JPH02114577A - 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、各種装置を作動させるために用いる圧電アク
チエエータに関する。

（ロ）従来の技術 従来、第９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
５１．５２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５５５６とにより構成さ
れたものがある。なお、図中、５７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を尺取り生
状に、μｍオーダ或いはサブμ−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、かかる圧電アクチニエータは、未だ、以下の問
題点を有していた。

即ち、第９図に示すように、クランプ用圧電素子５３．
５４によるプランジャ５０へのクランプ力作用点は、ク
ランプ用圧電素子５３．５４の直下に位置している。従
って、クランプ力は、クランプ用圧電素子５３．５４に
よって発生するクランプ力そのものとなり、クランプ力
を十分に取ることができなかった。

一方、クランプ力を十分に取ろうとすると、クランプ用
圧電素子５３．５４自体を大きくする、又はクランプ用
圧電素子５３．５４への電圧を著しく大きくする必要が
あり、前者の場合は、圧電アクチュエータ自体を大型化
することになり、後者の場合は、電力消費量を大きくす
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、ケーシング内を軸線方向に進退可能なプラン
ジャと、同プランジャを進退させるストローク用圧電素
子と、同プランジャの廻りに取付け、それぞれ筒状のク
ランプ部材を介してプランジャを押圧可能な一対の筒状
のクランプ用圧電素子とを具備する圧電アクチエエータ
において、クランプ部材の基端側を片持粱状にクランプ
部材取付体に取付け、かつ、同クランプ部材取付体から
プランジ中軸線方向に離隔したクランプ部材の先端側に
クランプ用圧電素子を取付け、さらに、クランプ部材の
プランジ中へのクランプ力作用点を、クランプ部材取付
体に近接した位置と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。

（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、クランプ部材の基端側を片持粱状にクラン
プ部材支持板に取付け、かつ、同クランプ部材支持板か
らプランジャ軸線方向に離隔したクランプ部材の先端側
にクランプ用圧電素子を取付け、さらに、クランプ部材
のプランジャへのクランプ力作用点を、クランプ部材支
持板に近接した位置としている。

従って、クランプ用圧電素子によって発生したクランプ
力を、てこの原理を応用して、クランプ力作用点におい
て、数倍から数十倍に増幅することができ、クランプ性
能を著しく向上することができる。

即ち、クランプ用圧電素子によって発生するクランプ力
が小さくても十分なりランプ力をプランジャに作用する
ことができ、電力消費量を小さくして節電を図ることが
できる。

また、クランプ力を十分に確保できるので、プランジャ
とクランプ部材との間の滑りを可及的に防止して、圧電
アクチュエータのプランジャを正確に進退することがで
き、弁開閉動作等における制御性能も高めることができ
る。

さらに、クランプ用圧電素子及び同クランプ用圧電素子
と一体をなすクランプ部材のクランプ用変位量も可及的
に小さくすることができるので、連続繰返拡縮動作に伴
うクランプ部材の疲労破壊等も確実に防止することがで
きる。

（へ）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に、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、Ｌｇ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、ｉは保持具Ｈの内周に軸
線方向に設けた雌ねじ部であり、開離ねじ部ｉ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にのスリット無しの基端に２を片
持粱状に着脱自在に連結している。

また、プランジャｄをクランプするクランプ部材にのク
ランプ部に、は、上記クランプ部材にの基端に８に近接
した位置に設けられている。

さらに、また、上記保持具Ｈから離隔したクランプ部材
にの先端部の外周面上には、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。

そして、かかるクランプ用圧電素子ｅの取付において、
第２図に示すように、保持具Ｈからクランプ用圧電素子
ｅまでの距ＭＬＩを、保持具Ｈからクランプ部材にのク
ランプ部に１までの距ＭＬｔと比較して著しく長くして
いるので、クランプ用圧電素子ｅによって発生するクラ
ンプ力Ｆ０が小さい場合であっても、クランプ部に、に
発生するクランプ力Ｆを著しく、即ち、Ｌｌ／　Ｌｇの
比率で増幅することができる。

従って、クランプ用圧電素子ｅに印加する電圧を可及的
に小さくすることができ、即ち、電力消費量を小さくす
ることができ、節電を図ることができる。

また、この場合でも、クランプ部材には、クランプ力を
十分に確保できるので、プランジャｄとクランプ部材に
との間の滑りを可及的に防止して、プランジャｄを正確
に進退することができ、各種開閉弁における弁開閉動作
等における制御性能を高めることができる。

さらに、クランプ用圧電素子ｅ及び同クランプ用圧電素
子ｅと一体をなすクランプ部材にのクランプ用変位量も
可及的に小さくすることができるので、連続繰返拡縮動
作に伴うクランプ部材にの疲労破壊等も確実に防止する
ことができる。

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は、そのケーシング後壁
側側面にストローク用圧電素子ｇ１７）基端を接着して
おり、一方、その先端をケーシングＣの後壁すに向けて
伸延しており、同伸延端には、クランプ用圧電素子ｆを
支持するための環状支持具ｎを取付けている。なお、環
状支持具ｎも圧電素子取付体として機能するものである
。

そして、第１図において、０は環状支持具ｎの内周に軸
線方向に設けた雌ねじ部であり、開離ねじ部０には、ケ
ーシングＣの後壁す方向に伸延する筒状のクランプ部材
ｌの基端１ｔを着脱自在に連結しており、また、同基端
Ｉ８の近接した位置に、クランプ部１．を設けており、
さらに、クランプ用圧電素子「が、前記したクランプ用
圧電素子ｅと同じ要領で、保持具Ｈから十分に離隔した
クランプ部材ｌの先端の外周面に取付けられている。

そして、かかるクランプ用圧電素子ｒの取付においても
、クランプ用圧電素子ｅと同様に、保持具■１からクラ
ンプ用圧電素子ｅまでの距離を、保持具Ｈからクランプ
部材ｌのクランプ部ｌ、までの距離と比較して著しく長
くしているので、クランプ用圧電素子ｆによって発生す
るクランプ力Ｆ、が小さい場合であっても、クランプ部
りに発生するクランプ力Ｆを著しく増幅することができ
る。

従って、クランプ用圧電素子ｅと同様に、クランプ用圧
電素子ｒ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。

さらに、プランジャｄとクランプ部材にとの間の滑りを
可及的に防止して、プランジャｄを正確に進退すること
ができ、各種開閉弁における弁開閉動作等における制御
性能を高めることができるとともに、クランプ用圧電素
子ｆ及び同クランプ用圧電素子ｒと一体をなすクランプ
部材ｌのクランプ用変位量も可及的に小さくすることが
できるので、連続繰返拡縮動作に伴うクランプ部材１の
疲労破壊等も確実に防止することができる。

なお、クランプ用圧電素子「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ｆは、多数の圧電板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。

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６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〉Ｏ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ｅｆ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は連電状態ではプランジ
ャｄ上を軸線方向に伸びた状態にあり、非通電状態では
、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。

そして、プランジャｄは、かかる３つの圧電素子ｅ、ｒ
、　　ｇへの押圧印加手順を後述する制御装置Ｃによっ
て制御することにより、軸線方向に移動することができ
る。

また、第１図において、ｒはアクチュエータＡの水密性
を高めるために設けた摺動抵抗の小さい０字状又はＹ字
状パツキンである。

また、第３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０図示
するように、制御装′ＷＣは、マイクロプロセッサＲと
、入出力インターフェースＳＴと、上記圧電素子ｅ、ｒ
、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４図〜第６図を参照して
説明する。

第３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
ムに従うて、第４図に示すように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ｒ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５図に示すように、ストローク用圧電素子ｇへ
負の電圧の印加して縮めると、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ｒ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６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に正の電圧を印加
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、μ鍋オーダ或いはサブ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、クランプ用圧電素子ｅ。

ｆによって発生するクランプ力を増幅することができる
ので、クランプ用圧電素子ｅ、ｆに印加する電圧を可及
的に小さくすることができ、節電を図ることかできる。

また、クランプ用圧電素子ｅ、ｆ及び同クランプ用圧電
素子ｅ、ｒと一体をなすクランプ部材に、ｌのクランプ
用変位看も可及的に小さくすることができるので、連続
繰返拡縮動作に伴うクランプ部材にの疲労破壊等も確実
に防止することができる。

また、第７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
閉弁りにかかる圧電アクチュエータＡを応用した例であ
る。

第７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−例側壁に、二つの
一例流路１３．１４を形成している。

そして、−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、−側流路１３．１４の内側開口端は、それぞれケ
ーシングｌＯ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
は隔室１７．１８と連通している。

さらに、１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内を軸栓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の後部と当接目在となし、弁体
２４．２５を開閉自在としている。

なお、第７図において、３ｏは他側流路２ｏ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
３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りの両アクチュ
エータＡをＰＩ口制御等によって作動させ、適温制ｉｎ
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りの作動を、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りの
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ζ、−側流路１３
．１４から他側流路２０に流れる給水量と給湯看を一定
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ｎ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８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、クランプ部材に、Ｉは、その環状外周面上に、第
８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ｔ、を形成している。

また、クランプ部材に、Ｉ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り、、６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−１＋Ｗｔの先端に
形成したくさび部−＋ａ　＋　ｈ、、の内周面には、前
記したクランプ部材に、Ｉの外周面に設けたテーパ面ｔ
１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８図に示すように、筒状の圧電素子取付用中
間部材−１，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−１，ｗ、
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Ｗ、、　ｗ、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−１＋Ｌ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１．−７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Ｎ、、　ｔｓ、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、「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（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に、ｌに伝達するこ
とができ、十分なり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８図に示すように、筒状の圧電素子取付用中間
部材＄１．．　Ｗ、の外周面上であってクランプ用圧電
素子ｅ、ｆの後部をなす位置には、環状のスプリング保
持用ブラケットｊ、ρ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ｊ、ρの後面と
保持具Ｈの前面との間には、圧縮コイルスブリングから
なるクランプ力調整用スプリング腸ｑが介設されている
。

かかる構成において、クランブ力調整用スプリング−９
ｑの弾性力によって圧電素子取付用中間部材−１＋Ｗｔ
は前方方向に付勢され、回付勢力は、テーパ而１．とテ
ーパＮｔｔｋの嵌合を介してクランプ部材に、Ｉのクラ
ンプ部に、、１．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、クランプ部材に
、ｌ　の基端ｋｔ、Ｉｔの保持具Ｈの雌ねじ部ｉ。

０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Ｉｌ＋ｑ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図は要部拡大説明図、第３図は制御装置の概
念的構成説明図、第４閲〜第６図は圧電アクチュエータ
の作動状態説明図、第７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８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９図は従来
の圧電アクチエエータの断面側面図である。 図中、 （＾）：圧電アクチュエータ （Ｃ）：制御装置 （Ｄ）：自動開閉弁 （ｄ）ニブランジャ （ｅ）：クランプ用圧電素子 （ｆ）ニクランブ用圧電素子 （ｇ）：ストローク用圧電素子 （ｋ）：クランプ部材 （１）：クランプ部材 （−）：クランプ力調整用スプリング （ｑ）：クランプ力調整用スプリング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　ケーシング内を軸線方向に進退可能なプランジャ
   と、同プランジャを進退させるストローク用圧電素子と
   、同プランジャの廻りに取付け、それぞれ筒状のクラン
   プ部材を介してプランジャを押圧可能な一対の筒状のク
   ランプ用圧電素子とを具備する圧電アクチュエータにお
   いて、クランプ部材の基端側を片持粱状にクランプ部材
   取付体に取付け、かつ、同クランプ部材取付体からプラ
   ンジャ軸線方向に離隔したクランプ部材の先端側にクラ
   ンプ用圧電素子を取付け、さらに、クランプ部材のプラ
   ンジャへのクランプ力作用点を、クランプ部材取付体に
   近接した位置としたことを特徴とする圧電アクチュエー
   タ。