JPS62215175A - セラミツクコ−テイング圧電駆動式弁 - 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、圧電体を変位させて弁体を弁座に着座または
離間させることにより、流体の流量を制御する方式の弁
の改良に関するものであり、特に、比較的小流量域の流
体を精度良く制御するのに適した弁体および弁座の構成
に関するものである。

〔従来の技術〕 従来、毎分数ｃｃ〜数百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では、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マルパルプ（Ｕ、Ｓ、Ｐ　３，６
５０，５０５）等が知られている。

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、サーマルパル
プは、比較的精度の良い流量制御が可能であり小型の制
御弁が実現できる等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°−３二 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始めでいる。

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フラム弁を開閉するもの（特開昭５
７−２９８０１号公報）などがある。

〔発明が解決しようとする問題息〕

上記圧電体の変位を利用して微小流量域の流体を精度良
く制御するには、変位量がμ胎オーダーであることが必
要であり、このため、摩耗・欠は等の影響を受けやすい
。

そのために、上記パルプの弁体お上り弁慶には、面粗度
、真円度の面において高精度の機械的性能が要求されて
いる。さらに長期間にわたり流体を精度良（制御する目
的および摩耗によ°−４二 る微細な塵の発生を防止する目的で、高度の耐久性およ
び耐摩耗性が要求されている。

しかしながら、上記パルプの弁体および弁座に、上記機
械的性能を付加するには、高精度の機械加工が必要であ
り、かつ長期にわたる使用や腐食性流体の使用により弁
体お上り弁座の摩耗・腐食による損耗等の難点がある。

本発明は、上記要望に鑑み、耐摩耗性、耐腐食性を向上
せしめ、かつ、長期にわたる使用に耐えるパルプを提供
することを目的とする。

〔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、圧電体の変位を
利用して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弁において、弁体表面および弁
座表面に化学反応法、物理蒸着法、物理的方法あるいは
固体−固体反応法等の方法を利用してセラミック薄膜を
形成することを特徴とするものである。

第１図は、本発明による圧電駆動式弁の構成の一例を示
す断面図である。

第１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２を固着しており、この弁本
体１とハウジング２との間に弁室１１を形成している。

そして弁本体１から弁室１１内に向かって弁孔３を有す
る弁座７が突設されでいる。また弁本体１とハウジング
２との間には後述のように構成された弁体８が・Ｏリン
グ１７を介して挟持されている。さらに、ハウジング２
にはねじを介して弁体８の方向に進退する荷重調整ねじ
９が螺着されており、弁体８を弾力的に押圧するばね１
０を装着している　（第１図、に示す例は荷重調整ねじ
９にばね１０が内装され、ボール１８を介して弁体８を
押圧するようになっている）。

またさらに、着座あるいは離間する弁体８の表面および
弁座７の表面に、少なくとも一層以上の弁体表面セラミ
ック薄膜１４、弁座表面セラミック薄膜１９を形成して
いる。なお、弁本体１には弁孔３に連通する流路４と、
流路６を介して弁室１１と連通する流路５とが設けられ
ている。

第２図は、上記構成の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。

この例における弁体は、基本的にはグイヤ７ラム板１２
の一方の面に圧電セラミック体１３を固着してなるいわ
ゆる圧電ユニモルフ型圧電素子から構成されているが、
本発明ではグイヤフラム板１２のセラミック体固着面と
は反対側の面に弁体表面セラミック薄膜１４を固着して
なるものであってもよい。

また、第３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の表面に弁座表面
セラミック薄膜１９が形成されている。また、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。

なお、本実施例ではパルプの構造として、平板座弁方式
のものとしたが、リリーフ弁、ニードル弁、正型弁、ス
プール弁等その地間様の流量制御効果を示すいずの構造
のバルブにおいても同様の効果を奏することは明らかで
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
。

（実施例１） 第２図に示す弁体８の表面および第３図に示す弁座７の
表面に、高周波イオンプレーティン７法でＡｌ２Ｏ３を
１〜３μｍコーティングし、弁体表面セラミック薄膜１
４および弁座表面セラミック薄膜１９を成膜した。

蒸発母材としてＡβ２０２セラミックを使用し、電子ビ
ームで溶解蒸発させた。真空排気した後、Ａｒと０２１
ｆスを導入し、　Ａ　ｒ／　０２　＝　５　／　１で全
圧を５Ｘ１０−’Ｔｏｒｒにコントロールし、高周波を
３００Ｗ印加し、グロー放電を発生させて成膜した。成
膜したＡ　１ｚ’０３１にの硬度は、Ｈｖ＝８００であ
った。

第４図はＡｌ２Ｏ，をコーティングした弁体お上り弁座
の開閉回数と流体の洩れ量との相関を示したものである
。弁開閉回数が上昇しても〃−８ニ スの洩れ量に変化はなく、弁体お上り弁座の摩耗がほと
んど無いことを示している。

耐食試験は、成膜後の弁体８および弁座７をＨＣＩガス
雰囲気中に５０時間放置して表面の変化（腐食）の状態
を顕微鏡で観察したが、変化は認められなかった。

（実施例２） 第２図に示す弁体８の表面および第３図に示す弁座７の
表面に、高周波スパッタリング法で１．０．を１〜３μ
ｍコーティングし、弁体表面セラミック薄膜１４お上り
弁座表面セラミック薄膜１９を成膜した。

スパッタリングターゲットにＡｌ２Ｏ，セラミックを使
用した。真空排気した後、Ａｒと０２〃スを導入し、Ａ
ｒ１０□＝５／１で全圧を５Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒに
コントロールし、高周波を１０００Ｗ印加し、１〜３時
間スパッタを行ない成膜した。

成膜ＬりＡｌ２Ｏ３１１１ノ硬度は、Ｈｖ＝８００であ
り、耐摩耗試験、耐食試験はそれぞれ実施例１の場合と
同等の結果を示した。

第５図に高周波スパッタリング法でＡｌ２Ｏ。

をコーティングした弁体および弁座の開閉回数と流体の
洩れ量との相関を示す。

（実施例３） 実施例１または実施例２においてそれぞれの方法でＳｉ
ＮまたはＳｉＣのコーティングを施した場合でも、ＩＮ
摩耗試験、耐食試験はそれぞれ実施例１の場合と同等の
結果を示した。

以上、詳述したように本発明によるセラミックコーティ
ング圧電駆動式弁は、弁体表面および弁座表面をセラミ
ックコーティングすることにより、弁体表面および弁座
表面の面粗度を上げ、耐摩耗性および耐腐食性を向上さ
せ、微小流量域における流量の制御特性を向上させると
ともに、流量の制御特性の経時変化を者しく小さくする
ことができるものである。

また、ハウジングに荷重調整ねじを設け、このねじを回
すことによって弁体の弁体当接部との間隔や弁体への押
圧力を調整して、流体の初期流量を任意に調整すること
ができるものである。

また、弁体の弁体当接部側の表面にゴム等の軟質材料を
被着したり、弁座の弁体当接部に溝等の凹凸を形成した
りすることにより、極微少量から比較的大きな流量まで
流量制御ができるものである。

本発明において用いる圧電素子の形状は上記実施例のも
のに限るのではなく、前記のように、圧電ユニモルフや
これと同等の機能をもつものであれば、バイモルフ型圧
電素子や積層型圧電素子あるいはランジュバン型圧電素
子等いずれの形であってもよい。

また、圧電材は、Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ　＝　Ｔ　ｉ）０３−
　Ｐ　ｂ（Ｍｇ＋ｚ＊　Ｎｂ２／３　）０３やＰ　ｂ（
Ｍ　ｇ　＋　／　３　Ｎ　ｂ　２　／　３　）Ｏｚ−Ｐ
ｂＴｉＯ３ｔ　　Ｐｂ（Ｚｒ　、Ｔｉ　）Ｏｚ−８ｒ（
Ｎ　ｉ＋／３Ｎ　ｂ２ｚ＊　）０３等の電歪材や相変態
を利用する電歪相等付等圧電材と同様の機能を示すもの
であれば良い。

また、弁体の表面に被着子る軟質材料の材質’−１１＝ は上記実施例のようにゴムに限るものではなく、弁体当
接部の凹凸に適応するものであれば他のものでもよい。

そしてこの凹凸の形状も上記実施例のように溝に限るも
のではない。

なおまた、弁体の初期位置の調整機構も上記実施例のよ
うにねじに限るものではなく、弁体の位置や押圧力を変
化させうるちのであればよい。

〔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）弁体表面および弁座表面弁体当接部に、セラミッ
ク薄膜を形成することにより、耐摩耗性、耐腐食性を向
上させることができる。

（２）上記結果から、弁体および弁座の加工精度を長期
間にわたり保つことができ、流量の制御特性の経時変化
が着しく小さい。

（３）成膜するセラミックの膜厚を変えることにより、
特に微少流量域における流量の制御時’−１２− 性の異なった弁を得ることができる。

【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、第４図
、第５図は第１実施例と第２実施例とにおける弁体およ
び弁座の開閉回数とガスの洩れ量との相関を示す図であ
る。 １　：弁本体、　２　：ハウジング、　３　：弁孔、　
４，５，６：流路、　７　：弁座、　８：弁体、　９　
：荷重調整ねじ、　１ｏ　：ばね、１１　：弁室、　１
２　：ダイヤ７ラム板、　１３：　圧電セラミック体、
　１４　：弁体表面セラミック薄膜、　１５　：弁体当
接部、　１６　：流量調整溝、　１７　：Ｏリング、　
１８　：ボール、１９　：弁座表面セラミック薄膜 代理人　弁ｉ士　本　　間　　　　　崇第　／　図 第　４　図 ０　　　　　　６０００　　　　　１０ｏｏＯ弁体およ
び゛弁座型■■１可斂（゛回′）悴　５　画 ？ ０５００θ　　　　　π没ｒ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （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、弁体および弁座をセラミックコーティングしたこ
   とを特徴とするセラミックコーティング圧電駆動式弁。
2. （２）上記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セラミッ
   ク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
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセラ
   ミックコーティング圧電駆動式弁。
3. （３）弁体駆動素子に対する押圧力の付加、除去等の調
   整自在な調整機構を、前記ハウジングに装着したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   セラミックコーティング圧電駆動式弁。
4. （４）弁本体とハウジングの間に、弾性を有するダイヤ
   フラム弁体を設け、該弁体にダイヤフラム背面のハウジ
   ング側の面に圧電素子を固着してなる弁体駆動素子を装
   着した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セラミックコーティング圧電駆動式
   弁。
5. （５）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〜第４項のいず
   れかに記載のセラミックコーティング圧電駆動式弁。
6. （６）上記圧電素子がユニモルフ型圧電素子であるここ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれ
   かに記載のセラミックコーティング圧電駆動式弁。
7. （７）上記圧電素子がバイモルフ型圧電素子であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか
   に記載のセラミックコーティング圧電駆動式弁。
8. （８）上記圧電素子が積層型であるこことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載のセラ
   ミックコーティング圧電駆動式弁。
9. （９）上記圧電素子が電歪材料からなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載のセ
   ラミックコーティング圧電駆動式弁。
10. （１０）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９項のいずれかに記載のセラミック
    コーティング圧電駆動式弁。