JPH02290088A - 形状記憶合金製温度補償部材並びに該温度補償部材を用いた圧電素子駆動型アクチュエータ - 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］ この発明は、電圧の印加により伸縮する圧電素子を用い
た圧電素子駆動型アクチュエータ並びに該アクチュエー
タに用いられる形状記憶合金製温度補償部制に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来、この種のアクチュエータにおいては、圧電素子の
伸縮方向の一端がフレームに固着され、同圧電素子の伸
縮方向の他端には可動部材が連結されて、電圧の印加に
よる圧電素子の伸縮にともなって、その伸縮方向に可動
部材が動かされることで、運動変換機構を介して、例え
ば、印字ワイヤを進退させるようになったものがある。

前記アクチュエータに用いられる圧電素子は一般に積層
型圧電セラミックより構成され、その長手方向の伸縮方
向に負の線膨張特性を有する。

このため、電圧の印加による圧電素子の伸縮量が、周囲
の温度変化による前記圧電素子の負の線膨張によって影
響され、この分だけ可動部材の動き量が変化する。

前記圧電素子の負の線膨張を補正するために、第７図に
示すように、圧電素子５の一端とフレーム１との間に正
の線膨張特性を有する温度補償部材６を介挿することか
考えられる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、圧電素子５を、縦・横・長さ（高さ）がそれ
ぞれ２・３・１８（ｍｍ）で、長手力向の負の線膨張が
−６．ＯＸＩＯ−６／゜Ｃの積層型圧電セラミックを使
用し、フレーム１を組成３６Ｎ　ｉ−Ｆｅで線膨張率１
．２Ｘ１０−８／℃の特性をもつインバー合金より構成
し、温度補償部材６を、線膨張率１　１．　　７　Ｘ　
１　０−８／’ＣのＳＵＳ合金で構成した場合、前記圧
電素子５の負の線膨張量を前記温度補償部材の６の正の
線膨張量で補正するために必要な温度補償部材６の長さ
しは、１１．７ｘｌＯ−６ｘＬ−６、ＯＸＩＯ−”Ｘ１
８＝１．２ｘｌＯ−ａｘ　（Ｌ＋１８） の関係式で求められ、温度補償部材６の長さしは、ほぼ
１２．３４ｍｍとなる。このため、温度補償部材６の長
さＬが長くなり、その分だけアクチュエータが大型化し
、かつ重量が増加するという問題や、圧電素子５の発熱
が温度補償部材６にすばやく熱伝動せずに正確な温度補
償ができないという問題があった。

そこで、本発明は圧電素子の負の線膨張を補正するため
の温度補償部材の長さを可及的に短くして、これらの問
題を解決することを技術的課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ そして、この発明は、電圧の印加により伸縮する圧電素
子と、該圧電素子を伸縮方向の一端において固着するフ
レームと、前記圧電素子の伸縮方向の他端に連結された
可動部材とから構成され、前記圧電素子の一端と前記フ
レームとの間、もしくは他端と前記可動部材との間に圧
電素子とフレームとの熱膨張差を緩和するように形状記
憶させられた形状記憶合金から構成される温度補償部材
を介挿したアクチュエータの構成を特徴としている。ま
た、温度補償部材は形状記憶合金の変態温度を相違させ
たものを積層することによってほぼ線形に変形すること
を特徴としている。

［作用］ 上記構成によれば、周囲の温度変化による圧電素子の負
の線膨張量が温度補償部材の正の線膨張量によって補正
される。

特に、前述したように形状記憶合金の変態温度を相違さ
せたものを積層し、これを温度補償部材として用いたの
で線膨張率が士数倍になり、従って温度補償部材の長さ
を極力短くすることができ、アクチュエータの小型、軽
量化と共に圧電素子からの熱伝動性を良くすることかで
きる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を第１図〜第６図に従って説明
する。

第１の実施例を説明する。

圧電素子駆動型アクチュエータを斜視図で表わした第１
図において、所定板厚の金属板よりなるフレーム１は、
基台部２と、この基台部２の両側に形成された第１，第
２の両支持部３，４とを主体として略Ｕ字状に形成され
ている。

基台部２の支持面２ａ上には電圧の印加によって長手方
向へ伸縮する積層型圧電セラミックのような圧電素子５
がその伸縮方向の一端面において温度補償部材６を介し
て支持されている。

圧電素子５の伸縮方向の他端には、連動子７が接着剤な
どによって固着されている。

連動子７の片側上面とフレーム１の第１支持部３の上端
面との間には弾性変形可能な第１，第２のヒンジ部８，
９を介して第１傾動体１０が傾動可能に形成されている
。さらに、連動子７の他側上面とフレーム１の第２支持
部４の上端面との間には弾性変形可能な第３，第４のヒ
ンジ部１１，１２を介して第２傾動体１３が傾動可能に
形成されている。

第１，第２の両傾動体１０．１３の先端部にはそれぞれ
板ばね１４，１５がその基部において固着され、これら
各板ばね１４．１５の先端部には印字ワイヤー７を備え
たワイヤ支持アーム１６が固着されている。

そして、電圧の印加によって圧電素子５が伸びると、第
１，第２の両傾動体１０．１３が第２，第４のヒンジ部
９，１２を支点として外側へそれぞれ傾動される。これ
によって第１傾動体１０側の板ばね１４は引張され、第
２傾動体１３側の板ばね１５は押出されることで、ワイ
ヤ支持アーム１６が第２図において矢印Ｐ方向へ傾動さ
れ、その印字ワイヤ１７が案内部材１８に案内されて印
字位置まで前進されるようになっている。

一方、前記圧電素子５とフレーム１の基台部２との間に
介挿される温度補償部材６は、第３図に示すように形状
記憶合金（Ｔ　ｉ　−Ｎ　ｉ合金）２０〜２５をそれぞ
れ変態温度約１０℃ごとにずらして積層させたものであ
る（Ｔｉ−５０ａｔ％Ｎｉ合金はＮｉ量が０．１．ａｔ
％変化すると、変態温度は約１０℃変化する）。これら
形状記憶合金２０〜２５のそれぞれは、真空中で５００
゜Ｃ−３０分の熱処理を施した後、水焼入れされ、さら
に可逆形状記憶効果を与えるために変位方向（第３図中
矢印方向）の伸縮方向に３％の変形を与え、その後、変
態温度以上の熱を与え回復させるという形状記憶処理を
行ったものである。この動作を３０〜４０回程繰り返す
と、それぞれの形状記憶合金２０〜２５は前記変位方向
に温度の上下によってそれそれの高さの約０．　　２％
の可逆形状記憶効果を示すようになる。このようにして
得られた形状記憶合金２０〜２５を積層して、１つの温
度補償部材６とみなすと、２０℃〜８０℃の温度範囲に
おいて、第４図（ａ）に示すような線膨張変化を示し、
従来のＳＵＳ合金の膨張量（第４図（ｂ））に比べ、は
るかに膨張率はよくなる。

さて、この形状記憶合金２０〜２５を温度補償部材６と
して使用した場合、２０℃〜８０℃における線膨張量は
２　０　０　Ｘ　１　０’／’Ｃとして表される。また
、圧電素子５は、縦・横・長さ（高さ）がそれぞれ２・
３・１８（ｍｍ）で、長手方向の負の線膨張率−６．Ｏ
ＸＩＯ−８／℃の特性を有する積層型圧電セラミックが
使用されている。さらに、フレーム１は組成３６Ｎ　ｉ
　−Ｆ　ｅで線膨張率１．２Ｘ１０’／’Ｃの特性を有
するインバー合金より構成されている。

従って、前記圧電素子５の負の線膨張量を、この実施例
の温度補償部材６の正の線膨張量で補正するために必要
な温度補償部材６の長さしは、２００ｘｌＯ−ＢｘＬ−
６．ＯｘｌＯ−６ｘｌ８＝１．２Ｘ１０”８Ｘ　（Ｌ＋
１８） の関係式で求められ、温度補償部材６の長さＬは、ほぼ
０．７ｍｍとなる。

この結果、温度補償部材６が、線膨張率１１．７Ｘ１０
−８℃の特性をもつＳＵＳ合金で構成し、温度補償部材
６の長さＬが約１２．３４ｍｍとなるものと比し、この
実施例では、温度補償部材６の長さＬが約０．７ｍｍと
なり約１／１８程度に短縮される。従って、アクチュエ
ータの小型、軽量化が図られ、また圧電素子５の発熱が
温度補償部材６にすばやく熱伝導して、正確な温度補償
ができるという効果がある。

次に第２の実施例を説明する。アクチュエータの機械的
構成は第１の実施例と同じであるが、温度部材補償部材
６に第５図に示す別の形状記憶合金３０　（Ｔｉ−５０
．７ａｔ％Ｎｉ）を使用する。

この形状記憶合金３０を真空中で５００″Ｃ−３０分の
熱処理を施した後、水焼入れされると、形状記憶合金３
０は変態温度をＯ℃付近にもつ形状記憶効果を示すよう
になる。

第６図はこの形状記憶合金３０の膨張率と応力との関係
を示したものである。図より膨張率が２〜５％の範囲に
おいては応力はほぼ一定（約２０ｋｇ／ｍｍ２）の値を
示す。

そこで前記のように処理を施した形状記憶合金３０を変
態温度Ｏ′Ｃ以下で加圧して約４％収縮させて、圧電素
子５に対して一定の圧力（Ｐｒｅｌｏａｄ）がかかるよ
うに形状記憶合金３０を基台部２と圧電素子５との間に
組み込む。

従って、圧電素子５が発熱して形状記憶合金３０の変態
温度以上になったときに、圧電素子５は負の線膨張特性
を有するので収縮する。一方、形状記憶合金３０がもと
の形にもどろうとして約４％膨張するが、このとき形状
記憶合金３０は応力を発生し、特に膨張率が２〜４％の
範囲ではほぼ一定の応力を示すので、形状記憶合金３０
は圧電素子５に対してほぼ一定の圧力（Ｐｒｅｌｏａｄ
）を加えることになる。

従って温度補償部材６を形状記憶合金３０から構成すれ
ば、圧電素子５が発熱して収縮しても、形状記憶合金３
０が圧電素子５に対する圧力（Ｐｒｅｌｏａ．ｄ）を一
定に保つという効果がある。

また、形状記憶合金３０の変態温度は０℃に限定される
ものではなく、圧電素子５の使用温度以下であればよく
、この温度は形状記憶合金３０の成分を変えれば変更可
能である。

さらに第１，第２の実施例では、形状記憶合金をＴ　ｉ
　−Ｎ　ｉ合金としたが、それ以外の材料で形状記憶効
果を示すものでもよく、またその形状もこれらの実施例
に限定されるものではない。

尚、本実施例では圧電素子駆動型アクチュエタとして印
字装置の印字ヘッドについて説明したが、その他の圧電
素子駆動型アクチュエータの温度補償部材として形状記
憶合金を使用することも可能である。

また、形状記憶合金を積層し、これが線膨張変化を示す
特性を利用して、温度補償部材として種々のものに応用
することも可能である。

［発明の効果コ 以上述べたように、この発明によれば、周囲の温度変化
による圧電素子の負の線膨張量を温度補償部材の正の線
膨張量によって補正するようにした圧電素子駆動型アク
チュエータにおいて、形状記憶合金を温度補償部材とし
て用いたので、温度補償部材の長さを極力短くすること
ができる。従ってアクチュエータの小型、軽量化と共に
、熱伝導性を良くするという効果がある。

また、前記形状記憶合金をその変態温度をずらして複数
個積層することによって、広い温度範囲にわたって温度
補償部材として使用することができるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は圧電素子駆動型アクチュエータを示
す斜視図、第２図は同側面図、第３図は第１の実施例の
形状記憶合金製温度補償部材の斜視図、第４図は第１の
実施例の使用例を示す積層された形状記憶合金と従来の
ＳＯＳ合金の膨張率と温度との関係を示す図、第５図は
第２の実施例の使用例を示す形状記憶合金製温度補償部
材の斜視図、第６図は第５図の温度補償部材の応力と膨
張率との関係を示す図、また第７図は従来の圧電素子駆
動型アクチュエータを示す側面図である。 図中、１はフレーム、５は圧電素子、６は温度補償部材
、２０〜２５及び３０は形状記憶合金である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．電圧の印加により伸縮する圧電素子と、該圧電素子
   を伸縮方向の一端において固着するフレームと、 前記圧電素子の伸縮方向の他端に連結された可動部材と
   、 から構成され、 前記圧電素子の一端と前記フレームとの間もしくは他端
   と前記可動部材との間に、圧電素子とフレームとの熱膨
   張差を緩和するように形状記憶させられた形状記憶合金
   から構成される温度補償部材を介挿したことを特徴とす
   る圧電素子駆動型アクチュエータ。
2. ２．温度によって可逆的に形状変化させられる形状記憶
   合金を用い、該形状記憶合金の変態温度を相違させたも
   のを積層することによってほぼ線形に変形することを特
   徴とする温度補償部材。