JPH04150079A - 固体アクチュエーター - 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］ 本発明は、電気−機械エネルギー変換を行う固体アクチ
ュエーターに関する。

［従来の技術］ 最近、圧電効果を利用した固体アクチュエーターが注目
されてきており、様々な分野で利用されている。これは
従来の電磁式アクチュエーターが電流駆動であるのに対
し、電圧駆動であるところにその利用効果が大である理
由がある。

この固体アクチュエーターに使用される圧電体は、その
利用形式において圧電縦効果型と圧電横効果型に大別さ
れる。圧電縦効果型は、発生できる変位は僅かであるが
、大きな加圧力を発生できる。圧電横効果型は、その横
効果型を発展させたバイモルフ形式において、加圧力は
僅かであるが比較的大きな変位を取り出すことが可能で
ある。

現在、半導体製造装置や情報機器、そして精密加工の分
野において固体アクチュエーターの技術的関心が高まり
、応用範囲も一段と拡張されつつある。中でもバイモル
フ形式の場合、機構が簡素であり、その応用範囲は以前
からかなり広かった。

第４図に、従来から使われているバイモルフ型の固体ア
クチュエーター１０の断面構成を示す。

同図（ａ）は非対称バイモルフ、（ｂ）は対称バイモル
フ、そして（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ両者が屈曲した際
の模式図である。

弾性板ｌに接合された圧電磁器２の、両電極間（図示せ
ず）に電圧が印加される（図示せず）と、両部材の任意
断面に応力が発生する。この応力は、接合面１２で不連
続となって厚み方向に分布するため、模式図（ｃ）、（
ｄ）に示したように屈曲して、アクチュエーターとして
利用することが可能となる。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、現在の固体アクチュエーターは、電磁駆
動型のアクチュエーターに代替できる能力を保有するま
でに至っていない。その理由は以下のとおりである。

（１）圧電体は、ＰＺＴに代表されるように、セラミッ
クスであるため非常に脆く、電磁駆動型のアクチュエー
ターに代替できる動作に耐える強度が欠乏している。し
たがって、寿命も短い。

（２）圧電機器が接合面から剥離し動作しなくなりやす
い。

（３）その他、圧電体の信頼性、応用に対する設計法が
確立していない。

などによる。

そこで、電磁駆動型アクチュエーターに代替できる能力
を保有する、固体アクチュエーターを実現するためには
、電気機械系の設計のみならず、機構の運動力学的設計
、信頼性に関する課題など、様々な理論的配慮が必要で
ある。

そして、固体アクチュエーターに与えられる電圧に対し
、アクチュエーターがどんな動作を示すか、またいかな
る物理的因子によって、アクチュエーターの電気的・機
械的挙動が支配されているかを知ることは、アクチュエ
ーターを設計し、各機器に応用する場合、きわめて重要
である。

本発明は、固体アクチュエーターの中の、バイモルフ型
アクチュエーターにおける発明であって、更に詳しくは
、非対称バイモルフ型アクチュエーターの構成部材の各
機械的定数、電気的定数に対し、最適な構成を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明に係る固体アクチュ
エーターは、第一に、圧電磁器と、該圧電磁器と大略同
形状の弾性板とを接合して成る非対称バイモルフ型の固
体アクチュエーターにおいて、圧電磁器の板厚と弾性コ
ンプライアンスをそれぞれＨ，ＰＥ　、弾性板の板厚と
弾性コンブライアンスをそれぞれＨ，Ｐ２としたとき、
Ｈ／Ｐ　　　−Ｈ２”　／Ｐ２−０　　・・・（Ａ）Ｅ の条件を満たすように構成したことを特徴とするもので
ある。

第二に、圧電磁器と弾性板の板厚比Ｈ２／　Ｈｉが上記
（Ａ）式を満たしたうえで、圧電磁器と弾性板の弾性コ
ンプライアンス比Ｐ　Ｅ１７Ｐ２を２゜Ｏから５．０と
したものである。

第三に、上記（＾）式に代えて次の（Ｂ）式Ｈ１’　／
Ｐ”’□−Ｈ２”　／Ｐ、、＜０　　・・・（Ｂ）を用
いることとしたものである。

第四に、圧電磁器と弾性板の板厚比Ｈ２／　Ｈ１が上記
（Ｂ）式を満たしたうえで、圧電磁器と弾性板の弾性コ
ンプライアンス比Ｐ　　　／Ｐ　　を２゜０から５，０
としたものである。

［作　用］ 本発明においては、圧電磁器の板厚Ｈ１と弾性コンプラ
イアンスＰＥ、、及び弾性板の板厚Ｈ２と弾性コンプラ
イアンスＰ２の関係が上記（Ａ）式または（Ｂ）式を満
足するように設定されているので、この非対称バイモル
フ型固体アクチュエーターを駆動することによって圧電
磁器内部に作用する応力が、接合面では零となり、また
少なくとも圧電磁器内部では常に圧縮応力となる。言い
換えれば、中立面の位置を接合面に一致させるか、もし
くは圧電磁器の内部応力が常に圧縮応力となるように中
立面の位置を設定することである。したがって、接合面
に発生する曲げ歪が常に零となり、剥離の問題が生じな
いとともに、圧電磁器に対して常に圧縮歪が作用するた
め、引っ張りに対してきわめて脆弱な圧電磁器を保護す
ることが可能となる。

また、圧電磁器と弾性板の弾性コンプライアンス比Ｐ　
　／Ｐ２を２．０から５．０とした理由は以下のとおり
である。

一般的にアクチュエーターとして動作させ、大きな変位
、大きな力を外部に取り出すためには、圧電磁器を約０
．５ｋＶ／ａｍ以上の高い電界場に置く必要がある。こ
れを特殊な高電圧源を使わすに汎用電源で達成するため
には、圧電磁器の電極間距離を小さくする必要がある（
例えば、０．３■鵬）。本発明の場合、この距離は圧電
磁器の厚みに等価である。

更に圧電磁器のエネルギー変換性能の均一性、量産化へ
の適合性を考慮すると、圧電磁器の厚みは０．３〜０．
２鰭程度に制限される。

さて非対称バイモルフにおいて、一端を固定したときの
他端の撓みは、Ｈ／Ｈ１が大きくなると小さくなる。逆
にＨ／Ｈ１が小さくなると、他端の撓みは大きくなるが
、あまり小さくなると圧電磁器の伸縮に弾性板の抗力が
負け、圧電磁器と一緒になって伸縮して撓みが得られな
（なる。

これを考慮して、本発明ではアクチュエーターとして使
用に足る撓みが安定して得られるＨ２／Ｈ１の範囲を０
．５〜０．７５に設定し、この範囲において（Ａ）　、
　（Ｂ）式を満足するＰＥ１／Ｐ２の値は約２〜５と求
めることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の固体アクチュエーターの断面構成図で
あり、構成部材は従来例を示した第４図と共通であるの
で同一符号を用いる。ただし、本発明では構成部材の各
機械的定数、電気的定数に対し、以下に説明するように
諸定数を設定するものである。

いま、第１図に示す非対称バイモルフ型固体アクチュエ
ーター１０の数学的モデルにおいて、アクチュエーター
１０の長手方向にＸ軸、厚み方向（積層方向）に２軸を
とる。また圧電磁器１の厚さをＨ２弾性板２の厚さをＨ
２それぞれの横幅をｂとし、接合面１２と中立面３の間
の距離をＨとする。

非対称バイモルフ型固体アクチュエーター１０に電圧が
印加されると、任意断面に応力が発生する。この応力は
、接合面１２で不連続となって２軸方向に分布する。

ここで、ＵをＸ軸方向の伸び、Ｗを２軸方向の撓みとす
ると、Ｚ軸方向の任意断面に発生する歪Ｓは次式のよう
に表わすことができる。

Ｓ−ｄｕ／ｄｘ＋ｚｄ　　ｗ／ｄ　　ｘ　　　＝ｉｌ）
また、アクチュエーター１０の内部に作用している軸力
Ｔを求めると Ｔ−ｂ　（Ａ−／　Ｐ　Ｅ１＋　Ａ　　／　Ｐ　２　）
　ｄ　　ｖ　／　ｄ　　ｘ−ｂＨｄ　　Ｅ　　／ＰＥ１ ＋　ｂ　（Ｈ／　Ｐ　Ｅｔ　＋　Ｈ／　Ｐ　２　）　ｄ
ｕ／ｄｘ・・・（２） また、アクチュエーター１０の内部に作用している曲げ
モーメントＭを求めると Ｍ−ｂ　（１／　Ｐ　Ｅｔ　＋　Ｉ　　／　Ｐ　２　）
ｄ　ｖ　／ｄ　　ｘ−ｂＡ　　ｄ　　Ｅ　　／ＰＥ１ ＋　ｂ（Ａ　　／　Ｐ　Ｅｌ　＋Ａ　　／　Ｐ　２　）
　ｄｕ／ｄｘ・・・（３） ただし、 ＋Ｖ／Ｈ１ ・・・（４） ここに、 ｄｌ：圧電定数 ｅＴ　：誘電率 ：電気機械結合定数 印加電圧 １　：圧電磁器の弾性コンブライアンス二弾性板の弾性
コンプライアンス −Ｈ（Ｈ−Ｈ，／２） ｉ　　　。

−Ｈ（Ｈ＋Ｈ２／２） ２゜ −Ｈ（Ｈ−ＨＨ＋Ｈ２／３） ｉ　　　ｏ　　　　ｏｆ　　　１ −Ｈ（Ｈ＋ＨＨ＋Ｈ，、／３） ・・・（５） である。

（２）　、　（３）式より次の条件が得られる。

Ａ　　／Ｐ　　　＋Ａ　　／Ｐ　　−０この条件より ・・・（６） ・・・（７） が得られ、接合面１２から中立面３までの距離Ｈを求め
ることができる。したがって、次の３つの場合で中立面
を考慮することが可能となる。

（ａ）Ｈ＜０のとき、中立面３は弾性板２の中にあり Ｈ１２／ＰＥ　−Ｈ２２／Ｐ　くＯ・・・（８）である
。

（ｂ）Ｈ＞Ｏのとき、中立面３は圧電磁器１の中にあり ａ　、　２　／ｐ　Ｅ□−Ｈ２２／Ｐ２＞０　　・・・
（９）である。

（ｃ）Ｈ＝０のとき、中立面３１よ接合面１２（こあり Ｈ１２　／Ｐ”　、−Ｈ２”　／Ｐ２−０　　・・・（
１０）である。

（ｌＯ）式は（Ａ）式と、（８）式は（Ｂ）式と同じで
ある。

第２図に（７）式の関係を示す。第２図は横軸１こ圧電
磁器１と弾性板２の板厚比Ｈ２／Ｈ１をとり、縦軸に中
立面３の位置Ｈ８を圧電磁器１の板厚Ｈで除した規格化
値Ｈ／Ｈをとって表わし１ｏ　　　ま た図である。

図に示されるように、アクチュエーター１０を構成する
圧電磁器１と弾性板２の、それぞれの弾性コンプライア
ンスＰＥ１．Ｐ２、及びその厚さＨｌ、Ｈ２の値によっ
て、中立面３の位置Ｈ８が変化することがわかる。

また、Ｈ２／Ｈ１の増加にともなって、中立面３はプラ
スからマイナスにほぼ一次的に分布していることがわか
る。

第３図に非対称バイモルフ型固体アクチュエーター１０
の断面図と、中立面３の位置、及び固体アクチュエータ
ー１０が屈曲した際の断面に作用する曲げ歪の分布状態
の模式図を示す。

この歪は（１）式で表わされる右辺第２項の歪であり、
実際は第１項の縦歪も関与する。しかしこの縦歪はアク
チュエーターに印加する電圧の極性で圧縮（＝）歪と、
引っ張り（＋）歪に容易に制御可能であるため、ここで
は考慮しないことにする。

第３図（ａ）は上記（ａ）の条件を満たし、中立面３が
弾性体２の中にある場合を示す。図のような変形を起こ
した場合、中立面３を境に２軸方向に歪が一次的に分布
し、圧電磁器１には圧縮（−）歪が作用するのみである
。

同図（ｂ）は上記（ｂ）の条件を満たし、中立面３が圧
電磁器１の中にある場合を示す。図のような変形を起こ
した場合、中立面３を境に２軸方向に歪が一次的に分布
し、圧電磁器１には引っ張り（＋）歪も作用してしまう
ことになる。

同図（ｃ）は上記（ｃ）の条件を満たし、中立面３と接
合面１２の位置が一致する場合を示す。

図のような変形を起こした場合、中立面３を境に２軸方
向に歪が一次的に分布するが、中立面を、圧電磁器と弾
性体の接合面に設定したので、接合面に発生する曲げ歪
を常に零とすることができ、従来から問題となっていた
圧電磁器と弾性板の剥離によるアクチュエーターの障害
が解決でき、長寿命化が図れることになる。

［発明の効果］ 以上、詳細に説明したように本発明によれば、非対称バ
イモルフ型固体アクチュエーターの中立面の位置を圧電
磁器と弾性板の接合面に一致させることとしたので、接
合面での曲げ歪が常に零となり、剥離を生じないし、ま
た圧電磁器に対し常に圧縮応力が作用するように該アク
チュエータの中立面の位置を設定したので、圧電磁器の
割れ等が生じない。以上の結果、長寿命の固体アクチュ
エーターを得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体アクチュエーターの断面構成図、
第２図は本発明の固体アクチュエーターの中立面の位置
を規格値化して表わした線図、第３図（ａ）〜（Ｃ）は
固体アクチュエーターが屈曲した際の、中立面の位置に
よる曲げ歪の分布図、第４図（ａ）、（ｂ）は従来の固
体アクチュエーターの断面構成図で、同図（ａ）は非対
称バイモルフ型、同図（ｂ）は対称バイモルフ型を示し
、また第４図（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ両者が屈曲した
際の模式図である。 １・・・圧電磁器 ２・・・弾性板 ３・・・中立面 １０・・・非対称バイモルフ型固体アクチュエータ２　
・・ 接合面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電磁器と、該圧電磁器と大略同形状の弾性板と
   を接合して成る非対称バイモルフ型の固体アクチュエー
   ターにおいて、 前記圧電磁器の板厚と弾性コンプライアンスをそれぞれ
   Ｈ＿１、ｐ＾Ｅ＿１とし、同様に前記弾性板の板厚と弾
   性コンプライアンスをそれぞれＨ＿２、Ｐ＿２としたと
   き、 Ｈ＿１＾２／Ｐ＾Ｅ＿１−Ｈ＿２＾２／Ｐ＿２＝０・・
   ・（Ａ）の条件を満たすように構成したことを特徴とす
   る固体アクチュエーター。
2. （２）前記圧電磁器と弾性板の弾性コンプライアンスの
   比ｐ＾Ｅ＿１／Ｐ＿２が２．０から５．０であり、かつ
   、前記圧電磁器と弾性板の板厚比Ｈ＿２／Ｈ＿１が前記
   （Ａ）式を満足するように設定されていることを特徴と
   する請求項１記載の固体アクチュエーター。
3. （３）前記（Ａ）式に代えて次の（Ｂ）式Ｈ＿１＾２／
   Ｐ＾Ｅ＿１−Ｈ＿２＾２／Ｐ＿２＜０・・・（Ｂ）を用
   いることを特徴とする請求項１記載の固体アクチュエー
   ター。
4. （４）前記圧電磁器と弾性板の弾性コンプライアンスの
   比Ｐ＾Ｅ＿１／Ｐ＿２が２．０から５．０であり、かつ
   、前記圧電磁器と弾性板の板厚比Ｈ＿２／Ｈ＿１が前記
   （Ｂ）式を満足するように設定されていることを特徴と
   する請求項３記載の固体アクチュエーター。