JPH034078A - 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 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、ケース中に、プランジャをその軸線上で移動自在
に配設し、同プランジャの外周に固定側クランプ用圧電
素子と、一端をケースに固定し、他端に移動側クランプ
用圧電素子を固着したストローク用圧電素子を配設し、
各圧電素子に駆動電圧を印加することにより、各圧電素
子を伸縮作動させて、プランジャを軸線方向に進退作動
すべく構成した圧電アクチュエータがあり、同アクチュ
エータを駆動するのに、各圧電素子にそれぞれ駆動回路
を接続し、駆動シーケンスに従って、移動側の圧電素子
に電圧を印加してプランジャをクランプし、しかるのち
、固定側の圧電素子への印加電圧を解除してプランジャ
のクランプを解除し、次にストローク用圧電素子に電圧
を印加してこれを収縮させて、移動側の圧電素子がクラ
ンプしたプランジャを移動させ、その後、固定側の圧電
素子に電圧を印加してプランジャをクランプし、しかる
のち、移動側の圧電素子の印加電圧を解除してプランジ
ャのクランプを解除し、圧電素子への印加電圧を解除し
て伸長させ、移動側の圧電素子だけを移動させて、初期
状態に復帰させ、上記の作動を繰り返すことにより、プ
ランジャを大きく移動させるようにしている。

ストローク用圧電素子を配設し、各圧電素子にそれぞれ
駆動回路からの駆動電圧を印加することにより、各圧電
素子を伸縮作動させて、プランジャを軸線方向に進退作
動すべく構成した圧電アクチュエータにおいて、上記の
各クランプ用圧電素子の極性を互に逆方向にして同一の
各クランプ用駆動回路に接続したことを特徴とする圧電
アクチュエータを提供せんとするものである。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の従来構成では各圧電素子にそれぞ
れ駆動回路を接続しているため、３個の駆動回路を要し
、また、駆動シーケンスも複雑になるという欠点がある
。

（ニ）　課題を解決する手段 本発明では、保持具に、プランジャをその軸線上で移動
自在に配設し、同プランジャの外周に固定側クランプ用
圧電素子と、一端を保持具に固定し、他端に移動側クラ
ンプ用圧電素子を固着した（ホ）　作　用 本発明によれば、２個のクランプ用圧電素子の特性を互
に逆方向にして同一の駆動回路に接続したことで、駆動
電圧を印加すると、移動側の圧電素子がクランプ状態に
なると同時に固定側の圧電素子がアンクランプ状態にな
り、次にストローク用圧電素子に電圧を印加してこれを
伸縮させて、移動側の圧電素子がクランプしたプランジ
ャを移動させ、その後、固定側と移動側の圧電素子に駆
動電圧を印加して固定側の圧電素子でプランジャをクラ
ンプすると同時に移動側の圧電素子のクランプを解除し
、ストローク用圧電素子への印加電圧を解除して伸縮さ
せ、移動側の圧電素子だけを移動させて、初期状態に復
帰させ、上記の作動を繰り返すことにより、プランジャ
を大きく移動させることができる。

（へ）　効　果 したがって、駆動回路はストローク用圧電素子に接続し
た駆動回路と、固定側と移動側の圧電素子に接続した駆
動回路の計２個の駆動回路ですみ、従来駆動回路３個を
要したものが２個ですむので構造が簡単になり、また、
駆動シーケンスも簡単になるという効果がある。

（ト）　　実施例 本発明の実施例を添付図に基づいて具体的に説明する。

第１図は圧電アクチュエータ（＾）を示しており、前後
壁（ａ）　（ｂ）を有する筒状のケース（ｄ）内に、軸
方向に進退自在のプランジャ（Ｐ）を配設し、同プラン
ジャ（Ｐ）を囲繞してリング状の固定側クランプ用圧電
素子（ｅ）と、移動側クランプ用圧電素子（ｆ）と、ス
トローク用圧電素子（ｇ）とを配設している。

すなわち、ケース（ｄ）内において、前壁（ａ）に保持
具（Ｈ）を固設し、同保持具（Ｈ）にプランジャ挿通孔
（ｈ）を穿設してプランジャ（Ｐ）を挿通し、同、保持
具（Ｈ）の−側面にクランプ部材（ｋ）の基端を固着し
、同クランプ部材（ｋ）の先端に固定側クランプ用圧電
素子（ｅ）を連設している。

また、保持具（Ｉ１）の他側面にはストローク用圧電素
子（ｇ）の一端を固設すると共に、同ストローク用圧電
素子（ｇ）の他端にクランプ部材（１）の基端を固着し
、同クランプ部材（１）の先端に移動側クランプ用圧電
素子（「）を連設している。

各圧電素子（ｅ）　ｍ　（ｇ）は、リング状に形成され
た圧電素子片多数を銀ベーストなどの導電性接着剤を介
して積層接着して構成されている。

なお、各圧電素子片の素材は、例えばＡＢＯ３ペロブス
カイト形の結晶構造をもっ強誘電材料であッテ、ＰＺＴ
　（Ｐｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ）０３）系や、Ｐ　ＬＺＴ　（
Ｐ　ｂ、　Ｌａ　（Ｚ　ｒ、　Ｔ　ｉ）　Ｏａ　）系、
Ｐ　Ｔ　（Ｐ　ｂ　Ｔ　ｔ　Ｏａ　）系、あるいはＰＺ
Ｔを基にした３成分系の圧電セラミックス等を用いるこ
とができる。

次いで、各圧電素子（ｅ）　（ｒ）　（ｇ＞の作用につ
いて説明する。

上記圧電素子（θ）　ｍ　（ｇ）のうち固定側と移動側
クランプ用圧電素子（ｅ）（Ｄは、電圧を印加していな
い状態ではプランジャ（Ｐ）を所定の力でクランプして
いる。

そして、固定側クランプ用圧電素子（ｅ）は正電圧を印
加すると内径を縮径させてプランジャ（Ｐ）へのクラン
プ力を増加し、逆電圧を印加すると内径を拡径してクラ
ンプを解除する。

一方、移動側クランプ用圧電素子（ｆ）は、正電圧を印
加すると内径を拡径してプランジャ（Ｐ）へのクランプ
を解除し、逆電圧を印加すると内径を縮径させてプラン
ジャ（Ｐ）のクランプ力が増加する。

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

第２図は制御装置（Ｃ）の構成を示しており、同制御装
置（Ｃ）は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）と、各圧電
素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）の駆動シーケンスを記憶したメ
モリ（Ｍ）と、入出力インターフェース（１）（０）と
で構成されており、人力インターフェース（１）には、
圧電アクチュエータ（Ａ）を作動させるスイッチ（Ｓ）
と接続しており、出力インタフェース（０）にはクラン
プ用駆動回路（Ｄ１）と、ストローク用駆動回路（Ｄ２
）とに接続している。

第３図はクランプ用と、ストローク用の駆動回路の構成
を示しており、クランプ用駆動回路（Ｄ１）には、４個
のスイッチング素子（Ｓ１）　（８２）　（Ｓ３）（Ｓ
４）をブリッジ接続しており、スイッチング素子（Ｓｔ
）とスイッチング素子（Ｓ２）との間及びスイッチング
素子（Ｓ３）とスイッチング素子（Ｓ４）との間に、固
定側と移動側クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）を並列状
に、かつ、極性を互いに逆方向にして接続している。

そして、制御装置（Ｃ）からの出力で、スイッチング素
子（ＳＬ）（Ｓ４）をＯＮＬ、スイッチング素子（Ｓ２
）　（Ｓ３）をＯＦＦすると、各クランプ用圧電素子（
ｅ）（ｆ）に正電圧が印加され、スイッチング素子（Ｓ
１）　（Ｓ４）を０ＦＦＬ、スイッチング素子（Ｓ２）
（８３）をＯＮすると、各クランプ用圧電素子（ｅ）（
ｆ）に逆電圧が印加される。

ストローク用駆動回路（Ｄ２）は、４個のスイッチング
素子（Ｓ５）　（ＳＳ）　（８７）（Ｓ８）と、２個の
定電流回路（Ｉｔ）（１２）とを、前記同様にブリッジ
接続し、スイッチング素子（Ｓ５）とスイッチング素子
（Ｓ６）との間及びスイッチング素子（Ｓ７）とスイッ
チング素子（Ｓ８）との間にストローク用圧電素子（ｇ
）を接続しており、制御装置（Ｃ）からの出力で、スイ
ッチング素子（Ｓ５）　（Ｓ７）をＯＮＬ、、スイッチ
ング素子（８Ｂ）（Ｓ８）をＯＦＦすると正電圧がスト
ローク用圧電素子（ｇ）に印加され、スイッチング素子
（Ｓ５）（Ｓ？）を０ＦＦＬ、スイッチング素子（９Ｂ
）　（８８）をＯＮすると逆電圧がストローク用圧電素
子（ｇ）に印加される。

第４図は、駆動電圧のタイミングと、各圧電素子（ｅ）
（ｆ）（ｇ）の作動との関係を示すタイムチャートであ
り、クランプ用圧電素子（ｅ）　（ｒ）には、同方向の
駆動電圧が同時に印加されるが、クランプ用圧電素子（
ｅ）（Ｄの極性を互いに逆方向にしており、かつ、クラ
ンプ用圧電素子（ｅ）（Ｈに電圧を印加していないとき
は、一定の力でプランジャ（Ｐ）をクランプするように
しているので、一方のクランプ用圧電素子がプランジャ
（Ｐ）を強くクランプすると、他方のクランプ用圧電素
子（ｅ）（ｆ）がクランプを解除することになる。

また、クランプ用圧電素子（ｅ）（Ｄは逆方向ではある
が並列に接続されており、双方のクランプ用圧電素子（
ｅ）（ｎに等しい電圧が印加されるので、若し双方のク
ランプ用圧電素子（ｅ）　（ｒ）の静電容量が不同であ
っても動作は同調して行われる。

また、定電流回路（ｌ１）（１２）（１３）（１４）を
接続したことで、駆動電圧の波形が略台形状になり、各
圧電素子（ｅ）　ｍ　（ｇ）の動作の加速度が小さくな
り、圧電アクチュエータ（＾）の作動が静粛、かつ、ス
ムースになる。

次に、かかる構成を有する圧電アクチュエータ（＾）に
よるプランジャ（Ｐ）の移動について、第５図〜第８図
を参照して説明する。

制御装置（Ｃ）から、駆動シーケンスに従って、固定側
と移動側クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）に逆電圧を印
加して、第５図に示すように、固定側クランプ用圧電素
子（ｅ）でプランジャ（Ｐ）のクランプを解除すると同
時に、移動側クランプ用圧電素子（「）でプランジャ（
Ｐ）をクランプする。

次に、第６図に示すように、ストローク用圧電素子（ｇ
）に正電圧を印加して収縮せしめると、移動側クランプ
用圧電素子（「）が矢印方向に移動し、同圧電素子（１
’）がクランプしたプランジャ（Ｐ）も矢印方向に移動
する。

その後、第７図に示すように、固定側と移動側クランプ
用圧電素子（ｅ）（Ｈに正電圧を印加して固定側クラン
プ用圧電素子（ｅ）でプランジャ（Ｐ）をクランプする
と同時に、移動側クランプ用圧電素子（「）のクランプ
を解除し、第８図に示すように、ストローク用圧電素子
（ｇ）の逆電圧を印加すると、ストローク用圧電素子（
ｇ）が伸長して、移動側クランプ用圧電素子（ｒ）を、
第５図に示す作動前の位置に復帰させる。

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
とり生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。

次に、上記圧電アクチュエータ（＾）の使用例を説明す
る。

第９図は本発明の圧電アクチュエータ（＾）でダイヤフ
ラム型の弁体（ｖ）を駆動するように構成した自動弁ｍ
）であり、（ｉｏ）は弁箱であって、それぞれ−次配管
と、二次配管とに連通連結する流入路（Ｈ）と流出路（
１２）とを設けている。また、弁箱（１０）内において
、流入路（Ｈ）と流出路（１２）との間には、主弁孔（
１３）が形成され、主弁孔（１３）の上端開口周縁には
主弁座（１４）が形成されている。

そして、主弁座（１４）上には、主弁孔（１３）を開閉
する主弁体を兼ねたダイヤフラム（Ｉ５）が接離自在に
配設されている。

ダイヤフラム（１５）の上方にはダイヤフラム背室（■
６）が形成されており、同ダイヤフラム背室（１Ｂ）は
、ダイヤフラム（１５）の周縁に設けたオリフィス（１
７）を介して流入路（Ｈ）と連通している。

（１８）はダイヤフラム（１５）に穿設したパイロット
弁孔であり、ダイヤフラム背室（ＩＢ）と流出路（１２
）とを連通させている。

パイロット弁孔（１８）の上方には圧電アクチュエータ
（＾）のプランジャ（Ｐ）の下端に設けたパイロット弁
体（１９）を対峙させて、圧電アクチュエータ（＾）の
作動によりパイロット弁孔（１８）を開閉させる。

上記の構成により、自動弁ｍ）はダイヤフラム型の弁体
（ｖ）が有するセルフサーボ作用で、ダイヤフラム（１
５）が圧電アクチュエータ（Ａ）のプランジャ（Ｐ）の
動きを追従して主弁座（１４）を開閉するものである。

（２０）はプランジャ（Ｐ）の上下ストロークを制限す
るフランジ、（２１）はＹ型断面のシールである。

第１０図は、第９図で示した自動弁（ｖ１）を２個用い
て温度調整弁（ｖ２）を構成したものであり、給湯管（
３１）と給水管（３２）からの湯と水の流量を調整して
、混合湯水管（３３）から吐出する混合湯水の温度を調
整するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電アクチュエータの断面説明図
、第２図は制御装置の構成を示すブロック図、第３図は
駆動回路の構成を示す回路図、第４図は駆動電圧と各圧
電素子の作動との関係を示すタイムチャート、第５図〜
第８図は同圧電アクチュエータの作動説明図、第９図は
同圧電アクチュエータを用いた単弁型式の自動弁の断面
説明図、第１０図は同複弁型式の自動弁の断面説明図。 く＾）：圧電アクチュエータ （旧）：クランブ用駆動回路 ストローク用駆動回路 プランジャ ケース 固定側クランプ用圧電素子 移動側クランプ用圧電素子 ストローク用圧電素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）保持具（Ｈ）に、プランジャ（Ｐ）をその軸線上で
   移動自在に配設し、同プランジャ（Ｐ）の外周に固定側
   クランプ用圧電素子（ｅ）と、一端を保持具（Ｈ）に固
   定し、他端に移動側クランプ用圧電素子（ｆ）を固着し
   たストローク用圧電素子（ｇ）を配設し、各圧電素子（
   ｅ）（ｆ）（ｇ）にそれぞれ駆動電圧を印加することに
   より、各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）を作動させて、プ
   ランジャ（Ｐ）を軸線方向に進退作動すべく構成した圧
   電アクチュエータ（Ａ）において、上記クランプ用圧電
   素子（ｅ）（ｆ）の極性を互に逆方向にして同一のクラ
   ンプ用駆動回路（Ｄ１）に接続したことを特徴とする圧
   電アクチュエータ。