JP6893710B1 - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に駆動系を制御することができるとともにバルブ装置本体に温度変化があった場合であっても流量特性の変化が小さいバルブ装置を提供する。【解決手段】バルブ装置は、アクチュエータとバルブ機能モジュールとハウジングとを備え、アクチュエータは、基盤となる基部と基部の取付け面に一端部が接続され第１長手方向に延びる圧電素子と取付け面に圧電素子と並んで一端部が取付けられ第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部材と圧電素子および支持部材それぞれにおける他端部と接続され圧電素子の伸縮に伴って第１長手方向および第２長手方向それぞれと異なる方向である変位方向に変位して弁部を駆動する作用部とを備え、ハウジングは、流体が供給される供給口と弁部と弁座との離間によって供給口から供給された流体を排出する排出口とバルブ機能モジュールとハウジングとの空隙を確保してバルブ機能モジュールを保持する保持部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バルブ装置に関する。

従来から、比較的低い電圧で所要の変位を発生させる素子として、圧電素子（ピエゾ素子）が存在する。圧電素子は、圧電効果を備えた物質と薄い電極とを交互に積み重ねた構造を持ち、力を電圧に変換する、または、電圧を力に変換する機能を持った素子である。圧電素子は、電圧の制御によって微妙に伸縮変化させることが可能であるため、インクジェットプリンタのインク射出機構やアクチュエータなどの制御機構等、種々の分野に用いられている。圧電素子は、電圧が印加されると伸縮するが、発生する変位が小さいため、当該伸縮する圧電素子の変位を拡大して対象物に作用させるアクチュエータが用いられる。

例えば、特許文献１には、２つの圧電素子を変位させることにより、変位量を効果的に拡大して出力することができるアクチュエータが開示されている。

また、流体の通過と停止を制御するバルブ装置において圧電素子の変位を利用して弁部を駆動して弁座との接離を制御する技術がある。圧電素子によって駆動された弁部は、弁座と離間されることによって流体を通過させ、または弁座と密接されることによって流体を停止させる。

例えば、特許文献２には、バルブ本体に取り付けられた弁座と圧電素子によって変位される弁部を有する圧電式バルブ装置が開示されている。圧電素子の変位はアクチュエータによって拡大されて弁部を駆動して弁部と弁座とを接離する。

国際公開２０１９／００９０３５号 特開２０１７−１９２１９２号公報

しかしながら、従来のアクチュエータでは、圧電素子を２つ用いるため、それぞれの圧電素子の駆動を制御する必要があり、所望する変位を得るための駆動系の制御が難しいという問題があった。

また、バルブ装置本体は様々な温度環境において設置される可能性があり、バルブ装置本体の温度変化によって変位拡大機能の温度が変化する場合がある。変位拡大機能は圧電素子の小さな変位を拡大するため、変位拡大機能の温度が変化すると変位拡大機能の熱膨張または熱収縮によって弁部と弁座との位置関係または接触圧力が変化して、流体の流量特性が大きく変化してしまう場合があった。

そこで、本発明は、簡単に駆動系を制御することができるとともに、バルブ装置本体に温度変化があった場合であっても流量特性の変化が小さいバルブ装置を提供することを目的とする。

（１）上記の課題を解決するため、バルブ装置は、弁部を駆動するアクチュエータと、弁部と接離する弁座を有するバルブ機能モジュールと、バルブ機能モジュールを収納するハウジングと、を備えるバルブ装置であって、アクチュエータは、基盤となる基部と、基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、取付け面に圧電素子と並んで一端部が取付けられ、第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部材と、圧電素子および支持部材それぞれにおける他端部と接続され、圧電素子の伸縮に伴って、第１長手方向および第２長手方向それぞれと異なる方向である変位方向に変位して弁部を駆動する作用部と、を備え、ハウジングは、流体が供給される供給口と、弁部と弁座との離間によって供給口から供給された流体を排出する排出口と、バルブ機能モジュールとハウジングとの空隙を確保してバルブ機能モジュールを保持する保持部と、を備える。

（２）また、実施形態のバルブ装置において、保持部は、バルブ機能モジュールの第１面を保持することによりバルブ機能モジュールとの空隙を確保するものであってもよい。

（３）また、実施形態のバルブ装置において、保持部は、締結部品によってバルブ機能モジュールを保持部に締結することによりバルブ機能モジュールを保持するものであってもよい。

（４）また、実施形態のバルブ装置において、アクチュエータは、基部および作用部それぞれに連結され、圧電素子を第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備えるものであってもよい。

（５）また、実施形態のバルブ装置において、圧電素子に電圧又は電流を供給して、圧電素子を伸縮駆動させる駆動部をさらに備えるものであってもよい。

（６）また、実施形態のバルブ装置において、圧電素子の一端部または他端部の少なくとも一方は、支持部材よりも熱膨張率の高い連結部材を介して接続されているものであってもよい。

（７）また、実施形態のバルブ装置において、連結部材は、基部と一体に形成されているものであってもよい。

（８）また、実施形態のバルブ装置において、連結部材は、作用部と一体に形成されているものであってもよい。

（９）上記の課題を解決するため、バルブ装置は、複数の弁部をそれぞれ個別に駆動する複数のアクチュエータと、複数の弁部とそれぞれ個別に接離する弁座を複数有するバルブ機能モジュールと、バルブ機能モジュールを収納するハウジングと、を備えるバルブ装置であって、複数のアクチュエータのそれぞれは、基盤となる基部と、基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、取付け面に圧電素子と並んで一端部が取付けられ、第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部材と、圧電素子および支持部材それぞれにおける他端部と接続され、圧電素子の伸縮に伴って、第１長手方向および第２長手方向それぞれと異なる方向である変位方向に変位して弁部を駆動する作用部と、を備え、ハウジングは、流体が供給される供給口と、複数の弁部とそれぞれ個別に接離する弁座との離間によって供給口から供給された流体をそれぞれ個別に排出する複数の排出口と、バルブ機能モジュールとハウジングとの空隙を確保してバルブ機能モジュールを保持する保持部と、を備える。

（１０）また、実施形態のバルブ装置において、保持部は、バルブ機能モジュールの第１面を保持することによりバルブ機能モジュールとの空隙を確保するものであってもよい。

（１１）また、実施形態のバルブ装置において、保持部は、締結部品によってバルブ機能モジュールを保持部に締結することによりバルブ機能モジュールを保持するものであってもよい。

（１２）また、実施形態のバルブ装置において、それぞれのアクチュエータは、基部および作用部それぞれに連結され、圧電素子を第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備えるものであってもよい。

（１３）また、実施形態のバルブ装置において、それぞれのアクチュエータが備える圧電素子に個別に電圧又は電流を供給して、圧電素子を個別に伸縮駆動させる駆動部をさらに備えるものであってもよい。

（１４）また、実施形態のバルブ装置において、圧電素子の一端部または他端部の少なくとも一方は、支持部材よりも熱膨張率の高い連結部材を介して接続されているものであってもよい。

（１５）また、実施形態のバルブ装置において、連結部材は、基部と一体に形成されているものであってもよい。

（１６）また、実施形態のバルブ装置において、連結部材は、作用部と一体に形成されているものであってもよい。

本発明の一つの実施形態によれば、バルブ装置は、弁部を駆動するアクチュエータと、弁部と接離する弁座を有するバルブ機能モジュールと、バルブ機能モジュールを収納するハウジングと、を備えるバルブ装置であって、アクチュエータは、基盤となる基部と、基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、取付け面に圧電素子と並んで一端部が取付けられ、第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部材と、圧電素子および支持部材それぞれにおける他端部と接続され、圧電素子の伸縮に伴って、第１長手方向および第２長手方向それぞれと異なる方向である変位方向に変位して弁部を駆動する作用部と、を備え、ハウジングは、流体が供給される供給口と、弁部と弁座との離間によって供給口から供給された流体を排出する排出口と、バルブ機能モジュールとハウジングとの空隙を確保してバルブ機能モジュールを保持する保持部と、を備えることにより、簡単に駆動系を制御することができるとともに、バルブ装置本体に温度変化があった場合であっても流量特性の変化が小さいバルブ装置を提供することができる。

実施形態に係るバルブ装置の正面図である。 実施形態に係るバルブ装置の側面図である。 第１変形例に係るバルブ装置の側面図である。 第１実施例に係るアクチュエータの正面図である。 第１実施例に係るアクチュエータの斜視図である。 第１実施例に係る圧縮部材の正面図である。 第２実施例に係るアクチュエータの正面図である。 第２実施例に係る圧縮部材の正面図である。 第３実施例に係るアクチュエータの正面図である。 第３実施例に係る圧縮部材の正面図である。 第２変形例に係るバルブ装置の斜視図である。 第２変形例に係るバルブ機能モジュールの斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態におけるバルブ装置について詳細に説明する。なお、各図において重複する同一符号の説明は省略する場合がある。

先ず、図１および図２を用いて、バルブ装置について説明する。図１は、実施形態に係るバルブ装置の正面図である。

図１において、バルブ装置１００は、第１実施例に係るアクチュエータ１、バルブ機能モジュール２およびハウジング３を備える。

第１実施例に係るアクチュエータ１は、弁部１１を駆動する。アクチュエータ１は、基部１２、圧電素子１３、支持部材１４、作用部１５および連結部材１６を備える。

基部１２は、アクチュエータ１の基盤となる部分であり、アクチュエータ１は、基部１２を介してバルブ機能モジュール２に取付けられる。基部１２は、取付穴１２２を有し、例えば取付穴１２２に対応してバルブ機能モジュール２に設けられたタップ穴に対して、ねじを、取付穴１２２を貫通させて取り付けることによりアクチュエータ１をバルブ機能モジュール２に取付けることができる。基部１２は、例えば、ステンレス鋼等で形成することができる。

圧電素子１３は、基部１２の取付け面に圧電素子１３の一端部が接続されている。基部１２の取付け面には、基部１２と一対形成されている取付部１２１が取り付けられており、圧電素子１３は、取付部１２１を介して基部１２に取り付けられている。圧電素子１３は、第１長手方向Ｄ１に延びる細長い形状に形成されている。圧電素子１３は、例えば、図１に示すように長方体に形成することができる。

圧電素子１３は、電圧又は電流を供給されることにより第１長手方向Ｄ１に収縮する。圧電素子１３を構成する主要な材料としては、圧電効果を有する物質である圧電体、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることができる。圧電素子１３は、薄い電極と、薄い圧電体を交互に積み重ねた積層構造であってもよい。このような積層構造とすることで、低い電圧でも大きな変位を実現することが可能になる。なお、図１において圧電素子１３は、長方体に形成される場合を例示したが、形状は長方体に限定されるものではない。圧電素子１３は、例えば、三角柱状または円柱状に形成されてもよい。

本実施形態において、圧電素子１３は、連結部材１６を介して基部１２に取り付けられている。連結部材１６は、圧電素子１３の熱膨張によるアクチュエータ１に対する影響を補償する目的で用いられる。熱膨張に関する影響については後述する。

支持部材１４は、基部１２の取付け面に圧電素子１３と並んで支持部材１４の一端部が取付けられる。支持部材１４は、取付部１２１を介して基部１２に取り付けられている。支持部材１４は、第１長手方向Ｄ１と交差する第２長手方向Ｄ２の方向に延びるように長方体に形成されているが、支持部材１４の形状は、これに限定されるものではない。

作用部１５は、圧電素子１３および支持部材１４のそれぞれにおける他端部と接続される。作用部１５の先端には弁部１１が取り付けられている。作用部１５は、圧電素子１３の伸縮に伴って、第１長手方向Ｄ１および第２長手方向Ｄ２のそれぞれとは異なる方向である変位方向Ｄ４に変位して弁部１１を駆動する。例えば、圧電素子１３が伸びると、支持部材１４もそれに合わせて変形するため、作用部１５の先端に取り付けられた弁部１１を、変位方向Ｄ４の図示下方向に移動させることができる。一方、圧電素子１３が縮むと、支持部材１４もそれに合わせて変形するため、作用部１５の先端に取り付けられた弁部１１を、変位方向Ｄ４の図示上方向に移動させることができる。作用部１５の先端に取り付けられた弁部１１は、圧電素子１３の伸縮が作用部１５の移動に伴い、変位方向Ｄ４に所定のストロークで移動される。すなわち、圧電素子１３の第１長手方向Ｄ１の伸縮は作用部１５の図示左右方向の長さによって変位方向Ｄ４の弁部１１のストロークに拡大される。

弁部１１は、変位方向Ｄ４に所定のストロークで移動されることによりバルブ機能モジュール２に形成された弁座２１と接離する。弁部１１は、例えばゴムによって形成される。弁座２１は弁部１１の形状に対応した弁部１１との接触面を有している。弁座２１の形状は、例えば、バルブ機能モジュール２の平面部に排出用の穴を開けることにより形成される。また、弁座２１の形状は、バルブ機能モジュール２に煙突状の突起を設けることにより形成されてもよい。なお、弁座２１の形状を煙突状の突起とすることにより、弁部１１との接触面積が小さくなり、接圧を向上させることができる。また、弁座２１の形状を煙突状の突起とすることにより、流体の流量を安定化させ、または流量を大きくことが可能となる。弁部１１と弁座２１が接離することにより、流体を遮断しまたは通過させるバルブ機能が実現される。本実施形態におけるバルブ装置１００は、流体が空気である場合のエアバルブを例示するが、流体は空気に限定されるものではなく、例えば、液体、粉体、ゲル状体等であってもよい。また、流体には固体等の不純物が含まれていてもよい。

弁部１１は、弁座２１と接することによりバルブの閉状態を作りだし、空気圧力室５と排出口２４の間の空気の通過を遮断することができる。弁部１１は、所定の接圧で弁座２１と接することにより、空気の遮断力を高めることができる。一方、弁部１１は、弁座２１と離れることによりバルブの開状態を作り出し、空気圧力室５と排出口２４の間の空気の通過を可能とすることができる。一般的にバルブは、バルブの開度に対する流量の変化にて表されるバルブ特性（流量特性）を有している。本実施形態では、変位方向Ｄ４の弁部１１の移動ストローク、すなわち弁部１１と弁座２１との距離によって流量特性が決定される。従って、バルブ装置１００の流量特性は、作用部１５の変位方向Ｄ４における移動によって決定される。

ハウジング３は、アクチュエータ１が取り付けられたバルブ機能モジュール２を収納する。ハウジング３は、収納しているアクチュエータ１をバルブ装置１００の外部の粉塵等から保護する保護枠として機能する。ハウジング３は、保持部３３を備える。保持部３３は、バルブ機能モジュール２を保持して、バルブ機能モジュール２とハウジング３との空隙４を確保する部分である。保持部３３は、バルブ機能モジュール２の第１面２２と接し、締結部品３３１（例えば、ネジ）によってバルブ機能モジュール２と締結されることによりバルブ機能モジュールを保持する。空隙４は、ハウジング３とバルブ機能モジュール２との間の熱抵抗を増やし（熱伝導を小さくし）、ハウジング３の温度変化がバルブ機能モジュールに伝わりにくくすることができる。保持部３３と第１面２２の接触による熱抵抗率は空隙４の熱抵抗率に比べて小さい（熱伝導率が大きい）ため、熱伝導を小さくするには保持部３３と第１面２２との接触面積は小さい方が好ましい。従って、第１面２２には接触面積を小さくする形状（例えば、凹凸形状など）を用いてもよい。また、保持部３３と第１面２２との間に、熱伝導率が小さい部材（断熱材）を挟み込むようにしてもよい。

アクチュエータ１は、圧電素子１３の伸縮を拡大して弁部１１を移動させるため、アクチュエータ各部の温度変化による熱膨張または熱収縮は、弁部１１の移動量に影響を与え、バルブの流量特性が変化する。ハウジング３とバルブ機能モジュール２の間に空隙４を作ることにより、ハウジング３とバルブ機能モジュール２との接触面積が小さくなり、ハウジング３とバルブ機能モジュール２の間の熱伝導が小さくなり、ハウジング３に温度変化があった場合であってもアクチュエータ１が取り付けられているバルブ機能モジュール２の温度変化が小さくなり、もって流量特性の変化を小さくすることができる。

バルブ機能モジュール２の第１面２２には、弁部１１と弁座２１が離れることにより排出される空気を排出する排出口２４を有する。ハウジング３は、保持部３３において排出口２４に対抗して、排出口２４から排出された空気を排出する排出口３２を有する。

ハウジング３は、空気を供給するための供給口３１を有する。供給口３１から供給された圧力空気は、空隙４を介して空気圧力室５に導入される。空気圧力室５に導入された圧力空気は、弁部１１と弁座２１が離れることにより排出口３２から排出される。なお、供給口３１から供給された圧力空気は、例えば、アクチュエータ１、圧電素子１３または支持部材１４を冷却するように流路を形成して空気圧力室５に導入されてもよい。

圧縮部材６０は、基部１２および作用部１５それぞれに連結され、圧電素子１３を第１長手方向Ｄ１に圧縮する。圧縮部材６０は、引張方向（Ｄ１）の加重に対して損傷しやすい圧電素子１３に、引張方向の加重がかかりにくくすることで圧電素子１３の損傷を防止することができる。圧縮部材６０の形状の詳細は後述する。

駆動部７０は、圧電素子１３に電圧又は電流を供給して、圧電素子１３を伸縮駆動させる。駆動部７０は図示しない制御装置からの入力信号に基づき圧電素子１３を駆動することにより、圧力空気の遮断または排出を制御することができる。

なお、バルブ装置１００は、圧電素子１３に電圧が印加等されていない状態で、圧力空気の排出が遮断されるノーマルクローズであってもよく、一方、圧電素子１３に電圧が印加等されていない状態で、圧力空気の排出がされるノーマルオープンであってもよい。すなわち、圧電素子１３に対する非通電時における弁座２１に対する弁部１１の位置と、通電時における圧電素子１３の伸縮方向の組合せによって、バルブ装置１００はノーマルクローズとノーマルオープンの両方を実施することが可能となる。非通電時における弁座２１に対する弁部１１の位置は、例えば取付穴１２２の大きさを大きめにしておくことにより、ネジの締結時において設定することができる。また、通電時における圧電素子１３の伸縮方向は、駆動部７０から供給される電圧等の極性を変更することにより設定することができる。

図２は、実施形態に係るバルブ装置１００の側面図である。図２において、バルブ装置１００は、ハウジング３と、ハウジング３に取り付けられた蓋３５を有する。

ハウジング３と蓋３５は、アルミダイキャストあるいはＰＰＳ等の樹脂材料を適用することができる。蓋３５は、ハウジング３に取り付けられることにより、ハウジング３の内部を密閉して、導入された圧力空気の圧力を維持する。ハウジング３と蓋３５の間には、例えばゴムパッキンが挟まれてもよい。

バルブ機能モジュール２は、第１面２２においてハウジング３の保持部３３において、上下の２本の締結部品３３１によって保持される。このため、バルブ機能モジュール２とハウジング３の間には空隙４が生じる。このため、ハウジング３とバルブ機能モジュールとの接触面積が小さくなり、ハウジング３とバルブ機能モジュール間の熱伝導が小さくなり、ハウジング３に温度変化があった場合であってもアクチュエータ１が取り付けられているバルブ機能モジュールの温度変化が小さくなり、流量特性の変化が小さくなる。

次に、図３を用いて、バルブ装置１００の第１変形例を説明する。図３は、第１変形例に係るバルブ装置の側面図である。

第１変形例に係るバルブ装置１００ａは、図２で説明したバルブ装置１００に対して、バルブ機能モジュール２ａが第２面２３においてハウジング３に接している点において異なる。バルブ機能モジュール２ａは、第１面２２および第２面２３の２面においてハウジング３の底部と接することにより、例えば、振動等に対するアクチュエータ１の振動を低減させる等の機械的な強度を向上させることができる。なお、図３における第２面２３の位置はバルブ機能モジュール２ａの図示左端に設ける場合を例示したが、第２面２３の位置および数は任意である。例えば、第２面２３の位置を図示右端に設けてハウジング３の底部と接するようにしてもよい。また、１または複数の第２面２３をハウジング３または蓋３５と接するように設けてもよい。図３における他の部分は図２の説明と重複するため、説明を省略する。

次に、図４および図５を用いて、図１で説明した第１実施例に係るアクチュエータ１の詳細を説明する。図４は、第１実施例に係るアクチュエータ１の正面図である。

図４において、作用部１５は、図１で説明したように、圧電素子１３の伸縮に伴って変位方向Ｄ４に変位して弁部１１を駆動する。したがって、圧電素子１３が温度変化によって熱膨張または熱収縮した場合、弁部１１の位置または弁座２１との接触圧に影響を与え、流量特性に影響を与える。ここで、連結部材１６を用いた温度変化に対する圧電素子１３の伸縮に対する補償について説明する。

圧電素子１３は、連結部材１６を介して基部１２に取り付けられている。ここで、連結部材１６は、支持部材１４より熱膨張率の高い材料によって作られている。例えば、圧電素子１３の熱膨張率をα１、第１長手方向Ｄ１の長さをＬ１とした場合、温度上昇１℃における長さの変化ｄＬ１は、ｄＬ１＝α１×Ｌ１である。同様に、連結部材１６の熱膨張率をα２、第１長手方向Ｄ１の長さをＬ２とした場合、温度上昇１℃における長さの変化ｄＬ２は、ｄＬ２＝α２×Ｌ２、支持部材１４の熱膨張率をα３、第２長手方向Ｄ２の長さをＬ３とした場合、温度上昇１℃における長さの変化ｄＬ３は、ｄＬ３＝α３×Ｌ３である。

圧電素子１３の熱膨張率α１は、例えば、−４．３２ＰＰＭ／℃と負の値となるため、圧電素子１３と合わせた変化ｄＬ１＋ｄＬ２は、ｄＬ１＋ｄＬ２＝α２×Ｌ２−α１×Ｌ１（α１は正の値）となる。ここでｄＬ１＋ｄＬ２＝ｄＬ３となるように各パラメータを設計することにより、変位方向Ｄ４における変位を補償することができる。例えば、ｄＬ１＋ｄＬ２＝ｄＬ３とすると、α２×Ｌ２−α１×Ｌ１＝α３×Ｌ３。ここで、Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ３とすると、α２／α３＝１＋（Ｌ１／Ｌ２）×（１＋α１／α３）＞１となり、α２＞α３となる。すなわち、連結部材１６の熱膨張率α２を、支持部材１４の熱膨張率α３より高い材料とすることにより、アクチュエータ１の熱膨張に対する流量特性の補償をすることが可能となる。

なお、連結部材１６は、圧電素子１３の一端部に代えて、圧電素子１３の他端部に配置されてもよい。すなわち、連結部材１６は、圧電素子１３における他端部と、作用部１５と、を接続するようにしてもよい。さらに、連結部材１６は、圧電素子１３の一端部および他端部に配置されててもよい。すなわち、連結部材１６の一方は、圧電素子１３における一端部と、基部１２と、を接続するとともに、連結部材１６の他方は、圧電素子１３における他端部と、作用部１５とを接続するようにしてもよい。

図５は、第１実施例に係るアクチュエータ１の斜視図である。図５において、アクチュエータ１は、２つの圧縮部材６０を有する。２つの圧縮部材６０は、圧電素子１３および支持部材１４を挟む位置にそれぞれ配置されている。２つの圧縮部材６０を用いることにより、圧電素子１３に対して圧縮力を均等に掛けることが可能となり、圧電素子１３の損傷を防止することが可能となる。

圧縮部材６０は、引張方向（Ｄ１）の加重に対して損傷しやすい圧電素子１３に、引張方向の加重がかかりにくくすることで圧電素子１３の損傷を防止することができる。

次に、図６を用いて、第１実施例に係る圧縮部材６０の詳細を説明する。図６は、第１実施例に係る圧縮部材６０の正面図である。

図６において、圧縮部材６０は、平面視において、第１長手方向Ｄ１および第２長手方向Ｄ２それぞれと交差する第３長手方向Ｄ３に延びている。圧縮部材６０には、第３長手方向Ｄ３に伸縮可能な伸縮部６１および固定部６２が形成されている。

伸縮部６１は、平面視で第３長手方向Ｄ３に延びるとともに、繰り返し湾曲する蛇腹状に形成されている。図示の例では、第３長手方向に３箇所湾曲している構造となっているが、この例に限られず、形状は任意に変更することができる。伸縮部６１は、圧縮部材６０における第３長手方向Ｄ３の中間部に形成されている。固定部６２は、圧縮部材６０の第３長手方向Ｄ３における両端部に形成されている。固定部６２は、第３長手方向Ｄ３と直交する方向の寸法である幅寸法が大きく形成され、図５に示すように、基部１２および作用部１５それぞれに連結される。

次に、図７および図８を用いて、第２実施例に係るアクチュエータを説明する。図７は、第２実施例に係るアクチュエータの正面図である。図８は、第２実施例に係る圧縮部材の正面図である。

第２実施例に係るアクチュエータ１ａは、圧縮部材６０Ｂが取り付けられる位置が、第１実施例に係るアクチュエータ１と異なっている。すわなち、２つの圧縮部材６０Ｂの一方は、圧電素子１３に沿って第１長手方向Ｄ１に延びており、他方の圧縮部材６０Ｂは支持部材１４に沿って第２長手方向Ｄ２に延びている。そして、第１長手方向Ｄ１に延びる圧縮部材６０Ｂには、図８に示す、第１長手方向Ｄ１に伸縮可能な伸縮部６１Ｂが形成されている。

圧縮部材６０Ｂの第１長手方向Ｄ１における両端部には、第１長手方向Ｄ１と直交する方向の寸法である幅寸法が大きく形成された固定部６２Ｂが形成されている。図８に示す２つの固定部６２Ｂ同士の第３長手方向Ｄ３の寸法Ｌ３は、図７に示す作用部１５および基部１２それぞれに形成された固定用のスリットの間隔よりも短くなっている。

このため、圧縮部材６０Ｂを作用部１５および基部１２の固定用のスリットに装着する際には、圧縮部材６０Ｂを第１長手方向Ｄ１に引張り、少し伸ばした状態に弾性変形した状態で取付ける。これにより、圧縮部材６０Ｂがスリットに装着された後に、第３長手方向Ｄ３に復元変形することで、圧縮部材６０Ｂからの圧縮力を、作用部１５および基部１２を介して圧電素子１３に与えることができる。

次に、図９および図１０を用いて、第３実施例に係るアクチュエータを説明する。図９は、第３実施例に係るアクチュエータの正面図である。図１０は、第３実施例に係る圧縮部材の正面図である。

第３実施例に係るアクチュエータ１ｂにおいては、圧縮部材６０Ｃの形状が、第１実施例に係るアクチュエータ１の圧縮部材６０と異なっている。すなわち、第３実施例に係るアクチュエータ１ｂの圧縮部材６０Ｃには、アクチュエータ１における伸縮部６１に相当する部位が形成されておらず、全体が第３長手方向Ｄ３に真っすぐ延びている。図１０に示す２つの固定部６２同士の第３長手方向Ｄ３の寸法Ｌ５は、図９に示す作用部１５および基部１２それぞれに形成された固定用のスリット同士の第３長手方向Ｄ３の寸法Ｌ２よりも短くなっている。

このため、圧縮部材６０Ｃを作用部１５および基部１２の固定用のスリットに装着する際には、圧縮部材６０Ｃを第１長手方向Ｄ１に引張り、少し伸ばした状態に弾性変形した状態で取付ける。これにより、圧縮部材６０Ｃが装着された後に、第３長手方向Ｄ３に復元変形することで、圧縮部材６０Ｃからの圧縮力を作用部１５および基部１２に与えることができる。

また、その他の実施例として、圧電素子１３における第１長手方向Ｄ１の一端部、および支持部材１４における第２長手方向Ｄ２の一端部の少なくとも一方に、圧電素子１３および支持部材１４に対して、変位方向Ｄ４の変形を促すヒンジ部材が設けられてもよい。このようなヒンジ部材は、圧電素子１３における第１長手方向Ｄ１の他端部、および支持部材１４における第２長手方向Ｄ２の他端部の少なくとも一方に設けてもよい。

次に、図１１および図１２を用いて、第２変形例に係るバルブ装置を説明する。図１１は、第２変形例に係るバルブ装置の斜視図である。図１２は、第２変形例に係るバルブ機能モジュールの斜視図である。

図１１において、第２変形例に係るバルブ装置１００ｂは、第３実施例に係るアクチュエータ１ｂと同形状のアクチュエータ１ｂａとアクチュエータ１ｂｂを有している。アクチュエータ１ｂａとアクチュエータ１ｂｂは、それぞれバルブ機能モジュール２ａに取り付けられる。アクチュエータ１ｂａは、弁部１１ａを駆動し、弁座２１ａとの接離によって、図１２の排出口２４ａを介して排出口３２ａから圧縮空気を排出する。同様に、アクチュエータ１ｂｂは、弁部１１ｂを駆動し、弁座２１ｂとの接離によって、図１２の排出口２４ａを介して排出口３２ｂから圧縮空気を排出する。アクチュエータ１ｂａとアクチュエータ１ｂｂは図示しない駆動部から個別にすることができる。

図１２において、バルブ機能モジュール２ａは、図１におけるバルブ機能モジュール２と同様に、第１面２２ａにおいてハウジング３ａに取り付けられることにより、ハウジング３ａとの間に図１１に示す空隙４を形成することが可能となり、ハウジング３ａからの熱伝導を小さくすることができる。これによりバルブ装置１００ｂに温度変化があった場合であっても流量特性の変化を小さくすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るアクチュエータ１〜１ｂによれば、基部に圧電素子と支持部材とが取付けられ、これらに作用部が取付けられている。このため、圧電素子が第１長手方向に変位することで、作用部を変位方向に変位させることができる。これにより、一つの圧電素子だけを用いてアクチュエータを構成することで、圧電素子を２つ用いる場合と比較して、簡単に駆動系を制御することができる。

また、アクチュエータ１〜１ｂが圧縮部材を備えているので、圧電素子に対して、圧縮方向の予圧を与えることができる。これにより、引張方向の加重に対して損傷しやすい圧電素子に、引張方向の加重がかかりにくくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、本発明の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、本発明の一実施形態に係るアクチュエータは、直列又は並列に複数配置して、複合的に使用しても良い。その際に、複数のアクチュエータを直列に接続するような使い方、つまり、アクチュエータの基部と別のアクチュエータの作用部とを接続することも可能であり、それによって、変位をより大きくすることもできる。特に、スペースの制約が厳しい箇所では、このような使い方は、有効である。また、２台のアクチュエータを、その接続角度が９０゜になるように結合する等の接続方法のバリエーションも考えられる。

さらに、また、上記実施の形態では伸縮素子として圧電素子を用いた場合について説明したが、伸縮する素子であれば特に限定されず、磁歪素子あるいは形状記憶合金等の伸縮機能を有する他の素子を用いることも可能である。

１ アクチュエータ
１１ 弁部
１２ 基部
１２１ 取付部
１２２ 取付穴
１３ 圧電素子
１４ 支持部材
１５ 作用部
１６ 連結部材
２ バルブ機能モジュール
２１ 弁座
２２ 第１面
２３ 第２面
２４ 排出口
３ ハウジング
３１ 供給口
３２ 排出口
３２１ 第１排出口
３２２ 第２排出口
３３ 保持部
３３１ 締結部品
３４ 蓋取付部
３５ 蓋
４ 空隙
５ 空気圧力室
６０ 圧縮部材
６１ 伸縮部
６２ 固定部
７０ 駆動部
１００ バルブ装置

Claims (8)

1. 弁部を駆動するアクチュエータと、
   前記弁部と接離する弁座を有するバルブ機能モジュールと、
   前記バルブ機能モジュールを収納するハウジングと、を備えるバルブ装置であって、
   前記アクチュエータは、
   基盤となる基部と、
   前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、
   前記取付け面に前記圧電素子と並んで一端部が取付けられ、前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部材と、
   前記圧電素子および前記支持部材それぞれにおける他端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向および前記第２長手方向それぞれと異なる方向である変位方向に変位して前記弁部を駆動する作用部と、を備え、
   前記ハウジングは、
   流体が供給される供給口と、
   前記弁部と前記弁座との離間によって前記供給口から供給された流体を排出する排出口と、
   前記バルブ機能モジュールと前記ハウジングとの空隙を確保して前記バルブ機能モジュールを保持する保持部と、を備え、
   前記ハウジングに蓋が取り付けられて前記バルブ機能モジュールが前記ハウジング内に収納されている
   ことを特徴とするバルブ装置。
2. 前記保持部は、前記バルブ機能モジュールの第１面を保持することにより前記バルブ機能モジュールとの空隙を確保する、請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記保持部は、締結部品によって前記バルブ機能モジュールを前記保持部に締結することにより前記バルブ機能モジュールを保持する、請求項１または２に記載のバルブ装置。
4. 前記アクチュエータは、前記基部および前記作用部それぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のバルブ装置。
5. 前記圧電素子に電圧又は電流を供給して、前記圧電素子を伸縮駆動させる駆動部をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のバルブ装置。
6. 前記圧電素子の一端部または他端部の少なくとも一方は、前記支持部材よりも熱膨張率の高い連結部材を介して接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のバルブ装置。
7. 前記連結部材は、前記基部と一体に形成されている、請求項６に記載のバルブ装置。
8. 前記連結部材は、前記作用部と一体に形成されている、請求項６に記載のバルブ装置。

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