(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
当該ベースに固定された流量弁と、
前記流量弁に当接できる位置に配置され、前記流量弁を開閉動作させるアクチュエータと、
前記ベース及び前記アクチュエータが、熱変位部材を介して連結されている流量調整弁であって、
前記熱変位部材と前記ベース又は前記アクチュエータとの間に、前記熱変位部材の変位を、温度変化によって生ずる前記流量弁と前記アクチュエータとの相対位置の変化を相殺する方向に伝達する梃子手段を更に有することを特徴とする流量調整弁。
【請求項２】
前記熱変位部材は、熱膨張率の異なる複数の部材で構成され、
前記熱変位部材の変位が、当該複数の前記熱変位部材の熱膨張率の差による変位の差となるように構成されている請求項１に記載の流量調整弁。
【請求項３】
前記熱変位部材は第１の支持柱と第２の支持柱からなり、両支持柱は２５℃における長さが等しく設定され、ともに正の熱膨張係数をもつ材質で構成されている請求項２に記載の流量調整弁。
【請求項４】
第１の支持柱の材質がステンレス合金であり、第２の支持柱の材質がアルミニウム合金である請求項３に記載の流量調整弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電式又は磁歪式のアクチュエータにより駆動される流量調整弁に関する。このような流量弁調整はガスクロマトグラフにおいてキャリアガスを一定流量で供給するフローコントローラなどのように、ガスを所定流量で供給するために使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
圧電式又は磁歪式のアクチュエータによる流量調整弁では、アクチュエータの圧電素子又は磁歪素子（以下、両者を含めて「駆動素子」と呼ぶ）により流量弁に変位を入力することで弁を開閉する機能を持つ。従来の流量調整弁では、流量弁が固定されているベースにアクチュエータも固定されている。
アクチュエータもベースに固定されている流量調整弁では、温度変化により流量弁とアクチュエータとの間の相対位置が変化する。その相対位置の変化を吸収するために、所定の熱膨張係数を有する熱変位調整部材を介在させる方法が知られている（特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１２９４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、単に熱変位調整部材を介在させるだけでは変位量が不足する場合がある。大きな変位量を吸収するために熱変位調整部材を大きくすると、それだけ装置が大型化し、重量が増大する。
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑み、圧電式又は磁歪式のアクチュエータの変位を利用した流量調整弁において、装置を大型化させることなく、温度変化による流量弁とアクチュエータとの間の相対位置変化を効果的に吸収できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の流量調整弁では、流量弁はベースに固定されているが、流量弁を駆動するアクチュエータは、ベースに直接固定されるのではなく、熱変位部材と梃子手段を介してベースに固定する。
【０００７】
すなわち、本発明の流量調整弁は、ベースと、ベースに固定された流量弁と、アクチュエータと、ベース及びアクチュエータが熱変位部材を介して連結されている流量調整弁である。そして、熱変位部材とベース又はアクチュエータとの間に、熱変位部材の変位を、温度変化よって生ずる流量弁とアクチュエータとの相対位置の変化を相殺する方向に伝達する梃子手段を更に備えている。
【０００８】
好ましい形態では、熱変位部材は熱膨張率の異なる複数の部材で構成され、熱変位部材の変位がそれらの複数の熱変位部材の熱膨張率の差による変位の差となるように構成されている。
【０００９】
一例として、熱変位部材は第１の支持柱と第２の支持柱からなり、両支持柱は２５℃における長さが等しく設定され、ともに正の熱膨張係数をもつ材質で構成されている。より具体的には、第１の支持柱の材質がステンレス合金であり、第２の支持柱の材質がアルミニウム合金である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば温度変化による流量弁とアクチュエータとの間の相対位置変化を梃子手段により相殺するようにしたので、装置を大型化させることを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施例を示す断面図である。
【図２】同実施例における流量弁を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は一実施例の流量調整弁を示している。この流量調整弁の用途は特に限定されるものではないが、例えばガスクロマトグラフにおいて分析流路にキャリアガスを供給するための流量調整弁として使用することができる。
【００１３】
流量弁１は例えばダイアフラム弁であり、ベース２に固定されている。ダイアフラム弁１は、図２で後述するように、ルビー球３を押下すると開状態となり、ルビー球３の押し下げを解除すると閉状態となる。
【００１４】
ベース２には流路２ａ、２ｂが設けられている。流路２ａは上流側流路であり、例えばキャリアガスが送られてくる流路である。流路２ｂは下流側流路であり、例えばキャリアガスをガスクロマトグラフの分析流路に供給する流路である。流路２ａ、２ｂ間の断続及び流量がダイアフラム弁１により制御される。この例では流路２ａ、２ｂはベース２と一体的に形成されているが、流路２ａ、２ｂがベース２とは別の部品で構成されていてもよい。
【００１５】
ルビー球３の押下げとその解除の動作を行うために、ルビー球３の上方にアクチュエータ４が配置されている。アクチュエータ４は電圧印加により伸縮する圧電式又は磁歪式の駆動素子５をケース８内に収容しており、駆動素子５の固定端５Ａはスペーサ９及びキャップ１０によってケース８の基端側でケース８内に固定されている。ケース８内にはケース８の先端側にニードル６も収容されている。ケース８の先端には穴が設けられており、ニードル６の先端部がケース８の先端のその穴から突出し、かつその穴に対して摺動可能になっている。ニードル６は基端部に鍔をもっており、ニードル６のその鍔とケース８の先端部の内面との間にコイルバネ７が圧縮状態で挿入されていて、そのコイルバネ７によってニードル６の基端面が駆動素子５の出力端５Ｂに常に接触するように押しつけられている。これにより、駆動素子５へ電圧印加により駆動素子５が伸縮し、ケース８から突出したニードル６の先端の位置が変位する。
【００１６】
ケース８は、その基端側の位置で止めねじ１１によって保持梁１２に固定されており、保持梁１２は第1の支持柱１３と第２の支持柱１４を介してベース２に固定されている。
【００１７】
保持梁１２、第1の支持柱１３及び第２の支持柱１４によりアクチュエータ４を変位させる梃子手段を構成している。第1の支持柱１３及び第２の支持柱１４は熱変位部材の具体例である。
【００１８】
支持柱１３がその一端側で保持梁１２を支持している支持位置１３Ａはアクチュエータ４の中心から所定の距離Ａだけ離れた位置である。支持柱１４がその一端側で保持梁１２を支持している支持位置１４Ａはアクチュエータ４の中心からは支持位置１３Ａよりもさらに所定の距離Ｂだけ離れた位置、すなわちアクチュエータ４の中心から距離（Ａ＋Ｂ）だけ離れた位置である。支持柱１３と１４は互いに熱膨張係数が異なる材料により構成されている。この流量調整弁を使用している装置の通常の動作時の環境温度（基準温度）でのそれぞれの支持位置１３Ａ，１４Ａからベース２までの高さが基準になる。この実施例では基準温度下で支持位置１３Ａ，１４Ａからベース２までの高さＬが等しく設定されている。しかし、基準温度下で支持位置１３Ａ，１４Ａからベース２までの高さは必ずしも等しくしなくてもよい。ただし支持位置１３Ａ，１４Ａは同じ高さになければならない。（これは支持位置１３Ａ，１４Ａの高さが異なる場合、保持梁が傾くため、新たに保持梁の熱膨張を考慮する必要があることによる。）アクチュエータ４は保持梁１２と支持柱１３，１４だけによってニードル６の先端が流量弁１側を向き、かつ基準温度下でニードル６の先端が流量弁１のルビー球３を押すことのできる位置に位置決めされている。アクチュエータ４の先端部をベース２に直接固定する部材は設けられていない。
【００１９】
保持梁１２は支持柱１３、１４に対し、それぞれの支持位置１３Ａ，１４Ａにおいてピンによりガタなく回転自由となるように結合されている。ただし、この結合はボルトなどを用いて回転自由でないように固定してもよい。
【００２０】
この流量調整弁を作動させているときの環境温度が基準温度から変化すると、ケース８の先端位置に対してニードル６の先端位置の突出量が変化し、支持柱１３と１４は互いに熱膨張係数が異なっていることにより異なった長さになる。このとき、支持位置１３Ａを支点とし、支持位置１４Ａを力点とし、保持梁１２がケース８に固定されている点を作用点とする保持梁１２による梃子の原理により、環境温度変化によるニードル６の先端位置の突出量変化を相殺する方向にケース８を変位させるように、支持位置１３Ａ，１４Ａ、支持柱１３，１４のそれぞれの支持位置１３Ａ，１４Ａからベース２までの長さＬ、支持柱１３，１４のそれぞれの熱膨張係数が設定されている。
【００２１】
ここで、流量弁の一例としてのダイアフラム弁１を図２に示す。流路２ａと２ｂ間の断続と流量制御のためにダイアフラムを備えた弁体２０が弁シート２２に対し着脱可能に設けられている。弁体２０は支持棒２４により他のダイアフラム２６に吊り下げられて弁体２０が弁シート２２に密着して弁を閉じる方向に付勢されている。ダイアフラム２６上には押し球としてルビー球３が配置され、ルビー球３をニードル６の先端で押し下げることにより弁体２０が弁シート２２から離れて弁が開くようになっている。
【００２２】
本実施の形態においては、ダイアフラム弁１の開閉に必要なルビー球３の変位は５μｍである。駆動素子５は最大で１００Ｖの電圧を印加することで１２μｍの変位が得られる圧電素子である。そのため、駆動素子５が無通電の状態でニードル先端６Ａとルビー球３との隙間が０μｍ以上７．０μｍ以下の範囲になるようにアクチュエータ４の高さ方向の位置が調整され、止めねじ１１で固定されている。これにより、アクチュエータ４に電圧を印加することでダイアフラム弁１を駆動して流量を調整することができる。
【００２３】
次に、環境温度変化により構造全体の温度が基準状態から変化した場合の動作について説明する。ただし前提として、構造材の熱膨張が温度変化に比例するものとする。この前提は流量弁を使用する温度領域が室温±２５℃程度であることからすれば妥当な前提条件である。
【００２４】
本実施の形態では駆動素子５の線膨張係数は−３.０×１０-6／℃、長さは２０ｍｍである。また、ニードル６、ケース８、スペーサ９、キャップ１０、保持梁１２及び支持柱１３は線膨張係数１０．５×１０-6／℃のステンレス合金で作られているものとする。ニードル６の長さは７ｍｍ、支持柱１３及び１４の長さ（支持位置１３Ａ，１４Ａからベース２までの長さＬのこと）は２１ｍｍ、ベース２の上面から圧電素子固定端５Ａまでの高さ寸法は３０ｍｍである。
【００２５】
２５℃を基準温度とする。例えば環境温度が５０℃になったとすると、ニードル６の熱膨張は１０．５×１０-6×７×（５０−２５）＝１．８μｍ、駆動素子５の熱膨張は−３.０×１０-6×２０×（５０−２５）＝−１．５μｍである。よって駆動素子固定端５Ａとニードル先端６Ａの間の寸法は１．８−１．５＝０．３μｍ膨張する。
【００２６】
ここで仮に支持柱１４の材質として支持柱１３と同じステンレス合金を用いたとすると、ベース２の上面から圧電素子固定端５Ａまでの高さ寸法は１０．５×１０-6×３０×（５０−２５）＝７．９μｍ膨張する。
【００２７】
ダイアフラム弁１とルビー球３の熱膨張は、寸法および熱膨張係数が小さいため無視できる。
【００２８】
これらの結果として、環境温度が５０℃では、ニードル先端６Ａとルビー球３との隙間は７．９−０．３＝７．６μｍ広がる。このため２５℃で隙間を０μμｍ以上７．０μｍ以下の範囲になるように調整したとしても、５０℃では隙間が、最大値に調整されたときの７．０μｍよりも大きくなり、アクチュエータ４でダイアフラム弁１を正常に駆動することができない。
【００２９】
そこで、一実施形態では、支持柱１４を支持柱１３より線膨張係数が大きい材料で形成する。さらに流量弁駆動構造の寸法を下記の式１を満たすように設計する。
Δｘ＝（Ａ／Ｂ）（α14−α13）ＬΔＴ        （式１）
ここで、それぞれの変数は以下のとおりである。
Δｘ：相殺すべきニードル先端６Ａとルビー球３との隙間の変化量。
Ａ：アクチュエータ４と柱１３の中心間距離。
Ｂ：および柱１３と柱１４の中心間距離。
α13：柱１３の線膨張係数。
α14：柱１４の線膨張係数。
Ｌ：柱１３および柱１４の長さ。
Δ：構造の温度変化。
【００３０】
環境温度の変化により構造全体の温度が基準温度からΔＴ変化したとき、支持柱１４は支持柱１３に比べて（α14−α13）ＬΔＴだけ長くなる。すると、梃子の原理により保持梁１２がベース２に対して傾き、アクチュエータ４が支持柱１３に対して相対的に（Ａ／Ｂ）（α14−α13）ＬΔＴだけ下方に変位する（矢印１２Ａ）。式１により、下方への変位量（Ａ／Ｂ）（α14−α13）ＬΔＴが相殺すべき隙間の変化量Δｘと等しくなる。そのため、アクチュエータ４の先端６Ａは温度によって上下方向に変位せず、熱膨張の影響が相殺される。
【００３１】
さらに隙間の変化量Δｘは構造材の線形な熱膨張に起因するものであるから、ΔｘはΔＴに比例する。同様にアクチュエータ４の下方への変位量（Ａ／Ｂ）（α14−α13）ＬΔＴもΔＴに比例する。すなわち本発明によれば任意の温度変化ΔＴにおいて熱膨張の影響を相殺できる。構造の温度が上昇したときだけでなく、低下したときにも有効であることは明らかである。
【００３２】
本実施の形態においては支持柱１３にステンレス合金、支持柱１４にアルミニウム合金を用いる。それぞれの材料の線膨張係数はα13＝１０．５×１０-6／℃、α14＝２３．４×１０-6／℃である。また前述よりΔｘ＝７．６μｍ、Ｌ＝２１ｍｍ、ΔＴ＝５０−２５＝２５℃である。
【００３３】
ここで式１を満たすためには、例えばＡ＝１０ｍｍ、Ｂ＝９ｍｍと設計する。すると式１の右辺は（１０／９）×（２３．４×１０-6−１０．５×１０-6）×２１×２５＝７．５μｍとなり、隙間の変化量Δｘ＝７．６にほとんど等しい量を相殺できる。このようにして、熱膨張に影響されない流量弁の駆動機構が実現できる。
【符号の説明】
【００３４】
１      ダイアフラム弁
２      ベース
２ａ      流路
３      ルビー球
４      圧電または磁歪アクチュエータ
５      圧電または磁歪素子
５Ａ      素子の固定端
５Ｂ      素子の出力端
６      ニードル
６Ａ      ニードル先端
７      バネ
８      ケース
９      スペーサ
１０      キャップ
１１      止めねじ
１２      保持梁
１３，１４      柱
１３Ａ，１４Ａ      回転支持中心
１５      保持台
【図１】
0005760967.tif 000002
【図２】
0005760967.tif 000003