JP2940038B2

JP2940038B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2940038B2
Application number: JP1339690A
Authority: JP
Inventors: 寿則石田; 孝太田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1999-08-25
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JPH03198388A

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。

〔従来の技術〕

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、近年各種の圧電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引張り力には弱いという特性を有し
ているため、通常圧電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造と
なっている。

第６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。このような圧電アクチュエータとしては、例
えば特出願61−199241に記載されているものがある。こ
れは、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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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21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動作
特性を圧電素子本来の動作特性に近ずけるには、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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の特徴は、枠状のフレームと、このフレーム内
に配設され前記フレームの両側の内側面に両端が係止さ
れ中央を振り分けて両側に湾曲部を有するとともに該中
央を押して変形する量が増大するにしたがい作用する力
が減じる特性をもつ湾曲ばねと、前記フレーム内にあっ
て前記フレームの後枠に一端を当接し他端を前記湾曲ば
ねの該中央部と当接するとともに電圧を印加することに
より伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の該他端より伸
び前記フレームから突出するロッドとを有する圧電アク
チュエータである。また、本発明を他の特徴は、枠状の
フレームと、このフレーム内に配設され前記フレームの
両側の内側面に両端が係止され中央を振り分けて両側に
湾曲部を有するとともに該中央を押して変形する量が増
大するにしたがい作用する力が減じる特性をもつ湾曲ば
ねと、前記フレーム内にあって前記フレームの後枠に一
端を当接し他端の突起部を前記湾曲ばねの該中央部と当
接するとともに電圧を印加することにより伸縮する圧電
素子と、前記圧電素子の該突起部以外の端部より伸び前
記フレームから突出するロッドとを有する圧電アクチュ
エータである。

〔実施例〕

次に、本発明の作用及び実施例について図面を参照し
て説明する。まず、本発明の作用について図面を参照し
て説明する。第２図（イ）〜（ニ）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、圧
電素子とばねが、第２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２図（イ）は、圧電素子がないとき、湾曲ばねに初期
たわみδ０を与えた状態、（ロ）は、湾曲ばねがなく、
電圧が印加されていないときの圧電素子の状態、（ハ）
は、湾曲ばねと電圧が印加されていない圧電素子を組み
合せた場合で、湾曲ばねは（イ）の状態よりもδ１、圧
電素子は（ロ）の状態よりもδ２だけそれぞれ圧縮され
た状態、（ニ）は、（ハ）の状態から圧電素子に電圧V1
を印加し、x1だけ変位した状態をそれぞれ表わしてい
る。

第３図は第２図（ハ），（ニ）における圧電素子とば
ねそれぞれの力・変位特性を示し、ばねは線形ばねと湾
曲ばねを示してある。圧電素子と線形ばねは、変位ｘと
作用力Ｐが比例する力・変位特性を有している。一方、
湾曲ばねは図のように上に凸の力・変位特性を有してお
り、頂点を越えると、変位ｘが大きくなればなるほど作
用する力が減少する。湾曲ばねと圧電素子を組み合わせ
ることにより、湾曲ばねδ１、圧電素子はδ２だけ、そ
れぞれ組合せ前より圧縮される。湾曲ばねのかわりに線
形ばねを使用し場合は、δ３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。

第３図に示すようにばね線形ばねを使用した場合、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X2となる、湾曲ばねを使用した
場合には、動作点はＣからＦに移動し変位はx1となる。
従って図のように変位が増大するにつれ作用する力が減
少するような湾曲ばねではx1＞x2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δ４であるが、x1
＞δ４となることは図より明らかであり、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x2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。

第４図は湾曲ばねの中央に力を使用させたときの、湾
曲ばねの変形モードを表わす図である。この図で、は
初期たわみが与えられ、力が加えられていない状態を表
わしており、これは第２図（イ）に相当する。そして、
変形モードはの順で変化していく。この図からわかるように、湾曲ば
ねは中央がへこむような変形をする。そして、このよう
な変形によって、第３図に示したように、変位が増大す
るにしたがい作用するが減少するようなばね特性が得ら
れる。

第７図（イ），（ロ）は、湾曲ばねと接触する部位の
形状の相違による湾曲ばねの変形の様子を示す模式図で
ある。（イ）は湾曲ばね接触部位が比較的大きい場合、
（ロ）は湾曲ばね接触部位が突起状の場合をそれぞれ表
わしている。同図に示されているとおり、（イ）の場合
では湾曲ばね接触部位によって湾曲ばねの変形が拘束さ
れ、第４図に示したような湾曲ばね本来の変形モードが
妨げられている。しかしながら、（ロ）のように湾曲ば
ねと接触する部位が、球、円筒、ナイフエッジなどのよ
うに突起状であるなら、湾曲ばね・圧電素子接続部は、
湾曲ばねの変形を妨げることなく、圧電素子の変位を伝
えることが可能である。

次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す電圧アクチュエータ
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
向に力を作用する湾曲ばね３と、圧電素子２と湾曲ばね
３を固定するフレーム４と、圧電素子の変位を湾曲ばね
に伝える湾曲ばね・圧電素子接続部５とから構成されて
いる。圧電素子２と湾曲ばね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。フレー
ム４は圧電素子２、および湾曲ばね３よりも剛性が高く
なっており、実質的に圧電素子２の変位に対してフレー
ム４の伸びは無視できる。湾曲ばねの変位と力の関係
は、第３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の作用する力が減少するよう
になるために、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出来る。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。

第５図は本発明の別の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、前述の
実施例を圧電アクチュエータの湾曲ばね・圧電素子接続
部５のかわりに球状湾曲ばね・圧電素子接続部51を用い
ている。このように球状の接続部を用いることにより、
湾曲ばねとはほぼ点接触となるために、湾曲ばね３の変
形を妨げることなく圧電素子２の変位を伝えることが可
能となる。なお、この例では湾曲ばね・圧電素子接続部
に球形状を用いたが、円筒形状、またはナイフエッジ形
状を用いても同様の効果が得られることは明らかであ
る。

〔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
圧電素子を予圧する湾曲ばねを設けることによって、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。

【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（イ）〜（ニ）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３図は湾曲ばねと線
形ばねと圧電素子の力と変位との関係を示す図、第４図
は湾曲ばねの中央に力を作用させたときの湾曲バネの変
形モードを示す図、第５図は本発明の他の実施例を示す
圧電アクチュエータの断面図、第６図は従来の一例を示
す圧電アクチュエータの断面図、第７図（イ），（ロ）
は湾曲ばねと接触する部位の形状の相違による湾曲ばね
の変形の様子を表わす模式図である。１……ロッド、2,21……圧電素子、3,3a,3b……湾曲ば
ね、4,22……フレーム、5,5a……湾曲ばね・圧電素子接
続部、51……球状湾曲ばね・圧電素子接続部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】枠状のフレームと、このフレーム内に配設
され前記フレームの両側の内側面に両端が係止され中央
を振り分けて両側に湾曲部を有するとともに該中央を押
して変形する量が増大するにしたがい作用する力が減じ
る特性をもつ湾曲ばねと、前記フレーム内にあって前記
フレームの後枠に一端を当接し他端を前記湾曲ばねの該
中央部と当接するとともに電圧を印加することにより伸
縮する圧電素子と、前記圧電素子の該他端より伸び前記
フレームから突出するロッドとを有することを特徴とす
る圧電アクチュエータ。
【請求項２】枠状のフレームと、このフレーム内に配設
され前記フレームの両側の内側面に両端が係止され中央
を振り分けて両側に湾曲部を有するとともに該中央を押
して変形する量が増大するにしたがい作用する力が減じ
る特性をもつ湾曲ばねと、前記フレーム内にあって前記
フレームの後枠に一端を当接し他端の突起部を前記湾曲
ばねの該中央部と当接するとともに電圧を印加すること
により伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の該突起部以
外の端部より伸び前記フレームから突出するロッドとを
有することを特徴とする圧電アクチュエータ。