JP5727781B2

JP5727781B2 - 圧電素子の変位拡大機構

Info

Publication number: JP5727781B2
Application number: JP2010289590A
Authority: JP
Inventors: 矢野　健; 健矢野; 和夫八鍬; 世傑徐; 原田　三郎; 三郎原田; 恒彦中尾; 昭雄矢野
Original assignee: Mechano Transformer Corp
Current assignee: Mechano Transformer Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012139028A

Description

本発明は、圧電素子に圧縮力を与えつつ、圧電素子の伸縮変位を拡大して対象物に作用させる変位拡大機構に関するものである。

圧電効果によって電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換を行う圧電素子は、変換効率が高く、小型で、微小変位の制御に優れていることから、圧電アクチュエータとして位置決め等に広く用いられている。ただし、圧電素子そのものの変位量はあまり大きくないことから、変位拡大機構を備えて使用されることがある（例えば、特許文献１）。

図２は、特許文献１に記載された変位拡大機構と同様の変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを示す図である。このような変位拡大機構１００を有する圧電アクチュエータは、圧電素子５０が長さ方向の一端部に当接する第１の当接部材５２と他端部に当接する第２の当接部材５３の間に取り付けられており、電気端子５１，５１間に電圧が印加されることにより、圧電素子５０に軸方向の変位が生じ、その発生変位がヒンジ５４，５５を介して左右のアーム５６，５６に伝達され、さらにアーム５６の先端に取り付けられた弾性材５７を介し、対象物に当接する結合部材５８に拡大した変位を与える構成になっている。

ところで、圧電素子５０は一般的にセラミック材料からなるため、陶器のように脆性を有しており、圧縮力に対しては強いが引張力に対しては弱いという特性がある。このため、圧電素子５０をアクチュエータとして用いる場合には、一般に圧電素子５０から生じる力に対して２０〜５０％程度の圧縮力を与えておくことが要求される。

そこで特許文献２では、圧電素子に引張力が作用しないように、予め圧電素子に圧縮力を付与する圧電アクチュエータが提案されている。図３は、与圧構造として圧縮コイルバネを用いた変位拡大機構を示す図である。この与圧構造は、圧縮コイルバネ６０の作用により、アーム５６が第１の当接部材５２から離される向きに力を受けることで、ヒンジ５４，５５を介して、圧電素子５０に圧縮力が付与される構成になっている。しかし、このような変位拡大機構１０１では、圧電素子５０に電圧を印加して動作させたとき、圧縮コイルバネ６０の持つ自己共振周波数に伴う、圧縮コイルバネ６０の振動が励起される。そのため、圧縮コイルバネ６０の自己共振周波数成分の微細な動きが、圧電素子５０に印加された電圧に伴う変位拡大機構動作に重畳されて現れることとなる。つまり、圧縮コイルバネ６０を用いたときは、ノイズが発生し、変位拡大機構１０１の本来持つべき動作を損なうことになる。

また、特許文献２には、変位拡大機構１０１の圧電素子５０が入る部分の長さを圧電素子５０の長さよりも若干短くし、組立時には第１の当接部材５２と第２の当接部材５３との間をこじ開けて圧電素子５０を入れることにより、圧電素子５０に圧縮力を付与することも提案されている。このとき、圧電素子５０に与える与圧力の原動力となるのはヒンジ５４，５５の曲げ変形である。圧電素子５０に対する与圧力とヒンジ５４，５５に加わる曲げ応力は比例関係になるが、有限要素法を用いて計算した両者の関係の計算値は、例えば、圧電素子に与圧力５５．３ｋｇを加える場合のヒンジ応力値は３２．７ｋｇ／ｍｍ^２となった。この応力値は材料の限界値に近く、これ以上与圧力を高めることは難しい。ここで、圧電素子５０に対する与圧力として、圧電素子発生力の２０〜５０％を目安とすると、上記の前提になっている圧電素子５０（１０ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍ）の発生力は約３５０ｋｇなので、２０％とした場合には７０ｋｇ、５０％では１７５ｋｇの圧縮力を与えることが望ましいことになる。しかし、前記の通り、変位拡大機構の構成材料応力限界からすると２０％相当の圧縮力でさえ与えることは難しいので、圧電素子５０が入る部分の長さを圧電素子５０の長さより短くするという方法では、対応できないと考えられる。

特開２００２−５０５５４８号公報特開２００８−９９３９９号公報

本発明では、斯かる事情に鑑み、圧電素子に十分な圧縮力を付与することができ、かつ、圧縮コイルバネのような振動を生じない与圧構造を備えた、圧電素子の変位拡大機構を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子の変位拡大機構は印加電圧に応じて伸縮する圧電素子の変位を拡大して対象物に作用させる圧電素子の変位拡大機構であって、Ｕ字形の部材であって、その底部で前記圧電素子の一端に当接する第１の当接部材と、前記圧電素子の他端に当接する第２の当接部材と、前記第１の当接部材のＵ字形の先端部に設けられたヒンジ及び前記第２の当接部材の前記圧電素子に当接する面とは反対の面に設けられたヒンジと接続し、前記圧電素子の伸縮方向を中心軸の左右に隙間を開けて配置された２本のアームと、前記２本のアームの先端間に設けられ対象物に変位を作用させる結合部材と、前記２本のアームの隙間を狭める方向に作用することで、前記圧電素子に圧縮力を付与する与圧構造と、を有することを特徴とするものである。そして、与圧構造としては板バネを使用することができる。

また、前記２本のアームのそれぞれの先端に２本の弾性材の各一端を結合し、前記２本の弾性材の他端に、前記結合部材を設けた構成としたり、前記２本のアームが、前記圧電素子の伸縮方向を中心軸としてその左右に対称に設けられている構成としたり、前記与圧構造がＵ字状の板バネであり、両端がそれぞれ前記左右のアームに一体的に接続している構成としたり、第２の当接部材が上下に分割されており、その分割面が接触しているだけで接合されていないことにしたり、圧電素子と第１の当接部材及び／又は第２の当接部材との当接面が、接触しているだけで接合されていないことにしても良い。

本発明によれば、圧電素子に十分に大きな圧縮力を付与することができるため、圧電素子には引張力が働かないという効果がある。また、従来の圧縮コイルバネを用いた与圧構造とは異なり、振動によるノイズの発生を防ぐことができる。

さらに、圧電素子に圧縮力を与えることができるため、変位拡大機構と圧電素子とは接触しているだけで良く、それによって、圧電素子に引張、曲げ及び捻り応力が作用することを防ぐことができる。

本発明の与圧構造を備えた圧電素子の変位拡大機構を示す図である。変位拡大機構を有する圧電アクチュエータを示す図である。与圧構造として圧縮コイルバネを用いた変位拡大機構を示す図である。

本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の与圧構造を備えた圧電素子の変位拡大機構を示す図である。この変位拡大機構１は、アーム１６同士の間に与圧構造２０を設けたものである。

変位拡大機構１の構成は、従来と同様に、圧電素子１０が長さ方向の一端部に当接するＵ字形の第１の当接部材１２と他端部に当接する第２の当接部材１３の間に取り付けられており、電気端子１１，１１間に電圧が印加されることにより、圧電素子１０に軸方向の変位が生じ、その発生変位がヒンジ１４，１５を介して左右のアーム１６，１６に伝達され、さらにアーム１６の先端に取り付けられた弾性材１７を介し、対象物に当接する結合部材１８に拡大した変位を与える構成になっている。

ここで、図１の実施例に示す与圧構造２０は、Ｕ字状の板バネであり、両端が左右のアーム１６，１６に一体につながっている。すなわち、Ｕ字状の与圧構造２０と、Ｕ字形の第１の当接部材１２と、左右対称形状のアーム１６，１６とは、ヒンジで結合した一体構造となっている。この一体構造には、さらに、ヒンジ１４，１４を介して第２の当接部材１３に当接する部分も含まれている。

与圧構造２０は、左右のアーム１６，１６を互いに接近させる向きに力を付与することにより、ヒンジ１４，１５を伝わり、第１の当接部材１２と第２の当接部材１３との間に挟持されている圧電素子１０に圧縮力を作用させる。このような与圧構造２０としては、板バネが考えられるが、それ以外でも、アーム１６同士を引きつけるようなものであればよい。また、ヒンジ１４，１５の曲げ変形とは別に、圧電素子１０に圧縮力を付与するものであるから、十分に大きな圧縮力を付与することが可能である。ただし、コイルバネのように振動が励起されやすいものは、避けるべきである。

図１のような与圧構造２０が前記左右のアーム１６，１６に一体的にヒンジ結合している構成にすると、前記と同じ３２．７ｋｇ／ｍｍ^２の曲げ応力をヒンジ１４，１５及びＵ字状の板バネからなる与圧構造２０に許容した場合に圧電素子１０に加えることができる与圧力の値を１１０．１ｋｇにすることができた。つまり、本発明の与圧構造にすると、従来構造の２倍の与圧力が実現できることになる。この値は、圧電素子１０の発生力（約３５０ｋｇ）に対する２０％を優に越えており、望ましい値を得ることができた。

本発明のような変位拡大機構１の場合は、圧電素子１０と第１の当接部材１２及び／又は第２の当接部材１３との当接面は、接触しているだけで接合されている必要はない。また、第２の当接部材１３を上下に分割し、その分割した断面Ｓにおいても接触しているだけで接合させる必要はない。これは、今回の与圧構造２０により与圧力として高い値が実現できるため、接合せずに接触するのみで変位拡大機構１として所要の性能を発揮することができるようになるからである。

圧電素子１０は全体を構成する材料が脆性材料である圧電性セラミックであるため、引張、曲げ、捻り等の過大な応力を受けると割れを生じる可能性がある。本発明の与圧構造２０では圧電素子１０に対する与圧力が大きいため引張力は余程のことが無い限り加わることはないが、それでも、絶対にかからないとは言い切れないし、また、曲げ、捻り応力に関しては、変位拡大機構１の圧電素子１０の周りにある第１の当接部材１２のＵ字形が仮に変形を受けた場合には、圧電素子１０に曲げ或いは捻り応力が加わる可能性がある。例えば、このＵ字形の部分を他の装置に取り付けた場合にその取り付け面が平坦でなかったことを想定すればその様なことが起こる可能性は大きい。

しかし、本発明の構造では、圧電素子１０と第１の当接部材１２及び／又は第２の当接部材１３との当接面が、接触しているだけで接合されていないので、上記問題の発生を回避することが可能である。

１，１００，１０１変位拡大機構
１０，５０圧電素子
１１，５１電気端子
１２，５２第１の当接部材
１３，５３第２の当接部材
１４，１５，５４，５５ヒンジ
１６，５６アーム
１７，５７板バネ
１８，５８結合部材
２０与圧構造
６０圧縮コイルバネ

Claims

印加電圧に応じて伸縮する圧電素子の変位を拡大して対象物に作用させる圧電素子の変位拡大機構であって、
Ｕ字形の部材であって、その底部で前記圧電素子の一端に当接する第１の当接部材と、
前記圧電素子の他端に当接する第２の当接部材と、
前記第１の当接部材のＵ字形の先端部に設けられたヒンジ及び前記第２の当接部材の前記圧電素子に当接する面とは反対の面に設けられたヒンジと接続し、前記圧電素子の伸縮方向を中心軸の左右に隙間を開けて配置された２本のアームと、
前記２本のアームの先端間に設けられ対象物に変位を作用させる結合部材と、
前記２本のアームの隙間を狭める方向に作用することで、前記圧電素子に圧縮力を付与する与圧構造と、
を有し、前記与圧構造がＵ字状の板バネであり、両端がそれぞれ前記２本のアームに一体的に接続していることを特徴とする圧電素子の変位拡大機構。
前記２本のアームのそれぞれの先端に２本の弾性材の各一端を結合し、前記２本の弾性材の他端に、前記結合部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の変位拡大機構。
前記第２の当接部材が上下に分割されており、その分割面が接触しているだけで接合されていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子の変位拡大機構。
前記圧電素子と前記第１の当接部材及び／又は前記第２の当接部材との当接面が、接触しているだけで接合されていないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電素子の変位拡大機構。