JP6084402B2

JP6084402B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP6084402B2
Application number: JP2012189980A
Authority: JP
Inventors: 井上　崇行; 崇行井上
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP2014047821A

Description

本発明は、気体あるいは液体等の流体の流量制御に用いられる流量制御弁の構造に関するものである。

流量制御弁の一種として、圧電アクチュエータ部と、加圧部と可動部からなるダイヤフラム構造体と、流体が流れる流路と流路開口部を備えた台座から構成される機器が知られている。

流量の制御方法としては、台座に形成された流路の一部分が開口した流路開口部に対峙させてダイヤフラム構造体を設けて、加圧部に圧電アクチュエータ部から駆動力を加えて、流路開口部とダイヤフラムとの間隔を調整し、流量を制御している。

ここで、圧電アクチュエータ部に用いられる圧電素子は、耐湿性を高めるために金属ケース部材に収容されて窒素ガス等が封入されているものもある。

従来の流量制御弁の第１の例の構造について図を参照して説明する。図４は従来の流量制御弁の第１の例の断面図である。従来の流量制御弁の第１の例では、圧電素子１が封入された金属ケース封入型圧電アクチュエータ７が筒状金属ケース８に収容されている。流路１５と、表面に流路の一部が開口してなる流路開口部２５とを備えた台座５に、筒状金属ケース８がダイヤフラム３を介して立設されている。

金属ケース封入型圧電アクチュエータ７は、連結球４を介してダイヤフラム３の加圧部３ａ接続されている。ダイヤフラム３は、ステンレス等の金属薄板の中央部に加圧部３ａが凸設され、周縁部に固定部３ｃが環状に凸設されている。加圧部３ａと固定部３ｃの間の環状部分は、開口しており底部が可動部３ｂとなっている。

ダイヤフラム３は、加圧部３ａと可動部３ｂからなるダイヤフラム構造体が流路開口部２５と対峙するように台座５に配置され、固定部３ｃが流路開口部２５の周縁部に固定されている。

従来の流量制御弁の第１の例の動作について説明する。圧電素子１に電圧が印加されていない時には、流路開口部２５と加圧部３ａとの間隙が最大となり、流量も最大となる。圧電素子１に電圧が印加され、圧電素子１が伸長すると、連結球４を介して、加圧部３ａに駆動力が加わる。可動部３ｂがバネ性を有しているので、加圧部３ａは流路開口部２５に対して垂直に押し込まれ、流路開口部２５と加圧部３ａとの間隙が狭くなり流量を減らすことができる。

次に、従来の流量制御弁の第２の例の構造について図を参照して説明する。図５は、従来の流量制御弁の第２の例の断面図である。従来の流量制御弁の第２の例は、特許文献１に記載されている。一端が金属蓋部材１２で固定された金属パイプ２に圧電素子１が収容され、圧電素子１の一端は金属蓋部材１２に固定され、圧電素子１の他端は第１のダイヤフラム２２と固定され、第１のダイヤフラム２２の周縁部は金属パイプ２に固定されている。

台座５には、流路１５及び流路開口部２５、と第２のダイヤフラム３２が設けられ、ダイヤフラム３２の加圧部３２ａにはバネ材４２とバネ止め５２を備えている。金属パイプ２は、台座５に立設され、圧電素子１が固定された第１のダイヤフラム２２が、台座５に設けた第２のダイヤフラム３２の加圧部３２ａと連結球４を介して接続されている。

従来の流量制御弁の第２の例の動作について説明する。圧電素子１に電圧が印加されていない時には、流路開口部２５と加圧部３２ａとの間隙が最大となり、流量も最大となる。圧電素子１に電圧が印加され、圧電素子１が伸長すると、連結球４を介して、加圧部３２ａに駆動力が加わる。加圧部３２ａが流路開口部２５に対して垂直に押し込まれ、流路開口部２５と第２のダイヤフラム３２との間隙が狭くなり流量を減らすことができる。

特開２０００−１９７３７４号公報

流量制御弁は、装置に複数個設置されることがあるため、小型軽量化とコストダウンの要求が高まってきている。

従来の流量制御弁の第１の例では、圧電アクチュエータ部の構造は、筒状金属ケースに、金属ケース封入型圧電アクチュエータが収容されており、部品点数が多く、形状も大きく、重量も重いという課題があった。

コストダウンの手段として、各部材の加工時の寸法公差を大きくすることや、高い組み立て精度を求めない構成とすることが考えられる。従来の流量制御弁の第１の例に用いられる部品について、コストダウンを図るために金属ケース封入型圧電アクチュエータの外径寸法と、筒状金属ケースの内径寸法の寸法公差を大きくした場合には、金属ケース封入型圧電アクチュエータの外径が筒状金属ケースの内径に対して小さめであった際には、組み立て時に筒状金属ケースの内径に対して金属ケース封入型圧電アクチュエータが片寄って固定されてしまう場合があった。

この場合には、筒状金属ケースに固定されているダイヤフラムの内径に対しても金属ケース封入型圧電アクチュエータは片寄っているので、電圧が印加されて圧電素子が伸長すると、連結球から、ダイヤフラムの加圧部に斜め方向から駆動力が加わってしまう。可動部に均一に力が加わらなくなるので加圧部が流路開口部に対して傾いて押し込まれてしまい、加圧部と流路開口部との間隙を流れる流量を正確に制御できなくなってしまう。特に流路を閉じて流量を０としたい場合にも、加圧部が傾いているために流路を閉じることができずに流量が０とならないという課題があった。

したがって、従来の流量制御弁の第１の例では、コストダウンの手段として、各部材の加工時の寸法公差を大きくした場合には、流量が正確に制御できなくなる場合があるという課題があった。

従来の流量制御弁の第２の例では、圧電アクチュエータ部の構造は、筒状金属ケースに金属ケース封入型圧電アクチュエータを収容するのではなく、金属パイプに圧電素子を収容し、一端を蓋部材で固定し、他端に第１のダイヤフラムを固定することによって、部品点数を減らし、小型軽量化を図っている。

ところが、圧電アクチュエータ部を接続する台座において、流路開口部に配置された第２のダイヤフラムの加圧部に、バネとバネ止めからなる付勢手段を備えることで第１の例に比べて部品点数が増えている。

第２の例のような構造をとることにより、各部材の加工時の寸法公差を大きくしたり、組み立て精度を緩和したりして、圧電素子が金属パイプの内径に対して片寄って固定されてしまい第２のダイヤフラムの加圧部に斜め方向から応力が加わったとしても、付勢手段により第２のダイヤフラムの加圧部を流路開口部に対して垂直に押し込むことができ、流量を正確に制御することができる。

しかし、付勢手段を備えているため、流量を０としたい場合には、バネを押し込むためには大きな力が必要となり、制御が難しくなるという課題があった。また、構造が複雑となり形状も大きく、重量も重いという課題があった。

また、台座において流路開口部と接している第２のダイヤフラムが破損した場合には、第２のダイヤフラムだけでなく、付勢手段や連結球も破損するおそれもあり、メンテナンスが容易ではないという課題があった。

本発明の課題は、流量制御弁に対する小型軽量化とコストダウンの要求と満たすために、上述した従来の流量制御弁の課題を克服するべく、流量制御弁の構造を検討し、コストダウンの手段として各部材の加工時の寸法公差を大きくしたり、組み立て精度を緩和することにより圧電素子の位置が片寄って固定されたとしても正確に制御できる安価でメンテナンスの容易な小型軽量流量制御弁を提供することである。

本発明によれば、加圧部および可動部を各々有する第１及び第２のダイヤフラム構造体と圧電素子を備え、前記第１のダイヤフラム構造体に前記第２のダイヤフラム構造体を重着し、一端が固定された前記圧電素子を、連結球を介して前記第１のダイヤフラム構造体の加圧部に接続し、前記第１及び第２のダイヤフラム構造体の加圧部を前記圧電素子の駆動力によって駆動させて流量を制御し、前記第１及び第２のダイヤフラム構造体の各々における前記可動部が固定される固定部と前記加圧部との間に前記可動部と平行に設けた架設部によって前記加圧部の駆動方向に対する垂直方向への傾きを規制することを特徴とする流量制御弁が得られる。

本発明の流量制御弁の圧電アクチュエータ部については、
圧電素子を封入する金属ケースについて部品を共通化しコストダウンが図られ、金属ケースの外径寸法が小さくなるので小型軽量化を図ることができる。

各部材のコストダウンのために、加工時の寸法公差を大きくしたり、組み立て精度を緩和して、圧電素子が金属パイプの内径に対して片寄って固定された場合に、圧電素子からダイヤフラムの加圧部に斜め方向から応力が加わったとしても、固定部と加圧部との間に、可動部と平行に架設部を設けることによって、可動部を駆動する力に対する垂直方向の動きが規制されるので、加圧部は圧電素子の駆動方向と同一方向に流路開口部に対して垂直に押し込まれることとなり流量を精度良く制御できる。

付勢手段を用いずに、固定部と加圧部との間に、可動部と平行に架設部を設けるか、ダイヤフラム構造体が重着された簡単な構造なので、流量を０とする場合に、圧電素子から加圧部へ大きな応力を加える必要がなく制御が容易であり、正確に流量を０とすることができる。

付勢手段を用いていない簡単な構造なので、台座は小型軽量で、製造が容易となりコストダウンを図ることができる。ダイヤフラムが破損した場合にも部品点数が少ないためメンテナンスが容易である。

金属パイプに収容された圧電素子と加圧部の間に連結球を配置することにより、応力が緩和されるとともに、ダイヤフラム構造体を重着した構造が実現できる。

したがって本発明によれば、コストダウンのために各部材の加工時の寸法公差を大きくしたり、組み立て精度を緩和することにより、圧電素子の位置が片寄って固定されたとしても精度良く流量が制御でき、安価で小型軽量で、メンテナンスが容易な流量制御弁を提供できる。

本発明による流量制御弁の断面図。本発明による流量制御弁のダイヤフラム部分の断面図。本発明による流量制御弁において圧電素子が片寄って固定された場合のダイヤフラム部分の断面図。従来の流量制御弁の第１の例の断面図。従来の流量制御弁の第２の例の断面図。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による流量制御弁の断面図である。本発明の流量制御弁は、圧電アクチュエータ部が台座５に立設された構造である。

図１を用いて本発明による流量制御弁の圧電アクチュエータ部の構造について説明する。圧電素子１が金属パイプ２に収容され、金属パイプ２の一端は、金属蓋部材１２にて固定されている。金属パイプ２の他端には、第１のダイヤフラム１３が嵌着され、第１のダイヤフラム１３には第２のダイヤフラム２３が重着されている。金属パイプ２の内部は窒素が封入されて気密性が保たれている。

第１のダイヤフラム１３及び第２のダイヤフラム２３は、それぞれステンレス等の金属薄板の中央部に加圧部１３ａ、２３ａが凸設され、周縁部に固定部１３ｃ、２３ｃが環状に凸設されている。第１のダイヤフラム１３では、加圧部１３ａと固定部１３ｃの間の環状部分は、開口しており底部が可動部１３ｂとなっている。第２のダイヤフラムでは、加圧部２３ａと固定部２３ｃの間の環状部分は、開口しており底部が可動部２３ｂとなっている。

加圧部１３ａには、連結球４を介して圧電素子１と接続するためのＶ字溝を備えている。固定部１３ｃには、金属パイプ２が嵌着される嵌着部１３ｄを備えている。

第１のダイヤフラム１３と第２のダイヤフラム２３は、加圧部１３ａ、２３ａが重着され、固定部１３ｃ、２３ｃが重着されている。

金属パイプ２の内部において、圧電素子１の一端は、金属蓋部材１２に固定され、他端には金属板１１が接着され、連結球４を介して、加圧部１３ａと接続されている。加圧部１３ａにはＶ字溝が設けられているため、連結球４を安定して固定することができる。連結球４は、組み立て時の応力を緩和するために設けられている。

圧電素子１には、リード線３１が接続され端子２１と接続される。端子２１は、金属蓋部材１２を貫通して、流量制御回路と接続される。ここで金属蓋部材１２には貫通孔が設けられて端子２１が貫通している。貫通孔内部には封止材４１が充填され、気密を保つとともに、端子２１と金属蓋部材１２とを絶縁している。

台座５は、流路１５と、表面に前記流路の一部が開口してなる流路開口部２５とを備えている。

本発明による流量制御弁は、連結球４を介して加圧部１３ａと接続された圧電素子１が封入された金属パイプ２が、嵌着部１３ｄに嵌着され、加圧部２３ａと可動部２３ｂを台座５の流路開口部２５に対峙させて、固定部２３ｃを流路開口部２５の周縁部に固定した構造である。

次に、図２を用いて本発明の流量制御弁の動作について説明する。図２は、従来の流量制御弁のダイヤフラム部の段面図である。

流量は、台座５に形成された流路開口部２５と加圧部２３ａとの間隙によって形成される流路の間隔を調整することによって制御される。図２では、加圧部３ａが押し込まれた形態を示している。

圧電素子１に電圧が印加されていない時には、流路開口部２５と加圧部２３ａとの間隙が最大となり、流量も最大となる。圧電素子１に電圧を印加され圧電素子１が伸長すると、金属板１１から連結球４を介して、加圧部１３ａに応力が加わり、重着された加圧部２３ａにも応力が加わる。可動部１３ｂ、２３ｂはバネ性を有しているので、加圧部１３ａ、２３ａは、流路開口部２５に対して垂直に押し込まれて、加圧部２３ａと流路開口部２５との間隙が狭くなり流量を減らすことができる。

ここで、重着された加圧部１３ａ、２３ａに圧電素子１から応力が加わり、流路開口部２５に対して垂直に押し込まれた可動部１３ｂ、２３ｂは図２の断面図に示したように平行になっている。

以上、第１のダイヤフラム１３と第２のダイヤフラム２３が重着された形態について説明したが、加圧部と固定部との間に可動部と平行に架設部を設けていればよく、ダイヤフラム構造体が重着された構造に限らない。架設部としては、可動部のように固定部の周囲を囲むリング形状に限らず、固定部と加圧部の間に金属製の帯状板を架設した形態でよい。帯状板は、複数がバランスよく配置されることが望ましい。例えば４本の帯状板を十字状に配置することによりバランス良く圧電素子の駆動力を加圧部に伝達することができる。

次に、図３は、本発明の流量制御弁において圧電素子が片寄って固定された場合のダイヤフラム部分の断面図である。

図３は、金属パイプの内径に対して片寄って圧電素子１が固定された例である。本発明の流量制御弁においてコストダウンのために、組み立て精度を緩和して、圧電素子１を金属蓋部材１２の中心から片寄って固定された場合等が考えられる。

この場合には、連結球４が圧電素子１の中心ではなく片側に配置されている。電圧が印加され圧電素子１が伸長した場合に、連結球４から、加圧部１３ａに圧電素子１の中心ではなく片側から駆動力が加わる。

加圧部１３ａに圧電素子１の中心ではなく片側から駆動力が加わった場合には、第１のダイヤフラム１３と第２のダイヤフラム２３は、それぞれの加圧部１３ａと２３ａおよび、固定部１３ｃと２３ｃが重着されているので、可動部１３ｂ、２３ｂは回転方向の力が抑制され、平行に流路開口部２５側に動くので、加圧部１３ａ、２３ａは、圧電素子１の駆動方向と同一方向に押し込まれ、流路開口部２５と垂直に押し込まれる。

したがって、コストダウンのために組み立て精度を緩和して、金属パイプの内径に対して片寄って圧電素子１が固定された場合にも、加圧部２３ａと流路開口部２５との間隔を正確に調整し、流量を制御することができる。流量を０とする場合にも、押し込むために大きな応力も必要ではなく、容易にかつ正確に流量を０とすることができる。

以上、第１のダイヤフラム１３と第２のダイヤフラム２３が重着された形態で、加圧部に圧電素子の片側から駆動力が加わった場合について説明したが、加圧部と固定部との間に可動部と平行に架設部を備えてれば、同様の効果が得られる。固定部と加圧部の間に金属製の帯状板が複数個バランスよく架設されていればよく、例えば４本の帯状板を十字状に配置されていれば、加圧部は圧電素子の駆動方向と同一に流路開口部に垂直に押し込まれるので、流量を正確に制御することができる。

１圧電素子
２金属パイプ
３ダイヤフラム
４連結球
５台座
７金属ケース封入型圧電アクチュエータ
８筒状金属ケース
１１金属板
１２金属蓋部材
１３２２第１のダイヤフラム
１５流路
２１端子
２３３２第２のダイヤフラム
２５流路開口部
３１リード線
４１封止材
４２バネ材
５２バネ止め
３ａ、１３ａ、２３ａ３２ａ加圧部
３ｂ、１３ｂ、２３ｂ可動部
３ｃ、１３ｃ、２３ｃ固定部
１３ｄ嵌着部

Claims

加圧部および可動部を各々有する第１及び第２のダイヤフラム構造体と圧電素子を備え、前記第１のダイヤフラム構造体に前記第２のダイヤフラム構造体を重着し、一端が固定された前記圧電素子を、連結球を介して前記第１のダイヤフラム構造体の加圧部に接続し、前記第１及び第２のダイヤフラム構造体の加圧部を前記圧電素子の駆動力によって駆動させて流量を制御し、前記第１及び第２のダイヤフラム構造体の各々における前記可動部が固定される固定部と前記加圧部との間に前記可動部と平行に設けた架設部によって前記加圧部の駆動方向に対する垂直方向への傾きを規制することを特徴とする流量制御弁。