な方向に変位する。弁体１９は、その後に発生する出口１３を通る流れによってのみバルブシート１７の閉止位置に戻る。図６に示すようにこの弁は、垂直方向に向けたシートと平行に作動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の速動弁の概略縦断面図である。
【図２】アクチュエータの断面図である。
【図３】作動信号に感応して生じるバルブシートの動作のタイムチャートである。
【図４】弁体を含むチャンバの第２実施例である。
【図５】本発明の弁の他の実施例である。
【図６】アクチュエータがバルブシートの面内にて動作する実施例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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