JPH0282662A - 圧電アクチユエータ - 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
チュエータに関する。

（ロ）従来の技術 従来、第１０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５
１．５２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鋼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、かかる圧電アクチュエータは、未だ、以下の問
題点を有していた。

即ち、第１１図に示すように、圧電アクチュエータの組
立においては、クランプ部材５１．５２はプランジャ５
０に密着させて一定の初期保持力を出すため、プランジ
ャ５０に外方向の拡開力が作用するように嵌着する。そ
して、各クランプ用圧電素子５３゜５４を構成する圧電
板６０を順次クランプ部材５１．５２に接着剤で接着す
ることになる。

しかし、いったん、クランプ用圧電素子５３．５４をク
ランプ部材５１．５２に接着、硬化させた場合は、最早
プランジャ５０の抜き差しを行うことができず、また、
クランプ部材５１　、５２の単体でのクランプ力の測定
及び調整は不可能であった。

従って、組立時或いはその後のプランジャ５０の磨耗や
クランプ部材５１．５２の磨耗によって、圧電アクチュ
エータの動作不良の原因となる左右クランプ部材５１．
５２のクランプ力のアンバランスが発生しても、かかる
クランプ力を調整することができず、圧電アクチュエー
タ自体を交換する必要があり、従って、製品の歩留りが
悪く、また、メンテナンスも煩雑なものとなっていた。

（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、プランジャをそれ
ぞれクランプ部材を介して押圧する押圧可能な一対のク
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、クランプ部材とクランプ用圧電素子との間にクラ
ンプ力調整用くさびを介設し、かつ、クランプ部材とク
ランプ力調整用くさびとを相互に分離可能に構成したこ
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。

■クランプ部材とクランプ用圧電素子との間にクランプ
力調整用くさびを介設し、かつ、クランプ部材とクラン
プ力調整用くさびとを相互に分離可能に構成したので、
プランジャに対してストローク用圧電素子、クランプ部
材と、クランプ用圧電素子と、クランプ力調整用くさび
とを容易に抜き差しすることができ、かつクランプ力調
整用くさびを操作することによって容易にそれぞれのク
ランプ部材による、クランプ力を調整することができ、
組立時の不整合に起因する動作不良を確実に防止するこ
とができる。

また、使用中にクランプ部材やプランジャの磨耗によっ
て両クランプ部材のクランプ力間に差異が生じた場合で
も、クランプ力調整部材を操作することによって容易に
クランプ力を調整することができ、正常動作に復帰させ
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、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、Ｉ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の中央部に取付ポル）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
、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。

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、同雌ねじ部ｉには、ケ
ーシングＣの前壁ａ方向に伸延する筒状のクランプ部材
にの基端に、を着脱自在に連結している。

また、クランプ部材にの先端に形成したクランプ部に１
は、その環状外周面上に、第１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。

なお、第２図に係るクランプ部材にの全体構成を示して
おり、図示するように、雌ねじ部１を除いて軸線方向に
多数のスリットｓＩを形成しており、半径方向に拡縮す
ることができる。

また、クランプ部材にの外周面上には、第１図に示すよ
うに、同心円的に筒状のクランプ力調整用くさび−、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、同クランプ力調整用くさびＷ、の先端に形成し
たくさび部−３，の内周面には、第１図及び第３図に示
すように、前記したクランプ部材にのクランプ部に、に
設けたテーパ面ｔ１と摺動自在に嵌合密着するテーバ面
１．が形成されている。

なお、第３図に示すように、クランプ力調整用くさび賀
、は、その基部を除いて多数のスリットｓｔを形成して
おり、半径方向に拡縮することができる。

また、第１図に示すように、筒状のクランプ力調整用く
さび１は、その先端外周面に、後述するように多数の圧
電板Ｘ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。なお、圧電素子ｅは、−枚の圧電板Ｘに
よって形成することもできる。

一方、筒状のクランプ力調整用くさび−１の外周面上で
あって圧電素子ｅ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の後面と保持
具Ｈの前面との間には、圧縮コイルスプリングからなる
クランプ力調整用スプリングｍが介設されている。なお
、ゴム等の他の弾性体を用いることもでき、また、場合
によっては弾性体を不要とすることもできる。

かかる構成において、クランプ力調整用スプリングｍの
弾性力によってクランプ力調整用クサビ１は前方方向に
付勢され、同行勢力は、テーパ面ｔ１とテーパ面ｔ２と
の嵌合を介してクランプ部材にのクランプ部に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
の基端に２の保持具Ｈの雌ねじ部ｉへのねじ込み量を調
整することによってクランプ力調整用スプリングｍの長
さを増減して容易に調整することができる。

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ｇの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。

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、同雌ねじ部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
１の基端りを着脱自在に連結しており、同クランプ部材
１の先端に形成したクランプ部ｌ、の外周面には、クラ
ンプ用圧電素子ｆが、前記したクランプ用圧電素子ｅと
同じ要領で着脱自在に取付けられている。

即ち、筒状かつスリツト材のクランプ部材１の先端に形
成したクランプ部１１は、その環状外周面上に、第１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Ｅ、を形成している。

また、クランプ部材１の外周面上には、第１図に示すよ
うに、同心円的に筒状かつスリット付のクランプ力調整
用くさび匈２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、同クランプ力調整用くさび−２の先端に形成し
たくさび部−０の内周面には、第１図及び第３図に示す
ように、前記したクランプ部材ｌのクランプ部１．に設
けたテーパ面り、と摺動自在に嵌合密着するテーパ面Ｌ
４が形成されている。

また、第１図に示すように、筒状のクランプ力調整用く
さび■２は、その先端外周面にクランプ用圧電素子「を
接着剤を用いて取付けている。

一方、筒状のクランプ力調整用くさび−４の外周面上で
あってクランプ用圧電素子「の前部をなす位置には、環
状のスプリング保持用ブラケッ）Ｐが突設されている。

そして、同スプリング保持用ブラケッ）ｐの後面と支持
具ｎの前面との間には、圧縮コイルスプリングからなる
クランプ力調整用スプリングｑが介設されている。

かかる構成において、クランプ力調整用スプリングｑの
弾性力によってクランプ力調整用くさび６は後方方向に
付勢され、回付勢力は、テーパ面り、とテーパ面ｔ４と
の嵌合を介してクランプ部材１のクランプ部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１
の基端１２の保持具ト１の雌ねじ部０へのねし込み量を
調整することによってクランプ力調整用スプリングｑの
長さを増減して容易に調整することができる。

次に、各圧電素子ｅ、ｆ、Ｈ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。

即ち、圧電素子ｅ、ｒ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〉０とする。即ち、負の電圧が印加されて
いる場合であっても、圧電素子ｅ、［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、圧電素子ｇは正の電圧を印加した場合はプランジ
ャｄ上を軸線方向に伸びた状態にあり、負の電圧を印加
した場合は、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。

圧電素子ｅ、ｆ、ｇ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、円筒の
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。

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Ｕ字状又はＹ字
状パツキンである。

また、第４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。図示
するように、制御装置ｃ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、ｆ、
Ｈ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５図〜第７図を参照して
説明する。

第４図に示すアクチュエータ駆動ボクンＶを押ずと、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
ムに従って、第５図に示すように圧電素子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、圧電素子ｆ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６図に示すように、圧電素子ｇへ負の電圧の印加
して縮めると、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７図に示すように、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、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、圧電素子
ｇに正の電圧を印加して伸ばすと圧電素子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、μｌ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。

なお、上記作動において、クランプ用圧電素子ｅｆのい
ずれかは、必ずクランプ状態にあり、掴み替え動作のと
きは、一方のクランプ用圧電素子のクランプ動作を先に
行い、完了後に他方のクランプ圧電素子のクランプ力の
解除を行うようにしている。

そして、かかる圧電アクチュエータＡの作動において、
クランプ部材に、ｌの初期保持クランプ力に差異をある
ため圧電アクチュエータＡの動作に異常がある場合は、
上記したように、クランプ部材に、ｌの基端に２，１□
の保持具［（の雌ねじ部ｉ、　　。

へのねじ込み量を調整することによって、かかる初期保
持クランプ力をそれぞれ独立して容易に調整することが
できる。

また、必要に応して、第８図に示すように、プランジャ
ｄからクランプ部材に、ｌやクランプ用圧電素子ｅ、ｒ
を接着したクランプ力調整用くさびＷ、、　Ｗ、を容易
に分離することができ、その後、クランプ力を調整して
再度プランジャｄに組み立てることができる。

さらに、本実施例では、クランプ力調整用くさび誓、６
は、クランプ力調整用スプリングｍ、　　ｑと協働して
、プランジャｄやクランプ部材に、　　１の内径押圧面
が摩耗し、隙間が生じてプランジャｄをつかむ力が不足
してくると、クランプ部材に１を半径方向に移動して摩
耗量だけ内径を自動的に縮小して、クランプ力を常に一
定に確保できるように構成している。

従って、この点からも、確実かつ正確な圧電アクチエエ
ータへの作動が期待できる。

また、第９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９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−他側壁に、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１０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ｌＯ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、Ｔ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２２２３に
は、ケーシング１０内を軸線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２，１．２５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の後部と当接自在となし、弁体
２４．２５を開閉自在としている。

なお、第９図において、３０は他側流路２０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
４図に示すような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の量アクチュエータＡを
ＰＩＤ制御等によって作動させ、適温制御を行うもので
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
バンクして、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て、−側流路１
３．１４から他側流路２０に流れる給水量と給湯量を一
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、流量制御及び適温制御をより精密かつ確実に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例であって、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図及び第
３図は同圧電アクチュエータを構成するクランプ部材と
クランプ力調整用くさびの斜視図、第４図は制御装置の
概念的構成説明図、第５図〜第７図は圧電アクチュエー
タの作動状態説明図、第８図はクランプ部材とクランプ
力調整用くさびのプランジャへの取付・分離作業説明図
、第９回は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１Ｏ図は従来の圧電アクチュエータの断
面側面図、第１１図はクランプ部材の取付状態説明図で
ある。 図中、 （Ａ）：アクチュエータ （Ｂ）：圧電素子組立体 （Ｃ）：制御装置 （Ｄ）：自動開閉弁 Ｃ１：　クランプ力調整用くさび （ＷＺ）：　クランプ力調整用くさび （ａ）：前壁 （ｂ）：後壁 （Ｃ）：ケーシング （ｄ）ニブランジャ （ｋ）：クランプ部材 （１）：クランプ部材 （濁）：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（ｃ）内を軸線方向に進退可能なプラン
   ジャ（ｄ）と、同プランジャ（ｄ）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
   ぞれクランプ部材を介してプランジャ（ｄ）を押圧可能
   な一対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、 クランプ部材とクランプ用圧電素子との間にクランプ力
   調整用くさびを介設し、かつ、クランプ部材とクランプ
   力調整用くさびとを相互に分離可能に構成したことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。