JPH0256825B2 - - Google Patents
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- JPH0256825B2 JPH0256825B2 JP59034044A JP3404484A JPH0256825B2 JP H0256825 B2 JPH0256825 B2 JP H0256825B2 JP 59034044 A JP59034044 A JP 59034044A JP 3404484 A JP3404484 A JP 3404484A JP H0256825 B2 JPH0256825 B2 JP H0256825B2
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- Japan
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- piezoelectric
- thickness
- piezoelectric element
- piezoelectric actuator
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric 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
- H10N30/2041—Beam type
- H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
本発明はPZT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ユエータに関する。
わせてなる屈曲形圧電アクチユエータに関する。
(従来技術)
従来この種屈曲形圧電アクチユエータの原理的
な構成を第1図に示す。屈曲形圧電アクチユエー
タ本体は両面に電極2,3および5,6がシルク
印刷焼付によつて被着された板状の圧電素子1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
さんで接着によつて接合され、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つている。
な構成を第1図に示す。屈曲形圧電アクチユエー
タ本体は両面に電極2,3および5,6がシルク
印刷焼付によつて被着された板状の圧電素子1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
さんで接着によつて接合され、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つている。
このような屈曲形圧電アクチユエータに第2図
に示すように電圧をかけると、圧電素子1に対し
ては電極2から電極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
形圧電アクチユエータには第2図に示すような曲
げ変形が生じる。また、屈曲形圧電アクチユエー
タの自由端の変位距離h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。
に示すように電圧をかけると、圧電素子1に対し
ては電極2から電極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
形圧電アクチユエータには第2図に示すような曲
げ変形が生じる。また、屈曲形圧電アクチユエー
タの自由端の変位距離h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ユエータを
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
は貼り合わせてあるので、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t、曲げの曲率半径をrとすると、 ε=t/r 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、屈曲形圧電アクチユエータ
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、アクチユエータの機能
が低下したり、最悪の場合には使用不可能とな
る。
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
は貼り合わせてあるので、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t、曲げの曲率半径をrとすると、 ε=t/r 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、屈曲形圧電アクチユエータ
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、アクチユエータの機能
が低下したり、最悪の場合には使用不可能とな
る。
従来のこの種圧電素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つた。
用上極めて不都合な欠点があつた。
(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
形のエネルギーを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
アクチユエータを提供することにある。
形のエネルギーを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
アクチユ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枚以上の板状厚電素子を、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
チユエータ本体を形成し、前記各圧電素子に前記
圧電アクチユ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枚以上の板状厚電素子を、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
ユ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ユエー
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枚以上の板状厚
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ユエータ本体を形
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ユエータの厚さ中心
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。
加電圧に応じて伸縮する圧電定数及び厚みの等し
い4枚以上の板状厚電素子を、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
チユエータ本体を形成し、前記各圧電素子に前記
圧電アクチユ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枚以上の板状厚電素子を、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
ユ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ユエー
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枚以上の板状厚
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ユエータ本体を形
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ユエータの厚さ中心
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。
(実施例)
第4図及び第5図は第1の実施例を示すもの
で、屈曲形アクチユエータ本体は、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は導電性のシムにて
兼用するものとする。また、このシム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つている。
で、屈曲形アクチユエータ本体は、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は導電性のシムにて
兼用するものとする。また、このシム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つている。
このように構成された屈曲形圧電アクチユエー
タ本体の各圧電素子の第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
電アクチユエータ本体の厚さ中心から各圧電素子
17〜22の厚さ中心までの距離にほぼ比例した
大きさの電圧(V1:V2:V3=1:2:3)を加
える。
タ本体の各圧電素子の第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
電アクチユエータ本体の厚さ中心から各圧電素子
17〜22の厚さ中心までの距離にほぼ比例した
大きさの電圧(V1:V2:V3=1:2:3)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17,18,19は電界強度の比3:2:1
に比例して伸び、圧電素子22,21,20は
3:2:1の割合で縮む。
形は、圧電定数と電界強度に比例するので、圧電
素子17,18,19は電界強度の比3:2:1
に比例して伸び、圧電素子22,21,20は
3:2:1の割合で縮む。
このようになつているので、圧電素子の内部の
歪状態は次のように改善される。第6図は本発明
による屈曲形圧電アクチユ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。従つて、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
チユエータの全体の厚さを第3図の屈曲形圧電ア
クチユ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、発生する歪も1/3
に減少している。即ち曲げ変形に伴う反発力は1/
3に減少する。
歪状態は次のように改善される。第6図は本発明
による屈曲形圧電アクチユ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。従つて、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
チユエータの全体の厚さを第3図の屈曲形圧電ア
クチユ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、発生する歪も1/3
に減少している。即ち曲げ変形に伴う反発力は1/
3に減少する。
ところで、圧電素子部材をm分割(片側素子数
m/2)し、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、内部の歪エ
ネルギーは、U=4Et3/3l2・h2/m2−1(たゞし、 l:アクチユエータの長さ、E:圧電材ヤング
率、t:圧電素子部材の厚さ、h:先端のたわみ
(第4図参照)で与えられる。
m/2)し、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、内部の歪エ
ネルギーは、U=4Et3/3l2・h2/m2−1(たゞし、 l:アクチユエータの長さ、E:圧電材ヤング
率、t:圧電素子部材の厚さ、h:先端のたわみ
(第4図参照)で与えられる。
第7図はh一定のとき内部の歪エネルギーを表
しているもので、横軸は分割数m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mを増すにつれ、内部の歪エネ
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部の歪エ
ネルギーが約1/13に減少している。圧電素子の伸
びが中心からの距離に完全に比例しているような
屈曲形圧電アクチユエータでは歪エネルギーが零
となり、理想的なアクチユエータが実現できる。
すなわち分割数mを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。
しているもので、横軸は分割数m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mを増すにつれ、内部の歪エネ
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部の歪エ
ネルギーが約1/13に減少している。圧電素子の伸
びが中心からの距離に完全に比例しているような
屈曲形圧電アクチユエータでは歪エネルギーが零
となり、理想的なアクチユエータが実現できる。
すなわち分割数mを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
曲形アクチユエータ本体は、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′〜2
2′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t17′〜t22′が屈
曲形アクチユエータ本体の厚さ中心からの距離l1
〜l3に逆比例して薄くなつている。すなわち、こ
の関係式を示すと次のとおりである。
曲形アクチユエータ本体は、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′〜2
2′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t17′〜t22′が屈
曲形アクチユエータ本体の厚さ中心からの距離l1
〜l3に逆比例して薄くなつている。すなわち、こ
の関係式を示すと次のとおりである。
t19′:t18′:t17′=1/l1:1/l2:1/l3
t20′:t21′:t22′=1/l1:1/l2:1/l3
その他の構成は前記第1の実施例と同様であ
る。
る。
このように構成された屈曲形圧電アクチユエー
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
電素子による伸びあるいは縮みも同様にシム2
3′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。
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
電素子による伸びあるいは縮みも同様にシム2
3′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ユエー
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、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″の各圧電
定数d17″〜d22″は、シム23″の中心から
の距離に比例して増合する如くなつている。この
関係式を示すと次のとおりである。
る。この実施例における屈曲形圧電アクチユエー
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、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″の各圧電
定数d17″〜d22″は、シム23″の中心から
の距離に比例して増合する如くなつている。この
関係式を示すと次のとおりである。
d17″:d18″:d19″
=d22″:d21″:d20″=3:2:1
このように構成された屈曲形圧電アクチユエー
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得られる。
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得られる。
(発明の効果)
以上説明した如く本発明によれば、従来の2枚
の圧電素子からなる屈曲形圧電アクチユエータに
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ユエ
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、屈曲形圧電アクチユエータの駆動電源
のパワーもそれだけ少なくて済み、実用上の効果
は大きい。
の圧電素子からなる屈曲形圧電アクチユエータに
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ユエ
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、屈曲形圧電アクチユエータの駆動電源
のパワーもそれだけ少なくて済み、実用上の効果
は大きい。
第1図は従来の屈曲形圧電アクチユエータの断
面図、第2図は従来の屈曲形圧電アクチユエータ
に電圧を印加した場合の断面図、第3図は従来の
屈曲形圧電アクチユ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
ユエータの断面図、第5図は本発明による屈曲形
圧電アクチユ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ユエータの圧電
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ユエータの他の実
施例の断面図、第9図は本発明による屈曲形圧電
アクチユエータの他の実施例の断面図である。 17〜22,17′〜22′,17″〜22″……
圧電素子、11〜16,11′〜16′,11″〜
16″……電極、23,23′,23″……シム
(電極兼用)。
面図、第2図は従来の屈曲形圧電アクチユエータ
に電圧を印加した場合の断面図、第3図は従来の
屈曲形圧電アクチユ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
ユエータの断面図、第5図は本発明による屈曲形
圧電アクチユ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ユエータの圧電
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ユエータの他の実
施例の断面図、第9図は本発明による屈曲形圧電
アクチユエータの他の実施例の断面図である。 17〜22,17′〜22′,17″〜22″……
圧電素子、11〜16,11′〜16′,11″〜
16″……電極、23,23′,23″……シム
(電極兼用)。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 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り合せて屈曲形圧
電アクチユエータ本体を形成し、前記各圧電素子
に前記圧電アクチユ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する屈
曲形圧電アクチユエータ。 2 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
ユ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ユエー
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する屈曲形圧電アクチユエ
ータ。 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ユエ
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ユエー
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ユエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59034044A JPS60178677A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 屈曲形圧電アクチユエ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59034044A JPS60178677A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 屈曲形圧電アクチユエ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60178677A JPS60178677A (ja) | 1985-09-12 |
| JPH0256825B2 true JPH0256825B2 (ja) | 1990-12-03 |
Family
ID=12403314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59034044A Granted JPS60178677A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 屈曲形圧電アクチユエ−タ |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPS60178677A (ja) |
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-
1984
- 1984-02-24 JP JP59034044A patent/JPS60178677A/ja active Granted
Also Published As
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|---|---|
| JPS60178677A (ja) | 1985-09-12 |
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