JPS60177897A - 圧電式穿孔装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、圧電素子を駆動源とする圧電式穿孔装置に関
する。

〔従来技術〕

たとえば磁気カード式公衆電話機や紙カード穿孔装置等
に採用されている各種のカード処理装置におけるパンチ
機構において、カードに対する穿孔手段であるパンチピ
ンの駆動源としては、ソレノイドコイルからなる駆動機
構が従来から一般に用いられている。しかしながら、こ
のようなソレノイドコイルからなる駆動機構では、電流
駆動式であることからその消費電力が大きく、また全体
の構造が複雑で、装置の大型化を招くばかりでなく、ソ
レノイドコイルを用いることにより全体の形状が限定さ
れることから設計上の制約が大きいといった欠点があっ
た。そして、このような理由から、上述したカード処理
装置では、その低消費電力化、さらに小型かつ薄型化な
どを図るうえで、大きな障害となるものであった。

〔発明の概要〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
パンチピンの駆動源として、電界駆動でその消費電力が
小さく、しかも構造容易で小型、薄型化を図ることも可
能な圧電素子を用いるという簡単な構成に゛よって、低
消費電力化を達成することができ、コスト低減化を図れ
るとともに、この圧電素子の変位−力特性に適合した穿
孔力特性をもつ凸形片流れ形のパンチピンとの組合せに
よってエネルギ変換効率を高めることができる圧電式穿
孔装置を提供するものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳細に説明
する。

第１図ないし第３図は本発明に係る圧電式穿孔装置の一
実施例を示すものであり、これらの図において、符号ｌ
で示すものは、この圧電式穿孔装置においてパンチピン
２を作動させるための駆動源として用いられる積層型圧
電素子である。この積層型圧電素子１は、第１図に示さ
れるように、電極層３（３ａ、３ｂ）を交互に挟むよう
にして複数枚（ｎ枚）の圧電板１−１〜１−ｎを層状に
積層することにより形成され、かつ前記電極層３ａ、　
３ｂはそれぞれ別々に分極されて取出され、一対の外部
電極４ａ、４ｂに接続されている。そして、これら外部
電極４ａ、４ｂ間に電圧を印加すると、圧電板１−１〜
ｌ−ｎはそれぞれ同一の変位（伸びまたは縮む）を生じ
、その結果として積層型圧電素子ｌは印加電圧の極性と
電圧値とにしたがって伸びあるいは縮むように動作する
ものである。すなわち、この積層型圧電素子１は、力を
加えると電圧が発生し、逆に電圧を加えると変位や力を
発生するという性質を有し、特に近年アクチュエータと
しての機能が注目されている。

そして、このような積層型圧電素子ｌは、第２図に示す
ような変位−力特性を持つものであり、力Ｆは変位Ｓの
増加とともにほぼ直線的に減少する。ここで、この特性
図は、１００枚の圧電板（広さ１０１０Ｘ１０、厚さ０
．２５ｍｍ）にて形成した積層型圧電素子ｌの場合であ
り、たとえば１０Ｋｇの力が得られる変位は約４０ｇｍ
である。

また、実際に厚さＯ−３ｍｍのプラスチック（たとえば
ポリエステル）製のカードに直径１．２■の丸穴を穿設
するために必要な穿孔力は約８．５Ｋｇであり、パンチ
ピン２の変位はパンチダイ系の余裕などを考慮して２誼
履は必要で、これが目安となる条件である。したがって
、この条件を満足し得るように各部を設定すればよいも
のである。

第３図は本発明に係る圧電式穿孔装置の概略構成を示す
ものであり、同図において、符号１０は」二連した積層
型圧電素子ｌを駆動源とする流体加圧機構で、この流体
加圧機構１０は、その一端側に前記積層型圧電素子ｌを
収容配置させてなるケーシング１１を有し、かつこのケ
ーシング１１内には、上述した積層型圧電素子１により
進退駆動されるピストン１２が配設されるとともに、こ
れによって加圧される流体１７が充填された第１および
第２の流体圧室１８Ａ、Ｉｆ（Ｂが形成されている。

そのうち、第１の流体圧室１６＾は、その一端側に前記
ピストン１２が臨むとともに、他端側か排出弁１４にて
前記第２の流体圧室１ＢＢと連通し得るように構成され
、かつこの第１の流体圧室１６Ａには吸込弁１３、吸込
パイプ１９ａを介して流体１７を貯えているリザーバタ
ンク１８が接続されている。なお、前記吸込弁１３はリ
ザーバタンク１８から第１の流体圧室１８Ａ側にのみ開
口するように構成され、また排出弁１４は第１の流体圧
室ＩＢＡから第２の流体圧室１ＢＢにのみ開口するよう
に構成されているものである・ 一方、前記第２の流体圧室１ＢＢは、前記リザーバタン
ク１８と排出パイプ１９ｔｌを介して接続されるととも
に、その開口部分はバイモルフ型圧電素子１５４．）て
開閉されるように構成されている。そして、このバイモ
ルフ型圧電素子１５は、後述するように前記積層型圧電
素子１と共にコントローラ２０からの制御信号（第８図
参照）にて作動され、この部分を開放することにより第
２の流体圧室１ＢＢ内の流体１７がリザーバタンク１８
側に還流されるものである。

また、この第２の流体圧室１ＢＢの一部には、前記パン
チピン２の後端部が摺動自在に支持されてお’ｌ、この
パンチピン２は第２の流体圧室１ＢＢ　内の流体圧にて
押圧されることにより図中下方に押出されてその先端部
に対向するように配設されたパンチダイ２１の孔部２１
ａと嵌合して図示しない被加工物としてのカードに穿孔
を行なうものである。なお、図中２２はパンチピン２の
復旧スプリングであり、また−卜述した第１および第２
の流体圧室１６Ａ、１６Ｂに対しピストン１２、パンチ
ピン２後端部は、流体１７をシールｂ得るようにして摺
動自在に支持されていることは勿論である。

さらに、前記コントローラ２０には、積層型圧電素子ｌ
と／へイモルフ型圧電素子１５とをそれぞれ所望のステ
ップにて順次駆動する駆動回路が設けられ、端子Ｖｌ、
Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４に所定の駆動電圧を印加するように構
成されている。

すなわち、前記積層型圧電素子ｌは、このコントローラ
２０の端子Ｖｌ、Ｖ２に接続され、駆動電圧−ＶＬ、Ｏ
ｌあるいは＋ＶＬが印加される。そして、この積層型圧
電素子１は、第４図（Ａ）に示される（Ｖｌ　＝Ｏ１Ｖ
２　＝Ｏのとき）を基準とすると、Ｖｌ　＝−ＶＬ　、
Ｖ２　＝Ｑｃｒ）駆動？ｔｔ圧を印加すると、同図（Ｂ
）に示すように、矢印ａ方向に縮み変位−δ　ｖＬを生
じる。マタ、Ｖ１＝Ｏ５■２＝＋ＶＬの駆動電圧を印加
すると、同図（Ｃ）に示すように、矢印す方向に伸び変
位＋δＶＬを生じるもので、これによりこの動作を繰返
すことやとよって積層型圧電素子１は伸縮運動を行なう
ものである。

一方、前記バイモルフ型圧電素子１５は、コントローラ
２０の端子Ｖ３．Ｖ４に接続され、駆動電圧−ＶＢ、Ｏ
ｌあるいは＋ＶＢが印加される。そして、このバイモル
フ型圧電素子１５は、第５図（Ａ）に示される（Ｖ３　
＝Ｏ，Ｖ４　＝Ｏのとき）を基準トシ、Ｖ３　＝−Ｖｊ
３　、Ｖ４　＝Ｏ（７）駆動電圧を印加すると、同図（
Ｂ）に示すように、矢印Ｃ方向にたわんで前記第２の流
体圧室ＩＢＢをリザー／くタンク１８側に接続するよう
に開動作される。

なお、コントローラ２０の駆動回路は、たとえば発信回
路で方形波を生成し、これをパルス・トランスで昇圧し
て出力するようにしたものでよく、上述した説明に限定
されるものではない。

このように構成された圧電式穿孔装置は、第６図（Ａ）
、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、さらに第７図（Ａ）、（Ｂ
）に示されるように、穿孔および復旧動作を行なう。

これを詳述すると、第６図（Ａ）は本発明装置の初期状
態を示すものであり、コントローラ２０の各端子Ｖｌ、
Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４　ハ共にＯ値にセットされ、積層型圧
電素子ｌおよびバイモルフ型圧電素子１５は不動作状態
で、また吸込弁１３と排出弁１４も閉成されており、第
１および第２の流体圧室１８Ａ。

１ＧＢ、リザーバタンク１８はそれぞれ独立し゛て流体
１７の流れは生じていない。さらに、凸形片流れ形のパ
ンチピン２は復旧スプリング２２によりストッパを兼ね
たケーシング１１の一部に押当てられている。なお、こ
の状態は、第８図において第１ステンプＩに該当する。

同図（Ｂ）は第２ステンプＩＩの段階であり、積層型圧
電素子１への端子Ｖｌ、Ｖ２に対し、コントローｙ２０
からＶｌ　＝−ＶＬ　、　Ｖ２　＝Ｏ（７）駆動−ａ　
圧力印加され、この積層型圧電素子ｌは図中矢印ａ方向
に縮み、ピストン１２は図中左方に一部　ＶＬだけ変位
する。この状態により、吸込弁１３が開き、リザーバタ
ンク１８から流体１７が第１の流体圧室１８Ａに対し所
定量流入することになる。

また、同図（Ｃ）は第３ステツプ■であり、積層型圧電
素子ｌへの端子Ｖｌ、Ｖ２に対し、コントローラ２０カ
らｖｔ＝６、Ｖ２　＝＋ＶＬ　（７）駆動電圧が印加さ
れ、この積層型圧電素子ｌは図中矢印す方向に伸び、ピ
ストン１２は図中右方に＋δ　ＶＬだけ変位する。この
状態により、吸込弁１３は閉じるとともに排出弁１４が
開き、第１の流体圧室ｔｅＡから流体１７が第２の流体
圧室１８Ｂに対し所定量流入することになる。そして、
この流体１７の移動によりパンチピン２はパスカルの原
理にしたがってパンチダイ２１側に押出されることにな
る。

さらに、同図（Ｄ）は上述した同図（Ｂ）と同様に第２
ステツプＨの段階であり、積層型圧電素子ｌへの端子Ｖ
ｌ、Ｖ２に対し、コントローラ２ｏからＶｌ　−−ＶＬ
　、Ｖ２　＝Ｏの駆動電圧が印加されることにより、積
層型圧電素子１は図中矢印ａ方向に腟み、ピストン１２
が図中左方に一部ＶＬだけ変位し、その結果吸込弁１３
が開き、リザーバタンク１８から流体１７が第１の流体
圧室１８Ａに対し所定部流入することになる。すなわち
、第６図（Ｂ）を、第２ステツプＩＩＩの段階とすると
、この第６図（Ｄ）は第２ステー７プ１１２の段階とな
る。

そして、このようにし、て上述した第２ステツプ１１１
、ＩＩ２，１１３，１１４．＋１拳・ＩＩｎの段階と第
３ステツプＩＵ　１．Ｉｌｌ　２．Ｉｌｌ３．［４，・
拳・ｍｎの段階とを交互に繰返すことによって、パンチ
ピン２がパンチダイ２１の孔部２１ａ内に必要十分な深
さまで進入した状態、すなわち第６図（Ｃ）が進行した
第３ステツプ■ｎの状態で穿孔作業は終了する。

この終了状態を、第７図（Ａ）に示しており、これは第
４ステンプ■の段階である。このときには、リザー／へ
タンク１８から第１の流体圧室１８Ａに流入した流体１
７は全て第２の流体圧室１ＢＢ内に流入している。

同図（Ｂ）はパンチピン２が復１１」スプリング２２に
より初期状態に復帰しつつある、第５ステツプＶの段階
を示しており、このときコントローラ２０からバイモル
フ型圧電素子１５に、Ｖ３　＝−ＶＢ、■４−０の駆動
電圧が印加され、このバイモルフ型圧電素子１５は図示
するようにたわんで開動作され、これによりこの第２の
流体圧室１６Ｂから流体１７が順次リザーバタンク１８
側に還流されるものである。

そして、この第７図（Ａ）　、（Ｂ）に示す第４ステッ
プＩＶＩ、ＩＶ２．ＩＶ３．・・・拳ＩＶｍの段階と第
５ステツプＶ　１．Ｖ２．Ｖ３．・・・・Ｖｍの段階と
を交互に繰返換えずことによって第６図（Ａ）に示す第
１ステツプ■の段階に復帰するものである。

ここで、」二連した初期状態（第１ステツプエの段階）
、穿孔状態（第２ステツプＩＩ　１．ＩＩ　２．ＩＩ　
３．・・Ｉｌｎの段階と第３ステップ■１．■２．［３
，・争・ｍｎの段階）、復旧状８（第４ステップＩＶＩ
、ＩＶ２゜ＩＶ３．・・・・ＩＶｍの段階と第５ステッ
プＶｌ、Ｖ２゜Ｖ３．−・−・Ｖｍの段階）でのコント
ローラ２０の端子Ｖ　Ｉ、Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４に対する駆
動電圧の印加状態は第８図に示される通りである。

また、前記パンチピン２の穿孔終了および復旧終了の検
出は、たとえば第９図に示すように、パンチピン２に設
けたレバー２３の先端２３ａの上限、下限を検知するデ
ィテクタ２４ａ、２４ｂを用いることにより簡単に行な
えるものである。

第１０図（Ａ）、（Ｂ）および第１１図は上述した構成
による装置において、その駆動源としての圧電素子ｌの
変位−力特性に適合し得る穿孔力特性をもつ凸形片流れ
形のパンチピン２の凸形片流れ形刃部３０とこれによる
穿孔力特性とを示すものであり、このような組合せによ
って装置全体のエネルギ変換効率を高めることができる
ものである。

すなわち、本発明によれば、パンチピン２の凸形片がも
れ形刃部３０を、その刃面が負でないシャー　ｆ（＋　
０１　、０２を有する複数（第１．第２）の平面３０Ａ
、３０Ｂで、しかもそのシャー角Ｏ１，０２が段階的に
増加するように形成するようにしたところに特徴を有し
ている。

これを詳述すると、前記凸形片流れ形刃部３０は、シャ
ー角Ｏ１をもって形成された第１の平面３０Ａと、これ
よりも大きなシャー角０２をもって形成された第２の平
面３０Ｂとによって構成され、その刃面全体のシャーは
ｈである。そして、このような凸形片流れ形刃部３０は
、第１Ｏ図（Ａ）において一点鎖線で示すようにシャー
ｈが等しい従来一般的な片流れ形パンチピン２の刃面２
ａと比べて次のような利点を有するものである。

すなわち、この刃面２ａのシャー角は０で、これはＯｌ
＜０＜０２の関係をもっている。そして。

本発明による凸形片流れ形刃部３０の穿孔力特性は、第
１１図中実線で示す通りであり、一方シャーｈが等しい
片流れ形パンチピン２の刃面２ａの穿孔力特性は同図中
破線で示すようになる。なお、図中Ｓはパンチピン変位
、ｊｓは所要の穿孔力である。

そして、この第１１図から明らかなように、本発明によ
る凸形片流れ形刃部３０の穿孔力特性は、片流れ形パン
チピン２の刃面２ａに比較して第１のピークＰ１が高く
、第２のピークＰ２を低くすることができる。すなわち
、パンチピン２を凸形片流れ形にすることによって、そ
の穿孔力特性を本発明による積層型圧電素子１のカー変
位特性に適合させることが可能となる。

これは、次の理由から明らかであろう。すなわち、パン
チ・タイ系の穿孔に関す厄研究が従来から行なわれてお
り、シャー角が大きくなる程、最大穿孔力が減少するこ
とが知られている。第１２図（Ａ）、（Ｂ）に片流れ形
パンチビン２の刃面２ａのもつ典型的な例を示しており
、その穿孔力特性曲線には二つのピークＰｉ、Ｐ２があ
る。第１のピークＰ１は紙あるいはプラスチック製カー
ドをノぐンチピン２の先端２ａが、また第２のピークは
パンチピン２の後端が貫通する直前で生じる。そして、
これら二つのピークはほぼ同じ値をとる。なお、同図中
破線はシャー角がＯ’Ｃ＞０）である場合の特性を示し
、これによりシャー角の増加により穿孔に要する変位は
長くなるが、穿孔力の二つのピーク値は減少することが
理解されよう。

一方、積層型圧電素子１のカー変位特性は、第２図から
明らかなように、変位の増加と共に減少することから、
これを効率良く穿孔に利用するためには、この特性に適
合した穿孔力特性をもつノ々ンチピン２が必要とされる
ものである。すなわち、これは穿孔力特性曲線の第１の
ピークが片流れ形パンチビン２の刃面２ａと比較して高
く、第２のピークが低くなる特性をもつパンチピン２で
、これが第１Ｏ図に示す凸形片流れ形刃部３０となるも
のである。

なお、本発明は上述した実施例構造に限定されず、各部
の形状、構造等を、適宜変形、変更することは自由であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る圧電式穿孔装置によ
れば、その穿孔手段であるパンチピンの駆動源として、
電界駆動で、消費電力の小さい積層型圧電素子を用い、
さらにこの圧電素子によって加圧された力にて流体圧力
伝達機構を介して凸形片流れ形パンチピンな作動するよ
うにしたので、簡単な構成にもかかわらず、全体のホヤ
、薄型化を簡単かつ適切に達成し得るとともに、その低
消費電力化を図り、コスト低減化を図ることができ、ま
たこの圧電素子の変位−力特性に適合した穿孔力特性を
もつ凸形片流れ形バンチピンとの組合せによって装置全
体のエネルギ変換効率を大幅に向上させることができる
等の種々優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る圧電式穿孔装置の一実施例を示すも
のであり、第１図は本発明装置に用いる積層型圧電素子
の概略構成を示す概略図、第２図はこの圧電式穿孔装置
のカー変位特性を示す特性図、第３図は本発明装置を示
す概略構成図、第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は積層型
圧電素子の動作説明図、第５図（Ａ）、（Ｂ）はバイモ
ルフ型圧電素子の動作説明図、第６図（Ａ）　、　（Ｂ
）　、　（Ｃ）　、　（Ｄ）は本発明装置において穿孔
時の動作説明図、第７図（Ａ）　、　（Ｂ）は同じく復
旧時の動作説明図、第８図は各圧電素子への制御信号の
印加状態を示す端子Ｖｌ、Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４のタイムチ
ャート、第９図はパンチピンの位置検出を行なう手段の
一例を示す図、第１０図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に用い
る凸形片流れ形のパンチピン先端部を示す側面図および
端面図、第１１図はその穿孔力特性を示す図、第１２図
（Ａ）、（Ｂ）は従来例としての片流れ形パンチピンの
側面図およびその穿孔力特性図である。 ｌ・・・・積層型圧電素子、ｌ−１〜ｌ−ｎ・・・・圧
電板、２・・・・パンチピン、３　（３ａ、３ｂ）　・
・・・電極層、４　（４ａ、４ｂ）・・・・外部電極、
１０１１１１・・流体加圧機構、ｌｌ・・・拳ケーシン
グ、１２・・−・ピストン、１３−−Φ・吸込コ「、１
４・・・・排出−ｆｔ、１５・・拳・バイモルフ型圧電
素子、１６Ａ、１６Ｂ・・・・第１および第２の流体圧
室、１７・・・・流体、１８・・ａ１１リザーバタンク
、１９ａ、１９ｂ・・・・吸込、排出パイプ、２０・・
・・コントローラ、２１争・拳・バンチタ゛イ、２２・
・・拳復ＩＥＩスプリング、３０・・・・凸形片流れ形
刃部、３０Ａ。 ３０Ｂ　・・１１１１第１、第２の刃面。 特許出願人　日本電信電話公社 代　理　人　山　川　政　樹 第１図 １ 第２図 Ｓ（交信）Ｐｍ　、　（Ｃ） ２ＯＺＴａ 第８図 第９図 １ 第１０図 第１２図（Ａ） 第１１図 Ｓ　（１４文） 第１２図（Ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を駆動源とする流体加圧機構と、この流
   体加圧機構により加圧された流体により作動されるパン
   チピンと、このパンチピンと同軸上に対向して配置され
   このパンチピンと嵌合して被加工物に穿孔を行なうパン
   チダイとを加１えていることを特徴とする圧電式穿孔装
   置。
2. （２）　その刃面が負でないシャー角を有する複数の平
   面で、かつシャー角が段階的に増加するように構成され
   る凸形片流れ形のパンチピンを備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電式穿孔装置。