JPH05218517A - 圧電バイモルフ型アクチュエータ - Google Patents

圧電バイモルフ型アクチュエータ

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JPH05218517A
JPH05218517A JP4021156A JP2115692A JPH05218517A JP H05218517 A JPH05218517 A JP H05218517A JP 4021156 A JP4021156 A JP 4021156A JP 2115692 A JP2115692 A JP 2115692A JP H05218517 A JPH05218517 A JP H05218517A
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JP
Japan
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thickness
type actuator
piezoelectric
piezoelectric element
young
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JP4021156A
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English (en)
Inventor
Koji Morikawa
厚司 森川
Jiro Inoue
二郎 井上
Jiyun Tahoda
純 多保田
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 印加電圧が一定であるという条件下で、発生
力の減少や大型化を招くことなく変位量を向上させるこ
とのできる圧電バイモルフ型アクチュエータを提供す
る。 【構成】 電極板２に圧電素子板３が設けられた圧電バ
イモルフ型アクチュエータであって、電極板２の厚みｔ
2と圧電素子板３の厚みｔ1との比ｔ2／ｔ1が、電極板２
のヤング率Ｅ2と圧電素子板３のヤング率Ｅ1との比Ｅ2
／Ｅ1の０．５〜１．１倍に設定されている圧電バイモ
ルフ型アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、カメラのシャ
ッター機構に用いられる圧電バイモルフ型アクチュエー
タに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の圧電バイモルフ型アクチ
ュエータには、電極板の両面にそれぞれ圧電素子板を設
けたものがある。そして、この圧電バイモルフ型アクチ
ュエータは、例えば一端側を片持ち支持するとともに他
端側を自由端とし、そのうえで圧電素子板と電極板との
間に電圧を印加することで自由端側を変位させるように
なっている。そして、この変位を利用して、例えばカメ
ラのシャッター機構のような装置を駆動するのに用いら
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このようなアクチュエ
ータにおいては、印加電圧を大きくすれば、その変位量
を大きくできるが、電圧が一定の状態で上記シャッター
機構を駆動するのに十分なストロークを得るには自由端
を延長したり、その厚みを薄くすることが容易に考えら
れる。しかし、これでは自由端側の発生力（変位力）が
減少してしまい、シャッター機構の駆動に必要な力が不
足してしまうおそれがある。
【０００４】そこで、発生力を確保しつつ、必要なスト
ロークを得るには上記の方法に加えてアクチュエータを
幅方向に大きくすることが考えられる。しかし、これで
はアクチュエータのサイズが大型化してしまい、小型の
装置であるカメラに組み込むうえで不都合が生じるおそ
れがある。
【０００５】なお、上記課題に加えて、アクチュエータ
を自由端側方向に延長したり、あるいは、その厚みを薄
くしてその変位量の増大を図る場合では、アクチュエー
タの共振振動数（固有振動数）が低下してしまい、その
動作に対する応答性が悪化してしまうというおそれもあ
る。
【０００６】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、印加電圧が一定であるという条件下
で、発生力の減少や大型化を招くことなく変位量を向上
させることのできる圧電バイモルフ型アクチュエータを
提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本考案は、上記の課題を
解決するために、電極板に圧電素子板が設けられた圧電
バイモルフ型アクチュエータであって、電極板の厚みｔ
2と圧電素子板の厚みｔ1との比ｔ2／ｔ1が、電極板のヤ
ング率Ｅ2と各圧電素子板のヤング率Ｅ1との比Ｅ2／Ｅ1
の０．５〜１．１倍に設定されていることに特徴を有し
ている。
【０００８】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の側面図であ
る。本実施例の圧電バイモルフ型アクチュエータ１は、
４２Ｎｉ合金製の電極板２と、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）系のセラミック製圧電素子板３，３とを備え
ている。圧電素子板３，３は同一厚みを有しており、電
極板２の両面に張り付けられている。この圧電バイモル
フ型アクチュエータ１は、有効長Ｌ＝３８ｍｍ、全体の
厚みｔ＝５５０μｍ、幅５．５ｍｍの大きさを有してい
る。
【０００９】そして、この圧電バイモルフ型アクチュエ
ータ１の厚み構成比すなわち各圧電素子板３の厚みｔ1
と電極板２の厚みｔ2との比ｔ2／ｔ1がそのヤング率の
比Ｅ2／Ｅ1によって以下のように設定されている。
【００１０】すなわち、ＰＺＴ製の圧電素子板３のヤン
グ率Ｅ1は６．７×１０10Ｎ／ｍ2、４２Ｎｉ合金製の電
極板３のヤング率Ｅ2は１４．５×１０10Ｎ／ｍ2であ
り、その比Ｅ2／Ｅ1は２．１６である。厚み構成比ｔ2
／ｔ1は、このヤング率の比Ｅ2／Ｅ1＝２．１６の０．
５〜１．１倍、つまり、０．９〜２．４に設定されてい
る。具体的には圧電素子板３の厚みｔ1は、１８９．７
〜１２５μｍの範囲となり、電極板２の厚みｔ2は、ｔ1
の値に対応して１７０．６〜３００μｍの範囲となって
いる。ヤング率Ｅ2／Ｅ1とこのような関係を満たす値に
厚み構成比ｔ2／ｔ1をすることにより、同一材質、およ
び同一外観形状を備えた圧電バイモルフ型アクチュエー
タ１において、変位量、および発生力が最大の値を取る
ことになる。以下、その理由を述べる。
【００１１】一般に、圧電バイモルフ型アクチュエータ
の変位量は次の式によって表される。
【００１２】δ＝ＮＶＬ2／２Ｋ… δ：変位量、 Ｎ＝ｄ31Ｅ1Ｗ（ｔ1＋ｔ2）／２ ｄ31：圧電定数 Ｅ1 ：圧電素子板のヤング率 Ｗ ：圧電素子板の幅 ｔ1 ：圧電素子板の厚み ｔ2 ：電極板の厚み Ｖ：印加電圧 Ｌ：圧電バイモルフ型アクチュエータの有効長、 Ｋ：圧電バイモルフ型アクチュエータの曲げ剛さ 式は次のように変形される。
【００１３】δ＝Ａ（Ｎ／Ｋ）… Ａ：ＶＬ2／２ 式において、Ａ＝定数（ＬおよびＶ値が一定）とする
と、変位量δはＮ／Ｋの値によって変動することにな
る。
【００１４】また、圧電バイモルフ型アクチュエータ全
体の大きさを一定としておき、電極板２と圧電素子板３
との厚み構成比ｔ2／ｔ1を変動させていくとＮ，Ｋ値は
変化する。特に、電極板２のヤング率Ｅ2＞圧電素子板
３のヤング率Ｅ1、である場合、図２のグラフに示すよ
うに、Ｋ値の増大率がＮ値の増大率を上回るポイントが
あるため、Ｎ／Ｋ値が極大値を有するようになる（図２
において縦軸は厚み構成比ｔ2／ｔ1の変化に伴うＫ，
Ｎ，およびＮ／Ｋの各値の変動を表している）。Ｎ／Ｋ
値が極大値を有するということは前記したおよび式
により、変位量δも極大値を有することになる。つま
り、全体の大きさを一定とした場合、最大の変位量δが
得られる電極板２と圧電素子板３との厚み構成比ｔ2／
ｔ1は一定の値を有するということである。
【００１５】さらに、Ｋ値は圧電素子板３、および電極
板２のヤング率Ｅ1，Ｅ2の値によっても変動し、図２の
グラフにおけるＫ値の変化の度合いもヤング率の比Ｅ2
／Ｅ1によって変わる。したがって、変位量δの最大
値、換言すればＮ／Ｋ値の極大値が得られる厚み構成比
ｔ2／ｔ1はヤング率の比Ｅ2／Ｅ1により規定されること
になる。
【００１６】以上のことに基づき、本件発明者は、実施
例の圧電バイモルフ型アクチュエータ１と同一の材質，
同一の大きさでその厚み構成比ｔ2／ｔ1が異なる圧電バ
イモルフ型アクチュエータを各種製造してその変位量δ
を測定した。その結果を図３に示す。この測定は図１に
示すように、Ｖ＝１６０の電圧をスイッチＳを介して圧
電バイモルフ型アクチュエータ１に印加するという駆動
回路のもとで行った。また、図３において、実線は厚み
構成比ｔ2／ｔ1の変化に伴う変位量δの変動を示してい
る。
【００１７】なお、測定に供される圧電バイモルフ型ア
クチュエータは、実施例のものと同様、ＰＺＴ製の圧電
素子板と４２Ｎｉ合金製の電極板とから構成され、その
大きさも有効長Ｌ＝３８ｍｍ、幅５．５ｍｍ、全体厚み
ｔ＝５５０μｍとした。また、ＰＺＴと４２Ｎｉ合金の
ヤング率の比Ｅ2／Ｅ1は、前述したように２．１６であ
る。
【００１８】図３から明らかなように、変位量δは極大
値を有しさらに極大値近辺では比較的平坦でなだらかな
曲線を描いて変移している。そこで、変位量δの有用範
囲Ｈを極大値の１００％〜９５％の範囲とすると、変位
量δが有用範囲Ｈとなる厚み構成比ｔ2／ｔ1は０．９〜
２．４となる。ここで、測定した各圧電バイモルフ型ア
クチュエータのヤング率の比Ｅ2／Ｅ1は２．１６である
ので、有用変位量δとなる厚み上の構成比ｔ2／ｔ1＝
０．９〜２．４とヤング率の比Ｅ2／Ｅ1＝２．１６との
間には次のような関係式が成立する。
【００１９】０．５×（Ｅ2／Ｅ1）≦有用変位量となる
ｔ2／ｔ1≦１．１×（Ｅ2／Ｅ1）この式は、簡単にいう
と、ヤング率の比Ｅ2／Ｅ1の０．５〜１．１倍の範囲に
厚み構成比ｔ2／ｔ1が含まれていれば、有用（最大）変
位量δになるということである。この結果から、本実施
例の圧電バイモルフ型アクチュエータ１における圧電素
子板３および電極板２の厚みは、前記したような値にな
っている。すなわち、圧電素子板の厚みｔ1は、１８
９．７〜１２５μｍの範囲であり、電極板ｔ2の厚み
は、全体の厚みから（２×ｔ1）を引いた値１７０．６
〜３００μｍとなっている。厚み構成比ｔ2／ｔ1をこの
範囲の値にすることにより、変位量δはほぼ最大とな
る。
【００２０】ところで、本件発明者は、上記のように変
位量測定実験時において同時に発生力の測定を行い、そ
の結果を図３において破線で示した。この測定結果に示
すように、発生力も変位量δと同様の極大値を有し、さ
らに、その極大値の位置も変位量δとほぼ同一の位置で
あった。つまり、本発明のように、厚み構成比ｔ2／ｔ1
をヤング率の比Ｅ2／Ｅ1の０．５〜１．１倍の範囲に設
定すれば、変位量δだけでなく、発生力もほぼ最大値を
得られることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、印加電圧
が一定であるという条件のもとで、形状を変更すること
なくさらには発生力を減少させることく、変位量を向上
させることができるようになった。そのため、動作特性
の向上と小型化という、従来では、同時に達成すること
が困難であった課題を達成することが可能になった。
【００２２】加えて、圧電バイモルフ型アクチュエータ
全体の長さや厚みといった形状に変形を加えることなく
動作特性を向上させることが可能になったので、共振周
波数が低くなって応答性が悪化することもなくなり、閉
ループ駆動での制御特性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の圧電バイモルフ型アクチュ
エータの概略構造を示す側面図である。
【図２】圧電バイモルフ型アクチュエータにおける厚み
構成比と、変位量の変化に関係する各変数の関係を示す
線図である。
【図３】実施例の圧電バイモルフ型アクチュエータにお
ける変位量，発生力と厚み構成比との関係を示す線図で
ある。
【符号の説明】
１ 圧電バイモルフ型アクチュエータ ２ 電極板 ３ 圧電素子板

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極板（２）に圧電素子板（３）が設け
    られた圧電バイモルフ型アクチュエータであって、 電極板（２）の厚みｔ2と圧電素子板（３）の厚みｔ1と
    の比ｔ2／ｔ1が、電極板（２）のヤング率Ｅ2と圧電素
    子板（３）のヤング率Ｅ1との比Ｅ2／Ｅ1の０．５〜
    １．１倍に設定されていることを特徴とする圧電バイモ
    ルフ型アクチュエータ。
JP4021156A 1992-02-06 1992-02-06 圧電バイモルフ型アクチュエータ Pending JPH05218517A (ja)

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