(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部に外向きフランジが設けられた筒状の金属ケース内にピエゾスタックが収容されており、このピエゾスタックの一端が、前記金属ケースの他端部に固定された蓋部材に固定され、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形が弁の開閉に連動するように構成されたピエゾアクチュエータを有し、
前記金属ケースの前記フランジに前記一端部を覆うダイアフラムの外周部が固定されているとともに、前記ピエゾスタックの他端が前記ダイアフラムの一面に取り付けられており、このダイアフラムは、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って、該ダイアフラムの中心部が前記外周部よりも前記蓋部材から離間するように変形する一方、 前記外向きフランジに直接係合する袋ナットと、前記ピエゾスタックを構成するピエゾ素子の積層方向に設けられた貫通孔が形成された固定天板及びこの固定天板に立設され前記ダイアフラムの前記中心部を支持する支持部を有し、前記弁を有する弁本体に連結される第２弁体操作反転具と、前記弁本体の弁体操作部を操作する底面及びこの底面から立設して前記固定天板の前記貫通孔を貫通し前記袋ナットが螺合するねじ溝が設けられた袋ナット受けを有し、前記底面及び前記固定天板の間に挿入された弾性体によって前記弁体操作部側へ付勢され、前記袋ナットの前記ねじ溝への螺着によって前記第２弁体操作反転具から抜けず、かつ前記ピエゾ素子の積層方向に移動可能な状態となる第１弁体操作反転具とによって、前記ピエゾアクチュエータが前記弁本体に取り付けられ、
前記ダイアフラムの外周部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位する変位出力箇所が設けられ、前記ダイアフラムの中心部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位しない固定箇所が設けられ、
前記変位出力箇所の変位を前記弁の開閉に連動させるように構成されていることを特徴とするピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造。
【請求項２】
一端部に外向きフランジが設けられた筒状の金属ケース内にピエゾスタックが収容されており、このピエゾスタックの一端が、前記金属ケースの他端部に固定された蓋部材に固定され、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形が弁の開閉に連動するように構成されたピエゾアクチュエータを有し、
前記金属ケースの前記フランジに前記一端部を覆うダイアフラムの外周部が固定されているとともに、前記ピエゾスタックの他端が前記ダイアフラムの一面に取り付けられており、このダイアフラムは、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って、該ダイアフラムの中心部が前記外周部よりも前記蓋部材から離間するように変形する一方、 前記外向きフランジに直接または前記金属ケースに外嵌される環状のスペーサを介して間接的に係合する袋ナットと、前記弁を有する弁本体に直接固定され前記袋ナットが螺合するねじ溝を有する部材とによって、前記ピエゾアクチュエータが前記弁本体に取り付けられ、
前記ダイアフラムの中心部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位し前記弁本体の弁体操作部を操作する変位出力箇所が設けられ、前記ダイアフラムの外周部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位しない固定箇所が設けられ、
前記変位出力箇所の変位を前記弁の開閉に連動させるように構成されていることを特徴とするピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流量調整弁の駆動部に積層されたピエゾ素子からなるピエゾスタックを用いて電力を直接的に弁体の操作量に変換する方法が用いられている。図４は従来のピエゾ駆動方式の流量調整弁１１の構成を示す断面図である。
【０００３】
図４において、１２はピエゾアクチュエータであり、その一端側１２Ａがルビー球Ｂを介して弁体操作部１３に当接している。１４はピエゾアクチュエータ１２の他端１２Ｂに固定される袋ナット、１４ａはこの袋ナット１４の位置決めをする止めナット、１５は流量調整弁１１の弁本体１６に固定的に立設するほゞ筒状の固定筒である。
【０００４】
上記構成の流量調整弁１１は、前記ピエゾアクチュエータ１２を固定筒１５に挿入するように前記袋ナット１４を固定筒１５に螺合接続し、ピエゾアクチュエータ１２が弁体操作部１３を押圧操作するちょうど良い位置において位置決めナット１４ａで締め付け固定した状態で、ピエゾアクチュエータ１２に電圧をかけて膨張させることにより弁体操作部１３を閉方向に駆動操作することができる。
【０００５】
また、前記ピエゾアクチュエータ１２は湿気を嫌うので、その内部のピエゾスタック１７は例えばドライ窒素を封入したブッシュ１８の中に挿入され、外気と遮断されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の流量調整弁１１の構成ではピエゾアクチュエータ１２の変位量の出力がピエゾアクチュエータ１２の両端１２Ａ，１２Ｂの距離の変動によってなされている。それゆえに、流量調整弁１１に使用する場合には、固定筒１５のような固定用の筒状部材を必ず設ける必要があった。
【０００７】
このため、流量調整弁１１の操作量を変えるためにピエゾスタック１７の長さを変更した場合には、同時に固定筒１５の長さを変更する必要があった。すなわち、ピエゾアクチュエータ１２の長さのバリエーションと同数の長さのバリエーションが存在する固定筒１５を用意する必要があった。つまり、従来の構成ではピエゾアクチュエータ１２の取り付けのために、多くの部品と手間を必要とするという問題があった。
【０００８】
また、上記従来の構成では固定筒１５でピエゾアクチュエータ１２を覆っているので、ピエゾアクチュエータ１２を冷却するために周囲に冷却ファンを設けたとしても、固定筒１５内のピエゾアクチュエータ１２を効果的に冷却することは困難であり、高温で使用する場合に放熱性が悪くならざるを得ないという問題もあった。
【０００９】
さらに、上述した従来の構成では、ピエゾアクチュエータ１２の全体の伸びにより流量調整を行っているために、ピエゾアクチュエータ１２の温度膨張による操作量の変化と、固定筒１５等の熱膨張による変化が適合しないことがあった。特に、無負荷の状態と、力が加わった状態とでは膨張率に変化が生じ、上述した従来の構成で温度膨張による操作量の変化の少ない構成とするためには、固定筒１５の材質選択が極めて困難であった。
【００１０】
本発明はこのような実情を考慮に入れてなされたものであって、ピエゾアクチュエータの接続部分における部品点数の削減、ピエゾスタックの放熱効率の向上、さらには温度特性や耐久性の向上を可能とするピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造は、一端部に外向きフランジが設けられた筒状の金属ケース内にピエゾスタックが収容されており、このピエゾスタックの一端が、前記金属ケースの他端部に固定された蓋部材に固定され、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形が弁の開閉に連動するように構成されたピエゾアクチュエータを有し、前記金属ケースの前記フランジに前記一端部を覆うダイアフラムの外周部が固定されているとともに、前記ピエゾスタックの他端が前記ダイアフラムの一面に取り付けられており、このダイアフラムは、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って、該ダイアフラムの中心部が前記外周部よりも前記蓋部材から離間するように変形する一方、 前記外向きフランジに直接係合する袋ナットと、前記ピエゾスタックを構成するピエゾ素子の積層方向に設けられた貫通孔が形成された固定天板及びこの固定天板に立設され前記ダイアフラムの前記中心部を支持する支持部を有し、前記弁を有する弁本体に連結される第２弁体操作反転具と、前記弁本体の弁体操作部を操作する底面及びこの底面から立設して前記固定天板の前記貫通孔を貫通し前記袋ナットが螺合するねじ溝が設けられた袋ナット受けを有し、前記底面及び前記固定天板の間に挿入された弾性体によって前記弁体操作部側へ付勢され、前記袋ナットの前記ねじ溝への螺着によって前記第２弁体操作反転具から抜けず、かつ前記ピエゾ素子の積層方向に移動可能な状態となる第１弁体操作反転具とによって、前記ピエゾアクチュエータが前記弁本体に取り付けられ、前記ダイアフラムの外周部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位する変位出力箇所が設けられ、前記ダイアフラムの中心部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位しない固定箇所が設けられ、前記変位出力箇所の変位を前記弁の開閉に連動させるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造は、一端部に外向きフランジが設けられた筒状の金属ケース内にピエゾスタックが収容されており、このピエゾスタックの一端が、前記金属ケースの他端部に固定された蓋部材に固定され、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形が弁の開閉に連動するように構成されたピエゾアクチュエータを有し、前記金属ケースの前記フランジに前記一端部を覆うダイアフラムの外周部が固定されているとともに、前記ピエゾスタックの他端が前記ダイアフラムの一面に取り付けられており、このダイアフラムは、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って、該ダイアフラムの中心部が前記外周部よりも前記蓋部材から離間するように変形する一方、 前記外向きフランジに直接または前記金属ケースに外嵌される環状のスペーサを介して間接的に係合する袋ナットと、前記弁を有する弁本体に直接固定され前記袋ナットが螺合するねじ溝を有する部材とによって、前記ピエゾアクチュエータが前記弁本体に取り付けられ、前記ダイアフラムの中心部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位し前記弁本体の弁体操作部を操作する変位出力箇所が設けられ、前記ダイアフラムの外周部に、電圧の印加による前記ピエゾスタックの膨張変形に伴って前記ピエゾ素子の積層方向に変位しない固定箇所が設けられ、前記変位出力箇所の変位を前記弁の開閉に連動させるように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
すなわち、固定箇所と変位出力箇所を同じ一端側に位置するピエゾアクチュエータを使用することにより、このピエゾアクチュエータの固定のための構造を可及的に簡略化することができる。また、弁本体にピエゾアクチュエータを接続した状態で従来のようにピエゾアクチュエータを覆う部材がないので、空冷などにより冷却する場合、ピエゾアクチュエータがその他の部材に覆われずに開放されていることからピエゾスタックの放熱効果が期待できる。
【００１３】
また、ピエゾアクチュエータの操作量を変更可能であり、部品点数を少なくすると共に、その取り付け作業を簡便にすることができる。さらに、ピエゾアクチュエータ単体で熱膨張の影響がなくなるように調整することにより、このピエゾアクチュエータを流量調整弁の駆動部に取り付けた状態でも、温度による熱膨張の影響を受けることが少なくなる。すなわち、温度による流量調整開度の影響が少ないので、流量調整弁の精度を簡単に向上することができる。
【００１４】
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１，２は本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の一例を示しており、図１は縦断面図、図２は分解斜視図である。図１において、１はピエゾアクチュエータ、２は弁本体、３はピエゾアクチュエータ１を取付ける袋ナット、４は袋ナット受け具、５はこの袋ナット受け具４に取り付けられて弁体の操作方向を反転させる操作反転機構である。
【００１６】
前記ピエゾアクチュエータ１は、電圧を印加した状態で膨張変形するピエゾ素子を複数枚積層してなるピエゾスタック６と、このピエゾスタック６の上端部を固定する蓋部材７と、この蓋部材７に固定される筒状の金属ケース８と、金属ケース８の下端部に外周部９ａ、ピエゾスタック６の下端部に中心部９ｂが取り付けられたダイアフラム９とからなり、かつ、その一端部（下端部）１Ａに外向きのフランジ１ａを形成している。そして、前記蓋部材７，金属ケース８，ダイアフラム９は気密に取り付けられて、内部に例えばドライ窒素を封入している。
【００１７】
なお、本例におけるピエゾアクチュエータ１は固定箇所が中心部９ｂであり、変位出力箇所が外周部９ａであり、両部９ａ，９ｂはピエゾアクチュエータ１の長手方向一端側１Ａに形成されている。
【００１８】
前記弁本体２はオリフィス一体型の弁ブロック２ａと、その弁ブロック２ａのオリフィスの上面に取り付けられたダイアフラム２ｂとを有しており、このダイアフラム２ｂに弁体操作部２ｃが一体成形されている。そして、弁ブロック２ａに形成されたオリフィスとダイアフラム２ｂによって弁を構成する。また、前記弁体操作部２ｃは例えばコイルばね２ｄによって開弁方向に力が加えられている。
【００１９】
前記袋ナット３は前記ピエゾアクチュエータ１の金属ケース８の外径よりやゝ大きな内径を有し、前記フランジ１ａに係合するように構成されている。そして、袋ナット受け具４は前記弁ブロック２ａの上面に固定的に取り付けられて、弁体操作部２ｃの中心軸に同芯円状に立設する円筒状部分４ａを有しており、この円筒状部分４ａの外周に後述の雌ネジ５１ａおよび後述の図３に示す袋ナット３’に螺合可能な雄ネジ４ｂを形成している。
【００２０】
前記操作反転機構５は大きく分けて第１弁体操作反転具５０と、第２弁体操作反転具５１と、両弁体操作反転具５０，５１の間に挿入される弾性体５２と、第１弁体操作反転具５０の上方に取り付けられるピエゾアクチュエータ１の受け具５３とからなる。
【００２１】
第１弁体操作反転具５０は、前記袋ナット受け具４の円筒状部分４ａ内部に上下摺動自在に挿入されて前記弁体操作部２ｃを操作する底面５０ａと、この底面５０ａの外周部から立設する例えば４本の支柱状のガイド５０ｂと、このガイド５０ｂの延長線上に形成されて外周部にネジ溝５０ｄを有する袋ナット受け５０ｃとを有している。すなわち、袋ナット受け５０ｃは前記弁体操作部２ｃに連設するように設けられる。なお、本例では前記ガイド５０ｂを底面５０ａの周囲から上方に突設された４本の支柱としているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば円筒形状などにしてもよい。また、袋ナット受け５０ｃの数も問わない。
【００２２】
第２弁体操作反転具５１は、前記円筒状部分４ａの外周に設けた雄ネジ４ｂに螺合する雌ネジ５１ａと、前記袋ナット受け５０ｃを挿通可能な貫通孔５１ｃを形成した固定天板５１ｂと、この固定天板５１ｂの中心部に（前記弁体操作部２ｃと同軸状に）立設したピエゾアクチュエータ１の支持部５１ｄとからなる。すなわち、ピエゾアクチュエータ１の支持部５１ｄは前記雌ネジ５１ａに固定している。また、前記雌ネジ５１ａの螺合位置は調節したのちに位置決めナット５１ｅを締めつけることにより固定可能である。
【００２３】
弾性体５２は例えばコイルばね５２ａと、このコイルばね５２ａのバネ受け５２ｂとからなり、前記固定天板５１ｂと底面５０ａとの間に挿入される。なお、コイルバネ５２ａの弾性力は、コイルバネ２ｄの弾性力よりも強く、この流量調整弁は常時（非通電状態で）閉じた状態に保持される。
【００２４】
受け具５３は前記第１弁体操作反転具５０の上端に係合し、その中心部に前記支持具５１ｄを挿通可能とする貫通孔５３ａを形成すると共に、ピエゾアクチュエータ１の一端側１Ａの外周部に当接する受け部５３ｂを有している。
【００２５】
したがって、第１弁体操作反転具５０の底面５０ａ上に弾性体５２を挿入して、第２弁体操作反転具５１の貫通孔５１ｃに第１弁体操作反転具５０の袋ナット受け５０ｃを貫通し、この袋ナット受け５０ｃの上部に受け具５３を取り付けた状態で、ピエゾアクチュエータ１を袋ナット３によって袋ナット受け５０ｃに螺合接続する。次いで、第２弁体操作反転具５１の雌ネジ５１ａを前記雄ネジ４ｂに螺合することにより、ピエゾアクチュエータ１を弁本体２に取り付けることができる。
【００２６】
なお、前記ピエゾアクチュエータ１の固定箇所９ｂと支持具５１ｄとの間、バネ受け５２ｂと、底面５０ａとの間、底面５０ａと弁体操作部２ｃとの間にはルビーからなる球Ｂを挟んでいる。すなわち、それぞれの中心にルビーの球Ｂを介在させることにより、その中心の位置ズレを可及的に小さくしている。また、第２弁体操作反転具５１の雌ネジ５１ａは第１弁体操作反転具５０の底面５０ａが球Ｂを介して弁体操作部２ｃに接触し、所定の変位を持つように調整した後に固定される。
【００２７】
上述のように取り付けられたピエゾアクチュエータ１は操作反転機構５を介して弁本体２に取り付けられているので、この流量調整弁を非通電状態で閉じている。そして、ピエゾスタック６に電圧を印加すると、ピエゾスタック６の変位（伸び）に従って蓋部材７、金属ケース８を上方に変位し、これに伴ってダイアフラム９の変位出力箇所９ａが上方に変位する。また、同時に袋ナット３、第１弁体操作反転具５０、受け具５３が上方に変位し、弁体操作部２ｃが上方に移動することにより、流量調整弁が開状態となる。つまり、ピエゾアクチュエータ１の伸びに伴って流量調整弁を開く制御をすることができ、電圧を印加した状態で開放するノーマルクローズタイプの流量調整弁とすることができる。
【００２８】
また、上記構成のピエゾアクチュエータ１はその一端側１Ａにおいてのみ固定されるので、ピエゾアクチュエータ１の長さに全く関係なく、同じ袋ナット３を用いて固定することができる。したがって、ピエゾアクチュエータ１の長さを変えて操作量を変更する場合にも、取付け作業が簡略化できるだけでなく、従来のようにピエゾアクチュエータ１の長さに合わせた複数の部材１５を用意する必要がなく、それだけ製造コストを引き下げることができる。
【００２９】
加えて、本発明のようにピエゾアクチュエータ１をその一端側１Ａにおいて固定することにより、ピエゾアクチュエータ１に対して不必要なカバーとなる部材（従来例の固定筒１５のような部材）をなくすことができる。すなわち、ピエゾアクチュエータ１を冷却する場合に、冷却効率を向上することができ、強制冷却により５０〜１００℃程度の温度低下を可能とする。
【００３０】
また、上述したピエゾアクチュエータ１はピエゾスタック６の熱膨張係数と金属ケース８の熱膨張係数を合わせることにより、ピエゾアクチュエータ１単体で熱膨張の影響がなくなるように調整することが可能である。つまり、熱膨張の影響がなくなるように調整されたピエゾアクチュエータ１を流量調整弁の駆動部に取り付けることにより、温度による流量調整開度への影響が無くなるようにすることができ、流量調整弁の精度を簡単に向上することができる。
【００３１】
図３は本発明の別の例を示している。図３を図２と共に参照しながらその構成および動作を説明する。なお、上述の説明で用いた符号と同じ符号を付した部材は同一の部材であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図２において、３’は円筒状部分４ａに螺合可能な袋ナット、１０は金属ケース８の外径より少し大きい内径で、円筒状部分４ａの内径より少し小さい外径を有するスペーサであり、５１ｅは前記袋ナット３’の位置決めナットである。本例のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造は、図１に示したピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造から操作反転機構５を取り外し、その代わりにスペーサ１０を挿入したものである。
【００３３】
すなわち、図３に示すように、スペーサ１０を金属ケース８に挿通させることにより、このスペーサ１０をピエゾアクチュエータ１のフランジ１ａに係合させることができる。そして、このスペーサ１０に対して袋ナット３’を係合させた状態で袋ナット３’を前記雄ネジ４ａに螺合することにより、ピエゾアクチュエータ１を弁本体２に固定することができる。
【００３４】
本例のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造においては、ピエゾアクチュエータ１の一端側１Ａの外周部９ａが固定箇所であり、中心部９ｂは変位出力箇所である。そして、変位出力箇所９ｂがルビーの球Ｂを介して弁体操作部２ｃを操作する。なお、本例においても雄ネジ４ａに対する袋ナット３’の螺合位置により、弁体操作部２ｃに対するピエゾアクチュエータ１の操作位置を調節することができる。また、位置決めナット５１ｅを用いて調節した位置を固定することも可能である。
【００３５】
本例のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造によれば、弁体操作部２ｃはコイルバネ２ｄにより上方に引き上げられて、流量調整弁は非通電状態で開放（ノーマルクローズ）されている。そして、ピエゾスタック６に電圧を印加すると、変位出力箇所９ｂが下方に変位し、前記流量調整弁を閉操作することができる。
【００３６】
すなわち、本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造を用いることにより、ノーマルオープンタイプの流量調整弁とノーマルクローズタイプの流量調整弁の両方において、共通のピエゾアクチュエータ１、弁本体２、弁体操作部２ｃ、ダイアフラム２ｂ、袋ナット受け具４、位置決めナット５１ｅを用いることができる。さらに、ピエゾアクチュエータ１の長さにも全く関係なく同様の方法で取付け可能である。つまり、あらゆるタイプのピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造に共通の部品を用いることにより、生産コストの削減および取換え作業など各種作業の簡略化を達成することができる。
【００３７】
加えて、ピエゾアクチュエータ１の冷却効率が向上する点についても、図１に示した例と同様の効果を得ることができる。また、温度補償を行ったピエゾアクチュエータ１を組付けることにより、熱による流量調整弁に対する影響を除去して精度を向上することも可能である。
【００３８】
なお、上述の例では、袋ナット３を雄ねじ４ｂに螺合した状態で、ピエゾアクチュエータ１の取り付けの深さを調節するためにスペーサ１０を設けているが、袋ナット３や雄ねじ４ｂの深さによっては、スペーサ１０を無くすことも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、固定箇所と変位出力箇所を同じ一端側に位置するピエゾアクチュエータを使用することにより、固定のための構造を可及的に簡略化することができると共に、ピエゾアクチュエータがその他の部材に覆われずに開放されているのでピエゾスタックの放熱効果が期待できる。また、部品点数が少なくなる。さらに、ピエゾアクチュエータが単体で熱膨張の影響がなくなるように調整されたものを用いることにより、流量調整弁の精度を簡単に向上することができる。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の要部を示す縦断面図である。
【図２】  前記ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の分解斜視図である。
【図３】  ピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の別の例を示す縦断面図である。
【図４】  従来のピエゾ方式の流量調整弁駆動部構造の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…ピエゾアクチュエータ、１ａ…フランジ、１Ａ…一端側、２…弁本体、２ａ…弁体操作部、３…袋ナット、４…袋ナット受け具、４ａ…円筒状部分、４ｂ…雄ネジ、５…操作反転機構、５０ｃ…袋ナット受け、５１ａ…雌ネジ、５１ｄ…支持部、９…ダイアフラム。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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