JPS63260085A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電アクチュエータ

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JPS63260085A
JPS63260085A JP62307579A JP30757987A JPS63260085A JP S63260085 A JPS63260085 A JP S63260085A JP 62307579 A JP62307579 A JP 62307579A JP 30757987 A JP30757987 A JP 30757987A JP S63260085 A JPS63260085 A JP S63260085A
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Yukio Senda
千田 幸雄
Yasuo Oguri
康生 小栗
Tetsuhiko Nishimura
哲彦 西村
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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〕 この発明は大きな変位量と発生力を最小の印加電界で得
るための圧電アクチュエータに関するものである。
〔従来の技術〕
第1図、第2図はいずれもこの発明の適用対象である従
来の圧電アクチュエータの一例を示すものである。
第1図はユニモルフ型圧電アクチュエータを示す斜視図
で、1は圧電素子全体を示し、2は板状の圧電体セラミ
ックス、3は電極、4は電源で、、前記電極3を介して
圧電体セラミックス2に電界Eを印加する。Pは前記各
圧電体セラミックス2の分極方向を示す。11は前記電
極3を介して圧電セラミックス2の一側面に貼り合わせ
た屈曲可能の金属板からなる支持部材である。矢印Aは
電界Eの印加によって圧電体セラミックス2が収縮する
方向、矢印Bは前記圧電体セラミックス2が伸長する方
向を示す。このように、圧電素子1として、1枚の厚さ
100〜500μmの板状の圧電体セラミックス2の一
側面に支持部材11を貼り合わせて構成し、圧電体セラ
ミックス2の分極方向Pと同方向に電界Eを印加するこ
とにより、厚さ方向と直角方向に収縮させる横効果を利
用して矢印C方向に屈曲させるものである。
第2図はバイモルフ型の圧電アクチュエータを示す斜視
図である。この図において一1第1図と同一符号は同一
部分を示し、2A、2Bは圧電体セラミックス、5は横
効果型の圧電素子、6は前記圧電素子5を固定する固定
台である。
この例は、圧電素子5を、1枚当りの厚さ100〜50
0μmの板状の圧電体セラミックス2A、2Bを直接に
、一方の圧電体セラミックス2Aには分極方向Pと逆方
向に、他方の圧電体セラミックス2Bには分極方向Pと
同方向に、それぞれ電界Eを印加して矢印C方向に屈曲
させるものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところで、第1図に示すユニモルフ型の圧電アクチェエ
ータは通常圧電ブザーなどの振動子として用いられ、振
動子としての設計手法はほぼ確立されている。しかしな
がらアクチュエータなどの共振を利用しない場合、ある
いは低周波駆動を行うなどの場合、大きな変位量9発生
力を同時に得るために、圧電体および屈曲部材の厚さな
どを最適に設計する方法は開示されていない。一方、第
2図に示すような2層構造(中間板なし)のバイモルフ
型の圧電アクチェエータについては、通常、同じ材料で
同じ寸法(厚さ)の圧電体を2枚貼り合わせることが一
般的であるが、この場合にも大きな変位量と発生力を得
るものはいまだ開示されていなかった。
この発明の目的は、かかる問題点を解決するために、屈
曲型の圧電アクチュエータにおいて大きな変位量と発生
力を同時に得て、さらに、そのために必要な印加電界強
度を最小にすることが可能な圧電アクチェエータを提供
することにある。
(問題点を解決するための手段) この発明にかかる圧電アクチュエータは、電界の印加の
有無に応じ伸縮する板状の圧電体セラミックスにその伸
縮変形を拘束するために、非圧電性の屈曲可能な板状の
支持部材あるいは前記圧電体セラミックスと伸縮方向が
異なる板状の圧電体セラミックスからなる支持部材をそ
れぞれ直接貼り合わせてなる圧電体アクチェエータにお
いて、互いに貼り合わせる前記圧電体セラミックスと支
持部材のそれぞれのヤング率をY2 、Yl *厚さを
t2.tl、ヤング率の比をmとすると圧電体セラミッ
クスの厚さt、の範囲が下記関係式(りを満足し、かつ
支持部材の厚さt、が下記関係式(II)を満足するも
のである。
0.8xlO’ Aμm≦t2≦1.2×106Aμm
−−−−−− (I ’) F:アクチェエータとして必要な発生力(N)、δ;ア
クチェエータとして必要な変位量(m)fL:アクチェ
エータの長さくm)、 b=アクチェエータの幅(m)、 Y2 :圧電体のヤング率(N/mz)〔作用) この発明においては、印加電界が低くて必要な変位量と
発生力とを得ることができる。
(実施例) この発明は、圧電体セラミックスと、これと貼り合わせ
た非圧電性の屈曲可能な板状の支持部材または板状の圧
電体セラミックスの支持部材とからなるユニモルフ型あ
るいはバイモルフ型の圧電アクチュエータにおいて、使
用する材料および要求特性である変位量0発生力が決定
されたとき、必要な印加電界塵を最小にするような最適
な厚さの組み合わせを見出したものである。すなわち、
貼り合わせる2枚の部材、つまり圧電体セラミックスと
支持部材のそれぞれのヤング率をY2゜Ylとし、それ
ぞれの厚さを12.11とすると、ヤング率の比mと厚
さの比nはそれぞれm x Y 2 / Y 1 n=t2/11 となり、両者の関係が n=tz/1t−1「71 すなわちtr−5t2のと
き、印加電界強度が最小でよいことが判明した。このと
き、t2は、 により最適点が決定される。
ただし、 F:発生力、δ:変位量 fL:素子長、b=素子幅 である。また電極あるいは接着層の影響は通常圧電体あ
るいは支持板の厚さに比べて非常に薄いので無視できる
したがって、これ以上の電界を印加することが可能であ
れば、より大きな発生力、変位量が得られることになる
上記の1..12の条件は最適値であるが、一般には圧
電体セラミックスの厚みt2が下記第(I)式を、また
、支持部材の厚1.が下記第(II )式を満足すれば
よい、 ′ 0.8xlO’ Aμm≦t、≦1.2×106Aμm
             ・・・・・・(I)この発
明は、第1図、第2図に示す従来のユニモルフ型、バイ
モルフ型の圧電アクチュエータに適用できるほか、先に
提案した、第3図の圧電アクチェエータにも適用できる
すなわち、第3図は特願昭61−228426号の圧電
アクチェエータの原理説明図で、縦効果型積層圧電素子
(以下単に圧電素子という)7と支持部材11とを組み
合わせたものである。すなわち、前記圧電素子1の長手
方向の一側面に金属板からなる支持部材11をエポキシ
樹脂等の絶縁性の接着剤により圧電素子7と貼り合わせ
て接着し、絶縁層12を形成する。
なお、圧電素子7の製造に際しては、例えば圧電体セラ
ミックス2としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の原
料粉末と有機バインダ、可塑剤。
溶剤等とともに混練し、スラリーを調製し、ドクターブ
レード等によってシート成型を行い、乾燥後、所要の電
極3をスクリーン印刷によりて形成し、その後、積層加
熱圧着してモノリシックな成形体を得る。
圧電体セラミックス2の厚みは、圧電素子7の長さに対
応するので、必要な素子長となるように積層数を決定す
る。これを電極3方向と直角の方向にすなわち、圧電素
子7の厚さが数10・Oμm程度となるように切断して
から焼成し、必要な厚さに研磨することによって板の長
手方向に積層されている圧電体セラミックス2を得る。
また、成形体を切断せずにそのまま焼成し、その後、切
断、研磨しても同様に得られる。これに連絡電極を焼き
付け、リード線を付けて分極処理を行う。
次いで、ユニモルフ型の圧電アクチュエータにするので
あれば、例えば厚さ90μmのFe−Ni合金の金属板
からなる支持部材11に、絶縁材と接着剤を兼ねたエポ
キシ樹脂を塗布して絶縁層12を形成し、圧電素子7を
貼り合わせる。
バイモルフ型の圧電アクチェエータの場合であれば、横
効果型積層あるいは単層の圧電素子を焼成して所定の形
状に加工し、分極処理を実施した後、第3図のユニモル
フ型と同様に絶縁層12章形成して圧電素子7を貼り合
わせる。
また、図示されていないが電界Eの印加方向。
分極方向P、収縮方向A、伸長方向Bは第1図の圧電素
子1と同じである。
このような構成にすると、ユニモルフ型の圧電アクチェ
エータに適用した場合、従来のユニモルフ型の圧電素子
1に比べ、圧電歪が2〜3倍大きくなる( d s@9
B 2〜3 X d 31) 、 L/たがって、変位
置δおよび発生力Fともに同形状の横効果型ユニモルフ
に比べ2〜3倍大きくなる。
以下の実施例は、いずれも上記した縦効果型積層圧電セ
ラミックスを用いたもので、支持部材としてはアルミナ
、ジルコニアあるいは伸縮方向が異なる横効果型積層圧
電セラミックスを用いたものである。また素子幅は5 
mm、素子長は15mmである。
(実施例1) 型式:ユニモルフ 支持部材:アルミナ 圧電体:PZT系セラミックス (d 3s−720x 10−2m/v )m : 0
.1778 ((Y2 =5.9 X 10” N/m
2) /(Yl =3.3 xlO” N/m2) )
n : 2.365(t2干200μm/ t 1 、
= 85μm)印加電界強度:1.17  kV/mm
また、第4図に印加電界強度と変位量、第5図に変位量
と発生力の関係を表す実測値を示す。
(実施例2) 型式:ユニモルフ 支持部材:ジルコニア 圧電体:PZT系セラミックス (d 3.、−720x 10−12m/v)m : 
0.2810 ((Y2 =5.9 x 10” N/
m2) /(Yl =2.1 xlO” N/m2) 
)n : 1.887(t2 =195 μm/ t 
1 =104 a m)印加電界強度: 1.25kV
/mm 圧電定数 d33: 720 X 10伺2m/ V(
実施例3) 型式:バイモルフ 支持部材:横効果型圧電体nPZT系セラミックス(d
 3.=260x 10−”m/v)圧電体nPZT系
セラミックス (d 3s−720X 10−12m/v)m : 0
.880B ((Y2 =5.9 xlO” N/m’
 ) /(Yl  =6.7  xlO” N/m2)
 )n : 1.066(t2 =180  μm/ 
t 1  =170 )印加電界強度: 1 、 10
 kV/mm(比較例)(実施例1と同じ材料の組み合
わせてt、が関係式第(TI )式を満足しない場合)
型式:ユニモルフ 支持部材:アルミナ 圧電体:PZT系セラミックス m:0.1788 (実施例1と同じ)n :1.0 
 (t2 =140 Atm/11=140 μm)印
加電界強度:1.70kV/mm 上記のようにこの発明の各実施例においては比較例にく
らべ小さな印加電界強度で、大きな変位量と発生力が得
られることがわかる。
この他、変位量が大きくなるため、先端部が、水平にな
らなくなるが、これによって不都合が生じる場合は、第
6図に示すように、支持部材11に対し圧電素子7を2
つ並べ、互いに変位方向を逆向きにすることによって、
変位後は点線で示すようになり先端部を水平に保つこと
ができる。
〔発明の効果) 以上説明したようにこの発明は、電界の印加の有無に応
じ伸縮する板状の圧電体セラミックスにその伸縮変形を
拘束するために、比圧電性の屈曲可能な板状の支持部材
あるいは前記圧電体セラミックスと伸縮方向が異なる板
状の圧電体セラミックスからなる支持部材をそれぞれ直
接貼り合わせてなる圧電体アクチュエータにおいて、互
いに貼り合わせる圧電体セラミックスと支持部材のそれ
ぞれのヤング率をY2.Y□、厚さを12.11、ヤン
グ率の比をmとると、前記圧電体セラミックスの厚さt
2の範囲が下記関係式(I)を満足し、かつ前記支持部
材の厚さtlが下記関係式(II )を満足するように
したので、使用材料および変位量2発生力が決まれば、
必要な印加電界を最小にする厚さの組み合わせを決定で
き、ひいては発生力、変位量を従来よりも増大させるこ
とができる利点を有する。
0.8x106Aμm≦t2≦1.2X106Aμm 
             ・・・・−(I )
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図はこの発明の適用対象の一例を
それぞれ示す圧電アクチュエータで、第1図はユニモル
フ型、第2図はバイモルフ型、第3図は先に提案した縦
効果型積層圧電セラミックスを用いたユニモルフ型を示
す説明図、第4図。 第5図は実施例1で示したユニモルフ印加電界強度と変
位量および発生力の関係を表す実測値、第6図は先端部
を水平にするために、2つのユニモルフを並べた構造を
示す説明図である。 図中、1.5.7は圧電素子、2.2A、2Bは圧電体
セラミックス、3は電極、4は電源、6は固定台、11
は支持部材、12は絶縁層である。 第1図 第2図 す二画疋台 第3図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  電界の印加の有無に応じ伸縮する板状の圧電体セラミ
    ックスにその伸縮変形を拘束するために、非圧電性の屈
    曲可能な板状の支持部材あるいは前記圧電体セラミック
    スと伸縮方向が異なる板状の圧電体セラミックスからな
    る支持部材をそれぞれ直接貼り合わせてなる圧電体アク
    チュエータにおいて、互いに貼り合わせる前記圧電体セ
    ラミックスと支持部材とのそれぞれのヤング率をY_2
    、Y_1、厚さをt_2、t_1、ヤング率の比をmと
    すると前記圧電体セラミックスの厚さt_2の範囲が下
    記関係式( I )を満足し、かつ前記支持部材の厚さt
    _1が下記関係式(II)を満足することを特徴とする圧
    電アクチュエータ。 0.8×10^6Aμm≦t_2≦1.2×10^6A
    μm・・・・・・( I ) (√m/2)t_2≦t_1≦(2√m)t_2μm・
    ・・・・・(II)ただし、A=▲数式、化学式、表等が
    あります▼ F:アクチュエータとして必要な発生力(N)、δ:ア
    クチュエータとして必要な変位量(m)l:アクチュエ
    ータの長さ(m)、 b:アクチュエータの幅(m)、 Y_2:圧電体のヤング率(N/m_2)
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Cited By (4)

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JPH05218517A (ja) * 1992-02-06 1993-08-27 Murata Mfg Co Ltd 圧電バイモルフ型アクチュエータ
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