JPH02286982A - 圧電バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１例えば半導体工業においてガス流量を調整す
るために多用される圧電バルブ、すなわち積層型変位素
子からなるアクチュエータを備えた圧電式のバルブに関
するものであり、特に流量調節範囲が広く、かつ精密な
調節が行なえるように改良した圧電バルブに関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来使用されている圧電バルブとしては１例えば第５図
に示すように単一方向に作動する積層型変位素子を設け
た構成のものが一般的である。第５図において、１は弁
座であり１円錐台状に形成すると共に、中央部にガス流
通用の開口２を設ける。３は流路であり、弁座Ｉの周囲
に設けると共に、ガス流の供給先と連通ずる開口４を設
ける。

５はダイヤフラムであり２弾性材料によって例えば円板
状に形成し、弁座ｌおよび流路３の上方に設ける０次に
６は弁棒、７は積層型変位素子であり、各々ダイヤフラ
ム５の上方、ハウジング８との間に介装する。なお積層
型変位素子７は１例えば圧電セラミック材料からなる薄
板７ａと、銀−パラジウム等の導電材料からなる内部電
極７ｂとを交互に積層して形成し、外部電極（図示せず
）を介して駆動型１ｌＩ（図示せず）と接続する。

上記の構成により、弁座ｌとダイヤフラム５との間には
所定の間隙が確保されるから、開口２から流路３を経て
ガスが流通し、開口４から供給先にガスを供給すること
ができる０次に駆動電源および外部電極を介して内部電
極７ｂに電圧を印加すると、圧電セラミック材料からな
る薄板７ａが圧電効果によって積層方向に伸長し、第６
図に示すように弁棒６を介してダイヤフラム５を弁座１
に当接させるから、開口２を閉塞し、ガス流を遮断する
。このような型式の圧電バルブは所謂ノーマリ−オープ
ン型と呼称され、常時はガス流を流通させる状態に保持
し、１を圧の印加によってガス流を遮断する作用を具有
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の圧電バルブにおいては、弁棒６の軸方向にの
み作動する積層型変位素子７をアクチュエータとして使
用する構成であるため、その変位量は積層方向の長さが
４０ｍのものであっても３０〜４０μ厳に留まる。この
種の圧電バルブにおけるガスの流量は弁座１とダイヤフ
ラム５との間隙寸法によって定まるため、上記変位量に
よっては微少流量しか確保できない、従って流量の大な
る圧電バルブにおいては、積層型変位素子７を構成する
薄板７ａおよび内部電極７ｂの積層数を増大させる必要
があり、必然的に圧電バルブが大型になり、占有空間を
増大させるという問題点がある。このため従来の圧電バ
ルブは微少流量用のものに限定され、大流量用のものに
は不適とされていた。また大流量用に使用する場合、若
しくは広範囲の流量制御用として使用する場合には、数
個の圧電バルブを必要とし、占有空間若しくは占有床面
積の増大を招来するのみならず、保守点検および管理が
煩雑であるというｒｊＩＮ点も併存する。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解決し、小型
化が可能であると共に、広範囲の流量制御が可能である
圧電バルブを提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために２本発明においては。

流体流通用の開口を設けた弁座の上方に開口に臨むダイ
ヤフラムを設け、このダイヤフラムの上方に弁棒および
積層型変位素子からなるアクチュエータを介装し、前記
ダイヤフラムを前記弁座と離接自在に付勢して流体の開
口からの流量を調整可能に形成した圧電バルブにおいて
、ハウジング内に、弁棒の軸方向に変位するように形成
した垂直変位素子と、この垂直変位素子の上下端に固着
しかつ弁棒の軸と直角方向に変位するように形成した水
平変位素子とを設けると共に、これらの変位素子を順０
次協動可能に形成したアクチュエータを設ける。という
技術的手段を採用した。

本発明において、ハウジング内に弁棒をアクチュエータ
側に付勢するように形成した圧縮コイルばねを設けるこ
とができる。

〔作用〕

上記の構成により、積層型変位素子からなるアクチュエ
ータをハウジングに対して相対移動をさせることができ
、この相対移動により弁棒を介してダイヤフラムを弁座
に対して離接目在とし、流量調節を行ない得るのである
。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す要部縦断面図であり、同
一部分は前記第５図および第６図と同一の参照符号で示
す。第１図において２９はハウジングであり、弁座１を
有する弁箱１０の上方にボルトｌｌを介して固着する０
次に１２はアクチュエータであり、ハウジング９内に設
けたガイド穴９ａ内に上下動自在に収容する。アクチュ
エータ１２は、弁棒６の軸方向に変位するように形成し
た垂直変位素子１２ｂと、この垂直変位素子１２ｂの上
下端に各々固着し、かつ弁棒６の軸と直角方向に変位す
るように形成した水平変位素子１２ａ、１２ｃとからな
る。なおこれらの垂直変位素子１２ｂおよび水平変位素
子１２ａ、１２Ｃの構成は前記第５図および第６図にお
ける積層型変位素子７と同一である０次に１３はスペー
サであり。

前記アクチュエータ１２の上部に当接し、かつ水平変位
素子１２ａの変位作用に支障のないように設ける。１４
は調整ねしであり、ハウジング９の上端に螺着する。

上記の構成により、アクチュエータ１２に駆動電圧を印
加すれば、後記するようにアクチュエータ１２をハウジ
ング９のガイド穴りａ内を上下動させることができ、弁
棒６を介してダイヤフラム５を弁座ｌに対して離接自在
とするから、開口２からのガス流量を調節し、若しくは
ガス流の遮断を行ない得るのである。なおスペーサ１３
および調整ねじ１４により、ダイヤフラム５と弁座ｌと
の間隙を調節することができ、所謂初期流量若しくは基
準流量を設定することができる。

次に第２図はアクチュエータ１２を構成する垂直変位素
子１２ｂおよび水平変位素子１２８゜１２Ｃに印加する
圧電レベルを示す説明図である。

第２図において、Ａ、Ｂ、Ｃは夫々水平変位素子１２　
ａ、、垂直変位素子１２ｂおよび水平変位素子１２Ｃに
印加する電圧レベルであり、夫々上方が電圧印加状態、
下方が電圧解除状態を示す。なおａ　−ｆは時系列的な
時間を表わすと共に、後記する第３図ｔａ）〜ｉｆ）の
状態と対応する。従って例えば第１図に示す水平変位素
子１２ａは、第２図においてＡによって表示されるよう
に、ａ−ｃの間およびａ　ｗ　ｆの間が電圧印加状Ｌ　
　ｄ、６の間が電圧解除状態であることを示し、以後ａ
〜「の状態を繰返し継続する。なお第１図に示す垂直変
位素子１２ｂおよび水平変位素子１２ｃは各々前記水平
変位素子１２ａからａ、ｂ時間遅れて、第２図Ｂ、Ｃに
よって表示されるように、電圧印加状態と電圧解除状態
を繰返すのである。

第３図（ａｌ〜（ｆｌは夫々アクチ二エータ１２の作動
状態を示す説明図であり、夫々前記第２図における時系
列的な時間ａ　％　ｆにおける電圧レベルのときのアク
チュエータ１２　（第１図参照）の状態を示している。

なお第３図（４）〜（ｆｌにおいては、前記第１図にお
ける水平変位素子１２ａ、垂直変位素子１２ｂおよび水
平変位素子１２Ｃを、夫々素子Ａ、Ｂ、Ｃとして示す、
以下第２図および第３図［ａｌ〜（ｆｌを参照して素子
Ａ、Ｂ、Ｃの作動について説明する。まず時間ａにおい
ては第３図ｆａｔのように素子Ａのみが電圧印加状態で
あるから、素子Ａが矢印方向に変位し、ガイド穴９ａの
内壁を圧接して固定状態となる０次に時間すにおいては
第３図（ｂｌに示すように素子Ｂも電圧印加状態となり
矢印方向に変位するから、素子Ｃを白矢印方向に下降さ
せる。時間Ｃにおいては素子Ｃも続いて電圧印加状態と
なり、下降した位置においてガイド穴９ａの内壁を圧接
して固定状態となる。次に時間ｄにおいては第３図Ｔｄ
ｌに示すように素子Ａが不作動状態となって収縮し、ガ
イド穴９ａの内壁との圧接を解除する０時間ｅにおいて
は第３図＋ｅ＋に示すように素子Ｂが収縮し、素子Ａを
白矢印方向に下降させる１次に時間ｆに至ると第３図（
［１に示すように素子Ａが再び作動して、ガイド穴９ａ
の内壁を圧接して固定状態となる。以後は時間ａにおい
て第３図ｔａ＋に示す状態に復帰し、素子Ｃが不作動状
態となり、前記同様の状態を順次協動じて繰返すのであ
る。従って素子Ａ、Ｂ、Ｃからなるアクチュエータはガ
イド穴９ａに対して、所謂尺堰虫的に相対移動して下降
する。一方アクチュエータを上昇させる場合には、素子
Ａ、Ｂ、Ｃに印加する電圧レベルを第２図においてｆ　
ｗ　ａとすればよい。

上記のようにして第１図に示すアクチュエータ１２をガ
イド穴りａ内を上下動させ得るから、弁棒６を介してダ
イヤフラム５を弁座ｌに対して離接自在となし得る。従
って開口２からのガス流量の調節、およびガス流の遮断
を行ない得る。この場合アクチュエータ１２は同一位置
において作動させ得ることは当然に可能であるから、第
５図および第６図に示す従来の圧電バルブの具有する機
能も当然に保有している。しかしながら第１図に示す実
施例のものにおいては、アクチュエータ１２自身がガイ
ド穴りａ内を上下相対移動可能であるから、ストローク
を大にすることができ、従ってダイヤフラム５と弁座１
との間隙を大にすることができるのである。このため微
少流量のバルブのみに限らず、流量の大なるバルブにも
適用できることとなり、１個のバルブで広範囲の流量調
節が可能となるのである。

第４図は本発明の他の実施例を示す要部縦断面図であり
、同一部分は前記第１図と同一の参照符号で示す、第４
図において、弁棒６につば６ａを設けると共に、ハウジ
ング９内に圧縮コイルばね１５を設け、弁棒６をアクチ
ュエータ１２側に付勢するように形成する。

上記の構成により、ダイヤフラム５が弁棒６によって弁
座１に当接した状態から、アクチュエータ１２の駆動電
圧解除によってダイヤフラム５が離脱する動作を迅速に
行ない得る。従って比較的口径の大なるバルブ用に適し
ている。

本実施例においては、初期流量若しくは基準流量を設定
するためにスペーサおよび調整ねじを設けた例について
記述したが、開口からの流量をセンサその他の計測手段
で読み取って調整若しくは設定するようにしてもよい、
また対象流体はガスのみでなく、液体であってもよいこ
とは勿論である。

〔発明の効果〕 本発明は２以上記述のような構成および作用であるから
、下記の効果を奏し得る。

＋（１）　　アクチュエータをハウジング内において、
弁棒の軸方向に相対移動可能に形成したものであるため
、弁座とダイヤフラムとの間隙寸法を大に形成すること
ができ、微少流量用から比較的大流量用のものまで適用
できる。

（２）　　＋（１）と関連してバルブ自体を小型化し得
ると共に、従来数個を必要とした用途に対しても１個で
対応できるため、占有空間若しくは占用床面積を縮少す
ることができ、保守点検および管理が極めて容易となる
。

（３）広い流量制御範囲を有することに加えて、当該設
定流量における流ｌｌｌｉｌ節の精度が高く、従来の大
流量調節弁より大幅に信鯨性を向上させ得る。

第　１　口

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す要部縦断面図。 第２図はアクチュエータを構成する垂直変位素子および
水平変位素子に印加する電圧レベルを示す説明図、第３
図（ａｌ〜（ｆｌは夫々アクチュエータの作動状態を示
す説明図、第４図は本発明の他の実施例を示す要部縦断
面図、第５図および第６図は各々従来の圧電バルブの例
を示す要部縦断面図である。 １：弁座、５：ダイヤフラム、６：弁棒、９：ハウジン
グ、１２：アクチュエータ。 第　Ａ（２１ １ニ−Ｍ、５ニブ苓τフラ４　６：イ「ビ１ｑ：　］＼
゛ンジ〉フ′、　＋２：了２モトユニＬ−７第 図 佑 閃 （良） （Ｃ） （ｄ−） （ｅ） （ｆ） 昂 第 凹 １、介屋 ７′令マフラヘ ６：骨。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体流通用の開口を設けた弁座の上方に開口に臨
   むダイヤフラムを設け，このダイヤフラムの上方に弁棒
   および積層型変位素子からなるアクチュエータを介装し
   ，前記ダイヤフラムを前記弁座と離接自在に付勢して流
   体の開口からの流量を調整可能に形成した圧電バルブに
   おいて，ハウジング内に，弁棒の軸方向に変位するよう
   に形成した垂直変位素子と，この垂直変位素子の上下端
   に固着しかつ弁棒の軸と直角方向に変位するように形成
   した水平変位素子とを設けると共に，これらの変位素子
   を順次協動可能に形成したアクチュエータを設けたこと
   を特徴とする圧電バルブ。
2. （２）ハウジング内に弁棒をアクチュエータ側に付勢す
   るように形成した圧縮コイルばねを設けた請求項（１）
   記載の圧電バルブ。