(57)【要約】【課題】弁の開度の変化量を大きくし、弁を開いたときの流体流量を大きくすることができる圧力調整器を提供する。【解決手段】本発明の圧力調整器１は、圧力室４と、この圧力室４に連通する流体流路２０を開閉する弁３と、圧力室４の壁面の一部を構成するダイヤフラム５と、ダイヤフラム５に対して付勢手段１４によって付勢して設けられ、弁３の開度ηを調整するシート１０と、圧電アクチュエータ３２の駆動によってシート１０をダイヤフラム５を介して対向する側から押圧する押圧機構３０とを有し、押圧機構３０は、圧電アクチュエータ３２の変位量を拡大する梃子方式の変位量拡大機構４０を有する。変位量拡大機構４０としては、圧電アクチュエータ３２に対する定位置に固定された固定部４２と、この固定部４２に対して弾性ヒンジ４３を介して揺動自在に連結された可動アーム４４を有する梃子４１が採用できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路の途中に設けられた圧力室と、
この圧力室に連通する流体流路を開閉する弁と、
前記圧力室の壁面の一部を構成するダイヤフラムと、
このダイヤフラムに対して付勢手段によって付勢して設けられ、前記弁の開度を調整するシートと、
圧電アクチュエータによって駆動されることで前記シートを前記ダイヤフラムを介して対向する側から押圧する押圧機構とを有し、
前記押圧機構は、前記圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの変位量を拡大する梃子方式の変位量拡大機構とを有することを特徴とする圧力調整器。
【請求項２】
前記変位量拡大機構は、前記圧電アクチュエータに対する定位置に固定された固定部と、この固定部に対して弾性ヒンジを介して揺動自在に連結された可動アームとを有して構成され、前記可動アームには、前記圧電アクチュエータによって押圧される受圧部よりも前記弾性ヒンジから離れた位置に、前記シートに対して押圧力を作用させる押圧部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力調整器。
【請求項３】
前記押圧部に、前記ダイヤフラム側への突出寸法が調整可能な調整部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧力調整器。
【請求項４】
前記押圧機構には、前記シートを前記ダイヤフラムを介して対向する側から押圧するステムが設けられており、前記ステムの受圧面積が、ダイヤフラム面積の２５％以下になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力調整器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流入する流体の圧力を所定の圧力に調整するために用いられる圧力調整器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧力調整器としては、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すようなものが知られている。この圧力調整器１０１は、流体流路２０を有する本体フレーム２を備え、流体流路２０の流入口２１から弁３を通じて圧力室４に流入した流体を、圧力室４において圧力調整して排出口２２より排出するものである。
この圧力調整器１０１においては、圧力室４の壁面の一部がダイヤフラム５によって形成されている。ダイヤフラム５は、その周縁部５ａが圧力室４の他の壁面を形成する本体フレーム２に対して固定され、中央部５ｂが上下方向に変位可能であるように、構成されている。
【０００３】
ダイヤフラム５の下面（図３（ａ）の下方）には、シート（弁体）１０の軸部１１の先端１１ａが当接している。このシート１０は、概略ロッド状に形成されており、本体フレーム２内に形成された摺動穴１３内に摺動可能に配置された基部１２と、この基部１２の前記圧力室４側の端部１２ａから突出された前記軸部１１とを有する構成となっている。
【０００４】
このシート１０の基部１２の前記圧力室４と反対側（図３（ａ）の下方側）の端部１２ｂには、前記摺動穴１３内で本体フレーム２によって反力を取ったスプリング１４（付勢手段）が当接している。スプリング１４によりシート１０が上方に付勢されることにより、シート１０の軸部１１がダイヤフラム５の中央部５ｂの下面に当接するようになっている。また、これにより、シート１０は、ダイヤフラム５の上下変位に伴い、ダイヤフラム５とともに上下に変位するようになっている。
【０００５】
圧力室４への流体の入り口となる弁３は、シート１０の基部１２の圧力室４側の端部１２ａと、この端部１２ａの上方に位置して本体フレーム２に対して固定されたノズル６（弁座）との間に形成される。弁３の開度ηは、シート１０が上方に変位するほど狭まり、シート１０が下方に変位するほど広くなるようになっている。なお、流体流路２０は、流入口２１から弁３までの間に形成される一次側流路２０Ａと、弁３から排出口２２までの間に形成される二次側流路２０Ｂとに分けられる。二次側流路２０Ｂには、流体の圧力を検知する圧力センサ２３が設けられている。この圧力センサ２３は、圧力センサ押さえ２３ａにより、本体フレーム２に対して固定されている。
【０００６】
ダイヤフラム５の中央部５ｂは、押圧機構１３０によって上方から押圧されている。この押圧機構１３０は、台座１３１に固定された圧電アクチュエータ１３２と、この圧電アクチュエータ１３２によってボール１３３を介して駆動されているステム１３４とを備え、このステム１３４がダイヤフラム５の中央部５ｂに上面から当接するようになっている。
圧電アクチュエータ１３２は、逆圧電効果すなわち外部から印加された電圧に応じて歪みを発生させる現象を利用したものであり、印加電圧の大きさにより、圧電体（顕著な圧電効果を示す物質）の伸縮を制御できるようにしたものである。
【０００７】
この押圧機構１３０は、圧力センサ２３によって検知された流体の二次側の圧力に基づいて、図示しない制御手段により、圧電アクチュエータ１３２への印加電圧を制御して変化させるようになっている。
【０００８】
この押圧機構１３０の動作を、具体的に説明する。
圧力センサ２３の検出圧力が所定範囲を下回ったときに、圧電アクチュエータ１３２は制御手段によって伸張させられ、ステム１３４が下方に駆動されてダイヤフラム５を介してシート１０を下方に押圧する。その結果、弁３の開度ηが大きくなり、流体の流量が増加させられる。
一方、圧力センサ２３の検出圧力が所定範囲を上回ったときには、圧電アクチュエータ１３２が縮小し、ステム１３４が上方に駆動されてダイヤフラム５への押圧力が弱まり、スプリング１４によってシート１０が上方に付勢される。その結果、弁３の開度ηが狭くなって、流体の流量が低減し、もしくは遮断される。（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
実開昭６２−１５１６１８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、圧電アクチュエータ１３２の伸縮量は、およそ数十μｍと極めて微小である。このため、上述の圧力調整器１０１においては、弁３の開度ηを変化させることができる変化量が小さく、この結果、弁３を開いたときの流体流量をあまり大きくすることができない不都合があった。
【００１１】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであって、弁の開度を大きくし、弁を開いたときの流体流量を大きくすることができる圧力調整器を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、流体流路の途中に設けられた圧力室と、この圧力室に連通する流体流路を開閉する弁と、前記圧力室の壁面の一部を構成するダイヤフラムと、このダイヤフラムに対して付勢手段によって付勢して設けられ、前記弁の開度を調整するシートと、圧電アクチュエータによって駆動されることで前記シートを前記ダイヤフラムを介して対向する側から押圧する押圧機構とを有し、前記押圧機構は、前記圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの変位量を拡大する梃子方式の変位量拡大機構とを有することを特徴とする圧力調整器を提供する。
このような圧力調整器によれば、梃子方式の変位量拡大機構により、圧電アクチュエータの変位量を拡大することができる。従って、弁の開度の変化量を大きくし、弁を開いたときの流体流量を大きくすることができる。
【００１３】
変位量拡大機構としては、前記圧電アクチュエータに対する定位置に固定された固定部と、この固定部に対して弾性ヒンジを介して揺動自在に連結された可動アームとを有して構成され、前記可動アームには、前記圧電アクチュエータによって押圧される受圧部よりも前記弾性ヒンジから離れた位置に、前記シートに対して押圧力を作用させる押圧部が設けられているものとすることが好ましい。
これにより、変位量拡大機構となる梃子を少ない数の部品で実現でき、小型で信頼性の高い変位量拡大機構を備えた圧力調整器を提供できる。
【００１４】
押圧機構においては、押圧部に、ダイヤフラム側への突出寸法が調整可能な調整部材が設けられていることが好ましい。このような構成によれば、調整部材のダイヤフラム側への突出寸法を調整することにより、ダイヤフラムが圧力室側に突出する、下方への変位量を調整することができる。その結果、ガスの流量を調整することができる。
【００１５】
また、押圧機構は、シートをダイヤフラムを介して対向する側から押圧するステムを有し、このステムの受圧面積がダイヤフラム面積の２５％以下になっていることが好ましい。これにより、圧力室内の流体からダイヤフラムを介してステムに作用する押圧力を低減することができ、圧電アクチュエータへの負荷を軽減することができる。また、ステムの小型化により、ステムの慣性力が低下するので、オーバーシュートを抑制して応答速度を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１（ａ）は、本発明の圧力調整器の一例を示す断面図である。図１（ｂ）は、この圧力調整器１の要部を示す部分拡大図である。図２は、この圧力調整器１の側面図である。
なお、図１（ａ）、（ｂ）中、図３（ａ）、（ｂ）で用いた符号と同一の符号は、図３（ａ）、（ｂ）の構成と同一または同様のものであることを示す。
【００１７】
この圧力調整器１は、流体流路２０を有する本体フレーム２を備え、流体流路２０の流入口２１から弁３を通じて圧力室４に流入した流体を、圧力室４において圧力調整して排出口２２より排出するものである。
この圧力調整器１においては、圧力室４の壁面の一部がダイヤフラム５によって形成されている。ダイヤフラム５は、ネジなどの機構により、圧力室４の他の壁面を形成する本体フレーム２に対して固定されるダイヤフラム押さえ７によって、該ダイヤフラム５の周縁部５ａが押さえ付けられ、固定されるようになっている。
【００１８】
ダイヤフラム押さえ７の中央部には、後述するステム３４を収容する透孔７ａが形成されている。この透孔７ａのダイヤフラム押さえ７下面側の開口端周縁には、凹部７ｂが形成されている。ダイヤフラム５の中央部５ｂは、圧力室４および凹部７ｂに臨んで、上下方向に変位可能となっている。
このダイヤフラム５の下面（図３（ａ）の下方）には、弁３を形成するシート１０の軸部１１の先端１１ａが当接している。シート１０および弁３の構成は、図３に示す圧力調整器１０１と同様のものとすることができるので説明を省略する。
【００１９】
ダイヤフラム５の中央部５ｂは、押圧機構３０によって上方から押圧されている。この押圧機構３０は、台座３１に固定された圧電アクチュエータ３２と、この圧電アクチュエータ３２によってボール３３を介して駆動されている梃子方式の変位量拡大機構４０と、ダイヤフラム５の中央部５ｂに上面から当接するように、ダイヤフラム押さえ７の透孔７ａ内に摺動可能に収容されたステム３４とを備えている。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、ステム３４の受圧面積Ｓ１は、ダイヤフラム５の面積Ｓ２の２５％以下になっている。より好ましくは、受圧面積Ｓ１は、ダイヤフラム５の面積Ｓ２の１０％以下とすることが好ましい。
ここで、ステム３４の受圧面積Ｓ１は、ダイヤフラム５中、凹部７ｂに臨む面積であり、ダイヤフラム５は、この受圧面積Ｓ１の範囲で上方への変位が可能になっており、ステム３４は、圧力室４内のガスから、受圧面積Ｓ１の範囲で圧力を受けるようになっている。
また、ダイヤフラム５の面積Ｓ２とは、ここでは、図示したようにダイヤフラム５が圧力室４に臨んで下方に変位可能となっている範囲の面積であって、本体フレーム２とダイヤフラム押さえ７との間に押さえ付けられている周縁部５ａの面積が除外されたものである。
なお、従来の圧力調整器１０１では、図３（ｂ）に示すように、ステム３４の受圧面積Ｓ１は、ダイヤフラム５の面積Ｓ２と等しくされていた。
【００２１】
ステム３４の受圧面積Ｓ１が小さいほど、ステム３４がダイヤフラム５を介して受ける圧力室４内のガスの押圧力が小さくなる。また、ダイヤフラム５の面積Ｓ２が大きいほど、ステム３４がダイヤフラム５を撓ませてシート１０に上下変位を伝達するのに必要な力を小さくすることができる。ステム３４の受圧面積Ｓ１がダイヤフラム５の面積Ｓ２の２５％以下であることにより、圧力室４内の流体からダイヤフラム５を介してステム３４に作用する押圧力を低減することができ、圧電アクチュエータ３２への負荷を軽減することができる。
また、ダイヤフラム５の寸法は従来どおりとし、ステム３４のみを小型化することにより、該ステム３４を上下変位させる慣性力を低下させることができるため、オーバーシュートを抑制して、弁３の開閉の応答速度を向上することができる。
【００２２】
変位量拡大機構４０は、台座３１に固定ボルト４２ａによって固定された固定部４２と、この固定部４２に対して弾性ヒンジ４３を介して揺動自在に連結された可動アーム４４とを有して構成されている。
ここでは、固定部４２と弾性ヒンジ４３と可動アーム４４は、鋼材などにより一体に形成されて、梃子４１となっている。
【００２３】
この梃子４１の可動アーム４４には、圧電アクチュエータ３２によりボール３３を介して押圧される受圧部４４ａが設けられている。この受圧部４４ａよりも弾性ヒンジ４３から離れた位置には、弁３のシート１０に対して押圧力を作用させる押圧部４４ｂが設けられている。
ここでは、受圧部４４ａは、ボール３３を受けるボール受け座である。また、押圧部４４ｂは、可動アーム４４に取り付けられたナット４６と、このナット４６に螺合する調整部材４５とからなり、ここでは調整部材４５は、ボルトであり、先端４５ａがステム３４の上端に当接するようになっている。
【００２４】
可動アーム４４は、圧電アクチュエータ３２が伸縮しない限り、ステム３４の上下の変位を殆ど許容しない程度に剛直となっている。つまり、受圧部４４ａを中心として押圧部４４ｂが可動アーム４４の長手方向と垂直な方向に変位するような可動アーム４４の撓みは、実質的に無視できるほどになっている。
これにより、押圧部４４ｂは、調整部材４５の先端４５ａでステム３４を押圧することにより、ダイヤフラム５を介してシート１０に押圧力を作用させるようになっている。
【００２５】
調整部材４５の先端４５ａの可動アーム４４からの突出寸法Ｔは、ナット４６に対するボルト４５の螺合位置を調整することにより、調整できるようになっている。調整部材４５によりステム３４を介して下方に押圧されるダイヤフラム５の変位量を調整することにより、ダイヤフラム５とノズル６の上端６ａとの間隔が調整され、その結果、ガスの流量を調整することができる。
【００２６】
このような圧力調整器１によれば、変位量拡大機構４０が、梃子４１の支点となる弾性ヒンジ４３と、圧電アクチュエータ３２によって駆動される力点となる受圧部４４ａと、作用点となる押圧部４４ｂ（詳しくいえば、調整部材４５の先端４５ａ）とを有しており、この変位量拡大機構４０によって、圧電アクチュエータ３２の変位量（伸縮量）を拡大してステム３４に伝達することができる。シート１０は、ステム３４の上下変位量に応じて上下に変位するので、この結果、弁３の開度ηを大きくすることができ、流量の大きい圧力調整器１を得ることができる。
【００２７】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施の形態のみに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、梃子方式の変位量拡大機構において、梃子は、弾性ヒンジを支点とするものに特に限定されるものではなく、例えば、桿状部材の一箇所に貫通孔を設け、この貫通孔に、本体フレームなどに対して固定された軸を挿通することで支点とした構成の梃子を採用することもできる。
また、支点が、力点（受圧部）と作用点（押圧部）の中間にある梃子を用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力調整器は、圧電アクチュエータの駆動によって、弁のシートを、ダイヤフラムを介して対向する側から押圧する押圧機構を備え、この押圧機構が、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータの変位量を拡大する梃子方式の変位量拡大機構とを有することを特徴とするものであるので、変位量拡大機構により、圧電アクチュエータの変位量を拡大して、押圧機構により押圧されるシートの上下変位量を大きくすることができる。これにより、弁の開度の変化量を大きくし、弁を開いたときの流体流量を大きくすることができる。
【００２９】
変位量拡大機構は、圧電アクチュエータに対する定位置に固定された固定部と、この固定部に対して弾性ヒンジを介して揺動自在に連結された可動アームとを有して構成され、この可動アームには、圧電アクチュエータによって押圧される受圧部よりも、弾性ヒンジから離れた位置に、シートに対して押圧力を作用させる押圧部が設けられていることとすることが好ましい。
これにより、変位量拡大機構となる梃子を少ない数の部品で実現でき、小型で信頼性の高い変位量拡大機構を備えた圧力調整器を提供できる。
【００３０】
さらに、この押圧部に、ダイヤフラム側への突出寸法が調整可能な調整部材が設けられていれば、調整部材のダイヤフラム側への突出寸法を調整することにより、ダイヤフラムが圧力室側に突出する、下方への変位量を調整することができる。その結果、ガスの流量を調整することができる。
【００３１】
押圧機構は、シートをダイヤフラムを介して対向する側から押圧するステムを有し、このステムの受圧面積がダイヤフラム面積の２５％以下になっていることが好ましい。これにより、圧力室内の流体からダイヤフラムを介してステムに作用する押圧力を低減することができ、圧電アクチュエータへの負荷を軽減することができる。また、ステムの小型化により、ステムの慣性力が低下するので、オーバーシュートを抑制して応答速度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の圧力調整器の一例を示す断面図である。（ｂ）この圧力調整器の要部を示す部分拡大図である。
【図２】図１に示す圧力調整器の側面図である。
【図３】（ａ）従来の圧力調整器の一例を示す断面図である。（ｂ）この圧力調整器の要部を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
１…圧力調整器、４…圧力室、３…弁、５…ダイヤフラム、１０…シート（弁体）、１４…付勢手段（スプリング）、２０…流体流路、３０…押圧機構、３２…圧電アクチュエータ、３４…ステム、４０…変位量拡大機構、４１…梃子、４２…固定部、４３…弾性ヒンジ、４４…可動アーム、４４ａ…受圧部、４４ｂ…押圧部、４５…調整部材、Ｓ１…ステムの受圧面積、Ｓ２…ダイヤフラムの面積、Ｔ…押圧部のダイヤフラム側への突出寸法、η…弁の開度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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