WO2018135247A1 - 圧電アクチュエータ、異常検出回路、および圧電式バルブシステム - Google Patents

圧電アクチュエータ、異常検出回路、および圧電式バルブシステム Download PDF

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abnormality detection
piezoelectric
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signal
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伊藤　隆文
宏典 有井
松下　忠史
世傑 徐
矢野　健
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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 actuator that performs a predetermined driving operation using a displacement of a piezoelectric element, an abnormality detection circuit, and a piezoelectric valve system.
  • Piezoelectric actuators that generate expansion and contraction according to the applied voltage when voltage is applied to the piezoelectric element have high energy efficiency, high-speed response, and have excellent points such as being suitable for downsizing and thinning. Therefore, it is applied as a drive device in various fields.
  • a piezoelectric valve using a piezoelectric actuator as a drive mechanism is known as a valve capable of high-speed response, and it has been proposed to use such a piezoelectric valve for an optical granular material sorter (for example, Patent Document 1).
  • a piezoelectric actuator used for a piezoelectric valve has conventionally been provided with an abnormality detection circuit.
  • the piezoelectric actuator charges the piezoelectric element 401, which is a capacitive element, by applying a high voltage from a power source (not shown) and discharges the charged charge.
  • the fuse resistor 403 provided in the power supply line is blown, and the abnormality detection circuit 404 detects the abnormality.
  • a detection signal is output to the control unit.
  • Patent Documents 2 to 5 describe techniques for detecting an abnormality in a drive circuit including a piezoelectric element.
  • the applicant of the present invention is first connected to the ground-side terminal of the piezoelectric element as a technique capable of detecting in advance an abnormality due to deterioration of the insulation characteristics of the piezoelectric element used in the piezoelectric actuator.
  • the abnormality detection circuit includes a grounded line connected to a terminal on the ground side of the piezoelectric element, a resistor provided in the middle of the line, and connected in series to the piezoelectric element.
  • Patent Documents 2 to 5 detect abnormalities such as disconnection or short circuit of a drive circuit including a piezoelectric element while operating a device to which a piezoelectric actuator is applied, and detect abnormality of the piezoelectric element itself.
  • the circuit configuration is complicated.
  • the present invention provides a piezoelectric actuator that does not require replacement of the fuse resistor of the abnormality detection circuit, has low component cost, and can detect only a piezoelectric element that does not operate normally during operation of the apparatus, an abnormality detection circuit used therefor, It is another object of the present invention to provide a piezoelectric valve system using the same.
  • a piezoelectric actuator includes a piezoelectric element that generates a predetermined displacement when a voltage is applied thereto, a power source that applies a voltage to the piezoelectric element, and a pulsed charging signal.
  • a discharge circuit that applies a voltage from the power source to the piezoelectric element to charge the piezoelectric element, and discharges the charge charged in the piezoelectric element to drive the piezoelectric element, and the piezoelectric element
  • An abnormality detection circuit for detecting an abnormality due to an insulation failure of the sensor, and sends the charge signal and the discharge signal to the drive circuit, and determines whether the piezoelectric element is normal based on the abnormality detection signal from the abnormality detection circuit
  • a control unit that causes the object to perform a predetermined operation by displacing the piezoelectric element, wherein the abnormality detection circuit An abnormality detection signal for detecting a time corresponding to a period from when the current starts to flow until the current stops flowing is output, and it is determined that the piezoelectric element is abnormal when the time is equal to or longer than a set time.
  • the displacement of the piezoelectric element may be expanded using a displacement magnifying mechanism.
  • An abnormality detection circuit includes: a piezoelectric element that generates a predetermined displacement when a voltage is applied; a power source that applies a voltage to the piezoelectric element; and a pulsed charge signal and discharge signal.
  • a voltage is applied to the piezoelectric element from a power source to charge the piezoelectric element, and a drive circuit that drives the piezoelectric element by discharging a charge charged in the piezoelectric element; and the charge signal and discharge to the drive circuit
  • a piezoelectric actuator having a control unit for sending a signal detects an abnormality caused by insulation failure of the piezoelectric element, and the abnormality detection circuit is configured to start the current flow through the piezoelectric element during charging until the current stops flowing.
  • An abnormality detection signal for detecting a time corresponding to the period of time is output, and it is determined that the piezoelectric element is abnormal when the time is longer than a set time And features.
  • the abnormality detection circuit is supplied based on a resistance provided in a power supply line from the power source to the piezoelectric element and a voltage drop when a current flows through the piezoelectric element during charging.
  • a switching element that outputs the detected current as an abnormality detection signal, and the piezoelectric element is determined to be abnormal when the time during which the abnormality detection signal flows is equal to or longer than the set time. it can.
  • the switching element is preferably a transistor.
  • an RC circuit for adjusting the set time may be provided in the abnormality detection circuit.
  • the abnormality detection circuit has two transistors as switching elements and two RC circuits respectively corresponding to the two transistors, and the set time can be set to 80 ⁇ sec. Further, it is preferable to use an FPGA as the abnormality detection circuit.
  • control unit determines that the piezoelectric element is abnormal based on an abnormality detection signal from the abnormality detection circuit, an alarm is generated in response to a command from the control unit.
  • You may further have an apparatus.
  • a piezoelectric valve system is a piezoelectric valve system used in an optical granular material sorter that sorts granular materials by optical detection means and blows off the selected granular materials by a blast.
  • a plurality of piezoelectric valves for opening and closing a blast discharge path by causing a predetermined displacement in the elements, a power source for applying a voltage to the piezoelectric elements, and the piezoelectric elements of the plurality of piezoelectric valves selectively And driving the piezoelectric element by discharging a charge charged in the piezoelectric element while applying a voltage from the power source to the piezoelectric element by a pulsed charge signal and a discharge signal.
  • the abnormality detection circuit reduces the current of the piezoelectric element whose insulation resistance has been reduced.
  • the value becomes high By utilizing the fact that the value becomes high, it detects the state where the current continues to flow in the charged state without discharging even after a lapse of a certain period of time after the current starts flowing in the piezoelectric element due to the charging signal, and determines that it is abnormal. During the operation, it is possible to quickly detect only the piezoelectric elements that do not operate normally because a large amount of current flows due to the low insulation resistance and the intended voltage is not applied to both ends. Further, since an abnormality can be detected without using a fuse resistor, there is no need to replace the fuse resistor, and the cause of the abnormality can be quickly identified.
  • the abnormality detection circuit of the present invention has a configuration similar to that of a conventional abnormality detection circuit using a fuse, and it is not necessary to provide an additional circuit. Therefore, the number of components such as transistors and relays can be reduced. Cost can be kept low.
  • the piezoelectric actuator capable of detecting only a piezoelectric element that does not operate normally during operation of the apparatus, the abnormality detection circuit used therefor, and the A piezoelectric valve system using can be provided.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structure of the more preferable abnormality detection circuit which optimized the abnormality detection signal. It is a sectional side view which shows the optical granular material sorter which has a valve system as an example of application of a piezoelectric actuator. It is the schematic which shows the structural example of the piezoelectric valve applied to the valve system of FIG. It is a figure which shows the conventional piezoelectric actuator used for a piezoelectric valve.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric actuator 100 of the present embodiment is applied to a valve system used in an optical granular material sorter that sorts granular materials by optical detection means and blows off the selected granular materials by a blast.
  • the piezoelectric actuator 100 includes a plurality of piezoelectric elements 10 (only one is shown) that expands and contracts when a voltage is applied, a power source 20 that applies a high voltage to the piezoelectric elements 10, and a piezoelectric element 10 that charges and discharges the piezoelectric elements 10.
  • the drive circuit 30 that drives the element, the abnormality detection circuit 40 that detects abnormality of the piezoelectric element 10 and the like, and the drive circuit 30 are controlled, and an abnormality determination is performed when an abnormality detection signal of the abnormality detection circuit 40 is input.
  • a control unit (CPU) 50 controls the control unit 50.
  • An alarm generator 60 is connected to the control unit 50.
  • the piezoelectric element 10 generates a predetermined displacement when a voltage is applied, and a laminated piezoelectric element in which a plurality of plate-like piezoelectric bodies are stacked with electrodes interposed therebetween and a stretching displacement is generated by applying a voltage is preferably used. be able to.
  • the material constituting the piezoelectric body is an insulator (dielectric), and for example, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ; PZT) can be used. Moreover, you may make it expand the displacement of the piezoelectric element 10 with a displacement expansion mechanism.
  • each piezoelectric element 10 is for driving a valve body of a piezoelectric valve, and four piezoelectric elements 10 form one unit, and a plurality of such units are provided.
  • 17 units composed of four piezoelectric elements 10 are arranged.
  • a unit composed of four piezoelectric elements 10 and valve bodies corresponding to these units are housed in one case to constitute one valve unit.
  • 11 is a voltmeter that measures the voltage applied to the piezoelectric element
  • 12 is an ammeter that measures the current flowing through the piezoelectric element 10.
  • the power source 20 is a circuit that generates a high voltage necessary for driving the piezoelectric element 10, and when applied to a valve system used in an optical granular material sorter, for example, DC 72V is used.
  • the drive circuit 30 receives a charge signal from the control unit 50 to the line 30a and a discharge signal to the line 30b, and charges and discharges the piezoelectric element 10 by these charge signal and discharge signal to drive the piezoelectric element 10 to expand and contract.
  • the drive circuit 30 includes a first switching element 31 and a second switching element 32 made of a field effect transistor (FET), and the first switching element 31 is turned on by the charge signal, and the power source
  • FET field effect transistor
  • the charge signal and the discharge signal are given as pulse signals
  • the top T of the pulse is the charge signal
  • the bottom B of the pulse is the discharge signal.
  • the charge signal and the discharge signal are composed of a double pre-pulse and a main pulse.
  • the valve body is opened by applying a voltage to the piezoelectric element 10 by the first-stage prepulse, and the voltage is applied by the second-stage prepulse in accordance with the timing at which the air ejection pressure fluctuates. Apply voltage by inputting pulses.
  • the double prepulse is a signal for suppressing fluctuation of the blast volume (air ejection volume) by suppressing the pulsation of the valve body immediately after the valve is opened.
  • relays or the like may be used instead of FETs.
  • the abnormality detection circuit 40 generates a signal that contradicts the normal current behavior of the piezoelectric actuator 100 and detects that it does not operate normally.
  • the abnormality detection circuit 40 detects the malfunction of the piezoelectric element 10 from the power supply 20 to the first switching element 31.
  • a resistor 41 provided in the power supply line to the, and a transistor 42 as a switching element.
  • the resistor 41 is provided in place of the conventionally provided fuse resistor.
  • the piezoelectric element 10 when the piezoelectric element 10 does not operate normally due to poor insulation, the current value of the piezoelectric element 10 at the time of charging becomes high, and even if a certain time elapses after the current starts to flow, the current does not discharge and remains in the charged state.
  • the state in which the current continues to flow and the state in which the current flows to the point A downstream of the resistor 41 continues longer than the normal state, and the on-state time of the transistor 42 corresponding to that period (current flows continuously in the transistor 42). Time) lasts longer.
  • the abnormality detection circuit 40 outputs the signal from the transistor 42 as an abnormality detection signal, and when the ON state time of the transistor 42 in the abnormality detection signal is longer than a preset time, the piezoelectric element 10 is determined to be abnormal.
  • the abnormality detection circuit 40 optimizes the circuit constants so that the setting time of the abnormality detection signal becomes an appropriate value.
  • the transistor 42 is used as the switching element, a relay or the like may be used instead of the transistor.
  • the control unit 50 sends a charge signal and a discharge signal to the drive circuit 30 to control driving of the piezoelectric element 10. Further, when the abnormality detection signal of the abnormality detection circuit 40 is input, the control unit 50 determines that the piezoelectric element 10 is operating normally if the ON time of the transistor 42 is shorter than the set time, and the set time If it is above, it will determine with the piezoelectric element 10 being abnormal. If it is determined that there is an abnormality, an alarm generation command is sent to the alarm generation device 60. In addition, the controller 50 determines that the cable is not connected or disconnected when the ON state of the transistor 42 does not appear in the abnormality detection signal even when the charging signal is input.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show an example of determination results for a non-defective product in which the piezoelectric element 10 operates normally when a double prepulse signal is input and a defective product that does not operate normally.
  • an input signal double prepulse control signal
  • a voltage applied to the piezoelectric element value of the voltmeter 11 in FIG. 1
  • a double prepulse current value of the ammeter 12 in FIG. 1
  • Judgment indicates air pressure.
  • the abnormality detection signal is a state in which a current flows low, that is, a state in which the transistor 42 is turned on.
  • a voltage of DC 75 V is applied to the piezoelectric element 10 during charging corresponding to the input signal, a double pre-pulse current flows correspondingly, and the abnormality detection signal is charged.
  • the signal causes the transistor 42 to be in an on state (a state in which current flows) and changes from High to Low, but the Low period in which the transistor 42 is on and the current flows is a short period.
  • the piezoelectric element 10 when the piezoelectric element 10 is defective, the voltage applied to both ends of the piezoelectric element 10 is lower than that of the non-defective product as shown in FIG. It becomes higher than in the case of a non-defective product, and even if a certain period of time has passed since the current began to flow through the piezoelectric element 10, the current flows in a charged state without discharging, and the Low period of the abnormality detection signal becomes longer. Accordingly, a predetermined set value is provided in the Low period of the abnormality detection signal, and if the Low period is longer than that, it can be determined that the piezoelectric element 10 does not operate normally.
  • This set value can be optimized by incorporating an RC circuit in the abnormality detection circuit in the basic configuration of the abnormality detection circuit 40 shown in FIG. 1 and adjusting its constant, adjusting the number of transistors, and the like. .
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of such a more preferable abnormality detection circuit.
  • An abnormality detection circuit 40 'shown in FIG. 5 is used in a valve system in which a piezoelectric actuator is used in an optical granular material sorter, and detects an abnormality of the piezoelectric element 10 when the above-described double prepulse control signal is given.
  • a first RC circuit 45 comprising a resistor 43 and a capacitor 44 is provided on the input side of the first transistor 42a, and a resistor 46 and a capacitor 47 are provided on the input side of the second transistor 42b.
  • a second RC circuit 48 is provided.
  • a high-speed and high-precision FPGA Field-Programmable Gate Array
  • the piezoelectric actuator When the piezoelectric actuator is operated by the charge signal and the discharge signal, when a voltage of 72 V is applied from the power source 20 and a current flows, a voltage drop is generated by the resistors 41a and 41b which are parallel resistors. These resistors are 30.9 ⁇ , and the voltage drop at this time is theoretically about 5.5V at the time of pre-pulse input and about 2V at the time of double pre-pulse input.
  • Abnormality detection condition When a current flows continuously for about 80 ⁇ sec or more after the current flows at point A (from when the piezoelectric element 10 is charged) (that is, when the set value is 80 ⁇ sec)
  • the value of 80 ⁇ sec is determined by the RC circuit constant in the first RC circuit 45 and the second RC circuit 48 described above.
  • the validity of the value of 80 ⁇ sec is a length suitable for detecting the abnormal state of the piezoelectric element 10 by the FPGA with respect to the ON / OFF pulse width (fixed value) of the double prepulse, and at the same time, erroneous detection due to noise. It is the value of the result of trial and error in preventing
  • the time during which the first transistor 42a and the second transistor 42b are turned on and the current flows continuously (the time when the abnormality detection signal in FIG. 3 is Low) is a set value.
  • the control unit 50 determines that the piezoelectric element 10 is abnormal, and issues an alarm command.
  • a change in current in less than 80 ⁇ sec is not detected and is regarded as noise.
  • the control unit 50 determines that the piezoelectric element 10 is normal and does not issue an alarm command. Also in this case, the current change at less than 80 ⁇ sec is not detected and is regarded as noise.
  • control unit 50 determines that the relationship is abnormal when the relationship between the double prepulse control signal and the abnormality detection signal in FIG. 3 is other than a normal value (non-defective product). For example, if the abnormality detection signal does not become low even when the charging signal is given, the control unit 50 determines that the connection is not connected or is disconnected.
  • the piezoelectric actuator 100 when the piezoelectric element 10 is driven by applying a charging signal and a discharging signal including a pulse signal such as a double pre-pulse signal to the piezoelectric element 10 via the driving circuit 30, Utilizing the fact that the current value of the piezoelectric element whose insulation resistance has been lowered is increased by the abnormality detection circuit 40 or 40 ', charging is performed without discharging even after a lapse of a certain period of time after the current starts to flow into the piezoelectric element 10 by the charge signal. A state in which current continues to flow in a state is detected and determined to be abnormal. As a result, a large amount of current flows due to the low insulation resistance, and only a piezoelectric element (valve) that does not operate normally due to the absence of a desired voltage at both ends can be detected quickly.
  • a charging signal and a discharging signal including a pulse signal such as a double pre-pulse signal
  • the prior application needs to determine the abnormality of the piezoelectric element while the apparatus is stopped, in this embodiment, it is possible to detect the abnormality of the piezoelectric element continuously while operating the apparatus. For this reason, when a malfunction occurs in the piezoelectric element during operation of the apparatus, it can be immediately detected and an alarm can be issued.
  • the fuse resistor is not used, it is not necessary to replace the fuse resistor, and the cause of the abnormality can be quickly identified.
  • the abnormality detection circuits 40 and 40 have a configuration similar to that of the conventional abnormality detection circuit only by not using a fuse, and it is not necessary to additionally provide a circuit in addition to this as in the prior application.
  • the number of parts such as transistors and relays can be reduced, and the part cost can be kept low.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view of a main part showing the internal structure of the granular material sorter 200 in a simplified manner.
  • the granular material sorter 200 has a granular material supply unit including a tank 202 and a vibration feeder 203 at the top.
  • An inclined chute 204 having a predetermined width is disposed below the granular material supply unit.
  • the granular material supplied from the granular material supply unit naturally flows down the inclined chute 204 continuously, and then is released into the air along a predetermined fall trajectory from its lower end.
  • each of the optical detection devices 205a and 205b includes imaging means 251a and 251b such as a CCD camera having a built-in CCD line sensor, illumination means 252a and 252b such as a fluorescent lamp, and backgrounds 253a and 253b.
  • the blast device 207 includes a blast nozzle 271 having a plurality of nozzle holes, a compressed air supply device 272 that sends compressed air to the blast nozzle 271, and a piezoelectric valve system for switching the nozzle holes that eject the blast. 273.
  • the piezoelectric valve system 273 includes a plurality of piezoelectric valves 274 having piezoelectric elements, a power source 275 for applying a high voltage to the piezoelectric elements, and driving the piezoelectric elements by charging / discharging the piezoelectric elements.
  • a drive circuit 276 for performing opening / closing drive, an abnormality detection circuit 277 for detecting an abnormality of the piezoelectric element and the drive circuit 276, and the drive circuit 276 are controlled, and when an abnormality detection signal of the abnormality detection circuit 277 is input.
  • a control unit 278 that performs abnormality determination.
  • An alarm generator 279 is connected to the controller 278.
  • the drive circuit 276 and the abnormality detection circuit 277 can be configured in the same manner as the drive circuit 30 and the abnormality detection circuit 40 or 40 ′ in the piezoelectric actuator 100.
  • the piezoelectric valve 274 includes a pressure chamber 311 and a pressure chamber 311 that are supplied with compressed air from the compressed air supply device 272.
  • a valve body 301 having a gas discharge path 312 for jetting the gas to the outside, a valve body 302 disposed in the pressure chamber 311 for opening and closing the discharge path 312, and one end of the valve body 301 disposed in the valve body 301.
  • the piezoelectric element 303 is fixed, and a displacement enlarging mechanism 304 that is disposed in the gas pressure chamber 311 and expands the displacement of the piezoelectric element 303 to act on the valve body 302.
  • the piezoelectric element 303 charges the piezoelectric element 303 with a high voltage from the power source 275 by the charge signal given from the drive circuit 276 described above, and discharges the charge charged in the piezoelectric element 303 by the discharge signal given from the drive circuit 276. As a result, the piezoelectric element 303 is driven to expand and contract, and the valve body 302 is driven to open and close. Then, the valve body 302 is opened or closed by separating or seating the valve body 302 with respect to the valve seat 305 formed to protrude to the pressure chamber 311 side of the gas discharge path 312.
  • the displacement enlarging mechanism 304 has a first portion 304 a and a second portion 304 b that are symmetrical with respect to a line (hereinafter referred to as “center line”) connecting the longitudinal axis of the piezoelectric element 303 and the discharge path 312. .
  • the first portion 304a of the displacement magnifying mechanism 304 includes a first hinge 306a, a second hinge 307a, a first arm member 308a, and a first leaf spring 309a.
  • One end of the first hinge 306 a is joined to the valve body 301.
  • One end of the second hinge 307 a is joined to a cap member 331 attached to the piezoelectric element 303.
  • the other ends of the first hinge 306a and the second hinge 307a are joined to the base of the first arm member 308a.
  • the first arm member 308a extends in the direction away from the center line in the direction of the valve body 302, and one end of the first leaf spring 309a is joined to the tip portion thereof.
  • the other end of the first leaf spring 309 a is joined to one side of the valve body 302.
  • the second portion 304b of the displacement enlarging mechanism 304 includes a third hinge 306b, a fourth hinge 307b, a second arm member 308b, and a second leaf spring 309b.
  • One end of the third hinge 306 b is joined to the valve body 301.
  • One end of the fourth hinge 307 b is joined to a cap member 331 attached to the piezoelectric element 303.
  • the other ends of the third hinge 306b and the fourth hinge 307b are joined to the base of the second arm member 308b.
  • the second arm member 308b extends in the direction away from the center line in the direction of the valve body 302, and one end of the second leaf spring 309b is joined to the tip portion thereof.
  • the other end of the second leaf spring 309b is joined to the other side of the valve body 302.
  • the four piezoelectric valves 274 having such a configuration are housed in one case to constitute one valve unit, and the piezoelectric valve system 273 has a plurality of such valve units, for example, 17 pieces.
  • 281 is a defective product outlet and 282 is a non-defective product outlet.
  • the granular material supplied from the granular material supply unit spreads the inclined chute 204 in the width direction and naturally flows down continuously, and then is discharged from the lower end into the air along a predetermined fall trajectory.
  • the discharged particulate matter is imaged by the imaging means 251a and 251b of the optical detection devices 205a and 205b at the particulate matter detection position O, and the imaging data is controlled by the control unit 278 of the piezoelectric valve system 273 in the blast device 207. Sent to.
  • the control unit 278 specifies a granular material to be removed such as a defective product based on the imaging data, acquires information regarding the size of the granular material, and sends an exclusion signal of the defective product to the drive circuit 276.
  • the drive circuit 276 selectively drives the plurality of piezoelectric valves 274 in the piezoelectric valve system 273 based on the received exclusion signal in accordance with a command from the control unit 278 and is parallel to the width direction of the inclined chute 204. Air is blown from each nozzle hole of the blowing nozzle 271 provided corresponding to each position in the width direction for defective products passing through the granular material exclusion position E extending linearly.
  • Defective products and the like blown off by the blast from each nozzle hole of the blast nozzle 271 are discharged out of the machine from the defective product discharge port 281.
  • the non-defective product or the like that has passed through the predetermined drop trajectory without being blown off by the blast is collected from the non-defective product discharge port 282.
  • the piezoelectric valve 274 when the voltage from the power source 275 is applied to the piezoelectric element 303 by the charging signal from the drive circuit 276 in the closed state of FIG. Extends to the right.
  • the second hinge 307a acts as a force point
  • the first hinge 306a acts as a fulcrum
  • the tip of the first arm member 308a acts as an action point
  • the first arm member 308a The amount of displacement of the piezoelectric element 303 appears enlarged at the front end portion of the head by the lever principle.
  • the fourth hinge 307b acts as a force point
  • the third hinge 306b acts as a fulcrum
  • the tip of the second arm member 308b acts as an action point.
  • the displacement amount of the element 303 appears enlarged.
  • the displacement that appears to be enlarged in the direction of separating the respective distal end portions of the first arm member 308a and the second arm member 308b causes the valve body 302 to act as a valve seat via the first leaf spring 309a and the second leaf spring 309b.
  • a sufficient distance from 305 is created, creating a large gap between them.
  • the piezoelectric valve 274 is opened, and a sufficient amount of air is guided from the pressure chamber 311 to the nozzle hole of the blast nozzle 271 through the discharge passage 312 and blown from the nozzle hole.
  • the piezoelectric valve 274 contracts from a state where the piezoelectric element 303 is discharged and expanded, and the valve body 302 is seated on the valve seat 305.
  • the return force as the springs of the first plate spring 309a and the second plate spring 309b also acts on the valve body 302 in the piezoelectric valve 274, so that the valve body 302 can be reliably seated on the valve seat 305.
  • the piezoelectric valve system 273 having a plurality of piezoelectric valves 274, pulse-shaped charging signals and discharging signals are given to the piezoelectric elements 303 of the plurality of piezoelectric valves 274, and the piezoelectric valves 274 are opened and closed. .
  • a double pre-pulse control signal is given to the piezoelectric element via the drive circuit 276, if the insulation property of the piezoelectric element 303 of any piezoelectric valve 274 is reduced in the piezoelectric valve system 273, an abnormality is detected.
  • the circuit 277 detects a state in which the current continues to flow in the charged state without discharging even after a lapse of a certain time after the current starts to flow through the piezoelectric element by the charge signal, and determines that it is abnormal.
  • the abnormality detection circuit 277 can continuously detect abnormality of the piezoelectric element during the operation of the optical granular material sorter, and immediately detects when a malfunction occurs in the piezoelectric element during the operation. An alarm can be issued.
  • the abnormality detection circuit 277 has a configuration similar to that of the conventional abnormality detection circuit without using a fuse, and an additional circuit is unnecessary, the number of parts such as transistors and relays can be reduced. Parts costs can be kept low.
  • the piezoelectric valve system of the optical granular material sorter is given as an application example of the piezoelectric actuator according to the present invention.
  • the present invention is not limited to this, and a piezoelectric element may be used as a drive mechanism. If applicable.
  • the actuator is not limited to having a plurality of piezoelectric elements, and may be a piezoelectric actuator having only one piezoelectric element.
  • displacement magnifying mechanism is not limited to the structure shown in FIG. 7, and various types of displacement magnifying mechanisms in which hinges and arms are variously combined can be used.

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Abstract

異常検出回路のヒューズ抵抗の交換が不要でしかも部品コストが低く、正常動作しない圧電素子のみを装置の運転中に検出することができる圧電アクチュエータが提供される。圧電アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子に電圧を印加する電源と、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して充電するとともに、充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する異常検出回路と、異常検出信号に基づいて前記圧電素子が正常か否かを判定する制御部とを有する。前記異常検出回路は、充電時に前記圧電素子に電流が流れ始めてから電流が流れなくなるまでの期間に対応する時間を検出する異常検出信号を出力し、その時間が設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定される。

Description

圧電アクチュエータ、異常検出回路、および圧電式バルブシステム
　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、異常検出回路、および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、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、このような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、圧電アクチュエータが正常な動作を行えなくなり、また圧電素子の駆動のために高電圧を与える電源回路や駆動回路の損傷に繋がるため、圧電素子の異常を速やかに検出することが望まれる。
　このため、圧電式バルブに用いられる圧電アクチュエータには、従来、異常検出回路が設けられている。例えば図８に示すように、圧電アクチュエータは、容量性素子である圧電素子４０１に、電源（図示せず）から高電圧を印加して充電するとともに、充電された電荷を放電して圧電素子４０１を駆動する駆動回路４０２を有しており、圧電素子４０１に絶縁不良等の異常が生じた場合に、給電線路に設けられたヒューズ抵抗４０３が切れ、それを異常検出回路４０４が検知して異常検出信号が制御部へ出力されるようになっている。
　また、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。
　一方、本発明の出願人は、先に、圧電アクチュエータに用いられている圧電素子の絶縁特性の劣化による異常を事前に検出することができる技術として、圧電素子の接地側の端子に接続される異常検出回路と、圧電アクチュエータ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、異常検出回路は、圧電素子の接地側の端子に接続される接地された線路と、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、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ものを提案している（特願２０１５－１８５４５５（特開２０１７－６０３５６号公報）。
特開２００４－３１６８３５号公報 特開２００２－１０６５８号公報 特開平１－２０２１７７号公報 特開２００２－１３４８０４号公報 特開２００２－２４６６６７号公報
　しかしながら、ヒューズ抵抗を用いた異常検出回路の場合は、アラームが表示された時点でバルブを用いている装置を停止し、ヒューズ抵抗交換または基板交換が必要である。また、圧電素子の絶縁抵抗が低下してきているのか、動作不良なのかは、ヒューズ抵抗が切れるまでわからない。
　また、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、圧電素子そのものの異常を検出するものではなく、回路構成も複雑である。
　また、先願の異常判定部を用いた異常検出回路の場合には、圧電素子の絶縁特性の劣化を測定することはできるが、測定中は装置を停止させる必要があり、連続測定はできないため、装置の運転中に圧電素子や基板が壊れてもそれを検出することはできない。このため、運転中の異常検出回路も必要となり、部品コストが高くなってしまう。また、圧電素子は、絶縁抵抗が低くなっても正常に動作する場合が多いが、そのような素子も異常と判定してしまう。
　したがって、本発明は、異常検出回路のヒューズ抵抗の交換が不要でしかも部品コストが低く、正常動作しない圧電素子のみを装置の運転中に検出することができる圧電アクチュエータ、それに用いられる異常検出回路、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、本発明の一実施形態の圧電アクチュエータは、電圧が印加されることにより所定の変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子に電圧を印加する電源と、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する異常検出回路と、前記駆動回路に前記充電信号および放電信号を送るとともに、前記異常検出回路からの異常検出信号に基づいて前記圧電素子が正常か否かを判定する制御部と、を有し、前記圧電素子を変位させることにより対象物に所定の動作をさせるものであって、前記異常検出回路は、充電時に前記圧電素子に電流が流れ始めてから電流が流れなくなるまでの期間に対応する時間を検出する異常検出信号を出力し、その時間が設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されることを特徴とする。なお、前記圧電素子の変位を変位拡大機構を用いて前記変位を拡大してもよい。
　本発明の一実施形態の異常検出回路は、電圧が印加されることにより所定の変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子に電圧を印加する電源と、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に前記充電信号および放電信号を送る制御部とを有する圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出するものであって、前記異常検出回路は、充電時に前記圧電素子に電流が流れ始めてから電流が流れなくなるまでの期間に対応する時間を検出する異常検出信号を出力し、その時間が設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されることを特徴とする。
　上記の２つの実施形態において、前記異常検出回路は、前記電源から前記圧電素子に至る給電線路に設けられた抵抗と、充電時に前記圧電素子に電流が流れたときにその電圧降下に基づいて供給された電流を異常検出信号として出力するスイッチング素子とを有し、前記異常検出信号が流れている時間が前記設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されるものとすることができる。
前記スイッチング素子はトランジスタであることが好ましい。また、前記異常検出回路に、前記設定時間を調整するためのＲＣ回路を設けてもよい。この場合に、前記異常検出回路は、スイッチング素子として２つのトランジスタと、前記２つのトランジスタにそれぞれ対応した２つのＲＣ回路とを有し、前記設定時間を８０μｓｅｃに設定することができる。また、前記異常検出回路としてＦＰＧＡを用いることが好ましい。
　上記の一つ目の実施形態において、前記制御部が前記異常検出回路からの異常検出信号により前記圧電素子が異常であると判定した場合に、前記制御部からの指令によりアラームを発生するアラーム発生装置をさらに有してもよい。
　本発明の一実施形態の圧電式バルブシステムは、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、前記圧電素子に電圧を印加する電源と、前記複数の圧電式バルブの前記圧電素子に選択的に、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する上記の２つ目の実施形態の異常検出回路と、前記駆動回路に前記各圧電式バルブの前記圧電素子に対応する前記充電信号および放電信号を送るとともに、前記異常検出回路からの異常検出信号に基づいて前記圧電素子が正常か否かを判定する制御部とを有することを特徴とする。本発明の上記の実施形態によれば、駆動回路からパルス状の充電信号および放電信号を圧電素子に与えて圧電素子を駆動させる際に、異常検出回路により、絶縁抵抗が低下した圧電素子の電流値が高くなることを利用し、充電信号により圧電素子に電流が流れ始めてから一定時間経過しても放電せずに充電状態のまま電流が流れ続ける状態を検知し、異常と判定するので、装置の運転中に、絶縁抵抗が低くなったことにより電流が多く流れ両端に所期の電圧がかからなくなって正常動作しない圧電素子のみを速やかに検出することができる。また、ヒューズ抵抗を用いることなく異常を検出することができるのでヒューズ抵抗の交換の必要がなく、かつ、異常の原因を速やかに特定することができる。さらに、本発明の異常検出回路は、従来のヒューズを用いた異常検出回路と類似した構成であり、付加的な回路を設ける必要がないので、トランジスタやリレー等の部品点数は少なくて済み、部品コストを低く抑えることができる。
　本発明により、異常検出回路のヒューズ抵抗の交換が不要でしかも部品コストが低く、正常動作しない圧電素子のみを装置の運転中に検出することができる圧電アクチュエータ、それに用いられる異常検出回路、およびそれを用いた圧電式バルブシステムを提供できる。
本発明の一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。 充電信号および放電信号を示す図である。 ダブルプレパルス信号を入力したときに圧電素子が正常に動作する良品の場合の入力信号、圧電素子にかかる電圧、電流、異常検出信号（判定）の一例について示す図である。 ダブルプレパルス信号を入力したときに圧電素子が正常に動作しない不良品の場合の入力信号、圧電素子にかかる電圧、電流、異常検出信号（判定）の一例について示す図である。 異常検出信号を最適化した、より好ましい異常検出回路の構成を示す図である。 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６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。 圧電式バルブに用いられる従来の圧電アクチュエータを示す図である。
　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＞
　図１は本発明の一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。本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される。
　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複数の圧電素子１０（１つのみ図示）と、圧電素子１０に高電圧を印加する電源２０と、圧電素子１０の充放電を行い圧電素子を駆動する駆動回路３０と、圧電素子１０等の異常を検出する異常検出回路４０と、駆動回路３０を制御するとともに、異常検出回路４０の異常検出信号が入力された際に異常判定を行う制御部（ＣＰＵ）５０とを有する。制御部５０にはアラーム発生装置６０が接続される。
　圧電素子１０は電圧を印加することにより所定の変位を生ずるものであり、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。圧電体を構成する材料は絶縁体（誘電体）であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）を用いることができる。また、圧電素子１０の変位を変位拡大機構で拡大するようにしてもよい。
　後述するように、各圧電素子１０は圧電式バルブの弁体を駆動するためのものであり、圧電素子１０が４つで一つのユニットを形成し、このユニットを複数有している。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、４つの圧電素子１０からなるユニットが例えば１７個配置される。４つの圧電素子１０からなるユニットとこれらに対応する弁体等が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。なお、図中１１は圧電素子１０にかかる電圧を計測する電圧計、１２は圧電素子１０に流れる電流を計測する電流計である。
　電源２０は、圧電素子１０の駆動に必要な高電圧を発生する回路であり、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される場合は、例えばＤＣ７２Ｖが用いられる。
　駆動回路３０は、制御部５０から線路３０ａに充電信号、線路３０ｂに放電信号が入力され、これら充電信号および放電信号により圧電素子１０の充放電を行って圧電素子１０を伸縮駆動させる。具体的には、駆動回路３０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる第１のスイッチング素子３１および第２のスイッチング素子３２を有しており、充電信号により第１のスイッチング素子３１がオンとなり電源２０からの高電圧により圧電素子１０を充電し、放電信号により第２のスイッチング素子３２がオンとなり、圧電素子１０に充電された電荷を放電させる。
　図２に示すように、充電信号および放電信号はパルス信号として与えられ、パルスの頂部Ｔが充電信号、パルスの底部Ｂが放電信号となる。圧電アクチュエータ１００が光学式粒状物選別機に用いられるバルブシステムに用いられる場合は、充電信号および放電信号は、ダブルプレパルスおよびメインパルスからなる。ダブルプレパルスは、１段目のプレパルスによる圧電素子１０への電圧印加により弁体を開き、エア噴出圧が変動するタイミングに合わせて２段目のプレパルスにより電圧を印加するものであり、その後にメインパルスの入力による電圧印加を行う。ダブルプレパルスは、開弁直後の弁体の脈動を抑えて噴風量（エア噴出量）の変動を解消するための信号である。
　なお、スイッチング素子３１，３２としては、ＦＥＴの代わりにリレー等を用いてもよい。
　異常検出回路４０は、圧電アクチュエータ１００の正常な電流挙動と相反する信号を回路的に作り出して正常に動作しないことを検出するものであり、電源２０から第１のスイッチング素子３１に至る圧電素子１０への給電線路に設けられた抵抗４１と、スイッチング素子としてのトランジスタ４２とを有している。抵抗４１は、従来設けられていたヒューズ抵抗の代わりに設けられている。
　圧電素子１０に充電する際には、電源２０から圧電素子１０に電流が流れ、抵抗４１で電圧降下が生じる。この電圧降下および回路の設定条件により、トランジスタ４２がオンとなる。圧電素子１０が正常に動作する場合は、圧電素子１０を充電後、放電に切り替わると抵抗４１に電流が流れなくなるので、電流が流れている期間に対応する時間でトランジスタ４２がオフとなる。
　一方、圧電素子１０が絶縁不良により正常な動作をしない場合は、充電時の圧電素子１０の電流値が高くなり、電流が流れ始めてから一定時間経過しても放電せずに充電状態で電流が流れっぱなしの状態となり、抵抗４１の下流のＡ地点に電流が流れる状態が正常状態よりも長く継続し、その期間に対応するトランジスタ４２のオン状態の時間（トランジスタ４２に電流が連続して流れる時間）が長く継続する。異常検出回路４０はこのトランジスタ４２からの信号を異常検出信号として出力し、この異常検出信号におけるトランジスタ４２のオン状態の時間が予め設定した設定時間よりも長い場合に圧電素子１０が異常と判定される。
　異常検出回路４０は、異常検出信号の設定時間が適正な値になるように、回路の定数を適正化する。
　なお、スイッチング素子としてトランジスタ４２を用いているがトランジスタの代わりにリレー等を用いてもよい。
　制御部５０は、駆動回路３０へ充電信号および放電信号を送り、圧電素子１０の駆動を制御する。また、制御部５０は、異常検出回路４０の異常検出信号が入力された際に、トランジスタ４２のオンの時間が設定時間よりも短ければ圧電素子１０が正常動作していると判定し、設定時間以上であれば圧電素子１０が異常であると判定する。そして、異常であると判定した場合は、アラーム発生指令をアラーム発生装置６０に送る。制御部５０は、この他、充電信号が入力されても異常検出信号にトランジスタ４２のオン状態が現れないときに、ケーブル未接続や断線と判定する。
　ダブルプレパルス信号を入力したときに圧電素子１０が正常に動作する良品の場合と正常に動作しない不良品の場合の判定結果の一例について図３および図４に示す。図３および図４では、入力信号（ダブルプレパルス制御信号）、圧電素子にかかる電圧（図１の電圧計１１の値）、ダブルプレパルス電流（図１の電流計１２の値）、異常検出信号（判定）、エア圧力を示す。なお、異常検出信号は、Ｌｏｗで電流が流れている状態、すなわちトランジスタ４２がオンになっている状態である。
　圧電素子１０が良品の場合は、図３に示すように、入力信号に対応して充電時にＤＣ７５Ｖの電圧が圧電素子１０にかかり、それに対応してダブルプレパルス電流が流れ、異常検出信号は、充電信号によりトランジスタ４２がオン状態（電流が流れた状態）となってＨｉｇｈからＬｏｗとなるが、トランジスタ４２がオンとなって電流が流れるＬｏｗの期間は短期間である。
　一方、圧電素子１０が不良品の場合は、圧電素子１０の絶縁抵抗が低くなったことにより、図４に示すように、圧電素子１０の両端にかかる電圧が良品の場合よりも低く、電流は良品の場合よりも高くなり、圧電素子１０に電流が流れ始めてから一定期間経過しても放電せずに充電状態で電流が流れ、異常検出信号のＬｏｗの期間が長くなる。したがって、異常検出信号のＬｏｗの期間に所定の設定値を設け、それよりもＬｏｗの期間が長ければ圧電素子１０が正常に動作しない不良品と判定することができる。この設定値は、図１に示す異常検出回路４０の基本構成に、異常検出回路にＲＣ回路を組み込み、その定数を調整することや、トランジスタの数を調整すること等により最適化することができる。
　以下、異常検出信号を最適化した、より好ましい異常検出回路をより具体的に説明する。図５は、このようなより好ましい異常検出回路の構成を示す図である。
　図５の異常検出回路４０′は、圧電アクチュエータが光学式粒状物選別機に用いられるバルブシステムに用いられ、上述したダブルプレパルス制御信号が与えられたときに圧電素子１０の異常を検出するためのものであり、電源２０から第１のスイッチング素子３１に至る線路に並列に設けられた抵抗４１ａ、４１ｂと、スイッチング素子としての第１のトランジスタ４２ａおよび第２のトランジスタ４２ｂとを有しており、さらに、第１のトランジスタ４２ａの入側には、抵抗４３およびコンデンサ４４からなる第１のＲＣ回路４５が設けられており、第２のトランジスタ４２ｂの入側には、抵抗４６およびコンデンサ４７からなる第２のＲＣ回路４８が設けられている。異常検出回路４０′としては高速かつ精度の高いＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）が用いられる。
　充電信号および放電信号により圧電アクチュエータが動作する際、電源２０から７２Ｖの電圧が印加され電流が流れると、並列抵抗である抵抗４１ａ、４１ｂにより電圧降下が生じる。これらの抵抗は３０．９Ωであり、この時の電圧降下は、理論上はプレパルス入力時：約５．５Ｖ、ダブルプレパルス入力時：約２Ｖである。
　このような電圧降下が生じることにより第１のトランジスタ４２ａおよび第２のトランジスタ４２ｂがオンとなり、下記条件により圧電素子１０の異常が検出される。
　第１のＲＣ回路４５のＲＣパラメータ（抵抗４３およびコンデンサ４４の値）：Ｒ＝４．７ｋΩ、Ｃ＝０．１μＦ
　第２のＲＣ回路４８のＲＣパラメータ（抵抗４６およびコンデンサ４７の値）：Ｒ＝３３０ｋΩ、Ｃ＝０．０１μＦ
　異常検出条件：Ａ地点に電流が流れてから（圧電素子１０に電荷が充電された時から）約８０μｓｅｃ以上、連続して電流が流れた時（すなわち、上記設定値が８０μｓｅｃの時）
　この８０μｓｅｃという値は、上記の第１のＲＣ回路４５および第２のＲＣ回路４８におけるＲＣ回路定数で決定する。
　８０μｓｅｃという値の妥当性は、ダブルプレパルスのオン・オフのパルス幅（固定値）に対して、圧電素子１０の異常状態をＦＰＧＡにより検出するのに適した長さであり、同時にノイズによる誤検知を防ぐ上で試行錯誤した結果の値である。
　本例の異常検出回路４０′では、第１のトランジスタ４２ａおよび第２のトランジスタ４２ｂがオンとなって電流が連続して流れる時間（図３の異常検出信号がＬｏｗとなる時間）が設定値である８０μｓｅｃ以上となったとき、制御部５０で圧電素子１０が異常と判定し、アラーム指令を発する。ただし、８０μｓｅｃ未満での電流変化は検出せず、ノイズとみなす。一方、電流が８０μｓｅｃ以上連続して流れなかったとき、制御部５０では圧電素子１０が正常であると判定し、アラーム指令は発しない。この場合にも８０μｓｅｃ未満での電流変化は検出せず、ノイズとみなす。
　また、制御部５０は、以上の場合に限らず、図３のダブルプレパルス制御信号と異常検出信号との関係が正常値（良品）以外の場合は異常と判定する。例えば、充電信号を与えても、異常検出信号がＬｏｗにならない場合、制御部５０は未接続または断線と判定する。
　このように構成される圧電アクチュエータ１００によれば、駆動回路３０を介してダブルプレパルス信号のようなパルス信号からなる充電信号および放電信号を圧電素子１０に与えて圧電素子１０を駆動させる際に、異常検出回路４０または４０′により、絶縁抵抗が低下した圧電素子の電流値が高くなることを利用し、充電信号により圧電素子１０に電流が流れ始めてから一定時間経過しても放電せずに充電状態のまま電流が流れ続ける状態を検知し、異常と判定する。これにより、絶縁抵抗が低くなったことにより電流が多く流れ、両端に所期の電圧がかからなくなって正常動作しない圧電素子（バルブ）のみを速やかに検出することができる。
　先願（特願２０１５－１８５４５５（特開２０１７－６０３５６号公報）では、圧電素子の絶縁特性の劣化を測定することはできるが、絶縁抵抗が低くても正常動作する圧電素子もあり、このような素子も異常と判定してしまう。このような素子は将来的に正常動作しなくなる可能性は高いが、乾燥エアで復活することもある。本実施形態では、正常に動作しない圧電素子のみを正確に異常と判定することができる。
　また、先願は装置を停止させた状態で圧電素子の異常を判定する必要があるが、本実施形態では、装置を稼働させながら連続で圧電素子の異常を検出することができる。このため、装置稼働中に圧電素子に動作不良が生じた場合にすぐに検知してアラームを出すことができる。
　さらに、ヒューズ抵抗を用いないのでヒューズ抵抗の交換の必要がなく、かつ、異常の原因を速やかに特定することができる。
　さらにまた、異常検出回路４０、４０′はヒューズを用いないだけで従来の異常検出回路と類似の構成であり、かつ先願のようにこれに加えて付加的に回路を設ける必要がないことから、トランジスタやリレー等の部品点数は少なくて済み、部品コストを低く抑えることができる。
　＜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６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Ｅの前後には、落下軌跡Ｅ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、圧電素子に高電圧を印加する電源２７５と、圧電素子の充放電を行って圧電素子を駆動し、圧電式バルブ２７４の開閉駆動を行うための駆動回路２７６と、圧電素子や駆動回路２７６の異常を検出する異常検出回路２７７と、駆動回路２７６を制御するとともに、異常検出回路２７７の異常検出信号が入力された際に異常判定を行う制御部２７８とを有する。制御部２７８にはアラーム発生装置２７９が接続される。駆動回路２７６および異常検出回路２７７は、圧電アクチュエータ１００における駆動回路３０および異常検出回路４０または４０′と同様に構成することができる。
　圧電式バルブ２７４は、図７（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から与えられる充電信号により電源２７５からの高電圧により圧電素子３０３を充電し、駆動回路２７６から与えられる放電信号により圧電素子３０３に充電された電荷を放電させる。これにより圧電素子３０３が伸縮駆動され、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３０９ａ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、傾斜状シュート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２０７における圧電式バルブシステム２７３の制御部２７８に送られる。制御部２７８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、制御部２７８の指令により、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２０４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７（ａ）の閉状態において駆動回路２７６からの充電信号により電源２７５からの電圧が圧電素子３０３に印加され充電されると、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から放電信号が送られると圧電素子３０３が放電し伸長した状態から収縮し、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、複数の圧電式バルブ２７４の圧電素子３０３にパルス状の充電信号および放電信号が与えられ、圧電式バルブ２７４が開閉される。例えば、駆動回路２７６を介して圧電素子にダブルプレパルス制御信号が与えられているとき、圧電式バルブシステム２７３においていずれかの圧電式バルブ２７４の圧電素子３０３の絶縁性が低下した場合に、異常検出回路２７７により、充電信号により圧電素子に電流が流れ始めてから一定時間経過しても放電せずに充電状態のまま電流が流れ続ける状態を検知し、異常と判定する。
　これにより、絶縁抵抗が低くなったことにより電流が多く流れ、両端に所期の電圧がかからなくなって正常動作しない圧電素子に対応する圧電式バルブ２７４のみを速やかに検出することができる。また、異常検出回路２７７は、光学式粒状物選別機の運転中に、連続で圧電素子の異常を検出することができ、運転中に圧電素子に動作不良が生じた場合にすぐに検知してアラームを出すことができる。
　さらに、ヒューズ抵抗を用いないのでヒューズ抵抗の交換の必要がなく、また、異常の原因を速やかに特定することができる。さらにまた、異常検出回路２７７はヒューズを用いないだけで従来の異常検出回路と類似の構成であり、かつ付加的な回路が不要であることから、トランジスタやリレー等の部品点数は少なくて済み、部品コストを低く抑えることができる。
　＜他の適用＞
　以上、本発明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、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７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；圧電素子
　２０；電源
　３０；駆動回路
　３１，３２；スイッチング素子
　４０；異常検出回路
　４１，４１ａ，４１ｂ；抵抗
　４２，４２ａ，４２ｂ；トランジスタ
　４５，４８；ＲＣ回路
　５０；制御部
　６０；アラーム発生装置
　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；圧電式バルブシステム
　２７４；圧電式バルブ
　２７５；電源
　２７６；駆動回路
　２７７；異常検出回路
　２７８；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 (16)

  1. 　電圧が印加されることにより所定の変位を生じる圧電素子と、
    　前記圧電素子に電圧を印加する電源と、
    　パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、
    　前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する異常検出回路と、
    　前記駆動回路に前記充電信号および放電信号を送るとともに、前記異常検出回路からの異常検出信号に基づいて前記圧電素子が正常か否かを判定する制御部と
    を有し、前記圧電素子を変位させることにより対象物に所定の動作をさせる圧電アクチュエータであって、
    　前記異常検出回路は、充電時に前記圧電素子に電流が流れ始めてから電流が流れなくなるまでの期間に対応する時間を検出する異常検出信号を出力し、その時間が設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 　前記異常検出回路は、前記電源から前記圧電素子に至る給電線路に設けられた抵抗と、充電時に前記圧電素子に電流が流れたときにその電圧降下に基づいて供給された電流を異常検出信号として出力するスイッチング素子とを有し、前記異常検出信号が流れている時間が前記設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定される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。
  3. 　前記スイッチング素子はトランジスタであることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 　前記異常検出回路は、前記設定時間を調整するためのＲＣ回路を有していることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 　前記異常検出回路は、スイッチング素子として２つのトランジスタと、前記２つのトランジスタにそれぞれ対応した２つのＲＣ回路とを有し、前記設定時間が８０μｓｅｃに設定され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。
  6. 　前記異常検出回路としてＦＰＧＡが用いられることを特徴とする請求項３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。
  7. 　前記制御部が前記異常検出回路からの異常検出信号により前記圧電素子が異常であると判定した場合に、前記制御部からの指令によりアラームを発生するアラーム発生装置をさらに有す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。
  8. 　前記圧電アクチュエータは、前記圧電素子を複数有し、前記圧電素子の各々は、光学式粒状物選別機に用いられる複数のバルブの各々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７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
  9. 　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８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
  10. 　電圧が印加されることにより所定の変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子に電圧を印加する電源と、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に前記充電信号および放電信号を送る制御部とを有する圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する異常検出回路であって、
    　充電時に前記圧電素子に電流が流れ始めてから電流が流れなくなるまでの期間に対応する時間を検出する異常検出信号を出力し、その時間が設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されることを特徴とする異常検出回路。
  11. 　前記電源から前記圧電素子に至る給電線路に設けられた抵抗と、充電時に前記圧電素子に電流が流れたときにその電圧降下に基づいて供給された電流を異常検出信号として出力するスイッチング素子とを有し、前記異常検出信号が流れている時間が前記設定時間以上のときに前記圧電素子が異常であると判定されることを特徴とする請求項１０に記載の異常検出回路。
  12. 　前記スイッチング素子はトランジスタであることを特徴とする請求項１１に記載の異常検出回路。
  13. 　前記設定時間を調整するためのＲＣ回路を有していることを特徴とする請求項１２に記載の異常検出回路。
  14. 　スイッチング素子としての２つのトランジスタと、前記２つのトランジスタにそれぞれ対応した２つのＲＣ回路とを有し、前記設定時間が８０μｓｅｃに設定されることを特徴とする請求項１３に記載の異常検出回路。
  15. 　前記異常検出回路としてＦＰＧＡが用いられることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の異常検出回路。
  16. 　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、
    　前記圧電素子に電圧を印加する電源と、
    　前記複数の圧電式バルブの前記圧電素子に選択的に、パルス状の充電信号および放電信号により、前記電源から前記圧電素子に電圧を印加して前記圧電素子を充電するとともに、前記圧電素子に充電された電荷を放電して前記圧電素子を駆動する駆動回路と、
    　前記圧電素子の絶縁不良による異常を検出する請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の異常検出回路と、
    　前記駆動回路に前記各圧電式バルブの前記圧電素子に対応する前記充電信号および放電信号を送るとともに、前記異常検出回路からの異常検出信号に基づいて前記圧電素子が正常か否かを判定する制御部と
    を有することを特徴とする圧電式バルブシステム。
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