JPH01138981A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、２つの物体間の摩擦力を任意に珊減させるこ
とのできるスイッチング装置に関する。

従来の技術 圧電素子を利用するデバイスとして、たとえば圧電変成
器および圧電振動子がある。圧電変成器としては、種々
の振動モードを利用した空中音響変成器、水中音響変成
器、強力超音波変成器、圧電火花発生などがある。圧電
振動子としては、弾性合金に圧電素子を接着して構成さ
れ振動子の圧電音さ、圧電結合子、フィルタ、超音波モ
ータなどがある。

発明が解決しようとする問題点 しかし、２つの物体間の摩擦力を任意に減少させるよう
に制御できるｉ置はいまだ存在しない。

単純な平面接触のすべり摩擦の場合、２つの物体間に働
く摩擦力として、接触平面に垂直方向の加圧力とＩｌ！
ｍ係数の積で表される力とが必ず作用する。接触平面に
垂直方向の加圧力は２つの物体間の加圧構成によって決
定される。一方、摩擦係数は２つの物体のそれぞれの材
料によって決定される定数である。それ故、加圧構成お
よび物体の材料が決まればその、物体間に働く摩擦力を
減少させることは不可能であった。

本発明は上記問題点を解決するもので、２つの物体間に
働＜＃振力を任意に増減でき、一方の物体を動かすのに
必要な力を眉減させることのできるスイッチング装置を
提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明は、弾性体に圧電
素子を装着してなる固定体と、前記弾性体に接触する移
動体と、前記固定体と前記移動体とを互いに加圧するた
めの加圧装置を有し、＃記圧電素子による超音波振動を
制御して固定体と移動体の間に働く摩擦力を制御可能に
したものである。

作用 固定体と移動体が相互に加圧接触されることにより、こ
れら２つの物体間には摩擦力が作用することになるが、
このとき、摩擦力は移動体と固定体との接触面に垂直な
加圧力に比例し、かつ固定体と移動体の材質や形状およ
び表面の状態などによるｒｓ擦係数に比例することにな
る。ところが、上記構成により、固定体は弾性体に圧電
素子を装着してなり、圧電素子の両端に電圧を印加する
ことにより固定体には微小な超音波振動が発生し、この
ような微小な超音波振動の発生により、固定体と移動体
の間に働く摩擦力が減少する。これは、移動体の進行方
向に垂直な加圧力は変化しないが、固定体と移動体の形
状および表面の状態に変化が起こり、＊振力が減少した
ものと考えられる。すなわち、圧！素子の両端に電圧を
印加することにより発生する固定体の微小な超音波振動
の大小により、固定体と移動体の間に働＜＊振力が減少
したり層加したりするので、結局移動体を動かすのに必
要な力を増減させることができる。

実施例 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のスイッチング装置の基本構成図を示す
。圧電素子１を弾性体２に装着して固定体３が形成され
、これに移動体４を加圧接触させるように構成している
。第１図には固定体３と移動体４が離れて描かれている
が、実際にはこれらの両者は接触しており、なんらかの
手段で互いに加圧されている、原理的には、圧電素子の
両端に電圧を印加すると圧電素子は機械的に延びたり縮
んだりする性質を有する。それゆえ、圧電素子１を８着
した弾性体２からなる固定体３は超音波領域の交流電圧
を加えることにより圧電索子１による微小な超音波振動
をし続けることになる。その振動は固定体３と移動体４
の接触面にも伝達される。そして移動体４は固定体３に
加圧接触させられているから、移動体を動かすのにはあ
る一定の力が必要であるが、その力は固定体３の微小な
振動の強弱により変化する。

圧電素子は第２図に示したように互いに位置的に９０度
ずらせ、圧電素子の両端に電圧を印加することにより定
在波からなる超音波振動を発生させるようにすることが
望ましい。このような超音波振動をする際には節５が存
在するので、振動を阻害することなく固定体３を支持す
ることができる。

圧電素子としては内部損失が小さく、大振幅の際の特性
劣化が少ない圧電セラミクス材料を用いるのが好ましい
。圧電セラミクス材料の中でもチタン酸バリウムや酸化
鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸などの混合系セラミクスが
特性が非常に安定しており好ましい。

弾性体としては、圧電素子から発生する振動を効率良く
伝えるため金属材料から構成する。金属材料の中でも機
械的Ｑ値の大きいものを用いるほうが良い。

さらに、第３図に示すように、弾性体２が少なくとも１
つの以上の突起６を有する構造にして移動体４と接触し
ているようにすると、より大きな振幅を固定体３と移動
体４の接触面に発生させることができるので好ましい。

移動体４はどのような材質によってでも構成できるが、
好ましくは第４図に示すように、弾性体２と接触する部
分に少なくともプラスチック材料からなる摩擦材７を用
いる。これにより、移動体は常に滑らかに動きかつＩｉ
ｌ擦接触することによる摩耗が少なくなる。さらには、
微小な振動をある程度吸収できることにより、外部に振
動を伝えることなく、また騒音も発生せず安定した性能
が得られる。

スイッチング装置を構成するためには、さらに摩擦力を
生ぜしめるための加圧装ばが必要である。

その方法として、まづ第１にコイルばねなどのばね材を
用い、そのばね圧により固定体３と移動体４を加圧接触
せしめる方法がある。さらに、別法として、強磁性体か
らなる弾性体と少なくとも磁石を含む移動体から構成し
、その磁力により加圧接触せしめる方法もある。さらに
、単純なものとして移動体の自重により加圧力を得る方
法もあるが、その場合は移動体の自重以上加圧力を得る
ことができない。

また、スイッチング装置の形状としては、円板状円環状
、直線状などいろいろな形状のものを作成することが可
能である。

次に、具体的な一実施例として、円板状からなるスイッ
チングａｔについて説明する。スイッチング装置の概略
図を第５図に示す。圧電素子８として酸化鉛、チタン酸
鉛、ジルコン酸鉛からなる３成分系の長さ０．２闇の圧
電セラミクスを用いた。

これを円板状に加工し、蒸着により電極を設け、分極処
理を行なった。電極は８分割し分極方向が交互になるよ
うにした。この円板状に加工した圧電素子８を第５図に
示したような突起９を有する弾性体１０にエポキシ系接
着剤を用いて加圧上加温することにより接着し、固定体
１１を作成した。固定体１１は外径を４０ｉｎになるよ
うに設計し、弾性体１０はたとえば第６図に示したよう
にリング状の突条部に溝を切り込むことにより形成した
突起９と移動体１２が接触するような構造にした。移動
体１２は摩擦材１３と軸１４と補強体１５から構成した
。摩擦材１３は炭素ａｍにポリイミド系樹脂を含浸させ
たものを用い、軸１４および補強体１５はステンレスに
より作成した。加圧の方法としてはコイルばね（図示せ
ず）を用い、軸１４の下部より約２Ｋｙ／ａＡの加圧力
で加圧した。一方、固定体１１の固定は節となる部分で
固定、できるように予め設計された固定台にて固定した
。この場合には節円が存在するのでその部分でも固定し
た。

このようにして構成したスイッチング装置において、圧
電素子８の両端に固定体１１が共振する周波数である約
７０にＨｚの交流電圧を加え、このときの移動体１２を
動かすのに必要な力を軸１４のトルクとして測定した、
その結果を第１表に示す。電圧を全く加えない場合は移
動体１２を動かすのに５００ｇｆ−αのトルクが必要で
あったが、電圧を加えるに従い驚くべきことにトルクが
減少してゆき約４０ｖｐｐの電圧を加えるとほとんどト
ルクが０となった。理論上はＩＩ擦振力移動体１２と固
定体１１との接触面に垂直な加圧力に比例し、固定体１
１と移動体１２の材質や形状および表面の状態などによ
るＩ！Ｊｌａ係数にも比例することになるにもかかわら
ず、構成を全く変化さぜずにその摩擦力を減少すること
ができた。

以上、円板型のスイッチング装置について詳しく述べた
が、第６図に示したような円環型のものも作成した。こ
の場合には固定体１１′弾性体１０′を強磁性体から構
成し、移動体１２′の補強体１５′に磁石を用い、その
磁力により加圧する構成にした。さらにこの円環型の場
合には軸の無い構成にできるという特徴がある。ここで
、８′は圧電素子、９′は弾性体１０’に形成された突
起である。

第１表 その他に、単純なものとして直線状のスイッチング装置
を作成することも可能である。

このようにして作成されたスイッチング装置は、たとえ
ばスイッチの安全装置および力やトルクをｌｌｌｌｍｌ
するような装置など広範囲に応用することが可能である
。

発明の効果 以上本発明によれば、弾性体に圧電素子を装着してなる
固定体と、前記弾性体に接触する移動体と、前記固定体
と前記移動体とを互いに加圧するための加圧装置を有し
、前記圧電素子による超音波振動を制御して固定体と移
動体の間に働＜Ｉ！Ｊ擦力振力御可能にしたことにより
、前記移動体を動かすのに必要な力を減少させることの
できるスイッチングＶｔ＠を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスイッチング装置の基本構
成を示す側面図、第２図は圧電素子を互いに位置的に９
０度ずらせた同スイッチング装置の固定体の側面図、第
３図は弾性体が突起を有する構造にした同スイッチング
ＷＡｆ！ｆの側面図、第４図は移動体の弾性体との接触
面に摩擦材を用いて構成した同スイッチング装置の側面
図、第５図は円板型の同スイッチング装置の斜視図、第
６図は円環型の同スイッチング装置の斜視図である。 １．８．８’・・・圧＊＊子、２．１０．１０’・・・
弾性体、３．１１．１１’・・・固定体、４　、１２．
１２’　−・・移動体、５・・・節、６．９．９’・・
・突起、７．１３．１３’・・・摩擦材。 代理人　　　　森　　　本　　　義　　　弘第１図 ！９．−圧電免１ ２・・」ご噂Ｌ）’Ｊ　イ拳 ｄ・ｎｈ　ｉ卆 第２し： ６１６．ごｂ 第３図 第４図 ７−・・廓檀糟 第す図 １５・・精強停 ｎ’　ｍ定蜂 ｔｉ＝拝動停 ｔｙ’４檜ｎ ｂ−・＃ｉ強鋒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性体に圧電素子を装着してなる固定体と、前記弾
   性体に接触する移動体と、前記固定体と前記移動体とを
   互いに加圧するための加圧装置を有し、前記圧電素子に
   よる超音波振動を制御して固定体と移動体の間に働く摩
   擦力を制御可能にしたスイッチング装置。 ２、圧電素子は互いに位置的に９０度ずらせ、圧電素子
   の両端に電圧を印加することにより定在波からなる超音
   波振動を発生させる特許請求の範囲第１項記載のスイッ
   チング装置。 ３、圧電素子は圧電セラミクス材料からなる特許請求の
   範囲第１項記載のスイッチング装置。 ４、弾性体は金属材料からなる特許請求の範囲第１項記
   載のスイッチング装置。 ５、移動体は弾性体と接触する部分に少なくともプラス
   チック材料からなる摩擦材を用いて構成される特許請求
   の範囲第１項記載のスイッチング装置。 ６、弾性体は少なくとも１つ以上の突起を有して移動体
   と接触している特許請求の範囲第１項記載のスイッチン
   グ装置。 ７、加圧装置はばね材を用い、そのバネ圧により固定体
   と移動体を互いに加圧接触せしめる特許請求の範囲第１
   項記載のスイッチング装置。 ８、加圧装置は強磁性体からなる弾性体と少なくとも磁
   石を含む移動体とで構成し、その磁力により加圧接触せ
   しめる特許請求の範囲第１項記載のスイッチング装置。 ９、円板状からなる特許請求の範囲第１項記載のスイッ
   チング装置。 １０、円環状からなる特許請求の範囲第１項記載のスイ
   ッチング装置。