JPS6188772A - 圧電素子を用いたアクチユエ−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】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧電効果を有する圧電素子いわゆるピエゾ素
子を用いたアクチュエータに関するもので、特にその熱
膨張による誤差を補償する構造に関するものである。

（従来の技術） 近年、応答性、耐久性の優れた圧電素子を駆動源として
用いたアクチュエータとして、圧電素子の極微小の変位
を非圧縮小流体によって、いわゆるパスカルの原理によ
ってその変位を拡大して利用するものが提案されている
。

ところが、圧電素子は熱膨張率αＩがｌＸｌ０−６／°
Ｃと小さく、アクチュエータの他の部材のそれ（α２＃
（１２〜２３）ｘｌＯ−６／’ｃ）に比し相当なひらき
があるため、アクチュエータの周囲温度、使用の温度の
範囲が広い場合例えば車両等に使用するアクチュエータ
のよう広い温度範囲（−３０〜１００℃）で使用する場
合には、圧電素子と他の部材との間に熱膨張または収縮
時の熱変位量に大きな差を生じ、アクチュエーク出力に
変動をもたらし、正常な作動が困難であった。従って、
この種のアクチュエータは使用可能な温度範囲が非常に
狭いという問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の点に鑑みてなされるものであって、本発
明の目的は温度変化に伴う圧電素子及び他の部材の熱変
位の影響を補償し、使用可能な温度範囲を大きくなし得
る圧電素子駆動のアクチュエータを提供することにある
。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決するための手段として、ケー
シングと、このケーシング内に設けられて印加電圧によ
って軸方向に変位する圧電素子と、このケーシングに形
成された有底円孔に摺動可能に設けられ、かつ前記圧電
素子の変位が伝達されるピストンと、このピストンによ
り閉塞された有底円孔内の空間に非圧縮性液体が密封さ
れた封入室と、この封入室に前記ピスト断面より小さい
貫通穴か形成されると共に、この貫通穴に摺動可能かつ
液体もれ防止可能に嵌合された摺動部材とを備えた圧電
素子を用いたアクチュエータにおいて、前記ケーシング
及び前記圧電素子の各線膨張率の差によって生じる前記
封入室の容積変化を前記封入室内液体の体膨張率による
前記封入室の体積変化とを同じになるように、前記ケー
シングの線膨張率（α２）、前記封入室内液体の体膨張
率（β）及び前記圧電素子の軸方向長さくＮ）に基づい
て、前記封入室の軸方向長さを所定長さくδ）に設定し
たことを特徴とする圧電素子を用いたアクチュエータで
ある。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は圧電素子を用いたアクチュエータの断面図であ
る。図中符号１は、図示しない高電圧源より印加される
電圧（約５００　Ｖ）によって軸方向に２０μｍ程度の
伸縮変位をする圧電素子で、その軸方向の長さはｌとし
て図示されており、本実施例においては４０ｍｍである
。２は、アルミ製のケーシングで、内部に有底円孔２ａ
が形成されており、その円孔２ａ内には０リング５を外
周に装着したピストン８が摺動可能に嵌合されている。

圧電素子１はケーシング２内に配設されて、一端をケー
シング２と同じ材料のストッパ７に固定され、他端はピ
ストン８と当接して固定されて、軸方向の伸縮変位をピ
ストン８に伝達する。

ピストン８と有底円孔２ａにより区画形成された空間は
、非伸縮性液体例えばシリコンオイルが密封されて封入
室１ｏが形成される。封入室１゜の断面積はピストン８
の断面積と同じで、この場合は断面積Ｓは３．５　ｃ　
ｍ　２である。また封入室１０の有底円孔２ａの軸方向
長さはδとして図示されており、この場合封入室の体積
Ｖは、０．３３　ｃｍ３である。

ケーシング２には封入室１ｏと連通ずる貫通穴１２が形
成されており、この貫通穴１２の断面積はピストン８の
断面積Ｓより小さくなっている。

貫通穴１２には出力部材であるロッド３が、液体もれ防
止用のＯリング６とともに摺動可能に設けられている。

ロッド３は、ケーシング２に固定されたストッパ９　（
ケーシング２と同材料）によって支持されるとともに、
ストッパ９支持されたスプリング４によって常に封入室
１０側に付勢されて、封入室１０内のシリコンオイルに
与圧を与えている。以主の構成によって、ピストン８が
変位すると、ピストン８とロッド３の断面積の比によっ
てその変位が拡大されてロッド３に伝達される。

ロッド３先端には、図示してない弁体などの被駆肋体が
装着されて、軸方向に駆動されて出力を得る。

尚、図中１２は圧電素子１に印加電圧を供給するための
端子で、端子１２に図示しない高圧源によって断続的に
電圧が印加される。端子１２とストッパ７とは、図示し
ない絶縁部材によって絶縁されている。

ここで、封入室１０の容積■は、ケーシング２の線膨張
率α２　（＝２２Ｘ１０−”／”Ｃ）と、シリコンオイ
ルの体積膨張率β（＝０．９３ｘｌ（１３／”Ｃ）、圧
電素子１の軸方向長さｊ！　（＝４０ｍｍ）、ピストン
８の断面積ｓ　（＝３．５　ｃｍ２）に基づいて設定さ
れており、ケーシング２及び圧電素子１の各線膨張率の
差によって生じる封入室１０の容積変化を、封入室１０
内のシリコンオイルの体膨張率による体積変化と同じに
なるようにして、温度変化による影響を？ｉｌｉ償して
いる。

この場合、封入室１０の容積は、 Ｖ−（α２／β）・β・Ｓ に基づいて決定されてＶ＝０．３３ｃｍ３である。

次に作動について説明すると、圧電素子１．に高電圧（
５００Ｖ程度）が印加されると、圧電素子ｌは軸方向に
２０μｍ程度伸張変位する。ピストン８とロッド３の断
面積の比は、この場合約５０倍に設定されているため、
圧電素子２１の変位はピストン８．封入室１０．ロッド
３によって５０倍程度に拡大され、ロッド３は１０００
μｍ程度変位して出力を得る。

次に、温度変位に伴う影響について説明する。

ここで、この場合封入室１０の容積Ｖは前述の様に０．
３３　ｃ　ｍ　３になっている。

さて、アクチュエータの周囲温度が上昇変化すると、圧
電素子１の線膨張率αＩ　（＝ＩＸ１０−６／　”Ｃ）
とケーシング２の線膨張率α２（＝２２Ｘ１０−６／”
Ｃ）の違いにより、封入室１０の容積は増大する。この
時、シリコンオイルの体積が適当でないと（この場合０
．３３　ｃ　ｍ　３でないと）、ロッド３に設けられた
スプリング４によりロッド３が初期に配設された位置か
ら変位することになる。これはアクチュエータとして使
用する場合は、温度によって作動が一定でなくなるとい
うことになってしまう。

即ち、封入室１０内のシリコンオイルの体積が０−３３
ｃｍ３よりも小さい場合には、シリコンオイルの体積が
周囲温度の上昇によって膨張しても、その体積はケーシ
ング２と圧電素子１の線膨張率の差による封入室１０の
容積変化を補いきれない。

このため、ロッド３は第１図の左方に移動することにな
り、口・ノド３の先端は初期に配設された位置よりもケ
ーシング２内にひっこむことになる。

また、シリコンオイルの体積が０．３３ｃｍ３よりも大
きい場合は、上記の逆の現象が起きて、ロッド３の先端
はアクチュエータのケーシング２から突出することにな
る。

次に封入室１０内のシリコンオイルの体積が０．３３ｃ
ｍ３のとき、なぜ周囲温度に係らずロッド３の先端がア
クチュエータケースから突出する量が一定になるかを説
明する。

アルミ製ケーシング２に対して圧電素子１の熱膨張率α
ｌは前述の通り約１／２０と小さいため圧電素子１の熱
膨張は考えないとする。又、アルミ製ピストン８はケー
シング２と同じ熱膨張率であるため、これもまた考えな
いものとする。この結果、周囲の温度変化に対して考慮
するのは、圧電素子１の長さβ及び封入室１０の長さδ
の和に相当するケーシング２の長さｌ＋δが変化する熱
変位量、封入室１０の断面積Ｓの熱変位量及び、封入室
１０内のシリコンオイルの体積■が変化する熱変化体積
の３つでよい。これは、各々１）（ｊ２＋δ）の温度上
昇Ｔを受けた後の熱変位量、（ｌ＋δ）α２Ｔ　・・・
・・・・・・・・・　１ｌｌｉｉ）Ｓの温度上昇Ｔを受
けた後の熱変位量、Ｓ　（１＋２α２Ｔ）　　　　・・
・・・・・・・・・・　（２）ｉｉｉ）Ｖの温度上昇Ｔ
を受けた後の熱変化体積、■、βＴ　　　　　　　　　
・・・・・・・・・・・・　（３）となるが、ここで、
ｉ）、ｉｉ）の積すなわち封入室１０容積変化が、ｉｉ
ｉ　）と同じとなれば、封入室１０の容積変化がシリコ
ンオイルの体積変化と一致してスプール３は温度に対し
ても一定の変位を示すことになる。

故に、 （ｌ＋δ）α２ＴＸ　　（ｓ　　（１＋２α２Ｔ）ｌ＝
■・　βＴ　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・
・・・・・・・・　（４）なる関係的を整理すると、（
α２２＃０として）■・βＴ＝Ｓ　（Ｎ＋δ）α２Ｔ 、’、Ｖ＝Ｓ（Ｎ＋δ）α２／β さらに、Ｘ＞＞δであるから Ｖ＝（α２／β）・Ａ−Ａ　　　　・・・・・・・・・
・・・　＋５）また　■＝δ・Ｓを用いて（５）式を書
き直せばδ＝（α２／β）・ｌ　　　　　・・・・・・
・・・・・・　（６）となる。（５）式において本発明
の実施例に基づく各値を代入すれば、 Ｖ＝　（２２Ｘ１０−１２）／（０，９３Ｘ１０−３）
Ｘ　４０　Ｘ　３．５　＃　０．３３　ｃ　ｍ　３が得
られる。（６）式に各値を代入してδを求めればδ＝０
．９５ｍｍとなる。

以上述べた様に、封入室１０の容積■もしくは軸方向長
さδを決定することによって周囲温度が変化しても、本
発明のアクチュエータはその影響を補償し、アクチュエ
ータのケーシング２からのロッド３の突出量が一定とな
る。

（発明の効果） 以上述べた様に、ケーシングと圧電素子の線膨張率の差
によって生ずる封入室の容積変化を、封入室内の液体の
体積膨張率による体積変化で？ｉＩｉ償することにより
、周囲温度の変化に対して影響を受けることな（一定の
出力を出力部より得らるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電素子を用いたアクチュエータの断
面図を示す。 １・・・圧電素子、２・・・ケーシング、２ａ・・・有
底円孔、３・・・摺動部材であるロッド、８・・・ピス
トン、１０・・・封入室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケーシングと、このケーシング内に設けられて印加
   電圧によって軸方向に変位する圧電素子と、このケーシ
   ングに形成された有底円孔に摺動可能に設けられ、かつ
   前記圧電素子の変位が伝達されるピストンと、このピス
   トンにより閉塞された有底円孔内の空間に非圧縮性液体
   が密封された封入室と、この封入室に前記ピスト断面よ
   り小さい貫通穴か形成されると共に、この貫通穴に摺動
   可能かつ液体もれ防止可能に嵌合された摺動部材とを備
   えた圧電素子を用いたアクチュエータにおいて、前記ケ
   ーシング及び前記圧電素子の各線膨張率の差によって生
   じる前記封入室の容積変化を前記封入室内液体の体膨張
   率による前記封入室の体積変化とを同じになるように、
   前記ケーシングの線膨張率（α＿２）、前記封入室内液
   体の体膨張率（β）及び前記圧電素子の軸方向長さ（ｌ
   ）に基づいて、前記封入室の軸方向長さを所定長さ（δ
   ）に設定したことを特徴とする圧電素子を用いたアクチ
   ュエータ。 ２、前記封入室の軸方向の所定長さ（δ）は、δ＝（α
   ＿２／β）・ｌ （ただし、α＿２は前記ケーシングの線膨張率、βは前
   記封入室内液体の体膨張率、ｌは前 記圧電素子の軸方向長さである） の関係で設定されている特許請求の範囲第１項記載の圧
   電素子を用いたアクチュエータ。