JPS6231784A - 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】 ［産業上の利用分野コ 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（本明細書では圧ｆｆｉ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〜数百０Ｃ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バルブ（Ｕ、
Ｓ、Ｐ　３，６５０，５０５）等が知られている。

しかしながら、ソレノイドバルブは、微小流嶽を精度良
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時間の点で問題があっ
た。

［発明が解決しようとする問題点］ 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
れたダイヤフラム弁を開閉するもの（特開昭５７−２９
８０１号公報）などがある。

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る。この
ため、微小流斌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、−シ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量制御を
行なう圧電駆動式弁において、圧電セラミックスを用い
た圧電素子から前記弁体が構成され、該弁体の弁座に当
接する側の面には弾性体が設けられ、かつ該弾性体に当
接する弁座の部分には流量調整用の溝が設けられている
ことを特徴とするものである。

第１図は、本発明による圧電駆動式弁の基本構成を説明
するための断面図である。図において、１は弁本体であ
り、入口ポート２および弁孔３に連通する流路４と、出
口ポート５に連通する流路６とが設けられており、前記
弁孔３を囲んで弁座７が形成されている。一方、弁の開
閉を行なうための弁体８は、弁体８をはさんで弁本体１
の反対側に位置するハウジング９と弁本体との間に挟持
されており、弁体８と弁本体１とによって弁孔３および
流路６に連通する孔１０を流出入口とする弁室１１が形
成される。尚、弁本体１とハウジング９とはボルト等公
知の結合手段（図示せず）によって固着される。

第２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は
、基本的には図に示すようにダイヤフラム板１２の一方
の面に圧電セラミックス体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、該ダイヤフラ
ム板における圧電セラミック体固着面とは反対の面側に
弾性体１４を固着してなるものである。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には放射状に複数個の流量調整溝
１６が形成されている。

尚、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、ダイヤフラム板の
両方の面に圧電セラミックス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。

［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
。圧電セラミックス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する
。本発明においては、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に着座または離間する。この際、弁
座７には流量調整溝１６が形成されているため、弁体に
固着されている弾性体１４の変形程度によって前記流量
調整溝の開口面積が変化するため、該溝を通って流入す
る流体の流量を微細に制御することが可能となる。

すなわち１本発明においては、圧電素子に直流電圧を印
加したときに生ずる圧電素子の屈曲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
を変化せしめることにより流量を制御するところに特徴
がある。

［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） 直径１６ｍｎ＋、厚さ０．１ｍｍの黄銅製振動板１２に
、直径１２ｍｍ　、厚さ０．２７ｍｍのＰＺＴ系圧電セ
ラミックス体１３を接着してユニモルフ型圧電素子を作
製し、次いで、振動板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。この弁体のダイヤフラム板（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、第１図で示したような構成の圧電駆動式弁を
製造した。尚、本発明においては、弁本体とハウジング
によりダイヤフラム板を挟持するに際し、本実施例の如
くに、ハウジングとダイヤフラム板との間、又はダイヤ
フラム板と弁本体との間、若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
密封度を上げて流体の洩れを防止することが好ましい。

また、本実施例のものは、圧電セラミックス板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
弾性体が変形して流量調整溝を完全に閉塞するように構
成した。したがって、電圧無印加時には弁は閉じられお
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、若しくは所定の距雛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。

第４図および第５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、第４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、安定な流量制御が出来なかった。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１本発明に
よる流量制御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直線的であり、
良好な制御性が得られた。

図から明らかなように、本発明によれば、印加電圧を調
整することにより微小流量域から所定流量域からガス流
量が極めて高精度に制御できることが明らかである。

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
に若しくは別個に、印加する電圧のパルス巾や周波数を
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
も良い。

また、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、直接あるい
は増幅器を介して電圧が印加されるようになっている。

［発明の効果コ 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）変位量の比較的大きな圧電ユニモルフや圧電バイ
モルフにより弁の移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巾、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）一般に数μｓｅｃから数ｍ５ｅｃと応答速度の早
い圧電素子自身により弁が構成されているため、流体の
流量制御時の応答性が良い。

（４）圧電素子自身の厚みは数μｍ程度であり、弁全体
の構造が非常に小型に形成できる。

（５）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い。

（６）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。

【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
るための概略断面図、第２図は本発明圧電駆動式弁にお
ける弁体の構成例を示す斜視図、第３図は本発明圧電駆
動式弁における弁座の要部構成例を示す斜視図、第４図
および第５図は比較例および本発明実施例における圧電
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
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：ダイヤフラム板、
１３：圧電セラミック体、１４：弾性体。 １５：：弁体当接部、１６：流量調整溝。 第４（￥）　　　　蜀５０

Claims (3)

【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、前記弁体が圧電セラミックスを用いてなる圧電素
   子から構成されており、該弁体の弁座対向面には弾性体
   が固着され、前記弁座の弁体当接部には流量調整溝が設
   けられたことを特徴とする圧電駆動式弁。
2. （２）上記圧電素子がユニ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項記載の圧電駆動式弁
   。
3. （３）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項または第２項記載の圧電駆動式弁。