JP2017057911A - ピエゾバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】容易にノーマルクローズ構造として機能させ、全体のサイズダウン及び軽量化を容易に実現するとともに、コストダウン、更には動作の安定性及び信頼性の向上にも寄与するピエゾバルブを提供する。
【解決手段】棒状に形成したプランジャ部５及びこのプランジャ部５に沿って配したピエゾユニット３を有するアクチュエータ部２と、プランジャ部５の先端側に配することにより、このプランジャ部５の変位が伝達される弁体部４ｖを有するバルブ機構部４と、プランジャ部５に一体に形成し、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅに係止可能な変位入力部５ｉと、変位入力部５ｉが変位出力部３ｅに係止する方向にプランジャ部５を付勢する付勢部６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一端が固定端となり他端が変位出力部となる、ピエゾ素子により構成したピエゾユニットを有するアクチュエータ部を備えるピエゾバルブに関する。

従来、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾ素子の逆圧電効果、即ち、電圧の印加により物質に変形（変位）を生じる性質を利用したアクチュエータ部によりバルブ機構部の開閉を行うバルブ（ピエゾバルブ）としては、特許文献１で開示される流量制御弁，特許文献２で開示されるマスフローコントローラに内蔵する流量制御バルブ，及び特許文献３で開示される圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁が知られている。

特許文献１で開示される流量制御弁は、弁頭と弁座に、径方向の位置がずれていて軸方向に延びる貫通溝がそれぞれ形成されるとともに、ピエゾアクチュエータが作動しない状態で、弁頭はスプリングによって上方向に付勢され、弁座との間に隙間が形成され、流体は弁座及び弁頭に形成された貫通溝を介して流出路に流過し、ピエゾアクチュエータが作動すると弁頭が下方向に移動して、弁座と隙間なく接触し、流体の流れを阻止するように構成したものである。

また、特許文献２で開示されるマスフローコントローラに内蔵する流量制御バルブは、積層圧電素子の変位により弾性体のダイヤフラムを介してダイヤフラムと弁座間の開閉量を制御するマスフローコントローラであって、特に、ダイヤフラムの弁座との当接側表面に四弗化エチレン樹脂の薄膜をコーティング処理したものである。

さらに、特許文献３で開示される圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、弁本体と、金属ダイヤフラム弁体と、押えアダプタと、下端部にダイヤフラム押えが設けられ、弁体の孔部内へ垂直状に挿着した底壁を有する筒状の圧電素子支持筒体と、支持筒体の底壁上に配設した皿ばねと、押えアダプタを押圧する割りベースと、割りベースの鍔部を下方に押圧することにより割りベースを弁体へ固定する筒体固定・ガイド体と、支持筒体内に設けた下部受台と、支持筒体内へボールを介在させて挿着した圧電素子と、圧電素子の上端部に配設したベアリングと、支持筒体の上方に配設した位置決め材とから制御弁を構成するようにしたものである。

特開平１１−２７０６９９号公報 特開２０００−３２２１２９号公報 特開２００３−１２０８３２号公報

しかし、上述したピエゾ素子の逆圧電効果を利用した従来のバルブ（ピエゾバルブ）は、次のような問題点があった。

第一に、積層したピエゾ素子の変位方向先端位置に弁体を配することにより、ピエゾ素子自体をアクチュエータ（プランジャ機能）として利用するため、そのまま構成する場合には、ノーマルオープン構造としての構成に限定される。したがって、ノーマルクローズ構造として機能させるためには、そのための追加構成が必要になり、従来のバルブによりノーマルクローズ構造を実現するには、構造の複雑化及びバルブ全体のコストアップを招くとともに、動作の安定性及び信頼性を確保しにくい難点があった。

第二に、積層したピエゾ素子を、バルブの中心位置に配するため、各ピエゾ素子を外側からガイドするガイド部材が必要になるとともに、各ピエゾ素子に接続する電極リード等はガイド部材とピエゾ素子間に配し、更に、この電極リード等をガイド部材の外側まで導出する必要がある。したがって、従来のバルブでは、ピエゾ素子周りの構造が煩雑化しやすいとともに、バルブ全体のサイズアップ及び重量アップを招くなど、これらの課題を解決する観点からも更なる改善の余地があった。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したピエゾバルブの提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、少なくとも一層以上のピエゾ素子Ｐ…により構成することにより、一端を固定端とし、かつ他端を変位出力部３ｅとしたピエゾユニット３を有するアクチュエータ部２と、この変位出力部３ｅの変位に基づいて開閉されるバルブ機構部４とを備えてなるピエゾバルブ１を構成するに際して、棒状に形成したプランジャ部５及びこのプランジャ部５に沿って配したピエゾユニット３を有するアクチュエータ部２と、プランジャ部５の先端側に配することにより、このプランジャ部５の変位が伝達される弁体部４ｖを有するバルブ機構部４と、プランジャ部５に一体に形成し、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅに係止可能な変位入力部５ｉと、変位入力部５ｉが変位出力部３ｅに係止する方向Ｆｓｃにプランジャ部５を付勢する付勢部６とを具備してなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、アクチュエータ部２は、リング形に形成したピエゾ素子Ｐ…により円筒状に構成したピエゾユニット３と、このピエゾユニット３の内側空間に配したプランジャ部５とを備えて構成してもよいし、或いは直方体形に形成したピエゾ素子Ｐ…により棒状に構成したピエゾユニット３と、このピエゾユニット３に並べて配したプランジャ部５とを備えて構成してもよい。一方、変位入力部５ｉは、変位出力部３ｅの変位開始から所定ストロークＬｓを変位した後に当該変位出力部３ｅに係止すべく当該変位出力部３ｅに対して所定の隙間１１が生じる位置を設定できる。さらに、プランジャ部５は、プランジャ本体部５ｍ，及びこのプランジャ本体部５ｍの先端と弁体部４ｖ間に配し、かつ当該プランジャ本体部５ｍの先端面に対して点接触する伝達駒５ｃにより構成できる。他方、弁体部４ｖは、プランジャ部５の押圧により弾性変形し、プランジャ部５の押圧が解除されることにより弾性復帰する弾性素材により形成したダイヤフラム４ｖｄにより構成できる。

このような構成を有する本発明に係るピエゾバルブ１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 棒状に形成したプランジャ部５及びこのプランジャ部５に沿って配したピエゾユニット３を有するアクチュエータ部２と、プランジャ部５の先端側に配することにより、このプランジャ部５の変位が伝達される弁体部４ｖを有するバルブ機構部４と、プランジャ部５に一体に形成し、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅに係止可能な変位入力部５ｉと、変位入力部５ｉが変位出力部３ｅに係止する方向Ｆｓｃにプランジャ部５を付勢する付勢部６とを備えるため、容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。しかも、プランジャ部５をピエゾユニット３のガイド機能に兼用できるため、ピエゾ素子Ｐ…周りの構造をシンプル化することが可能となり、ピエゾバルブ１全体のサイズダウン及び軽量化を容易に実現できるとともに、コストダウン、更には動作の安定性及び信頼性の向上にも寄与できる。

（２） 好適な態様により、アクチュエータ部２を構成するに際し、リング形に形成したピエゾ素子Ｐ…により円筒状に構成したピエゾユニット３と、このピエゾユニット３の内側空間に配したプランジャ部５とを備えて構成すれば、プランジャ部５は、リング形に形成したピエゾ素子Ｐ…の内側空間で支持できるため、積層したピエゾ素子Ｐ…（ピエゾユニット３）を確実かつ安定にガイドできるとともに、ピエゾユニット３の外側に空間を確保できるため、電極リードや導出リードの配線空間として他の部品等に影響を与えることなく利用できる。

（３） 好適な態様により、アクチュエータ部２を構成するに際し、直方体形に形成したピエゾ素子Ｐ…により棒状に構成したピエゾユニット３と、このピエゾユニット３に並べて配したプランジャ部５とを備えて構成すれば、プランジャ部５からバルブ機構部４の構造は他の実施形態と共通構造にできるため、容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。加えて、ピエゾユニット３の全体形状の単純化及び小型化、更には軽量化及びコストダウンに寄与できる。

（４） 好適な態様により、変位入力部５ｉの位置を設定するに際し、変位出力部３ｅの変位開始から所定ストロークＬｓを変位した後に当該変位出力部３ｅに係止すべく当該変位出力部３ｅに対して所定の隙間１１が生じる位置を選定すれば、ピエゾ素子Ｐ…の有するヒステリシス特性や低電圧時における不安定動作を回避できるため、バルブ機構部４の開閉動作を確実かつ安定に行うことができる。

（５） 好適な態様により、プランジャ部５を、プランジャ本体部５ｍ，及びこのプランジャ本体部５ｍの先端と弁体部４ｖ間に配し、かつ当該プランジャ本体部５ｍの先端面に対して点接触する伝達駒５ｃにより構成すれば、自動調心構造により伝達駒５ｃを弁体部４ｖに対して面接触させることが可能になるため、プランジャ部５側から弁体部４ｖに対して均一な押圧力を付与できる。この結果、バルブ機構部４の特に閉動作を確実かつ安定に行うことができる。

（６） 好適な態様により、弁体部４ｖを、プランジャ部５の押圧により弾性変形し、プランジャ部５の押圧が解除されることにより弾性復帰する弾性素材により形成したダイヤフラム４ｖｄにより構成すれば、良好な弁機能を担保できるダイヤフラム４ｖｄを使用できることに加え、プランジャ部５とダイヤフラム４ｖｄをそれぞれ独立して配した場合であっても、確実かつ容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。

本発明の好適実施形態に係るピエゾバルブの正面断面図、 同ピエゾバルブの平面断面図（図１中のＡ−Ａ線断面）、 同ピエゾバルブの上部を拡大して示す正面断面図、 同ピエゾバルブの下部を拡大して示す正面断面図、 同ピエゾバルブにおける変位出力部と変位入力部間の作用説明図、 同ピエゾバルブにおけるバルブ機構部の作用説明図、 同ピエゾバルブの使用方法を示す制御系のシステム系統図、 同制御系に備える流量検出部の流量対出力電圧特性図、 同ピエゾバルブの印加電圧対プランジャ部の変位量特性図、 同ピエゾバルブの印加電圧対流量特性図、 本発明の変更実施形態に係るピエゾバルブの正面断面図、 同ピエゾバルブの平面断面図（図１１中のＢ−Ｂ線断面）、 本発明の他の変更実施形態に係るピエゾバルブの正面断面図、 同ピエゾバルブの平面断面図（図１３中のＣ−Ｃ線断面）、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係るピエゾバルブ１の構成（構成部品）について、図１〜図７を参照して具体的に説明する。

図１は、ピエゾバルブ１の全体構成を示す。５はピエゾバルブ１の中心位置に配するプランジャ部であり、上側に位置するプランジャ本体部５ｍと下側に位置する伝達駒５ｃにより構成する。プランジャ本体部５ｍと伝達駒５ｃはそれぞれ別体部品として形成するとともに、それぞれ一体形成する。これにより、プランジャ部５の全体の形状としては丸棒状となる。

プランジャ本体部５ｍは、後述するピエゾユニット３とほぼ同じ長さになるため、熱膨張率が存在する場合、その影響が無視できない。このため、形成素材としては熱膨張率の極めて小さい素材を使用する。一例としては、コバルト−ニッケル（Ｃｏ−Ｎｉ）合金を用いた熱膨張率の極めて小さいインバー材或いは熱膨張率がほぼゼロに近いスーパーインバー材を用いることが望ましい。このプランジャ本体部５ｍは、先端（下端）に位置する端面５ｍｄを平坦に形成するとともに、上端にはプランジャ本体部５ｍよりも大径となるフランジ状（鍔状）の変位入力部５ｉを一体形成する。さらに、プランジャ本体部５ｍの上端面中央には軸方向Ｆｓに沿った所定深さのスプリング受け凹部２１を形成する（図３参照）。

伝達駒５ｃは、耐摩耗性を有する高硬度の素材により形成する。一例としては、ステンレス材等の金属素材が望ましい。この伝達駒５ｃはプランジャ本体部５ｍと同径となり、図４に示すように、後述する弁体部４ｖに接触する下端面５ｃｄは平坦に形成するとともに、プランジャ本体部５ｍの先端の端面５ｍｄに接触する上端係合面５ｃｕは、例えば、球面形成することにより点接触させる。このように、プランジャ部５を、プランジャ本体部５ｍ，及びこのプランジャ本体部５ｍの先端と弁体部４ｖ間に配し、かつ当該プランジャ本体部５ｍの先端面に対して点接触する伝達駒５ｃにより構成すれば、自動調心構造により伝達駒５ｃを弁体部４ｖに対して面接触させることが可能になるため、プランジャ部５側から弁体部４ｖに対して均一な押圧力を付与できる。この結果、バルブ機構部４の特に閉動作を確実かつ安定に行うことができる利点がある。

一方、４１はバルブ機構部４を内蔵するバルブボディであり、上端面には所定の深さに選定した凹状のアクチュエータ取付部４２を形成する。アクチュエータ取付部４２の底部上面には、リング形の弁座部４ｃを形成する。弁座部４ｃの上面となる弁座面は、平坦に形成するとともに、図４に示すように、アクチュエータ取付部４２の底部上面に対して高さＬｈだけ低く形成する。例示の場合、高さＬｈは１２０〔μｍ〕に設定した。また、バルブボディ４１の一方の外側面には流体を流入させる流入側配管１１０ｉ（図７参照）を接続する流入側接続口４１ｉを形成し、この流入側接続口４１ｉは、バルブボディ４１の内部に形成した流入路４２ｉを介して弁座部４ｃの内側空間（流体路）に連通させるとともに、バルブボディ４１の他方の外側面には流体を流出させる流出側配管１１０ｅ（図７参照）を接続する流出側接続口４１ｅを形成し、この流出側接続口４１ｅは、バルブボディ４１の内部に形成した流出路４２ｅを介して弁座部４ｃの外側に形成したリング状の空間（流体路）に連通させる。

他方、アクチュエータ部２は、ピエゾバルブ１の外郭位置に配するハウジング部２２を備える。このハウジング部２２は、最下部に位置する筒状のスリーブ部２３，中間部に位置して当該スリーブ部２３に支持されるケース部２４，及び最上部に位置して当該ケース部２４の上端開口を閉塞するキャップ部２５の組合わせにより構成する。

この場合、スリーブ部２３には、外周部の上部にケース部２４の内周部が嵌合するケース支持部２３ｓを形成するとともに、スリーブ部２３の外周部の下部に当該ケース部２４の下端を支持するフランジ部２３ｆを形成する。このフランジ部２３ｆはアクチュエータ取付部４２の内部に嵌入可能である。一方、スリーブ部２３の中心には、プランジャ部５が挿通するガイド孔部２３ｇを軸方向Ｆｓに貫通形成する。このガイド孔部２３ｇの内周部には、スリーブ部２３の上端面から軸方向Ｆｓの中間位置まで、ピエゾユニット３の外径よりも稍大きいピエゾユニット支持部２３ｐをガイド孔部２３ｇよりも大径となるように、このガイド孔部２３ｇに対して段差を設けて形成する。

また、ケース部２４は、外周部の下端位置に雄ネジ部２４ｄを形成し、アクチュエータ取付部４２の内周面に形成した雌ネジ部４２ｓに螺着可能にするとともに、外周部の上端位置には雄ネジ部２４ｕを形成する。さらに、キャップ部２５は、アウタキャップ部２５ｏとインナキャップ部２５ｉの組合わせにより構成し、アウタキャップ部２５ｏの内周面に形成した雌ネジ部２５ｓを上述したケース部２４の外周面に形成した雄ネジ部２４ｕに螺着可能にする。インナキャップ部２５ｉは、下面の中央に所定深さのスプリング受け凹部２６を形成するとともに、外縁に、ケース部２４の内周面と変位入力部５ｉの外周部間に介在させる筒状のプランジャ保持部２７を一体形成する。

そして、このハウジング部２２とプランジャ部５間に、リング形に形成した一又は二以上（例示は四つ）のピエゾ素子Ｐ…を積層することにより円筒状に構成したピエゾユニット３を配する。したがって、目標とするピエゾバルブ１からピエゾユニット３の内径，外径及び軸方向Ｆｓの長さが決まっている場合、前述したプランジャ部５の外径は、ピエゾユニット３の内径より稍小さい寸法を選定するとともに、スリーブ部２３のガイド孔部２３ｇの内径はプランジャ部５の外径よりも稍大きい径に選定する。また、ピエゾユニット支持部２３ｐの内径は、ピエゾユニット３の外径よりも稍大きい径を選定する。さらに、プランジャ部５の上端に形成した変位入力部５ｉの外径は、ピエゾユニット３の外径に一致させる。

このピエゾユニット３の上端は変位出力部３ｅとなり、この変位出力部３ｅの上方にプランジャ部５に一体形成した変位入力部５ｉが位置する。この場合、変位入力部５ｉの位置は、図３に示すように、ピエゾユニット３の上端となる変位出力部３ｅに対して所定の隙間１１が生じる位置を選定する。隙間１１の間隔長は、図５に示すように、ピエゾユニット３に印加電圧を付与し、変位開始（開始位置Ｘｓ）から所定ストロークＬｓを変位した後に、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅに対して係止する大きさを選定する。したがって、隙間１１の間隔長としてＬｓを設定する。例示のような形態では、概ね１０〔μｍ〕前後を目安に設定できる。図５に示す位置Ｘｅは、最大変位位置を示しており、この最大変位位置Ｘｅと開始位置Ｘｓ間の変位ストロークはＬｍとなる。

このように、変位入力部５ｉの位置を設定するに際し、変位出力部３ｅの変位開始から所定ストロークＬｓを変位した後に当該変位出力部３ｅに係止すべく当該変位出力部３ｅに対して所定の隙間１１が生じる位置を選定すれば、ピエゾ素子Ｐ…の有するヒステリシス特性や低電圧時における不安定動作を回避できるため、バルブ機構部４の開閉動作を確実かつ安定に行える利点がある。

また、ピエゾ素子Ｐは、特定の種類に限定されるものではなく、前述したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をはじめ、チタン酸バリウム，チタン酸鉛，ニオブ酸カリウム，ニオブ酸リチウム，ポリフッ化ビニリデン等、逆圧電効果を生じる各種ピエゾ素子Ｐを利用可能である。例示のピエゾユニット３は、ＰＺＴを使用したものであり、軸方向Ｆｓの全長は概ね５０〔ｍｍ〕程度である。これにより、最大印加電圧として１５０〔Ｖ〕を付与した場合、約５０〔μｍ〕程度の変位量を得ることができるとともに、概ね１〔ｋＮ〕程度の力を発生させることができる。

一方、前述した弁座部４ｃと共にバルブ機構部４を構成する弁体部４ｖには、プランジャ部５の押圧により弾性変形し、プランジャ部５の押圧が解除されることにより弾性復帰する弾性素材により形成したダイヤフラム４ｖｄを用いる。このダイヤフラム４ｖｄは、高引張強さを有する高硬度素材を用いることにより一定の厚さを有する円盤状に形成する。一例としては、ステンレスやコバルト合金等の高硬度素材が望ましい。また、確実な弾性復帰を実現するため、厚さは５０〜２００〔μｍ〕に選定するとともに、いわゆるヘタリを防止し、耐久性を確保する観点から、前述した高さＬｈは、このダイヤフラム４ｖｄの厚さの２倍以下に設定することが望ましい。このように、弁体部４ｖにダイヤフラム４ｖｄを用いれば、良好な弁機能を担保できるダイヤフラム４ｖｄを使用できることに加え、プランジャ部５とダイヤフラム４ｖｄをそれぞれ独立して配した場合であっても、確実かつ容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。

さらに、プランジャ部５とキャップ部２５間に圧縮して介在させるスプリング２９を備える。このスプリング２９は、プランジャ部５、更には弁体部４ｖ（ダイヤフラム４ｖｄ）に対して所定の予圧力を付与する機能を有し、例えば、ステンレス等のバネ鋼材により形成することができる。この場合、スプリング２９の予圧力は、前述したダイヤフラム４ｖｄの弾性復帰する際の復帰力（復元力）よりも大きくなることを条件に設定するとともに、ピエゾユニット３の変位時に発生する力よりも小さくなることを条件に設定する。このスプリング２９は、プランジャ部５の変位入力部５ｉがピエゾユニット３の変位出力部３ｅに係止する方向Ｆｓｃに当該プランジャ部５を付勢する付勢部６を構成する。したがって、付勢部６としては、例示のようなコイルスプリングに限定されるものではなく、板バネ等の他の各種付勢手段を適用可能である。

次に、本実施形態に係るピエゾバルブ１の組立方法について、図１〜図７を参照して説明する。

まず、バルブボディ４１のアクチュエータ取付部４２にダイヤフラム４ｖｄを収容する。次いで、アクチュエータ取付部４２にスリーブ部２３を収容するとともに、このスリーブ部２３におけるガイド孔部２３ｇに伝達駒５ｃを収容する。これにより、ダイヤフラム４ｖｄと弁座部４ｃは、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅの変位に基づいて開閉されるバルブ機構部４を構成する。また、プランジャ部５の先端側には、伝達駒５ｃ（プランジャ部５）の変位が伝達されるダイヤフラム４ｖｄ（弁体部４ｖ）が配され、このダイヤフラム４ｖｄの変位によりバルブ機構部４の開閉動作が行われることになる。

一方、ピエゾユニット３の内側空間に、プランジャ本体部５ｍを挿入する。なお、ピエゾユニット３は、四つのピエゾ素子Ｐ…を積層して構成するため、予め、各ピエゾ素子Ｐ…間に電極を介在させるとともに、電極同士を接続し、正側の電極リード６１と負側の電極リード６２（図７参照）を導出させるなど、必要な電気系の結線を完了させることにより、ユニットとして組付けておく。そして、ピエゾユニット３を支持するプランジャ本体部５ｍの先端側をスリーブ部２３におけるガイド孔部２３ｇに収容するとともに、ピエゾユニット３の下端を、ピエゾユニット支持部２３ｐに収容する。

この後、ケース部２４の雄ネジ部２４ｄをアクチュエータ取付部４２の内周面に形成した雌ネジ部４２ｓに螺着する。これにより、スリーブ部２３のフランジ部２３ｆがケース部２４の下端により保持されることにより、バルブボディ４１に固定される。この結果、ピエゾユニット３の一端（下端）が固定端となり、かつ他端（上端）が変位出力部３ｅとなる。この変位出力部３ｅは、プランジャ部５の変位入力部５ｉに対して隙間１１を介して対面する。

そして、プランジャ本体部５ｍの上端面に設けたスプリング受け凹部２１にスプリング２９を挿入し、さらに、インナキャップ部２５ｉのプランジャ保持部２７をケース部２４の内周面と変位入力部５ｉの外周部間に収容するとともに、スプリング２９をスプリング受け凹部２６に収容する。この後、アウタキャップ部２５ｏの雌ネジ部２５ｓをケース部２４に形成した雄ネジ部２４ｕに螺着する。

以上により、図１及び図２に示すピエゾバルブ１を得ることができる。この実施形態では、アクチュエータ部２を構成するに際し、リング形に形成したピエゾ素子Ｐ…により円筒状に構成したピエゾユニット３と、このピエゾユニット３の内側空間に配したプランジャ部５とを備えて構成したため、プランジャ部５は、リング形に形成したピエゾ素子Ｐ…の内側空間で支持することが可能となり、積層したピエゾ素子Ｐ…（ピエゾユニット３）を確実かつ安定にガイドできる。しかも、ピエゾユニット３の外側には空間Ｓｏを確保できるため、電極リード６１，６２の配線空間として、他の部品等に影響を与えることなく利用できる利点がある。

次に、本実施形態に係るピエゾバルブ１の動作（機能）について、図１〜図１０を参照して説明する。

ピエゾバルブ１を駆動（作動）させるには、図７に示すように、ピエゾユニット３から導出される正側の電極リード６１と負側の電極リード６２に対してドライバ１１５から印加電圧（直流電圧）Ｖｄを付与することにより駆動させることができる。なお、この印加電圧Ｖｄの大きさは、制御部１１６から付与される制御信号Ｓｃにより、０〜１５０〔Ｖ〕まで任意の大きさに可変制御可能である。

本実施形態に係るピエゾバルブ１は、印加電圧Ｖｄを付与しない状態では、ピエゾユニット３の変位は０のため、ピエゾユニット３の上端となる変位出力部３ｅは図５に示す最下降位置Ｘｓに位置している。したがって、変位入力部５ｉ間の隙間１１の間隔長Ｌｓは最大の開き幅となる。また、プランジャ部５はスプリング２９により押圧され下方に付勢される。これにより、ダイヤフラム部４ｖｄは伝達駒５ｃにより押圧され、ダイヤフラム部４ｖｄの下面は弁座部４ｃの上面である弁座面に圧接し、バルブ機構部４は閉モードとなる。即ち、ピエゾバルブ１は、ノーマルクローズ構造として機能する。

次に、閉モードにおいて、ピエゾユニット３を伸長させる方向の印加電圧Ｖｄを付与した場合を想定する。ピエゾユニット３に印加電圧Ｖｄが付与されることにより、各ピエゾ素子Ｐ…の逆圧電効果により軸方向Ｆｓに伸長（変形）し、ピエゾユニット３の上端である変位出力部３ｅは上方へ変位する。今、最大電圧となる１５０〔Ｖ〕を印加すれば、変位出力部３ｅは隙間１１の間隔長Ｌｓ（例示の場合、約４０〔μｍ〕）だけ上方へ変位することにより、図５中、Ｘｃの位置で変位入力部５ｉに当接する。そして、この当接位置Ｘｃから変位出力部３ｅが、さらに上方へ変位すれば、変位入力部５ｉはこの当接位置Ｘｃから上方へ押し上げられ、最大伸長位置Ｘｅで停止する。この当接位置Ｘｃから最大伸長位置Ｘｅまでの距離Ｌｏがプランジャ本体部５ｍの変位量となる。また、この際、スプリング２９による付勢力が解除されるため、ダイヤフラム部４ｖｄは上方へ弾性復帰する。このダイヤフラム部４ｖｄの上方への変位量Ｌｖ（図６参照）は、上記距離Ｌｏに一致する。即ち、バルブ機構部４は開モードとなる。

以上、ピエゾユニット３に対して印加電圧Ｖｄとして最大電圧となる１５０〔Ｖ〕を印加した場合について説明したが、その中間電圧を印加した場合には、その中間電圧に対応した変形を生じるため、変位量Ｌｖもより小さい変位量で停止させることができる。例示の場合、９０〔Ｖ〕の印加により約２０〔μｍ〕の変位量Ｌｖが得られた。

このように、本実施形態に係るピエゾバルブ１によれば、棒状に形成したプランジャ部５及びこのプランジャ部５に沿って配したピエゾユニット３を有するアクチュエータ部２と、プランジャ部５の先端側に配することにより、このプランジャ部５の変位が伝達される弁体部４ｖを有するバルブ機構部４と、プランジャ部５に一体に形成し、ピエゾユニット３の変位出力部３ｅに係止可能な変位入力部５ｉと、変位入力部５ｉが変位出力部３ｅに係止する方向Ｆｓｃにプランジャ部５を付勢する付勢部６とを備えるため、容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。しかも、プランジャ部５をピエゾユニット３のガイド機能に兼用できるため、ピエゾ素子Ｐ…周りの構造をシンプル化することが可能となり、ピエゾバルブ１全体のサイズダウン及び軽量化を容易に実現できるとともに、コストダウン、更には動作の安定性及び信頼性の向上にも寄与できる。

ところで、本実施形態に係るピエゾバルブ１は、変位出力部３ｅと変位入力部５ｉの隙間１１の間隔長をＬｓに設定している。この理由は、ピエゾ素子Ｐ…のヒステリシス特性及び低電圧時の不安定性をキャンセルするためである。即ち、ヒステリシス特性の存在により印加電圧Ｖｄを０にしても変位量が０に戻らない現象や低電圧時の不安定性によりバルブ機構部４の開閉が不確実になるのを回避するためである。

図９は、隙間１１の間隔長Ｌｓの大きさを異ならせた場合の印加電圧Ｖｄに対する変位量特性の一例を示している。図９中、Ｗ１は最も間隔長Ｌｓが大きく、Ｗ２，Ｗ３の順に間隔長Ｌｓが小さくなり、Ｗ４が最も小さな間隔長Ｌｓとなる。間隔長Ｌｓが小さすぎるＷ３，Ｗ４の場合、印加電圧Ｖｄを付与した後、０に戻しても変位量は０に戻らない状態を示している。即ち、印加電圧Ｖｄを０にしてもバルブ機構部４は完全な閉状態にならないことを意味している。これに対して、間隔長Ｌｓを大きくしたＷ１，Ｗ２では、印加電圧Ｖｄを付与した後、０に戻した際に、仮に変位量が０に戻らない状態であっても、残留する変位量は間隔長Ｌｓの隙間１１により吸収され、バルブ機構部４を完全な閉状態にすることができる。したがって、Ｗ１，Ｗ２の場合、いわば隙間１１における変位量が無駄になることを意味し、バルブ機構部４の開量は制限される。このように、隙間１１の間隔長Ｌｓの大きさを如何に設定するかは重要である。この隙間１１の間隔長Ｌｓの大きさは、ディメンションの異なるピエゾバルブ単位で実験等によりその最適値を求めることができる。図９に例示したＷ１〜Ｗ４の中では、Ｗ２が最も望ましい特性と考えられる。

次に、本実施形態に係るピエゾバルブ１の使用方法について、図７及び図８を参照して説明する。

図７は、ガス等の流体を供給する配管１１０に接続して、配管１１０を流れる流体の流量を正確に制御するためのマスフローコントローラ１００として使用する場合を示している。この場合、本実施形態に係るピエゾバルブ１におけるバルブボディ４１の流入側接続口４１ｉに、配管１１０における流入側配管１１０ｉを接続するとともに、バルブボディ４１の流出側接続口４１ｅに、配管１１０における流出側配管１１０ｅを接続する。また、流入側配管１１０ｉの中途には流量検出器１２０を接続する。

例示の流量検出器１２０は、流入側配管１１０ｉの中途に接続した絞り管部１２１の前後に検出用バイパス管１２２を接続し、この検出用バイパス管１２２に流体の一部をバイパスさせるとともに、このバイパス管１２２に、前温度センサ１２３，ヒータ１２４，後温度センサ１２５を順次付設して構成したものであり、この前温度センサ１２３と後温度センサ１２５の検出結果は信号処理回路１２６に付与される。信号処理回路１２６では前温度センサ１２３と後温度センサ１２５の検出結果から温度差を求めるとともに、この温度差から流量を求める。即ち、この検出系は、流量が大きいほど温度差が大きくなるとともに、図８に示すように、温度差が大きいほど、出力電圧Ｖｓ（検出値）が大きくなる相関特性を有している。一方、制御部１１６には流量（検出値）に対する目標値が設定されているため、検出値と目標値の偏差に基づく制御信号Ｓｃを生成し、ドライバ１１５に付与する。ドライバ１１５は、付与された制御信号Ｓｃに基づく印加電圧Ｖｄをピエゾユニット３に付与する。

これにより、流量が減少すれば、ピエゾバルブ１のバルブ機構部５による開度を大きくし、流量が増加するように流量に対するフィートバック制御を行うとともに、流量が増加すれば、ピエゾバルブ１のバルブ機構部５による開度を小さくし、流量が減少するように流量に対するフィードバック制御を行う。

図１０は、印加電圧Ｖｄに対する流量特性の一例を示している。図１０は図９のＷ２を使用し、実際の流体（空気）の流量を測定したものである。図１０中、実線で示すＱｉｓ及びＱｉｍは、図４に示す形態、即ち、弁座部４ｃの内側空間を流入側とし、弁座部４ｃの外側を流出側とした場合であって、Ｑｉｍは流体圧が大きい場合、Ｑｉｓは流体圧が小さい場合を示している。これに対して、点線で示すＱｏｍ及びＱｏｓは、弁座部４ｃの内側空間を流出側とし、弁座部４ｃの外側を流入側になるように入れ換えた場合を示し、Ｑｏｍは流体圧が大きい場合、Ｑｏｓは流体圧が小さい場合を示している。図１０から明らかなように、例示の場合、印加電圧Ｖｄとして概ね３０〔Ｖ〕以上で使用すれば、安定した流量制御を行うことができることを示している。

次に、本発明の変更実施形態に係るピエゾバルブ１について、図１１〜図１４を参照して説明する。

図１１及び図１２に示す変更実施形態に係るピエゾバルブ１は、アクチュエータ部２を構成するに際し、直方体形に形成した複数のピエゾ素子Ｐ…を積層することにより棒状にしたピエゾユニット３と、このピエゾユニット３に並べて配したプランジャ部５とを備えて構成したものである。したがって、図１に示した実施形態に対してピエゾ素子Ｐ…の形状を変更した点を除いて他の構成は共通となる。この場合、プランジャ部５によるピエゾユニット３に対するガイド機能は、ピエゾユニット３の一面に対してのみとなるが、ケース部２４とプランジャ部５間には空間Ｓｏが設けられるため、必要により、ピエゾユニット３に対するガイド部材、例えば、空間Ｓｏを埋める断面Ｃ形となる筒状のガイド部材を、当該空間Ｓｏに収容することにより、ピエゾユニット３をガイドすることができる。

図１１及び図１２に示す変更実施形態は、プランジャ部５からバルブ機構部４の構造は他の実施形態と共通構造にできるため、容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。加えて、ピエゾユニット３の全体形状の単純化及び小型化、更には軽量化及びコストダウンに寄与できる利点がある。なお、図１１及び図１２に示す変更実施形態において、細部については、図１及び図２の実施形態に対して参考の観点から異ならせた構成を一例として挙げている。

図１３及び図１４に示す他の変更実施形態に係るピエゾバルブ１は、アクチュエータ部２を構成するに際し、直方体形に形成した複数のピエゾ素子Ｐ…を積層することにより棒状にしたピエゾユニット３と、このピエゾユニット３に並べて配したプランジャ部５とを備えて構成した点は、図１１及び図１２に示した変更実施形態と同じになるが、さらに、図１１及び図１２に示した変更実施形態に対して、プランジャ部５のガイド機能とピエゾユニット３に対するガイド機能を追加したものである。即ち、図１３及び図１４の変更実施形態では、スリーブ部２３の上端面から上方に起立し、プランジャ部５をガイドするためのガイド筒部６１を一体形成するとともに、ケース部２４の内周面に切欠状のガイド溝部２４ｇを形成し、このガイド溝部２４ｇにより、矩形状に形成したピエゾユニット３をガイドするようにしたものである。

図１３及び図１４に示す変更実施形態も、プランジャ部５からバルブ機構部４の構造は他の実施形態と共通構造にできるため、容易にノーマルクローズ構造として機能させることができる。加えて、ピエゾユニット３の全体形状の単純化及び小型化、更には軽量化及びコストダウンに寄与できる利点がある。なお、図１３及び図１４に示す変更実施形態においても、細部については、図１及び図２の実施形態に対して参考の観点から異ならせた構成を一例として挙げている。

以上、好適実施形態及び変更実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、ピエゾユニット３は、複数のピエゾ素子Ｐ…を積層して構成した場合を示したが、単一（一層）のピエゾ素子Ｐを用いる場合を排除するものではない。また、プランジャ部５は、プランジャ本体部５ｍと伝達駒５ｃの組合わせにより構成した場合を示したが、一体形成したプランジャ部５を用いてもよい。さらに、弁体部４ｖは、プランジャ部５の押圧により弾性変形し、プランジャ部５の押圧が解除されることにより弾性復帰する弾性素材により形成したダイヤフラム４ｖｄにより構成した場合を示したが、非弾性素材を使用して形成し、例えば、中心部をプランジャ部５の下端に固定する構成であってもよいし、或いは弁体部４ｖをプランジャ部５の下端に一体形成する場合を排除するものではない。一方、変位入力部５ｉは、変位出力部３ｅの変位開始から所定ストロークＬｓを変位した後に当該変位出力部３ｅに係止すべく当該変位出力部３ｅに対して所定の隙間１１が生じる位置を設定した場合を示したが、この設定はピエゾユニット２ｕの特性上の要請に基づくものであるため、ピエゾユニット２ｕの特性によっては必ずしも隙間１１を設けることを要しない。また、流量検出器１２０は、一例として挙げたものであり、流量を検出可能な公知の各種流量センサ等を利用できる。

本発明に係るピエゾバルブは、空気，ガス等の気体をはじめ、液体を含む各種流体が流通する流体通路の開閉や流量制御を必要とする様々な分野に利用することができる。

１：ピエゾバルブ，２：アクチュエータ部，３：ピエゾユニット，３ｅ：変位出力部，４：バルブ機構部，４ｖ：弁体部，４ｖｄ：ダイヤフラム，５：プランジャ部，５ｉ：変位入力部，５ｍ：プランジャ本体部，５ｃ：伝達駒，６：付勢部，１１：隙間，Ｐ…：ピエゾ素子，Ｆｓｃ：変位入力部が変位出力部に係止する方向，Ｌｓ：所定ストローク

Claims (7)

1. 少なくとも一層以上のピエゾ素子により構成することにより、一端を固定端とし、かつ他端を変位出力部としたピエゾユニットを有するアクチュエータ部と、この変位出力部の変位に基づいて開閉されるバルブ機構部とを備えてなるピエゾバルブであって、棒状に形成したプランジャ部及びこのプランジャ部に沿って配したピエゾユニットを有する前記アクチュエータ部と、前記プランジャ部の先端側に配することにより、このプランジャ部の変位が伝達される弁体部を有する前記バルブ機構部と、前記プランジャ部に一体に形成し、前記ピエゾユニットの変位出力部に係止可能な変位入力部と、この変位入力部が前記変位出力部に係止する方向に前記プランジャ部を付勢する付勢部とを具備してなることを特徴とするピエゾバルブ。
2. 前記アクチュエータ部は、リング形に形成したピエゾ素子により円筒状に構成したピエゾユニットと、このピエゾユニットの内側空間に配したプランジャ部とを備えることを特徴とする請求項１記載のピエゾバルブ。
3. 前記アクチュエータ部は、直方体形に形成したピエゾ素子により棒状に構成したピエゾユニットと、このピエゾユニットに並べて配したプランジャ部とを備えることを特徴とする請求項１記載のピエゾバルブ。
4. 前記変位入力部は、前記変位出力部の変位開始から所定ストロークを変位した後に当該変位出力部に係止すべく当該変位出力部に対して所定の隙間が生じる位置を設定してなることを特徴とする請求項１，２又は３記載のピエゾバルブ。
5. 前記プランジャ部は、プランジャ本体部，及びこのプランジャ本体部の先端と前記弁体部間に配し、かつ当該プランジャ本体部の先端面に対して点接触する伝達駒により構成することを特徴とする請求項１記載のピエゾバルブ。
6. 前記バルブ機構部は、前記ピエゾユニットに対する非通電時に前記弁体部が弁座部に圧接して閉モードとなり、かつ通電時に前記弁体部が当該弁座部から離間して開モードとなるノーマルクローズ構造に構成することを特徴とする請求項１記載のピエゾバルブ。
7. 前記弁体部は、前記プランジャ部の押圧により弾性変形し、前記プランジャ部の押圧が解除されることにより弾性復帰する弾性素材により形成したダイヤフラムにより構成することを特徴とする請求項６記載のピエゾバルブ。

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