JPS60178677A - 屈曲形圧電アクチユエ−タ - Google Patents

屈曲形圧電アクチユエ−タ

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JPS60178677A
JPS60178677A JP59034044A JP3404484A JPS60178677A JP S60178677 A JPS60178677 A JP S60178677A JP 59034044 A JP59034044 A JP 59034044A JP 3404484 A JP3404484 A JP 3404484A JP S60178677 A JPS60178677 A JP S60178677A
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piezoelectric
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高志 吉澤
Hiroshi Hosaka
寛 保坂
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田丸 直幸
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric 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
    • H10N30/2041Beam type
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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】 ′(技術分野) 本発明はP 7. i’のような板状圧電素子を貼り合
わせてなる屈曲形圧電アクチュエータに関する。
(従来技術) 従来のこの種屈曲形圧電アクチュエータの原理的な構成
を第1図に示す。Jj1曲形圧電アクチュエータ本体は
両面に電極2,3および5,6がシルク印刷焼付によっ
て被着型された板状の圧電素子lおよび4からなる。そ
して、これらの圧電素子1.4は各々の分極方向が第1
図に於いて矢印で示すように互いに逆方向になるように
してシム8をはさんで接着によって接合され、電極3,
5がシム8にそれぞれ接触している。なお、このシム8
は圧電素子1,4の補強を目的とするもので、リン青銅
、チタン合金等からなっている。
このような屈曲膨圧′既アクチュエータに第2図に示す
ように電圧をかけると、圧電素子1に対しては電候2か
ら電憔3の方向の電界がかけられるので、圧電効果によ
り、圧電素子1は第2図において太い矢印で示すように
伸びる方向に変形する。また、他方の圧電素子4に対し
ては、電極5から電極6の方向に電界がかけられるので
、この圧電素子4は縮む方向に変形する。
この結果、屈曲形圧電アクチュエータには第2啄に示す
ような曲げ変形が生じる。また、屈曲形圧電アクチュエ
ータの自由端の変位距離11は、圧電素子1,4に加え
られる電界の大きさに応じて増減する。なお、電界の方
向を逆にすれば、変位の方向も逆になる。
次に、このような屈曲形圧電アクチュエータを構成する
圧電素子内部の応力について説明する。第3図は、曲げ
変形した圧電素子内部に生じる歪関係を示す図である。
破線は、二つの圧電素子1.4が自由に伸び縮みできる
状態にあるときの歪を表している。実際には二つの圧電
素子1.4は貼り合わせであるので、実線のように変形
し、最大δに相当する歪が発生する。
すなわち、圧電素子1の領域1は、もつと大きな歪を必
要とする領域で引張応力が発生しており、一方領域■は
、必要以上に大きな歪を発生させようとしている領域で
、逆に圧縮応力が発生している。曲げ変形の曲率と発生
する歪εの最大値との関係は、板材の全厚さを12曲け
の曲率半径をrとすると、 である。すなわち、歪は厚さに比例して増大し、この歪
エネルギーは、屈曲形圧電アクチュエータの電圧印加に
伴い発生する曲げ変形のエネルギーを消費する無効なエ
ネルギーである。また、歪が大きくなると、シム8と電
極3,5との接着層に大きな剪断力が働き、このために
長期間使用すると、接着層の破壊が進み、アクチコーエ
ータの機能が低下したり、最悪の場合には1丈用不可能
となる。
従来のこの種圧電菓子には以上述べたような実用上極め
て不都合な欠点があった。
(発明の目的) 本発明の目的は上記の如き欠点に鑑み、曲げ変形のエネ
ルギーケ消費する無効なエネルギーの発生を防止でき、
しかも耐久性の優れた屈曲形圧電アクチュエータを提供
することにある。
(発明の構成) 前述した目的を達成するため、第1の発明は印加電圧に
応じて伸縮する圧電定数及び厚みの等しい4枚以上の板
状圧電素子を、各[1三電素子の両面に電極が位置する
如く貼り合せて屈曲形圧電アクチュエータ本体を形成し
、前記各圧電素子に前記圧電アクチュエータ本体の厚さ
中心から各圧電素子の厚さ中心までの距離にほぼ比例し
た電圧が印加される如く構成したことを特徴とし、第2
の発明は印加電圧に応じて伸縮する圧電定数の等しい4
枚以上の板状圧電素子を、各圧電素子の両面に電極が位
置する如く貼り合せて屈曲形圧電アクチュエータ本体を
形成し、前記各圧電素子の厚さを該圧電素子の厚さ中心
から前記圧電アクチュエータ本体の厚さ中心までの距離
に逆比例した値に設定し、各圧電素子に一定の電圧が印
加される如く構成したことを特徴とし、第3の発明は印
加電圧に応じて伸縮する厚さの等しい4枚以上の板状圧
電素子を、各圧電素子の両面に電極が位置する如く貼り
合せて屈曲形圧電アクチュエータ本体を形成し、前記各
圧電素子の圧電定数を該圧電素子の厚さ中心から前記圧
電アクチュエータの厚さ中心までの距離に比例した値に
設定し、各圧電素子に一ホの電圧が印加される如く構成
したことを特徴とする。
(実施例) 第11図及び第5図は第1の実施例を示すもので、屈曲
形アクチュエータ本体は、印加電圧に応じて伸縮する圧
電定数及び厚みの等しい板状圧電素子17〜22を、各
圧電素子の両面に電極11−16.23が位置する如く
導電性接着剤を介して貼り合せてなる。電極23は導電
性のツムにて兼用するものとする。また、このツム23
の片面側の圧電素子17〜19の分極方向(矢印)と他
面側の圧電素子20〜22の分極方向(矢印)とが互い
にシム23の方向に向く如くなっている。
このように構成された屈曲形圧電アクチュエータ本体の
各圧電素子に第5図に示すような電圧をかける。すなわ
ち、各圧電素子17〜22には圧電アクチュエータ本体
の厚さ中ルから各圧電素子17〜22の厚さ中心までの
距*ttにはは比例した大きさの電圧(Vl :V2 
:V3=l:2:3)を加える。
ところで、圧電効果による伸びあるいは縮み変形は、圧
電定数と電界強度に比例するので、圧電素子17.]’
8.19は電界強度の比3:2=】に比例して伸び、圧
電素子22,2]。
20は3:2:lの割合で縮む。
明による屈曲形圧電アクチュエータが曲げ変形した場合
に圧電素子内部に生じる歪関係を示す図である。破線は
圧電素子が自由に伸び縮みできる状態にあるときの変形
を表し、実線は実際の変形を表している。従って、各圧
電素子には斜線で示す歪が発生する。しかし、この歪は
、屈曲形圧電アクチュエータの全体の厚さを第3図の屈
曲形圧電アクチュエータと等しくした場合には、圧電素
子の厚さは1/3に減少しているので、発生ずる歪もl
/3に減少している。
即ち曲げ変形に伴う反発力はl/3に減少する。
ところで、圧電素子部材をn1分割(片側素子数+n 
/ 2 ) L 、中心からの距離に比例した伸びが生
ずるように印加電圧を制御した場合、内部のt、アクチ
ュエータの長さ l(:圧電利ヤング率、1:圧電素子
部利の厚さ、11:先端のたわみ(第4図参照)で与え
られる。
第7図は11一定のときの内部の歪エネルギーを表して
いるもので、横軸は分割数01を縦軸は第;3図の従来
例を1としたときの歪エネルギーを示す。第7図より分
割数Il+を増すにつれ、内1X15の歪エネルギーが
減少する。例えば第1図に示した従来例と本発明による
第5図の実施例とでは内nBの歪エネルギーが約l/1
3に減少し−Cいる。圧電素子の伸ひか中心からの距離
に完全に比例しているような屈曲形圧電アクチュエ−タ
では歪エネルギーが零となり、理想的なアクチュエータ
が実現できる。すなわち分割数l114・限りなく大き
くすれば圧電素子間の歪は限り無く零に近づき、従来例
で示したような接着層の破壊の問題を解決できる。
第8図は本発明の他の実施例を示すもので、屈曲形アク
チュエータ本体は、印加電圧に応じて伸縮する圧電定数
の等しい板状圧電素子17’〜22′を、各圧電素子の
両面に電極11′〜16°′。
23′が位置する如く導電性接着剤を介して貼り合せて
なる。電極23′は導電性のシムにて兼用するものとす
る。この実施例において、各圧電素子17’〜22’は
その厚さ117′〜122′が屈曲形アクチュエータ本
体の厚さ中心からの距離tl〜t3に逆比例して薄くな
っている。すなわち、この関係式を示すと次のとおりで
ある。
その他の構成は前記第1の実施例と同様である。
このように構成された屈曲形圧電アクチュエータ本体の
各圧電素子に一定の電圧を加えると、電界強度は第6図
の場合と同様にシム23′中心からの距離に比例して増
加するので、その結果、圧電効果による伸びあるいは縮
みも同様にシム23′中心からの距離に比例して増加す
ることになり、第7図に示すと同様の効果が得られる。
第9図は本発明の他の実施例を示すものである。この実
施例における屈曲形圧電アクチュエータ本体は、印加電
圧に応じて伸縮する厚さの等しい板状圧電素子17〃〜
22〃を、谷圧電素子の両面に電極11〃〜1G”、2
3“が位置する如く導′亀性接着剤を介して貼り合せて
なる。電極23 ttは導電性のシムにて兼用するもの
とする。この実施例において、各圧電素子17〃〜22
〃の各圧電定叙d 17”−d22″は、シム23〃の
中心からの距離に比例して増加する如くなっている。こ
の関係式を示すと次のとおシである。
d 17〃: d 18〃:dl 9〃−=d 22”
、d 21”:(+ 20”” 3 : 2 : 1こ
のように構成された屈曲形圧電アクチュエータ本体の各
圧電素子に一定の電圧を加えると、電界強度は一定に保
たれるが、各圧電素子の伸び/縮みは圧電定数に比例す
るので、この場合も第7図に示すと同様の効果が4Cf
らt′シる。
(発明の効果) 以上説明した如く本発明によれは、従来の2枚の圧電素
子からなる屈曲形圧電アクチュエータに比べ、圧電素子
間の剪断歪が小さく、接着層の破壊が減少し、信頼性の
高い屈曲形圧電アクチュエータが得られる。また内部の
歪エネルギーが小さいことは、屈曲形圧電アクチュエー
タの駆動電源のパワーもそれたけ少なくて済み、実用上
の効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の屈曲形圧電アクチュエータの−「面図、
第2図は従来の屈曲形圧電アクチュエータに電圧を印加
した場合の断面図、第3図は従来の屈曲形圧電アクチュ
エータの圧電素子内部の歪の説明図、第4図は本発明に
よる屈曲形圧電アクチュエータの断面図、第5図は本発
明による屈曲形圧電アクチュエータへの印加電圧説明図
、第6図は本発明による屈曲形圧電アクチュエータの圧
電素子内部の歪の説明図、第7図は歪エネルギーと圧電
素子分割数との関係を示すグラフ、第8図は本発明によ
る屈曲形圧電アクチュエータの他の実施例の断面図、第
9図は本発明による屈曲形圧電アクチュエータの他の実
施例の断面図である。 17〜22 、17’〜22’ 、 ] 711〜22
〃・圧電素子、it〜16 、 ] ]’〜] 6’ 
、 11”−16”・・電極、23.23’、23〃・
ツム(電極兼用)特許出願人 日本電信電話公r1 代理人 弁理士 吉 1) 精 孝 第1図 す 第2図 第4図 第5図 第6阿 第7図 ;;()−゛−害ノ18 m

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 印加電圧に応じて伸縮する圧電定数及び厚みの
    等しい4枚以上の板状圧電素子を、各圧電素子の両面に
    電極が位置する如く貼シ合せて屈曲形圧電アクチュエー
    タ本体を形成し、前記各圧電素子に前記圧電アクチュエ
    ータ本体の厚さ中心から各圧電素子の厚さ中、j、−i
    での距離にほぼ比例しだ電圧が印加される如く構成した
    ことを特徴とする屈曲形圧電アクチュエータ。
  2. (2) 印加電圧に応じて伸縮する圧電定数の等し2い
    4枚以上の板状圧電素子を、各圧電素子の両111ノに
    電極が位置する如く貼シ合せて屈曲膨圧′屯アクチュエ
    ータ本体を形成し、前記各圧電素子の厚さを該圧電素子
    の厚さ中心から前記圧電アクチュエータ本体の厚さ中心
    までの距離に逆比例した匝に設定し、各圧電素子に一定
    の電圧が印加される如く構成したことを性徴とする屈曲
    形圧電アクチュエータ。
  3. (3)印加電圧に応じて伸縮する厚さの等しい4枚以上
    の板状圧電素子を、各圧電素子の両面に電極が位置する
    如く貼り合せて屈曲形圧電アクチュエータ本体を形成し
    、前記各圧電素子の圧電定数を該圧電素子の厚さ中心か
    ら前記圧電アクチュエータの厚さ中心までの距離に比例
    した値に設定し、各圧電素子に一定の電圧が印加される
    如く構成したことを特徴とする屈曲形圧電アクチュエー
    タ。
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