JPH0282666A - 圧電アクチュエータ - 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 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は軸方向に移動可能なプラン
ジャとプランジャをつかむクランプ部材と、クランプ部
材を作動させる圧電素子と、ストローク用圧電素子とに
より構成されて、クランプ用圧電素子を拡縮することに
より、クランプ部材を介してプランジャをつかみ、スト
ローク用圧電素子を伸縮することによりプランジャを前
後方向に駆動する圧電アクチュエータが存在している。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 しかし、軸方向に移動可能なプランジャは、材質量から
みるとタングステンカーバイド等の質量が大きいものに
より作成されているなめに密度が高く、また、形状面か
らみるとプランジャの断面形状が中実状に形成されて重
量が重く構成されていた。したがって、ストローク用圧
電素子に電圧を印加して、同プランジャを軸方向に作動
させると、慣性質量が大きいなめに、同プランジャのス
タートがおくれて瞬時に反応できないものであった。

また、ストローク用圧電素子への電圧の印加を解除して
プランジャの作動を停止させるときには、逆に、同プラ
ンジャの慣性力が大きく作用して、クランプ部材のクラ
ンプ力が不足して滑りが生じ、ストローク用圧電素子の
作動通りに同プランジャが正確に停止できないものであ
った。

したがって、プランジャのストローク量が不足したり、
位置決めがわるいために、各種装置を確実に作動できな
いなどの問題が発生していた。

（ニ）　課題を解決するための手段 本発明では、アクチュエータケーシング内に、軸線に沿
って微小［ｒｌｌｕ　ＡＩづつ無段階で進退自在にプラ
ンジャを取付けた圧電アクチュエータにおいて、同プラ
ンジャを、軽質量素材から形成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、上記プランジャを、中空軸から形成し
たこと、及び同プランジャの材質を低密度のセラミック
ス並びにサイアロンや窒化ケイ素、又は炭化ケイ素若し
くはアルミナとしたことにも特徴を有する。

（７１：　）　　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効果を
奏する。

■軸線方向に進退自在のプランジャを軽質量としたため
、プランジャの慣性質量が小さくなり、したがって、ス
トローク用圧電素子のストローク量に対応して、同プラ
ンジャは瞬時に対応し、同プランジャのスタートがおく
れるようなことがなく、また、停止時にも、正確に反応
して停止するからプランジャの移動量が円滑で、かつ、
正確な位置決めができるから、圧電アクチュエータを装
備する各種装置を精度の高い状態で効率よく作動させる
ことができるものである。

そして、プランジャを中空軸に形成して軽質量とするこ
とによっても、上記と同様に、プランジャの位置決めが
確実となるものである。

■また、プランジャの材質を低、密度のセラミックス素
材とすることにより、従来のものに比較して比重が大幅
に低減でき、したがって、質量が軽減されると共に、コ
ストが安価となるものである。

■また、特に、プランジャの材質を、サイアロン、窒化
ケイ素又は炭化ケイ素、若しくはアルミナとすることに
より、比重はより小さくなり、従来に比較して約５分の
１の質量軽減となる。したがって、プランジャの慣性力
が小さくなり、クランプ部の滑りがまったく発生しない
ので圧電アクチュエータの作動が正確となり、且つ、同
圧電アクチ２エータ全体の重量が軽減され、るものであ
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（八）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で、
軸心部を中空状にした軽質量のプランジャ（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）（ｇ）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（ｅ）（ｆ）（
９）は保持具（旧に支持されており、同保持具（１１）
は外周部を前壁（ａ）の端面にボルト（１１’）にて固
着されている。

そして、保持具（１１）に支持された圧電素子（ｅ）［
）は内径部にプランジャ（ｄ）をクランプするクランプ
部材（ｋ）（，１！　）を位置させているとともに、中
央の圧電素子（ｑ）の内径部には取付カラー（ｊ）を位
置させて、同取付カラーには前記クランプ部材ｆｋ）（
Ｊｌ　）の基部（Ｉｌ）（ｎ）を連結している。そして
、クランプ部材（ｋ）（Ｊ）　）の先端部はスリットを
設けて適宜数に分割されている。（ｐ）は圧電素子（ｇ
）と（ｆ　との間に設けるクランプ板である。

（ｑ　は、圧電素子（ｅ）のプリント基板で、リード線
（Ｓ）により圧電素子（（３）と接続している。

ｔ　は圧電素子（（＋）のプリント基板で、リード線Ｓ
　により圧電素子（（１）と接続している。

■　は圧電素子（（＋）の右端に設ける絶縁リング。

（Ｗ　よ、圧電素子け）のプリント基板で、リード線（
Ｓ　により圧電素子（ｆ）と接続している。

そして、上記各基板（ｑ）（ｔ）（ｗ）には外部リード
線が接続されている。

上記構成において、上記圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）を
構成するリング状の圧電板（ｙ）は、第３図に示す如く
外周面にテーパー状の面取り部（Ｒｏ）を設けるととも
に、同圧電板（ｙ）の側面（１１’）及び外周回収り部
（Ｒｏ）に導電ペースト（Ｐ゛）を塗布し、同面取り部
（Ｒｏ）にハンダ付けにてリード線（Ｓ）を接続してい
る。

次に、各圧電素子（ｅＨｆＨｇ）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（ｅｌｆ）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、Ｆα≧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も、圧電素子（ｅｌｆ）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な状態にあり、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）（ｑ）への抑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（ｙ）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。

また、第１図において、（１°）はアクチュエータ（八
）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、Ａ／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）（（１）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、入力インターフェース（
Ｓ）を介して制御装置（ｃ）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（旬を介して、各圧電素子（＋３）（ｆ）
（（１）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ペロブスカイト形の結晶構造をもつ強誘電材料であ
ってＰＺＴＣＰｂ（ＺｒＴｉ）０３）系、やＰＬＺＴ　
（Ｐｉ）、Ｌａ　（Ｚｒ。

Ｔｉ　）０３　）、ＰＴ　（ＰｂＴｉ０３　）系、ある
いはＰＺＴを基にした３成分系のものを用いることがで
きる。

また、圧電素子（ｅ）（ｆ）（ａ）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）（（］
）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、軸線方向に沿って進退自在のプランジャ（ｄ）は
前記の如く、軽質量に構成されており、タングステンカ
ーバイドに比較して軽質量化の方法として、種々あるが
、その−態様として、素材重量軽減が考えられる。

そして、プランジャ（ｄ）の軽質量化を、素材面よりみ
ると、密度が低く、線熱膨張係数が小さく、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
度が高く、例えば、セラミックス素材としてもよい。

そして、特に、サイアロン、窒化ケイ素又は炭化ゲイ素
、若しくはアルミナで作成することが望ましい。

また、プランジャ（ｄ）の素材をサイアロンとした場合
は、その比重は３．１であり、従来使用されていたタン
グテンカーバイトの比重１５．７と対比すると比重が５
分の１となり軽質量化がはがれるものである。

そして、形状面からは、プランジャ（ｄ）を中空軸に形
成することにより軽質量化がはがれるものである。

従来の中火軸の場合の重量Ｗ１は となり、そして、本発明の如く中空軸とする場合の重量
Ｗ２は となり、ｗｌ＞ｗ２となってプランジャ（ｄ）の軽量化
がはかれるものである。

なお、ｄｌは外径、ｄ２は内径、Ｌは長さ、γは比重で
ある。

また、全長を短くしたり、直径を小さくすることによっ
ても、軽質量化がはかれるものである。

なお、第４図に、上記圧電アクチュエータ（＾）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）（（Ｊ）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圧電アクチュエータ（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）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５図に示すように圧
電素子（ｅ）に負のパルス状駆動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
、圧電素子（ｆ）に正のパルス状駆動電圧を印加してク
ランプ力をＦ十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（ｇ）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、これに伴って圧電素子（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ｆｅ）に正のパルス状駆動電圧を
印加してクランプ力をＦモαに増加してプランジャ（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（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μｌ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ができ、適温制御を行
わせることができる。

また、第８図に本実施例にががるアクチュエータ（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（０）にががる圧電アクチュエータ（Ａ）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、−曲流路（１３）（１４）の内側開目端は、それ
ぞれケーシング（１０）の両端に形成した隔！　（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
股状開口端は隔壁（１７０１８）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（２２Ｎ２３）が設けられており、同弁座
（２２）（２３）には、ケーシング（１０）内を軸線方
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（＾）が取付けられている。

そして、各圧電アクチュエータ（＾）は、そのプランジ
ャ（ｄ）の先端を弁体（２４０２５）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８図において、（３０）は他ｆｆｌ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、検出値に基づいて自動開閉弁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（０）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、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（八）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、−
側流路（１３）（１４）から他側流路（２０）に流れる
給水量と給湯址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（Ａ）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、上記したように軸芯方向に進退自在のプランジャ
を軽質量としたため、同プランジャはストローク用圧電
素子の作動にリニアに反応して始動、停止するものであ
り、したがって、圧電アクチュエータの位置決めが正確
であると共に、同圧電アクチュエータを装備する自動開
閉弁の作動が確実であるから、弁体による流動制御及び
温度制御が、精度が高い状態で効率よく行なわれるもの
である。

【図面の簡単な説明】

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図は本発明要部の断面側面図。 第３図は、同斜視図。 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図は上記のアクチュエータを具備した自動開閉弁の
断面側面図。 Ａ　：アクチュエータ Ｂ　：圧電素子組立体 Ｃ：制御装置 ロ　：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　：圧電素子 ｆ）：圧電素子 ｇ）：圧電素子 ｋ）（ｊ！　）　　：クランプ部材 ｒ）：絶縁面 Ｐ）：導電ペースト ■）：圧電板 Ｚ）：内周縁 第 ■ 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アクチュエータケーシング（ｃ）内に、軸線に沿っ
   て微小距離づつ無段階で進退自在にプランジャ（ｄ）を
   取付けた圧電アクチュエータにおいて、 同プランジャ（ｄ）を、軽質量素材から形成したことを
   特徴とする圧電アクチュエータ。 ２）プランジャ（ｄ）を中空軸から形成したことを特徴
   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
   。 ３）プランジャ（ｄ）の材質を、低密度のセラミックス
   と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。 ４）プランジャ（ｄ）の材質を、サイアロン、窒化ケイ
   素、又は炭化ケイ素、若しくはアルミナとしたことを特
   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。