JP2020008055A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な制御や構成で圧電素子の変位を拡大させることが可能なアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１０は、互いに連通する第１の室２１及び第２の室２２を内部に備えるアクチュエータ本体２０と、第１の室２１内を変位する加圧板３０と、第２の室２２内を変位するピストン４０と、アクチュエータ本体２０内の加圧板３０とピストン４０との間の閉じられた空間２３に封入される作動液６０と、加圧板３０の外側に位置し、電圧の印加により変位することで加圧板３０を変位させる圧電素子５０とを備え、第１の室２１は、加圧板３０の変位方向と直交する断面の面積が、第２の室２２のピストン４０の変位方向に直交する断面の面積よりも大きく、第１の室２１と第２の室２２との断面の面積比に応じて、圧電素子５０の変位量に対するピストン４０の変位量が変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、圧電素子を駆動源として変位するアクチュエータに関するものである。

従来、高精度に変位を制御する素子として、圧電素子が開発されている。圧電素子は、印加電圧に対して高精度で伸縮して変位する、いわゆる逆圧電効果と呼ばれる特性を有しており、また、発生力（圧電素子が発生しうる力）が大きいという特徴があるため、例えばアクチュエータに用いられている。

特許文献１に記載のアクチュエータは、ピストンで区画されるシリンダ内の一方の空間に、積層型の圧電素子が配置されており、積層型圧電素子はピストンに接続されている。シリンダには他方の空間に連通するＡポート，Ｂポートが設けられている。積層型圧電素子に印加する電圧のオンオフにより積層型圧電素子が変位し元に戻る往復動を行うことで、Ｂポートから流動体が吸い込まれＡポートから吐出される。Ａポートは、逆止弁を介して、ワークに作用するロッドを有するシリンダ機構に接続されており、吐出される流動体によりロッドが押されて変位する。圧電素子の往復動（振動）の回数により流動体の吐出量を調整して、ロッドを所望の位置まで変位させる。

特開平７−１１９６２５号公報

特許文献１に記載のアクチュエータにおいては、積層型圧電素子の変位をロッドで出力しているが、一般に、圧電素子の変位量は、１Ｖの印加電圧に対して数十〜数千ｐｍ（ピコメートル）と非常に小さい。このため、特許文献１においては、圧電素子を積層した積層型圧電素子を用いることで、変位量を拡大させている。また、特許文献１においては、ロッドの所望の変位量を得るために、積層型圧電素子を往復動させてシリンダから吐出する流動体の量を増加させ、ロッドの変位を拡大させている。しかし、積層型圧電素子に印加する電圧のオンオフ制御を行わなくてはならず、制御が複雑であり手間であるという問題がある。

また、積層型圧電素子を用いたアクチュエータにおいて、積層型圧電素子の変位を拡大させる機構として、例えば超音波モータ等の機械的な拡大機構を用いることが既に知られている。しかし、微小な変位を機械的に拡大するには、分解能に応じた高精度な加工を拡大機構に行う必要があり、拡大機構の構成が複雑になり製造が難しいという問題がある。

本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり、簡単な制御や構成で圧電素子の変位を拡大させることが可能なアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明によるアクチュエータは、互いに連通する第１の室及び第２の室を内部に備えるアクチュエータ本体と、前記第１の室内を変位する加圧板と、前記第２の室内を変位するピストンと、前記アクチュエータ本体内の前記加圧板と前記ピストンとの間の閉じられた空間に封入される作動液と、前記加圧板の外側に位置し、電圧の印加により変位することで前記加圧板を変位させる圧電素子とを備え、前記第１の室は、前記加圧板の変位方向と直交する断面の面積が、前記第２の室の前記ピストンの変位方向と直交する断面の面積よりも大きく、前記第１の室と前記第２の室との断面の面積比に応じて、前記圧電素子の変位量に対する前記ピストンの変位量が変化する。

圧電素子に電圧を印加すると、電圧値の大きさに応じて圧電素子が変位し、これにより加圧板に圧力が加わって加圧板が変位する。加圧板は作動液に圧力を加え、この圧力はピストンに伝わり、ピストンが変位する。パスカルの原理に基づき、ピストンの変位量は、加圧板の変位、すなわち圧電素子の変位に対して、第１の室と第２の室との断面の面積比に応じて定まる。ピストンの変位が所望の値に拡大するように、第１の室の断面の面積と第２の室との断面の面積、圧電素子に印加する電圧値とが設定される。

上記の構成によれば、圧電素子に所定値の電圧を印加して圧電素子を変位させ、この圧電素子の変位を作動液と加圧板を介してピストンに伝えるだけの簡単な制御や構成で圧電素子の変位を拡大させることができる。このため、高精度な加工が必要な機械的拡大機構や複雑な制御が不要となる。

好ましい実施形態によれば、前記圧電素子が、複数のピエゾ素子を積層した積層型圧電素子である。

好ましい実施形態によれば、前記圧電素子は、前記アクチュエータ本体の前記第１の室内に位置し、一端が前記加圧板の外側に固定され、他端が前記第１の室の内壁に固定されている。

好ましい実施形態によれば、前記第１の室及び前記第２の室は、前記加圧板の変位方向と前記ピストンの変位方向とが互いに直交するように配置されている。

好ましい実施形態によれば、前記加圧板を前記圧電素子による押圧方向と反対方向へ付勢するバネをさらに備える。

好ましい実施形態によれば、前記ピストンと連動し、導電性の接点部材を有する作動部材をさらに備える。前記作動部材は、リレーの可動端子を構成し、リレーの導電性の固定端子に前記接点部材が接触する位置と接触しない位置とを移動する。

本発明によれば、簡単な制御や構成で圧電素子の変位を拡大させることができる。

本発明のアクチュエータの原理を説明する断面図である。 本発明の一実施形態の断面図である。 図２の実施形態の（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明のアクチュエータを適用したリレーの説明図である。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明のアクチュエータ１０の原理を説明する。アクチュエータ１０は、互いに連通する第１の室２１及び第２の室２２を内部に備えたアクチュエータ本体２０と、第１の室２１内を変位可能に設けられた加圧板３０と、第２の室２２内を変位可能に設けられたピストン４０と、アクチュエータ本体２０内の加圧板３０とピストン４０との間の閉じられた空間２３に封入される作動液６０と、加圧板３０の外側に固定され、電圧の印加により変形することで加圧板３０を変位させる圧電素子５０とを備えている。本実施形態では、図１における上下方向がピストン４０、加圧板３０、圧電素子５０の変位方向Ｘであるが、ピストン４０、加圧板３０、圧電素子５０の変位方向Ｘは上下方向に限定されるものではなく、任意の方向であってもよい。

アクチュエータ本体２０は長さ方向、すなわち変位方向Ｘに対して直交する断面の形状が円形である有底の筒状体であり、第１の室２１は、一方側（本実施形態では下側）に底を備え、第２の室２２は第１の室２１に連続して形成され他方側の端部（本実施形態では上端部）が開口している。第１の室２１は、加圧板３０の変位方向Ｘと直交する断面の面積（以下、「第１の室２１の断面積Ｓ１」という。）が、第２の室２２のピストン４０の変位方向Ｘと直交する断面の面積（以下、「第２の室２２の断面積Ｓ２」という。）よりも大きく形成されている。なお、アクチュエータ本体２０の断面の形状は円形に限定されず、矩形状、多角形状、楕円形状などいずれの形状であってもよい。

加圧板３０は、円板状の板部材からなり、平面形状が第１の室２１の断面形状とほぼ等しく、第１の室２１の内壁に対して作動液６０が漏れないように密閉された状態で変位する。

圧電素子５０は、複数のピエゾ素子を積層した積層型圧電素子であり、ピエゾ素子の積層方向に変位する。圧電素子５０の一端（下端）５０ａは第１の室２１の底面２１ａに固定され、他端（上端）５０ｂは加圧板３０の外側面３０ａに固定されている。なお、本明細書において、加圧板３０の外側とは作動液６０側と反対の側を言い、図１においては加圧板３０の下側を言う。圧電素子５０には、図示しない電極が設けられ、電極には電線を介して電源が接続されている。

ピストン４０は、円柱部材からなり、第２の室２２に収容される部分の断面形状が第２の室２２の断面形状とほぼ等しく、第２の室２２の内壁に対して作動液６０が漏れないように密閉された状態で変位する。ピストン４０の先端部は第２の室２２の開口２２ａから突出している。

アクチュエータ１０の動作について説明する。圧電素子５０に印加される電圧がゼロの場合、圧電素子５０の変位量はゼロであり、圧電素子５０の上端５０ｂ、加圧板３０、ピストン４０はそれぞれ初期位置にある。圧電素子５０に所定の値の電圧を印加すると、圧電素子５０の下端５０ａが第１の室２１の底面２１ａに固定されているために、圧電素子５０は上方向へ伸び、上端５０ｂが加圧板３０を押し上げるように変位する。これより加圧板３０に圧力が加わって、圧電素子５０の上端５０ｂの変位量だけ加圧板３０が変位し、作動液６０に圧力が加わる。作動液６０に加わった圧力はピストン４０に伝わり、ピストン４０が上方向に変位する。パスカルの原理に基づき、ピストン４０の変位量Ｌ２は、次式により求めることができる。

ピストン４０の変位量Ｌ２＝加圧板３０の変位量Ｌ１×（第１の室２１の断面積Ｓ１／第２の室２２の断面積Ｓ２）

第１の室２１の断面積Ｓ１と第２の室２２の断面積Ｓ２との面積比に応じて、圧電素子５０の変位量Ｌ１すなわち加圧板３０の変位量Ｌ１に対するピストン４０の変位量Ｌ２が変化する。

例えば、第１の室２１の円形の断面の直径を１０ｍｍとすると、第１の室２１の断面積Ｓ１は、２５πｍｍ^２であり、第２の室２２の円形の断面の直径を１ｍｍとすると、０．２５πｍｍ^２であり、第１の室２１の断面積Ｓ１／第２の室２２の断面積Ｓ２＝１００となる。加圧板３０の変位量Ｌ１を１０μｍとすると、ピストン４０の変位量Ｌ２＝１０μｍ×１００＝１ｍｍとなる。

圧電素子５０に印加する電圧をゼロに戻すと、圧電素子５０の上端５０ｂは初期位置に戻り、加圧板３０を押圧する力が解除され、加圧板３０が初期位置に戻り、ピストン４０も初期位置に戻る。

上記の構成によれば、圧電素子５０に所定値の電圧を印加して圧電素子５０を変位させ、この圧電素子５０の変位を加圧板３０に作用させ、作動液６０を介してピストン４０に伝えるだけの簡単な制御や構成で圧電素子５０の変位を拡大させることができ、高精度な加工が必要な機械的拡大機構や複雑な制御が不要である。

なお、圧電素子５０の変位量は印加する電圧値によっても変化する。このため、印加電圧値を変化させることで、ピストン４０の変位量を調整してもよい。また、上記の実施形態では、圧電素子５０に印加する電圧をゼロと所定の値とのいずれかに切り替えているが、印加する電圧をゼロとはせずに圧電素子５０に常に一定値の電圧を印加し、このときのピストン４０の先端部の位置を初期位置とし、圧電素子５０にこの一定値よりもさらに高い電圧を印加してピストン４０を変位させてもよい。

図１に示すアクチュエータ１０の具体例な構成を図２、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す。図２は、図３（Ｂ）の平面図のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２、図３のアクチュエータ１００において、アクチュエータ本体２０は、第１の本体部７１と、第２の本体部８１とを有している。第１の本体部７１は、断面形状が円形の筒状部７２と、筒状部７２の一端側（図２においては右側）の開口を封鎖する封鎖部材７３とから構成されている。筒状部７２の他端側は筒状部７２の周壁と一体に形成された外壁７４により閉じられており、外壁７４の一部には第２の本体部８１の内部と連通する開口７５が設けられている。

筒状部７２の内部空間は第１の室２１であり、第１の室２１には、加圧板３０が第１の本体部７１の長さ方向（本実施形態においては図２における左右方向）に変位可能に収容されている。加圧板３０は、第１の室２１の断面形状と略同一の平面形状を有する板部材である。加圧板３０の周縁にはゴム製のパッキン３１が取り付けられ、筒状部７２の内周壁に対して作動液６０が漏れないように密閉された状態で変位可能としている。加圧板３０の外側面３０ａには、周縁から延びる円筒部３２が設けられている。円筒部３２は、加圧板３０を安定して変位させ、変位動作中に傾くのを防止している。円筒部３２の長さは、加圧板３０が変位しても円筒部３２の開放端部３２ａが封鎖部材７３に接しない長さに設定されている。なお、加圧板３０の外側とは、後述する作動液６０側と反対の側の面であり、本実施形態においては図２において加圧板３０の右側である。

加圧板３０の内側面３０ｂ、すなわち作動液６０側の面３０ｂには、後述するバネ７６を支持するための円筒状突起３３が形成されている。

圧電素子５０は、一端５０ａが、封鎖部材７３の内面に形成された凹部７３ａの底面７３ｂに固定されている。圧電素子５０の他端５０ｂは加圧板３０の外側の面３０ａの中央部に固定されている。凹部７３ａの深さは圧電素子５０の長さに合わせて設定される。封鎖部材７３には、凹部７３ａから外部に通じる貫通孔７３ｃが形成されており、貫通孔７３ｃに、圧電素子５０に電圧を印加するために圧電素子５０の電極と接続される電線５１が通されている。圧電素子５０の押圧方向は、圧電素子５０が伸びる方向であり、図２においては左方向である。

加圧板３０と外壁７４との間には、加圧板３０を圧電素子５０による押圧方向と反対方向へ付勢するバネ７６を備えている。バネ７６の一端は外壁７４に固定され、他端は加圧板３０の円筒状突起３３の内部に挿入されて加圧板３０に支持されている。バネ７６により圧電素子５０に所定の圧力を加えることで、圧電素子５０の伸びる力（発生力）を大きくすることができる。また、加圧板３０が変位動作中に傾いて圧電素子５０が伸縮する方向以外の方向から圧電素子５０に力が加わった場合であっても、この力に対する耐性が向上し、圧電素子５０が変形するのを防ぐことができる。

第２の本体部８１は、内部に断面形状が円形の第２の室２２が形成された筒状部材であり、第２の室２２にはピストン４０が第２の室２２の長さ方向（本実施形態においては図２における上下方向）に変位可能に収容されている。ピストン４０は円柱部材からなり、ピストン４０の第２の室２２に収容される部分の断面形状が第２の室２２の断面形状とほぼ等しい。

第２の本体部８１は、第１の本体部７１の外壁７４に接着やねじ止めなどの取付手段により取り付けられている。第２の本体部８１の一端側（図２における下側）であって第１の本体部７１の外壁７４に設けられた開口７５に対応する位置に開口８２が形成されている。第２の本体部８１が第１の本体部７１に取り付けられた状態で、開口７５、８２により第２の室２２と第１の室２１とが連通している。すなわち、第１の室２１と第２の室２２とは、加圧板３０の変位方向Ｙ（図２における左右方向）とピストン４０の変位方向Ｚ（図２における上下方向）とが互いに直交するように配置されている。加圧板３０とピストン４０との間の閉じられた空間２３には作動液６０が封入されている。

ピストン４０の先端部は第２の室２２の他端側に形成された開口２２ａから突出している。ピストン４０の先端部には鍔部４１が形成されており、ピストン４０が変位したときに先端部が第２の室２２に入り込むのを防いでいる。ピストン４０の先端面４０ａは平坦面となっており、アクチュエータ１００により動作される図示しない作動部材などを取り付けやすくなっている。第２の室２２の先端にはパッキン２４が設けられ、ピストン４０の外面と第２の室２２の内周面とのわずかな隙間に作動液６０が入り込んだ場合でも、作動液６０が第２の室２２から外部に漏れるのを防いでいる。

アクチュエータ１０の動作について説明する。圧電素子５０に印加される電圧がゼロの場合、圧電素子５０の変位量はゼロであり、圧電素子５０の他端５０ｂ、加圧板３０、ピストン４０はそれぞれ初期位置にある。圧電素子５０に所定の値の電圧を印加すると、圧電素子５０は、一端５０ａが封鎖部材７３に固定されているので、他端５０ｂが伸びて変位し、加圧板３０が押圧されて圧電素子５０の変位量だけ変位し、加圧板３０から作動液６０に圧力が加わる。なお、バネ７６の付勢力は圧電素子５０の変位量には影響を与えない。作動液６０に加わった圧力は第２の室２２のピストン４０の下面に伝わり、ピストン４０が上方向に変位する。パスカルの原理に基づき、ピストン４０の変位量Ｌ２は上述した式により求めることができる。第１の室２１の断面積Ｓ１と第２の室２２の断面積Ｓ２との面積比に応じて、圧電素子５０の変位量Ｌ１すなわち加圧板３０の変位量Ｌ１に対するピストン４０の変位量が変化する。

上記の構成によれば、圧電素子５０に所定値の電圧を印加して圧電素子５０を変位させ、この圧電素子５０の変位を加圧板３０に作用させ、作動液６０を介してピストン４０に伝えるだけの簡単な制御や構成で圧電素子５０の変位を拡大させることができ、高精度な加工が必要な機械的拡大機構や複雑な制御が不要である。

なお、第１の本体部７１、第１の室２１、第２の室２２の断面形状はそれぞれ円形に限定されず、矩形状、多角形状、楕円形状など、任意の形状であってもよい。

図４は、上記のアクチュエータ１００を用いたリレー２００を示す。リレー２００のベース２０１には、アクチュエータ１００が支持されるとともに、導電性を有する第１から第３の固定端子２０２〜２０４が設けられている。アクチュエータ１００のピストン４０には作動部材４２が連結されており、作動部材４２の先端には導電性の金属片からなる接点部材４３が設けられている。接点部材４３は第３の固定端子２０４と導線２０５により導通させている。接点部材４３は、第１の固定端子２０２と第２の固定端子２０３との間を移動する。

圧電素子５０に所定の電圧値を印加した場合に、ピストン４０の変位量Ｌ２が第１の固定端子２０２と第２の固定端子２０３との間の距離にほぼ等しくなるように、アクチュエータ１００の電圧値や、第１の室２１の断面積Ｓ１と第２の室２２の断面積Ｓ２との比が設定される。圧電素子５０に印加する電圧値がゼロの場合に、接点部材４３は第１の固定端子２０２と接触して導通する第１の位置Ｐ１に定位する。圧電素子５０に所定の電圧値が印加されると、接点部材４３は移動して第２の固定端子２０３と接触して導通する第２の位置Ｐ２に定位される。圧電素子５０にゼロより大きく所定の電圧値より小さい電圧が印加されると、接点部材４３は第１の固定端子２０２と第２の固定端子２０３との間であって、第１の固定端子２０２及び第２の固定端子２０３のいずれにも接触しない第３の位置Ｐ３に移動して定位する。

このように本発明に係るアクチュエータ１００を有するリレー２００は、圧電素子５０に電圧を印加することで接点部材４３を第２の位置Ｐ２、第３の位置Ｐ３に移動させるが、この第２の位置Ｐ２、第３の位置Ｐ３に接点部材４３を保持するために圧電素子５０に電圧を印加するが、このときに流れる電流は圧電素子５０の漏れ電流のみであるため、消費電力が小さくてすむ。特に、従来の電磁リレー２００の場合には、コイルに電流を流して可動接点を所定の位置に保持するため、大きいコイル電流が必要となるが、本発明に係るアクチュエータ１００を有するリレー２００は、従来の電磁リレー２００に比べて消費電力が小さくなる。

また、本発明に係るアクチュエータ１００は、ソレノイドバルブ（電磁弁）に対して用いることもできる。従来のソレノイドバルブはプランジャをソレノイドコイルにより駆動させることで通路を開閉するものであるが、プランジャを本発明のアクチュエータ１００のピストン４０に連結してプランジャを駆動する。本発明に係るアクチュエータ１００は、リレーやソレノイドバルブに限らず、他の用途にも使用可能である。

以上、本発明の一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ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１０、１００ アクチュエータ
２０ アクチュエータ本体
２１ 第１の室
２２ 第２の室
２３ 加圧板とピストンとの間の閉じられた空間
３０ 加圧板
４０ ピストン
４２ 作動部材
５０ 圧電素子
６０ 作動液
７６ バネ
２００ リレー
２０２〜２０４ 固定端子
Ｓ１ 第１の室の断面積
Ｓ２ 第２の室の断面積
Ｌ１ 加圧板の変位量、圧電素子の変位量
Ｌ２ ピストンの変位量

Claims (6)

1. 互いに連通する第１の室及び第２の室を内部に備えるアクチュエータ本体と、
   前記第１の室内を変位する加圧板と、
   前記第２の室内を変位するピストンと、
   前記アクチュエータ本体内の前記加圧板と前記ピストンとの間の閉じられた空間に封入される作動液と、
   前記加圧板の外側に位置し、電圧の印加により変位することで前記加圧板を変位させる圧電素子とを備え、
   前記第１の室は、前記加圧板の変位方向と直交する断面の面積が、前記第２の室の前記ピストンの変位方向と直交する断面の面積よりも大きく、
   前記第１の室と前記第２の室との断面の面積比に応じて、前記圧電素子の変位量に対する前記ピストンの変位量が変化するアクチュエータ。
2. 前記圧電素子が、複数のピエゾ素子を積層した積層型圧電素子である請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記圧電素子は、前記アクチュエータ本体の前記第１の室内に位置し、一端が前記加圧板の外側に固定され、他端が前記第１の室の内壁に固定されている請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１の室及び前記第２の室は、前記加圧板の変位方向と前記ピストンの変位方向とが互いに直交するように配置されている請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記加圧板を前記圧電素子による押圧方向と反対方向へ付勢するバネをさらに備える請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記ピストンと連動し、導電性の接点部材を有する作動部材をさらに備え、
   前記作動部材は、リレーの可動端子を構成し、リレーの導電性の固定端子に前記接点部材が接触する位置と接触しない位置とを移動する請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。