JP2822514B2 - 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素子の一側を固定し、同素子の他側
と、固定部分とにそれぞれクランプ用圧電素子で作動す
るクランプ部材を取り付け、ストローク用圧電素子にパ
ルス状の駆動電圧を印加して同素子を軸方向に伸縮させ
ると共に、これに同期して各クランプ用圧電素子にパル
ス状の駆動電圧を印加して、クランプ部材でプランジャ
をクランプさせることを繰返すことにより、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
る。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 ところが、クランプ用圧電素子の作動量が小さいた
め、クランプ状態が不確実になりやすく、クランプ部材
とプランジャとの間でスリップが発生して、作動が不確
実になったり、発熱したりする欠点があった。

上記の欠点を解決するために、プランジャとクランプ
部材との仕上精度を高めて隙間を小さくすることが考え
られるが、精度仕上にコストがかさむという難点があ
る。

（ニ） 課題を解決するための手段 本発明では、軸線方向に進退自在に設けたプランジャ
と、ストローク用とクランプ用圧電素子を備え、各圧電
素子に印加した繰返し電圧により各圧電素子を伸縮させ
て、プランジャを移動させるようにした圧電アクチュエ
ータにおいて、外側、内側圧電素子をそれぞれ筒状に形
成し、外側圧電素子中に内側圧電素子を配設して、各圧
電素子の両端部にそれぞれクランプ用圧電素子を形成
し、各中央部にそれぞれストローク用圧電素子を形成し
て、内側圧電素子のクランプ用圧電素子の外周面に固着
したクランプ部材を外側圧電素子のクランプ用圧電素子
の内周面に対向させ、外側圧電素子の外周面中央部を支
持材に固着し、さらに内側圧電素子の内周面中央部にプ
ランジャの外周面を固着してなる圧電アクチュエータ
と、上記圧電アクチュエータにおいて、プランジャを固
定し、支持材を移動可能にしたことを特徴とする圧電ア
クチュエータと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、外側圧電素子のクランプ用圧電素子
を縮径させ、内側圧電素子のクランプ用圧電素子を拡径
させることで、個々の圧電素子の作動量が小さいという
欠点が補われて、内側圧電素子に連設したクランプ部材
と外側圧電素子内周面間のクランプが強力に行われ、プ
ランジャの滑りを防止することができる。

また、支持材に固着した外側圧電素子のストローク用
圧電素子を短縮させ、プランジャに固着した内側圧電素
子のストローク用圧電素子を伸長させることで、一回の
動作で個々の圧電素子の作動量の約２倍の距離を移動さ
せて、圧電アクチュエータの作動を高速化することもで
きる。

また、プランジャを固定し、支持材を移動可能にした
場合も、上記と同様の作用効果を得ることができる。

（ヘ） 実施例 本発明の実施例を図面にもとづき詳説すれば、第１図
及び第２図中、（Ａ）は圧電アクチュエータを示し、固
定された支持材（ｈ）に圧電素子（Ｂ）を固着し、同圧
電素子（Ｂ）の内部に被駆動体としてのプランジャ
（Ｐ）を軸線方向に進退自在に挿通させている。

圧電素子（Ｂ）は、略円筒状の外側圧電素子（B1）
と、同素子（B1）の内部に挿入した略円筒状の内側圧電
素子（B2）とで構成されている。

外側圧電素子（B1）は、両端部に配設したクランプ用
圧電素子（e1）（f1）と、中央部に配設したストローク
用圧電素子（g1）とで、一体の略円筒状に構成されてお
り、同圧電素子（B1）の外周面中央部を支持材（ｈ）に
固着している。

内側圧電素子（B2）は、クランプ用圧電素子（e2）
（f2）とストローク用圧電素子（g2）とで、外側圧電素
子（B1）と略同様に構成されており、直径及び全長を外
側圧電素子（B1）よりもやや小型にして、外側圧電素子
（B1）中に挿入できるようにしており、同圧電素子（B
2）の内周面中央部に、略パイプ状の絶縁材（ｉ）を介
し、内側圧電素子（B2）を挿通したプランジャ（Ｐ）の
外周面中央部を固着している。

また、各圧電素子（e1）（f1）（g1）（e2）（f2）
（g2）の内・外周面には、一対の膜状電極（ｐ）（ｐ）
を固着しており、上記電極（ｐ）（ｐ）を介し、各クラ
ンプ用圧電素子（e1）（f1）（e2）（f2）に正（逆）電
圧を印加すると縮（拡）径し、各ストローク用圧電素子
（g1）（g2）に正（逆）電圧を印加すると軸線方向に伸
長（短縮）する。

また、内側圧電素子（B2）の両端部に位置したクラン
プ用圧電素子（e2）（f2）の外周面に、それぞれクラン
プ部材（ｋ）（ｌ）を固設して、各圧電素子（e2）（f
2）を拡径させたとき、同クランプ部材（ｋ）（ｌ）で
外側圧電素子（B1）の内周面をクランプするようにして
いる。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）は、後述する制御装
置（Ｃ）から、駆動プログラムに従って印加される電圧
によって作動するものであり、プランジャ（Ｐ）の作動
について、第３図〜第８図を参照して説明する。

初期状態において、外側圧電素子（B1）のクランプ
用圧電素子（e1）（f1）に正電圧を印加して縮径させる
と共に、内側圧電素子（B2）のクランプ用圧電素子（e
2）（f2）に逆電圧を印加して拡径させて、２個のクラ
ンプ部材（ｋ）（ｌ）でプランジャ（Ｐ）の固定状態を
保持している（第３図）。

外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電素子（f1）に
逆電圧を印加して拡径させ、内側圧電素子（B2）のクラ
ンプ用圧電素子（f2）に正電圧を印加して縮径させて、
クランプ部材（ｋ）のクランプ状態を保持したままで、
クランプ部材（ｌ）をフリーにする（第４図）。

上記のように、外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電
素子（f1）を縮径させ、これに対向した内側圧電素子
（B2）のクランプ用圧電素子（f2）を拡径させることに
より、個々の圧電素子の作動量が小さいという欠点が補
われ、内側圧電素子（B2）に連設したクランプ部材
（ｋ）と外側圧電素子（B1）内周面間のクランプが強力
に行われ、プランジャ（Ｐ）の滑りを防止することがで
きる。

外側圧電素子（B1）のストローク用圧電素子（g1）
に逆電圧を印加して短縮させ、内側圧電素子（B2）のス
トローク用圧電素子（g2）に正電圧を印加して伸長させ
て、プランジャ（Ｐ）を右方向に移動させる（第５
図）。

上記のように、外側圧電素子（B1）のストローク用圧
電素子（g1）を短縮させ、内側圧電素子（B2）のストロ
ーク用圧電素子（g2）を伸長させることで、一回の動作
で個々の圧電素子の作動量の約２倍の距離を移動させる
ことができる。

外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電素子（f1）に
正電圧を印加して縮径させ、内側圧電素子（B2）のクラ
ンプ用圧電素子（f2）に逆電圧を印加して拡径させて、
両方のクランプ部材（ｋ）（ｌ）で外側圧電素子（B1）
内周面をクランプして、プランジャ（Ｐ）を右方向に１
ストロークだけ移動させた状態で固定する（第６図）。

外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電素子（e1）に
逆電圧を印加して拡径させ、内側圧電素子（B2）のクラ
ンプ用圧電素子（e2）に正電圧を印加して縮径させて、
クランプ部材（ｋ）をフリーにし、クランプ部材（１）
だけでプランジャ（Ｐ）をクランプする（第７図）。

外側圧電素子（B1）のストローク用圧電素子（g1）
に正電圧を印加して伸長させ、内側圧電素子（B2）のス
トローク用圧電素子（g2）に逆電圧を印加して短縮させ
て、プランジャ（Ｐ）を右方向に移動させる（第８
図）。

の初期状態に復帰させる。（第３図）その後、
〜の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
状に移動させることができ、プランジャ（Ｐ）先端に連
結した各種装置を精密に作動させることができる。

上記のように、初期状態では２個のクランプ部材
（ｋ）（ｌ）でプランジャ（Ｐ）をクランプし、作動状
態では、外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電素子（e
1）（f1）を縮径させ、これに対向した内側圧電素子（B
2）のクランプ用圧電素子（e2）（f2）を拡径させるこ
とにより、個々の圧電素子の作動量が小さいという欠点
が補われ、内側圧電素子（B2）に連設したクランプ部材
（ｋ）（ｌ）と外側圧電素子（B1）内周面間のクランプ
が強力に行われ、プランジャ（Ｐ）の初期状態及び作動
中のクランプ状態を確実にすることができる。

また、２個のストローク用圧電素子（g1）（g2）の伸
長・短縮を利用してプランジャ（Ｐ）を移動させるので
高速作動が可能になる。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）の作動は、第９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）を介して外側、内側圧電素子（B1）
（B2）のクランプ用及びストローク用圧電素子（e1）
（f1）（g1）（e2）（f2）（g2）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。

また、上記実施例において、プランジャ（Ｐ）及び各
圧電素子（B1）（B2）を円筒形状としているが、かかる
形状の他に、プランジャ（Ｐ）及び各圧電素子（B1）
（B2）を角形断面及び角パイプ状に形成することができ
る。

また、上記実施例においては、支持材（ｈ）を固定
し、プランジャ（Ｐ）を移動させるようにしているが、
上記とは逆に、プランジャ（Ｐ）を固定し、支持材
（ｈ）を移動自在に構成して、支持材（ｈ）側を作動さ
せるようにすることができる。

上記の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極めて正
確に制御することができる。

第10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、同ダイヤフラム
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）は流入路、（３）は流
出路、（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）の作動量を
微少単位で制御できることから、パイロット弁体（９）
の位置が精密に制御され、したがって、パイロット弁体
（９）を追従して作動する主弁体（５）の位置も精密に
なり、精密な流量調整を行うことができ、前述したよう
に、圧電アクチュエータ（Ａ）の初期状態及び作動中に
おけるプランジャ（Ｐ）のクランプ状態が確実であり、
プランジャ（Ｐ）の高速作動が可能であるから、ダイヤ
フラム弁（Ｖ）に精密かつ迅速な作動を行わせることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電アクチュエータの断面説明
図、第２図は第１図Ｉ−Ｉ線断面図、第３図〜第８図は
圧電アクチュエータの作動順序を示す説明図、第９図は
制御装置の構成を示すブロック図、第10図は流量調整弁
の断面説明図。 （Ａ）：圧電アクチュエータ （Ｂ）：圧電素子 （B1）：外側圧電素子 （B2）：内側圧電素子 （Ｐ）：プランジャ （e1）（f1）（e2）（f2）：クランプ用圧電素子 （g1）（g2）：ストローク用圧電素子 （ｈ）：支持材 （ｋ）（ｌ）：クランプ部材

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線方向に進退自在に設けたプランジャ
   と、ストローク用とクランプ用圧電素子を備え、各圧電
   素子に印加した繰返し電圧により各圧電素子を伸縮させ
   て、プランジャを移動させるようにした圧電アクチュエ
   ータにおいて、 外側、内側圧電素子（B1）（B2）をそれぞれ筒状に形成
   し、外側圧電素子（B1）中に内側圧電素子（B2）を配設
   して、各圧電素子（B1）（B2）の両端部にそれぞれクラ
   ンプ用圧電素子（e1）（f1）（e2）（f2）を形成し、各
   中央部にそれぞれストローク用圧電素子（g1）（g2）を
   形成して、内側圧電素子（B2）のクランプ用圧電素子
   （e2）（f2）の外周面に固着したクランプ部材（ｋ）
   （ｌ）を外側圧電素子（B1）のクランプ用圧電素子（e
   1）（f1）の内周面に対向させ、外側圧電素子（B1）の
   外周面中央部を支持材（ｈ）に固着し、さらに内側圧電
   素子（B2）の内周面中央部にプランジャ（Ｐ）の外周面
   を固着してなる圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】請求第１項記載の圧電アクチュエータにお
   いて、プランジャ（Ｐ）を固定し、支持材（ｈ）を移動
   可能にしたことを特徴とする圧電アクチュエータ。