JPH01316576A - 圧電駆動弁 - 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］ 本発明は圧電素子に印加する電圧を調節して圧電素子の
伸縮量を制御し、これを利用して流体の流量を制御する
圧電駆動弁に関し、特に環境温度によらず正確な流量を
制御することができる圧電駆動弁に関する。

［従来の技術］ 従来、積層型圧電素子を用いた流量制御圧電駆動弁は例
えば特開昭６１−１２７９８３号公報で開示されており
、この圧電駆動弁の機械的構成を第１図を用いて説明す
る。

この圧電駆動弁の本体は弁箱２１と弁座２３とからなり
、弁箱２１の上部に嵌入した弁座２３の上面には流体室
２６を形成する凹所があって、該流体室２６の側部は弁
箱２１の右側に設けた出口ポート２５に連通している。

弁座２３の中央部には弁口３１を形成する貫通孔があり
、該弁口３１の下部には弁口３１よりも拡径の円筒室３
３があり、該円筒室３３の下部には調節ねじ３７が螺入
されており、円筒室３３の側部は弁箱２１の左側に設け
、た入口ポート２４に連通している。

円筒室３３の中には弁口３１の下面に当接するテーバ部
を有する弁体３５があって、該弁体３５は、調節ねじ３
７との間に介在させた押圧ばね３４によって上方に付勢
されて弁口３１の下面に圧接している。弁体３５の上面
には開閉部材３６が固定されており、該開閉部材３６は
弁口３１を貫通している。

開閉部材３６の上方には金属製のダイヤフラム２７があ
って、該ダイヤフラム２７の周縁部は、弁座２３とその
上面に載置した倒立有底円筒状の保持部材２２との間で
密封挟持されている。保持部材２２には押さえ部材３０
が係合しており、該押さえ部材３０はボルト３２によっ
て弁箱２１に係止され、こうして保持部材２２、ダイヤ
フラム２７及び弁座２３は、押さえ部材３０とボルト３
２とによって弁箱２１に固定されている。

保持部材２２の内面上壁には積層型圧電素子２８の上面
が固定されており、該圧電素子２８の下面には中間部材
２９が固定されており、該中間部材２９の下面はダイヤ
フラム２７の上面に対向している。圧電素子２８に取付
けられたリード線２８ａ、２８ｂは、保持部材２２を貫
通して流量制御電圧源（図示せず）に接続されている。

しかして積層型圧電素子２８に電圧を印加すると、圧電
素子２８は歪変位を生じて上下方向に膨張し、圧電素子
２８の上面は保持部材２２の内面上壁に固定されている
から下面が下方に変位し、圧電素子２８の下面に固定し
た中間部材２９は、ダイヤフラム２７の中央部を介して
開閉部材３６を下降させ、開閉部材３６の下面に固定し
た弁体３５も押圧ばね３４に抗して下降し、入口ポート
２４と出口ポート２５とは連通ずる。次に圧電素子２８
への電圧を断つと、圧電素子２８は収縮して原形状に復
し、押圧ばね３４は弁体３５を閉弁位置に戻す。弁体３
５の昇降量は通常０〜５０μの範囲内にある。

ここで上記圧電駆動弁は、一般に微量の腐食性ガスの流
量制御に用いられており、弁を構成する各部品は、従来
、圧電素子を除いてすべて耐食性に優れたステンレス鋼
で作られていた。

［発明が解決しようとする課題］ ところが圧電素子とステンレス鋼とでは熱膨張係数が異
なり、一般に圧電素子の熱膨張係数は一５ＸＩＯ−’／
”Ｃであり、ステンレス鋼では１７．５Ｘ　１０−’／
℃である。このため周囲温度や流体の温度などの温度変
化によって、組立調整時の温度とは異なる温度環境で従
来の圧電駆動弁を使用すると、流体の流量が組立調整時
の流量とは異なってしまい、流量を正確に制御すること
が出来ない。

すなわち組立調整時と同じ電圧を圧電素子２８に印加し
ても、組立調整時の温度よりも高温域で使用すると、圧
電素子２８の上下方向の長さの分だけ圧電素子２８の熱
膨張量と保持部材２２を形成するステンレス鋼の熱膨張
量とが異なり、上記のごとくステンレス鋼は伸長し圧電
素子２８は収縮するから、弁体３５は組立調整時はどは
押し下がらず、第２図に示すごとく流体の流星は組立調
整時よりも減少゛する。逆に組立調整時の温度よりも低
温域で使用すると、弁体３５は組立調整時以上に押し下
がり、第２図に示すごとく流体の流量は組立調整時より
も増加し、場合によっては圧電素子２８への電圧を断っ
ても閉弁できないことが生じうる。

本発明は上記の閏題点を解決し、環境温度によらず正確
に流量を制御することができる圧電駆動弁を提供するも
のである。

［課題を解決するための手段及び作用］請求項１記載の
発明は、出口ポートに連通ずる凹所を上面に設け入口ポ
ートに連通ずる弁口を前記凹所の中央部に形成した本体
と、前記弁口の下面に当接し押圧ばねによって上方に付
勢された弁体と、該弁体の上面に固定し前記弁口を貫通
する開閉部材と、萌記本体上に固定した保持部材と、該
保持部材の内面上壁に上面を固定し下面は中間部材を介
して前記開閉部材の上面に対向する圧電素子とからなる
圧電駆動弁において、前記弁口の下面から圧電素子の上
面までの区間における弁体、開閉部材、中間部材及び圧
電素子の熱膨張量と、前記区間における本体と保持部材
との熱膨張量とが実質的に同一となるように形成したこ
とを特徴とする圧電駆動弁である。

すなわちρ０、α１を弁口の下面よりも上方にある弁体
の、ρ２、α２を、開閉部材の、ρ１、α、を中間部材
の、ρ４、α、を圧電素子の、ｆ１４、α４を弁口の下
面より保持部材を載置した面までの本体の、及びρ）。

αＨを圧電素子の上面よりも下方にある保持部材の。

それぞれ上下方向の長さと熱膨張係数としたとき、熱膨
張量の釣合いとして、 ρ１α１＋ρ２α２＋ρ、αｓ＋ｎＡα＾＝ρ４α４＋
ｐＨαＩ（・・・０式が成立する様に形成した圧電駆動
弁である。

ただし閉弁状態でかつ中間部材が開閉部材に当接してい
る状態のときに、原寸法の釣合いとして、ρ１＋ｐ２＋
ρ３＋ムーｐ４＋ｐＨ・・・０式が成立しなければなら
ない。すなわち０式と０式とを共に満たすように形成す
れば、環境温度が変化しても閉弁状態でかつ中間部材が
開閉部材に当接している状態は維持され、圧電素子への
電圧印加量に対する流量の関係は組立調整時のときと同
一になり、したがって環境温度に左右されることなく正
確に流量を制御することができる。

請求項２記載の発明は、出口ポートに連通ずる凹所を上
面に設け入口ポートに連通する弁座を前記凹所の中央部
に形成した本体と、該本体上に固定した円筒状部材と、
該円筒状部材に昇降自在に嵌合し下面は前記弁座に対向
し中間部に貫通穴空間を設けた弁棒と、該弁棒と前記円
筒状部材との間に介在して前記弁棒を下方に付勢する押
圧ばねと、前記弁棒の貫通穴空間内を貫通し両端を前記
本体上に載置した第１の中間部材と、該第１の中間部材
上に載置し上面は第２の中間部材を介して前記貫通穴空
間の上壁に当接する圧電素子とからなる圧電駆動弁にお
いて、前記凹所の底面から前記第２の中間部材の上面ま
での区間における前記弁座と弁棒との熱膨張量と、前記
区間における本体、第１の中間部材、圧電素子及び第２
の中間部材の熱膨張量とが実質的に同一となるように形
成したことを特徴とする圧電駆動弁である６すなわちρ
５、α５を凹所の底面よりも上方にある弁座の、ρ８、
αＢを第２の中間部材の上面よりも下方にある弁棒の、
ｐ６、α６を凹所の底面より第２の中間部材を載置した
面までの本体の、ρ７．α７を第２の中間部材の、ム、
α＾を圧電素子の、及びρ８、α８を第２の中間部材の
、それぞれ上下方向の長さと熱膨張係数としたとき、熱
膨張量の釣合いとして、 ρ、α、＋　ρ８α８＝ρ６α６＋　ρ７α）＋ムα。

＋　ρ８α８・・・０式が成立する様に形成した圧電駆
動弁である。

ただし閉弁状態でがっ弁棒が弁座に当接している状態の
ときに、原寸法の釣合いとして、ρ、＋ρＢ＝ρ６＋ρ
７＋ム＋ρ８・・・０式が成立しなければならない。す
なわち０式と０式とを共に満たすように形成すれば、環
境温度が変化しても閉弁状態でかつ弁棒が弁座に当接し
ている状態は維持され、圧電素子への電圧印加量に対す
る流量の関係は組立調整時のときと同一になり、したが
って環境温度に左右されることなく正確に流量を制御す
ることができる。

ここで第１の中間部材をリング状のダイヤフラム押さえ
と該ダイヤフラム押さえ上に載置したブリッジとで形成
し、前記弁座と弁棒との間にダイヤフラムを介在させ、
該ダイヤフラムの周縁部を前記本体と前記ダイヤフラム
押さえとの間で挟着して密封した構成とすることができ
る。

このときダイヤフラムの肉厚と熱膨張係数をそれぞれρ
７．α、とすれば、原寸法の釣合いとして０式の両辺に
ρ９が加算され、熱膨張量の釣合いとして０式の両辺に
ρ９α９が加算されるだけであり、また元来これらは他
の量と比べて無視できる値であるから、請求項２記載の
発明と同様に０式と０式とを共に満たすように形成すれ
ば、環境温度に左右されることなく正確に流量を制御す
ることができ、かつ円筒状部材内への流体の侵入がない
圧電駆動弁を得ることができる。

また弁棒は、Ｎｉが２８重責％以上でありかつＮｉ＋Ｃ
ｏが３６〜５０重量％であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系又はＦ
ｅ−Ｎｉ系合金で形成することができる４ ［実施例］ まず請求項１記載の圧電駆動弁の第１の実施例として、
圧電素子と保持部材以外の各部品を、従来例と同様に耐
食性に優れた５ＵＳ３１６材で作ることとすれば、 α、＝α２＝α１＝α４＝αＳ （α５は５ＯＳ３１６の熱膨張係数） であるから、■式と■式から、 ρ、（α５−αＨ）＝ム（αＳ−α、）・・・■式とな
る。ここで圧電素子は保持部材の中に収納さ−れている
から、ｆｉｎ、ｌＡ、　したかって、となり、αＳ−α
、〉０だから、 α＾くαＨ〈αＳ となる、すなわち保持部材の熱膨張係数α■は、圧電素
子の熱膨張係数αＡ　（−５ｘ　１０−６／　”Ｃ）よ
りも大きく、かつ５ＵＳ３１６材の熱膨張係数αｓ　（
１７，５Ｘ　１０−６／”Ｃ）よりも小さいことが必要
である。

いま圧電素子の長さをｐ＾＝　４０ａｍ、保持部材の長
さを約ｆｌｕ＝　７０ｍｍとすれば、■式より保持部材
の熱膨張係数αＩは、αＨ＝　４．６４Ｘ　１０−６／
　”Ｃとなる。したがってαｎ＝４〜５　Ｘ　ｔｏ−６
／”Ｃの鋼種として、Ｎｉが３６〜５０重量％であるＦ
ｅ−Ｎｉ系合金を使用することができる６またＮｉが２
８重量％以上であればＮ１とＣ。

とは相互に同じ効果があるから、Ｎｉが２８重置火以上
でありかつＮｉ＋Ｃｏが３６〜５０重量％であるＦｅ−
Ｎｉ−Ｃｏ系合金を使用することもできる。

例えば４２Ｎｉ−Ｆｅ合金（Ｆｅ−Ｎｉ系パーマロイ合
金、αＨ＝　４．４　Ｘ　１０−’／”Ｃ）を用いれば
、■式より、ｐＨ＝　１．７１８　ｎＡ＝　６８．７ｍ
ｍとすればよいこととなる。なおその他のρ１．ｆ１２
、ρ、及びρ４は、■式を満たすように任意に定めてよ
い。

ちなみに上記実施例において従来例と同様に保持部材も
また５ＬＩＳ３１６材で作ることとすれば、環境温度が
組立調整時よりも例えば１０℃だけ変化すると、圧電素
子の下面は相対的に、 （１７，５＋　５）Ｘ　ｔｏ−’／’ＣＸ　ｔｏ℃Ｘ　
４０ｍｍ＝　９μも変位することとなり、全体の変位量
０〜５０μに対して無視できない量となる４ 次に請求項１記載の圧電駆動弁の第２の実施例として、
機械的構成を第１図に示した従来例と同様に形成するこ
とができる。このときダイヤフラム２７の中央部は中間
部材２９と開開部材３６との間に介在し、周縁部は保持
部材２２と本体の弁座２３との間に介在している。から
、原寸法の釣合い■式も熱膨張量の釣合い■式も、いず
れも左辺と右辺に同量が加算されるだけで結果として変
わりはない。

したがって各部品の材質は上記第１の実施例と同様に構
成すればよい、このような構成としたときは、環境温度
に左右されることなく正確に流量を制御することができ
るほか、保持部材２２内への流体の侵入のない圧電駆動
弁を得ることができる。

次に請求項３記載の圧電駆動弁の一実施例の機械的構成
を第３〜５図によって説明する。

図において本体１の上面には流体室ｌＯを形成する凹所
があって、該流体室１０の側部は本体１の右側に設けた
出口ポート５に連通しており、流体室１０の中央部には
弁座３があって、該弁座３の弁口３ａは、垂直流路６を
介して本体１の左側に設けた入口ポート４に連通してい
る。

弁座３の上方にはダイヤフラム７があって、該ダイヤフ
ラム７の周縁部は、流体室１０の側壁に形成した段差面
上に載置されている。ダイヤフラム７の周縁部上にはリ
ング状のダイヤフラム押さえ９が載置されており、該ダ
イヤフラム押さえ９上には２後記する弁棒１２の貫通穴
空間１６内を貫通した四角柱状のブリッジ１３の両端部
が載置されおり、ダイヤフラム押さえつとブリッジ１３
とによって第１の中間部材が構成されている。

ダイヤフラム押さえ９の上面には、ブリッジ１３を収納
するコ字状切り欠き部を下面に有する円筒状部材２が載
置されており、該円筒状部材２には筒状部材押さえ１１
が係合しており、該筒状部材押さえ１１はボルト１５に
よっで本体１に係止されている。こうして円筒状部材２
、ダイヤフラム押さえ９及びダイヤフラム７は、筒状部
材押さえ１１どボルト１５とによって本体１に固定され
、ダイヤフラム７の周縁部は本体Ｊとダイヤフラム押さ
え９との間で密封挟持されている。

円筒状部材２の上部には貫通孔があって、該貫通孔内に
は弁棒１２の上部小径部が昇降自在に嵌合している。弁
棒１２の上部小径部の段差面と円筒状部材２の内部上面
との闇には、弁棒１２を下方に付勢する押圧ばね１４が
装着されており、弁棒１２の下面はダイヤフラム、７の
中央部上面に対向している。

弁棒１２の中間部には貫通穴空間１６が形成されていて
、該貫通穴空間１６内には前記した通り、両端をダイヤ
フラム押さえ９上にａｉｉ’ｌｌしたブリッジＩ３が貫
通しており、該ブリッジ１３の下面と貫通穴空間１６の
下壁との間は、少なくら弁棒１２の昇降量以上の間隔が
ある。ブリッジ１３上には債層梨圧電素子８が固定され
ており、該圧電素子８に取付けられたリード線８ａ　、
８ｂは、円筒状部材２を１通（２て流量制御電圧源（図
示せず）に接続されている。

圧電素子８上にはねじり防止部品２０が固定されており
、該ねじり防止部品２０の上面は、弁棒１２の上部小径
部と該小径部の上面に装着した止めナツト１９とを螺合
貫通する調節用ボルト１８のＦ面に当接している。調節
用ボルト１８のうちの前記貫通穴空間１６に突出した部
分とねじり防止部品２ｏとによって、第２の中間部材が
構成されている。

しかして積層型圧電素子８に電圧を印加すると、圧電素
子８は歪変位を生じて上下方向に膨張し。

圧電素子８の下面は第１の中間部材上に固定されている
から上面が上方に変位し２、圧電素子８の上面に固定し
た第２の中間部材は押圧ばね１４に抗し、て弁棒１２を
上方に押し上げ、ダイヤフラム７の中央部は弁棒１２に
追随して上方に変位して、入口ポート４と出口ポート５
とは連通ずる１次に圧電素子８への電圧を断つと、圧電
素子８は収縮して原形状に復し、押圧ばね１４は弁棒１
２を閉弁位置に戻す、弁棒１２の昇降量は通常Ｏ〜５０
μの範囲内にある。ダイヤフラム７としては平板状のも
のを使用して閉弁するときに下方に弾性的にたわむよう
にしてもよいが、上方に膨出した金属製のものを使用し
、開弁するときに飛び移り座屈による大変形を起こすよ
うにすれば、弁棒の昇降量を太き・くすることができる
。

次に請求項２記載の圧電駆動弁の一実施例の機械的構成
は、上記請求項３記載の圧電駆動弁め一実施例において
ダイヤフラム７がない構成とし、たものである。

ここで各部品の材質について説明するが、まず請求項２
記載の圧電駆動弁について説明すると、圧電素子８と弁
棒１２以外の各部品を、耐食性に優れた５ＵＳ３１６材
で作ることとすれば、αｒ、：α６：α７″α８：αＳ であるから、０式と０式から、 ρＢ（α５−αＢ）−ム（α５−αＡ）・・・０式とな
る。ここで圧電素子８Ｌま弁棒１２の中に収納されてい
るから１．２ａ＞Ｎｘ、したがって前記と同様にＬ５て
、弁棒１２の熱膨張係数αＢは、圧電素子８の熱膨張係
数α、よりも大きく、がっ５ｔＪＳ３１６材の熱りｊｌ
）長係数α５よりも小さいことが必要である。

いま圧電素子８の長さをバー４Ｏｍ＋３井棒１２の長さ
を約ΩＢ＝７０ｍｍとすれば、０式より弁棒１２の熱膨
張係数ｆｆｅは、α１１＝　４．６４Ｘ　１０−６／’
　”Ｃとなるから、１１イ記と同様の鋼種を使用するこ
とができ、例えば４２Ｎｉ−Ｆｅ合金を用いれば、前記
と同様に０式より、ｎｏ＝　１．７１８　　ρＡ＝　６
８．７ｍｍとすればよいこととなる。その他のｐ５、ρ
６、ρフ及びｆｌ＝＝は、■式を満たすように任意に定
めてよい。

次に請求項３記載の圧電駆動弁のときは、ダイヤフラム
７の中央部は弁棒１２と弁座３との間に介在し、周縁部
は第１の中間部材のダイヤフラム押さえ９と本体１との
間に介在しているから、原寸法の釣合い■式も熱膨張量
の釣合い０式も、いずれも左辺と右辺に同量が加算され
るだけで結果として変わりはない、したがって各部品の
材質は上記実施例と同様に構成すればよい。

このような構成としたときは、環境温度に左右されるこ
となく正確に流量をＭ９１することができるほか、円筒
状部材２内への流体の侵入がないので、押圧ばｈ１４や
弁棒１２と円筒状部材２との摺動部などに流体は接触せ
ず、金属粉などの異物の混入のない圧電駆動弁を得るこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明による積層型圧電素子を用いた圧電駆動弁は、使
用時の環境温度に左右されることなく正確に流星を制御
することができる。

また請求項３記載の発明のときは、更に、円筒状部材内
への流体の侵入のない圧電駆動弁を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項１記載の発明の一実施例と従来例との
機械的構成を示す縦断面図、第２図は、本発明と従来例
についての圧電素子への印加電圧が一定のときの環境温
度と流量との関係を示す図、第３図は、請求項３記載の
発明の一実施例を示す縦断面図、第４図は、第３図中Ｂ
−Ｂ断面図、第５図は、第４図中Ａ−Ａ断面図である。 １・・・本体　　　　　　　　２・・・円筒状部材３．
２３・・・弁座　　　　　　　３ａ、３１・・・弁口４
．２４・・・入口ポート　　　　５．２５・・・出口ポ
ート６・・・垂直流路　　　　　　７，２７・・・ダイ
ヤフラム８．２８−・・圧電素子　　　８ａ、８ｂ、２
８ａ、２８ｂ　−・リード線９・・・ダイヤフラム押さ
え　１０．２６・・・流体室１１・・・筒状部材押さえ
　　　１２・・・弁棒１３・・・ブリッジ　　　　　　
１４．３４・・・押圧ばね１５．３２・・・ボルト　　
　　　１６・・・貫通穴空間１８・・・調節用ボルト　
　　　１９・・・止めナツト２０・・・ねじり防止部品
　　　２１・・・弁箱２２・・・保持部材　　　　　　
２９・・・中間部材３０・・・押さえ部材　　　　　３
３・・・円筒室３５・・・弁体　　　　　　　　３６・
・・開田部材３７・・・調節ねじ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）出口ポートに連通する凹所を上面に設け入口ポー
   トに連通する弁口を前記凹所の中央部に形成した本体と
   、前記弁口の下面に当接し押圧ばねによって上方に付勢
   された弁体と、該弁体の上面に固定し前記弁口を貫通す
   る開閉部材と、前記本体上に固定した保持部材と、該保
   持部材の内面上壁に上面を固定し下面は中間部材を介し
   て前記開閉部材の上面に対向する圧電素子とからなる圧
   電駆動弁において、前記弁口の下面から圧電素子の上面
   までの区間における弁体、開閉部材、中間部材及び圧電
   素子の熱膨張量と、前記区間における本体と保持部材と
   の熱膨張量とが実質的に同一となるように形成したこと
   を特徴とする圧電駆動弁。
2. （２）出口ポートに連通する凹所を上面に設け入口ポー
   トに連通する弁座を前記凹所の中央部に形成した本体と
   、該本体上に固定した円筒状部材と、該円筒状部材に昇
   降自在に嵌合し下面は前記弁座に対向し中間部に貫通穴
   空間を設けた弁棒と、該弁棒と前記円筒状部材との間に
   介在して前記弁棒を下方に付勢する押圧ばねと、前記弁
   棒の貫通穴空間内を貫通し両端を前記本体上に載置した
   第１の中間部材と、該第１の中間部材上に載置し上面は
   第２の中間部材を介して前記貫通穴空間の上壁に当接す
   る圧電素子とからなる圧電駆動弁において、前記凹所の
   底面から前記第２の中間部材の上面までの区間における
   前記弁座と弁棒との熱膨張量と、前記区間における本体
   、第１の中間部材、圧電素子及び第２の中間部材の熱膨
   張量とが実質的に同一となるように形成したことを特徴
   とする圧電駆動弁。
3. （３）前記第１の中間部材はリング状のダイヤフラム押
   さえと該ダイヤフラム押さえ上に載置したブリッジとか
   らなり、前記弁座と弁棒との間にダイヤフラムを介在さ
   せ、該ダイヤフラムの周縁部を前記本体と前記ダイヤフ
   ラム押さえとの間で密封挟持した請求項２記載の圧電駆
   動弁。
4. （４）前記弁棒を、Ｎｉが３６〜５０重量％であるＦｅ
   −Ｎｉ系合金で形成した請求項２又は３記載の圧電駆動
   弁。
5. （５）前記弁棒を、Ｎｉが２８重量％以上でありかつＮ
   ｉ＋Ｃｏが３６〜５０重量％であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系
   合金で形成した請求項２又は３記載の圧電駆動弁。