JPH02173484A - Piezoelectric actuator having position detecting function - Google Patents

Piezoelectric actuator having position detecting function

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JPH02173484A
JPH02173484A JP33031488A JP33031488A JPH02173484A JP H02173484 A JPH02173484 A JP H02173484A JP 33031488 A JP33031488 A JP 33031488A JP 33031488 A JP33031488 A JP 33031488A JP H02173484 A JPH02173484 A JP H02173484A
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修 筒井
Hidehiko Kuwabara
桑原 英彦
Shoji Inoue
昭司 井上
Takenori Fukushima
武徳 福島
Takao Yoshida
孝雄 吉田
Kinya Arita
欽也 有田
Mikio Sawai
澤井 巳喜夫
Hiroshi Horiuchi
啓史 堀内
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Abstract

PURPOSE:To enable a position to be inexpensively detected of a plunger by constituting an actuator so as to detect a change of electrostatic capacity between electrodes following longitudinal action of the plunger and its position. CONSTITUTION:An actuator is constituted by providing a moving electrode Pm to be arranged in a plunger P while a fixed electrode Ps in a fixed side of the actuator, opposing each electrode Pm, Ps facing to each other and detecting a change of electrostatic capacity following longitudinal action of the plunger P so as to detect its position. Thus because the electrostatic capacity between each electrode Pm, Ps is changed when the plunger P performs longitudinal action, the change of this capacity enables a position to be detected of the plunger P. Accordingly, the plunger P is detected always for its position whatever position the plunger may be placed, eliminating the disadvantage in the past the plunger can be detected only when it is placed in a stroke end. While the plunger P can be inexpensively detected for its position with no necessity for an expensive encoder.

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は、位置検出機能を有する圧電アクチュ(ロ) 
従来の技術 従来、圧電アクチュエータの一形態として、固定部分に
ストローク用圧電素子の一側を固定し、同素子の他側に
クランプ用圧電素子を取り付り、各圧電素子にパルス状
の駆動電圧を印加して、クランプ用圧電素子でプランジ
ャをクランプさせ、ストローク用圧電素子を伸縮させて
1ランジヤを進退させる事を繰り返して、同プランジャ
を大きく移動させるようにした圧電アクチュエータがあ
り、1ランジヤの移動量か、ストローク用圧電素子に印
加した電荷量と、パルス数に略比例することから、オー
プンループ制御を可能としたものかある。
[Detailed description of the invention] (a) Industrial application field The present invention relates to a piezoelectric actuator (b) having a position detection function.
Conventional technology Conventionally, as a form of piezoelectric actuator, one side of a piezoelectric element for stroke is fixed to a fixed part, a piezoelectric element for clamping is attached to the other side of the same element, and a pulsed drive voltage is applied to each piezoelectric element. There is a piezoelectric actuator that moves the plunger over a large distance by repeatedly applying a force to the clamping piezoelectric element to clamp the plunger, and expanding and contracting the stroke piezoelectric element to advance and retreat one plunger. Since it is approximately proportional to the amount of movement, the amount of charge applied to the stroke piezoelectric element, and the number of pulses, open loop control is possible.

ところが、駆動電圧の誤差、プランジャと圧電素子間の
スリップなどで、プランジャの位置に誤差が生じ、更に
、この誤差か累積して大きな誤差になるという欠点かあ
った。
However, errors in the position of the plunger occur due to errors in the driving voltage, slips between the plunger and the piezoelectric element, etc., and furthermore, these errors accumulate to become a large error.

そこで、この欠点を解決する手段として、プランジャの
ストロークエンド位置にリミットスイッチまたはフォト
センサなどを配設して、これらのスイッチまたはセンサ
が、プランジャを検出したときにプランジャの位置デー
タを更新するようにしたもの、または、プランジャにエ
ンコータを連結して1ランジヤ位置を検出するようにし
たものなどが考えられる。
Therefore, as a means to solve this drawback, a limit switch or a photo sensor is installed at the stroke end position of the plunger, and these switches or sensors update the plunger position data when the plunger is detected. Alternatively, an encoder may be connected to the plunger to detect one plunger position.

(ハ) 発明か解決しようとする課題 しかしながら、上記のスイッチまたはフォトセンサによ
る位置検出手段では、プランジャがストロークエンドに
きたときしかプランジャ位置データの更新をすることが
出来す、プランジャが中間位置で進退作動を繰り返して
いると、次第に誤差か累積して行くと言う欠点があり、
なかでもリミットスイッチを用いたものでは、同スイッ
チにしステリシスがある為、1ランジヤが検出される位
置か異なるという欠点がある。
(C) Problem to be Solved by the Invention However, with the above-mentioned position detection means using a switch or photo sensor, the plunger position data can only be updated when the plunger reaches the end of its stroke, and the plunger moves back and forth at an intermediate position. The disadvantage is that if the operation is repeated, errors will gradually accumulate.
Among them, the one using a limit switch has the disadvantage that the position at which one lunge is detected is different because the same switch has steresis.

また、プランジャにエンコーダを連結する手段も、エン
コーダは一般に高価であり、パルスカウンタ型のものは
、頻繁に位置の較正をしなければ誤差が累積するという
欠点があり、アブソリュート型のものは、位置の較正は
必要ないものの非常に高価であるという難点がある。
In addition, regarding the means for connecting an encoder to the plunger, encoders are generally expensive, pulse counter types have the disadvantage of accumulating errors unless the position is calibrated frequently, and absolute types have the disadvantage of accumulating errors. The drawback is that although calibration is not necessary, it is very expensive.

(ニ) 課題を解決するための手段 本発明では、プランジャを直線的に1枢動ずべく構成し
たリニア駆動アクチュエータにおいて、プランジャに移
動電極を配設すると共に、同アクヂュエータの固定側に
固定電極を設けて、各電極を対峙させ、プランジャの進
退作動に伴う各電極間の静電容量の変化を検出して、プ
ランジャの位置を検出すべく構成したことを特徴とする
位置検出機能を有する圧電アクチュエータを提供せんと
するものである。
(d) Means for Solving the Problems In the present invention, in a linear drive actuator in which the plunger is configured to move linearly by one pivot, a movable electrode is disposed on the plunger, and a fixed electrode is provided on the fixed side of the actuator. A piezoelectric actuator having a position detection function, characterized in that it is configured to detect the position of a plunger by making the electrodes face each other and detecting changes in capacitance between the electrodes as the plunger advances and retreats. We aim to provide the following.

(ホ) 作用・効果 本発明によれは、プランジャが進退作動すると、各電極
間の静電容量が変化するので、この容量変化からプラン
ジャの位f〃を検出することかできる。
(E) Functions and Effects According to the present invention, when the plunger moves back and forth, the capacitance between the electrodes changes, so the position f of the plunger can be detected from this capacitance change.

したがって、プランジャがいかなる位置にあっても、常
にその位置を検出することができ、従来、プランジャが
スI・ローフエンドに来たときしか位置検出ができない
と言う欠点が解決される。
Therefore, no matter what position the plunger is in, it can always be detected, and the conventional drawback of being able to detect the position only when the plunger reaches the low end is solved.

また、高価なエンコータを要しないことから、安価にプ
ランジャの位置検出ができると言う利点もある。
Further, since an expensive encoder is not required, there is an advantage that the position of the plunger can be detected at low cost.

(へ) 実施例 本発明の第1実施例を図面にもとづき詳説すれば、第1
図中(A)はリニア駆動アクチュエータとしての圧電ア
クチュエータを示し、前後壁(aHb)を具備するゲー
ジング(C)内に、同心円的にかつ軸線に沿って進退自
在に被駆動体としてのグランジャ(P)を取付け、さら
に、プランジャ(P)の外周面上に同心円的に、3個の
圧電素子(e)(f)(c+)を配設している。
(f) Embodiment The first embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.
In the figure, (A) shows a piezoelectric actuator as a linear drive actuator, and a grunger (P) as a driven body is movable concentrically and retractably in a gauging (C) having front and rear walls (aHb). ) is attached, and furthermore, three piezoelectric elements (e), (f), and (c+) are arranged concentrically on the outer peripheral surface of the plunger (P).

また、(i)はその基端を支持材(h)に、(j)はそ
の基端をストローク用圧電素子(g)に固着するととも
にその先端を前後壁(a)(b)に向けて伸延する片持
ち梁状の弾性ブリッジである。
In addition, (i) has its base end fixed to the support member (h), and (j) has its base end fixed to the stroke piezoelectric element (g), and its tips are directed toward the front and rear walls (a) and (b). It is an elastic bridge in the form of a cantilevered beam.

そして、同弾性ブリッジ(1)(j)の先端には、その
外周面にクランプ用圧電素子(e)(f)を取付けると
ともに、その内周面にクランプ部材(k)(+)を固着
している。
At the tips of the elastic bridges (1) and (j), piezoelectric elements for clamping (e) and (f) are attached to the outer circumference, and clamping members (k) and (+) are fixed to the inner circumference. ing.

そして、この圧電素子(e)(f)(0)のうちクラン
プ用圧電素子(e) (f)は、電圧印加状態では内径
を縮径させてプランジャ(P)をクランプすると共に、
非電圧印加状態では内径を拡径してプランジャ(P)へ
のクランプを解除する。
Among these piezoelectric elements (e), (f), and (0), the clamping piezoelectric element (e) (f) reduces its inner diameter in a voltage applied state to clamp the plunger (P), and
When no voltage is applied, the inner diameter is expanded to release the clamp on the plunger (P).

一方、ストローク用圧電素子(a)は、電圧印加状態で
はプランジャ(P)上を軸線方向に伸長し、非電圧印加
状態ではプランジャ(P)上を軸線方向に収縮する。
On the other hand, the stroke piezoelectric element (a) extends in the axial direction on the plunger (P) when a voltage is applied, and contracts in the axial direction on the plunger (P) when no voltage is applied.

次に、かかる構成を有する圧電アクチュエータ(八)に
よるプランジャ(P)の移動について、第2図〜第5図
を参照して説明する。
Next, the movement of the plunger (P) by the piezoelectric actuator (8) having such a configuration will be explained with reference to FIGS. 2 to 5.

後述する制御装置FC)から、駆動プログラムに従って
、圧電素子(f)に電圧を印加して、第2図に示すよう
に、プランジャ(P)をクランプし、圧型素子(e)l
\の電圧印加を解除してプランジャ(P)のクランプを
解除する。
A voltage is applied to the piezoelectric element (f) from a control device FC (described later) according to a drive program, and as shown in FIG. 2, the plunger (P) is clamped and the piezoelectric element (e)
Release the voltage application to \ to release the clamp on the plunger (P).

次に、第3図に示すように、圧電素子(g)の電圧を解
除して収縮せしめると、圧電素子(f)が矢印方向に移
動し、これに件ってプランジャ(P)も矢印方向に移動
する。
Next, as shown in Fig. 3, when the voltage of the piezoelectric element (g) is released and contracted, the piezoelectric element (f) moves in the direction of the arrow, and the plunger (P) also moves in the direction of the arrow. Move to.

その後、第4図に示すように、圧電素子(e)に電圧を
印加してプランジャ(P)をクランプし、ついで圧電素
子(f)の印加電圧を解除してプランジャ(P)のクラ
ンプを解除し、圧電素子(g)に電圧を印加すると、圧
電素子((1)が伸長して圧電素子(f)か第5図の位
置に復帰する。
Thereafter, as shown in Figure 4, a voltage is applied to the piezoelectric element (e) to clamp the plunger (P), and then the voltage applied to the piezoelectric element (f) is released to release the clamp on the plunger (P). However, when a voltage is applied to the piezoelectric element (g), the piezoelectric element (1) expands and the piezoelectric element (f) returns to the position shown in FIG.

その後、上記動作を繰り返すことにより、1ランジヤ(
P)をμmmオクタはサブμmオーダのストローク用尺
とり虫状に移動することができ、プランジャ(P)先端
に連結した各種作動装置を精密に動作させることかでき
ることになる。
After that, by repeating the above operation, 1 runge (
P) can be moved like an inchworm for strokes on the sub-μm order, and various actuating devices connected to the tip of the plunger (P) can be precisely operated.

かかる圧電アクチュエータ(八)の作動は、第6図で示
す制御装置(C)で制御されており、同装置FC)は、
マイクロプロセッサ(HPU) 、入出力インターフェ
ースm (0)、駆動プログラムを記憶したメモリ(H
)によって構成されており、入力インターフェース(1
)には、プランジャ(P)を作動させるためのスイッチ
(SW)が接続し、出力インターフェース(0)には、
駆動回路(D)を介してクランプ用及びストローク用の
圧電素子(e)(f)(g)が接続している。
The operation of the piezoelectric actuator (8) is controlled by a control device (C) shown in FIG.
Microprocessor (HPU), input/output interface m (0), memory (H
), and an input interface (1
) is connected to a switch (SW) for operating the plunger (P), and the output interface (0) is connected to
Piezoelectric elements (e), (f), and (g) for clamping and stroke are connected via a drive circuit (D).

そして、スイッチ(Sw)からプランジャ(P)への制
御指令が制御装置(C)に入力すると、駆動プログラム
にしたがってパルス状の駆動電圧が出力され、前記のよ
うにプランジャ(P)を作動させることができる。
When a control command from the switch (Sw) to the plunger (P) is input to the control device (C), a pulsed drive voltage is output according to the drive program, and the plunger (P) is actuated as described above. Can be done.

かかる圧電アクチュエータFA)の後壁(b)に、プラ
ンジャ(P)の後端に移動電極(pm)を設けると共に
、移動型fli(pIIl)に対峙し、移動電極(pm
)とは絶縁された固定型@(ps)を配設して、固定電
極(ps)と移動電極(pIIl)との間の静電容量を
検出して制御装置に入力するようにしている。
A moving electrode (pm) is provided on the rear wall (b) of the piezoelectric actuator FA) at the rear end of the plunger (P), and a moving electrode (pm) is provided facing the moving type fli (pIIl).
) is arranged to detect the capacitance between the fixed electrode (ps) and the movable electrode (pIIl) and input it to the control device.

一方、制御装置(C)のメモリ(14)には、上記静電
容量からプランジャ(P)の位置を算出するルーチンを
記憶させている。
On the other hand, a routine for calculating the position of the plunger (P) from the capacitance is stored in the memory (14) of the control device (C).

移動電極(pm)と固定電極(ps)との間のW?電容
量を検出するには、次のような構成か考えられる。
W? between the moving electrode (pm) and the fixed electrode (ps)? To detect capacitance, the following configuration may be considered.

すなわち、 第7図で示すように、移動型fi!2 (pn+)と固
定電極(ps)との間のギヤラフ責G)が有する静電容
量を発振定数の一つとした発振回TI@(CI)を構成
し、その発振周波数をFV変換回路(C2)で電圧に変
換し、制御装置(C)に入力する。
That is, as shown in FIG. 7, mobile fi! 2 Construct an oscillation circuit TI@(CI) in which one of the oscillation constants is the capacitance possessed by the gear luff G) between (pn+) and the fixed electrode (ps), and change the oscillation frequency to the FV conversion circuit (C2 ) is converted to voltage and input to the control device (C).

また、第8図で示すように、上記ギャップ(G)の静電
容量を発振定数の一つとした発振回路(C3)を構成し
、その発振周波数を直接制御装置(C)に入力して、間
装?J (C)の内部でデジタル的に(例えば周波数カ
ウントなど)周波数を検出する。
Further, as shown in FIG. 8, an oscillation circuit (C3) is constructed in which the capacitance of the gap (G) is one of the oscillation constants, and its oscillation frequency is directly input to the control device (C). Interior decoration? Detect the frequency digitally (eg, by frequency counting) inside the J (C).

このようにして検出された周波数は、ギャップ(G)か
有する静電容量に反比例し、かつ、ギャップ(G)の大
きさに反比例することから、ギャップ(G)の大きさ、
すなわち、プランジャ(P)の位置を検出することかで
きる。
The frequency detected in this way is inversely proportional to the capacitance that the gap (G) has, and is also inversely proportional to the size of the gap (G), so the size of the gap (G),
That is, the position of the plunger (P) can be detected.

上記のようにして制御装置(C)に入力した移動型#l
(pm)と固定電極(ps)との間の静電容量データを
、前記のルーチンにより処理して、プランジャ(P)の
位置を算出することかできる。
Mobile type #l input to the control device (C) as above
The capacitance data between (pm) and the fixed electrode (ps) can be processed by the routine described above to calculate the position of the plunger (P).

このようにして検出したプランジャ(P)の位置を用い
て、クローズドルーズによるプランジャ(P)の位置制
御を行うことかてき、特に高価なエンコータを要しない
ことから安価に上記制御を実現することかできるという
効果を有する。
Using the position of the plunger (P) detected in this way, the position of the plunger (P) can be controlled by a closed loop, and since no particularly expensive encoder is required, the above control can be realized at low cost. It has the effect of being able to.

上記のように、プランジャ(P)の位置検出ができる圧
電アクチュエータ(八)は、プランジャ(P)の先端に
、各種機器を連結して同機器を正確に制御することかで
きる。
As described above, the piezoelectric actuator (8) capable of detecting the position of the plunger (P) can be connected to the tip of the plunger (P) to accurately control various devices.

第9図は上記の圧電アクチュエータ(^)をダイヤフラ
ム弁(V)の作動制御に適用して、同舟(V)の開閉及
び流量調整を行わせるようにしたものを示している。
FIG. 9 shows the piezoelectric actuator (^) described above applied to control the operation of a diaphragm valve (V) to open and close the vessel (V) and adjust the flow rate.

図中、(1)は弁本体、(2)は流出路、(3)は流入
路、(4)は主弁座、(5)は主弁体、(6)はパイロ
ット弁座、(7)はタイヤフラム、(8)はオリフィス
、(9)はプランジャ(P)の先端に連設されなパイロ
ット弁体を示しており、プランジャ(P)の位置が常に
検出されていることから、パイロット弁体(9)の位置
が正確に制御され、したがって、主弁体(5)の位置も
正確になり、正確な流量調整を行うことができる。
In the figure, (1) is the valve body, (2) is the outflow path, (3) is the inflow path, (4) is the main valve seat, (5) is the main valve body, (6) is the pilot valve seat, and (7) is the main valve seat. ) indicates the tire flam, (8) indicates the orifice, and (9) indicates the pilot valve body connected to the tip of the plunger (P).Since the position of the plunger (P) is always detected, the pilot valve The position of the valve body (9) is accurately controlled, and therefore the position of the main valve body (5) is also accurate, allowing accurate flow rate adjustment.

第10図は第2実施例を示しており、第1実施例とほぼ
同様に構成した圧電アクチュエータCB)のプランジャ
(P)の後端外周面に筒状の移動電極(pm)を設ける
と共に、移動電極(pn)と所定の間隔を保持して、同
アクチュエータ(B)の固定側に固着した筒状の固定電
極(ps)を外嵌し、プランジャ(P)の移動によって
各電極(pl)(ps)がラップした部分の長さが変化
し、これに伴って各電極(pn+)(ps)間の静電容
量が変化するようにしている。
FIG. 10 shows a second embodiment, in which a cylindrical moving electrode (pm) is provided on the outer circumferential surface of the rear end of the plunger (P) of a piezoelectric actuator CB) configured almost in the same way as the first embodiment. A cylindrical fixed electrode (ps) fixed to the fixed side of the actuator (B) is fitted onto the fixed side of the actuator (B) while maintaining a predetermined distance from the moving electrode (pn), and each electrode (pl) is moved by the movement of the plunger (P). The length of the portion where (ps) is wrapped changes, and the capacitance between each electrode (pn+) (ps) changes accordingly.

また、第11図は第3実施例を示しており、第2実施例
とほぼ同様に構成した移動型′#!(pn+)と固定型
% (ps)との間に筒状のアルミナセラミックス等の
誘電体([)を介設したものであり、第2実施例と同様
の作用・効果を有するものである。
Further, FIG. 11 shows a third embodiment, in which a mobile type '#!' is constructed almost in the same way as the second embodiment. A cylindrical dielectric material ([) made of alumina ceramics or the like is interposed between the (pn+) and the fixed type % (ps), and has the same functions and effects as the second embodiment.

第12図は第4実施例を示しており、固定電極(ps)
を所定間隔を保持して配設した第1固定電極(psl)
、と第2固定電極(ps2)とで構成し、移動型1ff
l(pIIl)を上記間隔と対峙させ、移動電極(pI
n)の両端を第1、第2固定電極(psi)(ps2)
とラップさせ、プランジャ(P)の移動に伴い、第1固
定電極(psl)と移動電極(pm)間の静電容量と、
第2固定電極(ps2)と移動型#1(pml)間の静
電容量とが、互いに補数的に増減するように構成して、
両方の静電容量の差から1ランジヤ(P)の位置を検知
できるようにしたものであり、位置検出の精度を高める
と共に、温度変化による静電容量の変化の影響を受けに
<<シたものである。
FIG. 12 shows the fourth embodiment, in which the fixed electrode (ps)
The first fixed electrode (psl) is arranged at a predetermined interval.
, and a second fixed electrode (ps2), and a movable 1ff
l (pIIl) is opposed to the above-mentioned interval, and the moving electrode (pI
n) at both ends of the first and second fixed electrodes (psi) (ps2)
As the plunger (P) moves, the capacitance between the first fixed electrode (psl) and the moving electrode (pm) increases,
The capacitance between the second fixed electrode (ps2) and the movable type #1 (pml) is configured to increase or decrease in a complementary manner to each other,
It is possible to detect the position of one lange (P) from the difference in capacitance between the two, increasing the accuracy of position detection and making it less susceptible to changes in capacitance due to temperature changes. It is something.

なお、上記とは逆に圧電アクチュエータの固定側に一個
の固定電極を設け、プランジャに第1、第2移動電極と
で構成した移動電極を配設して、各電極間の静電容量の
差からプランジャの位置を検出するようにすることもで
きる。
In addition, contrary to the above, one fixed electrode is provided on the fixed side of the piezoelectric actuator, and a moving electrode consisting of a first and second moving electrode is provided on the plunger, so that the difference in capacitance between each electrode is It is also possible to detect the position of the plunger from.

また、第4実施例においても、第3実施例と同様の誘電
体(E)を設けることかできる。
Also, in the fourth embodiment, a dielectric (E) similar to that in the third embodiment can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による圧電アクチュエータの断面説明図
、第2図〜第5図は圧電アクチュエータの作動順序を示
す説明図、第6図は制御装置の構成を示すブロック図、
第7図、第8図は静電容量を検出する回路構成を示すブ
ロック図、第9図は流量調整弁の断面説明図、第10図
は第2実施例の断面説明図、第11図は第3実施例の断
面説明図、第12図は第4実施例の断面説明図。 第1図 (A):圧電アクチュエータ (P)ニブランジャ (pm) :移動電極 (ps) :固定電極
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory diagram of a piezoelectric actuator according to the present invention, FIGS. 2 to 5 are explanatory diagrams showing the operating order of the piezoelectric actuator, and FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a control device.
7 and 8 are block diagrams showing the circuit configuration for detecting capacitance, FIG. 9 is a cross-sectional explanatory diagram of the flow rate regulating valve, FIG. 10 is a cross-sectional explanatory diagram of the second embodiment, and FIG. 11 is a cross-sectional explanatory diagram of the second embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional explanatory diagram of the third embodiment, and FIG. 12 is a cross-sectional explanatory diagram of the fourth embodiment. Figure 1 (A): Piezoelectric actuator (P) Nib lunger (pm): Moving electrode (ps): Fixed electrode

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1)プランジャ(P)を直線的に駆動すべく構成したリ
ニア駆動アクチュエータにおいて、プランジャ(P)に
移動電極(pm)を配設すると共に、同アクチュエータ
の固定側に固定電極(ps)を設けて、各電極(pm)
(ps)を対峙させ、プランジャ(P)の進退作動に伴
う各電極(pm)(ps)間の静電容量の変化を検出し
て、プランジャ(P)の位置を検出すべく構成したこと
を特徴とする位置検出機能を有する圧電アクチュエータ
1) In a linear drive actuator configured to linearly drive a plunger (P), a moving electrode (pm) is provided on the plunger (P), and a fixed electrode (ps) is provided on the fixed side of the actuator. , each electrode (pm)
(ps) facing each other and detecting the change in capacitance between each electrode (pm) and (ps) as the plunger (P) advances and retreats, thereby detecting the position of the plunger (P). A piezoelectric actuator with a distinctive position detection function.
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Cited By (5)

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