JP3024854B2 - 弁体の駆動方法及び弁 - Google Patents

弁体の駆動方法及び弁

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英夫 安藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、弁体の駆動方法及びそ
の駆動方法を用いた弁に関し、さらに詳しくは膜状の形
状記憶合金を利用した駆動方法及び弁に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、油圧用、空気圧用、水圧用な
ど、種々の流体の制御のための弁が提供されている。こ
れら従来の弁は、弁体の移動によって弁穴を開閉するも
のであるが、弁体の駆動のためにソレノイドが一般的に
用いられている。
【0003】また、近年における油空圧機器及びこれら
を用いた機械装置の小型化に伴って、それらを制御する
弁の一層の小型化が要求されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ソレノイドに
よって弁体を駆動する場合には、ソレノイド自体の構造
が複雑であるため、また弁体の駆動に必要な力を出すた
めにソレノイドの寸法形状が大きくなり、ソレノイド及
び弁全体の小型化を図ることに限界があった。
【0005】また、ソレノイドの構造及びソレノイドの
駆動力を弁体に伝達するための機構が複雑であるため、
弁を構成する部品点数及びその組み立てのための工数を
多く必要とし、これが弁のコストダウン及び信頼性向上
を妨げているという問題もあった。
【0006】この問題を解決するために、ピエゾ素子に
よって弁体を駆動する方法が提案されている。しかし、
ピエゾ素子によって弁体を駆動する場合には、ピエゾ素
子に高い電圧を印加する必要があるため、駆動時に高電
圧を発生して供給するための駆動回路が複雑となる。さ
らに、ピエゾ素子は変位量が少ないため、多数の素子を
積層して貼合わせる必要があり、駆動素子の製作が容易
ではないという問題がある。
【0007】本発明は、上述の問題に鑑み、簡単な構造
及び駆動回路によって弁体を駆動することができ、弁の
小型化を図ることのできる弁体の駆動方法及び弁を提供
することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明の駆動方
法は、上述の課題を解決するため、形状記憶合金からな
る膜状体によって弁体を構成し、前記弁体それ自体に電
流を流すことにより発生するジュール熱によって当該弁
体を加熱し、前記弁体が開いたときに流れる流体によっ
て当該弁体を冷却し、前記弁体の加熱及び冷却によって
当該弁体を変形し又は回復させて当該弁体を駆動する
【0009】請求項2の発明の弁は、形状記憶合金から
なる膜状の弁体と、前記弁体の変形によって開閉される
弁穴と、前記弁体を変形させて弁穴を閉状態又は開状態
にするための弾性部材と、前記弾性部材による変形を回
復させて前記弁穴を開状態又は閉状態とするよう、前記
弁体を加熱するための電流を前記弁体それ自体に流すた
めの電極と、を有し、前記弁穴が開いたときに流れる流
体によって前記弁体が冷却されるように構成される
【0010】請求項3の発明の弁は、断面が円形の弁室
内に張られた膜状の形状記憶合金からなる弁体と、前記
弁体によって仕切られた弁室の一方の側に設けられ、前
記弁体を変形させるための弾性部材と、前記弁体によっ
て仕切られた弁室の他方の側に設けられ、前記弾性部材
による前記弁体の変形によって閉じられる弁穴と、前記
弾性部材による変形を回復させて前記弁穴を開けるよ
う、前記弁体にジュール熱を発生させる電流を前記弁体
それ自体に流すための電極と、前記弁室の一方の側と他
方の側とを連通するための連通路とを有し、前記弁穴
が開いたときに流れる流体によって前記弁体が冷却され
るように構成される
【0011】
【0012】
【0013】
【作用】形状記憶合金に記憶された形状と、外力によっ
て変形された形状との間の変位によって、弁体が駆動さ
れる。形状記憶合金に記憶された形状に復帰するため
、形状記憶合金自体に電流を流してジュール熱を発生
させる。
【0014】例えば、弁体は弾性部材などによって弁穴
に向かって押され、常温においては、それによって変形
されて弁座の表面に押しつけられ、弁穴を閉じている。
この状態で電極に電圧を印加して電流を流すと、それに
よってジュール熱が発生し、弁体は加熱される。これに
よって、弁体は変形が回復し、弾性部材に抗して元の形
状に復帰し、弁座から離れて弁穴を開放する。弁体に流
れる電流を遮断すると、弁穴から流れ込んでいる空気流
によって弁体は急速に冷却され、弾性部材などによって
再び変形されて弁穴を再度閉じる。
【0015】
【実施例】図1は本発明における弁体11の駆動原理を
説明するための弁1を模式的に示す断面正面図である。
図1(a)は弁体11が閉位置にある状態を示し、図1
(a)は弁体11が開位置にある状態を示す。
【0016】図1において、弁1は、弁体11、断面が
円形の弁室13を形成するハウジング12、弁穴15、
弁穴15を囲み球面状に凹んだ弁座16、圧縮バネ1
7、及び弁座16の表面形状に対応した形状を有する押
当部材18、弁体11の両端に設けられて弁体11に電
流を流すための電極19a,19bからなる。
【0017】弁体11は、形状記憶合金によって膜状
(薄膜状)に形成されており、弁室13内において、弁
座16の最も近い位置から距離δを隔てて、平面視が円
形となるように張られている。弁室13は、弁体11に
よって、内側13aと外側13bとに分離されている。
内側13aと外側13bとは、図示しない連通路によっ
て互いに連通されている。弁室13の圧力はPo、弁穴
15内の圧力はPsである。
【0018】ところで、形状記憶合金は、任意の形状を
予め記憶させておくと、マルテンサイト変態終了温度以
下の低温相で変形を加えても、加熱してオーステナイト
変態終了温度以上の高温相にすることにより変形前の元
の形状に復帰する性質をもった合金である。このような
合金としては、例えば、ニッケル・チタン合金、銅・亜
鉛・アルミニウム合金などがある。このような形状記憶
合金は、常温では5Kgf/mm2 の力で変形すること
ができるのに対し、回復力は50Kgf/mm 2 にもな
る。
【0019】弁体11は、圧縮バネ17によって、押当
部材18を介し弁穴15に向かって推力fsで押されて
おり、常温においては、それによって変形されて弁座1
6の表面に押しつけられ、弁穴15を閉じている〔図1
(a)に示す状態〕。
【0020】この状態で、電極19a,19bに電圧を
印加して弁体11に電流を流すと、それによってジュー
ル熱が発生し、弁体11は加熱される。これによって、
弁体11は変形が回復し、圧縮バネ17の推力fsに抗
して元の形状に復帰し、弁座16から離れて弁穴15を
開放する。
【0021】弁体11に流れる電流を遮断すると、弁穴
15から弁室13に流れ込んでいる空気流によって弁体
11は急速に冷却され、圧縮バネ17の推力fsによっ
て変形されて弁穴15を再度閉じる。
【0022】ここで、上述した弁体11の開閉動作につ
いて詳しく説明する。 (1)形状記憶合金の変形と歪の関係 まず、形状記憶合金(膜状の弁体11)の変形時の面積
Saを求める。
【0023】球の表面積は、図2に示すようにr,θ,
φをとり、次の(1)式のようにθとφについて積分す
ることにより求められる。
【0024】
【数1】
【0025】したがって、弁体11のうち、図3に示さ
れる中心角θnの球面部分の面積S1は、(1)式を0
から(θn/2)まで積分することにより次の(2)式
により求められる。
【0026】 S1=2πr2 (1−cosθn/2) ……(2) 次に、弁体11の残余の部分の面積S2は、断頭円錐の
側面積として次の(3)式により求められる。
【0027】
【数2】
【0028】したがって、変形後の面積Saは、S1と
S2の和として求められる。変形後の面積Saを変形前
の元の面積Sbで除すことにより面積歪が求められる。
ここで、面積歪を次のように定義する。図4に示すよう
に面積が変化したとすると、元の面積の(1+ε)2
に変化したと考えられる。εは線歪であり、これは微小
であるとするとその2乗の項を無視し得るので、面積歪
は線歪εの2倍に近似することができる。 (2)応用と発生力の関係 上述の(1)項で求めた歪により、応力σはフックの法
則から次の(4)式で求めることができる。
【0029】σ=Eε ……(4) 但し、E:縦弾性係数 膜状体(弁体11)の張力dTは、図5に示すように、
微小角dβをとることにより次の(5)式で求めること
ができる。
【0030】 dT=σb(dβ・dn/2) ……(5) 次に、図3に示した張力T方向の力を求める。そのた
め、この膜状体の張力dTによって弁体11に作用する
軸方向の成分fTは、張力dTにsin(θn/2)を
乗じたものをdβにより全周積分することにより、次の
(6)式のように求めることができる。
【0031】
【数3】
【0032】(3)圧力差による力 図1を参照して、弁体11の両面に作用する圧力差によ
る縦軸方向の力fpは、弁穴15の内径をd、弁穴15
内の圧力をPs、弁室13における圧力をPoとおく
と、次の(7)式で求めることができる。
【0033】 fp=(Ps−Po)×πd2 /4 ……(7) (4)弁体11が開くための条件 弁体11が開くためには、圧縮バネ17の推力fsに対
して次の(8)式の条件を満足しなければならない。
【0034】fT+fp>fs ……(8) しかし、弁体11を開くと圧力差がなくなって圧力差に
よる項は消えるため、上の(8)式は結局次の(9)式
のように書き換えられる。
【0035】fT≧fs ……(9) 結局、この(9)式が弁体11を開く条件のうち最も厳
しいものであるので、(9)式を満足すれば弁体11を
開くことができる。 (5)弁体11が閉じるための条件 弁体11が閉じるためには、形状記憶合金を変形すると
きの力の上下方向の成分をfmとおいたとき、次の(1
0)式の条件を満足する必要がある。
【0036】fm+fp≦fs ……(10) 以上のことから、(9)式及び(10)式の両方の条件
を満たすように、形状記憶合金(弁体11)の膜厚を決
定する必要がある。
【0037】ここで、上に説明した理論に基づいて計算
した結果の一例を次に示す。計算を行うに当たっては、
弁体11に与える歪を変化させるため、距離δの異なる
3種類の弁1を考えた(図1参照)。
【0038】すなわち、距離δを、0.2、0.4、
0.6の3種類とし、それぞれの弁1に対して、(9)
式の等号値で計算した結果を次の表1に示し、(10)
式の等号値で計算した結果を表2に示す。
【0039】 すなわち、δ=0.2のものでは膜厚が20〜168
(μm)、δ=0.4のものでは膜厚が3〜28(μ
m)、δ=0.6のものでは膜厚が2〜10(μm)の
範囲内に入るように設計することによって、弁体11が
開閉動作を行うことができ、弁1が作動する。すなわ
ち、上述の計算によって得られた結果からすると、形状
記憶合金からなる膜状体によって弁体11を構成し、そ
の膜厚を約2〜168μmとすれば、その弁1は動作可
能であると言える。
【0040】上述のように、形状記憶合金からなる膜状
体により弁体11を構成し、形状記憶合金の歪(変形)
と回復とによって弁体11自体を駆動することにより、
次に述べる利点がある。 弁体11の駆動を、弁体11に電流を流してジュー
ル熱を発生させることにより簡単に行うことができる。 一般に熱によって形状記憶合金の動作を制御する場
合には、昇温は通電によるジュール熱によって簡単に実
現できるが、降温は、複雑な装置を用いないとすると放
熱冷却以外に有効な手段がない。しかし、形状記憶合金
を弁に利用する場合には、弁を通過する流体によって合
金を冷却することができるため、一般には困難となる降
温が簡単にしかも迅速に行える。 形状記憶合金を薄膜化することにより合金の熱容量
が小さくなり、通電時の温度上昇及び通電遮断時の温度
降下が早くなるため合金の変形速度が早く、高い応答性
を持つ弁が構成できる。 形状記憶合金を駆動するために必要な電圧は、ピエ
ゾ素子などの駆動電圧に比べ非常に低く、したがって駆
動回路が簡単になる。 薄膜形状合金は変位量を大きくとり易く、ピエゾ素
子に見られるような積層や貼合わせの必要がなく、スパ
ッタリングなどによって簡単に製作が可能である。 形状記憶合金の膜状体自体がアクチュエータとなり
且つ弁体となり、構造が簡単であるから弁の小型化が容
易である。
【0041】次に、形状記憶合金を用いた弁2の具体例
について説明する。図6は本発明に係る弁体33を用い
た弁2の断面正面図、図7は図6の弁2の左側面図であ
る。
【0042】弁2は、下部ブロック31、上部ブロック
32、弁体33、端子34,35、蓋体36、端子台3
7,38、端子抑え39,40などからなっている。下
部ブロック31には、弁室51、弁穴52、弁室51に
連通するポート53、弁穴52に連通するポート54な
どが設けられている。
【0043】上部ブロック32には、弁室穴61が設け
られており、その段部62と押当部材63との間に圧縮
バネ64が装着されている。弁室穴61と弁室51と
は、連通穴55,65によって連通され、互いに同一の
圧力となっている。なお、連通穴55,65は、プラグ
71,71によって閉塞されている。
【0044】弁体33は、形状記憶合金からなって下部
ブロック31と上部ブロック32との間に挟まれた長方
形状の膜状体TFのうち、弁室51に臨む円形の部分で
ある。弁体33は、平板状の形状を記憶している。膜状
体TFは、連通穴55,65の境界部分において、連通
のための穴66が設けられている。
【0045】弁体33は、圧縮バネ64によって、押当
部材63を介して弁穴52を閉塞する方向に押されてお
り、端子34,35間に電圧を印加しない状態では、圧
縮バネ64による推力によって弁体33が変形され、弁
穴52が閉塞されている。
【0046】その状態では、ポート54に供給された流
体が弁体33により遮断され、ポート53への流通が阻
止されている。端子34,35間に電圧を印加すると、
弁体33に電流が流れてジュール熱が発生し、これによ
って弁体33が加熱され、圧縮バネ64により加えられ
ていた変形が回復して平板状に戻る。
【0047】弁体33が平板状に戻ることによって、弁
体33と弁穴52との間に間隙が生じ、これによって弁
穴52が開放され、ポート54に供給された流体は、弁
穴52から弁室51に流入し、ポート53から流出す
る。
【0048】なお、下部ブロック31、上部ブロック3
2、端子台37,38、端子抑え39,40などは、例
えば合成樹脂などの絶縁材料からなり、端子34,35
は例えば銅などの導電材料からなる。図6において、7
2,73,74はOリングである。
【0049】上述の弁2は、従来のようなソレノイドが
なく、弁体11自体がアクチュエータであるため、構造
が簡単であり、部品点数が少なく、小型である。上述の
実施例において、膜状の形状記憶合金からなる弁体1
1,33に、弁座に当接して弁穴15,52を閉じるた
めの当接部材を取り付けてもよい。膜状の形状記憶合金
によって弁体11,33を構成したが、弁体を別に設
け、その弁体を形状記憶合金によって駆動するようにし
てもよい。形状記憶合金を加熱するためのヒータ、又は
冷却するための冷却器を別に設けることもできる。
【0050】上述の実施例においては、弁体33の両面
を同一の圧力とするために連通穴55,65を設けた
が、連通穴55,65を設けることなく、弁体33自体
に連通用の穴を設けてもよい。弁体33の両面の室を連
通させることなく、適当な圧力調整手段によって同一又
は同一に近い圧力としてもよい。また、圧力が極めて低
い場合、又は弁体33の回復力を充分に大きくとれる場
合には、弁体33の両面に圧力差が発生していてもよ
い。
【0051】上述の実施例においては、弁体11,33
の変形により弁穴15,52を閉じたが、その逆に、弁
体の変形により弁穴を開き、回復により弁穴を閉じるよ
うにしてもよい。弁体11,33の両面に弁穴を設け、
いずれかの弁穴を交互に開閉するようにしてもよい。弁
体11,33によって複数の弁穴を開閉することも可能
である。
【0052】上述の実施例においては、弁体11,33
の形状を円形としたが、四角形などの多角形、長方形、
楕円形など、種々の形状とすることができる。膜状体T
Fの形状は、弁体11,33の形状に合わせて種々変更
することができる。形状記憶合金の種類、形状、寸法、
材料などは、上述した以外に種々変更することができ
る。弁1,2の構造、種類、方式などは、上述した以外
に種々変更することができる。
【0053】
【発明の効果】本発明によると、簡単な構造及び駆動回
路によって弁体を駆動することができ、弁の小型化を図
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における弁体の駆動原理を説明するため
の弁を模式的に示す断面正面図である。
【図2】球の表面積を求めるための図である。
【図3】変形した膜状体の断面を示す図である。
【図4】面積歪を説明するための図である。
【図5】膜状体の張力の状態を示す図である。
【図6】本発明に係る弁体を用いた弁の断面正面図であ
る。
【図7】図6の弁の左側面図である。
【符号の説明】
1,2 弁 11 弁体 15 弁穴 17 圧縮バネ(弾性部材) 19a,19b 電極 33 弁体 34,35 端子(電極) 51 弁室(弁室の他方の側) 52 弁穴 55,65 連通穴(連通路) 61 弁室穴(弁室の一方の側) 64 圧縮バネ(弾性部材)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−103088(JP,A) 特開 昭58−187670(JP,A) 実開 昭61−162681(JP,U) 実開 昭63−51981(JP,U) 実開 平3−44285(JP,U) 実開 平3−12074(JP,U) 実開 平1−89685(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16K 31/70

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】形状記憶合金からなる膜状体によって弁体
    を構成し、 前記弁体それ自体に電流を流すことにより発生するジュ
    ール熱によって当該弁体を加熱し、 前記弁体が開いたときに流れる流体によって当該弁体を
    冷却し、 前記弁体の加熱及び冷却によって当該弁体を変形し又は
    回復させて当該弁体を駆動することを特徴とする弁体の
    駆動方法。
  2. 【請求項2】形状記憶合金からなる膜状の弁体と、 前記弁体の変形によって開閉される弁穴と、 前記弁体を変形させて弁穴を閉状態又は開状態にするた
    めの弾性部材と、 前記弾性部材による変形を回復させて前記弁穴を開状態
    又は閉状態とするよう、前記弁体を加熱するための電流
    前記弁体それ自体に流すための電極とを有し 前記弁穴が開いたときに流れる流体によって前記弁体が
    冷却されるように構成されて なることを特徴とする弁。
  3. 【請求項3】断面が円形の弁室内に張られた膜状の形状
    記憶合金からなる弁体と、 前記弁体によって仕切られた弁室の一方の側に設けら
    れ、前記弁体を変形させるための弾性部材と、 前記弁体によって仕切られた弁室の他方の側に設けら
    れ、前記弾性部材による前記弁体の変形によって閉じら
    れる弁穴と、 前記弾性部材による変形を回復させて前記弁穴を開ける
    よう、前記弁体にジュール熱を発生させる電流を前記弁
    体それ自体に流すための電極と、 前記弁室の一方の側と他方の側とを連通するための連通
    路とを有し 前記弁穴が開いたときに流れる流体によって前記弁体が
    冷却されるように構成されて なることを特徴とする弁。
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