(57)【要約】【課題】箱体の内部空間に圧電素子、可動係止部材、プランジャ及びバネ部材を容易に組み付けることができること。【解決手段】箱体の内部に、プランジャと、該プランジャを突出方向に常時付勢するバネ部材と、電圧信号を機械的な変位に変換する圧電素子と、該圧電素子と共働してプランジャに対する係止部が位置変位する可動係止部材とを組み合わせた圧電アクチュエーターに於いて、圧電素子を前記箱体の内壁に沿うようにプランジャの外部に配設し、また、可動係止部材は、圧電素子の自由端部に直接又は間接的に支承される連結基端部と、該連結基端部に連設すると共に、プランジャの後端部の係合突起と係脱する係止部とを有し、該可動係止部材の前記プランジャに対する係止部の係止及び該係止の解除は、圧電素子の俯仰作用に基づいて連結基端部が位置変位すると共に係止部がプランジャを支点にして該プランジャの周方向に所定量回転することによって行われる圧電アクチュエーター。【選択図】図１
2010114997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
箱体の内部に、プランジャと、該プランジャを突出方向に常時付勢するバネ部材と、電圧信号を機械的な変位に変換する圧電素子と、該圧電素子と共働して前記プランジャに対する係止部が位置変位する可動係止部材とを組み合わせた圧電アクチュエーターに於いて、前記圧電素子を前記箱体の内壁に沿うように前記プランジャの外部に配設し、また、前記可動係止部材は、前記圧電素子の自由端部に直接又は間接的に支承される連結基端部と、該連結基端部に連設すると共に、前記プランジャの後端部の係合突起と係脱する前記係止部とを有し、該可動係止部材の前記プランジャに対する係止部の係止及び該係止の解除は、前記圧電素子の俯仰作用に基づいて前記連結基端部が位置変位すると共に前記係止部が前記プランジャの摺動軸を支点にして該プランジャの周方向に所定量回転することによって行われることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に於いて、可動係止部材の係止部には、断面異径の逃がし孔或は切欠が形成されており、プランジャの後端部の係合突起が前記逃がし孔或は切欠へと回転したとき、該プランジャがバネ部材のバネ力に抗して後退動可能であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項１に於いて、箱体内に圧電素子に電圧を印加する駆動部を有する基板が設けられ、かつ前記駆動部に固定リード線が接続していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項４】
請求項１に於いて、圧電素子は、長尺状の第１圧電素子と、該長尺状第１圧電素子の一端部にその一端部が結合すると共に自由端部側から外拡変位可能な長尺状の第２圧電素子とを有し、前記長尺状第１圧電素子の基端部は、箱体内の支持部に支持されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーターに関し、特に、機械駆動機構における電気的制御可能なクラッチ装置やラッチ装置用の圧電アクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、技術分野を問わず、電気制御式のラッチ機構について独占権を要求するものであり、そのラッチ機構は、「箱体に往復動可能に設けられた中空プランジャ（中空作動杆）の内部に長尺状の圧電素子を中空作動杆の長手方向に配設し、前記長尺状圧電素子の基端部をニ分割の中空作動杆片でもって挟持し、基端部から水平状態に延びる圧電素子の自由端部を、箱体に軸支された係合片（ツメと称する係合片）の中空作動杆片の内部に延在する受け脚部に臨ませ、圧電素子にリード線を介して電圧信号を印加すると、圧電素子の自由端部が変位して前記係合片の受け脚部を押圧し、これにより、係合片は一端部の支軸を支点にして、その係合先端部が中空作動杆片の外面に形成された傾斜状切欠溝から離れること」、を特徴とする。
【０００３】
特許文献１について付言すれば、特許文献１は、（ア）長尺状の圧電素子を中空作動杆内に一端部を固定した状態で内装した点、（イ）図示しない、リード線が中空作動杆の水平移動量に対応して可動する点、（ウ）横Ｔ字形状の係合片を、その受け脚部が圧電素子の自由端部に対向するように中空作動杆の内部に延在し、かつ受け脚部と交差する係合先端部が中空作動杆片の外面傾斜状切欠溝と係脱する点に新規事項がある、と認定することができる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の電気制御式のラッチ機構は、圧電素子を中空作動杆片に挟持状態に内蔵させ、ツメと称する係合片の脚部を圧電素子の自由端部付近へと延在させているので、例えば前記係合片（ロック片）の中空作動杆片に対する係合状態を解くためには、長尺状の圧電素子の自由端部を係合解除の方向へ大きく変位させなければならい、中空作動杆片を複雑に構成しなければ成らない等の問題点があった。また、部品点数が多いという欠点があった。また、図示しないリード線が中空作動杆の水平移動量に対応して移動するために損傷するという欠点もあった。さらに、圧電素子の長さが、中空作動杆の長さに限定付けられるいう問題点があった。
【特許文献１】特表２００６−５１９４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の所期の目的は、箱体の内部空間に圧電素子、可動係止部材、プランジャ及びバネ部材を容易に組み付けることができることである。第２の目的は長尺状圧電素子の変位量が小さくても、プランジャに対する可動係止部材の係止部の係止及び該係止の解除を確実に行うことができることである。第３の目的は、変位量の大きい長尺状の圧電素子（アクチュエータ）をプランジャの長さに関係なく実装することができることである。第４の目的は、簡単な構成で可動係止部材をプランジャに確実に係脱させることができることである。その他の付随的な目的は、リード線が可動して損傷しないこと、ケースを小型化することができることなどである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電アクチュエーターは、箱体の内部に、プランジャと、該プランジャを突出方向に常時付勢するバネ部材と、電圧信号を機械的な変位に変換する圧電素子と、該圧電素子と共働して前記プランジャに対する係止部が位置変位する可動係止部材とを組み合わせた圧電アクチュエーターに於いて、前記圧電素子を前記箱体の内壁に沿うように前記プランジャの外部に配設し、また、前記可動係止部材は、前記圧電素子の自由端部に直接又は間接的に支承される連結基端部と、該連結基端部に連設すると共に、前記プランジャの後端部の係合突起と係脱する前記係止部とを有し、該可動係止部材の前記プランジャに対する係止部の係止及び該係止の解除は、前記圧電素子の俯仰作用に基づいて前記連結基端部が位置変位すると共に前記係止部が前記プランジャの摺動軸を支点にして該プランジャの周方向に所定量回転することによって行われることを特徴とする。
【０００７】
上記構成に於いて、可動係止部材の係止部には、断面異径の逃がし孔或は切欠が形成されており、プランジャの後端部の係合突起が前記逃がし孔或は切欠へと回転したとき、該プランジャがバネ部材のバネ力に抗して後退動可能であることを特徴とする
【発明の効果】
【０００８】
（ａ）箱体の内部空間に圧電素子、可動係止部材、プランジャ及びバネ部材を容易に組み付けることができる。
（ｂ）圧電素子の変位量が小さくても、プランジャに対する可動係止部材の係止部の係止及び該係止の解除を確実に行うことができる。付言すると、わずかな圧電素子の変位により、可動係止部材の係止部がプランジャの軸の周方向に位置変位するので、プランジャの後退方向の動きを確実に規制することができる。
（ｃ）圧電素子をプランジャの長さに関係なく箱体の内壁に沿うように配設することができるので、所望する長さに設定することができる。
（ｄ）請求項３に記載の発明は、箱体内に圧電素子に電圧を印加する駆動部を有する基板を設けたので、リード線がプランジャと共に可動しない。したがって、リード線が損傷しない。
（ｅ）請求項４に記載の発明は、圧電素子の変位量を大きく取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（１）箱体１
図１乃至図１３は、本発明の圧電アクチュエーターＸを説明する一実施例である。図１はケース蓋を省略した斜視図である。また、図２は、図１を基準とした平面視からの説明図である。さて、箱体１のケース身には、プランジャ２１、バネ部材２２、可動係止部材３１、長尺状圧電素子４１及び駆動部（昇圧回路）５０が内装されている。図２は施錠状態（可動係止部材３１がプランジャ２１をロックしている状態）、図３は解錠状態（可動係止部材３１がプランジャ２１のロックを解いた状態）、図４は箱体１の構成を示す概略断面説明図である。
【００１０】
まず、図２〜図４を参照して箱体１を説明する。２は前壁、３は後壁、４は前壁に形成した開口、５、６は左右の側壁、７は上壁、８は下壁（底壁）である。箱体１の内部は、その左側半分にプランジャ２１、バネ部材２２及び可動係止部材３１がそれぞれ組み込まれ、一方、右側半分に長尺状圧電素子４１と駆動部（昇圧回路）５０が組み込まれる。
【００１１】
この第１実施例の箱体１は、前壁２と左側壁５の先端部側に、前壁２に直交する第１仕切り壁９及び左側壁５に直交するプランジャ用案内壁１０とで画定した第１案内空間１１を有する。また箱体１は、前記第１案内空間１１に対して反対側に相当する後壁３と左側壁５の後端部側に、後壁３に直交する第２仕切り壁１２及び左側壁５に所定間隔離間して直交する合計２枚の後方案内壁１３、１４とでそれぞれ画定した第２案内空間１５、第３案内空間１６をそれぞれ有する。前記第１案内空間１１には、例えば図２で示すように、プランジャ２１を突出方向に常時付勢するバネ部材２２がプランジャに巻装された状態で収納される。また、前記第２案内空間１５には、可動係止部材３１の前記プランジャに対する係止部３４が収納される。さらに、前記第３案内空間１６は、前記可動係止部材３１の係止部３４がプランジャに対して係止を解いたときに、プランジャの後端部を逃す所要空間となっている。
【００１２】
ところで、細部的事項は割愛するが、前述した第３案内空間１６の右側の空間に相当する箱体１の後壁３の内面乃至底壁８には、前壁２向きコ字枠形状の支持部或は挟持部１７が設けられ、該挟持部１７に長尺状圧電素子４１の基端部が差込み式で固定される。
なお、符号１８はケース蓋（例えば上蓋）７を固定するための取付け部（メネジ部）である。また、図２の符号Ｙは可動側（又は固定側）の部材（例えば戸枠）である。その他、特に図示しないが、箱体１の内部空間には、長尺状圧電素子が左右に揺れない手段（例えば左右一対の規制突片）、基板用支持片等が適宜に設けられている。
【００１３】
（２）プランジャ２１とバネ部材２２
次に、図５はプランジャ２１の一例を示す斜視図である。プランジャ２１は、その先端部が箱体１の開口４から突出するように常時バネ部材２２で付勢されている。この図５を参照にしてプランジャ２１とバネ部材２２を説明すると、プランジャ２１は、例えばプランジャ用案内壁１０に案内される所定長の摺動軸２１ａと、この摺動軸２１ａの先端部付近に周設された矩形状のフランジ２１ｂと、このフランジの前面から突出する先端部（ラッチ部）２１ｃとから成り、前記摺動軸２１ａの後端部２１ｄには、半径外方向に突出する上下或は左右一対の係合突起２３が設けられ、バネ部材２２は前記摺動軸２１ａの先端部側に巻装されている。したがって、前記バネ部材２２の先端はプランジャ２１のフランジ２１ｂの背面に圧接し、一方、バネ部材２２の後端はプランジャ用案内壁１０の前面に圧接する。
【００１４】
（３）可動係止部材３１
次に、図６は可動係止部材３１の一例を示す斜視図である。可動係止部材３１は、長尺状の圧電素子の自由端部に直接又は間接的（本実施例）に支承される連結基端部３２と、該連結基端部に短杆部３３を介して連設すると共に、プランジャ２１の後端部２１ｄの係合突起２３と係脱する環状或は環状的な係止部３４とを有し、該可動係止部材３１の前記プランジャに対する係止部３４の係止及び該係止の解除は、前記長尺状圧電素子４１の自由端部側の俯仰作用に基づいて前記連結基端部３２が位置変位すると共に、前記係止部３４が前記プランジャ２１の摺動軸２１ａを支点にして該プランジャの周方向に所定量回転することによって行われる。
【００１５】
付言すると、施錠時（ロック時）及び解錠時（アンロック時）に於いて、長尺状圧電素子４１の自由端部側が位置変位すると、該長尺状圧電素子４１に連動する可動係止部材３１の係止部３４は、その軸孔３６ａを形成する内周面がプランジャ２１の摺動軸２１ａの外周面を摺接しながら反時計方向又は時計方向へと所定量回転する。
【００１６】
ここで、図７を参照にして、可動係止部材３１の具体的構成を説明する。本実施例の可動係止部材３１は、連結基端部３２の不番の連結孔に連結され、かつ長尺状圧電素子４１の自由端部に形成した案内長孔に係合する可動ピン３５を介して長尺状圧電素子４１と共働することができるように連結されている。
【００１７】
しかして、可動係止部材３１の係止部３４には、中心軸孔３６ａを含む断面異径の逃がし孔（本実施例）或は縦長状の切欠３６が形成されており、プランジャ２１の後端部２１ｄの上下の係合突起２３が前記逃がし孔或は切欠３６へと回転したとき、該プランジャ２１がバネ部材２２のバネ力に抗して後退動可能である。
【００１８】
可動係止部材３１の係止部分３７は、本実施例では、プランジャ２１の上下一対の係合突起２３と係脱することから、断面異径の逃がし孔３６の中心軸孔３６ａを基準として、該逃がし孔３６の上下端部の左右にそれぞれ回転対称に形成された上下一対の切欠凹所である。付言すると、係止部分の一例としての上下一対の切欠凹所３７は、環状係止部３４の前面３４ａに縦方向の長方形状の逃がし孔３６を介して斜め方向に対向形成され、図１２で示すように、プランジャ２１の上下一対の係合突起２３が長方形状の逃がし孔３６内に収まった場合が解錠状態（アンロック状態）であり、このような場合には、プランジャ２１はバネ部材２２のバネ力に抗して後退することができる。
【００１９】
一方、図１３で示すように、長尺状圧電素子４１の自由端部の上方への位置変位により、可動係止部材３１の係止部３４が矢印で示す反時計方向に回転した場合には、上下一対の切欠凹所３７の位置はプランジャ２１の上下一対の係合突起２３に対して係止可能な所まで移行するので、このような場合には施錠状態（ロック状態）となる。したがって、プランジャ２１の後退は阻止される。
【００２０】
ところで、可動係止部材３１の環状係止部３４の前面３４ａと後面３４ｂには、周方向に所定間隔を有して複数個（合計４個）の摺接突起３８がそれぞれ形成され、これらの摺接突起３８は、前述した第２案内空間１５を形成する後方案内壁１３、１４の対向内面を摺動する。また、環状係止部３４の六角形状の外周面３４ｃには単数又は複数の当り面３９が形成され、該当り面３９はストッパ機能を有する第２案内空間１５の不番の内壁面と当接可能である。
【００２１】
（４）長尺状圧電素子４１
図８及び図９を参照にして、長尺状の圧電素子（例えばバイモルフ又はユニモルフ）４１の構成及び取付け構造を説明する。本実施例では、長尺状圧電素子４１は記箱体１の内壁あるいはプランジャ２１の摺動軸２１ａに沿うようにプランジャ２１の外部に配設されている。図８は、長尺状圧電素子４１の斜視図、図９は長尺状圧電素子４１の一例を示す概念図である。本実施例の長尺状圧電素子４１は、二重構造体４１Ａ、４１Ｂである。また、二重構造体４１Ａ、４１Ｂの各端部に第１係合板４２と案内長孔４４を有する第２係合板４３がそれぞれ別個に固定されている。
【００２２】
長尺状圧電素子４１を二重構造体にした理由は、変位量を大きく取れるようにするためである。また、例えば基端部側（第１圧電素子）４１Ａの端部に第１係合板４２を設けた理由は、箱体１の内部の支持部１７にその端部を自在に挟持或は保持させることができるからである。また、例えば自由端部側（第２圧電素子）４１Ｂに案内長孔４４を有する第２係合板４３を設けた理由は、前記案内長孔４４に可動係止部材３１を、可動ピン３５を介して、簡単に連結係合させることができる。なお、第１圧電素子４１Ａ及び第２圧電素子４１Ｂの一端部（結合端部）４５は一体的に結合（接合）している。これに対して、第１圧電素子４１Ａと第２圧電素子４１Ｂは分離可能に重なっている。
【００２３】
ところで、長尺状圧電素子４１は、圧電体を含む多層構造の長方状の板状体であり、例えば中央板５２と、この中央板５２の両面に導電性接着層５３を介して積層される一対の長方状圧電板５４とを備えている。
【００２４】
しかして、前記中央板５２は、表面部に導電性を有する補強材であり、その材料としては、ＳＫ鋼を焼入れ処理したものが用いられている。また、前記長方状圧電板５４は、不番の圧電体と、この圧電体の両面に積層される一対の電極５５とを備えている。長方状圧電板５４の圧電体は、電圧の印加により歪みが生じるピエゾ効果を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば圧電セラミックス、高分子圧電体、単結晶圧電体等を使用する。中でも、大きな圧電効果を有し、耐久性も良好なチタン酸・ジルコン酸鉛系圧電セラミックス（ＰＺＴ）が使用されている。また、電極５５は圧電体の外縁部を除いたほぼ全面に積層され、例えば銀ペーストの印刷及び焼付けにより形成される。
【００２５】
長尺状圧電素子４１には、外面側に配設される一対の電極５５と中央板５２に、例えば外部に配設した制御部６０を介して基板（駆動部／昇圧回路）５０から駆動（電圧）信号が印加される。本実施例では、固定リード線５１が前記基板５０に電気的に接続しており、プランジャ２１が動いても、リード線自体は全く動かない。基板５０は、このリード線５１を介して外側の両電極５５に正電圧及び負電圧を交互に印加する。このように正電圧を印加した場合、一方の圧電体は伸び、これに対して、他方の圧電体は縮む結果、長尺状圧電素子２１は正面側又は背面側の一方側に湾曲する。このような長尺状圧電素子４１の機能を、ここでは「電圧信号を機械的な変位に変換する」と表現する。なお、長尺状圧電素子４１の構造に関しては、「バイモルフ構造（図９）」と、「ユニモルフ構造（図１４）」が存在するが、発明としては、いずれの構造でも構わない。
【００２６】
上記構成の長尺状圧電素子４１は、通電時、図１０、図１３で示すように、第２圧電素子４１Ｂは第１圧電素子４１Ａに対して自由端部側から外拡変位状態に分離可能である。したがって、本実施例の可動係止部材３１のプランジャ２１に対する係止部３４の係止及び該係止の解除は、図１２及び図１３で示すように、長尺状圧電素子４１の俯仰作用に基づいて、可動係止部材３１の可動ピン３５を介して長尺状圧電素子４１の自由端部に連結された連結基端部３２が位置変位すると共に、前記係止部３４が前記プランジャ２１の摺動軸２１ａを支点にして該プランジャの周方向に所定量回転することによって行われる。
【実施例】
【００２７】
前述したように、実施例の長尺状圧電素子４１は、それぞれバイモルフ構造（図９）としているが、ユニモルフ構造（図１４）としても構わない。ここで、バイモルフとユニモルフの各用語について付言すると、前者のバイモルフは、中央ベース板の表面と裏側の両面に電圧セラミックスをそれぞれ張り付けたもの、つまり、二枚の電圧セラミックスを用いて構成される圧電アクチュエーターの総称である。一方、後者のユニモルフは、基本的には一枚の金属板の一側面に一枚の電圧セラミックスを張り付けた構造のものである。したがって、本発明の長尺状圧電素子４１は、発明の目的を逸脱しない範囲内に於いて、「バイモルフ」及び「ユニモルフ」のいずれでも用いることができる。
【００２８】
また、実施例の可動係止部材３１は、別体の可動ピン３５を介して長尺状圧電素子４１の自由端部に間接的に連結或は接続しているが、可動ピン３５を介して可動係止部材３１の連結基端部３２を軸支することは発明の本質事項ではない。例えば図１５で示すように、可動係止部材３１Ａの連結基端部３２Ａに予め可動軸３５Ａを一体成形し、該可動軸３５Ａを第２係合板４３の案内長孔４４に直接係合させても良い。また、実施例の二重構造体４１Ａ、４１Ｂであるが、図１６で示すように、長尺状圧電素子４１が「一枚タイプ」のものであっても良い。
【００２９】
さらに、本発明の圧電アクチュエーターＸの用途は、電気的制御用のクラッチ機構に限定されるものではなく、建具用のラッチ機構やロック機構に用いることができる。圧電アクチュエーターＸを建具に用いる場合には、上下方向に移動するシャッターや可動障子、水平方向に回転する扉に装着することができる。また、本実施例では、基板５０は駆動部を有するが、駆動部と共に制御部６０を設けても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、主に建具や錠前の業界で利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
図１乃至図１３は本発明の一例を示す各説明図。
【図１】本発明の一例を示す斜視からの説明図。
【図２】施錠状態（可動係止部材３１がプランジャ２１をロックしている状態）の説明図。
【図３】解錠状態（可動係止部材３１がプランジャ２１のロックを解いた状態）の説明図。
【図４】箱体の概略説明図。
【図５】プランジャ（バネ部材も含む）の斜視図。
【図６】可動係止部材の斜視図。
【図７】主な部材の組み合わせ関係を示す概略説明図。
【図８】圧電素子一例を示す概略説明図。
【図９】圧電素子としてのバイモルフ構造の説明図。
【図１０】通電時における圧電素子の作用を示す概略説明図。
【図１１】図２の１１−１１線に基づく概略断面説明図。
【図１２】非通電時（アンロック状態）の概略説明図。
【図１３】非通電時（ロック状態）から通電時（アンロック状態）への概略説明図。
【図１４】本発明の長尺状圧電素子の他例（ユニモルフ構造）を示す概略説明図。
【図１５】本発明の可動係止部材３１Ａの他例を説明図。
【図１６】本発明の長尺状圧電素子の他例（一枚タイプの構造）を示す概略説明図。
【符号の説明】
【００３２】
Ｘ…圧電アクチュエーター、Ｙ…可動側（又は固定側）、１…箱体、２１…プランジャ、２１ａ…摺動軸（軸）、２２…バネ部材、２３…係合突起、３１…可動係止部材、３２…連結基端部、３４…係止部、３６…逃がし孔、３６ａ…軸孔、３７…係止部分、３５…可動ピン、４１…圧電素子、４１Ａ…第１圧電素子、４１Ｂ…第２圧電素子、４１…圧電素子、４１Ａ…基端部側、４１Ｂ…自由端部側、５０…基板駆動部、５１…固定リード線、６０…制御部。
【図１】
2010114997.tif 000003
【図２】
2010114997.tif 000004
【図３】
2010114997.tif 000005
【図４】
2010114997.tif 000006
【図５】
2010114997.tif 000007
【図６】
2010114997.tif 000008
【図７】
2010114997.tif 000009
【図８】
2010114997.tif 000010
【図９】
2010114997.tif 000011
【図１０】
2010114997.tif 000012
【図１１】
2010114997.tif 000013
【図１２】
2010114997.tif 000014
【図１３】
2010114997.tif 000015
【図１４】
2010114997.tif 000016
【図１５】
2010114997.tif 000017
【図１６】
2010114997.tif 000018