JP2009277822A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator formed by bonding a pair of piezoelectric bodies to the front and back of a shim made of a thin metal plate.
例えば圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源(振動発生素子)として用いられる圧電アクチュエータは、特許文献1〜3に記載されたように、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる。圧電体は、その表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると、一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小する性質がある。このため、圧電体の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が延びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。
このような圧電アクチュエータは、連続駆動時間が長くなると、誘電損失により圧電体の温度が上昇し、圧電体の分極特性が一部消滅してしまう問題がある。減極(消極)が生じた場合には、振動量が低減し、初期の振動特性を維持することができない。このため、従来の圧電アクチュエータは連続駆動時間が短く制限され、長時間駆動に向いていなかった。 Such a piezoelectric actuator has a problem that when the continuous driving time becomes long, the temperature of the piezoelectric body rises due to dielectric loss, and the polarization characteristics of the piezoelectric body partially disappear. When depolarization (depolarization) occurs, the amount of vibration is reduced and the initial vibration characteristics cannot be maintained. For this reason, the conventional piezoelectric actuator has a short continuous drive time and is not suitable for a long time drive.
本発明は、圧電体の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータを得ることを目的とする。 It is an object of the present invention to obtain a piezoelectric actuator that can maintain good polarization characteristics of a piezoelectric body and is suitable for long-time driving.
本発明は、シム表裏の圧電体の片側のみを交流電圧で駆動させ、振動変位が減少する前にあるいは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、駆動させる圧電体を切り替えれば、温度上昇による圧電体の分極特性の劣化及び振動特性の劣化を防止できること、そして、駆動させていない側の圧電体が振動加速度を増大させる作用をすることに着目して完成されたものである。 According to the present invention, if only one side of the shim front and back piezoelectric bodies is driven with an AC voltage and the piezoelectric body to be driven is switched before the vibration displacement is reduced or before the temperature rise of the piezoelectric body is increased, The present invention has been completed by paying attention to the fact that deterioration of the polarization characteristics and vibration characteristics of the body can be prevented, and that the piezoelectric body on the non-driven side acts to increase vibration acceleration.
すなわち、本発明は、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、一対の圧電体の片側のみに交流電圧を印加し、この交流電圧を印加する圧電体を、該交流電圧の周期よりも長い一定時間毎に切り替える切替給電手段を設けたことを特徴としている。 That is, according to the present invention, in a piezoelectric actuator in which a pair of piezoelectric bodies are bonded to the front and back of a shim made of a thin metal plate, an AC voltage is applied only to one side of the pair of piezoelectric bodies, The switching power supply means is provided for switching at regular intervals longer than the cycle of the AC voltage.
圧電体の連続駆動時間が長くなるほど、圧電体の誘電損失による温度上昇は大きくなり、圧電体の減極によって振動変位及び振動加速度は減少する傾向がある。よって、上記一定時間は、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動変位が所定値まで減少する時間に基づいて設定することが好ましい。または、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動加速度が所定値まで減少する時間に基づいて設定されていることが好ましい。或いは、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに該圧電体の温度が所定温度まで上昇する時間に基づいて設定することが好ましい。この態様によれば、振動変位が大きく減少する前に或いは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、交流電圧で駆動させる圧電体を切り替えることができる。 As the continuous driving time of the piezoelectric body becomes longer, the temperature rise due to the dielectric loss of the piezoelectric body increases, and the vibration displacement and vibration acceleration tend to decrease due to the depolarization of the piezoelectric body. Therefore, the predetermined time is preferably set in advance based on the time during which the vibration displacement decreases to a predetermined value when the piezoelectric body on one side is continuously driven with an AC voltage. Alternatively, it is preferably set in advance based on the time during which the vibration acceleration decreases to a predetermined value when the piezoelectric body on one side is continuously driven with an AC voltage. Alternatively, it is preferable to set in advance based on the time during which the temperature of the piezoelectric body rises to a predetermined temperature when the piezoelectric body on one side is continuously driven with an alternating voltage. According to this aspect, it is possible to switch the piezoelectric body to be driven by the AC voltage before the vibration displacement is greatly reduced or before the temperature rise of the piezoelectric body is increased.
切替給電手段は、一方の圧電体に交流電圧を印加する第1の給電経路と、他方の圧電体に交流電圧を印加する第2の給電経路とを切り替えるスイッチ手段とすることが実際的である。 It is practical that the switching power supply means is a switch means for switching between a first power supply path for applying an AC voltage to one piezoelectric body and a second power supply path for applying an AC voltage to the other piezoelectric body. .
本発明によれば、シム表裏の圧電体の片側のみが交流電圧で駆動され、振動変位が大きく減少する前に或いは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、駆動される圧電体が切り替わるので、圧電体の温度が過度に上昇することなく、圧電体の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータを得ることができる。 According to the present invention, only one side of the piezoelectric body on the front and back of the shim is driven with an AC voltage, and the driven piezoelectric body is switched before the vibration displacement is greatly reduced or the temperature rise of the piezoelectric body is increased. Without excessively increasing the temperature of the piezoelectric body, the polarization characteristics of the piezoelectric body can be maintained well, and a piezoelectric actuator suitable for long-time driving can be obtained.
図1は、本発明による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。圧電アクチュエータ10は、金属薄板からなるシム11と、シム11の表裏に接着した一対の圧電体12とを備えている。具体的に、シム11は厚さ0.2mm程度のステンレス薄板で構成され、一対の圧電体12は厚さ0.3mm程度のPZT(Pb(Zr、Ti)O3)で構成されている。この圧電アクチュエータ10は、例えば圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源(振動発生素子)として用いられる。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a piezoelectric actuator according to the present invention. The
一対の圧電体12には、その表裏方向(厚さ方向)に分極処理が施されている。図1において一対の圧電体12の分極方向を矢印aまたはbで表すと、シム11の板厚方向に同一方向の分極処理が施されている。一対の圧電体12の両面には全面的に膜状電極13が形成されており、シム11側の面(シム11との接着面)はシム11と全面的に導通するように接着されている。膜状電極13は、例えばAgPdなどの導電ペーストを印刷及び焼き付けることで形成される。膜状電極の材料や形成方法は周知である。シム表面側の圧電体12Aの露出面(膜状電極13)には表面側導体14Aが接続され、シム裏面側の圧電体12Bの露出面(膜状電極13)には裏面側導体14Bが接続されている。
The pair of
シム11には、シム側導体15を介して交流電源16が接続されている。交流電源16は、圧電体12に印加する交流電圧(駆動電圧)を生じさせる。交流電源16の他端側には共通導体17が接続されている。
An
以上の圧電アクチュエータ10は、共通導体17、表面側導体14A及び裏面側導体14Bの間に、切替給電手段としての切替スイッチ20を備えている。切替スイッチ20は、共通導体17に対して表面側導体14Aと裏面側導体14Bを択一的に接続するスイッチである。この切替スイッチ20は、交流電源16からの交流電圧の周期(圧電アクチュエータ10の振動周期)よりも十分に長い一定時間毎に、スイッチ状態が変化して一対の圧電体12への給電経路を切り替え、交流電圧で駆動させる圧電体12を切り替える。図2は切替スイッチ20のスイッチ状態を示し、図3はシム11の変位形状を示している。なお、図2及び図3では、膜状電極13を図示省略してある。
The
切替スイッチ20が共通導体17と表面側導体14Aを接続する第1の状態にあるとき(図2(a))、矢印I1で示される第1の給電経路が形成され、シム表面側の圧電体12Aのみに交流電圧が印加される。これにより、シム表面側の圧電体12Aが交流電圧で駆動し、シム裏面側の圧電体12Bは駆動しない。シム表面側の圧電体12Aの分極方向と電圧印加方向が同一であれば、シム表面側の圧電体12Aは縮み、シム裏面側の圧電体12Bは伸縮しないので、シム11は図3(a)に示すように上側に反りかえる。電圧印加方向が逆向きであれば、シム表面側の圧電体12Aは伸び、シム裏面側の圧電体12Bは伸縮しないので、シム11は図3(b)に示すように下側に反りかえる。この繰り返しによって、シム11は振動する。この振動中、駆動していないシム裏面側の圧電体12Bは、駆動しているシム表面側の圧電体12Aのおもりとして作用し、振動加速度を増大させる(図5参照)。
When the
一方、切替スイッチ20が共通導体17と裏面側導体14Bを接続する第2の状態にあるとき(図2(b))、矢印I2で示される第2の給電経路が形成され、シム裏面側の圧電体12Bのみに交流電圧が印加される。これにより、シム裏面側の圧電体12Bが交流電圧で駆動し、シム表面側の圧電体12Aは駆動しない。シム裏面側の圧電体12Bの分極方向に対して電圧印加方向が同一であれば、シム表面側の圧電体12Aは伸縮せず、シム裏面側の圧電体12Bは縮むので、シム11は図3(b)に示すように下側に反り返る。電圧印加方向が逆向きであれば、シム表面側の圧電体12Aは伸縮せず、シム裏面側の圧電体12Bは伸びるので、シム11は図3(a)に示すように上側に反り返る。この繰り返しによって、シム11は振動する。この振動中、駆動していないシム表面側の圧電体12Aは、シム裏面側の圧電体12Bのおもりとして作用し、振動加速度を増大させる(図5参照)。
On the other hand, when the
切替スイッチ20のスイッチ状態は、タイマーにより自動的に切り替わる構成としても、外部の制御手段によって切替制御する構成としてもよい。
The switch state of the
切替スイッチ20の切替タイミングは、上述したように、圧電体12に印加する交流電圧の周期よりも十分長い一定時間毎である。交流電圧の周期は1Hz以上(1sec)〜数百Hz程度であり、交流電圧の周期よりも十分長いとは秒単位、分単位ではなく、時間単位でのことを意味する。
As described above, the changeover timing of the
図4は、図1の圧電アクチュエータ10において一対の圧電体12の片側を交流電圧(±90V、20Hz)で駆動し、駆動時間[hour]に対する振動加速度[m/s2]及び振動変位[μm]の変化を示すグラフである。図4から明らかなように、駆動開始してから数時間は振動加速度、振動変位ともに大きな劣化はなく、駆動時間が約3時間を超えて長くなるほど振動加速度、振動変位は両方とも急激に劣化している。
4 shows a
図4の特性を参照して、上記スイッチ状態を切り替える一定時間は、予め、一対の圧電体12の片側を交流電圧で連続駆動させたときに振動変位が所定値Dまで減少する時間に基づいて設定されている。所定値Dは、駆動開始時点での振動変位の70〜90%程度とすることが好ましい。本実施形態の圧電アクチュエータ10では、駆動開始から2時間まで振動加速度及び振動変位の劣化が小さいことから、2時間でスイッチ状態を切り替える構成にしてある。
Referring to the characteristics of FIG. 4, the predetermined time for switching the switch state is based on the time during which the vibration displacement decreases to a predetermined value D when one side of the pair of
図5は、圧電体12に印加する交流電圧[Vp−p]を変化させながら圧電アクチュエータ10の振動によって発生する樹脂ブロック32の振動加速度[m/s2]を測定した結果を示すグラフであり、一対の圧電体12の片側のみを駆動させた場合と両側を駆動させた場合を比較して示してある。この測定は、図6に示すように、柔らかいスポンジ31で支持された樹脂ブロック32に圧電アクチュエータ10をねじ33で固定した状態で行なわれる。加速度ピックアップ34は、樹脂ブロック32の圧電アクチュエータ10側とは反対側に設置されており、圧電アクチュエータ10の駆動中に樹脂ブロック32に生じる振動加速度を測定する。測定した振動加速度に基づき、圧電アクチュエータ10が発生している加振力がわかる。圧電体12に印加する交流電圧には、周波数50Hzの矩形波交流電圧を用いた。
FIG. 5 is a graph showing a result of measuring the vibration acceleration [m / s 2 ] of the
図5から明らかなように、片側の圧電体12のみを駆動させた場合のほうが、両側の圧電体12を駆動させた場合よりも振動加速度が大きくなっている。これは、片側の圧電体12のみを駆動させると、駆動させていない側の圧電体12が駆動させた圧電体12のおもりとして作用し、振動加速度を増大させると考えられる。圧電体12に印加する交流電圧が大きくなるほど、振動加速度は大きくなり、一対の圧電体12の片側のみを駆動させた場合と両側の圧電体12を駆動させた場合との振動加速度差も大きくなる。
As is apparent from FIG. 5, the vibration acceleration is greater when only one
以上のように本実施形態では、交流電圧の周期よりも十分長い一定時間毎に、切替スイッチ20を介して第1の給電経路と第2の給電経路が切り替えられ、交流電圧で駆動される圧電体12が替わる。このようにシム表裏の一対の圧電体12を片側ずつ駆動させれば、一対の圧電体12を両側とも駆動させた場合に比べて圧電体12の誘電損失による温度上昇を抑制でき、温度上昇による圧電体12の分極劣化を回避できる。これにより、圧電体12の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータ10が得られる。
As described above, in the present embodiment, the first power supply path and the second power supply path are switched via the
上記切替スイッチ20の切替タイミングは、本実施形態では振動変位をパラメータに用いて設定しているが、振動変位のかわりに、振動加速度または駆動させた圧電体12の温度をパラメータに用いることができる。振動加速度を利用する場合には、予め、一対の圧電体12の片側を交流電圧で連続駆動させたときに振動加速度が所定値Aまで減少する時間に基づいて設定することが好ましい。所定値Aは駆動開始時点での振動加速度の70〜90%程度とする。駆動させた圧電体12の温度を利用する場合には、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに該圧電体の温度が所定温度T1まで上昇する時間に基づいて設定することが好ましい。所定温度T1は、圧電体12の減極が生じる温度T2より低く、振動変位の大きな劣化がない温度に設定する(T1<T2)。
Although the switching timing of the
本発明による圧電アクチュエータは、圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源以外にも様々な用途に用いることができる。 The piezoelectric actuator according to the present invention can be used in various applications other than a driving source such as a piezoelectric pump and a piezoelectric vibration gyro.
10 圧電アクチュエータ
11 シム
12 圧電体
12A シム表面側の圧電体
12B シム裏面側の圧電体
13 膜状電極
14A 表面側導体
14B 裏面側導体
15 シム側導体
16 外部電源
17 共通導体
20 切替スイッチ
31 スポンジ
32 樹脂ブロック
33 ねじ
34 加速度ピックアップ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記一対の圧電体の片側のみに交流電圧を印加し、この交流電圧を印加する圧電体を、該交流電圧の周期よりも長い一定時間毎に切り替える切替給電手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator formed by bonding a pair of piezoelectric bodies to the front and back of a shim made of a thin metal plate,
A piezoelectric device comprising switching power feeding means for applying an alternating voltage only to one side of the pair of piezoelectric bodies and switching the piezoelectric body to which the alternating voltage is applied at a predetermined time longer than the period of the alternating voltage. Actuator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008126750A JP2009277822A (en) | 2008-05-14 | 2008-05-14 | Piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008126750A JP2009277822A (en) | 2008-05-14 | 2008-05-14 | Piezoelectric actuator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009277822A true JP2009277822A (en) | 2009-11-26 |
Family
ID=41442989
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008126750A Withdrawn JP2009277822A (en) | 2008-05-14 | 2008-05-14 | Piezoelectric actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009277822A (en) |
-
2008
- 2008-05-14 JP JP2008126750A patent/JP2009277822A/en not_active Withdrawn
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