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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Ventil
und insbesondere auf ein aktives Ventil, das ein sich biegendes
und deformierendes piezoelektrisches Element als ein Ventilbauglied
verwendet.
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Hintergrund der Technik
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Eine
Leistungsversorgung, die eine Brennstoffzelle für einen
mobilen Personalcomputer oder andere Vorrichtungen verwendet, wird
entwickelt. Ein Beispielbrennstoff ist ein Flüssigbrennstoff,
wie z. B. Methanol. Das Liefern des Brennstoffs zu einem Reaktor
unter Verwendung einer Mikropumpe verursacht, dass der Reaktor verursacht,
dass der Brennstoff mit Luft reagiert und somit elektrische Leistung erzeugt.
Bei einem solchen Brennstoffzellensystem, sogar wenn die Pumpe abgeschaltet
ist, kann ein unbeabsichtigter Fluss des Brennstoffs in der Vorwärtsrichtung
auftreten, aufgrund von Gravitation oder anderen Faktoren, unnötiger
Brennstoff kann zu dem Reaktor geliefert werden und somit kann überschüssige
elektrische Leistung erzeugt werden. Obwohl die Mikropumpe ein Absperrventil
aufweist, ist die Bereitstellung einer zuverlässigen Vorwärts-Stopp-Fähigkeit
für das Absperrventil selbst nachteilhaft für
die Effizienz der Pumpe. Um einen ungewollten Brennstofffluss zuverlässig
zu blockieren, ist abgesehen von der Pumpe ein aktives Ventil notwendig.
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Patentdokument
1 offenbart ein piezoelektrisches Ventil, das einen Ventilkörper
mit einem Einlass und einem Auslass für Fluid umfasst,
und ein Ventilbauglied mit einem piezoelektrischen Plattenelement. 19 stellt
die Struktur dar, die in 19 gezeigt
ist, bei der der Außenbereich eines Ventilbauglieds 50 fest
durch einen Ventilkörper 5 gehalten wird. Das
Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Element 52 biegt
das Ventilbauglied 50 in der Richtung der Dicke, und das
Biegen kann einen Einlass 53 öffnen und schließen.
Obwohl hier ein Beispiel beschrieben ist, bei dem das Ventilbauglied 50 den
Einlass 53 öffnet und schließt, kann
ein Auslass 54 geöffnet und geschlossen werden.
Beispieltypen des Ventilbauglieds 50 sind der Unimorph,
wie dargestellt ist, bei dem das piezoelektrische Element 52 an den
mittleren Teil einer einzelnen Seite einer Metallmembran 55 angebracht
ist, und der Bimorph, bei dem ein piezoelektrisches Element an jede
von beiden Seiten einer Membran angebracht ist.
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In
dem Fall, in dem der Außenbereich des Ventilbauglieds 50 fest
durch den Ventilkörper 51 gehalten wird, wie oben
beschrieben wurde, heben sich die Verschiebung des mittleren Teils
des Ventilbauglieds 50 und die des Außenbereichs
auf, so dass der Betrag der Verschiebung des mittleren Teils unwesentlich
klein ist, sogar wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 52 angelegt
ist, da der Außenbereich des Ventilbauglieds 50 durch
den Ventilkörper 51 beschränkt ist. Sogar
wenn die Spannung, die an das piezoelektrische Element 52 angelegt
ist, erhöht wird, ist die maximale Verschiebung im Bereich
von höchstens 20 μm. Daher ist der Fluidwiderstand,
der zwischen einem Ventilsitz und dem Ventilbauglied 50 passiert,
groß und dies ist eine Ursache für einen Spannungsverlust.
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Patentdokument
2 offenbart ein piezoelektrisches Ventil, bei dem der Außenbereich
eines Ventilbauglieds 56, das ein piezoelektrisches Element
aufweist, durch einen Ventilkörper 57 getragen
wird, ohne begrenzt zu werden, wobei das Ventilbauglied 56 einen
Auslass 58 öffnet und schließt, und der
Ventilkörper 57 mit einem Kommunikationsabschnitt 59 versehen
ist, derart, dass die Drücke von beiden Seiten des Ventilbauglieds 56 im
Wesentlichen dieselben sind, wie in 20(b) und 20(b) dargestellt ist. Ein Einlass 60 ist
angeordnet, um dem Auslass 58 zugewandt zu sein. In diesem
Fall wird der Außenbereich des Ventilbauglieds 56 nur
durch den Ventilkörper 57 getragen, ohne begrenzt
zu sein, so dass der mittlere Teil des Ventilbauglieds 56 relativ
umfassend verschoben werden kann. Da jedoch der Außenbereich
des Ventilbauglieds 56 nicht sicher gehalten wird, ist
die Lieferung einer Spannung zu dem piezoelektrischen Element schwierig,
und die Zuverlässigkeit des Ventilbauglieds 56 selbst
wird durch eine kontinuierliche Biegebewegung verringert. Zusätzlich dazu,
da die Steifigkeit des Trägerabschnitts niedrig ist, besteht
ein Problem dahingehend, dass der Auslass 58, der einen
Differenzdruck aufweist, nicht geschlossen werden kann (der Schließdruck
des Ventils reduziert sich).
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Patentdokument
3 offenbart ein Gasflusssteuerventil mit der Struktur, bei der ein
rechteckiger, piezoelektrischer Unimorph als ein Ventilbauglied verwendet
wird, und die beiden Enden dieses Unimorphs in der Längsrichtung
auf einem Ventilkörper getragen werden. In diesem Fall,
um eine Verschiebung des piezoelektrischen Unimorphs zu tolerieren, werden
beide Enden desselben elastisch unter Verwendung eines Elastomerharzes
gehalten, wie z. B. Silikongummi. Da jedoch die beiden Enden jedes
Mal verschoben werden, wenn der piezoelektrische Unimorph getrieben
wird, ist es schwierig, stabil eine Spannung zu dem piezoelektrischen
Element zu liefern, und es besteht ein Problem, bei dem die Zuverlässigkeit
des Trägerabschnitts durch Alterungsverschlechterung des
Elastomerharzes verringert wird. Zusätzlich dazu, da die
Steifigkeit des Trägerteils niedrig ist, ist ein hoher
Schließdruck des Ventils nicht erreichbar.
- Patendokument
1: Japanische, ungeprüfte
Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 62-28585
- Patendokument 2: Japanische,
ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
3-223580
- Patendokument 3: Japanische,
ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
62-283272
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Offenbarung der Erfindung
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Probleme, die durch die Erfindung gelöst
werden sollen
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Es
ist eine Aufgabe von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Ventil zu schaffen,
das in der Lage ist, gleichzeitig Probleme der Sicherstellung der
Zuverlässigkeit eines Halteabschnitts, der ein Ventilbauglied
hält, das ein piezoelektrisches Element und einen Ventilkörper
umfasst, der Erhöhung des Betrags der Verschiebung (Grad
der Öffnung des Ventils) und der Verbesserung des Schließdrucks
des Ventils zu lösen.
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Mittel zum Lösen
der Probleme
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Um
die Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung
ein piezoelektrisches Ventil, das Folgendes umfasst: einen Ventilkörper
mit einer Offen/Geschlossen-Kanalöffnung; und ein Ventilbauglied,
das ein piezoelektrisches Plattenelement umfasst, das in einer Dickenrichtung
desselben gebogen wird, durch Anlegen einer Spannung an dasselbe,
und das die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung durch Biegen öffnet
und schließt. Jedes beider Enden oder ein Außenbereich
des piezoelektrischen Elements wird fest durch den Ventilkörper
gehalten. Das piezoelektrische Element weist eine erste Region in
einem mittleren Teil oder einer Mitte auf, und eine zweite Region
benachbart zu den beiden Enden oder dem Außenbereich, und
die erste Region und die zweite Region werden entgegengesetzt gebogen und
verschoben, durch eine Spannung, die an das piezoelektrische Element
angelegt ist.
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Beispieltypen
von herkömmlichen piezoelektrischen Elementen sind der
Unimorph und der Bimorph. In jedem Fall wird das piezoelektrische
Element in einer einheitlichen Richtung durch das Anlegen einer
Spannung an dasselbe gebogen. Wenn beide Enden eines solchen piezoelektrischen
Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, ist
der Verschiebungsbetrag sehr klein. Im Gegensatz dazu, wenn beide
Enden des piezoelektrischen Elements getragen werden, um frei verschiebbar
zu sein, wird der Betrag der Verschiebung erhöht, aber die
Zuverlässigkeit des Halteabschnitts wird verringert, und
der Schließdruck des Ventils wird ebenfalls verringert.
Die vorliegende Erfindung ist insofern charakteristisch, als jedes
beider Enden oder ein Außenbereich des piezoelektrischen
Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, das
piezoelektrische Element eine erste Region einem mittleren Teil oder
einer Mitte und eine zweite Region an den beiden Enden oder dem
Außenbereich aufweist, und die erste Region und die zweite
Region entgegengesetzt durch eine Spannung gebogen und verschoben
werden, die an das piezoelektrische Element angelegt wird. Bei einer
solchen Konfiguration kann die Zuverlässigkeit des Halteabschnitts
zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Ventilkörper
sichergestellt werden, der Verschiebungsbetrag kann erhöht werden
und der Schließdruck des Ventils kann weiter verbessert
werden.
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1(a) und (b) stellen ein Beispiel eines Operationsprinzips
der vorliegenden Erfindung dar. Ein piezoelektrisches Element 1,
das ein Ventilbauglied bildet, ist rechteckig, und seine beiden
Enden werden in der Längsrichtung fest an einem Ventilkörper 2 gehalten.
Der Ventilkörper 2 umfasst eine Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 und
eine andere Kanalöffnung 4. Die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 ist
an einer Position gebildet, die dem mittleren Teil des piezoelektrischen
Elements 1 zugewandt ist, wohingegen die Kanalöffnung 4 an
einer Position entfernt von dem Mittel teil gebildet ist. Obwohl
dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, werden beide Seitenteile
des piezoelektrischen Elements 1 in der Breitenrichtung
(beide Seitenteile erstrecken sich entlang einer längeren
Seite) nicht durch den Ventilkörper 2 gehalten.
Das feste Halten zeigt das sichere Befestigen beider Enden des piezoelektrischen
Elements 1 an dem Ventilkörper 2 z. B.
unter Verwendung eines aushärtbaren Haftmittels an. Da
keine relative Verschiebung zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und
dem Ventilkörper 2 aufgrund der Befestigung vorliegt,
ist eine elektrische Verbindung zum Liefern von Elektrizität
zu dem piezoelektrischen Element 1 stabil und einfach,
und eine Verringerung der Zuverlässigkeit, die durch eine
Alterungsverschlechterung verursacht wird, ist ebenfalls gering.
Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des Halteabschnitts
hoch sein kann, kann der Schließdruck des Ventils hoch
sein. Daher kann die Kanalöffnung, die einen hohen Differenzdruck
aufweist, geöffnet und geschlossen werden. Hier ist die
Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 ein Auslass,
und die Kanalöffnung 4 ist ein Einlass. Die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung 3 kann
jedoch ein Einlass sein, und die Kanalöffnung 4 kann
ein Auslass sein. Es ist nicht auf ein normalerweise offenes Ventil
beschränkt und kein ein normalerweise geschlossenes Ventil
sein.
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1(b) stellt einen Zustand dar, in dem eine
Gleichstromspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt
ist, und die Grenze zwischen einer ersten Region S1 und einer zweiten
Region S2 ist durch gestrichelte Linien angezeigt. Die Grenze ist ein
Wendepunkt, an dem sich die Krümmung ändert. Dieser
Wendepunkt ist innerhalb eines Bereichs positioniert, wo das piezoelektrische
Element 1 durch den Ventilkörper 2 befestigt
ist. Wenn beide Enden des piezoelektrischen Elements 1 befestigt
sind, ist der Verschiebungsbetrag des mittleren Teils sehr gering
bei einem herkömmlichen piezoelektrischen Element, das
sich in einer einheitlichen Richtung biegt, wohingegen der Verschiebungsbetrag
des mittleren Teils bei dem piezoelektri schen Element 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung groß ist, da sich die erste Region S1 benachbart
zu der Mitte und die zweite Region S2 benachbart zu beiden Enden
entgegengesetzt biegen. Wenn sich z. B. die erste Region S1 benachbart
zu der Mitte konvex aufwärts biegt, biegt sich die zweite
Region S2 konvex abwärts. Daher wird der Verschiebungsbetrag
der ersten Region S1 zu dem Verschiebungsbetrag der zweiten Region
S2 addiert, und somit kann der Verschiebungsbetrag des mittleren
Teils groß sein. Folglich kann die Distanz zwischen dem
mittleren Teil des piezoelektrischen Elements 1 und der
Kanalöffnung 3 (der Grad der Öffnung
des Ventils) während der Öffnung des Ventils groß sein,
so dass der Fluidwiderstand in einem Zustand, in dem das Ventil
geöffnet ist, reduziert werden kann.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische
Element vorzugsweise eine rechteckige Form aufweisen, beide Enden des
piezoelektrischen Elements in einer Längsrichtung können
vorzugsweise fest durch den Ventilkörper gehalten sein,
und beide Seitenteile des piezoelektrischen Elements in einer Breitenrichtung
können vorzugsweise nicht durch den Ventilkörper
gehalten sein. Das piezoelektrische Element (Ventilbauglied), das
bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, ist nicht auf eine
rechteckige Form begrenzt sondern kann auch von einer Scheibenform
sein. In dem Fall, in dem nur beide Enden eines rechteckigen, piezoelektrischen
Elements in der Längenrichtung fest an dem Ventilkörper
gehalten werden, ist der Betrag der Verschiebung des Biegens bei
dem mittleren Teil viel größer im Vergleich dazu,
wenn alle Außenbereiche eines platten- bzw. scheiben-förmigen
piezoelektrischen Elements gehalten werden. Daher kann der Grad
der Öffnung des Ventils umfassend verändert werden,
so dass das Öffnungs-/Schließverhalten verbessert
werden kann. Das Vergrößern des Verhältnisses
zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des piezoelektrischen
Elements kann die Verschiebung bei dem piezoelektrischen Element
erhöhen, während die Standfläche reduziert
wird. In dem Fall eines rechteckigen, piezoelektrischen Elements wird
der maximale Verschiebungsbetrag im Wesentlichen durch die Länge
der langen Seite des piezoelektrischen Elements bestimmt.
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Wenn
ein rechteckiges, piezoelektrisches Element verwendet wird, ist
es bevorzugt, dass ein Kommunikationsabschnitt für ein
Fluid zwischen dem Ventilkörper und beiden Enden in der
Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist, derart,
dass eine Region benachbart zu der Vorderseite des piezoelektrischen
Elements und eine Region benachbart zu der Rückseite desselben
miteinander durch den Kommunikationsabschnitt kommunizieren. In
diesem Fall, da die Region benachbart zu der Vorderseite des piezoelektrischen
Elements und die Region benachbart zu der Rückseite desselben
denselben Druck aufweisen, wird keine externe Kraft abgesehen von
dem Fluiddruck auf die Kanalöffnungen auf das piezoelektrische
Element ausgeübt, und daher kann das Ventil mit einer relativ
geringen Antriebskraft geschlossen werden. In dem Fall der Struktur,
bei der der Auslass der Kanalöffnungen durch das piezoelektrische
Element geöffnet und geschlossen wird, da das piezoelektrische
Element gegen den Auslass gedrückt werden kann, mit dem
Gegendruck aus dem Einlass, der einen hohen Druck während
des Zustands des Schließens des Ventils aufweist, kann
ein Lecken eines Fluids sogar mit einer relativ geringen Antriebskraft
verhindert werden. Folglich ist es notwendig, das Anlegen einer
großen Spannung fortzusetzen, um einen Zustand beizubehalten,
in dem das Ventil geschlossen ist.
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In
dem Fall, in dem ein rechteckiges, piezoelektrisches Element verwendet
wird, kann die erste Region vorzugsweise in einem mittleren Teil
eines Abschnitts des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung
vorhanden sein, wobei der Abschnitt nicht durch den Ventilkörper
befestigt ist, die zweite Region kann vorzugsweise eher benachbart
zu den beiden Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung
vorhanden sein als die erste Region, und die erste Region kann vorzugsweise
offen sein und schließt die Offen/Geschlossen-Kanalöffnung. 2 stellt eine Vielzahl von Formen eines
piezoelektrischen Elements mit der ersten Region S1 und der zweiten
Region S2 dar. 2(a) stellt ein erstes Beispiel
des piezoelektrischen Elements 1 dar, das nur die erste
Region S1 und die zweite Region S2 aufweist, bei dem ein Teil des
Außenbereichs der zweiten Region S2 durch den Ventilkörper 2 gehalten wird. 2(b) bis (d) stellen Beispiele dar, bei
denen eine Zwischenregion S3, die sich nicht spontan biegt, außerhalb
der zweiten Region S2 gebildet ist. Die Zwischenregion S3 ist der
Abschnitt, wo keine Elektrode gebildet ist, der Abschnitt, wo, obwohl
eine Elektrode gebildet ist, keine Polarisierung vorhanden ist,
oder der Abschnitt, wo, obwohl eine Elektrode gebildet ist, keine
Spannung angelegt ist. Wenn eine Spannung an das piezoelektrische
Element angelegt ist (wenn sich die erste Region und die zweite
Region biegen), biegt sich die Zwischenregion S3 nicht und ändert
ihre Form nicht. 2(b) stellt ein Beispiel dar,
bei dem die Grenze zwischen der Zwischenregion S3 und der zweiten
Region S2 außerhalb eines inneren Randes 2a des
Ventilkörpers 2 positioniert ist; 2(c) stellt
ein Beispiel dar, bei dem die Grenze zwischen der Zwischenregion
S3 und der zweiten Region S2 im Wesentlichen mit der Innenkante 2a des
Ventilkörpers 2 übereinstimmt; und 2(d) stellt ein Beispiel dar, bei dem
die Grenze zwischen der Zwischenregion S3 und der zweiten Region
S2 innerhalb des Innenrandes 2a des Ventilkörpers 2 positioniert
ist. Wenn nur die Zwischenregion S3 durch den Ventilkörper 2 gehalten
wird, wie in 2(c) und 2(d),
da der gebogene Teil des piezoelektrischen Elements 1 nicht
gewaltsam begrenzt ist, kann das piezoelektrische Element 1 effizient
verschoben werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Ventilkörper
Folgendes umfassen: eine untere Platine mit einer rechteckigen,
planaren Form die breiter ist als das piezoelektrische Element; einen
ersten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche der unteren
Platine angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform aufweist
und eine Innenbreitenabmessung, die größer ist
als die des piezoelektrischen Elements; ein Paar aus Halteplatten,
die auf einer oberen Oberfläche von beiden Seitenteilen des
ersten Rahmens in der Breitenrichtung angeordnet sind und im Wesentlichen
dieselbe Dicke aufweisen wie bei dem piezoelektrischen Element;
einen zweiten Rahmen, der auf einer oberen Oberfläche des
piezoelektrischen Elements und den Halteplatten angeordnet ist und
im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und
eine obere Platine, die auf einer oberen Oberfläche des
zweiten Rahmens angeordnet ist. Die beiden Enden des piezoelektrischen
Elements in der Längenrichtung können sandwichartig
zwischen beiden Enden des ersten Rahmens und des zweiten Rahmens
in der Längenrichtung angeordnet sein. Die untere Platine,
der erste Rahmen, das piezoelektrische Element, die Halteplatten,
der zweite Rahmen und die obere Platine können laminiert
und gebondet sein, und eine Ventilkammer kann zwischen der unteren
Platine und der oberen Platine vorhanden sein, um zu ermöglichen,
dass das piezoelektrische Element verschoben wird. Auf solche Weise
sind alle Komponenten, die den Ventilkörper bilden, aus
einem planaren Bauglied gebildet, und der Ventilkörper
wird durch Laminieren dieser Komponenten erzeugt, die gebondet sind.
Daher können die Herstellungskosten reduziert werden und
das dünnere (mit niedrigerem Profil) piezoelektrische Ventil
kann erreicht werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel kann zumindest eine Oberfläche
des piezoelektrischen Elements, wobei die Oberfläche einem Raum
des Ventilkörpers zugewandt ist, durch den Fluid läuft,
vorzugsweise mit einer Schutzschicht abgedeckt sein, die die Verschiebung
des piezoelektrischen Elements nicht wesentlich einschränkt.
Wenn ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) in Kontakt mit
dem piezoelektrischen Element kommt, ist es wahrscheinlich, dass
eine Korrosion und Reduktion der isolierenden Eigenschaften auftritt,
und zusätzlich kann es ein Problem z. B. der Rissbildung
erzeugen, verursacht durch einen Kontakt mit und eine Trennung von
einem Abschnitt (Ventilsitz) der Kanalöffnung in Kontakt
mit dem Ventilbauglied. Wenn die Oberfläche des piezoelektrischen
Elements mit einer Schutzschicht abgedeckt ist, die eine Verschiebung des
piezoelektrischen Elements nicht wesentlich einschränkt,
ist es möglich, das obige Problem zu lösen. Als
die Schutzschicht kann eine Harzlage oder eine Gummilage angebracht
sein, oder alternativ kann eine Oberflächenbehandlung oder
Harzbeschichtung angewendet werden. Vorzugsweise kann die Schutzschicht
eine dünne Schicht mit einem minimalen Youngschen Modul
sein. Die Schutzschicht kann nicht nur Kurzschlüsse und
Elektrodenmigration verhindern, die durch Flüssigkeit verursacht
werden, die in direkten Kontakt mit dem piezoelektrischen Element
kommt, sondern kann auch als Abdichtung dienen, um ein Lecken der
Flüssigkeit zu verhindern.
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Die
Schutzschicht kann vorzugsweise ein Paar eines oberen und unteren
Films umfassen, die derart gebondet bzw. verbunden sind, dass das
piezoelektrische Element zwischen denselben angeordnet ist, wobei
jeder der Filme vorzugsweise einen Schlitz aufweisen kann, der den
Kommunikationsabschnitt bildet, an einem Abschnitt, der sich entlang der
beiden Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung
erstreckt, und ein Außenbereich des Films kann vorzugsweise
sandwichartig zwischen den Halteplatten und dem zweiten Rahmen angeordnet
sein. In diesem Fall kann ein Harzfilm als die Schutzschicht verwendet
werden. Die Bereitstellung eines Schlitzes, der ferner als ein Kommunikationsabschnitt
für den Film wirkt, kann eine Verschiebung des piezoelektrischen
Elements ermöglichen und kann ferner die Abdichtungsfunktion
sicherstellen, durch sandwichartiges Anordnen des Außenbereichs
des Films zwischen der Halteplatte und dem zweiten Rahmen.
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Ferner
kann der Ventilkörper vorzugsweise Folgendes umfassen:
eine untere Platine mit einer rechteckigen, planaren Form, die breiter
ist als das piezoelektrische Element; einen ersten Rahmen, der auf
der unteren Platine angeordnet ist und eine rechteckige Rahmenform
aufweist, und eine Innenbreitenabmessung, die größer
ist als die des piezoelektrischen Elements; eine erste Schutzplatine,
die auf dem ersten Rahmen angeordnet ist, mit einer Dicke im Wesentlichen
gleich zu der unteren Platine, und die ein Paar aus Schlitzen in
einem Bereich aufweist, der sich entlang der beiden Seitenteile
des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung erstreckt; wobei
das piezoelektrische Element auf einer mittleren, oberen Oberfläche
der ersten Schutzplatine angeordnet ist; ein Paar aus Halteplatten,
das auf der ersten Schutzplatine und in der Nähe der beiden
Seitenteile des piezoelektrischen Elements in der Breitenrichtung
angeordnet ist, mit Schlitzen, die den Schlitzen der ersten Schutzplatine
entsprechen, und mit einer Dicke im Wesentlichen gleich zu der des
piezoelektrischen Elements; eine zweite Schutzplatine, die auf dem
piezoelektrischen Element und den Halteplatten angeordnet ist und
dieselbe Form aufweist wie die erste Schutzplatine; einen zweiten
Rahmen, der auf der zweiten Schutzplatine angeordnet ist und im
Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen; und eine
obere Platine, die auf dem zweiten Rahmen angeordnet ist. Die beiden
Enden des piezoelektrischen Elements in der Längenrichtung können
vorzugsweise sandwichartig zwischen beiden Enden des ersten Rahmens
und des zweiten Rahmens in der Längenrichtung angeordnet
sein, wobei die erste und die zweite Schutzplatine und die untere
Platine, der erste Rahmen, die erste Schutzplatine, das piezoelektrische
Element, die Halteplatten, die zweite Schutzplatine, der zweite
Rahmen und die obere Platine vorzugsweise in dieser Reihenfolge
laminiert und gebondet sein können. Auch in diesem Fall
kann das piezoelektrische Ventil dünner sein, wie bei dem
oben erwähnten piezoelektrischen Ventil, und da das Paar
aus Halteplatten und das piezoelektrische Element sandwichartig
zwischen der oberen und unteren Schutzplatine angeordnet sind, werden
die abdichtenden Eigenschaften des Umfangs des piezoelektrischen
Elements und des Druckwiderstands verbessert.
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In
dem Fall des laminierten, piezoelektrischen Elements, in dem eine
Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten laminiert sind,
ist es insofern vorteilhaft, dass eine große Verschiebung
und eine große Antriebskraft sogar bei niedriger Spannung
erreichbar sind, im Vergleich zu dem Unimorph oder Bimorph, bei
dem ein oder mehrere piezoelektrische Elemente an eine Metallplatte
angebracht sind. Seine mechanische Festigkeit ist jedoch geringer,
und somit ist es wahrscheinlich, dass eine Rissbildung durch einen
Sturzaufprall verursacht wird. Das Abdecken der Oberfläche
des piezoelektrischen Elements mit der Schutzschicht ermöglicht
das hoch zuverlässige Ventilbauglied.
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Als
das piezoelektrische Element gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das laminierte, piezoelektrische Element bevorzugt.
Es kann eine Struktur aufweisen, bei der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten,
die vorab gesintert und polarisiert wurden, unter Verwendung von
Haftmittel angebracht werden, oder eine solche, bei der piezoelektrische Schichten,
die eine Keramikgrünschicht sind, derart laminiert und
gequetscht sind, dass eine Elektrode sandwichartig zwischen denselben
angeordnet ist und eine Polarisation nach dem Sintern ausgeführt wird.
Eine gemeinsame Struktur, die in dem ersteren Fall verwendet wird,
ist die Struktur, bei der zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper
angebracht sind. In diesem Fall, da die Herstellung des piezoelektrischen Körpers
sehr einfach ist, kann er kostengünstig hergestellt werden.
In dem letzteren Fall, da das piezoelektrische Element dünner
sein kann und eine Mehrzahl von Schichten laminiert sein können,
kann eine Antriebsspannung niedriger sein als bei einem piezoelektrischen
Körper mit derselben Dicke.
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Vorteile von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung, da die erste Region (benachbart zu der Mitte)
und die zweite Region (benachbart zu beiden Enden) entgegengesetzt
gebogen sind, sogar wenn beide Enden des piezoelektrischen Elements
fest durch den Ventilkörper gehalten werden, ist ein großer
Verschiebungsbetrag bei dem mittleren Teil des piezoelektrischen
Elements erreichbar, und der Fluidwiderstand während der Öffnung
des Ventils kann reduziert werden. Da beide Enden des piezoelektrischen
Elements fest durch den Ventilkörper gehalten werden, kann
die Zuverlässigkeit bei dem Halteabschnitt für
das piezoelektrische Element und den Ventilkörper sichergestellt
werden, und eine Spannung kann stabil zu dem piezoelektrischen Element
geliefert werden. Zusätzlich dazu, da die Steifigkeit des
Halteabschnitts hoch ist, wird der Vorteil, in der Lage zu sein,
die Kanalöffnung zu öffnen und zu schließen,
die einen Differenzdruck aufweist (einen hohen Schließdruck
des Ventils) erreicht.
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Beste Ausführung
der Erfindung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend auf Grundlage von Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1
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3 bis 6 stellen
ein Beispiel 1 eines piezoelektrischen Ventils dar. 3 ist
eine allgemeine, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Ventils
gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine
auseinander gezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen
Ventils. 5 ist eine Ausschnittsansicht,
entnommen entlang der Linie V-V aus 3. 6 ist
eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie VI-VI aus 3.
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Das
piezoelektrische Ventil A gemäß dem vorliegenden
Beispiel wird als ein aktives Ventil zum Steuern des Fluidflusses
verwendet, wie z. B. von Methanol, und umfasst einen Ventilkörper 10 und
ein Ventilbauglied 20. Der Ventilkörper 10 ist
aus einem sehr steifen Material gebildet, wie z. B. Metallmaterial oder
einem Harzmaterial. Das Ventilbauglied 20 umfasst ein piezoelektrisches
Element 21. Wie in 4 dargestellt
ist, umfasst der Ventilkörper 10 eine untere Platine 11 mit
einer rechteckigen, planaren Form, die breiter ist als das piezoelektrische
Element 21, einen ersten Rahmen 12, der auf der
oberen Oberfläche der unteren Platine 11 angeordnet
ist und eine rechteckige Rahmenform aufweist und eine Innenbreitenabmessung,
die größer ist als die des piezoelektrischen Elements 21,
ein Paar aus Halteplatten 13, die auf der oberen Oberfläche
von beiden Seiten des ersten Rahmens 12 entlang der langen
Seite desselben angeordnet sind und im Wesentlichen dieselbe Dicke
aufweisen wie bei dem piezoelektrischen Element 21 und
die Form eines U aufweisen, einen zweiten Rahmen 14, der
auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 21 und
der Halteplatten 13 angeordnet ist und im Wesentlichen
dieselbe Form aufweist wie der erste Rahmen 12, und eine
obere Platine 15, die auf der oberen Oberfläche des
zweiten Rahmens 14 angeordnet ist.
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Bei
diesem Beispiel weist die obere Platine 15 einen Auslass 15a an
ihrer Mittelposition und einen Einlass 15b an einer Position
benachbart zu einer Seite auf. Der Einlass 15b kann jedoch
an der Mittelposition gebildet sein und der Auslass 15a kann an
einer Position benachbart zu einer Seite gebildet sein. Der Einlass
und der Auslass können in der unteren Platine 11 gebildet
sein. Entweder der Einlass oder der Auslass kann in der oberen Platine 15 gebildet
sein, und der andere kann in der unteren Platine 11 gebildet
sein. Die Komponenten 11 bis 15 sind derart laminiert
und gebondet, dass das piezoelektrische Element 21 innen
positioniert ist, wodurch der Ventilkörper 10 gebildet
wird. Eine Ventilkammer 16, die erlaubt, dass das piezo elektrische
Element 21 verschoben wird, ist zwischen der unteren Platine 11 und
der oberen Platine 15 gebildet. Eine Gummiventillage 17 (siehe 5 und 6)
ist an dem Umfang des Auslasses 15a befestigt, der der
Ventilkammer 16 zugewandt ist. Obwohl es möglich
ist, dass die Ventillage 17 an einer Position angeordnet
ist, die benachbart zu dem piezoelektrischen Element 21 ist und
die dem Auslass 15a zugeordnet ist, ist, wenn die Ventillage 17 an
dem Umfang des Auslasses 15a angeordnet ist, der vorher
der Ventilkammer 16 zugewandt ist, sogar wenn z. B. der
Durchmesser des Auslasses 15a sehr klein ist, da die Ebenenausrichtung
der Ventillage 17 und des Auslasses 15a vorab ausgeführt
werden kann, die Ventillage 17 genau an dem Kontakt zwischen
dem piezoelektrischen Element 21 und dem Auslass 15a während
der Operation des Ventils positioniert. Dementsprechend kann der
Auslass 15a zuverlässig durch das piezoelektrische
Element 21 geschlossen werden.
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Das
piezoelektrische Element 21 weist eine rechteckige, planare
Form durch die Verwendung einer piezoelektrischen laminierten Keramikstruktur auf,
was nachfolgend beschrieben wird. Der Umfang eines Bereichs des
piezoelektrischen Elements 21, das der Ventilkammer 16 zugewandt
ist, ist mit Isolationsfilmen 30 und 31 abgedeckt,
um zu verhindern, dass das piezoelektrische Element 21 in
Kontakt mit dem Fluid kommt. Die Isolationsfilme 30 und 31 sind eine
dünne, weiche Schicht, die die Verschiebung des piezoelektrischen
Elements 21 nicht wesentlich einschränkt, und
können vorzugsweise hohe Gassperreigenschaften aufweisen
und aus einem Material gebildet sein, das nicht durch ein Fluid
erodiert wird. Beide Enden des piezoelektrischen Elements 21 in
der Längenrichtung mit den Isolationsfilmen 30 und 31 sind
auf der oberen Oberfläche von beiden Enden in der Längenrichtung
des ersten Rahmens 12 derart angeordnet, dass das piezoelektrische
Element 21 und die Isolationsfilme 30 und 31 einen
Zwischenrahmen zwischen den beiden Enden des ersten Rahmens 12 überbrücken.
Die obere Platine 15 ist von oben mit der Halteplatte 13 verbunden
und der zweite Rahmen 14 ist dazwischen angeordnet, und somit
ist der Abschnitt abgesehen von den beiden Enden des piezoelektrischen
Elements 21 in der abgedichteten Ventilkammer 16 angeordnet,
da er verschoben werden kann. Dabei ist ein Rand des piezoelektrischen
Elements 21, der nicht mit den Isolationsfilmen 30 und 31 abgedeckt
ist, von dem Ventilkörper 10 freiliegend, und
dieser freiliegende Abschnitt ist mit einem Zuführdraht 40 verbunden
(siehe 3).
-
Die
Isolationsfilme 30 und 31 dieses Beispiels sind
breiter als das piezoelektrische Element 21 und länger
als das piezoelektrische Element 21. Das heißt,
deren Außenform ist im Wesentlichen dieselbe wie die der
unteren Platine 11 und des ersten Rahmens 12.
Jeder der Isolationsfilme 30 und 31 weist Schlitzkommunikationslöcher 30a und 31a an beiden
Seitenteilen in der Breitenrichtung auf (beide Seitenteile entlang
der langen Seite), und die Kommunikationslöcher 30a und 31a liegen
innerhalb der Ventilkammer 16. Die Länge von jedem
der Kommunikationslöcher 30a und 31a ist
im Wesentlichen dieselbe wie die Abmessung der Ventilkammer 16 in
der Längsrichtung. Daher sind beide Enden in der Längenrichtung
des piezoelektrischen Elements 21 fest durch den Ventilkörper 1 gehalten,
wohingegen beide Seitenteile in der Breitenrichtung desselben frei
angeordnet sein können. Zusätzlich dazu wird der Druck
des Fluids, das durch die Kommunikationslöcher 30a und 31a aus
dem Einlass 15b eingetreten ist sowohl auf die Vorderseite
des piezoelektrischen Elements 21 (die Seite, die dem Auslass
zugewandt ist) als auch die Rückseite ausgeübt,
die Drücke von beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 21 sind
dieselben, so dass der Auslass 15a mit einer relativ geringen
Antriebskraft geschlossen werden kann. Genauer gesagt, in dem Fall
der Struktur, bei der der Auslass 15a durch das piezoelektrische
Element 21 geöffnet und geschlossen wird, da das
piezoelektrische Element 21 gegen den Auslass 15a durch
den Gegendruck aus dem Einlass 15b gedrückt wird,
der einen hohen Druck während des Zustands des Schließens
des Ventils aufweist, kann ein Lecken des Fluids zuverlässig
verhindert werden. Die Isolationsfilme 30 und 31 decken
zumindest einen Bereich des piezoelektrischen Elements 21 ab, der
der Ventilkammer 16 zugewandt ist, und es ist nicht notwendig,
dass sie im Wesentlichen dieselbe Form aufweisen wie der erste Rahmen 12,
wie bei dem oben erwähnten Beispiel.
-
7 stellt ein Beispiel einer Anordnungsstruktur
des piezoelektrischen Elements 21 dar, das das Ventilbauglied 20 und
die Isolationsfilme 30 und 31 bildet. Wie in 7(a) dargestellt ist, sind die Isolationsfilme 30 und 31 an
einer oberen und unteren Position derart angeordnet, dass das piezoelektrische
Element 21 dazwischen angeordnet ist. Der Isolationsfilme 30 an
der oberen Position hat eine Ausnehmung 30b, um zu ermöglichen,
dass das piezoelektrische Element 21 darin einpasst. Durch
Bonden beider Isolationsfilme 30 und 31 derart,
dass die Schlitze 30a und 31a miteinander zusammenpassen, kann
das Ventilbauglied 20, in dem der Umfang des piezoelektrischen
Elements 21 abgedichtet ist, erhalten werden.
-
8 stellt
einen Zustand dar, wo eine Gleichstromspannung an das piezoelektrische
Element 21 in einer Richtung angelegt ist, in der der Mittelteil
desselben aufwärts konvex wird. Der Mittelteil des piezoelektrischen
Elements 21 wird verschoben und auf die Ventillage 17 gesetzt,
und das piezoelektrische Element 21 kann den Auslass 15a zuverlässig schließen.
Sogar wenn ein hoher Druck von dem Einlass 15b während
des Zustands des Schließens des Ventils ausgeübt
wird, wird dieser Druck sowohl auf die Oberseite des piezoelektrischen
Elements 21 als auch die Unterseite ausgeübt.
Daher wird das piezoelektrische Element 21 in die Richtung
zum Schließen des Ventils gedrängt, so dass der
Zustand, wo das Ventil geschlossen ist, beibehalten werden kann, ohne
das Anlegen einer hohen Spannung.
-
9 stellt
einen Zustand dar, wo eine Gleichstromspannung an das piezoelektrische
Element 21 in einer Richtung angelegt ist, in der der Mittelteil
desselben abwärts konvex wird. Das Abwärtsverschieben
des piezoelektrischen Elements 21 erhöht die Distanz
zwischen dem Auslass 15a und dem piezoelektrischen Element 21 und
erweitert den Kanalraum, so dass der Fluidwiderstand, wenn das Ventil
geöffnet ist, reduziert werden kann. Das Ausüben
einer Spannung derart, dass das piezoelektrische Element 21 abwärts
konvex wird, wie in 9 dargestellt ist, ist nicht
notwendigerweise erforderlich. Es ist ausreichend, dass das piezoelektrische Element 21 zu
zwei Positionen verändert wird: dem Zustand, wo eine Spannung
in der Richtung angelegt ist, in der das piezoelektrische Element 21 aufwärts konvex
wird (8), und dem Zustand, wo keine Spannung angelegt
ist (5).
-
BEISPIEL 2
-
10 und 11 stellen
ein Beispiel 2 des piezoelektrischen Ventils dar. 10 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Ventils B, und 11 ist eine Querschnittsansicht
desselben. Dieselben Bezugszeichen werden in den Teilen verwendet,
die jenen von Beispiel 1 gemeinsam sind, und die redundante Beschreibung
wird weg gelassen.
-
Die
untere Platine 11, der erste Rahmen 12, das piezoelektrische
Element 21, der zweite Rahmen 14 und die obere
Platine 15, die bei dem piezoelektrischen Ventil B bei
diesem Beispiel verwendet werden sind dieselben wie bei dem piezoelektrischen Ventil
A. Eine erste Schutzplatine 32, die aus einer Harzlage
besteht, ist auf dem ersten Rahmen 12 angeordnet. Die Außenform
der ersten Schutzplatine 32 ist im Wesentlichen dieselbe
wie die der unteren Platine 11. Die erste Schutzplatine 32 weist
ein Paar aus Schlitzen 32a in einem Bereich auf, der sich
entlang beider Seitenteile in der Breitenrichtung des piezoelektrischen
Elements 21 erstreckt. Das piezoelektrische Element 21 ist
auf der oberen Oberfläche an dem Mittelteil der ersten
Schutzplati ne 32 angeordnet. Ein Paar aus Halteplatten 34 und 35 ist
auf der ersten Schutzplatine 32 in der Nähe beider
Seiten des piezoelektrischen Elements 21 in der Breitenrichtung
angeordnet. Die Halteplatten 34 und 35 sind eine
Harzplatte mit einer Dicke, die im Wesentlichen gleich der des piezoelektrischen
Elements 1 ist, und mit Schlitzen 34a bzw. 35a,
die den Schlitzen 32a der ersten Schutzplatine 32 entsprechen.
Da das piezoelektrische Element 21 und die Halteplatten 34 und 35 auf
der ersten Schutzplatine 32 angeordnet sind, sind ihre
jeweiligen oberen Oberflächen miteinander fluchtend. Eine
zweite Schutzplatine 33 ist auf diesen fluchtenden, oberen
Oberflächen angeordnet. Die zweite Schutzplatine 33 besteht
aus einer Harzlage mit derselben Form wie der der ersten Schutzplatine 32 und
weist ein Paar aus Schlitzen 33a auf, die den Schlitzen 32a entsprechen.
Der zweite Rahmen 14 ist auf der zweiten Schutzplatine 33 angeordnet,
und die obere Platine 15 ist darauf angeordnet.
-
Die
untere Platine 11, der erste Rahmen 12, die erste
Schutzplatine 32, das piezoelektrische Element 21,
die Halteplatten 34 und 35, die zweite Schutzplatine 33,
der zweite Rahmen 14, die obere Platine 15 sind
in Reihenfolge laminiert und bilden den Ventilkörper 10.
Ein Beispiel eines Laminierverfahrens kann eines sein, dass dieselben
unter Verwendung von Haftmittel bondet. Sie können miteinander
durch Laserschweißen oder Hitzeverschweißen verbunden
werden.
-
Bei
diesem Beispiel sind die Schutzplatinen 32 und 33 und
die Halteplatten 34 und 35 angeordnet, um in Kontakt
mit der oberen und unteren Oberfläche und beiden Seiten
des piezoelektrischen Elements 21 zu sein. Da kein Bedarf
besteht, die Schutzplatinen 32 und 33 mit einer
Ausnehmung zu versehen, können sie in einer planaren Form
gebildet sein, so dass die Kosten reduziert werden können.
Zusätzlich dazu, da die Gesamtumfänge der Schutzplatinen 32 und 33 in
engem Kontakt mit dem ersten Rahmen 12 bzw. dem zweiten
Rahmen 14 sind, auf planare Weise, kann sogar wenn ein
hoher Druck auf das Ventilbauglied 16 ausgeübt
wird, ein Lecken von Flüssigkeit zuverlässig verhindert
werden, so dass es insofern vorteilhaft ist, als der Druckwiderstand
verbessert wird. Ein Harzmaterial, wie z. B. thermoplastisches Harz,
dessen Störung bei einer Verschiebung des piezoelektrischen
Elements 21 minimal ist, wird bei den Schutzplatinen 32 und 33 und
den Halteplatten 34 und 35 verwendet. Genauer
gesagt bietet die Bildung dieser Schutzplatinen 32 und 33 und
der Halteplatten 34 und 35 aus demselben Material
eine vorteilhafte Bondefähigkeit.
-
12 stellt eine Anordnungsstruktur des
piezoelektrischen Elements 21, der Schutzplatinen 32 und 33 und
der Halteplatten 34 und 35 gemäß dem Beispiel
2 dar. Wie in 12(a) dargestellt ist,
sind das piezoelektrische Element 21 und die Halteplatten 34 und 35 angeordnet,
und die Schutzplatinen 32 und 33 sind darunter
bzw. darüber angeordnet, um das piezoelektrische Element 21 und
die Halteplatten 34 und 35 dazwischen sandwichartig
einzuschließen. Die Schutzplatinen 32 und 33 und
die Halteplatten 34 und 35 sind miteinander derart
verbunden, dass die Schlitze 32a, 33a, 34a und 35a ausgerichtet
sind. Daher kann das Ventilbauglied 20, in dem der Umfang des
piezoelektrischen Elements 21 abgedichtet ist, wie in 12(b) dargestellt ist, erhalten werden.
In diesem Fall können die Schutzplatinen 32 und 33 planar
sein, und es ist unnötig darin eine Ausnehmung zu bilden.
Sogar wenn ein Zwischenraum zwischen den beiden Seitenteilen des
piezoelektrischen Elements 21 in der Breitenrichtung und
den Halteplatten 34 und 35 vorhanden ist, wird
die Abdichtungsfähigkeit nicht beeinträchtigt,
solange die Schutzplatinen 32 und 33 und die Halteplatten 34 und 35 verbunden sind.
-
13 stellt
ein Beispiel einer spezifischen Struktur des piezoelektrischen Elements 21 dar.
Das piezoelektrische Element 21 ist ein Bimorph-Aktor, bei
dem Elektroden auf beiden Seiten in beiden Seiten gebildet sind
und zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper 21a und 21b,
die aus der piezoelektrischen Keramik bestehen, die einheitlich
in derselben Richtung polarisiert sind, insgesamt miteinander verbunden
sind. Die Elektroden sind derart ausgezogen, dass nach dem Bonden
bzw. Verbinden eine Kontinuität zwischen Elektroden vorliegt,
die durch Pluszeichen in 13 angezeigt
ist, und eine Kontinuität zwischen Elektroden vorliegt,
die durch Minuszeichen angezeigt ist. Zwischenschichtelektroden
und Oberflächenelektroden sind in Mittelelektroden 22a bis 22c und
Endelektroden 23a bis 23c unterteilt. Die Region
der Mittelelektroden 22a bis 22c ist die erste Region
S1, und die Region der Endelektroden 23a bis 23c ist
die zweite Region S2. Die Polarisationsrichtung der ersten Region
S1 und die der zweiten Region S2 sind dieselben (angezeigt durch
die Pfeile P). Das Verhältnis zwischen der Größe
der ersten Region S1 und der der zweiten Region S2 kann frei gemäß den
Ventilcharakteristika ausgewählt werden. Wenn eine Gleichstromspannung
auf eine Weise angelegt ist, die durch Plus- und Minuszeichen in 13 angezeigt
ist, ändert die zweite Region S2 ihre Form aufwärts
konvex und die erste Region S1 ändert ihre Form abwärts
konvex. Wenn die Spannung umgekehrt wird, ändert die zweite
Region S2 ihre Form abwärts konvex und die erste Region
S1 ändert ihre Form aufwärts konvex.
-
Wie
oben beschrieben wurde, werden beide Enden des piezoelektrischen
Elements 21 (die einen Teil der zweiten Region S2 enthalten)
fest durch den Ventilkörper 10 gehalten. Für
ein typisches piezoelektrisches Element, wenn seine beiden Enden
fest sind, sogar wenn eine Spannung angelegt ist, heben die Verschiebungen
des Mittelteils und beider Enden des piezoelektrischen Elements
einander auf, das piezoelektrische Element wird im Wesentlichen
nicht verschoben. Gemäß der vorliegenden Erfindung,
da der Mittelteil (erste Region S1) und beide Enden (zweite Region
S2) des piezoelektrischen Elements 21 sich biegen und ihre
Formen entgegengesetzt ändern, sogar wenn beide Enden fest
getragen werden, kann der Mittelteil ausreichend verschoben werden.
-
Dementsprechend
kann der Schließdruck des Ventils des piezoelektrischen
Elements 21 und des Auslasses 15a (Ventillage 17)
während des Schließens des Ventils sichergestellt
werden, und die Distanz zwischen dem Mittelteil des piezoelektrischen
Elements 21 und dem Auslass 15a kann während
der Öffnung des Ventils sichergestellt werden. Der Widerstand
des Fluids, das durch den Auslass 15a läuft, kann
reduziert werden.
-
Als
nächstes, um die Effektivität der vorliegenden
Erfindung zu untersuchen, wurde eine Simulation unter Verwendung
eines Vergleichsbeispiels und der vorliegenden Erfindung im Hinblick
auf den Schließdruck des Ventils und den Betrag der Verschiebung
des Mittelteils ausgeführt. 14(a) stellt das
Vergleichsbeispiel dar, und 14(b) stellt
die vorliegende Erfindung dar.
-
– Vergleichsbeispiel –
-
Ein
piezoelektrisches Unimorph-Element, bei dem ein piezoelektrischer
Körper (PZT) von 30 mm × 4 mm × 0,1 mm
mit einer rostfreien Membran aus 20 mm × 4 mm × 0,1
mm gebondet ist, wurde verwendet, und beide Enden desselben wurden
in der Längenrichtung befestigt. Die Längenabmessung
30 mm ist die Abmessung abgesehen von dem Befestigungsabschnitt.
Eine Gleichstromspannung von 30 V wurde an den piezoelektrischen
Körper in einer Richtung angelegt, in der der Mittelteil
des piezoelektrischen Elements aufwärts verschoben wurde.
Wenn ein Druck von 35 kPa an eine Region von Φ 0,6 mm in
dem Mittelteil in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung
der Verschiebung des piezoelektrischen Elements angelegt wurde,
wie durch den Pfeil angezeigt ist, erfuhr der Mittelteil eine Verschiebung von
ungefähr 20,4 μm. Folglich, in dem Fall, in dem vorgesehen
ist, dass die Distanz zwischen der Oberfläche des piezoelektrischen
Elements und der Kanalöffnung, wenn keine Spannung angelegt
ist, 20 μm ist, kann die Kanalöffnung gegen einen
Diffe renzdruck von ungefähr 35 kPa maximal geschlossen werden.
Wenn nur eine Spannung angelegt wurde und kein Druck in der entgegengesetzten
Richtung auf den Mittelteil ausgeübt wurde, betrug der
Verschiebungsbetrag des Mittelteils 28,5 μm.
-
– Vorliegende Erfindung –
-
Ein
piezoelektrisches Bimorph-Element, bei dem zwei piezoelektrische
Körper (PZT), jeweils mit den Abmessungen 30 mm × 4
mm × 0,1 mm aneinander gebondet sind, wurde verwendet,
und beide Enden desselben wurden in der Längenrichtung
befestigt. Die Längenabmessung 30 mm ist die Abmessung
abgesehen von dem Befestigungsabschnitt. Eine Gleichstromspannung
von 30 V wurde an jeden der piezoelektrischen Körper in
einer Richtung angelegt, in der der Mittelteil des piezoelektrischen
Elements aufwärts verschoben wurde. Wenn ein Druck von
190 kPa auf eine Region von Φ 0,6 mm in dem Mittelteil
in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der Verschiebung
des piezoelektrischen Elements ausgeübt wurde, wie durch
den Pfeil angezeigt ist, erfuhr der Mittelteil eine Verschiebung
von ungefähr 20,7 μm. Folglich, in dem Fall, in
dem vorgesehen ist, dass die Distanz zwischen der Oberfläche
des piezoelektrischen Elements und der Kanalöffnung, wenn
keine Spannung angelegt ist, 20 μm ist, kann die Kanalöffnung
gegen einen Differenzdruck von ungefähr 190 kPa maximal
geschlossen werden. Wenn nur eine Spannung angelegt wurde und kein
Druck in der Gegenrichtung auf den Mittelteil ausgeübt
wurde, betrug der Verschiebungsbetrag des Mittelteils 59,1 μm.
-
– Ergebnisse –
-
Wie
aus der obigen Simulation hervor geht, stellt sich heraus, dass,
im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, die vorliegende Erfindung
ein Öffnen und Schließen gegen fünf oder
mehr Mal den Differenzdruck ausführen kann. Es stellt sich
heraus, dass der Betrag der freien Verschiebung bei dem Mittelteil gemäß der
vorliegenden Erfindung ungefähr zweimal der des Vergleichsbeispiels
ist.
-
15 stellt
ein zweites Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Das piezoelektrische
Element 21a dieses Beispiels ist ebenfalls ein Bimorph-Aktor,
bei dem zwei piezoelektrische Einzelplattenkörper 21a und 21b aus
der piezoelektrischen Keramik bestehen, wie in dem Fall von 13.
Die Zwischenschichtelektroden und die Oberflächenelektroden
sind dieselben wie bei dem Beispiel von 13, außer
dass die Polarisierungsrichtung unterschiedlich ist. Das heißt,
die Polarisierungsrichtung in der ersten Region S1 und die in der
zweiten Region S2 (angezeigt durch die Pfeile P) innerhalb desselben
piezoelektrischen Körpers sind entgegengesetzt, und die
zwei piezoelektrischen Körperschichten 21a und 21b sind
in derselben Richtung polarisiert. Wie in 15 mit
den Plus- und Minuszeichen dargestellt ist, wenn eine Gleichstromspannung
zwischen den Zwischenschichtelektroden und den Oberflächenelektroden
angelegt ist, können sich die erste Region S1 und die zweite
Region S2 entgegengesetzt biegen und ihre Formen entgegengesetzt ändern,
wie in dem Fall des ersten Beispiels. Bei diesem Beispiel, da dasselbe
Potential innerhalb einer Ebene während des Treibens vorhanden
ist, gibt es weniger Wahrscheinlichkeit für Kurzschlüsse,
die durch Migration verursacht werden. Zusätzlich dazu
ist ein Leiten zwischen Elektroden einfach. Die äußerste
Oberfläche kann mit Masse verbunden sein.
-
16 stellt
ein drittes Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Die Polarisierungsrichtung P
und die Konfiguration der Oberflächenelektroden bei dem
piezoelektrischen Element 21B dieses Beispiels sind im
Wesentlichen dieselben wie bei dem zweiten Beispiel, aber das piezoelektrische
Element 21B ist insofern unterschiedlich, als eine Zwi schenschichtelektrode 24 eine
kontinuierliche (Fest-)Elektrode ist. Das heißt, sogar
wenn die Zwischenschichtelektrode 24 eine Festelektrode
ist, die sich über die erste Region S1 und die zweite Region
S2 erstreckt, kann eine Polarisierung ordnungsgemäß ausgeführt werden
solange die Oberflächenelektroden 22a und 23a und 22c und 23c separate
Elektroden sind, und wenn eine Spannung angelegt ist, wie durch
die Plus- und Minuszeichen angezeigt ist, die in 16 dargestellt
sind, können die erste Region S1 und die zweite Region
S2 entgegengesetzt gebogen und verschoben werden.
-
17 stellt
ein viertes Beispiel des piezoelektrischen Elements dar. Das piezoelektrische
Element 21C bei diesem Beispiel ist eine Variation des dritten
Beispiels. Die Polarisationsrichtung P und die Konfiguration der
Oberflächenelektroden sind im Wesentlichen dieselben wie
bei dem zweiten Beispiel, aber das piezoelektrische Element 21C ist
insofern unterschiedlich, als die Oberflächenelektroden 25 und 26 kontinuierliche
(Fest-)Elektroden sind. Auch in diesem Fall, da die Zwischenschichtelektroden 22b und 23b separate
Elektroden sind, kann eine Polarisation ordnungsgemäß ausgeführt
werden, sogar wenn die Oberflächenelektroden 25 und 26 durchgehende
(Fest-)Elektroden sind, und wenn eine Spannung angelegt ist, wie
durch die Plus- und Minuszeichen angezeigt ist, die in 17 dargestellt
sind, können die erste Region S1 und die zweite Region S2
entgegengesetzt gebogen und verschoben werden.
-
Die
piezoelektrischen Elemente, die in 13 und 15 bis 17 dargestellt
sind, sind ein Beispiel, bei dem sich die zweite Region S2 zu beiden
Enden derselben in der Längenrichtung erstreckt. Wie in 2(b) bis 2(d) dargestellt
ist, kann die Zwischenregion S3 an beiden Enden in der Längenrichtung
und außerhalb der zweiten Region S2 gebildet sein.
-
BEISPIEL 3
-
18 stellt
ein Beispiel 3 des piezoelektrischen Ventils gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. 5 stellt
ein Beispiel dar, bei dem der Auslass 15a offen ist, wenn
keine Spannung an das piezoelektrische Element 21 angelegt
ist (normalerweise offener Typ). Bei diesem Beispiel ist der Auslass 15a geschlossen,
wenn keine Spannung an das piezoelektrische Element 21 angelegt
ist (normalerweise geschlossener Typ). In diesem Fall kann das piezoelektrische
Element 21 an dem Ventilkörper 10 befestigt sein,
während es leicht zu einem gewissen Grad derart gebogen
ist, dass das piezoelektrische Element 21 in Kontakt mit
der Ventillage 17 gedrückt wird, wenn keine Spannung
angelegt ist. Wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 21 in
einer Richtung angelegt ist, in der sich das piezoelektrische Element 21 konvex
abwärts biegt, wird das piezoelektrische Element 21 von
der Ventillage getrennt, so dass der Auslass 15a geöffnet
werden kann. Die Kanalöffnung, die durch das piezoelektrische
Element 21 geöffnet und geschlossen wird, ist
nicht auf den Auslass 15a beschränkt und kann
der Einlass 15b sein.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele
begrenzt und verschiedene Modifikationen sind möglich.
Bei den oben beschriebenen Beispielen wird das rechteckige, piezoelektrische
Element verwendet, und beide Enden desselben sind in der Längenrichtung
durch den Ventilkörper befestigt. Es kann jedoch ein scheibenförmiges
oder bahnförmiges piezoelektrisches Element verwendet werden,
und sein Umfang kann durch den Ventilkörper befestigt sein.
In diesem Fall kann die erste Region in dem Mittelteil vorgesehen
sein, und die zweite Region kann in dem Außenbereich vorgesehen
sein.
-
Bei
den oben beschriebenen Beispielen sind die zwei Schichten des piezoelektrischen
Körpers laminiert, um das piezoelektrische Element zu bilden. Es
können jedoch drei oder mehr Schichten eines piezoelektrischen
Körpers laminiert sein. Das Erhöhen der Anzahl
von laminierten Schichten kann eine Antriebskraft erhöhen.
In dem Fall eines piezoelektrischen Elements mit einer ungeraden
Anzahl von Schichten kann das piezoelektrische Element eine Verstärkungsschicht
aufweisen, die nicht polarisiert ist oder die polarisiert ist aber
nicht in den Mittelteil in der Laminierrichtung des piezoelektrischen
Elements abgeleitet ist, um Belastung zu verringern, die beim Biegen
auftritt.
-
Bei
dem piezoelektrischen Element bei den oben beschriebenen Beispielen
werden piezoelektrische Körper, die vorangehend gesintert
und polarisiert wurden, laminiert und gebondet. Die piezoelektrischen
Körper jedoch, die eine Keramikgrünschicht sind,
können laminiert und gequetscht werden, und nach dem Sintern
können sie polarisiert werden. In diesem Fall, da die Schichten
des piezoelektrischen Körpers dünner sein können,
können die Spannungen, die angelegt werden sollen, geringer
sein.
-
Der
Ventilkörper ist nicht auf die oben erwähnten
Beispiele beschränkt, welche Plattenbauglieder oben und
unten laminiert und gebondet werden. Bauglieder eines Gehäuses
mit Ausnehmungen werden vorab gebildet und sie können Fläche
an Fläche gebondet sein, wodurch das piezoelektrische Element
zwischen dieselben als ein Ventilkörper gesetzt wird.
-
Das
piezoelektrische Ventil der vorliegenden Erfindung ist von kompakter
Größe und geringem Profil. Daher ist es als ein
aktives Ventil effizient, das an einer Kraftstoffpipeline in einer
Brennstoffzelle einer mobilen Vorrichtung verwendet wird, wie z.
B. eines Personalcomputers usw., und einem Zirkulationsweg zum Kühlen
von Wasser usw. Diesbezüglich ist es nicht auf diese Anwendungen
beschränkt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Operationsprinzip
eines piezoelektrischen Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; (a) stellt einen ungetriebenen Zustand dar
(Ventil ist offen); und (b) stellt einen getriebenen Zustand dar
(Ventil ist geschlossen).
-
2 stellt schematische Ausschnittsansichten
dar, die verschiedene Beispiele einer Grundstruktur des piezoelektrischen
Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
-
3 ist
eine allgemeine, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Ventils
gemäß einem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
-
4 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen
Ventils gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden
Erfindung.
-
5 ist
eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3.
-
6 ist
eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie VI-VI aus 3.
-
7 stellt eine Anordnungsstruktur eines Ventilbauglieds
dar.
-
8 ist
eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3,
wenn das Ventil geschlossen ist.
-
9 ist
eine Ausschnittsansicht, entnommen entlang der Linie V-V aus 3,
wenn das Ventil geöffnet ist.
-
10 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des piezoelektrischen
Ventils gemäß einem Beispiel 2 der vorliegenden
Erfindung.
-
11 ist
eine Querschnittsansicht, betrachtet aus der senkrechten Richtung
eines piezoelektrischen Elements des piezoelektrischen Ventils,
das in 10 dargestellt ist.
-
12 stellt eine Anordnungsstruktur des Ventilbauglieds
des piezoelektrischen Ventils dar, das in 10 dargestellt
ist.
-
13 ist
eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements,
das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem
ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
14 ist ein Modelldiagramm, wenn eine Verschiebung
vorhanden ist, gemäß einem Vergleichsbeispiel
und der vorliegenden Erfindung.
-
15 ist
eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements,
das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem
zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
16 ist
eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements,
das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem
dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
17 ist
eine schematische Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Elements,
das bei dem piezoelektrischen Ventil gemäß einem
vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
18 ist
eine Ausschnittsansicht des piezoelektrischen Ventils gemäß einem
Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
-
19 ist
eine Ausschnittsansicht eines Beispiels eines herkömmlichen,
piezoelektrischen Ventils.
-
20 ist eine Ausschnittsansicht eines weiteren
Beispiels eines herkömmlichen, piezoelektrischen Ventils.
-
Zusammenfassung
-
[Aufgabe]
-
Ein
piezoelektrisches Ventil zu schaffen, das in der Lage ist, gleichzeitig
das Problem zu lösen, die Zuverlässigkeit eines
Ventilkörpers und eines Halteabschnitts sicherzustellen,
und den Verschiebungsbetrag zu erhöhen und den Schließdruck
des Ventils zu verbessern.
-
[Lösung]
-
Ein
piezoelektrisches Ventil umfasst einen Ventilkörper 2 mit
einer Ventilkammer 16 und einem piezoelektrischen Element 1,
was ein piezoelektrisches Element umfasst, das durch das Anlegen
einer Spannung an dasselbe gebogen und verschoben wird und wodurch
eine Kanalöffnung 3 geöffnet und geschlossen
wird. Das piezoelektrische Element 1 weist eine rechteckige
Form auf, und beide Enden desselben werden in der Längenrichtung
fest durch Ventilkörper 2 gehalten. Das piezoelektrische
Element 1 weist eine erste Region S1 in einem Mittelteil und
eine zweite Region S2 benachbart zu den beiden Enden auf. Die erste
Region S1 und die zweite Region S2 werden durch das Anlegen einer
Spannung an dieselben entgegengesetzt gebogen und verschoben. Der
Mittelteil des piezoelektrischen Elements 1 öffnet
und schließt die Kanalöffnung 3.
-
- A,
B
- piezoelektrisches
Ventil
- 10
- Ventilkörper
- 11
- untere
Platine
- 12
- erster
Rahmen
- 13
- Halteplatte
- 14
- zweiter
Rahmen
- 15
- obere
Platine
- 15a
- Auslass
(Offen/Geschlossen-Kanalöffnung)
- 15b
- Einlass
- 16
- Ventilkammer
- 17
- Ventillage
- 20
- Ventilbauglied
- 21
- piezoelektrisches
Element
- 30,
31
- Isolationsfilm
- 32,
33
- Schutzplatine
- 34,
35
- Halteplatte
- S1
- erste
Region
- S2
- zweite
Region
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 62-28585 [0006]
- - JP 3-223580 [0006]
- - JP 62-283272 [0006]