JPS63197386A - 圧電アクチユエ−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〕 この発明は、２枚の圧電板を組み合わせたバイモルフ型
の圧電アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

弾性板を挟んだバイモルフ型の圧電アクチュエータの基
本構造を第１図に示す。

即ちこの圧電アクチュエータは、長さ方向に伸縮する２
枚の圧電板１．２間に弾性板（例えば金属板）３を挟ん
だ構造をしており、圧電板ｌ、２の分極方向をそれぞれ
図中のＰ、　、Ｐ２方向とした場合、両正電板１．２と
弾性板３間に並列に例えば前者側が正電位になるように
直流電源４によって直流電圧を印加すると、圧電板１側
は矢印Ｊのように伸び圧電板２側は矢印にのように縮む
ので、全体が屈曲して、一端側の斜線部Ｓで片持支持し
た場合、他端側は矢印２方向に変位する。従ってこの変
位によって対称物を駆動することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような圧電アクチュエータにおいては、一般的に
、変位量が大きく、しかも変位のヒステリシスが小さい
ものが要望されているものの、従来のものでは両者を両
立させるのが難しいという問題があった。

これを詳述すると、変位量およびヒステリシスは、圧電
板１．２に用いる圧電材料（圧電セラミック材料）によ
ってそれぞれ異なり、第１図のような構造の圧電アクチ
ュエータの圧電板１．２に第１表のような圧電材料Ａ−
Ｃを用いた場合の測定結果を第２表および第２図〜第４
図に示す、尚、このときの第１図における各寸法は、Ｗ
＝１０、Ｌ；２７、ＴＩ＝Ｔｔ÷０．２、’ｒ、−ｏ、
ｏａ（単位はいずれもｍ　ｍ　）とし、弾性板３はリン
青銅板とした。

（以下余白） 第１表 第１表に示すように、材料Ａ、Ｂは一般にソフト系材料
と呼ばれているものであり、変位量を決定する圧電定数
（この明細書ではｄ３１定数）の絶対値が大きいものの
ヤング率および抗電界（分極方向と逆にこれ以上の電界
を加えると分極劣化、消滅を起こす電圧）が小さく、材
料Ｃ（およびＤ、Ｅ）はハード系材料と呼ばれるもので
あり、材料Ａ、Ｂとは相反する傾向にある。ちなみに材
料Ａ〜Ｅは、いずれもＰｂ（Ｚｒ　、Ｔｉ）Ｏ＊系材料
である。

また第２表に示すように、直流電源４から１０ＯＶ印加
したときの変位量は、圧電板１および２に材料Ａを用い
た場合が最も大きく、以下材料Ｂ、Ｃの順になるものの
、ヒステリシスも材料Ａを用いた場合が最も大きく、以
下材料Ｂ、Ｃの順になる（第２図〜第４図も参照）。こ
のように、変位量とヒステリシスは、従来の単なるバイ
モルフ型では相客れない条件となっていた。尚、第２表
中の最大許容電圧は、第１表中の抗電界に厚さを掛けた
ものである。

上記のような問題の解決策としては、■ホットプレス等
の高密度焼成をソフト系材料に施してヤング率を大きく
してヒステリシスを小さくする、■ユニモルフ構造にし
て相対的にヒステリシスの小さい金属板と接合すること
によってヒステリシスを緩和する、等の手段が一般的に
考えられる。

しかし、■の手段の場合は、圧電板の焼成が大がかりに
なり大幅なコストアップになるという問題があり、■の
手段の場合は、同一形状であれば発生力や変位量がバイ
モルフの１／２以下になってしまう、金属板の熱膨脹係
数が圧電板のそれと異なる場合は高温接着時に歪が蓄積
されてヒステリシス低減効果が薄められる、圧電板と熱
膨脹係数のほぼ一致する金属材料は限られているのでヒ
ステリシス低減の設計自由度が低い、等の問題があり、
上記■、■いずれの手段もあまり効果的ではない。

そこでこの発明は、バイモルフ型であってしかも高密度
焼成をした圧電材料を用いることな（、変位量が大きく
かつ変位のヒステリシスが小さい圧電アクチュエータを
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の圧電アクチュエータは、２枚の圧電板を組み
合わせたバイモルフ型の圧電アクチュエータにおいて、
一方の圧電板を圧電定数の絶対値が相対的に大きい圧電
材料で構成し、他方の圧電板を圧電定数の絶対値が相対
的に小さい圧電材料で構成していることを特徴とする。

〔実施例〕

この実施例に係る圧電アクチュエータも、基本構造は第
１図に示すようなバイモルフ型であるが、その一方の、
即ち分極方向と同方向に電界が加わるように直流電圧が
印加される側の圧電板ｌを、圧電定数の絶対値が太き（
またヒステリシスも大きい前述したような圧電材料Ａで
構成し、他方の、即ち分極方向と逆方向に電界が加わる
ように直流電圧が印加される側の圧電板２を、圧電定数
の絶対値が小さくまたヒステリシスも小さい前述したよ
うな圧電材料Ｃで構成している。

このような構成の圧電アクチュエータの変位置および変
位のヒステリシスを、第２表に示す従来例の場合と同一
条件で測定した結果を第３表および第５図に示す。

第２表と第３表を比べれば分かるように、この実施例に
おいては、１００ｖ変位量は、材料Ａ同士で構成した従
来例よりかは小さいものの、材料Ｂ同士あるいは材料Ｃ
同士で構成した従来例よりもかなり大きい。またヒステ
リシスも、この実施例においては、材料Ｂ同士あるいは
材料Ｃ同士で構成した従来例より大きいものの、材料Ａ
同士で構成した従来例よりもかなり小さい。

しかも、第１表に示すように、一般に材料Ａ、Ｂのよう
なソフト系材料は抗電界が小さく、分極劣化、即ち変位
劣化を招来せずに分極方向と逆方向に加えることが、で
きる電圧が小さいため、第２表に示すように最大許容電
圧が小さく、そのため最大許容電圧時の変位量も小さい
のに対して、この実施例においては、第１図に示すよう
に一方向にのみ変位させるように電圧を印加する場合は
（用途等によってはこのような一方向のみの変位で十分
な場合が多い）、最大許容電圧は分極方向と逆方向に電
界が加わる側の圧電板２の材料Ｃの抗電界によって規定
され第３表に示すように大きい。従って、最大許容電圧
時の変位量を見れば、この実施例の方が、第２表に示す
どの従来例よりも温かに大きい。

それゆえこの実施例によれば、バイモルフ型であってし
かも高密度焼成をした圧電材料を用いることな（、変位
量が大きくかつ変位のヒステリシスが小さい圧電アクチ
ュエータが実現される。

尚、圧電板１と２に用いる圧電材料は、必ずしも上記材
料Ａ、！：Ｃの組合せに限定されるものではなく、他の
材料、例えは第１表に示した材料Ａ〜Ｅの中から圧電定
数の絶対値が相対的に大きいものと小さいものとを任意
に組合せても良く、その場合でも従来の同一材料同士の
組合せでは得られない、変位量およびヒステリシスを両
立させる効果が得られる。

また、圧電板１．２間に弾性板３を挟まないバイモルフ
型でも上記と同傾同の効果を得ることができるが、弾性
板３を挟む場合は、熱膨張の影響を小さくするために、
当該弾性板３の熱膨脹係数は圧電板１．２のものと同一
かそれに近い材料、例えば４２Ｎｉ合金、コバール等に
するのが好ましい。例えば、前述のリン青銅の弾性板３
　（熱膨脹係数２０．　３　ｘ　１　（Ｉｂ／℃）を４
２Ｎｉ合金（同４　Ｘ　１０−’／”Ｃ）に変えること
により、変位量で約１５％、ヒステリシスで２％程度の
改善効果が認められた。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、バイモルフ型であって
しかも高密度焼成をした圧電材料を用いることなく、変
位量が大きくかつ変位のヒステリシスが小さい圧電アク
チュエータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、バイモルフ型の圧電アクチュエータの基本構
造の一例を示す斜視図である。第２図ないし第５図は、
それぞれ、第１図の圧電アクチュエータにおける圧電板
の材料を種々に変えて測定した変位のヒステリシスカー
ブであり、電圧の１目盛は２０Ｖ、変（立の１目盛は５
０μｍである。 １．２・・・圧電板、３・・・弾性板、４・・・直流電
源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２枚の圧電板を組み合わせたバイモルフ型の圧電
   アクチュエータにおいて、一方の圧電板を圧電定数の絶
   対値が相対的に大きい圧電材料で構成し、他方の圧電板
   を圧電定数の絶対値が相対的に小さい圧電材料で構成し
   ていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）前記他方の圧電板に対して、その分極方向と逆方
   向に電界が加わるように直流電圧が印加される特許請求
   の範囲第１項記載の圧電アクチュエータ。
3. （３）前記２枚の圧電板間に、熱膨脹係数がそれらのも
   のとほぼ等しい弾性板を挟んでいる特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の圧電アクチュエータ。