JP4344164B2 - 圧電式エアバルブおよび複合圧電式エアバルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、米粒などの穀物中に混入した石などの外来異物、着色粒などの不良物を選別除去するための粒状物選別機に関し、より詳しくは、そのような選別機において、選別能力を決める中心的構成部品であるエアバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、選別機での不良物の除去は、粒状物を所定の落下軌跡に沿って連続的に空中に放出しておき、不良物の検出信号に基づき、所定の位置において、不良物をエアパルスによって所定の落下軌跡の外に噴き飛ばすことによって行われる。選別機において、不良物を直接噴き飛ばすエアパルスを発生するのがエアバルブであり、その意味において、エアバルブは選別機の選別能力を決める中心的構成部品と言える。所定の落下軌跡に沿って落下する粒状物の中から、その中に混入している不良物のみを選択的に除外できることが理想であるが、実際には、不良物と共に正常な粒状物も一緒に噴き飛ばしてしまうこともある。これは、エアバルブが、要求される高速性を十分に満足するものでないことが一つの原因で起こる好ましくない現象である。そこで、選別機において、不良物のみを効率的に除去するためには、エアバルブに高度の高速性が要求される。
【０００３】
現在、選別機のうち米粒選別機に使用されるエアバルブとしては、電磁吸引力を用いたものが最も広く実用化されている。これは、空気弁機能を持つアーマチュアを電磁石で吸引し、電磁石でアーマチュアを吸引している時間だけエアバルブを開放するように構成されている。この電磁吸引力を用いたエアバルブは、次の理由により、高速化の限界に既に達していると言える。つまり、高速にするには、電磁吸引力を大きくする必要があるが、この吸引力を制限する一つの要素は、アーマチュアの磁気的な飽和である。アーマチュアに用いられる磁性材料自体には、現状、その磁気的飽和現象を緩和する改善の余地がないため、吸引力を大きくするには、アーマチュアの質量を大きくする必要が生じる。しかし、可動するアーマチュア自体の質量を大きくすることは、その高速化とは相容れないものである。このため、電磁吸引力を利用したエアバルブの場合には、現状達成されている以上の高速化を図ることは極めて困難なことである。
【０００４】
上記電磁吸引力を利用したもの以外の、エアバルブの開放力を発生させるために利用される他の物理現象として、圧電効果がある。これは、セラミック材料などの圧電材料に電圧を印加した場合に発生する変位を利用するものであり、具体的な圧電素子には、ピエゾ素子が代表として挙げられる。この圧電素子は、大変効率良く電気エネルギを機械エネルギに変換するものであり、また応答速度も十分に高いものであるが、発生し得る変位量が高々１０数μｍから数１０μｍであるため、圧縮空気の開放／閉鎖を制御する選別機のエアバルブに用いるには変位量が少な過ぎるものである。
【０００５】
圧電素子を分別装置の空気圧エゼクター（エアバルブ）に使用したものの例は、例えば、特願平８−５１８４３６（特表平１０−５１００４０）の明細書に開示されている。図１はその代表図であり、以下、概略を説明する。圧力気体源からの圧力気体１１が導入されたチェンバー１３，１５と弁座１７との間の開放／閉鎖が、弁座１７に対して横設されたダイヤフラム２１と圧電素子２３の重合体によって行われるものである。ダイヤフラム２１と圧電素子２３の重合体は、圧力気体１１がチェンバー１３，１５内に導入されていない減圧状態で、弁座１７から僅かに離れて設けられる。ここで、チェンバー１３，１５内に圧力気体１１が導入されて加圧状態となると、圧力気体の入力口２５と外気に接した出力口２７との間には圧力の差、即ち差圧が生じる。この差圧は、ダイヤフラム２１と圧電素子２３の重合体を弾性変形させて弁座１７を閉鎖し、その位置に留めるように作用する。そのような状態において、圧電素子２３に選択的に通電すると、ダイヤフラム２１と圧電素子２３の重合体は、圧電素子の変形により弁座１７から後退し（図面上、上方に移動し）、弁座１７との間に間隙を生じ、開放することになる。応じて、チェンバー１３，１５内の圧力気体１１は、弁座１７及び出力口２７を介してエアパルス２９として外部に噴射されることになる。この形式のエアバルブの場合には、可動部分の質量が比較的小さいので、高速化の要求には適していると言えるものの、圧電素子の変位に基づく発生力そのものが小さく、且つ速い応答に対応しきれないため、高速応答性が強く要求されるエアバルブの開放／閉鎖制御での使用にはまだ十分満足のいくものではなかった。その結果、この形式のエアバルブでは、特に応答性の点において十分満足のいくエアパルス２９を得ることができないという問題点があった。
【０００６】
圧電素子をエアバルブに用いた他の例として、「積層圧電素子の打撃力を利用した空気圧オン−オフ弁」と題した日本機械学会第７４期全国大会講演論文集（ＩＶ）（pp. 203-204)がある。この論文に開示されたオン−オフ弁は、弾性特性の弱いばねによって常時付勢支持されている小さい慣性体（ノズルフラッパ弁）を、圧電素子が発生する打撃力により跳ね上げることにより、圧電素子自体の変位量よりも大きい間隙を瞬間的に発生させるものである。しかしながら、打撃後のフラッパ弁の閉動作は、弾性特性の弱いばねによって行われるため、閉動作に時間を要するという欠点がある。
【０００７】
圧電素子を弁体に用いた更に他の例として、特開平８−９３９４４号公報に開示される積層圧電アクチュエータ型圧電素子弁がある。この圧電素子弁は、核融合装置への原料ガス注入設備などにおける入力側と出力側との間に設けられ、ガスの遠隔注入制御に用いられる弁である。圧電素子で発生する変位をテコの原理により拡大して弁体部分に作用させる機構を有するものの、弁体の閉動作は、圧電素子とは異なる復帰用の弾性体（バネ）によって行われるものであるため、先の従来例と同様に、閉動作に時間を要するものである。しかし、圧電素子弁において閉動作に時間を要することは、この圧電素子弁が、開放動作及び閉鎖動作ともに高い高速性が要求されるエアパルスを発生させるためのものではなく、単なるガス体の通過制御弁であることから、あまり問題とならない。
【０００８】
本願発明のエアバルブは、後に詳しく述べるとおり、この圧電素子を利用したものであるが、特別の付加機構を設けることにより、圧電素子を用いた従来のものの、発生する間隙が小さいこと及び閉動作が遅いことの欠点を共に解消したものである。
【０００９】
上述のような電磁式又は圧電式エアバルブではないが、選別機の排除装置として、他の従来例が、特願２０００−１８２２０３（特開２００２−１２３２）の明細書に開示されている。これは、粒状物に当接する傾斜面を、所謂ソレノイド式駆動手段の入出動軸の先端部分に一体的に設け、駆動手段を選択的に動作させることにより、不良物を直接的且つ機械的に排除する構成のものである。この排除装置は、入出動軸を通常のように摺動式に設けただけでは応答性、磨耗性などの点で問題となるところを、永久磁石の反発力を利用して、入出動軸を浮かせることにより、無摺動で入出動軸を支持するという特別の構造に特徴がある。入出動軸が無摺動で支持される構造であるため、入出動時の入出動軸にかかる摺動摩擦などの負荷が生じることがない。そのため、応答性については、エアパルス式のものとほぼ同等の高速性能が得られる。さらに、圧力エア源も構成要素として不要な利点もある。しかしながら、入出動軸を浮かせて支持するための永久磁石を構造上必要とするため、排除装置単体の大きさはある程度大きくならざるを得ず、そのために、多チャンネル方式の選別機では、隣接する排除装置同士を千鳥状に配設するなどの新たな工夫が必要である。
【００１０】
【特許文献１】
特表平１０−５１００４０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２３２号公報
【特許文献３】
特開平８−９３９４４号公報
【非特許文献１】
日本機械学会第７４期全国大会講演文集（ＩＶ）第203-204頁
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上述従来技術の問題点に鑑み、圧電素子を利用したものにおいて、十分な噴風量のエアパルスを安定して得られる、選別機用のエアバルブを提供することを技術的課題とする。
本発明はまた、圧電素子が有する高速応答性能を最大限に利用して、開放動作及び閉鎖動作共に高速動作が可能な選別機用のエアバルブを提供することを技術的課題とする。
本発明は更に、圧電素子自体が小型であること、及び電気エネルギから機械エネルギへの変換効率が極めて高いことを利用して、単チャンネル式選別機は勿論のこと、多チャンネル式選別機においても装置全体の小型化、及び低消費電力化に適した選別機用のエアバルブを提供することを技術的課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、粒状物選別機に用いる圧電式エアバルブであって、該エアバルブは、空気圧供給手段から供給される圧力空気を受け入れる空気圧力室と、該空気圧力室から外部に通じる空気排出口と、を具えたエアバルブ本体と、前記空気圧力室と空気排出口との間の開放／閉鎖を制御する弁体と、前記弁体の開放／閉鎖動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生する変位を、拡大して前記弁体に作用させる一対の上側及び下側変位拡大機構とを具備している圧電式エアバルブにおいて、前記圧電素子はその長手方向軸線が前記弁体に向かうように配置され、前記上側変位拡大機構が、前記空気圧力室内にあって、一端が前記エアバルブ本体に結合され、支点として作用する第１ヒンジ部材と、前記第１ヒンジ部材と平行な関係で一端が、前記弁体に向って配置された前記圧電素子に接合され、力点として作用する第２ヒンジ部材と、前記第１及び第２ヒンジ部材の各他端がそれぞれ接合され、前記第１ヒンジ部材と第２ヒンジ部材との間の距離よりも長く且つ前記圧電素子の前記弁体の方向側に配置されるとともに、前記圧電素子の長手方向軸線と前記弁体とを結ぶ線に対して外向に向かって斜めに延び、先端部が作用点として作用する第１アーム部材と、一端が前記第１アーム部材の先端部に接合され、他端が前記弁体の一部に接合される第１ばね部材と、を含み、前記下側変位拡大機構が、前記空気圧力室内にあって、一端が前記エアバルブ本体に結合され、支点として作用する第３ヒンジ部材と、前記第３ヒンジ部材と平行な関係で一端が、前記弁体に向って配置された前記圧電素子に接合され、力点として作用する第４ヒンジ部材と、前記第３及び第４ヒンジ部材の各他端がそれぞれ接合され、前記第３ヒンジ部材と第４ヒンジ部材との間の距離よりも長く且つ前記圧電素子の前記弁体の方向側に配置されるとともに、前記圧電素子の長手方向軸線と前記弁体とを結ぶ線に対して外向に向かって斜めに延び、先端部が作用点として作用する第２アーム部材と、一端が前記第２アーム部材の先端部に接合され、他端が前記弁体の他の一部に接合される第２ばね部材と、を含み、前記第１ばね部材及び第２ばね部材が前記弁体を前記空気排出口に押しつけるように作用することを特徴とする圧電式エアバルブを提供する。
【００１３】
上記のように、本発明において、前記圧電素子の長手方向軸線と前記弁体とを結ぶ線に対して対称的に、二つの変位拡大機構が設けられることは、前記圧電素子によって発生した変位が、前記弁体に平衡して伝達されるために、有効である。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、
空気圧供給手段から供給される圧力空気を受け入れる空気圧力室と該空気圧力室から外部に通じる空気排出口とを具えたエアバルブ本体と、前記空気圧力室と空気排出口との間の開放／閉鎖を制御する弁体と、前記弁体の開放／閉鎖動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生する変位を拡大して前記弁体に作用させる変位拡大機構とからなる単体圧電式エアバルブが、前記空気圧力室が連通して共通となるように、横方向に複数個連結されるとともに、最も外側に位置する二つの単体圧電式エアバルブの各片側側面が側板で閉鎖されることを特徴とする複合圧電式エアバルブが提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による圧電式エアバルブ及び複合圧電式エアバルブの詳細を、添付図面を参照しながら説明する。
【００１６】
発明の理解を助ける目的で、本発明による圧電式エアバルブを用いることができる、粒状物選別機の概要を図２を参照して先ず最初に説明する。図２は、粒状物選別機３０の主要部と、その内部構造を簡略化して示した要部側断面図である。粒状物選別機３０は、その上部位置に、タンク３１と振動フィーダ３２とからなる粒状物供給部を有する。粒状物供給部から供給された粒状物は、傾斜状シュート３３を連続状に自然流下した後、その下端部から所定落下軌跡に沿って空中に放出される。
【００１７】
所定の落下軌跡の周囲には、この落下軌跡を中心にして、ほぼ対称的に、少なくとも一対の光学検出装置３４ａ，３４ｂが配設される。各光学検出装置は、光センサ、ランプ、背景板などから構成されるが、その構成及び動作は、本願発明の要旨ではなくまた当業者に周知であるので、ここではその詳細な説明は行わない。光学検出装置３４ａ，３４ｂは、落下軌跡の検出位置Ｏに到達した粒状物の一粒ごとを観察する。具体的には、光学検出装置３４ａ，３４ｂは、検出位置Ｏにある粒状物からの反射光及び／又は透過光の光量を電気信号の形式で制御装置３５に送る。制御装置３５は、光学検出装置３４ａ，３４ｂから送られてくる粒状物一粒ごとの信号レベルを、所定の比較値と比較し、許容値範囲内に入っているものは正常な粒状物として判定する。他方、許容値範囲外のものは不良物として判定され、排除信号が、例えば本発明のエアバルブを含む排除装置３７に向けて制御装置３５から送られる。排除装置３７は、制御装置３５から送られてくる排除信号に基づき、エアバルブの場合には、所定の除去位置Ｅにおいてエアパルスにより所定の落下軌跡から不良物のみを噴き飛ばし、そして不良物排出口３８から機外に排出する。また、エアバルブではなく、先に述べたソレノイド式駆動手段の場合には、不良物を機械的且つ直接的に落下軌跡から除外し、不良物排出口３８から機外に排出する。なお、排除信号は、検出位置Ｏと除去位置Ｅとの間の距離を粒状物が落下するのに要する時間が考慮された遅延信号となっている。排除装置３７が作動することなく所定の落下軌跡をそのまま通過してきた正常な粒状物は、良品排出口３９から回収される。本明細書での粒状物は、代表的には穀物粒、特に白米であると言えるが、必ずしも穀物粒に限られるわけではなく、その対象物は、エアパルスによって噴き飛ばすことが可能な大きさと質量である限り何でも構わない。
【００１８】
次に、上記のような選別機における排除装置の中心的部品として、極めて都合良く用いることができる本願発明の圧電式エアバルブ及び複合圧電式エアバルブの詳細を説明する。
【００１９】
本願発明の圧電式エアバルブは、後に説明するとおり、各種の実施形態とすることが可能であるが、各実施例に共通して、構成要素として、空気圧供給手段から供給される圧力空気を受け入れる空気圧力室を具えたバルブ本体と、前記空気圧力室からバルブ本体の外部に通じる空気排出口と、前記空気圧力室と空気排出口との間の開放／閉鎖を制御する弁体と、該弁体の開放／閉鎖動作に必要な駆動力を発生する圧電素子と、該圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構とを有する。変位拡大機構は、圧電素子そのものが発生する少ない変位量を、テコの原理に基づき拡大するためのものである。この変位拡大機構があることにより、圧電素子そのものが発生し得る少ない変位であることによる、空気排出口と弁体との間に生じる間隙が小さいという従来の圧電素子を利用したエアバルブでの欠点は解消される。また、本願発明のエアバルブでは、上記構成要素のうち、圧電素子と、変位拡大機構と、弁体とは相互にすべて連結された構成となっていることが極めて重要である。このような連結構成とすることにより、圧電素子に電圧が印加されている状態では、変位拡大機構により空気排出口と弁体との間に十分な大きさの間隙を生じさせ、他方、圧電素子への電圧の印加が解除されると、圧電素子の発生変位は元の状態である零に復帰し、その復帰力は変位拡大機構を介して強制的に弁体に伝達され、応じて弁体は空気排出口の弁座部分に当接し、圧力空気室と空気排出口との間の連通状態を完全に遮断する。圧電素子への電圧の印加及び解除に伴う変位の発生及び復帰は極めて速いので、これを利用したエアバルブの応答速度も速く、高速動作が可能なエアバルブが実現可能である。
【００２０】
以下、上記の構成を共通に有する具体的な各実施例を、図３−図９を参照して説明する。
【００２１】
図３は、本願発明の態様から除外された第１実施例の圧電式エアバルブ６０を示す。図３（ａ）はその側面図、図３（ｂ）は空気排出口側から見た正面図である。エアバルブ本体６１内には、外部の空気圧供給源（図示せず）から圧力空気の供給を受ける圧力空気室６２が画定される。エアバルブ本体６１の一箇所には、圧力空気室６２から本体６１の外側に抜ける空気排出口６３が設けられる。空気排出口６３が設けられるエアバルブ本体６１部分には、圧力空気室６２方向に若干突出した弁座６４が設けられる。弁座６４には、その先端部に弁体６５を具えたアーム部材６６が当接する。アーム部材６６の、弁体６５が設けられている側とは反対側には、互いにほぼ平行な第１ヒンジ６７と第２ヒンジ６８の各一端が一体的に接合されている。第１ヒンジ６７の他端は、エアバルブ本体６１に接合される。第２ヒンジ６８の他端は、キャップ部材６９を介して圧電素子７０の一端に接合される。圧電素子７０のリード線７１は、エアバルブ本体６１の適所に設けられた開口から外部に導出される（以下の実施例も同様）。第１及び第２ヒンジ６７，６８は曲げ変形可能で且つ適切な拡張力をもった材料（ステンレス、インバー材など）で構成される。圧電素子７０の他端はエアバルブ本体６１に、溶接又は接着などの方法で固定される。図示実施例の場合、弁体６５はアーム部材６６と一体的に構成されているが、この部分は、弁座６４との間で衝突を繰り返す部分であるため、衝突に対して磨耗耐力の高い材料で構成されることが好ましい。そのために、弁体６５はアーム部材６６とは別の材料又は別の部品として構成する方が良い場合もある。図示実施例の場合、エアバルブを側面から見て、圧力空気室６２の部分が開放されて示されているが、これは、上記のように構成された単体のエアバルブ６０を、複数個横方向に重ねることにより、多チャンネル用の複合エアバルブとして使用することを前提に構成したものを示したためである。横方向に複数個を重ねて使用した場合には、各圧力空気室は連通して全体として大きな圧力空気室を構成することになる。実際には、最も外側に位置するエアバルブ６０の各片側面を板状部材で塞ぐことになる。複合エアバルブではなく、単体のエアバルブとして用いる場合には、図示実施例の両側面を板状部材（側板）で塞げば良いことは言うまでもない。このことは、以下の各実施例においても同様である。
【００２２】
次に、上記構成の第１実施例の動作を、図４を参照して説明する。上記図３（ａ）が圧電素子７０に電圧が印加されていないときの状態、即ち、弁体６５が弁座６４を閉鎖している状態を示したものであるのに対して、図４は、圧電素子７０に電圧を印加したときの状態、即ち、圧電素子７０が伸長し、これに応じて、弁体６５が弁座６４から離れ、そこに間隙が発生していることを示している。圧電素子７０に電圧が印加されている間、この間隙を通して圧力空気室６２の空気が排出口６３から外部にエアパルスとして排気されることになる。圧電素子７０自体は従来のものであるので、電圧を印加したときの伸長は、高々１０数μｍから数１０μｍである。この伸長だけをもって弁体６５と弁座６４との間に間隙を作ったのでは不十分であるが、本願発明では、第１ヒンジ６７、第２ヒンジ６８及びアーム部材６６で構成される変位拡大機構があるため、弁体６５と弁座６４との間には、十分な量の圧力空気を排出口６３から排気することが可能な、大きな間隙を生じさせることができる。すなわち、力点となる第２ヒンジ６８と、支点となる第１ヒンジ６７との間の距離をＬ１、第１ヒンジ６７と作用点となる弁体６５の中心までの距離をＬ２とすると、圧電素子７０の伸長は、弁体６５の中央部分では、テコの原理によりＬ２／Ｌ１倍に拡大されるので、弁体６５と弁座６４の間には十分な大きさの間隙が提供されることになる。圧電素子７０は、それへの通電が解除されると元の状態に復帰する。圧電素子７０、キャップ部材６９、第２ヒンジ６８、弁体６５を一体的に具えるアーム部材６６はすべて連結された構造であるため、圧電素子７０の復帰力はそのまま弁体６５に強制的に伝達され、弁座６４に対して弁体６５を押し当てるように強制力として作用する。弁体６５が弁座６４に一旦当接すると、圧力空気室６２内の高圧力と排出口６３内の外気圧との差圧により、弁体６５は弁座６４に密着状態で保持される。
【００２３】
図５は、本発明の態様から除外された第２実施例の圧電式エアバルブ８０を示す。図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は正面図である。前記第１実施例と同一又は同等部分には、本第２実施例を含め以下の実施例では同一番号を付して、その説明を省略する。本第２実施例では、弁体８５が第１板ばね８１と第２板ばね８２によって支持される。第１板ばね８１の一方端はエアバルブ本体６１に、他方端は弁体８５に接合される。第２板ばね８２の一方端はキャップ部材６９に、他方端は弁体８５に接続される。第１板ばね８１と第２板ばね８２は、圧電素子７０への通電がされていないとき、それに接合された弁体８５を弁座６４に対して押し付ける力が作用するように、排出口６３を中心にしてハの字を形成するように傾斜して設けられる。本実施例の場合、板ばね８１，８２が傾斜状に設けられることにも関係し、弁座６４の部分が第１実施例のものよりも突出量が大きい。第３板ばね８３は、一方端がエアバルブ本体６１に、他方端がキャップ部材６９に接合される。この第３板ばね８３は、圧電素子７０が通電により伸長したとき、第２板ばね８２が傾斜している関係で、圧電素子７０が図面上右側に寄せられる力が生じるため、それを打ち消すために設けられたものである。
【００２４】
上記の構成において、図面は圧電素子７０への通電が行われていないときの状態を示すものである。ここで、圧電素子７０に通電すると、圧電素子７０は図面上縦方向に伸長する。この伸長に伴い、第１板ばね８１、第２板ばね８２及び第３板ばね８３には曲げ変形が生じる。それに伴い、弁体８５と弁座６４との間には、十分な大きさの間隙が形成され、圧力空気室６２内の圧力空気は空気排出口６３を介して外部に排気される。本実施例においては、第１板ばね８１、第２板ばね８２及び第３板ばね８３が変位拡大機構を構成する。第１板ばね８１、弁体８５、第２板ばね８２、第３板ばね８３は、キャップ部材６９を介してすべて連結されているので、圧電素子７０への通電が断たれると同時に発生する圧電素子７０の復帰力は、弁体８５に強制的に伝達され、これを弁座６４に押し当てるように作用する。一旦弁体８５が弁座６４に当接した時点以降、差圧により弁体８５が弁座に密着状態で保持される点は、前述第１実施例の場合と同様である。
【００２５】
図６は、本願発明の態様による第３実施例の圧電式エアバルブ９０を示す。図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は正面図である。本実施例は、圧電素子７０の長手方向軸線と空気排出口６３とを結ぶ線を中心に、図面上、上下対称に二つの変位拡大機構が設けられたものである。本実施例では、排出口を中心にすべての構成部品が対称に設けられるため、弁体に作用する力は常に上下方向で平衡する。その結果、特に、閉状態においては、弁体と弁座との間の密着性が高まる点で有利である。上側変位拡大機構は、第１ヒンジ９１、第２ヒンジ９２、第１アーム部材９３及び第１板ばね９４で構成される。第１ヒンジ９１の一端はエアバルブ本体６１に接合される。第２ヒンジ９２の一端はキャップ部材６９に接合される。第１ヒンジ９１及び第２ヒンジ９２の各他端は、第１アーム部材９３の基部に接合される。第１アーム部材９３は、基部から圧電素子７０の長手方向軸線と弁体とを結ぶ線に対して外方（図面上、斜め上方）に向かって延びており、そのほぼ先端部分には、後述する第２ばね９９と協働して弁体９５を弁座６４に確実に押し当てる、適度な弾性、柔軟性、可撓性とを具えた第１板ばね９４の一端が接合される。第１板ばね９４の他端は弁体９５の一方端に接合される。下側変位拡大機構は、第３ヒンジ９６、第４ヒンジ９７、第２アーム部材９８及び第２板ばね９９で構成される。第３ヒンジ９６の一端はエアバルブ本体６１に接合される。第４ヒンジ９７の一端はキャップ部材６９に接合される。第３ヒンジ９６及び第４ヒンジ９７の各他端は、第２アーム部材９８の基部に接合される。第２アーム部材９８は、基部から圧電素子７０の長手方向軸線と弁体とを結ぶ線に対して外方（図面上、斜め下方）に向かって延びており、そのほぼ先端部分に第２板ばね９９の一端が接合される。第２板ばね９９の他端は弁体９５の他方端に接合される。以上のとおり、本実施例は、弁体９５が、上下対称に設けられた二つの変位拡大機構によって支持された構成である。弁体９５を直接支持する第１ばね９４と第２ばね９９を構成する材料としたは、マルエージ鋼が好ましい。
【００２６】
上記の構成において、図面の状態は、圧電素子７０への通電が行われていないときの状態を示すものである。ここで、圧電素子７０に通電すると、圧電素子７０は、図面上右方向に伸長する。この伸長に伴い、上側変位拡大機構では、第２ヒンジ９２が力点、第１ヒンジ９１が支点、第１アーム部材９３の先端部が作用点として作用し、第１アーム部材９３の先端部には、圧電素子７０の変位量がテコの原理により拡大されて現れる。同様に、下側変位拡大機構では、第４ヒンジ９７が力点、第３ヒンジ９６が支点、第２アーム部材９８の先端部が作用点として作用し、第２アーム部材９８の先端部には、圧電素子７０の変位量が拡大されて現れる。第１アーム部材９３及び第２アーム部材９８の各先端部に、それらの間の距離を離す方向に圧電素子の変位が拡大されて現れた変位は、第１板ばね９４及び第２板ばね９９を介して弁体９５を、弁座６４から十分な距離離し、そこに大きな間隙を生じさせるように作用する。これにより十分な量の圧力空気が、圧力空気室６２から排出口６３を通して外部に排気される。圧電素子７０への通電が解除されると、圧電素子の復帰力は、上側及び下側変位拡大機構を介して弁体９５に強制的に伝達され、応じて弁体９５が弁座６４に着座される。このとき、本実施例では、第１板ばね９４及び第２板ばね９９のばねとしての復帰力も弁体９５に有効に作用し、弁座６４に対する弁体９５の着座を確実にする。
【００２７】
図７は、上記第３実施例の変形例である。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）は正面図である。上記第３実施例では、第１ヒンジ９１、第３ヒンジ９６及び圧電素子７０が、エアバルブ本体６１に直接、溶接又は接着などの方法により接合されているが、本変形実施例では、これらの部材がエアバルブ本体６１とは分離したベース基板１００に接合されている点が異なる。このような構成とすることにより、変位拡大機構、弁体、圧電素子を含む部分をユニット化することが可能となり、エアバルブの組立、保守作業が容易となる。具体的には、上記ユニット化された部分を、エアバルブ本体６１内に予め設けられたユニット装着領域１０１に組込み、圧電素子７０への通電が無い状態で、弁体９５と弁座６４との密着状態が適当となるように、図面上左右方向を調節した後（具体的には、図面上右方向に適当な圧力を加えた状態で）、適当な固定手段１０２で固定する。固定手段１０２は、したがって、弁体９５の弁座６４への押圧力の調節手段を兼ねると言える。圧電素子７０への通電時及び非通電時の動作そのものは前述第３実施例と完全に同じであるので説明を省略する。
【００２８】
図８は、本願発明の態様から除外された第４実施例の圧電式エアバルブ１２０を示す。図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は正面図である。本実施例も、上述第３実施例と同様に、空気排出口６３を中心にして見たとき、図面上、上下対称に二つの変位拡大機構が設けられたものである。本実施例は、圧電素子７０の長手方向が排出口６３の軸方向と直交するように配設されるため、エアバルブの奥行を前述第３実施例のものよりも短くすることができる。上側変位拡大機構は、第１ヒンジ１２１、第２ヒンジ１２２、第１アーム部材１２３及び第１板ばね１２４で構成される。第１ヒンジ１２１の一端はベース基板１３１に接合される。第２ヒンジ１２２の一端は第１キャップ部材１２８ａに接合される。第１ヒンジ１２１及び第２ヒンジ１２２の各他端は、第１アーム部材１２３の基部に接合される。第１アーム部材１２３は、基部から右横方向に延在しており、その先端部分には第１板ばね１２４の一端が接合される。第１板ばね１２４の他端は弁体１２５の一方端に接合される。下側変位拡大機構は、第３ヒンジ１２６、第４ヒンジ１２７、第２アーム部材１２９及び第２板ばね１３０で構成される。第３ヒンジ１２６の一端はベース基板１３１に接合される。第４ヒンジ１２７の一端は第２キャップ部材１２８ｂに接合される。第３ヒンジ１２６及び第４ンジ１２７の各他端は、第２アーム部材１２９の基部に接合される。第２アーム部材１２９は、基部から右横方向に延在しており、その先端部分には第２板ばね１３０の一端が接合される。第１板ばね１２４と第２板ばね１３０は、互いにハの字を形成するように第１アーム部材１２３と第２アーム部材１２９に各一端が接合され、その各他端は、弁体１２５に接合される。本実施例の場合、圧電素子７０は、他の実施例では一端がエアバルブ本体又はベース基板に固定されているのに対して、両端部分に設けられたキャップ部材１２８ａ，１２８ｂの間で支持されている点が異なる。なお、図示実施例は、前述第３実施例の変形例と同様に、圧電素子、変位拡大機構、弁体をベース基板１３１に関連してユニット化した構成となっているが、第１ヒンジ１２１及び第３ヒンジ１２６をエアバルブ本体６１に直接、溶接などの方法により接合する構成としても構わない。参照符号１３２は、ユニット装着領域を示している。
【００２９】
上記の構成において、図面に示す状態は、圧電素子７０への通電が行われていないときの状態である。ここで、圧電素子７０に通電すると、圧電素子７０は、図面上上下方向に伸長する。この伸長に伴い、上側変位拡大機構では、第１ヒンジ１２１が支点、第２ヒンジ１２２が力点、第１アーム部材１２３の先端部が作用点として動作し、第１アーム部材１２３の先端部には、圧電素子７０の変位量がテコの原理により拡大されて現れる。同様に、下側変位拡大機構では、第３ヒンジ１２６が支点、第４ヒンジ１２７が力点、第２アーム部材１２９の先端部が作用点として動作し、該第２アーム部材１２９の先端部には、圧電素子７０の変位量が拡大されて現れる。第１アーム部材１２３及び第２アーム部材１２９の各先端部に、それらの間の距離を離す方向に拡大されて現れる変位は、第１板ばね１２４及び第２板ばね１３０を介して弁体１２５を、弁座６４から十分な大きさの距離離し、大きな間隙を生じさせるように作用する。これにより十分な量の圧力空気が、圧力空気室６２から排出口６３を通して外部に排気される。圧電素子７０への通電が解除されると、圧電素子の復帰力により、上側及び下側変位拡大機構を介して、弁体９５が弁座６４に強制的に着座されるのはこれまで説明した実施例と同様である。
【００３０】
図９は、上述した第１乃至第４実施例及びその変形例を含む単体のエアバルブを、複数個横方向に重ね合わせて、多チャンネル式の選別機に対応させた、複合圧電式エアバルブ１４０の一部分解斜視図である。図面では、単体エアバルブを１０個連接した構成となっているが、その数は、用途に応じて自由であるのは言うまでもない。なお、単体エアバルブ６０の内部の図示は省略して示されている。単体エアバルブを複数個重ね合わせたとき、最も外側に位置するエアバルブの各片側側面には、内部に共通の圧力空気室を形成するための側板１４１，１４２が設けられる。側板１４１と側板１４２で複数個の単体エアバルブを挟み、これらすべてを連通する複数の締具（例えば、ボルト１４３とナット１４４）で固定することにより、複合圧電式エアバルブが構成される。空気圧供給源（図示せず）から供給される圧力空気は、左右何れかの側板１４１，１４２から、パイプ１４５を介して、両側板１４１，１４２の間に画定される共通の圧力空気室６２に導入される。なお、単体エアバルブを複数個重ね合わせたときの空気漏れを防ぐために、各単体エアバルブ間、及び最外側エアバルブと側板との間には、ガスケット１４８が設けられる。各圧電式エアバルブは、それが具える圧電素子に選択的に通電することにより、互いに独立に動作可能なことは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
上述したとおり、本発明による圧電式エアバルブでは、圧電素子が発生する僅かな変位が、変位拡大機構により拡大されて、圧力空気室と空気排出口との間の開放／閉鎖を制御する弁体に伝達されるため、弁体と弁座との間に、圧電素子への通電時に十分な大きさの間隙が提供されるので、圧力空気室から十分な量の圧力空気が排出口からエアパルスとして噴射される。また、圧電素子から弁体までの構成要素はすべて連結されているため、圧電素子への通電が解除されたとき、その復帰力は弁体に強制的に伝達され、圧力空気室と空気排出口との間の閉鎖制御が素早く行われる。
【００３２】
また、圧電素子そのものは、極めて変換効率が高いものであるため、省電力化されたエアバルブを提供し得る。
【００３３】
さらに、圧電素子自体の物理的大きさは小さいものであるため、単体エアバルブの小型化が容易である。単体エアバルブが容易に小型化できるため、単体エアバルブを複数個連結して、多チャンネル式選別機用の複合圧電式エアバルブを構成する場合にも、複数個を千鳥状に配設するなどの特別な配慮は必要なく、必要個数を単に重ね合わせるだけで良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、圧電素子を利用した従来のエアバルブの断面図である。
【図２】図２は、本発明の圧電式エアバルブを用いることができる粒状物選別機の要部側断面図である。
【図３】図３は、本発明の態様から除外された第１実施例の圧電式エアバルブの概略図である。
【図４】図４は、図３に示す圧電式エアバルブの圧電素子に通電したときの状態を示す図である。
【図５】図５は、本発明の態様から除外された第２実施例の圧電式エアバルブの概略図である。
【図６】図６は、本発明による第３実施例の圧電式エアバルブの概略図である。
【図７】図７は、図６に示す第３実施例の一部構成を変えた圧電式エアバルブの概略図である。
【図８】図８は、本発明の態様から除外された第４実施例の圧電式エアバルブの概略図である。
【図９】図９は、多チャンネル式選別機のための本発明による複合圧電式エアバルブの概略図である。
【符号の説明】
１１ 圧力気体
１３，１５ チェンバー
１７ 弁座
２１ ダイヤフラム
２３ 圧電素子
２５ 入力口
２７ 出力口
２９ エアパルス
３０ 粒状物選別機
３１ タンク
３２ 振動フィーダ
３３ 傾斜状シュート
３４ａ，３４ｂ 光学検出装置
３５ 制御装置
３７ 排除装置
３８ 不良物排出口
３９ 良品排出口
Ｏ 検出位置
Ｅ 除去位置
６０ 圧電式エアバルブ
６１ エアバルブ本体
６２ 圧力空気室
６３ 空気排出口
６４ 弁座
６５ 弁体
６６ アーム部材
６７ 第１ヒンジ
６８ 第２ヒンジ
６９ キャップ部材
７０ 圧電素子
７１ 圧電素子リード線
８０ 圧電式エアバルブ
８１ 第１板ばね
８２ 第２板ばね
８３ 第３板ばね
８５ 弁体
９０ 圧電式エアバルブ
９１ 第１ヒンジ
９２ 第２ヒンジ
９３ 第１アーム部材
９４ 第１板ばね
９５ 弁体
９６ 第３ヒンジ
９７ 第４ヒンジ
９８ 第２アーム部材
９９ 第２板ばね
１００ ベース基板
１０１ ユニット装着領域
１２０ 圧電式エアバルブ
１２１ 第１ヒンジ
１２２ 第２ヒンジ
１２３ 第１アーム部材
１２４ 第１板ばね
１２５ 弁体
１２６ 第３ヒンジ
１２７ 第４ヒンジ
１２８ａ 第１キャップ部材
１２８ｂ 第２キャップ部材
１２９ 第２アーム部材
１３０ 第２板ばね
１３１ ベース基板
１３２ ユニット装着領域
１４０ 複合圧電式エアバルブ
１４１，１４２ 側版
１４３ ボルト
１４４ ナット
１４５ パイプ
１４８ ガスケット

Claims (5)

1. 粒状物選別機に用いる圧電式エアバルブであって、該エアバルブは、
   空気圧供給手段から供給される圧力空気を受け入れる空気圧力室と、該空気圧力室から外部に通じる空気排出口と、を具えたエアバルブ本体と、
   前記空気圧力室と空気排出口との間の開放／閉鎖を制御する弁体と、
   前記弁体の開放／閉鎖動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子と、
   前記圧電素子が発生する変位を、拡大して前記弁体に作用させる一対の上側及び下側変位拡大機構とを具備している圧電式エアバルブにおいて、
   前記圧電素子はその長手方向軸線が前記弁体に向かうように配置され、
   前記上側変位拡大機構が、前記空気圧力室内にあって、
   一端が前記エアバルブ本体に結合され、支点として作用する第１ヒンジ部材と、
   前記第１ヒンジ部材と平行な関係で一端が、前記弁体に向って配置された前記圧電素子に接合され、力点として作用する第２ヒンジ部材と、
   前記第１及び第２ヒンジ部材の各他端がそれぞれ接合され、前記第１ヒンジ部材と第２ヒンジ部材との間の距離よりも長く且つ前記圧電素子の前記弁体の方向側に配置されるとともに、前記圧電素子の長手方向軸線と前記弁体とを結ぶ線に対して外向に向かって斜めに延び、先端部が作用点として作用する第１アーム部材と、
   一端が前記第１アーム部材の先端部に接合され、他端が前記弁体の一部に接合される第１ばね部材と、を含み、
   前記下側変位拡大機構が、前記空気圧力室内にあって、
   一端が前記エアバルブ本体に結合され、支点として作用する第３ヒンジ部材と、
   前記第３ヒンジ部材と平行な関係で一端が、前記弁体に向って配置された前記圧電素子に接合され、力点として作用する第４ヒンジ部材と、
   前記第３及び第４ヒンジ部材の各他端がそれぞれ接合され、前記第３ヒンジ部材と第４ヒンジ部材との間の距離よりも長く且つ前記圧電素子の前記弁体の方向側に配置されるとともに、前記圧電素子の長手方向軸線と前記弁体とを結ぶ線に対して外向に向かって斜めに延び、先端部が作用点として作用する第２アーム部材と、
   一端が前記第２アーム部材の先端部に接合され、他端が前記弁体の他の一部に接合される第２ばね部材と、を含み、前記第１ばね部材及び第２ばね部材が前記弁体を前記空気排出口に押しつけるように作用することを特徴とする圧電式エアバルブ。
2. 請求項１に記載の圧電式エアバルブにおいて、前記圧電素子、前記変位拡大機構及び前記弁体は、前記エアバルブ本体とは別のベース基板上にユニット化して設けられ、該ユニット体が前記エアバルブ本体のユニット装着領域に装着されることを特徴とする圧電式エアバルブ。
3. 請求項１又は２に記載の単体圧電式エアバルブが、前記空気圧力室が連通して共通となるように、横方向に複数個連結されるとともに、最も外側に位置する二つの単体圧電式エアバルブの各片側側面が側板で閉鎖されることを特徴とする複合圧電式エアバルブ。
4. 請求項３に記載の複合圧電式エアバルブにおいて、前記単体圧電式エアバルブ間、及び前記最も外側に位置する単体圧電式エアバルブと前記側板との間には、空気漏れ防止のためのガスケットが設けられることを特徴とする複合圧電式エアバルブ。
5. 請求項３に記載の複合圧電式エアバルブにおいて、何れか一方の前記側板には、前記空気圧供給手段から供給される圧力空気を前記圧力空気室に導入するための取入口が設けられることを特徴とする複合圧電式エアバルブ。

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