JPH02201977A - 圧電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents
圧電アクチュエータの駆動方法Info
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- JPH02201977A JPH02201977A JP1019782A JP1978289A JPH02201977A JP H02201977 A JPH02201977 A JP H02201977A JP 1019782 A JP1019782 A JP 1019782A JP 1978289 A JP1978289 A JP 1978289A JP H02201977 A JPH02201977 A JP H02201977A
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- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 55
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 31
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- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
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- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野］
本発明は、分極済の圧電セラミックスに電圧を印加した
場合に生じる圧電セラミックスの変形を利用した圧電ア
クチュエータの駆動方法に関する。
場合に生じる圧電セラミックスの変形を利用した圧電ア
クチュエータの駆動方法に関する。
圧電アクチュエータは電磁ノイズの発生しない微小駆動
源として近年応用が拡大している。
源として近年応用が拡大している。
圧電アクチュエータは圧ＮＮ効果もしくは圧電横効果を
利用したものである。第１図（Ａ）に示す縦効果素子は
圧電セラミックスの長さ方向に自発分極Ｐ、が向き、こ
の方向に電界を印加して長さ方向の変位を得ている。ま
た第１図（Ｂ）に示す横効果素子は厚み方向に分極され
ており、厚み方向に電界を印加して長さ方向の変位を得
ている。
利用したものである。第１図（Ａ）に示す縦効果素子は
圧電セラミックスの長さ方向に自発分極Ｐ、が向き、こ
の方向に電界を印加して長さ方向の変位を得ている。ま
た第１図（Ｂ）に示す横効果素子は厚み方向に分極され
ており、厚み方向に電界を印加して長さ方向の変位を得
ている。
縦効果素子の電極取り出しを工夫して積層することによ
り積層縦効果素子として利用でき、また横効果素子を貼
り合わせてたわみ変形が起こるように電圧印加方向を工
夫することによりバイモルフ素子として利用することが
できる。
り積層縦効果素子として利用でき、また横効果素子を貼
り合わせてたわみ変形が起こるように電圧印加方向を工
夫することによりバイモルフ素子として利用することが
できる。
圧電セラミックスに電界Ｅを加えたとき生じるひずみＳ
は圧電方程式（１）で与えられる。
は圧電方程式（１）で与えられる。
Ｓ−”’ ｄ １ｊ’ Ｅｂ ・・・・
（Ｉ）〔式中、ｄは圧電定数であり、縦効果素子の場合
は、ａ＝３．ｉ＝３．３＝３．ｂ＝３ であり、横効
果素子の場合は、ａ＝ｌ、ｉ＝３．ｊ＝１゜ｂ＝３
である。〕 従来から圧電アクチュエータの変位量をより大きくする
ために、上記式（Ｉ）からも判るように、より大きな圧
電定数、ｄ １＋＋ ｄ ３ｘを有する材料を開発す
るため圧電セラミックスの組成改良の検討が活発に行わ
れている。しかしながら圧電定数を大きくすると、圧電
性の消失するキューリー温度が下がりすぎ、通常の使用
温度において適用出来ない等の問題が発生する。このた
め材料面からの開発には限界があり、圧電アクチュエー
タの応用拡大の上で大きな障壁となっていた。
（Ｉ）〔式中、ｄは圧電定数であり、縦効果素子の場合
は、ａ＝３．ｉ＝３．３＝３．ｂ＝３ であり、横効
果素子の場合は、ａ＝ｌ、ｉ＝３．ｊ＝１゜ｂ＝３
である。〕 従来から圧電アクチュエータの変位量をより大きくする
ために、上記式（Ｉ）からも判るように、より大きな圧
電定数、ｄ １＋＋ ｄ ３ｘを有する材料を開発す
るため圧電セラミックスの組成改良の検討が活発に行わ
れている。しかしながら圧電定数を大きくすると、圧電
性の消失するキューリー温度が下がりすぎ、通常の使用
温度において適用出来ない等の問題が発生する。このた
め材料面からの開発には限界があり、圧電アクチュエー
タの応用拡大の上で大きな障壁となっていた。
本発明者らは以上の如き従来技術の問題点を解決するた
めに鋭意研究を行った結果、圧電セラミックスよりなる
圧電アクチュエータを駆動する際、電界の向きに対する
圧電セラミックス結晶中にある自発分極の挙動特性を利
用することにより、より大きな変位量を発生する圧電ア
クチュエータの駆動方法を見出した。
めに鋭意研究を行った結果、圧電セラミックスよりなる
圧電アクチュエータを駆動する際、電界の向きに対する
圧電セラミックス結晶中にある自発分極の挙動特性を利
用することにより、より大きな変位量を発生する圧電ア
クチュエータの駆動方法を見出した。
本発明は、圧電セラミックスを用いた圧電アクチュエー
タを駆動する際、一旦、圧電セラミックスの分極方向と
逆極性の電界を抗電界値以下の範囲で印加し、しかる後
に順極性の電界を印加して駆動することを特徴とする圧
電アクチュエータの駆動方法に関する。
タを駆動する際、一旦、圧電セラミックスの分極方向と
逆極性の電界を抗電界値以下の範囲で印加し、しかる後
に順極性の電界を印加して駆動することを特徴とする圧
電アクチュエータの駆動方法に関する。
以下に添付図面である第２図〜第３図を用いて、本発明
の駆動方法を詳述する。
の駆動方法を詳述する。
第２図はＰＺＴ系圧電セラミックスの印加電界強度に対
する発生ひずみＳ、の関係を示す図である。図中３３は
縦効果ひずみを示す。第２図に示す蝶型ヒステリシス曲
線はＰＺＴセラミックス等の強誘電体セラミックスに特
有であり、その変化挙動は自発分極Ｐ、の方向が外部電
界によって変化するために生じると考えられている。第
２図中、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｈの各点における圧電セラミ
ックスの自発分極Ｐ、の分布状態を、それぞれ第３図（
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に模式的に示し
た。最初Ａ点の状態でばＰ、は等方的に分布している。
する発生ひずみＳ、の関係を示す図である。図中３３は
縦効果ひずみを示す。第２図に示す蝶型ヒステリシス曲
線はＰＺＴセラミックス等の強誘電体セラミックスに特
有であり、その変化挙動は自発分極Ｐ、の方向が外部電
界によって変化するために生じると考えられている。第
２図中、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｈの各点における圧電セラミ
ックスの自発分極Ｐ、の分布状態を、それぞれ第３図（
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に模式的に示し
た。最初Ａ点の状態でばＰ、は等方的に分布している。
これに抗電界値以上の電界を印加すると状態（Ｂ）に移
り、Ｐ、は電界方向に配列し自発ひずみの方向が揃うと
同時に圧電効果も加算され大きなひずみが観測される。
り、Ｐ、は電界方向に配列し自発ひずみの方向が揃うと
同時に圧電効果も加算され大きなひずみが観測される。
０点は電界を取り去った状態に相当し、状態（Ｂ）より
ひずみが減少する。これは電界が雰になると圧電効果が
なくなると同時に一旦配列したＰ３の方向が多少乱れる
ことに起因している。これに逆極性の電界を加えるとＰ
、の方向が初期の状Ｍ（Ａ）と同様の状態（Ｄ）を経て
状態（Ｅ）に移る。状態（Ｅ）におけるＰ、の方向は状
態（Ｂ）と１８０°異なる。
ひずみが減少する。これは電界が雰になると圧電効果が
なくなると同時に一旦配列したＰ３の方向が多少乱れる
ことに起因している。これに逆極性の電界を加えるとＰ
、の方向が初期の状Ｍ（Ａ）と同様の状態（Ｄ）を経て
状態（Ｅ）に移る。状態（Ｅ）におけるＰ、の方向は状
態（Ｂ）と１８０°異なる。
従来の駆動方法においては、縦効果素子をアクチュエー
タとして使う場合、分極済の圧電セラミックスに分極方
向と同じ極性の電界を印加してひずみを発生させており
、第２図のＢ−Ｃ間の領域で使用していることになる。
タとして使う場合、分極済の圧電セラミックスに分極方
向と同じ極性の電界を印加してひずみを発生させており
、第２図のＢ−Ｃ間の領域で使用していることになる。
すなわち順電界の電界を加えた状態のＢから電界を零に
してＣに移った後、再度順極性の電界を加えると図中の
破線を経てＢに戻る。この場合、取り出せるひずみ量は
Ｘである。この従来のアクチュエータを駆動する際の印
加電界と印加時間Ｔとの関係の一例を第６図（Ｂ）に示
す。
してＣに移った後、再度順極性の電界を加えると図中の
破線を経てＢに戻る。この場合、取り出せるひずみ量は
Ｘである。この従来のアクチュエータを駆動する際の印
加電界と印加時間Ｔとの関係の一例を第６図（Ｂ）に示
す。
一方、本発明者らはより大きいひずみ量を発生させるた
めにはどの様な自発分極の配列変化を利用すれば良いか
鋭意研究した結果、従来利用していた第２図に示すＢ
−Ｃ９５域を使用せずにＢ−Ｄ領域を利用すれば極めて
大きいひずみを発生させることができることを見出した
。
めにはどの様な自発分極の配列変化を利用すれば良いか
鋭意研究した結果、従来利用していた第２図に示すＢ
−Ｃ９５域を使用せずにＢ−Ｄ領域を利用すれば極めて
大きいひずみを発生させることができることを見出した
。
本発明は、圧電セラミックスに電界を印加した場合に生
じる圧電セラミックスの変形を第２図に示すＢ ＝ Ｄ
ｅｌｆ域を利用して取り出すことを特徴とする圧電ア
クチュエータの駆動方法に関するものである。
じる圧電セラミックスの変形を第２図に示すＢ ＝ Ｄ
ｅｌｆ域を利用して取り出すことを特徴とする圧電ア
クチュエータの駆動方法に関するものである。
より詳細に説明すれば、第２図において、本発明では、
アクチュエータを駆動させる際、一旦、０点から逆極性
の電界を加えてＤ点まで戻し、その後電界を零とした時
のＦ点を経て、ついで順極性の電界を印加してＢ点まで
移す。そして電界を零とすることにより０点に戻る。こ
の場合、取り出せる最大のひずみ量は第２図中のＺであ
る。電界が零のＦ点を基準にすると、ひずみ量はＹとな
る。アクチュエータを駆動する際の印加電界と印加時間
Ｔとの関係の一例を第６図（Ａ）に示す。
アクチュエータを駆動させる際、一旦、０点から逆極性
の電界を加えてＤ点まで戻し、その後電界を零とした時
のＦ点を経て、ついで順極性の電界を印加してＢ点まで
移す。そして電界を零とすることにより０点に戻る。こ
の場合、取り出せる最大のひずみ量は第２図中のＺであ
る。電界が零のＦ点を基準にすると、ひずみ量はＹとな
る。アクチュエータを駆動する際の印加電界と印加時間
Ｔとの関係の一例を第６図（Ａ）に示す。
本発明においては、自発分極の状態の変化挙動からみる
と、状態Ｂから状態りまでの自発分極の配列変化を最大
限利用していることになる。
と、状態Ｂから状態りまでの自発分極の配列変化を最大
限利用していることになる。
（実施例〕
以下、実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
実施例Ｉ
ＰＺＴ系圧電セラミックスを５Ｘ５Ｘ０．１６ｍｍに切
り出し、両面に銀電極を焼付けた試料を作成し、第４図
に示す変位測定装置により、圧電アクチュエータの駆動
時のひずみ量を計測した。第４図中、１は定盤、２は圧
電セラミックス試料、３は絶縁板、４は変位計、５はリ
ード線、６は変位計アンプ、７は記録計、８はプログラ
ム電圧発生器である。ひずみ量の測定は、以下の方法で
行った。前記試料２を導電性の定盤１の上に置き、試料
２の上部電極と定盤１との間にリード線５を接続し、試
料２に電圧印加用配線をした。接触代の変位計４の先端
部分と試料との間には硬い電気絶縁性の板３を挟み、変
位計に導通がないようにする。印加電圧はプログラム電
圧発生器８から供給し、試料２の厚み変化挙動を変位計
アンプ６で増幅し、Ｘ−ＹレコーダーのＸ軸とＹ軸に入
力して記録計７で記録した。
り出し、両面に銀電極を焼付けた試料を作成し、第４図
に示す変位測定装置により、圧電アクチュエータの駆動
時のひずみ量を計測した。第４図中、１は定盤、２は圧
電セラミックス試料、３は絶縁板、４は変位計、５はリ
ード線、６は変位計アンプ、７は記録計、８はプログラ
ム電圧発生器である。ひずみ量の測定は、以下の方法で
行った。前記試料２を導電性の定盤１の上に置き、試料
２の上部電極と定盤１との間にリード線５を接続し、試
料２に電圧印加用配線をした。接触代の変位計４の先端
部分と試料との間には硬い電気絶縁性の板３を挟み、変
位計に導通がないようにする。印加電圧はプログラム電
圧発生器８から供給し、試料２の厚み変化挙動を変位計
アンプ６で増幅し、Ｘ−ＹレコーダーのＸ軸とＹ軸に入
力して記録計７で記録した。
分極済の圧電セラミックス試料２の初めの厚みを！。（
第２回中、Ｆ点を示す）とし、電界印加時の厚みをｌと
した時、（Ｉ２−１！、。）／／！。をひずみＳ、とし
て縦軸にとり、印加電圧を１０で割った値を印加電界と
して横軸にとった時の関係を求めた。その結果を第５図
に示す。
第２回中、Ｆ点を示す）とし、電界印加時の厚みをｌと
した時、（Ｉ２−１！、。）／／！。をひずみＳ、とし
て縦軸にとり、印加電圧を１０で割った値を印加電界と
して横軸にとった時の関係を求めた。その結果を第５図
に示す。
図中、曲線ａ、ｂ、ｃは本発明の駆動方法による場合で
あり、第２図に示すＣ点→Ｄ点（逆極性の電界を印加）
→Ｆ点→Ｂ点→Ｃ点に至るような印加力法により得られ
たものである。本試料の抗電界値は５ Ｋ Ｖ ／ｃｍ
であり、逆極性の電界値は−３〜−５ＫＶ／ｃｍとした
。アクチュエータを駆動する際の印加電界と印加時間Ｔ
との関係の一例を第６図（Ａ）に示す。
あり、第２図に示すＣ点→Ｄ点（逆極性の電界を印加）
→Ｆ点→Ｂ点→Ｃ点に至るような印加力法により得られ
たものである。本試料の抗電界値は５ Ｋ Ｖ ／ｃｍ
であり、逆極性の電界値は−３〜−５ＫＶ／ｃｍとした
。アクチュエータを駆動する際の印加電界と印加時間Ｔ
との関係の一例を第６図（Ａ）に示す。
また、曲線ｄは従来の駆動方法による場合であり、第２
図に示すＣ点→Ｂ点→Ｃ点に至るような印加方法により
得られた。この時の電界の印加方法は第６図（Ｂ）に従
って行った。
図に示すＣ点→Ｂ点→Ｃ点に至るような印加方法により
得られた。この時の電界の印加方法は第６図（Ｂ）に従
って行った。
電界零を基準にして、２０ＫＶ／ｃｍの電界値の時のび
ずみＳ３を比較し、第１表に示した。
ずみＳ３を比較し、第１表に示した。
第１表
第１表から明らかなように、本発明の駆動方法によれば
、従来の駆動方法により得られる曲線ｄの場合と比べて
最大６７％もひずみＳ、が増大する。
、従来の駆動方法により得られる曲線ｄの場合と比べて
最大６７％もひずみＳ、が増大する。
第１表の結果から明らかなように、分極済の圧電セラミ
ックスに再び電界を印加して駆動する場合、自発分極の
配列状態を一度無配列状態である初期状態に戻してから
駆動電界をかけることによって、従来得られなかった大
きいひずみを得ることができる。
ックスに再び電界を印加して駆動する場合、自発分極の
配列状態を一度無配列状態である初期状態に戻してから
駆動電界をかけることによって、従来得られなかった大
きいひずみを得ることができる。
自発分極を一度無配列状態に戻すために印加する逆極性
の電界をかける時期は、駆動する直前でも良いし、ある
いは駆動終了後でもよい。第２回について説明すれば、
前者の駆動方法は０点から出発してＤ点に至りＢ点まで
駆動することであり、後者の駆動方法はＦ点から出発し
Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点→Ｆ点を経由しＢ点に至る方法に相当
する。
の電界をかける時期は、駆動する直前でも良いし、ある
いは駆動終了後でもよい。第２回について説明すれば、
前者の駆動方法は０点から出発してＤ点に至りＢ点まで
駆動することであり、後者の駆動方法はＦ点から出発し
Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点→Ｆ点を経由しＢ点に至る方法に相当
する。
印加する逆極性の電界の強さは、抗電界値以下の値をと
る。その電界印加時の保持時間ΔＴは、圧電セラミック
ス試料の種類等により異なるが、過度に小さいと、十分
に大きいひずみが得られないことがあり、また過度に大
きいと脱分極が起こりやすくなったりすることがあるた
め、適切な保持時間ΔＴであることが好ましい。本実施
例の圧電セラミックス試料の場合の最適の保持時間へＴ
は２０〜７０ｍ５ｅｃの範囲が好ましかった。
る。その電界印加時の保持時間ΔＴは、圧電セラミック
ス試料の種類等により異なるが、過度に小さいと、十分
に大きいひずみが得られないことがあり、また過度に大
きいと脱分極が起こりやすくなったりすることがあるた
め、適切な保持時間ΔＴであることが好ましい。本実施
例の圧電セラミックス試料の場合の最適の保持時間へＴ
は２０〜７０ｍ５ｅｃの範囲が好ましかった。
本発明のように、圧電アクチュエータを駆動する際、自
発分極の向きを一旦無配列に戻してから、順極性の電界
を印加することによって、従来得られなかった大きな継
ひずみが得られた。この効果は縦効果素子のみならず、
横効果素子にも適用でき、積層素子やバイモルフ素子の
ひずみ量の拡大に極めて存効である。
発分極の向きを一旦無配列に戻してから、順極性の電界
を印加することによって、従来得られなかった大きな継
ひずみが得られた。この効果は縦効果素子のみならず、
横効果素子にも適用でき、積層素子やバイモルフ素子の
ひずみ量の拡大に極めて存効である。
第１図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ圧電セラミックスの
縦効果素子と横効果素子とを示す図である。第２図はＰ
ＺＴ系圧電セラミックスのひずみと電界との関係を表す
蝶型ヒステリシス曲線を示す。第３図（Ａ）、 （Ｂ
）、 （Ｃ）、 （Ｄ）。 （Ｅ）は圧電セラミックスの自発分極Ｐ、の分布状態を
示す模式図である。第４図は電圧印加によって生じる縦
ひずみ量を測定する変位測定装置である。第５図は縦効
果のひずみと電界との関係を示すヒステリシス曲線を示
す。第６図（Ａ）及び（Ｂ）はアクチュエータを駆動す
る際の電界と印加時間Ｔとの関係を示す図である。 １：定盤、２：圧電セラミック試料、３：絶縁板、４：
変位計、５：リード線 特許出願人 宇部興産株式会社 第１図 （Ａ） 第 （町 図 食位方藺 区 第 図 第 図 １ ｋＶ／Ｃｍ １
縦効果素子と横効果素子とを示す図である。第２図はＰ
ＺＴ系圧電セラミックスのひずみと電界との関係を表す
蝶型ヒステリシス曲線を示す。第３図（Ａ）、 （Ｂ
）、 （Ｃ）、 （Ｄ）。 （Ｅ）は圧電セラミックスの自発分極Ｐ、の分布状態を
示す模式図である。第４図は電圧印加によって生じる縦
ひずみ量を測定する変位測定装置である。第５図は縦効
果のひずみと電界との関係を示すヒステリシス曲線を示
す。第６図（Ａ）及び（Ｂ）はアクチュエータを駆動す
る際の電界と印加時間Ｔとの関係を示す図である。 １：定盤、２：圧電セラミック試料、３：絶縁板、４：
変位計、５：リード線 特許出願人 宇部興産株式会社 第１図 （Ａ） 第 （町 図 食位方藺 区 第 図 第 図 １ ｋＶ／Ｃｍ １
Claims (1)
- 圧電セラミックスを用いた圧電アクチュエータを駆動
する際、一旦、圧電セラミックスの分極方向と逆極性の
電界を抗電界値以下の範囲で印加し、しかる後に順極性
の電界を印加して駆動することを特徴とする圧電アクチ
ュエータの駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1019782A JPH02201977A (ja) | 1989-01-31 | 1989-01-31 | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1019782A JPH02201977A (ja) | 1989-01-31 | 1989-01-31 | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02201977A true JPH02201977A (ja) | 1990-08-10 |
Family
ID=12008898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1019782A Pending JPH02201977A (ja) | 1989-01-31 | 1989-01-31 | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02201977A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0767503A1 (en) * | 1995-10-05 | 1997-04-09 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Controller and controlling method for piezoelectric actuator |
| WO2003022582A1 (fr) * | 2001-09-11 | 2003-03-20 | Seiko Epson Corporation | Procede d'alimentation d'une tete d'ejection de liquide et dispositif d'ejection de liquide |
| JP2006068970A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Kyocera Corp | 圧電素子の再生方法および液体吐出装置 |
| JP2008282465A (ja) * | 2007-05-09 | 2008-11-20 | Funai Electric Co Ltd | 形状可変ミラー、光ピックアップ装置 |
Citations (2)
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| JPS5429359A (en) * | 1977-08-08 | 1979-03-05 | Toray Ind Inc | Flame-retardant polyamide resin composition |
| JPS6257265A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 圧電素子駆動法 |
-
1989
- 1989-01-31 JP JP1019782A patent/JPH02201977A/ja active Pending
Patent Citations (2)
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