JP2003199366A - ピエゾアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型化せずにストロークを伸ばすことが可能
なピエゾアクチュエータを提供する。 【解決手段】 ピエゾスタック１８と作動対象部４との
間に作動量増幅装置２１を設け、この作動量増幅装置２
１が、ピエゾスタック１８側に配置された押さえ板体２
３と、作動対象部４側に配置されかつ前記押さえ板体２
３と対向するように配置された受け板体２４と、前記押
さえ板体２３に力点ａが当接し、前記受け板体２４に作
用点ｂが当接するように配置されたてこ体２５とを備え
ており、前記てこ体２５が、その支点ｃを含む屈曲部２
８と、この屈曲部２８から二股に別れて延び、かつ互い
に長さの異なる短脚２９および長脚３０とからなるほぼ
への字形状の部材であり、前記短脚２９の先端部に前記
力点ａが形成され、前記長脚３０の先端部に前記作用点
ｂが形成され、前記てこ体２５が支点ｃ回りに回動する
ように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、液体や気
体などの流体の流量を制御する制御弁を作動するためな
どに使用されるピエゾアクチュエータ、さらに詳しく
は、積層されたピエゾ素子に電圧を印加することによっ
て生じる圧電歪力を利用して作動対象部を作動させるピ
エゾアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のピエゾアクチュエータとして、ピ
エゾ素子を積層してなるピエゾスタックを、これとほぼ
同じ長さの筒状のケース内に収容し、前記ピエゾスタッ
クの下端側に作動対象部を配置するものがあり、前記ピ
エゾスタックに電圧を印加すると、圧電現象によって各
ピエゾ素子がそれぞれ歪み、この歪みの伝達により、前
記作動対象部が上下方向に変位するように構成してあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の構成か
らなるピエゾアクチュエータでは、通常、前記作動対象
部の変位量（ストローク）が小さく、数十ミクロンのス
トロークを得るのが最大であった。そのため、前記スト
ロークを長くするには、ピエゾ素子の積層枚数を増やし
ピエゾスタックを長くする手法が用いられていたのであ
るが、この場合、ピエゾアクチュエータが大型化してし
まうという問題があった。

【０００４】この発明は上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的は、大型化せずにストロークを伸ばす
ことが可能なピエゾアクチュエータを提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のピエゾアクチュエータは、ピエゾスタッ
クと作動対象部との間に作動量増幅装置を設け、この作
動量増幅装置が、ピエゾスタック側に配置された押さえ
板体と、作動対象部側に配置されかつ前記押さえ板体と
対向するように配置された受け板体と、前記押さえ板体
に力点が当接し、前記受け板体に作用点が当接するよう
に配置されたてこ体とを備えており、前記てこ体が、そ
の支点を含む屈曲部と、この屈曲部から二股に別れて延
び、かつ互いに長さの異なる短脚および長脚とからなる
ほぼへの字形状の部材であり、前記短脚の先端部に前記
力点が形成され、前記長脚の先端部に前記作用点が形成
され、前記てこ体が支点回りに回動するように構成した
（請求項１）。

【０００６】また、ピエゾスタックと作動対象部との間
に作動量増幅装置を設け、この作動量増幅装置が、ピエ
ゾスタック側に配置された押さえ板体と、作動対象部側
に配置されかつ前記押さえ板体と対向するように配置さ
れた受け板体と、前記押さえ板体に力点が当接し、前記
受け板体に作用点が当接するように配置されたてこ体と
を備えており、前記てこ体が、前記力点を含む屈曲部
と、この屈曲部から二股に別れて延び、かつ互いに長さ
の異なる短脚および長脚とからなるほぼへの字形状の部
材であり、前記短脚の先端部に支点が形成され、前記長
脚の先端部に前記作用点が形成され、前記てこ体が支点
回りに回動するように構成したとしてもよい（請求項
２）。

【０００７】さらに、前記てこ体が複数設けられてお
り、各てこ体の力点が、平面視において、前記押さえ板
体の中心を中心とする一つの円の円周上に円周を当分す
る位置にあり、また、各てこ体の作用点が、平面視にお
いて、前記受け板体の中心を中心とする別の円の円周上
に円周を当分する位置にあるとしてもよい（請求項
３）。この場合には、複数のてこ体から受け板体への力
の伝達が均等に行われ、ピエゾスタックの変位を、受け
板体ひいては作動対象部へとスムーズに伝達することが
可能となる。

【０００８】また、４つの前記てこ体が、平面視におい
てほぼ井の字形状となり、かつ互いに異なる向きを向く
ように配置されているとしてもよい（請求項４）。

【０００９】上記の構成により、大型化せずにストロー
クを伸ばすことが可能なピエゾアクチュエータを提供す
ることができる。すなわち、上記の構成からなるピエゾ
アクチュエータによれば、前記作動量増幅装置によって
作動対象部の変位量（ストローク）を伸ばすことがで
き、また、従来のように、ピエゾスタックのピエゾ素子
を増やす必要がないことから、大型化せず、ひいては小
型化を図ることも可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施例を、図を
参照しながら説明する。図１は、本発明の第一実施例に
係るピエゾアクチュエータＤおよびこのピエゾアクチュ
エータＤを用いた流量制御構造１の構成を概略的に示す
説明図である。ピエゾアクチュエータＤは、例えば、流
体をバイパスさせるバイパス流路および流体の流量測定
が行われるセンサ流路を並列的に設けてなるマスフロー
メータ（図示せず）と、このマスフローメータに対して
直列的に設けられた流体の流量を制御するための流量制
御構造１とを有するマスフローコントローラにおいて、
前記流量制御構造１に設けられる。

【００１１】前記流量制御構造１は、上面に平面視ほぼ
円形状の弁口２および導出口３を有する本体ブロックＡ
と、前記弁口２に対向するように配置される弁体４を有
するとともに、前記弁口２および導出口３の上方に閉塞
された連通空間５を形成する弁ブロックＢと、この弁ブ
ロックＢを前記本体ブロックＡ側、すなわち下方側へと
押さえて固定するための押さえブロックＣと、この押さ
えブロックＣの上部に連結される前記ピエゾアクチュエ
ータＤとを備えている。

【００１２】前記本体ブロックＡは、例えば、ステンレ
ス鋼などよりなり、本体ブロックＡ内に流体を導入する
ための流体入口６と、流体を本体ブロックＡの下流側へ
と導出するための流体出口７と、前記流体入口６を上流
部に有し、前記弁口２を下流部に有する上流側流路８
と、前記導出口３を上流部に有し、前記流体出口３を下
流部に有する下流側流路９とを有している。そして、前
記上流側流路８と下流側流路９とは、前記連通空間５を
介して連通するのであり、上流側流路８と連通空間５と
下流側流路９とで一つの流路を形成している。

【００１３】前記弁ブロックＢは、中央部分に平面視ほ
ぼ円形状の切り欠き部１０ａを有するブロック体部分１
０と、このブロック体部分１０の前記切り欠き部１０ａ
を上下に挿通するように配置される前記弁体４と、この
弁体４から前記ブロック体部分１０の内周縁部にかけて
設けられるダイヤフラム１１とを有している。そして、
弁ブロックＢは、その下面側において、前記切り欠き部
１０ａよりも外側に配置されるシール部材１２を介して
前記本体ブロックＡの上面側に載置される。なお、前記
切り欠き部１０ａの上側は、前記ダイヤフラム１１と弁
体４とで閉塞された状態となる。

【００１４】前記弁体４は、下部にほぼ円柱形状の大径
部分４ａを有しており、上部にほぼ円柱形状で、径が前
記大径部分４ａよりも小さい小径部分４ｂを有してい
る。また、弁体４の上面部には、例えばほぼ円錐状の凹
入部４ｃが設けられており、さらに、弁体４の上部外周
には、例えば割りピンなどからなるバネ止め部材４ｄが
固定されている。なお、前記ダイヤフラム１１は、前記
大径部分４ａの上端から前記切り欠き部１０ａの内周縁
部上端にかけて連設されているのである。

【００１５】前記押さえブロックＣは、ほぼ円筒形状に
形成された筒部１３と、この筒部の外周側に連設された
フランジ部１４とからなる。そして、押さえブロックＣ
は、前記弁ブロックＢの上面側に載置された状態で、前
記フランジ部１４と前記弁ブロックＢのブロック体部分
１０とを挿通する連結部材（例えば、ねじやビスなど）
１５，１５…によって、弁ブロックＢとともに前記本体
ブロックＡに固定される。

【００１６】前記筒部１３は、その内壁から内側に向け
て突出する突出部１６を有しており、この突出部１６の
内側（先端側）には、前記弁体４の小径部分４ｂが挿通
可能であり、かつ前記大径部分４ａおよびバネ止め部材
４ｄが挿通できないように形成されたバネ受け部１６ａ
が形成されている。そして、前記弁体４の小径部分４ｂ
の外周側において、前記バネ受け部１６ａとバネ止め部
材４ｄとの間には、前記バネ止め部材４ｄを上方に付勢
する付勢部材（例えば、スプリングなど）１７が設けら
れている。

【００１７】前記ピエゾアクチュエータＤは、ピエゾ素
子を積層してなるピエゾスタック１８と、このピエゾス
タック１８とほぼ同じ長さに形成され、ピエゾスタック
１８を内部に収容する筒状で金属製のケース１９と、こ
のケース１９の上端部に固定されるキャップ２０と、前
記ピエゾスタック１８および作動対象部となる前記弁体
４の間に設けられる作動量増幅装置２１とを備えてい
る。

【００１８】また、前記ピエゾスタック１８の上部に
は、前記キャップ２０を挿通する状態で、ピエゾスタッ
ク１８に所定の電圧を印加するための給電線２２が設け
られている。さらに、ピエゾスタック１８の下面側に
は、例えば、ほぼ円錐状の凹入部１８ａが形成されてい
る。

【００１９】前記作動量増幅装置２１は、ピエゾスタッ
ク１８側に配置された押さえ板体２３と、作動対象部
（弁体４）側に配置されかつ前記押さえ板体２３と対向
するように配置された受け板体２４と、前記押さえ板体
２３に力点ａが当接し、前記受け板体２４に作用点ｂが
当接するように配置されたてこ体２５，２５…とを備え
ている。

【００２０】前記押さえ板体２３は、ほぼ板状の部材で
あり、上面に例えばほぼ円錐状の凹入部２３ａを有して
いる。そして、この凹入部２３ａと前記ピエゾスタック
１８の凹入部１８ａとの間には、両者２３ａ，１８ａに
よって挟持される球体２６が設けられている。

【００２１】前記受け板体２４は、ほぼ板状の部材であ
り、下面に例えばほぼ円錐状の凹入部２４ａを有してい
る。そして、この凹入部２４ａと前記弁体４の凹入部４
ｃとの間には、両者２４ａ，４ｃによって挟持される球
体２７が設けられている。

【００２２】図２は、前記てこ体２５の構成を概略的に
示す説明図である。前記てこ体２５は、その支点ｃを含
む屈曲部２８と、この屈曲部から二股に別れて延び、か
つ互いに長さの異なる短脚２９および長脚３０とからな
るほぼへの字形状の部材であり、前記短脚２９の先端部
に前記力点ａが形成され、前記長脚３０の先端部に前記
作用点ｂが形成されているのであり、このような構成か
らなるてこ体２５は、前記支点ｃ回りに回動する。

【００２３】前記押さえ板体２３およびてこ体２５，２
５…は、ほぼ筒状に形成された筒体３１の内部に収容さ
れる。この筒体３１は、上部が前記ケース１９の下部に
連結され、下部が前記押さえブロックＣの筒部１３の上
部に連結される。

【００２４】前記受け板体２４は、前記押さえブロック
Ｃの筒部１３の上部付近に配置される。

【００２５】図３は、前記作動量増幅装置２１の要部の
構成を概略的に示す横断面図である。前記てこ体２５は
４つ設けられており、各てこ体２５は以下のように配置
されている。すなわち、各てこ体２５の力点ａが、平面
視において、前記押さえ板体２３の中心を中心とする一
つの円の円周上において円周を当分する位置に常にあ
り、また、各てこ体２５の作用点ｂが、平面視におい
て、前記受け板体２４の中心を中心とする別の円の円周
上において円周を当分する位置に常にあるように配置さ
れているのであり、図３に示すように、４つの前記てこ
体２５，２５…は、平面視においてほぼ井の字形状とな
り、かつ互いに異なる向きを向くように配置されてい
る。

【００２６】なお、各てこ体２５の長脚３０は、他のて
こ体２５を回避するために、湾曲した形状となってい
る。

【００２７】前記筒体３１の内部には、各てこ体２５の
屈曲部２８を挿通するピン部材３２が４つ設けられてい
る。そして、各ピン部材３２は、前記押さえ板体２３お
よび受け板体２４と平行な方向を向くように配置されて
いる。

【００２８】次に、上記の構成からなる流量制御構造１
の動作について説明する。まず、前記ピエゾアクチュエ
ータＤのピエゾスタック１８に給電線２２を介して所定
の電圧を印加すると、圧電現象によって各ピエゾ素子が
それぞれ歪む。この歪みは、ピエゾスタック１８の上端
がケース１９の上側に設けられたキャップ２０によって
固定されていることから、下方に伝達される。その結
果、ピエゾスタック１８の下端に作動量増幅装置２１を
介して連結された作動対象部としての弁体４が下方に変
位するのである。

【００２９】そして、前記弁体４に変位となって伝達さ
れるピエゾスタック１８の歪みは、前記作動量増幅装置
２１により、増幅されることになる。詳しくは、まず、
ピエゾスタック１８の歪みは、前記球体２６を介して、
前記押さえ板体２３に上下方向の変位として伝達する。
そして、押さえ板体２３の変位量は、前記てこ体２５，
２５…により増幅されて受け板体２４に伝達されるので
ある。

【００３０】すなわち、前記てこ体２５において、前記
力点ａから支点ｃまでの距離をＸ、作用点ｂから支点ｃ
までの距離をＹとすると、押さえ板体２３の変位量は、
てこの原理により、Ｙ／Ｘ倍だけ増幅されることになる
のであり、その増幅倍率を、例えば、２〜５倍となるよ
うに設定すればよい。

【００３１】そして、受け板体２４の変位量は、前記球
体２７を介して、弁体４に伝達される。

【００３２】上述のようにしてピエゾアクチュエータＤ
の作動が弁体４に伝達されることにより、前記弁口２に
対する弁体４の塞ぎ度合い、すなわち弁口２の開き度合
いが調整され、上流側流路８および下流側流路９を流れ
る流体の流量が調整されることになる。

【００３３】上記の構成からなるピエゾアクチュエータ
Ｄによれば、前記作動量増幅装置２１によって作動対象
部の変位量（ストローク）を伸ばすことができ、また、
従来のように、ピエゾスタック１８のピエゾ素子を増や
す必要がないことから、大型化せず、ひいては小型化を
図ることも可能となる。

【００３４】また、各てこ体２５の力点ａが、平面視に
おいて、前記押さえ板体２３の中心を中心とする一つの
円の円周上に円周を当分する位置にあり、また、各てこ
体２５の作用点ｂが、平面視において、前記受け板体２
４の中心を中心とする別の円の円周上に円周を当分する
位置にあることから、複数のてこ体２５，２５…から受
け板体２４への力の伝達が均等に行われ、ピエゾスタッ
ク１８の変位を、受け板体２４ひいては作動対象部（弁
体４）へとスムーズに伝達することが可能となる。

【００３５】さらに、前記ピエゾアクチュエータＤを、
上述したように、流体の流量を制御するための流量制御
構造１における前記弁体４を作動対象部とするように用
いた場合には、前記ストロークを十分に伸ばすことがで
きるため、前記弁口２から弁体４を十分に離すことが可
能となり、ひいては弁口２付近における不純物の詰まり
を解消することも可能となる。

【００３６】図４は、本発明の第二実施例に係るピエゾ
アクチュエータＤ₂ およびこのピエゾアクチュエータＤ
₂ を用いた流量制御構造３３の構成を概略的に示す説明
図である。なお、上記第一実施例に示したものと同一構
造の部材については、同じ符号を付し、その説明を省略
する。ピエゾアクチュエータＤ₂ および流量制御構造３
３は、それぞれ前記ピエゾアクチュエータＤおよび前記
流量制御構造１に比して、前記作動量増幅装置２１に代
えて後述する作動量増幅装置３４を用いた点で異なる。

【００３７】前記作動量増幅装置３４は、ピエゾスタッ
ク１８側に配置された押さえ板体２３と、作動対象部
（弁体４）側に配置されかつ前記押さえ板体２３と対向
するように配置された受け板体２４’と、前記押さえ板
体２３に力点ａが当接し、前記受け板体２４’に作用点
ｂが当接するように配置されたてこ体３５，３５…とを
備えている。

【００３８】前記ケース１９の下側に、底を有する筒状
のハウジング３６が連設されており、このハウジング３
６内には、上側から順に、前記押さえ板体２３、てこ体
３５，３５…、受け板体２４’、スプリング３７が収容
されている。また、前記受け板体２４’は、その端部が
ハウジング３６の側方に突出しており、この突出した部
分が、前記押さえブロックＣの筒部１３の上部に連結さ
れた筒体３１に固定されている。

【００３９】前記てこ体３５は、前記力点ａを含む屈曲
部２８と、この屈曲部２８から二股に別れて延び、かつ
互いに長さの異なる短脚２９および長脚３０とからなる
ほぼへの字形状の部材であり、前記短脚２９の先端部下
側に支点ｃが形成され、前記長脚３０の先端部に前記作
用点ｂが形成されているのであり、このような構成から
なる前記てこ体３５は、前記支点ｃ回りに回動する。

【００４０】前記てこ体３５は４つ設けられており、そ
の配置は、前記てこ体２５と同様であるのでその説明を
省略する。

【００４１】また、前記てこ体３５は、ピン部材３２に
よって挿通されず、前記ハウジング３６の側壁に形成さ
れた係止部３６ｂに係止される。

【００４２】前記受け板体２４’とハウジング３６の底
壁との間に設けられた前記スプリング３７は、ハウジン
グ３６の底壁を下方に常時付勢する。

【００４３】前記ハウジング３６の底壁の下面には、例
えばほぼ円錐状の凹入部３６ａが形成されており、この
凹入部３６ａと前記弁体４の凹入部４ｃとの間には、両
者３６ａ，４ｃによって挟持される前記球体２７が設け
られている。

【００４４】次に、上記の構成からなる流量制御構造３
３の動作について説明する。まず、前記ピエゾアクチュ
エータＤ₂ のピエゾスタック１８に給電線２２を介して
所定の電圧を印加すると、圧電現象によって各ピエゾ素
子がそれぞれ歪む。この歪みは、ピエゾスタック１８の
上端がケース１９の上側に設けられたキャップ２０によ
って固定されていることから、下方に伝達される。その
結果、ピエゾスタック１８の下端に作動量増幅装置３４
を介して連結された作動対象部としての弁体４が下方に
変位するのである。

【００４５】そして、前記弁体４に変位となって伝達さ
れるピエゾスタック１８の歪みは、前記作動量増幅装置
３４により、増幅されることになる。詳しくは、まず、
ピエゾスタック１８の歪みは、前記球体２６を介して、
前記押さえ板体２３に上下方向の変位として伝達する。
そして、押さえ板体２３の変位は、前記てこ体３５，３
５…により増幅されて受け板体２４’に伝達されるので
あるが、このとき、前記受け板体２４’は筒体３１に固
定されていることから、結果として、前記押さえ板体２
３をピエゾアクチュエータＤ₂ 全体の上下方向の変位へ
と変換されることとなる。

【００４６】なお、前記てこ体３５において、前記力点
ａから支点ｃまでの距離をＸ、作用点ｂから支点ｃまで
の距離をＹとすると、押さえ板体２３の変位量は、てこ
の原理により、Ｙ／Ｘ倍だけ増幅されることになるので
あり、その増幅倍率を、例えば、２〜５倍となるように
設定すればよい。

【００４７】そして、ピエゾアクチュエータＤ₂ 全体の
上下方向の変位量は、前記球体２７を介して、弁体４に
伝達される。

【００４８】上述のようにしてピエゾアクチュエータＤ
₂ の作動が弁体４に伝達されることにより、前記弁口２
に対する弁体４の塞ぎ度合い、すなわち弁口２の開き度
合いが調整され、上流側流路８および下流側流路９を流
れる流体の流量が調整されることになる。

【００４９】上記の構成からなるピエゾアクチュエータ
Ｄ₂ によって得られる効果は、上記第一実施例のピエゾ
アクチュエータＤと同様であることから、その説明を省
略する。

【００５０】なお、上記二つの実施例では、前記てこ体
２５，３５をそれぞれ４つずつ設けてあるが、てこ体２
５，３５の数は４つに限るものではなく、２つ以上、望
ましくは３つ以上とすればよい。

【００５１】

【発明の効果】上記の構成からなる本発明によれば、大
型化せずにストロークを伸ばすことが可能なピエゾアク
チュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に係るピエゾアクチュエー
タおよびこのピエゾアクチュエータを用いた流量制御構
造の構成を概略的に示す説明図である。

【図２】上記実施例におけるてこ体の構成を概略的に示
す説明図である。

【図３】上記実施例における作動量増幅装置の要部の構
成を概略的に示す説明図である。

【図４】本発明の第二実施例に係るピエゾアクチュエー
タおよびこのピエゾアクチュエータを用いた流量制御構
造の構成を概略的に示す説明図である。

【符号の説明】

４…作動対象部、１８…ピエゾスタック、２１…作動量
増幅装置、２３…押さえ板体、２４…受け板体、２５…
てこ体、２８…屈曲部、２９…短脚、３０…長脚、ａ…
力点、ｂ…作用点、ｃ…支点、Ｄ…ピエゾアクチュエー
タ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾスタックと作動対象部との間に作
   動量増幅装置を設け、この作動量増幅装置が、ピエゾス
   タック側に配置された押さえ板体と、作動対象部側に配
   置されかつ前記押さえ板体と対向するように配置された
   受け板体と、前記押さえ板体に力点が当接し、前記受け
   板体に作用点が当接するように配置されたてこ体とを備
   えており、前記てこ体が、その支点を含む屈曲部と、こ
   の屈曲部から二股に別れて延び、かつ互いに長さの異な
   る短脚および長脚とからなるほぼへの字形状の部材であ
   り、前記短脚の先端部に前記力点が形成され、前記長脚
   の先端部に前記作用点が形成され、前記てこ体が支点回
   りに回動するように構成したことを特徴とするピエゾア
   クチュエータ。
2. 【請求項２】 ピエゾスタックと作動対象部との間に作
   動量増幅装置を設け、この作動量増幅装置が、ピエゾス
   タック側に配置された押さえ板体と、作動対象部側に配
   置されかつ前記押さえ板体と対向するように配置された
   受け板体と、前記押さえ板体に力点が当接し、前記受け
   板体に作用点が当接するように配置されたてこ体とを備
   えており、前記てこ体が、前記力点を含む屈曲部と、こ
   の屈曲部から二股に別れて延び、かつ互いに長さの異な
   る短脚および長脚とからなるほぼへの字形状の部材であ
   り、前記短脚の先端部に支点が形成され、前記長脚の先
   端部に前記作用点が形成され、前記てこ体が支点回りに
   回動するように構成したことを特徴とするピエゾアクチ
   ュエータ。
3. 【請求項３】 前記てこ体が複数設けられており、各て
   こ体の力点が、平面視において、前記押さえ板体の中心
   を中心とする一つの円の円周上に円周を当分する位置に
   あり、また、各てこ体の作用点が、平面視において、前
   記受け板体の中心を中心とする別の円の円周上に円周を
   当分する位置にある請求項２または３に記載のピエゾア
   クチュエータ。
4. 【請求項４】 ４つの前記てこ体が、平面視においてほ
   ぼ井の字形状となり、かつ互いに異なる向きを向くよう
   に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載のピエ
   ゾアクチュエータ。