(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動部にアクチュエータ素子を備えたアクチュエータ装置において、前記アクチュエータ素子に対する電圧印加時に電圧増加に伴って該アクチュエータ素子の変位量を減少させる変位反転機構を備え、
前記変位反転機構は、前記アクチュエータ素子の一端に当接して配置される第１のホルダと、前記アクチュエータ素子の他端に当接して配置される内側部と該内側部外方に位置される外側部とを有すると共に、該内側部及び該外側部間に切り欠き部が設けられた第２のホルダと、前記第１のホルダ及び前記第２のホルダの前記内側部を結合したバネ材と、一端が前記第１のホルダの側壁に当接固定されると共に、他端が前記第２のホルダの前記切り欠き部を貫通した状態で前記アクチュエータ素子，前記バネ材，該第１のホルダ，及び該第２のホルダの前記内側部を収納する伝達材とを備え、更に、前記第１のホルダの一端面で前記伝達材を通して変位を反転して伝え、且つ該一端面からの反転された変位が該一端面に対向して配置される前記第２のホルダの別の一端面に伝えられる構成であることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータ装置において、前記伝達材の前記他端には、前記第２のホルダの前記別の一端面の反対側の他面側に前記反転された変位を取り出すための変位取り出し部が設けられたことを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項３】
請求項１〜２の何れか一つに記載のアクチュエータ装置において、前記アクチュエータ素子は積層型圧電アクチュエータ素子であることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項４】
請求項１〜２の何れか一つに記載のアクチュエータ装置において、前記アクチュエータ素子は磁歪素子であることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一つに記載のアクチュエータ装置を流量制御弁の駆動部として備えたことを特徴とする流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として印加電圧の増加に伴って変位量が減少する変位反転機構を備えたアクチュエータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のアクチュエータ装置としては、例えば図８の側面断面図及び図９の底面図に示されるような駆動部に積層型圧電アクチュエータ素子１を用いたものが挙げられる。このアクチュエータ装置は、圧電体及び内部電極を交互に積層した積層体の側面に外部電極を設けて成る積層型圧電アクチュエータ素子１の両端面にホルダ３，４を接続し、これらのホルダ３，４間をバネ材２で結合した上、積層型圧電アクチュエータ素子１の外部電極を一方のホルダ３を通して電圧印加端子５で接続した構造となっている。このアクチュエータ装置では、電圧印加端子５に電圧を印加すると、装置自体が積層型圧電アクチュエータ素子１の積層方向に変位し、変位量がほぼ印加電圧に比例して増加する。
【０００３】
図１０は、このようなアクチュエータ装置を用いた流量制御装置９１の要部構成を示した側面断面図である。又、図１１は、図１０の円領域近傍を拡大して示したものである。
【０００４】
この流量制御装置９１では、アクチュエータ装置が流量制御弁９２の駆動部として使用されている。この流量制御装置９１において、電源供給時には積層型圧電アクチュエータ素子１に所定の電圧が印加され、積層型圧電アクチュエータ素子１が一定量に変位して流量制御弁９２を押し下げ、ホルダ４及び流量制御弁９２が下降して流路９３を閉成状態として流路９３中をガス等が流れるのを防止するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した既存のアクチュエータ装置の場合、アクチュエータ素子の変位量がほぼ印加電圧に比例して増加するものであるため、例えば流量制御装置に使用した場合に装置の電源が停電等で遮断されると、積層型圧電アクチュエータ素子の変位が減少し、これに伴って流量制御弁を押し下げていたホルダ及び流量制御弁が上昇して流路が開放状態になるため、流路中にガス等が大量に流れ続けるという基本性能上の欠陥を生じる要因となっている。
【０００６】
そこで、こうした場合の対策として、流量制御装置をノーマリークローズ構造とし、電源遮断時等の非常時用に別途に外部機構を設けてアクチュエータ装置の変位を反転させることも考えられているが、こうした手法によっては流量制御装置自体が大きくなり過ぎてしまうという欠点がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、電圧印加時に電圧増加に伴ってアクチュエータ素子の変位量が減少する機能を有すると共に、流量制御装置への適用が有効なアクチュエータ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、駆動部にアクチュエータ素子を備えたアクチュエータ装置において、前記アクチュエータ素子に対する電圧印加時に電圧増加に伴って該アクチュエータ素子の変位量を減少させる変位反転機構を備え、前記変位反転機構は、前記アクチュエータ素子の一端に当接して配置される第１のホルダと、前記アクチュエータ素子の他端に当接して配置される内側部と該内側部外方に位置される外側部とを有すると共に、該内側部及び該外側部間に切り欠き部が設けられた第２のホルダと、前記第１のホルダ及び前記第２のホルダの前記内側部を結合したバネ材と、一端が前記第１のホルダの側壁に当接固定されると共に、他端が前記第２のホルダの前記切り欠き部を貫通した状態で前記アクチュエータ素子，前記バネ材，該第１のホルダ，及び該第２のホルダの前記内側部を収納する伝達材とを備え、更に、前記第１のホルダの一端面で前記伝達材を通して変位を反転して伝え、且つ該一端面からの反転された変位が該一端面に対向して配置される前記第２のホルダの別の一端面に伝えられる構成であることを特徴とするアクチュエータ装置が得られる。
【００１０】
このアクチュエータ装置において、伝達材の他端には、第２のホルダの別の一端面の反対側の他面側に反転された変位を取り出すための変位取り出し部が設けられたことは好ましい。
【００１１】
加えて、本発明によれば、上記何れか一つに記載のアクチュエータ装置において、アクチュエータ素子は積層型圧電アクチュエータ素子であるアクチュエータ装置や、或いはアクチュエータ素子は磁歪素子であるアクチュエータ装置が得られる。
【００１２】
一方、本発明によれば、上記何れか一つに記載のアクチュエータ装置を流量制御弁の駆動部として備えた流量制御装置が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明のアクチュエータ装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係るアクチュエータ装置の基本構成（構造）を示した側面断面図である。又、図２は図１に示すアクチュエータ装置の底面図である。このアクチュエータ装置は、駆動部に積層型圧電アクチュエータ素子１１を備え、この積層型圧電アクチュエータ素子１１に対する電圧印加時に電圧増加に伴って積層型圧電アクチュエータ素子１１の変位量を減少させる変位反転機構を備えている。
【００１５】
ここでの変位反転機構は、積層型圧電アクチュエータ素子１１に形成した貫通穴内に隙間を有して配備される伝達棒１６と、一端面で伝達棒１６を通して変位を反転して伝える第１のホルダ１３と、このホルダ１３の一端面からの反転された変位がその一端面に対向して配置される別の一端面に伝えられる第２のホルダ１４と、第１のホルダ１３及び第２のホルダ１４を結合したバネ材１２とを備えて成っている。このうち、伝達棒１６は、一端が第１のホルダ１３に一体的に固定されると共に、他端が第２のホルダ１４を貫通している。このため、第２のホルダには、伝達棒１６の他端に当接して反転された変位を取り出すための変位取り出し部１７が設けられている。
【００１６】
その他の構成部分は図８で説明した従来装置と同様であり、積層型圧電アクチュエータ素子１１の外部電極を一方のホルダ１３を通して電圧印加端子１５で接続した構造となっている。
【００１７】
このようなアクチュエータ装置を作製する場合、先ず例えば寸法が縦５ｍｍ×横５ｍｍ×長さ６０ｍｍの積層型圧電アクチュエータ素子１１の中央部に口径３ｍｍの貫通穴を設け、ホルダ１３に固定して一体化した外径２ｍｍの伝達棒１６（材質は鉄やステンレス・セラミック等）を貫通穴に通して積層型圧電アクチュエータ素子１１の端面を当接させる。
【００１８】
次に、中心部に貫通穴が設けられると共に、この貫通穴を覆うように変位取り出し部１７が設けられたホルダ１４の貫通穴に伝達棒１６の端部を通して変位取り出し部１７と伝達棒１６の端部とを嵌合させ、積層型圧電アクチュエータ素子１１のもう一方の端面を当接させる。
【００１９】
更に、ホルダ１３，１４を内径１１ｍｍの円筒状のバネ材１２（例えば厚さ０．１５ｍｍ，内径１１ｍｍのステンレスパイプに５ｍｍ間隔に絞りを入れて３００ｋｇ／ｍｍのバネ定数を持たせたものとする）を用いて、積層型圧電アクチュエータ素子１１に約８０ｋｇ・ｆの荷重が加わるように結合する。結合の方法としてはホルダ１３及びバネ材１２間はろう付けし、ホルダ１４及びバネ材１２は抵抗溶接する場合を例示できる。
【００２０】
このようにして作製されるアクチュエータ装置では、ホルダ１４を固定して電圧印加端子１５に電圧を印加すると、積層型圧電アクチュエータ素子１１の全長が伸びてホルダ１３を押し上げ、これに伴ってホルダ１３に固定した伝達棒１６が引き上げられることにより変位取り出し部１７が変位する。このとき、電圧増加に従ってホルダ１４の底面に対して変位取り出し部１７の変位量は減少することになる。この結果、積層型圧電アクチュエータ素子１１に対する電圧印加時に電圧増加に伴って積層型圧電アクチュエータ素子１１の変位量を減少させる機能が得られる。
【００２１】
図３はこのアクチュエータ装置を用いた流量制御装置５１の要部構成を示した側面断面図であり、図４は図３中の円領域近傍を拡大して示したものである。又、図５はこの流量制御装置５１の動作を説明するために示した局部の側面断面図並びに要部回路（マスフローコントローラ）の機能ブロック図である。
【００２２】
このマスフローコントローラは、比較回路６において入力される設定信号と流量検出回路７で検出された流量検出信号とを比較した結果に基づいて電圧制御信号を出力することにより、アクチュエータ駆動電源８からアクチュエータ装置に対する印加電圧を変化させてアクチュエータ装置を伸縮させる。流量制御装置５１は図１０及び図１１で説明したような既存の構成のものであり、一実施例のアクチュエータ装置を流量制御弁５２の駆動部として使用した場合、アクチュエータ装置の伸縮に伴って流量制御弁５２が押し上げられたり、或いは押し下げられることによって流路５３における流量が制御される。
【００２３】
即ち、この流量制御装置５１の場合、停電等で電圧印加端子１５への印加電圧が０Ｖになると、アクチュエータ装置における積層型圧電アクチュエータ素子１１の変位量が減少して変位取り出し部１７がバネ材１２のバネ力で流量制御弁５２を押し下げて流路５３を遮断するため、流路５３内にガス等が大量に流れるのを防止できる。従って、一実施例のアクチュエータ装置は流量制御装置５１への適用が極めて有効なものとなる。
【００２４】
図６は、本発明の他の実施例に係るアクチュエータ装置の基本構成（構造）を示した側面断面図である。又、図７は、図６に示すアクチュエータ装置の底面図である。このアクチュエータ装置の場合も、一実施例のものと同様に駆動部に積層型圧電アクチュエータ素子３１を備え、この積層型圧電アクチュエータ素子３１に対する電圧印加時に電圧増加に伴って積層型圧電アクチュエータ素子３１の変位量を減少させる変位反転機構を備えているが、変位反転機構の構成が一実施例のものとは異なっている。
【００２５】
即ち、ここでの変位反転機構は、積層型圧電アクチュエータ素子３１の一端に当接して配置される第１のホルダ３３と、積層型圧電アクチュエータ素子３１の他端に当接して配置される内側部とその内側部外方に位置される外側部とを有すると共に、内側部及び外側部間に切り欠き部が設けられた第２のホルダ３４と、第１のホルダ３３及び第２のホルダ３４の内側部を結合したバネ材３２と、一端が第１のホルダ３３の側壁に当接固定されると共に、他端が第２のホルダ３４の切り欠き部を貫通した状態で積層型圧電アクチュエータ素子３１，バネ材３２，第１のホルダ３３，及び第２のホルダ３４の内側部を収納する伝達材３６とを備えている。ここでは、第１のホルダ３３の一端面で伝達材３６を通して変位を反転して伝え、且つその一端面からの反転された変位が一端面に対向して配置される第２のホルダ３４の別の一端面に伝えられる構成となるため、伝達材３６の他端には第２のホルダ３４の別の一端面の反対側の他面側に反転された変位を取り出すための変位取り出し部３７が設けられている。
【００２６】
その他の構成部分は図８で説明した従来装置と同様であり、積層型圧電アクチュエータ素子３１の外部電極を一方のホルダ３３を通して電圧印加端子３５で接続した構造となっている。
【００２７】
このようなアクチュエータ装置を作製する場合、先ず例えば寸法が縦５ｍｍ×横５ｍｍ×長さ６０ｍｍの積層型圧電アクチュエータ素子３１の一端をホルダ３３に当接させ、且つ他端をホルダ３４の切り欠き部に貫通させ、ホルダ３３及びホルダ３４の内側部を内径１１ｍｍの円筒状のバネ材３２（例えば厚さ０．１５ｍｍ，内径１１ｍｍのステンレスパイプに５ｍｍ間隔に絞りを入れて３００ｋｇ／ｍｍのバネ定数を持たせたものとする）を用いて、積層型圧電アクチュエータ素子３１に約８０ｋｇ・ｆの荷重が加わるように結合する。結合の方法としてはホルダ３３及びバネ材３２間はろう付けし、ホルダ３４及びバネ材３２は抵抗溶接する場合を例示できる。
【００２８】
次に、ホルダ３３に厚さ０．１５ｍｍ，内径１８ｍｍのステンレスパイプによる伝達材３６の一端を固定した後、伝達材３６の他端をホルダ３４の切り欠き部に貫通させ、その他端に変位取り出し部３７を設ける。
【００２９】
このようにして作製されるアクチュエータ装置においても、一実施例の場合と同様に積層型圧電アクチュエータ素子３１に対する電圧印加時に電圧増加に伴って積層型圧電アクチュエータ素子３１の変位量を減少させる機能が得られるため、流量制御装置５１における流量制御弁５２の駆動部として使用すれば電源遮断時に流路５３を遮断でき、流路５３内にガス等が大量に流れるのを防止できる。
【００３０】
尚、上述した各実施例のアクチュエータ装置では、アクチュエータ素子として積層型圧電アクチュエータ素子１１，３１を用いた場合を説明したが、これに代えて磁歪素子を使用しても同様の効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明のアクチュエータ装置によれば、アクチュエータ素子に対する電圧印加時に電圧増加に伴ってアクチュエータ素子の変位量を減少させる機能であって、しかも小型に構成し得る変位反転機構を備えているので、流量制御装置における流量制御弁の駆動部として適用すれば別途に外部機構を要すること無く、電源遮断時に流路を遮断でき、流路内にガス等が大量に流れるのを防止できるため、極めて有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るアクチュエータ装置の基本構成（構造）を示した側面断面図である。
【図２】図１に示すアクチュエータ装置の底面図である。
【図３】図１に示すアクチュエータ装置を用いた流量制御装置の要部構成を示した側面断面図である。
【図４】図３中の円領域近傍を拡大して示したものである。
【図５】図３に示す流量制御装置の動作を説明するために示した局部の側面断面図並びに要部回路の機能ブロック図である。
【図６】本発明の他の実施例に係るアクチュエータ装置の基本構成（構造）を示した側面断面図である。
【図７】図６に示すアクチュエータ装置の底面図である。
【図８】従来の一例に係るアクチュエータ装置の基本構成（構造）を示した側面断面図である。
【図９】図８に示すアクチュエータ装置の底面図である。
【図１０】図８に示すアクチュエータ装置を用いた流量制御装置の要部構成を示した側面断面図である。
【図１１】図１０中の円領域近傍を拡大して示したものである。
【符号の説明】
１，１１，３１  積層型圧電アクチュエータ素子
２，１２，３２  バネ材
３，４，１３，１４，３３，３４  ホルダ
５，１５，３５  電圧印加端子
６  比較回路
７  流量検出回路
８  アクチュエータ駆動電源
１６，３６  伝達棒
１７，３７  変位取り出し部
５１，９１  流量制御装置
５２，９２  流量制御弁
５３，９３  流路
【図１】
0004064527.tif 000002
【図２】
0004064527.tif 000003
【図３】
0004064527.tif 000004
【図４】
0004064527.tif 000005
【図５】
0004064527.tif 000006
【図６】
0004064527.tif 000007
【図７】
0004064527.tif 000008
【図８】
0004064527.tif 000009
【図９】
0004064527.tif 000010
【図１０】
0004064527.tif 000011
【図１１】
0004064527.tif 000012