JP2005318725A - Circuit and method for driving piezoelectric bimorph element - Google Patents

Circuit and method for driving piezoelectric bimorph element Download PDF

Info

Publication number
JP2005318725A
JP2005318725A JP2004133872A JP2004133872A JP2005318725A JP 2005318725 A JP2005318725 A JP 2005318725A JP 2004133872 A JP2004133872 A JP 2004133872A JP 2004133872 A JP2004133872 A JP 2004133872A JP 2005318725 A JP2005318725 A JP 2005318725A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
piezoelectric element
piezoelectric
polarization
rectifier diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004133872A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4375103B2 (en
Inventor
Koji Ogiso
晃司 小木曽
Akira Ando
陽 安藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2004133872A priority Critical patent/JP4375103B2/en
Publication of JP2005318725A publication Critical patent/JP2005318725A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4375103B2 publication Critical patent/JP4375103B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To get large displacement by preventing deterioration caused by the polarization inversion of a piezoelectric bimorph element. <P>SOLUTION: In a driving circuit 30 for the piezoelectric bimorph element 10 where one piezoelectric element and the other piezoelectric element are arranged across a middle electrode 4c so that directions of their polarizations P may be the same, a drive input circuit 20 is composed of: one rectifying diode 3a which is connected in the direction of applying a current in the direction of the polarization of one piezoelectric element to one piezoelectric element; one capacitor 2a which is connected in parallel with one rectifier diode; the other rectifier diode 3b which is connected in the direction of applying a current in the direction of the polarization of the other piezoelectric element; the other capacitor 2b which is connected in the direction of applying a current in the direction of the polarization of the other piezoelectric element; a common joining terminal 5a which connects in common one connection end between one rectifier diode and one capacitor not connected to one piezoelectric element and the other connection end between the other rectifier diode and the other capacitor not connected to the other piezoelectric element; and a middle joining terminal 5c. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、圧電バイモルフ素子を用いたアクチュエータに関し圧電バイモルフ素子の駆動回路および駆動方法に関する技術分野に属する。   The present invention relates to an actuator using a piezoelectric bimorph element, and belongs to a technical field related to a driving circuit and a driving method for a piezoelectric bimorph element.

圧電バイモルフ素子は、圧電セラミックスの印加電界に比例した歪みを発生するという逆圧電効果を利用したアクチュエータの一種であって、近年、微小変位の制御、出力端末デバイスとして民生用機器にも利用されている。   Piezoelectric bimorph elements are a type of actuator that uses the reverse piezoelectric effect of generating a strain proportional to the applied electric field of piezoelectric ceramics. In recent years, piezoelectric bimorph elements have been used in consumer equipment as control of minute displacements and output terminal devices. Yes.

圧電素子を2枚使った圧電バイモルフ素子は従来より知られ、その構造は、例えば、特開昭61−30974号公開公報の第2図に記載されている。圧電バイモルフに使う圧電素子は予め分極処理をしているが、使用時に抗電界に相当する分極劣化電圧Vecを超える電圧が圧電素子の分極方向とは逆方向にかかると分極方向Pが反転するために使用不可能になってしまう。   A piezoelectric bimorph element using two piezoelectric elements is conventionally known, and its structure is described, for example, in FIG. 2 of JP-A-61-30974. The piezoelectric element used for the piezoelectric bimorph is previously polarized. However, when the voltage exceeding the polarization degradation voltage Vec corresponding to the coercive electric field is applied in the opposite direction to the polarization direction of the piezoelectric element, the polarization direction P is reversed. It becomes unusable.

順方向には、分極劣化電圧よりも高い電圧を加えることができるが、回路上、順方向と逆方向とには同じ電圧がかかるので、圧電バイモルフに使う圧電素子は、分極劣化電圧Vecを超えない範囲で使用しなければならなかった。この技術の改良技術として、整流ダイオードを用いて順方向にしか電圧が印加されないようにする技術が特開平9−65669号公開公報の図9に開示されている。   A voltage higher than the polarization degradation voltage can be applied in the forward direction, but since the same voltage is applied in the forward and reverse directions on the circuit, the piezoelectric element used for the piezoelectric bimorph exceeds the polarization degradation voltage Vec. Had to be used with no range. As an improved technique of this technique, a technique for applying a voltage only in the forward direction by using a rectifier diode is disclosed in FIG. 9 of JP-A-9-65669.

また、定電圧ダイオードを用いて逆方向にかかる電圧を分極劣化電圧以下に制御する技術が上記特開昭61−30974号公開公報の第1図に開示されている。   A technique for controlling the voltage applied in the reverse direction to be equal to or lower than the polarization degradation voltage using a constant voltage diode is disclosed in FIG.

以下、従来技術の駆動回路について説明する。
(1)従来技術1(本出願の図6)
特開昭61−30974号公開公報(特許文献1)の第2図
(2)従来技術2(本出願の図8)
特開平9−65669号公開公報(特許文献2)の図9
(3)従来技術3
特開昭61−30974(特許文献1)の第1図
なお、公報記載の符号および名称を( )で示し、その後に、本出願での符号および名称を[ ]内に記載する。
Hereinafter, a conventional driving circuit will be described.
(1) Prior art 1 (FIG. 6 of the present application)
FIG. 2 (2) and Japanese Patent Laid-Open No. 61-30974 (Patent Document 1) Prior Art 2 (FIG. 8 of the present application)
FIG. 9 of Japanese Patent Laid-Open No. 9-65669 (Patent Document 2)
(3) Prior art 3
FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-30974 (Patent Document 1) The symbols and names described in the gazette are indicated by (), and then the symbols and names in this application are indicated in [].

(1)従来技術1の駆動回路
図6は、従来技術1の駆動回路図である。従来技術1について図6を参照して説明する。
(1) Drive Circuit of Conventional Technology 1 FIG. 6 is a drive circuit diagram of Prior Art 1. Prior art 1 will be described with reference to FIG.

図6において、圧電アクチュエータ(10)[30]は、二枚の電歪板(15),(16)[圧電素子1a,1b]が、中央電極(17)[4c]を挟んで互いに貼り合わされることによって形成されている。上記電歪板(15),(16)の一端面には、電極(18),(19)[表面側電極4a,4b]が設けられ、電歪板(15),(16)の間に中央電極(17)[中間電極4c]が設けられている。   In FIG. 6, a piezoelectric actuator (10) [30] has two electrostrictive plates (15), (16) [piezoelectric elements 1a, 1b] bonded together with a central electrode (17) [4c] interposed therebetween. Is formed by. Electrodes (18), (19) [surface-side electrodes 4a, 4b] are provided on one end face of the electrostrictive plates (15), (16), and are interposed between the electrostrictive plates (15), (16). A central electrode (17) [intermediate electrode 4c] is provided.

(2)従来技術2の駆動回路
図8は、従来技術2の駆動回路図である。従来技術2について図8を参照して説明する。
(2) Drive Circuit of Conventional Technology 2 FIG. 8 is a drive circuit diagram of Conventional Technology 2. Prior art 2 will be described with reference to FIG.

図8において、電極(2a),(3a)[表面側電極4a,4b]には、外部の電源からダイオード(6),(7)[整流ダイオード3a,3b]を介して、駆動電圧が印加されると共に、共通電極(5)[中間電極4c]はアース接続されている。   In FIG. 8, a drive voltage is applied to the electrodes (2a), (3a) [surface-side electrodes 4a, 4b] from the external power supply via the diodes (6), (7) [rectifier diodes 3a, 3b]. In addition, the common electrode (5) [intermediate electrode 4c] is grounded.

この圧電バイモルフ駆動回路は、整流ダイオード(6)および整流ダイオード(7)[整流ダイオード3a,3b]を使用することによって、分極方向Pと順方向にしか電圧が印加されない。この図8の回路では、分極方向Pと逆方向には全く電圧が印加されないので、分極方向Pが反転するおそれはない。この従来技術2では、二枚の圧電板(2),(3)[圧電素子1a,1b]をそれぞれユニモルフ駆動しており、電界の符号によって切り替えて駆動している。この回路では、分極劣化電圧Vecの制限を受けることなく、圧電素子に電圧を印加することができるので、その結果、従来技術1よりも大きな変位を得ることはできる。   In this piezoelectric bimorph drive circuit, the voltage is applied only in the forward direction with respect to the polarization direction P by using the rectifier diode (6) and the rectifier diode (7) [rectifier diodes 3a, 3b]. In the circuit of FIG. 8, since no voltage is applied in the direction opposite to the polarization direction P, there is no possibility that the polarization direction P is reversed. In this prior art 2, the two piezoelectric plates (2), (3) [piezoelectric elements 1a, 1b] are each driven by unimorph, and are switched and driven by the sign of the electric field. In this circuit, a voltage can be applied to the piezoelectric element without being restricted by the polarization deterioration voltage Vec, and as a result, a displacement larger than that of the prior art 1 can be obtained.

(3)従来技術3の駆動回路
従来技術3について特開昭61−30974の第1図を参照して説明する。従来技術3の圧電バイモルフ形圧電アクチュエータ(10)は、正の分極を有する側の電極(18)に定電圧ダイオード(ZD1)のカソードを接続し、負の分極を有する側の電極(19)に他の定電圧ダイオード(ZD2)のアノードを接続し、双方の定電圧ダイオードの他端を共通にした端子と、中央電極(17)とによって形成された駆動入力回路(12a)と、この駆動入力回路(12a)に定電圧を供給する駆動回路(13a)とから形成され、電歪板(15)および(16)[圧電素子1a,1b]に供給される電圧が分極劣化電圧Vec以下となるように、定電圧ダイオード(ZD1)および(ZD2)の制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を設定した圧電アクチュエータ(10)である。この回路によって、従来技術1よりも大きな変位を得られることが特許文献1に開示されている。
(3) Driving circuit of prior art 3 Prior art 3 will be described with reference to FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 61-30974. The piezoelectric bimorph type piezoelectric actuator (10) of the prior art 3 has a cathode of a constant voltage diode (ZD1) connected to an electrode (18) having a positive polarization, and is connected to an electrode (19) having a negative polarization. A drive input circuit (12a) formed by a terminal connected to the anode of another constant voltage diode (ZD2) and having the other ends of both constant voltage diodes shared, and a central electrode (17), and this drive input Drive circuit (13a) for supplying a constant voltage to the circuit (12a), and the voltage supplied to the electrostrictive plates (15) and (16) [piezoelectric elements 1a, 1b] is equal to or lower than the polarization degradation voltage Vec. Thus, it is the piezoelectric actuator (10) which set the limiting voltage (Vzd1) and (Vzd2) of the constant voltage diodes (ZD1) and (ZD2). It is disclosed in Patent Document 1 that a displacement larger than that of the prior art 1 can be obtained by this circuit.

特許文献は下記のとおりである。
特開昭61−30974号公報 特開平9−65669号公報
The patent documents are as follows.
JP 61-30974 A JP-A-9-65669

(1)従来技術2の課題
従来技術2の課題は下記のとおりである。この従来技術2の圧電バイモルフ駆動回路は、前述した駆動回路によって、実質的には、二枚の圧電板(2),(3)[圧電素子1a,1b]がそれぞれユニモルフ駆動になっているために、順方向には高い電圧と逆方向には分極劣化電圧を超えない低い電圧とを同時に印加して圧電体の能力を最大限発揮させることができないという課題が生じている。
(1) Problems of conventional technique 2 Problems of conventional technique 2 are as follows. In the piezoelectric bimorph drive circuit of the prior art 2, the two piezoelectric plates (2) and (3) [piezoelectric elements 1a and 1b] are substantially unimorph driven by the drive circuit described above. In addition, there is a problem that a high voltage in the forward direction and a low voltage not exceeding the polarization degradation voltage in the reverse direction cannot be applied at the same time to maximize the performance of the piezoelectric body.

(2)従来技術3の課題
従来技術3の課題は下記のとおりである。この従来技術3の構成図では、電歪板(15)または(16)に直列に接続される定電圧ダイオード(ZD1)および(ZD2)の制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を小さくすると、印加できる駆動電圧の最大値が小さくなり、最大変位が制限されるという課題が生じている。
(2) Problems of Conventional Technology 3 Problems of Conventional Technology 3 are as follows. In the configuration diagram of this prior art 3, when the limiting voltages (Vzd1) and (Vzd2) of the constant voltage diodes (ZD1) and (ZD2) connected in series to the electrostrictive plate (15) or (16) are reduced, the voltage is applied. There is a problem that the maximum value of the drive voltage that can be generated is reduced and the maximum displacement is limited.

また、逆に、定電圧ダイオードの制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を大きくすると、従来技術1よりも大きな変位を得ることが可能となるが、制限電圧以下の駆動電圧では定電圧ダイオードに電圧が全てかかり変位の向上は得られないために、制限電圧を大きくし過ぎても変位向上の効果は小さい。また、駆動電圧(Vd)の上昇に対して、実質的に電歪板(15)または(16)に印加される電圧が非線形となり、線形的に変位を制御することが困難であるという課題も生じている。   On the contrary, if the limiting voltages (Vzd1) and (Vzd2) of the constant voltage diode are increased, it is possible to obtain a larger displacement than that of the prior art 1. However, when the driving voltage is lower than the limiting voltage, the voltage is applied to the constant voltage diode. Therefore, even if the limit voltage is increased too much, the effect of improving the displacement is small. In addition, as the drive voltage (Vd) increases, the voltage applied to the electrostrictive plate (15) or (16) becomes substantially non-linear and it is difficult to control the displacement linearly. Has occurred.

さらに、定電圧ダイオード(ZD1)および(ZD2)と電歪板(15)または(16)とを直列に接続した場合では、駆動電圧が制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を超えたときに、電歪板(15)または(16)に電流が流入することになり、駆動電圧(Vd)と制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)との差以上の電圧が電歪板(15)または(16)に印加される。このために、分極劣化電圧以上の電圧が圧電素子に印加されて電歪板(15)または(16)は減極されるという課題も生じている。   Furthermore, when the constant voltage diodes (ZD1) and (ZD2) and the electrostrictive plate (15) or (16) are connected in series, when the drive voltage exceeds the limit voltages (Vzd1) and (Vzd2), A current flows into the electrostrictive plate (15) or (16), and a voltage greater than the difference between the drive voltage (Vd) and the limiting voltages (Vzd1) and (Vzd2) is greater than the electrostrictive plate (15) or (16 ). For this reason, the subject that the voltage more than a polarization degradation voltage is applied to a piezoelectric element, and the electrostrictive plate (15) or (16) is depolarized also arises.

課題を解決するための手段は下記のとおりである。図1は、本発明の構成を備えた圧電バイモルフ素子の駆動回路である。同図において、中間電極4cを挟んで分極方向Pが同方向となるように配置された一方の圧電素子1aおよび他方の圧電素子1bから形成された圧電バイモルフ素子10と、圧電バイモルフ素子10に駆動電源から供給される駆動電圧を印加する駆動入力回路20とから形成される圧電バイモルフ素子の駆動回路30において、
駆動入力回路20が、
一方の圧電素子1aに一方の圧電素子1aの分極方向Pと順方向に通電する方向に接続された一方の整流ダイオード3aと、
一方の整流ダイオード3aに並列に接続された一方のコンデンサ2aと、
他方の圧電素子1bに他方の圧電素子1bの分極方向Pと順方向に通電する方向に接続された他方の整流ダイオード3bと、
他方の整流ダイオード3bに並列に接続された他方のコンデンサ2bと、
一方の圧電素子1aに接続されていない一方の整流ダイオード3aおよび一方のコンデンサ2aの一方の接続端と他方の圧電素子1bに接続されていない他方の整流ダイオード3bおよび他方のコンデンサ2bの他方の接続端とを共通にした共通接続端子5aと、
中間電極4cに接続された中間電極接続端子5cとから形成された圧電バイモルフ素子の駆動回路である。
Means for solving the problems are as follows. FIG. 1 is a drive circuit of a piezoelectric bimorph element having the configuration of the present invention. In the figure, a piezoelectric bimorph element 10 formed of one piezoelectric element 1a and the other piezoelectric element 1b arranged so that the polarization direction P is the same across the intermediate electrode 4c, and driven by the piezoelectric bimorph element 10 In the drive circuit 30 of the piezoelectric bimorph element formed from the drive input circuit 20 that applies the drive voltage supplied from the power source,
The drive input circuit 20 is
One rectifier diode 3a connected to one piezoelectric element 1a in a direction of energizing in the forward direction with the polarization direction P of one piezoelectric element 1a;
One capacitor 2a connected in parallel to one rectifier diode 3a;
The other rectifier diode 3b connected to the other piezoelectric element 1b in a direction of energizing in the forward direction with the polarization direction P of the other piezoelectric element 1b;
The other capacitor 2b connected in parallel to the other rectifier diode 3b;
One connection end of one rectifier diode 3a and one capacitor 2a not connected to one piezoelectric element 1a and the other connection of the other rectifier diode 3b and the other capacitor 2b not connected to the other piezoelectric element 1b A common connection terminal 5a having a common end;
It is a drive circuit of the piezoelectric bimorph element formed from the intermediate electrode connection terminal 5c connected to the intermediate electrode 4c.

発明の効果を従来技術と対比すると下記のとおりである。(図1および図2参照)
従来技術2の圧電バイモルフ駆動回路では、前述したように、順方向には高い電圧と逆方向には分極劣化電圧を超えない低い電圧とを同時に印加して圧電板の能力を最大限発揮させることができない。
The effects of the invention are compared with the prior art as follows. (See Fig. 1 and Fig. 2)
In the piezoelectric bimorph drive circuit of the prior art 2, as described above, a high voltage in the forward direction and a low voltage not exceeding the polarization degradation voltage are simultaneously applied in the reverse direction to maximize the performance of the piezoelectric plate. I can't.

それに対して、本発明は、第1に、一方の圧電素子1aと他方の圧電素子1bとを並列にして駆動電源に接続して、両者の圧電素子に交流電源電圧の正負各半波ともに同時に印加している。したがって、従来技術2と比べて駆動電圧が同じであれば大きな変位を得ることができ、また逆に、変位が同じであれば駆動電圧を低下させることができる。   On the other hand, according to the present invention, firstly, one piezoelectric element 1a and the other piezoelectric element 1b are connected in parallel to a driving power source, and both positive and negative half waves of the AC power supply voltage are simultaneously applied to both piezoelectric elements. Applied. Therefore, a large displacement can be obtained if the driving voltage is the same as in the prior art 2, and conversely, if the displacement is the same, the driving voltage can be lowered.

従来技術3の圧電バイモルフ素子の駆動回路では、電歪板(15)または(16)に直列に接続される定電圧ダイオード(ZD1)および(ZD2)の制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を小さくすると、印加できる駆動電圧の最大値が小さくなり最大変位が制限される。逆に上記の制限電圧を大きくし過ぎても変位向上の効果は小さくなる。   In the drive circuit of the piezoelectric bimorph element of the prior art 3, the limiting voltages (Vzd1) and (Vzd2) of the constant voltage diodes (ZD1) and (ZD2) connected in series to the electrostrictive plate (15) or (16) are reduced. Then, the maximum value of the drive voltage that can be applied is reduced and the maximum displacement is limited. Conversely, the effect of improving the displacement is reduced even if the limit voltage is increased too much.

それに対して、本発明は、定電圧ダイオードを用いていないので、その制限電圧の影響を受けないで、一方の圧電素子1aに分極方向Pと順方向に分極順方向駆動電圧を印加して分極順方向駆動すると同時に、他方の圧電素子1bの分極方向Pと逆方向に同時に分極逆方向駆動電圧を印加して圧電バイモルフ駆動することができるので、より大きな歪み率を発生させることができる。   On the other hand, since the present invention does not use a constant voltage diode, it is not affected by the limiting voltage, and polarization is applied by applying a polarization forward drive voltage in the forward direction and the polarization direction P to one piezoelectric element 1a. Simultaneously with the forward driving, it is possible to drive the piezoelectric bimorph by simultaneously applying the reverse polarization driving voltage in the opposite direction to the polarization direction P of the other piezoelectric element 1b, so that a larger distortion rate can be generated.

同じく、従来技術3の圧電バイモルフ素子の駆動回路では、定電圧ダイオードの制限電圧(Vzd1)および(Vzd2)を適度に大きくした場合でも、駆動電圧の上昇に対して、実質的に電歪板(15)または(16)に印加される電圧が非線形となり、線形的に変位を制御することが困難である。   Similarly, in the drive circuit of the piezoelectric bimorph element of the prior art 3, even when the limiting voltages (Vzd1) and (Vzd2) of the constant voltage diode are appropriately increased, the electrostrictive plate (substantially) with respect to the increase of the drive voltage ( The voltage applied to 15) or (16) becomes nonlinear and it is difficult to control the displacement linearly.

それに対して、本発明は、定電圧ダイオードを使用していないので、線形的に変位を制御することができる。   On the other hand, since the present invention does not use a constant voltage diode, the displacement can be controlled linearly.

発明を実施するための最良の形態は下記のとおりである。前述した図1の圧電バイモルフ素子の駆動回路によって、中間電極4cを挟んで分極方向Pが同方向となるように配置された一方の圧電素子1aおよび他方の圧電素子1bから形成された圧電バイモルフ素子を駆動する方法において、
一方の圧電素子1aに一方の圧電素子の分極方向Pと順方向に一方の整流ダイオード3aを接続し、
一方の整流ダイオード3aに並列に一方のコンデンサ2aを接続し、
他方の圧電素子1bに他方の圧電素子の分極方向Pと順方向に他方の整流ダイオード3cを接続し、
他方の整流ダイオード3bに並列に他方のコンデンサ2bを接続し、
一方の圧電素子1aに接続されていない一方の整流ダイオード3aおよび一方のコンデンサ2aの一方の接続端と他方の圧電素子1bに接続されていない他方の整流ダイオード3bおよび他方のコンデンサ2bの他方の接続端とを共通にした共通接続端子5aに接続し、
中間電極4cを中間電極接続端子5cに接続して、
共通接続端子5aと中間電極接続端子5cとの間に駆動電圧を印加し、
この駆動電圧の絶対値|Vd|と圧電素子1a,1bの静電容量Csとコンデンサ2a,2bの静電容量Cと圧電素子の分極劣化電圧Vecとを
Vec>|Vd|*C/(Cs+C
の関係に設定した圧電バイモルフ素子の駆動方法である。
The best mode for carrying out the invention is as follows. A piezoelectric bimorph element formed from one piezoelectric element 1a and the other piezoelectric element 1b disposed so that the polarization direction P is the same across the intermediate electrode 4c by the above-described drive circuit for the piezoelectric bimorph element in FIG. In the method of driving
One rectifier diode 3a is connected to one piezoelectric element 1a in the forward direction with the polarization direction P of one piezoelectric element,
One capacitor 2a is connected in parallel to one rectifier diode 3a,
The other rectifier diode 3c is connected to the other piezoelectric element 1b in the forward direction with the polarization direction P of the other piezoelectric element,
The other capacitor 2b is connected in parallel to the other rectifier diode 3b,
One connection end of one rectifier diode 3a and one capacitor 2a not connected to one piezoelectric element 1a and the other connection of the other rectifier diode 3b and the other capacitor 2b not connected to the other piezoelectric element 1b Connect the common end to the common connection terminal 5a,
The intermediate electrode 4c is connected to the intermediate electrode connection terminal 5c,
A drive voltage is applied between the common connection terminal 5a and the intermediate electrode connection terminal 5c,
The absolute value of the drive voltage | Vd | and the piezoelectric element 1a, the electrostatic capacitance Cs and capacitor 2a of 1b, Vec a polarization degradation voltage Vec of the electrostatic capacitance C 2 and the piezoelectric element 2b> | Vd | * C 2 / (Cs + C 2 )
This is a driving method of the piezoelectric bimorph element set in the relationship.

図1は、圧電バイモルフ素子10および本発明に係る駆動入力回路20を備えた圧電バイモルフ素子の駆動回路30の回路図である。図2(A)ないし(C)は、それぞれ、本発明に係る圧電バイモルフ素子の駆動回路30に外部から入力される駆動電圧の波形図、一方の圧電素子に印加される電圧の波形図および他方の圧電素子に印加される電圧の波形図である。図2において、Vdは駆動電圧を示し、tは経過時間を示す。   FIG. 1 is a circuit diagram of a piezoelectric bimorph element drive circuit 30 including a piezoelectric bimorph element 10 and a drive input circuit 20 according to the present invention. 2A to 2C are respectively a waveform diagram of a drive voltage inputted from the outside to the drive circuit 30 of the piezoelectric bimorph element according to the present invention, a waveform diagram of a voltage applied to one piezoelectric element, and the other. It is a wave form diagram of the voltage applied to the piezoelectric element. In FIG. 2, Vd indicates a driving voltage, and t indicates an elapsed time.

[図1の説明]
図1において、圧電バイモルフ素子の駆動回路30は、中間電極4cを挟んで分極方向Pが同方向となるように配置された一方の圧電素子1aおよび他方の圧電素子1bから形成された圧電バイモルフ素子10とこの圧電バイモルフ素子10に駆動電源から供給される駆動電圧を印加する駆動入力回路20とから形成される。
[Explanation of FIG. 1]
In FIG. 1, a drive circuit 30 for a piezoelectric bimorph element includes a piezoelectric bimorph element formed from one piezoelectric element 1a and the other piezoelectric element 1b arranged so that the polarization direction P is the same across the intermediate electrode 4c. 10 and a drive input circuit 20 for applying a drive voltage supplied from a drive power source to the piezoelectric bimorph element 10.

圧電素子1a,1bの中間電極4cが設けられている面と対向する面には、それぞれ表面電極4a,4bが配置されている。なお、図示していないが、中間電極4cは圧電バイモルフ素子が大きく変位したときの破損を防ぐ弾性板を挟むか、弾性を保持させることが望ましい。   Surface electrodes 4a and 4b are respectively disposed on the surfaces of the piezoelectric elements 1a and 1b opposite to the surface on which the intermediate electrode 4c is provided. Although not shown, it is desirable that the intermediate electrode 4c sandwiches an elastic plate that prevents damage when the piezoelectric bimorph element is greatly displaced, or holds the elasticity.

駆動入力回路20は、一方の圧電素子1aにその分極方向に通電する方向に接続された一方の整流ダイオード3aと、その一方の整流ダイオード3aに並列に接続された一方のコンデンサ2aと、他方の圧電素子1bにその分極方向に通電する方向に接続された他方の整流ダイオード3bと、その他方の整流ダイオード3bに並列に接続された他方のコンデンサ2bとから形成されている。   The drive input circuit 20 includes one rectifier diode 3a connected in a direction of energizing one piezoelectric element 1a in the polarization direction, one capacitor 2a connected in parallel to the one rectifier diode 3a, and the other The other rectifier diode 3b is connected to the piezoelectric element 1b in the direction of energization in the polarization direction, and the other capacitor 2b is connected in parallel to the other rectifier diode 3b.

一方の圧電素子1aに接続されていない一方の整流ダイオード3aおよび一方のコンデンサ2aの一方の接続端と他方の圧電素子1bに接続されていない他方の整流ダイオード3bおよび他方のコンデンサ2bの他方の接続端とを共通にした共通接続端子5aに接続し、中間電極4cを中間電極接続端子5cに接続する。共通接続端子5aと中間電極接続端子5c(以下、駆動電圧入力端子5という)間に接続する。   One connection end of one rectifier diode 3a and one capacitor 2a not connected to one piezoelectric element 1a and the other connection of the other rectifier diode 3b and the other capacitor 2b not connected to the other piezoelectric element 1b The end is connected to a common connection terminal 5a, and the intermediate electrode 4c is connected to the intermediate electrode connection terminal 5c. The connection is made between the common connection terminal 5a and the intermediate electrode connection terminal 5c (hereinafter referred to as drive voltage input terminal 5).

圧電バイモルフ素子の駆動回路30は、上記駆動入力回路20の駆動電圧入力端子5間に図示していない外部からの駆動電圧を印加して圧電バイモルフ素子10を駆動する。   The drive circuit 30 for the piezoelectric bimorph element drives the piezoelectric bimorph element 10 by applying an external drive voltage (not shown) between the drive voltage input terminals 5 of the drive input circuit 20.

外部からの駆動電圧は圧電バイモルフ素子の駆動回路30に印加されるが、実際に圧電素子1a,1bに印加される電圧は整流ダイオード3a,3bの極性によって異なる。例えば、駆動電圧の極性が一方の整流ダイオード3aの通電方向である場合は、その一方の整流ダイオード3aの抵抗値はほぼゼロになり、その一方の整流ダイオード3aに並列接続された一方のコンデンサ2aは電圧分担をしない。したがって、一方の圧電素子1aには外部からの駆動電圧がそのまま印加される。   An external drive voltage is applied to the drive circuit 30 of the piezoelectric bimorph element, but the voltage actually applied to the piezoelectric elements 1a and 1b differs depending on the polarities of the rectifier diodes 3a and 3b. For example, when the polarity of the drive voltage is the energization direction of one rectifier diode 3a, the resistance value of the rectifier diode 3a is almost zero, and one capacitor 2a connected in parallel to the one rectifier diode 3a. Does not share voltage. Therefore, an external driving voltage is applied to one piezoelectric element 1a as it is.

上記のように、駆動電圧の極性が一方の整流ダイオード3aの通電方向である場合は、その駆動電圧の極性は他方の整流ダイオード3bの通電方向と逆方向となり、その他方の整流ダイオード3bは高抵抗となって通電を遮断する。したがって、駆動電圧は他方の圧電素子1bと他方のコンデンサ2bとに分担されて他方の圧電素子1bに印加される。分担の割合は他方の圧電素子1bの静電容量Csと他方のコンデンサ2bの静電容量Cとによって定まり、他方の圧電素子1bに印加される電圧は駆動電圧Vdと静電容量比C/(Cs+C)との積となる。なお、次の半波の駆動電圧の極性が、一方の整流ダイオード3aの通電方向と逆方向であり、他方の整流ダイオード3bの通電方向である場合も上記と同様に機能する。 As described above, when the polarity of the drive voltage is the energization direction of one rectifier diode 3a, the polarity of the drive voltage is opposite to the energization direction of the other rectifier diode 3b, and the other rectifier diode 3b is high. It becomes a resistance and cuts off current. Therefore, the drive voltage is shared by the other piezoelectric element 1b and the other capacitor 2b and applied to the other piezoelectric element 1b. Proportion of sharing is determined by the electrostatic capacitance C 2 of the other piezoelectric element 1b of the capacitance Cs and the other capacitor 2b, the voltage applied to the other piezoelectric element 1b driving voltage Vd and the capacitance ratio C 2 / (Cs + C 2 ). The polarity of the driving voltage of the next half wave is opposite to the energizing direction of one rectifier diode 3a, and the same function as described above also works when the polarity is the energizing direction of the other rectifier diode 3b.

上記のように、整流ダイオード3a,3bの通電方向と圧電素子1a,1bの分極方向とを一致させてあるので、駆動電圧の極性が分極方向に一致する場合は、駆動電圧がそのまま圧電素子1a,1bに印加され、分極方向と逆方向である場合は、駆動電圧の一部はコンデンサ2a,2bに印加されるので、圧電素子1a,1bに印加される電圧は、外部からの駆動電圧からコンデンサ2a,2bに印加される電圧を差し引いた電圧、すなわちVd*C/(Cs+C)となる。 As described above, since the energization direction of the rectifier diodes 3a and 3b and the polarization direction of the piezoelectric elements 1a and 1b are matched, when the polarity of the drive voltage matches the polarization direction, the drive voltage remains as it is. , 1b and in the direction opposite to the polarization direction, a part of the drive voltage is applied to the capacitors 2a, 2b, so that the voltage applied to the piezoelectric elements 1a, 1b is derived from the drive voltage from the outside. capacitor 2a, a voltage obtained by subtracting the voltage applied to 2b, that is, Vd * C 2 / (Cs + C 2).

また、圧電素子1a,1bは中間電極4cを挟んで分極方向が同方向になるように配置されているので、電気的には圧電素子1a,1bは逆方向に接続されている。したがって、一方の圧電素子1aに分極方向と順方向の電圧(外部からの駆動電圧そのまま)が印加されるときには、同時に他方の圧電素子1bには分極方向と逆方向の電圧(外部からの駆動電圧からコンデンサ2bに印加される電圧を差し引いた電圧)が印加される。   Further, since the piezoelectric elements 1a and 1b are arranged so that the polarization directions are the same with the intermediate electrode 4c interposed therebetween, the piezoelectric elements 1a and 1b are electrically connected in the opposite direction. Therefore, when a voltage in the polarization direction and in the forward direction (the drive voltage from the outside as it is) is applied to one piezoelectric element 1a, simultaneously, a voltage in the direction opposite to the polarization direction (a drive voltage from the outside) is applied to the other piezoelectric element 1b. (The voltage obtained by subtracting the voltage applied to the capacitor 2b).

[図2の説明]
図1の圧電バイモルフ素子の駆動回路30を参照して、図2の波形図について説明する。
[Explanation of FIG. 2]
The waveform diagram of FIG. 2 will be described with reference to the drive circuit 30 of the piezoelectric bimorph element of FIG.

本発明に係る圧電バイモルフ素子の駆動回路30の駆動電圧入力端子5間に図2(A)に示す波形の駆動電圧Vdを入力すると、一方の圧電素子1aには図2(B)に示す波形の電圧が印加され、他方の圧電素子1bには図2(C)に示す波形の電圧が印加される。   When the drive voltage Vd having the waveform shown in FIG. 2A is input between the drive voltage input terminals 5 of the drive circuit 30 of the piezoelectric bimorph element according to the present invention, the waveform shown in FIG. The voltage of the waveform shown in FIG. 2C is applied to the other piezoelectric element 1b.

図2の最初の半波は、一方の圧電素子1aに分極方向と順方向の電圧が印加され、他方の圧電素子1bに分極方向と逆方向の電圧が印加される場合を示す。図示したように一方の圧電素子1aには駆動電圧Vdがそのまま印加され、他方の圧電素子1bにはそれよりも低い電圧が印加されている。   The first half-wave in FIG. 2 shows a case where a voltage in the polarization direction and the forward direction is applied to one piezoelectric element 1a, and a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied to the other piezoelectric element 1b. As shown in the figure, the drive voltage Vd is applied as it is to one piezoelectric element 1a, and a lower voltage is applied to the other piezoelectric element 1b.

図2の次の半波は、一方の圧電素子1aに分極方向と逆方向の電圧が印加され、他方の圧電素子1bに分極方向と順方向の電圧が印加される場合を示す。図示したように一方の圧電素子1aには駆動電圧Vdよりも低い電圧が印加され、他方の圧電素子1bには駆動電圧Vdがそのまま印加されている。   The next half wave in FIG. 2 shows a case where a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied to one piezoelectric element 1a and a voltage in the direction of polarization and forward is applied to the other piezoelectric element 1b. As shown, a voltage lower than the drive voltage Vd is applied to one piezoelectric element 1a, and the drive voltage Vd is applied to the other piezoelectric element 1b as it is.

ここで、例えば、圧電素子1a,1bの静電容量Csとコンデンサ2a,2bの静電容量Cとを同じにした場合に、圧電素子1a,1bおよびコンデンサ2a,2bに印加される分極方向と逆方向の電圧は同じであるので、それぞれに印加される電圧は駆動電圧の1/2となる。 Here, for example, when the piezoelectric element 1a, the electrostatic capacitance Cs and capacitor 2a of 1b, and the capacitance C 2 of 2b same, piezoelectric elements 1a, 1b and the capacitors 2a, the polarization direction is applied to 2b Since the voltages in the opposite directions are the same, the voltage applied to each is ½ of the drive voltage.

圧電素子1a,1bに分極方向と逆方向に印加される電圧が駆動電圧Vdの1/2となるということは、駆動電圧Vdを圧電素子1a,1bの分極が減極してしまう電圧(分極劣化電圧Vec)の2倍に設定しても、圧電素子1a,1bに印加される分極方向と逆方向の電圧は分極劣化電圧を超えないことを意味する。   The fact that the voltage applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in the direction opposite to the polarization direction is ½ of the drive voltage Vd means that the drive voltage Vd is a voltage (polarization) that depolarizes the polarization of the piezoelectric elements 1a and 1b. This means that the voltage in the direction opposite to the polarization direction applied to the piezoelectric elements 1a and 1b does not exceed the polarization degradation voltage even if it is set to twice the degradation voltage Vec).

以上の例は、圧電素子1a,1bの静電容量Csとコンデンサ2a,2bの静電容量Cとを同じにした場合であったが、圧電素子1a,1bが減極されないように圧電素子1a,1bに印加される分極方向と逆方向の電圧が分極劣化電圧を超えないようにするには、駆動電圧Vdとコンデンサ2a,2bの静電容量Cとを以下に示す式を満たすように設定すればよい。 Above example, a piezoelectric element 1a, the electrostatic capacitance Cs and capacitor 2a of 1b, was the case of the electrostatic capacity C 2 of 2b in the same, the piezoelectric element 1a, the piezoelectric element so 1b is not depolarized 1a, the voltage of the polarization direction opposite to the direction applied to 1b does not exceed the polarization degradation voltage, the drive voltage Vd and the capacitor 2a, 2b and a capacitance C 2 of to meet the following expressions Should be set.

Vec>|Vd|*C/(Cs+C
上記のように、本発明においては、圧電素子に逆方向に印加される電圧は、コンデンサの静電容量Cと圧電素子の静電容量Csとの分圧によって定まるので、従来技術3と異なり、この逆方向の電圧は駆動電圧に比例して圧電バイモルフ素子の変位を駆動電界に対して線形的に制御することができる。
Vec> | Vd | * C 2 / (Cs + C 2 )
As described above, in the present invention, the voltage applied in the reverse direction to the piezoelectric element, so determined by the partial pressure of the capacitance Cs of the capacitance C 2 and the piezoelectric element of the capacitor, unlike the prior art 3 The voltage in the reverse direction can control the displacement of the piezoelectric bimorph element linearly with respect to the driving electric field in proportion to the driving voltage.

この実施例では、入力波形として三角波について説明したが、入力波形はこれらの波形に限定されることなく、正弦波、矩形波のような他の波形でもよいし、例えば音声のような複雑な波形でも規則性のない波形でもよい。また、ここでいう駆動電圧Vdは実効値、定格値のような波形から一義的に決まる値を示す値ではなく、それぞれの瞬間の値(瞬時値)を示す。   In this embodiment, a triangular wave has been described as an input waveform. However, the input waveform is not limited to these waveforms, and may be another waveform such as a sine wave or a rectangular wave, or a complex waveform such as voice. However, it may be a waveform with no regularity. Further, the drive voltage Vd here is not a value indicating a value uniquely determined from a waveform such as an effective value or a rated value, but an instantaneous value (instantaneous value).

なお、通常、整流ダイオード3a,3bの逆電圧における端子間静電容量Cは、圧電素子の静電容量Csおよびコンデンサ2a,2bの静電容量Cに比べて小さいので無視することができる。しかし、整流ダイオード3a,3bの逆電圧における端子間静電容量Cが無視できなくなるほど大きくなった場合には、コンデンサ2a,2bと並列接続しているので、コンデンサ2a,2bの静電容量Cを(C十C)に置き換えた式を適用する必要がある。 Normally, rectifier diodes 3a, the inter-terminal capacitances C 3 in the reverse voltage 3b can be ignored because the capacitance Cs and the capacitor 2a of the piezoelectric element is smaller than the capacitance C 2 of 2b . However, the rectifier diode 3a, if the inter-terminal capacitance C 3 becomes larger as can not be ignored in the reverse voltage 3b, capacitor 2a, since the 2b connected in parallel, the capacitance of the capacitor 2a, 2b it is necessary to apply the replacement of C 2 to (C 2 ten C 3) formula.

[表1および図3ないし図5の説明]
表1は、従来技術に係る実験例No.1ないし実験例No.3と本発明に係る実験例No.4ないし実験例No.6とをまとめた実験例対比表である。この実験例対比表において、実験例No.1と実験例No.2とは、従来技術1の回路(図6)の実験例であって、実験例No.1と実験例No.2とでは駆動電圧の最大値が異なる。
[Explanation of Table 1 and FIGS. 3 to 5]
Table 1 shows an experimental example No. 1 according to the prior art. 1 to Experimental Example No. 3 and Experimental Example No. 4 to Experimental Example No. 6 is a table comparing experimental examples. In this experimental example comparison table, Experimental Example No. 1 and Experimental Example No. 1 2 is an experimental example of the circuit of prior art 1 (FIG. 6). 1 and Experimental Example No. 1 2 is different from the maximum value of the drive voltage.

実験例No.3は従来技術2の回路(図8)の実験例である。実験例No.4ないしNo.6は本発明に係る回路(図1)の実験例であって、それぞれの実験例でコンデンサ2a,2bの静電容量Cが異なる。 Experimental Example No. 3 is an experimental example of the circuit of prior art 2 (FIG. 8). Experimental Example No. 4 to No. 6 is an experimental example of the circuit (Fig. 1) according to the present invention, a capacitor 2a in each experimental example, the capacitance C 2 of 2b different.

実験例No.1における圧電素子1a、1bに印加される電圧の波形を図7に示す。この図において電圧の符号は分極方向と順方向を正とし、逆方向を負とした。同様に実験例No.3の波形を図9に示し、実験例No.4の波形を図3に示し、実験例No.5の波形を図4に示し、実験例No.6の波形を図5に示す。   Experimental Example No. FIG. 7 shows waveforms of voltages applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in FIG. In this figure, the sign of voltage is positive in the polarization direction and forward direction, and negative in the reverse direction. Similarly, Experimental Example No. 3 is shown in FIG. 4 is shown in FIG. 5 is shown in FIG. The waveform of 6 is shown in FIG.

これらの実験に使用された圧電素子1a,1bの組成、外形などおよび実験条件は下記のとおりである。   The composition, outer shape, and experimental conditions of the piezoelectric elements 1a and 1b used in these experiments are as follows.

圧電素子の組成は、
Ba0.925Ca0.075TiOで、
その比誘電率は1280、
電気機械的定数(kp)は35.5%、
抗電界(Ec)は370V/mm、
圧電定数(−d31)は電界強度が1000V/mmのときの値として、140pm/Vである。
The composition of the piezoelectric element is
Ba 0.925 Ca 0.075 TiO 3
Its relative dielectric constant is 1280,
The electromechanical constant (kp) is 35.5%,
The coercive electric field (Ec) is 370 V / mm,
The piezoelectric constant (−d31) is 140 pm / V as a value when the electric field strength is 1000 V / mm.

ここでは、チタン酸バリウム系の圧電素子を使用したが、圧電定数の大きいチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を使用してもよい。   Although a barium titanate-based piezoelectric element is used here, lead zirconate titanate (PZT) having a large piezoelectric constant may be used.

圧電素子を二枚貼り合わせた圧電バイモルフ素子10の外形寸法は30*5*0.2mmで、この形状での分極劣化電圧(Vec)は74Vであり、静電容量(Cs)は8.50nFである。   The external dimensions of the piezoelectric bimorph element 10 in which two piezoelectric elements are bonded together are 30 * 5 * 0.2 mm, the polarization deterioration voltage (Vec) in this shape is 74 V, and the capacitance (Cs) is 8.50 nF. It is.

実験に使用した駆動信号は周波数0.1Hzの三角波であって、その電圧は+200V〜−200V(実験例2のみ60V〜−60V)とした。   The drive signal used in the experiment was a triangular wave with a frequency of 0.1 Hz, and the voltage was +200 V to −200 V (only Experimental Example 2 was 60 V to −60 V).

Figure 2005318725
Figure 2005318725

実験例No.1では、駆動電圧入力端子5間に三角波の最大200Vの駆動電圧が入力されており、圧電素子1a,1bには分極方向と順方向および逆方向に分極劣化電圧74Vを超える駆動電圧がそのまま印加されたために、圧電素子1a,1bは分極反転し、圧電バイモルフとして機能しなくなった。   Experimental Example No. 1, a driving voltage having a maximum triangular wave of 200 V is input between the driving voltage input terminals 5, and a driving voltage exceeding the polarization degradation voltage 74 V is applied to the piezoelectric elements 1 a and 1 b in the forward direction and the reverse direction as they are. For this reason, the piezoelectric elements 1a and 1b are reversed in polarity and do not function as piezoelectric bimorphs.

実験例No.2では、分極劣化電圧74Vを超えないように駆動電圧を三角波の最大60Vに制限したので、分極反転は生じないが、変位は最大でも283μmと、後述する本発明に係る実験例に比べて小さい値になった。   Experimental Example No. 2, since the drive voltage was limited to a maximum of 60 V of a triangular wave so as not to exceed the polarization degradation voltage 74 V, polarization inversion does not occur, but the displacement is 283 μm at the maximum, which is smaller than the experimental example according to the present invention described later. Became value.

実験例No.3では、圧電素子1a,1bの分極方向に通電する方向に整流ダイオード3a,3bを接続しているので、駆動電圧入力端子5間に三角波の最大200Vの駆動電圧を印加しても、圧電素子1a,1bには分極方向と逆方向の電圧が全く印加されないので、分極反転は生じなかった。しかし、変位は最大でも473μmであって、後述する本発明に係る実験例に比べて小さい値になった。   Experimental Example No. 3, the rectifier diodes 3 a and 3 b are connected in a direction in which the piezoelectric elements 1 a and 1 b are energized in the polarization direction. Since no voltage in the opposite direction to the polarization direction was applied to 1a and 1b, no polarization inversion occurred. However, the maximum displacement was 473 μm, which was a smaller value than the experimental example according to the present invention described later.

実験例No.4では、本発明に係る回路の実験例であって、コンデンサ2a,2bの静電容量Cを1.0nFに設定している。この場合、圧電素子1a,1bに分極方向に逆方向に印加される電圧は駆動電圧の約10.5%(1.00/(8.50+1.00))に制限される。 Experimental Example No. In 4, a experimental example of a circuit according to the present invention, are set capacitors 2a, the capacitance C 2 of 2b to 1.0 nF. In this case, the voltage applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in the direction opposite to the polarization direction is limited to about 10.5% (1.00 / (8.50 + 1.00)) of the drive voltage.

この実験例No.4では、駆動電圧入力端子5間に三角波の最大200Vの駆動電圧を印加しても、圧電素子1a,1bには分極方向と逆方向の電圧は最大21V(表1では逆方向であるため−21Vと表記)であって、分極劣化電圧74V未満であるので、分極反転は生じない。この実験例No.4では、変位は最大524μmであって、コンデンサを用いない従来技術(実験例No.2および実験例No.3)よりも大きい値となった。   In this Experimental Example No. 4, even when a driving voltage of a maximum of 200 V in a triangular wave is applied between the driving voltage input terminals 5, the piezoelectric elements 1a and 1b have a maximum voltage in the direction opposite to the polarization direction of 21 V (because the reverse direction in Table 1 − 21V), which is less than the polarization degradation voltage 74V, so that no polarization inversion occurs. In this Experimental Example No. In No. 4, the maximum displacement was 524 μm, which was larger than that of the conventional technique (Experimental Example No. 2 and Experimental Example No. 3) in which no capacitor was used.

実験例No.5も本発明に係る回路の実験例であって、コンデンサ2a,2bの静電容量Cを3.64nFに設定している。この場合、圧電素子1a,1bに分極方向に逆方向に印加される電圧は駆動電圧の約30.0%(3.64/(8.50+3.64))に制限される。 Experimental Example No. 5 even experimental example of a circuit according to the present invention, are set capacitors 2a, the capacitance C 2 of 2b to 3.64NF. In this case, the voltage applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in the direction opposite to the polarization direction is limited to about 30.0% (3.64 / (8.50 + 3.64)) of the drive voltage.

この実験例No.5では、駆動電圧入力端子5間に三角波の最大200Vの駆動電圧を印加しても、圧電素子1a,1bには分極方向と逆方向の電圧は最大60V(表1では逆方向であるため−60Vと表記)であって、分極劣化電圧74V未満であるので、分極反転は生じない。この実験例No.5では、変位は最大631μmであって、実験例No.4と比べても大きい値となった。これは圧電素子1a,1bに印加される分極方向と逆方向の電圧を分極劣化電圧の約80%(60/74)まで高くし、圧電素子1a,1bの能力を有効に発揮させた結果である。   In this Experimental Example No. 5, even if a driving voltage of a maximum of 200 V of a triangular wave is applied between the driving voltage input terminals 5, the piezoelectric element 1 a, 1 b has a maximum voltage of 60 V in the opposite direction to the polarization direction (because it is in the opposite direction in Table 1 − Since the polarization degradation voltage is less than 74V, polarization inversion does not occur. In this Experimental Example No. 5, the maximum displacement is 631 μm. Compared to 4, it was a large value. This is a result of increasing the voltage in the direction opposite to the polarization direction applied to the piezoelectric elements 1a and 1b to about 80% (60/74) of the polarization degradation voltage, and effectively demonstrating the capabilities of the piezoelectric elements 1a and 1b. is there.

実験例No.6も本発明に係る回路の実験例である。コンデンサの静電容量Cを5.7nFに設定すると、圧電素子に分極方向に逆方向に印加される電圧は駆動電圧の約40.0%(5.70/(8.50+5.70))となる。 Experimental Example No. 6 is also an experimental example of the circuit according to the present invention. Setting the capacitance C 2 of capacitor 5.7NF, about 40.0% of the voltage is the driving voltage applied to the opposite direction to the polarization direction of the piezoelectric element (5.70 / (8.50 + 5.70)) It becomes.

この実験例No.6では、駆動電圧入力端子5間に三角波の最大200Vの駆動電圧を印加すると、圧電素子1a,1bに分極方向と逆方向に三角波の最大80Vの電圧が印加されたために、分極劣化電圧の74Vを超えてしまった。その結果、圧電素子1a,1bは分極反転し、圧電バイモルフ素子として機能の停止が生じた。このような分極反転が生じる駆動方法は本発明に係る圧電バイモルフの駆動回路の最良の実施の形態とはいえない。   In this Experimental Example No. 6, when a driving voltage of a maximum of 200 V of a triangular wave is applied between the driving voltage input terminals 5, a voltage of a maximum of 80 V of a triangular wave is applied to the piezoelectric elements 1 a and 1 b in the direction opposite to the polarization direction. Has been exceeded. As a result, the polarization of the piezoelectric elements 1a and 1b was reversed, and the function of the piezoelectric bimorph element was stopped. The driving method in which such polarization inversion occurs is not the best embodiment of the piezoelectric bimorph drive circuit according to the present invention.

しかし、圧電素子1a,1bに印加される分極方向と逆方向の電圧が分極劣化電圧Vecを超えても、圧電バイモルフ素子としての機能が維持される場合があるので、このことについて説明する。   However, even if the voltage in the direction opposite to the polarization direction applied to the piezoelectric elements 1a and 1b exceeds the polarization deterioration voltage Vec, the function as the piezoelectric bimorph element may be maintained. This will be described.

分極劣化電圧Vecおよび抗電界Ecを実験・算出する方法と合わせて記載する。分極劣化電圧Vec、抗電界Ecを求める方法としては電界−歪み曲線から求める方法および電界−分極曲線から求める方法が一般的である。   The polarization degradation voltage Vec and the coercive electric field Ec are described together with the method of experimenting and calculating. As a method for obtaining the polarization deterioration voltage Vec and the coercive electric field Ec, a method for obtaining from the electric field-strain curve and a method for obtaining from the electric field-polarization curve are general.

前者は、分極方向とは逆の電界が印加されたときに、分極軸方向の収縮挙動が伸長挙動へと変化する電界をEcとする。後者は、分極の大きさが0となる電界をEcとしている。いずれの方法においても測定条件によってEcの値が変動する可能性があるので、その分極劣化電圧は実際に使用する条件(波形、周波数など)で測定した値であることが望ましい。   In the former, when an electric field opposite to the polarization direction is applied, an electric field in which the contraction behavior in the polarization axis direction changes to the extension behavior is defined as Ec. In the latter, Ec is an electric field where the magnitude of polarization is zero. In any of the methods, the value of Ec may vary depending on the measurement conditions. Therefore, it is desirable that the polarization degradation voltage is a value measured under conditions actually used (waveform, frequency, etc.).

このように求められた分極劣化電圧以上の電圧が印加されると、圧電素子は分極反転を開始してしまう。ただし、分極反転が完全に終了しない程度の電圧または短時間であれば、本発明の効果を持続することが可能である。   When a voltage equal to or higher than the polarization degradation voltage obtained in this way is applied, the piezoelectric element starts to reverse the polarization. However, the effect of the present invention can be sustained as long as the voltage is short enough for polarization reversal not to be completed or for a short time.

さらに、駆動電源の誤動作などによって意図せず、圧電素子1a,1bに電界−歪み曲線から求めた分極劣化電圧を超える分極と逆方向の電圧が印加されても、それが単発で瞬間的な現象あれば、一旦、分極反転しても、その後に、この異常電圧とは逆符号(分極方向と同方向)で絶対値が分極劣化電圧以上の電圧が入力されたときに、再度、分極反転が生じて元の状態に回復し圧電バイモルフとして機能するようになる。   Furthermore, even if a voltage exceeding the polarization degradation voltage obtained from the electric field-strain curve is applied to the piezoelectric elements 1a and 1b unintentionally due to a malfunction of the drive power supply, etc., this is a single and instantaneous phenomenon. If there is a polarization reversal, once a voltage having an opposite sign (the same direction as the polarization direction) and an absolute value greater than or equal to the polarization degradation voltage is input, the polarization reversal occurs again. As a result, it returns to its original state and functions as a piezoelectric bimorph.

本発明の構成によれば、このような望ましくない状態においても、分極方向と逆方向にかかる電圧が順方向にかかる電圧よりも低くなるように設定されているので、元の正常な状態に戻ることが期待できる。   According to the configuration of the present invention, even in such an undesirable state, the voltage applied in the direction opposite to the polarization direction is set to be lower than the voltage applied in the forward direction, so that the original normal state is restored. I can expect that.

従来技術1では圧電素子1a,1bに分極方向と順方向に印加される電圧と逆方向に印加される電圧とが同程度であるので、上記の現象が起こることは期待しにくい。従来技術2では圧電素子1a,1bに分極方向と逆方向には全く電圧が印加されないので、上記の現象とは無関係である。   In the prior art 1, since the voltage applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in the polarization direction and the forward direction are approximately equal to the voltage applied in the reverse direction, it is difficult to expect the above phenomenon to occur. In the prior art 2, since no voltage is applied to the piezoelectric elements 1a and 1b in the direction opposite to the polarization direction, the above phenomenon is irrelevant.

本発明では、圧電素子1に分極方向と順方向には駆動電圧をそのまま印加し、逆方向にはそれよりも低い電圧を印加するために、図1に示したように、整流ダイオード3a,3bとコンデンサ2a,2bとを並列接続した駆動入力回路20を使用している。   In the present invention, in order to apply a driving voltage to the piezoelectric element 1 as it is in the polarization direction and the forward direction and to apply a lower voltage in the reverse direction, as shown in FIG. 1, the rectifier diodes 3a and 3b And a drive input circuit 20 in which capacitors 2a and 2b are connected in parallel.

また、本発明では、これらの整流ダイオード3a,3bとコンデンサ2a,2bとの並列接続を基本として種々の変形も含まれ、例えば、2個の並列もしくは直列に接続されたコンデンサを整流ダイオードに並列接続したり、抵抗器とコンデンサとを並列もしくは直列に接続して整流ダイオードに並列接続したり、またはコンデンサ、抵抗器もしくはこれらを組み合わせて整流ダイオードに並列接続することによって、逆方向時の駆動電圧を整流ダイオードの両端で分担させることができる。   The present invention also includes various modifications based on the parallel connection of the rectifier diodes 3a and 3b and the capacitors 2a and 2b. For example, two parallel or serially connected capacitors are parallel to the rectifier diode. Drive voltage in reverse direction by connecting, connecting resistor and capacitor in parallel or in series and connecting in parallel to rectifier diode, or connecting capacitor, resistor or a combination of these in parallel to rectifier diode Can be shared by both ends of the rectifier diode.

さらに、これらの整流ダイオード3a,3bとコンデンサ2a,2bとを並列接続された駆動入力回路20の代わりに、これらの部品以外の部品、例えば、ツェナダイオード、サイリスタ、制御極付きまたは制御極なしの非線形素子、これらの組み合わせなどによって、本発明に係る駆動入力回路20と同等の作用効果を有する回路を形成することもできる。他方、本発明は単純な回路を形成して前述した作用効果を奏することができ、別の部品を組み合わせて形成された回路よりも、この点で優れている。   Further, instead of the drive input circuit 20 in which the rectifier diodes 3a and 3b and the capacitors 2a and 2b are connected in parallel, parts other than these parts, for example, a Zener diode, a thyristor, with a control pole or without a control pole A circuit having the same effect as that of the drive input circuit 20 according to the present invention can be formed by a non-linear element, a combination thereof, or the like. On the other hand, the present invention can form a simple circuit to achieve the above-described effects, and is superior in this respect to a circuit formed by combining other components.

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。   The embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect, and the scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of claims, and is equivalent to the scope of claims. Includes all changes within the meaning and scope.

以上に記載した本発明の効果は、すべてを同時に有している必要はなく、本発明の一つ以上の効果を有していればよい。   The effects of the present invention described above do not have to be all at the same time, but only have one or more effects of the present invention.

本発明は、従来の圧電バイモルフの駆動回路に比べて、多数の特有の効果を有していてコストアップすることなく、優れた生産性も有しているので、実用化が期待できる。   Since the present invention has many unique effects compared to conventional piezoelectric bimorph drive circuits and has excellent productivity without increasing costs, it can be expected to be put to practical use.

圧電バイモルフ素子10および本発明に係る駆動入力回路20を備えた圧電バイモルフ素子の駆動回路30の回路図である。1 is a circuit diagram of a piezoelectric bimorph element drive circuit 30 including a piezoelectric bimorph element 10 and a drive input circuit 20 according to the present invention. FIG. 図2(A)ないし(C)は、それぞれ、本発明に係る駆動回路に外部から入力される駆動電圧の波形図および一方の圧電素子に印加される電圧および他方の圧電素子に印加される電圧の波形図である。2A to 2C are respectively a waveform diagram of a drive voltage input from the outside to the drive circuit according to the present invention, a voltage applied to one piezoelectric element, and a voltage applied to the other piezoelectric element. FIG. 表1の実験例対比表の実験例No.4の実験で使用する圧電素子に印加される電圧の波形図である。Experimental example No. in the comparison table of experimental examples in Table 1 FIG. 6 is a waveform diagram of a voltage applied to a piezoelectric element used in Experiment 4; 表1の実験例対比表の実験例No.5の実験で使用する圧電素子に印加される電圧の波形図である。Experimental example No. in the experimental table comparison table of Table 1. 6 is a waveform diagram of a voltage applied to a piezoelectric element used in an experiment of No. 5. FIG. 表1の実験例対比表の実験例No.6の実験で使用する圧電素子に印加される電圧の波形図である。Experimental example No. in the experimental table comparison table of Table 1. 6 is a waveform diagram of a voltage applied to a piezoelectric element used in an experiment of No. 6. FIG. 従来技術2の圧電バイモルフ駆動回路である。3 is a piezoelectric bimorph drive circuit according to Prior Art 2. 表1の実験例対比表の実験例No.1の実験で使用する圧電素子に印加される電圧の波形図である。Experimental example No. in the experimental table comparison table of Table 1. It is a wave form diagram of the voltage applied to the piezoelectric element used in 1 experiment. 従来技術2の圧電バイモルフ駆動回路である。3 is a piezoelectric bimorph drive circuit according to Prior Art 2. 表1の実験例対比表の実験例No.3の実験で使用する圧電素子に印加される電圧の波形図である。Experimental example No. in the experimental table comparison table of Table 1. FIG. 6 is a waveform diagram of a voltage applied to a piezoelectric element used in Experiment 3;

符号の説明Explanation of symbols

10 圧電バイモルフ素子
20 駆動入力回路
30 圧電バイモルフ素子の駆動回路
1a,1b 圧電素子
1a 一方の圧電素子
1b 他方の圧電素子
2a,2b コンデンサ
2a 一方のコンデンサ
2b 他方のコンデンサ
3a,3b 整流ダイオード
3a 一方の整流ダイオード
3b 他方の整流ダイオード
4a,4b 表面側電極
4c 中間電極
P 分極方向
5 駆動電圧入力端子
5a 共通接続端子
5c 中間電極接続端子
コンデンサ2a,2bの静電容量
整流ダイオード3a,3bの逆電圧における端子間静電容量
Cs 圧電素子1a,1bの静電容量
Vec 分極劣化電圧。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric bimorph element 20 Drive input circuit 30 Piezoelectric bimorph element drive circuit 1a, 1b Piezoelectric element 1a One piezoelectric element 1b The other piezoelectric element 2a, 2b Capacitor 2a One capacitor 2b The other capacitor 3a, 3b Rectifier diode 3a Rectifier diode 3b Other rectifier diodes 4a, 4b Surface side electrode 4c Intermediate electrode P Polarization direction 5 Drive voltage input terminal 5a Common connection terminal 5c Intermediate electrode connection terminal C 2 Capacitance C of capacitors 2a, 2b C 3 Rectifier diodes 3a, 3b The inter-terminal capacitance Cs at the reverse voltage of the capacitance Vec polarization degradation voltage of the piezoelectric elements 1a and 1b.

Claims (3)

中間電極を挟んで分極方向が同方向となるように配置された一方の圧電素子および他方の圧電素子から形成された圧電バイモルフ素子と、前記圧電バイモルフ素子に駆動電源から供給される駆動電圧を印加する駆動入力回路とから形成される圧電バイモルフ素子の駆動回路において、
前記駆動入力回路が、
前記一方の圧電素子に前記一方の圧電素子の分極方向に通電する方向に接続された一方の整流ダイオードと、
前記一方の整流ダイオードに並列に接続された一方のコンデンサと、
前記他方の圧電素子に前記他方の圧電素子の分極方向に通電する方向に接続された他方の整流ダイオードと、
前記他方の整流ダイオードに並列に接続された他方のコンデンサと、
前記一方の圧電素子に接続されていない一方の整流ダイオードおよび一方のコンデンサの一方の接続端と前記他方の圧電素子に接続されていない他方の整流ダイオードおよび他方のコンデンサの他方の接続端とを共通にした共通接続端子と、
前記中間電極に接続された中間電極接続端子とから形成された圧電バイモルフ素子の駆動回路。
A piezoelectric bimorph element formed from one piezoelectric element and the other piezoelectric element arranged so that the polarization direction is the same across the intermediate electrode, and a driving voltage supplied from a driving power source is applied to the piezoelectric bimorph element In the drive circuit of the piezoelectric bimorph element formed from the drive input circuit
The drive input circuit is
One rectifier diode connected to the one piezoelectric element in a direction of energizing in the polarization direction of the one piezoelectric element;
One capacitor connected in parallel to the one rectifier diode;
The other rectifier diode connected to the other piezoelectric element in a direction of energizing in the polarization direction of the other piezoelectric element;
The other capacitor connected in parallel to the other rectifier diode;
One connection end of one rectifier diode and one capacitor not connected to the one piezoelectric element is shared with the other connection end of the other rectifier diode and the other capacitor not connected to the other piezoelectric element. Common connection terminals
A drive circuit for a piezoelectric bimorph element formed from an intermediate electrode connection terminal connected to the intermediate electrode.
中間電極を挟んで分極方向が同方向となるように配置された一方の圧電素子および他方の圧電素子から形成された圧電バイモルフ素子の駆動方法において、
前記一方の圧電素子に前記一方の圧電素子の分極方向と順方向に一方の整流ダイオードを接続し、
前記一方の整流ダイオードに並列に一方のコンデンサを接続し、
前記他方の圧電素子に前記他方の圧電素子の分極方向と順方向に他方の整流ダイオードを接続し、
前記他方の整流ダイオードに並列に他方のコンデンサを接続し、
前記一方の圧電素子に接続されていない一方の整流ダイオードおよび一方のコンデンサの一方の接続端と前記他方の圧電素子に接続されていない他方の整流ダイオードおよび他方のコンデンサの他方の接続端とを共通にして共通接続端子とし、
前記中間電極を中間電極接続端子に接続し、
前記共通接続端子と中間電極接続端子間に駆動電圧を印加することによって、
前記圧電素子に分極方向と逆方向に印加される電圧を分極劣化電圧未満に制限した圧電バイモルフ素子の駆動方法。
In the driving method of the piezoelectric bimorph element formed from one piezoelectric element and the other piezoelectric element arranged so that the polarization direction is the same direction across the intermediate electrode,
One rectifier diode is connected to the one piezoelectric element in the forward direction and the polarization direction of the one piezoelectric element,
One capacitor is connected in parallel to the one rectifier diode,
The other rectifier diode is connected to the other piezoelectric element in the forward direction and the polarization direction of the other piezoelectric element,
Connecting the other capacitor in parallel to the other rectifier diode;
One connection end of one rectifier diode and one capacitor not connected to the one piezoelectric element is shared with the other connection end of the other rectifier diode and the other capacitor not connected to the other piezoelectric element. As a common connection terminal,
Connecting the intermediate electrode to an intermediate electrode connection terminal;
By applying a driving voltage between the common connection terminal and the intermediate electrode connection terminal,
A driving method of a piezoelectric bimorph element in which a voltage applied to the piezoelectric element in a direction opposite to a polarization direction is limited to less than a polarization deterioration voltage.
請求項2に記載の共通接続端子と中間電極接続端子間に印加される駆動電圧の絶対値|Vd|と、前記圧電素子の静電容量Csと、コンデンサの静電容量Cと、圧電素子の抗電界に相当する分極劣化電圧Vecを
Vec>|Vd|*C/(Cs+C
の関係に設定した圧電バイモルフ素子の駆動方法。
The absolute value of the common connection terminal and the driving voltage applied between the intermediate electrode connecting terminal according to claim 2 | Vd | a, and the capacitance Cs of the piezoelectric element, the capacitance C 2 of the capacitor, a piezoelectric element The polarization degradation voltage Vec corresponding to the coercive electric field of Vec> | Vd | * C 2 / (Cs + C 2 )
The driving method of the piezoelectric bimorph element set to the relationship.
JP2004133872A 2004-04-28 2004-04-28 Driving circuit and driving method of piezoelectric bimorph element Expired - Fee Related JP4375103B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004133872A JP4375103B2 (en) 2004-04-28 2004-04-28 Driving circuit and driving method of piezoelectric bimorph element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004133872A JP4375103B2 (en) 2004-04-28 2004-04-28 Driving circuit and driving method of piezoelectric bimorph element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005318725A true JP2005318725A (en) 2005-11-10
JP4375103B2 JP4375103B2 (en) 2009-12-02

Family

ID=35445551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004133872A Expired - Fee Related JP4375103B2 (en) 2004-04-28 2004-04-28 Driving circuit and driving method of piezoelectric bimorph element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4375103B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP4375103B2 (en) 2009-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9882511B2 (en) Piezoelectric power generation module and remote controller
US10008961B2 (en) Power generating device
JP5743532B2 (en) Driving method of piezoelectric device
US20060049715A1 (en) Method and appartus for driving electro-mechanical transducer
JP3839898B2 (en) Drive device for vibration actuator and device using vibration actuator as drive source
JP4375103B2 (en) Driving circuit and driving method of piezoelectric bimorph element
WO2021256370A1 (en) Drive method, drive circuit, and displacement drive device
JPS61244079A (en) Apparatus for driving piezoelectric actuator
JPS6257265A (en) Driving piezoelectric element
JPS62230068A (en) Driving method for piezoelectric element
US20040227434A1 (en) Piezoelectric transformer, power supply circuit and lighting unit using the same
JP5807743B2 (en) POWER GENERATION DEVICE, ELECTRONIC DEVICE, MOBILE DEVICE, AND POWER GENERATION DEVICE CONTROL METHOD
JPS6414981A (en) Vertical effect type monomorph element and method of driving same
JPS6130974A (en) Piezoelectric actuator
JPS5931078A (en) Piezoelectric bimorph
WO2019103411A1 (en) Apparatus and method for driving piezoelectric actuator
JP2011211059A (en) Ultrasonic generator, method of driving ultrasonic generator, and ultrasonic sensor
JP2022014184A (en) Drive circuit of piezoelectric ceramic element
JP2022034886A (en) Vibration power generator
KR20190058274A (en) Operating apparatus and method for piezoelectric actuator
JPH07335386A (en) Inverter unit for lighting discharge tube
KR100485596B1 (en) Bender typed multilayer actuator
JPH0423370A (en) Bimorph element
JP2858877B2 (en) Driving method of piezoelectric actuator
JPS61244080A (en) Apparatus for driving piezoelectric actuator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090519

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090526

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090818

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090831

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120918

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120918

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130918

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees