JP2008099399A - Piezoelectric actuator and pressurizing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の伸縮変位を利用して対象物に変位を与える圧電アクチュエータ、およびこのような圧電アクチュエータにおいて圧電素子に圧縮力を与えるための与圧方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that applies a displacement to an object using the expansion and contraction displacement of a piezoelectric element, and a pressurizing method for applying a compressive force to the piezoelectric element in such a piezoelectric actuator.
何かを「動かせる」ための機構であるアクチュエータは、各種産業機械、自動車、航空機、医療関連機器を始め、身の回りの電気製品に至るまで、あらゆるものに利用されている。アクチュエータは、例えば、産業機構においてはソレノイドやエアバルプ等、パソコンにおいてはハードディスクドライブに対して読み取りおよび書き込みを行うための磁気チップを移動させる移動機構等、また、携帯電話においては振動を発生するバイブレーションモータ等として利用されている。アクチュエータとしては現在、コイル中に流れる電流によって生じた磁界と永久磁石との間で発生する吸引力あるいは斥力である「電磁力」を利用したものが最も多用されている。しかし、電磁力は、空間的に離れた物体同士間であっても力を発生させることができるといった利点を有しているものの、(1)投入される電気エネルギーに対して発生する機械エネルギーが少なく、エネルギー効率が例えば数パーセント以下と著しく低い、(2)例えばミリセカンド以下の高速応答に適さない、(3)物体を一定の位置で保持する場合に、電流を流し続けなければならず、結果的に電気エネルギー消費が一層大きくなる、等の欠点を有している。 Actuators, which are mechanisms for "moving" something, are used in everything from various industrial machines, automobiles, aircraft, medical-related equipment to personal electrical products. Actuators include, for example, solenoids and air valves in industrial mechanisms, moving mechanisms that move magnetic chips for reading and writing to hard disk drives in personal computers, and vibration motors that generate vibrations in mobile phones. Etc. are used. At present, actuators that use an "electromagnetic force" that is an attractive force or a repulsive force generated between a magnetic field generated by a current flowing in a coil and a permanent magnet are most frequently used. However, although electromagnetic force has an advantage that force can be generated even between spatially separated objects, (1) mechanical energy generated with respect to input electric energy is small. Less, energy efficiency is significantly lower, for example, less than a few percent, (2) not suitable for fast response, for example less than a millisecond, (3) when holding an object in a certain position, the current must continue to flow; As a result, the electric energy consumption is further increased.
このような欠点を解消することができるアクチュエータとして圧電素子を利用したものが知られている。圧電素子は、圧電材料の中に電界を形成することにより圧電材料全体が伸長あるいは縮小する「圧電効果」と称される現象を100V程度の比較的低い電圧レベルで実現できるように構成したものであり、(1)投入される電気エネルギーに対して実に60%以上が機械エネルギーに変換され、例えば10mm×10mmの素子で発生する力が300kgfに達し、エネルギー効率がきわめて高い、(2)数kHz以上の高速応答が可能である、(3)物体を一定の位置で保持する場合に、電圧を印加する必要はあるが、電流は流れなくて済むため、電気エネルギー消費を抑えることができる、(4)小型化、薄型化に適している、等の優れた点を有している。その一方で、圧電素子は通常、発生する変位が数μmから数十μmと髪の毛一本の直径にも満たないため、適用用途が極めて制限されている。この欠点を補うため、変位拡大機構と組み合わせて圧電素子の発生変位を数倍から数十倍に拡大するタイプのアクチュエータ(以下、圧電素子変位拡大機構型アクチュエータという)が開発されている。このような圧電素子変位拡大機構型アクチュエータでは圧電素子の発生する変位を数倍から数十倍に拡大する結果、発生変位が100μm〜1mm以上となり、これにより圧電素子の適用範囲は大きく拡大可能となる。 An actuator using a piezoelectric element is known as an actuator that can eliminate such a drawback. Piezoelectric elements are constructed so that a phenomenon called the “piezoelectric effect” in which the entire piezoelectric material expands or contracts by forming an electric field in the piezoelectric material can be realized at a relatively low voltage level of about 100V. Yes, (1) More than 60% of the input electric energy is converted into mechanical energy, for example, the force generated by a 10 mm × 10 mm element reaches 300 kgf, and the energy efficiency is extremely high. (2) Several kHz (3) When an object is held at a certain position, it is necessary to apply a voltage, but current does not flow, so that electric energy consumption can be suppressed. 4) It has excellent points such as being suitable for downsizing and thinning. On the other hand, since the generated displacement of the piezoelectric element is usually several μm to several tens of μm, which is less than the diameter of a single hair, its application is extremely limited. In order to compensate for this drawback, an actuator of a type that expands the generated displacement of a piezoelectric element several times to several tens of times in combination with a displacement expansion mechanism (hereinafter referred to as a piezoelectric element displacement expansion mechanism type actuator) has been developed. In such a piezoelectric element displacement magnifying mechanism type actuator, the displacement generated by the piezoelectric element is increased from several times to several tens of times. As a result, the generated displacement becomes 100 μm to 1 mm or more. Become.
ところで、圧電素子は一般的にセラミック材料からなるため、陶器のように脆性を有しており、圧縮に対しては強いが引張に対しては弱い。このため、圧電素子をアクチュエータとして用いる場合には、圧電素子から生じる力に対して1/5〜1/2程度の圧縮力を与えておくことが要求される。圧電素子に圧縮力を与える与圧構造としては、図5に示すように、圧電素子Aの伸縮方向一端部および他端部にそれぞれ当接するように設けられたヘッドピースB、C間に、あらかじめ引張力を作用させて伸長させた状態の蛇腹部材Dを架設しておき、蛇腹部材Dの元に戻ろうとする収縮力を利用したものが知られている(例えば非特許文献1参照)。 By the way, since a piezoelectric element is generally made of a ceramic material, it has brittleness like pottery and is strong against compression but weak against tension. For this reason, when using a piezoelectric element as an actuator, it is required to give a compressive force of about 1/5 to 1/2 with respect to the force generated from the piezoelectric element. As a pressurizing structure for applying a compressive force to the piezoelectric element, as shown in FIG. 5, between the head pieces B and C provided in contact with one end and the other end of the piezoelectric element A in advance, respectively, A structure in which a bellows member D in a state of being stretched by applying a tensile force is installed and a contraction force that tries to return to the bellows member D is used is known (for example, see Non-Patent Document 1).
このような構造は、断面積が例えば2mm×3mm程度と小さい圧電素子の場合には、圧電素子の発生力が200N(約20kgf)程度と小さく、圧電素子への与圧力は、それの1/2〜1/5である4〜10kgf程度と小さいものですむため、適用が容易である。ところが、圧電素子の断面積が例えば10mm×10mm程度と大きくなると、圧電素子の発生力も300kgfにもなるので、必要な与圧力は60〜150kgfにも達し、蛇腹部材の構成材料の限界応力内でこの力を発揮できるように蛇腹部材を大型または肉厚にしなければならず、実際には適用が困難である。 In such a structure, in the case of a piezoelectric element having a small cross-sectional area of about 2 mm × 3 mm, for example, the generated force of the piezoelectric element is as small as about 200 N (about 20 kgf), and the pressure applied to the piezoelectric element is 1 / of that Since it can be as small as 2 to 1/5, which is about 4 to 10 kgf, it is easy to apply. However, when the cross-sectional area of the piezoelectric element is increased to, for example, about 10 mm × 10 mm, the generated force of the piezoelectric element also becomes 300 kgf, so that the required pressure reaches 60 to 150 kgf, and within the limit stress of the constituent material of the bellows member The bellows member must be large or thick so that this force can be exerted, which is difficult to apply in practice.
また、このような構造は、比較的複雑な形状の蛇腹部材を高精度で加工することが要求されるため、コスト高となってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧電素子の大きさに関わらず、圧電素子に適切な圧縮力を容易に与えることが可能な圧電アクチュエータおよび与圧方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a piezoelectric actuator and a pressurizing method capable of easily applying an appropriate compressive force to the piezoelectric element regardless of the size of the piezoelectric element. The purpose is to do.
また、本発明は、高コスト化することとなく圧電素子に適切な圧縮力を与えることが可能な圧電アクチュエータおよび与圧方法を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a piezoelectric actuator and a pressurizing method capable of applying an appropriate compressive force to a piezoelectric element without increasing the cost.
上記課題を解決するために、本発明の第1の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備する圧電アクチュエータであって、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部と、前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に設けられ、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与する圧縮力付与手段と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。
In order to solve the above problems, in the first aspect of the present invention, a piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage, and a displacement that expands the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element and causes the expanded displacement to act on an object. A piezoelectric actuator comprising an enlargement mechanism, wherein the displacement enlargement mechanism includes a displacement enlargement operation unit that performs a displacement enlargement operation for enlarging an expansion / contraction displacement of the piezoelectric element, and an expansion / contraction displacement of the piezoelectric element of the displacement enlargement operation unit. A compression force applying means that is provided in a portion where a larger displacement is generated and applies a compressive force to the piezoelectric element in accordance with a displacement expansion operation of the displacement expansion operation unit when the piezoelectric element expands and contracts; A piezoelectric actuator is provided.
上記第1の観点において、前記変位拡大機構は、前記圧電素子に当接し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部をさらに有するものとすることができる。また、前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第1の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第2の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、前記変位拡大動作部は、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させるものとすることができる。さらに、前記変位拡大動作部は、前記第1および第2の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用されるものとすることができる。さらにまた、前記圧縮力付与手段として、一端部が前記アームに取り付けられ、他端部が前記変位伝達部に取り付けられたばね部材を用いることができる。 In the first aspect, the displacement magnifying mechanism may further include a displacement transmission unit that contacts the piezoelectric element and transmits an expansion / contraction displacement of the piezoelectric element to the displacement magnifying operation unit. The displacement transmission unit includes a first contact member having one of the contact portions of the piezoelectric element, and a second contact member having the other of the contact portions of the piezoelectric element. As the piezoelectric element expands and contracts, a relative displacement corresponding to the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element is generated between the first contact member and the second contact member, and the displacement enlarging operation unit is The relative displacement between the first contact member and the second contact member is transmitted to expand the displacement, and the expanded displacement acts on the object. Can do. Further, the displacement enlarging operation portion is hinged to the first and second contact members, respectively, so that relative displacement between the first contact member and the second contact member is achieved. It has an arm that rotates or swings along with it, and an enlarged displacement is applied to the object by the rotation or swinging of the arm. Furthermore, as the compressive force applying means, a spring member having one end attached to the arm and the other end attached to the displacement transmitting portion can be used.
また、本発明の第2の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備する圧電アクチュエータであって、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する2つの当接部を有し、前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記2つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるように構成され、前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てた際に、前記圧電素子が前記2つの当接部間にこじ入れられ、前記圧電素子に圧縮力が及ぼされた状態となっていることを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage, and a displacement enlarging mechanism that expands the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element and causes the expanded displacement to act on the object. In the piezoelectric actuator, the displacement enlarging mechanism has two abutting portions that abut on one end and the other end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element, and in the state where the piezoelectric element is not attached, The length between the two contact portions is configured to be shorter than the length of the piezoelectric element in the expansion / contraction direction, and when the piezoelectric element and the displacement magnifying mechanism are assembled, the piezoelectric element becomes the two contact portions. There is provided a piezoelectric actuator characterized in that a compression force is exerted between the piezoelectric elements.
上記第2の観点において、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部と、前記2つの当接部を有し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部とを有するものとすることができる。また、前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第1の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第2の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、前記変位拡大動作部は、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させるようにすることができる。さらに、前記変位拡大動作部は、前記第1および第2の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用されるものとすることができる。 In the second aspect, the displacement enlarging mechanism includes a displacement enlarging operation unit that performs an enlarging operation of the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element and the two contact portions, and the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element is increased by the displacement expansion. It can have a displacement transmission part transmitted to an operation part. The displacement transmission unit includes a first contact member having one of the contact portions of the piezoelectric element, and a second contact member having the other of the contact portions of the piezoelectric element. As the piezoelectric element expands and contracts, a relative displacement corresponding to the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element is generated between the first contact member and the second contact member, and the displacement enlarging operation unit is The relative displacement between the first abutting member and the second abutting member is transmitted to enlarge the displacement, and the enlarged displacement acts on the object. Can do. Further, the displacement enlarging operation portion is hinged to the first and second contact members, respectively, so that relative displacement between the first contact member and the second contact member is achieved. It has an arm that rotates or swings along with it, and an enlarged displacement is applied to the object by the rotation or swinging of the arm.
本発明の第3の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与することを特徴とする予圧方法を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element that expands and contracts according to an applied voltage, and a displacement expansion mechanism that expands and contracts the expansion and contraction of the piezoelectric element and causes the expanded displacement to act on an object. The displacement enlarging mechanism is a preloading method in a piezoelectric actuator for applying a compressive force to the piezoelectric element in a piezoelectric actuator having a displacement enlarging operation unit that performs a displacement enlarging operation for enlarging the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element, Applying compressive force to the piezoelectric element in accordance with the displacement enlarging operation of the displacement enlarging operation unit when the piezoelectric element expands or contracts in a portion where the displacement of the operating unit is larger than the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element. A preload method is provided.
本発明の第4の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する2つの当接部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記2つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てる際に、前記圧電素子を前記2つの当接部間にこじ入れ、前記圧電素子に圧縮力を及ぼすようにすることを特徴とする予圧方法を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element that expands and contracts according to an applied voltage, and a displacement expansion mechanism that expands and contracts the expansion and contraction of the piezoelectric element and causes the expanded displacement to act on an object. The displacement enlarging mechanism is a preload method in a piezoelectric actuator for applying a compressive force to the piezoelectric element in a piezoelectric actuator having two abutting portions that abut one end and the other end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element, When the piezoelectric element is not attached, the length between the two contact portions is made shorter than the length of the piezoelectric element in the expansion / contraction direction, and when assembling the piezoelectric element and the displacement enlarging mechanism, A preloading method is provided, wherein the piezoelectric element is inserted between the two contact portions so as to exert a compressive force on the piezoelectric element.
本発明の第1、3の観点によれば、圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部記変位拡大動作部の圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与するようにするので、圧電素子の大きさに関わらず、圧電素子に適切な圧縮力を容易に与えることが可能となる。すなわち、変位拡大動作部によって拡大された変位に相当する力を圧電素子に与えるとその力も変位拡大にともなって拡大されており、圧電素子の大きさに応じた大きな圧縮力を与えることができる。また、変位拡大動作部を付勢する力を小さく設定できることにより、この付勢手段を安価なもので構成することができ、コストを低く抑えることができる。 According to the first and third aspects of the present invention, the displacement enlarging operation section for performing the displacement enlarging operation for enlarging the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element is formed in a portion where displacement larger than the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element of the displacement enlarging operation section occurs When the piezoelectric element expands and contracts, a compressive force is applied to the piezoelectric element in accordance with the displacement expanding operation of the displacement expanding operation unit. Therefore, the piezoelectric element is suitable for the piezoelectric element regardless of the size of the piezoelectric element. It becomes possible to easily apply a compressive force. That is, when a force corresponding to the displacement expanded by the displacement expansion operation unit is applied to the piezoelectric element, the force is also expanded with the displacement expansion, and a large compressive force according to the size of the piezoelectric element can be applied. Further, since the force for urging the displacement enlarging operation portion can be set small, the urging means can be configured with an inexpensive one, and the cost can be kept low.
また、本発明の第2、4の観点によれば、前記変位拡大機構の圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する2つの当接部間の長さを、圧電素子が取り付けられていない状態において、圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、圧電素子と変位拡大機構を組み立てる際に、圧電素子を前記取り付け部にこじ入れ、圧電素子に圧縮力を及ぼすようにするので、従来用いられていた蛇腹部材のような圧電素子への圧縮力を与える特別な機構を設ける必要がない。このため、高コスト化することとなく圧電素子に適切な圧縮力を与えることが可能となる。 According to the second and fourth aspects of the present invention, the piezoelectric element is attached to the length between the two abutting parts that abut on one end and the other end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element of the displacement enlarging mechanism. When not assembled, the length of the piezoelectric element is shorter than the length of the expansion / contraction direction, and when assembling the piezoelectric element and the displacement enlarging mechanism, the piezoelectric element is inserted into the mounting portion so as to exert a compressive force on the piezoelectric element. Therefore, it is not necessary to provide a special mechanism for applying a compressive force to the piezoelectric element such as a conventionally used bellows member. For this reason, it becomes possible to give an appropriate compressive force to the piezoelectric element without increasing the cost.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明に係る一実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic front view of a piezoelectric actuator as an embodiment according to the present invention.
この圧電アクチュエータ100は、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子1と、この圧電素子1の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構7とを具備している。
The
圧電素子1は、例えば、板状の圧電体が複数積層されることにより、断面積10mm×10mm、長さ40mmを有する柱状または直方体状で構成されている。圧電素子1は、側面に電圧を印加するための電気端子2、3を備えており、この電気端子2、3間に電圧が印加されることにより長さ方向に伸縮するように構成されている。
The
変位拡大機構7は、圧電素子1の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部20と、圧電素子1の伸縮変位を変位拡大動作部20に伝達する変位伝達部30とを有している。変位伝達部30は、圧電素子1の長さ方向一端部に当接する第1の当接部材4と、圧電素子の長さ方向他端部に当接する第2の当接部材6とを有している。第1の当接部材4は、圧電素子1が長さ方向に沿って挿入される切り欠き5を有するU字状に形成され、切り欠き5の端面が圧電素子1の長さ方向一端部(下端部)に当接するように構成されている。また、第1の当接部材4は、ボルト等によって基材に取り付けるための厚さ方向に貫通する取り付け穴9を複数有している。第2の当接部材6は、切り欠き5内に入り込むように設けられている。そして、第1の当接部材4と第2の当接部材6とで圧電素子1をはさみ込むように構成されている。
The
上記変位拡大動作部20は、一端部が第1の当接部材4および第2の当接部材6にそれぞれヒンジ結合されて、他端部に変位対象物が取り付けられ、第2の当接部材6の移動に伴って揺動または回動することにより対象物に拡大された変位を作用させる一対のアーム12を備えている。
One end of the displacement enlarging
各アーム12の基端部は、U字状をなす第1の当接部材4の一方側の上端から延びるヒンジ10と、第2の当接部材6の上端から延びるヒンジ11とにより、第1および第2の当接部材4,6に結合されている。そして、これらアーム12は、湾曲して第1の当接部材4の周縁に沿うように延びている。
The base end portion of each
変位伝達部30の第1の当接部材4と第2の当接部材6の上端の高さ位置は一致しており、圧電素子1の下端部は第1の当接部材4に固定されているから、圧電素子1に電圧が印加されて伸びる方向に変位が生じた場合に、その変位に対応する変位が第1の当接部材4と第2の当接部材6の間に生じる。そして、この変位は、ヒンジ10,11を介して変位拡大動作部20のアーム12に伝達され、アーム12は、第1の当接部材4の周縁に対して近接するように回動する。逆に、圧電素子1に縮む方向に変位が生じた場合には、その変位に対応する変位が第1の当接部材4と第2の当接部材6の間に生じ、ヒンジ10,11を介して変位拡大動作部20のアーム12に伝達され第1の当接部材4の周縁に対して離間するように回動する。アーム12の先端部には、板ばね14の一端部が接合され、各板ばね14の他端部同士は、対象物を取り付けるための取り付け孔16を有するセンターピース15を介して連結されている。各板ばね14は、一端側および他端側にそれぞれ薄肉部14a、14cを有し、中間部に薄肉部14a、14cよりも厚い厚肉部14bを有しており、この厚肉部14bによって撓みまたは曲げ変形した際の座屈の発生が防止される。
The height positions of the upper ends of the first abutting member 4 and the second abutting
アーム12と第1の当接部材4および第2の当接部材6とをヒンジ結合するヒンジ部10、11は可撓性材料によって形成され、それぞれアーム12および第1の当接部材4、ならびにアーム12および第2の当接部材6と一体的に設けられており、撓みまたは曲げ変形することにより、第2の当接部材6の移動ならびにアーム12の回動または揺動を許容するように構成されている。
The
アーム12は、圧電素子1に圧縮力を付与する圧縮力付与手段としての圧縮コイルばね17により、第1の当接部材4の周縁に対して離間する方向に付勢されている。これにより、圧縮コイルばね17の付勢力が第1の当接部材4および/または第2の当接部材6に伝達され、圧電素子1に対して第1の当接部材4および/または第2の当接部材6を介して圧電素子1に圧縮力が作用するように構成されている。各圧縮コイルばね17は、一端部がアーム12の圧電素子の伸縮変位よりも大きい変位が生じる部分、例えば先端部に取り付けられ、他端部が第1の当接部材4の周縁部に取り付けられている。
The
このように構成された圧電アクチュエータ100においては、電気端子2、3間に例えば100Vの直流電圧が印加されると、圧電素子1が例えば28μm伸長し、これに伴って第2の当接部材6が圧電素子1の長さ方向に沿って変位する。第2の当接部材6の変位によってヒンジ部11もヒンジ部10に対して変位するため、ヒンジ部10、11に結合された一対のアーム12がてこの原理によって互いに近づくように回動し、各アーム12の先端13が例えば290μm(2本のアーム12で合計580μm)変位する。これに追従して、各板ばね14も互いに近接するように撓みまたは曲げ変形し、ヘッドピース15およびヘッドピース15に取り付けられる変位対象物が圧電素子1の長さ方向に沿って例えば806μm、すなわち圧電素子1の伸長量の約29倍の量変位することとなる。
In the
一方、アーム12を付勢する圧縮コイルばね17により第1の当接部材4および/または第2の当接部材6を介して圧電素子1に適切な圧縮力(与圧力)が作用しているため、圧電素子1の損傷を確実に防止することができる。
On the other hand, an appropriate compression force (pressure) is applied to the
ここで、圧縮コイルばね17によって圧電素子1に適切な圧縮力を作用させることができる理由を詳細に説明する。図2は圧電アクチュエータにおいて圧電素子1で発生する力および変位量と変位拡大機構7で発生する力および変位量との関係を説明するための概念図である。
圧電素子1が伸縮変位した際の変位拡大機構7の出力部(または変位拡大動作部)の変位量ξSが圧電素子1の変位量ξOのn倍であった場合には(ξS=n×ξO)、仮に変位拡大機構7で生じるエネルギー損失を考慮しないとすると、変位拡大機構7の出力部に対して力FSを加えれば、圧電素子に作用する力FOは、力FSのn倍となり(FO=n×FS)、圧電素子1に直接力FOを与える場合と比較して、n/1の力を加えるだけですむ。すなわち、変位拡大機構7は、変位対象物側から圧電素子1側への観点においては力を拡大させる機構になっている。したがって、圧電素子1の変位が変位拡大機構7の出力部では10倍に拡大されたとすると、この出力部にばね等の圧縮力付与手段を設けて圧電素子1に圧縮力を与えることにより、圧電素子1に直接圧縮力を与える場合と比較して1/10の力ですむことになる。
Here, the reason why an appropriate compressive force can be applied to the
When the displacement amount ξ S of the output section (or displacement expansion operation section) of the
このような性質を利用して、図1に示すように、第1の当接部材4および/または第2の当接部材6を介して圧電素子1に圧縮力が作用するようにアーム12を付勢すれば、圧電素子1が例えば10mm×10mmの大きい断面積を有していても、小さい力で圧電素子1の断面積に応じた大きい圧縮力を与えることができる。したがって、圧縮力付与手段として用いている圧縮コイルばね17として一般的なコイルばねでよく、従来用いられていた蛇腹部材は最早不要となり、これにより、安価に製造することが可能となる。圧縮コイルばね17は、アーム12の極力他端側または先端側を付勢するように設けることにより、より小さい付勢力で圧電素子1に適切な圧縮力を与えることができる。
Utilizing such a property, as shown in FIG. 1, the
圧電素子1が例えば28μm伸長してヘッドピース15が例えば806μm変位した際に、圧縮コイルばね17とアーム12との接合点18、圧縮コイルばね17と第1の当接部材4との接合点19が例えば230μm、すなわち圧電素子1の伸長量の約8.2倍の量変位したとすると、例えば、線径1.2mmの鋼線を外形ばね直径10mmに巻いて圧縮コイルばね17を構成すれば、圧縮コイルばね17によってアーム12に加わる力は4kgfとなり、これによる圧電素子1への与圧力は65.6kgfとなり、適切な与圧力となる。
When the
電気端子2、3間への直流電圧が印加を停止すると、伸長していた圧電素子1が収縮し、撓みまたは曲げ変形していたヒンジ部10、11および板ばね14の元に戻ろうとする力、ならびに圧縮コイルばね17の付勢力によって2つのアーム12が互いに離れるように回動し、これにともなって第2の当接部材6が圧電素子1に追従して移動する。
When the application of the DC voltage between the
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの他の実施形態について説明する。
図3は本発明に係る他の実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図であり、図4はこの圧電アクチュエータにおいて圧電素子と変位拡大機構とを分離させた状態の図である。
Next, another embodiment of the piezoelectric actuator according to the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic front view of a piezoelectric actuator as another embodiment according to the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing a state in which the piezoelectric element and the displacement enlarging mechanism are separated in this piezoelectric actuator.
この圧電アクチュエータ100′は、圧電アクチュエータ100の変位拡大機構7の構造を変更したものであり、圧電アクチュエータ100と同部位については同符号を付して説明を省略する。圧電アクチュエータ100′の変位拡大機構7′は、圧縮コイルばね17を有しておらず、第2の当接部材6の代わりに第2の当接部材6′を有している。第2の当接部材6′は、第2の当接部材6と略等しい形状を有しているが、第2の当接部材6よりも圧電素子1の長さ方向一方側にやや延びている。このため、図4に示すように、圧電素子1が第1の当接部材4と第2の当接部材6の間に配置されていない状態では、第1の当接部材4の当接面(当接端)と第2の当接部材6′の当接面(当接端)との間隔Lmが圧電素子1の長さLpよりも小さくなっている。これにより、図3に示すように、圧電素子1が、例えばこじ入れられるように第1の当接部材4と第2の当接部材6′の間に配置されると、圧電素子1に対する第1の当接部材4および/または第2の当接部材′の押圧力、すなわち圧電素子1への圧縮力が作用する。
This
圧電アクチュエータ100′においては、ヒンジ部10、11が第1の当接部材4および第2の当接部材6′とアーム12とに一体形成され、第1の当接部材4および第2の当接部材6′とアーム12との間で力の伝達が行われる際にヒンジ部10、11が撓みまたは曲げ変形するため、この撓みまたは曲げ変形を発生させるのに適した剛性値が存在する。したがって、圧電素子1の長さLpと第1の当接部材4の当接面(当接端)および第2の当接部材6の当接面(当接端)の間隔Lmと差δは、第2の当接部材の剛性値をkm、圧電素子1への必要な与圧力をFとすると、以下の(1)式によって算出することができる。
δ=F/km ・・・(1)
具体例として、圧電素子1が断面積10mm×10mm、長さ40mmである場合には、剛性値kmが7.4E+6N/m、与圧力Fが600Nに設定され、(1)から差δが81μmと算出される。すなわち、この場合には、第1の当接部材4の当接面(当接端)と第2の当接部材6′の当接面(当接端)との間隔Lmを圧電素子1の長さLpよりも81μm小さくすれば、圧電素子1に適切な与圧力600Nを作用させることが可能となる。
In the
δ = F / k m ··· ( 1)
As a specific example, the
本実施形態においては、従来用いられていた蛇腹部材は最早不要となる上に、前実施形態に用いられていた圧縮コイルばねも必要ないため、より安価に製造することが可能となる。 In the present embodiment, the conventionally used bellows member is no longer necessary, and the compression coil spring used in the previous embodiment is not necessary, so that it can be manufactured at a lower cost.
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。上記実施形態では、アームを、第1の当接部材の周縁に沿って延びるように配置したが、第1の当接部材から離れるように配置してもよい。また、上記実施形態では、第1の当接部材を第2の当接部材よりも大きく形成した都合上、アームを付勢する圧縮コイルばねを第1の当接部材に取り付けたが、第1および第2の当接部材の形状等によっては第2の当接部材に取り付けてもよい。さらに、上記実施形態では、アームを付勢する付勢手段として圧縮コイルばねを用いたが、これに限らず、引張コイルばね等の他のばねであってもよく、ゴム等の弾性体であってもよい。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. In the above-described embodiment, the arm is disposed so as to extend along the peripheral edge of the first contact member. However, the arm may be disposed so as to be separated from the first contact member. Moreover, in the said embodiment, the compression coil spring which urges | biases an arm was attached to the 1st contact member on account of having formed the 1st contact member larger than the 2nd contact member. Depending on the shape and the like of the second contact member, the second contact member may be attached. Furthermore, in the above embodiment, the compression coil spring is used as the biasing means for biasing the arm. However, the present invention is not limited to this, and other springs such as a tension coil spring may be used, and an elastic body such as rubber may be used. May be.
1:圧電素子
4:第1の当接部材
6、6′:第2の当接部材
7、7′:変位拡大機構
12:アーム
10、11:ヒンジ部
17:圧縮コイルばね(付勢手段、ばね部材)
20:変位拡大動作部
30:変位伝達部
100、100′:圧電アクチュエータ
1: Piezoelectric element 4:
20: Displacement expansion operation unit 30:
Claims (11)
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と、
を具備する圧電アクチュエータであって、
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部と、
前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に設けられ、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与する圧縮力付与手段と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage;
A displacement enlarging mechanism for enlarging the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element and causing the enlarged displacement to act on the object;
A piezoelectric actuator comprising:
The displacement enlarging mechanism is
A displacement enlarging operation unit for performing a displacement enlarging operation for enlarging the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element;
The displacement enlarging operation part is provided in a portion where a displacement larger than the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element occurs, and the piezoelectric element is compressed with the displacement enlarging operation of the displacement enlarging operation part when the piezoelectric element expands / contracts. A piezoelectric actuator comprising compressive force applying means for applying force.
前記変位拡大動作部は、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ。 The displacement transmitting portion includes a first contact member having one of the contact portions of the piezoelectric element, and a second contact member having the other of the contact portions of the piezoelectric element, Along with the expansion and contraction of the piezoelectric element, a relative displacement corresponding to the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element occurs between the first contact member and the second contact member.
The displacement enlarging operation unit is configured to transmit the relative displacement between the first contact member and the second contact member to expand the displacement, and use the expanded displacement as a target. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the piezoelectric actuator is operated.
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備する圧電アクチュエータであって、
前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する2つの当接部を有し、
前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記2つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるように構成され、
前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てた際に、前記圧電素子が前記2つの当接部間にこじ入れられ、前記圧電素子に圧縮力が及ぼされた状態となっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage;
A piezoelectric actuator comprising a displacement enlarging mechanism for enlarging the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element and causing the enlarged displacement to act on an object,
The displacement enlarging mechanism has two abutting portions that abut on one end and the other end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element,
In a state where the piezoelectric element is not attached, the length between the two contact portions is configured to be shorter than the length in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element,
When the piezoelectric element and the displacement enlarging mechanism are assembled, the piezoelectric element is inserted between the two contact portions, and a compressive force is exerted on the piezoelectric element. Piezoelectric actuator.
前記圧電素子の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部と、
前記2つの当接部を有し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部と
を有することを特徴とする請求項6に記載の圧電アクチュエータ。 The displacement enlarging mechanism is
A displacement enlarging operation unit for enlarging the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element;
The piezoelectric actuator according to claim 6, further comprising: a displacement transmitting portion that includes the two contact portions and transmits expansion / contraction displacement of the piezoelectric element to the displacement enlarging operation portion.
前記変位拡大動作部は、前記第1の当接部材と前記第2の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させることを特徴とする請求項7に記載の圧電アクチュエータ。 The displacement transmitting portion includes a first contact member having one of the contact portions of the piezoelectric element, and a second contact member having the other of the contact portions of the piezoelectric element, Along with the expansion and contraction of the piezoelectric element, a relative displacement corresponding to the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element occurs between the first contact member and the second contact member.
The displacement enlarging operation unit is configured to transmit the relative displacement between the first contact member and the second contact member to expand the displacement, and use the expanded displacement as a target. The piezoelectric actuator according to claim 7, wherein the piezoelectric actuator is operated.
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、
前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与することを特徴とする予圧方法。 A piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage;
A displacement enlarging mechanism that enlarges the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element and causes the enlarged displacement to act on an object, and the displacement enlarging mechanism performs a displacement enlarging operation for enlarging the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element. A piezoelectric actuator preload method for applying a compressive force to the piezoelectric element in a piezoelectric actuator having an expanding operation part,
When the piezoelectric element expands or contracts in a portion where displacement greater than the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element of the displacement expansion operation unit occurs, a compressive force is applied to the piezoelectric element along with the displacement expansion operation of the displacement expansion operation unit. A preloading method characterized by applying.
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する2つの当接部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、
前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記2つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、
前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てる際に、前記圧電素子を前記2つの当接部間にこじ入れ、前記圧電素子に圧縮力を及ぼすようにすることを特徴とする予圧方法。 A piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage;
A displacement enlarging mechanism for enlarging the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element and causing the expanded displacement to act on an object, wherein the displacement enlarging mechanism is applied to one end and the other end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element. A preloading method in a piezoelectric actuator for applying a compressive force to the piezoelectric element in a piezoelectric actuator having two abutting portions in contact with each other,
In a state where the piezoelectric element is not attached, the length between the two contact portions is made shorter than the length in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element,
A preloading method, wherein when assembling the piezoelectric element and the displacement enlarging mechanism, the piezoelectric element is inserted between the two contact portions so as to exert a compressive force on the piezoelectric element.
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