JPH0810035B2 - 圧電弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電圧を印加するとたわむ圧電素子にて流体
の流れを制御する圧電弁に関するものである。

従来の技術 従来のこの種の圧電弁は、第７図に示すように、はり
合わせた一対の強誘電体よりなる片持ち支持構成の弁作
動板１に弁体２を設け、前記弁体２に対抗するように弁
座３が構成されており、この弁作動板１に印加する電圧
によって電歪横効果で弁作動板１がたわみ、弁体２が弁
座３との揚程ａを可変することで、流量の制御をするよ
うになっていた。（例えば、特公昭55−30143号公報） しかしながら上記のような構成では、弁体２に作用す
る流体の流れによる動圧の応力を弁作動板１の板厚方向
で受ける構成で、かつ片持ち支持構成なので、弁作動板
１の剛性が流れの動圧に弱く第８図の如く電圧に対する
流量特性が歪んでしまったりするという問題点を有して
いた。つまり、印加電圧による弁作動板１のたわみ以外
の流れの動圧によってたわみ歪が左右されやすい構成で
あった。また弁作動板１がバイモルフ構造のため直流電
圧を長時間印加した場合貼合せた一方の圧電体の分極劣
化を招くという問題があつた。分極劣化する理由は、二
枚貼合せた圧電体の一方は伸び他方は縮む方向に電界を
作用させて変位を発生させるため、必然的にどちらかの
圧電体に分極時とは逆方向の電界を作用させることにな
る。分極と逆方向の電界を連続して印加した場合、圧電
体の特質として分極劣化を招く訳である。但し、交流電
圧で駆動するのであればこの問題は避けられる。

また第９図に示すように、二枚のバイモルフ型圧電素
子４と５を両端でスペーサ６により連結することによっ
て変位量を拡大し、下方の圧電素子５の中央と連動する
弁体７で通路８に設けた弁口９の開度を調節するものが
あった。（例えば、特開昭61−236974号公報） この構成においても、バイモルフ圧電素子を使用して
いることから、直流電圧を印加して駆動すると前記と同
様に圧電体の分極劣化を生じ、弁特性が変化してしまう
問題がある。このほか二つの圧電素子５と６をスペーサ
７で連結した構成のため、圧電素子で発生した変位およ
び力をスペーサおよびその連係部分でロスし、そのぶん
余分電圧を印加したり圧電素子を大きくしなければなら
ないなどの問題があった。

発明が解決しようとする問題点 本発明はかかる従来の問題点を解消するもので、圧電
素子部の剛性が十分で流体の流れによる動圧の影響を受
にくく、かつ直流電圧で駆動でき変位および力のロスの
少ない圧電弁を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の圧電弁は、薄い
金属板の片面に圧電体を貼り合わせたユニモルフ素子
と、前記ユニモルフ素子の外周縁部と嵌合隙間を有する
リング状の支持体を挟んで、前記ユニモルフ素子の表裏
の表同士を相対向させ、前記支持体に当接してなる変位
ユニットと、前記一対のユニモルフ素子のうち一方の中
心部を当接支持し他方の中心部と連結された弁体を設け
圧電弁という構成を備えたものである。

作用 本発明は上記した構成によって、電圧を加えるとユニ
モルフ素子は板厚方向にたわみ、前記ユニモルフ素子の
外周縁部は支持体と遊びを有して支持されているため、
スムーズにたわみの力のロスも少なく一対のユニモルフ
素子は、ほぼそれぞれのユニモルフ素子の力とたわみが
たし合わさった分が変位ユニットの変位として弁体に作
用し、弁体を制御する。電圧の大小により変位ユニット
の変位量が変化し弁口の開口度合も変化する。所定の電
圧を入切すれば、弁体はそれに応じて開閉する。ユニモ
ルフ素子は外周縁部を支持していることから曲げ応力に
対する剛性は、片持ち支持と比較して大きいため動圧の
影響を受けにくい圧電弁が得られることになるのであ
る。

実施例 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。第１図〜第５図において、10・11・12・13は圧電セ
ラミック材料からなる円板形状のユニモルフ素子で、こ
れらユニモルフ素子の外周縁部は支持体14・15に遊びを
有して支持されている。一対のユニモルフ素子10・11
は、互いに相対向し互いに逆方向にたわむように支持体
14にセットされ、変位ユニット16を形成している。同様
にしてユニモルフ素子12・13と、支持体15とにより変位
ユニット17を構成している。

変位ユニット16の分解斜視した状態を第３図に示し
た。ユニモルフ素子10・11は、基板に板厚0.1ミリメー
トルの42パーセントニッケル鉄合金板18に、同じく0.1
ミリメートルの板厚のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラ
ミック板19を貼合せ、基板の中心に穴20を有しその穴20
の縁より少し外側位置に圧電体の縁が形成され、引出線
21・22・23がニッケル半田で接合してある。支持体14
は、熱可塑性のポリアセタール樹脂の成形品が引出線を
通すための穴24、溝25を備えている。

変位ユニット16の斜視図を第４図に示した。ユニモル
フ素子を支持体４に挿入セット後、熱可塑性樹脂ででき
た支持体14の縁三か所を熱で溶かして押しつぶし、ユニ
モルフ素子は径方向には遊びを有しながら半固定してあ
る。第１図・第２図の本発明実施図においては、弁体26
のストロークをより大きくする目的で、変位ユニット16
・17を連結体27を介して二段連結した構成にしてある。
第５図に連結体27の斜視図を示す。

第１図に戻って説明を続けると、ユニモルフ素子10の
中心に圧力バランスピストン28を当接し、マグネット29
を介して弁体26を設けた構成である。弁体26は磁性体の
軸棒30にニトリルゴム31を球面状に焼き付け成形してあ
り、弁座32と当接した際の閉止性能に優れている。軸棒
30のマグネット29との当接面は、球面状に形成し弁体26
の首振り自在性を良くし、より確実な閉止性を確保して
いる。さらに弁体26には弁座32に付勢される方向にスプ
リング33が作用している。

マグネット29は、圧力バランスピストン28の中に固着
され、軸棒30の球面を吸着保持する作用だけでなく、ポ
リアセタール樹脂のバランスピストン28外周の溝部の磁
性流体34を吸着保持し、流体通路35と変位ユニット室36
との間を磁性流体シールしている。そのほかボディケー
ス37には入口38と出口39が形成され、上蓋40と下蓋41が
取り付けられている。

下蓋41の中心には調節ねじ42が捩込まれ、ユニモルフ
素子13の中心に当接し、ユニモルフ素子13の固定位置を
調節するとともに支持するように構成してある。

上記構成において、印加電圧が零の状態ではユニモル
フ素子10・11・12・13は第１図のように平坦であり、弁
体26は弁座32を閉止している。したがって流体の流れを
閉塞した状態である。ユニモルフ素子10・11・12・13に
電圧を加えると電圧の大きさに応じてユニモルフ素子10
・11・12・13のたわみ量が変化すると共に変位ユニット
16・17の変位量も変化し第２図のように弁体26は開く。
変位ユニット16・17の変位量に応じて弁体26が弁座32と
の開度を変化させるため、流体流量を可変するよう作用
しその特性は第６図のようになる。

この場合流体の流れは、入口35と出口36とを逆にして
も制御可能である。この場合試験結果によると特性の傾
斜（ゲイン）および位置（電圧値）が少し変わる程度で
あった。また、変位ユニット16・17の剛性が十分である
ため、流体の流れによる動圧の影響も全く特性に現れず
良好であった。ユニモルフ素子の剛性は、短冊形でも十
分であるが円板形にするとさらに大きい剛性が得られ
る。加えて円板形は形状が簡単で量生産しやすく、組立
治具、組立性の点からも利点がある。

また互いに逆方向に変位するユニモルフ素子を相対向
させた構成のため、変位拡大効果が十分得られると共
に、ユニモルフ素子の外周縁部を支持体で支持した構成
であるため剛性が得られ、かつ外周縁部の支持に遊びを
有した構成であるために、力および変位にロスがなくス
ムーズで良好な特性が得られるという効果がある。これ
はたわみ軸方向にはガタが発生せず、ユニモルフ素子の
外周縁部が径方向にたわみ移動するのに何ら抵抗になら
ない支持構成であるためである。

また既に説明したように、ユニモルフ素子であるた
め、直流電圧で駆動しても素子の分極が劣化する心配が
なく、家庭用機器等に組み込んで長期間特性変化がなく
安心して使用できるという効果がある。また直流電圧で
駆動できるということは、交流電圧のように素子に充放
電を繰返しながら放電分ロスする場合と比較して、格段
に放電ロスが少なくさらに低消費電力である圧電弁を実
現できるという特有の効果がある。

さらにまた変位ユニットを、連結体を介して複数連結
できる構成であるため、大きい力および変位を必要とす
る大流量用圧電弁にもたやすく適用できる。また連結体
27を導電性材質が構成すれば、引出線23が不要になり組
立てがより簡単になるという効果がある。

また一般的に圧電素子の電極には銀電極がよく用いら
れるが、ニッケル電極にして引出線をニッケル半田にて
接合した構成にすることによって、半田づけ時や直流電
圧駆動する際の銀移行、いわゆるマイグレーシヨンによ
る電極の部分消失や導通不良などのトラブルを防止でき
る効果がある。

またユニモルフ素子は、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電
セラミックと鉄ニッケル板を貼合せた構成であり、これ
ら貼合せた材質の熱膨張係数が互いに近い値であること
から、温度の影響が少なくできる効果がある。

さらにまた変位ユニットは、支持体を熱可塑性樹脂で
構成しユニモルフ素子を挿入後前記支持体の一部を熱で
溶かして前記ユニモルフ素子の外周縁部を遊びを持たせ
れ半固定する構成であることから、まず支持体が樹脂で
軽くできユニモルフ素子の動作上余分な力ロスや応答に
支障をきたさず有利である。また樹脂の一部を熱コテで
溶かすだけであり、余分な部品の不要で作業も簡単であ
る。

また支持体の一部に引出線を通す穴４あるいは溝25を
形成したことにより、引出線の配線作業がしやすく、か
つ配線位置が定まり電気絶縁やリークショートなどの問
題が生じにくいなどの効果がある。

またユニモルフ素子のうち弁体を設ける側の反対側の
固定部分に調節ねじを当接した構成であり、簡単に変位
ユニットの位置なり、弁体の動作位置もしくは無通電位
置を微調整できるため、組立後あるいは機器組込後、部
品やその他による特性のばらつきを補える効果がある。
具体的には調節ねじの調整で、弁体が開きはじめる電圧
値や所定最大流量になる電圧値など電圧特性を可変した
り、無通電時に最小流量維持する弁開度にすることなど
もできるという特有の効果が得られる。

またユニモルフ素子は基板の中心に穴20を設け、その
穴20の縁から少し外側位置に圧電体の線が形成された構
成のため、ユニモルフ素子の中心支持部に作用する応力
がその基板には直接作用しても、圧電体には間接的にか
つ弱められて作用することになり、圧電体が割れたり亀
裂を生じたりすることを防止できるため、長期耐久信頼
性のより高い圧電弁を実現できる効果がある。

発明の効果 以上のように本発明の圧電弁によれば次の効果が得ら
れる。

互いに相対向し互いに逆方向い変位する一対の板状の
ユニモルフ素子と、前記一対のユニモルフ素子の外周縁
部を遊びを有して支持する支持体とからなる変位ユニッ
トと、前記一対のユニモルフ素子のうち一方の一部を固
定し他方に弁体を設けた構成としているので、 （１）まず互いに逆方向に変位するユニモルフ素子を相
対向させた構成のため、変位拡大効果が十分得られる。

（２）かつユニモルフ素子の外周縁部を支持体で支持し
た構成であるため剛性が得られ、流体の流れによる動圧
の影響をほとんど受けない。

（３）かつ外周縁部の支持に遊びを有した構成であるた
めに、力および変位にロスがなくスムーズで良好な特性
が得られるという効果がる。これはたわみ軸方向にはガ
タが発生せず、ユニモルフ素子の外周縁部が径方向にた
わみ移動するのに何ら抵抗にならない支持構成であるた
めである。

（４）ユニモルフ素子であるため、直流電圧で駆動して
も素子の分極が劣化する心配がなく、家庭用機器等に組
み込んで長期間特性変化がなく安心して使用できうとい
う効果がある。

（５）また直流電圧で駆動できるということは、交流電
圧のように素子に充放電を繰返しながら放電分ロスする
場合と比較して、格段に放電ロスが少なくさらに低消費
電力である圧電弁を実現できるという特有の効果があ
る。

（６）電磁力やモータを使用した弁と比較して構成が簡
単で部品点数も少なく、また消費電力が極めて小さく流
量の連続可変または開閉制御と用途が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における圧電弁の正面断面図、
第２図は同圧電弁の開状態を示す正面断面図、第３図は
同圧電弁の変位ユニットの分解斜視図、第４図は同圧電
弁の変位ユニットの斜視図、第５図は同圧電弁の連結体
の斜視図、第６図は同圧電弁の代表流量特性図、第７図
は従来の圧電弁の正面断面図、第８図は同圧電弁の代表
流量特性図、第９図は他の従来の圧電弁の正面断面図で
ある。 10・11・12・13……ユニモルフ素子、14・15……支持
体、16・17……変位ユニット、26……弁体、27……連結
体、42……調節ねじ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−4682（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−65968（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−114499（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−160187（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄い金属板の片面に圧電体を有り合わせた
   ユニモルフ素子と、前記ユニモルフ素子の外周縁部と嵌
   合隙間を有するリング状の支持体を挟んで、前記ユニモ
   ルフ素子の表裏の表同士を相対向させ、前記支持体に当
   接してなる変位ユニットと、前記一対のユニモルフ素子
   のうち一方の中心部を当接支持し他方の中心部と連結さ
   れた弁体を設けた圧電弁。
2. 【請求項２】変位ユニットを、連結体を介して複数連結
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１向記載の圧電
   弁。
3. 【請求項３】連結体は、導電性材質で構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の圧電弁。
4. 【請求項４】ユニモルフ素子を円板形状としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
5. 【請求項５】ユニモルフ素子は基板の中心に穴を設け前
   記穴の縁から少し外側位置に圧電体の縁が形成されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
6. 【請求項６】ユニモルフ素子は圧電セラミックと鉄ニッ
   ケル板を貼合せ、前記圧電セラミック上にニッケル電極
   を構成し、引出線をニッケル半田にて接合した構成の特
   許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
7. 【請求項７】ユニモルフ素子に直流電圧を印加し駆動す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電
   弁。
8. 【請求項８】変位ユニットは、支持体を熱可塑性樹脂で
   構成すユニモルフ素子を挿入後前記支持体の一部を熱で
   溶かして前記ユニモルフ素子の外周縁部を遊びを持たせ
   て半固定した特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
9. 【請求項９】ユニモルフ素子のうち弁体を設ける側の反
   対側の固定部分に調節ねじを当接したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。
10. 【請求項１０】支持体の一部に引出線を通す穴あるいは
    溝を形成した特許請求の範囲第１項記載の圧電弁。