ニードル弁

【課題】弁の締め切りを行わせるとともに、弁のかじりをなくし、小さな力で弁軸を引き離せるようにする。
【解決手段】通路２の上部の開口部２ｂにリング状のピエゾ素子（リング）４Ａを組み込む。弁軸１を最後まで締め込んだ後、リング４Ａへの電圧の印加状態をオン状態とし、リング４Ａを縮小動作させる。これにより、リング４Ａの内径が縮小し、リング４Ａの内周面４ａが弁軸１の先端部１ａの全周に密着し、弁の締め切りが行われる。この状態から通路２を開く時は、リング４Ａへの電圧の印加状態をオフ状態とし、リング４Ａを伸長動作させる。これにより、リング４Ａの内径が拡大し、リング４Ａの内周面４ａが弁軸１の先端部１ａの全周から離れ、弁のかじりがなくなる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微量流量を調整するニードル弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種のニードル弁は、先端部が針状に形成された弁軸と、この弁軸の先端部の挿抜によって開閉される通路とを有している。このニードル弁では、弁軸を締め込んだり、緩めたりすることによって、弁軸の先端部と通路との隙間から流れる流体の流量（微量流量）の調整が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−８２７８７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】メータリング・バルブ（微量流量調節用）Ｓ／Ｍ／Ｌ／３１シリーズ、Swagelok社製品カタログ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したニードル弁では、弁軸を締め込んだ場合、弁軸の先端部と通路の内壁面とが接触し、かじりが生じる（例えば、特許文献１の従来技術、非特許文献１の２頁技術情報参照）。このようなかじり（以下、弁のかじりと呼ぶ）が生じると、弁軸の先端部と通路の内壁面とは横滑りの動きをするため、弁軸の先端部を通路の内壁面から引き離す際に、大きな力が必要となる。
【０００６】
なお、弁のかじりを防止するための方策として、弁軸を全閉位置にしても、完全に弁軸の先端部と通路の内壁面とを密着させないようにする方法がある。しかし、この場合、全閉状態において内部漏れ（リーク）が発生するので、すなわち弁の締め切りが行われないので、他に全閉用の弁を設けるなどの必要がある。
【０００７】
また、全閉位置において弁軸の先端部と通路の内壁面とを密着させるようにすれば、内部漏れは発生しないが、全閉状態を長く続けることで弁軸の先端部と通路の内壁面とが固着（以下、弁の固着と呼ぶ）する場合があり、定期的なメンテナンスや弁の開閉が必要となる。また、上述した弁のかじりの問題もある。
【０００８】
なお、特許文献１には、弁のかりじを防止するための方策として、リーク穴を形成した真空装置内壁の外側面に、嵌め込み板を固着し、この嵌め込み板に接触シール部材としての押え板を押え棒で押し付けるようにした構成が示されている。しかし、この構成では、表面粗さのオーダ（０．１〜１０μｍ程度）の隙間しか流体の流れる部分がない。このため、弁を開いた時の開口部が小さく、用途が限られてしまう。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、他に全閉用の弁を設けることなく、弁の締め切りを行わせるとともに、弁のかじりをなくし、小さな力で弁軸を引き離せるようにすることが可能なニードル弁を提供することにある。
また、全閉状態を長く続けることで生じる虞のある弁の固着に対し、定期的なメンテナンスや弁の開閉を不要とすることが可能で、かつ用途が限られることもないニードル弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために本発明は、先端部が針状に形成された弁軸と、この弁軸の先端部の挿抜によって開閉される通路とを備えたニードル弁において、通路内において弁軸の先端部の全周にその内周面が面するリング状の部材と、リング状の部材の内径をピエゾ効果によって変化させる電気回路とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、リング状の部材は、そのリング状の部材の全てをピエゾ素子としてもよいし、その一部をピエゾ素子としてもよい。また、リング状の部材の外周に少なくとも１つ以上、ピエゾ素子を設けるようにしてもよい。この場合、ピエゾ効果によって、ピエゾ素子が伸縮し、リング状の部材の内径が変化する。
【００１２】
例えば、本発明において、弁軸による通路の閉時に、ピエゾ効果によってリング状の部材の内径を縮小させるようにすると、リング状の部材の内周面を弁軸の先端部の全周に密着させて、弁の締め切りを行わせることが可能となる。
【００１３】
また、本発明において、弁軸による通路の開時に、ピエゾ効果によってリング状の部材の内径を拡大させるようにすると、リング状の部材の内周面を弁軸の先端部の全周から離して、弁のかじりをなくすことが可能となる。また、弁の固着が生じていた場合、剥離力を与えて、その固着を解消することも可能である。
【００１４】
また、本発明において、弁の固着がひどいような場合、ピエゾ効果によってリング状の部材を振動させるようにすると、より大きな剥離力を与えて、そのひどい固着を解消することも可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、通路内において弁軸の先端部の全周にその内周面が面するリング状の部材と、リング状の部材の内径をピエゾ効果によって変化させる電気回路とを設けたので、リング状の部材の内径を縮小させたり、拡大させたりして、他に全閉用の弁を設けることなく、弁の締め切りを行わせるとともに、弁のかじりをなくして、小さな力で弁軸を引き離せるようにすることが可能となる。
【００１６】
また、リング状の部材の内径を拡大させることにより、弁の固着が生じていた場合、その固着を解消させるようにしたり、また、弁の固着がひどいような場合、リング状の部材を振動させることにより、より大きな剥離力を与えて、そのひどい固着を解消したりすることもできる。これにより、全閉状態を長く続けることで生じる虞のある弁の固着に対し、定期的なメンテナンスや弁の開閉を不要とすることが可能となる。
【００１７】
また、本発明では、弁軸の先端部の挿抜によって通路を開閉するという基本構成はそのまま保たれるので、弁を開いたときの開口部を大きくとることができ、用途が限られることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るニードル弁の第１の実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。
【図２】この実施の形態１のニードル弁の通路に組み込むリングの平面図である。
【図３】この実施の形態１のニードル弁の閉時の動作を説明するための図である。
【図４】この実施の形態１のニードル弁の開時の動作を説明するための図である。
【図５】本発明に係るニードル弁の第２の実施の形態（実施の形態２）の要部を示す図である。
【図６】この実施の形態２のニードル弁の閉時の動作を説明するための図である。
【図７】この実施の形態２のニードル弁の開時の動作を説明するための図である。
【図８】リングの一部にピエゾ素子を設けた例を示す図である。
【図９】リングの一部にピエゾ素子を設けた例での内径の縮小・拡大を説明する図である。
【図１０】リングの外周にピエゾ素子を設けた例を示す図である。
【図１１】リングの外周にピエゾ素子を設けた例での内径の縮小・拡大を説明する図である。
【図１２】実施の形態１の具体例として挙げたニードル弁の全体を示す外観図である。
【図１３】図１２に示したニードル弁の開時の状態を示す縦断面図である。
【図１４】図１２に示したニードル弁の閉時の状態を示す縦断面図である。
【図１５】図１２に示したニードル弁の開時の要部の状態を示す断面図である。
【図１６】図１２に示したニードル弁の閉時の要部の状態を示す断面図である。
【図１７】モータを用いてリングの内径を変化させるようにした例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係るニードル弁の第１の実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。同図において、１は先端部１ａが針状に形成された弁軸（ステム）、２は弁軸１の先端部１ａの挿抜によって開閉される通路であり、通路２はポートと呼ばれる部材３に形成されている。このニードル弁の詳細な構造については後述する。
【００２０】
通路２の内壁面２ａは、弁軸１の先端部１ａの形状に合わせて、図示上方から下方に向かってその内径が小さくなるテーパ面とされている。この通路２の内径は、弁軸１の先端部１ａの外径よりも若干広くされ、弁軸１を全閉位置にしても、完全に弁軸１の先端部１ａと通路２の内壁面２ａとが密着しないものとされている。
【００２１】
また、通路２の上部の開口部２ｂにはリング状のピエゾ素子（以下、リングと呼ぶ）４（４Ａ）が組み込まれている。このリング４Ａが本発明でいうリング状の部材に相当する。この例では、リング４Ａの全てがピエゾ素子とされている。
【００２２】
図２にリング４Ａの平面図を示す。リング４Ａの内径は通路２の内径と同一とされている。すなわち、リング４Ａを通路２の開口部２ｂに組み込んだ状態において、リング４Ａの内周面４ａと通路２の内壁面２ａとは面一となる。
【００２３】
リング４Ａに対しては、このリング４Ａを伸縮させるための電気回路５が設けられている。この電気回路５はリング４Ａに対する電圧の印加状態を変える回路であり、電気回路５の電圧の印加状態をオフ状態からオン状態に切り替えると、リング４Ａが縮小動作して、リング４Ａの内径が縮小する。電気回路５の電圧の印加状態をオン状態からオフ状態に切り替えると、リング４Ａが伸長動作して、リング４Ａの内径が拡大する（通常の内径に戻る）。図１は電気回路５の電圧の印加状態をオフ状態としている場合を示している。
【００２４】
〔閉時の動作〕
図３を用いてこのニードル弁の閉時の動作について説明する。図３（ａ）はニードル弁を開いている状態を示す図である。この状態は図１に示した状態に対応する。この状態から、通路２を閉じるために、弁軸１を締め込み、Ａ方向へ移動させる。
【００２５】
図３（ｂ）は弁軸１を最後まで締め込んだ状態（全閉位置とした状態）を示す。この場合、弁軸１の先端部１ａと通路２の内壁面２ａとは完全には密着せず、僅かな隙間が生じる。このため、弁のかじりは生じないが、内部漏れ（リーク）が発生する。
【００２６】
この状態において、電気回路５（図１）を操作して、リング４Ａへの電圧の印加状態をオン状態とし、リング４Ａを縮小動作させる（図３（ｃ））。これにより、リング４Ａの内径が縮小し、リング４Ａの内周面４ａが弁軸１の先端部１ａの全周に密着し、弁の締め切りが行われる。
【００２７】
〔開時の動作〕
次に、図４を用いてこのニードル弁の開時の動作について説明する。図４（ａ）はニードル弁を閉じた状態を示す図である。この状態は図３（ｃ）に示した状態に対応する。この状態では、弁軸１の先端部１ａの全周にリング４Ａの内周面４ａが密着しており、弁のかじりと同様の状態が生じている。
【００２８】
この状態から、通路２を開く場合、電気回路５（図１）を操作して、リング４Ａへの電圧の印加状態をオフ状態とし、リング４Ａを伸長動作させる（図４（ｂ））。これにより、リング４Ａの内径が拡大し、リング４Ａの内周面４ａが弁軸１の先端部１ａの全周から離れ、弁のかじりがなくなる。
【００２９】
そして、この状態から、弁軸１を緩め、Ｂ方向へ移動させる（図４（ｂ），（ｃ））。この場合、弁のかじりがないので、横滑りの摩擦抵抗がなく、小さな力で弁軸１を引き離すことができる。図４（ｃ）に示した状態は図３（ａ）に示した状態に対応する。
【００３０】
〔弁の固着の解消〕
この実施の形態１では、弁軸１による通路２の開時、リング４Ａの内径を拡大させる（図４（ｂ））。これにより、弁の固着が生じていた場合、剥離力を与えて、その固着を解消することができる。軽い固着であれば、このリング４Ａの内径の拡大で、解消することが可能である。
【００３１】
弁の固着がひどい場合には、電気回路５（図１）からリング４Ａに対して交流電圧を印加するなどして、リング４Ａを振動させる。これにより、より大きな剥離力を与え、そのひどい固着を解消させるようにすることができる。
【００３２】
これにより、全閉状態を長く続けることで生じる虞のある弁の固着に対し、定期的なメンテナンスや弁の開閉を不要とすることが可能となる。なお、リング４Ａの振動は開時に開かない或いは開き難い場合に行うようにするが、全閉状態中に定期的に行わせるようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施の形態では、弁軸１の先端部１ａの挿抜によって通路２を開閉するという基本構成はそのまま保たれるので、弁を開いたときの開口部を大きくとることができ、特許文献１に示された構成のように用途が限られることもない。
【００３４】
〔実施の形態２〕
図５はこの発明に係るニードル弁の第２の実施の形態（実施の形態２）の要部を示す図である。この実施の形態２では、リング４（４Ｂ）の内径を小さくし、通路２の開口部２ｂに組み込まれた状態において、リング４Ｂの内周面４ａが通路２の内壁面２ａよりも内側に突き出るようにしている。
【００３５】
また、この実施の形態２では、電気回路５の電圧の印加状態をオフ状態からオン状態に切り替えると、リング４Ｂが伸長動作して、リング４Ｂの内径が拡大し、電気回路５の電圧の印加状態をオン状態からオフ状態に切り替えると、リング４Ｂが縮小動作して、リング４Ｂの内径が縮小する（通常の内径に戻る）ものとされている。図５は電気回路５の電圧の印加状態をオフ状態としている場合を示している。
【００３６】
〔閉時の動作〕
図６を用いてこのニードル弁の閉時の動作について説明する。図６（ａ）はニードル弁を開いている状態を示す図である。この状態は図５に示した状態に対応する。この状態から、通路２を閉じるために、弁軸１を締め込み、Ａ方向へ移動させる。
【００３７】
図６（ｂ）は弁軸１を最後まで締め込んだ状態（全閉位置とした状態）を示す。この場合、リング４Ｂの内周面４ａが通路２の内壁面２ａよりも内側に位置しているので、弁軸１の先端部１ａの全周にリング４Ｂの内周面４ａが密着し、弁の締め切りが行われる。
【００３８】
〔開時の動作〕
次に、図７を用いてこのニードル弁の開時の動作について説明する。図７（ａ）はニードル弁を閉じた状態を示す図である。この状態は図６（ｂ）に示した状態に対応する。この状態では、弁軸１の先端部１ａの全周にリング４Ｂの内周面４ａが密着しており、弁のかじりと同様の状態が生じている。
【００３９】
この状態から、通路２を開く場合、電気回路５（図５）を操作して、リング４Ｂへの電圧の印加状態をオン状態とし、リング４Ｂを伸長動作させる（図７（ｂ））。これにより、リング４Ｂの内径が拡大し、リング４Ｂの内周面４ａが弁軸１の先端部１ａの全周から離れ、弁のかじりがなくなる。
【００４０】
そして、この状態から、弁軸１を緩め、Ｂ方向へ移動させる（図７（ｂ））。この場合、弁のかじりがないので、横滑りの摩擦抵抗がなく、小さな力で弁軸１を引き離すことができる。
【００４１】
そして、電気回路５（図５）を操作して、リング４Ｂに対する電圧の印加状態をオフ状態とし、リング４Ｂを縮小動作させる（図７（ｃ））。これにより、リング４Ｂの内径が縮小し、通常の内径に戻る。図７（ｃ）に示した状態は図６（ａ）に示した状態に対応する。
【００４２】
〔弁の固着の解消〕
この実施の形態２では、弁軸１による通路２の開時、リング４Ｂの内径を拡大させる（図７（ｂ））。これにより、弁の固着が生じていた場合、剥離力を与えて、その固着を解消することができる。軽い固着であれば、このリング４Ｂの内径の拡大で、解消することが可能である。
【００４３】
弁の固着がひどい場合には、電気回路５（図５）からリング４Ｂに対して交流電圧を印加するなどして、リング４Ｂを振動させる。これにより、より大きな剥離力を与え、そのひどい固着を解消させるようにすることができる。
【００４４】
これにより、全閉状態を長く続けることで生じる虞のある弁の固着に対し、定期的なメンテナンスや弁の開閉を不要とすることが可能となる。なお、なお、リング４Ｂの振動は開時に開かない或いは開き難い場合に行うようにするが、全閉状態中に定期的に行わせるようにしてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、弁軸１の先端部１ａの挿抜によって通路２を開閉するという基本構成はそのまま保たれるので、弁を開いたときの開口部を大きくとることができ、特許文献１に示された構成のように用途が限られることもない。
【００４６】
なお、上述した実施の形態１，２では、リング４（４Ａ，４Ｂ）をリング状のピエゾ素子としたが、すなわりリング４（４Ａ，４Ｂ）の全てをピエゾ素子としたが、その一部をピエゾ素子としてもよい。例えば、図８に示すように、リング６の一部にピエゾ素子６ａを設け、このピエゾ素子６ａを設けたリング６をリング４の代わりに使用するようにしてもよい。このピエゾ素子６ａを設けたリング６では、ピエゾ素子６ａをリング６の周方向に縮小動作させると（図９（ａ）参照）、リング６の内径が縮小する。また、ピエゾ素子６ａをリング６の周方向に伸長動作させると（図９（ｂ）参照）、リング６の内径が拡大する。なお、リング６に、ピエゾ素子６ａを複数設けるものとしてもよい。この例では、ピエゾ素子６ａを設けたリング６が本発明でいうリング状の部材に相当する。
【００４７】
また、図１０に示すように、リング７の外周にピエゾ素子８を例えば４つ設け、このピエゾ素子８を外周に設けたリング７をリング４の代わりに使用するようにしてもよい。このピエゾ素子８を外周に設けたリング７では、ピエゾ素子８をリング７の内径方向に縮小動作させると（図１１（ａ）参照）、リング７の内径が拡大する。また、ピエゾ素子８をリング７の内径方向に伸長動作させると（図１１（ｂ）参照）、リング７の内径が縮小する。なお、この例では、リング７の外周にピエゾ素子８を４つ設けるようにしたが、１つ以上であればその数は幾つでもよい。この例では、リング７が本発明でいうリング状の部材に相当する。
【００４８】
また、実施の形態１，２では、電気回路５からのリング４（４Ａ，４Ｂ）への電圧の印加状態をオン状態とオフ状態とにしたが、極性が異なる電圧を印加するようにしてもよい。
【００４９】
〔実施の形態１の具体例〕
図１２〜図１６に実施の形態１のニードル弁の具体例を示す。図１２はこのニードル弁の全体を示す外観図、図１３はこのニードル弁の開時の状態を示す縦断面図、図１４はこのニードル弁の閉時の状態を示す縦断面図、図１５はこのニードル弁の開時の要部の状態を示す断面図、図１６はこのニードル弁の閉時の要部の状態を示す断面図である。
【００５０】
図１２〜図１５において、１０は弁軸（ステム）、１１はポート、１２は弁箱、１３は入力ブロック、１４はガイドプレート、１５はボールスライド、１６はカップリング、１７は柱、１８はモータプレート、１９は中空モータ、２０はボールスクリュー、２１はボールネジ、２２は流体の導入管、２３は流体の導出管、２４，２５は継手、２６−１〜２６−３はＯリング、２７はシールである。
【００５１】
このニードル弁において、ポート１１は、弁箱１２と入力ブロック１３との間に挟まれたブロック状の部品であり、弁箱１２の内部空間１２ａと入力ブロック１３の内部空間１３ａとを連通する通路２８を有している。この通路２８が図１に示した構成における通路２に対応する。通路２８の上部の開口部にはリング状のピエゾ素子がリング２９として組み込まれている。このリング２９が図１に示した構成におけるリング４Ａに対応する。リング２９に対しては、このリング２９を伸縮させるための電気回路３０が設けられている。この電気回路３０が図１に示した構成における電気回路５に対応する。
【００５２】
〔閉時の動作〕
閉時には、図１３に示した状態（開時の状態）から、通路２８を閉じるために、弁軸１０を締め込む。そして、弁軸１０を最後まで締め込んだ後、電気回路３０を操作して、リング２９への電圧の印加状態をオン状態とし、リング２９を縮小動作させる（図１６参照）。これにより、リング２９の内径が縮小し、リング２９の内周面２７ａが弁軸１０の先端部１０ａの全周に密着し、弁の締め切りが行われる。
【００５３】
〔開時の動作〕
開時には、図１４に示した状態（閉時の状態）から、通路２８を開くために、電気回路３０を操作して、リング２９への電圧の印加状態をオフ状態とし、リング２９を伸長動作させる。これにより、リング２９の内径が拡大し、リング２９の内周面２９ａが弁軸１０の先端部１０ａの全周から離れ、弁のかじりがなくなる。そして、この状態から弁軸１０を緩める（図１５参照）。
【００５４】
〔参考例〕
上述した実施の形態では、リングの内径を変化させるためにピエゾ素子を用いるようにしたが、他の方法で実現することも可能である。
【００５５】
例えば、リングを形状記憶合金で作り、熱変形させるようにしてもよい。但し、この方法では、流体の熱の影響を受ける虞がある。また、応答速度が遅いため、弁の締め切りに要する時間がかかり、頻繁な開閉には向かないと思われる。
【００５６】
また、モータやソレノイドを用いて、リングの内径を変化させるようにしてもよい。図１７にモータを用いた例を示す。同図において、３１はリングであり、モータ３２によって変形機構３３を駆動し、この変形機構３３を介してリング３１に周方向への力を加え、リング３１の内径を変化させる。但し、このような方法では、大型化が避けられず、消費エネルギーも大となる。
【００５７】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…弁軸（ステム）、２…通路、２ａ…内壁面、２ｂ…開口部、３…ポート、４（４Ａ，４Ｂ）…リング、４ａ…内周面、５…電気回路、６…リング、６ａ…ピエゾ素子、７…リング、８…ピエゾ素子、１０…弁軸（ステム）、１０ａ…先端部、１１…ポート、１２…弁箱、１２ａ…内部空間、１３…入力ブロック、１３ａ…内部空間、１４…ガイドプレート、１５…ボールスライド、１６…カップリング、１７…柱、１８…モータプレート、１９…中空モータ、２０…ボールスクリュー、２１…ボールネジ、２２…流体の導入管、２３…流体の導出管、２４，２５…継手、２６−１〜２６−３…Ｏリング、２７…シール、２８…通路、２９…リング、２９ａ…内周面、３０…電気回路。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が針状に形成された弁軸と、この弁軸の先端部の挿抜によって開閉される通路とを備えたニードル弁において、
前記通路内において前記弁軸の先端部の全周にその内周面が面するリング状の部材と、
前記リング状の部材の内径をピエゾ効果によって変化させる電気回路と
を備えることを特徴とするニードル弁。
【請求項２】
請求項１に記載されたニードル弁において、
前記リング状の部材は、
少なくともその一部がピエゾ素子とされている
ことを特徴とするニードル弁。
【請求項３】
請求項１に記載されたニードル弁において、
前記リング状の部材の外周に少なくとも１つ以上ピエゾ素子が設けられている
ことを特徴とするニードル弁。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載されたニードル弁において、
前記弁軸による前記通路の閉時に前記ピエゾ効果によって前記リング状の部材の内径を縮小するようにした
ことを特徴とするニードル弁。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載されたニードル弁において、
前記弁軸による前記通路の開時に前記ピエゾ効果によって前記リング状の部材の内径を拡大するようにした
ことを特徴とするニードル弁。
【請求項６】
請求項１〜３の何れか１項に記載されたニードル弁において、
前記ピエゾ効果によって前記リング状の部材を振動させるようにした
ことを特徴とするニードル弁。

【図１】