JPH01225380A - 圧電アクチュエータ - 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】 （イ）　産業上の利用分野 この発明は、流体バルブ等の作動に用いる直動式の圧電
アクチュエータに関する。

（ロ）　従来の技術 従来、流体バルブ等の開閉作動を行うためのアクチュエ
ータは、機械的に作動するもの、電気的に作動するもの
、流体により作動するもの等各種の作動形態のものがあ
る。

（ハ）　発明が解決しようとする問題点しかし、これら
のアクチュエータでは、いづれも高精度の作動位置決め
が行えず、微妙な流体バルブの開閉調節が困難であると
共に、機構的にも複雑となりコンパクト化に雑煮があっ
た。

（ニ）　問題点を解決するための手段 この発明では、アクチュエータケーシング内に、軸線に
沿って進退自在にプランジャを取付け、同グランジャの
外周側中央部に、伸長・短縮自在の筒状の圧電素子を配
設し、同圧電素子に弾性ブリッジを介して縮径・拡径自
在の筒状の圧電素子を片持ち状態で取付けると共に、同
圧電素子を上記圧電素子とプランジャの外周面との間に
介在させて設け、圧電素子に電圧を印加してプランジャ
をクランプ可能とすると共に、圧電素子に電圧を印加し
てプランジャを軸線方向に微小距離無段階駆動可能とし
てな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 この発明では、次のような作用効果を奏する。

■アクチュエータの作動、すなわちプランジャの進退作
動を、圧電素子に電圧を印加することにより微小距離無
段階駆動としたので、電圧の印加回数に応じてオーダの
差異によりプランジャを進退させることができ、流体バ
ルブその他の各種装置、機械を精密に作動させることが
できる。

■プランジャの外周側中央部に配設した伸長・短縮自在
の筒状の圧電素子に、弾性ブリッジを介して縮径・拡径
自在の筒状の圧電素子を片持ち状態で取付けると共に、
同圧電素子を上記圧電素子とプランジャの外周面との間
に介在させて設けているために、プラ゛ンジャを可及的
に短くして、アクチュエータ自体の機構の簡易化及びコ
ンパクト化を図ることができる。

（へ）　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図は
、本発明に係る圧電アクチュエータ（ハ）の断面図を示
すものであり、前後壁（１）　（２）を具備する筒状の
アクチュエータケーシング（３）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（４）を取付けており
、同プランジャ（４）は先端部（４ａ）を段付小径に形
成し、同先端部（４ａ）を上記前壁（１）に設けた挿通
孔（７）中に外部へ突出状に挿通させている。

そして、上記前壁（１）には、挿通孔（７）の周面に沿
ってパツキン取付は用凹部（１ａ）を設け、同凹部（１
ａ）中にパツキン（１４）を取付けている。

パツキン（１４）は、ゴム、合成樹脂及びその他の水密
弾性体を素材として７字状に形成している。

なお、プランジャ（４）の先端にはシリコーンゴム等の
シール性を有する弾性体（６）を設けている。

プランジャ（４）の外周側には、縮径・拡径自在の圧電
素子（ａ）（ｂ）と、伸長・短縮自在の圧電素子（ｃ）
（ｄ）が配設されている。

すなわち、圧電素子の（ｃ）ｆｄ）はプランジャ（４）
の中央部に配設され、アクチュエータケーシング（３）
に基端を固定した断面路丁字状の筒状の保持具（９）に
よって片持ち状態に支持されている。

また、別の圧電素子（ａ）（ｂ）は、上記圧電素子（ｃ
）（ｄ）とプランジャ（４）の外周面との間に、前後弾
性ブリッジ（１０）（１１）によって支持配設されてお
り、同前後弾性ブリッジ（１０）（１１）は断面略コ字
状に形成し、基端を圧電素子（ｃ）（ｄ）の各先端に固
着すると共に、各先端部を片持ち支持された状態で圧電
素子（ｃ）（ｄ）とプランジャ（４）の外周面との間に
位置させ、同先端部の外周面に圧電素子（ａ）　（ｂ）
を固着し、同先端部の内周面に、ブレーキシュー（１２
）（１３）を固着している。

しかも、前後弾性ブリッジ（１０）（１１）は、後述す
るように圧電素子（ａ）（ｂ）が縮径してプランジャ（
４）を外周よりクランプする際に、一定の撓み性能を保
つために一定長さを必要とするが、各ブリッジ（１０）
（１１）の先端部を、圧電素子（ｃ）（ｄ）の内側方へ
位置させているなめに、各ブリッジ（１０）（１１）の
先端部に固着した圧電素子（ａ）（ｂ）をプランジャ（
４）の中央部側へ可及的に近接させることができる。

従って、上記のように圧電素子（ａＨｂ）　（ｃ）（ｄ
）をコンパクトに組立てることができるために、プラン
ジャ（４）も可及的に短くして、圧電アクチュエータ（
Ａ）自体のコンパクト化を図ることができる。

かかる圧電素子（ａ）（ｂ）は通電状態に、（ｃ）（ｄ
）は非通電状態にすると短縮するように構成されている
。

即ち、圧電素子（ａ）（ｂ）は、通電している状態では
短縮して内径は縮径し、プランジャ（４）を外周よりク
ランプすると共に、通電していない状態では伸長して内
径は拡径してプランジャ（４）のクランプを解除する。

一方、圧電素子（ｃ）（ｄ）は通電している状態では、
プランジャ（４）上を軸線方向に伸長した状態にあり、
通電していない状態ではプランジャ（４）上を短縮し、
その軸線方向の全長を短くすることになる。

そして、プランジャ（４）は、かかる４個の圧電素子（
ａ）（ｂ）　（ｃ）を適宜制御することによって、軸線
方向に進退作動することになる。

圧電素子（ａＨｂ）（ｃ）（ｄ）は、第１図及び第２図
に示すように、多数の圧電素子片をプランジャ（４）の
軸心方向に積層して形成した円筒状の素子で、円筒の両
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、縮径・伸長するように構成されている。

なお、圧電素子片の素材は、例えば圧電セラミックスを
用いることができ、かかる圧電セラミ・ンクスとしては
、ＡＢＯａペロブスカイト形の結晶構造をもつ強誘電材
料であってＰＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ）０３］系や
、ＰＬＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ。

Ｔｉ）Ｏａコ、ＰＴ　［ＰｂＴｉＯ３］系、あるいはＰ
ＺＴを基にした３成分系のものを用いることができる。

また、圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、第３図に
示すように、多数の薄肉リング状の圧電素子片をプラン
ジャ（４）の軸芯廻りに軸線方向に積層して形成するこ
ともできる。

この場合、電圧の印加方向を９０度変えることになる。

なお、上記構成において、圧電素子（ａ）（ｂＨｃ）（
ｄ）は、円形断面のみでなく、例えば矩形断面等とする
こともでき、また第４図及び第５図に示すように分割片
から形成することもできる。

また、プランジャ（４）は、ブレーキシュー（１２）（
１３）を介して圧電素子（ａ）（ｂ）によって多数回ク
ランプされるものであるなめ、線膨張係数が小さく硬度
、強度、耐クリープ性及び耐摩耗性が大きく、さらに、
加工精度が高いものが望ましく、例えばセラミック素材
としたものが考えられる。

また、第６図に、上記圧電アクチュエータ（＾）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）（１）と、上記圧
電素子（ａ）（ｂ）　（ｃ）（ｄ）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。

次に、かかる構成を有するアクチュエータ（＾）による
プランジャ（４）の移動について、第７図〜第９図を参
照して説明する。

第６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、メモリから読み出した駆動順序プ
ログラムに従って、第７図に示すように、圧電素子（ａ
）に電圧を印加して縮径作動せしめてプランジャ（４）
をクランプさせるとともに、圧電素子（ｂ）の電圧の印
加を解除して拡径させて圧電素子（ｂ）によるプランジ
ャ（４）のクランプを解除する。

次に、第８図に示すように、圧電素子（ｃ）（ｄ）に電
圧を印加して伸長せしめると、圧電素子（ｃ）（ｄ）が
矢印方向に移動し、これに伴って圧電素子（ａ）がクラ
ンプするプランジャ（４）も矢印方向に移動する。

その後第９図に示すように、圧電素子（ｂ）に電圧を印
加して縮径作動せしめてプランジャ（４）をクランプさ
せるとともに、圧電素子（ａ）の印加電圧を解除して拡
径作動せしめてプランジャ（４）のクランプを解除して
、圧電素子（ｃ）（ｄ）の印加電圧を解除すると、圧電
素子（ｃ）（ｄ）は矢印方向に短縮し、プランジャ（４
）はさらに矢印方向に移動する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ（
４）をμｍオーダ或はサブμｍオーダのストロークで尺
とり生状に移動することができ、プランジャ（４）の先
端部（４ａ）に連結、接続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。

次に、本実施例にかかるアクチュエータ（ハ）の適用例
を説明すると、第１０図に示すものは、ｍ水路用バルブ
として、流量調整及び止水を行うためのバルブに適用し
た構造であり、アクチュエータケーシング（３）には、
プランジャ（４）の先端方向においてバルブケース（１
６）が連設されており、同バルブケース（１６）は略し
字状に折曲形成されており、一方は、流水入口（１７）
、他方は流水出口（１８）とし、流水入口（１７）から
流水出口（１８）に至る流路（旧は、バルブケース（１
６）に沿った略し字状に形成され、略し字状の折曲部分
にはダイアフラム弁からなる弁体（１９）が配設されて
いる。

弁体（１９）の後側壁には、プランジャ（４）の先端部
（４ａ）が当接自在であり、プランジャ（４）の進退作
動によって、弁体（１９）が流路（賛）の開閉を行うべ
く構成されている。

（２０）は、流水入口（１７）に連通した入水流路、（
２１）は流水出口（１８）に連通した出水流路であり、
（２２）は入水流路（２０）と出水流路（２１）との間
に介設した隔壁であり、（２３）は出水流路（２１）の
基部に形成した弁受体を示す。

弁受体（２３）には、ダイアフラム弁からなる弁体（１
９）が圧接、離反自在であり、プランジャ（４）が進行
作動すると弁体（１９）が後側壁から押圧されて、ダイ
ヤフラム弁の機能にもとづき弁受体（２３）に弁体（１
９）が圧接され、出水流路（２１）の基部が弁体（１９
）により閉窓されて流路が遮断される。

他方、プランジャ（４）が退去作動すると、ダイヤフラ
ム弁のパイロット孔から同プランジャ（４）の先端部（
４ａ）が離隔し、ダイヤフラムの機能にもとづき弁体（
１９）が弁受体（２３）から離反して出水流路（２１）
の基部が開放されて流路（賛）が連通し、流水入口（１
７）からの流水が流水出口（１８）から流出することに
なるものである。

また、プランジャ（４）の前後移動範囲を、アクチュエ
ータ（＾）の圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の作用
にてｒｉＩｌ調節することにより、弁体（１９）の開放
度合いを調整して流水量の調整も行えるものである。

また、第１１図に示すものは、混合路用バルブとして湯
水混合栓に利用した場合を示すものであり、温度調整、
流水量調整、止水の各作用を行う混合栓バルブに、本実
施例のアクチュエータ（八）を適用した例を示すもので
ある。

すなわち、左右側にアクチュエータ（八）（＾）を互い
に対向する状態で配設し、その間に、混合栓バルブケー
ス（２４）を介設し、同バルブケース（２４）中には、
左右側のアクチュエータ（＾）（＾）のプランジャ（４
）（４）の先端部分位置に、ダイヤプラムからなる弁体
（１９）　（１９°）を左右対向して配設し、同弁体（
１９０１９°）は、その間に介設した筒状の混合湯水筒
（２５）の両端開口縁に圧接、離反自在に配設し、同混
合湯水筒（２５）の両端開口縁が左右の弁受体（２３）
（２３°）を形成する。

同混合湯水筒（２５）の両端開口部は、左右の弁体（１
９）　（１９°）を介して、入水流路（２６）と入湯流
路（２７）に連通されており、入水流路（２６）と入湯
流路（２７）とは、−本の管を中央隔壁（２８）で仕切
って形成しており、また、混合湯水筒（２５）の中央部
には、混合−湯流路（２９）が連通されている。

従って、アクチュエータ（＾）の圧電素子（ａ）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）の適宜の通電操作によって、プランジャ（
４）を前後方向に進退作動せしめることにより、左右の
弁体（１９）（１９’）が弁受体（２３）（２３°）を
開閉し、或は開閉度合の調整を行い、入水流路（２６）
からの水と入湯流路（２７）からの湯を、適当な調整割
合のらとに混合湯水筒（２５）中に流入せしめて、混合
湯流路（２９）から流出給湯せしめるものであり、プラ
ンジャ（４）の進退度合いに応じて、弁体（２３）（２
３°）は、入水流路（２６）と入湯流路（２７）とから
の水と湯の量を調整して温度の調整を行いうると共に、
全体の量の調整も行えるものであり、また弁体（２３）
（２３°）の閉塞作動によって、止水操作も可能となる
ものである。

この発明の実施例は上記のように構成されているもので
あり、圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に適切なシー
ケンスで電圧を印加、解除することにより、プランジャ
（４）をμ更オーダ或いはサブμｍオーダのストローク
で進退作動させることができる。

しかも、プランジャ（４）の外周側中央部に配設した伸
長・短縮自在の筒状の圧電素子（ｃ）（ｄ）に、弾性ブ
リッジ（１０）（１１）を介して縮径・拡径自在の筒状
の圧電素子（ａ）（ｂ）を片持ち状態で取付けると共に
、同圧電素子（ａ）（ｂ）を上記圧電素子（ｃ）（ｄ）
とプランジャ（４）の外周面との間に介在させて設け、
圧電素子（ａ）又は（ｂ）に逐次電圧を印加してプラン
ジャ（４）をクランプ可能とすると共に、圧電素子（ｃ
）（ｄ）に電圧を印加・解除してプランジャ（４）を軸
線方向に微小距離無段階駆動可能としている゛　ために
、プランジャ（４）を可及的に短くして、圧電アクチュ
エータ（八）自体の機構の簡易化及びコンパクト化を図
ることができるという効果がある。

さらには、かかる構成を具備する圧電アクチュエータ（
八）を温度調整、流量調整、止水等の操作の必要なバル
ブに応用すると、正確に温度、流量の調整が行える等の
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクチュエータを示す断面説明図、第
２図は第１図Ｉ−Ｉ線による断面図、第３図〜第５図は
圧電素子の他の具体例の説明図、第６図は制御装置の構
成説明図、第７図〜９図は、本発明のアクチュエータの
作動順序を示す説明図、第１０図は本発明のアクチュエ
ータを応用した単水路用のバルブの断面説明図、第１１
図は本発明のアクチュエータを応用した混合路用のバル
ブの断面説明図である。 （＾）：圧電アクチュエータ （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）　：圧電素子（１）：前壁 （２）：後壁 （３）：アクチュエータゲーシング （４）ニブランジャ （７）：挿通孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）アクチュエータケーシング（３）内に、軸線に沿っ
   て進退自在にプランジャ（４）を取付け、同プランジャ
   （４）の外周側中央部に、伸長・短縮自在の筒状の圧電
   素子（ｃ）（ｄ）を配設し、同圧電素子（ｃ）（ｄ）に
   弾性ブリッジ（１０）（１１）を介して縮径・拡径自在
   の筒状の圧電素子（ａ）（ｂ）を片持ち状態で取付ける
   と共に、同圧電素子（ａ）（ｂ）を上記圧電素子（ｃ）
   （ｄ）とプランジャ（４）の外周面との間に介在させて
   設け、圧電素子（ａ）（ｂ）に電圧を印加してプランジ
   ャ（４）をクランプ可能とすると共に、圧電素子（ｃ）
   （ｄ）に電圧を印加してプランジャ（４）を軸線方向に
   微小距離無段階駆動可能としてなる圧電アクチュエータ
   。