JPS63152783A - 圧電式選択バルブおよびその駆動方法 - 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、圧電たわみ素子の電圧印加によるたわみ変形
を利用したノルマル・オーブン型の圧電式選択バルブお
よびその駆動方法に関する。

［従来の技術］ 従来、流体回路、例えば空気圧回路において制御弁とし
て圧電体を使用したものが提案されている。

例えば実開昭６０−７５７７５号および実開昭６０−７
５７７６号公報には、バイモルフ構造の圧電たわみ素子
を用いた圧電バルブが開示されている。

［本発明が解決しようとする問題点］　。

上記公報に開示されたバイモルフ構造の圧電たわみ素子
を利用した圧電バルブをノルマル・オーブン型の圧電バ
ルブとして使用した場合、圧電たわみ素子に電圧を印加
しない時に弁体が流体入口を閉じるようになっている。

そ争てこの閉状態における弁体による流体入口のシール
を十分にするため、予め、圧電たわみ素子を強制的に機
械的にたわませ、弁体を流体入口に押しつけた状態とし
ている。

圧電板としては、一般にセラミックスが使用されるが、
セラミックスは引張変形に対する強度が比較的弱いので
弾性たわみ変形により凸面とされた方の圧電板には機械
的なりリープ現象が発生し易く、この為バルブを長期間
使用した場合には弁体を流体入口に押圧する力が低下し
て十分なシール状態を維持することができなくなるとい
う問題点があった。

（問題点を解決する為の手段〕 本発明者は、前記問題点を解決し、且つ複数種の流体の
流れを制御するノルマル・オーブン型の圧電式選択バル
ブを得る方法として、弁が開の状態では圧電たわみ素子
には何ら機械的変形を与えず、且つ電圧を印加しないよ
うにし、また弁を閉の状態にする際には、流体入口を押
圧してシールする代わりに、圧電たわみ素子に電圧を印
加す−ることにより発生するたわみ変形と、流体入口ポ
ートより流入した流体とによる押圧力でシールするよう
にすれば、弁体は連通ポート部のノズルに確実に押圧さ
れ、ノルマル・オーブン型の圧電式選択バルブを長期間
にわたって使用できることを見い出した。

本発明は、上記知見に基づくものである。

本発明によれば、下記（１１〜（３）のノルマル・オー
ブン型の圧電式選択バルブおよびその駆動方法が提供さ
れる。

（１）気密隔壁によって主室と２以上の副室とに分割さ
れたバルブであり、主室には側壁を貫通する流体出口ポ
ートおよび気密隔壁を貫通し主室と副室とを連通ずる連
通ポートが設けられており、副室には側壁を貫通する流
体入口ポートが設けられており、第１のノルマル・オー
プン部の副室内には圧電板をバネ性を有する基板に貼り
つけた圧電たわみ素子の一端をバルブケースに固定部材
により固定し、該圧電たわみ素子の固定部より離れた位
置に弁体を付設し、且つ該圧電たわみ素子のバネ性を有
する基板の延長端部を支持し、該弁体を先端が副室に向
けられた連通ポート部のノズルから一定の距離だけ離す
ようにし、他のノルマル・クローズ部の副室内には圧電
たわみ素子の一端を固定部材により固定し、且つ、自由
端とした他端に弁体を付設して連通ポート部のノズルに
接するように配置し、流体入口ポートからバルブの副室
中に流入した流体の圧力によって弁体を連通ポート部の
ノズルに圧着することにより流体をシールするようにし
、ノルマル・オープン部の副室内の圧電たわみ素子に電
圧を印加することによって発生するたわみ変形と、流体
入口ポートより該副室内に流入した流体とによる押圧力
で、弁体を連通ポート部のノズルに圧着することにより
流体をシールする様に構成し、流体の種類を切り換える
際にはノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子
に電圧を印加することによって生じるたわみ変形によっ
て弁体を連通ポート部のノズルから離して、異なる流体
を主室中に流出させ、主室の流体出口ポートから流出さ
せるように構成してなることを特徴とする圧電式選択バ
ルブ。

（２）主室には側壁を貫通する流体出口ポート、流体排
出ポートおよび流体排出ノズルと、気密隔壁を貫通し主
室と副室とを連通ずる連通ポートとが設けられており、
主室内には圧電たわみ素子の一端を固定し、且つ、自由
端とした他端に弁体を付設し、該弁体を流体排出ノズル
に接するように配置し、流体の種類を切り換える際、主
室内の圧電たわみ素子に電圧を印加して主室内を排気し
て異種流体の混合を防止する様に構成してなることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電式選択バルブ
。

（３）気密隔壁によって主室と２以上の副室とに分割さ
れたバルブであり、主室には側壁を貫通する流体出口ポ
ートおよび気密隔壁を貫通し主室と副室とを連通ずる連
通ポートが設けられており、副室には側壁を貫通する流
体入口ポートが設けられており、第１のノルマル・オー
プン部の副室内には圧電板をバネ性を有する基板に貼り
つけた圧電たわみ素子の一端をバルブケースに固定部材
により固定し、該圧電たわみ素子の固定部より離れた位
置に弁体を付設し、且つ該圧電たわみ素子のバネ性を有
する基板の延長端部を支持し、該弁体を先端が副室に向
けられた連通ポート部のノズルから一定の距離だけ離す
ようにし、他のノルマル・クローズ部の副室内には圧電
たわみ素子の一端を固定部材により固定し、且つ、自由
端とした他端に弁体を付設して連通ポート部のノズルに
接するように配置し、流体入口ポートからバルブの副室
中に流入した流体の圧力によって弁体を連通ポート部の
ノズルに圧着することにより流体をシールするようにし
、ノルマル・オープン部の副室内の圧電たわみ素子に電
圧を印加することによって発生するたわみ変形と、流体
入口ポートより該副室内に流入した流体とによる押圧力
で、弁体を連通ポート部のノズルに圧着することにより
流体をシールする様に構成し、流体の種類を切り換える
際にはノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子
に電圧を印加することによって生じるたわみ変形によっ
て弁体を連通ポート部のノズルから離して、異なる流体
を主室中に流出させ、主室の流体出口ポートから流出さ
せるように構成してなることを特徴とする圧電式選択バ
ルブにおいて、ノルマル・クローズ部の副室内の圧電た
わみ素子に電圧を印加してたわみ変形を起こさせ該副室
内の流体を流出させる際、弁体が連通ポート部のノズル
から離れる短時間のみ高い電圧を加え、すぐに脱分極が
起こり雛い低い電圧に切り換えるようにし、流体の流出
を止める際には初め加えた電圧とは逆の極性の電圧を短
時間だけ印加するようにし、ノルマル・オープン部の副
室内の圧電たわみ素子に電圧を印加することによって発
生するたわみ変形と、該副室内に流入した流体とによる
押圧力の合算で弁体をノズルに圧着させ該副室内の流体
をシールするようにし、弁を元の開の状態に切り換える
際には、該副室内の圧電たわみ素子に弁を閉にする際に
印加した電圧とは逆極性の電圧を短時間だけ印加するよ
うにして動作させることを特徴とする圧電式選択バルブ
の駆動方法。

［実施例］ 以下図面を参照しながら本発明の具体的な実施例を説明
する。

第１図は、本発明におけるノルマル・オープン型の圧電
式選択バルブを示す概略図である。

第１図においてｌはバルブケースであり気密隔壁１４に
よって主室１０と流体の種類だけの副室１１に分割され
る０図では２種類の流体についての場合である。ノルマ
ル・オープン部の副室１１Ａ内にはバネ性を有する金属
基板（ステンレス板）３２の両面に圧電板３１を貼り付
けた圧電たわみ素子３ａの一端部が固定部材２によって
支持され、該圧電板の延長端部は金属基板３２の方が圧
電板３１より長くなるように構成されている。圧電板３
１の自由端部には弁体４ａが付設されている。弁体４ａ
と連通ボー）Ｓａ部のノズル６ａとの間の距離は流体の
流入を妨げない距離になるようにノズル位置関節機構９
によって調節する。圧電たわみ素子３ａにおいて圧電板
３１の端部より延長したバネ性を有する金属基板３２の
部分は板バネの役割を持たせる。金属基板３２の延長部
の自由端に対向する位置に支点となる支持材１６を副室
１１Ａ内に配置し、支持材位置調節機構１７で支持材１
６の頭部が該金属基板３２の自由端部に接するように調
節する。関節の際該金属基板３２がたわみ変形を起こさ
ないように留意する。

副室１１Ａは圧電たわみ素子３ａに電圧を印加しない状
態で弁は開の状態、即ちノルマル・オーブンの状態にお
かれ、副室１１Ａ内の流体は連通ポート９部を経て主室
１０に流入し、流体出口ポート８より流出している。こ
の状態で圧電たわみ素子３ａは機械的変形を受けないの
でクリープ現象等は起こらない。

一方、ノルマル・クローズ部の副室１１Ｂ内には固定部
材２によって圧電たわみ素子３ｂの一端部が固定支持さ
れている。圧電たわみ素子３ｂの自由端部には弁体４ｂ
が付設されている。

図には示していないが圧電たわみ素子３ａ、３ｂに接続
した電圧印加用のリード線は適切な方法でバルブケース
１に対して絶縁および気密化されている。該弁体４ａ、
４ｂは例えばゴム材からなる。

弁体４ｂと対向する位置に連通ポート部のノズル６ｂを
通じて主室ｌＯに通じる連通ポート５ｂが設けられてい
る。弁体４ｂの位置は連通ポート部のノズル６ｂの先端
に接触するようにノズル位置調節機構９によって関節す
る。調節の際、圧電たわみ素子３ｂ自身がたわみ変形を
起こさないように留意する。圧電たわみ素子３ｂは機械
的変形を受けないのでクリープ現象等は起こらない、副
室１１Ｂ内の流体は、流体自身の圧力でシールされ主室
１０内には流出しない。

圧電たわみ素子３ａに電圧を印加することによって発生
するたわみ変形と、流体自身の圧力によるシール力との
合算で弁体４ａを連通ポート部のノズル９に押圧すれば
副室ｌＩＡ内の流体はシールされる。このとき副室１１
Ｂ内の圧電たわみ素子３ｂにも電圧を印加して弁体４ｂ
を連通ポート部のノズルから離すことにより、ＩＩＢ内
の流体は連通ポート５ｂのノズル６ｂを経て主室ｌＯ内
に流入し、流体出口ポート８より流出する。

第２図は種類の異なった流体同志が主室ｌＯ内で混じる
ことを防ぐため、主室ｌＯ内に排気用圧電たわみ素子３
Ｃの一端を固定部材２によって固定支持し、他端に付設
した弁体４Ｃに対向する位置に流体排出ノズル１３に続
いた流体排出ポート１２をバルブケース１に配設しであ
る。主室１０内に残留する流体は一旦排出ポート１２か
ら排出した後、別の流体を流入させれば、主室内に残留
する流体と新たに主室内に流入させた流体との混合を防
止することができる。

第３図（Ａ）および（Ｂ）は本発明のノルマル・オーブ
ン型の圧電式選択バルブの駆動方法を示すもので、第１
図の圧電式選択バルブの圧電たわみ素子に加える電圧印
加パターンを示す図である。

第３図（Ａ）はノルマル・オープン部の副室内の圧電た
わみ素子３ａへの電圧印加パターンを、第３図（Ｂ）は
ノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子３ｂへ
の電圧印加パターンを示す図である。

副室１１Ａ内の圧電たわみ素子３ａは、例えば次のよう
な構成とし、バルブケース１に取り付けることができる
。長さ３０龍、巾２０鰭、厚み０゜２１１のチタン酸・
ジルコン酸鉛系の圧電板３１の両面に、Ａｇ電極を焼き
付け、接着剤で厚さ０．１鶴のバネ性を有する金属基板
３２　（ステンレス板）の両面に貼りつけたバイモルフ
構造の圧電たわみ素子３ａの圧電板３１の端部に、厚さ
０．５　ｍ−のＥＰＴゴムからなる弁体４ａを貼り付け
、圧電板３１の端部から金属基板３２の自由端部までの
長さを１５鶴として、圧電たわみ素子３ａを構成する。

この圧電たわみ素子３ａを、弁体４、が流体出口ノズル
５の先端より２００μｍ離れるように、支持材１６で金
属基板３２の自由端部より１鶴の位置を支点とすること
によりバルブケース１に配設した。

また副室１１Ｂ内の圧電たわみ素子３ｂは、例えば次の
ような構成とし、バルブケースｌに取り付けることがで
きる。前記と同様な圧電板を使用し、両面にＡｇ電極を
つけ、接着剤で厚さ０．１　ｍｍのバネ性を有する基板
３２（ステンレス板）の両面に貼りつけたバイモルフ構
造の圧電たわみ素子３ｂの自由端部に厚さ０．５ｓ−〇
ＥＰＴゴムからなる弁体４ｂを貼り付け、弁体４ｂを直
径１．２鶴の連通ポート部のノズル６ｂに接する様にし
てバルブケース１内におさめた。

圧力が５ｋｇ／ａＪのＮ２ガス流体を上記構造のバルブ
ケース１内に側壁１５を貫通する流体入口ポート７ａよ
り流入させ、一方流体入ロポート７ｂに５　ｋｇ／ｄの
圧縮空気を導入し、ノルマル・オープン部の副室内の圧
電たわみ素子３ａに７０Ｖの直流電圧を印加しバルブの
状態を閉とした時のもれ量は、０．５ｍｊ！／ｍｉｎで
あり、電磁バルブに関してのＪＩＳ　　Ｂ８３７３で規
定したもれ量を下まわった。

次に圧電たわみ素子３ａに７０Ｖの直流電圧を印加した
状態で、ノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素
子３ｂに、ＶＩ＝１００．Ｖ２＝７０Ｖ、　ｖ３　＝−
７ＱＶ、　　ｔｌ　＝１秒、ｔ２＝３秒、ｔ３＝１秒の
条件で電圧を印加したところ印加電圧に対して流量は鋭
敏に立ち上がり、且つ、一定流量に達する時間は短かっ
た。この様子を第４図（Ａ）に示す。

これに対して、比較例として弁体がノズルから離れる際
に高い電圧を加えないで、Ｖ２＝７０Ｖで３秒間印加し
た後、Ｖ３＝−７０Ｖを１秒間加えた時の流出される流
体の流量と印加電圧とを対比させた。この様子を第４図
（Ｂ）に示す。図から明らかなように弁の開放時におけ
る流量の立ち上がりはにふく、且つ、一定流量に達して
いないことがわかる。

次にノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子３
ｂに電圧を印加しない状態で、ノルマル・オープン型の
副室内の圧電たわみ素子３ａに−１００ｖを１．０秒間
だけ印加したところ、元の開状態に戻った。

尚実施例ではバネ性を有する金属基板の例としてステン
レス基板を用いたが、これに限定するものではない。

［発明の効果］ 本発明によれば、バルブが開の状態時には何らノルマル
・オープン部の副室内の圧電たわみ素子に対し電圧を印
加することなく、且つ機械的なたわみ□変形も与えず、
バルブが閉の状態時には流体をシールするための押圧力
を主として流体自身の流体圧によっており、しかもバル
ブを閉状態から開状態へする際には、圧電たわみ素子に
電圧を印加することにより発生するたわみ変形とバネ性
を有する基板のバネ反発力とを利用している。一方ノル
マル・クローズ型の副室内の圧電たわみ素子に対しては
通常は電圧を印加せず、バルブを開にする短時間のみ電
圧を印加するようにしている。

このため、バルブの弁体の開閉の動作が確実で、且つ税
分極による特性の劣化が起こりにくい。従って長期間に
わたり使用することができるノルマル・オーブン型の圧
電式選択バルブ及びその駆動方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明のノルマル・オーブン型の
圧電式選択バルブを示す概略図である。 第３図（Ａ）および（Ｂ）は本発明のノルマル・オープ
ン型の圧電式選択バルブの駆動方法である圧電たわみ素
子への電圧印加パターンを示す図である。 第４図（Ａ）〜（Ｂ）は第１図の圧電式選択バルブにお
いて、圧電たわみ素子へ電圧を印加したときの流量変化
挙動を示す図である。 ｌ　　　　　　　　　　：バルブケース２　　　　　　
　　　：固定部材 ３ａ、３ｂ、３ｃ　　　：圧電たわみ素子３１　　　　
　　　　：圧電板 ３２　　　　　　　　：バネ性を有する基板４ａ、４ｂ
、４ｃ　　　：弁体 ５ａ、５ｂ　　　　　　　：連通ポート６ａ、６ｂ　　
　　　　：連通ポート部のノズル７ａ、７ｂ　　　　　
　：流体入口ポート８　　　　　　　　　　：流体出口
ポート９　　　　　　　　　：ノズル位置調節機構１０
　　　　　　　　　：主室 １１Ａ、ＩＩＢ　　　　：副室 １２　　　　　　　　　：流体排出ポート１３　　　　
　　　　：流体排出ノズル１４　　　　　　　　：気密
隔壁 １５　　　　　　　　：側壁 １６　　　　　　　　：支持材 １７　　　　　　　　：支持材位置調節機構特許出願人
　　宇部興産株式会社 第２図 第　３　図　（Ａ） 第３図（８）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）気密隔壁によって主室と２以上の副室とに分割さ
   れたバルブであり、主室には側壁を貫通する流体出口ポ
   ートおよび気密隔壁を貫通し主室と副室とを連通する連
   通ポートが設けられており、副室には側壁を貫通する流
   体入口ポートが設けられており、第１のノルマル・オー
   プン部の副室内には圧電板をバネ性を有する基板に貼り
   つけた圧電たわみ素子の一端をバルブケースに固定部材
   により固定し、該圧電たわみ素子の固定部より離れた位
   置に弁体を付設し、且つ該圧電たわみ素子のバネ性を有
   する基板の延長端部を支持し、該弁体を先端が副室に向
   けられた連通ポート部のノズルから一定の距離だけ離す
   ようにし、他のノルマル・クローズ部の副室内には圧電
   たわみ素子の一端を固定部材により固定し、且つ、自由
   端とした他端に弁体を付設して連通ポート部のノズルに
   接するように配置し、流体入口ポートからバルブの副室
   中に流入した流体の圧力によって弁体を連通ポート部の
   ノズルに圧着することにより流体をシールするようにし
   、ノルマル・オープン部の副室内の圧電たわみ素子に電
   圧を印加することによって発生するたわみ変形と、流体
   入口ポートより該副室内に流入した流体とによる押圧力
   で、弁体を連通ポート部のノズルに圧着することにより
   流体をシールする様に構成し、流体の種類を切り換える
   際にはノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子
   に電圧を印加することによって生じるたわみ変形によっ
   て弁体を連通ポート部のノズルから離して、異なる流体
   を主室中に流出させ、主室の流体出口ポートから流出さ
   せるように構成してなることを特徴とする圧電式選択バ
   ルブ。
2. （２）主室には側壁を貫通する流体出口ポート、流体排
   出ポートおよび流体排出ノズルと、気密隔壁を貫通し主
   室と副室とを連通する連通ポートとが設けられており、
   主室内には圧電たわみ素子の一端を固定し、且つ、自由
   端とした他端に弁体を付設し、該弁体を流体排出ノズル
   に接するように配置し、流体の種類を切り換える際、主
   室内の圧電たわみ素子に電圧を印加して主室内を排気し
   て異種流体の混合を防止する様に構成してなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電式選択バルブ
   。
3. （３）気密隔壁によって主室と２以上の副室とに分割さ
   れたバルブであり、主室には側壁を貫通する流体出口ポ
   ートおよび気密隔壁を貫通し主室と副室とを連通する連
   通ポートが設けられており、副室には側壁を貫通する流
   体入口ポートが設けられており、第１のノルマル・オー
   プン部の副室内には圧電板をバネ性を有する基板に貼り
   つけた圧電たわみ素子の一端をバルブケースに固定部材
   により固定し、該圧電たわみ素子の固定部より離れた位
   置に弁体を付設し、且つ該圧電たわみ素子のバネ性を有
   する基板の延長端部を支持し、該弁体を先端が副室に向
   けられた連通ポート部のノズルから一定の距離だけ離す
   ようにし、他のノルマル・クローズ部の副室内には圧電
   たわみ素子の一端を固定部材により固定し、且つ、自由
   端とした他端に弁体を付設して連通ポート部のノズルに
   接するように配置し、流体入口ポートからバルブの副室
   中に流入した流体の圧力によって弁体を連通ポート部の
   ノズルに圧着することにより流体をシールするようにし
   、ノルマル・オープン部の副室内の圧電たわみ素子に電
   圧を印加することによって発生するたわみ変形と、流体
   入口ポートより該副室内に流入した流体とによる押圧力
   で、弁体を連通ポート部のノズルに圧着することにより
   流体をシールする様に構成し、流体の種類を切り換える
   際にはノルマル・クローズ部の副室内の圧電たわみ素子
   に電圧を印加することによって生じるたわみ変形によっ
   て弁体を連通ポート部のノズルから離して、異なる流体
   を主室中に流出させ、主室の流体出口ポートから流出さ
   せるように構成してなることを特徴とする圧電式選択バ
   ルブにおいて、ノルマル・クローズ部の副室内の圧電た
   わみ素子に電圧を印加してたわみ変形を起こさせ該副室
   内の流体を流出させる際、弁体が連通ポート部のノズル
   から離れる短時間のみ高い電圧を加え、すぐに脱分極が
   起こり難い低い電圧に切り換えるようにし、流体の流出
   を止める際には初め加えた電圧とは逆の極性の電圧を短
   時間だけ印加するようにし、ノルマル・オープン部の副
   室内の圧電たわみ素子に電圧を印加することによって発
   生するたわみ変形と、該副室内に流入した流体とによる
   押圧力の合算で弁体をノズルに圧着させ該副室内の流体
   をシールするようにし、弁を元の開の状態に切り換える
   際には、該副室内の圧電たわみ素子に弁を閉にする際に
   印加した電圧とは逆極性の電圧を短時間だけ印加するよ
   うにして動作させることを特徴とする圧電式選択バ 泣uの駆動方法。