(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層圧電アクチュエータバルブであって、バルブ本体（１１）の上面に形成される弁座（１８）、弁座を覆うように配置されるシール板（１６）、シール板を弁座のシール面へ押圧可能な押圧機構、前記バルブ本体の上面に固着されるバルブボンネット（３２）、バルブボンネットに固着されるＵ字形ブラケット（５１）、及びＵ字形ブラケットに固着される電力供給用のコネクタ（８３）を備え、押圧機構は、積層圧電アクチュエータ（８０）を備えその変形に応じてシール板を弁座のシール面へ押圧するものであり、前記弁座は、第２流路（６８）の開口端のまわりに配置されるシール面及びシール面の外側に形成される上方開放の流体室を備え、流体室はバルブ本体中へ伸長する第１流路（６２）へ連通され、シール板は、少なくとも弁座のシール面に対面する部分にゴム膜（１６１）を備えた金属板（１６２）から成り、ゴム膜をシール面から離間する方向へ作用する弾性力を有し、積層圧電アクチュエータのリード線（８６）がピン（８４）及びソケット（８５）を介しコネクタ（８３）に接続され、
前記押圧機構は、積層圧電アクチュエータの可動端に調整ナットを介して取外し可能に連結されるシール板押圧体（４１）、シール板押圧体に固着されるバネホルダー（４４）、バネホルダーとシール板の間に配置される球体及びプッシュプレート（４６）、並びにバネホルダーとバルブ本体に対し不動のバネカバー（３３）の間に圧縮状態に配置されてプッシュプレート及びシール板をバルブ本体へ向けて押圧するバネ（４７）を備え、バルブ本体に固着されるバルブボンネット（３２）を介して積層圧電アクチュエータの固定端がバルブ本体に対し不動に且つ取外し可能に支持され、
前記シール板押圧体（４１）は、チタンアルミ合金で作られ、バネホルダー（４４）、プッシュプレート（４６）及びバネカバー（３３）は、ステンレススチールで作られる積層圧電アクチュエータバルブ。
【請求項２】
積層圧電アクチュエータバルブであって、バルブ本体（１１）の上面に形成される弁座（１８）、弁座を覆うように配置されるシール板（１６）、シール板を弁座のシール面へ押圧可能な押圧機構、前記バルブ本体の上面に固着されるバルブボンネット（３２）、バルブボンネットに固着されるＵ字形ブラケット（５１）、及びＵ字形ブラケットに固着される電力供給用のコネクタ（８３）を備え、押圧機構は、積層圧電アクチュエータ（８０）を備えその変形に応じてシール板を弁座のシール面へ押圧するものであり、前記弁座は、第２流路（６８）の開口端のまわりに配置されるシール面及びシール面の外側に形成される上方開放の流体室を備え、流体室はバルブ本体中へ伸長する第１流路（６２）へ連通され、シール板は、少なくとも弁座のシール面に対面する部分にゴム膜（１６１）を備えた金属板（１６２）から成り、ゴム膜をシール面から離間する方向へ作用する弾性力を有し、積層圧電アクチュエータのリード線（８６）がピン（８４）及びソケット（８５）を介しコネクタ（８３）に接続され、
前記押圧機構は、積層圧電アクチュエータの可動端に調整ナットを介して取外し可能に連結されるシール板押圧体（４１）、シール板押圧体に固着されるバネホルダー（４４）、バネホルダーとシール板の間に配置される球体（４５）及びプッシュプレート（４６）、並びにバネホルダーとバルブ本体に対し不動のバネカバー（３３）の間に圧縮状態に配置されてプッシュプレート及びシール板をバルブ本体へ向けて押圧するバネ（４７）を備え、バルブ本体に固着されるバルブボンネット（３２）を介して積層圧電アクチュエータの固定端がバルブ本体に対し不動に且つ取外し可能に支持され、
前記金属板（１６２）は、ニッケルコバルト合金で作られ、球体（４５）は、サファイアで作られることを特徴とする積層圧電アクチュエータバルブ。
【請求項３】
前記金属板（１６２）は、円板部分（１６３）、外周平面部分（１６５）及び両部分を連結する円錐部分（１６４）を含み、ゴム膜（１６１）は、円板部分にゴムを加硫蒸着して形成されたものであり、バルブ本体の弁座（１８）のまわりに取付面が配置され、金属板の外周平面部分が取付面に気密に取付けられることを特徴とする請求項１又は２の積層圧電アクチュエータバルブ。
【請求項４】
前記積層圧電アクチュエータに電圧が印加されないとき、バネの弾性力がバネホルダー、球体及びプッシュプレートを介してシール板へ伝達されシール板を弁座へ押圧し、それによりシール板のゴム膜とシール面の間に真空シールが形成され、積層圧電アクチュエータに電圧が印加されるとき、積層圧電アクチュエータの可動端が弁座から離間する方向へ運動し弾性力に抗してバネホルダーをシール板から離間し、それによりシール板がそれ自体の弾性力により球体及びプッシュプレートを移動して弁座から離間し、第１流路と第２流路を連通することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項の積層圧電アクチュエータバルブ。
【請求項５】
前記第１流路を積層圧電アクチュエータの長手方向に平行のバルブ軸線に垂直方向に伸長する管に連通させ得る入側管継手、第２流路をバルブ軸線に垂直方向に伸長する管に連通させ得る出側横管継手、及び第２流路をバルブ軸線と同方向に伸長する管に連通させ得る出側縦管継手をバルブ本体に設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項の積層圧電アクチュエータバルブ。
【請求項６】
積層圧電アクチュエータと電源の間を過電圧から積層圧電アクチュエータを保護する保護抵抗を介して電気的に接続し、また短絡抵抗を備える積層圧電アクチュエータの短絡回路を設け、積層圧電アクチュエータに電圧を供給しないとき、短絡回路を閉じて積層圧電アクチュエータを短絡させ、積層圧電アクチュエータのヒステリシスを解除できるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項の積層圧電アクチュエータバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量のガス流量を制御する積層圧電アクチュエータバルブに関する。本発明は、特に核融合装置への燃料ガス注入設備におけるガス注入弁や真空試験装置におけるガス流量制御バルブとして好適に使用され得る積層圧電アクチュエータバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、積層圧電素子の変形量を梃子により伝達しガス流量を変化させる積層圧電素子弁や積層圧電素子の一種であるピエゾスタックを用いたノーマルクローズ型の流量制御バルブが、例えば、特開平１０−１７３４４０号公報、特公平６−１２１４６号公報により知られる。圧電素子は、電磁気の影響を受けずまた付加する電圧に応じて正確に変位を制御可能であるので、磁場の作用する核融合装置において好適に使用される。
【０００３】
図１に従来の積層圧電素子弁の１例を示す。図１の積層圧電素子弁１００は、入側フランジ１０１内に配置され出側フランジ１２１の上面に固着される弁機構１３０を備える。弁機構１３０は、積層圧電アクチュエータ８０、カバー１１７、アーム１１４、アームを枢動可能に支持するピン軸１１３、ブロック１１５、シール面１０６、及びバネ押え１０４等を備える。アーム１１４の一方の端部に積層圧電アクチュエータ８０の可動端が連結され、アーム１１４の他方の端部がバネ１０５により下方へ付勢される。シール面１０６がアーム１１４の他方の端部付近に配置され、バネ１０５の弾性力により、弁座１８の弁座面へ押圧され、それによりシール面１０６と弁座１８の間が、気密状態にされる。入側フランジ１０１内に充満するガス圧がシール面１０６に予圧として作用する。
【０００４】
積層圧電アクチュエータ８０に電流導入端子１２０を介して電圧を印加するとアーム１１４の一端に連結された積層圧電アクチュエータ８０の可動端が下方へ変移する。これにより、ピン軸１１３を支点として、アーム１１４の他端が、バネ１０５の力に抗して押し上げられ、弁座１８とシール面１０６間に隙間が生じ、その間隙を通りガスが入側フランジ１０１側から弁座１８内の第２流路６８へ流出する。流れるガスの流量は、積層圧電アクチュエータ８０の印加電圧を調整し弁座１８とシール面１０６間の隙間を調整することにより制御される。
【０００５】
図１の積層圧電素子弁１００は、弁座１８とシール面１０６間にシートリークが発生した場合、弁機構１３０を収容する入側フランジ１０１内を大気圧にし、出側フランジ１２１を外して、ネジ１０２、バネホルダー１０３、バネ押え１０４、バネ１０５を調節し直すことが必要であり、不具合時には、弁を分解する必要が生じる。更に、積層圧電アクチュエータ８０に不具合が生じた場合は、出側フランジ１２１の電流導入端子１２０と積層圧電アクチュエータ８０との間のリード線を切り離す必要があった。更に入側フランジ１０１の入側管継手６３及び出側フランジ１２１の出側フランジ継手７２が一方向であるため、取り合いポートによっては、正規状態（シール面に部品の自重などの力が付加されない状態）に設置できない等の不便があった。
【０００６】
図２ａ、図２ｂは、従来のピエゾスタックを用いる流量制御バルブ及びそれに使用されるダイアフラム１１６を示す。図２ａの流量制御バルブ２００は、ピエゾスタック１８０、ダイアフラム押圧体１４１、支持プレート３９、バネ４７（コイルバネ）、バネホルダー４４、球体４５、プッシュプレート４６、ダイアフラム１１６、及び弁座１８等を含む弁機構１３０を備える。ダイアフラム１１６の周囲の平面部分において大気圧側とガス圧側の間がシールされる。ダイアフラムの下面と弁座面が当接して第２流路６８（出側、真空側）と第１流路６２（入側、ガス圧側）の間が真空シールされる。弁機構１３０においては、ピエゾスタック１８０にリード線１２２を介して電圧を印加することによって支持プレート３９を固定点として、ピエゾスタック１８０が上方へ伸びる変位を生じ、バネ４７を縮めるようにダイアフラム押圧体１４１、バネホルダー４４が上方へ運動する。それにより、ダイアフラム１１６に対する押圧力がなくなり、弁座１８とダイアフラム１１６の間に隙間が生じて、第１流路６２から第２流路６８へ（又は圧力に応じてその逆方向へ）ガスが流れる。流れるガス流量は、ピエゾスタック１８０に印加する電圧を制御することにより決定される。
【０００７】
図２の流量制御バルブ２００は、弁座１８とダイアフラム１１６の面がメタルタッチによるシールを行っているために超高真空域においてはシール性能が劣る（メタルタッチで超高真空のシール性能をもたせるには、相当量のピエゾスタック、又は大型のピエゾスタックを必要とする。つまり、発生力の大きいものが必用である）。また、図２ｂに示すように、ダイアフラム１１６は、ほぼ球形部分を備えるもの（ドーム型）であり、印加電圧が小さく電流が一定にならないときは、ガス流出速度が劣る場合がある。また、ピエゾスタック１８０に不具合が生じた場合は、ピエゾスタックの端子とリード線のハンダ外しやリード線を切り離す必要があった。更にガスの流出方向が一方向であるため、取り合いポートによっては、正規状態（シール面に部品の自重などの力が付加されない状態）に設置できない等の不便があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電素子弁は、積層圧電アクチュエータの電圧印加量を制御することにより、その変位量をアームに伝え、ピン軸を支点に他方向へ積層圧電アクチュエータの変位量を拡大して伝えて、弁座とシール面の当接部間隔を変えることにより、制御されたガス流量を得ている。電圧を解除すると、積層圧電アクチュエータの変位が戻り、バネの付勢力によって再びシール面と弁座が当接しシールしガス流量を零とするが、弁座、シール面の損傷等によりシール面と弁座の間にシートリークを生じた場合や弁機構部位に不具合が生じた場合には、弁全体を分解し調整することが必要である等の保守面の問題やその際の設定軸と動作軸の再設定の難しさ等の問題がある。また、コンフラットフランジ等により取り合いを行う場合、相手側フランジの位置によっては変換フランジの細工を行わないと正規の取り付けができない短所がある。
【０００９】
図２ａの従来の流量制御バルブ２００は、ピエゾスタック１８０の電圧を制御しピエゾスタックの可動端１８２を変移させると、ダイアフラム押圧体１４１がバネホルダー４４を持上げ、コイルバネ４７を収縮させて、ダイアフラム１１６に対する押圧力が解除され、弁座１８とダイアフラム１１６の当接隙間が変化され、流量を低差圧で制御する。電圧を解除すると、ピエゾスタック１８０の変移が戻り、コイルバネ４７の付勢力によって再びダイアフラム１１６と弁座１８が当接し流量を零としシールする。ダイアフラム１１６と弁座１８は、メタルタッチによるシールであることから超高真空領域で使用する場合や流体入口側圧力が高く流体出口側の圧力が低い場合等では、シートリークを発生する問題がある。また図２ａの流量制御バルブは、磁場雰囲気での使用が要求されていないことから球体４５等に磁性を帯びる材料を使用している。
【００１０】
また、図２ａの従来の流量制御バルブ２００における流量制御は、流体速度を制御することにより流量を得ることから、分単位の流量制御には高い精度を有するが、ガス流体における瞬時供給やパルス単位（秒単位）の流量制御には不向きである。更に、継手により取り合いを行う場合、相手側継手の位置によっては変換継手の細工を行わないと正規な取り付けができないとともに、ピエゾスタックへの電圧供給は、リード線にハンダ等により直接接続することが必要である。
【００１１】
本発明の目的は、従来の積層圧電素子弁やピエゾスタックを用いる流量制御バルブの短所を改良し、超高真空及び高差圧においてもシートリークの発生しない積層圧電アクチュエータバルブを提供することである。本発明の他の目的は、バルブ全体を分解することなく積層圧電アクチュエータを取外し又は取付け可能にしシートリークを発生を容易に修理可能な積層圧電アクチュエータバルブを提供することにある。本発明の別の目的は、積層圧電アクチュエータの変位量が、直動的に弁機構に伝達され、バルブを分解再組立する際に設定軸と動作軸の軸合わせを容易にし、経年的影響やガス中不純物によりシートリークが発生するときバルブを容易に分解修理可能とすることである。
【００１２】
本発明の更に別の目的は、積層圧電アクチュエータバルブを、バルブの内部構造物の重量がシール力に影響しないように、取り合いポートに自在に取り付けられるようにすることである。本発明の更に別の目的は、電圧を印加しないときに積層圧電アクチュエータの変位が完全に復元するようにし、シートリークの発生を防止することである。本発明の更に別の目的は、核融合装置において好適に使用できるように、電磁界の影響が最少の積層圧電アクチュエータバルブを提供することである。本発明の更に別の目的は、積層圧電アクチュエータバルブに不具合を生じた場合にリード線を切断することなく、電圧供給源を切離し、バルブ本体内を大気圧にすることなく分解が可能な積層圧電アクチュエータバルブを提供することである。本発明のその他の目的及び利点は、以下の説明において明らかにされる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、図３の概念構成図に示すように、基本的構成として、バルブ本体１１の上面に形成される弁座、弁座を覆うように配置される弾性を備えるシール板１６、シール板１６を弁座へ押圧可能なバネ４７及びバネ４７の押圧力を変化させる積層圧電アクチュエータ８０を有する押圧機構、シール板と弁座により調整される間隙を介して連通可能な第１流路６２及び第２流路６８を備える。押圧機構は、積層圧電アクチュエータの変形に応じてシール板を弁座のシール面へ押圧する。弁座は、第２流路の開口端のまわりに配置されるシール面及びシール面の外側に形成される上方開放の流体室を備え、流体室はバルブ本体中へ伸長する第１流路に連通される。シール板は、少なくとも弁座のシール面に対面する部分にゴム膜を備えた金属板から成り、ゴム膜をシール面から離間する方向へ作用する弾性力を有する。
【００１４】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、次の構成を備えることができる。
（１）金属板は、円板部分、外周平面部分及び両部分を連結する円錐部分を含む。（２）ゴム膜は、円板状部分にゴムを加硫蒸着して形成される。（３）バルブ本体の弁座のまわりに取付面が配置され、金属板の外周平面部分が取付面に気密に取付けられる。（４）積層圧電アクチュエータバルブは、更にバルブ本体の上面に固着されるバルブボンネット、バルブボンネットに固着されるＵ字形ブラケット、及びＵ字形ブラケットに固着される電力供給用のコネクタを備える。（５）積層圧電アクチュエータのリード線がピン及びソケットを介し電力供給用のコネクタに接続される。
【００１５】
（６）押圧機構は、積層圧電アクチュエータの可動端に調整ナットを介して取外し可能に連結されるシール板押圧体、シール板押圧体に固着されるバネホルダー、バネホルダーとシール板の間に配置される球体及びプッシュプレート、及びバネホルダーとバルブ本対に対し不動のバネカバーの間に圧縮状態に配置されてプッシュプレートをバルブ本体へ向けて押圧するバネを備える。（７）バルブ本体に固着されるバルブボンネットを介して積層圧電アクチュエータの固定端がバルブ本体に対し不動に且つ取外し可能に支持される。（８）金属板は、ニッケルコバルト合金で作られ、シール板押圧体は、チタンアルミ合金で作られ、バネホルダー、プッシュプレート及びバネカバーは、ステンレススチールで作られ、球体は、サファイアで作られる。（９）積層圧電アクチュエータに電圧が印加されないとき、バネの弾性力がバネホルダー、球体及びプッシュプレートを介してシール板へ伝達されシール板を弁座へ押圧し、それによりシール板のゴムとシール面の間に真空シールが形成される。
【００１６】
（１０）積層圧電アクチュエータに電圧が印加されるとき、積層圧電アクチュエータの可動端が弁座から離間する方向へ運動し弾性力に抗してスプリングホルダーをシール板から離間し、それによりシール板がそれ自体の弾性力により球体及びプッシュプレートを移動して弁座から離間し、第１流路と第２流路を連通させる。（１１）バルブ本体は、第１流路を積層圧電アクチュエータの長手軸線（バルブ軸線）に垂直方向に伸長する入側管継手、第２流路をバルブ軸線に垂直方向に伸長する出側横管継手、及び第２流路をバルブ軸線と同方向に伸長する管に連通させる出側縦管継手を備える。
【００１７】
（１２）積層圧電アクチュエータと電源の間を過電圧から積層圧電アクチュエータを保護する保護抵抗を介して電気的に接続する。（１３）短絡抵抗（放電抵抗）を備える積層圧電アクチュエータの短絡回路を設け、積層圧電アクチュエータに電圧を供給しないとき、短絡回路を閉じて積層圧電アクチュエータを短絡させ、積層圧電アクチュエータのヒステリシスを解除する。（１４）球体は、サファイアで作られ、磁性を帯びることなく耐摩耗性が大きい。
【００１８】
【作用】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、積層圧電アクチュエータの変位量を直動的にシート板の円板部分に伝達し、シート板のゴム膜と弁座のシール面を均一に当接させる。シート板の金属板の外周平面部分がバルブ本体とバルブボンネットの間に挟まれ真空シールを形成する。シート板のゴム膜と弁座面の間にシートリークを生じた場合、流体ガス雰囲気外に配置した積層圧電アクチュエータのアジャストナット等の固定具をネジ込むことにより、バルブを分解することなくシートリークを止めることができる。
【００１９】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、バルブ本体にガス入口を１カ所、ガス出口を２カ所（一方は閉止プラグによりシールする）備えることにより、バルブ内部の部品の重量が金属シール板と弁座のシール面圧に影響しないように、ガスマニホールドに取り付けができる。積層圧電アクチュエータへの電圧印加は、コネクタを介し電源に接続することにより行われる。積層圧電アクチュエータの不使用時は、積層圧電アクチュエータが静電容量であることから、電源側の抵抗を介して安全に短絡し、積層圧電アクチュエータのヒステリシスが除去される。積層圧電アクチュエータの不具合時は、大気圧側からコネクタも含めて交換を行うことができる。
【００２０】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブにおいては、バネの押圧力が、サファイアの球体を介しプッシュプレートへ伝達され、弁座上のシール板を安定に均一に押圧する。ブラケットに絶縁し固定されるコネクタを介し積層圧電アクチュエータへ電圧を印加すると、積層圧電アクチュエータの変位量は、支持プレートを基準点（固定点）とし、バネカバー及びステムが上方向へ駆動される。それによりバネのシール板に対する押圧力が制限され、プッシュプレートが金属板の復元力により押し上げられ、バルブ本体の弁座面と金属シール板のシール面に隙間が生じ、ガスがガス入口側から指定された一方のガス出口へ流出する。流出するガスは、印加電圧の条件により、連続的又はパルス的に流出する。
【００２１】
印加電圧を解除すれば、積層圧電アクチュエータの変位が無くなり、電源側の抵抗短絡により、積層圧電アクチュエータのヒステリシス（残留変位）もゼロとなり、サラバネの付勢力がプッシュプレートを押し下げて、弁座とシール板のシール面を当接させるとともに、真空シールを行うことにより、ガスの流れを停止させる。弁座と金属シール板のシール面にシートリークが発生した場合は、アジャストナット、ロックナットをねじ込み調整することにより、シール板押圧体がネジの付勢力を強化させることにより、バルブを分解することなく、弁座とシール板のシール面圧を大きくしてシートリークを防止する。
【００２２】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブを構成する部品材料は、核融合装置などの磁場雰囲気で使用されることや材料の放出ガスを考慮し、非磁性材料及び低放出ガス材料により構成される。常用温度に変化（摂氏２０〜３０度）のある状況においては、材料自身の持つ特性（熱膨張係数）に影響をされるため、材料の選択が必要となるが、本発明の積層圧電アクチュエータバルブを構成する部品材料は、異種の熱膨張係数材料を組み合わせて成り、シール板の金属板は復元力の関係からニッケルコバルト合金としバルブ押圧体をチタンアルミ合金とし、それ以外をステンレススチールとし、熱膨張係数の影響が最少にしている。
【００２３】
【発明の実施の態様】
図４ａ−ｄは、本発明の実施例の積層圧電アクチュエータバルブの外形図であり、図５ａ−ｃは、本発明の実施例の積層圧電アクチュエータバルブの部分断面構造図、図９は、バルブ本体上面の構造図、図１０は、シール板１６の構造図である。図１２は、本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブの主な使用部品の透視図、図１３は、図１２の積層圧電クチュエータバルブの組立状態の透視図である。図５及び図１２に示すように、積層圧電アクチュエータバルブ１０は、バルブ本体１１の上面に形成される弁座１８（図９）、弁座１８を覆うように配置されるシール板１６、及びシール板１６を弁座１８のシール面６６（図９）へ押圧可能な押圧機構５０を備える。押圧機構５０は、積層圧電アクチュエータ８０を備えその変形に応じてシール板１６を弁座１８のシール面６６へ押圧する。弁座１８は、第２流路６８の開口端６９のまわりに配置されるシール面６６及びシール面６６の外側に形成される上方開放の流体室６４を備える。
【００２４】
流体室６４は、バルブ本体１１中へ伸長する第１流路６２へ連通される。シール板１６は、図１０に示すように、少なくとも弁座のシール面６６に対面する部分にゴム膜１６１を備えた金属板１６２から成る。金属板１６２は、ゴム膜１６１をシール面６６から離間する方向へ作用する弾性力を有する。図１０に示すように、金属板１６２は、円板部分１６３、外周平面部分１６５及び両部分を連結する円錐部分１６４を備える。ゴム膜１６１は、円板部分１６３にゴムを加硫蒸着して形成される。バルブ本体１１の弁座１８のまわりに取付面７１が配置され、金属板１６２の外周平面部分１６５が取付面７１に気密に取付けられる。
【００２５】
押圧機構５０は、積層圧電アクチュエータ８０を備えその変形に応じてシール板１６を弁座１８のシール面６６へ押圧する。押圧機構５０は、積層圧電アクチュエータ８０の可動端８２に調整ナット４９、ロックナット４９を介して取外し可能に連結されるシール板押圧体４１、シール板押圧体４１にネジ４４１により固着されるバネホルダー４４、バネホルダー４４とシール板１６の間に配置される球体４５及びプッシュプレート４６、及びバネホルダー４４とバルブ本対１１に対し不動のバネカバー３３の間に圧縮状態に配置されてプッシュプレート４６をバルブ本体１１へ向けて押圧する皿バネ４７を備える。バルブ本体１１に固着されるバルブボンネット３２を介して積層圧電アクチュエータ８０の固定端８１がバルブ本体１１に対し不動に且つ取外し可能に支持される。金属板１６２は、ニッケルクロム合金で作られ、シール板押圧体４１は、チタンアルミ合金で作られる。バネホルダー４４、プッシュプレート４６及びバネカバー３３は、ステンレススチールで作られる。積層圧電アクチュエータバルブを構成する部品の材料は、低ガス放出性の非磁性材料とする。またそれらは、温度変化の影響を最小にするように異なる熱膨張材料を組合わせて構成される。
【００２６】
積層圧電アクチュエータ８０に電圧が印加されないとき、皿バネ４７の弾性力がバネホルダー４４、球体４５及びプッシュプレート４６を介してシール板１６へ伝達されシール板１６を弁座１８へ押圧し、それによりシール板１６のゴム膜１６１とシール面６６の間に真空シールが形成される。図１５は、積層圧電アクチ  図５及び図１２に示すように、シール板押圧体４１は、支持プレート３９を貫通して配置するため長穴４１１が開けられる。シール板押圧体４１の下端は、皿バネ４７及びバネカバー３３の内方を通って伸長し、バネホルダー４４に固着される。バネホルダー４４とバルブ本体１１との間には、球体４５、プッシュプレート４６、及びシール板１６が順に配置される。シール板１６は、図１０に示すように、円板部分１６３、外周平面部分１６５、及び両者の間の円錐部分１６４を備え自己復元力を有する金属板１６２、並びにシール板円板部分に形成されたゴム膜１６１から成る。ゴム膜１６１は、円板部分にゴムを加硫蒸着し形成される。金属板１６２の外周平面部分は、バルブ本体１１とバルブボンネット３８により挟持されバルブ本体１１に密封固定される。
【００２７】
図１５は、アクチュエータ８０に電圧が印加されるとき、シート板１６の円板部分１６３が弾性力により弁座１８から離間し、第１流路６２と第２流路６８が連通される様子を示す。積層圧電アクチュエータ８０に電圧が印加されると、積層圧電アクチュエータ８０の可動端８２が変移し、バネホルダー４４が弁座１８から離間する方向へ皿バネ４７の弾性力に抗して移動され、シール板１６がそれ自体の付勢力（弾性力）により球体４５、プッシュプレート４６及びシール板の円板部分１６３を移動し、円板部分１６３を弁座１８から離間させ、第１流路６２と第２流路６８を連通させる。
【００２８】
図５及び図１２に示すように、バルブ本体１１は、第１流路６２を積層圧電アクチュエータ８０の長手方向のバルブ軸線２１に垂直方向に伸長する管に連通させる入側管継手６３、第２流路６８をバルブ軸線に垂直方向に伸長する管に連通させる出側横管継手６７、及び第２流路６８をバルブ軸線と同方向に伸長する管に連通させる出側縦管継手７０を備える。
【００２９】
図１４は、積層圧電アクチュエータ８０へ電圧を印加する回路図であり、積層圧電アクチュエータ８０と電源９０は、充電抵抗９１及び過電圧から積層圧電アクチュエータ８０を保護する保護抵抗８７を介して接続される。また電源及び充電抵抗と並列に短絡抵抗（放電抵抗）８９を備える短絡回路が設けられる。切り替えスイッチ８８により積層圧電アクチュエータ８０に電圧を供給しないとき、短絡回路を閉じて積層圧電アクチュエータ８０を短絡させる。積層圧電アクチュエータ８０の端子を短絡することにより積層圧電アクチュエータの電気容量に貯蔵された電荷が零に成り、積層圧電アクチュエータのヒステリシスが解除される。
【００３０】
図５に示すように、皿バネ４７の付勢力（弾性力）は、バネカバー３３がバルブボンネット３２及びボンネット３８に固定され、バルブカバー４４、球継手の球体４５、及びプッシュプレート４６を介し、シール板１６を弁座１８へ押圧する。このときシール板１６は、バルブ本体１１の弁座１８に密着されガスの流れを閉ざす。シール板１６の外周平面部分１６５がバルブ本体１１に気密に保持されるので、併せて大気圧側、第２流路側（出側、真空側）及び第１流路側（入側、ガス圧側）との間に真空シールが形成される。
【００３１】
図１１は、積層圧電アクチュエータの形状の一例を示す外形図である。積層圧電アクチュエータ８０は、図５及び図１３に示すように、シール板押圧体４１内に収納され、調整ナット４９をねじ込むと積層圧電アクチュエータが収縮しないことから、ねじ込んだピッチ分だけシール板押圧体４１が引き上げられる。しかし、調整ナット４９をねじ込むと、積層圧電アクチュエータ８０の下端の長穴４１１が支持プレート３９底部に当たり、支持プレート３９がバルブボンネット３８に固定されているため、閉めすぎないような保護構造になっている。ロックナット４８は、調整ナット４９の調整後に固定する。このような構造により、バルブを分解することなく、大気圧側から調整ナット等を調整することにより、バルブ本体の弁座１８とシール板１６の間隙が調整可能である。
【００３２】
図１３の積層圧電アクチュエータバルブの部品立体図に示ように、この積層圧電アクチュエータバルブは、その部品数が従来の圧電素子弁の部品数より少なく、また設定軸と動作軸合わせ等も容易な構造になっている。積層圧電アクチュエータ８０は、大気側に配置され、シール板のゴム膜１６１と弁座のシール面６６は、均一に密着されるとともに間隙精度を上げるためにバルブ本体と一体化している。これは、真空リーク対象箇所の低減及び設定軸と動作軸の合わせを容易にする利点でもある。図６乃至図９に示すように、バルブ本体１１には、ガス入口（第１流路６２）が１ヶ所、ガス出口（第２流路６８）が２ヶ所付いたバルブ本体で、ガス出口２ヶ所の内、使用しない出口は、図６のレジューサースリーブ７４及びネジ部７５を備える閉止キャップ７３を取り付けることによりガスが流れない構造をしている（図７及び図８参照）。
【００３３】
図５、図１４及び図１５に示すように、積層圧電アクチュエータ８０への電圧供給は、電源９０からコネクタ８３、ピン８４及びソケット８５付きリード線８６にて行える構造である。ボンネット３８、シール板押圧体４１、六角ボルト３４、調整ナット４９、ロックナット４８、ピン付きリード線８６等が、コネクタ８３の取り付けられたＵ字形ブラケット５１内に保護される形で配置される。Ｕ字形ブラケット５１は、バルブボンネット３２に小ネジ３１により固定される。積層圧電アクチュエータバルブ１０は、積層圧電アクチュエータ８０を円筒状のシール板押圧体４１（図１２）内部に収納し、コネクター８３を介し直流電源と接続し、電圧を印加する構造を備える。無電圧時は、積層圧電アクチュエータ８０は、電源回路内の放電抵抗（短絡抵抗）８９を介して短絡し、充電されない。また異常電圧等による積層圧電アクチュエータ８０の不具合防止のため保護抵抗８７が組込まれる。積層圧電アクチュエータ８０に直流電圧を印加すると、積層圧電アクチュエータ８０がその長手方向に伸びる変位を生じ（圧電縦効果）、シール板押圧体４１全体が引き上げられ、皿バネ４７を縮める方向に作用し、シール板１６がそれ自体の弾性力によりゴム膜１６１とバルブ本体の弁座１８のシール面６６の間に隙間が生まれて、ガスが流体室６４（ガス入口）から第２流路６９（ガス出口）へ流れる。
【００３４】
図１４は積層圧電アクチュエータ８０に電圧を供給する電源回路の略図である。積層圧電アクチュエータ８０に電源が接続された状態で、電圧を印加しない場合、電源のスイッチ８８は、放電抵抗８９側に「ＯＮ」されており、積層圧電アクチュエータは、保護抵抗８７を含む短絡回路を構成する。電圧を印加する場合、放電抵抗側が「ＯＦＦ」、充電抵抗側が「ＯＮ」となって、保護抵抗８７を経て積層圧電アクチュエータ８０に指定電圧が供給される。積層圧電アクチュエータ８０は、印加電圧に応じた変位を生じる構造を有する。
【００３５】
積層圧電アクチュエータバルブ１０は、電圧が印加されないと、シール板１６と弁座１８が皿バネ４７の付勢力により均一に密着して、真空シールされている。積層圧電アクチュエータ８０に直流電圧を印加すると、積層圧電アクチュエータ８０がその長手方向に伸びる変位を生じる。その時、積層圧電アクチュエータの下端（固定端）８１が支持プレート３９に支持されていることから支持プレート３９側に変位を生じられずに、調整ナット４９を持ち上げる方向に働き、調整ナット４９が固着されるシール板押圧体４１を皿バネ４７の付勢力に抗して上昇させる。球体４５及びプッシュプレート４６がシール板１６の復元力により上方へ動き、シール板１６とバルブ本体１１の弁座面６６との間に隙間が生じ、ガスが流れる。逆に電圧がなくなると、積層圧電アクチュエータ８０は、縮小する変化を生じ、皿バネ４７の付勢力がシール押圧体４１の押圧力を上回り、バネホルダー４４等が押し下げられてシール板１６とバルブ本体の弁座１８間が密着し、ガスが流れなくなる。
【００３６】
図１５は、積層圧電アクチュエータバルブ１０の電圧と流量の関係を示すグラフである。図１５のグラフに示す通り、積層圧電アクチュエータバルブ１０においては、電圧一定値以上でガス流量がほぼ電圧に比例して増加する。ガス流量は、印加電圧に比例的な特性を有し、印加電圧の「ＯＮ」「ＯＦＦ」により、連続特性及びパルス的特性を示すので、積層圧電アクチュエータ８０への電圧を制御することにより、ガス流量を可変することが可能である。積層圧電アクチュエータ８０に不具合が発生した場合は、電源とコネクタ８３を切り離すとともに、ピン及びソケット付きリード線８６のピン８４をソケット８５から外した後、ロックナット４８を緩め、調整ナット４９を外すことにより、バルブ本体１１等を分解せずに、容易に積層圧電アクチュエータ８０の交換が可能となる。
【００３７】
図１７及び図１８は、本発明の積層圧電アクチュエータバルブ１０の取付け状態例を示す。圧電素子弁等を使用する設備のガスマニホールド７７は、一般に、水平や垂直に配置されることが多いが、取付ける圧電素子弁等は、ガスマニホールド７７の取り合いフランジにより決定される。特に上向きや横向きのものについては圧電素子弁等の筐体が横向きになったりするために、正規な状態で使用するには変換フランジや変換ポート介して取り付けるなどの制限があった。しかし、本発明の積層圧電アクチュエータバルブ１０は、図１７又は図１８の取付け状態例に示すようにガスマニホールド７７の向きに左右されることなく取付けが可能である。即ち、使用設備の取付け用途に応じてガス出口を選定することにより、バルブ内部の部品重量が皿バネ４７の付勢力やシール板の復元力に影響しないような正規状態に取付けることができる。それ故、本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、より高精度、高速応答のガス流量制御を行うことができる。ガス流量は、使用目的に応じて弁座径、積層圧電アクチュエータサイズ等の選択により、決定される。
【００３８】
また、本発明の積層圧電アクチュエータバルブを構成する部品材料は、核融合装置などの磁場雰囲気で使用されることや材料の放出ガスを考慮して、非磁性材料及び低放出ガス材料により構成している。特に、常用温度に変化（摂氏２０〜３０度）のある状況においては、材料自身の持つ特性（熱膨張係数）に影響をされるため、材料の選択が必要となる。そこで、本発明の積層圧電アクチュエータバルブを構成する部品材料は、異種の熱膨張係数材料を組み合わせることにより、真空シール性能等に影響のないようにするため、シール板押圧体４１がチタンアルミ合金、それ以外がステンレススチールとしている。しかし、金属シール板については、復元力の関係からニッケルコバルト合金としている。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の積層圧電アクチュエータバルブは、前記のような積層圧電アクチュエータをガス雰囲気外に配置して、金属板に成形加硫蒸着したゴム膜の面とバルブ本体と一体化した弁座のシール面との間でシールを確実に行うことができる。またバルブ本体を分解することなく、シール板のゴム面と弁座間の当接力の調整ができる。シール板のゴム面と弁座面間の当接力強化によるシートリークの防止、停止の効果を向上させ得る。またシール板の外周平面部分により、メタルタッチにて、バルブ本体の大気圧側、ガス圧側及び真空側を真空シールできる構造にして真空に対する信頼性、及び、全く、積層圧電アクチュエータが使用ガスにふれないこと及びガス圧の予圧を利用しないことから安全性が向上される。あわせて、シール板のゴム面と弁座面の当接するシール面にはガスの予圧を不要とし、積層圧電アクチュエータの変位を直動的に利用することから、構成部品の簡素化及び設定軸と動作軸合わせの容易になるとともに、バルブ本体にガス入口１ヶ所に対して、２ヶ所のガス出口を設けたことにより、バルブの内部部品の自重によるシール性能を考慮することなく、また、変換フランジ等を要せずに正規な状態で使用できるなどの利用効果を向上できる。
【００４０】
積層圧電アクチュエータの故障や変位量の増減等の不具合時には、ハンダ付けを外したり、バルブを分解することなく交換ができる保守性の向上、及び、積層圧電アクチュエータが静電容量であるため、使用状態によっては、残留ひずみ（ヒステリシス）がバルブとしての性能に影響するため、抵抗を加味するにより、積層圧電アクチュエータのヒステリシスの解除及び過電圧保護ができるなどの性能向上ができる。本発明においては、使用設備の取り付け用途に応じてガス出口が選定され、バルブ内部の部品重量がバジの付勢力やシール板の復元力に影響しないような正規状態（バジの付勢力がシール面に垂直にかかる状態）に取付けられ、高精度、高速応答のガス流量制御ができる。ガス流量は、使用目的に応じて弁座径、積層圧電アクチュエータサイズ等の選択により、決定される。また、バネの押圧力が、サファイアの球体を介しプッシュプレートへ伝達され、弁座上のシール板を安定に均一に押圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の積層圧電アクチュエータの変位を梃子により伝達する積層圧電素子弁の構造図。
【図２】図２ａは、従来のピエゾスタックを用いたノーマルクローズ型の流量制御バルブの構造図、図２ｂは、図２ａの流量制御バルブに使用されるダイアフラムの形状図である。
【図３】本発明の積層圧電アクチュエータバルブの概念構成図。
【図４】図４ａ−ｄは、本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブの外形図であり、図４ａは正面図、図４ｂは図４ａの下方から見た平面図、図４ｃは図４ａの右方から側面図、図４ｄは図４ｃの一部分を除去し上方から見た平面図である。
【図５】図５ａ−ｃは、本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブの部分断面構造図であり、図５ａは正面図、図４ｂは図４ａの下方から見た平面図、図４ｃは図４ａの右方から側面図である。
【図６】閉止プラグの構造図。
【図７】本発明の実施例のバルブ本体の部分断面図。
【図８】本発明の実施例のバルブ本体の別の部分断面図。
【図９】本発明の実施例のバルブ本体上面の構造図。
【図１０】ゴム膜を形成したフラットタイプシール板の断面図。
【図１１】図１１ａ−ｃは、本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブの外形図であり、図１１ａは正面図、図１１ｂはピン付きリード線を取付けた図１１ａ積層圧電アクチュエータの正面図、図１１ｃは図１１ａの右方から見た側面図、図１１ｄは図１１ｂのピンに係合するソケット付きリード線を取付けたコネクタの外形図である。
【図１２】本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブの主な使用部品の透視図。
【図１３】本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブ組立状態の透視図。
【図１４】本発明の実施例の積層圧電クチュエータバルブに電圧を供給する回路図。
【図１５】積層圧電アクチュエータに電圧を印加した場合の状態を示す部分断面図。
【図１６】積層圧電クチュエータバルブの印加電圧に対するガス流量特性を示すグラフ。
【図１７】本発明の実施例の積層圧電アクチュエータバルブを水平に伸びるガスマホールド取付けた状態を示す配置図。
【図１８】本発明の実施例の積層圧電アクチュエータバルブを垂直に伸びるガスマホールド取付けた状態を示す配置図である。
【符号の説明】
１１：バルブ本体、１６：シール板、１８：弁座、２１：バルブ軸線、３１：小ネジ、３２：バルブボンネット、３３：バネカバー、３４：締付ボルト、３５：貫通孔、３６：ネジ孔、３７：円筒部、３８：ボンネット、３９：支持プレート、４１：シール板押圧体、４２：上端、４３：下端、４４：バネホルダー、４５：球体、４６：プッシュプレート、４７：皿バネ、４８：ロックナット、４９：調整ナット、５０：押圧機構、５１：Ｕ字形ブラケット、５２：開口端、５３：他端、６１：上面、６２：第１流路（入側）、６３：入側管継手、６４：流体室、６６：シール面、６７：出側横管継手、６８：第２流路（出側）、６９：開口端、７０：出側縦管継手、７１：取付面、７２：フランジ継手（出側）、７３：閉止プラグ、７４：レジューサースリーブ、７５：ネジ部、７７：ガスマニホールド、８０：積層圧電アクチュエータ、８１：固定端、８２：可動端、８３：コネクタ、８４：ピン、８５：ソケット、８６：リード線、８７：保護抵抗、８８：スイッチ、８９：短絡抵抗（放電抵抗）、９０：電源、９１：充電抵抗、１００：圧電素子弁、１０１：入側フランジ、１０２：ネジ、１０３：バネホルダー、１０４：バネ押え、１０５：バネ、１０６：シート面、１０９：Ｏリング、１１０：リテーナ、１１１：ガスケット、１１２：支持部、１１３：ピン軸、１１４：アーム、１１５：ブロック、１１６：ダイアフラム、１１７：カバー、１１８：固定ナット、１１９：調整ナット、１２０：電流導入端子、１２１：出側フランジ、１２２：端子、１３０：弁機構、１４１：ダイアフラム押圧体、１６１：ゴム膜、１６２：金属板、１６３：円板部分、１６４：円錐部分、１６５：外周平面部分、１６６：球形部分、１８２：可動端、２００：流量制御バルブ、４１１：下端、４１２：長穴、４４１：ネジ、６２１：第１流路横部分、６８１：第２流路横部分、６８２：第２流路縦部分。
【図１】
0003564023.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003564023.tif 000004
【図４】
0003564023.tif 000005
【図５】
0003564023.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003564023.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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