JPS62177384A

JPS62177384A - 圧電駆動式弁

Info

Publication number: JPS62177384A
Application number: JP1818286A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ishii; 敏夫石井; Yoshiyuki Watabe; 嘉幸渡部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1987-08-04

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、圧電体を駆動源として弁体の位置を、ｉｌ！
！Ｌ流体の流量を制御する方式の弁（本明細書では圧電
駆動式弁という）の改良に関するものであり、特に、流
体の流量を応答性よくかつ高精度に制御するに適した圧
電駆動式弁に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、毎分数ｃｃ〜数千ｃｃ程度の比較的小流量域の流
体を取り扱う場合に使用される弁としては、例えば、ソ
レノイドを利用したソレノイドパルプ、あるいは金属の
熱膨張を利用したサーｖルハルフ（１１，ｓ、ｆ’　３
＋６５０＊５０５）等が知ラレテいる。

しかしながら、ソレノイドバルブは、微小流量を精度良
く制御することが比較的離しいこと、ソレノイドの励磁
によって生ずる鉄損や抵抗損等により発熱し易いこと、
構造部品が多く比較的複雑なため生産性および保守性に
おいて劣ること等の難点があった。また、サーマルバル
ブは、比較的精度の良い流量制御が可能であり小型の制
御弁が実現できるどうの利点があるものの、金属の熱膨
張を利用して弁を駆動するため応答時間の点で問題があ
った。

かかる従来技術の問題点を解消するものとして、最近、
圧電駆動式弁が提案され実用化され始めている。すなわ
ち、例えば流路内に円柱状圧電体を挿入し該圧電体の軸
方向変化により生ずる流路断面積の増減によって流量を
制御するもの（特開昭５５−１４９４７０号公報）、高
分子圧電材料フィルムより成る複数のバイモルフ型圧電
積層体の周辺部を固定し圧電積層体の変位により連結さ
れたダイヤプラム弁を開閉するもの（特開昭５７−２９
８０１号公報）などがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記円柱状圧電体を用いたものは、圧電
体の軸方向の変位を利用しており、その変位量がμｍ以
下のオーダーであるため流量の調整代が極く僅かである
。また、上記高分子圧電材料フィルムを用いたものは、
素子の中央部分の変位を利用するため、その変位量は通
常１１００ｕ前後と大きいものの、所望の駆動力を得る
ためには多数枚の圧電体を使用しなければならないため
、構造が複雑となり信頼性や応答性に難、−χがある。

このため、微小流量域の流体を応答性よくかつ高精度に
制御できる小型の流量制御弁の出現が望まれていた。

この発明は、上記要望に鑑み、流量の微調整が容易で発
熱が少なく、しかも応答性の良い小型の圧電駆動式弁を
提供することをＥ的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、印加する電圧に
対応して生ずる圧電体の変位を利用して弁体を駆動し、
弁体を弁座に着座または離間させることにより流体の流
量制御を行なう圧電駆動式弁において、弁本体とハウジ
ングとの間に、弾性を有する薄板の一方の面に圧電積層
体を固着した圧電素子からなる弁体を挟着するとともに
、前記弁本体に設けた一方の流路と連通する弁室を形成
し、該弁室内に前記弁本体に設けた他方の流路に連通す
る弁孔を有する弁座を突設して前記弁体と対向せしめ、
さらに前記圧電素子の両端子を短絡する機構を有する制
御回路を設けたことを特徴とするものである。

ｆ５１図は、本発明による圧電駆動式弁の基本構成の一
例を示す断面図である。

ｆｊＳｉ図において、１は弁本体で、図示しないボルト
等公知の結合手段でハウジング９を固着しており、この
弁本体１とハウジング９との開に弁室１１を形成してい
る。そして弁本体１から弁室１１内に向がって弁孔３を
有する弁座７が突設されている。また弁本体１とハウジ
ングＯリング（図示せず）を介して挟持されている。

さらに、図示していないが、弁体８を構成する圧電素子
の両端子を短絡するｆｉ能を有する制御回路が設けられ
ている（後述）。

なお、弁本体１には入口ポート２を有し弁孔３に連通す
る流路４と、出口ポート５を有し流路１０を介して弁室
１１に連通する流路６とが設けられており、またハウジ
ング９にはネジ１８が設けられている。

１２図は、上記構成の本発明圧電駆動式弁における弁体
８の構成例を示す斜視図である。

本発明における弁体８は、基本的にはｆｊＳ１図に示す
ようにダイヤフラム板１２の一方の面に圧電積層体１３
を固着してなるいわゆる圧電積層体型圧電素子から構成
されるが、この例ではダイヤフラム板１２における圧電
積層体固着面とは反対側の面に弾性体１４を固着してな
るものである。

また、ｆｊＳ３図は本発明における弁座の一例を示す要
部斜視図であり、弁座７の弁体当接部１５には放射状に
複数個の流量調整溝１６が形成されている。しかしこの
溝１６は基本的にはなくてもよい。

Ｐｔ５４図は本発明による圧電駆動式弁の制御回路の一
例を説明するための図である。図示のように、圧電制御
回路１７より取り出される信号電圧Ｖｓが　しきい電圧
Ｖ　−ｒ　Ｈより高い場合には、電圧制御回路１７によ
り電圧Ｖｒが印加されて弁体８は変位し、信号電圧Ｖｓ
が　しきい電圧Ｖ　Ｔ　１１より低い場合には弁体８は
短絡されて無変位状態に戻る回路となっている。

なお、本発明において圧電素子には、直流電源や発信器
等により発生した特定の周波数をもつ電圧が、上記の制
御回路を介し゛Ｃ印加さするようになっている。

〔作　　用〕

上記構成の本発明圧電駆動式井は、次のように作用する
。圧電積ｊ７Ｊ体１３に直流電圧を印加するとダイヤフ
ラム板１２は外周部から中央部にかけて凸もしくは凹に
屈曲し、弁体８が弁座７に着座五た１工離間して流体の
流量を制御する。

この際、弁座７には流虹晶整溝１６か形成され弁体８に
弾性体１４が固着されていると、弾性体１４の変形程度
によって前記流量調整溝１６の開口１ｉ１ｊ仏が変化す
るため、該溝１６を通って流入する流体の流量を一層微
細に制御することが可能となる。

すなわち、本発明においては、圧電素子に直流電圧を印
加したとンに生ずる圧電素子の伸縮運動を利用して弁体
を駆動し、弁本体から弁室への流出入口のロ；：ロ部断
面槙を変化せしめることにより流量制御するのであるが
、さらに、電圧の印加を制御する制御回路中に圧電素子
の短絡機構を付加することにより、圧電素子の電極に蓄
えられた電荷を瞬時に除去し、改めて電圧を印加するの
で、ヒステリシスがなく高速応答により流量を制御する
ことが可能となったのである。

すなわち、本発明においては、圧電素子に直流電圧を印
加したときに生じる圧電素子の伸縮運動を利用して弁体
を駆動し、弁本体から弁室への流出入口の開口部断面積
を変化せしめるときに、随時圧電素子の両電極を短絡す
ることにより、高速、高精度に流量を制御することがで
きるのである。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて、より詳細に説明する
。

直径１６ＩＩＩ１１、厚さ　０　、１　＋＊ｍの黄銅製
振動板（ダイヤフラム板）１２に、厚さ０．１５ｍ−の
圧電シートを　２００層積層した５ａ＋ｍ角、高さ３０
ｍｍのＰＺＴ系圧電積層体１３を固着して圧電素子を作
製し、次いで、ダイヤプラム板１２の他方の面にゴム板
を接着剤で貼り付は固着して、第２図に示したような構
成の弁体８を得た。この弁体８のダイヤプラム板（すな
わち圧電素子の振動板）１２の周辺部分を、Ｏリング（
図示せず）を介してステンレス鋼からなる弁本体１とハ
ウジング９とで挟持し、圧電積層体１３の他端韻はネノ
１８に固着して位置の調整ができるようにして、第１図
で示したような構成の圧電駆動式弁を製造した。

なお、本発明においては、弁本体１とハウジング２とに
よりダイヤフラム板１２を挟持するに際し、本実施例の
ように、ハウジング９とダイヤフラム板１２との間、ま
たはダイヤフラム板１２と弁本体１との闇、もしくはそ
の両方の部分にＯリングを介在させて固定することによ
り、弁室１１のｆｆ１ｉ’を度を上げて流体の洩れを防
止することが好ましい。

本実施例では、常軌構造の弁にさらに第４図に示す制御
回路を付加し、圧電素子の両電極間に短絡機能を持たせ
た。

第５図は圧電素子への印加電圧を変化させるときに、一
旦圧電素子の両電極間を短絡させた後所定電圧に設定し
たときの印加電圧とガス流量との相関を示したものであ
る。この場合、圧電素子のヒステリシスによる影響がな
く、印加電圧に対してガス流量を１対１で高精度に調整
することができた。

１６図は、前記構造の弁の制御回路内に圧電素子の短絡
機能を持たせないときの圧電駆動式弁の応答特性を示し
たものである。３００Ｖの直流電圧印加時にはガスの流
量は瞬時に所定値（５００ｃｃ／分）に達するが、電圧
除去時にはガスの流量は所定値に仲々達せず、例えば５
秒後に約９０％減の流量に達し、約２０秒後に始めて所
定流量（Ｏｃｃ／分）に達している。

第７図は、本発明により制御回路内に圧電素子の短絡機
能を持たせたときの応答特性を示したものである。例え
ば３００■の直流電圧印加時にはガスの流量は瞬時に５
００ｃｃ／分に達するとともに、電圧を除去すると同時
に圧電素子の両電極間を短絡することにより、瞬時（約
０゜０５秒以内）にガス流量がＯｃｃ／分に達すること
がわかる。

また、本実施例のものは、圧電積層体１３に電圧を印加
しない状態では弁座７に弁体８が着座し、かつ弾性体１
４が変形して流量調整溝１６を完全に閉塞するように構
成した。したがって、電圧無印加時ｉこは弁は閉じられ
ており、流体の流れは阻止されている。しかし、本発明
が、流量の制御を主体とする圧電駆動式弁を作製する場
合などに適用されるとき等には、開閉動作は他の弁の作
用にまかせ、電圧無印加時には弾性体が変形することな
く弁座に着座し、もしくは所定の距離弁座から離間する
ように構成する方が弾性体の変形疲労を防止し長寿命の
弁を実現するために好ましい。

ｆ５８図および第９図は、弁座に流量調整溝が無い場合
および流量調整溝を設けた場合についての印加電圧とガ
スの流量との相関を示したものである。両者とも印加電
圧を上げるにつれてガス流量も大きくなっており、印加
電圧により圧電弁の変位量が調整できること、すなわち
、印加電圧値に対応して得られる圧電素子の変位により
弁室への流出入口開口部の面積が変化し、流路の大きさ
が調整されることが知れる。しかし、＠８図に示すよう
に、弁座に流量調整溝が無い場合には、弁座と弁体との
間隙が微小なとき、すなわち流量が約５０ｃｃ程度以下
の微小流量域では、安定な流量制御が小米なかった。

その原因は、必ずしも明確ではないが、弁座から弁体が
離れるときの動作が極めて急激に生ずるためと考えられ
る。これに対し、本発明においては、閉塞時でも弾性体
が若干変形して流量調整溝を閉塞するだけの力が与えら
れており、弁体と弁座が完全に離れる前に、まず弁座に
形成した溝部分が連続的に解放され、次いで弁座と弁体
とが完全に離れるように動作する。したがって、本発明
においてさらに流量調ｇ溝を設けた弁の場合には、微小
流量域においても印加電圧に対する流量変化がほぼ連続
的であり、良好な制御性が得られた。

なお、上記実施例においては、流体の流量を制御するに
際し、圧電素子に印加する直流電圧の大きさを調整した
が、本発明においては、電圧の大きさを調整するととも
にもしくは別個に、印加する電圧のパルス中や周波数を
調整することによって制御するようにしても良い。

また、上記実施例では、電圧を加えることによって流体
の流量を増加させたが、電圧を逆方向に加えることによ
り、ガスなどの流体の流量を減少させる方向で制御して
もよい。

〔発明の効果〕

以上、詳述したことから明らかなように、本発明による
圧電駆動式弁は、次のような特有の効果を有するもので
ある。

（１）変位量が数μｍと流量制御弁用に最適な圧電積層
体により弁体の駆動を行なうことにより、極小量から比
較的大きな量まで連続的にかつ高精度に流体の流量を制
御することができる。

（２）圧電素子に印加する電圧の大きさやパルス中、周
波数等を変化させることにより、容易に流体の流量が調
整できる。

（３）特に応答性の早い圧電積層体により弁が構成され
ており、さらに制御回路内に圧電素子の短絡機構を有し
ているため、流体の流量制御時の応答性が特に良い。

（４）制御回路内に圧電素子の短絡機構を有しているた
め、圧電素子のヒステリシスの＃響がなく、圧電素子に
印加する電圧と流体の流量とが１対１に対応し、高精度
に流体の流量を制御することができる。

（５）圧電素子自身の伸縮運動を直接利用しているため
、弁全体の構造が簡単で小型に形成できる。

（６）圧電積層体は絶縁体であり、電流がほとんど流れ
ないため、発熱量が非常に少ない。

（７）流量調整溝の形状・数量などを適当に選択するこ
とにより、目的に応じた精度の良い流量制御が可能であ
る。

（８）発生力が例えば３００　ｋｇ／　ｅａｒ２と大き
な圧電Ｂｔ層体により弁を構成すると、流体の圧力変動
に対しても流量制御特性が安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電駆動式弁の基本構成を説明す
るための断面図、第２図は同じく弁体の構成例を示す斜
視図、第３図は同じく弁座の一例を示す要部斜視図、＠
４図は同じく制御回路を示す図、ｆｔ５５図は本発明の
一実施例における圧電素子への印加電圧とガス流量との
相関を示す図、第６図およびｔＪＳ７図は第１図に示す
基本構成の圧電駆動式弁の制御回路に圧電素子の短絡回
路を持たせないときおよび持たせたときの応答性を示す
図、第８図およびＰＩＳ９図は弁座に流量調整溝がない
場合およびある場合における圧電素子への印加電圧とガ
ス流量との相関を示す図である。１　：弁本体、　２　：入口ボート、　３　：弁孔、　
　４．６　：流路、　　５　：出口ボート、７　：弁座
、　８　：弁体、　９　：ハウジング、１１　：弁室、
　１２　ニゲイヤ７ラム板、１３：　圧電積層体、　１
４　：弾性体、１５：弁体当接部、　１６　：流量１１
１整溝、　１７　：電圧制御回路代理人　弁理士　本　　間　　　　　米糖　７　図第２回　　　　　第８図／２り“イヤフラム板第　４図第５図印加電圧　（Ｖプ第６図時　関　（ｓｅｃ）第　７　図０　　　５　　　　ｗ　　　ノ５詩　間　（Ａ５ｅｃ）第　δ　図０　　１００　　　、？θｏ　　　、ｙｏ。頚加覧圧（Ｖ）第　ｑ　回 θ　　ｉｏθ　　２００　　ＪＯＯ卸加電圧（Ｖ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）印加する電圧に対応して生ずる圧電体の変位を利
用して弁体を駆動し、弁体を弁座に着座または離間させ
ることにより流体の流量制御を行なう圧電駆動式弁にお
いて、弁本体とハウジングとの間に、弾性を有する薄板
の一方の面に圧電積層体を固着した圧電素子からなる弁
体を挟着するとともに、前記弁本体に設けた一方の流路
と連通する弁室を形成し、該弁室内に前記弁本体に設け
た他方の流路に連通する弁孔を有する弁座を突設して前
記弁体と対向せしめ、さらに前記圧電素子の両端子を短
絡する機構を有する制御回路を設けたことを特徴とする
圧電駆動式弁。
（２）圧電積層体を固着した圧電素子の他方の面に軟質
材料を被着したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電駆動式弁。
（３）弁座の弁体と対向する面に溝等の凹凸を形成した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
載の圧電駆動式弁。
（４）上記流体がガスであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の圧電駆動式弁
。