JP2009303282A - 圧電アクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】箱体の内部空間に長尺状圧電素子、ロック片、プランジャ及びバネ部材を容易に組み付けることができること。
【解決手段】箱体の内部空間にストッパを挟むようにプランジャと、電圧信号を機械的な変位に変換する長尺状の圧電素子とをそれぞれ組込み、プランジャは、その先端部が箱体の開口から突出するようにバネ部材で常時付勢されていると共に、長尺状圧電素子の側端と対向する側の一側壁にストッパと係脱する係合溝を有し、一方、圧電素子の基端部は錠箱に固定されていると共に、その自由端部には、ストッパをプランジャの係合溝から逃すための傾斜状受け入れ面及び該傾斜状受け入れ面に連続すると共に前記ストッパの後退を規制する規制面とを有するロック片が一体的に装着され、ストッパに対するロック片のロック又はアンロックの制御は、圧電素子の俯仰作用に基づく圧電アクチュエーター。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエーターに関し、特に、機械駆動機構における電気的制御可能なクラッチ装置用の圧電アクチュエーターに関する。

特許文献１は、技術分野を問わず、電気制御式のラッチ機構について独占権を要求するものであり、そのラッチ機構は、「箱体に往復動可能に設けられた中空プランジャ（中空作動杆）の内部に長尺状の圧電素子を中空作動杆の長手方向に配設し、前記長尺状圧電素子の基端部をニ分割の中空作動杆片でもって挟持し、基端部から水平状態に延びる圧電素子の自由端部を、箱体に軸支された係合片（ツメと称する係合片）の中空作動杆片の内部に延在する受け脚部に臨ませ、圧電素子にリード線を介して電圧信号を印加すると、圧電素子の自由端部が変位して前記係合片の受け脚部を押圧し、これにより、係合片は一端部の支軸を支点にして、その係合先端部が中空作動杆片の外面に形成された傾斜状切欠溝から離れること」、を特徴とする。

特許文献１について付言すれば、特許文献１は、（ア）長尺状の圧電素子を中空作動杆内に一端部を固定した状態で内装した点、（イ）図示しない、リード線が中空作動杆の水平移動量に対応して可動する点、（ウ）横Ｔ字形状の係合片を、その受け脚部が圧電素子の自由端部に対向するように中空作動杆の内部に延在し、かつ受け脚部と交差する係合先端部が中空作動杆片の外面傾斜状切欠溝と係脱する点に特徴がある、と認定することができる。

しかしながら、特許文献１に記載の電気制御式のラッチ機構は、圧電素子を中空作動杆片に挟持状態に内蔵させ、ツメと称する係合片の脚部を圧電素子の自由端部付近へと延在させるために、中空作動杆片を複雑に構成しなければ成らないという問題点があった。また、部品点数が多すぎるという欠点もあった。

なお、ここで、電圧を印加するとか、電気的信号を与えるとか、駆動信号を与える等の用語は、発明の本質的観点から法解釈学的に認定判断されるものである。電圧印加、電気信号を印加する、駆動信号を与える等の用語は、同じ意味合いである。
特表２００６−５１９４６５号公報

本発明の所期の目的は、箱体の内部空間に長尺状圧電素子、ロック片、プランジャ及びバネ部材を容易に組み付けることができることである。第２の目的は、変位量の大きい長尺状圧電素子（アクチュエータ）も実装することができることである。第３の目的は、長尺状圧電素子に極力負荷を掛けないようにしてストッパをプランジャに係脱させ、かつロック及びアンロックを確実に行うことができることである。

本発明の圧電アクチュエーターは、箱体の内部空間に球状のストッパを挟むようにプランジャと、電圧信号を機械的な変位に変換する長尺状の圧電素子とをそれぞれ組込み、前記プランジャは、その先端部が箱体の開口から突出するようにバネ部材で常時付勢されていると共に、前記長尺状圧電素子の側端と対向する側の一側壁に前記ストッパと係脱する係合溝を有し、一方、前記圧電素子の基端部は錠箱に固定されていると共に、その自由端部には、前記ストッパをプランジャの係合溝から逃すための傾斜状受け入れ面及び該傾斜状受け入れ面に連続すると共に前記ストッパの後退を規制する規制面とを有するロック片が一体的に装着され、前記ストッパに対する前記ロック片のロック又はアンロックの制御は、前記圧電素子の俯仰作用に基づくことを特徴とする。

本発明は、長尺状圧電素子とプランジャとを別体にした（圧電素子をプランジャの外部に位置付けた）ので、箱体の内部空間に主たる構成部材を容易に組み込むことができる。また、変位量の大きい長尺状圧電素子（アクチュエータ）も実装することができる。さらに、係止面を有するストッパ（例えば球体）を用いたので、長尺状圧電素子に極力負荷を掛けないようにしてストッパをプランジャに係脱させ、かつロック及びアンロックを確実に行うことができる。

以下、図１乃至図１０に示す本発明を実施するための最良の形態により説明する。

（１）発明の実施の環境
図１は圧電アクチュエーターＸを示す概略説明図である。この圧電アクチュエーターＸは、例えば機械駆動機構における電気的制御可能なクラッチ装置に使用される。したがって、用途の一例は特許文献１と同じである。図１は箱体１の内部構造を示している。なお、符号Ｙは、例えば戸枠である。

（２）箱体１
図１はケース蓋１ｂの一部を切欠した正面面視からの説明図、図２は、左側面視からの一部概略断面説明図、図３はケース身１ａの構成を示す概略説明図、図４は図３の４−４線に基づく概略断面説明図である。

箱体１は、ケース身１ａと、このケース身に合体するケース蓋１ｂとから成る。したがって、錠箱と同様の構成である。例えば図２、図３を参照にすると、２、３は上下の壁で、上壁２の一端部（右端部）には、プランジャ４１用の開口４が形成されている。また、５、６は左右の側壁である。
しかして、箱体１の内部は、主たる部材を組み込むために複数個の収納空間に区分けされている。

ここで、図３を参照にして箱体１のケース身１ａの収納空間を説明する。箱体１の収納空間は、内部の垂直方向の隔壁７を基準として、その右側に前壁２の開口４から底壁３に至るまで縦長状の第１収納部８が形成され、一方、左側に前壁２の内壁面から底壁３の段差状内壁面に至るまで縦長凹所状の第２収納部９が形成されている。

そして、前記第１収納部８は、さらに上部側のプランジャ収納室８ａと、このプランジャ収納室８ａに連通すると共に、前記プランジャ４１のフランジ部分４２を受け止める係止面を有するやや幅広矩形状のバネ部材収納室８ｂに区分けされている。本実施例では、プランジャ４１は、その先端部（ラッチ部分）４３が山形形状に形成され、かつ先端部にストレートに連設する後端部にフランジ部分４２を有する長板状のラッチ部材であることから、前記プランジャ収納室８ａはプランジャ４１の形状に対応し、かつ該プランジャ４１を上下方向に案内することができるようにやや縦長に形成さている。

また、左側壁５側の第２収納部９は、例えば全体として正面視Ｔ字形状の凹所であり、該Ｔ字形状の凹所は、その上端部から下端部付近に至るまで奥行きがある深い凹所９ａと、該深い凹所９ａに連通する底壁３の内壁面側の奥行きのない浅い凹所９ｂとから成っている。

そして、前記深い凹所９ａの上端部側は横方向にやや幅広に形成されロック片用案内空間１０となっていると共に、該ロック片用案内空間１０と前述したプランジャ収納室８ａには、複数個の球状ストッパ３６を収納するストッパ収納空間１１が連通している。
なお、前記ストッパ収納空間１１はケース蓋１ｂをケース身１ａに固定的に合わせると横方向の貫通案内孔と成る。また、前記浅い凹所９ｂの内壁面は、長尺状の圧電素子の基端部を固定するための取付けベース面と成る。そのために取付けベース面には、固着具用のメネジ１２が形成されている。

（３）箱体１内に組み込まれる部材
図１で示すように、箱体１の各収納部には、昇圧回路を有する基板１５、該基板１５にリード線１６を介して電気的に接続する長尺状の圧電素子２１、該圧電素子２１と共働すると共に、球状ストッパ３６を介してプランジャ４１をロック又はアンロック状態にするロック片３１、案内手段（プランジャ収納室８ａ）に案内されて上下方向に進退動するプランジャ４１、該プランジャ４１の先端部４３が箱体１の開口４から突出するように該プランジャを常時付勢するバネ部材４７がそれぞれ組み込まれている。

なお、本実施例では、前記基板１５は、第２収納部９の深い凹所９ａを形成する一側内面に適宜に固定され、箱体１外に配設された制御部１４によって制御される（図９参照）。

（４）圧電素子２１
図１及び図２で示すように、長尺状の圧電素子２１は、箱体１の第２収納部９の内面に沿って配設された一枚タイプ（本実施例）又は二枚タイプの長板体で、その基端部２１ａは浅い凹所９ｂの取付けベース面に固着具１７を介して固定される。

本実施例の圧電アクチュエーターＸは、例えば縦に使用する形式（仕様）であることから、前記基端部２１ａは箱体内の下部側に垂直状態に固定されている。そして、垂直状態の自由端部２１ｂにはブロック状のロック片３１が一体的に設けられている。付言すると、長尺状の圧電素子２１は、その正面、背面及び左右の側端の回りに所要間隙を有して垂直状態に配設され、かつ電圧信号を機械的な変位に変換する。

ここで、図９を参照にして、圧電素子２１の構成及び機能を説明する。圧電素子２１は、圧電体を含む多層構造の長方状の板状体であり、例えば中央板２２と、この中央板２２の両面に導電性接着層２３を介して積層される一対の長方状圧電板２４とを備えている。

しかして、前記中央板２２は、表面部に導電性を有する補強材であり、その材料としては、ＳＫ鋼を焼入れ処理したものが用いられている。また、前記圧電板２４は、不番の圧電体と、この圧電体の両面に積層される一対の電極２５とを備えている。圧電板２４の圧電体は、電圧の印加により歪みが生じるピエゾ効果を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば圧電セラミックス、高分子圧電体、単結晶圧電体等を使用する。中でも、大きな圧電効果を有し、耐久性も良好なチタン酸・ジルコン酸鉛系圧電セラミックス（ＰＺＴ）が使用されている。また、電極２５は圧電体の外縁部を除いたほぼ全面に積層され、例えば銀ペーストの印刷及び焼付けにより形成される。

上記の圧電素子２１には、外面側に配設される一対の電極２５と中央板２２に、例えば外部に配設した制御部１４を介して基板１５の駆動部（ドライブ）から駆動（電圧）信号が印加される。本実施例では、固定リード線１６が、前記基板１５に電気的に接続しており、プランジャ４１が動いても、リード線１６自体は全く動かない。基板１５は、このリード線１６を介して外側の両電極２５に正電圧及び負電圧を交互に印加する。

このように正電圧を印加した場合、一方の圧電体は伸び、これに対して、他方の圧電体は縮む結果、圧電素子２１は正面側又は背面側の一方側に湾曲する。本実施例では、ケース蓋１ｂ側（図１では手前側）からケース身１ａの深い凹所９ａの奥側（図１では向こう側）に反るように湾曲する。このような圧電素子２１の機能を、ここでは「電圧信号を機械的な変位に変換する」と表現する。

なお、電圧効果に関しては、前記したように、電圧板２４を両面に備えたバイモルフ構造の他に、片面のみに電圧板２４を備えたユニモルフ構造が公知事項として知られている。

（５）ロック片３１とストッパ３６
図５はロック片３１と複数個の球体３６ａ、３６ｂで構成されたストッパ３６の斜視図である。本実施例のロック片３１は、図１及び図２で示すように、長尺状圧電素子２１の自由端部２１ｂに一体的に嵌着された状態で第２収納部９の一部を構成するロック片用案内空間１０に収納される。そして、長尺状圧電素子２１と共働するロック片３１は、係止面を有するストッパ３６を介してプランジャ４１をロック又はアンロックにする。

ここで、図５を参照にしてロック片３１の構成を説明すると、本実施例のロック片３１は、例えば直方体に形成され、一側下面（手前に見える面）３１ａには、長尺状の圧電素子２１の自由端部２１ｂと結合する嵌合溝３２が形成されている。

また、前記一側下面３１ａと直交すると共にプランジャ４１の一側面に形成した係合溝４４と対向する側壁は、ストッパ収納空間１１内に組み込まれた単数又は複数の球状ストッパ３６を前記プランジャ４１の係合溝４４から逃すための傾斜状受け入れ面３３及び該傾斜状受け入れ面に対して垂直状態に連続すると共に前記ストッパの後退を規制する規制面３４を有する。

また、前記ストッパ３６は複数個（例えば２個）の球体３６ａ、３６ｂであり、本実施例ではストッパ収納空間１１内に並列状態で水平状態に組み込まれている。付言すると、複数個の球状ストッパ３６ａ、３６ｂは、第１収納部８に組み込まれたプランジャ４１の係合溝４４と第２収納部９に組み込まれた長尺状圧電素子２１のロック片３１にサンドイッチ状に挟まれた状態でストッパ収納空間１１内にスライド可能に収納されている。なお、ここでは説明の便宜上、ロック片３１のＶ型受け入れ面３３に係合する側を「第１球状ストッパ３６ａ」といい、一方、この第１球状ストッパ３６ａに玉突き状態で並列しかつプランジャ４１のＶ型係合溝４４に係合する側を「第２球状ストッパ３６ｂ」という。また、長尺状圧電素子２１が、その基端部２１ａを支点に自由端部２１ｂ側から反るように変位し或は変位状態から初期位置へと戻る機能を「俯仰作用」という。

（６）プランジャ４１と付勢バネ４７、
図６はラッチ機能を有するプランジャ４１の斜視図である。第１収納部８のプランジャ収納室８ａに収納されたプランジャ４１は、前述したように後端部に内壁面に係合するフランジ部分４２が形成され、該後端部からストレートに延びた先端部がラッチ部分４３となっている。そして、長尺状圧電素子２１の自由端部２１ｂの側端と対向する側、換言すればロック片３１の一側面（受け入れ面３３、規制面３４）と対向する一側面には球状ストッパ用のＶ型係合溝４４が形成されている。

また、バネ部材４７は、第１収納部８のバネ部材収納室８ｂに収納され、プランジャのラッチ部分４３が箱体１の開口４から突出するように該プランジャを常時付勢する。なお、プランジャ４１のラッチ部分４３は、本実施例では三角形に形成されているが、これは任意事項であり、係止機能を有する係止面と、摺接機能を有する傾斜面を直角三角形にすることもできる。

（７）作用
図１及び図８は、圧電アクチュエーターＸの箱体１の上壁（前壁）２と対向する固定体（例えば戸枠）Ｙが存在していることを前提としている。もちろん、Ｙが可動側であって、圧電アクチュエーターＸの箱体１が固定側であっても良い。図１は非通電時（ロック時）、一方、図８は通電時（アンロック時）の状態をそれぞれ示す。図１では、プランジャ４１はバネ部材４７のバネ力により突出方向に付勢されているので、その先端部４３は箱体１の開口４から突出し、戸枠Ｙの図示しない受け具に係合している。この時、図７の（ａ）で示すように、非通電時、長尺状圧電素子２１は深い凹所９ａ側に反っていない初期位置（略起立状態）なので、ロック片３１の規制面３４でもって球状ストッパ３６の第１球状ストッパ３６ａを直接受け止めている。

したがって、プランジャ４１のＶ型係合溝４４に係合中の第２球状ストッパ３６ｂはロック片３１に第１球状ストッパ３６ａを介して間接的に規制され全く動くことができない（ロック状態）。

これに対して、図７の（ｂ）で示すように、長尺状圧電素子２１に通電すると、該長尺状圧電素子２１は、その自由端部２１ｂ側から深い凹所９ａ側に反るように変位するので、ロック片３１の規制面３４が第１球状ストッパ３６ａから離れ、今度はロック片３１のＶ型受け入れ面３３が第１球状ストッパ３６ａに対向する（アンロック状態）。

そこで、プランジャ４１がバネ部材４７のバネ力に抗して後退すると、プランジャ４１のＶ型係合溝４４の傾斜面に押圧された第２球状ストッパ３６ｂが隣接する第１球状ストッパ３６ａを押圧するので、これらの球状ストッパ３６ａ、３６ｂは共に水平方向にスライドして（実施例によっては垂直方向へと移動し）、前記第１球状ストッパ３６ａがロック片３１のＶ型受け入れ面３４に入り込む。

このように、本実施例では、長尺状圧電素子２１が電圧信号を機械的な変位に変換すると、圧電アクチュエーターＸはアンロック状態となるので、プランジャ４１がバネ部材４７のバネ力に抗して後退すると、球状ストッパ３６が右側に移動してロック片３１のＶ型受け入れ面３４に逃げる。

本実施例では、ストッパ３６の一例として球体を用いたが、ストッパ３６の端部が係止面となるものであれば良いから、例えばストッパ３６を短杆状に形成し、その一端部又は両端部を山形状や曲面状に形成することもできる。

本実施例では、非通電時の場合にはロック状態（図１）、一方、通電時の場合にはアンロック状態（図８）であることを説明したが、設計如何（例えばロック片３１の規制面が一側面の中央部に存在する場合）によっては、通電時の場合にロック状態、一方、非通電時の場合にはアンロック状態になるように構成しても良い。

また、本実施例では、その使用態様が、望ましくは縦に使用する形式（仕様）であるが、プランジャ４１が水平方向に進退動するように横に使用する形式であっても良い。
また、本実施例の圧電素子２１は、箱体１の第２収納部９の内面に沿って配設された一枚タイプのバイモルフ構造としているが、一枚タイプのユニモルフ構造でも良い。

さらに、本実施例の長尺状圧電素子２１は、箱体１の第２収納部９の内面に沿って配設された一枚タイプであるが、図１０で示すような二枚タイプの長板体であっても良い。以下、この実施例の欄では、二枚タイプの長尺状圧電素子２１を説明の便宜上「第２実施例」として、その具体的構成を説明する。なお、この第２実施例の説明に当たって、第１実施例と同一の部分には、同一又は同様の符号を付して重複する説明を省略する。

さて、第２実施例の長尺状圧電素子２１は、図１０で示すように二重構造体２１Ａ、２１Ｂである。すなわち、この圧電素子２１は、箱体１内の設けられた支持部材１８に支持された基端部２１ａを有する第１圧電素子２１Ａと、該第１圧電素子の一端部にその一端部が結合すると共に、自由端部２１ｂ側から反るように外拡変位可能な第２圧電素子２１Ｂとを有し、前記第２圧電素子の自由端部２１ｂは、ロック片３１の嵌合溝３２に差込み嵌合する関係上、第１圧電素子の基端部２１ａによりも若干長い（図５参照）。

このような二重構造体２１Ａ、２１Ｂの長尺状圧電素子２１は、その第１圧電素子２１Ａの基端部２１ａが支持部材１８の垂直溝１８ａに固定的に支持されているものの、通電時には、中央部に相当する結合端部２１ｃ側と同時に、第２圧電素子２１Ｂの自由端部２１ｂも反るように変位するので、ロック３１の俯仰する幅（変位量）が大きくなる。したがって、箱体１の内部空間に変位量の大きい長尺状圧電素子２１を実装させ、該長尺状圧電素子と共働するロック３１及び球状ストッパ３６を介してプランジャ４１を確実に係止させることができるという利点がある。また、長尺状圧電素子２１の基端部を、支持部材１８を介して簡単に箱体１内に固定することができる。

また、この第２実施例の長尺状圧電素子２１は、一端部が連結された二重構造体２１Ａ、２１Ｂに二枚タイプのバイモルフ構造としているが、図１１で示すように二重構造体２１Ａ、２１Ｂに一枚タイプのユニモルフ構造としても構わない。

ここで、バイモルフとユニモルフの各用語について付言すると、圧電素子２１は、公衆が電気通信回線を介してアクセス可能な一般の公開情報によると、前者のバイモルフは、中央ベース板の表面と裏側の両面に電圧セラミックスをそれぞれ張り付けたもの、つまり、二枚の電圧セラミックスを用いて構成される圧電アクチュエーターの総称である。一方、後者のユニモルフは、基本的には一枚の金属板の一側面に一枚の電圧セラミックスを張り付けた構造のものである。

したがって、本発明の圧電素子２１は、発明の目的を逸脱しない範囲内に於いて、「バイモルフ」及び「ユニモルフ」のいずれでも用いることができる。

なお、本発明の圧電アクチュエーターＸの用途は、電気的制御用のクラッチ機構に限定されるものではなく、建具用のラッチ機構やロック機構に用いることができる。圧電アクチュエーターＸを建具に用いる場合には、上下方向に移動するシャッターや可動障子、水平方向に回転する扉に装着することができる。 また、本実施例では、基板１５に少なくとも駆動部を設けたが、駆動部と共に制御部１４を設けても良いことはもちろんである。

本発明は、主に建具や錠前の業界で利用される。

図１乃至図９は本発明の最良の実施例（第１実施例）を示す各説明図。図１０は本発明の圧電素子の他の実施例（第２実施例）を示す概略説明図。
圧電アクチュエーターの内部構造を示す概略説明図（非通電時・ロック状態）。 左側面視からの一部概略断面説明図。 ケース身の構成を示す概略説明図。 図３の４−４線に基づく概略断面説明図。 主要部（ロック片、球状ストッパ）の概略説明図。 主要部（球状ストッパ、プランジャ）の概略説明図。 図７の（ａ）は非通電時、ロック状態の概略説明図。図７の（ｂ）は通電時・アンロック状態の概略説明図。 図１に於いて、非通電時・アンロック状態になってプランジャが後退した概略説明図。 圧電素子の具体的構成を示す概略説明図。 圧電素子の他の実施例を示す概略説明図。 圧電素子の他例（ユニモルフ構造）を示す概略説明図。

符号の説明

Ｘ…圧電アクチュエーター、Ｙ…固定側（又は可動側）、１…箱体、１ａ…ケース身、１ｂ…ケース蓋、２…上壁、３…底壁、４…開口、５、６…左右の側壁、７…隔壁、８…第１収納部、８ａ…プランジャ収納室、８ｂ…バネ部材収納室、９…第２収納部、９ａ…深い凹所、９ｂ…浅い凹所、１０…ロック片用案内空間、１１…ストッパ収納空間、１４…制御部、１５…基板、１６…リード線、１８…支持部材、２１…圧電素子、２１Ａ…第１圧電素子、２１Ｂ…第２圧電素子、２１ａ…基端部、２１ｂ…自由端部、２１ｃ…結合端部、３１…ロック片、３２…嵌合溝、３３…受け入れ面、３４…規制面、３６…ストッパ、４１…プランジャ、４２…フランジ部分、４３…ラッチ部分（先端部）、４４…係合溝、４７…バネ部材。

Claims (3)

1. 箱体の内部空間に、係止面を有するストッパを挟むようにプランジャと電圧信号を機械的な変位に変換する長尺状の圧電素子とをそれぞれ組込み、前記プランジャは、その先端部が箱体の開口から突出するようにバネ部材で常時付勢されていると共に、前記長尺状圧電素子の側端と対向する側の一側壁に前記ストッパと係脱する係合溝を有し、一方、前記圧電素子の基端部は錠箱に固定されていると共に、その自由端部には、前記ストッパをプランジャの係合溝から逃すための傾斜状受け入れ面及び該傾斜状受け入れ面に連続すると共に前記ストッパの後退を規制する規制面とを有するロック片が一体的に装着され、前記ストッパに対する前記ロック片のロック又はアンロックの制御は、前記圧電素子の俯仰作用に基づくことを特徴とする圧電アクチュエーター。
2. 請求項１に於いて、ストッパは球体であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
3. 請求項１に於いて、圧電素子は、第１圧電素子と該第１圧電素子の一端部にその一端部が結合すると共に、自由端部側から外拡変位可能な第２圧電素子を有し、前記第１圧電素子の基端部は箱体側に支持され、一方、前記第２圧電素子片の自由端部に前記作動片が装着されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。

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