JPH0349575A - 作動原点検出機能を有する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 本発明は作動原点検出機能を有４．する圧電アクチュエ
ータに関する。

（ロ）　従来の技術 従来、パルス駆動のアクチュエータの一形態として、圧
電アクチュエータがあり、同圧電アクチュエータは、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、同プ
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
素子に印加した駆動電圧と、パルス数に比例することか
ら、オーブンループ制御を可能としたものがある。

ところが、駆動電圧の誤差、プランジャと圧電素子間の
スリップなどで、プランジャの位置に誤差が生じ、更に
この誤差が累積して大きな誤差になるという欠点があっ
た。

そこで、この欠点を解決する為に、該アクチュエータの
プランジャのストロークエンド位置に有接点のマイクロ
スイッチ等を設けて、同スイッチにプランジャが当接し
てスイッチングが行われたときに、プランジャが原点に
位置したものとしてプランジャ位置データを更新するよ
うにしたものがある。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 しかしながら、有接点スイッチにはスイッチング動作点
にバラツキがあり、特に、圧電アクチュエータのように
低速で作動するものでは、振動等の影響を強くうけて上
記のバラッキが更に大きくなるため、原点検出が不正確
になるという欠点があった。

なお、アブソリュート型のエンコーダのように、絶対位
置を検出できる位置センサもあるが、圧電アクチュエー
タのように、精密にプランジャの位置制御を行うもので
は、温度、経時変化等による変動を無視することができ
ない為、アブソリュート型のエンコーダを用いた場合で
も、必要に応じ作動原点の補正を必要とする。

（二）　課題を解決するための手段 本発明では、クランプ用の圧電素子と、ストローク用の
圧電素子とに、制御装置からのパルス状の電圧を印加し
てプランジャを往復作動させるように構戒した圧電アク
チュエータにおいて、同アクチュエータに、プランジャ
の作動範囲を機械的に規制するストッパーを設けてプラ
ンジャ作動の原点とすると共に、プランジャの位置を検
出する位置センサを取付けて、同位置センサの出力が変
化しなくなるまでプランジャをストツバ一方向に作動さ
せ、このときの位置センサの出力を、プランジャ作動原
点の位置データとすることを特徴とする作動原点検出機
能を有する圧電アクチュエ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、一旦、プランジャをストッパー方向に
作動させて行き、プランジャが原点に達し、制御装置か
らストッパー方向の駆動出力が出されていても、プラン
ジャの作動がストッパーで規制されて移動しなくなるま
でプランジャを駆動する。

そして、プランジャが移動しなくなると同時に位置セン
サ出力も変化しなくなる。

上記のように、プランジャの原点到達と、位置センサ出
力の変化がなくなる現象とが対応して同時に生起するの
で、位置センサ出力の変化がなくなった時点の位置セン
サ出力を、プランジャ作動原点の位置データとすること
ができる。

特に、有接点スイッチ等を用いないので、低速作動のプ
ランジャでも、位置センサ出力のバラッキがなく安定し
ており、作動原点を精密に検出することができる。

このようにして検出したプランジャ作動原点の位置デー
タを制御装置に記憶させておけば、この位置データに基
づいて、プランジャの作動制御を行うことがてきる。

また、作動原点の位置データは、必要に応じ、または定
萌的にプランジャを原点に復帰させて更新することがで
き、更には、圧電アクチュエータの作動中、プランジャ
が作動原点に復帰した機会を捉えて更新することができ
る。

上記のように、更新された作動原点の位置データに基づ
いてプランジャの作動制御がが行われることから、制御
の精度を向上することができる。

（へ）　実施例 本発明の実施例を図面にもとづき詳説すれば、第１図中
（Ａ）はパルス駆動アクチュエータとしての圧電アクチ
ュエータを示し、前後壁（ａ）　（ｂ）を只備するケー
シング（ｅ）内に、同心円的にかつ軸線に沿って進退自
在に被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（ｃ）（（’）（ｇ）を配設している。

また、〈１）はその基端を支持材（ｈ）に、（ｊ）はそ
の基端をストローク用圧電素子（ｇ）に固着するととも
にその先端を前後壁（ａ）　（ｂ）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、同弾性ブリッジ（１）（ｊ）の先端には、その
外周面にクランプ用圧電素子（ｅ）（ｆ’）を取付ける
とともに、その内周面にクランブ部材（ｋ）（＋）を固
着している。

また、前壁（ａ）の内面にストッパー（Ｓ）を形或して
、プランジャ（Ｐ）の下端部に形成したフランジ（Ｆ）
との当接により、プランジャ（Ｐ）の下方作動を規制す
るようにしており、この状態におけるプランジャ（Ｐ）
の位置を同プランジャ（Ｐ）の作動原点としている。

次に、各圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ＞の作用について説
明する 圧電素子（ｅ＞　（ｆ）　（ｇ）のうちクランブ用圧電
素子（ｅ）（ｆ）は、電圧印加状態では内径を縮径させ
てプランジャ（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（ｇ）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、かかる構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。

後述する制御装置（Ｃ）から、駆動プログラムに従って
、圧電素子（ｆ’）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、圧電素子（ｅ）
への電圧印加を解除してプランジャ（Ｐ）のクランブを
解除する。

次に、第３図に示すように、圧電素子（ｇ）に電圧を印
加して収縮せしめると、圧電素子（ｆ）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（ｅ）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（ｇ）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（ｆ’）が第５
図の位置に復帰する。

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オーダ或はサブμｍオーダのストロークで尺
とり虫状に移動することができ、プランジャ（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。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）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ー（ＭＰＵ）　、入出力インターフ
ェース（＋）（０）、駆動プログラムを記憶したメモリ
（Ｍ）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（Ｉ））を介してクランプ用及びストロー
ク用の圧電素子（ｅ）　（ｆ’）　（ｇ）力《接続して
いる。

そして、スイッチ（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、駆動プロダラム
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きる。

かかる圧電アクチュエータ（Ａ）に、第１図に示すよう
に、位置センサ（Ｓｐ）を設けてプランジャ（Ｐ）の位
置を検出するようにしている。

すなわち、プランジャ（Ｐ）の後端外周面に筒状の移動
電極（ｐｍ）を設けると共に、移動電極（ｐｍ）と所定
の間隔を保持して筒状のアルミナセラミックス等の誘電
体（Ｅ）を外嵌して、同誘電体（Ｅ）の後端面を後壁（
ｂ）の内面に固着し、誘電体（Ｅ）の外周にそれぞれ筒
状の第１固定電極（ｐｓｌ）と第２固定電極（ｐｓ２）
とを、軸線方向に所定間隔を保持して外嵌して、移動電
極（ｐｍ）の両端を第１、第２固定電極（ｐｓｉ）　（
ｐｓ２）とラップさせ、プランジャ（Ｐ）の移動に伴う
各電極（ｐｍ）　（ｐｓｉ）　（ｐｓ２）のラップ部分
の長さの変化によって、第１固定電極（ｐｓｉ）と移動
電極（ｐＩ！ｌ）間の静電容量と、第２固定電極（ｐｓ
２）と移動電極（ｐｍ）間の静電容量とが、互いに補数
的に増減するように構成している。

そして、第７図で示すように、各電極（ｐｍ）（ｐｓｌ
）（ｐｓ２）間の静電容量を、それぞれ発振定数の一つ
とした発振回路（ＣＩ）（Ｃ２）を構成し、その発振波
をミキサー（Ｃ３）に人力し、ミキサー（Ｃ３）の出力
の高周波領域をローバスフィルタ（Ｃ４）でカットし、
ＦＶ変換回路（Ｃ５）で電圧に変換し、Ａ−Ｄ変換器〈
Ｃ６〉を介して制御装置（Ｃ）に人力するように構成し
ている。

上記のようにして制御装置（Ｃ）に入力したＡ−Ｄ変換
器（Ｃ６）の出力を処理して、プランジャ（Ｐ）の位置
を算出することができる。

すなわち前述したように、第１固定電極＜ｐｓｉ）と移
動電極（ｐｍ）間の静電容量と、第２固定電極（ｐｓ２
）と移動電極（ｐｍ）間の静電容量とが、プランジャ（
Ｐ）の移動に対応して、互いに補数的に増減するように
構戊しているので、これに対応して発振回路（ＣＩ）　
（Ｃ２）の発振周波数も、一方が高くなると他方が低く
なる。

上記のようにプランジャ（Ｐ）の移動に対応して変化す
る発振回路（Ｃｌ）　（Ｃ２）の発振周波数を、ミキサ
ー（Ｃ３）でミキシングすることで、上記二つの発振周
波数の和と差の合成周波数を出力させ、合成周波数の和
の方の高周波領域をローパスフィルタ（Ｃ４）でカット
して、合成周波数の差の方の低周波領域だけをＦＶ変換
回路（Ｃ５）で電圧に変換し、ＡＤ変換器（Ｃ６）を介
して制御装置（Ｃ）に入力することで、プランジャ（Ｐ
）の位置を検知することができる。

また、ローバスフィルタ（Ｃ４）の出力波形を整形して
制御装置（Ｃ）に人力し、同装１　（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
る事もできる。

本発明の実施例は上記のように構成されており、圧電ア
クチュエータ（Ａ）と制御装置（Ｃ）が電源に接続され
ると、イニシャライズまたはバワーオンリセットの一環
として、圧電アクチュエータ（Ａ）に負荷がかかる前に
、一旦、プランジャ（Ｐ）をストッパー（Ｓ）で作動が
規制されて、位置センサ（Ｓｐ）出力に変化がなくなる
まで前進させ、その時のＡ−Ｄ変換器（Ｃ６）の出力を
メモリ（Ｍ）に記憶させることで、ストッパー（Ｓ）で
作動が規制された位置をプランジャ（Ｐ）の作動原点と
して用いることができるようになる。

そして、上記のプランジャ（Ｐ）の作動原点の位置デー
タと、１駆動パルス当たりのプランジャ（Ｐ）の移動量
と、Ａ−Ｄ変換器（Ｃ６）の出力から検知したプランジ
ャ（Ｐ）の現在位置データとを参照してプランジャ（Ｐ
）を駆動することにより、クローズドループによるプラ
ンジャ（Ｐ）の作動制御を行うことができる。

また、作動原点の位置データの更新を行うには、前記と
同様に、プランジャ（Ｐ）をストッパー（Ｓ）で作動が
規制されて、位置センサ（Ｓｐ）出力に変化がなくなる
まで前進させ、その時のＡ−Ｄ変換器（Ｃ６）の出力を
メモリ（｝４）に記憶させればよい。

特に、位置センサ（Ｓｐ）出力の変化がなくなった時の
同センサ（Ｓｐ）出力を、プランジャ（Ｐ）の作動原点
の位置データとすることで、バラツキのないｆｊ１密な
位置データを検出することができ、ひいては、プランジ
ャ（Ｐ）を精密に制御することができる。

上記作動原点の位置データの検出・更新は、前記のよう
に電源投入時に必ず行うものであるが、必要に応じ使用
者が制御装置（Ｃ）に位置データ更新の指令を与えて行
ったり、制御プログラム中にタイマーを設定して一定時
間ごとに更新したり、下記適用例で述べるように、プラ
ンジャ（Ｐ）がストッパー（Ｓ）で作動が規制されるま
で作動する機会を捉えて更新することができる。

また、プランジャ（Ｉ’）が作動原点に到達し、ストッ
パー（Ｓ）に当接して作動が停止すると、位置センサ（
Ｓｐ）の出力変化がなくなるので、この時点でプランジ
ャ（Ｐ）のストッパー方向の駆動を停ｌＬすれば、プラ
ンジャ（Ｐ）を無理に駆動することか防止され、無理な
駆動によるクランプ用の圧電素子（ｅ）（ｆ）及びプラ
ンジャ（Ｐ）の摩耗等の弊害を防止することができる。

上記圧電アクチュエータ（＾）は、プランジャ（１’）
の先端に、各種機器を連結して同機器を正確に制御する
ことができる。

第８図は上記の圧電アクチュエータ（Ａ）をダイヤフラ
ム型の流量調整弁（■）の作動制御に適用して、同弁（
ｖ）の開閉及び流量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、弁本体（１）を開弁ずるには、
プランジャ（Ｐ）を上方作動させてパイロット弁座（６
）を開き、閉弁するにはプランジャ（Ｐ）を下方作動さ
せてパイロット弁座（６）を閉じることによって行われ
る。

特に、弁本体（１）の閉弁時には、主弁体（５）は主弁
座（４）に、プランジャ（Ｐ）の先端に連設されたパイ
ロット弁体（９〉はパイロット弁座（６〉に当接した状
態になるため、プランジャ（Ｐ）の下方作動が規制され
ることになり、位置センサ（Ｓｐ）の出力変化がなくな
るので、この位置をプランジャ（Ｐ）の作動原点に設定
し、この状態での位置センサ（Ｓｐ）の検出出力を、プ
ランジャ（Ｐ）の作動原点の位置データとする。

したがって、主弁体（５）の閉弁動作ごとにプランジャ
（Ｐ）の作動原点の１立置データの更新を行うことがで
きる。

また、主弁体（５〉の閉弁状態を作動原点としてプラン
ジャＣＰ）の位置補正が行われるので、主弁体（５）及
びパイロット弁体（９）等のへたりによる閉弁位置及び
開度のずれも自動的に補正されることになる。

上記のように、主弁体（５）の閉弁状態に於けるプラン
ジャ（Ｐ）の位置を作動原点として、プランジャ（Ｐ）
の位置が頻繁にに補正されていることから、プランジャ
（Ｐ）の位置を正確に制御することができ、正確な流量
調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による．ＩＩ電アクチュエータの断面説
明図、第２図〜第５図は圧電アクチュエータの作動順序
を示す説明図、第６図は制御装置の構戊を示すブロック
図、第７図は静電容量を検出する回路溝戊を示すブロッ
ク図、第８図は流ｆｆｉ調整弁の断面説明図。 （Ａ）：圧電アクチュエータ （Ｃ）二制御装置 （Ｐ）：プランジャ （Ｓ）：ストッパー （Ｓｐ）　：位置センサ （ｅ）（ｆ’）：クランプ用の圧電素子（ｇ）二ストロ
ーク用の圧電素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）クランプ用の圧電素子と、ストローク用の圧電素子
   とに、制御装置からのパルス状の電圧を印加してプラン
   ジャを往復作動させるように構成した圧電アクチュエー
   タにおいて、 同アクチュエータに、プランジャの作動範囲を機械的に
   規制するストッパーを設けてプランジャ作動の原点とす
   ると共に、プランジャの位置を検出する位置センサを取
   付けて、同位置センサの出力が変化しなくなるまでプラ
   ンジャをストッパー方向に作動させ、このときの位置セ
   ンサの出力を、プランジャ作動原点の位置データとする
   ことを特徴とする作動原点検出機能を有する圧電アクチ
   ュエータ。