JPH0336768Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、流体、特に空気圧の制御に利用しう
る積層型の圧電素子を用いた弁に関するものであ
る。

［従来の技術］ 一般に空気圧用制御弁としては、電磁石をアク
チユエータとした電磁弁が広く用いられている。
しかるに近年においては、デイジタル回路及びマ
イクロコンピユータの普及によつて小型化と共に
制御弁の制御もこれらの電子機器で行われるよう
になつてきており、圧電素子を用いた制御弁が提
案されている。電磁石と比較し圧電素子をアクチ
ユエータにすれば、ノイズが発生しない 熱
の発生がない 音が出ない 消費電力が少な
い 動作速度の早いものを小型化できる 比
例制御性が良い等の長所がある。圧電素子を利用
したアクチユエータには、バイモルフ型と薄板状
圧電素子を積層して一体化した積層型があり、前
者は変位量は数100μｍあるが、発生力は数10ｇ
と小さく、数Kg／cm²の圧縮空気を制御する場合に
は弁口径が十分小さくないと動作できず、従つて
流量の小さな弁にしか利用できない。一方、後者
の積層型は発生力は数10Kgあるが、変位量は数
10μｍと小さい。後者において、薄板状圧電素子
としての圧電セラミツク板を積層一体化してなる
圧電積層体と、この圧電積層体の印加電界による
軸方向の変位を拡大する変位拡大機構としての油
圧ポンプとこの油圧ポンプに連結されたプランジ
ヤを含む弁がある（特開昭60−211176号）。

［考案が解決しようとする問題点］ 変位拡大機構に油圧ポンプつまり油圧式のもの
では、大径のピストンの微小動きを油を介して小
径のピストンに増大して伝達されるものであるか
ら、ピストンの摺動部のシールが確実に行われて
いないと油漏れにより作動が不安定になるという
欠点を有し、又構造も複雑になる問題があつた。
本考案は係る問題に対処してなされたもので、積
層型の圧電素子を用い、拡大機構としては油圧式
によらず、てこレバーとリンク部から簡単に構成
され流路断面積の大きな弁を提供することを目的
としている。

［問題点を解決するための手段］ 本考案になる圧電素子を用いた弁は、その実施
例である第１図のように、ハウジング１内に軸方
向に摺動自在に管状の弁体２を有し、この弁体の
両端部に形成された弁室３，４には弁体２と対面
する軸心位置に弁座５，６が一方が弁体１に密接
する時に他方の弁座は弁体１から離れるように
夫々配設されている。ハウジング１の中央室７に
は弁体２と並列に圧電積層体１１の固定端がハウ
ジング１に固定され、又この圧電積層体の可動部
に係合して変位を拡大するＬ字型のてこレバー１
２ｂが圧電積層体１１の外側に設けられている。
このてこレバーの変位を弁体１に付勢されたスプ
リング１５に抗してこの弁体の軸方向の動きに変
える弾性リンク部材１４がてこレバー１２ｂの従
動端部と弁体２との間に連結して構成されてい
る。

［作用］ 本考案の作用について第１図及び第２図により
説明すると、まず圧電積層体１１が通電されてい
ない状態では、弁体２はスプリング１５によつて
付勢されて弁座６を押し付け、弁座６は閉じてい
る。一方上部の弁座５は弁体２から離れて開かれ
ている。（第１図）。

次に圧電積層体１１に通電すると、圧電積層体
１１は電界の印加方向つまり軸方向に伸長する。
従つて圧電積層体１１の可動部と係合するＬ字型
のてこレバー１２ｂは支点１２ｃを軸にして動
き、可動部の微少変位が、てこレバー１２ｂの従
動端部では拡大されて第２図に示す矢印の方向の
変位となる。この変位により、てこレバー１２ｂ
の従動端部と弁体２とを連結する弾性リンク部材
１４がスプリング１５に抗して弁体２を上方向に
移動させ、弁体２は弁座６から離れ、弁座５に押
し付けられるため弁座６が開き弁座５が閉じる
（第２図）。

通電を止めると、圧電積層体１１は元の長さに
戻り弁体２はスプリング１５によつて押し下げら
れるので、第１図の状態に復帰する。

［実施例］ 次に本考案の実施例を図面により詳細に説明す
る。第１図及び第２図は３方向制御弁の断面図で
あり、１は薄幅で長方形断面を有するハウジング
でその内部の中央部には軸方向に摺動自在に管状
の弁体２が設けられている。弁体２の両端部には
弁室３及び４が形成されており、夫々の弁室には
弁体２と同軸上に弁座５及び６が弁体２に対面し
て設けられ、弁体２は一方の弁座に密接している
時、他方の弁座から離れるように配設されてい
る。図面において下部の弁室６はインポート４ａ
に連通しており上部の弁室５は排気ポート３ａと
連通している。又、弁座５の軸心部には弁体２の
中空の通路２ａとほぼ同じ直径の貫通孔が設けら
れ、アウトポート３ｂが弁室３と連通しており、
弁体２が弁座５に密接する場合には排気ポート３
ａとアウトポート３ｂの連通が遮断されるように
なつている。

弁体２が貫通しているハウジング１内の中央室
７には、アクチユエータである圧電積層体と変位
拡大機構等が収容されている。即ち、弁体２の外
側には近接して平行に圧電積層体１１の固定端が
Ｌ字型の固定部材１２ａに嵌合によつて固定さ
れ、かつ固定部材１２ａはボルト１６によつてハ
ウジング１に固定されている。固定部材１２ａの
外側には、逆向きのＬ字型のてこレバー１２ｂが
薄肉部１２ｃで固定部材１２ａと連通して一体に
設けられている。１２ｃはてこレバー１２ｂの支
点として機能する。圧電積層体１１の上部の可動
端はてこレバー１２ｂと薄肉部１２ｄで連結され
た係合連結部１２ｅに嵌合等により固定されてい
る。１３は弁体の外周に固設された連結部材であ
り、てこレバー１２ｂの従動端部より若干高い位
置に設けられている。１４はてこレバー１２ｂの
変位を弁体２の軸方向の動きに変えるリンク部材
であり、その両端において弁体２に固設された連
結部材１３と、てこレバー１２ｂの従動端部１２
ｆとにそれぞれ連結されている。リンク部材１４
はてこレバー１２ｂの変位を弁体２の軸方向の動
きに円滑に伝えられるように板状の弾性体が用い
られる。第３図は以上説明したアクチユエータ部
の斜視図であり、てこレバー等の構成要素の幅は
圧電積層体の幅とほぼ同一で一平面上に配設され
ている構成が示されている。本実施例では固定部
材１２ａと、てこレバー１２ｂは熱膨張率の小さ
なインバー材、又はステンレス鋼で一体的に成形
されているが、別個のものを組み合わせて用いて
も良い。

第１図において、弁体２に固設された連結部材
１３と固定部材１２ａ間にはスプリング１５が弁
体２を弁座６に押し付けるよう付勢されて設けら
れている。８及び９はシール部材である。

本実施例では弁体２の両側の一平面上に２組の
アクチユエータが配設されているが、片側に１組
のみ設けても良い。

次に動作について説明する。圧電積層体１１が
通電されていない第１図に示す状態では、弁体２
はスプリング１５によつて弁座６に押し付けられ
弁座６は閉じ、一方上部の弁座５は弁体２から離
れて開かれている。従つてインポート４ａからの
流体は遮断され、アウトポート３ｂと排気ポート
３ａが連通している。圧電積層体１１に通電する
と、圧電積層体１１は電界の印加方向つまり軸方
向に伸長する。従つて圧電積層体１１の可動端に
連結された薄肉部１２ｄが作用点となり、Ｌ字型
のてこレバー１２ｂは支点１２ｃを軸にして動
き、可動部の微少変位がてこレバー１２ｂの従動
端部１２ｆでは拡大されて第２図に示す矢印方向
に変位となる。作用点と支点間、支点と従動端部
間の寸法比を例えば、１：20にすると圧電積層体
の変位が50μｍの時1000μｍに拡大される。この
変位によつててこレバー１２ｂの従動端部と弁体
２とを連結する弾性リンク部材１４がスプリング
１５の付勢力に打ち勝ち、弁体２を上方向に押し
上げるので弁体２は弁座６から離れ弁座５に押し
付けられる。従つて、インポート４ａは弁体２内
の通路２ａを介してアウトポート３ｂに連通し、
一方アウトポート３ｂと排気ポート３ａ間の連通
が遮断され第２図に示す状態に流路が切り換えら
れる。更に通電を止めると圧電積層体１１は元の
長さに戻り弁体２はスプリング１５によつて押し
下げられるので第１図の状態に復帰する。

本実施例の３方向制御弁では、管状の弁体を移
動することにより、その両端に設けた弁座を夫々
開閉して流体の流れ方向を切り換える構造にした
ので比較的小さな変位と力で大きな流路面積が得
られ、圧電積層体と、てこレバーの簡単な変位拡
大機構によつて弁体を移動して流体の流れ方向を
切り換えるので空気圧シリンダの駆動等の大きな
負荷にも利用可能となつた。尚他の実施例とし
て、インポート４ａを盲栓でふさぐことにより２
方弁にすることができ、またON−OFF制御以外
にも圧電アクチユエータの印加電圧を変化させる
ことで変位量を変え流路断面積を制御できるため
流量制御弁としても使用できる。

更に、外部のマイクロコンピユータよりの徴弱
制御信号を圧電素子を駆動できる高電圧制御信号
に変換するための駆動回路を弁に内蔵しておけ
ば、コンピユータからの徴弱制御信号で直接制御
することもできる。

［考案の効果］ 以上説明したごとく、本考案によれば、圧電積
層体の変位拡大機構として油圧式によらず、簡単
なてこレバーとリンクを使用したので油漏れの心
配が無く信頼性が高くなると共に、弁構造上流路
断面積が大きくでき方向切り換えや流量の制御等
に利用できる。更に弁の厚さを薄くすることがで
きるので、弁の集積度が高く実用的効果が大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本考案の実施例の断面図で
あり、第１図は通電していない状態、第２図は通
電時の状態を示している。第３図は弁体とアクチ
ユエータの要部斜視図である。 １……ハウジング、２……弁体、３，４……弁
室、５，６……弁座、１１……圧電積層体、１２
ｂ……てこレバー、１４……リンク部材、１５…
…スプリング。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 〈１〉 ハウジング１内に軸方向に摺動自在に設
   けられた管状の弁体２の両端部に形成された弁
   室３，４に、この弁体と対面する軸心位置に弁
   座５，６を一方の弁座が弁体１に密接するとき
   に他方の弁座は離れるように夫々配設されてい
   ると共に、ハウジング１の中央室７に弁体２と
   並列に圧電積層体１１をハウジング１に固定
   し、この圧電積層体の可動部に係合して変位を
   拡大するＬ字型のてこレバー１２ｂを外側に設
   け、このてこレバーの従動端部１２ｆの変位を
   弁体１に付勢されたスプリング１５に抗して該
   弁体の軸方向の動きに変える弾性リンク部材１
   ４を介しててこレバー１２ｂと弁体２とが連結
   されていることを特徴とする圧電素子を用いた
   弁。 〈２〉 圧電積層体１１をハウジング１に固定す
   る支持体１２ａとＬ字型のてこレバー１２ｂと
   が一体に成形されている実用新案登録請求の範
   囲第１項記載の圧電素子を用いた弁。 〈３〉 圧電積層体１１と変位拡大機構とが夫々
   ２組弁体２の両側の一平面上に配設されている
   実用新案登録請求の範囲第１項及び第２項記載
   の圧電素子を用いた弁。