JPH0710185B2

JPH0710185B2 - 積層形圧電セラミツクを駆動源としたアクチユエータ

Info

Publication number: JPH0710185B2
Application number: JP59226414A
Authority: JP
Inventors: 久杉本
Original assignee: 旭サナツク株式会社
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS61106074A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、積層形圧電セラミツクを駆動源としたアクチ
ユエータに関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点近年、各種作動装置を駆動するためのアクチユエータと
して、応答性に優れかつ精度が良いことから、従来のモ
ータあるいは油圧、空気圧機器を駆動源としたものに代
わつて、電圧を印加することにより厚さの変化する圧電
セラミツクを多数枚積層した積層形圧電セラミツクを駆
動源としたアクチユエータが注目されその開発が進めら
れており、その一つに、基体と、その基体に往復動可能
に設けられた作動体とを備え、基体と作動体の間に積層
形圧電セラミツクを作動体の往復動方向に対して斜め姿
勢で配設し、積層形圧電セラミツクの伸縮によつてその
変位量よりも増幅した変位量で作動体を往復動させるよ
うにしたアクチユエータが提案されたが、積層形圧電セ
ラミツクを斜め姿勢で配設してその両端を基体及び作動
体に回転自由に支持する必要があり、また、積層形圧電
セラミツクが圧縮荷重を受けた場合に座屈しないよう
に、積層形圧電セラミツクを筒体内に収納してなおかつ
それを基体内に収納する必要があることから、構造が複
雑である上に装置が大型化する不具合があつた。

本発明は叙上の点に鑑み完成されたものであつて、構造
が簡単で小嵩にまとまつた積層形圧電セラミツクを駆動
源としたアクチユエータを提供することを目的とするも
のである。

実施例以下、本発明の第１実施例を第１図乃至第３図に基づい
て説明する。

基体１の内部の両側には、内周面に絶縁体３を嵌着した
細長い収納室２が、夫々上下方向に複数段並列して形成
されており、各収納室２内に、細長い積層形圧電セラミ
ツク10aが収納されている。

この積層形圧電セラミツク10aは、近時、日本電気株式
会社により開発された圧電セラミツク結合体を使用した
ものであつて、この圧電セラミツク結合体11は、第２図
に示すように、マグネシウム・ニオブ酸鉛とチタン酸鉛
の二成分固溶体セラミツク｛（１−Ｘ）Pb（Mg1/3 Nb2/
3）O₃−PbTiO₃｝のうちのＸが0.35近くのものからなる
セラミツク板12と内部電極板13とを交互に積層一体化し
て焼結した素子を所望の形状、大きさに切断し、全周面
に露出した内部電極板13を上下両側面において一層おき
に絶縁材14で電気的に絶縁するとともに、上下両側面に
外部電極板15及び16を貼着して、内部電極板13を一層お
きに外部電極板15及び16に電気的に接続した構造にな
り、正または負の電圧を印加することによつて各セラミ
ツク板12が厚さを増大しまたは減少して、圧電セラミツ
ク結合体11がセラミツク板12の積層方向に伸長しまたは
収縮し、電圧を繰り返し印加しても全く劣化することが
なく、しかも、応答速度が極めて速いという特徴を有し
ており、この圧電セラミツク結合体11を多数個重ね合わ
せ、個々の圧電セラミツク結合体11の外部電極板15及び
16のうちの同一極性同士の電極板を電線18で接続するこ
とによつて前記した積層形圧電セラミツク10aが構成さ
れている。

前記した基体１には、両側の収納室２群の夫々におい
て、第１段目の収納室２と第２段目の収納室２の内側の
端部同士をつなぎ、第２段目の収納室２と第３段目の収
納室２の外側の端部同士をつなぐといつたように、一の
収納室２と次段の収納室２の同方向の端部同士をつなぐ
ようにしてＵ字形の通路20aが内側と外側に交互に形成
され、各通路20a内に、鋼製のローラ21aが複数本互いに
連なつた状態で緊密に嵌入されており、一の積層形圧電
セラミツク10aと次段の積層形圧電セラミツク10aの同方
向の端部が、一連のローラ21aの最下方のローラ21aと最
上方のローラ21aに絶縁性を有する押圧部材22を介して
当てられ、各積層形圧電セラミツク10aがジグザグ状に
つながつて一本ずつの積層形圧電セラミツク10、10が構
成されており、両積層形圧電セラミツク10の第１段目の
積層形圧電セラミツク10aの外側の端部が、基体１の外
面に形成したねじ穴24に螺合された調節ねじ25の先端に
押圧部材22を介して当てられているとともに、基体１の
上端部には、略全幅にわたる細長い装置孔27が形成され
ていて、最終段の収納室２の外側に、この最終段の収納
室２の外側の端部から装置孔27に達する同じくＵ字形の
通路20が形成され、最終段の積層形圧電セラミツク10a
の外側の端部が、通路20内に収納した一連の鋼製のロー
ラ21の最下方のローラ21に押圧部材22を介して当てられ
ている。

基体１の上面中央のボス部29に形成した摺動孔30には、
下端に支持部32を形成した作動体31が上下方向の摺動自
由に嵌装され、基体１と支持部32の間に装着した圧縮コ
イルばね33の弾拡力により下方への移動力が付勢されて
おり、装置孔27の作動体31の両側には、両端にローラ3
6、37を形成した一対の細長い鋼板製の押圧板35、35
が、夫々の内側の端部を外側の端部よりも僅かに上方に
傾けた斜め姿勢で対称形に配置され、夫々の内側のロー
ラ36が、作動体31の支持部32に形成された円形孔38内に
軸線周りの回転のみを自由に嵌合され、外側のローラ37
が、最上方の通路20内に嵌入されて一連のローラ21の最
上方のローラ21に当てられている。

次に本実施例のアクチユエータの作用について説明す
る。

両側の積層形圧電セラミツク10のすべての積層形圧電セ
ラミツク10aに正の電圧を印加すると、各積層形圧電セ
ラミツク10aが一定の変位量で伸長し、第１段目の積層
形圧電セラミツク10aが伸長して最下方の通路20a内の最
下方のローラ21aを押すことにより、その一連のローラ2
1aが通路20aに沿つて移動してその最上方のローラ21aが
第２段目の積層形圧電セラミツク10aを押圧し、第２段
目の積層形圧電セラミツク10aを第１段目の積層形圧電
セラミツク10aの変位量分だけ外側に移動させるととも
に、第２段目の積層形圧電セラミツク10a自身が同じ変
位量だけ伸長して下方から２番目の通路20a内の最下方
のローラ21aが２倍の変位量でもつて押され、その変位
量がそのまま第３番目の積層形圧電セラミツク10aに伝
達され、これが最終段である６番目の積層形圧電セラミ
ツク10aまで繰り返されて、最上方の通路20内の最下方
のローラ21が各積層形圧電セラミツク10aの変位量の６
倍の変位量で押されて、一連のローラ21が通路20に沿つ
て移動して、最上方のローラ21が同じく６倍の変位量で
押し出され、これによつて両押圧板35外側の端部のロー
ラ37に略水平方向の押圧力が加えられ、両押圧板35の内
側の端部は水平方向の移動が規制されていることから、
両押圧板35はその内側の端部のローラ36を上方に逃がす
ようにして第１図の鎖線で示すように傾斜角度を大きく
し、作動体31が圧縮コイルばね33の弾拡力に抗して上方
に前進する。

ここで、両押圧板35の外側のローラ37に伝達される変位
量は、各積層形圧電セラミツク10aの変位量の６倍にな
るとはいつても未だ小さいものであるが、両押圧板35が
作動体31の移動方向に対して斜め姿勢を取つており、か
つ、両押圧板35の内側の端部の水平方向の移動が規制さ
れていることから、作動体31は押圧板35のローラ37の変
位量よりも増幅された変位量で移動するのであり、これ
を第３図に基づいて説明するに、押圧板35が押圧される
前に角度θだけ傾いてX₁Y₁間にあり、押圧板35が押され
てX₂Y₂間に位置するとし、押圧板35の外側の端部の変位
量を△ｘ、押圧板35の内側の端部の変位量を△ｙ、ま
た、変位量△ｘと押圧板35の長さの比をＥとして、△ｘ
と△ｙの比を求めると、の関係式が得られ、ここでＥ＝４×10^-3、θ＝３゜とし
た場合に、△y/△ｘ＝18.5となり、内側の端部の変位量
△ｙは外側の端部の変位量△ｘの18.5倍となる。

従つて、作動体31は、各積層形圧電セラミツク10aの総
和の変位量よりもさらに増幅された変位量で前進する。

次に、すべての積層形圧電セラミツク10aに負の電圧を
印加することにより各積層形圧電セラミツク10aが収縮
すると、圧縮コイルばね33の復元力により押圧板35の外
側のローラ37が一連のローラ21を押し、収縮した各積層
形圧電セラミツク10aと各一連のローラ21aの間の隙間を
詰めつつ、押圧板35が実線位置に復帰し、これに伴つて
作動体21が実線位置に後退する。

従つて、各積層形圧電セラミツク10aに高周波の交流電
圧を印加することによつて、作動体31を高速度で往復駆
動することができる。

また、調節ねじ25のねじ込み量を変えることにより押圧
板35の傾斜角度を変えることができ、これによつて積層
形圧電セラミツク10の変位量の増幅度が変えられ、作動
体31の変位量を調節することが可能である。

なお、作動体31で駆動する作動装置に復帰用のばねが装
着されていれば、上記実施例における圧縮コイルばね33
は省いても良い。

また、上記実施例では、積層形圧電セラミツク10の変位
量を押圧板35に伝達し、また、各積層形圧電セラミツク
10aの変位量を次段の積層形圧電セラミツク10aに伝達す
る介挿体として鋼製のローラ21及21aを複数個連ねたも
のを用いたが、鋼製のボールを複数個連ねたもの、ある
いは、液体等の軸線方向の伸縮が不能で可撓性を有する
他の介挿体であつても良い。

また、上記実施例では、両押圧板35を水平面と略平行に
装置したのであるが、押圧板35を水平面に対して直角姿
勢をなすように起こして使用することも可能であつて、
この場合には、作動体31を水平面に沿つて往復運動させ
ることができる。

第４図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の他の実施例を示し、
第４図（ａ）に示す第２実施例のアクチユエータは、積
層形圧電セラミツク10を、１本の積層形圧電セラミツク
10bの両端に、この積層形圧電セラミツク10bよりも短尺
の積層形圧電セラミツク10cを複数段並設してローラ21a
を介して一連につないだものをさらにつないだ形状とし
たものであり、また、第４図（ｂ）に示すアクチユエー
タは、作動体31の片側のみに、各積層形圧電セラミツク
10aを一連につないでなる積層形圧電セラミツク10と、
弾性板35とを配したものであり、これら第２及び第３実
施例は、前記第１実施例と同様に、積層形圧電セラミツ
ク10の全長を長くしてその変位量を大きく取ることがで
きる。

第４図（ｃ）乃至（ｅ）は、積層形圧電セラミツク10の
変位量を大きく取る必要がない場合に好適な実施例にあ
つて、第４図（ｃ）に示す第４実施例のアクチユエータ
は前記第１実施例の基本形をなし、作動体31の両側に１
本ずつの積層形圧電セラミツク10を配し、夫々の内側の
端部を固定するとともに、外側の端部のローラ21を介し
て夫々の押圧板35の外側の端部に当てたものであり、ま
た、第４図（ｄ）に示す第５実施例のアクチユエータ
は、前記第４図（ｅ）の第２実施例の基本形をなし、１
本の長尺の積層形圧電セラミツク10の両端部を、ローラ
21を介して両押圧板35の外側の端部に当てたものであ
り、さらに、第４図（ｅ）に示す第６実施例のアクチユ
エータは、前記第４図（ｂ）の第３実施例の基本形をな
し、作動体31の片側のみに積層形圧電セラミツク10と押
圧板35とを配して、積層形圧電セラミツク10の一端を固
定し、他端を弾性板35の同方向の端部にローラ21を介し
て当てたものである。

次に、第５図によつて本実施例のアクチユエータＡをエ
アレススプレイガンに適用した例を説明する。

ガン本体41の内部には、ガン本体41に固定したシリンダ
43内にピストン44を摺動自由に嵌装した塗料ポンプ42が
装置され、圧縮コイルばね45の弾拡力によりピストン44
に後方への移動力が付勢されており、塗料ポンプ42の上
方の軸46によつて揺動自由に支持されたレバー47の下端
がピストン44の後端に対応しており、ガン本体の後部に
螺着されたピストン44のストローク調節用の調節ねじ48
の前方にストツパ49が配置され、前記圧縮コイルばね45
よりもばね力の大きい圧縮コイルばね50の弾拡力により
レバー47の下端に押し付けられているとともに、レバー
47の前方には、前記したアクチユエータＡが、その作動
体31をレバー47の前側の側辺に対応させてガン本体１に
固定されていて、アクチユエータＡの作動体31が進出す
ると、レバー47が圧縮コイルばね50の弾拡力に抗して実
線位置に揺動することによつてピストン44が圧縮コイル
ばね45の弾拡力で実線位置に後退し、塗料をサンクシヨ
ン孔51から塗料ポンプ42内に吸い込み、アクチユエータ
Ａの作動体31が退避すると、圧縮コイルばね50の復元弾
力でレバー47が鎖線位置に揺動することによつてピスト
ン44が圧縮コイルはね45を弾縮しつつ鎖線位置に前進
し、塗料ポンプ42内の塗料を圧縮してその塗料が逆止弁
52を押し開いて吐出口53から塗料通路54内に圧送され、
ノズル55から高速度で噴射されて被塗装物に吹き付けら
れる。

なお、上記したエアレススプレイガンは、塗料ポンプ42
を１個装置しただけであるため、塗料圧力に脈動が生ず
るが、塗料ポンプ42を２個並設するとともに、夫々のピ
ストン44を駆動するためのアクチユエータＡを格別に設
け、両アクチユエータＡを互いに位相をずらして駆動す
ることにより、２個の塗料ポンプ42から交互に塗料を噴
出するようにすれば、常に、高圧力の塗料を噴出するこ
とが可能となる。

発明の構成及び効果上記実施例によつて具体的に説明したように、本発明の
積層形圧電セラミツクを駆動源としたアクチユエータ
は、基体に、電圧の印加により厚さの変化する圧電セラ
ミツクを多数枚積層した積層形圧電セラミツクと、該積
層形圧電セラミツクの長さ方向と略直角方向に往復動可
能な作動体とを装置し、該作動体の一側または両側に、
該作動体の往復動方向に対して斜め姿勢をなす細長い押
圧対を前記積層形圧電セラミツクと並列に配置してその
一端を前記作動体に係合し、前記積層形圧電セラミツク
の一側または両側において前記基体に設けた略Ｕ字形の
通路内に装置した軸線方向の伸縮不能で可撓性を有する
介挿体の一端を前記押圧体の他端に係合するとともに、
前記積層形圧電セラミツクの一端を前記介挿体の他端に
当接して他端を前記基体に設けた突当部に当接し、また
は、前記積層形圧電セラミツクの一端と他端を対応する
前記介挿体の他端に当接し、前記積層形圧電セラミツク
の伸縮により前記作動体を往復動させる構成としたこと
を要旨とするものであつて、作動体を積層形圧電セラミ
ツクの長さ方向と直角方向に積層形圧電セラミツクの変
位量を増幅した変位量で往復駆動させることができ、先
に提案されたアクチユエータのように、積層形圧電セラ
ミツクを作動体の往復動方向に対して斜めに傾ける必要
がなく、また、積層形圧電セラミツクを筒体内に収納す
る必要がないため、構造が簡単になりかつ小嵩にまとめ
ることができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の断面図、第２図は積層形
圧電セラミツクの部分拡大断面図、第３図は作動体の変
位増幅の説明図、第４図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第
２乃至第６実施例の断面図、第５図は本発明のアクチユ
エータを適用したエアレススプレイガンの断面図であ
る。 A:アクチユエータ、1:基体、10、10a、10b、10c:積層形
圧電セラミツク、12:セラミツク板、20、20a:通路、2
1、21a:通路、25:調節ねじ、31:作動体、35:押圧板、3
8:円形孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体に、電圧の印加により厚さの変化する
圧電セラミツクを多数枚積層した積層形圧電セラミツク
と、該積層形圧電セラミツクの長さ方向と略直角方向に
往復動可能な作動体とを装置し、該作動体の一側または
両側に、該作動体の往復動方向に対して斜め姿勢をなす
細長い押圧体を前記積層形圧電セラミツクと並列に配置
してその一端を前記作動体に係合し、前記積層形圧電セ
ラミツクの一側または両側において前記基体に設けた略
Ｕ字形の通路内に装置した軸線方向の伸縮が不能で可撓
性を有する介挿体の一端を前記押圧体の他端に係合する
とともに、前記積層形圧電セラミツクの一端を前記介挿
体の他端に当接して他端を前記基体に設けた突当部に当
接し、または、前記積層形圧電セラミツクの一端と他端
を対応する前記介挿体の他端に当接し、前記積層形圧電
セラミツクの伸縮により前記作動体を往復動させる構成
としたことを特徴とする積層形圧電セラミツクを駆動源
としたアクチユエータ
【請求項２】前記積層形圧電セラミツクが、積層形圧電
セラミツク構成体を複数段並列して装置し、一の前記積
層形圧電セラミツク構成体と次段の前記積層形圧電セラ
ミツク構成体の同方向の端部を、前記基端に設けた略Ｕ
字形の通路内に装置した軸線方向の伸縮が不能で可撓性
を有する介挿体の一端と他端に当接し、前記各積層形圧
電セラミツク構成体を一連につないだものであることを
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の積層形圧電セ
ラミツクを駆動源としたアクチユエータ