JPH02260582A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 この発明は、電圧を印加すると全長が伸長変位する圧電
体を用いた圧電アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

圧電アクチュエータは、結晶構造に対称の中心を持たな
い結晶において外部から電界を加えると、電界に比例し
た電気分極が発生する逆圧電効果を利用したもので、単
純な構造で大きな力を発生することができる。近年では
、種々の用途に使用されている。以下、従来の圧電アク
チュエータを説明する。

ｆｆ１４図は、従来の圧電アクチュエータを示す模式図
である。この圧電アクチュエータは、同一の圧電体（薄
板）１を同一形状、同一寸法の電極板２．２で両側から
挾んで積層して形成され、積層方向からの位置ずれを防
止する為に、接着剤で圧電体１と電極板２．２を固定し
ていた。圧電体１を挾む電極板２．２は、電源のプラス
端子及びマイナス端子に接続されており、圧電体１には
弾性ひずみが作動する方向に電界が加えられる。隣接す
る圧電体薄板の内部に形成される分極方向は、互いに逆
向きになっている。

電極板２．２、・・・に所定の電圧が印加されると、圧
電体１．１、・・・に弾性ひずみが発生し、圧電アクチ
ュエータが変位する。この伸長変位や、変位を抑制する
時に発生する力を利用して、例えば、顕微鏡の試料台等
を高精度で駆動する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、圧電アクチュエータには印加電圧に対して変
位する圧電体が含まれており、電圧を印加する時に生じ
る分極方向における圧電体の伸長変位及び伸びようとす
る力（伸長力）を利用するものである。

第５図は圧電体の圧縮試験結果を示すものであり、第６
図は圧電体の引張試験結果を示すものである。圧縮強度
は５１００ｋｇ／ｃｍ２にも及ぶが、引張強度は２１０
ｋｇ／ｃｍ２に過ぎない。

この試験結果でも明らかなように、圧電体は一般的に圧
縮応力に対しては強いが引張応力に対しては弱いという
性質を有している。

以下、第７図及び第８図を参照して従来の圧電アクチュ
エータの問題点について説明する。第７図は、圧電アク
チュエータの変位と発生力との関係を示す特性図である
。同図において、外力が加わらない時の最大伸びをＡ１
変位を抑制した時の最大発生力をＢとした場合、この圧
電アクチュエータは最大発生力Ｂに満たない引張応力り
が加わると破壊される。第８図は、従来技術の問題点を
説明する為の工程図である。同図（ａ）は、第７図で示
した圧電体を、電圧が印加されていない無負荷状態で模
式的に示すものである。従って、この圧電体１を伸長変
位を拘束して電圧を印加するとＢの力（第７図参照）が
発生する。無負荷状態電圧をで印加すると弾性ひずみが
発生する方向（第８図において上下方向）にＡだけ伸び
る（同図（Ｃ））。この圧電体１を利用して引張応力を
取り出す場合、その両端部を固定し、電圧を印加した状
態から電圧を除去して引張応力あるいは収縮変位を利用
する。この場合、最大限に引張応力あるいは収縮変位を
利用する為に、伸び切った状態（伸長変位Ａ）で作用さ
せる場合について考察する。伸長変位Ａ（電圧を印加し
た状態）で両端部を固定しく第８図（ｄ））電圧を除去
すると、圧電体１には変位の収縮と共に引張応力が作用
する。ところが、１ｔ！【が除去された状態で作用する
引張応力は、圧電体１の引張破壊応力より大きいので、
圧電体１は物理的に破壊されてしまう（同図（ｅ））。

その為、従来の圧電アクチュエータでは、引張力、ある
いは収縮変位を十分に利用できないという欠点があった
。

そこで本発明は、圧電体に圧縮部材を組み付けることに
より、圧電アクチュエータの引張応力による破壊を阻止
し、圧電アクチュエータの利用範囲を拡大することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を達成するため、この発明は電圧を印加すると
全長が伸長変位する圧電体を用いた圧電アクチュエータ
において、この圧電体に電圧が印加されたとき弾性ひず
みが発生する方向で、当該圧電体の圧縮強度より小さい
圧縮応力を当該圧電体に与える圧縮部材を備えて構成さ
れている。

この場合、圧電体と圧縮部材との間で、電極板を配置す
ることができる。

〔作用〕

この発明は、以上のように構成されているので、少なく
とも引張応力により圧電体が破壊されることを阻止する
ことができる。

また、圧電体と圧縮部材との間に圧縮応力が作用する場
合は、圧電体と圧縮部材の間に介在された電極板は、接
着剤が塗布されなくても十分に固定される。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例に係る圧電アクチュエータを
添付図面に基づき説明する。なお、説明において同一要
素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

第１図は、本発明の基本構成に係る圧電アクチュエータ
を示すものである。この圧電アクチュエータは、電圧の
印加に伴い伸長変位する圧電体３と、この圧電体３に電
圧が印加されたとき弾性ひずみが発生する方向（同図に
おいて上下方向）で、当該圧電体３の少なくとも圧縮強
度より小さく、最大発生力（変位抑制時）より引張強度
を引いた圧縮力より大きい圧縮応力を当該圧電体に与え
る圧縮部材４を備えて構成されている。

第１図（ａ）は圧電アクチュエータの分解状態を示すも
のであり、同図（ｂ）は組立状態を示すものである。こ
の圧電アクチュエータは、例えば圧電体の全長より小さ
いアルミ製フレ、−ム等で形成された圧縮部材４に、円
柱等の圧電体３を嵌め込んで収縮させる。この圧縮部材
４の端面は十分な剛性を持つ厚さになっている。圧電体
３は、圧縮部材４により圧縮応力を受けた状態になって
いる（同図（ｂ）参照）。全長し　の圧電体３が組み立
てられた時に、例えば、その全長が（Ｌ。

ΔＬｐ）に収縮した場合、ΔＬｐだけ圧電体３を収縮さ
せる為に必要な応力が、圧電体３に圧縮応力として作用
する。この圧電アクチュエータに電圧が印加されると、
圧電体３は弾性ひずみが発生する方向で伸長する（同図
（Ｃ））。単独の圧電体３に電圧が印加された時、例え
ば、無負荷状態の伸長変位がＡであり、圧電体３が圧縮
部材４に組み込まれた状態の伸長変位が０であれば、Ａ
だけ圧電体３を収縮する為に必要な応力が圧電体３に圧
縮応力として作用する。この圧縮応力は、圧電体３の圧
縮強度より小さいので、この圧縮応力の為に圧電体３が
破壊されることはない。この圧電アクチュエータは、電
圧を除去すると元の状態（同図（ｂ）参照）に収縮する
。

第２図は、上記実施例に係る圧電アクチュエータの作用
を示すものである。同図（ａ）はその組立状態、同図（
ｂ）は電圧印加状態、同図（ｃ）は電圧除去状態を示す
。組立状態の圧電アクチュエータでは、圧電体３が圧縮
応力を受けた状態にあり、圧縮部材４は引張応力を受け
た状態にある（同図（ａ））。

圧電体３に所定の電圧が印加されると、圧電体３は圧縮
部材４から受ける圧縮力に抗して、伸びようとする。そ
の為、圧縮部材４にはさらに大きい引張応力が付加され
、圧電アクチュエータの全長はさらに伸長する。この場
合、圧電体３に作用する圧縮応力は当該圧縮強度より小
さいので、圧縮応力により圧電アクチュエータが破壊さ
れることはない。この圧電アクチュエータの伸長変化を
押す方向に作用する力として利用することができる（同
図（ｂ））。

また、圧電体３に印加されている電圧を除去すると、圧
電体３は、伸びようとする力が無くなり、圧縮部材の縮
もうとする力により圧電アクチュエータは元の状態（同
図（ａ）参照）に収縮する。

この場合、圧縮部材４は、圧縮強度より小さく、最大発
生力（変位抑制時）より引張強度を引いた圧縮圧力を圧
電体３に与えているので、圧電体３に引張強度より大き
い引張応力は作用しないので、引張応力により圧電アク
チュエータが破壊されることはない。この圧電アクチュ
エータの収縮変化を引く方向に作用する力、として利用
することができる（同図（Ｃ））。従って、電圧の印加
書除去により、押す方向に作用する力と引く方向に作用
する力が発生する。

第３図は、この発明の変形例に係る圧電アクチュエータ
を示す構成図である。同図（ａ）は、円筒等の筒状圧縮
部材５と円柱圧電体６を組み合わせた圧電アクチュエー
タを示すものである。同図（ａ）の下部には側面図、上
部には側面図のＡ−Ａ′線で切断した断面図を示す。円
柱圧電体６は、筒状圧縮部材５の中空部の中央部に固定
されている。

同図（ｂ）は、四角形等の枠状圧縮部材７で角柱圧電体
８を組み合わせた圧電アクチュエータを示すもの、であ
る。同図（ｂ）の下部には側面図、上部には側面図のＢ
−Ｂ’線で切断した断面図を示す。角柱圧電体８は、枠
状圧縮部材７のほぼ中央部で固定されている。

同図（ｃ）は、円形圧縮部材９．９で円柱圧電体１０を
挾み、円形圧縮部材９の周辺をボルト１１．１１、・・
・で固定した圧電アクチュエータを示すものである。同
図（ｃ）の下部には側面図、上部には側面図のｃ−ｃ’
線で切断した断面図を示す。円柱圧電体１０は、円形圧
縮部材９のほぼ中央部に固定されている。

同図（ｄ）は、円形圧縮部材１２．１２で円柱圧電体１
３を挾み、この円柱圧電体１３の中を貫通するボルト１
４で固定した圧電アクチュエータを示すものである。同
図（ｄ）の下部には側面図、上部には側面図のＤ−Ｄ’
線で切断した断面図を示す。圧電体１４は、円形圧縮部
材１２のほぼ中央部に固定されている。

上記実施例及び変形例において、圧電アクチュエータに
引張応力が全く発生しないようにする為には、例えば、
第７図で示す発生力８以上の力をあらかじめ圧電体に与
えておくことが望ましい。

しかし、圧電アクチュエータ自体も、ある程度の引張応
力りには耐えるので、引張で破壊しないだけならその差
だけの圧縮力（Ｂ−Ｄ）を与えておけば十分である。ま
た、最大発生応力８以上の力を加えるのは、圧縮部材の
強度、重量等の点から得策ではない。従って、この場合
の圧縮力はＢ〜（Ｂ−Ｄ）の範囲で設定することが望ま
しい。

また、この上記実施例及び変形例において、圧電体と圧
縮部材との間に、圧電体を挿入できる窪みを備えた電極
板を介在させることができる。この場合、圧電体と電極
板との間に接着剤等を塗布する必要がなくなる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、圧電体、圧縮部材の形状、大きさ、長さ等は
任意的なものであり、圧電アクチュエータが使用される
条件、環境等により、適切なものが設定される。

また、上記実施例では１つの圧縮部材に１つの圧電体を
組み付けて構成していたが、複数の圧電体を組み付けて
、押す方向に作用する力、引く方向に作用する力を倍増
することができる。

さらに、圧電体に加わる応力は、引張強度未満であれば
破壊されないことから、電圧が印加されていない状態で
引張応力（く引張強度）が作用する（圧縮）部材を使用
することができる。この場合、圧電体の両端部は接着剤
等で（圧縮）部材に固定される。このように構成すると
、当初圧電体には引張応力（く引張強度）が作用してい
るので、電圧が印加されて伸び切った時、圧縮部材の伸
長変位により圧電体に加えられる圧縮応力を、その分だ
け小さくすることができる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したように構成されているので、
圧電体に圧縮部材を組み付けることにより、少なくとも
圧電アクチュエータの引張応力による破壊を阻止し、圧
電アクチュエータの利用範囲を拡大することができる。

また、引張応力に対して強度の低い圧電体に圧縮部材を
組み合わせることにより、本来の引張強度以上の引張力
を発揮することができる圧電アクチュエータを実現でき
る。

さらに、窪み付き電極等を使用すれば、接着等の固定手
段を必要としない押し／引き両方向駆動可能なアクチュ
エータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る圧電アクチュエータを
示す説明図、第２図は第１図に示す圧電アクチュエータ
の作用を示す説明図、第３図は本発明の変形例に係る圧
電アクチュエータを示す説明図、第４図は従来技術に係
る圧電アクチュエータを示す縦断面図、第５図は圧電体
の圧縮試験結果を示す図、第６図は圧電体の引張試験結
果を示す図、第７図は圧電アクチュエータの特性図、第
８図は従来技術の問題点を示す説明図である。 １．３・・・圧電体、２・・・電極板、４・・・圧縮部
材、５・・・筒状圧縮部材、６．１０．１３・・・円柱
圧電体、７・・・枠状圧縮部材、８・・・角柱圧電体、
９．１２・・・円形圧縮部材、 １、 ４・・・ボルト。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．電圧を印加すると全長が伸長変位する圧電体を用い
   た圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体に電圧が印
   加されたとき、弾性ひずみが発生する方向で、当該圧電
   体の圧縮強度より小さい圧縮応力を当該圧電体に与える
   圧縮部材を備えて構成されていることを特徴とする圧電
   アクチュエータ。
2. ２．前記圧縮部材が、前記圧電体に電圧を印加しない状
   態で、この圧電体の圧縮強度より小さい圧縮応力を当該
   圧電体に与えていることを特徴とする請求項１記載の圧
   電アクチュエータ。
3. ３．前記圧縮部材が、前記圧電体に電圧を印加しない状
   態で、この圧電体の変位を抑制した時の最大発生力より
   大きい圧縮応力を当該圧電体に与えていることを特徴と
   する請求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. ４．前記圧縮部材が、前記圧電体に電圧を印加しない状
   態で、この圧電体の変位を抑制した時の最大発生力より
   小さく、かつ、この最大発生力から引張強度を引いた圧
   縮力より大きい圧縮応力を当該圧電体に与えていること
   を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。