(57)【要約】【課題】弁体の微小な反りによって弁機能が損なわれることを防止した弁構造、および、弁構造の製造方法の提供を図る。【解決手段】圧電弁構造１は、弁室天板２と上壁面板３と弁体板５と下壁面板６と弁室底板７とを備える。弁室天板２は、弁室の天面を構成し、流路口１６が形成される。上壁面板３と下壁面板６は、弁室の天面から立設する弁室の壁面を構成する。弁体板５は、梁状部１１を備え、梁状部１１は上壁面板３と下壁面板６に支持される。弁体板５は、変形力の非作用時に弁座４を介して流路口１６を閉鎖し、変形力の作用時に流路口１６を開放する。上壁面板３と下壁面板６は、弁室の天面側で弁体板５の梁状部１１が撓む方向の力を弁体板５にかける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁室の天面を構成し、少なくともひとつの流路口が形成される弁室天面部と、
前記弁室の底面を構成する弁室底面部と、
前記弁室の壁面を構成し、前記弁室天面部に接合される弁室上壁部と、
前記弁室の壁面を構成し、前記弁体底面部に接合される弁室下壁部と、
前記弁室上壁部と前記弁室下壁部とに支持される弁体両端部、および、前記弁体両端部間の弁体央部を備える弁体と、
前記流路口と前記弁体央部との間に位置する弁座と、を備え、
前記弁体への変形力の非作用時に前記弁座を介して前記弁体が流路口を閉鎖し、前記弁体への変形力の作用時に前記弁体が前記流路口を開放する、弁構造であって、
前記弁室の天面側に前記弁体央部が撓む方向の力を前記弁体両端部に加える加圧構造を、前記弁室下壁部に設けたことを特徴とする、弁構造。
【請求項２】
前記弁室下壁部は、前記弁体との接合面において、前記弁室近傍の内側領域が外側領域よりも前記弁室の天面側に位置する、請求項１に記載の弁構造。
【請求項３】
前記弁室下壁部は、前記弁室上壁部よりも前記弁室内に突出して前記弁体に接合する壁面拡張部位を備える請求項２に記載の弁構造。
【請求項４】
前記弁室下壁部は、前記弁体との接合面が前記弁室の天面に対して傾斜する、請求項２または３に記載の弁構造。
【請求項５】
請求項３に記載の弁構造の製造方法であって、
前記弁室天面部と前記弁室上壁部と前記弁体とを順次積層し、接合する上壁接合工程、および、
前記上壁接合工程で得られた接合体の前記弁体に前記弁室下壁部と前記弁室底面部とを順次積層し、接合する下壁接合工程、を順に実施し、
前記下壁接合工程では、前記弁体と前記弁室下壁部との接合面を加圧しながら加熱接合する、弁構造の製造方法。
【請求項６】
請求項３に記載の弁構造の製造方法であって、
前記弁室底面部と前記弁室下壁部と前記弁体とを順次積層し、接合する下壁接合工程、および、
前記上壁接合工程で得られた接合体の前記弁体に前記弁室上壁部と前記弁室天面部とを順次積層し、接合する上壁接合工程、を順に実施し、
前記下壁接合工程では、前記弁体と前記弁室下壁部との接合面における前記弁室上壁部に重なる領域を、局所的に加圧する加圧治具を用いて加熱接合する、弁構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆止弁や圧電弁などの弁構造、および弁構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコンのような小型の電子機器において、流体制御を必要とする燃料電池や水冷装置などを設けることがある。このような装置で、流路の一部に弁構造が設けられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、従来の弁構造の構成例を説明する図である。圧電弁構造１０１は、弁体１０２と弁室１０３と弁座１０４とを備える。弁体１０２は、圧電体を用いて屈曲変形可能に構成している。弁室１０３は、導入流路１０５および吐出流路１０６が形成されている。弁座１０４は、導入流路１０５に連通する開口が形成されている。弁体１０２は平坦な状態で、弁座１０４に当接して導入流路１０５を閉鎖し、駆動電圧が印加されて変形した状態で、弁座１０４から離間して導入流路１０５を開放する。このように、弁体に駆動電圧を印加していない状態で流路を遮断する構造はノーマリークローズとも呼ばれる。
【０００４】
また上記構造において、圧電弁構造１０１は逆止弁としても機能する。導入流路１０４から吐出流路１０５への順方向の流体圧がある程度以上かかれば、弁体１０２が撓んで導入流路１０４が開放される。一方、導入流路１０４から吐出流路１０５への順方向の流体圧がある程度未満でかかったり逆方向の流体圧がかかったりすれば、弁体１０２は導入流路１０４を閉鎖する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２８５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようなノーマリークローズの圧電弁構造を備える装置において、弁構造を小型化しようとすれば、構成部材の経時変形によって弁機能が損なわれることがある。例えば、弁体に微小な反りが生じ、ノーマリークローズの状態でも弁構造にわずかな隙間ができてしまう問題が発生する。
【０００７】
そこで本発明は、弁体の微小な反りによって弁機能が損なわれることを防止した弁構造、および、弁構造の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の弁構造は、弁室天面部と弁室底面部と弁室上壁部と弁室下壁部と弁座と弁体とを備える。弁室天面部は、弁室の天面を構成し、少なくともひとつの流路口が形成される。弁室底面部は弁室の底面を構成する。弁室上壁部は、弁室の壁面を構成し、弁室天面部に接合される。弁室下壁部は、弁室の壁面を構成し、弁室底面部に接合される。弁体は、弁室上壁部と弁室下壁部とに支持される弁体両端部と、弁体両端部間の弁体央部とを備える。弁座は、流路口と弁体央部との間に位置する。弁体は、変形力の非作用時に弁座を介して流路口を閉鎖し、変形力の作用時に流路口を開放する。このような弁構造において、弁室下壁部に加圧構造を設けたことを特徴とする。加圧構造は、弁室の天面側に弁体央部が撓む方向の力を弁体両端部に加える構造である。
このように弁体下壁部から弁体両端部に力をかけることで、流体や圧電体から弁体に作用する変形力や、弁座から弁体に作用する力が無負荷である状態において、弁体央部が弁体両端部よりも弁室の天面側に位置して撓む。すると、このような力をかけずに弁体壁部が弁体を支持する場合に比べて、弁体央部と弁室天面部との間を加圧できる。これにより、経時変化により弁体と弁座との間に隙間が生じることを防ぐことができる。
【０００９】
この発明の弁室下壁部は、弁体との接合面において、弁室近傍の内側領域が外側領域よりも弁室の天面側に位置する。このように構成することで、弁体央部が弁体両端部よりも弁室の天面側に撓むような力を弁室壁部から弁体に作用させられる。なお、弁室下壁部は、弁室上壁部よりも弁室内に突出して弁体に接合する壁面拡張部位を備えてもよい。また、弁体との接合面が弁室の天面に対して傾斜してもよい。
【００１０】
この発明の弁構造の製造方法は、弁体に弁室天面部と弁室上壁部とを積層し接合する上壁接合工程、および、弁体に弁室下壁部と弁室底面部とを積層し接合する下壁接合工程を実施し、下壁接合工程で弁体と弁室下壁部との接合面における弁室上壁部に重なる領域を加圧しながら加熱接合すると好適である。このような方法により、従来の製造方法から特別な工程の追加を招かずに、上述の構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、弁体央部が弁体両端部よりも弁室の天面側で撓むような力を弁体壁部から弁体に作用させるので、弁体央部が平坦となるように弁室壁部で弁体を支持する場合に比べて、弁座を介して弁体央部と弁室天面部との間を大きく加圧できる。これにより、経時変化により、弁体と弁座との間に隙間が生じることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の圧電弁構造の構成例を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る弁構造の構成例を説明する分解斜視図である。
【図３】図２の弁構造の動作を説明する断面模式図である。
【図４】図２の弁構造の弁体にかかる力を説明する断面模式図である。
【図５】図２の弁構造の製造方法を説明する図である。
【図６】図２の弁構造の他の製造方法を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る弁構造を説明する断面模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る弁構造を説明する断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
以下、本願発明の第１の実施形態に係る弁構造を、圧電弁構造を例に説明する。なお、ここでは、弁体として圧電体の駆動により屈曲変形するものを用いるが、圧電体を用いずに単なる逆止弁構造としてもよい。また、流体としては、気体や、液体、気液混合流、固液混合流、固気混合流などのいずれを用いてもよい。
【００１４】
図２は、第１の実施形態に係る圧電弁構造１の分解斜視図である。
圧電弁構造１は、図２（Ａ）に分解斜視するように、弁室天板２、弁室上壁板３、弁座４、弁体板５、弁室下壁板６、および弁室底板７を備え、それらを天面側から底面側にかけて順に積層し接合した構成である。
【００１５】
弁体板５は天面視して概略長方外形であり、長尺方向に並行する２本の溝が形成されている。溝の内側は本発明の弁室の一部を構成する側方弁室１３である。溝と溝との間に挟まれた部位は本発明の弁体の一部を構成する梁状部１１である。梁状部１１を囲む枠状の部位は枠状部１２であり、枠状部１２における梁状部１１からの延長上の部位も本発明の弁体の一部を構成する。弁体における弁室上壁板３または弁室下壁板６に接触しない部位が本発明の弁体央部であり、接触する部位が本発明の弁体両端部である。
【００１６】
弁室上壁板３は天面視して概略長方外形、長方内形の枠体であり、弁体板５における枠状部１２と天面視形状が一致し、本発明の弁室上壁部を構成する。枠体の内側は本発明の弁室の一部を構成する上方弁室１４である。
【００１７】
弁室下壁板６は天面視して概略長方外形、長方内形の枠体であり、本発明の弁室下壁部を構成する。枠体の内側は本発明の弁室の一部を構成する下方弁室１５である。この弁室下壁板６は詳細を後述するが本実施形態の特徴的な構成であり、枠状部１２および弁室上壁板３と天面視した外形状が一致するが、内形状が相違し、下方弁室１５の長尺方向の両端が、上方弁室１４における長尺方向の両端よりも内側に位置する。
【００１８】
弁座４は円環状であり、上方弁室１４に収められる大径部と、流路口１６に隙間をもって勘合される小径部を備えている。弁座４の高さは、梁状部１１の最大変位時の上方弁室高さよりも高くなるように設計されている。
【００１９】
弁室天板２は天面視して概略長方形であり、本発明の弁室天面部を構成する。弁室天板２の四隅それぞれには外部固定用のねじ穴を形成している。また、中央に流体流入用（または流体流出用）の流路口１６を形成している。また、前述の側方弁室１３に対面し、弁室の隅部分となる位置に流体流出用（または流体流入用）の流路口１７を形成している。弁室底板７は、天面視して概略長方形であり、弁室の底面を構成する。
【００２０】
また弁体板５は、図２（Ｂ）に分解斜視するように、上面板５Ａ、圧電体５Ｂ、側板５Ｃ、下面板５Ｄ、およびコネクタ部５Ｅを備え、上面板５Ａ、側板５Ｃ、下面板５Ｄを天面側から底面側にかけて順に積層した構成である。圧電体５Ｂは天面視して長方形であり、側板５Ｃは天面視して切り欠きが設けられたコの字状であり、側板５Ｃの切り欠き内に圧電体５Ｂが収められる。また、圧電体５Ｂの一端は切り欠き内から突出し、そこにコネクタ部５Ｅが設けられる。圧電体５Ｂの両面それぞれには電極が設けられ、コネクタ部５Ｅにそれぞれ電気的に接続される。また、圧電体５Ｂの表面はコーティング材によりコーティングし、これにより撥水性を付与している。コネクタ部５Ｅを介して圧電体５Ｂに駆動電圧を印加することにより、この弁体板５は底面側に凸に屈曲する。
【００２１】
また弁室底板７は、図２（Ｃ）に分解斜視するように、上面板７Ａ、中間板７Ｂ、およびコネクタ固定板７Ｃを備え、それらを天面側から底面側にかけて順に積層した構成である。コネクタ固定板７Ｃにはコネクタ部５Ｅを固定するねじ穴を設けている。
【００２２】
次に、圧電弁装置１への駆動電圧の印加状態の変化による動作について説明する。図３は、圧電弁構造１における長尺方向に平行な断面の模式図である。なお、ここでは流路口１６を流入用、流路口１７を流出用として説明する。
駆動電圧の非印加時には、図３（Ａ）に示すように、梁状部１１は略平坦であり、弁座４に中央部分が接触し、流路口１６を閉鎖する。駆動電圧の印加時には、図３（Ｂ）に示すように、梁状部１１は弁室の天面と逆側に屈曲し、中央部分が弁座４から離間して流路口１６を開放する。したがって、駆動電圧の印加時には、順流、逆流を問わずに、流路口１６と流路口１７との間で流体が流れることになる。一方、駆動電圧の非印加時には、流路口１７から流路口１６への逆流、および、流路口１６から流路口１７への所定の流体圧未満の順流を遮断することになる。なお、流路口１６から流路口１７への順流が所定の流体圧以上であれば流体圧によって梁状部１１は撓み、その際、順流が流れることになる。順流の流体圧の閾値は主に梁状部１１の剛性によって定まる。
【００２３】
次に、本実施形態に特徴的な構成である下壁面板６の構造と、下壁面板６から梁状部１１に作用する力について説明する。図４は、弁座４を除いた状態の駆動電圧の非印加時、すなわち弁体板５に対して上壁面板３および下壁面板６からのみ力が作用する状態の模式図である。
【００２４】
前述したように、下壁面板６は、下方弁室１５の長尺方向両端が上方弁室１４の長尺方向両端よりも内側に位置する形状である。ここで、下壁面板６における上壁面板３よりも弁室内側に突出する部位を、便宜的に壁面拡張部位８と称する。壁面拡張部位８（内側領域）は梁状部１１に接合し、壁面拡張部位８を除く領域（外側領域）は枠状部１２に接合する。壁面拡張部位８における弁室天面側の端部９は、枠状部１２に接合する外側領域よりも弁室の天面側に突出する。この構成により、壁面拡張部位８に接触する梁状部１１の両端部が、端部９から弁室の天面側に加圧されることになる。梁状部１１の両端部が枠状部１２に固定されているので、端部９からの加圧により梁状部１１は天面側に凸に撓み、中央部分が弁室の天面側に位置することになる。
【００２５】
この構成に図３（Ａ）のような弁座４を適用した場合、弁座４は梁状部１１と弁室天板２との間で圧縮方向に加圧されることになり、弁座４と弁室天板２との境界部分の距離を小さくすることができる。したがって、弁構造の繰り返しの使用により、構成部材の変形や経時劣化が生じたとしても、弁を閉じる状態を維持することができる。
【００２６】
図５は、圧電弁構造１の製造方法を説明する図である。
【００２７】
圧電弁構造１の製造フローでは、予め、積層構造の弁体板５と弁室底板７とがそれぞれ形成される。そして、配置ステージ５２上に弁体板５、上壁面板３、弁室天板２の順に重ねた状態で、抑えガラス５１で弁室天板２を抑えこむ。上壁面板３の上下面には、レーザ光を吸収する材料でコーディング膜を形成しておき、抑えガラス５１を介してレーザ光５３を上壁面板３に照射する。これにより、コーディング材を発熱させて弁体板５と上壁面板３と弁室天板２とを溶着して接合体を構成する（Ｓ１１）。この工程が本発明の上壁接合工程である。
【００２８】
次に、抑えガラス５１を外して、弁体板５、上壁面板３、弁室天板２の順番が逆になるように接合体を裏返し、弁体板５の上に下壁面板６、弁室底板７の順に重ねた状態とする（Ｓ１２）。
【００２９】
次に、抑えガラス５１で今度は弁室底板７を押さえ込む。下壁面板６の上下面には、レーザ光を吸収する材料でコーディング膜を形成しておき、抑えガラス５１を介してレーザ光５３を下壁面板６に照射することにより、局所加熱、局所加圧した状態でコーディング材を発熱させて弁体板５と下壁面板６と弁室底板７とを溶着して接合体を構成する（Ｓ１３）。この工程が本発明の下壁接合工程である。
【００３０】
この製造方法によれば、上壁面板３の平面面積が下壁面板６の平面面積よりも小さいので、下壁面板６の加熱溶着時に部分的に下壁面板６を支える部材が存在せず、このため、熱により下壁面板６が弁体板５側に変形する。これにより、前述の図４に示したように、壁面拡張部位８における弁室の天面側の端部９が、下壁面板６における他の領域よりも弁室の天面側に突出する形状となる。
このような製造方法によって、本実施形態の圧電弁構造１の構成を、特別な工程の追加をせずに、製造することができる。
【００３１】
図６は、圧電弁構造１の他の製造方法の一例を説明する図である。
【００３２】
圧電弁構造１の製造フローでは、予め、積層構造の弁体板５と弁室底板７とがそれぞれ形成される。そして、上壁面板３の枠状部と天面視形状が一致する加圧部５５Ａを備える配置ステージ５５上に弁体板５、下壁面板６、弁室底板７の順に重ねた状態で、抑えガラス５１で弁室底板７を抑えこむ。下壁面板６の上下面には、レーザ光を吸収する材料でコーディング膜を形成しておき、抑えガラス５１を介してレーザ光５３を下壁面板６に照射する。これにより、局所加熱、局所加圧した状態でコーディング材を発熱させて弁体板５と下壁面板６と弁室底板７とを溶着して接合体を構成する（Ｓ２１）。この工程が本発明の下壁接合工程である。
【００３３】
この工程によれば、配置ステージ５５の加圧部５５Ａの平面面積が下壁面板６の平面面積よりも小さいので、下壁面板６の加熱溶着時に部分的に下壁面板６を支える部材が存在せず、このため、熱により下壁面部６が弁体板５側に変形する。これにより、壁面拡張部位８における弁室の天面側の端部９が、下壁面板６における他の領域よりも弁室の天面側に突出する形状となる。
【００３４】
次に、抑えガラス５１を外して、弁体板５、下壁面板６、弁室底板７の順番が逆になるように接合体を裏返し、弁体板５の上に上壁面板３、弁室天板２の順に重ねた状態とする（Ｓ２２）。
【００３５】
次に、抑えガラス５１で今度は弁室天板２を押さえ込む。上壁面板３の上下面には、レーザ光を吸収する材料でコーディング膜を形成しておき、抑えガラス５１を介してレーザ光５３を上壁面板３に照射することにより、局所加熱、局所加圧した状態でコーディング材を発熱させて弁体板５と上壁面板３と弁室天板２とを溶着して接合体を構成する（Ｓ２３）。この工程が本発明の上壁接合工程である。
このような製造方法によって、本実施形態の圧電弁構造１の構成を、加圧部５５Ａを設けたステージ５５を用意するのみで、特別な工程の追加をせずに、製造することができる。
【００３６】
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態に係る圧電弁構造について説明する。図７（Ａ）は、弁座７を設けた状態での、駆動電圧の非印加時の模式断面図である。図７（Ｂ）は、弁座４を除いた状態での、駆動電圧の非印加時の模式断面図である。
【００３７】
本実施形態の下壁面板２６は、天面視形状が上壁面板２３および弁体板５の枠状部１２と一致する。一方、下壁面板２６および上壁面板２３の断面形状が前述の第１の実施形態と相違し、両者の弁体板５との接合面が傾斜し、弁体板５との接合面における外側領域に比べて弁室近傍の内側領域が弁室の天面側に位置する構成である。このような構成でも、図７（Ｂ）に示す無負荷時の状態では、梁状部１１の中央部分が両端部よりも弁室の天面側に位置して天面側に凸に撓むことになる。これにより、図７（Ａ）のような弁座４を適用した場合に、弁座４は梁状部１１と弁室天板２との間で圧縮方向に加圧されることになり、弁座４と弁室天板２との境界部分の距離を小さくすることができる。したがって、弁構造の繰り返しの使用により、構成部材の変形や経時劣化が生じたとしても、弁を閉じる状態を維持することができる。
【００３８】
《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態に係る圧電弁構造について説明する。図８（Ａ）は、弁座４を設けた状態での、駆動電圧の非印加時の模式断面図である。図８（Ｂ）は、弁座４を除いた状態での、駆動電圧の非印加時の模式断面図である。
【００３９】
本実施形態の下壁面板３６は、下方弁室１５の長尺方向両端が上方弁室１４の長尺方向両端よりも内側に位置するように壁面拡張部位８を設けた形状である。また、下壁面板３６および上壁面板２３の断面形状が前述の第２の実施形態と同様に、弁体板５との接合面が傾斜する構成である。なお、壁面拡張部位８の弁体板５との接合面は、外側領域に比べて急峻に突出する形状である。このような構成でも、上壁面板２３および下壁面板３６の弁体板５との接合面における外側領域に比べて弁室近傍の内側領域が弁室の天面側に位置し、図８（Ｂ）に示す無負荷時の状態では、梁状部１１の中央部分が両端部よりも弁室の天面側に位置して天面側に凸に撓むことになる。
【００４０】
これにより、弁座４を設けた図８（Ａ）の状態では、梁状部１１の中央部分は弁座４に接触し、弁座４から作用する力と梁弾性とが釣り合うように梁状部１１が変形する。このため、梁状部１１は図８（Ｂ）に示す無負荷時の状態から平坦化することになる。また、弁座４は梁状部１１と弁室天板２との間で圧縮方向に加圧され、弁座４と弁室天板２との境界部分や、弁座４と梁状部１１との境界部分に隙間ができ難くなる。
【００４１】
以上の各実施形態に示したように、本発明は、前記弁室の天面側で弁体が撓む方向の力をかけて弁体を支持することにより、ノーマリ−クローズの弁構造に隙間ができることを防ぐことが可能になる。
【符号の説明】
【００４２】
１，２１，３１…圧電弁構造
２…弁室天板
３，２３…弁室上壁板
４…弁座
５…弁体板
５Ａ…上面板
５Ｂ…圧電体
５Ｃ…側板
５Ｄ…下面板
５Ｅ…コネクタ部
６，２６，３６…弁室下壁板
７…弁室底板
７Ａ…上面板
７Ｂ…中間板
７Ｃ…コネクタ固定板
１１…梁状部
１２…枠状部
１３…側方弁室
１４…上方弁室
１５…下方弁室
１６，１７…流路口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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