JPH0320910B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は精密な位置の制御に適したバイモルフ
型圧電体変位装置の制御方法に関するもので、圧
電体およびバイモルフ構造に起因するヒステリシ
スの影響を除去し、バイモルフ型圧電体変位装置
の信頼性の向上を計つたものである。

圧電体は電圧を加えると機械的歪を生じ、また
力を加えると電圧を発生する性質があり、機械的
エネルギーと電気的エネルギーの変換器として、
あるいはセンサーやアクチユエータとして有用な
ものである。特に入力または出力が電気信号であ
るので、信号の処理が容易であるばかりでなく精
密な制御が可能である。

圧電体は円板状などの形状で単独で使用するこ
とも出来るが、センサーやアクチユエータとし
て、より大きな変位が望まれる場合があり、バイ
モルフ構造が採用されることがある。バイモルフ
は金属板の両面にそれぞれ圧電体シートを、例え
ば接着剤で貼付けたもので、前記２枚の圧電体に
適当な電圧を印加することにより、一方の圧電体
が伸びるとき他方の圧電体は収縮して、金属板を
一方向に曲げるように作用させている。バイモル
フの先端の変位はバイモルフの長さの２乗に比例
して拡大される。即ち、圧電体の微小な歪量がバ
イモルフの先端の変位に拡大変換するもので、比
較的低い電圧で大きな変位を得るのに適してい
る。

しかしながら、圧電体やバイモルフ構造にはヒ
ステリシス現象があり、バイモルフの変位はそれ
以前に加えられていた電圧の方向や大きさ、電圧
の印加時間によつて変化し、ある電圧バイモルフ
に印加したときに一定の変位が得られないという
大きな問題があり、これがバイモルフにセンサー
やアクチユエータなど多くの用途が期待されなが
ら、その実用化が阻まれている理由の一つであ
る。

第４図はバイモルフの変位が電圧や電圧の印加
時間によつて、どのように変化するかを示す特性
図である。バイモルフの印加電圧をＯからVaに
増加すると、バイモルフの変位は曲線Ｏ−Ａに沿
つて増大し、Scだけ変位してＡ点に到るが、電
圧を０まで低下させると変位は曲線Ａ−Saに沿
つて減少しSaに到り、直ちには０点には戻らな
い。一方、印加電圧をVaに長時間維持した場合、
分極の時間遅れやバイモルフ構造のため徐々に変
位量が増加してＢ点に到り、この状態から電圧を
０点まで減少させるとSaより大きいSbの変位を
示しSaには直ちには戻らない。

このようなヒステリシスが存在する場合、例え
ばScとSaの間の変位を０−Va間の電圧で制御し
ようとしても、Sb−Sa間の変位は制御できず、
またScの変位に固定するのに必要な電圧はVaか
らVbに低下する。電圧による時間的変化の大き
いバイモルフの場合、Vbはさらに０点に近くな
り、結局は電圧による変位の制御が不可能にな
る。

第１図、第２図は従来のバイモルフの駆動状況
を説明する図である。図において１は金属板、
２，３は金属板１の両面に接着された圧電体で矢
印ｐは分極の方向を示す。圧電体２，３の両表面
には電極が設けられている。４は電圧印加のため
のリード線、６は支持固定部を示す。第１図はい
わゆる並列接続であり、２枚の圧電体の分極の方
向ｐは同一であり、圧電体２，３それぞれの外側
電極と、内側電極すなわち金属板１との間に電圧
が印加される。第１図のように電圧が印加される
と、圧電体２には分極電圧の方向（以下分極方向
と記す）と反対の極性の電圧が加わるので、長さ
方向に矢印ａで示すごとく伸びが生じる。一方圧
電体３には分極方向と同一方向の電圧が加わるの
で、長さ方向に矢印ｂで示すごとく収縮が生じ
る。この結果バイモルフの先端は図の下方向に曲
りＳだけ変位する。この場合圧電体２は伸び、圧
電体３は収縮し、いずれも変位Ｓを図面の下方向
に大きくするように作用している。

第２図は直列接続の場合で、圧電体２，３の両
外側電極間に電圧が印加されている。分極の方向
ｐは圧電体２，３で逆向きとなつており、図示の
如く電圧が印加されると、分極方向と同一方向に
電圧が印加される圧電体３は長さ方向に矢印ｂの
如く収縮し、分極方向と逆方向に電圧が印加され
る圧電体２は長さ方向に矢印ａの如く伸びる。従
つてバイモルフの先端は図の下方向にＳだけ変位
する。この場合も圧電体２は伸び、３は収縮し、
いずれも変位Ｓを大きくするように作用してい
る。

このような従来例においては、圧電体２は伸
び、３は収縮していずれも変位Ｓを増加させる方
向に作用しているから、第４図で説明したように
バイモルフにVaの電圧を印加し、一定時間持続
させた場合、分極の時間遅れなどのために、圧電
体２はさらに伸びようとし、圧電体３はさらに収
縮しようとするので、バイモルフの変位は電圧が
一定であるにもかかわらずＡ点からＢ点へ増大し
つづける。この場合変位量を一定に維持するには
電圧を大幅に低下させる必要がある。また電圧を
０点まで低下させても、圧電体の残余分極やバイ
モルフ構造のヒステリシス現象によつて圧電体２
は伸びた状態に維持され、一方圧電体３は収縮し
た状態に維持されるので、両圧電体はいずれもバ
イモルフを一定量変位（SaまたはSb）した状態
に維持するように作用する。直流の電圧を用いる
場合、この残余変位を元の位置に戻すことはでき
ない。

本発明は、バイモルフを構成する２枚の圧電体
が同方向に伸び、あるいは同方向に収縮するよう
に電圧を印加し、圧電体に印加する電圧の差によ
り変位を制御することを特徴とするもので、上述
の分極の時間遅れや残余変位など、バイモルフの
ヒステリシスに起因する問題を除去し、バイモル
フ型圧電体変位装置の信頼性の向上をはかつたも
のである。

以下本発明の一実施例を第３図について説明す
る。尚、符号は第１，２図と共通である。第３図
において圧電体２と３の分極の方向は同一方向
で、その両外側電極に電源電圧が印加される。一
方圧電体２，３の内側電極、即ち金属板１は中央
部リード線４′により、電源５の電圧を分圧する
ように並列接続されたスライド抵抗の可動点に接
続されている。この実施例においては圧電体の分
極方向と電源電圧が圧電体２，３のいずれに対し
ても同方向であるので、両方の圧電体とも電圧の
印加によつて長さ方向に収縮し、２枚の圧電体は
バイモルフを互いに逆方向に変位させるように作
用する。この装置において、中央リード線４′が
スライド抵抗の中点ｖに位置する場合には圧電体
２および３は全く同じ大きさだけ長さ方向に収縮
するため、結果としてバイモルフの変位は生じな
いが、分極の時間遅れによる変位の増大効果は圧
電体２と３は互に逆方向（電圧印加により圧電体
２，３共長さ方向に収縮しようとするから変位と
しては逆方向）となり互いに打消される。このた
め変位の増大効果のほぼ等しい第３図の０点近傍
での高精度な制御が可能となる。中央リード線
４′をスライド抵抗のｕの位置とした場合、全電
圧は圧電体３に印加され、圧電体３は最大最長さ
方向に収縮するが、圧電体２は印加電圧が零なの
で収縮せず、バイモルフは図面の下方向に最大の
変位を起す。この条件では第１図、第２図の従来
例と同じく分極の時間遅れによる変位の増大が起
るが、中央リード線を中点ｖの方向へ移動する
と、圧電体３の電圧が低下し圧電体３によるバイ
モルフの変位量が減少させると共に、同時に圧電
体２に電圧が印加されて長さ方向に収縮するの
で、図の上方向にバイモルフが変位するように働
く。即ち圧電体３によりバイモルフがさらに下方
向へ変位しようとするのを圧電体３に加わる電圧
を低下させると同時に、圧電体２に電圧を印加
し、圧電体３と逆方向に変位させるものであるか
ら、従来例のように大幅に電圧を低下させる必要
はない。また時間遅れによる分極の増大に基づく
変位の増大方向は圧電体３では下向、圧電体２で
は上向であるので互いに打消し合う方向にあり、
時間的に安定した変位が得られる。中央リード線
４′の位置がスライド抵抗の中点ｖを越えてｗ方
向に移動すると、圧電体２により多くの電圧が印
加されるので、圧電体２はより多く長さ方向に収
縮し、従つてバイモルフは図面の０点より上方向
に変位する。この操作で下方向への変位を維持し
ようとする残余変位は完全に除去される。中央リ
ード線４′がｗ線に到るとすべての電圧が圧電体
２に印加されるので圧電体３の長さ方向の収縮は
最大となる。即ち、本発明によれば一種類の直流
電源で、その極性を変えることなく０点に関し正
逆両方向に制御でき、従つて０点からの変化量が
少くできる（圧電体２と３に印加する電圧差が小
さくできる）。従来のバイモルフ制御方法で正逆
両方向に変位させるには極性が異なる電源を用い
るか、一定のバイアス電圧を印加する方法による
が、前者による場合は二種類の電源が必要なう
え、ヒステリシスが大きくなる欠点があつた。バ
イモルフは温度によつても変位し、印加電圧が高
いほどその影響が大きい。また、昇温時と降温時
では変位の方向は一般に逆である。ある対象物に
対しバイモルフの位置を一定に維持する場合、従
来形バイモルフの制御方法ではバイモルフに一定
のバイアス電圧を印加して一定の変位を与えてお
き、この変位を基準にとることによつて上述の温
度による影響を補償することが必要であつた。こ
のような場合、本発明による方法に較べ、バイア
ス電圧に相当する電圧だけ高い電圧がバイモルフ
に印加され、またそれだけバイモルフは大きく変
位した状態にあるが、電圧が高いほど変位の温度
による影響が大きく、分極の時間遅れによる影響
も大きくなる。さらに大きく変位した状態を基準
とするためクリープ現象によつてバイモルフの変
位の不可逆性が生じることがあつたが、本発明の
方法によれば、圧電体２と３の印加電圧差がな
く、変位が零の０点を基準にとることができるの
で上述の欠点は除去できる。

さらに圧電体２と３は互いにバイモルフを逆方
向に変位するように作用しており、分極の遅れや
残余の歪による好ましくない変位の一方向性を打
消し合つている。この打消し効果は圧電体２と３
に印加される電圧差が小さい０点近傍で最も大き
い。さらにまた圧電体２と３の両方に対し分極方
向と同一方向の電圧が印加できる。これは分極方
向と逆方向の電圧を印加するときに生じる脱分極
作用が防止でき、経時的にも安定した性能が維持
できる利点があり、とくにバイモルフに高電圧を
印加するときに有効である。

以上の如く本発明によれば従来形バイモルフに
対し精度の高い、経済的に安定した制御が可能と
なる。

本発明は、バイモルフが逆方向に変位するよう
に２枚の圧電体を制御し、時間遅れによる分極の
増大やヒステリシスの影響を低減するものであ
り、種々の変形が可能である。例えば第３図にお
いて電源５の極性を逆にして分極方向と電源の向
きを逆方向とすれば、圧電体２，３はそれぞれ長
さ方向に伸びるので、圧電体３により高い電圧が
印加されたとき、圧電体３がより多く伸びて変位
は０点に関し上方向になる。さらに実施例では金
属板１を用いているが、内側電極からの中央リー
ド線の取出しが可能であれば金属板は必ずしも必
要ではない。

以上述べた如く、本発明はバイモルフの圧電体
が同一方向に歪むようにし、その歪み量の大小に
よりバイモルフを変位させるもので、バイモルフ
の変位を長時間一定の位置に維持するような場合
にも、時間の影響やバイモルフのヒステリシスの
影響がきわめて小さくなり、微小位置制御に関係
する多くの用途に使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のバイモルフの駆動
状況を示す概略図、第３図は本発明バイモルフ型
圧電体変位装置の駆動状況を示す概略図、第４図
は従来のバイモルフの変位のヒステリシスを示す
特性図である。 １……金属板、２，３……圧電体、４……リー
ド線、５……電源、６……支持固定部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ バイモルフを構成する２枚の圧電体２，３が
   同方向に伸び、あるいは同方向に収縮するように
   電圧を印加し、圧電体に印加する電圧の差により
   変位を制御することを特徴とするバイモルフ型圧
   電体変位装置の制御方法。