JPS60113673A - 圧電素子を用いたアクチュエ−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】 本発明は、圧電素子を用いたアクチュエータに関し、一
層詳細には電場を加えることによって伸長する圧電素子
群と収縮する圧電素子群とを組み合わせることにより機
械的変位を増幅し、これにより弁の開閉等を行うように
構成した往復形アクチュエータに関する。

油圧または空気圧等の流体エネルギを用いてＩａ械的な
仕事をする機器、すなわちアクチュエータとして油圧シ
リンダ、空気圧シリンダが広汎に採用されている。この
場合、流体の制御をはかるために電磁弁が一般的に組み
込まれている。然しなから、このように電磁作用によっ
て弁の開閉を行うには常時電流を流しておく必要がある
。さらに、付勢しようとする際も仲々所望のパワーが得
られず、しかも周波数応答性が良くない等の不都合があ
った。特に近年、各工場内等で多く採用されはじめた多
関節ロボット等の無人化システムでは迅速且つ確実な作
業をするために周波数特性のよいアクチュエータの出現
が切望されている。

そこで、本発明者等は、鋭意考究並びに工夫を重ねた結
果、電場を加えることによって伸長または収縮する圧電
素子に着目し、この種の圧電素子を多層形成して一方に
おいて電場の印加により収縮する圧電素子群と他方にお
いて前記電場の印加により伸長する圧電素子群とし、こ
れらの圧電素子群を少なくとも一組連結接続して構成す
れば、所定電圧の印加極性により一方の圧電素子は伸長
し他方の圧電素子は収縮するために変位量が強力で多大
なしかも電気的に往復動作するために小型化に適し且つ
周波数応答性が極めて良好なアクチュエータが得られ、
前記の不都合が一掃されることが判った。

従って、本発明の目的は、周波数応答性のよい、従って
、動作が確実で強力な、しかも取付スペースも小さく小
型化に適し、さらに廉価に製造できると共に保守管理も
容易なアクチュエータを得ることにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、一方が収縮し
他方が伸長する少なくとも一組の圧電素子群を連結部材
を介して接続し前記のいずれか一方の圧電素子群の先端
部に客体を変位する部材を装着することを特徴とする。

次に、本発明に係る圧電素子を用いたアクチュエータに
つき好適な実施例を挙げ添付の図面−を参照しながら以
下詳細に説明する。

そこで、第１図並びに第２図に本発明のアクチュエータ
の基本原理を示す。すなわち、第１図によれば、支持部
２に第１の支承体４を固定し、前記第１支承体４の先端
部に圧電素子６を積層することにより構成される第１の
圧電素子群８を係着する。次に、前記圧電素子群８の先
端部に逆コ字状の第２の支承体１０を係着し、この第２
支承体１０の先端部に圧電素子１２を積層してなる第２
の圧電素子群１４を係着してその先端部にロッド１６を
固着する。

以上のような構成において、前記第１圧電素子群８の圧
電素子６にそれが収縮するように、すなわち、矢印Ｂ方
向に収縮するように電圧を印加し、一方、前記第２圧電
素子群１４を構成する圧電素子１２にそれが全体として
伸長するように、すなわち、矢印Ａ方向に伸長するよう
に電圧を印加する。この結果、第１圧電素子ＩＪ’ｆ８
の収縮によって第２支承体１０の端部は破線で示す位置
まで移動する。そこで、前記第２圧電素子群１４の付勢
は前記破線位置を基点とする変位となるためにロッド１
６は、距離Δｘ１だけ移動することになる。

一方前記第１圧電素子群８並びに第２圧電素子群１４へ
の電圧の印加を停止し、あるいは逆の極性でこれらの圧
電素子群８．１４へ電圧を加えれば前記Δｘ１分マイナ
ス方向への変位となってあられれる。

すなわち、圧電素子群への電圧の印加極性に応じてロッ
ド１６は、往復動作を行うことになりこれによって往復
形のアクチュエータが得られることになる。

第２図は、前記のような往復形のアクチュエータである
がその変位の方向を変換するように構成したアクチュエ
ータの基本原理を示す。この場合、一端部を固定したロ
ッド２０の他端部側に第１の支承体２２を固着し、この
第１支承体２２に第１の圧電素子群２４を係着する。さ
らに前記第１圧電素子群２４の先端部に第２の支承体２
６を係着しておく。一方、第２の圧電素子群２８は、第
３の支承体３０と第４の支承体３２とにより挟持されて
おり、前記第４支承体３２の先端部にはロッド３４およ
びリング３６を配設してこのリング３６をガイドライン
３８に対して摺動自在としておく。

なお、この場合、前記第２支承体２６と第３支承体３０
との間にヒンジ部材４０を介装する。

以上のような構成において、前記と同様に第１圧電素子
群２４にそれが収縮する方向で、すなわち、矢印Ｂ方向
に変位するように電圧を印加し、一方、第２圧電素子群
２８にそれが伸長する方向で、すなわち、矢印入方向に
変位するように電圧を印加する。この結果、リング３６
は、ガイドライン３８上を距離ΔＸだけ変位することに
なる。然しなから、この例では、前記と異なり第１圧電
素子群２４と第２圧電素子群２８との間にヒンジ部材４
０が介装されているために単なる往復動作を惹起するこ
となく角度を以て変位状態が得られる利点がある。

そこで、以上のような動作を呈することを基本原理とし
た本願発明の実施例につき次に説明する。先ず、第３図
および第４図に示すアクチュエータでは合計８個の圧電
素子群が直列に連結して構成配置される。すなわち、固
定部５０に固設された第１支承部５２には印加される電
極状態において収縮する第１の圧電素子群５４を係着し
、前記第１圧英素子群５４の先端部にコ字状の第１の連
結部材５６を係着する。前記連結部材５６には印加され
る電極の一方の極性状態において伸長する第２の圧電素
子群５８を係着し、前記と同様に前記第２圧電素子群５
８の先端部に第２のコ字状の連結部材６０を係着する。

以下、同様に連結部材６２．６４．６６．６８、および
７０を介して第３圧電素子群７２、第４圧電素子群７４
、第５圧電素子群７６、第６圧電素子群７８、第７圧電
素子群８０１第８圧電素子群８２が直列的に接続される
。

この場合、第３圧電素子群７２、第５圧電素子群７６お
よび第７圧電素子群８０は印加される電極の一方の極性
状態において収縮するものであり、また、第４圧電素子
群７４、第６圧電素子群７８および第８圧電素子群８２
は逆に伸長するよう配列しておく。

そこで、以上のような構成において、固定部、連結部材
並びに圧電素子群を貫通する孔部８４を利用して配線さ
れている電源線８６から所定の極性で電圧を印加すると
各圧電素子群は、次のように動作する。すなわち、第１
圧電素子群５４（収縮）−第２圧電素子群５８（伸長）
−第３圧電素子群７２（収縮）−第４圧電素子群７４（
伸長）−第５圧電素子群７６（収縮）−第６圧電素子群
７８（伸長）−第７圧電素子群８０　（収縮）−第８圧
電素子群８２（伸長）。従って、夫々の圧電素子群でΔ
χ分だけ変位したとしても、第８圧電素子群８２の先端
部に固着されているロッド８８にはΔＸの８倍の変位量
が得られる。

一方、電源線８６から印加される電圧の極性を変えれば
、圧電素子群は、全体としてΔＸの一８倍の変位量が得
られる。すなわち、Δχの８倍の変位が可能なアクチュ
エータを得ることができる。この実施例では、多くの変
位量が得られるのみならず、全体の形状も角形でコンパ
クトにできる利点がある。

次に、第５図乃至第７図に本発明に係るアクチュエータ
の別の実施例を示す。

この実施例においては、環状の圧電素子によって構成さ
れる第１の圧電素子群９ｏと、前記圧電素子群９０と同
心的に配置され且つそれよりも大径の第２の圧電素子群
９２を環状の連結部材９４によって接続している。なお
、図中、参照符号９６は、前記第１圧電素子群９０に係
着された円状部材である。すなわち、この円状部材９６
と連結部材９４とによって前記第１圧電素子群９０は挟
持されることになる。

このような構成において、前記円状部材９６を固定点９
８に係着して第１圧電素子群９０と第２圧電素子群９２
とに図示しない電源線を介して所定の極性で電圧を印加
する。予め第１圧電素子群９０は、前記極性で収縮する
方向に変位し、一方、第２圧電素子群９２は伸長する方
向に変位するようにこれらを構成する圧電素子を配列し
ておくことにより、図に示すΔＸの変位量を得ることが
できる。前記と逆の電圧を印加するとき−ΔＸの変位量
を得ることができることは勿論である。

この場合、アクチュエータ自体が円筒形であるために従
来のものに容易に代替できる利点がある。

以上のように変位動作するアクチュエータを実際に流体
制御弁に組み込んだ実施例を第８図乃至第１０図に示す
。この場合、ポペット型流体制御弁１００の内部に空間
１０２を画成すると共にその一部が膨出して形成された
固定部１０４に支持部材１０６を固着し、この支持部材
１０６に第１圧電素子群１０８を係着する。さらに前記
第１圧電素子群１０６の一端部に第１連結部材１１０が
係着され、以下同様にして第２圧電素子群１１２−第２
連結部材１１４−第３圧電素子群１１６−第３連結部材
１１８−第４圧電素子群１２〇−第４連結部材１２２−
第５圧電素子群１２４−角柱状の第５連結部材１２６−
第６圧電素子群１２８−第６連結部材１３〇−第７圧電
素子群１３２−第７連結部材１３４−第８圧電素子群１
３６−第８連結部材１３８−第９圧電素子群１４〇−第
９連結部＋Ａ１４２−第１０圧電素子群１４４−ロッド
係着部材１４６と直列的に接続構成している。そこで、
前記ロッド係着部材１４６の先端部分にはロッド１４８
を連結し、さらに前記ロッド１４８の先端部にポペット
型の弁体１５０を係着する。弁体１５０は、変位するこ
とにより弁座１５２に着座可能であり、その変位量によ
って制御室１５４に矢印六方向から流入して矢印Ｂ方向
へ排出される流体の流量を制御することが可能である。

さて、以上のような構成で所定の電気的極性において電
圧を印加する時、この実施例では、圧電素子群１０８．
１１６．１２４．１２８．１３６および１４４では伸長
するようにそれを構成する圧電素子を配列し、一方圧型
素子群１１２．１２０．１３２および１４０ではそれを
構成する圧電素子が収縮するように配列しておく。従っ
て、夫々の圧電素子群が電圧の変位量によりΔＸの１０
倍の変位量がロッド係着部材１４６の先端部にもたらさ
れることになる。

この結果、ロッド１４８は弁体１５０を前記のようにΔ
Ｘ×１０の距離移動し、弁座１５２に着４正してボート
１５６を閉塞する。一方、前記圧電素子群に対する電圧
の印加極性を変換すれば、−ΔＸ×１０倍の変位量が得
られ、流体は、ボート１５６からボート１５８へ導出さ
れることになる。すなわち、電圧印加極性を制御するこ
とにより弁の開閉が自在にできる流体制御弁が得られる
。

第１０図は、前記の流体制御弁１００の変形例であり、
図中、前記実施例と同一の参照符号は、同一の構成要素
を示すものとする。

すなわち、この実施例は、ポペット型に代えてスプール
・スリーブ型の流体制御弁に圧電素子群からなるアクチ
ュエータを組み込んでおり従ってロッド１４８の先端部
にはスプール１６０が係着されている。前記と同様に圧
電素子群を付勢すれば、その圧電素子群の数に対応した
変位量がロッド１４８にもたらされ、これによってスプ
ール１６０が変位するために第１のボー目６２乃至第５
のボート１７０の開口部がその配設位置に応じて開閉制
御されることになる。

第１１図に、本発明に係るアクチュエータをノズルフラ
ッパに応用した実施例を示す。この実施例においても前
記実施例と同一の参照符号は同一の構成要素を示すもの
とする。

そこで、圧電素子群の付勢によりロッド１４８を変位さ
せれば、ノズル１８０は、フラッパ１８２により開閉さ
れ絞り弁１８４を介して導入される流体の制御を行うこ
とができる。

また、第１２図に、本発明に係るアクチュエータを光信
号の送信回路のスイッチングに利用する例を掲げる。

この実施例では、ロッド１４８に送信用の光ケーブル１
９０を保持させ、一方、前記光ケーブル１９０の端面に
複数本の受信用光ケーブル１９２．１９４を対峙させる
。圧電素子群の付勢により光ケーブル１９０は、矢印方
向に変位するこめに光ケーブル１９２．１９４のいずれ
か一方は光ケーブル１９０からの信号を受信することが
できるようになる。すなわち、圧電素子群に印加される
電圧の極性如何で受信用光ケーブルの選択が可能となる
。

本発明によれば、以上のように印加される電圧の極性に
より伸長する圧電素子群と収縮する圧電素子群とにより
変位を生起するアクチュエータを構成したために変位量
も極めて太き（動作も電気的に行え、周波数応答性がよ
く動作が安定且つ静穏であり、しかも従来のアクチュエ
ータに比べて慣性等を考慮する必要がなく、さらに前記
流体制御の如（コンパクトにしかも廉価に製造すること
ができる等種々の効果を奏するものである。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、例えば
、これらのアクチュエータを立体的、平面的に構成して
より一層の変位量を増す等、本発明の要旨を逸脱しない
範囲において種々の改良並びに設計変更が可能であるこ
とは勿論である。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明に係るものであって、第１図並びに第２図
は、本発明のアクチュエータの基本的動作を示す原理説
明図、第３図は、アクチュエータを全体として直方体状
に構成した斜視説明図、第４図は、第３図に示すアクチ
ュエータの直結部材と圧電素子群との関係を開示する説
明図、第５図は、アクチュエータを全体として円柱状に
構成した場合の縦断面図、第６図は、第５図に示すアク
チュエータの平面図、第７図は、第５図に示すアクチュ
エータの底面図、第８図は、多数個の圧電素子群を直列
的に接続して変位量を増すように構成したアクチュエー
タの斜視図、第９図は、第８図に示すアクチュエータを
ポペット型流体制御弁に組み込んだ状態の説明図、第１
０図は、多数個の圧電素子群を直列的に接続してあくこ
れをスプール・スリーブ型流体制御弁に組み込んだ状態
の説明図、第１Ｉ図は、アクチュエータをノズルフラッ
パの駆動源とした場合の説明図、第１２図は、アクチュ
エータを送信用光ファイバに係着して受信用光ファイバ
の選択動作をするように構成した状態の説明図である。 ２・・支持部　４・・支承体 ６・・圧電素子　８・・圧電素子群 １０・・支承体　１２・・圧電素子 １４・・圧電素子群　１６・・ロッド ２０・・ロッド　２２・・支承体 ２４・・圧電素子群　２６・・支承体 ２８・・圧電素子群　３０．３２・・支承体３４・・ロ
ッド　３６・・リング ３８・・ガイドライン　４０・・ヒンジ部材５０・・固
定部　５２・・支承部 ５４・・圧電素子群　５６・・連結部材５８・・圧電素
子群 ６０．６２．６４．６６．６８．７０・・連結部利７２
．７４．７６．７８．８０．８２・・圧電素子群８４・
・孔部　８６・・電源線 ８８・・ロッド　９０．９２・・圧電素子群−９４・・
連結部材　９６・・円状部材９８・・固定点　１００・
・流体制御弁１０２・・空間　１０４・・固定部 １０６・・支持部材　１０８・・圧電素子群１１０．１
１４．１１８．１２２．１２６　・・連結部材１３０．
１３４．１３Ｂ　、ｉ４２　・・連結部材１１２．１１
６．１２０．１２４．１２８　・・圧電素子群１３２．
１３６．１４０．１４４　・・圧電素子群１４６・・ロ
ッド係着部材１４８・・ロッド１５０・・弁体　１５２
・・弁座 １５４・・制御室　１５６．１５８　・・ボート１６０
・・スプール　１６２・・ボート１７０・・ボート１８
０・・ノズル １８２・・フラッパ　１８４・・絞り弁１９０．１９２
．１９４　・・光ケーブル特許出願人　焼結金属工業株
式会社 ンｂ　ｚ４　／ｌ Ｆｉｇ、４　６６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１一方が収縮し、他方が伸長する少なくとも一組の
   圧電素子群を連結部材を介して接続し、前記のいずれか
   一方の圧電素子群の先端部に客体を変位する部材を装着
   してなる圧電素子を用いたアクチュエータ。 （２、特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータにお
   いて、圧電素子群は、直方体状である圧電素子を用いた
   アクチュエータ。 （３）　特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータに
   おいて、圧電素子群は円筒状であるアクチュエータ。 （４）特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータにお
   いて、客体は流体制御弁からなるアクチュエータ。 （５）特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータにお
   いて、客体はノズルフラッパからなるアクチュエータ。 （６）特許請求の範囲第１項記載のアクチュエータにお
   いて、客体は少なくとも二本の受信用光ファイバに臨む
   一本の送信用光ファイバからなるアクチュエータ。