JPH034080A - 位置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、位置検出機能を有す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、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付け、各圧電素子にパルス上の
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
ランジャを大きく移動させるようにした圧電アクチュエ
ータがある。

そして、同圧電アクチュエータの作動制御は、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に鑑み、オープンループ
制御で行っている。

しかし、圧電アクチュエータの作動において、駆動電圧
の誤差、プランジャと圧電素子間のスリップ等により、
プランジャの位置に誤差が生じ、更に、この誤差が累積
して大きな集積誤差を生じ、ひいてはプランジャの進退
動作を正確に行うことができないという問題を生じてい
た。

そこで、この課題を解決する手段として、プランジャの
ストロークエンド位置にリミットスイッチまたはフォト
センサ等を配設して、これらのリミットスイッチやセン
サが、プランジャを検出したときに、プランジャの位置
データを更新するようにしたもの、または、プランジャ
にエンコーダを連結してプランジャ位置を検出し、プラ
ンジャの位置データを更新することが考えられる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかし、上記のリミットスイッチまたはフォトセンサに
よる位置検出手段では、プランジャがストロークエンド
にきたときしかプランジャ位置データ更新をすることが
出来ず、プランジャが中間位置で進退作動を繰り返して
いると、次第に誤差が累積していくと言う欠点がある。

特に、リミットスイッチを用いたものでは、同スイッチ
にヒステリシスがある為、進退動作において、プランジ
ャが検出される位置が異なるという欠点があった。

また、プランジャにエンコーダを連結する手段も、エン
コーダは一般に高価であり、パルスカウンタ型のものは
、頻繁に位置の較正をしなければ誤差が累積するという
欠点があり、アブソリュート型のものは、位１の較正は
必要ないものの非常に高価であるという難点がある。

また、リミットスイッチやエンコーダは相当の大きさの
取付空間を別途必要とし、圧電アクチュエータの構造を
大型化することになっていた。

本発明は、上記課題を解決することができる圧電アクチ
ュエータを提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段 この発明は、プランジャを直線的に駆動すべく構成した
リニア駆動式の圧電アクチュエータにおいて、プランジ
ャの両端部にそれぞれ移動電極を取付けるとともに、同
圧電アクチュエータの固定側に再移動電極とそれぞれ対
峙する状態に固定電極を取付け、プランジャの両端部に
コンデンサを形成し、プランジャの進退作動に伴う両コ
ンデンサの静電容量の変化を検出し、て、同検出値の差
分に基づいてプランジャの位置を演算すべく構成したこ
とを特徴とする位置検出機能を有する圧電アクチュエー
タに係るものである。

（ホ）作用・効果 ■本発明では、プランジャが進退作動すると、両電極間
の静電容量が変化するので、この容量変化からプランジ
ャの位置を検出することにしている。従って、プランジ
ャがいかなる位置にあっても、常にその位置を検出する
ことができ、従来プランジャがストロークエンドに来た
時しかプランジャの位置検出ができないという課題を解
決することができる。

■特に、プランジャの両端部にコンデンサを形成し、プ
ランジャの進退作動に伴う両コンデンサの静電容量の変
化を検出して、同検出値の差分に基づいてプランジャの
位置を演算すべく構成したので、プランジャの移動に対
する静電容量変化を大きくすることができ、微妙な位置
検出が可能となる。

■また、高価なエンコーダを要しないことから、安価に
プランジャの位置検出ができるという利点もある。

（へ）実施例 本発明の第１実施例を第１図〜第７図を参照し具体的に
説明する。

第１図において、Ａはリニア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
沿って進退自在に被駆動体としてのプランジャ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、ｌはその基端を支持材りに、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ｔ、　　Ｊの先端には、その外
周面にクランプ用圧電素子ｅ１　「を取りつけるととも
に、その内周面にクランプ部材に、ｌを固着している。

そして、この圧電素子ｅ、ｆ、ｇのうち、クランプ用圧
電素子ｅ、ｆ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ｇは、電圧印加状態ではプ
ランジャＰ上を軸線方向に伸長し、非電圧印加状態では
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のクランプを解除する。

次に、第３図に示すように、圧電素子ｇの電圧を解除し
て収縮せしめると、圧電素子ｒ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に電圧を印加すると、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オーダ或いはサブオーディネイシッンＩＩｍ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、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
せることができることになる。

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、同制御装置Ｃは、マイクロ
プロセッサ）ＩＰＵ　、人出力インターフェース１．０
、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Ｉには、プログラムを作
動させるためのスイッチＳ−が接続し、出力インターフ
ェースＯには、駆動回路り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が接続している。

そして、スイッチＳ−からプランジャＰへの制御指令信
号が制御装置Ｃに入力すると、駆動プログラムに従って
パルス状の駆動電圧が出力され、前記のようにプログラ
ムを作動させることができる。

本発明は、かかるプランジャＰのｉ！退移動の制御を正
確かつ確実に行うためのプランジャ位置センサ構造を、
その要旨とするものであり、以下、同構造を具体的に説
明する。

即ち、第１図及び第７図に示すように、圧電アクチュエ
ータＡは、その前壁ａと後壁すにそれぞれ円板状の固定
電極ＰＳ＋、９１を取付けとともに、同固定電極１）３
１，９３１と対峙するプランジャＰの前後端に、それぞ
れ、円環状及び円板状の移動電極ｐ■ｌ＋ｐＨ！を取付
けている。

そして、固定電極１）！＋　と移動電極ｐＨ＋　との間
及び固定量Ｉ！ｊｒｐｓ□と移動電極ｐ１１！との間に
は、それぞれ絶縁ギャップＧ、、　Ｇｔが形成され、プ
ランジャＰの両端にコンデンサＱ１．　Ｑ意を構成して
いる。

かかる構成において、プランジャＰの軸線方向の移動に
よって、移動電極ｆ１ｍ＋、Ｐｌの固定電極９ＳＩ、ｐ
ｓ！に対する絶縁ギャップＧｌ、　Ｇｔの長さがそれぞ
れ変化し、この長さの変化によって、コンデンサＱ＋、
　Ｑｔの静電容量も変化することになる。

しかして、コンデンサＱｌ、　ＱヨはプランジャＰの両
端に形成されているので、絶縁ギャップＧ１の長さが大
きくなるにつれて、絶縁ギャップＧ、の長さは小さくな
り、コンデンサＱ、、　Ｑ、の静電容量を作、動的に変
化することになる。

次に、第７図を参照して、上記したコンデンサＱ＋、　
Ｑｔの静電容量の変化を検出し、制御装置Ｃに検出出力
を送るための構成について説明する。

すなわち、第７図で示すように、移動電極ρ−１と固定
電極ｐｓ、とから構成されるコンデンサＱ１及び移動電
極１ｕｌｌ！と固定電極ｐＳｇとから構成されるコンデ
ンサ０８が有する静電容量を発振定数の一つとして発振
回路Ｃｌ−１，Ｃｌ−２を構成している。

そして、それぞれの発振回路Ｃ１〜１．　Ｃｌ−２から
は、上記した両コンデンサＱ、、　Ｑ、の静電容量に対
応した周波数ｆ、、　ｆ、が発振され、かかる発振周波
数ｒ１゜ｆ８はミキサーＣ３で混合され、その後、ロー
パスフィルタＬＦを通して生成した出力周波数１ｒ＋−
ｒｇｌをＦＶ変換回路Ｃ２で電圧に変換し、制御装置Ｃ
に入力するようにしている。

次に、上記構成を有するプランジャ位置センサによるプ
ランジャＰの位１決め制御について説明する。

まず、圧電素子ｅ、ｒ、ｇへの電圧印加によって、プラ
ンジャＰがいずれかの軸線方向に移動すると、移動１１
　ｆｉｉ　ｐ　＊　＋　と固定電極ｐ４＋間の絶縁ギャ
ップＧ、及び移動電極ｐｍヨと固定電極Ｐａｔ間の絶縁
ギヤ・ノブＧ、、即ち、コンデンサＱ＋、　Ｑｚの静電
容量が変化する。

そして、この変化するコンデンサＱｌ、Ｑ寞の静電容量
は、上述した発振回路Ｃｌ−１，Ｃｌ−２でそれぞれの
静電容量に比例した出力周波数ｆ、、　ｆ、を出力した
後、同出力周波数ｆ、、　ｆ、を、ミキサーＣ３，ロー
パスフィルタＬＰ及びＦＶ変換回路Ｃ２を介して、出力
周波数１　ｒ＋−ｒｘ　ｌからプランジャＰの位置を算
出するルーチンを記憶してなる制御ｎ装置Ｃに入力され
ることになる。

上記のようにして制御装置Ｃに入力した移動電極ｐ鋤と
固定電極ｐｓとの間の静電容量データないし出力周波数
データを、前記のルーチンにより処理して、プランジャ
ｐの位置を算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ｐの位置を用いて、
クローズトループによるプランジャＰの位置制御を行う
ことができる。

しかして、本実施例では、プランジャＰの位置検出を両
コンデンサＱ、、　Ｑｌの静電容量の差分に比例する出
力周波数１ｆ＋−ｆｔｌに基づいて行うようにしている
。

従って、第８図に示すように、プランジャＰの位置変化
に対する出力周波数１ｒ＋−ｆ！ｌの変化率（勾配）を
、単にいずれか一方のコンデンサＱ１又はＱ８の静電容
量変化に基づく周波数ｆ、または周波数ｆ８の変化率（
勾配）の場合と比較して著しく大きくすることができる
。

そのため、プランジャＰの微妙な位置変化の検出が可能
となり、圧電アクチュエータＡのプランジャＰの位置制
御性を向上することができる。

上記のように、プランジャＰの位置検出ができる圧電ア
クチュエータＡは、プランジャＰ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。

さらに、本実施例における圧電アクチュエータＡは、プ
ランジャＰの位置検出に高価なエンコーダを要しないこ
とから安価に上記制御を実現することができるという効
果を有する。

第９図は上記の圧電アクチュエータＡをダイヤフラム弁
Ｖの作動制御に適用して、向弁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、ｌは弁本体、２は流出路、３は流入路、４は主便
座、５は主弁体、６はパイロット弁座、７はグイイヤフ
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、バイロフト弁体９の
位置が正確に制御ｎ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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置検出機能を有する圧電アクチ
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
成を示すブロック図、第７図は静電容量を検出する回路
構成を示すブロック図、第８図はプランジャの位置と出
力周波数との関係をしめずダイヤグラム、第９図は上記
した圧電アクチュエータを具備する流を調整弁の断面説
明図である。 図中、 Ａ：圧電アクチュエータ Ｐニブランジャ ｎｒｒｐ−ｔ：移動電極 ｐｓ＋、ｌ）３雪：固定電極 Ｑ、、　Ｑｌ：　コンデンサ 第 ■ 図 第 ７ 図 第 図 出力周波数 ｆ。 原点 ７°ランシイＩｉｔＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．プランジャ（Ｐ）を直線的に駆動すべく構成したリ
   ニア駆動式の圧電アクチュエータにおいて、 プランジャ（Ｐ）の両端部にそれぞれ移動電極（ｐｍ＿
   １）（ｐｍ＿２）を取付けるとともに、同圧電アクチュ
   エータの固定側に両移動電極（ｐｍ＿１）（ｐｍ＿２）
   とそれぞれ対峙する状態に固定電極（ｐｓ＿１）（ｐｓ
   ＿２）を取付け、プランジャ（Ｐ）の両端部にコンデン
   サ（Ｑ＿１）（Ｑ＿２）を形成し、プランジャ（Ｐ）の
   進退作動に伴う両コンデンサ（Ｑ＿１）（Ｑ＿２）の静
   電容量の変化を検出して、同検出値の差分に基づいてプ
   ランジャ（Ｐ）の位置を演算すべく構成したことを特徴
   とする位置検出機能を有する圧電アクチュエータ。