JP7254285B2 - 圧電式バルブ及び該圧電式バルブの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、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、及び該圧電式バルブの製造方法に関する。
従来、積層型圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行い、圧縮気体を噴出する圧電式バルブが知られている（特許文献１を参照。）。
特許文献１に記載された圧電式バルブは、高速応答性能に優れる積層型圧電素子の特性を利用するものであり、前記積層型圧電素子の小さな変位をテコの原理に基づき拡大する変位拡大機構を備えるものである。
前記圧電式バルブは、前記積層型圧電素子に電圧を印加すると、該積層型圧電素子の伸長方向への変位が前記変位拡大機構を介して弁体に伝わり、該弁体を速やかに移動させて開弁する。
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。
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。
ところで、積層型圧電素子は、動作に伴う消費エネルギーが少なく、高速動作に適し、小型である等の優れた特長をもつ。
しかしながら、前記積層型圧電素子は、圧電セラミック層を有するために構造的に脆く、前記圧電式バルブの使用に際し、圧縮気体とともに破損片が噴出するおそれがある。
しかしながら、前記積層型圧電素子は、圧電セラミック層を有するために構造的に脆く、前記圧電式バルブの使用に際し、圧縮気体とともに破損片が噴出するおそれがある。
また、前記積層型圧電素子は、高湿環境に弱いため、前記圧電式バルブを高湿環境下で使用する場合には、前記積層型圧電素子に湿気が侵入して該圧電式バルブの寿命が短くなるおそれがある。
そこで、本発明者らは、積層型圧電素子の表面をポリオレフィン系樹脂により被覆することを提案した（特許文献２を参照。）。
特許文献２に記載された圧電式バルブは、ヤング率が小さく柔軟性に優れる特性を有し、かつ、透湿度が小さく耐水性に優れる特性を有するポリオレフィン系樹脂により覆われる積層型圧電素子を利用するので、当該圧電式バルブの使用に際し圧縮気体とともに前記積層型圧電素子の破損片が噴出することがなく、高湿環境下で使用した場合でも前記積層型圧電素子に湿気が侵入して寿命が短くなるおそれがない。
ところが、前記積層型圧電素子の破損片の噴出は、前記積層型圧電素子の表面を前記ポリオレフィン系樹脂により薄く被覆することで防げるが、前記積層型圧電素子の高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐためには、前記積層型圧電素子の表面を前記ポリオレフィン系樹脂によりある程度厚く被覆する必要があり、その場合、前記積層型圧電素子の動きが妨げられてストロークが小さくなったり、正確な動作をしなくなったりするおそれがある。
そこで、本発明は、使用に際し圧縮気体とともに積層型圧電素子の破損片が噴出したり、高湿環境下で使用した場合でも前記積層型圧電素子に湿気が侵入して寿命が短くなることを防止でき、また、前記積層型圧電素子の動きが妨げられてストロークが小さくなったり、正確な動作をしなくなったりすることを防止できる圧電式バルブ、及び該圧電式バルブの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記積層型圧電素子が、前記アクチュエータに一体化された状態でシリコーンにより表面を被覆されていることを特徴とする。
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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記積層型圧電素子が、前記アクチュエータに一体化された状態でシリコーンにより表面を被覆されていることを特徴とする。
本発明は、
前記積層型圧電素子が、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されている。
前記積層型圧電素子が、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されている。
本発明は、
前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子が、前記アクチュエータが前記プレートに固定された状態で前記一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されていることが好ましい。
前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子が、前記アクチュエータが前記プレートに固定された状態で前記一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されていることが好ましい。
ここで、本発明において、前記シリコーンとは低粘度のシリコーンゴムを意味し、好ましくは粘度０．０１Ｐａ・ｓ以上、１０．０Ｐａ・ｓ以下のシリコーンゴム、より好ましくは粘度２．５Ｐａ・ｓのシリコーンゴムを用いることができる。
また、作業性を考慮して、一液型の常温硬化タイプのシリコーンゴムを用いることが好ましく、例えば、信越化学工業株式会社製の低粘度シリコーンゴム「ＫＥ－３４７５（品名）」等を用いることが好ましい。
また、作業性を考慮して、一液型の常温硬化タイプのシリコーンゴムを用いることが好ましく、例えば、信越化学工業株式会社製の低粘度シリコーンゴム「ＫＥ－３４７５（品名）」等を用いることが好ましい。
本発明は、
前記変位拡大機構は金属材料により形成される一方で、樹脂材料により形成される前記プレートには前記積層型圧電素子に給電するための配線がモールドされてなり、
前記プレートから露出する前記配線の電極が、前記積層型圧電素子のリード線と接続された状態で絶縁性材料により被覆されていることが好ましい。
前記変位拡大機構は金属材料により形成される一方で、樹脂材料により形成される前記プレートには前記積層型圧電素子に給電するための配線がモールドされてなり、
前記プレートから露出する前記配線の電極が、前記積層型圧電素子のリード線と接続された状態で絶縁性材料により被覆されていることが好ましい。
本発明は、
前記変位拡大機構が金属材料により形成されてなり、
前記積層型圧電素子のリード線が、前記変位拡大機構の表面に貼着される絶縁用フィルム上に配置されることが好ましい。
前記変位拡大機構が金属材料により形成されてなり、
前記積層型圧電素子のリード線が、前記変位拡大機構の表面に貼着される絶縁用フィルム上に配置されることが好ましい。
また、上記目的を達成するため、本発明は、
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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブの製造方法において、
前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することを特徴とする。
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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブの製造方法において、
前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することを特徴とする。
本発明は、
前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆する。
前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆する。
本発明は、
前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子を前記アクチュエータに一体化し、前記アクチュエータを前記プレートに固定した後、前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することが好ましい。
前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子を前記アクチュエータに一体化し、前記アクチュエータを前記プレートに固定した後、前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することが好ましい。
本発明の圧電式バルブは、積層型圧電素子が、耐水性・防水性に優れる特性を有するシリコーンにより表面を被覆されているので、使用に際し圧縮気体とともに前記積層型圧電素子の破損片が噴出したり、高湿環境下で使用した場合でも前記積層型圧電素子に湿気が侵入して寿命が短くなることを防止できる。
また、本発明の圧電式バルブは、積層型圧電素子が、従来のポリオレフィン系樹脂と比べ弾性に富み、圧縮性が大きい特性を有するシリコーンにより表面を被覆されているので、前記積層型圧電素子の高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐために、前記積層型圧電素子の表面を前記シリコーンによりある程度厚く被覆する場合でも、前記積層型圧電素子の動きが妨げられてストロークが小さくなったり、正確な動作をしなくなったりすることを防止できる。
本発明の圧電式バルブは、前記積層型圧電素子が、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されているので、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の全周面を簡単に被覆することができる。
本発明の圧電式バルブは、前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、前記積層型圧電素子が、前記アクチュエータが前記プレートに固定された状態で前記一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されているものであれば、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の全周面を簡単に被覆することができる。
本発明の圧電式バルブの製造方法は、前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆するので、前記積層型圧電素子の表面以外に前記シリコーンがはみ出して付着する場合でも、前記積層型圧電素子を前記アクチュエータに一体化する際の組付不良が起こらない。
本発明の圧電式バルブの製造方法は、前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆するので、前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の全周面を簡単に被覆することができる。
本発明の圧電式バルブの製造方法は、前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、前記積層型圧電素子を前記アクチュエータに一体化し、前記アクチュエータを前記プレートに固定した後、前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することとすれば、前記積層型圧電素子の表面以外に前記シリコーンがはみ出して付着する場合でも、前記積層型圧電素子を一体化したアクチュエータを前記プレートに固定する際の組付不良が起こらない。
また、本発明の圧電式バルブの製造方法は、前記プレートの表面に、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられているので、前記一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の全周面を簡単に被覆することができる。
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、積層型圧電素子（以下、「圧電素子」という）の代表例であって断面図を示す。
図１に示す圧電素子１は、圧電セラミック層２と内部電極層３を交互に積層した積層体４を有する。前記積層体４は、対向する側面に前記内部電極層３が露出し、前記各側面のそれぞれにおいて前記露出した内部電極層３が一層おきに絶縁層５で被覆され、さらに、前記絶縁層５を覆いかつ前記絶縁層５によって被覆されていない前記内部電極層３と導通する外部電極６を有する。
図１は、積層型圧電素子（以下、「圧電素子」という）の代表例であって断面図を示す。
図１に示す圧電素子１は、圧電セラミック層２と内部電極層３を交互に積層した積層体４を有する。前記積層体４は、対向する側面に前記内部電極層３が露出し、前記各側面のそれぞれにおいて前記露出した内部電極層３が一層おきに絶縁層５で被覆され、さらに、前記絶縁層５を覆いかつ前記絶縁層５によって被覆されていない前記内部電極層３と導通する外部電極６を有する。
図２は圧電式バルブの一例であって斜視図を示す。図３は図２の圧電式バルブの組立分解図を示す。図４はアクチュエータの説明図を示す。図５は弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の説明図を示す。図６は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２乃至図６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アクチュエータ３０を備える。
図２乃至図６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アクチュエータ３０を備える。
前記バルブ本体２０は、前面が開口するケースであって、内部には外部の圧縮気体供給源（図示せず）から圧縮気体の供給を受ける気体圧力室を備える。
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。
前記バルブ本体２０と前記コネクタ部５０の間には、圧電素子３２に給電するための配線基板５５が配設され、前記コネクタ部５０の一側端であって前記バルブ本体２０の側方位置に、前記配線基板５５を介して前記圧電素子３２に給電するための配線コネクタ２９が配設される。
前記弁座プレート２５は、前記アクチュエータ３０の取り付け部を両面に備えるとともに、前記アクチュエータ３０の後述する弁体３１が当接する弁座２６を有する。また、前記弁座プレート２５の前面には、前記ケースの開口を閉鎖する蓋材２８が取り付けられる。当該蓋材２８には、前記弁座２６の弁座面から前記コネクタ部５０の前面に開口する前記排出口５２へ連通する気体排出路が形成される。さらに、前記蓋材２８には、前記コネクタ部５０の前面に開口する吸入口５１から前記バルブ本体２０内に連通する気体吸入路が形成される。
前記弁座プレート２５は、例えば合成樹脂材料により成形され、前記配線基板５５から前記圧電素子３２への配線がモールドされる。
また、前記弁座プレート２５の後方位置には、図８に後述するように前記圧電素子３２のリード線５７と接続される前記配線の電極５８が露出する。
前記弁座プレート２５は、例えば合成樹脂材料により成形され、前記配線基板５５から前記圧電素子３２への配線がモールドされる。
また、前記弁座プレート２５の後方位置には、図８に後述するように前記圧電素子３２のリード線５７と接続される前記配線の電極５８が露出する。
前記アクチュエータ３０は、図４に示すように、ゴム製好ましくは滑性ゴムの弁体３１、該弁体３１の動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子３２、前記圧電素子３２の変位を拡大して前記弁体３１に作用させる変位拡大機構３３を備える。
前記圧電素子３２には、図１に示す圧電素子を用いることができる。また、前記圧電素子３２には、内部電極層３が露出する側面を含む全周面がエポキシ樹脂で薄く被覆された樹脂外装型圧電素子を用いることもできる。
前記圧電素子３２には、図１に示す圧電素子を用いることができる。また、前記圧電素子３２には、内部電極層３が露出する側面を含む全周面がエポキシ樹脂で薄く被覆された樹脂外装型圧電素子を用いることもできる。
前記変位拡大機構３３は、前記圧電素子３２の変位を拡大する変位拡大部３４と、前記圧電素子３２の変位を前記変位拡大部３４に伝達する変位伝達部３５を有し、前記弁体３１の動作方向の軸線、ここでは、前記弁体３１と前記圧電素子３２の長手方向軸線を結ぶ直線（以下、「中心線」という。）に対して対称に配置される。
前記変位伝達部３５は、前記圧電素子３２の一端が接合されるＵ字状のベース基板３６と、前記圧電素子３２の他端が接合されるキャップ部材３７を有する。前記圧電素子３２が前記Ｕ字状のベース基板３６の空間内に配設されることで、前記変位拡大機構３３は前記圧電素子３２の長手方向軸線を中心として対称な配置とされる。
ここで、前記圧電素子３２は、前記Ｕ字状のベース基板３６の空間内であって該ベース基板３６のＵ字状底部と前記キャップ部材３７との間に組み込まれ、前記ベース基板３６のＵ字状底部を塑性変形させることで、前記一端が前記ベース基板３６のＵ字状底部に接合され、前記他端が前記キャップ部材３７に接合される。
前記変位拡大部３４は、前記中心線に対して対称な配置とされる第１及び第２変位拡大部３４ａ，３４ｂから構成される。
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ヒンジ３９の一端は前記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の一端は前記キャップ部材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、該第１板バネ４２の他端には前記弁体３１の一方側の側端部が接合される。
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ヒンジ３９の一端は前記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の一端は前記キャップ部材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、該第１板バネ４２の他端には前記弁体３１の一方側の側端部が接合される。
他方、前記第２変位拡大部３４ｂは、第３及び第４ヒンジ４３，４４、第２アーム４５及び第２板バネ４６を有する。前記第３ヒンジ４３の一端は前記Ｕ字状のベース基板３６の他方側先端に対し一体とされ、前記第４ヒンジ４４の一端は前記キャップ部材３７に対し一体とされる。前記第２アーム４５の外側先端部には、前記第２板バネ４６の一端が接合され、該第２板バネ４６の他端には前記弁体３１の他方側の側端部が接合される。
ここで、前記変位拡大機構３３は、例えば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。
ここで、前記変位拡大機構３３は、例えば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。
上記アクチュエータ３０は、閉弁状態において前記圧電素子３２に通電すると、当該圧電素子３２が伸長する。当該圧電素子３２の伸長に伴う変位は、前記変位拡大機構３３において、前記第１及び第３ヒンジ３９，４３を支点、前記第２及び第４ヒンジ４０，４４を力点、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部を作用点としてテコの原理により拡大され、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部を大きく変位させる。
そして、前記第１及び第２アーム４１，４５の外側先端部の変位は、前記第１及び第２板バネ４２，４６を介して前記弁体３１を前記弁座２６から離間させ、前記気体排出路を開放する。
他方、上記アクチュエータ３０は、前記圧電素子３２への通電が解除されると該圧電素子３２が収縮し、当該収縮が前記変位拡大機構３３を介して前記弁体３１を前記弁座２６に着座させ、前記気体排出路を閉鎖する。
図７は、本発明の実施の形態における圧電式バルブが備えるアクチュエータの平面図を示す。
図７に示すアクチュエータは、圧電素子３２が一体化された状態で、当該圧電素子３２の表面、即ち、前記圧電素子３２の少なくとも内部電極層が露出する側面がシリコーン８により被覆されている。
図７に示すアクチュエータは、圧電素子３２が一体化された状態で、当該圧電素子３２の表面、即ち、前記圧電素子３２の少なくとも内部電極層が露出する側面がシリコーン８により被覆されている。
本発明の実施の形態における圧電式バルブは、例えば、図１に示すタイプの圧電素子であって、シリコーン８により表面が被覆された圧電素子３２をアクチュエータ３０に一体に組み付けることができる。
また、本発明の実施の形態における圧電式バルブは、アクチュエータ３０に一体化された状態の圧電素子３２の表面上にディスペンサや刷毛等によりシリコーン８を供給し、前記シリコーン８により前記圧電素子３２の表面を被覆することもできる。
本発明の実施の形態における圧電式バルブは、アクチュエータ３０に一体化された状態の圧電素子３２の表面上にシリコーン８を供給し、前記シリコーン８により前記圧電素子３２の表面を被覆することとすれば、前記シリコーン８が前記圧電素子３２の表面からはみ出して付着する場合でも、前記圧電素子３２を前記アクチュエータ３０に一体化する際の組付不良が起こる心配がない。
本発明の実施の形態における圧電式バルブは、圧電素子３２がアクチュエータ３０に一体化された状態でシリコーン８により表面を被覆されており、前記アクチュエータ３０を弁座プレートに固定することで組み立てることができる。
ここで、前記圧電素子３２は、少なくとも内部電極層が露出する側面がシリコーン８により被覆されていればよく、好ましくは、前記内部電極層が露出する側面を含むすべての側面（全周面）が、前記シリコーン８により被覆されていればよい。
また、前記圧電素子３２として、全周面がエポキシ樹脂で薄く被覆されている樹脂外装型圧電素子を用いる場合には、前記シリコーン８により全周面を被覆することが好ましい。
図８は、本発明の実施の形態における圧電式バルブが備える弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の平面図を示す。図９は図８のＡ－Ａ断面図を示す。
本発明の実施の形態における圧電式バルブにおいて、弁座プレート２５の表面におけるアクチュエータ３０の取り付け部には、前記アクチュエータ３０がネジで固定された際、前記圧電素子３２と前記変位伝達部３５の間であって前記圧電素子３２の長手方向（伸縮方向）両側に隙間を空けて位置する一対の突条片２７が設けられる。
本発明の実施の形態における圧電式バルブにおいて、弁座プレート２５の表面におけるアクチュエータ３０の取り付け部には、前記アクチュエータ３０がネジで固定された際、前記圧電素子３２と前記変位伝達部３５の間であって前記圧電素子３２の長手方向（伸縮方向）両側に隙間を空けて位置する一対の突条片２７が設けられる。
また、図９に示すように、前記一対の突条片２７は、前記弁座プレート２５に固定された前記アクチュエータ３０の前記圧電素子３２の表面の高さよりも高く形成されている。
本発明の実施の形態における圧電式バルブは、図７に示すアクチュエータ３０であって、シリコーン８により内部電極層が露出する側面が被覆された圧電素子３２を前記弁座プレート２５に固定した後、前記圧電素子３２の表面上にシリコーン８を供給することで、前記一対の突条片２７の間に充填されるシリコーン８により前記圧電素子３２の全周面を被覆することができる。
また、本発明の実施の形態における圧電式バルブは、シリコーン８により表面を被覆されていない圧電素子３２をアクチュエータ３０に一体化し、前記アクチュエータ３０を前記弁座プレート２５に固定した後、前記圧電素子３２の表面上にシリコーン８を供給することで、前記一対の突条片２７の間に充填されるシリコーン８により前記圧電素子３２の全周面を被覆することもできる。
本発明の実施の形態における圧電式バルブは、アクチュエータ３０が弁座プレート２５に固定された際、前記圧電素子３２の長手方向両側に隙間を空けて位置する一対の突条片２７が弁座プレート２５の表面に設けられているので、前記一対の突条片２７の間に充填されたシリコーン８により全周面を簡単に被覆することができる。
なお、本発明の実施の形態における圧電式バルブは、シリコーン８により表面を被覆されていない圧電素子３２を前記アクチュエータ３０に一体化し、前記アクチュエータ３０を前記弁座プレート２５に固定した後、前記圧電素子３２の表面上にシリコーン８を供給し、前記一対の突条片２７の間に充填される前記シリコーン８により前記圧電素子３２の全周面を被覆することとすれば、前記シリコーン８が前記圧電素子３２の表面以外にはみ出して付着する場合でも、前記アクチュエータ３２を前記弁座プレート２５に固定する際の組付不良が起こる心配がない。
ここで、本発明において、前記シリコーン８とは低粘度のシリコーンゴムを意味するものであり、好ましくは粘度０．０１Ｐａ・ｓ以上、１０．０Ｐａ・ｓ以下のシリコーンゴム、より好ましくは粘度２．５Ｐａ・ｓのシリコーンゴムを用いることができる。
また、作業性を考慮して、一液型の常温硬化タイプのシリコーンゴムを用いることが好ましく、例えば、信越化学工業株式会社製の低粘度シリコーンゴム「ＫＥ－３４７５（品名）」等を用いることが好ましい。
また、作業性を考慮して、一液型の常温硬化タイプのシリコーンゴムを用いることが好ましく、例えば、信越化学工業株式会社製の低粘度シリコーンゴム「ＫＥ－３４７５（品名）」等を用いることが好ましい。
図８において、弁座プレート２５の後方位置には、前記圧電素子３２に給電するためにモールドされた配線の電極５８が露出し、前記圧電素子３２のリード線５７と半田により接続されており、前記配線の電極５８が、前記リード線５７と接続された状態で図示しない絶縁性材料により被覆されている。前記絶縁性材料には、例えば前記シリコーン等の絶縁性樹脂材料を用いることができる。
また、図８に示すように、前記アクチュエータ３０は、変位拡大機構３３における変位伝達部３５の表面後部位置に絶縁用フィルム６２が貼着されている。
図８において、前記アクチュエータ３０が取り付けられる弁座プレート２５には、配線基板５５から圧電素子３２への配線がモールドされており、前記圧電素子３２のリード線５７は、前記アクチュエータ３０の変位拡大機構３３を構成する金属材料と接触することを防ぐよう、前記絶縁用フィルム６２上に配置され、前記弁座プレート２５の後方位置に露出する前記配線の電極５８と半田により接続される。
ここで、前記絶縁用フィルム６２には、例えば低透湿性フィルムを用いることができる。
本発明において、低透湿性フィルムとは、厚み１ｍｍの材料の温度４０℃、相対湿度９５％の環境下における透湿度が０．５ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下の樹脂フィルムをいう。
前記低透湿性フィルムには、低透湿性材料からなる樹脂フィルム、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリオレフィン系樹脂フィルムを用いることができる。また、前記低透湿性フィルムには、フッ素等の低透湿剤をコーティングする等の低透湿加工を施した樹脂フィルムを用いることもできる。
本発明において、低透湿性フィルムとは、厚み１ｍｍの材料の温度４０℃、相対湿度９５％の環境下における透湿度が０．５ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下の樹脂フィルムをいう。
前記低透湿性フィルムには、低透湿性材料からなる樹脂フィルム、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリオレフィン系樹脂フィルムを用いることができる。また、前記低透湿性フィルムには、フッ素等の低透湿剤をコーティングする等の低透湿加工を施した樹脂フィルムを用いることもできる。
上記本発明の実施の形態における圧電式バルブは、弁座プレート２５の表面に一対の突条片２７が設けられるものであったが、アクチュエータ２０をバルブ本体２０に直接取り付ける場合には、前記バルブ本体の内壁面に一対の突条片を設けることもできる。その場合、アクチュエータをバルブ本体に固定した後、圧電素子の表面上にシリコーン８を供給することで、前記一対の突条片２７の間に充填されるシリコーン８により前記圧電素子３２の全周面を被覆することができる。
本発明の圧電式バルブは、圧電素子が、耐水性・防水性に優れる特性を有するシリコーンにより表面を被覆されているので、使用に際し圧縮気体とともに前記圧電素子の破損片が噴出したり、高湿環境下で使用した場合でも前記圧電素子に湿気が侵入して寿命が短くなることを防止できる。
また、本発明の圧電式バルブは、圧電素子が、従来のポリオレフィン系樹脂と比べ弾性に富み、圧縮性が大きい特性を有するシリコーンにより表面を被覆されているので、前記圧電素子の高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐために、前記圧電素子の表面を前記シリコーンによりある程度厚く被覆する場合でも、前記圧電素子の動きが妨げられてストロークが小さくなったり、正確な動作をしなくなったりすることを防止できる。
図１０は、圧電式バルブから噴出するエアの噴出圧特性を示すグラフであって、圧電素子の表面がシリコーンにより被覆されている場合と、圧電素子の表面が被シリコーンにより覆されていない場合とを比較するグラフを示す。なお、圧電素子の表面がシリコーンにより被覆されている場合の被覆厚さは約１５０μｍであり、高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐことができるものである。
実験は、特開２０１７－１６０９７３号公報の［実施例］に記載された方法に基づいて行われた。実験条件は以下のとおりである。
（１）圧縮エア供給圧力：０．１５ＭＰａ（大気圧下のゲージ圧値）
（２）駆動電圧：７２Ｖ
（３）圧縮エア設定流量：３９Ｌ／ｍｉｎ
（４）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０９８ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．０８ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．６ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０３ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．１９２ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）
（５）エア噴出圧検出位置：気体排出路先端より２ｍｍ
（１）圧縮エア供給圧力：０．１５ＭＰａ（大気圧下のゲージ圧値）
（２）駆動電圧：７２Ｖ
（３）圧縮エア設定流量：３９Ｌ／ｍｉｎ
（４）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０９８ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．０８ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．６ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０３ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．１９２ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）
（５）エア噴出圧検出位置：気体排出路先端より２ｍｍ
図１０において、破線は、シリコーンにより圧電素子の表面が被覆されている圧電式バルブの結果を示す。また、実線は、シリコーンにより圧電素子の表面が被覆されていない圧電式バルブの結果を示す。
両者を比較した場合、エアの噴出圧特性はほぼ一致しており、本発明の実施の形態における圧電式バルブでは、圧電素子の高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐために、前記圧電素子の表面を前記シリコーンによりある程度厚く被覆する場合でも、圧電素子の動きが妨げられていないことが確認できた。
両者を比較した場合、エアの噴出圧特性はほぼ一致しており、本発明の実施の形態における圧電式バルブでは、圧電素子の高温・高湿環境下での絶縁抵抗の低下を防ぐために、前記圧電素子の表面を前記シリコーンによりある程度厚く被覆する場合でも、圧電素子の動きが妨げられていないことが確認できた。
本発明は、上記実施の形態に限るものでなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいてその構成を適宜変更できることはいうまでもない。
本発明の圧電式バルブは、使用に際し圧縮気体とともに積層型圧電素子の破損片が噴出したり、高湿環境下で使用した場合でも前記積層型圧電素子に湿気が侵入して寿命が短くなることを防止でき、また、前記積層型圧電素子の動きが妨げられてストロークが小さくなったり、正確な動作をしなくなったりすることを防止できるため、極めて有用である。
１ 積層型圧電素子
２ セラミック層
３ 内部電極層
４ 積層体
５ 絶縁層
６ 外部電極
７ リード線
８ シリコーン
１０ 圧電式バルブ
２０ バルブ本体
２５ 弁座プレート
２６ 弁座
２７ 突条片
２８ 蓋材
２９ 配線コネクタ
３０ 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
３７ キャップ部
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
５０ コネクタ部
５１ 気体吸入口
５２ 気体排出口
５５ 配線基板
５７ リード線
５８ 電極
６２ 絶縁用フィルム
２ セラミック層
３ 内部電極層
４ 積層体
５ 絶縁層
６ 外部電極
７ リード線
８ シリコーン
１０ 圧電式バルブ
２０ バルブ本体
２５ 弁座プレート
２６ 弁座
２７ 突条片
２８ 蓋材
２９ 配線コネクタ
３０ 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
３７ キャップ部
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
５０ コネクタ部
５１ 気体吸入口
５２ 気体排出口
５５ 配線基板
５７ リード線
５８ 電極
６２ 絶縁用フィルム
Claims (6)
- 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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブにおいて、
前記積層型圧電素子は、前記アクチュエータに一体化された状態で前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されていることを特徴とする圧電式バルブ。 - 前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子は、前記アクチュエータが前記プレートに固定された状態で前記一対の突条片の間に充填されたシリコーンにより表面を被覆されている請求項１記載の圧電式バルブ。 - 前記変位拡大機構は金属材料により形成される一方で、前記プレートには前記積層型圧電素子に給電するための配線がモールドされてなり、
前記プレートから露出する前記配線の電極が、前記積層型圧電素子のリード線と接続された状態で絶縁性材料により被覆されている請求項２記載の圧電式バルブ。 - 前記変位拡大機構は金属材料により形成されてなり、
前記積層型圧電素子のリード線は、前記変位拡大機構の表面に貼着される絶縁用フィルム上に配置される請求項１乃至３のいずれかに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であって、
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、
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アクチュエータと、を備える圧電式バルブの製造方法において、
前記アクチュエータに一体化された前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記積層型圧電素子との間に隙間を空けて位置する一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆することを特徴とする圧電式バルブの製造方法。 - 前記バルブ本体の内部に配設されるプレートをさらに備え、前記アクチュエータは前記プレートに固定され、該プレートとともに前記バルブ本体の内部に配設されるものであって、
前記プレートの表面には、前記アクチュエータが前記プレートに固定された際、前記積層型圧電素子の長手方向両側に前記隙間を空けて位置する前記一対の突条片が設けられており、
前記積層型圧電素子を前記アクチュエータに一体化し、前記アクチュエータを前記プレートに固定した後、前記積層型圧電素子の表面上にシリコーンを供給し、前記一対の突条片の間に充填される前記シリコーンにより前記積層型圧電素子の表面を被覆する請求項５記載の圧電式バルブの製造方法。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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