DE3751183T2

DE3751183T2 - Piezoelectric drive.

Info

Publication number: DE3751183T2
Application number: DE3751183T
Authority: DE
Inventors: Yukio Mitsubishi Chemica Chida; Tetsuhiko C O Mitsub Nishimura; Yasuo C L Mitsubishi Che Oguri
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-09-28
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2007-09-29
Also published as: DE3751183D1; EP0262637A2; EP0262637B1; US5034649A; US4812698A; EP0262637A3

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb, der an der Endspitze eines Balkens eine große Verschiebung und eine große Kraft erzeugen kann.The invention relates to a piezoelectric actuator that can generate a large displacement and a large force at the end tip of a beam.

Die Fig. 3 und 6 zeigen herkömmliche piezoelektrische- Antriebe.Figures 3 and 6 show conventional piezoelectric actuators.

Die Ausführungsbeispiele geinäß den Fig. 3 bis 6 sind aus Ceramic Material for Electronics, S. 202 - 205 (herausgegeben von R. C. Buchanan) bekannt. Die Ausführungsbeispiele geinäß den Fig. 1 bis 3 sind aus Proc. at the 33rd Annual National Relay Conference, Oklahoma (1985), S. 7 - 1, bekannt. Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5 und 6 sind aus Proceedings of the sixth international meeting on ferroelectricity, Kobe 1985, JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, S. 457 - 459, bekannt. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist aus JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, g 485 - 487 und US-P- 4,593,160 bekannt.The embodiments according to Figs. 3 to 6 are known from Ceramic Material for Electronics, pp. 202 - 205 (edited by R. C. Buchanan). The embodiments according to Figs. 1 to 3 are known from Proc. at the 33rd Annual National Relay Conference, Oklahoma (1985), pp. 7 - 1. The embodiments according to Figs. 5 and 6 are known from Proceedings of the sixth international meeting on ferroelectricity, Kobe 1985, JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, pp. 457 - 459. The embodiment according to Fig. 6 is known from JJAP 24 (1985), Supplement 24-2, g 485 - 487 and US-P-4,593,160.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Antriebs mit Längseffekt, wobei die Bezugszahl 1 die Gesamtstruktur des laminierten piezeoelektrischen Elements mit Längseffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches Element 1 bezeichnet) kennzeichnet, die Zahl 2 eine piezoelektrische Keramikfolie bezeichnet, die Zahl 3 eine Elektrode bezeichnet und die Zahl 4 eine Spannungsquelle bezeichnet, durch die mittels der Elektrode 3 ein elektrisches Feld E an jede piezoelektrische Keramikfolie 2 angelegt wird. Das Symbol P bezeichnet die Polarisationsrichtung jeder piezoeiektrischen Keramikfolie. Ein Pfeil A kennzeichnet die Kontraktionsrichtung einer piezoelektrischen Keramikfolie 2 beim Anlegen des elektrischen Felds E und ein Pfeil B kennzeichnet die Expansionsrichtung der piezoelektrischen Keramikfolie 2.Fig. 3 is a perspective view of a laminated longitudinal effect piezoelectric actuator, wherein reference numeral 1 denotes the entire structure of the laminated longitudinal effect piezoelectric element (hereinafter referred to simply as piezoelectric element 1), numeral 2 denotes a piezoelectric ceramic sheet, numeral 3 denotes an electrode, and numeral 4 denotes a voltage source by which an electric field E is applied to each piezoelectric ceramic sheet 2 via the electrode 3. The symbol P denotes the polarization direction. each piezoelectric ceramic foil. An arrow A indicates the contraction direction of a piezoelectric ceramic foil 2 when the electric field E is applied and an arrow B indicates the expansion direction of the piezoelectric ceramic foil 2.

So besteht das piezoelektrische Element 1 aus mehreren hundert piezoelektrischen Keramikfolien 2 mit jeweils einer Dicke von 50 bis 100 um, die in Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminiert sind und so konzipiert sind, daß der Längseffekt verwendet wird, wobei sich das gesamte Element in Längsrichtung ausdehnt, wenn das elektrische Feld E in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtungp angelegt wird.Thus, the piezoelectric element 1 consists of several hundred piezoelectric ceramic films 2 each having a thickness of 50 to 100 µm, which are laminated one on top of the other in the direction of their thickness and are designed to utilize the longitudinal effect, whereby the entire element expands in the longitudinal direction when the electric field E is applied in the same direction as the polarization direction p.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, der als solcher vom Unimorphtyp bezeichnet wird. In dieser Figur kennzeichnen dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 3 dieselben Elemente und die Bezugszahl 5 kennzeichnet ein piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches Element 5 bezeichnet), die Zahl 6 bezeichnet eine piezoelektrische Keramikfolie und die Zahl 11 ist eine Biegemetallplatte, die mit einer Seite der piezoelektrischen Keramikfolie 6 verbunden ist, wobei die oben genannte Eiektrode 3 dazwischen liegt.Fig. 4 is a perspective view of a transverse effect piezoelectric actuator, referred to as a unimorph type. In this figure, the same reference symbols as in Fig. 3 denote the same elements, and reference numeral 5 denotes a transverse effect piezoelectric element (hereinafter referred to simply as piezoelectric element 5), numeral 6 denotes a piezoelectric ceramic sheet, and numeral 11 is a bending metal plate bonded to one side of the piezoelectric ceramic sheet 6 with the above-mentioned electrode 3 interposed therebetween.

So besteht das piezoelektrische Element 5 aus einer piezoelektrischen Keramikfolie 6 mit einer Dicke von 100 bis 500 um und einer Metallplatte 11, die mit einer Seite derselben verbunden ist, und es ist von einem Typ, der sich durch den Transversaleffekt in der Richtung eines Pfeils C verbiebt, wobei es in Dickenrichtung expandiert, wenn ein elektrisches Feld E in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P der piezoelektrischen Keramikfolie 6 angelegt wird.Thus, the piezoelectric element 5 is composed of a piezoelectric ceramic sheet 6 having a thickness of 100 to 500 µm and a metal plate 11 bonded to one side thereof, and is of a type which bends in the direction of an arrow C by the transverse effect, expanding in the thickness direction when an electric field E is applied in the same direction as the polarization direction P of the piezoelectric ceramic sheet 6.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, wie als Bimorph bezeichnet. In dieser Figur kennzeichnen dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 4 dieselben Elemente und die Bezugszahlen 6A und 6B kennzeichnen piezoelektrische Keramikfolien, die Zahl 8 kennzeichnet ein piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches Element 8 bezeichnet) und die Zahl 9 ist eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen des piezoelektrischen Elements 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das piezoelektrische Element 8 aus den piezoelektrischen Keramikfolien 6A und 6B mit jeweils einer Dicke von 100 bis 500 um, die direkt oder mit einer dazwischenliegenden mittleren Elektrode-Metallfolie zum Erleichtern des Herausführens einer Elektrode miteinander verbunden sind, und es ist von einem Typ, der sich in Richtung eines Pfeils C verbiegt, wenn ein elektrisches Feld E in der Richtung entgegengesetzter Polarisationsrichtung P an die piezoelektrische Keramikfolie 6A angelegt wird und in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P an die andere piezoelektrische Keramikfolie 6B.Fig. 5 is a perspective view of a transverse effect piezoelectric actuator, referred to as bimorph. In this figure, the same reference symbols as in Fig. 4 denote the same elements, and reference numerals 6A and 6B denote piezoelectric ceramic sheets, numeral 8 denotes a transverse effect piezoelectric element (hereinafter referred to simply as piezoelectric element 8), and numeral 9 is a fixing means for fixing the piezoelectric element 8. In this embodiment, the piezoelectric element 8 is composed of the piezoelectric ceramic sheets 6A and 6B each having a thickness of 100 to 500 µm bonded to each other directly or with a central electrode metal foil interposed therebetween for facilitating the lead-out of an electrode, and is of a type which bends in the direction of an arrow C when an electric field E in the direction opposite to the polarization direction P is applied to the piezoelectric ceramic sheet 6A. and in the same direction as the polarization direction P to the other piezoelectric ceramic film 6B.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Antriebs mit Transversaleffekt, wie als Multimorphtyp bezeichnet. In dieser Figur kennzeichnen dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 5 dieselben Elemente und die Bezugszahl 10 kennzeichnet ein laminiertes piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt vom Multimorphtyp (nachfolgend einfach als Piezoelektrisches Element 10 bezeichnet).Fig. 6 is a perspective view of a laminated transverse effect piezoelectric actuator called a multimorph type. In this figure, the same reference symbols as in Fig. 5 indicate the same elements, and reference numeral 10 indicates a laminated transverse effect piezoelectric element of multimorph type (hereinafter referred to simply as piezoelectric element 10).

So weist das Piezoelektrische Element 10 eine Struktur auf, bei der mehrere, jeweils zwei im dargestellten Fall, piezoelektrische Keramikfolien 6A und 6B, wie sie im in Fig. 5 dargestellten piezoelektrischen Element mit Transversaleffekt verwendet werden, aufeinanderlaminiert sind, und es ist von einem Typ, der sich in Richtung eines Pfeils P verbiegt, wenn an ein piezoelektrisches Element 6A' im oberen Teil über dem Zentrum des piezoelektrischen Elements 10 in der Richtung entgegengesetzter Polarisationsrichtung P ein elektrisches Feld E angelegt wird, und an ein piezoelektrisches Element 6B' im unteren Teil in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P angelegt wird.Thus, the piezoelectric element 10 has a structure in which several, two in each case in the illustrated case, piezoelectric ceramic films 6A and 6B, as in the piezoelectric element with transverse effect shown in Fig. 5 used are laminated on each other, and it is of a type which bends in the direction of an arrow P when an electric field E is applied to a piezoelectric element 6A' in the upper part above the center of the piezoelectric element 10 in the direction opposite to the polarization direction P and to a piezoelectric element 6B' in the lower part in the same direction as the polarization direction P.

Der herkömmliche laminierte piezoelektrische Antrieb mit Längseffekt, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Schwierigkeit auf, daß die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens sehr klein ist, in der Größenordnung von einigen 10 um oder weniger, obwohl die erzeugte Kraft E bis zu einigen GPa (einige 100 kg/mm²) betragen kann.The conventional laminated longitudinal effect piezoelectric actuator as shown in Fig. 3 has the difficulty that the displacement δ at the end tip of a beam is very small, on the order of several tens of µm or less, although the generated force E can be as high as several GPa (several 100 kg/mm2).

Andererseits wird der in Fig. 4 dargestellte piezoelektrische Antrieb vom Unimorphtyp im allgemeinen als Oszillator einen piezoelektrischen Summer verwendet und die Technik zum Konzipieren eines solchen Oszillators ist derzeit beinahe vollständig erstellt. Jedoch wurde für Anwendungen, bei denen keine Schwingung verwendet wird, wie im Fall eines Antriebs oder dann, wenn ein Antrieb mit niedriger Frequenz erfolgt, keine Konstruktion dahingehend offenbart, daß die Dicken des piezoelektrischen Elements und des Biegestützteils dahingehend optimiert werden, daß an der Endspitze eines Balkens gleichzeitig eine große Verschiebung und eine große Kraft erzeugt werden.On the other hand, the unimorph type piezoelectric actuator shown in Fig. 4 is generally used as an oscillator of a piezoelectric buzzer, and the technology for designing such an oscillator is almost complete at present. However, for applications where no vibration is used, such as in the case of an actuator or when a low frequency drive is performed, no design has been disclosed such that the thicknesses of the piezoelectric element and the bending support member are optimized so that a large displacement and a large force are generated simultaneously at the tip end of a beam.

Der piezoelektrische Antrieb vom Bimorphtyp mit Doppelschichtstruktur (ohne Zwischenfolie) wie in Fig. 5 dargestellt, wird im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein Paar piezoelektrische Keramikfolien aus demselben Material und mit derselben Größe (und Dicke) miteinander verbunden werden. Auch in diesem Fall ist kein Erzeugnis offenbart, das dazu in der Lage ist, gleichzeitig eine große Verschiebung und eine große Kraft an der Endspitze eines Balkens zu erzeugen.The bimorph type piezoelectric actuator with double layer structure (without intermediate foil) as shown in Fig. 5 is generally manufactured by bonding a pair of piezoelectric ceramic foils made of the same material and having the same size (and thickness). In this case too, no product is disclosed capable of simultaneously producing a large displacement and a large force at the end tip of a beam.

D.h., daß die piezoelektrischen Antriebe mit Transversaleffekt, wie sie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt sind, im Biegemodus hinsichtlich der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens im Vergleich zum Fall bei piezoelektrischem Antrieb mit Längseffekt überlegen sind, wobei die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens bis zu einigen 100 um beträgt, jedoch ist die Zwangskraft umgekehrt sehr klein, mit einer Größenordnung von 10&supmin;² 10&supmin;¹ N (einige wenige gf bis einige zehn gf). Im Fall piezoelektrischen Antriebs vom Transversaleffekt kann die Zwangskraft entweder durch Erhöhen der Dicke der piezoelektrischen Keramikfolie 6 oder durch Verringern der Länge des piezoelektrischen Elements erhöht werden. Jedoch besteht eine Schwierigkeit dahingehend, daß die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens umgekehrt proportional zur Dicke ist und proportional zum Quadrat der Länge eines piezoelektrischen Elements abnimmt.That is, the transverse effect piezoelectric actuators as shown in Figs. 4 to 6 are superior in the bending mode in terms of the displacement at the tip end of a beam as compared with the case of the longitudinal effect piezoelectric actuator, where the displacement δ at the tip end of a beam is up to several 100 µm, but conversely the constraining force is very small, on the order of 10-2 10-1 N (a few gf to several tens of gf). In the case of the transverse effect piezoelectric actuator, the constraining force can be increased either by increasing the thickness of the piezoelectric ceramic sheet 6 or by reducing the length of the piezoelectric element. However, there is a problem that the displacement δ at the end tip of a beam is inversely proportional to the thickness and decreases proportionally to the square of the length of a piezoelectric element.

Genauer gesagt, sind die Beziehungen für die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und für die erzeugte Zwangskraft F für einen Bimorph durch die folgenden Gleichungen repräsentiert:More specifically, the relationships for the displacement δ at the end tip of a beam and for the generated constraint force F for a bimorph are represented by the following equations:

δ = (31² d&sub3;&sub1; E)/4t (1)δ; = (31² d₃₁ E)/4t (1)

F = (3bt² Y d&sub3;&sub1; E)/21 (2),F = (3bt² Y d₃₁ E)/21 (2),

mit: l: wirksame Länge der piezoelektrischen Keramikfolie, d&sub3;&sub1;: piezoelektrischer Spannungskoeffizient, e: elektrische Feldstärke, t: Dicke pro Schicht, b: Breite der piezoelektrischen Keramikfolie 6 und Y: Young'scher Modul. Für die angelegte Spannung gilt V = Et.where: l: effective length of the piezoelectric ceramic film, d₃₁: piezoelectric voltage coefficient, e: electric field strength, t: thickness per layer, b: width of the piezoelectric ceramic film 6 and Y: Young's modulus. For the applied voltage, V = Et.

Was den in Fig. 6 dargestellten Multimorphtyp betrifft, sind die entsprechenden Beziehungen durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:As for the multimorph type shown in Fig. 6, the corresponding relationships are given by the following equations reproduced:

δ = (31² d&sub3;&sub1; E)/(4 N t) (3)δ; = (31² d₃₁ E)/(4 N t) (3)

F = (3b N² t² d&sub3;&sub1; E)/21 (4),F = (3b N² t² d₃₁ E)/21 (4),

mit: N: Anzahl laminierter Paare, wobei die anderen Symbole dieselben wie in den Gleichungen (1) und (2) sind.with: N: number of laminated pairs, where the other symbols are the same as in equations (1) and (2).

So ist es möglich, die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und die erzeugte Zwangskraft F gleichzeitig dadurch zu erhöhen, daß ein Material mit großem piezoelektrischem Spannungskoeffizienten (d&sub3;&sub1;, d&sub3;&sub3;) verwendet wird oder das angelegte elektrische Feld erhöht wird.Thus, it is possible to increase the displacement δ at the tip of a beam and the generated constraining force F simultaneously by using a material with a large piezoelectric stress coefficient (d₃₁, d₃₃) or by increasing the applied electric field.

Jedoch ist es sehr schwierig, ein neues Material mit hohem piezoelektrischem Spannungskoeffizient (d&sub3;&sub1;, d&sub3;&sub3;) aufzufinden, da dieser Gesichtspunkt bisher bereits intensiv untersucht wurde.However, it is very difficult to find a new material with high piezoelectric stress coefficient (d₃₁, d₃₃) since this aspect has been intensively investigated so far.

Der Bimorphtyp wurde erdacht, da unter den piezoelektrischen Antrieben mit Transversaleffekt durch den Unimorphtyp, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, keine angemessene Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und keine angemessene Zwangskraft F erhalten wurden.The bimorph type was devised because among the transverse effect piezoelectric actuators, an adequate displacement δ at the end tip of a beam and an adequate constraining force F were not obtained by the unimorph type as shown in Fig. 4.

Jedoch ist es im Fall eines Bimorphs erforderlich, daß elektrische Feld E in der Richtung entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung P anzulegen und die Stärke des elektrischen Felds E ist auf ein Niveau beschränkt, bei dem keine Depolarisation auftritt. D.h., daß bei einem Bimorph das anwendbare elektrische Feld E höchstens die Größenordnung von nur 0,5 MV/m (500 V/mm) aufweist, während das zulässige elektrische Feld, das in derselben Richtung wie die Polarisationsrichtung P angelegt werden darf, auf dem Niveau von 1 bis 2 MV/m (kV/mm) liegt (d.h. dem Niveau des elektrischen Felds E, bei dem kein dielektrischer Durchbruch stattfindet). Aus diesem Grund ist es selbst bei einem Bimorph schwierig, gleichzeitig eine ausreichend große Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und eine ausreichende erzeugte Zwangskraft F zu erzielen, obwohl die Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und die erzeugte Zwangskraft, wie sie dabei erzielbar sind, größer sind als diejenigen, die beim Unimorphtyp erzielbar sind.However, in the case of a bimorph, it is necessary to apply the electric field E in the direction opposite to the polarization direction P and the strength of the electric field E is limited to a level at which no depolarization occurs. That is, in a bimorph, the applicable electric field E is at most of the order of only 0.5 MV/m (500 V/mm), while the permissible electric field that may be applied in the same direction as the polarization direction P is at the level of 1 to 2 MV/m (kV/mm) (i.e. the level of the electric field E at which no dielectric breakdown occurs). For this reason, even with a bimorph, it is difficult to simultaneously obtain a sufficiently large displacement δ at the end tip of a beam and a sufficient generated constraining force F, although the displacement at the end tip of a beam and the generated constraining force thereby obtainable are larger than those obtainable with the unimorph type.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Schwierigkeiten zu überwinden und einen piezoelektrischen Antrieb zu schaffen, der dazu in der Lage ist, gleichzeitig eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und eine große Kraft dadurch zu erzeugen, daß es möglich ist, an ein piezoelektrisches Keramikelement ein elektrisches Feld hoher Stärke anzulegen, wobei es möglich ist, die für einen solchen Zweck erforderliche Stärke des elektrischen Felds zu verringern oder zu minimieren.It is an object of the invention to overcome the above-mentioned difficulties and to provide a piezoelectric actuator capable of simultaneously producing a large displacement at the end tip of a beam and a large force by making it possible to apply an electric field of high intensity to a piezoelectric ceramic element, it being possible to reduce or minimize the intensity of the electric field required for such a purpose.

Die Erfindung schafft einen piezoelektrischen Antrieb mit einem laminierten piezoelektrischen Element mit Längseffekt, das aus in Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminierten piezoelektrischen Keramikfolien und einem Halteteil besteht, das an einer Seite in Längsrichtung des Elements befestigt ist und sich biegen kann und die Expansion des Elements begrenzen kann.The invention provides a piezoelectric actuator with a laminated longitudinal effect piezoelectric element, which consists of piezoelectric ceramic films laminated together in the direction of their thickness, and a holding part, which is attached to one side in the longitudinal direction of the element and can bend and limit the expansion of the element.

Es ist ein piezoelektrischer Antrieb bevorzugt, bei dem das Malteteil mit einer dazwischenliegenden Schicht am piezoelektrischen Element mit Längseffekt befestigt ist, wenn mindestens eine Oberfläche des Halteelements elektrisch leitend ist.A piezoelectric drive is preferred in which the painted part is attached to the piezoelectric element with a longitudinal effect by means of an intermediate layer, if at least one surface of the holding element is electrically conductive.

Nun wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention will now be described in detail with reference to the accompanying embodiments.

In den beigefügten Zeichnungen ist folgendes dargestellt:The attached drawings show the following:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of the invention;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;Fig. 2 is a perspective view of another embodiment of the invention;

Fig. 3 bis 6 zeigen herkömmliche piezoelektrische Antriebe, d.h., Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Antriebs mit Längseffekt und die Fig. 4, 5 und 6 sind perspektivische Ansichten piezoelektrischer Antrieb mit Transversaleffekt vom Unimorphtyp, vom Bimorphtyp bzw. vom Multimorphtyp;Figs. 3 to 6 show conventional piezoelectric actuators, i.e., Fig. 3 is a perspective view of a laminated longitudinal effect piezoelectric actuator and Figs. 4, 5 and 6 are perspective views of unimorph type, bimorph type and multimorph type transverse effect piezoelectric actuators, respectively;

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke eines angelegten elektrischen Felds und dem Young'schen Modul von Halteteilen bei Beispielen der Erfindung;Fig. 7 shows the relationship between the strength of an applied electric field and the Young's modulus of holding members in examples of the invention;

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Stärke eines angelegten Felds und der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens, wie für den Antrieb vom Unimorphtyp beim Beispiel 6 gemessen;Fig. 8 shows the relationship between the strength of an applied field and the displacement at the end tip of a beam as measured for the unimorph type actuator in Example 6;

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und der erzeugten Kraft, wie für den Antrieb vom Unimorphtyp gemäß dem Beispiel 6 gemessen; undFig. 9 shows the relationship between the displacement at the end tip of a beam and the force generated as measured for the unimorph type actuator according to Example 6; and

Fig. 10 veranschaulicht einen Aufbau, bei dem zwei Elemente vom Unimorphtyp kombiniert sind, um den Vorderendbereich horizontal zu gestalten.Fig. 10 illustrates a structure in which two unimorph-type elements are combined to make the front end region horizontal.

Beim erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb aus einer nichtpiezoelektrischen Biegeplatte, die die Expansion oder Kontraktion eines laminierten piezoelektrischen Elements vom Längseffekt begrenzen kann, oder ein Halteteil aus einem piezoelektrischen Element vom Transversaleffekt, das sich in der Richtung entgegengesetzt zur Expansionsrichtung des laminierten piezoelektrischen Elements mit Längseffekt zusammenziehen kann, an einer Seite in Längsrichtung des laminierten piezoelektrischen Elements mit Längseffekt befestigt, das aus in Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminierten piezoelektrischen Keramikfolien besteht. Im Fall eines Antriebs vom Unimorphtyp ist es bevorzugt, daß der Young'sche Modul des Halteteils mindestens das 2,5-fache des Young'schen Moduls des piezoelektrischen Elements ist, die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements innerhalb eines Bereichs von 100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um liegt und das Verhältnis t&sub2;/t&sub1; mindestens 1,6 beträgt, wobei t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen Elements ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist.In the piezoelectric actuator according to the invention consisting of a non-piezoelectric bending plate which controls the expansion or contraction of a laminated piezoelectric element from longitudinal effect, or a holding member made of a transverse effect piezoelectric element capable of contracting in the direction opposite to the expansion direction of the longitudinal effect laminated piezoelectric element is fixed to one longitudinal side of the longitudinal effect laminated piezoelectric element consisting of piezoelectric ceramic sheets laminated in the direction of their thickness. In the case of a unimorph type actuator, it is preferable that the Young's modulus of the holding member is at least 2.5 times the Young's modulus of the piezoelectric element, the thickness t₂ of the piezoelectric element is within a range of 100 µm ≤ t₂ ≤ 5,000 µm, and the ratio t₂/t₁ is at least 1.6, where t₂ is the thickness of the piezoelectric element and t₁ is the thickness of the holding member.

Bevorzugter genügen die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements und die Dicke t&sub1; des Halteteils den folgenden Gleichungen I bzw. II:More preferably, the thickness t2 of the piezoelectric element and the thickness t1 of the holding part satisfy the following equations I and II, respectively:

100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)100 μm ≤t2;≤ 5,000 um (I)

Y/2 t&sub2; um ≤ t&sub1; ≤ 2 Y t&sub2; um (II),Y/2 t2 by ≤t1;≤ 2 Y t2; to (II),

mit Y = Y&sub2;/Y&sub1;, wobei Y&sub2; der Young'sche Modul des piezoelektrischen Elements ist und Y&sub1; der Yöung'sche Modul des Halteteils ist.with Y = Y₂/Y₁, where Y₂ is the Young's modulus of the piezoelectric element and Y₁ is the Young's modulus of the holding part.

Nun wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben.The invention will now be described in more detail with reference to the drawings.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Antriebs vom Unimorphtyp gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 3 dieselben Elemente kennzeichnen und die Bezugszahl 100 den piezoelektrischen Antrieb vom Unimorphtyp kennzeichnet, der eine Kombination aus einem laminierten piezoelektrischen Element 1 mit Längseffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches Element 1 bezeichnet) und einer Metallplatte 11 ist. D.h., daß die Metallplatte 11 mit einem isolierenden Kleber wie einem Epoxidharz zum Herstellen einer Isolierschicht 12 mit einer Seite in Längsrichtung des piezoelektrischen Elements 1 verklebt ist (das aus einer Anzahl piezoelektrischer Keramikfolien besteht, die in Richtung ihrer Dicke auf dieselbe Weise wie in Fig. 3 veranschaulicht aufeinanderlaminiert sind und in Laminatrichtung verlegt sind). Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die Richtung zum Anlegen des elektrischen Felds E, die Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die Expansionsrichtung B dieselben wie im Fall des piezoelektrischen Elements 1 in Fig. 3.Fig. 1 is a perspective view of a unimorph type piezoelectric actuator according to an embodiment of the invention, wherein the same reference symbols as in Fig. 3 denote the same elements and the reference numeral 100 denotes the unimorph type piezoelectric actuator which comprises a combination of a laminated piezoelectric longitudinal effect element 1 (hereinafter referred to simply as piezoelectric element 1) and a metal plate 11. That is, the metal plate 11 is bonded to a longitudinal direction side of the piezoelectric element 1 (which consists of a number of piezoelectric ceramic sheets laminated in the direction of their thickness in the same manner as illustrated in Fig. 3 and laid in the laminate direction) with an insulating adhesive such as an epoxy resin to form an insulating layer 12. Although not shown in the figure, the direction of application of the electric field E, the polarization direction P, the contraction direction A and the expansion direction B are the same as in the case of the piezoelectric element 1 in Fig. 3.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Antriebs vom Bimorphtyp als anderem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieselben Bezugssymbole wie in Fig. 1 dieselben Elemente kennzeichnen und die Bezugszahl 200 der piezoelektrische Antrieb vom Bimorphtyp ist, der eine Kombination aus einem piezoelektrischen Element 1 mit Längseffekt und einem laminierten piezoelektrischen Element 6B' mit Transversaleffekt (nachfolgend einfach als piezoelektrisches Element 6B' bezeichnet) ist.Fig. 2 is a perspective view of a bimorph type piezoelectric actuator as another embodiment of the invention, wherein the same reference symbols as in Fig. 1 denote the same elements, and reference numeral 200 is the bimorph type piezoelectric actuator which is a combination of a longitudinal effect piezoelectric element 1 and a laminated transverse effect piezoelectric element 6B' (hereinafter referred to simply as a piezoelectric element 6B').

Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die Anlegerichtung des elektrischen Felds E, die Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die Expansionsrichtung B dieselben wie in Fig. 3 für das piezoelektrische Element 1 und sie sind dieselben wie im Fall des in Fig. 6 dargestellten piezoelektrischen Elements 6B' vom Multimorphtyp. Eine Metallplatte 11, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann zwischen die Isolierschicht 12 und das piezoelektrische Element 6B' eingefügt sein.Although not shown in the figure, the applying direction of the electric field E, the polarization direction P, the contraction direction A and the expansion direction B are the same as in Fig. 3 for the piezoelectric element 1, and they are the same as in the case of the multimorph type piezoelectric element 6B' shown in Fig. 6. A metal plate 11 as shown in Fig. 1 may be interposed between the insulating layer 12 and the piezoelectric element 6B'.

Zum Herstellen der piezoelektrischen Antriebe 100 und 200 wird ein Pulver aus Bleititanatzirkonat (PZT) als piezoelektrisches Material und einem organischen Bindemittel mit einem Weichmacher, einem Lösungsmittel usw. verknetet, um eine Aufschlämmung zu erhalten, die dann z.B. durch ein Rakel in eine Folie geformt wird und dann getrocknet wird. Dann wird die erforderliche Elektrode 3 durch Siebdruck ausgebildet. Mehrere so hergestellte piezoelektrische Keramikfolien werden aufeinanderlaminiert und unter Wärme und Druck miteinander verbunden, um ein monolithisches Formerzeugnis zu erhalten. Die Dicke jeder piezoelektrischen Keramikfolie 2 und die Anzahl aufeinanderlaminierter Folien entsprechen der Länge des piezoelektrischen Elements 1 und sie sind so festgelegt, daß die erforderliche Länge des Elements erhalten wird, wobei die gewünschte anzulegende Spannung die Verschiebung an der Endspitze eines Balkens, die erzeugte Kraft usw. berücksichtigt werden. Das Formerzeugnis wird dann in der Richtung rechtwinklig zur Richtung der Elektroden 3 so zerschnitten, daß die Dicke des piezoelektrischen Elements 1 von einigen 100 um bis zu einigen 1.000 um beträgt, und dann wird es gesintert und einer erforderlichen Schleifendbearbeitung unterzogen, um ein fertiggestelltes Element zu erhalten, das aus piezoelektrischen Keramikfolien 2 besteht, die in Längsrichtung des Elements aufeinanderlaminiert sind.To manufacture the piezoelectric actuators 100 and 200, a powder of lead titanate zirconate (PZT) as a piezoelectric material and an organic binder is kneaded with a plasticizer, a solvent, etc. to obtain a slurry, which is then formed into a sheet by, for example, a doctor blade and then dried. Then, the required electrode 3 is formed by screen printing. A plurality of piezoelectric ceramic sheets thus prepared are laminated and bonded together under heat and pressure to obtain a monolithic molded product. The thickness of each piezoelectric ceramic sheet 2 and the number of sheets laminated correspond to the length of the piezoelectric element 1, and they are set so as to obtain the required length of the element, taking into account the desired voltage to be applied, the displacement at the tip end of a beam, the force generated, etc. The molded product is then cut in the direction perpendicular to the direction of the electrodes 3 so that the thickness of the piezoelectric element 1 is from several 100 µm to several 1,000 µm, and then it is sintered and subjected to a necessary grinding finish to obtain a finished element consisting of piezoelectric ceramic sheets 2 laminated in the longitudinal direction of the element.

Andernfalls kann das Formerzeugnis unverändert, d.h. ohne Zerschneiden desselben, gesintert werden und dann wird es zerschnitten und einer Schleifendbearbeitung unterzogen, um auf ähnliche Weise ein piezoelektrisches Element 1 zu erhalten. Dazu werden äußere Anschlußelektroden mit inneren Elektroden verbunden und ein Zuleitungsdraht wird an diese angeschlossen, gefolgt von einer Polarisationsbehandlung.Otherwise, the molded product may be sintered as it is, i.e., without cutting it, and then it is cut and subjected to grinding finishing to obtain a piezoelectric element 1 in a similar manner. For this purpose, external lead electrodes are connected to internal electrodes and a lead wire is connected to them, followed by a polarization treatment.

Dann wird, im Fall des piezoelektrischen Antriebs 100 vom Unimorphtyp, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Epoxidharz, das sowohl als Isoliermittel als auch als Kleber dient, auf eine Metallplatte 11 aus z.B. einer Fe-Ni-Legierung aufgetragen, um eine Isolierschicht 12 auszubilden, und dann wird die Metallplatte 11 mit dem piezoelektrischen Element 1 verklebt.Then, in the case of the unimorph type piezoelectric actuator 100 as shown in Fig. 1, an epoxy resin which serving as both an insulating agent and an adhesive, is applied to a metal plate 11 made of, for example, a Fe-Ni alloy to form an insulating layer 12, and then the metal plate 11 is bonded to the piezoelectric element 1.

Im Fall des piezoelektrischen Antriebs 200 vom Bimorphtyp, wie in Fig. 2 dargestellt, wird ein laminiertes piezoelektrisches Element 6B' mit Transversaleffekt gesintert, dann in vorgegebene Form verarbeitet und einer Polarisationsbehandlung unterzogen, und danach wird eine Isolierschicht 12 auf dieselbe Weise wie im Fall des Unimorphtyps von Fig. 1 ausgebildet. Dann wird das Element 6B' mit dem piezoelektrischen Element 1 verbunden. Ferner kann, um das Herausführen der Elektroden zu erleichtern, eine Biegemetallplatte als Zwischenelektrodenplatte zwischen das laminierte piezoelektrische Element 6B' mit Transversaleffekt und die Isolierschicht 12 eingeführt werden und diese können gleichzeitig miteinander verbunden werden.In the case of the bimorph type piezoelectric actuator 200, as shown in Fig. 2, a laminated transverse effect piezoelectric element 6B' is sintered, then processed into a predetermined shape and subjected to a polarization treatment, and thereafter an insulating layer 12 is formed in the same manner as in the case of the unimorph type of Fig. 1. Then, the element 6B' is bonded to the piezoelectric element 1. Further, in order to facilitate the lead-out of the electrodes, a bending metal plate as an intermediate electrode plate may be inserted between the laminated transverse effect piezoelectric element 6B' and the insulating layer 12, and they may be bonded to each other at the same time.

Beim piezoelektrischen Antrieb 200 kann ein einschichtiges piezoelektrisches Element 6B mit Transversaleffekt statt des laminierten piezoelektrischen Elements 6B' mit Transversaleffekt vorhanden sein, um dieselbe Funktion und dieselben Wirkungen zu erzielen.In the piezoelectric actuator 200, a single-layer transverse effect piezoelectric element 6B may be provided instead of the laminated transverse effect piezoelectric element 6B' to achieve the same function and effects.

Obwohl es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die Anlegerichtung des elektrischen Felds E, die Polarisationsrichtung P, die Kontraktionsrichtung A und die Expansionsrichtung B dieselben wie im Fall des piezoelektrischen Elements 1 in Fig. 3.Although not shown in the figure, the applying direction of the electric field E, the polarization direction P, the contraction direction A, and the expansion direction B are the same as in the case of the piezoelectric element 1 in Fig. 3.

Das so mit den obigen Schritten hergestellte piezoelektrische Element 1 mit Längseffekt in Form einer Platte wird einer Biegemode unterzogen um einen piezoelektrischen Antrieb 100 oder 200 vom Unimorphtyp bzw. Bimorphtyp zu erhalten, mit einer großen Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und einer großen erzeugten Kraft F.The longitudinal effect piezoelectric element 1 in the form of a plate thus produced by the above steps is subjected to a bending mode to obtain a piezoelectric actuator 100 or 200 of the unimorph type or bimorph type, with a large displacement at the end tip of a beam and a large generated force F.

So ist dann, wenn das obige piezoelektrische Element 1 für den piezoelektrischen Antrieb 100 vom Unimorphtyp verwendet wird, die piezoelektrische Spannung zwei- bis dreimal größer als beim herkömrnlichen piezoelektrischen Element 5 vom Unimorphtyp (d.h. d&sub3;&sub3; 2 bis 3 x d&sub3;&sub1;). Demgemäß sind die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens und die erzeugte Kraft F zwei- bis dreimal größer als bei einem herkömmlichen Unimorph mit Transversaleffekt mit derselben Form.Thus, when the above piezoelectric element 1 is used for the unimorph type piezoelectric actuator 100, the piezoelectric voltage is two to three times larger than that of the conventional unimorph type piezoelectric element 5 (i.e., d33 2 to 3 x d31). Accordingly, the displacement δ at the end tip of a beam and the generated force F are two to three times larger than those of a conventional transverse effect unimorph having the same shape.

Andererseits dehnt sich, wenn es für den piezoelektrischen Antrieb 200 vom Bimorphtyp verwendet wird, der obere Abschnitt über der Isolierschicht 12 mittels despiezoelektrischen Elements 1 mit Längseffekt aus und deruntere Abschnitt unter der Isolierschicht 12 zieht sichmittels des piezoelektrischen Elements 6B' mit Transversaleffekt zusammen. Unter Verwendung dieser Kombination ist esmöglich, das elektrische Feld E in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung P an die piezoelektrischen Elementel und 6B' anzulegen, wodurch keine Depolarisation stattfindet, die üblicherweise ein Nachteil bei einem herkömmlichen Bimorphtyp war, und es ist möglich, ein elektrisches Feldmit hoher Stärke auf einem Niveau anzulegen, bei dem im wesentlichen kein dielektrischer Durchschlag stattfindet.On the other hand, when used for the bimorph type piezoelectric actuator 200, the upper portion above the insulating layer 12 expands by means of the longitudinal effect piezoelectric element 1 and the lower portion below the insulating layer 12 contracts by means of the transverse effect piezoelectric element 6B'. Using this combination, it is possible to apply the electric field E in the same direction as the polarization direction P to the piezoelectric elements 1 and 6B', thereby eliminating depolarization which has been a disadvantage in a conventional bimorph type, and it is possible to apply an electric field of high intensity at a level where substantially no dielectric breakdown occurs.

Demgemäß ist es nicht erforderlich, ein kleines elektrisches Feld an jedes der zwei piezoelektrischen Elemente anzulegen, um Depolarisation zu verhindern, die üblicherweise der ernsthafteste Nachteil eines herkömmlichen Bimorphtyps war, oder mühselige Maßnahmen zum Verhindern von Depolarisation durch Anlegen eines hohen elektrischen Felds in derselben Richtung und eines kleinen elektrischen Felds in der Gegenrichtung zu ergreifen. D.h., daß im Fall eines herkömmlichen Bimorphtyps das in der Richtung entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung anlegbare elektrische Feld auf dem Niveau von höchstens nur etwa 0,5 MV/m (500 V/mm) liegt. Dagegen ist es möglich, wenn der piezoelektrische Antrieb 100 oder 200 gemäß der Erfindung verwendet wird, ein hohes elektrisches Feld E auf einem Niveau von 1 bis 2 MV/m (kV/mm) anzulegen.Accordingly, it is not necessary to apply a small electric field to each of the two piezoelectric elements to prevent depolarization, which has traditionally been the most serious drawback of a conventional bimorph type, or to take cumbersome measures to prevent depolarization by applying a high electric field in the same direction and a small electric field in the opposite direction. That is, in the case of a conventional bimorph type, the electric field that can be applied in the direction opposite to the polarization direction is at the level of only about 0.5 MV/m (500 V/mm) at the most. On the other hand, when the piezoelectric actuator 100 or 200 according to the invention is used, it is possible to apply a high electric field E at a level of 1 to 2 MV/m (kV/mm).

Ferner ist, da ein piezoelektrisches Element 1 mit Längseffekt auf dieselbe Weise wie beim Unimorphtyp verwendet wird, die piezoelektrische Spannung ungefähr zwei- bis dreimal größer, selbst wenn dasselbe Material wie das herkömmliche verwendet wird (d&sub3;&sub3; bis 3 x d&sub3;&sub1;). Demgemäß ist es möglich, nicht nur ein elektrisches Feld E anzulegen, das zweibis zehnmal höher als bei einem herkömmlichen Antrieb ist, sondern es ist auch möglich, eine piezoelektrische Spannung zu nutzen, die zwei- bis dreimal größer ist, wodurch sowohl die Verschiebung δ an der Endspitze eines Balkens als auch die erzeugte Kraft F um vier- bis dreißigmal erhöht werden können.Furthermore, since a longitudinal effect piezoelectric element 1 is used in the same manner as the unimorph type, the piezoelectric voltage is approximately two to three times larger even when the same material as the conventional one is used (d33 to 3 x d31). Accordingly, it is possible to apply not only an electric field E that is two to ten times larger than that of a conventional actuator, but also to use a piezoelectric voltage that is two to three times larger, whereby both the displacement δ at the end tip of a beam and the generated force F can be increased by four to thirty times.

Das Halteteil muß ausreichende Festigkeit aufweisen, um die Expansion des piezoelektrischen Keramikelements zu begrenzen, und gleichzeitig muß es biegbar sein. Ferner ist es erforderlich, wenn das Malteteil aus einem elektrisch leitenden Material oder aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial vom Transversaleffekt besteht, zwischen ihm und dem piezoelektrischen Element mit Längseffekt eine Isolierschicht einzufügen, da Elektroden an der Oberfläche eines piezoelektrischen Elements mit Längseffekt freiliegen. Genauer gesagt, kann das Halteteil aus einem Oxidkeramikmaterial wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, MgAl&sub2;O&sub4;, Mullit, Berylliumoxid oder Cordierit, einem nichtoxidischen Keramikmaterial wie SiC, Si&sub3;N&sub4;, AlN, B&sub4;C, TiC oder Wolframcarbid, einer Metallplatte wie einer solchen aus einer Eisen-Nickel- Legierung oder einem piezoelektrischen Keramikelement mit Transversaleffekt bestehen.The holding member must have sufficient strength to limit the expansion of the piezoelectric ceramic element and at the same time must be flexible. Furthermore, when the holding member is made of an electrically conductive material or a transverse effect piezoelectric ceramic material, it is necessary to insert an insulating layer between it and the longitudinal effect piezoelectric element because electrodes are exposed on the surface of a longitudinal effect piezoelectric element. More specifically, the holding member may be made of an oxide ceramic material such as alumina, zirconia, MgAl₂O₄, mullite, beryllium oxide or cordierite, a non-oxide ceramic material such as SiC, Si₃N₄, AlN, B₄C, TiC or tungsten carbide, a metal plate such as one made of an iron-nickel alloy or a piezoelectric ceramic element with transverse effect.

Ferner hat es sich als möglich herausgestellt, die erforderliche Stärke des elektrischen Felds wesentlich zu verringern, wenn der Young'sche Modul des Halteteils auf ein Niveau eingestellt wird, das mindestens das 2,5-fache des Young'schen Moduls des piezoelektrischen Elements 1 ist, mit dem es verbunden ist, die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements 1 innerhalb eines Bereichs von 100 um ≤ t&sub2; ≤ 500 um liegt und das Verhältnis t&sub2;/t&sub1; auf einem Niveau von mindestens 1,6 liegt, wobei t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen Elements ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist. D.h., daß die Young'schen Module der zwei Teile vorzugsweise der Bedingung Y&sub1; ≥ 2,5 Y&sub2; genügen, wobei Y&sub1; der Young'sche Modul des Halteteils und Y&sub2; der Young'sche Modul des piezoelektrischen Elements ist. Wenn der Young'sche Modul des Halteteils mindestens das 2,5-fache des Young'schen Moduls des piezoelektrischen Elements ist, ist die Verringerung der erforderlichen Stärke des anzulegenden elektrischen Felds klein. Wenn das Verhältnis aus der Dicke des piezoelektrischen Elements zu der des Halteteils kleiner als 1,6 ist, nimmt nicht nur die Verringerung der erforderlichen Stärke des anzulegenden elektrischen Felds ab, sondern es ist auch eine höhere Stärke des anzulegenden elektrischen Felds erforderlich, da ein Halteteil mit hohem Young'schem Modul verwendet wird, was nachteilig ist.Furthermore, it has been found possible to reduce the required electric field strength significantly if the Young's modulus of the holding part is set to a level which is at least 2.5 times the Young's modulus of the piezoelectric element 1 to which it is connected, the thickness t2 of the piezoelectric element 1 is within a range of 100 µm ≤ t2 ≤ 500 µm, and the ratio t2/t1 is at a level of at least 1.6, where t2 is the thickness of the piezoelectric element and t1 is the thickness of the holding part. That is, the Young's moduli of the two parts preferably satisfy the condition Y1 ≥ 2.5 Y2, where Y1 is the thickness of the piezoelectric element 1. is the Young's modulus of the holding part and Y₂ is the Young's modulus of the piezoelectric element. When the Young's modulus of the holding part is at least 2.5 times the Young's modulus of the piezoelectric element, the reduction in the required strength of the electric field to be applied is small. When the ratio of the thickness of the piezoelectric element to that of the holding part is less than 1.6, not only the reduction in the required strength of the electric field to be applied decreases, but also a higher strength of the electric field to be applied is required since a holding part with a high Young's modulus is used, which is disadvantageous.

In Fig. 7 ist die Beziehung zwischen dem Young'schen Modul Y&sub1; (x 10¹&sup0; Pa (N/m²)) des Halteteils und der elektrischen Feldstärke (MV/m) (kV/mm) für eine gewünschte Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und für eine gewünschte erzeugte Kraft dargestellt. Der Young'sche Modul Y&sub2; des piezoelektrischen Elements war auf Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²) eingestellt und die Dicke des Halteteils war 60 um, die Dicke des piezeoelektrischen Elements war 210 um (d.h. das Verhältnis der Dicken ist 3,5), die Breite des piezoelektrischen Elements war 5 mm und die Länge des piezoelektrischen Elements war 15 mm.In Fig. 7, the relationship between the Young's modulus Y₁ (x 10¹⁰ Pa (N/m²)) of the holding part and the electric field strength (MV/m) (kV/mm) for a desired displacement at the end tip of a beam and for a desired generated force is shown. The Young's modulus Y₂ of the piezoelectric element was set to Y₂ = 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²) and the thickness of the holding part was 60 µm, the thickness of the piezoelectric element was 210 μm (ie, the ratio of thicknesses is 3.5), the width of the piezoelectric element was 5 mm, and the length of the piezoelectric element was 15 mm.

Die Kurven I, II und III repräsentieren 500 um/0,49 N (500 um/50 gf), 500 um/0,29 N (500 um/30 gf) bzw. 250 um/0,25 N (250 um/25 gf) eines Unimorphtyps.Curves I, II and III represent 500 um/0.49 N (500 um/50 gf), 500 um/0.29 N (500 um/30 gf) and 250 um/0.25 N (250 um/25 gf), respectively, of a unimorph type.

Wie es aus dieser Figur erkennbar ist, können dann, wenn ein Halteteil 11 aus einem Material mit großem Young'schem Modul Y&sub1; verwendet wird, vorgegebene Grade der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und der Kraft mit einem kleinen Ausmaß erforderlicher Verspannung erhalten werden (d x E mit d: piezoelektrischer Spannungskoeffizient, und E: elektrisches Feld).As can be seen from this figure, when a support member 11 made of a material having a large Young's modulus Y1 is used, predetermined degrees of displacement at the tip of a beam and force can be obtained with a small amount of required strain (d x E, where d: piezoelectric strain coefficient, and E: electric field).

So können, wenn ein größeres elektrisches Feld als dieses angelegt wird, eine größere erzeugte Kraft und eine größere Verschiebung an der Endspitze eines Balkens erzielt werden.Thus, if a larger electric field than this is applied, a larger generated force and a larger displacement at the end tip of a beam can be achieved.

Ferner ist die Auswirkung des Young'schen Moduls relativ zur Verringerung der erforderlichen Verspannung um so größer, je größer die Arbeitsbelastung (1/2 δF, mit δ: Verschiebung an der Endspitze des Balkens, und F: erzeugte Kraft) ist. D.h., daß es um so vorteilhafter wird, ein Material mit hohem Young'schem Modul zu verwenden, je größer die Arbeitsbelastung ist.Furthermore, the effect of Young's modulus relative to the reduction of the required strain is greater the larger the workload (1/2 δF, where δ: displacement at the end tip of the beam, and F: force generated). That is, the larger the workload, the more advantageous it becomes to use a material with high Young's modulus.

Ferner hat sich herausgestellt, daß die optimale Kombination der Dicken zum Minimieren der erforderlichen Intensität des angelegten elektrischen Felds die folgende ist. Es sei Y = Y&sub2;/Y&sub1; und n = t&sub2;/t&sub1;, wobei Y&sub2; der Young'sche Modul des piezoelektrischen Elements ist, Y&sub1; der Young'sche Modul des Malteteils ist, t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen Elements ist und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Intensität des angelegten elektrischen Felds minimal werden kann, wenn die Bedingung der beiden n = t&sub2;/t&sub1; = 1/Y ist, d.h. t&sub1; = Yt&sub2;. Hierbei ist die optimale Dicke t&sub2; durch die folgende Gleichung bestimmt: Furthermore, it has been found that the optimum combination of thicknesses for minimizing the required intensity of the applied electric field is the following. Let Y = Y₂/Y₁ and n = t₂/t₁, where Y₂ is the Young's modulus of the piezoelectric element, Y₁ is the Young's modulus of the Malte part, t₂ is the thickness of the piezoelectric element and t₁ is the thickness of the holding part. It has been found that the intensity of the applied electric field can be minimized when the condition of the two is n = t₂/t₁ = 1/Y, that is, t₁ = Yt₂. Here, the optimum thickness t₂ is determined by the following equation:

mit: F: erzeugte Kraft, 6: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens, 1: Länge des piezoelektrischen Elements und b: Breite des piezoelektrischen Elements. Der Einfluß der Elektroden oder der Kleberschicht ist vernachlässigbar, da ihre Dicken im allgemeinen im Vergleich zu den Dicken des piezoelektrischen Elements und des Halteteils sehr klein sind.where: F: generated force, 6: displacement at the tip of a beam, 1: length of the piezoelectric element and b: width of the piezoelectric element. The influence of the electrodes or the adhesive layer is negligible since their thicknesses are generally very small compared to the thicknesses of the piezoelectric element and the support part.

So können eine große erzeugte Kraft und eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens erhalten werden, wenn es möglich ist, ein elektrisches Feld höherer Stärke anzulegen.Thus, a large generated force and a large displacement at the end tip of a beam can be obtained if it is possible to apply an electric field of higher strength.

Die vorstehenden Bedingungen für t&sub1; und t&sub2; gelten für das Optimum. Jedoch reicht es im allgemeinen aus, wenn die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements der folgenden Gleichung I genügt und die Dicke t&sub1; des Halteteils der Gleichung II genügt:The above conditions for t₁ and t₂ are valid for the optimum. However, in general it is sufficient if the thickness t₂ of the piezoelectric element satisfies the following equation I and the thickness t₁ of the holding part satisfies the equation II:

100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)100 μm ≤t2;≤ 5,000 um (I)

( Y/2) t&sub2; um ≤ t&sub1; ≤ 2 Y t&sub2; um (II)(Y/2) t₂ by ≤t1;≤ 2 Y t2; about (II)

Nun werden spezielle Formen erfindungsgemäßer piezoelektrischer Antriebe 100 und 200 und Meßwerte für diese beschrieben.Now, special forms of piezoelectric drives 100 and 200 according to the invention and measured values for these are described.

Tabelle 1 zeigt die Form jedes piezoelektrischen Antriebs 100 oder 200 und die Meßbedingungen.Table 1 shows the shape of each piezoelectric actuator 100 or 200 and the measurement conditions.

Gemäß Tabelle 1 wurde der piezoelektrische Antrieb 100 vom Unimorphtyp an einem Ende befestigt und die Verschiebung δ an der Endspitze des Balkens und die erzeugte Kraft F am anderen Ende wurden gemessen.According to Table 1, the unimorph type piezoelectric actuator 100 was fixed at one end and the displacement δ at the end tip of the beam and the generated force F at the other end were measured.

Die Verschiebung δ an der Endspitze des Balkens wurde mit einem Wirbelstromsystem-Sensor gemessen und die erzeugte Kraft F wurde durch die Kraft repräsentiert, bei der die Verschiebung an der Endspitze des Balkens 0 wird.The displacement δ at the end tip of the beam was measured with an eddy current system sensor and the generated force F was represented by the force at which the displacement at the end tip of the beam becomes 0.

Der piezoelektrische Antrieb 200 vom Bimorphtyp wurde auf dieselbe Weise wie oben beschrieben gemessen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Vergleichsergebnisse in Tabelle 2 werden wie folgt beschrieben:The bimorph type piezoelectric actuator 200 was measured in the same manner as described above. The results obtained are shown in Table 2. The comparison results in Table 2 are described as follows:

COMPARISON EXAMPLE 1

Die Größe des piezoelektrischen Elements und die Stärke des angelegten Felds waren dieselben wie beim Beispiel 1. Jedoch wurde als piezoelektrisches Element anstelle des laminierten Elements mit Längseffekt ein Element derselben Länge mit Transversaleffekt verwendet (d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V).The size of the piezoelectric element and the strength of the applied field were the same as in Example 1. However, instead of the laminated element with longitudinal effect, an element of the same length with transverse effect was used as the piezoelectric element (d₃₁ = 260 x 10⁻¹² m/V).

COMPARISON EXAMPLE 2

Die Größe des piezoelektrischen Elements war dieselbe wie beim Beispiel 2. Jedoch wurde als piezoelektrisches Element anstelle des laminierten Elements mit Längseffekt ein Element mit Transversaleffekt derselben Dicke verwendet (d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V). Die Stärke des angelegten Feldes war 1 MV/m (kV/mm), in derselben Richtung wie der polarisationsrichtung, und 0,4 kV/mm in der entgegengesetzten Richtung. Tabelle 1 Beispiel Piezoelektrischer Antrieb vom Unimorphtyp Piezoelektrischer Antrieb vom Bimorphtyp Elementgröße (Länge x Breite) (mm) Dicke des piezoelektrischen Keramikelements (um) Dicke der Metallplatte (Fe-Ni-Legierung) Kleber Stärke des angelegten Felds ((MV/m) (kV/mm²)) Abschnitt mit dem laminierten) piezoelektrischen Element mit Längseffekt Abschnitt mit dem laminierten) piezoelektrischen Element mit Transversaleffekt Epoxidharz Hinweis The size of the piezoelectric element was the same as in Example 2. However, instead of the laminated longitudinal effect element, a transverse effect element of the same thickness (d₃₁ = 260 x 10⁻¹² m/V) was used as the piezoelectric element. The strength of the applied field was 1 MV/m (kV/mm) in the same direction as the polarization direction and 0.4 kV/mm in the opposite direction. Table 1 Example Unimorph type piezoelectric actuator Bimorph type piezoelectric actuator Element size (length x width) (mm) Thickness of piezoelectric ceramic element (um) Thickness of metal plate (Fe-Ni alloy) Adhesive Strength of applied field ((MV/m) (kV/mm²)) Section with the laminated piezoelectric element with longitudinal effect Section with the laminated piezoelectric element with transversal effect Epoxy resin Note

Hinweis 1: (100 um/Schicht x 150 Schichten) Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub3; = 700 x 10&supmin;¹² mVNote 1: (100 µm/layer x 150 layers) Piezoelectric voltage coefficient d₃₃ = 700 x 10⊃min;¹² mV

Hinweis 2: Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V Tabelle 2 Piezoelektrischer Antrieb vom Unimorphtyp Piezoelektrischer Antrieb vom Bimorphtyp Beispiel Vergleichsbeispiel Verschiebung am Ende der Spitze eines Balkens (δum) Erzeugte KraftNote 2: Piezoelectric voltage coefficient d₃₁ = 260 x 10⊃min;¹² m/V Table 2 Piezoelectric actuator of unimorph type Piezoelectric actuator of bimorph type Example Comparative example Displacement at the end of the tip of a beam (δum) Generated force

Bei jedem der folgenden Beispiele wurde ein laminiertes piezoelektrisches Keramikelement mit Längseffekt verwendet und das Halteteil wurde variiert. Die Breite des Elements betrug 5 mm, die Länge des Elements betrug 15 mm, die Dicke des Halteteils betrug 60 um und der Young'sche Modul des piezoelektrischen Elements betrug 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²).In each of the following examples, a laminated longitudinal effect piezoelectric ceramic element was used and the holding part was varied. The width of the element was 5 mm, the length of the element was 15 mm, the thickness of the holding part was 60 µm and the Young's modulus of the piezoelectric element was 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²).

Als Vergleichsbeispiel wird ein Fall gegeben, bei dem Phosphorbronze als Halteteil verwendet wurde, um ein Ausführungsbeispiel mit Y&sub1;/Y&sub2; < 2,5 zu ergeben, und ein Fall, bei dem das Verhältnis aus den Dicken des piezoelektrischen Elements und des Halteteils kleiner als 1,6 ist. Die Dicke des Elements und der piezoelektrischen Elemente, wie sie verwendet wurden, waren dieselben wie bei den Beispielen.As a comparative example, a case is given in which phosphor bronze was used as a holding member to give an embodiment with Y₁/Y₂ < 2.5 and a case in which the ratio of the thicknesses of the piezoelectric element and the holding member is smaller than 1.6. The thickness of the element and the piezoelectric elements used were the same as those in the examples.

EXAMPLE 3

Halteteil: Zirkoniumoxid (t&sub1; = 60 um)Holding part: Zirconium oxide (t₁ = 60 μm)

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramik (t&sub2; = 210 um) (d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;&sup6; (m/V)Piezoelectric element: PZT ceramic (t₂ = 210 μm) (d₃₃ = 720 x 10⁻⁶ (m/V)

(Y&sub1; = 2,1 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 3,6(Y₁ = 2.1 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y₁/Y₂ = 3.6

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,35 MV/m (kV/mm)Strength of the applied electric field: 1.35 MV/m (kV/mm)

Meßwerte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens:Measured values: Displacement at the end tip of a beam:

560 um560 around

Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)Force generated: 0.46 N (47 gf)

EXAMPLE 4

Halteteil: Aluminiumoxid (t&sub1; = 60 um)Holding part: aluminum oxide (t₁ = 60 μm)

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um) (d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² (m/V)Piezoelectric element: PZT ceramic element (t₂ = 210 μm) (d₃₃ = 720 x 10⊃min;¹² (m/V)

(Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 5,6(Y₁ = 3.3 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y₁/Y₂ = 5.6

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,20 MV/m (kV/mm)Strength of applied electric field: 1.20 MV/m (kV/mm)

550 um550 around

Erzeugte Kraft: 0,47 N (48 gf)Force generated: 0.47 N (48 gf)

EXAMPLE 5

Halteteil: Wolframcarbid (t&sub1; = 60 um)Holding part: tungsten carbide (t₁ = 60 µm)

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um) (Y&sub1; = 6,9 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y&sub1;/Y&sub2; = 11,7Piezoelectric element: PZT ceramic element (t₂ = 210 μm) (Y₁ = 6.9 x 10¹¹ Pa (N/m²), Y₁/Y₂ = 11.7

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,10 MV/m (kV/mm)Strength of applied electric field: 1.10 MV/m (kV/mm)

Erzeugte Kraft: 0,48 N (49 gf)Force generated: 0.48 N (49 gf)

Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² m/VPiezoelectric voltage coefficient d₃₃ = 720 x 10⊃min;¹² m/V

Piezoelektrischer Spannungskoeffizient d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/VPiezoelectric voltage coefficient d₃₁ = 260 x 10⊃min;¹² m/V

COMPARISON EXAMPLE 3

Halteteil: Phosphorbronze (t&sub1; = 60 um)Holding part: phosphor bronze (t₁ = 60 μm)

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (t&sub2; = 210 um)Piezoelectric element: PZT ceramic element (t₂ = 210 μm)

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,54 MV/m (kV/mm)Strength of the applied electric field: 1.54 MV/m (kV/mm)

Dicke des Halteteils und Dicke des piezoelektrischen Elements: dieselben wie bei den BeispielenThickness of the holding part and thickness of the piezoelectric element: the same as in the examples

510 um510 around

Erzeugte Kraft: 0,44 N (45 gf)Force generated: 0.44 N (45 gf)

Aus jedem der Beispiele der Erfindung ist es ersichtlich, daß im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens oder eine große erzeugte Kraft bei kleiner Stärke des angelegten elektrischen Felds erzielbar sind.From each of the examples of the invention, it is apparent that a large displacement at the end tip of a beam or a large generated force can be achieved with a small strength of the applied electric field, as compared with the comparative example.

COMPARISON EXAMPLE 4

Halteteile: Aluminiumoxid (Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²))Holding parts: Aluminium oxide (Y₁ = 3.3 x 10¹¹ Pa (N/m²))

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)Piezoelectric element: PZT ceramic element (Y₂ = 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²)

Dicke des Halteteils: 140 um (Y&sub1;/Y&sub2; = 5,6)Thickness of the holding part: 140 µm (Y₁/Y₂ = 5.6)

Dicke des piezoelektrischen Elements: 140 um (t&sub2;/t&sub1; = 1,0)Thickness of piezoelectric element: 140 µm (t₂/t₁ = 1.0)

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,70 MV/m (kV/mm)Strength of applied electric field: 1.70 MV/m (kV/mm)

520 um520 around

Erzeugte Kraft: 0,45 N (46 gf)Force generated: 0.45 N (46 gf)

Es ist ersichtlich, daß bei diesem Vergleichsbeispiel eine größere elektrische Feldstärke als beim Beispiel 3 erforderlich ist, bei dem Zirkoniumoxid verwendet wird, das einen niedrigeren Young'schen Modul als Aluminiumoxid aufweist, und nicht nur das, sondern es wird eine elektrische Feldstärke benötigt, die höher als beim Vergleichsbeispiel 3 ist, bei dem Phosphorbronze verwendet wird, was nachteilig ist.It is apparent that this comparative example requires a larger electric field strength than Example 3 which uses zirconia which has a lower Young's modulus than alumina, and not only that, but it requires an electric field strength higher than that of Comparative Example 3 which uses phosphor bronze, which is disadvantageous.

EXAMPLE 6

Typ: UnimorphType: Unimorph

Halteteil: AluminiumoxidHolding part: aluminum oxide

Piezoelektrisches Element: PZT-Keramikelement (d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;² m/V)Piezoelectric element: PZT ceramic element (d₃₃ = 720 x 10⊃min;² m/V)

Y: 0,1778 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/ (Y&sub1; = 3,3 x 10¹¹ Pa (N/m²)]Y: 0.1778 [(Y₂ = 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²)/ (Y₁ = 3.3 x 10¹¹ Pa (N/m²)]

n: 2,365 [(t&sub2; = 200 um)/(t&sub1; = 85 um)]n: 2.365 [(t₂ = 200 μm)/(t₁ = 85 μm)]

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,17 MV/m (kV/mm)Strength of applied electric field: 1.17 MV/m (kV/mm)

550 um550 around

Erzeugte Kraft: 0,47 N (48 gf)Force generated: 0.47 N (48 gf)

Ferner zeigt Fig. 8 die Beziehung zwischen der Stärke des angelegten elektrischen Felds und der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und der erzeugten Kraft.Furthermore, Fig. 8 shows the relationship between the strength of the applied electric field and the displacement at the end tip of a beam, and Fig. 7 shows the relationship between the displacement at the end tip of a beam and the generated force.

EXAMPLE 7

Typ: UnimorphType: Unimorph

Halteteil: ZirkoniumoxidHolding part: Zirconium oxide

Y: 0,2810 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/ (Y&sub1; = 2,1 x 10¹¹ Pa (N/m²)]Y: 0.2810 [(Y₂ = 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²)/ (Y₁ = 2.1 x 10¹¹ Pa (N/m²)]

n: 1,887 [(t&sub2; = 195 um)/(t&sub1; = 104 um)]n: 1.887 [(t₂ = 195 μm)/(t₁ = 104 μm)]

Stärke des angelegten elektrischen Felds: 1,25 MV/m (kV/mm)Strength of the applied electric field: 1.25 MV/m (kV/mm)

560 um560 around

Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)Force generated: 0.46 N (47 gf)

Piezoelektrischer Koeffizient: d&sub3;&sub3; = 720 x 10&supmin;¹² m/VPiezoelectric coefficient: d₃₃ = 720 x 10⊃min;¹² m/V

EXAMPLE 8

Typ: BimorphType: Bimorph

Halteteil: piezoelektrisches Element mit Transversaleffekt:Holding part: piezoelectric element with transverse effect:

PZT-Keramikelement (d&sub3;&sub1; = 260 x 10&supmin;¹² m/V)PZT ceramic element (d₃₁ = 260 x 10⊃min;¹² m/V)

Y: 0,8806 [(Y&sub2; = 5,9 x 10¹&sup0; Pa (N/m²)/ (Y&sub1; = 6,7 x 10¹¹ Pa (N/m²)]Y: 0.8806 [(Y₂ = 5.9 x 10¹⁰ Pa (N/m²)/ (Y₁ = 6.7 x 10¹¹ Pa (N/m²)]

n: 1,066 [(t&sub2; = 180 um)/(t&sub1; = 170 um)]n: 1.066 [(t₂ = 180 μm)/(t₁ = 170 μm)]

580 um580 around

Erzeugte Kraft: 0,46 N (47 gf)Force generated: 0.46 N (47 gf)

COMPARATIVE EXAMPLE 5 (Same combination of materials as in Example 6, except that t₁ does not satisfy Equation II)

Typ: UnimorphType: Unimorph

Halteteil: AluminiumoxidHolding part: aluminum oxide

Piezoelektrisches Element: PZT-KeramikelementPiezoelectric element: PZT ceramic element

Y: 0,1788 (wie beim Beispiel 6)Y: 0.1788 (as in example 6)

n: 1,0 [t&sub2; = 140 um)/(t&sub1; = 140 um)]n: 1.0 [t2 = 140 µm)/(t₁ = 140 µm)]

Gemessene Werte: Verschiebung an der Endspitze eines Balkens: 520 umMeasured values: Displacement at the end tip of a beam: 520 around

Erzeugte Kraft: 0,45 N (46 gf)Force generated: 0.45 N (46 gf)

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß bei jedem Beispiel der Erfindung im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und eine große erzeugte Kraft bei kleinem angelegtem elektrischem Feld erzielbar sind.From the above, it can be seen that in each example of the invention, a large displacement at the end tip of a beam and a large generated force can be achieved with a small applied electric field as compared with the comparative examples.

Wenn die Verschiebung an der Endspitze eines Balkens ansteigt, wird der vordere Endabschnitt des Balkens aus der Horizontalposition abgelenkt. Wenn eine solche Ablenkung nicht erwünscht ist, ist es möglich, den vorderen Endabschnitt dadurch horizontal zu halten, daß zwei piezoelektrische Elemente 7 an einem Halteteil 11 so angeordnet werden, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, daß die Verschiebungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, wodurch die Positionen nach der Verschiebung so sind, wie sie durch gestrichelte Linien dargestellt sind.When the displacement at the tip end of a beam increases, the front end portion of the beam is deflected from the horizontal position. If such deflection is not desired, it is possible to keep the front end portion horizontal by arranging two piezoelectric elements 7 on a holding member 11 as shown in Fig. 11 such that the displacement directions are opposite to each other, whereby the positions after the displacement are as shown by dashed lines.

Wie im vorstehenden beschrieben, wird gemäß der Erfindung ein laminiertes piezoelektrisches Element mit Längseffekt dadurch hergestellt, daß piezoelektrische Keramikfolien in Richtung ihrer Dicke aufeinanderlaminiert werden und eine Einrichtung zum Beschränken der Ausdehnung des Elements an einer Seite in Längsrichtung des laminierten piezoelektrischen Elements mit Längseffekt angeordnet wird, wodurch das laminierte piezoelektrische Element mit Längseffekt in einer Biegemode verwendet wird, wodurch es möglich ist, einen piezoelektrischen Spannungskoeffizienten zu erzielen, der zwei- bis dreimal höher als der bei einem piezoelektrischen Antrieb mit Transversaleffekt vom Unimorphtyp ist. Ferner weist der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb vom Bimorphtyp Vorteile gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen Elemente vom Bimorphtyp und vom Multimorphtyp mit Transversaleffekt auf, daß es möglich ist, das elektrische Feld in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Keramikfolien anzulegen, wodurch ein relativ hohes elektrisches Feld angelegt werden kann, ohne daß dies zu dielektrischem Durchbruch führt und ohne daß eine Maßnahme zum Verhindern von Depolarisation erforderlich ist, wodurch es möglich ist, eine große Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und eine große erzeugte Kraft zu erzielen.As described above, according to the invention, a longitudinal effect laminated piezoelectric element is manufactured by laminating piezoelectric ceramic sheets in the direction of their thickness and arranging a means for restricting the expansion of the element on a longitudinal side of the longitudinal effect laminated piezoelectric element, whereby the longitudinal effect laminated piezoelectric element is used in a bending mode, whereby it is possible to obtain a piezoelectric stress coefficient which is two to three times higher than that of a unimorph type transverse effect piezoelectric actuator. Furthermore, the bimorph type piezoelectric actuator of the invention has advantages over conventional bimorph type and multimorph type transverse effect piezoelectric elements in that it is possible to control the electric field in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric ceramic sheets, whereby a relatively high electric field can be applied without causing dielectric breakdown and without requiring a measure for preventing depolarization, thereby making it possible to achieve a large displacement at the end tip of a beam and a large generated force.

Ferner kann die erforderliche Intensität des angelegten elektrischen Feld dadurch wesentlich verringert werden, daß die Young'schen Module Y&sub2; und Y&sub1; des piezoelektrischen Elements und des Halteteils auf Y&sub1; ≤ 2,5 Y&sub2; eingestellt werden, die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Elements auf 100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um eingestellt wird und das Verhältnis t&sub1;/t&sub2; auf mindestens 1,6 eingestellt wird, wobei t&sub2; die Dicke des piezoelektrischen Elements und t&sub1; die Dicke des Halteteils ist. Demgemäß können die erzeugte Kraft und die Verschiebung an der Endspitze eines Balkens über die herkömmlichen Niveaus erhöht werden.Furthermore, the required intensity of the applied electric field can be significantly reduced by setting the Young's moduli Y2 and Y1 of the piezoelectric element and the support member to Y1 ≤ 2.5 Y2, setting the thickness t2 of the piezoelectric element to 100 µm ≤ t2 ≤ 5,000 µm, and setting the ratio t1/t2 to at least 1.6, where t2 is the thickness of the piezoelectric element and t1 is the thickness of the support member. Accordingly, the generated force and the displacement at the tip end of a beam can be increased over the conventional levels.

Weiterhin ist es möglich, wenn die Dicke t&sub2; des piezoelektrischen Keramikelements der folgenden Gleichung I genügt und die Dicke t&sub1; des Halteteils der folgenden Gleichung II genügt, die Kombination aus den Dicken festzulegen, die die erforderliche Intensität für das angelegte elektrische Feld minimiert, wenn die verwendeten Materialien und die gewünschte Verschiebung an der Endspitze eines Balkens und die erzeugte Kraft einmal festgelegt sind, wodurch es möglich ist, die erzeugte Kraft und die Verschiebung an der Endspitze des Balkens zu erhöhen:Furthermore, if the thickness t2 of the piezoelectric ceramic element satisfies the following equation I and the thickness t1 of the holding part satisfies the following equation II, it is possible to determine the combination of the thicknesses that minimizes the required intensity for the applied electric field once the materials used and the desired displacement at the end tip of a beam and the generated force are determined, thereby making it possible to increase the generated force and the displacement at the end tip of the beam:

100 um ≤ t&sub2; ≤ 5.000 um (I)100 by ≤t2;≤ 5,000 um (I)

Claims

1. A bimorph type piezoelectric actuator (200) comprising: a laminated longitudinal effect piezoelectric element (1) made of piezoelectric ceramic sheets (2) laminated in the direction of their thickness, and a holding member (6B') fixed on one side along the direction of displacement of the elongated piezoelectric element caused by a longitudinal effect, and which is a transverse effect piezoelectric element which is bendable and can limit the expansion of the laminated longitudinal effect piezoelectric element (1) in the direction opposite to the expansion direction thereof, and an insulating layer (12) between the piezoelectric element (1) and the holding member (6B').

2. A unimorph type piezoelectric actuator (100) comprising a laminated longitudinal effect piezoelectric element (1) made of piezoelectric ceramic sheets (2) laminated together in the direction of their thickness, and a holding member (11) fixed to one side along the direction of displacement of the elongated piezoelectric element caused by a longitudinal effect and which is a non-piezoelectric bending plate capable of limiting expansion or contraction of the laminated longitudinal effect piezoelectric element (1), and an insulating layer (12) between the piezoelectric element (1) and the holding member (11), wherein the Young's modulus of the holding member is at least 2.5 times the Young's modulus of the piezoelectric element, the thickness t₂ of the piezoelectric element is within the range of 100 mm ? t₂ ? 500 µm and the ratio of t₂/t₁ is at least 1.6, where t₂ is the thickness of the piezoelectric element (1) and t₁ is the thickness of the holding part (11).

3. Piezoelectric actuator according to claim 1 or claim 2, in which the thickness t2 of the piezoelectric element and the thickness t1 of the holding part (6B', 11) satisfy the following equations I and II, respectively:

100 μm ≤t2;≤ 5,000 um (I)

(Y/2) t₂ by ≤t1;≤ 2 Y t2; about (II)

with Y = Y₂/Y₁, where Y₂ is the Young's modulus of the piezoelectric element (1) and Y₁ is the Young's modulus of the holding part (6B', 11).

4. Piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the holding part (11) consists of a material selected from the group consisting of aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium aluminate, beryllium oxide, mullite, cordierite, tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride and an iron-nickel alloy.

5. Piezoelectric actuator according to claim 1 or claim 2, wherein the piezoelectric element (1) consists of a ceramic composition containing Pb, Zr and Ti.

6. Piezoelectric drive according to claim 1, in which a metal plate (11) is inserted between the insulating layer (12) and the holding part (6B').