JPH0243779A - 微小変位拡大機構用温度補償装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電素子を用いた
微小変位拡大機構において、圧電素子の温度上昇に伴う
負の線膨脹を補償するための温度補償装置に関する。

（従来の技術） 従来、例えばプリンターヘッドに使用される第７図に示
すような微小変位拡大機構５１において、圧電素子５２
の変位を拡大するとき、圧電素子５２の発熱により、使
用環境温度に違いが生じたり、圧電素子５２自身が他の
構成部材と異なり、膨脹特性が負の線膨脹特性を持って
いるため、温度変化により最終的に拡大された変位、即
ち印字ワイヤ５３の変位が安定しないという問題があっ
た。

そこで、上記問題を解決するため、従来は微小変位拡大
機構５１のフレーム５４に低熱膨張率の材料、例えばイ
ンバー合金を用いるとともに、圧電素子５２に接して熱
膨張率の大きな温１＆補旧部材５５を用いることにより
、圧電素子５２の温度が上昇したとき、圧電素子５２か
らの伝熱を受けて温度補償部材５５の温度を上昇させ、
温度補償部材５５に正の線膨脹をさせることにより、ｆ
ｆ−電木子５２の渇爪上背に伴う圧電索子５２自体の負
の線ｒｆＪ服によるフレーム側と圧電素子側との線膨１
＆差を補償し、フレーム５４側の熱膨張量と、ｊ１電素
子側（圧電素子５２４温度補償部材５５）の熱膨脹■を
等しくするという温度補償手段が採用されていた。

（発明が解決しようとする課題〉 Ｊ、記従来の微小変位拡大機構５１において、例えば第
８図に示す情誼、即ち、圧電系７−５２に温度検出器Ａ
を、温度補償部材５５に同様の温度検出器Ｂを、そして
フレーム５４に同様の温度検出器Ｃを張り付け、室温２
０度のもとて圧電系子５２を連続駆動させたときのそれ
ぞれの温度を測定したところ、第９図に示すような瀉麿
データが得られた。

上記第９図に示すように、圧電系子５２の駆動開始３０
秒模に、圧電索子５２自体の温度１１は６０度に達した
が、温度補償部材５５の温度Ｔ２Ｇ、Ｌ　２８瓜、フレ
ーム５４の温度Ｔ３は２６．５度までしか上昇しない。

同様に３６０秒後においても、上記温度Ｔ１は６８度に
達したが、面一温度Ｔ２は３５度、Ｔ３は３３度までし
か上昇しない。

即ち、従来の温度補償手段の場合、ｆｆ電索子５２の発
熱に伴う温度補償部材５５とフレーム５４とに対する熱
伝導は一様に行われず、４匪勾配が生じる。そのため、
フレーム側と圧電素子側の熱膨張量に差が生じて正しく
温度補償されないという問題があった。

そこで本発明では、温度補償部材に発熱体を取付け、圧
電素子の温度上昇に対応して温度補償部材を加熱し、温
度補償部材に、圧電素子の負の線膨脹に対応した正の線
＃、脹をさせることにより、フレーム側と圧電素子側の
熱膨張量を等しくするように温度制御するごとを、解決
すぺぎ技術的課題とするしのである。

（課題を解決するための手段） 上記課題解決のための技術的手段は、電■：の印加によ
り伸縮する圧電素子と、その圧電系子を伸縮方向の一端
において固着するフレームと、上記圧電素子の伸縮方向
の他端に連結された可動部材と、上記圧電素子の一端と
前記フレームとの間、もしくは上記圧電素子の他端と前
記司動部材との間に設けられて、上記圧電索ｆ自体の温
度変化及び周囲温度の変化に伴う圧電素子の線膨脹を補
償り“るための温度補償部材とを備えた微小変位拡大機
構における温度補償装置を、前記圧電素子と、前記温度
補償部材とのそれぞれのｍｌを検出してそれぞれの検出
温度に対応した電気信号を出力する温度検出器と、而記
温度補償部材に伝熱可能に取り何けられて、所要の主力
が供給されたときに発熱し、上記温度補償部材に正の線
膨脹をさせるための発熱体と、前記温度検出器から出力
された前記それぞれの検出温度対応の電気信号を入力し
、前記圧電素子の負の線膨脹量を演算するとともに、こ
の負の線膨脹量を補償するだめの前記温度補償部材の正
の線膨脹量を演陣し、温度補償部材の温度を、この正の
線膨＠量に対応した温度にするための所要の電力を前記
発熱体に供給する温度制御手段とを備えた構成にするこ
とである。

（作　用） 上記構成の微小変位拡大機構用温度補償装置によると、
電圧が印加され、圧電素子が駆動された状態で温度検出
器は圧電素子の温度を検出し、検出温度に対応した電気
信号を温度制御手段に出力する。温度制御手段は上記電
気信号を入力すると、圧電素子の負の線膨脹量を演算す
るとともに、この負の線膨脹量を補償するための温度補
償部材の正の線膨脹量を演算し、温度補償部材の温度を
、この正の線膨Ｗ＆量に対応した温度に加熱するための
所要の電力を前記発熱体に出カッる。その結果、温度補
償部材は、上記正の線膨脹量に対応した温度まで加熱さ
れ、圧電素子の負の線膨脹を補償するまで線膨脹される
ため、フレーム側と圧電素子側の熱膨張量の差がゼロに
収束され、微小変位拡大機構の変位は圧電素子の温度変
化にかかわらず、常に一定に制御される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

プリンターヘッド等に使用される微小変位拡大機構１を
斜視図で表した第１図において、直流電圧が印加された
ときに長子方向に伸び、この電圧の印加が解除されたと
きに元の状態に戻る積層型圧電セラミックのような圧電
素子２が、その伸縮方向の一端面においで温度補償部材
５を介して基台部６に取り付けられている。一方、所定
板厚の例えばスーパーインバー合金から成るフレーム４
は、前記基台部６と、この基台部６の両側に形成された
第１、第２の両支持部７．８とを主体として略Ｕ字状に
形成されている。

圧電素子２の伸縮方向の他端には、連動゛Ｆ９が固着さ
れている。

連動子９の片側上面とフレーム４の第１支持部７の上端
面との間には、弾性変形可能な第１、第２のヒンジ部１
０．１１を介して、第１傾動体１２が傾動可能に形成さ
れている６、史に、連動子９の弛側上面とフレーム４の
第２支持部８の上端面との間には、弾性変形可能な第３
、第４のヒンジ部１３．１４を介して第２傾動体１５が
傾動可能に形成されている。

第１、第２の内傾動体１２．１５の先端部にはそれぞれ
板バネ１６．１７がその基部において固着され、これら
の各機バネ１６．１７の先端部には印字ワイヤ３を取り
付けたワイヤ支持アーム１８が固着されている。

そして、直流電圧の印加によって圧電索子２が長子方向
に伸びると、第１、第２の内傾動体１２゜１５が第２、
第４のヒンジ部１１．１４を支点どして外側にそれぞれ
傾動される。これによって、第１傾動体１２側の板バネ
１６は引張され、第２傾動体１５側の板バネ１７は押出
されることで、ワイヤ支持７−ム１８が、案内部材１９
に案内された印字ワイヤ３を印字位置まで曲進させるよ
うな方向に傾動される。

前記圧電索子２とフレーム４の基台部６との間に介挿さ
れる温度補償部材５は、例えばＡｌ５Ｏ１２材が使用さ
れ、そのＡ７ング率Ｅは、Ｅ＝　　７．ｌＸ１０　　Ｋ
９／ａｍ２ＦＩｌｌｌ率αは、 α−２３，８ｘ　１０’／　’Ｃ１ 比熱Ｃは、ｃ　＝　０．２１５ｃａｌ／９　／　’Ｃ密
度ｑは、ｑ＝　２．７１　’ｊ／Ｃｍ３そして外形寸法
は、３．４ｘ　４．４ｘ　４．９　（高さ）（１４ｊ位
ｍｍ）となっている。

一方、圧電素子２の線膨脹量αは、 α＝　−６，ＯＸ　１０’／’Ｃ１ そして外形寸法は、３ｘ　３ｘ　１８　（高さ）（単位
層）となっている。

また、フレーム４はスーパーインバー合金が使用され、
（のヤング率Ｅは、 Ｅ＝１３．４ｘｌＯＫ９／１ａｒｓ２ ａ脹率ａｃｔ、ａ　＝　０．４ｘ　１０−６／　’Ｃ、
トナッテいル。

以上のように構成された微小変位拡大機構１の温度補償
部材５に対して、第２図に示すように、コの字状に抵抗
発熱体２１を張着するとともに、第３図に承りように、
非常に薄形の温度検出器２２を圧電索子２に、また同様
の温度検出器２３を温度補償部材５に、更に同様の温度
検出器２４をフレーム４に取付ける。そして−Ｖ記抵抗
発熱体２１、温度検出器２２，２３．２４のそれぞれ（
よ、第４図の電気制御回路ブロック図に示すように、温
度制御回路（温度制御手段）２５に接続されている。

温度制御回路２５は、上記温度検出器２２がら出力され
た圧電素子２の温度対応の電気信号と、温度検出器２３
から出力された温度補償部材５の温度対応の電気信号と
、温度検出器２４がら出力されたフレーム４の温度対応
の電気信号とを入力し、圧電索子２の温度を認識したあ
と、上記認識温度に対応した負の線膨ＩＭ量を演算ツる
。史に温度制御回路２５は、圧電素子２の上記負の線膨
脹と、フレーム４の温度上昇によるフレーム４の正の線
膨脹とによる膨脹差を補償するために、温度補償部材５
を正に線膨脹させるための温度補償部材５の所要温度を
演算し、温度補償部材５を上記所要温度に加熱づるため
に必要な電力を演算したあと、温度補償部材５に張着さ
れた前記抵抗発熱体２１に対して上記加熱用電力を供給
することにより、同発熱体２１を発熱させ、温度補償部
材５の温度を上記所ｇ：温度まで上昇させることによっ
て、上記膨脹差をゼロに収束させるものである。

前記抵抗発熱体２１は、第５図の断面図に小すように、
例えばニッケルークロム（Ｎｉ−Ｃｒ）で形成された膜
状の抵抗発熱材３１が芯部に用いられ、この抵抗発熱材
３１を保護、絶縁するように、例えば酸化升タン（Ｔｉ
Ｑ２）で形成された絶縁被膜３２が形成されている。こ
の絶縁被膜３２は前記温度補償部材５の表面に着接され
る第１層絶縁被膜３２△と、外側の第２層絶縁被膜３２
Ｂとから成っている。尚、第６図は抵抗発熱体２１の展
開図である。

以上のように構成された微小変位拡大機構用温度補償装
置において、面一抵抗発熱体２１の抵抗発熱材３１の厚
さを２マイクロメートル、幅２ミリメートル、長さ１２
．２ミリメートルとして、これを３ポル１〜の直流電源
で加熱した場合、温度補償部材５の温度上昇は、熱伝導
による熱の損失をゼロとすると、次のようにＳｌ算でき
る。

最初、抵抗発熱材３１の抵抗値１又［Ω１を次の式から
求める。

Ｒ＝ρ、　Ｌ／Ｓ 但しρは抵抗発熱材３１の体積抵抗率［μΩ−ｃｍ　］
Ｌは抵抗発熱材３１の長さ［ｍｌ Ｓは抵抗発熱材３１の断面積［馴２１である。

−上記式にρ−１１２ｘ　１０””　　ｌ　＝　１２．
２ｘ　１０−”、Ｓ−２ｘ　２　ｘ　１０　　＝　４　
ｘ　１０−３のそれぞれを代入してＪ１暮すると、Ｒ＝
　３．４２　　［Ω］となる。

次に、上記抵抗発熱材３１に３ボルトの直流電圧を印加
して発熱させた場合の１秒間当たりの光熱ΦＨ［ｃａｌ
Ｆを次の式より計算する。

Ｈ＝０．２４Ｘ　Ｅ２／Ｒ 但しＥは抵抗発熱材３１に印加される電圧で、この場合
はＥ＝３ボルト、Ｒは前記抵抗発熱材３１の抵抗値で、
この場合はＲ＝３．４２オームである。

上記式にそれぞれの値を代入して計算すると、Ｈ＝　０
．６３２　［ｃａｌ　ｌどなる。

次に、上記抵抗発熱材３１の発熱量１」に基ずいて温度
補償部材５の１秒間当たりの温度上４．　ｔ［℃］を９
次の式により計算する。

ｔ　−ト（／ＣＱＶ 但しＣは温度補償部材５の比熱［ｃａｔ／ｓＦ　／　”
Ｃ］ｑは温度補償部材５の密度［ｇ／ｃｍ３］。

Ｖ　ｌ；を温度補償部材５の体積［ｃＩＲ３］である。

上記式にｃ＝　０．２１５．　ｑ＝　２．７１、Ｖ　＝
　７３．３Ｘ　１０−３のそれぞれを代入して計算する
と、ｔは１４．８　［’ＣＩとなり、温度補償部材５は
毎秒的１５℃の温度上界が見られる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、微小変位拡大機構の圧電
素子が伸縮動作を繰り返し、温度が上昇する過程で生じ
る圧電素子の負の線膨脹を、発熱体の発熱作用による温
度補償部材の正の線膨脹制御により補償することができ
るため、フレーム側と圧電素子側の熱膨張が等しくなり
、圧電素子の温度上昇に係わらず、常に微小変位拡大機
構の変位を安定させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の微小変位拡大機構の斜視外
観図、第２図は温度補償部材に張４された抵抗発熱体の
斜視外観図、第３図は温度検出器と抵抗発熱体の取付は
図、第４図は゛上気制御回路ブロック図、第５図は抵抗
発熱体の断面図、第６図は抵抗発熱体の展開図、第７図
は従来の微小変位拡大機構の正面図、第８図は微小変位
拡大機構の各部の温度を測定するための温度検出器の配
四図、第９図は上記温度検出器による温度測定データ図
である。 １・・・微小変位拡大機構 ２・・・圧電素子 ４・・・フレーム ５・・・温度補償部材 ・・・抵抗発熱体 ２４・・・温度検出器 ２５・・・温度制御回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電圧の印加により伸縮する圧電素子と、その圧電素子を
   伸縮方向の一端において固着するフレームと、上記圧電
   素子の伸縮方向の他端に連結された可動部材と、上記圧
   電素子の一端と前記フレームとの間、もしくは上記圧電
   素子の他端と前記可動部材との間に設けられて、上記圧
   電素子自体の温度変化及び周囲温度の変化に伴う圧電素
   子の線膨脹を補償するための湿度補償部材とを備えた微
   小変位拡大機構において、 前記圧電素子と、前記温度補償部材とのそれぞれの温度
   を検出してそれぞれの検出温度に対応した電気信号を出
   力する温度検出器と、 前記温度補償部材に伝熱可能に取付けられ、所要の電力
   が供給されたときに発熱し、上記温度補償部材に正の線
   膨脹をさせるための発熱体と、前記温度検出器から出力
   された前記それぞれの検出温度対応の電気信号を入力し
   、前記圧電素子の負の線膨脹量を演算するとともに、こ
   の負の線膨脹量を補償するための前記一度補償部材の正
   の線膨脹量を演算し、温度補償部材の温度を、この正の
   線膨脹量に対応した温度にするための所要の電力を前記
   発熱体に供給する温度制御手段とを設けたことを特徴と
   する微小変位拡大機構用温度補償装置。