JP2006066655A - 電気機械エネルギー変換素子の駆動方法及び前記電気機械エネルギー変換素子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜厚変位が大きく、分極消失を低減できる電気機械エネルギー変換素子を提供する。
【解決手段】符号１１ａ、１１ｂは圧電セラミックスであり、符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは電極である。圧電セラミックス１１ａの分極方向と圧電セラミックス１１ｂの分極方向は同一方向である。圧電セラミックス１１ａの電極１２ａと電極１２ｂはそれぞれ交流電源Ａ１の端子３１と端子３２に接続され、圧電セラミックス１１ｂの電極１２ｂと１２ｃはそれぞれ交流電源Ｄ１の端子３３と端子３４に接続されている。交流電源Ａ１とＤ１の交流電圧は位相が１８０度（２π）ずれていて、両方とも正電圧側にバイアスがかけられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧の印加により膜厚が変化する電気機械エネルギー変換素子の駆動方法及び駆動装置に係り、特に膜厚の変位量を大きくすることの出来る電気機械エネルギー変換素子の駆動方法及び駆動装置に関する。

図９は従来の圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）Ｄの断面図である。
圧電セラミックス１の上面と下面には電極２，２が設けられている。圧電セラミックス１は厚み方向に分極処理されている。電極２、３は交流電源Ａに接続されている。交流電源Ａから供給される駆動交流電圧は図１３に示されるような正弦波であり、正側の最大電圧と負側の最小電圧の絶対値が等しくなっている。

電圧の方向と圧電セラミックス１の分極方向が一致したとき圧電素子Ｄは電圧方向に膜厚が伸張し、電圧の方向と圧電セラミックス１の分極方向が反対向きのとき圧電素子Ｄは電圧方向に収縮する。

図１０は図９に示された圧電素子Ｄと同様の圧電素子が複数個重ねられた積層圧電素子Ｄ１の断面図である。符号１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅは圧電セラミックスであり、符号２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは電極である。圧電セラミックス１ａ、１ｃ、１ｅの分極方向は圧電セラミックス１ｂ、１ｃの分極方向と反対方向を向いている。すなわち、隣接する圧電セラミックスの分極方向は互いに反対方向を向いている。電極２ｂ、２ｄ、２ｆは交流電源Ａの端子３に接続され、電極２ａ、２ｃ、２ｅは端子４に接続されている。

積層圧電素子Ｄ１に接続されている交流電源Ａから供給される駆動交流電圧も図１３に示される波形を有している。端子４側を基準にして端子３側を正電圧にしたとき、圧電セラミックス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅには分極方向の順方向最大電圧が印加されて、圧電セラミックス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの膜厚は電圧方向に伸張する。一方、端子４側を基準にして端子３側が負電圧になったとき、圧電セラミックス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅには分極方向と反対方向の逆方向最大電圧が印加されて、圧電セラミックス１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの膜厚は電圧方向に収縮する。

図１１は図９に示された圧電素子Ｄと同様の圧電素子が２個重ねられた圧電素子Ｄ３の断面図である。符号１ｆ、１ｇは圧電セラミックスであり、符号２ｇ、２ｈ、２ｉは電極である。圧電セラミックス１ｆの分極方向と圧電セラミックス１ｇの分極方向は同一方向である。電極２ｇ、２ｉは交流電源Ａの端子３に接続され、電極２ｈは端子４に接続されている。このような積層圧電素子Ｄ３は並列型のバイモルフ圧電素子といわれる。なお、電極２ｈの中央部に金属板部を設けることも多い。

積層圧電素子Ｄ３に接続されている交流電源Ａから供給される駆動交流電圧も図１３に示される波形を有している。端子４側を基準にして端子３側が正電圧になったとき、圧電セラミックス１ｇには分極方向の順方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｇの膜厚は電圧方向に伸張し、電圧方向と直交する方向に収縮。また、圧電セラミックス１ｆには分極方向と反対方向の逆方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｆの膜厚は電圧方向に収縮し、電圧方向と直交する方向に伸張する。一方、端子４側を基準にして端子３側が負電圧になったとき、圧電セラミックス１ｇには逆方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｇの膜厚は電圧方向に収縮し、電圧方向と直交する方向に伸張する。また、圧電セラミックス１ｆには順方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｆの膜厚は電圧方向に伸張し、電圧方向と直交する方向に収縮する。このような圧電セラミックス１ｇ、１ｆの伸張、収縮により積層圧電素子Ｄ３は屈曲運動をする。

図１２は図９に示された圧電素子Ｄと同様の圧電素子が２個重ねられた積層圧電素子Ｄ４の断面図である。符号１ｈ、１ｉは圧電セラミックスであり、符号２ｊ、２ｋ、２ｌは電極である。圧電セラミックス１ｈの分極方向と圧電セラミックス１ｉの分極方向は反対方向である。電極２ｌは交流電源Ａの端子３に接続され、電極２ｊは端子４に接続されている。このような積層圧電素子Ｄ４は直列型のバイモルフ圧電素子といわれる。なお、電極２ｋの中央部に金属板部を設けることも多い。

積層圧電素子Ｄ４に接続されている交流電源Ａから供給される駆動交流電圧も図１３に示される波形を有している。端子４側を基準にして端子３側が正電圧になったとき、圧電セラミックス１ｉには分極方向の順方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｉの膜厚は電圧方向に伸張し、電圧方向と直交する方向に収縮する。また、圧電セラミックス１ｈには分極方向と反対方向の逆方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｈの膜厚は電圧方向に収縮し、電圧方向と直交する方向に伸張する。一方、端子４側を基準にして端子３側が負電圧になったとき、圧電セラミックス１ｉには逆方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｉの膜厚は電圧方向に収縮し、電圧方向と直交する方向に伸張する。また、圧電セラミックス１ｈには順方向最大電圧が印加されて圧電セラミックス１ｈの膜厚は電圧方向に伸張し、電圧方向と直交する方向に収縮する。このような圧電セラミックス１ｉ、１ｈの伸張、収縮により積層圧電素子Ｄ４は屈曲運動をする。

これらの圧電素子は特許文献１（特開平４−２４５４８８号公報）、特許文献２（特開平６−２３２４６９号公報）に記載されている。
特開平４−２４５４８８号公報 特開平６−２３２４６９号公報

分極処理された圧電セラミックスには、分極方向と反対方向に一定の値以上の電界（電圧と膜厚の積）を加えると分極が消失するという性質を有している。分極が消失する逆方向最大電界を抗電界強度という。従って、分極方向と反対側の逆方向最大電圧を抗電界強度に基づいて一定の値より小さくする必要がある。

交流電源Ａを用いる従来の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法及び駆動装置の場合、印加される駆動交流電圧は正側の最大電圧の絶対値と負側の最大電圧の絶対値が同じ値である。このため、圧電セラミックスに印加する順方向最大電圧も、抗電界強度によって規定される逆方向最大電圧と最大でも同じ値しかとることができないという制限が生じていた。なお、通常、順方向最大電圧は逆方向最大電圧より２０％以上小さくしていた。この点を改良するために、特許文献１記載の発明では、分極方向が異なる複数の圧電セラミックスを直列接続した圧電素子に電圧をかけると、圧電セラミックスのヒステリシスにより順方向最大電圧が逆方向最大電圧より大きくなるという性質を利用して、圧電素子により大きな電圧を印加することができることが記載されている。

また、特許文献２には駆動電圧にバイアス電圧を重畳させることにより、分極消失を生じにくくすることが記載されている。

しかし、特許文献１に記載の圧電素子は圧電セラミックスのヒステリシスを利用するために圧電素子にかけることのできる最大電圧が圧電セラミックスの材料によって大きく規定されてしまうという問題があった。また、特許文献２に記載の圧電素子は駆動電源がひとつのものであり積層圧電素子やバイモルフ型圧電素子を駆動するための最適な駆動電圧を供給することが出来ないものであった。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、圧電素子などの電気機械エネルギー変換素子に適切な駆動用の駆動交流電圧を供給して、電気機械エネルギー変換素子の膜厚変位を大きくすることができる電気機械エネルギー変換素子の駆動方法及び駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法は、一方向に分極処理され、分極方向と交差する方向の両端面に電極が設けられ、前記電極間への電圧の印加により膜厚が変化する電気機械エネルギー変換素子の、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値を、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくすることを特徴とするものである。

前記電気機械エネルギー変換素子は例えば圧電素子である。
本発明によれば電気機械エネルギー変換素子の分極消失を防止しつつ、膜厚の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧によって電気機械エネルギー変換素子の疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、電気機械エネルギー変換素子の使用温度を高くすることができる。

なお、本発明では駆動交流電圧の波形の正側を正電圧とし負側を負電圧とする。そして、圧電セラミックスの分極方向に上昇する電圧を順方向電圧とし分極方向と反対方向に上昇する電圧を逆方向電圧とする。

本発明では、前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が同一方向となるように重ねた積層体を用いることができる。

そして、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、位相が異なる駆動交流電圧を印加することによりバイモルフ型の電気機械エネルギー変換素子を駆動することができる。本発明では、前記電気機械エネルギー変換素子のそれぞれに位相の異なる駆動交流電圧を供給するので、それぞれの電気機械エネルギー変換素子に最適な大きさの順方向最大電圧及び逆方向最大電圧を印加することができる。

あるいは、本発明では、隣接する前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が反対方向となるように重ねた積層体を用いることができる。

この場合、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、電圧の正負が反対の駆動交流電圧を印加することにより、電気機械エネルギー変換素子の、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値を、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくすることができる。

そして、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、位相が異なる駆動交流電圧を印加することによりバイモルフ型の電気機械エネルギー変換素子を駆動することができる。

あるいは、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、同位相の駆動交流電圧を印加することにより、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子が同時に伸張しかつ同時に収縮する積層型の電気機械エネルギー変換素子を駆動することができる。

また、前記積層型の電気機械エネルギー変換素子を駆動するとき、２つの前記電気機械エネルギー変換素子からなる前記積層体を他の電気機械エネルギー変換素子を介して重ねることにより、積層数を増やすことが出来る。このとき、前記他の電気機械エネルギー変換素子にも、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きい駆動交流電圧を印加することが好ましい。

前記他の電気機械エネルギー変換素子の分極方向は隣接する電気機械エネルギー変換素子の分極方向と反対方向を向いていることが好ましい。

本発明では、前記順方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より大きいことが好ましい。

また、前記逆方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より小さいことが好ましい。

前述したように、本発明では、前記電気機械エネルギー変換素子の使用温度を高くすることができる。電気機械エネルギー変換素子が圧電素子であるときに、圧電素子のキュリー温度に近い温度で圧電素子を使用することができる。従って、本発明ではキュリー温度の低い圧電素子、例えばチタン酸バリウム又はチタン酸バリウムを主成分とする鉛非含有の材料を用いることができる。鉛を含有しない材料は環境負荷が小さい。

また、本発明の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置は、一方向に分極処理され、分極方向と交差する方向の両端面に電極が設けられ、前記電極間への電圧の印加により膜厚が変化する電気機械エネルギー変換素子と前記電気機械エネルギー変換素子に駆動交流電圧を印加する交流電源を有し、
前記駆動交流電圧の、前記電気機械エネルギー変換素子の前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくなっていることを特徴とするものである。

前記電気機械エネルギー変換素子は例えば圧電素子である。
本発明では、前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が同一方向となるように重ねた積層体を有する電気機械エネルギー変換素子の駆動装置を構成できる。この場合、前記電気機械エネルギー変換素子１個につき前記交流電源を１個接続し、それぞれの交流電源がそれぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に位相が異なる駆動交流電圧を印加することによりバイモルフ型の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置を構成できる。

あるいは、本発明では、前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が反対方向となるように重ねた積層体を構成する電気機械エネルギー変換素子の駆動装置を構成できる。

この場合、前記電気機械エネルギー変換素子１個につき前記交流電源を１個接続し、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、電圧の正負が反対の駆動交流電圧を印加することにより、電気機械エネルギー変換素子の、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値を、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくすることができる。

そして、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、位相が異なる駆動交流電圧を印加することによりバイモルフ型の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置を構成することができる。

あるいは、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、同位相の駆動交流電圧を印加することにより、それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子が同時に伸張しかつ同時に収縮する積層型の機械エネルギー変換素子の駆動装置を構成できる。

また、前記積層型の電気機械エネルギー変換素子を構成するとき、２つの前記電気機械エネルギー変換素子からなる前記積層体を他の電気機械エネルギー変換素子を介して重ねることにより、積層数を増やすことが出来る。このとき、前記他の電気機械エネルギー変換素子にも、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きい駆動交流電圧を印加することが好ましい。

前記他の電気機械エネルギー変換素子の分極方向は隣接する電気機械エネルギー変換素子の分極方向と反対方向を向いていることが好ましい。

本発明では、前記順方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より大きいことが好ましい。

また、前記逆方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より小さいことが好ましい。

本発明ではキュリー温度の低い圧電素子、例えばチタン酸バリウム又はチタン酸バリウムを主成分とする鉛非含有の材料を用いることができる。鉛を含有しない材料は環境負荷が小さい。

本発明によれば電気機械エネルギー変換素子の分極消失を防止しつつ、膜厚の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧によって電気機械エネルギー変換素子の疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、電気機械エネルギー変換素子の使用温度を高くすることができる。

図１は本発明の実施の形態を説明するための模式図である。
図１に示される圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）１０は圧電セラミックス１１の上面と下面に電極１２及び電極１２が設けられているものである。圧電セラミックス１は厚み方向に分極処理されている。従って、圧電セラミックス１１の分極方向と交差する方向の両端面に電極１２，１２が設けられている。電極１２，１２は交流電源Ａ１に接続されている。電圧の上昇方向と圧電セラミックス１１の分極方向が一致したとき圧電素子１０は電圧方向に膜厚が伸張し、電圧の上昇方向と圧電セラミックス１１の分極方向が反対向きのとき圧電素子１０は電圧方向に収縮する。後述するように、本発明では、図１に示される圧電素子１０と交流電源の様々な組み合わせによって、積層型の圧電素子やバイモルフ型の圧電素子を構成する。

交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧は図５に示されるような正弦波であるが、正電圧方向にバイアスがかけられており、圧電セラミックス１１の分極方向（図示矢印方向）に印加する順方向最大電圧の絶対値Ｖ１を前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２よりも大きくしている。

分極処理された圧電セラミックスには、分極方向と反対方向に一定の値以上の電界（電圧と膜厚の積）を加えると分極が消失するという性質を有している。分極が消失する逆方向最大電界を抗電界強度という。従って、分極方向と反対側の逆方向最大電圧を抗電界強度に基づいて一定の値より小さくする必要がある。

本発明では、分極方向（図示矢印方向）に印加する順方向最大電圧の絶対値Ｖ１を前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２よりも大きくしている。これによって、圧電セラミックス１１の分極消失を防止しつつ、膜厚ｔ１の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧Ｖ１によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、分極の低下を抑制できる。

本発明では、順方向最大電圧の絶対値Ｖ１を圧電セラミックス１１の分極が消失する抗電界（例えば６４０ｋＶ・ｍ）に膜厚ｔ１をかけた値より大きくすることができる。

なお、逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２が圧電セラミックス１１の分極が消失する抗電界に膜厚ｔ１をかけた値より小さいことが好ましい。特に、逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２が圧電セラミックス１１の分極が消失する抗電界に膜厚ｔ１をかけた値の７０％より小さいとより好ましい。ただし、本発明では、順方向最大電圧によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２を抗電界に膜厚ｔ１をかけた値により近づけることも可能である。

例えば、圧電セラミックス１１の抗電界（の絶対値）が６４０ｋＶ・ｍであった場合、本発明では、分極方向の最大電界を１０００ｋＶ・ｍにし、分極方向と反対方向の最大電界（の絶対値）を５００ｋＶ・ｍとすることができる。従来は、分極方向の最大電界を分極方向と反対方向の最大電界より大きくすることができなかったため、分極方向の最大電界と分極方向と反対方向の最大電界はともに絶対値で４５０ｋＶ・ｍ以下にしていた。

また、駆動中に疑似的な分極処理を行うことができると、圧電素子の使用温度を高くすることができる。従って、圧電素子のキュリー温度（分極が消失する温度）に近い温度で圧電素子を使用することができる。例えば、使用温度を絶対温度でＴｕ（Ｋ）、キュリー温度を絶対温度でＴｃ（Ｋ）としたとき、Ｔｕ≧０．８×Ｔｃさらには、Ｔｕ≧０．９×Ｔｃにすることができる。

このため、圧電セラミックス１１の材料にキュリー温度が約１３５℃と低いチタン酸バリウムを用いることができる。チタン酸バリウムは鉛を含有していないため環境負荷の少ない材料である。ただし、本発明では圧電セラミックス１１をＰｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ_３系のＰＺＴによって形成することも可能である。

チタン酸バリウム、チタン酸バリウムを主成分とする鉛非含有の材料やＰＺＴの単板（厚さ０．２μｍ）または積層板の両面にＡｇ電極ペーストを印刷塗布したのち所定温度で焼結して電極１２，１２を形成する。その後図示矢印方向に電圧をかけて圧電セラミックス１１を分極させる。分極処理は１２００ｋＶ・ｍで行った。

図１に示される圧電素子１０と交流電源の様々な組み合わせによって、積層型の圧電素子やバイモルフ型の圧電素子を構成することができる。

圧電素子１０を積層するとき、圧電セラミックス１１の分極方向が同一方向となるように重ねるか、圧電セラミックス１１の分極方向が反対方向となるように重ねるかのいずれかが選択できる。

２個の圧電素子１０を圧電セラミックス１１の分極方向が同一方向となるように重ねることにより図２に示されるバイモルフ型の圧電素子２０を構成することができる。

図２は図１に示された圧電素子１０と同様の圧電素子が２個重ねられた積層圧電素子２０の断面図である。符号１１ａ、１１ｂは圧電セラミックスであり、符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは電極である。圧電セラミックス１１ａの分極方向と圧電セラミックス１１ｂの分極方向は同一方向である。圧電セラミックス１１ａの電極１２ａと電極１２ｂはそれぞれ交流電源Ａ１の端子３１と端子３２に接続され、圧電セラミックス１１ｂの電極１２ｂと１２ｃはそれぞれ交流電源Ｄ１の端子３３と端子３４に接続されている。交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧は図５に示される波形を有し、交流電源Ｄ１から供給される駆動交流電圧は図８に示される波形を有している。

図５に示される波形と図８に示される波形は正弦波であり、位相が１８０度（２π）ずれていて、両方とも正電圧側にバイアスがかけられている。なお、図５に示される駆動交流電圧の波形は端子３１を基準にしたときの端子３２側の電圧値の波形であり、図８に示される駆動交流電圧の波形は端子３３を基準にしたときの端子３４側の電圧値の波形である。

図５と図８からの横軸は同じスケールなので、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最大正電圧Ｖ１のとき、交流電源Ｄ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ３をとる。このとき、圧電セラミックス１１ａには順方向最大電圧Ｖ１が印加されて圧電セラミックス１１ａの膜厚は電圧方向に伸張し、圧電セラミックス１１ｂには逆方向最大電圧Ｖ３が印加されて圧電セラミックス１１ａの膜厚は電圧方向に収縮する。

また、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ２のとき、交流電源Ｄ１から供給される駆動交流電圧が最大正電圧Ｖ４をとる。このときは圧電セラミックス１１ａには逆方向最大電圧Ｖ２が印加されて圧電セラミックス１１ａの膜厚は電圧方向に収縮し、圧電セラミックス１１ｂには逆方向最大電圧Ｖ４が印加されて圧電セラミックス１１ａの膜厚は電圧方向に伸張する。このような圧電セラミックス１１ａ、１１ｂの伸張、収縮により積層圧電素子Ｄ３は屈曲運動をする。

なお、本発明では駆動交流電圧の波形の正側を正電圧とし負側を負電圧とする。そして、圧電セラミックスの分極方向に上昇する電圧を順方向電圧とし分極方向と反対方向に上昇する電圧を逆方向電圧とする。

本実施の形態では、分極方向（図示矢印方向）に印加する順方向最大電圧の絶対値Ｖ１、Ｖ４を前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２、Ｖ３よりも大きくしている。これによって、圧電セラミックス１１ａ、１１ｂの分極消失を防止しつつ、膜厚の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、分極の低下を抑制できる。

あるいは、２個の圧電素子１０を圧電セラミックス１１の分極方向が逆方向となるように重ねることによって図３に示されるバイモルフ型の圧電素子２１を構成することができる。

図３は図１に示された圧電素子１０と同様の圧電素子が２個重ねられた積層圧電素子２１の断面図である。符号１１ｃ、１１ｄは圧電セラミックスであり、符号１２ｄ、１２ｅ、１２ｆは電極である。圧電セラミックス１１ｃの分極方向と圧電セラミックス１１ｄの分極方向は逆方向である。圧電セラミックス１１ｃの電極１２ｄと電極１２ｅはそれぞれ交流電源Ｃ１の端子３５と端子３６に接続され、圧電セラミックス１１ｄの電極１２ｅと１２ｆはそれぞれ交流電源Ａ１の端子３７と端子３８に接続されている。交流電源Ｃ１から供給される駆動交流電圧は図７に示される波形を有し、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧は図５に示される波形を有している。

図５に示される波形と図７に示される波形は正弦波であり、同位相である。図５に示される波形の駆動交流電圧は正電圧側にバイアスがかけられ、図７に示される波形の駆動交流電圧は負電圧側にバイアスがかけられている。なお、図７に示される駆動交流電圧の波形は端子３５を基準にしたときの端子３６側の電圧値の波形であり、図５に示される駆動交流電圧の波形は端子３７を基準にしたときの端子３８側の電圧値の波形である。

図５と図７の横軸は同じスケールなので、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最大正電圧Ｖ１のとき、交流電源Ｃ１から供給される駆動交流電圧も最大正電圧Ｖ５をとる。このとき、圧電セラミックス１１ｄには順方向最大電圧Ｖ１が印加されて圧電セラミックス１１ｄの膜厚は電圧方向に伸張し、圧電セラミックス１１ｃには逆方向最大電圧Ｖ５が印加されて圧電セラミックス１１ｃの膜厚は電圧方向に収縮する。

また、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ２のとき、交流電源Ｃ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ６をとる。このときは圧電セラミックス１１ｄには逆方向最大電圧Ｖ２が印加されて圧電セラミックス１１ｄの膜厚は電圧方向に収縮し、圧電セラミックス１１ｃには順方向最大電圧Ｖ６が印加されて圧電セラミックス１１ｃの膜厚は電圧方向に伸張する。このような圧電セラミックス１１ｃ、１１ｄの伸張、収縮により積層圧電素子Ｄ３は屈曲運動をする。

本発明では駆動交流電圧の波形の正側を正電圧とし負側を負電圧とする。そして、圧電セラミックスの分極方向に上昇する電圧を順方向電圧とし分極方向と反対方向に上昇する電圧を逆方向電圧とする。

このため、上記したように、交流電源Ｃ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ６をとるとき圧電セラミックス１１ｃには順方向最大電圧Ｖ６がかかるといった記述をすることになる。これは、交流電源Ｃ１の端子３５を基準にしたときの端子３６側の電圧値が負の値であるとき、端子３６側を基準にしたときの端子３５の電圧値が正の値になるからである。

本実施の形態の圧電素子でも、分極方向（図示矢印方向）に印加する順方向最大電圧の絶対値Ｖ１、Ｖ６を前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２、Ｖ５よりも大きくしている。これによって、圧電セラミックス１１ｃ、１１ｄの分極消失を防止しつつ、膜厚の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、分極の低下を抑制できる。

図４は図１に示された圧電素子１０と同様の圧電素子が複数個重ねられた積層圧電素子２２の断面図である。符号１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉは圧電セラミックスであり、符号１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ、１２ｋ、１２ｌは電極である。圧電セラミックス１１ｅ、１１ｇ、１１ｉの分極方向は圧電セラミックス１１ｆ、１１ｈの分極方向と反対方向を向いている。

この圧電素子２２は、分極方向が反対方向を向くように圧電セラミックスを重ねた積層体を、圧電セラミックス１１ｇ（他の電気機械エネルギー変換素子）を介して重ねた構成である。

圧電セラミックス１１ｅの電極１２ｇと電極１２ｈはそれぞれ交流電源Ａ１の端子４０と端子４１に接続され、圧電セラミックス１１ｆの電極１２ｈと１２ｉはそれぞれ交流電源Ｂ１の端子４２と端子４３に接続されている。また、圧電セラミックス１１ｈの電極１２ｊと電極１２ｋはそれぞれ交流電源Ｂ１の端子４６と端子４７に接続され、圧電セラミックス１１ｉの電極１２ｋと１２ｌはそれぞれ交流電源Ａ１の端子４８と端子４９に接続されている。さらに、圧電セラミックス１１ｇ（他の電気機械エネルギー変換素子）の電極１２ｉと１２ｊはそれぞれ交流電源Ａ１の端子４４と端子４５に接続されている。

交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧は図５に示される波形を有し、交流電源Ｂ１から供給される駆動交流電圧は図６に示される波形を有している。

図５に示される波形と図６に示される波形は正弦波であり、同位相であるが電圧の正負が反対になっている。図５に示される波形の駆動交流電圧は正電圧側にバイアスがかけられ、図６に示される波形の駆動交流電圧は負電圧側にバイアスがかけられている。なお、図５に示される駆動交流電圧の波形は端子４０、４４、または４８を基準にしたときの端子４１、４５、または４９側の電圧値の波形であり、図６に示される駆動交流電圧の波形は端子４２又は４６を基準にしたときの端子４３又は４７側の電圧値の波形である。

図５と図７の横軸は同じスケールなので、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最大正電圧Ｖ１のとき、交流電源Ｂ１から供給される駆動交流電圧は最小負電圧Ｖ７をとる。このとき、圧電セラミックス１１ｅ、１１ｇ、１１ｉには順方向最大電圧Ｖ１が印加されて圧電セラミックス１１ｅ、１１ｇ、１１ｉの膜厚は電圧方向に伸張する。

同時点で交流電源Ｂ１は端子４２又は４６を基準にしたときの端子４３又は４７側の電圧値が負の値になっている。これは端子４３又は４７側を基準にしたときの端子４２又は４６の電圧値が正の値になっているということである。すなわち、圧電セラミックス１１ｆ、１１ｈにも順方向最大電圧Ｖ７が印加されて圧電セラミックス１１ｆ、１１ｈの膜厚も電圧方向に伸張する。

また、交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧が最小負電圧Ｖ２のとき、交流電源Ｂ１から供給される駆動交流電圧は最大正電圧Ｖ８をとる。このときは圧電セラミックス１１ｅ、１１ｇ、１１ｉには逆方向最大電圧Ｖ２が印加されて圧電セラミックス１１ｅ、１１ｇ、１１ｉの膜厚は電圧方向に収縮し、圧電セラミックス１１ｆ、１１ｈにも逆方向最大電圧Ｖ８が印加されて圧電セラミックス１１ｆ、１１ｈの膜厚は電圧方向に収縮する。

すなわち、圧電素子２２はすべての圧電セラミックス１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉが同時に伸張し、また同時に収縮するものである。

なお、本発明では駆動交流電圧の波形の正側を正電圧とし負側を負電圧とする。そして、圧電セラミックスの分極方向に上昇する電圧を順方向電圧とし分極方向と反対方向に上昇する電圧を逆方向電圧とする。

本実施の形態の圧電素子でも、分極方向（図示矢印方向）に印加する順方向最大電圧の絶対値Ｖ１、Ｖ７を前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値Ｖ２、Ｖ８よりも大きくしている。これによって、圧電セラミックス１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉの分極消失を防止しつつ、膜厚の変位を増大させることが可能である。また、絶対値の大きい前記順方向最大電圧によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、分極の低下を抑制できる。

なお、図２ないし図４に示された圧電素子２０、２１、２２の圧電セラミックス１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉの材料は図１に示された圧電セラミックス１１の材料と同じである。また、電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ、１２ｋ、１２ｌの材料も電極１２と同じＡｇ電極ペーストで形成する。

また、圧電セラミックスを電極を介して積層する方法としては、電極が塗布形成された圧電セラミックスを接着固定する方法や、圧電セラミックスをＡｇ電極ペーストを介して積層した状態で焼結する方法を用いることができる。

図２ないし図４に示された圧電素子２０、２１、２２でも、順方向最大電圧の絶対値を、抗電界（例えば６４０ｋＶ・ｍ）に圧電セラミックスの膜厚をかけた値より大きくすることができる。なお、逆方向最大電圧の絶対値が、抗電界に圧電セラミックスの膜厚をかけた値より小さいことが好ましい。特に、逆方向最大電圧の絶対値が、抗電界に圧電セラミックスの膜厚をかけた値の７０％より小さいことがより好ましい。ただし、本発明では、順方向最大電圧によって圧電セラミックスの疑似的な分極処理を駆動中に行うことができるため、逆方向最大電圧の絶対値を、抗電界に前記膜厚をかけた値または抗電界に前記膜厚をかけた値の７０％より大きくすることも可能である。

例えば、圧電セラミックスの抗電界（の絶対値）が６４０ｋＶ・ｍであった場合、本発明では、分極方向の最大電界を１０００ｋＶ・ｍにし、分極方向と反対方向の最大電界（の絶対値）を５００ｋＶ・ｍとすることができる。

また、駆動中に疑似的な分極処理を行うことができると、圧電素子の使用温度を高くすることができるので、圧電セラミックスの材料にキュリー温度が約１３５℃と低いチタン酸バリウムを用いることができる。チタン酸バリウムは鉛を含有していないため環境負荷の少ない材料である。ただし、本発明では圧電セラミックスをＰｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ_３系のＰＺＴによって形成することも可能である。

また、圧電セラミックス一つ一つに駆動交流電源を接続して、各圧電セラミックスに最適な駆動交流電圧を印加することにより、圧電セラミックスの分極消失を確実に防止しつつ、膜厚の変位を最大化させることが可能である。

本発明の実施の形態を説明するための模式図、 本発明の電気機械エネルギー変換素子の実施の形態である圧電素子を説明するための模式図、 本発明の電気機械エネルギー変換素子の実施の形態である圧電素子を説明するための模式図、 本発明の電気機械エネルギー変換素子の実施の形態である圧電素子を説明するための模式図、 交流電源Ａ１から供給される駆動交流電圧の波形を示すグラフ、 交流電源Ｂ１から供給される駆動交流電圧の波形を示すグラフ、 交流電源Ｃ１から供給される駆動交流電圧の波形を示すグラフ、 交流電源Ｄ１から供給される駆動交流電圧の波形を示すグラフ、 従来の電気機械エネルギー変換素子（圧電素子）を説明するための模式図、 従来の電気機械エネルギー変換素子（圧電素子）を説明するための模式図、 従来の電気機械エネルギー変換素子（圧電素子）を説明するための模式図、 従来の電気機械エネルギー変換素子（圧電素子）を説明するための模式図、 交流電源Ａから供給される駆動交流電圧の波形を示すグラフ、

符号の説明

１０、２１、２２、２３ 圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）
１１ 圧電セラミックス
１２ 電極
３１、３２、３３、３４ 端子
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１ 駆動交流電源

Claims (24)

1. 一方向に分極処理され、分極方向と交差する方向の両端面に電極が設けられ、前記電極間への電圧の印加により膜厚が変化する電気機械エネルギー変換素子の、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値を、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくすることを特徴とする電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
2. 前記電気機械エネルギー変換素子が圧電素子である請求項１記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
3. 前記電気機械エネルギー変換素子を、分極方向が同一方向となるように重ねた積層体を構成する請求項１または２記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
4. それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、位相が異なる駆動交流電圧を印加する請求項３記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
5. 隣接する前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が反対方向となるように重ねた積層体を構成する請求項１または２記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
6. それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、電圧の正負が反対の駆動交流電圧を印加する請求項５記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
7. それぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、位相が異なる駆動交流電圧を印加する請求項６記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
8. 前記積層体を他の電気機械エネルギー変換素子を介して重ね、前記他の電気機械エネルギー変換素子にも、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きい駆動交流電圧を印加する請求項１ないし７のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
9. 前記他の電気機械エネルギー変換素子の分極方向は隣接する電気機械エネルギー変換素子の分極方向と反対方向を向いている請求項８記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
10. 前記順方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より大きい請求項１ないし９のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
11. 前記逆方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より小さい請求項１ないし１０のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
12. 前記圧電素子がチタン酸バリウムを主成分とする鉛非含有の材料によって形成されている請求項１ないし１１のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動方法。
13. 一方向に分極処理され、分極方向と交差する方向の両端面に電極が設けられ、前記電極間への電圧の印加により膜厚が変化する電気機械エネルギー変換素子と前記電気機械エネルギー変換素子に駆動交流電圧を印加する交流電源を有し、
    前記駆動交流電圧の、前記電気機械エネルギー変換素子の前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が、前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きくなっていることを特徴とする電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
14. 前記電気機械エネルギー変換素子が圧電素子である請求項１３記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
15. 前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が同一方向となるように重ねた積層体を有する、請求項１３または１４に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
16. 前記電気機械エネルギー変換素子１個につき前記交流電源が１個接続されており、それぞれの交流電源がそれぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に位相が異なる駆動交流電圧を印加する請求項１５に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
17. 前記電気機械エネルギー変換素子を分極方向が反対方向となるように重ねた積層体を構成する請求項１３または１４に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
18. 前記電気機械エネルギー変換素子１個につき前記交流電源が１個接続されており、それぞれの交流電源がそれぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に、電圧の正負が反対の駆動交流電圧を印加する請求項１７に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
19. それぞれの前記交流電源がそれぞれの前記電気機械エネルギー変換素子に位相が異なる駆動交流電圧を印加する請求項１８に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
20. 前記積層体を他の電気機械エネルギー変換素子を介して重ね、前記他の電気機械エネルギー変換素子にも、前記分極方向に印加する順方向最大電圧の絶対値が前記分極方向と反対方向に印加する逆方向最大電圧の絶対値よりも大きい駆動交流電圧を印加する交流電源が接続されている請求項１５ないし１９のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
21. 前記他の電気機械エネルギー変換素子の分極方向は隣接する電気機械エネルギー変換素子の分極方向と反対方向を向いている請求項２０に記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
22. 前記順方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より大きい請求項１３ないし２１のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
23. 前記逆方向最大電圧の絶対値が、電気機械エネルギー変換素子の分極が消失する抗電界に前記電気機械エネルギー変換素子の膜厚をかけた値より小さい請求項１３ないし２２のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。
24. 前記圧電素子がチタン酸バリウムを主成分とする鉛非含有の材料によって形成されている請求項１３ないし２３のいずれかに記載の電気機械エネルギー変換素子の駆動装置。

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