CN101573548A - 压电阀 - Google Patents
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Abstract
一种压电阀，能够同时解决确保阀芯和阀体的保持部上的可靠性、扩大压电元件的变位量、提高闭阀压力等问题。本发明的压电阀，包括具有阀室的阀体(2)和由随着外加电压而弯曲变位来开闭流路口(3)的压电元件构成的阀芯(1)。压电元件(1)形成长方形，其长度方向两端部被固定保持在阀体(2)上。压电元件(1)具有中央侧的第一区域(S1)和两端侧的第二区域(S2)，通过外加电压而使第一区域(S1)和第二区域(S2)向反方向弯曲变位。压电元件(1)的中央部开闭流路口(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电阀、详细地说涉及一种采用弯曲变形的压电元件作为阀芯的有源阀。
背景技术
现有，作为便携式电脑等的电源，一直在开发使用燃料电池的电源。作为燃料采用的是例如甲醇这样的液体燃料，利用微型泵向反应炉供给这种燃料，从而反应炉发生燃料和空气反应，进行发电。这种燃料电池系统中，泵停止时也有可能由于重力等因素产生意料之外的燃料正向流动，而向反应炉进行不必要的燃料供给，导致过剩的发电。尽管微型泵配备有止回阀，但是要使其止回阀本身具有可靠的防正向功能，却不利于泵效率的提高。从而，要想可靠地阻止意料之外的燃料流动，必须与泵分开设置有源阀。
专利文献1揭示了一种压电阀，其包括具有流体的流入口和流出口的阀体和具有板状压电元件的阀芯。图19是专利文献1所示的结构，阀芯50的外周部在阀体51上保持固定。通过对压电元件52外加电压，从而能够使阀芯50向板厚方向弯曲变位，利用这种弯曲变位来开闭流入口53。还有，在此示出了阀芯50开闭流入口53的例子，不过，也可以开闭流出口54。作为阀芯50有图示那样的在金属制隔膜55的一面的中央部粘贴压电元件52的单压电晶片型和在金属制隔膜两面粘贴压电元件的双压电晶片型。
如前所述当将阀芯50外周部固定保持在阀体51上时，即使对压电元件52外加电压，也由于阀芯50周边部被阀体51束缚，因此阀芯50中心部和周边部变位相互抵消，阀芯50中央部的变位量极小。即使升高对压电元件52外加的电压，最大变位也只有大约20μm左右。从而，开阀时通过阀座和阀芯50之间的流体阻力变大，成为压力损失的原因。
专利文献2揭示了一种压电阀，其是如图20(a)、(b)所示，将具有压电元件的阀芯56周围无束缚地支承在阀体57上，阀芯56开闭流出口58，同时在阀体57上设置连通部59以使阀芯56里外两面的压力几乎同等。流入口60形成在与流出口58对置的位置。这种情况下，由于只不过是将阀芯56周围无束缚地支承在阀体57上，因此能够使阀芯56中央部发生较大变位。可是，不能牢固地保持阀芯56周围，因此很难向压电元件进行电压供给，同时随着阀芯56的持续的弯曲运动而使阀芯56本身的可靠性下降。另外，还存在的问题是由于支承部的刚性低，因而不能封闭具有压力差的流路口58(闭阀压力降低)。
专利文献3揭示了一种气体流量控制阀，其结构是使用长方形状的单压电晶片作为阀芯，将该单压电晶片的长度方向两端部支承在阀体上。这种情况下，利用硅橡胶等弹性树脂弹性保持单压电晶片的两端部，以使能够容许单压电晶片的变位。不过，存在的问题是由于每当驱动单压电晶片时其两端部就会变位，因此很难对压电元件稳定地供给电压，同时随着弹性树脂的时效恶化，保持部的可靠性降低。另外，由于支承部分的刚性低，因而无法获得高的闭阀压力。
专利文献1：特开昭62-28585号公报
专利文献2：特开平3-223580号公报
专利文献3：特开昭62-283272号公报
发明内容
本发明的最佳实施方式的目的在于，提供一种压电阀，能够同时解决确保由压电元件构成的阀芯和阀体的保持部上的可靠性、扩大压电元件的变位量(阀开度)、提高闭阀压力等问题。
为了实现所述目的，本发明提供一种压电阀，包括：具有开闭流路口的阀体；由板状的压电元件构成的阀芯，该压电元件随着外加电压而沿板厚方向弯曲变位，并利用该弯曲变位开闭所述开闭流路口，所述压电阀的特征在于，所述压电元件的两端部或外周部被固定保持在所述阀体上，所述压电元件具有中央侧或中心侧的第一区域和两端侧或周边侧的第二区域，利用对所述压电元件外加的电压使所述第一区域和所述第二区域向反方向弯曲变位。
现有的压电元件有单压电晶片型和双压电晶片型，不过，任意一种情况下都会随着电压的外加而向一致的方向弯曲。当将这种压电元件两端部固定保持在阀体上时，压电元件中央部的变位量极小，相反，当压电元件两端部被变位自如地支承时，变位量增加，不过，支承部的可靠性下降，闭阀压力也下降。为此，本发明的特征在于，将压电元件的两端或外周部固定保持在阀体上，同时，压电元件具有中央侧或中心侧的第一区域和两端侧或周边侧的第二区域，利用对压电元件外加的电压将第一区域和第二区域向反方向弯曲变位。由于采用这样的构成，能够确保压电元件和阀体的保持部上的可靠性，扩大压电元件的变位量，进而能够提高闭阀压力。
图1(a)、(b)表示本发明的动作原理图的一例。构成阀芯的压电元件1形成长方形，其长度方向两端部被固定保持在阀体2上。在阀体2上形成开闭流路口3和另一流路口4。开闭流路口3在与压电元件1的中央部对置的位置形成，流路口4在偏离中央的位置形成。还有，虽然没有图示，但是，压电元件1的宽度方向两侧部(沿着长边的两侧部)没有被保持在阀体2上。所谓固定保持，是指使用例如硬化性粘接剂等将压电元件1两端部牢固地固定在阀体2上。由于固定而在压电元件1和阀体2之间削除了相对变位，因此用以向压电元件1给电的电连接也变得稳定且简单，随着时效恶化而产生的可靠性降低也减少。再有，由于能够提高保持部的刚性，因此能够提高闭阀压力，能够开闭具有高压力差的流路口。在此是将开闭流路口3作为流出口，将流路口4作为流入口，不过，也可以与之相反将开闭流路口3作为流入口，将流路口4作为流出口。另外，并不限定于常开型阀，也能够形成常闭型。
图1(b)表示对压电元件1外加直流电压的状态，以虚线表示第一区域S1和第二区域S2的边界部。边界部是曲率变化的变曲点，不过，该变曲点位置比由阀体2固定的部位靠内侧。若固定压电元件1的两端部，则在像现有那样向一样方向弯曲的压电元件上，中央部的变位量变得极小，但本发明的压电元件1，中央侧的第一区域S1和两端侧的第二区域S2向相反方向弯曲变位，所以压电元件1的中央部的变位量增大。例如，中央侧的第一区域S1向上凸弯曲时，两端侧的第二区域S2向下凸弯曲，因此在第二区域S2的变位量上加上第一区域S1的变位量，能够增大中央部上的变位量。其结果是能够增大开阀时压电元件1中央部和流出口3的距离(阀开度)，能够降低开阀状态的流体阻力。
根据最佳实施方式，优选是采用以下结构，压电元件形成长方形状，压电元件的长度方向两端部被固定保持在阀体上，压电元件的宽度方向两侧部没有被保持在阀体上。本发明中能够使用的压电元件(阀芯)并不限定于长方形，也可以是圆板形，不过，只将长方形压电元件长度方向两端部固定保持在阀体的情况与保持圆板状压电元件整个外周部的情况相比，其中央部的弯曲变位量大幅度增大。从而能够大大变化阀开度，能够提高开闭性能。通过增大压电元件的长边和短边的比，能够减小专有面积且增大压电元件的变位。形成长方形状压电元件的情况，最大变位量基本上由压电元件的长边长度决定。
采用长方形压电元件时，优选是采用以下结构，在该压电元件的宽度方向两端部和阀体之间设置流体连通部，压电元件的表面侧区域和背面侧区域经由连通部而连通。这种情况下，压电元件表面侧的区域和背面侧的区域成为相同压力，因此，除了对流路口施加的流体压以外的外力不会向压电元件作用，能够以比较小的驱动力闭阀。还有，形成用压电元件开闭流路口中流出口的结构时，在闭阀状态下能够利用来自压力高的流入口的背压将压电元件压紧在流出口，因此用比较小的驱动力就能够防止流体流出。从而，无须持续外加大的电压来维持在闭阀状态。
采用长方形压电元件时，优选是采用以下结构，在没有固定在阀体上的压电元件部分的长度方向中央部形成第一区域，在比第一区域靠压电元件的长度方向两端部侧形成第二区域，第一区域开闭开闭流路口。图2表示具有第一区域S1和第二区域S2的压电元件的各种形态。图2(a)是只具有第一区域S1和第二区域S2的压电元件1的例子，第二区域S2外侧的一部分由阀体2保持。图2(b)～(d)是在第二区域S2外侧形成不会自发地弯曲变形的中性区域S3的例子。所谓中性区域S3是指没有形成电极的部分、即使形成电极也不分极的部分、或者形成电极却不外加电压的部分，对压电元件外加电压时(第一区域和第二区域弯曲时)，中性区域S3不会弯曲变形。图2(b)是中性区域S3和第二区域S2的边界部比阀体2内侧缘部2a靠外侧的例子，图2(c)是中性区域S3和第二区域S2的边界部与阀体2内侧缘部2a几乎一致的例子，图2(d)是中性区域S3和第二区域S2的边界部比阀体2内侧缘部2a靠内侧的例子。如图2(c)和(d)等利用阀体2只保持中性区域S3时，没有强行束缚压电元件1的弯曲部分，因此压电元件1能够有效地变位。
根据最佳实施方式，能够形成以下结构，阀体包括：比压电元件宽度宽的长方形平板状的底板、配置在底板的上表面且内部宽度尺寸比压电元件宽度宽的长方形框状的第一框体、配置在第一框体的宽度方向两侧部的上表面且具有与压电元件厚度同等厚度的一对压板、配置在压电元件及压板的上表面且与第一框体相同形状的第二框体、配置在第二框体的上表面的顶板，压电元件的长度方向两端部由所述第一框体及第二框体的长度方向两端部夹持，底板、第一框体、压电元件、压板、第二框体和顶板层叠粘接，在底板和顶板之间形成压电元件能够变位的阀室。像这样由于构成阀体的部件全部由平板构件形成，而且通过将这些部件层叠粘接从而能够构建阀体，因此能够降低制造成本，同时能够实现薄型(低背)的压电阀。
根据最佳实施方式，优选是采用以下结构，至少面对阀体的流通流体的空间的压电元件的表面由实质上不会束缚压电元件的变位的保护膜覆盖。若流体(特别是液体)接触到压电元件，则容易引起腐蚀和绝缘性降低等，进而有时会引起由于与流路口中接触阀芯的部分(阀座)的接触脱离而造成的断裂等问题。为此，如果用实质上不会束缚压电元件变位的保护膜覆盖压电元件的表面，就能消除所述问题。作为保护膜，可以粘贴树脂片和橡胶片等、或是实施表面处理和树脂喷涂等。保护膜最好是杨氏模量尽可能低且薄壁的膜。保护膜不仅防止液体直接接触到压电元件、造成短路，或是防止产生电极迁移，而且能够具有防止液体漏出的作为密封件的作用。
可以使保护膜由将压电元件夹在中间接合在一起的上下一对薄膜构成，在沿着压电元件的宽度方向两侧部的薄膜的部位形成有构成连通部的缝隙，薄膜的外周部被夹持在压板和第二框体之间。这种情况下，作为保护膜能够采用树脂薄膜。在薄膜上形成兼作连通部的缝隙，由此使压电元件容易变位，同时，将薄膜外周部夹持在压板和第二框体之间，由此也能够确保密封作用。
再有，还可以采用以下结构，阀体包括：比压电元件宽度宽的长方形平板状的底板、配置在底板上且内部宽度尺寸比压电元件宽度宽的长方形框状的第一框体、配置在第一框体上与底板形成相同形状且在沿着压电元件的宽度方向两侧部的部位形成有一对缝隙的第一保护板、配置在第一保护板的中央部上表面的压电元件、在第一保护板上与压电元件的宽度方向两侧部邻接配置的具有与缝隙对应的缝隙且具有与压电元件厚度同等厚度的一对压板、配置在压电元件及压板上的与第一保护板相同形状的第二保护板、配置在第二保护板上的与第一框体相同形状的第二框体、配置在第二框体上的顶板，压电元件的长度方向两端部隔着第一、第二保护板由第一框体及第二框体的长度方向两端部夹持，底板、第一框体、第一保护板、压电元件、压板、第二保护板、第二框体和顶板依次层叠接合。这种情况，也能够与所述压电阀同样薄型地构成，同时由于一对压板和压电元件被夹在上下保护板中，因此压电元件周围的密封性及阀室的耐压性提高。
当压电元件是层叠多个压电陶瓷层的层叠型压电元件时，与在金属板上粘贴压电元件的单压电晶片型和双压电晶片型相比，优点是低电压下也能够获得大的变位、大的驱动力，不过，机械强度低，由于落下冲击而容易发生裂纹等。如前所述用保护膜覆盖压电元件的表面，由此能够构成可靠性高的阀芯。
作为本发明的压电元件，优选是层叠型压电元件。在此所谓层叠既可以采用将预先烧成分极的多个压电体层用粘接剂粘贴的结构，也可以将电极夹在中间将陶瓷生片状态的压电体层层叠压接，烧成后进行分极。作为前者的情况中经常采用的构成，有一种构成是粘接2块单片的压电体，不过，这种情况压电体的制作非常容易，因而能够廉价地构成。另外，后者的情况更能够薄型化，能够重叠多层，因此相同厚度的压电体层相比较时，更能够将驱动电压低电压化。
发明效果
根据本发明，构成阀芯的压电元件的第一区域(中央侧)和第二区域(两端侧)向反方向弯曲，因而即使压电元件两端部被固定保持在阀体上，也能够在电压元件中心部获得大的变位量，能够降低开阀时的流体阻力。另外，由于压电元件两端部被固定保持在阀体上，因此能够确保压电元件和阀体的保持部上的可靠性，能够对压电元件稳定地供给电压。再有，由于保持部刚性高，因此还具有能够开闭具有压力差的流路口(闭阀压力升高)的效果。
附图说明
图1是表示本发明压电阀的动作原理的剖视图，(a)是非驱动时(开阀时)，(b)是驱动时(闭阀时)。
图2是表示本发明压电阀的基本结构的几个例子的概略剖视图。
图3是本发明压电阀的第一实施例的整体立体图。
图4是本发明压电阀的第一实施例的分解立体图。
图5是图3的V-V线剖视图。
图6是图3的VI-VI线剖视图。
图7是表示阀芯组装结构的图。
图8是闭阀时图3的V-V线剖视图。
图9是开阀时图3的V-V线剖视图。
图10是本发明压电阀的第二实施例的分解立体图。
图11是图10所示压电阀的压电元件从正交方向看的横剖视图。
图12是表示图10所示压电阀的阀芯的组装结构的图。
图13是本发明压电阀中使用的压电元件第一例的概略剖视图。
图14是比较例和本发明变位时的模型图。
图15是本发明压电阀中使用的压电元件第二例的概略剖视图。
图16是本发明压电阀中使用的压电元件第三例的概略剖视图。
图17是本发明压电阀中使用的压电元件第四例的概略剖视图。
图18是本发明压电阀的第三实施例的剖视图。
图19是现有压电阀一例的剖视图。
图20是现有压电阀其他例的剖视图。
图中，A、B-压电阀，10-阀体，11-底板，12-第一框体，13-压板，14-第二框体，15-顶板，15a-流出口(开闭流路口)，15b-流入口，16-阀室，17-阀片，20-阀芯，21-压电元件，30、31-绝缘薄膜，32、33-保护板，34、35-压板，S1-第一区域，S2-第二区域。
具体实施方式
以下根据实施例说明本发明的最佳实施方式。
实施例1
图3～图6表示压电阀的第一实施例。在此，图3是本发明压电阀的整体立体图，图4是图3所示压电阀的分解立体图，图5是图3的V-V剖视图，图6是图3的VI-VI剖视图。
该实施例的压电阀A被用作控制甲醇等液体流动的有源阀，具备由像金属材料或树脂材料这样的高刚性材料构成的阀体10和由压电元件21构成的阀芯20。阀体10如图4所示，包括比压电元件21宽度宽的长方形平板状的底板11、配置在底板11上表面的内部宽度尺寸比压电元件21宽的长方形框状的第一框体12、配置在沿第一框体长边的两侧部的上表面的具有与压电元件21厚度几乎同等厚度的一对コ字形压板13、配置在压电元件21及压板13上表面的与第一框体12相同形状的第二框体14、配置在第二框体14上表面的顶板15。
该实施例中，在顶板15的中央位置形成流出口15a，在靠一侧的位置形成流入口15b，不过，也可以在中央位置形成流入口15b，在靠一侧的位置形成流出口15a。另外，既可以在底板11形成流入口及流出口，也可以在顶板15上形成流入口及流出口的一个，在底板11上形成另一个。所述各部件11～15将压电元件21夹在中间层叠粘接，构成阀体10。在底板11和顶板15之间形成压电元件21能够变位的阀室16。在面对阀室16的流出口15a的周围固定橡胶制的阀片17(参照图5、图6)。阀片17也可以设置在压电元件21侧、与流出口15a对置的位置，不过，通过使阀片17不在压电元件21侧而是预先设置在面对阀室16的流出口15a的周围，从而例如流出口15a直径非常小时，也能够预先进行阀片17和流出口15a的平面位置对正，从而阀片17准确地位于阀动作时压电元件21和流出口15a的接点上，能够利用压电元件21更可靠地关闭流出口15a。
压电元件21如后所述利用压电陶瓷层叠体形成长方形板状。压电元件21的面对阀室16的部位周围由绝缘薄膜30、31覆盖以使不与液体接触。绝缘薄膜30、31是实质上不会束缚压电元件21变位的柔软的薄膜，优选是阻透性高、不会被流体侵蚀的材质。包括绝缘薄膜30、31的压电元件21的长度方向两端部在第一框体12的长度方向两端部的上表面配置成搭桥状，从其上经由压板13、第二框体14粘接顶板15，从而压电元件21除了两端部之外的部位在密闭的阀室16中变位自如地配置。此时，没有用绝缘薄膜30、31覆盖的压电元件21的一端部从阀体10露出，在其露出部连接给电用配线40(参照图3)。
该例的绝缘薄膜30、31其宽度比压电元件21宽，长度比压电元件21短。也就是说，外形形状与底板11和第一框体12大致相同。在绝缘薄膜30、31的宽度方向两侧部(沿着长边的两侧部)形成缝隙状的连通孔30a、31a，该连通孔30a、31a位于阀室16内。连通孔30a、31a的长度与阀室16的长度方向尺寸几乎相等。从而，压电元件21其长度方向两端部由阀体10固定保持，与之相对，宽度方向两侧部相对于阀体10能够自由变位。再有，通过绝缘薄膜30、31的连通孔30a、31a，从流入口15b流入的流体压力不仅向压电元件21的表面侧(与流出口面对的一侧)作用也向背面侧作用，因此压电元件21两面的压力为相同压力，能够用比较小的驱动力关闭流出口15a。特别是在用电压元件21开闭流出口15a的结构中，闭阀状态下能够利用来自压力高的流入口15b的背压将压电元件21压紧在流出口15a，因此能够更可靠地防止液体的流出。此外，绝缘薄膜30、31至少覆盖压电元件21面对阀室16的部位即可，无须像所述实施例那样形成与第一框体12大致相同形状。
图7表示构成阀芯20的压电元件21和绝缘薄膜30、31的组装结构的一例。如图7(a)所示，将压电元件21夹在中间上下配置绝缘薄膜30、31。在上侧的绝缘薄膜30上成形有能够嵌合压电元件21的凹部30b。两薄膜30、31的缝隙30a、31a对应着相互粘接，从而能够获得图7(b)那样封闭了压电元件21周围的阀芯20。
图8表示对压电元件21沿着其中央部向上凸的方向外加直流电压的状态。压电元件21的中央部发生变位，落位在阀片17上，能够可靠地封闭流出口15a。即使闭阀状态下从流入口15b作用高的压力，由于其压力不仅对压电元件21的上表面侧作用而且对下面侧也作用，因此将压电元件21向闭阀方向施力，即使不外加高电压也能够维持闭阀状态。
图9表示对压电元件21沿其中央部向下凸的方向外加直流电压的状态。将压电元件21向下方变位，由此能够扩大流出口15a和压电元件21的距离，能够扩大流路空间、降低开阀时的流体阻力。还有，不一定是像图9那样沿着将压电元件21向下凸的方向外加直流电压，只要是在沿着向上凸变位的方向外加电压的状态(图8)和不外加电压的状态(图5)这两个位置上变化即可。
实施例2
图10、图11表示压电阀的第二实施例。在此，图10是压电阀B的分解立体图，图11是其横截面图。对于与第一实施例共通的部分附以相同符号，省略其重复说明。
该实施例的压电阀B的底板11、第一框体12、压电元件21、第二框体14、顶板15使用与第一实施例的压力阀A相同的构件。在第一框体12上配置由树脂片构成的第一保护板32。第一保护板32的外形形状与底板11形成相同形状，在沿着压电元件21宽度方向两侧部的部位形成一对缝隙32a。压电元件21配置在该第一保护板32的中央部上表面。在第一保护板32上与压电元件21的宽度方向两侧部邻接配置一对压板34、35。这些压板34、35是具有与压电元件21的厚度同等厚度的树脂板，具有与第一保护板32的缝隙32a对应的缝隙34a、35a。在第一保护板32上配置压电元件21和压板34、35，从而它们的上表面形成同一面。在这同一面状的上表面配置第二保护板33。第二保护板33由与第一保护板32相同形状的树脂片构成，形成与缝隙32a对应的一对缝隙33a。在第二保护板33上配置第二框体14，再在其上配置顶板15。
底板11、第一框体12、第一保护板32、压电元件21、压板34、35、第二保护板33、第二框体14、顶板15依次层叠，构成阀体10。作为层叠方法可以使用粘接剂粘接，不过也可以利用激光熔敷和热熔敷等相互接合。
该实施例中，接着压电元件21的上下面及两肋配置保护板32、33及压板34、35。无须在保护板32、33上形成凹部，能够用平板构成，因此能够降低成本。再有，保护板32、33整个外周与第一、第二框体12、14在平面上密接，因此具有的优点是即使对阀室16施加高压力，也能够可靠地防止流体漏出，耐压性提高。保护板32、33及压板34、35使用尽量不妨碍压电元件21变位的热塑性树脂等树脂材料，特别是由于用相同材料构成保护板32、332、压板34、35，从而接合性良好。
图12表示第二实施例的压电元件21、保护板32、33及压板34、35的组装结构。如图12(a)所示，排列压电元件21和压板34、35，将它们夹在中间上下配置保护板32、33。将保护板32、33和压板34、35的缝隙32a、33a、34a、35a位置对正，相互接合，从而能够获得图12(b)那样密封了压电元件21周围的阀芯20。这种情况下，保护板32、33是平板状为好，无须成形凹部。另外，即使在压电元件21的宽度方向两侧部和压板34、35之间存在间隙，只要保护板32、33和压板34、35接合，也不会对密封性造成影响。
图13表示压电元件21的具体结构的一例。压电元件21是将2块由两面形成电极、整体一致向相同方向分极的压电陶瓷构成的单板压电体21a、21b粘贴在一起，形成的双面压电晶片型的促动器。粘贴在一起后，引出电极使图13的+记号的电极彼此导通，-记号的电极彼此导通。层间的电极及表面的电极分别分割成中央电极22a～22c和端部电极23a～23c。中央电极22a～22c的区域成为第一区域S1，端部电极23a～23c的区域成为第二区域S2，在第一区域S1和第二区域S2，分极方向(箭头P所示)为相同方向。第一区域S1和第二区域S2的面积比率按照阀特性能够任意选择。若如图13正负记号所示那样外加直流电压，则第二区域S2向上凸变形，第一区域S1向下凸变形。若翻转电压，则第二区域S2向下凸变形，第一区域S1向上凸变形。
如前所述，压电元件21的两端部(包含第二区域S2的一部分)由阀体10固定保持。通常的压电元件中，若将其两端部固定，则即使外加电压，其压电元件中央部和两端部变位也会相互抵消，几乎不会变位，不过本发明中，压电元件21的中央部(第一区域S1)和两端部(第二区域S2)能够向反方向弯曲变形，因此即使两端部被固定支承，也能够使中央部发生足够大的变位。从而，能够确保闭阀时压电元件21和流出口15a(阀片17)的闭阀压力，同时能够确保开阀时压电元件21的中央部和流出口15a的距离，能够降低通过流出口15a的流体阻力。
接下来，为了确认本发明的有效性，关于闭阀压力和中央部的变位量用比较例和本发明进行了模拟。图14(a)是比较例，(b)是本发明。
比较例
使用的是在30mm×4mm×0.1mm的SUS制隔膜上粘贴了20mm×4mm×0.1mm的压电体(PZT)的单压电晶片型压电元件，将其长度方向两端固定。长度尺寸30mm是除了固定部以外的区域的尺寸。沿着压电元件的中央部向上变位的方向对压电体外加30v的直流电压。如箭头所示，对中心部的Φ0.6mm的区域向与压电元件变位方向相反方向施加了35kPa的压力后，在中央部获得了约20.4μm的变位。从而，当将不外加电压时从压电元件表面到流路口的距离设计为20μm时，能够抵抗最大约35kPa的压力差关闭流路口。还有，当只外加电压、不对中央部施加反方向压力时，中央部的变位量变成28.5μm。
本发明
使用的是粘贴了2块30mm×4mm×0.1mm的压电体(PZT)的双压电晶片型压电元件，将其长度方向两端固定。长度尺寸30mm是除了固定部以外的区域的尺寸。沿着压电元件的中央部向上变位的方向对各压电体外加30v的直流电压。如箭头所示，对中心部的Φ0.6mm的区域向与压电元件变位方向相反方向施加了190kPa的压力后，在中央部获得了约20.7μm的变位。从而，当将不外加电压时从压电元件表面到流路口的距离设计为20μm时，能够抵抗最大约190kPa的压力差关闭流路口。还有，当只外加电压、不对中央部施加反方向压力时，中央部的变位量变成59.1μm。
结果
如所述模拟所表明，可知本发明与比较例相比，能够开闭5倍以上的压力差。另外，还可知本发明的中央部的自由变位量为比较例的约2倍。
图15表示压电元件的第二例。该例的压电元件21A也是与图13同样将2块由压电陶瓷构成的单板压电体21a、21b粘贴在一起，作成双面型促动器。层间的电极及表面的电极与图13的例子相同，只是分极方向不同。也就是说，同一压电体层内的第一区域S1和第二区域S2的分极方向(箭头P所示)为相反方向，且2个压电体层21a、21b被分极成同一方向。如图15中正负记号所示，若对层间的电极和表面的电极间外加直流电压，则与第一例的情况同样，在第一区域S1和第二区域S2能够向反方向弯曲变位。该例中，由于驱动时面内成为相同电位，因此由于迁移而造成短路的危险减少。另外，各电极间的导通很简单。驱动时还能够将最外面接地。
图16表示压电元件的第三例。该例的压电元件21B其分极方向P及表面的电极的结构与第二例同样，而其不同点在于，层间电极24是连续的全面电极。也就是说，即使层间的电极24是横跨在第一区域S1和第二区域S2上的全面电极，只要表面的电极22a、23a及22c、23c为分割电极，就能够适当地进行分极处理，且驱动时如图16正负记号所示外加电压，从而在第一区域S1和第二区域S2能够向反方向弯曲变位。
图17表示压电元件的第四例。该例的压电元件21C是第三例的进一步变形例，分极方向P及表面的电极的结构与第二例同样，而其不同点在于，表面的电极25、26是连续的全面电极。这种情况下，由于层间的电极22b、23b为分割电极，因而即使表面的电极25、26为连续的全面电极，也能够适当地进行分极处理，且驱动时如图17正负记号所示外加电压，从而在第一区域S1和第二区域S2能够向反方向弯曲变位。
图13、图15～图17所示的压电元件示出了第二区域S2延伸到其长度方向两端的例子，不过也可以如图2(b)～(d)所示在长度方向两端部且比第二区域S2靠外侧形成中性区域S3。
实施例3
图18表示本发明压电阀的第三实施例。图5中示出了在不对压电元件21外加电压的状态下流出口15a开着的例子(常开型)，而该实施例中表示在不对压电元件21外加电压的状态下关闭流出口15a的构成(常闭型)。这种情况下，也可以将压电元件21以翘起一些的状态固定在阀体10上，以使非电压外加时压电元件21压接在阀片17上。对压电元件21沿着向下凸的方向外加电压，从而使压电元件21脱离阀片17，能够打开流出口15a。还有，压电元件21开闭的流路口并不限定于流出口15a，也可以是流入口15b。
本发明并不限定于所述实施例，能够进行各种变更。
所述实施例中，示出了采用长方形状的压电元件、将其长度方向两端部固定在阀体上的例子，不过，也可以采用圆板形状、环带形状的压电元件、将其外周部固定在阀体上。那种情况下，只要在压电元件的中心部设置第一区域、在外周部设置第二区域即可。
所述实施例中，是层叠2层压电体层构成压电元件，不过，也可以层叠3层以上的压电体层。随着增加层叠数，从而能够提高驱动力。另外，采用具有奇数层的压电元件时，可以在压电元件的层叠方向的中央部设置未分极或分极但不驱动的加强层，缓和弯曲时的应力。
另外，所述实施例的压电元件中，是将预先烧成并分极的压电体层叠粘接在一起，不过也可以以陶瓷生片的状态进行层叠压接，烧成后进行分极。这种情况下，能够使压电体层更薄，因此能够降低外加电压。
阀体并不限定于如实施例那样将平板状构件上下层叠粘接而构成的例子，也可以将压电元件夹在中间将预先成形为凹型的外壳构件从上下对面粘接，从而构成阀体。
本发明的压电阀能够小型、低背地构成，因而能够有效地用作在微机等便携设备的燃料电池用燃料供给路径和冷却水循环路径等中使用的有源阀。不过，并不限于这些用途。
Claims (8)
1.一种压电阀，包括：具有开闭流路口的阀体；由板状的压电元件构成的阀芯，该压电元件随着外加电压而沿板厚方向弯曲变位，并利用该弯曲变位开闭所述开闭流路口，所述压电阀的特征在于，
所述压电元件的两端部或外周部被固定保持在所述阀体上，
所述压电元件具有中央侧或中心侧的第一区域和两端侧或周边侧的第二区域，
利用对所述压电元件外加的电压使所述第一区域和所述第二区域向反方向弯曲变位。
2.根据权利要求1所述的压电阀，其特征在于，
所述压电元件形成长方形，
所述压电元件的长度方向两端部被固定保持在所述阀体上，
在所述压电元件的宽度方向两侧部和所述阀体之间设有流体的连通部，
所述压电元件的表面侧的区域和背面侧的区域经由所述连通部连通。
3.根据权利要求2所述的压电阀，其特征在于，
所述第一区域形成在没有固定在阀体上的压电元件部分的长度方向中央部，所述第二区域形成在比第一区域更靠压电元件的长度方向两端部侧的位置，所述第一区域开闭所述开闭流路口。
4.根据权利要求2或3所述的压电阀，其特征在于，
在所述压电元件的长度方向两端部且比所述第二区域更靠长度方向端部侧形成有不会自发弯曲变形的中性区域，所述中性区域被固定保持在所述阀体上。
5.根据权利要求2～4中任意一项所述的压电阀，其特征在于，
所述阀体包括：比所述压电元件宽度宽的长方形平板状的底板、配置在所述底板的上表面且内部宽度尺寸比压电元件宽度宽的长方形框状的第一框体、配置在所述第一框体的宽度方向两侧部的上表面且具有与压电元件厚度同等厚度的一对压板、配置在所述压电元件及压板的上表面且与第一框体相同形状的第二框体、配置在所述第二框体的上表面的顶板，
所述压电元件的长度方向两端部由所述第一框体及第二框体的长度方向两端部夹持，
所述底板、第一框体、压电元件、压板、第二框体和顶板层叠粘接，在所述底板和顶板之间形成压电元件能够变位的阀室。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的压电阀，其特征在于，
至少面对所述阀体的流通流体的空间的所述压电元件的表面由实质上不会束缚压电元件的变位的保护膜覆盖。
7.根据权利要求6所述的压电阀，其特征在于，
所述保护膜由将压电元件夹在中间接合在一起的上下一对薄膜构成，在沿着所述压电元件的宽度方向两侧部的所述薄膜的部位形成有构成所述连通部的缝隙，所述薄膜的外周部被夹持在所述压板和第二框体之间。
8.根据权利要求2～4中任意一项所述的压电阀，其特征在于，
所述阀体包括：比所述压电元件宽度宽的长方形平板状的底板、配置在所述底板上且内部宽度尺寸比压电元件宽度宽的长方形框状的第一框体、配置在所述第一框体上与底板形成相同形状且在沿着压电元件的宽度方向两侧部的部位形成有一对缝隙的第一保护板、配置在所述第一保护板的中央部上表面的压电元件、在所述第一保护板上与压电元件的宽度方向两侧部邻接配置的具有与所述缝隙对应的缝隙且具有与压电元件厚度同等厚度的一对压板、配置在所述压电元件及压板上的与所述第一保护板相同形状的第二保护板、配置在所述第二保护板上的与所述第一框体相同形状的第二框体、配置在所述第二框体上的顶板，
所述压电元件的长度方向两端部隔着所述第一、第二保护板由所述第一框体及第二框体的长度方向两端部夹持，
所述底板、第一框体、第一保护板、压电元件、压板、第二保护板、第二框体和顶板依次层叠接合。
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