JPH01226187A - 積層型圧電素子の駆動方法 - Google Patents
積層型圧電素子の駆動方法Info
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- JPH01226187A JPH01226187A JP63053119A JP5311988A JPH01226187A JP H01226187 A JPH01226187 A JP H01226187A JP 63053119 A JP63053119 A JP 63053119A JP 5311988 A JP5311988 A JP 5311988A JP H01226187 A JPH01226187 A JP H01226187A
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- Pending
Links
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、アクチュエータとして用いられる積層型圧
電素子の駆動方法に関する。
電素子の駆動方法に関する。
メカトロニクス機器の急速な発展に伴い、この分野で使
用されるアクチュエータが注目されてきている。 現在、過半のアクチュエータは電磁力で駆動されている
ため、消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズの発生が
あり、これに代わるアクチュエータの開発が望まれてい
る。 これに対し、固体の圧電効果を利用したアクチュエータ
は、電磁式のアクチュエータの有する欠点を克服できる
ばかりか、小型軽量でかつ振動・衝撃に対して強いとい
う特長を有している。 圧電アクチュエータとしては、古くから２枚の圧電板を
貼り合わせた圧電バイモルフが知られており、スピーカ
のトランスジューサやＶＴＲへラドのポジショナなどと
して利用されている。この圧電バイモルフは比較的低電
圧で数１００μｍの大きな変位が得られ、また容易に製
造できるという利点を持つが、その反面発生力が小さく
、応答速度も余り速くない。また、圧電バイモルフは基
本的には圧電横効果を利用しているため、電気−機械工
ネルギ変換効率も低い。このため、最近のメカトロニク
スあるいはエレクトロニクス分野での高度な要求に対し
ては、特性的に不十分になってきている。 これを改良したものとして、多数の圧電板を層状に積み
重ねて構成した積層型圧電素子を用いたアクチュエータ
が提案されている（例えば、特開昭６０−８６８８０号
公報参照）。この積層型圧電素子は圧電縦効果を利用す
るもので、圧電バイモルフに比べて応答速度が速く、発
生力が大きいという優れた特長を有し、各分野での応用
が期待されている。 このような積層型圧電素子としては、第３図に示すよう
な構造のものが知られている。すなわち、第３図におい
て、圧電セラミックスの圧電材料層１とガラスフリット
入りの銀で形成された電極層２Ａ、２Ｂとが交互に積層
され、電極層２Ａ及び２ＢはＩＮ置きに導電性接着剤を
塗布乾燥させた外部電極層３Ａ及び３Ｂにそれぞれ電気
的に接続されている。４Ａ及び４Ｂは、電極層２Ａ及び
２Ｂを外部電極層３Ａ及び３Ｂに対して絶縁するための
エポキシ樹脂の絶縁層である。 このような積層型圧電素子は、素子製造後にまず外部電
極層３Ａ、３Ｂ間に圧電セラミックスの抗電界以上の直
流電圧を印加し、電極層２Ａ、２Ｂと絶縁層４Ａ、４Ｂ
により１層置きに並列接続された圧電材料層ｌを分極す
る。その後、外部電極］’ｉ３Ａ、３Ｂ間に初期分極時
と同一方向の直流電圧を印加することにより所定の変位
量が得られる。
用されるアクチュエータが注目されてきている。 現在、過半のアクチュエータは電磁力で駆動されている
ため、消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズの発生が
あり、これに代わるアクチュエータの開発が望まれてい
る。 これに対し、固体の圧電効果を利用したアクチュエータ
は、電磁式のアクチュエータの有する欠点を克服できる
ばかりか、小型軽量でかつ振動・衝撃に対して強いとい
う特長を有している。 圧電アクチュエータとしては、古くから２枚の圧電板を
貼り合わせた圧電バイモルフが知られており、スピーカ
のトランスジューサやＶＴＲへラドのポジショナなどと
して利用されている。この圧電バイモルフは比較的低電
圧で数１００μｍの大きな変位が得られ、また容易に製
造できるという利点を持つが、その反面発生力が小さく
、応答速度も余り速くない。また、圧電バイモルフは基
本的には圧電横効果を利用しているため、電気−機械工
ネルギ変換効率も低い。このため、最近のメカトロニク
スあるいはエレクトロニクス分野での高度な要求に対し
ては、特性的に不十分になってきている。 これを改良したものとして、多数の圧電板を層状に積み
重ねて構成した積層型圧電素子を用いたアクチュエータ
が提案されている（例えば、特開昭６０−８６８８０号
公報参照）。この積層型圧電素子は圧電縦効果を利用す
るもので、圧電バイモルフに比べて応答速度が速く、発
生力が大きいという優れた特長を有し、各分野での応用
が期待されている。 このような積層型圧電素子としては、第３図に示すよう
な構造のものが知られている。すなわち、第３図におい
て、圧電セラミックスの圧電材料層１とガラスフリット
入りの銀で形成された電極層２Ａ、２Ｂとが交互に積層
され、電極層２Ａ及び２ＢはＩＮ置きに導電性接着剤を
塗布乾燥させた外部電極層３Ａ及び３Ｂにそれぞれ電気
的に接続されている。４Ａ及び４Ｂは、電極層２Ａ及び
２Ｂを外部電極層３Ａ及び３Ｂに対して絶縁するための
エポキシ樹脂の絶縁層である。 このような積層型圧電素子は、素子製造後にまず外部電
極層３Ａ、３Ｂ間に圧電セラミックスの抗電界以上の直
流電圧を印加し、電極層２Ａ、２Ｂと絶縁層４Ａ、４Ｂ
により１層置きに並列接続された圧電材料層ｌを分極す
る。その後、外部電極］’ｉ３Ａ、３Ｂ間に初期分極時
と同一方向の直流電圧を印加することにより所定の変位
量が得られる。
上述のような構造の積層型圧電素子は、圧電縦効果によ
る歪み量を圧電材料層の積層枚数分加算して取り出す。 そこで、大きな変位量を得るためには歪み量の大きな材
料組成の探索、積層枚数の増加、駆動電圧の増加などが
必要となるが、材料組成に関しては１ ｋＶ／ｍの電界
強度に対し０．１％の歪み量が限界と考えられており、
積層枚数に関しては信頼性及びコストの面から、また駆
動電圧に関しては材料の絶縁強度の面からいずれも制約
がある。 この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、積層型圧
電素子の変位量を増大することのできる駆動方法を提供
することを目的とするものである。
る歪み量を圧電材料層の積層枚数分加算して取り出す。 そこで、大きな変位量を得るためには歪み量の大きな材
料組成の探索、積層枚数の増加、駆動電圧の増加などが
必要となるが、材料組成に関しては１ ｋＶ／ｍの電界
強度に対し０．１％の歪み量が限界と考えられており、
積層枚数に関しては信頼性及びコストの面から、また駆
動電圧に関しては材料の絶縁強度の面からいずれも制約
がある。 この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、積層型圧
電素子の変位量を増大することのできる駆動方法を提供
することを目的とするものである。
この発明は、圧電材料層と電極層とが交互に積層され、
前記電極層間に電圧が印加されることにより前記圧電材
料層が伸縮する積層型圧電素子において、圧電材料層の
初期分極時の印加電圧と逆方向でかつ抗電界以下の電圧
と前記初期分極時の印加電圧と同方向の電圧との間で正
逆双方向の電圧を電極層間に印加するものである。 これを第２図によりさらに詳細に説明する。第２図は圧
電セラミックスに直流電圧を印加したときの変位曲線を
示すものであるが、この変位曲線は図に示すように、■
→■→■→■→■→■→■→■のバタフライカーブを描
くことが知られている。 その際、マイナス電位側、すなわち圧電セラミックス材
料の初期分極時の印加電圧と逆方向で抗電界以下の電圧
と、プラス電位側、すなわち前記初期分極時と同方向の
電圧との間で双方向に電圧を印加するのである。そうす
ると上記変位曲線は■→■→■→■→■の曲線を取り、
図のＡ−８間の変位が得られる。
前記電極層間に電圧が印加されることにより前記圧電材
料層が伸縮する積層型圧電素子において、圧電材料層の
初期分極時の印加電圧と逆方向でかつ抗電界以下の電圧
と前記初期分極時の印加電圧と同方向の電圧との間で正
逆双方向の電圧を電極層間に印加するものである。 これを第２図によりさらに詳細に説明する。第２図は圧
電セラミックスに直流電圧を印加したときの変位曲線を
示すものであるが、この変位曲線は図に示すように、■
→■→■→■→■→■→■→■のバタフライカーブを描
くことが知られている。 その際、マイナス電位側、すなわち圧電セラミックス材
料の初期分極時の印加電圧と逆方向で抗電界以下の電圧
と、プラス電位側、すなわち前記初期分極時と同方向の
電圧との間で双方向に電圧を印加するのである。そうす
ると上記変位曲線は■→■→■→■→■の曲線を取り、
図のＡ−８間の変位が得られる。
この発明によれば、積層型圧電素子を抗電界以下のマイ
ナス電位側とプラス電位側との両側に跨がってバイポー
ラ駆動することになり、マイナス電位側の収縮した状態
を基準変位とすることにより、プラス電位側の伸び変位
にマイナス電位側の収縮変位が加算され、一方向に電圧
を印加するモノポーラ駆動に比較して大きな変位量が得
られる。
ナス電位側とプラス電位側との両側に跨がってバイポー
ラ駆動することになり、マイナス電位側の収縮した状態
を基準変位とすることにより、プラス電位側の伸び変位
にマイナス電位側の収縮変位が加算され、一方向に電圧
を印加するモノポーラ駆動に比較して大きな変位量が得
られる。
以下、第１図に基づいてこの発明の詳細な説明する。
この実施例に用いた積層型圧電素子は、次のようにして
形成した。チタン酸ジルコン酸鉛系の原料粉を円板状に
形成し、焼結後０．５＋ｍｎの厚さに研磨し、その複数
枚を銀電極ペーストを用い焼き付けて接着する。そして
、圧電セラミックス層間で銀電掻ペーストの塗布されて
いない部分にエポキシ樹脂を含浸し、１層置きに対向さ
せた眉間の絶縁を確保する。その後、外部電極を１層置
きに側面に露出した銀電極層に電気的に接続する。 このようにして形成した積層型圧電素子をこの発明の方
法により駆動した結果を示したものが第１図で、積層型
圧電素子に印加した直流電圧と変位量及びそのとき得ら
れる最大発生力との関係を表すものである。 第１図において、荷重−変位の関係はＯ→４００ｖ駆動
の場合、０→Ｆ ｆｆｉｍＸ −＋Ｓ ＠ＡＸにより囲
まれた範囲となり、最大発生力は３００ｋｇ、最大変位
量は３０μｍとなる。 次に、この発明の駆動方法により一１００ｖと４００ｖ
間で駆動した場合、−１５→Ｇ□８→Ｓ□８により囲ま
れた範囲となり、最大発生力は４５０ｋｇ、最大変位量
は４５μｍとなる。 第１表に電圧範囲を種々変化させた場合の最大発生力及
び最大変位量を示す。第１表によれば、０→４００Ｖの
モノポーラ駆動に対し、電圧幅が４００ｖより広（なっ
た場合のみならず、電圧幅が同じでもマイナス電位側の
駆動電圧を使用したバイポーラ駆動の方が特性値が向上
していることが分かる。 第１表 【発明の効果］ この発明は、積層型圧電素子を抗電界以下のマイナス電
位側とプラス電位側との両側に跨がってバイポーラ駆動
することにより、積層型圧電素子の収縮方向の変位を積
極的に利用するようにしたので、圧電材料層の積層枚数
を増やしたり駆動時の最大印加電圧を大きくすることな
く容易に大きな発生力と変位量が得られる。
形成した。チタン酸ジルコン酸鉛系の原料粉を円板状に
形成し、焼結後０．５＋ｍｎの厚さに研磨し、その複数
枚を銀電極ペーストを用い焼き付けて接着する。そして
、圧電セラミックス層間で銀電掻ペーストの塗布されて
いない部分にエポキシ樹脂を含浸し、１層置きに対向さ
せた眉間の絶縁を確保する。その後、外部電極を１層置
きに側面に露出した銀電極層に電気的に接続する。 このようにして形成した積層型圧電素子をこの発明の方
法により駆動した結果を示したものが第１図で、積層型
圧電素子に印加した直流電圧と変位量及びそのとき得ら
れる最大発生力との関係を表すものである。 第１図において、荷重−変位の関係はＯ→４００ｖ駆動
の場合、０→Ｆ ｆｆｉｍＸ −＋Ｓ ＠ＡＸにより囲
まれた範囲となり、最大発生力は３００ｋｇ、最大変位
量は３０μｍとなる。 次に、この発明の駆動方法により一１００ｖと４００ｖ
間で駆動した場合、−１５→Ｇ□８→Ｓ□８により囲ま
れた範囲となり、最大発生力は４５０ｋｇ、最大変位量
は４５μｍとなる。 第１表に電圧範囲を種々変化させた場合の最大発生力及
び最大変位量を示す。第１表によれば、０→４００Ｖの
モノポーラ駆動に対し、電圧幅が４００ｖより広（なっ
た場合のみならず、電圧幅が同じでもマイナス電位側の
駆動電圧を使用したバイポーラ駆動の方が特性値が向上
していることが分かる。 第１表 【発明の効果］ この発明は、積層型圧電素子を抗電界以下のマイナス電
位側とプラス電位側との両側に跨がってバイポーラ駆動
することにより、積層型圧電素子の収縮方向の変位を積
極的に利用するようにしたので、圧電材料層の積層枚数
を増やしたり駆動時の最大印加電圧を大きくすることな
く容易に大きな発生力と変位量が得られる。
第１図はこの発明の実施例における積層型圧電素子の電
圧−荷重・変位特性を示す線図、第２図は圧電セラミッ
クスの印加電圧と変位量の関係を説明する線図、第３図
は積層型圧電素子の一般的な構成を示す説明図である。 １：圧電材料層、２Ａ、２Ｂ：電極層、３Ａ。 ３Ｂ：外部電極層、４Ａ、４Ｂ：絶縁層。 叉イ【！（メｍ） 第１図
圧−荷重・変位特性を示す線図、第２図は圧電セラミッ
クスの印加電圧と変位量の関係を説明する線図、第３図
は積層型圧電素子の一般的な構成を示す説明図である。 １：圧電材料層、２Ａ、２Ｂ：電極層、３Ａ。 ３Ｂ：外部電極層、４Ａ、４Ｂ：絶縁層。 叉イ【！（メｍ） 第１図
Claims (1)
- １）圧電材料層と電極層とが交互に積層され、前記電極
層間に電圧が印加されることにより前記圧電材料層が伸
縮する積層型圧電素子において、圧電材料層の初期分極
時の印加電圧と逆方向でかつ抗電界以下の電圧と前記初
期分極時の印加電圧と同方向の電圧との間で正逆双方向
の電圧を電極層間に印加することを特徴とする積層型圧
電素子の駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63053119A JPH01226187A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子の駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63053119A JPH01226187A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子の駆動方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01226187A true JPH01226187A (ja) | 1989-09-08 |
Family
ID=12933913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63053119A Pending JPH01226187A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子の駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01226187A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5796206A (en) * | 1995-10-05 | 1998-08-18 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Controller and controlling method for piezoelectric actuator |
| JP2000031553A (ja) * | 1998-03-09 | 2000-01-28 | Siemens Ag | 非直線性圧電材料から成る生成物及び該生成物における特性モジュ―ルの分布を求める方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6257265A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 圧電素子駆動法 |
-
1988
- 1988-03-07 JP JP63053119A patent/JPH01226187A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6257265A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 圧電素子駆動法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5796206A (en) * | 1995-10-05 | 1998-08-18 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Controller and controlling method for piezoelectric actuator |
| JP2000031553A (ja) * | 1998-03-09 | 2000-01-28 | Siemens Ag | 非直線性圧電材料から成る生成物及び該生成物における特性モジュ―ルの分布を求める方法 |
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