JPH0244531Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は圧電材料のもつ逆圧電効果を利用した
圧電アクチユエータに関し、特に圧電バイモルフ
装置の改良に関するものである。

〔従来技術〕

圧電バイモルフ装置は両面に電極を有する２枚
の圧電板を接合し、一端を固定し、電源から上記
電極へ、一方の圧電板へ伸び、他方の圧電板に収
縮を起させる向きに電圧を印加することによつ
て、接合板の自由端に屈曲変位を発生させるよう
にしたもので、アクチユエータとして種々の分野
に利用されている。

〔考案の解決しようとする問題点〕

このようなバイモルフ装置においては、できる
だけ低い印加電圧で大きな変位量を発生すること
が要求される。このため、圧電ｄ定数の大きな圧
電材料、例えばジルコン・チタン酸鉛（PZT）
系の圧電セラミツクが一般的に使用される。

高い圧電ｄ定数を実現する材料は高い誘電率と
高い電気機械結合係数を有することが要求され
る。圧電セラミツクで高い誘電率と高い電気機械
結合係数を有する組成は、基本的に、キユーリー
点は低くなる。例えばd₃₁≒300×10^-12V／ｍの値
を実現する場合、PZT系の圧電セラミツクでは
キユーリー点Tcは150℃前後となる。キユーリー
点の低下は必然的に静電容量の温度係数を大きく
する。例えば、上記の150℃前後のキユーリー点
では、静電容量の温度係数TKCは１〜1.5％／℃
となつている。

従つて、圧電バイモルフ装置を使用する環境の
温度が変化すると、圧電材料の静電容量が大きく
変化し、この結果バイモルフ装置の機械的出力
（変位量、発生力、応答速度）が変動する欠点が
あつた。

本考案は、これらの欠点を改善し、温度変化に
対して機械的出力の変動が少ない圧電バイモルフ
装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決する手段〕

即ち、本考案は、両面に電極を有する２枚の圧
電板を接合し、一端を固定し、電源から上記電極
へ一方の圧電板に伸び他方の圧電板に収縮を起さ
せる向きに電圧を印加することによつて、接合板
の自由端に屈曲変位を発生させるようにした圧電
バイモルフ装置において、前記２枚の圧電板の各
電極を上記自由端から固定端の間で複数の部分に
分割し、各分割された電極を異なる温度に感応す
る温度スロツチを介して上記電源に接続し、環境
温度の変化に応じて電圧が印加される電極面積を
変化させて、上記自由端の屈曲変位の温度変動を
抑えるように構成したことを特徴とするものであ
る。

〔実施例〕

以下本考案の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図を参照して、本考案の実施例によるバイ
モルフ装置は、共通電極である中間金属層１を挾
んで２枚の圧電セラミツクス板２，２′が接合さ
れ、一端を固定冶具３で固定し、他端を自由端と
している。両圧電セラミツクス板２，２′の表面
の電極は、自由端から固定端の間で、複数に分割
されている。即ち、圧電セラミツクス板２，２′
の表面には互いに対称な複数の部分電極４，４′，
５，５′，６，６′，７，７′が形成されている。

一方の圧電板２の表面上の固定端側の部分電極
７を除いた他の部分電極４，５，６はそれぞれリ
ード線８，９，１０を介して引き出され、途中に
温度スイツチ１１，１２，１３をそれぞれ介し
て、部分電極７のリード線１４と一緒に電源１５
の１方の端子に接続されている。なお電源１５の
他端子は中間金属層１に接続される。

他方の圧電板２′の表面上の部分電極について
も、同様に、部分電極４′，５′，６′は、それぞ
れリード線８′，９′，１０′および温度スイツチ
１１′，１２′，１３′を介して、部分電極７′のリ
ード線１４′と一緒に電源１５′の１方の端子に接
続されている。電源１５′の他方の端子は、中間
金属層１に接続されている。

温度スイツチ１１，１１′，１２，１２′，１
３，１３′は、動作温度以下でオン、動作温度以
上でオフとなるもので、温度スイツチ１１と１
１′は同じ動作温度T₁を、温度スイツチ１２と１
２′は同じ動作温度T₂（T₂＞T₁）を、温度スイツ
チ１３と１３′は同じ動作温度T₃（T₃＞T₂）を、
それぞれ有している。

今、周囲温度がT₁より低いと、全ての温度ス
イツチはオンであるので、圧電セラミツク２，
２′の表面上の全ての部分電極に電圧が印加され
ている。この状態は、圧電セラミツクの表面全面
に電極を施した従来のバイモルフ装置と同じであ
る。

次に、周囲温度がT₁を越えると温度スイツチ
１１，１１′がオフとなり、最も自由端側の部分
電極４，４′には電圧が印加されないことになる。
この結果、電圧印加電極面積が減少し、その分静
電容量が小さくなる。従つて、T₁以上の温度上
昇に併なう誘電率の増加による静電容量増加分を
ほぼ削減できる。

以下温度が、T₂，T₃を順次越ると温度スイツ
チ１２および１２′，１３および１３′の順でオフ
となり、部分電極５および５′，６および６′の順
で電源から切り離される。

こうして温度上昇に併なう誘電率の増加にとも
なう静電容量の増加が、温度スイツチの動作によ
る部分電極の電源からの切り離しにより、ほぼ相
殺されるので、静電容量を温度変化に対してほぼ
一定に維持できる。この結果、バイモルフ装置の
屈曲変位の速度を温度に対してほぼ一定に保つこ
とができる。

この部分電極への電圧印加を温度スイツチで制
御して電圧印加電極面積を変化しても、バイモル
フ装置の発生力および変位量もほとんど一定に保
たれる。以下、これを説明する。

第２図において、電極ａ，a′が圧電板２，２′
の有効長ｌに比して固定端よりｘしか被つていな
い場合の変位量δx及び発生力Pxは、全面を被つ
ている場合の変位量並びに発生力をδ₀，P₀とした
場合、近似的に(1)，(2)式で表現できる。

δx＝δ₀・ｘ／ｌ（２−ｘ／ｌ） …(1) Px＝P₀・ｘ／ｌ（２−ｘ／ｌ） …(2) これは、バイモルフの自由端部の力並びに変位
に対して固定端に近い部分程その部分の圧電歪に
よる寄与率が高いことに起因するものである。第
３図は、式(1)，(2)の関係を図で示したもので、例
えば自由端部より電極を20％カツトした場合、自
由端の変位並びに発生力の減少率は、全面に電極
を施している場合の95％程度である。この場合、
電極面積は20％減少しており、従つて静電容量も
20％減少させたことになるが、発生力並びに変位
の減少は５％しかないことが分る。これは以下の
ように簡便な理論的証明ができる。

式(1)の証明 第４図は固定端よりｘまでしか電極ａの無い場
合に電圧が印加されて屈曲している様子を示す。
屈曲している部分の曲率をＲとすると、電極の無
い部分は境界部分の接線に沿つて傾斜する。

先端の変位量δは電極のある部分の先端部の変
位量δ₁と、電極の無い部分の傾斜による変位量δ₂
の和である。

δ₁，δ₂は図より以下のように求められる。

δ₁＝Ｒ−Rcosθ＝Ｒ−Rcos（ｘ／Ｒ）≒x²／2R δ₂＝（ｌ−ｘ）sinθ＝（ｌ−ｘ） sin（ｘ／Ｒ）≒（ｌ−ｘ）／Ｒ 従つて δ＝δ₁＋δ₂＝x²／2R＋ｌ−ｘ／Ｒ …(3) またδ₀はｘ＝ｌの値であるから δ₀＝l²／2R …(4) (3)，(4)より δ＝δ₀ｘ／ｌ（２−ｘ／ｌ） …(1) 式(2)の証明 第５図において電極ａのある部分に発生する曲
げモーメントＭと先端に加える力Pxがつり合つ
て先端の変位量が０である場合、この力Pxがこ
の場合の発生力である。

この場合最小エネルギーの原理により(5)式が成
り立たなければならない。

∫^l ₀Ｍ（ｙ）dM（ｙ）／dPdy＝０ …(5) ここでＭ（ｘ）はバイモルフ上の曲げモーメン
トを固定端より測つた距離ｙの関数として表わし
たもので(6)式で与えられる。

（ｙ）＝Px（ｌ−ｙ）−Ｍ……（ｘ＜ｙ≦ｘ） Ｍ（ｙ）＝Px（ｌ−ｙ）……（ｘ＜ｙ≦ｌ）(6) (5)，(6)より、 Px＝3M／l³（ｌ−ｘ／２）ｘ …(7) (7)式が有効長ｌに対してｘまでしか電極が無い
場合の発生力である。

P₀はｘ＝ｌの値であるから P₀＝3M／2l …(8) (7)，(8)より Px＝P₀ｘ／ｌ（２−ｘ／ｌ） …(2) かくして(1)，(2)式の成立が証明される。

第６図はｄ定数の高い部類に属する圧電セラミ
ツクの誘電率ε^T／₃₃／ε₀、電気機械結合係数K₃₁、ヤ
ン グ率Y^E ₁₁及びそれらとの関係が(9)式で示される圧
電ｄ定数d₃₁の温度変化を示したものである。

この材質の圧電ｄ定数は350×10^-12ｍ／Ｖ、キユ ーリー点は160℃である。d₃₁定数が300×10^-12
ｍ／Ｖを越えるPZT圧電セラミツクスの基本定数は 概ね第６図で示す温度変化を示すことが予想され
る。

第６図で示す温度特性を有する圧電セラミツク
スを用いて圧電バイモルフを作成した場合、誘電
率の大きな温度変化のため、温度上昇にともない
静電容量が増加して、応答速度が減少してくる。
この静電容量の温度上昇にともなう増加を防ぐた
めには、前述のように、自由端部分の電極を温度
上昇とともに、一部カツトとして電極面積を少く
すると良い。

このように、自由端部分の電極をカツトして
も、前述のように発生する変位並びに発生力は損
失が少く、その上温度の上昇に伴なうd₃₁の上昇
のため、電極カツトによる損失分をカバーでき
る。従つて、温度上昇にともなつて、自由端側の
電極を一部カツトすることによつて、温度上昇に
ともなう静電容量の増加を阻止でき、安定な動作
を保つことができる。

今、第１図の実施例において、圧電セラミツク
板２，２′として第６図の特性を有する圧電セラ
ミツク板を使用し、部分電極４と４′，５と５′，
６と６′の面積を全電極面積に対する割合を15％，
15％，10％とし、温度スイツチ１１と１１′，１
２と１２′，１３と１３′の動作温度T₁，T₂，T₃
をそれぞれ40℃，60℃，80℃とする。この場合、
温度の上昇とともに、電極カツト面積は第７図の
ように、40℃以上で、15％，60℃以上で30％，80
℃以上で40％となる。このときの温度上昇にとも
なう、静電容量、変位量、発生力の変化を測定し
た。その測定データを第８図に示す。

第８図から明らかなように、温度変化に対し
て、静電容量の変化は一定の巾の中に抑えられ結
果として応答速度も一定の巾の中に抑えられる。
また、変位量及び発生力の変動も一定の巾の中に
抑えられている。

第９図は、第１図の実施例の変形例で、第１図
におけるリード線８〜１０，８′〜１０′を圧電セ
ラミツク板上に、電極と同様に導電パターンとし
て形成したもので、作用効果については、第１図
の場合と同様である。

〔考案の効果〕 上記実施例から明かなように、本考案では、圧
電バイモルフ上の電極を複数に分割し、これらを
異なる動作温度を有する温度スイツチを介して電
源に接続したので、温度によつて電圧印加電極面
積が自動的に変化し、これにより機械的出力の温
度変動を抑制して、安定した動作の圧電バイモル
フ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の一実施例を示す図で、ａ図
は断面図、ｂ図は斜視図である。第２図から第５
図は、本考案の作用を説明するための図で、第２
図は圧電バイモルフ装置の基本構成を示す斜視
図、第３図は第２図における電極長さに対する変
位量および発生力の変化を示す図、第４図はバイ
モルフ板の自由端電極が部分的にカツトされてい
るときの変位量を求めるための原理図、第５図は
同じく発生力を求めるための原理図である。第６
図は圧電セラミツクスの誘電率、圧電機械結合係
数、ヤング率、圧電定数の温度変化の一例を示す
図で、20℃を基準にして示した図である。第７図
は、第６図の実施例における部分電極の分割比の
具体例を示す図、第８図は第７図の具体例で第６
図に示す特性を有する圧電セラミツクを用いた場
合の静電容量、発生力、変位量の温度変化を示す
図である。第９図は第１図の変形例を示す斜視図
である。 １……中間金属層、２，２……圧電セラミツク
板、３……固定治具、４，４′，５，５′，６，
６′，７，７′……部分電極、８，８′，９，９′，
１０，１０′，１４，１４′……リード線、１１，
１１′，１２，１２′，１３，１３′……温度スイ
ツチ、１５，１５′……電源。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 両面に電極を有する２枚の圧電板を接合し、一
   端を固定し、電源から上記電極へ一方の圧電板に
   伸び他方の圧電板に収縮を起させる向きに電圧を
   印加することによつて、接合板の自由端に屈曲変
   位を発生させるようにした圧電バイモルフ装置に
   おいて、前記２板の圧電板の各電極を上記自由端
   から固定端の間で複数の部分に分割し、各分割さ
   れた電極を異なる温度に感応する温度スイツチを
   介して上記電源に接続し、環境温度の変化に応じ
   て電圧が印加される電極面積を変化させて、上記
   自由端の屈曲変位の温度変動を抑えるように構成
   したことを特徴とする圧電バイモルフ装置。