WO2017154390A1 - 圧電式バルブ、該圧電式バルブの駆動方法、及び該圧電式バルブを利用した噴風手段を備える光学式粒状物選別機 - Google Patents

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伊藤　隆文
宏典 有井
松下　忠史
世傑 徐
矢野　健
敏郎 樋口
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株式会社サタケ
有限会社メカノトランスフォーマ
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric valve that opens and closes a valve by using expansion and contraction displacement of a piezoelectric element, a driving method of the piezoelectric valve, and an optical granular material sorter including a blast means using the piezoelectric valve. .
  • an optical granular material sorter that blows off granular materials such as grains and resin pellets with a blast and sorts them into non-defective products and defective products, or removes foreign matters mixed in the granular materials with a blast.
  • This type of granular material sorter sorts the granular material by removing the granular material falling along a predetermined trajectory from the end of the conveyance path by blowing it off with a blast based on a detection signal such as a defective product. Is to do.
  • the granular material sorter blows out defective products, etc., from among the granular materials that fall continuously and in large quantities with an air blast. For this purpose, it is necessary to provide a responsive valve in the blast nozzle.
  • Patent Documents 1 to 3 The piezoelectric valves described in Patent Documents 1 to 3 include a displacement enlarging mechanism that expands a small displacement of the piezoelectric element based on the lever principle.
  • the optical granular material sorter equipped with the blast nozzle using the piezoelectric valve is more accurate than the conventional electromagnetic valve because the piezoelectric valve is more responsive when opening and closing the valve. It blows off well and is less likely to be blown away by involving good products.
  • Patent Document 2 describes a piezoelectric valve in which a driving voltage applied to a piezoelectric element is a two-stage voltage.
  • the piezoelectric valve described in Patent Document 2 applies the first-stage voltage to the piezoelectric element at the timing when the valve body is driven to open, and prevents the vibration of the valve body that occurs due to the opening of the valve.
  • a second-stage voltage that is higher than the first-stage voltage is applied to the piezoelectric element, and by suppressing fluctuations in the gas ejection amount after the valve is opened, the gas supply can be stabilized at an early stage.
  • the piezoelectric valve described in Patent Document 2 has a problem that the responsiveness at the time of opening the valve is inferior to the case where the drive voltage applied to the piezoelectric element is a rectangular one-stage voltage.
  • Patent Document 3 includes a signal generation unit that generates a signal composed of a pre-pulse and a main pulse, and the signal generation unit generates the signal.
  • a piezoelectric valve is described that applies a single-stage drive voltage having a specific voltage value to a piezoelectric element based on a signal.
  • the piezoelectric valve described in Patent Document 3 applies a drive voltage having a specific voltage value to the piezoelectric element based on the pre-pulse at the timing of opening the valve body, and is generated when the valve is opened.
  • the drive voltage is applied to the piezoelectric element based on the main pulse at a timing to prevent body vibration.
  • the response when opening the valve is improved. Excellent.
  • the piezoelectric valve described in Patent Document 3 takes more time to suppress fluctuations in the gas ejection amount after the valve opening than the piezoelectric valve described in Patent Document 2, and the gas supply There is room for further improvement to stabilize the system at an early stage.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric valve that is excellent in responsiveness at the time of valve opening and can stabilize gas supply at an early stage, and a driving method of the piezoelectric valve.
  • Another object of the present invention is to provide an optical granular material sorter that can obtain a more stable sorting action of granular materials by using the piezoelectric valve.
  • the present invention is a piezoelectric valve having a gas pressure chamber that receives compressed gas supplied from the outside, and a gas discharge passage that discharges the compressed gas from the gas pressure chamber, A valve body disposed in the gas pressure chamber to open and close the gas discharge path; A piezoelectric element that generates a driving force necessary for the operation of the valve body as a displacement; A displacement enlarging mechanism for enlarging the displacement of the piezoelectric element and acting on the valve body; A signal generator that generates a signal including a first pre-pulse, a second pre-pulse, and a main pulse, and the piezoelectric element has a specific voltage value as an input signal to the drive circuit.
  • Drive means for applying a drive voltage and extending the piezoelectric element to drive the valve body to open.
  • the driving means applies the driving voltage to the piezoelectric element based on the first pre-pulse at the timing when the valve body opens, and the gas is ejected from the gas discharge path immediately after the valve opening.
  • the drive voltage is applied to the piezoelectric element based on the main pulse.
  • the drive means may release the drive voltage applied to the piezoelectric element based on the main pulse at the timing of closing the valve body after suppressing the further fluctuation of the gas ejection amount. preferable.
  • the present invention provides a transfer means for transferring an object to be selected, an optical detection means for detecting an object to be selected falling from an end of the transfer means at a detection position, and the optical detection means.
  • a blast means for blowing away the object to be sorted by an air blast based on the detection result by the optical detection means, and an optical granular material sorter comprising:
  • the blast means includes any one of the above piezoelectric valves,
  • the piezoelectric valve generates a signal including the first pre-pulse, the second pre-pulse, and the main pulse in a signal generation unit of the driving unit based on a detection result by the optical detection unit, and extends the piezoelectric element.
  • the valve body is driven to open.
  • the present invention further includes a signal setting unit for pattern setting of the signal including the first pre-pulse, the second pre-pulse, and the main pulse, and the driving unit is set in advance in the signal setting unit according to the type of the object to be selected. It is preferable that an optimum signal is selected from the plurality of signal patterns thus generated, and the selected signal is generated by the signal generator.
  • the present invention has a gas pressure chamber that receives compressed gas supplied from the outside, and a gas discharge passage that discharges the compressed gas from the gas pressure chamber.
  • a valve body disposed in the gas pressure chamber to open and close the gas discharge path;
  • a piezoelectric element that generates a driving force necessary for the operation of the valve body as a displacement;
  • a displacement enlarging mechanism for enlarging the displacement of the piezoelectric element and acting on the valve body;
  • Driving means for opening and closing the valve element by expanding and contracting the piezoelectric element, and a driving method of the piezoelectric valve,
  • the driving means includes a signal generation unit that generates a signal including a first pre-pulse, a second pre-pulse, and a main pulse, and the piezoelectric element has a specific voltage value based on the signal generated by the signal generation unit.
  • the valve element is driven to open by applying a driving voltage and extending the piezoelectric element.
  • the drive means opens the valve body by applying the drive voltage to the piezoelectric element based on the first prepulse, and the drive voltage applied to the piezoelectric element based on the second prepulse. After suppressing the fluctuation of the gas ejection amount from the gas discharge path immediately after the valve opening by applying, and suppressing the fluctuation of the gas ejection amount by applying the driving voltage to the piezoelectric element based on the main pulse It is preferable to suppress further fluctuations in the gas ejection amount.
  • the driving unit suppresses the further variation of the gas ejection amount
  • the driving voltage applied to the piezoelectric element is released based on the main pulse, and the valve body is closed.
  • the piezoelectric valve according to the present invention includes a signal generating unit that generates a signal including a first pre-pulse, a second pre-pulse, and a main pulse, and uses the signal generated by the signal generating unit as an input signal to a driving circuit. Since the device is provided with a driving means for applying a driving voltage having a specific voltage value and extending the piezoelectric element to drive the valve body to open, the responsiveness at the time of opening the valve is excellent and the fluctuation of the gas ejection amount is also improved. By suppressing early, gas supply can be stabilized at an early stage.
  • the driving means suppresses the fluctuation of the gas ejection amount immediately after the valve opening, and further suppresses the fluctuation of the gas ejection amount, and then closes the valve body at the timing. If the driving voltage applied to the piezoelectric element is canceled based on the main pulse, the gas can be stably supplied even when the gas ejection time is relatively short.
  • the optical granular material sorter of the present invention is equipped with the piezoelectric valve, the supply of air is stabilized at an early stage, and combined with the good response at the time of opening the valve, the granular material can be more stably sorted. It can be carried out.
  • the piezoelectric valve driving means further includes a signal setting unit for pattern-setting a signal including the first prepulse, the second prepulse, and the main pulse, depending on the type of the object to be sorted.
  • the signal setting unit selects an optimum signal from a plurality of signal patterns set in advance, and the selected signal is generated by the signal generation unit, so that stable selection is always performed regardless of the type of the object to be selected. It can be carried out.
  • the driving means has a signal generating unit that generates a signal including the first prepulse, the second prepulse, and the main pulse, and the signal generated by the signal generating unit Based on this, a drive voltage having a specific voltage value is applied to the piezoelectric element, and the piezoelectric element is extended to drive the valve body to open. Therefore, the piezoelectric valve has excellent responsiveness when the valve is opened. In addition, the supply of gas can be stabilized at an early stage by suppressing the fluctuation of the gas ejection amount at an early stage.
  • the piezoelectric valve driving method of the present invention after the driving means suppresses the further variation of the gas ejection amount immediately after the valve opening, after further suppressing the variation of the gas ejection amount, based on the main pulse. If the driving voltage applied to the piezoelectric element is released and the valve body is closed, the piezoelectric valve supplies gas stably even when the gas ejection time is relatively short. be able to.
  • the graph which shows the ejection pressure characteristic of the air which ejects from the gas exhaust path of the piezoelectric valve opened by the drive voltage of FIG. The block diagram of the circuit structure of the drive device in the conventional piezoelectric valve. The timing chart of the signal which generate
  • FIG. 17 is a control block diagram of the optical granular material sorter shown in FIG. 16.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view of a piezoelectric valve in a state in which a side surface of a valve body is opened, and shows a side view when the valve is closed.
  • FIG. 2 shows a front view of the piezoelectric valve of FIG.
  • the piezoelectric valve 10 includes a valve main body 11, a valve body 12, a piezoelectric element 13, a displacement enlarging mechanism 14, and a driving device 15.
  • the valve body 11 includes a gas pressure chamber 111 that receives a supply of compressed gas from an external compressed gas supply source (not shown), and a gas discharge passage 112 that ejects the gas in the gas pressure chamber 111 to the outside.
  • the valve body 12 is disposed in the gas pressure chamber 111 of the valve body 11 and opens and closes the gas discharge path 112.
  • the piezoelectric element 13 is disposed in the valve body 11, and one end is fixed to the valve body 11.
  • the displacement magnifying mechanism 14 is disposed in the gas pressure chamber 111 of the valve main body 11 and enlarges the displacement of the piezoelectric element 13 to act on the valve body 12.
  • the driving device 15 applies a driving voltage to the piezoelectric element 13 to charge it, charges the driving circuit for extending the piezoelectric element 13, discharges the charged charge, and contracts the piezoelectric element 13.
  • a discharge drive circuit is provided, and the valve element 12 is driven to open and close by expanding and contracting the piezoelectric element 13.
  • the driving device 15 may be one in which both the driving circuits are electrically connected to the piezoelectric element, and need not be physically integrated with the valve body 11, for example.
  • a pair of the displacement enlarging mechanisms 14 are provided symmetrically with respect to a line (hereinafter referred to as “center line”) connecting the longitudinal axis of the piezoelectric element 13 and the gas discharge path 112.
  • the first displacement enlarging mechanism includes a first hinge 16a, a second hinge 17a, a first arm member 18a, and a first leaf spring 19a.
  • One end of the first hinge 16 a is joined to the valve body 11.
  • One end of the second hinge 17 a is joined to a cap member 131 attached to the piezoelectric element 13.
  • the other ends of the first hinge 16a and the second hinge 17a are joined to the base of the first arm member 18a.
  • One end of the first leaf spring 19a is joined to the outer front end portion of the first arm member 18a.
  • the other end of the first leaf spring 19 a is joined to one side end of the valve body 12.
  • the second displacement magnifying mechanism includes the third hinge 16b, the fourth hinge 17b, the second arm member 18b, and the second leaf spring 19b.
  • One end of the third hinge 16 b is joined to the valve body 11.
  • One end of the fourth hinge 17 b is joined to a cap member 131 attached to the piezoelectric element 13.
  • the other ends of the third hinge 16b and the fourth hinge 17b are joined to the base of the second arm member 18b.
  • One end of the second leaf spring 19b is joined to the outer front end portion of the second arm member 18b.
  • the other end of the second leaf spring 19b is joined to the other side end of the valve body 12.
  • the piezoelectric element 13 In the state of FIG. 1, when the piezoelectric valve 10 is charged by applying a driving voltage to the piezoelectric element 13 by the driving device 15, the piezoelectric element 13 extends in the right direction in the drawing.
  • the displacement accompanying the extension of the piezoelectric element 13 is magnified by the lever principle using the second hinge 17a as a power point, the first hinge 16a as a fulcrum, and the tip of the first arm member 18a as an action point.
  • the outer tip of the first arm member 18a is greatly displaced.
  • the displacement associated with the extension of the piezoelectric element 13 is the lever principle in the second displacement enlargement mechanism, with the fourth hinge 17b as a force point, the third hinge 16b as a fulcrum, and the tip of the second arm member 18b as an action point. And the outer end portion of the second arm member 18b is greatly displaced.
  • the displacement at the outer front ends of the first arm member 18a and the second arm member 18b causes the valve body 12 to be separated from the valve seat 113 via the first plate spring 19a and the second plate spring 19b, and gas is discharged.
  • the path 112 is opened.
  • the piezoelectric valve 10 is contracted when the piezoelectric element 13 discharges electric charges by the driving device 15, and the contraction is transmitted to the valve body 12 via the first and second displacement enlarging mechanisms.
  • the valve body 12 is seated on the valve seat 113.
  • the piezoelectric valve 10 has been described as an example in which the side surface of the gas pressure chamber 111 is opened to the outside, but it goes without saying that the gas pressure chamber 111 is used in a sealed state. Yes.
  • FIG. 3 shows a first modification of the piezoelectric valve, in which the side surface of the valve body is opened.
  • the piezoelectric valve 20 has an actuator 30 formed by integrating a valve body 22, a piezoelectric element 23, and a displacement enlarging mechanism 24.
  • it is different from the piezoelectric valve 10 shown in FIG.
  • the illustration of a driving device for opening and closing the valve body 22 is omitted.
  • the displacement enlarging mechanism 24 includes a displacement enlarging unit 25 that enlarges the displacement of the piezoelectric element 23 and a displacement transmitting unit 26 that transmits the displacement of the piezoelectric element 23 to the displacement enlarging unit 25.
  • the displacement transmission unit 26 includes a U-shaped base substrate 27 to which one end of the piezoelectric element 23 is bonded, and a cap member 28 to which the other end of the piezoelectric element 23 is bonded.
  • the piezoelectric element 23 is incorporated in the space of the U-shaped base substrate 27 and between the U-shaped bottom portion and the cap member 28, and the one end is the base substrate. 27, and the other end is joined to the cap member 28.
  • the piezoelectric valve 20 is also used with the side surface of the valve body 21 sealed.
  • FIG. 4 is a second modification of the piezoelectric valve, and shows the inside of the cross section of the valve body.
  • the front surface of the valve body 41 that forms the gas pressure chamber 411 is opened, and a gas discharge path 421 is formed in the lid body 42 that closes the opening.
  • 3 is different from the piezoelectric valve 20 shown in FIG. 3 in that the plate 43 disposed in the valve body 41 is integrally formed and the actuator 30 shown in FIG. To do. In this case as well, a driving device that opens and closes the valve body is not shown.
  • a plate 43 to which the actuator 30 is fixed is disposed from the front opening of the valve main body 41, and the valve 42 is formed by the lid 42 formed integrally with the plate 43.
  • the body 41 is assembled by closing the opening.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the circuit configuration of the driving device in the piezoelectric valve of the present invention.
  • FIG. 6 shows a timing chart of signals generated in the driving device and applied voltages of the piezoelectric elements.
  • the signal generator 150 has one charging signal A (hereinafter referred to as “double prepulse signal”) composed of a first prepulse, a second prepulse, and a main pulse.
  • double prepulse signal is used as an input signal to the charging drive circuit 151, whereby a voltage is applied to the piezoelectric element to charge it and the piezoelectric element is expanded.
  • the driving device discharges the electric charge from the piezoelectric element and contracts the piezoelectric element by using the discharging signal B generated in the signal generating unit 150 as an input signal to the discharging driving circuit 152.
  • the piezoelectric valve of the present invention uses a signal A (double prepulse signal) generated in the signal generator 150 as an input signal to the charging drive circuit 151, and a specific voltage is applied to the piezoelectric element. Since a single-stage driving voltage consisting of values is applied, the circuit configuration of the driving device is simplified.
  • FIG. 7 shows an input signal (double prepulse signal) to the charging drive circuit 151 in the piezoelectric valve of the present invention.
  • FIG. 8 shows a drive voltage applied to the piezoelectric element based on the input signal.
  • FIG. 9 shows a graph of the ejection pressure characteristics of the air ejected from the gas exhaust passage opened by the drive voltage.
  • compressed air was used as the compressed gas supplied from the outside to the piezoelectric valve.
  • the condition of each time t1 to t5 of the input signal is determined based on the compressed air supply pressure, the drive voltage, and the air ejection time.
  • the first pre-pulse time t1 and the first pause time t2 are such that the rise of the air ejection pressure at the time of valve opening is fast and the fluctuation of the air ejection pressure immediately after the valve opening. Is set to be an optimal timing condition that prevents the valve body from vibrating due to the reaction caused by opening the valve.
  • the main pulse time t5 is set based on the air ejection time.
  • the timing condition is set such that the valve body is closed after the further fluctuation of the air ejection pressure is suppressed.
  • the driving device includes a signal setting unit (not shown), and the signal setting unit includes a plurality of double prepulses in advance according to a combination of the compressed air supply pressure and the driving voltage.
  • the signal pattern of the signal is set.
  • a double prepulse signal is generated from a signal pattern of a plurality of double prepulse signals set in advance in the signal setting unit in addition to manual input of the respective times t1 to t5 by an operator.
  • the signal generator 150 may generate the signal.
  • FIG. 10 shows a block diagram of a circuit configuration of a driving device in a conventional piezoelectric valve described in Patent Document 3.
  • FIG. 11 is a timing chart of signals generated in the driving device and applied voltages of the piezoelectric elements.
  • the conventional piezoelectric valve is common in the circuit configuration of the driving device with the piezoelectric valve of the present invention shown in FIGS. 5 and 6, but the signals generated in the driving device and There are differences in each waveform of the voltage applied to the piezoelectric element.
  • the signal generator 150 generates one charging signal C (hereinafter referred to as “prepulse signal”) composed of a prepulse and a main pulse.
  • prepulse signal a charging signal composed of a prepulse and a main pulse.
  • the driving device discharges the electric charge from the piezoelectric element and contracts the piezoelectric element by using the discharging signal D generated in the signal generating unit 150 as an input signal to the discharging driving circuit 152.
  • FIG. 12 shows an input signal (prepulse signal) to the charging drive circuit 151 in the conventional piezoelectric valve.
  • FIG. 13 shows a drive voltage applied to the piezoelectric element based on the input signal.
  • FIG. 14 shows a graph of the ejection pressure characteristics of air ejected from the gas exhaust passage opened by the drive voltage. Here, compressed air was used as the compressed gas supplied from the outside to the piezoelectric valve.
  • the rise of the air ejection pressure at the time of valve opening is quick, and the fluctuation of the air ejection pressure immediately after the valve opening is suppressed (opening). It is set to be the optimal timing condition (to prevent the valve body from vibrating due to the reaction caused by the valve).
  • the main pulse time t8 is set based on the air ejection time.
  • FIG. 15 shows a graph comparing the air ejection pressure characteristics in the example of the present invention and the comparative example.
  • the broken line is an example and shows the result when the “double prepulse signal” is used as the input signal to the charging drive circuit 151.
  • the solid line is a comparative example, and shows the result when the “pre-pulse signal” is used as the input signal to the charging drive circuit 151.
  • the piezoelectric valve of the present invention can stabilize the gas supply early by suppressing the fluctuation of the gas ejection amount at an early stage as compared with the conventional piezoelectric valve.
  • the time during which the air ejection pressure can be maintained at a predetermined value p or more is the time b in the comparative example, whereas the time is the time a in the example. It can be seen that the air ejection pressure can be maintained at the predetermined value p or more for a longer time than the comparative example. From this, it can be said that the piezoelectric valve of the present invention can stably supply gas when the air ejection time is relatively short as compared with the conventional piezoelectric valve.
  • FIG. 16 shows the principal part sectional side view which simplified and showed the internal structure of the optical granular material sorter.
  • FIG. 17 shows a control block diagram in the optical granular material sorter.
  • the optical granular material sorter 610 has a granular material supply unit including a tank 620 and a vibration feeder 630 at an upper portion.
  • An inclined chute 640 having a predetermined width is disposed below the granular material supply unit. The granular material supplied from the granular material supply unit spreads in the width direction on the inclined chute 640 and continuously flows down in a continuous manner, and then is discharged into the air along a predetermined fall trajectory from its lower end.
  • At least a pair of optical detection devices 650a and 650b for imaging a granular object at a granular object detection position O extending linearly in parallel with the width direction of the inclined chute 640 are arranged to face each other.
  • Each of the optical detection devices 650a and 650b includes imaging means 651a and 651b such as a CCD camera having a built-in CCD line sensor, illumination means 652a and 652b such as fluorescent lamps, and a back as a background when imaging the particulate matter. It consists of grounds 653a, 653b and the like.
  • the blast device 670 includes a blast nozzle 671 in which a plurality of the piezoelectric valves of the present invention are arranged in parallel, and a compressed air supply device 673 that sends compressed air to the blast nozzle 671, and each of the optical devices described above.
  • the particulate matter discharged from the lower end of the inclined chute 640 is supplied to the blast nozzle 671 provided corresponding to each position in the width direction of the falling locus of the particulate matter. It blows away by jetting air from a plurality of nozzle holes.
  • the piezoelectric element of the piezoelectric valve is electrically connected to the drive circuit of the drive device 672.
  • the granular material discharged from the lower end into the air along a predetermined fall trajectory is the granular material.
  • Images are picked up by the image pickup means 651 a and 651 b of the optical detection devices 650 a and 650 b at the object detection position O, and the image pickup data is sent to the control device 660.
  • the control device 660 specifies a granular material to be removed such as a defective product based on the imaging data, acquires information on the size of the granular material, and the like, and sends an exclusion signal of the defective product to the driving device 672. Send to.
  • the blast device 670 selectively drives the plurality of piezoelectric valves based on the exclusion signal sent to the driving device 672, and the particulate matter extends linearly in parallel with the width direction of the inclined chute 640. Air is blown from each nozzle hole of the blowing nozzle 671 provided corresponding to each position in the width direction on defective products passing through the exclusion position E.
  • the driving device 672 generates a “double prepulse signal” in the signal generation unit based on the exclusion signal, and inputs the double prepulse signal to the driving circuit for charging.
  • a driving voltage is applied to the piezoelectric element of the piezoelectric valve that is selectively driven.
  • Defective products and the like blown off by the blast from the nozzle holes of the blast nozzle 671 are discharged from the defective product discharge port 681 to the outside of the apparatus.
  • non-defective products and the like that have passed through a predetermined drop trajectory without being blown off by the blast are collected from the non-defective product discharge port 682.
  • the driving device 672 has a signal setting unit, and a signal pattern of a plurality of double prepulse signals is set in advance in the signal setting unit by a combination of compressed air supply pressure and driving voltage. ing.
  • the optical granular material sorter 610 starts operation, the operator inputs and sets the type of the sorting object. At that time, based on the size and weight of the sorting object, the compressed air of the piezoelectric valve is selected. Supply pressure, drive voltage and blast time are determined.
  • the optical granular material sorter 610 includes a plurality of double prepulses set in advance in the signal setting unit of the driving device 672 based on the combination of the compressed air supply pressure and the driving voltage, and the blast time.
  • An optimal signal is selected from the signal pattern of the signal, and the selected double prepulse signal is generated by the signal generator of the driving device 672.
  • the double prepulse signal may be set by manual input by an operator, and the set signal may be generated by the signal generation unit of the driving device 672.
  • the optical granular material sorter 610 includes a blast nozzle that uses the piezoelectric valve of the present invention, and can stabilize the supply of air at an early stage. In combination, the granular material can be more stably selected.
  • the granular material to be sorted is typically cereal grains, particularly rice grains, but is not necessarily limited to cereal grains, and the objects should be blown away by a blast. As long as the size and mass are possible, it does not matter.
  • the displacement enlarging mechanism may be arranged asymmetrically with respect to a line connecting the longitudinal axis of the piezoelectric element and the gas discharge path, or only one displacement enlarging mechanism is arranged. It may be done.
  • the valve body may be joined to one end of the arm member.
  • the longitudinal axis of the piezoelectric element may not coincide with the operation direction of the valve body.
  • the piezoelectric valve of the present invention is excellent in responsiveness at the time of valve opening, can stabilize gas supply at an early stage, and can be used effectively in various fields.

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Abstract

開弁時の応答性に優れるとともに、気体の供給を早期に安定させることができる圧電式バルブを提供するため、本発明の前記圧電式バルブは、外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室、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、を有する圧電式バルブであって、前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する弁体と、前記弁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て前記弁体に作用させる変位拡大機構と、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号を駆動回路への入力信号として前記圧電素子に駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする。

Description

圧電式バルブ、該圧電式バルブの駆動方法、及び該圧電式バルブを利用した噴風手段を備える光学式粒状物選別機
　本発明は、圧電素子の伸縮変位を利用してバルブの開閉を行う圧電式バルブ、該圧電式バルブの駆動方法、及び該圧電式バルブを利用した噴風手段を備える光学式粒状物選別機に関する。
　従来、穀粒や樹脂ペレット等の粒状物を噴風により吹き飛ばして良品と不良品に選別したり、粒状物に混入する異物等を噴風により除去したりする光学式粒状物選別機が知られている。
　この種の粒状物選別機は、搬送路の端部から所定の軌跡に沿って落下する粒状物を、不良品等の検出信号に基づいて噴風により吹き飛ばし除去することで、該粒状物の選別を行うものである。
　上記粒状物選別機は、連続的かつ大量に落下する粒状物の中から不良品等をエアの噴風により吹き飛ばすものであり、当該不良品等のみを他の粒状物を巻き込むことなく精度よく吹き飛ばすためには、噴風ノズルに応答性のよいバルブを備えることが必要となる。
　そこで、本件出願人らは、圧電素子を利用してバルブの開閉を高速で行う圧電式バルブを開発した（特許文献１～３参照）。
　特許文献１～３に記載された圧電式バルブは、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。
　そして、上記圧電式バルブを利用した噴風ノズルを備える光学式粒状物選別機は、上記圧電式バルブが従来の電磁バルブに比べてバルブ開閉時の応答性に優れることから、不良品等を精度よく吹き飛ばし、かつ良品等を巻き込んで吹き飛ばすおそれの少ないものである。
　ところで、上記光学式粒状物選別機は、上記圧電式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ため、前記弁体が振動してノズルからの噴風量が変動し、安定した選別作用を得られなくなる問題がある。
　そこで、上記問題を解決するものとして、特許文献２には、圧電素子に印加する駆動電圧を２段電圧とする圧電式バルブが記載されている。
　特許文献２に記載された圧電式バルブは、弁体を開弁駆動するタイミングで１段目の電圧を圧電素子に印加し、前記開弁に伴い発生する弁体の振動を防止するタイミングで前記１段目の電圧よりも高い２段目の電圧を圧電素子に印加するものであり、開弁後における気体噴出量の変動を抑止することで、気体の供給を早期に安定させることができる。
　しかしながら、前記特許文献２に記載された圧電式バルブは、圧電素子に印加する駆動電圧を矩形状の１段電圧とした場合に比べて開弁時の応答性が劣る問題がある。
　前記特許文献２に記載された圧電式バルブの問題を解決するものとして、特許文献３には、プレパルスとメインパルスからなる信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号に基づいて圧電素子に特定の電圧値からなる１段の駆動電圧を印加する圧電式バルブが記載されている。
　特許文献３に記載された圧電式バルブは、弁体を開弁するタイミングで、前記プレパルスに基づいて前記圧電素子に特定の電圧値からなる駆動電圧を印加し、前記開弁に伴い発生する弁体の振動を防止するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加するものであり、前記特許文献２に記載された圧電式バルブに比べ、開弁時の応答性に優れる。
　しかしながら、前記特許文献３に記載された圧電式バルブは、前記特許文献２に記載された圧電式バルブに比べ、開弁後における気体噴出量の変動を抑止するのに時間がかかり、気体の供給を早期に安定させるには、さらなる改良の余地がある。
特開２００４－３１６８３５号公報 特開２０１１－２４１９６１号公報 国際公開２０１３／１５７５４８号公報
　そこで、本発明は、開弁時の応答性に優れるとともに、気体の供給を早期に安定させることができる圧電式バルブ、及び該圧電式バルブの駆動方法を提供することを目的とする。
　また、本発明は、上記圧電式バルブを利用することで、粒状物のより安定した選別作用を得ることができる光学式粒状物選別機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、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、を有する圧電式バルブであって、
　前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する弁体と、
　前記弁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て前記弁体に作用させる変位拡大機構と、
　第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号を駆動回路への入力信号として前記圧電素子に特定の電圧値からなる駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする。
　本発明は、前記駆動手段が、前記弁体を開弁するタイミングで、前記第１プレパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加し、前記開弁直後における前記気体排出路からの気体噴出量の変動を抑止するタイミングで、前記第２プレパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加し、前記気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加することが好ましい。
　本発明は、前記駆動手段が、前記さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記弁体を閉弁するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に印加した駆動電圧を解除することが好ましい。
　また、上記目的を達成するため、本発明は、被選別物を移送する移送手段と、該移送手段の端部から落下する被選別物を検出位置において検出する光学検出手段と、該光学検出手段のさらに下方に設けられ、当該光学検出手段による検出結果に基づいて被選別物をエアの噴風により吹き飛ばす噴風手段と、を備えてなる光学式粒状物選別機であって、
　前記噴風手段は、上記いずれかの圧電式バルブを備え、
　当該圧電式バルブは、前記光学検出手段による検出結果に基づいて、前記駆動手段の信号発生部で前記第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生し、前記圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動することを特徴とする。
　本発明は、前記駆動手段が、前記第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号をパターン設定する信号設定部をさらに有し、被選別物の種類によって、前記信号設定部に事前に設定された複数の信号パターンから最適な信号を選択し、当該選択した信号を前記信号発生部で発生することが好ましい。
　上記目的を達成するため、本発明は、外部から供給される圧縮気体を受け入れる気体圧力室、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、を有し、
　前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する弁体と、
　前記弁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て前記弁体に作用させる変位拡大機構と、
　前記圧電素子を伸縮変位させて前記弁体を開閉駆動する駆動手段と、を備える圧電式バルブの駆動方法であって、
　前記駆動手段は、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号に基づいて前記圧電素子に特定の電圧値からなる駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動することを特徴とする。
　本発明は、記駆動手段が、前記第１プレパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記弁体を開弁し、前記第２プレパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記開弁直後における前記気体排出路からの気体噴出量の変動を抑止し、前記メインパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止することが好ましい。
　本発明は、前記駆動手段が、前記さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子へ印加した前記駆動電圧を解除し、前記弁体を閉弁することが好ましい。
　本発明の圧電式バルブは、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号を駆動回路への入力信号として前記圧電素子に特定の電圧値からなる駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて弁体を開弁駆動する駆動手段を備えるので、開弁時の応答性に優れるとともに、気体噴出量の変動を早期に抑止することで気体の供給を早期に安定させることができる。
　本発明の圧電式バルブは、前記駆動手段が、開弁直後における気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記弁体を閉弁するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に印加した駆動電圧を解除することとすれば、気体噴出時間が比較的短い場合でも、気体を安定して供給することができる。
　本発明の光学式粒状物選別機は、上記圧電式バルブを備えるので、エアの供給が早期に安定し、開弁時の応答性の良さと相俟って、粒状物のより安定した選別を行うことができる。
　本発明の光学式粒状物選別機は、圧電式バルブの駆動手段が、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号をパターン設定する信号設定部をさらに有し、被選別物の種類によって、前記信号設定部に事前に設定された複数の信号パターンから最適な信号を選択し、当該選択した信号を信号発生部で発生するので、被選別物の種類にかかわらず、常に安定した選別を行うことができる。
　本発明の圧電式バルブの駆動方法によれば、駆動手段が、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号に基づいて前記圧電素子に特定の電圧値からなる駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動するので、当該圧電式バルブを、開弁時の応答性に優れるものとすることができるとともに、気体噴出量の変動を早期に抑止することで気体の供給が早期に安定するものとすることができる。
　本発明の圧電式バルブの駆動方法によれば、前記駆動手段が、開弁直後における気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に印加した駆動電圧を解除し、前記弁体を閉弁することとすれば、当該圧電式バルブを、気体噴出時間が比較的短い場合でも、気体を安定して供給するものとすることができる。
圧電式バルブの概略説明図。 圧電式バルブの概略正面図。 圧電式バルブの第１の変形例。 圧電式バルブの第２の変形例。 本発明の圧電式バルブにおける駆動装置の回路構成のブロック図。 本発明の圧電式バルブの駆動装置で発生する信号及び圧電素子の印加電圧のタイミングチャート。 本発明の実施例における充電用駆動回路への入力信号を示すグラフ。 図７の入力信号に基づいて圧電素子に印加する駆動電圧を示すグラフ。 図８の駆動電圧により開弁する圧電式バルブの気体排出路から噴出するエアの噴出圧特性を示すグラフ。 従来の圧電式バルブにおける駆動装置の回路構成のブロック図。 従来の圧電式バルブの駆動装置で発生する信号及び圧電素子の印加電圧のタイミングチャート。 比較例における充電用駆動回路への入力信号を示すグラフ。 図１２の入力信号に基づいて圧電素子に印加する駆動電圧を示すグラフ。 図１３の駆動電圧により開弁する圧電式バルブの気体排出路から噴出するエアの噴出圧特性を示すグラフ。 本発明の実施例と比較例のエア噴出圧特性を比較するグラフ。 光学式粒状物選別機の要部側断面図。 図１６に示す光学式粒状物選別機の制御ブロック図。
　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＞
　図１は、バルブ本体の側面が開放された状態における圧電式バルブの概略説明図であって、閉弁時における側面図を示す。図２は図１の圧電式バルブの正面図を示す。
　圧電式バルブ１０は、バルブ本体１１と、弁体１２と、圧電素子１３と、変位拡大機構１４と、駆動装置１５を備える。
　前記バルブ本体１１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１１１、及び該気体圧力室１１１内の気体を外部に噴出する気体排出路１１２を有する。
　前記弁体１２は、前記バルブ本体１１の前記気体圧力室１１１内に配置され、前記気体排出路１１２を開閉する。
　前記圧電素子１３は、前記バルブ本体１１内に配置され、該バルブ本体１１に一端が固定される。
　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。
　なお、前記駆動装置１５は、前記両駆動回路が前記圧電素子と電気的に接続されるものであれはよく、例えば前記バルブ本体１１と物理的に一体とされる必要はない。
　前記変位拡大機構１４は、前記圧電素子１３の長手方向軸線と気体排出路１１２とを結ぶ線（以下、「中心線」という。）に対し対称に一対設けられるものである。
　第１変位拡大機構は、第１ヒンジ１６ａ、第２ヒンジ１７ａ、第１アーム部材１８ａ及び第１板ばね１９ａで構成される。第１ヒンジ１６ａの一端はバルブ本体１１に接合される。第２ヒンジ１７ａ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１３１に接合される。第１ヒンジ１６ａ及び第２ヒンジ１７ａの各他端は、第１アーム部材１８ａの基部に接合される。第１アーム部材１８ａの外側先端部分には、第１板ばね１９ａの一端が接合される。第１板ばね１９ａの他端は弁体１２の一方側の側端部に接合される。
　一方、第２変位拡大機構は、第３ヒンジ１６ｂ、第４ヒンジ１７ｂ、第２アーム部材１８ｂ及び第２板ばね１９ｂで構成される。第３ヒンジ１６ｂの一端はバルブ本体１１に接合される。第４ヒンジ１７ｂ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１３１に接合される。第３ヒンジ１６ｂ及び第４ヒンジ１７ｂの各他端は、第２アーム部材１８ｂの基部に接合される。第２アーム部材１８ｂの外側先端部分には、第２板ばね１９ｂの一端が接合される。第２板ばね１９ｂの他端は弁体１２の他方側の側端部に接合される。
　圧電式バルブ１０は、図１の状態において、駆動装置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が図面上右方向に伸長する。当該圧電素子１３の伸長に伴う変位は、第１変位拡大機構では、第２ヒンジ１７ａを力点、第１ヒンジ１６ａを支点、第１アーム部材１８ａの先端部を作用点としてテコの原理により拡大され、第１アーム部材１８ａの外側先端部を大きく変位させる。同様に、当該圧電素子１３の伸長に伴う変位は、第２変位拡大機構では、第４ヒンジ１７ｂを力点、第３ヒンジ１６ｂを支点、第２アーム部材１８ｂの先端部を作用点としてテコの原理により拡大され、第２アーム部材１８ｂの外側先端部を大きく変位させる。
　そして、前記第１アーム部材１８ａ及び第２アーム部材１８ｂの各外側先端部における変位は、第１板ばね１９ａ及び第２板ばね１９ｂ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１０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、当該収縮が第１及び第２変位拡大機構を介して弁体１２に伝達され、当該弁体１２が弁座１１３に着座する。
　ここで、図１において、圧電式バルブ１０は、気体圧力室１１１の側面が外部に開放された状態を例として説明したが、該気体圧力室１１１は密閉された状態で使用されることは言うまでもない。
＜圧電式バルブの第１変形例＞
　図３は、圧電式バルブの第１の変形例であって、バルブ本体の側面が開放された状態を示す。
　当該圧電式バルブ２０は、弁体２２、圧電素子２３、変位拡大機構２４を一体化してなるアクチュエータ３０を有し、当該アクチュエータ３０を、気体圧力室２１１及び気体排出路２１２を有するバルブ本体２１に対し側方から固定する構成とした点で、図１に示す圧電式バルブ１０と相違する。
　なお、ここでは、前記弁体２２を開閉駆動する駆動装置については図示省略する。
　ここで、前記変位拡大機構２４は、前記圧電素子２３の変位を拡大する変位拡大部２５と、前記圧電素子２３の変位を前記変位拡大部２５に伝達する変位伝達部２６を有する。
　前記変位伝達部２６は、前記圧電素子２３の一端が接合されるＵ字状のベース基板２７と、前記圧電素子２３の他端が接合されるキャップ部材２８を有する。
　当該圧電式バルブ２０は、前記圧電素子２３が、前記Ｕ字状のベース基板２７の空間内であって該Ｕ字状底部と前記キャップ部材２８との間に組み込まれ、前記一端が前記ベース基板２７に接合され、前記他端が前記キャップ部材２８に接合されている。
　当該圧電式バルブ２０も、バルブ本体２１の側面を密閉した状態で使用されることは言うまでもない。
＜圧電式バルブの第２変形例＞
　図４は、圧電式バルブの第２の変形例であって、バルブ本体の断面内部の様子を示す。図４に示す圧電式バルブ４０は、気体圧力室４１１を形成するバルブ本体４１の前面が開口し、該開口を閉鎖する蓋体４２に気体排出路４２１が形成されており、当該蓋体４２に、前記バルブ本体４１の内部に配設されるプレート４３が一体に形成されるとともに、該プレート４３に図２に示すアクチュエータ３０が固定されている点で、図３に示す圧電式バルブ２０と相違する。
　なお、ここでも、弁体を開閉駆動する駆動装置については図示省略する。
　当該圧電式バルブ４０は、前記アクチュエータ３０が固定されたプレート４３を、前記バルブ本体４１における前面の開口から内部に配設するとともに、前記プレート４３と一体に形成された前記蓋体４２で前記バルブ本体４１の前記開口を閉鎖することにより組み立てられる。
［実施例］（ダブル・プレパルス信号）
　図５は、本発明の圧電式バルブにおける駆動装置の回路構成についてのブロック図を示す。図６は、前記駆動装置で発生する信号及び圧電素子の印加電圧のタイミングチャートを示す。
　図５に示すように、本発明の圧電式バルブにおける駆動装置は、信号発生部１５０において、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスからなる１つの充電用信号Ａ（以下、「ダブル・プレパルス信号」という。）を発生し、該ダブル・プレパルス信号を充電用駆動回路１５１への入力信号とすることで、圧電素子に電圧を印加して電荷を充電し、該圧電素子を伸長させる。また、前記駆動装置は、信号発生部１５０において発生する放電用信号Ｂを放電用駆動回路１５２への入力信号とすることで、前記圧電素子から前記電荷を放電させ、該圧電素子を収縮させる。
　本発明の圧電式バルブは、図６に示すように、前記信号発生部１５０において発生する信号Ａ（ダブル・プレパルス信号）を充電用駆動回路１５１への入力信号として、前記圧電素子に特定の電圧値からなる１段の駆動電圧を印加するので、駆動装置の回路構成がシンプルとなる。
　図７は、本発明の圧電式バルブにおける充電用駆動回路１５１への入力信号（ダブル・プレパルス信号）を示す。図８は、前記入力信号に基づいて圧電素子に印加する駆動電圧を示す。図９は、前記駆動電圧によって開弁される気体排出路から噴出するエアの噴出圧特性のグラフを示す。ここでは、圧電式バルブに外部から供給する圧縮気体として圧縮エアを用いた。
　図７から図９に示すグラフの実験条件は以下のとおりである。
（１）圧縮エア供給圧力：０．２０ＭＰａ（大気圧下のゲージ圧値）
（２）駆動電圧：７２Ｖ
（３）圧縮エア設定流量：５２Ｌ／ｍｉｎ
（４）入力信号：第１プレパルス時間　ｔ１＝０．１３５ｍｓ
　　　　　　　　第１休止時間　ｔ２＝０．０６４ｍｓ
　　　　　　　　第２プレパルス時間　ｔ３＝０．４７０ｍｓ
　　　　　　　　第２休止時間　ｔ４＝０．０５０ｍｓ
　　　　　　　　メインパルス時間　ｔ５＝０．２８１ｍｓ
　　（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）
（５）エア噴出圧検出位置：気体排出路先端より２ｍｍ
　ここで、前記入力信号（ダブル・プレパルス信号）の各時間ｔ１～ｔ５の条件は、圧縮エア供給圧力、駆動電圧及びエア噴出時間に基づいて決定される。
　本実施例において、前記第１プレパルス時間ｔ１及び第１休止時間ｔ２（第２プレパルスの入力のタイミング）は、開弁時におけるエア噴出圧の立ち上がりが速く、かつ開弁直後におけるエア噴出圧の変動が抑止される（開弁に伴う反動で弁体が振動するのを防止する）最適なタイミング条件となるよう設定されている。
　また、前記第２プレパルス時間ｔ３及び第２休止時間ｔ４（メインパルスの入力のタイミング）は、前記開弁直後におけるエア噴出圧の変動が抑止された後において、さらなるエア噴出圧の変動が抑止される最適なタイミング条件となるよう設定されている。
　さらに、前記メインパルス時間ｔ５は、エア噴出時間に基づいて設定される。ここでは、前記さらなるエア噴出圧の変動が抑止された後に前記弁体が閉弁されるタイミング条件となるよう設定されている。
　本発明の圧電式バルブにおいて、前記駆動装置は図示しない信号設定部を有しており、該信号設定部には、前記圧縮エア供給圧力と駆動電圧との組合せにより、事前に複数のダブル・プレパルス信号の信号パターンが設定されている。
　本発明の圧電式バルブにおいて、ダブル・プレパルス信号は、作業者による前記各時間ｔ１～ｔ５のマニュアル入力に加え、前記信号設定部に事前に設定される複数のダブル・プレパルス信号の信号パターンからの選択により、前記信号発生部１５０で発生するものとすることができる。
［比較例］（プレパルス信号）
　図１０は、特許文献３に記載された、従来の圧電式バルブにおける駆動装置の回路構成についてのブロック図を示す。図１１は、前記駆動装置において発生する信号及び圧電素子の印加電圧のタイミングチャートを示す。
　図１０及び図１１に示すように、従来の圧電式バルブは、図５及び図６に示す本発明の圧電式バルブと、駆動装置の回路構成において共通するが、前記駆動装置において発生する信号及び圧電素子の印加電圧の各波形において相違する。
　図１０に示すように、従来の圧電式バルブにおける駆動装置は、信号発生部１５０において、プレパルスとメインパルスからなる１つの充電用信号Ｃ（以下、「プレパルス信号」という。）を発生し、該プレパルス信号を充電用駆動回路１５１への入力信号とすることで、圧電素子に電圧を印加して電荷を充電し、該圧電素子を伸長させる。また、前記駆動装置は、信号発生部１５０において発生する放電用信号Ｄを放電用駆動回路１５２への入力信号とすることで、前記圧電素子から前記電荷を放電させ、該圧電素子を収縮させる。
　図１２は、従来の圧電式バルブにおける充電用駆動回路１５１への入力信号（プレパルス信号）を示す。図１３は、前記入力信号に基づいて圧電素子に印加する駆動電圧を示す。図１４は、前記駆動電圧によって開弁される気体排出路から噴出するエアの噴出圧特性のグラフを示す。ここでは、圧電式バルブに外部から供給する圧縮気体として圧縮エアを用いた。
　図１２から図１４に示すグラフの実験条件は以下のとおりである。
（１）圧縮エア供給圧力：０．２０ＭＰａ
（２）駆動電圧：７２Ｖ
（３）圧縮エア設定流量：５２Ｌ／ｍｉｎ
（４）入力信号：プレパルス時間　ｔ６＝０．１３５ｍｓ
　　　　　　　　休止時間　ｔ７＝０．０６４ｍｓ
　　　　　　　　メインパルス時間　ｔ８＝０．８０１ｍｓ
　　（圧電素子の通電時間：１ｍｓ）
（５）エア噴出圧検出位置：気体排出路先端より２ｍｍ
　ここで、前記プレパルス時間ｔ６及び休止時間ｔ７（メインパルスの入力のタイミング）、は、開弁時におけるエア噴出圧の立ち上がりが早く、かつ開弁直後におけるエア噴出圧の変動が抑止される（開弁に伴う反動で弁体が振動するのを防止する）最適なタイミング条件となるよう設定されている。
　また、前記メインパルス時間ｔ８は、エア噴出時間に基づいて設定されている。
　図１５は、本発明の実施例と比較例とにおけるエア噴出圧特性を比較するグラフを示す。
　図１５において、破線は実施例であって、「ダブル・プレパルス信号」を充電用駆動回路１５１への入力信号とした場合の結果を示す。また、実線は比較例であって、「プレパルス信号」を充電用駆動回路１５１への入力信号とした場合の結果を示す。
　まず、実施例と比較例のグラフを比較した場合、開弁時の応答特性に差が見られないことから、本発明の圧電式バルブも、従来の圧電式バルブと同様に、開弁時の応答性に優れるものであることがいえる。
　次に、実施例と比較例のグラフを比較した場合、比較例では２つのリップルが見られるが、実施例では後方のリップルがほぼ取り除かれていることが分かる。
　このことから、本発明の圧電式バルブは、従来の圧電式バルブに比べ、気体噴出量の変動を早期に抑止することで、気体の供給を早期に安定させることができるものといえる。
　また、実施例と比較例のグラフを比較した場合、エア噴出圧を所定値ｐ以上に維持できる時間が、比較例では時間ｂであるのに対し、実施例では時間ａであり、実施例が比較例よりも長時間にわたり、エア噴出圧を所定値ｐ以上に維持できていることが分かる。
　このことから、本発明の圧電式バルブは、従来の圧電式バルブに比べ、エア噴出時間が比較的短い場合において、気体を安定して供給できるものであるといえる。
＜光学式粒状物選別機＞
　次に、本発明の圧電式バルブを利用した噴風ノズルを備える光学式粒状物選別機について説明する。
　図１６は、光学式粒状物選別機の内部構造を簡略化して示した要部側断面図を示す。図１７は、光学式粒状物選別機における制御ブロック図を示す。
　光学式粒状物選別機６１０は、上部にタンク６２０と振動フィーダ６３０とからなる粒状物供給部を有する。該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６４０が配置される。
　前記粒状物供給部から供給された粒状物は、前記傾斜状シュート６４０上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。
　前記所定の落下軌跡の前後には、前記傾斜状シュート６４０の幅方向に平行に直線状に延びる粒状物検出位置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６５０ａ，６５０ｂが対向して配設される。各光学検出装置６５０ａ，６５０ｂ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６５１ａ，６５１ｂ、蛍光灯等からなる照明手段６５２ａ，６５２ｂ、及び前記粒状物を撮像する際の背景となるバックグラウンド６５３ａ，６５３ｂ等から構成される。
　また、前記粒状物検出位置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６７０が配設される。前記噴風装置６７０は、上記本発明の圧電式バルブを複数並設して組み込んでなる噴風ノズル６７１と、該噴風ノズル６７１に圧縮エアを送る圧縮エア供給装置６７３を備え、前記各光学検出装置６５０ａ，６５０ｂの検出結果に基づいて、前記傾斜状シュート６４０の下端から放出される粒状物を、該粒状物の落下軌跡の幅方向各位置に対応して設けられる前記噴風ノズル６７１の複数のノズル孔からのエアの噴射により吹き飛ばす。なお、前記圧電式バルブの圧電素子は、駆動装置６７２の駆動回路と電気的に接続される。
　上記光学式粒状物選別機６１０において、前記傾斜状シュート６４０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粒状物は、前記粒状物検出位置Ｏにおいて前記各光学検出装置６５０ａ，６５０ｂの撮像手段６５１ａ，６５１ｂにより撮像され、当該撮像データが制御装置６６０に送られる。該制御装置６６０は、前記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、前記不良品等の排除信号を前記駆動装置６７２に送る。
　前記噴風装置６７０は、前記駆動装置６７２に送られる前記排除信号に基づいて前記複数の圧電式バルブを選択的に駆動し、前記傾斜状シュート６４０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前記噴風ノズル６７１の各ノズル孔からエアを噴風する。
　このとき、前記駆動装置６７２は、前記排除信号に基づいて、図５に示すように、信号発生部において「ダブル・プレパルス信号」を発生し、該ダブル・プレパルス信号を充電用駆動回路への入力信号として、前記選択的に駆動される圧電式バルブの圧電素子に駆動電圧を印加する。
　そして、前記噴風ノズル６７１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６８１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６８２から回収される。
　ここで、前記駆動装置６７２は信号設定部を有しており、該信号設定部には、圧縮エア供給圧力と駆動電圧との組合せにより、事前に複数のダブル・プレパルス信号の信号パターンが設定されている。
　前記光学式粒状物選別機６１０は、運転開始に際し、作業者が選別対象物の種類を入力設定するが、その際、当該選別対象物の大きさや重さに基づいて、圧電式バルブの圧縮エア供給圧力、駆動電圧及び噴風時間が決定される。そして、前記光学式粒状物選別機６１０は、該圧縮エア供給圧力及び駆動電圧の組合せ、並びに噴風時間に基づいて、前記駆動装置６７２の信号設定部に事前に設定された複数のダブル・プレパルス信号の信号パターンから最適な信号を選択し、当該選択したダブル・プレパルス信号を前記駆動装置６７２の信号発生部で発生する。
　なお、前記ダブル・プレパルス信号は、作業者によるマニュアル入力により設定するものとし、該設定した信号を前記駆動装置６７２の信号発生部で発生させることとしてもよい。
　上記光学式粒状物選別機６１０は、本発明の圧電式バルブを利用した噴風ノズルを備えるものであり、エアの供給を早期に安定させることができるため、開弁時の応答性の良さと相俟って、粒状物のより安定した選別を行うことができる。
　上記光学式粒状物選別機において、選別対象となる粒状物は、代表的には穀物粒、特に米粒であるが、必ずしも穀物粒に限られるわけではなく、その対象物は、噴風によって吹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。
　なお、本発明の圧電式バルブは、変位拡大機構が前記圧電素子の長手方向軸線と気体排出路とを結ぶ線に対して非対称に配置されるものでもよいし、変位拡大機構が一つのみ配置されるものでもよい。
　また、本発明の圧電式バルブは、弁体がアーム部材の一端部に接合されるものでもよい。
　さらに、本発明の圧電式バルブは、圧電素子の長手方向軸線が弁体の動作方向に一致するものでなくてもよい。
　本発明は、上記実施の形態に限るものでなく、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できることはいうまでもない。
　本発明の圧電式バルブは、開弁時の応答性に優れるとともに、気体の供給を早期に安定させることができるものであり、さまざまな分野において有効に利用できるものである。
１０　　　圧電式バルブ
１１　　　バルブ本体
１１１　　　気体圧力室
１１２　　　気体排出路
１２　　　弁体
１３　　　圧電素子
１４　　　変位拡大機構
１５　　　駆動装置
１５０　　　信号発生部
１５１　　　充電用駆動回路
１５２　　　放電用駆動回路
１８ａ，１８ｂ　　　アーム部材
１９ａ，１９ｂ　　　板ばね
２０　　　圧電式バルブ
２１　　　バルブ本体
２１１　　　気体圧力室
２１２　　　気体排出路
２２　　　弁体
２３　　　圧電素子
２４　　　変位拡大機構
３０　　　アクチュエータ
４０　　　圧電式バルブ
４１　　　バルブ本体
４１１　　　気体圧力室
４２　　　蓋体
４２１　　　気体排出路
４３　　　プレート
６１０　　　光学式粒状物選別機
６４０　　　傾斜状シュート
６５０ａ，６５０ｂ　　　光学検出装置
６５１ａ，６５１ｂ　　　ＣＣＤカメラ（撮像手段）
６６０　　　制御装置
６７０　　　噴風装置
６７１　　　噴風ノズル
６７２　　　駆動装置
６７３　　　圧縮エア供給装置

Claims (8)

  1. 　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、を有する圧電式バルブであって、
    　前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する弁体と、
    　前記弁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て前記弁体に作用させる変位拡大機構と、
    　第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号を駆動回路への入力信号として前記圧電素子に駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする圧電式バルブ。
  2. 　前記駆動手段は、前記弁体を開弁するタイミングで、前記第１プレパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加し、前記開弁直後における前記気体排出路からの気体噴出量の変動を抑止するタイミングで、前記第２プレパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加し、前記気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に前記駆動電圧を印加する請求項１記載の圧電式バルブ。
  3. 　前記駆動手段は、前記さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記弁体を閉弁するタイミングで、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子に印加した駆動電圧を解除する請求項２記載の圧電式バルブ。
  4. 　被選別物を移送する移送手段と、該移送手段の端部から落下する被選別物を検出位置において検出する光学検出手段と、該光学検出手段のさらに下方に設けられ当該光学検出手段による検出結果に基づいて被選別物をエアの噴風により吹き飛ばす噴風手段と、を備えてなる光学式粒状物選別機であって、
    　前記噴風手段は、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式バルブを備え、
    　当該圧電式バルブは、前記光学検出手段による検出結果に基づいて、前記駆動手段の信号発生部で前記第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生し、前記圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動することを特徴とする光学式粒状物選別機。
  5. 　前記駆動手段は、前記第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号をパターン設定する信号設定部をさらに有し、被選別物の種類によって、前記信号設定部に事前に設定された複数の信号パターンから最適な信号を選択し、当該選択した信号を前記信号発生部で発生する請求項４記載の光学式粒状物選別機。
  6. 　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、を有し、
    　前記気体圧力室に配置され前記気体排出路を開閉する弁体と、
    　前記弁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て前記弁体に作用させる変位拡大機構と、
    　前記圧電素子を伸縮変位させて前記弁体を開閉駆動する駆動手段と、を備える圧電式バルブの駆動方法であって、
    　前記駆動手段は、第１プレパルス、第２プレパルス及びメインパルスを含む信号を発生する信号発生部を有し、該信号発生部で発生する前記信号に基づいて前記圧電素子に駆動電圧を印加し、該圧電素子を伸長させて前記弁体を開弁駆動することを特徴とする圧電式バルブの駆動方法。
  7. 　前記駆動手段は、前記第１プレパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記弁体を開弁し、前記第２プレパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記開弁直後における前記気体排出路からの気体噴出量の変動を抑止し、前記メインパルスに基づく前記圧電素子への前記駆動電圧の印加により、前記気体噴出量の変動を抑止した後における、さらなる気体噴出量の変動を抑止する請求項６記載の圧電式バルブの駆動方法。
  8. 　前記駆動手段は、前記さらなる気体噴出量の変動を抑止した後に、前記メインパルスに基づいて前記圧電素子へ印加した前記駆動電圧を解除し、前記弁体を閉弁する請求項７記載の圧電式バルブの駆動方法。
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