JP2797342B2

JP2797342B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2797342B2
Application number: JP63268847A
Authority: JP
Inventors: 修筒井; 欽也有田; 良一塚田; 啓史堀内; 孝雄吉田
Original assignee: 東陶機器株式会社
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH02114577A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、各種装置を作動させるために用いる圧電ア
クチュエータに関する。

（ロ）従来の技術従来、第９図に示すように、圧電アクチュエータの一
形態として、ケーシング49内を軸線方向に移動するプラ
ンジャ50と、同プランジャ50をつかむクランプ部材51,5
2と、クランプ部材51,52を作動させるクランプ用圧電素
子53,54と、上記クランプ用圧電素子53,54と協働してプ
ランジャ50を軸線方向に移動させるストローク用圧電素
子55,56とにより構成されたものがある。なお、図中、5
7はクランプ用圧電素子53,54とストローク用圧電素子55
とをケーシング49に支持固定するための保持具である。

そして、かかる圧電アクチュエータの作動について簡
単に説明すると、アクチュエータ駆動ボタンを押すと、
制御装置が、メモリから読み出した駆動順序プログラム
に従って、クランプ用圧電素子53,54とストローク用圧
電素子55,56に電圧を印加してクランプ部材51,52にプラ
ンジャ50をクランプさせたり、軸線方向に移動させるこ
とによって、プランジャ50を尺取り虫状に、μｍオーダ
或いはサブμｍオーダのストロークで移動させることが
できる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点しかし、かかる圧電アクチュエータは、未だ、以下の
問題点を有していた。

即ち、第９図に示すように、クランプ用圧電素子53,5
4によるプランジャ50へのクランプ力作用点は、クラン
プ用圧電素子53,54の直下に位置している。従って、ク
ランプ力は、クランプ用圧電素子53,54によって発生す
るクランプ力そのものとなり、クランプ力を十分に取る
ことができなかった。

一方、クランプ力を十分に取ろうとすると、クランプ
用圧電素子53,54自体を大きくする、又はクランプ用圧
電素子53,54への電圧を著しく大きくする必要があり、
前者の場合は、圧電アクチュエータ自体を大型化するこ
とになり、後者の場合は、電力消費量を大きくすること
になる。

本発明は、上記問題点を解決することができる圧電ア
クチュエータを提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、ケーシング内を軸線方向に進退可能なプラ
ンジャと、同プランジャを進退させるストローク用圧電
素子と、同プランジャの廻りに取付け、それぞれ筒状の
クランプ部材を介してプランジャを押圧可能な一対の筒
状のクランプ用圧電素子とを具備する圧電アクチュエー
タにおいて、クランプ部材の基端側を片持梁状にクラン
プ部材取付体に取付け、かつ、同クランプ部材取付体か
らプランジャ軸線方向に離隔したクランプ部材の先端側
にクランプ用圧電素子を取付け、さらに、クランプ部材
のプランジャへのクランプ力作用点を、クランプ部材取
付体に近接した位置としたことを特徴とする圧電アクチ
ュエータを提供せんとするものである。

（ホ）作用及び効果上記した構成により、本発明は以下の作用及び効果を
奏する。

本発明では、クランプ部材の基端側を片持梁状にクラ
ンプ部材支持板に取付け、かつ、同クランプ部材支持板
からプランジャ軸線方向に離隔したクランプ部材の先端
側にクランプ用圧電素子を取付け、さらに、クランプ部
材のプランジャへのクランプ力作用点を、クランプ部材
支持板に近接した位置としている。

従って、クランプ用圧電素子によって発生したクラン
プ力を、てこの原理を応用して、クランプ力作用点にお
いて、数倍から数十倍に増幅することができ、クランプ
性能を著しく向上することができる。

即ち、クランプ用圧電素子によって発生するクランプ
力が小さくても十分なクランプ力をプランジャに作用す
ることができ、電力消費量を小さくして節電を図ること
ができる。

また、クランプ力を十分に確保できるので、プランジ
ャとクランプ部材との間の滑りを可及的に防止して、圧
電アクチュエータのプランジャを正確に進退することが
でき、弁開閉動作等における制御性能も高めることがで
きる。

さらに、クランプ用圧電素子及び同クランプ用圧電素
子と一体をなすクランプ部材のクランプ用変位量も可及
的に小さくすることができるので、連続繰返拡縮動作に
伴うクランプ部材の疲労破壊等も確実に防止することが
できる。

（ヘ）実施例以下、添付図に示す実施例に基づいて、本発明を詳説
する。

第１図に本実施例に係わる圧電アクチュエータＡの全
体構成を示す。

図示するように、圧電アクチュエータＡは、前後壁a,
bを具備する筒状のアクチュエータケーシングｃ内に同
心円的に、かつ、軸線に沿って進退自在にプランジャｄ
を取付け、さらに、プランジャｄの外周面上に、同心円
的に、それぞれクランプ部材k,lを具備する一対のクラ
ンプ用圧電素子e,fと、ストローク用圧電素子ｇとを配
設することによって構成している。

即ち、図示の実施例において、クランプ用圧電素子ｅ
はアクチュエータケーシングｃの中央部に取付けた保持
具Ｈの左側に配設・支持されており、一方、クランプ用
圧電素子ｆとストローク用圧電素子ｇとは保持具Ｈの右
側に配設・支持されている。なお、保持具Ｈはクランプ
取付体として機能するものである。

そして、上記各圧電素子e,f,gの配設・支持状態につ
いて説明すると、以下の如くなる。

まず、クランプ用圧電素子ｅの配設・支持状態につい
て説明すると、第１図において、ｉは保持具Ｈの内周に
軸線方向に設けた雌ねじ部であり、同雌ねじ部ｉには、
ケーシングｃの前壁ａ方向に伸延する縦割スリットを設
けた筒状のクランプ部材ｋのスリット無しの基端k₂を片
持梁状に着脱自在に連結している。

また、プランジャｄをクランプするクランプ部材ｋの
クランプ部k₁は、上記クランプ部材ｋの基端k₂に近接し
た位置に設けられている。

さらに、また、上記保持具Ｈから離隔したクランプ部
材ｋの先端部の外周面上には、単一又は少数の圧電板を
積層して形成した圧電素子ｅを接着剤を用いて取付けて
いる。

そして、かかるクランプ用圧電素子ｅの取付におい
て、第２図に示すように、保持具Ｈからクランプ用圧電
素子ｅまでの距離L₁を、保持具Ｈからクランプ部材ｋの
クランプ部k₁までの距離L₂と比較して著しく長くしてい
るので、クランプ用圧電素子ｅによって発生するクラン
プ力F₀が小さい場合であっても、クランプ部k₁に発生す
るクランプ力Ｆを著しく、即ち、L₁/L₂の比率で増幅す
ることができる。

従って、クランプ用圧電素子ｅに印加する電圧を可及
的に小さくすることができ、即ち、電力消費量を小さく
することができ、節電を図ることができる。

また、この場合でも、クランプ部材ｋは、クランプ力
を十分に確保できるので、プランジャｄとクランプ部材
ｋとの間の滑りを可及的に防止して、プランジャｄを正
確に進退することができ、各種開閉弁における弁開閉動
作等における制御性能を高めることができる。

さらに、クランプ用圧電素子ｅ及び同クランプ用圧電
素子ｅと一体をなすクランプ部材ｋのクランプ用変位量
も可及的に小さくすることができるので、連続繰返拡縮
動作に伴うクランプ部材ｋの疲労破壊等も確実に防止す
ることができる。

次に、ストローク用圧電素子ｇとクランプ用圧電素子
ｆの配設・支持状態について説明する。

第１図に示すように、保持具Ｈは、そのケーシング後
壁側側面にストローク用圧電素子ｇの基端を接着してお
り、一方、その先端をケーシングｃの後壁ｂに向けて延
伸しており、同伸延端には、クランプ用圧電素子ｆを支
持するための環状支持具ｎを取付けている。なお、環状
支持具ｎも圧電素子取付体として機能するものである。

そして、第１図において、ｏは環状支持具ｎの内周に
軸線方向に設けた雌ねじ部であり、同雌ねじ部ｏには、
ケーシングｃの後壁ｂ方向に延伸する筒状のクランプ部
材１の基端l₂を着脱自在に連結しており、また、同基端
l₂の近接した位置に、クランプ部l₁を設けており、さら
に、クランプ用圧電素子ｆが、前記したクランプ用圧電
素子ｅと同じ要領で、保持具Ｈから十分に離隔したクラ
ンプ部材１の先端の外周面に取付けられている。

そして、かかるクランプ用圧電素子ｆの取付において
も、クランプ用圧電素子ｅと同様に、保持具Ｈからクラ
ンプ用圧電素子ｅまでの距離を、保持具Ｈからクランプ
部材１のクランプ部l₁までの距離と比較して著しく長く
しているので、クランプ用圧電素子ｆによって発生する
クランプ力F₀が小さい場合であっても、クランプ部l₁に
発生するクランプ力Ｆを著しく増幅することができる。

従って、クランプ用圧電素子ｅと同様に、クランプ用
圧電素子ｆに印加する電圧を可及的に小さくすることが
でき、節電を図ることができる。

さらに、プランジャｄとクランプ部材ｋとの間の滑り
を可及的に防止して、プランジャｄを正確に進退するこ
とができ、各種開閉弁における弁開閉動作等における制
御性能を高めることができるとともに、クランプ用圧電
素子ｆ及び同クランプ用圧電素子ｆと一体をなすクラン
プ部材１のクランプ用変位量も可及的に小さくすること
ができるので、連続繰返拡縮動作に伴うクランプ部材１
の疲労破壊等も確実に防止することができる。

なお、クランプ用圧電素子ｆは、クランプ用圧電素子
ｅと同様に、単数又は少数の圧電板ｘをプランジャｄの
軸芯方向に積層して形成した円筒状の素子で、各圧電板
ｘの両端に電極が設けられており、この両端に電圧を印
加することにより、伸びるように構成されている。

一方、ストローク用圧電素子ｆは、多数の圧電数ｘを
プランジャｄの軸芯方向に積層して形成した円筒状の素
子で、各圧電板ｘの両端に電極が設けられており、この
両端に電圧を印加することにより、伸びるように構成さ
れている。

次に、各圧電素子e,f,gの作用及び具体的構成につい
て説明すると、以下のようになる。

即ち、クランプ用圧電素子e,fは、非通電状態では一
定のクランプ力Ｆでプランジャｄをクランプしており、
正の電圧を印加することによってクランプ力Ｆ＋αでク
ランプすることになり、負の電圧を印加することにより
クランプ力Ｆ−αの力でクランプすることになる。な
お、クランプ力は、Ｆ−α＞０とする。即ち、負の電圧
が印加されている場合であっても、クランプ用圧電素子
e,fは、一定のクランプ力でプランジャｄをクランプす
ることになる。

一方、ストローク用圧電素子ｇは通電状態ではプラン
ジャｄ上を軸線方向に伸びた状態にあり、非通電状態で
は、プランジャｄ上を縮み、その軸線方向の全長を短く
することになる。

そして、プランジャｄは、かかる３つの圧電素子e,f,
gへの押圧印加手順を後述する制御装置Ｃによって制御
することにより、軸線方向に移動することができる。

また、第１図において、ｒはアクチュエータＡの水密
性を高めるために設けた摺動抵抗の小さいＵ字状又はＹ
字状パッキンである。

また、第３図に上記構成を有する圧電アクチュエータ
Ａを制御するための制御装置Ｃの構成を示している。図
示するように、制御装置Ｃは、マイクロプロセッサＲ
と、入出力インターフェースS,Tと、上記圧電素子e,f,g
の駆動順序プログラムを記憶したメモリＵとから構成さ
れる。

ついで、かかる構成を有するアクチュエータＡによる
プランジャｄの作動について、第４図〜第６図を参照し
て説明する。

第３図に示すアクチュエータ駆動ボタンｖを押すと、
制御装置Ｃが、メモリＵから読み出した駆動順序プログ
ラムに従って、第４図に示すようにクランプ用圧電素子
ｅに負の電圧を印加してプランジャｄへのクランプ力を
Ｆ−αに低減するとともに、クランプ用圧電素子ｆに正
の電圧を印加してクランプ力をＦ＋αに増加してプラン
ジャｄをクランプさせる。

次に、第５図に示すように、ストローク用圧電素子ｇ
へ負の電圧の印加して縮めると、ストローク用圧電素子
ｇは矢印の方向に移動し、これに伴ってクランプ用圧電
素子ｆがクランプ力Ｆ＋αでクランプするプランジャｄ
も矢印方向に移動する。

その後、第６図に示すように、クランプ用圧電素子ｆ
に負の電圧を印加してクランプ力をＦ−αに低減すると
ともに、クランプ用圧電素子ｅに正の電圧を印加してク
ランプ力をＦ＋αに増加してプランジャｄをクランプさ
せる。そして、ストローク用圧電素子ｇに正の電圧を印
加して伸ばすとストローク用圧電素子ｇは矢印方向に移
動する。

ついで、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ
ｄを、μｍオーダ或いはサブμｍオーダのストロークで
尺とり虫状に移動することができる。

そして、かかる圧電アクチュエータＡの作動におい
て、前述したように、クランプ用圧電素子e,fによって
発生するクランプ力を増幅することができるので、クラ
ンプ用圧電素子e,fに印加する電圧を可及的に小さくす
ることができ、節電を図ることができる。

また、クランプ用圧電素子e,f及び同クランプ用圧電
素子e,fと一体をなすクランプ部材k.lのクランプ用変位
量も可及的に小さくすることができるので、連続繰返拡
縮動作に伴うクランプ部材ｋの疲労破壊等も確実に防止
することができる。

また、第７図に、本実施例にかかるアクチュエータＡ
の適用例を示しており、湯水混合栓として機能する自動
開閉弁Ｄにかかる圧電アクチュエータＡを応用した例で
ある。

第７図において、10は円筒状の箱体をなすケーシング
であり、同ケーシング10は、その一側側壁に、二つの一
側流路13,14を形成している。

そして、一側流路13,14は湯水混合栓の給水流路及び
給油流路として機能するものであり、その外側開口端
は、それぞれ給水配管15と給湯配管16と連通している。

一方、一側流路13,14の内側開口端は、それぞれケー
シング10の両端に形成した隔壁17,18と連通している。

また、ケーシング10の他側側壁には、両端開口のＴ字
状の他側流路20が形成されている。

そして、かかる他側流路20は、湯水混合栓の混合水流
路として機能するものであり、その外側開口端は、混合
水配管21と連通しており、一方、その内側二股開口端は
隔室17,18と連通している。

さらに、Ｔ字状筒体19の内側二股開口部には、それぞ
れ弁座22,23が設けられており、同弁座22,23には、ケー
シング10内を軸栓方向に進退して弁座22,23と接離し、
内側二股状開口端を開閉するダイアフラム弁からなる弁
体24,25が配設されている。

さらに、ケーシング10の両端には、それぞれ圧電アク
チュエータＡが取付けられている。

そして、各圧電アクチュエータＡは、そのプランジャ
ｄの先端を弁体24,25の後部と当接自在となし、弁体24,
25を開閉自在としている。

なお、第７図において、30は他側流路20内に設けた温
度センサであり、混合水の温度を検出し、検出値を第３
図に示すような制御装置Ｃにフィードバックして、制御
装置Ｃの検出値に基づいて自動開閉弁Ｄの両アクチュエ
ータＡをPID制御等によって作動させ、適温制御を行う
ものである。

そして、かかる構成を有する自動開閉弁Ｄの作動を、
簡単に説明すると、以下の如くなる。

即ち、温度センサ30からの検出値を制御部にフィード
バックして、制御部に検出値に基づいて自動開閉弁Ｄの
両圧電アクチュエータＡをそれぞれ別個に作動させる
と、弁体24,25が設定温度で開閉して、一側流路13,14か
ら他側流路20に流れる給水量と給湯量を一定の混合割合
で混合することができる。

そして、かかる作用において、弁体24,25は上記した
構成を有し、かつ上記した作用及び効果を奏する圧電ア
クチュエータＡによって開閉するようにしているので、
流量制御及び適温制御をより精密かつ確実に行うことが
できる。

また、第８図に他の実施例に係る圧電アクチュエータ
Ａの構成を示しており、図示するように、本実施例は、
上記した実施例（第１図〜第７図）における圧電アクチ
ュエータＡに、さらに、クランプ力調整機能を付加した
構成に特徴を有する。

即ち、クランプ部材k,lは、その環状外周面上に、第
８図に示すように保持具Ｈに向けて漸次外径を小さくす
る環状のテーパ面t₁を形成している。

また、クランプ部材k,lの外周面上には、同心円的に
筒状の圧電素子取付用中間部材W₁,W₂が着脱自在かつ軸
線方向に移動自在に配設されている。

そして、同圧電素子取付用中間部材W₁,W₂の先端に形
成したくさび部W_1a,W_2aの内周面には、前記したクラン
プ部材k,lの外周面に設けたテーパ面t₁と摺動自在に嵌
合密着するテーパ面t₂が形成されている。

さらに、第８図に示すように、筒状の圧電素子取付用
中間部材W₁,W₂は、その先端外周面に、多数の圧電板ｘ
を積層して形成したクランプ用圧電素子e,fを接着剤を
用いて取付けている。

そして、かかるクランプ用圧電素子e,fの取付におい
て、上記したように圧電素子取付用中間部材W₁,W₂はス
リットを有する弾性素材からなるため、圧電素子e,fの
内径を可及的に小さくしても圧電素子取付用中間部材
W₁,W₂を弾性的に縮径して、同クランプ用圧電素子e,fを
圧電素子取付用中間部材W₁,W₂の外周面に容易に嵌入す
ることでき、また、嵌入に際して、接着剤を圧電素子取
付用中間部材W₁,W₂の内周面に塗布することによって強
固にクランプ用圧電素子e,fを圧電素子取付用中間部材W
₁,W₂に接着することができる。

しかして、クランプ用圧電素子e,fの内径を可及的に
小さくできるので、接着剤の厚みを可及的に薄くするこ
とができ、後述するようにクランプ用圧電素子e,fに電
圧を印加した場合に生ずるクランプ力を接着剤によって
吸収されることなくクランプ部材k,lに伝達することが
でき、十分なクランプ力でプランジャｄをクランプする
ことができる。

また、第８図に示すように、筒状の圧電素子取付用中
間部材W₁,W₂の外周面上であってクランプ用圧電素子e,f
の後部をなす位置には、環状のスプリング保持用ブラケ
ットj,pが突設されている。

そして、同スプリング保持用ブラケットj,pの後面と
保持具Ｈの前面との間には、圧縮コイルスプリングから
なるクランプ力調整用スプリングm,qが介設されてい
る。

かかる構成において、クランプ力調整用スプリングm,
qの弾性力によって圧電素子取付用中間部材W₁,W₂は前方
方向に付勢され、同付勢力は、テーパ面t₁とテーパ面t₂
との嵌合を介してクランプ部材k,lのクランプ部k₁,l
₁に、プランジャｄをクランプする初期保持クランプ力
を与えることができる。

そして、かかる初期保持クランプ力は、クランプ部材
k,lの基端k₂,1₂の保持具Ｈの雌ねじ部i,oのねじ込み量
を調整することによってクランプ力調整用スプリングm,
qの長さを増減して容易に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる圧電アクチュエータの断面側
面図、第２図は要部拡大説明図、第３図は制御装置の概
念的構成説明図、第４図〜第６図は圧電アクチュエータ
の作動状態説明図、第７図は上記圧電アクチュエータを
具備した自動開閉弁の断面側面図、第８図は他の実施例
に係る圧電アクチュエータの断面側面図、第９図は従来
の圧電アクチュエータの断面側面図である。図中、（Ａ）：圧電アクチュエータ（Ｃ）：制御装置（Ｄ）：自動開閉弁（ｄ）：プランジャ（ｅ）：クランプ用圧電素子（ｆ）：クランプ用圧電素子（ｇ）：ストローク用圧電素子（ｋ）：クランブ部材（ｌ）：クランプ部材（ｍ）：クランプ力調整用スプリング（ｑ）：クランプ力調整用スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀内啓史福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者吉田孝雄福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (56)参考文献特開昭61−269683（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−85681（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内を軸線方向に進退可能なプラ
ンジャと、同プランジャを進退させるストローク用圧電
素子と、同プランジャの廻りに取付け、それぞれ筒状の
クランプ部材を介してプランジャを押圧可能な一対の筒
状のクランプ用圧電素子とを具備する圧電アクチュエー
タにおいて、クランプ部材の基端側を片持梁状にクランプ部材取付体
に取付け、かつ、同クランプ部材取付体からプランジャ
軸線方向に離隔したクランプ部材の先端側にクランプ用
圧電素子を取付け、さらに、クランプ部材のプランジャ
へのクランプ力作用点を、クランプ部材取付体に近接し
た位置としたことを特徴とする圧電アクチュエータ。