JP2897315B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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成となって
いる。

第７図は従来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
特願昭61−199241号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ている。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８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。これはてこの原理による変位拡大機構であ
る。すなわち、圧電素子51が第１ヒンジ固定部材56を介
して、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51の変位がレバー52で機械的に
拡大されるものである（特願昭62−052326号参照）。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、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題〕

しかしながら、第７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の発生変位が大きく
なる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21のばね
定数をk1、フレーム29のばね定数をk2とすれば、圧電ア
クチュエータ全体のばね定数ｋは、ｋ＝k1＋k2であるか
ら、例えば、圧電素子21とフレーム29のばね定数が等し
くk1＝k2であるような場合には、ｋ＝２・k1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まうと
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、消費電力が増加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８図で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
な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７
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、 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非線形ばねとを有するも
のである。

また、変位方向を一方向に拘束するガイドに案内され
て直進動作する変位抽出部材を有しており、前記変位抽
出部材は、前記レバーに接続されたもの、或いは前記レ
バーと前記非線形ばねとの間に配置された変位伝達部材
に接続されたものである。

〔作用〕

本発明の作用を図面を用いて説明する。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１の変位
をｙとし、レバー２が非線形ばね10に力を作用する点の
変位をｘとし、圧電素子１が伸びる方向を正とする。ま
た、圧電素子１がレバー２を押す点から支点11までの距
離をａ、支点11からレバー２が非線形ばね10に力を作用
する点までの距離をｂ、変位抽出部材となるロッド７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１が動作して、レバー２がθ回転したとする（θ
＝y/a）と、ロッド先端の変位はｘ＝ｂ・SINθ−ｃ・
（１−COSθ）、ロッド先端のずれ量はΔｘ′＝ｂ・
（１−COSθ）＋ｃ・SINθとなる。レバー２の回転動作
によるずれを無視すると、ｘ＝α・ｙの関係があり、圧
電素子１の発生力をＰ、レバー２が非線形ばね10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、圧電素子単体のばね
定数をｋa（＝P/y）、圧電素子１とレバー２を一つの系
と考えたときのこの系のばね定数をｋs（＝F/x）とする
と、ｋs＝（１−γ）・ｋa／α^２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１に引張り力が働かないように、予備
圧縮力F0が作用しており、第３図（ｂ），（ｃ）に示す
ように、圧電素子１、非線形ばね10はそれぞれδa0,δs
0圧縮されている。

第４図は第３図（ａ）における圧電素子・レバーと、
皿ばね（非線形ばね）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ｘと作用力Ｐが比例
する力・変位特性を有している。一方、皿ばねは図のよ
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ｘ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皿ばねを組み合わせ
ることにより、圧電素子はδa0、皿ばねはδs0だけ、そ
れぞれ組合せ前より圧縮される。皿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、
所定の駆動王電圧V1の場合を示してある。その中間の駆
動電圧V2,V3（０＜V2＜V3＜V1）では、駆動電圧０とV1
の特性宣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０からV1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（＜δａ）とな
る。そして、このときの予備圧縮力をF0とすれば、動作
中、常に圧電素子・レバーはF0以上の力で圧縮されてい
る。そして、圧電素子・レバーに対して皿ばねを使用し
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皿ばねでは、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→Ｋとなり、駆動電圧はV
2,V3でよく、従来よりも低い駆動電圧で駆動することが
可能となる。

第４図に示したF1、Fa、Fsは変位x1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・レバーと非線形ばねを組み合わ
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図のものに対応している。第４図、第５図からわか
るように、最大発生力はF1で変わらないものの、非線形
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。非線形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非線形
ばねを用いたことによる拡大率を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
のときの発生力は非線形ばねを用いたものよりも小さく
なる。従って非線形ばねを用いたものは、従来のものよ
りも最大変位量、発生力ともに大きく、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。
第６図（ａ）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、第６図（ｂ）のような動作状態にな
る。ガイド12は、変位抽出部材となるロッド７の変位方
向を図中の矢印方向に案内するものであり、ロット７は
変位伝達部材13と接続されている。そして、レバー２に
固着されているボタン14は、変位伝達部材13を押下する
ものである。

ボタン14と変位伝達部材13は、非線形ばね10と圧電素
子１のばね力により押圧されて圧着されている。

ボタン14は第６図（ｂ）に示すように、レバー２の回
転動作により、Δｘ′ずれて変位伝達部材13を押下する
が、変位伝達部材13とボタン14は圧着されているため、
そのずれ量は変位伝達部材13には伝達されず、しかも、
変位伝達部材13に接続されている変位抽出部材となるロ
ッド７は、ガイド12により案内されるため、直進運動を
する。

したがって、変位抽出部材７とガイド12により、圧電
素子１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。

〔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、第１図（ｂ）は同断面図である。この
圧電アクチュエータは図に示すうように、固定部材６を
介して伸縮方向の変位を第１ヒンジ３に付与する圧電素
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の先端に配置され圧電素子１の伸縮方向に力を
作用する非線形ばねとしての皿ばね８と、圧電素子１と
皿ばね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変位抽出部材となるロッド７とから
構成されている。圧電素子１と皿ばね８はフレーム９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および皿ばね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。皿ばね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ために、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できる。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大き
な変位を取り出すことができるのは、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図からわかるように、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
とが可能である。

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、実施例１
の圧電アクチュエータのレバー２と皿ばね８の間に、変
位抽出部材となるロッド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に固着されその先端が球面
状に形成されたボタン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、皿ばね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、位置が定められてお
り、直線運動をする。このようにロッド７の位置を定め
るガイド12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
大した変位量に比して大きな変位を得ることができ、し
かも従来よりも大きな発生力を得られることができ、さ
らに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、しかも小型化による低
コストを実現できその効果は大きい。

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（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、第１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断面図、第３
図（ａ），（ｂ），（ｃ）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図は皿ばねと線形ばね
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（ａ），
（ｂ）は変位伝達部材の作用を示す模式図、第７図は従
来例を示す圧電アクチュエータの断面図、第８図は従来
例を示す圧電アクチュエータの斜視図である。 1,21,51……圧電素子、2,52……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 7,57……ロッド、８……皿ばね 9,29,59……フレーム、10……非線形ばね 11……支点、12……ガイド 13……変位伝達部材、14……ボタン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/295 B41J 2/275

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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非線形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. 【請求項２】変位方向を一方向に拘束するガイドに案内
   されて直進動作する変位抽出部材を有し、 前記変位抽出部材は、前記レバーに接続されたものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】変位方向を一方向に拘束するガイドに案内
   されて直進動作する変位抽出部材を有し、 前記変位抽出部材は、前記レバーと前記非線形ばねとの
   間に配置された変位伝達部材に接続されたものであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。