JP6167270B2 - 変位拡大装置および流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータの変位拡大装置および流量制御弁に関する。

圧電アクチュエータは、圧電素子に電圧を印加することにより、機械的変位を発生させて駆動力を得るデバイスである。この圧電アクチュエータは、例えばマスフローコントローラの流量制御弁の駆動源として利用されている。

気体や液体等の流体の流量制御に用いられる流量制御弁は、耐湿度性等の信頼性を要求される環境で使用されることが多い。このため、圧電素子を伸縮性のある金属ケースに封入し、耐湿度性向上と外部応力から保護することで、長寿命化、高性能化を実現した圧電アクチュエータが利用されている。このような流量制御弁の構成は、例えば特許文献１に開示されている。

広い流量範囲を制御するためには、圧電アクチュエータは大きな変位量が必要となる。大きな変位量を得るためには、圧電アクチュエータの積層方向である長さ寸法を大きくする必要がある。このため、圧電アクチュエータが組み込まれた流量制御弁、さらには流量制御弁を用いたマスフローコントローラ等の設備が大きくなる問題があり、圧電アクチュエータには、大きな変位量と小型化が望まれている。

圧電アクチュエータの長さ寸法を小さくし、大きな変位量を得る方法として、例えば特許文献２が提案されている。図５は、従来の変位拡大機構を用いたアクチュエータの斜視図である。特許文献２に開示されている従来の変位拡大機構を用いたアクチュエータは、２つの電歪素子１０１、１０２を並列に配置し、一方の電歪素子１０２の変位をカップリング機構１０４を介して他方の電歪素子１０１に伝達し、変位を足し合わせて出力している。テコ利用の変位拡大機構において、固定端部材１０３をテコの支点であるヒンジ部と一体でかつ電歪素子１０１、１０２を囲う箱形に構成させることにより、電歪素子１０１、１０２の発生変位を作用点に伝達させることを可能としている。

特開平１１−２２８４５号公報 特開平１−１９２１８２号公報

特許文献２に記載の構成では、圧電素子（電歪素子）を固定する固定端部材が圧電素子を囲う箱形であるため、更に小型化するのは困難である。また、固定端部材を箱型にして剛性を得るのを目的としているが、剛性を得るためには一定の厚みが必要であり、小型化を阻害する要因となっている。さらに、圧電素子を固定端部材のカップリング機構に接着等で単に連結した構成であるため、圧電素子が変位したときに、圧電素子とカップリング機構の連結部に傾斜や隙間が生じ、圧電素子の変位を無駄なく伝達するのが困難であったり、圧電素子に回転や曲げ方向の応力がかかり信頼性が得られなかったりする課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、小型化を実現し、圧電アクチュエータの変位を拡大し無駄なく伝達する変位拡大装置、およびこの変位拡大装置を備えた流量制御弁を提供することである。

本発明によれば、変位出力部材に第一の連結球を介して連結される変位伝達部材と、固定台座に第二の連結球を介して連結される第一の圧電アクチュエータを備え、前記変位伝達部材と前記第一の圧電アクチュエータの間に並ぶように支柱が配置され、前記支柱の一端は固定台座に固定され、前記支柱の他端には、ヒンジ部を介して、前記支柱の先端から前記支柱の立設方向に直角で互いに反対となる２方向に延びるアームを具備し、前記アームの一方には前記変位伝達部材の一端が、前記アームの他方には前記第一の圧電アクチュエータの一端がそれぞれ第三の連結球を介して連結されていることを特徴とする変位拡大装置が得られる。

また、本発明によれば、前記変位伝達部材が第二の圧電アクチュエータであることを特徴とする上記の変位拡大装置が得られる。

また、本発明によれば、前記変位伝達部材が金属棒であることを特徴とする上記の変位拡大装置が得られる。

また、本発明によれば、前記ヒンジ部は、前記支柱の端部の、前記変位伝達部材および前記第一の圧電アクチュエータに対向する面の少なくとも一方に、溝を形成してなることを特徴とする上記の変位拡大装置が得られる。

また、本発明によれば、前記溝の深さは、前記変位伝達部材側が大であることを特徴とする上記の変位拡大装置が得られる。

また、本発明によれば、前記変位出力部材がダイヤフラム構造体であり、上記変位拡大装置を備え、前記ダイヤフラム構造体の動作により流体流路を開閉することを特徴とする流量制御弁が得られる。

本発明によれば、小型化を実現し、圧電アクチュエータの変位を拡大し無駄なく伝達する変位拡大装置、およびこの変位拡大装置を備えた流量制御弁を提供することが可能となる。

第一の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図。 第一の実施の形態に係る流量制御弁における、圧電アクチュエータが変位した場合の正面図。 第二の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図。 第三の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図。 従来の変位拡大機構を用いたアクチュエータの斜視図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第一の実施の形態）
図１は、第一の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図である。第一の実施の形態の変位拡大装置１００は、変位出力部材であるダイヤフラム構造体１２に第一の連結球６を介して連結する変位伝達部材と、固定台座１１に第二の連結球７を介して連結する第一の圧電アクチュエータ１を備えている。第一の実施の形態では、変位伝達部材として第二の圧電アクチュエータ２を用いた。

第二の圧電アクチュエータ２とダイヤフラム構造体１２の、第一の連結球６と接する部分には、第一の連結球６が内接する凹みがそれぞれ形成されている。同様に、第一の圧電アクチュエータ１と固定台座１１の、第二の連結球７と接する部分には、第二の連結球７が内接する凹みがそれぞれ形成されている。この凹みは、第一の連結球６および第二の連結球７が自由に回転可能な形状であればよく、円錐状、断面が半円やＶ字となる形状が好ましい。

第一の圧電アクチュエータ１と第二の圧電アクチュエータ２は、変位方向すなわち長さ方向に並んで配置されている。第一の圧電アクチュエータ１と第二の圧電アクチュエータ２の間には、支柱３が並ぶように配置され、支柱３の一端は固定台座１１に固定されている。固定台座１１と支柱３は同一部材で一体形成されていてもよい。支柱３の他端には、ヒンジ部４が形成されている。また、ヒンジ部４を介して、支柱３の先端から支柱３の立設方向に直角で互いに反対となる２方向に延びるアーム５が設けられている。アーム５には、第一の圧電アクチュエータ１と第二の圧電アクチュエータ２の一端がそれぞれ第三の連結球８ａ、８ｂを介してそれぞれ連結されている。支柱３およびアーム５は同一部材で一体形成されていてもよく、その材質は、圧電アクチュエータが負の熱膨張を示すため、熱膨張率が低い金属材料が好ましく、例えば鉄ニッケル合金が用いられる。

アーム５は、第一の圧電アクチュエータ１および第二のアクチュエータ２と連結するために、調節ねじ９ａ、９ｂとロックナット１０ａ、１０ｂを具備している。第一の圧電アクチュエータ１および第二の圧電アクチュエータ２の高さ方向の一端は、第三の連結球８ａ、８ｂを介して、アーム５の調節ねじ９ａ、９ｂとそれぞれ接している。第一の圧電アクチュエータ１および第二の圧電アクチュエータ２と調節ねじ９ａ、９ｂの、第三の連結球８ａ、８ｂと接する部分には、第三の連結球８ａ、８ｂが内接する凹みがそれぞれ形成されている。この凹みは、第三の連結球８ａ、８ｂが自由に回転可能な形状であればよく、円錐状、断面が半円やＶ字となる形状が好ましい。第一の圧電アクチュエータ１および第二の圧電アクチュエータ２は、調節ねじ９ａ、９ｂで、固定台座１１およびダイヤフラム構造体１２と位置合わせを行い、ロックナット１０ａ、１０ｂでアーム５に固定されている。

ヒンジ部４は、支柱３の上端部の、第二の圧電アクチュエータ２および第一の圧電アクチュエータ１に対向する面の少なくとも一方に、溝を形成してなり、第一の圧電アクチュエータ１が変位したときの支点として働く。ヒンジ部４は、第一の圧電アクチュエータ１の微少な変位である直線運動を回転運動に変換し、第二の圧電アクチュエータ２に伝達できればよく、その構成は溝に限定されるものではない。本発明のように、支柱３の端部に溝を形成して部分的に剛性を小さくするヒンジ部４は、構成が単純であるため好ましい。

また、ヒンジ部４は、第一の圧電アクチュエータ１の動作により、曲げ応力が繰り返し加わる部分である。そのため、曲げ応力が、支柱３を形成する材料の降伏点を超えないように設計し、さらに長期的な使用も考慮にいれ、十分に信頼性を確保する必要がある。一方で、ヒンジ部４の剛性が大き過ぎる場合、第一の圧電アクチュエータ１の変位によるアーム５の動作を阻害してしまい、変位の伝達にロスが生じるおそれがある。本発明のヒンジ部４において、支柱３に対するヒンジ部４の大きさを最適に設計することにより、信頼性および変位の伝達ロスの抑制を確保している。具体的には、ヒンジ部４の大きさは、支柱３の寸法に対して、長さ（変位方向）が５〜２５％程度、幅が５〜２０％程度とするのが好ましい。また、支柱の奥行き（厚さ方向）にも溝を形成してもよく、その場合支柱の奥行きの４０％以下の大きさとするのが好ましい。

第一の圧電アクチュエータ１および第二の圧電アクチュエータ２は、圧電素子を金属ケースに収納し、金属ケースの内部に乾燥した窒素ガスを封入し密閉した、金属ケース封入型の圧電アクチュエータを用いるのが望ましい。圧電素子は、厚さ１００μｍ程度の圧電セラミックス層と１〜２μｍ程度の内部電極層を交互に１００〜１０００層程度積層した構造となっている。圧電セラミックス層と内部電極層は密着強度が低いため、圧電素子に曲げ応力が加わると、圧電セラミックス層と内部電極層の界面で、剥離やクラックが発生する可能性がある。そのため、第一の圧電アクチュエータ１および第二の圧電アクチュエータ２を固定する場合には、曲げ応力が加わらないような構成とすることが望ましい。

本発明では、上述したように、第一の圧電アクチュエータ１は、第二の連結球７および第三の連結球８ａを介して、固定台座１１およびアーム５の調節ねじ９ａと連結している。この構成により、第一の圧電アクチュエータ１を、固定台座１１およびアーム５へ連結、固定したときに、第一の圧電アクチュエータ１と固定台座１１の位置精度を厳密に調整しなくても、第一の圧電アクチュエータ１へ曲げ応力が加わることを防止できる。また、第一の圧電アクチュエータ１が変位したときに、第一の圧電アクチュエータ１とアーム５の調節ねじ９ａとの間に隙間が生じることが無く、第一の圧電アクチュエー１タの変位を無駄なくアーム５へ伝達することが可能となる。

また、第二の圧電アクチュエータ２は、第一の連結球６および第三の連結球８ｂを介して、ダイヤフラム構造体１２およびアーム５の調節ねじ９ｂと連結している。この構成により、第二の圧電アクチュエータ２を、ダイヤフラム構造体１２およびアーム５へ連結、固定したときに、第二の圧電アクチュエータ２とダイヤフラム構造体１２の位置精度を厳密に調整しなくても、第二の圧電アクチュエータ２へ曲げ応力が加わることを防止できる。また、第一の圧電アクチュエータ１が変位し、アーム５および第二の圧電アクチュエータ２へ伝達したときに、第二の圧電アクチュエータ２とアーム５の調節ねじ９ｂとの間に隙間が生じることは無く、第一の圧電アクチュエータ１の変位を無駄なくアーム５および第二の圧電アクチュエータ２へ伝達することが可能となる。

図２は、第一の実施の形態に係る流量制御弁における、圧電アクチュエータが変位した場合の正面図である。なお、図２において説明を容易にするため、流体制御弁の部分を断面図としている。

固定台座１１に連結した第一の圧電アクチュエータ１に電圧を印加すると、第一の圧電アクチュエータ１は矢印Ａ方向に変位し、アーム５の第一の圧電アクチュエータ１に連結した側の位置が上がり、アーム５が傾く。それに伴い、アーム５の第二の圧電アクチュエータ２に連結した側の位置が下がり、第二の圧電アクチュエータ２に変位が伝達する。さらに第二の圧電アクチュエータ２に電圧を印加すると、第二の圧電アクチュエータ２は矢印Ｂ方向に変位する。すなわち、第一の圧電アクチュエータ１の変位と第二の圧電アクチュエータ２の変位が重畳されて、ダイヤフラム構造体１２に変位を伝達することが可能となる。

ダイヤフラム構造体１２の外周部の少なくとも一部には、傾き補正機構１３が配置され、ダイヤフラム構造体１２を嵌合している。この構成により、第二の圧電アクチュエータ２に伝達した変位の回転方向のずれを、直線方向に補正することが可能となる。

次にダイヤフラム構造体１２を備えた流量制御弁の挙動について説明する。

第一の実施の形態の流量制御弁は、上述した変位拡大装置１００から変位を伝達され出力するダイヤフラム構造体１２と、傾き補正機構１３、固定台座１１に形成された流路１４および弁体１５から構成される。固定台座１１には、流路１４が形成され、固定台座１１の表面に流路１４の一部分が開口するように弁体１５が備えられている。ダイヤフラム構造体１２は、加圧部１６と固定部１７を有しており、弁体１５に対峙させて配置されている。

ダイヤフラム構造体１２の加圧部１６に変位拡大装置１００からの変位すなわち駆動力を加えることにより、固定部１７を弁体１５に押し付け、流路１４の間隔を調整し、流量の制御が行われる。なお、圧電アクチュエータに電圧が印加されていないときは、固定部１７と弁体１５の間隔が最大となり、流量も最大となる。

（第二の実施の形態）
図３は、第二の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図である。第二の実施の形態では、ヒンジ部において溝を形成する位置が第一の実施の形態と異なり、それ以外の構成は第一の実施の形態と同じであるので、ヒンジ部の構成のみ説明する。

第二の実施の形態の変位拡大装置２００では、ヒンジ部２４において、溝の深さが変位伝達部材である第二の圧電アクチュエータ２側が大きくなるように、溝を形成した。この構成により、第二の圧電アクチュエータ２に伝達する変位が大きくなるように、支点の位置を調整することが可能となる。ヒンジ部２４を支点とし、第一の圧電アクチュエータ１とアーム２５の連結部を力点とし、第二の圧電アクチュエータ２とアーム２５の連結部を作用点とし、支点と力点の距離Ｃと、支点と作用点の距離Ｄの比が１：２〜３とした場合、第一の圧電アクチュエータ１の変位を拡大し、１．５〜２倍の流量制御が可能となる。

（第三の実施の形態）
図４は、第三の実施の形態に係る変位拡大装置を備えた流量制御弁の正面図である。第三の実施の形態において、変位伝達機構として金属棒を用いた以外の構成は第二の実施の形態と同じである。

第三の実施の形態の変位拡大装置３００では、変位伝達機構として金属棒３２を用いた。第二の実施の形態と同様に、ヒンジ部３４の溝の深さを調整し、変位を拡大できる構成の場合においては、変位伝達部材を金属棒３２としても、第一の圧電アクチュエータ１の変位を拡大して出力することが可能である。第一の実施の形態および第二の実施の形態のように、第二のアクチュエータの変位分は重畳されないが、この構成により、圧電アクチュエータの使用数を半減することが出来るため、低コスト化が可能である。

以上説明したように、本発明の変位拡大装置は、従来のように剛性の高い箱型の固定端部材を用いる必要も無いため、小型化が可能である。また、金属ケース封入型の圧電アクチュエータを用いているため、さらに、箱型の固定端部材等により密閉する必要も無く、構造がシンプルで製造が容易となる。

すなわち、本発明によれば、小型化を実現し、圧電アクチュエータの変位を拡大し無駄なく伝達する変位拡大装置、およびこの変位拡大装置を備えた流量制御弁を提供することが可能である。

１ 第一の圧電アクチュエータ
２ 第二の圧電アクチュエータ
３ 支柱
４、２４、３４ ヒンジ部
５、２５ アーム
６ 第一の連結球
７ 第二の連結球
８ａ、８ｂ 第三の連結球
９ａ、９ｂ 調節ねじ
１０ａ、１０ｂ ロックナット
１１、１１１ 固定台座
１２、１１２ ダイヤフラム構造体
１３ 傾き補正機構
１４、１１４ 流路
１５、１１５ 弁体
１６、１１６ 加圧部
１７、１１７ 固定部
３２ 金属棒
１００、２００、３００ 変位拡大装置
１０１、１０２ 電歪素子
１０３ 固定端部材
１０４ カップリング機構

Claims (6)

1. 変位出力部材に第一の連結球を介して連結される変位伝達部材と、固定台座に第二の連結球を介して連結される第一の圧電アクチュエータを備え、前記変位伝達部材と前記第一の圧電アクチュエータの間に並ぶように支柱が配置され、前記支柱の一端は固定台座に固定され、前記支柱の他端には、ヒンジ部を介して、前記支柱の先端から前記支柱の立設方向に直角で互いに反対となる２方向に延びるアームを具備し、前記アームの一方には前記変位伝達部材の一端が、前記アームの他方には前記第一の圧電アクチュエータの一端がそれぞれ第三の連結球を介して連結されていることを特徴とする変位拡大装置。
2. 前記変位伝達部材が第二の圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大装置。
3. 前記変位伝達部材が金属棒であることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大装置。
4. 前記ヒンジ部は、前記支柱の端部の、前記変位伝達部材および前記第一の圧電アクチュエータに対向する面の少なくとも一方に、溝を形成してなることを特徴とする請求項１〜３に記載の変位拡大装置。
5. 前記溝の深さは、前記変位伝達部材側が大であることを特徴とする請求項４に記載の変位拡大装置。
   
6. 前記変位出力部材がダイヤフラム構造体であり、請求項１〜５に記載の変位拡大装置を備え、前記ダイヤフラム構造体の動作により流体流路を開閉することを特徴とする流量制御弁。

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