JP2000197374A - ピエゾアクチュエ―タ並びにこれを用いた制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾアクチュエータの固定構造の簡略化と
固定部品の低減が図れ、かつ、廉価に提供できるように
する。 【解決手段】 筒状の金属ケース１の一端にダイヤフラ
ム４の周縁が固定され、他端に蓋部材５が固定され、こ
の筒状の金属ケース１の内部に収容されたピエゾスタッ
ク２の一端が前記ダイヤフラム４の上面に固定され、ま
た、このピエゾスタック２の他端が前記蓋部材５に固定
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば液体や気
体などの流体の流量を制御する制御弁を駆動するためな
どに使用されるピエゾアクチュエータ、更に詳しくは積
層されたピエゾ素子に電圧を印加することによって生じ
る圧電歪力を利用して被駆動部を作動させるピエゾアク
チュエータの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種ピエゾアクチュエータは、
例えば制御弁に適用された場合を例にとって考察してみ
ると、図５に示されるように、湿度による寿命の低下を
防止するために、積層されたピエゾ素子０１全体、つま
りピエゾスタック０２を蛇腹金属ケース０３に内蔵さ
せ、これによって外気との接触を阻止するように構成さ
れている。この金属ケース０３は、ピエゾスタック０２
を覆っていて、ピエゾスタック０２の変位はこの蛇腹金
属ケース０３の蛇腹による可動部０４の変形（伸縮）と
して現出され、この伸縮動でバルブ０５が変位されて流
路０６の開閉が行われる。

【０００３】ところで、この従来の構造では、図示され
るように、前記金属ケース０３は、その上端が上プレー
ト０７に、また、下端が下プレート０８にそれぞれろう
付などの手段で接合されている。このように一体的に形
成された金属ケース０３は、弁ブロック０９にネジなど
によって適宜に取付けられた筒状のバルブケース０１０
内に収容されている。また、この金属ケース０３は、そ
の上部がこのバルブケース０１０の上端に螺着されたユ
ニオンナット形状の調節ナット０１１によって固定され
るとともに、下端が真球０１２を介してプランジャー、
つまり前記バルブ０５（図例ではダイヤフラム）を押圧
するようにして固定される。したがって、従来のピエゾ
スタック０２は、その上下がこのバルブケース０１０に
固定されていた。

【０００４】ところで、このように構成されているピエ
ゾアクチュエータは、その作動量の大小に応じて、必然
的にピエゾ素子の積層枚数が大小調整されるものである
から、出来上がったピエゾスタック０２はその上下全体
寸法が大小異なる。そして、図示される従来の弁制御構
造は、このピエゾスタック０２が弁ブロック０９に取付
けられたバルブケース０１０内に上下が固定される形で
収容される構成が採用されている。したがって、このバ
ルブケース０１０は、内部に収容されるピエゾスタック
０２の上下寸法の大小それぞれの大きさ応じて形成され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のピ
エゾアクチュエータは、必ず、バルブケースを必要とし
ていた。また、ピエゾスタツクの大小に応じて、固定部
の部品及び構造を換える必要があった。つまり、需要者
は多数のバルブケースや各種交換部品を常備する必要が
あったり、ピエゾアクチュエータの大小変化に応じてバ
ルブケースを弁ブロック０９に付け替えたりする作業が
要求される。これは、コスト面でも、取り扱い上でも大
変不便であった。また、部品点数も多く、構造も複雑で
ある。

【０００６】本発明は、この従来構造の欠点に鑑みて開
発されたもので、基本的には従来のバブルケースをなく
し、言わばピエゾアクチュエータを本体ブロックなどの
固定部に直に取り付ける手段を採用した。すなわち、こ
のピエゾスタックの固定部と駆動部とを従来のように上
下に分担させる方式を根底から覆し、ピエゾスタックの
同一端で固定と駆動とを行えるように発想の転換を図っ
た所に最大の特徴がある。したがって、本発明は、ピエ
ゾアクチュエータの固定構造の簡略化と固定部品の低減
が図れ、かつ、廉価に提供できるようにすることを課題
とする。

【０００７】また、第２の課題は、簡便な構造の制御弁
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、筒状
の金属ケースの一端にダイヤフラムの周縁が固定され、
他端に蓋部材が固定され、この筒状の金属ケースの内部
に収容されたピエゾスタックの一端が前記ダイヤフラム
の上面に固定され、また、このピエゾスタックの他端が
前記蓋部材に固定されたものである。

【０００９】この手段によれば、ピエゾ素子に電圧が印
加されて前記ピエゾスタックに伸びを生じると、前記ダ
イヤフラムの薄肉部が変形して周縁部と中心部とで変位
が生じる。したがって、この変位を利用して被駆動部が
作動される。この場合、前記ダイヤフラムの周縁部を固
定しておくことで、中心部をこのピエゾスタックの出力
部として機能させ、逆に中心部を固定しておくことで、
周縁部を出力部として機能させることができる。すなわ
ち、ダイヤフラムの中心部を固定しておくと、ピエゾス
タックの歪みは、筒状の金属ケースを介して周縁部を上
下するように働くからで、この筒状の金属ケースの上下
動に伴って上下動されるダイヤフラムの周縁の動きで被
駆動部が作動されるのである。

【００１０】筒状の金属ケースの外周に外方に張り出す
外向きのフランジが一体に備わっている構成を採用する
のが望ましい。この外向きのフランジを直接にユニオン
ナットなどによって固定部に締めつけて簡便に固定でき
るため、ピエゾアクチュエータの装着・離脱が短時間
で、しかも簡便に行えるからである。

【００１１】そして、この筒状の金属ケースにはピエゾ
素子と熱膨張係数が同様の素材を採用するのが望まし
い。ダイヤフラムでの変位量が、中心肉厚部でも、周縁
肉厚部でも同じように得られるからである。つまり、熱
膨張によっても、ピエゾ素子とこの筒状の金属ケースと
の歪みの差を可及的に零に近づけることができるから
で、前記中心肉厚部と周縁肉厚部との温度による変位量
の差を格段に低減できる上で極めて有効であるからであ
る。

【００１２】また、請求項４の発明は、筒状の金属ケー
スの一端にダイヤフラムの周縁が固定され、他端に蓋部
材が固定され、この筒状の金属ケースの内部に収容され
たピエゾスタックの一端が前記ダイヤフラムの上面に固
定され、また、このピエゾスタックの他端が前記蓋部材
に固定されたピエゾアクチュエータと、このピエゾアク
チュエータの下部を挿脱自在に嵌合装着するとともに
も、本体ブロックに着脱自在に固定される筒部材と、流
体流路を備えた本体ブロックと、前記ピエゾアクチュエ
ータの下端と本体ブロックの流路開口との間に介装され
ていて、ピエゾアクチュエータの作動によりこの流路開
口を制御する弁構造部とから構成されたことである。

【００１３】この請求項４の手段によれば、ピエゾアク
チュエータに所定の電圧を加えることにより、このピエ
ゾアクチュエータの作動が弁構造部に伝えられる。その
結果、流体流路の開口の開き度合いが調整され、流体流
路を流れる流体の流量が調整される。

【００１４】したがって、この発明は次の効果を有す
る。請求項１の発明では、ピエゾアクチュエータが、ピ
エゾスタックとこれを内蔵する筒状の金属ケースと一端
のダイヤフラムと他端の蓋部材で形成されているので、
ピエゾアクチュエータを例えば本体ブロックなどの固定
部に固定するのに、従来の構造のようなバルブケースを
全く不要とするので、この種従来構造に比べて使用部品
点数が少なくなり、なによりもその固定のための構造か
格段に簡素になる。

【００１５】また、このピエゾアクチュエータを被駆動
部に固定する手段も、前記筒状の金属ケースの一端をこ
の被駆動部の本体ブロックなどにユニオンナットなどを
用いたり、あるいはダイヤフラムの周縁肉厚部や中心肉
厚部を直に被駆動部の固定部分に直に固定したりするこ
とも可能にして、簡単に達成できる。したがって、被駆
動部の作動量の大小に応じた寸法のピエゾアクチュエー
タを適宜選択して取り替える作業も、格段に簡便にな
る。併せて、このようにピエゾアクチュエータの固定部
に対する固定手段に多様性が得られるので、その適用商
品の多様性にもうまく対応でき、汎用性を格段に高める
ことができる。

【００１６】請求項４の発明では、制御弁の全体構造
を、使用部品少なく、かつ、簡素な構造にまとめること
ができ、そのためにまた、廉価に提供できる。併せて、
流体流路を備えた本体ブロックに対するピエゾアクチュ
エータ並びに弁構造部の取付け、取り外しが格段に簡単
であるから、各種作動量の異なるピエゾアクチュエータ
の取り替えが容易になる。したがってまた、流体流量の
コントロール量に、簡便にバリエーションを持たせるこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、図面の記載
を参照にしながら説明する。図１〜図２は、この発明に
係るピエゾアクチュエータの一実施の形態を示したもの
である。

【００１８】まず、図１は本発明に係るピエゾアクチュ
エータの全体構造示す断面図、第２図はその分解斜視図
である。本発明に係るピエゾアクチュエータ１は、ピエ
ゾ素子を積層してなるピエゾスタック２が、ほぼ同じ長
さを備えた筒状の金属ケース３内に収容されている。

【００１９】このピエゾスタック２の下端にはダイヤフ
ラム４の中央肉厚部４Ａが固定されている。また、この
ダイヤフラム４の周縁肉厚部４Ｂは、前記金属ケース３
の下端に気密を保って固定され、これによって、ピエゾ
スタック２の下端が金属ケース３の下端に固定される。

【００２０】また、この金属ケース３の上端にはキャッ
プ（蓋部材）５が気密を保って、ロウ付けなどの手段に
よって固定的に嵌着され、このキャップ５の内側にピエ
ゾスタック２の上端が固定され、これによって、ピエゾ
スタック２の上端が金属ケース３の上端に固定される。

【００２１】この金属ケース３はその径がピエゾスタッ
ク２よりも大径に形成されていて、この金属ケース３内
側とピエゾスタック２の外側との間には隙間６が形成さ
れるように構成され、この隙間６に、湿度によってこの
ピエゾ素子の寿命が低下するのを防止するために、一例
として窒素ガス、乾燥空気、フロンガス、六フッ化イオ
ウガスなどの電気絶縁性の優れたガスが封入されてい
る。

【００２２】金属ケース３の下端は、図示されるよう
に、全周にわたって外向きのフランジ７が形成されてい
る。この外向きのフランジ７がダイヤフラム４の周縁肉
厚部４Ｂの上面に形成された嵌合凹入部８内に嵌合され
て気密に固定されている。

【００２３】そして、この筒状の金属ケース３の材質に
はピエゾ素子と熱膨張率が同様の素材を採用するのが望
ましい。ダイヤフラム４での変位量が、中心肉厚部４Ａ
でも、周縁肉厚部４Ｂでも同じように得られるからであ
る。つまり、熱膨張によっても、ピエゾ素子とこの筒状
の金属ケース３との歪みの差を可及的に零に近づけるこ
とができるからで、前記中心肉厚部４Ａと周縁肉厚部４
Ｂとの温度による変位量の差を格段に低減できる上で極
めて有効であるからである。

【００２４】なお、図中９は、キャップ５から延設され
た、このピエゾスタック２に電圧を供給するための給電
線である。

【００２５】したがって、上記のように構成されたピエ
ゾアクチュエータ１は、給電線９を介してピエゾスタッ
ク２に所定の電圧を印加すると圧電現象によって、各ピ
エゾ素子がそれぞれ歪む。この歪みは、ピエゾスタック
２の上端が金属ケース３に固定されているから、下方に
伝達される。その結果、下端に固定連結されたダイヤフ
ラム４が下方に変位する。この変位量で被駆動部が作動
される。

【００２６】このとき、ダイヤフラム４の周縁肉厚部４
Ｂを固定部に固定した使用の態様を採用すると、ピエゾ
スタック２の歪みはこのダイヤフラム４の中央肉厚部４
Ａを上下方向に変位するように働く。逆に、ダイヤフラ
ム４の中央肉厚部４Ａを固定部に固定した使用の態様を
採用すると、ピエゾスタック２の歪みは、キャップ５を
介して筒状の金属ケース３全体を上下動させるように働
き、結果として、このダイヤフラム４の周縁肉厚部４Ｂ
を上下方向に変位するように働く。

【００２７】上記実施の形態に係るピエゾアクチュエー
タ１は、次の効果を有する。すなわち、ピエゾスタック
２とこれを内蔵する筒状の金属ケース３と一端のダイヤ
フラム４と他端のキャップ５で形成されているので、ピ
エゾアクチュエータ１を、例えば弁構造部や本体ブロッ
クなどの被駆動部に固定するのに、従来の構造のような
バルブケースを全く不要とするので、この種従来構造に
比べて使用部品点数が少なくなり、なによりもその固定
のための構造が格段に簡素になる。

【００２８】また、このピエゾアクチュエータ１を被駆
動部に固定するにも、前記筒状の金属ケース３の一端を
この被駆動部にナットやビスなど用いて簡単に達成でき
る。したがって、被駆動部の作動量の大小に応じた寸法
のピエゾアクチュエータ１を適宜選択して取り替える作
業も、格段に簡便になる。

【００２９】更に、筒状の金属ケース１の下端に、その
全周にわたって外方に張り出す外向きのフランジ７が一
体に備わっている構成は、ピエゾアクチュエータ１をこ
の外向きのフランジ７を直接にユニオンナット１６など
によって固定部に締めつけて簡便に固定できるため、ピ
エゾアクチュエータ１の装着・離脱が短時間で、しかも
簡便に行える上で極めて有効である。

【００３０】次に、図３〜図５に示される構造は、前記
実施の形態に示されるピエゾアクチュエータ１を、例え
ば制御弁の駆動装置に適用した場合の応用例の一例を示
している。

【００３１】図示される制御弁はノルマルオープンタイ
プに構成されている。そして、この制御弁は、図示され
るように、ピエゾアクチュエータ１を嵌入固定するため
のバルブ押さえ１０と、このバルブ押さえ１０の下面側
に一体的に取り付けられる弁構造部１１と、更にこの弁
構造部１１の下面に一体的に取り付けられる流路を備え
た本体ブロック１２とから構成されている。そして、こ
れら三者は前記バルブ押さえ１０から弁構造部１１を貫
通し、更に本体ブロック１２にねじ込まれるボルトＢに
よって共締めされて構成される。

【００３２】バルブ押さえ１０は、ピエゾアクチュエー
タ１の下端を嵌入する筒部材１３と、この筒部材１３の
上方外周面に刻設されたネジ部１３Ａと、この筒部材１
３の下端全周に設けられ、かつ、コーナー部分に取り付
けネジの挿通孔１４Ａを備えた外向きのフランジ１４
と、この筒部材１３に上方からネジ嵌合される、先ず固
定ナット１５、その上方から螺合される調整ネットであ
るユニオンナット１６と、スペーサ１７とからなる。

【００３３】前記スペーサ１７は前記筒部材１３内部に
嵌入されて、前記ピエゾアクチュエータ１を前記ユニオ
ンナット１５で固定するために使用される。具体的に
は、金属ケース３の下端に設けられている外向きのフラ
ンジ７の上面に、このスペーサ１７の下端が当接し、上
端がユニオンナット１６の上壁内面に当接され、このユ
ニオンナット１６の筒部材１３に対するねじ込み量をこ
のピエゾアクチュエータ１に伝え、その最も好ましい設
置位置を現出するために用いられる。

【００３４】前記弁構造部１１は、図５に示されるよう
に、前記本体ブロック１２の上面側に延設された流体流
路１２Ａの流路開口１２Ｂを下面平坦面で開閉するダイ
ヤフラム１８、このダイヤフラム１８が前記流体流路１
２Ａを常時開放する方向に付勢するように働く、バネ受
け１９とバネ２０と、そしてこのバネ２０の上端を、こ
のダイヤフラム１８のプランジャー部２１に関連付けて
固定するための割りピンからなるバネ止め２２とからな
る付勢機構２３から構成される。前記プランジャー部２
１はダイヤフラム１８の中央肉厚部１８Ａが上方に凸に
延出されて形成されている。

【００３５】また、このダイヤフラム１８の周縁肉厚部
１８Ｂにはその上面から一段落ち込んで、前記プランジ
ャー部２１を中心にして同芯状の、凹入段部２４が設け
られていて、ここに前記筒部材１３の下方に一体的に突
出延設された嵌合突条２５が嵌合され、この凹入段部２
４と嵌合突条２５との間で前記バネ受け１９が挟持され
ている。

【００３６】図５に示されるように、ピエゾアクチュエ
ータ１のダイヤフラム４の下面中央と、弁構造部１１の
プランジャー部２１の上面中央には、それぞれ円錐状の
凹み２６，２７が形成され、これら上下の凹み２６，２
７に挟持されるようにして真球２８が介装されて球面軸
受け部２９がピエゾアクチュエータ１のダイヤフラム４
の下面と弁構造部１１のプランジャー部２１の間に形成
されている。

【００３７】上記構成の制御弁においては、ピエゾアク
チュエータ１に所定の電圧を加えることにより、球面軸
受け部２９を介してこのピエゾアクチュエータ１の作動
がプランジャー部２１に伝えられる。その結果、流体流
路１２Ａの開口１２Ｂの開き度合いが調整され、流体流
路１２Ａを流れる流体の流量が調整される。

【００３８】また、図１〜２に示されるように、ピエゾ
アクチュエータの１の筒状の金属ケース３の下端に、そ
の全周にわたって外方に向かって一体に突出延設された
外向きのフランジ７が備わっていると、例えば図３〜５
に示されるように、このピエゾアクチュエータ１を本体
ブロックなどの固定部に、ユニオンナット１６などによ
って直接に、しかも格段に簡便に装着したり、取り外し
たりすることができる。したがってまた、各種作動量の
異なるピエゾアクチュエータ１の取り替えが容易にな
る。その結果、流体流量のコントロール量に、簡便にバ
リエーションを持たせることができる。

【００３９】なお、本実施の形態では、ノルマルオープ
ンタイプに適用されているが、ノルマルクローズタイプ
にも転用される。たま、制御弁は、それのみでも使用で
きるが、例えば流体流量を測定するマスフローメータと
組み合わせことにより、マスフローコントローラとして
使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るピエゾアクチュエータの縦断面
図である。

【図２】この発明に係るピエゾアクチュエータの分解斜
視図である。

【図３】この発明に係るピエゾアクチュエータを用いて
構成された制御弁の全体断面図である。

【図４】この発明に係るピエゾアクチュエータを用いて
構成された制御弁の分解斜視図である。

【図５】図３に示される制御弁の要部の拡大断面図であ
る。

【図６】従来構造の断面図である。

【符号の説明】

１…ピエゾアクチュエータ、２…ピエゾスタック、３…
筒状の金属ケース、４…ダイヤフラム、５…蓋部材、７
…外向きのフランジ、１１…弁構造部、１２本体ブロッ
ク、１２Ａ…流体流路、１２Ｂ…流路開口、１３…筒部
材。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の金属ケースの一端にダイヤフラム
   の周縁が固定され、他端に蓋部材が固定され、この筒状
   の金属ケースの内部に収容されたピエゾスタックの一端
   が前記ダイヤフラムの上面に固定され、また、このピエ
   ゾスタックの他端が前記蓋部材に固定されていることを
   特徴とするピエゾアクチュエータ。
2. 【請求項２】 筒状の金属ケースの外周に外方に張り出
   す外向きのフランジが一体に備わっている請求項１記載
   のピエゾアクチュエータ。
3. 【請求項３】 筒状の金属ケースの材質がピエゾスタッ
   クを構成するピエゾ素子と同様の熱膨張率を備える素材
   である請求項１又は２記載のピエゾアクチュエータ。
4. 【請求項４】 筒状の金属ケースの一端にダイヤフラム
   の周縁が固定され、他端に蓋部材が固定され、この筒状
   の金属ケースの内部に収容されたピエゾスタックの一端
   が前記ダイヤフラムの上面に固定され、また、このピエ
   ゾスタックの他端が前記蓋部材に固定されたピエゾアク
   チュエータと、このピエゾアクチュエータの下部を挿脱
   自在に嵌合装着するとともにも、本体ブロックに着脱自
   在に固定される筒部材と、流体流路を備えた本体ブロッ
   クと、前記ピエゾアクチュエータの下端と本体ブロック
   の流路開口との間に介装されていて、ピエゾアクチュエ
   ータの作動によりこの流路開口を制御する弁構造部とか
   ら構成されることを特徴とする制御弁。