JPS5914685A - 電気−機械変換装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、バイモルフ圧電素子を有する電気−機械変換
装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近時、圧電セラミ、り素子の応用としてバイモルフ圧電
素子が開発されている。このバイモルフ圧電素子は一対
の圧電セラミ、り素子を積層結合してなるもので、これ
ら圧電セラミック素子にそれぞれ偏向電圧を印加するこ
とで長手方向に曲げられることが知られている。圧電セ
ラミック素子は高誘電率の多結晶材料で形成され、印加
電圧の特性により分極され圧電特性を示す。分極する材
料は分極方向を有していると言われ、電圧を印加される
と特異な機械的特性を示す。例えば、薄くて長い圧電セ
ラミック素子を金属等の薄い基板に結合し、この圧電セ
ラξ、り素子に分極方向と同一方向のｒ寵臣を印加する
と、前記圧電セラミック素子は長手方向に対して縮むこ
とになる。このとき、前記基板は何ら変化しないので結
局結合された圧電セラミ、り素子は基板と共に曲がＪｌ
生ずる。この曲がりの効果を増大する手法は、２枚の圧
電セラミック素子を結合し各素子に電圧を印加すると共
に、この電圧が一方の素子の分極方向となり、他方の素
子の分極方向と逆になるようにすることである。このよ
うにして結合された一対の素子、すなわちバイモルフ圧
電素子は単一の圧電セラミック素子よりも大きく曲げら
れる。いわゆるプツシ−プル効果が達成される。また、
前記印加電圧の極性を反転することにより曲がりを反転
させることができる。

上述したバイモルフ圧電素子の応用としては大きな両方
向の偏向を必要とするもの、たとえばビデオチーブレコ
ーダ（ＶＴＲ）が挙げられる。

ＶＴＲにおいてビデオテープ上の情報はテープのトラッ
クに含まれそのトラ、りに含まれた情報の最も良好な再
生に対しては、ビデオへ、ドが読み出されているトラ、
り上で中心に位置決めされなければならない。この位置
決め、つまシビデオへ、ドとテープのトラックとの整合
に前記バイモルフ圧電素子が用いられる。第１図は前記
用途に使用される従来のバイモルフ圧電素子の概略構成
を示す斜視図である。即ち、バイモルフ圧電素子は両主
面に電極１，２をそれぞれ取着してなる圧電セラミック
素子３と、両主面に電極４．５ｆ：それぞれ取着してな
る圧電セラミック素子６とが接着剤を介して積層された
構造になっている。なお、前記圧電セラミック素子３．
６はそれぞれの分極方向をそろえて、すなわち並列に結
合されている。かかるバイモルフ圧電素子はその一端、
つ−まり前記電極５の下面右側をＶＴＲの走査ドラム内
に固定される。

また、ビデオヘッドれ上記バイモルフ圧電素子の他端、
つ〜まり前記電極１の上面左側或いは前記′成極５の下
面左側に固定されるものとなっている。しかして、前記
′成極１．５および電極２゜４がそれぞれ同一極性とな
るようにし、各電極１．２．４．５に電力供給線管接続
し、前記圧電セラミ、り素子３，６に所定の偏向電圧を
印加することによって、前記ビデオヘッドが前記トラッ
クに対して適切に位置決めされることになる。

ところで、前記偏向電圧としては広帯域にわたる周波数
の交流信号である三角波、矩形波、鋸歯状波などの信号
が゛用いられる。バイモルフ圧電素子にこのような偏向
電圧が印加されると、同素子は上記偏向電圧に応答する
と同時に上記偏向′電圧とは異なる偏向を生じて不要振
□動を発生する。たとえば、バイモルフ圧電素子に第２
図（−）に示す如き鋸歯状波が印加されると、この素子
は同図（ｂ）に示す如く前記鋸歯状仮に応じて偏向する
と共に不要振動を発生する。また、長さが２４　（ｍｍ
　）、幅７　（ｔｍ　）で厚みが０．２（ｍｍ）の圧電
セラミック素子を２枚はり合せたバイモルフ圧電素子で
はこの不要撮動の周波数は約４００（Ｈｚ）となる。

このようなバイモルフ圧電素子の不要撮動の除去あるい
は減衰の手法としてバイモルフ圧電素子をデッド・ラバ
ー・パッドで挾持することにより不要振動を制限するこ
とが試みられている。１−７かし、このように、デッド
・ラバニ・パッドで挾持した場合はバイモルフ圧電素子
が偏向できる範囲を限定し、バイモルフ圧電素子による
動的偏向範囲を制限するという欠点を有していた。つま
シ偏向電圧に対応したバイモルフ圧電素子自身の振動を
除去、減衰させ、偏向の範囲を限定することにより忠実
な応答が困難となる場合が多い。

〔発明の目的〕

本発明は、バイモルフ圧電素子の動的偏向範囲を制限す
ることなく不要振動の除去を行ない、かつ、バイモルフ
圧電素子の駆動回路等に改良を加えることなく応答特性
を改善した電気−機械変換装置を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明は、主バイモルフ圧電素子とこれに補助バイモル
フ圧電素子を適当な衝撃吸収体により連結したことを特
徴とするものである。即ち、大きな偏向と良好な応答特
性を要求される主バイモルフ圧電素子と主バイモルフ圧
電素子より小形状である補助バイモルフ圧電素子を、小
形の衝撃吸収体で連結することで応答も一性を改善した
ものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図及び第４図を参照して
説明する。

図中のりは一端側が断面り型の固定治具１２上簡に支持
された主バイモルフ圧電素子である。この主バイモルフ
圧電素子口は両主面に電極１３１．１３２を夫々取着し
てなる例えばＰＺＴ系圧電セラξツク材料からなる圧電
セラミ、り素子１４と、両主面に電極ｉｓ、、−ｔｓ２
を夫々取着してなる同ＰＺＴ系圧電セラミック材料から
なる圧電セラミ、り素子１６とを接着剤を介して積層し
た構造になっている。なお、前記圧電セラミック素子１
４．１６は夫々の分極方向を揃えて、つまシ並列に結合
されている。

前記上側の圧電セラミ、り素子１４の形状は例えば長さ
２２簡、幅７ｍ、厚さ０．２　ｗｔｍで、下側の圧電セ
ラミック素子１６は前記素子１４と同幅、同厚で、長さ
が前記素子１４よシ５晴長い２７簡となっている。そし
て、前記主バイモルフ圧電素子Ｈの下面には該圧電素子
りより長さの短い、つまり固有振動数の大きい補助バイ
モルフ圧電素子だが該主バイモルフ圧電素子口の長手方
向で重なり合うように衝撃吸収体としての加硫ゴム体１
８を介して連結されている。この補助バイモルフ圧′覗
素子１７の一端は前記固定治具１２の階段面で支持され
ている。

また、補助バイモルフ圧電素子Ｕは両主面に電極１９１
．１９．全夫々取着してなる例えばＰＺＴ系圧電セ２ミ
ック材料からなる圧電セラミック素子２０と、両主面に
電極２５，２１゜を夫々取着してなる同セラミ、り材料
からなる圧電セラミ、り素子２２と、を接着剤を介して
積層した構造になっている。前記圧電セラミック素子２
０．２２は夫々分極方向を揃えて、つまり並列に結合さ
れている、なお、前記加硫ゴム体１８の形状は長さ４鮎
、幅３間、厚さ１．２露である。つまシ、前記主バイモ
ルフ圧電素子−Ｕと補助バイモルフ圧電素子ととは互に
前記ゴム体１８の厚さ分（１，２ｍ　）離間して連結さ
れている。前記上側の圧電セラミ、り素子２０の形状は
例えば長さ１７ｍｍ、幅７ｍ、厚さ０．２鷹で、下側の
圧電セラミック素子２２は前記素子２０と同幅、同厚で
、長さが前記素子２０より５ｍ長い２２鴻となっている
。更に、前記主バイモルフ圧電素子Ｕの電’ｔｉ１３ｔ
ｅｚｓ、、ｉｓ、及び補助バイモ〃フ圧電素子Ｕの電極
１９１ｖ　２１１　　ｔ　２１２には偏向電圧を印加す
るための電源２３が接続されている。

なお、ＶＴＲに応用する場合は前記主バイモルフ圧電素
子Ｕの他端（固定治具１２と反対側の端部）の電極１５
２下面にビデオへ、ド２４が取付けられる。。

このような構成によれば、今、電源２３から所望の偏向
電圧を主バイモルフ圧！素子１１の電極１３１　．１３
２　．１５１　　＋１５鵞及び補助バイモルフ圧゛成素
子すの電極１９＋　　ｓ１９＊　　ｅ２１１　　＊　２
７２に印加すると、主バイモルフ圧電素子口では第５図
（！Ｌ）の振幅−周波数特性及び同図（ｂ）の位相特性
を示し、補助バイモルフ圧電素子ヨでは第６図（ａ）の
振幅−周波数特性及び同図伽）の位相特性を示す。つｔ
ｂ、これら第５図（ａ）、伽）、第６図（ａ）、伽）↓
シ主バイモルフ圧電素子Ｕ及び補助バイモルフ圧電素子
Ｅは共に不要振動を誘発する第１次共振周波数ｆ１ｆ′
を越えると、その位相が１８φＯＱ回転する。

例えば、駆動周波数の３０Ｈｚの偏向電圧を印加した場
合、実施例に示す形状の主バイモルフ圧電素子口では一
次共振周波数ｆが４２０Ｉ（Ｚ補助バイモルフ圧゛醒素
子Ｕでは一次共振周波数ｆ′が９５０Ｈｚとなシ、主バ
イモルフ圧電素子口より長さが短い補助バイモルフ圧電
素子１７の位相が回転する一次共振周波数ｆ′は該主バ
イモルフ圧電素子口に比べて高くなる。

しかして、主バイモルフ圧電素子口に該圧電素子１１に
比べて短い補助バイモルフ圧電素子Ｕを加硫ゴム体１８
を介して連結することにより１．主バイモルフ圧電素子
Ｕの一次共振周波数ｆと補助バイモルフ圧電素子Ｕの一
次共振周波数ｆ′間において、第５図（ｂ）及び第６図
（ｂ）の如く各圧電集子１１．１７の位相が逆になるた
め、互に相殺されて主バイモルフ圧電素子１１の不要振
動を零にでき、また、−次共振周波数ｆ′以上では各圧
電素子Ｕ、υ間に介装した加硫ゴム体１８の緩衝作用に
より不要振動を極めて小さくできる。その結果、不要振
動が極めて少ない良好な応答特性が得られる。事実、電
源２３から主バイモルフ圧電素子Ｕ及び補助バイモルフ
圧電素子Ｈに第７図（−）に示す鋸歯状波（周波数３０
１′ｌすを印加したところ、主バイモルフ圧電素子Ｕの
応答特性は同図（ｂｌに示す如く前記鋸歯状波と略相似
したものであった。また、主、補助のバイモルフ圧電素
子１１．１７を緩衝作用（衝撃吸収作用）を有する加硫
ゴム体１８で連結しているため、従来のデッド・ラバー
・パッドを用いた場合の如く偏向範囲が制限される等の
不都合さや駆動回路に特殊な回路を用いる等の問題を解
消できる。したがって、本発明によれば偏向範囲が制限
されることなく、不要振動を除去もしくは低減すること
ができ、偏向電圧に対する応答特性を大幅に向上できる
。

なお、上ｉ己実施例では衝撃吸収体として加硫ゴム体を
用いたが、これに限らずシリコンゴム体、ポリウレタン
発氾体等の他の衝撃吸収体を用いてもよい。また、主、
補助のバイモルフ圧電素子並びに衝撃吸収体の形状は上
記実施例に限定されず、要求する特性等により任意に変
更し得る。

上記実施例ではＶＴＲに応用する場合について説明した
が、これに限らずビデオディスク等の変位偏向にも応用
できる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば主バイモルフ圧電素
子の動的偏向範囲を制限することなく、かつ駆動回路等
に特殊な回路を設けることなく、不要振動の除去もしく
は減衰が可能で、応答特性を著しく改善した電気−機械
変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイモルフ圧電素子の概略構成を示す斜
視図、第２図（−）、（ｂ）は前記圧電素子の作用を説
明するための波形図、第３図は本発明の一実施例に係る
電気−機械変換装置の概略構成を示す斜視図、第４図は
第３図の変換装置の断面図、第５図（ａ）は電気−機械
変換装置の主バイモルフ圧電素子における振動−周波数
特性を示す図、同図（ｂ）は同主バイモルフ圧電素子に
おける位相特性を示す図、第６図（ａ）は前記変換装置
の補助バイモルフ圧電素子における振動−周波数特性を
示す図、同図（ｂ）は同補助ノ（イモルフ圧電素子にお
ける位相特性を示す図、第７図（”）、（ｂ）は上記実
施例の変換装置の効果を説明するための波形図である。 １１・・・主バイモルフ圧電素子、１２・・・固定治具
、１３１　　＋１３２　　＋１５１　　＋１５２　　＋
１９１　ｅｌ　９２　　ｒ　２１１　１２　Ｊ２・・・
電極、１４．１６゜２０．２２・・・圧電セラミック素
子、１７・・・補助バイモルフ圧電素子、１８・・・加
硫ゴム体、２３・・・電源、２４・・・ビデオヘッド。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　複数の圧電セラミ、り素子を積層結合してな
   る電気−機械変換作用を有する主バイモルフ圧電素子と
   、この主バイモルフ圧電素子に衝撃吸収体を介して連結
   され、複数の圧電セラミック素子を積層結合してなる補
   助バイモルフ圧電素子とを具備したことを特徴とする電
   気−機械変換装置１、
2. （２）補助バイモルフ圧電素子社主バイモルフ圧電素子
   と固有振動数が異なシ、かつ該主バイモルフ圧電素子の
   固有振動数以上であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の電気−機械変換装置。