JPS61106074A - 積層形圧電セラミツクを駆動源としたアクチユエ−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】 産業上の利用分野 本発明は、積層形圧電セラミックを駆動源としたアクチ
ュエータに関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点近年、各
種作動装置を駆動するためのアクチュエータとして、応
答性に優れかつ精度が良いことから、従来のモータある
いは油圧、空気圧機器を駆動源としたものに代わって、
電圧を印加することにより厚さの変化する圧電セラミッ
クを多数枚積層した積層形圧電セラミックを駆動源とし
たアクチュエータが注目されその開発が進められており
、その一つに、基体と、その基体に往復動可能に設けら
れた作動体とを備え、基体と作動体の間に積層形圧電セ
ラミックを作動体の往復動方向に対して斜め姿勢で配設
し、積層形圧電セラミックの伸縮によってその変位量よ
りも増幅した変位量で作動体を往復動させるようにした
アクチュエータが提案されたが、積層形圧電セラミック
を斜め姿勢で配設してその両端を基体及び作動体に回転
自由に支持する必要があり、また、積層形圧電セラミッ
クが圧縮荷重を受けた場合に座屈しないように、積層形
圧電セラミックを筒体内に収納してなおかつそれを基体
内に収納する必要があることから、構造が複雑である上
に装置が大型化する不具合があった。

本発明は叙上の点に鑑み完成されたものであって、構造
が筒車で小嵩にまとまった積層形圧電セラミックを駆動
源としたアクチュエータを提供することを目的とするも
のである。

実施例 以下、本発明の第１実施例を第１図乃至第３図に基づい
て説明する。

基体１の内部の両側には、内周面に絶縁体３を嵌着した
細長い収納室２が、夫々上下方向に複数段並列して形成
されており、各収納室２内に、細長い積層形圧電セラミ
ック１０ａが収納されている。

この積層形圧電セラミックＬＯａは、近時、日本電気株
式会社により開発された圧電セラミック結合体を使用し
たものであって、この圧電セラミック結合体１１は、第
２図に示すように、マグネシウム・ニオブ酸鉛とチタン
酸鉛の二成分固溶体セラミック（（１−Ｘ）　Ｐｂ　（
ＭｇｚＮｂ名）ＯＪ　　ＰｂＴｉＯ３）のうちのＸが０
．３５近くのものからなるセラミック板１２と内部電極
板１３とを交互に積層一体化して焼結した素子を所望の
形状、大きさに切断し、全周面に露出した内部電極板１
３を上下両側面において一層おきに絶縁材１４で電気的
に絶縁するとともに、上下両側面に外部電極板１５及び
１６を貼着して、内部電極板１３を一層おきに外部電極
板１５及び１６に電気的に接続した構造になり、正また
は負の電圧を印加することによって各セラミック板１２
が厚さを増大しまたは減少して、圧電セラミック結合体
１１がセラミック板１２の積層方向に伸長しまたは収縮
し、電圧を繰り返し印加しても全く劣化することがなく
、しかも、応答速度が極めて速いという特徴を有してお
り、この電圧セラミック結合体１１を多数個重ね合わせ
、個々の圧電セラミック結合体】１の外部電極板１５及
び１６のうちの同一極性同士の電極板を電線１８で接続
することによって前記した積層形圧電セラミックＬＯａ
が構成されている。

前記した基体１には、両側の収納室２群の夫々において
、第１段目の収納室２と第２段目の収納室２の内側の端
部同士をつなぎ、第２段目の収納室２と第３段目の収納
室２の外側の端部同士をつなぐといったように、一の収
納室２と次段の収納室２の同方向の端部同士をつなぐよ
うにしてＵ字形の通路２０ａが内側と外側に交互に形成
され、各通路２Ｏａ内に、鋼製のローラ２１ａが複数本
互いに連なった状態で緊密に嵌スされており、一の積層
形圧電セラミックｌｏａと次段の積層形圧電セラミック
１０ａの同方向の端部が、一連のローラ２１ａの最下方
のローラ２１ａと最上方のローラ２１ａに絶縁性を有す
る抑圧部材２２を介して当てられ、各積層形圧電セラミ
ックｌｏａがジグザグ状につながって一本ずつの積層形
圧電セラミック■０．１０が構成されており、面積層形
圧電セラミック１０の第１段目の積層形圧電セラミック
１０ａの外側の端部が、基体１の外面に形成したねじ穴
２４に螺合された調節ねじ２５の先端に抑圧部材２２を
介して当てられているとともに、基体ｌの上端部には、
略全幅にわたる細長い装置孔２７が形成されていて、最
終段の収納室２の外側に、この最終段の収納室２の外側
の端部から装置孔２７に達する同じくＵ字形の通路２０
が形成され、最終段の積層形圧電セラミック］、　Ｏａ
の外側の端部が、通路２０内に収納した一連の鋼製のロ
ーラ２１の最下方のローラ２１に押圧部材２２を介して
当てられている。

基体１の上面中央のボス部２９に形成した摺動孔３０に
は、下端に支持部３２を形成した作動体３１が上下方向
の摺動自由に嵌装され、基体１と支持部３２の間に装着
した圧縮コイルばね３３の弾拡力により下方への移動力
が付勢されており。

装置孔２７内の作動体３１の両側には、両端にローラ３
６．３７を形成した一対の細長い鋼板製の抑圧板３５．
３５が、夫々の内側の端部を外側の端部よりも僅かに上
方に傾けた斜め姿勢で対称形に配置され、夫々の内側の
ローラ３６が、作動体３１の支持部３２に形成された円
形孔３８内に軸線周りの回転のみを自由に嵌合され、外
側のローラ３７が、最上方の通路２０内に嵌入されて一
連のローラ２１の最上方のローラ２１に当てられている
。

次に本実施例のアクチュエータの作用について説明する
。

両側の積層形圧電セラミック１０のすべての積層形圧電
セラミック１０ａに正の電圧を印加すると、各積層形圧
電セラミック１０ａが一定の変位量で伸長し、第１段目
の積層形圧電セラミック１０ａが伸長して最下方の通路
２Ｏａ内の最下方のローラ２１ａを押すことにより、そ
の一連のローラ２　］、　ａが通路２０ａに沿って移動
してその最上方のローラ２１ａが第２段目の積層形圧電
セラミックＩＯａを押圧し、第２段目の積層形圧電セラ
ミックｌｏａを第１段目の積層形圧電セラミック１０ａ
の変位量分だけ外側に移動させるとともに、第２段目の
積層形圧電セラミック１０ａ自身が同じ変位量だけ伸長
して下から２番目の通路２Ｏａ内の最下方のローラ２１
ａが２倍の変位量でもって押され、その変位量がそのま
ま第３番目の積層形圧電セラミックｌｏａに伝達され、
これが最終段である６番目の積層形圧電セラミック１０
ａまで繰り返されて、最上方の通路２０内の最下方のロ
ーラ２１が各積層形圧電セラミックｌＯａの変位量の６
倍の変位量で押されて、一連のローラ２１が通路２０に
沿って移動して、最上方のローラ２１が同しく６倍の変
位量で押し出され、これによって両押圧板３５の外側の
端部のローラ３７に略水平方向の押圧力が加えられ、両
押圧板３５の内側の端部は水平方向の移動が規制されて
いることから、両押圧板３５はその内側の端部のローラ
３６を上方に逃がすようにして第１図の鎖線で示すよう
に傾斜角度を大きくし、作動体３１が圧縮コイルばね３
３の弾拡力に抗して上方に前進する。

ここで１両抑圧板３５の外側のローラ３７に伝達される
変位量は、各積層形圧電セラミック１０ａの変位量の６
倍になるとはいっても未だ小さいものであるが、両押圧
板３５が作動体３１の移動方向に対して斜め姿勢を取っ
ており、かつ、両押圧Ｆｊ、３５の内側の端部の水平方
向の移動が規制されていることから、作動体３１は抑圧
板３５のローラ３７の変位量よりも増幅された変位量で
移動するのであり、これを第３図に基づいて説明するに
、抑圧板３５が抑圧される前に角度θだけ傾いてＸ１７
１間にあり、抑圧板３５が押されてＸｚＹｚ間に位置す
るとし、抑圧板３５の外側の端部の変位量をΔＸ、抑圧
板３５の内側の端部の変位量を△ｙ、また、変位量△Ｘ
と抑圧板３５の長さの比をＥとして、△Ｘと△ｙの比を
求めると、 △ｘ　　　　　　　　　Ｅ の関係式が得られ、ここでＥ＝４　Ｘ　１’Ｏ−３，０
＝３°とした場合に、△ｙ／Δｘ＝１８．５となり、内
側の端部の変位量Δｙは外側の端部の変位量ΔＸの１８
．５倍となる。

従って、作動体３１は、各積層形圧電セラミックＩＯａ
の総和の変位量よりもさらに増幅された変位量で前進す
る。

次に、すへての積層形圧電セラミック１０ａに負の電圧
を印加することにより各積層形圧電セラミック１０ａが
収縮すると、圧縮コイルばね３３の復元力により押圧板
３５の外側のローラ３７が一連のローラ２１を押し、収
縮した各積層形圧電セラミック１０ａと各一連のローラ
２１ａの間の隙間を詰めつつ、抑圧板３５が実線位置に
復帰し、これに伴って作動体２１が実線位置に後退する
。

従って、各積層形圧電セラミック１０ａに高周波の交流
電圧を印加することによって、作動体３１を高速度で往
復駆動することができる。

また、調節ねじ２５のねじ込み量を変えることにより抑
圧板３５の傾斜角度を変えることができ。

これによって積層形圧電セラミック１０の変位量の増幅
度が変えられ１作動体３１の変位量を調節することが可
能である。

なお、作動体３１で駆動する作動装置に復帰用のばねが
装着されていれば、上記実施例における圧縮コイルばね
３３は省いても良い。

また、上記実施例では、積層形圧電セラミック１０の変
位量を抑圧板３５に伝達し、また、各積層形圧電セラミ
ック１０ａの変位量を次段の積層形圧電セラミックｌｏ
ａに伝達する介挿体とじて鋼製のローラ２１及び２１ａ
を複数個連ねたものを用いたが、鋼製のボールを複数個
連ねたもの、あるいは、液体等の軸線方向の伸縮が不能
で可撓性を有する他の介挿体であっても良い。

また、上記実施例では、両押圧板３５を水平面と略平行
に装置したのであるが、押圧板３５を水平面に対して直
角姿勢をなすように起こして使用することも可能であっ
て、この場合には、作動体３Ｉを水平面に沿って往復運
動させることができる。

第４図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の他の実施例を示し、
第４図（ａ）に示す第２実施例のアクチュエータは、積
層形圧電セラミック１０を、１本の積層形圧電セラミッ
ク１０ｂの両端に、この積層形圧電セラミックｔａｂよ
りも短尺の積層形圧電セラミック１０ｃを複数段並列し
てローラ２１ａを介して一連につないだものをさらにつ
ないだ形状としたものであり、また、第４図（ｂ）に示
すアクチュエータは、作動体３１の片側のみに、各積層
形圧電セラミックｌＯａを一連につないでなる積層形圧
電セラミックＩＯと、弾性板３５とを配したものであり
、これら第２及び第３実施例は、前記第１実施例と同様
に、積層形圧電セラミック１０の全長を長くしてその変
位量を大きく取ることができる６ 第４図（ｃ）乃至（ｅ）は、積層形圧電セラミック】０
の変位量を大きく取る必要がない場合に好適な実施例で
あって、第４図（Ｃ）に示す第４実施例のアクチュエー
タは、前記第１実施例の基本形をなし、作動体３１の両
側に１本ずつの積層形圧電セラミックｌＯを配し、夫々
の内側の端部を固定するとともに、外側の端部をローラ
２１を介して夫々の抑圧板３５の外側の端部に当てたも
のであり、また、第４図（ｄ）に示す第５実施例のアク
チュエータは、前記第４図（ａ）の第２実施例の基本形
をなし、１本の長尺の積層形圧電セラミック１０の両端
部を、ローラ２１を介して両押圧板３５の外側の端部に
当てたものであり、さらに、第４図（ｅ）に示す第６実
施例のアクチュエータは、前記第４図（ｂ）の第３実施
例の基本形をなし１作動体３１の片側のみに積層形圧電
セラミック１０と抑圧板３５とを配して、積層形圧電セ
ラミック１０の一端を固定し、他端を弾性板３５の同方
向の端部にローラ２１を介して当てたものである。

次に、第５図によって本実施例のアクチュエータＡをエ
アレススプレィガンに適用した例を説明する。

ガン本体４１の内部には、ガン本体４１に固定したシリ
ンダ４３内にピストン４４を摺動自由に嵌装した塗料ポ
ンプ４２が装置され、圧縮コイルばね４５の弾拡力によ
りピストン４４に後方への移動力が付勢されており、塗
料ポンプ４２の上方の軸４６によって揺動自由に支持さ
れたレバー４７の下端がピストン４４の後端に対応して
おり。

ガン本体１の後部に螺着されたピストン４４のストロー
ク調節用の調節ねじ４８の前方にストッパ４９が配置さ
れ、前記圧縮コイルばね４５よりもばね力の大きい圧縮
コイルばね５０の弾拡力によりレバー４７の下端に押し
付けられているとともに、レバー４７の前方には、前記
したアクチュエータＡが、その作動体３１をレバー４７
の前側の側辺に対応させてガン本体１に固定されていて
、アクチュエータＡの作動体３１が進出すると、レバー
４７が圧縮コイルばね５０の弾拡力に抗して実線位置に
揺動することによってピストン４４が圧縮コイルばね４
５の弾拡力で実線位置に後退し。

塗料をサンクション孔５１から塗料ポンプ４２内に吸い
込み、アクチュエータＡの作動体３１が退避すると、圧
縮コイルばね５０の復元弾力でレバー４７が鎖線位置に
揺動することによってピストン４４が圧縮コイルばね４
５を弾縮しつつ鎖線位置に前進し、塗料ポンプ４２内の
塗料を圧縮してその塗料が逆止弁５２を押し開いて吐出
口５３から塗料通路５４内に圧送され、ノズル５５から
高速度で噴射されて被塗装物に吹き付けられる。

なお、上記したエアレススプレィガンは、塗料ポンプ４
２を１個装置しただけであるため、塗料圧力に脈動が生
ずるが、塗料ポンプ４２を２個並設するとともに、夫々
のピストン４４を駆動するだめのアクチュエータＡを各
別に設け１両アクチュエータＡを互いに位相をずらして
駆動することにより、２個の塗料ポンプ４２から交互に
塗料を噴出するようにすれば、常に、高圧力の塗料を噴
出することが可能となる。

発明の構成及び効果 上記実施例によって具体的に説明したように、本発明の
積属形圧電セラミックを駆動源としたアクチュエータは
、基体に、電圧の印加により厚さの変化する圧電セラミ
ックを多数枚積層した積層形圧電セラミックと、該積層
形圧電セラミックの長さ方向と略直角方向に往復動可能
な作動体とを装置し、該作動体の一側または両側に、該
作動体の往復動方向に対して斜め姿勢をなす細長い押圧
体を前記積層形圧電セラミックと並列に配置してその一
端を前記作動体に係合し、前記積層形圧電セラミックの
一側または両側において前記基体に設けた略Ｕ字形の通
路内に装置した軸線方向の伸縮不能で可撓性を有する介
挿体の一端を前記押圧体の他端に係合するとともに、前
記積層形圧電セラミックの一端を前記介挿体の他端に当
接して他端を前記基体に設けた突当部に当接し、または
。

前記積層形圧電セラミックの一端と他端を対応する前記
介挿体の他端に当接し、前記積層形圧電セラミックの伸
縮により前記作動体を往復動させる構成としたことを要
旨とするものであって、作動体を積層形圧電セラミック
の長さ方向と直角方向に積層形圧電セラミックの変位量
を増幅した変位量で往復駆動させることができ、先に提
案されたアクチュエータのように、積層形圧電セラミッ
クを作動体の往復動方向に対して斜めに傾ける必要がな
く、また、積層形圧電セラミックを筒体内に収納する必
要がないため、構造が簡単になりかつ小嵩にまとめるこ
とができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の断面図、第２図は積層形
圧電セラミックの部分拡大断面図、第３図は作動体の変
位増幅の説明図、第４図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第
２乃至第６実施例の断面図。 第５図は本発明のアクチュエータを適用したエアレスス
プレィガンの断面図である。 Ａ：アクチュエータ　１：基体　１０．１０ａ、ＬＯｂ
、１０ｃ：積層形圧電セラミック　１２：セラミック板
　２０．２０ａ：通路　２１．２１ａ：通路　２５：調
節ねじ　３１：作動体３５：押圧板　３８：円形孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基体に、電圧の印加により厚さの変化する圧電セラ
   ミックを多数枚積層した積層形圧電セラミックと、該積
   層形圧電セラミックの長さ方向と略直角方向に往復動可
   能な作動体とを装置し、該作動体の一側または両側に、
   該作動体の往復動方向に対して斜め姿勢をなす細長い押
   圧体を前記積層形圧電セラミックと並列に配置してその
   一端を前記作動体に係合し、前記積層形圧電セラミック
   の一側または両側において前記基体に設けた略Ｕ字形の
   通路内に装置した軸線方向の伸縮不能で可撓性を有する
   介挿体の一端を前記押圧体の他端に係合するとともに、
   前記積層形圧電セラミックの一端を前記介挿体の他端に
   当接して他端を前記基体に設けた突当部に当接し、また
   は、前記積層形圧電セラミックの一端と他端を対応する
   前記介挿体の他端に当接し、前記積層形圧電セラミック
   の伸縮により前記作動体を往復動させる構成としたこと
   を特徴とする積層形圧電セラミックを駆動源としたアク
   チュエータ ２　前記積層形圧電セラミックが、積層形圧電セラミッ
   ク構成体を複数段並列して装置し、一の前記積層形圧電
   セラミック構成体と次段の前記積層形圧電セラミック構
   成体の同方向の端部を、前記基端に設けた略Ｕ字形の通
   路内に装置した軸線方向の伸縮不能で可撓性を有する介
   挿体の一端と他端に当接し、前記各積層形圧電セラミッ
   ク構成体を一連につないだものであることをを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の積層形圧電セラミックを
   駆動源としたアクチュエータ