JPH03278585A - 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
。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、通常アクチュエータとして使用する場合には圧
電素子には引張り力が作用しないような構造となってい
る。

第９図は、従来の一例を示す圧電アクチュエータの断面
図である。このような圧電アクチュエータとしては、例
えば特開昭６３−５４２５７号公報、特願昭６１−１９
９２４１号明細書に記載されているものがある。これは
、圧電素子２１をフレーム２９の内側に圧入することに
より、圧電素子２１に予備圧縮力を作用させて、圧電素
子２１の動作中、常に圧縮力が加わるようにしたもので
ある。これによって圧電素子２１の破壊を防ぎ、アクチ
ュエータの信頼性を高めることができる。

また、この種の圧電素子は非常に微小な変位が得られる
という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１０図は、従来の別の一例を示す圧電アクチュエータ
の斜視図である。これは、てこの原理による変位拡大機
構である。すなわち、第１ヒンジ固定部材５６を介して
圧電素子５１が、力点である第１ヒンジ５３を押すこと
により、第２、第３ヒンジ５４゜５５を支点としてレバ
ー５２が回転動作し、その結果、圧電素子の変位がレバ
ー５２で機械的に拡大されるものである（特開昭６３−
２１８３６９号公報、特願昭６２０５２３２６号明細書
）６図中、５９はフレームである。

拡大された変位はロッド５７によって外部に取り出され
る。このような圧電アクチュエータは、しバー５２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。

〔発明が解決しようとする課Ｕ〕

しかしながら、第９図に示したような圧電アクチュエー
タの場合、フレーム２９が圧電素子２１に対して線形の
ばねとして作用するため、圧電素子２１の発生変位の大
きさに比例してフレーム２９からの反力も大きくなる。

その結果、圧電素子２１の変位量は、フレーム２９を使
用しない場合のそれと比較して小さくなる。圧電素子２
１のばね定数をに１、フレーム２９のばね定数をに２と
すれば、圧電アクチュエータ全体のばね定数には、ｋ＝
ｋＴ　＋に２であるから、例えば、圧電素子２１とフレ
ーム２９とのばね定数が等しくｋｌ　＝に２であるよう
な場合には、ｋ＝２・ｋｌとなるから、圧電素子２１の
変位量はフレーム２９を使用しない場合の１／２に減少
してしまうことになる。従ってこの圧電アクチュエータ
では発生変位が大幅に減少してしｔうという欠点があり
、また、圧電素子の変位量を減少させないためには、圧
電素子の印加電圧を高めなければならず、消費電力が増
大するという欠点がある。

また、圧電素子の変位量よりも大きな変位量を得るため
に、第１０図に示した変位拡大機構が用いられているが
、さらに、より大きな変位量を得るには、レバー５２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
比を大きくしなくてはならない、しかしながら、構造的
あるいはヒンジの材料強度的な理由から、支点と力点間
の距離には実質的に下限が存在するから、変位を大きく
するにはレバー５２の腕の長さを長くする必要があり、
従って、変位拡大率を大きくするためにはアクチュエー
タの構造を大きくしなくてはならないという欠点があっ
た。

また、この変位拡大機構では、損失がなければ発生力は
変位拡大率に反比例して減少するが、通常、支点におい
て損失が存在するために、発生力は変位拡大率に反比例
する以上に減少してしまう。

そのうえ、圧電素子に圧縮力が作用していないために、
信頼性が低く、信頼性を高めるために圧電素子に圧縮力
を作用させると、第９図に示した従来の圧電アクチュエ
ータと同じ原理により、変位量が減少してしまうという
欠点があった。

さらに、この変位拡大機構は、てこの原理により圧電素
子の変位を拡大しているために、圧電素子の変位を伝達
するレバーが回転動作をする。従って、変位が大きくな
るにしたがい、この変位拡大機構を用いた圧電アクチュ
エータの力を作用する点の位置がずれるという欠点があ
った。

本発明の目的はこれらの問題点を解決し、比較的小規模
な構造で、従来の変位拡大機構を用いた圧電アクチュエ
ータよりも変位発生量、および発生力が大きく、しかも
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
ータは、電圧を印加することにより伸縮する圧電素子と
、この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、この圧電素子の伸縮方向に力を作用
するように配置されるとともに圧電素子の駆動変位の範
囲内で変位が増大するにしたがい作用する力が減少する
特性を持つ湾曲ばねとを有するものである。

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記レバー
の変位を前記湾曲ばねに伝達して該レバーの変位を外部
に取り出す変位抽出部材を有するとともに、変位方向を
拘束するガイドに案内されて直進する変位伝達部材が前
記圧電素子の変位を伝達する前記レバーと前記湾曲ばね
の中間に配置されているものである。

〔作用〕

本発明の作用について図面を参照して説明する。

圧電素子と変位拡大機構とばねが、模式的に第３図（イ
）のように配置されているものとする。このとき、圧電
素子１ａの変位をｙとし、レバー２ａが湾曲ばね接触部
材１０を介して湾曲ばね８に力を作用する点の変位をχ
とし、圧電素子１ａが伸びる方向を正とする。また、圧
電素子１ａがレバー　２　ａを押す点から支点１１まで
の距離をａ、支点１１からレバー２ａが湾曲ばね８に力
を作用する点までの距離をｂ、ロッド７ａの長さをＣと
すると、変位拡大率αはα−ｂ　／　ａである。圧電素
子が動作して、レバー２ａがθ回転したとする（θ＝　
ｙ　／　ａ　）と、ロッド７ａの先端の変位はχ＝ｂ＝
ＳＩＮθ−ｃ−（１−ＣＯ５θ）、ロッド７ａの先端の
ずれ量はΔχ′＝ｂ・（１−ＣＯ５θ）＋Ｃ・ＳＩＮθ
となる。レバー２ａの回転動作によるずれを無視すると
、χ−α・ｙの関係があり、圧電素子１ａの発生力をＰ
、レバー２ａが湾曲ばね８に作用する力をＦ、作用力の
損失率をγとすれば、Ｆ＝（１−γ）・Ｐ／αの関係が
ある。従って、圧電素子１ａ単体のばね定数をｋａ　　
（＝Ｐ／ｙ）、圧電素子１ａとレバー２ａを一つの系と
考えたときのこの系のばね定数をｋＳ　　（＝Ｆ／χ）
とすると、ｋＳ＝＜１−γ）　・ｋａ／α２となる（以
後、この系を圧電素子・レバーと表記する）。

そして、このような組立では圧電素子１ａに引張り力が
働かないように、予備圧縮力ＦＯが作用しており、第３
図（ロ）、（ハ）に示すように、圧電素子１ａ、湾曲ば
ね８はそれぞれδａＯ，δＳＯ圧縮されている。

第４図は第３図（イ）における圧電素子・レバーと、湾
曲ばねのそれぞれの力・変位特性を示している。圧電素
子・レバーは、変位χと作用力Ｐが比例する力・変位特
性を有している。一方、湾曲ばねは図のように上に凸の
部分を持つ力・変位特性を有しており、頂点を越えると
、変位χが大きくなればなるほど作用する力が減少する
。圧電素子とレバーと湾曲ばねを組み合わせることによ
り、圧電素子はδａＯ１湾曲ばねはδＳＯだけ、それぞ
れ組合せ前より圧縮される。湾曲ばねのかわりに線形ば
ねを使用した場合は、δ１０だけ圧縮されている。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・レバー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・レバー特性線図は駆動電圧０の場合と、
所定の駆動電圧ｖ１の場合を示しである。その中間の駆
動電圧Ｖ２　、Ｖ３　　（０＜Ｖ２　＜Ｖ３　＜Ｖｌ　
）では、駆動電圧０とｖｌの特性線図の間を平行移動す
る。

第４図に示すように、圧電素子・レバー単体での動作は
、圧電素子駆動電圧をＯからＶｌにすると、動作点はＩ
からＪに移動し、このときの変位はδａとなり、負荷が
作用しなければ圧電素子・レバーに力は作用しない、圧
電素子に圧縮力を作用させて信頼性を高めるために、圧
電素子・レバーに対して線形ばねを使用した場合には動
作点はＣからＧに移動し、変位はδ１（くδａ）となる
。

そしてこのときの予備圧縮力をＦＯとすれば、動作中、
常に圧電素子・レバーはＦＯ以上の力で圧縮されている
。そして圧電素子・レバーに対して湾曲ばねを使用した
場合には、動作点はＣからＥに移動し変位はδＳとなる
。従って図のように変位が増大するにつれ作用する力が
減少するような特性を有している湾曲ばねでは、δＳ〉
δａとなり、従来の圧電素子・レバー単体で使用した場
合よりも大きな変位を得ることが可能になる。さらにこ
の場合では、動作中常に、圧電素子・レバーに圧縮力が
作用している。

逆に変位量が従来と同程度のδ１．δａでよいなら、動
作点はそれぞれＣ−＋Ｈ，Ｃ−＋にとなり、駆動電圧は
Ｖ２　、Ｖ３でよく、従来よりも低い駆＃Ｊｔ圧で駆動
することが可能となる。

第４図に示したＦｌ　、Ｆａ　、ＦＳは変位χ１のとき
の、圧電素子・レバー単体、圧電素子・レバーと線形ば
ねを組み合わせたもの、圧電素子・レバーと湾曲ばねを
組み合わせたもの、それぞれの発生力を示している。第
５図はそれぞれの変位。

発生力特性を示しており、図中の記号は第４図にものに
対応している。第４図、第５図かられかるように、最大
発生力はＦｌで変わらないものの、湾曲ばねを組み合わ
せたものが任意の変位で最も大きな発生力をえることが
できる。湾曲ばねを組み合わせたものの最大変位δＳと
同じ変位量を圧電素子・レバーで得ようとするとき、圧
電素子・レバーの変位に対する湾曲ばねを用いたことに
よる変位の拡大率をβと表わせば（δＳ＝β・δａ）、
最大発生力Ｆ２はＦ２　＝Ｆ１　／βとなるから、この
ときの発生力は湾曲ばねを用いたちのよりも小さくなる
。従って湾曲ばねを用いたものは、従来のものよりも最
大変位量、発生量ともに大きく、また、常に圧縮力が作
用しているために、信頼性が高い。

第６図は、変位伝達部材の作用を示す模式図である。（
イ）は圧電素子が動作する前の状態であり、圧電素子に
電圧を印加することにより図中の矢印の方向に各部材は
変位し、（ロ）のような動作状態になる。ガイド１２ａ
は、変位伝達部材ｆ３ａの変位方向を案内するものであ
り、そしてレバー２ｂに固着されているボタン１４ａは
変位伝達部材１３ａを押下するものである０両者は湾曲
ばね１０ａと圧電素子１ｂのばね力によって押圧されて
いるのみで固着はされていない、レバーの回転動作によ
り、ボタンは（ロ）に示すように、Δχ′ずれて変位伝
達部材を押下するが、変位伝達部材とボタンは固着され
ていないなめに、そのずれ量は変位伝達部材には伝達さ
れず、しかも変位伝達部材はガイドにより案内されるな
め、これは直線運動する。従って、この変位伝達部材と
ガイドにより、圧電素子の直線運動をそのまま拡大して
伝達することが可能となる。

第７図は湾曲ばねの中央に力を作用させたときの、湾曲
ばねの変形モードを表わしている。この図で、■は初期
たわみが与えられ、力が加えられていない状態を表わし
ており、これは第２図（イ）に相当する。そして、変形
モードは■→■の順で変化していく、この図かられかる
ように、湾曲ばねば中央がへこむような変形をする。そ
して、このような変形によって、第４図に示したように
。

変位が増大するにしたがい作用する力は減少するような
ばね特性が得られる。

第８図は、湾曲げねと接触する部位の形状の相違による
湾曲ばねの変形の様子を示す模式図である。（イ）は湾
曲ばね接触部位が比較的大きい場合、（ロ）は湾曲ばね
接触部位が突起状の場合をそれぞれ表わしている。同図
に示されているとおり、（イ）の場合では湾曲ばね接触
部位によって湾曲ばねの変形が拘束され、第７図に示し
たような湾曲ばね本来の変形モードが妨げられている。

しかしながら、（ロ）のように湾曲ばねと接触する部位
が、球、円筒、ナイフェツジなどのように突起状である
なら、湾曲げね・圧電素子接続部は、湾曲ばねの変形を
妨げることなく、圧電素子の変位を伝えることが可能で
ある。

〔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（イ）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、第１図（ロ）は同断面図である。この圧
電アクチュエータは、図に示すように、固定部材６を介
して伸縮方向の一端に変位を伝達するための第１ヒンジ
３が固着している第１ヒンジ固定部材６を設けた圧電素
子１と、圧電素子１の変位を拡大して伝達するレバー２
と、レバー２の支点となる第２、第３ヒンジ４，５と、
レバー２のもう一方の端部に配置され圧電素子１の伸縮
方向に力を作用する湾曲ばね８と、圧電素子１と湾曲ば
ね８を固定し、第２．第３ヒンジ４゜５が固着されてい
るフレーム９と、拡大された圧電素子１の変位を外部に
伝達するためのロッド７とから構成されている。１０は
湾曲ばね接触部材である。圧電素子１と湾曲ばね８はフ
レーム９の中に配置される際、互いのばね力によって、
それぞれに予備圧縮力が加えられている。レバー２、フ
レーム９は圧電素子１、および湾曲ばね８よりも剛性が
高くなっている。圧電素子１の変位は、第１ヒンジ３を
力点、第２．第３ヒンジ４，５を支点としたてこの原理
により、機械的に拡大されてロッド７から取り出される
。湾曲ばね８の変位と力の関係は第４図に示したように
、圧電素子１とレバー２の駆動範囲で、変位が大きくな
るに従い力の増分が負になるような特性を示すものであ
る。

その結果、圧電素子１の変位が大きくなるにつれ、圧電
素子１に作用する力は減少するようになるなめに、圧電
素子とレバーを組み合わせた変位拡大機構のみの場合よ
りも大きな変位量をロッド７を通じて取り出すことが出
来る。このように機械的な変位拡大機構を用いただけの
変位量よりも太きな変位を取り出すことが出来るのは、
圧電素子１は、予め予備圧縮力が加えられて圧縮されて
おり、その分の変位量が解放されるためである。また、
この圧電アクチュエータは、第４図、第５図かられかる
ように、同一の印加電圧、変位では従来のものよりも大
きい発生力を得ることか可能である。

従って、従来と同程度の変位量をとりだすか、または従
来と同程度の発生力を得るには、圧電素子１に印加する
駆動電圧は従来よりも低いものであるから、消費電力を
低く抑えることが可能であり、従って、圧電素子の大き
さを小さくすることが可能である。また、第３図から明
らかなように、圧電素子の動作中、常に圧縮力が作用し
ているから、圧電素子の破損の恐れは非常に小さく、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
断面図である。この圧電アクチュエータは、第１の実籍
例の圧電アクチュエータのレバー２と湾曲ばね８の間に
、ロッド７が接続された変位伝達部材１３が配置されて
いる。レバー２に固着されたボタン１４が変位伝達部材
１３を押下することにより、レバー２の変位を伝達する
。ボタン１４と変位伝達部材１３は、湾曲げね８と圧電
素子１それぞれのばね力によって押圧されているのみで
ある。

従って、レバー２の回転動作によるボタン１４の押下位
置のずれは伝達されない、変位伝達部材１３に接続され
たロッド７は、ガイド１２によって案内されているため
に、位１が定められており、直線運動をする。このよう
に変位伝達部材１３とロッド７の位置を定めるガイド１
２が存在することによって、直線運動を行なう圧電素子
の変位をそのまま直線運動として拡大することが可能と
なる。

〔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、変
位拡大機構のみを用いて、圧電素子の変位を機械的に拡
大した変位量よりも大きな変位および従来よりも大きな
発生力を得られるばかりでなく、従来よりも圧電素子の
駆動電圧を低く抑えることが可能となり、消費電力が少
なく大きさも小さいため低コストでありその効果は大き
い。

さらに、変位拡大機構を用いたことによる位置ずれが無
いため、圧電素子の直線運動をそのまま拡大することが
可能であり、従って、精密な位置決めが可能となるため
その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）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、第１図（ロ）は同断面図５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断面図、第３
図（イ）、（ロ）、（ハ）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図は湾曲ばねと線形ば
ねと圧電素子・レバーの力と変位との関係を示す図、第
５図はアクチュエータの発生力を示す図、第６図（イ）
（ロ）は変位伝達部材の作用を示す模式図、第７図は湾
曲ばねの中央に力を作用させたときの湾曲ばねの変形モ
ード、第８図（イ）、（ロ）は湾曲ばねと接触する部位
の形状の相違による湾曲ばねの変形の様子を表わす模式
図、第９図は従来例を示す圧電アクチュエータの断面図
、第１０図は別の従来例を示す圧電アクチュエータの斜
視図である。 １　、１　ａ、　　１　ｂ、　２１．５１−−−圧電素
子２　２ａ　　２ｂ、５２＝・・レバー ３．５３・・・第１ヒンジ　　４，５４・・・第２ヒン
ジ５．５５・・・第３ヒンジ ６．５６・・・第１ヒンジ固定部材 ７．７ａ、７ｂ、５７−０ツド ８・・・湾曲ばね　　　　　９．２９．５９・・・フレ
ーム１０・・・湾曲ばね接触部材　ｔｌ、　７１ａ・・
・支点１２、１２ａ・・・ガイド １３、１３ａ・・・変位伝達部材 １４、１４ａ・・・ボタン

Claims (2)

【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力を作用するように配置され
   るとともに動作範囲内で変位が増大するにしたがい作用
   する力が減少する特性を持つ湾曲ばねとを有することを
   特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）前記レバーの変位を前記湾曲ばねに伝達して該レ
   バーの変位を外部に取り出す変位抽出部材を有するとと
   もに、変位方向を拘束するガイドに案内されて直進する
   変位伝達部材が前記圧電素子の変位を伝達する前記レバ
   ーと前記湾曲ばねの中間に配置されていることを特徴と
   する請求項第（１）項に記載の圧電アクチュエータ。