JP6955137B2 - 圧電式アクチュエータ及び圧電式バルブ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子（ピエゾ素子）の変位を拡大して対象物を駆動する圧電式アクチュエータ及び圧電式バルブに関するものである。

この種の圧電式アクチュエータを利用した圧電式バルブとして、特許文献１、２に示されるものが知られている。

特許文献１の図１に示される圧電式バルブには、圧電式アクチュエータが内蔵されている。圧電式アクチュエータの伸縮動作により、アクチュエータ先端の弁部が開閉する仕組みになっている。

高速用途の場合、圧電式アクチュエータへは、同文献の図２(ａ)に示される通常パルス状の駆動電圧を印加するが、この場合に、同文献の図２（ｂ）に示されるバルブ出力の出力変動が発生することに鑑みて、同文献の図３、図４に示されるように多段方式で電圧を印加することで、この圧力変動を抑制している。

一方、特許文献２では、同文献の図４Ｂ、図５Ａ等に示されるようなプレパルスを入れることで振動を抑制している例を示している。

特許第５６３１６３１号公報 ＷＯ２０１３／１５７５４８号公報

ところで、特許文献１のものは、圧電式エアバルブが変位拡大機構を介して弁体を移動させるものであるがゆえ、エアの噴風時間が長くなる場合に弁体が振動してノズルからの噴風量が変動し、安定した動作が得られないとの認識の下に、電圧の印加に工夫を凝らしている。しかしながら、特許文献１のものは、同文献中には明確な記載はないが、本発明者が検討した結果、圧力変動は圧電式アクチュエータの機械共振に起因したものであって、圧電式アクチュエータの伸縮時に共振による振動が発生し、これにより弁部の開度が変化していることに主たる原因があることが明らかとなった。

このようなことから、特許文献１には、次のような解決すべき課題があると考えられる。
i）同文献中に記載されている２段出力の駆動電圧波形の場合でも、パルス波形には、圧電式アクチュエータの周波数成分を含んでいるため、共振振動抑制の効果は低い。
ii）共振の概念がないので、構造を変更すると、現物合わせで再度チューニングする必要があり、事前にどのような２段出力にすれば良いのかがわからない。
iii)同文献に記載の２段出力の駆動電圧波形（１段目より２段目が電圧が高い）は、更新ピッチの遅いローパスフィルタを介した波形と同じと考えられる。共振振動を抑制するには、ローパスフィルタのカットオフ周波数を圧電式アクチュエータの共振周波数より低く設定することが有効であるが、その結果、駆動電圧波形から圧電式アクチュエータの共振より高い周波数成分も減少するため、圧電式アクチュエータの応答性が悪い。

一方、特許文献２のものでは、iii)はチューニングさえすれば共振周波数成分をある程度除去することが期待できるし、回路もシンプルになるので、良い対策であると考えられるが、上記i)、ii)については同様の課題が残る。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、圧電式バルブ等に適用して弁体等の作動体に的確な動作を行わせることが可能な、従来にはない圧電式アクチュエータ及び圧電式バルブを提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の圧電式アクチュエータは、作動体の動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子と、前記圧電素子の変位を拡大し前記作動体に作用させるべく少なくともバネ要素を一部に含んだ変位拡大機構と、パルス波形の電圧指令に基づき前記圧電素子に電圧を印加して該圧電素子を伸張させることで前記変位拡大機構を通じて前記作動体を作動させる駆動手段と、を備えてなる圧電式アクチュエータにおいて、前記バネ要素は、前記圧電アクチュエータを構成するアクチュエータ本体のバネ弾性を構成するものであり、前記駆動手段は、前記変位拡大機構を動作させる際の前記バネ弾性による機械的な共振周波数の逆関数特性を有する共振抑制処理部としてのノッチフィルタを備えており、このノッチフィルタを通して前記圧電素子に前記パルス波形電圧から前記変位拡大機構の機械的な共振を低減した電圧を印加し、この電圧による圧電素子の変位を変位拡大機構を介して作動体に作用させることで前記アクチュエータ本体の振動を抑制するように構成されていることを特徴とする。

このように、作動体の変位の変動が変位拡大機構のバネ弾性による機械的な共振振動に起因することに着目すれば、その共振周波数を同定することにより、逆関数特性の共振抑制処理部を的確に構成することができる。

さらに、駆動系の応答遅れを的確に解消するためには、前記駆動手段が、前記圧電素子を駆動する際の遅れの原因となる電気的な駆動特性の逆特性を有する遅れ補償処理部を備え、この遅れ補償処理部を通して前記圧電素子に前記電気的な駆動特性の影響を低減する電圧を印加するように構成されていることが望ましい。

具体的な実施の態様としては、遅れ補償処理部がハイパスフィルタであるものが挙げられる。

このような圧電式アクチュエータを用い、外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室及び該気体圧力室から前記圧縮気体を排出する気体排出路が形成されるバルブ本体と、前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する作動体である弁体とを備えて圧電式バルブを構成すれば、当該圧電式バルブに高速で安定、確実な開閉動作を行わせることが可能となる。

以上説明した本発明によれば、圧電式アクチュエータの共振周波数成分を除去して弁体等の作動体に的確な動作を行わせることが可能となるうえに、現物合わせ等に頼らずに解析等を通じて的確な駆動系を構成することが可能な、新規有用な圧電式アクチュエータを提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る駆動方式を採用した圧電式アクチュエータを圧電式バルブに組み込んだ状態で示す図。 同実施形態に係る圧電式アクチュエータを構成する駆動手段を示す制御ブロック図。 同実施形態に係る圧電式アクチュエータの共振周波数特性を示す図。 同実施形態に係る共振抑制処理部である第１のフィルタ処理部の機能を示すグラフ。 同実施形態に係る圧電式アクチュエータを駆動する際の電気的な駆動特性を示すグラフ。 同実施形態に係る遅れ補償処理部である第２のフィルタ処理部の機能を示すグラフ。 同実施形態における第１のフィルタ処理部と第２のフィルタ処理部の機能を併記したグラフ。 同実施形態におけるパルス指令電圧の発生から圧電素子への印加に至るまでの電圧波形の変化の様子を示すグラフ。 同実施形態における圧電素子への印加電圧波形と作動体である弁の変位との関係を、パルス出力の場合、二段出力の場合と比較して示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１はこの実施形態の圧電式バルブＶを示すＶ図であり、この圧電式バルブＶは、外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室１１１及び該気体圧力室１１１から前記圧縮気体を排出する気体排出路１１２が形成されるバルブ本体１１と、前記気体圧力室１１１に配置され前記気体排出路１１２を開閉する弁体１２とを備えている。そして、この弁体１２を作動体とする圧電式アクチュエータＡをバルブ本体１１に一体に組み込んで構成されている。

圧電式アクチュエータＡは、作動体である弁体１２の動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子１３と、この圧電素子１３の変位を拡大し前記弁体１２に作用させるべく少なくともバネ要素を含んだ変位拡大機構１４と、前記圧電素子１３に電圧を印加して該圧電素子１３を伸張させることで前記作動体である弁体１２を作動させる駆動手段１５と、を基本構成として備えている。

前記弁体１２は、前記バルブ本体１１の前記気体圧力室１１１内において、前記気体排出路１１２を開閉する位置に配置される。

前記圧電素子１３は、前記バルブ本体１１の後述するＵ字状のベース基板１０の内側に配置される。

前記変位拡大機構１４は、前記バルブ本体１１の前記気体圧力室１１１内に配置され、
前記圧電素子１３の変位を拡大して前記弁体１２に作用させる。

前記駆動装置１５は、前記圧電素子１３に駆動電圧を印加して電荷を充電し、該圧電素子１３を伸長させる図示しない充電用駆動回路と、前記充電した電荷を放電し、前記圧電素子１３を収縮させる図示しない放電用駆動回路を備え、前記圧電素子１３を伸縮変位させることにより前記弁体１２を開閉駆動する。

前記変位拡大機構１４は、前記圧電素子１３の変位を拡大する変位拡大部１４ａと、前記圧電素子１３の変位を前記変位拡大部１４ａに伝達する変位伝達部１４ｂを有する。

前記変位伝達部１４ｂは、前記圧電素子１３の一端が接合されるＵ字状のベース基板１０と、前記圧電素子１３の他端が接合されるキャップ部材１８ａを有する。

前記圧電素子１３は、前記Ｕ字状のベース基板１０の空間内であって該Ｕ字状底部と前記キャップ部材１８ａとの間に組み込まれ、前記一端が前記ベース基板１０に接合され、前記他端が前記キャップ部材１８ａに接合されている。

変位伝達部１４ｂと変位拡大部１４ａは、第１ヒンジ１６、第２ヒンジ１７、第１アーム部材１８及び板ばね１９を含んで構成される。第１ヒンジ１６の一端はベース基板１０に接合される。第２ヒンジ１７の一端は前記圧電素子１３に取り付けられるキャップ部材１８ａに接合される。第１ヒンジ１６及び第２ヒンジ１７の各他端はいずれも、アーム部材１８の基部に接合される。アーム部材１８の外側先端部分には、板ばね１９の一端が接合され、板ばね１９の内方端は弁体１２の最寄の側端部に接合される。

圧電式バルブＶは、図１の状態において、駆動手段１５により圧電素子１３に駆動電圧を印加して電荷を充電すると、当該圧電素子１３が図面左方向に伸長する。当該圧電素子１３の伸長に伴う変位は、変位拡大機構１４において、第２ヒンジ１７を力点、第１ヒンジ１６を支点、アーム部材１８の先端部を作用点としてテコの原理により拡大され、アーム部材１８の外側先端部を、一対のアーム部材１８、１８間が広がる方向に大きく変位させる。

そして、一対のアーム部材１８、１８の各外側先端部における変位は、一対の板ばね１９、１９を介して弁体１２を弁座１１３から離間させ、気体排出路１１２を開放する。

一方、圧電式バルブＶは、駆動装置１５により上記圧電素子１３が電荷を放電すると該圧電素子１３が収縮し、当該収縮が変位拡大機構１４を介して弁体１２に伝達され、当該弁体１２が弁座１１３に着座する。変位拡大機構１４のバネ要素は、前記変位拡大機構のの一連の動作モードと同じモードにて共振する。なお、一対の板ばね１９、１９の共振周波数も構造により影響するが、一般的には共振周波数が非常に高く、共振振動も少ないことと考えられる。

このような構成において、図２に示す駆動手段（コントローラ）１５は、本来ならば、出力信号発生器１５ａで発生する出力信号波形（パルス波形）に、出力電圧設定部１５ｂで設定される電圧レベル値を乗算部１５ｃで乗じた駆動パルスを駆動回路１５ｄに入力して圧電素子１３への駆動電圧を生成する。これに対して、本実施形態は、前記変位拡大機構１４を動作させる際の機械的な共振周波数の逆関数特性を有する共振抑制処理部としての第１のフィルタ処理部１５ｘと、前記圧電素子１３を駆動する際の駆動遅れの原因となる電気的な駆動特性の逆特性を有する遅れ補償処理部としての第２のフィルタ処理部１５ｙとを内蔵しており、第１のフィルタ処理部１５ｘを通して前記圧電素子１３に前記機械的な共振周波数の影響を低減した電圧を印加し、第２のフィルタ処理部１５ｙを通して前記圧電素子１３に前記電気的な駆動特性の影響を低減した電圧を印加するように構成されている。

第１のフィルタ処理部１５ｘは、ノッチフィルタによって構成されている。圧電式アクチュエータＡを構成するアクチュエータ本体ａ１（図１参照）の機械共振周波数特性は、解析等から割り出すことができ、加振形態からすると図１に矢印で示すような振動モードだけが現れる。このため、図３のようなｆ０ＫＨｚの共振周波数を割り出すことができる。第１のフィルタ処理部１５ｘでは、乗算器１５ｃから出てくる方形波からこの周波数成分を除去するように、第１のフィルタ処理部１５ｘは図４に示すように機械共振周波数特性の逆特性のノッチフィルタとして実現し、このノッチフィルタを通して共振周波数成分を除去した波形を出力する。どの様なノッチにするかは、ノッチの中心周波数、幅、ゲインによって設定することができる。この第１のフィルタ処理部１５ｘをローパスフィルタにしないのは、ローパスフィルタにはアクチュエータ本体ａ１の機械共振よりも高い周波数成分がないために応答遅れが生じるからである。応答遅れが許容されるならば、第１のフィルタ処理部１５ｘにローパスフィルタを採用しても構わない。

図２に戻って、第１のフィルタ処理部１５ｘで用いるノッチフィルタからの信号波形は第２のフィルタ処理部１５ｙに入力される。圧電素子１３は電圧で動くので電流に対して遅れとなる。電気的な特性に着目すると、この実施形態では制御手段１５の出力インピーダンスＲと圧電素子本体の容量成分Ｃとから、図５に示すように−３ｄＢのときのカットオフ周波数がｆｃＫＨｚのローパスフィルタが形成されている。そこで、第２のフィルタ処理部１５ｙには、図６のように上記ローパスフィルタ特性の逆関数となるハイパスフィルタの特性をもたせ、第１のフィルタ処理部１５ｘから出た信号波形を当該第２のフィルタ処理部１５ｙを通すことで、電気的特性に基づく遅れ分を補償してさらに応答性を向上させる。制御手段１５の出力インピーダンスＲと圧電素子１３の容量成分Ｃとは駆動手段１５の駆動回路１５ｄや圧電素子１３の設計値から容易に算出することが可能である。

図７は、第１のフィルタ処理部１５ｘの特性と第２のフィルタ処理部１５ｙの特性を併記したものであり、これを合成したものが全体のフィルタ機能となる。この実施形態では、マイクロコンピュータを使用してフィルタをデジタルで構成している。具体的には、図７の特性を合成したフィルタ機能をテーブル化しておき、乗算器１５ｃから出力されるパルス信号に対して所定更新ピッチでテーブルからデジタル値を取り出してＤＡコンバータでアナログデータに変換し、駆動回路１５ｄを通して圧電素子１３にフィルタリング後の電圧を印加するようにしている。勿論、これらのフィルタ処理部１５ｘ、１５ｙを、マイクロコンピュータに計算式を与えてフィルタリングさせるように構成したり、アナログ回路で構成しても良いことは言うまでもない。

図８（ａ）は第１のフィルタ処理部１５ｘへの入力波形と出力波形を併記したものであり、本来この出力波形を圧電素子１３に印加したい。この実施形態では第２のフィルタ処理部１５ｙを設けているので、電圧波形は一旦図８（ｂ）のように第２のフィルタ処理部１５ｙで増幅される。その後、駆動回路１５ｄの出力インピーダンスＲと圧電素子１３の容量成分Ｃから構成されるローパスフィルタの影響を受けて圧電素子１３の最終的な印加電圧波形は図８（ｃ）のようになり、これは図８（ｄ）に併記されるように第１のフィルタ処理部からの出力波形と一致する。すなわち、電気的特性による影響を低減して、第１のフィルタ処理部１５ｘから出力される本来印加したい電圧波形で圧電素子１３に電圧を印加できていることがわかる。

図９に比較データを示す。図９（ａ）は図２に示す第１、第２のフィルタ処理部１５ｘ、１５ｙが無いとした場合の構成を実際に回路を組んでパルス出力Ａを印加した際の圧電素子１３への印加電圧波形Ｂと弁１２の変位Ｃの測定波形である。弁が振動している様子がわかる。一方、図９（ｂ）は引用文献１の段階的駆動方式においてパルス信号Ａ２と、その前段にＡ２より低い電圧として１段目のパルス信号Ａ１を段階的に入れた場合の圧電素子１３への印加電圧波形Ｂ１と弁の変位Ｃ１を示しており、弁１２の振動が改善されていることがわかる。これに対して、図９（ｃ）は図２に示す第１、第２のフィルタ処理部１５ｘ、１５ｙを設けた場合の本実施形態の測定結果を示し、Ａｚは第１、第２のフィルタ処理部１５ｘ、１５ｙを介した出力波形、Ｂｚは圧電素子への印加電圧波形、Ｃｚは弁の変位である。弁１２の変位に安定した結果を得ていることがわかる。なお、ＤＡコンバータの更新ピッチを高速化し、アナログ波形に近づけることで、さらに共振振動抑制を改善することができる。ただし、図示の状態でも十分に実用性の高いものである。なお、図９の比較データはいずれも、伸張動作のみで確認としているが、縮小動作においても同等の効果がある。

プレパルス方式は評価していないが、本実施形態を荒くしていくと同じ波形になることが推測される。ただし、現物での合わせ込みのため、調整は困難と考えられる。

このように、先行技術文献１、２は何れも、１段目のパルスやプレパルスのパルス幅やパルス高さ、プレパルスと本パルスの間隔等を実測しながら試行錯誤でチューニングしつつ現物合わせを行わなければならないが、本発明は設計値や解析結果から事前に逆特性を求めることができるため、簡単に適正なフィルタを構成することができる。

さらに、圧電素子１３や駆動回路１５ｄ等の経年変化によってフィルタの適合性が低下した場合にも、ノッチフィルタやハイパスフィルタであれば中心周波数や基準周波数からどの方向へどれだけずれたかに基づいて、フィルタ機能の修正も簡単に行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、第１のフィルタ処理部１５ｘのノッチフィルタにより、圧電素子１３への駆動印加電圧から、圧電式アクチュエータＡの共振周波数成分が除去されることで、圧電式アクチュエータＡの機械共振による振動が除去、抑制される。

また、ローパスフィルタと比較して、機械共振の共振周波数より高い周波数成分を含んでいるため、応答速度を速くすることができる。

さらに、第２のフィルタ処理部１５ｙのドライバと負荷からなるローパスフィルタの逆関数により応答性をさらに向上させることができる。

そして、本実施形態の指令電圧は、出力信号発生器１５ａで発生する出力信号波形（パルス波形）に、出力電圧設定部１５ｂで設定される電圧レベル値を乗算部１５ｃで乗じたパルス電圧である。乗算によってパルス全体の高さが変わるだけで、電圧指令であるパルス波形を先行技術文献１のように第１電圧、第２電圧という具合に２段もしくは多段にステップ状に変化させるものではなく、また、先行技術文献２のようにプレパルスとメインパルスに分離した信号を信号発生部で発生するものでもない。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、駆動手段であるコントローラが第１のフィルタ処理部と第２のフィルタ処理部とを備えていたが、第１のフィルタ処理部だけでも上記に準じた作用効果を奏することができる。

また、上記実施形態では第１のフィルタ処理部がノッチフィルタであり、第２のフィルタ処理部がハイパスフィルタであったが、本発明の作用効果が得られれば、これに限定されない。

さらに、上記実施形態では共振抑制処理部や遅れ補償処理部をフィルタによって構成したが、フィルタの概念に属しない機能によってこれらを実現することも可能である。

その他、この圧電式アクチュエータを圧電式バルブ以外の用途に適用するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１１…バルブ本体
１２…作動体（弁体）
１３…圧電素子
１４…変位拡大機構
１５…駆動手段（コントローラ）
１５ｘ…共振抑制処理部（第１のフィルタ処理部）
１５ｙ…遅れ補償処理部（第２のフィルタ処理部）
１９…板ばね
１１１…気体圧力室
１１２…気体排出路
Ａ…圧電式アクチュエータ
Ｖ…圧電式バルブ

Claims (4)

1. 作動体の動作に必要な駆動力を変位として発生する圧電素子と、
   前記圧電素子の変位を拡大し前記作動体に作用させるべく少なくともバネ要素を一部に含んだ変位拡大機構と、
   パルス波形の電圧指令に基づき前記圧電素子に電圧を印加して該圧電素子を伸張させることで前記変位拡大機構を通じて前記作動体を作動させる駆動手段と、を備えてなる圧電式アクチュエータにおいて、
   前記バネ要素は、前記圧電アクチュエータを構成するアクチュエータ本体のバネ弾性を構成するものであり、
   前記駆動手段は、前記変位拡大機構を動作させる際の前記バネ弾性による機械的な共振周波数の逆関数特性を有する共振抑制処理部としてのノッチフィルタを備えており、このノッチフィルタを通して前記圧電素子に前記パルス波形電圧から前記変位拡大機構の機械的な共振を低減した電圧を印加し、この電圧による圧電素子の変位を変位拡大機構を介して作動体に作用させることで前記アクチュエータ本体の振動を抑制するように構成されていることを特徴とする圧電式アクチュエータ。
2. 前記駆動手段は、前記圧電素子を駆動する際の遅れの原因となる電気的な駆動特性の逆特性を有する遅れ補償処理部を備えており、この遅れ補償処理部を通して前記圧電素子に前記電気的な駆動特性の影響を低減する電圧を印加するように構成されている請求項１に記載の圧電式アクチュエータ。
3. 遅れ補償処理部がハイパスフィルタである請求項２に記載の圧電式アクチュエータ。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の圧電式アクチュエータを用いたものであって、
   外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室及び該気体圧力室から前記圧縮気体を排出する気体排出路が形成されるバルブ本体と、
   前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する作動体である弁体とを備えていることを特徴とする圧電式バルブ。
   

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