JPH025163Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、流量制御弁に係り、特に、空気等の
流体の流量を高速で精密に制御することができ、
しかも構造が簡単で信頼性の高い流量制御弁に関
する。

流体流量を高速度で精密に制御しなければなら
ないものとして、例えば本出願人の業務に係るイ
ンク噴射式の拡大印写装置（特公昭42−6533号、
特公昭47−21326号）のインクスプレーガンがあ
る。上記拡大印写装置は、例えば写真電送装置あ
るいは印刷製版用のスキヤナーのように書画原稿
を光学的に２次元走査し、得られた画像信号（画
像の濃度をあらわす信号）の強弱を時々刻々イン
ク噴射量に変換して、上記書画原稿の走査と同期
して移動する紙などの記録媒体上に書画像を印写
する。

〔従来の技術〕

しかして、上記インクスプレーガンはこの拡大
印写装置の出力装置であつて、例えば第２図に示
すように構成されている。すなわち、第２図にお
いて符号１は空気流の流量制御弁（以下単に制御
弁という）の全体を示し、この制御弁１は、円板
状のばね板２の中央に垂設された弁体３を有して
おり、この弁体３は、ばね板２に一体的に装着さ
れ、前記画像信号に応じた電流を供給されるムー
ビングコイル４と、第１および第２磁極５および
６の間に形成される環状の磁界との相互作用によ
つて弁体３をその軸線方向に駆動し、給気管７を
介して図示しない圧力空気源から弁室８内に導入
された圧縮空気を、画像信号の強弱に応じて開度
が変化する弁体３の先端部と弁座９との間の環状
の〓間から、送気管１１を介して、インク噴射ノ
ズル１２に送給するように作動する。このインク
噴射ノズル１２は、筒状の空気ノズル１３の内側
にインクノズル１４を同軸かつ入子状に配設した
ものであり、ベルヌーイの原理によつてインクノ
ズル１４からインクを吸引し、空気流と混合して
インクミストとなすもので、その作動原理は公知
であるから詳細な説明は省略する。なお、第１図
において符号１５は磁界発生用の永久磁石を、符
号１６はインク量を調節するニードル弁をそれぞ
れ示す。

上記のような構成の制御弁１は、もちろん充分
に所期の機能を果たし、既に多年にわたつて実動
しているが、ムービングコイル４に作用する電磁
力が比較的小さいのでばね板２のばね定数を大き
くすることができず、そのため弁体３、ムービン
グコイル４、およびこれを巻着したボビン１７等
を慣性質量とする振動系の固有振動数を大きくす
ることができないので、制御弁としての応答周波
数も高々数百Hz（ヘルツ）にとどまる。というう
らみがある。ムービングコイル４を多重に巻き重
ねて駆動力を増大させても、その分慣性が増加す
るので応答性改善の効果は小さい。

制御弁の応答周波数が小さいということは、イ
ンク噴射ノズル１２におけるインクミストの断続
間隔を短かくできないことを意味し、得られる書
画像の解像度および鮮鋭度が低下する。

また、弁体３を一の軸線方向位置から他方のそ
れに移動させるとき、効果的なダンピングを行わ
ないといわゆるオーバーシユートが生じる。すな
わち、振動系の慣性のため、弁体３が目的の位置
を通り過ぎて制御弁の開け過ぎ又は閉め過ぎが生
じ、これにばね板２の引き戻し作用や弁体３およ
び弁座９の衝突によるはね返りが加わつて複雑な
振動現像が発生する。勿論、現在実動している制
御弁は、ムービングコイルに電流を供給する増幅
器の出力インピーダンスを小さくし、上記オーバ
ーシユートによつてムービングコイル４に発生す
る起電力を利用して電磁制動をかけたり、あるい
は本発明の要旨ではないので説明を省略する電気
的制御手段により振動系のダンピングを行つてい
るが、完全にオーバーシユートを除去することは
できず、オーバーシユートによる空気流のいわゆ
る吹き過ぎや切れの悪さは、得られる書画像の濃
度変化や鮮鋭度の低下となつてあらわれる。

さらにまた、弁体３の作動行程は例えば約50〜
100μ（ミクロン；1/1000mm）と微小なので、弁体
のわずかな変位によつて流量が大きく変化し、し
たがつて弁部の加工、組立精度に厳しい水準が要
求されるが、第２図に示すように弁体３はばね板
２に弾性的に支持されるので、組立調整は容易で
はない。

〔考案の目的〕

そこで、本考案の目的は、流量を高速で精密に
制御することができ、しかも構造が簡単で信頼性
の高い制御弁を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本考案は、被制御
流体の流入管および流出管をそれぞれ接続した弁
室と、上記流出管路中に設けられた弁座と、この
弁座に関して弁室側に配設され、先端を弁座の開
口に近接して臨ませた弁体と、電圧の印加により
厚さ方向に反るいわゆるバイモルフ型の圧電素子
で、中央部に上記弁体を取着した駆動板とを備
え、この駆動板の、反りによつて生じる曲面の母
線に垂直な方向における両端縁を傾動可能に支持
すると共に、上記駆動板に、流量の零点を定める
ためのバイアス電圧と、これと反対方向の制御電
圧とを重畳して印加するようにし、制御電圧が零
のとき弁体が弁座の開口を閉塞するようにしたこ
とを特徴とする。

〔実施例〕

以下本考案の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図において符号１８は弁胴を示し、この弁
胴１８は例えば両端を閉塞された段付の円筒体で
あつて、その内側には気密の弁室８が形成されて
いる。

この弁室８には、被制御流体（図示の実施例で
は圧縮空気）の流入管である給気管７、および流
出管である送気管１１がそれぞれ接続されてい
る。第１図においては、上記給気管７は弁胴１８
の一方の端板（第１図で右側の端板）を貫通する
結合プラグ１９を介して接続され、また、上記送
気管１１は、弁胴１８の他方の端面を貫通するよ
うにして、弁胴１８の中心軸と同軸にかつ気密に
螺着されており、その弁室８内に臨む内端面には
環状の弁座９が形成されている。

この弁座９に関して弁室８側における弁座の近
傍には、例えば先端を円錐形に尖らせた弁体３
が、その尖端を弁座９の開口に臨ませて配設され
ている。この弁体３は、中央部を弁胴１８内に嵌
装されたスリーブ２１によつて摺動可能に支持さ
れ、基部は、全体を符号２２で示す結合ユニツト
を介して、いわゆるバイモルフ型の圧電素子であ
る駆動板２３に一体的に結合されている（第３図
参照）。

上記スリーブ２１は、第１図および第３図に示
すように、例えばテフロン（登録商標）等の摩擦
係数が小さい材質の厚肉円板であつて、その中心
軸に沿つて、上記弁体３と嵌合する軸孔（符番せ
ず）が貫通しており、また、この軸孔の周辺に少
なくとも一個の通気孔２４が上記軸孔と平行にス
リーブ２１を貫通していて、給気管７から弁室８
内に流入した圧縮空気が送気管１１側に抜けるこ
とができるようになつている。

一方、弁胴１８の前記一方の端板の内面側に、
例えば細長いばね板材を略コ字形に折曲した形態
のホルダ２５が固設されており、このホルダ２５
の一対の自由端部の間に前記駆動板２３が弾性的
に掴持されている。

上記駆動板２３はいわゆるバイモルフ型の圧電
素子であつて、板厚方向に電圧を印加すると同方
向に反るように変形する。上記圧電素子の材質
は、例えば超音波発振素子として用いられる
PZT（ジルコンチタン酸鉛）やチタン酸バリウム
などのセラミツク材料が好適で、これら電圧効果
を有するセラミツク材を焼結して細長い板状に成
形したものを、例えば導電性接着剤によつて貼り
合わせて駆動板２３を構成する。

ある種の圧電素子は、第４図に示すように、そ
の表面に印刷された電極２６を介して厚さ方向に
電圧を印加すると長さ方向（第４図矢印方向）に
伸縮するので、このような圧電素子を２枚導電性
接着剤で貼着し、両者の伸縮方向が相互に反対に
なるように電圧を印加すれば、上記板厚方向に反
るように変形するバイモルフ型の圧電素子を構成
することができる。なお、かかるバイモルフ型の
圧電素子は市販されているから、さらに詳細は省
略する。

上記駆動板２３の反りによつて生じる曲面の母
線に垂直な方向（図示の実施例では長手方向）に
おける端縁部には、第１図および第３図に示すよ
うに、それぞれ案内ブロツク２７が一体的に装着
されている。この案内ブロツク２７は長手方向に
沿つて断面山形稜を形成したＶ字杆状体で、この
山形稜の反対側における案内ブロツク２７の側面
には駆動板２３の端縁部を受け入れる溝孔が形成
されている。そして、駆動板２３は、その長手方
向における端縁部を上記溝孔にかたく嵌合させる
ことにより、案内ブロツク２７，２７を一体的に
装着している（第１図参照）。

一方、前記ホルダ２５の自由端部には、それぞ
れ断面Ｖ字形の受け溝を形成した杆状の受けブロ
ツク２８が一体的に取着されている。そして、各
受けブロツク２８は、そのＶ字溝に案内ブロツク
２７を受け入れるようにしてこれと係合してい
る。その結果、駆動板２３はその両端縁が厚み方
向（第１図で左右方向）に傾動できるように支持
されることになる。なお、ホルダ２５の自由状態
における自由端部の間隔を、第１図および第３図
に示す駆動板装着状態におけるそれよりも若干小
さ目に設定しておき、駆動板２３の装着時案内ブ
ロツク２７と受けブロツク２８とが相互に弾接し
てこれらの間に遊びやがたが生じないようにする
のが望ましい。

他方、前記弁体３と上記駆動板２３とを相互に
連結する前記結合ユニツト２２は次の述べるよう
に構成されている。

すなわち、第１図および第３図に示すように、
結合ユニツト２２は第１および第２支持体２９お
よび３０を有している。各支持体２９，３０は、
駆動板２３の幅方向に延在する杆状体で、その駆
動板２３に対向する側には断面山形の稜部が形成
されており、駆動板２３の中央においてこれを挾
み、かつ相互に平行な関係位置を保つて配設され
ている。

また、第３図に示すように、第２支持体３０の
両端部において第１支持体２９と対向する面に
は、駆動板２３に垂直で先端に雄ねじ部（図示せ
ず）を形成したガイド杆３１，３１が一体的に植
設されている。そして、第１支持体２９の上記ガ
イド杆３１と整合する部分には、これを駆動板の
厚さ方向に貫通するガイド孔（付番せず）が穿設
されていて、上記ガイド杆３１はこのガイド孔に
摺動可能に嵌合すると共に、その先端部を第１支
持体２９上に突出させている。

一方、前記弁体３は第１支持体２９の第３図に
おける上面中央に一体的に垂設されている。ま
た、第１支持体２９の上面には、全体の形状が略
Ｖ字形の板ばね３２が設けられている。この板ば
ね３２の中央には弁体３の基部と遊嵌する開口
が、また両端には切欠がそれぞれ形成されてお
り、各切欠は、第３図に示すように、前記ガイド
杆３１の先端部と係合し、また、板ばね３２の先
端部は、ガイド杆３１の先端に螺着されたナツト
に係止されている。

その結果、第３図から明らかなように、板ばね
３２の弾力によつて第１および第２支持体２９，
３０は相互に近接する方向に付勢され、第１図に
示すように、弁体３は、駆動板と線接触をする第
１および第２支持体２９，３０を介して、駆動板
２３の中央に一体的に取着される。なお、これは
本考案の必須の構成要件ではないが、第２支持体
３０の下面中央部に例えばシリコンラバーあるい
はネオプレン材等のダンパ３３を設け、このダン
パ３３を介して第２支持体３０を固定部に連結す
るのが望ましい。このダンパ３３は、弁体３およ
び結合ユニツト２２等の慣性質量と、駆動板２３
の材質および寸法等とによつて定まるレゾナンス
を速やかに減衰させるためのもので、この共振周
波数が前記制御弁の最大必要画周波数より高けれ
ば必要ないものである。

また、第１図において符号３４は駆動板２４に
電圧を印加する導線のターミナルを示す。

〔作用〕

上記のように構成された本考案の一実施例によ
る制御弁は、第５図に曲線Ａで示すように、一定
の正方向のバイアス電圧Vbと負方向の時間的に
変化する制御電圧Vcとを重畳した電圧Vb−Vc
を、上記駆動板２３に印加して使用する。上記制
御電圧Vcは、例えば前記印写装置の書画原稿走
査系から得られた画像信号に比例させていること
は勿論である。

ここで上記正方向の電圧を次のように定義す
る。良く知られているように、バイモルフ型の圧
電素子は電圧をかけると第６図に示すように板厚
方向に反るように変形する。第１図および第３図
に示す本考案の一実施例による制御弁は、バイモ
ルフ型の圧電素子である駆動板２３の両端をナイ
フエツジ様の支持機構によつて傾動可能に支持し
ているため、駆動板２３は第６図に示すような変
形を無理なくすることができ、したがつて、その
中央に支持ブロツク２２を介して一体的に取着さ
れた弁体３はその軸線方向に移動し、弁座９（第
１図）と弁体３との間の環状の間〓量、すなわち
制御弁の開度が変化する。そこで、ここでは正方
向の電圧とは弁体３が弁座９に近近接する方向の
電圧をいい、負方向とはその反対方向をいうもの
とする。

そして、前記バイアス電圧の絶対値を、駆動板
２３の材質あるいは寸法等に応じて、制御電圧
Vcが０のとき、すなわち駆動板２３にバイアス
電圧Vbが印加されたとき、上記弁体３が弁座９
の開口を閉塞するように設定する。ここで、弁体
３が弁座９の開口を閉塞する、とは、弁体３の先
端が弁座９の開口の当接する場合も含め、少量の
圧縮空気が漏洩していても、前記インク噴射ノズ
ル１２（第２図参照）からインクが噴射されない
状態をいうものとする。

一方、駆動板２３に印加された正方向の電圧を
漸増させていくと、第７図に示すように、誘電体
である駆動板２３の帯電量が０であるときには、
弁体３の移動量に換算された駆動板２３の変形量
ｄは曲線Ｂに沿つて増大し、バイアス電圧Vbよ
り少し大きい電圧Vb′に至つて最大設定変形量
dmとなる。そして、印加電圧Ｖを減じていくと、
ほぼ直線に近い、上記曲線Ｂとは異なる曲線Ｃに
沿つて変形量ｄが漸減し、印加電圧０になつても
歪量εが残る。この後逆に印加電圧Ｖを増加して
いくと、駆動板２３の変形量ｄは、今度は残存歪
εを出発点として、上記曲線ｃに近接したこれも
直線に近い曲線Ｄに沿つて増大し、電圧Vbb′が
印加されたときには前記最大設定変形量dmとな
る。

図示の実施例では、駆動板２３の変形量が最大
設定値dmになつたとき弁体３が弁座９に当接し
て弁開口を完全に閉塞するように各部の諸元が設
定されているが、バイアス電圧Vbは、第５図に
示すように、最大設定変形量dmに対応する電圧
Vb′より若干低めに設定され、制御電圧Vcが０の
ときでも第５図にδで示す開口度を保つていて、
制御弁から少量の圧縮空気が漏洩するようになつ
ている。これは、制御信号の変化に対して制御弁
の応答特性を改善するためであるが、上記空気流
の漏洩量はインク噴射ノズル１２（第２図）から
インクが噴射されない程度に設定すべきことは勿
論である。なお、第５図に示す曲線Ｃ，Ｄは第７
図示のものと同じものであるが、図面を明瞭に
し、また説明を簡単にするため、駆動板２３の初
期電圧印加時のヒステリシス特性曲線である曲線
Ｂ（第７図参照）の図示を省略し、第７図におけ
る残存歪量εを縦軸（駆動板２３の変形量）の原
点にとつている。

したがつて、第５図から明らかなように、制御
電圧Vcの変化により駆動板２３に印加される電
圧が変化すると、その電圧はバイアス電圧Vbを
越えないから、駆動板２３の弁体３の移動量に換
算された変形量ｄは、第５図に示す開口度δに対
応する変形量d′を基点として、小さくなる方向に
直線的に変化する。換言すれば、弁体３と弁座９
との間隔は制御電圧Vcに比例して変化し、この
間隔は送気管１１（第１図）から噴出する圧縮空
気量に比例する。その結果、制御弁の開度は制御
電圧Vcに比例し、インク噴射ノズル１２（第２
図）からのインク噴射量は画像信号に比例するこ
とになる。

バイモルフ型の圧電素子は、電圧の印加によつ
て厚みが変化する圧電素子を多数枚積層して構成
したいわゆる積層型の圧電素子と比較して、比較
的大きな変形量を得ることができ、前記印写装置
の制御弁としての弁体の作動行程の約100μは容
易に得ることができる。しかも駆動力は数Kgと前
記従来のムービングコイルのそれと比較して強大
で、弁体３およびこれと一体の結合ユニツトを
軽々と駆動する。

また、圧電素子としての駆動板２３はその変形
量を印加電圧によつて精密に制御できる特性があ
り、駆動板２３に一体的に結合された弁体３の移
動量を約0.1μの精度で制御することができ、さら
にまた、超音波発振素子として用いられることか
らも判るように、その周波数応答性も約20〜数百
ｋHzと非常に高い。

なお、駆動板２３の長さを数十mmとした場合、
弁体３の移動量に換算された駆動板の変形量が
100μのときの長さ方向の寸法変化はたかだか数
μである。

〔変形実施例−１〕 第８図は本考案の変形実施例を示し、この実施
例は、駆動板２３の両端を蝶番様の支持部材で傾
動可能に支持したものである。すなわち、第８図
において符号３５は横断面コ字形の保持体を示
し、この保持体３５の溝部に駆動板２３の長手方
向における端縁部が嵌入しており、このようにし
て駆動板２３と保持体３５とは一体に結合されて
いる。駆動板２３の図示しない他端部においても
同様である。上記保持体３５の背面側には、例え
ば溶接により、保持体３５の長さ方向に延在する
支軸３６が一体に結合されている。

一方、前記ホルダ２５の自由端は断面がＵ字形
になるように折り曲げられ、このＵ字溝は駆動板
２３側に開いている。そして、このＵ字溝に上記
支軸３６の端部が回動可能に支承されている。

上記のように構成された第８図示の実施例にお
いては、電圧の印加による駆動板２３の変形によ
り、支軸３６が上記Ｕ字溝中で回動するから、駆
動板２３の反りによる端縁の傾動を許し、第１図
および第３図に示すものと同様に、無理な力が加
わらないように駆動板２３を支持できることは明
らかである。

〔変形実施例−２〕 第９図は本考案の他の変形実施例を示し、この
実施例は、第１図および第３図に示すものとは反
対に、前記案内ブロツク２７をホルダ２５の自由
端側に、受けブロツク２８を駆動板２３の端縁側
にそれぞれ設けると共に、ホルダ２５の一部を切
り起こして各端部に一対の支持片３７，３７を一
体に形成し、これらの支持片３７，３７により、
受けブロツク２８をその長さ方向において挾持す
るようにしたものである。第９図示のものの作用
効果は第１図および第３図に示すものと同様であ
るから詳細な説明は省略するが、第９図示のもの
はホルダ２５に対する駆動板２３の幅方向のずれ
を有効に防止できる、という別の利点が生じる。

〔変形実施例−３〕 第１０図は本考案にさらに他の変形実施例を示
し、この実施例は、弁体３と駆動板２３とを比較
的硬度の高いゴムの薄板である円形の連結板３８
を介して結合したものである。弁体３の端面と連
結板３８、および連結板３８と駆動板２３との結
合は接着剤により行う。

第１０図に示すものにおいては、駆動板２３の
反りによる変形は連結板３８の弾性変形によつて
吸収され、弁体３と駆動板２３とを結合を安定に
保つ。第１０図示のものの作用効果は、第１図お
よび第３図に示すものと同様であるから、詳細な
説面は省略するが、前記結合ユニツト２２を用い
ないのでその分構造が簡単になり、また、慣性抵
抗が減少するという別の利点がある。

〔効果〕 以上の説明から明らかなように、本考案は周波
数応答性のよいバイモルフ型圧電素子である駆動
板によつて弁体を駆動するようにしたので、被制
御流体の流量を短かい時間的間隔毎に制御でき
る。そのため、本考案による制御弁を前記拡大印
写装置に適用すれば、得られる印写像の解像度お
よび鮮鋭度を向上させることができる。

また、駆動板に印加される制御電圧と駆動板の
変形量との対応性が良いので、制御弁の開度、す
なわち被制御流体流量を精密に制御することがで
きる。そのため、本考案による制御弁を上記拡大
印写装置に適用すれば、書画原稿の濃度階調を忠
実に再現することができる。

さらにまた、駆動板の駆動力がKg単位の強大な
ものなので、制御弁の作動が確実であつて信頼性
が増大するばかりでなく、振動系のダンピングを
行う必要がないので制御弁およびその制御回路や
電源等の構成が簡単になる。

加えて、駆動板に一定のバイアス電圧を印加し
たとき弁開口が閉塞されるようにし、制御電圧を
上記バイアス電圧が減少する方向に印加するよう
にしたので、圧電素子としての駆動板の印加電圧
に対する変形量のヒステリシス特性（第７図参
照）を合理的に利用することができる、など種々
の効果を奏する。

なお、図示の実施例では被制御流体は空気であ
るとしたが、本考案による制御弁は空気に限らず
他の流体の流量制御に用いることができるのは勿
論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例による制御弁の断面
図で、図面を明瞭にするため弁座と弁体との間〓
を誇張して示し、第２図は従来の流量制御弁の構
造の一例を示す線図的断面図、第３図は第１図示
の制御弁の要部の外観斜視図、第４図はバイモル
フ型圧電素子の構成を説明するための斜視図、第
５図は本考案による制御弁の作動説明用の、駆動
板への印加電圧を示すグラフ、印加電圧と駆動板
の変形量との関係を示すグラフ、および弁の開度
を示すグラフを複合したグラフ、第６図はバイモ
ルフ型の圧電素子の変形態様を示す線図、第７図
は駆動板への印加電圧と駆動板の変形量との関係
の一例を示すグラフ、第８図および第９図は本考
案の変形実施例を示す駆動板支持機構の部分外観
斜視図、第１０図は本考案の変形実施例による制
御弁の弁体と駆動板との結合部を示す斜視図であ
る。 ３……弁体、７……流入管、８……弁室、９…
…弁座、１１……流出管、２１……スリーブ、２
２……結合ユニツト、２３……駆動板、２５……
ホルダ、２７……案内ブロツク、２８……受けブ
ロツク、２９，３０……支持体。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 被制御流体の流入管および流出管をそれぞれ接
   続した弁室と、上記流出管路中に設けられた弁座
   と、この弁座に関して弁室側に配設され、先端を
   弁座の開口に近接して臨ませた弁体と、電圧の印
   加により厚さ方向に反るいわゆるバイモルフ型の
   圧電素子で、中央部に上記弁体を取着した駆動板
   とを備え、この駆動板の、反りによつて生じる曲
   面の母線に垂直な方向における両端縁を傾動可能
   に支持すると共に、上記駆動板に、流量の零点を
   定めるためのバイアス電圧と、これと反対方向の
   制御電圧とを重畳して印加するようにし、制御電
   圧が零のとき弁体が弁座の開口を閉塞するように
   したことを特徴とする流量制御弁。