KR102616954B1 - 압전 액추에이터, 압전식 밸브, 및 압전 액추에이터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있는 압전 액추에이터를 제공한다.
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터로서, 밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖는 압전 액추에이터에 있어서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면은, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있다.
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터로서, 밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖는 압전 액추에이터에 있어서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면은, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있다.
Description
본 개시는, 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브체를 동작시키는 압전 액추에이터, 그 압전 액추에이터를 사용한 압전식 밸브, 및 압전 액추에이터의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하고, 압축 기체를 분출하는 압전식 밸브가 알려져 있다 (특허문헌 1 을 참조.).
특허문헌 1 에 기재된 압전식 밸브는, 고속 응답 성능이 우수한 적층형 압전 소자의 특성을 이용하는 것이며, 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브체를 개폐 동작시키는 압전 액추에이터를 구비하는 것이다.
압전 액추에이터는, 적층형 압전 소자의 작은 변위를 지렛대 원리에 기초하여 확대하는 변위 확대 기구를 갖고, 변위 확대 기구의 선단부에는 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 1 쌍의 판 스프링이 형성되고, 1 쌍의 판 스프링 사이에 밸브체가 형성되어 있다.
압전식 밸브는, 적층형 압전 소자에 전압을 인가하면, 그 적층형 압전 소자의 신장 방향으로의 변위가 변위 확대 기구를 통해서 밸브체에 전달되어, 밸브체를 신속하게 이동시켜 개변 (開弁) 한다.
또, 압전식 밸브는, 적층형 압전 소자에 대한 전압 인가를 해제하면, 그 적층형 압전 소자의 원상 복귀에 수반하는 복귀력이 변위 확대 기구를 통해서 밸브체에 전달되어, 그 밸브체를 신속하게 밸브 시트에 맞닿게 하여 폐변 (閉弁) 한다.
그런데, 압전 액추에이터는, 적층형 압전 소자의 인장력에 대한 강도의 향상을 도모하기 위해서, 변위 확대 기구에 장착된 적층형 압전 소자에 대하여, 미리 적층형 압전 소자의 신장 방향 (길이 방향) 으로 여압 하중이 가해지고 있다.
그런데, 압전 액추에이터는, 여압 하중에 의해 변위 확대 기구가 일그러지기 때문에, 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되는 밸브체의 전면 (前面) 이 변형되어, 압전식 밸브를 조립했을 때, 밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력 (押壓力) 이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생할 리스크가 있다.
특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 압전식 밸브의 조립 시에, 압전 액추에이터의 밸브체를 밸브 시트면에 대하여 압축 거리를 갖고 가압합으로써 폐변 시의 에어 누설을 방지하는 것은 가능하다. 그러나, 여압 가중에 의해 밸브체의 전면이 변형되어 있는 경우에는, 압축 거리를 크게 취할 필요가 있다. 이 경우, 밸브체의 개폐 동작이 느려지거나, 밸브체의 동작량이 작아지거나 하여, 밸브의 고속이고 또한 고정밀도의 개폐에 대응할 수 없어, 압전식 밸브의 성능을 저하시키는 문제가 있다.
그래서, 본 개시는, 밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있는 압전 액추에이터, 그 압전 액추에이터를 사용한 압전식 밸브, 및 압전 액추에이터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시는,
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터로서,
밸브체와,
밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자와,
적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구, 를 갖는 압전 액추에이터에 있어서,
압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면은, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 압전 액추에이터는,
적층형 압전 소자에는, 밸브체의 방향으로 여압 하중이 가해지고 있는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전 액추에이터는,
변위 확대 기구가, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 1 쌍의 판 스프링이 형성되어 있고,
밸브체가, 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전 액추에이터는,
변위 확대 기구가, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하는 변위 확대부와, 적층형 압전 소자의 변위를 전달하는 변위 전달부를 갖고,
변위 전달부가, 적층형 압전 소자의 일단이 접합되는 U 자 형상의 베이스 기판과, 적층형 압전 소자의 타단이 접합되는 캡 부재를 갖고, 베이스 기판의 U 자 형상 저부와 캡 부재의 사이에 적층형 압전 소자가 장착되고, 베이스 기판의 U 자 형상 저부를 소성 변형시킴으로써 적층형 압전 소자에 여압 가중이 가해지고 있고,
변위 확대부가, 밸브체와 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선을 잇는 직선에 대하여 대칭으로 배치되는 1 쌍의 아암을 갖고, 각 아암의 각각이 힌지에 의해 베이스 기판의 선단 및 캡 부재에 대하여 일체가 되고, 각 아암의 외측 선단부에 1 쌍의 판 스프링이 형성되어 있고,
밸브체가, 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전 액추에이터는,
압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면에 활성화 (滑性化) 처리가 실시되어 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시는,
외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
기체 압력실로부터 압축 기체를 배출하는 기체 배출로를 개폐하는 밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 압전 액추에이터, 를 구비하는 압전식 밸브에 있어서,
압전 액추에이터에는, 상기 어느 하나에 기재된 압전 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 압전식 밸브는,
상기 어느 하나에 기재된 압전 액추에이터가 고정되고, 당해 압전 액추에이터와 함께 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 갖고, 플레이트에는, 기체 배출로 및 기체 배출로를 개폐하는 압전 액추에이터의 밸브체가 맞닿는 밸브 시트가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시는,
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터의 제조 방법으로서,
밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖는 압전 액추에이터의 제조 방법에 있어서,
적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면을 평활화 하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 압전 액추에이터의 제조 방법은,
변위 확대 기구가, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 1 쌍의 판 스프링이 형성되고,
밸브체가, 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있고,
적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 연마에 의해 밸브체의 표면을 평활화 하는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전 액추에이터의 제조 방법은,
변위 확대 기구가, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 1 부재에 의해 성형되는 판 스프링으로서 중앙 부분에 밸브체의 설치부가 형성되는 1 쌍의 판 스프링이, 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 형성되어 있고,
적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 1 쌍의 판 스프링 사이의 설치부에 일체 성형에 의해 밸브체를 형성함으로써 밸브체의 표면을 평활화 하는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전 액추에이터는, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면이, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있으므로, 압전식 밸브를 조립했을 때, 밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있다.
또, 본 개시의 압전 액추에이터는, 압전식 밸브의 조립 시에, 밸브체를 밸브 시트면에 압축 거리를 갖고 가압함으로써 폐변 시의 에어 누설을 방지하는 경우에도, 압축 거리를 크게 취할 필요가 없고, 밸브의 고속이고 또한 고정밀도의 개폐에 대응할 수 있다.
본 개시의 압전 액추에이터는,
압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면에 활성화 처리가 실시되어 있는 것으로 하면, 밸브체의 표면의 비점착성, 미끄러짐성을 높일 수 있으므로, 압전식 밸브를 조립한 후, 그 압전식 밸브를 장시간 동작시키지 않았던 경우에도, 밸브체가 밸브 시트면에 부착되어서 잘 떨어지지 않게 되어 동작 불량을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브는, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면이, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있는 압전 액추에이터를 사용하므로, 밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있다.
또, 본 개시의 압전식 밸브는, 압전식 밸브의 조립 시에, 밸브체를 밸브 시트면에 압축 거리를 갖고 가압함으로써 폐변 시의 에어 누설을 방지하는 경우에도, 압축 거리를 크게 취할 필요가 없고, 밸브의 고속이고 또한 고정밀도의 개폐에 대응할 수 있다.
본 개시의 압전 액추에이터의 제조 방법은, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면을 평활화 하므로, 밸브체의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있는 압전 액추에이터를 제조할 수 있다.
또, 본 개시의 압전 액추에이터의 제조 방법은, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 밸브체의 표면을 평활화 하므로, 압전식 밸브의 조립 시에, 밸브체를 밸브 시트면에 압축 거리를 갖고 가압함으로써 폐변 시의 에어 누설을 방지하는 경우에도, 압축 거리를 크게 취할 필요가 없고, 밸브의 고속이고 또한 고정밀도의 개폐에 대응할 수 있는 압전 액추에이터를 제조할 수 있다.
도 1 은, 압전식 밸브의 사시도이다.
도 2 는, 압전식 밸브의 조립 분해도이다.
도 3 은, 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터의 설명도이다.
도 4 는, 압전식 밸브에 사용하는 밸브 시트 플레이트에 압전 액추에이터를 고정시킨 상태의 설명도이다.
도 5 는, 압전식 밸브의 단면도로서, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도이다.
도 6 은, 도 3 의 A 부 확대도로서, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태의 압전 액추에이터의 설명도이다.
도 7 은, 도 6 의 압전 액추에이터에 있어서, 밸브체의 표면이 평활화 되어 있는 모습의 설명도이다.
도 2 는, 압전식 밸브의 조립 분해도이다.
도 3 은, 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터의 설명도이다.
도 4 는, 압전식 밸브에 사용하는 밸브 시트 플레이트에 압전 액추에이터를 고정시킨 상태의 설명도이다.
도 5 는, 압전식 밸브의 단면도로서, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도이다.
도 6 은, 도 3 의 A 부 확대도로서, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태의 압전 액추에이터의 설명도이다.
도 7 은, 도 6 의 압전 액추에이터에 있어서, 밸브체의 표면이 평활화 되어 있는 모습의 설명도이다.
본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1 은, 압전식 밸브의 일례로서 사시도를 나타낸다. 도 2 는, 도 1 의 압전식 밸브의 조립 분해도를 나타낸다. 도 3 은, 도 1 의 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터의 설명도를 나타낸다. 도 4 는, 도 1 의 압전식 밸브에 사용하는 밸브 시트 플레이트에 압전 액추에이터를 고정시킨 상태의 설명도를 나타낸다. 도 5 는, 도 1 의 압전식 밸브의 단면도로서, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도를 나타낸다.
도 1 내지 도 5 에 나타내는 압전식 밸브 (10) 는, 밸브 본체 (20), 밸브 본체 (20) 의 내부에 배치 형성됨과 함께 그 밸브 본체 (20) 에 고정되는 밸브 시트 플레이트 (25), 밸브 시트 플레이트 (25) 의 양면에 나사로 고정되는 압전 액추에이터 (30) 를 구비한다.
밸브 본체 (20) 는, 전면이 개구하는 케이스로서, 내부에는 외부의 압축 기체 공급원 (도시하지 않음) 으로부터 압축 기체의 공급을 받는 기체 압력실을 구비한다.
또, 밸브 본체 (20) 의 전면에는, 커넥터부 (50) 가 형성된다. 커넥터부 (50) 의 전면에는, 그 밸브 본체 (20) 내에 압축 기체를 흡입하는 기체 흡입구 (51) 및 압축 기체를 배출하는 기체 배출구 (52) 가 개구된다.
밸브 본체 (20) 와 커넥터부 (50) 의 사이에는, 적층형 압전 소자 (32) (이하, 「압전 소자」 라고 한다) 에 급전하기 위한 배선 기판 (55) 이 배치 형성된다. 커넥터부 (50) 의 일측단으로서 밸브 본체 (20) 의 측방 위치에, 배선 기판 (55) 을 개재하여 압전 소자 (32) 에 급전하기 위한 배선 커넥터 (29) 가 배치 형성된다.
밸브 시트 플레이트 (25) 는, 압전 액추에이터 (30) 의 장착부를 양면에 구비함과 함께, 압전 액추에이터 (30) 의 후술하는 밸브체 (31) 가 맞닿는 밸브 시트 (26) 를 갖는다. 또, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 전방 돌출부 (251) 에는, 밸브 시트 (26) 의 밸브 시트면으로부터 커넥터부 (50) 의 기체 배출구 (52) 로 연통하는 기체 배출로 (261) 가 형성된다.
밸브 시트 플레이트 (25) 의 전면에는, 밸브 본체 (20) 의 개구를 폐쇄하는 덮개재 (28) 가 장착된다. 덮개재 (28) 에는, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 전방 돌출부 (251) 가 끼워 맞춰지는 개구부 (281) 가 형성된다. 또, 덮개재 (28) 에는, 커넥터부 (50) 의 전면에 개구되는 기체 흡입구 (51) 로부터 밸브 본체 (20) 내로 연통하는 기체 흡입로 (282) 가 형성된다.
밸브 시트 플레이트 (25) 는, 예를 들어 합성 수지 재료에 의해 성형되고, 배선 기판 (55) 으로부터 압전 소자 (32) 로의 배선이 몰드된다.
또, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 후방 위치에는, 도시되지 않은 압전 소자 (32) 의 리드선과 접속되는 배선의 전극이 노출된다.
압전 액추에이터 (30) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 밸브체 (31), 그 밸브체 (31) 의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 압전 소자 (32), 압전 소자 (32) 의 변위를 확대하여 밸브체 (31) 에 작용시키는 변위 확대 기구 (33) 를 구비한다.
압전 소자 (32) 에는, 예를 들어 내부 전극층이 노출되는 측면을 포함하는 전체 둘레면이 에폭시 수지로 얇게 피복된 수지 외장형 압전 소자를 사용할 수 있다.
또, 밸브체 (31) 에는, 예를 들어 니트릴 고무 (NBR) 나 불소 고무 (FKM, FEPM, FFKM) 를 사용할 수 있다. 밸브체 (31) 에 사용하는 니트릴 고무나 불소 고무는, 예를 들어 경도 80 ± 10 의 것으로 하는 것이 바람직하다.
밸브체 (31) 에는, 적어도 밸브 시트 (26) 의 밸브 시트면에 맞닿는 표면에 할로겐화 처리 등에 의한 활성화 처리를 실시할 수 있다.
압전식 밸브 (10) 를 장시간 동작시키지 않은 경우, 고무제 밸브체 (31) 가 수지제 밸브 시트 (26) 의 밸브 시트면에 부착되어서 잘 떨어지지 않게 되어, 동작 불량을 일으킬 우려가 있지만, 밸브체 (31) 의 적어도 밸브 시트에 맞닿는 표면에 활성화 처리를 실시하여 비점착성, 미끄러짐성을 높이는 것으로 하면, 동작 불량을 방지할 수 있다.
변위 확대 기구 (33) 는, 압전 소자 (32) 의 변위를 확대하는 변위 확대부 (34) 와, 압전 소자 (32) 의 변위를 변위 확대부 (34) 에 전달하는 변위 전달부 (35) 를 갖고 있다. 변위 확대부 (34) 및 압전 소자 (3) 는, 각각, 밸브체 (31) 의 동작 방향의 축선, 여기서는, 밸브체 (31) 와 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선을 잇는 직선에 대하여 대칭으로 배치된다.
변위 전달부 (35) 는, 압전 소자 (32) 의 일단이 접합되는 U 자 형상의 베이스 기판 (36) 과, 압전 소자 (32) 의 타단이 접합되는 캡 부재 (37) 를 갖는다. 압전 소자 (32) 가 U 자 형상의 베이스 기판 (36) 의 공간 내에 배치 형성됨으로써, 변위 확대 기구 (33) 는 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선을 중심으로 대칭인 배치가 된다.
여기서, 압전 소자 (32) 는, U 자 형상의 베이스 기판 (36) 의 공간 내로서 그 베이스 기판 (36) 의 U 자 형상 저부 (361) 와 캡 부재 (37) 의 사이에 예를 들어 접착제를 개재하여 장착된다. 압전 소자 (32) 는, 베이스 기판 (36) 의 U 자 형상 저부 (361) 를 소성 변형시킴으로써, 일단이 베이스 기판 (36) 의 U 자 형상 저부 (361) 에 접합되고, 타단이 캡 부재 (37) 에 접합된다. 압전 소자 (32) 에는, 베이스 기판 (36) 의 U 자 형상 저부 (361) 를 소성 변형시킴으로써, 밸브체 (31) 의 방향 (밸브체 (31) 에 가압하는 방향) 으로 여압 하중이 가해진다.
변위 확대부 (34) 는, 밸브체 (31) 와 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선을 잇는 직선에 대하여 대칭인 배치가 되는 제 1 및 제 2 변위 확대부 (34a, 34b) 로 구성된다.
제 1 변위 확대부 (34a) 는, 제 1 및 제 2 힌지 (39, 40), 제 1 아암 (41) 및 제 1 판 스프링 (42) 을 갖는다. 제 1 아암 (41) 은 제 1 힌지 (39) 에 의해 U 자 형상의 베이스 기판 (36) 의 일방측 선단에 대하여 일체로 되어 있다. 제 1 아암 (41) 은, 제 2 힌지 (40) 에 의해 캡 부재 (37) 에 대하여 일체가 된다. 제 1 아암 (41) 의 외측 선단부에는, 제 1 판 스프링 (42) 의 일단이 접합된다.
한편, 제 2 변위 확대부 (34b) 는, 제 3 및 제 4 힌지 (43, 44), 제 2 아암 (45) 및 제 2 판 스프링 (46) 을 갖는다. 제 2 아암 (45) 은 제 3 힌지 (43) 에 의해 U 자 형상의 베이스 기판 (36) 의 타방측 선단에 대하여 일체가 된다. 제 2 아암 (45) 은, 제 4 힌지 (44) 에 의해 캡 부재 (37) 에 대하여 일체가 된다. 제 2 아암 (45) 의 외측 선단부에는, 제 2 판 스프링 (46) 의 일단이 접합된다.
여기서, 변위 확대 기구 (33) 는, 예를 들어 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 을 제외하고, 인바재를 포함하는 스테인리스재 등의 금속 재료를 타발하여 일체로 성형할 수 있다.
또, 제 1 판 스프링 (42) 과 제 2 판 스프링 (46) 은, 예를 들어 한 장의 금속 판재로 성형할 수 있다. 여기서는, 제 1 판 스프링 (42) 과 제 2 판 스프링 (46) 은, 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로서 중앙 부분에 밸브체 (31) 의 설치부 (48) 를 갖는 형상으로 성형된 한 장의 금속 판재의 양측 부분에 형성되어 있다. 설치부 (48) 는, 예를 들어, 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선에 직교하는 평탄한 설치면을 포함하는 부분이다. 그리고, 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 의 일단은, 각각 제 1 및 제 2 아암 (41, 45) 의 외측 선단부에 접합되어 있다. 밸브체 (31) 는, 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 의 타단 사이로서 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선 상에 위치하는 설치부 (48) 에 형성되어 있다.
압전 액추에이터 (30) 는, 폐변 상태에 있어서 압전 소자 (32) 에 통전하면, 당해 압전 소자 (32) 가 신장한다. 당해 압전 소자 (32) 의 신장에 수반하는 변위는, 변위 확대 기구 (33) 에 있어서, 제 1 및 제 3 힌지 (39, 43) 를 지점, 제 2 및 제 4 힌지 (40, 44) 를 역점 (力點), 제 1 및 제 2 아암 (41, 45) 의 외측 선단부를 작용점으로 하여 지렛대 원리에 의해 확대되어, 제 1 및 제 2 아암 (41, 45) 의 외측 선단부를 크게 변위시킨다.
그리고, 제 1 및 제 2 아암 (41, 45) 의 외측 선단부의 변위는, 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 을 개재하여 밸브체 (31) 를 밸브 시트 (26) 로부터 이간시켜, 기체 배출로 (261) 를 개방한다.
한편, 상기 압전 액추에이터 (30) 는, 압전 소자 (32) 에 대한 통전이 해제되면 그 압전 소자 (32) 가 수축하고, 당해 수축이 변위 확대 기구 (33) 를 개재하여 밸브체 (31) 를 밸브 시트 (26) 에 착석시켜, 기체 배출로 (261) 를 폐쇄한다.
또한, 제 1 판 스프링 (42) 과 제 2 판 스프링 (46) 을 별도 부재에 의해 성형하고, 제 1 판 스프링 (42) 의 타단에 밸브체 (31) 의 일방측의 측단부를 접합하고, 제 2 판 스프링 (46) 의 타단에 밸브체 (31) 의 타방측의 측단부를 접합함으로써, 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 의 타단 사이에 밸브체 (31) 를 형성할 수도 있다.
도 6 은, 도 3 의 A 부 확대도로서, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태의 압전 액추에이터의 설명도를 나타낸다. 도 7 은, 도 6 의 압전 액추에이터에 있어서, 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 밸브체의 표면이 평활화 되어 있는 모습의 설명도를 나타낸다.
압전 액추에이터 (30) 는, 베이스 기판 (36) 의 U 자 형상 저부 (361) 를 소성 변형시킴으로써, 압전 소자 (32) 에는 밸브체 (31) 의 방향으로 여압 하중이 가해진다. 그 때문에, 변위 확대 기구 (33) 가 일그러지고, 예를 들어, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 제 1 판 스프링 (42) 및 제 2 판 스프링 (46) 의 타단 사이로서 설치부 (48) 에 형성되는 밸브체 (31) 의 전면이 오목 형상으로 변형되어, 압전식 밸브를 조립했을 때, 밸브체 (31) 의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생할 리스크가 있다.
그래서, 본 개시의 실시형태에서는, 압전 액추에이터 (30) 는, 밸브체 (31) 의 전면이, 압전 소자 (32) 에 여압 하중이 가해진 상태에서 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선, 즉 밸브체 (31) 의 동작 방향의 축선에 직교하도록 평활화 되어 있다.
예를 들어, 본 개시의 실시형태에 있어서, 압전 액추에이터 (30) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 오목 형상으로 변형된 밸브체 (31) 의 전면을, 연마에 의해 평활화 할 수 있다.
또, 본 개시의 실시형태에 있어서, 압전 액추에이터 (30) 는, 압전 소자 (32) 에 여압 하중이 가해진 상태에서, 제 1 및 제 2 판 스프링 (42, 46) 의 타단 사이의 중앙 부분에 형성되는 설치부 (48) 에 대하여 일체 성형에 의해 밸브체 (31) 를 형성함으로써, 밸브체 (31) 의 전면을 평활화 할 수 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전 액추에이터는, 압전식 밸브 (10) 의 밸브 시트 (26) 에 맞닿는 밸브체 (31) 의 표면이, 압전 소자 (32) 에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있으므로, 압전식 밸브 (10) 에 조립했을 때에, 밸브체 (31) 의 밸브 시트면에 대한 압압력이나 기밀성이 약해져 에어 누설이 발생하는 리스크를 경감할 수 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전 액추에이터는, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 밸브체를 밸브 시트면에 압축 거리를 갖고 가압함으로써, 압전식 밸브를 조립할 수도 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전 액추에이터는, 압전식 밸브의 조립 시에, 밸브체를 밸브 시트면에 압축 거리를 갖고 가압함으로써 폐변 시의 에어 누설을 방지하는 경우에도, 압축 거리를 크게 취할 필요가 없고, 밸브의 고속이고 또한 고정밀도의 개폐에 대응할 수 있다.
이상, 본 개시의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 개시의 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서, 그 구성을 적절히 변경할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
본 개시의 압전 액추에이터는, 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 이용할 수 있다.
10 : 압전식 밸브
20 : 밸브 본체
25 : 밸브 시트 플레이트
251 : 전방 돌출부
26 : 밸브 시트
261 : 기체 배출로
28 : 덮개재
281 : 개구부
282 : 기체 흡입로
29 : 배선 커넥터
30 : 압전 액추에이터
31 : 밸브체
32 : 적층형 압전 소자
33 : 변위 확대 기구
34 : 변위 확대부
35 : 변위 전달부
36 : 베이스 기판
361 : U 자 형상 저부
37 : 캡 부재
39 : 제 1 힌지
40 : 제 2 힌지
41 : 제 1 아암
42 : 제 1 판 스프링
43 : 제 3 힌지
44 : 제 4 힌지
45 : 제 2 아암
46 : 제 2 판 스프링
48 : 설치부
50 : 커넥터부
51 : 기체 흡입구
52 : 기체 배출구
55 : 배선 기판
20 : 밸브 본체
25 : 밸브 시트 플레이트
251 : 전방 돌출부
26 : 밸브 시트
261 : 기체 배출로
28 : 덮개재
281 : 개구부
282 : 기체 흡입로
29 : 배선 커넥터
30 : 압전 액추에이터
31 : 밸브체
32 : 적층형 압전 소자
33 : 변위 확대 기구
34 : 변위 확대부
35 : 변위 전달부
36 : 베이스 기판
361 : U 자 형상 저부
37 : 캡 부재
39 : 제 1 힌지
40 : 제 2 힌지
41 : 제 1 아암
42 : 제 1 판 스프링
43 : 제 3 힌지
44 : 제 4 힌지
45 : 제 2 아암
46 : 제 2 판 스프링
48 : 설치부
50 : 커넥터부
51 : 기체 흡입구
52 : 기체 배출구
55 : 배선 기판
Claims (10)
- 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터로서,
밸브체와,
상기 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자와,
상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 상기 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구,
를 갖는 압전 액추에이터에 있어서,
압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 상기 밸브체의 표면은, 상기 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서 평활화 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층형 압전 소자에는, 상기 밸브체의 방향으로 상기 여압 하중이 가해지고 있는 압전 액추에이터. - 제 2 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 1 쌍의 판 스프링이 형성되어 있고
상기 밸브체는, 상기 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있는 압전 액추에이터. - 제 3 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하는 변위 확대부와, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 전달하는 변위 전달부를 갖고,
상기 변위 전달부는, 상기 적층형 압전 소자의 일단이 접합되는 U 자 형상의 베이스 기판과, 상기 적층형 압전 소자의 타단이 접합되는 캡 부재를 갖고, 상기 베이스 기판의 U 자 형상 저부와 상기 캡 부재의 사이에 상기 적층형 압전 소자가 장착되고, 상기 베이스 기판의 U 자 형상 저부를 소성 변형시킴으로써 상기 적층형 압전 소자에 상기 여압 하중이 가해지고 있고,
상기 변위 확대부는, 상기 밸브체와 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선을 잇는 직선에 대하여 대칭으로 배치되는 1 쌍의 아암을 갖고, 각 아암의 각각이 힌지에 의해 상기 베이스 기판의 선단 및 상기 캡 부재에 대하여 일체가 되고, 상기 각 아암의 외측 선단부에 상기 1 쌍의 판 스프링이 형성되어 있고,
상기 밸브체는, 상기 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있는 압전 액추에이터. - 제 1 항에 있어서,
압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 상기 밸브체의 표면에 활성화 (滑性化) 처리가 실시되어 있는 압전 액추에이터. - 외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
상기 기체 압력실로부터 압축 기체를 배출하는 기체 배출로를 개폐하는 밸브체, 상기 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 상기 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 압전 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브에 있어서,
상기 압전 액추에이터에는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 압전식 밸브. - 제 6 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터가 고정되고, 당해 압전 액추에이터와 함께 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 갖고, 상기 플레이트에는, 상기 기체 배출로 및 상기 기체 배출로를 개폐하는 상기 압전 액추에이터의 상기 밸브체가 맞닿는 밸브 시트가 형성되는 압전식 밸브. - 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브에 사용하는 압전 액추에이터의 제조 방법으로서,
밸브체, 상기 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생하는 적층형 압전 소자, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 상기 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖는 압전 액추에이터의 제조 방법에 있어서,
상기 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 압전식 밸브의 밸브 시트에 맞닿는 상기 밸브체의 표면을 평활화 하는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 1 쌍의 판 스프링이 형성되고,
상기 밸브체는, 상기 1 쌍의 판 스프링 사이에 형성되어 있고
상기 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 연마에 의해 상기 밸브체의 상기 표면을 평활화 하는 압전 액추에이터의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 배치되고, 그 변위 확대 기구의 선단부에는, 1 부재에 의해 성형되는 1 쌍의 판 스프링으로서 중앙 부분에 상기 밸브체의 설치부가 형성되는 1 쌍의 판 스프링이, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 축선에 대하여 대칭으로 형성되어 있고,
상기 적층형 압전 소자에 여압 하중이 가해진 상태에서, 상기 1 쌍의 판 스프링 사이의 상기 설치부에 일체 성형에 의해 밸브체를 형성함으로써 상기 밸브체의 표면을 평활화하는 압전 액추에이터의 제조 방법.
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