JPH03244553A - 圧電アクチュエータ - 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〕 本発明は圧電素子を駆動源とする圧電アクチュエータに
関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の圧電素子は電気・機械エネルギーの変換
効率が高く、低電力で駆動でき、発熱量が少なく磁気干
渉もないため、近年各種アクチュエータに使用されてい
る。また、この種の圧電素子は非常に微小な変位が得ら
れることが特徴の一つとなっているが、比較的大きな変
位を必要とするような場合には、圧電素子単体では変位
量が少ないため、変位拡大機構を設けて圧電素子の変位
を拡大するような構成となっている。

第５図（ａ）は従来例を示す圧電アクチュエータの斜視
図、（ｂ）はヒンジ部の拡大図である。このアクチュエ
ータは、てこの原理による変位拡大機構を用いている。

すなわち、力点である第１ヒンジ５２が第１ヒンジ固定
部材５８を介して圧電素子５５に押されることにより、
第２．第３ヒンジ５３．５４を支点としてレバー５１が
回転動作し、その結果、圧電素子の変位がレバー５１で
機械的に拡大されるものである。そしてこの拡大された
変位は、ロッド５７により外部に取り出される（特願昭
６２−０５２３２６号参照）。このような圧電アクチュ
エータは、レバー５１の支点と力点の長さに対する支点
から作用点までの長さの比を大きくすることで変位量を
増大させることが可能であるという特徴を有している。

また、５２．５４はヒンジ、５６はフレームである。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、圧電素子は、圧縮力に対しては機械的強
度が強いが、引張り力には弱いという性質を有している
ため、第５図に示したような従来の構成でアクチュエー
タを動作させると、アクチュエータに作用する負荷によ
っては圧電素子に弓張り力が働き、圧電素子が破損する
という問題点があった。すなわち、従来の圧電アクチュ
エータを位置決め機構に用いてステージを動作させるよ
うな場合には、ステージを引っ張るときに圧電素子に引
っ張り力が作用してしまい、また、ドツト式インパクト
プリンタの印字ヘッドに用いて高速動作させるような場
合には、圧電アクチュエータ自身の質量により、最大変
位から変位が減少するときに圧電素子に引張り力が作用
して圧電素子の破壊の原因となっていた。

本発明の目的はこれらの問題点を解決し、従来の変位拡
大機構を用いた圧電アクチュエータよりも圧電素子の信
頼性が高い圧電アクチュエータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明に係る圧電アクチュエ
ータにおいては、電圧を印加することにより伸縮する圧
電素子と、 前記圧電素子の変位を拡大して伝達するレバーを有する
変位拡大機構と、 前記圧電素子の伸縮方向に圧縮力を作用するように配置
されたばねとを有するものである。

〔イ乍用］ 本発明の作用を図を用いて説明する。圧電素子と変位拡
大機構とばねが、模式的に第３図（ａ）のように配置さ
れているものとする。このとき、圧電素子５の変位をδ
とし、レバー１ａの変位をχとし、圧電素子が伸びる方
向を正とする。

第４図は第３図（ａ）における圧電素子５と、ばね９の
それぞれの力・変位特性を示しである。圧電素子とばね
とは、変位δと作用力Ｆが比例する力・変位特性を有し
ている。圧電素子とレバーとばねを組み合わせて、予め
圧縮力ＦＯを作用させることにより、圧電素子５はδａ
Ｏ１ばね９はδＳＯだけ、それぞれ組合せ前より圧縮さ
れる。アクチュエータとして駆動させたときの動作特性
は、圧電素子特性線図とばね特性線図の交点で示されて
いる。圧電素子特性線図は駆動電圧Ｏの場合と、所定の
駆動電圧Ｖｌの場合を示しである。その中間の駆動電圧
Ｖ２（０＜Ｖ２（Ｖｌ）では、駆動電圧Ｏと■１の特性
線の間を平行移動する。圧電素子駆動電圧を０からＶｌ
にすると動作点はＣからＧに移動し、この時の変位はδ
１となる。この図かられかるように、圧電素子を予め圧
縮して圧縮力を作用させておけば、圧電アクチュエータ
の動作中圧電素子には常に圧縮力が作用するため、圧電
素子が破壊する恐れはほとんどない。従って、非常に信
頼性の高いアクチュエータをえることができる。

なお、ここでは圧電素子に直接ばね力が作用するものと
して説明したが、第３図（ｂ）のように、レバー１にば
ね力作用する場合には、第４図において、圧電素子の力
・変位特性を圧電素子の変位をレバーにより拡大した系
の力・変位特性に、そしてδをχに読みかえればよく、
この場合も前述の場合と同様に、圧電素子には常に圧縮
力が働くことがわかる。

〔実施例］ 次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１） 第１図（ａ）は本発明の実施例１を示す圧電アクチュエ
ータの斜視図、（ｂ）は同断面図である。

図において、本発明に係る圧電アクチュエータは、伸縮
方向の一端に外部に変位を伝達するための第１ヒンジ２
を設けた圧電素子５と、レバー１の支点となる第２．第
３ヒンジ３，４と、第１ヒンジ２の変位を拡大して伝達
するレバーｌと、第２ヒンジ３と第３ヒンジ４と圧電素
子５を固定するフレーム６と、拡大された変位を外部に
伝達するためのロッド７と、ロッド７の近傍に配置され
たコイルばね１２とから構成されている。

圧電素子５が矢印Ｂ方向に伸縮することにより、圧電素
子５の変位を伝達する第１ヒンジ２がレバーｌの端部を
押し、第２ヒンジ３と第３ヒンジ４をてこの支点として
、レバー１を矢印Ｃ方向に回転動作させ、レバー１のも
う一方の端部にあるロッド７を変化させる。レバー１の
長さに比べて第１ヒンジ２と第２．第３ヒンジ３，４の
間の長さは非常に小さいため、圧電素子５の変位は拡大
されてロッド７に伝達される。圧電素子５とコイルばね
９はレバー１を介してフレーム６中に圧入されており、
互いのばね力による圧縮力が作用して、それぞれ単体よ
りも縮んでいる。第４図からもわかるように、圧電素子
５の変位が大きくなればなるほど、圧電素子５に働く圧
縮力は大きくなる。

従って圧電素子５には常に圧縮力が作用しており、圧電
素子５がアクチュエータの動作中に破損する恐れはほと
んどないため、非常に信頼性が高い。

（実施例２） 第２図は本発明の実施例２を示す圧電アクチュエータの
斜視図である。

図において、本実施例の圧電アクチュエータは、第１ヒ
ンジ２を設けた圧電素子５と、レバーｌと、フレーム６
と、ロッド７と、第２．第３ヒンジ３゜４と、押しねじ
１０と、圧電素子圧縮部材１１から構成されている。第
１ヒンジ２と第２．第３ヒンジ３．４はレバーｌの力点
及び支点の役目を果たすとともに、実施例１で述べたよ
うなばねの役目を果たすように構成されている。すなわ
ち、これらのヒンジは弾性体として作用しており、曲げ
・引張りに対する抵抗がばねと同様な効果を生じさせて
いる。フレーム６の端部に設けられた押しねじｌＯは、
圧電素子圧縮部材１１を介して圧電素子５を押し、圧電
素子に圧縮力を作用させる。このねじ１０を調節するこ
とにより、任意の予備圧縮力を作用させることが可能で
ある。なお、予備圧縮力を作用させるには、このように
押しねじ１０を用いる必要はなく、実施例１のようにフ
レーム６に圧入することにより生じさせてもよいことは
もちろんである。また、このように第２．第３ヒンジを
変位拡大のためと圧電素子の圧縮のためという２つの目
的に用いることによレノ、圧電アクチュエータ全体の構
成か犬がかりなものとならずに済ませることが可能であ
る。すなわち、見かけ上の構成はほとんど従来のアクチ
ュエータとかわることはないため、全体の大きさも大き
いものにはならないという利点がある。

なお、本実施例においては、ばねとしてコイルばねと、
板ばねの役目をするヒンジを用いたが、圧電素子に圧縮
力を作用するようなばねであるならば、どんな種類のも
のでもよいことは明らかである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の圧電アクチュエータは圧
電素子に圧縮力を作用させることにより、圧電素子の破
損を招く恐れがないため、非常に信頼性の高い動作が可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１［１Ｕ（ａ）は本発明の実施例１を示す圧電アクチ
ュエータの斜視図、（ｂ）は同断面図、第２図は本発明
の実施例２を示す圧電アクチュエータの斜視図、第３図
（ａ）、　（ｂ）は圧電素子とばねとの配置とそれらの
変位を示す模式図、第４図はばねと圧電素子の力と変位
との関係を示す図、第５図（ａ）。 （ｂ）は従来例を示す圧電アクチュエータの斜視図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧を印加することにより伸縮する圧電素子と、 前記圧電素子の変位を拡大して伝達するレバーを有する
   変位拡大機構と、 前記圧電素子の伸縮方向に圧縮力を作用するように配置
   されたばねとを有することを特徴とする圧電アクチュエ
   ータ。