JPH02125480A - 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なめに用いる圧電アク
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、軸方向に移
動するプランジャと、同プランジャをつかむクランプ部
材と、クランプ部材を作動させる圧電素子と、１ランジ
ヤを移動させるストローク用圧電素子とにより構成され
、圧電素子をパルス状の駆動電圧で作動させて、１ラン
ジヤを移動させるようにしたものがあり、圧電素子には
定電圧電源からスイッチング素子を介して駆動電圧が印
加されるように構成されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 ところが、圧電素子の作動量は同圧電素子にチャージさ
れた電気量に比例するものであるがら、上記の構成では
、圧電素子をチャージする駆動電流が第１０図で示すよ
うに駆動電流の波形がスパイク状になり、駆動電流の立
上がりが急峻で、同図で示すように圧電素子の作動の加
速度が過大になって騒音を発生し、また、プランジャが
スリップしやすいという欠点がある。

この欠点を解決するために、駆動回路に定電流回路を設
け、圧電素子をチャージする駆動電流を、第１１図で示
すように一定に保持して、騒音の発生を抑止しようとし
たものが考えられたが、これも、スパイク状駆動電流が
原因の過大、な作動の加速度は抑制されたが、同図で示
すように、スイッチング素子がＯＮ・ＯＦＦした時の作
動加速度が大きく十分に騒音発生とプランジャのスリッ
プとを抑止することができなかった。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明では、ケーシング内に軸方向に進退可能な１ラン
ジヤと、ストローク用圧電素子と、クランプ部材を介し
てプランジャをクランプするクランプ用圧電素子とを具
備し、パルス状の駆動電圧により、１ランジヤを進退作
動させるようにした圧電アクチュエータにおいて、駆動
回路に三角波発生回路で制御された電圧を電流に変換す
る電流制御手段を備えて、少なくともストローク用圧電
素子を三角波状の駆動電流で駆動すべく構成したことを
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・効果 本発明では、駆動回路に電流制御手段を設けた事で、圧
電素子をチャージする駆動電流の波形を三角波状に制御
して、圧電素子作動の加速度の絶対値を一定にして圧電
アクチュエータ作動時の騒音発生と１ランジヤのスリッ
プとを防止する事ができる。

（へ）実施例 以下、添付図に示す実施例にもとづき、本発明を詳説す
る。

第１図に、本実施例に係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、（Ａ）は、前後壁（ｇ）（ｂ）を具備
する筒状のケース（ｃ）内に同心円的に、かつ、軸線に
沿って進退自在に１ランジヤ（Ｐ）を取付け、更に、１
ランジヤ（Ｐ）の外周面に、同心円的に、それぞれクラ
ンプ部材（ｋ）（＋）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（Ｑ）とを
配設することによって構成している。

すなわち、クランプ用圧電素子（ｅ）は、ケース（ｃ）
の中央部に取付はボルト（ｈ）によって取付けた保持具
（Ｈ）の左側に配設、・支持されており、−方、クラン
プ用圧電素子（、ｆ）と、ストローク用圧電素子（０）
とは保持具（Ｈ）の右側に配設・支持されている。

次に、各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）の構成および作用
について説明する。

そして、圧電素子（ｅ）（ｆ）は、非通電状態では、ク
ランプ部材（ｋ）（＋）で一定のクランプ力でプランジ
ャ（Ｐ）をクランプしており、負電圧を印加するとクラ
ンプ力を増加し、正電圧を印加するとクランプを解除す
るようにしている。

一方、圧電素子（ｇ）は、正電圧を印加するとプランジ
ャ（Ｐ）上を軸線方向に短縮し、負電圧を印加すると伸
長するようにしている。

また、第２図に上記構成を有する圧電アクチュエータ（
Ａ）を制御する為の制御装置（ｃ）の構成を示している
。

制御装置（ｃ）は、マイクロプロセッサ（Ｒ）と、Ａ／
Ｄ　、Ｄ／Ａ変換器等よりなる入出力インターフェース
（１）（０）と、上記圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）の駆
動順序プログラムを記憶したメモリー（Ｕ）とから構成
され、入力インターフェース（１）を介して入力された
センサ（Ｓ）またはスイッチ（ｓｔ＋）等からの入力信
号に基づき、前記した駆動プログラムにしたがって制御
信号を出力インターフェース（０）を介して、圧電素子
（ｅ）（ｆ）（ｇ）と接続した駆動回路（Ｄ）に出力す
るように構成している。

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（Ｐ）の移動について、第３図〜第６図を
参照して説明する。

第２図に示すセンサ（Ｓ）またはスイッチ（針）等から
、制御装置（ｃ）に駆動信号が入力すると、メモリ（Ｕ
）から読み出した駆動順序プログラムに従って、第３図
に示すように、圧電素子（ｆ）の負電圧を印加してプラ
ンジャ（Ｐ）をクランプし、しかるのち、圧電素子Ｃｅ
）に正電圧を印加してプランジャ（Ｐ）のクランプを解
除する。

次に、第４図に示すように、圧電素子（ｇ）に正電圧を
印加して収縮させると、圧電素子（ｇ）は矢印の方向に
移動し、これに伴って圧電素子（ｆ）がクランプするプ
ランジャ（Ｐ）も矢印方向に移動する。

その後、第５図に示すように、圧電素子（ｅ）に負電圧
を印加して１ランジヤ（Ｐ）をクランプし、しかるのち
、圧電素子（ｆ）に電圧を印加して１ランジヤ（Ｐ）の
クランプを解除する。

そして、第６図で示すように、圧電素子（ｇ）に負電圧
を印加して伸長させると、圧電素子（ｆ）だけが矢印方
向に移動して、第３図の状態に復帰する。

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、各種装置や機械等
を精密に動作させることができる。

そして、本発明では、かかる圧電アクチュエータ（Ａ）
の駆動回路（Ｄ）に電流制御手段を設けている。

第７図は、−例として圧電素子（ｇ）の駆動回路（Ｄ）
を示している。

図中（Ｋ３）（Ｌ）（１）は、電流制御手段であって、
制御装置（ｃ）の出力インターフェース（０）に接続し
た三角波発生回路（Ｋ３）（ＬＩＨＬｌ）と、同三角波
発生回路（Ｋ３）（Ｌ１）（Ｌｌ）に非反転入力端子を
接続したオペアンプ（Ｋ３）（Ｌ２）（Ｌ２）ト、Ｍｏ
５ＦＥＴからなる電流制御素子（Ｋ３）（Ｌ３）（［３
）とで構成されている。なお、オペアンプ（Ｋ３）（Ｌ
２）（Ｌ２）の反転入力端子は、電流制御素子（Ｋ３）
（Ｌ３）（Ｌ３）とグラウンド（Ｇ）との間に抵抗（Ｒ
）（Ｒ）を介設して、同抵抗（Ｒ）　（Ｒ）と電流制御
素子（Ｋ３）（Ｌ３）（１３）との間に接続している。

また、（Ｓａ）は定電圧電源、（ｓｌ）（ｓ２）はスイ
ッチング素子であり、制御装置（ｃ）からの信号で、ス
イッチング素子（Ｓｌ）と電流制御素子（Ｋ３）（Ｌ３
）が０Ｎ（ＯＦＦ＞の時は、スイッチング素子（Ｓ２）
と電流制御素子（［３）がＯＦＦ　（ＯＮ）になるよう
に回路を切り替えて、圧電素子（Ｑ）に正逆双方向から
交互に電圧を印加するようにしている。

このように、圧電素子（ｇ）にはスイッチング素子（ｓ
ｌ）（ｓ２）と電流制御素子（Ｋ３）（Ｌ３）（１３）
とを介して定電圧電源（Ｓａ）と接続されるのであるが
、圧電素子（ｇ）には電流制御素子（Ｋ３）（Ｌ３）（
１３）で制御された第８図で示すような三角波状の：電
流が流れ込み、圧電素子（ｇ）に第８図で示すように緩
やかな等加速度の伸縮作動を生起させる。

上記のように圧電素子（ｇ”）が緩やかな等加速度の伸
縮作動を行う事から、：、騒音の発生が充分に抑止され
、さらに、プランジャ（Ｐ）とクランプ部材（ｋＨｌ）
間のスリップが防止され、圧電アクチュエータ（Ａ）の
作動を確実にすると共に、発熱を防止することができる
。

なお、クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）にも上記駆動回
路（ロ）を用いることもできる。

次に、本発明の圧電アクチュエータを組込んだ湯水混合
装置（Ｂ）を説明する。

第９図は湯水混合装置ＣＢ）を示し、湯側及び水側流量
調整弁（ｙｌ）（Ｖ２）の流入口には、それぞれ給湯管
と給水管とを連通させ、答弁（Ｖｌ）（Ｖ２）の流出口
を対向状態に配置して互いに連通させて、給湯管と給水
管とから供給された湯と水との流量比及び流量の和を、
湯側及び水側流量調整弁（Ｖｌ）（Ｖ２）で調整して、
設定された温度と流量とを保持するようにしている。

湯側と水側流量調整弁ｍ）（Ｖ２）は、通過する流体が
湯と水とで異なるだけで他は路間−構成であり、下記の
ように構成されている。

すなわち、本体（１）の−側方に流入管（２）（２）を
、他方に流出管（３）を形成し、流出管（３）を流入管
（２）（２）との交差部の内部に延出させて、間管（３
）の端面に主弁座（４）（４）を形成し、同主弁座（４
）（４）の外周を囲繞した流入管（２）（２）の上端面
にダイヤプラム（５）（５）を張設し、同ダイヤフラム
（５）（５）の中央にパイロット弁座（６）（６）、同
周縁部にオリフィス（７）（７）を設けて、それぞれ流
出管（３）と流入管（２）（２）とに連通させ、ダイヤ
フラム（５）（５）の上方をアクチュエータ取付基台（
８）（８）で閉塞して、同基台（８）（８）とダイヤフ
ラム（５Ｈ５）との間に圧力室（９）（９）を形成して
いる。

アクチュエータ取付基台（８）（８）の上面には、前述
の圧電アクチュエータ（ＡＩ）（Ａ２）が配設されてお
り、同アクチュエータ（ＡＩ）（Ａ２）のプランジャ（
Ｐ）（Ｐ）から延出した弁体（１１）（１１）と、前記
パイロット弁Ｍ　（６）　（６）との接離によりダイヤ
フラム（５）（５）を作動させることで、主弁座（４）
（４）とダイヤプラム（５）（５）下面とを接離させて
湯側及び水側流量調整弁（Ｖｌ）（Ｖ２）の開閉を行う
ように構成している。

そして、流出管（３）に設けた温度センサ（１２）の検
出値に基いて各アクチュエータ（Ａ１）（Ａ２）を作動
させて、流出管（３）から吐出する混合湯水の温度を、
あらかじめ設定した目標温度に制御するように構成して
いる。

上記湯水混合装置（８）は、前述したようにプランジャ
の作動が、等加速度的に行われるので、騒音発生とプラ
ンジャのスリップが抑制されているので、作動が静粛か
つ正確になるという効果がある。

【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図は制御装置の構成を示すブロック図、第３図〜
第６図は同アクチュエータの作動説明図、第７図は駆動
回路図、第８図は駆動電流の波形と圧電素子の作動加速
度のグラフ、第９図は本発明による圧電アクチュエータ
を装着した湯水混合装置の断面説明図、第１０図〜第１
１図は従来技術による駆動電流波形と圧電素子の作動加
速度のグラフである。 （Ａ）：圧電アクチュエータ （ｃ）：ゲース （Ｋ３）（Ｌ０１）　：電流制御手段 Ｐ　ニブランジャ Ｄ　＝駆動回路 ｅ（ｆ）：クランプ用圧電素子 ｇ　＝ストローク用圧電−子 ｋ（１）：クランプ部材 Ｋｌ）（１１）：三角波発生口路 に３）（＋３）　：電流制御素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ケース（ｃ）内に軸方向に進退可能なプランジャ（
   Ｐ）と、ストローク用圧電素子（ｇ）と、クランプ部材
   （ｋ）（ｌ）を介してプランジャ（Ｐ）をクランプする
   クランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ）とを具備し、パルス状
   の駆動電流により、プランジャ（Ｐ）を進退作動させる
   ようにした圧電アクチュエータ（Ａ）において、 駆動回路（Ｄ）に三角波発生回路（Ｋ１）（Ｌ１）で制
   御された電流制御素子（Ｋ３）（Ｌ３）よりなる電流制
   御手段（Ｋ）（Ｌ）を備えて、少なくともストローク用
   圧電素子（ｇ）を三角波状の駆動電流で駆動すべく構成
   したことを特徴とする圧電アクチュエータ。