压电致动器、压电式阀以及压电致动器的制造方法与流程

1.本发明涉及利用层叠型压电元件的位移使阀芯动作的压电致动器、使用了该压电致动器的压电式阀、以及压电致动器的制造方法。


背景技术：

2.以往，已知有一种压电式阀，其利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭，喷出压缩气体(参照专利文献1)。
3.专利文献1记载的压电式阀利用高速响应性能优异的层叠型压电元件的特性，具备利用层叠型压电元件的位移使阀芯进行开闭动作的压电致动器。
4.压电致动器具有基于杠杆原理将层叠型压电元件的较小的位移放大的位移放大机构，在位移放大机构的前端部相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地设有一对板簧，在一对板簧之间设有阀芯。
5.压电式阀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，使阀芯迅速地移动而开阀。
6.另外，压电式阀当解除对层叠型压电元件的电压施加时，伴随着该层叠型压电元件的恢复原状的恢复力经由位移放大机构传递至阀芯，使该阀芯迅速地与阀座抵接而闭阀。
7.另外，在压电致动器中，为了实现对层叠型压电元件相对于拉伸力的强度的提高，对装配于位移放大机构的层叠型压电元件预先沿层叠型压电元件的拉伸方向(长边方向)施加有加压载荷。
8.然而，在压电致动器中存在如下风险：由于加压载荷而位移放大机构变形，因此设于一对板簧之间的阀芯的前表面变形，在组装压电式阀时，阀芯相对于阀座面的按压力、气密性变弱，从而产生漏气。
9.如专利文献1所记载的那样，在组装压电式阀时，通过将压电致动器的阀芯以具有压溃量的方式挤压于阀座面，能够防止闭阀时的漏气。但是，在由于加压载荷而阀芯的前表面发生了变形的情况下，需要增大压溃量。在该情况下，存在如下问题：阀芯的开闭动作变慢，或者阀芯的动作量变小，无法应对阀的高速且高精度的开闭，使压电式阀的性能降低。
10.现有技术文献
11.专利文献
12.专利文献1：日本特开2013-108568号公报


技术实现要素：

13.发明所要解决的课题
14.因此，本发明的目的在于提供一种能够减轻阀芯相对于阀座面的按压力、气密性减弱而产生漏气的风险的压电致动器、使用了该压电致动器的压电式阀、以及压电致动器的制造方法。
15.用于解决课题的方案
16.为了实现上述目的，本发明为一种压电致动器，其用于利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭的压电式阀，该压电致动器具有：阀芯；层叠型压电元件，其将阀芯的动作所需的驱动力作为位移而产生；以及位移放大机构，其将层叠型压电元件的位移放大并作用于阀芯，其中，在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面被平滑化。
17.在本发明的压电致动器中，优选的是，在层叠型压电元件向阀芯的方向施加有加压载荷。
18.在本发明的压电致动器中，优选的是，位移放大机构相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地配置，在该位移放大机构的前端部，相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地设有一对板簧，阀芯设于一对板簧之间。
19.在本发明的压电致动器中，优选的是，位移放大机构具有放大层叠型压电元件的位移的位移放大部和传递层叠型压电元件的位移的位移传递部，位移传递部具有接合层叠型压电元件的一端的u字状的基底基板和接合层叠型压电元件的另一端的帽部件，层叠性压电元件装入基底基板的u字状底部与帽部件之间，通过使基底基板的u字状底部塑性变形而对层叠型压电元件施加有加压载荷，位移放大部具有相对于连结阀芯和层叠型压电元件的长边方向轴线的直线对称地配置的一对臂，各臂分别通过铰链相对于基底基板的前端及帽部件成为一体，在各臂的外侧前端部设有一对板簧，阀芯设于一对板簧之间。
20.在本发明的压电致动器中，优选的是，对与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面实施润滑性处理。
21.另外，为了实现上述目的，本发明为一种压电式阀，其具备：阀主体，其具有接受从外部供给的压缩气体的气体压力室；以及压电致动器，其配设于阀主体的内部，且具有对从气体压力室排出压缩气体的气体排出路进行开闭的阀芯、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、以及将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，其中，压电致动器使用上述任一个所记载的压电致动器。
22.本发明的压电式阀优选的是，还具有板，该板供上述任一个所记载的压电致动器固定，且与该压电致动器一起配设于阀主体的内部，在板设有气体排出路以及对气体排出路进行开闭的压电致动器的阀芯抵接的阀座。
23.另外，为了实现上述目的，本发明为一种压电致动器的制造方法，该压电致动器用于利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭的压电式阀，该压电致动器压电致动器具有：阀芯；层叠型压电元件，其将阀芯的动作所需的驱动力作为位移而产生；以及位移放大机构，其将层叠型压电元件的位移放大并作用于阀芯，其中，在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，将与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面平滑化。
24.本发明的压电致动器的制造方法优选的是，位移放大机构相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地配置，在该位移放大机构的前端部，相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地设有一对板簧，阀芯设于一对板簧之间，在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，通过研磨将阀芯的表面平滑化。
25.本发明的压电致动器的制造方法优选的是，位移放大机构相对于层叠型压电元件的长边方向轴线对称地配置，在该位移放大机构的前端部，相对于层叠型压电元件的长边
方向轴线对称地设置有一对板簧，该一对板簧是由一部件成形的一对板簧，且在中央部分设有阀芯的设置部，在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，通过一体成形在一对板簧之间的设置部设置阀芯，从而将阀芯的表面平滑化。
26.发明效果
27.本发明的压电致动器由于与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下被平滑化，因此在组装到压电式阀时，能够减轻阀芯相对于阀座面的按压力、气密性变弱而产生漏气的风险。
28.另外，本发明的压电致动器即使在压电式阀的组装时通过将阀芯具有压溃量地挤压于阀座面来防止闭阀时的漏气的情况下，也无需增大压溃量，能够应对阀的高速且高精度的开闭。
29.本发明的压电致动器若对与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面实施了润滑性处理，则能够提高阀芯的表面的非粘合性、润滑性，因此在组装成压电式阀之后，即使在使该压电式阀长时间不动作的情况下，也能够防止阀芯附着于阀座面难以分离而引起动作不良。
30.本发明的压电式阀使用将与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下进行了平滑化的压电致动器，因此能够减轻阀芯相对于阀座面的按压力、气密性变弱而产生漏气的风险。
31.另外，本发明的压电式阀即使在压电式阀的组装时，通过将阀芯具有压溃量地挤压于阀座面来防止闭阀时的漏气的情况下，也无需增大压溃量，能够应对阀的高速且高精度的开闭。
32.本发明的压电致动器的制造方法在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，将与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面平滑化，因此能够制造能够减轻阀芯相对于阀座面的按压力、气密性减弱而产生漏气的风险的压电致动器。
33.另外，本发明的压电致动器的制造方法在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下，将与压电式阀的阀座抵接的阀芯的表面平滑化，因此即使在压电式阀的组装时，通过将阀芯具有压溃量地挤压于阀座面来防止闭阀时的漏气的情况下，也无需增大压溃量，能够制造能够应对阀的高速且高精度的开闭的压电致动器。
附图说明
34.图1是压电式阀的立体图。
35.图2是压电式阀的组装分解图。
36.图3是用于压电式阀的压电致动器的说明图。
37.图4是将压电致动器固定于用于压电式阀的阀座板的状态的说明图。
38.图5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。
39.图6是图3的a部放大图，是对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态的压电致动器的说明图。
40.图7是在图6的压电致动器中阀芯的表面被平滑化的情形的说明图。
具体实施方式
41.基于附图对本发明的实施方式进行说明。
42.图1是压电式阀的一例，表示立体图。图2表示图1的压电式阀的组装分解图。图3表示用于图1的压电式阀的压电致动器的说明图。图4表示将压电致动器固定于用于图1的压电式阀的阀座板的状态的说明图。图5是图1的压电式阀的剖视图，表示将阀座板配设于阀主体内部的状态的说明图。
43.图1至图5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；以及压电致动器30，其通过螺钉固定于阀座板25的两面。
44.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)接受压缩气体的供给的气体压力室。
45.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。
46.在阀主体20与连接器部50之间配设有用于向层叠型压电元件32(以下，称为“压电元件”)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。
47.阀座板25在两面具备压电致动器30的安装部，并且具有压电致动器30的后述的阀芯31抵接的阀座26。另外，在阀座板25的前方突出部251形成有从阀座26的阀座面向连接器部50的气体排出口52连通的气体排出路261。
48.在阀座板25的前表面安装有封闭阀主体20的开口的盖件28。在盖件28形成有阀座板25的前方突出部251嵌合的开口部281。另外，在盖件28形成有从在连接器部50的前表面开口的气体吸入口51连通到阀主体20内的气体吸入路282。
49.阀座板25例如由合成树脂材料成形，模制有从配线基板55向压电元件32的配线。
50.另外，在阀座板25的后方位置露出与未图示的压电元件32的导线连接的配线的电极。
51.如图3所示，压电致动器30具备阀芯31、将该阀芯的动作所需的驱动力作为位移而产生的压电元件、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。
52.压电元件32例如能够使用包括内部电极层露出的侧面的整个周面被环氧树脂较薄地覆盖的树脂封装型压电元件。
53.另外，阀芯31例如能够使用丁腈橡胶(nbr)、氟橡胶(fkm、fepm、ffkm)。用于阀芯31的丁腈橡胶、氟橡胶例如优选硬度为80
±
10。
54.在阀芯31能够至少对抵接于阀座26的阀座面的表面实施基于卤化处理等的润滑性处理。
55.在长时间未使压电式阀10动作的情况下，橡胶制的阀芯31附着于树脂制的阀座26的阀座面而难以分离，有可能引起动作不良，但若对阀芯31的至少与阀座抵接的表面实施润滑性处理来提高非粘合性、润滑性，则能够防止动作不良。
56.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的位移传递到位移放大部34的位移传递部35。位移放大部34及压电元件3分别相对于阀芯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，对称地配置。
57.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。通过将压电元件32配设于u字状的基底基板36的空间内，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。
58.在此，压电元件32通过例如粘接剂装入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361与帽部件37之间。压电元件32通过使基底基板36的u字状底部361塑性变形，从而一端接合于基底基板36的u字状底部361，另一端接合于帽部件37。通过使基底基板36的u字状底部361塑性变形，从而对压电元件32向阀芯31的方向(向阀芯31挤压的方向)施加有加压载荷。
59.位移扩大部34由相对于连结阀芯31和压电元件32的长边方向轴线的直线对称配置的第一及第二位移扩大部34a、34b构成。
60.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。第一臂41通过第一铰链39相对于u字状的基底基板36的一侧前端成为一体。第一臂41通过第二铰链40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。
61.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。第二臂45通过第三铰链43相对于u字状的基底基板36的另一侧前端成为一体。第二臂45通过第四铰链44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。
62.在此，位移放大机构33例如除了第一以及第二板簧42、46，能够通过对包括殷钢材的不锈钢材等金属材料进行冲裁而一体成形。
63.另外，第一板簧42和第二板簧46例如能够由一张金属板材成形。在此，第一板簧42和第二板簧46形成于一张金属板材的两侧部分，该金属板材成形为相对于压电元件32的长边方向轴线对称且在中央部分具有阀芯31的设置部48的形状。设置部48例如是包含与压电元件32的长边方向轴线正交的平坦的设置面的部分。而且，第一及第二板簧42、46的一端分别接合于第一及第二臂41、45的外侧前端部。阀芯31设于位于第一及第二板簧42、46的另一端之间且压电元件32的长边方向轴线上的设置部48。
64.压电致动器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。伴随着该压电元件32的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，通过杠杆原理被扩大，使第一及第二臂41、45的外侧前端部大幅位移。
65.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261开放。
66.另一方面，上述压电致动器30当对压电元件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261关闭。
67.此外，也能够将第一板簧42和第二板簧46由不同的部件成形，在第一板簧42的另一端接合阀芯31的一侧的侧端部，在第二板簧46的另一端接合阀芯31的另一侧的侧端部，从而在第一以及第二板簧42、46的另一端之间设置阀芯31。
68.图6是图3的a部放大图，表示对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态的压电致动器的说明图。图7表示在图6的压电致动器中，在对层叠型压电元件施加有加压载荷的状态下阀芯的表面被平滑化的情形的说明图。
69.压电致动器30通过使基底基板36的u字状底部361塑性变形，对压电元件32向阀芯31的方向施加有加压载荷。因此，位移放大机构33变形，例如，如图6所示，设于第一板簧42及第二板簧46的另一端之间且设置部48的阀芯31的前表面以凹状变形，在组装成压电式阀时，存在阀芯31相对于阀座面的按压力、气密性变弱而产生漏气的风险。
70.因此，在本发明的实施方式中，在压电致动器30中，阀芯31的前表面在对压电元件32施加有加压载荷的状态下以与压电元件32的长边方向轴线、即阀芯31的动作方向的轴线正交的方式被平滑化。
71.例如，在本发明的实施方式中，如图7所示，压电致动器30能够通过研磨将变形成凹状的阀芯31的前表面平滑化。
72.另外，在本发明的实施方式中，压电致动器30在对压电元件32施加有加压载荷的状态下，相对于设于第一板簧42、第二板簧46的另一端之间的中央部分的设置部48通过一体成形设置阀芯31，从而能够使阀芯31的前表面平滑化。
73.本发明的实施方式中的压电致动器由于与压电式阀10的阀座26抵接的阀芯31的表面在对压电元件32施加有加压载荷的状态下被平滑化，因此在组装到压电式阀10时，能够减轻阀芯31相对于阀座面的按压力、气密性变弱而产生漏气的风险。
74.本发明的实施方式中的压电致动器也能够如专利文献1所记载的那样，通过将阀芯具有压溃量地挤压于阀座面，组装成压电式阀。
75.本发明的实施方式中的压电致动器即使在压电式阀的组装时通过将阀芯具有压溃量地挤压于阀座面来防止闭阀时的漏气的情况下，也无需增大压溃量能够应对阀的高速且高精度的开闭。
76.以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，只要不脱离发明的范围，当然也能够对其结构进行适当变更。
77.生产上的可利用性
78.本发明的压电致动器能够用于利用层叠型压电元件的位移进行阀的开闭的压电式阀。
79.符号说明
80.10—压电式阀，20—阀主体，25—阀座板，251—前方突出部，26—阀座，261—气体排出路，28—盖件，281—开口部，282—气体吸入路，29—配线连接器，30—压电致动器，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，361—u字状底部，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，48—设置部，50—连接器部，51—气体吸入口，52—气体排出口，55—配线基板。