JPS63312583A

JPS63312583A - 圧電弁

Info

Publication number: JPS63312583A
Application number: JP14754987A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shirai; 滋白井; Yukinori Ozaki; 行則尾崎; Yoshio Yamamoto; 山本　芳雄
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-06-12
Filing date: 1987-06-12
Publication date: 1988-12-21

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、電圧を印加するとたわむ可動板にて流体を制
御する圧電弁に関するものである。

従来の技術従来のこの種の圧電弁は、第１０図に示すように、はり
合わせた一対の強誘電体よりなる弁作動板１に弁体２を
設け、前記弁体２に対向するように弁座３が構成されて
おり、この弁作動板１に印加する電圧によって電歪横効
果で弁作動板１がたわみ、弁体２が弁座３との揚程ａを
可変することで、流量の制御をするようになっていた。

（例えば、特公昭５５−３０１４３号公報）しかしながら上記のような構成では、弁体２に作用する
流体の流れによる動圧の応力を弁作動板１の板厚方向で
受ける構成なので、弁作動板１の剛性が流れの動圧に弱
く第１１図の如く電圧に対する流量特性が歪んでしまっ
たりするという問題点を有していた。つまり、印加電圧
による弁作動板１のたわみ以外に流れの動圧によってた
わみ歪が左右されやすい構成であった。

さらに第１２図に示すように、バイモルフ型電歪素子板
４の片持ち支持自由端に弁体５を設け、弁体５のほぼ遠
心方向に切換流路６．７を形成し、流路６，７の開口部
８．９に対して弁体５がスライドする切換弁があった。

（例えば、特開昭６１−３８２７８号公報）しかしながらこのような構成においても、流体圧および
流体の流れによる動圧を弁体５に受けその力で電歪素子
板がたわむように作用し、流体圧や動圧に影響されない
ということに対しては充分ではなかった。つまり、バイ
モルフなどたわみ方向の剛性が弱いことは周知の事実で
あるがいずれの構成も動圧によって受ける力が電圧によ
ってたわむ方向と同じ方向であることに起因する。

発明が解決しようとする問題点本発明はかかる従来の問題点を解消するもので、流体の
流れによる動圧の影響を受けにくい圧電弁を提供するこ
とを目的とする。

問題点を解決するための手段上記問題点を解決するために本発明の圧電弁は、少なく
とも一部が支持され、電圧を加えると前記支持された個
所をたわみ軸として板厚方向にたわむ可動板と、前記た
わみ軸とほぼ平行な延長上に前記たわみ軸に対して垂直
に設けられた弁体と、前記弁体の移動経路の一部に対向
させた弁口とからなる圧電弁という構成を備えたもので
ある。

作用本発明は上記した構成によって、電圧を加えると可動板
は板厚方向にたわみ、弁体は弁口に対向しながら横にず
れる。電圧の大小により可動板のたわみ量が変化し弁口
の開口度合も変化する。弁体は、可動板のたわみ軸とほ
ぼ平行な延長上にたわみ軸に対して垂直に設けられてい
るため、流体の流れによる動圧は弁体を介して可動板の
たわみ軸とほぼ平行な方向に応力を及ぼすことになる。

そこで可動板のたわみ軸とほぼ平行な方向の曲げ応力に
対する剛性は、板厚方向の剛性と比較して格段と大きい
ため動圧の影響を受けにくい圧電弁が得られることにな
るのである。

実施例以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。第１図、第２図において、１０は圧電セラミック材料
からなるバイモルフ素子の可動板で、この可動板１０の
一部は支持体１１で支持されている。可動板１０は電圧
を印加した際この支持体１１で支持された個所をたわみ
軸１２として板厚方向１３にたわむように支持されてい
る。さらに弁体１４は、たわみ軸１２とほぼ平行な延長
上にたわみ軸１２に対して垂直に可動板１０に固着して
設けられている。弁口１５は弁体１４の移動経路１６の
一部に対向して構成されている。

上記構成において、印加電圧が零の状態では可動板１０
は平坦であり、弁体１４は弁口１５と一定の微小な隙間
ｇを保ちながら弁口１４全体に覆い被さっている。した
がって隙間ｇで規制された微少な流量を保持した状態で
ある。可動板１０に電圧を加えると電圧の大きさに応じ
て可動板１０のたわみ量が変化する。可動板１０のたわ
みに応じて弁体１４が弁口１５の真上から横にずれる量
を変化させるため、弁口１４の開口面積を変えて流体流
量を可変するよう作用する。

この場合流体の流れは、第２図矢印の方向あるいはその
逆方向いずれも可能である。また、流体の圧力および流
体の流れによる動圧は可動板１０のたわみ軸１２と平行
な方向に作用する。これは可動板１２の剛性が最も大き
い方向に作用することになるため、動圧によって可動板
１０がたわんだりすることがなく動圧の影響をほとんど
受けないですむという効果がある。これは金属板や樹脂
板等の片側に圧電体をはり合わせたいわゆるユニモルフ
型圧電素子板でも後に説明するバイモルフ型圧電素子板
のいずれで可動板１０を構成しても同様の効果が得られ
る。

可動板１０をバイモルフ型圧電素子板で構成した際、バ
イモルフは周知の通り圧電体を二枚はり合わせた構造で
電圧を印加すると一方が縮み他方が伸びるためたわみ変
位量を比較的大きくとれ、可動板の長さも短くてよいた
め小型コンパクトな圧電弁にできる。

また可動板１０が片持ち支持型であることも弁体振幅を
大きくとるには効果がある。逆に両持ち支持型にするこ
と受部記動圧に対する剛性をより強化できる。

また可動板１０に印加する電圧が一方向の場合、弁体１
４も弁口１５に対して片側一方向にのみ変位し弁口開口
度を可変する。印加電圧が正逆二方向の場合、弁体１４
も左右両方向に変位する。特に可動板１０に印加する電
圧周波数を可動板１０の共振周波数にて制御することに
よって、非共振周波数電圧の場合と比較して可動板振幅
が大きくなるため、比較的低い電圧にｆきたり短い可動
板にでき小型化できるなどの効果がある。

また可動板の共振周波数を５０Ｈｚや（３ＱＨｚの商用
電源周波数に合わすことで、制御回路を簡単にすること
もできる。共振周波数にて電圧制御をした際、弁体振幅
が変化して流体流量を制御できる理由は、第３図からも
うかがえる通り振幅が大きくなるにしたがって弁口開口
面積が大きいところまで及ぶためである。

電圧−流量特性の一例を第４図に示す、従来のようにあ
る流量に達したとき流れの動圧の影響で弁開度が変動し
特性が不連続な異常変化を生じたりすることなく、スム
ーズな安定した特性が得られるという効果がある。

弁体１４と弁口１５との間に一定の微小な隙間ｇを有し
た構成であることから最小流量をこの隙間ｇによって確
保できる。同様の効果を得る手段として隙間の代わりに
弁体１４にある定めた小孔を設けてもよい、また、微小
隙間があるということはこの実施例の圧電弁は摺動部が
ないわけで、ＩＩ動抵抗がなく駆動エネルギーが小さい
ことはもとより、動作は円滑で特性も滑らかでヒステリ
シスが小さい、そのうえ摺動摩耗もなく高寿命という効
果がある。

次に本発明の他の実施例を第５図を用いて説明する。第
５図において前記実施例と相違する点は可動板１０の中
間部を支持し、両端が揺動する中間支持型にてなる構成
としたことにあり、この構成によれば一枚の可動板で二
個所の弁口の開閉あるいは開口度を制御でき、少ない部
品点数で流れの分流制御も可能になるという効果がある
。

また第５図の実施例のごとくたわみ軸１２から各弁体１
４までの腕の長さか、弁口１５の直径もしくは面積か、
可動板１０の板幅のバランスを変えるか少なくとも何れ
かの手段により両者弁口開度に差を設けることができ、
一定の比で分流することも可能である。また可動板１０
に加える電圧が零のとき弁体１４は弁口１５を閉塞して
いるが、電圧を印加すると二つの弁体１４は同時にそれ
ぞれの弁口１５を開口する。このように二個所の弁口を
全く同期して制御ｔきるという効果もある。

さらにまた第５図の実施例で、可動板１０のたわみ軸１
２の近傍は板幅が広く弁体１４の板幅な狭く構成したこ
とにより、たわみによる曲げ応力が集中するたわみ軸近
傍の応力緩和を図ることができ、比較的脆い性質のセラ
ミック圧電体からなる可動板１０の亀裂故障等に対する
信頼性をより向上できるという効果がある。

さらに本発明の他の実施例で特に可動板に関し第６図〜
第９図を用いて説明する。

第６図、第７図の可動板１５は、たわみ軸１２近傍側が
圧電素子板１８で形成され、弁体１４近傍側は金属板や
樹脂板等ばね性を有した板１７で形成されており、圧電
素子板１８に電圧が印加されるとばね性の板１７の動き
は、たとえて言うならば魚の尾ひれのごとくとなり、弁
体１４の振幅変位をより拡大するよう作用し、圧電体１
８をより小さくできるという効果がある。

第８図、第９図の可動板１５は、弁体１４近傍側が圧電
素子板１８で形成され、たわみ軸１２近傍側は金属板や
樹脂板等ばね性を有した板１７で形成されており、圧電
素子板１８に電圧が印加されるとその圧電素子板１８は
彎曲し、第８図のように可動板１５が動作する。このと
き最も曲げ応力が集中しやすいたわみ軸１２近傍は、金
属板′や樹脂板等のばね性の材料であるため、圧電セラ
ミックのように脆い材質と比較して割れや亀裂に対し格
段に信頼性を向上できるという効果がある。

発明の効果以上のように本発明の圧電弁によれば次の効果が得られ
る。

（１）少なくとも一部が支持され、電圧を加えると前記
支持された個所をたわみ軸として板厚方向にたわむ可動
板と、前記たわみ軸とほぼ平行な延長上に前記たわみ軸
に対して垂直に設けられた弁体と、前記弁体の移動経路
の一部に対向させた弁口とからなる構成としているので
、流体の流れによる動圧の影響をほとんど受けない安定
した特性が　・得られるという効果がある。

（２）電圧を加えると可動板は板厚方向にたわみ、弁体
は弁口に対向しながら横にずれ、弁口から流出もしくは
弁口へ流入する流れを邪魔するものは何もなく直進流路
が形成できる構成であるから、流路圧損が極めて小さい
圧電弁を実現できるという特有の効果がある。

（３）可動板の曲げ剛性が最も高い方向に弁体を介して
流体動圧を受ける構成であるから、流体の流れ状態に間
係なく電圧により弁口開度を制御できるため、開閉弁・
切換弁はもとより流量比例制御弁など用途が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における圧電弁の平面図
、第２図は同圧電弁の正面断面図、第３図は同圧電弁を
一定周波数電圧制御したときの流量可変原理説明図、第
４図は同圧電弁の代表流量特性図、第５図は本発明の他
の実施例における圧電弁の正面断面図、第６図〜第９図
は本発明のさらに他の実施例における圧電弁の部分平面
図および正面図、第１０図は従来の圧電弁の正面断面図
、第１１図は同圧電弁の代表流量特性図、第１２図は他
の従来の圧電弁の正面断面図である。１０・・・可動板、１１・・・支持体、１２・・・たわ
み軸、１３・・・板厚方向、１４・・・弁体、１５・・
・弁口、１６・・・移動経路。代理人の氏名　　弁理士　中尾敏男　はか１名第４図第５図第６図第７図第８図／−一覧ｌσ　　／７ｉ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも一部が支持され、電圧を加えると前記
支持された個所をたわみ軸として板厚方向にたわむ可動
板と、前記たわみ軸とほぼ平行な延長上であって前記可
動板に前記たわみ軸に対して垂直に設けられた弁体と、
前記弁体の移動経路の一部に対向させた弁口とからなる
圧電弁。
（２）可動板は、バイモルフ型圧電素子板あるいはユニ
モルフ型圧電素子板から構成された特許請求の範囲第１
項記載の圧電弁。
（３）可動板は、たわみ軸近傍の板幅が広く弁体近傍の
板幅を狭い形状に構成された特許請求の範囲第１項記載
の圧電弁。
（４）可動板は、たわみ軸が前記可動板の一端部に構成
される片持ち支持型とした特許請求の範囲第１項記載の
圧電弁。
（５）可動板は、たわみ軸が前記可動板の両端部に構成
される両持ち支持型とした特許請求の範囲第１項記載の
圧電弁。
（６）可動板は、たわみ軸が前記可動板の中間部に構成
され、両端が揺動する中間支持型とした特許請求の範囲
第１項記載の圧電弁。
（７）可動板は、たわみ軸近傍側が圧電素子板で構成さ
れ、弁体近傍側は金属板や樹脂板等のたわみやすいばね
性を有した材料で構成された特許請求の範囲第１項記載
の圧電弁。
（８）可動板は、弁体近傍側が圧電素子板で構成され、
たわみ軸近傍側は金属板や樹脂板等のたわみやすいばね
性を有した材料で構成された特許請求の範囲第１項記載
の圧電弁。
（９）可動板に加える電圧は、共振周波数で加減できる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
（１０）可動板に加える電圧が零のとき、弁体は弁口と
対向する閉塞位置にある構成の特許請求の範囲第１項記
載の圧電弁。
（１１）弁体に小孔を貫通して構成された特許請求の範
囲第６項記載の圧電弁。
（１２）弁体と弁口との間に一定の微小な隙間を有する
構成の特許請求の範囲第６項記載の圧電弁。