JPH0326301B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電歪素子を用いた弁に関し、特に、
積層形の電歪素子によつて弁体を駆動する構造の
電歪素子を用いた弁に関する。

〔従来の技術〕

電気信号による弁の制御においては、通常のソ
レノイドなどによる電磁気力によつて弁体の駆動
を行う構造のものに代わつて、小形軽量化、さら
には、消費電力の低減が可能であるなどの観点か
ら、圧電磁器などを金属板などを介して平面状に
はり合わせて構成される、いわゆるバイモルフ構
造の電歪素子を用いることが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、バイモルフ構造の電歪素子にお
いては、応答速度や弁体の駆動力が比較的小さ
く、さらに、変形を繰り返す間に電歪素子自体の
形状や弁体の駆動力が変化し、弁体の変位による
流体通路の開閉動作を迅速かつ安定に制御できな
い場合があることを本発明者は見いだした。

このため、たとえば、比較的大きな駆動力を得
ることが可能な積層形の電歪素子を用い、梃子な
どの変位拡大機構などを介して弁体を駆動するこ
とが考えられるが、この場合には、高速に駆動さ
れる弁体が弁座などに衝突して損傷を受けたり、
梃子に支持された弁体が弁座などに対して傾斜す
るなどの他の問題を生じ、複数の流体通路の接続
の切り換え動作を行う３ポート弁などにおいて
は、完全に閉止されるべきポートの閉止状態が不
完全になり、切り換え動作が不確実になるという
問題を生じる。

そこで、本発明の目的は、複数の流体通路の接
続の切り換え動作を確実に行うことが可能な電歪
素子を用いた弁を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、電歪素子を用いた弁において、本体
と、この本体の内部に設けられた弁体室と、この
弁体室に互いに対向する位置に開口した第１およ
び第２の流体通路と、弁体室を介して第１および
第２の流体通路に連通する第３の流体通路と、第
１および第２の流体通路の開口にそれぞれ突設さ
れた第１および第２の弁座と、この第１および第
２の弁座にそれぞれ接離する第１および第２の弁
体を先端部に係止するアームおよび当該アームの
基端部を支持する枠材とからなる変位拡大機構
と、アームの基端部と枠材との間に介設され、伸
縮変形により、アームを介して第１および第２の
弁体を駆動する積層形の電歪素子と、アームと第
１および第２の弁体との間に介設され、当該第１
および第２の弁体をアームに対して変位自在に係
止支持する緩衝機構とを設けたものである。

〔作 用〕

上記した手段によれば、積層形の電歪素子の大
きな駆動力により、変位拡大機構を介して第１お
よび第２の弁体を高速かつ安定に駆動することが
できるとともに、変位拡大機構のアームと第１お
よび第２の弁体との間に介設された緩衝機構によ
つて、当該第１および第２の弁体の、対応する第
１および第２の弁座に対する衝突や傾斜などを防
止することが可能となり、第１および第２の弁体
の第１および第２の弁座に対する密着による第１
または第２の流体通路の閉止を確実に行うことが
できる。この結果、複数の流体通路の接続の切り
換え動作を確実に行うことができる。

〔実施例〕

図は、本発明の一実施例である電歪素子を用い
た弁の要部を示す略断面図である。

ブロツク状の本体１の内部には、密閉された弁
体室Ａが形成されている。この弁体室Ａには、本
体１の壁面を貫通して、入口流路（IN）２（第
１の流体通路）および排気流路（EXH）３（第
２の流体通路）が対向して開口され、入口流路２
および排気流路３の弁体室Ａの内部における開口
部には、それぞれ弁座４（第１の弁座）および弁
座５（第２の弁座）が突設されている。

また、排気流路３の近傍には、本体１の壁面を
貫通して出口通路（OUT）６（第３の流体通路）
が形成されている。

弁体室Ａの内部には、本体１と独立に設けられ
たコの字形の枠材７ａおよび該枠材７ａに一端が
変形自在に一体に係止され、他端部が前記入口流
路２および排気流路３の弁座４と弁座５との間に
延在されるアーム７ｂからなる変位拡大機構７が
設けられており、枠材７ａの一部が複数の固定ね
じ８によつて本体１に係止されることにより、変
位拡大機構７が本体１に固定されている。

変位拡大機構７には、一端が枠材７ａに係止さ
れ他端がアーム７ｂに係止される積層形の電歪素
子９が、入口流路２および出口流路３の弁座４お
よび弁座５の対向方向にほぼ平行に設けられ、リ
ード線１０を通じて外部から所定の極性の直流電
圧が印加される際に発生される該電歪素子９の比
較的小さな伸縮変位が、テコの原理によつて、弁
座４と弁座５との間に延在されるアーム７ｂの端
部の該弁座４と弁座５との間を往復する方向の比
較的大きな変位に拡大されて出力される構造とさ
れている。

電歪素子９のリード線１０が本体１を貫通する
部分は、充填材１０ａによつて密閉されている。

入口流路２および排気流路３の弁座４および弁
座５の間に延在されるアーム７ｂの端部には、弁
座４および弁座５に対向する位置に弁体１１（第
１の弁体）および弁体１２（第２の弁体）がそれ
ぞれ係止され、電歪素子９の伸縮変位が拡大され
て出力されるアーム７ｂに駆動されることによつ
て、弁体１１または弁体１２の弁座４または弁座
５に対する密着および離脱動作が行われるように
構成されている。

すなわち、電歪素子９が伸長される際には、ア
ーム７ｂの端部が入口流路２の弁座４に接近する
方向に変位され、弁体１１が弁座４に密着されて
入口流路２が閉止され、逆に、電歪素子９が縮退
される際には、アーム７ｂの端部が排気流路３の
弁座５に接近する方向に変位され、弁体１２が弁
座５に密着されることによつて排気流路３が閉止
されるものである。

弁体１１とアーム７ｂとの間には、該アーム７
ｂの側に固定される固定子１３ａおよび該固定子
１３ａに案内され弁体１１が係止されるととも
に、ばね１３ｂを介してアーム７ｂに変位自在に
支持される可動子１３ｃなどからなる緩衝機構１
３が設けられ、アーム７ｂに駆動されることによ
つて弁体１１が入口流路２の弁座４に密着される
際の衝撃などが吸収されるとともに、アーム７ｂ
の弁座４に対する傾斜などに影響されることな
く、弁体１１が弁座４に対して確実に密着される
構造とされている。

同様に、弁体１２とアーム７ｂとの間には、該
アーム７ｂの側に固定される固定子１４ａおよび
該固定子１４ａに案内され弁体１２が係止される
とともに、ばね１４ｂを介してアーム７ｂに変位
自在に支持される可動子１４ｃなどからなる緩衝
機構１４が設けられ、アーム７ｂに駆動されるこ
とによつて弁体１２が排気流路３の弁座５に密着
される際の衝撃などが吸収されるとともに、アー
ム７ｂの弁座５に対する傾斜などに影響されるこ
となく、弁体１２が弁座５の全面に確実に密着さ
れる構造とされている。

さらに、入口流路２の弁座４の周囲における本
体１とアーム７ｂとの間には、該アーム７ｂの端
部を排気流路３の弁座５に接近する方向に付勢す
るように、すなわち、電歪素子９の縮退によるア
ーム７ｂの変位を助勢するように構成された助勢
ばね１５が設けられている。

以下、本実施例の作用について説明する。

まず、リード線１０を介して電歪素子９に所定
の極性の直流電圧を作用させ、電歪素子９に伸長
する方向の比較的小さな変位を与えると、テコの
原理によつて、変位拡大機構７のアーム７ｂの端
部には弁体１１を入口流路２の弁座４に接近させ
る方向に比較的大きな変位が発生され、アーム７
ｂは助勢ばね１５の付勢力に抗して弁座４に接近
し、弁体１１が弁座４に密着されて入口流路２が
閉止され、該入口流路２に作用される圧縮空気な
どが弁体室Ａの内部に流入することが阻止され
る。

次に、電歪素子９に印加される直流電圧の極性
を逆転させ、該電歪素子９に縮退する方向に比較
的小さな変位を与えると、変位拡大機構７のアー
ム７ｂの端部には、テコの原理によつて弁体１２
を排気流路３の弁座５に接近させる方向に比較的
大きな変位が発生され、入口流路２の弁座４から
弁体１１が離脱され入口流路２が開放されるとと
もに、アーム７ｂおよび助勢ばね１５の付勢力に
よつて排気流路３の弁座５に弁体１２が密着され
て排気流路３が閉止され、入口流路２から弁体室
Ａの内部に流入される圧縮空気などが出口流路６
を通じて図示しない所定の流体圧機器などに供給
され、所定の仕事が行われる。

さらに、電歪素子９に印加される直流電圧の極
性を逆転させ、電歪素子９に伸長する方向の変位
を与えると、変位拡大機構７のアーム７ｂは再び
入口流路２に接近する方向に比較的大きく変位さ
れ、入口流路２の弁座４に弁体１１が密着されて
入口流路２が閉止されるとともに、弁体１２が排
気流路３の弁座５から離脱されて排気流路３が開
放され、弁体室Ａの内部や出口通路６などの残圧
が排気流路３を通じて速やかに外部に排出され
る。

このように、本実施例においては、比較的大き
な駆動力が得られる積層形の電歪素子９の伸縮変
位を変位拡大機構７のアーム７ｂによつて拡大し
て弁体１１および１２に伝達することにより、弁
体１１および１２の変位が迅速に行われるととも
に、弁体１１および１２の入口流路２の弁座４お
よび排気流路３の弁座５に対する密着動作が経時
的に安定となる。

そして、変位拡大機構７のアーム７ｂと弁体１
１および弁体１２との間に、該弁体１１および１
２をアーム７ｂに対して変位自在に係止支持する
緩衝機構１３および１４が設けられているので、
アーム７ｂが入口流路２の弁座４と排気流路３の
弁座５との間を比較的高速に揺動する場合でも、
弁体１１および１２が弁座４および５に衝突して
損傷を受けることが回避されるとともに、駆動元
の電歪素子９に過大な引張応力や圧縮応力などが
作用することも防止される。さらに、変位拡大機
構７のアーム７ｂが変位する際の弁座４および弁
座５に対する傾斜が緩衝機構１３および１４によ
つて吸収されるため、当該アーム７ｂに支持され
た弁体１１および１２の弁座４および５に対する
確実な密着状態を実現できる。

この結果、入口流路２および排気流路３の出口
通路６に対する両者の接続を切り換える動作を確
実に行うことができる。

また、電歪素子９を保持した変位拡大機構７が
本体１と独立に構成されているため、たとえば、
変位拡大機構７を、電歪素子９と線膨張係数が近
似した素材で構成することで、温度変化によるア
ーム７ｂの位置ずれなどを防止できる。また、本
体１を構成する材質には、電歪素子９との線膨脹
係数などの整合性を考慮する必要がなく、本体１
の設計の自由度が向上する。

また、本体１とアーム７ｂとの間に、該アーム
７ｂの端部を排気流路３の弁座５に接近する方向
に付勢するように、すなわち、電歪素子９の縮退
によるアーム７ｂの変位を助勢するように構成さ
れた助勢ばね１５が設けられていることにより、
圧縮応力に比較して引張応力に比較的弱い積層形
の電歪素子９の変位動作が安定に行われる。

なお、本発明は前記実施例になんら限定される
ものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々
変更可能であることは言うまでもない。

たとえば、変位拡大機構を複数段に構成しても
よいものである。

〔発明の効果〕

(1) 積層形の電歪素子によつて弁体の変位が迅速
かつ経時的に安定に行われ、弁体の変位による
流体通路の開閉を迅速かつ安定に制御すること
ができるとともに、変位拡大機構と弁体との間
に、該弁体を変位拡大機構に対して変位自在に
支持する緩衝機構が設けられているので、変位
拡大機構が比較的高速に揺動される場合でも、
弁体と弁座との衝突による損傷や、電歪素子に
おける過大な引張応力や圧縮応力の発生が回避
される。

さらに、変位拡大機構の弁座に対する傾斜が
緩衝機構によつて吸収されるため、弁体の弁座
に対する確実な密着状態を実現できる。

この結果、複数の流体通路の接続の切り換え
動作を確実に行うことが可能となる。

(2) 変位拡大機構が本体と独立に構成されている
ことにより、たとえば、変位拡大機構を電歪素
子と線膨脹係数が近似した素材で構成すること
で、温度変化による変位拡大機構の位置ずれな
どを防止できるとともに、本体を構成する材質
には、電歪素子との線膨脹係数の整合性を考慮
する必要がなく、本体の設計の自由度が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例である電歪素子を用いた
弁の要部を示す略断面図である。 １……本体、２……入口流路（第１の流体通
路）、３……排気流路（第２の流体通路）、４……
弁座（第１の弁座）、５……弁座（第２の弁座）、
６……出口通路（第３の流体通路）、７……変位
拡大機構、７ａ……枠材、７ｂ……アーム、８…
…固定ねじ、９……電歪素子、１０……リード
線、１０ａ……充填材、１１……弁体（第１の弁
体）、１２……弁体（第２の弁体）、１３，１４…
…緩衝機構、１３ａ，１４ａ……固定子、１３
ｂ，１４ｂ……ばね、１３ｃ，１４ｃ……可動
子、１５……助勢ばね、Ａ……弁体室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本体と、この本体の内部に設けられた弁体室
   と、この弁体室に互いに対向する位置に開口した
   第１および第２の流体通路と、前記弁体室を介し
   て前記第１および第２の流体通路に連通する第３
   の流体通路と、前記第１および第２の流体通路の
   開口部にそれぞれ突設された第１および第２の弁
   座と、この第１および第２の弁座にそれぞれ接離
   する第１および第２の弁体を先端部に係止するア
   ームおよび当該アームの基端部を支持する枠材と
   からなる変位拡大機構と、前記アームの基端部と
   前記枠材との間に介設され、伸縮変形により、前
   記アームを介して前記第１および第２の弁体を駆
   動する積層形の電歪素子と、前記アームと前記第
   １および第２の弁体との間に介設され、当該第１
   および第２の弁体を前記アームに対して変位自在
   に係止支持する緩衝機構とを備えてなる電歪素子
   を用いた弁。 ２ 前記変位拡大機構の前記アームと前記本体と
   の間には、前記電歪素子の縮退方向における前記
   アームの変位を助勢する助勢ばねが介設されてな
   る特許請求の範囲第１項記載の電歪素子を用いた
   弁。