JP7193804B2 - 圧電アクチュエータ、圧電式バルブ、及び圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents
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Description
また、前記圧電式バルブは、前記積層型圧電素子への電圧印加を解除すると、該積層型圧電素子の原状復帰に伴う復帰力が前記変位拡大機構を介して前記弁体に伝わり、該弁体を速やかに弁座に当接させて閉弁する。
積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータであって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいて、
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面は、前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されていることを特徴する。
前記積層型圧電素子には、前記弁体の方向に前記与圧荷重が加えられていることが好ましい。
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられており、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられていることが好ましい。
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の変位を拡大する変位拡大部と、前記積層型圧電素子の変位を伝達する変位伝達部を有し、
前記変位伝達部が、前記積層型圧電素子の一端が接合されるU字状のベース基板と、前記積層型圧電素子の他端が接合されるキャップ部材を有し、前記ベース基板のU字状底部と前記キャップ部材との間に前記積層型圧電素子が組み込まれ、前記ベース基板のU字状底部を塑性変形させることで前記積層型圧電素子に前記与圧荷重が加えられており、
前記変位拡大部が、前記弁体と前記積層型圧電素子の長手方向軸線を結ぶ直線に対し対称に配置される一対のアームを有し、前記各アームのそれぞれがヒンジにより前記ベース基板の先端及び前記キャップ部材に対し一体とされ、前記各アームの外側先端部に前記一対の板バネが設けられており、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられていることが好ましい。
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面に滑性化処理が施されていることが好ましい。
外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室を有するバルブ本体と、
前記気体圧力室から圧縮気体を排出する気体排出路を開閉する弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有し、前記バルブ本体の内部に配設される圧電アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記圧電アクチュエータには、上記いずれかに記載の圧電アクチュエータを用いることを特徴とする。
上記いずれかに記載の圧電アクチュエータが固定され、当該圧電アクチュエータとともに前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに有し、前記プレートには、前記気体排出路及び前記気体排出路を開閉する前記圧電アクチュエータの前記弁体が当接する弁座が設けられることが好ましい。
積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの製造方法であって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの製造方法において、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化することを特徴する。
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられ、
前記弁体が、前記一対の板バネ間に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、研磨により前記弁体の前記表面を平滑化することが好ましい。
前記変位拡大機構が、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、一部材により成形される板バネであって中央部分に前記弁体の設置部が設けられる一対の板バネが、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、前記一対の板バネ間の前記設置部に一体成形により弁体を設けることで前記弁体の表面を平滑化することが好ましい。
また、本発明の圧電アクチュエータは、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。
圧電式バルブの弁座に当接する弁体の表面に滑性化処理が施されていることとすれば、前記弁体の表面の非粘着性、滑性を高めることができるので、圧電式バルブを組み立てた後、該圧電式バルブを長時間動作させなかった場合でも、前記弁体が弁座面に付着し離れにくくなって動作不良を起こすことを防止することができる。
また、本発明の圧電式バルブは、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化するので、圧電式バルブの組み立てに際し、弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる圧電アクチュエータを製造することができる。
図1は、圧電式バルブの一例であって斜視図を示す。図2は、図1の圧電式バルブの組立分解図を示す。図3は、図1の圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの説明図を示す。図4は、図1の圧電式バルブに用いる弁座プレートに圧電アクチュエータを固定した状態の説明図を示す。図5は、図1の圧電式バルブの断面図であって、弁座プレートをバルブ本体内部に配設した状態の説明図を示す。
図1乃至図5に示す圧電式バルブ10は、バルブ本体20、前記バルブ本体20の内部に配設されるとともに該バルブ本体20に固定される弁座プレート25、前記弁座プレート25の両面にネジで固定される圧電アクチュエータ30を備える。
また、前記バルブ本体20の前面には、コネクタ部50が設けられる。前記コネクタ部50の前面には、該バルブ本体20内に圧縮気体を吸入する気体吸入口51及び前記圧縮気体を排出する気体排出口52が開口する。
また、前記弁座プレート25の後方位置には、図示しない前記圧電素子32のリード線と接続される前記配線の電極が露出する。
また、前記弁体31には、例えばニトリルゴム(NBR)やフッ素ゴム(FKM、FEPM、FFKM)を用いることができる。前記弁体31に用いる前記ニトリルゴムやフッ素ゴムは、例えば硬度80±10のものとすることが好ましい。
前記圧電式バルブ10を長時間動作させなかった場合、ゴム製の前記弁体31が樹脂製の弁座26の弁座面に付着して離れにくくなり、動作不良を起こすおそれがあるが、前記弁体31の少なくとも弁座に当接する表面に滑性化処理を施して非粘着性、滑性を高めることとすれば、前記動作不良を防止することができる。
前記第1変位拡大部34aは、第1及び第2ヒンジ39,40、第1アーム41及び第1板バネ42を有する。前記第1アーム41は前記第1ヒンジ39により前記U字状のベース基板36の一方側先端に対し一体とされ、前記第2ヒンジ40により前記キャップ部材37に対し一体とされる。前記第1アーム41の外側先端部には、前記第1板バネ42の一端が接合される。
ここで、前記変位拡大機構33は、例えば前記第1及び第2板バネ42,46を除き、インバー材を含むステンレス材等の金属材料を打ち抜いて一体に成形することができる。
前記圧電アクチュエータ30は、ベース基板36のU字状底部361を塑性変形させることで、圧電素子32には弁体31の方向に与圧荷重が加えられるため、前記変位拡大機構33が歪み、例えば、図6に示すように、前記第1板バネ42及び第2板バネ46の他端間であって前記設置部48に設けられる前記弁体31の前面が凹状に変形し、圧電式バルブを組み立てた際、前記弁体31の弁座面に対する押圧力や気密性が弱まってエア漏れが生じるリスクがある。
本発明の実施の形態における圧電アクチュエータは、圧電式バルブの組み立てに際し、前記弁体を弁座面に潰し代をもって押し付けることで閉弁時のエア漏れを防ぐ場合でも、前記潰し代を大きくとる必要がなく、バルブの高速かつ高精度な開閉に対応することができる。
20 バルブ本体
25 弁座プレート
251 前方突出部
26 弁座
261 気体排出路
28 蓋材
281 開口部
282 気体吸入路
29 配線コネクタ
30 圧電アクチュエータ
31 弁体
32 積層型圧電素子
33 変位拡大機構
34 変位拡大部
35 変位伝達部
36 ベース基板
361 U字状底部
37 キャップ部材
39 第1ヒンジ
40 第2ヒンジ
41 第1アーム
42 第1板バネ
43 第3ヒンジ
44 第4ヒンジ
45 第2アーム
46 第2板バネ
48 設置部
50 コネクタ部
51 気体吸入口
52 気体排出口
55 配線基板
Claims (10)
- 積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータであって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータにおいて、
圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面は、前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で平滑化されていることを特徴する圧電アクチュエータ。 - 前記積層型圧電素子には、前記弁体の方向に前記与圧荷重が加えられている請求項1記載の圧電アクチュエータ。
- 前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられており、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられている請求項2記載の圧電アクチュエータ。 - 前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の変位を拡大する変位拡大部と、前記積層型圧電素子の変位を伝達する変位伝達部を有し、
前記変位伝達部は、前記積層型圧電素子の一端が接合されるU字状のベース基板と、前記積層型圧電素子の他端が接合されるキャップ部材を有し、前記ベース基板のU字状底部と前記キャップ部材との間に前記積層型圧電素子が組み込まれ、前記ベース基板のU字状底部を塑性変形させることで前記積層型圧電素子に前記与圧荷重が加えられており、
前記変位拡大部は、前記弁体と前記積層型圧電素子の長手方向軸線を結ぶ直線に対し対称に配置される一対のアームを有し、前記各アームのそれぞれがヒンジにより前記ベース基板の先端及び前記キャップ部材に対し一体とされ、前記各アームの外側先端部に前記一対の板バネが設けられており、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられている請求項3記載の圧電アクチュエータ。
- 圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面に滑性化処理が施されている請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室を有するバルブ本体と、
前記気体圧力室から圧縮気体を排出する気体排出路を開閉する弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有し、前記バルブ本体の内部に配設される圧電アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記圧電アクチュエータには、請求項1乃至5のいずれかに記載の圧電アクチュエータを用いることを特徴とする圧電式バルブ。 - 前記請求項1乃至5のいずれかに記載の圧電アクチュエータが固定され、当該圧電アクチュエータとともに前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに有し、前記プレートには、前記気体排出路及び前記気体排出路を開閉する前記圧電アクチュエータの前記弁体が当接する弁座が設けられる請求項6記載の圧電式バルブ。
- 積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに用いる圧電アクチュエータの製造方法であって、
弁体、前記弁体の動作に必要な駆動力を変位として発生する積層型圧電素子、前記積層型圧電素子の変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの製造方法において、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、圧電式バルブの弁座に当接する前記弁体の表面を平滑化することを特徴する圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に一対の板バネが設けられ、
前記弁体は、前記一対の板バネ間に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、研磨により前記弁体の前記表面を平滑化する請求項8記載の圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記変位拡大機構は、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に配置され、該変位拡大機構の先端部には、一部材により成形される一対の板バネであって中央部分に前記弁体の設置部が設けられる一対の板バネが、前記積層型圧電素子の長手方向軸線に対し対称に設けられており、
前記積層型圧電素子に与圧荷重が加えられた状態で、前記一対の板バネ間の前記設置部に一体成形により弁体を設けることで前記弁体の表面を平滑化する請求項8記載の圧電アクチュエータの製造方法。
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