JPS62224780A

JPS62224780A - 圧電駆動式弁

Info

Publication number: JPS62224780A
Application number: JP6598386A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ishii; 敏夫石井; Shigeru Sadamura; 定村　茂
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1987-10-02

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調整し流
体の流量を制御する方式の弁（本明ＰＪ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、比較的
小流量域の流体を広範囲の流量と使用温度範囲とで精度
良く制御するに適した圧電駆動式弁の構成に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、毎分数ｃＣ〜数百〇Ｃ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バルブ、あるいは金属の
熱膨張を利用したサーマルｔ＜ｐｖｌ　（ｕ、ＳＪ　Ｌ
６５０＋５０５ン等が知らａ”（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、ツレ／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。＊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
御弁が実現できる等の利、α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
−２９８０１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μ−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１００μｍ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点があり、しか
も、圧力の高い流体の流量は制御できなくなる難点があ
る。このため、広範囲の流体圧力に対して、微少流量域
の流体を精度良く制御できる小型の流量制御弁の出現が
盟まれでいた。

この発明は、上記要望に鑑み、比較的小流量域の流体を
広範囲の流量と使用温度範囲とに対して精度良く制御し
うる圧電駆動式弁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、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ｍ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、圧電体として、
数百度の温度においても十分な変位量が得られる電歪材
や、使用温度範囲で電圧を印加することによって相変態
を起こし結晶軸の長さおよび／または結晶の単位胞体積
が変化するとともに、印加電圧が０のときに強誘電体相
、非強誘電体相および強誘電体相と非強誘電体相との共
存相のいずれの相をもとり得る性質を有するｌ＃ＩＪ貿
（以下、相変態型電歪材と呼、！：）を用いることを特
徴とするものである。

第１図は、本発明による電歪材を用いた圧電駆動式弁の
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どの間に弁室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が突設されている。また弁本体１とハウジング
２との開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？１１１ｇ
ねじ９が螺Ｎされており、弁体８を弾力的に押圧するば
ね１０を装着している　（’ｆｆ１１図に示す例はＴｒ
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）。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。

ＰＪ２図は、上記構成の本発明圧電駆動式弁におけろ弁
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、基本的には第１図に示すよう
にダイヤフラム板第２の一方の面に圧電セフミンク体１
３を固着してなるいわゆる圧電ユニモルフ型圧電素子か
ら構成されるが、この例ではダイヤプラム板第２におけ
る圧電セラミック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。

第３ｒＸＩは、本発明で用いる相変態型電歪材のＰ　（
分極）−Ｅ（電界）特性を示すヒステリシスループであ
る。

本発明で用いる相変態型電歪材は、印加電圧がＯのとき
に強誘電棒組、非強誘電体相および強誘電棒組と非強誘
電体相との共存相のいずれの相をもとり得る。すなわち
、本発明に係る相変態型電歪材は、絶対値８５以上の電
界を印加することにより、状態１９または２２の強誘電
棒組をとり分極を示す、この状態でＥ＝Ｏとすると状！
ｓ２０または２３をとり、自発分極が残留し強誘電棒組
を維持する。状！！！２０において−Ｅ、〜−Ｅ、の電
界を印加するかまたは状態２３においてＥ、〜Ｅ、”の
電界を印加すると、Ｐ＝０となり分極を示さない状！！
２１．２４、すなわち、非強誘電体相となる。しかも状
態２１＊たは２４のとさにＥ＝ＯとするとＰ＝０の状態
を保存したまま原点Ｏに到り、非強誘電体相を維持する
。

さらに、状態２２または２３のと外にＥ４よりも僅かに
小さい電界（Ｅ、−ΔＥ）もしくはＥ、よりも僅かに天
外い電界（Ｅ５＋ΔＥ）を印加し、次いでＥ＝Ｏとした
場合、あるいは状！！１９または２０のときに−Ｅ４よ
りも僅かに大きい電界（−Ｅ４＋ΔＥ）もしくは−Ｅ、
よりも僅かに小さな電界（−Ｅ、−ΔＥ）を印加し、つ
いでＥ＝Ｏとした場合には、第３図中、破線矢印で示さ
れるごとき経路を経てＥ＝Ｏとなり、強誘電棒組とが共
存した相をとるのである。

このような、使用温度範囲で電圧を印加することによっ
て相変態を起こし結晶軸の長さおよび／または結晶の単
位胞体積が変化するとともに、印加電圧がＯのときに強
誘電棒組、非強誘電体相および強誘電棒組と非強誘電体
相との共存相のいずれの相をもとり得る性質を有する物
質としては、次のようなものが挙げられる。

（Ｐ　ｂｏ、５ｚ４Ｌａｏ、＊ｔａ）（Ｚ　ｒｏ＋ｔｏ
Ｔ　ｉｏ、５ｏ）ａ、ｓｔｌｏ　３（Ｐ　ｂｏ、ｓ＋ａ
Ｌ　ａｏ、ｏ＊＋）（Ｚ　「、＞ｅｇｓ”　ｉｏ、５ｓ
）ｏ、ｓｔ、ｏ　３（Ｐ　ｂｏ、ａｓｓ　ｒｏ、＋５）
（Ｚｒｏ、ｉ＋Ｔ　ｉｏ、＊＜Ｚｎａ、ｏ＋ｚｓＮ　ｉ
ｏ、ｏｐｔｓＮ　ｂｏ、　１０）ＯＪ（Ｐ　ｂｏ、ｓｓ
ｓ　ｒｏ、１ｂ）（Ｚｒｏ、ｓｏＴ　ｉｏ、ａｓＮ　！
ｏ＋ｏｉＮｂｏ、１ｏ）Ｏ）（Ｐ　ｂｏ、ｓｓＳ　ｒｏ、＋５）（Ｚ　ｒｏ、ｓｓＴ
　ｉｏ、ユｏＮ　１ｏｔａｓＮｂ、、、。）Ｏｌなお、本発明における圧電素子としては、必ずしも圧電
ユニモルフに限定されるものではなく、ダイヤプラム板
の片側に圧電８！層体を固着したものや、ダイヤフラム
板の両方の面に圧電セラミンク体を固着したいわゆる圧
電バイモルフなどの圧電素子を用いても良い。

また、荷重調整ねじは基本的にはなくても良−１゜〔作　用〕上記構成の本発明圧電駆動式弁は、次のように作用する
。

一般に、誘電体に電界を印加した場合の誘電体の変位は
、電歪による変形、相変態による変形、自発分極の配向
による変形、ｄ　−Ｅ　（ｄ：圧電定数）項による変形
の四つの要素に分類することができ、このうちの１また
は２以上の要素によって変位が生ずる　（なお電歪はす
べての誘電体において生ずる）。

本発明に係る相変態型電歪材は、相変態による変形およ
び自発分極の配向による変形が相乗されて大きな変形が
生ずる。

すなわち、第３図の説明において詳述したとおり、本発
明に係る相変態型電歪材１こおいては、強誘電棒組、非
強誘電棒組、強誘電棒組と非強誘電棒組との共存相との
間で相互に変態し、これによって変位が生ずる。そして
、相変態により、ａ軸、ｂ軸、Ｃ紬の１または２以上の
長さか変化したり、細長に変化はないものの軸交叉角度
ａ、β、γが変化して結晶の単位胞体積が変化し、これ
によって変位が生ずる。

また、発明者らの研究によれば、本発明に係る相変態型
電歪材においては、例えば正方品系の場合結晶格子のｃ
ｅｌｌとα紬との比ｃ／ａの１からの３Ｉ［＋難度がし
ばしば、通常の反強誘電棒組を構成する結晶の１からの
ｆａ離難度りも大きいことが認められた。このようにＣ
／ａの１からの垂離の大きい結晶は、　ｃ／ａが１に近
いものよりも相変態による変形あるいは自発分極の配向
による変位が大きい。

これに対し、強誘電体においては印加電界の変化により
、自発分極の反転または配向は生じ得るが、相変態は生
じないので、それだけ変位が小さいものとなる。

また、反強誘電体においては印加電界の変化により、自
発分極の反転または配向、ならびに反強誘電棒組と強誘
電棒組との開の相変態が生ずる。

しかしながら、反強誘電棒組およびこの相変態により生
ずる強誘電棒組は、通常、ｅ／１１が１に近く、それだ
け変位が小さいのである。

また、常誘電体においては印加電界の変化によって相変
態が生じなく、またそもそも、自発分極もないからその
配向もあり得なく、従って変位は極めて小さい。

一方、第１図とＰＩＳ２図とに例示した圧電駆動式弁に
おいては、圧電セラミック体１３に直流電圧を印加する
と圧電素子は外周部から中央部にかけて凸もしくは凹に
屈曲し、この圧電素子自身から弁体８を形成しているた
め、圧電素子すなわち弁体８の屈曲運動により、弁体が
弁座７に着座または離間して流体の流量を制御すること
が可能となるものである。

すなわち、本発明においては、キュリ一温度の影響が少
なくより高温においても変位量が得られる電歪材や変位
１が特に大きい相変態型電歪材を圧電セラミック体に用
いることにより弁の開閉量をより大きく取ることができ
、比較的小流量域の流体を広範囲の流量と使用温度範囲
とに対して精度良く制御することが可能となるのである
。

なお、本発明において圧電素子には、直流電源や発振器
等により所定の周波数をもつ電圧を発生し、Ｕ接あるい
は増幅器を介してこの電圧が印加されるようになってい
る。そしてこの印加電圧の大きさを？Ａ整することによ
り圧電素子の屈曲量の＠整ができ、ヱた印加電圧のパル
ス中と周期を調整することにより圧電素子・が屈曲して
いる時間を調整し、弁体の駆動時間を調整することがで
きるようになっている。

〔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
。

（’＊施例１）直径１６ｗｌ１！、厚さ０　、１　ｍｍの黄銅製振動板
（ダイヤプラム板）第２に、直径第２１１厚さ０．２７
ｍｍの圧電セラミック体１３を接着したユニモルフ型圧
１！素子を用いて弁体８を得た。

圧電セラミック体１３には（Ｐ　ｂｏ、ａｓＳ　ｒｏ、
１ｓ＞（Ｚ　ｒｏ、ｓ、Ｔｉｏ、ｓ５Ｎ　ｉ、、３５ｉ
’Ｊ　ｂ６．１．）０３材を用いた。

この弁体８のグイヤニｒラム＠（すなわち圧電素子の振
動数）第２の周辺部分を、○リング１７を介してステン
レス劇からなる弁本体１とハウノング２とで挟持し、第
１図で示したような構造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とハツノング２とに
よりダイヤプラム板第２を挟持するのに、必ずしもＯリ
ングを介装する必要はないが、ダイヤプラム板第２の両
側またはいずれか一方の側に○リングを介装すると、弁
室１１のｆｆｉ封度を向上することができるので好まし
い。

次に、荷重１３Ｉｇねじ９によりばね１０を介して弁体
８を弁座７の弁体当接部１５に押圧する押圧力を調整し
、圧電素子に電圧を３００Ｖ印加した状態において弁体
８が弁体当接部１５に密着するようにした。従って、圧
電素子に電圧を３００■印加した状態ではガス等の流体
の流れは阻止されている。

第４図は印加電圧と、圧電素子すなわち弁体８の変位量
との相関を示したものである。印加電圧を上げるにつれ
て変位量も大きくなっており、印加電圧により弁体８の
変位量が調整でさることを示している。　　ｔｊＳ４図
中ａは相変態型電歪材によるもの、ｂは従来のＰＺＴ系
圧電圧電材いた場合を示している。従来材すに比べ、相
変態型電歪材ａでは約２倍の変位量を示している。

第５図は圧電素子への印加電圧の大きさとガス流量との
相関を示したもので、印加電圧によりガス流量が制御で
きることを示している。

ＰＩＳ５図中ａ、ｂ、ｅは相変態型電歪材、ｄ。

ｅ、ｆは従来のＰＺＴ系圧電圧電材い、それぞれ〃スー
次圧が　３　ｋｇ／　ｃｍ２．１　、５　ｋｇ／　ｃａ
＋”、０　、５　ｋｇ／　ａｍ２において測定したもの
である。

従来材ｄ、ｅ、ｆに比べ、　いずれのガス圧においでも
　相変態型電歪材ａ、ｂ、ｃではガス流量制御範囲が約
２倍に拡大で外ることを示している。

（実施例２）１５６図は本発明のｔＩＳ２実施例を説明するための図
である。圧電駆動式弁の構造は実施例１　（第１実施例
）とほぼ同様とした。

圧電セラミック体１３には（Ｐ　ｂｏ、ｓｓＳ　ｒｏ、
＋ｓ）（Ｚｒｏ、ｓ＋Ｔ　ｉｏ＊ｚ＋Ｚｎｏ、ｏ＋ｚｓ
Ｎ　ｉｏ、ｏ＊ｙｓＮｂｏ、＋ｏ）Ｏ１材を用いた。

第６図は１５０℃における印加電圧と、圧電素子すなわ
ち弁体８の変位量との相関を示したものである０図中ａ
は上記相変態型電歪材によるもの、ｂは従来のＰＺＴ系
圧電圧電材いた一場合を示している。

１５０℃においても、上記相変態型電歪材ａは室温と同
等の変位量を示し゛ているにもががわらず、キュリ一温
度が通常１５０〜３５０℃のＰＺＴ系圧電圧電材は温度
上昇とともに変位量が急激に減少し、上記相変態型電歪
材の１０分の１になった。

第７図は圧電素子への印加電圧の大きさとが入流量の相
関を示したものである。図中ａは相変態型電歪材による
もの、ｂは従来のＰＺＴ系圧電圧電材いた場合を示して
いる。従来材すではガス流量をほとんど制御できないに
もがかわらず、相変態型電歪材ａでは、室温と同様に１
５０℃でも充分に制御できることを示している。　以上
、詳述したように本発明による圧電駆動式弁は、キュリ
一温度の影響が少なく室温はもちろん数百度の高温にお
いてら特に大きな変位量が得られる相変態型電歪材を用
いることにより広範囲の流体流量と使用温度範囲とに対
して流量を精度良く制御することがでさるものである。

また、相変態型に比べ変位量は小さくなるが、従来の電
歪材においても同様の効果が得られる。

また、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
ルフやダイヤプラム板の片側に圧電積層体を固着したも
のや、ダイヤプラム板の両方の面に圧電セラミック体を
固着した圧電バイモルフ等、他の構造でも同等の機能を
持ったものであれば同様の効果が得られる。

さらに、上記実施例では電圧を加えることによってガス
流量を減少させたか、圧電セラミック体とダイヤプラム
板とを逆方向に設定することによりガス流量を増加させ
る方向で制御させてもよい。

〔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）変位量が特に大きい相変態型電歪材を圧電素子に
用いることにより広範囲の一次側圧力を持つ流体に対し
て広範囲に流体流量を精度良く制御することがでさる。

（２）キ１リ一温度の影響が少なく、数百度の温度にお
いても変位量があまり減少しない電歪材や相変態型電歪
材を圧電素子に用いることにより、高温においても流体
流量を精度良く制御することができる。

（３）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ｌ
ｌ整できる。

（４）一般に数μｍＪｅｅから数＠　Ｓｅｅと応答速度
の早い圧電素子自身により弁が構成または駆動されてい
るため、流体の流量制御時の応答性が良い。

（５）小型の圧電素子自身で弁体を構成または駆動して
おり、弁全体の構造が非常に小型に形成できる。

（６）圧電セラミックスは絶縁体であり、電流がほとん
ど流れないため、発熱量が非常に少なり％。

【図面の簡単な説明】

ｆｊＳｉ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、ＰＡ２図は同じく弁体の構成例を示す
斜視図、第３図は本発明で用いる相変態型電歪材のヒス
テリシスループ、第４図は１１実施例における印加電圧
と圧Ｎ素子の変位量との相関を示す図、第５図は同じく
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図はＭ２２実施における印加電圧と圧電素子の変位量
との相関を示す図、第７図は同じく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　：ハウシング、　３　：弁孔、　
　４　．５　．６　　：流路、　　７　：弁座、８　：
弁体、　９　：荷重調整ねじ、　１０　：ばね、　　１
１　：弁室、　第２　ニゲイヤ７ラム板、　　１３　：
　圧電セラミック体、１４　：弾性体、１５　：弁体当
接部代理人　弁理士　　本　　間　　　　　崇第１図第２グイヤフラム版第３図第　４図イ■加覧圧（Ｖ）変位置（、ａア）ガ久シ趙量（ｃｍｍシラ

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、圧電体として電歪材を用いることを特徴とする圧
電駆動式弁。
（２）弁本体とハウジングとの間に、弾性を有する薄板
の一方の面に電歪材よりなる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項記載の圧電駆動式弁。
（３）上記電歪材として使用温度範囲で電圧を印加する
ことによって相変態を起こし結晶軸の長さおよび／また
は結晶の単位胞体積が変化するとともに、印加電圧が０
のときに強誘電体相、非強誘電体相および強誘電体相と
非強誘電体相との共存相のいずれの相をもとり得る性質
を有する物質を用いる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）上記弁体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２項または第３項記載の圧電駆
動式弁。
（５）圧電セラミック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２項〜第４項のいずれかに記載の圧電駆動式弁。
（６）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５項のいずれかに記載の圧電駆動式弁
。