KR20220144795A - 밸브 장치 - Google Patents

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KR20220144795A
KR20220144795A KR1020227023248A KR20227023248A KR20220144795A KR 20220144795 A KR20220144795 A KR 20220144795A KR 1020227023248 A KR1020227023248 A KR 1020227023248A KR 20227023248 A KR20227023248 A KR 20227023248A KR 20220144795 A KR20220144795 A KR 20220144795A
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valve
piezoelectric element
longitudinal direction
function module
valve device
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KR1020227023248A
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제 케아트 체
다케시 야노
아키오 야노
다카후미 이토
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유겐가이샤 메카노 트랜스포머
가부시끼가이샤 사따께
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Abstract

간단하게 구동계를 제어할 수 있는 동시에 밸브 장치 본체에 온도 변화가 있었을 경우여도 유량 특성의 변화가 작은 밸브 장치를 제공한다. 밸브 장치는 액추에이터와, 밸브 기능 모듈과, 하우징을 구비하며, 액추에이터는, 기반이 되는 기부와, 기부의 장착면에 일 단부가 접속되고, 제 1 길이방향으로 연장되는 압전 소자와, 장착면에 압전 소자와 나란하게 일 단부가 장착되고, 제 1 길이방향과 교차하는 제 2 길이방향으로 연장되는 지지 부재와, 압전 소자 및 지지 부재 각각에 있어서 타 단부와 접속되고, 압전 소자의 신축에 수반해, 제 1 길이방향 및 제 2 길이방향 각각과 상이한 방향인 변위방향으로 변위해서 밸브부를 구동하는 작용부를 구비하며, 하우징은, 유체가 공급되는 공급구와, 밸브부와 밸브 시트와의 이간에 의해 공급구로부터 공급된 유체를 배출하는 배출구와, 밸브 기능 모듈과 하우징과의 공극을 확보해서 밸브 기능 모듈을 보지하는 보지부를 구비한다.

Description

밸브 장치
[관련 출원]
본 출원은 2020년 2월 27일에 출원된 "밸브 장치"라는 명칭의 일본 특허 출원 제 2020-031577 호의 우선권을 주장하고, 그 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 밸브 장치에 관한 것이다.
종래부터, 비교적 낮은 전압으로 필요한 변위를 발생시키는 소자로서 압전 소자(피에조 소자)가 존재한다. 압전 소자는, 압전 효과를 갖는 물질과 얇은 전극을 교대로 겹쳐 중첩한 구조를 갖고, 힘을 전압으로 변환하는, 또는 전압을 힘으로 변환하는 기능을 가진 소자이다. 압전 소자는, 전압의 제어에 의해 미묘하게 신축 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 잉크젯 프린터의 잉크 사출 기구나 액추에이터 등의 제어 기구 등, 여러 가지의 분야에 이용되어 있다. 압전 소자는, 전압이 인가되면 신축하지만, 발생하는 변위가 작기 때문에, 당해 신축하는 압전 소자의 변위를 확대해서 대상물에 작용시키는 액추에이터가 이용된다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 2개의 압전 소자를 변위시키는 것에 의해, 변위량을 효과적으로 확대해서 출력할 수 있는 액추에이터가 개시되어 있다.
또한, 유체의 통과와 정지를 제어하는 밸브 장치에 있어서 압전 소자의 변위를 이용해 밸브부를 구동해서 밸브 시트와의 접리(接籬)를 제어하는 기술이 있다. 압전 소자에 의해 구동된 밸브부는, 밸브 시트와 이간되는 것에 의해 유체를 통과시키고, 또는 밸브 시트와 밀접되는 것에 의해 유체를 정지시킨다.
예를 들면, 특허문헌 2에는, 밸브 본체에 장착된 밸브 시트와 압전 소자에 의해 변위되는 밸브부를 갖는 압전식 밸브 장치가 개시되어 있다. 압전 소자의 변위는 액추에이터에 의해 확대되어 밸브부를 구동해서 밸브부와 밸브 시트를 접리한다.
국제 공개 제 WO 2019/009035 호 일본 특허 공개 제 2017-192192 호 공보
그렇지만, 종래의 액추에이터에서는, 압전 소자를 2개 이용하기 때문에, 각각의 압전 소자의 구동을 제어할 필요가 있고, 소망하는 변위를 얻기 위한 구동계의 제어가 어렵다고 하는 문제가 있었다.
또한, 밸브 장치 본체는 여러가지 온도 환경에 있어서 설치될 가능성이 있어, 밸브 장치 본체의 온도 변화에 의해 변위 확대 기능의 온도가 변화하는 경우가 있다. 변위 확대 기능은 압전 소자의 작은 변위를 확대하기 때문에, 변위 확대 기능의 온도가 변화하면 변위 확대 기능의 열 팽창 또는 열 수축에 의해 밸브부와 밸브 시트와의 위치 관계 또는 접촉 압력이 변화해서, 유체의 유량 특성이 크게 변화해 버리는 경우가 있었다.
그래서, 본 발명은, 간단하게 구동계를 제어할 수 있는 동시에, 밸브 장치 본체에 온도 변화가 있었을 경우라도 유량 특성의 변화가 작은 밸브 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 예를 들면 특허청구의 범위에 기재의 구성을 채용한다. 본 실시예는 적어도 이하를 개시한다.
(1) 밸브 장치는, 밸브부를 구동하는 액추에이터와, 밸브부와 접리하는 밸브 시트를 갖는 밸브 기능 모듈과, 밸브 기능 모듈을 수납하는 하우징을 구비하는 밸브 장치이며, 액추에이터는, 기반이 되는 기부와, 기부의 장착면에 일 단부가 접속되고, 제 1 길이방향으로 연장되는 압전 소자와, 장착면에 압전 소자와 나란하게 일 단부가 장착되고, 제 1 길이방향과 교차하는 제 2 길이방향으로 연장되는 지지 부재와, 압전 소자 및 지지 부재 각각에 있어서 타 단부와 접속되고, 압전 소자의 신축에 수반해, 제 1 길이방향 및 제 2 길이방향 각각과 상이한 방향인 변위방향으로 변위해서 밸브부를 구동하는 작용부를 구비하며, 하우징은, 유체가 공급되는 공급구와, 밸브부와 밸브 시트와의 이간에 의해 공급구로부터 공급된 유체를 배출하는 배출구와, 밸브 기능 모듈과 하우징과의 공극을 확보해서 밸브 기능 모듈을 보지하는 보지부를 구비한다.
(2) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 보지부는, 밸브 기능 모듈의 제 1 면을 보지하는 것에 의해 밸브 기능 모듈과의 공극을 확보하는 것이어도 좋다.
(3) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 보지부는, 체결 부품에 의해 밸브 기능 모듈을 보지부에 체결하는 것에 의해 밸브 기능 모듈을 보지하는 것이어도 좋다.
(4) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 액추에이터는, 기부 및 작용부 각각에 연결되어, 압전 소자를 제 1 길이방향으로 압축하는 압축 부재를 추가로 구비하는 것이어도 좋다.
(5) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 압전 소자에 전압 또는 전류를 공급해서, 압전 소자를 신축 구동시키는 구동부를 추가로 구비하는 것이어도 좋다.
(6) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 압전 소자의 일 단부 또는 타 단부 중 적어도 한쪽은, 지지 부재보다 열 팽창율이 높은 연결 부재를 거쳐서 접속되어 있는 것이어도 좋다.
(7) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 연결 부재는 기부와 일체로 형성되어 있는 것이어도 좋다.
(8) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 연결 부재는 작용부와 일체로 형성되어 있는 것이어도 좋다.
(9) 상기의 과제를 해결하기 위해, 밸브 장치는, 복수의 밸브부를 각각 개별적으로 구동하는 복수의 액추에이터와, 복수의 밸브부와 각각 개별적으로 접리하는 밸브 시트를 복수 갖는 밸브 기능 모듈과, 밸브 기능 모듈을 수납하는 하우징을 구비하는 밸브 장치이며, 복수의 액추에이터의 각각은, 기반이 되는 기부와, 기부의 장착면에 일 단부가 접속되고, 제 1 길이방향으로 연장되는 압전 소자와, 장착면에 압전 소자와 나란하게 일 단부가 장착되고, 제 1 길이방향과 교차하는 제 2 길이방향으로 연장되는 지지 부재와, 압전 소자 및 지지 부재 각각에 있어서 타 단부와 접속되고, 압전 소자의 신축에 수반해, 제 1 길이방향 및 제 2 길이방향 각각과 상이한 방향인 변위방향으로 변위해서 밸브부를 구동하는 작용부를 구비하며, 하우징은, 유체가 공급되는 공급구와, 복수의 밸브부와 각각 개별적으로 접리하는 밸브 시트와의 이간에 의해 공급구로부터 공급된 유체를 각각 개별적으로 배출하는 복수의 배출구와, 밸브 기능 모듈과 하우징과의 공극을 확보해서 밸브 기능 모듈을 보지하는 보지부를 구비한다.
(10) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 보지부는, 밸브 기능 모듈의 제 1 면을 보지하는 것에 의해 밸브 기능 모듈과의 공극을 확보하는 것이어도 좋다.
(11) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 보지부는, 체결 부품에 의해 밸브 기능 모듈을 보지부에 체결하는 것에 의해 밸브 기능 모듈을 보지하는 것이어도 좋다.
(12) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 각각의 액추에이터는, 기부 및 작용부 각각 연결되어, 압전 소자를 제 1 길이방향으로 압축하는 압축 부재를 추가로 구비하는 것이어도 좋다.
(13) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 각각의 액추에이터가 구비하는 압전 소자에 개별적으로 전압 또는 전류를 공급해서, 압전 소자를 개별적으로 신축 구동시키는 구동부를 추가로 구비하는 것이어도 좋다.
(14) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 압전 소자의 일 단부 또는 타 단부 중 적어도 한쪽은, 지지 부재보다 열 팽창율이 높은 연결 부재를 거쳐서 접속되어 있는 것이어도 좋다.
(15) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 연결 부재는 기부와 일체로 형성되어 있는 것이어도 좋다.
(16) 또한, 실시형태의 밸브 장치에 있어서, 연결 부재는 작용부와 일체로 형성되어 있는 것이어도 좋다.
본 발명의 하나의 실시형태에 의하면, 밸브 장치는, 밸브부를 구동하는 액추에이터와, 밸브부와 접리하는 밸브 시트를 갖는 밸브 기능 모듈과, 밸브 기능 모듈을 수납하는 하우징을 구비하는 밸브 장치이며, 액추에이터는, 기반이 되는 기부와, 기부의 장착면에 일 단부가 접속되고, 제 1 길이방향으로 연장되는 압전 소자와, 장착면에 압전 소자와 나란하게 일 단부가 장착되고, 제 1 길이방향과 교차하는 제 2 길이방향으로 연장되는 지지 부재와, 압전 소자 및 지지 부재 각각에 있어서 타 단부와 접속되고, 압전 소자의 신축에 수반해, 제 1 길이방향 및 제 2 길이방향 각각과 상이한 방향인 변위방향으로 변위해서 밸브부를 구동하는 작용부를 구비하며, 하우징은, 유체가 공급되는 공급구와, 밸브부와 밸브 시트와의 이간에 의해 공급구로부터 공급된 유체를 배출하는 배출구와, 밸브 기능 모듈과 하우징과의 공극을 확보해서 밸브 기능 모듈을 보지하는 보지부를 구비하는 것에 의해, 간단하게 구동계를 제어할 수 있는 동시에, 밸브 장치 본체에 온도 변화가 있었을 경우라도 유량 특성의 변화가 작은 밸브 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 밸브 장치의 정면도의 예이다.
도 2는 실시형태에 따른 밸브 장치의 측면도의 예이다.
도 3은 제 1 변형예에 따른 밸브 장치의 측면도의 예이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 액추에이터의 정면도의 예이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 액추에이터의 사시도의 예이다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 압축 부재의 정면도의 예이다.
도 7은 제 2 실시예에 따른 액추에이터의 정면도의 예이다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 압축 부재의 정면도의 예이다.
도 9는 제 3 실시예에 따른 액추에이터의 정면도의 예이다.
도 10은 제 3 실시예에 따른 압축 부재의 정면도의 예이다.
도 11은 액추에이터의 다른 변형예를 도시하는 6면도 및 사시도의 예이다.
도 12는 액추에이터의 다른 변형예에 압축 부재를 장착한 6면도 및 사시도의 예이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 밸브 장치에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 중복하는 동일 부호의 설명은 생략하는 경우가 있다.
우선, 도 1 및 도 2를 이용해, 밸브 장치에 대해 설명한다. 도 1은 실시형태에 따른 밸브 장치의 정면도이다.
도 1에 있어서, 밸브 장치(100)는 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1), 밸브 기능 모듈(2) 및 하우징(3)을 구비한다.
제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)는 밸브부(11)를 구동한다. 액추에이터(1)는 기부(12), 압전 소자(13), 지지 부재(14), 작용부(15) 및 연결 부재(16)를 구비한다.
기부(12)는 액추에이터(1)의 기반이 되는 부분이며, 액추에이터(1)는 기부(12)를 거쳐서 밸브 기능 모듈(2)에 장착된다. 기부(12)는 장착 구멍(122)을 갖고, 예를 들면 장착 구멍(122)에 대응해서 밸브 기능 모듈(2)에 장착된 탭 구멍에 대해서, 나사를, 장착 구멍(122)을 관통시켜 장착하는 것에 의해 액추에이터(1)를 밸브 기능 모듈(2)에 장착할 수 있다. 기부(12)는, 예를 들면 스테인리스강 등으로 형성할 수 있다.
압전 소자(13)는 기부(12)의 장착면에 압전 소자(13)의 일 단부가 접속되어 있다. 기부(12)의 장착면에는, 기부(12)와 한쌍 형성되어 있는 장착부(121)가 장착되어 있고, 압전 소자(13)는 장착부(121)를 거쳐서 기부(12)에 장착되어 있다. 압전 소자(13)는 제 1 길이방향(D1)으로 연장되는 세장형 형상으로 형성되어 있다. 압전 소자(13)는, 예를 들면 도 1에 도시하는 바와 같이 장방체로 형성할 수 있다.
압전 소자(13)는, 전압 또는 전류가 공급되는 것에 의해 제 1 길이방향(D1)으로 수축한다. 압전 소자(13)를 구성하는 주요한 재료로서는, 압전 효과를 갖는 물질인 압전체, 예를 들면 PZT(티탄산지르콘산연)를 이용할 수 있다. 압전 소자(13)는 얇은 전극과, 얇은 압전체를 교대로 겹쳐 중첩한 적층 구조여도 좋다. 이러한 적층 구조로 하는 것으로, 낮은 전압에서도 큰 변위를 실현하는 것이 가능하게 된다. 또한, 도 1에 있어서 압전 소자(13)는 장방체로 형성되는 경우를 예시했지만, 형상은 장방체로 한정되는 것은 아니다. 압전 소자(13)는, 예를 들면 삼각기둥형상 또는 원주형상으로 형성되어도 좋다.
본 실시형태에 있어서, 압전 소자(13)는 연결 부재(16)를 거쳐서 기부(12)에 장착되어 있다. 연결 부재(16)는 압전 소자(13)의 열 팽창에 의한 액추에이터(1)에 대한 영향을 보상하는 목적으로 이용된다. 열 팽창에 관한 영향에 대해서는 후술한다.
지지 부재(14)는 기부(12)의 장착면에 압전 소자(13)와 나란하게 지지 부재(14)의 일 단부가 장착된다. 지지 부재(14)는 장착부(121)를 거쳐서 기부(12)에 장착되어 있다. 지지 부재(14)는 제 1 길이방향(D1)과 교차하는 제 2 길이방향(D2)의 방향으로 연장되도록 장방체로 형성되어 있지만, 지지 부재(14)의 형상은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
작용부(15)는 압전 소자(13) 및 지지 부재(14)의 각각에 있어서 타 단부와 접속된다. 작용부(15)의 선단에는 밸브부(11)가 장착되어 있다. 작용부(15)는, 압전 소자(13)의 신축에 수반해, 제 1 길이방향(D1) 및 제 2 길이방향(D2)의 각각과는 상이한 방향인 변위방향(D4)으로 변위해서 밸브부(11)를 구동한다. 예를 들면, 압전 소자(13)가 신장되면, 지지 부재(14)도 거기에 맞춰서 변형하기 때문에, 작용부(15)의 선단에 장착된 밸브부(11)를, 변위방향(D4)의 도면 도시의 하방향으로 이동시킬 수 있다. 한편, 압전 소자(13)가 축소되면, 지지 부재(14)도 거기에 맞춰서 변형하기 때문에, 작용부(15)의 선단에 장착된 밸브부(11)를, 변위방향(D4)의 도면 도시의 상방향으로 이동시킬 수 있다. 작용부(15)의 선단에 장착된 밸브부(11)는, 압전 소자(13)의 신축이 작용부(15)의 이동에 수반해, 변위방향(D4)으로 소정의 스트로크로 이동된다. 즉, 압전 소자(13)의 제 1 길이방향(D1)의 신축은 작용부(15)의 도면 도시의 좌우방향의 길이에 의해 변위방향(D4)의 밸브부(11)의 스트로크로 확대된다.
밸브부(11)는, 변위방향(D4)으로 소정의 스트로크로 이동되는 것에 의해 밸브 기능 모듈(2)에 형성된 밸브 시트(21)와 접리한다. 밸브부(11)는, 예를 들면 고무에 의해 형성된다. 밸브 시트(21)는 밸브부(11)의 형상에 대응한 밸브부(11)와의 접촉면을 갖고 있다. 밸브 시트(21)의 형상은, 예를 들면 밸브 기능 모듈(2)의 평면부에 배출용의 구멍을 뚫는 것에 의해 형성된다. 또한, 밸브 시트(21)의 형상은 밸브 기능 모듈(2)에 굴뚝형상의 돌기를 마련하는 것에 의해 형성되어도 좋다. 또한, 밸브 시트(21)의 형상을 굴뚝형상의 돌기로 하는 것에 의해, 밸브부(11)와의 접촉 면적이 작아지고, 접압을 향상시킬 수 있다. 또한, 밸브 시트(21)의 형상을 굴뚝형상의 돌기로 하는 것에 의해, 유체의 유량을 안정화시키고, 또는 유량을 크게 것이 가능해진다. 밸브부(11)와 밸브 시트(21)가 접리하는 것에 의해, 유체를 차단하고 또는 통과시키는 밸브 기능이 실현된다. 본 실시형태에 있어서의 밸브 장치(100)는 유체가 공기인 경우의 에어 밸브를 예시하지만, 유체는 공기로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 액체, 분체, 겔형상체 등이어도 좋다. 또한, 유체에는 고체 등의 불순물이 포함되어 있어도 좋다.
밸브부(11)는 밸브 시트(21)와 접하는 것에 의해 밸브의 폐쇄 상태를 생성하고, 공기 압력실(5)과 배출구(24)의 사이의 공기의 통과를 차단할 수 있다. 밸브부(11)는, 소정의 접압으로 밸브 시트(21)와 접하는 것에 의해, 공기의 차단력을 높일 수 있다. 한편, 밸브부(11)는 밸브 시트(21)와 멀어지는 것에 의해 밸브의 개방 상태를 생성하고, 공기 압력실(5)과 배출구(24)의 사이의 공기의 통과를 가능하게 할 수 있다. 일반적으로, 밸브는 밸브의 개방도에 대한 유량의 변화로 표현되는 밸브 특성(유량 특성)을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 변위방향(D4)의 밸브부(11)의 이동 스트로크, 즉 밸브부(11)와 밸브 시트(21)와의 거리에 의해 유량 특성이 결정된다. 따라서, 밸브 장치(100)의 유량 특성은 작용부(15)의 변위방향(D4)에 있어서의 이동에 의해 결정된다.
하우징(3)은 액추에이터(1)가 장착된 밸브 기능 모듈(2)을 수납한다. 하우징(3)은, 수납하고 있는 액추에이터(1)를 밸브 장치(100)의 외부의 분진 등으로부터 보호하는 보호 프레임으로서 기능한다. 하우징(3)은 보지부(33)를 구비한다. 보지부(33)는 밸브 기능 모듈(2)을 보지해서, 밸브 기능 모듈(2)과 하우징(3)과의 공극(4)을 확보하는 부분이다. 보지부(33)는 밸브 기능 모듈(2)의 제 1 면(22)과 접하고, 체결 부품(331)(예를 들면, 나사)에 의해 밸브 기능 모듈(2)과 체결되는 것에 의해 밸브 기능 모듈을 보지한다. 공극(4)은 하우징(3)과 밸브 기능 모듈(2)과의 사이의 열 저항을 증가시키고(열 전도를 작게 하고), 하우징(3)의 온도 변화가 밸브 기능 모듈에 전해지기 어렵게 할 수 있다. 보지부(33)와 제 1 면(22)의 접촉에 의한 열 저항율은 공극(4)의 열 저항율에 비해 작기(열 전도율이 크다) 때문에, 열 전도를 작게 하려면 보지부(33)와 제 1 면(22)과의 접촉 면적은 작은 쪽이 바람직하다. 따라서, 제 1 면(22)에는 접촉 면적을 작게 하는 형상(예를 들면, 요철 형상 등)을 이용해도 좋다. 또한, 보지부(33)와 제 1 면(22)과의 사이에, 열 전도율이 작은 부재(단열재)를 사이에 두도록 해도 좋다.
액추에이터(1)는 압전 소자(13)의 신축을 확대해서 밸브부(11)를 이동시키기 때문에, 액추에이터 각 부의 온도 변화에 의한 열 팽창 또는 열 수축은 밸브부(11)의 이동량에 영향을 주고, 밸브의 유량 특성이 변화한다. 하우징(3)과 밸브 기능 모듈(2)의 사이에 공극(4)을 생성하는 것에 의해, 하우징(3)과 밸브 기능 모듈(2)과의 접촉 면적이 작아지고, 하우징(3)과 밸브 기능 모듈(2)의 사이의 열 전도가 작아지고, 하우징(3)에 온도 변화가 있었을 경우라도 액추에이터(1)가 장착되어 있는 밸브 기능 모듈(2)의 온도 변화가 작아지고, 따라서 유량 특성의 변화를 작게 할 수 있다.
밸브 기능 모듈(2)의 제 1 면(22)에는, 밸브부(11)와 밸브 시트(21)가 멀어지는 것에 의해 배출되는 공기를 배출하는 배출구(24)를 구비한다. 하우징(3)은, 보지부(33)에 있어서 배출구(24)에 대항해서, 배출구(24)로부터 배출된 공기를 배출하는 배출구(32)를 구비한다.
하우징(3)은 공기를 공급하기 위한 공급구(31)를 구비한다. 공급구(31)로부터 공급된 압력 공기는 공극(4)을 거쳐서 공기 압력실(5)에 도입된다. 공기 압력실(5)에 도입된 압력 공기는 밸브부(11)와 밸브 시트(21)가 멀어지는 것에 의해 배출구(32)로부터 배출된다. 또한, 공급구(31)로부터 공급된 압력 공기는, 예를 들면 액추에이터(1), 압전 소자(13) 또는 지지 부재(14)를 냉각하도록 유로를 형성해 공기 압력실(5)에 도입되어도 좋다.
압축 부재(60)는 기부(12) 및 작용부(15) 각각에 연결되고, 압전 소자(13)를 제 1 길이방향(D1)으로 압축한다. 압축 부재(60)는, 인장방향(D1)의 가중에 대해서 손상하기 쉬운 압전 소자(13)에, 인장방향의 가중이 걸리기 어렵게 함으로써 압전 소자(13)의 손상을 방지할 수 있다. 압축 부재(60)의 형상의 자세한 것은 후술한다.
구동부(70)는, 압전 소자(13)에 전압 또는 전류를 공급해서, 압전 소자(13)를 신축 구동시킨다. 구동부(70)는 도시하지 않은 제어 장치로부터의 입력 신호에 근거해 압전 소자(13)를 구동하는 것에 의해, 압력 공기의 차단 또는 배출을 제어할 수 있다.
또한, 밸브 장치(100)는, 압전 소자(13)에 전압이 인가 등이 되어 있지 않은 상태에서, 압력 공기의 배출이 차단되는 노멀 클로즈여도 좋고, 한편 압전 소자(13)에 전압이 인가 등이 되어 있지 않은 상태에서, 압력 공기의 배출이 되는 노멀 오픈이어도 좋다. 즉, 압전 소자(13)에 대한 비통전시에 있어서의 밸브 시트(21)에 대한 밸브부(11)의 위치와, 통전시에 있어서의 압전 소자(13)의 신축 방향의 조합에 의해, 밸브 장치(100)는 노멀 클로즈와 노멀 오픈의 양쪽을 실시하는 것이 가능해진다. 비통전시에 있어서의 밸브 시트(21)에 대한 밸브부(11)의 위치는, 예를 들면 장착 구멍(122)의 크기를 크게 하여 두는 것에 의해, 나사의 체결시에 있어서 설정할 수 있다. 또한, 통전시에 있어서의 압전 소자(13)의 신축 방향은 구동부(70)로부터 공급되는 전압 등의 극성을 변경하는 것에 의해 설정할 수 있다.
도 2는 실시형태에 따른 밸브 장치(100)의 측면도이다. 도 2에 있어서, 밸브 장치(100)는 하우징(3)과, 하우징(3)에 장착된 덮개(35)를 구비한다.
하우징(3)과 덮개(35)는 알루미늄 다이캐스트 또는 PPS 등의 수지 재료를 적용할 수 있다. 덮개(35)는 하우징(3)에 장착되는 것에 의해, 하우징(3)의 내부를 밀폐해서, 도입된 압력 공기의 압력을 유지한다. 하우징(3)과 덮개(35)의 사이에는, 예를 들면 고무 패킹이 끼워질 수도 있다.
밸브 기능 모듈(2)은, 제 1 면(22)에 있어서 하우징(3)의 보지부(33)에 있어서, 상하의 2개의 체결 부품(331)에 의해 보지된다. 이 때문에, 밸브 기능 모듈(2)과 하우징(3)의 사이에는 공극(4)이 생긴다. 이 때문에, 하우징(3)과 밸브 기능 모듈과의 접촉 면적이 작아지고, 하우징(3)과 밸브 기능 모듈 사이의 열 전도가 작아지고, 하우징(3)에 온도 변화가 있었을 경우여도 액추에이터(1)가 장착되어 있는 밸브 기능 모듈의 온도 변화가 작아지고, 유량 특성의 변화가 작아진다.
다음에, 도 3을 이용해서, 밸브 장치(100)의 제 1 변형예를 설명한다. 도 3은 제 1 변형예에 따른 밸브 장치의 측면도이다.
제 1 변형예에 따른 밸브 장치(100a)는, 도 2에서 설명한 밸브 장치(100)에 있어서, 밸브 기능 모듈(2a)이 제 2 면(23)에 있어서 하우징(3)에 접하고 있는 점에 있어서 상이하다. 밸브 기능 모듈(2a)은, 제 1 면(22) 및 제 2 면(23)의 2면에 있어서 하우징(3)의 저부와 접하는 것에 의해, 예를 들면 진동 등에 대한 액추에이터(1)의 진동을 저감시키는 등의 기계적인 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 도 3에 있어서의 제 2 면(23)의 위치는 밸브 기능 모듈(2a)의 도면 도시의 좌단에 마련하는 경우를 예시했지만, 제 2 면(23)의 위치 및 수는 임의이다. 예를 들면, 제 2 면(23)의 위치를 도면 도시의 우단에 마련해 하우징(3)의 저부와 접하도록 해도 좋다. 또한, 1 또는 복수의 제 2 면(23)을 하우징(3) 또는 덮개(35)와 접하도록 장착해도 좋다. 도 3에 있어서의 다른 부분은 도 2의 설명과 중복하기 때문에, 설명을 생략한다.
다음에, 도 4 및 도 5를 이용해, 도 1에서 설명한 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)의 상세를 설명한다. 도 4는 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)의 정면도이다.
도 4에 있어서, 작용부(15)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, 압전 소자(13)의 신축에 수반해 변위방향(D4)으로 변위해서 밸브부(11)를 구동한다. 따라서, 압전 소자(13)가 온도 변화에 의해 열 팽창 또는 열 수축했을 경우, 밸브부(11)의 위치 또는 밸브 시트(21)와의 접촉압에 영향을 주고, 유량 특성에 영향을 준다. 여기서, 연결 부재(16)를 이용한 온도 변화에 대한 압전 소자(13)의 신축에 대한 보상에 대해 설명한다.
압전 소자(13)는 연결 부재(16)를 거쳐서 기부(12)에 장착되어 있다. 여기서, 연결 부재(16)는 지지 부재(14)보다 열 팽창율이 높은 재료에 의해 만들어지고 있다. 예를 들면, 압전 소자(13)의 열 팽창율을 α1, 제 1 길이방향(D1)의 길이를 L1로 했을 경우, 온도 상승 1℃에 있어서의 길이의 변화 dL1은, dL1=α1×L1이다. 마찬가지로, 연결 부재(16)의 열 팽창율을 α2, 제 1 길이방향(D1)의 길이를 L2로 했을 경우, 온도 상승 1℃에 있어서의 길이의 변화 dL2는, dL2=α2×L2이고, 지지 부재(14)의 열 팽창율을 α3, 제 2 길이방향(D2)의 길이를 L3으로 했을 경우, 온도 상승 1℃에 있어서의 길이의 변화 dL3은, dL3=α3×L3이다.
압전 소자(13)의 열 팽창율 α1은, 예를 들면 -4.32PPM/℃로 부(負)의 값이 되기 때문에, 압전 소자(13)와 합한 변화 dL1＋dL2는, dL1＋dL2=α2×L2-α1×L1(α1은 정의 값)이 된다. 여기서, dL1＋dL2=dL3이 되도록 각 파라미터를 설계하는 것에 의해, 변위방향(D4)에 있어서의 변위를 보상할 수 있다. 예를 들면, dL1＋dL2=dL3으로 하면, α2×L2-α1×L1=α3×L3이다. 여기서, L1＋L2=L3으로 하면, α2/3=1＋(L1/L2)×(1＋α1/3)＞1이 되고, α2＞α3이 된다. 즉, 연결 부재(16)의 열 팽창율 α2를 지지 부재(14)의 열 팽창율 α3보다 높은 재료로 하는 것에 의해, 액추에이터(1)의 열 팽창에 대한 유량 특성의 보상을 하는 것이 가능해진다.
또한, 연결 부재(16)는, 압전 소자(13)의 일 단부 대신에, 압전 소자(13)의 타 단부에 배치되어도 좋다. 즉, 연결 부재(16)는 압전 소자(13)에 있어서 타 단부와 작용부(15)를 접속하도록 해도 좋다. 또한, 연결 부재(16)는 압전 소자(13)의 일 단부 및 타 단부에 배치되어도 좋다. 즉, 연결 부재(16)의 한쪽은, 압전 소자(13)에 있어서의 일 단부와 기부(12)를 접속함과 동시에, 연결 부재(16)의 다른쪽은, 압전 소자(13)에 있어서 타 단부와 작용부(15)를 접속하도록 해도 좋다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)의 사시도이다. 도 5에 있어서, 액추에이터(1)는 2개의 압축 부재(60)를 구비한다. 2개의 압축 부재(60)는 압전 소자(13) 및 지지 부재(14)를 사이에 두는 위치에 각각 배치되어 있다. 2개의 압축 부재(60)를 이용하는 것에 의해, 압전 소자(13)에 대해서 압축력을 균등하게 가하는 것이 가능해져, 압전 소자(13)의 손상을 방지하는 것이 가능해진다.
압축 부재(60)는, 인장방향(D1)의 가중에 대해서 손상하기 쉬운 압전 소자(13)에, 인장방향의 가중이 걸리기 어렵게 하는 것으로 압전 소자(13)의 손상을 방지할 수 있다.
다음에, 도 6을 이용해, 제 1 실시예에 따른 압축 부재(60)의 상세를 설명한다. 도 6은 제 1 실시예에 따른 압축 부재(60)의 정면도이다.
도 6에 있어서, 압축 부재(60)는, 평면에서 보아, 제 1 길이방향(D1) 및 제 2 길이방향(D2) 각각 교차하는 제 3 길이방향(D3)으로 연장되어 있다. 압축 부재(60)에는, 제 3 길이방향(D3)으로 신축 가능한 신축부(61) 및 고정부(62)가 형성되어 있다.
신축부(61)는 평면에서 보아 제 3 길이방향(D3)으로 연장되는 동시에, 반복 만곡하는 벨로우즈 형상으로 형성되어 있다. 도시의 예에서는, 제 3 길이방향에 3개소 만곡하고 있는 구조로 되고 있지만, 이 예로 한정되지 않고, 형상은 임의로 변경할 수 있다. 신축부(61)는, 압축 부재(60)에 있어서의 제 3 길이방향(D3)의 중간부에 형성되어 있다. 고정부(62)는 압축 부재(60)의 제 3 길이방향(D3)에 있어서의 양 단부에 형성되어 있다. 고정부(62)는 제 3 길이방향(D3)과 직교하는 방향의 치수인 폭 치수가 크게 형성되고, 도 5에 도시하는 바와 같이, 기부(12) 및 작용부(15) 각각에 연결된다.
다음에, 도 7 및 도 8을 이용해, 제 2 실시예에 따른 액추에이터를 설명한다. 도 7은 제 2 실시예에 따른 액추에이터의 정면도이다. 도 8은 제 2 실시예에 따른 압축 부재의 정면도이다.
제 2 실시예에 따른 액추에이터(1a)는 압축 부재(60B)가 장착되는 위치가 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)와 상이하다. 즉, 2개의 압축 부재(60B)의 한쪽은 압전 소자(13)에 따라 제 1 길이방향(D1)으로 연장되어 있고, 다른쪽의 압축 부재(60B)는 지지 부재(14)에 따라 제 2 길이방향(D2)으로 연장되어 있다. 그리고, 제 1 길이방향(D1)으로 연장되는 압축 부재(60B)에는, 도 8에 도시하는 제 1 길이방향(D1)으로 신축 가능한 신축부(61B)가 형성되어 있다.
압축 부재(60B)의 제 1 길이방향(D1)에 있어서의 양 단부에는, 제 1 길이방향(D1)과 직교하는 방향의 치수인 폭 치수가 크게 형성된 고정부(62B)가 형성되어 있다. 도 8에 도시하는 2개의 고정부(62B)끼리의 제 3 길이방향(D3)의 치수(L3)는, 도 7에 도시하는 작용부(15) 및 기부(12) 각각에 형성된 고정용의 슬릿의 간격보다 짧게 되어 있다.
이 때문에, 압축 부재(60B)를 작용부(15) 및 기부(12)의 고정용의 슬릿에 장착할 때에는, 압축 부재(60B)를 제 1 길이방향(D1)으로 인장하고, 조금 늘린 상태로 탄성 변형한 상태로 장착한다. 이것에 의해, 압축 부재(60B)가 슬릿에 장착된 후에, 제 3 길이방향(D3)으로 복원 변형하는 것으로, 압축 부재(60B)로부터의 압축력을 작용부(15) 및 기부(12)를 거쳐서 압전 소자(13)에 부여할 수 있다.
다음에, 도 9 및 도 10을 이용해, 제 3 실시예에 따른 액추에이터를 설명한다. 도 9는 제 3 실시예에 따른 액추에이터의 정면도이다. 도 10은 제 3 실시예에 따른 압축 부재의 정면도이다.
제 3 실시예에 따른 액추에이터(1b)에 있어서는, 압축 부재(60C)의 형상이 제 1 실시예에 따른 액추에이터(1)의 압축 부재(60)와 상이하다. 즉, 제 3 실시예에 따른 액추에이터(1b)의 압축 부재(60C)에는, 액추에이터(1)에 있어서의 신축부(61)에 상당하는 부위가 형성되지 않고, 전체가 제 3 길이방향(D3)으로 곧바로 연장되어 있다. 도 10에 도시하는 2개의 고정부(62)끼리의 제 3 길이방향(D3)의 치수(L5)는, 도 9에 도시하는 작용부(15) 및 기부(12) 각각에 형성된 고정용의 슬릿끼리의 제 3 길이방향(D3)의 치수(L2)보다 짧게 되어 있다.
이 때문에, 압축 부재(60C)를 작용부(15) 및 기부(12)의 고정용의 슬릿에 장착할 때에는, 압축 부재(60C)를 제 1 길이방향(D1)으로 인장하고, 조금 늘린 상태로 탄성 변형한 상태로 장착한다. 이것에 의해, 압축 부재(60C)가 장착된 후에, 제 3 길이방향(D3)으로 복원 변형하는 것으로, 압축 부재(60C)로부터의 압축력을 작용부(15) 및 기부(12)에 부여할 수 있다.
또한, 그 이외의 실시예로서, 압전 소자(13)에 있어서의 제 1 길이방향(D1)의 일 단부, 및 지지 부재(14)에 있어서의 제 2 길이방향(D2)의 일 단부 중 적어도 한쪽에, 압전 소자(13) 및 지지 부재(14)에 대해서, 변위방향(D4)의 변형을 촉진하는 힌지 부재가 장착되어도 좋다. 이러한 힌지 부재는, 압전 소자(13)에 있어서의 제 1 길이방향(D1)의 타 단부, 및 지지 부재(14)에 있어서의 제 2 길이방향(D2)의 타 단부 중 적어도 한쪽에 장착해도 좋다.
도 11은 액추에이터의 다른 변형예를 도시하는 6면도 및 사시도의 예이다.
액추에이터(1)에서는, PZT의 신축 변형 에너지를 가능한 낭비없이 작용부(15)의 변위방향(D4)의 에너지로 변환하는 것이 요구된다. 그렇지만, PZT의 신축 변형을 작용부(15)의 변위방향(D4)(상하 운동)으로 변환하기 위해서는 PZT 및 지지 부재(14)는 상하로 휘어지는 것과 같은 변형이 필수이다.
굴곡 변형시키기 위해서는 에너지가 필요하지만, 이 굴곡 변형시키기 위한 에너지에는 낭비가 많다. 지지 부재(14)의 중앙부에 가는 부분(힌지부(30))을 만드는 것에 의해, 굴곡 변형에 수반하는 에너지를 삭감할 수 있고, 그 만큼 작용부의 상하 운동 에너지를 높일 수 있고, 휨 변형을 일으키기 쉬워진다.
한편, 힌지부(30)의 폭을 너무 좁게 하면, 지지 부재(14)의 강성이 저하하고, 작용부(15)의 상하 운동의 발생력이 저하한다. 이것에 따라, 출력에 취출 가능한 작용부(15)의 상하 운동 에너지도 저하한다. 따라서, 힌지 폭 및 길이에 대해서는 적절한 범위가 존재한다. 일 예로서 힌지부(30)의 폭은 지지 부재(14)의 굵기의 약 30% 이하, 길이는 지지 부재(14)의 길이의 5% 정도 이상의 길이로 하는 것이 바람직하다. 이 구성으로 하는 것에 의해, 힌지부(30)가 없는 구성과 비교해, 작용부(15)의 상하 운동 진폭으로서 약 10% 이상, 취출 가능한 작용부(15)의 상하 운동 에너지로서 약 5% 이상이 향상하는 효과를 기대할 수 있다.
도 11의 구성에서는, 지지 부재(14)를 기부(12)와 일체 성형하고, 그 두께(t)를 예를 들면 1.6㎜로 하는 것으로, 보다 컴팩트한 액추에이터(1)를 제공한다. 지지 부재(14)를 기부(12)와 일체로 성형하는 것에 의해, 프레스 등의 공법을 채용하는 것으로, 부품 점수를 줄이는 것이 가능할 뿐만 아니라, 생산 코스트를 억제하는 메리트도 있다. 또한 일체 성형이기 때문에, 지지 부재(14)와 기부(12)와의 체결 강성은 재료의 강도 그 자체가 된다. 이에 의해, 압전 소자(13)의 발생력은 보다 작용부(15)에 전달되어, 그 결과 공진 주파수가 높아져, 작용부(15)로부터 취출 가능한 운동 에너지도 증가하는 이점이 있다.
도 12는 액추에이터의 다른 변형예에 압축 부재를 장착한 6면도 및 사시도의 예이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 액추에이터(1 내지 1b)에 의하면, 기부에 압전 소자와 지지 부재가 장착되고, 이들에 작용부가 장착되어 있다. 이 때문에, 압전 소자가 제 1 길이방향으로 변위하는 것으로, 작용부를 변위방향으로 변위시킬 수 있다. 이것에 의해, 하나의 압전 소자만을 이용해 액추에이터를 구성하는 것으로, 압전 소자를 2개 이용하는 경우와 비교해, 간단하게 구동계를 제어할 수 있다.
또한, 액추에이터(1 내지 1b)가 압축 부재를 구비하고 있으므로, 압전 소자에 대해서, 압축 방향의 예압을 부여할 수 있다. 이것에 의해, 인장방향의 가중에 대해서 손상하기 쉬운 압전 소자에, 인장방향의 가중이 걸리기 어렵게 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 상기 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 하는 것이다. 상기의 실시형태는 본 발명의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일이 없이, 여러가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터는, 직렬 또는 병렬로 복수 배치하고, 복합적으로 사용해도 좋다. 이 때에, 복수의 액추에이터를 직렬로 접속하는 것 같은 사용법, 즉, 액추에이터의 기부와 다른 액추에이터의 작용부를 접속하는 것도 가능하고, 이에 의해 변위를 보다 크게 할 수도 있다. 특히, 스페이스의 제약이 어려운 개소에서는, 이러한 사용법은 유효하다. 또한, 2대의 액추에이터를 그 접속 각도가 90°가 되도록 결합하는 등의 접속 방법의 변형도 생각할 수 있다.
추가로, 또한 상기 실시형태에서는 신축 소자로서 압전 소자를 이용했을 경우에 대해 설명했지만, 신축하는 소자이면 특히 한정되지 않고, 자왜 소자 또는 형상 기억 합금 등의 신축 기능을 갖는 다른 소자를 이용하는 것도 가능하다.
1: 액추에이터 11: 밸브부
12: 기부 121: 장착부
122: 장착 구멍 13: 압전 소자
14: 지지 부재 15: 작용부
16: 연결 부재 2: 밸브 기능 모듈
21: 밸브 시트 22: 제 1 면
23: 제 2 면 24: 배출구
3: 하우징 31: 공급구
32: 배출구 321: 제 1 배출구
322: 제 2 배출구 33: 보지부
331: 체결 부품 34: 덮개 장착부
35: 덮개 4: 공극
5: 공기 압력실 60: 압축 부재
61: 신축부 62: 고정부
70: 구동부 100: 밸브 장치

Claims (9)

  1. 밸브부를 구동하는 액추에이터와,
    상기 밸브부와 접리(接籬)하는 밸브 시트를 갖는 밸브 기능 모듈과,
    상기 밸브 기능 모듈을 수납하는 하우징을 구비하는 밸브 장치로서,
    상기 액추에이터는,
    기반이 되는 기부와,
    상기 기부의 장착면에 일 단부가 접속되고, 제 1 길이방향으로 연장되는 압전 소자와,
    상기 장착면에 상기 압전 소자와 나란하게 일 단부가 장착되고, 상기 제 1 길이방향과 교차하는 제 2 길이방향으로 연장되는 지지 부재와,
    상기 압전 소자 및 상기 지지 부재 각각에 있어서 타 단부와 접속되고, 상기 압전 소자의 신축에 수반해, 상기 제 1 길이방향 및 상기 제 2 길이방향 각각과 상이한 방향인 변위방향으로 변위해서 상기 밸브부를 구동하는 작용부를 구비하며,
    상기 하우징은,
    유체가 공급되는 공급구와,
    상기 밸브부와 상기 밸브 시트와의 이간에 의해 상기 공급구로부터 공급된 유체를 배출하는 배출구와,
    상기 밸브 기능 모듈과 상기 하우징과의 공극을 확보해서 상기 밸브 기능 모듈을 보지하는 보지부를 구비하는
    밸브 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보지부는 상기 밸브 기능 모듈의 제 1 면을 보지하는 것에 의해 상기 밸브 기능 모듈과의 공극을 확보하는
    밸브 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보지부는 체결 부품에 의해 상기 밸브 기능 모듈을 상기 보지부에 체결하는 것에 의해 상기 밸브 기능 모듈을 보지하는
    밸브 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터는, 상기 기부 및 상기 작용부 각각에 연결되고, 상기 압전 소자를 상기 제 1 길이방향으로 압축하는 압축 부재를 추가로 구비하는
    밸브 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자에 전압 또는 전류를 공급해서, 상기 압전 소자를 신축 구동시키는 구동부를 추가로 구비하는
    밸브 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자의 일 단부 또는 타 단부 중 적어도 한쪽은, 상기 지지 부재보다 열 팽창율이 높은 연결 부재를 거쳐서 접속되어 있는
    밸브 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연결 부재는 상기 기부와 일체로 형성되어 있는
    밸브 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 연결 부재는 상기 작용부와 일체로 형성되어 있는
    밸브 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작용부의 선단이 평면인 것을 특징으로 하는
    밸브 장치.
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