JP6810328B2 - 圧電アクチュエータおよび圧電式バルブ - Google Patents
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Description
前記固定部材の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側が伸縮する第1の圧電素子および第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構と
を具備し、
前記変位拡大機構は、
前記第1の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第1の圧電素子の伸縮にともなって移動する第1の取り付け部材と、
前記第2の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第2の圧電素子の伸縮にともなって移動する第2の取り付け部材と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第1の変位伝達部と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第2の変位伝達部と、
を有し、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が同時に伸長することにより、前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部から、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位が出力されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記第2の取り付け部材は、前記第2の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第2の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第1延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第1延長部の先端とを繋ぎ、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第2延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第2延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする(1)に記載の圧電アクチュエータ。
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第3のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第4のアーム部材と、前記第3のアーム部材および前記第4のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第2の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第3のアーム部材との間、前記第3のアーム部材と前記第2の出力部材との間、前記第2の出力部材と前記第4のアーム部材との間、前記第4のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有することを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記空気圧力室と前記空気排出口との間を閉鎖および開放するように動作する弁体と、
前記弁体の動作に必要な駆動力を与え、前記空気圧力室に設けられた圧電アクチュエータと
を具備する圧電式バルブであって、
前記圧電アクチュエータは
所定の装置または部材に固定される固定部材と、
前記固定部材の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側が伸縮する第1の圧電素子および第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構と
を具備し、
前記変位拡大機構は、
前記第1の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第1の圧電素子の伸縮にともなって移動する第1の取り付け部材と、
前記第2の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第2の圧電素子の伸縮にともなって移動する第2の取り付け部材と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第1の変位伝達部と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第2の変位伝達部と、
を有し、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が同時に伸長することにより、前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部から、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位が出力され、
前記第1の変位伝達部または前記第2の変位伝達部から出力された変位が前記弁体に作用して前記弁体が動作されることを特徴とする圧電式バルブ。
前記第2の取り付け部材は、前記第2の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第2の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第1延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第1延長部の先端とを繋ぎ、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第2延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第2延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする(8)に記載の圧電式バルブ。
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第3のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第4のアーム部材と、前記第3のアーム部材および前記第4のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第2の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第3のアーム部材との間、前記第3のアーム部材と前記第2の出力部材との間、前記第2の出力部材と前記第4のアーム部材との間、前記第4のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有することを特徴とする(8)から(10)のいずれかに記載の圧電式バルブ。
<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正面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ100は、図1に示すように、所定の装置または部材に固定される固定部材1と、固定部材1の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側に伸縮する第1の圧電素子2および第2の圧電素子3と、第1の圧電素子2および第2の圧電素子3に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第1の与圧機構4および第2の与圧機構5と、第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構10と、第1の圧電素子2および第2の圧電素子3を駆動する駆動部30と有する。
圧電アクチュエータを高速駆動するためには、高い自己共振周波数が必要である。従来のフレクステンショナル型変位拡大機構においては、上述したように、一方の変位伝達部の出力部材を固定し、他方の変位伝達部の出力部材の変位出力として利用するのが一般的であるが、この場合は、圧電素子自体が移動するため、圧電素子の持つ質量自体が負荷になり、その影響で、一般に高い自己共振周波数の実現は難しい。このような場合には、アーム長(第1〜第4のアーム部材22a,26a,22b,26b)は圧電素子の長さを十分に活用する長さ、換言すれば、アーム長は可及的に長い形が一般的である。なぜならば、アームの両端に設けられているヒンジに蓄えられる曲げエネルギー(これは変位拡大動作の中では無駄なエネルギーになる)を小さくするには曲げ回転角を小さくすることが得策であるが、曲げ回転角はアーム長に逆比例するからである。もちろん、アーム長を短くすることにより、アーム質量の低減は可能ではあるが、圧電素子の質量の影響が極めて大きいため、アーム長を短縮することによる共振周波数向上の効果は小さい。
図3は本発明の他の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ100′は、第1の圧電素子2および第2の圧電素子3を伸長させた際に、外側に向かう変位が出力されるように構成された第1の変位伝達部20a′および第2の変位伝達部20b′を有している他は、図1の圧電アクチュエータ100と同様に構成されている。第1の変位伝達部20a′は、第1アーム部材22a′および第2アーム部材26a′を有しており、第2の変位伝達部20b′は、第3アーム部材22b′および第4アーム部材26b′を有している。本実施形態では、第1のヒンジ21a、第4のヒンジ27a、第5のヒンジ21b、および第8のヒンジ27bは、第2のヒンジ23a、第3のヒンジ25a、第6のヒンジ23b、第7のヒンジ25bよりも内側に設けられているため、第1の圧電素子2および第2の圧電素子3が伸長した際に、第1の出力部材24aおよび第2の出力部材24bが相対的に外側、すなわち図1の圧電アクチュエータ100とは逆側へ変位するようになっている。
次に、上記圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブの一例について説明する。
図4は、本発明の圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブの一例を示す断面図である。
図5は、本発明の圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブの他の例を示す断面図である。
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、変位拡大機構は、上記実施形態に限定されるものではない。また、圧電式バルブについても上記実施形態で示したものは一例にすぎず、弁体によりエアの遮断および開放が行えるものであればよい。
2;第1の圧電素子
3;第2の圧電素子
4;第1の与圧機構
5;第2の与圧機構
10;変位拡大機構
11;第1の取り付け部材
12;第2の取り付け部材
13,14;補強板
20;変位伝達部
20a;第1の変位伝達部材
20b;第2の変位伝達部材
21a,21b,23a,23b,25a,25b,27a,27b;ヒンジ
22a,22b,26a,26b;アーム部材
24a;第1の出力部材
24b;第2の出力部材
30;駆動部
31;ドライバー
32;制御部
200;圧電式バルブ
201;バルブ本体
202;空気圧力室
203;空気排出口
204;弁体
205;弁座
207;バランスウェート
Claims (14)
- 所定の装置または部材に固定される固定部材と、
前記固定部材の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側が伸縮する第1の圧電素子および第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構と
を具備し、
前記変位拡大機構は、
前記第1の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第1の圧電素子の伸縮にともなって移動する第1の取り付け部材と、
前記第2の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第2の圧電素子の伸縮にともなって移動する第2の取り付け部材と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第1の変位伝達部と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第2の変位伝達部と、
を有し、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が同時に伸長することにより、前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部から、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位が出力されることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記第1の取り付け部材は、前記第1の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第1の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第2の取り付け部材は、前記第2の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第2の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第1延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第1延長部の先端とを繋ぎ、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第2延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第2延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記第1の取り付け部材の側面および前記第2の取り付け部材の側面に設けられた補強板をさらに具備す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。
- 前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第1のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第2のアーム部材と、前記第1のアーム部材および前記第2のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第1の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第1のアーム部材との間、前記第1のアーム部材と前記第1の出力部材との間、前記第1の出力部材と前記第2のアーム部材との間、前記第2のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有し、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第3のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第4のアーム部材と、前記第3のアーム部材および前記第4のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第2の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第3のアーム部材との間、前記第3のアーム部材と前記第2の出力部材との間、前記第2の出力部材と前記第4のアーム部材との間、前記第4のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部は、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が伸長された際に、内側方向に拡大された変位を出力することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部は、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が伸長された際に、外側方向に拡大された変位を出力することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第1の与圧機構および第2の与圧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6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 空気圧供給手段から供給される圧力空気が導入される空気圧力室と、該空気圧力室から外部へ通じる空気排出口とを有するバルブ本体と、
前記空気圧力室と前記空気排出口との間を閉鎖および開放するように動作する弁体と、
前記弁体の動作に必要な駆動力を与え、前記空気圧力室に設けられた圧電アクチュエータと
を具備する圧電式バルブであって、
前記圧電アクチュエータは
所定の装置または部材に固定される固定部材と、
前記固定部材の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側が伸縮する第1の圧電素子および第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構と
を具備し、
前記変位拡大機構は、
前記第1の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第1の圧電素子の伸縮にともなって移動する第1の取り付け部材と、
前記第2の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第2の圧電素子の伸縮にともなって移動する第2の取り付け部材と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第1の変位伝達部と、
前記第1の取り付け部材および前記第2の取り付け部材を連結し、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第2の変位伝達部と、
を有し、
前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が同時に伸長することにより、前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部から、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位が出力され、
前記第1の変位伝達部または前記第2の変位伝達部から出力された変位が前記弁体に作用して前記弁体が動作されることを特徴とする圧電式バルブ。 - 前記第1の取り付け部材は、前記第1の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第1の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第2の取り付け部材は、前記第2の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第1延長部と、前記第2の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第2延長部とを有し、
前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第1延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第1延長部の先端とを繋ぎ、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材の第2延長部の先端と、前記第2の取り付け部材の第2延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする請求項8に記載の圧電式バルブ。 - 前記圧電アクチュエータは、前記第1の取り付け部材の側面および前記第2の取り付け部材の側面に設けられた補強板をさらに有することを特徴とする請求項9に記載の圧電式バルブ。
- 前記第1の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第1のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第2のアーム部材と、前記第1のアーム部材および前記第2のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第1の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第1のアーム部材との間、前記第1のアーム部材と前記第1の出力部材との間、前記第1の出力部材と前記第2のアーム部材との間、前記第2のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有し、
前記第2の変位伝達部は、前記第1の取り付け部材側に設けられた第3のアーム部材と、前記第2の取り付け部材側に設けられた第4のアーム部材と、前記第3のアーム部材および前記第4のアーム部材の間に設けられ、前記固定部材に対応する位置に設けられた第2の出力部材と、前記第1の取り付け部材と前記第3のアーム部材との間、前記第3のアーム部材と前記第2の出力部材との間、前記第2の出力部材と前記第4のアーム部材との間、前記第4のアーム部材と前記第2の取り付け部材との間にそれぞれ設けられた可撓性および弾性を有する4つのヒンジとを有することを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の圧電式バルブ。 - 前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部は、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が伸長された際に、内側方向に拡大された変位を出力し、その際に、前記弁体が前記空気排出口を開放するノーマルクローズのバルブを構成することを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の圧電式バルブ。
- 前記第1の変位伝達部および前記第2の変位伝達部は、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子が伸長された際に、外側方向に拡大された変位を出力し、その際に、前記弁体が前記空気排出口を閉鎖するノーマルオープンのバルブを構成することを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の圧電式バルブ。
- 前記圧電アクチュエータは、前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第1の与圧機構および第2の与圧機構をさらに有することを特徴とする請求項8から請求項13のいずれか1項に記載の圧電式バルブ。
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