JPH03218274A - 円筒型圧電アクチュエータ - 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〕 本発明は円筒型圧電アクチュエータに関するものであり
、詳しくは、圧電アクチュエー夕を構成する圧電素子材
料の耐破壊性を向上せしめた新規な構造の円筒型圧電ア
クチュエー夕に関するものである。

〔従来技術〕

従来より、圧電セラミックスの変位をアクチュ二一タに
利用する工夫がなされている。そして、圧電横効果を利
用したユニモルフ、バイモルフ、圧電縦効果を利用した
積層型などが一部実用化されている。

しかしながら、ユニモルフ、バイモルフは変位は大きい
が発生力が小さく、使用できる用途が限られている。こ
れに対し、積層型は発生力は大きく、適当な変位拡大機
構を設けることにより広い範囲の応用が考えられている
。ところが、積層型はその構造が極めて複雑であり、電
極間のリーク等の点でも信頼性に欠ける欠点があり、実
用化する上で問題が多い。

一方、内面および外面に電極を設けた円筒型圧電素子は
、電圧の印加により円筒の肉厚方向に膨脹し長さ方向に
収縮することが知られている。

従って、この変位をアクチュエー夕として利用できれば
、構造的に単純であり、アクチュエー夕としての信頼性
も高いことが予想される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、円筒型圧電素子は、材料の耐破壊性に問
題があり、アクチュエー夕として利用する試みはこれま
で積極的になされていなかった。

すなわち、円筒型圧電素子は、その変位が収縮方向であ
るために、作動端子に駆動すべき荷重がかかった場合、
円筒型圧電素子には引っ張り力が加わることになる。と
ころが、圧電セラミックスは、他のセラミックスと同様
に、耐引っ張り強度は耐圧縮強度に比べて数分の一と小
さく、それがために、アクチュエータとしての信頼性に
問題があるとされていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は、かかる問題点を解決すべく鋭意検討を重
ねた結果、特定の構成とした機構により、圧電素子材料
の耐破壊性を向上し得、円筒型圧電素子の特徴である収
縮方向への変位を十分に活かすことができることを見い
出し本発明に到達した。

すなわち、本発明の目的は、円筒型圧電素子を用いたア
クチュエー夕を提供することにあり、その目的は、基板
（１）、内外面に電極を有し前記基板上に垂直かつ絶縁
状態で設置された円筒型圧電素子（２）、該円筒型圧電
素子の軸方向の収縮により変位する絶縁状態になされた
作動端子（３）及び前記円筒型圧電素子に対しその軸方
向に圧縮力を付与するバネ（４）よりなることを特徴と
する円筒型圧電アクチュエー夕によって達成される。

以下、本発明を添付図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明のアクチュエー夕の一例を示す一部断
面の説明図、第２図はその変形例を示す同説明、第３図
は他の例を示す同説明図、第４図はその変形例を示す同
説明図である。

図中、（１）は基板、（２）は内面および外面に図示し
ていない電極を有する円筒型圧電素子、（３）は作動端
子、（４）はバネである。

円筒型圧電素子（２）は、ペロブスカイト型の結晶構造
を有するＰ　Ｚ　Ｔ　：　Ｐｂ（Ｚｒ，　Ｔｉ）０３系
の圧電セラミックスよりなる。

円筒型圧電素子（３）は、その内面および外面に電極（
図示せず）を有しており、電極としては、特に限定され
ず、例えば、銀ペースト、導電性ぺースト、ニッケル、
銅等の無電解メッキ等によるものが挙げられる。

そして、円筒型圧電素子（３）の寸法関係は、使用用途
により適宜選定されるが、変位量（Ｘ）と円筒長さ（１
）および肉厚（ｔ）、印加電圧（ｖ）との関係は、Ｘ＝
ｄ，ｌ＋（Ｖ／ｔ）ｊ２　（但し、ｄ３１は圧電定数で
ある）で表わされ、従って、円筒長さ（ｊ２）はその大
きさに比例して変位量が犬となるが、通常５〜１５０ｍ
ｍ程度とされ、肉厚（１）は薄いほど変位量の面では有
利であるが、機械的強度の点から０．２〜２０ｍｍが適
当である。

そして、円筒半径は大きいほど大きな負荷に耐えられる
が、通常５〜５０ｍｍ程度とされる。

先ず、第１図に示す円筒型圧電アクチュエー夕について
説明する。

基板（１）はコの字型断面を有している。円筒型圧電素
子（２）は、基板（１）のコの字型内部において該基板
上に垂直に設置されている。基板（１）と圧電素子（２
）とは、該圧電素子に印加する電圧により基板（１）側
に電流が漏洩しないように、絶縁状態になされている。

第１図に示す例においては、基板（１）と円筒型圧電素
子（２）との間に絶縁性支持体（５）を設けて絶縁状態
としてある。絶縁性支持体（５）は、弾性変形により圧
電素子の変位を吸収しない程度の硬度を有するものでな
ければならず、その例としては、アルミナ、ジルコニア
、Ｓｉ３Ｎ＜　、ＳｉＣ等のセラミックス材料が挙げら
れる。

なお、基板（１）自体を絶縁性支持体（５）と同様の材
料で構成するか、または、内外面の電極を円筒型圧電素
子（２）の下端部を除いて形成するならば、絶縁性支持
体（５）は省略し得る。

作動端子（３）は、円筒型圧電素子（２）の上部に設け
られており、該円筒型圧電素子の軸方向の収縮により変
位する。作動端子（３）も、円筒型圧電素子（２）に対
しては絶縁状態になされており、円筒型圧電素子（２）
と作動端子（５）との間には絶縁性支持体（６）が設け
られている。

絶縁性支持体（６）は、作動端子（３）自体を絶縁性材
料で構成するか、または、内外面の電極を円筒型圧電素
子（２）の上端部を除いて形成することにより省略し得
る。

本発明の円筒型圧電アクチュエー夕は、−ヒ記のように
構成されるが、円筒型圧電素子（２）に対しその軸方向
に圧縮力を付与することを特徴としている。

上記圧縮力は、作動端子（３）と基板（１）の上部下面
の間に、自由長さより短く、従って、収縮状態になされ
たバネ（４）を配置し、該バネの伸長せんとする作用に
より付与される。バネ（４）の力学的定数（バネ定数等
）は、駆動すべき負荷とその移動速度などにより適宜選
択されるか、負荷を駆動するのに十分な力を発生できる
ことが必要である。

円筒型圧電素子（２）への給電は、その内面および外面
に設けられた電極に接続された電極リード線（７）によ
り行われる。

そして、電極リード線（７）により、円筒型圧電素子（
２）に電圧が印加されると該圧電素子は軸方向に収縮し
、作動端子（３）は、バネ（４）により押圧されて下方
に変位する。

第２図に示す圧電アクチュエータは、第１図に示す圧電
アクチュエータの変形例であり、円筒型圧電素子（２）
に対する圧縮力が、該圧電素子（２）の内側の絶縁性支
持体（５），（６）間に、自由長さより長い、従って、
伸張状態になされたバネ（４）を配置し、該バネの収縮
せんとする作用により付与されるようにしたものである
。第２図に示す圧電アクチュエー夕では、バネ（４）の
両端部は絶縁性支持体（５），　　（６）にそれぞれ固
定されているが、いずれの絶縁性支持体も省略し得るこ
とは、第１図に示した圧電アクチュエー夕の場合と同様
であり、その場合、バネ（４）の両端部は、絶縁性の基
板（１）及び作動端子（３）にそれぞれ固定される。

第３図に示す圧電アクチュエー夕は、本発明の他の例で
ある。

基板（１）の上部には絶縁性支持体（５）を介して円筒
型圧電素子（２）が垂直に設置され、該円筒型圧電素子
の上部には絶縁性支持体（６）が設けられている。そし
て、基板（１）及び絶縁性支持体（５）には、円筒型圧
電素子（２）の内部に貫通する孔（８）が設けられてお
り、逆Ｔ字型の作動端子（３）が挿入され、それの挿入
端部は絶縁性支持体（６）に固定されている。

円筒型圧電素子（２）に対する圧縮力は、該圧電素子の
内側の絶縁性支持体（５），（６）間に、自由長さより
長い、従って、伸長状態になされたバネ（４）を配置し
、該バネの収縮せんとする作用により付与される。なお
、バネ（４）の両端部は、絶縁性支持体（５），　　（
６）にそれぞれ固定されている。

そして、電圧が印加されていない状態では、作動端子（
３）はＡの位置番，こあり、電圧が印加されると円筒型
圧電素子（２）が軸方向に収縮し、バネ（４）により、
Ｂの位置に変位する。

絶縁性支持体（５）は、高硬度材料でなければならず、
また、基板（１）自体を絶縁性支持体（５）と同様の材
料で構成するか、または、内外面の電極を円筒型圧電素
子（２）の下端部を除い９ て形成するならば、絶縁性支持体（５）を省略し得る点
等は、第１図に示した円筒型圧電アクチュエー夕の場合
と同じである。

第４図に示す圧電アクチュエータは、第３図に示す圧電
アクチュエータの変形例であり、円筒型圧電素子（２）
に対する圧縮力が、基板（１）と逆Ｔ字型作動端子（３
）との間に、自然長より短い、従って、圧縮状態になさ
れたバネ（４）を配置し、該バネの伸長せんとする作用
により付与されるようにしたものである。それ以外の点
は、第３図に示した圧電アクチュエー夕と同じであり、
これと同様に作動する。

以上説明した本発明の円筒型圧電アクチュエータには、
必要に応じて変位拡大機構を組込むこともできる。変位
拡大機構の例としては、押圧式、１段レバー式、２段レ
バー式、これらの複合式、座屈レバー式などが使用でき
る。

〔作　用〕

バネ（４）により円筒型圧電素子（２）に付与される軸
方向の圧縮力は、作動端子（３）にかか１０ る引張応力を相殺する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本
発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定さ
れるものではない。

実施例１ 第１図に示す円筒型圧電アクチュエー夕を構成した。

円筒型圧電素子（２）としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔ＋）０
３を基本組成とする圧電セラミックス（ｄ３１＝５００
）の内外面に無電解Ｎｉメッキによる電極を形成したも
のを使用した。寸法は、外径２０ｍｍ、内径１８ｍｍ，
長さ３０ｍｍである。

作動端子（３）に５０ｋｇｆの荷重をかけた状態で電極
間に１　０　０　０Ｖの電圧を印加し、作動端子の変位
を測定したところ１５ミクロンの変位が観察された。

実施例２ 第３図に示す円筒型圧電アクチュエー夕を構成した。

１１ 円筒型圧電素子としては、実施例１と同一のものを使用
した。

実施例１と同一条件で作動端子（３）の変位を測定した
ところ、１５ミクロンの変位か観察された。

〔発明の効果〕

本発明は次のような効果をもたらす。

■）円筒型圧電アクチュエー夕を用いているので、他の
方式に比べ素子の構造が簡単であり信頼性か高い。

２）圧電セラミックスには常に圧縮ツノかかかつており
材料の耐破壊性が著しく向上する。

よって、本発明によるアクチュエー夕は磁気ヘッドのテ
ープ及びディスクに対するトラッキング調節、光ヘッド
のフォーカス機構、テイスクに対するトラッキング調節
、ピックアップ機構、ワイヤドットプリンタのワイヤ駆
動素子、リレー、スイッチなどの接点開閉用駆動素子、
油、空圧サーボ弁のノズルフラッパー駆動素子、自動車
間連では燃料噴射バルブ、サスペンション制御機構、ロ
１２ ポット、精密加工分野においては精密位置きめ、同送り
機構、リニアーモータなどに使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアクチュエー夕の一例を示す一部断
面の説明図、第２図はその変形例を示す同説明、第３図
は他の例を示す同説明図、第４図はその変形例を示す同
説明図である。 図中、（１）は基板、（２）は内面および外面に図示し
ていない電極を有する円筒型圧電素子、（３）は作動端
子、（４）はバネである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板（１）、内外面に電極を有し前記基板上に垂
   直かつ絶縁状態で設置された円筒型圧電素子（２）、該
   円筒型圧電素子の軸方向の収縮により変位する絶縁状態
   になされた作動端子（３）及び前記円筒型圧電素子に対
   しその軸方向に圧縮力を付与するバネ（４）よりなるこ
   とを特徴とする円筒型圧電アクチュエータ。