JPH0373468B2 - - Google Patents

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JPH0373468B2
JPH0373468B2 JP58189515A JP18951583A JPH0373468B2 JP H0373468 B2 JPH0373468 B2 JP H0373468B2 JP 58189515 A JP58189515 A JP 58189515A JP 18951583 A JP18951583 A JP 18951583A JP H0373468 B2 JPH0373468 B2 JP H0373468B2
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displacement
piezoelectric element
electrostrictive
lever arms
piezoelectric
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Tadayasu Uchikawa
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Nippon Electric Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/32—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts
    • H01H3/46—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts using rod or lever linkage, e.g. toggle
    • H01H2003/463—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts using rod or lever linkage, e.g. toggle using a blade spring lever for perpendicular force transmission
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気、機械変換素子の運動を増幅し駆動
する機械増幅機構に関し、さらに詳しくは電歪あ
るいは圧電素子を駆動源として変位増幅を行な
い、主に印刷装置及び開閉器に適用する機械的増
幅機構に関する。
従来、電気機械変換素子による駆動装置はプリ
ンタ印字ヘツド等の印刷装置やリレー、スイツチ
等の開閉器に使用されている。例えばドツトイン
パクト式プリンタ印字ヘツドではその駆動源とし
てほとんどが電磁石あるいは永久磁石を用いてい
る。しかしながら、この方式は駆動時において必
要とする印字エネルギに対し多大な入力エネルギ
を必要とし、その入力エネルギのほとんどは銅損
鉄損により熱として失われエネルギ変換効率が低
いという欠点があつた。そのため近年では電歪素
子、あるいは圧電素子を駆動源として消費電力、
及び発熱量を低減し、高速動作の可能な印字機構
が考えられている。ところが、この方式において
は駆動源となる電歪あるいは圧電素子の変位が
0.005〜0.01mmと微少であるため通常のプリンタ
印字ヘツドやリレー機構の作用素子に必要な変位
0.3〜0.5mmを得るように圧電素子の微少変位を増
幅するのが課題である。この要望に対して従来提
案されているものの一例として第１図に示すよう
な特開昭53−113625号公報記載の機構がある。第
１図において、湾曲ばね１の両端は保持要素２に
固定され、また保持要素２の一方は圧電結晶装置
３に坐着し、他方は固定保持部４に坐着する。こ
の機構において圧電結晶３の励起により湾曲ばね
１をたわませ、湾曲ばね１中央部に取付けられた
印字針５を駆動する。ところが、このような湾曲
ばね１をたわませる機構においては圧電結晶３の
変位をε、湾曲ばね１の長さをｌとしたとき湾曲
ばね１の中央部のたわみ量Ｓは幾何学的にＳ＝
２／π√に近似され、例えばε＝0.01mmとしたと きｌ＝60mmにしなければ通常必要とするたわみ量
Ｓ＝0.5mmにならない。さらにまた、圧電結晶３
の伸びにより固定保持部４に力が加わり、固定保
持部４は外側に開こうとする変形によつて湾曲ば
ね１に伝達する変位が損失するため実際には湾曲
ばね１の長さは100mm以上にする必要があり、プ
リンタ印字ヘツドやリレー等に要求される小型化
が困難となる欠点があつた。さらにまた、圧電結
晶３の励起により圧電結晶３自身にも曲げの力が
作用し、圧電結晶３が破損することがあり信頼性
が低い欠点があつた。
本発明はこのような従来の欠点を除去し、小型
で増幅率が大きく、かつ信頼性の高い機械的増幅
機械を提供するものである。
本発明によれば、電歪あるいは圧電素子の運動
を伝達し増幅する機構において、上記電歪あるい
は圧電素子の伸縮方向の一端を共通にして接続し
た変位増幅手段としての二本のレバーアームと、
そのレバーアームで挾むよう支持された変位増幅
手段としての深とから構成され、その深には出力
端としての作用素子が設けられていることを特徴
とする機構的増幅機構が得られる。
以下、本発明について実施例を示す図面を参照
して説明する。
第２図は本発明の一実施例を示す図であり、第
３図ａは第２図の機構動作を説明するための図で
あり、第３図ｂは第２図、第３図ａの模式的な斜
視図を示す。第２図、第３図ａ、第３図ｂにおい
て電歪又は圧電素子６の伸縮方向一端がベース７
に取付けられ、また他端部には共通して圧電素子
６の伸縮動作を伝達する手段８，９を設け、各々
の変位伝達手段８，９を介して二つのレバーアー
ム１０，１１を接続する。また各々のレバーアー
ム１０，１１は支点手段１２，１３によりベース
７に接続される。さらに、レバーアーム１０，１
１はその先端部で作用素子としての印字針１４を
有する梁１５を挾むよう支持する。また一方印字
針１４の裏面に対応して梁１５の初期変位の設
定、並びにバツクストツプを兼ねた調整用ネジ１
６をベースクに設ける。これらのベースク、変位
伝達手段８，９、レバーアーム１０，１１、梁１
５はバネ性のある材料で、かつ製造もプレス打抜
き法、エツチング法ワイヤーカツト法でできるた
め量産可能である。また駆動源は電歪又は圧電素
子６であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛
（PZT）の如き平板状で縦効果のある材料を複数
枚積層し各圧電素子を対にして共通電極を設け、
電極を並列状態にしたものである。したがつてこ
のように構成した機構においては、電歪又は圧電
素子６に電圧を与えることにより圧電素子６の変
位１７は変位伝達手段８，９を介して各レバーア
ーム１０，１１に伝達され、レバーアーム１０，
１１は支点手段１２，１３を支点として圧電素子
６の軸に対して対称に回転し、その先端で拡大変
位１８が得られる。またさらに、レバーアーム１
０，１１に挾まれ支持されている梁１５の両端に
はその軸方向に変位１８が与えられ、そこで梁１
５は衆知の座屈理論の如く両端に与えられた変位
に対し直角方向に変形し梁１５の中央部に最大変
位１９が生じる。ここで電歪又は圧電素子６の変
位から拡大される印字針１４の変位は次の関係で
近似して求められる。電歪又は圧電素子１６の変
位量をεとし、レバーアーム１０，１１において
変位伝達手段８，９と支点手段１２，１３の距離
をlhとし、変位伝達手段８，９とレバーアーム１
０，１１の先端の梁１５の接合部までの距離をla
とすると、変位量εはレバーアーム１０，１１の
先端にはこの原理により2ε×la／lhに拡大される。
このときレバーアームは２本あるため、梁１５の
各々両端にε×la／lhの変位が与えられる。ここ
で梁１５の両端軸方向からの変位と梁１５のたわ
み量を求める。梁１５の軸方向（Ｘ方向）の変位
をδx＝ε×la／lhとし、梁１５のたわみ量（Ｙ方
向）をδy、梁１５の長さをlpとし、ｌ＝lp−δxと
すると、梁１５の湾曲した形状における変形δxと
δyとlpの関係は lp＝∫l p｛１＋１／２（δyπ／ｌ）2cos2πｘ／ｌ｝
dx＝ｌ＋
δ2／ypπ2／4l となる。ここで前記ｌ＝lp−δxより ∫2 y＝4δx（lp−δx／π2≒4δxlp／π2（lp≫δx） より となる。一方梁１５はあらかじめｙ方向に変形さ
せておく必要がある。そこで、梁１５の長さlpに
対して初期変位をδypとし、そのときの梁１５の
一端のｘ方向の移動量をδxpとすると前記式より δxp＝π2δ12／y／4lp となる。また梁１５のｘ方向にδx′を与え、ｙ方
向の変位がδy′となつたとすると梁１５の長さlp
との関係は δx′＝π2δy′2／4lp となる。したがつて初期変位δypから変形した後
のδy′の差が梁１５のたわみ変化量δyであるから、
そのたわみ変化量を与えるためのｘ方向の変位δx
はそれぞれ δx＝δx′−δxp δy＝δy′−δyp となり、これより δx＝π2／4lp（δy′2−δ2 yp） ＝π2／4lp（δy 2＋2δyδyp） となる。δy＞０よりこの方程式の解δyは となる。一方、δxは圧電素子６の変位εがレバー
アームで拡大されているから δx＝2εla／lh となり となる。このように圧電素子６の変位はレバーア
ーム１０，１１と梁１５によつて変位増幅が行な
われる。したがつて駆動時には、調整ネジ１６で
初期変形されていた梁１５は印字針１４を前方へ
出し、印字を行ない、その後印加電圧の停止によ
り圧電素子６は元の長さに復帰し、同時にレバー
アーム１０，１１も復帰することにより梁１５も
バツクストツプを兼ねた調整ネジ１６に復帰す
る。このように構成した増幅機構の効果は圧電素
子６の伸縮方向の一端に軸対称の変位伝達手段
８，９、支点手段１２，１３、レバーアーム１
０，１１を設けているため、圧電素子６の伸縮動
作より圧電素子６に加わる曲げの力及びモーメン
トが対称となりその力が相殺され圧電素子６の破
損を防ぐ効果がある。すなわち第１図に示した従
来方式において固定保持部４が外側一方向に開く
ことによる変位の損失と、圧電素子３の一方向に
作用する曲げの力によつて圧電素子３の折れる事
故を本発明で改良、防止している。そのため本発
明では変位伝達効率もよく小型で信頼性の高い増
幅機構が得られる。以上の実施例の具体的な一例
を示すと、各部形状寸法は圧電素子６は２mm×３
mm×18mm、またレバーアーム１０，１１に接合し
た変位伝達手段８，９と支点手段１２，１３の距
離、すなわちlhは３mm、また変位伝達手段８，９
とレバーアーム１０，１１の先端までの距離、す
なわちlaは30mm、梁１５の長さlpは20mmである。
また梁１５の初期変位δypは0.2mmである。このよ
うな構造において、圧電素子６の励起時の変位量
εはおよそ0.01mmであり、このとき、梁１５の中
央部に設けた印字斜１４の変位量はレバーアーム
１０，１１、及びベース７の変形損失があるもの
の0.6mmの変位量が得られた。また、本発明では
梁１５とレバーアーム１０，１１との支持方法は
回転支持でも固定支持でも可能である。さらに、
変位伝達手段８，９又は支点手段１２，１３は摩
耗の小さいピンジヨイント、例えばセラミツクの
如き支点を使用しても可能である。
以上の印字ヘツドを目的とした増幅機構はベー
スクに設けたネジ穴の如きベース取付け手段２０
により複数個重ね合わせて固定すればシリアルプ
リンタ又はラインプリンタ用の印字ヘツドが可能
である。
以上の本発明は出力端としての印字針１４に代
わりリレー用接点を設けることにより、リレー機
構にも使用できる。
次に本発明の他の実施例を第４図、第５図に示
す。第４図は本発明の他の実施例をリレーに代表
される開閉器に適用した例で、第５図は第４図の
０−０′からみた断面図である。第４図、第５図
において、電歪又は圧電素子６は伸縮方向の一端
をベース２１に取付け、他端に変位伝達手段８，
９を設ける。二つのレバーアーム２２，２３は
各々変位伝達手段８，９と、フレーム２４に設け
られた支点手段２５，２６により挾まれるように
接続され、そのレバーアーム２２，２３の先端で
梁２７を挾み支持する。またその梁２７には出力
端としての可動接点２８を設け、その可動接点に
対応して固定接点２９を設ける。これらレバーア
ーム２２，２３、支点手段２５，２６、変位伝達
手段８，９はフレーム２４と接合し、またフレー
ム２４はベース２１に取付けられている。このよ
うな構造においても、圧電素子６の伸縮動作によ
りレバーアーム２２，２３を駆動し、梁２８の座
屈変形により可動接点２８は固定接点２９に接し
リレー動作が行なわれる。本発明はこのようなリ
レーにおいても効果があり、接点変位、押圧が大
きく長寿命で信頼性の高いリレーが得られる。
尚、前記本発明において駆動源として積層した
電歪又は圧電素子を例示しているが、横効果、縦
効果のある電歪、圧電素子でも適用できる。
以上、本発明によれば小型で変位増幅率が大き
く、かつ長寿命で信頼性のある機械的増幅機構が
得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の一実施例を示す側面図、第２図
は本発明の一実施例を示す側面図、第３ａ図は第
２図の動作を説明するための側面図、第３図ｂは
第２図の模式的な斜視図、第４図は本発明の他の
実施例を示す側面図、第５図は第４図の断面図を
示す。 図中各記号はそれぞれ次のものを示す。１…湾
曲ばね、２…保持要素、３…圧電結晶装置、４…
固定保持部、５…印字針、６…電歪又は圧電素
子、７…ベース、８，９…変位伝達手段、１０，
１１…レバーアーム、１２，１３…支点手段、１
４…印字針、１５…梁、１６…調整ネジ、１７…
圧電素子変位、１８…レバーアームの先端変位、
１９…最大変位、２０…ベース取付け手段、２１
…ベース、２２，２３…レバーアーム、２４…フ
レーム、２５，２６…支点手段、２７…梁、２８
…可動接点、２９…固定接点。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 電歪あるいは圧電素子の運動を増幅し駆動す
    る増幅機構において、前記電歪あるいは圧電素子
    の伸縮方向の一端を共通にして接続し、かつ前記
    電歪あるいは圧電素子の他端と支点によりそれぞ
    れ接続した変位増幅手段としての二本のレバーア
    ームと、その二本のレバーアームの他端で挾むよ
    うに支持された変位増幅手段としての梁とから構
    成され、その梁には出力端としての作用素子が設
    けられていることを特徴とする機械的増幅機構。
JP58189515A 1983-10-11 1983-10-11 機械的増幅機構 Granted JPS6081568A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58189515A JPS6081568A (ja) 1983-10-11 1983-10-11 機械的増幅機構
US06/659,354 US4570095A (en) 1983-10-11 1984-10-10 Mechanical amplification mechanism combined with piezoelectric elements

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JP58189515A JPS6081568A (ja) 1983-10-11 1983-10-11 機械的増幅機構

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JPS6081568A JPS6081568A (ja) 1985-05-09
JPH0373468B2 true JPH0373468B2 (ja) 1991-11-21

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