JP2508289B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を駆動源とする圧電アクチュエー
タに関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric actuator having a piezoelectric element as a drive source.
従来、この種の圧電素子は電気・機械エネルギの変換
効率が高く、低電力で駆動でき、発熱量が少なく磁気干
渉もないため、近年各種アクチュエータに使用されてい
る。しかしながら、圧電素子は、圧縮力に対しては機械
的強度が強いが、引張り力には弱いという性質を有して
いるため、通常アクチュエータとして使用する場合には
圧電素子には引張り力が作用しないような構成となって
いる。Conventionally, this type of piezoelectric element has been used in various actuators in recent years because it has a high conversion efficiency of electric / mechanical energy, can be driven with low electric power, generates a small amount of heat, and has no magnetic interference. However, since the piezoelectric element has a property that it has a high mechanical strength against a compressive force but a weak tensile force, the tensile force does not act on the piezoelectric element when normally used as an actuator. It is structured like this.
第４図は従来の一例を示す圧電アクチュエータの断面
図である。例えば、第４図に示すような圧電アクチュエ
ータが特出願61−199241に記載されている。この圧電ア
クチュエータは、圧電素子21をフレーム22の内側に圧入
することにより、圧電素子21に予備圧縮力を作用させ
て、圧電素子21の動作中、常に圧縮力が加わるようにし
ている。これによって圧電素子21の破壊を防ぎ、アクチ
ュエータの信頼性を高めている。FIG. 4 is a sectional view of a piezoelectric actuator showing a conventional example. For example, a piezoelectric actuator as shown in FIG. 4 is described in Japanese Patent Application No. 61-199241. In this piezoelectric actuator, the piezoelectric element 21 is press-fitted inside the frame 22 to apply a preliminary compression force to the piezoelectric element 21, so that the compression force is always applied during the operation of the piezoelectric element 21. This prevents breakage of the piezoelectric element 21 and enhances the reliability of the actuator.
しかしながら、上述した圧電アクチュエータの場合、
フレーム22が圧電素子21に対して線形のばねとして作用
するため、圧電素子１の発生変位が大きくなるに比例し
てフレーム22からの反力も大きくなる。その結果、圧電
素子21の変位量は、フレーム22を使用しない場合のそれ
と比較して小さくなる。ここで、圧電素子21のばね定数
をk1、フレーム22のばね定数をk2とすると、圧電アクチ
ュエータ全体のばね定数ｋは ｋ＝k1＋k2 となる。従って、例えば、圧電素子21とフレーム22のば
ね定数が等しくk1＝k2であるような場合には、ｋ＝２・
k1となるから、圧電素子21の変位量はフレーム22を使用
しない場合の1/2に減少する。圧電アクチュエータの動
作特性を圧電素子本来の動作特性を近ずけるには、フレ
ーム22のばね定数k2を小さくする必要がある。しかし、
k2を小さくするにはフレーム22の厚み，幅などを小さく
せねばならず、従って、圧電素子に常に圧縮力が作用し
た状態で圧電素子を動作させ得るほどの予備圧縮力を加
えるには、フレーム22の機械的強度が足りなくなる。す
なわち、線形ばねでは実際上、ばね定数k2をむやみに小
さくすることができず下限値が存在するため、従来例で
は、圧電素子の発生変位が大幅に減少するという問題点
がある。また、圧電素子の変位量を減少させないために
は、圧電素子の印加電圧を高めなければならず、消費電
力が増加するという欠点がある。However, in the case of the piezoelectric actuator described above,
Since the frame 22 acts as a linear spring on the piezoelectric element 21, the reaction force from the frame 22 also increases in proportion to the increase in the generated displacement of the piezoelectric element 1. As a result, the displacement amount of the piezoelectric element 21 becomes smaller than that when the frame 22 is not used. Here, assuming that the spring constant of the piezoelectric element 21 is k1 and the spring constant of the frame 22 is k2, the spring constant k of the entire piezoelectric actuator is k = k1 + k2. Therefore, for example, when the spring constants of the piezoelectric element 21 and the frame 22 are equal and k1 = k2, k = 2 ·
Since k1 is obtained, the displacement amount of the piezoelectric element 21 is reduced to 1/2 of that when the frame 22 is not used. In order to bring the operating characteristics of the piezoelectric actuator closer to the original operating characteristics of the piezoelectric element, it is necessary to reduce the spring constant k2 of the frame 22. But,
In order to reduce k2, it is necessary to reduce the thickness, width, etc. of the frame 22. Therefore, in order to apply a precompression force sufficient to operate the piezoelectric element in the state where the compression force is always applied to the piezoelectric element, 22 has insufficient mechanical strength. That is, in the linear spring, the spring constant k2 cannot be reduced unnecessarily and there is a lower limit value. Therefore, in the conventional example, the generated displacement of the piezoelectric element is significantly reduced. In addition, in order not to reduce the displacement amount of the piezoelectric element, it is necessary to increase the voltage applied to the piezoelectric element, which has a disadvantage of increasing power consumption.
本発明の目的はこれらの問題点を解決し、変位発生量
が大きく、しかも圧電素子の信頼性が高い圧電アクチュ
エータを提供することにある。An object of the present invention is to solve these problems, and to provide a piezoelectric actuator in which the amount of displacement generated is large and the reliability of the piezoelectric element is high.
本発明の圧電アクチュエータは、電圧を印加すること
により伸縮する圧電素子と、この圧電素子の伸縮方向に
力を作用するように配置されるとともに該圧電素子の駆
動変位の範囲内で略一定の力が作用する特性または変位
が増大するにしたがい作用する力が減少する特性をもつ
ばねとを有している。The piezoelectric actuator of the present invention includes a piezoelectric element that expands and contracts when a voltage is applied, and a piezoelectric element that is arranged so as to exert a force in the expansion and contraction direction of the piezoelectric element and that has a substantially constant force within the range of driving displacement of the piezoelectric element. Has a characteristic of acting on or a characteristic of decreasing the acting force as the displacement increases.
次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は本発明の一実施例を示す圧電アクチュエータ
の断面図である。この圧電アクチュエータは、同図に示
すように、伸縮方向の一端に外部に変位を伝達するため
のロッド１を設けた圧電素子２と、圧電素子２の伸縮方
向に力を作用する非線形ばね３と、圧電素子２と非線形
ばね３を固定するフレーム４とから構成されている。ま
た、圧電素子２と非線形ばね３はフレーム４の中に圧入
され、それぞれに予備圧縮力が加えられている。FIG. 1 is a sectional view of a piezoelectric actuator showing an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this piezoelectric actuator includes a piezoelectric element 2 having a rod 1 for transmitting displacement to the outside at one end in the expansion / contraction direction, and a non-linear spring 3 for exerting a force in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element 2. , And a frame 4 for fixing the non-linear spring 3 to the piezoelectric element 2. The piezoelectric element 2 and the non-linear spring 3 are press-fitted into the frame 4, and a precompression force is applied to each.
第２図は線形ばねと非線形ばねの変位量と力との関係
を示すグラフである。本実施例の場合、非線形ばね３は
皿ばねを用いており、皿ばねの変位と力の関係は、機械
設計便電編集委員会編，「機械設計便電」，丸善,P1297
（1973）に記載されており、第２図に示したように、圧
電素子２の駆動範囲で、変位が大きくなるに従い力の増
分が負になるような特性を示すものである。その結果、
圧電素子２の変位が大きくなるにつれ、圧電素子２に作
用する力は減少するようになるため、圧電素子単体の場
合の変位量よりも大きな変位量をロッド１を通じて取り
出すことができる。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the displacement amount and the force of the linear spring and the non-linear spring. In the case of the present embodiment, the non-linear spring 3 uses a disc spring, and the relationship between the displacement and the force of the disc spring is described in "Mechanical Design Convenience Service", "Mechanical Design Convenience Service", Maruzen, P1297
(1973), as shown in FIG. 2, in the driving range of the piezoelectric element 2, the characteristic is such that the increment of the force becomes negative as the displacement increases. as a result,
Since the force acting on the piezoelectric element 2 decreases as the displacement of the piezoelectric element 2 increases, a larger displacement amount than the displacement amount of the piezoelectric element alone can be taken out through the rod 1.
第３図は圧電素子とばねとの配置とそれらの変位を示
す模式図である。ここで、この圧電アクチュエータの作
用を説明する。圧電素子とばねが、第３図のように配置
されているものとし、変位をｘとし、圧電素子が伸びる
方向を正とする。第３図（イ）は予備圧縮力を加える前
の状態、（ロ）は予備圧縮力を加えた状態、（ハ）は圧
電素子に電圧を加えて駆動させた状態である。第２図は
第３図（ハ）における圧電素子とばねそれぞれの力・変
位特性を示し、ばねは線形ばねと非線形ばねを示してあ
る。予備圧縮力F0を与えることによって、圧電素子２は
単体の場合よりもX0だけ圧縮され、ばね3aは線形ばね使
用の場合はx1、非線形ばね使用の場合はx2だけ圧縮され
ている。アクチュエータとして駆動させたときの動作特
性は、圧電素子特性線図とばね特性線図の交点で示され
ている。圧電素子特性線図は駆動電圧０の場合と、所定
の駆動電圧V1の場合を示してある。その中間の駆動電圧
V2（０＜V2＜V1）では、駆動電圧０とV1の特性線図の間
を平行移動する。FIG. 3 is a schematic diagram showing the arrangement of the piezoelectric element and the spring and their displacement. Here, the operation of this piezoelectric actuator will be described. It is assumed that the piezoelectric element and the spring are arranged as shown in FIG. 3, the displacement is x, and the direction in which the piezoelectric element extends is positive. FIG. 3A shows a state before the precompression force is applied, FIG. 3B shows a state where the precompression force is applied, and FIG. 3C shows a state where the piezoelectric element is driven by applying a voltage. FIG. 2 shows the force / displacement characteristics of the piezoelectric element and the spring in FIG. 3C, and the spring shows a linear spring and a non-linear spring. By applying the pre-compression force F0, the piezoelectric element 2 is compressed by X0 as compared with the case of a single body, and the spring 3a is compressed by x 1 when a linear spring is used and by x 2 when a non-linear spring is used. The operating characteristics when driven as an actuator are indicated by the intersections of the piezoelectric element characteristic diagram and the spring characteristic diagram. The piezoelectric element characteristic diagram shows a case where the driving voltage is 0 and a case where the driving voltage is V1. Intermediate drive voltage
At V2 (0 <V2 <V1), the drive voltage moves parallel between the characteristic diagrams of 0 and V1.
第２図に示すように、ばね3aに線形ばねを使用した場
合、第３図の圧電素子駆動電圧を０からV1にすると動作
点はＣからＧに移動し、この時の変位はδ１となる。非
線形ばねを使用した場合には、動作点はＣからＦに移動
し変位はδ２となる。従って、第３図のように、変位が
増大するにつれ作用する力が減少するような特性のばね
では、δ２＞δ１となり、従来の線形ばねを使用した場
合よりも大きな変位を得ることが可能になる。しかも圧
電素子単体での変位はδ０であるが、δ２＞δ０となる
ことは、第３図より明らがであり、従って、圧電素子単
体の変位よりも大きな変位を取り出すことが可能にな
る。逆に変位量がδ１でよいなら駆動電圧はV2でよく。
従来よりも低い駆動電圧で駆動することも可能である。As shown in FIG. 2, when a linear spring is used as the spring 3a, the operating point moves from C to G when the piezoelectric element drive voltage in FIG. 3 is changed from 0 to V1, and the displacement at this time is δ1. . When a non-linear spring is used, the operating point moves from C to F and the displacement becomes δ2. Therefore, as shown in FIG. 3, with a spring having a characteristic that the acting force decreases as the displacement increases, δ2> δ1, which makes it possible to obtain a larger displacement than when a conventional linear spring is used. Become. Moreover, although the displacement of the piezoelectric element alone is δ0, it is clear from FIG. 3 that δ2> δ0, and therefore it is possible to take out a displacement larger than the displacement of the piezoelectric element alone. Conversely, if the displacement amount is δ1, the drive voltage can be V2.
It is also possible to drive with a lower drive voltage than before.
このように圧電素子単体の変位量よりも大きな変位を
取り出すことが出来るのは、圧電素子２は、予め予備圧
縮力が加えられて圧縮されており、その分の変位量が解
放されるためである。また、一方、従来と同程度の変位
量をとりだすには、圧電素子２に印加する駆動電圧は従
来よりも低いものであるから、消費電力を低く抑えるこ
とが可能である。従って、圧電素子の大きさを小さくす
ることが可能であるため、低コストの圧電アクチュエー
タを得ることが出来る。In this way, a displacement larger than the displacement amount of the piezoelectric element alone can be taken out because the piezoelectric element 2 is compressed by applying a preliminary compression force in advance and the displacement amount is released. is there. On the other hand, the drive voltage applied to the piezoelectric element 2 is lower than that of the related art in order to obtain the same displacement amount as that of the related art, so that the power consumption can be suppressed to be low. Therefore, since the size of the piezoelectric element can be reduced, a low-cost piezoelectric actuator can be obtained.
なお、本実施例では非線形ばねとして皿ばねの場合を
示したが、他の形状あるいは構成のばねであっても、そ
の変位・力特性が第２図に示したように変位が増大する
につれて力が減少するような特性であれば、本実施例と
同様な効果を発揮することは言うまでもない。In this embodiment, the case where the disc spring is used as the non-linear spring is shown. However, even if the spring has another shape or configuration, the force of the displacement / force is increased as the displacement increases as shown in FIG. It is needless to say that the same effect as that of the present embodiment is exhibited if the characteristic is such that
以上説明したように本発明の圧電アクチュエータは、
圧電素子単体の変位量よりも大きな変位を得られること
のほか、従来よりも圧電素子の駆動電圧を低く抑えるこ
とが可能となり、消費電力が少なく大きさも小さいため
低コストであり、その効果は大きい。As described above, the piezoelectric actuator of the present invention is
In addition to being able to obtain a displacement larger than the displacement of the piezoelectric element alone, it is possible to suppress the drive voltage of the piezoelectric element to a lower level than in the past, low power consumption and small size are low cost, and its effect is great. .
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す圧電アクチュエータの
断面図、第２図は線形ばねと非線形ばねの変位量と力と
の関係を示すグラフ、第３図は圧電素子とばねとの配置
とそれらの変位を示す模式図、第４図は従来の実施例を
示す圧電アクチュエータの断面図である。 １……ロッド、2,21……圧電素子、3,3a……非線形ば
ね、4,22……フレーム。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view of a piezoelectric actuator showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the displacement amount and force of a linear spring and a non-linear spring, and FIG. FIG. 4 is a schematic view showing the arrangement of the piezoelectric element and the spring and their displacement, and FIG. 4 is a sectional view of a piezoelectric actuator showing a conventional embodiment. 1 ... Rod, 2,21 ... Piezoelectric element, 3,3a ... Nonlinear spring, 4,22 ... Frame.
Claims (1)
子と、この圧電素子の伸縮方向に力を作用するように配
置されるとともに該圧電素子の駆動変位の範囲内で略一
定の力が作用する特性または変位が増大するにしたがい
作用する力が減少する特性をもつばねとを有することを
特徴とする圧電アクチュエータ。1. A piezoelectric element that expands and contracts when a voltage is applied, and is arranged so as to exert a force in the expansion and contraction direction of this piezoelectric element, and a substantially constant force acts within the range of drive displacement of the piezoelectric element. And a spring having a characteristic that the acting force decreases as the displacement increases.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1226027A JP2508289B2 (en) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | Piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1226027A JP2508289B2 (en) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | Piezoelectric actuator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0387075A JPH0387075A (en) | 1991-04-11 |
| JP2508289B2 true JP2508289B2 (en) | 1996-06-19 |
Family
ID=16838635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1226027A Expired - Fee Related JP2508289B2 (en) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | Piezoelectric actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2508289B2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE42689E1 (en) | 1999-07-13 | 2011-09-13 | Stirling Mouldings Limited | Flexible material |
| US10034498B2 (en) | 2011-07-25 | 2018-07-31 | Nike, Inc. | Articles of apparel incorporating cushioning elements |
| US10194707B2 (en) | 2009-06-23 | 2019-02-05 | Nike, Inc. | Apparel incorporating a protective element |
| US10499694B2 (en) | 2008-08-01 | 2019-12-10 | Nike, Inc. | Apparel with selectively attachable and detachable elements |
| US10959476B2 (en) | 2011-07-25 | 2021-03-30 | Nike, Inc. | Articles of apparel incorporating cushioning elements |
| US11950644B2 (en) | 2008-08-01 | 2024-04-09 | Nike, Inc. | Apparel with selectively attachable and detachable elements |
-
1989
- 1989-08-30 JP JP1226027A patent/JP2508289B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE42689E1 (en) | 1999-07-13 | 2011-09-13 | Stirling Mouldings Limited | Flexible material |
| US10499694B2 (en) | 2008-08-01 | 2019-12-10 | Nike, Inc. | Apparel with selectively attachable and detachable elements |
| US11950644B2 (en) | 2008-08-01 | 2024-04-09 | Nike, Inc. | Apparel with selectively attachable and detachable elements |
| US10194707B2 (en) | 2009-06-23 | 2019-02-05 | Nike, Inc. | Apparel incorporating a protective element |
| US10034498B2 (en) | 2011-07-25 | 2018-07-31 | Nike, Inc. | Articles of apparel incorporating cushioning elements |
| US10959476B2 (en) | 2011-07-25 | 2021-03-30 | Nike, Inc. | Articles of apparel incorporating cushioning elements |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0387075A (en) | 1991-04-11 |
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