JP3729781B2

JP3729781B2 - アクチュエータの制御方法

Info

Publication number: JP3729781B2
Application number: JP2001397170A
Authority: JP
Inventors: 秀登田中; 敏幸中村; 龍夫深海
Original assignee: Suzuki Co Ltd
Current assignee: Suzuki Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003199367A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、アクチュエータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば圧力調整器などには、図８に示すような減圧弁５１が用いられている。この減圧弁５１は、一次室５２から二次室５３へ流入する流体（液体、ガスなど）の流体圧を減圧調整するために設けられている。一次室５２には、シート５４がスプリング５５に付勢されて弁（ノズル）５６を閉止している。二次室５３には弁５６を通過した流体の二次圧力を受けるダイヤフラム５７が設けられている。このダイヤフラム５７には、その動きをシート５４に伝達するステム５８及び該ステム５８を変位させるアクチュエータ５９が設けられている。
【０００３】
次に、減圧弁５１の動作について説明すると、先ず、シート５４が弁（ノズル）５６を閉止した状態で一次室５２に流体が流入して充満されている。制御部６０からの制御信号によりアクチュエータ５９を僅かに変位させると、ダイヤフラム５７を一次室５２側へ押し下げると共にステム５８がシート５４をスプリング５５の勢力に抗して押し下げて弁（ノズル）５６が開口する。このとき、流体が一次室５２より二次室５３側へ流入し、該二次室５３に流入した流体圧がダイヤフラム５７を押し上げる。二次流体圧が上昇してダイヤフラム５７を押し上げる力とアクチュエータ５９のステム５８によるシート５４への押圧力と釣り合うと、シート５４が弁（ノズル）５６に押し付けられて一次室５２から二次室５３への流路が遮断され二次室５３の二次圧力が安定する。
【０００４】
上記アクチュエータ５９としては、ソレノイド、モータ又は圧電素子を用いた圧電アクチュエータが用いられる。圧電アクチュエータは、ソレノイド、モータよりも応答が早いため、圧力変動に高速対応する圧力調整器に使用されている。またアクチュエータ５９に作用する圧力変動を圧力センサ６１により監視ながら、制御部６０はアクチュエータ５９を変位させる設定圧力信号を制御している。圧力センサ６１としては、機械式センサ（例えばブルドン管タイプ、ベローズタイプ、ダイヤフラムタイプなど）、電子式センサ（ピエゾ抵抗式タイプ、薄膜式タイプ、容量タイプなど）の目的に応じて様々な方式のセンサが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アクチュエータ５９は、圧電セラミックスの変位量が小さく圧力調整範囲が狭いという課題があった。即ち、圧電セラミックスは外力に対して線形に変位する特性を有するが、変位量が限られているため、検出する外力の大きさにあわせて圧電セラミックスの枚数を替えて調整されている。従って、仮に圧電セラミックスの枚数を調整して圧力変動を検出するとしても、圧電セラミックス固有の線形ピッチでしか圧力変動を検出することが不可能であり、ダイヤフラム５７に加わった微妙な圧力変動は検出できなかった。
また、アクチュエータ５９の圧力変動を監視する圧力センサ６１の特性としては、例えばダイヤフラム方式では圧力変動に応じて同心状薄板が線形的に変位するものや（機械式センサ）、平行平板状の電極が設けられたダイヤフラムの撓みに応じた静電容量の線形的変位を検出するもの（電子式センサ）など、線形特性を利用して圧力変動を検出していた。
また、圧力センサ６１に締結して変位を検出する締結系には、アクチュエータ５９の圧電セラミックスの変形特性に合わせて線形性が求められており、非線形特性を有する締結系は一般に敬遠される傾向にある。これは機械式センサであっても電子式センサであっても同様である。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、締結系の非線形変位特性を利用してセンシング感度を向上させたアクチュエータの制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
即ち、電極が形成された圧電／電歪材料層が複数積層されたアクチュエータ部と、圧電／電歪材料層に電極が形成されたセンサ部とが絶縁材料層を介して一体に積層されてなるアクチュエータの制御方法において、応力変位特性が非線形特性となる締結系を前記アクチュータ部に締結し、該アクチュエータ部の駆動電圧に重畳して印加する検出用電圧を変化させることにより、締結系の非線形応力変位特性を利用してセンサ部の応力検出範囲を非線形に変化させて応力変動を検出することを特徴とする。
また、締結系はコイルバネ、皿バネ、球体の何れかが用いられていることを特徴とする。
また、アクチュエータ部は、シート状に形成された正の温度係数を有する電歪材料層と、シート状に形成された負の温度係数を有する電歪材料層とが積層され、温度変化に対して変位量が一定となるようにセルフコントロールすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。本実施例では、アクチュエータ部に電歪材料、センサ部に圧電材料を用いた電歪アクチュエータの制御方法について説明する。
図１は電歪アクチュエータの構成を示す斜視図、図２は電歪アクチュエータを用いた圧力調整器の構成を示す説明図、図３は電歪アクチュエータの制御系のブロック図、図４はアクチュエータ部に加わる外力とセンサ部に発生する電圧との関係を示すグラフ図、図５は圧電セラミックスの等価回路図、図６は締結系の外力に対する変位特性及びアクチュエータ部の発生力−変位特性を示すグラフ図、図７はアクチュエータ部の駆動電圧波形とセンサ部に発生する電圧波形との関係を示すグラフ図である。
【０００９】
先ず、電歪アクチュエータの構成について図１を参照して説明する。
図１において、１は電歪アクチュエータであり、アクチュエータ部２とセンサ部３とが絶縁材料よりなる絶縁材料層４を介して一体化されてなる。アクチュエータ部２は、電歪セラミックス２ａと電歪セラミックス２ｂとが積層されてなる。各電歪セラミックス２ａ、２ｂは、厚さ方向両側に電極層として電極部５が積層されており、各電極部５どうしは電気的に並列に接続されている。電極部５は、電極用メタライズペーストが印刷されたグリーンシートが複数積層されて熱間プレスにより焼成されて各電歪セラミックス２ａ、２ｂと一体に形成されている。電極部５は平板状に限らず、厚さ方向に櫛歯状に形成されていても良い。各電歪セラミックス２ａ、２ｂは、外部から電極部５間に印加される電界の二乗に比例して機械的に変位し（図１の厚み方向）、この変位の総和を電歪アクチュエータ１の厚さ方向に取り出せるようになっている。ちなみに、変位量Ｘ、電歪定数Ｍ₃₃（ｍ²／Ｖ²）、電歪セラミック１枚の厚さｄ（ｍｍ）、電歪セラミック１枚あたりの電圧Ｖ（Ｖ）、積層枚数をＮとすると、Ｘ＝Ｍ₃₃（Ｖ／ｄ）²・Ｎで与えられる。
【００１０】
また、アクチュエータ部２は、シート状に形成された正の温度係数を有する電歪セラミックス２ａとシート状に形成された負の温度係数を有する電歪セラミックス２ｂとが電極部５を介して交互に積層され温度特性が平均化されていても良い。また、温度係数が正負の電歪セラミックス２ａ、２ｂを複数枚ずつユニット化して、或いはバラック状に組み合わせて全体として温度特性が平均化されていても良い。電歪材料としては、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）系の材料が好適に用いられている。
【００１１】
また、センサ部３は、圧電材料層として厚さ方向に分極処理が済んでいる圧電セラミックス６が用いられている。圧電セラミックス６は、厚さ方向両側に電極層として電極部７が積層されており、外部より加えられる力に比例して、厚さ方向の電極間に電圧を発生する。電極部７は平板状に限らず、櫛歯状に形成されていてもよい。ちなみに、圧電セラミックス６に発生する電圧Ｖは、加えられる力Ｆ、出力電圧係数ｇ₃₃、圧電セラミックス１枚の断面積Ｓ（ｍｍ²）、圧電セラミック１枚あたりの厚さＬ（ｍｍ）、積層枚数をＮとすると、Ｖ＝ｇ₃₃（Ｌ／Ｓ）・Ｆ・Ｎで与えられる。
圧電セラミックス６としては、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）系の圧電材料が好適に用いられ、該圧電材料はキュリー温度近傍では駆動電圧−変位特性が不安定になるため、使用温度より高いキュリー温度を有することが必要である。尚、センサ部３には、圧電材料層の代わりに前述した電歪材料層を用いても良い。また、センサ部３は、図１のように、圧電材料層が１層でも良いが、電圧レベルを上げたい場合には、圧電材料層を複数層設けても良い。
【００１２】
アクチュエータ部２は、例えばドクターブレード法などを用いて、電極用メタライズペーストが印刷されたグリーンシートが正の温度係数を有する電歪材料（電歪セラミックス２ａ）層の両側に積層され、電極用メタライズペーストが印刷されたグリーンシートが負の温度係数を有する電歪材料（電歪セラミックス２ｂ）層の両側に積層され、これらを複数積層して熱間プレスにより焼成されて一体化されてなる。また、センサ部３は、例えば電極用メタライズペーストが印刷されたグリーンシートが圧電材料（圧電セラミックス６）層の両側に積層され、熱間プレスにより焼成されて一体化されてなる。
【００１３】
電歪アクチュエータ１は、上述したアクチュエータ部２とセンサ部３とが絶縁材料層４を介して一体に積層されてなる。具体的には、アクチュエータ部２とセンサ部３とが積層されて熱間プレスにより焼成されて一体化されていても良く、或いは各々別個に作成されたアクチュエータ部２とセンサ部３とが積層されて接着剤により接合されて若しくはボルト止めされて一体化されていても良い。
【００１４】
次に電歪アクチュエータ１の応用例として圧力調整器に組み込んだ場合について図２及び図３を参照して説明する。図２において、圧力調整器１０には、減圧弁１１が設けられている。この減圧弁１１は、一次室１２から二次室１３へ流入する流体圧を減圧調整する。一次室１２には、一端が内壁に固定されたスプリング１４の他端にシート１５が固定されている。シート１５はスプリング１４により図２の上方へ付勢されて弁（ノズル）１６を閉止している。二次室１３には弁１６を通過した流体（液体、ガスなど）の二次圧力を受けるダイヤフラム１７が設けられている。このダイヤフラム１７は、シート１５に圧接しているステム１８に支持されている。ダイヤフラム１７は二次室１３内に設けられた締結系１９に当接している。締結系１９は、応力変位特性が非線形特性を有する球体２０及び電歪アクチュエータ１よりなる。球体２０の替わりに巻き径の異なるコイルバネや皿バネ等で合っても良い。電歪アクチュエータ１はセンサ部３側を二次室１３に固定されている。球体２０はダイヤフラム１７の平坦度を保って変位させてその動きをステム１８を介してシート１５に伝達する。
【００１５】
次に、減圧弁１１の動作について説明すると、先ず、シート１５が弁（ノズル）１６を閉止した状態で流入口２１から一次室１２に流体（液体、ガスなど）が流入し、一次室１２に一次流体圧で流体が充満される。後述する制御部２３からの制御信号（駆動信号）により電歪アクチュエータ１のアクチュエータ部２を僅かに変位させると、球体２０を介してダイヤフラム１７を一次室１２側へ押し下げると共にステム１８がシート１５をスプリング１４の勢力に抗して押し下げて弁（ノズル）１６が開口する。このとき、流体が一次室１２より二次室１３側へ流入し、該二次室１３に流入した流体圧がダイヤフラム１７を押し上げる。二次流体圧が上昇してダイヤフラム１７を押し上げる力とアクチュエータ部２のステム１８によるシート１５への押圧力と釣り合うと、シート１５が弁（ノズル）１６に押し付けられて一次室１２から二次室１３への流路が遮断され二次室１３の二次流体圧が安定する。そして流体は二次室１３から流出口２２より流出される。
【００１６】
上記圧力調整器に設けられた電歪アクチュエータ１の制御方法について図３のブロック図を参照して説明する。
制御部２３は圧力指令に応じて、ＰＩＤ演算部２４により電力増幅を行ってアクチュエータ部２に所要の駆動電圧を印加（電極部５間に所定の電界を印加）する。これにより、アクチュエータ部２は厚さ方向に変位を生じさせ、ステム１８を押し下げるようになっている。このとき、アクチュエータ部２が厚さ方向に変位すると変位量に応じて圧電セラミックス６を用いたセンサ部３の電界が変位し、この電界の変位量が電圧信号としてサンプルホールドされて制御部２３にフィードバックされる。
【００１７】
また、本実施例では、アクチュエータ部２の駆動電圧に所要の検出用電圧を重畳して印加することにより締結系１９の応力検出範囲を変化させて、アクチュエータ部２に作用した応力変化をセンサ部３の電圧変動より検出するようになっている。この検出用電圧としては、検出対象とする応力範囲にもよるが１Ｖ〜５Ｖ程度の電圧（固定値）が用いられる。
【００１８】
また、本実施例では、アクチュエータ部２が正の温度係数を有する電歪セラミックス２ａと負の温度係数を有する電歪セラミックス２ｂとが積層されているため、変位−温度特性が平均化されており、温度変化に対してアクチュエータ部２の変位量が一定となるようセルフコントロールするようになっている。したがって、温度変化に対してアクチュエータ部２の変位量が一定となるようセルフコントロールし、別個に温度補償をするための圧力センサやロードセルなどのセンサを設けたり、該センサの検出圧力に基づく電界制御などは不要となるため、電歪アクチュエータ１の制御方法を簡略化することができる。
【００１９】
ここで、アクチュエータ部２に加わる外力とセンサ部３の圧電セラミックス６に発生する電圧との関係を図４のグラフ図に示す。
圧電セラミックス６は、外力を加えると電圧を発生し（圧電１次電圧）、電圧を印加すると変位を発生する（圧電２次効果）の両特性を有する。外力を加えると、当該外力に比例した電圧を発生するが、該発生電圧は一時的であり外力が印加され続けていても放電される（微分波形参照）。このとき圧電セラミックス６に発生する電圧Ｖは前述したようにＶ＝ｇ₃₃（Ｌ／Ｓ）・Ｆで与えられる。
【００２０】
また，圧電セラミックス６の電気的等価回路は、図５に示すように、共振周波数付近ではＬ、Ｃ、Ｒの並列共振回路で表される。圧電セラミックス６の誘電率と電極寸法から決まる静電容量をＣ０、Ｌ，Ｃを振動モード、素子の寸法、弾性定数、密度、圧電定数などによって決まる圧電的機械振動、Ｒを機械的振動損失、Ｒ０を絶縁抵抗とする。静的な動作をさせる場合は、矢印に示すように静電容量Ｃ０と絶縁抵抗Ｒ０によるＣＲの並列等価回路に置き換えて考えることができる。
【００２１】
圧電セラミックス６に力Ｆが加えられたことによって発生する電荷量Ｑは、
Ｑ＝Ｃ０・Ｖ
このとき出力電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｆ・ｇ₃₃（Ｌ／Ｓ）
センサ用素子に発生する電荷Ｑは力Ｆの大きさに対応しているため、力Ｆが一定なら電荷Ｑも一定である。しかしながら、圧電セラミックス６の絶縁抵抗（内部抵抗含む）の値は有限なため発生した電荷Ｑは次式にしたがって放電される。
ｑ＝Ｑｅ^-t/c0R0
＝Ｑｅ^-t/τ τ＝ｃ０Ｒ０
【００２２】
次に、締結系１９の外力に対する変位特性及びアクチュエータ部２の発生力−変位特性を図６のグラフ図に示す。アクチュエータ部２の発生力−変位特性は次式により表せる。
Ｘ＝ａＦ＋ｘ …（１）
また、締結系１９の特性は、
Ｘ＝ｋＦ^2/3 …（２）
（１）（２）式よりアクチュエータ部２にある電圧を印加させた際にかかる応力Ｆは次の式を満たす。
−ｋＦ^2/3＋ａＦ＋ｘ＝０ …（３）
ここでアクチュエータ部２に微小電圧を加え変位をΔｘ変化させた際の応力変化ΔＦは（３）式をｘについて微分して、
−２／３・−ｋＦ^-1/3（ｄＦ／ｄｘ）＋ａ（ｄＦ／ｄｘ）＋１＝０ …（４）
従って、
ｄＦ／ｄｘ＝１／（２／３・−ｋＦ^-1/3−ａ） …（５）
ゆえに、
ΔＦ＝１／（２／３・−ｋＦ^-1/3−ａ）・Δｘ …（６）
上記式（６）より駆動電圧に検出用電圧ΔＶを重畳して、アクチュエータ部２をΔｘだけ変化させた際に締結系１９の応力検出範囲（図６のΔＦ）を変化させて、センサ部３において応力変化ΔＦを検出することで、全体の応力変化（荷重）を知ることができる。
【００２３】
アクチュエータ部２の駆動電圧波形とセンサ部３に発生する電圧波形との関係を図７のグラフ図に示す。図７においてΔＶが駆動電圧に重畳して印加される傳ある波形であり、Ｖｓがセンサ部３で検出される電圧波形である。
【００２４】
このように、積層型の電歪アクチュエータ１において、アクチュエータ部２の駆動電圧に所要の検出用電圧ΔＶを重畳して印加することにより（図７参照）、非線形特性を有する締結系１９の応力変位幅ΔＦを変化させて（図６参照）、アクチュエータ部２の線形的変位特性だけでは検出できない範囲の応力変動をセンサ部３の電圧変動より検出できる。このとき、重畳する検出用電圧ΔＶを変化させてアクチュエータ部２に作用する応力変位の幅ΔＦを非線形に変化させることができるので、微細な応力変動をセンサ部３により検出可能となり、センシング感度を向上させることができる。
【００２５】
以上、本発明の好適な実施例について述べてきたが、本発明は上述した各実施例に限定されるのものではなく、例えばアクチュエータ部に電歪材料、センサ部に電歪材料を用いたアクチュエータや、アクチュエータ部に圧電材料、センサ部に電歪材料若しくは圧電材料を用いた積層型のアクチュエータとしても良い。
また、アクチュエータの制御方法は圧力調整器に限らず、例えば半導体装置に接着剤塗布用のディスペンサなどの微細な圧力変動を検出することが要求される他の機器に応用しても良い等、発明の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係るアクチュエータの制御方法によれば、上述したように、応力変位特性が非線形特性となる締結系をアクチュータ部に締結し、アクチュエータ部の駆動電圧に所要の検出用電圧を重畳して印加することにより、アクチュエータ部の線形変位特性に締結系の非線形的要素を加味して変位させ、線形変位特性だけでは検出できない範囲の応力変動をセンサ部の電圧変動より非線形的に検出できる。
また、駆動電圧に重畳して印加する検出用電圧を変化させることにより、締結系の非線形応力変位特性を利用してセンサ部の応力検出範囲を非線形に変化させ、微細な応力変動をセンサ部で検出可能となり、センシング感度を向上させることができる。
また、アクチュエータ部が正の温度係数を有する電歪材料層と負の温度係数を有する電歪材料層とが積層されている場合には、変位−温度特性が平均化されており、温度変化に対してアクチュエータ部の変位量が一定となるようセルフコントロールし、別個に温度補償をするための圧力センサやロードセルなどのセンサを設けたり、該センサの検出圧力に基づく電界制御などは不要となるため、アクチュエータの制御方法を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電歪アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図２】電歪アクチュエータを用いた圧力調整器の構成を示す説明図である。
【図３】電歪アクチュエータの制御系のブロック図である。
【図４】アクチュエータ部に加わる外力とセンサ部に発生する電圧との関係を示すグラフ図である。
【図５】圧電セラミックスの等価回路図である。
【図６】締結系の外力に対する変位特性及びアクチュエータ部の発生力−変位特性を示すグラフ図である。
【図７】アクチュエータ部の駆動電圧波形とセンサ部に発生する電圧波形との関係を示すグラフ図である。
【図８】圧電アクチュエータを備えた圧力調整器の従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１電歪アクチュエータ
２アクチュエータ部
２ａ、２ｂ電歪セラミックス
３センサ部
４絶縁材料層
５電極部
６圧電セラミックス
７電極部
１０圧力調整器
１１減圧弁
１２一次室
１３二次室
１４スプリング
１５シート
１６弁
１７ダイヤフラム
１８ステム
１９締結系
２０球体
２１流入口
２２流出口
２３制御部
２４ＰＩＤ演算部

Claims

電極が形成された圧電／電歪材料層が複数積層されたアクチュエータ部と、圧電／電歪材料層に電極が形成されたセンサ部とが絶縁材料層を介して一体に積層されてなるアクチュエータの制御方法において、応力変位特性が非線形特性となる締結系を前記アクチュータ部に締結し、該アクチュエータ部の駆動電圧に重畳して印加する検出用電圧を変化させることにより、締結系の非線形応力変位特性を利用してセンサ部の応力検出範囲を非線形に変化させて応力変動を検出することを特徴とするアクチュエータの制御方法。
前記締結系はコイルバネ、皿バネ、球体の何れかが用いられていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御方法。
前記アクチュエータ部は、シート状に形成された正の温度係数を有する電歪材料層と、シート状に形成された負の温度係数を有する電歪材料層とが積層され、温度変化に対して変位量が一定となるようにセルフコントロールすることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータの制御方法。