JP2022166778A - 圧電式バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】弁体の変位波形に発生するリップルを低減し、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる圧電式バルブを提供する。【解決手段】弁体を駆動するアクチュエータと、アクチュエータを固定する弁座プレートと、弁座プレートを収納する本体ケースと、を備える圧電式バルブであって、アクチュエータは、弁座プレートに固定される基部と、基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、基部に一体に設けられ、圧電素子と並んで第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、圧電素子の他端部及び支持部の先端部と接続され、圧電素子の伸縮に伴って、第１長手方向及び第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、作用部の変位する方向の側に設けられ弁体と、を備え、支持部は、第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、くびれ部よりも基部の側において弁座プレートに固定される。【選択図】図８

Description

本発明は、圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブに関する。

従来、圧電素子の変位を利用してバルブの開閉を行い、圧縮気体を噴出する圧電式バルブは周知である（特許文献１，２を参照。）。

特許文献１，２に記載された圧電式バルブは、高速応答性能に優れる圧電素子の特性を利用するアクチュエータを備えるものであり、前記アクチュエータに前記圧電素子の小さな変位をテコの原理に基づき拡大する変位拡大機構を備えるものである。

前記圧電式バルブは、応答性に優れるため、米粒等の粒状物を対象とした光学式選別機のエジェクタバルブに用いて不良品を除去する場合、良品が巻き添えとなって除去されることが少なく、除去された不良品側の不良品混入率が電磁式バルブに比べて高いとの知見を、試験からも、また経験則上も得られている。

ところで、前記圧電式バルブは、前記光学式選別機のエジェクタバルブ等として用いる場合、例えば特許文献２に記載されるように、圧縮エア源から圧縮エアが供給される空間を内部に有するマニホールドに直接連続状に装着され、エジェクタの先端には多数のノズル孔が開口することとなる。

ところが、前記特許文献１，２に記載された圧電式バルブは、前記アクチュエータを固定した弁座プレートをバルブ本体のケース内に収納するものであり、前記アクチュエータがアーム及び板バネ等を有する複雑な構造の変位拡大機構を備え、前記アクチュエータの厚み幅の寸法を小さくできないために、複数のエア排出口を設ける場合、前記エア排出口のピッチを小さくすることが困難な問題があった。

そこで、本発明者らは、アクチュエータがシンプルな構造の変位拡大機構を備える圧電式バルブを提案した（特許文献３を参照。以下、「先発明」という。）。

先発明の圧電式バルブによれば、アクチュエータの厚み幅の寸法を従来よりも小さくすることができるので、複数のアクチュエータを備えることとした場合、従来の圧電式バルブに比べ、エア排出口のピッチを小さくすることが可能となる。

ところが、先発明の圧電式バルブにおいて、前記アクチュエータにおける圧電素子に駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて弁体を開弁駆動する際の前記弁体の変位量を計測したところ、変位波形にリップルが発生することが確認され、エア排出口から圧縮エアを安定した状態で排出できないことが懸念されることから、更なる改善の余地がある。

特開２０１７－５１８９４号公報 特開２０１５－１３７６６４号公報 特願２０２０－１５４３０８号

本発明は、先発明の圧電式バルブを改良するものであり、アクチュエータにおける弁体の変位波形に発生するリップルを低減し、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる圧電式バルブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
弁体を駆動するアクチュエータと、
前記弁体と接離する弁座及び排出路を有し、前記アクチュエータを固定する弁座プレートと、
前記弁座プレートを収納する本体ケースと、を備える圧電式バルブであって、
前記アクチュエータは、
前記弁座プレートに固定される基部と、
前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、
前記基部に一体に設けられ、前記圧電素子と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、
前記圧電素子の他端部及び前記支持部の先端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、
前記作用部の前記変位する方向の側に設けられ、前記作用部の変位によって駆動される前記弁体と、を備え、
前記支持部は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、前記くびれ部よりも前記基部の側であって、前記くびれ部と前記基部との間において前記弁座プレートに固定され、
前記本体ケースは、
圧縮気体が供給される気体供給口と、
前記気体供給口から供給された圧縮気体を前記弁体と前記弁座との離間によって前記弁座プレートの前記排出路を介して排出する気体排出口と、
を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明は、
複数の弁体をそれぞれ個別に平行な面内で駆動する複数のアクチュエータと、
前記複数の弁体とそれぞれ個別に接離する弁座及び排出路を複数有し、前記複数のアクチュエータを固定する弁座プレートと、
前記弁座プレートを収納する本体ケースと、を備える圧電式バルブであって、
前記複数のアクチュエータのそれぞれは、
前記弁座プレートに固定される基部と、
前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、
前記基部に一体に設けられ、前記圧電素子と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、
前記圧電素子の他端部及び前記支持部の先端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、
前記作用部の前記変位する方向の側に設けられ、前記作用部の変位によって駆動される前記弁体と、を備え、
前記支持部は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、前記くびれ部よりも前記基部の側であって、前記くびれ部と前記基部との間において前記弁座プレートに固定され、
前記本体ケースは、
圧縮気体が供給される気体供給口と、
前記気体供給口から供給された圧縮気体を前記複数の弁体と前記複数の弁座との離間によって前記弁座プレートの前記各排出路を介してそれぞれ個別に排出する複数の気体排出口と、
を備えることを特徴とする。

本発明は、
前記支持部が、例えばインバー材を含むステンレス材等の金属材料により前記基部と一体に成形されることで、前記基部に一体に設けられることが好ましい。

また、本発明は、
前記支持部が、前記基部に例えばインバー材を含むステンレス材等からなる別部材を取り付けることで、前記基部に一体に設けることもできる。

本発明は、
前記基部が、少なくとも前記圧電素子の一端部が接続される側において前記弁座プレートに固定されることが好ましい。
本発明は、
前記基部が、前記支持部が設けられる側において前記弁座プレートに固定することもできる。

本発明は、
前記支持部の前記くびれ部から前記先端部までの長さにより、前記弁体の変位量を調整することが好ましい。

本発明は、
前記支持部には、前記くびれ部よりも前記基部の側であって、前記くびれ部と前記基部との間において前記第２長手方向に沿って複数の取付け穴が設けられ、
前記支持部は、少なくとも１つの前記取付け穴を利用して前記弁座プレートにネジ固定されることが好ましい。

本発明は、
前記圧電素子の前記一端部又は前記他端部の少なくとも一方が、前記支持部よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部を介して前記基部の取付け面又は前記作用部に接続されることが好ましい。

本発明は、
前記連結部が、前記作用部に一体に設けられ、
前記圧電素子の前記他端部が、前記支持部よりも線膨張係数の大きな材料からなる前記連結部を介して前記作用部に接続されることが好ましい。

本発明は、
前記連結部が、アルミニウム材等の金属材料により前記作用部と一体に成形されることで、前記作用部に一体に設けられることが好ましい。

また、本発明は、
前記連結部が、前記作用部に例えばアルミブロック等からなる別部材を取り付けることで、前記作用部に一体に設けることもできる。

本発明は、
前記アクチュエータが、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備えることが好ましい。

本発明は、
前記アクチュエータが、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する前記圧縮部材を前記圧電素子の略中心軸上に位置するように備えることが好ましい。

本発明は、
前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間にシリコーンを充填し、前記隙間を前記シリコーンで埋めることが好ましい。

本発明は、
前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間を等間隔とし、前記隙間を前記シリコーンで埋めることが好ましい。

本発明は、
前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子が前記第１長手方向に延びる側と前記支持部が前記第２長手方向に延びる側との間に形成される隙間にシリコーンを充填し、前記隙間を前記シリコーンで埋めることが好ましい。

本発明は、
前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子が前記第１長手方向に延びる側と前記支持部が前記第２長手方向に延びる側との間に形成される隙間を等間隔とすることが好ましい。

本発明の圧電式バルブは、前記アクチュエータが、前記弁座プレートに固定される基部と、前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、前記基部に一体に設けられ、前記圧電素子と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、前記圧電素子の他端部及び前記支持部の先端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、前記作用部の前記変位する方向の側に設けられ、前記作用部の変位によって駆動される前記弁体と、を備え、前記支持部は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、前記くびれ部よりも前記基部の側において前記弁座プレートに固定されるので、従来の圧電式バルブに比べ、アクチュエータにおける弁体の変位波形に発生するリップルを低減し、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる。

本発明の圧電式バルブは、前記アクチュエータが、前記支持部の前記くびれ部から前記先端部までの長さにより、前記弁体の変位量を調整することとすれば、前記気体排出口から排出される圧縮気体の排出量を調整することができる。

本発明の圧電式バルブは、前記圧電素子の前記一端部又は前記他端部の少なくとも一方が、前記支持部よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部を介して前記基部の取付け面又は前記作用部に接続されることとすれば、温度変化による前記圧電素子の熱膨張又は熱収縮の影響を軽減し、又は無くすことができる。

本発明の圧電式バルブは、前記アクチュエータが、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備えることとすれば、引張方向の荷重に対し損傷しやすい圧電素子の損傷を防止することができる。

本発明の圧電式バルブは、前記アクチュエータが、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する前記圧縮部材を前記圧電素子の略中心軸上に位置するように備えることとすれば、前記圧電素子に対し前記圧縮部材による捻れ力が作用せず、前記圧電素子の損傷を効果的に防止することができる。

本発明の圧電式バルブは、前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間をシリコーンで埋めることとすれば、前記弁体の変位波形に発生するリップルをさらに効果的に低減することができる。

本発明の圧電式バルブは、前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間を等間隔とし、前記隙間を前記シリコーンで埋めることとすれば、前記隙間へのシリコーンの充填を容易に行うことができる。

圧電式バルブの斜視図である。 圧電式バルブの説明図である。 弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の斜視図である。 弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の説明図である。 弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の説明図である。 先発明におけるアクチュエータの説明図である。 先発明のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図である。 本発明の実施形態１におけるアクチュエータの説明図である。 本発明の実施形態１のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図である。 本発明の実施形態２におけるアクチュエータの説明図である。 本発明の実施形態２のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図である。 本発明の実施形態３におけるアクチュエータの説明図である。 本発明の実施形態３のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図である。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［圧電式バルブの基本構成］
まず、本発明における圧電式バルブの基本構成について説明する。
図１は圧電式バルブの斜視図を示す。図２は圧電式バルブの説明図であって側面側から見た図を示す。
前記圧電式バルブ１は、バルブ本体２、後述するアクチュエータ３、及び前記アクチュエータ３が固定された状態で前記バルブ本体２の内部に配設される後述する弁座プレート４を備える。

前記バルブ本体２は、後面（図１及び図２では下面）が開口するケースであって、内部には、外部の圧縮気体供給源（図示せず）から圧縮気体の供給を受ける気体圧力室を備える。
また、前記バルブ本体２の前面（図１及び図２では上面）には、圧縮気体源から圧縮気体が供給される空間を内部に有するマニホールド（図示せず）に装着するためのコネクタ部５が設けられる。

前記コネクタ部５の前面には、前記バルブ本体２内に圧縮気体を吸入する気体吸入口５１及び前記圧縮気体を排出する複数の気体排出口５２が開口する。
また、前記バルブ本体２の前面には、前記コネクタ部５の前記気体吸入口５１と連通する気体供給口（図示せず）、及び前記各気体排出口５２と連通する複数の気体排出口（図示せず）が開口する。
前記バルブ本体２の後面はカバー体６により閉鎖され、前記カバー体６には後述する圧電素子３２に給電するための配線コネクタ６１が配設される。

図３は弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の斜視図を示す。ここでは、アクチュエータの一例として先発明のアクチュエータを固定した状態を示している。図４は弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の説明図であって、図３の弁座プレートの側面側から見た図を示す。図５は弁座プレートにアクチュエータを固定した状態の説明図であって、図３及び図４の弁座プレートの前面側から見た図を示す。
前記圧電式バルブ１は、アクチュエータ３を固定した弁座プレート４を前記バルブ本体２の内部に収納するものである。
前記弁座プレート４は、２つのアクチュエータを取り付けることが可能な弁座プレートの一例であって、中央部分に弁座部４１を有し、前記弁座部４１の相対する両側面にそれぞれ前記アクチュエータ３の弁体３５が当接する弁座４２が設けられる。

前記弁座プレート４の一面側には、前記弁座部４１の一方の側面に対向する位置に前記アクチュエータ３の取り付け部４３が形成される。
また、前記弁座プレート４の他面側には、前記弁座部４１の他方の側面に対向する位置に前記アクチュエータ３の取り付け部４４が形成される。
前記２つのアクチュエータ３は、前記各弁体３５が前記各弁座４２に対峙するよう、前記弁座プレート４の前記各取り付け部４３，４４に配設されネジにより固定される。

前記弁座部４１には、前記各弁座４２の弁座面に開口する複数の排出路４５が形成され、前記各排出路４５は前記弁座プレート４の前面（図４では上面）に開口する。
前記弁座プレート４は、前記２つのアクチュエータ３が固定された状態で前記バルブ本体２の内部に配設され、前記バルブ本体２の前面側から前記前面がネジにより固定されることで、前記各排出路４５が前記バルブ本体２の前面に開口する前記各気体排出口と連通する。

前記圧電式バルブ１は、前記弁座プレート４が前記バルブ本体２のケース内に幅方向に並んで２つ収納されるものであり、前記バルブ本体２の前面に４つの気体排出口が開口する。

なお、前記圧電式バルブは、前記バルブ本体２のケース内に４つのアクチュエータを配設し、前記バルブ本体の前面に４つの気体排出口が開口することとしたが、これに限定されるものでなく、バルブ本体内に１つ以上のアクチュエータを配設することができる。

［先発明のアクチュエータ］
図６は先発明の圧電式バルブが備えるアクチュエータの説明図を示す。
先発明のアクチュエータ３は、弁座プレートに固定される基部３１と、前記基部３１の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子３２と、前記基部３１と一体成形され、前記圧電素子３２と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部３３を備える。

また、前記先発明のアクチュエータ３は、前記圧電素子３２の他端部及び前記支持部３３の先端部と接続され、前記圧電素子３２の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる方向に変位する作用部３４、前記作用部３４の先端側であって前記変位する方向の一側面に設けられ、前記作用部３４の前記変位によって駆動される弁体３５を備える。

前記アクチュエータ３は、前記圧電素子３２の伸縮に伴い、前記作用部３４が前記第１長手方向及び前記第２長手方向を含む平面に略平行な面内で、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する。
その際、前記支持部３３の前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部３３１を設けることで、前記圧電素子３２の伸縮に伴う前記作用部３４の変位を拡大することができる。

前記基部３１の取付け面には、例えばアルミブロック等からなる連結部材３１１を取付けることができる。

また、前記アクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４の間を圧縮部材３６で連結することができる。

図７は先発明のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図を示す。
図７に示す弁体３５の変位波形は、図６に示す先発明のアクチュエータ３において圧電素子３２に駆動電圧を印加し、該圧電素子３２を伸長させて弁体３５を開弁駆動する際の当該弁体３５の変位量をレーザー計測器により計測したものである。

実験は、特開２０１７－１６０９７３号公報の［実施例］に記載された方法に基づいて圧電素子３２に駆動電圧を印加して行われた。実験条件は以下のとおりである。なお、入力信号の各時間条件は、弁体の変位波形に発生するリップルが少ない状態となる最適値に設定した。
（１）駆動電圧：７２Ｖ
（２）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０９７ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．０７７ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．６ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０１ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．２１６ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）

図７に示すように、先発明のアクチュエータ３では、弁体の変位波形に共振によると思われる複数の大きなリップルが発生していることが確認できる。
したがって、先発明の圧電式バルブは、気体排出口から圧縮気体が安定した状態で排出されないことが懸念される。

［本発明のアクチュエータ］
本発明の圧電式バルブは、先発明の圧電式バルブにおいてアクチュエータを改良するものである。

＜実施例１＞
図８は本発明の実施形態１におけるアクチュエータの説明図を示す。
実施形態１のアクチュエータ３は、弁座プレート４に固定される基部３１と、前記基部３１の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子３２と、前記基部３１に一体に設けられ、前記圧電素子３２と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部３３を備える。

また、実施形態１のアクチュエータ３は、前記圧電素子３２の他端部及び前記支持部３３の先端部と接続され、前記圧電素子３２の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる方向に変位する作用部３４と、前記作用部３４の先端側であって前記変位する方向の一側面に設けられ、前記作用部３４の前記変位によって駆動される弁体３５を備える。

実施形態１のアクチュエータ３において、前記基部３１は、前記圧電素子３２の一端部が接続される側と前記支持部３３が一体に設けられる側とを含み、前記圧電素子３２が接続される側及び前記支持部３３が設けられる側において前記弁座プレート４にネジにより固定される。

また、実施形態１のアクチュエータ３において、前記支持部３３は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部３３１を有し、前記くびれ部３３１よりも前記基部３１の側であって、前記くびれ部３３１と前記基部３１との間に設けられる取付け穴３８を利用して前記弁座プレート４にネジにより固定される。

なお、前記基部３１は、少なくとも前記圧電素子３２の一端部が接続される側において前記弁座プレート４に固定されていればよい。

ここで、前記基部３１及び前記支持部３３は、例えばインバー材を含むステンレス材等の金属材料を打ち抜いて一体成形することができる。
前記基部３１及び前記支持部３３を、前記金属材料を打ち抜いて一体成形すれば、部品点数が削減され、前記アクチュエータ３の組立てが容易となる。

また、前記基部３１と前記支持部３３を別部材により形成し、前記基部３１に別部材の前記支持部３３を取り付けることで、前記支持部３３を前記基部３１に一体に設けることもできる。

実施形態１のアクチュエータ３において、前記作用部３４は、例えばアルミニウム材等の軽量材料により形成することができる。前記作用部３４をアルミニウム材等の軽量材料により形成することとすれば、前記作用部３４を変位させるうえで好ましい。
また、前記弁体３５は、ゴム製等であって、好ましくは滑性ゴムとすることができる。

前記アクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４の間を圧縮部材３６で連結することができる。
圧電素子は引張方向の荷重に対し損傷しやすいが、前記基部３１と前記作用部３４の間を前記圧縮部材３６で連結することとすれば、前記圧電素子３２を前記第１長手方向に圧縮することができるため、前記圧電素子３２の損傷を防止できる。

図９は本発明の実施形態１のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図を示す。
図９に示す弁体３５の変位波形は、図８に示す実施形態１のアクチュエータ３において圧電素子３２に駆動電圧を印加し、該圧電素子３２を伸長させて弁体３５を開弁駆動する際の当該弁体３５の変位量をレーザー計測器により計測したものである。

実験は、特開２０１７－１６０９７３号公報の［実施例］に記載された方法に基づいて圧電素子３２に駆動電圧を印加して行われた。実験条件は以下のとおりである。なお、入力信号の各時間条件は、弁体の変位波形に発生するリップルが少ない状態となる最適値に設定した。
（１）駆動電圧：７２Ｖ
（２）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０６ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．０１２ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．８９ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０３５ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．００３ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）

図９に示すように、実施形態１のアクチュエータ３では、弁体３５の変位波形にリップルがほぼ発生していないことが確認できる。
したがって、本発明の圧電式バルブは、実施形態１のアクチュエータ３を備えることで、先発明の圧電式バルブと比較して、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる。

＜実施形態２＞
図１０は本発明の実施形態２におけるアクチュエータの説明図を示す。
実施形態２のアクチュエータ３は、上記実施形態１のアクチュエータ３において、前記圧電素子３２の他端部が、前記支持部３３よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部３７を介して前記作用部３４に接続されるものである。

実施形態２のアクチュエータ３は、前記圧電素子３２の前記他端部が、前記支持部３３よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部３７を介して前記作用部３４に接続されるので、温度変化による前記圧電素子３２の熱膨張又は熱収縮の影響を軽減し、又は無くすことができる。

実施形態２のアクチュエータ３において、前記連結部３７は、前記作用部３４に一体に設けられており、例えばアルミニウム材等の金属材料を打ち抜き加工等して一体成形することができる。
前記作用部３４及び前記連結部３７を、アルミニウム材等の軽量な金属材料を打ち抜いて一体成形すれば、部品点数が削減され、前記アクチュエータ３の組み立てが容易となる。

また、前記連結部３７は、例えばアルミブロック等からなる別部材により形成し、前記作用部３４に別部材の前記連結部３７を取り付けることで、前記連結部３７を前記作用部３４に一体に設けることもできる。

なお、前記連結部３７を、例えばアルミブロック等からなる別部材により形成することで、前記圧電素子３２の一端部を、前記連結部３７を介して前記基部３１の取付け面に接続することもできる。

図１１は本発明の実施形態２のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図を示す。
図１１に示す弁体３５の変位波形は、図１０に示す実施形態２のアクチュエータ３において圧電素子３２に駆動電圧を印加し、該圧電素子３２を伸長させて弁体３５を開弁駆動する際の当該弁体３５の変位量をレーザー計測器により計測したものである。

実験は、特開２０１７－１６０９７３号公報の［実施例］に記載された方法に基づいて圧電素子３２に駆動電圧を印加して行われた。実験条件は以下のとおりである。なお、入力信号の各時間条件は、弁体の変位波形に発生するリップルが少ない状態となる最適値に設定した。
（１）駆動電圧：７２Ｖ
（２）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０５８ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．００８ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．８７７ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０４６ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．０１１ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）

図１１に示すように、実施形態２のアクチュエータ３においては、弁体３５の変位波形にリップルがほぼ発生していない、又は、リップルが発生しているとしても図７に示す先発明のアクチュエータ３と比較してリップルが低減していることが確認できる。
したがって、本発明の圧電式バルブは、実施形態２のアクチュエータ３を備えることで、先発明の圧電式バルブと比較して、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる。

＜実施形態３＞
図１２は本発明の実施形態３におけるアクチュエータの説明図を示す。
実施形態３のアクチュエータ３は、上記実施形態２のアクチュエータ３において、前記基部３１及び前記作用部３４に連結され、前記圧電素子３２を前記第１長手方向に圧縮する前記圧縮部材３６を、前記第１長手方向に沿って前記圧電素子３２の略中心軸上に位置するように備えるものである。

実施形態３のアクチュエータ３は、前記基部３１及び前記作用部３４にそれぞれ連結され、前記圧電素子３２を前記第１長手方向に圧縮する前記圧縮部材３６を前記圧電素子３２の略中心軸上に位置するように備えるので、前記圧電素子３２に対し前記圧縮部材３６による捻れ力が作用せず、前記圧電素子３２の損傷を効果的に防止することができる。

図１３は本発明の実施形態３のアクチュエータにおける弁体の変位波形の説明図を示す。
図１３に示す弁体３５の変位波形も、図１２に示す実施形態３のアクチュエータ３において圧電素子３２に駆動電圧を印加し、該圧電素子３２を伸長させて弁体３５を開弁駆動する際の当該弁体３５の変位量をレーザー計測器により計測したものである。

実験は、特開２０１７－１６０９７３号公報の［実施例］に記載された方法に基づいて圧電素子３２に駆動電圧を印加して行われた。実験条件は以下のとおりである。なお、入力信号の各時間条件は、弁体の変位波形に発生するリップルが少ない状態となる最適値に設定した。
（１）駆動電圧：７２Ｖ
（２）入力信号：第１プレパルス時間 ｔ１＝０．０５４ｍｓ
第１休止時間 ｔ２＝０．０１５ｍｓ
第２プレパルス時間 ｔ３＝０．８７５ｍｓ
第２休止時間 ｔ４＝０．０４６ｍｓ
メインパルス時間 ｔ５＝０．０１ｍｓ
（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）

図１３に示すように、実施形態３のアクチュエータ３においても、弁体３５の変位波形にリップルがほぼ発生していない、又は、リップルが発生しているとしても図７に示す先発明のアクチュエータ３と比較してリップルが低減していることが確認できる。
したがって、本発明の圧電式バルブは、実施形態３のアクチュエータ３を備えることでも、先発明の圧電式バルブと比較して、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができる。

＜他の実施形態＞
上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記支持部３３の前記くびれ部３３１から前記作用部３４に接続される前記支持部３３の先端部までの長さにより、前記弁体３５の変位量を調整し、前記気体排出口から排出される圧縮気体の排出量を調整することができる。
すなわち、本発明の圧電式バルブは、前記くびれ部３３１から前記先端部までの長さが長い前記支持部３３を備えるアクチュエータ３を用いることで、前記弁体３５の変位量を大きくし、前記気体排出口から排出される圧縮気体の排出量を多くすることができる。
また、本発明の圧電式バルブは、前記くびれ部３３１から前記先端部までの長さが短い前記支持部３３を備えるアクチュエータ３を用いることで、前記弁体３５の変位量を小さくし、前記気体排出口から排出される圧縮気体の排出量を少なくすることができる。

上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３において、前記支持部３３には、前記くびれ部３３１よりも前記基部３１の側において前記第２長手方向に沿って複数の取付け穴３８が設けられるものとし、前記支持部３３を、少なくとも１つの前記取付け穴３８を利用して前記弁座プレート４にネジ固定することもできる。
上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３において、前記支持部３３に前記くびれ部３３１よりも前記基部３１の側において前記第２長手方向に沿って複数の取付け穴３８を設け、前記支持部３３を、少なくとも１つの前記取付け穴３８を利用して前記弁座プレート４にネジ固定することとすれば、前記支持部３３を前記弁座プレート４に固定する前記取付け穴３８の位置により、前記弁体３５の変位量を調整し、前記気体排出口から排出される圧縮気体の排出量を調整することができる。

上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４との間であって、前記圧電素子３２と前記支持部３３との間に形成される隙間にシリコーンを充填し、前記隙間を前記シリコーンで埋めることができる。

上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記圧電素子３２の前記一端部又は前記他端部の少なくとも一方が、前記支持部３３よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部３７を介して前記基部３１の取付け面又は前記作用部３４に接続される場合、前記圧電素子３２及び前記連結部３７と前記支持部３３との間に形成される隙間にシリコーンを充填し、前記隙間を前記シリコーンで埋めることができる。

上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４との間であって、前記圧電素子３２が前記第１長手方向に延びる側と前記支持部３３が前記第２長手方向に延びる側との間に形成される隙間をシリコーンで埋めることとすれば、前記弁体３５の変位波形に発生するリップルをさらに効果的に低減することができる。

また、上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４との間であって、前記圧電素子３２と前記支持部３３との間に形成される隙間を等間隔とすることができる。

上記本発明の実施形態におけるアクチュエータ３は、前記基部３１と前記作用部３４との間であって、前記圧電素子３２が前記第１長手方向に延びる側と前記支持部３３が前記第２長手方向に延びる側との間に形成される隙間を等間隔とし、前記隙間をシリコーンで埋めることとすれば、前記隙間へのシリコーンの充填を容易に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいてその構成を適宜変更することができる。

本発明の圧電式バルブは、弁体の変位波形に発生するリップルを低減し、気体排出口から圧縮気体を安定した状態で排出することができるため、極めて有用である。

１ 圧電式バルブ
２ バルブ本体
３ アクチュエータ
３１ 基部
３１１ 連結部材
３２ 圧電素子
３３ 支持部
３３１ くびれ部
３４ 作用部
３５ 弁体
３６ 圧縮部材
３７ 連結部
３８ 取付け穴
４ 第１弁座プレート
４１ 弁座部
４２ 弁座
４３ 取り付け部
４４ 取り付け部
４５ 排出路
５ コネクタ部
５１ 気体吸入口
５２ 気体排出口
６ カバー体
６１ 配線コネクタ

Claims (10)

1. 弁体を駆動するアクチュエータと、
   前記弁体と接離する弁座及び排出路を有し、前記アクチュエータを固定する弁座プレートと、
   前記弁座プレートを収納する本体ケースと、を備える圧電式バルブであって、
   前記アクチュエータは、
   前記弁座プレートに固定される基部と、
   前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、
   前記基部に一体に設けられ、前記圧電素子と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、
   前記圧電素子の他端部及び前記支持部の先端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、
   前記作用部の前記変位する方向の側に設けられ、前記作用部の変位によって駆動される前記弁体と、を備え、
   前記支持部は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、前記くびれ部よりも前記基部の側において前記弁座プレートに固定され、
   前記本体ケースは、
   圧縮気体が供給される気体供給口と、
   前記気体供給口から供給された圧縮気体を前記弁体と前記弁座との離間によって前記弁座プレートの前記排出路を介して排出する気体排出口と、
   を備えることを特徴とする圧電式バルブ。
2. 複数の弁体をそれぞれ個別に平行な面内で駆動する複数のアクチュエータと、
   前記複数の弁体とそれぞれ個別に接離する弁座及び排出路を複数有し、前記複数のアクチュエータを固定する弁座プレートと、
   前記弁座プレートを収納する本体ケースと、を備える圧電式バルブであって、
   前記複数のアクチュエータのそれぞれは、
   前記弁座プレートに固定される基部と、
   前記基部の取付け面に一端部が接続され、第１長手方向に延びる圧電素子と、
   前記基部に一体に設けられ、前記圧電素子と並んで前記第１長手方向と交差する第２長手方向に延びる支持部と、
   前記圧電素子の他端部及び前記支持部の先端部と接続され、前記圧電素子の伸縮に伴って、前記第１長手方向及び前記第２長手方向それぞれと異なる変位方向に変位する作用部と、
   前記作用部の前記変位する方向の側に設けられ、前記作用部の変位によって駆動される前記弁体と、を備え、
   前記支持部は、前記第２長手方向に延びる中間部分にくびれ部を有し、前記くびれ部よりも前記基部の側において前記弁座プレートに固定され、
   前記本体ケースは、
   圧縮気体が供給される気体供給口と、
   前記気体供給口から供給された圧縮気体を前記複数の弁体と前記複数の弁座との離間によって前記弁座プレートの前記各排出路を介してそれぞれ個別に排出する複数の気体排出口と、
   を備えることを特徴とする圧電式バルブ。
3. 前記基部は、少なくとも前記圧電素子の一端部が接続される側において前記弁座プレートに固定される請求項１又は２に記載の圧電式バルブ。
4. 前記支持部の前記くびれ部から前記先端部までの長さにより、前記弁体の変位量を調整する請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式バルブ。
5. 前記圧電素子の前記一端部又は前記他端部の少なくとも一方は、前記支持部よりも線膨張係数の大きな材料からなる連結部を介して前記基部の取付け面又は前記作用部に接続される請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電式バルブ。
6. 前記連結部は、前記作用部に一体に設けられ、
   前記圧電素子の前記他端部は、前記支持部よりも線膨張係数の大きな材料からなる前記連結部を介して前記作用部に接続される請求項５に記載の圧電式バルブ。
7. 前記アクチュエータは、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する圧縮部材をさらに備える請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電式バルブ。
8. 前記アクチュエータは、前記基部及び前記作用部のそれぞれに連結され、前記圧電素子を前記第１長手方向に圧縮する前記圧縮部材を前記圧電素子の略中心軸上に備える請求項７に記載の圧電式バルブ。
9. 前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間をシリコーンで埋める請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電式バルブ。
10. 前記基部と前記作用部との間であって、前記圧電素子と前記支持部との間に形成される隙間を等間隔とし、前記隙間をシリコーンで埋める請求項１乃至９のいずれかに記載の圧電式バルブ。
    
    

Images