JPS611278A

JPS611278A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS611278A
Application number: JP59118257A
Authority: JP
Inventors: Akira Tomono; 明伴野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-06-11
Filing date: 1984-06-11
Publication date: 1986-01-07

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形圧電アクチュエータに関するもの
である。

〔従来技術〕

従来から、バイモルフ形圧電アクチュエータとして、２
枚の電歪板を中央電極を介して接着し、２端子駆動入力
回路を接続した構造のものがよく知られている。ここに
、電歪板とは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ”Ｆ）など
の電歪月料を板状にし、両面に電極を設りて分極したも
のをいう。

第１図は、２枚の電歪板を分極方向が同じに成るように
接着して構成した従来がらある圧電アクチュエータとそ
の駆動回路を示す概略構成図である。

圧電アクチュエータ１０は圧電素子１１と２端子駆動入
力回路１２とから成り、駆動回路１３は出力電圧Ｅの定
電圧電源１４がら成る。圧電素子１１は電歪板１５およ
び１６、中央電極１７、外側電極１８．１９から成り、
図上左端部が固定端２０となり、右端部が自由端２１と
なる。なお、矢印Ａは電歪板の分極方向を示し、矢印Ｂ
は歪力の方向を示している。

閏に示すように、２端子駆動入力回路１２め端子２２に
正、端子２３に負の電圧を印加すると電歪板１５は分極
方向に電圧が印加されて縮み、電歪板１６は分極方向と
反対の方向に電圧が印加されて伸びるため、自由端２１
は矢印Ｃのように変位する。また、印加電圧の極性を逆
にすると電歪板１５は伸び、電歪板１６は縮むため、自
由端２１は矢印Ｃと逆の方向に変位する。

このような構造の圧電アクチュエータは極めて低電力で
駆動できるため幅広い応用が期待されているが、十分な
変位と力が得られないため実用化を側しくしている。

すなわち、電歪板の長さを一定にした場合、大きな変位
を得るためには電歪板を薄くすればよいが、これでは発
生力が小さくなってしまう。一方、大きな力を得るため
には電歪板を厚くして高電圧を印加することが考えられ
るが、電圧を高くすると通分極方向に電圧を印加した場
合に電歪板の分極が低下してしまい、結局分極劣化電圧
以上の電源を用いることは不可能であり、大きな変位は
望めなかった。

〔発明の概要〕

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、大きな変位でかつ大きな力を発
生ずる圧電アクチュエータを得ることＧこある。

かかる目的を達成するために本発明は、圧電素子を構成
する電歪板として積層電歪板を利用するとともに、電歪
板の分極方向には分極劣化電圧板」二の電圧を印加し、
通分極方向には分極劣化電圧以下の電圧を印加するよう
に２端子駆動入力回路を構成したものである。

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例を示す概略構成図である。

３０は圧電アクチュエータであり、圧電素子３１と２端
子駆動入力回路３２がら構成されている。

圧電素子３１は積層電歪板３４．３５と中央電極３６と
から構成されている。積層電歪板３４．３５は矢印Ａで
示すようにそれぞれ分極方向が交互になるように電歪板
３４ａ、３４ｂ並びに３５ａ。

３５ｂを重ねたものであり、中央電極３６に接する２つ
の電歪板３４ｂ、３５ａの分極方向は同方向となってい
る。

２端子駆動入力回路３２には、２つの定電圧ダイオード
３９．４０が用いられている。積層電歪板３４の中で、
正の分極面に接する電極３７ｂには定電圧ダイオード３
９の陰極が接続され、積層電歪板３５の中で、負の分極
面に接する電極３８ａには定電圧ダイオード４０の陽極
が接続され、定電圧ダイオード３９の陽極と定電圧ダイ
オード４０の陰極は共通にされて一方の駆動入力端子４
１に接続されている。また、積層電歪板３４の中で、負
の分極面に接する電極３７ａと積層電歪板３５の中で、
正の分極面に接する電極３８ｂと中央電極３６とは共通
にされて他方の駆動入力端子４２に接続されている。

定電圧ダイオード３９．４０の動作電圧ｖｚｎは駆動入
力端子４１．４２に印加される印加定電圧Ｅから分極劣
化電圧を引いた電圧となっている。

なお、分極劣化電圧とは、逆分極方向への印加によって
電歪板の分極が劣化し始める電圧をいう。

ここで、分極劣化電圧を一層明確にするために２枚の電
歪板からなる圧電アクチュエータを例にとって説明する
。第３図は印加電圧Ｅと印加電圧を極性を切り替えて与
えたときの１周期の変位量δとの関係を示すグラフであ
る。実線Ａは、第１図に示した圧電アクチュエータ１０
を動作させた場合を示し、実線Ｂは第４図に示すように
２端子駆動入力回路に定電圧ダイオードを挿入した圧電
アクチュエータを動作させた場合を示す。

実線Ａでは、電圧を徐々に上昇させると当初は変位量δ
も増加するが、６０Ｖ程度から急激に低下する。これは
、電歪板の逆分極方向に高電界が加わることによって分
極が破壊したためである。

従って、この圧電素子の逆方向抗電界は約６０Ｖ／ｌで
ある。ここで、ｔは電歪板の厚さである。

このように、電歪板の分極は逆方向抗電界付近で急激に
破壊するが、長時間電圧を印加する場合は逆方向抗電界
の約１／２程度の電圧で劣化が始まる。したがって、こ
の圧電素子の場合分極劣化電圧は３０Ｖ程度ということ
ができる。

ところが、第４図に示すように２端子駆動入力回路に定
電圧ダイオードを挿入し、定電圧ダイオードの動作電圧
■２．と印加電圧Ｅとの関係をＶ２．＝Ｅ−３０に保持しながら印加電圧Ｅをト昇させると、分極方向に
は電圧Ｅがそのまま加わるが逆分極方向にば３０Ｖ以上
加わらない。そのため、実線Ｂに示すように、動作中分
極の劣化は起きず、変位量δは印加電圧Ｅとともに増加
する。印加電圧Ｅは電歪板が絶縁破壊を生ずるまで上げ
ることができる。

第２図の２端子駆動入力回路３２の場合も各電歪板３４
ａ、３４ｂ、３５ａ、３６ｂに対してそれぞれ分極方向
には印加電圧Ｅがそのまま加わるが逆分極方向には分極
劣化電圧以上加わらないため、高い印加電圧を与えるこ
とができる。

圧電アクチュエータ３０に印加電圧を与えるのは、駆動
回路３３であり、定電圧回路４３と極性切替スイッチ４
４により構成される。ここで、ＣＲＤｌ、ＣＲＤ２は定
電流ダイオード、ＺＤ、Ｃ１、ＥＩは定電圧ダイオード
、コンデンサ、定電１１−源である。なお、駆動回路３
３は第５図に示すように構成することもできる。１’ｒ
ｌ、１−Ｒ２はトランジスタ、Ｒ１は高抵抗であり、こ
の回路では印加電圧は定電圧ダイオードＺＤ３の動作電
圧によって制限される。

次に、本実施例の圧電アクチェエータ３０の動作を説明
する。圧電素子３１の分極劣化電圧を３０■とし、駆動
回路３３の印加電圧を６０Ｖとした場合を例にとる。こ
の場合、定電圧ダイオード３９．４０の動作電圧Ｖｚｌ
）は３０Ｖである。

駆動入力端子４１が正、駆動入力端子４２が負となるよ
うに印加電圧を与えると、電歪板３４ａ。

３４ｂには分極方向に６０Ｖが印加され、電歪板３５ａ
、３５ｂには逆分極方向に３０Ｖが印加されるため、積
層電歪板３４は全体に縮み積層電歪板３５は全体に伸び
て圧電素子３１の先端は矢印Ｂ方向に太き（変位する。

極性切替スイッチ４４によって、印加電圧の極性を切り
替えると今度は電歪板３４ａ、３４ｂには逆分極方向に
３０Ｖが印加され、電歪板３５ａ。

３５ｂには分極方向に６０Ｖが印加されるため、積層電
歪板３４．３５はそれぞれ逆に伸縮し、圧電素子３１の
先端は矢印Ｂと逆の方向に変位する。

第６図は本発明の他の実施例を示した概略構成図である
。この実施例では、積層電歪板として３枚の電歪板を重
ねたものを用いている。前記実施例と同様に、積層電歪
板３４．３５は矢印Ａで示すようにそれぞれ分極方向が
交互になるように電歪板３４ａ、３４ｂ、３４ｃ並びに
３５ａ、３５ｂ、３５ｃを重ねたものであり、中央電極
３６に接する２つの電歪板３４ｂ、３５ａの分極方向は
同方向となっている。

２端子駆動入力回路３２には、４つの定電圧ダイオード
３９．４０，５０．５１が用いられている。積層電歪板
３４の中で、正の分極面に接する電極３７ｂ、３７ｃに
は定電圧ダイオード３９゜５０の陰極が接続され、積層
電歪板３５の中で、負の分極面に接する電極３８ａ、３
７ｃには定電圧ダイオード４０．５１の陽極が接続され
、定電圧ダイオード３９．５０の陽極と定電圧ダイオー
ド４０．５１の陰極は共通にされて一方の駆動入力端子
４１に接続されている。また、積層電歪板３４の中で、
負の分極面に接する電極３７ａと積層電歪板３５の中で
、正の分極面に接する電極３８ｂと中央電極３６とは共
通にされて他方の駆動穴ツノ端子４２に接続されている
。

かかる構成のもとに、駆動入力端子４１．４２に印加電
圧を与えると、前記実施例と同様に圧電素子３１の先端
は大きく変位する。駆動入力端子４１が正のときに、矢
印Ｂ方向に変位する点も前記実施例と同様である。

第７図はさらに別の実施例を示す概略構成図である。電
歪板の分極方向を交互にして重ねた積層電歪板を用いる
点では前述の２つの実施例と同様であるが、中央電極の
両側における２つの電歪板の分極方向が前述の２つの実
施例と異なる。

すなわち、本実施例の圧電素子６１では、積層電歪板６
４．６５が、中央電極６６に接する電歪板６４ａ、６５
ａの分極方向が逆になるように接着されているものであ
る。

２端子駆動入力回路６２は、２つの定電圧ダイオード７
３．’７１．２つのダイオード７５．７６を含む。積層
電歪板６４の正の分極面に設けられた電極６７　ａ、　
　６７　ｃを共通にして駆動入力端子７１に接続し、積
層電歪板６５の正の分極面に設けられた電極６８ａ、６
８ｃを共通にして駆動入力端子７２に接続する。中央電
極６６および積層電歪板６４．６５の負の分極面に設け
られた電極６７ｂ、６８ｂを共通にして中央端子とし、
駆動入力端子７１および７２にそれぞれ定電圧ダイオー
ド７３および７４の陽極を接続し、定電圧ダイオード７
３および７４の陰極にそれぞれダイオード７５および７
６の陰極を接続し、このダイオード７５および７６の陽
極を共通にして中央端子に接続する。

本実施例では、定電圧ダイオード７３．７４の動作電圧
Ｖ　、３．　　Ｖ　、４を分極劣化電圧以下にし、印加
電圧Ｅを動作電圧Ｖ７３またはｖ７４と分極劣化電圧と
の和以」−にする。具体例として、分極劣化電圧＝　Ｖ
７ｘ−Ｖ７４＝　３０　ｖ、印加電圧Ｅ＝９０Ｖ、！：
すると、電歪板６４ａ、６４ｂ、６４ｃには分極方向に
６０Ｖの電圧が印加されるため、第６図の実施例の場合
とほぼ同様の変位と力が発生する。

なお、本実施例では、中央電極６６において、積層電歪
板６４．６５の負の分極面同志を対向させているが、正
の分極面同志を対向させても構わない。この場合、２端
子駆動入力回路６２は、定電圧ダイオード７３，７４．
ダイオード７５，７６の方向をすべて逆にすればよい。

また、上述したすべての実施例において、中央電極の両
側に積層電歪板を用いているが、片側だけに積層電歪板
を用い、反対側は単層の電歪板を用いたものでもよい。

〔発明の効果〕

以北説明したように、本発明は、圧電素子を構成する電
歪板として積層電歪板を利用するとともに、２端子駆動
入力回路を、電歪板の分極方向には分極劣化電圧以上の
電圧を印加して通分極方向には分極劣化電圧以下の電圧
を印加するように構成したので、大きな変位でかつ大き
な力を発生する圧電アクチュエータを実現できる。

従って、本発明は、硬貨処理装置、光スィッチ。

継電器、ＶＴＲのヘッド駆動装置、光ディスクヘノド駆
動装置などを始めとした低電力駆動が望まれる装置に電
磁マグネットの代替として使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電アクチュエータを示す概略構成図、
第２図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第３図は
印加電圧Ｅと１周期の変位置δとの関係を示すグラフ、
第４図は２端子駆動入力回路に定電圧ダイオードを挿入
した圧電アクチュエータの概略構成図、第５図は駆動回
路の他の例を示す回路図、第６図は本発明の他の実施例
を示す概略構成図、第７図はさらに別の実施例を示す概
略構成図である。３０．６０・・・圧電アクチュエータ、３１゜６１・・
・圧電素子、３２．６２・・・２端子駆動入力回路、３
３・・・駆動回路、３４，３５゜６４．６５・・・積層
電歪板、３４ａ〜３４ｃ。３５ａ〜３５ｃ、６４ａ〜６４ｃ、６５ａ〜６５Ｃ・・
・電歪板、３６．６６・・・中央電極、３７ａ〜３７ｃ
、３８ａ〜３８ｃ、６７ａ〜６７ｃ。６８ａ〜６８ｃ・・・電極、３９，４０，７３゜７４・
・・定電圧ダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中央電極を電歪板で挟んだ圧電素子と、前記電歪
板に所定の電界をかけるための２端子駆動入力回路とか
らなる圧電アクチュエータにおいて、前記中央電極を境
にして少なくとも片側の電歪板は、複数の電歪板を分極
方向が交互になるように接着して構成した積層電歪板と
し、前記２端子駆動入力回路は、入力端子に一定の極性
の定電圧を印加したときには前記中央電極を境にして一
方の側にあるすべての電歪板に分極方向に前記定電圧を
与えるとともに、前記中央電極を境にして他方の側にあ
るすべての電歪板に逆分極方向に前記定電圧よりも低い
電圧を与え、前記入力端子に前記一定の極性に対して逆
の極性の定電圧を印加したときには前記他方の側にある
すべての電歪板に分極方向に前記定電圧を与えるととも
に、前記中央電極を境にして前記一方の側にあるすべて
の電歪板に逆分極方向に前記定電圧よりも低い電圧を与
えるように構成したことを特徴とする圧電アクチュエー
タ。
（２）圧電素子は、中央電極に接する２つの電歪板の分
極方向が同方向となるようにし、２端子駆動入力回路は
、中央電極に負の分極面が接する電歪板側の正の分極面
に接する電極の各々に定電圧ダイオードの陰極を接続し
、中央電極に正の分極面が接する電歪板側の負の分極面
に接する電極の各々に定電圧ダイオードの陽極を接続し
、前記定電圧ダイオードのすべての他端子を共通にして
一方の駆動入力端子とし、中央電極および定電圧ダイオ
ードが接続されていない電極を共通にして他方の駆動入
力端子とした特許請求の範囲第１項記載の圧電アクチュ
エータ。
（３）圧電素子は、中央電極に接する２つの電歪板の分
極方向が互いに異なるようにし、２端子駆動入力回路は
、中央電極を境にして一方の側にある電極であって中央
電極に対向する分極面と異なる極性の分極面に接する電
極の各々を共通にして一方の駆動入力端子とし、中央電
極を境にして他方の側にある電極であって中央電極に対
向する分極面と異なる極性の分極面に接する電極の各々
を共通にして他方の駆動入力端子とし、中央電極および
中央電極に対向する分極面と同一の極性の分極面に接す
る電極の各々を共通にして中央端子とし、一方の駆動入
力端子と中央端子および他方の駆動入力端子と中央端子
との間にそれぞれ定電圧ダイオードとダイオードを逆方
向に直列接続した回路を接続した特許請求の範囲第１項
記載の圧電アクチュエータ。