JP4858546B2 - 圧電バルブ - Google Patents

Description

本発明は圧電バルブ、詳しくは屈曲変形する圧電素子を弁体として用いたアクティブバルブに関するものである。

従来、携帯型パソコンなどの電源として、燃料電池を用いたものが開発されつつある。燃料としては、例えばメタノールのような液体燃料が用いられ、この燃料をマイクロポンプによって反応炉へ供給することにより、反応炉が燃料と空気とを反応させて発電する。このような燃料電池システムでは、ポンプ停止時においても、重力等の要因により意図しない燃料の順方向の流れが生じ、反応炉へ不必要な燃料供給が行われ、過剰な発電を招く可能性がある。マイクロポンプには逆止弁が装備されているが、その逆止弁自体に確実な順止機能を持たせることは、ポンプ効率上好ましくない。そこで、意図しない燃料の流れを確実に阻止するため、ポンプとは別にアクティブバルブが必要になる。

特許文献１には、流体の流入口及び流出口を有するバルブ本体と、板状の圧電素子を持つ弁体とを備えた圧電バルブが開示されている。図１９は特許文献１に示された構造であり、弁体５０の外周部がバルブ本体５１で固定的に保持されている。圧電素子５２に電圧を印加することにより、弁体５０を板厚方向に屈曲変位させ、この屈曲変位により流入口５３を開閉することができる。なお、ここでは弁体５０が流入口５３を開閉する例を示したが、流出口５４を開閉してもよい。弁体５０としては、図示するような金属製ダイヤフラム５５の片面の中央部に圧電素子５２を貼り付けたユニモルフ型と、ダイヤフラムの両面に圧電素子を貼り付けたバイモルフ型とがある。

前記のように弁体５０の外周部をバルブ本体５１で固定的に保持した場合、圧電素子５２に電圧を印加しても、弁体５０の周辺部がバルブ本体５１によって拘束されているので、弁体５０の中心部と周辺部が互いに変位を打ち消しあい、弁体５０の中央部の変位量が極めて小さい。たとえ圧電素子５２への印加電圧を高くしても、最大変位はせいぜい２０μｍ程度である。そのため、開弁時において弁座と弁体５０との間を通過する流体抵抗が大きくなり、圧力損失の原因になる。

特許文献２には、図２０の（ａ），（ｂ）に示すように、圧電素子を有する弁体５６の周囲を拘束せずにバルブ本体５７で支持し、弁体５６が流出口５８を開閉するとともに、弁体５６の表裏両面の圧力がほぼ同等になるように、バルブ本体５７に連通部５９を設けた圧電バルブが開示されている。流入口６０は流出口５８と対向する位置に形成されている。この場合には、弁体５６の周囲を拘束せずにバルブ本体５７で支持しているに過ぎないので、弁体５６の中央部を比較的大きく変位させることができる。しかし、弁体５６の周囲がしっかりと保持されていないので、圧電素子への電圧供給が困難になるとともに、弁体５６の継続的な屈曲運動によって弁体５６自体の信頼性が低下してしまう。また、支持部の剛性が低いため、圧力差のある流路口５８を閉鎖できなくなる（閉弁圧力が低下する）という問題がある。

特許文献３には、長方形状の圧電ユニモルフを弁体として使用し、このユニモルフの長さ方向両端部をバルブ本体に支持した構造のガス流量制御弁が開示されている。この場合には、圧電ユニモルフの変位を許容できるように、その両端部がシリコンゴム等の弾性樹脂によって弾性的に保持されている。しかしながら、圧電ユニモルフを駆動する度にその両端部が変位するので、圧電素子に電圧を安定的に供給するのが難しくなるとともに、弾性樹脂の経年劣化によって保持部の信頼性が低下してしまうという問題がある。また、支持部分における剛性が低いため、高い閉弁圧力を得ることができない。
特開昭６２−２８５８５号公報 特開平３−２２３５８０号公報 特開昭６２−２８３２７２号公報

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、圧電素子よりなる弁体とバルブ本体との保持部における信頼性の確保、圧電素子の変位量（弁開度）の拡大、閉弁圧力の向上という課題を同時に解決することが可能な圧電バルブを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、開閉流路口を有するバルブ本体と、電圧の印加により板厚方向に屈曲変位し、この屈曲変位により前記開閉流路口を開閉する板状の圧電素子よりなる弁体とを備えた圧電バルブにおいて、前記圧電素子は長方形状に形成されており、前記圧電素子は長さ方向中央部に第１領域を有し、当該第１領域の長さ方向両側に第２領域を有し、前記圧電素子の長さ方向両端部が前記バルブ本体に固定的に保持されており、前記圧電素子に印加される電圧により前記第１領域と前記第２領域とが逆方向に屈曲変位し、前記第１領域が前記開閉流路口を開閉する圧電バルブであって、前記バルブ本体は、前記圧電素子より幅広な長方形平板状の底板と、前記底板の上面に配置され、内幅寸法が圧電素子より幅広な長方形枠状の第１枠体と、前記第１枠体の幅方向両側部の上面に配置され、圧電素子の厚みと同等な厚みを有する一対の押え板と、前記圧電素子及び押え板の上面に配置され、第１枠体と同一形状の第２枠体と、前記第２枠体の上面に配置された天板とを備え、前記圧電素子の長さ方向両端部が前記第１枠体及び第２枠体の長さ方向両端部によって挟持され、前記底板と第１枠体と圧電素子と押え板と第２枠体と天板とが積層接着されて、前記底板と天板との間に圧電素子が変位できるバルブ室が形成されていることを特徴とする圧電バルブを提供する。

従来の圧電素子にはユニモルフ型とバイモルフ型とがあるが、いずれの場合も電圧の印加によって一様な方向に屈曲しようとする。このような圧電素子の両端部をバルブ本体に固定的に保持した場合、圧電素子の中央部の変位量が極めて小さく、逆に圧電素子の両端部を変位自在に支持した場合には、変位量は増えるが、支持部の信頼性が低下し、閉弁圧力も低下してしまう。そこで、本発明では、圧電素子の両端部又は外周部をバルブ本体に固定的に保持するとともに、圧電素子が中央側又は中心側の第１領域と両端側又は周辺側の第２領域とを有し、圧電素子に印加する電圧により第１領域と第２領域とを逆方向に屈曲変位させる点を特徴としている。このように構成することで、圧電素子とバルブ本体との保持部における信頼性を確保し、圧電素子の変位量を拡大でき、さらに閉弁圧力を向上させることができる。

図１の（ａ），（ｂ）は本発明の動作原理図の一例を示す。弁体を構成する圧電素子１は長方形に形成され、その長さ方向両端部がバルブ本体２に固定的に保持されている。バルブ本体２には開閉流路口３と別の流路口４とが形成されている。開閉流路口３は圧電素子１の中央部と対向する位置に形成され、流路口４は中央から外れた位置に形成されている。なお、図示していないが、圧電素子１の幅方向両側部（長辺に沿った両側部）はバルブ本体２に保持されていない。固定的に保持するとは、例えば硬化性接着剤等を用いて圧電素子１の両端部をバルブ本体２にしっかりと固定することである。固定によって圧電素子１とバルブ本体２との間には相対変位がなくなるので、圧電素子１への給電のための電気的接続も安定かつ簡単になり、経時劣化による信頼性の低下も少ない。さらに、保持部の剛性を高くできるので、閉弁圧力を高くでき、高い圧力差のある流路口を開閉できる。ここでは、開閉流路口３を流出口とし、流路口４を流入口としたが、これとは逆に開閉流路口３を流入口とし、流路口４を流出口としてもよい。また、常開型のバルブに限らず、常閉型とすることもできる。

図１の（ｂ）は圧電素子１に直流電圧を印加した状態を示し、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との境界部を破線で示す。境界部は曲率が変化する変曲点であるが、この変曲点がバルブ本体２によって固定された部位より内側に位置している。圧電素子１の両端部を固定すると、従来のような一様な方向に屈曲する圧電素子では中央部の変位量が極端に小さくなるが、本発明の圧電素子１では中央側の第１領域Ｓ１と両端側の第２領域Ｓ２とが逆方向に屈曲変位するので、圧電素子１の中央部の変位量が大きくなる。例えば、中央側の第１領域Ｓ１が上に凸に屈曲するとき、両端側の第２領域Ｓ２が下に凸に屈曲するので、第２領域Ｓ２の変位量に第１領域Ｓ１の変位量が加算され、中央部における変位量を大きくできる。その結果、開弁時に圧電素子１の中央部と流出口３との距離（弁開度）を大きくすることができ、開弁状態における流体抵抗を低減できる。

好ましい実施の形態によれば、圧電素子は長方形状に形成されており、圧電素子の長さ方向両端部がバルブ本体に固定的に保持されており、圧電素子の幅方向両側部がバルブ本体に保持されていない構造とするのがよい。本発明で使用できる圧電素子（弁体）は、長方形に限らず円板形でもよいが、長方形圧電素子の長さ方向両端部だけをバルブ本体に固定的に保持した場合、円板状圧電素子の外周部全周を保持した場合に比べて、中央部における屈曲変位量は格段に大きくなる。そのため、弁開度を大きく変化させることができ、開閉性能を向上させることができる。圧電素子の長辺と短辺との比を大きくすることで、専有面積を小さくしつつ圧電素子の変位を大きくすることができる。長方形状の圧電素子の場合、最大変位量は圧電素子の長辺の長さでほぼ決まる。

長方形圧電素子を用いた場合、この圧電素子の幅方向両端部とバルブ本体との間に流体の連通部を設け、連通部を介して圧電素子の表面側の領域と裏面側の領域とを連通させた構成とするのがよい。この場合には、圧電素子の表面側の領域と裏面側の領域とが同圧になるので、流路口に加わる流体圧以外の外力が圧電素子に作用せず、比較的小さい駆動力で閉弁することができる。なお、流路口のうち、流出口を圧電素子で開閉する構造の場合、閉弁状態で圧力の高い流入口からの背圧によって圧電素子を流出口に押しつけることが可能になるので、比較的小さい駆動力でも流体の流出を防止できる。そのため、閉弁状態で維持するために、大きな電圧を印加し続ける必要がない。

長方形圧電素子を用いた場合、第１領域をバルブ本体に固定されていない圧電素子の部分の長さ方向中央部とし、第２領域を第１領域よりも圧電素子の長さ方向両端部側とし、第１領域が開閉流路口を開閉するように構成するのがよい。図２は、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２を持つ圧電素子の種々の形態を示す。図２の（ａ）は第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２だけを持つ圧電素子１の例であり、第２領域Ｓ２の外側の一部がバルブ本体２によって保持されている。図２の（ｂ）〜（ｄ）は第２領域Ｓ２の外側に自発的に屈曲変形しない中性領域Ｓ３を形成した例である。中性領域Ｓ３とは、電極が形成されていない部分、電極が形成されていても分極されていない部分、もしくは電極が形成されているが電圧が印加されない部分のことであり、圧電素子に電圧が印加されたとき（第１領域と第２領域とが屈曲するとき）、中性領域Ｓ３は屈曲変形しない。図２の（ｂ）は中性領域Ｓ３と第２領域Ｓ２との境界部がバルブ本体２の内側縁部２ａより外側にある例、図２の（ｃ）は中性領域Ｓ３と第２領域Ｓ２との境界部がバルブ本体２の内側縁部２ａとほぼ一致している例、図２の（ｄ）は中性領域Ｓ３と第２領域Ｓ２との境界部がバルブ本体２の内側縁部２ａより内側にある例である。図２の（ｃ）や（ｄ）のように、中性領域Ｓ３だけをバルブ本体２によって保持した場合には、圧電素子１の屈曲部分を無理に拘束しないので、圧電素子１が効率よく変位できる。

好ましい実施の形態によれば、バルブ本体は、圧電素子より幅広な長方形平板状の底板と、底板の上面に配置され、内幅寸法が圧電素子より幅広な長方形枠状の第１枠体と、第１枠体の幅方向両側部の上面に配置され、圧電素子の厚みと同等な厚みを有する一対の押え板と、圧電素子及び押え板の上面に配置され、第１枠体と同一形状の第２枠体と、第２枠体の上面に配置された天板とを備え、圧電素子の長さ方向両端部が前記第１枠体及び第２枠体の長さ方向両端部によって挟持され、底板と第１枠体と圧電素子と押え板と第２枠体と天板とが積層接着されて、底板と天板との間に圧電素子が変位できるバルブ室が形成されている構造とすることができる。このように、バルブ本体を構成する部品がすべて平板部材から形成され、しかもこれら部品を積層接着することによりバルブ本体を構築できるので、製造コストを低減できるとともに、薄型（低背）の圧電バルブを実現できる。

好ましい実施の形態によれば、少なくともバルブ本体の流体が流通する空間に面する圧電素子の表面を、圧電素子の変位を実質的に拘束しない保護膜で覆った構造とするのがよい。圧電素子に流体（特に液体）が接触すると、腐食や絶縁性低下が起こりやすく、さらに流路口のうち弁体が接触する部分（弁座）との接離による割れなどの問題を引き起こす場合がある。そこで、圧電素子の表面を圧電素子の変位を実質的に拘束しない保護膜で覆えば、前記の問題を解消することが可能になる。保護膜としては、樹脂シートやゴムシートを貼り付けたり、または表面処理や樹脂コーティングを施してもよい。保護膜は、できるだけ低ヤング率で、かつ薄肉な膜がよい。保護膜は、液体が圧電素子に直接接触し、ショートしたり、電極のマイグレーションが生じるのを防止するだけでなく、液漏れを防止するためのシール材としての役割を有することができる。

保護膜を圧電素子を間にして接合された上下一対のフィルムで構成し、圧電素子の幅方向両側部に沿ったフィルムの部位に連通部となるスリットを形成し、フィルムの外周部を押え板と第２枠体との間で挟持してもよい。この場合は、保護膜として樹脂フィルムを用いることができる。フィルムに連通部を兼ねるスリットを形成することで、圧電素子が変位しやすくなるとともに、フィルムの外周部を押え板と第２枠体との間で挟持することでシール作用も確保できる。

さらに、バルブ本体は、圧電素子より幅広な長方形平板状の底板と、底板の上に配置され、内幅寸法が圧電素子より幅広な長方形枠状の第１枠体と、第１枠体の上に配置され、底板と同一形状に形成され、圧電素子の幅方向両側部に沿った部位に一対のスリットが形成された第１保護板と、第１保護板の中央部上面に配置された圧電素子と、第１保護板上であって圧電素子の幅方向両側部に隣接して配置され、スリットと対応するスリットを有し、圧電素子の厚みと同等な厚みを有する一対の押え板と、圧電素子及び押え板の上に配置され、第１保護板と同一形状の第２保護板と、第２保護板の上に配置され、第１枠体と同一形状の第２枠体と、第２枠体の上に配置された天板とを備え、圧電素子の長さ方向両端部が第１，第２保護板を介して前記第１枠体及び第２枠体の長さ方向両端部によって挟持され、底板、第１枠体、第１保護板、圧電素子、押え板、第２保護板、第２枠体と天板とが順次積層接合されている構造としてもよい。この場合も、前述の圧電バルブと同様に薄型に構成できるとともに、一対の押え板と圧電素子とが上下の保護板の中に挟まれるので、圧電素子の周囲のシール性及びバルブ室の耐圧性が向上する。

圧電素子が複数の圧電セラミック層を積層した積層型圧電素子の場合、金属板に圧電素子を貼り付けたユニモルフ型やバイモルフ型に比べて、低電圧でも大きな変位、大きな駆動力が得られる点で有利であるが、機械的強度が低く、落下衝撃などによってクラック等が発生しやすい。前記のように圧電素子の表面を保護膜で覆うことで、信頼性の高い弁体を構成できる。

本発明の圧電素子としては、積層型圧電素子が好ましい。ここで積層とは、予め焼成し分極した複数の圧電体層を接着剤により貼り付けた構造でもよいし、セラミックグリーンシート状態の圧電体層を電極を間にして積層圧着し、焼成後に分極したものでもよい。前者の場合によく行われる構成として、単板の圧電体を２枚接着する構成があるが、この場合には圧電体の作製が非常に容易であるため、安価に構成できる。また、後者の場合にはより薄型化でき、複数層積み重ねることができるので、同じ厚みの圧電体層として比較した場合、駆動電圧をより低電圧化することができる。

発明の好ましい実施形態の効果

本発明によれば、弁体を構成する圧電素子の第１領域（中央側）と第２領域（両端側）とが逆方向に屈曲するため、圧電素子の両端部がバルブ本体に固定的に保持されていても、圧電素子の中心部に大きな変位量を得ることができ、開弁時における流体抵抗を低減することができる。また、圧電素子の両端部がバルブ本体に固定的に保持されているので、圧電素子とバルブ本体との保持部における信頼性を確保でき、圧電素子に電圧を安定的に供給できる。さらに、保持部の剛性が高いので、圧力差のある流路口を開閉できる（閉弁圧力が高くなる）という効果を有する。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図３〜図６は圧電バルブの第１実施例を示す。ここで、図３は本発明に係る圧電バルブの全体斜視図であり、図４は図３に示す圧電バルブの分解斜視図であり、図５は図３のＶ−Ｖ断面図、図６は図３のVI−VI断面図である。

この実施例の圧電バルブＡは、メタノールなどの液体の流れを制御するアクティブバルブとして用いられ、金属材料または樹脂材料のような高剛性材料よりなるバルブ本体１０と圧電素子２１よりなる弁体２０とを備えている。バルブ本体１０は、図４に示すように、圧電素子２１より幅広な長方形平板状の底板１１と、底板１１の上面に配置された、内幅寸法が圧電素子２１より幅広な長方形枠状の第１枠体１２と、第１枠体１２の長辺に沿った両側部の上面に配置された、圧電素子２１の厚みとほぼ同等な厚みを有する一対のコ字形押え板１３と、圧電素子２１と押え板１３との上面に配置された、第１枠体１２と同一形状の第２枠体１４と、第２枠体１４の上面に配置された天板１５とを備えている。

この実施例では、天板１５の中央位置に流出口１５ａを形成し、片側に寄った位置に流入口１５ｂを形成したが、中央位置に流入口１５ｂを形成し、片側に寄った位置に流出口１５ａを形成してもよい。また、流入口及び流出口を底板１１に形成してもよいし、流入口及び流出口の一方を天板１５に、他方を底板１１に形成してもよい。前記各部品１１〜１５は圧電素子２１を間にして積層接着され、バルブ本体１０を構成している。底板１１と天板１５との間に圧電素子２１が変位できるバルブ室１６が形成されている。バルブ室１６に面する流出口１５ａの周囲には、ゴム製のバルブシート１７（図５，図６参照）が固定されている。バルブシート１７は圧電素子２１側で、流出口１５ａと対向する位置に設けてもよいが、バルブシート１７を圧電素子２１側ではなく、バルブ室１６に面する流出口１５ａの周囲に予め設けておくことによって、例えば、流出口１５ａの径が非常に小さい場合であっても、バルブシート１７と流出口１５ａの平面位置合わせを予め行うことができるため、バルブ動作時に圧電素子２１と流出口１５ａの接点には正確にバルブシート１７が位置することになり、流出口１５ａを圧電素子２１により確実に閉じることができる。

圧電素子２１は、後述するように圧電セラミックス積層体によって長方形板状に形成されている。圧電素子２１のバルブ室１６と面する部位の周囲は、液体と接触しないように絶縁フィルム３０，３１で覆われている。絶縁フィルム３０，３１は圧電素子２１の変位を実質的に拘束しない柔らかい薄い膜であり、ガスバリア性が高く、流体によって浸食されない材質が好ましい。絶縁フィルム３０，３１を含む圧電素子２１の長さ方向両端部は、第１枠体１２の長さ方向両端部の上面に橋渡し状に配置され、その上から押え板１３、第２枠体１４を介して天板１５を接着することにより、圧電素子２１の両端部を除く部位が密閉されたバルブ室１６の中に変位自在に配置される。このとき、絶縁フィルム３０，３１で覆われていない圧電素子２１の一端部がバルブ本体１０から露出し、その露出部に給電用配線４０が接続されている（図３参照）。

この例の絶縁フィルム３０，３１は、その幅が圧電素子２１より広く、長さは圧電素子２１より短い。つまり、外形形状は底板１１や第１枠体１２と略同一である。絶縁フィルム３０，３１の幅方向両側部（長辺に沿った両側部）には、スリット状の連通穴３０ａ，３１ａが形成されており、この連通穴３０ａ，３１ａはバルブ室１６内に位置している。連通穴３０ａ，３１ａの長さは、バルブ室１６の長手方向の寸法とほぼ等しい。そのため、圧電素子２１はその長さ方向両端部がバルブ本体１０によって固定的に保持されているのに対し、幅方向両側部はバルブ本体１０に対して自由に変位できる。さらに、絶縁フィルム３０，３１の連通穴３０ａ，３１ａを通って、流入口１５ｂから入った流体の圧力は、圧電素子２１の表面側（流出口と対面する側）だけでなく裏面側にも作用するので、圧電素子２１の両面の圧力が同圧となり、比較的小さい駆動力で流出口１５ａを閉じることができる。特に、流出口１５ａを圧電素子２１で開閉する構造の場合、閉弁状態で圧力の高い流入口１５ｂからの背圧によって圧電素子２１が流出口１５ａに押しつけられるので、液体の流出をより確実に防止できる。なお、絶縁フィルム３０，３１は少なくとも圧電素子２１のバルブ室１６に面する部位を覆っておればよく、前記実施例のように第１枠体１２と略同一形状とする必要はない。

図７は弁体２０を構成する圧電素子２１と絶縁フィルム３０，３１との組立構造の一例を示す。図７の（ａ）に示すように、圧電素子２１を間にして上下に絶縁フィルム３０，３１を配置する。上側の絶縁フィルム３０には、圧電素子２１を嵌合できる凹部３０ｂが成形されている。両フィルム３０，３１のスリット３０ａ，３１ａが対応するように相互に接着することにより、図７の（ｂ）のような圧電素子２１の周囲を封止した弁体２０を得ることができる。

図８は圧電素子２１にその中央部が上に凸となる向きに直流電圧を印加した状態を示す。圧電素子２１の中央部は変位してバルブシート１７に着座し、流出口１５ａを確実に閉鎖できる。閉弁状態で流入口１５ｂから高い圧力が作用しても、その圧力は圧電素子２１の上面側だけでなく下面側にも作用するので、圧電素子２１を閉弁方向に付勢し、高い電圧を印加しなくても閉弁状態を維持できる。

図９は圧電素子２１にその中央部が下に凸となる向きに直流電圧を印加した状態を示す。圧電素子２１を下方に変位させることで、流出口１５ａと圧電素子２１との距離を拡大でき、流路空間を拡大して開弁時における流体抵抗を低減できる。なお、図９のように圧電素子２１を下に凸となる向きに電圧を印加することは必ずしも必要でなく、上に凸に変位させる向きに電圧を印加した状態（図８）と、電圧を印加しない状態（図５）との２位置に変化させるだけでもよい。

図１０，図１１は圧電バルブの第２実施例を示す。ここで、図１０は圧電バルブＢの分解斜視図であり、図１１はその横断面図である。第１実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

この実施例の圧電バルブＢの底板１１，第１枠体１２、圧電素子２１、第２枠体１４、天板１５は第１実施例の圧電バルブＡと同じものを使用している。第１枠体１２の上には、樹脂シートよりなる第１保護板３２が配置されている。第１保護板３２の外形形状は底板１１と同一形状に形成され、圧電素子２１の幅方向両側部に沿った部位に一対のスリット３２ａが形成されている。圧電素子２１はこの第１保護板３２の中央部上面に配置される。第１保護板３２上であって圧電素子２１の幅方向両側部に隣接して一対の押え板３４，３５が配置されている。これら押え板３４，３５は圧電素子２１の厚みと同等な厚みを有する樹脂板であり、第１保護板３２のスリット３２ａと対応するスリット３４ａ，３５ａを有している。第１保護板３２の上に圧電素子２１と押え板３４，３５とを配置することにより、それらの上面が面一となる。この面一状の上面に第２保護板３３が配置されている。第２保護板３３は第１保護板３２と同一形状の樹脂シートよりなり、スリット３２ａと対応する一対のスリット３３ａが形成されている。第２保護板３３の上に第２枠体１４が配置され、さらにその上に天板１５が配置されている。

底板１１，第１枠体１２、第１保護板３２、圧電素子２１、押え板３４，３５、第２保護板３３、第２枠体１４、天板１５は順次積層され、バルブ本体１０を構成している。積層方法として接着剤を用いて接着してもよいが、レーザー溶着や熱溶着によって相互に接合してもよい。

この実施例では、圧電素子２１の上下面及び両脇に接するように、保護板３２，３３及び押え板３４，３５が配置されている。保護板３２，３３に凹部を形成する必要がなく、平板で構成できるので、コストを低減できる。さらに、保護板３２，３３の全周が第１，第２の枠体１２，１４と平面で密着するので、バルブ室１６に高い圧力が加わっても、液漏れを確実に防止でき、耐圧性が向上する利点がある。保護板３２，３３及び押え板３４，３５は圧電素子２１の変位をできるだけ阻害しない熱可塑性樹脂などの樹脂材料を使用しており、特に保護板３２，３３、押え板３４，３５を同一材料で構成することにより、接合性が良好となる。

図１２は、第２実施例における圧電素子２１、保護板３２，３３及び押え板３４，３５の組立構造を示す。図１２の（ａ）に示すように、圧電素子２１と押え板３４，３５とを並べ、これらを間にして上下に保護板３２，３３を配置する。保護板３２，３３と押え板３４，３５のスリット３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａを位置合わせして相互に接合することにより、図１２の（ｂ）のような圧電素子２１の周囲を封止した弁体２０を得ることができる。この場合には、保護板３２，３３は平板状でよく、凹部を成形しておく必要はない。また、圧電素子２１の幅方向両側部と押え板３４，３５との間に隙間があっても、保護板３２，３３と押え板３４，３５とが接合しておればシール性に影響はない。

図１３は圧電素子２１の具体的構造の一例を示す。圧電素子２１は、両面に電極を形成し、全体を一様に同方向に分極した圧電セラミックスよりなる単板圧電体２１ａ，２１ｂを、２枚貼り合せてバイモルフ型のアクチュエータとしたものである。貼り合せ後、図１３の＋記号の電極同士が導通し、−記号の電極同士が導通するように電極が引き出されている。層間の電極および表面の電極は、それぞれ中央電極２２ａ〜２２ｃと端部電極２３ａ〜２３ｃとに分割されている。中央電極２２ａ〜２２ｃの領域が第１領域Ｓ１、端部電極２３ａ〜２３ｃの領域が第２領域Ｓ２となっており、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とで分極方向（矢印Ｐで示す）は同一方向となっている。第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２の面積比率は、バルブ特性に応じて任意に選択できる。図１３に正負記号で示すように直流電圧を印加すれば、第２領域Ｓ２は上に凸に変形し、第１領域Ｓ１は下に凸に変形する。電圧を反転すれば、第２領域Ｓ２は下に凸に変形し、第１領域Ｓ１は上に凸に変形する。

前記のように圧電素子２１の両端部（第２領域Ｓ２の一部を含む）は、バルブ本体１０によって固定的に保持されている。通常の圧電素子では、その両端部を固定すると、電圧を印加しても圧電素子の中央部と両端部が互いに変位を打ち消しあい、ほとんど変位できないが、本発明では圧電素子２１の中央部（第１領域Ｓ１）と両端部（第２領域Ｓ２）とが逆方向に屈曲変形できるので、両端部が固定支持されていても、中央部を充分大きく変位させることができる。したがって、閉弁時には圧電素子２１と流出口１５ａ（バルブシート１７）との閉弁圧力を確保できるとともに、開弁時には圧電素子２１の中央部と流出口１５ａとの距離を確保でき、流出口１５ａを通過する流体抵抗を低減できる。

次に、本発明の有効性を確認するため、閉弁圧力と中央部の変位量とについて比較例と本発明とを用いてシミュレーションを行った。図１４の（ａ）は比較例、（ｂ）は本発明である。

−比較例−
３０ｍｍ×４ｍｍ×０．１ｍｍのＳＵＳ製ダイヤフラムに２０ｍｍ×４ｍｍ×０．１ｍｍの圧電体（ＰＺＴ）を貼り合わせたユニモルフ型圧電素子を使用し、その長さ方向両端を固定した。長さ寸法３０ｍｍは固定部を除く領域の寸法である。圧電素子の中央部が上に変位する方向に、圧電体に３０ｖの直流電圧を印加した。矢印で示すように、中心部のφ０．６ｍｍの領域に、圧電素子の変位方向と逆方向に３５ｋＰａの圧力を加えたところ、中央部では約２０．４μｍの変位が得られた。したがって、電圧を印加しないときの圧電素子表面から流路口までの距離を２０μｍで設計した場合には、最大で約３５ｋＰａの圧力差に抗して流路口を閉じることができる。なお、電圧のみを印加し、中央部に逆方向の圧力を加えない場合には、中央部の変位量は２８．５μｍとなった。

−本発明−
３０ｍｍ×４ｍｍ×０．１ｍｍの圧電体（ＰＺＴ）を２枚貼り合わせたバイモルフ型圧電素子を使用し、その長さ方向両端を固定した。長さ寸法３０ｍｍは固定部を除く領域の寸法である。圧電素子の中央部が上に変位する方向に、各圧電体に３０ｖの直流電圧を印加した。矢印で示すように、中心部のφ０．６ｍｍの領域に、圧電素子の変位方向と逆方向に１９０ｋＰａの圧力を加えたところ、中央部では約２０．７μｍの変位が得られた。したがって、電圧を印加しないときの圧電素子表面から流路口までの距離を２０μｍで設計した場合には、最大で約１９０ｋＰａの圧力差に抗して流路口を閉じることができる。なお、電圧のみを印加し、中央部に逆方向の圧力を加えない場合には、中央部の変位量は５９．１μｍとなった。

−結果−
前記シミュレーションから明らかなように、本発明では比較例に比べて、５倍以上の圧力差を開閉できることがわかる。また、本発明の中央部での自由変位量は比較例の約２倍となることがわかる。

図１５は圧電素子の第２の例を示す。この例の圧電素子２１Ａも、図１３と同様に圧電セラミックスよりなる単板圧電体２１ａ，２１ｂを２枚貼り合せてバイモルフ型のアクチュエータとしたものである。層間の電極および表面の電極は図１３の例と同じであり、分極方向だけが異なる。つまり、同一圧電体層内における第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との分極方向（矢印Ｐで示す）は逆方向で、かつ２つの圧電体層２１ａ，２１ｂは同一方向に分極されている。図１５に正負記号で示すように、層間の電極と表面の電極との間に直流電圧を印加すれば、第１例の場合と同様に第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２で逆方向に屈曲変位させることができる。この例では、駆動時に面内が同電位になるので、マイグレーションによるショートの危険が少ない。また、各電極間の導通が簡単である。駆動時に最外面をグランドにすることもできる。

図１６は圧電素子の第３の例を示す。この例の圧電素子２１Ｂは、分極方向Ｐおよび表面の電極の構造は第２の例と同様であるが、層間の電極２４が連続したべた電極である点が異なる。つまり、層間の電極２４は、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とにまたがるべた電極としても、表面の電極２２ａ，２３ａおよび２２ｃ，２３ｃが分割電極であれば、適切に分極処理を行うことができ、かつ駆動時に図１６に正負記号で示すように電圧を印加することで、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２で逆方向に屈曲変位させることができる。

図１７は圧電素子の第４の例を示す。この例の圧電素子２１Ｃは、第３の例のさらなる変形例であり、分極方向Ｐおよび表面の電極の構造は第２の例と同様であるが、表面の電極２５，２６が連続したべた電極である点が異なる。この場合も、層間の電極２２ｂ，２３ｂが分割電極であるため、表面の電極２５，２６が連続したべた電極であっても、適切に分極処理を行うことができ、かつ駆動時に図１７に正負記号で示すように電圧を印加することで、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２で逆方向に屈曲変位させることができる。

図１３，図１５〜図１７に示す圧電素子では、その長さ方向両端まで第２領域Ｓ２が延びている例を示したが、図２の（ｂ）〜（ｄ）に示したように、長さ方向両端部でかつ第２領域Ｓ２より外側に中性領域Ｓ３を形成してもよい。

図１８は本発明にかかる圧電バルブの第３実施例を示す。図５では、圧電素子２１に電圧印加しない状態で流出口１５ａが開かれている例（常開型）を示したが、この実施例では圧電素子２１に電圧印加しない状態で流出口１５ａを閉じる構成（常閉型）としたものである。この場合、非電圧印加時に圧電素子２１がバルブシート１７に圧接するように、圧電素子２１を多少撓ませた状態でバルブ本体１０に固定してもよい。圧電素子２１に対して、下に凸となる向きに電圧を印加することで、圧電素子２１がバルブシート１７から離れ、流出口１５ａを開くことができる。なお、圧電素子２１が開閉する流路口は流出口１５ａに限らず、流入口１５ｂであってもよい。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、種々変更が可能である。
前記実施例では、長方形状の圧電素子を用い、その長さ方向両端部をバルブ本体で固定した例を示したが、円板形状、トラック形状の圧電素子を用い、その外周部をバルブ本体で固定してもよい。その場合には、圧電素子の中心部に第１領域を設け、外周部に第２領域を設ければよい。
前記実施例では、２層の圧電体層を積層して圧電素子を構成したが、３層以上の圧電体層を積層したものでもよい。積層数を増やすことにより、駆動力を向上させることができる。また、奇数層を持つ圧電素子の場合、圧電素子の積層方向の中央部に未分極または分極するが駆動しないような補強層を設け、ベンディング時の応力を緩和してもよい。
また、前記実施例の圧電素子では、予め焼成し分極した圧電体を積層接着したが、セラミックグリーンシートの状態で積層圧着し、焼成後、分極してもよい。この場合には、圧電体層をより薄くできるので、印加電圧を下げることができる。
バルブ本体は、実施例のように平板状部材を上下に積層接着して構成した例に限らず、予め凹型に成形したケース部材を圧電素子を間にして上下から対面接着することで、バルブ本体を構成してもよい。
本発明の圧電バルブは小型・低背に構成できるため、パソコン等の携帯機器の燃料電池用燃料供給経路や、冷却水の循環経路等に使用されるアクティブバルブとして有効である。ただし、これらの用途に限るものではない。

本発明に係る圧電バルブの動作原理を示す断面図であり、（ａ）は非駆動時（開弁時）、（ｂ）は駆動時（閉弁時）である。 本発明に係る圧電バルブの基本構造を示すいくつかの例の概略断面図である。 本発明に係る圧電バルブの第１実施例の全体斜視図である。 本発明に係る圧電バルブの第１実施例の分解斜視図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 図３のVI−VI断面図である。 弁体の組立構造を示す図である。 閉弁時における図３のＶ−Ｖ線断面図である。 開弁時における図３のＶ−Ｖ線断面図である。 本発明に係る圧電バルブの第２実施例の分解斜視図である。 図１０に示す圧電バルブの圧電素子の直交方向からみた横断面図である。 図１０に示す圧電バルブにおける弁体の組立構造を示す図である。 本発明に係る圧電バルブに用いられる圧電素子の第１例の概略断面図である。 比較例と本発明の変位時のモデル図である。 本発明に係る圧電バルブに用いられる圧電素子の第２例の概略断面図である。 本発明に係る圧電バルブに用いられる圧電素子の第３例の概略断面図である。 本発明に係る圧電バルブに用いられる圧電素子の第４例の概略断面図である。 本発明に係る圧電バルブの第３実施例の断面図である。 従来の圧電バルブの一例の断面図である。 従来の圧電バルブの他の例の断面図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ 圧電バルブ
１０ バルブ本体
１１ 底板
１２ 第１枠体
１３ 押え板
１４ 第２枠体
１５ 天板
１５ａ 流出口（開閉流路口）
１５ｂ 流入口
１６ バルブ室
１７ バルブシート
２０ 弁体
２１ 圧電素子
３０，３１ 絶縁フィルム
３２，３３ 保護板
３４，３５ 押え板
Ｓ１ 第１領域
Ｓ２ 第２領域

Claims (6)

1. 開閉流路口を有するバルブ本体と、電圧の印加により板厚方向に屈曲変位し、この屈曲変位により前記開閉流路口を開閉する板状の圧電素子よりなる弁体とを備えた圧電バルブにおいて、
   前記圧電素子は長方形状に形成されており、
   前記圧電素子は長さ方向中央部に第１領域を有し、当該第１領域の長さ方向両側に第２領域を有し、
   前記圧電素子の長さ方向両端部が前記バルブ本体に固定的に保持されており、
   前記圧電素子に印加される電圧により前記第１領域と前記第２領域とが逆方向に屈曲変位し、
   前記第１領域が前記開閉流路口を開閉する圧電バルブであって、
   前記バルブ本体は、前記圧電素子より幅広な長方形平板状の底板と、前記底板の上面に配置され、内幅寸法が圧電素子より幅広な長方形枠状の第１枠体と、前記第１枠体の幅方向両側部の上面に配置され、圧電素子の厚みと同等な厚みを有する一対の押え板と、前記圧電素子及び押え板の上面に配置され、第１枠体と同一形状の第２枠体と、前記第２枠体の上面に配置された天板とを備え、
   前記圧電素子の長さ方向両端部が前記第１枠体及び第２枠体の長さ方向両端部によって挟持され、
   前記底板と第１枠体と圧電素子と押え板と第２枠体と天板とが積層接着されて、前記底板と天板との間に圧電素子が変位できるバルブ室が形成されていることを特徴とする圧電バルブ。
2. 前記圧電素子の幅方向両側部と前記バルブ本体との間には流体の連通部が設けられており、
   前記連通部を介して前記圧電素子の表面側の領域と裏面側の領域とが連通していることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
3. 前記圧電素子の長さ方向両端部であって、前記第２領域よりも長さ方向端部側に自発的に屈曲変形しない中性領域が形成され、前記中性領域が前記バルブ本体に
   固定的に保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電バルブ。
4. 少なくとも前記バルブ本体の流体が流通する空間に面する前記圧電素子の表面は、
   圧電素子の変位を実質的に拘束しない保護膜で覆われていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電バルブ。
5. 前記保護膜は圧電素子を間にして接合された上下一対のフィルムで構成され、前記圧電素子の幅方向両側部に沿った前記フィルムの部位には、前記連通部となるスリットが形成され、前記フィルムの外周部は前記押え板と第２枠体との間で挟持されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電バルブ。
6. 開閉流路口を有するバルブ本体と、電圧の印加により板厚方向に屈曲変位し、この屈曲変位により前記開閉流路口を開閉する板状の圧電素子よりなる弁体とを備えた圧電バルブにおいて、
   前記圧電素子は長方形状に形成されており、
   前記圧電素子は長さ方向中央部に第１領域を有し、当該第１領域の長さ方向両側に第２領域を有し、
   前記圧電素子の長さ方向両端部が前記バルブ本体に固定的に保持されており、
   前記圧電素子に印加される電圧により前記第１領域と前記第２領域とが逆方向に屈曲変位し、
   前記第１領域が前記開閉流路口を開閉する圧電バルブであって、
   前記バルブ本体は、前記圧電素子より幅広な長方形平板状の底板と、前記底板の上に配置され、内幅寸法が圧電素子より幅広な長方形枠状の第１枠体と、前記第１枠体の上に配置され、底板と同一形状に形成され、中央部上面に前記圧電素子が配置され、圧電素子の幅方向両側部に沿った部位に一対のスリットが形成された第１保護板と、前記第１保護板上であって圧電素子の幅方向両側部に隣接して配置され、前記スリットと対応するスリットを有し、圧電素子の厚みと同等な厚みを有する一対の押え板と、前記圧電素子及び押え板の上に配置され、前記第１保護板と同一形状の第２保護板と、前記第２保護板の上に配置され、前記第１枠体と同一形状の第２枠体と、前記第２枠体の上に配置された天板とを備え、
   前記圧電素子の長さ方向両端部が前記第１，第２保護板を介して前記第１枠体及び第２枠体の長さ方向両端部によって挟持され、
   前記底板、第１枠体、第１保護板、圧電素子、押え板、第２保護板、第２枠体と天板とが順次積層接合されていることを特徴とする圧電バルブ。

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