JPH039581A - アクチュエーター - 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Ｊ この発明は、圧７Ｉ！素子または電歪素子を備えたアク
チュエーターに係わり、特にバイモルフ型変位素子また
はユニモルフ型変位素子を備え、変位素子の変位初期位
置を一定レベルとする機能を備えたものに関する。

［従来の技術およびその課題］ バイモルフ型あるいはユニモルフ型の変位素子を備えた
アクチュエータは、圧７ｕ素子板を積層した積層型アク
チュエータに比べると発生力は小さいが、変位量が大き
く、小型微動アクチュエータとして好適であり、諸種の
精密機器のアクチュエーターとして実用化か検討されて
きている。

第９図は、従来のアクチュエータの一例を示す図であっ
て、図中符号１は圧電アクチュエータ、２は変位素子、
３は固定部材である。この圧電アクチュエータ１は、変
位素子２の一端を固定部材３に固定して構成されている
。

上記変位素子２は、圧電セラミックスの板材と金属弾性
板とを単に張り合わせたユニモルフ型素子や、二枚の圧
電セラミックス板材の間に金属弾性板を挾んで張り合わ
せたバイモルフ型素子が用いられている。この変位素子
２の固定側端部は、電源４に接続され、変位素子２の圧
電セラミックス板材に電圧を印加することによって変位
素子の自由端が所定方向に変位し、印加電圧をオフする
ことによって変位素子の自由端が変位初期位置に復帰す
るようになっている。

ところで、先の変位素子の圧電セラミックスには残留歪
みがある。この残留歪みは、使用条件（温度、印加電圧
、放置時間）や使用経歴によって大きさが異なる。従っ
て、第９図に示される変位素子２の自由端の印加電圧が
Ｏｖ（ボルト）時のレベルは、使用条件や使用経歴によ
って異なり、一定にならない。このことから変位素子２
を所定の変位レベルに変位さ仕るための印加電圧の大き
さを決めることが困難となる問題があった。

そして従来、変位素子の変位初期位置を一定のレベルに
調整する方法としては、圧電セラミックスの残留歪みが
ゼロとなるように、負電圧を印加し、直ちにＯｖまで戻
しておく方法が提案されている。

しかしながら、このような補正方法においては次のよう
な問題があった。

■　０および正電圧のみの電源回路だけではなく、負電
圧も発生させる７１源回路が必要となる。

また、残留歪がゼロとなるに必要な負電圧の大きさを、
素子１個毎に設定しなければならない。

■電歪セラミックスを用いたアクチュエーター素子には
適用さ仕ることができない。圧電セラミックスは、印加
電圧の正負で変位が正負（伸び、縮みすること）となる
が、電歪セラミックスは、印加電圧の大きさの絶対値で
変位に大きさが異なり、変位の方向は一方向（伸びまた
は縮みのいずれか）のみだからである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アクチエ
エータ−の使用経歴によらず、変位素子の変位初期位置
を常に一定レベルに調節することのできるアクチュエー
ターの提供を目的としている。

「課題を解決するための手段」 上記課題を解決するための手段として、本発明のアクチ
ュエーターは、圧電セラミックスまたは電歪セラミック
スを備えたユニモルフ型あるいはバイモルフ型の変位素
子の一端を固定部材に固定し、該変位素子に電圧を印加
することによって変位素子の自由端を変位させるアクチ
ュエーターにおいて、上記変位素子の自由端側に静的荷
重を設けて構成した。

また上記アクチュエーターにおいて、上記変位素子の自
由端側に、該変位素子の変位初期位置を一定レベルに調
節する支持部材を設けてもよい。

また上記静的荷重の代わりに、上記変位素子の自由端に
弾性負荷を設けても良い。

また上記アクチエエータ−において、上記変位素子の自
由端側に、変位素子の変位初期位置を一定レベルに調節
する支持部材を設けても良い。

「作用」 本発明のアクチュエーターは、変位素子の自由端レベル
を所定の条件の時、一定のレベル（位置）にすることが
できる。

「実施例」 第１図は、本発明の第１実施例を示す図であって、図中
符号１１は圧電アクチュエーターである。

この圧電アクチュエーター１１は、圧電セラミックス板
材を金属製弾性板と張り合わせたユニモルフ型または２
枚の圧電セラミックス板材の間に金属製弾性板を挾んで
重ね合わせたバイモルフ型の変位素子１２と、この変位
索子１２の一端を固定する固定部材１３と、変位索子１
２の自由端１４に取り付けられ、変位素子１２の静的荷
重となる分Ｍ１５とを備えて構成されている。上記変位
素子！２の固定側端部は、電源１６に接続されており、
変位素子１２に電圧を印加することによって、変位素子
１２の自由端Ｉ４がこの図中矢印で示す変位方向に向け
て変位するように配置されている。

上記分銅１５の材質は特に規定されないが、重量、大き
さおよび形については、変位素子１２の変位力、屈曲強
度あるいは変位素子と基材との位置関係等を勘案して適
宜設定される。

この圧電アクチュエーター１１は、変位素子１２の自由
端！４に分銅１５を取り付けて構成したことにより、変
位素子１２に電圧を印加し、その印加電圧に応じて自由
端１４の位置を変位さけた後、印加電圧をＯｖとした時
に、変位素子１２が自己の変位復帰力と分銅１５の荷重
とによって自由端１４の位置を変位初期位置に復帰し易
くすることができる。

なお、先の実施例では、変位素子１２の自由端１４の上
面側に分銅１５を取り付けた構成としたが、分銅１５の
取付位置はこれに限定されることなく、第１図の図中符
号１５ａで示すように自由端１４の下面側に取り付けて
も良い。自由端！４の下面側に分銅１５ａを取り付ける
ことにより、変位素子１４がその変位方向と反対の方向
（下方向）へ過剰に曲がった場合に、分銅１５ａが基材
に当接して過剰な曲がりを防止することができる。

第２図は、本発明の第２実施例を示す図であって、図中
符号１７は圧電アクチュエーターである。

この実施例による圧電アクチュエーター１７は、第１実
施例の圧電アクチュエーター１１とほぼ同様の構成要素
を備えて構成されており、これら各構成要素のうち同一
の構成要素には同一符号を付し、その説明を簡略化する
。

この実施例による圧電アクチュエーター１７は、変位素
子１２の自由端１４の上面側に分銅１５を取り付けると
ともに、自由端１４下方の基材上に支持部材１８を設け
て構成されている。この支持部材！８の形状は特に限定
されないが、支持部材１８の高さは、使用条件（温度、
静的荷重の大きさなど）によって異なるが、全ての条件
で、０７時の変位素子１２に支持部材１８の少なくとも
一部が接触する高さに設定される。

この圧電アクチュエーター１７は、変位素子１２の自由
端１４に分銅１５を取り付けるとともに、自由端１４の
下方に、自由端１４と接触させて支持部材１８を設けて
構成したことにより、変位素子１２に電圧を印加し、そ
の印加電圧に応じて自由端！４の位置を変位させた後、
印加電圧をＯｖとした時に、変位素子１２が自己の変位
復帰力と分銅１５の荷重とによって自由端１４の位置を
変位初期位置の方向に復帰し易くするとともに、変位初
期位置に復帰した自由端１４が支持１部材Ｉ８に当接し
、復帰方向への連動（自由端が変位位置から変位初期位
置に移動する復帰運動）を停止させ、これによって自由
端１４の変位初期位置を常に一部レベルに調節すること
ができる。

第３図は、本発明の第３実施例を示す図であって、図中
符号１９は圧電アクチュエーターである。

この図に示す圧電アクチュエーター１９は、笛音。

２図に示す圧電アクチュエータ−１１，１７とほぼ同一
の構成要素を備えて構成されており、各構成要素のうち
同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を簡略化
する。

この圧電アクチュエーター１９は、上記分ｇｉ１５の代
わりに、変位素子１２の自由端１４にバネ２０を取り付
け、変位素子１２の自由端１４に弾性負荷を付与した構
成になっている。

この実施例では、バネ２０を変位方向側に取り付けてい
るが、変位方向と反対側（下方向）に取り付けても良い
。またバネ２０の一端を変位素子１２の自由端１４に固
定してら、ベース２１に固定しても良い。更にバネ２０
を変位素子１２とベース２Ｉの間に挾み、バネ２０にず
れを生じなければ固定せずに挾んでおいてら良い。

またバネ２０の弾性負荷の大きさは、圧電アクチュエー
タ−１９の全ての使用条件のうち、印加電圧が０７時に
おける変位素子Ｉ２の自由端レベルが最も下のレベルと
なる条件のとき又はそれより下のレベルの時に負荷がゼ
ロとなる大きさの弾性負荷が好適に用いられろ。

この圧電アクチュエーター１９は、変位索子１２の自由
端１４にバネ２０を取り付けるととらに、自由端１４の
下方に、自由端！４と接触させて支持部材１８を設けて
構成したことにより、変位素子１２に電圧を印加し、そ
の印加電圧に応じて自由端１４の位置を変位させた後、
印加電圧をＯｖとした時に、変位素子１２が自己の変位
復帰力とバネ２０の付勢力（自由端１４を変位位置から
変位初期位置に向けて付勢する力）とによって自由端１
４の位置を変位初期位置の方向に復帰し易くするととも
に、変位初期位置に復帰した自由端１４が支持部材１８
に当接し、復帰方向への運動（自由端が変位位置から変
位初期位置に移動する復帰運動）を停止させ、これによ
って自由端１４の変位初期位置を常に一定レベルに調節
することができる。

第４図は、本発明の第４実施例を示′４”図であって、
図中符号２２は圧電アクチュエーターである。

この図に示す圧電アクチュエーター２２は、第３図に示
す圧電アクチュエーター１９とほぼ同一の構成要素を備
えて構成されており、各構成要素のうち同一の構成要素
には同一符号を付し、その説明を簡略化する。

この圧電アクチュエータ−２２は、第３図に示ず圧電ア
クチュエーター１９における支持部材１８を省略すると
ともに、変位素子１２の変位方向を基材表面に対して上
下方向以外の方向、例えば横方向や斜め方向などに変位
するように変位素子１２を配置して構成されている。こ
の実施例による圧電アクチュエーター２２では、変位素
子１２が電圧印加により変位した時、バネ２０が伸びる
ようになっているが、その反対側にノ（ネ２０を取り付
けても良い。またバネ２０は、変位素子Ｉ２の自由端１
４とベース２１のいずれか一方に固定しても良く、更に
バネ２０を変位索子１２とベース２１の間に挾み、バネ
２０にずれを生じなければ固定部ず挾んでおくだけでも
良い。

またバネ２０の弾性負荷の大きさは、圧電アクチエエー
タ−１９の全ての使用条件のうち、印加電圧が０７時に
おける変位素子１２の自由端レベルが最も下のレベルと
なる条件のとき又はそれより下のレベルの時に負荷がゼ
ロとなる大きさの弾性負荷が好適に用いられる。

この圧電アクチュエーター１９は、変位素子１２の自由
端１４にバネ２０を取り付けて構成したことにより、変
位索子１２に電圧を印加し、その印加電圧に応じて自由
端１４の位置を変位させた後、印加電圧をＯｖとした時
に、変位素子１２カ（自己の変位復帰力とバネ２０の付
勢力（自由端１４を変位位置から変位初期位置に向けて
付勢する力）とによって自由端１４の位置を変位初期位
置の方向に復帰し易＜４゛るとともに、変位初期位置に
復帰した自由端１４の変位動作がノくネ２０のイ寸勢力
によって抑制され、これによって自由端１４の変位初期
位置を常に一定レベルに調節することができる。

なお、先の各実施例においては、変位索子１２として圧
電セラミックス板材を備えたものを用（またが、圧電セ
ラミックス板材の代わりに、電歪セラミックス板材を用
いた電歪素子を変位素子として用いることもできる。

また先の各実施例とも、変位素子−１２が一方向のみに
変位させる場合について説明した力く、本発明は、例え
ば第４図に示す圧電アクチュエーター２２のように、図
中矢印で示す変位方向とその反対方向との両方向に自１
１１端１４が変位する場合（こおいてら（ｆ効である。

以下、実験例を記し、本発明の作用効果を一層明瞭にず
ろ。

「実験例」 （比較例） まず従来方式の圧電アクチュエーターを作製し、圧電セ
ラミックスの残留歪みによる変位位置の変化状態を調べ
た。

長さ６０ｍ５、幅１５−１厚さ０．２園−の（ｒ’ｂ（
Ｚｒ・′「ｉ）０、〕系圧電セラミックス板を分極処理
し、長さ６０ｍ５．幅１５＋ｕ＋、厚さ０．２＋ａｍの
コバール製金属板に接着剤で張り合わせてユニモルフ型
変位素子を作製した。

このユニモルフ型変位素子の一端側を固定部材に固定し
、更に変位素子と電源とを接続して第９図に示すものと
同様構成の従来方式の圧電アクチュエーターを作製した
。

なお、変位素子の固定端から４０１面の位置に予めスル
ーホールを形成しておいた。

またこの変位素子の固定端から４ｈａの位置（有効ｉ４
０ｍｍ）のレベルを非接触式の変位測定装置で測定でき
るようにした。

ソシテ、２５℃で印加電圧０〜２００Ｖ　（０，０１１
１ｚ）の変位レベルを測定した。この測定結果を第１０
図に示す。

第１Ｏ図に示すように従来方式の圧電アクチュエーター
では、変位素子の１１圧印加前のレベルＡから電圧印加
レベルＢに変位した後、印加電圧をＯｖとした時の復帰
レベルＣが八よりも高い位置となり、電圧印加前のレベ
ル八と復帰後レベルＣとの差が０．４〜Ｇ、５ｓｍと大
きかった。

なお、この圧電アクチュエーターにおけるレベルサイク
ルはＡ４Ｂ−＋Ｃ−４Ｂ−４０・・・・であった。

（実験例■） 先の比較例と同様に、長す６０ｍ５．幅１５ＩＩｌ、ｒ
１．す０．２Ｉの（Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ−Ｔ　ｉ）０３）系
圧電セラミックス板を分極処理し、長さ６０ｍａｉｑ幅
１５１１厚さ０．２−一のコバール製金属板に接着剤で
張り合わせてユニモルフ型変位素子を作製し、この変位
素子を用いて本発明の圧電アクチュエーターを作製し、
変位位置を調べた。

この変位素子を固定部材に固定し、変位素子のスルーホ
ールを利用して変位素子に１２ｇの分銅を載せ、第１図
に示すものと同様構成の圧電アクチエエータ−を作製し
た。

そして、２５℃で印加マＵ圧０〜２００Ｖ　（Ｑ、０Ｉ
Ｉ−１ｚ）（７）レベルを２０分間、続いて６０℃で同
印加電圧のレベルを２０分間測定した。更にその１時間
後に、２５℃および６０℃で、上記測定を繰り返した。

この結果を第５図に示す。

この図中実線にて示すように、この圧電アクチュエータ
ーでは、分銅を載せない場合に比べ、電圧印加前のレベ
ルＡが０　、６ｎｕｅ低下した。そして２５℃条件での
レベルサイクルはＡ−４Ｂ→Ｃ−＋Ｂ→Ｃ・・・・とな
り、復帰レベルＣがほぼＯｌ（分銅を載仕ない状態での
電圧印加前のレベル）となった。

引き続いて測定した６０℃条件でのレベルサイクルは、
この図中点線で示すようにＣ′→Ｂ′→Ｃ′・・・・と
なり、１時間経過後の２５℃条件でのレベルサイクルは
、この図中−点破線で示すようにＣ−４ｂ−〇・・・・
となり、１時間後の６０℃条件でのレベルサイクルは、
Ｃ′→ｂ′→Ｃ′　・・・・となり、温度および経過時
間によって復帰レベルおよび電圧印加レベルが若干光な
っていた。

（実験例■） 実験例■で用いた変位素子と同様の変位素子を作製し、
これを固定部材に固定し、スルーホールに１２ｙの分銅
を取り付けるとともに、変位素子の下方に支持部材を配
置し、第２図に示すものと同様構成の圧電アクチュエー
ターを作成した。この支持部材の高さは、分銅なしの場
合のレベルから０．５ｍｓ＋下に支持部材の上端が位置
するように設定した。

この圧電アクチュエーターに、先の実験例■と同一条件
で電圧を印加し、レベル測定を行った。

その結果を第６図に示す。

この結果、２５℃条件、６０℃条件とも、電圧印加初期
と１時間後とのレベルは同一となった。２５℃条件での
レベルサイクルは図中実線で示すようにＡ　４Ｆ４ｎ→
Ｅ−４Ｃ−１；’−１１−−−−−となり、６０℃条件
でのレベルサイクルは図中点線で示すようにＡ→Ｆ→Ｂ
′→Ｅ４Ｃ→１ご→Ｂ′　・・・・となり、電圧印加レ
ベルｎ、ｎ’が温度によって若干光なるものの、Ｏａｇ
＋レベルで電圧印加前のレベル八と塩９レベルＣをほぼ
同一レベルとすることができた。

（実験例■） 実験例■で用いた変位素子と同じ変位素子を作製し、こ
の変位素子と、弾性負荷用のバネと、支持部材とを用い
て第３図に示すものと同様の圧電アクチエエータ−を作
製した。弾性負荷用バネとしては１２ｖｒｌ−一のバネ
を用いた。また支持部材としては、先の実験例■におい
て用いたものと同様に、弾性負荷なしのレベルから０．
５ｍｍ下に支持部材の上端が位置するように設定した。

この圧電アクチュエーターに、先の実験例■と同一条件
で電圧を印加し、レベル測定を行った。

その結果を第７図に示す。

この結果、２５℃条件、６０℃条件とも、電圧印加初期
と１時間後とのレベルは同一となった。２５℃条件での
レベルサイクルは図中実線で示すようにＡ−Ｅ−Ｂ→Ｅ
→Ｃ→Ｅ→Ｂ→・・・・となり、６０℃条件でのレベル
サイクルは図中点線で示すようにΔ−Ｆ−４ｎ’　→Ｅ
−Ｃ−４Ｆ　−＋３　’　　・・・・となり、電圧印加
レベルｎ、ｎ’が温度によって若干界なるものの、０１
ｓｌレベルで電圧印加前のレベル八と復帰レベルＣをほ
ぼ同一レベルとすることができた。

（実験例■） 実験例■の圧電アクチュエーターとほぼ同一であり、支
持部材の高さを、分銅なしのレベルの０゜４５ｍｍ下に
支持部材の上端が位置する高さに設定した圧電アクチュ
エーターを作製した。

この圧電アクチュエーターに、先の実験例■と同一条件
で電圧を印加し、レベル測定を行った。

その結果を第８図に示す。

この結果、２５℃条件、６０℃条件とも、電圧印加初期
と１時間後とのレベルは同一となった。２５℃条件での
レベルサイクルは図中実線で示すようにＡ　−Ｇ　−＋
３→Ｅ→Ｃ→Ｇ→Ｂ→Ｅ→Ｃ・・・・となり、６Ｇ”Ｃ
条件でのレベルサイクルは図中点線で示すようにＡ−１
？−４Ｂ　’　→Ｅ−レＣ−Ｆ−Ｉｌｌ　’　　・・・
・となり、電圧印加レベル［３，＋３’が温度によって
若干界なるものの、復帰レベルをほぼ同一レベルとする
ことができた。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によるアクチュエーターは
、」；記措成したごとにより、次のような効果を奏する
。

本発明のアクチュエーターは、変位素子の自由端レベル
を所定の条件の時、一定のレベル（位置）にすることが
できる。

また変位素子駆動電源回路がゼロおよび正電圧のみの電
圧回路であっても使用することかでき、変位素子駆動電
源回路を簡素化、低コスト化することができる。

また駆動前のレベル（変位初期位置）を常に一定とする
ことができるので、アクチュエーターを諸種の機器に取
り付ける際に６変位素子毎の変位初期位置の調整を行う
必要がなく、アクチュエーターの設置を容易化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す圧電アクチュエータ
ーの側面図、第２図は本発明の第２実施例を示す圧電ア
クチュエーターの側面図、第３図は本発明の第３実施例
を示す圧電アクチュエーターの側面図、第４図は本発明
の第４実施例を示す圧電アクチュエーターの平面図、第
５図ないし第８図は本発明のアクチュエーターに係わる
実験例を説明するための変位素子のレベル変化を示すグ
ラフである。 第９図は従来のアクチュエーターの一例を示す側面図、
第１０図は従来のアクチュエーターにおける変位素子の
レベル変化を示すグラフである。 １５．１５ａ・・・分銅（静的荷重） １８・・・支持部材 ２０・・・バネ（弾性負荷）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電セラミックスまたは電歪セラミックスを備え
   たユニモルフ型あるいはバイモルフ型の変位素子の一端
   を固定部材に固定し、該変位素子に電圧を印加すること
   によって変位素子の自由端を変位させるアクチュエータ
   ーにおいて、 上記変位素子の自由端側に静的荷重を設けたことを特徴
   とするアクチュエーター。
2. （２）請求項１記載のアクチュエーターにおいて、上記
   変位素子の自由端側に、該変位素子の変位初期位置を一
   定レベルに調節する支持部材を設けたことを特徴とする
   アクチュエーター。
3. （３）請求項１記載のアクチュエーターにおいて、上記
   静的荷重の代わりに、上記変位素子の自由端に弾性負荷
   を設けたことを特徴とするアクチュエーター。
4. （４）請求項３記載のアクチュエーターにおいて、上記
   変位素子の自由端側に、変位素子の変位初期位置を一定
   レベルに調節する支持部材を設けたことを特徴とするア
   クチュエーター。