切替弁
【課題】弁体を動作させる駆動力の低減によるアクチュエータの小型化及び１つのアクチュエータによる弁体の複数の動作を可能とすることにより、その構造の小型化及びコストの低減を図ることのできる切替弁を提供することを課題とする。
【解決手段】切替弁１０１は、流体通路Ｃ１，Ｃ２を有するボディ１を備え、ボディ１の内部の流体通路Ｃ１，Ｃ２の途中に弁孔１ａを備える。また、弁孔１ａには内部で摺動及び回転自在な弁体２が収容される。さらに、ボディ１の内部には、圧電素子部１１，１２，１３を有する振動アクチュエータ１０が設けられ、振動アクチュエータ１０は弁体２に当接し、圧電素子部１１，１２，１３の振動により弁体２を摺動及び回転させる。また、弁体２は、摺動することにより流体通路Ｃ１，Ｃ２のうちの１つを連通し、さらに回転することにより連通した流体通路Ｃ１或いはＣ２の流量を調整する。
【解決手段】切替弁１０１は、流体通路Ｃ１，Ｃ２を有するボディ１を備え、ボディ１の内部の流体通路Ｃ１，Ｃ２の途中に弁孔１ａを備える。また、弁孔１ａには内部で摺動及び回転自在な弁体２が収容される。さらに、ボディ１の内部には、圧電素子部１１，１２，１３を有する振動アクチュエータ１０が設けられ、振動アクチュエータ１０は弁体２に当接し、圧電素子部１１，１２，１３の振動により弁体２を摺動及び回転させる。また、弁体２は、摺動することにより流体通路Ｃ１，Ｃ２のうちの１つを連通し、さらに回転することにより連通した流体通路Ｃ１或いはＣ２の流量を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は圧電素子を備えるアクチュエータを使用した切替弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気や油等の液体からなる流体の流通可能な複数の流路から、用途に応じて流体を流通させる流路を選択し、流体を流通させる流路切替弁について、多様な提案がなされている。
例えば、特許文献１の流路切換弁は、油圧機構における流路切換弁であり、第１入力ポート及び第１入力ポートに対応する複数の第１出力ポート、並びに、第２入力ポート及び第２入力ポートに対応する複数の第２出力ポートを有している。この流路切換弁は、バルブケース内に設けられた弁体であるスプールを軸心方向にスライドすることにより、スプールを介して第１入力ポートを複数の第１出力ポートのいずれかに連通し、また、スプールを軸心回りに回転することにより、第２入力ポートを第２出力ポートのいずれかに連通するものである。なお、流路切換弁の外部には第１操作アーム及び第２操作アームの２つのアームが延在しており、第１操作アームはスプールを軸心方向にスライド操作するものであり、第２操作アームはスプールを軸心回りに回転操作するものである。すなわち、特許文献１の流路切換弁は、単一のスプールのスライド操作と回転操作とを通じて、２つの流路の切換を行うものである。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１８２７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された流路切換弁は、第１操作アームが流路切換弁とその内部で接続されて外部に延在し、第２操作アームが流路切換弁の外部に延びるスプールと流路切換弁の外部において接続されている。そのため、流路切換弁内部の油の外部への漏出を防止するために、第１操作アーム及びスプールの周りにはシール材が設けられ、バルブケースとの密封が保持される。このように、第１操作アーム及びスプールには、その可動部分にシール材が設けられているため、摺動抵抗が増大し、スプールのスライド及び回転動作に必要とされる駆動力が大きくなるという問題がある。さらに、第１操作アーム及びスプールを駆動するためにアクチュエータ等を使用するとアクチュエータの大型化を招き、流路切換弁自体も大型化するという問題がある。
【０００５】
また、スプールのスライド操作及び回転操作を別々の操作手段により行うため、例えば操作手段を電動化した場合、２つの駆動手段が必要になる、又は１つの駆動手段により２つの操作手段を駆動する際には複雑な駆動機構が必要になる等、流路切換弁の大型化及びコストの上昇を招くという問題が生じる。
【０００６】
この発明は、これらのような問題点を解決するためになされたもので、弁体を動作させる駆動力を低減することによってアクチュエータの小型化を図るとともに、弁体の複数の動作を１つのアクチュエータを使用して行うことにより、弁構造の小型化及びコストの低減を可能とする切替弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る切替弁は、少なくとも２つの流体通路を有する弁本体と、弁本体の内部において弁本体に設けられた弁孔に収容され、異なる２つの動きが可能である円柱状の円柱部をもつ弁体とを有し、流体通路は、弁孔において弁体によって形成される流路と流入路と流出路とをもち、弁体の異なる２つの動きのうちの一方により、少なくとも２つの流体通路のうちの少なくとも１つの流体通路において、流路が流入路と流出路との連通と非連通を切替し、弁体の異なる２つの動きのうちの他方により、連通した少なくとも１つの流体通路の流路の流路断面積が変更されて、連通した少なくとも１つの流体通路の開度が調整される切替弁であって、弁本体の内部に設けられ、圧電素子を有する振動アクチュエータであって、弁体に当接する当接部を有すると共に、圧電素子の振動により、弁体に異なる２つの動きを行わせる振動アクチュエータを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
このため、圧電素子によって作動する振動アクチュエータは小型化が可能であるため、弁本体の内部に弁体と共に収容される。また、このとき、弁本体の外部に露出しない弁体には、弁本体との間にシールが不要となる。よって、弁体の周囲、すなわち弁体の可動部分に動作の抵抗となる部材が設けられないため、弁体を動作させる駆動力を低減することができ、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータによっても弁体は動作する。従って、この切替弁は、その構造の小型化を図ることを可能にする。さらに、この切替弁は、１つの振動アクチュエータにより弁体に異なる２つの動きを行わせることよって連通する流体通路の切替及びその流量調整を行うことができる。従って、切替弁の構造の小型化並びに構造の簡易化によるコストの低減を図ることを可能にする。
【０００９】
振動アクチュエータは、当接部が圧電素子の振動により楕円運動を行ってもよい。振動アクチュエータにおける弁体との当接部が楕円運動することにより、振動アクチュエータは、この当接部で弁体の表面を引っ掻くようにして弁体に異なる２つの動きをさせる。
弁本体は、弁本体の内部に弾性部材を有し、弾性部材は、振動アクチュエータの当接部を弁体に押し付けてもよい。振動アクチュエータは、弁本体の内部の弾性部材により、弁体に押し付けられる力である予圧力を付与されることによって、当接部を弁体に当接させ、弁体に異なる２つの動きを行わせる。また、振動アクチュエータは、その停止時においても、弾性部材によって弁体に押し付けられ、弁体を固定する。従って、弁体の状態維持、すなわち流路及び流量維持のために保持電気等を必要としない。
【００１０】
弁体の異なる２つの動きのうちの一方が、弁体の円柱部の軸方向の直線往復動作であり、弁体の異なる２つの動きのうちの他方が、弁体の円柱部の円周方向の回転動作であってもよい。
弁体は、円柱部に、円柱部を貫通する貫通穴が設けられ、貫通穴は流体通路の流路を形成してもよい。弁体に設けられた貫通穴は、弁体がその円柱部の軸方向に直線往復動作を行うことにより流体通路における流入路と流出路とを連通する、すなわち流体通路を連通する。さらに、弁体の直線往復動作により流体通路を連通した貫通穴は、弁体が回転動作を行うことにより流体通路の流路断面積を変化させ、連通した流体通路の流量を変化させる。
【００１１】
弁体は、円柱部に、弁体の回転動作の方向に沿って設けられた溝部を有し、溝部は、弁孔と共に流体通路の流路を形成し、弁体の回転動作の方向に沿って、回転動作の方向と垂直な断面積が変化してもよい。弁体に設けられた溝部は、弁体がその円柱部の軸方向に直線往復動作を行うことにより流体通路における流入路と流出路とを連通する、すなわち流体通路を連通する。さらに、弁体の直線往復動作により流体通路を連通した溝部は、弁体が回転動作を行うことにより流体通路の流路断面積を変化させ、連通した流体通路の流量を変化させる。
【００１２】
弁体の溝部は、弁体の円柱部の軸方向に対して垂直な面に関して対称な断面形状を有してもよい。弁体の溝部にかかる流体の圧力は、弁体の円柱部の軸方向に対して垂直な面に関して等しくなる。よって、弁体は、流体の圧力によって、その円柱部の軸方向である直線往復動作の方向の力を受けず、この方向で弁本体に押し付けられることもない。そのため、流体の圧力の大きさによって、弁体を直線往復動作及び回転動作させる駆動力も影響を受けない。従って、高圧流体の流通時においても、駆動力の小さい振動アクチュエータによる弁体の直線往復動作及び回転動作を可能にすると共に、切替弁をさらに小型化にする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、切替弁は、弁体を動作させる駆動力の低減によるアクチュエータの小型化及び１つのアクチュエータによる弁体の複数の動作を可能とすることにより、その構造の小型化及びコストの低減を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、図１〜７を使用して、この発明の実施の形態１に係る切替弁１０１の構成を示す。なお、切替弁１０１は、流通する流体を気体とする流体回路に使用されるものである。
図１を参照すると、切替弁１０１は、略直方体形状の弁本体であるボディ１を備える。ボディ１には、その下面に垂直な円筒形状の弁孔１ａが形成されており、弁孔１ａは、ボディ１を貫通せずその途中まで鉛直上方に延びている。
また、ボディ１には、弁孔１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔１ａをボディ１の外部にそれぞれ連通する第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃが形成されている。第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃは、円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔１ａの中心軸と垂直に交わっている。
【００１５】
さらに、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃのそれぞれの下方には、これらと平行に第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅが形成されている。第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、弁孔１ａをボディ１の外部にそれぞれ連通する。また、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃより大きい円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔１ａの中心軸と垂直に交わっている。
また、さらに第２流入路１ｄの下方には、弁孔１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔１ａをボディ１の外部に連通する略円筒形状の凹部１ｆが形成されている。
【００１６】
また、ボディ１の弁孔１ａには、弁孔１ａの内周面と整合する円柱形状をした弁体２が挿入されている。弁体２の長さは弁孔１ａより短くなっており、弁体２は、弁孔１ａ内において、円柱形状をした円柱部２ｃの円周方向に回転自在であると共に、円柱部２ｃの中心軸方向に直線往復動作可能、すなわち摺動自在となっている。また、弁体２には、弁体２の回転中心軸に対して垂直に交わり、弁体２の円柱部２ｃを貫通する貫通穴である円筒状の第１流路２ａ及び第２流路２ｂが上下方向に並んで形成されている。第１流路２ａ及び第２流路２ｂは互いに平行であり、第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端との距離Ｌ２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっている。また、第１流路２ａは、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃの弁孔１ａへの開口断面と同じ円形断面を有し、第２流路２ｂは、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの弁孔１ａへの開口断面と同じ円形断面を有している。
【００１７】
よって、弁孔１ａ内において弁体２が摺動することにより、第１流路２ａが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通すると共に、第１流入路１ｂ、第１流路２ａ及び第１流出路１ｃが第１流体通路Ｃ１を構成する。なお、第１流体通路Ｃ１の流路断面積は、第１流入路１ｂと第１流路２ａとの連通部における流路断面積、及び第１流路２ａと第１流出路１ｃとの連通部における流路断面積、すなわち第１流路２ａの流路断面積によって決定される。また、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃは、弁体２の回転中心軸について対称であり、第１流路２ａもまた弁体２の回転中心軸について対称であるため、第１流入路１ｂと第１流路２ａとの連通部における流路断面積、及び第１流路２ａと第１流出路１ｃとの連通部における流路断面積は等しくなっている。
そこで、さらに、弁孔１ａ内において弁体２が回転することにより、第１流路２ａの流路断面積が変化し、第１流体通路Ｃ１の流路断面積、すなわち流量が変化する。
【００１８】
また、弁孔１ａ内において弁体２が摺動することにより、第２流路２ｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通すると共に、第２流入路１ｄ、第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅが第２流体通路Ｃ２を構成する。なお、第２流体通路Ｃ２の流路断面積は、第２流入路１ｄと第２流路２ｂとの連通部における流路断面積、及び第２流路２ｂと第２流出路１ｅとの連通部における流路断面積、すなわち第２流路２ｂの流路断面積によって決定される。また、第１流体通路Ｃ１と同様に、第２流入路１ｄと第２流路２ｂとの連通部における流路断面積、及び第２流路２ｂと第２流出路１ｅとの連通部における流路断面積は等しくなっている。
そこで、さらに、弁孔１ａ内において弁体２が回転することにより、第１流体通路Ｃ１と同様にして、第２流路２ｂの流路断面積が変化し、第２流体通路Ｃ２の流量が変化する。
【００１９】
なお、第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端の距離Ｌ２が、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっているため、弁孔１ａ内における弁体２の摺動により、第１流体通路Ｃ１及び第２流体通路Ｃ２のいずれか一方のみが連通する。
また、弁孔１ａは、弁体２の下方において、蓋部３によって閉じられる。なお、ボディ１及び蓋部３の間は固定シールであるＯリング３ａによって密封される。
【００２０】
次に、図２を参照すると、図２に示す状態は、図１における切替弁１０１の弁体２を９０度回転させたものである。
そこで、弁体２の円柱部２ｃは、その上端から弁体２の第２流路２ｂの下側までの間を鉛直下方に向かって一部が切り欠かれ、切り欠かれた部分は切り欠き面２ｄを形成している。なお、切り欠き面２ｄは、弁体２の第１流路２ａ及び第２流路２ｂに対して平行になるような位置に形成されている。さらに、切り欠き面２ｄの下端には、切り欠き面２ｄと弁体２の下端面とを連通し、弁体２の内部において下方に延びる連通孔２ｅが形成されている。
よって、弁孔１ａと弁体２の円柱部２ｃの両端面とによって形成される空間１ａａ（図１，２では容積がゼロとして図示されている）及び１ａｂは、弁孔１ａ及び切り欠き面２ｄによって形成される空間と連通孔２ｅとによって連通する。このため、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体には、弁孔１ａ内における弁体２の摺動により、圧縮力及び負圧力が発生しない。従って、弁体２は、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体によって、その摺動において抵抗を受けない。
【００２１】
次に、凹部１ｆには圧電素子を備える振動アクチュエータ１０が設けられ、凹部１ｆはシール機能を有するキャップ４によって密封されている。また、振動アクチュエータ１０は、キャップ４の凹部１ｆ側に設けられた弾性部材であるバネ８と接続されている。よって、振動アクチュエータ１０は、バネ８によって弁体２に付勢され、その先端を弁体２に押し付けている。すなわち、バネ８は振動アクチュエータ１０に弁体２に対する予圧力を付与している。さらに、振動アクチュエータ１０は、キャップ４を貫通する配線１０ａによって、ボディ１の外部に設けられた駆動装置９と電気的に接続されている。なお、駆動装置９は、振動アクチュエータ１０に交流電圧を印加し、その動作を制御する。
また、弁体２の上方となる弁孔１ａ内の上端には、弁体２との距離を計測するための静電容量センサ５が設けられている。静電容量センサ５は、駆動装置９に電気的に接続されている。なお、ボディ１及び弁体２は導体で形成されており、弁体２はボディ１を介して電気的に接地されている。
【００２２】
そこで、静電容量センサ５に駆動装置９により電圧が印加されると、静電容量センサ５及び弁体２の間には、この間の距離に反比例した電流が発生する。さらに、駆動装置９内には図示しない距離算出手段が設けられており、この距離算出手段は、駆動装置９の印加した電圧値並びに静電容量センサ５と弁体２との間に発生した電流値から、静電容量センサ５及び弁体２間の距離を算出する。
【００２３】
また、弁体２の円柱部２ｃ表面の上端には、永久磁石６が埋め込まれており、さらに、ボディ１の外側上面には、永久磁石６と対向する位置に、ホールセンサ７が設けられている。ホールセンサ７は、ホールセンサ７と永久磁石６との相対位置が変わることによって変化する永久磁石６の磁束により、永久磁石６の相対位置を求めるものである。よって、ホールセンサ７により、永久磁石６と共に回転する弁体２の回転角度が求められる。また、ホールセンサ７は駆動装置９と電気的に接続されており、ホールセンサ７によって検知された弁体２の回転角度情報が駆動装置９に送られる。
【００２４】
ここで、振動アクチュエータ１０の構成について示す。
図５に示すように、振動アクチュエータ１０は、円柱がその途中から先細になった形状をした先端ピース１０ｂ及び円柱形状をした基部ピース１０ｃを有している。先端ピース１０ｂ及び基部ピース１０ｃは、これらの間に略円環板状の第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３を挟み、内部を通る連結ボルト１０ｄによって互いに連結されている。さらに、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３はそれぞれ、配線１０ａ（図１参照）によって駆動装置９（図１参照）に電気的に接続されている。また、先端ピース１０ｂの先端部には、さらに小径の円柱形状をした凸部１０ｂａが形成されている。一方、基部ピース１０ｃには、バネ８が接続されている。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは当接部を構成し、振動アクチュエータ１０は凸部１０ｂａにおいて、弁体２（図１参照）に当接する。また、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３は圧電素子を構成している。
【００２５】
また、説明の便宜上、基部ピース１０ｃから先端ピース１０ｂへ向かう基部ピース１０ｃの中心軸をｚ軸と規定し、ｚ軸に対して垂直上方向（図１，２の上方向）にｙ軸が、ｙ軸及びｚ軸に対して垂直にｘ軸がそれぞれ延びているものとする。このとき、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３はそれぞれ、ｘｙ平面と平行になっている。
【００２６】
さらに、図６を参照すると、先端ピース１０ｂ、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２、第３圧電素子部１３及び基部ピース１０ｃの詳細な構成が示される。
第１圧電素子部１１は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１１ａ、圧電素子板１１ｂ、電極板１１ｃ、圧電素子板１１ｄ及び電極板１１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２圧電素子部１２は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１２ａ、圧電素子板１２ｂ、電極板１２ｃ、圧電素子板１２ｄ及び電極板１２ｅが順次重ね合わされた構造を有している。また、同様に、第３圧電素子部１３は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１３ａ、圧電素子板１３ｂ、電極板１３ｃ、圧電素子板１３ｄ及び電極板１３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。
【００２７】
さらに、先端ピース１０ｂ及び第１圧電素子部１１は略円環状の絶縁シート１４によって絶縁されており、同様に、第１圧電素子部１１及び第２圧電素子部１２は絶縁シート１５によって絶縁され、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３は絶縁シート１６によって絶縁され、第３圧電素子部１３及び基部ピース１０ｃは絶縁シート１７によって絶縁されている。
第１圧電素子部１１の両端面部分に配置されている電極板１１ａ及び電極板１１ｅと、第２圧電素子部１２の両端面部分に配置されている電極板１２ａ及び電極板１２ｅと、第３圧電素子部１３の両端面部分に配置されている電極板１３ａ及び電極板１３ｅとがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄの間に配置されている電極板１１ｃと、第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄの間に配置されている電極板１２ｃと、第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄの間に配置されている電極板１３ｃとがそれぞれ駆動装置９（図１参照）に電気的に接続されている。
【００２８】
さらに、図７に示すとおり、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄのそれぞれは、ｙ軸方向に離れるような形状に２分割されており、その各部分が互いに逆極性を有し、それぞれｚ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１１ｂと１１ｄとの間に配置される電極板１１ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｘ軸回り（ｙｚ平面内）に振動させるように、圧電素子板１１ｂと圧電素子板１１ｄとは互いに裏返しに配置されている。
【００２９】
第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄのそれぞれは、全体がｚ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１２ｂと１２ｄとの間に配置される電極板１２ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｚ軸方向に振動させるように、圧電素子板１２ｂと圧電素子板１２ｄとは互いに裏返しに配置されている。
第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄのそれぞれは、ｘ軸方向に離れるような形状に２分割されており、その各部分が互いに逆極性を有し、それぞれｚ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１３ｂと１３ｄとの間に配置される電極板１３ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｙ軸回り（ｘｚ平面内）に振動させるように、圧電素子板１３ｂと圧電素子板１３ｄとは互いに裏返しに配置されている。
【００３０】
次に、振動アクチュエータ１０の動作について説明する。
図７を参照すると、駆動装置９（図１参照）が、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）に振動アクチュエータ１０（図５参照）の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄの２分割された部分がｚ軸方向に膨張と収縮とを交互に繰り返し、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ（図５参照）にｙｚ平面上のｘ軸回りに揺動させるたわみ振動を発生する。
同様に、駆動装置９（図１参照）が、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）に交流電圧を印加すると、第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄがｚ軸方向に膨張と収縮とを繰り返し、先端ピース１０ｂ（図５参照）にｚ軸方向の縦振動を発生する。
また、同様に、駆動装置９（図１参照）が、第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）に交流電圧を印加すると、第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄの２分割された部分がｚ軸方向に膨張と収縮とを交互に繰り返し、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ（図５参照）にｘｚ平面上のｙ軸回りに揺動させるたわみ振動を発生する。
【００３１】
そこで、図５を参照すると、駆動装置９（図１参照）の制御に従って、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）と第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）との双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、ｘ軸回りに揺動させるたわみ振動とｚ軸方向の縦振動とが組み合わされて、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ先端の凸部１０ｂａにｙｚ面内の楕円振動が発生する。すなわち、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、ｘ軸回りの楕円振動をする。なお、印加する交流電圧の位相は、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）に対して第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）を９０度進ませるか遅らせることによって、楕円運動の回転方向が方向Ｐ１１及びＱ１１のいずれかに選択可能である。
【００３２】
従って、図１に戻ると、振動アクチュエータ１０はバネ８によって弁体２に対して予圧力を付与されているため、ｘ軸回りとなる方向Ｐ１１又はＱ１１に楕円運動する振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、弁体２を引っ掻くようにして鉛直上方向又は下方向に摺動させる。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｐ１１に楕円運動を行うとき、弁体２は上方向に摺動し、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｑ１１に楕円運動を行うとき、弁体２は下方向に摺動する。
【００３３】
また、図５に戻り、駆動装置９（図１参照）の制御に従って、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）と第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）との双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、ｚ軸方向の縦振動とｙ軸回りに揺動させるたわみ振動とが組み合わされて振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ先端の凸部１０ｂａにｘｚ面内の楕円振動が発生する。すなわち、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、ｙ軸回りの楕円振動をする。なお、印加する交流電圧の位相は、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）に対して第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）を９０度進ませるか遅らせることによって、楕円運動の回転方向が方向Ｐ１２及びＱ１２のいずれかに選択可能である。
【００３４】
従って、図３を参照すると、振動アクチュエータ１０はバネ８によって弁体２に対して予圧力を付与されているため、ｙ軸回りとなる方向Ｐ１２又はＱ１２に楕円運動する振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、弁体２を引っ掻くようにして方向Ｐ又はＱに回転させる。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｐ１２に楕円運動を行うとき、弁体２は方向Ｐに回転し、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｑ１２に楕円運動を行うとき、弁体２は方向Ｑに回転する。
上述より、図１及び３を参照すると、振動アクチュエータ１０は、圧電素子部１１及び１２（図５参照）の振動により、その先端の凸部１０ｂａにｘ軸回りとなる楕円運動を発生させ、弁体２を鉛直上方向又は下方向（ｙ軸方向）に摺動させる。また、振動アクチュエータ１０は、圧電素子部１２及び１３（図５参照）の振動により、その先端の凸部１０ｂａにｙ軸回りとなる楕円運動を発生させ、弁体２を回転させる。
【００３５】
次に、図１〜４を使用して、この発明の実施の形態１に係る切替弁１０１の動作を示す。
図１を参照すると、図示しないサージタンクより供給された気体による流体が、切替弁１０１に対して、第１流入路１ｂ及び第２流入路１ｄより流入する。弁体２が図１に示す状態にあるとき、第１流入路１ｂは弁体２によって塞がれるため、第２流入路１ｄに流入した流体のみ、第２流路２ｂを介して第２流出路１ｅより切替弁１０１の外部に流出される。なお、このとき、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの中心軸と、第２流路２ｂの中心軸とは同一となっており、第２流入路１ｄ及び第２流路２ｂの連通部の面積、並びに第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅの連通部の面積は最大となっている。よって、第２流路２ｂの流路断面積、すなわち第２流体通路Ｃ２の流路断面積は最大となっている。
【００３６】
そこで、切替弁１０１における第２流体通路Ｃ２の流量を調整し所定の流量とする際、駆動装置９は、弁体２の現状の回転位置から所定の流量とするための弁体２の回転方向及び回転角度を算出後、振動アクチュエータ１０に電圧を印加して作動させ、弁体２を所定の方向に回転させる。
このとき、図３を参照すると、振動アクチュエータ１０は、弁体２の回転方向に合わせて駆動装置９（図１参照）によって電圧を印加されて、その凸部１０ｂａが方向Ｐ１２或いはＱ１２の楕円運動を行う。さらに、弁体２は、凸部１０ｂａの楕円運動の回転方向である方向Ｐ１２或いはＱ１２に応じて、方向Ｐ或いはＱに回転する。これに伴い、第２流入路１ｄ及び第２流路２ｂの連通部の面積、並びに第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅの連通部の面積が同じ様に連続的に変化し、第２流路２ｂの流路断面積、すなわち第２流体通路Ｃ２の流量が連続的変化する。
【００３７】
また、図１を参照すると、ホールセンサ７によって検知された弁体２の回転角度情報は駆動装置９に送られ、弁体２の回転角度が設定値、すなわち第２流体通路Ｃ２の流路断面積である第２流路２ｂの流路断面積が設定値に達すると、駆動装置９は振動アクチュエータ１０を停止する。なお、振動アクチュエータ１０は、バネ８によって弁体２に押し付けられているため、その振動を停止した状態においても先端の凸部１０ｂａを弁体２に押し付けて、弁体２を回転方向及び上下の摺動方向に対して固定する。
また、切替弁１０１は、弁体２を回転させていくことにより、図２に示す状態となり、第１流体通路Ｃ１に加えて第２流体通路Ｃ２の連通を遮断する。
【００３８】
次に、図１を参照すると、切替弁１０１において連通する流体通路を第２流体通路Ｃ２から第１流体通路Ｃ１に変更する際、駆動装置９は、弁体２の現状の位置から弁体２の摺動後の位置及び摺動方向を算出後、振動アクチュエータ１０に電圧を印加して作動させ、弁体２を鉛直下方向に摺動させる。なお、この弁体２の摺動が完了した状態において、弁体２は、第１流入路１ｂ及び第２流出路１ｃの中心軸と、第１流路２ａの中心軸とが同一となるような上下方向の位置となっている。また、弁体２を鉛直下方向に摺動させる際、振動アクチュエータ１０の凸部１０ｂａは方向Ｑ１１の楕円運動を行う。
【００３９】
また、静電容量センサ５には駆動装置９により電圧が印加されており、この電圧により静電容量センサ５及び弁体２間に発生する電流値と印加された電圧値とから、駆動装置９内の図示しない距離算出手段により静電容量センサ５及び弁体２間の距離が算出される。この距離から算出される弁体２の位置が、所定の位置、すなわち第１流入路１ｂ及び第２流出路１ｃの中心軸と第１流路２ａの中心軸とが同一となる位置に達すると、駆動装置９は振動アクチュエータ１０を停止する。このとき、弁体２は図４に示す状態となり、第１流体通路Ｃ１が連通し、第２流体通路Ｃ２の連通が遮断される。
また、第１流体通路Ｃ１の流量、すなわち第１流路２ａの流路断面積の調整は、第２流体通路Ｃ２と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０により、弁体２を回転させて行われる。
【００４０】
従って、切替弁１０１は第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃを有する第１流体通路Ｃ１、並びに第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを有する第２流体通路Ｃ２のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を最大流量〜０まで調整するものである。
【００４１】
このように、実施の形態１に係る切替弁１０１は、第１流体通路Ｃ１及び第２流体通路Ｃ２を有するボディ１と、ボディ１の内部に設けられた弁孔１ａに収容される弁体２とを有する。なお、弁孔１ａに収容される弁体２は、円柱部２ｃの軸方向の摺動及び円周方向の回転の異なる２つの動きが可能である。また、第１流体通路Ｃ１は、流路２ａと流入路１ｂと流出路１ｃとを有し、第２流体通路Ｃ２は、流路２ｂと流入路１ｄと流出路１ｅとを有する。弁体２の摺動により、第１流路２ａが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通する、或いは、第２流路２ｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通し、第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２が連通する。さらに、弁体２の回転により、連通した第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２における第１流路２ａ或いは第２流路２ｂの流路断面積が変更されて、連通した第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２の開度が調整される。また、切替弁１０１は、ボディ１の内部に、圧電素子１１，１２，１３を有する振動アクチュエータ１０を備え、振動アクチュエータ１０、凸部１０ｂａにおいて弁体２に当接し、圧電素子１１，１２，１３の振動により、弁体２に摺動及び回転を行わせる。
【００４２】
これによって、振動アクチュエータ１０は、ボディ１の内部に弁体２と共に収容される。また、このとき、ボディ１の外部に露出しない弁体２には、ボディ１との間にシールが不要となる。よって、弁体２の周囲、すなわち弁体２の可動部分に動作の抵抗となる部材が設けられないため、弁体２を動作させる駆動力を低減することができ、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータ１０によっても弁体２は動作する。従って、切替弁１０１は、その構造の小型化を図ることを可能にする。さらに、切替弁１０１は、１つの小型の振動アクチュエータ１０により弁体２を摺動及び回転させることよって流体通路の切替及びその流量調整を行うことができる。従って、切替弁１０１は、その構造の小型化及び構造の簡易化によるコストの低減を図ることが可能になる。
【００４３】
また、弁体２の摺動及び回転部分である可動部分にシールを不要とする構成により、切替弁１０１におけるシール構造は固定シールであるＯリング３ａ及びキャップ４によるものでよく、シール構造を簡易とする共に、切替弁１０１の外部への流体の漏れを容易に防ぐことが可能になる。
また、振動アクチュエータ１０は、磁場を発生しない。そのため、弁体２の駆動機構として振動アクチュエータ１０を使用することにより、切替弁１０１は、磁場の影響を受けやすい電子機器と一体とすることが可能であり、例えば、切替弁１０１の制御装置と組み合わせることができ、さらなる小型化を図ることが可能になる。
【００４４】
また、振動アクチュエータ１０の停止時において、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａがバネ８によって弁体２に押し付けられるため、弁体２は固定される。よって、弁体２の状態維持、すなわち流路及び流量維持のために保持電力等を必要としないため、切替弁１０１の消費電力を低減することが可能になる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２は、実施の形態１の切替弁１０１に対して、弁体２の構造を変更したものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
まず、図８及び９を使用して、この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２の構成を示す。
【００４６】
図８を参照すると、ボディ１の弁孔１ａには、実施の形態１と同様にして、弁孔１ａの内周面と整合する円柱形状をした弁体２２が挿入されている。弁体２２は、弁孔１ａ内において、その円柱部２２ｃの円周方向に回転自在であり、この回転の中心軸方向に摺動自在となっている。
また、弁体２２には、弁体２２を貫通して弁体２２の円柱部２２ｃの両端面を連通する連通孔２２ｄが弁体２の回転中心軸に沿って形成されている。これにより、弁孔１ａと弁体２２の円柱部２２ｃの両端面とによって形成される空間１ａａ及び１ａｂは連通孔２２ｄによって連通するため、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体には、弁孔１ａ内における弁体２２の摺動により、圧縮力及び負圧力が発生しない。従って、弁体２２は、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体によって、その摺動に対して抵抗を受けない。
【００４７】
さらに、弁体２２の円柱部２２ｃの表面において、弁体２２の回転方向である外周方向に深さが連続的に変化する三角形状の断面を有する２つのＶ字状溝２２ａ及び２２ｂが、上下方向に並んで同じ向きに形成されている。Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは弁体２２の回転中心軸と垂直な方向に延び、溝部を構成している。よって、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは弁体２２の回転方向に沿って、この回転方向と垂直な断面積が連続的に変化する形状を有している。
【００４８】
なお、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂの三角形断面は二等辺三角形の形状を有しており、この二等辺三角形の等辺部分がＶ字状溝２２ａ及び２２ｂの底面を構成している。すなわち、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは、そのＶ字状底面の頂点を通ると共に、弁体２２の回転中心軸に対して垂直な平面、つまり水平面に関して対称な形状を有している。
また、弁体２２の円柱部２２ｃ表面におけるＶ字状溝２２ａの下端とＶ字状溝２２ｂの上端との距離Ｌ２２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっている。
【００４９】
また、図９を参照すると、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、その中心軸は同一であるが、弁孔１ａの中心軸に対して偏芯している。さらに、第１流入路１ｂ（図８参照）及び第１流出路１ｃ（図８参照）は、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅと平行になっており、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅと同様に弁孔１ａの中心軸に対して偏芯している。
【００５０】
図８に戻ると、弁孔１ａ内において弁体２２が摺動することにより、Ｖ字状溝２２ａ及び弁孔１ａによって形成される空間である第１流路２２ａｂが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通すると共に、第１流入路１ｂ、第１流路２２ａｂ及び第１流出路１ｃは第１流体通路Ｃ１２を構成する。また、Ｖ字状溝２２ｂ及び弁孔１ａによって形成される空間である第２流路２２ｂｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通すると共に、第２流入路１ｄ、第２流路２２ｂｂ及び第２流出路１ｅは第２流体通路Ｃ２２を構成する。なお、弁体２２の円柱部２２ｃ表面におけるＶ字状溝２２ａの下端とＶ字状溝２２ｂの上端との距離Ｌ２２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっているため、弁孔１ａ内における弁体２２の摺動により、第１流体通路Ｃ１２及び第２流体通路Ｃ２２のいずれか一方のみが連通する。
【００５１】
さらに、第１流体通路Ｃ１２及び第２流体通路Ｃ２２はそれぞれ、第１流路２２ａｂ及び第２流路２２ｂｂの流路断面積をその流路断面積とする。
そこで、図９を参照すると、第２流路２２ｂｂは、その流路断面積を、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの中心軸に垂直な平面のうちで最小断面部の面積としており、例えば、状態（ａ９）及び（ｂ９）に示す状態においては、それぞれ幅α１及びα２で示される位置における断面の断面積が流路断面積である。また、第１流路２２ａｂについても、その流路断面積の位置は第２流路２２ｂｂと同様である。
【００５２】
なお、図８に戻り、流体が第１流路２２ａｂ或いは第２流路２２ｂｂを通過する際、流体の圧力は、弁体２２に対して、そのＶ字状溝２２ａ或いは２２ｂの２つの底面、すなわち上下方向に対称になった底面に作用するため、弁体２２に作用する上下方向の力は相殺され、バランスがとられている。つまり、弁体２２は、いわゆる圧力バランス形状を有している。よって、弁体２２は、流体の圧力により上下方向に力を受けないため、その摺動及び回転動作において流体の圧力による影響を受けない。
また、この実施の形態２に係る切替弁１０２のその他の構造は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５３】
次に、図８〜１０を使用して、この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２の動作を示す。
まず、図８〜１０を参照して、弁体２２の動作を示す。
図９を参照すると、状態（ａ９）及び（ｂ９）に示す状態は、Ｖ字状溝２２ｂが第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを連通した状態、すなわち切替弁１０２において第２流体通路Ｃ２２（図８参照）が連通された状態である。このとき、第２流路２２ｂｂは、状態（ａ９）に示す状態においては流路幅が幅α１である位置における断面積、また、状態（ｂ９）に示す状態においては流路幅が幅α２である位置における断面積が流路断面積である。
【００５４】
そこで、弁体２２の円柱部２２ｃの表面に対するＶ字状溝２２ｂの深さが最大となる部位２２ｂｃが第２流路２２ｂｂの流路幅α１を形成する状態、すなわち状態（ａ９）に示す状態において、第２流路２２ｂｂはその流路断面積を最大とし、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最大となる。また、このときの第２流路２２ｂｂの流路断面積を構成する幅α１の位置での流路断面は、図１０の状態（ａ１０）において斜線で示される断面２２ｂｄによって示される。
【００５５】
また、実施の形態１と同様にして、駆動装置９（図８参照）の制御のもと振動アクチュエータ１０（図８参照）を作動させて、この状態から弁体２２を方向Ｐに回転させると、第２流路２２ｂｂはその流路幅を連続的に減少する。さらに、状態（ｂ９）に示す状態において、第２流路２２ｂｂはその流路幅を幅α２として、その流路断面積を最小とする、すなわち第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最小となる。なお、状態（ｂ９）に示す状態は、弁孔１ａの部位１ａｃにおいて弁体２２と弁孔１ａとのシールが可能な状態で、弁体２２を方向Ｐに最大限まで回転させた状態である。また、このときの第２流路２２ｂｂの流路断面積を構成する幅α２の位置での流路断面は、図１０の状態（ｂ１０）において斜線で示される断面２２ｂｅによって示される。
【００５６】
従って、弁体２２は状態（ａ９）に示す状態及び状態（ｂ９）に示す状態の間において回転することによって、第２流路２２ｂｂの開度が調整され、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が調整される。すなわち、弁体２２が状態（ａ９）に示す状態から状態（ｂ９）に示す状態に向かって方向Ｐに回転されると、第２流路２２ｂｂの流路断面積と共に、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最大値から最小値に向かって連続的になだらかに減少する。また、弁体２２は、状態（ｂ９）に示す状態から状態（ａ９）に示す状態に向かって方向Ｑに回転されると、第２流路２２ｂｂの流路断面積と共に、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最小値から最大値に向かって連続的になだらかに増加する。
なお、弁体２２を状態（ａ９）に示す状態から方向Ｑに回転させた場合も、第２流路２２ｂｂの流路断面積及び第２流体通路Ｃ２２の流量は同様に変化する。
【００５７】
また、図８を参照すると、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２２を鉛直下方向に摺動させると、第２流体通路Ｃ２２は弁体２２によって遮断され、第１流体通路Ｃ１２が連通する。すなわち、第１流路２２ａｂによって第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃが連通する。さらに、弁体２２を回転させることにより、第１流体通路Ｃ１２の流量は、第２流体通路Ｃ２２の連通時と同様に、連続的に変化する。
【００５８】
従って、切替弁１０２は第１流入路１ｂ及び流出路１ｃを有する第１流体通路Ｃ１２、並びに第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを有する第２流体通路Ｃ２２のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を調整するものである。
また、この実施の形態２に係る切替弁１０２のその他の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５９】
このように、実施の形態２に係る切替弁１０２において、上記実施の形態１の切替弁１０１と同様な効果が得られる。
また、弁体２２のＶ字状溝２２ａ，２２ｂは、弁体２２の回転中心軸に対して垂直な面、すなわち水平方向の面に関して対称な三角形状の断面形状を有する。よって、Ｖ字状溝２２ａ，２２ｂにかかる流体の圧力は、上下方向で相殺されるため、弁体２２は流体の圧力によって上下方向に力を受けず、弁孔１ａ内において摺動方向に押し付けられることがない。すなわち、弁体２２は圧力バランス形状を有している。従って、流体の圧力の大きさによって弁体２２を摺動及び回転させる駆動力が影響を受けないため、高圧流体の流通時においても、小さい駆動力による弁体２２の摺動及び回転動作を可能にする。よって、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータ１０の使用が可能となるため、切替弁１０２のさらなる小型化を図ることができる。
【００６０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３は、実施の形態１の切替弁１０１に対して、ボディ１に形成された流入路の構成を変更したものである。
まず、図１１を使用して、この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３の構成を示す。
切替弁１０３のボディ３１には、実施の形態１と同様にして、円筒形状の弁孔３１ａが形成されている。
また、ボディ３１には、弁孔３１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔３１ａをボディ３１の外部にそれぞれ連通する第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅが形成されている。第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅは、円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔３１ａの中心軸と垂直に交わっている。
【００６１】
さらに、第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅのそれぞれの上方には、これらと平行に、円形断面を有する第１流入路３１ｂ及び第１流出路３１ｃが形成されている。第１流入路３１ｂは弁孔３１ａからボディ３１内部の途中まで延びている。また、第１流出路３１ｃは、弁孔３１ａをボディ１の外部に連通するように延びている。なお、第１流入路３１ｂ及び第１流出路３１ｃは、弁孔３１ａに対する開口断面が同形状であり、さらに中心軸を同一として弁孔３１ａの中心軸と垂直に交わっている。
また、ボディ３１には、その上面より鉛直下方に延びる第３流入路３１ｇが形成されている。第３流入路３１ｇは、第１流入路３１ｂと同じ断面形状を有しており、第１流入路３１ｂと第２流入路３１ｄとを連通する。さらに、第３流入路３１ｇの上端は、シール機能を有するキャップ３３により密封されている。
なお、弁体２の流路２ａの下端と流路２ｂの上端との距離Ｌ２は、弁孔３１ａに対する第１流入路３１ｂの開口上端と第２流入路３１ｄの開口下端との距離Ｌ３１より大きくなっている。
【００６２】
よって、弁孔３１ａ内において弁体２が摺動することにより、第１流路２ａが第１流入路３１ｂと第１流出路３１ｃとを連通すると共に、第２流入路３１ｄ、第３流入路３１ｇ、第１流入路３１ｂ、第１流路２ａ及び第１流出路３１ｃは第１流体通路Ｃ１３を構成する。また、第２流路２ｂが第２流入路３１ｄと第２流出路３１ｅとを連通すると共に、第２流入路３１ｄ、第２流路２ｂ及び第２流出路３１ｅは第２流体通路Ｃ２３を構成する。なお、弁体２の第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端との距離Ｌ２が、弁孔３１ａに対する第１流入路３１ｂの開口上端と第２流入路３１ｄの開口下端との距離Ｌ３１より大きくなっているため、弁孔３１ａ内における弁体２の摺動により、第１流体通路Ｃ１３及び第２流体通路Ｃ２３のいずれか一方のみが連通する。
また、この実施の形態３に係る切替弁１０３のその他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
次に、図１１を使用して、この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３の動作を示す。
図示しないサージタンクより供給された気体による流体が、切替弁１０３に対して、第２流入路３１ｄより流入する。弁体２が図１１に示す状態にあるとき、第１流入路３１ｂが弁体２によって塞がれるため、第２流入路３１ｄに流入した流体は、第２流路２ｂを介して第２流出路３１ｅより切替弁１０３の外部に流出される。すなわち、第２流入路３１ｄに流入した流体は、連通した第２流体通路Ｃ２３を流通する。さらに、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２を回転させることにより、第２流体通路Ｃ２３の流路断面積、すなわち流量が最大流量〜０まで調整される。
【００６４】
また、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２を鉛直下方向に摺動させると、第２流体通路Ｃ２３の連通が弁体２によって遮断され、第１流体通路Ｃ１３が連通する。すなわち、第２流入路３１ｄに流入した流体は、第３流入路３１ｇ、第１流入路３１ｂ及び第１流路２ａを介して第１流出路３１ｃより切替弁１０３の外部に流出される。さらに、弁体２を回転させることによって、第１流体通路Ｃ１３の流量が最大流量〜０まで調整される。
【００６５】
従って、切替弁１０３は、１つの第２流入路３１ｄから２つに分岐する第１流体通路Ｃ１３及び第２流体通路Ｃ２３のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を最大流量〜０まで調整するものである。
また、この実施の形態３に係る切替弁１０３のその他の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
このように、実施の形態３における切替弁１０３において、上記実施の形態１の切替弁１０１と同様な効果が得られる。
【００６６】
また、実施の形態１〜３においては、弁体２，２２が直線往復動作することにより、第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３の連通と第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の連通とを切り替え、弁体２，２２が回転動作することにより、連通した第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３或いは第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の流量を調整していた。しかしながら、これらは逆であってもよく、弁体２，２２が回転動作することにより、第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３の連通と第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の連通とを切り替え、弁体２，２２が直線往復動作することにより、連通した第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３或いは第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の流量を調整してもよい。
また、実施の形態１〜３においては、振動アクチュエータ１０の当接部としての凸部１０ｂａに楕円運動をさせたが、弁体２，２２に対して、その円柱部２ｃ，２２ｃの軸方向の摺動及び円周方向の回転をさせる振動であればよい。方向Ｐ１１，Ｑ１１の楕円運動もｙｚ面内に限らずｘ軸成分を持った運動でも良く、また、方向Ｐ１２，Ｑ１２の楕円運動もｘｚ面内に限らず、ｙ軸成分を持った運動でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図２】図１の弁体を９０°回転させた状態の切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面の模式図である。
【図４】図１の弁体を摺動させた状態の切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図５】図１の振動アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図６】図５の振動アクチュエータの圧電素子に係る構成を示す部分断面図である。
【図７】図５の振動アクチュエータで用いられた圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１，３１ ボディ（弁本体）、１ａ，３１ａ 弁孔、１ｂ，３１ｂ 第１流入路、１ｃ，３１ｃ 第１流出路、１ｄ，３１ｄ 第２流入路、１ｅ，３１ｅ 第２流出路、２，２２ 弁体、２ａ 第１流路（流路、貫通穴）、２２ａｂ 第１流路、２ｂ 第２流路（流路、貫通穴）、２２ｂｂ 第２流路、２ｃ，２２ｃ 円柱部、８ バネ（弾性部材）、１０ 振動アクチュエータ、１０ｂａ 凸部（当接部）、１１，１２，１３ 圧電素子部（圧電素子）、２２ａ，２２ｂ Ｖ字状溝（溝部）、３１ｇ 第３流入路、１０１，１０２，１０３ 切替弁、Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３ 第１流体通路、Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３ 第２流体通路。
【技術分野】
【０００１】
この発明は圧電素子を備えるアクチュエータを使用した切替弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気や油等の液体からなる流体の流通可能な複数の流路から、用途に応じて流体を流通させる流路を選択し、流体を流通させる流路切替弁について、多様な提案がなされている。
例えば、特許文献１の流路切換弁は、油圧機構における流路切換弁であり、第１入力ポート及び第１入力ポートに対応する複数の第１出力ポート、並びに、第２入力ポート及び第２入力ポートに対応する複数の第２出力ポートを有している。この流路切換弁は、バルブケース内に設けられた弁体であるスプールを軸心方向にスライドすることにより、スプールを介して第１入力ポートを複数の第１出力ポートのいずれかに連通し、また、スプールを軸心回りに回転することにより、第２入力ポートを第２出力ポートのいずれかに連通するものである。なお、流路切換弁の外部には第１操作アーム及び第２操作アームの２つのアームが延在しており、第１操作アームはスプールを軸心方向にスライド操作するものであり、第２操作アームはスプールを軸心回りに回転操作するものである。すなわち、特許文献１の流路切換弁は、単一のスプールのスライド操作と回転操作とを通じて、２つの流路の切換を行うものである。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１８２７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された流路切換弁は、第１操作アームが流路切換弁とその内部で接続されて外部に延在し、第２操作アームが流路切換弁の外部に延びるスプールと流路切換弁の外部において接続されている。そのため、流路切換弁内部の油の外部への漏出を防止するために、第１操作アーム及びスプールの周りにはシール材が設けられ、バルブケースとの密封が保持される。このように、第１操作アーム及びスプールには、その可動部分にシール材が設けられているため、摺動抵抗が増大し、スプールのスライド及び回転動作に必要とされる駆動力が大きくなるという問題がある。さらに、第１操作アーム及びスプールを駆動するためにアクチュエータ等を使用するとアクチュエータの大型化を招き、流路切換弁自体も大型化するという問題がある。
【０００５】
また、スプールのスライド操作及び回転操作を別々の操作手段により行うため、例えば操作手段を電動化した場合、２つの駆動手段が必要になる、又は１つの駆動手段により２つの操作手段を駆動する際には複雑な駆動機構が必要になる等、流路切換弁の大型化及びコストの上昇を招くという問題が生じる。
【０００６】
この発明は、これらのような問題点を解決するためになされたもので、弁体を動作させる駆動力を低減することによってアクチュエータの小型化を図るとともに、弁体の複数の動作を１つのアクチュエータを使用して行うことにより、弁構造の小型化及びコストの低減を可能とする切替弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る切替弁は、少なくとも２つの流体通路を有する弁本体と、弁本体の内部において弁本体に設けられた弁孔に収容され、異なる２つの動きが可能である円柱状の円柱部をもつ弁体とを有し、流体通路は、弁孔において弁体によって形成される流路と流入路と流出路とをもち、弁体の異なる２つの動きのうちの一方により、少なくとも２つの流体通路のうちの少なくとも１つの流体通路において、流路が流入路と流出路との連通と非連通を切替し、弁体の異なる２つの動きのうちの他方により、連通した少なくとも１つの流体通路の流路の流路断面積が変更されて、連通した少なくとも１つの流体通路の開度が調整される切替弁であって、弁本体の内部に設けられ、圧電素子を有する振動アクチュエータであって、弁体に当接する当接部を有すると共に、圧電素子の振動により、弁体に異なる２つの動きを行わせる振動アクチュエータを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
このため、圧電素子によって作動する振動アクチュエータは小型化が可能であるため、弁本体の内部に弁体と共に収容される。また、このとき、弁本体の外部に露出しない弁体には、弁本体との間にシールが不要となる。よって、弁体の周囲、すなわち弁体の可動部分に動作の抵抗となる部材が設けられないため、弁体を動作させる駆動力を低減することができ、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータによっても弁体は動作する。従って、この切替弁は、その構造の小型化を図ることを可能にする。さらに、この切替弁は、１つの振動アクチュエータにより弁体に異なる２つの動きを行わせることよって連通する流体通路の切替及びその流量調整を行うことができる。従って、切替弁の構造の小型化並びに構造の簡易化によるコストの低減を図ることを可能にする。
【０００９】
振動アクチュエータは、当接部が圧電素子の振動により楕円運動を行ってもよい。振動アクチュエータにおける弁体との当接部が楕円運動することにより、振動アクチュエータは、この当接部で弁体の表面を引っ掻くようにして弁体に異なる２つの動きをさせる。
弁本体は、弁本体の内部に弾性部材を有し、弾性部材は、振動アクチュエータの当接部を弁体に押し付けてもよい。振動アクチュエータは、弁本体の内部の弾性部材により、弁体に押し付けられる力である予圧力を付与されることによって、当接部を弁体に当接させ、弁体に異なる２つの動きを行わせる。また、振動アクチュエータは、その停止時においても、弾性部材によって弁体に押し付けられ、弁体を固定する。従って、弁体の状態維持、すなわち流路及び流量維持のために保持電気等を必要としない。
【００１０】
弁体の異なる２つの動きのうちの一方が、弁体の円柱部の軸方向の直線往復動作であり、弁体の異なる２つの動きのうちの他方が、弁体の円柱部の円周方向の回転動作であってもよい。
弁体は、円柱部に、円柱部を貫通する貫通穴が設けられ、貫通穴は流体通路の流路を形成してもよい。弁体に設けられた貫通穴は、弁体がその円柱部の軸方向に直線往復動作を行うことにより流体通路における流入路と流出路とを連通する、すなわち流体通路を連通する。さらに、弁体の直線往復動作により流体通路を連通した貫通穴は、弁体が回転動作を行うことにより流体通路の流路断面積を変化させ、連通した流体通路の流量を変化させる。
【００１１】
弁体は、円柱部に、弁体の回転動作の方向に沿って設けられた溝部を有し、溝部は、弁孔と共に流体通路の流路を形成し、弁体の回転動作の方向に沿って、回転動作の方向と垂直な断面積が変化してもよい。弁体に設けられた溝部は、弁体がその円柱部の軸方向に直線往復動作を行うことにより流体通路における流入路と流出路とを連通する、すなわち流体通路を連通する。さらに、弁体の直線往復動作により流体通路を連通した溝部は、弁体が回転動作を行うことにより流体通路の流路断面積を変化させ、連通した流体通路の流量を変化させる。
【００１２】
弁体の溝部は、弁体の円柱部の軸方向に対して垂直な面に関して対称な断面形状を有してもよい。弁体の溝部にかかる流体の圧力は、弁体の円柱部の軸方向に対して垂直な面に関して等しくなる。よって、弁体は、流体の圧力によって、その円柱部の軸方向である直線往復動作の方向の力を受けず、この方向で弁本体に押し付けられることもない。そのため、流体の圧力の大きさによって、弁体を直線往復動作及び回転動作させる駆動力も影響を受けない。従って、高圧流体の流通時においても、駆動力の小さい振動アクチュエータによる弁体の直線往復動作及び回転動作を可能にすると共に、切替弁をさらに小型化にする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、切替弁は、弁体を動作させる駆動力の低減によるアクチュエータの小型化及び１つのアクチュエータによる弁体の複数の動作を可能とすることにより、その構造の小型化及びコストの低減を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、図１〜７を使用して、この発明の実施の形態１に係る切替弁１０１の構成を示す。なお、切替弁１０１は、流通する流体を気体とする流体回路に使用されるものである。
図１を参照すると、切替弁１０１は、略直方体形状の弁本体であるボディ１を備える。ボディ１には、その下面に垂直な円筒形状の弁孔１ａが形成されており、弁孔１ａは、ボディ１を貫通せずその途中まで鉛直上方に延びている。
また、ボディ１には、弁孔１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔１ａをボディ１の外部にそれぞれ連通する第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃが形成されている。第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃは、円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔１ａの中心軸と垂直に交わっている。
【００１５】
さらに、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃのそれぞれの下方には、これらと平行に第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅが形成されている。第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、弁孔１ａをボディ１の外部にそれぞれ連通する。また、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃより大きい円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔１ａの中心軸と垂直に交わっている。
また、さらに第２流入路１ｄの下方には、弁孔１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔１ａをボディ１の外部に連通する略円筒形状の凹部１ｆが形成されている。
【００１６】
また、ボディ１の弁孔１ａには、弁孔１ａの内周面と整合する円柱形状をした弁体２が挿入されている。弁体２の長さは弁孔１ａより短くなっており、弁体２は、弁孔１ａ内において、円柱形状をした円柱部２ｃの円周方向に回転自在であると共に、円柱部２ｃの中心軸方向に直線往復動作可能、すなわち摺動自在となっている。また、弁体２には、弁体２の回転中心軸に対して垂直に交わり、弁体２の円柱部２ｃを貫通する貫通穴である円筒状の第１流路２ａ及び第２流路２ｂが上下方向に並んで形成されている。第１流路２ａ及び第２流路２ｂは互いに平行であり、第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端との距離Ｌ２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっている。また、第１流路２ａは、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃの弁孔１ａへの開口断面と同じ円形断面を有し、第２流路２ｂは、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの弁孔１ａへの開口断面と同じ円形断面を有している。
【００１７】
よって、弁孔１ａ内において弁体２が摺動することにより、第１流路２ａが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通すると共に、第１流入路１ｂ、第１流路２ａ及び第１流出路１ｃが第１流体通路Ｃ１を構成する。なお、第１流体通路Ｃ１の流路断面積は、第１流入路１ｂと第１流路２ａとの連通部における流路断面積、及び第１流路２ａと第１流出路１ｃとの連通部における流路断面積、すなわち第１流路２ａの流路断面積によって決定される。また、第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃは、弁体２の回転中心軸について対称であり、第１流路２ａもまた弁体２の回転中心軸について対称であるため、第１流入路１ｂと第１流路２ａとの連通部における流路断面積、及び第１流路２ａと第１流出路１ｃとの連通部における流路断面積は等しくなっている。
そこで、さらに、弁孔１ａ内において弁体２が回転することにより、第１流路２ａの流路断面積が変化し、第１流体通路Ｃ１の流路断面積、すなわち流量が変化する。
【００１８】
また、弁孔１ａ内において弁体２が摺動することにより、第２流路２ｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通すると共に、第２流入路１ｄ、第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅが第２流体通路Ｃ２を構成する。なお、第２流体通路Ｃ２の流路断面積は、第２流入路１ｄと第２流路２ｂとの連通部における流路断面積、及び第２流路２ｂと第２流出路１ｅとの連通部における流路断面積、すなわち第２流路２ｂの流路断面積によって決定される。また、第１流体通路Ｃ１と同様に、第２流入路１ｄと第２流路２ｂとの連通部における流路断面積、及び第２流路２ｂと第２流出路１ｅとの連通部における流路断面積は等しくなっている。
そこで、さらに、弁孔１ａ内において弁体２が回転することにより、第１流体通路Ｃ１と同様にして、第２流路２ｂの流路断面積が変化し、第２流体通路Ｃ２の流量が変化する。
【００１９】
なお、第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端の距離Ｌ２が、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっているため、弁孔１ａ内における弁体２の摺動により、第１流体通路Ｃ１及び第２流体通路Ｃ２のいずれか一方のみが連通する。
また、弁孔１ａは、弁体２の下方において、蓋部３によって閉じられる。なお、ボディ１及び蓋部３の間は固定シールであるＯリング３ａによって密封される。
【００２０】
次に、図２を参照すると、図２に示す状態は、図１における切替弁１０１の弁体２を９０度回転させたものである。
そこで、弁体２の円柱部２ｃは、その上端から弁体２の第２流路２ｂの下側までの間を鉛直下方に向かって一部が切り欠かれ、切り欠かれた部分は切り欠き面２ｄを形成している。なお、切り欠き面２ｄは、弁体２の第１流路２ａ及び第２流路２ｂに対して平行になるような位置に形成されている。さらに、切り欠き面２ｄの下端には、切り欠き面２ｄと弁体２の下端面とを連通し、弁体２の内部において下方に延びる連通孔２ｅが形成されている。
よって、弁孔１ａと弁体２の円柱部２ｃの両端面とによって形成される空間１ａａ（図１，２では容積がゼロとして図示されている）及び１ａｂは、弁孔１ａ及び切り欠き面２ｄによって形成される空間と連通孔２ｅとによって連通する。このため、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体には、弁孔１ａ内における弁体２の摺動により、圧縮力及び負圧力が発生しない。従って、弁体２は、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体によって、その摺動において抵抗を受けない。
【００２１】
次に、凹部１ｆには圧電素子を備える振動アクチュエータ１０が設けられ、凹部１ｆはシール機能を有するキャップ４によって密封されている。また、振動アクチュエータ１０は、キャップ４の凹部１ｆ側に設けられた弾性部材であるバネ８と接続されている。よって、振動アクチュエータ１０は、バネ８によって弁体２に付勢され、その先端を弁体２に押し付けている。すなわち、バネ８は振動アクチュエータ１０に弁体２に対する予圧力を付与している。さらに、振動アクチュエータ１０は、キャップ４を貫通する配線１０ａによって、ボディ１の外部に設けられた駆動装置９と電気的に接続されている。なお、駆動装置９は、振動アクチュエータ１０に交流電圧を印加し、その動作を制御する。
また、弁体２の上方となる弁孔１ａ内の上端には、弁体２との距離を計測するための静電容量センサ５が設けられている。静電容量センサ５は、駆動装置９に電気的に接続されている。なお、ボディ１及び弁体２は導体で形成されており、弁体２はボディ１を介して電気的に接地されている。
【００２２】
そこで、静電容量センサ５に駆動装置９により電圧が印加されると、静電容量センサ５及び弁体２の間には、この間の距離に反比例した電流が発生する。さらに、駆動装置９内には図示しない距離算出手段が設けられており、この距離算出手段は、駆動装置９の印加した電圧値並びに静電容量センサ５と弁体２との間に発生した電流値から、静電容量センサ５及び弁体２間の距離を算出する。
【００２３】
また、弁体２の円柱部２ｃ表面の上端には、永久磁石６が埋め込まれており、さらに、ボディ１の外側上面には、永久磁石６と対向する位置に、ホールセンサ７が設けられている。ホールセンサ７は、ホールセンサ７と永久磁石６との相対位置が変わることによって変化する永久磁石６の磁束により、永久磁石６の相対位置を求めるものである。よって、ホールセンサ７により、永久磁石６と共に回転する弁体２の回転角度が求められる。また、ホールセンサ７は駆動装置９と電気的に接続されており、ホールセンサ７によって検知された弁体２の回転角度情報が駆動装置９に送られる。
【００２４】
ここで、振動アクチュエータ１０の構成について示す。
図５に示すように、振動アクチュエータ１０は、円柱がその途中から先細になった形状をした先端ピース１０ｂ及び円柱形状をした基部ピース１０ｃを有している。先端ピース１０ｂ及び基部ピース１０ｃは、これらの間に略円環板状の第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３を挟み、内部を通る連結ボルト１０ｄによって互いに連結されている。さらに、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３はそれぞれ、配線１０ａ（図１参照）によって駆動装置９（図１参照）に電気的に接続されている。また、先端ピース１０ｂの先端部には、さらに小径の円柱形状をした凸部１０ｂａが形成されている。一方、基部ピース１０ｃには、バネ８が接続されている。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは当接部を構成し、振動アクチュエータ１０は凸部１０ｂａにおいて、弁体２（図１参照）に当接する。また、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３は圧電素子を構成している。
【００２５】
また、説明の便宜上、基部ピース１０ｃから先端ピース１０ｂへ向かう基部ピース１０ｃの中心軸をｚ軸と規定し、ｚ軸に対して垂直上方向（図１，２の上方向）にｙ軸が、ｙ軸及びｚ軸に対して垂直にｘ軸がそれぞれ延びているものとする。このとき、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３はそれぞれ、ｘｙ平面と平行になっている。
【００２６】
さらに、図６を参照すると、先端ピース１０ｂ、第１圧電素子部１１、第２圧電素子部１２、第３圧電素子部１３及び基部ピース１０ｃの詳細な構成が示される。
第１圧電素子部１１は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１１ａ、圧電素子板１１ｂ、電極板１１ｃ、圧電素子板１１ｄ及び電極板１１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２圧電素子部１２は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１２ａ、圧電素子板１２ｂ、電極板１２ｃ、圧電素子板１２ｄ及び電極板１２ｅが順次重ね合わされた構造を有している。また、同様に、第３圧電素子部１３は、それぞれ略円環板形状を有する電極板１３ａ、圧電素子板１３ｂ、電極板１３ｃ、圧電素子板１３ｄ及び電極板１３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。
【００２７】
さらに、先端ピース１０ｂ及び第１圧電素子部１１は略円環状の絶縁シート１４によって絶縁されており、同様に、第１圧電素子部１１及び第２圧電素子部１２は絶縁シート１５によって絶縁され、第２圧電素子部１２及び第３圧電素子部１３は絶縁シート１６によって絶縁され、第３圧電素子部１３及び基部ピース１０ｃは絶縁シート１７によって絶縁されている。
第１圧電素子部１１の両端面部分に配置されている電極板１１ａ及び電極板１１ｅと、第２圧電素子部１２の両端面部分に配置されている電極板１２ａ及び電極板１２ｅと、第３圧電素子部１３の両端面部分に配置されている電極板１３ａ及び電極板１３ｅとがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄの間に配置されている電極板１１ｃと、第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄの間に配置されている電極板１２ｃと、第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄの間に配置されている電極板１３ｃとがそれぞれ駆動装置９（図１参照）に電気的に接続されている。
【００２８】
さらに、図７に示すとおり、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄのそれぞれは、ｙ軸方向に離れるような形状に２分割されており、その各部分が互いに逆極性を有し、それぞれｚ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１１ｂと１１ｄとの間に配置される電極板１１ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｘ軸回り（ｙｚ平面内）に振動させるように、圧電素子板１１ｂと圧電素子板１１ｄとは互いに裏返しに配置されている。
【００２９】
第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄのそれぞれは、全体がｚ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１２ｂと１２ｄとの間に配置される電極板１２ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｚ軸方向に振動させるように、圧電素子板１２ｂと圧電素子板１２ｄとは互いに裏返しに配置されている。
第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄのそれぞれは、ｘ軸方向に離れるような形状に２分割されており、その各部分が互いに逆極性を有し、それぞれｚ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されている。つまり、圧電素子板１３ｂと１３ｄとの間に配置される電極板１３ｃ（図６参照）に交流電圧が印加された際に、協働して振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａ（図５参照）をｙ軸回り（ｘｚ平面内）に振動させるように、圧電素子板１３ｂと圧電素子板１３ｄとは互いに裏返しに配置されている。
【００３０】
次に、振動アクチュエータ１０の動作について説明する。
図７を参照すると、駆動装置９（図１参照）が、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）に振動アクチュエータ１０（図５参照）の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１圧電素子部１１の一対の圧電素子板１１ｂ及び１１ｄの２分割された部分がｚ軸方向に膨張と収縮とを交互に繰り返し、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ（図５参照）にｙｚ平面上のｘ軸回りに揺動させるたわみ振動を発生する。
同様に、駆動装置９（図１参照）が、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）に交流電圧を印加すると、第２圧電素子部１２の一対の圧電素子板１２ｂ及び１２ｄがｚ軸方向に膨張と収縮とを繰り返し、先端ピース１０ｂ（図５参照）にｚ軸方向の縦振動を発生する。
また、同様に、駆動装置９（図１参照）が、第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）に交流電圧を印加すると、第３圧電素子部１３の一対の圧電素子板１３ｂ及び１３ｄの２分割された部分がｚ軸方向に膨張と収縮とを交互に繰り返し、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ（図５参照）にｘｚ平面上のｙ軸回りに揺動させるたわみ振動を発生する。
【００３１】
そこで、図５を参照すると、駆動装置９（図１参照）の制御に従って、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）と第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）との双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、ｘ軸回りに揺動させるたわみ振動とｚ軸方向の縦振動とが組み合わされて、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ先端の凸部１０ｂａにｙｚ面内の楕円振動が発生する。すなわち、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、ｘ軸回りの楕円振動をする。なお、印加する交流電圧の位相は、第１圧電素子部１１の電極板１１ｃ（図６参照）に対して第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）を９０度進ませるか遅らせることによって、楕円運動の回転方向が方向Ｐ１１及びＱ１１のいずれかに選択可能である。
【００３２】
従って、図１に戻ると、振動アクチュエータ１０はバネ８によって弁体２に対して予圧力を付与されているため、ｘ軸回りとなる方向Ｐ１１又はＱ１１に楕円運動する振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、弁体２を引っ掻くようにして鉛直上方向又は下方向に摺動させる。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｐ１１に楕円運動を行うとき、弁体２は上方向に摺動し、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｑ１１に楕円運動を行うとき、弁体２は下方向に摺動する。
【００３３】
また、図５に戻り、駆動装置９（図１参照）の制御に従って、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）と第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）との双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、ｚ軸方向の縦振動とｙ軸回りに揺動させるたわみ振動とが組み合わされて振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂ先端の凸部１０ｂａにｘｚ面内の楕円振動が発生する。すなわち、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、ｙ軸回りの楕円振動をする。なお、印加する交流電圧の位相は、第２圧電素子部１２の電極板１２ｃ（図６参照）に対して第３圧電素子部１３の電極板１３ｃ（図６参照）を９０度進ませるか遅らせることによって、楕円運動の回転方向が方向Ｐ１２及びＱ１２のいずれかに選択可能である。
【００３４】
従って、図３を参照すると、振動アクチュエータ１０はバネ８によって弁体２に対して予圧力を付与されているため、ｙ軸回りとなる方向Ｐ１２又はＱ１２に楕円運動する振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａは、弁体２を引っ掻くようにして方向Ｐ又はＱに回転させる。なお、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｐ１２に楕円運動を行うとき、弁体２は方向Ｐに回転し、先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａが方向Ｑ１２に楕円運動を行うとき、弁体２は方向Ｑに回転する。
上述より、図１及び３を参照すると、振動アクチュエータ１０は、圧電素子部１１及び１２（図５参照）の振動により、その先端の凸部１０ｂａにｘ軸回りとなる楕円運動を発生させ、弁体２を鉛直上方向又は下方向（ｙ軸方向）に摺動させる。また、振動アクチュエータ１０は、圧電素子部１２及び１３（図５参照）の振動により、その先端の凸部１０ｂａにｙ軸回りとなる楕円運動を発生させ、弁体２を回転させる。
【００３５】
次に、図１〜４を使用して、この発明の実施の形態１に係る切替弁１０１の動作を示す。
図１を参照すると、図示しないサージタンクより供給された気体による流体が、切替弁１０１に対して、第１流入路１ｂ及び第２流入路１ｄより流入する。弁体２が図１に示す状態にあるとき、第１流入路１ｂは弁体２によって塞がれるため、第２流入路１ｄに流入した流体のみ、第２流路２ｂを介して第２流出路１ｅより切替弁１０１の外部に流出される。なお、このとき、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの中心軸と、第２流路２ｂの中心軸とは同一となっており、第２流入路１ｄ及び第２流路２ｂの連通部の面積、並びに第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅの連通部の面積は最大となっている。よって、第２流路２ｂの流路断面積、すなわち第２流体通路Ｃ２の流路断面積は最大となっている。
【００３６】
そこで、切替弁１０１における第２流体通路Ｃ２の流量を調整し所定の流量とする際、駆動装置９は、弁体２の現状の回転位置から所定の流量とするための弁体２の回転方向及び回転角度を算出後、振動アクチュエータ１０に電圧を印加して作動させ、弁体２を所定の方向に回転させる。
このとき、図３を参照すると、振動アクチュエータ１０は、弁体２の回転方向に合わせて駆動装置９（図１参照）によって電圧を印加されて、その凸部１０ｂａが方向Ｐ１２或いはＱ１２の楕円運動を行う。さらに、弁体２は、凸部１０ｂａの楕円運動の回転方向である方向Ｐ１２或いはＱ１２に応じて、方向Ｐ或いはＱに回転する。これに伴い、第２流入路１ｄ及び第２流路２ｂの連通部の面積、並びに第２流路２ｂ及び第２流出路１ｅの連通部の面積が同じ様に連続的に変化し、第２流路２ｂの流路断面積、すなわち第２流体通路Ｃ２の流量が連続的変化する。
【００３７】
また、図１を参照すると、ホールセンサ７によって検知された弁体２の回転角度情報は駆動装置９に送られ、弁体２の回転角度が設定値、すなわち第２流体通路Ｃ２の流路断面積である第２流路２ｂの流路断面積が設定値に達すると、駆動装置９は振動アクチュエータ１０を停止する。なお、振動アクチュエータ１０は、バネ８によって弁体２に押し付けられているため、その振動を停止した状態においても先端の凸部１０ｂａを弁体２に押し付けて、弁体２を回転方向及び上下の摺動方向に対して固定する。
また、切替弁１０１は、弁体２を回転させていくことにより、図２に示す状態となり、第１流体通路Ｃ１に加えて第２流体通路Ｃ２の連通を遮断する。
【００３８】
次に、図１を参照すると、切替弁１０１において連通する流体通路を第２流体通路Ｃ２から第１流体通路Ｃ１に変更する際、駆動装置９は、弁体２の現状の位置から弁体２の摺動後の位置及び摺動方向を算出後、振動アクチュエータ１０に電圧を印加して作動させ、弁体２を鉛直下方向に摺動させる。なお、この弁体２の摺動が完了した状態において、弁体２は、第１流入路１ｂ及び第２流出路１ｃの中心軸と、第１流路２ａの中心軸とが同一となるような上下方向の位置となっている。また、弁体２を鉛直下方向に摺動させる際、振動アクチュエータ１０の凸部１０ｂａは方向Ｑ１１の楕円運動を行う。
【００３９】
また、静電容量センサ５には駆動装置９により電圧が印加されており、この電圧により静電容量センサ５及び弁体２間に発生する電流値と印加された電圧値とから、駆動装置９内の図示しない距離算出手段により静電容量センサ５及び弁体２間の距離が算出される。この距離から算出される弁体２の位置が、所定の位置、すなわち第１流入路１ｂ及び第２流出路１ｃの中心軸と第１流路２ａの中心軸とが同一となる位置に達すると、駆動装置９は振動アクチュエータ１０を停止する。このとき、弁体２は図４に示す状態となり、第１流体通路Ｃ１が連通し、第２流体通路Ｃ２の連通が遮断される。
また、第１流体通路Ｃ１の流量、すなわち第１流路２ａの流路断面積の調整は、第２流体通路Ｃ２と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０により、弁体２を回転させて行われる。
【００４０】
従って、切替弁１０１は第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃを有する第１流体通路Ｃ１、並びに第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを有する第２流体通路Ｃ２のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を最大流量〜０まで調整するものである。
【００４１】
このように、実施の形態１に係る切替弁１０１は、第１流体通路Ｃ１及び第２流体通路Ｃ２を有するボディ１と、ボディ１の内部に設けられた弁孔１ａに収容される弁体２とを有する。なお、弁孔１ａに収容される弁体２は、円柱部２ｃの軸方向の摺動及び円周方向の回転の異なる２つの動きが可能である。また、第１流体通路Ｃ１は、流路２ａと流入路１ｂと流出路１ｃとを有し、第２流体通路Ｃ２は、流路２ｂと流入路１ｄと流出路１ｅとを有する。弁体２の摺動により、第１流路２ａが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通する、或いは、第２流路２ｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通し、第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２が連通する。さらに、弁体２の回転により、連通した第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２における第１流路２ａ或いは第２流路２ｂの流路断面積が変更されて、連通した第１流体通路Ｃ１或いは第２流体通路Ｃ２の開度が調整される。また、切替弁１０１は、ボディ１の内部に、圧電素子１１，１２，１３を有する振動アクチュエータ１０を備え、振動アクチュエータ１０、凸部１０ｂａにおいて弁体２に当接し、圧電素子１１，１２，１３の振動により、弁体２に摺動及び回転を行わせる。
【００４２】
これによって、振動アクチュエータ１０は、ボディ１の内部に弁体２と共に収容される。また、このとき、ボディ１の外部に露出しない弁体２には、ボディ１との間にシールが不要となる。よって、弁体２の周囲、すなわち弁体２の可動部分に動作の抵抗となる部材が設けられないため、弁体２を動作させる駆動力を低減することができ、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータ１０によっても弁体２は動作する。従って、切替弁１０１は、その構造の小型化を図ることを可能にする。さらに、切替弁１０１は、１つの小型の振動アクチュエータ１０により弁体２を摺動及び回転させることよって流体通路の切替及びその流量調整を行うことができる。従って、切替弁１０１は、その構造の小型化及び構造の簡易化によるコストの低減を図ることが可能になる。
【００４３】
また、弁体２の摺動及び回転部分である可動部分にシールを不要とする構成により、切替弁１０１におけるシール構造は固定シールであるＯリング３ａ及びキャップ４によるものでよく、シール構造を簡易とする共に、切替弁１０１の外部への流体の漏れを容易に防ぐことが可能になる。
また、振動アクチュエータ１０は、磁場を発生しない。そのため、弁体２の駆動機構として振動アクチュエータ１０を使用することにより、切替弁１０１は、磁場の影響を受けやすい電子機器と一体とすることが可能であり、例えば、切替弁１０１の制御装置と組み合わせることができ、さらなる小型化を図ることが可能になる。
【００４４】
また、振動アクチュエータ１０の停止時において、振動アクチュエータ１０の先端ピース１０ｂの凸部１０ｂａがバネ８によって弁体２に押し付けられるため、弁体２は固定される。よって、弁体２の状態維持、すなわち流路及び流量維持のために保持電力等を必要としないため、切替弁１０１の消費電力を低減することが可能になる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２は、実施の形態１の切替弁１０１に対して、弁体２の構造を変更したものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
まず、図８及び９を使用して、この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２の構成を示す。
【００４６】
図８を参照すると、ボディ１の弁孔１ａには、実施の形態１と同様にして、弁孔１ａの内周面と整合する円柱形状をした弁体２２が挿入されている。弁体２２は、弁孔１ａ内において、その円柱部２２ｃの円周方向に回転自在であり、この回転の中心軸方向に摺動自在となっている。
また、弁体２２には、弁体２２を貫通して弁体２２の円柱部２２ｃの両端面を連通する連通孔２２ｄが弁体２の回転中心軸に沿って形成されている。これにより、弁孔１ａと弁体２２の円柱部２２ｃの両端面とによって形成される空間１ａａ及び１ａｂは連通孔２２ｄによって連通するため、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体には、弁孔１ａ内における弁体２２の摺動により、圧縮力及び負圧力が発生しない。従って、弁体２２は、空間１ａａ及び１ａｂ内の流体によって、その摺動に対して抵抗を受けない。
【００４７】
さらに、弁体２２の円柱部２２ｃの表面において、弁体２２の回転方向である外周方向に深さが連続的に変化する三角形状の断面を有する２つのＶ字状溝２２ａ及び２２ｂが、上下方向に並んで同じ向きに形成されている。Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは弁体２２の回転中心軸と垂直な方向に延び、溝部を構成している。よって、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは弁体２２の回転方向に沿って、この回転方向と垂直な断面積が連続的に変化する形状を有している。
【００４８】
なお、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂの三角形断面は二等辺三角形の形状を有しており、この二等辺三角形の等辺部分がＶ字状溝２２ａ及び２２ｂの底面を構成している。すなわち、Ｖ字状溝２２ａ及び２２ｂは、そのＶ字状底面の頂点を通ると共に、弁体２２の回転中心軸に対して垂直な平面、つまり水平面に関して対称な形状を有している。
また、弁体２２の円柱部２２ｃ表面におけるＶ字状溝２２ａの下端とＶ字状溝２２ｂの上端との距離Ｌ２２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっている。
【００４９】
また、図９を参照すると、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅは、その中心軸は同一であるが、弁孔１ａの中心軸に対して偏芯している。さらに、第１流入路１ｂ（図８参照）及び第１流出路１ｃ（図８参照）は、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅと平行になっており、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅと同様に弁孔１ａの中心軸に対して偏芯している。
【００５０】
図８に戻ると、弁孔１ａ内において弁体２２が摺動することにより、Ｖ字状溝２２ａ及び弁孔１ａによって形成される空間である第１流路２２ａｂが第１流入路１ｂと第１流出路１ｃとを連通すると共に、第１流入路１ｂ、第１流路２２ａｂ及び第１流出路１ｃは第１流体通路Ｃ１２を構成する。また、Ｖ字状溝２２ｂ及び弁孔１ａによって形成される空間である第２流路２２ｂｂが第２流入路１ｄと第２流出路１ｅとを連通すると共に、第２流入路１ｄ、第２流路２２ｂｂ及び第２流出路１ｅは第２流体通路Ｃ２２を構成する。なお、弁体２２の円柱部２２ｃ表面におけるＶ字状溝２２ａの下端とＶ字状溝２２ｂの上端との距離Ｌ２２は、弁孔１ａに対する第１流入路１ｂの開口上端と第２流入路１ｄの開口下端との距離Ｌ１より大きくなっているため、弁孔１ａ内における弁体２２の摺動により、第１流体通路Ｃ１２及び第２流体通路Ｃ２２のいずれか一方のみが連通する。
【００５１】
さらに、第１流体通路Ｃ１２及び第２流体通路Ｃ２２はそれぞれ、第１流路２２ａｂ及び第２流路２２ｂｂの流路断面積をその流路断面積とする。
そこで、図９を参照すると、第２流路２２ｂｂは、その流路断面積を、第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅの中心軸に垂直な平面のうちで最小断面部の面積としており、例えば、状態（ａ９）及び（ｂ９）に示す状態においては、それぞれ幅α１及びα２で示される位置における断面の断面積が流路断面積である。また、第１流路２２ａｂについても、その流路断面積の位置は第２流路２２ｂｂと同様である。
【００５２】
なお、図８に戻り、流体が第１流路２２ａｂ或いは第２流路２２ｂｂを通過する際、流体の圧力は、弁体２２に対して、そのＶ字状溝２２ａ或いは２２ｂの２つの底面、すなわち上下方向に対称になった底面に作用するため、弁体２２に作用する上下方向の力は相殺され、バランスがとられている。つまり、弁体２２は、いわゆる圧力バランス形状を有している。よって、弁体２２は、流体の圧力により上下方向に力を受けないため、その摺動及び回転動作において流体の圧力による影響を受けない。
また、この実施の形態２に係る切替弁１０２のその他の構造は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５３】
次に、図８〜１０を使用して、この発明の実施の形態２に係る切替弁１０２の動作を示す。
まず、図８〜１０を参照して、弁体２２の動作を示す。
図９を参照すると、状態（ａ９）及び（ｂ９）に示す状態は、Ｖ字状溝２２ｂが第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを連通した状態、すなわち切替弁１０２において第２流体通路Ｃ２２（図８参照）が連通された状態である。このとき、第２流路２２ｂｂは、状態（ａ９）に示す状態においては流路幅が幅α１である位置における断面積、また、状態（ｂ９）に示す状態においては流路幅が幅α２である位置における断面積が流路断面積である。
【００５４】
そこで、弁体２２の円柱部２２ｃの表面に対するＶ字状溝２２ｂの深さが最大となる部位２２ｂｃが第２流路２２ｂｂの流路幅α１を形成する状態、すなわち状態（ａ９）に示す状態において、第２流路２２ｂｂはその流路断面積を最大とし、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最大となる。また、このときの第２流路２２ｂｂの流路断面積を構成する幅α１の位置での流路断面は、図１０の状態（ａ１０）において斜線で示される断面２２ｂｄによって示される。
【００５５】
また、実施の形態１と同様にして、駆動装置９（図８参照）の制御のもと振動アクチュエータ１０（図８参照）を作動させて、この状態から弁体２２を方向Ｐに回転させると、第２流路２２ｂｂはその流路幅を連続的に減少する。さらに、状態（ｂ９）に示す状態において、第２流路２２ｂｂはその流路幅を幅α２として、その流路断面積を最小とする、すなわち第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最小となる。なお、状態（ｂ９）に示す状態は、弁孔１ａの部位１ａｃにおいて弁体２２と弁孔１ａとのシールが可能な状態で、弁体２２を方向Ｐに最大限まで回転させた状態である。また、このときの第２流路２２ｂｂの流路断面積を構成する幅α２の位置での流路断面は、図１０の状態（ｂ１０）において斜線で示される断面２２ｂｅによって示される。
【００５６】
従って、弁体２２は状態（ａ９）に示す状態及び状態（ｂ９）に示す状態の間において回転することによって、第２流路２２ｂｂの開度が調整され、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が調整される。すなわち、弁体２２が状態（ａ９）に示す状態から状態（ｂ９）に示す状態に向かって方向Ｐに回転されると、第２流路２２ｂｂの流路断面積と共に、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最大値から最小値に向かって連続的になだらかに減少する。また、弁体２２は、状態（ｂ９）に示す状態から状態（ａ９）に示す状態に向かって方向Ｑに回転されると、第２流路２２ｂｂの流路断面積と共に、第２流体通路Ｃ２２（図８参照）の流量が最小値から最大値に向かって連続的になだらかに増加する。
なお、弁体２２を状態（ａ９）に示す状態から方向Ｑに回転させた場合も、第２流路２２ｂｂの流路断面積及び第２流体通路Ｃ２２の流量は同様に変化する。
【００５７】
また、図８を参照すると、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２２を鉛直下方向に摺動させると、第２流体通路Ｃ２２は弁体２２によって遮断され、第１流体通路Ｃ１２が連通する。すなわち、第１流路２２ａｂによって第１流入路１ｂ及び第１流出路１ｃが連通する。さらに、弁体２２を回転させることにより、第１流体通路Ｃ１２の流量は、第２流体通路Ｃ２２の連通時と同様に、連続的に変化する。
【００５８】
従って、切替弁１０２は第１流入路１ｂ及び流出路１ｃを有する第１流体通路Ｃ１２、並びに第２流入路１ｄ及び第２流出路１ｅを有する第２流体通路Ｃ２２のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を調整するものである。
また、この実施の形態２に係る切替弁１０２のその他の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５９】
このように、実施の形態２に係る切替弁１０２において、上記実施の形態１の切替弁１０１と同様な効果が得られる。
また、弁体２２のＶ字状溝２２ａ，２２ｂは、弁体２２の回転中心軸に対して垂直な面、すなわち水平方向の面に関して対称な三角形状の断面形状を有する。よって、Ｖ字状溝２２ａ，２２ｂにかかる流体の圧力は、上下方向で相殺されるため、弁体２２は流体の圧力によって上下方向に力を受けず、弁孔１ａ内において摺動方向に押し付けられることがない。すなわち、弁体２２は圧力バランス形状を有している。従って、流体の圧力の大きさによって弁体２２を摺動及び回転させる駆動力が影響を受けないため、高圧流体の流通時においても、小さい駆動力による弁体２２の摺動及び回転動作を可能にする。よって、駆動力の小さくてすむ小型の振動アクチュエータ１０の使用が可能となるため、切替弁１０２のさらなる小型化を図ることができる。
【００６０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３は、実施の形態１の切替弁１０１に対して、ボディ１に形成された流入路の構成を変更したものである。
まず、図１１を使用して、この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３の構成を示す。
切替弁１０３のボディ３１には、実施の形態１と同様にして、円筒形状の弁孔３１ａが形成されている。
また、ボディ３１には、弁孔３１ａの中心軸に対して垂直な方向に延び、弁孔３１ａをボディ３１の外部にそれぞれ連通する第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅが形成されている。第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅは、円形断面を有すると共に互いに同形状であり、それらの中心軸を同一として弁孔３１ａの中心軸と垂直に交わっている。
【００６１】
さらに、第２流入路３１ｄ及び第２流出路３１ｅのそれぞれの上方には、これらと平行に、円形断面を有する第１流入路３１ｂ及び第１流出路３１ｃが形成されている。第１流入路３１ｂは弁孔３１ａからボディ３１内部の途中まで延びている。また、第１流出路３１ｃは、弁孔３１ａをボディ１の外部に連通するように延びている。なお、第１流入路３１ｂ及び第１流出路３１ｃは、弁孔３１ａに対する開口断面が同形状であり、さらに中心軸を同一として弁孔３１ａの中心軸と垂直に交わっている。
また、ボディ３１には、その上面より鉛直下方に延びる第３流入路３１ｇが形成されている。第３流入路３１ｇは、第１流入路３１ｂと同じ断面形状を有しており、第１流入路３１ｂと第２流入路３１ｄとを連通する。さらに、第３流入路３１ｇの上端は、シール機能を有するキャップ３３により密封されている。
なお、弁体２の流路２ａの下端と流路２ｂの上端との距離Ｌ２は、弁孔３１ａに対する第１流入路３１ｂの開口上端と第２流入路３１ｄの開口下端との距離Ｌ３１より大きくなっている。
【００６２】
よって、弁孔３１ａ内において弁体２が摺動することにより、第１流路２ａが第１流入路３１ｂと第１流出路３１ｃとを連通すると共に、第２流入路３１ｄ、第３流入路３１ｇ、第１流入路３１ｂ、第１流路２ａ及び第１流出路３１ｃは第１流体通路Ｃ１３を構成する。また、第２流路２ｂが第２流入路３１ｄと第２流出路３１ｅとを連通すると共に、第２流入路３１ｄ、第２流路２ｂ及び第２流出路３１ｅは第２流体通路Ｃ２３を構成する。なお、弁体２の第１流路２ａの下端と第２流路２ｂの上端との距離Ｌ２が、弁孔３１ａに対する第１流入路３１ｂの開口上端と第２流入路３１ｄの開口下端との距離Ｌ３１より大きくなっているため、弁孔３１ａ内における弁体２の摺動により、第１流体通路Ｃ１３及び第２流体通路Ｃ２３のいずれか一方のみが連通する。
また、この実施の形態３に係る切替弁１０３のその他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
次に、図１１を使用して、この発明の実施の形態３に係る切替弁１０３の動作を示す。
図示しないサージタンクより供給された気体による流体が、切替弁１０３に対して、第２流入路３１ｄより流入する。弁体２が図１１に示す状態にあるとき、第１流入路３１ｂが弁体２によって塞がれるため、第２流入路３１ｄに流入した流体は、第２流路２ｂを介して第２流出路３１ｅより切替弁１０３の外部に流出される。すなわち、第２流入路３１ｄに流入した流体は、連通した第２流体通路Ｃ２３を流通する。さらに、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２を回転させることにより、第２流体通路Ｃ２３の流路断面積、すなわち流量が最大流量〜０まで調整される。
【００６４】
また、実施の形態１と同様にして、駆動装置９の制御のもと、振動アクチュエータ１０を作動させて弁体２を鉛直下方向に摺動させると、第２流体通路Ｃ２３の連通が弁体２によって遮断され、第１流体通路Ｃ１３が連通する。すなわち、第２流入路３１ｄに流入した流体は、第３流入路３１ｇ、第１流入路３１ｂ及び第１流路２ａを介して第１流出路３１ｃより切替弁１０３の外部に流出される。さらに、弁体２を回転させることによって、第１流体通路Ｃ１３の流量が最大流量〜０まで調整される。
【００６５】
従って、切替弁１０３は、１つの第２流入路３１ｄから２つに分岐する第１流体通路Ｃ１３及び第２流体通路Ｃ２３のいずれかを選択して連通させると共に、その流量を最大流量〜０まで調整するものである。
また、この実施の形態３に係る切替弁１０３のその他の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
このように、実施の形態３における切替弁１０３において、上記実施の形態１の切替弁１０１と同様な効果が得られる。
【００６６】
また、実施の形態１〜３においては、弁体２，２２が直線往復動作することにより、第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３の連通と第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の連通とを切り替え、弁体２，２２が回転動作することにより、連通した第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３或いは第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の流量を調整していた。しかしながら、これらは逆であってもよく、弁体２，２２が回転動作することにより、第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３の連通と第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の連通とを切り替え、弁体２，２２が直線往復動作することにより、連通した第１流体通路Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３或いは第２流体通路Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３の流量を調整してもよい。
また、実施の形態１〜３においては、振動アクチュエータ１０の当接部としての凸部１０ｂａに楕円運動をさせたが、弁体２，２２に対して、その円柱部２ｃ，２２ｃの軸方向の摺動及び円周方向の回転をさせる振動であればよい。方向Ｐ１１，Ｑ１１の楕円運動もｙｚ面内に限らずｘ軸成分を持った運動でも良く、また、方向Ｐ１２，Ｑ１２の楕円運動もｘｚ面内に限らず、ｙ軸成分を持った運動でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図２】図１の弁体を９０°回転させた状態の切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面の模式図である。
【図４】図１の弁体を摺動させた状態の切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図５】図１の振動アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図６】図５の振動アクチュエータの圧電素子に係る構成を示す部分断面図である。
【図７】図５の振動アクチュエータで用いられた圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る切替弁の構成を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１，３１ ボディ（弁本体）、１ａ，３１ａ 弁孔、１ｂ，３１ｂ 第１流入路、１ｃ，３１ｃ 第１流出路、１ｄ，３１ｄ 第２流入路、１ｅ，３１ｅ 第２流出路、２，２２ 弁体、２ａ 第１流路（流路、貫通穴）、２２ａｂ 第１流路、２ｂ 第２流路（流路、貫通穴）、２２ｂｂ 第２流路、２ｃ，２２ｃ 円柱部、８ バネ（弾性部材）、１０ 振動アクチュエータ、１０ｂａ 凸部（当接部）、１１，１２，１３ 圧電素子部（圧電素子）、２２ａ，２２ｂ Ｖ字状溝（溝部）、３１ｇ 第３流入路、１０１，１０２，１０３ 切替弁、Ｃ１，Ｃ１２，Ｃ１３ 第１流体通路、Ｃ２，Ｃ２２，Ｃ２３ 第２流体通路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの流体通路を有する弁本体と、
前記弁本体の内部において前記弁本体に設けられた弁孔に収容され、異なる２つの動きが可能である円柱状の円柱部をもつ弁体とを有し、
前記流体通路は、前記弁孔において前記弁体によって形成される流路と流入路と流出路とをもち、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの一方により、前記少なくとも２つの流体通路のうちの少なくとも１つの流体通路において、前記流路が前記流入路と前記流出路との連通と非連通を切替し、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの他方により、連通した前記少なくとも１つの流体通路の前記流路の流路断面積が変更されて、連通した前記少なくとも１つの前記流体通路の開度が調整される切替弁であって、
前記弁本体の内部に設けられ、圧電素子を有する振動アクチュエータであって、前記弁体に当接する当接部を有すると共に、前記圧電素子の振動により、前記弁体に前記異なる２つの動きを行わせる振動アクチュエータ
を備える切替弁。
【請求項２】
前記振動アクチュエータは、
前記当接部が前記圧電素子の振動により楕円運動を行う
請求項１に記載の切替弁。
【請求項３】
前記弁本体は、
前記弁本体の内部に弾性部材を有し、
前記弾性部材は、
前記振動アクチュエータの前記当接部を前記弁体に押し付ける
請求項１または２に記載の切替弁。
【請求項４】
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの前記一方が、前記弁体の前記円柱部の軸方向の直線往復動作であり、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの前記他方が、前記弁体の前記円柱部の円周方向の回転動作である
請求項１〜３のいずれか一項に記載の切替弁。
【請求項５】
前記弁体は、
前記円柱部に、前記円柱部を貫通する貫通穴が設けられ、
前記貫通穴は前記流体通路の前記流路を形成する
請求項４に記載の切替弁。
【請求項６】
前記弁体は、
前記円柱部に、前記弁体の前記回転動作の方向に沿って設けられた溝部を有し、
前記溝部は、
前記弁孔と共に前記流体通路の前記流路を形成し、
前記弁体の前記回転動作の方向に沿って、前記回転動作の方向と垂直な断面積が変化する
請求項４に記載の切替弁。
【請求項７】
前記弁体の前記溝部は、前記弁体の前記円柱部の前記軸方向に対して垂直な面に関して対称な断面形状を有する
請求項６に記載の切替弁。
【請求項１】
少なくとも２つの流体通路を有する弁本体と、
前記弁本体の内部において前記弁本体に設けられた弁孔に収容され、異なる２つの動きが可能である円柱状の円柱部をもつ弁体とを有し、
前記流体通路は、前記弁孔において前記弁体によって形成される流路と流入路と流出路とをもち、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの一方により、前記少なくとも２つの流体通路のうちの少なくとも１つの流体通路において、前記流路が前記流入路と前記流出路との連通と非連通を切替し、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの他方により、連通した前記少なくとも１つの流体通路の前記流路の流路断面積が変更されて、連通した前記少なくとも１つの前記流体通路の開度が調整される切替弁であって、
前記弁本体の内部に設けられ、圧電素子を有する振動アクチュエータであって、前記弁体に当接する当接部を有すると共に、前記圧電素子の振動により、前記弁体に前記異なる２つの動きを行わせる振動アクチュエータ
を備える切替弁。
【請求項２】
前記振動アクチュエータは、
前記当接部が前記圧電素子の振動により楕円運動を行う
請求項１に記載の切替弁。
【請求項３】
前記弁本体は、
前記弁本体の内部に弾性部材を有し、
前記弾性部材は、
前記振動アクチュエータの前記当接部を前記弁体に押し付ける
請求項１または２に記載の切替弁。
【請求項４】
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの前記一方が、前記弁体の前記円柱部の軸方向の直線往復動作であり、
前記弁体の前記異なる２つの動きのうちの前記他方が、前記弁体の前記円柱部の円周方向の回転動作である
請求項１〜３のいずれか一項に記載の切替弁。
【請求項５】
前記弁体は、
前記円柱部に、前記円柱部を貫通する貫通穴が設けられ、
前記貫通穴は前記流体通路の前記流路を形成する
請求項４に記載の切替弁。
【請求項６】
前記弁体は、
前記円柱部に、前記弁体の前記回転動作の方向に沿って設けられた溝部を有し、
前記溝部は、
前記弁孔と共に前記流体通路の前記流路を形成し、
前記弁体の前記回転動作の方向に沿って、前記回転動作の方向と垂直な断面積が変化する
請求項４に記載の切替弁。
【請求項７】
前記弁体の前記溝部は、前記弁体の前記円柱部の前記軸方向に対して垂直な面に関して対称な断面形状を有する
請求項６に記載の切替弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２７５８８４（Ｐ２００９−２７５８８４Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２９９４７（Ｐ２００８−１２９９４７）
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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