JP2768961B2 - 位置検出機能を有する圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は、位置検出機能を有する圧電アクチュエータ
に関する。

（ロ） 従来の技術 従来、圧電アクチュエータの一形態として、固定部分
にストローク用圧電阻止の一側を固定し、同素子の他側
にクランプ用圧電素子を取り付け、各圧電素子にパルス
状の駆動電圧を印加して、クランプ用圧電素子でプラン
ジャをクランプさせ、ストローク用圧電素子を伸縮させ
てプランジャを進退させる事を繰り返して、同プランジ
ャを大きく移動させるようにした圧電アクチュエータが
あり、プランジャの移動量が、ストローク用圧電素子に
印加した電荷量と、パルス数に略比例することから、オ
ープンループ制御を可能としたものがある。

ところが、駆動電圧の誤差、プランジャと圧電素子間
のスリップなどで、プランジャの位置に誤差が生じ、更
に、この誤差が累積して大きな誤差になるという欠点が
あった。

そこで、この欠点を解決する手段として、プランジャ
のストロークエンド位置にリミットスイッチまたはフォ
トセンサなどを配設して、これらのスイッチまたはセン
サが、プランジャを検出したときにプランジャの位置デ
ータを更新するようにしたもの、または、プランジャに
エンコーダを連結してプランジャ位置を検出するように
したものなどが考えられる。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のスイッチまたはフォトセンサに
よる位置検出手段では、プランジャがストロークエンド
にきたときしかプランジャ位置データの更新をすること
が出来ず、プランジャが中間位置で進退作動を繰り返し
ていると、次第に誤差が累積して行くと言う欠点があ
り、なかでもリミットスイッチを用いたものでは、同ス
イッチにヒステリシスがある為、プランジャが検出され
る位置が異なるという欠点がある。

また、プランジャにエンコーダを連結する手段も、エ
ンコーダは一般に高価であり、パルスカウンタ型のもの
は、頻繁に位置の較正をしなければ誤差が累積するとい
う欠点あり、アブリソリュート型のものは、位置の較正
は必要なものの非常に高価であるという難点がある。

（ニ） 課題を解決するための手段 本発明では、プランジャを直線的に駆動すべく構成し
たリニア駆動アクチュエータにおいて、プランジャに移
動電極を配設すると共に、アクチュエータの固定側に固
定電極を前記移動電極に対峙させて設け、いずれか一方
の電極を分割して形成し、他方の電極を前記分割した電
極間に跨設し、プランジャの進退作動に伴う各電極間の
静電容量の変化を検出して、プランジャの位置を検出す
べく構成したことを特徴とする位置検出機能を有する圧
電アクチュエータを提供せんとするものである。

（ホ） 作用・効果 本発明によれば、プランジャが進退作動すると、各電
極間の静電容量が変化するので、この容量変化からプラ
ンジャの位置を検出することができる。

したがって、プランジャがいかなる位置にあっても、
常にその位置を検出することができ、従来、プランジャ
がストロークエンドに来たときしか位置検出ができない
という欠点が解決される。

また、高価なエンコーダを要しないことから、安価に
プランジャの位置検出ができると言う利点もある。

しかも、いずれか一方の電極を分割して形成し、他方
の電極を前記分割した電極間に跨設し、プランジャの進
退作動に伴う各電極間の静電容量の変化を検出して、プ
ランジャの位置を検出するようにしているため、プラン
ジャの移動に伴い、一方の電極間の静電容量と、他方の
電極間の静電容量とが、互いに補数的に増減することと
なり、位置検出の精度を高めると共に、温度変化による
静電容量の変化の影響を受けにくくすることができる。

（ヘ） 実施例 第１図中（Ａ）はリニア駆動アクチュエータとしての
圧電アクチュエータを示し、前後壁（ａ）（ｂ）を具備
するケーシング（ｃ）内に、同心円的にかつ軸線に沿っ
て進退自在に被駆動体としてのプランジャ（Ｐ）を取付
け、さらに、プランジャ（Ｐ）の外周面上に同心円的
に、３個の圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）を配設してい
る。

また、（ｉ）はその基端を支持材（ｈ）に、（ｊ）は
その基端をストローク用圧電素子（ｇ）に固着するとと
もにその先端を前後壁（ａ）（ｂ）に向けて延伸する片
持ち梁状の弾性ブリッジである。

そして、同弾性ブリッジ（ｉ）（ｊ）の先端には、そ
の外周面にクランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）を取付ける
とともに、その内周面にクランプ部材（ｋ）（ｌ）を固
着している。

そして、この圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）のうちクラ
ンプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）は、電圧印加状態では内径
を縮径させてプランジャ（Ｐ）をクランプすると共に、
非電圧印加状態では内径を拡径してプランジャ（Ｐ）へ
のクランプを解除する。

一方、ストローク用圧電素子（ｇ）は、電圧印加状態
ではプランジャ（Ｐ）上を軸線方向に伸長し、非電圧印
加状態ではプランジャ（Ｐ）上を軸線方向に収縮する。

次に、かかる構成を有する圧電アクチュエータ（Ａ）
によるプランジャ（Ｐ）の移動について、第２図〜第５
図を参照して説明する。

後述する制御装置（Ｃ）から、駆動プログラムに従っ
て、圧電素子（ｆ）に電圧を印加して、第２図に示すよ
うに、プランジャ（Ｐ）をクランプし、圧電素子（ｅ）
への電圧印加を解除してプランジャ（Ｐ）のクランプを
解除する。

次に、第３図に示すように、圧電素子（ｇ）の電圧を
解除して収縮せしめると、圧電素子（ｆ）が矢印方向に
移動し、これに伴ってプランジャ（Ｐ）も矢印方向に移
動する。

その後、第４図に示すように、圧電素子（ｅ）に電圧
を印加してプランジャ（Ｐ）をクランプし、ついで圧電
素子（ｆ）の印加電圧を解除してプランジャ（Ｐ）のク
ランプを解除し、圧電素子（ｇ）に電圧を印加すると、
圧電素子（ｇ）が伸長して圧電素子（ｆ）が第５図の位
置に復帰する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ
（Ｐ）をμｍオーダ或はサブμｍオーダのストロークで
尺とり虫状に移動することができ、プランジャ（Ｐ）先
端に連結した各種作動装置を精密に動作させることがで
きることになる。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）の作動は、第６図で
示す制御装置（Ｃ）で制御されており、同装置（Ｃ）
は、マイクロプロセッサ（MPU）、入出力インターフェ
ース（Ｉ）（Ｏ）、駆動プログラムを記憶したメモリ
（Ｍ）によって構成されており、入力インターフェース
（Ｉ）には、プランジャ（Ｐ）を作動させるためのスイ
ッチ（Sw）が接続し、出力インターフェース（Ｏ）に
は、駆動回路（Ｄ）を介してクランプ用及びストローク
用圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）が接続している。

そして、スイッチ（Sw）からプランジャ（Ｐ）への制
御指令が制御装置（Ｃ）に入力すると、駆動プログラム
にしたがってパルス状の駆動電圧が出力され、前記のよ
うにプランジャ（Ｐ）を作動させることができる。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）の後壁（ｂ）に、プ
ランジャ（Ｐ）の後端に移動電極（pm）を設けると共
に、移動電極（pm）に対峙し、移動電極（pm）とは絶縁
された固定電極（ps）を配設して、固定電極（ps）と移
動電極（pm）との間の静電容量を検出して制御装置に入
力するようにしている。

一方、制御装置（Ｃ）のメモリ（Ｍ）には、上記静電
容量からプランジャ（Ｐ）の位置を算出するルーチンを
記憶させている。

移動電極（pm）と固定電極（ps）との間の静電容量を
検出するには、次のような構成が考えられる。

すなわち、第７図で示すように、移動電極（pm）と固
定電極（ps）との間のギャップ（Ｇ）が有する静電容量
を発振定数の一つとした発振回路（C1）を構成し、その
発振周波数をFV変換回路（C2）で電圧に変換し、制御装
置（Ｃ）に入力する。

また、第８図で示すように、上記ギャップ（Ｇ）の静
電容量を発振定数の一つとした発振回路（C3）を構成
し、その発振周波数を直接制御装置（Ｃ）に入力して、
同装置（Ｃ）の内部でデジタル的に（例えば周波数カウ
ントなど）周波数を検出する。

このようにして検出された周波数は、ギャップ（Ｇ）
が有する静電容量に反比例し、かつ、ギャップ（Ｇ）の
大きさに反比例することから、ギャップ（Ｇ）の大き
さ、すなわち、プランジャ（Ｐ）の位置を検出すること
ができる。

上記のようにして制御装置（Ｃ）に入力した移動電極
（pm）と固定電極（ps）との間の静電容量データを、前
記のルーチンにより処理して、プランジャ（Ｐ）の位置
を算出することができる。

このようにして検出したプランジャ（Ｐ）の位置を用
いて、クローズドループによるプランジャ（Ｐ）の位置
制御を行うことができ、特に高価なエンコーダを要しな
いことから安価に上記制御を実現することがきるという
効果を有する。

上記のように、プランジャ（Ｐ）の位置検出ができる
圧電アクチュエータ（Ａ）は、プランジャ（Ｐ）の先端
に、各種機器を連結して同機器を正確に制御することが
できる。

第９図は上記の圧電アクチュエータ（Ａ）をダイヤフ
ラム弁（Ｖ）の作動制御に適用して、同弁（Ｖ）の開閉
及び流量調整を行わせるようにしたものを示している。

図中、（１）は弁本体、（２）は流出路、（３）流入
路、（４）は主弁座、（５）は主弁体、（６）はパイロ
ット弁座、（７）はダイヤフラム、（８）はオリフィ
ス、（９）はプランジャ（Ｐ）の先端に連設されたパイ
ロット弁体を示しており、プランジャ（Ｐ）の位置が常
に検出されていることから、パイロット弁体（９）の位
置が正確に制御され、したがって、主弁体（５）の位置
も正確になり、正確な流量調整を行うことができる。

第10図に示す圧電アクチュエータ（Ｂ）では、プラン
ジャ（Ｐ）の後端外周面に筒状の移動電極（pm）を設け
ると共に、移動電極（pm）と所定の間隔を保持して、同
アクチュエータ（Ｂ）の固定側に固着した筒状の固定電
極（ps）を外嵌し、プランジャ（Ｐ）の移動によって各
電極（pm）（ps）がラップした部分の長さが変化し、こ
れに伴って各電極（pm）（ps）間の静電容量が変化する
ようにしている。

また、第11図では、移動電極（pm）と固定電極（ps）
との間に筒状のアルミナセラミックス等の誘電体（Ｅ）
を介設したものである。

本発明の要旨は、前述したようなプランジャ（Ｐ）を
直線的に駆動すべく構成したリニア駆動アクチュエータ
において、プランジャ（Ｐ）に移動電極（pm）に配設す
ると共に、アクチュエータの固定側に固定電極（ps）を
前記移動電極（pm）に対峙させて設け、いずれか一方の
電極を分割して形成し、他方の電極を前記分割した電極
間に跨設し、プランジャ（Ｐ）の進退作動に伴う各電極
（pm）（ps）間の静電容量の変化を検出して、プランジ
ャ（Ｐ）の位置を検出すべく構成したことにある。

すなわち、第12図に示すように、固定電極（ps）を所
定間隔を保持して配設した第１固定電極（ps1）と第２
固定電極（ps2）とで構成し、移動電極（pm）を上記間
隔と対峙させ、移動電極（pm）の両端を第１、第２固定
電極（ps1）（ps2）とラップさせ、プランジャ（Ｐ）の
移動に伴い、第１固定電極（ps1）と移動電極（pm）間
の静電容量と第２固定電極（ps2）と移動電極（pm）間
の静電容量とが、互いに補数的に増減するように構成し
ている。

従って、両方の静電容量の差からプランジャ（Ｐ）の
位置を検知することができ、位置検出の精度を高めるこ
とができると共に、温度変化による静電容量の変化の影
響を受けにくくすることができる。

なお、上記とは逆に圧電アクチュエータの固定側に一
個の固定電極を設け、プランジャに第１、第２移動電極
とで構成した移動電極を配設して、各電極間の静電容量
の差からプランジャの位置を検出するようにすることも
できる。

また、各電極間には、誘電体（Ｅ）を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電アクチュエータの断面説明図、第２図〜第
５図は圧電アクチュエータの作動順序を示す説明図、第
６図は制御装置の構成を示すブロック図、第７図、第８
図は静電容量を検出する回路構成を示すブロック図、第
９図は流量調整弁の断面説明図、第10図は圧電アクチュ
エータの断面説明図、第11図は圧電アクチュエータの断
面説明図、第12図は本発明に係る圧電アクチュエータの
断面説明図。 （Ａ）：圧電アクチュエータ （Ｐ）：プランジャ （pm）：移動電極 （ps）：固定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 武徳 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (72)発明者 吉田 孝雄 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (72)発明者 有田 欽也 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (72)発明者 澤井 巳喜夫 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (72)発明者 堀内 啓史 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (56)参考文献 特開 昭62−288782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−67502（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−115706（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−75405（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16K 31/02 G01B 7/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プランジャ（Ｐ）を直線的に駆動すべく構
   成したリニア駆動アクチュエータにおいて、プランジャ
   （Ｐ）に移動電極（pm）を配設すると共に、アクチュエ
   ータの固定側に固定電極（ps）を前記移動電極（pm）に
   対峙させて設け、いずれか一方の電極を分割して形成
   し、他方の電極を前記分割した電極間に跨設し、プラン
   ジャ（Ｐ）の進退作動に伴う各電極（pm）（ps）間の静
   電容量の変化を検出して、プランジャ（Ｐ）の位置を検
   出すべく構成したことを特徴とする位置検出機能を有す
   る圧電アクチュエータ。