JPH03112373A - 変位発生装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、圧電材料を用いたバイモルフ型圧電アクチュ
エータに係わり、特にその駆動方法を改良した変位発生
装置に関する。

（従来の技術） 近年、メカ１〜ロニクスの発展にともなって微小な変位
の制御が重要になっている。特に非常に微小な変位量を
要求する分野では圧電の積層型アクチュエータが用いら
れている。

一方、積層型はど分解能を要求しないが数ｍ程度の変位
量が要求される分野では圧電バイモルフ型アクチュエー
タが用いられている。

・第３図に圧電バイモルフ型アクチュエータの構成を示
す。両面に電極の形成された２枚の圧電板（１−１，１
−２）を張り合わせてあり一方が縮む時、他方が伸びて
屈曲変位を起こすものである。

電極は２枚の圧電板に挟まれた駆動電極（２−２）と分
極方向がプラス側の主面に形成された電極（２−１）と
マイナス側の主面に形成された電極（２−３）の計３ケ
所から取り出されている。第４図にそれぞれの圧電板の
電極にかかる電界のタイムチャー１〜を示す。（Ａ）は
圧電板（１−１）と圧電板（１−２）に挟まれた電極（
２−２）にかかる電界、（Ｂ）は圧電板（１，−１）に
かかる電界、（Ｃ）は圧電板（１−２）にかかる電界を
示している。ここでは裏表の外側面をグランドにおとし
圧電板に挾まれた電極に駆動電源（ト）から駆動電圧を
供給している。なお、ここに示された電圧ｖ２はバイモ
ルフを構成する圧電体の抗電界から決定されるものであ
る。

第５図に抗電界以上の電界を圧電板に印加したときの電
界Ｅと歪みδの関係を示す。抗電界とは第５図に示され
るようにそれ以上の電界を印加すると圧電体の分極が反
転してしまう最大電界値であり、材料によって決まって
いる。分極が反転すると歪みがそれまでとは逆方向に起
こるためバイモルフは屈曲変位を起こさなくなる。従っ
て、駆動電圧の最大値ｖ２は少なくとも抗電界より小さ
くなくてはならない。

また、プラス・マイナスに連続して振動させる場合を除
いては脱分極せずに一方向に印加できる１′／ 電界は抗電界の７５％が限界といわれている。理想的に
は抗電界の１０の１ぐらいで駆動するのが望ましく、事
実、実用化されている圧電バイモルフアクチュエータで
実績のあるものは抗電界の５分の１から１０分の１で駆
動されている。

以上のように抗電界によって圧電バイモルフは変位量の
制約を受けおり、プラス・マイナスに振動させる場合で
も抗電界の２倍の電界までしか印加することができなか
った。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の圧電バイモルフでは抗電界によって変
位量の制約を受けるという不具合を有していた。

これを解決する１つの方法としてそれぞれの圧電板にバ
イアスをかけて駆動し、プラス側にのみ抗電界以上の電
界がかかるようにし、マイナス側には抗電界以下の電圧
しか印加しない方法がある。

第６図にこの方法を用いた場合のバイモルフの構成図を
示す。圧電板に挟まれた電極（２−２）をグランドに落
とし、上下面の電極（２−１，２− ３）を２つのアンプ（６−１，６−２）を用いてそれぞ
れ駆動する。

第７図にそれぞれの電極に加えられる電圧のタイムチャ
ートを示す。（Ａ）は圧電板（２−１）にかかる電圧、
（Ｂ）は圧電板（２−２）にかかる電圧を示している。

各々の圧電板にかかる電圧を同期させ、抗電界より決ま
る■２を越えてマイナス側に電圧がかからないように振
幅■３と抗電界より決まるｖ２の差だけバイアスをかけ
てやる。これにより、抗電界以上の電圧がマイナスにか
かることなく、圧電バイモルフを駆動することができる
。

しかし、この方法ではアンプを２つ用いなくてはならず
、構成が複雑になるという不具合を有していた。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、構成が簡単で変位量の大きな変位発生
装置を提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上述した目的を達成するために、２枚の圧電板
をバイモルフ構造で重ねたアクチュエータを用い、圧電
板に挟ま九た而に形成された電極に駆動信号電圧を印加
し、分極方向がプラス側の主面に形成された電極には駆
動電圧の最大値から圧電体の抗電界に相当する電圧値よ
り低い定電圧を、分極方向がマイナス側の主面に形成さ
れた電極には駆動電圧の最小値から圧電体の抗電界に相
当する電圧値より高い定゛市圧を印加するようにしたも
のである。

（作　用） 本発明によればバイモルフを構成している各圧電板の分
極のマイナス方向に抗電界以上の電界がかからないため
脱分極することがなく、プラス・マイナスで駆動する場
合にはその振幅値が抗電界によって制限を受けることが
ない。

従って、アンプと圧電材料の能力を最大限に活用した変
位量を得ることができ、しかも構成は駆動のためのアン
プが１つと極めて油゛単である。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の実施例を示す構成図である。

両表面に焼き付けによって電極の形成された２枚の圧電
板（１−１）と圧電板（１−２）が分極方向を揃えて接
着されバイモルフを構成しており、その一端は固定され
ている。電極は２枚の圧電板に挟まれた駆動電極（２−
２）と分極方向がプラス側の主面に形成された電極（２
−１）とマイナス側の主面に形成された電極（２−３）
の計３ケ所から取り出されている。

アンプ■の出力端子は駆動電極（２−２）に接続される
とともに、定電圧源（４−１，２）によって定電圧＋Ｖ
、と−■。がそれぞれ圧電板（１−１）と圧電板（１−
２）の外側の電極（２−１）と電極（２３）に接続され
ている。このとき、定電圧Ｖ。はこの圧電板を構成して
いる圧電材料の抗電界よりも小くなくてはならない。

このバイモルフの各電極にかかる電圧を第２図に示すタ
イムチャートを用いて説明する。

タイムチャートに示す（Ａ）はアンプの出力電圧Ｖｏｕ
ｔ、　（Ｂ）は圧電板（１−１）にかかる電界Ｅ１、（
Ｃ）は同じく圧電板（１−２）にかかる電界Ｅ２を示し
ている。

（Ｂ）と（Ｃ）をみればわかるように、それぞれの圧電
板には分極のマイナス方向には最大でもＶニーｖｏなる
電圧が印加されるようになっている。従ってこのＶ。を
駆動最大電圧Ｖ□より、抗電界分だけ小さくしておけば
電歪板にはマイナス方向に抗電界以上の電圧が印加され
ることはない。

駆動の振幅も２Ｖ１だけとれる。従来の駆動法ではＶ工
の絶対値が抗電界を越えている場合には駆動することが
できなかった。言い替えれば駆動できる最大の振幅が抗
電界の２倍であったことになる。

しかし、この方法を用いれば圧電板が絶縁破壊を起こさ
ないかぎり、どんなに大きな振幅でも与えられる。また
、従来知られている方法と違って駆動アンプが１個で済
むので回路構成の簡略化をはかり得る。

なお１本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば圧電板の積層数は２枚に限らず何枚でもよ
く、偶数でなくともよいし、駆動電圧を印加する基準と
なる電極はちょうど真中である必要はない。

さらに、一定電圧を印加する方法も実施例では定電圧源
（４−１，２）を用いたが、この限りではなく例えばア
ンプの電源からツェナーダイオードや抵抗分圧によって
取り出すこともできる。

第８図は本発明の他の実施例を示す構成図である。

圧電板（１−１，２，３，４，５，６）を６層構造とし
分極方向を１つおきにそろえる。そして、圧電板に挟ま
れた真中の電極（２−４）とそれを基準として１つおき
の電極（２−２）、（２−６）に駆動電圧が印加され、
上面の電極（２−１）と３段目の電極（２−３）には定
電圧＋ｖｏが、最下面の電極（２−７）と５段目の電極
（２−５）には定電圧−Ｖ。

が印加されている。

この場合は上の３層の圧電板が伸びるとき下の３層が縮
み、上の３層が縮むとき下の３層が伸びるようになる。

効果は第１の実施例と同様である。

また、さらに付は加えるとすれば多層構造にしたことに
よって、１枚の圧電板の厚さが同じであれば第１の実施
例に比べて大きな力が得られるし、全体の厚さが同じで
あればより低電圧で大きな変位が得られるという効果が
ある。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、変位量が大きく、
しかも構成が簡単な変位発生装置の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第８図は本発明の一実施例を示す構成図、第
２図は本発明による圧電バイモルフの各電極にかかる電
圧のタイムチャート、第３図は従来の圧電バイモルフの
構成図、第４図は従来の圧電バイモルフの各電極にかか
る電圧のタイムチャート、第５図は抗電界以上の電界を
圧電板に印加したときの電界と歪みの関係、第６図は従
来の駆動法による圧電バイモルフの構成図、第７図は従
来の駆動法による圧電バイモルフの各電極にかかる電圧
のタイムチャートである。 １−１．２・・・圧電板、 ２−１．２．３・・・電　極、 ３．５．６−１．２・・・アンプ、 ４−１．２・・・定電圧源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２枚の圧電材料からなる圧電板を分極方向を揃え
   て積層した構造を有する圧電アクチュエータと、この圧
   電アクチュエータに駆動電圧を供給する駆動手段とを具
   備し、前記２枚の圧電板に挟まれた面に形成された電極
   に駆動電圧を供給し、前記圧電アクチュエータの分極方
   向がプラス側の主面に形成された電極には最小でも駆動
   電圧の最大値から圧電体の抗電界に相当する電圧値より
   低い定電圧を、分極方向がマイナス側の主面に形成され
   た電極には最大でも駆動電圧の最小値から圧電体の抗電
   界に相当する電圧値より高い定電圧を印加してなり、な
   おかつ前記定電圧の少なくとも一方がゼロではないこと
   を特徴とする変位発生装置。
2. （２）Ｍ（Ｍ≧２）枚の圧電材料からなる圧電板を分極
   方向を揃えて積層したバイモルフ構造を有する圧電アク
   チュエータと、この圧電アクチュエータに駆動電圧を供
   給する駆動手段とを具備し、前記バイモルフ構造の上下
   面、及び積層された圧電板に挾まれた面に形成された電
   極のうちＮ＋２ｎ（１＜Ｎ＜Ｍ＋１、ｎ＝０，±１，±
   ２，・・・）層目の電極に駆動電圧を供給し、Ｎ＋１＋
   ２ｎ（ｎ＝０，１，２，・・・）層目の電極には最少で
   も駆動電圧の最大値から圧電体の抗電界に相当する電圧
   値より低い定電圧を、Ｎ−１−２ｎ（ｎ＝０，１，２，
   ・・・）層目には最大でも駆動電圧の最小値から圧電体
   の抗電界に相当する電圧値より高い定電圧を印加してな
   り、なおかつ前記定電圧の少なくとも一方がゼロでない
   ことを特徴とする変位発生装置。
3. （３）前記Ｎ層目の電極は、Ｍが偶数の場合はＮ＝Ｍ／
   ２で表現され、Ｍが奇数の場合はＮ＝（Ｍ±１）／２で
   表現されることを特徴とする請求項２記載の変位発生装
   置。