JPH0478383A

JPH0478383A - 微小変位拡大機構

Info

Publication number: JPH0478383A
Application number: JP18706290A
Authority: JP
Inventors: Koji Takeshita; 竹下　興二; Akio Tanaka; 昭夫田中; Naotaka Komatsu; 直隆小松; Zenichi Yoshida; 善一吉田; Tanehiro Shinohara; 種宏篠原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1992-03-12

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】（産業上の利用分野）本発明は、バルブ・アクチュエータ等に適用される微小
変位の拡大機構に関する。

（従来の技術）圧電素子を使用したアクチュエータは、ソレノイド・バ
ルブを用いたアクチュエータに比べ高速応答、印加電圧
に略比例した発生変位、小型軽量等の特長を持つ反面、
発生変位が微小である。このため、アクチュエータとし
て使用する際には、良好な動特性を有する変位拡大機構
を必要とする。

この種の変位拡大機構として、入出カビストンの断面積
差を利用して微小変位を拡大する従来技術の一例を、第
３図に示す。

同図において、１ａは入力側ピストン、２ａは出力側ピ
ストン、３ａはシリンダ、１３は入力端ピストン１ａの
発生する入力変位を出力側ピストン２ａに伝える作動流
体、５は出力側ピストンに復元力を与えるばね、１４は
作動流体１３をシリンダ３ａに封入しておくためのＯリ
ングである。また、６はばね５の復元力を調整するため
の復元力調整ボルト、７は入力側ピストン１ａに微小変
位を与える圧電素子、１２は圧電素子７を収容する圧電
素子収容部材、８は圧電素子７を固定する座金、９は座
金８を介して圧電素子７に適正な予荷重を与えるための
予荷重調整ボルト、１０は予荷重調整ボルトの位置を固
定するためのロックナツトである。また、］１は圧電素
子７を駆動するための電線で、外部の駆動回路に接続さ
れている。

このような微小変位機構では、圧電素子７により入力側
ピストン１ａに微小変位を与えると、この変位が作動流
体］３を介して出力側ピストン２ａから取り出される。

このとき、入力側ピストン１ａの断面積を出力側ピスト
ン２ａの断面積よりも大きくしておけば、出力側ピスト
ン２ａには変位が拡大して取り出されることになる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、この種の微小変位機構にあっては次のよ
うな問題があった。即ち、第３図のような作動流体を用
いた方式では、作動流体を封入しておくためにＯリング
が必要不可欠の構成要素である。この０リングを使用し
た場合、繰り返し微小変位を受けるような条件下では、
０リングの磨耗等のため液封が不完全になる虞れがある
。また、作動流体封止時に混入する気泡やＯリングの弾
性変形により、入力側ピストンの微小入力変位が吸収さ
れてしまい、入力した変位が出力側ピストンに十分に伝
わらないという問題かあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、０リングの使用に起因する信頼
性の低下をなくし、且つ気泡やＯリングの弾性変形によ
る変位の吸収をなくすことができ、変位拡大時の損失が
少ない信頼性の高い微小変位拡大機構を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段）上述した目的を達成するために本発明では、入力側ピス
トンの入力変位を出力側ピストンに伝える伝達材として
、従来の作動流体に変えてゴム状弾性体を用いることに
した。

即ち本発明は、一端側開口が他端側開口よりも大径に形
成されたシリンダ部を有する圧力室構成部材と、微小変
位を発生するアクチュエータに取り付けられ、前記シリ
ンダ部の一端側に微小間隙を持って進退自在に挿入され
た入力側ピストンと、前記シリンダ部の他端側に微小間
隙を持って進退自在に挿入された出力側ピストンと、前
記シリンダ部及び第１．第２のピストンで囲まれた圧力
室内に充填されたゴム状弾性体とを具備してなることを
特徴としている。

また、本発明は、前記出力側ピストンの圧力室側端面を
円錐形状にして直径の１倍以上の高さとしたことを特徴
としている。さらに、本発明は、上記した構成に加え、
ゴム状弾性体内にゴム状弾性体よりも高い体積弾性率を
有する充填材を、−様に分散させたことを特徴としてい
る。

（作用）アクチュエータの発生する微小変位が入力側ピストンに
与えられると、この微小変位分だけ圧力室内のゴム状弾
性体が力を受ける。圧力室内でのゴム状弾性体は、出力
側ピストンのある方向にしか変形できないようになって
おり、このため出力側ピストンはゴム状弾性体に押され
て変位が出力される。

このとき、出力側ピストンの断面積は入力側ピストンの
断面積と比べ小さいため、出力側ピストンの変位が入力
側ピストンの変位に比べ大きくなり、変位が拡大される
。しかも、ゴム状弾性体を用いることからＯリングを用
いる必要かなくなり、Ｏリングの使用に起因する問題を
解決することが可能となる。

また、出力側ピストンの圧力室側端面を円錐形状とする
ことで、ゴム状弾性体の変形を効率良く出力側ピストン
の変位として伝達できる。

さらに、ゴム状弾性体内にこれよりも高い体積弾性率を
有する充填材を一様に分散させることにより、出力側ピ
ストンに作用する荷重に変動が生じてもゴム状弾性体の
変形を小さくすることが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる微小変位拡大ａ
１構の概略構成を示す断面図である。

同図において、第３図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。

１は入力側ピストン、２は出力側ピストン、３はシリン
ダ部を有する圧力室構成部材であり、圧力室構成部材３
のシリンダ部は左側開口か絞り込まれて右側開口よりも
小径となっている。

シリンダ部の右側開口には入力側ピストン１が微小間隙
を持って進退自在に挿入され、左側開口には出力側ピス
トン２が微小間隙を持って進退自在に挿入されている。

圧力室構成部材３．入力側ピストン１及び出力側ピスト
ン２で囲まれた圧力室内にはゴム状弾性体４か充填され
ている。ここで、ゴム状弾性体４としては、例えばＥＰ
ゴム（エチレンプレピレンゴム）を使用した。また、ゴ
ム状弾性体４の変形を効率良く出力側ピストン２の変位
として伝達できるように、出力側ピストン２の圧力室側
端面を円錐形状にして直径の１倍以上の高さとしている
。

このような構成において、ゴム状弾性体４に接する入力
側ピストン１の断面積をＡｌ１同じくゴム状弾性体４に
接する側の出力側ピストン２の断面積をＡ２とする。但
し、Ａ、＞Ａ２とする。圧電素子７の発生する変位によ
り、入力側ピストン１がゴム状弾性体４を圧縮する向き
に８１だけ変位したとき、ゴム状弾性体４が収縮しない
とすれば、入力側ピストン１が押し退ける体積Ｖ、はＶ、−Ａ、ＸＳ、　　　　　　　　　・・・■で表わさ
れる。

ゴム状弾性体４が収縮しなければ、出力側ピストン２の
出力変位Ｓ２はＡＨＸＳ、−Ａ２　ｘ！Ｓ２　　　　　・・・■からＳ２　−　　（ＡＩ　　／Ａ２　　）Ｘ　Ｓ、　　　　
　　・・・■で表わされる。ここで、Ａ、＞Ａ２である
から、Ｓ２はＳｌより大きくなり、出力側ピストン２の
変位Ｓ２は入力側ピストン１の変位Ｓ１に比べて拡大さ
れる。実際には、ゴム状弾性体４の圧縮性等の影響から
、効率をη（く１）とすれば、Ｓ２−ηＸ　　（Ａ　１／　Ａ２　　）　　Ｘ　Ｓ　１
　　　・・・■となる。

以上から、ゴム状弾性体４は、出力側ピストン２を押し
出すだけの変形が生じる程度に柔らかく、入力側ピスト
ン１によってゴム状弾性体４に与えられる微小変位をゴ
ム状弾性体４自身で吸収しない程度に硬くなるように、
硬度を選ぶことで上述のような変位拡大機構が実現され
る。

このように本実施例によれば、作動流体１３の代わりに
ゴム状弾性体４を用いているので、０リング等の液封部
を必要としなくなり、変位拡大時の損失を少なくできる
と共に信頼性の向上をはかることができる。また、流体
より高い弾性率による高速応答、大荷重支持が可能とな
る利点もある。

第２図は本発明の第２の実施例の概略構成を示す断面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した第１の実施例と異なる点は、
ゴム状弾性体４内にゴム状弾性体４よりも体積弾性係数
の高い充填材４ａを一様に分散させたことにある。

このような構成であっても、出力側ピストン２の変位Ｓ
２は先の０式のようになり、入力側ピストン１の変位を
拡大することができる。これに加えて本実施例では、ゴ
ム状弾性体４よりも高い弾性係数を有する充填材４ａを
一様に分散させていることから、仮に出力側ピストン２
において荷重変動が生じても、ゴム状弾性体４に変形を
起こし難い。

即ち、充填材４ａの１個の体積を■、ゴム状弾性体４内
に分散した充填材４ａの総数をｎ個、圧力室の容量をＶ
。とおけば、このときのゴム状弾性体４の体積■はＶ＝Ｖ（１−ｎＸｖ　　　　　　　　　・−・■で表わ
される。一方、体積弾性係数には定義から次式で表わさ
れる。

Ｋ−ΔＰ／（ΔＶ／Ｖ）　　　　　　　・・・■ここで
、ΔＰは出力側ピストン２に帯する荷重変位に伴うゴム
状弾性体４の圧力変化、△Ｖは圧力変化ΔＰによるゴム
状弾性体４の体積変化である。０式から、 ΔＶ−ΔＰ　Ｘ　Ｖ　／　Ｋ　　　　　　　　・・・■
となる。■式に０式を代入して整理すれば次式を得る。

ΔＶ−Δｐｘ　（Ｖｏ−ｎＸｖ）／に一ΔＰＶｏ／に一ΔＰ　ｎ　ｖ　／　Ｋ−・・■充填材
４ａの体積弾性係数は、ゴム状づφ性体４のみの体積弾
性係数より大きい。このため、圧力変化ΔＰに対する充
填材４ａの体積変化を無視できるとすれば、充填材４ａ
を入れていない（即ち０式でｎ−０）ゴム状弾性体のみ
の場合に比べ、出力側ピストン２に対する荷重変動に起
因するゴム状弾性体４の体積変化ΔＶは、ΔＰ　ｎ　ｖ
　／　Ｋだけ緩和されることになる。

従って本実施例では、先の第１の実施例と同様の効果が
得られるのは勿論のこと、出力側ピストン２に荷重変動
が生じても、その影響を緩和できるため、変位拡大効率
の向上が期待できる利点がある。

（発明の効果）以上説明したように発明によれば、作動流体の代わりに
ゴム状弾性体を用いているので、０リングの使用に起因
する信頼性の低下をなくし、且つ気泡やＯリングの弾性
変形による変位の吸収をなくすことができ、変位拡大時
の損失が少ない信頼性の高い微小変位拡大機構を実現す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる変位拡大機構の
概略構成を示す断面図、第２図は本発明の第２の実施例
の概略構成を示す断面図、第３図は従来の変位拡大機構
の概略構成を示す断面図である。１・・・入力側ピストン、２・・・出力側ピストン、３・・・圧力室構成部材、４・・・ゴム状弾性体、４ａ・・・充填材、５・・・ばね、６・・復元力調整ボルト、７・・・圧電素子、８・・座金、９・・・予荷重調整ボルト、１０・・・ロックナツト、１１・・・電線、１２・・・圧電素子収容部材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一端側開口が他端側開口よりも大径に形成された
シリンダ部を有する圧力室構成部材と、微小変位を発生
するアクチュエータに取り付けられ、前記シリンダ部の
一端側に微小間隙を持って進退自在に挿入された入力側
ピストンと、前記シリンダ部の他端側に微小間隙を持っ
て進退自在に挿入された出力側ピストンと、前記シリン
ダ部及び第１、第２のピストンで囲まれた圧力室内に充
填されたゴム状弾性体とを具備してなることを特徴とす
る微小変位拡大機構。
（２）前記出力側ピストンの圧力室側端面は円錐形状で
あり、この円錐部の高さを該円錐底部の直径よりも大き
くしたことを特徴とする請求項１記載の微小変位拡大機
構。
（３）一端側開口が他端側開口よりも大径に形成された
シリンダ部を有する圧力室構成部材と、微小変位を発生
するアクチュエータに取り付けられ、前記シリンダ部の
一端側に微小間隙を持って進退自在に挿入された入力側
ピストンと、前記シリンダ部の他端側に微小間隙を持っ
て進退自在に挿入され、且つシリンダ部側端面を円錐形
状にして直径の１倍以上の高さとした出力側ピストンと
、前記シリンダ部及び第１、第２のピストンで囲まれた
圧力室内に充填されたゴム状弾性体と、このゴム状弾性
体よりも高い体積弾性率を有し、該ゴム状弾性体内に一
様に分散された充填材とを具備してなることを特徴とす
る微小変位拡大機構。