JPH0563672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、制動器付アクチユエータに関し、一
層詳細にはアクチユエータと制動器とを分離構成
し、アクチユエータを駆動しながら制動器を一挙
にまたは継続的に付勢してアクチユエータによる
可動部材のストロークを制御する制動器付アクチ
ユエータに関する。

［従来の技術］ 例えば、流体制御弁において、アクチユエータ
により弁体を駆動し、弁座との開度、すなわち、
開口部の断面積をデイジタル的またはアナログ的
に変化せしめて所定の流体圧および流体流量を得
ている。この種の流体制御弁に使用されているア
クチユエータとしては流体圧を用いて駆動力を得
る流体圧式アクチユエータや電磁力を用いる電磁
式アクチユエータ等があるが、いずれの場合も弁
体の位置制御のためにはアクチユエータの駆動力
と弁体に働く機械的な摩擦力および流体反力が平
衡に達した点で弁体が静止し弁座との間で所定の
開度を得るものであつた。その際、弁体の静止点
までの運動は、アクチユエータの駆動力と弁体に
働く力との合力により決定される。このため、弁
体が静止点に安定するまでの過渡状態においては
弁に作用する機械的な摩擦力や流体反力とアクチ
ユエータの動特性が干渉し弁体の安定に時間がか
かる難点があつた。一方、このような不都合を回
避するために種々の提案がなされたが好適には過
度に大きなフオースモータや過大な弾発力を有す
るバネを用いるほか解決策がなかつた。

［発明が解決しようとする課題］ このようにして従来のアクチユエータでは駆動
力と外力との合力によつて可動部材の運動が決定
され駆動力と外力が平衡状態に達した点において
可動部材が静止する。従つて、平衡状態における
安定性と高速性を同時に達成することは困難であ
つた。このため、アクチユエータの制御系は両者
の妥協点で設計されていたが、安定性や定常性を
欠く非線形なアクチユエータあるいは周波数応答
の悪いアクチユエータは、前記の高速性、安定性
の要請に応えることができない等の不都合があつ
た。

従つて、本発明の目的は、外力の影響を考慮す
ることなく高速で可動部材を駆動ししかも応答性
よく瞬時に安定して静止状態が得られる制動器付
アクチユエータを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は、軸心
方向に移動する可動部材と、 前記可動部材を移動させる駆動源と、 前記可動部材に近接して配置され、複数の圧電
素子をその極性を揃えて積層した圧電素子群から
なる制動器と、 前記駆動源に対して継続的に付勢信号を供給す
るとともに、それぞれの圧電素子に付勢、滅勢信
号を付与して圧電素子群を継続的に、もしくは断
続的に駆動せしめて前記可動部材の制動を行う制
御装置と、 を備え、 前記制動器は前記可動部材の変位方向と直交す
る方向に積層され、付勢信号により前記積層方向
に変位する複数の圧電素子群を有し、前記複数の
圧電素子群は前記可動部材の軸心に対して対称に
配置されることを特徴とする。

［作用］ 可動部材１８を移動し、所望の位置に到達した
時、制御装置４０からピエゾ効果により起動する
圧電素子から構成されている制動器３４に付勢信
号を送る。前記圧電素子は、駆動源よりも格段に
周波数特性が優れ、媒体を介さずに電気を直接圧
電素子自体の変位に変換するため、前記付勢信号
によつて瞬時に所定量変位し、可動部材１８に圧
接する。この場合、圧電素子は複数、極性を揃え
て積層され、その積層方向に変位されるため、同
様に圧電素子を積層しているバイモルフ型に比し
て一層周波数特性に優れている。したがつて、可
動部材１８を迅速に、且つ安定して制動する。さ
らに、前記圧電素子を積層した複数の圧電素子群
４６は、可動部材１８の移動方向の軸心に対して
対称となるように配置されているため、圧電素子
を可動部材１８に圧接させた場合、複数の圧電素
子群４６の力の総和が０となり、この結果、可動
部材１８がその変位方向と直交する方向に力の作
用を受けることがなく、可動部材１８の軸心方向
に直交する方向への撓み等を阻止する。

［実施例］ 次に、本発明に係る制動器付アクチユエータに
ついて好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照し
ながら以下詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る制動器付アクチユエー
タを流体制御弁の弁体の駆動に応用した場合の実
施例を示している。

流体制御弁１０は、弁本体１２およびこの弁本
体１２内に配設された先端部が円錐状の弁体１４
を含み、前記弁体１４は、弁本体１２に形成され
た弁座１６に着座自在に移動するよう構成されて
いる。すなわち、弁体１４は、その直径よりも大
径の可動部材１８と一体的に連結されており弁座
１６と前記可動部材１８との間に介装されたコイ
ルスプリング２０により破線矢印で示す方向に常
時付勢されている。流体制御弁１０に画成された
入力ポート２２は、流体供給源２４に接続され、
一方、前記弁体１４により開閉する出力ポート２
６は、加圧流体の受容器２８（例えば、タンクあ
るいはシリンダ等）に接続しておく。可動部材１
８には弁本体１２の内部に配設されたＯリング３
０が液密に接して流体が部材表面を伝わり外部に
洩出するのを阻止している。

弁本体１２の外部において、前記可動部材１８
にはそれを直線方向に移動するリニアアクチユエ
ータ３２とこのアクチユエータ３２に分離配置さ
れて可動部材１８の移動を制動する制動器３４が
配設されている。アクチユエータ３２および制動
器３４には夫々アクチユエータドライバ３６およ
び制動器ドライバ３８の出力側が導線を介して接
続されると共にこれらのドライバ３６，３８の入
力側には制御装置４０が接続される。またこの制
御装置４０の入力側には、受容器２８の圧力を検
知する圧力検知器４２および可動部材１８、すな
わち、弁体１４の位置、速度、加速度等を検知す
る検知器ユニツト４４の出力側が接続されてい
る。

第１図に示す制動器３４は、周波数応動性に優
れた圧電素子を積層した圧電素子群４６、すなわ
ち、ピエゾスタツク等を駆動源としておくと好適
である。圧電素子群４６の周波数応答性は超音波
領域である数10kHz程度であり、駆動源の数Hzの
周波数応答性に比して格段に良い。したがつて、
可動部材１８を精度良く制動できることになる。
例えば、第２図乃至第４図は、このように圧電素
子群４６を含む制動器３４の好ましい実施例を示
している。第２図に示す制動器３４は、可動部材
１８を囲繞する環状の圧電素子４８を積層し外側
にリング５０を嵌合している。またこの積層され
た圧電素子４８と可動部材１８との間には摩擦係
数の大きい制動部材５２を配設することが好まし
い。第３図に示す制動器３４も同様に構成されて
いるが、圧電素子４８は弧状に分割され、製造お
よび組立を容易にしている。また、第４図の制動
器３４は、可動部材１８に圧接する複数個の積層
された圧電素子により複数個の圧電素子群４６が
構成され、それぞれの圧電素子群４６は互いに可
動部材１８の軸心に対して直交する方向から伸
長、収縮するように構成されている。前記の積層
された円柱５４は円板状の制動部材５６を介して
可動部材１８に圧接し、所望の制動作用を営む。
第２図乃至第４図に示す圧電素子は、それぞれ可
動部材１８の軸心を指向してそれぞれの極性を揃
えて積層されて圧電素子群４６を構成し、制御装
置４０からの付勢信号に応じて積層方向（軸心方
向）に変位する。前記積層した圧電素子によつて
構成される圧電素子群４６は、可動部材１８の軸
心に対して対称に設置しているため、移動部材１
８に圧接時に軸心方向へ作用する力のベクトル和
が０となる。したがつて、移動部材１８を撓ませ
るようなことはなく、移動部材１８の耐久性を向
上させる。また、前記圧電素子群４６は、極性を
揃えて積層され、且つ変位方向が積層方向である
ため、片持ばりの撓み作用に相当する変位動作で
使用されるバイモルフ型の圧電素子に対して固有
振動数が大きく、周波数応答性が一層優れてい
る。したがつて、可動部材１８を精度良く制御で
きることになる。なお、第２図乃至第４図には図
示されていないが圧電素子４８に夫々制動器ドラ
イバ３８の出力側からの導線が接続されることは
勿論である。

第５図は、第１図の装置のおいて制動器３４を
圧電素子４８で構成し、アクチユエータ３２を電
磁アクチユエータとした場合の制動器付アクチユ
エータの具体的構成例を開示している。図中、前
記実施例と同一の参照符号は、同一の構成要素を
示すものとする。

ところで、この場合、アクチユエータ３２およ
び制動器３４は、弁本体１２内に所定間隔離間し
て配設されている。アクチユエータ３２および制
動器３４は、夫々導線を介して端子５８，５８，
６０，６０に接続され、さらにこれらの端子５
８，５８，６０，６０は夫々アクチユエータドラ
イバ３６および制動器ドライバ３８の出力側に接
続されている。制動器３４は、第２図乃至第４図
のいずれの構成であつてもよいが、この場合には
第４図に示すような両方向から可動部材１８を圧
接する制動部材５６で構成している方が好まし
い。すなわち、この実施例では弁本体１２に軸方
向に90°偏位して螺孔６２を配設し、この螺孔６
２に螺子６４を螺入して前記圧電素子群４６を後
方から支持する。従つて、圧電素子群４６が後述
するように所定の極性で電圧を印加されて伸長変
位する時、その変位量は可動部材１８方向にのみ
現れるために制動部材５２の制動力の強弱調整が
可能となる。

一方、第６図は、第５図に示す実施例と略同様
な構成を採用する制動器付アクチユエータを開示
するものであるが、この場合、駆動源としては油
圧系を用いる点で相違している。すなわち、弁本
体１２の一方の端部を開口して供給ポート６６と
すると共に可動部材１８を若干短めに構成し、そ
れによつて画成される室６８に油圧供給源７０か
ら切換弁７２を介して所定圧の油圧を導入するよ
うに構成している。切換弁７２は、３ポート２位
置切換弁で構成されている。この切換弁７２は、
第１図のアクチユエータドライバ３６に対応する
ものである。

次に、第２図乃至第６図に具体的構成を示した
流体制御弁を第１図の実施例に組み込んだ場合の
その動作および制御方法について第７図のタイム
チヤートを参照して以下説明する。

先ず、圧力検知器４２は、受容器２８の圧力を
検知し、その検知値を制御装置４０に出力する。
一方、検知器ユニツト４４は、可動部材１８の位
置、速度、加速度等を検知し、その検知信号を制
御装置４０に出力する。これらの検知信号に基づ
き制御装置４０はアクチユエータドライバ３６に
アクチユエータ駆動信号を出力し、アクチユエー
タドライバ３６はこれに応答してアクチユエータ
３２を駆動し可動部材１８に対し推力が加えられ
る。第７図に示す波形Ｂはアクチユエータ３２お
よびコイルスプリング２０により弁体１４に加え
られる推力の時間的な経過の様子を示したもので
ある。さらに、制御装置４０は、前記の検知値に
基づき制動器駆動信号を制動器ドライバ３８に出
力する。第７図に示す波形Ａはこの制動器駆動信
号の波形を示したものであり、多数の連続するパ
ルスから構成されている。制動器駆動信号を構成
するパルスの幅および間隔は、前記の検知器４
２，４４からの検知信号に基づき制御装置４０に
より決定される。

制動器ドライバ３８は、制御装置４０からの制
動器駆動信号に応答して制動器３４をオン・オフ
制御する。従つて、制動器３４は可動部材１８に
対し波形Ａで示される制動力を断続的に加え、オ
ン状態においては可動部材１８を把持し外力やア
クチユエータ３２の推力に関係なく可動部材１８
を静止状態に保持する。制動器３４がオフ状態に
ある場合にはアクチユエータ３２およびコイルス
プリング２０から加わる推力により可動部材１８
は移動する。すなわち、可動部材１８は、制動器
３４の制動力がオフの状態に在るときのみアクチ
ユエータ３２からの推力により変位可能であり制
動力がオンの場合には静止する。従つて、弁体１
４のストロークは曲線Ｃで示されるように折線状
の時間経過を示す。

なお、弁体１４を所定の開度において安定静止
する場合には検知器ユニツト４４によつて検知し
た弁体１４の位置が所定位置と一致する所で制御
装置４０は継続的に制動器駆動信号を制動器ドラ
イバ３８に出力する。この結果、制動器ドライバ
３８は制動器３４を継続的に駆動し、制動器３４
は弁体１４を安定静止状態に把持する。

また、第６図に示された油圧シリンダをアクチ
ユエータとして用いる場合には切換弁７２が図の
位置にある時、油圧が流体供給源７０から切換弁
７２を介して室６８に供給され、可動部材１８に
図において実線矢印方向の推力を加える。一方、
切換弁７２が図において上方に作動すると、室６
８内の油圧は切換弁７２を介してタンクと連通
し、可動部材１８は主にコイルスプリング２０に
よりバイアスされることになる。

なお、制動器３４として第２図乃至第４図に示
されたような積層された圧電素子４８を用いた場
合、制動器ドライバ３８は、制動器駆動信号に応
答してこれら圧電素子４８に所定電圧を印加する
ことにより駆動し弁体１４を静止する。

本発明に係る装置は流体制動弁に限らず一般的
には機器の可動部材の位置決め、移送等のアクチ
ユエータとしても応用できる。

［発明の効果］ 本発明においては、可動部材の移動動作を阻止
する制動器として、圧電素子を使用し、前記圧電
素子を移動部材の変位方向と直交する方向に複
数、極性を揃えて積層したため、制御系からの付
勢信号により圧電素子が瞬時に応答して変位し、
可動部材を精度良く制動する。また、前記圧電素
子は、極性を揃えて積層され、積層方向に変位す
るため、実質的に撓み作用であるバイモルフ型の
圧電素子に比べて固有振動数が大きく、周波数特
性が一段と優れている。さらに、圧電素子を積層
した複数の圧電素子群を前記可動部材の移動方向
の軸心に対して直交する方向から対称に配置した
ため、前記可動部材を制動する際に当該可能部材
に変位方向に対して直交する方向に力がかかり、
可動部材を撓ませること等がなく、可動部材の耐
久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るアクチユエータを流体
制御弁に応用した場合の回路図、第２図は、第１
図に示す制動器を圧電部材で構成した実施例の斜
視図、第３図は、第１図に示す制動器の他の実施
例を示す斜視図、第４図は、制動器のさらに他の
実施例を示す斜視図、第５図は、第１図の制動器
を圧電部材で構成し、アクチユエータを電磁アク
チユエータとして場合の制動器付アクチユエータ
の一実施例を示す断面図、第６図は、第５図と同
様の図であるが、アクチユエータを油圧シリンダ
として場合の制動器付アクチユエータの一実施例
を示す断面図、第７図は、第１図の装置の各部の
動作を示す波形図である。 １０……流体制御弁、１２……弁本体、１８…
…可動部材、２０……コイルスプリング、２４…
…流体供給源、２８……受容器、３２……アクチ
ユエータ、３４……制動器、３６……アクチユエ
ータドライバ、３８……制動器ドライバ、４０…
…制御装置、４２……圧力検知器、４４……検知
器ユニツト、４６……圧電素子群、４８……圧電
素子、５２……制動部材、５６……制動部材、６
６……供給ポート、６８……室、７０……油圧供
給源、７２……切換弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸心方向に移動する可動部材１８と、 前記可動部材１８を移動させる駆動源と、 前記可動部材１８に近接して配置され、複数の
   圧電素子をその極性を揃えて積層した圧電素子群
   ４６からなる制動器３４と、 前記駆動源に対して継続的に付勢信号を供給す
   るとともに、それぞれの圧電素子に付勢、滅勢信
   号を付与して圧電素子群４６を継続的に、もしく
   は断続的に駆動せしめて前記可動部材１８の制動
   を行う制御装置４０と、 を備え、 前記制動器３４は前記可動部材１８の変位方向
   と直交する方向に積層され、付勢信号により前記
   積層方向に変位する複数の圧電素子群４６を有
   し、前記複数の圧電素子群４６は前記可動部材１
   ８の軸心に対して対称に配置されることを特徴と
   する制動器付アクチユエータ。