JPS62298190A

JPS62298190A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS62298190A
Application number: JP61141656A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Fujii; 藤井　博満
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1986-06-18
Publication date: 1987-12-25
Also published as: JPH0257354B2

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】３、発明の詳細な説明利用産業分野この発明は、ワイヤートッドプリンターヘッドやリレー
等の駆動源として多用されている圧電アクチュエータの
改良に係り、圧電すべり効果を利用した圧電磁器を用い
ることにより、小駆動電圧にて所要の大きな機械的変位
が得られる圧電アクチュエータに関する。

背景技術圧電アクチュエータは、電磁方式のアクチュエータと比
較して、エネルギ効率が良く、かつ、軽量、小型化に最
適なことから、ワイヤートッドプリンターヘッドや各種
のスイッチ、リレー等の駆動源として、多種の分野にて
多用されている。

一般に、かかる圧電アクチュエータとして、第５図に示
す如き圧電バイモルフ構造が知られており、例えば、両
主面に電極（２Ｘ３）を被着形成した円板状からなる圧
電磁器板（１）と、りん青銅等からなる円板上の可撓性
金属板（４）とを積層固着し、その両端部を支持部（５
）にて支持した構成からなる。

圧電磁器板（１）は、厚み方向（図で下向き）に分極さ
れた板状で、その両主面に電極（２Ｘ３）を被着形成し
てあり、電極（３）と電気的に接続された金属板（４）
と上面の電極（２）との間に、電極（２）側を十として
所要の電圧を印加することにより、上記構成の圧電磁器
板（１）は、中央部側を図で矢印方向（図の上向き）に
湾曲変位し、作用部材（図示せず）を介して、当接ある
いは接続される種々部材に機械的変位を伝達し、種々用
途の圧電アクチュエータとして利用される。

上記の変位は、圧電磁器板（１）への電界Ｅの印加にと
もない、分極方向に対して直交方向にｄ３１の割りで縮
む、所謂圧電横効果を利用して発生させるものであり、
第５図において、圧電磁器板（１）の分極方向を逆にす
ると、変位方向が逆になる。

圧電アクチュエータとしては、前記第５図の構成のほか
、可撓性金属板の両面に圧電磁器板を配置し積層した構
成、あるいは該金属板を用いることなく、２枚の圧電磁
器板を直接積層した構成が知られており、いずれも圧電
磁器板の厚み方向すなわち駆動電界方向に分極方向を有
し、第５図の構成と同様に圧電横効果を利用して機械的
変位を得るものである。

今日、圧電アクチュエータには、その応答性向上ととも
に、低電圧駆動にて大きな機械的変位が得られる構成が
望まれているが、上記の各構成からなる圧電アクチュエ
ータではかかる要求を充分溝すことができないものであ
った。

すなわち、アクチュエータとしては、所要の変位量及び
発生力、駆動電圧の諸特性を満足するとともに、用途等
に応じた形状、寸法の要求をも満足する必要があり、従
来の圧電アクチュエータには、諸条件を任意選択できる
構成は提案されてν１なかった。

発明の目的この発明は、圧電横効果を利用する従来の圧電バイモル
フ構成の問題点に鑑み、新規な圧電バイモルフ構造から
なり、小駆動電圧にて得られる機械的変位を大幅に向上
させた圧電アクチュエータを目的としている。

発明の構成と効果この発明は、小駆動電圧にて所要の大きな機械的変位が
得られる圧電アクチュエータを目的に種々検討し、従来
の圧電バイモルフ構造にて利用する圧電膚効果歪（圧電
定数ｄ３１）に比べて、はぼ倍の圧電すべり効果歪（Ｕ
：、電定数ｄ１５）が活用され得ることに着目し、さら
に検討した結果、圧電すべり効果を利用する構成からな
る圧電磁器を、可撓性板、または従来の圧電横効果を利
用する圧電磁器板、あるいは前記両方の板と積層一体化
した構成とすることにより、小さな駆動電圧にて大きな
機械的変位が得られることを知見し、この発明を完成し
たものである。

すなわち、この発明は、各々分極された複数の環状圧電
磁器を同心状に配列一体化した円板状の両主面に電極を
被着した構成からなり、分極方向を放射方向に配しかつ
隣接する環状圧電磁器の各々の分極方向を相互に逆方向
となして、圧電すべり効果にて変位する主圧電磁器板と
、可撓性板および／または厚み方向に分極方向を有し圧
電横効果にて変位する板状圧電磁器とを積層一体化した
ことを特徴とする圧電アクチュエータである。

この発明による圧電磁器は、各分極方向を放射方向に配
しかつ隣接する環状圧電磁器の各々の分極方向が相互に
逆方向となるように配設してなる環状圧電磁器を並列一
体化した円板状の両主面に電極を被着した構成からなる
が、これ単体では並列方向に伸縮することなく、可撓性
板、または従来の圧電横効果を利用する圧電磁器板、あ
るいは前記両方の板と積層一体化することにより機械的
変位が得られる。

さらに詳述すれば、各環状圧電磁器は印加される電界と
直交方向に分極されて圧電すべり効果を得ることになり
、該分極方向が相互に逆方向で、各々の歪方向が対向し
、可撓性板と一体化さ′れて厚み方向の歪発生が抑止さ
れ、圧電磁器板全体して半径方向（放射方向）の歪発生
が顕著化され、一方向に太き（湾曲変位するものである
。

すなわち、圧電すべり効果にて変位する圧電磁器は、こ
れに積層する可撓性板および／または分極方向が板厚み
方向である従来の圧電磁器板の半径方向に、歪を発生さ
せて伸長することになるため、印加電界の極性に拘らず
変位方向は一方向に限られる。

この発明において、同心状に並列配置する複数の環状圧
電磁器は、一体構成のリング状のもののほか、多数個の
ブロック状の圧電磁器を略環状に配置してあっても同様
の効果が得られる。

また、この発明による圧電アクチュエータは、公知のい
ずれの支持方法及び固定方法であっても、同様の効果が
得られる。

この発明において、圧電すべり効果を得る圧電磁器には
、公知のいずれの組成の圧電磁器も利用でき、複数の環
状圧電磁器を一体化するための接着剤等には、エポキシ
樹脂、ゴム、ポリエチレン、ナイロン、ポリエチレンテ
レフタレート等が利用でき、弾性率など物質性状や該磁
器間隔などを適宜選定する必要がある。

また、可撓性板には、りん青銅などの金属板、塩化ビニ
ルなどの合成樹脂板、グラスあるいはカーボンファイバ
ーと複合化した合成樹脂板、あるいは前記金属、合成樹
脂、ファイバーと複合化されたセラミックス板などが利
用でき、圧電磁器との積層に際しては、エポキシ、アク
リル、塩化ビニル、フェノール等の樹脂やＰＶＡ等の接
着物質を、所要の弾性率等に応じて適宜還水できる。

発明の図面に基づく開示第１図ａ、　ｂ図はこの発明による圧電磁器の上面説明
図と圧電アクチュエータの側面説明図である。第２図と
第３図はこの発明による圧電磁器を用いた圧電アクチュ
エータの説明図である。第４図ａ、　ｂ図はこの発明に
よる圧電磁器の製造工程を示す斜視説明図と上面説明図
である。

第１図ａ図に示すこの発明による主圧電磁器板（１０）
は、外径及び内径の異なる環状圧電磁器（１１）を複数
本、図面では６本を同心状に並列配置して一体化し、円
板状になしたもので（ａ図では電極を図示せず）、図中
矢印に示す如く、各環状圧電磁器（１１）の分極方向を
放射方向に配し、がっ隣接する環状圧電磁器（１１）の
分極方向を相互に逆方向となしである。

第１図す図に示す圧電アクチュエータは、前記の主圧電
磁器板（１０）の両面に、電極（１２Ｘ１３）を着設し
てあり、さらに、その−上面に可撓性金属板（１４）を
接着剤にて固着し、外周端部を支持部材（１５）にて支
持し、円板状圧電アクチュエータを形成している。

上記構成からなる圧電アクチュエータは、外方の電極（
１２）と金属板（１４）間に、電界Ｅを印加することに
より、圧電すべり効果にて図の上方向（白抜き矢印方向
）に湾曲変位する。

かかる圧電すべり効果を有効に活用するには、環状圧電
磁器（１１）の厚みｔ（電界方向）と長さｅ（分極方向
）との関係が、２ｔ≧ｅ≧ｔの範囲内にあることが好ま
しく、ｔ＝ｅの場合が最も好ましく、可撓性板および／
または圧電横効果を有する圧電磁器板の有無に関わらず
、いずれのバイモルフ構成においても同様である。

第２図に示す圧電アクチュエータは、第１図の圧電バイ
モルフ構造に、さらに圧電横効果を付加したもので、厚
み方向に分極され、両主面に電極（１７Ｘ１８）を着設
した圧電横効果にて変位する他の圧電磁器板（１６）の
一方面に、上述した第２図の構成の金属板（１４）と主
圧電磁器板（１０）を順次積層固着し、円板状積層体の
一方外周端を支持部材（１５）に支持して、圧電アクチ
ュエータを形成している。

上記構成からなる圧電アクチュエータは、主圧電磁器板
（１０）の外方側電極（１２）と金属板（１４）間、及
び他方の圧電磁器板（１６）の外方側電極（１８）と金
属板（１４）間に、電界Ｅを印加することにより、圧電
すべり効果と圧電横効果にて図の上方向（白抜き矢印方
向）に湾曲変位する。

第３図に示す圧電アクチュエータは、第１図に示した圧
電すべり効果にて変位する主圧電磁器板（１０）と、前
記の圧電横効果にて変位する他の圧電磁器板（１６）と
を、電極（１３Ｘ１７）を介して直接積層固着し、円板
状積層体の一方外周端を支持部材（１５）に支持して、
圧電アクチュエータを形成している。

第３図の圧電アクチュエータは、主圧電磁器板（１０）
の外方側電極（１２）と他方の圧電磁器板（１６）の外
方側電極（１８）間に、電界Ｅを印加することにより、
圧電すべり効果と圧電横効果にて図の上方向（白抜き矢
印方向）に湾曲変位する。

この発明による圧電磁器を工業的量産規模にて製造する
場合、第４図に示す製造方法によると効率よく製造でき
る。

詳述すると、厚み方向（半径方向）に分極処理された円
筒状圧電磁器（２０Ｘ２１Ｘ２２）を、厚みを同一とし
て内嵌（あるいは外嵌）できるように外径及び内径を変
えて用意し、例えば、比較的弾性率の小さなエポキシ樹
脂を介して、分極方向が相互に逆向きとなるよう同心状
に内嵌配列して固着し、得られた円柱体をスライスして
所要厚みの円板状となし、さらに、主面（切断面）を研
摩して研摩面となし、この研摩面にスパッタ法、蒸着法
、無電解めっき法などの手段にて、電極を被着形成する
ことにより、この発明による円板状の圧電磁器を得るこ
とができる。

また、ｂ図に示す如く、厚み方向に分極処理された矩形
板状圧電磁器板を複数枚用いて、エポキシ樹脂を介して
、分極方向が相互に逆向きとなるよう配列固着し、得ら
れた圧電磁器板積層体から三角柱体に切出し、ついでこ
の三角柱体（３１〜３８）を８本用い、エポキシ樹脂を
介して、８角柱状体となし、所要厚みでスライスし、さ
らに、主面（ｇＪ断面）を研摩して研摩面となし、この
研摩面にスパッタ法、蒸着法、無電解めっき法などの手
段にて、電極（１２Ｘ１３）を被着形成することにより
、この発明による圧電磁器板（１０）を得ることができ
る。

実施例下記条件にて、可撓性金属板に圧電磁器を貼着した円板
構成の圧電アクチュエータを製造した。

圧電磁器；ジルコン・チタン酸鉛系圧電磁器寸法；外径
４０ｍｍＸ厚み０．５ｍｍ（電極を含む）電極；Ｎｉ−
Ａｕ系合金、厚みｏ、５２、蒸着法にて形成可撓性金属板；りん青銅寸法；外径４０ｍｍＸ厚み０．１５　ｍｍ接着剤及び硬
化剤；アラルダイトＡＷ１０６　、ハードナーＨＶ９５３Ｕ（
チバ・ガイギー社製）本発明による圧電磁Ｓ（第１図相当）は、幅ｅＯ，５ｍ
ｍ　Ｘ厚みｔ　Ｏ，５ｍｍで外径の異なる環状圧電磁器
を３９本使用して作製し、環状圧電磁器の接着及び金属
板との接着に際し、接着剤と硬化剤との混合比を１０：
１０と１０：６に選定した。

従来の圧電磁器（第５図相当）には、前記寸法の１枚板
を用い、金属板との接着に際し、接着剤と硬化剤との混
合比を１０：８に選定した。

得られた２種の圧電アクチュエータの外側電極と金属板
間に、直流１００■の電界を印加したところ、従来の圧
電アクチュエータでは、０．２６　ｍｍの変位量であっ
たが、この発明による圧電アクチュエータは、０．４９
　ｍｍの大変位量を得るこができた。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、　ｂ図はこの発明による圧電磁器の上面説明
図と圧電アクチュエータの側面説明図である。第２図と
第３図はこの発明による圧電磁器を用いた圧電アクチュ
エータの説明図である。第４図ａ、　ｂ図はこの発明に
よる圧電磁器の製造工程を示す斜視説明図と上面説明図
である。第５図ａ、　ｂ図は従来の圧電アクチュエータ
の説明図である。１０・・・主圧電磁器、１１・・・環状圧電磁器、１２
，１３，１７，１８・・・電極、１４・・・可撓性金属
板、１５・・・支持部材、１６．２０・・・圧電磁器板
。

Claims

【特許請求の範囲】１各々分極された複数の環状圧電磁器を同心状に配列一体
化した円板状の両主面に電極を被着した構成からなり、
分極方向を放射方向に配しかつ隣接する環状圧電磁器の
各々の分極方向を相互に逆方向となして、圧電すべり効
果にて変位する主圧電磁器板と、可撓性板および／また
は厚み方向に分極方向を有し圧電横効果にて変位する板
状圧電磁器とを積層一体化したことを特徴とする圧電ア
クチュエータ。