DE112007003042B4

DE112007003042B4 - Piezoelektrisches Ventil

Info

Publication number: DE112007003042B4
Application number: DE112007003042T
Authority: DE
Inventors: Atsuhiko Hirata; Shungo Kanai; Yuki Takahashi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101573548B; JPWO2008081767A1; CN101573548A; WO2008081767A1; JP4858546B2; DE112007003042T5; US20090242813A1

Abstract

Ein piezoelektrisches Ventil, das folgende Merkmale aufweist: einen Ventilkörper mit einer Offen/Geschlossen-Kanalöffnung; und ein Ventilbauglied, das ein piezoelektrisches Plattenelement umfasst, das in einer Dickenrichtung desselben durch ein Anlegen einer Spannung an dasselbe gebogen wird, und das die Offen/Geschlossen-Kanaloffnung durch Biegen öffnet und schließt, wobei jedes der beiden Enden oder ein Außenbereich des piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkörper gehalten wird, das piezoelektrische Element eine erste Region in einem Mittelteil oder einer Mitte und eine zweite Region benachbart zu den beiden Enden oder dem Außenbereich aufweist, und die erste Region und die zweite Region entgegengesetzt gebogen und verschoben sind, durch eine Spannung, die an das piezoelektrische Element angelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Ventil und insbesondere auf ein aktives Ventil, das ein sich biegendes und deformierendes piezoelektrisches Element als ein Ventilbauglied verwendet.
Hintergrund der Technik
Eine Leistungsversorgung, die eine Brennstoffzelle für einen mobilen Personalcomputer oder andere Vorrichtungen verwendet, wird entwickelt. Ein Beispielbrennstoff ist ein Flüssigbrennstoff, wie z. B. Methanol. Das Liefern des Brennstoffs zu einem Reaktor unter Verwendung einer Mikropumpe verursacht, dass der Reaktor verursacht, dass der Brennstoff mit Luft reagiert und somit elektrische Leistung erzeugt. Bei einem solchen Brennstoffzellensystem, sogar wenn die Pumpe abgeschaltet ist, kann ein unbeabsichtigter Fluss des Brennstoffs in der Vorwärtsrichtung auftreten, aufgrund von Gravitation oder anderen Faktoren, unnötiger Brennstoff kann zu dem Reaktor geliefert werden und somit kann überschüssige elektrische Leistung erzeugt werden. Obwohl die Mikropumpe ein Absperrventil aufweist, ist die Bereitstellung einer zuverlässigen Vorwarts-Stopp-Fähigkeit für das Absperrventil selbst nachteilhaft für die Effizienz der Pumpe. Um einen ungewollten Brennstofffluss zuverlässig zu blockieren, ist abgesehen von der Pumpe ein aktives Ventil notwendig.
Patentdokument 1 offenbart ein piezoelektrisches Ventil, das einen Ventilkörper mit einem Einlass und einem Auslass für Fluid umfasst, und ein Ventilbauglied mit einem piezoelektrischen Plattenelement. 19 stellt die Struktur dar, die in 19 gezeigt ist, bei der der Außenbereich eines Ventilbauglieds 50 fest durch einen Ventilkörper 5 gehalten wird. Das Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Element 52 biegt das Ventilbauglied 50 in der Richtung der Dicke, und das Biegen kann einen Einlass 53 öffnen und schließen. Obwohl hier ein Beispiel beschrieben ist, bei dem das Ventilbauglied 50 den Einlass 53 öffnet und schließt, kann ein Auslass 54 geöffnet und geschlossen werden. Beispieltypen des Ventilbauglieds 50 sind der Unimorph, wie dargestellt ist, bei dem das piezoelektrische Element 52 an den mittleren Teil einer einzelnen Seite einer Metallmembran 55 angebracht ist, und der Bimorph, bei dem ein piezoelektrisches Element an jede von beiden Seiten einer Membran angebracht ist.
In dem Fall, in dem der Außenbereich des Ventilbauglieds 50 fest durch den Ventilkörper 51 gehalten wird, wie oben beschrieben wurde, heben sich die Verschiebung des mittleren Teils des Ventilbauglieds 50 und die des Außenbereichs auf, so dass der Betrag der Verschiebung des mittleren Teils unwesentlich klein ist, sogar wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 52 angelegt ist, da der Außenbereich des Ventilbauglieds 50 durch den Ventilkörper 51 beschränkt ist. Sogar wenn die Spannung, die an das piezoelektrische Element 52 angelegt ist, erhöht wird, ist die maximale Verschiebung im Bereich von höchstens 20 μm. Daher ist der Fluidwiderstand, der zwischen einem Ventilsitz und dem Ventilbauglied 50 passiert, groß und dies ist eine Ursache für einen Spannungsverlust.
Patentdokument 2 offenbart ein piezoelektrisches Ventil, bei dem der Außenbereich eines Ventilbauglieds 56, das ein piezoelektrisches Element aufweist, durch einen Ventilkörper 57 getragen wird, ohne begrenzt zu werden, wobei das Ventilbauglied 56 einen Auslass 58 öffnet und schließt, und der Ventilkörper 57 mit einem Kommunikationsabschnitt 59 versehen ist, derart, dass die Drücke von beiden Seiten des Ventilbauglieds 56 im Wesentlichen dieselben sind, wie in 20(b) und 20(b) dargestellt ist. Ein Einlass 60 ist angeordnet, um dem Auslass 58 zugewandt zu sein. In diesem Fall wird der Außenbereich des Ventilbauglieds 56 nur durch den Ventilkörper 57 getragen, ohne begrenzt zu sein, so dass der mittlere Teil des Ventilbauglieds 56 relativ umfassend verschoben werden kann. Da jedoch der Außenbereich des Ventilbauglieds 56 nicht sicher gehalten wird, ist die Lieferung einer Spannung zu dem piezoelektrischen Element schwierig, und die Zuverlässigkeit des Ventilbauglieds 56 selbst wird durch eine kontinuierliche Biegebewegung verringert. Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des Trägerabschnitts niedrig ist, besteht ein Problem dahingehend, dass der Auslass 58, der einen Differenzdruck aufweist, nicht geschlossen werden kann (der Schließdruck des Ventils reduziert sich).
Patentdokument 3 offenbart ein Gasflusssteuerventil mit der Struktur, bei der ein rechteckiger, piezoelektrischer Unimorph als ein Ventilbauglied verwendet wird, und die beiden Enden dieses Unimorphs in der Längsrichtung auf einem Ventilkörper getragen werden. In diesem Fall, um eine Verschiebung des piezoelektrischen Unimorphs zu tolerieren, werden beide Enden desselben elastisch unter Verwendung eines Elastomerharzes gehalten, wie z. B. Silikongummi. Da jedoch die beiden Enden jedes Mal verschoben werden, wenn der piezoelektrische Unimorph getrieben wird, ist es schwierig, stabil eine Spannung zu dem piezoelektrischen Element zu liefern, und es besteht ein Problem, bei dem die Zuverlässigkeit des Trägerabschnitts durch Alterungsverschlechterung des Elastomerharzes verringert wird. Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des Trägerteils niedrig ist, ist ein hoher Schließdruck des Ventils nicht erreichbar.
Patendokument 1: JP 62-028585 A
Patendokument 2: JP 3-223580 A
Patendokument 3: JP 62-283272 A
Offenbarung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Es ist eine Aufgabe von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Ventil zu schaffen, das in der Lage ist, gleichzeitig Probleme der Sicherstellung der Zuverlässigkeit eines Halteabschnitts, der ein Ventilbauglied hält, das ein piezoelektrisches Element und einen Ventilkörper umfasst, der Erhöhung des Betrags der Verschiebung (Grad der Öffnung des Ventils) und der Verbesserung des Schließdrucks des Ventils zu lösen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein piezoelektrisches Ventil, das Folgendes umfasst: einen Ventilkörper mit einer Offen/Geschlossen-Kanalöffnung und ein Ventilbauglied, das ein piezoelektrisches Plattenelement umfasst, das in einer Dickenrichtung desselben gebogen wird, durch Anlegen einer Spannung an dasselbe, und das die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung durch Biegen öffnet und schließt. Jedes beider Enden oder ein Außenbereich des piezoelektrischen Elements wird fest durch den Ventilkörper gehalten. Das piezoelektrische Element weist eine erste Region in einem mittleren Teil oder einer Mitte auf, und eine zweite Region benachbart zu den beiden Enden oder dem Außenbereich, und die erste Region und die zweite Region werden entgegengesetzt gebogen und verschoben, durch eine Spannung, die an das piezoelektrische Element angelegt ist.
Beispieltypen von herkömmlichen piezoelektrischen Elementen sind der Unimorph und der Bimorph. In jedem Fall wird das piezoelektrische Element in einer einheitlichen Richtung durch das Anlegen einer Spannung an dasselbe gebogen. Wenn beide Enden eines solchen piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, ist der Verschiebungsbetrag sehr klein. Im Gegensatz dazu, wenn beide Enden des piezoelektrischen Elements getragen werden, um frei verschiebbar zu sein, wird der Betrag der Verschiebung erhöht, aber die Zuverlässigkeit des Halteabschnitts wird verringert, und der Schließdruck des Ventils wird ebenfalls verringert. Die vorliegende Erfindung ist insofern charakteristisch, als jedes beider Enden oder ein Außenbereich des piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, das piezoelektrische Element eine erste Region einem mittleren Teil oder einer Mitte und eine zweite Region an den beiden Enden oder dem Außenbereich aufweist, und die erste Region und die zweite Region entgegengesetzt durch eine Spannung gebogen und verschoben werden, die an das piezoelektrische Element angelegt wird. Bei einer solchen Konfiguration kann die Zuverlässigkeit des Halteabschnitts zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Ventilkörper sichergestellt werden, der Verschiebungsbetrag kann erhöht werden und der Schließdruck des Ventils kann weiter verbessert werden.
1(a) und (b) stellen ein Beispiel eines Operationsprinzips der vorliegenden Erfindung dar. Ein piezoelektrisches Element 1, das ein Ventilbauglied bildet, ist rechteckig, und seine beiden Enden werden in der Längsrichtung fest an einem Ventilkörper 2 gehalten. Der Ventilkörper 2 umfasst eine Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 und eine andere Kanalöffnung 4. Die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 ist an einer Position gebildet, die dem mittleren Teil des piezoelektrischen Elements 1 zugewandt ist, wohingegen die Kanalöffnung 4 an einer Position entfernt von dem Mittelteil gebildet ist. Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, werden beide Seitenteile des piezoelektrischen Elements 1 in der Breitenrichtung (beide Seitenteile erstrecken sich entlang einer längeren Seite) nicht durch den Ventilkörper 2 gehalten. Das feste Halten zeigt das sichere Befestigen beider Enden des piezoelektrischen Elements 1 an dem Ventilkörper 2 z. B. unter Verwendung eines aushärtbaren Haftmittels an. Da keine relative Verschiebung zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und dem Ventilkörper 2 aufgrund der Befestigung vorliegt, ist eine elektrische Verbindung zum Liefern von Elektrizität zu dem piezoelektrischen Element 1 stabil und einfach, und eine Verringerung der Zuverlässigkeit, die durch eine Alterungsverschlechterung verursacht wird, ist ebenfalls gering. Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des Halteabschnitts hoch sein kann, kann der Schließdruck des Ventils hoch sein. Daher kann die Kanalöffnung, die einen hohen Differenzdruck aufweist, geöffnet und geschlossen werden. Hier ist die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 ein Auslass, und die Kanalöffnung 4 ist ein Einlass. Die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 kann jedoch ein Einlass sein, und die Kanalöffnung 4 kann ein Auslass sein. Es ist nicht auf ein normalerweise offenes Ventil beschränkt und kein ein normalerweise geschlossenes Ventil sein.
1(b) stellt einen Zustand dar, in dem eine Gleichstromspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt ist, und die Grenze zwischen einer ersten Region S1 und einer zweiten Region S2 ist durch gestrichelte Linien angezeigt. Die Grenze ist ein Wendepunkt, an dem sich die Krümmung ändert. Dieser Wendepunkt ist innerhalb eines Bereichs positioniert, wo das piezoelektrische Element 1 durch den Ventilkörper 2 befestigt ist. Wenn beide Enden des piezoelektrischen Elements 1 befestigt sind, ist der Verschiebungsbetrag des mittleren Teils sehr gering bei einem herkömmlichen piezoelektrischen Element, das sich in einer einheitlichen Richtung biegt, wohingegen der Verschiebungsbetrag des mittleren Teils bei dem piezoelektrischen Element 1 gemäß der vorliegenden Erfindung groß ist, da sich die erste Region S1 benachbart zu der Mitte und die zweite Region S2 benachbart zu beiden Enden entgegengesetzt biegen. Wenn sich z. B. die erste Region S1 benachbart zu der Mitte konvex aufwärts biegt, biegt sich die zweite Region S2 konvex abwärts. Daher wird der Verschiebungsbetrag der ersten Region S1 zu dem Verschiebungsbetrag der zweiten Region S2 addiert, und somit kann der Verschiebungsbetrag des mittleren Teils groß sein. Folglich kann die Distanz zwischen dem mittleren Teil des piezoelektrischen Elements 1 und der Kanalöffnung 3 (der Grad der Öffnung des Ventils) während der Öffnung des Ventils groß sein, so dass der Fluidwiderstand in einem Zustand, in dem das Ventil geöffnet ist, reduziert werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Element vorzugsweise eine rechteckige Form aufweisen, beide Enden des piezoelektrischen Elements in einer Längsrichtung können vorzugsweise fest durch den Ventilkörper gehalten sein, und beide Seitenteile des piezoelektrischen Elements in einer Breitenrichtung können vorzugsweise nicht durch den Ventilkörper gehalten sein. Das piezoelektrische Element (Ventilbauglied), das bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, ist nicht auf eine rechteckige Form begrenzt sondern kann auch von einer Scheibenform sein. In dem Fall, in dem nur beide Enden eines rechteckigen, piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung fest an dem Ventilkörper gehalten werden, ist der Betrag der Verschiebung des Biegens bei dem mittleren Teil viel großer im Vergleich dazu, wenn alle Außenbereiche eines platten- bzw. scheiben-förmigen piezoelektrischen Elements gehalten werden. Daher kann der Grad der Öffnung des Ventils umfassend verändert werden, so dass das Öffnungs-/Schließverhalten verbessert werden kann. Das Vergrößern des Verhältnisses zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des piezoelektrischen Elements kann die Verschiebung bei dem piezoelektrischen Element erhöhen, während die Standfläche reduziert wird. In dem Fall eines rechteckigen, piezoelektrischen Elements wird der maximale Verschiebungsbetrag im Wesentlichen durch die Länge der langen Seite des piezoelektrischen Elements bestimmt.
Wenn ein rechteckiges, piezoelektrisches Element verwendet wird, ist es bevorzugt, dass ein Kommunikationsabschnitt für ein Fluid zwischen dem Ventilkörper und beiden Enden in der Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist, derart, dass eine Region benachbart zu der Vorderseite des piezoelektrischen Elements und eine Region benachbart zu der Rückseite desselben miteinander durch den Kommunikationsabschnitt kommunizieren. In diesem Fall, da die Region benachbart zu der Vorderseite des piezoelektrischen Elements und die Region benachbart zu der Ruckseite desselben denselben Druck aufweisen, wird keine externe Kraft abgesehen von dem Fluiddruck auf die Kanalöffnungen auf das piezoelektrische Element ausgeübt, und daher kann das Ventil mit einer relativ geringen Antriebskraft geschlossen werden. In dem Fall der Struktur, bei der der Auslass der Kanalöffnungen durch das piezoelektrische Element geöffnet und geschlossen wird, da das piezoelektrische Element gegen den Auslass gedrückt werden kann, mit dem Gegendruck aus dem Einlass, der einen hohen Druck während des Zustands des Schließens des Ventils aufweist, kann ein Lecken eines Fluids sogar mit einer relativ geringen Antriebskraft verhindert werden. Folglich ist es notwendig, das Anlegen einer großen Spannung fortzusetzen, um einen Zustand beizubehalten, in dem das Ventil geschlossen ist.
In dem Fall, in dem ein rechteckiges, piezoelektrisches Element verwendet wird, kann die erste Region vorzugsweise in einem mittleren Teil eines Abschnitts des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung vorhanden sein, wobei der Abschnitt nicht durch den Ventilkörper befestigt ist, die zweite Region kann vorzugsweise eher benachbart zu den beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung vorhanden sein als die erste Region, und die erste Region kann vorzugsweise offen sein und schließt die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung. 2 stellt eine Vielzahl von Formen eines piezoelektrischen Elements mit der ersten Region S1 und der zweiten Region S2 dar. 2(a) stellt ein erstes Beispiel des piezoelektrischen Elements 1 dar, das nur die erste Region S1 und die zweite Region S2 aufweist, bei dem ein Teil des Außenbereichs der zweiten Region S2 durch den Ventilkörper 2 gehalten wird. 2(b) bis (d) stellen Beispiele dar, bei denen eine Zwischenregion S3, die sich nicht spontan biegt, außerhalb der zweiten Region S2 gebildet ist. Die Zwischenregion S3 ist der Abschnitt, wo keine Elektrode gebildet ist, der Abschnitt, wo, obwohl eine Elektrode gebildet ist, keine Polarisierung vorhanden ist, oder der Abschnitt, wo, obwohl eine Elektrode gebildet ist, keine Spannung angelegt ist. Wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt ist (wenn sich die erste Region und die zweite Region biegen), biegt sich die Zwischenregion S3 nicht und ändert ihre Form nicht. 2(b) stellt ein Beispiel dar, bei dem die Grenze zwischen der Zwischenregion S3 und der zweiten Region S2 außerhalb eines inneren Randes 2a des Ventilkörpers 2 positioniert ist; 2(c) stellt ein Beispiel dar, bei dem die Grenze zwischen der Zwischenregion S3 und der zweiten Region S2 im Wesentlichen mit der Innenkante 2a des Ventilkörpers 2 übereinstimmt; und 2(d) stellt ein Beispiel dar, bei dem die Grenze zwischen der Zwischenregion S3 und der zweiten Region S2 innerhalb des Innenrandes 2a des Ventilkörpers 2 positioniert ist. Wenn nur die Zwischenregion S3 durch den Ventilkörper 2 gehalten wird, wie in 2(c) und 2(d), da der gebogene Teil des piezoelektrischen Elements 1 nicht gewaltsam begrenzt ist, kann das piezoelektrische Element 1 effizient verschoben werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Ventilkörper Folgendes umfassen: eine untere Platine mit einer rechteckigen, planaren Form die breiter ist als das piezoelektrische Element; einen ersten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche der unteren Platine angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform aufweist und eine Innenbreitenabmessung, die großer ist als die des piezoelektrischen Elements; ein Paar aus Halteplatten, die auf einer oberen Oberfläche von beiden Seitenteilen des ersten Rahmens in der Breitenrichtung angeordnet sind und im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen wie bei dem piezoelektrischen Element; einen zweiten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements und den Halteplatten angeordnet ist und im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und eine obere Platine, die auf einer oberen Oberfläche des zweiten Rahmens angeordnet ist. Die beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung können sandwichartig zwischen beiden Enden des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens in der Längenrichtung angeordnet sein. Die untere Platine, der erste Rahmen, das piezoelektrische Element, die Halteplatten, der zweite Rahmen und die obere Platine können laminiert und gebondet sein, und eine Ventilkammer kann zwischen der unteren Platine und der oberen Platine vorhanden sein, um zu ermöglichen, dass das piezoelektrische Element verschoben wird. Auf solche Weise sind alle Komponenten, die den Ventilkörper bilden, aus einem planaren Bauglied gebildet, und der Ventilkörper wird durch Laminieren dieser Komponenten erzeugt, die gebondet sind. Daher können die Herstellungskosten reduziert werden und das dünnere (mit niedrigerem Profil) piezoelektrische Ventil kann erreicht werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann zumindest eine Oberfläche des piezoelektrischen Elements, wobei die Oberfläche einem Raum des Ventilkörpers zugewandt ist, durch den Fluid läuft, vorzugsweise mit einer Schutzschicht abgedeckt sein, die die Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht wesentlich einschränkt. Wenn ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) in Kontakt mit dem piezoelektrischen Element kommt, ist es wahrscheinlich, dass eine Korrosion und Reduktion der isolierenden Eigenschaften auftritt, und zusätzlich kann es ein Problem z. B. der Rissbildung erzeugen, verursacht durch einen Kontakt mit und eine Trennung von einem Abschnitt (Ventilsitz) der Kanalöffnung in Kontakt mit dem Ventilbauglied. Wenn die Oberfläche des piezoelektrischen Elements mit einer Schutzschicht abgedeckt ist, die eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht wesentlich einschränkt, ist es möglich, das obige Problem zu lösen. Als die Schutzschicht kann eine Harzlage oder eine Gummilage angebracht sein, oder alternativ kann eine Oberflächenbehandlung oder Harzbeschichtung angewendet werden. Vorzugsweise kann die Schutzschicht eine dünne Schicht mit einem minimalen Youngschen Modul sein. Die Schutzschicht kann nicht nur Kurzschlüsse und Elektrodenmigration verhindern, die durch Flüssigkeit verursacht werden, die in direkten Kontakt mit dem piezoelektrischen Element kommt, sondern kann auch als Abdichtung dienen, um ein Lecken der Flüssigkeit zu verhindern.
Die Schutzschicht kann vorzugsweise ein Paar eines oberen und unteren Films umfassen, die derart gebondet bzw. verbunden sind, dass das piezoelektrische Element zwischen denselben angeordnet ist, wobei jeder der Filme vorzugsweise einen Schlitz aufweisen kann, der den Kommunikationsabschnitt bildet, an einem Abschnitt, der sich entlang der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung erstreckt, und ein Außenbereich des Films kann vorzugsweise sandwichartig zwischen den Halteplatten und dem zweiten Rahmen angeordnet sein. In diesem Fall kann ein Harzfilm als die Schutzschicht verwendet werden. Die Bereitstellung eines Schlitzes, der ferner als ein Kommunikationsabschnitt für den Film wirkt, kann eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements ermöglichen und kann ferner die Abdichtungsfunktion sicherstellen, durch sandwichartiges Anordnen des Außenbereichs des Films zwischen der Halteplatte und dem zweiten Rahmen.
Ferner kann der Ventilkörper vorzugsweise Folgendes umfassen: eine untere Platine mit einer rechteckigen, planaren Form, die breiter ist als das piezoelektrische Element; einen ersten Rahmen, der auf der unteren Platine angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform aufweist, und eine Innenbreitenabmessung, die größer ist als die des piezoelektrischen Elements; eine erste Schutzplatine, die auf dem ersten Rahmen angeordnet ist, mit einer Dicke im Wesentlichen gleich zu der unteren Platine, und die ein Paar aus Schlitzen in einem Bereich aufweist, der sich entlang der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung erstreckt; wobei das piezoelektrische Element auf einer mittleren, oberen Oberfläche der ersten Schutzplatine angeordnet ist; ein Paar aus Halteplatten, das auf der ersten Schutzplatine und in der Nähe der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung angeordnet ist, mit Schlitzen, die den Schlitzen der ersten Schutzplatine entsprechen, und mit einer Dicke im Wesentlichen gleich zu der des piezoelektrischen Elements; eine zweite Schutzplatine, die auf dem piezoelektrischen Element und den Halteplatten angeordnet ist und dieselbe Form aufweist wie die erste Schutzplatine; einen zweiten Rahmen, der auf der zweiten Schutzplatine angeordnet ist und im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und eine obere Platine, die auf dem zweiten Rahmen angeordnet ist. Die beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung können vorzugsweise sandwichartig zwischen beiden Enden des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens in der Längenrichtung angeordnet sein, wobei die erste und die zweite Schutzplatine und die untere Platine, der erste Rahmen, die erste Schutzplatine, das piezoelektrische Element, die Halteplatten, die zweite Schutzplatine, der zweite Rahmen und die obere Platine vorzugsweise in dieser Reihenfolge laminiert und gebondet sein können. Auch in diesem Fall kann das piezoelektrische Ventil dünner sein, wie bei dem oben erwähnten piezoelektrischen Ventil, und da das Paar aus Halteplatten und das piezoelektrische Element sandwichartig zwischen der oberen und unteren Schutzplatine angeordnet sind, werden die abdichtenden Eigenschaften des Umfangs des piezoelektrischen Elements und des Druckwiderstands verbessert.
In dem Fall des laminierten, piezoelektrischen Elements, in dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten laminiert sind, ist es insofern vorteilhaft, dass eine große Verschiebung und eine große Antriebskraft sogar bei niedriger Spannung erreichbar sind, im Vergleich zu dem Unimorph oder Bimorph, bei dem ein oder mehrere piezoelektrische Elemente an eine Metallplatte angebracht sind. Seine mechanische Festigkeit ist jedoch geringer, und somit ist es wahrscheinlich, dass eine Rissbildung durch einen Sturzaufprall verursacht wird. Das Abdecken der Oberflache des piezoelektrischen Elements mit der Schutzschicht ermöglicht das hoch zuverlässige Ventilbauglied.
Als das piezoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist das laminierte, piezoelektrische Element bevorzugt. Es kann eine Struktur aufweisen, bei der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten, die vorab gesintert und polarisiert wurden, unter Verwendung von Haftmittel angebracht werden, oder eine solche, bei der piezoelektrische Schichten, die eine Keramikgrunschicht sind, derart laminiert und gequetscht sind, dass eine Elektrode sandwichartig zwischen denselben angeordnet ist und eine Polarisation nach dem Sintern ausgeführt wird. Eine gemeinsame Struktur, die in dem ersteren Fall verwendet wird, ist die Struktur, bei der zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper angebracht sind. In diesem Fall, da die Herstellung des piezoelektrischen Körpers sehr einfach ist, kann er kostengünstig hergestellt werden. In dem letzteren Fall, da das piezoelektrische Element dünner sein kann und eine Mehrzahl von Schichten laminiert sein können, kann eine Antriebsspannung niedriger sein als bei einem piezoelektrischen Körper mit derselben Dicke.
Vorteile von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung, da die erste Region (benachbart zu der Mitte) und die zweite Region (benachbart zu beiden Enden) entgegengesetzt gebogen sind, sogar wenn beide Enden des piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, ist ein großer Verschiebungsbetrag bei dem mittleren Teil des piezoelektrischen Elements erreichbar, und der Fluidwiderstand während der Öffnung des Ventils kann reduziert werden. Da beide Enden des piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkorper gehalten werden, kann die Zuverlässigkeit bei dem Halteabschnitt für das piezoelektrische Element und den Ventilkörper sichergestellt werden, und eine Spannung kann stabil zu dem piezoelektrischen Element geliefert werden. Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des Halteabschnitts hoch ist, wird der Vorteil, in der Lage zu sein, die Kanalöffnung zu öffnen und zu schließen, die einen Differenzdruck aufweist (einen hohen Schließdruck des Ventils) erreicht.
Beste Ausführung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend auf Grundlage von Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
3 bis 6 stellen ein Beispiel 1 eines piezoelektrischen Ventils dar. 3 ist eine allgemeine, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ventils. 5 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3. 6 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie VI-VI aus 3.
Das piezoelektrische Ventil A gemäß dem vorliegenden Beispiel wird als ein aktives Ventil zum Steuern des Fluidflusses verwendet, wie z. B. von Methanol, und umfasst einen Ventilkörper 10 und ein Ventilbauglied 20. Der Ventilkörper 10 ist aus einem sehr steifen Material gebildet, wie z. B. Metallmaterial oder einem Harzmaterial. Das Ventilbauglied 20 umfasst ein piezoelektrisches Element 21. Wie in 4 dargestellt ist, umfasst der Ventilkörper 10 eine untere Platine 11 mit einer rechteckigen, planaren Form, die breiter ist als das piezoelektrische Element 21, einen ersten Rahmen 12, der auf der oberen Oberfläche der unteren Platine 11 angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform aufweist und eine Innenbreitenabmessung, die größer ist als die des piezoelektrischen Elements 21, ein Paar aus Halteplatten 13, die auf der oberen Oberflache von beiden Seiten des ersten Rahmens 12 entlang der langen Seite desselben angeordnet sind und im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen wie bei dem piezoelektrischen Element 21 und die Form eines U aufweisen, einen zweiten Rahmen 14, der auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 21 und der Halteplatten 13 angeordnet ist und im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen 12, und eine obere Platine 15, die auf der oberen Oberfläche des zweiten Rahmens 14 angeordnet ist.
Bei diesem Beispiel weist die obere Platine 15 einen Auslass 15a an ihrer Mittelposition und einen Einlass 15b an einer Position benachbart zu einer Seite auf. Der Einlass 15b kann jedoch an der Mittelposition gebildet sein und der Auslass 15a kann an einer Position benachbart zu einer Seite gebildet sein. Der Einlass und der Auslass können in der unteren Platine 11 gebildet sein. Entweder der Einlass oder der Auslass kann in der oberen Platine 15 gebildet sein, und der andere kann in der unteren Platine 11 gebildet sein. Die Komponenten 11 bis 15 sind derart laminiert und gebondet, dass das piezoelektrische Element 21 innen positioniert ist, wodurch der Ventilkörper 10 gebildet wird. Eine Ventilkammer 16, die erlaubt, dass das piezoelektrische Element 21 verschoben wird, ist zwischen der unteren Platine 11 und der oberen Platine 15 gebildet. Eine Gummiventillage 17 (siehe 5 und 6) ist an dem Umfang des Auslasses 15a befestigt, der der Ventilkammer 16 zugewandt ist. Obwohl es möglich ist, dass die Ventillage 17 an einer Position angeordnet ist, die benachbart zu dem piezoelektrischen Element 21 ist und die dem Auslass 15a zugeordnet ist, ist, wenn die Ventillage 17 an dem Umfang des Auslasses 15a angeordnet ist, der vorher der Ventilkammer 16 zugewandt ist, sogar wenn z. B. der Durchmesser des Auslasses 15a sehr klein ist, da die Ebenenausrichtung der Ventillage 17 und des Auslasses 15a vorab ausgefuhrt werden kann, die Ventillage 17 genau an dem Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Element 21 und dem Auslass 15a während der Operation des Ventils positioniert. Dementsprechend kann der Auslass 15a zuverlässig durch das piezoelektrische Element 21 geschlossen werden.
Das piezoelektrische Element 21 weist eine rechteckige, planare Form durch die Verwendung einer piezoelektrischen laminierten Keramikstruktur auf, was nachfolgend beschrieben wird. Der Umfang eines Bereichs des piezoelektrischen Elements 21, das der Ventilkammer 16 zugewandt ist, ist mit Isolationsfilmen 30 und 31 abgedeckt, um zu verhindern, dass das piezoelektrische Element 21 in Kontakt mit dem Fluid kommt. Die Isolationsfilme 30 und 31 sind eine dünne, weiche Schicht, die die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 21 nicht wesentlich einschränkt, und können vorzugsweise hohe Gassperreigenschaften aufweisen und aus einem Material gebildet sein, das nicht durch ein Fluid erodiert wird. Beide Enden des piezoelektrischen Elements 21 in der Längenrichtung mit den Isolationsfilmen 30 und 31 sind auf der oberen Oberfläche von beiden Enden in der Längenrichtung des ersten Rahmens 12 derart angeordnet, dass das piezoelektrische Element 21 und die Isolationsfilme 30 und 31 einen Zwischenrahmen zwischen den beiden Enden des ersten Rahmens 12 überbrücken. Die obere Platine 15 ist von oben mit der Halteplatte 13 verbunden und der zweite Rahmen 14 ist dazwischen angeordnet, und somit ist der Abschnitt abgesehen von den beiden Enden des piezoelektrischen Elements 21 in der abgedichteten Ventilkammer 16 angeordnet, da er verschoben werden kann. Dabei ist ein Rand des piezoelektrischen Elements 21, der nicht mit den Isolationsfilmen 30 und 31 abgedeckt ist, von dem Ventilkörper 10 freiliegend, und dieser freiliegende Abschnitt ist mit einem Zuführdraht 40 verbunden (siehe 3).
Die Isolationsfilme 30 und 31 dieses Beispiels sind breiter als das piezoelektrische Element 21 und länger als das piezoelektrische Element 21. Das heißt, deren Außenform ist im Wesentlichen dieselbe wie die der unteren Platine 11 und des ersten Rahmens 12. Jeder der Isolationsfilme 30 und 31 weist Schlitzkommunikationslöcher 30a und 31a an beiden Seitenteilen in der Breitenrichtung auf (beide Seitenteile entlang der langen Seite), und die Kommunikationslöcher 30a und 31a liegen innerhalb der Ventilkammer 16. Die Länge von jedem der Kommunikationslöcher 30a und 31a ist im Wesentlichen dieselbe wie die Abmessung der Ventilkammer 16 in der Längsrichtung. Daher sind beide Enden in der Längenrichtung des piezoelektrischen Elements 21 fest durch den Ventilkörper 1 gehalten, wohingegen beide Seitenteile in der Breitenrichtung desselben frei angeordnet sein können. Zusätzlich dazu wird der Druck des Fluids, das durch die Kommunikationslöcher 30a und 31a aus dem Einlass 15b eingetreten ist sowohl auf die Vorderseite des piezoelektrischen Elements 21 (die Seite, die dem Auslass zugewandt ist) als auch die Rückseite ausgeübt, die Drücke von beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 21 sind dieselben, so dass der Auslass 15a mit einer relativ geringen Antriebskraft geschlossen werden kann. Genauer gesagt, in dem Fall der Struktur, bei der der Auslass 15a durch das piezoelektrische Element 21 geöffnet und geschlossen wird, da das piezoelektrische Element 21 gegen den Auslass 15a durch den Gegendruck aus dem Einlass 15b gedrückt wird, der einen hohen Druck während des Zustands des Schließens des Ventils aufweist, kann ein Lecken des Fluids zuverlässig verhindert werden. Die Isolationsfilme 30 und 31 decken zumindest einen Bereich des piezoelektrischen Elements 21 ab, der der Ventilkammer 16 zugewandt ist, und es ist nicht notwendig, dass sie im Wesentlichen dieselbe Form aufweisen wie der erste Rahmen 12, wie bei dem oben erwähnten Beispiel.
7 stellt ein Beispiel einer Anordnungsstruktur des piezoelektrischen Elements 21 dar, das das Ventilbauglied 20 und die Isolationsfilme 30 und 31 bildet. Wie in 7(a) dargestellt ist, sind die Isolationsfilme 30 und 31 an einer oberen und unteren Position derart angeordnet, dass das piezoelektrische Element 21 dazwischen angeordnet ist. Der Isolationsfilme 30 an der oberen Position hat eine Ausnehmung 30b, um zu ermöglichen, dass das piezoelektrische Element 21 darin einpasst. Durch Bonden beider Isolationsfilme 30 und 31 derart, dass die Schlitze 30a und 31a miteinander zusammenpassen, kann das Ventilbauglied 20, in dem der Umfang des piezoelektrischen Elements 21 abgedichtet ist, erhalten werden.
8 stellt einen Zustand dar, wo eine Gleichstromspannung an das piezoelektrische Element 21 in einer Richtung angelegt ist, in der der Mittelteil desselben aufwärts konvex wird. Der Mittelteil des piezoelektrischen Elements 21 wird verschoben und auf die Ventillage 17 gesetzt, und das piezoelektrische Element 21 kann den Auslass 15a zuverlässig schließen. Sogar wenn ein hoher Druck von dem Einlass 15b während des Zustands des Schließens des Ventils ausgeübt wird, wird dieser Druck sowohl auf die Oberseite des piezoelektrischen Elements 21 als auch die Unterseite ausgeübt. Daher wird das piezoelektrische Element 21 in die Richtung zum Schließen des Ventils gedrängt, so dass der Zustand, wo das Ventil geschlossen ist, beibehalten werden kann, ohne das Anlegen einer hohen Spannung.
9 stellt einen Zustand dar, wo eine Gleichstromspannung an das piezoelektrische Element 21 in einer Richtung angelegt ist, in der der Mittelteil desselben abwärts konvex wird. Das Abwärtsverschieben des piezoelektrischen Elements 21 erhöht die Distanz zwischen dem Auslass 15a und dem piezoelektrischen Element 21 und erweitert den Kanalraum, so dass der Fluidwiderstand, wenn das Ventil geöffnet ist, reduziert werden kann. Das Ausüben einer Spannung derart, dass das piezoelektrische Element 21 abwärts konvex wird, wie in 9 dargestellt ist, ist nicht notwendigerweise erforderlich. Es ist ausreichend, dass das piezoelektrische Element 21 zu zwei Positionen verändert wird: dem Zustand, wo eine Spannung in der Richtung angelegt ist, in der das piezoelektrische Element 21 aufwärts konvex wird (8), und dem Zustand, wo keine Spannung angelegt ist (5).
BEISPIEL 2
10 und 11 stellen ein Beispiel 2 des piezoelektrischen Ventils dar. 10 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Ventils B, und 11 ist eine Querschnittsansicht desselben. Dieselben Bezugszeichen werden in den Teilen verwendet, die jenen von Beispiel 1 gemeinsam sind, und die redundante Beschreibung wird weg gelassen.
Die untere Platine 11, der erste Rahmen 12, das piezoelektrische Element 21, der zweite Rahmen 14 und die obere Platine 15, die bei dem piezoelektrischen Ventil B bei diesem Beispiel verwendet werden sind dieselben wie bei dem piezoelektrischen Ventil A. Eine erste Schutzplatine 32, die aus einer Harzlage besteht, ist auf dem ersten Rahmen 12 angeordnet. Die Außenform der ersten Schutzplatine 32 ist im Wesentlichen dieselbe wie die der unteren Platine 11. Die erste Schutzplatine 32 weist ein Paar aus Schlitzen 32a in einem Bereich auf, der sich entlang beider Seitenteile in der Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements 21 erstreckt. Das piezoelektrische Element 21 ist auf der oberen Oberfläche an dem Mittelteil der ersten Schutzplatine 32 angeordnet. Ein Paar aus Halteplatten 34 und 35 ist auf der ersten Schutzplatine 32 in der Nähe beider Seiten des piezoelektrischen Elements 21 in der Breitenrichtung angeordnet. Die Halteplatten 34 und 35 sind eine Harzplatte mit einer Dicke, die im Wesentlichen gleich der des piezoelektrischen Elements 1 ist, und mit Schlitzen 34a bzw. 35a, die den Schlitzen 32a der ersten Schutzplatine 32 entsprechen. Da das piezoelektrische Element 21 und die Halteplatten 34 und 35 auf der ersten Schutzplatine 32 angeordnet sind, sind ihre jeweiligen oberen Oberflächen miteinander fluchtend. Eine zweite Schutzplatine 33 ist auf diesen fluchtenden, oberen Oberflächen angeordnet. Die zweite Schutzplatine 33 besteht aus einer Harzlage mit derselben Form wie der der ersten Schutzplatine 32 und weist ein Paar aus Schlitzen 33a auf, die den Schlitzen 32a entsprechen. Der zweite Rahmen 14 ist auf der zweiten Schutzplatine 33 angeordnet, und die obere Platine 15 ist darauf angeordnet.
Die untere Platine 11, der erste Rahmen 12, die erste Schutzplatine 32, das piezoelektrische Element 21, die Halteplatten 34 und 35, die zweite Schutzplatine 33, der zweite Rahmen 14, die obere Platine 15 sind in Reihenfolge laminiert und bilden den Ventilkörper 10. Ein Beispiel eines Laminierverfahrens kann eines sein, dass dieselben unter Verwendung von Haftmittel bondet. Sie können miteinander durch Laserschweißen oder Hitzeverschweißen verbunden werden.
Bei diesem Beispiel sind die Schutzplatinen 32 und 33 und die Halteplatten 34 und 35 angeordnet, um in Kontakt mit der oberen und unteren Oberfläche und beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 21 zu sein. Da kein Bedarf besteht, die Schutzplatinen 32 und 33 mit einer Ausnehmung zu versehen, können sie in einer planaren Form gebildet sein, so dass die Kosten reduziert werden können. Zusätzlich dazu, da die Gesamtumfänge der Schutzplatinen 32 und 33 in engem Kontakt mit dem ersten Rahmen 12 bzw. dem zweiten Rahmen 14 sind, auf planare Weise, kann sogar wenn ein hoher Druck auf das Ventilbauglied 16 ausgeübt wird, ein Lecken von Flüssigkeit zuverlässig verhindert werden, so dass es insofern vorteilhaft ist, als der Druckwiderstand verbessert wird. Ein Harzmaterial, wie z. B. thermoplastisches Harz, dessen Störung bei einer Verschiebung des piezoelektrischen Elements 21 minimal ist, wird bei den Schutzplatinen 32 und 33 und den Halteplatten 34 und 35 verwendet. Genauer gesagt bietet die Bildung dieser Schutzplatinen 32 und 33 und der Halteplatten 34 und 35 aus demselben Material eine vorteilhafte Bondefähigkeit.
12 stellt eine Anordnungsstruktur des piezoelektrischen Elements 21, der Schutzplatinen 32 und 33 und der Halteplatten 34 und 35 gemäß dem Beispiel 2 dar. Wie in 12(a) dargestellt ist, sind das piezoelektrische Element 21 und die Halteplatten 34 und 35 angeordnet, und die Schutzplatinen 32 und 33 sind darunter bzw. darüber angeordnet, um das piezoelektrische Element 21 und die Halteplatten 34 und 35 dazwischen sandwichartig einzuschließen. Die Schutzplatinen 32 und 33 und die Halteplatten 34 und 35 sind miteinander derart verbunden, dass die Schlitze 32a, 33a, 34a und 35a ausgerichtet sind. Daher kann das Ventilbauglied 20, in dem der Umfang des piezoelektrischen Elements 21 abgedichtet ist, wie in 12(b) dargestellt ist, erhalten werden. In diesem Fall können die Schutzplatinen 32 und 33 planar sein, und es ist unnötig darin eine Ausnehmung zu bilden. Sogar wenn ein Zwischenraum zwischen den beiden Seitenteilen des piezoelektrischen Elements 21 in der Breitenrichtung und den Halteplatten 34 und 35 vorhanden ist, wird die Abdichtungsfähigkeit nicht beeinträchtigt, solange die Schutzplatinen 32 und 33 und die Halteplatten 34 und 35 verbunden sind.
13 stellt ein Beispiel einer spezifischen Struktur des piezoelektrischen Elements 21 dar. Das piezoelektrische Element 21 ist ein Bimorph-Aktor, bei dem Elektroden auf beiden Seiten in beiden Seiten gebildet sind und zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper 21a und 21b, die aus der piezoelektrischen Keramik bestehen, die einheitlich in derselben Richtung polarisiert sind, insgesamt miteinander verbunden sind. Die Elektroden sind derart ausgezogen, dass nach dem Bonden bzw. Verbinden eine Kontinuität zwischen Elektroden vorliegt, die durch Pluszeichen in 13 angezeigt ist, und eine Kontinuität zwischen Elektroden vorliegt, die durch Minuszeichen angezeigt ist. Zwischenschichtelektroden und Oberflächenelektroden sind in Mittelelektroden 22a bis 22c und Endelektroden 23a bis 23c unterteilt. Die Region der Mittelelektroden 22a bis 22c ist die erste Region S1, und die Region der Endelektroden 23a bis 23c ist die zweite Region S2. Die Polarisationsrichtung der ersten Region S1 und die der zweiten Region S2 sind dieselben (angezeigt durch die Pfeile P). Das Verhältnis zwischen der Größe der ersten Region S1 und der der zweiten Region S2 kann frei gemäß den Ventilcharakteristika ausgewählt werden. Wenn eine Gleichstromspannung auf eine Weise angelegt ist, die durch Plus- und Minuszeichen in 13 angezeigt ist, andert die zweite Region S2 ihre Form aufwärts konvex und die erste Region S1 ändert ihre Form abwärts konvex. Wenn die Spannung umgekehrt wird, ändert die zweite Region S2 ihre Form abwärts konvex und die erste Region S1 ändert ihre Form aufwärts konvex.
Wie oben beschrieben wurde, werden beide Enden des piezoelektrischen Elements 21 (die einen Teil der zweiten Region S2 enthalten) fest durch den Ventilkörper 10 gehalten. Für ein typisches piezoelektrisches Element, wenn seine beiden Enden fest sind, sogar wenn eine Spannung angelegt ist, heben die Verschiebungen des Mittelteils und beider Enden des piezoelektrischen Elements einander auf, das piezoelektrische Element wird im Wesentlichen nicht verschoben. Gemäß der vorliegenden Erfindung, da der Mittelteil (erste Region S1) und beide Enden (zweite Region S2) des piezoelektrischen Elements 21 sich biegen und ihre Formen entgegengesetzt ändern, sogar wenn beide Enden fest getragen werden, kann der Mittelteil ausreichend verschoben werden.
Dementsprechend kann der Schließdruck des Ventils des piezoelektrischen Elements 21 und des Auslasses 15a (Ventillage 17) während des Schließens des Ventils sichergestellt werden, und die Distanz zwischen dem Mittelteil des piezoelektrischen Elements 21 und dem Auslass 15a kann während der Öffnung des Ventils sichergestellt werden. Der Widerstand des Fluids, das durch den Auslass 15a läuft, kann reduziert werden.
Als nächstes, um die Effektivität der vorliegenden Erfindung zu untersuchen, wurde eine Simulation unter Verwendung eines Vergleichsbeispiels und der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf den Schließdruck des Ventils und den Betrag der Verschiebung des Mittelteils ausgeführt. 14(a) stellt das Vergleichsbeispiel dar, und 14(b) stellt die vorliegende Erfindung dar.
– Vergleichsbeispiel –
Ein piezoelektrisches Unimorph-Element, bei dem ein piezoelektrischer Körper (PZT) von 30 mm × 4 mm × 0,1 mm mit einer rostfreien Membran aus 20 mm × 4 mm × 0,1 mm gebondet ist, wurde verwendet, und beide Enden desselben wurden in der Längenrichtung befestigt. Die Längenabmessung 30 mm ist die Abmessung abgesehen von dem Befestigungsabschnitt. Eine Gleichstromspannung von 30 V wurde an den piezoelektrischen Körper in einer Richtung angelegt, in der der Mittelteil des piezoelektrischen Elements aufwärts verschoben wurde. Wenn ein Druck von 35 kPa an eine Region von Φ 0,6 mm in dem Mittelteil in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der Verschiebung des piezoelektrischen Elements angelegt wurde, wie durch den Pfeil angezeigt ist, erfuhr der Mittelteil eine Verschiebung von ungefähr 20,4 um. Folglich, in dem Fall, in dem vorgesehen ist, dass die Distanz zwischen der Oberfläche des piezoelektrischen Elements und der Kanalöffnung, wenn keine Spannung angelegt ist, 20 μm ist, kann die Kanalöffnung gegen einen Differenzdruck von ungefähr 35 kPa maximal geschlossen werden. Wenn nur eine Spannung angelegt wurde und kein Druck in der entgegengesetzten Richtung auf den Mittelteil ausgeübt wurde, betrug der Verschiebungsbetrag des Mittelteils 28,5 μm.
– Vorliegende Erfindung –
Ein piezoelektrisches Bimorph-Element, bei dem zwei piezoelektrische Körper (PZT), jeweils mit den Abmessungen 30 mm × 4 mm × 0,1 mm aneinander gebondet sind, wurde verwendet, und beide Enden desselben wurden in der Längenrichtung befestigt. Die Längenabmessung 30 mm ist die Abmessung abgesehen von dem Befestigungsabschnitt. Eine Gleichstromspannung von 30 V wurde an jeden der piezoelektrischen Korper in einer Richtung angelegt, in der der Mittelteil des piezoelektrischen Elements aufwärts verschoben wurde. Wenn ein Druck von 190 kPa auf eine Region von Φ 0,6 mm in dem Mittelteil in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der Verschiebung des piezoelektrischen Elements ausgeübt wurde, wie durch den Pfeil angezeigt ist, erfuhr der Mittelteil eine Verschiebung von ungefähr 20,7 μm. Folglich, in dem Fall, in dem vorgesehen ist, dass die Distanz zwischen der Oberfläche des piezoelektrischen Elements und der Kanalöffnung, wenn keine Spannung angelegt ist, 20 μm ist, kann die Kanalöffnung gegen einen Differenzdruck von ungefähr 190 kPa maximal geschlossen werden. Wenn nur eine Spannung angelegt wurde und kein Druck in der Gegenrichtung auf den Mittelteil ausgeübt wurde, betrug der Verschiebungsbetrag des Mittelteils 59,1 μm.
– Ergebnisse –
Wie aus der obigen Simulation hervor geht, stellt sich heraus, dass, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, die vorliegende Erfindung ein Öffnen und Schließen gegen fünf oder mehr Mal den Differenzdruck ausfuhren kann. Es stellt sich heraus, dass der Betrag der freien Verschiebung bei dem Mittelteil gemäß der vorliegenden Erfindung ungefähr zweimal der des Vergleichsbeispiels ist.
15 stellt ein zweites Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Das piezoelektrische Element 21a dieses Beispiels ist ebenfalls ein Bimorph-Aktor, bei dem zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper 21a und 21b aus der piezoelektrischen Keramik bestehen, wie in dem Fall von 13. Die Zwischenschichtelektroden und die Oberflächenelektroden sind dieselben wie bei dem Beispiel von 13, außer dass die Polarisierungsrichtung unterschiedlich ist. Das heißt, die Polarisierungsrichtung in der ersten Region S1 und die in der zweiten Region S2 (angezeigt durch die Pfeile P) innerhalb desselben piezoelektrischen Körpers sind entgegengesetzt, und die zwei piezoelektrischen Körperschichten 21a und 21b sind in derselben Richtung polarisiert. Wie in 15 mit den Plus- und Minuszeichen dargestellt ist, wenn eine Gleichstromspannung zwischen den Zwischenschichtelektroden und den Oberflächenelektroden angelegt ist, können sich die erste Region S1 und die zweite Region S2 entgegengesetzt biegen und ihre Formen entgegengesetzt ändern, wie in dem Fall des ersten Beispiels. Bei diesem Beispiel, da dasselbe Potential innerhalb einer Ebene während des Treibens vorhanden ist, gibt es weniger Wahrscheinlichkeit für Kurzschlüsse, die durch Migration verursacht werden. Zusätzlich dazu ist ein Leiten zwischen Elektroden einfach. Die äußerste Oberfläche kann mit Masse verbunden sein.
16 stellt ein drittes Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Die Polarisierungsrichtung P und die Konfiguration der Oberflächenelektroden bei dem piezoelektrischen Element 21B dieses Beispiels sind im Wesentlichen dieselben wie bei dem zweiten Beispiel, aber das piezoelektrische Element 21B ist insofern unterschiedlich, als eine Zwischenschichtelektrode 24 eine kontinuierliche (Fest-) Elektrode ist. Das heißt, sogar wenn die Zwischenschichtelektrode 24 eine Festelektrode ist, die sich uber die erste Region S1 und die zweite Region S2 erstreckt, kann eine Polarisierung ordnungsgemäß ausgefuhrt werden solange die Oberflächenelektroden 22a und 23a und 22c und 23c separate Elektroden sind, und wenn eine Spannung angelegt ist, wie durch die Plus- und Minuszeichen angezeigt ist, die in 16 dargestellt sind, können die erste Region S1 und die zweite Region S2 entgegengesetzt gebogen und verschoben werden.
17 stellt ein viertes Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Das piezoelektrische Element 21C bei diesem Beispiel ist eine Variation des dritten Beispiels. Die Polarisationsrichtung P und die Konfiguration der Oberflächenelektroden sind im Wesentlichen dieselben wie bei dem zweiten Beispiel, aber das piezoelektrische Element 21C ist insofern unterschiedlich, als die Oberflächenelektroden 25 und 26 kontinuierliche (Fest-) Elektroden sind. Auch in diesem Fall, da die Zwischenschichtelektroden 22b und 23b separate Elektroden sind, kann eine Polarisation ordnungsgemäß ausgeführt werden, sogar wenn die Oberflächenelektroden 25 und 26 durchgehende (Fest-) Elektroden sind, und wenn eine Spannung angelegt ist, wie durch die Plus- und Minuszeichen angezeigt ist, die in 17 dargestellt sind, können die erste Region S1 und die zweite Region S2 entgegengesetzt gebogen und verschoben werden.
Die piezoelektrischen Elemente, die in 13 und 15 bis 17 dargestellt sind, sind ein Beispiel, bei dem sich die zweite Region S2 zu beiden Enden derselben in der Längenrichtung erstreckt. Wie in 2(b) bis 2(d) dargestellt ist, kann die Zwischenregion S3 an beiden Enden in der Längenrichtung und außerhalb der zweiten Region S2 gebildet sein.
BEISPIEL 3
18 stellt ein Beispiel 3 des piezoelektrischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 5 stellt ein Beispiel dar, bei dem der Auslass 15a offen ist, wenn keine Spannung an das piezoelektrische Element 21 angelegt ist (normalerweise offener Typ). Bei diesem Beispiel ist der Auslass 15a geschlossen, wenn keine Spannung an das piezoelektrische Element 21 angelegt ist (normalerweise geschlossener Typ). In diesem Fall kann das piezoelektrische Element 21 an dem Ventilkörper 10 befestigt sein, während es leicht zu einem gewissen Grad derart gebogen ist, dass das piezoelektrische Element 21 in Kontakt mit der Ventillage 17 gedrückt wird, wenn keine Spannung angelegt ist. Wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 21 in einer Richtung angelegt ist, in der sich das piezoelektrische Element 21 konvex abwärts biegt, wird das piezoelektrische Element 21 von der Ventillage getrennt, so dass der Auslass 15a geöffnet werden kann. Die Kanalöffnung, die durch das piezoelektrische Element 21 geöffnet und geschlossen wird, ist nicht auf den Auslass 15a beschränkt und kann der Einlass 15b sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele begrenzt und verschiedene Modifikationen sind möglich. Bei den oben beschriebenen Beispielen wird das rechteckige, piezoelektrische Element verwendet, und beide Enden desselben sind in der Längenrichtung durch den Ventilkörper befestigt. Es kann jedoch ein scheibenförmiges oder bahnförmiges piezoelektrisches Element verwendet werden, und sein Umfang kann durch den Ventilkörper befestigt sein. In diesem Fall kann die erste Region in dem Mittelteil vorgesehen sein, und die zweite Region kann in dem Außenbereich vorgesehen sein.
Bei den oben beschriebenen Beispielen sind die zwei Schichten des piezoelektrischen Körpers laminiert, um das piezoelektrische Element zu bilden. Es können jedoch drei oder mehr Schichten eines piezoelektrischen Körpers laminiert sein. Das Erhöhen der Anzahl von laminierten Schichten kann eine Antriebskraft erhöhen. In dem Fall eines piezoelektrischen Elements mit einer ungeraden Anzahl von Schichten kann das piezoelektrische Element eine Verstarkungsschicht aufweisen, die nicht polarisiert ist oder die polarisiert ist aber nicht in den Mittelteil in der Laminierrichtung des piezoelektrischen Elements abgeleitet ist, um Belastung zu verringern, die beim Biegen auftritt.
Bei dem piezoelektrischen Element bei den oben beschriebenen Beispielen werden piezoelektrische Körper, die vorangehend gesintert und polarisiert wurden, laminiert und gebondet. Die piezoelektrischen Körper jedoch, die eine Keramikgrünschicht sind, können laminiert und gequetscht werden, und nach dem Sintern können sie polarisiert werden. In diesem Fall, da die Schichten des piezoelektrischen Körpers dünner sein können, können die Spannungen, die angelegt werden sollen, geringer sein.
Der Ventilkörper ist nicht auf die oben erwähnten Beispiele beschränkt, welche Plattenbauglieder oben und unten laminiert und gebondet werden. Bauglieder eines Gehäuses mit Ausnehmungen werden vorab gebildet und sie können Fläche an Fläche gebondet sein, wodurch das piezoelektrische Element zwischen dieselben als ein Ventilkörper gesetzt wird.
Das piezoelektrische Ventil der vorliegenden Erfindung ist von kompakter Größe und geringem Profil. Daher ist es als ein aktives Ventil effizient, das an einer Kraftstoffpipeline in einer Brennstoffzelle einer mobilen Vorrichtung verwendet wird, wie z. B. eines Personalcomputers usw., und einem Zirkulationsweg zum Kühlen von Wasser usw. Diesbezüglich ist es nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Operationsprinzip eines piezoelektrischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; (a) stellt einen ungetriebenen Zustand dar (Ventil ist offen); und (b) stellt einen getriebenen Zustand dar (Ventil ist geschlossen).
2 stellt schematische Ausschnittsansichten dar, die verschiedene Beispiele einer Grundstruktur des piezoelektrischen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
3 ist eine allgemeine, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ventils gemäß einem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ventils gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3.
6 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie VI-VI aus 3.
7 stellt eine Anordnungsstruktur eines Ventilbauglieds dar.
8 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3, wenn das Ventil geschlossen ist.
9 ist eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3, wenn das Ventil geöffnet ist.
10 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ventils gemäß einem Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Querschnittsansicht, betrachtet aus der senkrechten Richtung eines piezoelektrischen Elements des piezoelektrischen Ventils, das in 10 dargestellt ist.
12 stellt eine Anordnungsstruktur des Ventilbauglieds des piezoelektrischen Ventils dar, das in 10 dargestellt ist.
13 ist eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements, das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
14 ist ein Modelldiagramm, wenn eine Verschiebung vorhanden ist, gemäß einem Vergleichsbeispiel und der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements, das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
16 ist eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements, das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
17 ist eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements, das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
18 ist eine Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Ventils gemäß einem Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine Ausschnittsansicht eines Beispiels eines herkömmlichen, piezoelektrischen Ventils.
20 ist eine Ausschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines herkömmlichen, piezoelektrischen Ventils.
Bezugszeichenliste

A, B: piezoelektrisches Ventil
10: Ventilkörper
11: untere Platine
12: erster Rahmen
13: Halteplatte
14: zweiter Rahmen
15: obere Platine
15a: Auslass (Offen/Geschlossen-Kanalöffnung)
15b: Einlass
16: Ventilkammer
17: Ventillage
20: Ventilbauglied
21: piezoelektrisches Element
30, 31: Isolationsfilm
32, 33: Schutzplatine
34, 35: Halteplatte
S1: erste Region
S2: zweite Region

Claims

Ein piezoelektrisches Ventil, das folgende Merkmale aufweist: einen Ventilkörper mit einer Offen/Geschlossen-Kanalöffnung; und ein Ventilbauglied, das ein piezoelektrisches Plattenelement umfasst, das in einer Dickenrichtung desselben durch ein Anlegen einer Spannung an dasselbe gebogen wird, und das die Offen/Geschlossen-Kanaloffnung durch Biegen öffnet und schließt, wobei jedes der beiden Enden oder ein Außenbereich des piezoelektrischen Elements fest durch den Ventilkörper gehalten wird, das piezoelektrische Element eine erste Region in einem Mittelteil oder einer Mitte und eine zweite Region benachbart zu den beiden Enden oder dem Außenbereich aufweist, und die erste Region und die zweite Region entgegengesetzt gebogen und verschoben sind, durch eine Spannung, die an das piezoelektrische Element angelegt ist.
Das piezoelektrische Ventil gemäß Anspruch 1, bei dem das piezoelektrische Element eine rechteckige Form aufweist, beide Enden des piezoelektrischen Elements in einer Längenrichtung fest durch den Ventilkörper gehalten werden, ein Kommunikationsabschnitt für Fluid zwischen beiden Seitenteilen des piezoelektrischen Elements in einer Breitenrichtung angeordnet ist, und eine Region benachbart zu einer Vorderseite des piezoelektrischen Elements und eine Region benachbart zu einer Rückseite desselben miteinander durch den Kommunikationsabschnitt kommunizieren.
Das piezoelektrische Ventil gemäß Anspruch 2, bei dem die erste Region in einem Mittelteil eines Abschnitts des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung vorhanden ist, wobei der Abschnitt nicht durch den Ventilkörper befestigt ist, und die zweite Region naher an den beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung ist als die erste Region und die erste Region die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung öffnet und schließt.
Das piezoelektrische Ventil gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem eine Zwischenregion in den beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung vorhanden ist und näher an den Enden in der Längenrichtung ist als die zweite Region, wobei die Zwischenregion nicht spontan gebogen und verschoben wird und die Zwischenregion fest durch den Ventilkörper gehalten wird.
Das piezoelektrische Ventil gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Ventilkörper folgende Merkmale aufweist: eine untere Platine mit einer rechteckigen, planaren Form, die breiter ist als das piezoelektrische Element; einen ersten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche der unteren Platine angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform und eine Innenbreitenabmessung aufweist, die größer ist als die des piezoelektrischen Elements; ein Paar aus Halteplatten, die auf einer oberen Oberfläche von beiden Seitenteilen des ersten Rahmens in der Breitenrichtung angeordnet sind und im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen wie bei dem piezoelektrischen Element; einen zweiten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements und der Halteplatten angeordnet ist und im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und eine obere Platine, die auf einer oberen Oberfläche des zweiten Rahmens angeordnet ist, wobei die beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung sandwichartig zwischen beiden Enden des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens in der Längenrichtung angeordnet sind, die untere Platine, der erste Rahmen, das piezoelektrische Element, die Halteplatten, der zweite Rahmen und die obere Platine laminiert und gebondet sind, und eine Ventilkammer, um zu ermöglichen, dass das piezoelektrische Element verschoben wird, zwischen der unteren Platine und der oberen Platine vorhanden ist.
Das piezoelektrische Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zumindest eine Oberfläche des piezoelektrischen Elements, wobei die Oberfläche einem Raum des Ventilkörpers zugewandt ist, durch den Fluid läuft, mit einer Schutzschicht abgedeckt ist, die die Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht wesentlich einschränkt.
Das piezoelektrische Ventil gemäß Anspruch 6, bei dem die Schutzschicht ein Paar aus einem oberen und einem unteren Film umfasst, die derart gebondet sind, dass das piezoelektrische Element dazwischen angeordnet ist, wobei jeder der Filme einen Schlitz aufweist, der den Kommunikationsabschnitt an einem Abschnitt bildet, der sich entlang der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung erstreckt, und ein Außenbereich des Films sandwichartig zwischen den Halteplatten und dem zweiten Rahmen angeordnet ist.
Das piezoelektrische Ventil gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Ventilkörper folgende Merkmale aufweist: eine untere Platine mit einer rechteckigen, planaren Form, die breiter ist als das piezoelektrische Element; einen ersten Rahmen, der auf der unteren Platine angeordnet ist und eine rechteckigen Rahmenform und eine Innenbreitenabmessung aufweist, die größer ist als die des piezoelektrischen Elements; eine erste Schutzplatine, die auf dem ersten Rahmen angeordnet ist und eine Dicke aufweist, die im Wesentlichen dieselbe ist wie bei der unteren Platine, und ein Paar aus Schlitzen in einem Bereich aufweist, der sich entlang der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung erstreckt; wobei das piezoelektrische Element auf einer mittleren, oberen Oberfläche der ersten Schutzplatine angeordnet ist; ein Paar aus Halteplatten, die auf der ersten Schutzplatine und in der Mähe der beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung angeordnet sind, die Schlitze aufweisen, die den Schlitzen der ersten Schutzplatine entsprechen, und eine Dicke aufweisen, die im Wesentlichen dieselbe ist wie die des piezoelektrischen Elements; eine zweite Schutzplatine, die auf dem piezoelektrischen Element und den Halteplatten angeordnet ist und dieselbe Form aufweist wie die erste Schutzplatine; einen zweiten Rahmen, der auf der zweiten Schutzplatine angeordnet ist und im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und eine obere Platine, die auf dem zweiten Rahmen angeordnet ist, wobei die beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung sandwichartig zwischen beiden Enden des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens in der Längenrichtung angeordnet sind, mit der ersten und der zweiten Schutzplatine, und die untere Platine, der erste Rahmen, die erste Schutzplatine, das piezoelektrische Element, die Halteplatten, die zweite Schutzplatine, der zweite Rahmen und die obere Platine in Reihenfolge laminiert und gebondet sind.