JPH05206535A - 圧電アクチュエータの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電圧印加時のそれぞれの圧電素子の変位量を増
大させるとともに、圧電アクチュエータとして常に変位
量を一定に制御する。 【構成】圧電板の残留分極が低下し始める温度以上で圧
電板のキュリー温度未満の温度範囲に制御するととも
に、圧電板の抗電圧以上の電圧を印加して作動させる圧
電アクチュエータの制御方法であって、温度範囲の制御
は、圧電アクチュエータの静電容量を検知することで圧
電アクチュエータの現実の温度を間接的に検知して行
う。変位量が増大するとともに、圧電アクチュエータ全
体の平均温度を検知できるので温度範囲を精度良く制御
でき、変位量を一定に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータの
制御方法に関する。本発明によれば従来に比べて変位量
を格段に増大することができる。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、圧電特性を利用した圧電アクチュエータが
利用されている。例えばＰｂＴｉＯ₃ −ＰｂＺｒＯ₃ 系
セラミックス（ＰＺＴ）は優れた圧電特性を示し、圧電
アクチュエータとして多用されている。

【０００３】ところで、なるべく低い印加電圧でＰＺＴ
などの圧電材料の圧電特性を最大に引き出すためには、
圧電材料から薄い板状の圧電板を形成し、その表裏両面
に電圧を印加して用いることが必要である。しかし薄い
板状では変位量が極めて小さい。そこで圧電板の表裏両
面に銀ペーストなどから電極を形成して圧電素子とし、
この圧電素子を電極板と交互に複数枚積層した積層型圧
電アクチュエータとして、それぞれの圧電素子の変位の
合計で所定の変位量を得ている。

【０００４】このようにして得られた圧電アクチュエー
タは、一般に室温で用いられている。また 圧電板の圧
電特性の尺度として、電圧１Ｖ当たりの変位量に相当す
る圧電定数（以下ｄ定数という）が代表的に用いられて
いる。このｄ定数は、図４に示すように温度が上昇する
につれて徐々に大きくなるが、キュリー温度近傍で大幅
に低下することが知られている。そのため従来はキュリ
ー温度よりもかなり低い温度で使用されるのが常識であ
り、むしろ熱膨張差によるクラックなどを防止するため
に冷却しながら使用する方法まで提案されている。

【０００５】ところが従来の圧電素子では、電圧印加時
の変位量が小さいという不具合がある。すなわち圧電素
子が複数個積層されてなる積層型圧電アクチュエータで
あっても、同一長さの電磁アクチュエータなどに比べて
変位量が小さく、油圧機構やリンク機構を利用した機械
的な変位拡大機構を利用せざるを得なかった。したがっ
て部品点数が増大するとともに配置スペースも大きくな
り、使用するためのコストの上昇を招いていた。

【０００６】このように圧電素子の変位量が小さい理由
は、以下のように説明される。すなわち、圧電材料の変
位量は電圧印加時の分極の程度に依存し、分極が大きい
ほど変位量が大きくなる。ところで圧電材料の電界と分
極の程度との関係は、図７に示すようなヒステリシス曲
線を描く。図７からわかるように、電界がゼロとなって
も分極はゼロとならず一定の値を示している。これを残
留分極といい図７のｂ点で示される。一般の積層型圧電
アクチュエータでは、それぞれの圧電素子は分極処理さ
れ残留分極を保持した状態で市販されている。したがっ
て使用時に例えば正の電圧を印加すると、分極の最大値
は図７のａ点となり、結局電圧印加時にはａとｂの分極
の差に相当する変位量しか得られないこととなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、圧電素子
をキュリー温度近傍の温度に加熱した状態で抗電圧以上
の電圧を印加すると、ｄ定数は大幅に低下するのに反し
て変位量が大幅に増大することを発見した。そして、こ
れを利用して圧電アクチュエータを駆動することを想起
した。ところが、この場合の変位量は温度条件に大きく
依存し温度の精密な制御が必要であることが明らかとな
った。しかし圧電アクチュエータは、部分的に温度が異
なること、温度センサなどを用いて制御する方法では部
分的な温度しか検知出来ないこと、などから、全体の平
均的な温度を検知する方法の開発が必要となったのであ
る。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、電圧印加時のそれぞれの圧電素子の変位量
を増大させるとともに、圧電アクチュエータとして常に
変位量を一定に制御することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究の結
果、圧電アクチュエータの静電容量を知ることで圧電ア
クチュエータの現実の温度の平均的な値を知ることがで
きることを発見し、本発明を完成したものである。すな
わち上記課題を解決する本発明の圧電アクチュエータの
制御方法は、圧電板と電極板とを交互に複数枚積層して
なる圧電アクチュエータを、圧電板の残留分極が低下し
始める温度以上で圧電板のキュリー温度未満の温度範囲
に制御するとともに、圧電板の抗電圧以上の電圧を印加
して作動させる圧電アクチュエータの制御方法であっ
て、前記温度範囲の制御は、圧電アクチュエータの静電
容量を検知することで圧電アクチュエータの現実の温度
を間接的に検知して行うことを特徴とする。

【００１０】圧電板はＰＺＴなどの圧電材料から形成さ
れた従来と同様のものを用いることができる。圧電板の
表裏両面には、一般に内部電極が形成される。この内部
電極は銀ペーストなどから従来と同様に形成することが
できる。電極板は、従来と同様に銅板、ステンレス板な
どから形成されたものを用いることができる。すなわ
ち、本発明に用いられる圧電アクチュエータは、従来と
同様のものをそのまま用いることができる。

【００１１】本発明の一つの特徴は、上記圧電アクチュ
エータを従来使用不可とされていた高温すなわち、圧電
板の残留分極が低下し始める温度以上で圧電板のキュリ
ー温度未満の温度範囲で使用するところにある。使用温
度が圧電板のキュリー温度以上となると、圧電特性が破
壊されるので使用が困難である。また圧電板の残留分極
が低下し始める温度より低い温度で使用したのでは、従
来の使用条件とほとんど同一となり変位量の増大が得ら
れない。なお圧電板の残留分極が低下し始める温度は、
圧電板の材質によって異なるけれども、ｄ定数が低下し
始める温度とほぼ等しい温度となることがわかってい
る。またキュリー温度における静電容量の５０％以内の
静電容量となる温度ということもできる。

【００１２】本発明のもう一つの特色は、圧電板の抗電
圧以上の電圧を印加して使用するところにある。ここで
抗電圧とは圧電板の分極が反転し始める電圧をいう。キ
ュリー温度近傍では、残留分極が大幅に低下している。
しかし抗電圧以上の電圧を印加することにより再度分極
し、しかも後述するように従来の使用温度における同電
圧の分極量より大きい分極が得られるため、変位量が増
大する。抗電圧より低い電圧を印加したのでは、再度の
分極が困難となり変位量が得られない。なお、抗電圧は
温度が上昇するほど低下するので、キュリー温度近傍の
ような高温で使用する本発明においては、従来と同様の
変位量を得るのであれば印加電圧を従来より小さくする
ことも可能である。

【００１３】本発明の最大の特徴は、圧電アクチュエー
タの静電容量を検知することで圧電アクチュエータの現
実の温度を間接的に検知して行うところにある。すなわ
ち、圧電アクチュエータの静電容量は、残留分極が急激
に低下し始める温度からキュリー温度直前の範囲の温度
では、静電容量が急激に増加しそれ以下の温度における
静電容量の数倍に達することが明らかとなった。したが
って静電容量を検知することにより、圧電アクチュエー
タの現実の温度を間接的に検知できる。またこれは圧電
アクチュエータ全体の平均温度を代表するものであるた
め、正確な温度制御が可能となる。

【００１４】静電容量を連続的に測定するには、圧電ア
クチュエータをコンデンサとみなし抵抗とともにＲ−Ｃ
回路を組む。これに矩形電圧を印加し、抵抗の電圧と適
当な値の一定電圧とをオペアンプなどで比較すれば、そ
の時点の圧電アクチュエータの静電容量を求めることが
できる。そしてこの静電容量に基づいてヒータを制御す
ることにより、圧電アクチュエータの温度を一定に保つ
ことができ変位量を一定とすることができる。

【００１５】

【作用】キュリー温度近傍の温度においては、電界と分
極の程度との関係は図６のようになる。すなわち温度上
昇により分子運動が活発となるため結晶の動きも活発化
し、残留分極（ｂ点）は低下している。したがって電圧
の印加が無い状態では、変位量は残留分極に依存し極め
て小さい。そして抗電圧以上の電圧を印加することによ
り、分極していない結晶が再度分極し、かつ熱膨張や分
子運動の活発さの影響などにより従来よりも大きな分極
（ａ点）が得られる。したがってａとｂの差に基づく変
位量は極めて大きくなる。

【００１６】ここで変位量は温度に大きく依存するの
で、変位量を一定にするためには圧電アクチュエータの
温度を一定に制御する必要がある。本発明では圧電アク
チュエータの静電容量を検知することにより温度を間接
的に検知して制御している。したがって圧電アクチュエ
ータの全体の平均温度を検知していることとなり、温度
を正確に制御することができ、変位量を一定に制御する
ことができる。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例）主成分の成分比がＰｂ（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）
Ｏ₃ で表されるように、酸化鉛（ＰｂＯ）５０モル％、
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂ ）２６モル％、酸化チタン
（ＴｉＯ₂ ）２４モル％の割合にした粉末、及びこれに
副成分として五酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₅ ）を０．１〜３
モル％加えた粉末を、蒸留水とともにボールミルにて４
８時間混合した。これを脱水乾燥後、空気中で９００℃
にて１時間仮焼を行った。

【００１８】仮焼粉は再び４８時間湿式混合し、脱水乾
燥した。そして乾燥粉末にバインダーとしてＰＶＡ（ポ
リビニルアルコール）を１重量％加えて造粒後、成形圧
力１０００ｋｇ／ｃｍ³ で直径２０ｍｍ、厚さ０．４ｍ
ｍの孔開き円板に成形し、１２５０℃で１時間焼成して
圧電板を得た。この圧電板のキュリー温度は２３５℃で
ある。

【００１９】この圧電板の表裏両面に銀ペーストをスク
リーン印刷し、乾燥させて一対の電極を形成した。そし
て１００℃のシリコンオイル中にて、両電極間に５０ｋ
ｖ／ｃｍの電圧を印加し、３０分間分極処理を行って圧
電素子とした。この圧電素子を、ステンレス製孔開き電
極板と交互に６８枚積層して、圧電アクチュエータを製
造した。そして図１に示す制御装置中に配置して駆動さ
せ、そのときの変位量を求めた。

【００２０】この制御装置は、圧電アクチュエータ１と
圧電アクチュエータ１の中心孔に配置されたヒータ３
と、電気回路とから構成される。圧電アクチュエータ１
には、駆動電源２から一定周波数の矩形電圧が印加され
るように構成されている。また駆動電源２と圧電アクチ
ュエータ１との間には、抵抗４が圧電アクチュエータ１
と直列に接続されている。ヒータ３はヒータ電源５によ
り発熱する。そして抵抗４の電圧が制御回路６に入力さ
れ、制御回路６はその電圧と図３に示す一定電圧とを比
較し、その結果でヒータ電源を制御している。

【００２１】即ち図２に示すように、駆動電源２から印
加された矩形の印加電圧（ａ）は、圧電アクチュエータ
１の静電容量の影響をうけて抵抗４では抵抗電圧（ｂ）
となる。したがって制御回路６では、図３に示すように
参照用一定電圧（ｃ）と抵抗電圧（ｂ）とがオペアンプ
などで比較され、矩形電圧（ｄ）が得られる。この矩形
電圧（ｄ）のデューティー比は圧電アクチュエータ１の
現在の静電容量に比例するから、この矩形電圧（ｄ）を
整流して得られる直流電圧（ｅ）は圧電アクチュエータ
１の現在の静電容量に比例する。この直流電圧（ｅ）か
らＰ，ＰＩ，ＰＩＤ制御などにより、制御回路６はヒー
タ電源５を制御して圧電アクチュエータ１を所定温度に
保持する。

【００２２】上記制御装置により、圧電アクチュエータ
１を２３０℃±１℃に保持した状態で、無負荷状態で４
００Ｖの矩形電圧を印加した。なお、本実施例では圧電
板の２３０℃における抗電圧は約３０Ｖである。その結
果、電圧印加時に圧電アクチェータ１には従来の約２．
５倍の最大約７５μｍの変位量が得られ、０〜７５μｍ
の間の変位量で安定して駆動された。

【００２３】なお、実施例の駆動条件で、駆動温度だけ
を変化させたときの変位量の変化を図４に示す。図４か
らわかるように、残留分極が低下し始める１９５℃近傍
までは変位量は温度の増大とともに緩やかに増大する
が、増大量は僅かである。しかし残留分極が低下し始め
る温度を越えると、キュリー温度までは残留分極の低下
に伴って変位量が急激に増大している。 （比較例）実施例と同一の圧電アクチュエータ１を用
い、図８に示す制御装置に配置して駆動させた。この制
御装置は、圧電アクチュエータ１と、圧電アクチュエー
タ１の外周に配置された筒状のヒータ７と、電気回路と
からなる。圧電アクチュエータ１は駆動電源２により矩
形電圧が印加されて間欠的に連続駆動される。圧電アク
チュエータ１中には温度センサ８が配設されている。温
度センサ８の信号はヒータコントロール回路９へ入力さ
れている。ヒータコントロール回路９では温度センサ８
からの信号を規定値と比較し、ヒータ７を加熱するヒー
タ電源１０を制御している。これにより圧電アクチュエ
ータ１は所定温度に加熱されその温度に保たれるように
構成されている。

【００２４】この制御装置を用い、設定温度を２３０℃
として実施例１と同様に無負荷状態で４００Ｖの矩形電
圧を印加した。その結果、圧電アクチュエータ１の変位
量は０〜７５μｍの間で大きく変動し、不安定であっ
た。これは温度センサ８が圧電アクチュエータ１内部の
１点の温度を検出しているだけであるため、圧電アクチ
ュエータ１全体の温度を代表するものとはいい難く、温
度制御のばらつきにより変位量が変動したものである。 （他の実施例）上記実施例の制御方法では、駆動電圧を
印加している状態でのみ静電容量が検知されるため、非
駆動時に静電容量を検知することは困難である。そこ
で、図５に示すように、駆動電圧とは別に、駆動電圧よ
り十分低い一定周波数の矩形検知電圧（ｆ）を常に印加
し、駆動電圧が印加された時にはその検知電圧（ｆ）に
も駆動電圧を加えるようにすれば、非駆動時にも静電容
量を検知でき制御精度を一層向上させることができる。

【００２５】

【発明の効果】すなわち本発明の圧電アクチュエータの
制御方法によれば、極めて安定した高い変位量が得られ
るため、従来必要であった変位拡大機構が不要となり、
コンパクトとなるとともにコストの低減を図ることがで
きる。そして温度センサ及びその配線が不要となるため
一層コンパクトとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例で使用した制御装置のブロッ
クダイアグラムである。

【図２】本発明の一実施例における印加電圧と抵抗電圧
を示す線図である。

【図３】本発明の一実施例における電圧の変遷を示す線
図である。

【図４】温度変化に対応する変位量変化と残留分極量変
化を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例における電圧印加方法を説
明する線図である。

【図６】本発明の制御方法における電界と分極の関係を
示すグラフである。

【図７】従来の制御方法における電界と分極の関係を示
すグラフである。

【図８】本発明の比較例で使用した制御装置のブロック
ダイアグラムである。

【符号の説明】

１：圧電アクチュエータ ２：駆動電源
３：ヒータ ４：抵抗 ５：ヒータ電源
６：制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板と電極板とを交互に複数枚積層し
   てなる圧電アクチュエータを、該圧電板の残留分極が低
   下し始める温度以上で該圧電板のキュリー温度未満の温
   度範囲に制御するとともに、該圧電板の抗電圧以上の電
   圧を印加して作動させる圧電アクチュエータの制御方法
   であって、 前記温度範囲の制御は、前記圧電アクチュエータの静電
   容量を検知することで該圧電アクチュエータの現実の温
   度を間接的に検知して行うことを特徴とする圧電アクチ
   ュエータの制御方法。