JPH01250017A

JPH01250017A - 変位拡大装置

Info

Publication number: JPH01250017A
Application number: JP7443288A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Iikura; 省一飯倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-30
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1989-10-05

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電圧を加えると歪みを生ずる圧電素子を用い
た変位拡大装置に関する。

（従来の技術）従来より、電圧を加えると歪みを生ずる圧電素子がよく
知られており、微小移動機構用のアクチュエータとして
利用されている。この圧電素子は即応性や安定性に優れ
ており制御が容易であるが、その歪み量があまりにも小
さいため、歪みを拡大することにより比較的大きな変位
を必要とする機械のアクチュエータとして利用する工夫
がなされている。第７図は圧電素子の歪みを拡大するた
めの変位拡大装置の従来例を示したものであり、（ａ）
はパスカルの原理を利用したものであり、圧電素子の歪
みにより増加した液体の圧力を、ピストン（１）より表
面積の小さいピストン（２）より変位として取出してお
り（ｂ）はテコの原理を利用したものであり、圧電素子
の歪みをテコの原理で拡大して変位を取出している。し
かしくａ）の方法では流体の粘性抵抗のため即応性に劣
り、シールに関しても問題がある。これに対して（ｂ）
の方法では（ａ）のような問題点もなく、比較的大きな
拡大係数（約５０〜７０）を得られるが、機構が複雑な
ためにその改良が困難であった。

（発明が解決しようとする課８）以上のように従来、テコの原理を利用した変位拡大装置
は、比較的大きな拡大係数を得られるが、機構が複雑な
ためにその改良が困難であった。

本発明ではこのような点を改善し、拡大係数を従来以上
に大きくとることのできる変位拡大装置の提供を目的と
する。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明の変位拡大装置は、
３点Ａ、Ｂ、Ｃを頂点、葺を最も短い線分１．：ＢＡＣ
を１８００に近い角度とした三角形を構成し、 ■　点Ａ、Ｂに位置固定手段、丁でに剛性を有する部材
、頁に伸縮自在手段を対応させることによって、伸縮自
在手段の伸縮量を点Ｃの点Ｂまわりの変位として取り出
すものとした。

■　点Ａ、Ｂに位置固定手段、■でに伸縮自在手段、Ｃ
Ａに剛性をを有する部材を対応させることによって、伸
縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ａまわりの変位として取
り出すものとした。

■　点Ａに位置固定手段、■で、ＣＡに剛性を有する部
材、ＡＢに伸縮自在手段を対応させることによって、伸
縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ａまわりの変位として取
り出すものとした。

■　点Ｂに位置固定手段、ＢＣ，ＣＡに剛性を有する部
材、ＡＢに伸縮自在手段を対応させることによって、伸
縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ｂまわりの変位として取
り出すものとした。

また、位置固定手段と剛性を育する部材と伸縮自在手段
とをヒンジによって角度可変に連結し、伸縮自在手段と
して圧電素子を用いるものとした。

（作　用）上記の変位拡大装置とすることにより、伸縮自在の手段
のわずかな伸縮量が拡大され、点Ｃに比較的大きな変位
となって現れる。従って、簡単な構成で従来以上に拡大
係数を大きくすることが可能な変位拡大装置が実現する
。

（実施例）以下、図面に従って本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す変位拡大装置の正
面図である。ヒンジ１．２．３により連結された剛性を
有する部材であるリンク４．伸縮手段である圧電素子５
２位置固定手段であるベースブロック６は、その鈍角は
ほぼ１８０’に近い角度となっている。そしてこの三角
形の各辺の長この変位拡大装置の変位拡大のしくみを示
したものが第２図である。ここで三角形ＡＢＣは上記の
鈍角三角形を表したものである。

今、この三角形に対応するベースブロック６の寸法を４
１、圧電素子５の寸法を１２、リンク４の寸法を！２３
とする。ここで圧電素子５に電圧が加わり、圧電素子５
が矢印■の方向に歪んで寸法時がｉ２＋６１になった１ｍ、ＣがＡまわりにθ１、Ｂま
わりにφ１だけ回転したとする。この時の各々のパラメ
ータの間には次の関係が成立する。

４３ｓ１ｎφｓ　−（Ｊ！２＋δｔ　）　ｓｉｎθ１ｆ
ｌ　３　ｃｏｓφｔ　−（Ｊ！２＋δ１　）　ｃｏｓθ
１＋ｉ１初期状態では、ＣＢＡＣ−１８０°であるので
、Ｉａ　−Ｊｔ　＋４２とすると、θ１は次式から求め
られる。

θｔ　ｗｍ　８０８−’　ｅ→÷トド従ってＣの変位つまり装置の矢印■の方向への変位はΔ
−Ｊ２ｓ１ｎθｌとして求められる。第１表に、実際に
数値を代入した場合の拡大係数を示す。

第　　１　　表このようにＪｌ　＋１２が一定の時は１２が大きい程拡
大係数は大きくなる。更にＲ２が大きくなると６１も大
きくなるので、拡大係数を更に大きくすることができる
。

第３図は本発明の第２の実施例を示す変位拡大とリンク
を取換えたものとなっており、平面上でこれらが交差し
てしまうのを避けるために、厚さ方向に対称的な構造と
なっている。つまり、第２図における頂点Ａに対応する
部分がヒンジｌａ。

１ｂの２点から成り、第３図（ａ）ではこれらが圧電素
子５を挟んで重なっている。ｎに対応するリンク８は、
ヒンジ１ａを備えたリンク８ａと、ヒンジ１ｂを備えた
リンク８ｂと、この２つのリンク８ａ、８ｂに挟み込ま
れるように固着されたリンク８Ｃとの３つから成ってい
る。また、ベースブロック６も、ヒンジ１ａを備えたベ
ースブロック６ａと、ヒンジ１ｂを備えたベースブロッ
ク６ｂと、この２つのベースブロック６ａ、６ｂに挟み
込まれるように固着されたベースブロック６ｃとの３つ
から成っている。

このように立体的に構成された変位拡大装置においては
、Ｋ１つまり４１の長さを十分小さくすることが可能と
なっているので、拡大係数を更に大きくすることができ
る。また、圧電素子５を２層、リンク８を１層というよ
うに逆配置にすれば、拡大係数のみならず、矢印■の方
向への応力も大きくすることが可能である。

第４図は本発明の第３の実施例を示す変位拡大装置の正
面図である。ヒンジ１４を介してリンク１１．１５が連
結されており、リンク１１にはヒンジ１２を介してベー
スブロック１３、リンク１５にはヒンジ１６を介してリ
ンク１７が連結され、ベーブロック１３とリンク１７は
ヒンジ１８で連結されている。また、圧電素子１９がベ
ースブロック１３とリンク１７の間に、ヒンジ２０゜２
１を介して連結されている。尚、この例ではヒンジ１８
とヒンジ２１の間隔よりもヒンジ１６とヒンジ２１の間
隔の方が広くなっているが、必ずしもそうである必要は
ない。また、この変位拡大装置のヒンジ１２．１４．１
６の変形中心を結ぶと鈍角三角形となり、その鈍角はほ
ぼ１８０°に近い角度となっている。そして、この三角
形の各辺の長さに係る寸法は、リンク１５が最も長く、
ベースブロック１３とリンク１７の間隔つまりヒンジ１
２とヒンジ１６の間隔が最も短い。

この変位拡大装置の変位拡大のしくみを示したものが第
５図である。ここで三角形Ａ″Ｂ”Ｃ−は上記の鈍角三
角形を表したものである。

今、圧電素子１９に電圧が加わり、圧電素子１９が矢印
■′の方向に歪んでδ２だけ変位したとすると、リンク
１７はＤ′つまりヒンジ１８の変形中心を支点としてテ
コの原理により変位が拡大され、Ｂ−での変位はα−（
ｌｓ／Ｉ１７倍に拡大され、αδ２となる。つまりＢ−
は矢印■゛の方向にαδ２だけ変位する。この時、Ｃ゛
がＡ゛まわりにθ２、Ｂ″まわりにφ２だけ回転したと
すると、各々のパラメータの間には次の関係が成立する
。

Ｊ６ｓ１ｎφ２−Ｉ２ｓｓｌｎ　θ２Ｊ　８　ｃｏｓφ２−Ｊｓｃｏｓθ２＋（Ｊ４＋αδ）
初期状態でＧｔ−＝：Ｂ−Ａ−Ｃ″’ｐ１８０’である
ので、Ｉ２６−β４＋１５とすると、θ２は次式から求
められる。

の変位はΔ−Ｊｓｓｉｎθ２として求められる。第２表
に実際に数値を代入した場合の拡大係数を示す。

（以下余白） ′＄　　２　　表このように４４＋４５が一定の時に４５が大きい程拡大
係数は大きくなる。また、αが大きい程拡大係数は大き
くなる。

第６図は本発明の第４の実施例を示す変位拡大装置の正
面図である。本実施例では、リンク１７に対するベース
ブロック１３と圧電素子１９の取付は位置が、第４図と
は逆になっており、ヒンジ１６は矢印■′の方向に押付
けられるように変位が生じる。ヒンジ１４は第４図と比
べてヒンジ１２、ヒンジ１６の線上からややオフセット
して設定してあり、矢印■′の方向に変位が得られ易く
なっている。

このような構成の変位拡大装置においても、従来のもの
より十分大きな変位が得られる。また、必要に応じてベ
ースブロック１３やリンク１１゜リンク１５を２層にす
れば、互いに干渉せずに矢印■゛の方向への変位を無理
なく得ることができる。

以上、いずれの実施例においても、変位拡大装置の変位
伝達が２次元方向のみで行われる必要はなく、例えば第
３図（ｂ）において、圧電素子５に対するリンク８　ａ
　％　リンク８ｂの取付は空間の距離を変えることによ
って変位が装置の厚さ方向に発生し、全体として変位伝
達が３次元に及んだ変位拡大装置としてもよい。またヒ
ンジは本実施例のような弾性ヒンジである必要はなく、
ボールベアリングのような回転形の軸受けとしてもよい
。

また、伸縮自在手段においても圧電素子である必要はな
く、直動運動を発生するアクチュエータであれば何でも
よい。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、簡単な構成で従来以上に
拡大係数を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第４図、第６図は本発明の実施例を示
す変位拡大装置の正面図（及び第３図に関しては側面図
）　、’ｆｓ　２図、第５図は本発明の変位拡大方法を
示すモデル図、第７図は従来技術を示す変位拡大装置の
概略図である。ｌａ、ｌｂ、１，２．３，１２．１４，１６゜１８．２
０．２１　　・・・　ヒンジ４．８ａ、８ｂ、８ｃ、８．１１．１５．１７・・・　
剛性を有する部材（リンク）５．９　・・・　伸縮自在手段（圧電素子）５ａ、５ｂ
、６ｃ、６．１３・・・　位置固定手段（ベースブロック）代理人　弁理
士　則　近　憲　佑同　　　　　　　松　　山　　光　　之ｕｘ＞　　　　
　　　　　　　　ｔｂ＞φ■′

Claims

【特許請求の範囲】

（１）３点Ａ、Ｂ、Ｃを頂点とし、＠ＡＢ＠を最も短い線分とし、 ∠ＢＡＣを１８０゜に近い角度とした三角形を構成し、点Ａ、Ｂに位置固定手段、＠ＢＣ＠に剛性を有する部材
、＠ＣＡ＠に伸縮自在手段を対応させることによって、
前記伸縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ｂまわりの変位と
して取り出すことを特徴とする変位拡大装置。
（２）３点Ａ、Ｂ、Ｃを頂点とし、＠ＡＢ＠を最も短い線分とし、 ∠ＢＡＣを１８０゜に近い角度とした三角形を構成し、点Ａ、Ｂに位置固定手段、＠ＢＣ＠に伸縮自在手段、＠
ＣＡ＠に剛性を有する部材を対応させることによって、
前記伸縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ａまわりの変位と
して取り出すことを特徴とする変位拡大装置。
（３）３点Ａ、Ｂ、Ｃを頂点とし、＠ＡＢ＠を最も短い線分とし、 ∠ＢＡＣを１８０゜に近い角度とした三角形を構成し、点Ａに位置固定手段、＠ＢＣ＠、＠ＣＡ＠に剛性を有す
る部材、＠ＡＢ＠に伸縮自在手段を対応させることによ
って、前記伸縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ａまわりの
変位として取り出すことを特徴とする変位拡大装置。
（４）３点Ａ、Ｂ、Ｃを頂点とし、＠ＡＢ＠を最も短い線分とし、 ∠ＢＡＣを１８０゜に近い角度とした三角形を構成し、点Ａに位置固定手段、＠ＢＣ＠、＠ＣＡ＠に剛性を有す
る部材、＠ＡＢ＠に伸縮自在手段を対応させることによ
って、前記伸縮自在手段の伸縮量を点Ｃの点Ｂまわりの
変位として取り出すことを特徴とする変位拡大装置。
（５）位置固定手段と剛性を有する部材と伸縮自在とを
ヒンジによって連結し、前記伸縮自在手段を圧電素子と
することを特徴とする、請求項１乃至４記載の変位拡大
装置。
（６）前記ヒンジの代わりに回転形の軸受けを用いるこ
とを特徴とする、請求項５記載の変位拡大装置。