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Info
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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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- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
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- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
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Classifications
-
- 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
Landscapes
- 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。
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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4021156A JPH05218517A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 圧電バイモルフ型アクチュエータ |
DE4303424A DE4303424C3 (de) | 1992-02-06 | 1993-02-05 | Streifenförmiges piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types |
US08/014,895 US5382864A (en) | 1992-02-06 | 1993-02-08 | Piezoelectric bimorph type actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4021156A JPH05218517A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 圧電バイモルフ型アクチュエータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05218517A true JPH05218517A (ja) | 1993-08-27 |
Family
ID=12047051
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4021156A Pending JPH05218517A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 圧電バイモルフ型アクチュエータ |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5382864A (ja) |
JP (1) | JPH05218517A (ja) |
DE (1) | DE4303424C3 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20000074546A (ko) * | 1999-05-21 | 2000-12-15 | 김희진 | 압전/전왜 액튜에이터를 이용한 형광등 점등장치 |
WO2022091559A1 (ja) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | アクチュエータ |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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