JPH0690037A

JPH0690037A - 圧電変位素子

Info

Publication number: JPH0690037A
Application number: JP4148892A
Authority: JP
Inventors: Takao Kusuda; 隆男楠田
Original assignee: NASUKA KK
Current assignee: NASUKA KK
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1994-03-29

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、圧電体を変形させて生じる変位と
力を利用する圧電変位素子に関するもので、適当な発生
力と大きな変位量を高速駆動で得られる圧電変位素子を
提供することを目的とする。【構成】長手方向に複数に分割した分極領域２ａ、２
ｂ、２ｃ‥‥、または電極３ａ、３ｂ、３ｃ‥‥などを
有する圧電体４と金属製ベース５を張り合わせてバイモ
ルフ形変位片１、１を作る。そして、このバイモルフ
形変位片１、１がたわんだとき生じるたわみの頂点が重
なるように多数積層した後、皿バネ１３や合成樹脂のラ
イニング１４などの復元力を用いて積層方向に押さえ込
んで一体の変位素子を構成する。この構成によると、バ
イモルフ形変位片１、１は、積層した数を乗じた量だ
け変位する。また、多数の曲率を形成してたわんだ頂点
を出力の支持点としているので大きな発生力が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体を変形させて生
じる変位と力を利用する圧電変位素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＩＣの製造装置や精密加工機など
にミクロン単位の位置合わせが必要となり、それに使用
するアクチュエータが要望されている。そして、これに
応えるため、積層形圧電アクチュエータ素子と称して、
数百μｍの薄い板状の圧電体を多数枚積層して厚み変形
させ、低い駆動電圧で大きな変位量と発生力を得られる
ものが作られている。

【０００３】また、従来からバイモルフ形素子と称し
て、２枚の圧電体の分極方向を裏表逆にして張り合わ
せ、あるいは金属板と圧電体を張り合わせてたわ（橈）
ませ、大きな変位量を得るものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、積層形圧電ア
クチュエータ素子では、多数の圧電体を並列接続されて
いるため、静電容量が大きくなって駆動回路のコンデン
サ負荷が増加し、高速駆動に不適となっていた。また、
変位量にも限界があり、変位拡大機構などを別に設けな
ければ、適用範囲が小さく限定されてきた。さらに、平
方センチ当たり数キロの大きな発生力を得られるが、そ
のような大きな力を必要とする応用は限られていた。

【０００５】一方、バイモルフ形素子は、単一で大きな
変位量が得られるが、発生力が小さく、リレーやセンサ
ーの駆動など力があまり必要でない場合に限られて使用
されている。

【０００６】そこで本発明は、このような課題の解決に
着目したものであり、適当な発生力と大きな変位量を得
られる圧電変位素子を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】係る課題を解決するため
に、本発明は次の技術的手段を有している。

【０００８】すなわち、厚み方向に分極した２枚の圧電
体を分極方向を逆張り合わせたり、あるいは１枚の圧電
体と金属板とを接着剤で張り合わせてバイモルフ形変位
片を作成する。その後、バイモルフ形変位片がたわんだ
ときのたわみの頂点と頂点が重なるように、交互に背中
合わせに容器（ケース）に重ねて収納して一体の変位素
子とする。そして、この積層バイモルフ形変位片の両側
に出力端となる剛性材の板を置き、バネでもって、積層
バイモルフ形変位片を積層方向に加圧する。

【０００９】また、上記の積層バイモルフ形変位片の積
層方向の両端面に剛性材の板を置き、周囲全体を合成樹
脂でモールドして一体の変位素子とする。そして、剛性
材の板を覆った合成樹脂面を外部への出力端とするとと
もに、側面を覆った剛性樹脂の弾性を受けた剛性材の板
で積層バイモルフ形変位片を積層方向に加圧する。

【００１０】また、上記の積層バイモルフ形変位片の積
層方向の両端面に剛性材の板を置き、アルミニウムなど
の柔らかいケースに収納して一体の変位素子とする。あ
るいは、ケースの両端面を厚くして剛性材の板の代わり
にする。そして、ケースの端面を外部への出力端とする
とともに、側面の壁の弾性で積層バイモルフ形変位片を
積層方向に剛性材の板を介して加圧する。

【００１１】また、圧電体を面方向に数分割して、相隣
合う分割領域で正負逆方向になるように分極し、圧電体
の両面に電圧を印加する。

【００１２】さらに、圧電体を面方向に数分割した電極
を設け、相隣合う分割領域で交互に正負逆方向に電圧を
印加する。

【００１３】

【作用】まず、積層バイモルフ形変位片に電圧を印加す
ると、バイモルフ形変位片は面に垂直方向の曲率でたわ
む。このとき、弧を描いたたわみの頂点と頂点が重なっ
ているので、積層バイモルフ形変位片の両端の出力端に
は一つのバイモルフ形変位片の変位に積層数を乗じた変
位量を出力する。その後、電圧の印加を停止すると、バ
ネの力によって加圧された積層バイモルフ形変位片の両
端の出力端は元に戻される。

【００１４】また、合成樹脂でモールド一体化された積
層バイモルフ形変位片や柔軟金属製ケースに収納された
積層バイモルフ形変位片に電圧を印加すると、たわみに
よって生じた力が側面の合成樹脂または柔軟金属の壁の
弾性に勝って、上記と同じように大きく変位する。その
後、電圧の印加を停止すると、合成樹脂または柔軟金属
の壁の弾性作用で加圧された積層バイモルフ形変位片の
両端の出力端は元に戻される。

【００１５】また、圧電体の分極数や電極数を複数にす
ると、電圧を印加したときにバイモルフ形変位片の面内
に多数のたわみの頂点ができる。そのため、この頂点を
支持点とする出力端には、一つの頂点をもつたわみで生
じる発生力に頂点の数を乗じた力を発生する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の圧電変位素子の実施例を添付
図面に従って説明する。

【００１７】図１は一実施例の縦断面図で、図中１はバ
イモルフ形変位片である。このバイモルフ形変位片１
は、図２の拡大図の（ａ）に示すように、長手方向に５
分割したそれぞれの領域で正負逆の分極領域２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅと、連続した電極３を有した圧電
体４と金属のベース板５を有機系接着剤で張り合わされ
ている。また、バイモルフ形変位片１'は、図２（ｂ）
に示すように、圧電体４の分極領域を分割せずに、電極
だけを３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅと、分割すること
もある。さらに、バイモルフ形変位片１"は、図２
（ｃ）のように、２枚の圧電体４ａ、４ｂを分極方向が
反対の位置で張り合わすこともある。

【００１８】これらのバイモルフ形変位片１は、圧電体
４側と圧電体４側、あるいはベース板５側とベース板５
側が背中合わせに重なるようにして１０個積層した後、
ケース６に収納している。ケース６の上部は、高剛性の
金属製作用板７を置いてからキャップ８をボルト９で締
めつけている。キャップ８には２個のスライド穴１０が
開けられており、２本のロッド１１を挿入している。そ
して、外部に出力端１２を設けて、作用板７とロッド１
１で結合している。さらに、ロッド１１には、それぞれ
１個ずつ皿バネ１３をはめ込み、作用板７を介して積層
したバイモルフ形変位片１を押えつけている。

【００１９】今、図２（ａ）のバイモルフ形変位片１の
電極３に電圧を、または図２（ｂ）のバイモルフ形変位
片１'の電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅに交互に正
負逆の電圧を、または図２（ｃ）のバイモルフ形変位片
１"の真ん中の電極３ｇを０ベースにして二つの電極３
ｐ、３ｎに電圧を印加すると、バイモルフ形変位片１、
１'、１"はそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のよう
にたわむ。そのとき、バイモルフ形変位片１、または
１'、または１"は変形して生じたたわみの頂点と頂点が
一致する位置で積層されているので、一つのバイモルフ
形変位片１、または１'、または１"の変位を１０倍した
変位量が出力端１２に現れる。また、たわんで形成した
頂点の数２個所が支持点になって、発生力は２倍にな
る。そして、バイモルフ形変位片１、１'、１"に印加し
ていた電圧を取り除くと、皿バネ１３の復元力で作用板
７は変位前の位置に復帰する。

【００２０】次に本発明の他の実施例について説明す
る。図３（ａ）は実施例の縦断面図を示しており、図中
１はバイモルフ形変位片で、第１の実施例と同じく背中
合わせに重なるようにして１０個積層している。そし
て、積層したバイモルフ形変位片の積層方向の両端に１
枚ずつ高剛性の金属製の作用板７'を当てがった後、モ
ールド材として高弾性の熱可塑性合成樹脂を流し込み、
表面全周にライニング１４を形成する。その結果、作用
板７'を覆ったライニング１４の面が出力端１２'とな
る。

【００２１】また、図３（ｂ）では、底面部分を厚くし
たアルミニウムなどの柔らかい金属のケース６'に上記
と同じくバイモルフ形変位片１を背中合わせに重なるよ
うにして１０個積層している。そして、上部を同じく厚
みのあるアルミニウムなどの柔らかい金属のキャップ
８'を被せ、ケース６'に溶接して密封している。その結
果、ケース６'の底面部分とキャップ８'の剛性が高ま
り、その端面が出力端１２"となる。

【００２２】本実施例も第１の実施例と同じく、バイモ
ルフ形変位片１の電極３に電圧を印加すると、バイモル
フ形変位片１は図２（ａ）のようにたわむ。このとき、
バイモルフ形変位片１は変形して生じたたわみの２個所
の頂点と頂点が重なるように積層されているので、一つ
のバイモルフ形変位片１の変位を１０倍した変位量と２
倍の力が出力端１２'、１２"に現れる。そして、バイモ
ルフ形変位片１に印加していた電圧を取り除くと、バイ
モルフ形変位片１の側面に位置するライニング１４また
はケース６'の壁面の弾性的復元力で出力端１２'、１
２"は変位前の位置に復帰する。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明ではまず
２枚の圧電体または圧電体と金属板を張り合わせたバイ
モルフ形変位片を積層することにより、出力端に大きな
変位量と適量の発生力を得られた。そして、積層数が多
くないのでコンデンサとしての静電容量も少なく、素子
は高い応答性で駆動できるようになった。

【００２４】また、積層したバイモルフ形変位片を高弾
性の合成樹脂でモールドして一体化素子を形成すること
ができ、また合成樹脂の弾性で出力端の変位を復帰させ
ることができた。

【００２５】また、バイモルフ形変位片を分割して分極
したり、電極を分割してそれぞれの電極に交互に正負逆
の電圧印加したため、変位の支持点が複数個生じて発生
力が増加した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における圧電変位素子の縦断
面を示している。

【図２】本発明の圧電変位素子を構成するバイモルフ形
変位片の外観を示している。

【図３】本発明の他の実施例における圧電変位素子の縦
断面を示している。

【符号の説明】

１、１'、１" バイモルフ形変位片２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ分極領域３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ電極４圧電体５ベース板６、６' ケース７、７' 作用板８、８' キャップ９ボルト１０スライド穴１１ロッド１２、１２'、１２" 出力端１３皿バネ１４ライニング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の圧電体の板または圧電体の板と他
材料の板を張り合わせたバイモルフ形変位片、複数の該
バイモルフ形変位片をたわみ（橈み）の頂点と頂点が重
なる位置で積層して収納するケース（容器）、該積層し
たバイモルフ形変位片を積層方向に押さえるバネなどの
加圧機構、該加圧機構と積層したバイモルフ形変位片と
の間に介在して変位成分を取り出す出力端とから構成さ
れ、電圧を加えられたバイモルフ形変位片がたわんだと
きに生じる変位と力を積層方向に積算して取り出すこと
を特徴とする圧電変位素子。
【請求項２】前記積層したバイモルフ形変位片の積層
方向の両端部に２枚の剛性材の板を配置し、該積層した
バイモルフ形変位片と剛性材の板の周囲を合成樹脂でモ
ールド一体化し、電圧を加えられたバイモルフ形変位片
の変位と力を両端の剛性材の板に積算するとともに、モ
ールドした合成樹脂の弾性で積層したバイモルフ形変位
片を加圧することを特徴とする圧電変位素子。
【請求項３】前記積層したバイモルフ形変位片の積層
方向の両端部に２枚の剛性材の板を配置または形成し、
該積層したバイモルフ形変位片単独または剛性材の板と
ともにアルミニウムなどの柔軟金属製のケースに収納し
て一体化し、電圧を加えられたバイモルフ形変位片の変
位と力を両端の剛性材の板に積算するとともに、ケース
の壁の弾性で積層したバイモルフ形変位片を加圧するこ
とを特徴とする圧電変位素子。
【請求項４】前記圧電体を複数の領域で区分し、それ
ぞれの領域の相隣合う領域を逆方向に分極し、圧電体に
電圧を印加したときバイモルフ形変位片に複数の曲率を
もつたわみを生じさせ、生じた力をたわみの頂点の数だ
け増大したことを特徴とする請求項１および２記載の圧
電変位素子。
【請求項５】前記圧電体の電極を複数の領域で区分
し、それぞれの領域の相隣合う領域に正負逆方向の電圧
を印加し、バイモルフ形変位片に複数の曲率をもつたわ
みを生じさせ、生じた力をたわみの頂点の数だけ増大し
たことを特徴とする請求項１および２記載の圧電変位素
子。