JPH04175533A - 圧電アクチュエータの変位拡大機構 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明は、例えば減衰力可変ショックアブソーバ等に
用いられる圧電アクチュエータの変位拡大機構に関する
。

（従来の技術） 従来の圧電アクチュエータの変位拡大機構としては、減
衰力可変ショックアブソーバに用いた例として、例えば
、第６図に示すようなものがある（特開昭６１−８５２
１０号公報）。これは、積層形圧電アクチュエータ２３
に電圧を印加すると、その伸びに応じてプランジャ２５
が微小変位し、油密室２７の油を圧縮するため、ピスト
ン１９が押し出され減衰力切り換えバルブを開閉するも
のである。その際、プランジャ２５とピストン１９の受
圧面積がピストン１９の方が小さいことから、この面積
比に応じて圧電アクチュエータ２３の変位が拡大される
構造となっている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の構造では、プランジャ２５の摺動
部とピストン１９の摺動部の何れにも０リングシールを
設けているため、例えば熱膨張などで油の体積が拡大さ
れると、圧電アクチュエータ２３に電圧を印加していな
いにもかかわらずリターンスプリング２１の弾力に抗し
てピストン１９が変位してしまうという問題があった。

一方、ピストン１９部のＯリングを廃止するなどして、
摺動部の漏れによって油の体積変化を吸収しようとする
と、圧電アクチュエータ２３に電圧を印加してプランジ
ャ２５が変位しても、油が漏れてピストン１９が変位し
ない。或いは変位しても徐々に（例えば２秒程度で）元
に戻ってしまうという問題を発生する。そのため、圧電
アクチュエータに電圧をパルス状に再印加し油を再充填
する方法などもあるが、制御が煩雑で消費電力の増加な
どの問題が生じる。従って、望ましい構造というのは、
「圧電アクチュエータが差動したときのみ油をシールす
る構造」ということができる。その一つの例として特開
昭６４−２６０４１号公報に開示されたものでは、ピス
トンが変位したときだけ０リング、又はゴムシートでシ
ールする構造か考案されているが、開閉部への弾性体シ
ールの使用は、耐久性上の問題があった。

ところで、上述の漏れは油圧工学でいう管状すきま流れ
に当るが、この流れの大きさは通路の断面積に比例し、
長さ・粘度それぞれに反比例することが知られている。

前述の特開昭６４−２６０４１号公報に開示されたもの
は断面積を小さくして漏れを少なくしようとした例であ
る。

そこで、この発明は、上記の漏れに関する３要素のうち
人為的操作で制御できる粘度に注目し、０リング等を使
用せずに、「圧電アクチュエータが作動したときのみ非
圧縮性流体をシールする構造」とすることができるとと
もに非圧縮性流体の熱膨張・収縮を適切に補正すること
ができ、さらに圧電アクチュエータの特徴である高応答
性を有効に発揮させることのできる圧電アクチュエータ
の変位拡大機構を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） この発明は上記課題を解決するために、電圧印加による
圧電アクチュエータの伸縮変位に応じて第１シリンダ内
を摺動変位するプランジャと、前記第１シリンダと連通
し且つ当該第１シリンダより内径の小さい第２シリンダ
内を摺動変位するピストンと、前記第１シリンダ及び第
２シリンダ内に満たされ粘度が印加電界依存性を有する
非圧縮性流体と、該非圧縮性流体の熱膨張・収縮を補正
する通路と、前記圧電アクチュエータへの電圧印加指令
に応じて前記通路部の非圧縮性流体に電界を印加する電
界印加手段とを有することを要旨とする。

（作用） 電界印加手段による通路部の非圧縮性流体への電界非印
加時には、非圧縮性流体の粘度は低くなっており、その
熱膨張・収縮が通路を通して適切に補正される。

所要時に、電圧印加指令により圧電アクチュエータに所
要値の電圧が印加されると、圧電アクチュエータが伸張
し、プランジャが第１シリンダ内を摺動して第１シリン
ダ内の非圧縮性流体の圧力が上昇する。次いで、この圧
力上昇によりピストンが第２シリンダ内を摺動変位する
。このとき、ピストンの変位量は、プランジャとピスト
ンの受圧面積比に応じて拡大される。また、圧電アクチ
ュエータへの電圧印加指令に応じて電界印加手段により
通路部の非圧縮性流体へも所要強度の電界印加が行われ
る。こ−れにより、通路部の非圧縮性流体の粘度が高め
られて漏れが抑えられ、「圧電アクチュエータが作動し
たときのみ非圧縮性流体をシールする構造」が実現され
る。したがって、このシールにより、圧電アクチュエー
タの作動による第１、第２シリンダ内の圧力状態が保持
されて、ショックアブソーバの減衰力可変機構等に適用
するのに極めて好適な圧電アクチュエータの変位拡大機
構が実現される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第３図は、この発明の一実施例を示す図で
ある。この実施例は、減衰力可変ショックアブソーバに
適用されている。

まず、圧電アクチュエータの変位拡大機構の構造を説明
すると、第１図において、１０１は積層形圧電アクチュ
エータであり、導線１１１を介して高電圧（例えば５０
０Ｖ）が印加されると、微小量（例えば５０μｍ）軸方
向（図の上下方向）に伸びる。１０２はリターンスプリ
ングであり、前記高電圧の印加が解除されたときに圧電
アクチュエータ１０１を元の長さに押し縮める働きをし
ている。１０３はプランジャであり、スプリング１１２
によって圧電アクチュエータ１０１の下端に押付けられ
ている。したがって、プランジャ１０３は圧電アクチュ
エータ１０１の伸縮変位に伴って、ハウジング１０９に
設けられた第１シリンダ１０９ａ内を摺動変位するよう
になっている。

１０４はＯリングであり、プランジャ１０３と第１シリ
ンダ１０９ａのクリアランスをシールし、非圧縮性流体
１０７が洩れないようにしている。

１０５は絶縁体で作られたピストンであり、第１シリン
ダ１０９ａ内の油圧を受けて、この第１シリンダ１０９
ａよりも内径の小さい第２シリンダ１０９ｂ及びホルダ
１１３に設けられた第３シリンダ１１３ａ内を摺動変位
するようになっている。第２シリンダ１０９ｂとピスト
ン１０５のクリアランスは、非圧縮性流体１０７が熱膨
張・熱収縮したときには容易に流出・流入を許す程度の
クリアランス（例えば径で３０μｍ程度）としである。

即ち、この実施例では、このクリアランス部分１０９ｄ
が非圧縮性流体１０７の熱膨張・収縮補正用の通路とな
っている。

一方、第３シリンダ１１３ａとピストン１０５とはＯリ
ング１０６でシールされ、非圧縮性流体１０７が洩れな
いようになっている。非圧縮性流体１０７は電気粘性流
体であり、電界をかけると粘度が変化する流体である。

この場合には、電界を受けると粘度が高くなるように設
定されたものが用いられている。非圧縮性流体１０７は
、第１シリンダ１０９ａ及び第２シリンダ１０９ｂ内に
充満されており、余った分はピストン１０５と第２シリ
ンダ１０９ｂのクリアランス部分１０９ｄを通して、ハ
ウジング１０９とホルダ１１３によって構成されるリザ
ーバ室１０９ｃに貯蔵されるようになっている。リザー
バ室１０９ｃは、その上部にガス１１０が封入されてい
る。このガス１１０は、大気圧の空気又は低圧の窒素ガ
スなどであり、非圧縮性流体１０７が熱膨張・収縮した
ときに、その体積変化を吸収する役目を果している。

１０８は対向した一対の電極であり、この電極１０８間
に電圧を印加することによって、ピストン１０５と第２
シリンダ１０９ｂのクリアランス部分１０９ｄにある非
圧縮性流体１０７に電界がかけられるようになっている
。即ち、この一対の電極１０８で非圧縮性流体１０７に
電圧を印加する電界印加手段が構成されている。そのた
め、第１図中のＡ−Ａ線断面は第２図のように構成され
ている。即ち、画電極１０８に挾まれる第２シリンダ１
０９ｂ部とピストン１０５を絶縁体で形成し、電界が効
果的に非圧縮性流体１０７に作用するようになっている
。第２図中、１２３は電極１０８に電圧を印加するため
の導線である。ピストン１０５の下端にはスプール１１
４があり、スプリング１１５によってピストン１０５の
下端に押付けられている。スプール１１４は、変位スる
ことによりスリーブ１１６の油路１１７を開閉する。し
たがって、ピストン１０５が変位することて、油路１１
７の開閉が行われるようになっている。油路１１７は、
ショックアブソーバの減衰バルブ１１８をバイパスする
位置に構成されているので、油路１１７が閉じたときに
は減衰力が高くなり、開いたときには低くなるようにな
っている。

１００は作動油の油室である。

次に、上述のように構成された圧電アクチュエータの変
位拡大機構の作用を説明する。

いま、車両が良路を走行していたとすると、操縦安定性
を高めるためには、減衰力は高めにセットされる。した
がって圧電アクチュエータ１０１への印加電圧はゼロで
あり、圧電アクチュエータ１０１は収縮しているととも
に、油路１１７は閉じられている。この状態では、一対
の電極１０８にも電圧は印加されず、したがってピスト
ン１０５と第２シリンダ１０９ｂとのクリアランス部分
１０９ｄにある非圧縮性流体１０７の粘度は低い。その
ため、非圧縮性流体１０７が周囲温度によって熱膨張・
収縮をしたとしても、その増加・減少分はクリアランス
部分１０９ｄの洩れによって補正され、常に第１シリン
ダ１０９ａ、第２シリンダ１０９ｂ内の非圧縮性流体１
０７は低圧になっている。

ここで、車両に取付けられた路面センサなどが路面の突
起を検出したとする。すると、この突起による突上げを
防止するために、減衰力を即座に低めに切り換える必要
があり、圧電アクチュエータ１０１に対して、数１００
ｖの電圧が印加される。すると、圧電アクチュエータ１
０１は数十μｍ伸張し、プランジャ１０３を押下げる。

このことによって第１シリンダ１０９ａ内の非圧縮性流
体１０７の圧力が上昇し、ピストン１０５を押す。この
ときピストン１０５の変位量は、第１シリンダ１０９ａ
と第２シリンダ１０９ｂとの受圧面積比によって拡大さ
れ、例えば面積比を４０コ１としておけば、プランジャ
１０３が５０μｍ変位するとピストン１０５は２ｍｍ変
位することになる。

このとき、圧電アクチュエータ１０１への電圧印加指令
に応じて、圧電アクチュエータ１０１への電圧印加と同
時に一対の電極１０８にも電圧印加が行われる。この電
圧印加によって画電極１０８間に電界が発生し、ピスト
ン１０５と第２シリンダ１０９ｂとのクリアランス部分
１０９ｄにある非圧縮性流体１０７の粘度が高くなる。

このことによってクリアランス部分１０９ｄからの非圧
縮性流体１０７の洩れが減少し、第１シリンダ１０９ａ
・第２シリンダ１０９ｂ内の圧力を保持することが可能
となる。例えば、電界をかけない状態ではピストン１０
５が２秒で元に戻ってしまったものでは、たとえば２　
ｋ　Ｖ　／　ｍ　ｍの電界をかけて粘度が１０−倍に増
加したとすれば、洩れ流量は１／１０に減少するので、
ピストン１０５を２０秒で元に戻る程度まで引延ばすこ
とが可能となる。したがって、ピストン１０５がすぐに
戻ってしまうという不具合を防ぐことができ、電圧の再
印加（洩れた流体の再充填）など特殊な制御を必要とす
ることなく、また、耐久性上問題となる弾性体を使用す
ることなく安定して減衰力が低い状態を保持できる。

さらに、突起通過後再び減衰力を高くするときは、圧電
アクチュエータ１０１の印加電圧をゼロにする。すると
、リターンスプリング１０２によって圧電アクチュエー
タ１０１が収縮し、かつスプリング１１２によってプラ
ンジャ１０３が押戻されるので第１シリンダ１０９ａ内
の圧力が低下する。したがってピストン１０５を押して
いる圧力が下がるので、ピストン１０５及びスプール１
１４がスプリング１１５によって戻される。そのため油
路１１７が閉じられ減衰力はまた高くなる。一対の電極
１０８への印加電圧も圧電アクチュエータ１０１への印
加電圧と同時にゼロとすれば、またクリアランス部分１
０９ｃｆの洩れが太きくなり、非圧縮性流体１０７の熱
膨張を補正することが可能となる。

以上、この実施例の作用・効果を減衰力可変ショックア
ブソーバに適用したものを例にとって説明したが、この
圧電アクチュエータの変位拡大機構はショックアブソー
バの減衰力可変機構に限るものでなく、例えば産業用油
圧弁などにも適用可能である。また、電界をかける部分
は、第３図のようにしてもよい。第３図（Ａ）は、同図
（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。これはピストン１２１
を導体で構成し、０リング１２２を導電性ゴムとし、さ
らに電極１２０を第２シリンダ１０９ｂと同心円筒とし
たものである。この形にすると電極間の隙間を第２図の
ものに比べて非常に小さくすることができ、低い電圧で
非圧縮性流体１０７により強い電界をかけることができ
る。例えば、ピストン１２１と第２シリンダ１０９ｂの
クリアランスを径で３０μｍ（半径で１５μｍ）、第２
シリンダ１０９ｂを構成する絶縁層を８５μｍとしても
、電極１２０とピストン１２１の隙間は０．１ｍｍであ
り、前述の２　ｋ　Ｖ　／　ｍ　ｍの電界をかけるには
２００ｖの電圧で済む。従って、圧電アクチュエータ１
０１への印加電圧と同じレベルとなるため、高電圧の発
生装置などを共用化することも可能である。第３図中、
１２４は電圧印加用の導線である。

また、ｍ５ｅｃオーダーでの急速冷却・急速加熱が可能
であれば、非圧縮性流体として電気粘性流体を使うまで
もなく、粘度指数の高い一般作動油を使うことも可能で
ある。

一方、圧電アクチュエータ１０１への電圧印加と一対の
電極１０８、又は電極１２０・ピストン１２１への電圧
印加を同時に行う場合は高電圧の発生装置以外に、印加
を制御するパワートランジスタ及びハーネスなども共用
することが可能であり、駆動回路系のコスト上昇を小さ
く抑えることができる。また同時でない場合もそれぞれ
にメリットがあり、電極１０８への印加を先にすると洩
れを最小に抑えることができ、圧電アクチュエータ１０
１への印加を先にすると、非圧縮性流体１０７の粘度上
昇で粘性抵抗が増加し、応答性が低下するという不具合
を防ぐことかできる。したがって、印加タイミングは上
述の説明で行った同時印加に限らず、適用する機器の要
求内容によって変更することが可能である。

次いで第４図には、この発明の他の実施例を示す。この
実施例は変位拡大機構部分のみが示されている。第４図
（Ｂ）は、同図（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

まず、構成は、この機構の使用状態における鉛直上方（
この場合図のＹ矢印の向き）にリザーバ室１０９ｃを設
け、第１シリンダ１０９ａとリザーバ室１０９ｃを結ぶ
熱膨張補正用の細い通路１０９ｅがハウジング１０９に
形成しである。そして、この通路１０９ｅ内の非圧縮性
流体１０７に電界をかけるための一対の電極１０８が設
置され、かつピストン１０５と第２シリンダ１０９ｂの
間がＯリング１１９でシールされた構造となっている。

圧電アクチュエータ１０１など、その他のものの構成は
前記一実施例とほぼ同じである。

次に作用を説明する。圧電アクチュエータ１０１への電
圧印加時には電極１０８にも電圧が印加され、２つの０
リング１０４．１１９及び通路１０９ｅの部分の粘度の
高い非圧縮性流体１０７で、第１・第２両シリンダ１０
９ａ。

１０９ｂ内に非圧縮性流体１０７が封じ込められ、ピス
トン１０５のストロークが維持される。一方、圧電アク
チュエータ１０１への印加電圧がゼロのときには、一対
の電極１０８への電圧印加も解除され、非圧縮性流体１
０７の熱膨張補正か通路１０９ｅを通して行われる。そ
の際、この通路１０９ｅが第１・第２シリンダ１０９ａ
。

１０９ｂの最も高い位置に設置されているので、この機
構で致命的不具合となるエア残りを防ぐことが可能とな
る。つまり、非圧縮性流体１０７の熱膨張補正を行いな
がら、同時に第１・第２シリンダ１０９ａ、１０９ｂ内
の残留空気をこの通路１０９ｅからリザーバ室１０９ｃ
へ逃がすことができ、圧電アクチュエータ１０１に電圧
を印加したときには、そのストロークを有効に拡大する
ことができる。従って、組立て時のエア抜き、又は非圧
縮性流体１０７内に溶は込んでいる空気の分離などに気
を使う必要がなく、安定した作動を行わせることができ
る。

この実施例は、前記第３図に示したものと同様に一実施
例のものに比べて電極１０８の間隔を小さく設定できる
ので、より低い電圧で非圧縮性流体１０７に強い電界を
かけることが可能となる。

また、熱膨張補正用の通路１０９ｅのレイアウトの自由
度が増すため、第５図に示すように複雑な経路とするこ
とも可能である。第５図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＤ−Ｄ
線断面図である。この第５図の例は、電極１２７を埋込
んだ絶縁体のハウジング１３０に蛇行した通′ｉ！／！
！１２５を設け、電極兼ハウジング１２６と接着した構
成となっている。このような構成とすることで面積が小
さい、即ち容量の小さい電極によって長い通路１２５内
の非圧縮性流体１０７に電界をかけることが可能となり
、第１、第２シリンダ１０９ａ、１０９ｂ内に、さらに
効果的に圧力を保持することが可能となる。

１２８は電極１２６．１２７への電圧印加用導線である
。

さらに、前記一実施例では、圧電アクチュエータ１０１
への電圧印加と電極１０８への電圧印加のタイミングに
よって、洩れ極小と応答性がトレードオフしたが、この
実施例では粘性抵抗増加による応答性悪化はないため、
洩れ極小をねらって電極１０８への電圧印加を先にする
ことができる。

また、この実施例は、上述の構成のように通路１０９ｅ
を第１シリンダ１０９ａの部分に設けるばかりではなく
、電極への結線方法が工夫できればプランジャ１０３の
部分に設けても構わない。

このようにすると、減衰力可変ショックアブソーバへの
応用も可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、電圧印加によ
る圧電アクチュエータの伸縮変位に応じて第１シリンダ
内を摺動変位するプランジャと、前記第１シリンダと連
通し且つ当該第１シリンダより内径の小さい第２シリン
ダ内を摺動変位するピストンと、前記第１シリンダ及び
第２シリンダ内に満たされ粘度が印加電界依存性を有す
る非圧縮性流体と、この非圧縮性流体の熱膨張・収縮を
補正する通路と、前記圧電アクチュエータへの電圧印加
指令に応じて前記通路部の非圧縮性流体に電界を印加す
る電界印加手段とを具備させたため、通路を通して非圧
縮性流体の熱膨張・収縮を適切に補正することができ、
また圧電アクチュエータに電圧が印加され、この電圧印
加指令に応して通路部の非圧縮性流体にも電界が印加さ
れたときには、通路部の非圧縮性流体の粘度か高められ
て洩れが抑えられ「圧電アクチュエータが作動したとき
のみ非圧縮性流体をシールする構造ｊとすることができ
る。したかって、このシール構造により、圧電アクチュ
エータの作動による第１、第２のシリンダ内の圧力状態
を保持することができてショックアブソーバの減衰力可
変機構等に適用するのに極めて好適な圧電アクチュエー
タの変位拡大機構を実現することができ、さらには圧電
アクチュエータの特徴である高応答性を有効に発揮させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明に係る圧電アクチュエー
タの変位拡大機構の一実施例を示すもので、第１図は縦
断面で示す構成図、第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、
第３図は電極部分の他の構成例を示す図、第４図及び第
５図はこの発明の他の実施例を示すもので、第４図は断
面で示す構成図、第５図は熱膨張補正用の通路及び電極
部分の他の構成例を示す図、第６図は従来の圧電アクチ
ュエータの変位拡大機構を用いた減衰力可変ショックア
ブソーバを縦断面で示す構成図である。 １０１：圧電アクチュエータ、 １０３ニブランジヤ、 １０５．１２１；ピストン、 １０７：非圧縮性流体、 １０８．１２０．１２７：電界印加手段となる電極、 １０９ａ　：第１シリンダ、 １０９ｂ：第２シリンダ、 １０９ｄ　：クリアランス部分（通路）、１０９ｅ、１
２５：通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電圧印加による圧電アクチュエータの伸縮変位に応じて
   第１シリンダ内を摺動変位するプランジャと、 前記第１シリンダと連通し且つ当該第１シリンダより内
   径の小さい第２シリンダ内を摺動変位するピストンと、 前記第１シリンダ及び第２シリンダ内に満たされ粘度が
   印加電界依存性を有する非圧縮性流体と、該非圧縮性流
   体の熱膨張・収縮を補正する通路と、 前記圧電アクチュエータへの電圧印加指令に応じて前記
   通路部の非圧縮性流体に電界を印加する電界印加手段と を有することを特徴とする圧電アクチュエータの変位拡
   大機構。