JP6558800B2

JP6558800B2 - 圧電アクチュエータおよび圧電式バルブシステム

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Publication number: JP6558800B2
Application number: JP2015185455A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　隆文; 隆文伊藤; 宏典有井; 世傑徐; 矢野　健; 健矢野; 樋口　俊郎; 俊郎樋口
Original assignee: Satake Corp; Mechano Transformer Corp
Current assignee: Satake Corp; Mechano Transformer Corp
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: JP2017060356A

Description

本発明は、圧電素子の変位を利用して所定の駆動動作を行う圧電アクチュエータ、およびそれを用いた圧電式バルブシステムに関する。

圧電素子に電圧を与えることにより印加電圧に応じた伸縮変位が生じる圧電アクチュエータは、エネルギー効率が高く、高速応答が可能であり、小型化、薄型化に適している等の優れた点を有しているため、種々の分野の駆動装置として適用されている。

例えば、このような圧電アクチュエータを駆動機構として用いた圧電式バルブが、高速応答が可能なバルブとして知られており、このような圧電式バルブを光学式粒状物選別機に用いることが提案されている（例えば特許文献１）。

一方、圧電アクチュエータにおいて、圧電素子に異常が生じて正常な伸縮動作を行えなくなると、圧電バルブが正常な動作を行えなくなるため、圧電素子の異常を速やかに検出することが望まれる。

特許文献２〜５には、圧電素子を含む駆動回路の異常を検出する技術が記載されている。

特許第４３４４１６４号公報特許第４７４１０９８号公報特許第２６８５２００号公報特許第４６５１１７９号公報特開２００２−２４６６６７号公報

ところで、上記特許文献２〜５は、圧電アクチュエータを適用した装置を稼働している際に圧電素子を含む駆動回路の断線や短絡等の異常を検出するものであり、圧電素子の異常を事前に検出することはできない。

また、圧電素子は絶縁特性が徐々に劣化して異常が発生するため、異常の有無のみならず実際に異常となる前段階で絶縁性の劣化の状態を把握して事前に故障を予知することが望まれるが、上記特許文献２〜５では、圧電素子に異常が発生する前の絶縁性の劣化までは把握することができない。

したがって、本発明は、圧電素子の異常を事前に検出することができ、また圧電素子の実際の異常に至る前段階の絶縁性の劣化をも検出することができる圧電アクチュエータ、およびそれを用いた圧電式バルブシステムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、複数の圧電式バルブにそれぞれ対応して設けられ、電圧が印加されることにより所定の変位を生じ、対応する圧電式バルブを開閉させる複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子に電圧を印加する電源と、前記複数の圧電素子のうち任意のものに選択的に前記電源から電圧を与えて駆動し、対応する前記圧電式バルブを開閉させる駆動回路と、前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、圧電アクチュエータの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチと、を有し、前記異常検出回路は、前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。

前記第１の観点の圧電アクチュエータにおいて、前記異常判定部は、前記電圧検出部で検出された検出電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する比較器を有し、比較器の信号から異常の判定を行うことが好ましい。前記異常判定部は、前記電圧値に基づいて前記圧電素子に実際に異常が生じているか否か、または異常に至る前段階であるか否かを判定するようにすることができる。

本発明の第２の観点は、複数の圧電式バルブにそれぞれ対応して設けられ、電圧が印加されることにより所定の変位を生じ、対応する圧電式バルブを開閉させる複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子に電圧を印加する電源と、前記複数の圧電素子のうち任意のものに選択的に前記電源から電圧を与えて駆動し、対応する前記圧電式バルブを開閉させる駆動回路と、前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、圧電アクチュエータの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチと、を有し、前記異常検出回路は、前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて前記圧電素子の抵抗値を算出する演算部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。

上記第２の観点の圧電アクチュエータにおいて、前記演算部により算出された前記圧電素子の抵抗値から、前記圧電素子に実際に異常が生じているか否か、または異常に至る前段階であるか否かを把握するようにすることができる。

上記第１および第２の観点の圧電アクチュエータにおいて、前記異常検出回路は、前記線路における前記抵抗器に基づく電圧の検出点の上流側に設けられた保護抵抗器をさらに有することが好ましい。

前記スイッチは、前記圧電アクチュエータの動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路に接続し、異常検出動作時に前記接地側の端子を前記異常検出回路に接続するように切り替えるようにすることができる。また、前記異常検出回路は前記圧電素子の接地側端子に接続されており、前記スイッチは、前記圧電アクチュエータの動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路に接続し、異常検出動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路から切り離すようにすることもできる。

前記動作側線路および前記異常検出回路は、前記複数の圧電素子に対して共通に設けられ、前記駆動回路により選択された前記圧電素子に対して前記異常検出回路により異常検出を行うようにすることができる。

前記圧電式バルブは、光学検出手段により特定した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機の噴風排出路の開閉に用いることができる。また、前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構をさらに有してもよい。

本発明の第３の観点は、光学検出手段により粒状物を選別し、選別した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機に用いられる圧電式バルブシステムであって、圧電素子に所定の変位を生じさせることにより噴風排出路の開閉を行う複数の圧電式バルブと、前記複数の圧電式バルブに対応する複数の前記圧電素子に電圧を印加する電源と、前記光学検出手段からの信号に基づいて、前記複数の圧電式バルブのうち対応するものの前記圧電素子に選択的に前記電源からの電圧を与えて駆動する駆動回路と、前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、前記バルブシステムの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側の端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチとを有し、前記異常検出回路は、前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部とを有し、前記異常検出回路が前記複数の圧電素子のうち対応するものに接続されるようにして、その圧電素子の異常検出を行うことを特徴とする圧電式バルブシステムを提供する。

本発明の第４の観点は、光学検出手段により粒状物を選別し、選別した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機に用いられる圧電式バルブシステムであって、圧電素子に所定の変位を生じさせることにより噴風排出路の開閉を行う複数の圧電式バルブと、前記複数の圧電式バルブに対応する複数の前記圧電素子に電圧を印加する電源と、前記光学検出手段からの信号に基づいて、前記複数の圧電式バルブのうち対応するものの前記圧電素子に選択的に前記電源からの電圧を与えて駆動する駆動回路と、前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、前記バルブシステムの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側の端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチとを有し、前記異常検出回路は、前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて前記圧電素子の抵抗値を算出する演算部とを有し、前記異常検出回路が前記複数の圧電素子のうち対応するものに接続されるようにして、その圧電素子の異常検出を行うことを特徴とする圧電式バルブシステムを提供する。

本発明によれば、圧電アクチュエータの駆動回路とは別個に、圧電素子の接地側の端子に接続される異常検出回路を設け、異常検出回路による異常検出を圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態で圧電素子の絶縁異常の有無を検出することができる。このため、圧電アクチュエータを動作させる前に、異常検出回路により事前に圧電素子に絶縁劣化による異常が生じているか否かを把握することができる。これにより、圧電アクチュエータの動作中に圧電素子に異常が生じることを有効に防止することができる。

また、圧電素子は、健全な状態では抵抗が高く接地漏れ電流は極めて小さいが、絶縁性が劣化していくと、劣化の度合いに応じて接地漏れ電流が大きくなるので、上述のように異常検出回路により接地漏れ電流に応じた電圧を検出して圧電素子の絶縁劣化を検出する構成とすること、または演算部で圧電素子の抵抗値を算出することにより、圧電素子に実際に異常が生じているか否かのみならず、異常となる前段階のわずかな絶縁性劣化をも検出することができ、事前に圧電素子の故障を予知することができる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略図である。異常検出回路における異常判定部の構造例を示す図である。（ａ）は圧電素子が正常な場合の異常検出回路における検出電圧および比較器からの出力信号を示す図であり、（ｂ）は圧電素子が絶縁不良を起こした場合の異常検出回路における検出電圧および比較器からの出力信号を示す図である。オープンの場合の異常検出回路における検出電圧および比較器からの出力信号を示す図である。図１の変形例を示す図である。図１の他の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略図である。圧電アクチュエータの適用例としてのバルブシステムを有する光学式粒状物選別機を示す側断面図である。図８のバルブシステムに適用される圧電式バルブの構造例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜圧電アクチュエータ＞
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略図である。第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００は、光学検出手段により粒状物を選別し、選別した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機に用いられるバルブシステムに適用することができる。

圧電アクチュエータ１００は、電圧が印加されることにより伸縮変位する４つの圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを有する圧電素子ユニット４０を複数有している。光学式粒状物選別機に用いられる圧電式バルブシステムに適用される場合は、圧電素子ユニット４０は例えば１７個であり、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄは、それぞれ圧電式バルブの駆動部を構成し、これら４つの圧電式バルブが１つのケースに収納されて１つのバルブユニットを構成する。

圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄには、電源１０から駆動回路２０を介して例えば７２Ｖの電圧が印加されるようになっている。駆動回路２０は、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄのそれぞれに電圧を印加するための複数の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）からなるスイッチング素子２１を有している。なお、駆動回路２０の詳細な構成は省略する。圧電素子は電圧を印加することにより所定の変位が生ずるものであれば使用可能であるが、板状の圧電体が電極を挟んで複数積層され、電圧の印加により伸縮変位が生じる積層型の圧電素子を好適に用いることができる。圧電材料は絶縁体（誘電体）であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）を用いることができる。また、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの変位を変位拡大機構で拡大するようにしてもよい。

電源１０からスイッチング素子２１に至る線路には、ヒューズ抵抗１１が設けられており、圧電素子が完全に短絡した場合はヒューズ抵抗１１で検出することができる。

また、駆動回路２０等を制御する制御部３０が設けられている。制御部３０は、スイッチング素子２１の動作タイミング等を制御するようになっている。

圧電アクチュエータ１００は、さらに、スイッチ５０ａ，５０ｂおよび異常検出回路６０ａ，６０ｂを有している。

圧電素子ユニット４０においては、圧電素子４１ａ，４１ｂが第１の組４２となっており、第１の組４２は、接地ライン５１ａおよび異常検出回路６０ａのいずれかに接続可能となっている。そして、これらの接続の切り替えはスイッチ５０ａにより行われるようになっている。また、圧電素子４１ｃ，４１ｄが第２の組４３となっており、第２の組４３は、接地ライン５１ｂおよび異常検出回路６０ｂのいずれかに接続可能となっている。そして、これらの接続の切り替えはスイッチ５０ｂにより行われるようになっている。なお、異常検出回路６０ａ，６０ｂは圧電素子の接地側の端子に接続される。

また、スイッチ５０ａ，５０ｂは、制御部３０により、圧電アクチュエータ１００の動作時に、第１の組４２および第２の組４３を、それぞれ動作側線路である接地ライン５１ａ，５１ｂに接続し、異常検出動作時に第１の組４２および第２の組４３を、それぞれ異常検出回路６０ａ，６０ｂに接続するように制御される。スイッチ５０ａ，５０ｂは、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）やリレーにより構成することができる。

異常検出回路６０ａは、圧電素子４１ａ，５１ｂの接地側の端子に接続される接地された線路６１ａと、線路６１ａの途中に設けられ、圧電素子４１ａ，４１ｂに対して直列に接続された抵抗器６２ａと、抵抗器６２ａの上流側に接続された電圧検出線路６３ａと、電圧検出線路６３ａに接続され、抵抗器６２ａに基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部６４ａとを有する。電圧検出線路６３ａには抵抗器６５ａが設けられている。また、線路６１ａには、電圧検出線路６３ａの接続部の上流側に保護抵抗器６６ａが設けられている。抵抗器６２ａは例えば１．０ＭΩであり、保護抵抗器６６ａは例えば６．８ＭΩである。

異常検出回路６０ｂは、圧電素子４１ｃ，５１ｄの接地側の端子に接続される接地された線路６１ｂと、線路６１ｂの途中に設けられ、圧電素子４１ｃ，４１ｄに対して直列に接続された抵抗器６２ｂと、抵抗器６２ｂの上流側に接続された電圧検出線路６３ｂと、電圧検出線路６３ｂに接続され、抵抗器６２ｂに基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部６４ｂとを有する。電圧検出線路６３ｂには抵抗器６５ｂが設けられている。また、線路６１ｂには、電圧検出線路６３ｂの接続部の漏れ電流方向上流側に保護抵抗器６６ｂが設けられている。抵抗器６２ｂは例えば１．０ＭΩであり、保護抵抗器６６ｂは例えば６．８ＭΩである。

抵抗器６２ａ，６２ｂは、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄに例えば７２Ｖの電圧を印加した場合に、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄで電圧降下した後の電圧を検出するためのものである。正常な圧電素子では５００ＭΩ程度の大きな抵抗値であり電圧降下が大きいため、線路６１ａ，６１ｂには接地漏れ電流がほとんど流れず、電圧検出線路６３ａ，６３ｂを経て検出される電圧値は非常に低い値となる。これに対し、圧電素子の絶縁性が劣化した場合は、圧電素子での電圧降下が小さくなり、接地漏れ電流が流れるため、電圧検出線路６３ａ，６３ｂを経て検出される電圧値は大きくなる。異常判定部６４ａおよび６４ｂでは、これを利用して圧電素子の絶縁劣化を検出する。

この場合に、圧電素子の内部が完全に短絡して大電圧が直接異常判定部６４ａ，６４ｂにかかると回路が破壊されるおそれがあるため、保護抵抗器６６ａ，６６ｂを設けて電圧検出線路６３ａ，６３ｂに入力される電圧が低くなるようにしている。

図２に示すように、異常判定部６４ａおよび６４ｂは、それぞれ比較器７１ａおよび７１ｂを有している。比較器７１ａは、電圧検出線路６３ａからの電圧Ａと、所定の閾値電圧（＋Ｖ）、例えば２．４Ｖとを比較し、電圧Ａが閾値電圧以上の場合に出力信号がＬとなり、電圧Ａが閾値電圧よりも低い場合に出力信号がＨとなる。比較器７１ｂも同様である。

例えば、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃが正常で圧電素子４１ｄが絶縁不良を起こした場合は、図３に示すようになる。すなわち、２つの圧電素子４１ａ，４１ｂの両方が正常な第１の組４２に接続された異常検出回路６０ａにおいては、図３（ａ）に示すように、電圧検出線路６３ａからの電圧Ａは、一旦閾値より高い値になった後、閾値より低い電圧に収束し、比較器７１ａの出力信号ＣはＨとなる。一方、圧電素子４１ｃが正常で圧電素子４１ｄが絶縁不良を起こした第２の組４３に接続された異常検出回路６０ｂにおいては、図３（ｂ）に示すように、電圧検出線路６３ｂからの電圧Ｂは閾値より高い電圧に収束し、比較器７１ｂの出力信号ＤはＬ（出力０）となる。したがって、出力信号がＬとなった場合に圧電素子に絶縁劣化による異常が生じたと判断することができる。このとき、出力信号がＬとなった場合に、ランプ等の表示装置や警報装置といった適宜の出力手段により出力することにより、圧電素子に絶縁劣化による異常が生じたことを速やかに把握することができる。

また、オープンの場合は、図４に示すように、異常検出回路の検出電圧は閾値を超えることなく０のままであり、このような状態を検出することにより、断線やコネクタの差し忘れ等を検出することができる。

さらに圧電素子が完全に短絡した場合は、上述したように、ヒューズ抵抗１１で検出することができる。

このような複数の圧電素子ユニット４０の各々の圧電素子の組における異常検出は、スイッチを順次異常検出回路側に切り替えて順次行ってもよいし、スイッチを一括して異常検出回路側に切り替えて一括して行ってもよい。

このように構成される圧電アクチュエータ１００によれば、圧電アクチュエータ１００を動作させる前に、スイッチ５０ａ，５０ｂを異常検出回路６０ａ，６０ｂ側へ切り替えることにより、事前に圧電素子に絶縁劣化による異常が生じているか否かを把握することができる。このため、圧電アクチュエータ１００の動作中に圧電素子に異常が生じることを有効に防止することができる。また、スイッチ５０ａ，５０ｂを異常検出回路６０ａ，６０ｂ側へ切り替えるのみであるから、このように複数の圧電素子が存在する場合にも、圧電素子の絶縁劣化による異常の有無を速やかに把握することができ、異常が生じた圧電素子の特定も容易である。特に、スイッチを一括して異常検出回路側に切り替えて圧電素子の異常検出を一括して行うことにより、異常検出をより短時間で行うことができる。

また、圧電素子が正常な場合には、５００ＭΩ程度の大きな抵抗値であり電圧降下が大きいため、線路６１ａ，６１ｂには接地漏れ電流が極めて小さく、電圧検出線路６３ａ，６３ｂを経て検出される電圧値は非常に低い値となるのに対し、圧電素子の絶縁性が劣化した場合は、圧電素子での電圧降下が小さくなり、接地漏れ電流が流れるため、電圧検出線路６３ａ，６３ｂを経て検出される電圧値は大きくなる。これを利用することにより、適切な閾値電圧を設定すれば、圧電素子に実際に異常が生じているか否かのみならず、異常となる前段階のわずかな絶縁性劣化をも検出することができ、圧電素子の劣化の過程を監視することにより事前に圧電素子の故障を予知することができる。これにより、圧電アクチュエータを組み込んだ装置の動作中に圧電素子が壊れる事態が発生する前の適切なタイミングで圧電素子を交換することが可能となる。

次に、第１の実施形態のいくつかの変形例について説明する。
上記図１の例では、圧電アクチュエータ１００の動作時に、圧電素子の接地側端子を動作側線路である接地ライン５１ａ，５１ｂに接続し、異常検出動作時に圧電素子の接地側端子を異常検出回路６０ａ，６０ｂに接続するスイッチ５０ａ，５０ｂを用いているが、スイッチはこれに限らず、圧電アクチュエータ１００の動作時に圧電素子の接地側端子を動作側線路に接続し、異常検出回路６０ａ，６０ｂによる異常検出時に圧電素子の接地側端子が動作側線路である接地ライン５１ａ，５１ｂに接続されていない状態とするものであればよい。例えば、図５に示すように、異常検出回路６０ａ，６０ｂを圧電素子の接地側端子に接続するようにした上で、圧電アクチュエータ１００の動作時に圧電素子の接地側端子を動作側線路である接地ライン５１ａ，５１ｂに接続し、異常検出動作時に圧電素子の接地側端子を動作側線路である接地ライン５１ａ，５１ｂから切り離すように動作するスイッチ１５０ａ，１５０ｂを用いることもできる。

また、上記図１の例では、動作側線路である接地ラインおよび異常検出回路を、圧電素子の組ごとに複数設けているが、これに限らず、図６に示すように、共通の接地ライン５１および共通の検出回路６０を設け、異常検出動作時にスイッチ１５０により圧電素子の接地側端子を動作側線路である接地ライン５１から切り離した上で、駆動回路２０のスイッチング素子２１を制御して検出する圧電素子を順次切り替えるようにしてもよい。なお、図６において、検出回路６０は、検出回路６０ａ，６０ｂと同様に構成され、線路６１と、抵抗器６２と、電圧検出線路６３と、異常判定部６４と、抵抗器６５と、保護抵抗器６６を有しており、これらはそれぞれ線路６１ａ，６１ｂ、抵抗器６２ａ，６２ｂ、電圧検出線路６３ａ，６３ｂ、異常判定部６４ａ，６４ｂ、抵抗器６５ａ，６５ｂ、保護抵抗器６６ａ，６６ｂと同様である。また、図６において、スイッチ１５０の代わりに図１のスイッチ５０ａ，５０ｂと同様のスイッチを用いてもよい。

（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略図である。第２の実施形態の圧電アクチュエータ１００′は、基本構成は第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００と同様であるが、異常検出回路６０ａ，６０ｂが第１の実施形態の異常判定部６４ａ，６４ｂの代わりに演算部６７ａ，６７ｂを有している点のみが第１の実施形態と異なっている。したがって、第１の実施形態と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

演算部６７ａは、電圧検出線路６３ａに接続される。演算部６７ａでは、電圧検出線路６３ａからの電圧を検出し、その電圧から線路６１ａに流れる電流を算出し、これらと圧電素子４１ａ，４１ｂに印加される電圧、ならびに線路６１ａおよび圧電素子の給電ラインの既知の抵抗とから圧電素子４１ａ，４１ｂの抵抗値を演算する。

また、演算部６７ｂは電圧検出線路６３ｂに接続される。演算部６７ｂでは、電圧検出線路６３ｂからの電圧を検出し、その電圧から線路６１ｂに流れる電流を算出し、これらと圧電素子４１ｃ，４１ｄに印加される電圧、ならびに線路６１ｂおよび圧電素子の給電ラインの既知の抵抗とから圧電素子４１ｃ，４１ｄの抵抗値を演算する。

そして、演算部６７ａ，６７ｂの演算結果を適宜の表示部に表示させることにより、圧電素子の抵抗値を把握することができ、圧電素子の絶縁性の異常の有無、および絶縁劣化の程度を把握することができる。

本実施形態の圧電アクチュエータ１００′においても、圧電アクチュエータ１００′を動作させる前に、スイッチ５０ａ，５０ｂを異常検出回路６０ａ，６０ｂ側へ切り替えることにより、事前に圧電素子に絶縁劣化による異常が生じているか否かを把握することができる。このため、圧電アクチュエータ１００′の動作中に圧電素子に異常が生じることを有効に防止することができる。また、スイッチ５０ａ，５０ｂを異常検出回路６０ａ，６０ｂ側へ切り替えるのみであるから、このように複数の圧電素子が存在する場合にも、圧電素子の絶縁劣化による異常の有無を速やかに把握することができ、異常が生じた圧電素子の特定も容易である。特に、スイッチを一括して異常検出回路側に切り替えて圧電素子の異常検出を一括して行うことにより、異常検出をより短時間で行うことができる。

また、演算部６７ａ，６７ｂにより、圧電素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの抵抗値を算出することができるので、圧電素子の絶縁性の劣化を高精度で把握することができる。このため、圧電素子に実際に異常が生じているか否かのみならず、異常となる前段階のわずかな絶縁性劣化をも検出することができ、圧電素子の劣化の過程を監視することにより事前に圧電素子の故障を予知することができる。これにより、圧電アクチュエータを組み込んだ装置の動作中に圧電素子が壊れる事態が発生する前の適切なタイミングで圧電素子を交換することが可能となる。

なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様、図５および図６の変形例を適用することができる。

＜光学式粒状物選別機＞
次に、上記圧電アクチュエータの適用例として、圧電アクチュエータを組み込んだ圧電式バルブシステムを有する光学式粒状物選別機について説明する。図８は、粒状物選別機２００の内部構造を簡略化して示す要部側断面図である。

粒状物選別機２００は、上部にタンク２０２と振動フィーダ２０３とからなる粒状物供給部を有する。粒状物供給部の下方には所定幅を有する傾斜状シュート２０４が配置される。

粒状物供給部から供給された粒状物は、傾斜状シュート２０４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。

所定の落下軌跡の前後には、落下軌跡に沿った検出位置Ｏにおいて粒状物を撮像する少なくとも一対の光学検出装置２０５ａ，２０５ｂが対向して配設される。各光学検出装置２０５ａ，２０５ｂは、それぞれＣＣＤラインセンサを内蔵するＣＣＤカメラ等の撮像手段２５１ａ，２５１ｂ、蛍光灯等からなる照明手段２５２ａ，２５２ｂ、およびバックグラウンド２５３ａ，２５３ｂ等から構成される。

また、前記検出位置Ｏの下方には、不良品等をエアの噴風により除去する噴風装置２０７が配設される。噴風装置２０７は、複数のノズル孔を有する噴風ノズル２７１と、該噴風ノズル２７１に圧縮空気を送る圧縮空気供給装置２７２と、噴風を噴出するノズル孔を切り替えるための圧電式バルブシステム２７３とを備える。

圧電式バルブシステム２７３は、圧電素子を有する複数の圧電式バルブ２７４と、電源２７５と、所定の圧電素子に電源２７５から電圧を印加し、伸縮動作をさせて圧電式バルブ２７４の開閉駆動を行うための駆動回路２７６と、駆動部２７６による圧電素子の伸縮動作のオンオフを制御する制御部２７７と、圧電素子の異常検出を行う複数の異常検出回路（図示せず）と、動作時に圧電素子の接地側端子を動作側線路に接続し、異常検出時に圧電素子の接地側の端子を異常検出回路に接続するように切り替える複数のスイッチ（図示せず）とを有する。異常検出回路およびスイッチは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００または第２の実施形態の圧電アクチュエータ１００′における異常検出回路６０ａ，６０ｂ、およびスイッチ５０ａ，５０ｂと同様に構成することができる。また、図５、図６に示す変形例も適用することができる。

圧電式バルブ２７４は、図９（ａ）の閉弁時における側面図および（ｂ）の正面図に示すように、圧縮空気供給装置２７２から圧縮空気の供給を受ける圧力室３１１および圧力室３１１内の気体を外部に噴出する気体排出路３１２を有するバルブ本体３０１と、圧力室３１１内に配置され排出路３１２を開閉する弁体３０２と、バルブ本体３０１内に配置され当該バルブ本体３０１に一端が固定される圧電素子３０３と、気体圧力室３１１内に配置され圧電素子３０３の変位を拡大して弁体３０２に作用させる変位拡大機構３０４とを有している。圧電素子３０３は上述した駆動回路２７６により電源２７５からの電圧が印加されることにより駆動され、弁体３０２が開閉駆動される。そして、気体排出路３１２の圧力室３１１側に突出して形成される弁座３０５に対し弁体３０２を離間または着座させることで当該バルブの開閉を行う。

変位拡大機構３０４は、圧電素子３０３の長手方向軸線と排出路３１２とを結ぶ線（以下、「中心線」という。）に対し対称に第１部分３０４ａと第２部分３０４ｂとを有している。

変位拡大機構３０４の第１部分３０４ａは、第１ヒンジ３０６ａ、第２ヒンジ３０７ａ、第１アーム部材３０８ａおよび第１板ばね２０９ａで構成される。第１ヒンジ３０６ａの一端はバルブ本体３０１に接合される。第２ヒンジ３０７ａの一端は圧電素子３０３に取り付けられるキャップ部材３３１に接合される。第１ヒンジ３０６ａおよび第２ヒンジ３０７ａの各他端は、第１アーム部材３０８ａの基部に接合される。第１アーム部材３０８ａは、弁体３０２の方向に向けて中心線から離れる方向に延びており、その先端部分に第１板ばね３０９ａの一端が接合される。第１板ばね３０９ａの他端は弁体３０２の一方側に接合される。

一方、変位拡大機構３０４の第２部分３０４ｂは、第３ヒンジ３０６ｂ、第４ヒンジ３０７ｂ、第２アーム部材３０８ｂおよび第２板ばね３０９ｂで構成される。第３ヒンジ３０６ｂの一端はバルブ本体３０１に接合される。第４ヒンジ３０７ｂの一端は圧電素子３０３に取り付けられるキャップ部材３３１に接合される。第３ヒンジ３０６ｂおよび第４ヒンジ３０７ｂの各他端は、第２アーム部材３０８ｂの基部に接合される。第２アーム部材３０８ｂは、弁体３０２の方向に向けて中心線から離れる方向に延びており、その先端部分に第２板ばね３０９ｂの一端が接合される。第２板ばね３０９ｂの他端は弁体３０２の他方側に接合される。

このような構成の４つの圧電式バルブ２７４が１つのケースに収納されて１つのバルブユニットを構成し、圧電式バルブシステム２７３はこのようなバルブユニットを複数、例えば１７個有している。

なお、図中２８１は不良品排出口であり、２８２は良品排出口である。

次に、このように構成される光学式粒状物選別機２００の動作について説明する。
粒状物供給部から供給された粒状物は、斜状シュート２０４を幅方向に広がって連続状に自然流下した後、その下端から所定の落下軌跡に沿って空中に放出される。そして、放出された粒状物は、粒状物検出位置Ｏにおいて各光学検出装置２０５ａ，２０５ｂの撮像手段２５１ａ，２５１ｂにより撮像され、当該撮像データが噴風装置２７０における圧電式バルブシステム２７３の制御部２７７に送られる。制御部２７０は、撮像データに基づいて不良品等の除去すべき粒状物を特定するとともに当該粒状物の大きさ等に関する情報を取得し、不良品等の排除信号を駆動回路２７６に送る。

駆動回路２７６は、送られてきた排除信号に基づいて圧電式バルブシステム２７３における複数の圧電式バルブ２７４を選択的に駆動し、傾斜状シュート２４０の幅方向に平行に直線状に延びる粒状物排除位置Ｅを通過する不良品等に対し、該幅方向の各位置に対応して設けられる噴風ノズル２７１の各ノズル孔からエアを噴風する。

そして、噴風ノズル２７１の各ノズル孔からの噴風により吹き飛ばされた不良品等は、不良品排出口２８１から機外に排出される。また、噴風により吹き飛ばされることなく所定の落下軌跡をそのまま通過した良品等は、良品排出口２８２から回収される。

このとき、圧電式バルブ２７４においては、図９（ａ）の閉状態において駆動回路２７６により電源２７５からの電圧が圧電素子３０３に印加されると、圧電素子３０３は図面上右方向に伸長する。この伸長に伴い、変位拡大機構３０４の第１部分３０４ａでは、第２ヒンジ３０７ａが力点、第１ヒンジ３０６ａが支点、第１アーム部材３０８ａの先端部が作用点として作用し、第１アーム部材３０８ａの先端部には、圧電素子３０３の変位量がテコの原理により拡大されて現れる。同様に、第２部分３０４ｂでは、第４ヒンジ３０７ｂが力点、第３ヒンジ３０６ｂが支点、第２アーム部材３０８ｂの先端部が作用点として作用し、第２アーム部材３０８ｂの先端部には、圧電素子３０３の変位量が拡大されて現れる。

そして、第１アーム部材３０８ａおよび第２アーム部材３０８ｂの各先端部を離間させる方向に拡大されて現れた変位は、第１板ばね３０９ａおよび第２板ばね３０９ｂを介して弁体３０２を弁座３０５から十分な距離離間させ、両者間に大きな間隙を生じさせる。これにより圧電式バルブ２７４は開弁され、十分な量の空気が圧力室３１１から排出路３１２を通して噴風ノズル２７１のノズル孔へ導かれ、ノズル孔から噴風される。

一方、圧電式バルブ２７４は、駆動回路２７６からの駆動信号が解除されて電圧の印加が停止されると伸長した状態から電圧印加前の状態まで収縮し、弁体３０２が弁座３０５に着座する。このとき、圧電式バルブ２７４には第１板ばね３０９ａおよび第２板ばね３０９ｂのばねとしての復帰力も弁体３０２に作用するため、弁体３０２は弁座３０５に確実に着座させることができる。

このように、圧電式バルブ２７４を複数有する圧電式バルブシステム２７３においては、複数の圧電式ノズルが圧電素子３０３により頻繁に開閉される。したがって、従来のように異常検出回路が存在しない場合には、動作中に圧電素子３０３に異常が生じた場合に不良品等の排除が十分に行われない事態が生じ、装置を停止してどの圧電式ノズル２７４が異常かを特定した後、圧電素子の交換等を行う必要があった。

これに対して、本例の光学式粒状物選別機２００の圧電式バルブシステム２７３では、圧電素子を有する複数の圧電式バルブ２７４と、電源２７５と、所定の圧電素子に電源２７５から電圧を印加し、伸縮動作をさせて圧電式バルブ２７４の開閉駆動を行うための駆動回路２７６と、駆動回路２７６による圧電素子の伸縮動作のオンオフを制御する制御部２７７とを有する他、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００または第２の実施形態の圧電アクチュエータ１００′における異常検出回路６０ａ，６０ｂ、およびスイッチ５０ａ，５０ｂと同様の構成の異常検出回路およびスイッチを備えている。すなわち、圧電式バルブシステム２７３に第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００または第２の実施形態の圧電アクチュエータ１００′が組み込まれている。

このため、光学式粒状物選別機２００を動作させる前、すなわち圧電式バルブシステム２７３を動作させる前に、異常検出回路により、事前に複数の圧電式バルブ２７４の圧電素子３０３に絶縁劣化による異常が生じているか否かを簡単な動作で把握することができる。これにより、動作中に圧電素子に異常が生じることを有効に防止することができ、しかも複数の圧電式バルブ２７４のうちの異常が生じた圧電素子の特定も容易である。

また、異常検出回路を設けることにより、圧電素子に実際に異常が生じているか否かのみならず、異常となる前段階のわずかな絶縁性劣化をも検出することができ、圧電素子の劣化の過程を監視することにより事前に圧電素子の故障を予知することができる。これにより、光学式粒状物選別機２００の動作中に圧電式バルブシステム２７３の圧電式バルブ２７４に用いられている圧電素子が壊れる事態が発生する前の適切なタイミングで圧電素子を交換することが可能となる。

＜他の適用＞
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、本発明に係る圧電アクチュエータの適用例として光学式粒状物選別機の圧電式バルブシステムを挙げたが、これに限るものではなく、駆動機構として圧電素子を用いるものであれば適用可能である。また、上記実施形態では複数の圧電素子を用い、２つの圧電素子ごとに異常検出回路により圧電素子の異常を検出する圧電アクチュエータを例示したが、１つの圧電素子ごとに異常検出回路を設けてもよい。また、複数の圧電素子を有する場合に限らず一つの圧電素子のみを有する圧電アクチュエータであってもよい。

また、変位拡大機構についても図９に示す構造に限定されるものではなく、ヒンジとアームを種々に組み合わせた種々のタイプの変位拡大機構を用いることができる。

１０；電源
１１；ヒューズ抵抗
２０；駆動回路
２１；スイッチング素子
３０；制御部
４０；圧電素子ユニット
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ；圧電素子
５０ａ，５０ｂ，１５０，１５０ａ，１５０ｂ；スイッチ
５１ａ，５１ｂ；接地ライン
６０，６０ａ，６０ｂ；異常検出回路
６１ａ，６１ｂ；線路
６２ａ，６２ｂ；抵抗器
６３ａ，６３ｂ；電圧検出線路
６４ａ，６４ｂ；異常判定部
６６ａ，６６ｂ；保護抵抗器
６７ａ，６７ｂ；演算部
７１ａ，７１ｂ；比較器
１００，１００′；圧電アクチュエータ
２００；光学式粒状物選別機
２０５ａ，２０５ｂ；光学検出装置
２０７；噴風装置
２７１；噴風ノズル
２７２；圧縮空気供給装置
２７３；バルブシステム
２７４；圧電式バルブ
２７５；電源
２７６；駆動部（駆動回路）
２７７；制御部
３０１；バルブ本体
３０２；弁体
３０３；圧電素子
３０４；変位拡大機構
３０５；弁座

Claims

複数の圧電式バルブにそれぞれ対応して設けられ、電圧が印加されることにより所定の変位を生じ、対応する圧電式バルブを開閉させる複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子に電圧を印加する電源と、
前記複数の圧電素子のうち任意のものに選択的に前記電源から電圧を与えて駆動し、対応する前記圧電式バルブを開閉させる駆動回路と、
前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、
前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、圧電アクチュエータの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチと、
を有し、
前記異常検出回路は、
前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、
前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、
前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記異常判定部は、前記電圧検出部で検出された検出電圧値と、所定の閾値電圧とを比較する比較器を有し、比較器の信号から異常の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記異常判定部は、前記電圧値に基づいて前記圧電素子に実際に異常が生じているか否か、または異常に至る前段階であるか否かを判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
複数の圧電式バルブにそれぞれ対応して設けられ、電圧が印加されることにより所定の変位を生じ、対応する圧電式バルブを開閉させる複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子に電圧を印加する電源と、
前記複数の圧電素子のうち任意のものに選択的に前記電源から電圧を与えて駆動し、対応する前記圧電式バルブを開閉させる駆動回路と、
前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、
前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、圧電アクチュエータの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチと、
を有し、
前記異常検出回路は、
前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、
前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、
前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて前記圧電素子の抵抗値を算出する演算部と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記演算部により算出された前記圧電素子の抵抗値から、前記圧電素子に実際に異常が生じているか否か、または異常に至る前段階であるか否かを把握することを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
前記異常検出回路は、前記線路における前記抵抗器に基づく電圧の検出点の上流側に設けられた保護抵抗器をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記スイッチは、前記圧電アクチュエータの動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路に接続し、異常検出動作時に前記接地側の端子を前記異常検出回路に接続するように切り替えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記異常検出回路は前記圧電素子の接地側端子に接続されており、前記スイッチは、前記圧電アクチュエータの動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路に接続し、異常検出動作時に前記圧電素子の接地側端子を前記動作側線路から切り離すことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記動作側線路および前記異常検出回路は、前記複数の圧電素子に対して共通に設けられ、前記駆動回路により選択された前記圧電素子に対して前記異常検出回路により異常検出を行うことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電式バルブは、光学検出手段により特定した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機の噴風排出路の開閉に用いられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
光学検出手段により粒状物を選別し、選別した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機に用いられる圧電式バルブシステムであって、
圧電素子に所定の変位を生じさせることにより噴風排出路の開閉を行う複数の圧電式バルブと、
前記複数の圧電式バルブに対応する複数の前記圧電素子に電圧を印加する電源と、
前記光学検出手段からの信号に基づいて、前記複数の圧電式バルブのうち対応するものの前記圧電素子に選択的に前記電源からの電圧を与えて駆動する駆動回路と、
前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、
前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、前記バルブシステムの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側の端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチとを有し、
前記異常検出回路は、
前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、
前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、
前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて異常判定を行う異常判定部と
を有し、
前記異常検出回路が前記複数の圧電素子のうち対応するものに接続されるようにして、その圧電素子の異常検出を行うことを特徴とする圧電式バルブシステム。
光学検出手段により粒状物を選別し、選別した粒状物を噴風により吹き飛ばす光学式粒状物選別機に用いられる圧電式バルブシステムであって、
圧電素子に所定の変位を生じさせることにより噴風排出路の開閉を行う複数の圧電式バルブと、
前記複数の圧電式バルブに対応する複数の前記圧電素子に電圧を印加する電源と、
前記光学検出手段からの信号に基づいて、前記複数の圧電式バルブのうち対応するものの前記圧電素子に選択的に前記電源からの電圧を与えて駆動する駆動回路と、
前記圧電素子のそれぞれまたは２以上の接地側の端子に接続される一または複数の異常検出回路と、
前記一または複数の異常検出回路に対応して設けられ、前記バルブシステムの動作時に前記複数の圧電素子のうち対応するものの接地側の端子を動作側線路に接続し、前記異常検出回路による異常検出時に前記圧電素子の接地側端子が前記動作側線路に接続されていない状態とするスイッチとを有し、
前記異常検出回路は、
前記圧電素子の前記接地側の端子に接続される接地された線路と、
前記線路の途中に設けられ、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗器と、
前記電源から前記圧電素子に電圧が印加された際の前記抵抗器に基づく電圧を検出し、その電圧値に基づいて前記圧電素子の抵抗値を算出する演算部と
を有し、
前記異常検出回路が前記複数の圧電素子のうち対応するものに接続されるようにして、その圧電素子の異常検出を行うことを特徴とする圧電式バルブシステム。