JP7248445B2

JP7248445B2 - 変位拡大装置

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Publication number: JP7248445B2
Application number: JP2019027169A
Authority: JP
Inventors: 崇夫水内
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: KR20200101266A; US20200266331A1; CN111585467A; JP2020137238A; US11476406B2

Description

本発明は、変位拡大装置に関し、特に圧電素子および変位拡大機構を備えた変位拡大装置に関する。

従来より、変位拡大装置として、圧電素子および変位拡大機構を備えた変位拡大装置が用いられている。図７および図８に、従来の変位拡大装置の平面図および斜視図を示す（例えば、特許文献１参照。）。この変位拡大装置２００は、圧電素子２１と、圧電素子２１の変位を拡大する変位拡大機構２２とを備えている。

変位拡大機構２２は、圧電素子２１を支持する支持部２３と、この支持部２３と隙間を置いてほぼ平行に対向して設けられた角柱形状の可動部２４と、支持部２３と可動部２４とを連結する、互いに平行な一対のリンク部（第１のリンク部２５および第２のリンク部２６）とを有し、これらは一体に形成されている。

第１のリンク部２５は、角柱形状に形成され、その両端は、幅狭とされた弾性ヒンジ２７₁，２７₂を介して支持部２３および可動部２４に連結されている。また、第２のリンク部２６は肉厚の薄い柱とされ、板ばねとして作用する。圧電素子２１は、支持部２３に一体的に設けられた台座部２３ａの側壁面２３ａ１と、第１のリンク部２５の側面に一体的に突出して形成されている受圧面２５ａとの間に固定されている。

この変位拡大装置２００において、圧電素子２１が矢印Ｃの方向へ微小変位すると、その変位によって生じる力が受圧面２５ａを介して第１のリンク部２５に伝達される。すると、圧電素子２１からの力を受けた第１のリンク部２５が、てこの原理で、弾性ヒンジ２７₁を支点として斜めに傾き、これに追随して第２のリンク部２６も斜めに傾き、可動部２４が矢印Ｄの方向に移動する。

すなわち、この変位拡大装置２００では、圧電素子２１が微小変位すると、支持部２３と可動部２４と第１のリンク部２５と第２のリンク部２６とにより形成されたほぼ矩形枠状の変位拡大機構２２が平行四辺形の枠状に変位する。これにより、圧電素子２１の変位量が変位拡大機構２２より拡大され、可動部２４の変位量として出力される。

特許第５０２５９４９号公報

この変位拡大装置２００では、支持部２３と可動部２４と第１のリンク部２５と第２のリンク部２６とが一体化されており、この一体化された１つの部品の中に弾性ヒンジ２７₁，２７₂を作り込む必要がある。しかしながら、弾性ヒンジ２７₁，２７₂の幅は狭く、フライス加工などの汎用的な加工方法で作り込むことは難しい。このため、従来においては、ワイヤカット加工のような特殊な加工方法を採用しているが、その加工方法は、加工性が悪く、生産性を悪化させる原因となっていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、生産性を高めることができる変位拡大装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る変位拡大装置は、圧電素子（１）と、前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構（２）とを備え、前記変位拡大機構は、前記圧電素子を支持した支持部（３）と、前記支持部に隙間をおいて対向して設けられた可動部（４）と、前記支持部と前記可動部とを連結する互いに平行な一対のリンク部（５，６）とを備え、前記圧電素子は、前記支持部と前記可動部との対向方向に対して直交する方向を当該圧電素子の変位方向として前記支持部に取り付けられ、前記一対のリンク部の一方（５）は、前記圧電素子の変位によって生じる力を受ける受圧面（８ａ１）を有する第１の剛体（８）と、前記第１の剛体を前記支持部および前記可動部にそれぞれ連結する第１の板ばねと（９）から構成されていることを特徴とする。

この発明において、圧電素子が微小変位すると、その変位によって生じる力が第１の剛体の受圧面を介して一対のリンク部の一方（第１のリンク部）へ伝達される。すると、圧電素子からの力を受けた第１のリンク部が、てこの原理で、第１の板ばねの支持部とのつなぎ部を支点として斜めに傾き、これに追随して一対のリンク部の他方（第２のリンク部）が斜めに傾き、支持部と可動部との対向方向に直交する方向に可動部が移動する。

この発明において、第１の剛体は、第１の板ばねの撓みを抑える役割を果たす。また、第１の板ばねの支持部とのつなぎ部、可動部とのつなぎ部は、弾性ヒンジの役割を果たす。これにより、本発明では、１つの部品の中に幅の狭い弾性ヒンジを作り込む必要がなく、フライス加工などの汎用的な加工方法を採用することができるようになる。

本発明において、第１の板ばねは、１枚の板ばね（７₀）からなるものとしたり、２枚の板ばね（７₁，７₂）からなるものとしたりしてもよい。１枚の板ばねとする場合、その１枚の板ばねを支持部と可動部との間に架け渡して、支持部にその板ばねの一端を固定し、可動部にその板ばねの他端を固定するようにする。２枚の板ばねとする場合、支持部に１枚目の板ばねの一端を固定し、第１の剛体に１枚目の板ばねの他端を固定するようにする。また、可動部に２枚目の板ばねの一端を固定し、第１の剛体に２枚目の板ばねの他端を固定するようにする。

また、本発明において、一対のリンク部の他方（６）を、支持部と可動部との間に位置する第２の剛体（１０）と、第２の剛体を支持部および可動部にそれぞれ連結する第２の板ばね（９）とから構成するようにしてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、一対のリンク部の一方を、圧電素子の変位によって生じる力を受ける受圧面を有する第１の剛体と、第１の剛体を支持部および可動部にそれぞれ連結する第１の板ばねとから構成するようにしたので、１つの部品の中に幅の狭い弾性ヒンジを作り込む必要がなく、フライス加工などの汎用的な加工方法を採用し、簡単に製作することができるようになり、生産性が高まるものとなる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る変位拡大装置の要部を示す平面図である。図２は、実施の形態１の変位拡大装置の側面図である。図３は、実施の形態１の変位拡大装置において圧電素子を微小変位させた状態を示す図である。図４は、本発明の実施の形態２に係る変位拡大装置の要部を示す平面図である。図５は、本発明の実施の形態１に係る変位拡大装置の変形例を示す平面図である。図６は、本発明の実施の形態２に係る変位拡大装置の変形例を示す平面図である。図７は、従来の変位拡大装置の平面図である。図８は、従来の変位拡大装置の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は本発明の実施の形態１に係る変位拡大装置１００の要部を示す平面図であり、図２は側面図である。この変位拡大装置１００は、圧電素子１と、圧電素子１の変位を拡大する変位拡大機構２とを備えている。

この変位拡大装置１００において、圧電素子１としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）に代表される圧電材料を多層に積層した積層型の圧電素子を用いている。

また、変位拡大機構２は、圧電素子１を支持する支持部３と、この支持部３と隙間を置いてほぼ平行に対向して設けられた角柱形状の可動部４と、支持部３と可動部４との対向方向に対して直交する方向に、支持部３と可動部４との間の隙間を挾んで対向して設けられた、支持部３と可動部４とを連結する、互いに平行な一対のリンク部（第１のリンク部５および第２のリンク部６）とを有している。

第１のリンク部５は、角柱形状の第１の剛体８と、この第１の剛体８を支持部３および可動部４にそれぞれ連結する第１の板ばね７とから構成されている。第２のリンク部６は、角柱形状の第２の剛体１０と、この第２の剛体１０を支持部３および可動部４にそれぞれ連結する第２の板ばね９とから構成されている。

第１のリンク部５において、第１の板ばね７は、支持部３と可動部４との間に架け渡された１枚の板ばねとされており（以下、この１枚の板ばねを符号７₀で示す。）、この板ばね７₀の一端が支持部３にネジ１１によって固定され、板ばね７₀の他端が可動部４にネジ１２によって固定されている。第１の剛体８は、支持部３と可動部４との間の隙間に位置し、板ばね７０の支持部３と可動部４との間の部分に、ネジ１３，１４によって固定されている。

第２のリンク部６において、第２の板ばね９は、支持部３と可動部４との間に架け渡された１枚の板ばねとされており（以下、この１枚の板ばねを符号９₀で示す。）、板ばね９₀の一端が支持部３にネジ１５によって固定され、板ばね９₀の他端が可動部４にネジ１６によって固定されている。第２の剛体１０は、支持部３と可動部４との間の隙間に位置し、板ばね９０の支持部３と可動部４との間の部分に、ネジ１７，１８によって固定されている。

支持部３は、可動部４側に突出した台座部３ａを備えており、この台座部３ａの側壁面３ａ１と第１の剛体８の受圧面８ａ１との間に圧電素子１が固定されている。第１の剛体８には、圧電素子１側に突出した凸部８ａが形成されており、この凸部８ａの先端面が圧電素子１に接する受圧面８ａ１とされている。また、第１の剛体８において、凸部８ａは、第１の剛体８につながる根元の部分８ａ２の幅が狭くされている。

この変位拡大装置１００において、支持部３、可動部４、第１の剛体８および第２の剛体１０は炭素鋼とされ、板ばね７₀および板ばね９₀はＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）とされている。なお、板ばね７₀および板ばね９₀をばね鋼としたり、ステンレス鋼としたり、もしくはセラミックやＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）としてもよく、支持部３、可動部４、第１の剛体８および第２の剛体１０も金属製に相応する高剛性材料であればよく、炭素鋼に限られるものではない。また、第１の剛体８および第２の剛体１０の長さを変えることによって、板ばね７₀および板ばね９₀に対する剛性を調整するようにしてもよい。

この変位拡大装置１００において、圧電素子１が矢印Ａの方向へ微小変位すると、その変位によって生じる力が第１の剛体８の受圧面８ａ１を介して第１のリンク部５へ伝達される。すると、圧電素子１からの力を受けた第１のリンク部５が、てこの原理で、板ばね７₀の支持部３とのつなぎ部Ｊ１を支点として斜めに傾き（図３参照）、これに追随して第２のリンク部６が斜めに傾き、可動部４が矢印Ｂの方向に移動する。

すなわち、この変位拡大装置１００では、圧電素子１が微小変位すると、支持部３と可動部４と第１のリンク部５と第２のリンク部６とにより形成されたほぼ矩形枠状の変位拡大機構２が、平行四辺形の枠状に変位する。これにより、圧電素子１の変位量が変位拡大機構２より拡大され、可動部４の変位量として出力される。本実施の形態において、可動部４の変位量は３４μｍ程度とされ、変位拡大率は２．２倍とされている。

この変位拡大装置１００において、第１の剛体８および第２の剛体１０は、板ばね７₀および板ばね９₀の撓みを抑える役割を果たす。また、板ばね７₀および板ばね９₀の支持部３とのつなぎ部Ｊ１，Ｊ２、可動部４とのつなぎ部Ｊ３，Ｊ４は、弾性ヒンジの役割を果たす。これにより、この変位拡大装置１００では、１つの部品の中に幅の狭い弾性ヒンジを作り込む必要がなく、フライス加工などの汎用的な加工方法を採用し、簡単に製作することができるようになり、生産性が高まるものとなる。

なお、この変位拡大装置１００では、圧電素子１からの力を効率よく第１のリンク部５へ伝達させることができるように、第１の剛体８の凸部８ａの根元の部分８ａ２の幅を狭くしている。また、フライス加工でも作成することができるように、根元の部分８ａ２の削り幅を広くしている。

また、この例では、凸部８ａの根元の部分８ａ２の幅を狭くしているが、必ずしも狭くしなくてもよい。すなわち、凸部８ａの全てを受圧面８ａ１の幅と同じとしてもよい。但し、凸部８ａの全てを受圧面８ａ１の幅と同じとすると、圧電素子１からの力を受ける際に曲げモーメントが発生するために、第１のリンク部５へ伝達される力は小さくなる。

〔実施の形態２〕
図４に、本発明の実施の形態２に係る変位拡大装置１０１の要部の平面図を示す。この変位拡大装置１０１では、第１の板ばね７を、２枚の板ばね７₁と７₂とで構成し、板ばね７₁の一端を支持部３に固定し、板ばね７₁の他端を第１の剛体８に固定している。また、板ばね７₂の一端を可動部４に固定し、板ばね７₂の他端を第１の剛体８に固定している。この構成において、板ばね７₁が本発明でいう第１の支持部側板ばねに相当し、板ばね７₂が第１の可動部側板ばねに相当する。

また、第２の板ばね部９を、２枚の板ばね９₁と９₂とで構成し、板ばね９₁の一端を支持部３に固定し、板ばね９₁の他端を第２の剛体１０に固定している。また、板ばね９₂の一端を可動部４に固定し、板ばね９₂の他端を第２の剛体１０に固定している。この構成において、板ばね９₁が本発明でいう第２の支持部側板ばねに相当し、板ばね９₂が第２の可動部側板ばねに相当する。

この変位拡大装置１０１において、第１の剛体８および第２の剛体１０は、板ばね７₁，７₂および板ばね９₁，９₂の撓みを抑える役割を果たす。また、板ばね７₁，７₂および板ばね９₁，９₂の支持部３とのつなぎ部Ｊ１，Ｊ２、可動部４とのつなぎ部Ｊ３，Ｊ４は、弾性ヒンジの役割を果たす。これにより、この実施の形態２の変位拡大装置１０１でも、実施の形態１の変位拡大装置１００と同様、１つの部品の中に幅の狭い弾性ヒンジを作り込む必要がなく、フライス加工などの汎用的な加工方法を採用し、簡単に製作することができるようになり、生産性が高まるものとなる。

なお、図１に示した変位拡大装置１００では、第２のリンク部６を第２の板ばね９と第２の剛体１０とから構成するようにしたが、図５に変位拡大装置１００’として示すように、従来の変位拡大装置２００（図７）における第２のリンク部２６と同様に、第２のリンク部６を支持部３と可動部４と一体に形成された肉厚の薄い柱とし、板ばねとして作用させるようにしてもよい。図４に示した変位拡大装置１０１でも、図６に変位拡大装置１０１’として示すように、同様の構造を採用することができる。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…圧電素子、２…変位拡大機構、３…支持部、３ａ…台座部、３ａ１…側壁面、４…可動部、５…第１のリンク部、６…第２のリンク部、７…第１の板ばね、７₀，７₁～７₄…板ばね、８…第１の剛体、８ａ…凸部、８ａ１…受圧面、８ａ２…根元の部分、９…第２の板ばね、９₀，９₁～９₄…板ばね、１０…第２の剛体、１００，１００’，１０１，１０１’…変位拡大装置。

Claims

圧電素子と、
前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構とを備え、
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子を支持した支持部と、
前記支持部に隙間をおいて対向して設けられた可動部と、
前記支持部と前記可動部とを連結する互いに平行な一対のリンク部とを備え、
前記圧電素子は、前記支持部と前記可動部との対向方向に対して直交する方向を当該圧電素子の変位方向として前記支持部に取り付けられ、
前記一対のリンク部の一方は、
前記圧電素子の変位によって生じる力を受ける受圧面を有する第１の剛体と、
前記第１の剛体を前記支持部および前記可動部にそれぞれ連結する第１の板ばねとから構成され、
前記第１の板ばねは、前記支持部と前記可動部との間に架け渡されて、前記支持部にその一端が固定され、前記可動部にその他端が固定された、１枚の板ばねからなり、
前記第１の剛体は、前記第１の板ばねの前記支持部と前記可動部との間の部分に固定されている
ことを特徴とする変位拡大装置。
圧電素子と、
前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構とを備え、
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子を支持した支持部と、
前記支持部に隙間をおいて対向して設けられた可動部と、
前記支持部と前記可動部とを連結する互いに平行な一対のリンク部とを備え、
前記圧電素子は、前記支持部と前記可動部との対向方向に対して直交する方向を当該圧電素子の変位方向として前記支持部に取り付けられ、
前記一対のリンク部の一方は、
前記圧電素子の変位によって生じる力を受ける受圧面を有する第１の剛体と、
前記第１の剛体を前記支持部および前記可動部にそれぞれ連結する第１の板ばねとから構成され、
前記一対のリンク部の他方は、
前記支持部と前記可動部との間に位置する第２の剛体と、
前記第２の剛体を前記支持部および前記可動部にそれぞれ連結する第２の板ばねとから構成され、
前記第２の板ばねは、前記支持部と前記可動部との間に架け渡されて、前記支持部にその一端が固定され、前記可動部にその他端が固定された、１枚の板ばねからなり、
前記第２の剛体は、前記第２の板ばねの前記支持部と前記可動部との間の部分に固定されている
ことを特徴とする変位拡大装置。
請求項１又は２に記載された変位拡大装置において、
前記支持部は、前記可動部側に突出した台座部を備え、
前記圧電素子は、前記台座部の側壁面と前記第１の剛体の受圧面との間に固定されている
ことを特徴とする変位拡大装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載された変位拡大装置において、
前記第１の剛体は、前記圧電素子側に突出した凸部を備え、
前記第１の剛体の凸部は、その先端面が前記受圧面として前記圧電素子に接している
ことを特徴とする変位拡大装置。
請求項４に記載された変位拡大装置において、
前記第１の剛体の凸部は、前記第１の剛体につながる根元の部分の幅が狭くされている
ことを特徴とする変位拡大装置。