JPH04315484A - 圧電アクチュエータの駆動方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果を利用した素
子を用いた圧電アクチュエータの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の圧電アクチュエータの一
例として積層型圧電アクチュエータについて述べる。図
５は、従来の積層型圧電アクチュエータの構造を示す一
部切欠斜視図である。

【０００３】この圧電アクチュエータは、低い駆動電圧
で大きな変位を取り出すことができるように圧電材料を
薄膜化し、更に変位方向（図５中に矢印で示す）に積層
した圧電素子を用いたものである。圧電素子は図５に示
すように、積層体１の側面に設けられた導電性膜２にリ
ード線３をはんだ付けし、４つの側面を外装樹脂４で覆
った構造になっている。外装樹脂４で覆われていない上
下の２つの面は、変位の基準面または変位伝達面となる
。

【０００４】積層体１は、圧電効果を示す圧電セラミッ
クシート５と内部電極６とを交互に積層し焼結して一体
化したものである。この積層体１の１つの側面（図５中
、右手前側の側面）においては、内部電極６の露出部が
一層おきに絶縁体７で被覆されており、絶縁されていな
い内部電極は、この側面上に設けられた導電性膜２に接
続されている。この側面に対向する側面でも同様の構造
となっている。但し絶縁体７は、前述の右手前側の側面
上の絶縁体とは互い違いになるように設けられている。

【０００５】圧電セラミックシート５は、例えばチタン
酸ジルコン酸鉛を材料とするセラミックスで厚さは約１
００μｍである。内部電極６および導電性膜２は、銀ー
パラジウム合金を材料とする導電ペーストを用いたもの
である。絶縁体７としては、粉末ガラスを電気泳動法に
よって所定の部分に付着させ焼成したものなどが用いら
れている。外装樹脂４としては、エポキシ系の絶縁性樹
脂などが用いられている。

【０００６】この圧電アクチュエータは、圧電素子とし
て、例えば積層体１の変位方向に垂直な断面積が５×５
ｍｍ、高さが１０ｍｍのものを用いた場合、使用時には
駆動電圧として最高１５０Ｖ程度の電圧が印加される。 この場合、全体として変位方向（図５中、矢印で示す）
に１０ミクロン程度の変位が発生する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のような圧電アク
チュエータは、使用環境および駆動方法によっては寿命
時間が短かくなるという欠点をもっている。例えば、前
述の構造の圧電アクチュエータを高湿度の雰囲気中で直
流電圧を連続印加して用いると特にその影響が顕著であ
る。

【０００８】これは次のように考えられる。すなわち、
圧電アクチュエータとしては積層体１を外装樹脂４で覆
った構造となっているが、使用環境の湿度が高いと、長
時間のうちには環境雰囲気中の水分が徐々に外装樹脂４
に侵入し、ついには積層体１の表面に達してここで結露
する。ところが、この積層体１の表面においては、前述
のように厚さが約１００μｍ（０．０１ｃｍ）の圧電セ
ラミックシート５を挟んで対向する内部電極同志の間に
１５０Ｖという高い電圧が掛っている。この状態は、１
５０００Ｖ／ｃｍもの強電界が掛っていることに相当す
る。導電性膜２と内部電極６との間にも絶縁体７を介し
て同等程度の電界が掛っている。この結果、この強い電
界と湿度のため内部電極同志の間や導電性膜と内部電極
との間で放電が起り圧電素子が破壊してしまう。

【０００９】実際、前述のような構造の圧電アクチュエ
ータに対して、温度４０℃，相対湿度９０〜９５％ＲＨ
という加速条件で連続的に直流電圧１５０Ｖを印加して
加速による信頼性試験を行なうと、数時間で故障が発生
しはじめる。このことは、上述の考え方が正しいことを
示しているものといえる。

【００１０】本発明は上記のような問題に鑑みてなされ
たものであって、最高使用電圧で連続して用いても、湿
度による放電破壊が起りにくいような圧電アクチュエー
タの駆動方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータの駆動方法は、圧電素子にパルス電圧あるいは交流
電圧を連続的に印加して圧電素子を発熱させ、この圧電
素子に水分が侵入することを防止するように駆動するこ
とを特徴とする。

【００１２】

【実施例】次に本発明の最適な実施例について、図面を
参照して説明する。本発明の第１の実施例は、圧電素子
にパルス電圧を連続的に印加して駆動するものである。 本実施例に用いた圧電素子の構造は前述した圧電素子の
構造と、材料，寸法とも同一である。本実施例では、こ
の圧電素子に、振幅１５０Ｖ，パルス幅０．１５ｍＳ，
繰り返し周波数５００Ｈｚの矩形波を連続的に印加して
駆動した。

【００１３】図１に、上述の条件で駆動した場合につい
て、信頼性試験を行なって寿命延命効果を確かめた結果
を示す。信頼性試験としては、温度４０℃，相対湿度９
０〜９５％ＲＨの条件による耐湿負荷寿命試験を行ない
、試験中の時間毎の累積故障率をワイブル確率紙にプロ
ットして平均寿命時間を求め、加速率を勘案して実使用
状態での平均寿命時間（ＭＴＴＦ；Ｍｅａｎ　　Ｔｉｍ
ｅ　　Ｔｏ　　Ｆａｉｌｕｒｅ）を求めた。図１の縦軸
の加速寿命割合は、上述のようにして求めた本実施例に
おける平均寿命時間を、直流１５０Ｖを連続印加して駆
動した場合の平均寿命時間を１として相対値で表したも
のである。図１を参照すると、本実施例の駆動方法によ
れば圧電素子の寿命時間を、直流電圧１５０Ｖを連続的
に印加して駆動する場合に比べて約１５倍に延すことが
でき、本実施例の効果が大きいことが分る。

【００１４】この効果は、圧電素子にパルスを連続的に
印加すると、誘電損失などにより発熱が生じ、圧電素子
の温度が周囲の環境温度よりも高くなって、環境雰囲気
中の水分が外装樹脂４に侵入することが妨げられること
によってもたらされるものと考えられる。

【００１５】このことを確認するために、圧電素子の吸
水量を測定した結果を図２に示す。図２は、前記の雰囲
気条件下で、圧電素子に直流１５０Ｖを連続的に印加し
て駆動した場合と、前述した波形のパルス電圧を連続的
に印加して駆動した場合における吸水量の時間的な変化
の様子を示すものである。パルス駆動による吸水量の方
が直流駆動による吸水量よりも約１０分の１程度と少な
く時間的な変化も小さい。このことから吸水量の違いが
寿命時間の違いに影響していることが分る。

【００１６】図３に、圧電素子の発熱温度と加速寿命割
合との関係を示す。図３を参照すると、圧電素子の発熱
温度が１５℃以上になると、寿命延命効果が非常に顕著
に表れることが分る。発熱温度が３０℃程度以上になる
ようにすれば、直流駆動の場合に比べて約４０倍にも寿
命時間を延すことができる。なお、発熱温度が１５℃以
下で寿命延命効果が見られないのは、圧電素子と雰囲気
温度との差が少なく、発熱による水分の侵入防止効果が
十分ではないからである。

【００１７】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例は、直流バイアス電圧に正弦波を重畳さ
せて圧電素子を駆動させることによって、圧電素子を自
己発熱させるものである。なおこの場合、直流バイアス
電圧は、圧電素子の分極が反転しないように抗電界以上
に設定した。重畳させる正弦波の振幅，周波数は図４に
基ずいて決定する。

【００１８】図４は正弦波の振幅と周波数の大きさと発
熱温度との関係を示すものである。横軸は周波数ｆ（Ｈ
ｚ）を示し、縦軸は振幅（ピークピーク電圧）ＶＰ−Ｐ
　（Ｖ）を示す。そして、図中斜線で示す領域は圧電ア
クチュエータの発熱温度が１５℃以上になる領域を示す
。

【００１９】図４を参照すると、駆動条件をＶＰ−Ｐ　
≧−１１３．０・Ｌｏｇｆ＋３８０で定義される領域内
に設定すれば圧電素子の発熱温度が１５℃以上になるよ
うに駆動することができ、第１の実施例と同様な寿命延
命効果を期待できる。一例として、直流バイアス電圧５
０Ｖに、振幅１００ＶＰ−Ｐ　，周波数３００Ｈｚの正
弦波を重畳させて駆動した場合、圧電素子の発熱温度は
１８℃であった。

【００２０】この駆動条件で圧電素子を駆動した場合の
寿命延命効果を図１に示す。図１を参照すると、本実施
例によれば圧電素子の寿命時間を、直流駆動の場合に対
して約１３倍程度に延すことができることがわかる。

【００２１】次に、本発明の第３の実施例について述べ
る。本実施例は、交流電圧を印加して圧電素子を駆動す
ることによって圧電素子を自己発熱させるものである。 この場合、第１の実施例および第２の実施例とは異なり
、予め分極された方向と逆方向の電圧が印加されること
になる。この際に、圧電素子には特に強誘電性を示す材
料が用いられているため、抗電界以上の逆電圧が印加さ
れると分極の反転が起る。分極反転を伴うような駆動方
法の場合には、誘電損失などをはじめとするヒステリシ
ス損失が大きくなることがよく知られている。すなわち
、交流駆動によれば、圧電素子の発熱が大きくなるとい
える。

【００２２】例えば、本実施例において、振幅１４０Ｖ
Ｐ−Ｐ　，周波数５０Ｈｚの交流（正弦波）を印加した
場合、圧電素子の発熱温度は９０℃であり、本実施例に
おいてもやはり寿命延命効果が確認された。

【００２３】なお、以上の第１の実施例，第２の実施例
および第３の実施例においては、矩形波あるいは正弦波
を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限ら
れるものではない。これまでの説明から明かなように、
誘電損失によって圧電素子に発熱を生じさせるような波
形であれば、例えば三角波や鋸波などのような異なる波
形であっても実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では圧電素
子にパルス電圧あるいは交流電圧を連続的に印加して圧
電素子を発熱させながら駆動している。このことにより
、本発明によれば、積層体表面への水分の侵入を防ぐこ
とができ、高湿度の環境下における圧電素子の寿命時間
を大幅に延し信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電素子を異なる方法で駆動した場合について
、耐湿負荷寿命試験を行なった場合の加速寿命割合を比
較した図である。

【図２】圧電素子を異なる方法で駆動した場合の、圧電
素子の吸水量の時間的変化の様子を比較した図である。

【図３】圧電素子の発熱温度と加速寿命割合との関係を
表す図である。

【図４】本発明の第２の実施例における駆動条件と発熱
温度との関係を示す図である。

【図５】積層型圧電素子の構造を示す一部切欠斜視図で
ある。

【符号の説明】

１　　　　積層体 ２　　　　導電性膜 ３　　　　リード線 ４　　　　外装樹脂 ５　　　　圧電セラミックシート ６　　　　内部電極 ７　　　　絶縁体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧電素子にパルス電圧を連続的に印加
   して前記圧電素子を発熱させ、前記圧電素子に水分が侵
   入することを防止するように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。
2. 【請求項２】　　圧電素子に交流電圧を連続的に印加し
   て前記圧電素子を発熱させ、前記圧電素子に水分が侵入
   することを防止するように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。
3. 【請求項３】　　前記圧電素子の温度が摂氏１５度以上
   に発熱するように駆動することを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
4. 【請求項４】　　圧電素子の抗電界以上の直流電圧に交
   流電圧を重畳させ、前記圧電素子の温度が摂氏１５度以
   上に発熱するように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。
5. 【請求項５】　　前記交流電圧のピークピーク値をＶＰ
   −Ｐ　（Ｖ）、周波数をｆ（Ｈｚ）とした時、ＶＰ−Ｐ
   　≧−１１３．０・Ｌｏｇｆ＋３８０を満足する条件で
   駆動することを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュ
   エータの駆動方法。