JPH0387075A - 圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電アクチュエータInfo
- Publication number
- JPH0387075A JPH0387075A JP1226027A JP22602789A JPH0387075A JP H0387075 A JPH0387075 A JP H0387075A JP 1226027 A JP1226027 A JP 1226027A JP 22602789 A JP22602789 A JP 22602789A JP H0387075 A JPH0387075 A JP H0387075A
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- Japan
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- piezoelectric element
- displacement
- spring
- force
- piezoelectric
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- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 35
- 230000008602 contraction Effects 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 8
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Impact Printers (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。
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、圧電素子を駆動源とする圧電アクチュエータ
に関するものである。
に関するものである。
従来、この種の圧電素子は電気・機械エネルギの変換効
率が高く、低電力で駆動でき、発熱量が少なく磁気干渉
もないため、近年各種アクチュエータに使用されている
。しかしながら、圧電素子は、圧縮力に対しては機械的
強度が強いが、引張り力には弱いという性質を有してい
るため、通常アクチュエータとして使用する場合には圧
電素子には引張り力が作用しないような構成となってい
る。
率が高く、低電力で駆動でき、発熱量が少なく磁気干渉
もないため、近年各種アクチュエータに使用されている
。しかしながら、圧電素子は、圧縮力に対しては機械的
強度が強いが、引張り力には弱いという性質を有してい
るため、通常アクチュエータとして使用する場合には圧
電素子には引張り力が作用しないような構成となってい
る。
第４図は従来の一例を示す圧電アクチュエータの断面図
である０例えば、第４図に示すような圧電アクチュエー
タが特出願６１−１９９２４１に記載されている。この
圧電アクチュエータは、圧電素子２１をフレーム２２の
内側に圧入することにより、圧電素子２１に予備圧縮力
を作用させて、圧電素子２１の動作中、常に圧縮力が加
わるようにしている。これによって圧電素子２１の破壊
を防ぎ、アクチュエータの信頼性を高めている。
である０例えば、第４図に示すような圧電アクチュエー
タが特出願６１−１９９２４１に記載されている。この
圧電アクチュエータは、圧電素子２１をフレーム２２の
内側に圧入することにより、圧電素子２１に予備圧縮力
を作用させて、圧電素子２１の動作中、常に圧縮力が加
わるようにしている。これによって圧電素子２１の破壊
を防ぎ、アクチュエータの信頼性を高めている。
しかしながら、上述した圧電アクチュエータの場合、フ
レーム２２が圧電素子２１に対して線形のばねとして作
用するため、圧電素子１の発生変位が大きくなるに比例
してフレーム２２からの反力も大きくなる。その結果、
圧電素子２１の変位量は、フレーム２２を使用しない場
合のそれと比較して小さくなる。ここで、圧電素子２１
のばね定数をｋｌ、フレーム２２のばね定数をに２とす
ると、圧電アクチュエータ全体のばね定数にはに＝ｋｌ
＋に２ となる、従って、例えば、圧電素子２１とフレーム２２
のばね定数が等しくｋｌ＝に２であるような場合には、
ｋ＝２・ｋｌとなるから、圧電素子２１の変位量はフレ
ーム２２を使用しない場合の１７２に減少する。圧電ア
クチュエータの動作特性を圧電素子本来の動作特性に近
ずけるには、フレーム２２のばね定数に２を小さくする
必要がある。しかし、ｋ２を小さくするにはフレーム２
２の厚み１幅などを小さくせねばならず、従って、圧電
素子に常に圧縮力が作用した状態で圧電素子を動作させ
得るほどの予備圧縮力を加えるには、フレーム２２の機
械的強度が足りなくなる。すなわち、線形ばねでは実際
上、ばね定数に２をむやみに小さくすることができず下
限値が存在するため、従来例では、圧電素子の発生変位
が大幅に減少するという問題点がある。また、圧電素子
の変位量を減少させないためには、圧電素子の印加電圧
を高めなければならず、消費電力が増加するという欠点
がある。
レーム２２が圧電素子２１に対して線形のばねとして作
用するため、圧電素子１の発生変位が大きくなるに比例
してフレーム２２からの反力も大きくなる。その結果、
圧電素子２１の変位量は、フレーム２２を使用しない場
合のそれと比較して小さくなる。ここで、圧電素子２１
のばね定数をｋｌ、フレーム２２のばね定数をに２とす
ると、圧電アクチュエータ全体のばね定数にはに＝ｋｌ
＋に２ となる、従って、例えば、圧電素子２１とフレーム２２
のばね定数が等しくｋｌ＝に２であるような場合には、
ｋ＝２・ｋｌとなるから、圧電素子２１の変位量はフレ
ーム２２を使用しない場合の１７２に減少する。圧電ア
クチュエータの動作特性を圧電素子本来の動作特性に近
ずけるには、フレーム２２のばね定数に２を小さくする
必要がある。しかし、ｋ２を小さくするにはフレーム２
２の厚み１幅などを小さくせねばならず、従って、圧電
素子に常に圧縮力が作用した状態で圧電素子を動作させ
得るほどの予備圧縮力を加えるには、フレーム２２の機
械的強度が足りなくなる。すなわち、線形ばねでは実際
上、ばね定数に２をむやみに小さくすることができず下
限値が存在するため、従来例では、圧電素子の発生変位
が大幅に減少するという問題点がある。また、圧電素子
の変位量を減少させないためには、圧電素子の印加電圧
を高めなければならず、消費電力が増加するという欠点
がある。
本発明の目的はこれらの問題点を解決し、変位発生量が
大きく、しかも圧電索子の信頼性が高い圧電アクチュエ
ータを提供することにある。
大きく、しかも圧電索子の信頼性が高い圧電アクチュエ
ータを提供することにある。
本発明の圧電アクチュエータは、電圧を印加することに
より伸縮する圧電素子と、この圧電素子の伸縮方向に力
を作用するように配置されるとともに該圧電素子の駆動
変位の範囲内で略一定の力が作用する特性または変位が
増大するにしたがい作用する力が減少する特性をもつば
ねとを有している。
より伸縮する圧電素子と、この圧電素子の伸縮方向に力
を作用するように配置されるとともに該圧電素子の駆動
変位の範囲内で略一定の力が作用する特性または変位が
増大するにしたがい作用する力が減少する特性をもつば
ねとを有している。
次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。
第１図は本発明の一実施例を示す圧電アクチュエータの
断面図である。この圧電アクチュエータは、同図に示す
ように、伸縮方向の一端に外部に変位を伝達するための
ロッド１を設けた圧電素子２と、圧電素子２の伸縮方向
に力を作用する非線形ばね３と、圧電素子２と非線形ば
ね３を固定するフレーム４とから構成されている。また
、圧電素子２と非線形ばね３はフレーム４の中に圧入さ
れ、それぞれに予備圧縮力が加えられている。
断面図である。この圧電アクチュエータは、同図に示す
ように、伸縮方向の一端に外部に変位を伝達するための
ロッド１を設けた圧電素子２と、圧電素子２の伸縮方向
に力を作用する非線形ばね３と、圧電素子２と非線形ば
ね３を固定するフレーム４とから構成されている。また
、圧電素子２と非線形ばね３はフレーム４の中に圧入さ
れ、それぞれに予備圧縮力が加えられている。
第２図は線形ばねと非線形ばねの変位量と力との関係を
示すグラフである。本実施例の場合、非線形ばね３は皿
ばねを用いており、皿ばねの変位と力の関係は、機械設
計便電編集委員会編、「機械設計便電」、丸首、Ｐ１２
９７ （１９７３）に記載されており、第２図に示した
ように、圧電素子２の駆動範囲で、変位が大きくなるに
従い力の増分が負になるような特性を示すものである。
示すグラフである。本実施例の場合、非線形ばね３は皿
ばねを用いており、皿ばねの変位と力の関係は、機械設
計便電編集委員会編、「機械設計便電」、丸首、Ｐ１２
９７ （１９７３）に記載されており、第２図に示した
ように、圧電素子２の駆動範囲で、変位が大きくなるに
従い力の増分が負になるような特性を示すものである。
その結果、圧電素子２の変位が大きくなるにつれ、圧電
素子２に作用する力は減少するようになるため、圧電素
子単体の場合の変位量よりも大きな変位量をロッド１を
通じて取り出すことができる。
素子２に作用する力は減少するようになるため、圧電素
子単体の場合の変位量よりも大きな変位量をロッド１を
通じて取り出すことができる。
第３図は圧電素子とばねとの配置とそれらの変位を示す
模式図である。ここで、この圧電アクチュエータの作用
を説明する。圧電素子とばねが、第３図のように配置さ
れているものとし、変位をＸとし、圧電素子が伸びる方
向を正とする。第３図（イ）は予備圧縮力を加える前の
状態、（ロ）は予備圧縮力を加えた状態、（ハ）は圧電
素子に電圧を加えて駆動させた状態である。第２図は第
３図（ハ）における圧電素子とばねそれぞれの力・変位
特性を示し、ばねは線形ばねと非線形ばねを示しである
。予備圧縮力ＦＯを与えることによって、圧電素子２は
単体の場合よりもＸＯだけ圧縮され、ばね３ａは線形ば
ね使用の場合はｘｌ、非線形ばね使用の場合はｘ２だけ
圧縮されている。アクチュエータとして駆動させたとき
の動作特性は、圧電素子特性線図とばね特性線図の交点
で示されている。圧電素子特性線図は駆動電圧Ｏの場合
と、所定の駆動電圧Ｖ１の場合を示しである。その中間
の駆動電圧Ｖ２ （０＜Ｖ２＜Ｖｌ）では、駆動電圧Ｏ
とＶｌの特性線図の間を平行移動する。
模式図である。ここで、この圧電アクチュエータの作用
を説明する。圧電素子とばねが、第３図のように配置さ
れているものとし、変位をＸとし、圧電素子が伸びる方
向を正とする。第３図（イ）は予備圧縮力を加える前の
状態、（ロ）は予備圧縮力を加えた状態、（ハ）は圧電
素子に電圧を加えて駆動させた状態である。第２図は第
３図（ハ）における圧電素子とばねそれぞれの力・変位
特性を示し、ばねは線形ばねと非線形ばねを示しである
。予備圧縮力ＦＯを与えることによって、圧電素子２は
単体の場合よりもＸＯだけ圧縮され、ばね３ａは線形ば
ね使用の場合はｘｌ、非線形ばね使用の場合はｘ２だけ
圧縮されている。アクチュエータとして駆動させたとき
の動作特性は、圧電素子特性線図とばね特性線図の交点
で示されている。圧電素子特性線図は駆動電圧Ｏの場合
と、所定の駆動電圧Ｖ１の場合を示しである。その中間
の駆動電圧Ｖ２ （０＜Ｖ２＜Ｖｌ）では、駆動電圧Ｏ
とＶｌの特性線図の間を平行移動する。
第２図に示すように、ばね３ａに線形ばねを使用した場
合、第３図の圧電素子駆動電圧をＯからＶ２にすると動
作点はＣからＧに移動し、この時の変位はδ１となる。
合、第３図の圧電素子駆動電圧をＯからＶ２にすると動
作点はＣからＧに移動し、この時の変位はδ１となる。
非線形ばねを使用した場合には、動作点はＣからＦに移
動し変位はδ２となる。従って、第３図のように、変位
が増大するにつれ作用する力が減少するような特性のば
ねでは、δ２〉δ１となり、従来の線形ばねを使用した
場合よりも大きな変位を得ることが可能になる。しかも
圧電素子単体での変位はδ０であるが、δ２〉δＯとな
ることは、第３図より明らがであり、従って、圧電素子
単体の変位よりも大きな変位を取り出すことが可能にな
る。逆に変位量がδｌでよいなら駆動電圧はＶ２でよく
。従来よりも低い駆動電圧で駆動することも可能である
。
動し変位はδ２となる。従って、第３図のように、変位
が増大するにつれ作用する力が減少するような特性のば
ねでは、δ２〉δ１となり、従来の線形ばねを使用した
場合よりも大きな変位を得ることが可能になる。しかも
圧電素子単体での変位はδ０であるが、δ２〉δＯとな
ることは、第３図より明らがであり、従って、圧電素子
単体の変位よりも大きな変位を取り出すことが可能にな
る。逆に変位量がδｌでよいなら駆動電圧はＶ２でよく
。従来よりも低い駆動電圧で駆動することも可能である
。
このように圧電素子単体の変位量よりも大きな変位を取
り出すことが出来るのは、圧電素子２は、予め予備圧縮
力が加えられて圧縮されており、その分の変位量が解放
されるためである。また、一方、従来と同程度の変位量
をとりだすには、圧電素子２に印加する駆動電圧は従来
よりも低いものであるから、消費電力を低く抑えること
が可能である。従って、圧電素子の大きさを小さくする
ことが可能であるため、低コストの圧電アクチュエータ
を得ることが出来る。
り出すことが出来るのは、圧電素子２は、予め予備圧縮
力が加えられて圧縮されており、その分の変位量が解放
されるためである。また、一方、従来と同程度の変位量
をとりだすには、圧電素子２に印加する駆動電圧は従来
よりも低いものであるから、消費電力を低く抑えること
が可能である。従って、圧電素子の大きさを小さくする
ことが可能であるため、低コストの圧電アクチュエータ
を得ることが出来る。
なお、本実施例では非線形ばねとして皿ばねの場合を示
したが、他の形状あるいは構成のばねであっても、その
変位・力持性が第２図に示したように変位が増大するに
つれて力が減少するような特性であれば、本実施例と同
様な効果を発揮することは言うまでもない。
したが、他の形状あるいは構成のばねであっても、その
変位・力持性が第２図に示したように変位が増大するに
つれて力が減少するような特性であれば、本実施例と同
様な効果を発揮することは言うまでもない。
以上説明したように本発明の圧電アクチュエータは、圧
電素子単体の変位量よりも大きな変位を得られることの
ほか、従来よりも圧電素子の駆動電圧を低く抑えること
が可能となり、消費電力が少なく大きさも小さいため低
コストであり、その効果は大きい。
電素子単体の変位量よりも大きな変位を得られることの
ほか、従来よりも圧電素子の駆動電圧を低く抑えること
が可能となり、消費電力が少なく大きさも小さいため低
コストであり、その効果は大きい。
第１図は本発明の一実施例を示す圧電アクチュエータの
断面図、第２図は線形ばねと非線形ばねの変位量と力と
の関係を示すグラフ、第３図は圧電素子とばねとの配置
とそれらの変位を示す模式図、第４図は従来の実施例を
示す圧電アクチュエータの断面図である。 ノ ー・・・ロッド、２，２１・・・圧電素子、３，３ａ・
・・非線形ばね、４，２２・・・フレーム。
断面図、第２図は線形ばねと非線形ばねの変位量と力と
の関係を示すグラフ、第３図は圧電素子とばねとの配置
とそれらの変位を示す模式図、第４図は従来の実施例を
示す圧電アクチュエータの断面図である。 ノ ー・・・ロッド、２，２１・・・圧電素子、３，３ａ・
・・非線形ばね、４，２２・・・フレーム。
Claims (1)
- 電圧を印加することにより伸縮する圧電素子と、この
圧電素子の伸縮方向に力を作用するように配置されると
ともに該圧電素子の駆動変位の範囲内で略一定の力が作
用する特性または変位が増大するにしたがい作用する力
が減少する特性をもつばねとを有することを特徴とする
圧電アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1226027A JP2508289B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 圧電アクチュエ―タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1226027A JP2508289B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 圧電アクチュエ―タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0387075A true JPH0387075A (ja) | 1991-04-11 |
| JP2508289B2 JP2508289B2 (ja) | 1996-06-19 |
Family
ID=16838635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1226027A Expired - Fee Related JP2508289B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 圧電アクチュエ―タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2508289B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2352208B (en) | 1999-07-13 | 2001-06-13 | Stirling Moulded Composites Lt | Flexible material |
| US10499694B2 (en) | 2008-08-01 | 2019-12-10 | Nike, Inc. | Apparel with selectively attachable and detachable elements |
| US20100024089A1 (en) | 2008-08-01 | 2010-02-04 | Nike, Inc. | Apparel With Selectively Attachable And Detachable Elements |
| US9675122B2 (en) | 2009-06-23 | 2017-06-13 | Nike, Inc. | Apparel incorporating a protective element |
| US20130025036A1 (en) | 2011-07-25 | 2013-01-31 | Nike, Inc. | Articles Of Apparel Incorporating Cushioning Elements |
| US10034498B2 (en) | 2011-07-25 | 2018-07-31 | Nike, Inc. | Articles of apparel incorporating cushioning elements |
-
1989
- 1989-08-30 JP JP1226027A patent/JP2508289B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2508289B2 (ja) | 1996-06-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |