(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内室、及び、前記内室に連通して流体の出入口となる少なくとも２つの開口を備えたケースと、
所定の伸縮軸に沿って伸縮可能な圧電素子と、
前記圧電素子の変位を拡大し、前記開口の少なくとも一つを開閉する弁部を変位させるメカニカルアンプとを有し、
前記メカニカルアンプは、
前記ケースに設けられ、前記圧電素子の前記伸縮軸の軸方向における一端に接続された支持部と、
前記圧電素子の前記軸方向における他端に結合された変位部と、
一端において前記変位部に接続され、中間部において前記支持部に変形可能なアンプヒンジ部を介して接続され、他端において前記開口の少なくとも一つを開閉するアームと、
前記圧電素子の伸長によって前記変位部に加わる前記伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構とを含み、
前記バランス機構は、前記変位部に結合された擬アームと、前記擬アームと前記支持部とに結合され、変形可能なバランスヒンジ部を含み、
前記アーム及び前記変位部の結合部分と、前記擬アーム及び前記変位部の結合部分とは前記伸縮軸を介して対峙し、
前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部及び第２支持部を含み、
前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記バランスヒンジ部は前記アンプヒンジ部と同形な断面を有して前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部とを有し、
前記変位部は前記伸縮軸に対して軸対称をなし、
前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端は前記アンプヒンジ部の基端よりも前記圧電素子の前記一端の側に位置する流体制御弁。
【請求項２】
内室、及び、前記内室に連通して流体の出入口となる少なくとも２つの開口を備えたケースと、
所定の伸縮軸に沿って伸縮可能な圧電素子と、
前記圧電素子の変位を拡大し、前記開口の少なくとも一つを開閉する弁部を変位させるメカニカルアンプとを有し、
前記メカニカルアンプは、
前記ケースに設けられ、前記圧電素子の前記伸縮軸の軸方向における一端に接続された支持部と、
前記圧電素子の前記軸方向における他端に結合された変位部と、
一端において前記変位部に接続され、中間部において前記支持部に変形可能なアンプヒンジ部を介して接続され、他端において前記開口の少なくとも一つを開閉するアームと、
前記圧電素子の伸長によって前記変位部に加わる前記伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構とを含み、
前記バランス機構は、前記変位部に結合された擬アームと、前記擬アームと前記支持部とに結合され、変形可能なバランスヒンジ部を含み、
前記アーム及び前記変位部の結合部分と、前記擬アーム及び前記変位部の結合部分とは前記伸縮軸を介して対峙し、
前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部及び第２支持部を含み、
前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記バランスヒンジ部は前記アンプヒンジ部と同形な断面を有して前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部とを有し、
前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端は前記アンプヒンジ部の基端と整合する位置にあり、
前記圧電素子の前記他端の側に位置する前記アームの側縁は、前記圧電素子の前記他端の側に位置する前記擬アームの側縁よりも、前記圧電素子の前記他端の側に位置する流体制御弁。
【請求項３】
内室、及び、前記内室に連通して流体の出入口となる少なくとも２つの開口を備えたケースと、
所定の伸縮軸に沿って伸縮可能な圧電素子と、
前記圧電素子の変位を拡大し、前記開口の少なくとも一つを開閉する弁部を変位させるメカニカルアンプとを有し、
前記メカニカルアンプは、
前記ケースに設けられ、前記圧電素子の前記伸縮軸の軸方向における一端に接続された支持部と、
前記圧電素子の前記軸方向における他端に結合された変位部と、
一端において前記変位部に接続され、中間部において前記支持部に変形可能なアンプヒンジ部を介して接続され、他端において前記開口の少なくとも一つを開閉するアームと、
前記圧電素子の伸長によって前記変位部に加わる前記伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構とを含み、
前記バランス機構は、前記変位部に結合された擬アームと、前記擬アームと前記支持部とに結合され、変形可能なバランスヒンジ部を含み、
前記アーム及び前記変位部の結合部分と、前記擬アーム及び前記変位部の結合部分とは前記伸縮軸を介して対峙し、
前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部及び第２支持部を含み、
前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記バランスヒンジ部は前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、
前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部とを有し、
前記変位部は前記伸縮軸に対して軸対称をなし、
前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端は前記アンプヒンジ部の基端と整合する位置にあり、
前記バランスヒンジ部の断面積は一部において他の部分とは異なる流体制御弁。
【請求項４】
内室、及び、前記内室に連通して流体の出入口となる少なくとも２つの開口を備えたケースと、
所定の伸縮軸に沿って伸縮可能な圧電素子と、
前記圧電素子の変位を拡大し、前記開口の少なくとも一つを開閉する弁部を変位させるメカニカルアンプとを有し、
前記メカニカルアンプは、
前記ケースに設けられ、前記圧電素子の前記伸縮軸の軸方向における一端に接続された支持部と、
前記圧電素子の前記軸方向における他端に結合された変位部と、
一端において前記変位部に接続され、中間部において前記支持部に変形可能なアンプヒンジ部を介して接続され、他端において前記開口の少なくとも一つを開閉するアームと、
前記圧電素子の伸長によって前記変位部に加わる前記伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構とを含み、
前記ケースには、前記内室を、前記圧電素子を収容する第１の空間と、２つの前記開口に連通する通路を含む第２の空間とに区画する仕切壁が設けられている流体制御弁。
【請求項５】
前記仕切壁は、前記アームを通過させるアーム通路の少なくとも一部を画定する壁体と、前記アーム及び前記通路を画定する壁面の間に設けられ、弾性変形可能なシール部材とを含む請求項４に記載の流体制御弁。
【請求項６】
前記壁体は前記アーム通路を画定する貫通孔を備え、
前記シール部材は、前記貫通孔を画定する壁面と、前記アームとの間に設けられている請求項５に記載の流体制御弁。
【請求項７】
前記壁体は前記内室を画定する壁面と協働して前記アーム通路を画定し、
前記シール部材は、前記壁体及び前記内室を画定する壁面と、前記アームとの間に設けられている請求項５に記載の流体制御弁。
【請求項８】
前記第１の空間は、前記ケースの外部にコネクタ孔を介して連通し、
前記コネクタ孔に整合する位置に、前記圧電素子に電圧を供給するためのコネクタが設けられている請求項４〜請求項７のいずれか１つの項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、流路の切り換えや、流量を調整するための流体制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れ方向を切り替える電気式切換弁が公知である（例えば、特許文献１）。特許文献１の電気式切換弁はスプール式のものであって、スプールの両側にはスプール液室が形成されている。スプール液室にはそれぞれノズルが接続され、ノズルはタンクラインに繋がる排出流路に接続されている。
【０００３】
排出通路のそれぞれにはノズルを開閉する開閉機構が設けられている。開閉機構は、積層型の圧電素子（電歪素子）と、圧電素子の変位を拡大するメカニカルアンプ（変位拡大機構）とを有している。メカニカルアンプは、電気式切換弁のハウジングに固定された支持アームと、支持アームにヒンジを介して連結されたＬ字状のレバーとを有する。レバーは一端においてノズルを封止し、他端において圧電素子に接続されている。
【０００４】
圧電素子に電圧が加わると圧電素子が伸長し、レバーはヒンジを中心として回転して、ノズルが開放される。ノズルが開放されると、一方のスプール液室が排出流路を介してタンクラインに連通し、スプール液室の液圧が排出される。これにより、両スプール液室の液圧の差が生じて、スプールが移動し、流体の流れ方向が切り替えられる。
【０００５】
このように、圧電素子を用いて開閉機構を構成することによって、ソレノイド式の開閉機構よりも高速な応答が可能となる。また、Ｌ字状をなす一本のレバーを用いて開閉が行われているため、複数のレバーを用いた場合や、直線状のレバーを用いた場合に比べて、電気式切換弁の小型化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公平３―４３５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の電気式切換弁では圧電素子が伸長すると、レバーが概ねヒンジを中心として回転するため、レバーと支持アームとの接続部分は概ねそのヒンジを中心とする弧に沿って移動する。そのため、圧電素子とレバーとの結合部分には伸長方向に直交する方向の成分を有する荷重が加わる。その荷重のうち、伸長方向に直交する方向の成分は圧電素子へのせん断力となるため、圧電素子に負荷がかかり、電磁切換弁の耐久性が低下する虞がある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、圧電素子、及び、圧電素子の変位を拡大するメカニカルアンプを備えた流体制御弁において、圧電素子に加わるせん断力の低減を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態による流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）は、内室（４０）、及び、前記内室に連通して流体の出入口となる少なくとも２つの開口（Ａ、Ｐ）を備えたケース（１２）と、所定の伸縮軸（Ｘ）に沿って伸縮可能な圧電素子（４４）と、前記圧電素子の変位を拡大し、前記開口の少なくとも一つを開閉する弁部（８４）を変位させるメカニカルアンプ（５４）とを有し、前記メカニカルアンプは、前記ケースに設けられ、前記圧電素子の前記伸縮軸の軸方向における一端に接続された支持部（６０）と、前記圧電素子の前記軸方向における他端に結合された変位部（６６）と、一端において前記変位部に接続され、中間部において前記支持部に変形可能なアンプヒンジ部（６２）を介して接続され、他端において前記開口の少なくとも一つを開閉するアーム（６４）と、前記圧電素子の伸長によって前記変位部に加わる前記伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構（６８）とを含む。
【００１０】
圧電素子に結合された変位部が変位し、その変位が変位部に接続されたアームの一端に入力される。アンプヒンジ部を支点とする、いわゆるてこの原理によって、アームの他端には、一端側の変位が増幅されて出力されて、開口が開かれる。このとき、アームの一端の伸縮軸の軸方向とはずれた方向に変位するため、この変位によって、変位部を介して圧電素子の他端に伸長方向に直交する方向に荷重が加わり、圧電素子にせん断力が加わる虞がある。
【００１１】
上記の構成によれば、変位部に伸縮軸に直交する方向の成分を有する荷重が加わると、バランス機構からその成分を相殺するように荷重が加えられる。そのため、変位部を介して圧電素子の他端に伸長方向に直交する方向に荷重が伝わることが防止され、圧電素子に伸長方向に直交する方向のせん断力が低減される。
【００１２】
上記流体制御弁において、より好ましくは、前記バランス機構は、前記変位部に結合された擬アーム（８０）と、前記擬アームと前記支持部とに結合され、変形可能なバランスヒンジ部（８２）を含み、前記アーム及び前記変位部の結合部分と、前記擬アーム及び前記変位部の結合部分とは前記伸縮軸を介して対峙している。
【００１３】
この構成によれば、変位部はアームとバランスヒンジ部とに伸縮軸を介して対峙する位置で結合される。そのため、変位部にバランスヒンジ部を介して、アームから加わる伸縮軸に直交する方向の成分を有する荷重が加わったときに、その成分に対向する逆向きの荷重を加えることができる。
【００１４】
上記流体制御弁（１０）において、より好ましくは、前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部（６０Ｂ）及び第２支持部（６０Ｃ）を含み、前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記バランスヒンジ部は前記アンプヒンジ部と同形な断面を有して前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部（７２）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部（７４）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部（７６）とを有し、前記変位部は前記伸縮軸に対して軸対称をなし、前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端（８２Ａ）は前記アンプヒンジ部の基端（６２Ａ）よりも前記圧電素子の前記一端の側に位置する。
【００１５】
この構成によれば、バランスヒンジ部の基端と、アンプヒンジ部の基端とが、伸縮軸の軸方向に揃う位置にあるときよりも、変位部にバランスヒンジ部を介して、アームから加わる伸縮軸に直交する方向の荷重をより相殺するように、荷重を加えることができる。
【００１６】
上記流体制御弁（２１０）において、より好ましくは、前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部（６０Ｂ）及び第２支持部（６０Ｃ）を含み、前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記バランスヒンジ部は前記アンプヒンジ部と同形な断面を有して前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部（７２）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部（７４）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部（７６）とを有し、前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端（８２Ａ）は前記アンプヒンジ部の基端（６２Ａ）と整合する位置にあり、前記圧電素子の前記他端の側に位置する前記アームの側縁は、前記圧電素子の前記他端の側に位置する前記擬アームの側縁よりも、前記圧電素子の前記他端の側に位置する。
【００１７】
この構成によれば、圧電素子の他端の側に位置するアームの側縁と圧電素子の他端の側に位置する擬アームの側縁とが伸縮軸の軸方向に揃う位置にあるときよりも、変位部にバランスヒンジ部を介して、アームから加わる伸縮軸に直交する方向の荷重をより相殺するように、荷重を加えることができる。
【００１８】
上記流体制御弁（３１０）において、より好ましくは、前記支持部は前記伸縮軸の方向に延び、前記圧電素子を介して対峙する位置に配置された第１支持部（６０Ｂ）及び第２支持部（６０Ｃ）を含み、前記アンプヒンジ部は前記第１支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記バランスヒンジ部は前記第２支持部から前記伸縮軸に沿って延出し、前記変位部は、前記圧電素子の前記他端に結合されたキャップ部（７２）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記アームと接続された第１軸方向延出部（７４）と、前記キャップ部から前記伸縮軸に沿って延び、前記擬アームに接続された第２軸方向延出部（７６）とを有し、前記変位部は前記伸縮軸に対して軸対称をなし、前記軸方向において、前記バランスヒンジ部の基端（８２Ａ）は前記アンプヒンジ部の基端（６２Ａ）と整合する位置にあり、前記バランスヒンジ部の断面積は一部において他の部分とは異なる。
【００１９】
この構成によれば、バランスヒンジ部の断面積を調整することによって、変位部にバランスヒンジ部を介して、アームから加わる伸縮軸に直交する方向の荷重をより相殺するように、荷重を加えることができる。
【００２０】
上記流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）において、より好ましくは、前記バランスヒンジ部の屈曲点（Ｐ２）、及び、前記アンプヒンジ部の屈曲点（Ｐ１）は前記伸縮軸を中心として軸対称をなす。
【００２１】
この構成によれば、バランスヒンジ部の屈曲点とアンプヒンジ部の屈曲点とが伸縮軸を中心として軸対称でない場合に比べて、変位部にバランスヒンジ部を介して、アームから加わる伸縮軸に直交する方向の荷重をより相殺するように、荷重を加えることができる。
【００２２】
上記流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）において、より好ましくは、前記ケースには、前記内室を、前記圧電素子を収容する第１の空間（９０、１９０）と、２つの前記開口を接続する通路を含む第２の空間（９２、１９２）とに区画する仕切壁（９４）が設けられている。
【００２３】
この構成によれば、内室が、圧電素子が設けられた第１の空間と、流体が２つの貫通孔を介して流通する第２の空間とに分離される。そのため、圧電素子が設けられた空間への流体の侵入が防止でき、圧電素子の保護を図ることができる。
【００２４】
上記流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）において、好ましくは、前記仕切壁は、前記アームを通過させるアーム通路（３２Ａ、１３０）の少なくとも一部を画定する壁体（３０Ｄ、１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｄ）と、前記アーム及び前記通路を画定する壁面の間に設けられ、弾性変形可能なシール部材（７０、１７０）とを含む。
【００２５】
この構成によれば、アーム及び通路との間が弾性変形可能なシール部材によってシールされているため、内室を第１の空間と第２の空間とに区画した状態で、アームを変位させることができる。更に、アームに発生した振動をシール部材によって減衰させることができる。
【００２６】
上記流体制御弁（１０、２１０、３１０、４１０）において、好ましくは、前記壁体は前記アーム通路を画定する貫通孔（３２）を備え、前記シール部材は、前記貫通孔を画定する壁面と、前記アームとの間に設けられている。
【００２７】
この構成によれば、内室を第１の空間と第２の空間とに区画するとともに、アームを変位可能とすることができる。
【００２８】
上記流体制御弁（１１０）において、好ましくは、前記壁体は前記内室を画定する壁面と協働して前記アーム通路を画定し、前記シール部材（１７０）は、前記壁体及び前記内室を画定する壁面と、前記アームとの間に設けられている。
【００２９】
この構成によれば、内室を第１の空間と第２の空間とに区画するともに、アームを変位可能とすることができる。
【００３０】
上記流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）において、好ましくは、前記第１の空間は、前記ケースの外部にコネクタ孔（４２）を介して連通し、前記コネクタ孔に整合する位置に、前記圧電素子に電圧を供給するためのコネクタ（Ｃ）が設けられている。
【００３１】
この構成によれば、容易にコネクタを組み付けることができ、シール機能を有するコネクタ孔を用いる必要がないため、流体制御弁を小型化することができる。
【００３２】
上記流体制御弁（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）において、好ましくは、前記アームの前記一端にはエラストマー製の弁体が一体形成されている。
【００３３】
この構成によれば、弁体によって開口の封止がより確実に行われる。
【００３４】
上記流体制御弁（４１０）において、好ましくは、前記アームによって開閉される前記開口には、エラストマーによって構成された弁座（５２）が設けられている。
【００３５】
この構成によれば、弁体によって開口の封止がより確実に行われる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、圧電素子、及び、圧電素子の変位を拡大するメカニカルアンプを備えた流体制御弁において、圧電素子に加わるせん断力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係る流体制御弁の斜視図
【図２】（Ａ）図１のＩＩ―ＩＩ断面図、及び、（Ｂ）その２点鎖線で囲まれた部分の拡大図
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図
【図４】第１実施形態に係る流体制御弁の分解斜視図
【図５】圧電素子が伸長したときの流体制御弁の断面図
【図６】（Ａ）バランスヒンジ部の基端とアンプヒンジ部の基端とが左右方向に揃っている場合と、（Ｂ）バランスヒンジ部の基端がアンプヒンジ部の基端よりも左側に位置する場合とにおいて、圧電素子が伸長したときのプレートの内部の応力分布を示す図
【図７】第２実施形態に係る流体制御弁の斜視図
【図８】図７のＶＩＩＩ―ＶＩＩＩ断面図
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ断面図
【図１０】第２実施形態に係る流体制御弁の分解斜視図
【図１１】第３実施形態に係る流体制御弁の（Ａ）プレートの形状、及び（Ｂ）圧電素子が伸長したときのプレートの内部の応力分布を示す図
【図１２】第４実施形態に係る流体制御弁のプレートの形状を説明するための説明図
【図１３】第５実施形態に係る流体制御弁の断面図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明による流体制御弁は、流路をそれぞれ画定する複数のポートの接続状態を制御するために使用される。以下、本発明を２つのポートの接続状態を制御する流体制御弁に適用した４つの実施形態について説明する。以下では、図１に示した矢印に従って、上下、前後、及び左右方向を便宜的に定めて説明を行う。
【００３９】
＜＜第１実施形態＞＞
第１実施形態に係る流体制御弁１０は、図１に示すように、上下、前後、及び左右の各方向に向く面を有する略直方体状をなしている。流体制御弁１０の上面には、圧縮空気等の流体の入口となる供給ポートＰと、流体の出口となる出力ポートＡとが設けられている。供給ポートＰと出力ポートＡとは左右に並ぶように配置されている。
【００４０】
図１〜図４に示すように、流体制御弁１０は略直方体状のケース１２を有している。ケース１２はその前下半部を構成するケース本体１４と、その上半部を構成する上部材１６と、その後下半部を構成するカバー部材１８とによって構成されている。
【００４１】
上部材１６は左右に延びる直方体状をなし、上下に貫通する２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒを備えている。２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒは左右に並ぶように配置されている。左側のポート用貫通孔２０Ｌの上端開口部分によって出力ポートＡが、右側のポート用貫通孔２０Ｒの上端開口部分によって供給ポートＰがそれぞれ画定されている。
【００４２】
本実施形態では、図２（Ａ）及び図３に示すように、上部材１６はその上部を構成する第１上部材１６Ｕと、その下部を構成する第２上部材１６Ｄと、第１上部材１６Ｕ及び第２上部材１６Ｄとの間に設けられた筒部材２２とによって構成されている。第１上部材１６Ｕ（第２上部材１６Ｄ）には上下方向に貫通する２つの貫通孔２４ＬＵ、２４ＲＵ（２４ＬＤ、２４ＲＤ）が左右に並設されている。第１上部材１６Ｕの２つの貫通孔２４ＬＵ、２４ＲＵと、第２上部材１６Ｄの右側の貫通孔２４ＲＤとはそれぞれ円形をなし、第２上部材１６Ｄの左側の貫通孔２４ＬＤは左右方向に延びる長孔状をなしている。
【００４３】
筒部材２２は上下に貫通する内孔２２Ａを備えた筒状をなしている。内孔２２Ａは左右方向に延びる長孔状の断面を有している。筒部材２２は第２上部材１６Ｄの左側の貫通孔２４ＬＤに収容されている。第１上部材１６Ｕ及び第２上部材１６Ｄはケース本体１４の上面に共締めされて、ケース本体１４の上面に結合されている。このとき、第１上部材１６Ｕの左側の貫通孔２４ＬＵと第２上部材１６Ｄの左側の貫通孔２４ＬＤは上下に整合して左側のポート用貫通孔２０Ｌを構成し、第１上部材１６Ｕの右側の貫通孔２４ＲＵと第２上部材１６Ｄの右側の貫通孔２４ＲＤは上下に整合して右側のポート用貫通孔２０Ｒを構成する。
【００４４】
図２（Ａ）に示すように、筒部材２２はその下端が第２上部材１６Ｄの下面よりも下側に突出した状態で、第２上部材１６Ｄの左側の貫通孔２４ＬＤに収容されている。本実施形態では、筒部材２２は金属製の部材によって構成されている。
【００４５】
図３、及び図４に示すように、ケース本体１４はその上部を構成する本体上部２６と、本体上部２６の下面前部から下方に延びる本体下部２８とを備えている。 本体上部２６は左右方向に延びる直方体状をなしている。本体上部２６の上面には、長方形状の開口を有して下方に凹む上側凹部３０が設けられている。図２（Ａ）、及び図３に示すように、上側凹部３０の底壁３０Ｄ（下壁）の右縁には上下に貫通する貫通孔３２が設けられている。
【００４６】
本体下部２８は前後方向を向く主面を有する長方形板状をなしている。図２（Ａ）及び図４に示すように、本体下部２８の後面には前方に凹む収容凹部３４と、収容凹部３４と同様に前方に凹み、収容凹部３４の右下縁から下方に延びる溝部３６とが設けられている。
【００４７】
カバー部材１８は前後方向を向く面を有する板状をなしている。カバー部材１８は本体下部２８に整合する長方形板状をなし、本体下部２８の後側面に締結されている。カバー部材１８の右下縁であって、溝部３６に整合する位置には上方向に方形に切り欠かれた切欠部３８が設けられている。
【００４８】
ケース本体１４の収容凹部３４がカバー部材１８によって閉じられ、ケース本体１４の上面に上部材１６が締結されることによって、ケース１２の内部には、２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒに接続する（すなわち、供給ポートＰ及び出力ポートＡに連通する）内室４０が形成されている。図３に示すように、内室４０は溝部３６を介して外部に連通する。すなわち、溝部３６が設けられることによって、ケース１２には内室４０を外部に連通させるコネクタ孔４２が形成されている。
【００４９】
図２（Ａ）及び図４に示すように、内室４０には、圧電素子４４と、筒部材２２の下端に当接して左側のポート用貫通孔２０Ｌの下端を閉じる弁体４６と、圧電素子４４の変位を弁体４６に伝えるプレート４８とが収容されている。
【００５０】
圧電素子４４は複数の圧電体４４Ａが積層されることによって構成された積層型の圧電アクチュエータであって、本実施形態では圧電体４４Ａの積層方向が左右方向となるように配置されている。圧電体４４Ａの間には電極が設けられている。圧電体４４Ａの間の電極はそれぞれ圧電素子４４の側面に設けられた対応するプラス又はマイナスの端子に接続されている。端子にはそれぞれ配線５０が接続されている。２つの配線５０の間に所定の電圧を印加すると、圧電体４４Ａが変形し、圧電素子４４はその積層方向に伸長し、電圧がゼロになると、圧電素子４４は縮まり、元の大きさに戻る。
【００５１】
圧電素子４４は積層方向に延びる平板状をなしている。圧電素子４４は主面が前後方向を向き、積層方向（すなわち、伸縮方向）が左右方向になるように配置されている。以下、圧電素子４４の中心を通過し、積層方向（左右方向）に延びる軸線を伸縮軸Ｘと記載する。圧電素子４４は伸縮軸Ｘを中心として上下対称をなす。圧電素子４４は荷重が加わっていないか、又は、伸縮軸Ｘに沿う荷重のみが加わっているときには伸縮軸Ｘに沿って伸長する。
【００５２】
圧電素子４４に接続された配線５０はコネクタＣに接続されている。コネクタＣはコネクタ孔４２の下側において溝部３６に収容され、ケース本体１４の前面に結合されている。
【００５３】
弁体４６は弾性変形可能な樹脂（エラストマー）製のシート状の部材であり、筒部材２２の下端に当接して筒部材２２を封止する。すなわち、筒部材２２の下端は、弁体４６を受ける部分、すなわち弁座５２を構成している。本実施形態では、弁体４６は弾性変形可能な樹脂製のシート材を長方形状に切り出し、切り出されたシート状の部材をプレート４８に溶着することによって、プレート４８に一体的に形成されている。
【００５４】
プレート４８は所定の形状に加工された金属製の板状部材であって、本実施形態では、低膨張合金（インバー）によって構成されている。本実施形態では、プレート４８は一枚の金属製の板材をプレス成形、又は、ワイヤーカット放電加工することによって製造されている。
【００５５】
プレート４８は圧電素子４４の端部に発生する変位量を増幅（拡大）して弁体４６に伝える、いわゆるメカニカルアンプ５４（変位拡大機構）として機能する。以下、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、プレート４８の構造を詳細に説明する。
【００５６】
プレート４８は、ケース１２に固定され、圧電素子４４を支持する支持部６０と、支持部６０にアンプヒンジ部６２を介して接続されたアーム６４と、圧電素子４４とアーム６４とを接続する変位部６６と、バランス機構６８とを含む。
【００５７】
支持部６０は上下方向に延びる長方形板状の支持基部６０Ａと、支持基部６０Ａの上端から右方向（伸縮軸Ｘの方向）に延びる長方形板状の第１支持柱部６０Ｂ（第１支持部）と、支持基部６０Ａの下端から第１支持柱部６０Ｂの延出方向（伸縮軸Ｘの軸方向、右方向）に延出する長方形板状の第２支持柱部６０Ｃ（第２支持部）とを備えている。支持基部６０Ａの右縁中央には右方に長方形板状をなして突出する支持凸部が設けられている。圧電素子４４の左端（伸縮軸Ｘの軸方向における一端）は、支持凸部の右端に接続され、第１支持柱部６０Ｂ及び第２支持柱部６０Ｃは圧電素子４４を介して上下に対峙している。第１支持柱部６０Ｂ及び第２支持柱部６０Ｃにはそれぞれ貫通孔が設けられ、締結具（ねじ）によって、ケース本体１４の収容凹部３４の底面（前面）に締結されている。これにより、支持部６０はケース１２に固定されている。
【００５８】
第１支持柱部６０Ｂと第２支持柱部６０Ｃの左縁は上下に揃う位置に設けられている。本実施形態では、第１支持柱部６０Ｂの左右方向（伸縮軸Ｘの軸方向）の長さは、第２支持柱部６０Ｃの左右方向の長さよりも長く、第１支持柱部６０Ｂの右縁は第２支持柱部６０Ｃの右縁よりも右側に（すなわち、第２支持柱部６０Ｃの右縁は第１支持柱部６０Ｂの左側に）位置している。
【００５９】
アーム６４は上下方向に延びるアーム基部６４Ａと、アーム基部６４Ａの上端から左右方向（紙面左方向）に延びるアーム延出部６４Ｂと、アーム基部６４Ａの下縁右端から下方に延出するアーム基端部６４Ｃとを含み、前後方向視でＬ字状をなす。弁体４６はアーム６４の左端（延出端。又は、遊端ともいう）の上面に設けられている。図２（Ａ）に示すように、アーム基端部６４Ｃ及びアーム延出部６４Ｂの左端部はアーム６４の両端部分を構成し、アーム基部６４Ａはアーム６４の中間部に位置している。
【００６０】
図２（Ａ）に示すように、アーム基部６４Ａは壁体（上側凹部３０の底壁３０Ｄ）に設けられた貫通孔３２を通過している。換言すれば、アーム基部６４Ａは貫通孔３２によって画定されたアーム用の通路（アーム通路３２Ａ）の内部を通過している。アーム基部６４Ａの外周面と貫通孔３２を画定する壁面との間にはその隙間を密閉するシール部材７０が設けられている。
【００６１】
アンプヒンジ部６２は左右方向に延びる板状をなしている。アンプヒンジ部６２の上下方向（延在方向に直交する方向）の幅は、第１支持柱部６０Ｂの上下方向の幅、第２支持柱部６０Ｃの上下方向の幅、及び、アーム基部６４Ａの左右方向の幅のいずれよりも小さく、第１支持柱部６０Ｂ、第２支持柱部６０Ｃ、及びアーム基部６４Ａのいずれよりも容易に変形可能である。詳細には、アンプヒンジ部６２は第１支持柱部６０Ｂの右端下部及びアーム基部６４Ａの左端下部を接続している。
【００６２】
図２（Ｂ）に示すように、変位部６６は、圧電素子４４の右端に結合されたキャップ部７２と、キャップ部７２の右縁上端から右方（すなわち、伸縮軸Ｘに沿って）に延びる第１軸方向延出部７４と、キャップ部７２の下縁下端から右方に延びる第２軸方向延出部７６とを備えている。第１軸方向延出部７４は右端においてアーム基端部６４Ｃの左縁に接続している。
【００６３】
図２（Ａ）に示すように、本実施形態では、変位部６６は伸縮軸Ｘに対して軸対称をなしている。
【００６４】
バランス機構６８は圧電素子４４に加わる荷重にバランスする荷重を加えて、圧電素子４４に加わるせん断力を低減するための機構であって、図２（Ｂ）に示すように、変位部６６に結合された擬アーム８０と、擬アーム８０及び支持部６０に結合されたバランスヒンジ部８２とを含む。擬アーム８０はアーム基端部６４Ｃと伸縮軸Ｘについて対称な位置にあり、上左縁において第２軸方向延出部７６の右縁に接続し、下方に延びている。バランスヒンジ部８２は、第２支持柱部６０Ｃの右上縁から右方に延出し、右端上縁において擬アーム８０の左下縁に接続している。
【００６５】
変位部６６はキャップ部７２において圧電素子４４の右端（伸縮軸Ｘの軸方向における他端）に、第１軸方向延出部７４の右縁においてアーム基端部６４Ｃの下左縁に、第１軸方向延出部７４の右縁において擬アーム８０の上左縁にそれぞれ接続されている。
【００６６】
アーム６４及び変位部６６の結合部分（より詳細には、アーム基端部６４Ｃと第１軸方向延出部７４の結合部分）と、擬アーム８０及び変位部６６（第２軸方向延出部７６）の結合部分とは伸縮軸Ｘを介して（より詳細には、伸縮軸Ｘを中心として）上下に対峙した位置にある。
【００６７】
バランスヒンジ部８２の上下方向の幅（延在方向に直交する方向の幅）は、第１支持柱部６０Ｂの上下方向の幅、第２支持柱部６０Ｃの上下方向の幅、及び、アーム基部６４Ａの左右方向の幅のいずれよりも小さく、第１支持柱部６０Ｂ、第２支持柱部６０Ｃ、及びアーム基部６４Ａのいずれよりも容易に弾性変形可能である。本実施形態では、バランスヒンジ部８２の上下方向の幅は、アンプヒンジ部６２の上下方向の幅と等しい。バランスヒンジ部８２の横断面は、アンプヒンジ部６２の横断面と同形をなし、両者の横断面積は互いに等しい。更に、第１軸方向延出部７４、及び、第２軸方向延出部７６もまた、バランスヒンジ部８２及びアンプヒンジ部６２と概ね同様の上下方向の幅を有し、第１支持柱部６０Ｂ、第２支持柱部６０Ｃ、及びアーム基部６４Ａのいずれよりも容易に弾性変形可能である。
【００６８】
本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａ（左端）は、アンプヒンジ部６２の基端６２Ａ（左端）よりも左側、すなわち、圧電素子４４の支持部６０に固定された端部（左端）の側に位置している。
【００６９】
次に、このように構成した第１実施形態に係る流体制御弁１０の動作、及び効果について説明する。
【００７０】
圧電素子４４に電圧が印加されていないときには、弁体４６は弁座５２に当接し、弁体４６によって左側のポート用貫通孔２０Ｌの下端が封じられている。これにより、供給ポートＰと出力ポートＡとを繋ぐ流路が閉じられた状態となる。
【００７１】
図５に示すように、コネクタＣに電源を接続し、配線５０間に所定の電圧を加えると、圧電素子４４はその積層方向に伸長する。これにより、キャップ部７２が右方向に押し出されて（黒矢印参照）、キャップ部７２に接続されたアーム基部６４Ａの下端もまた右方向に押し出される。これにより、アンプヒンジ部６２が弾性変形し、図５の白抜き矢印に示すように、アーム６４はアンプヒンジ部６２上の点Ｐ０を中心に概ね回転するように変位する。これにより、弁体４６は弁座５２から離れるように移動して左側のポート用貫通孔２０Ｌの下端が開放される。これにより、供給ポートＰと出力ポートＡとを繋ぐ流路が形成され、開かれた状態となる。このように、アーム６４は左端において、圧電素子４４に加わる電圧に応じて、左側のポート用貫通孔２０Ｌを開閉する弁部８４を構成する。
【００７２】
このとき、アーム６４と変位部６６との結合部分を力点、アンプヒンジ部６２上の点Ｐ０を支点とする、いわゆるてこの原理によって、作用点となるアーム延出部６４Ｂの左端の変位は、圧電素子４４の右端の変位よりも大きくなる。このように、プレート４８は圧電素子４４の変位量を拡大して弁体４６の変位量として出力するメカニカルアンプ５４（変位拡大機構）として機能する。メカニカルアンプ５４を用いて圧電素子４４の変位を増幅することによって、弁体４６を弁座５２から離すことのできる十分大きなストロークを容易に確保することができる。更に、アーム延出部６４Ｂの左右方向の長さを調整することによって増幅率を調節することができるため、弁体４６を弁座５２から離すためのストロークの確保が容易である。また、圧電素子４４に印加する電圧によって圧電素子４４の伸長量を調整することによって、弁体４６と筒部材２２の下端開口部分との間の隙間を調整することができるため、供給ポートＰと出力ポートＡとの間の流量（より具体的には、供給ポートＰと出力ポートＡとを繋ぐ流路のコンダクタンス）を調整することができる。
【００７３】
圧電素子４４に印加された電圧を零にすると、圧電素子４４は縮まって元の長さに戻り、弁体４６によって左側のポート用貫通孔２０Ｌの下端が封じられる。これにより、供給ポートＰと出力ポートＡとを繋ぐ流路が閉じられる。
【００７４】
圧電素子４４に電圧が印加されて伸長したときには、図５の白抜き矢印に示すようにアーム６４が移動する。これにより、支持部６０にアーム６４から伸縮軸Ｘ（すなわち左右方向）とは異なる方向の荷重が加わる。この荷重の伸長方向に直交する方向（上下方向）の成分は圧電素子４４へのせん断力として機能するため、流体制御弁１０の耐久性を低下させる要因となる。
【００７５】
変位部６６はアーム６４部とバランスヒンジ部８２とに伸縮軸Ｘを介して互いに上下に対峙する位置で結合されている。そのため、支持部６０にアーム６４から上向き成分を持つ荷重が加わると、変位部６６にはバランスヒンジ部８２を介して、その荷重の上向き成分に対向する下向き成分を持つ荷重が加えられる。これにより、支持部６０にアーム６４から加わる荷重の上向き成分が、バランスヒンジ部８２から加わる荷重の下向き成分によって相殺される。すなわち、バランスヒンジ部８２によって、変位部６６にアーム６４から加わる荷重の上方向（伸縮軸Ｘに直交する方向）の成分を相殺するべく、その成分に対向する逆向きの荷重（すなわちバランスする荷重）を変位部６６に加えるバランス機構６８が構成される。このバランス機構６８によって、変位部６６を介して圧電素子４４の右端に上下方向に向くせん断力が加わることが防止することができ、圧電素子４４が発生する力を有効に利用することができる。
【００７６】
図２（Ａ）に示すように、プレート４８には一つのアーム６４が伸縮軸Ｘからずれた位置に設けられている。これにより、プレート４８は伸縮軸Ｘに対して非対称をなす。そのため、プレート４８のうち図２に示す一点鎖線で囲まれた部分を伸縮軸Ｘに対して対称をなすようにした場合には、圧電素子４４が伸長したときに、プレート４８は伸縮軸Ｘに対して非対称に変形し、圧電素子４４の右端に伸縮軸Ｘに対して直交する方向に荷重が加わることが予測される。
【００７７】
図６（Ａ）には、図２に示す一点鎖線で囲まれた部分が伸縮軸Ｘに対して対称をなしている場合の、図６（Ｂ）にはバランスヒンジ部８２の基端８２Ａがアンプヒンジ部６２の基端６２Ａよりも左側に位置する場合の、圧電素子４４が伸長したときのプレート４８の形状、及び、応力分布のシミュレーションが示されている。図６（Ａ）では、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａ及びアンプヒンジ部６２の基端６２Ａが左右方向において揃う位置にあり、且つ、第１支持柱部６０Ｂの右端及び第２支持柱部６０Ｃの右端が左右方向において揃う位置にある。図６（Ａ）及び（Ｂ）では、応力が大きくなるほど濃くなるように示され、圧電素子４４の伸長によるプレート４８の変形前の形状が二点鎖線で示されている。
【００７８】
図６（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、図６（Ｂ）の応力分布は、図６（Ａ）の応力分布に比べて、伸縮軸Ｘについてより対称であることが分かる。より詳細には、アンプヒンジ部６２の応力が最も高く、最も強く屈曲する点（以下、屈曲点）をＰ１、バランスヒンジ部８２の屈曲点をＰ２とすると、図６（Ｂ）では、図６（Ａ）に比べて、Ｐ１とＰ２との左右方向のずれδが十分小さく、Ｐ１とＰ２とが伸縮軸Ｘについてより対称に近いことが理解できる。
【００７９】
このように、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａがアンプヒンジ部６２の基端６２Ａよりも左側となるように設定することで、両基端８２Ａ、６２Ａが左右方向に揃う場合に比べて、応力分布を伸縮軸Ｘに対してより対称にすることができる。よって、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａがアンプヒンジ部６２の基端６２Ａよりも左側に位置する場合には、両基端が左右方向に揃う場合に比べて、変位部６６にバランスヒンジ部８２を介して、アーム６４から加わる伸縮軸Ｘに直交する方向の荷重をより相殺するように荷重を加えることができ、圧電素子４４にせん断力が加わることを防止することができる。
【００８０】
図２（Ａ）及び図３に示すように、アーム基部６４Ａの外周面と上側凹部３０の底壁３０Ｄの貫通孔３２を画定する壁面との間にはその隙間を密閉するシール部材７０が設けられている。これにより、ケース１２の内室４０には、圧電素子４４が設けられた第１の空間９０と、流体が２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒを介して流通する（すなわち、供給ポートＰ及び出力ポートＡに連通する）第２の空間９２とに分離する仕切壁９４が形成される。内室４０が仕切壁９４によって第１の空間９０と第２の空間９２とに分離されることで、供給ポートＰから供給された流体が、圧電素子４４の設けられた第１の空間９０に侵入することが防止できる。よって、供給ポートＰから供給される流体内に水分が含まれる場合であっても、流体制御弁１０に、圧電素子４４を保護するべく、除水や除湿をするための構造（冷凍式ドライヤや、吸着式ドライヤ等）を別途設ける必要がない。また、圧電素子４４が設けられた第１の空間９０と、流体が流通する第２の空間９２とが分離されているため、流体の種類に依らず、流体制御弁１０を流路に設置することができる。
【００８１】
仕切壁９４はアーム６４を通過させるアーム通路３２Ａを画定する貫通孔３２を備えた底壁３０Ｄと、アーム６４及び貫通孔３２を画定する壁面の間に設けられ、弾性変形可能なシール部材７０とを含む。これにより、アーム６４及びアーム通路３２Ａを画定する壁面の間がシール部材７０によって密閉されて、内室４０は第１の空間９０と第２の空間９２とに区画される。また、シール部材７０は弾性変形可能であるため、アーム６４及び通路の間を密閉した状態で、アーム６４が変位可能であり、圧電素子４４が伸長してアーム６４が変位した場合であっても、第１の空間９０と第２の空間９２との間に流体が流通しない分離した状態が保たれる。更に、アーム６４に伝わる振動はシール部材７０によって減衰する。これにより、メカニカルアンプ５４が共振する条件下で用いた場合であっても、メカニカルアンプ５４の振動を減衰させることができる。
【００８２】
本実施形態では、シール部材７０はアーム基部６４Ａと貫通孔３２を画定する壁面との間に設けられている。このように、シール部材７０を支点Ｐ０（図５参照）により近い位置に設けることで、アーム６４の変位がシール部材７０によって阻害され難くなる。
【００８３】
アーム６４の左端にエラストマー製の弁体４６が一体形成されている。そのため、弁体４６によって左側のポート用貫通孔２０Ｌを封じるときに、弁体４６の形状が弁座５２に合うように弾性変形するため、開口の封止をより確実に行うことができる。
【００８４】
圧電素子４４が設けられる第１の空間９０と流体の流通する第２の空間９２とは分離されているため、第１の空間９０を外部に通じるようにコネクタ孔４２を設けた場合であっても、コネクタ孔４２をシールする必要がないため、コネクタＣの組付が容易になる。更に、シール構造を備えないコネクタよりも大きなシール構造を備えたコネクタを用いてコネクタ孔４２をシールする必要がないため、流体制御弁１０を小型化することができる。
【００８５】
＜＜第２実施形態＞＞
第２実施形態に係る流体制御弁１１０は、ケース１２の形状が第１実施形態とは異なる。その他の構成は第１実施形と同様であるため、その他の構成については、説明を省略する。
【００８６】
図７に示すように、第２実施形態に係る流体制御弁１１０のケース１２は第１実施形態と同様に、ケース１２はその前下半部を構成するケース本体１４と、その上半部を構成する上部材１６と、その後下半部を構成するカバー部材１８とによって構成されている。第２実施形態に係るケールの上部材１６の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８７】
図８に示すように、ケース本体１４はその左上部を構成する本体左上部１２６と、本体左上部１２６から下方及び右方に延びる本体主部１２８とを備えている。図８及び図９に示すように、本体左上部１２６は前後に対をなす前壁１２６Ａ及び後壁１２６Ｂと、前壁１２６Ａ及び後壁１２６Ｂの左縁をそれぞれ接続する左壁１２６Ｃと、前壁１２６Ａ、後壁１２６Ｂ、及び左壁１２６Ｃの下縁を接続する下壁１２６Ｄとを有し、上方及び右方に向かって開口した直方体箱状をなしている。本体左上部１２６には、前壁１２６Ａ、後壁１２６Ｂ、左壁１２６Ｃ、及び下壁１２６Ｄによって画定され、下方に凹む溝部１２７が形成されている。溝部１２７は本体左上部１２６の左部から右方に延び、本体左上部１２６の右縁にまで達している。
【００８８】
図１０に示すように、ケース本体１４の上面には、第１実施形態と同様に、上部材１６が締結されている。上部材１６がケース本体１４の上面に締結されることによって、上部材１６、左壁１２６Ｃ、前壁１２６Ａ、後壁１２６Ｂ、及び下壁１２６Ｄによって画定されたアーム通路１３０が形成されている。上部材１６には、第１実施形態と同様に、上下に貫通する２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒが設けられている。アーム通路１３０はケース１２の上部において左右に延び、２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒにそれぞれ接続している。
【００８９】
本体左上部１２６には第１実施形態と同様に、前方に凹む収容凹部３４が形成されている。収容凹部３４は本体左上部１２６の右側及び下側において、後方視で逆Ｌ字状をなすように形成されている。本体左上部１２６には第１実施形態と同様に前方に凹む溝部３６が設けられ、コネクタＣはその溝部１２７に収容された状態でケース本体１４に結合されている。
【００９０】
カバー部材１８は本体主部１２８に対応する形状をなしている。カバー部材１８は、第１実施形態と同様に溝部３６と対応する位置に上方に切り欠かれた切欠部３８を備えている。カバー部材１８が本体主部１２８に締結されると、収容凹部３４は後方から封じられる。
【００９１】
図８に示すように、アーム延出部６４Ｂはケース１２の上部において左右に延びるアーム通路１３０の内部を通過するように配置されている。アーム通路１３０の上下又は前後の境界を画定する壁面とアーム延出部６４Ｂとの間にはそれらの間の隙間を埋めるシール部材１７０が設けられている。シール部材１７０は第１実施形態と同様に、弾性変形可能な樹脂によって構成されている。
【００９２】
シール部材１７０と下壁１２６Ｄとによって、前後方向視で逆Ｌ字状に延在する仕切壁１９４が構成されている。仕切壁１９４はケース１２の内室４０を、第１実施形態と同様に、圧電素子４４を含む第１の空間１９０と、２つのポート用貫通孔２０Ｌ、２０Ｒに接続する（すなわち、供給ポートＰ及び出力ポートＡに連通する）アーム通路１３０を含み、流体が流通する第２の空間１９２とに区画している。
【００９３】
次に、第２実施形態に係る流体制御弁１１０の効果について説明する。流体制御弁１１０では、第１実施形態と同様に、圧電素子４４が設けられた第１の空間１９０と、流体が流通する第２の空間１９２とに区画されているため、圧電素子４４が設けられた空間への流体の侵入が防止できる。更に、アーム６４及びアーム通路１３０との間が弾性変形可能なシール部材１７０によってシール（封止）されているため、内室４０を第１の空間１９０と第２の空間１９２とに区画した状態で、アーム６４を変位させることができる。
【００９４】
更に、アーム６４に発生した振動をシール部材１７０によって減衰させることができる。第２実施形態に係る流体制御弁１１０は、圧電素子４４の伸長によって揺動しやすいシール部材１７０を、アーム延出部６４Ｂとアーム通路１３０を画定する壁面との間に設けられているため、アーム６４に発生した振動をより効果的に抑制することができる。
【００９５】
＜＜第３実施形態＞＞
第３実施形態に係る流体制御弁２１０は、プレート２４８の形状のみが異なり、他の構成については、第１実施形態と同様であるため、プレート２４８の形状以外の説明を省略する。
【００９６】
図１１（Ａ）に示すように、第３実施形態に係るプレート２４８は、第１実施形態に係るプレート２４８に比べて、少なくとも、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａ（左端）の位置及びアンプヒンジ部６２の基端６２Ａ（左端）が左右方向に揃った（整合する）位置にあり、且つ、第１支持柱部６０Ｂの右端及び第２支持柱部６０Ｃの右端が左右方向に揃った位置にある点が異なる。更に、第３実施形態に係るプレート２４８は、第１実施形態に係るプレート２４８に比べて、アーム６４（より詳細には、アーム基部６４Ａ及びアーム基端部６４Ｃ）の右縁６４Ｒが擬アーム８０の右縁８０Ｒの右側に位置している点が異なる。すなわち、第２軸方向延出部７６の右端及びバランスヒンジ部８２の右端とはそれぞれ第１実施形態に比べて左側に位置し、バランスヒンジ部８２の左右方向の長さが第１実施形態よりも短い。これにより、変位部６６は伸縮軸Ｘに対して上下に非対称となっている。
【００９７】
次に、第３実施形態に係る流体制御弁２１０の効果について、図６（Ａ）、及び、図１１（Ｂ）を参照して説明する。図１１（Ｂ）には、図６（Ａ）と同様に、圧電素子４４が伸長したときのプレート２４８の応力分布のシミュレーションが示されている。但し、図６（Ａ）では、アーム６４の右縁６４Ｒが擬アーム８０の右縁８０Ｒに左右方向に揃うように設定されている。
【００９８】
図６（Ａ）及び図１１（Ｂ）を比較すると、アンプヒンジ部６２の屈曲点Ｐ１とバランスヒンジ部８２の屈曲点Ｐ２との左右方向のずれδが図１１（Ｂ）では、図６（Ａ）に比べて小さく、図１１（Ｂ）の応力分布は、図６（Ａ）の応力分布に比べて、伸縮軸Ｘについて対称であることが分かる。
【００９９】
すなわち、アーム６４の右縁６４Ｒが擬アーム８０の右縁８０Ｒよりも右方に位置するように構成することで、両縁が左右方向に揃う場合に比べて、応力分布を伸縮軸Ｘに対してより対称にすることができる。よって、アーム６４の右縁６４Ｒが擬アーム８０の右縁８０Ｒの右側に位置する場合には、アーム６４の右縁６４Ｒ及び擬アーム８０の右縁が左右方向に揃う場合に比べて、変位部６６にバランスヒンジ部８２を介して、アーム６４から加わる伸縮軸Ｘに直交する方向の荷重をより相殺するように荷重を加えることができ、圧電素子４４にせん断力が加わることを防止することができる。
【０１００】
流体制御弁２１０の開閉速度を高めると、アーム延出部６４Ｂからバランス機構６８に加わる荷重が問題となる場合がある。本実施形態では、擬アーム８０の右縁８０Ｒがアーム６４の右縁６４Ｒよりも短く、バランスヒンジ部８２の左右方向の長さが、第２実施形態の流体制御弁１１０に比べて短い。そのため、本実施形態に係る流体制御弁２１０では、第２実施形態の流体制御弁１１０に比べてバランスヒンジ部８２の剛性が高く、本実施形態に係る流体制御弁２１０は高速な開閉動作が求められる場合に特に有効である。
【０１０１】
＜＜第４実施形態＞＞
第４実施形態に係る流体制御弁３１０は、プレート３４８の形状のみが異なり、他の構成については、第１実施形態と同様であるため、プレート３４８の形状以外の説明を省略する。
【０１０２】
図１２に示すように、第４実施形態に係るプレート３４８は、第１実施形態に係るプレート３４８に比べて、少なくとも、バランスヒンジ部８２の基端８２Ａ（左端）の位置及びアンプヒンジ部６２の基端６２Ａ（左端）の位置と、第１支持柱部６０Ｂの右端及び第２支持柱部６０Ｃの右端の位置とが左右方向に揃った（整合する）位置にある点が異なる。
【０１０３】
更に、第４実施形態に係るプレート３４８は、第１実施形態に係るプレート３４８に比べて、バランスヒンジ部８２の断面積が一様ではない点が異なる。
【０１０４】
より詳細には、バランスヒンジ部８２の断面積は一部において他の部分とは異なっている。本実施形態では、図１２に示すように、バランスヒンジ部８２の右半部には金属製の板部材が溶着されることによって形成された厚肉部８２Ｂが設けられている。これにより、バランスヒンジ部８２の断面積は厚肉部８２Ｂにおいて他の部分とは異なり、他の部分に比べて大きくなっている。
【０１０５】
次に、第４実施形態に係る流体制御弁３１０の効果について説明する。バランスヒンジ部８２の断面積を右半部において大きくすることによって、バランスヒンジ部８２の屈曲点Ｐ２は左側に移動することが予測される。これにより、アンプヒンジ部６２の屈曲点Ｐ１とバランスヒンジ部８２の屈曲点Ｐ２との左右方向のずれδを小さくすることができ、プレート３４８の内部の応力分布を伸縮軸Ｘに対して上下対称とすることができる。よって、変位部６６にバランスヒンジ部８２を介して、アーム６４から加わる伸縮軸Ｘに直交する方向の荷重をより相殺するように荷重を加えることができ、圧電素子４４にせん断力が加わることを防止することができる。
【０１０６】
このように、バランスヒンジ部８２の断面積は一部において他の部分とは異なるように構成することで、バランスヒンジ部８２の断面積の分布を調整することが可能となり、圧電素子４４にせん断力が加わることを防止することができる。
【０１０７】
＜＜第５実施形態＞＞
第５実施形態に係る流体制御弁４１０は、図１３に示すように、第１実施形態に比べて、アーム延出部６４Ｂに設けられた弁体４６が設けられていない点と、筒部材２２の下縁にはリング部材４２３が設けられている点とが異なる。他の構成については第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１０８】
リング部材４２３は筒部材２２の下縁に沿って延在する環状の部材であり、弾性変形可能な樹脂、すなわちエラストマーによって形成されている。リング部材４２３は筒部材２２の下縁を下方から覆うように配置されて、筒部材２２に固定されている。
【０１０９】
筒部材２２は第１上部材１６Ｕと第２上部材１６Ｄとに挟まれた状態で、ケース本体１４に結合されている。このとき、リング部材４２３は筒部材２２の下縁に沿って配置されて、左側のポート用貫通孔２０Ｌの下縁を画定するとともに、上部材１６の下縁よりも下側（内室４０側）に突出した状態で、ケース本体１４に固定されている。これにより、アーム延出部６４Ｂの左端上面が弁体４６として機能し、アーム延出部６４Ｂは弁部８４を構成する。また、エラストマー製のリング部材４２３によって弁座５２が構成される。
【０１１０】
次に、このように構成した流体制御弁４１０の効果について説明する。弁座５２がエラストマー製のリング部材４２３によって構成される。これにより、アーム延出部６４Ｂの上面が弁座５２に当接した場合に、弁座５２がアーム延出部６４Ｂの上面に合わせて弾性変形する。これにより、弁体４６による左側のポート用貫通孔２０Ｌの開口部分の封止をより確実に行うことができる。
【０１１１】
以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【０１１２】
上記第１〜第３実施形態、及び第５実施形態ではそれぞれ、プレート４８（変位拡大機構）は一枚の金属板材によって構成されていたが、この態様には限定されない。例えば、プレート４８は複数の部材を組み合わせることによって構成されていてもよい。但し、プレート４８を一枚の金属板材によって構成することで、ねじ止め、溶接、溶着等が不要であるため、流体制御弁１０、１１０、２１０、４１０の製造工程が簡素になり、製造に要するコストを低減することができる。
【０１１３】
上記実施形態では、本発明を２つのポートを有し、１つのポートを開閉することによって、１つの流路を開閉する流体制御弁に適用した場合について記載したが、この態様には限定されない。本発明は３つ以上のポートを開閉する流体制御弁（例えば、三方弁）にも適用することができる。
【０１１４】
上記第５実施形態ではリング部材４２３が筒部材２２に設けられることによって、エラストマー製の弁座５２が構成されていたが、この態様には限定されない。エラストマー製の弁座５２が設けられる態様であればいかなる態様であってもよく、例えば、筒部材２２がエラストマーによって構成されていてもよい。
【０１１５】
上記実施形態では、バランスヒンジ部８２によって、バランス機構６８が構成されていたがこの態様には限定されない。例えば、バランス機構６８は、変位部６６に加わる荷重が伸縮方向となるように矯正すべく、バランスする荷重を加えるものであればいかなる態様であってもよい。例えば、バランス機構６８は、第２支持柱部６０Ｃと、変位部６６とを接続する板バネ片を含んでいてもよい。また、プレート４８は第１実施形態においてバランスヒンジ部８２の基端８２Ａと、アンプヒンジ部６２の基端６２Ａとは左右方向に揃うように配置され、図２に示す一点鎖線で囲まれた部分が対称をなすように構成されていてもよい。
【０１１６】
上記実施形態では、第１実施形態、及び、第３実施形態ではそれぞれ、シミュレーションによって得られた応力分布に基づく屈曲点Ｐ１、Ｐ２の位置が左右方向に揃うように、形状を変更した例が示されている。図６（Ａ）と、図６（Ｂ）及び図１１との比較で理解できるように、プレートの形状を設定するパラメータを調整することで、２つの屈曲点Ｐ１、Ｐ２の左右方向のずれδを小さくし、屈曲点Ｐ１、Ｐ２の位置が伸縮軸Ｘについてより対称となるようにすることができ、屈曲点Ｐ１、Ｐ２の位置が伸縮軸Ｘについて実質的に対称となるようにすることができる。
【０１１７】
また、流体の出入口となる少なくとも２つの開口、及び、２つの開口それぞれに通じる内室４０を備え、内室４０に収められた圧電素子４４によって駆動する流体制御弁において、圧電素子４４への液体の侵入が問題となる場合には、内室４０を、圧電素子４４を収容する第１の空間９０と、ポートを接続する通路を含む第２の空間９２とに区画する仕切壁９４を備えるように構成すればよく、その他の構成は上記態様には限定されない。例えば、流体制御弁のプレートの構造は上記態様には限定されず、流体制御弁は、バランス機構６８を持たない、いわゆるシングルアームの電気式流体制御弁であっても、複数のアームを持つ電気式流体制御弁であってもよい。
【０１１８】
上記実施形態では、支持部６０はケース１２と別体に設けられていたが、この態様には限定されない。支持部６０はケース１２と一体であってもよく、また、ケース１２の一部をなしていてもよい。
【０１１９】
また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１０        ：第１実施形態に係る流体制御弁
１２        ：ケース
１４        ：ケース本体
１６        ：上部材
１６Ｄ      ：第２上部材
１６Ｕ      ：第１上部材
１８        ：カバー部材
２０Ｌ      ：ポート用貫通孔
２０Ｒ      ：ポート用貫通孔
２２        ：筒部材
２２Ａ      ：内孔
２４ＬＤ    ：貫通孔
２４ＬＵ    ：貫通孔
２４ＲＤ    ：貫通孔
２４ＲＵ    ：貫通孔
２６        ：本体上部
２８        ：本体下部
３０        ：上側凹部
３０Ｄ      ：底壁
３２        ：貫通孔
３２Ａ      ：アーム通路
３４        ：収容凹部
３６        ：溝部
３８        ：切欠部
４０        ：内室
４２        ：コネクタ孔
４４        ：圧電素子
４４Ａ      ：圧電体
４６        ：弁体
４８        ：プレート
５０        ：配線
５２        ：弁座
５４        ：メカニカルアンプ
６０        ：支持部
６０Ａ      ：支持基部
６０Ｂ      ：第１支持柱部
６０Ｃ      ：第２支持柱部
６２        ：アンプヒンジ部
６２Ａ      ：基端
６４        ：アーム
６４Ａ      ：アーム基部
６４Ｂ      ：アーム延出部
６４Ｃ      ：アーム基端部
６４Ｒ      ：アームの右縁（圧電素子の他端の側に位置するアームの側縁）
６６        ：変位部
６８        ：バランス機構
７０        ：シール部材
７２        ：キャップ部
７４        ：第１軸方向延出部
７６        ：第２軸方向延出部
８０        ：擬アーム
８０Ｒ      ：擬アームの右縁（圧電素子の他端の側に位置する擬アームの側縁）
８２        ：バランスヒンジ部
８２Ａ      ：基端
８２Ｂ      ：厚肉部
８４        ：弁部
９０        ：第１の空間
９２        ：第２の空間
９４        ：仕切壁
１１０      ：第２実施形態に係る流体制御弁
１２６      ：本体左上部
１２６Ａ    ：前壁
１２６Ｂ    ：後壁
１２６Ｃ    ：左壁
１２６Ｄ    ：下壁
１２７      ：溝部
１２８      ：本体主部
１３０      ：アーム通路
１７０      ：シール部材
１９０      ：第１の空間
１９２      ：第２の空間
１９４      ：仕切壁
２１０      ：第３実施形態に係る流体制御弁
２４８      ：プレート
３１０      ：第４実施形態に係る流体制御弁
３４８      ：プレート
４１０      ：第５実施形態に係る流体制御弁
４２３      ：リング部材
Ａ          ：出力ポート
Ｃ          ：コネクタ
Ｐ          ：供給ポート
Ｐ０        ：支点
Ｐ１        ：屈曲点
Ｐ２        ：屈曲点
Ｘ          ：伸縮軸
δ          ：ずれ
【要約】
【課題】圧電素子、及び、圧電素子の変位を拡大するメカニカルアンプを備えた流体制御弁において、圧電素子に加わるせん断力の低減を図る。
【解決手段】流体制御弁１０は、内室４０及び流体の出入口となる開口Ａ、Ｐを備えたケース１２と、伸縮軸Ｘに沿って伸縮可能な圧電素子４４と、圧電素子の変位を拡大し、開口を開閉する弁部８４を変位させるメカニカルアンプとを有し、メカニカルアンプ５４は、ケースに設けられ、圧電素子の伸縮軸の軸方向一端に接続された支持部６０と、圧電素子の軸方向他端に結合された変位部６６と、一端において変位部に接続され、中間部において支持部に変形可能なアンプヒンジ部６２を介して接続され、他端において一つの開口を開閉するアーム６４と、圧電素子の伸長によって変位部に加わる伸縮軸に直交する方向の荷重に対して逆向きの荷重を加えるバランス機構６８とを含む。
【選択図】図２【図１】
0006937417.tif 000002
【図２】
0006937417.tif 000003
【図３】
0006937417.tif 000004
【図４】
0006937417.tif 000005
【図５】
0006937417.tif 000006
【図６】
0006937417.tif 000007
【図７】
0006937417.tif 000008
【図８】
0006937417.tif 000009
【図９】
0006937417.tif 000010
【図１０】
0006937417.tif 000011
【図１１】
0006937417.tif 000012
【図１２】
0006937417.tif 000013
【図１３】
0006937417.tif 000014