JPH02177382A - 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、作動分解能の自動補正機能を有する圧電アク
チュエータに間する。

（ロ）　従来の技術 従来、圧電アクチュエータの一形態として、固定部分に
ストローク用圧電素子の一側を固定し、同素子の他側に
クランプ用圧電素子を取り付け、各圧電素子にパルス状
の駆動電圧を印加して、クランプ用圧電素子でプランジ
ャをクランプさせ、ストローク用圧電素子を伸縮させて
プランジャを進退させる事を繰り返して、同グランジャ
を大きく移動させるようにした圧電アクチュエータがあ
り、プランジャの移動量が、ストローク用圧電素子に印
加した電荷量と、パルス数に略比例することから、オー
プンループ制御を可能としたものがある。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 ところが、同一仕様の圧電素子であっても各圧電素子間
に作動特性のバラツキがあり、これが原因で、同−仕様
の圧電アクチュエータ間に１パルス当たりのストローク
にバラツキがあり、また、同一圧電アクチュエータであ
っても、負荷の変動、駆動電圧の誤差、プランジャと圧
電素子間のスリップなとて゛、１パルス当たりの１ラン
ジヤのストロークに差異が生じ、この差異が累積すると
大きな誤差になるため、正確な作動を期待できないとい
う欠点があった。

（ニ）　　ＷＩＪｉを解決するための手段本発明では、
ストローク用の圧電素子とクランプ用の圧電素子を備え
各圧電素子にパルス状の駆動電圧を印加して、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、プランジャの位置検出装置を設けて、同装置の検
出結果に基づき圧電素子に印加する電荷量を調整すべく
構成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 本発明によれば、圧電素子のストロークが同素子に印加
した電荷量に略比例することから、プランジャの位置検
出装置の検出結果によって、１パルス当たりのプランジ
ャのスト１コークを検知し、この検知結果に基づいて圧
電素子に印加する電荷量を調整することにより、圧電素
子の１パルス当たりのストロークを一定にすることがで
きる。

なお、上記電荷量を調整するには、定電流回路等を介し
て圧電素子に一定電流を供給するようにし、この電流印
加時間を調整するようにすればよい。

（へ）　実施例 本発明の第１実施例を図面にもとづき詳説すれば、第１
図中（Ａ）は圧電アクチュエータを示し、前後ｒｉ（ａ
）（ｂ）を具備するケーシング（Ｃ）内に、同心円的に
かつ軸線に沿って進退自在に肢駆動体としてのプランジ
ャ（Ｐ）を取付け、さらに、プランジャ（Ｐ）の外周面
上に同心円的に、３個の圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）を
配設している。

また、（ｉ）はその基端を支持材ｆｈ）に、（ｊ）はそ
の基端をスト１７−り用圧電素子（Ｃ１）に固着すると
ともにその先端を前後壁（ａ）（１））に向けて伸延す
る片持ち梁状の弾性ブリッジである。

そして、同弾性ブリ・ソジ（ｉＨｊ）の先端には、その
外周面にクランプ用圧電索子（ｅｌｆ）を取付けるとと
もに、その内周面にクランプ部材（ｋ）（１）を固着し
ている。

そして、この圧電素子（ｅ）（ｆ）（Ｑ）のうちクラン
プ用圧電素子ｔｏ）ｍは、電圧印加状態では内径を縮径
させて１ランジヤ（Ｐ）をクランプすると共に、非電圧
印加状態では内径を拡径してプランジャ（Ｐ）へのクラ
ンプを解除する。

一方、ストローク用圧電素子（１ｇ）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。

次に、かかる棺成を有する圧電アクチュエータ（Ａ）に
よるプランジャ（Ｐ）の移動について、第２図〜第５図
を参照して説明する。

ｔ＆述する制御装置（Ｃ）から、駆動プログラムに従っ
て、圧を素子ｍに電圧を印加して、第２図に示すように
、プランジャ（Ｐ）をクランプし、圧を素子（ｅ）への
電圧印加を解除してプランジャ（Ｐ）のクランプを解除
する。

次に、第３図に示すように、圧電素子（９）に電圧を印
加して収縮せしめると、圧電索子ｉｆ）が矢印方向に移
動し、これに伴ってプランジャ（Ｐ）も矢印方向に移動
する。

その後、第４図に示すように、圧電素子（Ｃ）に電圧を
印加してプランジャ（Ｐ）をクランプし、ついで圧電素
子（ｆ）の印加電圧を解除してプランジャ（Ｐ）のクラ
ンプを解除し、圧電素子（ａ）の印加電圧を解除すると
、圧電素子（ｇ）が伸長して圧電素子は）が第５図の位
置に復帰する。

その陵、上記動（ｊを繰り返すことにより、プランジャ
（Ｐ）をμｍオーダ成はサブμｍオーダのストロークで
尺とり車状に移動することができ、１ランジヤ（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
きることになる。

かかる圧電アクチュエータ（八）の作動は、第６図で示
す制御装置（Ｃ）で制御されており、同装置（Ｃ）は、
マイクロプロセッサ（ＨＰＵ）　、入出力インターフエ
ース［１００）、駆動プログラムを記憶したメモリ（１
４）によって構成されており、入力インターフェース（
１）には、プランジャ（Ｐ）を作動させるためのスイッ
チ（Ｓｖ）が接続し、出力インターフェース（０）には
、駆動回路（Ｄ）を介してクランプ用及びストローク用
の圧電索子（ｅ）（ｆ）（ｇ）が接続している。

そして、スイ・・ｌチ（Ｓｖ）からプランジャ（Ｐ）へ
の制御指令が制御装置（Ｃ）に入力すると、駆動プログ
ラムにしたがってパルス状の駆動電圧が出力され、前記
のようにプランジャ（Ｐ）を作動させることがでさる。

かかる圧電アクチュエータ（＾）にプランジャ（Ｐ）の
位置検出装置（Ｓ）を設りており、第１図で示したよう
に、プランジャ（Ｐ）の後端に移動電極（ｐｌ）を設け
ると共に、移動型ｉ（ｐ＋１に対峙し、移動電極（ｐｍ
）とは絶縁された固定電極（ａＳ）を配設して、ギャッ
プ（Ｇ）を形成し移動型［＋（１）ＩＩ）の移動に件っ
て変動する固定な極（ｐｌと移動型＠（ρ１）間の静電
容量を検出するようにしている。

第７図は前記とほぼ同様に構成した圧電アクチュエータ
（Ａ）のプランジャ（Ｐ）の後端外周面に筒状の移動電
極（ｐｌ）を設けると共に、移動電極（ｐｌ）に所定の
間隔を保持して、軸方向に所定間隔を保持して配設した
第１固定電＠（ｐｓｌ）と第２固定電１（ｐｓ２）より
なる筒状の固定型ｌｉ！（［）Ｓ）を外嵌して、移動電
極（ａｒａ）の両端を第１、第２固定電極（ｐｓｔ）（
ｐｓ２）とラップさせ、プランジャ（Ｐ）の移動にｆｌ
’い、第１固定電極（ｐｓｉ）と移動電極（ａｌｌ）間
の静電容量と、第２固定電極（ｐｓ２）と移動を極（ｐ
ｌＪ間の静電容量とが、互いに補数的に増減するように
４１１！成し、両方の静電容量の差からグランジャ（Ｐ
）の位置を検知するようにして、位置検出の精度を高め
たものである。

第８図は、前記とほぼ同様に構成した圧電アクチュエー
タ（Ａ）のグランジャＣＰ）のｆ＆端に、後端面と所定
の間隔を設けて円板状の移動’Ｚ　圏（ｌｌｌ１１　）
を連設し、この移動電極の前後に所定の間隔を保持して
円板状の第１、第２固定電極（ｐｓｌ）（ｐｓ２）を移
動電極と平行に配設して、プランジャ（Ｐ）の移動によ
る第１、第２固定電Ｂｉ　（ｐｓｌ）（ｐｓ２）と移動
電極（ｐｌ）との間の静電容量の変化をそれぞれ検出し
、各静電容量の比からプランジャ（Ｐ）の位置を検知す
るようにしたものである。

移動電極（ｐｌ）と固定電極（ｐｓ）との間の静電容量
を検出するには、次のような構成が考えられる。

すなわち、第９図で示すように、移動な極（ｐｍ）と固
定型Ｍ！（ρＳ）との間の静電容量を発振定数の一つと
した発振回路（Ｃ１）を４４成し、その発振周波数をＦ
Ｖ変換回路（Ｃ２）で電圧に変換し、制御装置（Ｃ）に
入力する。

また、第１０図で示すように、上記の静電容量を発振定
数の一つとした発振回路（Ｃ３）を構成し、その発振周
波数を直接制御装置（Ｃ）に入力して、同装置（Ｃ）の
内部でデジタル的に（例えば周波数カウントなど）周波
数を検出する。

このようにして検出された周波数から逆算して静電容量
を検知し、次いで、プランジャの位置を検知することが
できる。

このようにして検出した１ランジヤ（Ｐ）の位置から、
１パルス当たりのプランジャ（Ｐ）の実際のス１−ロー
タを検知することができ、予め設定した基準のストロー
クを目標として、ストローク用の圧電素子（（１）への
電圧印加時間をかＪ整したり、または印加電圧をユ１整
することで、フィードバック制御をおこない、１パルス
当たりのス１−Ｌ７−りを一定に保持することができる
。

第１１図は上記フィードバック制御のフローを概念的に
示したブロック図であり、圧電アクチュエータ（Ａ）の
プランジャ（Ｐ）の位置を位置検出装置（Ｓ）で検出し
、この検出結果を変換器（Ｉｔ）を介して比較器（■）
に入力し、同比教器（Ｔ＞に変換器（Ｕ）を介して入力
した設定器（旧からの基準ストロークと比較し、この比
較結果を制御装置に入力し、同制御装置からの出力で駆
動回路を制御して、前述の電流印加時間または印加電圧
を、ｉｎして１パルス当たりのストロークのフィードバ
ツクを制御を行い、作動分解能の自動補正をおこなうら
のである。

上記のように、プランジャ（Ｐ）の作動分解能の自動補
正ができる圧電アクチュエータ（Δ）は、プランジャＣ
Ｐ）の先端に、各種機器を連結して同機器を極めて正確
に制御することができる。

第１２図は上記の圧電アクチュエータ（八）をダイヤフ
ラム弁（Ｖ）の作動制御に適用して、量弁（Ｖ）の開閉
及び流足調整を行わせるようにしたものを示している。

図中、（１）は弁本体、（２）は流入路、（３）は流出
路、（４）は主弁座、（５）は主弁体、（６）はパイロ
ット弁座、（７）はダイヤフラム、（８）はオリフィス
、（９）はプランジャ（Ｐ）の先端に連設されたパイロ
ット弁体を示しており、プランジャ（Ｐ）の位置が常に
検出されていることから、パイロット弁体（９）の位置
が正確に制御され、したがって、主弁体（５）の位置も
正確になり、正確な流量調整を行うことができる。

の作動１１１序を示す説明図、第６図は制御装置の構成
を示すブロック図、第７図、第８図は位置検出装置の曲
の形態を示す断面説明図、第９図、第１０図は静電容量
を検出する回ｖＰＩ構成を示ずブ［！ツク図、第１１図
はフィードバック制御システムの概念的ブロック図、第
１２図は流量調整弁の断面説明図。

Ａ　：圧電アクチュエータ Ｐ　ニブランジャ Ｓ　：位置検出装置 ｅけ）：クランプ用の圧電素子 ｇ　：ストローク用の圧電素子

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）　ストローク用の圧電素子（ｇ）とクランプ用の圧
   電素子（ｅ）（ｆ）を備え各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ
   ）にパルス状の駆動電圧を印加して、プランジャを進退
   作動させるようにした圧電アクチュエータ（Ａ）におい
   て、プランジャ（Ｐ）の位置検出装置を設けて、同装置
   の検出結果に基づき圧電素子に印加する電荷量を調整す
   べく構成してなる圧電アクチュエータ。