JP2004301223A

JP2004301223A - 液体を媒体とした圧電駆動体とこれを用いた流量制御弁

Info

Publication number: JP2004301223A
Application number: JP2003094648A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Ono; 光太郎小野; Kenji Tsunoda; 憲治角田
Original assignee: Washi Kosan Co Ltd
Current assignee: Washi Kosan Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】圧電素子の増幅された変位量を任意の方向に取り出して弁体の動作を制御する装置を提供すること。
【解決手段】圧電素子３の変位量により所定の面積が押圧される受圧室４ａと、該受圧室から延びる導管４ｂを接続し、該導管の開放端部には伸縮自在な筒体４ｃの片側を接続し、他の側に駆動片４ｄを嵌設して形成される空洞内に液体５を満たして密封し、該駆動片に圧電素子の変位量が増幅された変位量を生起させて圧電駆動体２を形成する。駆動片の変位を弁体に作用させて溶液の流量制御弁として用いる他、別の態様として流量制御弁内の溶液を押圧して液流を生じさせるポンプとして用いる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、溶液を調合する際に用いる液量を制御する弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定の溶液の流量を制御する手段としては電磁弁が広く利用されている。その構造は電磁石によるプランジャーの移動を利用し、プランジャーと一体的に設けられるピストンとシリンダーにより溶液の流路を開閉することで流量を調整すると共に複数の流路を選択することができる。このような電磁弁は溶液の流量を制御するためには電磁弁に流入する配管と流出する配管が必要とされ、複数の種類の異なる溶液を調合する場合は電磁弁を密接して配置することが必要であり、溶液が流出する側の配管が長くなる傾向にある。従って弁を通過した溶液は配管内に留まるか徐々に流出するから注入する量を電磁弁で制御したとしても配管内の残留する溶液まで制御できないことになる。また空気との接触により乾燥、硬化など溶液を変質させることも懸念され、更に注入量が０．１〜０．０１ｃｃの範囲の微量な制御が要求される場合は流出側配管の残留する溶液は大きな障害となる。このような事態を回避するためには流出する側の配管の先端部に制御弁を設けることが必要であり、この様式の電磁弁を出願人は既に特許第２１１９７９４号として取得しており、一例は図６に示す構造になっている。概略を説明するとコイル１０１とプランジャー１０２により電磁石を構成し、プランジャーの内部に溶液１０６の通路を設けると共に線材１０３を接続し、離れた位置の弁体１０３を作動させて弁座１０４との間に間隙を生じさせ、ノズル１０５から溶液を吐出するものである。１０７は管体で所要の長さに設定される。しかしながら制御する溶液の種類が多岐に及び染液のように粘性が低く、熱に対して安定な性質の溶液には好適であるが、粘性がある程度高くなり、モノマーのような溶液は電磁弁の内部を通過させるとプランジャーの動作を阻害することになり電磁室に溶液を流入させない方が好ましい。電磁室と制御される溶液を分離するためにはプランジャーで駆動される線材と溶液の間に可動隔壁などを設ければよいが線材の動作を阻害するから得策ではない。そこで出願人は電磁石に代えて応答速度の速い圧電素子を使用し液体を媒体とした変位量の増幅手段を用いて弁体を制御する流量制御弁を提案するものである。
【０００３】
圧電素子の通電による変位量は極めて少ないため、変位量を増幅して用いることが行われるが、梃子の原理を応用したものや密封容器内に液体を充填しこれを大径のピストンで圧縮し小径のピストンを移動させることにより大きな変位量を得るようにしている。後者の先行技術としては、（１）特開昭６０−１５５０７３号、（２）特開平１−３０４６２８号、（３）特開平７−２３３８５０号などが挙げられる。（１）は流路切り替え弁に関するものであり小径のピストンで直接弁体を移動させている。（２）はパイロット弁に関するものであり、小径ピストンと弁体の間をロッドで連結しているが弁体と小径ピストンは同一線上にあり移動方向も同方向である。（３）は制御式防振装置に関するものであり、従動側ピストン部材は筒状のゴム弾性部材を介して液密状態で上下方向に進退可能に支持されている。ゴム弾性部材は鋼製シリンダで保持され膨張を抑制しシリンダ内を摺動しながら伸長するものと解される。この場合も圧電アクチュエータの変位方向と従動側ピストンの移動方向は同一に設定されている。これらの先行技術から密封された液体を大径のピストンで圧縮し、小径のピストン側に増幅された変位量を取り出すことは公知であり、従動側の変位を取り出す手段として筒状のゴム弾性体を利用することは開示されている。しかしながら、圧電素子で加圧される液室に直結的に小径のピストンが配置され、更に圧電素子の変位方向と従動側の小径のピストンの移動方向は同一方向に設定されているので、加圧される液室と小径ピストンを導管で接続して任意の箇所に増幅された駆動部分を設けた一種のアクチュエータを構成するような思想はみられない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、圧電素子の増幅された変位量を任意の方向に取り出して弁体の動作を制御する装置と溶液を輸送する流体制御弁を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電素子の変位量により所定の面積が押圧される受圧室と、該受圧室から延びる導管を接続し、該導管の開放端部には内部の断面積が前記押圧される面積より小さい断面積で成る伸縮自在な筒体の片側を接続し、他の側に駆動片を嵌設して形成される空洞内に液体を満たして密封し、該駆動片に圧電素子の変位量より大きい増幅された変位量を生起させて駆動源とする。圧電素子の変位量は極めて小さく、例えば積層型では伸縮方向寸法が１８ｍｍの素子では１５μｍ（ＴＯＫＩＮ（株）製）である。但し発生力は８７ｋｇと大きい。機械的な駆動源として用いるためには少なくとも１ｍｍ程度の変位量が要求されるから、少なくとも１００倍の増幅機構が必要であり、種々の機械構造的な装置が提案されている。本発明では容器に液体を密封し、容器の形状は上述したように受圧面積の大きい受圧部分と断面積の小さな伸縮自在な筒体から成り、圧電素子の変位により押圧した際に密封液体の押し出される容量を押圧面積より小さな断面積を有する伸縮自在な筒体に流出させることで変位量を増幅する。圧電素子の通電による変位は瞬間的だから、容器内に密封される液体が導管に流れやすいように漏斗状の容器にすることが好ましい。
【０００６】
増幅率は押圧する面積と導管の先端部に設けられる伸縮自在な筒体とこれに嵌設される駆動片の受圧面積の比率で定まり、例えば押圧面の面積が半径１０ｍｍの円であり、導管先端部の半径が１ｍｍであれば、圧電素子の変位量が１５μｍの場合、導管先端部の液体は１．５ｍｍ移動することになる。この移動量を機械的な駆動源として取り出すためにはピストンを配置するか導管の一部に弾性体から成る伸縮自在な筒体、例えば、ゴム質の管あるいは蛇腹などで構成し駆動片を嵌設して駆動源とする。ゴム質の管には鋼線を巻いたスプリングを嵌挿しゴム管の径が拡大しないようにして長手方向に伸縮するようにする。
【０００７】
また、前記の導管を屈曲させて圧電素子の変位方向と増幅された変位の方向が異なるように構成し、駆動片の駆動方向を所望の方向に設定することを特徴としており、例えば導管をＵ又はＪ字型に屈曲させると圧電素子の変位方向と駆動方向は対向する方向になり、押す力を引く力に転換できる。屈曲させるのは密封される液体を滑らかに移動させるためであるが、管が交差するような構成の導管も用いられる。また導管の内部の径が一定に保たれ、導管全体としては伸縮性の極めて乏しい屈曲性を有する導管を自由に延長し、その先端部に伸縮自在な筒体と駆動片を取着すれば任意の箇所に駆動片を配置することができるから機械的な増幅装置に比較して構造が簡単になる。受圧室を構成する容器に接続する導管の接続箇所は特に限定されないが、封入される液体の慣性を考慮すると圧電素子で押圧される受圧面に対向する位置が好ましいが、押圧する方向と異なる方向に位置する箇所に導管を接続すれば導管を屈曲させずとも駆動方向を変更することができる。また受圧面の一部に導管を接続した場合は押圧する方向と逆方向に駆動方向を設定できる。
【０００８】
上述した圧電駆動体は種々の用途が考えられるが、駆動片の変位量を弁体に作用させて弁を開閉し溶液の流量を制御する制御弁に用いる。弁は弁体と弁座から成り弁体を駆動して弁を開閉するものである。溶液は一般的には２種以上の成分からなる均一な液体混合物を指すが、ここでは調合の際に用いる単一種の溶媒も含むものとし、医療用として輸血や点滴剤の圧送などにも利用しうる。また容器に密封される液体は圧力が負荷されても体積の変化が極めて少なく変質しない流動性のよいものであれば特に限定されない。
【０００９】
弁が配置される位置の周辺に余裕の空間が許される場合は弁体の駆動部の構造はさほど制限を受けないが、正確な量の溶液を所定の箇所に添加したい場合はその至近箇所に弁を配置することが望ましい。また弁が多数密集して配置されることが要求される場合は弁体駆動部の容積が小さくなければならない。このような例としては繊維製品の染色液の調合を行う染液調合機が挙げられる。この種の器機は調合ポットに８０〜１００種類の染液を選択的に且つ正確に注入することが求められ同数の弁を１箇所に配置している。母液ビンに保管された染液は圧送され最終的には管体で調合ポットに注入されるから、管体の先端部に弁を配置し駆動部を管体の中に配置して、駆動部と弁体を可撓性を有する線材で連結し、駆動部の変位量を弁体に伝達して弁を開閉する溶液の流量を制御する。図６に示した従来の電磁弁では電気系統の部材が溶液に接触しているが、本発明の溶液制御弁はこれらが分離されているので染色液に限らずレンズなど注型重合に用いるモノマーの注入量を制御する用途にも好適である。
【００１０】
また本発明の圧電駆動体は静粛であり密封された形態を有していることから、一種のポンプの駆動源として用いることができる。溶液の流路の途中に一方向弁を備えた溶液貯留部を設置し、該貯留部内の溶液を前出の圧電駆動体で押圧し溶液を押し流すように成した流量制御弁を提供する。この流量制御弁は一種のポンプである。溶液の貯留部を、例えば可撓性を有する袋状体で構成し、該袋状体の２箇所に一方向弁を備えたパイプを接続し、袋状体を押圧して内部の溶液を押し流すようにする。圧電駆動体は瞬間的な変位を示すためポンプとして溶液の移動を行う場合、急峻な脈流になるが袋状体を板ばね材で押圧するようにして緩やかな加圧を行うようにすれば緩やかな脈流が得られる。輸血や点滴の薬剤の輸送などに用いることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧電素子の変位量を増幅する手段に液体を密封した容器を用いた圧電駆動体とこれを用いた流量制御弁であり、次ぎに図面を参照して説明する。
【００１２】
【実施例１】
図１は本発明の圧電駆動体を用いた流量制御弁の一例を示すもので染液調合機に用いる調液弁１の全体の縦断面図である。２は圧電駆動体であり、積層型の圧電素子（ＴＯＫＩＮ（株）製、ＮＬＡ−５×５×１８）３と樹脂製の液体密封容器４で構成される。液体密封容器４は縦断面形状がＪ字型をしており純水５が充填されている。６は駆動子であり駆動力をステンレス製の線材７に伝達する役割を有し、線材の端部には管体８ｂの内部に固定された貫通孔９を有するばね座１０にスプリング１１を配置しこれにより付勢される弁体１２と吐出口１３を有する弁座１４が配置されており、これらの主要部を管体８ａとこれに連結された管体８ｂで密封している。また圧電素子３の片側は液体密封容器４の上部面に押圧板１５を介して密接しており、他の側は座金１６を介して管体の蓋１７に取着されたねじ１８に密接し、ねじ１８により圧電素子に予圧をかけている。管体８ａには加圧された染液１９の流入口２０が設けられており、管体８ａ内は液体密封容器４で水密に隔離されるので染液が圧電素子側に漏れることはない。圧電素子が配置される管体８ａの壁面には窓２１が設けられており、圧電素子の取付時に押圧板や座金と固着させるための接着剤の添加を容易にしている。
【００１３】
図２は圧電駆動体２の拡大斜視縦断面図である。液体５を密封する液体密封容器４は受圧室４ａ、導管部４ｂ、伸縮自在な筒体４ｃ、駆動片４ｄで構成され、受圧室４ａは押圧部４ｅと漏斗部４ｆから成り、駆動片４ｄは筒体４ｃの開放端を封止して容器４を液密な構造にしている。筒体４ｃと駆動片４ｄは本発明の駆動部を構成する。漏斗部と導管部は一体成形しその後導管部の一端を加熱してＵ字型に変形させるが、適宜各部を熱融着してもよい。押圧部４ｅの周縁部には屈曲部４ｇが形成され、押圧部４ｅが圧力を受けたとき変形しやすいようになっており、更にその外側には漏斗部と一体化するための融着部４ｈ及び液体の注入口４ｉが設けてあり液体を注入した後密封する。密封される液体としては熱膨張が少なく流動性のよい変質しないものが好ましく本実施例では純水を用いたがシリコンオイルなど油脂類も利用できる。このような液体密封容器の作動状況は、先ず圧電素子３に通電して微少な変位が押圧板１５に伝達されると押圧部４ｅが押し下げられ漏斗部の液体５が押し出され導管部４ｂ内の液体が移動する。その移動量は駆動片４ｄを押し出すように作用し筒体４ｃが伸びて移動量に対応する。筒体４ｃはゴム管２２の外側面にスプリング２３を嵌挿した構造で直径方向に膨らまず長手方向に伸長するのでピストンの代わりとして作動する。駆動片４ｄには駆動子６が固定されており、その一部に線材７を固定して駆動片の動作を線材に伝えている。上記構造に於ける圧電駆動体２の増幅率は押圧部４ｅの直径とゴム管２２の内径及び駆動片４ｄの液体と接する面の面積の比で定まる。従って導管部４ｂと筒体４ｃの内径は一致させる必要が無く、材質や工作上の都合で導管部の内径を大きくしても駆動片の移動量に変化はないが、液体密封容器４に密封される液体の容量は少ない方が圧電駆動体の作動精度は向上する。圧電素子への通電を止めると圧電素子は元の長さに戻り押圧部４ｅも元の位置に復帰して密封容器内の容積が拡大し駆動片が引き戻されるから、弁体は弁座に密着し溶液の吐出が停止する。
【００１４】
また液体密封容器４の変形を防止し管体８ａに安定固定するために保持具２４を設けている。漏斗部４ｆの円周面と導管部４ｂを密接して支えておりその延長部分にガイド２５をねじ止めしている。ガイド２５は駆動片４ｄの運動の方向性を補助するもので線材７を引っ張ったときにブレが生じないようにしている。
【００１５】
【実施例２】
図３（ａ）に示す圧電駆動体２ａは、液体密封容器４は同じ形状であるが伸縮自在な筒体４ｃに樹脂製の蛇腹２６を用いている。他の構成は実施例１と同じである。（ｂ）図は筒体４ｃにピストン２７を配置したもので他の構成は実施例１と同じである。図４は導管部４ｂの別の構成を示すものであり、Ｕ字型に曲げる代わりに孔２８を設けた角柱材２９に導管３０ａと３０ｂを突き合わせて孔２８を連通させてもよい。３１は孔２８を封止する蓋である。
【００１６】
【実施例３】
図５（ａ）は溶液の流量制御弁として溶液を定量押し流すポンプに利用する一例を示している。圧電駆動体２ｃは実施例１に示した例と同じ構成であるが、漏斗部４ｆから若干の導管部を経て伸縮自在な筒体４ｃを接続し、駆動片４ｄはポンプ３４を固定するケース３２の蓋材３３に挿通される。ポンプの構成を同（ｂ）斜視図に示す。ポンプ３４は、可撓性の袋状体３５と前後にチューブ３６が接続されており、接続箇所の近傍には一方向弁３８が設けられている。袋状体は樹脂製で変形しやすい形態であり下面はケース３２の底面に固定され、上面はケースに一端が固定された板ばね材３７に固定されている。板ばね材３７と駆動片４ｄは切片３８で連結され、また切片はばね性を有している。このような構成により圧電素子３に通電すると、板ばね材３７は撓みながら袋状体３５を押圧し、内部に満たされている溶液を緩やかに押し出すことができる。通電を解除すると駆動片４ｄは上昇し板ばね材３７は撓みながら元の位置に復帰し溶液を吸引する。この操作を繰り返すとポンプ３４は、溶液を脈動させながら押し流す。板ばね材３７に柔らかい弾性をもたせると切片３８が瞬間的に板ばね材を押圧したとき反りが生じその後平坦になるから緩やかな脈流を得ることができる。板ばね材はケースに固定する側を支点とした梃子の作用を併せもつから、体状体を押圧するストロークを更に大きくする必要があれば、切片３８と板ばねの接合点を支点側に近づけるとよい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の流量制御弁は弁体の駆動に圧電素子とその変位量の増幅装置として液体密封容器から成る圧電駆動体を用いており、圧電素子で大きな面積の液体を押圧し小さな断面積の伸縮自在な筒体とこれの端部を封止する駆動片に大きな液体の移動量を生じさせて、この移動量を弁体の駆動源としているので、流量が制御される溶液の流路内に弁と導管部分を設置すれば、電気系統の部分を溶液の流路以外の箇所に設置することができる。更に、駆動源と弁体を可撓性の線材で連結しているので、溶液を注入する箇所の至近距離に弁を配置し、弁を通過して吐出口に残る溶液の残量を微少にすることで品質の劣化を防ぐとともに吐出する液量を正確に制御することができる。本発明の圧電駆動体は機械的な可動部分が無いから静粛であり、ポンプの駆動源に用いれば血液や薬液の輸送にも利用できる。また液体密封容器における圧電素子の押圧方向と導管部の位置及び方向は限定されないから、駆動方向が自由に選択できるので機械的な増幅装置に比較して適応範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶液の流量制御弁の縦断面図である。
【図２】圧電駆動体の拡大斜視断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）図は圧電駆動体の別の実施態様を示す従断面図である。
【図４】圧電駆動体に用いる導管の別の実施態様を示す従断面図である。
【図５】（ａ）図は圧電駆動体をポンプに利用する一例を示した模式断面図であり、（ｂ）図はポンプの斜視図である。
【図６】従来の調液用電磁弁を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１流量制御弁
２圧電駆動体
３圧電素子
４液体密封容器
５液体
６駆動子
７線材
１２弁体
１３吐出口
１４弁座
１８溶液

Claims

圧電素子の変位量により所定の面積が押圧される受圧室と、該受圧室から延びる導管を接続し、該導管の開放端部には前記押圧される面積より小さい断面積で成る伸縮自在な筒体の片側を接続し、他の側に駆動片を嵌設して形成される空洞内に液体を満たして密封し、該駆動片に圧電素子の変位量より増幅された変位量を生起させることを特徴とする液体を媒体とした圧電駆動体。
前記の導管を屈曲させて圧電素子の変位方向と増幅された変位の方向が異なるように構成し、駆動片の駆動方向を所望の方向に設定することを特徴とする請求項１に記載の液体を媒体とした圧電駆動体。
前記駆動片の変位量を弁体に作用させて弁を開閉し溶液の流量を制御する流量制御弁。
先端部に弁体と弁座を備えて密封された管体内に加圧された溶液を充填し、請求項１又は２に記載の駆動片を前記管体の中に配置して、駆動片と前記弁体を可撓性を有する線材で連結し、駆動片の変位量を弁体に伝達して弁を開閉する溶液の流量を制御する請求項３に記載の流量制御弁。
溶液の流路の途中に一方向弁を備えた溶液貯留部を設置し、該貯留部内の溶液を請求項１又は２に記載の圧電駆動体で押圧し溶液を押し流すように成した流量制御弁。