(57)【要約】【課題】応答性能を高めることができると共に、流体の流量制御が可能であり、宇宙機用スラスタに好適なバルブ装置を提供する。【解決手段】流体の入口側から出口側に至る流路の途中に、流路の一部となる流通孔５を有するバルブシート６を備え、バルブシート６の流路入口側に、流通孔５を閉塞する状態に弾性保持したボール７を備えると共に、バルブシート６の流路出口側に、流通孔５を通してボール７を押動するポペット８と、ポペット８を往復駆動する圧電アクチュエータ２を備えた構成により、応答性能を高めて、レギュレータを用いずに流体の流量制御を行うことを可能にし、宇宙機用スラスタに好適なバルブ装置Ｖとした。【選択図】図１
2009287620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の入口側から出口側に至る流路の途中に、流路の一部となる流通孔を有するバルブシートを備え、バルブシートの流路入口側に、流通孔を閉塞する状態に弾性保持したボールを備えると共に、バルブシートの流路出口側に、流通孔を通してボールを押動するポペットと、ポペットを往復駆動する圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】
圧電アクチュエータが、複数の圧電素子を積層して成る積層型の圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
【請求項３】
ボールがセラミックス製であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブ装置。
【請求項４】
流路入口側に流体の供給源を連結すると共に、流路出口側に流体の噴射ノズルを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流通制御を行うのに用いるバルブ装置に関し、例えば、宇宙機用スラスタ等の流体機器に用いるのに好適なバルブ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のバルブ装置としては、例えば、ガスジェネレータからのガスを噴射するノズルに対して、同ノズルを開閉するポペットを備えたフローティングポペットバルブや、流体の入口側から出口側に至る流通経路の途中を開閉するソレノイドバルブを用いたものがあった（非特許文献１参照）。
【０００３】
フローティングポペットバルブは、ノズルに連通するシリンダにポペットを往復動可能に収容し、シリンダ内壁とポペット外周との間にオリフィスを形成すると共に、ポペットの背後に圧力室を形成し、圧力室に連通するブリード通路と、ブリード通路を開閉するパイロットバルブを備えている。そして、パイロットバルブを閉じると、ガスジェネレータからのガスがオリフィスを経て圧力室に導入され、その圧力でポペットが前進してノズルを閉塞する。また、パイロットバルブを開くと、圧力室からガスが放出され、ポペットが後退してノズルを開放する。
【非特許文献１】2nd Annual AIAA SDIO Interceptor Technology Conference (June 6-9,1993)「AIAA93-2641 Solid Propulsion Approaches For Terminal Steering」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、宇宙機用スラスタに使用するバルブ装置には、宇宙機の推進機能や姿勢制御機能の高精度化を図るうえで、より高い応答性能や推力制御性能が要求されている。
【０００５】
ところが、上記したような従来のバルブ装置は、その応答性能が充分であるとは言い難く、しかも、流路の開度が一定であるため、流体の流量を変化させるには、流体供給源とバルブの間にレギュレータを設けて流体の流量調整（圧力調整）をする必要があり、これにより装置構造や制御系が複雑化するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、応答性能を高めることができると共に、流体の流量制御が可能であり、宇宙機用スラスタ等の流体機器に好適なバルブ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のバルブ装置は、流体の入口側から出口側に至る流路の途中に、流路の一部となる流通孔を有するバルブシートを備え、バルブシートの流路入口側に、流通孔を閉塞する状態に弾性保持したボールを備えると共に、バルブシートの流路出口側に、流通孔を通してボールを押動するポペットと、ポペットを往復駆動する圧電アクチュエータを備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のバルブ装置は、上記構成を採用したことにより、応答性能を高めることができるうえに、レギュレータを用いることなく流体の流量制御を行うことが可能となり、宇宙機用スラスタ等の流体機器に好適であって、装置構造や制御系の簡略化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて、本発明のバルブ装置の一実施形態を説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図１に示す姿勢において上下方向を表すと共に、図２の下側を正面側としているが、上下方向は必ずしも重力方向ではない。
【００１０】
図１〜図３に示すバルブ装置Ｖは、流体の入口側から出口側に至る流路を形成するバルブボディ１と、圧電アクチュエータ２を収容した角筒状の保護カバー３とで主な外観を構成し、保護カバー３の下端部に、ホルダ４を介してバルブボディ１が連結してある。
【００１１】
バルブ装置Ｖは、バルブボディ１に形成した流路の途中に、流路の一部となる流通孔５を有するバルブシート６を備え、バルブシート６の流路入口側（下側）に、流通孔５を閉塞する状態に弾性保持したボール７を備えると共に、バルブシート６の流路出口側（上側）に、流通孔５を通してボール７を押動するポペット８と、ポペット８を往復駆動する圧電アクチュエータ２を備えている。
【００１２】
より詳しく説明すると、バルブボディ１は、上下に開放された中空部と、複数の連結ポートＰ１〜Ｐ５を備えたブロック状の部材であって、この実施形態では、中空部の下側を流路入口側となる第１連結ポートＰ１としている。
【００１３】
また、バルブボディ１は、図２に示すように、正面側に、流路出口側に連通する第２連結ポートＰ２を備えると共に、左側に、流路入口側に連通する第３連結ポートＰ３を備えており、背面側に、流路入口側及び流路出口側と個別に連通する第４連結ポートＰ４を備えると共に、右側に、流路出口側に連通する第５連結ポートＰ５を備えている。
【００１４】
さらに、バルブボディ１は、中空部のほぼ中間に環状突出部９を有し、環状突出部９の上側に、前記バルブシート７と、その上側となる概略円筒状のポペットガイド１０が同軸状態で収容してあり、環状突出部９の内側に、その内径よりも小さい直径を有する前記ボール７が収容してある。
【００１５】
さらに、バルブボディ１は、第１連結ポートＰ１に、軸線上に流体ポート１１を有する連結部材１２が固定してあり、バルブボディ１と連結部材１２との間の空間に、ボール７の下側を受けるボールリテーナ１３と、ボールリテーナ１３を上方向へ付勢するバルブスプリング１４と、バルブスプリング１４の内側に配置したフィルタリテーナ１５及びフィルタ１６が収容してある。
【００１６】
上記の構成により、ボール７は、バルブスプリング１４の反発力でボールリテーナ１３とともに上方向に付勢され、バルブシート６の流通孔５を閉塞する状態に弾性保持されている。また、ボールリテーナ１３及びフィルタリテーナ１５は、いずれも上下方向の貫通孔を有し、各貫通孔が流路の一部を形成している。
【００１７】
次に、前記保護カバー３は、下端部を前記ホルダ４に連結すると共に、上端部に固定板１７が設けてあり、圧電アクチュエータ２、支柱１８，１９及びアクチュエータリテーナ２０等を収容している。
【００１８】
固定板１７は、その中央に、ナット２１と、ナット２１に螺合貫通するスピンドル２２が設けてある。スピンドル２２の下端部には、ジョイント２３を介してアクチュエータリテーナ２０が連結してある。
【００１９】
支柱１８，１９は、互いに平行に配置され、夫々の下端部をホルダ４に連結すると共に、夫々の上端部を固定板１７に連結している。
【００２０】
圧電アクチュエータ２は、複数の圧電素子を積層して成る積層型であり、駆動電圧の印加をオン・オフすることで伸縮駆動されると共に、駆動電圧の増減により伸長量を調整することが可能である。圧電アクチュエータ２は、下側となる先端部に前記ポペット８を連結し、ポペット８を前記ポペットガイド１０に摺動自在に挿入した状態にして、上側となる後端部をアクチュエータリテーナ２０に連結している。
【００２１】
また、ポペット８は、バルブシート６の流通孔５の内径よりも充分に小さい直径の小径先端部を有し、流通孔５を通して前記ボール７を押動する。
【００２２】
上記の構成により、スピンドル２２を回転操作すると、アクチュエータリテーナ２０を介して圧電アクチュエータ２の軸線方向の位置を微調整することができる。圧電アクチュエータ２は、スピンドル２２及びアクチュエータリテーナ２０により定位置に保持されている。また、保護ケース３の上端部には、スピンドル２２等を被うキャップ２５が取付けてある。
【００２３】
ここで、図示例のバルブ装置Ｖは、例えば、宇宙航行体などの宇宙機用スラスタに用いられるものであって、流路入口側である第１連結ポートＰ１の連結部材１２に、流体の供給源２６が直接連結してあり、流体出口側に通じる第５連結ポートＰ５に、流体の噴射ノズル２７が螺着してある。
【００２４】
また、第２連結ポートＰ２には、流路出口側の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が連結してあると共に、第３連結ポートＰ３には、流路入口側の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が連結してあり、第４連結ポートＰ４には、流路入口側及び流路出口側の個々の温度を測定する温度センサＳ１，Ｓ２が連結してある。
【００２５】
宇宙機用スラスタは、宇宙機の三軸方向及び三軸回り方向の姿勢制御を行うので、複数のバルブ装置Ｖを使用し、各噴射ノズル２７が所定の方向となるように各バルブ装置Ｖを配置することとなる。
【００２６】
上記構成を備えたバルブ装置Ｖは、各構成部位の材料がとくに限定されるものではないが、例えば、圧電アクチュエータ２の圧電素子には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製の圧電セラミックスなどを用いることができる。また、ボール７には、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料を使用することがより望ましい。さらに、流体としては、宇宙機用スラスタに適用する場合、ＧＮ２やＬＰＧ等の気体又は液体が用いられる。
【００２７】
なお、図示の構成において、バルブボディ１とバルブシート６の間、バルブボディ１とポペットガイド１０の間、バルブボディ１と連結部材１２の間、及びバルブボディ１と噴射ノズル２７の間は、夫々Ｏリングを介装して気密性を保持している。また、各図中の符号２８は、圧電アクチュエータ２と図外の電源との接続するリード線である。
【００２８】
上記構成を備えたバルブ装置Ｖは、圧電アクチュエータ２に駆動電圧を印加していない状態では、流体の流路の途中に設けたバルブシート６において、その流通孔５をボール７で閉塞している。
【００２９】
また、バルブ装置Ｖは、圧電アクチュエータ２に駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２が伸長するのに伴ってポペット８が前進（下降）し、このポペット８でボール７を下方向へ押動し、バルブシート６の流通孔５を開放する。これにより、供給源２６からの流体が、フィルタリテーナ１５及びボールリテーナ１３の各貫通孔、バルブシート６の流通孔５を経て、噴射ノズル２７から噴出することとなる。
【００３０】
このように、バルブ装置Ｖは、圧電アクチュエータ２を採用したことで、フローティングポペットバルブやソレノイドバルブを用いた従来の装置に比べて、応答性能を著しく高めることができ、しかも、圧電アクチュエータ２に印加する駆動電圧の大きさや通電時間を調整すれば、バルブシート６の流通孔５の開度や開閉時間が変化するので、レギュレータを用いることなく流体の流量制御（圧力調整）を行うことができる。つまり、宇宙機用スラスタの推力制御を行うことができる。
【００３１】
ところで、圧電アクチュエータを用いる場合、この圧電アクチュエータで往復駆動するポペットによってバルブシートを直接的に開閉する構成も考えられる。しかし、このような場合には、供給源からの流体の圧力がポペットに直接作用するので、例えば、長期的な運用においてポペットの軸線とバルブシートの軸線との間にごく僅かな傾きが生じると、バルブシートとポペットの間から流体が容易に漏出する虞がある。
【００３２】
これに対して、当該バルブ装置Ｖは、流体の流路の途中に、バルブシート６を設けると共に、このバルブシート６の流通孔５を流路入口側から閉塞するボール７を採用しているので、供給源からの流体の圧力が高くても、その圧力がボール７に対して閉塞方向に作用することとなり、しかも、ボール７が回転しても、その軸線とバルブシート６の軸線は常に一致しているので、流体が漏出するような心配は全く無い。
【００３３】
したがって、当該バルブ装置Ｖは、長期間にわたって流体の正確な流量制御を行うことが可能であると共に、高圧力にも対応可能であるから、レギュレータを用いることなく、流体の供給源２６として高圧のボンベ類を直接連結することができ、装置構造や制御系の簡略化を図ることができる。
【００３４】
また、当該バルブ装置Ｖは、複数の圧電素子を積層して成る積層型の圧電アクチュエータ２を採用したことから、低い駆動電圧で大きな駆動量を得ることができる。さらに、当該バルブ装置Ｖは、セラミックス製のボール７を採用したことにより、ポペット８の打痕を防止することができ、流体の漏出阻止機能をより高めることができる。なお、金属製のボール７を用いると、その材質によってはポペット８の打痕が生じる虞がある。
【００３５】
さらに、当該バルブ装置Ｖは、流体の流路を形成するバルブボディ１として、複数の連結ポートＰ１〜Ｐ５を備えたものを採用したことにより、これらの連結ポートＰ１〜Ｐ５を選択的に使用することが可能であって、とくに宇宙機用スラスタに適用する場合に、設計の自由度を高めることができる。また、上記の実施形態では、連結ポートＰ１〜Ｐ５に機能部品を連結した場合を例示したが、とくに必要の無い連結ポートを適当な部材で閉塞しておくことも可能である。
【００３６】
このように、当該バルブ装置Ｖは、応答性能、耐圧性能及び信頼性に優れると共に、レギュレータを用いずに流体の流量制御を行うことが可能であるから、このようなバルブ装置Ｖを用いた宇宙機用スラスタは、宇宙機の推進機能や姿勢制御機能のさらなる高精度化や、装置構造や制御系の簡略化などを実現することができ、長期的な運用にも充分に耐え得るものとなる。
【００３７】
なお、本発明のバルブ装置は、その構成の細部が上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能であり、さらに、宇宙機用スラスタ以外の各種流体機器における流体の流通制御に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のバルブ装置の一実施形態を説明する断面図である。
【図２】図１に示すバルブ装置の平面図である。
【図３】図１に示すバルブ装置の部分破断状態の斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ｖ    バルブ装置
２    圧電アクチュエータ
５    流通孔
６    バルブシート
７    ボール
８    ポペット
２６  流体の供給源
２７  噴射ノズル
【図１】
2009287620.tif 000003
【図２】
2009287620.tif 000004
【図３】
2009287620.tif 000005