JPH04162784A - 屈曲変位型アクチュエータ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は圧電体を用いて物体を駆動する圧電アクチュエ
ータに係り、特に圧電素子のたわみ変形を利用した屈曲
変位型アクチュエータに関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする課題］圧電
体を用いて物体の駆動を行なう圧電アクチュエータとし
て、たわみ変形を利用したバイモルフ或いはユニモルフ
型圧電素子がある。バイモルフ型圧電素子は、第８図に
示すように２枚の板状圧電体３１．３２を重ね合わせた
圧電素子３０の一端を固定したもので、上側の圧電体３
１が圧電横効果により伸びるように電極の極性を選ぶと
ともに、下側の圧電体３２をその逆に縮むように極性を
選ぶことにより、自由端（駆動点）は下方へ屈曲変形を
起こし、各圧電体の電極の極性を逆にすることにより自
由端は上方へ屈曲変形を起こす。

これにより自由端において大きな変位を得ることができ
る。

このような屈曲変形型アクチュエータは、積層型なと他
の圧電アクチュエータと比較して、低電圧で比較的大き
な変位を発生できることを特徴としている。この圧電素
子により得られる変位量は、はぼ駆動電圧と素子長９の
二乗の積に比例し、圧電体の厚さｄの二乗に反比例する
ことか知られている。

一方、この圧電素子の自己共振周波数は、はぼ素子長ｐ
に反比例し、圧電体の厚さｄに比例する。

従って、素子長９を長くし、あるいは素子の厚さｄを薄
くし大きな変位を得ようとすると、共振周波数は他のア
クチュエータ全般と比較して低くならざるを得ない。こ
のため、非共振で使用可能な周波数領域が狭く、その用
途は比較的低周波の機械的駆動に限定されていた。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためにな
されたもので、変位量を犠牲にすることなく、高い共振
周波数を有し、多用途に使用可能な屈曲変位型アクチュ
エータ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］ このような目的を達成する本発明の屈曲変位型アクチュ
エータは、圧電体と他の圧電体またはシム材の少なくと
もいずれか一方との積層体から成り、その一部を固定点
とし自由端を駆動点とする屈曲変位型アクチュエータに
おいて、その積層体は固定点を含む部分の厚みが駆動点
部分の厚みより犬であるものある。

ここで屈曲変位型アクチュエータは、圧電体とシム材と
の積層体から成るユニモルフ型圧電素子でも圧電体と圧
電体との積層体から成るバイモルフ型圧電素子のいずれ
を用いたものでもよい。また、積層体の固定点を含む部
分の厚みが駆動点部分の厚みより犬ということは、その
固定点を含む一部分に１または複数枚の板状体を付加す
ることにより、固定点を含む部分の厚みが駆動点部分の
厚みより大となるように構成したもの、あるいは圧電体
またはシム材としてそれ自体の厚さが固定点から駆動点
に向かって減少したものを用いることにより、全体とし
てその厚みが固定点から駆動点に向かって連続的または
断続的に減少するように構成したものである。

［作　用］ 一点（固定点）か固定された圧電素子の圧電体の電極に
電圧を印加することにより圧電体はその長手方向に伸び
あるいは縮み圧電素子に屈曲変形を生じせしめ、その駆
動点（自由端）に変位を与える。

ここで、積層体である圧電素子は、駆動点の部分の厚み
が小さいので比較的大きな変位量を得ることができ、そ
の駆動点部分の厚みが固定点の厚みに比べ小さいので自
己共振周波数が高いアクチュエータとすることができる
。

［実施例コ 以下、図面に従って本発明の実施例について詳細な説明
を行なう。

第１図および第２図は、本発明の一実施例であるバイモ
ルフ型の圧電アクチュエータ１の正面図ならびに側面図
である。圧電アクチュエータ１は、４枚の大小の台形の
圧電体１１．１２及び圧電体１４．１５と圧電体１１．
１２の間に介挿されるシム材１３とから成る積層体１０
と、積層体１０を固定台５（固定点Ａ）に固定する治具
４とから成る。

圧電体１１．１２．１４．１５はチタン酸ジルコン酸鉛
、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電材料から成り、その
両面に電極１１　ａ、　１　ｌ　ｂ、　１２ａ、１２ｂ
、１４ａ、１４ｂおよび１５ａ、１５ｂが形成されてい
る。シム材１３はリン青銅、ステンレス鋼、炭素繊維強
化プラスチックなど導電性材料から成り、圧電体１１の
正極または負極（１１ｂ）、圧電体１２の負極または正
極（１２ａ）が接着され一体化される。

シム材１３および各圧電体は、その長さ方向に亘って均
一な厚さを有し、シム材１３と圧電体１ＩＳ１２とはほ
ぼ同じ幅、長さであるが、圧電体１４．１５は圧電体１
１．１２より幅、長さか小さい。圧電体１１．１２はシ
ム材１３の両面に、分極方向が同一になるように接着さ
れおり、圧電体１４は圧電体１１０表面に、また圧電体
１５は圧電体１２の表面に、それぞれ分極方向が交互に
逆向きになるように、端が固定端側Ａに揃うように積層
され接着されている（第３図）。

更にアクチュエータ１は第２図に示すように圧電体の電
極面１１ａ　（ｌｊｂ）　、１５ａ　（１２ｂ）を導線
で結線し、また１４ａ、１５ｂをシム１３に結線するこ
とにより構成される。

このように構成されるアクチュエータ１のシム材１３（
電極面１４　ａ、　１５　ｂ）と、シム材１３と非接触
である圧電体電極面１１ａ　（１４ｂ）、１５ａ　（１
２ｂ）との間に電圧を印加することにより、積層体１０
をたわみ変形させてアクチュエータ１の自由端Ｂを微小
変位させることかできる。

この場合に、積層体１０の厚みが固定点から駆動点に向
って減少しているので、同一の素子長、変位量の従来の
同タイプのアクチュエータと比較して、共振周波数を高
周波側に移動させることができる。

第５図及び第６図は、本発明の第２の実施例の圧電アク
チュエータ２の側面図ならびにその要部を示す図である
。このアクチュエータ２はシム材２３と、その両面に積
層された２枚の圧電体２１．２２から成り、各圧電体に
は第１の実施例と同様に両面に電極が形成されている。

このシム材２３は第６図に示すようにその厚さが長手方
向に変化しており、固定台５（固定点Ａ）に固定される
側が最も厚く自由端（駆動点）Ｂが最も薄い。

このような構成において、シム材２３（電極２１ｂおよ
び２２ａ）と、シム材２３と非接触である圧電体電極２
１ａおよび２２ｂとの間に電圧を印加することにより、
圧電素子２０をたわみ変形させてアクチュエータ２の自
由端Ｂを微小変位させることができる。この場合にも、
圧電素子２０の厚みが固定点Ａから駆動点Ｂに向って減
少しているので、第１の実施例のアクチュエータと同様
に同一の素子長、変位量の従来の同タイプのアクチュエ
ータ（第４図）と比較して、共振周波数を高周波側に移
動させることができる。

なお、これら実施例においてはシム材の両面に圧電体を
張合わせた構造を示したが、圧電体同士を直接接着して
シムを持たない構造とすることや、圧電体をシムの片面
のみに接着したユニモルフ型アクチュエータとすること
も可能である。また、部材の形状も、台形板形状をはじ
めとして、方形板状など、各種の形状をとることも可能
である。

さらに、第１の実施例において積層する圧電体の数は３
枚以上であってもよい。また、第２の実施例において厚
みに勾配をもたせる部材はシムに限定されるものではな
く、圧電体の厚み自体に勾配をもたせること、厚み勾配
を持つ他の部材を使用することも可能であり、また第１
の実施例を含めて、これらを組み合わせることもできる
。

アクチュエータの固定端の支持方法もここでは片持ち梁
構造としたが、これ以外の支持方法でもよい。例えば、
第７図（ａ）、　（ｂ）に示すように、２つの固定台５
に固定されたバネ部材６．６°　にアクチュエータの両
端を固定して固定端とし、その中央部を駆動点とするこ
とも可能である。この場合、アクチュエータ１の圧電素
子の厚みは固定端Ａ′である両端側を厚くし、駆動点Ｂ
である中央部を薄くする。厚みを変化させる方法は、第
１の実施例のように他の構成要素を積層させてもよいし
、第２の実施例のように圧電素子の少なくとも１の構成
要素の厚さを変化させてもよいことはいうまでもない。

実施例１ 圧電体としてチタン酸ジルコン酸を主成分とする厚さ約
０．１２ｍｍの圧電セラミックス板を用い、長さ２５ｍ
ｍで、２つの底辺長がそれぞれ４ｍｍと１０ｍｍの台形
板状の圧電体２枚１１．１２と、長さ約１５ｍｍで、２
つの底辺がそれぞれ４ｍｍと７ｍｍ、台形板状の圧電体
２枚１４．１５とを用意した。また、シム材として長さ
２７ｍｍで、２つの底辺長がそれぞれ４ｍｍと１０ｍｍ
で、厚みは全面にわたって一定で約０．１ｍｍの台形リ
ン青銅製シム１３を用意した。

これら圧電体の表面には、全面にわたって焼付型銀ペー
ストを印刷塗布・焼成して、電極面を形成した後、分極
処理を施し正極、負極とした。

圧電体１１．１２をシム１３の両面に、端が目出端Ｂに
揃い且つ分極方向か同一になるように接着した。圧電体
１４は圧電体１１の表面に、また圧電体１５は圧電体１
２の表面に、それぞれ分極方向が交互に逆向きになるよ
うに、端が固定端側Ａに揃うように、順次積層させて接
着した。

これら圧電体の電極面１１ａ、１２ｂを導線で結線し、
また電極面１４ａ、１５ｂをシム１３に結線し、この圧
電素子１０の一端Ａから５ｍｍの部分を、治具４を用い
て静止している固定台５にネジ止めし第１図に示すアク
チュエータ１を構成した。

このように構成されるアクチュエータ１の電極面１１ａ
、１２ｂとシム１３（電極面１４ａ、１５ｂ）との間に
直流または交流電圧を印加して駆動を行ない、自由端Ｂ
から約３ｍｍの位置に光学式変位計測定子を接近させて
配置して、変位を測定した。

まず直流電源を用いて、アクチュエータ１に、約１０Ｖ
の直流電圧を印加して駆動を行ない、光学式変位計を用
いて変位を測定したところ、約２５μｍの変位を生じた
。次に交流電圧発生器を用いて、アクチュエータ１に、
ＩＨｚから１　ｋＨｚまで、１０　ｓ　／ｄｅｃの掃引
速度で周波数の対数掃引を行ないながら、振幅約２０Ｖ
の交流電圧を印加し、変位の測定を行なった。この測定
で最大の変位振幅を得られた周波数を共振周波数とした
。

比較例１として、第４図に示すような長さ約２５ｍｍ、
２つの底辺長がそれぞれ１０ｍｍ、４’ｍｍで、厚みは
全面にわたって一定で約０．１２ｍｍの実施例１と同様
に作製された圧電体を用い、この圧電体３１．３２の電
極面を実施例１と同様のシムの両面に、実施例１と全く
同様に端面を端Ｂに合わせて全面接着し、端Ａから５ｍ
ｍの部分の変位を治具を用いて同様に固定しアクチュエ
ータ３０を構成した。

このアクチュエータ３０についても、実施例１と同様の
駆動、変位測定を行なった。

この結果５０Ｖの直流電圧駆動時には、実施例１、比較
例１と同様約２５０μｍの変位が得られた。また、交流
電圧を印加した場合の共振周波数は実施例１では５００
Ｈｚであり、比較例１（３８０Ｈｚ）に比べ向上が見ら
れた。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明はアクチュエー
タの長さ方向に沿って圧電素子の厚みに分布を持たせる
ことによって、同一の素子長・変位量で、従来の同じタ
イプのアクチュエータと比較して、共振周波数を高周波
側に移動させることができ、非共振で使用可能な周波数
領域を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ本発明の一実施例である
バイモルフ型圧電アクチュエータの平面図並びに側面図
、第３図は同アクチュエータの部分の拡大図、第４図は
従来のバイモルフ型圧電アクチュエータの平面図、第Ｓ
図及び第６図は、それぞれ本発明の他の実施例であるバ
イモルフ型圧電アクチュエータの側面図並びに部分拡大
図、第７図（ａ）、（ｂ）は本発明の屈曲変位型アクチ
ュエータの支持方法の一例を示す図、第８図は従来のバ
イモルフ型圧電アクチュエータの側面図である。 １．２・・・・・・・・アクチュエータ４・・・・・・
・・・・・・固定治具 ５・・・・・・・・・・・・固定台 １０．２０・・・・圧電素子（積層体）１１．１２．１
４．１５．２１．２２ ・・・・・・・・圧電体 １３．２３・・・・シム材 Ａ・・・・・・・・・・・・固定点 Ｂ・・・・・・・・・・・・駆動点

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電体と他の圧電体またはシム材の少なくともいず
   れか一方との積層体から成り、その一部を固定点とし自
   由端を駆動点とする屈曲変位型アクチュエータにおいて
   、前記積層体は前記固定点を含む部分の厚みが前記駆動
   点部分の厚みより大であることを特徴とする屈曲変位型
   アクチュエータ。
2. ２．前記積層体は前記固定点を含む部分に１または複数
   枚の板状体を積層し前記固定点を含む部分の厚みを前記
   駆動点部分の厚みより大としたことを特徴とする請求項
   １項記載の屈曲変位型アクチュエータ。
3. ３．前記積層体は前記圧電体または前記シム材の厚さが
   前記固定点から前記駆動点に向かって減少していること
   を特徴とする請求項１項記載の屈曲変位型アクチュエー
   タ。