JPH0449351B2 - - 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利用してなる圧電型アクチ
ユエータに関し、特に複数の圧電素子を片持ち梁
状の棒状体に対し巧みに組み合わせることにより
その棒状体の自由端部分での揺動変位を大きくし
得るように構成してなる圧電型アクチユエータに
関する。

〔従来の技術〕

圧電素子は、たとえば単結晶物質の水晶、チタ
ン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸
鉛などのペロブスカイト型構造のセラミツクス、
さらに有機物質のポリフツ化ビニリデンなどとい
つた圧電物質によつて形成されているものであ
り、力を加えると電圧を生じ、センサとして機能
し得るとともに、これとは逆に電圧を加えると力
を発生し、アクチユエータとして機能し得るもの
である。

そして、近年、このような特性をもつ圧電素子
を巧みに組み合わせて利用することにより種々の
動作を行なう圧電型アクチユエータが盛んに開発
されるようになつており、たとえば積層型やバイ
モルフ型のものが一般に知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した圧電素子をアクチユエータ
として用いる場合において問題とされることは、
その用途に応じた変位と発生力（推力）とが適切
に得られるような構成を採用することである。

しかしながら、上述したような一般的な積層型
やバイモルフ型のものは一長一短があり、特に上
述した変位と発生力が共に大きいものは未だ提案
されていないもので、このような要請をも満足し
得る圧電型アクチユエータの出現が要望されてい
る。すなわち、前者の積層型のものでは、発生力
としては大きなものが得られるが、その変位は小
さいものであり、一方後者のバイモルフ型のもの
では、変位は大きいが、その発生力は小さいもの
である。

そして、これら従来のアクチユエータ構造で
は、その変位および発生力を共に大きくする必要
がある、たとえば弁装置などの駆動装置として使
用しようとする場合にあたつて、何らかの増幅機
構を付設することが必要とされるものであり、こ
のような圧電型アクチユエータを用いることによ
る性能を発揮し得ないばかりでなく、上述した両
者のものは共に、複数の圧電素子を積層したり、
二枚の圧電素子を貼り合わせたりしただけのもの
であるため、その強度上の剛性に欠けるといつた
欠点もあり、これらの問題点を一掃し得る何らか
の対策を講じることが望まれている。

〔課題を解決するための手段〕

このような要請に応えるために本発明に係る圧
電型アクチユエータは、片持ち梁状に一端が固定
されかつ他端側の自由端部分が揺動変位可能な棒
状体と、電圧を印加することで伸縮動作を行なう
複数の圧電素子とを有し、前記棒状体の一側面を
長手方向に沿つて櫛歯状を呈するように切欠き形
成するとともに、これら複数の切欠き部のそれぞ
れに、圧電素子を、その対応する切欠き部の隙間
を拡狭させるようにして嵌装したものである。

また、本発明によれば、片持ち梁状の棒状体の
一側面に、それぞれ逆山形形状を呈する櫛歯状切
欠き部を長手方向に沿つて切欠き形成し、かつそ
の深さ方向の大部分に圧電素子を嵌装させたもの
である。

〔作用〕

本発明によれば、圧電素子に電圧を印加し、そ
れぞれが嵌装されている片持ち梁状の棒状体にお
ける櫛歯状切欠き部の隙間を拡狭させるように伸
縮動作させることによつて、棒状体の自由端部分
での揺動変位出力、さらにはその発生力を大きく
し得るものである。

特に、上述した櫛歯状切欠き部を逆山形形状に
形成し、圧電素子を嵌装すると、棒状体の自由端
部分での揺動変位出力および発生力を、より一層
大きくし得るものである。

〔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図は本発明に係る圧電型アクチユエータの
一実施例を示すものであり、同図において、全体
を符号１で示す圧電型アクチユエータは、その一
側面が長手方向に沿つて櫛歯状を呈するように切
欠き形成されてなる片持ち梁状を呈する金属製の
棒状体２を備え、この棒状体２は、その一端が固
定部３に固定保持されることで片持ち支持される
とともに、他端側の自由端部分２ａが所望の変位
量と発生力とにより揺動変位されて出力取り出し
部となるように構成されている。

また、この片持ち梁状の棒状体２の一側面に長
手方向に沿つて並列して形成されている櫛歯状を
なす複数の切欠き部４には、それぞれ、電圧を断
続して印加することにより伸縮動作を行なう圧電
素子５が嵌装され、かつこれら各切欠き部４内に
接着して固設されてこの棒状体２と一体的に結合
されている。これら複数個の圧電素子５は、それ
ぞれが嵌装されている棒状体２の切欠き部４の隙
間を拡狭させるように作用するものである。

なお、これら各圧電素子５は、片持ち梁状の棒
状体２の切欠き部４内でその内方端部分を空間部
として残すように嵌装されており、これにより上
述した隙間の拡狭作用を円滑かつ適切に行なうこ
とが可能となるものである。また、本実施例で
は、片持ち梁状の棒状体２の一側面に長手方向に
沿つて切欠き形成されている櫛歯状切欠き部４
は、それぞれ平行するスリツト状を呈し、かつそ
の内方端部分が略円形孔をなすような形状にて形
成した場合を示している。

このような構成による圧電型アクチユエータ１
によれば、その構成が簡単かつ安価であるにもか
かわらず、その出力としての片持ち梁状の棒状体
２の自由端部分２ａにおける揺動変位出力δを大
きくし得るとともに、その発生力をも大きくする
ことが可能で、種々分野における各種アクチユエ
ータとして用いてその効果を発揮させ得るもので
ある。

すなわち、圧電素子５は、印加電圧を入力とし
て与えることにより歪として出力を取り出すこと
ができるものであるが、その歪量は10^-3（μm）程
度の大きさであり、これを各種の駆動装置として
用いるにはこの変形量をかなり増幅しなければな
らないものである。これに対し、本実施例のよう
な構造を採用すると、圧電素子５単体の歪量は小
さいが、片持ち梁状の棒状体２としての自由端部
分２ａの変位量は大きくすることが可能で、この
棒状体２の幅Ｗによる断面形状やその長さｌによ
つても異なるが、25〜100mm程度のストロークと
して変位させることが可能となるものである。こ
れは、上述した構造の場合、圧電素子５が印加電
圧によりその隙間を拡げる方向に変位したとき、
片持ち梁状の棒状体２では、素子５側の上側は変
形される一方、その下側は変形しないため、棒状
体２はその曲率が変化し、図中一点鎖線で示すよ
うに円弧状に湾曲変形するもので、その一端を固
定しておけば、その自由端部分２ａではかなりの
変位量を生じる結果となるものである。

また、このようにして生じる変位量と発生力
は、圧電素子５を用いているためその印加電圧に
より直接変位出力として得られることとなり、作
動効率のよいものである。さらに、全体のばね剛
性は、棒状体２の形状により決定され、しかも変
位に対しての剛性は、上述した片持ち梁状の棒状
体２自身の剛性により決定され、一定の値とする
ことができるもので、これにより全体の強度上の
信頼性を高めることができる。また、上述した構
成によれば、各圧電素子５に対する印加電圧を制
御し、任意の素子５にのみ供給するといつた種々
の組み合わせにより、その変位と叛生力とを自由
に可変することもできる等といつた利点もある。
そして、このような構成による圧電型アクチユエ
ータ１によれば、従来の機械式のアクチユエータ
に比べて摩擦やバツクラツシユ等を生じる部材が
ないため、そ性能面で優れているといつた利点も
ある。

第２図は本発明に係る圧電型アクチユエータの
別の実施例を示すものであり、この実施例では、
片持ち梁状の棒状体２の一側面に長手方向に沿つ
て形成される櫛歯状切欠き部１０を、それぞれ逆
山形形状を呈するように切欠き形成し、かつその
内方端部分を残して切欠き部１０の深さ方向の大
部分に、略楔状を呈する圧電素子１１を嵌装する
ようにした場合を示している。

そして、このような構成によれば、圧電素子１
１が楔状を呈しているため、その変位量は、その
深さ方向における厚みに比例することとなる。し
たがつて、このような構成にあつては、圧電素子
１１の厚みのある部分での変位が薄い部分よりも
大きいため、各切欠き部１０の長さ全体にわたり
無理なく各片ａ，ｂの回転中心Ｏを得ることがで
きるものである。その結果、第１図に示した実施
例に比べて棒状体２の幅Ｗを大きく取ることがで
き、これにより棒状体２の機械的強度をより大き
くすることができるといつた利点がある。ここ
で、図中１１ａか圧電素子１１の外側に形成され
た絶縁層、１１ｂ，１１ｃはその内側に形成され
ている一対の電極層である。

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。たとえば、上述した各実施例
において、各圧電素子５，１１への通電量を変え
たり、あるいは各圧電素子５，１１を並列接続し
て、スイツチコントロールにて適宜組み合わせて
制御することにより、その変位量、発生力を自由
に可変し得るものである。また、上述した圧電素
子５，１１の形状、構造などについても、種々の
変形例が考えられるものであり、要は、自由端部
分２ａが揺動変位可能な片持ち梁状を呈する棒状
体２の一側面に長手方向に沿つて切欠き形成され
た櫛歯状切欠き部４，１０内に嵌装されることに
より、その隙間を拡狭し得るものであればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る圧電型アクチ
ユエータによれば、自由端部分が揺動変位可能な
片持ち梁状を呈する棒状体と、電圧を印加するこ
とで伸縮動作を行なう複数の圧電素子とを有し、
棒状体の一側面を長手方向に沿つて櫛歯状を呈す
るように切欠き形成するとともに、これら複数の
切欠き部のそれぞれに、その対応する切欠き部の
隙間を拡狭させ得る状態で圧電素子を嵌装させる
ようにしたので、簡単かつ安価な構成にもかかわ
らず、その出力としての片持ち梁状棒状体の自由
端部分での揺動変位量を大きくし得るとともに、
その発生力をも大きくすることが可能で、これに
より種々分野における各種アクチユエータとして
用いて効果を発揮させ得るものである。特に、こ
のような効果は、上述した櫛歯状切欠き部を略逆
山形形状を呈するように切欠き形成し、かつそれ
ぞれに圧電素子を嵌装することで、より一層大き
いものである。

また、本発明によれば、上述した片持ち梁状の
棒状体自身の剛性により全体の強度上の信頼性を
高めることもでき、さらに上述した圧電素子への
印加電圧を適宜制御することにより、その変位と
発生力とを自由に可変することもできる等といつ
た種々優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電型アクチユエータの
一実施例を示す概略側面図、第２図は本発明の別
の実施例を示すその一部を省略した要部拡大側面
図である。 １……圧電型アクチユエータ、２……片持ち梁
状の棒状体、２ａ……自由端部分、３……固定
部、４，１０……櫛歯状切欠き部、５，１１……
圧電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 片持ち梁状に一端が固定されることにより他
   端側の自由端部分２ａが揺動変位可能に構成され
   る棒状体２と、電圧を印加することにより伸縮動
   作を行なう複数の圧電素子５，１１とからなる圧
   電型アクチユエータ１であつて、前記棒状体２の
   一側面を、その長手方向に沿つて櫛歯状を呈する
   ように切欠き形成するとともに、これら複数の切
   欠き部４，１０のそれぞれに、前記圧電素子５，
   １１を、その対応する切欠き部４，１０の隙間を
   拡狭させるようにして嵌装したことを特徴とする
   圧電型アクチユエータ。 ２ 片持ち梁状の棒状体２の一側面に長手方向に
   沿つて形成された櫛歯状切欠き部１０は、それぞ
   れ逆山形形状を呈するように切欠き形成され、か
   つその深さ方向の大部分に圧電素子１１が嵌装さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の圧電型アクチユエータ。