JP2003515080A - 活物質を含むバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体バルブであり、第１の方向に移動することで開口部を通じての流体の流れを制御するように配置されたバルブ部材（６）と、前記バルブ部材（６）の移動を制御するための電気駆動可能な手段（１ａ，１ｂ）とを有し、特徴となる点は、電気駆動可能手段（１ａ，１ｂ）がベンダー要素（１ａ）を１以上有し、当該ベンダー要素は前記第１の方向に配置されているが前記第１の方向を横切る向きに曲がるということ、そして、バルブ部材は成形面を備え、当該成形面がベンダーの一端（３ａ）にかみ合い、それによってバルブ部材の位置が制御されるということ、であるような流体バルブ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 圧電セラミックや電歪物質などの活物質を用いることは、流体バルブの分野で
はよく知られている。こうした装置の主要な動作形式は、曲がることで穴を覆っ
たり開いたりする片持構造である。この方式は簡単であるが、主要な問題点とし
て、比較的弱い密封力しか発揮できない。

【０００２】 強い密封力は、柔軟なシール及び高価なセラミック技術又はベンダー技術を用
いることで実現可能である。低コストのアクチュエータから強い密封力を発生さ
せることのできる形のバルブが求められている。

【０００３】 本発明が提供するのは、流体バルブであり、第１の方向に移動することで開口
部を通じての流体の流れを制御するように配置されたバルブ部材と、前記バルブ
部材の移動を制御するための電気駆動可能な手段とを有し、特徴となる点は、電
気駆動可能手段がベンダー要素を１以上有し、当該ベンダー要素は前記第１の方
向に配置されているが前記第１の方向を横切る向きに曲がるということ、そして
、バルブ部材は成形面を備え、当該成形面がベンダーの一端にかみ合い、それに
よってバルブ部材の位置が制御されるということ、であるような流体バルブであ
る。

【０００４】 本発明がより充分に理解されるよう、ここから、本発明の実施の形態の一例に
ついて、添付の図面を参照しながら説明していく。

【０００５】 本発明の好適な実施の形態では、通常の形状に作られたバルブ開口部が設けら
れており、これは、空気バルブの用途に一般的に使用されるタイプの柔軟なエラ
ストマー製シールを有している。一般に、メイン圧力（mains pressure）パイロ
ットバルブの場合、開口部は、直径が０.７又は１.０ｍｍの滑り穴であり、シー
ルはニトリルゴムである。シールについては、密封部材６によって形成されるか
、又は密封部材上に設けられるかしている。そして、この部材６は、適当なチャ
ネル又は穴７の内部をスムーズに移動するのに適した形状に作られている。その
ため、部材６は穴の内部でスライド移動することはできても、回転したり揺れ動
いたりすることがない。当該部材の背面側部分は、円柱の弧の形をしたカミング
面８を有している。

【０００６】 アクチュエータが約２ｍｍ移動可能であるというシステムの場合、円柱の半径
は７.５ｍｍが好ましく、円柱の中心は裏面から下に５ｍｍである。チャネル又
は穴７には、圧電セラミック型又は電歪型のベンダー装置１が１つ（好ましくは
２つ）保持されている。これらは、どのような構造をしたものでもよいが、ＥＰ
-Ａ-０２６５１４７に示すような平板バイモルフとするのが好ましく、また効果
的でもある。

【０００７】 強められた剛性に対し、これら平板バイモルフは３足型とするのが好ましい（
ただし、それに限定はしない）。また、こうしたベンダーを多層化してバイモル
フとすることで、システム力を増すことにしてもよい。ベンダーは設置点１０に
設置され、動作させられる際に端部で２ｍｍの撓みを有するようになっている。
簡単な幾何学で分かることだが、半径が７.５ｍｍである円の中心線からのオフ
セットが２ｍｍであれば、その円の中心線に対して約１５°の角が形成される。

【０００８】 これらの寸法は調整が可能であり、調整を行っても、変位及びオフセットの組
み合わせを適切なものとすれば、同じ効果が実現できる。２つのアクチュエータ
は中心線をはさんで左右対称に配置され、３０°の夾角を形成する。ベンダー型
アクチュエータはその特徴として、変形してＹ平面における位置が変わるにつれ
てＸ平面が必然的に縮小するが、これは、素材が効果的にカールしているからで
ある。

【０００９】 ベンダーアクチュエータが動作させられて、キャリア上の円柱の中心線に対し
て並行な位置にくると、Ｘ方向の寸法は小さくなるであろう。この影響を埋め合
わせるために、アクチュエータは円柱形カムの中心線に対して回転させられる。
これによって、システムにおけるそれらのＸ方向の寸法は、動作させられる際に
最大に達することになる。２ｍｍの撓みに対して、３足バイモルフ上でのこの回
転は約５°となる。

【００１０】 図を見れば分かるように、これまでに説明した組立部品は、Ｖ字を成す２つの
アクチュエータを有し、これらがキャリアの背面の円柱状部分をカップのように
支える形となっている。

【００１１】 ここからはシステムの動作について考える： 電圧が加えられると、アクチュエータ１ａ、１ｂは変形し、その先端３ａ、３
ｂを組立部品の中心線方向に持ってくる。装置から加わる中心方向の力は、簡単
な幾何学原理によって変換され、約４倍でありながら移動量は１／４という移動
方向に加わる力に変わる。カムに対する先端の角度位置関係は、当該部分が典型
的な中心越えメカニズム（over-centre mechanism）の形で前進するに従って変
化するため、アクチュエータが中心方向に移動するにつれ、シールの開口部方向
への移動は小さくなるが、密封する力は大きくなっていく。これまでに述べたよ
うな、半径７.５ｍｍのカム上でストロークが２ｍｍという寸法であれば、シー
ルの軸方向移動の合計は約０.３５ｍｍとなるであろう。１ｍｍの開口部からき
れいな空気流を得るためには、０.２５ｍｍの隙間が必要となる。余りの０.１ｍ
ｍによってシールが圧縮され、必要なクリンピング力が実現される。

【００１２】 図１は休止した状況にあるアクチュエータを示す。そして、図２は完全に動作
させられた状況にあるそれらを示す。この状況では、アクチュエータは円の中心
に効果的な形で接触している。この状態では、空気流及び何らかの戻りバネによ
る力が加わるが、これに対しては、圧縮状態にあって強固なシステムを実現して
いるカラムが効果的に対向する。円柱状カムについては、中心に平らな部分を備
えた実質的な円柱形に作ることで、システムが完全に動作させられた状態での横
方向のスラストを完全に排除する、というのが好ましい（ただし、その形に限定
する訳ではない）。

【００１３】 同様に、システムの固有の弾性も活用できる。この部分を図３に示すようにデ
ィップにすることで、ロック機構を実現し、圧電アクチュエータを外側方向に振
動させて解放するようにさせる。

【００１４】 これまでに説明してきたバルブは、開状況で有する力が閉状況での力よりも小
さい、という単動バルブである。２位置バルブを設けることが望ましい場合は、
同じ機能を果たす第２のアクチュエータ構成を図４に示すように配置することも
可能である。カミング面８上の第１組アクチュエータが作動することにより、キ
ャリア４０が変位させられ、同様のカミング面４１に第２組アクチュエータを接
触させる。そこで第２組アクチュエータを作動させれば、第２組アクチュエータ
はキャリア４０に力を加えて元の位置に戻すことができる。キャリア４０が図１
、図２、図３の部材６と入れ替わっていることが分かるであろう。

【００１５】 効果的な切替を実現するものとして知られる種類のバルブは何種類かある。こ
れまでに説明してきたバルブは、通常ポペットバルブと言われる。都合のよいこ
とに、同じ構成によって滑りバルブを形成することもできる。その場合、フレー
ムの動きによって、スリット、穴、又はそれに類似の構成部が整列させられ、そ
の結果、空気が流れるようになったり、空気流があるチャネルから別チャネルへ
切り替えられたりする。

【００１６】 上記の説明及び添付の図面を見れば分かるが、基本となる原理は他の数多くの
方式に適用可能であり、機構自体も適用対象を空気の制御に限る必要はなく、紛
体、液体及び機械システムの切替に用いてもよい。

【００１７】 トグル機構の代わりにこの種のカムを用いるのが特に効果的である。なぜなら
、圧電及び電歪アクチュエータから得られる動き及び力は、小さいにもかかわら
ず強い力を有する傾向がある。回転トグルシステム内部には損失が蓄積するので
、製品寿命を長くできず、繰り返し駆動するためには高度な機械精度（円錐宝石
ベアリングの使用など）が必要となる。

【００１８】 リビングヒンジ及び収縮部材構造を用いるのは好ましくない。それは、こうし
たシステムには、製品寿命が短い、堅い、気温を通じて変化する、という傾向が
あるからである。

【００１９】 「１×１０９」動作（1×109 operations）である通常の空気バルブに対して
求められるライフサイクルを実現するには、合わせ面の摩擦学及び管理が重要で
ある。表面は何らかの適当な素材で製造することができるが、セラミック又はこ
れに類似の素材の上で働くＰＴＦＥローデッドプラスチックが効果的であり、こ
れはセラミックシステムに対するセラミックと同様である。

【００２０】 さらに考えうる改良点としては、カミングプロフィールを変えることで、シス
テムが停止する点を複数とし、各々の停止点で、全流、一部制限流、そして完全
密封を実現する、というものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるバルブを「オフ」の状況において示す図である。

【図２】 図１に示したバルブを「オン」の状況において示す図である。

【図３】 図１及び図２に示したバルブに対する変形を概略的に示す図である。

【図４】 図１及び図２に示したバルブの更なる実施の形態に対して構造及び動作を説明
するための概略図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１２月５日（２００１．１２．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００２】 強い密封力は、柔軟なシール及び高価なセラミック技術又はベンダー技術を用
いることで実現可能である。先行技術文書ＪＰ ０８ １５９３０３Ａには、前記 装置の電力消費を節約する装置が開示されている。これは、１対の圧電素子プレ ートの機械的変位を連結作動プレートを介して受けることで推進される流量調整 用ニードルバルブ体を有し、それによって流体の流れを調整できるというもので ある。低コストのアクチュエータから強い密封力を発生させることのできる形の バルブが求められている。低コストのアクチュエータから強い密封力を発生させ ることのできる形のバルブが求められている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００６】 アクチュエータが約２ｍｍ移動可能であるというシステムの場合、円柱の半径
は７.５ｍｍが好ましく、円柱の中心は裏面から下に５ｍｍである。チャネル又
は穴７には、圧電セラミック型又は電歪型のベンダー装置１が１つ（好ましくは
２つ）保持されている。これらは、どのような構造をしたものでもよいが、ＥＰ -Ａ-０９６５１４７ に示すような平板バイモルフとするのが好ましく、また効果
的でもある。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正の内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体バルブであり、第１の方向に移動することで開口部を通
   じての流体の流れを制御するように配置されたバルブ部材（６）と、前記バルブ
   部材（６）の移動を制御するための電気駆動可能な手段（１ａ，１ｂ）とを有し
   、 特徴となる点は、 電気駆動可能手段（１ａ，１ｂ）がベンダー要素（１ａ）を１以上有し、当該
   ベンダー要素は前記第１の方向に配置されているが前記第１の方向を横切る向き
   に曲がるということ、そして、バルブ部材は成形面（profiled surface）を備え
   、当該成形面がベンダーの一端（３ａ）にかみ合い、それによってバルブ部材の
   位置が制御されるということ、 であるような流体バルブ。
2. 【請求項２】 電気駆動可能手段は反対方向に曲がるように配置された２つ
   のベンダー（１ａ，１ｂ）を有し、成形面は反対方向に向けられたカーブを有す
   ること、 を特徴とする請求項１に記載の流体バルブ。
3. 【請求項３】 バルブ部材（６）は、チャネル（７）内に配置され、チャネ
   ル（７）内部で前記第１の方向にのみ往復運動するよう強制されていること、 を特徴とする請求項１に記載の流体バルブ。
4. 【請求項４】 バルブ部材はフレーム（４０）を有し、その１つの内部面に
   成形面が設けられていること、 を特徴とする請求項１又は２に記載の流体バルブ。
5. 【請求項５】 フレームの対向する２つ面は異なる形状のプロフィール（８
   ，４１）を備え、 電気制御可能手段は互いに逆平行に配置された２つのベンダー構成を有し、 フレームは第１の位置と第２の位置との間を移動可能であり、第１の位置にお
   いてはプロフィールの一方がベンダー構成の一方に接し、もう一方の位置におい
   てはもう一方のプロフィールがもう一方のベンダー構成に接すること、 を特徴とする請求項４に記載の流体バルブ。
6. 【請求項６】 その又は各プロフィールが、ベンダーに対して、第１及び第
   ２の位置の間を移動し、再び元に戻るように駆動されることを求める中心越え動
   作を実現するように形作られていること、 を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流体バルブ。