JP2932663B2 - 圧電素子を有する駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、主としてドット印字ヘッドに採用される圧
電素子を有する駆動装置に関するものである。

［従来の技術］ 圧電素子は圧電セラミックスの両面にそれぞれ電極が
接着され、印加電圧の増減によって伸縮するものであ
り、その伸縮を利用して駆動対象物を駆動することは従
来より既に行われている。圧電素子は印加電圧の増減に
応じて伸縮するが、伸縮量が僅かであるため、これを積
層した積層圧電素子として伸縮量を大きくして使用され
ることが多い。この積層圧電素子は、積層方向において
印加電圧の増大により伸長し、印加電圧の減少により収
縮する。一方、積層方向に直角な方向に於いて印加電圧
の増大により収縮し、減少により伸長するのであるが、
従来の駆動装置では積層方向の伸縮のみが駆動に利用さ
れていた。すなわち、積層方向の一端がフレームに固定
され、他端側に作動装置が設けられて積層圧電素子の伸
縮が作動装置により駆動対象物に伝達されるようにされ
ていたのである。

この種の駆動装置としては、例えば第５図に示すよう
なものがある。この駆動装置は電圧の印加によって圧電
縦効果の伸縮をする縦効果積層圧電素子70と、縦効果積
層圧電素子70の伸縮方向の一端を支持する基部３を有す
るフレーム80（メインフレーム2,サブフレーム４）と、
前記縦効果積層圧電素子70の伸縮方向の他端に配接され
た可動子５と、前記可動子５に連結されて前記縦効果積
層圧電素子70の伸縮運動を駆動対象物に伝達する作動装
置とを備えている。

この作動装置は、メインフレーム２と可動子５とに一
端を固着した一対の板ばね６、７とその板ばね６、７の
他端を結合している傾動体８とよりなるエデンばね67を
主体として構成されており、電圧の印加及びその印加の
遮断による縦効果積層圧電素子70の伸縮運動を板ばね
６、７のたわみを利用して傾動体８の傾動運動に変換さ
せる。そしてこの傾動運動がアーム10に伝わり、印字ワ
イヤ11が駆動される。ドットインパクト式印字装置はこ
のような駆動装置を必要な数（印字ワイヤ11と同数）だ
け保持部材にに配列して取り付けて構成されている。

［発明が解決しようとする課題〕 しかし、この駆動装置にはいくつかの問題がある。例
えば、ドット数の多いドットインパクト式印字装置を組
み立てるときには、１つのドットに対応する各々の駆動
装置は１つの積層圧電素子と１つの作動装置と１つのフ
レームとからなるので、各々の部品が、ドット数分だけ
必要である。このため部品点数が多くなり生産性が非常
に悪くなる。また印字装置全体が大型になり、コスト、
重量が増大してしまう。

更に、積層圧電素子の一端を固定しているフレームが
素子の変位を吸収してしまうので、これを避けるために
例えば個々のフレームの断面積を広くするなどしてフレ
ームの剛性を高くする必要がある。しかしながらその結
果、駆動装置全体が大型となり、コスト、重量が増大す
ることを避け得ないので、あまり剛性を高くすることが
できないのである。

また第６図に示したように、縦効果積層圧電素子70は
伸縮方向と積層方向が一致しているため、縦効果積層圧
電素子70の伸縮方向の引張強度、および伸縮方向に対し
垂直方向の曲げ強度は、圧電セラミックス層42に比し
て、強度的に弱い内部電極層41の引張強度、曲げ強度、
あるいは内部電極層41と圧電セラミックス層42との接合
強度に依存する。（矢印45は、分極方向を示す）そのた
め縦効果積層圧電素子70は伸縮方向の引張力、および伸
縮方向に対し垂直方向の曲げ力に対して弱い構造となっ
ている。

ここで、前記した駆動装置において、縦効果積層圧電
素子70への電圧印加を断って、縦効果積層圧電素子70が
縮みはじめるとき、可動子５及び傾動体８は慣性によっ
てまだ縦効果積層圧電素子70の伸縮方向に運動多してお
り、この復帰が遅れて縦効果積層圧電素子70に引張力が
かかる。その引張力によって縦効果積層圧電素子70に損
傷が起こるという問題点があった。

また、可動子５は例え四節平行リンク16を用いたとし
ても正確に図示上下方向に平行移動しているのではな
く、傾きながら移動（以後傾動運動という。）する。こ
のため、前記可動子５の傾動運動が縦効果積層圧電素子
70に伝わり、縦効果積層圧電素子70に曲げモーメントが
働くことによって、縦効果積層圧電素子70が折れてしま
うという問題もあった。

また、縦効果積層圧電素子70が、昇温時の分極に伴う
歪が解放される効果により、他の構成材とは違い、伸縮
方向に負の線膨張率（例えば−6.0［x10^-6/℃］）を持
つため、温度変化にともなう膨張量を補正する必要があ
る。従ってフレーム80に低線膨張率の構成材（例えばイ
ンバー合成1.2［x10^-6/℃］）を用い、温度補償材12、1
3として正の線膨張率をもつ剛体（例えばアルミニウム2
3.9［x10^-6/℃］）を、使用している。このため全体の
機構が大きくなる、重量が増す、材料コストが高いとい
う問題もあった。

本発明は、上述した従来の駆動装置における種々の問
題を解決することができる駆動装置を提供することを課
題としてなされたもので、その目的は小重量、低コスト
で且つ損傷の少ない圧電素子を有する駆動装置を提供す
ることを特徴とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の課題を解決するために、電圧の増減
によって伸縮する多数の圧電セラミックス層と内部電極
層が積層されてなる圧電体部と、非圧電体部とが、交互
に複数枚積層されて成る単一の積層圧電素子と、その積
層圧電素子の積層方向と直交する伸縮方向の一端を支持
する単一のフレームと、前記積層圧電素子の前記伸縮方
向の他端側に設けられ、積層圧電素子の伸縮を駆動対象
物に伝達する複数の作動装置から構成されることを特徴
としている。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の圧電素子を有する駆動装
置によれば、単一の積層圧電素子と単一のフレームにて
複数の作動装置を駆動することにより部品点数が少なく
なる。これにより生産性が高く、小型、軽量、低コスト
化が図れる。また共通のフレームであるためフレーム断
面積が大きくなりフレーム剛性が高くなる。これによ
り、素子の変位の損失が低減できる。

さらに、積層圧電素子は、積層方向と直交する方向の
引張強度及び積層方向の曲げ強度が高い。積層方向の引
張力、及び積層方向に直交方向の曲げ力が圧電セラミッ
クスと電極とを剥離させる向きに作用することになるの
に対し、積層方向と直交する方向と引張力、及び積層方
向の曲げ力は圧電セラミックスと電極とを剥離させる向
きには作用しないのである。また、共通の積層圧電素子
であるため素子断面積が大きくなる効果も含めて、駆動
時に引張力や曲げ力が加えられても積層圧電素子に損傷
が生ずる恐れはなく、信頼性が向上する。

更に縦効果圧電素子と異なり本発明の如く横効果を用
いた圧電素子では、その伸縮方向に対し一般の物質と同
様に正の温度膨張係数を有する。このため温度補償材が
少なくてすむ。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

積層圧電素子１は、第１図に示すように、チタン酸ジ
ルコン酸鉛系セラミックス材料（PZT）から成る圧電セ
ラミックス層42と銀パラジウム系金属材料から成る内部
電極層41と交互に複数枚積層して成る圧電体部40を５枚
と、有機樹脂材料から成る弾性率の低い非圧電体部43を
４枚とが交互に積層されて成るものである。前記圧電体
部40は電圧の印加により積層方向と直交する方向（図に
おいて左右方向）に収縮し、電圧の除去により伸長す
る。積層圧電素子１はこの伸縮方向で使用される。圧電
体部40のいわゆる横効果が利用されるのであり、従来の
縦効果を利用する場合とは90゜異なる方向で使用される
こととなる。この場合、昇温時の分極に伴う歪が解放さ
れる効果により積層圧電素子１の伸縮方向（図において
横方向）については正の線膨張率、例えば2.0〜9.0［x1
0^-6/℃］をもつ。

ここで、かかる積層圧電素子１の製造方法を第４図を
参照して説明する。すなわち、先ずチタン酸ジルコン酸
鉛系セラミックス材料（PZT）から成る圧電セラミック
ス層42と銀パラジウム系金属材料から成る内部電極層41
とを交互に複数枚積層して成る圧電体部40の板を一体焼
結法により作製した後、該圧電体部40の板５枚と、有機
樹脂材料から成る弾性率の低い非圧電体部43の板を４枚
とを交互に有機系の接着材（図示しない）を介して接合
する。その後、同図の一点鎖線で示されているように所
定の形状、大きさ、すなわち前記積層圧電素子１と同じ
形状、大きさで切断し、内部電極層41を介して分極処理
を施すことにより、第１図に示されている積層圧電素子
１が得られる。

積層圧電素子１は、第２図に示すように、その積層方
向（紙面に垂直である方向）と直交する方向に配設され
たメインフレーム２およびサブフレーム４から成るフレ
ーム80に取り付けられている。これらメインフレーム２
およびサブフレーム４は、線膨張率が、9.0〜11.7［x10
^-6/℃］である焼結鉄鋼材により作られている。サブフ
レーム４はメインフレーム２の基部３に固定されてお
り、積層圧電素子１は、その伸縮方向の一端部において
温度補償材12を介して基部３に固定されている。温度補
償材12は線膨張率が23.9［x10^-6/℃］であるアルミニウ
ムによって作られており、積層圧電素子１と基部３に固
着されている。この温度補償材12は、積層圧電素子１の
最大変位位置を常時正規位置に一致させるために設けら
れている。温度上昇に伴う積層圧電素子１の残留歪の変
化量は、フレーム80の膨張量よりも小さく、最大変位位
置が正規位置に達しないため、温度補償材12がそれの温
度が高いほど膨張するものとされ、積層圧電素子１の未
到達距離を、温度補償材12の膨張量で補償し、積層圧電
素子１の最大変位位置が一定となるようにされているの
である。

積層圧電素子１の温度補償材12が固着された側とは反
対側には、各々の圧電体部40に一個ずつ計５個の可動子
５が接着剤により固着されている。各々の可動子５は、
該可動子５に一対一で対応するエデンばね67によって前
記メインフレーム２に連結されている。各々のエデンば
ね67は、一端がメインフレーム２の可動子５に対向する
部分に固定された第１板ばね６と、その第１板ばね６と
の間に隙間を隔てて配設され、一端が可動子５に固定さ
れた第２板ばね７と、それら第１板ばね６の第２板ばね
７との各他端部を結合する結合部８とを有している。各
々のエデンばね67の結合部８には、アーム10が積層圧電
素子１の積層方向と平行な方向に伸び出す向きに固定さ
れており、その先端に各々印字ワイヤ11が固定されてい
る。計５本の前記印字ワイヤ11は前記フレーム80と一体
に形成されているワイヤガイド14にて支持されている。
第３図にその斜視図を示す。従って、積層圧電素子１の
圧電体部40に印加された電圧が除去されて該圧電体部40
が伸張すれば、対応する第２板ばね７が第１板ばね６に
対して第２図に於いて上方へ移動させられ、両板ばね
６、７が弾性変形して結合部８が図に於いて反時計方向
に回転するとともにアーム10を同方向に回転させ、対応
する印字ワイヤ11が非印字位置に後退させられる。ま
た、積層圧電素子の圧電体部40が収縮すれば、対応する
第２板ばね７が第１板ばね６に対して逆方向へ移動し、
両板ばね６、７が弾性変形により蓄えたばね力を放出す
るとともに、結合部８が図において時計方向に回転して
アーム10を同方向に回転させ、対応する印字ワイヤ11が
印字位置に向かって前進させられる。本実施例に於いて
は、アーム10がエデンばね67から伸び出す方向が従来と
は逆にされているために、積層圧電素子１の圧電体部40
の伸縮と印字ワイヤ11の前後進との関係が従来とは逆に
なっているのである。積層圧電素子１の圧電体部40の伸
縮量は小さいが、アーム10により拡大され、印字ワイヤ
11が印字位置と非印字位置との間を移動させられるので
あり、本実施例に於いては可動子５、エデンばね67、ア
ーム10等が作動装置を構成している。

エデンばね67の第１板ばね６及び第２板ばね７には、
積層圧電素子１のフレーム80への組み付け時に予荷重が
与えられる。積層圧電素子１がフレーム80に組み付けら
れる際には、各エデンばね67は第１板ばね６がメインフ
レーム２に固定されるとともに、第２板ばね７が可動子
５に固定されており、温度補償材12が接着された積層圧
電素子１が可動子５と、メインフレーム80の基部３との
間に挿入され、板ばね６、７を一定量撓ませる位置に位
置決めされるのである。

エデンばね67に予荷重が与えられた状態では、各可動
子５に、可動子５をそれの中心部をほぼ中心として図に
おいて反時計方向に回転させる向きのモーメントが生
じ、エデンばね67が傾かされて印字不良の原因となるこ
とがある。そのため、本実施例においては四節平行リン
ク16が設けられ、可動子５の回転が防止されている。四
節平行リンク16は、板ばね材がプレスの打ち抜き加工及
び曲げ加工されたものであり、積層圧電素子１の圧電体
部40が伸張し、可動子５の移動にともなって弾性変形し
て可動子５に時計方向のモーメントを生じさせ、可動子
５を反時計方向に回転させる向きのモーメントを相殺し
て可動子５の回転を防止する機能があり、印字不良の発
生が防止される。また、可動子５の回転が防止されるこ
とにより、積層圧電素子１の各圧電体部40は屈曲するこ
となく直線的に伸縮することができ、曲げ力は加えられ
ない。

以上のように構成された印字装置においては、印字が
行なわれないときには圧電体部40に電圧が印字されず、
５本の印字ワイヤ11は、非印字位置に後退させられた状
態にある。そして、印字実行時には５本の印字ワイヤ11
をそれぞれ駆動する圧電体部40の電圧の印加、除去が印
字データに従って選択的に行なわれ、印字が行なわれ
る。印字時には、圧電体部40に電圧が印加され、その収
縮により対応する印字ワイヤ11が印字対象物に向かって
移動させられるのであるが、非印字時には圧電体部40の
伸張によりエデンばね67が撓まされ、付勢力が蓄えられ
ている。このため印字ワイヤ11は圧電体部40の収縮によ
り放出されたエデンばね67の付勢力と圧電体部40の引張
力とによって印字位置に向かって移動させられることと
なり、移動速度及びストロークが大きくなり、印字指令
に対して応答性よく印字が行なわれると共に、印字が鮮
明に行なわれる効果が得られる。

この様に印字ワイヤ11が印字位置に移動させられると
き、圧電体部40は電圧の印加により迅速に収縮させられ
るのに対し、可動子５やアーム10は慣性によりその場に
とどまろうとし、圧電体部40に引張力が加えられる。し
かし、積層圧電素子１は積層方向と直交方向の伸縮によ
り印字ワイヤ11を駆動するようにされているため、引張
力に対して強く、破損が生ずることはない。また、積層
圧電素子１は四節平行リンク16が可動子５の傾きを規制
することにより、屈曲することなく伸縮するようにされ
ているが、可動子５は全く傾かないわけではない。しか
し、積層圧電素子１は積層方向に対する曲げ力に対して
も強く、破損が生ずることはない。また、積層圧電素子
１は、５個の圧電体部40を非圧電体部43を介して接合し
てあり、素子断面積が圧電体部40単独の場合に比べて大
きくなるため、引張力や曲げ力にたいする強度がさらに
大きくなり、信頼性が向上する。

さらに、積層圧電素子１の圧電体部40は伸縮方向にお
いてフレーム80の熱膨張と同じく正の温度特性を有して
いるため、フレーム80を線膨張率の大きい安価な材料で
作ることができ、装置コストを低減することができると
共に、温度補償材12の補償量が少なくてすみこれを小型
とすることができ、装置重量を軽減することができる。
なお圧電体部40の残留歪の変化量とフレーム80の熱膨張
量を同じにすることができる場合には、温度補償材12を
省略することができ、装置コスト、重量、寸法をさらに
低減することができる。

また、上記実施例の駆動装置は、複数の作動装置を駆
動するにも関わらず、１個の積層圧電素子１と１個のフ
レーム80からなるので、部品点数が少なくなり生産性が
非常に良くなり低コスト化が図れる。また、印字装置全
体のの小型化、軽量化も図れるのである。また、上記積
層圧電素子１は、第１図に示すように、圧電体部40と非
圧電体部43の積層方向と、圧電セラミックス層42と内部
電極層41の積層方向が一致しているために、該圧電セラ
ミックス層42を構成する圧電セラミックス材料と該内部
電極層41を構成する金属材料とを交互に積層して一体焼
結した後、非圧電体部43を構成する有機系の樹脂材料を
介して複数枚接着し、所定の形状に切断、分極処理を施
すことにより製造することが出来る。第６図に示した従
来の縦効果積層圧電素子70を複数個非圧電体部を介して
接合しようとした場合圧電セラミックス層42と内部電極
層41の積層方向と、該縦効果積層圧電素子70と非圧電体
部の積層方向が直交するため、その製造は多くの工程を
必要とする。そのため、本発明に係る前記積層圧電素子
１自体の生産性も、従来の素子に比べて高いのである。

本発明の圧電素子を有する駆動装置は、上記実施例に
限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱するこ
となく、当事者の知識に基づいて種類の変形、改良を施
した態様で本発明を実施することができる。例えば積層
圧電素子１の圧電体部40と非圧電体部43の構成数を増や
し、駆動装置のドット数を増やしてもよい。

また必要ならば、各エデンばね67を一体構造とするこ
ともできる。このときエデンばね67におけるメインフレ
ーム２側の板ばねを一体に形成し、可動子側の板ばねを
各可動子５に対して個別に形成する。

また四節平行リンクについても一体に形成することも
可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の圧電
素子を有する駆動装置によれば、単一の積層圧電素子と
単一のフレームにて複数の作動装置を駆動するため部品
点数が少なく、生産性が高く、小型、軽量、低コストの
駆動装置が得られる。また共通のフレームであるためフ
レーム断面積が大きくなりフレーム剛性が高くなるた
め、素子の変位の損失が低減できる。

さらに、積層圧電素子は、積層方向と直交する方向の
引張強度、及び積層方向の曲げ強度が高いことと、共通
の積層圧電素子であるため素子断面積が大きいことによ
り、駆動時に引張力や曲げ力が加えられても積層圧電素
子に損傷が生ずる恐れはなく、駆動装置の信頼性が向上
する。

更に本発明の駆動装置では一般に高重量の温度補償材
を用いる必要がないため、低重量で構成できるといった
効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるワイヤドット式印字装
置用の駆動装置の積層圧電素子を示す斜視図、第２図は
上記駆動装置の正面図、第３図は同じく上記駆動装置の
斜視図、第４図は圧電体部と非圧電体部とを積層した積
層圧電体の斜視図である。 また第５図及び第６図は従来の装置を説明するもので、
第５図は駆動装置の正面図、第６図は積層圧電素子の斜
視図である。 図中１は積層圧電素子、５は可動子、９は駆動装置、10
はアーム、11は印字ワイヤ、40は圧電体部、41は内部電
極層、42は圧電セラミックス層、43は非圧電体部、67は
エデンばね、80はフレームである。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧の増減によって伸縮する多数の圧電セ
   ラミックス層と内部電極層が積層されて成る圧電体部
   と、非圧電体部とが交互に複数枚積層されて成る単一の
   積層圧電素子と、 その積層圧電素子の積層方向と直交する伸縮方向の一端
   を支持する単一のフレームと、 前記積層圧電素子の前記伸縮方向の他端側に設けられ、
   積層圧電素子の伸縮を駆動対象物に伝達する複数の作動
   装置から構成されることを特徴とする圧電素子を有する
   駆動装置。