(57)【要約】【課題】小型化を実現できる流体制御弁を提供する。【解決手段】流体制御弁は、球状の弁体１１と、流体流路２内にその弁体１１が収容される円錐面状の弁座４を有するハウジング１と、を含む。弁体１１は、球状の芯材１２と、この芯材１２の表面を正５角形と正６角形を組み合わせた複数の領域に区画しながら被覆するＰＺＴ系の圧電材料より成る圧電膜１３と、この圧電膜１３の内外面にそれぞれ積層され、外部の電力供給部に配線を通じて接続された電極膜１４、１５と、芯材１２の表面に対し圧電膜１３及び電極膜１４、１５を区画の境界部分で固定支持する支持部１６と、より構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状の弁体と、流体流路内にその弁体が収容される円錐面状の弁座を有するハウジングと、を含む流体制御弁において、
前記弁体は、球状の芯材と、この芯材の表面を正５角形と正６角形を組み合わせた複数の領域に区画しながら被覆するＰＺＴ系の圧電材料より成る圧電膜と、この圧電膜の内外面にそれぞれ積層され、外部の電力供給部に配線を通じて接続された電極膜と、前記芯材の表面に対し前記圧電膜及び前記電極膜を区画の境界部分で固定支持する支持部と、より構成されることを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
球状の弁体と、流体流路内にその弁体が収容される円錐面状の弁座を有するハウジングと、を含む流体制御弁において、
前記弁体は、球状の芯材と、この芯材の表面を複数の領域に区画しながら被覆する圧電材料より成る圧電膜と、この圧電膜の内外面にそれぞれ積層され、外部の電力供給部に配線を通じて接続された電極膜と、前記芯材の表面に対し前記圧電膜及び前記電極膜を区画の境界部分で固定支持する支持部と、より構成されることを特徴とする流体制御弁。
【請求項３】
前記圧電膜及び前記電極膜が前記芯材の表面で正５角形と正６角形を組み合わせた領域に区画されていることを特徴とする請求項２に記載の流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気や水や油等といったような流体に対してその流量や圧力を調整するための流体制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体制御弁には従来より種々の形式のものがあり、その一つに、球状の弁体を採用したボール式バルブがある。ボール式バルブでは、例えば図６に示すように、ハウジング１０１が有する流体流路１０２中に流路拡大部１０３が形成されていて、その流路拡大部１０３内に鋼球等から成る球状の弁体１１１が収容されている。ここでの流路拡大部１０３は、弁体１１１を十分に収容できる広さであり、その下流側が先細りとなるように円錐面状になっていて、ここが弁座１０４として機能する。
【０００３】
一方、弁体１１１には、弁座１０４の軸心に沿いながら上流側へ向けて伸び出すロッド１１２が連結されており、このロッド１１２は、軸受を介してハウジング１０１を貫通している。ロッド１１２の先端には、鉄心が取り付けられたり、圧電体が取り付けられたりしている。鉄心が取り付けられている場合は、その鉄心を取り巻くようにコイルが配され、そのコイルは外部の電力供給部に接続されている。他方、圧電体が取り付けられている場合には、その圧電体を挟み込む電極が配され、その電極は外部の電力供給部に接続されている。
【０００４】
このような構成のもと、電力供給部からの電流供給のオン／オフによってロッド１１２が進退し、これに伴って、弁体１１１が流路拡大部１０３内で弁座１０４の軸心に沿って進退する。そして、弁体１１１が流路拡大部１０３の下流側に移動することで弁座１０４に押し付けられ、これにより、弁体１１１の表面と弁座１０４との隙間が完全に塞がれて、流体が堰き止められるようになる。つまり、閉弁状態となる。一方、弁体１１１が流路拡大部１０３の上流側に移動することで弁座１０４から離れ、これにより、弁体１１１の表面と弁座１０４と間に隙間ができ、その隙間を流体が流れるようになる。つまり、開弁状態となる。
【０００５】
また、ボール式バルブの別構造として、ハウジング内の流路拡大部を球状の弁体の径と同じ局率の球面状にした上で、その流路拡大部内に弁体を収容したものがある（例えば、特許文献１参照）。ここでの弁体には、流体流路に沿う貫通穴が形成されており、弁体はその貫通穴と直交する軸を中心に回転するようになっている。ここでの弁体を回転させる駆動は、弁体から回転軸に沿って伸び出すシャフトに外部のモータより回転力が与えられることで実現される。そして、弁体が回転して、貫通穴が流体流路に沿う方向に向くと、流体流路が全開して流体が流れる。つまり、開弁状態となる。一方、貫通穴が流体流路に沿う方向と直交する方向に向くと、流体流路が閉ざされて流体が堰き止められるようになる。つまり、閉弁状態となる。
【特許文献１】実開昭６３−１８０７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記した従来の流体制御弁では、球状の弁体を駆動させるためにロッドやシャフトを要し、これらを支持するハウジングに強固な構造が要求されることから、流体制御弁そのものが大型化せざるを得ない。これは、複雑な配管への適用には、極めて不都合である。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、小型化を実現できる流体制御弁を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明による流体制御弁は、球状の弁体と、流体流路内にその弁体が収容される円錐面状の弁座を有するハウジングと、を含む流体制御弁において、次の点を特徴とする。前記弁体は、球状の芯材と、この芯材の表面を正５角形と正６角形を組み合わせた複数の領域に区画しながら被覆するＰＺＴ系の圧電材料より成る圧電膜と、この圧電膜の内外面にそれぞれ積層され、外部の電力供給部に配線を通じて接続された電極膜と、前記芯材の表面に対し前記圧電膜及び前記電極膜を区画の境界部分で固定支持する支持部と、より構成される。
【０００９】
このような構成にすると、電力供給部からの電流供給のオン／オフによって、電極膜には配線を通じて両者間に電圧が印加されたり、無印加の状態になったりする。これにより弁体は、その表面すなわち圧電膜及び電極膜が区画領域ごとに突出しつつ各区画の境界部分で凹んだ凸凹状の状態と、球状の状態と、を取り得るようになる。前者の状態では、弁体の表面と弁座と間には、丁度区画の境界部分に隙間が生まれ、その隙間を流体が流れるようになる。一方後者の状態では、弁体の表面と弁座との隙間が完全に塞がれて、流体が堰き止められるようになる。
【００１０】
また、上記目的を達成するための本発明による流体制御弁は、球状の弁体と、流体流路内にその弁体が収容される円錐面状の弁座を有するハウジングと、を含む流体制御弁において、次の点を特徴とする。前記弁体は、球状の芯材と、この芯材の表面を複数の領域に区画しながら被覆する圧電材料より成る圧電膜と、この圧電膜の内外面にそれぞれ積層され、外部の電力供給部に配線を通じて接続された電極膜と、前記芯材の表面に対し前記圧電膜及び前記電極膜を区画の境界部分で固定支持する支持部と、より構成される。
【００１１】
このような構成にすると、電力供給部からの電流供給のオン／オフによって、電極膜には配線を通じて両者間に電圧が印加されたり、無印加の状態になったりする。これにより弁体は、その表面すなわち圧電膜及び電極膜が区画領域ごとに突出しつつ各区画の境界部分で凹んだ凸凹状の状態と、球状の状態と、を取り得るようになる。前者の状態では、弁体の表面と弁座と間には、丁度区画の境界部分に隙間が生まれ、その隙間を流体が流れるようになる。一方後者の状態では、弁体の表面と弁座との隙間が完全に塞がれて、流体が堰き止められるようになる。
【００１２】
ここで、前記圧電膜及び前記電極膜が前記芯材の表面で正５角形と正６角形を組み合わせた領域に区画されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の流体制御弁によれば、流体制御弁の機能を実現できる。しかも、球状の弁体を駆動させるために従来の流体制御弁のようなロッドやシャフトが一切不要であることから、ハウジングに強固な構造は求められず、流体制御弁を小型化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の流体制御弁の一実施形態について、図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施形態である流体制御弁の閉弁状態を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３はその流体制御弁の開弁状態を示す縦断面図、図４は図３のＢ−Ｂ断面図、図５はその流体制御弁における弁体の作製手順を示す断面図である。なお、図１及び図３での弁体は、断面視ではなく平面視である。
【００１５】
本実施形態での流体制御弁では、ハウジング１が有する流体流路２中に流路拡大部３が形成されていて、その流路拡大部３内に詳細は後述する球状の弁体１１が移動自在に収容されている。ここでの流路拡大部３は、弁体１１を十分に収容できる広さであり、その下流側が先細りとなるように円錐面状になっていて、ここが弁座４として機能する。
【００１６】
一方、弁体１１は、大きくは、球状の芯材１２と、この芯材１２の表面を全域にわたって被覆する圧電膜１３と、この圧電膜１３の内外面にそれぞれ積層された電極膜１４、１５と、芯材１２の表面に対し圧電膜１３及び電極膜１４、１５を一体で固定支持する支持部１６と、より構成される。ここでの芯材１２は、ＳｉやＭｇＯ等の絶縁材料より成る。圧電膜１３は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ3）系等の圧電材料より成り、電界の印加によって伸縮する特性を有する。電極膜１４、１５は、Ａｌ（アルミニウム）やＰｔ（白金）やＮｉ（ニッケル）やＣｒ（クロム）やＡｕ（金）等の導電性材料より成る。
【００１７】
ここで、圧電膜１３は、電極膜１４、１５と共に、芯材１２の表面を複数の領域に区画しながら被覆しており、その区画の境界部分に配置された支持部１６によってのみ芯材１２の表面に固着されている。特に本実施形態では、圧電膜１３は、電極膜１４、１５と共に、サッカーボールの表面のように、正５角形と正６角形を組み合わせた複数の領域に区画されており、支持部１６は、その正５角形と正６角形の各辺に配置されている。
【００１８】
また、電極膜１４、１５それぞれには、不図示の配線が接続されており、これらの各配線はハウジング１に形成されている貫通孔を挿通して外部の電力供給部に接続されている。各配線が挿通された貫通孔は、流体が漏れ出さないように封止処理が施されている。
【００１９】
ところで、上記した構成の弁体１１は、次のようにして作製される。先ず、図５（ａ）に示すように、芯材１２の表面に、上記の区画パターンで同一高さの支持部１６を形成する。続いて、図５（ｂ）に示すように、支持部１６で区画された芯材１２の露出表面に、支持部１６と同一高さの犠牲層１７を形成する。なお、その犠牲層１７は後述するように最終的に取り除かれる部分である。
【００２０】
次に、図５（ｃ）に示すように、支持部１６及び犠牲層１７の上に、全域にわたって、電極膜１４、圧電膜１３、電極膜１５をこの順に形成する。ここでの電極膜１４、１５の形成は、蒸着やスパッタリングにより行える。また、圧電膜１３の形成は、スパッタリングやゾルゲル法により行える。
【００２１】
そして、支持部１６で区画された各領域において、犠牲層１７まで圧電膜１３及び電極膜１４、１５を貫通する細孔を穿設し、各細孔から犠牲層１７に溶剤を注入する。犠牲層１７は、注入された溶剤によって溶解し、各細孔から排出される。こうして、図５（ｄ）に示すように、圧電膜１３及び電極膜１４、１５が、芯材１２の表面全域を覆いながら、区画の境界部分で支持部１６によって芯材１２の表面に固着された弁体１１を製作することができる。
【００２２】
このような構成の流体制御弁によれば、電力供給部からの電流供給のオン／オフによって、電極膜１４、１５には配線を通じて両者間に電圧が印加されたり、無印加の状態になったりする。電圧無印加の状態では、圧電膜１３に電界が作用せず、そのため、図１及び図２に示すように、各区画領域の圧電膜１３は、電極膜１４、１５と一体で初期状態のまま一切変形しない。つまり、弁体１１は実質球状の状態になる。そうすると、弁体１１は、流体流路２を流れる流体によって弁座４に押し付けられ、これにより、弁体１１の表面と弁座４との隙間が完全に塞がれて、流体が堰き止められるようになる。これが閉弁状態である。
【００２３】
一方、電圧印加の状態では、その電界の作用により圧電膜１３そのものが伸び、そのため、図３及び図４に示すように、各区画領域の圧電膜１３は、電極膜１４、１５と一体で支持部１６に拘束されながら芯材１２の表面から離れるように膨らむ。つまり、弁体１１の表面は、区画領域ごとに突出しつつ各区画の境界部分で凹んだ凸凹状の状態になる。そうすると、弁体１１は、流体流路２を流れる流体によって弁座４に押し付けられるが、その際、弁体１１の表面と弁座４と間には、丁度区画の境界部分に隙間が生まれ、その隙間を流体が流れるようになる。これが開弁状態である。但し、この状態から電圧無印加にすると、圧電膜１３そのものは縮み、図１及び図２に示すような初期状態に戻る。
【００２４】
もっとも、印加電圧の値を調節することで、圧電膜１３の膨らみ量を調整でき、これにより、弁体１１の表面と弁座４と間での区画の境界部分に生まれる隙間の量を調整できることから、流れる流体の流量や圧力を微調整することもできる。こうして、流体制御弁の機能が実現できる。
【００２５】
しかも、本実施形態の流体制御弁では、球状の弁体１１を駆動させるために従来の流体制御弁のようなロッドやシャフトが一切不要であることから、ハウジング１に強固な構造は求められず、流体制御弁を小型化することが可能になる。また、弁体１１の表面全域に圧電膜１３が区画されて配されているため、仮に弁体１１が流路拡大部３内で不用意に回転しても、上記の流体制御弁の機能にまったく支障はない。
【００２６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、圧電膜１３及び電極膜１４、１５の区画領域は、サッカーボールの表面のような正５角形と正６角形を組み合わせたものに限定されるわけではなく、バレーボールやバスケットボールやゴルフボールの表面のようなものであっても構わない。
【００２７】
また、上記の実施形態では、電圧無印加の初期状態で弁体１１が球状になって閉弁し、電圧印加の状態で弁体１１の表面が凸凹状になって開弁する態様を示したが、これとは逆に、表面がもともと凸凹状になった弁体１１を予め製作し、電圧無印加の初期状態で弁体１１が凸凹状になって開弁し、電圧印加の状態で圧電膜１３が縮んで弁体１１が球状になって閉弁するようにしても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、流体の流量や圧力を調整するための流体制御弁に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態である流体制御弁の閉弁状態を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の一実施形態である流体制御弁の開弁状態を示す縦断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明の一実施形態である流体制御弁における弁体の作製手順を示す断面図である。
【図６】従来の流体制御弁の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    ハウジング
２    流体流路
３    流路拡大部
４    弁座
１１    弁体
１２    芯材
１３    圧電膜
１４、１５    電極膜
１６    支持部
【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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