弁装置
【課題】 電気的に弁の操作を行うことができる弁装置において、電磁石を用いずに小型化を達成し、さらに弁の駆動機構の配設の自由度が高い構成を提供する。
【解決手段】 第２のワイヤアクチュエータ１０９に通電して収縮させると、係合ピン１０８が矢印１１１の方向の付勢力に抗して軸１１０の回りに回動し、係合ピン１０８がシリンダ１０４内から退避し、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂから外れる。係合ピン１０８の係合が解除されることにより、バネ１０５の付勢力によってヘッドピン１０６がＺ軸方向と逆方向へ移動し、その結果、ヘッドピン１０６の先端１０６ａがダイヤフラム１０２の凸部１０２ａの裏側を押す。これにより、ダイヤフラム１０２が下方へ凸となるように変形し、ダイヤフラム１０２中心部分の凸部１０２ａが流入ポート１０１ａに当接してそれを閉塞する。
【解決手段】 第２のワイヤアクチュエータ１０９に通電して収縮させると、係合ピン１０８が矢印１１１の方向の付勢力に抗して軸１１０の回りに回動し、係合ピン１０８がシリンダ１０４内から退避し、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂから外れる。係合ピン１０８の係合が解除されることにより、バネ１０５の付勢力によってヘッドピン１０６がＺ軸方向と逆方向へ移動し、その結果、ヘッドピン１０６の先端１０６ａがダイヤフラム１０２の凸部１０２ａの裏側を押す。これにより、ダイヤフラム１０２が下方へ凸となるように変形し、ダイヤフラム１０２中心部分の凸部１０２ａが流入ポート１０１ａに当接してそれを閉塞する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体や流体の流路に設けられる弁装置に係り、特に、小型化を達成し設計の自由度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路の途中に配置される弁装置を電気的に制御する構成として、例えば特許文献１に記載された構成が知られている。特許文献１には、バネの付勢力と電磁石により操作されるラッチ機構との組み合わせにより、弁が開放状態または閉塞状態で保持される構成が記載されている。このような弁装置では、電磁石への通電を停止してもラッチ機構により弁の開放状態または閉塞状態が保持されるから、電力消費量を低減することができるという利点がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３２４１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている弁の駆動機構は、電磁石のためのスペースが必要になるとともに構造が複雑になるため小型化に不利である。また、電磁石を配置する位置がラッチ機構のごく近傍に制限されるので、弁の駆動機構の設計に制約が生じていた。
【０００５】
したがって、本発明は、ラッチ機構により弁の開放状態または閉塞状態が保持されて電力消費量を低減することができるのは勿論のこと、電磁石が不要で小型化を達成することができ、さらに各部の駆動機構の設計の自由度が高い弁装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の弁装置は、一側部に流入ポートおよび排出ポートが設けられ他側部に柔軟性を有するダイヤフラムが設けられた弁室と、ダイヤフラムに対して接近離間可能に設けられ、同ダイヤフラムを押圧することで流入ポートおよび排出ポートの少なくともいずれか一方を同ダイヤフラムで閉塞させる押圧手段と、この押圧手段をダイヤフラム側へ付勢する第１の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより押圧手段を付勢手段の付勢力に抗してダイヤフラムと逆方向へ移動させる第１の線状アクチュエータと、押圧手段に対して接近離間可能に設けられるとともに同押圧手段に係脱自在に係合し、押圧手段がダイヤフラムと逆方向へ移動したときに押圧手段と係合して同押圧手段をその位置に保持する係合手段と、この係合手段を押圧手段側へ付勢する第２の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより係合手段を第２の付勢手段の付勢力に抗して押圧手段から離間させる第２の線状アクチュエータとを備え、第１、第２の線状アクチュエータへ通電することでそれらの伸縮状態を変化させることにより弁の開閉を制御することを特徴としている。
【０００７】
本発明では、押圧手段が第１の付勢手段によってダイヤフラムを押圧して変形させ、ダイヤフラムが弁室の一側部に設けられた流入ポートおよび／または排出ポートを閉塞する。これにより、流体は弁装置を流通できない状態となる。次に、第１の線状アクチュエータに通電することでその温度を変化させると、第１の線状アクチュエータの長さが変化し、押圧手段を第１の付勢手段の付勢力に抗してダイヤフラムと逆方向へ移動させる。すると、第２の付勢手段により付勢された係合手段が押圧手段側へ移動して係合し、押圧手段はその位置で保持される。これにより、流入ポートおよび排出ポートが開放され、流体は弁装置を流通できる状態となる。また、その状態において、第１の線状アクチュエータへの通電を停止する。次いで、第２の線状アクチュエータに通電してその温度を変化させると、第２の線状アクチュエータの長さが変化し、係合手段を第２の付勢手段の付勢力に抗して押圧手段から離間させる。これにより、押圧手段は、第１の付勢手段の付勢力によりダイヤフラム側へ移動し、ダイヤフラムを押圧して流入ポートおよび／または排出ポートを閉塞する。また、その状態において、第２の線状アクチュエータへの通電を停止する。
【０００８】
したがって、本発明では、第１、第２のアクチュエータへの通電を停止した状態で弁装置を開放状態または閉塞状態に保持することができるから、消費電力を低減することができる。また、本発明では、押圧手段および係合手段を第１、第２の線状アクチュエータの伸縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができる。したがって、本発明によれば、弁装置の小型化を図ることができるとともに、各部の駆動機構の自由な設計が可能となる。
【０００９】
線状アクチュエータとしては、形状記憶合金のワイヤを用いることが好ましい。形状記憶合金のワイヤは、通電することでジュール熱により昇温して収縮し、収縮による変位がアクチュエータとしての作用となる。また、線状アクチュエータとして、折り曲げ可能な柔軟性（可撓性）を有する材質のものを採用することが好ましい。この場合、線状アクチュエータを装置の各部の隙間を縫うようにして２次元ないし３次元的に引き回して配置することができ、弁を操作するための駆動力を伝達させる機構の設計に高い自由度を得ることができる。特に、ガイドローラを介して線状アクチュエータを３次元的に屈曲させて展開することで、少ないスペースで大きな変位長を確保することができる。このことは、装置の小型化を追求しつつ、同時に押圧手段や係合手段等の可動部材の可動範囲（ストローク）を大きく確保し、また可動方向を自由に設定したい場合に有利となる。
【００１０】
ところで、弁の閉塞状態においてダイヤフラムと弁座との間に大きな隙間が存在すると、そこに多量の流体が滞留する。流体が腐食性のあるものや変質し易いものであると、この滞留した流体が弁の材料にダメージを与えたり、次の弁の開放時に変質した流体が搬送する流体中に混じるといった不都合が生じる。そこで、弁室内には、ダイヤフラムと対向する位置に弁座を設け、この弁座を、ダイヤフラムと対向する側へ向かうに従って軸断面積が減少する断面形状にすること好適である。このような態様によれば、弁座の形状が押圧部材によって変形するダイヤフラムの形状に沿ったものとなり、両者の間の空間が小さくなる。したがって、その空間に滞留する流体に起因する上記のような不都合を軽減することができる。また、弁座の中央部に、流入ポートおよび排出ポートの一方を形成し、その周辺部に流入ポートおよび排出ポートの他方を形成することも好ましい態様である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、押圧手段および係合手段を第１、第２の線状アクチュエータの伸縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができ、したがって、弁装置の小型化を図ることができるとともに、各部の駆動機構の自由な設計が可能となる等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１．実施形態の概要
（１）弁装置の構成
まず、実施形態の概要を説明し、概略の構成および動作原理について説明する。図１は、本発明を利用した弁装置を概念的に示した断面図であり、（Ａ）は弁が開放状態の図、（Ｂ）は弁が閉塞状態の図である。図１に示す弁装置１００は、内部にダイヤフラム１０２および弁室１０１を備えた弁機能部１０３と、内部に円筒空間を備えたシリンダ１０４とから概略構成されている。シリンダ１０４内には、ヘッドピン（押圧部材）１０６が軸線方向に摺動自在に収容されている。
【００１３】
シリンダ１０４の端部には、その開口部を閉塞する蓋１０４ａが取り付けられ、蓋１０４ａとヘッドピン１０６との間には、ヘッドピン１０６を図中Ｚ軸方向と逆方向に付勢するコイルバネ（第１の付勢部材）１０５が配置されている。ヘッドピン１０６は、図中下方から第１小径部１０６ａ、大径部１０６ｂ、第２小径部１０６ｃが成形された略円柱形状をなし、第２小径部１０６ｃにコイルバネ１０５が嵌合させられ、大径部１０６ｂがシリンダ１０４内で摺動する。また、シリンダ１０４の他端部には孔１０４ｄが形成され、孔１０４ｄから突出した第１小径部１０６ａの先端がダイヤフラム１０２を押圧する。また、第２小径部１０６ｃの端部には、コイルバネ１０５の付勢力に抗してヘッドピン１０６をＺ軸方向に移動させる第１のワイヤアクチュエータ（第１の線状アクチュエータ）１０７の端部が接続されている。
【００１４】
シリンダ１０４の外周部には、Ｌ字状をなす係合ピン（係合手段）１０８の一端部が軸１１０によって回動自在に支持されている。係合ピン１０８の他端部は、シリンダ１０４側へ向けて屈曲し、シリンダ１０４に形成した孔１０４ｂからシリンダ１０４の内部に出没自在とされている。係合ピン１０８の側面は、図示しないコイルバネ（第２の付勢部材）によって図中矢印１１１方向に押圧されている。係合ピン１０８の先端がシリンダ１０４内に突出することで、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂの端面に係合し、ヘッドピン１０６に加わるバネ１０５の付勢力に抗してその位置で保持する（図１（Ａ）に示す状態）。また、係合ピン１０８の他端部側には、係合ピン１０８を回動させてヘッドピン１０６との係合状態を解除する第２のワイヤアクチュエータ（第２の線状アクチュエータ）１０９の端部が接続されている。
【００１５】
第１のワイヤアクチュエータ１０７および第２のワイヤアクチュエータ１０９は、通電することで、ジュール熱により自己発熱し、その熱により形状記憶機能が発現する。この例では、通電により所定の割合で収縮する形状記憶合金を利用して人口筋肉等の用途に開発された繊維状のアクチュエータ（例えば、トキ・コーポレーション株式会社のバイオメタル（登録商標））を使用する。この繊維状のアクチュエータは、柔軟性があり、屈曲して配置した場合であってもアクチュエータとして機能する。なお、ワイヤアクチュエータは、通電による方法に限るものではなく、温風を当てたり近接したヒータで加熱といった方法で収縮させることもできる。
【００１６】
弁室１０１は、ダイヤフラム１０２によって内部の１側面（図中Ｚ軸方向の壁）を有し、ダイヤフラム１０２に対向する側に略円錐形状の弁座１１２を備えている。ダイヤフラム１０２は、ゴム等の弾性部材で構成された円板状のもので、中央部に弁座１１２側へ突出する凸部１０２ａを有している。弁座１１２の中心部には、外部から弁室１０１内に気体や流体等の流体を流入させるための流入ポート１０１ａが形成され、流入ポート１０１ａから離間した箇所には、弁室１０１内に流入した流体が外部に排出される排出ポート１０１ｂが形成されている。
【００１７】
（２）弁装置の動作
図１（Ａ）に示す状態は、弁機能部１０３が開放状態であり、流入ポート１０１から流入した流体は、弁室１０１内を通過し、排出ポート１０１ｂから排出される。この開放状態において、ヘッドピン１０６は、バネ１０５によって図中のＺ軸方向と逆方向（下方）に付勢されているが、係合ピン１０８がヘッドピン１０６の大径部に係合しているので、その方向に移動することができない。
【００１８】
図１（Ａ）に示す状態において、第２のワイヤアクチュエータ１０９に通電し、それを収縮させると、係合ピン１０８が矢印１１１の方向の付勢力に抗して軸１１０の回りに回動し、それにより図１（Ｂ）に示すように、係合ピン１０８がシリンダ１０４内から退避し、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂから外れる。係合ピン１０８の係合が解除されることにより、バネ１０５の付勢力によってヘッドピン１０６がＺ軸方向と逆方向へ移動し、その結果、ヘッドピン１０６の先端１０６ａがダイヤフラム１０２の凸部１０２ａの裏側を押す。これにより、図１（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム１０２が下方へ凸となるように変形し、ダイヤフラム１０２中心部分の凸部１０２ａが流入ポート１０１ａに当接してそれを閉塞する。こうして、弁機能部１０３の閉塞状態が得られ、この状態は、第２のワイヤアクチュエータ１０９への通電を停止しても維持される。
【００１９】
図１（Ｂ）の弁の閉塞状態から図１（Ａ）の弁の開放状態に移るには、第１のワイヤアクチュエータ１０７に通電し、それを収縮させる。第１のワイヤアクチュエータ１０７が収縮すると、ヘッドピン１０６がＺ軸方向（上方）に移動し、それに伴ってバネ１０５が圧縮され、同時にヘッドピン１０６の先端がダイヤフラム１０２から離れ、流入ポート１０１ａの閉塞状態が解除される。そして、図１（Ａ）に示す位置までバネ１０５の圧縮が進んだ段階で、係合ピン１０８がコイルバネによる矢印１１１方向への付勢力によってシリンダ１０４内に突出するように回動する。そして、その先端部がシリンダ１０４内に突出することで、ヘッドピン１０６に係合し、図１（Ａ）に示す係合状態が得られる。この係合状態となると、第１のワイヤアクチュエータ１０７への通電を停止しても、ヘッドピン１０６がそれ以上Ｚ軸方向と逆方向（下方）に移動することはなく、弁機能部１０３の開放状態が維持される。このようにして、弁の開放状態（Ａ）と閉塞状態（Ｂ）を電気的に制御することができる。
【００２０】
上記実施形態によれば、第１、第２のワイヤアクチュエータ１０７，１０９への通電を停止した状態で弁装置を開放状態または閉塞状態に保持することができるから、消費電力を低減することができる。また、ヘッドピン１０６および係合ピン１０８を第１、第２のワイヤアクチュエータ１０７，１０９の収縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができる。そのような構成および作用、効果については、具体的な実施例の説明で詳細に説明する。
【００２１】
２．具体的な実施形態
（１）ワイヤアクチュエータの張設構造
以上は本実施形態における弁装置の概略の構成および動作の説明である。次に、本実施形態における弁装置のより具体的な構造、特に、ワイヤアクチュエータの張設構造等について図２〜図７を参照して詳細に説明する。図２は、本発明を利用した弁装置における駆動部の概要を示す斜視図であり、図３は図２の駆動部の分解図である。
【００２２】
図２および図３に示すように、駆動部３００は、第１フレーム３０１と第２フレーム３０２との間にシリンダ３０３が挟持された基本構造を有する。シリンダ３０３は略直方体状をなし、その両側面の全長に亘って軸線方向に延在する４つの溝３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ（３つのみ示す）が形成されている。また、シリンダ３０３の内部には、円筒空間３０３ｄが形成され、円筒空間３０３ｄの上端開口部の一部は蓋３０４によって閉塞されている。この蓋３０４には、上記溝３０３ａ，…と連続する４つの溝３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｃ（３つのみ示す）が形成されている。
【００２３】
第１フレーム３０１は略コ字状をなし、その内側部３０１ａは、シリンダ３０３の溝３０３ａおよび蓋３０４の溝３０４ａに嵌合させられている。同様に、内側部３０１ａに対向する内側部３０１ｂが溝３０４ｂおよび溝３０３ｂに嵌合させられ、これによって、内側部３０１ａと内側部３０１ｂとの間にシリンダ３０３と蓋３０４が挟持されている。また、第２フレーム３０２は、第１フレーム３０１と同形同大に形成され、その内側部３０２ａは、シリンダ３０３の溝３０３ｃに嵌合するとともに蓋３０４の溝３０４ｃに嵌合している。同様に、内側部３０２ａに対向する内側部３０２ｂがシリンダ３０３および蓋３０４の図示しない溝に嵌合し、これによって、内側部３０２ａと内側部３０２ｂとの間にシリンダ３０３と蓋３０４が挟持されている。
【００２４】
また、第１フレーム３０１と第２フレーム３０２との間には、ガイドローラ３０７，３０８，３０９，３１０が回転自在に挟持されている。各ガイドローラ３０７，…は同形同大であり、ガイドローラ３０７を例にとって説明すると、軸３０７ａ、円周溝３０７ｃが形成されたドラム３０７ｂにより構成されている。なお、図中符号３０２ｃは、軸３０７ａを回転自在に支持する孔である。これら各ガイドローラ３０７，…には、後に詳述する第１のワイヤアクチュエータ（第１の線状アクチュエータ）４０４が巻回されている。第１のワイヤアクチュエータ４０４、および後述する第２のワイヤアクチュエータ（第２の線状アクチュエータ）５０１は、トキ・コーポレーション株式会社のバイオメタル（登録商標）を使用する。
【００２５】
シリンダ３０３の両側面には、上記溝３０３ａと直交する支持溝３０３ｅが形成されている。支持溝３０３ｅには、略コ字状のストッパ３１１が嵌合させられ、その屈曲した先端部３１１ａは、第１フレーム３０１の支持孔３０１ｃに嵌合させられている。またストッパ３１１の他方の先端部も同様にシリンダ３０３および第１フレーム３０１の支持溝に嵌合させられている。そして、ストッパ３１１は、その状態でロウ付けまたは接着によってシリンダ３０３に固定され、これにより、第１フレーム３０１がシリンダ３０３から抜けないようになっている。
【００２６】
シリンダ３０３の内部には、円筒空間３０３ｄが形成されてそこにヘッドピン３０５が軸線方向へ摺動自在に収容されている。なお、図３では図示のためにヘッドピン３０５をシリンダ３０３の外に記載してある。ヘッドピン３０５は、図中下側から第１小径部３０５ａ、大径部３０５ｂ、第２小径部３０５ｃが成形された略円柱形状をなしている。シリンダ３０３の蓋３０４とヘッドピン３０５との間には、コイルバネ６０１（図６のみに示す）が配置されている。コイルバネ６０１は第２小径部３０５ｃに嵌合させられ、大径部３０５ｂがシリンダ３０３の円筒空間３０３ｄ内で摺動する。シリンダ３０３の下端部には孔３０３ｍ（図４、図５参照）が形成され、孔３０３ｍから第１小径部３０５ａが突出している。第２小径部３０５ｃには、孔３０５ｄが形成され、そこに第１のワイヤアクチュエータ４０４が挿通されている。
【００２７】
シリンダ３０３の側面には、アーム３１２が軸３１２ａによって回動自在に支持されている。アーム３１２の一端部には、アーム３１２と直交する方向に突出する係合ピン（係合手段）３１３が取り付けられるとともに、第２のワイヤアクチュエータ５０１（図２、図５参照）を挿通させた孔３１２ｃが形成されている。以下、アーム３１２の構成について詳述する。
【００２８】
シリンダ３０３の一側面には、架台３０３ｆ，３０３ｇが突出して一体形成され、架台３０３ｆ，３０３ｇには、軸孔３０３ｈがそれぞれ形成されている。架台３０３ｆ，３０３ｇの間には、アーム３１２が嵌合させられ、アーム３１２の一端部に軸孔３０３ｈに挿通させた軸３１２ａが挿通されることにより、アーム３１２は軸３１２ａの回りに回動可能とされている。
【００２９】
アーム３１２には、円形の座ぐり３１２ｂが形成され、そこにコイルバネ３１４の一端部が収容されている。コイルバネ３１４の他端部は、シリンダ３０３に固定された略コ字状のバネ押え３１５により押圧されている。すなわち、バネ押え３１５の端部で屈曲した両側部３１５ａ，３１５ｂは、架台３０３ｆ，３０３ｇに形成された溝部３０３ｊ，３０３ｋに嵌合させられ、そこでロウ付けや接着により固定されている。このような構成により、コイルバネ３１４は、バネ押え３１５とアーム３１２との間で圧縮され、アーム３１２をシリンダ３０３の方向に付勢する。この付勢力は、係合ピン３１３をシリンダ３０３に形成された孔３０３ｉからシリンダ３０３内の円筒空間３０３ｄに突出させる付勢力として働く。
【００３０】
バネ押え３１５は絶縁材料で構成され、その頂部には、ガイド溝３１５ｃ，３１５ｄが形成されている。そして、図２に示すように、第２のワイヤアクチュエータ５０１は、後述する電極３２１→ガイド溝３１５ｄ→孔３１２ｃ→ガイド溝３１５ｃ→電極３２２と掛け渡されて張設されている。この場合において、第２のワイヤアクチュエータ５０１が非通電状態で収縮していない状態では、コイルバネ３１４の付勢力によってアーム３１２がシリンダ３０３側に押圧される。通電が行われ、第２のワイヤアクチュエータ５０１が収縮すると、バネ押え３１５のガイド溝３１５ｃ，３１５ｄを支点として、孔３１２ｃに図中Ｙ軸方向と反対方向への張力成分が発生し、アーム３１２を軸３１２ａを中心に回動させる力が加わる。この構成によれば、図中Ｙ軸方向の寸法が小さくても係合ピン３１３の可動範囲を効率良く確保することができる。
【００３１】
次に、第１フレーム３０１は絶縁材料で構成され、その片面には、電極３１７，３１８が取り付けられた電極板３１６がビス３１９，３２０によって取り付けられている。電極３１７，３１８は、第１のワイヤアクチュエータ４０４に電流を流すための電極であり、通電時において両電極間には、適当なＤＣあるいはＡＣ電圧が加えられる。ビス３１９，３２０を挿通させているビス孔３１６ａ，３１６ｂは長孔に形成され、図中上下方向に電極板３１６を移動させることができるようになっている。これにより、電極板３１６を第１フレーム３０１に対して上下させ、第１のワイヤアクチュエータ４０４の張り具合を調整することができる。
【００３２】
第２フレーム３０２も絶縁材料で構成され、その片面には、電極３２１，３２２が取り付けられた電極板３２０がビス３２３，３２４によって取り付けられている。電極３２１，３２２は、第２のワイヤアクチュエータに電流を流すための電極であり、通電時において両電極間には、適当なＤＣあるいはＡＣ電圧が加えられる。ビス３２３，３２４を通すためのビス孔３２０ａ，３２０ｂは長孔に形成され、図中上下方向に電極板３２０を動かすことができる寸法の余裕があり、このビス孔の余裕を利用することで、電極板３２０を移動させることができるようになっている。これにより、電極板３２０を第２フレーム３０２に対して上下させ、第２のワイヤアクチュエータ５０１の張り具合を調整することができる。
【００３３】
次に、第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態（引き回しの状態）について説明する。図４は、本実施形態における弁装置の完全な組立状態を示す平断面図である。図４には、弁装置の外装構造をなす略直方体状の上側ケース４０１と下側ケース４０２とが上下に嵌着され、その内部に図２および図３に示した駆動部３００と、この駆動部３００によって駆動されるダイヤフラム４０６が収容された弁機能部４００が示されている。なお、図４では、第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態と弁機能部４００を主として説明するために、それ以外の構成の大半を省略している。
【００３４】
図４に示すように、第１のワイヤアクチュエータ４０４は、一端が電極３１７に固定され、そこから、ガイドローラ３０９→ガイドローラ３０８→ヘッドピン３０５の孔３０５ｄ（図３、図４参照）→ガイドローラ３０７→ガイドローラ３１０に掛けられ、他端が電極３１８に固定されている。
【００３５】
電極３１７と３１８との間で通電を行うと、第１のワイヤアクチュエータ４０４に電流が流れ、抵抗加熱により第１のワイヤアクチュエータ４０４自体が発熱して収縮する。各ガイドローラ３０８，…は回転自在であるので、この第１のワイヤアクチュエータ４０４の収縮は、全体において抵抗無くスムーズに行われ、それにより、シリンダ３０３内においてヘッドピン３０５が図中上方（Ｚ軸方向）に引っ張られる。こうして、シリンダ３０３の内部円筒空間３０４ｄにおいて、ヘッドピン３０５をコイルバネ６０１ない付勢手段に抗して上方に引き上げる駆動力が発生する。
【００３６】
図４に示すような第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態は、第１のワイヤアクチュエータ４０４を折り返して配置しているので、狭い占有空間（展開空間）でありながら、その収縮時のストロークを長く確保することができる。この際、回転自在なガイドローラ３０８，…によって折り返し構造を維持しているので、全体の動き（収縮）をスムーズに伝達することができる。また、ヘッドピン３０５は、単滑車と同じ作用により引っ張られるので、ワイヤアクチュエータ４０４の収縮力の２倍の力をヘッドピン３０５に加えることができる。
【００３７】
図５は、第２のワイヤアクチュエータの展開状態および駆動部３００の外観を示す斜視図であり、図２に示す駆動部３００を斜め後方の下側から見た斜視図である。図５に示すように、第２のワイヤアクチュエータ５０１は、その一端が電極３２２に固定され、そこからバネ押え３１５の頂部のガイド溝３１５ｃ→アーム３１２の孔３１２ｃ→バネ押え３１５の頂部のガイド溝３１５ｄ→と順に掛け渡され、他端が電極３２１に固定されている。この展開構造においては、バネ押え３１５の高さ（図中のＹ軸方向の寸法）によって、アーム３１２をシリンダ３０３から斜めに離れる方向に引っ張る力がアーム３１２に働く。しかも、第２のワイヤアクチュエータ５０１の展開長を確保できるので、アーム３１２の可動範囲を大きく確保することができる。つまり、第２のワイヤアクチュエータ５０１の展開を３次元的に行うことで、図中のＹ軸方向の寸法を大きくしなくても、図３の係合ピン３１３の可動範囲を大きく確保することができる。
【００３８】
（２）弁機能部の構成
次に、弁機能部４００の構成を説明する。弁機能部４００は下側ケース４０２に設けられている。上側ケース４０１の下端面と下側ケース４０２の上端面には、円形の溝４０１ａ，４０２ａが相対向して形成され、これら溝４０１ａ，４０２ａに、ダイヤフラム４０６に形成した凸条４０６ｂが嵌合している。下側ケース４０２の中央部には、円錐状をなす弁座４０９が形成され、弁座４０９の中央には、下方へ向けて突出する流入ポート４０７が形成されている。また、弁座４０９の流入ポート４０７から離間した箇所には、排出ポート４０８が形成されている。ダイヤフラム４０６の下面中央部には、流入ポート４０７に当接する凸部４０６ａが形成されている。
【００３９】
図４においては、ヘッドピン３０５によってダイヤフラム４０６が図中下方に押圧され、それによりダイヤフラム４０６が変形してその中心部の凸部４０６ａが流入ポート４０７を塞いでいる状態が示されている。この閉塞状態において、ダイヤフラム４０６は、円錐状（略椀状）の弁座４０９に沿うように変形する。このため、ダイヤフラム４０６と弁座４０９との間の隙間４１０の容積を小さくすることができる。
【００４０】
また、図４に示す状態において、第１のワイヤアクチュエータ４０４が収縮すると、ヘッドピン３０５がシリンダ３０３内に引き上げられ、ヘッドピン３０５がダイヤフラム４０６を押圧した状態が解除され、流入ポート４０７が開放される。流入ポート４０７が開放されることで、排出ポート４０８との間で流路が確保され、弁の開放状態を得ることができる。なお、ダイヤフラム４０６は、ゴム以外の弾性材料、例えば変形可能な樹脂や薄い金属によって構成することも可能である。なお、ヘッドピン３０５が上方に後退した状態（弁が開放状態）で、ダイヤフラム４０６と円錐状の弁座４０９との間の隙間が拡大し、そこが弁室となる。
【００４１】
（３）弁装置の動作
図６は、図２および図５に示す駆動装置３００をＸ軸方向から見た一部破砕断面図である。図６には、シリンダ３０３内に収められたヘッドピン３０５が、付勢手段であるコイルバネ６０１によって、Ｚ軸方向と反対方向に付勢され、かつ係合ピン３１３に係合されることにより、コイルバネ６０１の付勢力に抗して位置が保持されている状態が示されている。
【００４２】
図６に示す状態において、第２のワイヤアクチュエータ５０１に通電し、それを収縮させると、バネ押え３１５の頂部が支点となり、孔３１２ｃにＹ軸成分およびＺ軸成分の張力が第２のワイヤアクチュエータ５０１から作用する。この力により、軸３１２ａを支点としてアーム３１２がＹ軸方向と逆方向に回動し、係合ピン３１３が係合ピン侵入口３０３ｉから抜け、同時に係合ピン３１３のヘッドピン３０５への係合状態が解除される。この結果、ヘッドピン３０５のＺ軸方向と逆方向への移動を規制するものがなくなり、バネ６０１の付勢力により、ヘッドピン３０５は同方向に移動し、ヘッドピン３０５先端の第１小径部３０５ａが突出する。ヘッドピン３０５が突出してダイヤフラム４０６を押圧することにより、ダイヤフラム４０６が弁座４０９の流入ポート４０７を閉塞する。なお、ヘッドピン３０５が突出した後は、第２のワイヤアクチュエータ５０１への通電を停止する。この場合、アーム３１２はコイルバネ３１４の付勢力によってヘッドピン３０５側へ回動し、係合ピン３１３の先端がヘッドピン３０５の大径部３０５ｂに当接する。
【００４３】
ヘッドピン３０５を元に戻す（弁を開放状態にする）には、第１のワイヤアクチュエータ４０４への通電を行う。これにより、第１のワイヤアクチュエータ４０４が収縮し、バネ６０１の付勢力に抗してヘッドピン３０５がシリンダ３０３内においてＺ軸方向に移動する。そして、係合ピン３１３に第１小径部３０５ａが達すると、大径部３０５ｂに係合ピン３１３が係合する。その後、第１のワイヤアクチュエータ４０４への通電を停止する。
【００４４】
上記実施形態においては、第１、第２のワイヤアクチュエータ４０４，５０１を用い、それらを折り返しあるいは屈曲させて張設しているから、小型化を達成しつつ第１、第２のワイヤアクチュエータ４０４，５０１の可動範囲を大きく確保することができる。また、第１のワイヤアクチュエータ４０４を、上記のようにシリンダ３０３等の各部材の隙間を縫うように張設したり、第２のワイヤアクチュエータ５０１のように３次元的に張設することができるので、設計の自由度が向上する。
【００４５】
（４）安全機構
以上が弁の構造に関する説明であるが、停電等に起因する電源遮断時の安全機構について以下に説明する。本実施形態の弁装置は、弁の開動作または閉動作において電源電力が必要であり、開状態の維持および閉状態の維持には、電力を必要としない。つまり、停電により電源部の出力電圧が低下、あるいは出力停止になった場合、その時の弁の状態がそのまま維持されてしまう。しかしながら、弁装置が利用されるシステムによっては、停電時に弁を自動閉鎖する設定としたい場合等もある。
【００４６】
そこで、電源電圧低下時に弁を自動閉鎖する機構の一例を説明する。図７は、弁を自動閉鎖する機構を示すブロック図である。この例においては、電源部７０１の出力電圧は、電圧検出部７０２を介して制御部７０４に供給され、制御部７０４は、弁の開閉を指示する弁開閉制御信号に基づいて、電源部７０１から送られてきた電圧を弁制御電圧として、弁装置７０５に出力する。弁装置７０５は、上記実施形態の構成のものが使用される。一方、電源部７０１の電力は、キャパシタ７０３に蓄えられ、キャパシタ７０３は、蓄えた電力を制御部７０４に供給可能となっている。
【００４７】
電圧検出部７０２は、電源７０１の出力電圧を監視し、その値が所定のレベルを下回った場合に、その旨の異常検出信号を制御部７０４に送る。電圧検出部７０２から異常検出信号が出力されない状態では、制御部７０４は、電源部７０１から供給される電力により弁装置７０５の開閉制御を行う。電源部７０１の出力電圧が低下し、その値が所定のレベルを下回ると、それが電圧検出部７０２によって検出され、異常検出信号が電圧検出部７０２から制御部７０４に出力される。この異常検出信号を受けると、制御部７０４は、電力供給源を電源装置７０１からキャパシタ７０３に切り換えるとともに、キャパシタ７０３に蓄積された電力を利用して、弁装置７０５に対して弁を閉鎖する旨の弁制御電圧を出力する。この結果、弁装置７０５は強制的に閉鎖状態となる。例えば、図２〜図６の実施形態の例でいえば、第２のワイヤアクチュエータ５０１に通電が行われ、強制的に弁が閉鎖状態となる。このようにして、停電等により電源電圧の低下が発生した場合に、自動的に弁を閉鎖することができる。なお、以上は弁を自動的に閉鎖する例であるが、逆に弁を自動的に開放するように構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、流体の流れを電気的に制御する種々の弁装置に適用することができ、特に、小型燃料電池への燃料ガスおよび酸化性ガスの供給のための弁装置など、特に、小型化の要望が強い弁装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】発明を利用した弁装置を概念的に示した断面図である。
【図２】発明を利用した弁装置における駆動部の概要を示す斜視図である。
【図３】図２の駆動部の分解図である。
【図４】実施形態における弁装置の断面構造を示す断面図である。
【図５】第２のワイヤアクチュエータの展開状態および駆動部の外観を示す斜視図である。
【図６】発明を利用した弁装置における駆動部の一部破砕断面図である。
【図７】実施形態の安全機構を制御するための制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…弁装置、１０１ａ…流入ポート、１０１ｂ…排出ポート、１０１…弁室、１０２…ダイヤフラム、１０２ａ…凸部、１０３…弁機能部、１０４…シリンダ、１０５…バネ、１０６…ヘッドピン、１０７…第１のワイヤアクチュエータ、１０８…係合ピン、１０９…第２のワイヤアクチュエータ、１１０…軸、１１１…係合ピン１０８の付勢方向。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体や流体の流路に設けられる弁装置に係り、特に、小型化を達成し設計の自由度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路の途中に配置される弁装置を電気的に制御する構成として、例えば特許文献１に記載された構成が知られている。特許文献１には、バネの付勢力と電磁石により操作されるラッチ機構との組み合わせにより、弁が開放状態または閉塞状態で保持される構成が記載されている。このような弁装置では、電磁石への通電を停止してもラッチ機構により弁の開放状態または閉塞状態が保持されるから、電力消費量を低減することができるという利点がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３２４１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている弁の駆動機構は、電磁石のためのスペースが必要になるとともに構造が複雑になるため小型化に不利である。また、電磁石を配置する位置がラッチ機構のごく近傍に制限されるので、弁の駆動機構の設計に制約が生じていた。
【０００５】
したがって、本発明は、ラッチ機構により弁の開放状態または閉塞状態が保持されて電力消費量を低減することができるのは勿論のこと、電磁石が不要で小型化を達成することができ、さらに各部の駆動機構の設計の自由度が高い弁装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の弁装置は、一側部に流入ポートおよび排出ポートが設けられ他側部に柔軟性を有するダイヤフラムが設けられた弁室と、ダイヤフラムに対して接近離間可能に設けられ、同ダイヤフラムを押圧することで流入ポートおよび排出ポートの少なくともいずれか一方を同ダイヤフラムで閉塞させる押圧手段と、この押圧手段をダイヤフラム側へ付勢する第１の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより押圧手段を付勢手段の付勢力に抗してダイヤフラムと逆方向へ移動させる第１の線状アクチュエータと、押圧手段に対して接近離間可能に設けられるとともに同押圧手段に係脱自在に係合し、押圧手段がダイヤフラムと逆方向へ移動したときに押圧手段と係合して同押圧手段をその位置に保持する係合手段と、この係合手段を押圧手段側へ付勢する第２の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより係合手段を第２の付勢手段の付勢力に抗して押圧手段から離間させる第２の線状アクチュエータとを備え、第１、第２の線状アクチュエータへ通電することでそれらの伸縮状態を変化させることにより弁の開閉を制御することを特徴としている。
【０００７】
本発明では、押圧手段が第１の付勢手段によってダイヤフラムを押圧して変形させ、ダイヤフラムが弁室の一側部に設けられた流入ポートおよび／または排出ポートを閉塞する。これにより、流体は弁装置を流通できない状態となる。次に、第１の線状アクチュエータに通電することでその温度を変化させると、第１の線状アクチュエータの長さが変化し、押圧手段を第１の付勢手段の付勢力に抗してダイヤフラムと逆方向へ移動させる。すると、第２の付勢手段により付勢された係合手段が押圧手段側へ移動して係合し、押圧手段はその位置で保持される。これにより、流入ポートおよび排出ポートが開放され、流体は弁装置を流通できる状態となる。また、その状態において、第１の線状アクチュエータへの通電を停止する。次いで、第２の線状アクチュエータに通電してその温度を変化させると、第２の線状アクチュエータの長さが変化し、係合手段を第２の付勢手段の付勢力に抗して押圧手段から離間させる。これにより、押圧手段は、第１の付勢手段の付勢力によりダイヤフラム側へ移動し、ダイヤフラムを押圧して流入ポートおよび／または排出ポートを閉塞する。また、その状態において、第２の線状アクチュエータへの通電を停止する。
【０００８】
したがって、本発明では、第１、第２のアクチュエータへの通電を停止した状態で弁装置を開放状態または閉塞状態に保持することができるから、消費電力を低減することができる。また、本発明では、押圧手段および係合手段を第１、第２の線状アクチュエータの伸縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができる。したがって、本発明によれば、弁装置の小型化を図ることができるとともに、各部の駆動機構の自由な設計が可能となる。
【０００９】
線状アクチュエータとしては、形状記憶合金のワイヤを用いることが好ましい。形状記憶合金のワイヤは、通電することでジュール熱により昇温して収縮し、収縮による変位がアクチュエータとしての作用となる。また、線状アクチュエータとして、折り曲げ可能な柔軟性（可撓性）を有する材質のものを採用することが好ましい。この場合、線状アクチュエータを装置の各部の隙間を縫うようにして２次元ないし３次元的に引き回して配置することができ、弁を操作するための駆動力を伝達させる機構の設計に高い自由度を得ることができる。特に、ガイドローラを介して線状アクチュエータを３次元的に屈曲させて展開することで、少ないスペースで大きな変位長を確保することができる。このことは、装置の小型化を追求しつつ、同時に押圧手段や係合手段等の可動部材の可動範囲（ストローク）を大きく確保し、また可動方向を自由に設定したい場合に有利となる。
【００１０】
ところで、弁の閉塞状態においてダイヤフラムと弁座との間に大きな隙間が存在すると、そこに多量の流体が滞留する。流体が腐食性のあるものや変質し易いものであると、この滞留した流体が弁の材料にダメージを与えたり、次の弁の開放時に変質した流体が搬送する流体中に混じるといった不都合が生じる。そこで、弁室内には、ダイヤフラムと対向する位置に弁座を設け、この弁座を、ダイヤフラムと対向する側へ向かうに従って軸断面積が減少する断面形状にすること好適である。このような態様によれば、弁座の形状が押圧部材によって変形するダイヤフラムの形状に沿ったものとなり、両者の間の空間が小さくなる。したがって、その空間に滞留する流体に起因する上記のような不都合を軽減することができる。また、弁座の中央部に、流入ポートおよび排出ポートの一方を形成し、その周辺部に流入ポートおよび排出ポートの他方を形成することも好ましい態様である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、押圧手段および係合手段を第１、第２の線状アクチュエータの伸縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができ、したがって、弁装置の小型化を図ることができるとともに、各部の駆動機構の自由な設計が可能となる等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１．実施形態の概要
（１）弁装置の構成
まず、実施形態の概要を説明し、概略の構成および動作原理について説明する。図１は、本発明を利用した弁装置を概念的に示した断面図であり、（Ａ）は弁が開放状態の図、（Ｂ）は弁が閉塞状態の図である。図１に示す弁装置１００は、内部にダイヤフラム１０２および弁室１０１を備えた弁機能部１０３と、内部に円筒空間を備えたシリンダ１０４とから概略構成されている。シリンダ１０４内には、ヘッドピン（押圧部材）１０６が軸線方向に摺動自在に収容されている。
【００１３】
シリンダ１０４の端部には、その開口部を閉塞する蓋１０４ａが取り付けられ、蓋１０４ａとヘッドピン１０６との間には、ヘッドピン１０６を図中Ｚ軸方向と逆方向に付勢するコイルバネ（第１の付勢部材）１０５が配置されている。ヘッドピン１０６は、図中下方から第１小径部１０６ａ、大径部１０６ｂ、第２小径部１０６ｃが成形された略円柱形状をなし、第２小径部１０６ｃにコイルバネ１０５が嵌合させられ、大径部１０６ｂがシリンダ１０４内で摺動する。また、シリンダ１０４の他端部には孔１０４ｄが形成され、孔１０４ｄから突出した第１小径部１０６ａの先端がダイヤフラム１０２を押圧する。また、第２小径部１０６ｃの端部には、コイルバネ１０５の付勢力に抗してヘッドピン１０６をＺ軸方向に移動させる第１のワイヤアクチュエータ（第１の線状アクチュエータ）１０７の端部が接続されている。
【００１４】
シリンダ１０４の外周部には、Ｌ字状をなす係合ピン（係合手段）１０８の一端部が軸１１０によって回動自在に支持されている。係合ピン１０８の他端部は、シリンダ１０４側へ向けて屈曲し、シリンダ１０４に形成した孔１０４ｂからシリンダ１０４の内部に出没自在とされている。係合ピン１０８の側面は、図示しないコイルバネ（第２の付勢部材）によって図中矢印１１１方向に押圧されている。係合ピン１０８の先端がシリンダ１０４内に突出することで、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂの端面に係合し、ヘッドピン１０６に加わるバネ１０５の付勢力に抗してその位置で保持する（図１（Ａ）に示す状態）。また、係合ピン１０８の他端部側には、係合ピン１０８を回動させてヘッドピン１０６との係合状態を解除する第２のワイヤアクチュエータ（第２の線状アクチュエータ）１０９の端部が接続されている。
【００１５】
第１のワイヤアクチュエータ１０７および第２のワイヤアクチュエータ１０９は、通電することで、ジュール熱により自己発熱し、その熱により形状記憶機能が発現する。この例では、通電により所定の割合で収縮する形状記憶合金を利用して人口筋肉等の用途に開発された繊維状のアクチュエータ（例えば、トキ・コーポレーション株式会社のバイオメタル（登録商標））を使用する。この繊維状のアクチュエータは、柔軟性があり、屈曲して配置した場合であってもアクチュエータとして機能する。なお、ワイヤアクチュエータは、通電による方法に限るものではなく、温風を当てたり近接したヒータで加熱といった方法で収縮させることもできる。
【００１６】
弁室１０１は、ダイヤフラム１０２によって内部の１側面（図中Ｚ軸方向の壁）を有し、ダイヤフラム１０２に対向する側に略円錐形状の弁座１１２を備えている。ダイヤフラム１０２は、ゴム等の弾性部材で構成された円板状のもので、中央部に弁座１１２側へ突出する凸部１０２ａを有している。弁座１１２の中心部には、外部から弁室１０１内に気体や流体等の流体を流入させるための流入ポート１０１ａが形成され、流入ポート１０１ａから離間した箇所には、弁室１０１内に流入した流体が外部に排出される排出ポート１０１ｂが形成されている。
【００１７】
（２）弁装置の動作
図１（Ａ）に示す状態は、弁機能部１０３が開放状態であり、流入ポート１０１から流入した流体は、弁室１０１内を通過し、排出ポート１０１ｂから排出される。この開放状態において、ヘッドピン１０６は、バネ１０５によって図中のＺ軸方向と逆方向（下方）に付勢されているが、係合ピン１０８がヘッドピン１０６の大径部に係合しているので、その方向に移動することができない。
【００１８】
図１（Ａ）に示す状態において、第２のワイヤアクチュエータ１０９に通電し、それを収縮させると、係合ピン１０８が矢印１１１の方向の付勢力に抗して軸１１０の回りに回動し、それにより図１（Ｂ）に示すように、係合ピン１０８がシリンダ１０４内から退避し、ヘッドピン１０６の大径部１０６ｂから外れる。係合ピン１０８の係合が解除されることにより、バネ１０５の付勢力によってヘッドピン１０６がＺ軸方向と逆方向へ移動し、その結果、ヘッドピン１０６の先端１０６ａがダイヤフラム１０２の凸部１０２ａの裏側を押す。これにより、図１（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム１０２が下方へ凸となるように変形し、ダイヤフラム１０２中心部分の凸部１０２ａが流入ポート１０１ａに当接してそれを閉塞する。こうして、弁機能部１０３の閉塞状態が得られ、この状態は、第２のワイヤアクチュエータ１０９への通電を停止しても維持される。
【００１９】
図１（Ｂ）の弁の閉塞状態から図１（Ａ）の弁の開放状態に移るには、第１のワイヤアクチュエータ１０７に通電し、それを収縮させる。第１のワイヤアクチュエータ１０７が収縮すると、ヘッドピン１０６がＺ軸方向（上方）に移動し、それに伴ってバネ１０５が圧縮され、同時にヘッドピン１０６の先端がダイヤフラム１０２から離れ、流入ポート１０１ａの閉塞状態が解除される。そして、図１（Ａ）に示す位置までバネ１０５の圧縮が進んだ段階で、係合ピン１０８がコイルバネによる矢印１１１方向への付勢力によってシリンダ１０４内に突出するように回動する。そして、その先端部がシリンダ１０４内に突出することで、ヘッドピン１０６に係合し、図１（Ａ）に示す係合状態が得られる。この係合状態となると、第１のワイヤアクチュエータ１０７への通電を停止しても、ヘッドピン１０６がそれ以上Ｚ軸方向と逆方向（下方）に移動することはなく、弁機能部１０３の開放状態が維持される。このようにして、弁の開放状態（Ａ）と閉塞状態（Ｂ）を電気的に制御することができる。
【００２０】
上記実施形態によれば、第１、第２のワイヤアクチュエータ１０７，１０９への通電を停止した状態で弁装置を開放状態または閉塞状態に保持することができるから、消費電力を低減することができる。また、ヘッドピン１０６および係合ピン１０８を第１、第２のワイヤアクチュエータ１０７，１０９の収縮により移動させるから、電磁石が不要であることは勿論のこと、その形状が線状であるため弁装置の各部の隙間に配置することができる。そのような構成および作用、効果については、具体的な実施例の説明で詳細に説明する。
【００２１】
２．具体的な実施形態
（１）ワイヤアクチュエータの張設構造
以上は本実施形態における弁装置の概略の構成および動作の説明である。次に、本実施形態における弁装置のより具体的な構造、特に、ワイヤアクチュエータの張設構造等について図２〜図７を参照して詳細に説明する。図２は、本発明を利用した弁装置における駆動部の概要を示す斜視図であり、図３は図２の駆動部の分解図である。
【００２２】
図２および図３に示すように、駆動部３００は、第１フレーム３０１と第２フレーム３０２との間にシリンダ３０３が挟持された基本構造を有する。シリンダ３０３は略直方体状をなし、その両側面の全長に亘って軸線方向に延在する４つの溝３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ（３つのみ示す）が形成されている。また、シリンダ３０３の内部には、円筒空間３０３ｄが形成され、円筒空間３０３ｄの上端開口部の一部は蓋３０４によって閉塞されている。この蓋３０４には、上記溝３０３ａ，…と連続する４つの溝３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｃ（３つのみ示す）が形成されている。
【００２３】
第１フレーム３０１は略コ字状をなし、その内側部３０１ａは、シリンダ３０３の溝３０３ａおよび蓋３０４の溝３０４ａに嵌合させられている。同様に、内側部３０１ａに対向する内側部３０１ｂが溝３０４ｂおよび溝３０３ｂに嵌合させられ、これによって、内側部３０１ａと内側部３０１ｂとの間にシリンダ３０３と蓋３０４が挟持されている。また、第２フレーム３０２は、第１フレーム３０１と同形同大に形成され、その内側部３０２ａは、シリンダ３０３の溝３０３ｃに嵌合するとともに蓋３０４の溝３０４ｃに嵌合している。同様に、内側部３０２ａに対向する内側部３０２ｂがシリンダ３０３および蓋３０４の図示しない溝に嵌合し、これによって、内側部３０２ａと内側部３０２ｂとの間にシリンダ３０３と蓋３０４が挟持されている。
【００２４】
また、第１フレーム３０１と第２フレーム３０２との間には、ガイドローラ３０７，３０８，３０９，３１０が回転自在に挟持されている。各ガイドローラ３０７，…は同形同大であり、ガイドローラ３０７を例にとって説明すると、軸３０７ａ、円周溝３０７ｃが形成されたドラム３０７ｂにより構成されている。なお、図中符号３０２ｃは、軸３０７ａを回転自在に支持する孔である。これら各ガイドローラ３０７，…には、後に詳述する第１のワイヤアクチュエータ（第１の線状アクチュエータ）４０４が巻回されている。第１のワイヤアクチュエータ４０４、および後述する第２のワイヤアクチュエータ（第２の線状アクチュエータ）５０１は、トキ・コーポレーション株式会社のバイオメタル（登録商標）を使用する。
【００２５】
シリンダ３０３の両側面には、上記溝３０３ａと直交する支持溝３０３ｅが形成されている。支持溝３０３ｅには、略コ字状のストッパ３１１が嵌合させられ、その屈曲した先端部３１１ａは、第１フレーム３０１の支持孔３０１ｃに嵌合させられている。またストッパ３１１の他方の先端部も同様にシリンダ３０３および第１フレーム３０１の支持溝に嵌合させられている。そして、ストッパ３１１は、その状態でロウ付けまたは接着によってシリンダ３０３に固定され、これにより、第１フレーム３０１がシリンダ３０３から抜けないようになっている。
【００２６】
シリンダ３０３の内部には、円筒空間３０３ｄが形成されてそこにヘッドピン３０５が軸線方向へ摺動自在に収容されている。なお、図３では図示のためにヘッドピン３０５をシリンダ３０３の外に記載してある。ヘッドピン３０５は、図中下側から第１小径部３０５ａ、大径部３０５ｂ、第２小径部３０５ｃが成形された略円柱形状をなしている。シリンダ３０３の蓋３０４とヘッドピン３０５との間には、コイルバネ６０１（図６のみに示す）が配置されている。コイルバネ６０１は第２小径部３０５ｃに嵌合させられ、大径部３０５ｂがシリンダ３０３の円筒空間３０３ｄ内で摺動する。シリンダ３０３の下端部には孔３０３ｍ（図４、図５参照）が形成され、孔３０３ｍから第１小径部３０５ａが突出している。第２小径部３０５ｃには、孔３０５ｄが形成され、そこに第１のワイヤアクチュエータ４０４が挿通されている。
【００２７】
シリンダ３０３の側面には、アーム３１２が軸３１２ａによって回動自在に支持されている。アーム３１２の一端部には、アーム３１２と直交する方向に突出する係合ピン（係合手段）３１３が取り付けられるとともに、第２のワイヤアクチュエータ５０１（図２、図５参照）を挿通させた孔３１２ｃが形成されている。以下、アーム３１２の構成について詳述する。
【００２８】
シリンダ３０３の一側面には、架台３０３ｆ，３０３ｇが突出して一体形成され、架台３０３ｆ，３０３ｇには、軸孔３０３ｈがそれぞれ形成されている。架台３０３ｆ，３０３ｇの間には、アーム３１２が嵌合させられ、アーム３１２の一端部に軸孔３０３ｈに挿通させた軸３１２ａが挿通されることにより、アーム３１２は軸３１２ａの回りに回動可能とされている。
【００２９】
アーム３１２には、円形の座ぐり３１２ｂが形成され、そこにコイルバネ３１４の一端部が収容されている。コイルバネ３１４の他端部は、シリンダ３０３に固定された略コ字状のバネ押え３１５により押圧されている。すなわち、バネ押え３１５の端部で屈曲した両側部３１５ａ，３１５ｂは、架台３０３ｆ，３０３ｇに形成された溝部３０３ｊ，３０３ｋに嵌合させられ、そこでロウ付けや接着により固定されている。このような構成により、コイルバネ３１４は、バネ押え３１５とアーム３１２との間で圧縮され、アーム３１２をシリンダ３０３の方向に付勢する。この付勢力は、係合ピン３１３をシリンダ３０３に形成された孔３０３ｉからシリンダ３０３内の円筒空間３０３ｄに突出させる付勢力として働く。
【００３０】
バネ押え３１５は絶縁材料で構成され、その頂部には、ガイド溝３１５ｃ，３１５ｄが形成されている。そして、図２に示すように、第２のワイヤアクチュエータ５０１は、後述する電極３２１→ガイド溝３１５ｄ→孔３１２ｃ→ガイド溝３１５ｃ→電極３２２と掛け渡されて張設されている。この場合において、第２のワイヤアクチュエータ５０１が非通電状態で収縮していない状態では、コイルバネ３１４の付勢力によってアーム３１２がシリンダ３０３側に押圧される。通電が行われ、第２のワイヤアクチュエータ５０１が収縮すると、バネ押え３１５のガイド溝３１５ｃ，３１５ｄを支点として、孔３１２ｃに図中Ｙ軸方向と反対方向への張力成分が発生し、アーム３１２を軸３１２ａを中心に回動させる力が加わる。この構成によれば、図中Ｙ軸方向の寸法が小さくても係合ピン３１３の可動範囲を効率良く確保することができる。
【００３１】
次に、第１フレーム３０１は絶縁材料で構成され、その片面には、電極３１７，３１８が取り付けられた電極板３１６がビス３１９，３２０によって取り付けられている。電極３１７，３１８は、第１のワイヤアクチュエータ４０４に電流を流すための電極であり、通電時において両電極間には、適当なＤＣあるいはＡＣ電圧が加えられる。ビス３１９，３２０を挿通させているビス孔３１６ａ，３１６ｂは長孔に形成され、図中上下方向に電極板３１６を移動させることができるようになっている。これにより、電極板３１６を第１フレーム３０１に対して上下させ、第１のワイヤアクチュエータ４０４の張り具合を調整することができる。
【００３２】
第２フレーム３０２も絶縁材料で構成され、その片面には、電極３２１，３２２が取り付けられた電極板３２０がビス３２３，３２４によって取り付けられている。電極３２１，３２２は、第２のワイヤアクチュエータに電流を流すための電極であり、通電時において両電極間には、適当なＤＣあるいはＡＣ電圧が加えられる。ビス３２３，３２４を通すためのビス孔３２０ａ，３２０ｂは長孔に形成され、図中上下方向に電極板３２０を動かすことができる寸法の余裕があり、このビス孔の余裕を利用することで、電極板３２０を移動させることができるようになっている。これにより、電極板３２０を第２フレーム３０２に対して上下させ、第２のワイヤアクチュエータ５０１の張り具合を調整することができる。
【００３３】
次に、第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態（引き回しの状態）について説明する。図４は、本実施形態における弁装置の完全な組立状態を示す平断面図である。図４には、弁装置の外装構造をなす略直方体状の上側ケース４０１と下側ケース４０２とが上下に嵌着され、その内部に図２および図３に示した駆動部３００と、この駆動部３００によって駆動されるダイヤフラム４０６が収容された弁機能部４００が示されている。なお、図４では、第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態と弁機能部４００を主として説明するために、それ以外の構成の大半を省略している。
【００３４】
図４に示すように、第１のワイヤアクチュエータ４０４は、一端が電極３１７に固定され、そこから、ガイドローラ３０９→ガイドローラ３０８→ヘッドピン３０５の孔３０５ｄ（図３、図４参照）→ガイドローラ３０７→ガイドローラ３１０に掛けられ、他端が電極３１８に固定されている。
【００３５】
電極３１７と３１８との間で通電を行うと、第１のワイヤアクチュエータ４０４に電流が流れ、抵抗加熱により第１のワイヤアクチュエータ４０４自体が発熱して収縮する。各ガイドローラ３０８，…は回転自在であるので、この第１のワイヤアクチュエータ４０４の収縮は、全体において抵抗無くスムーズに行われ、それにより、シリンダ３０３内においてヘッドピン３０５が図中上方（Ｚ軸方向）に引っ張られる。こうして、シリンダ３０３の内部円筒空間３０４ｄにおいて、ヘッドピン３０５をコイルバネ６０１ない付勢手段に抗して上方に引き上げる駆動力が発生する。
【００３６】
図４に示すような第１のワイヤアクチュエータ４０４の展開状態は、第１のワイヤアクチュエータ４０４を折り返して配置しているので、狭い占有空間（展開空間）でありながら、その収縮時のストロークを長く確保することができる。この際、回転自在なガイドローラ３０８，…によって折り返し構造を維持しているので、全体の動き（収縮）をスムーズに伝達することができる。また、ヘッドピン３０５は、単滑車と同じ作用により引っ張られるので、ワイヤアクチュエータ４０４の収縮力の２倍の力をヘッドピン３０５に加えることができる。
【００３７】
図５は、第２のワイヤアクチュエータの展開状態および駆動部３００の外観を示す斜視図であり、図２に示す駆動部３００を斜め後方の下側から見た斜視図である。図５に示すように、第２のワイヤアクチュエータ５０１は、その一端が電極３２２に固定され、そこからバネ押え３１５の頂部のガイド溝３１５ｃ→アーム３１２の孔３１２ｃ→バネ押え３１５の頂部のガイド溝３１５ｄ→と順に掛け渡され、他端が電極３２１に固定されている。この展開構造においては、バネ押え３１５の高さ（図中のＹ軸方向の寸法）によって、アーム３１２をシリンダ３０３から斜めに離れる方向に引っ張る力がアーム３１２に働く。しかも、第２のワイヤアクチュエータ５０１の展開長を確保できるので、アーム３１２の可動範囲を大きく確保することができる。つまり、第２のワイヤアクチュエータ５０１の展開を３次元的に行うことで、図中のＹ軸方向の寸法を大きくしなくても、図３の係合ピン３１３の可動範囲を大きく確保することができる。
【００３８】
（２）弁機能部の構成
次に、弁機能部４００の構成を説明する。弁機能部４００は下側ケース４０２に設けられている。上側ケース４０１の下端面と下側ケース４０２の上端面には、円形の溝４０１ａ，４０２ａが相対向して形成され、これら溝４０１ａ，４０２ａに、ダイヤフラム４０６に形成した凸条４０６ｂが嵌合している。下側ケース４０２の中央部には、円錐状をなす弁座４０９が形成され、弁座４０９の中央には、下方へ向けて突出する流入ポート４０７が形成されている。また、弁座４０９の流入ポート４０７から離間した箇所には、排出ポート４０８が形成されている。ダイヤフラム４０６の下面中央部には、流入ポート４０７に当接する凸部４０６ａが形成されている。
【００３９】
図４においては、ヘッドピン３０５によってダイヤフラム４０６が図中下方に押圧され、それによりダイヤフラム４０６が変形してその中心部の凸部４０６ａが流入ポート４０７を塞いでいる状態が示されている。この閉塞状態において、ダイヤフラム４０６は、円錐状（略椀状）の弁座４０９に沿うように変形する。このため、ダイヤフラム４０６と弁座４０９との間の隙間４１０の容積を小さくすることができる。
【００４０】
また、図４に示す状態において、第１のワイヤアクチュエータ４０４が収縮すると、ヘッドピン３０５がシリンダ３０３内に引き上げられ、ヘッドピン３０５がダイヤフラム４０６を押圧した状態が解除され、流入ポート４０７が開放される。流入ポート４０７が開放されることで、排出ポート４０８との間で流路が確保され、弁の開放状態を得ることができる。なお、ダイヤフラム４０６は、ゴム以外の弾性材料、例えば変形可能な樹脂や薄い金属によって構成することも可能である。なお、ヘッドピン３０５が上方に後退した状態（弁が開放状態）で、ダイヤフラム４０６と円錐状の弁座４０９との間の隙間が拡大し、そこが弁室となる。
【００４１】
（３）弁装置の動作
図６は、図２および図５に示す駆動装置３００をＸ軸方向から見た一部破砕断面図である。図６には、シリンダ３０３内に収められたヘッドピン３０５が、付勢手段であるコイルバネ６０１によって、Ｚ軸方向と反対方向に付勢され、かつ係合ピン３１３に係合されることにより、コイルバネ６０１の付勢力に抗して位置が保持されている状態が示されている。
【００４２】
図６に示す状態において、第２のワイヤアクチュエータ５０１に通電し、それを収縮させると、バネ押え３１５の頂部が支点となり、孔３１２ｃにＹ軸成分およびＺ軸成分の張力が第２のワイヤアクチュエータ５０１から作用する。この力により、軸３１２ａを支点としてアーム３１２がＹ軸方向と逆方向に回動し、係合ピン３１３が係合ピン侵入口３０３ｉから抜け、同時に係合ピン３１３のヘッドピン３０５への係合状態が解除される。この結果、ヘッドピン３０５のＺ軸方向と逆方向への移動を規制するものがなくなり、バネ６０１の付勢力により、ヘッドピン３０５は同方向に移動し、ヘッドピン３０５先端の第１小径部３０５ａが突出する。ヘッドピン３０５が突出してダイヤフラム４０６を押圧することにより、ダイヤフラム４０６が弁座４０９の流入ポート４０７を閉塞する。なお、ヘッドピン３０５が突出した後は、第２のワイヤアクチュエータ５０１への通電を停止する。この場合、アーム３１２はコイルバネ３１４の付勢力によってヘッドピン３０５側へ回動し、係合ピン３１３の先端がヘッドピン３０５の大径部３０５ｂに当接する。
【００４３】
ヘッドピン３０５を元に戻す（弁を開放状態にする）には、第１のワイヤアクチュエータ４０４への通電を行う。これにより、第１のワイヤアクチュエータ４０４が収縮し、バネ６０１の付勢力に抗してヘッドピン３０５がシリンダ３０３内においてＺ軸方向に移動する。そして、係合ピン３１３に第１小径部３０５ａが達すると、大径部３０５ｂに係合ピン３１３が係合する。その後、第１のワイヤアクチュエータ４０４への通電を停止する。
【００４４】
上記実施形態においては、第１、第２のワイヤアクチュエータ４０４，５０１を用い、それらを折り返しあるいは屈曲させて張設しているから、小型化を達成しつつ第１、第２のワイヤアクチュエータ４０４，５０１の可動範囲を大きく確保することができる。また、第１のワイヤアクチュエータ４０４を、上記のようにシリンダ３０３等の各部材の隙間を縫うように張設したり、第２のワイヤアクチュエータ５０１のように３次元的に張設することができるので、設計の自由度が向上する。
【００４５】
（４）安全機構
以上が弁の構造に関する説明であるが、停電等に起因する電源遮断時の安全機構について以下に説明する。本実施形態の弁装置は、弁の開動作または閉動作において電源電力が必要であり、開状態の維持および閉状態の維持には、電力を必要としない。つまり、停電により電源部の出力電圧が低下、あるいは出力停止になった場合、その時の弁の状態がそのまま維持されてしまう。しかしながら、弁装置が利用されるシステムによっては、停電時に弁を自動閉鎖する設定としたい場合等もある。
【００４６】
そこで、電源電圧低下時に弁を自動閉鎖する機構の一例を説明する。図７は、弁を自動閉鎖する機構を示すブロック図である。この例においては、電源部７０１の出力電圧は、電圧検出部７０２を介して制御部７０４に供給され、制御部７０４は、弁の開閉を指示する弁開閉制御信号に基づいて、電源部７０１から送られてきた電圧を弁制御電圧として、弁装置７０５に出力する。弁装置７０５は、上記実施形態の構成のものが使用される。一方、電源部７０１の電力は、キャパシタ７０３に蓄えられ、キャパシタ７０３は、蓄えた電力を制御部７０４に供給可能となっている。
【００４７】
電圧検出部７０２は、電源７０１の出力電圧を監視し、その値が所定のレベルを下回った場合に、その旨の異常検出信号を制御部７０４に送る。電圧検出部７０２から異常検出信号が出力されない状態では、制御部７０４は、電源部７０１から供給される電力により弁装置７０５の開閉制御を行う。電源部７０１の出力電圧が低下し、その値が所定のレベルを下回ると、それが電圧検出部７０２によって検出され、異常検出信号が電圧検出部７０２から制御部７０４に出力される。この異常検出信号を受けると、制御部７０４は、電力供給源を電源装置７０１からキャパシタ７０３に切り換えるとともに、キャパシタ７０３に蓄積された電力を利用して、弁装置７０５に対して弁を閉鎖する旨の弁制御電圧を出力する。この結果、弁装置７０５は強制的に閉鎖状態となる。例えば、図２〜図６の実施形態の例でいえば、第２のワイヤアクチュエータ５０１に通電が行われ、強制的に弁が閉鎖状態となる。このようにして、停電等により電源電圧の低下が発生した場合に、自動的に弁を閉鎖することができる。なお、以上は弁を自動的に閉鎖する例であるが、逆に弁を自動的に開放するように構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、流体の流れを電気的に制御する種々の弁装置に適用することができ、特に、小型燃料電池への燃料ガスおよび酸化性ガスの供給のための弁装置など、特に、小型化の要望が強い弁装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】発明を利用した弁装置を概念的に示した断面図である。
【図２】発明を利用した弁装置における駆動部の概要を示す斜視図である。
【図３】図２の駆動部の分解図である。
【図４】実施形態における弁装置の断面構造を示す断面図である。
【図５】第２のワイヤアクチュエータの展開状態および駆動部の外観を示す斜視図である。
【図６】発明を利用した弁装置における駆動部の一部破砕断面図である。
【図７】実施形態の安全機構を制御するための制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…弁装置、１０１ａ…流入ポート、１０１ｂ…排出ポート、１０１…弁室、１０２…ダイヤフラム、１０２ａ…凸部、１０３…弁機能部、１０４…シリンダ、１０５…バネ、１０６…ヘッドピン、１０７…第１のワイヤアクチュエータ、１０８…係合ピン、１０９…第２のワイヤアクチュエータ、１１０…軸、１１１…係合ピン１０８の付勢方向。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側部に流入ポートおよび排出ポートが設けられ他側部に柔軟性を有するダイヤフラムが設けられた弁室と、前記ダイヤフラムに対して接近離間可能に設けられ、同ダイヤフラムを押圧することで前記流入ポートおよび前記排出ポートの少なくともいずれか一方を同ダイヤフラムで閉塞させる押圧手段と、この押圧手段を前記ダイヤフラム側へ付勢する第１の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより前記押圧手段を前記付勢手段の付勢力に抗して前記ダイヤフラムと逆方向へ移動させる第１の線状アクチュエータと、前記押圧手段に対して接近離間可能に設けられるとともに同押圧手段に係脱自在に係合し、前記押圧手段が前記ダイヤフラムと逆方向へ移動したときに前記押圧手段と係合して同押圧手段をその位置に保持する係合手段と、この係合手段を前記押圧手段側へ付勢する第２の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより前記係合手段を前記第２の付勢手段の付勢力に抗して前記押圧手段から離間させる第２の線状アクチュエータとを備え、前記第１、第２の線状アクチュエータへ通電することでそれらの伸縮状態を変化させることにより弁の開閉を制御することを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記弁室内には、前記ダイヤフラムと対向する位置に弁座が設けられ、この弁座は、前記一側部側へ向かうに従って軸断面積が減少する断面形状とされ、かつ、その中央部に、前記流入ポートおよび排出ポートの一方が形成され、周辺部に前記流入ポートおよび排出ポートの他方が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【請求項１】
一側部に流入ポートおよび排出ポートが設けられ他側部に柔軟性を有するダイヤフラムが設けられた弁室と、前記ダイヤフラムに対して接近離間可能に設けられ、同ダイヤフラムを押圧することで前記流入ポートおよび前記排出ポートの少なくともいずれか一方を同ダイヤフラムで閉塞させる押圧手段と、この押圧手段を前記ダイヤフラム側へ付勢する第１の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより前記押圧手段を前記付勢手段の付勢力に抗して前記ダイヤフラムと逆方向へ移動させる第１の線状アクチュエータと、前記押圧手段に対して接近離間可能に設けられるとともに同押圧手段に係脱自在に係合し、前記押圧手段が前記ダイヤフラムと逆方向へ移動したときに前記押圧手段と係合して同押圧手段をその位置に保持する係合手段と、この係合手段を前記押圧手段側へ付勢する第２の付勢手段と、温度に応じて伸縮することにより前記係合手段を前記第２の付勢手段の付勢力に抗して前記押圧手段から離間させる第２の線状アクチュエータとを備え、前記第１、第２の線状アクチュエータへ通電することでそれらの伸縮状態を変化させることにより弁の開閉を制御することを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記弁室内には、前記ダイヤフラムと対向する位置に弁座が設けられ、この弁座は、前記一側部側へ向かうに従って軸断面積が減少する断面形状とされ、かつ、その中央部に、前記流入ポートおよび排出ポートの一方が形成され、周辺部に前記流入ポートおよび排出ポートの他方が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−７８０２８（Ｐ２００７−７８０２８Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６３９９９（Ｐ２００５−２６３９９９）
【出願日】平成１７年９月１２日（２００５．９．１２）
【出願人】（０００１０７６４２）スター精密株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１２日（２００５．９．１２）
【出願人】（０００１０７６４２）スター精密株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
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