JP5003224B2 - 圧電式バルブ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いた圧電式バルブに係り、特に、空気を流体とするバルブとして好適な圧電式バルブに関する。

近年、電子機器の小型化などに伴って、微細な部品を高速に搬送し供給する部品供給装置の需要が高まっている。このような部品供給装置では、部品の搬送・供給において不良部品を高速に選別して搬送供給経路上から排除する必要があり、このため不良部品を高速に選別し排除する手段が必要とされる。このような用途の技術では、数ミリ秒以下といった極めて高い動作速度と確実な動作が要求される。

従来、微細な部品を高速に搬送し供給する部品供給装置で用いられ、部品の搬送・供給において不良部品を高速に選別して搬送・供給経路上から排除する装置に用いられる技術としては、圧電素子を用いた流体圧アクチュエータという技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術に係る流体圧アクチュエータは、シリンダと、シリンダ内に摺動可能に配置されたピストンと、シリンダ内に流体を導入するための流通経路とを有する流体圧アクチュエータであって、この流通経路を開閉するためのバイモルフ型の圧電素子を用いた開閉手段を備えたアクチュエータである。

この流体圧アクチュエータによると、本アクチュエータの作動媒体である流体は、常時、アクチュエータ本体内の流通経路を流れている。すなわち流体が停止していないため、アクチュエータ本体内の流通経路を開放状態から閉鎖状態に移行させたときには、流通経路を流れる流体の慣性を利用して迅速にシリンダ内の内圧を上昇させることができ、これによってピストンを迅速に動作させることができる。また、この流通経路を開閉する手段として高速に変位するバイモルフ型の圧電素子を用いているので、流通経路を高速に開閉することが可能である。よって、常時、アクチュエータ本体内の流通経路に流体が流れているため流体の慣性を利用できるということと、バイモルフ型の圧電素子を用いているということで、基本的には、シリンダ内の流通経路を高速に開閉することができ、ピストンを迅速に動作させることができる。

特開２００５−９５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された流体圧アクチュエータにおいては、流体の排出経路に設けられたバイモルフ型の圧電素子を用いた開閉手段は、外部から導入された流体の流れを直接遮る形で配置されている。この場合、外部から導入される流体の単位時間当たりの流量が比較的少なく、又は流体の圧力が比較的低いときは、上記開閉手段の作動に関して特に影響は無いが、外部から導入される単位時間当たりの流体の流量が多く、或いは流体の圧力が高いときは、上記開閉手段の作動応答性が悪くなることがあり、条件によっては作動困難となる場合も考えられる。従って、大流量が必要な作動力の大きなアクチュエータとしては適用が難しい場合があり、また、圧力の高い流体を使用する場合に問題が生じることがある。

一方、例えば、特許文献１に記載された流体圧アクチュエータのシリンダ及びピストンで構成された部分を取り外して、先端から流体を供給する構造に改造した場合にも、上述と同様に、外部から導入される単位時間当たりの流体の流量が多く、或いは流体の圧力が高いときは、バイモルフ型の圧電素子を用いた流体流通経路の開閉手段の作動応答性が悪くなることがあり、条件によっては作動困難となる場合も考えられる。よって、大流量用の流体用バルブとしては適用が難しい場合があり、また、圧力の高い流体を使用する場合に問題が生じることがある。また、上記流体圧アクチュエータ本体内の流通経路構造のように、流体の排出経路と流体の供給経路がほぼ直交し、且つ、その間に流体を遮るものが無い場合は、流体の排出経路側に流体を流しているときに流体の供給経路側が負圧になりやすい。よって、例えば、部品供給装置の搬送経路（トラック）に空気を噴出させて、不良部品を搬送経路から吹き飛ばす装置としてこのバルブを用いる場合には、不良部品を排除するどころか、逆に不良部品を吸引して部品搬送の妨げになる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、供給する流体の流量が大であったり、又は供給する流体の圧力が高い場合であっても作動良好で、且つ流体を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止できる圧電式バルブを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明に係る圧電式バルブは、圧電素子を用いた圧電式バルブに関する。そして、本発明に係る圧電式バルブは、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の圧電式バルブは、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る圧電式バルブにおける第１の特徴は、流体供給手段から流体を受け入れる流体受入部と、前記流体受入部から受け入れた前記流体を外部に排出するための流体排出部と、前記流体排出部に設けられ、薄い板状であって長手方向を有し、印加電圧に応じて前記流体排出部の外部に通じる排出側経路を開閉する圧電動作体と、前記流体受入部から受け入れた前記流体を外部に供給するための流体供給部と、前記流体受入部と前記流体排出部と前記流体供給部とを連通連通する流体室と、を備え、前記流体室の上面又は下面は、前記流体排出部として形成され、前記流体受入部からの前記流体は、前記流体室の側面から前記流体室の内面に沿って、前記流体室に供給されることである。

この構成によると、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、流体供給手段から受け入れられた流体は、流体受入部から流体室を経由して流体排出部の開口部位から排出されるため、流体供給部への流体の流れはほぼ止められる。この状態で、圧電動作体により排出側経路を閉にすると、流体の流体排出部への流れはほぼ止められ、流体は流体受入部から流体室を経由して流体供給部から外部に供給される。逆に、排出側経路が閉の状態にあるときに、排出側経路を開にすると、流体供給部への流体の流れはほぼ止められ、流体は流体受入部から流体室を経由して流体排出部の開口部位から排出される。よって、この圧電動作体の開閉作動により、流体を流体供給部から外部に供給したり、その供給をほぼ停止させたりすることが可能になる。

この場合、圧電動作体により排出側経路を開にした状態では、流体は、流体排出部の開口部位から排出される態様で流体室内を流れ、流体室内には流体の圧力が作用し続けているため、圧電動作体を開状態から閉状態に移行させたときには、流体の慣性を利用して迅速に所定量の流体を流体供給部から供給開始することができる。また、逆に、圧電動作体により排出側経路を閉にした状態から開状態に移行させたときには、迅速に流体室内の流体の流れを変えることができる。よって、単に圧電式バルブの上流側に配置された流体供給手段により流体を供給若しくは遮断する場合に比べて、高速に流体の供給・停止を行うことができる。

また、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通した流体室では、流体排出部の外部に通じる排出側経路を開閉する圧電動作体への流体の作用圧が抑制されるため、圧電動作体の作動負荷を抑えることができる。よって、供給する流体の流量が大であったり、又は供給する流体の圧力が高い場合であっても圧電式バルブの良好な作動状態を維持することが可能である。また、圧電動作体への流体の作用圧を抑制することにより、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、流体受入部から流体室を経由して流体排出部の開口部位から排出される流体の流量を抑えることができ、一部の流体は、わずかながら流体受入部から流体室を経由して流体供給部に導かれる。よって、流体を外部に供給する流体供給部をほぼ常時、正圧よりに維持することになるため、この流体供給部が負圧になることを防止することができる。

さらに、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、流体受入部から流体室へ流入した流体は、流体室内で旋回して旋回流となり、流体室の上面又は下面に形成される流体排出部の開口部位から、圧電動作体の板面に沿う方向に放射状に排出される。よって、圧電動作体に対して直接、衝突する流体の流れを防止でき、圧電動作体の作動負荷を抑えることができる。また、旋回流となった流体が放射状に効率良く排出されるため、排出部の開口部位は、わずかな隙間で良い。よって、変位の小さな圧電動作体であっても使用し易い。

また、本発明に係る圧電式バルブにおける第１０の特徴は、前記流体室は、テーパ面を有する円錐状に形成されることである。

この構成によると、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、流体受入部から流体室へ流入した流体は、流体室内で旋回してより旋回流となり易く、また、その流体は、テーパ面に沿って流体室の断面が広がっていく方向の流体排出部に導かれ易くなるため、流体の排出がより効率よく行われる。

また、本発明に係る圧電式バルブにおける第１１の特徴は、前記流体室は、円筒状に形成されることである。

この構成によると、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、流体受入部から流体室へ流入した流体は、流体室内で旋回してより旋回流となり易い。

また、本発明に係る圧電式バルブにおける第１２の特徴は、前記流体供給部は、前記流体排出部に対向する前記流体室の対向面に接続されることである。

この構成によると、流体の受入部、供給部並びに排出部の位置を外部条件等に応じて適切に配置できる多様性が向上する。

また、本発明に係る圧電式バルブにおける第１３の特徴は、前記流体供給部の外部に通じる供給側経路と、前記流体受入部の前記流体を受け入れる受入側経路とは並行し、前記流体は、前記流体室の内面に沿って、前記供給側経路から外部に供給されることである。

この構成によると、流体受入部からの流体は、流体室を経由しほぼ１８０°向きを変えて供給側経路から外部に流れていくので、供給側経路内を流れる流体は、受入側経路と供給側経路とが直交等している場合に比較して、受入側経路内を流れる流体の流れ方向の圧力の影響を受けにくい。よって、圧電動作体により排出側経路を開にした状態において、受入側経路から流れてきた流体の多くは、流体排出部の開口部位から排出され、一部の流体は、わずかながら流体室の内面に沿って流体供給側に開口する供給側経路にも流れる。従って、流体を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止できる。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。以下に説明する本発明に係る圧電式バルブの実施形態は、気体、特に圧縮した空気を用いて動作する圧電式バルブに関するものであるが、本発明に係る圧電式バルブは圧縮した空気以外の気体や液体等の他の流体でも動作させることが可能である。以下の説明においては、圧縮空気を用いるものとして説明し、他の気体や液体を用いる場合には、以下の説明中の圧縮空気、空気等の語句を適宜、気体又は流体と読み替えて構成することとする。

図１は、本発明に係る圧電式バルブに用いる圧電動作体を示す図である。図１は、圧電動作体１００の平面図（ａ）、側面図（ｂ）、ならびに圧電動作体１００の作動説明図（ｃ）から構成される。図１に示すように、圧電動作体１００は、２枚の圧電素子１０２を金属板１０１を介して貼り合わせた構造でバイモルフと呼ばれるもので、長手方向を有する薄い板状である。

このような構造の圧電動作体１００に電圧を印加すると一方の圧電素子１０２は圧電効果によって縮み、他方の圧電素子１０２は伸びる。その結果、全体としては片方に曲がることになる。圧電動作体１００の一端を圧電式バルブ本体に固定し、他端を自由にすることで片持ち梁を形成し、この他端の板面１０１Ａ、１０１Ｂや端部１０１Ｃで、印加電圧に応じて流体排出部の排出側経路等を開閉させる。圧電素子１０２はセラミック等の材料からなり、代表的な圧電素子としてピエゾ素子が挙げられる。金属板１０１は電極であり、ステンレス鋼等の金属板である。

（第１参考例）
図２は、第１参考例の圧電式バルブを示す図である。図３は、図２に示す流体室１８の端部付近の拡大図である。図２は、圧電式バルブ１０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図２及び図３に示すように、圧電式バルブ１０は、部材１２及び部材１３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路１５ａ及び受入用接続具１５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路１７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ａと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路１６ａ及び供給用接続具１６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室１８とを有する。図２及び図３における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ａの動作方向を示す矢印とである。

圧電式バルブ１０の本体を構成する部材１２と部材１３とは、ボルト１１で連結されている。また、流体室１８は、連結された部材１２と部材１３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ａは、一方の端部がボルト１４により部材１３に固定され、他方の端部は流体室１８のスリット状に形成された先端部において自由に変位できるように配置されている。ここで、スリット状とは、複数の面で形成された狭い空間の状態を表している（他の参考例においても同様）。

まず、圧電動作体１００ａにより排出側経路１７ａを開にした状態（拡大図３に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具１５に接続されたホース等（不図示）を経由して、圧縮空気は流体室１８に導入される。流体室１８に導入された圧縮空気は、流体室１８のスリット状に形成された先端部に流れ、圧電動作体１００ａと排出側経路１７ａとの隙間を通って排出側経路１７ａを経由し外部に排出される。このとき、供給側経路１６ａは、圧電動作体１００ａの片面１０１Ｂで閉じられているため、外部から供給側経路１６ａへ流れ込んでくる空気はほぼ無く、流体供給部が負圧になることを防止できる。

次に、圧電動作体１００ａに電圧が印加されると、圧電動作体１００ａは変位し、供給側経路１６ａは開にされ、排出側経路１７ａは圧電動作体１００ａの他の片面１０１Ａで閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室１８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ａを動作させることにより、圧電動作体１００ａと供給側経路１６ａとの隙間側に流れを変え、供給側経路１６ａを経由して外部に供給される。

ここで、圧電動作体１００ａにより排出側経路１７ａを開にした状態、圧電動作体１００ａにより供給側経路１６ａを開にした状態のいずれの状態においても、流体は、圧電動作体１００ａの板面に対して並行に流れるため、圧電動作体１００ａへの流体の作用圧が抑制される。よって、圧電動作体１００ａの作動負荷を抑えることができる。

尚、排出側経路１７ａから排出される空気量や供給側経路１６ａから外部に供給される空気量は、圧縮空気の受入側経路１５ａ、排出側経路１７ａ、供給側経路１６ａ、及び流体室１８等の寸法を適宜、選択することによって調整される（他の参考例においても同様）。また、供給側経路１６ａや排出側経路１７ａに背圧弁等を設けることによっても空気量を調整することが可能である（他の参考例においても同様）。

（第２参考例）
図４は、第２参考例の圧電式バルブを示す図である。図５は、図４に示す流体室２８の端部付近の拡大図である。図４は、圧電式バルブ２０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図４及び図５に示すように、圧電式バルブ２０は、部材２２及び部材２３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路２５ａ及び受入用接続具２５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路２７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｂと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路２６ａ及び供給用接続具２６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室２８とを有する。図４及び図５における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｂの動作方向を示す矢印とである。

第１参考例と同様、圧電式バルブ２０の本体を構成する部材２２と部材２３とは、ボルト２１で連結されている。また、流体室２８は、連結された部材２２と部材２３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｂは、一方の端部がボルト２４により部材２３に固定され、他方の端部は流体室２８のスリット状に形成された先端部において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｂにより排出側経路２７ａを開にした状態（拡大図５に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具２５に接続されたホース等（不図示）を経由して、圧縮空気は流体室２８に導入される。流体室２８に導入された圧縮空気は、流体室２８のスリット状に形成された先端部に流れ、圧電動作体１００ｂと排出側経路２７ａとの隙間を通って排出側経路２７ａを経由し外部に排出される。このとき、供給側経路２６ａは、圧電動作体１００ａの端部１０１Ｃで閉じられているため、外部から供給側経路２６ａへ流れ込んでくる空気はほぼ無く、流体供給部が負圧になることを防止できる。

次に、圧電動作体１００ｂに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｂは変位し、供給側経路２６ａは開にされ、排出側経路２７ａは圧電動作体１００ｂの片面１０１Ａで閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室２８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｂを動作させることにより、圧電動作体１００ｂと圧電式バルブ２０の本体を構成する部材２３との隙間側に流れを変え、供給側経路２６ａを経由して外部に供給される。

ここで、第１参考例と同様、圧電動作体１００ｂにより排出側経路２７ａを開にした状態、圧電動作体１００ｂにより供給側経路２６ａを開にした状態のいずれの状態においても、流体は、圧電動作体１００ｂの板面に対して並行に流れるため、圧電動作体１００ｂへの流体の作用圧が抑制される。よって、圧電動作体１００ｂの作動負荷を抑えることができる。

（第３参考例）
図６は、第３参考例の圧電式バルブを示す図である。図７は、図６に示す流体室３８の端部付近の拡大図である。図６は、圧電式バルブ３０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図６及び図７に示すように、圧電式バルブ３０は、部材３２、部材３２ｂ、及び部材３３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路３５ａ及び受入用接続具３５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路３７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｃと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路３６ａ及び供給用接続具３６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室３８とを有する。図６及び図７における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｃの動作方向を示す矢印とである。

第１参考例や第２参考例と同様、圧電式バルブ３０の本体を構成する部材３２と部材３３とは、ボルト３１で連結され、部材３２ｂと部材３３とは、ボルト３１ｂで連結されている。また、流体室３８は、連結された部材３２と部材３３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｃは、一方の端部がボルト３４により部材３３に固定され、他方の端部は流体室３８のスリット状に形成された先端部において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｃにより排出側経路３７ａを開にした状態（拡大図７に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具３５に接続されたホース等（不図示）を経由して、圧縮空気は流体室３８に導入される。流体室３８に導入された圧縮空気は、流体室３８のスリット状に形成された先端部に流れ、圧電動作体１００ｃと圧電式バルブ３０の本体を構成する部材３２との隙間を通って排出側経路３７ａを経由し外部に排出される。このとき、供給側経路３６ａは、圧電動作体１００ｃの端部１０１Ｃで閉じられているため、外部から供給側経路３６ａへ流れ込んでくる空気はほぼ無く、流体供給部が負圧になることを防止できる。

次に、圧電動作体１００ｃに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｃは変位し、供給側経路３６ａは開にされ、排出側経路３７ａは圧電動作体１００ｃの端部１０１Ｃで閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室３８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｃを動作させることにより、圧電動作体１００ｃと圧電式バルブ３０の本体を構成する部材３３との隙間側に流れを変え、供給側経路３６ａを経由して外部に供給される。

ここで、第１参考例や第２参考例と同様、圧電動作体１００ｃにより排出側経路３７ａを開にした状態、圧電動作体１００ｃにより供給側経路３６ａを開にした状態のいずれの状態においても、流体は、圧電動作体１００ｃの板面に対して並行に流れるため、圧電動作体１００ｃへの流体の作用圧が抑制される。よって、圧電動作体１００ｃの作動負荷を抑えることができる。

（第４参考例）
図８は、第４参考例の圧電式バルブを示す図である。図９は、図８に示す流体室４８付近の拡大図である。図８は、圧電式バルブ４０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図８及び図９に示すように、圧電式バルブ４０は、部材４２及び部材４３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路４５ａ及び受入用接続具４５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路４７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｄと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路４６ａ及び供給用接続具４６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室４８とを有する。尚、図８に示すように、圧電式バルブ４０に、圧電動作体１００ｄやこの圧電動作体１００ｄに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図８及び図９における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｄの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ４０の本体を構成する部材４２と部材４３とは、ボルト４１で連結されている。また、流体室４８は、連結された部材４２と部材４３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｄは、一方の端部がボルト４４により部材４３に固定され、他方の端部は、圧電式バルブ４０の本体を構成する部材４２と部材４３との間のスリット状に形成された隙間において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｄにより排出側経路４７ａを開にした状態（拡大図９に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具４５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路４５ａを経由して、流体室４８に導入される。流体室４８に導入された圧縮空気は、圧電動作体１００ｄと圧電式バルブ４０の本体を構成する部材４３との隙間を通って排出側経路４７ａを経由し外部に排出される。

ところで、供給側経路４６ａは、受入側経路４５ａと並行して設けられているため、圧縮空気が、流体室４８を経由して受入側経路４５ａから供給側経路４６ａに流れるためには、流れの向きがほぼ１８０°変えられる。よって、受入側経路４５ａから流体室４８に導入された圧縮空気は、その流れ方向に位置する上記の圧電動作体１００ｄと圧電式バルブ３０の本体を構成する部材４３との隙間を通って、ほとんどが外部に排出され、一部の圧縮空気が、わずかだけ供給側経路４６ａを流れていく。よって、流体供給部が負圧になることを防止できる。このとき、流体供給部は、わずかだけ正圧になっていることが好ましいため、圧電動作体１００ｄと部材４３との隙間、供給側経路４６ａ、受入側経路４５ａ等の寸法を適切に決定し、圧縮空気の流量バランスが調整される。

次に、圧電動作体１００ｄに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｄは変位し、圧電動作体１００ｄと部材４３との隙間は閉ざされ、これにより、供給側経路４６ａに圧縮空気が流れる（供給側経路４６ａが開にされる）。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室４８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｄを動作させることにより、排出側経路４７ａから供給側経路４６ａに流れを変え、供給側経路３６ａを経由して外部に供給される。

ここで、受入側経路４５ａと、供給側経路４６ａと、排出側経路４７ａとを連通する流体室４８は、受入側経路４５ａから流体室４８に接続するところで、広がって形成されている。よって、受入側経路４５ａから流れてきた圧縮空気は、流体室４８に導入された際、その流れは広がり、広がった流れはそれぞれ排出側経路４７ａを開閉する圧電動作体１００ｄに衝突することになるので、圧電動作体１００ｄの受圧面積は大きくなる。また、圧電動作体１００ｄが受ける作動抵抗である曲げモーメントは、圧電動作体１００ｄの受圧する部位の端から端までの受圧力の積分として与えられる。従って、従来、受入側経路から流れてきた圧縮空気が、ほぼその経路断面積を変えず圧電動作体に衝突している場合に比較して、本参考例の圧電式バルブ４０の圧電動作体１００ｄの作動負荷は抑えられる。

（第５参考例）
図１０は、第５参考例の圧電式バルブを示す図である。図１０は、圧電式バルブ４０ｂの平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。本参考例に係る圧電式バルブ４０ｂの構造は、ほぼ上記の第４参考例の圧電式バルブ４０と同様であり、違いは、図１０に示すように、圧電式バルブ４０ｂは、絶縁材料で形成されたカバー４９ａ及びカバー４９ｂで、周囲が保護されていることである。絶縁材料としては、塩ビやフェノール樹脂等の樹脂材料が挙げられる。圧電式バルブ４０ｂをこのような絶縁材料で覆うことにより、周囲環境から電気的に絶縁することができる。尚、このような構造は、他の参考例においても採用することが可能である。

（第６参考例）
図１１は、第６参考例の圧電式バルブを示す図である。図１２は、図１１に示す流体室６８付近の拡大図である。図１１は、圧電式バルブ６０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図１１及び図１２に示すように、圧電式バルブ６０は、部材６２及び部材６３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路６５ａ及び受入用接続具６５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路６７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｅと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路６６ａ及び供給用接続具６６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室６８とを有する。尚、図８の第４参考例と同様に、圧電式バルブ６０に、圧電動作体１００ｅやこの圧電動作体１００ｅに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図１１及び図１２における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｅの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ６０の本体を構成する部材６２と部材６３とは、ボルト６１で連結されている。また、流体室６８は、連結された部材６２と部材６３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｅは、一方の端部がボルト６４により部材６３に固定されている。他方の端部は、鉤形に折れ曲がり、その折れ曲がった端部は、排出側経路６７ａの一部から挿入されて流体受入部と流体供給部との間において自由に変位できるように配置されている。また、排出側経路６７ａは、スリット状に形成され、外部に開口している。また、流体受入部からの圧縮空気の吐出方向に、流体供給部の圧縮空気の受入口が設けられている。

まず、圧電動作体１００ｅにより排出側経路６７ａを開にした状態（拡大図１２に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具６５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路６５ａを経由して、流体室６８に導入される。流体室６８に導入された圧縮空気は、圧電式バルブ４０の本体を構成する部材６２と部材６３の間にスリット状に形成された排出側経路４７ａを経由し外部に排出される。

ところで、鉤形に折れ曲がった圧電動作体１００ｅの端部を流体受入部と流体供給部との間に位置させ、流体受入部からの圧縮空気の吐出方向に流体供給部の受入口を設けることにより、流体受入部からの圧縮空気は圧電動作体１００ｅに衝突し、衝突した圧縮空気のほとんどは外部に開口したスリット状の排出側経路６７ａより排出される。言い換えれば、圧電動作体１００ｅにより排出側経路６７ａを開にした状態である。圧縮空気の一部は、わずかながら供給側経路６６ａを経由して外部に流れるため、圧縮空気を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止することができる。このとき、流体供給部は、わずかだけ正圧になっていることが好ましいため、圧電動作体１００ｅと部材６２との隙間、供給側経路６４６ａ、受入側経路６５ａ、圧電動作体１００ｅの板幅及び鉤形に折れ曲がった端部の挿入長さ等の寸法を適切に決定し、圧縮空気の流量バランスが調整される。

次に、圧電動作体１００ｅに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｅは変位し、鉤形に折れ曲がった圧電動作体１００ｅの端部は、受入側経路６５ａと供給側経路６６ａとの間から除かれる。これにより、受入側経路６５ａから供給側経路４６ａに圧縮空気が流れる（供給側経路４６ａが開にされる）。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室６８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｅを動作させることにより、排出側経路６７ａから供給側経路６６ａに流れを変え、供給側経路６６ａを経由して外部に供給される。

ここで、圧電動作体１００ｅにより排出側経路６７ａを閉にするときには、圧電動作体１００ｅの鉤形に折れ曲がった端部を、受入側経路６５ａからの圧縮空気の流れ方向に対してほぼ垂直方向に移動させるので、圧電動作体１００ｅの作動負荷を抑えることができる。

（第７参考例）
図１３は、第７参考例の圧電式バルブを示す図である。図１４は、図１３に示す流体室７８付近の拡大図である。図１３は、圧電式バルブ７０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成され、図１４は、Ａ−Ａ断面図（ａ）、及び流体室７８付近の拡大図（ｂ）から構成される。図１３及び図１４に示すように、圧電式バルブ７０は、部材７２及び部材７３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路７５ａ及び受入用接続具７５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路７７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｆと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路７６ａ及び供給用接続具７６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室７８とを有する。

尚、図８の第４参考例と同様に、圧電式バルブ７０に、圧電動作体１００ｆやこの圧電動作体１００ｆに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図１３及び図１４における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｆの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ７０の本体を構成する部材７２と部材７３とは、ボルト７１で連結されている。また、流体室７８は、連結された部材７２と部材７３との間に形成される空間である。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｆは、一方の端部がボルト７４により部材７３に固定され、他方の端部はスリット状に形成された流体室７８において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｆにより排出側経路７７ａを開にした状態（拡大図１４（ｂ）に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具７５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路７５ａを経由して、スリット状に形成された流体室７８に導入される。流体室７８に導入された圧縮空気は、供給側経路７６ａ方向が圧電動作体１００ｆの片面１０１Ｂで遮断されているため、圧電動作体１００ｆと圧電式バルブ７０の本体を構成する部材７２との隙間を通って排出側経路７７ａを経由し外部に排出される。このとき、上記のように供給側経路７６ａ側の流体室７８内経路が圧電動作体１００ｆの片面１０１Ｂで遮断されているため、外部から供給側経路７６ａへ流れ込んでくる空気はほぼ無く、流体供給部が負圧になることを防止できる。

次に、圧電動作体１００ｆに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｆは変位し、供給側経路７６ａ側の流体室７８内経路は開にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室７８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｆを動作させることにより、圧電動作体１００ｆと圧電式バルブ７０の本体を構成する部材７３との隙間側に流れを変え、供給側経路７６ａを経由して外部に供給される。

ここで、第１乃至第３参考例と同様、圧電動作体１００ｆにより排出側経路７７ａを開にした状態、圧電動作体１００ｆにより供給側経路７６ａを開にした状態のいずれの状態においても、流体は、圧電動作体１００ｆの板面に対してほぼ並行に流れるため、圧電動作体１００ｆへの流体の作用圧が抑制される。よって、圧電動作体１００ｆの作動負荷を抑えることができる。

（第１実施形態）
図１５は、本発明の第１実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。図１６は、図１５に示す流体室８８付近の拡大図である。図１５は、圧電式バルブ８０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図１５及び図１６に示すように、圧電式バルブ８０は、部材８２及び部材８３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路８５ａ及び受入用接続具８５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路８７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｇと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路８６ａ及び供給用接続具８６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室８８とを有する。尚、図８の第４参考例と同様に、圧電式バルブ８０に、圧電動作体１００ｇやこの圧電動作体１００ｇに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図１５及び図１６における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｇの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ８０の本体を構成する部材８２と部材８３とは、ボルト８１で連結されている。また、流体室８８は、部材８２を加工して形成される空間でテーパ面を有する円錐状に形成されている。また、流体室８８の下面は、流体排出部の一部として形成されている。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｇは、一方の端部がボルト８４により部材８３に固定され、他方の端部は流体室８８の下面において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｇにより排出側経路８７ａを開にした状態（拡大図１６に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具８５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路８５ａを経由して、テーパ面を有する円錐状に形成された流体室８８の側面から流体室８８の内面に沿って流体室８８に導入される。流体室８８に導入された圧縮空気は、流体室８８内で旋回して旋回流となり、テーパ面に沿って流体室８８の断面が広がっていく方向の流体排出部に導かれ、排出側経路８７ａを経由し圧電動作体１００ｇの板面に沿う方向に放射状に排出される。よって、圧電動作体１００ｇに対して直接、衝突する流体の流れを防止でき、圧電動作体１００ｇの作動負荷を抑えることができる。

また、旋回流となった圧縮空気が放射状に効率良く排出されるため、排出部の開口部位は、わずかな隙間で良い。よって、変位の小さな圧電動作体であっても使用し易い。また、流体受入部から流入した圧縮空気の全てが排出側経路８７ａに導かれることはなく、圧縮空気の一部は、わずかながら流体供給側に開口する供給側経路８６ａにも流れていく。よって、流体を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止できる。ここで、排出側経路８７ａに流れる圧縮空気量と、供給側経路８６ａに流れる圧縮空気量とは、流体排出部、流体供給部、流体室８８等の位置、寸法等により調整されている。

次に、圧電動作体１００ｇに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｇは変位し、流体排出部は閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室８８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｇを動作させることにより、供給側経路８６ａ側に流れを変え外部に供給される。

（第２実施形態）
図１７は、本発明の第２実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。図１８は、図１７に示す流体室９８付近の拡大図である。図１７は、圧電式バルブ９０の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成される。図１７及び図１８に示すように、圧電式バルブ９０は、部材９２及び部材９３からなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路９５ａ及び受入用接続具９５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路９７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｈと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路９６ａ及び供給用接続具９６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室９８とを有する。尚、図８の第４参考例と同様に、圧電式バルブ９０に、圧電動作体１００ｈやこの圧電動作体１００ｈに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図１７及び図１８における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｈの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ９０の本体を構成する部材９２と部材９３とは、ボルト９１で連結されている。また、流体室９８は、連結された部材９２と部材９３との間に形成される空間で円筒状に形成されている。また、流体室９８の上面は、流体排出部の一部として形成されている。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｈは、一方の端部がボルト９４により部材９３に固定され、他方の端部は流体室９８の上面において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｈにより排出側経路９７ａを開にした状態（拡大図１８に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具９５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路９５ａを経由して、円筒状に形成された流体室９８の側面から流体室９８の内面に沿って流体室９８に導入される。流体室９８に導入された圧縮空気は、流体室９８内で旋回して旋回流となり、流体室９８の上面に形成された流体排出部に導かれ、排出側経路９７ａを経由し圧電動作体１００ｈの板面に沿う方向に放射状に排出される。よって、圧電動作体１００ｈに対して直接、衝突する流体の流れを防止でき、圧電動作体１００ｈの作動負荷を抑えることができる。

また、旋回流となった圧縮空気が放射状に効率良く排出されるため、排出部の開口部位は、わずかな隙間で良い。よって、変位の小さな圧電動作体であっても使用し易い。また、流体受入部から流入した圧縮空気の全てが排出側経路９７ａに導かれることはなく、圧縮空気の一部は、わずかながら流体供給側に開口する供給側経路９６ａにも流れていく。よって、流体を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止できる。ここで、排出側経路９７ａに流れる圧縮空気量と、供給側経路９６ａに流れる圧縮空気量とは、流体排出部、流体供給部、流体室９８等の位置、寸法等により調整されている。

次に、圧電動作体１００ｈに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｈは変位し、流体排出部は閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室９８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｈを動作させることにより、供給側経路９６ａ側に流れを変え外部に供給される。

（第３実施形態）
図１９は、本発明の第３実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。図２０は、図１９に示す流体室２０８付近の拡大図である。図１９は、圧電式バルブ２００の平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）から構成され、図２０は、流体室２０８付近の側面拡大図（ａ）、及び流体室２０８付近の平面拡大図（ｂ）から構成される。図１９及び図２０に示すように、圧電式バルブ２００は、部材２０２、部材２０３、及び部材２０３ｂからなる本体と、空気圧縮機等の圧縮空気供給手段（不図示）から圧縮空気を受け入れるための受入側経路２０５ａ及び受入用接続具２０５を備えた流体受入部と、圧縮空気を外部に排出するための排出側経路２０７ａを含む流体排出部と、圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｉと、圧縮空気を外部に供給するための供給側経路２０６ａ及び供給用接続具２０６を備えた流体供給部と、流体受入部と流体排出部と流体供給部とを連通する流体室２０８とを有する。

尚、図８の第４参考例と同様に、圧電式バルブ２００に、圧電動作体１００ｉやこの圧電動作体１００ｉに関する電気回路部分を保護するためのカバー４９ｃを取り付けても良い。図１９及び図２０における矢印は、圧縮空気の流れる方向を示す矢印と、圧電動作体１００ｈの動作方向を示す矢印とである。

上記参考例と同様、圧電式バルブ２００の本体を構成する部材２０２と部材２０３とは、ボルト２０１で連結され、部材２０３と部材２０３ｂとは、ボルト２０１ｂで連結されている。また、流体室２０８は、連結された部材２０２と部材２０３との間に形成される空間でテーパ面を有する円錐状に形成されている。また、流体室２０８の上面は、流体排出部の一部として形成されている。圧電素子１０２を用いた圧電動作体１００ｉは、一方の端部がボルト２０４により部材２０３ｂに固定され、他方の端部は流体室２０８の上面において自由に変位できるように配置されている。

まず、圧電動作体１００ｉにより排出側経路２０７ａを開にした状態（拡大図２０（ａ）に詳細を示す）について説明する。この状態は、圧縮空気を流体供給部にほぼ供給しない状態である。圧縮空気は、圧縮空気供給手段（不図示）から受入用接続具２０５に接続されたホース等（不図示）を介し受入側経路２０５ａを経由して、テーパ面を有する円錐状に形成された流体室２０８の側面から流体室２０８の内面に沿って流体室２０８に導入される。流体室２０８に導入された圧縮空気は、流体室２０８内で旋回して旋回流となり、テーパ面に沿って流体室２０８の断面が広がっていく方向の流体排出部に導かれ、排出側経路２０７ａを経由し圧電動作体１００ｉの板面に沿う方向に放射状に排出される。よって、圧電動作体１００ｇに対して直接、衝突する流体の流れを防止でき、圧電動作体１００ｉの作動負荷を抑えることができる。

また、旋回流となった圧縮空気が放射状に効率良く排出されるため、排出部の開口部位は、わずかな隙間で良い。よって、変位の小さな圧電動作体であっても使用し易い。また、流体受入部から流入した圧縮空気の全てが排出側経路２０７ａに導かれることはなく、圧縮空気の一部は、わずかながら流体供給側に開口する供給側経路２０６ａにも流れていく。よって、流体を外部に供給する流体供給部が負圧になることを防止できる。ここで、排出側経路２０７ａに流れる圧縮空気量と、供給側経路２０６ａに流れる圧縮空気量とは、流体排出部、流体供給部、流体室２０８等の位置、寸法等により調整されている。

次に、圧電動作体１００ｉに電圧が印加されると、圧電動作体１００ｉは変位し、流体排出部は閉にされる。この状態は、圧縮空気が流体供給部を経由して外部に供給される状態である。圧縮空気供給手段（不図示）から流体室２０８に導入され続けている圧縮空気は、圧電動作体１００ｉを動作させることにより、供給側経路２０６ａ側に流れを変え外部に供給される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。例えば、図１５及び図１６に示す第１実施形態において、上方にいくに連れてテーパ面が広がるように流体室を上下逆にし、流体室の上面を流体排出部、下面を流体供給部としたり、図１９及び図２０に示す第３実施形態においては、逆に、下方にいくに連れてテーパ面が広がるように流体室を上下逆にし、流体室の下面を流体排出部、上面を流体供給部としたりして実施することができる。

圧電動作体を示す図である。 第１参考例の圧電式バルブを示す図である。 図２の流体室の端部付近を示す拡大図である。 第２参考例の圧電式バルブを示す図である。 図４の流体室の端部付近を示す拡大図である。 第３参考例の圧電式バルブを示す図である。 図６の流体室の端部付近を示す拡大図である。 第４参考例の圧電式バルブを示す図である。 図８の流体室付近を示す拡大図である。 第５参考例の圧電式バルブを示す図である。 第６参考例の圧電式バルブを示す図である。 図１１の流体室付近を示す拡大図である。 第７参考例の圧電式バルブを示す図である。 図１３の流体室付近を示す拡大図である。 第１実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。 図１５の流体室付近を示す拡大図である。 第２実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。 図１７の流体室付近を示す拡大図である。 第３実施形態に係る圧電式バルブを示す図である。 図１９の流体室付近を示す拡大図である。

符号の説明

８０ 圧電式バルブ
８５ａ 受入側経路
８６ａ 供給側経路
８７ａ 排出側経路
８８ 流体室
１００ｇ 圧電動作体

Claims (5)

1. 圧電素子を用いた圧電式バルブであって、
   流体供給手段から流体を受け入れる流体受入部と、
   前記流体受入部から受け入れた前記流体を外部に排出するための流体排出部と、
   前記流体排出部に設けられ、薄い板状であって長手方向を有し、印加電圧に応じて前記流体排出部の外部に通じる排出側経路を開閉する圧電動作体と、
   前記流体受入部から受け入れた前記流体を外部に供給するための流体供給部と、
   前記流体受入部と前記流体排出部と前記流体供給部とを連通する流体室と、を備え、
   前記流体室の上面又は下面は、前記流体排出部として形成され、
   前記流体受入部からの前記流体は、前記流体室の側面から前記流体室の内面に沿って、前記流体室に供給されることを特徴とする、圧電式バルブ。
2. 前記流体室は、テーパ面を有する円錐状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電式バルブ。
3. 前記流体室は、円筒状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電式バルブ。
4. 前記流体供給部は、前記流体排出部に対向する前記流体室の対向面に接続されることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電式バルブ。
5. 前記流体供給部の外部に通じる供給側経路と、前記流体受入部の前記流体を受け入れる受入側経路とは並行し、
   前記流体は、前記流体室の内面に沿って、前記供給側経路から外部に供給されることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電式バルブ。

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