JPH03283580A - 変位拡大機構付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） 本発明は、圧電素子の発生変位を利用したアクチュエー
タに関する。

〔従来の技術〕

従来、この種のアクチュエータとしては、例えば、良く
知られているようにチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ　（Ｔｉ
Ｚｒ）０３の圧電セラミックスを用いたものがある。し
かしこの圧電セラミックスの発生変位は１０μｓ／ｌｋ
ｖ／ｃｍ程度である。実用的にこのアクチュエータを使
いこなすためには発生変位が小さ過ぎる。そこで、てこ
の原理などを使って圧電素子の発生変位を機械的に増幅
するアクチュエータがある（例えば、特開昭５９−１７
５３８６）。

第６図はてこの原理を用いたコの字形の梁による変位拡
大機構付圧電アクチュエータを示す図である。この場合
、圧電素子１に電源５がらの電圧■ｏを印加すると、そ
の発生変位は梁９により１２　／　７　ｒの割合で拡大
される。

（発明が解決しようとする課題〕 上述した従来の変位拡大機構付圧電アクチュエータでは
、以下のような欠点がある。

周知のように、圧電素子の印加電圧と発生変位間の特性
にはビステリシスが存在する。機械的に圧電素子の発生
変位を拡大する場合には、このビステリシスもそのまま
拡大されてしまう。したがって、鯖密制御を行なう際は
電圧のみによる制御は不可能で、複雑なフィードバック
系が必要になってくる。さらに、フィードバック系があ
ると制御に要する時間が長くなる。

本発明の目的は、出力特性のビステリシスが少ない変位
拡大機構付圧電アクチュエータを提供することである。

〔課題を解決するための〕手段 本発明の変位拡大機構付圧電アクチュエータは、 同じ出力特性の２個の圧電素子と、 一方の腕が他方の腕よりもわずかに短かく、該一方の端
部に、外側に９０°の延びる部分が形成されており、各
圧電素子の変位を一方の腕の端部において拡大する同一
形状寸法のコの字形の２個の部分が、前記部分が互いに
対向するように他方の腕の端面において互いに接合され
た形状の梁と、該梁の前記画部分の端面同志を接合する
接合梁とからなる変位拡大機構と、 変位拡大機構の他方の腕の端部が互いに逆相に動くよう
に両圧電素子に電圧を印加する分配器とを有している。

〔作　用〕

第４図は、この圧電素子の発生変位と印加電圧間の特性
を模式的に示すグラフである。第４図によれば、２個の
圧電素子の印加電圧を例えば、方の圧電素子はＯｖより
ΔＶ　（Ｖ）昇圧し、他方は、Ｖ　（Ｖ）の電圧よりΔ
Ｖ　（Ｖ）降圧することにする。つまり、一方はＩ側を
、他方はｎ側を進む。したがって、各々の経路をたどる
圧電素子の変位を拡大して、これを接合梁で逆相に接合
した出力端部分での変位はどちらの圧電素子がＩ側ある
いはＨ側であっても同じである。よって、理論的には出
力端の変位とΔＶの関係はリニアになりヒステリシスは
補償されたことになる。もちろん、この間上述のとおり
フィードバック系は用いていない。

（実施例〕 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す変位拡大機構付圧電ア
クチュエータの構成図である。

圧電素子１は、従来から知られているジルコン酸チタン
酸鉛（ＰＺＴ）を用いて厚さ約１００μのグリーンシー
トを形成し、高さ１０ＩＩＩＩ１１の積層体としたもの
を焼結後２ｘ３ａ＋ｍの断面積に切り出したものである
。この圧電素子１はその各セラミック層が電気的には並
列に、機械的には直列に接続されており、圧電縦効果を
利用して駆動する。梁２は例えば５ＵＳ３０４などの金
属材料をワイヤ放電加工により切り出したものである。

板厚は圧電素子１と同し２ＩＩＩｍである。必要とする
変位拡大率によりコの字型梁２の腕の長さと、圧電素子
１の取り付は位置が調整される。本実施例では、コの字
型梁２の腕の先で６倍の変位拡大率が得られるようにア
クチュエータが作成される。接合梁３は同じく５ＵＳ３
０４を用いた板バネ材料で、２つのコの字型の梁２の先
端を接続している。ここで、２つの圧電素子１のうち、
一方には１５０ｖを印加し、これを単調に降圧し、他方
にはｏＶから１５０■へ単調に昇圧する。この時降圧と
昇圧は同じ速さで同し幅行なう。即ち、両者の印加電圧
の和が一定となるように、電源５の電源電圧Ｖを一旦、
分配器６を通して圧電素子１に各々印加する。本実施例
では最も単純に三端子の半固定抵抗を用いて電源電圧を
分配した。

このように電圧を印加すると。例えば電圧の時間関数を
正弦波とすれば、変位拡大機構付圧電アクチュエータの
出力端側の二本のコの字型梁２の腕はそれぞれ逆相で動
くことになる。したかつて、この二本の腕をつなぐ接合
梁３は、各々の圧電素子１の印加電圧の変化量に対し、
直線−的に動くことになる。

第２図は、圧電素子１の発生変位と印加電圧の変化量の
特性を示す図、第３図は変位拡大機構付圧電アクチュエ
ータの出力端である接合梁３の変位と一方の圧電素子１
の印加電圧の変化量の特性を示す図である。ここで、接
合梁３は基本的には曲線運動（回転運動）するが、変位
量が小さいため接合梁３と垂直方向の直線運動と近似し
た。

第２図、第３図よりそのビステリシスの大きさを定量化
するために次式に示す量を算出する。

ここで、ξｔ５．Ｂ＝　７５Ｖにおける電圧下降側の発
生変位 ξｔｓ、ｒ＝　７５Ｖにおける電圧上昇側の発生変位 ξ＋ｓｏ　＝　　１５０Ｖにおける発生変位（１）式に
従えば、圧電素子１のみの場合、ＨＶＳ、５＝　０．２
６に対し、変位拡大機構付圧電アクチュエータ出力端の
接合梁３の場合、Ｈｙｓ７５＝０．０４とビステリシス
は大幅に小さくなっている。

この値は従来の変位拡大機構付圧電アクチュエータと比
べ約１７６程度の大きさで、もちろん、上述の特性を達
成するために、何らフィードバック系は用いておらず、
アクチュエータの系としては、ごく単純である。また、
通常フィードバック系を用いた場合、出力端の動きは入
力電圧の時間特性に対し遅れを生ずるが、本実施例の変
位拡大機構付圧電アクチュエータでは、その遅れが１　
ｍ５ｅｃ以下と小さい。なお、上述の内容は拡大機構付
圧電アクチュエータの弾性制御域に限られており、具体
的には１ＫＨｚ以上の周波数の駆動時については考慮し
ていない。ただし、より鯖密な位置制御のためには、電
圧の変化量を二つの圧電素子１で最適となるようフィー
ドバック系を本装置に組み込んでもよいことは言うまで
もない。

第５図は本発明の第２の実施例を示す圧電アクチュエー
タの構成図である。

本変位拡大機構付圧電アクチュエータは基本的には第１
の実施例と同じものである。即ち、圧電素子１は同じも
のを用いており梁７に多少工夫を加えたものである。

般的に積層構造の圧電素子１は積層面と平行な曲げに弱
いという欠点を有する。第１の実施例では、圧電素子１
の取り付は方向から、積層面と平行な曲げモーメントが
圧電素子１に作用する。

梁の構造を圧電素子１の運動方向と、接合梁３でつなが
れたコの字型梁７の腕の運動方向か垂直となるようにす
ることで、圧電素子１には曲げモーメントが作用しにく
くなる。有限要素法を用いたシミュレーションによれば
、第５図の場合、圧電素子１に作用する曲げモーメント
は第１図の場合に比べ約１／１０に軽減できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、同じ出力特性を有するコ
の字型の梁を２個を左右対称に配置し、両者が逆相に運
動するように各々のコの字型梁に接続された圧電素子へ
電圧を印加することにより、変位拡大機構付圧電アクチ
ュエータの出力特性のビステリシスを従来より小さくす
ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の変位拡大機構付圧電ア
クチュエータの構成図、第２図は圧電素子変位と印加電
圧の変化量の特性図、第３図は変位拡大機構付圧電アク
チュエータ出力端変位と印加電圧の変化量の特性図、第
４図は圧電素子変位と印加電圧間の特性の模式図、第５
図は本発明の第２の実施例の変位拡大機構付圧電アクチ
ュエータの構成図、第６図は従来の変位拡大機構付圧電
アクチュエータの構成図である。 １・・・・・・・・・圧電素子、　　２．７−・・梁、
３．８・・・接合梁、　　　４・・・・・・・・・内部
電極、５・・・・・・・・・電源、　　　　　６・・・
・・・・・・分配器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．同じ出力特性の２個の圧電素子と、 一方の腕が他方の腕よりもわずかに短かく、該一方の端
   部に、外側に９０°に延びる部分が形成されており、各
   圧電素子の変位を一方の腕の端部において拡大する同一
   形状寸法のコの字形の２個の部分が、前記部分が互いに
   対向するように他方の腕の端面において互いに接合され
   た形状の梁と、該梁の前記両部分の端面同志を接合する
   接合梁とからなる変位拡大機構と、 変位拡大機構の他方の腕の端部が互いに逆相に動くよう
   に両圧電素子に電圧を印加する分配器とを有する変位拡
   大機構付圧電アクチュエータ。