JPH03245778A - Piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator

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JPH03245778A
JPH03245778A JP2041609A JP4160990A JPH03245778A JP H03245778 A JPH03245778 A JP H03245778A JP 2041609 A JP2041609 A JP 2041609A JP 4160990 A JP4160990 A JP 4160990A JP H03245778 A JPH03245778 A JP H03245778A
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JP
Japan
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piezoelectric element
piezoelectric
piezoelectric actuator
laminated piezoelectric
vibrator
Prior art date
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Pending
Application number
JP2041609A
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Japanese (ja)
Inventor
Mayumi Koyama
小山 まゆみ
Masaki Yamaguchi
昌樹 山口
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH03245778A publication Critical patent/JPH03245778A/en
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To simplify the construction by using transversal effect laminated piezoelectric elements for one kind of vibrator elements arranged in two directions meeting at almost right angles to each other, and a longitudinal effect laminated piezoelectric element for the other. CONSTITUTION:A vibrator 11 with both arm sections 13a, 13b formed at its ends has a U-shaped construction, and both the arm sections 13a, 13b are composed of longitudinal effect laminated piezoelectric elements. The base section 15 with the arm sections 13a, 13b glued to it and held is composed of a transversal effect laminated piezoelectric element. A longitudinal effect laminated piezoelectric element 13 is an element of piezoelectric elements laminated through the medium of electrodes, and expands or contracts in the direction of lamination in proportion to applied voltage. Whereas, the transversal effect laminated piezoelectric element is an element which expands or contracts in the direction perpendicular to the laminated direction. As mentioned above, the vibrator 11 is merely composed of the transversal effect laminated piezoelectric element and longitudinal effect piezoelectric elements joined to one another.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、圧電素子により駆動される圧電アクチュエー
タに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a piezoelectric actuator driven by a piezoelectric element.

[従来技術] 従来、圧電素子を励振源とした圧電アクチュエータには
、第5図に示されるものがあった。図中51は、圧電ア
クチュエータが内包されるケースであり、53はケース
51に固定された回転軸55に回動可能に支持された弾
性体であり、55はこの圧電アクチュエータにより移動
される可動子である。弾性体53には、その上面及び両
側面に圧電素子57.59が接着されており、その端部
には可動子55と当接する当接部61が形成されている
[Prior Art] Conventionally, there has been a piezoelectric actuator using a piezoelectric element as an excitation source, as shown in FIG. In the figure, 51 is a case containing a piezoelectric actuator, 53 is an elastic body rotatably supported by a rotating shaft 55 fixed to the case 51, and 55 is a movable element moved by this piezoelectric actuator. It is. Piezoelectric elements 57 and 59 are bonded to the upper surface and both side surfaces of the elastic body 53, and a contact portion 61 that contacts the movable element 55 is formed at the end thereof.

このように構成される圧電アクチュエータでは、弾性体
53上の圧電素子57.59に所定の周波数の電圧が印
加されると、圧電素子57.59はその周波数に従って
伸縮し、弾性体53を振動させる。そして、弾性体53
に形成された当接部61は、弾性体53の振動に伴って
略円形の軌道を描くように振動し、可動子55は、当接
部61との接触抵抗により移動されていた。
In the piezoelectric actuator configured in this way, when a voltage of a predetermined frequency is applied to the piezoelectric element 57.59 on the elastic body 53, the piezoelectric element 57.59 expands and contracts according to the frequency, causing the elastic body 53 to vibrate. . And elastic body 53
The contact portion 61 formed in the contact portion 61 vibrates in a substantially circular trajectory with the vibration of the elastic body 53, and the movable element 55 is moved due to contact resistance with the contact portion 61.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記のように構成される圧電アクチュエ
ータでは、圧電素子の振動周波数を弾性体の共振周波数
に設定する必要があるため、圧電素子の選定、弾性体の
形状等、設計上考慮すべき点が多かった。また、このよ
うに構成される圧電アクチュエータは、構造が複雑なも
のになると共に比較的大きなものとなっていたため、そ
の使用条件に制限があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the piezoelectric actuator configured as described above, it is necessary to set the vibration frequency of the piezoelectric element to the resonance frequency of the elastic body. There were many points to consider in the design. Furthermore, the piezoelectric actuator constructed in this manner has a complicated structure and is relatively large, so that there are restrictions on the conditions under which it can be used.

本発明は、上述された問題点を解決するためになされた
ものであり、弾性体の共振周波数等、設計上の考慮すべ
き点を少なくし、更に構造を簡単にすることを目的とす
る。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to reduce design considerations such as the resonance frequency of the elastic body and further simplify the structure.

[課題を解決するための手段] この目的を達成するために本発明の圧電アクチュエータ
は、互いに略直交する2方向の振動子の内の一方を横動
集積層型圧電素子とし、他方を縦効集積層型圧電素子と
する。また、横動集積層型圧電素子の一層当りの厚さt
を5μm<t<40μmとする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the piezoelectric actuator of the present invention has vibrators in two directions substantially perpendicular to each other, one of which is a transverse-motion stacked piezoelectric element, and the other is a longitudinal-effect piezoelectric element. It is an integrated layered piezoelectric element. Also, the thickness t per layer of the transverse motion integrated layered piezoelectric element
5μm<t<40μm.

[作用] 上記の構成を有する本発明の圧電アクチュエータでは、
横効果圧電素子及び縦効果圧電素子に交流電圧が印加さ
れると、横効果圧電素子は電圧印加方向に対して横方向
に伸縮振動し、縦効果圧電素子は縦方向に伸縮振動をす
る。そして、これら2つの圧電素子の合成振動により可
動子を所定方向に駆動する。
[Function] In the piezoelectric actuator of the present invention having the above configuration,
When an AC voltage is applied to the transverse effect piezoelectric element and the longitudinal effect piezoelectric element, the transverse effect piezoelectric element expands and contracts in the horizontal direction with respect to the voltage application direction, and the longitudinal effect piezoelectric element expands and contracts in the vertical direction. The movable element is then driven in a predetermined direction by the combined vibration of these two piezoelectric elements.

[実施例] 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。
[Example] Hereinafter, an example embodying the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図には、本発明の圧電アクチュエータが示されてい
る。1は、本発明の圧電アクチュエータの外枠を形成す
るケースであり、このケース1には図に示された左右の
側面に開口3,5が設けられ、この開口3,5を介して
圧電アクチュエータにより移動させられる可動子7が圧
電アクチュエータに移動可能に挿通されている。そして
ケース1内には、可動子7をスムーズに移動させるため
の回動ローラ9が可動子7の上面と接する位置に設けら
れると共に圧電アクチュエータの駆動源である振動子1
1が内蔵されている。
FIG. 1 shows a piezoelectric actuator of the present invention. Reference numeral 1 denotes a case that forms the outer frame of the piezoelectric actuator of the present invention, and this case 1 is provided with openings 3 and 5 on the left and right sides shown in the figure, and the piezoelectric actuator is inserted through the openings 3 and 5. A movable element 7, which is moved by a piezoelectric actuator, is movably inserted through the piezoelectric actuator. Inside the case 1, a rotating roller 9 for smoothly moving the movable element 7 is provided at a position in contact with the upper surface of the movable element 7, and a vibrator 1 which is a drive source of the piezoelectric actuator.
1 is built-in.

振動子11は、端部に両腕部13a、13bが形成され
たコ字状をしており、その両腕部13a。
The vibrator 11 has a U-shape with both arm parts 13a and 13b formed at the ends thereof.

13bは縦効集積層型圧電素子により構成され、その両
腕部13a、13bが接着保持された基部15は横動集
積層型圧電素子により構成されている。また、縦効集積
層型圧電素子13とは、圧電素子が電極を介して積層さ
れたものにおいて、印加電圧に応じ積層方向に伸縮する
圧電素子であり、横動集積層型圧電素子15とは、積層
方向に対し直交する方向に伸縮する圧電素子である。こ
の振動子11は、ケース1に固着された保持棒17に固
定されている。
Reference numeral 13b is constituted by a vertically effecting laminated piezoelectric element, and the base 15 to which both arm portions 13a and 13b are bonded and held is constituted by a transversely acting laminated piezoelectric element. Further, the longitudinal effect integrated layered piezoelectric element 13 is a piezoelectric element in which piezoelectric elements are stacked via electrodes, and expands and contracts in the stacking direction according to the applied voltage, and the lateral effect integrated layered piezoelectric element 15 is , is a piezoelectric element that expands and contracts in a direction perpendicular to the stacking direction. This vibrator 11 is fixed to a holding rod 17 fixed to the case 1.

次にこの様に構成される圧電アクチュエータの動作を第
2図を用いて説明すると、まず振動子11の左側腕部1
3gの圧電素子に所定の極性の電圧を印加する。すると
腕部13aは可動子7に向って伸長され、可動子7が腕
部13aと回動ローラ9の間に挾持される(第2図a)
。次にこの状態を保ちながら、基部15の圧電素子に電
圧を印加すると基部15は伸長され、その伸長に伴い可
動子7は相対移動される。次に、腕部13aに印加され
ている電圧を停止すると共に、腕部13bに電圧を印加
すると腕部13aは元の長さに収縮し、腕部13bは伸
長する(第2図b)。そして可動子7が腕部13bによ
り圧着された状態で、基部15に印加された電圧を停止
すると伸長されていた基部15は元の長さに収縮され、
この基部15の収縮に伴い可動子7は左方へ更に相対移
動される。そして、腕部13bの電圧印加が解除され、
上述した動作が繰返されると可動子7は連続的に相対移
動する。
Next, the operation of the piezoelectric actuator configured in this way will be explained using FIG. 2. First, the left arm portion 1 of the vibrator 11
A voltage of a predetermined polarity is applied to a 3g piezoelectric element. Then, the arm portion 13a is extended toward the movable element 7, and the movable element 7 is held between the arm portion 13a and the rotating roller 9 (FIG. 2a).
. Next, while maintaining this state, when a voltage is applied to the piezoelectric element of the base 15, the base 15 is expanded, and the movable element 7 is relatively moved as the base 15 is expanded. Next, when the voltage applied to the arm 13a is stopped and a voltage is applied to the arm 13b, the arm 13a contracts to its original length and the arm 13b extends (FIG. 2b). When the voltage applied to the base 15 is stopped with the mover 7 being crimped by the arm 13b, the expanded base 15 is contracted to its original length.
As the base portion 15 contracts, the mover 7 is further relatively moved to the left. Then, the voltage application to the arm portion 13b is released,
When the above-described operation is repeated, the movable element 7 continuously moves relatively.

尚、可動子7を右方へ相対移動させるためには腕部13
aの電圧印加順序を逆に行えばよく、その′基本動作は
可動子7の移動方向により異なるものではない。
In addition, in order to relatively move the mover 7 to the right, the arm portion 13 is
It is sufficient to reverse the order of voltage application a, and the basic operation does not differ depending on the moving direction of the movable element 7.

また、圧電素子に印加される電圧の極性を反転させると
、圧電素子を収縮させることができ、この収縮動作によ
り可動子7を移動させるようにしてもよい。また、基部
15に印加される電圧の極性を反転可能にすると、圧電
印加に伴い可動子17を伸縮させることができるので、
可動子17の移動ストロークを大きくすることができる
Further, by reversing the polarity of the voltage applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element can be contracted, and the movable element 7 may be moved by this contraction operation. Furthermore, if the polarity of the voltage applied to the base 15 is made reversible, the mover 17 can be expanded and contracted as piezoelectricity is applied.
The movement stroke of the movable element 17 can be increased.

一方、横効果積層型圧電素子の物性特性は圧電素子の長
さをl、その長さの変位量をΔ15厚さをtとした場合
、以下の式で表される。
On the other hand, the physical properties of the transverse effect laminated piezoelectric element are expressed by the following equation, where the length of the piezoelectric element is l, the amount of displacement of the length is Δ15, and the thickness is t.

ここで d31:圧電定数[m/V1 M、1:電歪定数 [m/V2コ E :電界 そして、圧電アクチュエータに利用した場合、その機構
上最も利用範囲の広い条件として、d3.=−160X
10−12 [m/V]M31− 2.41 X 10
−”  [m/V2]Jl  −34X10−’  [
mコ が上げられる。
Here, d31: piezoelectric constant [m/V1 M, 1: electrostrictive constant [m/V2 coE: electric field]. When used in a piezoelectric actuator, d3. =-160X
10-12 [m/V] M31- 2.41 X 10
-” [m/V2] Jl -34X10-' [
Mko is raised.

また、この条件下で、圧電アクチュエータを最速で駆動
するためには、実験上圧電素子に加えられる電圧は50
■(実効値)、50KH2である。
In addition, under these conditions, in order to drive the piezoelectric actuator at the fastest speed, the voltage applied to the piezoelectric element was experimentally 50
■(Effective value), 50KH2.

このとき可動子の移動速度は、はぼ1.8m/sになる
。一方、可動子の移動速度は、縦方向と横方向に伸縮す
る2つの方向の速度成分が合成された円運動の回転速度
と考えることができる。そして、圧電素子の変位量Δl
は、50KH2の周期で、1.8m/sの接続方向速度
で回転する円運動の振幅と考えられ、 V 讃 r W に代入すると、 1.8m/s−2πX50X103Xrr−ffxlo
xlo−6 となり、圧電素子の振幅Δlは、10μm(実効値)と
なる。
At this time, the moving speed of the mover is approximately 1.8 m/s. On the other hand, the moving speed of the movable element can be considered to be the rotational speed of a circular motion in which velocity components in two directions, elongating and contracting in the vertical direction and the horizontal direction, are combined. Then, the displacement amount Δl of the piezoelectric element
is considered to be the amplitude of a circular motion rotating with a period of 50KH2 and a speed in the connecting direction of 1.8m/s, and when substituted for V, we get 1.8m/s-2πX50X103Xrr-ffxlo
xlo-6, and the amplitude Δl of the piezoelectric element is 10 μm (effective value).

そこで、■の式にそれぞれの値を代入すると圧電素子の
厚さtは、 10X10−6−−1.60X10−12X60、′、
t−40Cμmコ となる。そして、横効果積層型圧電素子の一層当たりの
厚さは40μm以下とする必要がある。
Therefore, by substituting each value into the formula (■), the thickness t of the piezoelectric element is 10X10-6--1.60X10-12X60,',
It becomes t-40Cμm. The thickness of each layer of the lateral effect stacked piezoelectric element must be 40 μm or less.

また、圧電素子はセラミックス粉末が焼結されて製造さ
れており、第3図に示されるように粉子が均一に焼結さ
れず、粉子間に隙間(ボイド)19が発生する。このた
め、電極21との間隔をあまり狭くすると圧電素子の動
作に隙間が影響を及ぼすが、その間隔を粉末5個分程度
(5μm)以上にすれば隙間の影響を受けずに電圧素子
を使用することができる。
Furthermore, piezoelectric elements are manufactured by sintering ceramic powder, and as shown in FIG. 3, the powder is not sintered uniformly, resulting in gaps (voids) 19 between the powder. For this reason, if the distance between the electrode 21 and the electrode 21 is too narrow, the gap will affect the operation of the piezoelectric element, but if the distance is set to about 5 powders (5 μm) or more, the voltage element can be used without being affected by the gap. can do.

従って、−層当たりの横効果積層型圧電素子の厚さtを
5μm<t<40μmとすれば、良好に圧電素子を用い
ることができる。
Therefore, if the thickness t of the lateral effect stacked piezoelectric element per layer is 5 μm<t<40 μm, the piezoelectric device can be used satisfactorily.

[発明の効果] 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、圧電アクチュエータの振動子に弾性体を必要とせず、
弾性体の共振周波数を考慮する必要がない。また、振動
子は横効果積層型圧電素子と縦効果積層型圧電素子を接
合したのみであるためその構造が簡単である。また、横
効果積層型圧電素子の一層当たりの厚さtを5μm<t
<40μmとしたので、その圧電素子を最適に用いるこ
とができる。
[Effects of the Invention] As is clear from the detailed description above, according to the present invention, an elastic body is not required for the vibrator of the piezoelectric actuator,
There is no need to consider the resonance frequency of the elastic body. Further, the structure of the vibrator is simple because it is only a transverse effect stacked piezoelectric element and a longitudinal effect stacked piezoelectric element joined together. In addition, the thickness t per layer of the transverse effect laminated piezoelectric element is 5 μm<t
Since it is <40 μm, the piezoelectric element can be used optimally.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図から第3図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第1図は本発明の圧電アクチュエータの内部
を示す断面図、第2図は圧電アクチュエータの動作を示
す側面図、第3図は横効果積層型圧電素子の焼結状態を
示す顕微鏡写真、第4図は従来の圧電アクチュエータの
構造を示す断面図である。 図中、1はケース、7は可動子、11は振動子、19は
隙間、21は電極である。
1 to 3 show embodiments embodying the present invention. FIG. 1 is a sectional view showing the inside of the piezoelectric actuator of the present invention, and FIG. 2 is a side view showing the operation of the piezoelectric actuator. , FIG. 3 is a micrograph showing the sintered state of a transverse effect laminated piezoelectric element, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional piezoelectric actuator. In the figure, 1 is a case, 7 is a mover, 11 is a vibrator, 19 is a gap, and 21 is an electrode.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.互いに略直交する2方向の振動子を備えた圧電アク
チュエータにおいて、一方の振動子を横効果積層型圧電
素子とし、他方の振動子を縦効果積層型圧電素子とした
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
1. A piezoelectric actuator comprising vibrators in two directions substantially perpendicular to each other, wherein one of the vibrators is a transverse effect stacked piezoelectric element and the other vibrator is a longitudinal effect stacked piezoelectric element.
2.請求項1記載の圧電アクチュエータにおいて、横効
果積層型圧電素子の一層当りの厚さtを5μm<t<4
0μmとしたことを特徴とした圧電アクチュエータ。
2. In the piezoelectric actuator according to claim 1, the thickness t of each layer of the transverse effect laminated piezoelectric element is 5 μm<t<4.
A piezoelectric actuator characterized by having a thickness of 0 μm.
JP2041609A 1990-02-22 1990-02-22 Piezoelectric actuator Pending JPH03245778A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013179730A (en) * 2012-02-28 2013-09-09 Nikon Corp Vibration actuator, lens barrel, camera, and method of manufacturing electromechanical conversion member

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