JP2800202B2

JP2800202B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2800202B2
Application number: JP63268848A
Authority: JP
Inventors: 修筒井; 欽也有田; 良一塚田; 啓史堀内; 孝雄吉田
Original assignee: 東陶機器株式会社
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH02114578A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、各種装置を作動させるために用いる圧電ア
クチュエータに関する。

（ロ）従来の技術従来、第10図に示すように、圧電アクチュエータの一
形態として、ケーシング49内を軸線方向に移動するプラ
ンジャ50と、同プランジャ50をつかむクランプ部材51,5
2と、クランプ部材51,52を作動させるクランプ用圧電素
子53,54と、上記クランプ用圧電素子53,54と協働してプ
ランジャ50を軸線方向に移動させるストローク用圧電素
子55,56とにより構成されたものがある。なお、図中、5
7はクランプ用圧電素子53,54とストローク用圧電素子55
とをケーシング49に支持固定するための保持具である。

そして、かかる圧電アクチュエータの作動について簡
単に説明すると、アクチュエータ駆動ボタンを押すと、
制御装置が、メモリから読み出した駆動順序プログラム
に従って、クランプ用圧電素子53,54とストローク用圧
電素子55,56に電圧を印加してクランプ部材51,52にプラ
ンジャ50をクランプさせたり、軸線方向に移動させるこ
とによって、プランジャ50を尺取り虫状に、μｍオーダ
或いはサブμｍオーダのストロークで移動させることが
できる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点しかし、かかる圧電アクチュエータは、未だ、以下の
問題点を有していた。

即ち、第10図に示すように、ストローク用圧電素子5
5,56は、それぞれ多数の圧電素子片60を積層状態に接着
して構成されている。

これは、各圧電素子片60の電圧印加時におけるプラン
ジャ軸線方向変位量が小さいことに鑑み、十分な変位量
を確保するため、積層構造としたものである。

ところで、かかるストローク用圧電素子55,56は多数
の圧電素子片60を必要とし、かつそれぞれに電圧を印加
しなければならないので、エネルギー効率が悪くなる。

また、積層構造は製造が複雑かつ煩雑となり、製作費
を高くすることになる。

本発明は、上記問題点を解決することができる圧電ア
クチュエータを提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、アクチュエータケーシング内を軸線方向に
進退可能なプランジャと、プランジャの廻りに配設し、
それぞれ筒状のクランプ部材を介してプランジャをクラ
ンプ可能に構成した左右一対の筒状のクランプ用圧電素
子と、プランジャの廻りに配設し、かつ左右一対のクラ
ンプ用圧電素子の間に位置して、同プランジャを進退さ
せる筒状のストローク用圧電素子と、から構成してなる
圧電アクチュエータにおいて、筒状のストローク用圧電
素子の両側端面に、各クランプ部材に連設したドーナツ
状の可撓性部材の内側面をそれぞれ接着すると共に、一
方の可撓性部材の外側面をアクチュエータケーシングに
固着した保持具を取付けるとともに、他方の可撓性部材
の外側面にはストローク増幅用部材を連設し、保持具及
びストローク増幅用部材には、それぞれクランプ部材を
連設し、同クランプ部材の外周面にクランプ用圧電素子
を取付けたことを特徴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）作用及び効果上記した構成により、本発明は以下の作用及び効果を
奏する。

本発明では、筒状のストローク用圧電素子の両側端面
に、各クランプ部材に連接したドーナツ状の可撓性部材
の内側面をそれぞれ接着すると共に、一方の可撓性部材
の外側面をアクチュエータケーシングに固着した保持具
に取付けるとともに、他方の可撓性部材の外側面にはス
トローク増幅用部材を配設し、保持具及びストローク増
幅用部材には、それぞれクランプ部材を連設し、同クラ
ンプ部材の外周面にクランプ用圧電素子を取付けた構成
としている。

従って、ストローク用圧電素子に電圧を印加すると、
ストローク用圧電素子の両側面は両可撓性部材に接着さ
れているために伸縮せず、中央部のみが伸縮して、スト
ローク用圧電素子は両側方に膨らんだ太鼓状又は両側方
が凹んだ鼓状に変形し、その結果、両可撓性素材も弓な
りに変形し、同変形に基づいて、両可撓性素材の外側面
はプランジャの軸線方向に変位し、同変位によって、ス
トローク増幅用部材の内側面はプランジャ軸線方向に増
幅されて大きく変位することになり、同ストローク増幅
用部材の内側面に形成したクランプ部も同様にプランジ
ャ軸線方向に大きく変位することになる。

このように、本発明では、単一の圧電素子片又は少数
の圧電素子片の積層体によって圧電素子を形成しても、
圧電素子の両面に接着した可撓性部材とストローク増幅
用部材との協働によってクランプ部をプランジャ軸線方
向に大きく変位させることができる。

即ち、単一又は少数の圧電素子片からなるストローク
用圧電素子によって発生する変位が小さくても十分な変
位を確保することができるので、電力消費量を小さくし
て節電を図ることができる。

また、ストローク用圧電素子を、単一又は少数の圧電
素子片より形成することできるので、ストローク用圧電
素子を容易に製作することができ、製作費を安価なもの
とすることができる。

（ヘ）実施例以下、添付図に示す実施例に基づいて、本発明を詳説
する。

第１図に本実施例に係わる圧電アクチュエータＡの全
体構成を示す。

図示するように、圧電アクチュエータＡは、前後壁a,
bを具備する筒状のアクチュエータケーシングｃ内に同
心円的に、かつ、軸線に沿って進退自在にプランジャｄ
を取付け、さらに、プランジャｄの外周面上に、同心円
的に、それぞれクランプ部材k,lを具備する一対のクラ
ンプ用圧電素子e,fと、ストローク用圧電素子ｇとを配
設することによって構成している。

即ち、図示の実施例において、クランプ用圧電素子ｅ
はアクチュエータケーシングｃの中央部に取付けた保持
具Ｈの左側に配設・支持されており、一方、クランプ用
圧電素子ｆとストローク用圧電素子ｇとは保持具Ｈの右
側に配設・支持されている。なお、保持具Ｈはクランプ
取付体として機能するものである。

そして、上記各圧電素子e,f,gの配設・支持状態につ
いて説明すると、以下の如くなる。

まず、クランプ用圧電素子ｅの配設・支持状態につい
て説明すると、第１図において、保持具Ｈの内側面に
は、ケーシングｃの前壁ａ方向に伸延する縦割スリット
を設けた筒状のクランプ部材ｋのスリット無しの基端k₂
を片持梁状に着脱自在に連結している。

また、プランジャｄをクランプするべくクランプ部材
ｋの先端に設けたクランプ部k₁は、上記クランプ部材ｋ
の基端k₂から離隔した位置に設けられている。

そして、同クランプ部k₁の外周面上には、単一又は少
数の圧電板を積層して形成した圧電素子ｅを接着剤を用
いて取付けている。

次に、ストローク用圧電素子ｇとクランプ用圧電素子
ｆの配設・支持状態について説明する。

第１図に示すように、保持具Ｈの右側には、単一又は
少数の圧電板ｘを積層状態に接着して形成したストロー
ク用圧電素子ｇが配設されており、同ストローク用圧電
素子ｇは、その両側面に、それぞれ可撓性部材j,mの内
側面を接着剤を用いて接着している。

また、一方の可撓性部材ｊは、その外側面を保持具Ｈ
の外側面に連結ボルトｎによって連結固定するととも
に、他方の可撓性部材ｍは、その外側面を、剛性素材か
らなるストローク増幅用部材ｏの外側面に連結ボルトＰ
によって連結している。

さらに、ストローク増幅用部材ｏは、その内側面に
は、ケーシングｃの後壁ｂ方向に伸延する縦割スリット
を設けた筒状のクランプ部材ｌのスリット無しの基端1₂
を片持梁状に着脱自在に連結している。

また、プランジャｄをクランプするべくクランプ部材
ｌの先端に設けたクランプ部1₁は、上記クランプ部材ｌ
の基端1₂から離隔した位置に設けられている。

そして、同クランプ部1₁の外周面上には、単一又は少
数の圧電板を積層して形成した圧電素子ｆを接着剤を用
いて取付けている。

なお、クランプ用圧電素子ｆは、クランプ用圧電素子
ｅと同様に、単数又は少数の圧電板ｘをプランジャｄの
軸芯方向に積層して形成した円筒状の素子で、各圧電板
ｘの両端に電極が設けられており、この両端に電圧を印
加することにより、伸びるように構成されている。

一方、ストローク用圧電素子ｇも、単数又は少数の圧
電素子片ｘをプランジャｄの軸芯方向に積層して形成し
た円滑状の素子からなる。

次に、各圧電素子e,f,gの作用及び具体的構成につい
て説明すると、以下のようになる。

即ち、クランプ用圧電素子e,fは、非通電状態では一
定のクランプ力Ｆでプランジャｄをクランプしており、
正の電圧を印加することによってクランプ力Ｆ＋αでク
ランプすることになり、負の電圧を印加することにより
クランプ力Ｆ−αの力でクランプすることになる。な
お、クランプ力は、Ｆ−α＞０とする。即ち、負の電圧
が印加されている場合であっても、クランプ用圧電素子
e,fは、一定のクランプ力でプランジャｄをクランプす
ることになる。

一方、ストローク用圧電素子ｇは、原則として、正電
圧を印加した状態では、プランジャｄ上を軸線方向に伸
びた状態にあり、負電圧を印加した状態では、プランジ
ャｄ上を縮み、その軸線方向の全長を短くすることにな
る。

しかし、本実施例において、ストローク用圧電素子ｇ
の両側面は両可撓性部材j,mに接着されているために、
ストローク用圧電素子ｇに正逆電圧を印加しても、両側
面は伸縮せず、中央部のみが伸縮するため、ストローク
用圧電素子ｇは、第２図及び第３図に示すように、両側
方に膨らんだ太鼓状又は両側方が凹んだ鼓状に変形す
る。

その結果、両可撓性部材j,mも弓なりに変形し、同変
形に基づいて、両可撓性素材j,mの外側面はプランジャ
ｄの軸線方向に変位し、同可撓性部材ｍに外側面を連結
したストローク増幅用部材ｏも変位する。

ところで、ストローク増幅用部材ｏは剛性部材から形
成されており、かつ、その外側面と内側面の距離が十分
に確保されているので、内側面は、外側面の変位に対し
て、プランジャｄの軸線方向に数倍〜数十倍に増幅され
て変位することになり、同ストローク増幅用部材ｏの内
側面に形成したクランプ部材ｌのクランプ部k₁及び同ク
ランプ部k₁に取付けた圧電素子ｆも同様に大きくプラン
ジャ軸線方向に大きく変位することになる。

このように、本実施例では、単一の圧電素子片ｘ又は
少数の圧電素子片ｘの積層体によってストローク用圧電
素子ｇを形成しても、ストローク用圧電素子ｇの両面に
接着した可撓性部材j,mとストローク増幅用部材ｏとの
協働によってクランプ部k₁及びクランプ用圧電素子ｆを
プランジャ軸線方向に大きく変位させることができる。

即ち、単一又は少数の圧電素子片ｘからなるストロー
ク用圧電素子ｇによって発生する変位が小さくても十分
なプランジャ軸線方向の変位を確保することができるの
で、電力消費量を小さくして節電を図ることができる。

また、ストローク用圧電素子ｇを、単一又は少数の圧
電素子片ｘより形成することできるので、ストローク用
圧電素子ｇを容易に製作することができ、製作費を安価
なものすることができる。

第１図におけるその他の構成要素について説明する
と、ｒは圧電アクチュエータＡの水密性を高めるために
設けた摺動抵抗の小さいＵ字状又はＹ字状パッキンであ
る。

また、第４図に上記構成を有する圧電アクチュエータ
Ａを制御するための制御装置Ｃの構成を示している。図
示するように、制御装置Ｃは、マイクロプロセッサＲ
と、入出力インターフェースS,Tと、上記圧電素子e,f,g
の駆動順序プログラムを記憶したメモリＵとから構成さ
れる。

ついで、かかる構成を有するアクチュエータＡによる
プランジャｄの作動について、第５図〜第７図を参照し
て説明する。

第４図に示すアクチュエータ駆動ボタンｖを押すと、
制御装置Ｃが、メモリＵから読み出した駆動順序プログ
ラムに従って、第５図に示すように、ストローク用圧電
素子ｇを負電圧印加状態に保持する一方、クランプ用圧
電素子ｅに負の電圧を印加してプランジャｄへのクラン
プ力をＦ−αに低減するとともに、クランプ用圧電素子
ｆに正の電圧を印加してクランプ力をＦ＋αに増加して
プランジャｄをクランプさせる。

次に、第６図に示すように、ストローク用圧電素子ｇ
へ正の電圧を印加して縮めると、ストローク用圧電素子
ｇは矢印の方向に移動し、これに伴ってクランプ用圧電
素子ｆがクランプ力Ｆ＋αでクランプするプランジャｄ
も矢印方向に移動する。

その後、第７図に示すように、クランプ用圧電素子ｆ
に負の電圧を印加してクランプ力をＦ−αに低減すると
ともに、クランプ用圧電素子ｅに正の電圧を印加してク
ランプ力をＦ＋αに増加してプランジャｄをクランプさ
せる。そして、ストローク用圧電素子ｇに負の電圧を印
加して伸ばすとストローク用圧電素子ｇは矢印方向に移
動する。

ついで、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ
ｄを、μｍオーダ或いはサブ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る。

そして、かかる圧電アクチュエータＡの作動におい
て、前述したように、ストローク用圧電素子ｇによって
発生するプランジャ軸線方向変位を増幅することができ
るので、ストローク用圧電素子ｇに印加する電圧を可及
的に小さくすることができ、節電を図ることができる。

また、第８図に、本実施例にかかるアクチュエータＡ
の適用例を示しており、湯水混合栓として機能する自動
開閉弁Ｄにかかる圧電アクチュエータＡを応用した例で
ある。

第８図において、10は円筒状の箱体をなすケーシング
であり、同ケーシング10は、その一側側壁に、二つの一
側流路13,14を形成している。

そして、一側流路13,14は湯水混合栓の給水流路及び
給湯流路として機能するものであり、その外側開口端
は、それぞれ給水配管15と給湯配管16と連通している。

一方、一側流路13,14の内側開口端は、それぞれケー
シング10の両端に形成した隔壁17,18と連通している。

また、ケーシング10の他側側壁には、両端開口のＴ字
状の他側流路20が形成されている。

そして、かかる他側流路20は、湯水混合栓の混合水流
路として機能するものであり、その外側開口端は、混合
水配管21と連通しており、一方、その内側二股開口端は
隔壁17,18と連通している。

さらに、Ｔ字状筒体19の内側二股開口部には、それぞ
れ弁座22,23が設けられており、同弁座22,23には、ケー
シング10内を軸線方向に進退して弁座22,23と接離し、
内側二股状開口端を開閉するダイアフラム弁からなる弁
体24,25が配設されている。

さらに、ケーシング10の両端には、それぞれ圧電アク
チュエータＡが取付けられている。

そして、各圧電アクチュエータＡは、そのプランジャ
ｄの先端を弁体24,25の後部と当接自在となし、弁体24,
25を開閉自在としている。

なお、第８図において、30は他側流路20内に設けた温
度センサであり、混合水の温度を検出し、検出値を第４
図に示すような制御装置Ｃにフィードバックして、制御
装置Ｃに検出値に基づいて自動開閉弁Ｄの両アクチュエ
ータＡをPID制御等によって作動させ、適温制御を行う
ものである。

そして、かかる構成を有する自動開閉弁Ｄの作動を、
簡単に説明すると、以下の如くなる。

即ち、温度センサ30からの検出値を制御部にフィード
バックして、制御部に検出値に基づいて自動開閉弁Ｄの
両圧電アクチュエータＡをそれぞれ別個に作動させる
と、弁体24,25が設定温度で開閉して、一側流路13,14か
ら他側流路20に流れる給水量と給湯量を一定の混合割合
で混合することができる。

そして、かかる作用において、弁体24,25は上記した
構成を有し、かつ上記した作用及び効果を奏する圧電ア
クチュエータＡによって開閉するようにしているので、
流量制御及び適温制御をより精密かつ確実に行うことが
できる。

また、第９図に他の実施例に係る圧電アクチュエータ
Ａの構成を示しており、図示するように、本実施例は、
上記した実施例（第１図〜第７図）における圧電アクチ
ュエータＡに、さらに、クランプ力調整機能を付加した
構成に特徴を有する。

即ち、クランプ部材k,lは、その環状外周面上に、第
９図に示すように保持具Ｈに向けて漸次外径を小さくす
る環状のテーパ面t₁を形成している。

また、クランプ部材k,lの外周面上には、同心円的に
筒状の圧電素子取付用中間部材W₁,W₂が着脱自在かつ軸
線方向に移動自在に配設されている。

そして、同圧電素子取付用中間部材W₁,W₂の先端に形
成したくさび部W_1a,W_2aの内周面には、前記したクラン
プ部材k,lの外周面に設けたテーパ面t₁と摺動自在に嵌
合密着するテーパ面t₂が形成されている。

さらに、第９図に示すように、筒状の圧電素子取付用
中間部材W₁,W₂はその先端外周面に、多数の圧電板ｘを
積層して形成したクランプ用圧電素子e,fを接着剤を用
いて取付けている。

そして、かかるクランプ用圧電素子e,fの取付におい
て、上記したように圧電素子取付用中間部材W₁,W₂はス
リットを有する弾性素材からなるため、圧電素子e,fの
内径を可及的に小さくしても圧電素子取付用中間部材
W₁,W₂を弾性的に縮径して、同クランプ用圧電素子e,fを
圧電素子取付用中間部材W₁,W₂の外周面に容易に嵌入す
ることができ、また、嵌入に際して、接着剤を圧電素子
取付用中間部材W₁,W₂の内周面に塗布することによって
強固にクランプ用圧電素子e,fを圧電素子取付用中間部
材W₁,W₂に接着することができる。

しかして、クランプ用圧電素子e,fの内径を可及的に
小さくできるので、接着剤の厚みを可及的に薄くするこ
とができ、後述するようにクランプ用圧電素子e,fに電
圧を印加した場合に生ずるクランプ力を接着剤によって
吸収されることなくクランプ部材k,lに伝達することが
でき、十分なクランプ力でプランジャｄをクランプする
ことができる。

また、第９図に示すように、筒状の圧電素子取付用中
間部材W₁,W₂の外周面上であってクランプ用圧電素子e,f
の後部なす位置には、環状のスプリング保持用ブラケッ
トy₁,y₂が突設されている。

そして、同スプリング保持用ブラケットy₁,y₂の後面
と保持具Ｈの前面との間には、圧縮コイルスプリングか
らなるクランプ力調整用スプリングz₁,z₂が介設されて
いる。

かかる構成において、クランプ力調整用スプリング
z₁,z₂の弾性力によって圧電素子取付用中間部材W₁,W₂は
前方方向に付勢され、同付勢力は、テーパ面t₁とテーパ
面t₂との嵌合を介してクランプ部材k,lのクランプ部材k
₁,l₁に、プランジャｄをクランプする初期保持クランプ
力を与えることができる。

そして、かかる初期保持クランプ力は、クランプ部材
k,lの基端k₂,l₂の保持具Ｈの雌ねじ部i,pのねじ込み量
を調整することによってクランプ力調整用スプリング
z₁,z₂の長さを増減して容易に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる圧電アクチュエータの断面側
面図、第２図及び第３図はストローク用圧電素子の電圧
印加時の動作説明図、第４図は制御装置の概念的構成説
明図、第５図〜第７図は圧電アクチュエータの作動状態
説明図、第８図は上記圧電アクチュエータを具備した自
動開閉弁の断面側面図、第９図は他の実施例に係る圧電
アクチュエータの断面側面図、第10図は従来の圧電アク
チュエータの断面側面図である。図中、（Ａ）：圧電アクチュエータ（Ｃ）：制御装置（Ｄ）：自動開閉弁（ｄ）：プランジャ（ｅ）：クランプ用圧電素子（ｆ）：クランプ用圧電素子（ｇ）：ストローク用圧電素子（ｊ）：可撓性部材（ｋ）：クランプ部材（ｌ）：クランプ部材（ｍ）：可撓性部材（ｏ）：ストローク増幅用部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀内啓史福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者吉田孝雄福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (56)参考文献特開昭63−186071（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−219972（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 41/083 H01L 41/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アクチュエータケーシング内を軸線方向に
進退可能なプランジャと、プランジャの廻りに配設し、
それぞれ筒状のクランプ部材を介してプランジャをクラ
ンプ可能に構成した左右一対の筒状のクランプ用圧電素
子と、プランジャの廻りに配設し、かつ左右一対のクラ
ンプ用圧電素子の間に位置して、同プランジャを進退さ
せる筒状のストローク用圧電素子と、から構成してなる
圧電アクチュエータにおいて、筒状のストローク用圧電素子の両側端面に、各クランプ
部材に連設したドーナツ状の可撓性部材の内側面をそれ
ぞれ接着すると共に、一方の可撓性部材の外側面をアク
チュエータケーシングに固着した保持具に取付けるとと
もに、他方の可撓性部材の外側面にはストローク増幅用
部材を連設し、保持具及びストローク増幅用部材には、
それぞれクランプ部材を連設し、同クランプ部材の外周
面にクランプ用圧電素子を取付けたことを特徴とする圧
電アクチュエータ。