JP2000205428A - ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾアクチュエータの接続部分における部
品点数の削減、ピエゾスタックの放熱効率の向上、さら
には温度特性や耐久性の向上を可能とするピエゾ方式の
流量調整弁駆動部構造を提供する。 【解決手段】 固定箇所９ｂと変位出力箇所９ａを有す
るダイアフラム９を長手方向一端側１Ａに設けると共
に、この一端側にフランジ１ａを設けたピエゾアクチュ
エータ１と、このピエゾアクチュエータ１をそのフラン
ジ１ａに係合して弁本体２に取り付ける袋ナット３と、
弁本体２の弁体操作部２ａの中心軸に同芯円状に立設す
る状態で固定される円筒状部分４ａを有しこの円筒状部
分４ａの外周に前記袋ナットに螺合可能な雄ネジ４ｂを
形成する袋ナット受け具４とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はピエゾ方式の流量調
整弁駆動部構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流量調整弁の駆動部に積層さ
れたピエゾ素子からなるピエゾスタックを用いて電力を
直接的に弁体の操作量に変換する方法が用いられてい
る。図４は従来のピエゾ駆動方式の流量調整弁１１の構
成を示す断面図である。

【０００３】図４において、１２はピエゾアクチュエー
タであり、その一端側１２Ａがルビー球Ｂを介して弁体
操作部１３に当接している。１４はピエゾアクチュエー
タ１２の他端１２Ｂに固定される袋ナット、１４ａはこ
の袋ナット１４の位置決めをする止めナット、１５は流
量調整弁１１の弁本体１６に固定的に立設するほゞ筒状
の固定筒である。

【０００４】上記構成の流量調整弁１１は、前記ピエゾ
アクチュエータ１２を固定筒１５に挿入するように前記
袋ナット１４を固定筒１５に螺合接続し、ピエゾアクチ
ュエータ１２が弁体操作部１３を押圧操作するちょうど
良い位置において位置決めナット１４ａで締め付け固定
した状態で、ピエゾアクチュエータ１２に電圧をかけて
膨張させることにより弁体操作部１３を閉方向に駆動操
作することができる。

【０００５】また、前記ピエゾアクチュエータ１２は湿
気を嫌うので、その内部のピエゾスタック１７は例えば
ドライ窒素を封入したブッシュ１８の中に挿入され、外
気と遮断されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記従来の
流量調整弁１１の構成ではピエゾアクチュエータ１２の
変位量の出力がピエゾアクチュエータ１２の両端１２
Ａ，１２Ｂの距離の変動によってなされている。それゆ
えに、流量調整弁１１に使用する場合には、固定筒１５
のような固定用の筒状部材を必ず設ける必要があった。

【０００７】このため、流量調整弁１１の操作量を変え
るためにピエゾスタック１７の長さを変更した場合に
は、同時に固定筒１５の長さを変更する必要があった。
すなわち、ピエゾアクチュエータ１２の長さのバリエー
ションと同数の長さのバリエーションが存在する固定筒
１５を用意する必要があった。つまり、従来の構成では
ピエゾアクチュエータ１２の取り付けのために、多くの
部品と手間を必要とするという問題があった。

【０００８】また、上記従来の構成では固定筒１５でピ
エゾアクチュエータ１２を覆っているので、ピエゾアク
チュエータ１２を冷却するために周囲に冷却ファンを設
けたとしても、固定筒１５内のピエゾアクチュエータ１
２を効果的に冷却することは困難であり、高温で使用す
る場合に放熱性が悪くならざるを得ないという問題もあ
った。

【０００９】さらに、上述した従来の構成では、ピエゾ
アクチュエータ１２の全体の伸びにより流量調整を行っ
ているために、ピエゾアクチュエータ１２の温度膨張に
よる操作量の変化と、固定筒１５等の熱膨張による変化
が適合しないことがあった。特に、無負荷の状態と、力
が加わった状態とでは膨張率に変化が生じ、上述した従
来の構成で温度膨張による操作量の変化の少ない構成と
するためには、固定筒１５の材質選択が極めて困難であ
った。

【００１０】本発明はこのような実情を考慮に入れてな
されたものであって、ピエゾアクチュエータの接続部分
における部品点数の削減、ピエゾスタックの放熱効率の
向上、さらには温度特性や耐久性の向上を可能とするピ
エゾ方式の流量調整弁駆動部構造を提供することを目的
としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明のピエ
ゾ方式の流量調整弁駆動部構造は、固定箇所と変位出力
箇所を有するダイアフラムを長手方向一端側に設けると
共に、この一端側にフランジを設けたピエゾアクチュエ
ータと、このピエゾアクチュエータをそのフランジに係
合して弁本体に取り付ける袋ナットと、弁本体の弁体操
作部の中心軸に同芯円状に立設する状態で固定される円
筒状部分を有しこの円筒状部分の外周に前記袋ナットに
螺合可能な雄ネジを形成する袋ナット受け具とからなる
ことを特徴としている。

【００１２】すなわち、固定箇所と変位出力箇所を同じ
一端側に位置するピエゾアクチュエータを使用すること
により、このピエゾアクチュエータの固定のための構造
を可及的に簡略化することができる。また、弁本体にピ
エゾアクチュエータを接続した状態で従来のようにピエ
ゾアクチュエータを覆う部材がないので、空冷などによ
り冷却する場合、ピエゾアクチュエータがその他の部材
に覆われずに開放されていることからピエゾスタックの
放熱効果が期待できる。

【００１３】また、ピエゾアクチュエータの長さに依存
する部材がないので、その操作量を自在に変更可能であ
り、それだけ部品点数を少なくすると共に、その取り付
け作業も簡便になる。さらに、ピエゾアクチュエータ単
体で熱膨張の影響がなくなるように調整することによ
り、このピエゾアクチュエータを流量調整弁の駆動部に
取り付けた状態でも、温度による熱膨張の影響を受ける
ことが少なくなる。すなわち、温度による流量調整開度
の影響が少ないので、流量調整弁の精度を簡単に向上す
ることができる。

【００１４】前記袋ナット受け具に挿入された状態で袋
ナット受け具に螺合連結される雌ネジと、前記アクチュ
エータのフランジに係合する袋ナットの受けとを形成
し、この袋ナット受けを前記弁体操作部に連設すると共
に、前記雌ねじに固定されるピエゾアクチュエータの支
持部を形成する操作反転機構を設けた場合にはピエゾア
クチュエータによる操作方向を容易に反転させることが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１，２は本発明のピエゾ方式の
流量調整弁駆動部構造の一例を示しており、図１は縦断
面図、図２は分解斜視図である。図１において、１はピ
エゾアクチュエータ、２は弁本体、３はピエゾアクチュ
エータ１を取付ける袋ナット、４は袋ナット受け具、５
はこの袋ナット受け具４に取り付けられて弁体の操作方
向を反転させる操作反転機構である。

【００１６】前記ピエゾアクチュエータ１は、電圧を印
加した状態で膨張変形するピエゾ素子を複数枚積層して
なるピエゾスタック６と、このピエゾスタック６の上端
部を固定する蓋部材７と、この蓋部材７に固定される筒
状の金属ケース８と、金属ケース８の下端部に外周部９
ａ、ピエゾスタック６の下端部に中心部９ｂが取り付け
られたダイアフラム９とからなり、かつ、その一端部
（下端部）１Ａに外向きのフランジ１ａを形成してい
る。そして、前記蓋部材７，金属ケース８，ダイアフラ
ム９は気密に取り付けられて、内部に例えばドライ窒素
を封入している。

【００１７】なお、本例におけるピエゾアクチュエータ
１は固定箇所が中心部９ｂであり、変位出力箇所が外周
部９ａであり、両部９ａ，９ｂはピエゾアクチュエータ
１の長手方向一端側１Ａに形成されている。

【００１８】前記弁本体２はオリフィス一体型の弁ブロ
ック２ａと、その弁ブロック２ａのオリフィスの上面に
取り付けられたダイアフラム２ｂとを有しており、この
ダイアフラム２ｂに弁体操作部２ｃが一体成形されてい
る。そして、弁ブロック２ａに形成されたオリフィスと
ダイアフラム２ｂによって弁を構成する。また、前記弁
体操作部２ｃは例えばコイルばね２ｄによって開弁方向
に力が加えられている。

【００１９】前記袋ナット３は前記ピエゾアクチュエー
タ１の金属ケース８の外径よりやゝ大きな内径を有し、
前記フランジ１ａに係合するように構成されている。そ
して、袋ナット受け具４は前記弁ブロック２ａの上面に
固定的に取り付けられて、弁体操作部２ｃの中心軸に同
芯円状に立設する円筒状部分４ａを有しており、この円
筒状部分４ａの外周に後述の雌ネジ５１ａおよび後述の
図３に示す袋ナット３’に螺合可能な雄ネジ４ｂを形成
している。

【００２０】前記操作反転機構５は大きく分けて第１弁
体操作反転具５０と、第２弁体操作反転具５１と、両弁
体操作反転具５０，５１の間に挿入される弾性体５２
と、第１弁体操作反転具５０の上方に取り付けられるピ
エゾアクチュエータ１の受け具５３とからなる。

【００２１】第１弁体操作反転具５０は、前記袋ナット
受け具４の円筒状部分４ａ内部に上下摺動自在に挿入さ
れて前記弁体操作部２ｃを操作する底面５０ａと、この
底面５０ａの外周部から立設する例えば４本の支柱状の
ガイド５０ｂと、このガイド５０ｂの延長線上に形成さ
れて外周部にネジ溝５０ｄを有する袋ナット受け５０ｃ
とを有している。すなわち、袋ナット受け５０ｃは前記
弁体操作部２ｃに連設するように設けられる。なお、本
例では前記ガイド５０ｂを底面５０ａの周囲から上方に
突設された４本の支柱としているが、本発明はこれに限
られるものではなく、例えば円筒形状などにしてもよ
い。また、袋ナット受け５０ｃの数も問わない。

【００２２】第２弁体操作反転具５１は、前記円筒状部
分４ａの外周に設けた雄ネジ４ｂに螺合する雌ネジ５１
ａと、前記袋ナット受け５０ｃを挿通可能な貫通孔５１
ｃを形成した固定天板５１ｂと、この固定天板５１ｂの
中心部に（前記弁体操作部２ｃと同軸状に）立設したピ
エゾアクチュエータ１の支持部５１ｄとからなる。すな
わち、ピエゾアクチュエータ１の支持部５１ｄは前記雌
ネジ５１ａに固定している。また、前記雌ネジ５１ａの
螺合位置は調節したのちに位置決めナット５１ｅを締め
つけることにより固定可能である。

【００２３】弾性体５２は例えばコイルばね５２ａと、
このコイルばね５２ａのバネ受け５２ｂとからなり、前
記固定天板５１ｂと底面５０ａとの間に挿入される。な
お、コイルバネ５２ａの弾性力は、コイルバネ２ｄの弾
性力よりも強く、この流量調整弁は常時（非通電状態
で）閉じた状態に保持される。

【００２４】受け具５３は前記第１弁体操作反転具５０
の上端に係合し、その中心部に前記支持具５１ｄを挿通
可能とする貫通孔５３ａを形成すると共に、ピエゾアク
チュエータ１の一端側１Ａの外周部に当接する受け部５
３ｂを有している。

【００２５】したがって、第１弁体操作反転具５０の底
面５０ａ上に弾性体５２を挿入して、第２弁体操作反転
具５１の貫通孔５１ｃに第１弁体操作反転具５０の袋ナ
ット受け５０ｃを貫通し、この袋ナット受け５０ｃの上
部に受け具５３を取り付けた状態で、ピエゾアクチュエ
ータ１を袋ナット３によって袋ナット受け５０ｃに螺合
接続する。次いで、第２弁体操作反転具５１の雌ネジ５
１ａを前記雄ネジ４ｂに螺合することにより、ピエゾア
クチュエータ１を弁本体２に取り付けることができる。

【００２６】なお、前記ピエゾアクチュエータ１の固定
箇所９ｂと支持具５１ｄとの間、バネ受け５２ｂと、底
面５０ａとの間、底面５０ａと弁体操作部２ｃとの間に
はルビーからなる球Ｂを挟んでいる。すなわち、それぞ
れの中心にルビーの球Ｂを介在させることにより、その
中心の位置ズレを可及的に小さくしている。また、第２
弁体操作反転具５１の雌ネジ５１ａは第１弁体操作反転
具５０の底面５０ａが球Ｂを介して弁体操作部２ｃに接
触し、所定の変位を持つように調整した後に固定され
る。

【００２７】上述のように取り付けられたピエゾアクチ
ュエータ１は操作反転機構５を介して弁本体２に取り付
けられているので、この流量調整弁を非通電状態で閉じ
ている。そして、ピエゾスタック６に電圧を印加する
と、ピエゾスタック６の変位（伸び）に従って蓋部材
７、金属ケース８を上方に変位し、これに伴ってダイア
フラム９の変位出力箇所９ａが上方に変位する。また、
同時に袋ナット３、第１弁体操作反転具５０、受け具５
３が上方に変位し、弁体操作部２ｃが上方に移動するこ
とにより、流量調整弁が開状態となる。つまり、ピエゾ
アクチュエータ１の伸びに伴って流量調整弁を開く制御
をすることができ、電圧を印加した状態で開放するノー
マルクローズタイプの流量調整弁とすることができる。

【００２８】また、上記構成のピエゾアクチュエータ１
はその一端側１Ａにおいてのみ固定されるので、ピエゾ
アクチュエータ１の長さに全く関係なく、同じ袋ナット
３を用いて固定することができる。したがって、ピエゾ
アクチュエータ１の長さを変えて操作量を変更する場合
にも、取付け作業が簡略化できるだけでなく、従来のよ
うにピエゾアクチュエータ１の長さに合わせた複数の部
材１５を用意する必要がなく、それだけ製造コストを引
き下げることができる。

【００２９】加えて、本発明のようにピエゾアクチュエ
ータ１をその一端側１Ａにおいて固定することにより、
ピエゾアクチュエータ１に対して不必要なカバーとなる
部材（従来例の固定筒１５のような部材）をなくすこと
ができる。すなわち、ピエゾアクチュエータ１を冷却す
る場合に、冷却効率を向上することができ、強制冷却に
より５０〜１００℃程度の温度低下を可能とする。

【００３０】また、上述したピエゾアクチュエータ１は
ピエゾスタック６の熱膨張係数と金属ケース８の熱膨張
係数を合わせることにより、ピエゾアクチュエータ１単
体で熱膨張の影響がなくなるように調整することが可能
である。つまり、熱膨張の影響がなくなるように調整さ
れたピエゾアクチュエータ１を流量調整弁の駆動部に取
り付けることにより、温度による流量調整開度への影響
が無くなるようにすることができ、流量調整弁の精度を
簡単に向上することができる。

【００３１】図３は本発明の別の例を示している。図３
を図２と共に参照しながらその構成および動作を説明す
る。なお、上述の説明で用いた符号と同じ符号を付した
部材は同一の部材であるので、その詳細な説明は省略す
る。

【００３２】図２において、３’は円筒状部分４ａに螺
合可能な袋ナット、１０は金属ケース８の外径より少し
大きい内径で、円筒状部分４ａの内径より少し小さい外
径を有するスペーサであり、５１ｅは前記袋ナット３’
の位置決めナットである。本例のピエゾ方式の流量調整
弁駆動部構造は、図１に示したピエゾ方式の流量調整弁
駆動部構造から操作反転機構５を取り外し、その代わり
にスペーサ１０を挿入したものである。

【００３３】すなわち、図３に示すように、スペーサ１
０を金属ケース８に挿通させることにより、このスペー
サ１０をピエゾアクチュエータ１のフランジ１ａに係合
させることができる。そして、このスペーサ１０に対し
て袋ナット３’を係合させた状態で袋ナット３’を前記
雄ネジ４ａに螺合することにより、ピエゾアクチュエー
タ１を弁本体２に固定することができる。

【００３４】本例のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造
においては、ピエゾアクチュエータ１の一端側１Ａの外
周部９ａが固定箇所であり、中心部９ｂは変位出力箇所
である。そして、変位出力箇所９ｂがルビーの球Ｂを介
して弁体操作部２ｃを操作する。なお、本例においても
雄ネジ４ａに対する袋ナット３’の螺合位置により、弁
体操作部２ｃに対するピエゾアクチュエータ１の操作位
置を調節することができる。また、位置決めナット５１
ｅを用いて調節した位置を固定することも可能である。

【００３５】本例のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造
によれば、弁体操作部２ｃはコイルバネ２ｄにより上方
に引き上げられて、流量調整弁は非通電状態で開放（ノ
ーマルクローズ）されている。そして、ピエゾスタック
６に電圧を印加すると、変位出力箇所９ｂが下方に変位
し、前記流量調整弁を閉操作することができる。

【００３６】すなわち、本発明のピエゾ方式の流量調整
弁駆動部構造を用いることにより、ノーマルオープンタ
イプの流量調整弁とノーマルクローズタイプの流量調整
弁の両方において、共通のピエゾアクチュエータ１、弁
本体２、弁体操作部２ｃ、ダイアフラム２ｂ、袋ナット
受け具４、位置決めナット５１ｅを用いることができ
る。さらに、ピエゾアクチュエータ１の長さにも全く関
係なく同様の方法で取付け可能である。つまり、あらゆ
るタイプのピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造に共通の
部品を用いることにより、生産コストの削減および取換
え作業など各種作業の簡略化を達成することができる。

【００３７】加えて、ピエゾアクチュエータ１の冷却効
率が向上する点についても、図１に示した例と同様の効
果を得ることができる。また、温度補償を行ったピエゾ
アクチュエータ１を組付けることにより、熱による流量
調整弁に対する影響を除去して精度を向上することも可
能である。

【００３８】なお、上述の例では、袋ナット３を雄ねじ
４ｂに螺合した状態で、ピエゾアクチュエータ１の取り
付けの深さを調節するためにスペーサ１０を設けている
が、袋ナット３や雄ねじ４ｂの深さによっては、スペー
サ１０を無くすことも可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、固
定箇所と変位出力箇所を同じ一端側に位置するピエゾア
クチュエータを使用することにより、固定のための構造
を可及的に簡略化することができると共に、ピエゾアク
チュエータがその他の部材に覆われずに開放されている
のでピエゾスタックの放熱効果が期待できる。また、ピ
エゾアクチュエータの長さに関係なく共通の部材で固定
できるので部品点数が少なくなる。さらに、ピエゾアク
チュエータが単体で熱膨張の影響がなくなるように調整
されたものを用いることにより、流量調整弁の精度を簡
単に向上することができる。

【００４０】また、前記袋ナット受け具と袋ナットとの
間に操作反転機構を設けた場合にはピエゾアクチュエー
タによる操作方向を容易に反転させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の
要部を示す縦断面図である。

【図２】前記ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の分解
斜視図である。

【図３】ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の別の例を
示す縦断面図である。

【図４】従来のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の構
成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…ピエゾアクチュエータ、１ａ…フランジ、１Ａ…一
端側、２…弁本体、２ａ…弁体操作部、３…袋ナット、
４…袋ナット受け具、４ａ…円筒状部分、４ｂ…雄ネ
ジ、５…操作反転機構、５０ｃ…袋ナット受け、５１ａ
…雌ネジ、５１ｄ…支持部、９…ダイアフラム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定箇所と変位出力箇所を有するダイア
   フラムを長手方向一端側に設けると共に、この一端側に
   フランジを設けたピエゾアクチュエータと、このピエゾ
   アクチュエータをそのフランジに係合して弁本体に取り
   付ける袋ナットと、弁本体の弁体操作部の中心軸に同芯
   円状に立設する状態で固定される円筒状部分を有しこの
   円筒状部分の外周に前記袋ナットに螺合可能な雄ネジを
   形成する袋ナット受け具とからなることを特徴とするピ
   エゾ方式の流量調整弁駆動部構造。
2. 【請求項２】 前記袋ナット受け具に挿入された状態で
   袋ナット受け具に螺合連結される雌ネジと、前記アクチ
   ュエータのフランジに係合する袋ナットの受けとを形成
   し、この袋ナット受けを前記弁体操作部に連設すると共
   に、前記雌ねじに固定されるピエゾアクチュエータの支
   持部を形成する操作反転機構を設けた請求項１に記載の
   ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造。