JPH0349571A - 位置補正機能を有する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 本発明は位置補正機能を有する圧電アクチュエータに関
する。

（口）　従来の技術 従来、パルス駆動のアクチュエータの一形態として、圧
電アクチュエータがあり、同圧電アクチュエータは、固
定部分にストローク用圧電素子の−側を固定し、同素子
の他側にクランブ用圧電素子を取り付け、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ブさせ、ストローク用圧電素子を伸
縮させてプランジャ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、プランジャ′の移動量が、ストローク用圧
電素子に印加した駆動電圧と、パルス数に比例すること
から、オーブンルーブ制御を可能としたものがある。

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
この誤差が累積して大きな誤差になるという欠点があっ
た。

そこで、この欠点を解決する為に、該アクチュ工−夕の
プランジャのストロークエンド位置にストッパーを設け
て、ストッパーで作動が規制された状態でのプランジャ
の位置を作動の原点としてプランジャの位置データを更
新するようにしたものがある。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 しかしながら、前記のようにプランジャの現在位置が不
確実であるため、確実にプランジャを作動が規制された
位置まで作動させるには、プランジャのフルストローク
に要するパルス数以上のパルス数でプランジャをストッ
パ一方向に過剰に駆動する必要があり、プランジャがス
トッパーで作動が規制された後は、プランジャが無理に
駆動されることになり、その為、圧電アクチュエータの
各部に無理が生し、特に、クランブ用の圧電素子とプラ
ンジャとがスリップして摩耗が生ずるなど、耐久性を損
なうという欠点があった。

（二）　課題を解決するための手段 本発明では、クランプ用の圧電素子と、ストロク用の圧
電素子とに、制御装置からのパルス状の電圧を印加して
プランジャを往復作動させるように構成した圧電アクチ
ュエータにお・いて、同アクチュエータに、プランジャ
の作動範囲を規制するストッパーを設けると共に、プラ
ンジャの位置を検出する位置センサを取付け、上記スト
ッパーにてプランジャの作動が規制された状態での位置
センサの出力を制御装置に記憶させ、この記憶した出力
に基づきプランジャを上記作動が規制された位置に復帰
させることにより、プランジャ位置の補正を行うことを
特徴とする位置補正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。

（ホ）　作用・効果 本発明によれば、一旦、プランジャをストッパーで作動
が規制されるまで作動させ、その時の位置センサの出力
を制御装置に記憶させておけば、次回からは、制御装置
が記憶した位置センサ出力に基づいて、プランジャを、
作動が規制される位置まで作動させてプランジャ位置の
補正を行うことができる。

したがって、プランジャを過剰に駆動する必要がなくな
り、前記の過剰な駆動による弊害を防止することができ
る。

なお、プランジャをより確実に作動が規制される位置ま
で作動させるために、制御装置が記憶した位置センサ出
力に基づく作動量よりも過剰に駆動することが考えられ
るが、この場合も、過剰な駆動量がごく僅かですむ。

（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図中
（Ａ）はパルス駆動アクチュエータとじての圧電アクチ
ュエータを示し、前後壁（ａ）　（ｂ）を具備するケー
シング（Ｃ）内に、同心円的にかつ軸線に沿って進退自
在に被駆動体としてのプランジャ（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）（ｇ）を配設している。

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）　（ｔｙ）に向けて伸延する
片持ち梁状の弾性ブリッジである。

そして、同弾性ブリッジ（１）（ｊ）の先端には、その
外周面にクランブ用圧電素子（ｅ）（ｆ）を取付けると
ともに、その内周面にクランプ部材（ｋ）（１）を固着
している。

また、前壁（ａ）の内面にストッパー（Ｓ）を形戊して
、プランジャ（Ｐ）の下端部に形成したフランジ（Ｐ）
との当接により、プランジャ（Ｐ）の下方作動を規制す
るようにしている。

次に、各圧電素子（ｅ）　（ｆｉｇ）の作用について説
明する 圧電素子（ｅ）ｍ（ｇ）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。

一方、ストローク用圧電素子（ｇ）は、非電圧印加状態
ではプランジャ（Ｐ）上を軸線方向に伸長し、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。

次に、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（Ｐ）の移動について、第２図〜第５図
を参照して説明する。

後述する制御装置（Ｃ）から、駆動プログラムに従って
、圧電素子（ｒ）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、圧電素子（ｅ）へ
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。

次に、第３図に示すように、圧電素子（ｇ）に電圧を印
加して収縮せしめると、圧電素子（ｒ）が矢印方向に移
動し、これに伴ってプランジャ（Ｐ）も矢印方向に移動
する。

その後、第４図に示すように、圧電素子（Ｃ）に電圧を
印加してプランジャ（Ｐ）をクランプし、ついて圧電素
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）の印加電圧を解除すると
、圧電素子（ｇ）が伸長して圧電素子（ｆ）が第５図の
位置に復帰する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ（
Ｐ）をμｍオーダ或はサブμｍオーダのストロークで尺
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ができ
る。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）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（Ｃ）は、
マイクロプロセッサー（ＭＰＬＩ）　、人出力インター
フェース（＋）（０）、駆動プログラムを記憶したメモ
リ（Ｍ）によって構成されており、人力インターフェー
ス（１）には、プランジャ（Ｐ）を作動させるためのス
イッチ（Ｓｖ）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）　（ｒ）　（ｇ）が接続している
。

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）に人力すると、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。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）に、第１図に示すよう
に、位置センサ（Ｓｐ）を設けてプランジャ（Ｐ）の位
置を検出するようにしている。

すなわち、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（ｐｍ）と所定
の間隔を保持して筒状のアルミナセラミックス等の誘電
体（ＩＥ）を外嵌して、同誘電体（Ｅ）の後端面を後壁
（ｂ）の内面に固着し、誘電体（ＩＥ）の外周にそれぞ
れ筒状の第１固定電ｔｆｆｉ（ｐｓｌ）と第２固定電極
（ｐｓ２）とを、軸線方向に所定間隔を保持して外嵌し
て、移動電極（ｐｍ）の両端を第１、第２固定電極（ｐ
ｓ　１　）　（ｐｓ　２　）とラップさせ、プランジャ
（Ｐ）の移動に伴う各電極（ｐｍ＞　（ｐｓｌ．＞（ｐ
ｓ２）のラップ部分の長さの変化によって、第１固定電
極（ｐｓｉ＞と移動電極（ｐｍ）間の静電容量と、第２
固定電極（ｐｓ２）と移動電極（ｐｍ）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いる。

そして、第７図で示すように、各電極（ｐｍ）（ｐｓｌ
．）（ｐｓ２）間の静電容量を、それぞれ発振定数の一
つとした発振回路（ＣＩ）（Ｃ２）を構威し、その発振
波をミキサー（Ｃ３）に入力し、ミキサー（Ｃ３）の出
力の高周波領域をローパスフィルタ（Ｃ４）でカットし
、ＦＶ変換回路（Ｃ５）で電圧に変換し、Ａ−Ｄ変換器
（Ｃ６〉を介して制御装置（Ｃ）に人力するように購戊
している。

上記のようにして制御装置（Ｃ）に人力したＡＤ変換器
（Ｃ６）の出力を処理して、プランジャ（Ｐ〉の位置を
算出することができる。

すなわち前述したように、第１固定電ｔＭ（ｐｓｌ）と
移動電極（ｐｍ）間の静電容量と、第２固定電極（ｐｓ
２）と移動電極（ｐｍ）間の静電容量とが、プランジャ
（Ｐ）の移動に対応して、互いに補数的に増減するよう
に構成しているので、これに対応して発振回路（ＣＩ）
（Ｃ２）の発振周波数も、一方が高くなると他方が低く
なる。

上記のようにプランジャ（Ｐ）の移動に対応して変化す
る発振回路（Ｃｌ）（Ｃ２）の発振周波数を、ミキサー
（Ｃ３）でミキシングすることで、上記二つの発振周波
数の和と差の合或周波数を出力させ、合成周波数の和の
方の高周波領域をローバスフィルタ〈Ｃ４〉でカットし
て、合或周波数の差の方の低周波領域だけをＦＶ変換回
路（Ｃ５〉で電圧に変換し、Ａ一Ｄ変換器（Ｃ８〉を介
して制御装置（Ｃ）に人力することで、プランジャ（Ｐ
）の位置を検知することができる。

また、ローバスフィルタ（Ｃ４）の出力波形を整形して
制御装置（Ｃ）に入力し、同装置（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
事もできる。

本発明の実施例は上記のように構成されており、圧電ア
クチュエータ（Ａ）と制御装置（Ｃ）が電源に接続され
ると、イニシャライズまたはバワーオンリセットの一環
として、圧電アクチュエータ（Ａ）に負荷がかかる前に
、一旦、プランジャ（Ｐ）をストッパー（Ｓ）で作動が
規制されるまて前進させ、その時のＡ−Ｄ変換器〈Ｃ６
）の出力をメモリ（｝１）に記憶させることで、ストッ
パー（Ｓ）で作動が規制された位置をプランジャ（Ｐ）
作動の原点として用いることができるようになる。

そして、上記のプランジャ（Ｐ）作動の原点と、駆動パ
ルス当たりのプランジャ（Ｐ）の移動量の平均値と、Ａ
−Ｄ変換器（Ｃ６）の出力から検知したプランジャ（Ｐ
）の位置とを参照してプランジャ（Ｐ）を駆動すること
により、オーブンルーブによるプランジャ（Ｐ）の位置
制御を行うことができる。

また、プランジャ（Ｐ）の位置の補正を行うには、メモ
リ（Ｍ）が記憶した原点の位置データからプランジャ（
Ｐ）の現在位置データを差引いた量に相当するパルス数
の駆動出力を圧電アクチュエータに与えれば、プランジ
ャ（Ｐ）が原点に復帰するので、この時点で原点の位置
データを更新することにより、プランジャ（Ｐ）の位置
の補正を行うことができる。

なお、プランジャ（Ｐ）をより確実にストッパー（Ｓ）
に当接させるために、上記パルス数よりも過剰のパルス
数でプランジャ（Ｐ）を駆動することが考えられるが、
この場合も、ごく僅かなパルス数を加えるだけでよい。

上記プランジャ（Ｐ）の位置補正は、前記のように電源
投入時に行うものであるが、必要に応じ使用者が制御装
置（Ｃ）に位置補正の指令を与えて行ったり、制御装置
（Ｃ）内にタイマーを設定して一定期間ごとに行ったり
、下記適用例で述べるように、プランジャ（Ｐ）を、同
プランジャ＜ｐ＞がストッパー（Ｓ）まで作動する機会
を捉えて行うことができる。

上記のように、一旦、プランジャ（Ｐ）をストッハー（
Ｓ）で作動が規制されるまで作動させ、その時の位置セ
ンサの出力を制御装置（Ｃ）に記憶させておけば、次回
からは、制御装置（Ｃ）が記憶した位置センサ出力に基
づいて、プランジャ（Ｐ）を、作動が規制される位置ま
で作動させてプランジャ（Ｐ）位置の補正を行うことが
できる。

したがって、プランジャ（Ｐ）を過剰に駆動する必要が
なく、過剰な駆動によるクランプ用の圧電素子（ｃ）（
ｆ’）及びプランジャ（Ｐ）の摩耗などの弊害を防止し
て耐久性を向上させることができる。

なお、プランジャ（Ｐ）をより確実にストッパー（Ｓ）
に当接させるために、制御装置（Ｃ）が記憶した位置セ
ンサ（Ｓｐ）出力に基づく作動量よりも過剰に駆動する
ことが考えられるが、この場合も、過剰な駆動量がごく
僅かですむ。

上記圧電アクチュエータ（Ａ）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
とができる。

第８図は上記の圧電アクチュエータ（Ａ）をダイヤフラ
ム型の流量調整弁（■〉の作動制御に適用して、同弁（
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。

図中、（Ｄは弁本体、（２）は流入路、（３）は流出路
、（４）は主弁座、（５）は主弁体、（Ｂ）はパイロッ
ト弁座、〈７）はダイヤプラム、（８）はオリフィス、
（９）はプランジャ（Ｐ）の先端に連設されたパイロッ
ト弁体を示しており、弁本体（１）を開弁ずるには、プ
ランジャ（Ｐ）を上方作動させてパイロット弁座（６）
を開き、閉弁するにはプランジャ（Ｐ）を下方作動させ
てパイロット弁座（６）を閉じることによって行われる
。

特に、弁本体（｛）の閉弁時には、主弁体（５）は主弁
座（４）に、プランジャ（Ｐ）の先端に連設されたパイ
ロット弁体（９）はパイロット弁座（６）に当接した状
態になるため、プランジャ（Ｐ）の下方作動が規制され
ることになり、この位置をプランジャ（Ｐ）作動の原点
に設定し、この状態で位置センサ（Ｓｐ）にプランジャ
（Ｐ）の位置を検出させて、主弁体（５）の閉弁動作ご
とにプランジャ（Ｐ）位置データの補正を行うようにし
ている。

また、主弁体（５）の閉弁状態を原点としてプランジャ
（Ｐ）の位置補正が行われるので、主弁体（５）及びパ
イロット弁体（９〉等のへたりによる閉弁位置及び開度
のずれも自動的に補正されることになる。

上記のように、主弁体（５）の閉弁状態におけるプラン
ジャ（Ｐ）の位置を原点として、プランジャ（Ｐ）の位
置が頻繁にに補正されていることから、プランジャ（Ｐ
）の位置を正確に制御することができ、正確な流量調整
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

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図は制御装置の構或を示すブロック図、
第７図は静電容量を検出する回路構成を示すブロック図
、第８図は流量調整弁の断面説明図。 （Ａ）：圧電アクチュエータ （Ｃ）二制御装置 （Ｐ）；プランジャ （Ｓ）：ストッパー （３ｐ）　：位置センサ （ｅ）（ｆ’）：クランブ用の圧電素子（ｇ）二ストロ
ーク用の圧電素子 第 １ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）クランプ用の圧電素子と、ストローク用の圧電素子
   とに、制御装置からのパルス状の電圧を印加してプラン
   ジャを往復作動させるように構成した圧電アクチュエー
   タにおいて、 同アクチュエータに、プランジャの作動範囲を規制する
   ストッパーを設けると共に、プランジャの位置を検出す
   る位置センサを取付け、上記ストッパーにてプランジャ
   の作動が規制された状態での位置センサの出力を制御装
   置に記憶させ、この記憶した出力に基づきプランジャを
   上記作動が規制された位置に復帰させることにより、プ
   ランジャ位置の補正を行うことを特徴とする位置補正機
   能を有する圧電アクチュエータ。