(57)【要約】【課題】出力慣性が小さく、高速かつ高精度の動作に適した変位拡大機構付き圧電アクチュエータ、およびそのような圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブを提供する。【解決手段】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、電圧印加により他端側に伸縮する第１および第２の圧電素子２、３と、第１および第２の圧電素子２、３の変位を拡大する変位拡大機構１０とを具備し、変位拡大機構１０は、第１および第２の圧電素子２、３の他端にそれぞれ取り付けられ、それらの伸縮にともなって移動する第１および第２の取り付け部材１１、１２と、これらを連結し、固定部材１に対応する位置において、第１および第２の圧電素子２、３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２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂとを有する。【選択図】図１
2017192192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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に伸縮する第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、
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
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の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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。
【請求項３】
前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部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。
【請求項４】
前記第１の変位伝達部材は、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の中間部材との間、前記第１の中間部材と前記第１の出力部との間、前記第１の出力部材と前記第２の中間部材との間、前記第２の中間部材と前記第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の変位伝達部材は、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。
【請求項５】
前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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。
【請求項６】
前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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
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に伸縮する第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。
【請求項９】
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の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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。
【請求項１０】
前記圧電アクチュエータは、前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部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。
【請求項１１】
前記第１の変位伝達部材は、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の中間部材との間、前記第１の中間部材と前記第１の出力部との間、前記第１の出力部材と前記第２の中間部材との間、前記第２の中間部材と前記第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の変位伝達部材は、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つのヒンジとを有し、
前記第１の出力部材および前記第２の出力部材のいずれかに前記弁体が装着され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。
【請求項１２】
前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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。
【請求項１３】
前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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。
【請求項１４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の変位を変位拡大機構により拡大して所定の駆動動作を行う圧電アクチュエータ、およびそれを用いた圧電式バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
しかし、圧電素子は発生する変位が数μｍから数十μｍと小さいため、圧電素子を実際のアクチュエータ等に適用する場合、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構が用いられている（例えば特許文献１）。
【０００４】
また、上記特許文献１に示されたような変位拡大機構付き圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブが、高速応答が可能なバルブとして提案されている（例えば特許文献２）。
【０００５】
一方、変位拡大機構としては、図６に示すようなフレクステンショナル型変位拡大機構も知られている。フレクステンショナル型変位拡大機構５００は、長尺体からなる圧電素子４００の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１の取り付け部材５０１および第２の取り付け部材５０２と、圧電素子４００の一方の側面および他方の側面に、これら第１の取り付け部材５０１および第２の取り付け部材５０２を連結するように設けられ、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の変位伝達機構５０３および第２の変位伝達機構５０４とを有する。第１の変位伝達機構５０３は、中央に第１の出力部材５０５を有し、複数のヒンジ５０６および複数のアーム５０７の作用により第１の出力部材５０５から拡大された変位を出力することが可能となっている。第２の変位伝達機構５０４は、中央に第２の出力部５０８を有し、複数のヒンジ５０９および複数のアーム５１０の作用により第２の出力部材５０８から拡大された変位を出力することが可能となっている。この場合、第１の出力部材５０５と第２の出力部材５０８のいずれかを固定部とし、一方の出力部材のみから出力を取り出す。図６では圧電素子４００に電圧を印加して伸長させると、第１および第２の出力部材５０５および５０８からは外側に向かう変位を取り出せるが、ヒンジとアームの組み合わせ方によっては、内側に向かう変位を取り出すこともできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４８９５５号公報
【特許文献２】特許第４３４４１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されたような変位拡大機構付き圧電アクチュエータにおいては、圧電素子の変位部位から実際に変位が出力される出力部までの間にヒンジ、アーム、板バネ等の種々の部材が介在されているため、高速動作に限界がある。
【０００８】
また、特許文献１の変位拡大機構付き圧電アクチュエータを用いた特許文献２の圧電式バルブでは、弁部分の動作による慣性がすべて固定側のネジで支えられており、空気圧力室の内圧が高いことが要求される場合には、高速動作させた際に、圧電素子の出力慣性により、そのような固定側のネジが支えきれないことがあり、その結果、ネジのゆるみが生じることやアクチュエータ全体の位置がずれて弁部の位置ずれにつながり、エア漏れとなることもある。
【０００９】
一方、フレクステンショナル型変位拡大機構は、上述したように、一方の出力部を固定部とし、他方の出力部から出力される変位を利用する使われ方が一般的であるが、この場合には、変位拡大機構の動作にともなって圧電素子自体の位置が移動するため、動作時に圧電素子自身の質量が負荷となる。このため、高速動作に十分に対応することができないという欠点がある。
【００１０】
したがって、本発明は、出力慣性が小さく、高速かつ高精度の動作に適した変位拡大機構付き圧電アクチュエータ、およびそのような圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（１４）を提供する。
【００１２】
（１）  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に伸縮する第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、
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【００１３】
（２）  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の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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。
【００１４】
（３）  前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部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（２）に記載の圧電アクチュエータ。
【００１５】
（４）  前記第１の変位伝達部材は、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の中間部材との間、前記第１の中間部材と前記第１の出力部との間、前記第１の出力部材と前記第２の中間部材との間、前記第２の中間部材と前記第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の変位伝達部材は、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。
【００１６】
（５）前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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（１）から（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【００１７】
（６）  前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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（１）から（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【００１８】
（７）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（１）から（６）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【００１９】
（８）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
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に伸縮する第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。
【００２０】
（９）  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の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第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。
【００２１】
（１０）  前記圧電アクチュエータは、前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部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（９）に記載の圧電式バルブ。
【００２２】
（１１）  前記第１の変位伝達部材は、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の中間部材との間、前記第１の中間部材と前記第１の出力部との間、前記第１の出力部材と前記第２の中間部材との間、前記第２の中間部材と前記第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の変位伝達部材は、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つのヒンジとを有し、
前記第１の出力部材および前記第２の出力部材のいずれかに前記弁体が装着され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。
【００２３】
（１２）前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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（８）から（１１）のいずれかに記載の圧電式バルブ。
【００２４】
（１３）  前記第１の変位伝達部材および前記第２の変位伝達部材は、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（８）から（１１）のいずれかに記載の圧電式バルブ。
【００２５】
（１４）  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（８）から（１３）のいずれかに記載の圧電式バルブ。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、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た第１の圧電素子および第２の圧電素子を設け、変位拡大機構として、第１の圧電素子の他端および前記第２の圧電素子の他端にそれぞれ設けられた、第１の圧電素子の伸縮および第２の圧電素子の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材および第２の取り付け部材と、第１の取り付け部材および第２の取り付け部材を連結し、第１の圧電素子および第２の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、固定部材に対応する位置において、第１の圧電素子および第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、第１の取り付け部材および第２の取り付け部材を連結し、第１の圧電素子および第２の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、固定部材に対応する位置において、第１の圧電素子および第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するものを用いた。
【００２７】
図６に示したフレクステンショナル型変位拡大機構は上述したように、固定部材が存在せず、一方の出力部が固定部となるので、動作時に圧電素子の位置が変動する。このため圧電素子自身の質量が負荷となり、高速動作に不向きである。これに対して、本発明の変位拡大機構は、図６に示したフレクステンショナル型変位拡大機構と一見類似した形状を有しているが、フレクステンショナル型変位拡大機構とは異なり、固定部材に圧電素子を固定する構成を有する。このため、動作時に圧電素子の位置が変動せず、動作時に圧電素子自身の質量が負荷にならないので、高速動作に対応することができる。また、本発明ではこのように圧電素子自身の質量が動作時の負荷とならないため、圧電素子の動作の高速化を図る場合に、通常用いられる圧電素子の体積を増やす手法を採用することができる。さらに、本発明では圧電素子の変位部位から実際に変位が出力される出力部までの間に介在する部材の質量を小さくすることができ、この点からも高速動作に適している。また、第１の圧電素子および第２の圧電素子が固定部材を挟んで両側に存在するので、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、高速でありながら高精度の動作が可能であり、さらに圧電アクチュエータ全体の初期位置もずれにくくなる。同時に第１の変位伝達部および第２の変位伝達部も固定部材を挟んで両側に存在するので、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、一層高速でかつ高精度の動作が可能であり、同じくアクチュエータ全体の初期位置もずれにくくなる。また、図６に示したフレクステンショナル型変位拡大機構に比べて、固定部材で固定している位置と変位伝達部とは距離が短いので、アクチュエータの側面から加わる（衝撃）力または流体（空気）負荷によって、可撓性および弾性を有する４つのヒンジにかかる曲げモーメントによって生じる応力は少なく、これによる変形を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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。
【図２】図１の圧電アクチュエータにさらに補強板を設けた構成を示す斜視図である。
【図３】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。
【図４】図１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】図３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。
【図６】従来のフレクステンショナル型変位拡大機構を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、同じ材料からなっており、同じ大きさを有している。これらは、板状（例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ）の板状の圧電体が電極を挟んで複数積層されて全体として直方体（例えば４０ｍｍの長さ）として構成されている。圧電素子２および３は、側面に電圧を印加するための電気端子（図示せず）を備えており、この電気端子間に電圧が印加されることにより、図１の矢印Ａで示す長さ方向（図１のＹ方向）に伸縮するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）を挙げることができる。圧電素子２および３の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。
【００３１】
第１の与圧機構４および第２の与圧機構５は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に予め圧縮力が与えられるように構成されている。圧電素子は、脆性材料であるセラミックス材料で構成されており、引張り力に対して弱いことから、予め圧縮力を与えることが重要である。
【００３２】
第１の与圧機構４は、例えば、第１の圧電素子２の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂと、一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材４１とを有している。また、第２の与圧機構５は、例えば、第２の圧電素子３の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂと、一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材５１とを有している。この第１および第２の与圧機構４および５により、第１および第２の圧電素子２および３から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与える。圧縮力付与部材４１、５１は例えば２本である。
【００３３】
なお、与圧機構を設けずに変位拡大機構に与圧機構としての機能をもたせてもよい。
【００３４】
変位拡大機構１０は、第１の圧電素子２の固定部材１とは反対側の端部に第１の与圧機構４のヘッドピース４０ｂを介して取り付けられ、第１の圧電素子２の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材１１と、第２の圧電素子３の固定部材１とは反対側の端部に第２の与圧機構５のヘッドピース５０ｂを介して取り付けられ、第２の圧電素子３の伸縮にともなって移動する第２の取り付け部材１２と、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２を連結し、固定部材１に対応する位置において、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３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変位伝達部２０とを有する。
【００３５】
第１の取り付け部材１１は、第１の圧電素子２の端面側の取り付け部１１ａと、取り付け部１１ａから第１の圧電素子２の上面（一方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第１延長部１１ｂと、取り付け部１１ａから第１の圧電素子２の下面（他方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第２延長部１１ｃとを有し、略コ字状をなしている。また、第２の取り付け部材１２は、第２の圧電素子３の端面側の取り付け部１２ａと、取り付け部１２ａから第２の圧電素子３の上面（一方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第１延長部１２ｂと、取り付け部１１ａから第２の圧電素子３の下面（他方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第２延長部１２ｃとを有し、略コ字状をなしている。
【００３６】
変位伝達部２０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一方の側面に沿って設けられた第１の変位伝達部材２０ａと、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の他方の側面（反対側の側面）に沿って設けられた第２の変位伝達部材２０ｂとを有している。第１の変位伝達部材２０ａおよび第２の変位伝達部材２０ｂは、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧を印加して伸長した際に、それぞれ反対方向に変位を出力する。
【００３７】
第１の変位伝達部材２０ａは、第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂの先端および第２取り付け部材１２の第１延長部１２ｂの先端を繋ぐように設けられており、第１のヒンジ２１ａと、第１のアーム部材２２ａと、第２のヒンジ２３ａと、第１の出力部材２４ａと、第３のヒンジ２５ａと、第２のアーム部材２６ａと、第４のヒンジ２７ａとを有する。そして、第１のアーム部材２２ａが第１のヒンジ２１ａを介して第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂに連結され、第２のアーム部材２６ａが第４のヒンジ２７ａを介して第２の取り付け部材１２の第１延長部１２ｂに連結されており、第１の出力部材２４ａは、それぞれ第２のヒンジ２３ａおよび第３のヒンジ２５ａを介して第１のアーム部材２２ａおよび第２のアーム部材２６ａに連結されている。
【００３８】
一方、第２の変位伝達部材２０ｂは、第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃの先端および第２取り付け部材１２の第２延長部１２ｃの先端を繋ぐように設けられており、第５のヒンジ２１ｂと、第３のアーム部材２２ｂと、第６のヒンジ２３ｂと、第２の出力部材２４ｂと、第７のヒンジ２５ｂと、第４のアーム部材２６ｂと、第８のヒンジ２７ｂとを有する。そして、第３のアーム部材２２ｂが第５のヒンジ２１ｂを介して第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃに連結され、第４のアーム部材２６ｂが第８のヒンジ２７ｂを介して第２の取り付け部材１２の第２延長部１２ｃに連結されており、第２の出力部材２４ｂは、それぞれ第６のヒンジ２３ｂおよび第７のヒンジ２５ｂを介して第３のアーム部材２２ｂおよび第４のアーム部材２６ｂに連結されている。
【００３９】
第１の出力部材２４ａおよび第２出力部材２４ｂは、中央に位置する固定部材１に対応して、互いに対向するように設けられている。
【００４０】
第１のアーム部材２２ａと第２のアーム部材２６ａは、第１の出力部材２４ａを挟んで対称に配置され、第１のアーム部材２２ａおよび第２のアーム部材２６ａと、第３のアーム部材２２ｂおよび第４のアーム部材２６ｂとは、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を挟んで対称に配置される。
【００４１】
また、第１〜第８のヒンジ２１ａ，２３ａ，２５ａ，２７ａ，２１ｂ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂは可撓性および弾性を有し、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮により撓んで第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の変位を第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂに伝達可能となっており、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３がＹ方向に伸縮変位することにより、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂから、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に直交するＸ方向に互いに反対の向きになるように拡大された変位が出力される。
【００４２】
このとき、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が相対的に内側、すなわち固定部材１側へ変位するようになっている。
【００４３】
なお、第１の出力部材２４ａおよび第２出力部材２４ｂの両方に移動対象を装着して用いてもよいが、一方の出力を実際の移動対象を移動させる出力として用い、他方の出力をバランスアウトの出力としてもよい。いずれの場合でも、第１の出力部材２４ａおよび第１の出力部材２４ａに取り付けられる部材の合計質量と、第２出力部材２４ｂおよび第２の出力部材２４ｂに取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量であることが好ましい。
【００４４】
このようにして変位拡大機構１０に、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３のＹ方向の伸縮変位が伝達され、数倍〜数十倍程度に拡大してＸ方向の変位として移動対象部材に伝達することができる。
【００４５】
駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧を与えてこれらを駆動するドライバー３１と、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の駆動等を制御する制御部３とを有している。
【００４６】
制御部３２は、設定器等から目標位置が入力され、それに基づいてドライバー３１に制御信号を出力し、ドライバー３１はその制御信号に基づいて第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を与えこれらを伸縮させる。
【００４７】
このように構成される圧電アクチュエータ１００においては、駆動部３０の制御部３２からの指令に基づきドライバー３１が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を与えることにより、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３がＹ方向に伸縮変位し、それにともなって、変位拡大機構１０により拡大された変位が出力される。変位拡大機構１０においては、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮変位にともなって移動し、変位伝達部２０に変位が伝達される。具体的には、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮変位が、第１の取り付け部材１１および第２ヘッドピース１２を介して、第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂに伝達される。第１の変位伝達部２０ａにおいては、第１〜第４のヒンジ２１ａ，２３ａ，２５ａ，２７ａおよび第１および第２のアーム部材２２ａ，２６ａを介して、第１の出力部材２４ａから１０〜３０倍程度に拡大されたＸ方向の変位が出力される。また、第２の変位伝達部２０ｂにおいては、第５〜第８のヒンジ２１ｂ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂおよび第３および第４のアーム部材２２ｂ，２６ｂを介して、第２の出力部材２４ｂから数倍〜数十倍程度に拡大されたＸ方向の変位が出力される。そして、その拡大された変位が移動対象（図示せず）に伝達される。
【００４８】
圧電素子は、高速応答が可能であり、電圧を高速で変化させることにより、移動対象を高速で動作させることができる。
【００４９】
しかし、特許文献１に記載されたような従来の変位拡大機構においては、圧電素子の変位部位から実際に変位が出力される出力部までの間にヒンジ、アーム、板バネ等の種々の部材が介在されているため、高速動作に限界がある。これは、高速化のためには可動部を軽量化することが必要であるからである。図６のフレクステンショナル型変位拡大機構では、一方の出力部を固定部とし、他方の出力部から出力される変位を利用すると、変位拡大機構の動作にともなって圧電素子自体の位置が移動するため、動作時に圧電素子自身の質量が負荷となり、さらなる高速動作に十分に対応することができない。
【００５０】
これに対して、本実施形態では、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た第１の圧電素子２および第２の圧電素子２を設け、変位拡大機構１０として、第１の圧電素子２の他端および第２の圧電素子３の他端にそれぞれ設けられた、第１の圧電素子２の伸縮および第２の圧電素子３の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２と、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２を連結し、固定部材１に対応する位置において、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３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２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂとを有するものを用いた。
【００５１】
本実施形態の変位拡大機構１０は、図６に示したフレクステンショナル型変位拡大機構とは異なり、固定部材に圧電素子を固定する構成を有するため、動作時に圧電素子の位置が変動せず、動作時に圧電素子自身の質量が負荷にならない。すなわち、フレクステンショナル型変位拡大機構は上述したように、固定部材が存在せず、一方の出力部が固定部となるので、動作時に圧電素子の位置が変動し、圧電素子自身の質量が負荷となり、高速動作には不向きであるが、本実施形態の変位拡大機構１０では第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が固定部材１に固定され、動作時に圧電素子の位置が変動せず、動作時に圧電素子自身の質量が負荷にならないので、高速動作に対応することができる。
【００５２】
また、本実施形態ではこのように圧電素子自身の質量が動作時の負荷とならないため、圧電素子の動作の高速化を図る場合に、通常用いられる圧電素子の体積を増やす手法を採用することができる。フレクステンショナル型拡大機構では、圧電素子の体積を増やしても、負荷となる圧電素子自身の質量が増加するため、高速化を図ることができない。
【００５３】
さらに、本実施形態では圧電素子の変位部位から実際に変位が拡大され、出力される出力部までの間に介在する部材の質量を小さくすることができ、この点からも高速動作に適している。
【００５４】
また、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が固定部材１を挟んで両側に存在し、それぞれは動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、高速でありながら高精度の動作が可能であり、さらに圧電アクチュエータ全体の初期位置もずれにくくなる。同時に第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂも固定部材１を挟んで両側に存在するので、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、一層高速でかつ高精度の動作が可能であり、同じく圧電アクチュエータ全体の初期位置もずれにくくなる。また、第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂが固定部１に対して対称に配置されているので、動作時の変位拡大機構１０の出力慣性を打ち消す効果が高い。また、第１の変位伝達部２４ａに移動対象を装着した際に、第２の変位伝達部２４ｂにほぼ同じ質量のバランス部材を装着することにより、動作時の変位拡大機構１０の出力慣性をほぼ完全に打ち消すことができる。
【００５５】
また、図６に示したフレクステンショナル型変位拡大機構に比べて、固定部材で固定している位置と変位伝達部とは距離が短いので、アクチュエータの側面から加わる（衝撃）力または流体（空気）負荷によって、可撓性および弾性を有する４つのヒンジにかかる曲げモーメントによって生じる応力は少なく、これによる変形を小さくすることができる。
【００５６】
また、第１の取り付け部材１１は、固定部材１側に延長する第１延長部１１ｂおよび第２延長部１１ｃを有し、第２の取り付け部材１２は、固定部材１側に延長する第１延長部１２ｂおよび第２延長部１２ｃを有しており、第１の変位伝達部２０ａは第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂと第２の取り付け部材１２の第１延長部１２ｂを繋ぎ、第２変位伝達部２０ｂは第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃと第２取り付け部材１２の第２延長部１２ｃを繋ぐようになっている。このため、第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂのアーム長を短くすることができる。これにより、等価質量を低下させることができるので、従来よりも一層高速な動作が可能となる。上述のフレクステンショナル型変位拡大機構では、圧電素子自体の等価質量がアーム長に比べて大きいため、仮にアーム長を短く設計し得たとしても、このような効果を得ることが困難である。
【００５７】
この点について詳細に説明する。
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。
【００５８】
一方、本実施形態の場合には、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一端は固定部材１に固定されているため、圧電素子の質量の自己共振周波数に対する影響はほとんどなく、自己共振周波数を実質的に決めるのはアーム（第１〜第４のアーム部材２２ａ，２６ａ，２２ｂ，２６ｂ）の質量となる。つまり、本実施形態では、変位拡大動作にともなうアームの動きはこれらの片端をピン固定した動きに近く、アーム先端から見た等価質量はアームの総質量の１／３となる。一方、フレクステンショナル型変位拡大機構では等価質量に相当する部分は、圧電素子の全質量、および取り付け部材やアームの質量などを含み、それらで自己共振周波数を形成するので、本実施形態の自己共振周波数に比べて小さくなる。したがって、本実施形態の自己共振周波数の値はフレクステンショナル型変位拡大機構の共振周波数よりもかなり高い周波数になるが、なおかつ自己共振周波数のより高い構造とするためには、アームの質量を低減させることが好ましく、圧電素子の先端部位置よりもさらに短いアーム長の採用が意味を持ってくる。このようなことから、自己共振周波数を最大限度高める観点から、アーム長を短くすることが好ましい。
【００５９】
なお、上記実施形態において、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２は、それぞれ、延長部１１ａ，１１ｂ、および延長部１２ａ，１２ｂに第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂのアーム部材２２ａ，２６ａ，２２ｂ，２６ｂがヒンジを介して接続されているが、取り付け部材１１，１２の質量は第１および第２の圧電素子に対する質量負荷になるため、さらなる高速化を達成するためには、取り付け部材１１，１２の質量をできるだけ小さくしつつ、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２の剛性を高めることが必要となる。そのために、図２の斜視図に示すように、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２の側面の両側に、それぞれ補強板１３および補強板１４を取り付けることが好ましい。このように、さらなる高速化のために補強板１３，１４は重要な機能を有する。
【００６０】
次に、他の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。
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。
【００６１】
本実施形態の圧電アクチュエータ１００′では、このように変位の出力方向が圧電アクチュエータ１００と反対になるだけであり、圧電アクチュエータ１００と同じ効果を得ることができる。
【００６２】
＜圧電式バルブ＞
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。
【００６３】
本例の圧電式バルブ２００は、エアバルブを構成し、空気圧力室２０２と、空気圧力室２０２から外部へ通じる空気排出口２０３とを有するバルブ本体２０１と、空気圧力室２０２と空気排出口２０３との間を閉鎖および開放するように動作する弁体２０４と、弁体２０４の動作に必要な駆動力を与え、空気圧力室２０２に設けられた圧電アクチュエータ３００とを有している。
【００６４】
空気圧力室２０２は、バルブ本体２０１内に画定され、図示しない空気圧供給源から図示しない空気供給口を介して圧力空気が導入される。空気排出口２０３は、圧力空気室２０２からバルブ本体２０１の外側に抜けるように、バルブ本体２０１の壁部の一箇所に設けられている。バルブ本体２０１の空気排出口２０３が設けられている部分には、圧力空気室２０２側に突出した弁座２０５が設けられている。弁座２０５には弁体２０４が接離するようになっており、弁体２０４が弁座２０５に当接した際には、シールリング（図示せず）により両者の間が密閉されるようになっている。
【００６５】
圧電アクチュエータ３００は、図１に示した圧電アクチュエータ１００と全く同様に構成されており、その主要部には図１と同様な符号を付して詳細な説明は省略する。圧電アクチュエータ３００の固定部材１は、バルブ本体２０１の側面に適宜の手段で固定されている。
【００６６】
上記弁体２０４は、圧電アクチュエータ３００の変位拡大機構１０の第１の出力部材２４ａに取り付けられている。そして、駆動部（図２では図示せず）から所定波形の電圧が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に印加されることにより、変位拡大機構１０で拡大された変位が第１の出力部材２４ａから出力され、その出力により弁体２０４が動作される。このとき第２の出力部材２４ｂからはバランスアウトのための変位出力がなされる。
【００６７】
なお、圧電式バルブ２００は単体で用いてもよいが、バルブ本体２０１を横方向に複数積層した複合圧電式バルブとして用いてもよい。この場合には、空気圧力室を共通にし、共通の空気供給源を設けて共通の空気圧力室の空気供給口から一括して空気を供給することもできる。
【００６８】
このように構成される圧電式バルブ２００においては、例えば、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧が印加されていない状態では、図２に示すように、弁体２０４が弁座２０５に当接し、密閉した状態となって、空気排出口２０３を閉鎖している。すなわち、ノーマルクローズのバルブを構成している。この状態から第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を印加すると、変位拡大機構１０の第１の出力部材２４ａを介して弁体２０４が弁座２０５から離れるように移動され、空気排出口２０３が開放される。これにより、圧力空気室２０２の空気が空気排出口２０３から外部にエアパルスとして排気される。このとき、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の変位は変位拡大機構１０により拡大され、その拡大された変位が第１の出力部材２４ａから出力されるので、弁体２０４は弁座２０５に対して十分な隙間を得ることができる。
【００６９】
この場合、上述した特許文献２に示すような圧電式バルブでは、弁部分の動作による慣性がすべて固定側のネジで支えられており、空気圧力室の内圧が高いことが要求される場合には、高速動作させた際に、圧電素子の出力慣性により、そのような固定側のネジが支えきれないことがあり、その結果、ネジのゆるみが生じることやアクチュエータ全体の位置がずれることによって弁部の位置ずれにつながり、エア漏れとなることもある。
【００７０】
これに対して、本例では、図１の圧電アクチュエータ１００と同様、固定部材に圧電素子を固定する構成を有する圧電アクチュエータ３００を用いた。このため、動作時に圧電素子の位置が変動せず、圧電素子自身の質量が負荷にならないので、高速動作に対応することができる。さらに、本実施形態では圧電素子の変位部位から実際に変位が拡大されて出力される出力部までの間に介在する部材の質量を小さくすることができ、この点からも高速動作に適している。また、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が固定部材１を挟んで両側に存在し、それぞれは動作時の出力慣性を打ち消すことができ、同時に第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂも固定部材１を挟んで両側に存在するので、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、一層高速でかつ高精度の動作が可能である。本例の場合、第１の出力部材２４ａに弁体２０４が取り付けられているため、バランスアウトのための第２の出力部材２４ｂに弁体２０４と同じ質量のバランスウエイト２０７を設けることにより、動作時の変位拡大機構１０の出力慣性を打ち消す効果を極めて高くすることができる。また、圧電アクチュエータ３００は、上述した圧電アクチュエータ１００と同様、第１の変位伝達機構２０ａおよび第２の変位伝達機構２０ｂのアーム長（アーム部材の長さ）を短くすることができ、これにより等価質量を低下させることができるので、一層高速な動作が可能である。
【００７１】
なお、圧電式バルブ２００に用いる圧電アクチュエータ３００は、圧電アクチュエータ１００と同様、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２の側面に、それぞれ補強板１３および補強板１４を設けることが好ましい。
【００７２】
次に、上記圧電アクチュエータを用いた圧電式バルブの他の例について説明する。
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。
【００７３】
本例の圧電式バルブ２００′は、基本構成は圧電式バルブ２００と同様であるが、圧電アクチュエータ３００′が図３に示した圧電アクチュエータ１００′と同様に構成された点のみが異なっている。すなわち、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が相対的に外側に変位する。
【００７４】
このように構成される圧電式バルブ２００′においては、例えば、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧が印加されていない状態では、図２に示すように、弁体２０４が弁座２０５から十分に離れ、開放された状態となっている。すなわち、ノーマルオープンのバルブを構成している。この状態から第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を印加すると、変位拡大機構１０の第１の出力部材２４ａを介して弁体２０４が弁座２０５に当接するように移動され、空気排出口２０３が閉鎖される。
【００７５】
本例の圧電式バルブ２００′は、このようにノーマルオープンのバルブを構成し、ノーマルクローズの圧電式バルブ２００とは構成が異なるが、圧電式バルブ２００と同じ効果を得ることができる。
【００７６】
＜他の適用＞
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。
【符号の説明】
【００７７】
１；固定部材
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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