JPH01202181A - 微小距離無段階駆動式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）　産業上の利用分野 この発明は、流体バルブ等の作動に用いる直動式の微小
距離無段階駆動式アクチュエータに関する。

（ロ）　従来の技術 従来、流体バルブ等の開閉作動を行うためのアクチュエ
ータは、機械的に作動するもの、電気的に作動するもの
、流体により作動するもの等各種の作動形態のものがあ
る。

（ハ）　発明が解決しようとする問題点しかし、これら
のアクチュエータでは、いづれも高精度の作動位置決め
が行えず、微妙な流体バルブの開閉調節が困難であると
共に、機構的にも複雑となりコンパクト化に難点があり
、更には、例えば電気的作動を行うアクチュエータでは
、停電時に、そのままの状態でアクチュエータが停止し
てしまうと、これを流体バルブに使用しな際には、バル
ブ開放のまま流体の流れ放し状態を生起するという欠点
もあった。

（ニ）　問題点を解決するための手段 この発明で、は、アクチュエータケーシング内にパルス
状電圧によって微小距離無段階駆動可能な筒状プランジ
ャを進退自在に収納し、同筒状プランジャ中にプランジ
ャヘッドを先端突出状に収納し、同ヘッドは筒状プラン
ジ等中に収納したスプリングにて先端方向に付勢せしめ
ると共に、プランジャヘッドと筒状プランジャとを、筒
状プランジャの退去方向において係合して一体退去作動
すべく構成してなる微小距離無段階駆動式アクチュエー
タを提供せんとするものである。

なお、ここで、微小距離無段階駆動式アクチュエータと
は、積層式圧電アクチュエータ、圧電バイモルフアクチ
ュエータ、ステッピングリニヤモータ、圧電リニヤモー
タ、超音波モータ（回転式）と回転ねじめ組み合わせ、
ステッピングモータ（回転式）と回転ねじの組み合わせ
等をいう。

（ホ）　作用・効果 この発明では、次のような作用効果を奏する。

■アクチュエータの作動、すなわちプランジャの進退作
動をパルス状電圧による微小距離無段階駆動としたので
、電圧の印加回数に応じてオーダの差異によりプランジ
ャを進退させることができ、流体バルブその他の各種装
置、機械を精密に作動させることができる。

■プランジャを筒状とし、その中にプランジャヘッドを
、先端方向への付勢状態で収納したので、停電時にプラ
ンジャのクランプを解くと、プランジャヘッドは自動的
に先端方向に進行し、アクチュエータの自動復帰作動が
行えるために、停電時に、アクチュエータがその状態で
停止しても、適用装置の作動が停止されてしまうおそれ
がない。

■プランジャを先端進行方向に作動させるときに、最終
段階においてプランジャヘッドの付勢力を利用すること
によって、急激な進行作動を防止し、緩慢なプランジャ
ヘッドの作動が行えるなめ、プランジャヘッド先端に接
続或は連結する他部材装置を損傷することが少ない。

（へ）　実施例 本発明の実施例を図面にもとづき詳説すれば、第１図は
、本発明に係る微小距離無段階駆動式アクチュエータの
一形態である圧電アクチュエータ（八）の断面図を示す
ものであり、前後壁（１）（２）を具備する筒状のアク
チュエータケーシング（３）内に同心円的にがっ軸線に
沿って進退自在に筒状プランジャ（４）を取付けており
、同筒状プランジャ（４）は先端に係合縁（５）を設け
て係合縁（５）の中央にプランジャヘッド（６）が挿通
する孔（７）を形成しており、筒状のプランジャ（４）
中にはプランジャヘッド（６）を先端突出状に収納して
いる。

なお、プランジャヘッド（６）の先端は弾性体によって
形成している。

すなわち、プランジャヘッド（６）は基端を先端より大
径とし、段部を形成した係合部（８）を有しており、同
係舎部（８）は、筒状プランジャ（４）中に収納されて
、筒状プランジャ（４）の退去作動にともなって係合縁
（５）と係合自在であり、プランジャヘッド（６）め先
端は孔（７）を通って筒状プランジャ（４）先端より突
出状となっている。

また、筒状プランジャ（４）中においては係合部（８）
の後端面とアクチュエータケーシング（３）の後壁（２
）との間にスプリング（Ｓ）が介設されており、プラン
ジャヘッド（６）は同スプリング（５）にて常時先端進
行方向にイヂ勢されて、係合部（８）を筒状プランジャ
（４）の係合縁（５）に常時当接状態としている。

筒状プランジャ（４）の外周側には、圧電素子が縮径・
拡径自在で、がっ伸長・短縮自在に配設されている。

すなわち、圧電素子の（ｃ）（ｉ）は筒状プランジャ〔
４）の中央部に配設され、アクチュエータケーシング（
３）　ｃニー基端を固定した断面略し字状の筒状の保持
具（９）によって支持されている。

また、別の圧電素子（ａＨｂ）は、筒状プランジャ（４
）の前後端部に弾性ブリッジ（１０Ｈ１１）によって支
持配設され、同弾性ブリッジ（１０）（１１）は、基端
を圧電素子（ａ）　（ｂ）に固着し、その先端をアクチ
ュエータケーシング（３）の前後壁（１）（２）に向け
て伸延した片持ち状態に形成されており、同ブリッジ（
１０）（１１）の内周面には、ブレーキシュー（１２）
（１３）を固着している。

かかる圧電素子（ａ）（ｂ）は通電状態に、（Ｃ）（ｄ
）は非通電状態にすると短縮するように構成されている
。

即ち、圧電素子（ａ）（ｂ）は、通電している状態では
短縮して内径は縮径し、筒状プランジャ（４）を外周よ
りクランプすると共に、通電していない状態では伸長し
て内径は拡径して筒状プランジャ（４）のクランプを解
除する。

一方、圧電素子（ｃ）（ｄ）は通電している状態では、
筒状プランジャ（４）上を軸線方向に伸長した状態にあ
り、通電していない状態では筒状プランジャ（４）上を
短縮し、その軸線方向の全長を短くすることになる。

そして、筒状１ランジヤ（４）は、かかる４個の圧電素
子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を適宜制御することによっ
て、軸線方向に進退作動することになる。

圧電素子（ａ）　（ｂ）（Ｃ）（ｄ）は、第１図及び第
２図に示すように、多数の圧電素子片を筒状プランジャ
（４）の軸心方向に積層して形成した円筒状の素子で、
円筒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、縮径・伸長するように構成されて
いる。

なお、圧電素子片の素材は、例えば圧電セラミックスを
用いることができ、かかる圧電セラミックスとしては、
ＡＢＯ３ペロプスカイト形の結晶構造をもつ強誘電材料
であっ’（ＰＺＴ　Ｏｐｂ　（ｚｒ、Ｔｉ）０３］系や
、ＰＬＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ。

Ｔｉ　）Ｏａ　］　、ＰＴ　［ＰｂＴｉ０ａ］系、ある
いはＰＺＴを基にしな３成分系のものを用いることがで
きる。

また、圧電素子（ａ）　（ｂ）　（ｃ）（ｄ）は、第３
図に示すように、多数の薄肉リング状の圧電素子片を筒
状プランジャ（４）の軸芯廻りに軸線方向に積層して形
成することもできる。

この場合、電圧の印加方向を９０度変えることになる。

また、第１図において、（１４）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パ
ツキンである。

なお、上記構成において、圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）は、円形断面のみでなく、例えば矩形断面等とす
ることもでき、また第４図及び第５図に示すように分割
片から形成することもできる。

また、筒状プランジャ（４）は、ブレーキシュー（１２
）（１３）を介して圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
によって多数回クランプされるものであるなめ、線膨張
係数が小さく硬度、強度、耐クリープ性及び耐摩耗性が
大きく、さらに、加工精度が高いものが望ましく、例え
ばセラミック素材としたものが考えられる。

また、第６図に、上記圧電アクチュエータ（八）を制御
するための制御装置（Ｃ）の構成を示している０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）（１）と、上記圧
電素子（ａ）　（ｂ）　（ｃ）（ｄ）の駆動順序プログ
ラムを記憶したメモリ（ｔｌ）とから構成される。

次に、かかる構成を有するアクチュエータ（＾）による
筒状プランジャ（４）及びそれに一部挿入付勢されたプ
ランジャヘッド（６）の移動について、第７図〜第９図
を参照して説明する。

第６図に示すアクチュエータ駆動ボタン（Ｕ）を押すと
、制御装置（Ｃ）が、メモリから読み出した駆動順序プ
ログラムに従って、第７図に示すように、圧電素子（ａ
）に電圧を印加して縮径作動せしめて筒状プランジャ（
４）をクランプさせるとともに、圧電素子（ｂ）の電圧
の印加を解除して拡径させて圧電素子（１））による筒
状プランジャ（４）のクランプを解除する。

次に、第８図に示すように、圧電素子（Ｃ）（ｄ）に電
圧を印加して伸長せしめると、圧電素子（ｃ）（ｄ）が
矢印方向に移動し、これに伴って圧電素子（ａ）がクラ
ンプする筒状プランジャ（４）も矢印方向に移動する。

その後第９図に示すように、圧電素子（ａ）の印加電圧
を解除して拡径作動せしめると、筒状プ、うンジャ（４
）のクランプを解除すると共に、圧電素子（Ｃ）（ｄ）
の印加電圧を解除すると、圧電素子（Ｃ）（ｄ）は矢印
方向に短縮し、筒状プランジャ（４）はさらに矢印方向
に移動する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、筒状プランジ
ャ（４）をμｍオーダ或はサブμｍオーダのストローク
で尺とり生状に移動することができ、筒状プランジャ（
４）先端のプランジャヘッド（６）に連結、接続した各
種作動装置を精密に動作させることができることになる
。

特に、筒状プランジャ（４）が先端方向に進行すると、
プランジャヘッド（６）は、その分だけスプリング（Ｓ
）の付勢によって同時に進行し、係合部（８）が係合縁
（５）に係合するまで進行して止まり、他方筒状プラン
ジャ（４）が後退する場合には、筒状プランジャ（４）
の係合縁（５）に係合した係合部（８）が後退方向に引
張られて、プランジャヘッド（θ）の後退作動を行うこ
とになるものであり、停電時等に圧電素子への電圧印加
が全くなくなると、圧電素子（ａ）（ｂ）は、拡径して
筒状プランジャ（４）はフリー状態となり、スプリング
（Ｓ）によってプランジャヘッド（６）と共に先端方向
に進行する。

また、筒状プランジャ（４）を先端方向に進行させるべ
く圧電素子（ａ）　（ｂ）（ｃＨｄ）への電圧印加操作
を行う場合において、同プランジャ（４）が先端方向限
度まで進行した時には、プランジャヘッド（６）は、ス
プリング（Ｓ）の付勢によって同プランジャ（４）と共
に進行するため、プランジャヘッド（６）の進行作動は
専らスプリングの付勢力による作動となり、急激な作動
力を緩慢に軽減できる。

次に、本実施例にかかるアクチュエータ（Ａ）の適用例
を説明すると、第１０図に示すものは、単水路用バルブ
として、流量調整及び止水を行うためのバルブに適用し
た構造であり、アクチュエータケーシング（３）には、
プランジャヘッド（６）の先端方向においてバルブケー
ス（１６）が連設されており、同バルブケース（１６）
は略し字状に折曲形成されており、一方は、流水入口（
１７）、他方は流水出口（１８）とし、流水人口（１７
）から流水出口（１８）に至る流路（−）は、バルブケ
ース（１６）に沿った略り字状に形成され、略し字状の
折曲部分にはダイアフラム弁からなる弁体（１９）が配
設されている。

弁体（１９）の後側壁には、プランジャヘッド（６）が
当接自在であり、プランジャヘッド（６）の進退作動に
よって、弁体（１９）が流路（−）の開閉を行うべく構
成されている。

（２０）は、流水入口（１７）に連通した入水流路、（
２１）は流水出口（１８）に連通した出水流路であり、
（２２）は入水流路（２０）と出水流路（２１）との間
に介設した隔壁であり、（２３）は出水流路（２１）の
基部に形成した弁受体を示す。

弁受体（２３）には、ダイアフラム弁からなる弁体（１
９）が圧接、離反自在であり、プランジャヘッド（６）
が進行゛作動すると弁体（１９）が後側壁から押圧され
て、ダイヤフラム弁の機能にもとづき弁受体（２３）に
弁体（１９）が圧接され、出水流路（２１）の基部が弁
体（１９）により閉塞されて流路が遮断される。

他方、プランジャヘッド（６）が退去作動すると、ダイ
ヤフラム弁のパイロット孔から同ヘッド（６）が離隔し
、ダイヤプラムの機能にもとづき弁体（１９）が弁受体
（２３）から離反して出水流路（２１）の基部が開放さ
れて流路（誓）が連通し、流水入口（１７）からの流水
が流水出口（１８）から流出することになるものである
。

また、プランジャヘッド（６）の前後移動範囲を、アク
チュエータ（Ａ）の圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
の作用にて微調節することにより、弁体（１９）の開放
度合いを調整して流水量の調整も行えるものである。

また、第１１図に示すものは、混合路用バルブとして湯
水混合栓に利用した場合を示すものであり、温度調整、
流水量調整、止水の各作用を行う混合栓バルブに、本実
施例のアクチュエータ（八）を適用した例を示すもので
ある。

すなわち、左右側にアクチュエータ（＾）（八）を互い
に対向する状態で配設し、その間に、混合栓バルブケー
ス（２４）を介設し、同バルブケース（２４）中には、
左右側のアクチュエータ（Ａ）（Ａ）のプランジャヘッ
ド（６）（６）の先端部分位置に、ダイヤフラムからな
る弁体（１９）　（１９°）を左右対向して配設し、同
弁体（１９）　（１９”）は、その間に介設した筒状の
混合湯水筒（２５）の両端開口縁に圧接、離反自在に配
設し、同混合湯水筒（２５）の両端開口縁が左右の弁受
体（２３）　（２３°）を形成する。

同混合湯水ｆ！？１（２５）の両端開口部は、左右の弁
体（１９）（１９°）を介して、入水流路（２６）と入
湯流路（２７）に連通されており、入水流路（２６）と
入湯流路（２７）とは、−本の管を中央＠壁（２８）で
仕切って形成しており、また、混合湯水筒（２５）の中
央部には、混合湯流路（２９）が連通されている。

従って、アクチュエータ（＾）の圧電素子（ａ）（ｂ）
（Ｃ）（ｄ）の適宜の通電操作によって、筒状プランジ
ャ（４）を前後方向に進退作動せしめることにより、左
右の弁体（１９）（１９°）が弁受体（２３）（２３°
）を開閉し、或は開閉度合の調整を行い、入水流路（２
６）からの水と入湯流路（２７）からの湯を、適当な調
整割合のらとに混合湯水筒（２５）中に流入せしめて、
混合湯流路（２９）から流出給湯せしめるものであり、
プランジャヘッド（６）の進退度合いに応じて、弁体（
２３）は、入水流路（２６）と入湯流路（２７）とから
の水と湯の量を調整して温度の調整を行いうると共に、
全体の量の調整も行えるものであり、また弁体（２３）
の閉塞作動によって、止水操作も可能となるものである
。

この発明の実施例は上記のように構成されているもので
あり、アクチュエータ（Ａ）が圧電素子（ａ）（ｂ）　
（ｃ）（ｄ）によって作動するために精密な進退作動を
可能とし、温度調整、流量調整、止水等の操作の必要な
バルブに応用すると、正確に温度、流量の調整が行えて
、しかも停電時には、圧電素子への電荷を解くことによ
りミスプリング（Ｓ）によって、プランジャヘッド（６
）が自動的に先端方向へ進行するため、弁体（１９）（
１９’）も自動的に閉塞されて湯水の流れ放しを防止で
き、また、プランジャヘッド（６）の最終進行作動時に
は、スプリング（Ｓ）の付勢力によって同ヘッド（６）
が弁体（１９）　（１９°）に当接することになるため
、直接的にプランジャ（６）が圧電素子に基づいて作動
するのと比較して緩慢に弁体（１９）（１９°）へ圧接
作用が及ぶことになり、ダイヤフラムを利用した弁体（
１９）（１９°）への過押圧を防止し、弁体の損傷を可
及的に小さくすることができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクチュエータを示す断面説明図、第
２図は第１図Ｉ−Ｉ線による断面図、第３図〜第５図は
圧電素子の他の具体例の説明図、第６図は制御装置の構
成説明図、第７〜９図は、本発明のアクチュエータの作
動順序を示す説明図、第１０図は本発明のアクチュエー
タを応用した単水路用のバルブの断面説明図、第１１図
は本発明のアクチュエータを応用した混合路用のバルブ
の断面説明図である。 （＾）：圧電アクチュエータ （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）　：圧電素子（Ｓ）ニスプリ
ング （３）：アクチュエータゲーシング （４）：ｆ！ｉ状プランジャ （５）：係合縁 （６）：プランジャヘッド 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）アクチュエータケーシング（３）内にパルス状電圧
   によって微小距離無段階駆動可能な筒状プランジャ（４
   ）を進退自在に収納し、同筒状プランジャ（４）中にプ
   ランジャヘッド（６）を先端突出状に収納し、同ヘッド
   （６）は筒状プランジャ（４）中に収納したスプリング
   （Ｓ）にて先端方向に付勢せしめると共に、プランジャ
   ヘッド（６）と筒状プランジャ（４）とを、筒状プラン
   ジャ（４）の退去方向において係合して一体退去作動す
   べく構成してなる微小距離無段階駆動式アクチュエータ
   。