JPH0282664A - 圧電アクチユエータ - 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 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、圧電アクチュエータの一形態として、軸方向に移
動するプランジャと、同プランジャをっかむクランプと
、クランプを作動させる圧電素子と、プランジャを移動
させるストローク用圧電素子とにより構成されたものが
存在している。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 ところが、プランジャをつかむクランプと、クランプ用
圧電素子とは接着剤その他により一体的に連結されてお
り、したがって、クランプとプランジャ間のスベリによ
り、クランプ又はプランジャに摩耗（１μｍ）が発生し
た場合、クランプ用圧電素子の拡縮ストローク（数μｍ
）が小さい為に、クランプのつかみ力が不足して性能低
下の原因となっていた。

（ニ）　課題を解決するための手段 本発明では、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す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、グランジャを押圧
するクランプ部材を介してプランジャをクランプ可能な
り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、同クランプ用圧電とクランプ部材との間に、ク
ランプ部材の押圧面の摩耗量に対応してクランプ部材を
プランジャに向けて移動し、初期押圧力を保持するクラ
ンプ力保持機構を介設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。

また、本発明は上記構成において、クランプ力保持機構
を、スプリング付勢のくさび状にしたスペーサにより形
成した構成にも特徴を有する。

（ホ）　作用・効果 以上述べてきた構成により、本発明は以下の作用及び効
果を奏する。

■クランプ用圧電素子とクランプ部材との間に、クラン
プ部材の押圧面に摩耗量に対応してクランプ部材をプラ
ンジャに向けて移動し、初期押圧力を保持するクランプ
力保持機構を介設したもの、であるから、プランジャを
繰返しつかむクランプ部材、又はプランジャに摩耗が発
生すると、初期押圧力を保持するクランプ力保持機構Ｍ
により、クランプ力が自動的に調整されて、クランプ部
材によるつかみ力は常時一定に確保され、したかつて、
グランジャは確実、かつ円滑に作動するものである。

■また、従来のものは、クランプ部材に摩耗が発生ずる
と、プランジャのつかみ力が不足するために、装置全体
を分解して同クランプ部材を交換する必要があったか、
本発明による場合は、クランプ保持機構によりクランプ
部材又はプランジャの摩耗量たけ、自動的に調整できる
から、クランプ又はプランジャが摩耗しても、自動的に
ｆｉ適のクランプ力を確保でき、したがって、装置全体
を分解するようなことがなく、メンテナンスが不要であ
りながら長時間使用ができるものである。

■また、クランプ用圧電素子とクランプ部材との間に介
設するクランプ力保持機構を、くさび状に形成するスペ
ーサをスプリングにより付勢する構造としたため、クラ
ンプ部材又はグランジャに摩耗か発生すると摩耗量に対
応してスプリングの作用により、スペーサが押圧されて
同スペーサのくさび部によりクランプ部材を移動させて
自動的に初期押圧力を保持するものである。

したがって、クランプ力の保持Ｒ楢が簡単で作用か確実
である。

（へ）　実施例 以下、添付図に示す実施例に基づいて、本発明を具体的
に説明する。

第１図に本実施例に係る圧電アクチュエータ（Ａ）の構
成を示す。

図示するように、アクチュエータ（＾）は、前後壁（ａ
Ｈｂ）を具備する筒状のアクチュエータクーランプ（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、３つの圧電素子（ｅ）（ｆ）（
ｑ）からなる圧電素子組立体（Ｂ）を配設することによ
って構成している。

また、図示の実施例において、圧電素子（０）は保持具
（）１）の左側に支持されて、圧電素子（ｆ）（ｄ）は
保持具（１１）の右側に支持されており、同保持具（１
１）は外周部を前壁（ａ）の端面にボルト（Ｈ’）にて
固着されている。

そして、同保持具（旧の内径部には軸芯方向に雌ねじ部
（ｈ）を設けて、開離ねじ部（１１）にはクランプ用圧
電素子（ｅ）に連結するクランプ部材（ｋ）（，１りの
基部を螺着している。（ｉ）は、クランプ部材（ｋ）の
基部に設ける雄ねじ部、（Ｊ）はクランプ用圧電素子（
ｅ）と保持具（１１）との間に設けるスプリングである
。

また、保持具（１１）に固着したス１〜１７−り用圧電
素子（０）の外側には、取付金具（ｎ＋）を連結してお
り、同取付金具（ＩＩ）の内径部には軸心方向に雌ねじ
部（ｎ）を設けて、開離ねじ部（ｎ）には、クランプ用
圧電素子（ｆ）に連結するクランプ部材（１）の基部を
螺着している。

（ｐ）はクランプ部材（！Ｊ）の基部に設ける雄ねじ部
、（ｑ）はクランプ用圧電素子（［）と取付金具（Ｉｎ
）との間に設けるスプリングである。

また、クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）の内径部に、内
周部にくさび部（Ｈ）を有するスペーサ（ｕ）（Ｖ）を
介装して、１ランジヤ（ｄ）をつかむクランプ部材（ｋ
）（Ｊ　）を同スペーサ（ＩＪ）（Ｖ）の内周部に嵌装
している。

そして、前記クランプ用圧電素子（ｅｌｆ）に連結する
クランプ部材（ｋ）（Ｊ　”）は、第２図に示す如く、
基部に雄ねじ（ｉ）（１１）を有すると共に、他側外周
にはテーパ一部（ｒ）を形成しながら内周には押圧面（
Ｓｏ）を設けている。（ｔ）は押圧面（Ｓｏ）に設ける
適宜数のスリットで、先端は分割されている。

また、クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）との内径部に介
装された前記スペーサ（ｕ）（Ｖ）は、第３図に示す如
く、基部嵌合穴部（Ｅ）が前記クランプ部材（ｋ）（，
０）の中間軸部（Ｅｏ）に嵌合支持されながら、他端は
スリット（Ｇ）を適宜数設けて分割している。

したがって、クランプ部材（ｋ）（Ｊ　）とクランプ用
圧電素子（ｅ）（ｆ）との間に、テーパ一部がくさび状
（Ｈ）に形成されたスペーサ（ｕ）（Ｖ）を介装し、ス
プリグ（ｊ）（ｑ）によりスペーサ（Ｕ）（Ｖ）を付勢
しており、これらによって、クランプ部材（ｋＨＪ　）
の摩耗量に応じて同クランプ部材（ｋ）（ｊ　）をプラ
ンジャ（ｄ）に向けて移動し、初期押圧力を保持するク
ランプ力保持機構（Ｎ）を構成している。

次に、各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ａ）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、圧電素子（ｅ）（ｆ）は、非通電状態では一定の
クランプ力Ｆで１ランジヤ（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て６、圧電素子（ｅＨｆ）
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、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、１ランジヤ（ｄ）は、かかる３つの圧電素子（
ｅ）け）（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。

圧電素子（ｅ）は）（ｇ）は、多数の圧電板（×）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、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、伸びるように構成されて
いる。

まな、第１図において、（１）はアクチュエータ（＾）
の水密性を高めるために設けた摺動抵抗の小さいｔＪ字
状又はＹ字状パツキンである。

また、第４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、＾／Ｄ　、　Ｄ／Ａ変換器等よりなる
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（ｄ）とから構成され、入力インターフェース（Ｓ
）を介して制御装置に入力されたアクチュエータ駆動ボ
タン（３１）からの入力信号に基づき、前記したプログ
ラムにしたがって制御信号を発生し、出力インターフェ
ース（Ｔ）を介して、各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）と
接続するように構成している。

なお、圧電素子片は、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、ＡＢ
Ｏ３ベロブスカイ１へ形の結晶構造をもつ強誘電材料で
あってＰＺＴＣＰｂ（Ｚｒ。

Ｔ　ｉ　）　０３　）系、やＰＬＺＴ　（Ｆ’ｂ、Ｌａ
　（Ｚｒ。

Ｔ　ｉ　）　Ｏａ　］　、　ＰＴ　［ＰｂＴ’　ｉ　０
３　〕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（ｅ）ｍ（ｇ）は、多数の薄肉リング状
の圧電素子片をプランジャ（ｄ）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。

なお、上記構成において、圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｑ）
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、分割片から形成することもできる。

また、プランジャ（ｄ）は、クランプ部材（ｋ）（，１
１）によって多数クランプされるものであるため、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、
ρ■えば、セラミック素材としたものが考えられる。

ついで、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（ｄ）の作動について、第５図〜第７
図を参照して説明する。

第４図に示すアクチュエータ駆動ボタン（３１）を作動
させると、制御装置（ｃ）かメモリ（１１）から読み出
しな駆動順序プログラムに従って、第５図に示すように
圧電素子（０）に負のパルス状駆動電圧を印加してグラ
ンジャ（ｄ）へのクランプ力をＦ−αに低減するととも
に、圧電素子け）に正のパルス状駆動電圧を印加してク
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６図に示すように、圧電素子（ｄ）へ負のパル
ス状駆動電圧を印加して縮めると圧電素子（ｇ）は矢印
の方向に移動し、これに件って圧電素子（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７図に示すように、圧電素子（ｆ）に負のパ
ルス状駆動電圧を印加してクランプ力をＦ−αに低減す
るとともに、圧電素子（ｅ）に正のパルス状駆動電圧を
印加してクランプ力をＦ＋αに増加してグランジャ（ｄ
）をクランプさせる。そして、圧電素子（ｇ）に正のパ
ルス状駆動電圧を印加して伸ばすと圧電素子（９）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、μｆオーダ或いはサブμｍオーダのストローク
で尺とり山状に移動することができる。

従って、かかる圧電アクチュエータ（＾）を後述する湯
水混合装置（Ｄ）等にに装着した場合、混合弁を、その
開度を微調整しながら開閉することかでき、適温制御を
行わせることができる。

また、上記クランプ部材（ｋ）（Ｊｌ　）のクランプ保
持機構（Ｎ）は、プランジャ（ｄ）をつかむクランプ部
材（ｋ）（ｊ、　）の内径押圧面（Ｓ゛）が摩耗し、隙
間が生じてプランジャ（ｄ）をつかむ力が不足してくる
と、スプリング（ｊ）（ｑ）の働きにより、スペーサ（
Ｕ）（Ｖ）を外方に押圧しながら滑らせ、くさび部によ
り軸径方向に締付ける。そして、クランプ部材（ｋ）（
Ｊ　）の摩耗量だけ径を自動的に縮小して、クランプ力
を常に一定に確保できるように構成しているから確実、
かつ、正確なアクチュエータの作動が期待できる。

また、第８図に、本実施例にかかるアクチュエータ（＾
）の適用例を示しており、湯水混合栓としてａ能する自
、動開閉弁（Ｄ）にかかる圧電アクチュエータ（八）を
応用した例である。

第８図において、（１０）は円筒状の箱体をなすゲージ
ングであり、同ケーシング（１０）は、その−側側壁に
、二つの一側流路（１３）（１４）を形成している。

そして、−側流路（１３）（１４）は湯水混合栓の給水
流路及び給湯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、−側流路（１３０１４）の内側間［Ｉ端は、それ
ぞれゲージング（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ｌＩＪ！Ｉ側壁には、両
端開口の１゛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
股状開口端は隔壁（１７）（１８）と連通している。

さらに、Ｔ字状筒体（１９）の内側二股状開口部には、
それぞれ弁座（２２）（２３）か設けられており、同弁
座（２２）（２３）には、ゲージング（１０）内を軸線
方向に進退して弁座（２２）（２３）と接＾ｔ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、ゲージング（１０）の両端には、それぞれ圧電
アクチュエータ（八）が取付けられている。

そして、各圧電アクチュエータ（八）は、その１ランジ
ヤ（ｄ）の先端を弁体（２４）（２５）の後部と当接自
在となし、弁体（２４Ｎ２５）を開閉自在としている。

なお、第８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４図に示すような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の両アクチュエ
ータ（＾）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
（０）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）が設定開度で開閉
して、−側流Ｒ（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
圧電アクチュエータ（＾）によって作動するようにして
いるので、流量制御をより確実に行うことができ、適温
制御をより確実に行うことができる。

また、上記したようにクランプ用圧電素子とクランプ部
材との間に、クランプ部材の押圧面の摩耗量に対応して
クランプ部材をプランジャに向けて移動し、初期押圧力
を保持するクランプ力保持機構を有する圧電アクチュエ
ータにより自動開閉弁の作動が確実であるから、弁体に
よる流量制御及び温度制御が確実に行なわれるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例であって、第１図は、本発明に
係る圧電アクチュエータの断面側面図、第２図及び第３
図は本発明要部の斜視図、第４図は制御装置の構成説明
図、第５図〜第７図はアクチュエータの作動状態説明図
、第８図はアクチュエータを具備した自動開閉弁の断面
側面図である。 八）：アクチュエータ Ｂ）：圧電素子組立体 Ｃ）二制御装置 Ｄ）：自動開閉弁 ａ）：前壁 ｂ）：後壁 Ｃ）：アクチュエータケーシング ｄ）ニブランジャ ｅ）（ｆ）（ｇ）　　：圧電素子 １０：クランプ部材 （１）；クランプ部材 Ｕ　ニスペーサ Ｖ　ニスペーサ ｊ　ニスプリング ｑ　ニスプリング Ｈ：くさび部 （Ｎ）：クランプ力保持機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ケーシング（ｃ）内を軸線方向に進退可能なプラン
   ジャ（ｄ）と、同プランジャ（ｄ）を進退するストロー
   ク用圧電素子（ｇ）と、同プランジャ（ｄ）の廻りに取
   付け、プランジャ（ｄ）を押圧するクランプ部材（ｋ）
   （ｌ）を介してプランジャ（ｄ）をクランプ可能なクラ
   ンプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）とを具備する圧電アクチュ
   エータにおいて、 同クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）とクランプ部材（ｋ
   ）（ｌ）との間に、クランプ部材（ｋ）（ｌ）の押圧面
   （ｓ’）の摩耗量に対応してクランプ部材（ｋ）（ｌ）
   をプランジャ（ｄ）に向けて移動し、初期押圧力を保持
   するクランプ力保持機構（Ｎ）を介設したことを特徴と
   する圧電アクチュエータ。 ２）クランプ力保持機構（Ｎ）をスプリング付勢のくさ
   び状にしたスペーサ（ｕ）（ｖ）により構成にしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電アクチュ
   エータ。