特開 2022-89893 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022089893

(43)【公開日】2022-06-16

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   B05C 5/00 20060101AFI20220609BHJP

   B05C 11/10 20060101ALI20220609BHJP

   F16K 31/02 20060101ALI20220609BHJP

【ＦＩ】

B05C5/00 101

B05C11/10

F16K31/02 A

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022063599

(22)【出願日】2022-04-06

(62)【分割の表示】P 2021027833の分割

【原出願日】2017-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】502254796

【氏名又は名称】有限会社メカノトランスフォーマ

(74)【代理人】

【識別番号】100140899

【弁理士】

【氏名又は名称】竹本 如洋

(72)【発明者】

【氏名】徐 世傑

(72)【発明者】

【氏名】矢野 健

(72)【発明者】

【氏名】矢野 昭雄

(72)【発明者】

【氏名】八鍬 和夫

(57)【要約】

【課題】圧電素子の熱膨張やクリープによる弁の位置ずれにともなう液漏れを抑制することができるディスペンサを提供する。
【解決手段】液体吐出部材２００と、液体吐出部材２００からの液体の吐出および遮断を行う弁３００と、弁３００を駆動する圧電アクチュエータ４００とを有するディスペンサ１００において、圧電アクチュエータ４００は、並列に配置された第１および第２の圧電素子２、３と、これらの変位を拡大して出力する変位拡大機構１０とを備える。変位拡大機構１０は、圧電素子２、３の一端を固定する固定部材１１と、第１の圧電素子２の他端と固定部１１に揺動可能に接続された第１のアーム１６と、第２の圧電素子の他端と固定部１１に揺動可能に接続された第２のアーム１９とを有し、圧電素子２、３に互いに反対方向に所定の量変位するように電圧が印加され、第１のアーム１６と第２のアーム１９が同方向にほぼ同一量変位する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体が導入され、導入された液体を吐出する液体吐出部材と、前記液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行う弁と、前記弁を駆動する圧電アクチュエータとを有するディスペンサであって、
前記圧電アクチュエータは、
同じ方向に伸縮変位するように並列に配置され、それぞれ対応する位置に第１の端部および第２の端部を有する第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し、拡大された変位を出力する変位拡大機構と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加して、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子を伸縮駆動させる駆動部と
を備え、
前記変位拡大機構は、
中央に凹部を有するＵ字状をなし、その底部に前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の前記第１の端部を固定する固定部材と、
前記固定部材の前記凹部を挟んで一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に、前記第１の圧電素子の伸縮により前記第１の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第１のアームと、
前記固定部材の前記凹部を挟んで他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第２のアームと
を有し、
前記第１のアームと前記第２のアームの先端部が出力部として機能して前記弁を変位させ、
前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子が互いに反対方向に所定の量で変位するように前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加し、これにより前記第１のアームと前記第２のアームが同方向にほぼ同一量の拡大した変位が与えられ、前記第１のアームと前記第２のアームとともに前記弁が変位することにより、前記液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行うことを特徴とするディスペンサ。

【請求項2】

前記液体吐出部材は、本体部と、前記本体部内に形成された、前記弁が挿通される液室と、前記液室に液体を導入する液体導入部と、前記液室の底部に連通する液体吐出口と、前記液室の底部に設けられ、前記弁の先端が着座する弁座とを有することを特徴とする請求項１に記載のディスペンサ。

【請求項3】

前記第１のアームと前記第２のアームの先端部に接続される出力部材をさらに有し、前記弁は前記出力部材により変位されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディスペンサ。

【請求項4】

前記液体吐出部材と前記弁とはユニットを構成し、前記ユニットは着脱可能であることを特徴とする請求項３に記載のディスペンサ。

【請求項5】

前記液体吐出部材は、本体部と、前記本体部内に形成された液室と、前記液室に液体を導入する液体導入部と、前記液室の底部に連通する液体吐出口と、前記液室の底部に設けられた弁座とを有し、
前記弁は、前記液室に挿通される弁本体と、前記弁本体の上端に設けられたフランジと、前記フランジと前記液吐出部材の前記本体部との間に設けられ、弁本体を上方に付勢する付勢手段とを有することを特徴とする請求項４に記載のディスペンサ。

【請求項6】

前記圧電アクチュエータの前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のディスペンサ。

【請求項7】

前記圧電アクチュエータの前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の第１の端子に、前記駆動部の出力電圧を印加し、前記第１の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最小電圧を印加し、前記第２の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最大電圧を印加する駆動回路を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項に記載のディスペンサ。

【請求項8】

前記圧電アクチュエータにおいて、前記第１のアームは、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に接続され、前記第２のアームはそれぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に接続されてい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項に記載のディスペンサ。

【請求項9】

前記圧電アクチュエータにおいて、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８のいずれか１項に記載のディスペンサ。

【請求項10】

前記圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子の前記第２の端部には、第１のキャップ部材が取り付けられ、前記第１のアームは、前記第１のキャップ部材と前記ヒンジにより連結され、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部には、第２のキャップ部材が取り付けられ、前記第２のアームは、前記第２のキャップ部材と前記ヒンジにより連結されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のディスペンサ。

【請求項11】

前記第１のキャップ部材および前記第２のキャップ部材は、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して連結部材により連結されていることを特徴とする請求項１０に記載のディスペンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体を吐出するディスペンサに関する。

【背景技術】

【0002】

液滴を吐出するディスペンサ（液滴吐出装置）としては、液体を液体流路から液室に供給し、液室に設けられた吐出口を弁（ニードル）により開閉するものが知られており、その弁を駆動する機構として圧電素子と変位拡大機構を組み合わせたものが提案されている（特許文献１）。

【0003】

特許文献１のディスペンサ（液滴吐出装置）は、圧電素子からなる駆動装置が左右対称に偶数台配置されており、これらの変位を変位拡大機構で拡大して弁（ニードル）に作用させ、吐出口を開閉するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－５１３９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されたディスペンサにおいては複数の圧電素子は同じ方向に伸縮変位する。この場合、周囲の温度に変化があった場合や、圧電素子を高い頻度で駆動して圧電素子自身からの自己発熱によって温度が上昇する場合に、圧電素子の熱膨張により、弁の初期位置が変化することがある。

【0006】

また、圧電素子には、ステップ状の電圧や一定の電圧等を印加した後、時間経過とともに、伸び量が安定せず変化してしまうクリープと称する現象が生じる。クリープは、クローズドループ制御の場合は補正することができるが、オープンループ制御では補正することができない。

【0007】

このように圧電素子の熱膨張やクリープにより弁の位置がずれると、液漏れが生じるおそれがある。

【0008】

したがって、本発明は、圧電素子の熱膨張やクリープによる弁の位置ずれにともなう液漏れを抑制することができるディスペンサ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】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）～（１１）を提供する。

【0010】

（１）液体が導入され、導入された液体を吐出する液体吐出部材と、前記液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行う弁と、前記弁を駆動する圧電アクチュエータとを有するディスペンサであって、
前記圧電アクチュエータは、
同じ方向に伸縮変位するように並列に配置され、それぞれ対応する位置に第１の端部および第２の端部を有する第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し、拡大された変位を出力する変位拡大機構と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加して、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子を伸縮駆動させる駆動部と
を備え、
前記変位拡大機構は、
中央に凹部を有するＵ字状をなし、その底部に前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の前記第１の端部を固定する固定部材と、
前記固定部材の前記凹部を挟んで一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に、前記第１の圧電素子の伸縮により前記第１の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第１のアームと、
前記固定部材の前記凹部を挟んで他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第２のアームと
を有し、
前記第１のアームと前記第２のアームの先端部が出力部として機能して前記弁を変位させ、
前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子が互いに反対方向に所定の量で変位するように前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加し、これにより前記第１のアームと前記第２のアームが同方向にほぼ同一量の拡大した変位が与えられ、前記第１のアームと前記第２のアームとともに前記弁が変位することにより、前記液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行うことを特徴とするディスペンサ。

【0011】

（２）前記液体吐出部材は、本体部と、前記本体部内に形成された、前記弁が挿通される液室と、前記液室に液体を導入する液体導入部と、前記液室の底部に連通する液体吐出口と、前記液室の底部に設けられ、前記弁の先端が着座する弁座とを有することを特徴とする（１）に記載のディスペンサ。

【0012】

（３）前記第１のアームと前記第２のアームの先端部に接続される出力部材をさらに有し、前記弁は前記出力部材により変位されることを特徴とする（１）または（２）に記載のディスペンサ。

【0013】

（４）前記液体吐出部材と前記弁とはユニットを構成し、前記ユニットは着脱可能であることを特徴とする（３）に記載のディスペンサ。

【0014】

（５）前記液体吐出部材は、本体部と、前記本体部内に形成された液室と、前記液室に液体を導入する液体導入部と、前記液室の底部に連通する液体吐出口と、前記液室の底部に設けられた弁座とを有し、
前記弁は、前記液室に挿通される弁本体と、前記弁本体の上端に設けられたフランジと、前記フランジと前記液吐出部材の前記本体部との間に設けられ、弁本体を上方に付勢する付勢手段とを有することを特徴とする（４）に記載のディスペンサ。

【0015】

（６）前記圧電アクチュエータの前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載のディスペンサ。

【0016】

（７）前記圧電アクチュエータの前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の第１の端子に、前記駆動部の出力電圧を印加し、前記第１の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最小電圧を印加し、前記第２の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最大電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載のディスペンサ。

【0017】

（８）前記圧電アクチュエータにおいて、前記第１のアームは、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に接続され、前記第２のアームはそれぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に接続されていることを特徴とする（１）から（７）のいずれかに記載のディスペンサ。

【0018】

（９）前記圧電アクチュエータにおいて、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（８）のいずれかに記載のディスペンサ。

【0019】

（１０）前記圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子の前記第２の端部には、第１のキャップ部材が取り付けられ、前記第１のアームは、前記第１のキャップ部材と前記ヒンジにより連結され、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部には、第２のキャップ部材が取り付けられ、前記第２のアームは、前記第２のキャップ部材と前記ヒンジにより連結されていることを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載のディスペンサ。

【0020】

（１１）前記第１のキャップ部材および前記第２のキャップ部材は、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して連結部材により連結されていることを特徴とする（１０）に記載のディスペンサ。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、圧電アクチュエータの第１の圧電素子と第２の圧電素子とに、互いに反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加し、第１のアームおよび第２のアームを第１の圧電素子および第２の圧電素子の伸縮方向と直交する同方向にほぼ同一量変位させて、これらにより弁に変位を与えて液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行うので、熱膨張による弁の初期位置のずれや、圧電素子のクリープによる弁の位置ずれを抑制して、液漏れを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るディスペンサを示す部分断面正面図である。

【図2】図１のディスペンサを示す斜視図である。

【図3】図１のディスペンサの吐出部材を示す断面図であり、弁により液体吐出口が閉塞された状態を示す図である。

【図4】図１のディスペンサの吐出部材を示す断面図であり、弁により液体吐出口が開かれた状態を示す図である。

【図5】圧電アクチュエータに電圧を印加して弁を上方に移動させた状態を示す図である。

【図6】圧電アクチュエータの電圧印加を解除して弁を元に戻した状態を示す図である。

【図7】駆動回路の好適な例を示す図である。

【図8】圧電素子のクリープ現象を説明するための図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係るディスペンサを示す部分断面正面図である。

【図10】図９のディスペンサから弁・吐出部材ユニットを取り外した状態を示す部分断面正面図である。

【図11】本発明の第２の実施形態に係るディスペンサの弁・吐出部材ユニットを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るディスペンサを示す部分断面正面図、図２はその斜視図、図３、図４は液吐出部材を示す断面図である。
図１に示すように、ディスペンサ１００は、液体が導入され、導入された液体を吐出する液体吐出部材２００と、液体吐出部材２００からの液体の吐出および遮断を行う弁３００と、弁３００を駆動する圧電アクチュエータ４００とを有する。

【0024】

液体吐出部材２００は、図３に示すように、本体部２０１と、本体部２０１内に形成された弁３００が挿通される液室２０２と、液室２０２に液体を導入する液体導入部２０３と、液室２０２の底部に連通する液体吐出口２０４と、液室２０２の底部に設けられ、弁３００の先端が着座する弁座２０５とを有する。

【0025】

弁３００は先端が球面のロッド状をなし、鉛直方向である図中Ｙ方向に延びており、液室２０２は弁３００の形状に対応した円柱状をなしている。弁３００は、通常、図３に示すように、その先端が弁座２０５に着座しており、液体吐出口２０４は塞がれている。この状態では、液体は吐出されない。

【0026】

弁３００は、圧電アクチュエータ４００によりＹ方向に昇降駆動されるようになっている。図３の状態から、圧電アクチュエータ４００を駆動させて弁３００を上昇させることにより、図４に示すように液体吐出口２０４が開かれて、液体吐出口２０４から液体が吐出される。

【0027】

圧電アクチュエータ４００は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３と、これら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の圧電素子を駆動する駆動部３０とを有する。

【0028】

変位拡大機構１０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一端を固定する固定部材１１を有している。固定部材１１は中央に凹部２４が形成されたＵ字状をなしており、凹部２４を挟んで両側が第１の側部１１ａおよび第２の側部１１ｂ、凹部２４の底が底部１１ｃとなっている。第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、それぞれ第１与圧機構４および第２与圧機構５により予め圧縮力が与えられた状態で凹部２４内に並列に配置されており、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の基端部（第１の端部）が固定部材１１の底部１１ｃに固定されている。第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、それらの長手方向である図１のＸ方向に伸縮変位するようになっている。固定部材１１は、ボルトにより基材（図示せず）に取り付けられるようになっており、厚さ方向に貫通する複数の取り付け穴２５が設けられている。なお、伸縮変位の縮退動作は、圧電素子が伸びた後に、本来の長さに戻ることを含む。

【0029】

また、変位拡大機構１０は、さらに、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の先端部（第２の端部）にそれぞれ設けられた第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３と、第１のキャップ部材１２および固定部材１１の第１の側部１１ａの先端部にそれぞれ第１ヒンジ１４および第２ヒンジ１５を介して接続された第１のアーム１６と、第２のキャップ部材１３および固定部材１１の第２の側部１１ｂの先端部にそれぞれ第３ヒンジ１７および第４ヒンジ１８を介して接続された第２のアーム１９と、第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３を第５ヒンジ２１および第６ヒンジ２２を介して連結する連結部材２３とを有している。第１のアーム１６および第２のアーム１９は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の長手方向に沿って延びており、同じ長さを有している。

【0030】

第１のアーム１６は、第１ヒンジ１４および第２ヒンジ１５が接続された基端部１６ａと基端部１６ａに着脱自在に取り付けられた長尺状の先端部１６ｂを有している。また、第２のアーム１９も同様に、第３ヒンジ１７および第４ヒンジ１８に接続された基端部１９ａと基端部１９ａに着脱自在に取り付けられた長尺状の先端部１９ｂとを有する。先端部１６ｂおよび１９ｂとしては、必要な変位に応じて種々の長さのものを用いることができる。

【0031】

なお、第１～第６ヒンジ１４，１５，１７，１８，２１，２２は、可撓性を有する材料によって形成さている。

【0032】

第１のアーム１６は、第１の圧電素子２の伸縮変位により、Ｙ方向、すなわち上下方向に揺動可能となっている。すなわち、第１のアーム１６は、第１の圧電素子２が伸長した際には、第２ヒンジ１５が支点、第１ヒンジ１４が力点、第１のアーム１６の先端部が作用点となって、第１のアーム１６の先端には、てこの原理により第１の圧電素子２の変位方向であるＸ方向と直交するＹ方向に沿って上方向に拡大した変位が現れる。また、第１の圧電素子２が縮退した際には、同様の原理により、第１のアーム１６の先端部には、下方向に拡大された変位が現れる。

【0033】

一方、第２のアーム１９は、第２の圧電素子３の伸縮変位により、Ｙ方向、すなわちＡ方向およびＢ方向に揺動可能となっている。すなわち、第２のアーム１９は、第２の圧電素子３が伸長した際には、第４ヒンジ１８が支点、第３ヒンジ１７が力点、第２のアーム１９の先端部が作用点となって、第２のアーム１９の先端には、てこの原理により第２の圧電素子３の変位方向と直交する下方向に拡大した変位が現れる。また、第２の圧電素子３が縮退した際には、同様の原理により、第２のアーム１９の先端部には、上方向に拡大された変位が現れる。

【0034】

このとき、第１のアーム１６と第２のアーム１９は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が互いに反対方向に所定量で変位することにより、同じ方向にほぼ同一量の変位で揺動するようになっている。

【0035】

第１のアーム１６の先端部および第２のアーム１９の先端部には、装着部材６１および６２により、Ｙ方向に延びる出力部材６０が装着されている。出力部材６０の下端には上述した弁３００が装着されている。なお、出力部材６０を用いずに、第１のアーム１６および第２のアーム１９に直接弁３００を装着してもよい。

【0036】

なお、固定部材１１、第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３、ヒンジ１４，１５，１７，１８，２１，２２、第１のアーム１６、第２のアーム１９、連結部材２３からなる変位拡大機構１０は、ワイヤカット放電加工等の一体加工手段により作製することができる。また、変位拡大機構１０を構成する材料としては、インバー合金、スーパーインバー合金、ステンレス鋼等、熱膨張が小さく、比較的熱伝導性のよい材料を挙げることができる。

【0037】

第１の圧電素子２および第２の圧電素子に反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加することにより、変位拡大機構１０の第１のアーム１６および第２のアーム１９をＡ方向またはＢ方向の同じ方向にほぼ同じ量変位させることができ、数倍～数十倍程度に拡大したＹ方向の変位を出力部材６０に伝達し、弁３００を駆動することができる。

【0038】

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。第１の圧電素子２および第２の圧電素子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、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）Ｏ_３；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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

第１および第２の与圧機構４および５を構成する材料としては、圧縮力付与可能な剛性を有し、比較的強度が高く、さらに耐候性や耐食性に優れ、熱膨張係数が小さいものが好ましい。このような材料としては、インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維、ステンレス鋼を挙げることができる。

【0042】

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。

【0043】

駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を印加して充放電させることによりこれらを伸縮駆動するドライバー３１と、ドライバー３１に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を伸縮させるための指令を与える制御部３２とを有している。ドライバー３１は、電源と駆動回路とを有している。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、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することができる。

【0044】

なお、固定部材１１の第２の側部１１ｂの下側には、支持部材８０が設けられている。支持部材８０は、圧電アクチュエータ４００の固定部材１１を支持するとともに、液体吐出部材２００を支持している。

【0045】

このように構成されるディスペンサ１００においては、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３に示すように、弁３００は、その先端が液体吐出部材２００の弁座２０５に着座しており、液体吐出口２０４は塞がれていて、液体は吐出されない。

【0046】

この状態から、圧電アクチュエータ４００の駆動部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Ｘ方向に変位し、それにともなって、変位拡大機構１０により出力部材６０に対して拡大された変位が出力される。

【0047】

このとき駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に互いに反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加する。具体的には、図５に示すように、第１の圧電素子２を所定量伸長変位させ、第２の圧電素子３を所定量縮退変位させることにより、第１のアーム１６および第２のアーム１９の先端部が圧電素子の変位量の数倍から数十倍の変位量で上方に変位する。これにより、図４に示すように、弁３００はＹ方向に上昇駆動されて、液体吐出口２０４が開かれて、液体吐出口２０４から液体が吐出される。

【0048】

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の電圧印加を解除することにより、図６に示すように、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が逆方向に変位して元に戻り、第１のアーム１６および第２のアーム１９の先端部がほぼ同一量下降して出力部材６０が元の位置に戻り、弁３００は、図３に示すように、その先端が液体吐出部材２００の弁座２０５に着座し、液体吐出口２０４を塞いで液体の吐出を停止する。

【0049】

以上は液体吐出口２０４をノーマルクローズにする場合について示したが、電圧を印加していないときに弁３００が液体吐出口２０４が開いた状態となり、電圧を印加したときに、第１の圧電素子２を縮退変位させ、第２の圧電素子３を伸長変位させて、第１のアーム１６および第２のアーム１９を介して出力部材６０とともに弁３００を下降させ、液体吐出口２０４を閉じるノーマルオープンであってもよい。

【0050】

このように、圧電アクチュエータ４００においては、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に互いに反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加することにより、第１のアーム１６および第２のアーム１９をほぼ同一量変位させることができ、これにより、出力部材６０に上下方向の拡大された変位を与え、弁３００を上昇および下降させることができる。

【0051】

このとき、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３への電圧印加は、制御部３２からの指令に基づいて所定のタイミングで液体（液滴）が吐出されるように制御される。

【0052】

常に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が反対方向に所定の量で変位するような電圧を与えることができる駆動回路としては、図７に示すようなものを好適に用いることができる。

【0053】

図７の駆動回路は、アンプ７０を有する。アンプ７０は入力端子７１を有し、入力端子７１には、例えば０～１０Ｖの電圧が入力される（Ｖ_ｉｎ）。本例では、アンプ７０は入力電圧を２０倍に増幅し、増幅された電圧は出力端子７２から出力される（Ｖ_ｏｕｔ）。出力端子７２に接続される電圧は、配線７４を介して第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の第１の端子に印加される。また、第１の圧電素子２の第２の端子は最小電圧（接地電位（０Ｖ））であり、第２の圧電素子３の他方の端子には、アンプ７０の最大電圧出力端子７３から常に最大電圧である２００Ｖの電圧が印加される。このようにすることにより、基準電圧を１００Ｖにして、常に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に逆方向の電圧が印加され、第１の圧電素子２および第２の圧電素子を反対方向に所定の量で変位させることができる。

【0054】

ところで、ディスペンサ１００において、圧電アクチュエータ４００を動作させる際に、周囲の温度変化があった場合や、圧電素子を高い頻度で駆動して圧電素子自身からの自己発熱によって温度が上昇する場合に、熱膨張により圧電素子の長さが変化する。その際に、上記特許文献１に示したような従来のディスペンサ（液滴吐出装置）では、圧電素子の長さの変化により、変位拡大機構の出力部の初期位置は変化するため、弁（ニードル）の先端位置が変化して、液体の吐出指令が出されていないときに液漏れが生じるおそれがある。

【0055】

これに対し、本実施形態のディスペンサ１００では、圧電アクチュエータ４００の第１の圧電素子２と第２の圧電素子３の長さが熱膨張により変化しても、それぞれ第１のアーム１６および第２のアーム１９を介して拡大された変位が反対方向で同一量となり、その変動がキャンセルされる。そのため、出力部材６０の初期位置の変化をほぼゼロとすることができ、これにともなって弁３００の初期位置の変化もほぼゼロとすることができるので、弁３００が閉じているときの液漏れをほぼ完全に抑制することができる。

【0056】

また、圧電素子には、図８に示すように、ステップ状の電圧や一定の電圧等を印加した後、時間経過とともに、伸び量が安定せず変化してしまうクリープと称する現象が生じる。クリープ速度は時間対数的に減少する。クリープ現象は、クローズドループ制御の場合は補正することができるが、オープンループ制御では補正することができない。したがって、上記特許文献１の技術では、圧電素子のクリープ現象による伸び量の変化による液漏れを抑制するために、圧電素子の制御をフィードバック制御にする必要があるが、制御が複雑になる。

【0057】

これに対し、本実施形態のディスペンサ１００では、圧電アクチュエータ４００の第１の圧電素子２および第２の圧電素子３にクリープが生じても、これらは互いに反対方向に変位するため、クリープによる長さ変化が相殺され、クリープ現象による位置ずれを軽減することができる。このため、クローズドループ制御を行わなくても液漏れをほぼ完全に抑制することができる。

【0058】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図９は本発明の第１の実施形態に係るディスペンサを示す部分断面正面図、図１０は図９のディスペンサから弁・吐出部材ユニットを取り外した状態を示す部分断面正面図、図１１は弁・吐出部材ユニットを示す断面図である。

【0059】

本実施形態では、弁と液体吐出部材をユニット化して、弁・吐出部材ユニットを構成し、弁・吐出部材ユニットを着脱可能に構成した例を示す。他の構成は第１の実施形態と同様であるため、同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

【0060】

液体吐出部材２００′は、液体吐出部材２００と同様に構成されているが、図１０に示すように、ガイド部材８１に沿って、外側に移動して取り外し可能となっている。なお、ガイド部材８１には、液体吐出部材２００′の液体吐出口２０４に対応する突出部の移動の妨げにならないように切り欠きが形成されている。一方、弁３００′は、圧電アクチュエータ４００の出力部材６０に対して接離可能に構成され、液体吐出部材２００′と一体となっている。このように、液体吐出部材２００′と弁３００′とは一体化されて弁・吐出部材ユニット５００を構成し、ユニットごと着脱可能となっている。

【0061】

図１１に示すように、弁３００′は、弁本体３０１と、弁本体３０１の上端に設けられたフランジ３０２と、フランジ３０２と液体吐出部材２００′の本体部２０１との間に設けられたコイルばね３０３とを有する。弁本体３０１は、先端が球面のロッド状をなし、Ｙ方向に延びるとともに、先端部が液体吐出部材２００′の液室２０２に挿入されている。弁本体３０１はコイルばね３０３により上方に付勢されており、弁・吐出部材ユニット５００が取り外された状態ではコイルばね３０３の付勢力により弁本体３０１は持ち上げられるが、装着された状態では、弁本体３０１が圧電アクチュエータ４００の出力部材６０で押さえられることにより、液体吐出部材２００′の液体吐出口２０４を閉塞して液体の吐出を停止することができる。なお、コイルばね３０３の代わりに板ばね等の他の付勢手段を用いてもよい。

【0062】

このように、圧電アクチュエータ４００の出力部材６０と弁３００′とを切り離して着脱可能に設けても、コイルばね３０３の作用により弁本体３０３が出力部材６０により押さえられるので、第１の実施形態と同様の動作が可能である。

【0063】

また、液体吐出部材２００′と弁３００′とを一体化して弁・吐出部材ユニット５００を構成し、ユニットごと着脱可能としたことにより、メンテナンス性を著しく高めることができる。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では圧電素子を与圧機構により予め圧縮力を与えた例を示したが、与圧機構は必須ではない。

【0064】

また、変位拡大機構は、上記実施形態に限定されるものではなく、並列に配置された２つの圧電素子の伸縮変位を、拡大して変位方向に直交する方向の変位として出力するものであればよく、例えば、圧電素子を固定する固定部材の側面に沿って底部に延びるアームを有するものであってもよい。

【0065】

さらに、液体吐出部材および弁の構成についても上記実施の形態に限定されるものでなく、装置設計に応じて適宜の構成を採用することができる。

【符号の説明】

【0066】

２；第１の圧電素子
３；第２の圧電素子
１０；変位拡大機構
１１；固定部材
１１ａ；第１の側部
１１ｂ；第２の側部
１１ｃ；底部
１２，１３；キャップ部材
１４，１５，１７，１８，２１，２２；ヒンジ
１６；第１のアーム
１９；第２のアーム
２３；連結部材
２４；凹部
３０；駆動部
６０；出力部材
１００；ディスペンサ
２００，２００′；液体吐出部材
３００，３００′；弁
４００；圧電アクチュエータ
５００；弁・吐出部材ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2022-04-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アクチュエータであって、
第１の圧電素子と、
第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加して、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子を伸縮駆動させる駆動部と、
前記第１の圧電素子の第１の基端部および前記第２の圧電素子の第２の基端部を固定する固定部材と、
前記第１の圧電素子の伸縮により前記第１の圧電素子の伸縮方向と異なる方向に揺動可能に接続された第１のアームと、
前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の圧電素子の伸縮方向と異なる方向に揺動可能に接続された第２のアームと、
を有し、
前記第１のアームと前記第２のアームの先端部に出力部材が接続され、
前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子が互いに反対方向に変位するように前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加し、これにより前記第１のアームと前記第２のアームが同じ向きに変位して、前記出力部材に対して、前記第１の圧電素子の伸縮方向及び前記第２の圧電素子の伸縮方向と異なる方向に拡大された変位が与えられる
ことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の第１の端子に、前記駆動部の出力電圧を印加し、前記第１の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最小電圧を印加し、前記第２の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最大電圧を印加する駆動回路を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記固定部材はＵ字状の形状をしており、前記第１の圧電素子の前記第１の基端部および前記第２の圧電素子の前記第２の基端部は、前記Ｕ字状の底部で前記固定部材と固定されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記第１のアームは、第２のヒンジを介して前記固定部材の前記Ｕ字状の形状の一方側の側部および第１のヒンジを介して前記第１の圧電素子の前記第１の基端部の反対側の第１の先端部に接続され、
前記第２のアームは、第４のヒンジを介して前記固定部材の前記Ｕ字状の形状の他方側の側部および第３のヒンジを介して前記第２の圧電素子の前記第２の基端部の反対側の第２の先端部に接続されている
ことを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。

【請求項6】

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５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項7】

前記第１の圧電素子の前記第１の先端部には、第１のキャップ部材が取り付けられ、前記第１のアームは、前記第１のキャップ部材と前記第１のヒンジにより連結され、
前記第２の圧電素子の前記第２の先端部には、第２のキャップ部材が取り付けられ、前記第２のアームは、前記第２のキャップ部材と前記第３のヒンジにより連結されていることを特徴とする請求項５、または請求項５を引用する請求項６に記載のアクチュエータ。

【請求項8】

前記第１のキャップ部材および前記第２のキャップ部材は、それぞれ第５および第６のヒンジを介して連結部材により連結されていることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明は例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用し、本実施例は少なくとも以下の（１）～（１１）を開示する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0021】

本発明によれば、熱膨張による弁の初期位置のずれや、圧電素子のクリープによる弁の位置ずれを抑制して、液漏れを抑制することができる。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0065】

さらに、液体吐出部材および弁の構成についても上記実施の形態に限定されるものでなく、装置設計に応じて適宜の構成を採用することができる。
本発明によれば、圧電アクチュエータの第１の圧電素子と第２の圧電素子とに、互いに反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加し、第１のアームおよび第２のアームを第１の圧電素子および第２の圧電素子の伸縮方向と直交する同方向にほぼ同一量変位させて、これらにより弁に変位を与えて液体吐出部材からの液体の吐出および遮断を行うので、熱膨張による弁の初期位置のずれや、圧電素子のクリープによる弁の位置ずれを抑制して、液漏れを抑制することができる。

【手続補正書】

【提出日】2022-04-28

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0001】

本発明は、アクチュエータに関する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

したがって、本発明は、圧電素子の熱膨張やクリープによる弁の位置ずれにともなう液漏れを抑制することができるディスペンサにも使用できるアクチュエータを提供することを課題とする。