JP5097879B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエーターに関し、特に縦方向に移動するシャッターや可動障子の下端部、或は水平方向に回転する扉の開閉端部に取り付けるのに適合する圧電アクチュエーターに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, and more particularly to a piezoelectric actuator adapted to be attached to a lower end portion of a shutter or movable shoji that moves in a vertical direction, or an open / close end portion of a door that rotates in a horizontal direction.
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を印加する(電気的信号を与える)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新規事項がある、と認定することができる。
In addition to
また、特許文献2は、錠前の技術分野に於いて、圧電素子を適用したものである。特許文献2に記載の実施例は、普通一般のディスクタンブラー型のシリンダー錠の内部に圧電素子を配設し、可動障害子としてのタンブラーが溝内に設けた圧電素子に接触した場合に、制御部が接触時間の信号を取得し、かつ比較回路により外部に警報信号を出すというものである。
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。
本発明の所期の目的は、構成する部品の点数を少なくすることである。第2の目的は、構成する部品の形状や構造をシンプル化することである。第3の目的は、箱体に対する主な部材(圧電素子、作動片、係止片)の組み付けが容易であることである。第4の目的は、箱体内のスペースを有効的に活用することである。その他、少なくとも建具用に使用することができることである。 The intended object of the present invention is to reduce the number of components to be constructed. The second purpose is to simplify the shape and structure of the components. A third object is to easily assemble main members (piezoelectric elements, operating pieces, locking pieces) to the box. The fourth purpose is to effectively use the space in the box. In addition, it can be used at least for joinery.
本発明の圧電アクチュエーターは、開閉体の開閉端部に取付けられた案内箱に後退可能に内装された箱体が、係止片を介してかつ箱体用バネのバネ力に抗して後退動する圧電アクチュエーターに於いて、前記箱体内に、基端部が固定され、かつ電圧信号を機械的な変位に変換して一方側に湾曲する長尺状の圧電素子と、この圧電素子の自由端部と常時係合する被係合部を有し、かつ前記圧電素子の基端部付近に位置する第1支軸に枢支端部が軸支された作動片と、この作動片の係止部分に内端部が係脱すると共に、前記第1支軸に対して所定間隔離間した第2支軸に軸支され、かつバネ部材で前記作動片の係止部分から外れる方向へ常時付勢された状態で、その外端部が前記箱体の前壁の開口から突出する前記係止片をそれぞれ配設したことを特徴とする。 According to the piezoelectric actuator of the present invention, a box body that is retractably mounted in a guide box attached to an opening / closing end of an opening / closing body moves backward through a locking piece and against the spring force of a box spring. to at the piezoelectric actuator, to the box body, the base end portion is fixed, and the elongated piezoelectric element which is curved in the conversion to one side the mechanical displacement voltage signals, the free end of the piezoelectric element An operating piece having an engaged part that is always engaged with the part and having a pivot end supported by a first support shaft located near the base end of the piezoelectric element, and locking of the operating piece inner end with disengaging the portion, the first is supported by a second support shaft spaced a predetermined distance from the support shaft, and always urged in a direction deviating from the locking portion of the operating piece by a spring member in state, that the outer end portion is respectively arranged the engaging piece projecting from the opening of the front wall of the box body And features.
(a)構成する部品の点数が少ない。
(b)構成する部品の形状や構造を非常にシンプル化することができる。付言すると、長尺状の圧電素子は、作動片を介してラッチング機能を有する係止片の外部に位置付けられているので、例えば係止片の形状をシンプルに製作することができる。また、圧電素子の取付けも容易である。
(c)請求項2に記載の発明は、隔壁に駆動部を有する基板を設け、これにリード線を固定的に接続できるから、箱体内のスペースを有効的に活用することができると共に、リード線が可動しないので、損傷しない。したがって、耐久性に富む。
(d)開閉体の端部に取り付けると、建具用に使用することができる
(A) The number of constituent parts is small.
(B) The shape and structure of the component parts can be greatly simplified. In addition, since the elongated piezoelectric element is positioned outside the locking piece having a latching function via the operating piece, for example, the shape of the locking piece can be simply manufactured. Also, the piezoelectric element can be easily attached.
(C) In the invention according to
(D) When attached to the end of the opening and closing body, it can be used for joinery
以下、図1乃至図11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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention shown in FIGS. 1 to 11 will be described.
(1)発明の実施の環境
図1、図2は建具用圧電アクチュエーターYの一例である。図1は、建具の一例として可動障子Zの下端部の右角部の内部に圧電アクチュエーターXを水平移動可能に内装した例である。図1では、箱体10の正面の壁(前壁)の一部を切欠して、正面視から内部構造を見ているが、ここでは、説明の便宜上、「正面視からの説明図(基準図)」とする。
(1) Environment for Implementation of the Invention FIGS. 1 and 2 are examples of a piezoelectric actuator Y for joinery. FIG. 1 is an example in which a piezoelectric actuator X is housed in a right corner portion of a lower end portion of a movable shoji Z as an example of a fitting so as to be horizontally movable. In FIG. 1, a part of the front wall (front wall) of the
さて、圧電アクチュエーターXをそのまま含む建具用圧電アクチュエーターYは、以下に説明するように、開閉体Zの端部に固定した案内箱(例えば錠箱)1と、この案内箱1内に箱体用バネ13のバネ力に抗して後退することができるように配設された圧電アクチュエーターXとから成る。
Now, the piezoelectric actuator Y for joinery including the piezoelectric actuator X as it is, as will be described below, is a guide box (for example, a lock box) 1 fixed to the end of the opening / closing body Z, and a box body in the
(2)案内箱1と圧電アクチュエーターXと戸枠7
1は案内箱である。この案内箱1は、建具の可動障子等の開閉体の自由端部或は側端部に固定される。案内箱1の詳細については割愛するが、案内箱1は、ケース身1aとケース蓋1bを有する。2は案内箱1のフロント(前壁)、一方、3は後壁(内部の支持板も含む)である。4は案内箱1の内部空間である。5はケース身1aとケース蓋1bに所定間隔離間して設けられた水平ガイド(例えば水平案内長孔)である。6は後壁3の内壁面に突設されたバネ端支持部である。
(2)
1 is a guide box. The
Xは、本発明の圧電アクチュエーターで、この圧電アクチュエーターXは、箱体10のケース身10aとケース蓋10bの外壁面にそれぞれ突設された複数個のガイド(係合突起)11を介して案内箱1内に往復移動可能に設けられている(図2)。
X is a piezoelectric actuator of the present invention, and this piezoelectric actuator X is guided through a plurality of guides (engagement protrusions) 11 respectively protruding from the
付言すると、前記突起状のガイド11は箱体10の先端部と後端部にそれぞれ合計4個突出形成され、案内箱1の水平ガイド5に摺接可能に係合している。本実施例では、箱体10の後壁の中央部に突起状のバネ端支持部12が設けられており、この箱体10側のバネ端支持部12と前述した案内箱1側のバネ端支持部6との間に箱体用バネ13が介在している(図1)。
In other words, a total of four
したがって、圧電アクチュエーターXの箱体10は、後述するように開閉体が上方向に開く際、ラッチング機能を有する係止片が戸枠7に設けた受け具8に押圧されて、第2支軸を支点に水平回転すると、箱体用バネ13のバネ力に抗して後退することができる(図11)。次に、圧電アクチュエーターXの基本的構成を列挙しながら説明する。
Therefore, the
(3)基本的構成−箱体10
図4は、図面中の5−5線、6−6線、7−7線、8−8線を説明の便宜上入れたものである。例えば5−5線は、その水平断面に基づく説明図が「図5」であることを示す。以下、同様である。
(3) Basic configuration-
FIG. 4 includes lines 5-5, 6-6, 7-7, and 8-8 in the drawing for convenience of explanation. For example, line 5-5 indicates that the explanatory diagram based on the horizontal section is “FIG. 5”. The same applies hereinafter.
ここでは、図4の5−5線水平断面に基づく図5を基準にして、箱体10の構成を説明する。11は、前述したように、ケース身10aとケース蓋10bの外壁面突設された複数個のガイド(係合突起)、12は箱体10の後壁に設けられたバネ端支持部、15は後壁寄りに位置する隔壁である。隔壁15は、その下端部が箱体10の底壁14付近まで延びている。この垂直の隔壁15と不番の後壁との内部空間は、基板、リード線等を配設するために利用されている。
Here, the structure of the
一方、隔壁15と不番の前壁との内部空間は、長尺状の圧電素子、作動片、係止片等を組み込むために利用されている。その他、箱体10の前壁側に形成された軸受け等の細部的事項の説明は割愛する。
On the other hand, the internal space between the
(4)圧電素子21
図1、図4で示すように、長尺状の圧電素子21は、その基端部21aが垂直隔壁15の下端部直ぐ傍に固定された支持部材17に固定され、かつ電圧信号を機械的な変位に変換する。支持部材17は、本実施例では底壁14に固定され、かつ、垂直方向に差込み溝を有する短柱である。
(4)
As shown in FIGS. 1 and 4, the long
圧電素子21は、垂直の隔壁15に沿って箱体10の上壁18付近まで延びている。圧電素子21の自由端部21bは、作動片の被係合部(係合溝、切欠、凹所、孔等)33に常時係合している。
The
ここで、図10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。
Here, the configuration and function of the
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。
Thus, the
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。
The
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27を介して基板26の駆動部(ドライバ)から駆動信号(電圧)が印加される。本実施例では、図1で示すように箱体1の外部から挿入された固定リード線28が、前記基板26に電気的に接続しており、後述する作動片31を介して係止片41が動いても、固定リード線28自体は全く動かない。
The
基板26は、この固定リード線28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は左側又は右側の一方側に湾曲する。本実施例では、図1で示すように右側に湾曲する。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。
The
また、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。
As for the voltage effect, as described above, in addition to the bimorph structure having the
(5)作動片31
作動片31は、図1、図6、図9等で示すように、圧電素子21の自由端部21bに係合する被係合部33を有し、かつ圧電素子21の基端部21a付近に位置する第1支軸32に、その枢支端部が軸支されている。
(5) Working
As shown in FIGS. 1, 6, 9, etc., the
前記第1支軸32は、図6で示すように箱体10の下端部に横設軸架された固定軸である。この第1支軸32に縦断面門型形状の作動片31の下端部(枢支端部)31aが軸支されていると共に、その自由端部(係合端部)31bに設けた被係合部(例えば切欠状係合溝)33に、圧電素子の自由端部21bが差込み係合している。
As shown in FIG. 6, the
したがって、圧電素子の自由端部21bは、常時、作動片31の被係合部33に係合していることから、変位しても外れることはない。
Therefore, since the
図9は作動片31の形態(構成)を示す一例である。説明の便宜上、各部位に符号35を付す。35は第1支軸32用の軸孔を有する左右一対のアーム、36は左右のアーム35の前方側端面を連結すると共に、上端部寄りの部位に係止片用の係止部分(例えば係止窓、係止用横向き凹所、係止孔、切欠等)37を有する拘束壁、38は左右のアーム35の上端面を連結すると共に、後方(垂直の隔壁側)に手首を内側に曲げたように延在する係合壁である。本実施例では、前記係合壁38に圧電素子の自由端部21bが貫通状態に係入する切欠状の係合溝33が横長に形成されている。
FIG. 9 is an example showing the form (configuration) of the
(6)係止片
係止片41は、本実施例では、戸枠7の受け具8と係脱するラッチが採用されている。例えば図1で示すように、係止片41の一例であるラッチは、作動片31の拘束壁36に対して、内端部に突設した係合突起42が係脱すると共に、前述した第1支軸32に対して所定間隔離間した第2支軸43に軸支され、かつバネ部材44で作動片31の係止部分37から外れる方向へ常時付勢された状態で、その外端部が箱体10の前壁の開口16から突出する。
(6) Locking piece In this embodiment, the locking
係止片41の具体的構成については割愛するが、係止片41は、箱体10の前壁開口16から突出する第1係合部と、箱体10の内部空間に位置し、かつ作動片31の拘束壁36の係止部分37に係合する第2係合部分に区分けすることができる。また、前記第1係合部は、受け具8の内面にラッチングする垂直又は水平面と、受け具8の縁部に摺接する傾斜面を有する。
Although the specific configuration of the locking
(7)主たる作用
図11は作用の一例を示す。図11では、圧電アクチュエーターX(建具用圧電アクチュエーターY)は、例えば上下方向に移動する可動障子Zの右角部に取付けられていることを前提としている。また、受け具8は戸枠の縦枠の内壁面に固定されていることを前提とする。
(7) Main action FIG. 11 shows an example of the action. In FIG. 11, it is assumed that the piezoelectric actuator X (the joinery piezoelectric actuator Y) is attached to, for example, the right corner of the movable shoji Z that moves in the vertical direction. Further, it is assumed that the
そして、図11のA〜Dは、非通電時、つまり、アンロック状態の場合に於いて、可動障子Zが上昇すると、受け具8にラッチングしている係止片41の回転態様がどうなるか、また、圧電アクチュエーターXの箱体10がどうなるかをそれぞれ示している。図11のA〜Dを見ると、その係止片41の回転態様及び箱体10の後退態様はあきらかなので、詳細な説明は割愛する。
11A to 11D show what happens to the rotation mode of the locking
ここでは、図1と図11のAとを比較して、本発明の主たる作用について説明する。図11のAの非通電状態に於いて、今仮に、基板26から圧電素子21に電圧が印加される (駆動信号が与えられる) と、圧電素子21は、電圧信号を機械的な変位に変換して、その自由端部(係合端部)21bが右側に湾曲状に変位する。
Here, the main operation of the present invention will be described by comparing FIG. 1 with FIG. In the non-energized state of FIG. 11A, if a voltage is applied from the
そうすると、作動片31は、圧電素子21の自由端部21bで制御されることから、第1支軸32を支点にして時計方向に所定量回転する。その結果、係止片41の内端部の係合突起42を係止部分37で拘束する。したがって、通電時、ロック状態となる。
Then, since the
これに対して、基板26が圧電素子21に対して非通電の信号を与えると(非通電状態)、付言すると、通電が切れると、圧電素子21は初期状態に戻ることから、作動片31は圧電素子21の自由端部21bで引き戻され、第1支軸32を支点にして反時計方向に所定量回転する。その結果、係止片41の係合突起42は作動片31の係止部分37から解放される。したがって、非通電時、アンロック状態となる。
On the other hand, when the
本発明の圧電アクチュエーターXの用途は、建具用のラッチ機構やロック機構に限定されるものではなく、電気的制御用のクラッチ機構にも用いることができる。また、開閉体Zは上下方向に移動するシャッターや可動障子に限定されるものではなく、水平方向に回転する扉でも良い。開閉体Zが扉である場合には、図1は平面視からの説明図(基準図)となる。なお、本実施例では、基板26に少なくとも駆動部を設けたが、駆動部と共に制御部を設けても良いことはもちろんである。
The application of the piezoelectric actuator X of the present invention is not limited to a latch mechanism or a lock mechanism for joinery, but can also be used for a clutch mechanism for electrical control. Further, the opening / closing body Z is not limited to a shutter or movable shoji that moves in the vertical direction, and may be a door that rotates in the horizontal direction. When the opening / closing body Z is a door, FIG. 1 is an explanatory diagram (reference diagram) from a plan view. In this embodiment, at least the drive unit is provided on the
本発明は、主に建具や錠前の業界で利用される。 The present invention is mainly used in the joinery and lock industry.
図1乃至図11は本発明の最良の実施例を示す各説明図。
X…圧電アクチュエーター、Y…建具用圧電アクチュエーター、Z…開閉体、1…案内箱、2…フロント、3…後壁、4…内部空間、5…水平ガイド、6…バネ端支持部、7…戸枠、8…受け具、10…箱体、10a…ケース身、10b…ケース蓋、11…ガイド(係合突起)、12…バネ端支持部、13…箱体用バネ、14…底壁、15…隔壁、16…開口、17…支持部材、18…上壁、21…圧電素子、21a…基端部、21b…自由端部、22…中央板、23…導電性接着層、24…圧電板、25…電極、26…基板(駆動部を有する)、27…制御部、28…固定リード線、31…作動片、31a…下端部(枢支端部)、31b…自由端部(係合端部) 、32…第1支軸、33…被係合部、35…左右一対のアーム、36…拘束壁、37…係止部分、38…係合壁、41…係止片、42…係合突起、43…第2支軸、44…バネ部材。
X ... Piezoelectric actuator, Y ... Piezoelectric actuator for joinery, Z ... Opening / closing body, 1 ... Guide box, 2 ... Front, 3 ... Rear wall, 4 ... Internal space, 5 ... Horizontal guide, 6 ... Spring end support, 7 ... Door frame, 8 ... receptacle, 10 ... box body, 10a ... case body, 10b ... case lid, 11 ... guide (engagement protrusion), 12 ... spring end support, 13 ... box spring, 14 ...
Claims (3)
In a piezoelectric actuator in which a box body that is retractably installed in a guide box attached to an opening / closing end of an opening / closing body moves backward through a locking piece and against the spring force of a box spring , Inside the box, a base end is fixed, and a long piezoelectric element that is bent to one side by converting a voltage signal into a mechanical displacement, and a cover that is always engaged with the free end of the piezoelectric element. An operating piece having an engaging portion and having a pivotally supported end portion pivotally supported by a first supporting shaft located in the vicinity of the base end portion of the piezoelectric element, and an inner end portion is engaged with a locking portion of the operating piece. with disengaging, is supported by a second support shaft spaced a predetermined distance with respect to the first support shaft, and in a state of being always biased in a direction out of the locking portion of the operating piece by the spring member, the outer piezoelectric actuator and an end portion is respectively arranged the engaging piece projecting from the opening of the front wall of the box body
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a partition having a drive unit for applying a voltage signal to the piezoelectric element is provided in the box, and a lead wire is connected to the drive unit.
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