JP3900112B2

JP3900112B2 - 圧電弁

Info

Publication number: JP3900112B2
Application number: JP2003148330A
Authority: JP
Inventors: 真司宮添; 誠石川
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JP3496020B2; DE69841617D1; KR20000071173A; WO1999031420A1; JP2003329156A; EP0961062A4; EP1510741A3; CN1247593A; CN1129727C; EP1510741B1; US6267146B1; EP1510741A2; EP0961062B1; US6189858B1; DE69841980D1; TW392048B; KR100352781B1; EP0961062A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の撓曲作用下にダイヤフラムを変位させ、流体の出入を制御し、また、流体の流量を制御する圧電弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、流体の出入あるいはその流量を制御するために使用される圧電弁が、例えば、特許文献１に開示されている。この圧電弁１は、図６に示すように、圧電素子２が設けられたダイヤフラム３を出力ポート４のバルブシート５に接近離間可能に構成される。この場合、入力ポート７から圧力室６に導入される圧縮空気の圧力をＰとすると、出力ポート４にかかる力Ｆｐは、
Ｆｐ＝π／４×Ｄ²×Ｐ（Ｄ：出力ポート４の開口部の直径）
である。一方、ダイヤフラム３を変位量ｘ₁だけ変位させて出力ポート４を閉塞させたときの該ダイヤフラム３の復元力Ｆｓは、
Ｆｓ＝ｋ₁×ｘ₁ （ｋ₁：ばね定数）
である。そして、この圧電弁１では、Ｆｐ＝Ｆｓとなるように圧縮空気の圧力Ｐを設定することで閉塞状態を維持するようにしている。
【０００３】
一方、出力ポート４を開口する際には、圧電素子２に駆動電力を印加することにより圧電素子２の撓曲量を変化させ、ダイヤフラム３をバルブシート５から離間させる。この結果、圧縮空気が圧力室６から出力ポート４に導出される。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５６２８４１１号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、圧縮空気の圧力Ｐが変動すると、図７に示すように、ダイヤフラム３にかかる力Ｆｐが変動し、復元力Ｆｓが力Ｆｐより大きくなると、ダイヤフラム３とバルブシート５とが離間して出力ポート４から圧縮空気が導出される懸念がある。
【０００６】
本発明は前記の課題を解決すべくなされたものであって、供給される流体の圧力変動によって圧力室から流体が導出される懸念のない圧電弁を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、入力ポート（２５０）より流体が供給されるダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）に配設され、弁体を構成する一組のダイヤフラム（２２２、２２４）と、
前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）にそれぞれ設けられ、該ダイヤフラム（２２２、２２４）を変位させる圧電素子（２２６ａ〜２２６ｄ）と、
前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を形成するハウジング（２０２）内に開口する一組の出力ポート（２４４、２４６）に設けられ、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）がそれぞれ当接可能な一組の弁座（２３６、２３８）と、
を備え、
前記一組の弁座（２３６、２３８）は互いに対向して配設され、前記一組の弁座（２３６、２３８）の間には前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）が互いに平行に配設され、
前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）と前記ハウジング（２０２）との間には該ダイヤフラム（２２２、２２４）により２分される前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を連通する間隙（２２５）が形成され、前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）に導入される流体は、前記間隙（２２５）を介して流通自在に設けられ、
前記ハウジング（２０２）には、前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を囲繞するガスケット（２１６）が設けられ、前記ガスケット（２１６）には、円盤状からなる前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）を互いに平行に所定間隔離間して支持し、且つ周方向に沿った４点でそれぞれ支持する挟持部（２２０）が設けられ、
前記圧電素子（２２６ａ〜２２６ｄ）に駆動電力が印加されない状態において、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）が弾性エネルギを蓄積することなく前記一組の弁座（２３６、２３８）にそれぞれ当接し、前記一組の出力ポート（２４４、２４６）を閉塞状態とするように構成されるとともに、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）を選択的に、または同時に変位させることにより前記一組の出力ポート（２４４、２４６）に対して選択的に、または同時に前記流体を導出することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、１つの圧電弁によって複数の出力ポートに導出される圧縮空気の流量を制御することができ、圧電弁を複数用意する必要がなく、この圧電弁が使用される機器の構成を簡単にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電弁について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る圧電弁２００について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１５】
この圧電弁２００を構成するハウジング２０２は、互いに対応して固着された第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６と、第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６の下部に固着されるポートブロック２０８とを備える。
【００１６】
第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６にはそれぞれ凹部２１０、２１２が画成され、凹部２１０と２１２により互いに連通するダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂが形成される。第１弁ボデイ２０４と第２弁ボデイ２０６との間には、図２に示すように、ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂを囲繞してガスケット２１６が設けられ、該ガスケット２１６は第１弁ボデイ２０４と第２弁ボデイ２０６との間から圧力流体が漏洩することを防止する。ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂを構成する壁部には複数の支持部２１８が９０°ずつ偏位してダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂの中央に向かって突出形成され、ガスケット２１６には前記ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂに臨むように挟持部２２０が形成される（図１参照）。
【００１７】
支持部２１８には第１弁ボデイ２０４側に第１ダイヤフラム２２２が、第２弁ボデイ２０６側に第２ダイヤフラム２２４が設けられ、第１ダイヤフラム２２２と第２ダイヤフラム２２４とは挟持部２２０によって互いに所定間隔離間して支持される。第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４は弾性を有するステンレスを含む金属製材料により形成され、その縁部とダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂを構成する壁部との間には間隙２２５が形成される。第１ダイヤフラム２２２、第２ダイヤフラム２２４の両面には平面略円形の圧電素子２２６ａ〜２２６ｄが固着される。圧電素子２２６ａ、２２６ｂの一方の面が固着された第１ダイヤフラム２２２には電線２２８ａが接続され、圧電素子２２６ａ、２２６ｂの他方の面には電線２２８ｂが接続され、それぞれの電線２２８ａ、２２８ｂはコネクタ２３０を介して図示しない制御装置に接続される。また、圧電素子２２６ｃ、２２６ｄの一方の面が固着された第２ダイヤフラム２２４には電線２２８ｃが接続され、圧電素子２２６ｃ、２２６ｄの他方の面には電線２２８ｄが接続され、それぞれの電線２２８ｃ、２２８ｄはコネクタ２３２を介して制御装置（図示せず）に接続される。このため、制御装置から入力される駆動信号は圧電素子２２６ａ〜２２６ｄの一方の面と他方の面とに印加される。この場合、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４及び圧電素子２２６ａ〜２２６ｄは、図３に示すように、１つのコネクタ２３３に接続されてもよい。
【００１８】
凹部２１０、２１２を構成する底部には第１ダイヤフラム２２２、第２ダイヤフラム２２４の圧電素子２２６ａ、２２６ｄが当接可能な環状の第１弁座２３６、第２弁座２３８が形成され、第１弁座２３６、第２弁座２３８の中央には通路２４０、２４２が形成される。通路２４０、２４２はそれぞれポートブロック２０８に形成された第１出力ポート２４４、第２出力ポート２４６に連通する。
【００１９】
ポートブロック２０８には入力ポート２５０が形成され、入力ポート２５０内の通路はポートブロック２０８内で分岐し（図示せず）、第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６に画成されダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂに連通する通路２５４、２５６に連通する（図４参照）。また、第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６にはダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂに連通する通路２５３、２５５が画成され、ポートブロック２０８が１８０°回動した状態で第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６に取り付けられたときに、通路２５３、２５５は入力ポート２５０に連通する。ポートブロック２０８には第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６に取り付けられる板状部２５１が形成される。該板状部２５１の短尺な短縁部には、図５に示すように、第１弁ボデイ２０４、第２弁ボデイ２０６から傾斜して突出するように取付部２５２ａ、２５２ｂが形成され、取付部２５２ａ、２５２ｂにはねじ２５７ａ、２５７ｂが挿通する孔部２５８ａ、２５８ｂが画成される。
【００２０】
この圧電弁２００は長尺なベースプレート２６０に取り付けられ、ねじ２５７ａ、２５７ｂがねじ孔２６２ａ、２６２ｂに締結されることにより圧電弁２００がベースプレート２６０に固定される。ベースプレート２６０にはその長手方向に沿って圧力流体、好ましくは圧縮空気用の供給通路２６４が画成され、該供給通路２６４は図示しない圧縮空気供給源に連通する。供給通路２６４にはベースプレート２６０の上面に開口する供給孔２６６が連通し、供給孔２６６には圧電弁２００の入力ポート２５０が装着される。また、ベースプレート２６０の上面には第１出力ポート２４４が装着される第１出力孔２７０と、第２出力ポート２４６が装着される第２出力孔２７２とが画成され、第１出力孔２７０、第２出力孔２７２は屈曲形成されてベースプレート２６０の側方に開口する。
【００２１】
ベースプレート２６０には複数の圧電弁２００が取り付けられるように、供給孔２６６、第１、第２出力孔２７０、２７２が複数画成される。
【００２２】
本実施の形態に係る圧電弁２００は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
【００２３】
圧電素子２２６ａ〜２２６ｄにコネクタ２３０、２３２を介して制御装置（図示せず）から駆動信号が印加されていないとき、圧電素子２２６ａ〜２２６ｄの変形はない。また、ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂ内の圧力が通路２４０、２４２内の圧力と同じであるか、あるいはそれよりも高い限り、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４に弾性エネルギが蓄積されることがなく、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４は平坦な状態を保持する。このとき、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４に固着された圧電素子２２６ａ、２２６ｄはそれぞれ第１、第２弁座２３６、２３８に当接し、通路２４０、２４２を閉塞している。
【００２４】
図示しない圧縮空気供給源が付勢され、ベースプレート２６０の供給通路２６４に圧縮空気が供給されると、圧縮空気は入力ポート２５０を介してダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂに導入される。このとき、ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂ内の圧力は圧縮空気により通路２４０、２４２内より高くなるため、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４には圧縮空気の圧力が第１、第２弁座２３６、２３８に向かう方向、すなわち、第１ダイヤフラム２２２には矢印Ａ₁方向に、第２ダイヤフラム２２４には矢印Ａ₂方向にかかる。
【００２５】
一方、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４は弾性を有しているが、この第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４はそれぞれ第１、第２弁座２３６、２３８によって支持されているため、圧縮空気の圧力によって変形することがなく、平坦な状態に保持され、弾性エネルギの蓄積がない。
【００２６】
このため、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４に矢印Ａ₁、Ａ₂方向にかかる力Ｆｐ及びその反対方向である矢印Ｂ₁、Ｂ₂方向にかかる復元力Ｆｓの大きさは、それぞれの第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４において、
Ｆｐ＝π／４×Ｄ²×Ｐ
Ｆｓ＝０
であり、図８に示すように、圧縮空気の圧力Ｐが変動したとしても、力Ｆｐの大きさは常に復元力Ｆｓより大きいため、ダイヤフラム室２１４ａ、２１４ｂ内の圧力が通路２４０、２４２内の圧力と同じであるか、それよりも高い限り、第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４は第１、第２弁座２３６、２３８に当接した状態を維持することができ、通路２４０、２４２が閉蓋される。
【００２７】
第１ダイヤフラム２２２の圧電素子２２６ａ、２２６ｂに制御装置（図示せず）から駆動信号が印加されると、圧電素子２２６ａ、２２６ｂが撓曲して第１ダイヤフラム２２２を矢印Ｂ₁方向に変位させる力が発生する。この力が圧縮空気により第１ダイヤフラム２２２にかかる力Ｆｐと通路２４０内の圧力により第１ダイヤフラム２２２にかかる力との差より大きくなると第１ダイヤフラム２２２が第１弁座２３６から離間し、ダイヤフラム室２１４ａと通路２４０とが連通する。従って、圧縮空気が通路２４０から第１出力ポート２４４を介して第１出力孔２７０に導出される。
【００２８】
また、第２ダイヤフラム２２４の圧電素子２２６ｃ、２２６ｄに駆動信号が印加されると、前述と同様にして、第２ダイヤフラム２２４を矢印Ｂ₂方向に変位させる力が発生し、圧縮空気が通路２４２から第２出力孔２７２に導出される。
【００２９】
さらに、第１ダイヤフラム２２２の圧電素子２２６ａ、２２６ｂと第２ダイヤフラム２２４の圧電素子２２６ｃ、２２６ｄの両方に駆動信号を印加して第１、第２ダイヤフラム２２２、２２４を矢印Ｂ₁、Ｂ₂方向に変位させ、圧縮空気を第１、第２出力孔２７０、２７２の両方に同時に導出することもできる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態に係る圧電弁２００によれば、１つの圧電弁２００によって圧縮空気を第１出力ポート２４４と第２出力ポート２４６のいずれか一方または両方に導出することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３２】
すなわち、一組のダイヤフラムを設け、それぞれのダイヤフラムを選択的に変位させることにより、１つの圧電弁によって一組の出力ポートに導出される圧縮空気の流量を制御することができ、圧電弁を複数用意する必要がなく、この圧電弁が使用される機器の構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電弁の縦断面図である。
【図２】図１の圧電弁の一方の弁ボデイを取り外した状態を示す正面図である。
【図３】図１の圧電弁において、１つのコネクタを設けた場合の一部拡大縦断面図である。
【図４】図１の圧電弁を示す一部分解斜視図である。
【図５】図１の圧電弁とこの圧電弁が取り付けられるベースプレートの斜視図である。
【図６】従来技術に係る圧電弁の概略縦断面図である。
【図７】従来技術に係る圧電弁における圧力流体の圧力によりダイヤフラムにかかる力とダイヤフラムの復元力との関係を示す説明図である。
【図８】図１の圧電弁における圧力流体の圧力によりダイヤフラムにかかる力とダイヤフラムの復元力との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２００…圧電弁２０２…ハウジング
２１４ａ、２１４ｂ…ダイヤフラム室２２２、２２４…ダイヤフラム
２２５…間隙２２６ａ〜２２６ｄ…圧電素子
２３６、２３８…弁座２４４、２４６…出力ポート
２５０…入力ポート

Claims

入力ポート（２５０）より流体が供給されるダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）に配設され、弁体を構成する一組のダイヤフラム（２２２、２２４）と、
前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）にそれぞれ設けられ、該ダイヤフラム（２２２、２２４）を変位させる圧電素子（２２６ａ〜２２６ｄ）と、
前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を形成するハウジング（２０２）内に開口する一組の出力ポート（２４４、２４６）に設けられ、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）がそれぞれ当接可能な一組の弁座（２３６、２３８）と、
を備え、
前記一組の弁座（２３６、２３８）は互いに対向して配設され、前記一組の弁座（２３６、２３８）の間には前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）が互いに平行に配設され、
前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）と前記ハウジング（２０２）との間には該ダイヤフラム（２２２、２２４）により２分される前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を連通する間隙（２２５）が形成され、前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）に導入される流体は、前記間隙（２２５）を介して流通自在に設けられ、
前記ハウジング（２０２）には、前記ダイヤフラム室（２１４ａ、２１４ｂ）を囲繞するガスケット（２１６）が設けられ、前記ガスケット（２１６）には、円盤状からなる前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）を互いに平行に所定間隔離間して支持し、且つ周方向に沿った４点でそれぞれ支持する挟持部（２２０）が設けられ、
前記圧電素子（２２６ａ〜２２６ｄ）に駆動電力が印加されない状態において、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）が弾性エネルギを蓄積することなく前記一組の弁座（２３６、２３８）にそれぞれ当接し、前記一組の出力ポート（２４４、２４６）を閉塞状態とするように構成されるとともに、前記一組のダイヤフラム（２２２、２２４）を選択的に、または同時に変位させることにより前記一組の出力ポート（２４４、２４６）に対して選択的に、または同時に前記流体を導出することを特徴とする圧電弁（２００）。