JPH0132750Y2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0132750Y2 JPH0132750Y2 JP1982173453U JP17345382U JPH0132750Y2 JP H0132750 Y2 JPH0132750 Y2 JP H0132750Y2 JP 1982173453 U JP1982173453 U JP 1982173453U JP 17345382 U JP17345382 U JP 17345382U JP H0132750 Y2 JPH0132750 Y2 JP H0132750Y2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- displacement
- elastic plate
- laminated
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 25
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 12
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Description
本考案は、精密機械等にて変位調整を電気的に
行なう目的で用いられる圧電変位素子に関するも
のである。 従来のこの種の圧電変位素子としては種々のも
のが案出されており、例えば変位量の増大を目的
として厚み方向に変位素子を積層した積層型変位
素子又は２枚の圧電セラミゾク板を結合したバイ
モルフ素子が挙げられる。 積層変位素子を用いて変位量をミリメートル単
位の変位制御を行なうとすると、積層数は膨大と
なつてしまう。すなわち材料の圧電ｄ定数d33635
×10-12m／Ｖ単位のセラミツク素子の厚さ0.2mm、
印加電圧500Vとするとき、要求する変位量を５
mmに設定した場合積層数は15743となり、電極の
厚みを無視しても全長は3.15mとなつてしまい実
用にたえない。 またバイモルフ素子の場合でも0.2mm厚のセラ
ミツク素子を２枚合せたものを考え、圧電定数と
して287×10-12m／Ｖ印加電圧を100Vとし、先端
を５mm変位させる場合には素子の長さは96mm必要
となるが、片持ちはり構造のため、振動・衝撃に
変位値が左右される欠点がある。 本考案はかかる点に鑑み、単層又は積層した圧
電セラミツク素子の両面に弾性体板を両端部で接
合しその中央部を機械的に接合して積層すること
により、積層素子の欠点たる素子の過剰積層を回
避すると共にバイモルフ素子の欠点たる片持ちは
り構造を避けた圧電変位素子を提案することを主
たる目的とする。 以下本考案の一実施例について図面を参照しな
がら詳細に説明する。 第１図は本案圧電変位素子の単位素子の一例を
示す斜視図である。ａは単層又は積層した矩形状
の圧電セラミツク素子を示し、この素子ａの上下
面に弾性金属体板ｂが両端部にて機械的に結合し
たものである。ｄは接着層を示す。セラミツク素
子ａは厚み方向に分極されている。セラミツク素
子ａの単層構造と積層構造とでは同一の印加電圧
に対する長さ方向の歪は同じであるが、弾性板ｂ
との組合せにおいて電圧印加時に発生する応力が
積層数の増大に応じて大きくなる。ｃはセラミツ
ク素子ａの駆動用電極端子を示す。 そこで素子ａに収縮が働く方向に電圧Ｖを印加
することにより弾性板ｂは両端にて結合されてい
るため、弾性板ｂの長手方向に圧縮の応力が発生
する。この応力をσbとすると次の式で表わされ
る。 σb＝−nEaEbd31V／ntaEa＋2tbEb …(1) また荷重Pbは、 Pb＝Wtb・σb ＝ｎ・Ea・Eb・d31W・tb／ｎ・ta・Ea＋２・tb・Eb
・Ｖ…(2) 座屈状態における歪の形状は、第２図に示す如
く、弾性板ｂの変形有効部を左端を基点とし長軸
方向にｘ軸をとるとき、各点におけるたわみξ(x)
は座屈に関するオイラーの理論により次式で表わ
される。 ξ(x)＝ξm／２（１−cos2π／′ｘ） …(5) 但し、ξnは弾性板ｂの最大たわみ ′は弾性板ｂの変形有効部両端間の直線距離
を示す。 この場合、座屈の前後において弾性板ｂの長軸
に沿つた長さは変化しないと考えられ、また両端
間の直線距離′は素子ａの収縮時の長さ′に一
致する。従つて、 ′＝（１−d31Ｖ／ta） …(7) (6)式の解析によりξnとＶとの関係が得られる
ことになる。 尚、上記各式における各記号は次の通りであ
る。 Eaは圧電素子ａの縦弾性定数 Ebは弾性板ｂの縦弾性定数 taは圧電素子ａの１層の厚み ｎは積層数 tbは弾性板ｂの厚み d31は圧電素子ａの圧電定数 Ｗは素子ａ及び弾性板ｂの幅 Ｖは印加電圧 さて材料力学によると、矩形板の長軸方向に圧
縮力が作用した場合、一定の圧力を越えると横方
向に中央部が大きくたわむ座屈現象を生ずる。弾
性板ｂの有効長をとすると、座屈荷重Pkは次
式により表わされる。 Pk＝4π2Eb／2・Wtb3／12 …(3) (2)，(3)式により座屈を生ずるに必要な電圧は次
式によつて表わされる。 Vk＝π2tb2（ntaEa＋2tbEb）／3n2Ead31 …(4) 従つて、１組の単位素子の両面に弾性板を設け
た場合の中央部におけるたわみ量は2ξnとなる。
そして本案圧電変位素子はかかる単位素子を複数
組弾性板ｂの最大たわみ位置において機械的に結
合することにより、上端から下端までの長さ変位
量Δyは夫々の単位素子の変位が加算されるため、 Δy＝2mξn… (8) となる。 次に上記各式を用いて具体的に入力電圧Ｖとた
わみ量ξnの関係を示す。 素子ａの全長 ＝30mm 弾性体の有効長 30mm 素子の有効幅 Ｗ＝10mm 弾性板の有効幅 Ｗ＝10mm 弾性板の厚み tb＝0.1mm 弾性板の縦弾性定数 Eb＝2.1×106Kg／cm2 素子の単位セラミツクの厚み ta0.1mm 単位素子の積層数 ｎ＝50 圧電素子の縦弾性定数 Ea＝6.9×105Kg／cm2 圧電素子の圧電ｄ定数 d31＝287×1012m／cm2 単位素子の結合数 ｍ＝10 圧電変位素子全体の寸法 55×30×10 (4)式によりVkを求めると、Vk＝14.3Vすなわち
本案圧電変位素子の動作に必要な最小の電圧は
14.3ボルトとなる。 以下に入力電圧Ｖとたわみ量Δy及び荷重Ｐの
解析結異を第１表に示す。
行なう目的で用いられる圧電変位素子に関するも
のである。 従来のこの種の圧電変位素子としては種々のも
のが案出されており、例えば変位量の増大を目的
として厚み方向に変位素子を積層した積層型変位
素子又は２枚の圧電セラミゾク板を結合したバイ
モルフ素子が挙げられる。 積層変位素子を用いて変位量をミリメートル単
位の変位制御を行なうとすると、積層数は膨大と
なつてしまう。すなわち材料の圧電ｄ定数d33635
×10-12m／Ｖ単位のセラミツク素子の厚さ0.2mm、
印加電圧500Vとするとき、要求する変位量を５
mmに設定した場合積層数は15743となり、電極の
厚みを無視しても全長は3.15mとなつてしまい実
用にたえない。 またバイモルフ素子の場合でも0.2mm厚のセラ
ミツク素子を２枚合せたものを考え、圧電定数と
して287×10-12m／Ｖ印加電圧を100Vとし、先端
を５mm変位させる場合には素子の長さは96mm必要
となるが、片持ちはり構造のため、振動・衝撃に
変位値が左右される欠点がある。 本考案はかかる点に鑑み、単層又は積層した圧
電セラミツク素子の両面に弾性体板を両端部で接
合しその中央部を機械的に接合して積層すること
により、積層素子の欠点たる素子の過剰積層を回
避すると共にバイモルフ素子の欠点たる片持ちは
り構造を避けた圧電変位素子を提案することを主
たる目的とする。 以下本考案の一実施例について図面を参照しな
がら詳細に説明する。 第１図は本案圧電変位素子の単位素子の一例を
示す斜視図である。ａは単層又は積層した矩形状
の圧電セラミツク素子を示し、この素子ａの上下
面に弾性金属体板ｂが両端部にて機械的に結合し
たものである。ｄは接着層を示す。セラミツク素
子ａは厚み方向に分極されている。セラミツク素
子ａの単層構造と積層構造とでは同一の印加電圧
に対する長さ方向の歪は同じであるが、弾性板ｂ
との組合せにおいて電圧印加時に発生する応力が
積層数の増大に応じて大きくなる。ｃはセラミツ
ク素子ａの駆動用電極端子を示す。 そこで素子ａに収縮が働く方向に電圧Ｖを印加
することにより弾性板ｂは両端にて結合されてい
るため、弾性板ｂの長手方向に圧縮の応力が発生
する。この応力をσbとすると次の式で表わされ
る。 σb＝−nEaEbd31V／ntaEa＋2tbEb …(1) また荷重Pbは、 Pb＝Wtb・σb ＝ｎ・Ea・Eb・d31W・tb／ｎ・ta・Ea＋２・tb・Eb
・Ｖ…(2) 座屈状態における歪の形状は、第２図に示す如
く、弾性板ｂの変形有効部を左端を基点とし長軸
方向にｘ軸をとるとき、各点におけるたわみξ(x)
は座屈に関するオイラーの理論により次式で表わ
される。 ξ(x)＝ξm／２（１−cos2π／′ｘ） …(5) 但し、ξnは弾性板ｂの最大たわみ ′は弾性板ｂの変形有効部両端間の直線距離
を示す。 この場合、座屈の前後において弾性板ｂの長軸
に沿つた長さは変化しないと考えられ、また両端
間の直線距離′は素子ａの収縮時の長さ′に一
致する。従つて、 ′＝（１−d31Ｖ／ta） …(7) (6)式の解析によりξnとＶとの関係が得られる
ことになる。 尚、上記各式における各記号は次の通りであ
る。 Eaは圧電素子ａの縦弾性定数 Ebは弾性板ｂの縦弾性定数 taは圧電素子ａの１層の厚み ｎは積層数 tbは弾性板ｂの厚み d31は圧電素子ａの圧電定数 Ｗは素子ａ及び弾性板ｂの幅 Ｖは印加電圧 さて材料力学によると、矩形板の長軸方向に圧
縮力が作用した場合、一定の圧力を越えると横方
向に中央部が大きくたわむ座屈現象を生ずる。弾
性板ｂの有効長をとすると、座屈荷重Pkは次
式により表わされる。 Pk＝4π2Eb／2・Wtb3／12 …(3) (2)，(3)式により座屈を生ずるに必要な電圧は次
式によつて表わされる。 Vk＝π2tb2（ntaEa＋2tbEb）／3n2Ead31 …(4) 従つて、１組の単位素子の両面に弾性板を設け
た場合の中央部におけるたわみ量は2ξnとなる。
そして本案圧電変位素子はかかる単位素子を複数
組弾性板ｂの最大たわみ位置において機械的に結
合することにより、上端から下端までの長さ変位
量Δyは夫々の単位素子の変位が加算されるため、 Δy＝2mξn… (8) となる。 次に上記各式を用いて具体的に入力電圧Ｖとた
わみ量ξnの関係を示す。 素子ａの全長 ＝30mm 弾性体の有効長 30mm 素子の有効幅 Ｗ＝10mm 弾性板の有効幅 Ｗ＝10mm 弾性板の厚み tb＝0.1mm 弾性板の縦弾性定数 Eb＝2.1×106Kg／cm2 素子の単位セラミツクの厚み ta0.1mm 単位素子の積層数 ｎ＝50 圧電素子の縦弾性定数 Ea＝6.9×105Kg／cm2 圧電素子の圧電ｄ定数 d31＝287×1012m／cm2 単位素子の結合数 ｍ＝10 圧電変位素子全体の寸法 55×30×10 (4)式によりVkを求めると、Vk＝14.3Vすなわち
本案圧電変位素子の動作に必要な最小の電圧は
14.3ボルトとなる。 以下に入力電圧Ｖとたわみ量Δy及び荷重Ｐの
解析結異を第１表に示す。
【表】
以上述べた如く本考案によれば、単層又は積層
した矩形圧電セラミツク素子の両面に矩形弾性体
板を両端部で機械的に結合して単位素子とし、該
単位素子の上下面の中央部を複数組機械的に結合
するように構成したので、上記各単位素子の圧電
素子が収縮する方向に電圧を印加することにより
上記圧電素子と弾性体板との間に座屈変位を生ぜ
しめることができるので、所定の変位量に設定す
ることが容易に行ない得る。そして従来の積層素
子のように長大な寸法にすることなく実用的なミ
リメートル単位の変位量を低い電圧印加によつて
可能となる。 またバイモルフ素子の場合は、片方の素子には
常に分極方向に対して逆方向の電圧が加えられる
ため特性劣化を招来するが、本案素子の場合は全
ての素子に対して正方向の電圧印加で駆動するこ
とができ寿命の長いこの種圧電変位素子を得るこ
とができる。 従つて、本案素子は適用される技術分野は多岐
に亘るが、特に精密機械・光学器械・レーザー装
置の位置制御等に広く応用可能となる。また電磁
ソレノイド・サーボモータに代替して用いること
もできよう。
した矩形圧電セラミツク素子の両面に矩形弾性体
板を両端部で機械的に結合して単位素子とし、該
単位素子の上下面の中央部を複数組機械的に結合
するように構成したので、上記各単位素子の圧電
素子が収縮する方向に電圧を印加することにより
上記圧電素子と弾性体板との間に座屈変位を生ぜ
しめることができるので、所定の変位量に設定す
ることが容易に行ない得る。そして従来の積層素
子のように長大な寸法にすることなく実用的なミ
リメートル単位の変位量を低い電圧印加によつて
可能となる。 またバイモルフ素子の場合は、片方の素子には
常に分極方向に対して逆方向の電圧が加えられる
ため特性劣化を招来するが、本案素子の場合は全
ての素子に対して正方向の電圧印加で駆動するこ
とができ寿命の長いこの種圧電変位素子を得るこ
とができる。 従つて、本案素子は適用される技術分野は多岐
に亘るが、特に精密機械・光学器械・レーザー装
置の位置制御等に広く応用可能となる。また電磁
ソレノイド・サーボモータに代替して用いること
もできよう。
第１図は本考案圧電変位素子の単位素子の一例
を示す斜視図、第２図及び第３図は単位素子の動
作の説明に供する図及び距離・たわみ関係線図、
第４図Ａ，Ｂは本案変位素子の構成を示す図及び
動作図である。 ａ……圧電セラミツク素子、ｂ……弾性体板。
を示す斜視図、第２図及び第３図は単位素子の動
作の説明に供する図及び距離・たわみ関係線図、
第４図Ａ，Ｂは本案変位素子の構成を示す図及び
動作図である。 ａ……圧電セラミツク素子、ｂ……弾性体板。
Claims (1)
- 単層又は積層した矩形圧電セラミツク素子の両
面に矩形弾性体板を両端部で機械的に結合して単
位素子とし、該単位素子の上下面の中央部を複数
組機械的に結合したことを特徴とする圧電変位素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1982173453U JPS5977253U (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 圧電変位素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1982173453U JPS5977253U (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 圧電変位素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5977253U JPS5977253U (ja) | 1984-05-25 |
| JPH0132750Y2 true JPH0132750Y2 (ja) | 1989-10-05 |
Family
ID=30377857
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1982173453U Granted JPS5977253U (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 圧電変位素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5977253U (ja) |
-
1982
- 1982-11-15 JP JP1982173453U patent/JPS5977253U/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5977253U (ja) | 1984-05-25 |
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