KR20220002378A - 압전식 밸브 및 그 압전식 밸브의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
사용 시에 압축 기체와 함께 적층형 압전 소자의 파손편이 분출되거나, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있고, 또, 적층형 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 하는 것을 방지할 수 있는 압전식 밸브를 제공한다. 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브로서, 외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와, 밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브에 있어서, 적층형 압전 소자는, 액추에이터에 일체화된 상태에서 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 개시는, 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브, 및 그 압전식 밸브의 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 작은 변위를 지렛대의 원리에 기초하여 확대하는 변위 확대 기구를 구비하는 것이다.
압전식 밸브는, 적층형 압전 소자에 전압을 인가하면, 그 적층형 압전 소자의 신장 방향으로의 변위가 변위 확대 기구를 개재하여 밸브체에 전달되고, 그 밸브체를 신속하게 이동시켜 밸브 개방한다.
또, 압전식 밸브는, 적층형 압전 소자에의 전압 인가를 해제하면, 그 적층형 압전 소자의 원상 복귀에 수반하는 복귀력이 변위 확대 기구를 개재하여 밸브체에 전달되고, 그 밸브체를 신속하게 밸브 시트에 맞닿게 하여 밸브 폐쇄한다.
그런데, 적층형 압전 소자는, 동작에 수반하는 소비 에너지가 적고, 고속 동작에 적합하며, 소형이라는 등의 우수한 특장을 가진다.
그러나, 적층형 압전 소자는, 압전 세라믹층을 갖기 때문에 구조적으로 취약하여, 압전식 밸브의 사용 시에, 압축 기체와 함께 파손편이 분출될 우려가 있다.
또, 적층형 압전 소자는, 고습 환경에 약하기 때문에, 압전식 밸브를 고습 환경하에서 사용하는 경우에는, 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 그 압전식 밸브의 수명이 짧아질 우려가 있다.
그래서, 본 발명자들은, 적층형 압전 소자의 표면을 폴리올레핀계 수지에 의해 피복하는 것을 제안했다 (특허문헌 2 를 참조.).
특허문헌 2 에 기재된 압전식 밸브는, 영률이 작고 유연성이 우수한 특성을 갖고, 또한, 투습도가 작아 내수성이 우수한 특성을 갖는 폴리올레핀계 수지에 의해 덮이는 적층형 압전 소자를 이용한다. 그 때문에, 압전식 밸브의 사용 시에 압축 기체와 함께 적층형 압전 소자의 파손편이 분출되지 않는다. 또, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아질 우려가 없다.
적층형 압전 소자의 파손편의 분출은, 적층형 압전 소자의 표면을 폴리올레핀계 수지에 의해 얇게 피복함으로써 방지할 수 있다. 그러나, 적층형 압전 소자의 고온·고습 환경하에서의 절연 저항의 저하를 방지하기 위해서는, 적층형 압전 소자의 표면을 폴리올레핀계 수지에 의해 어느 정도 두껍게 피복할 필요가 있다. 그 경우, 적층형 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 할 우려가 있다.
그래서, 본 개시는, 사용 시에 압축 기체와 함께 적층형 압전 소자의 파손편이 분출되거나, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있고, 또, 적층형 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 하는 것을 방지할 수 있는 압전식 밸브, 및 그 압전식 밸브의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 개시는,
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브로서,
외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브에 있어서,
적층형 압전 소자가, 액추에이터에 일체화된 상태에서 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 개시에서는,
적층형 압전 소자가, 당해 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 (突條片) 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것이 바람직하다.
본 개시는,
밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 액추에이터는 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고,
플레이트의 표면에는, 액추에이터가 플레이트에 고정되었을 때, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고,
적층형 압전 소자가, 액추에이터가 플레이트에 고정된 상태에서 1 쌍의 돌조편 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 본 개시에 있어서, 실리콘이란 저점도의 실리콘 고무를 의미하고, 바람직하게는 점도 0.01 Pa·s 이상, 10.0 Pa·s 이하의 실리콘 고무, 보다 바람직하게는 점도 2.5 Pa·s 의 실리콘 고무를 사용할 수 있다.
또, 작업성을 고려하여, 일액형의 상온 경화 타입의 실리콘 고무를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 신에츠 화학 공업 주식회사 제조의 저점도 실리콘 고무 「KE-3475 (품명)」등을 사용하는 것이 바람직하다.
본 개시에서는,
변위 확대 기구는 금속 재료에 의해 형성되는 한편으로, 수지 재료에 의해 형성되는 플레이트에는 적층형 압전 소자에 급전하기 위한 배선이 몰드되어 이루어지고,
플레이트로부터 노출되는 배선의 전극이, 적층형 압전 소자의 리드선과 접속된 상태에서 절연성 재료에 의해 피복되어 있는 것이 바람직하다.
본 개시에서는,
변위 확대 기구가 금속 재료에 의해 형성되어 이루어지고,
적층형 압전 소자의 리드선이, 변위 확대 기구의 표면에 첩착되는 절연용 필름 상에 배치되는 것이 바람직하다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 개시는,
적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브로서,
외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
밸브체, 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 적층형 압전 소자, 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브의 제조 방법에 있어서,
액추에이터에 일체화된 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것을 특징으로 한다.
본 개시에서는,
액추에이터에 일체화된 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것이 바람직하다.
본 개시는,
밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 액추에이터는 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고,
플레이트의 표면에는, 액추에이터가 플레이트에 고정되었을 때, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고,
적층형 압전 소자를 액추에이터에 일체화하고, 액추에이터를 플레이트에 고정한 후, 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것이 바람직하다.
본 개시의 압전식 밸브는, 적층형 압전 소자가, 내수성·방수성이 우수한 특성을 갖는 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있으므로, 사용 시에 압축 기체와 함께 적층형 압전 소자의 파손편이 분출되거나, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 개시의 압전식 밸브는, 적층형 압전 소자가, 종래의 폴리올레핀계 수지와 비교해 탄성이 풍부하고, 압축성이 큰 특성을 갖는 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있다. 그 때문에, 적층형 압전 소자의 고온·고습 환경하에서의 절연 저항의 저하를 방지하기 위해, 적층형 압전 소자의 표면을 실리콘에 의해 어느 정도 두껍게 피복하는 경우여도, 적층형 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 하는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브는, 적층형 압전 소자가, 당해 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것이면, 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 전체 둘레면을 간단하게 피복할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브는, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 액추에이터는 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고, 플레이트의 표면에는, 액추에이터가 플레이트에 고정되었을 때, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고, 적층형 압전 소자가, 액추에이터가 플레이트에 고정된 상태에서 1 쌍의 돌조편 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것이면, 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 전체 둘레면을 간단하게 피복할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브의 제조 방법은, 액추에이터에 일체화된 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하므로, 적층형 압전 소자의 표면 이외에 실리콘이 돌출되어 부착되는 경우여도, 적층형 압전 소자를 액추에이터에 일체화할 때의 조립 불량이 일어나지 않는다.
본 개시의 압전식 밸브의 제조 방법은, 액추에이터에 일체화된 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것으로 하면, 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 전체 둘레면을 간단하게 피복할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브의 제조 방법은, 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 액추에이터는 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고, 플레이트의 표면에는, 액추에이터가 플레이트에 고정되었을 때, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고, 적층형 압전 소자를 액추에이터에 일체화하고, 액추에이터를 플레이트에 고정한 후, 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것으로 하면, 적층형 압전 소자의 표면 이외에 실리콘이 돌출되어 부착되는 경우여도, 적층형 압전 소자를 일체화한 액추에이터를 플레이트에 고정할 때의 조립 불량이 일어나지 않는다.
또, 본 개시의 압전식 밸브의 제조 방법은, 플레이트의 표면에, 액추에이터가 플레이트에 고정되었을 때, 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있으므로, 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 실리콘에 의해 적층형 압전 소자의 전체 둘레면을 간단하게 피복할 수 있다.
도 1 은 적층형 압전 소자의 단면도이다.
도 2 는 압전식 밸브의 사시도이다.
도 3 은 압전식 밸브의 조립 분해도이다.
도 4 는 액추에이터의 설명도이다.
도 5 는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 설명도이다.
도 6 은 압전식 밸브의 단면도이고, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도이다.
도 7 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 액추에이터의 평면도이다.
도 8 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 평면도이다.
도 9 는 도 8 의 A-A 단면도이다.
도 10 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브로부터 분출하는 에어의 분출압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2 는 압전식 밸브의 사시도이다.
도 3 은 압전식 밸브의 조립 분해도이다.
도 4 는 액추에이터의 설명도이다.
도 5 는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 설명도이다.
도 6 은 압전식 밸브의 단면도이고, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도이다.
도 7 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 액추에이터의 평면도이다.
도 8 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 평면도이다.
도 9 는 도 8 의 A-A 단면도이다.
도 10 은 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브로부터 분출하는 에어의 분출압 특성을 나타내는 그래프이다.
본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1 은, 적층형 압전 소자 (이하, 「압전 소자」라고 한다) 의 대표예이고 단면도를 나타낸다.
도 1 에 나타내는 압전 소자 (1) 는, 압전 세라믹층 (2) 과 내부 전극층 (3) 을 교대로 적층한 적층체 (4) 를 갖는다. 적층체 (4) 의 측면에는 내부 전극층 (3) 이 노출되어 있다. 노출된 각 내부 전극층 (3) 의 측면은, 한 층 걸러 절연층 (5) 으로 피복되어 있다. 또한, 적층체 (4) 는, 절연층 (5) 을 덮고 또한 절연층 (5) 에 의해 피복되어 있지 않은 내부 전극층 (3) 과 도통하는 외부 전극 (6) 을 갖는다.
도 2 는 압전식 밸브의 일례이고 사시도를 나타낸다. 도 3 은 도 2 의 압전식 밸브의 조립 분해도를 나타낸다. 도 4 는 액추에이터의 설명도를 나타낸다. 도 5 는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 설명도를 나타낸다. 도 6 은 압전식 밸브의 단면도이고, 밸브 시트 플레이트를 밸브 본체 내부에 배치 형성한 상태의 설명도를 나타낸다.
도 2 내지 도 6 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 액추에이터 (30) 를 구비한다.
밸브 본체 (20) 는, 전면 (前面) 이 개구되는 케이스이고, 내부에는 외부의 압축 기체 공급원 (도시 생략) 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) 내로 압축 기체를 흡입하는 기체 흡입구 (51) 및 압축 기체를 배출하는 기체 배출구 (52) 가 개구된다.
밸브 본체 (20) 와 커넥터부 (50) 사이에는, 압전 소자 (32) 에 급전하기 위한 배선 기판 (55) 이 배치 형성되어 있다. 커넥터부 (50) 의 일측단이고 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, 액추에이터 (30) 의 장착부를 양면에 구비함과 함께, 액추에이터 (30) 의 후술하는 밸브체 (31) 가 맞닿는 밸브 시트 (26) 를 갖는다. 또, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 전면에는, 케이스의 개구를 폐쇄하는 덮개재 (28) 가 장착된다. 당해 덮개재 (28) 에는, 밸브 시트 (26) 의 밸브 시트면으로부터 커넥터부 (50) 의 전면에 개구되는 배출구 (52) 에 연통하는 기체 배출로가 형성된다. 또한, 덮개재 (28) 에는, 커넥터부 (50) 의 전면에 개구되는 흡입구 (51) 로부터 밸브 본체 (20) 내로 연통하는 기체 흡입로가 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, 도 8 을 사용하여 후술하는 바와 같이 압전 소자 (32) 의 리드선 (57) 과 접속되는 배선의 전극 (58) 이 노출된다.
액추에이터 (30) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 고무제 바람직하게는 활성 고무의 밸브체 (31), 그 밸브체 (31) 의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 압전 소자 (32), 압전 소자 (32) 의 변위를 확대하여 밸브체 (31) 에 작용시키는 변위 확대 기구 (33) 를 구비한다.
압전 소자 (32) 에는, 도 1 에 나타내는 압전 소자를 사용할 수 있다. 또, 압전 소자 (32) 에는, 내부 전극층 (3) 이 노출되는 측면을 포함하는 전체 둘레면이 에폭시 수지로 얇게 피복된 수지 외장형 압전 소자를 사용할 수도 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 갖는다. 변위 확대 기구 (33) 는, 밸브체 (31) 의 동작 방향의 축선, 여기서는, 밸브체 (31) 와 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선을 잇는 직선 (이하, 「중심선」이라고 한다.) 에 대해 대칭으로 배치된다.
변위 전달부 (35) 는, 압전 소자 (32) 의 일단이 접합되는 U 자상의 베이스 기판 (36) 과, 압전 소자 (32) 의 타단이 접합되는 캡 부재 (37) 를 갖는다. 압전 소자 (32) 가 U 자상의 베이스 기판 (36) 의 공간 내에 배치 형성됨으로써, 변위 확대 기구 (33) 는 압전 소자 (32) 의 길이 방향 축선을 중심으로 하여 대칭인 배치가 된다.
여기서, 압전 소자 (32) 는, U 자상의 베이스 기판 (36) 의 공간 내이고 그 베이스 기판 (36) 의 U 자상 저부와 캡 부재 (37) 사이에 장착된다. 압전 소자 (32) 는, 베이스 기판 (36) 의 U 자상 저부를 소성 변형시킴으로써, 일단이 베이스 기판 (36) 의 U 자상 저부에 접합되고, 타단이 캡 부재 (37) 에 접합된다.
변위 확대부 (34) 는, 중심선에 대해 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 판스프링 (42) 을 갖는다. 제 1 힌지 (39) 의 일단은 U 자상의 베이스 기판 (36) 의 일방 측 선단에 대해 일체가 되고, 제 2 힌지 (40) 의 일단은 캡 부재 (37) 에 대해 일체가 된다. 제 1 아암 (41) 의 외측 선단부에는, 제 1 판스프링 (42) 의 일단이 접합되고, 그 제 1 판스프링 (42) 의 타단에는 밸브체 (31) 의 일방 측의 측단부가 접합된다.
한편, 제 2 변위 확대부 (34b) 는, 제 3 및 제 4 힌지 (43, 44), 제 2 아암 (45) 및 제 2 판스프링 (46) 을 갖는다. 제 3 힌지 (43) 의 일단은 U 자상의 베이스 기판 (36) 의 타방 측 선단에 대해 일체가 되고, 제 4 힌지 (44) 의 일단은 캡 부재 (37) 에 대해 일체가 된다. 제 2 아암 (45) 의 외측 선단부에는, 제 2 판스프링 (46) 의 일단이 접합되고, 그 제 2 판스프링 (46) 의 타단에는 밸브체 (31) 의 타방 측의 측단부가 접합된다.
여기서, 변위 확대 기구 (33) 는, 예를 들어 인바재를 포함하는 스테인리스재 등의 금속 재료를 타발하여 일체로 성형할 수 있다.
상기 액추에이터 (30) 는, 밸브 폐쇄 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, 제 1 및 제 2 아암 (41, 45) 의 외측 선단부를 작용점으로 하여 지렛대의 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 판스프링 (42, 46) 을 개재하여 밸브체 (31) 를 밸브 시트 (26) 로부터 이간시켜, 기체 배출로를 개방한다.
한편, 상기 액추에이터 (30) 는, 압전 소자 (32) 에의 통전이 해제되면 그 압전 소자 (32) 가 수축하고, 당해 수축이 변위 확대 기구 (33) 를 개재하여 밸브체 (31) 를 밸브 시트 (26) 에 착좌시켜, 기체 배출로를 폐쇄한다.
도 7 은, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 액추에이터의 평면도를 나타낸다.
도 7 에 나타내는 액추에이터는, 압전 소자 (32) 가 일체화된 상태에서, 당해 압전 소자 (32) 의 표면, 즉, 압전 소자 (32) 의 적어도 내부 전극층이 노출되는 측면이 실리콘 (8) 에 의해 피복되어 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 타입의 압전 소자이고, 실리콘 (8) 에 의해 표면이 피복된 압전 소자 (32) 를 액추에이터 (30) 에 일체로 조립할 수 있다.
또, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 액추에이터 (30) 에 일체화된 상태의 압전 소자 (32) 의 표면 상에 디스펜서나 브러시 등에 의해 실리콘 (8) 을 공급하고, 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 표면을 피복할 수도 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 액추에이터 (30) 에 일체화된 상태의 압전 소자 (32) 의 표면 상에 실리콘 (8) 을 공급하고, 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 표면을 피복하는 것으로 하면, 실리콘 (8) 이 압전 소자 (32) 의 표면으로부터 돌출되어 부착되는 경우여도, 압전 소자 (32) 를 액추에이터 (30) 에 일체화할 때의 조립 불량이 일어날 염려가 없다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 압전 소자 (32) 가 액추에이터 (30) 에 일체화된 상태에서 실리콘 (8) 에 의해 표면이 피복되어 있고, 액추에이터 (30) 를 밸브 시트 플레이트에 고정함으로써 조립할 수 있다.
여기서, 압전 소자 (32) 는, 적어도 내부 전극층이 노출되는 측면이 실리콘 (8) 에 의해 피복되어 있으면 되고, 바람직하게는, 내부 전극층이 노출되는 측면을 포함하는 모든 측면 (전체 둘레면) 이, 실리콘 (8) 에 의해 피복되어 있으면 된다.
또, 압전 소자 (32) 로서, 전체 둘레면이 에폭시 수지로 얇게 피복되어 있는 수지 외장형 압전 소자를 사용하는 경우에는, 실리콘 (8) 에 의해 전체 둘레면을 피복하는 것이 바람직하다.
도 8 은, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브가 구비하는 밸브 시트 플레이트에 액추에이터를 고정한 상태의 평면도를 나타낸다. 도 9 는 도 8 의 A-A 단면도를 나타낸다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브에 있어서, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 표면에 있어서의 액추에이터 (30) 의 장착부에는, 액추에이터 (30) 가 나사로 고정되었을 때, 압전 소자 (32) 와 변위 전달부 (35) 사이이고 압전 소자 (32) 의 길이 방향 (신축 방향) 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 (27) 이 형성된다.
또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 돌조편 (27) 은, 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정된 액추에이터 (30) 의 압전 소자 (32) 의 표면의 높이보다 높게 형성되어 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 도 7 에 나타내는 액추에이터 (30) 이고, 실리콘 (8) 에 의해 내부 전극층이 노출되는 측면이 피복된 압전 소자 (32) 를 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정한 후, 압전 소자 (32) 의 표면 상에 실리콘 (8) 을 공급함으로써, 1 쌍의 돌조편 (27) 사이에 충전되는 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 전체 둘레면을 피복할 수 있다.
또, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 실리콘 (8) 에 의해 표면이 피복되어 있지 않은 압전 소자 (32) 를 액추에이터 (30) 에 일체화하고, 액추에이터 (30) 를 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정한 후, 압전 소자 (32) 의 표면 상에 실리콘 (8) 을 공급함으로써, 1 쌍의 돌조편 (27) 사이에 충전되는 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 전체 둘레면을 피복할 수도 있다.
본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 액추에이터 (30) 가 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정되었을 때, 압전 소자 (32) 의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 (27) 이 밸브 시트 플레이트 (25) 의 표면에 형성되어 있으므로, 1 쌍의 돌조편 (27) 사이에 충전된 실리콘 (8) 에 의해 전체 둘레면을 간단하게 피복할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 실리콘 (8) 에 의해 표면이 피복되어 있지 않은 압전 소자 (32) 를 액추에이터 (30) 에 일체화하고, 액추에이터 (30) 를 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정한 후, 압전 소자 (32) 의 표면 상에 실리콘 (8) 을 공급하고, 1 쌍의 돌조편 (27) 사이에 충전되는 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 전체 둘레면을 피복하는 것으로 하면, 실리콘 (8) 이 압전 소자 (32) 의 표면 이외로 돌출되어 부착되는 경우여도, 액추에이터 (30) 를 밸브 시트 플레이트 (25) 에 고정할 때의 조립 불량이 일어날 염려가 없다.
여기서, 본 개시에 있어서, 실리콘 (8) 이란 저점도의 실리콘 고무를 의미하는 것이며, 바람직하게는 점도 0.01 Pa·s 이상, 10.0 Pa·s 이하의 실리콘 고무, 보다 바람직하게는 점도 2.5 Pa·s 의 실리콘 고무를 사용할 수 있다.
또, 작업성을 고려하여, 일액형의 상온 경화 타입의 실리콘 고무를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 신에츠 화학 공업 주식회사 제조의 저점도 실리콘 고무 「KE-3475 (품명)」등을 사용하는 것이 바람직하다.
도 8 에 있어서, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 후방 위치에는, 압전 소자 (32) 에 급전하기 위해서 몰드된 배선의 전극 (58) 이 노출되고, 압전 소자 (32) 의 리드선 (57) 과 땜납에 의해 접속되어 있다. 배선의 전극 (58) 은, 리드선 (57) 과 접속된 상태에서 도시되지 않은 절연성 재료에 의해 피복되어 있다. 절연성 재료에는, 예를 들어 실리콘 등의 절연성 수지 재료를 사용할 수 있다.
또, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 액추에이터 (30) 는, 변위 확대 기구 (33) 에 있어서의 변위 전달부 (35) 의 표면 후부 위치에 절연용 필름 (62) 이 첩착되어 있다.
도 8 에 있어서, 액추에이터 (30) 가 장착되는 밸브 시트 플레이트 (25) 에는, 배선 기판 (55) 으로부터 압전 소자 (32) 에의 배선이 몰드되어 있다. 압전 소자 (32) 의 리드선 (57) 은, 액추에이터 (30) 의 변위 확대 기구 (33) 를 구성하는 금속 재료와 접촉하는 것을 방지하도록, 절연용 필름 (62) 상에 배치되어 있다. 압전 소자 (32) 의 리드선 (57) 은, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 후방 위치에 노출되는 배선의 전극 (58) 과 땜납에 의해 접속된다.
여기서, 절연용 필름 (62) 에는, 예를 들어 저투습성 필름을 사용할 수 있다.
본 개시에 있어서, 저투습성 필름이란, 두께 1 mm 인 재료의 온도 40 ℃, 상대습도 95 % 의 환경하에 있어서의 투습도가 0.5 g/㎡·24hr 이하인 수지 필름을 말한다.
저투습성 필름에는, 저투습성 재료로 이루어지는 수지 필름, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리올레핀계 수지 필름을 사용할 수 있다. 또, 저투습성 필름에는, 불소 등의 저투습제를 코팅하는 등의 저투습 가공을 실시한 수지 필름을 사용할 수도 있다.
상기 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브는, 밸브 시트 플레이트 (25) 의 표면에 1 쌍의 돌조편 (27) 이 형성되는 것이다. 액추에이터 (30) 를 밸브 본체 (20) 에 직접 장착하는 경우에는, 밸브 본체의 내벽면에 1 쌍의 돌조편을 형성할 수도 있다. 그 경우, 액추에이터를 밸브 본체에 고정한 후, 압전 소자의 표면 상에 실리콘 (8) 을 공급함으로써, 1 쌍의 돌조편 (27) 사이에 충전되는 실리콘 (8) 에 의해 압전 소자 (32) 의 전체 둘레면을 피복할 수 있다.
본 개시의 압전식 밸브는, 압전 소자가, 내수성·방수성이 우수한 특성을 갖는 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있으므로, 사용 시에 압축 기체와 함께 압전 소자의 파손편이 분출되거나, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 개시의 압전식 밸브는, 압전 소자가, 종래의 폴리올레핀계 수지와 비교해 탄성이 풍부하고, 압축성이 큰 특성을 갖는 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있다. 그 때문에, 압전 소자의 고온·고습 환경하에서의 절연 저항의 저하를 방지하기 위해, 압전 소자의 표면을 실리콘에 의해 어느 정도 두껍게 피복하는 경우여도, 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 하는 것을 방지할 수 있다.
도 10 은, 압전식 밸브로부터 분출되는 에어의 분출압 특성을 나타내는 그래프이고, 압전 소자의 표면이 실리콘에 의해 피복되어 있는 경우와, 압전 소자의 표면이 피실리콘에 의해 덮여 있지 않은 경우를 비교하는 그래프를 나타낸다. 또한, 압전 소자의 표면이 실리콘에 의해 피복되어 있는 경우의 피복 두께는 약 150 ㎛ 이며, 고온·고습 환경하에서의 절연 저항의 저하를 방지할 수 있는 것이다.
실험은, 일본 공개특허공보 2017-160973호의 [실시예] 에 기재된 방법에 기초하여 실시되었다. 실험 조건은 이하와 같다.
(1) 압축 에어 공급 압력 : 0.15 MPa (대기압하의 게이지압값)
(2) 구동 전압 : 72 V
(3) 압축 에어 설정 유량 : 39 L/min
(4) 입력 신호 : 제 1 프리펄스 시간 t1 = 0.098 ms
제 1 휴지 시간 t2 = 0.08 ms
제 2 프리펄스 시간 t3 = 0.6 ms
제 2 휴지 시간 t4 = 0.03 ms
메인 펄스 시간 t5 = 0.192 ms
(압전 소자의 통전 시간 : 1 ms)
(5) 에어 분출압 검출 위치 : 기체 배출로 선단으로부터 2 mm
도 10 에 있어서, 파선은, 실리콘에 의해 압전 소자의 표면이 피복되어 있는 압전식 밸브의 결과를 나타낸다. 또, 실선은, 실리콘에 의해 압전 소자의 표면이 피복되어 있지 않은 압전식 밸브의 결과를 나타낸다.
양자를 비교한 경우, 에어의 분출압 특성은 대략 일치하고 있고, 본 개시의 실시형태에 있어서의 압전식 밸브에서는, 압전 소자의 고온·고습 환경하에서의 절연 저항의 저하를 방지하기 위해, 압전 소자의 표면을 실리콘에 의해 어느 정도 두껍게 피복하는 경우여도, 압전 소자의 움직임이 방해받고 있지 않는 것을 확인할 수 있었다.
본 개시는, 상기 실시형태에 한정하는 것이 아니고, 개시의 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서 그 구성을 적절히 변경할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
산업상 이용가능성
본 개시의 압전식 밸브는, 사용 시에 압축 기체와 함께 적층형 압전 소자의 파손편이 분출되거나, 고습 환경하에서 사용한 경우여도 적층형 압전 소자에 습기가 침입하여 수명이 짧아지는 것을 방지할 수 있고, 또, 적층형 압전 소자의 움직임이 방해받아 스트로크가 작아지거나, 정확한 동작을 하지 않게 되거나 하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 매우 유용하다.
1 : 적층형 압전 소자
2 : 세라믹층
3 : 내부 전극층
4 : 적층체
5 : 절연층
6 : 외부 전극
7 : 리드선
8 : 실리콘
10 : 압전식 밸브
20 : 밸브 본체
25 : 밸브 시트 플레이트
26 : 밸브 시트
27 : 돌조편
28 : 덮개재
29 : 배선 커넥터
30 : 액추에이터
31 : 밸브체
32 : 적층형 압전 소자
33 : 변위 확대 기구
34 : 변위 확대부
35 : 변위 전달부
36 : 베이스 기판
37 : 캡 부재
39 : 제 1 힌지
40 : 제 2 힌지
41 : 제 1 아암
42 : 제 1 판스프링
43 : 제 3 힌지
44 : 제 4 힌지
45 : 제 2 아암
46 : 제 2 판스프링
50 : 커넥터부
51 : 기체 흡입구
52 : 기체 배출구
55 : 배선 기판
57 : 리드선
58 : 전극
62 : 절연용 필름
2 : 세라믹층
3 : 내부 전극층
4 : 적층체
5 : 절연층
6 : 외부 전극
7 : 리드선
8 : 실리콘
10 : 압전식 밸브
20 : 밸브 본체
25 : 밸브 시트 플레이트
26 : 밸브 시트
27 : 돌조편
28 : 덮개재
29 : 배선 커넥터
30 : 액추에이터
31 : 밸브체
32 : 적층형 압전 소자
33 : 변위 확대 기구
34 : 변위 확대부
35 : 변위 전달부
36 : 베이스 기판
37 : 캡 부재
39 : 제 1 힌지
40 : 제 2 힌지
41 : 제 1 아암
42 : 제 1 판스프링
43 : 제 3 힌지
44 : 제 4 힌지
45 : 제 2 아암
46 : 제 2 판스프링
50 : 커넥터부
51 : 기체 흡입구
52 : 기체 배출구
55 : 배선 기판
57 : 리드선
58 : 전극
62 : 절연용 필름
Claims (8)
- 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브로서,
외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
밸브체, 상기 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 적층형 압전 소자, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 상기 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브에 있어서,
상기 적층형 압전 소자는, 상기 액추에이터에 일체화된 상태에서 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 압전식 밸브. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층형 압전 소자는, 당해 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 압전식 밸브. - 제 2 항에 있어서,
상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 상기 액추에이터는 상기 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고,
상기 플레이트의 표면에는, 상기 액추에이터가 상기 플레이트에 고정되었을 때, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 상기 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고,
상기 적층형 압전 소자는, 상기 액추에이터가 상기 플레이트에 고정된 상태에서 상기 1 쌍의 돌조편 사이에 충전된 실리콘에 의해 표면이 피복되어 있는 압전식 밸브. - 제 3 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는 금속 재료에 의해 형성되는 한편으로, 상기 플레이트에는 상기 적층형 압전 소자에 급전하기 위한 배선이 몰드되어 이루어지고,
상기 플레이트로부터 노출되는 상기 배선의 전극이, 상기 적층형 압전 소자의 리드선과 접속된 상태에서 절연성 재료에 의해 피복되어 있는 압전식 밸브. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위 확대 기구는 금속 재료에 의해 형성되어 이루어지고,
상기 적층형 압전 소자의 리드선은, 상기 변위 확대 기구의 표면에 첩착되는 절연용 필름 상에 배치되는 압전식 밸브. - 적층형 압전 소자의 변위를 이용하여 밸브의 개폐를 실시하는 압전식 밸브로서,
외부로부터 공급되는 압축 기체를 받아들이는 기체 압력실을 갖는 밸브 본체와,
밸브체, 상기 밸브체의 동작에 필요한 구동력을 변위로서 발생시키는 적층형 압전 소자, 상기 적층형 압전 소자의 변위를 확대하여 상기 밸브체에 작용시키는 변위 확대 기구를 갖고, 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 액추에이터를 구비하는 압전식 밸브의 제조 방법에 있어서,
상기 액추에이터에 일체화된 상기 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 상기 실리콘에 의해 상기 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 것을 특징으로 하는 압전식 밸브의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 액추에이터에 일체화된 상기 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 상기 실리콘에 의해 상기 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 압전식 밸브의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 플레이트를 추가로 구비하고, 상기 액추에이터는 상기 플레이트에 고정되고, 그 플레이트와 함께 상기 밸브 본체의 내부에 배치 형성되는 것이고,
상기 플레이트의 표면에는, 상기 액추에이터가 상기 플레이트에 고정되었을 때, 상기 적층형 압전 소자의 길이 방향 양측에 간극을 두고 위치하는 1 쌍의 돌조편이 형성되어 있고,
상기 적층형 압전 소자를 상기 액추에이터에 일체화하고, 상기 액추에이터를 상기 플레이트에 고정한 후, 상기 적층형 압전 소자의 표면 상에 실리콘을 공급하고, 상기 1 쌍의 돌조편 사이에 충전되는 상기 실리콘에 의해 상기 적층형 압전 소자의 표면을 피복하는 압전식 밸브의 제조 방법.
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