JPS63289975A - 圧電アクチュエ−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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、圧電素子を用いた電気−機械変換装置に関し
、特に空気圧用制御弁等のアクチュエータに適する圧電
アクチュエータに関するものである。

［従来の技術］ 従来、空気圧用制御弁等のアクチュエータとしては、電
磁石が広く用いられている。近年、ディジタル回路及び
マイクロコンピュータの普及により、小形ｒヒと共に制
御弁の制御もこれらの電子機器で行われるようになって
きており、電磁石の代わりに圧電素子を利用した制御弁
が提案されている。例えば、薄板状圧電素子を積層して
一体１ヒした圧電積層体をアクチュエータとした弁が特
開昭６０−２１１１７６に、又、バイモルフ型の圧電ア
クチュエータを用いた弁が実開昭６０−７５７７６公報
に記載されている。電磁石と比較して圧電素子をアクチ
ュエータにすれば、■ノイズが発生しない。■熱の発生
が無い。■音が出ない。■消費電力が少ない。■動作速
度の早いものを小型化できる等の長所がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図（ａ）及び（ｂ）に示したように、圧電積層体は
多数の薄板状圧電素子２０が積層され一＼２体（ヒされ
たもので、内部電極２１がこれらの圧電、［騙子２０の
間に層状に埋め込まれており素子端面で露出している形
状をしている。この露出している内部電極２１を一つお
きに絶縁体２２ａ、２２ｂで覆い、この上から外部室％
　２３　ａ、２３ｂが破着されているため、各内部電極
２１は互いに電気的に並列に接続される。圧電素子２ｏ
は厚み方向に分極処理が施されているため、外部電極２
３ａ、２３ｂに夫々接続された電気端子２４ａ、２４ｂ
間に電圧が印加されるとその厚み方向に電圧の大きさに
比例して伸びる。

また電気端子２４ａ、２４ｂ間の電圧印加の極性な逆に
行うことによって、その厚み方向に電圧の大きさに比例
して収縮する。

従来このような積層型の圧電アクチュエータでは、発生
力は数１０Ｋｇあるが、変位量としては数１０μｍ程度
と小さいために、一般の制御弁のアクチュエータとして
は単独では実用化できない現状であった。又、素子の耐
電圧性や電極の接続、Ｇ、）Ｍ遣より数１００ｖ程度が
限度であり、また素子の積層枚数も構造上制限され、ま
た長さ方向に大きな形状になることは制御弁等のアクチ
ュエータとしては小型化できないことになる。

この解決策として特開昭６０−２１１１７６は圧電積層
体単独では変位量が小さいため、これによる軸方向の変
位を拡大する変位拡大機構としての油圧ポンプが内蔵さ
れ、この油圧ポンプに連結されたプランジャを有する弁
が開示されている。

一方、実開昭６０−７５７７６の電子弁にアクチュエー
タとして用いられているバイモルフ型の圧電アクチュエ
ータは、変位量は数１００μｍあるが、発生力は数Ｌｏ
ｇと小さいものである。従って数ｋｇ　／　ｃｒｄの圧
縮空気を制御する場合でも弁口径が十分小さくないと動
作できなくなり流量の小さな弁にしか利用できない。

このように従来の圧電アクチュエータでは、積層型、バ
イモルフ型の何れにおいても、制御弁に利用する場合、
弁の流路断面績が大きくできず、又、周囲温度の変化に
よって熱変位が起きるために動作が不安定になる問題が
あった。

・、、、、本発明の目的は、上記の問題点を解消すべく
、］内数の圧電積層体を組み合わせた構造にすること、
・７ により、変位量を大きくでき、かつ周囲温度の影響を受
けることのない積層型圧電アクチュエータを提供するこ
とにある。

〔問題点な解決するための手段］ 第１図は本発明になる圧電アクチュエータの基本構成を
示す図であり、複数個の（本図では６個）の圧電積層体
２ａ、２ｂ、２ｃ、、、、、２ｆが間隙を有するように
並列に配置され、隣り合う圧電積層体は接き部材２５ａ
、２５ｂ、、、、、２５ｅて互いに一方の端部を共有す
るように結合されている。

又、隣り合う圧電積層体は夫々電圧を印加されたとき沖
縄が相反するように電気接続されている。

即ち圧電積層体２ａ、２ｃ、２ｅは長さ方向に縮み、圧
電椿履体２ｂ、２ｄ、２ｆは逆に伸びるように構成され
ている。

圧電積層体２ａの他端は固定部材３に、圧電積層体２ｆ
の他端は可動部材４に結合されている。

［作用］ このように構成された圧電アクチュエータにおいては、
電圧を印加すると第１図（ａ）の状態から第１図（ｂ）
の状態に変位する。即ち、固定部材３の結合された圧電
積層体２ａは圧電素子の厚さ方向に積層された長さ方向
に一定量縮み、この圧電積層体２ａに結合された隣り合
う圧電積層体２ｂは逆に伸びる９このようにｎ個の圧電
′ｆ？を履体が結合されている場合、圧電積層木１個に
対する変位量を△χとすれば全体の変位量はｎ×△χと
なる。図示の圧電積層体が６個用いられるときは、圧電
積層体が１個の変位量の６倍の変位量が得られる。また
圧電積層体は並列して配設しであるので、長さ方向に対
しては圧電積層体１個の場合と同長である。周囲温度の
変化に対しては隣り合う圧電積層体が同時に同じ量だけ
伸び、或は縮むが、固定部材３と可動部材４との位置関
係は熱的変化の影響を受けることはない。

［実施例］ 例を示したもので、第３図（ａ）は軸心に沿って切断し
た断面図であり第３図（ｂ）は切断したものの底面図で
一部横断面が示されている。

２ａ、２ｂ、２ｃ、、、、、２ｆは夫々長さが等しく、
直径が異なる管状の圧電積層体である。

これらの圧電積層体は第２図（Ｃ）に示したように、環
状の多数の圧電素子２０が積層され一体化されたもので
、環状の内部電極２１がこれらの圧電素子２０の間に層
状に埋め込まれており、素子端面で露出している内部電
極２１を一つおきに絶縁体２２ａ、２２ｂで覆い、この
上から外部電極２３ａ、２３ｂが被着されている。従っ
て各内部電極２１は互いに電気的に並列に接続される。

圧電素子２０は厚み方向に分極処理が施されているため
、外部電極２３ａ、２３ｂに夫々接続された電気端子２
４ａ、２４ｂ間に電圧が印加されるとその厚み方向に、
即ち環状の圧電積層体の長また電気端子２４ａ、２４ｂ
間の電圧印加の極性を変えて接続することにより逆に収
縮する。

このような管状の圧電積層体２ａ、２ｂ、２ｃ。

、、、、２ｆは同軸上に間隙をもって配置され、隣り合
う圧電積層体は環状の接き部材２５　ａ、２５ｂ、、、
、、２５ｅにより互いに一方の端部を共有するように結
合されている。

このような構造にすることにより圧電アクチュエータ１
は更に力学的に安定した強固なものにすることが可能に
なる。また隣り合う圧電積層体は夫々電圧を印加された
とき伸縮が相反するように電圧の極性が逆になるように
電気的に接続されている。即ち、圧電積層体２ａ、２ｃ
、２ｅは長さ方向に収縮し、圧電積層体２ｂ、２ｄ、２
ｆは伸びるように構成されている。圧電積層木２ａの他
端には固定部材３が、また２ｆの他端には可動部材４が
固着されている。固定部材３と可動部材４は電圧が印加
されない第３図（ａ）の状態では同一平面上にあり、こ
れが変位量の基準面となる。

管状の圧電積層体は相互に所定の変位量で伸縮するため
の可動部材４は固定部材３に対し、１個の圧電積層体の
変位量の６倍の変位が得られる。

第４図は本発明の圧電アクチュエータを利用した制御弁
の断面図である。３は制御弁Ｖのハウジングであり、こ
のハウジング３の軸心には管状の弁体４が摺動自在に設
けられている。ハウジング３の上部と下部には、それぞ
れ弁座５と弁座６が弁体４の両端に対面して配設されて
おり、弁体４が一方の弁座に当接するときに他方の弁座
から離れるようになっている。弁座５を有する室７はイ
ンボート９に連通し、また弁座６を有する室８はアウト
ボート１０にそれぞれ連通している。また弁座６には軸
心方向に流路が形成されて排気ポート１１に通じている
。本発明の管状の圧電アクチュエータ１はハウジング３
の中央部に形成された円筒状の室１２内に弁体４と同軸
上に配設されている。固定側はハウジング３の環状突出
部３ａに固着され、また可動側は弁体４に設けられたフ
ランジ部４ａに固着されている。この弁体４のフランジ
部４ａと室１２の上面との間に弁体４を弁座５に当接す
るように付勢されたスプリング１３が配設されている。

圧電アクチュエータ１が動作していない第４図の状態で
は、弁座５が閉じ弁座６が開いているのでインボート９
からの流体の流入は遮断され、アウトボート１０と排気
ポート１１が連通している。

次に圧電アクチュエータ１に電圧を印加すると、この圧
′屯アクチュエータは第３図（Ｃ）の状態になり、弁体
４はスプリング１３に抗して押し上げられ弁座６に当接
する。従ってインボート９は弁１本４内の流路を介して
排気ポート１１と連通し、アウトボート１０と排気ポー
ト１１間は遮断される。

このように管状の弁体４を圧電アクチュエータ１により
移動させることにより３方向の流路の切り２えが、比較
的軽い力で動作できる。従って圧電アクチュエータ１の
大きな力と、大きな変位量とにより、弁の流路断面積分
大きくすることが可能とな′った。インボート９念盲栓
でふさぐことにより２方弁にでき、０Ｎ−ＯＦＦ制御以
外にも圧電アクチュエータの印加電圧を変化させること
で変位量を変え流路断面積を制御できるため流量制御弁
としても使用できる。管状の径の異なった圧電積層木を
同軸上に配置しであるので、軸上の長さは一個の圧電積
層体の長さと同じであるため制陣弁念小形にすることが
できる。また管状の圧電積層体でなく本発明の基本構成
である平板状（第１図による）の圧電素子登用いた圧電
アクチュエータを弁体４の両側に配設すれば、制御弁の
幅を薄くすることかでき同じスペースに配置する場合に
制御弁の集積度を高めることができる。

尚、以上説明した圧電アクチュエータは、外部のマイク
ロコンピュータよりの微弱制御信号を圧電素子を駆動て
きる高電圧制御信号に変換するための駆動回路を制御弁
に内蔵しておけば、コンピュータからの微弱制御信号で
直接制御することができる。

第５図は本発明になる圧電アクチュエータの他の実施例
を示すものである。伸縮が夫々相反するように電気接続
された長さの等しい２個の圧電積層体−組となるように
接合部材２５ａ、２５ｃ、。

、、、２５にで結合されている。更に長さの異なる各組
の圧電積層体２Ａ、２Ｂ、、、、、２Ｆは接合部材２５
ｂ、２５ｄ、、、、、２５ｊで結合されている。このよ
うな構成にして各組の圧電積層体に、個別に電圧を印加
すれば、夫々異なった変位量が得られる。この図に示し
たものでは６組が配設されているので６ｂｉｔのディジ
タル信号で変位量を制御できるので流量制御弁等への用
途がある。

［発明の効果］ 本発明の圧電アクチュエータは以上説明したように、並
列に間隙分有して配置された複数個の圧電積層体の隣り
合う圧電積層体が互いに一方の端部を共有するように接
合部材により結合されていると共に、伸縮が夫々相反す
るように電気接続されているので、従来の積層型と比較
して軸方向の寸法を大きくせすに大きな変位が得られ、
また周囲温度の変化により各圧電積層体が熱変位を生じ
ても固定部材に対し可動部材は変化しないので、制御弁
に用いられる場合に、流路断面積を大きくすることがで
き、かつ安定した動作が得られ、更に変位拡大機構を設
ける必要がないので小形にできる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示す図、第２図は本発明の
圧電アクチュエータに用いられる圧電積層体の斜視図、
第３図は実施例を示す図で、第３図（ａ）は軸心に沿っ
て切断した断面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）の底面
図で一部断面を示している。第３図（ｃ）は動乍状態を
示す図である。 第４図は本発明の用途例である制御弁の断面図であり、
第５図は他の実施例を示す図である。 ２ａ、２ｂ、２Ｃ・・・・・・・・・圧電積層体２５ａ
、２５ｂ、２５ｃ・・・・・・・接合部材３・・・・・
・・・・・・・・・・・・固定部材４・・・・・・・・
・・・・・・・・・可動部材特許出願人　：　シーケー
ディ株式会社第１　Ｌ’Ｊ 唄− 第　２１ （Ｃ） 第４図 第　５Ｎ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）並列に間隙を有して配置された複数個の圧電積層
   体の隣り合う圧電積層体が、互いに一方の端部を共有す
   るように接合部材により結合されていると共に、伸縮が
   夫々相反するように電気接続されたことを特徴とする圧
   電アクチュエータ。
2. （２）圧電積層体が夫々径の異なる同軸上に配置された
   管状体である特許請求の範囲第１項記載の圧電アクチュ
   エータ。
3. （３）伸縮が夫々相反する長さの等しい一対の圧電積層
   体が複数組結合されており、各組の圧電積層体の長さが
   夫々異なる特許請求の範囲第１項及び第２項記載の圧電
   アクチュエータ。