JP2007032737A - ラッチバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】小型低消費電力、かつ長期信頼性の高いラッチバルブ１を提供する。
【解決手段】形状記憶合金を用いたラッチバルブ１において、バルブシート８を板ばねとすることにより、バルブシート８自身に自己保持機能を持たせることにより小型化を可能とした。また、形状記憶合金１０、１１とバルブシート８の締結は、バルブシート８に設けた通し孔１８、１９を用い接合、接着することなく行い、ラッチバルブの長期安定性を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、医療機器、化学分析装置、マイクロリアクター、バイオ化学チップなどで使用する小型の流体制御装置としてのバルブに関し、特に消費電力の少ないラッチバルブに関する。

従来の形状記憶合金を用いたラッチバルブは、流路の開閉を行うバルブ部、バルブを駆動させるための形状記憶合金からなる駆動部、バルブの位置保持を行う自己保持機能部、駆動部とバルブを連結する連結機構部から構成される。

従来の形状記憶合金を用いたラッチバルブを図６に示す。図６に示すラッチバルブは、形状記憶合金３５、３６と、連動操作部２６、２７と、可動片２８、２９と、弓状金属部材である可動ばね３０、３１から構成されるスイッチユニット３２、３３と、バルブ３４、形状記憶合金３５、３６により発生する力をバルブ３４へ伝えるためのアーム３７、流入する流体の圧力により流入口３８を開放するためのばね４０等により構成されている。

形状記憶合金３５、３６を加熱することで、図６のラッチバルブは駆動される。すなわち、加熱により、形状記憶合金３５が収縮されると、連動操作部２６、２７及び可動片２８、２９が図中上方へ移動する。同時にアーム部３７が図中上側へ引き上げられ、バルブ３４が流入口３８を開放する状態となる。このとき、可動ばね３０、３１の反発力は右端が左端より上方に位置すれば上向きとなるように設定されているため、この状態においてはバルブ３８を開状態に保つよう作用する。一方、加熱により形状記憶合金３６が収縮させられると、連動操作部２６、２７及び可動片２８、２９が図中下方に移動する。同時にアーム部３７が図中下側へ押し下げられ、バルブ３４が流入口３８を閉鎖する状態となる。このとき、可動ばね３０、３１の反発力は、右端が左端より下方に位置すれば下向きとなるように設定されているため、この状態にてはバルブ３８を閉状態に保つよう作用する。（特許文献１）。

従来の形状記憶合金を用いたラッチバルブのもう一つの形態を図７に示す。図７に示すラッチバルブは、形状記憶合金４１、４２、プレートスプリング４３、弁スプール部４４、ロッド４５、Ｖ字状レバー４６、ばね４７により構成される。実際の駆動は、一端を筐体に、他端をＶ字レバー４６に取り付けられた形状記憶合金４１を加熱すると、形状記憶合金４１の収縮によりＶ字レバー４１が反時計回り方向に回動され、Ｖ字レバー４１（形状記憶合金取り付け側の反対側）にてプレートスプリング４３を上方向へ押し上げる。プレートスプリング４３の動きに連動しロッド４５、弁スプール４４が上方へ押し上げられ、流入口４８を閉鎖する状態となる。このときプレートスプリング４３は座屈現象が発生し逆Ｕ字状態となり上方へ湾曲した状態であり、弁スプール４４は流入口４８を閉鎖した状態で維持される。また、Ｖ字レバーは一端にばね４７が設けられており、形状記憶合金４１の加熱が停止されると、ばね４７の反発力によりもとの状態へと戻る。一方、一端をプレートスプリング４３に取り付けられた形状記憶合金４２を加熱すると、形状記憶合金の収縮により、プレートスプリング４３が下方向へ引き下げられる。プレートスプリング４３の動きに連動しロッド４５、弁スプール４４が下方へ引き下げられ、流入口４８を開放する状態となる。このときプレートスプリング４３は座屈現象が発生しＵ字状態となり下方へ湾曲した状態であり、弁スプール４４は流入口４８を開放した状態で維持される。（特許文献２）
特開２００３−２８１９５５号公報 特表平１０−５０４２５４号公報

しかしながら、特許文献１は、自己保持機能部として、可動ばね３０、３１や、実際に弁を駆動させるためのアーム部３７、ばね４０、形状記憶合金３５、３６、可動片２８、２９等の構成部材が多く、小型化が困難である。

また、特許文献２においても同様に弁や弁を駆動させるための形状記憶合金４１、４２、弁スプール４４、ロッド４５、Ｖ字レバー４６、ばね４７等の構成要素が多く小型化に向かない。また、形状記憶合金４２とプレートスプリング４３を締結するために、接着や接合する必要が有るが、接着、接合において形状復帰温度以上の熱を加えることは好ましくなく、加熱による接合方法を用いにくいと言った課題がある。光硬化型の接着剤を用いる方法等も考えられるが、使用環境によっては接着剤の劣化などによる信頼性の問題が考えられる。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、弁構造を簡素化し小型化を達成させるとともに、形状記憶合金とバルブシートの締結を容易に達成し、長期安定性を向上させることを目的としたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のラッチバルブは、側面から流体が流入する流入口と上面から流体が流出する流出口とを有する筐体と、前記流出口を閉鎖もくしは開放するように前記筐体内に配置されたバルブシートと、前記バルブシートと連結する形状記憶合金からなる第１と第２のワイヤーと、前記第１のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートが逆Ｕ字状態に変形し前記流出口を閉鎖し、前記第２のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートがＵ字状態に変形し前記流出口を開放することを特徴としたものである。

さらに本発明のラッチバルブは、側面から流体が流入する流入口と上面から流体が流出する第１の流出口と下面に流体が流出する第２の流出口とを有する筐体と、前記第１及び第２の流出口を閉鎖もくしは開放するように前記筐体内に配置されたバルブシートと、前記バルブシートと連結する形状記憶合金からなる第１と第２のワイヤーと、前記第１のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートが逆Ｕ字状態に変形し前記第１の流出口を閉鎖するとともに前記第２の流出口を開放し、前記第２のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートがＵ字状態に変形し前記第１の流出口を開放するとともに前記第２の流出口を閉鎖することを特徴としたものである。

本発明のラッチバルブによれば、バルブシート自身が自己保持機能を兼ねることにより装置構成を簡素化し小型化を可能とする。さらには形状記憶合金とバルブシートの取り付けを簡単にすることによりプロセスの簡略化、形状記憶動作の信頼性を向上させることが出来る。

以下に、本発明のラッチバルブの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例におけるラッチバルブの外観図を示す。また、図２は図１に示すラッチバルブの流出口７を開放するバルブシート８がＵ字状態である内部構造を示したものである（横板２ａ、上板４を図示せず）
図１と図２に示すようにラッチバルブ１は、横板２、３および上板４、下板５より筐体を構成される。ここで、３ａ、３ｂは同一形状である。横板２ａには、流体の流入口６が形成される。上板４には、筐体内部を通る流体の流出口７が形成される。横板３にはバルブシート８を駆動させるためのワイヤー状形状記憶合金１０、１１を通す支持孔１２、１３が形成され、横板３の外側には支持孔１２、１３を通す形状記憶合金１０、１１をねじ１６、１７でとも締めするためのねじ穴１４、１５を形成する。また、横板３の内側にはバルブシート８を保持するためのＶ溝９を設けている。ここでは形状記憶合金１０、１１を夫々２本使用する例を示し、それに対応する支持孔１２、１３、ねじ穴１４、１５も横板３ａ、３ｂにおいて夫々２箇所示している。なお支持孔１２、１３は後述するバルブシート８の通し孔１８、１９に対応した位置であることが好ましい。ここで、横板３の材質は、支持孔１２、１３を通る形状記憶合金１０、１１間を電気的に絶縁でき、かつ形状記憶合金の加熱温度以上の耐熱温度（例えば９０℃以上）を有するものであれば良く、例えばガラスや樹脂材料等を用いることが可能である。横板２、上板４、下板５は特に材質に限定されるものではないが、上板４、下板５の筐体内部側においてバルブシート８との接触部の面が平滑であることが望まれる。

図２に示すように、横板３の筐体内部側にはバルブシート８を保持するためのＶ溝９と、バルブシート８の位置決め用突起２１（図３に図示している）との位置合わせの為の図示しない穴を設けている。バルブシート８は筐体内にて横板３ａ、３ｂに設けられるＶ溝９に挟持され下板５側にＵ字状に撓んだ状態となっている。

図３に筐体内部に取り付けるバルブシート８を示す。バルブシート８には形状記憶合金１０、１１が通る孔として通し孔１８、１９が形成される。通し孔１８、１９は夫々、ブリッジ２０をはさみ１８ａと１８ｂまたは１９ａと１９ｂというように二孔で一組となるように形成する。ここでは、通し孔１８、１９が夫々２組（計８箇所）形成される形とした。また、バルブシート８の長手方向両端部には筐体内に取り付ける際の位置決め用突起２１が形成されている。バルブシート８は筐体内にて保持される方向の長さを、筐体内での保持スパン（対向するＶ溝９の間隔）より長くすることにより逆Ｕ字またはＵ字状に位置保持される。バルブシート８は逆Ｕ字状態で、逆Ｕ字状頂部が上板４に接触する範囲で平坦となり、上板との接触範囲が流出口７の筐体内部側開放部を塞ぐ範囲となるように寸法を設定する。このようにバルブシート８を構成することにより、バルブシート自体が自己保持機能を有することを可能とする。また、形状記憶合金１０、１１を夫々複数用いることにより、駆動時にバルブシート８のブリッジ２０部（図３中ブリッジ２０縦方向）のねじれを抑えることが出来、バルブシート８を安定し駆動させることが出来る。なおバルブシート８の材質は弾性体であれば良く、金属、樹脂などを用いることが可能である。

一方、横板３に形成する支持孔１２は、バルブシート８を保持するＶ溝９より上板４に近い位置に形成し、支持孔１３はバルブシートを保持するＶ溝９より下板５に近い位置に形成する。バルブシート８をＵ字状態から逆Ｕ字状態へ移動させる形状記憶合金１０は横板３ａの支持孔１２から筐体内部に入り、バルブシート８の上側から通し孔１８ａを通り、バルブシート８のブリッジ２０の下側を通り、再び通し孔１８ｂ下側からバルブシート８の上側に出て、横板３ｂの支持孔１２から外部に出る。同様にバルブシート８を逆Ｕ字状態からＵ字状態へ移動させる形状記憶合金１１は横板３ａの支持孔１３から筐体内部に入り、バルブシート８の下側から通し孔１９ａを通り、バルブシート８のブリッジ２０の上側を通り、再び通し孔１９ｂ上側からバルブシート８の下側に出て、横板３ｂの支持孔１３から外部に出る。ここでは、形状記憶合金１０、１１の端部固定方法として両端部を横板３の外側にて締結用ねじ穴１４、１５とねじ１６、１７でとも締めすることにより固定する方法を示す。また、横板３に形成される支持孔１２、１３からの流体の漏れを防ぐため、形状記憶合金１０、１１を設置した後に常温硬化性のシリコーンシール剤など封止剤を用い封止する。このように形状記憶合金およびバルブシートを構成することにより、形状記憶合金１０、１１とバルブシート８を接着、接合部を用いず駆動させることが可能とする。本方法を用いれば、接合不良や接着不良などが発生せず長期安定性を向上させることや、接合、接着などのわずらわしいプロセスを省くことができる。また、別途引っ掛けるための他の構造部品等を用いることなく設計できるため、小型化や薄型化においても有利である。

図４は本発明のラッチバルブの動作状態を示す断面図である。なお図面中支持孔１２、１３は同一断面上には無いが、説明上同一断面上に存在する形とした。

図４（ａ）はバルブシート８が逆Ｕ字状態で、流出口７を閉鎖したものであり、バルブシート８は上板４方向に湾曲した状態である。図４（ｂ）はバルブシート８がＵ字状態で、流出口７を開放したものであり、バルブシート８は下板５方向に湾曲した状態である。バルブシート８の駆動は形状記憶合金１０、１１の加熱による形状復帰効果を用いて行う。ここでは、外部電源２２による通電を用い、ジュール熱を利用し形状復帰させる形とした。

本発明のラッチバルブの閉状態から開状態への動作を説明する。閉状態である図４（ａ）の状態において、スイッチ２４を通電状態とし、形状記憶合金１１をジュール熱により形状復帰（縮小）させバルブシート８を駆動させる。バルブシート８は初期状態にて上板４側に湾曲しているが、形状記憶合金１１が加熱され形状復帰し始めると、バルブシート８はブリッジ部２０を形状記憶合金１１に引っ掛けられているため下板５側へ引っ張られる。ここで、形状記憶合金１１を通す対向する二つの支持孔１３を結ぶ線（形状記憶合金保持線）は形状記憶合金１１が形状復帰した時の線であり、その線がバルブシートを保持するＶ溝９より下板５に近い位置に形成されているため、ブリッジ部２０をバルブシート８の保持線より下板５側へ確実に移動させることを可能としている。バルブシート８のブリッジ部２０がバルブシート８の保持線（Ｖ溝を結ぶ線）を下板５側に越えたあたりで、バルブシート８は自発的に下板５側にＵ字状の形となり、図４（ｂ）に示す状態、すなわち流出口７を開状態とする。バルブシート８が自発的に下板５側に動き出すと、形状記憶合金１０を通電加熱する必要は無く、以降逆方向にバルブシート８を駆動させるまで電力の消費は無い。また、この過程で形状記憶合金１０は加熱されておらず、バルブシート８の駆動により容易に伸ばされ、流出口７を開状態とするとともに閉動作のスタンバイ状態となる。

閉動作は、開状態である図４（ｂ）の状態において、スイッチ２５を通電状態とし、形状記憶合金１０をジュール熱により形状復帰（縮小）させることによりバルブシート８を駆動させ行う。バルブシート８は初期状態にて下板５側に湾曲しているが、形状記憶合金１０が加熱され形状復帰し始めると、バルブシート８はブリッジ部２０を形状記憶合金１０に引っ掛けられているため上板４側へ引っ張られる。ここで、形状記憶合金１０を通す対向する二つの支持孔１２を結ぶ線（形状記憶合金保持線）は形状記憶合金１０が形状復帰した時の線であり、その線がバルブシート８を保持するＶ溝９より上板４に近い位置に形成されているため、ブリッジ部２０をバルブシート８の保持線より上板４側へ確実に移動させることを可能としている。バルブシート８のブリッジ部２０がバルブシート８の保持線（Ｖ溝を結ぶ線）を上板４側に越えたあたりで、バルブシート８は、自発的に上板４側に逆Ｕ字状の形となり、図４（ａ）に示す状態、すなわち流出口７を閉状態とする。バルブシート８が自発的に下板５側に動き出すと、形状記憶合金１０を通電加熱する必要は無く、以降逆方向にバルブシート８を駆動させるまで電力の消費は無い。この過程で形状記憶合金１１は加熱されておらず、バルブシート８の駆動により容易に伸ばされ、流出口７が閉状態となるとともに開動作のスタンバイ状態となる。

バルブシート８における通し孔１８、１９の形状を形状記憶合金１０、１１と平行方向に長孔とすることにより、バルブシート８が自発的動く場合に、形状記憶合金１０、１１とバルブシート８が干渉することなくスムーズに動くことが出来る。

本実施例においてはバルブシート８をＶ溝９で支持する構成としたが横板３にバルブシート８が挿入されるスリットを形成し両端固定としても良い。この場合はバルブシート８に摺動部が無く、駆動を安定し行うことが可能である。

また、本実施例においてはバルブシート８と流出口７の接する部分にシリコーン等の弾性部材からなるシール材を用いシール性を高めることも可能である。この場合シール材は、バルブシート８側でも流出口側でもどちら側でも良い

図５に本発明の３方向ラッチバルブを示す。本発明の３方向ラッチバルブは形状記憶合金１０、１１の取り付け方、バルブシート８の基本的な構造などは全く同じ構成でありながら、下板５に流出口２３を設けるだけで簡単に３方向ラッチバルブとすることも可能であり、この場合はバルブシート８と上板４、バルブシート８と下板５の距離を等しくする。図５（ａ）に示す第１位置状態にある場合は流出口２３を開放し、流出口７を閉状態とし、図５（ｂ）に示すＵ字状態にある場合は流出口７を開放し、流出口２３を閉状態とすることが可能である。

本発明のラッチバルブは小型化と低消費電力化に優れ、携帯機器、化学分析装置等への組み込みに有利である。

本発明のラッチバルブにおける概観図 本発明のラッチバルブにおける内部図 本発明のラッチバルブにおけるバルブシート図 （ａ）実施例１におけるラッチバルブ閉状態断面概要図（ｂ）実施例１におけるラッチバルブ開状態断面概要図 （ａ）実施例２における３方向ラッチバルブ閉状態断面概要図（ｂ）実施例２における３方向ラッチバルブ開状態断面概要図 従来のラッチバルブの構成図 従来のラッチバルブの構成図

符号の説明

１ ラッチバルブ
２、３ 横板
４ 上板
５ 下板
６、３８、４７ 流入口
７、２３、３９、４８ 流出口
８ バルブシート
９ Ｖ溝
１０、１１、３５、３６、４１、４２ 形状記憶合金
１２、１３ 孔
１４、１５ 締結用ねじ穴
１６、１７ 締結用ねじ
１８、１９ 通し孔
２０ ブリッジ
２１ 位置決め用突起
２２ 外部電源
２４、２５ スイッチ
２６、２７ 連動操作部
２８、２９ 可動片
３０、３１ 可動ばね
３２、３３ スイッチユニット
３４ バルブ
３７ アーム
４０ ばね
４３ プレートスプリング
４４ 弁スプール
４５ ロッド
４６ Ｖ字レバー
４７ ばね

Claims (6)

1. 側面から流体が流入する流入口と上面から流体が流出する流出口とを有する筐体と、
   前記流出口を閉鎖もくしは開放するように前記筐体内に配置されたバルブシートと、
   前記バルブシートと連結する形状記憶合金からなる第１と第２のワイヤーと、
   前記第１のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートが逆Ｕ字状態に変形し前記流出口を閉鎖し、前記第２のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートがＵ字状態に変形し前記流出口を開放するラッチバルブ。
2. 前記バルブシートは、前記第１と第２のワイヤーを各々通すため第１と第２の孔が長手方向に所定の間隔で設けられ、
   前記第１のワイヤーは前記バルブシートの第１の主面から前記第１の孔を通り前記第１の主面と反対の第２の主面に達し前記第２の孔を通り前記第１の主面に至るように配置され、前記第２のワイヤーは前記第２の主面から前記第１の孔を通り前記第１の主面に達し前記第２の孔を通り前記第２の主面に至るように配置され、
   前記第１と第２ワイヤーの両端が前記筐体の前記流入口とは異なる側面に取り付けられている請求項１記載のラッチバルブ。
3. 前記第１のワイヤーの前記筐体側面への取り付け位置が前記流出口を備えた筐体上面と前記バルブシートの前記筐体側面への固定位置との中間に配置され、前記第２のワイヤーの前記筐体側面への取り付け位置が前記固定位置と前記流出口を備えた筐体上面と反対の下面との中間に配置されている請求項１または請求項２記載のラッチバルブ。
4. 側面から流体が流入する流入口と上面から流体が流出する第１の流出口と下面に流体が流出する第２の流出口とを有する筐体と、
   前記第１及び第２の流出口を閉鎖もくしは開放するように前記筐体内に配置されたバルブシートと、
   前記バルブシートと連結する形状記憶合金からなる第１と第２のワイヤーと、
   前記第１のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートが逆Ｕ字状態に変形し前記第１の流出口を閉鎖するとともに前記第２の流出口を開放し、前記第２のワイヤーに電流を送ると前記バルブシートがＵ字状態に変形し前記第１の流出口を開放するとともに前記第２の流出口を閉鎖するラッチバルブ。
5. 前記バルブシートは、前記第１と第２のワイヤーを各々通すため第１と第２の孔が長手方向に所定の間隔で設けられ、
   前記第１のワイヤーは前記バルブシートの第１の主面から前記第１の孔を通り前記第１の主面と反対の第２の主面に達し前記第２の孔を通り前記第１の主面に至るように配置され、前記第２のワイヤーは前記第２の主面から前記第１の孔を通り前記第１の主面に達し前記第２の孔を通り前記第２の主面に至るように配置され、
   前記第１と第２ワイヤーの両端が前記筐体の前記流入口とは異なる側面に取り付けられている請求項４記載のラッチバルブ。
6. 前記第１のワイヤーの前記筐体側面への取り付け位置が前記第１の流出口を備えた筐体上面と前記バルブシートの前記筐体側面への固定位置との中間に配置され、前記第２のワイヤーの前記筐体側面への取り付け位置が前記固定位置と前記第２の流出口を備えた筐体下面との中間に配置されている請求項４または請求項５記載のラッチバルブ。

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