DE4303424C2

DE4303424C2 - Piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types

Info

Publication number: DE4303424C2
Application number: DE4303424A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Morikawa; Jiro Inoue; Jun Tabota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2013-02-06
Also published as: JPH05218517A; DE4303424C3; DE4303424A1; US5382864A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Betätigungsglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types, das zur Betätigung des Verschlußmechanismus einer Kamera verwendet werden kann.

Piezoelektrische Betätigungsglieder des bimorphen Types der durch die Erfindung betrachteten Art haben jeweils eine piezoelektrische Platte, welche auf beiden Seiten einer Elektrodenplatte vorgesehen sind. In einem typische Fall ist ein Ende des Betätigungsgliedes einseitig eingespannt, wäh rend das andere Ende frei beweglich ist. Wenn bei dieser Anordnung eine Spannung zwischen den piezoelektrischen Plat ten und der Elektrodenplatte angelegt wird, so führt dies zu einer Verschiebung des freien Endes. Die Verschiebung bzw. der Versatz wird typischerweise zur Ansteuerung eines Mecha nismus, wie beispielsweise des Verschlußmechanismus einer Kamera, verwendet.

Der Versatz von bekannten Betätigungsgliedern kann durch Anlegen einer erhöhten Spannung vergrößert werden. Man er kennt ohne weiteres, daß zur Erzielung eines hinreichenden Hubes für den Verschlußmechanismus einer Kamera bei einer konstanten Spannung es erforderlich ist, die Erstreckung des freien Endes zu vergrößern oder dessen Dicke zu vermindern. Jedoch ist es ein Ergebnis dieses Ansatzes, daß die Kraft (oder die Verschiebung), welche an dem freien Ende erzeugt wird, unzureichend zum Antreiben des Verschlußmechanismus ist.

Um daher den nötigen Hub zu erzeugen, während die benötigte Kraft für die Verschiebung erzeugt wird, kann der obige An satz mit einer Erhöhung der Abmessung des Betätigungsgliedes in der breiten Richtung kombiniert werden. In diesem Fall werden jedoch die Abmessungen des Betätigungsgliedes sper rig, womit Unannehmlichkeiten bei dessen Einbau in die Kamera einhergehen, falls es sich bei der Kamera um eine Kameraausführung mit kleinen Abmessungen handelt.

Ein weiteres Problem, das mit dem oben beschriebenen bekann ten Ansatz der Erhöhung des Verschiebungsweges des Betäti gungsgliedes durch Vergrößerung der Erstreckung des freien Endes oder Verminderung seiner Dicke einhergeht, besteht darin, daß die Resonanzfrequenz (die natürliche Frequenz) des Betätigungsgliedes abnimmt, wodurch eine mögliche Ver schlechterung des Ansprechverhaltens während seines Betrie bes einhergeht.

Aus der US-A-4 862 030 ist bereits ein piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types mit einseitiger Einspannung, mit einer Elektrodenplatte, mit piezoelektrischen Platten, die an beiden Seiten der Elektrodenplatte angeordnet sind und mit einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen den piezoelektrischen Platten und der Elektrodenplatte in der Weise, daß das freie Ende des Betätigungsgliedes verschoben wird, bekannt. Die piezoelektrischen Platten weisen ungefähr die gleiche Dicke auf. Angaben bezüglich des Elastizitätsmoduls der Materialien der piezoelektrischen Platten sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Die US-A-4 769 570 zeigt eine piezoelektrische bimorphe Vorrichtung mit einer Zwischenplatte und zwei plattenförmigen Piezo-Keramikelementen, die auf der Zwischenplatte angeordnet sind. Die Zwischenplatte besteht aus gehärtetem Werkzeugstahl mit einem bestimmten Kohlenstoffanteil oder einer feinen Keramik.

Die DE-A1-31 42 684 offenbart ein Zweischichtbiege-Element sowie ein Vielschichtbiege-Element mit zwei bzw. mehreren Schichten aus piezoelektrischem Material zur Bildung eines elektromechanischen Wandlers. Die Schichtdicke der einzelnen Schichten des Wandlerkörpers ist derart bemessen, daß die mittlere Dehnung pro Schicht der natürlichen Dehnung bei Biegung entspricht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Betätigungsglied der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß trotz konstanter angelegter Spannung ein erhöhter Verschiebungsweg erreicht wird, ohne daß die Betätigungskraft vermindert oder die Größe des Betätigungsgliedes erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Betätigungsglied gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Bauweise eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes des bimorphen Types gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Dickenverhältnis eines piezoelektrischen Be tätigungsgliedes des bimorphen Types und einem je den von drei Parametern, die in einer Beziehung zu der Änderung der Verschiebungsgröße δ stehen; und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis des piezoelektrischen Betäti gungsgliedes des bimorphen Types gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung und sowohl der Größe des Verschiebungsweges als auch der Kraft, die durch die Verschiebung innerhalb des Betätigungs gliedes auftritt.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Be tätigungsgliedes des bimorphen Types bzw. des Zweikristall- Types. Das piezoelektrische Betätigungsglied des bimorphen Types ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 be zeichnet und umfaßt eine Elektrodenplatte 2, die aus einer Legierung mit 42% Nickel besteht, und ein Paar von piezo elektrischen Platten 3, die aus einem keramischen Blei-Tita nat-Zirkonat-(PZT)-Material bestehen. Die piezoelektrischen Platten 3 haben die gleiche Dicke und sind an den beiden entgegengesetzten Seiten der Elektrodenplatte 2 angeklebt bzw. anzementiert. Die Abmessungen des Betätigungsgliedes 1 sind derart, daß die effektive Länge L 38 mm, die Gesamt dicke t 550 µm und die Breite 5,5 mm beträgt.

Das Dickenverhältnis des Betätigungsgliedes 1 wird durch t₂/t₁ ausgedrückt. Ebenfalls kann das Verhältnis der Dicke t₁ einer jeden piezoelektrischen Platte 3 und der Dicke t₂ der Elektrodenplatte t₂ folgendermaßen unter Bezugnahme auf das Verhältnis zwischen den Elastizitätsmodulen der beiden Platten E₂/E₁ ausgedrückt werden.

Der Elastizitätsmodul E₁ der piezoelektrischen Platte 3 beträgt 6,7·10¹⁰N/m², während der Elastizitätsmodul E₂ der Elektrodenplatte 3, welche aus einer Legierung mit 42% Nickel besteht, 14,5·10¹⁰N/m² ist. Daher ist das Verhält nis dieser beiden Werte E₂/E₁ gleich 2,16. Die Dicke t₂/t₁ der beiden Platten ist auf das 0,4- bis 1,1fache des Wertes 2,16 des Verhältnisses E₂/E₁, nämlich auf 0,9 bis 2,4 einge stellt. Es sei insbesondere hervorgehoben, daß die Dicke t₁ einer jeden piezoelektrischen Platte 3 in dem Bereich von 125,0 bis 189,7 µm liegt, während die Dicke t₂ der Elektro denplatte in dem Bereich zwischen 170,6 und 300,0 µm in Übereinstimmung mit den entsprechenden Werten von t₁ liegt. Wenn das Dickenverhältnis t₂/t₁ derart eingestellt ist, daß die oben festgelegte Beziehung zu dem Verhältnis der Elasti zitätsmodule E₂/E₁ erfüllt ist, so werden verschiedene Ver sionen des piezoelektrischen Betätigungsgliedes 1 des bi morphen Types, die aus dem gleichen Material bestehen und ein identisches Erscheinungsbild und eine übereinstimmende Form haben, einen jeweiligen Maximalwert für den Verschie bungsweg und die Verschiebungskraft, welche erzeugt wird, liefern. Die Gründe hierfür werden nachfolgend erläutert.

Der Verschiebungsweg eines piezoelektrischen Betätigungs gliedes des bimorphen Types kann allgemein durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

δ = NVL²/2K (1)

In dieser Gleichung bezeichnen:

δ: den Verschiebungsweg,
N: N = d₃₁E₁W(t₁ + t₂)/2, wobei,
d₃₁: eine piezoelektrische Konstante,
E₁: der Elastizitätsmodul einer jeden piezoelektri schen Platte,
W: die Breite der piezoelektrischen Platte,
t₁: die Dicke einer jeden piezoelektrischen Platte und
t₂: die Dicke der Elektrodenplatte bezeichnen;
V: die angelegte Spannung;
L: die effektive Länge des piezoelektrischen Betätigungsgliedes des bimorphen Types; und
K: die Biegungssteifigkeit des Betätigungsgliedes.

Die Gleichung (1) kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

δ = A (N/K) (2)

In dieser Gleichung gilt: A: VL²/2.

Wenn A in Gleichung (2) eine Konstante ist (d. h. wenn die Werte sowohl von L als auch von V konstant sind) so ändert sich der Verschiebungsweg δ mit dem Wert von N/K.

Wenn die Gesamtgröße des piezoelektrischen Betätigungsglie des des bimorphen Types konstant gehalten wird, und wenn das Dickenverhältnis t₂/t₁ zwischen der Elektrodenplatte 2 und jeder piezoelektrischen Platte 3 verändert wird, ändern sich die Werte N und K. Insbesondere wenn der Elastizitätsmodul E₂ der Elektrodenplatte 2 größer als der Elastizitätsmodul E₁ der piezoelektrischen Platte 3 ist, so übersteigt die Anstiegsrate des Wertes von K die Anstiegsrate des Wertes von N an einem bestimmten Punkt, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist, so daß der Wert von N/K ein Maximum aufweist (in Fig. 2 bezeichnet die vertikale Achse die Veränderungen der Werte K, N und des Verhältnisses N/K in Abhängigkeit von der Ände rung des Dickenverhältnisses t₂/t₁. Da das Verhältnis N/K einen Maximumwert hat, so erkennt man aus den Gleichungen (1) und (2), daß der Verschiebungswert gleichfalls ein Maximum aufweist. Mit anderen Worten nimmt bei gegebener Größe des Betätigungsgliedes das Verhältnis t₂/t₁ der Dicken der Elektrodenplatte 2 und der piezoelektrischen Platte 3, bei denen ein Maximum des Verschiebungsweges δ auftritt, einen konstanten Wert an.

Der Wert von K ändert sich gleichfalls mit den Werten der Elastizitätsmodule E₁ und E₂ der piezoelektrischen Platte 3 und der Elektrodenplatte 2. Daher ändert sich das Ausmaß der Änderung des Wertes K, welche in Fig. 2 gezeigt ist, mit dem Verhältnis der Elastizitätsmodule E₂/E₁. Daher wird das Dickenverhältnis t₂/t₁, bei dem ein Maximalwert des Ver schiebungsweges δ erhalten wird, nämlich ein Maximum des Wertes von N/K durch Bestimmung des Verhältnisses der Elastizitätsmodule E₂/E₁.

Ausgehend von diesen Betrachtungen haben die Erfinder ver schiedene Proben eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes des bimorphen Types von gleicher Größe wie das diskutierte Betätigungsglied 1 unter Verwendung des gleichen Materiales, jedoch mit verschiedenen Werten des Dickenverhältnisses t₂/t₁ geschaffen und den Verschiebungsweg gemessen, der bei Anlegen einer konstanten Spannung auftritt. Die Ergebnisse dieses Experimentes sind in Fig. 3 dargestellt. Die Messung des Verschiebungsweges δ wird jeweils mit einer Treiber schaltung ausgeführt, die derart betrieben wird, daß eine Spannung (V) von 160 V an das Betätigungsglied 1 über einen Schalter S angelegt wird, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die durch die durchgezogene Linie in Fig. 3 dargestellte Kurve zeigt die Änderung der Verschiebung δ in Reaktion auf Änderungen des Dickenverhältnisses t₂/t₁.

Sämtliche Ausführungsbeispiele der vermessenen piezoelektri schen Betätigungsglieder des bimorphen Types sind vollstän dig identisch bezogen auf die Version, die gemäß dem Aus führungsbeispiel der Erfindung konstruiert ist. Diese be steht aus zwei piezoelektrischen Platten, welche an die Elektrodenplatte anzementiert bzw. angeklebt sind, welche aus einer Legierung mit 42% Nickel besteht, wobei die Abmessungen derart gewählt sind, daß die effektive Länge (L) 38 mm, die Breite 5,5 mm und die Gesamtdicke (t) 550 µm beträgt. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbei spiel erläutert worden ist, beträgt das Verhältnis der Elastizitätsmodule E₂/E₁ zwischen dem Elastizitätsmodul von Blei-Zirkonat-Titanat und einer Legierung mit 42% Nickel 2,16.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, hat der Verschiebungsweg δ einen Maximumwert, wobei die Verschiebungswegkurve in der Nähe des Maximums relativ flach und gleichmäßig abfällt. Wenn man an nimmt, daß sich der effektive Bereich H der Verschiebung δ zwischen 95% und 100% des Maximums erstreckt, so liegt das Dickenverhältnis t₂/t₁, bei dem der Verschiebungsweg δ in nerhalb des effektiven Bereiches H liegt, zwischen 0,9 und 2,4. Da das Verhältnis E₂/E₁ des Elastizitätsmodules für jedes Probenbeispiel des Betätigungsgliedes, welches vermes sen wurde, bei 2,16 liegt, gilt folgende Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis zum Erzeugen des effektiven Verschie bungsweges δ (t₂/t₁ = 0,9 bis 2,4) und dem Verhältnis der Elastizitätsmodule E₂/E₁ (= 2,16): 0,42·(E₂/E₁) t₂/t₁ erzeugend den effektiven Verschiebungsweg 1,11·(E₂/E₁).

Einfach ausgedrückt besagt diese Beziehung, daß der nützli che (maximale) Verschiebungsweg δ erhalten wird, wenn das Dickenverhältnis t₂/t₁ innerhalb des Bereiches enthalten ist, indem es 0,42- bis 1,11mal so groß ist wie das Elasti zitätsmodulverhältnis E₂/E₁.

Im Lichte dieser Betrachtung haben die piezoelektrische Platte 3 und die Elektrodenplatte 2 in dem Betätigungsglied des Ausführungsbeispiels, welches betrachtet wird, Dicken werte, die in der obigen Beschreibung bereits festgelegt wurden. Genauer gesagt liegt die Dicke t₁ einer jeden piezoelektrischen Platte in dem Bereich zwischen 125,0 und 189,7 µm, während die Dicke t₂ der Elektrodenplatte als 170,6 bis 300,0 µm berechnet worden ist, indem (2·t₁) von der Gesamtdicke abgezogen worden ist. Durch Anpassung des Dickenverhältnisses t₂/t₁ derart, daß Werte innerhalb des Bereiches angenommen werden, die durch diese Werte festge legt sind, nimmt der Verschiebungsweg δ im wesentlichen seinen maximalen Wert an.

Bei Messung des Verschiebungsweges gemäß dem beschriebenen experimentellen Vorgehen haben die Erfinder gleichfalls die Verschiebungskraft gemessen, wobei die Ergebnisse in der Fig. 3 durch die gestrichelte Linie wiedergegeben sind. Wie die Kurve zeigt, hat die erzeugte Kraft der Verschiebung einen Maximalwert ebenso wie der Verschiebungsweg δ, wobei die Position oder Lage dieses Maximums im wesentlichen mit derjenigen des Verschiebungsweges δ übereinstimmt. Wenn daher das Dickenverhältnis t₂/t₁ in dem Bereich zwischen dem 0,42- und dem 1,11fachen, vorzugsweise dem 0,5- und dem 1,1fachen des Verhältnisses E₂/E₁ (dem Verhältnis der Elasti zitätsmodule) liegt, wie dies beim Erfindungsgegenstand der Fall ist, so kann man folgern, daß im wesentlichen maximale Werte nicht nur für den Verschiebungsweg δ, sondern auch für die erzeugte Verschiebungskraft erzeugt werden.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, hat das piezo elektrische Betätigungsglied vom bimorphen Typ gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil, daß es bei gegebener angelegter Spannung einen größeren Verschiebungsweg erzeugt, ohne daß es eine andere Form hat und ohne daß die erzeugte Kraft bei der Verschiebung vermindert wird. Daher ist es möglich, verbesserte Betriebscharakteristika und kleinere Abmessungen zu schaffen, obgleich es bislang schwierig ge wesen ist, diese beiden Zielsetzungen gleichzeitig zu er reichen.

Ferner können die Betriebscharakteristika des piezoelektri schen Betätigungsgliedes des bimorphen Types verbessert werden, ohne die Abmessungsparameter, wie beispielsweise die Länge und die Dicke der Vorrichtung insgesamt zu verändern, so daß eine Absenkung der Resonanzfrequenz und eine damit einhergehende Verschlechterung der Ansprechcharakteristika vermieden wird, so daß verbesserte Charakteristika bei der Steuerung des Treibens innerhalb eines Regelsystemes mit ge schlossener Regelschleife erreicht werden.

Claims

1. Piezoelektrisches Betätigungsglied (1) des bimorphen Types mit einseitiger Einspannung, mit einer Elektroden platte (2), einem Paar von piezoelektrischen Platten (3), die an beiden Seiten der Elektrodenplatte (2) vor gesehen sind, und einer Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen jeder der piezoelektrischen Platten (3) und der Elektrodenplatte (2) in der Weise, daß ein freies Ende des Betätigungsgliedes verschoben wird, da durch gekennzeichnet,
daß ein Verhältnis (t₂/t₁) zwischen der Dicke (t₂) der Elektrodenplatte und der Dicke (t₁) einer jeden piezo elektrischen Platte (3) auf den 0,42fachen bis 1,11fa chen Wert des Verhältnisses (E₂/E₁) zwischen dem Elastizitätsmodul (E₂) der Elektrodenplatte (2) und dem Elastizitätsmodul (E₁) der piezoelektrischen Platte (3) festgelegt ist, und
daß der Elastizitätsmodul E₂ der Elektrodenplatte (2) größer als der Elastizitätsmodul E₁ der piezoelektrischen Platte (3) ist.

2. Piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (t₂/t₁) innerhalb des Bereiches zwischen 0,9 und 2,4 liegt.

3. Piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t₁) der piezoelektrischen Platte (3) innerhalb des Bereiches zwischen 125 und 189,7 µm und die Dicke (t₂) der Elektrodenplatte (2) innerhalb eines Bereiches zwischen 170,6 und 300,0 µm liegt.

4. Piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß die piezoelektrische Platte (3) aus einem kerami schen Material, welches auf Blei-Titanat-Zirkonat (PZT) basiert, und daß die Elektrodenplatte (2) aus einer Legierung mit 42% Nickel besteht.

5. Piezoelektrisches Betätigungsglied des bimorphen Types nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul (E₂) der Elektrodenplatte (2) 2,16fach so groß ist wie der Elastizitätsmodul (E₁) der piezoelektrischen Platte (3).