JP2861919B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電アクチュエータ

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JP2861919B2
JP2861919B2 JP8075052A JP7505296A JP2861919B2 JP 2861919 B2 JP2861919 B2 JP 2861919B2 JP 8075052 A JP8075052 A JP 8075052A JP 7505296 A JP7505296 A JP 7505296A JP 2861919 B2 JP2861919 B2 JP 2861919B2
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JP
Japan
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piezoelectric actuator
spring
thermal expansion
actuator
displacement
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昌子 稲川
和政 大家
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タに関し、特に、その温度補償方法に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電性を示す粉末セラミック材料を焼結
し、分極してなる圧電アクチュエータは、温度が上昇す
ると残留分極が消失することから、温度の上昇に伴って
全長が縮むという、見掛け上、負の熱膨張係数を有して
いる。そこで、従来、その温度変化に基づく変位量の変
化に対して、様々な温度補償方法が考えられている。
【0003】例えば、特開平5ー8412号公報や特開
平4ー133753号公報には、図5に示すような、温
度補償を施した圧電アクチュエータを組み込んだ印字ヘ
ッドが開示されている。図5を参照して、この図に示さ
れる印字ヘッドのフレーム8には、圧電アクチュエータ
1と、その端面に固着された温度補償部材9とが組み込
まれている。大きな正の熱膨張係数を有する温度補償部
材9は、圧電アクチュエータ1に直列に接続されてい
る。従って、例えば温度が上昇したときは、圧電アクチ
ュエータ1の縮みと温度補償部材9の伸びとが互いに打
ち消し合う。圧電アクチュエータは予め圧縮荷重が加え
られた(プレロードの掛かった)状態でフレーム8に組
み込まれており、アクチュエータ1の全長の変化が印字
ピン10の位置の変化となるが、温度補償部材9により
アクチュエータ1の温度による全長変化を補償し、印字
ピン10の位置が変化することを防いでいる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した公報記載の温
度補償方法によれば、温度補償部材9をアクチュエータ
1に直列に固着しなければならない。つまり、温度補償
部材9を含む装置全体としての長さは、アクチュエータ
1の全長に温度補償部材9の長さを加えたものになる。
この場合、確実に温度補償を行うには、温度補償部材9
の温度による変化量とアクチュエータ1の温度による変
化量とは、絶対値が等しくなければならない。このこと
は、アクチュエータ1本来の発生変位量を大きくするた
めに、その長さを大きくすると、温度補償部材9の長さ
もそれに伴って長くしなければならず、装置としての全
長が非常に長くなってしまう結果となることを意味す
る。
【0005】したがって本発明は、圧電アクチュエータ
本来の変位量を増大させるためにアクチュエータの全長
を伸ばした場合でも、これに温度補償を施す場合に、装
置の全長増加分が純粋にアクチュエータの全長増加分だ
けで済み、温度補償するための余計な増加分がないよう
にすることを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータは、圧電性材料からなり外部から与えられた電圧に
応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、前記圧電
アクチュエータに予め発生変位の方向を示す軸に沿う圧
縮力を加えるばね系とを備え、前記圧電アクチュエータ
の熱膨張による熱変形量と、前記ばね系の熱膨張による
前記圧縮力の変化に伴う圧電アクチュエータの弾性変形
量とが等しくなるように構成したことを特徴とする。
【0007】圧電アクチュエータは負の熱膨張係数を有
している。一方、ばね系は正の熱膨張係数を有してい
る。従って、温度上昇に伴い、圧電アクチュエータは全
長が縮む。一方、ばね系はアクチュエータにプレロード
を印加しているのであるが、温度の上昇と共にばね系の
原点が熱変形により移動し、プレロードが低下する。こ
のとき、圧電アクチュエータはプレロードの低下分に見
合う分、弾性変形により伸びることになる。この伸び量
は、圧電アクチュエータとばね系のばね定数、ばね系の
熱変形量によりバランスした量となる。
【0008】上記圧電アクチュエータの熱変形による縮
みと、プレロードの低下による弾性変形の大きさとを等
しくすると、両者は互いに打ち消し合って温度補償がな
される。
【0009】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図1(a)は、本発明の
第1の実施の形態による金属ケース組込み構造の圧電ア
クチュエータの断面を示す図である。図1(a)を参照
して、圧電アクチュエータ1の両端には金属部材2a,
2bが固着されている。そして、薄肉パイプの円周方向
にひだを設けたばね性を有するベローズ3が、金属部材
2a,2bに溶接やろうず付けなどにより固着されてい
る。ベローズ3は、引き延ばした状態で金属部2a,2
bに固着されていて、圧電アクチュエータ1にプレロー
ドを掛けている。
【0010】金属部材2bは、リード端子4a,4bを
備えている。このリード端子4a,4bを介して、アク
チュエータ1に駆動電圧が印加される。本実施の形態の
圧電アクチュエータでは、ベローズ3はプレロードを加
えるためのばねとケースとを兼ねている。この構造によ
れば、アクチュエータ1が金属製ケースにより封止され
るので、信頼性が非常に高い。
【0011】図1(b)に、本実施の形態における作用
効果を説明するための、モデル図を示す。図1(b)を
参照して、アクチュエータ1とばね系(この場合は、ベ
ローズ)3とをそれぞれ毎に、温度により長さが変化す
る剛体と、温度により変化しない理想ばねとの直列接続
構造により示すこととする。ここで、アクチュエータ1
及びばね系3それぞれのばね定数をkA ,kS (N/
m)とし、又、それぞれが単体であるときの温度による
全長の変化量をそれぞれαA ,αS (m/K)とする。
更に、ばね系3と共に組み込んだときの圧電アクチュエ
ータ1の全長の温度による変化量を、β(m/K)とす
る。
【0012】図2に、或る温度を基準とし、アクチュエ
ータ1の一方の端を基点としたときの変位の様子を示
す。図2を参照して、アクチュエータ1は温度の上昇と
共に縮むので、傾きαA の直線Aで表される変位特性を
示す。逆に、ばね系3は金属製であるので、温度の上昇
に伴って傾きαS の直線で示される変位特性を示す。と
ころが、アクチュエータ1とばね系3とは固定されてい
るので、お互いのばね性が釣り合う点、すなわち直線A
と直線BとをkS :kA に内分する直線Cが、ケースに
組み込まれた状態でのアクチュエータ1の全長の変化量
βを示す。この直線Cの傾きβは、下記の式で与えら
れる。
【0013】 β=(kS ・αS +kA ・αA )/(kS +kA ) 温度補償を行うには、上の式において、β=0である
ことが必要である。従って、 kS ・αS =−kA ・αA を満たすようにすれば良い。以下に、具体例を示す。
【0014】図1(a)に示す金属製ベローズケース組
込みの圧電アクチュエータで、アクチュエータ1は、ヤ
ング率4×108 N/m2 、線熱膨張係数−4ppm/
Kの材料からなる。寸法は、5mm×5mm×100m
mである。従って、上式において、kA =1×105
N/m、αA =−4×10-7m/Kとなるので、kS
αS =4×10-2となる。ばね系3にこのような特性を
持たせることにより、温度補償ができる。ばね系3の材
料をステンレス鋼(線熱膨張係数=16ppm/K)と
する。ばね系3の全長はアクチュエータ1の全長に等し
いので、αS =1.6×106 m/Kとなり、kS
2.5×104 N/mとなるようにばね系3の構造を決
めれば良い。ばね系3のばね定数kS は、材質、板厚、
ひだの大きさ、形状、数、熱処理条件によって調整でき
る。但し、材質の変更は、熱膨張係数αS の変化をもた
らすので、目標とするばね定数kS の設計値を変更する
必要がある。
【0015】このように、本実施の形態においては、ア
クチュエータ1本来の発生変位量を増大させるためにそ
の全長を変更した場合でも、アクチュエータ1に並行な
ベローズケース3の全長をそれに合せて変更するだけで
済むので、装置としての全長増加は、純粋にアクチュエ
ータ1の全長増加分だけで済む。
【0016】次に、本発明の第2の実施の形態につい
て、説明する。図3は、本発明の第2の実施の形態によ
る圧電アクチュエータの断面図である。図3を参照し
て、アクチュエータ1の一端に固着されたケース5は、
アクチュエータを取り囲むような形状をしている。そし
て、アクチュエータ5の変位発生端面とこれに向き合う
ケース5内壁との間に支持されたコイルばね6が、アク
チュエータ1の変位発生端面に作用し、アクチュエータ
1にプレロードを加えている。本実施の形態では、ケー
ス5のばね性はばね6のばね性より極めて小さく無視し
得るので、式,におけるばね系のばね定数kS は、
ばね6のばね定数であると考えて良い。しかし、式,
におけるばね系3の熱膨張量αS は、ばね6がケース
5に支持されていることから、ケース5の熱膨張量から
コイルばね6の熱膨張量を差し引いたものとなり、ケー
ス5とばね6双方の材質、ばね6の形状、大きさによっ
て調整できる。尚、コイルばね6に替えて皿ばねを用い
れば、ばねを薄く出来るので、より小型化して、本実施
の形態におけると同様の効果を得ることができる。
【0017】更には、図4に示す本発明の第3の実施の
形態のように、プレロードをダイヤフラム7によって加
える構造としても良い。この第3の実施の形態では、ば
ね系3のばね定数kS はダイヤフラム7により決まる。
一方、熱膨張量αS はケース5により決定する。
【0018】これまで、圧電アクチュエータを金属製ケ
ースに組み込んだ例について説明したが、ケースを用い
ずに組み込む構造であっても、全く同様の効果を得るこ
とができる。但し、図5に示す従来の圧電アクチュエー
タにおいては、フレーム8も温度により伸縮するので、
印字ピン10の位置を一定にするには、前述の式にお
いて、組込み後の熱膨張量βをフレームの熱膨張量と一
致させるようにすれば良い。同様に、式における熱膨
張量βを任意の値(αA <β<αS )とすることによ
り、組み込んだ圧電アクチュエータの熱膨張量を設定で
きることは、言うまでもない。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電アク
チュエータは、圧電性材料からなり外部から与えられた
電圧に応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、そ
の圧電アクチュエータに予め発生変位の方向を示す軸に
沿う圧縮力を加えるばね系とを備え、圧電アクチュエー
タの熱膨張による熱変形量と、ばね系の熱膨張による圧
縮力の変化に伴う圧電アクチュエータの弾性変形量とが
等しくなるようにされている。
【0020】これにより本発明によれば、アクチュエー
タ本来の変位量を増大させるためにアクチュエータの全
長を長くした場合でも、装置としての全長の増加分は純
粋にアクチュエータの全長増加分だけで済み、温度補償
のための余計な全長増加分はないようにすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による圧電アクチュ
エータの断面図および、本発明の作用原理を説明するた
めのモデル図である。
【図2】本発明の作用原理を説明するための、モデルの
各部分の温度ー変位特性を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態による圧電アクチュ
エータの断面図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態による圧電アクチュ
エータの断面図である。
【図5】温度補償を施した圧電アクチュエータの従来の
ものの一例の断面図である。
【符号の説明】
1 圧電アクチュエータ 2,2a,2b 金属部材 3 ベローズ 4,4a,4b リイド端子 5 ケース 6 ばね 7 ダイアフラム 8 フレーム 9 温度補償部材 10 印字ピン
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02N 2/00 H01L 41/08

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電性材料からなり外部から与えられた
    電圧に応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、前
    記圧電アクチュエータに予め発生変位の方向を示す軸に
    沿う圧縮力を加えるばね系とを備え、 前記圧電アクチュエータの熱膨張による熱変形量と、前
    記ばね系の熱膨張による圧縮力の変化に伴う圧電アクチ
    ュエータの弾性変形量とが等しくなるように構成したこ
    とを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の圧電アクチュエータにお
    いて、 前記圧電アクチュエータにおける熱膨張による熱変形量
    及びばね定数をそれぞれαA 、kA とし、前記ばね系に
    おける熱膨張による熱変形量及びばね定数をそれぞれα
    S 、kS としたとき、 αS ・kS =αA ・kA となるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエー
    タ。
  3. 【請求項3】 圧電性材料からなり外部から与えられた
    電圧に応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、 上蓋及び下蓋を備え、側壁には蛇腹構造によって長手方
    向にばね性を付与された金属製筒状のケースであって、
    前記上蓋及び下蓋がそれぞれ前記圧電アクチュエータの
    変位発生端面に固着されて、前記アクチュエータを、発
    生変位の方向を示す軸に沿う圧縮力が加わった状態で、
    収納するケースとを含んでなり、 前記圧電アクチュエータにおける熱膨張による熱変形量
    及びばね定数をそれぞれαA 、kA とし、前記ケースに
    おける熱膨張による熱変形量及びばね定数をそれぞれα
    S 、kS としたとき、 αS ・kS =αA ・kA となるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエー
    タ。
  4. 【請求項4】 圧電性材料からなり外部から与えられた
    電圧に応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、 上蓋及び下蓋を備える金属製筒状のケースであって、前
    記下蓋は前記圧電アクチュエータの一方の変位発生端面
    に固着され、前記上蓋の内壁と前記圧電アクチュエータ
    の他方の変位発生端面との間にはコイルばねが設けられ
    て、前記圧電アクチュエータを、発生変位の方向を示す
    軸に沿う圧縮力が加わった状態で、収納するケースとを
    含んでなり、 前記圧電アクチュエータにおける熱膨張による熱変形量
    及びばね定数をそれぞれαA 、kA とし、前記ケースに
    おける熱膨張による熱変形量及びばね定数をそれぞれα
    S 、kS としたとき、 αS ・kS =αA ・kA となるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエー
    タ。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の圧電アクチュエータにお
    いて、 前記コイルばねに替えて、皿ばねを設けたことを特徴と
    する圧電アクチュエータ。
  6. 【請求項6】 圧電性材料からなり外部から与えられた
    電圧に応じて変位を発生する圧電アクチュエータと、 上蓋及び下蓋を備える金属製筒状のケースであって、前
    記下蓋は前記圧電アクチュエータの一方の変位発生端面
    に固着され、前記上蓋は筒の側壁を支持枠とするダイア
    フラムをなして、前記圧電アクチュエータを、発生変位
    の方向を示す軸に沿う圧縮力が加わった状態で、収納す
    るケースとを含んでなり、 前記圧電アクチュエータにおける熱膨張による熱変形量
    及びばね定数をそれぞれαA 、kA とし、前記ケースに
    おける熱膨張による熱変形量及びばね定数をそれぞれα
    S 、kS としたとき、 αS ・kS =αA ・kA となるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエー
    タ。
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JP5521553B2 (ja) * 2008-01-29 2014-06-18 コニカミノルタ株式会社 アクチュエータ機構
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