JP2590947B2 - 圧電素子の変位変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、圧電素子の変位変換装置に関し、主とし
て、ワイヤドット形式の印字ヘッドにおいて、電圧の印
加による圧電素子の伸縮量を拡大し、これを印字ワイヤ
に伝達して進退させるようにした圧電素子の変位変換機
構に関するものである。

（従来の技術） 圧電素子の変位変換装置には、例えば、特開昭57−18
7980号公報に開示されたものがある。すなわち、これに
おいては、直角に交わる２つの取付面を有する取付部11
の一方の取付面に圧電体３の一端が固着される。圧電体
３の他端には板ばね材よりなる第１の結合部41がその一
端において固定され、この第１の結合部41の他端に可動
部21が取付けられる。また、取付部11の他方の取付面に
一端が固定された板ばね材よりなる第２の結合部51の他
端が前記可動部21と固定されている。そして、電圧の印
加による圧電体３の伸びによって、第1,第２の両結合部
41,51がその板ばね部分の略全体において撓み変形され
ることで、可動部21が傾動される。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、圧電素子の伸びによって一対の板ばねを弾
性変形させ、傾動部材を傾動させるように構成したもの
においては、板ばねの反力を受けて圧電素子に曲げモー
メントが発生する。そして、この曲げモーメントによっ
て圧電素子の一側に圧縮荷重が他側に引張荷重が作用す
る。このため、圧電素子を引張荷重にもろい圧電セラミ
ックより構成すると、前記引張荷重を受けて圧電素子が
破損される場合がある。

そこでこの発明では、板ばねの反力が原因となる圧電
素子の曲げモーメントを軽減して耐久性の向上を図り、
しかも電圧素子の伸縮力の損失を防止して両板ばねを介
して傾動体を効率よく傾動させることを、その解決すべ
き技術的課題とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記の問題点を解決するために、本発明の圧電素子の
変位変換装置では、電圧の印加により伸縮する圧電素子
と、その圧電素子を伸縮方向の一端において固着する支
持部を有し、その支持部から前記伸縮方向に延在するフ
レームと、前記圧電素子の伸縮方向の他端に固着された
可動子と、前記可動子と前記フレームとに変位可能に連
結され、前記圧電素子の伸縮に基づいて変位する作動部
材と、前記圧電素子に対してその伸縮方向に抗する弾性
を有し、前記圧電素子の伸縮方向に延在すると共に、両
端が前記圧電素子の伸縮方向両端の部材に固着され、か
つ、前記作動部材が圧電素子に作用する力を打ち消すこ
とができる位置に固着された連結部材とを備える圧電素
子の変位変換装置において、前記連結部材は、その両端
における前記伸縮方向と直交する方向の断面積よりも前
記両端間の中間部分の前記伸縮方向と直交する方向の断
面積を小さくしたことを特徴とする構成を有している。

（作 用） 上記構成によれば、電圧の印加によって圧電素子が伸
縮されると、これに基いて、前記圧電素子の伸縮方向他
端に固着された可動子が、連結部材の弾性に抗し、かつ
この可動子とフレームとに変位可能に連結された作動部
材を湾曲させながら平行に変位することで、傾動部材が
傾動される。このようにして、電圧の印加による圧電素
子の伸縮時において、その伸縮方向他端に固着された可
動子の変位力が、その作動部材の一部に対してのみ片寄
ることがなく、連結部材にも作用し、可動子が平行に変
位されるため、作動部材の反力が原因となる圧電素子の
曲げモーメントの発生が防止される。

前記連結部材は、前記圧電素子の伸縮方向と直交する
方向の断面積において、その両端の断面積よりも両端間
の部分の断面積が小さいため、その両端は弾性伸縮され
にくく、かつ強度が大となり、両端間の中間部分におい
ては弾性伸縮され易い構造とすることができる。したが
って、連結部材は、その全長において弾性伸縮されるも
のと異なり、その両端はほとんど弾性伸縮されることな
く、その両端間の中間部分において、比較的小さい力で
弾性伸縮される。このため、圧電素子の伸縮に基づく可
動子の変位にともなって、前記連結部材の両端間の中間
部分が軽快に弾性伸縮される。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を図面にしたがって説明す
る。この実施例では印字ヘッドに採用したものを例示す
るものであって、第１図と第２図において、電圧の印加
により伸縮する圧電素子２を支持するためのフレーム１
は、その圧電素子２の伸縮方向とほぼ平行する縦長四角
形で所定板厚の金属板より構成されている。このフレー
ム１の基部（下端部）には圧電素子２の一端（下端）を
温度補償材３を介して支持する支持部４が横方向に突設
されている。

圧電素子２は、積層状をなす圧電セラミックより構成
されており、電圧の印加によって積層方向（上下方向）
に伸縮される。この圧電素子２の一端面には、温度補償
材３が接着材等によって固着されている。そして圧電素
子２は、その温度補償材３において、前記支持部４の支
持面4a上に支持されている。

圧電素子２の他端面（上端面）には四角形状の可動子
５が接着材等によって固着されている。この可動子５
は、その一側がフレーム１の一側上部と所定の隙間をも
って対向している。フレーム１と可動子５との対向面に
は、一対をなす第1,第２の両板ばね8,9を固着するため
のばね取付面6,7が、圧電素子２の伸縮方向に平行して
それぞれ平坦面に形成されている。

フレーム１のばね取付面６には、第１板ばね８がその
一側板面が面当りした状態においてろう付け等によって
固着されている。

可動子５のばね取付面７には、第２板ばね９が、その
一側板面が面当りした状態においてろう付け等によって
固着されている。さらに、第２板ばね９は、前記第１板
ばね８とその対向面を互いに接触した状態において移動
可能に重合されている。

前記第1,第２の両板ばね8,9は、その名取付面6,7より
圧電素子２の伸縮方向に所定長さだけ延出されている。
そして、第1,第２の両板ばね8,9の先端部には傾動部材1
0が固着されている。傾動部材10は、その基部の剛性の
高いホルダ11と、先端側の軽量なアーム12とを主体とし
て構成されている。

前記ホルダ11は、その下面に凹設された溝13に第1,第
２の両板ばね8,9の先端部がそれぞれ挿入された状態に
おいて、両板ばね8,9の対向面反対側とろう付けによっ
て固着されている。ホルダ11の前側面に凹設された溝14
にはアーム12の基部が挿入されてろう付けによって固着
されている。アーム12の先端には印字ワイヤ15の基端が
ろう付けによって固着されている。

電圧の印加による前記圧電素子２の伸縮方向に可動子
５を平行に移動させるために、可動子５とフレーム１基
部の支持部４との間には、圧電素子２の伸縮量に対応し
てその伸縮方向に弾性伸縮可能な連結部材16が配設され
ている。この連結部材16は、前記フレーム１と反対側に
おいて、圧電素子２の積層方向に沿って縦長で、その下
端部16aがフレーム１の支持部４端面に固着され、上端
部16bが可動子５の第２の板ばね９と反対側の端面に固
着されている。

前記連結部材16は、フレーム１の板面と平行する平面
において板幅を有しそれと直角な方向に薄肉の板材より
構成されている。さらに、連結部材16は、その伸縮方向
に直交する断面積において、前記可動子５とフレーム１
基部の支持部４とに固着される両端部の断面積は大き
く、両端間の中間部分16cの断面積は、両端部16a,16bの
断面積よりも積極的に小さく形成されている。すなわ
ち、この実施例では、連結部材16の中間部分16cには、
その一側長手方向に切欠部17が形成されており、これに
よって中間部分16cの板幅はその両端部16a,16bの板幅よ
りも小さくなっている。そして、連結部材16は、その両
端部16a,16bが弾性伸縮されにくくかつ強度が増大さ
れ、その中間部分16cは圧電素子２の伸縮方向に伸縮さ
れ易い構造となっている。さらに、圧電素子２の伸縮に
基づく可動子５の移動力が第２板ばね９と連結部材16の
中間部分16cとにほぼ均等に作用するように、前記連結
部材16の中間部分16cの弾性力が設定され、これによっ
て可動子５が圧電素子２の伸縮方向に平行移動されるよ
うになっている。

なお、圧電素子２の下端面に接着された温度補償材３
は、周囲の温度変化による圧電素子２の収縮を、伸びに
よって修正し、圧電素子２の上面高さを一定高さに保持
している。

また、この実施例では、フレーム１と連結部材16とは
千膨脹率が同一の材料より構成され、温度変化に対処で
きるようになっている。

この実施例は上述したように構成される。したがっ
て、圧電素子２の両電極間に電圧が印加されると、圧電
素子２は、その積層方向、すなわち、第２図において矢
印Ｘ方向に所定長さだけ伸び、これにともなって可動子
５が移動される。すると、可動子５の移動力を受けて第
２板ばね９が、第１板ばね８に沿って押上げられ、同第
２板ばね９が可動子５と傾動部材10のホルダ11との間に
おいて湾曲状に弾性変形される。第２板ばね９の湾曲状
の弾性変形によって第２図において矢印Ｐ方向に回転モ
ーメントが生じ、これによって、第１板ばね８が若干、
弾性変形されるとともに、傾動部材10が傾動される。そ
して、傾動部材10先端の印字ワイヤ15が、第２図に示す
ように、所定数の案内部材18に案内された状態で、その
先端が印字位置まで前進される。このようにして、第２
の板ばね９の湾曲状の弾性変形によって傾動部材10を傾
動させることで、圧電素子２の伸びが著しく拡大されて
印字ワイヤ15に伝達される。

圧電素子２に対する電圧の印加が断たれると、圧電素
子２は元の状態に短縮される。すると、可動子５、第1,
第２の両板ばね8,9及び傾動部材10が元の状態に復帰さ
れ、印字ワイヤ15が後退復帰される。

さて、フレーム１基部の支持部４と可動子５との間
に、両端部16a,16bが固着されて圧電素子２の伸縮に基
づく可動子５の変位置に対応して弾性伸縮可能な連結部
材16は、前記圧電素子２の伸縮方向と直交する方向の断
面積において、その両端部16a,16bの断面積が大きく、
中間部分16cの断面積が、両端部16a,16bの断面積よりも
積極的に小さくされている。そして、前記連結部材16
は、その両端部16a,16bが弾性伸縮されにくくかつ強度
が大となり、中間部分16cは弾性伸縮され易い構造とな
っている。

さらに、圧電素子２の伸縮に基づく可動子５の変位力
は、第２板ばね９と連結部材16の中間部分16cとにほぼ
均等に作用するように中間部分16cの弾性力が設定され
ている。

したがって、連結部材16は、その全長にわたって略同
一巾に形成され、その全長において弾性伸縮されるもの
と異なり、その両端部16a,16bはほとんど弾性伸縮され
ることなく、その中間部分16cにおて、比較的小さい
力、すなわち、第２板ばね９が弾性変形する程度の力で
弾性伸縮される。このため、連結部材16は、その両端部
16a,16bにおいて、可動子５とフレーム１とを強固に連
結保持した状態のもとで、その中間部分16cが、圧電素
子２の伸縮に基づく可動子５の変位にともなって軽快に
弾性伸縮される。この結果、圧電素子２の伸縮方向に対
し、可動子５が傾くことなく平行に変位し、圧電素子２
に曲げモーメントが作用することを可及的に防止するこ
とができる。さらに、連結部材16の中間部分16cの弾性
伸縮による反力が原因となる可動子５の変位量（圧電素
子２の伸縮量）の損失を軽減することができ、圧電素子
２の伸縮量に対する傾動部材10の変位拡大率の向上を図
ることができる。

また、この実施例においては、前記第1,第２の両板ば
ね8,9の対向面を互いに接触させることで、第1,第２の
両板ばね8,9を所定距離をもって離反させたものと異な
り、圧電素子２の伸び量に対する傾動部材10の変位拡大
率を高めることができ、印字に必要な印字ワイヤ15のス
トロークが充分に得られる。

さらに、この実施例では、フレーム１、連結部材16及
び可動子５がそれぞれ別体に形成された後、これら各部
品がろう付け等によって一体状に固着される。これによ
って、フレーム１の支持部４の支持面4aや、可動子５下
面の仕上加工が容易で、かつ高精度に仕上げることがで
きる。このため、電圧の印加による圧電素子２の伸縮を
可動子５及び第２板ばね９に確実に伝達させることがで
きる。

（実施例２） 次に、この発明の実施例２を第４図にしたがって説明
する。この実施例２においては、連結部材16と第1,第２
の両板ばね8,9の形状を変更したものである。すなわ
ち、フレーム１基部の支持部４と、可動子５との間に両
端部16a,16bが固着された連結部材16の中間部分16cに
は、その長手方向に所定数の貫通孔17が形成されてい
る。そして、連結部材16は、その両端部16a,16bが弾性
伸縮されにくくかつ強度が増大され、その中間部分16c
は圧電素子２の伸縮方向に伸縮され易い構造となってい
る。さらに、圧電素子２の伸縮に基づく可動子５の移動
力が第２板ばね９と連結部材16の中間部分16cとにほぼ
均等に作用するように、その中間部分16cの弾性力が設
定されている。

また、第1,第２の両板ばね8,9はその両端部が厚肉と
され、薄肉の中央部において弾性変形されるようになっ
ている。その他は、実施例１とほぼ同様であるため、そ
の説明は省略する。

（発明の効果） 以上述べたように、この発明によれば、電圧の印加に
よる圧電素子の伸縮に基づいて、可動子を連結部材の弾
性に抗し、かつこの可動子とフレームとに固着された作
動部材を変位させることで、傾動部材を傾動させるもの
である。すなわち、圧電素子の伸縮に基づく可動子の変
位力を、この可動子に固着された作動部材に対してのみ
片寄って作用させることなく、連結部材にも作用させる
ことで、可動子を平行に変位させることができる。この
結果、作動部材の反力が原因となる圧電素子の曲げモー
メントの発生を防止することができるため、引張り荷重
にもろい特性をもつ圧電セラミックによって圧電素子を
構成しても、その圧電素子の破損を防止することができ
るという効果がある。

特に、前記連結部材は、前記圧電素子の伸縮方向と直
交する方向の断面積において、その両端の断面積よりも
両端間の部分の断面積が小さいため、その両端は弾性伸
縮されにくく、かつ強度が大となり、両端間の中間部分
においては弾性伸縮され易い構造とすることができる。
したがって、連結部材は、その全長において弾性伸縮さ
れるものと異なり、その両端はほとんど弾性伸縮される
ことなく、その両端間の中間部分において、比較的小さ
い力で弾性伸縮される。このため、圧電素子の伸縮に基
づく可動子の変位にともなって、前記連結部材の両端間
の中間部分が軽快に弾性伸縮される。この結果、連結部
材の反力が原因となる可動子の変位量（圧電素子の伸縮
量）の損失を軽減することができ、圧電素子の伸縮量に
対する傾動部材の変位拡大率の向上を図ることができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面の第１図〜第３図はこの発明の実施例を示すもの
で、第１図は印字ヘッドの要部を示す斜視図、第２図は
側面図、第３図は第２図III−III線断面図、第４図はこ
の発明の実施例２を示す斜視図である。 １……フレーム ２……圧電素子 ５……可動子 ８……第１板ばね ９……第２板ばね 10……傾動部材 16……連結部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−307961（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−25342（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−187980（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧の印加により伸縮する圧電素子と、 その圧電素子を伸縮方向の一端において固着する支持部
   を有し、その支持部から前記伸縮方向に延在するフレー
   ムと、 前記圧電素子の伸縮方向の他端に固着された可動子と、 前記可動子と前記フレームとに変位可能に連結され、前
   記圧電素子の伸縮に基づいて変位する作動部材と、 前記圧電素子に対してその伸縮方向に抗する弾性を有
   し、前記圧電素子の伸縮方向に延在すると共に、両端が
   前記圧電素子の伸縮方向両端の部材に固着され、かつ、
   前記作動部材が圧電素子に作用する力を打ち消すことが
   できる位置に固着された連結部材とを備える圧電素子の
   変位変換装置において、 前記連結部材は、その両端における前記伸縮方向と直交
   する方向の断面積よりも前記両端間の中間部分の前記伸
   縮方向と直交する方向の断面積を小さくしたことを特徴
   とする圧電素子の変位変換装置。