压电式阀以及该压电式阀的制造方法与流程

1.本公开涉及利用层叠型压电元件的位移来进行阀的开闭的压电式阀以及该压电式阀的制造方法。


背景技术：

2.以往，已知有利用层叠型压电元件的位移来进行阀的开闭并喷出压缩气体的压电式阀(参照专利文献1)。
3.专利文献1所记载的压电式阀利用了高速响应性能优异的层叠型压电元件的特性，且具备将层叠型压电元件的较小位移基于杠杆原理放大的位移放大机构。
4.在压电式阀中，当对层叠型压电元件施加电压时，该层叠型压电元件的向伸长方向的位移经由位移放大机构传递至阀芯，使该阀芯迅速地移动而开阀。
5.另外，在压电式阀中，当解除对层叠型压电元件的电压施加时，该层叠型压电元件的伴随着恢复原状的恢复力经由位移放大机构传递至阀芯，使该阀芯迅速地抵接于阀座而闭阀。
6.另外，层叠型压电元件具有如下优异的优点：伴随着动作的耗能少、适于高速动作、小型等。
7.然而，层叠型压电元件由于具有压电陶瓷层而在结构上脆弱，在使用压电式阀时，存在破损片与压缩气体一起喷出的担忧。
8.另外，层叠型压电元件不适应高湿环境，因此在高湿环境下使用压电式阀的情况下，存在湿气侵入层叠型压电元件而使该压电式阀的寿命变短的担忧。
9.因此，本发明人等提出了利用聚烯烃系树脂覆盖层叠型压电元件表面的方案(参照专利文献2)。
10.专利文献2所记载的压电式阀利用了被聚烯烃系树脂覆盖的层叠型压电元件，该聚烯烃系树脂具有杨氏模量小且柔软性优异的特性，并且具有透湿度小且耐水性优异的特性。因此，在使用压电式阀时，层叠型压电元件的破损片不会与压缩气体一起喷出。另外，即使在高湿环境下使用的情况下，也不存在湿气侵入层叠型压电元件而使寿命变短的担忧。
11.通过利用聚烯烃系树脂较薄地覆盖层叠型压电元件的表面，防止层叠型压电元件的破损片的喷出。但是，为了防止层叠型压电元件在高温、高湿环境下的绝缘电阻的降低，需要利用聚烯烃系树脂在某种程度上较厚地覆盖层叠型压电元件的表面。在该情况下，存在如下担忧：层叠型压电元件的动作被妨碍而使行程变小，或者不能进行准确的动作。
12.现有技术文献
13.专利文献
14.专利文献1：日本特开2013
‑
124695号公报
15.专利文献2：日本特开2016
‑
61412号公报


技术实现要素：

16.发明所要解决的课题
17.因此，本公开的目的在于提供一种压电式阀以及该压电式阀的制造方法，能够防止在使用时层叠型压电元件的破损片与压缩气体一起喷出，或者即使在高湿环境下使用的情况下，也能够防止湿气侵入层叠型压电元件而使寿命变短，另外，能够防止层叠型压电元件的动作被妨碍而使行程变小或者不能进行准确的动作。
18.用于解决课题的方案
19.为了实现上述目的，本公开为一种压电式阀，其利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭，且具备：阀主体，其具有接收从外部供给的压缩气体的气体压力室；以及驱动器，其具有阀芯、将阀芯的动作所需的驱动力作为位移而产生的层叠型压电元件以及使层叠型压电元件的位移放大并作用于阀芯的位移放大机构，且配设于阀主体的内部，压电式阀的特征在于，层叠型压电元件在与驱动器一体化的状态下表面被硅酮覆盖。
20.本公开优选的是，层叠型压电元件的表面被填充至隔开间隙地位于该层叠型压电元件的长边方向两侧的一对突条片之间的硅酮覆盖。
21.本公开优选的是，压电式阀还具备配设于阀主体的内部的板，驱动器固定于板，且与该板一起配设于阀主体的内部，在板的表面设置有一对突条片，在驱动器固定于板时，一对突条片隔开间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧，层叠型压电元件的表面被在驱动器固定于板的状态下被填充至一对突条片之间的硅酮覆盖。
22.在此，在本公开中，硅酮是指低粘度的硅酮橡胶，优选使用粘度为0.01pa
·
s以上且10.0pa
·
s以下的硅酮橡胶，更优选使用粘度为2.5pa
·
s的硅酮橡胶。
23.另外，考虑到操作性，优选使用单组分的常温固化型的硅酮橡胶。例如，优选使用信越化学工业株式会社制造的低粘度硅酮橡胶“ke
‑
3475(商品名)”等。
24.在本公开中，优选的是，位移放大机构由金属材料形成，另一方面，在板模制形成有用于向层叠型压电元件供电的配线，从板露出的配线的电极以与层叠型压电元件的引线连接的状态被绝缘性材料覆盖。
25.在本公开中，优选的是，位移放大机构由金属材料形成，层叠型压电元件的引线配置于粘贴在位移放大机构的表面的绝缘用薄膜上。
26.另外，为了实现上述目的，本公开为一种压电式阀的制造方法，该压电式阀利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭，且具备：阀主体，其具有接收从外部供给的压缩气体的气体压力室；以及驱动器，其具有阀芯、将阀芯的动作所需的驱动力作为位移而产生的层叠型压电元件以及使层叠型压电元件的位移放大并作用于阀芯的位移放大机构，且配设于阀主体的内部，压电式阀的制造方法的特征在于，向与驱动器一体化的层叠型压电元件的表面上供给硅酮，利用硅酮覆盖层叠型压电元件的表面。
27.在本公开中，优选的是，向与驱动器一体化的层叠型压电元件的表面上供给硅酮，利用填充至隔开间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧的一对突条片之间的硅酮覆盖层叠型压电元件的表面。
28.本公开优选的是，压电式阀还具备配设于阀主体的内部的板，驱动器固定于板，且与该板一起配设于阀主体的内部，在板的表面设置有一对突条片，在驱动器固定于板时，一对突条片隔开间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧，将层叠型压电元件与驱动器一
体化，将驱动器固定于板，然后向层叠型压电元件的表面上供给硅酮，利用填充至一对突条片之间的硅酮覆盖层叠型压电元件的表面。
29.发明效果
30.本公开的压电式阀的层叠型压电元件被具有耐水性、防水性优异的特性的硅酮覆盖表面，因此，能够防止使用时层叠型压电元件的破损片与压缩气体一起喷出，或者即使在高湿环境下使用的情况下，也能够防止湿气侵入层叠型压电元件而使寿命变短。
31.另外，本公开的压电式阀的层叠型压电元件被与现有的聚烯烃系树脂相比富有弹性且具有压缩性大的特性的硅酮覆盖表面。因此，即使在为了防止层叠型压电元件的高温、高湿环境下的绝缘电阻的降低而利用硅酮某种程度上较厚地覆盖层叠型压电元件的表面的情况下，也能够防止层叠型压电元件的动作被妨碍而使行程变小或者不能进行准确的动作。
32.本公开的压电式阀如果层叠型压电元件被填充至隔开间隙地位于该层叠型压电元件的长边方向两侧的一对突条片之间的硅酮覆盖表面，则能够利用硅酮简单地覆盖层叠型压电元件的整个周面。
33.本公开的压电式阀如果还具备配设于阀主体的内部的板，驱动器固定于板，且与该板一起配设于阀主体的内部，在板的表面设置有一对突条片，该一对突条片在驱动器固定于板时，隔开间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧，层叠型压电元件的表面被在驱动器固定于板的状态下填充至一对突条片之间的硅酮覆盖，则能够利用硅酮简单地覆盖层叠型压电元件的整个周面。
34.本公开的压电式阀的制造方法向与驱动器一体化的层叠型压电元件的表面上供给硅酮，利用硅酮覆盖层叠型压电元件的表面，因此即使在硅酮溢出并附着于层叠型压电元件的表面以外的情况下，也不会引起将层叠型压电元件与驱动器一体化时的组装不良。
35.本公开的压电式阀的制造方法如果向与驱动器一体化的层叠型压电元件的表面上供给硅酮，并利用填充至隔着间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧的一对突条片之间的硅酮覆盖层叠型压电元件的表面，则能够利用硅酮简单地覆盖层叠型压电元件的整个周面。
36.本公开的压电式阀的制造方法如果还具备配设于阀主体的内部的板，驱动器固定于板，且与该板一起配设于阀主体的内部，在板的表面设有一对突条片，该一对突条片在驱动器固定于板时，隔着间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧，并且将层叠型压电元件与驱动器一体化，在将驱动器固定于板后，向层叠型压电元件的表面上供给硅酮，利用填充至一对突条片之间的硅酮覆盖层叠型压电元件的表面，则即使在硅酮溢出并附着于层叠型压电元件的表面以外的情况下，也不会引起将与层叠型压电元件一体化的驱动器固定于板时的组装不良。
37.另外，本公开的压电式阀的制造方法在板的表面设置有一对突条片，该一对突条片在驱动器固定于板时，隔着间隙地位于层叠型压电元件的长边方向两侧，因此能够利用填充至一对突条片之间的硅酮简单地覆盖层叠型压电元件的整个周面。
附图说明
38.图1是层叠型压电元件的剖视图。
39.图2是压电式阀的立体图。
40.图3是压电式阀的组装分解图。
41.图4是驱动器的说明图。
42.图5是将驱动器固定于阀座板的状态的说明图。
43.图6是压电式阀的剖视图，是将阀座板配设于阀主体内部的状态的说明图。
44.图7是本公开的实施方式中的压电式阀具备的驱动器的俯视图。
45.图8是将驱动器固定于本发明的实施方式中的压电式阀具备的阀座板的状态的俯视图。
46.图9是图8的a
‑
a剖视图。
47.图10是表示从本公开的实施方式的压电式阀喷出的空气的喷出压力特性的曲线图。
具体实施方式
48.基于附图对本公开的实施方式进行说明。
49.图1是层叠型压电元件(以下，称为“压电元件”)的代表例，表示剖视图。
50.图1所示的压电元件1具有交替地层叠压电陶瓷层2和内部电极层3的层叠体4。在层叠体4的侧面露出有内部电极层3。露出的各内部电极层3的侧面每隔一层被绝缘层5覆盖。进一步地，层叠体4具有覆盖绝缘层5且与未被绝缘层5覆盖的内部电极层3导通的外部电极6。
51.图2是压电式阀的一例，表示立体图。图3表示图2的压电式阀的组装分解图。图4表示驱动器的说明图。图5表示将驱动器固定于阀座板的状态的说明图。图6是压电式阀的剖视图，表示将阀座板配设于阀主体内部的状态的说明图。
52.图2至图6所示的压电式阀10具备：阀主体20；阀座板25，其配设于阀主体20的内部，并且固定于该阀主体20；以及驱动器30，其通过螺钉固定于阀座板25的两面。
53.阀主体20是前表面开口的壳体，在内部具备从外部的压缩气体供给源(未图示)接收压缩气体的供给的气体压力室。
54.另外，在阀主体20的前表面设置有连接器部50。在连接器部50的前表面开设有向该阀主体20内吸入压缩气体的气体吸入口51以及排出压缩气体的气体排出口52。
55.在阀主体20与连接器部50之间配设有用于向压电元件32供电的配线基板55。在连接器部50的一侧端且阀主体20的侧方位置，配设有用于经由配线基板55向压电元件32供电的配线连接器29。
56.阀座板25在两面具备驱动器30的安装部，并且具有驱动器30的后述的阀芯31抵接的阀座26。另外，在阀座板25的前表面安装有封闭壳体的开口的盖件28。在该盖件28形成有从阀座26的阀座面向在连接器部50的前表面开口的排出口52连通的气体排出路。而且，在盖件28形成有从在连接器部50的前表面开口的吸入口51连通到阀主体20内的气体吸入路。
57.阀座板25由例如合成树脂材料成形，从配线基板55至压电元件32的配线被模制。
58.另外，如使用图8后述地，在阀座板25的后方位置露出与压电元件32的引线57连接的配线的电极58。
59.如图4所示，驱动器30具备：橡胶制、优选润滑性橡胶的阀芯31；将该阀芯31的动作
所需的驱动力作为位移而产生的压电元件32；以及将压电元件32的位移放大并作用于阀芯31的位移放大机构33。
60.压电元件32能够使用图1所示的压电元件。另外，压电元件32也可以使用包含内部电极层3露出的侧面的整个周面被环氧树脂较薄地覆盖的树脂外装型压电元件。
61.位移放大机构33具有放大压电元件32的位移的位移放大部34和将压电元件32的位移传递至位移放大部34的位移传递部35。位移放大机构33相对于阀芯31的动作方向的轴线、在此相对于连结阀芯31和压电元件32的长边方向轴线的直线(以下，称为“中心线”)对称地配置。
62.位移传递部35具有接合压电元件32的一端的u字状的基底基板36和接合压电元件32的另一端的帽部件37。压电元件32配设于u字状的基底基板36的空间内，从而位移放大机构33成为以压电元件32的长边方向轴线为中心对称的配置。
63.在此，压电元件32被组装于u字状的基底基板36的空间内且该基底基板36的u字状底部与帽部件37之间。通过使基底基板36的u字状底部塑性变形，压电元件32的一端与基底基板36的u字状底部接合，另一端与帽部件37接合。
64.位移扩大部34由相对于中心线对称配置的第一及第二位移扩大部34a、34b构成。
65.第一位移扩大部34a具有第一及第二铰链39、40、第一臂41以及第一板簧42。第一铰链39的一端相对于u字状的基底基板36的一侧前端成为一体，第二铰链40的一端相对于帽部件37成为一体。在第一臂41的外侧前端部接合有第一板簧42的一端，在该第一板簧42的另一端接合有阀芯31的一侧的侧端部。
66.另一方面，第二位移扩大部34b具有第三及第四铰链43、44、第二臂45以及第二板簧46。第三铰链43的一端相对于u字状的基底基板36的另一侧前端成为一体，第四铰链44的一端相对于帽部件37成为一体。在第二臂45的外侧前端部接合有第二板簧46的一端，在该第二板簧46的另一端接合有阀芯31的另一侧的侧端部。
67.在此，位移放大机构33例如能够通过对包含殷钢材料的不锈钢材料等金属材料进行冲裁而一体成形。
68.上述驱动器30当在闭阀状态下对压电元件32通电时，该压电元件32伸长。该压电元件32的伴随着伸长的位移在位移放大机构33中，以第一及第三铰链39、43为支点，以第二及第四铰链40、44为力点，以第一及第二臂41、45的外侧前端部为作用点，通过杠杆原理而被扩大，使第一及第二臂41、45的外侧前端部大幅位移。
69.然后，第一及第二臂41、45的外侧前端部的位移经由第一及第二板簧42、46使阀芯31从阀座26分离，将气体排出路开放。
70.另一方面，上述驱动器30当向压电元件32的通电被解除时，该压电元件32收缩，该收缩经由位移放大机构33使阀芯31落座于阀座26，将气体排出路闭合。
71.图7表示本公开的实施方式中的压电式阀具备的驱动器的俯视图。
72.图7所示的驱动器在压电元件32被一体化的状态下，利用硅酮8覆盖该压电元件32的表面、即压电元件32的至少内部电极层露出的侧面。
73.本公开的实施方式的压电式阀例如能够将图1所示的类型的压电元件且表面被硅酮8覆盖的压电元件32一体地组装于驱动器30。
74.另外，本公开的实施方式的压电式阀也能够利用分配器或毛刷等向与驱动器30一
体化的状态的压电元件32的表面上供给硅酮8，利用硅酮8覆盖压电元件32的表面。
75.本公开的实施方式的压电式阀若向与驱动器30一体化的状态的压电元件32的表面上供给硅酮8，利用硅酮8覆盖压电元件32的表面，则即使在硅酮8从压电元件32的表面溢出而附着的情况下，也不用担心发生将压电元件32与驱动器30一体化时的组装不良。
76.本公开的实施方式的压电式阀在压电元件32与驱动器30一体化的状态下利用硅酮8覆盖表面，能够通过将驱动器30固定于阀座板来组装。
77.在此，压电元件32只要至少内部电极层露出的侧面被硅酮8覆盖即可，优选的是，包含内部电极层露出的侧面的所有的侧面(整个周面)被硅酮8覆盖。
78.另外，在使用整个周面被环氧树脂较薄地覆盖的树脂外装型压电元件作为压电元件32的情况下，优选利用硅酮8覆盖整个周面。
79.图8表示将驱动器固定于本公开的实施方式的压电式阀具备的阀座板的状态的俯视图。图9表示图8的a
‑
a剖视图。
80.在本公开的实施方式的压电式阀中，在阀座板25的表面中的驱动器30的安装部设置有一对突条片27，在利用螺钉将驱动器30固定时，该一对突条片27隔开间隙位于压电元件32与位移传递部35之间且压电元件32的长边方向(伸缩方向)两侧。
81.另外，如图9所示，一对突条片27形成为比固定于阀座板25的驱动器30的压电元件32的表面的高度高。
82.本公开的实施方式的压电式阀在将图7所示的驱动器30且内部电极层露出的侧面被硅酮8覆盖的压电元件32固定于阀座板25之后，通过向压电元件32的表面上供给硅酮8，能够利用填充至一对突条片27之间的硅酮8覆盖压电元件32的整个周面。
83.另外，本公开的实施方式的压电式阀也可以将未利用硅酮8覆盖表面的压电元件32与驱动器30一体化，并将驱动器30固定于阀座板25，然后通过向压电元件32的表面上供给硅酮8，利用填充至一对突条片27之间的硅酮8覆盖压电元件32的整个周面。
84.本公开的实施方式的压电式阀在阀座板25的表面设置有驱动器30固定于阀座板25时隔开间隙地位于压电元件32的长边方向两侧的一对突条片27，因此能够利用填充至一对突条片27之间的硅酮8简单地覆盖整个周面。
85.此外，本公开的实施方式的压电式阀如果将未利用硅酮8覆盖表面的压电元件32与驱动器30一体化，并将驱动器30固定于阀座板25，然后向压电元件32的表面上供给硅酮8，利用填充至一对突条片27之间的硅酮8覆盖压电元件32的整个周面，则即使在硅酮8溢出并附着于压电元件32的表面以外的情况下，也不用担心发生将驱动器32固定于阀座板25时的组装不良。
86.在此，在本公开中，硅酮8是指低粘度的硅酮橡胶，优选使用粘度为0.01pa
·
s以上且10.0pa
·
s以下的硅酮橡胶，更优选使用粘度为2.5pa
·
s的硅酮橡胶。
87.另外，考虑到操作性，优选使用单组分的常温固化型的硅酮橡胶，例如，优选使用信越化学工业株式会社制的低粘度硅橡胶“ke
‑
3475(商品名)”等。
88.在图8中，为了向压电元件32供电而被模制的配线的电极58在阀座板25的后方位置露出，且通过焊料与压电元件32的引线57连接。配线的电极58在与引线57连接的状态下被未图示的绝缘性材料覆盖。作为绝缘性材料，能够使用例如硅酮等绝缘性树脂材料。
89.另外，如图8所示，驱动器30在位移放大机构33的位移传递部35的表面后部位置粘
贴有绝缘用薄膜62。
90.在图8中，在安装驱动器30的阀座板25模制有从配线基板55向压电元件32的配线。压电元件32的引线57以防止与构成驱动器30的位移放大机构33的金属材料接触的方式配置于绝缘用薄膜62上。压电元件32的引线57通过焊料与在阀座板25的后方位置露出的配线的电极58连接。
91.在此，绝缘用薄膜62能够使用例如低透湿性薄膜。
92.在本公开中，低透湿性薄膜是指厚度1mm的材料在温度40℃、相对湿度95％的环境下的透湿度为0.5g/m2·
24hr以下的树脂薄膜。
93.低透湿性薄膜能够使用由低透湿性材料构成的树脂薄膜，例如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚烯烃系树脂薄膜。另外，低透湿性薄膜也能够使用实施了涂敷氟等低透湿剂等低透湿加工的树脂薄膜。
94.上述本公开的实施方式的压电式阀在阀座板25的表面设置有一对突条片27。在将驱动器20直接安装于阀主体20的情况下，也能够在阀主体的内壁面设置一对突条片。在该情况下，在将驱动器固定于阀主体之后，通过向压电元件的表面上供给硅酮8，能够利用填充至一对突条片27之间的硅酮8覆盖压电元件32的整个周面。
95.本公开的压电式阀由于压电元件的表面被具有耐水性、防水性优异的特性的硅酮覆盖，因此能够防止使用时压电元件的破损片与压缩气体一起喷出，或者即使在高湿环境下使用的情况下，也能够防止湿气侵入压电元件而使寿命变短。
96.另外，本公开的压电式阀的压电元件的表面被与现有的聚烯烃系树脂相比富有弹性且具有压缩性大的特性的硅酮覆盖。因此，即使在为了防止压电元件的高温、高湿环境下的绝缘电阻的降低而利用硅酮某种程度上较厚地覆盖压电元件的表面的情况下，也能够防止压电元件的动作被妨碍而使行程变小，或者不能进行准确的动作。
97.图10是表示从压电式阀喷出的空气的喷出压力特性的曲线图，是表示对压电元件的表面被硅酮覆盖的情况和压电元件的表面未被硅酮覆盖的情况进行比较的曲线图。此外，压电元件的表面被硅酮覆盖的情况下的覆盖厚度为约150μm，能够防止高温、高湿环境下的绝缘电阻的降低。
98.实验基于日本特开2017
‑
160973号公报的[实施例]记载的方法进行。实验条件如下。
[0099]
(1)压缩空气供给压力：0.15mpa(大气压下的表压值)
[0100]
(2)驱动电压：72v
[0101]
(3)压缩空气设定流量：39l/min
[0102]
(4)输入信号：第一预脉冲时间t1＝0.098ms
[0103]
第一休止时间t2＝0.08ms
[0104]
第二预脉冲时间t3＝0.6ms
[0105]
第二休止时间t4＝0.03ms
[0106]
主脉冲时间t5＝0.192ms
[0107]
(压电元件的通电时间：1ms)
[0108]
(5)空气喷出压力检测位置：相距气体排出路前端2mm
[0109]
在图10中，虚线表示利用硅酮覆盖压电元件的表面的压电式阀的结果。另外，实线
表示压电元件的表面未被硅酮覆盖的压电式阀的结果。
[0110]
在对两者进行比较的情况下，空气的喷出压力特性大致一致，而且能够确认，在本公开的实施方式的压电式阀中，即使在为了防止压电元件的高温、高湿环境下的绝缘电阻的降低而利用硅酮某程度上较厚地覆盖压电元件的表面的情况下，压电元件的动作也未被妨碍。
[0111]
本公开不限于上述实施方式，只要不脱离公开的范围，当然能够对其结构进行适当变更。
[0112]
产业上的可利用性
[0113]
本公开的压电式阀能够防止使用时层叠型压电元件的破损片与压缩气体一起喷出，或者即使在高湿环境下使用的情况下也能够防止湿气侵入层叠型压电元件而使寿命变短，另外，能够防止层叠型压电元件的动作被妨碍而使行程变小或者不能进行准确的动作，因此非常有用。
[0114]
符号说明
[0115]
1—层叠型压电元件，2—陶瓷层，3—内部电极层，4—层叠体，5—绝缘层，6—外部电极，7—引线，8—硅酮，10—压电式阀，20—阀主体，25—阀座板，26—阀座，27—突条片，28—盖件，29—配线连接器，30—驱动器，31—阀芯，32—层叠型压电元件，33—位移放大机构，34—位移放大部，35—位移传递部，36—基底基板，37—帽部件，39—第一铰链，40—第二铰链，41—第一臂，42—第一板簧，43—第三铰链，44—第四铰链，45—第二臂，46—第二板簧，50—连接器部，51—气体吸入口，52—气体排出口，55—配线基板，57—引线，58—电极，62—绝缘用薄膜。