JPS608384B2 - バイモルフ圧電素子を用いた弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電界によって付勢されるバイモルフ圧電素子
を用いて流体の流れを制御する弁に関する。

従来からの電磁弁は、比較的大きな騒音を発し、ソレノ
ィドの励磁による鉄損や抵抗損等で発熱を伴ない、さら
に構造部品が多く、比較的複雑であって、生産性および
保守性に劣る。

この問題を解決する先行技術は、たとえば袴関昭４９−
１１１２２６号に開示されている弁である。

この先行技術では、圧電素子積層体の中心部に弁体を固
定的に装着し、弁体を挟んでハウジングの反対側に弁座
を設けている。圧電素子積層体では、庄電体フィルムか
ら電気的入力に対応した変位をとり出そうとするために
、それはフィルムの厚み方向の変位を利用している。こ
の厚み方向の変位をそのまま利用するものであり、大き
な力をとり出せる反面、その変位量、すなわちストロー
クはごく微小でしかない。たとえば圧電体フィルム６の
女を重ねたものでも、０．０３６マクロメータ／ボルト
であり、したがって１００ボルトの負荷に対して、たっ
た０．３６ミクロンであるし、降伏電圧１２００ボルト
に近い１０００ボルト負荷でも、やっと３．６ミクロン
の変化しかない。したがって弁として実現することが事
実上、不可能である。本発明の目的は、バィモルフ圧電
素子を用いて弁体のストロークを大きくして実用に供す
ることができるようにした弁を提供することである。

本発明は、高分子圧電材料フィルムより成る複数のバィ
モルフ圧電素子９ａ，ｇｂ，９ｃの周辺部と中心部とに
スベーサ１０，１６を介在して積層体を構成し、バィモ
ルフ圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃの前記周辺部を厚み方向
に固定的にハウジング７に保持するとともに、前記中心
部に連結軸１２が挿通して厚み方向に固定し、この連結
軸１２に弁体６を固着し、弁体６に関してバィモルフ圧
電素子９ａ，９ｂ，９ｃの反対側に弁座を設け、バィモ
ルフ圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃの周辺部外方とハウジン
グ内周面との間に間隔１８が形成されており、高分子圧
電材料フィルムは、電圧を供給することによってその電
圧の極性に対応して面方向に変位する構成を有し、これ
によって弁体６を弁座５に着座または離間させるように
したことを特徴とするバィモルフ圧電素子を用いた弁で
ある。すなわち本発明は、１枚では比較的小さな力しか
出すことのできないバイモルフを複数枚重ねて用い、こ
れから総合した力をとり出すとのできる独特な装置の構
造、即ち連結軸１２の採用と、圧電素子９ａ，ｇｂ，ｇ
ｃの周辺部のハウジング７内への固定的に装着した点に
特徴がある。

本件発明におけるバィモルフ圧電素子９ａ，９い ９ｃ
の積層体は後述の第１図に示した通り、連結軸１２の部
分にあっては中心部スべ−サ１６を介在させ、また周辺
部にあっては、スベーサ１０を介して行なわれているの
であり、そのハウジング７へは、周辺部において隙間１
８が形成されるように固定している。このような積層体
は、周辺部における上下運動が抑制されるので、中心部
のみが上下に運動し、この力が連結軸１２から取り出さ
れる。前記隙間１８の存在はこのようなバィモルフの運
動を許容かつ容易化すのに役立っているのである。こう
してバィモルフ圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃは、高分子圧
電材料フィルムに印加する電圧の極性に対応して面方向
変位し、この変位が、厚み方向の変位として、弁体Ｓに
とり出されて利用される。そのため弁体６を弁座５に着
座、離間するためのストロークを大きくすることができ
、その力は、バィモルフ圧電素子９ａ，ｇｂ，９ｃの数
を増すことによって、大きくすることができる。第１図
は、本発明の一実施例の弁の縦断面図である。弁本体１
には、入口ボート２に蓮通する流路３が形成される。こ
の流路３は、弁孔４に連適する。弁孔４を囲んで弁座５
が形成される。一方、弁の開閉を司どろダイヤフラム６
はト弁本体１と、ハウジング７との間に挟持され、弁本
体１とハウジング７とはボルト８によって結着されてい
る。このハウジング７はダイヤフラム６を挟んで弁本体
の反対側に位置し、この中にバイモルフ圧電素子９の積
層体がその周辺部を多数の周辺部スべ−サ−１０及び押
え板１１により固定的に保持されている。前記積層体９
の中心部に連結軸ｌ２が設けられ、連結軸１２の一端は
ダイヤフラム６に接着又はボルト締め等の手段により固
着される。連結軸１２のダイヤフラム６を介して反対側
には弁孔４の周囲に弁室１３があり、弁室１３は流路１
４を介て出口ボート１５に蓮通される。第２図は第１図
におけるバィモルフ圧電素子９（以下単にバィモルフと
いうことがある）の積層体の構造説明図である。バィモ
ルフ圧電素子９は円板形の高分子圧電材料フィルムを２
枚穣層して構成される。高分子圧電材料フィルムの材質
としてはフッ化等の可榛・性の高分子圧電材料が使用で
きる。またこれら高分子圧電材料又は他の可榛・性高分
子材料にジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バ
リウム等の無機圧電材料粉末を分散配合した複合材料も
好適な材料であり、本発明の高分子圧電材料はこれら高
分子材料及びその複合材料を指称する。これら高分子圧
電材料フィルムを損層した各バィモルフ圧電素子の間に
は、周辺部スベーサ−亀０及び中心部スベーサー１６を
介在させる。即ち、例えば第２図中、最上段のバィモル
フｇａは周辺部スベーサー１０ａ，１０ｂ及び中心部ス
ベーサ山１６ａ，１６ｂにより、それぞれ周辺部及び中
心部を上下両面で荻持される。スべ−サー竃０の介在に
よって各バィモルフは間隙１７ａ，１７ｂ，……によっ
て離間されている。この間隙はバィモルフ９ａ，９ｂ？
９ｃ，……が連結軸１２を動作させる際に各バィモル
フが摺動摩擦により動きを止められるのを防ぐために設
けたものである。なお第２図中符号１８ａ，１８ｂ，１
８ｃ・・…・は、各バィモルフとスべ−サーの内周壁と
の間に設けられた隙間であり、この隙間によってバィモ
ルフが榛む場合周辺部への変形が容易となる。バィモル
フ積層体は全体として押え板１１によって周辺部におけ
る上下運動が抑制されるため中心部のみか上下に運動し
、この力が連結軸１２から敬出される。第２図において
各バィモルフ圧電素子ｇａ，ｇｂ，９ｃ，…・・・は前
記のとおり２枚の圧電材料フィルム竃９を図のごとく上
下２枚と中心の１枚の電極で挟持した構造を有し、上下
２枚の電極２１，２３と中心の電極２２とは電極極性を
異にして電源に接続される。

フィルム１９の材質は、典型的にはポリフッ化ビニリデ
ン７．５重量部と、フッ素ゴム５．０重量部と、ＰＺｒ
の粉末８７．５重量部との混合物が挙げられる。電極は
、各圧電体フィルムの両面にアルミニウム、金、銀また
は錫などの薄層が蒸着、めつき、または塗布などによっ
て付着されて構成される。第２図において、各バィモル
フ圧電素子９の表裏の電極２１，２３は全て同一のりー
ド線の切替スイッチ２４の端子２５に集められ、圧電体
フィルムに挟まれた電極２２は同様に集められて様子２
６につながる。

切替スイッチ２４は交流電源２７を整流回路２８で整流
した直流電圧が印加されるが、切替により端子２５，２
６は正または食の電圧が印加される構造となっている。
しかし、定常状態においてはバイモルフ圧電素子９の材
料の持つ弾性であるいは、スプリング等で連結軸１２よ
りダイヤフラム６を圧し、弁孔４を閉じており、必要な
場合にだけ電力を印加してバィモルフを作動させ弁を開
くような作動のさせ方をとる場合には功替スイッチ２４
は不要である。本発明で使用できるバィモルフ圧蟹素子
は「第２図のタイプに限られない。

バィモルフ圧電素子としては、第３図に示した２つタイ
プが知られている。すなわち第３図Ａは分極方向の異る
圧電体フィルム１９，１９を貼り合せてその両面に電極
２９，３０を装着したバィモルフでありト第３図Ｂは分
極方向が同一であるが、貼り合せ面に電極２２２を介在
させ、その両面に電極２１，２３を装着したバィモルフ
であり、第２図はこのタイプのバィモルフを使用してい
る。第３図の圧電体フィルムに記入した矢印は分極処理
の方向を示す。電界と分極万向が同一の場合は氏電体は
伸び、逆に３互に反対の場合は縮む。したがって第３図
Ａの場合は電源３１からバィモルフに電圧が印加される
と、２枚の圧電体フィルムの一方は伸び、一方は縮みバ
ィモルフ全体は屈曲する。電圧の印加状態でバィモルフ
圧電素子が孫む様子をより詳細に示３したのが第４図で
ある。このようにして、圧電体はフィルムの面方向の変
位によってたわみ、これによって弁体であるダイヤフラ
ム６が第竃図の上下に変位する。

第１図及び第２図の場合、目的とする弁体の機４機動作
に適合するようにバィモルフ圧電素子９が配列され、電
圧が印加され、開弁及び開弁が行なわれる。

この場合、電源２７からバィモルフ圧電素子１０１と与
えられる電圧値を変化することによつて、弁座５とダイ
ヤフラム６との間の間隔を予め定めた値に説定すること
もでき、流体の流量やこ次圧を制御することもできる。
本発明者の実験によれば、上述の実施例において、バィ
モルフ圧電素子１０の外径を６仇舷ふ、各フィルム（１
５〜２０）の膜厚を７０仏のとし、１００Ｖの交流電源
２７から整流回路２８により１４０Ｖの直流電圧として
印加した場合、流体圧が無いとき、失符３３の方向に約
１柳の変位を得るとができた。

ダイヤフラム６に作用する圧力は、バィモルフ圧電素子
９の積層枚数によって異なるが、最大１枚当り約５夕の
力が出た。弁室１３はダイヤフラム６によって仕切られ
ているので、バイモルフ圧電素子９は流路３，１４の流
体に接触することはない。

したがってバィモルフ圧電素子９の電気的特性などが流
体によって低下することはなく、バィモルフ圧電素子１
０の動作が長期間にわたって維持される。本発明の他の
実施例として、第５図のようにバィモルフ圧電素子９の
中心部がスナップ動作をするように各バモルフ９をひず
めて構成してもよい。

第６図は単一のバィモルフ９をとり出して示す斜視図で
ある。この場合「スナップ動作の一方の安定状態でダィ
ャフラム６が弁座５に着座して閉弁状態となり、他方の
安定状態でダイヤフラム６が弁座５から離間して関弁状
態とされる。このような実施例によれば、スナップ動作
の安定状態を切換えるためにのみバィモルフ圧電素子９
を電源２７によって短時間だけ駆動すればよく、電力消
費量を低減することができる。圧電材料フィルム１９の
層数は、流体圧を考慮して所望の弁機能を達成すること
ができるように選べばよい。以上のように本発明によれ
ば、バィモルフ圧電素子によって流体の流れを制御する
ようにしたので、在来の電磁弁に比べ騒音および発熱量
を少なくすることができる。また構造が簡単となり、生
産性および保守性に優れた弁が実現される。また本発明
では、バィモルフ圧電素子の高分子圧電材料フィルムの
面方向の変位によって、弁体を駆動するようにしたので
、弁体のストロークを大きくすることが可能となる。そ
のため圧電材料を用いた弁を実際に使用することができ
るようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例弁の縦断面図、第２図はバィ
モルフ圧電素子９とその電気回路を示す図、第３図は本
願で用いるバイモルフ圧電素子の構造説明図、第４図は
バィモルフ圧電素子の作動説明図、第５図は本発明の他
の実施例弁の縦断面図、第６図は第５図のバイモルフ９
の１つをとり出して示す斜視図である。 １．．．．．．弁本体、５．．．．；．弁座、６・…・
・ダイヤフラム、９・・・…バィモルフ圧電素子、１３
・・・・・・弁室、１２・・・・・・連結軸、１９・…
・・圧電材料フィルム、２１〜２３，２９〜３０・・…
・電極、２７・・・・・・電源。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高分子圧電材料フイルムより成る複数のバイモルフ
   圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃの周辺部と中心部とにスペー
   サ１０，１６を介在した積層体を構成し、バイモルフ圧
   電素子９ａ，９ｂ，９ｃの前記周辺部を厚み方向に固定
   的にハウジング７に保持するとともに、前記中心部に連
   結軸１２が挿通して厚み方向に固定し、この連結軸１２
   に弁体６を固着し、弁体６に関してバイモルフ圧電素子
   ９ａ，９ｂ，９ｃの反対側に弁座を設け、バイモルフ圧
   電素子９ａ，９ｂ，９ｃの周辺部外方とハウジング内周
   面との間に間隔１８が形成されており、高分子圧電材料
   フイルムは、電圧を供給することによつてその電圧の極
   性に対応して面方向に変位する構成を有し、これによっ
   て弁体６を弁座５に着座または離間させるようにしたこ
   とを特徴とするバイモルフ圧電素子を用いた弁。