JPH0322713B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は精密な位置の制御に適した圧電体変位
装置に関するもので、圧電体やその装置の構造に
起因するヒステリシスの影響を除き、信頼性の高
い圧電体変位装置を得るものである。

圧電体は電圧を加えると機械的歪を生じ、また
力を加えると電圧を発生する性質があり、機械的
エネルギーと電気的エネルギーの変換器として、
あるいはセンサーやアクチユエータとして有用な
ものである。特に入力または出力が電気信号であ
るので、信号の処理が容易であるばかりでなく精
密で高速度な制御が可能である。

しかしながら、圧電体にはヒステリシス現象が
あり、電圧を印加したときの歪はそれ以前に加え
られていた電圧の方向や大きさによつて異なり、
さらには圧電体の分極の時間的遅れのために電圧
の印加時間と共に歪が徐々に変化するため、ある
電圧を印加したときに一定の歪が得られないとい
う大きな欠点があり、一定の歪を長時間維持した
い場合や精密な位置の制御を必要とする場合に問
題がある。

第１図は従来のバイモルフ型圧電体変位装置の
駆動状況を説明する図である。図において１は金
属板、２，３はチタン酸−ジルコン酸鉛などから
なる圧電体シートで、分極の方向ｐが同一となる
ように金属板１の両面に接着されている。４，５
は圧電体シートの外側表面に設けられた銀などよ
りなる外側電極であり、前記圧電体シートの金属
板１と接する内側表面にも同様の電極が設けられ
ている。６はバイモルフの支持部である。圧電体
シート２，３の外側電極４，５は同電位になる様
にリード７′で接続され、リード線７によつて電
源９の正極端子に接続されている。８は金属板
１、即ち圧電体シート２，３の内側電極を電源９
の正負極間に接続された可変抵抗の可動接点に接
続するリード線である。

この図において、圧電体シート２には分極電圧
の方向（以下分極方向と記す）と反対の極性の電
圧が加わるので、圧電体の長さ方向に矢印ａで示
すごとく伸びが生じる。一方圧電体３には分極方
向と同一方向の電圧が加わるので、圧電体の長さ
方向に矢印ｂで示すごとく収縮が生じる。この結
果バイモルフの先端は図の下方向（正方向）に曲
りＳだけ変位する。

第５図はバイモルフの変位が電圧や電圧の印加
時間によつて、どのように変化するかを示す特性
図である。バイモルフの印加電圧をＯからVaに
増加すると、バイモルフの変位は曲線Ｏ−Ａに沿
つて増大し、Ａ点に到りScだけ変位する。つい
で電圧をVaからＯまで低下させると、変位は曲
線Ａ−Saに沿つて減少Scに到り、直ちにはＯ点
に戻らない。また、印加電圧をVaに長時間維持
した場合、分極の時間的遅れやバイモルフ構造の
ため徐々に変位量が増加してＢ点に到る。この状
態から電圧をVaよりＯ点まで低下させると変位
は曲線Ｂ−Sbに沿つて減少してSbに達し、直ち
にはSaやＯ点には復帰しない。

即ち、例えばSaとScの間の変位をＯ−Va間の
電圧で制御しようとしても、Sa−Sb間の変位は
制御できず、また変位をScに維持するのに必要
な電圧はVaからVbに低下する。したがつて時間
と共に変位がより大きく変化するバイモルフの場
合、変位Scを維持するのに必要な電圧は更に低
くなり、結局は電圧による変位の制御が不可能に
なる。

これは主として次のような圧電体のヒステリシ
スに起因するものである。即ち第１図において、
圧電体シート２は電圧印加によつて矢印ａの如く
伸び、分極の時間的遅れなどのため時間と共に更
に伸び続けようとし、たた印加電圧を零としても
残余の分極が存在するため、そのまま伸びた状態
を維持しようとする。一方圧電体シート３は電圧
印加によつて矢印ｂの如く収縮し、時間と共に収
縮し続けようとし、又電圧を零にしても残余の分
極が存在するため、そのまま収縮した状態を維持
しようとする。このため、このバイモルフでは圧
電体シート２，３は何れも電圧印加時にはバイモ
ルフの変位Ｓをさらに増加するように作用し、電
圧を零にしても、ある一定の変位（SaまたはSb）
を維持するように作用している。

バイモルフのヒステリシス現象は前述した圧電
体のヒステリシスに起因するものの他に圧電体の
性能のバラツキや、接着状態或いはその不均一性
など、バイモルフ構造に起因するものもある。

本発明はバイモルフ本体の一部に本体の変位方
向と逆方向に変位する部分を設けたことを特徴と
するもので、上述の分極の時間遅れや残余変位な
ど、ヒステリシス現象に起因する問題を除去し、
信頼性の高い圧電体変位装置を得るものである。

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第２図においてバイモルフを構成する２枚の圧
電体シート２，３は分極の方向ｐが同一方向とな
るように金属板１の両面に貼付けられている。前
記圧電体シートはそれぞれ正方向駆動部２ａ，３
ａからなる本体と逆方向駆動部２ｂ，３ｂ（分極
の方向はp′）を持ち、正方向駆動部と対応する部
分の外側表面には外側電極４ａ，５ａが、逆方向
駆動部と対応する部分の外側表面には補助電極４
ｂ，５ｂが設けられており、さらに内側電極は両
駆動部に共通に形成されて金属板１に導電的に接
続されている。圧電体シートの正方向駆動部の外
側電極４ａ，５ａはリード７′で接続され、リー
ド線７によつて電源９の正極端子に接続されてい
る。圧電体シートの内側電極、即ち金属板１は中
央リード線８により電源９の正負極間に接続され
た可変抵抗の可動接点に接続されている。さらに
逆方向駆動部の外側電極はリード１０′によつて
共通に接続された後、リード線１０によつて電源
の負極端子に接続されている。

同図において、圧電体シート２，３の正方向駆
動部２ａ，３ａは第１図と同様に正方向（図で下
方向）に変位するように作用している。同時に圧
電体シートの逆方向駆動部２ｂには分極方向と同
一方向の電圧が印加され、該部分は長さ方向に矢
印b′の如く収縮し、一方圧電体シート３の逆方向
駆動部３ｂには分極方向に逆方向の電圧が印加さ
れているので矢印a′の如く長さ方向に伸びる。従
つて逆方向駆動部は正方向駆動部とは逆方向（図
では上方向）にバイモルフを変位するように作用
している。図のような結線によつて中央リード線
８が可変抵抗のｗの位置（負極端子側）にあると
きは全電圧が圧電体シートの正方向駆動部２ａ，
３ａに加わりバイモルフは正方向に最大量変位す
る。時間と共に変位が第５図のＡ点からＢ点へ移
動しようとするときは中央リード線８を中点ｖ側
へ移動させ、印加電圧を低下させるが、この操作
と同時に逆方向駆動部２ｂ，３ｂに電圧が印加さ
れ、バイモルフを逆方向へ変位させようとする作
用が加わる。

このように逆方向駆動部にも電圧が印加されて
いる場合には、長時間電圧を印加したときに生じ
る分極の時間的遅れなどによる、好ましくない変
位の時間的変化は正方向駆動部で正方向（図の下
方向）に作用するのに対し、逆方向駆動部では逆
方向（図の上方向）に作用するため、互いに打消
し合い、その影響が大幅に軽減される。特にＯ点
の近傍でその効果が大きい。

中央リード線８がｕの位置（正極端子側）では
全ての電圧は逆方向駆動部に印加されるから、逆
方向駆動部の駆動力のみによつてバイモルフの先
端をＯ点より図の上方位置に最大量変位させるこ
とができる。即ち正方向駆動部と逆方向駆動部の
駆動力を適当に選定することによつて、直流電源
でも極性を変更することなく、Ｏ点を中心として
正逆両方向に変位させることができる。また従来
形バイモルフでは電圧を零にしたとき残余の分極
などの影響で変位が元の位置に戻らず、電圧によ
る変位の制御が不可能であつたが、本発明では強
制的に逆方向駆動力により変位を元の位置に戻す
ことができる。さらにこの場合も電圧が零での残
余変位は、正方向駆動部は正方向に、逆方向駆動
部は逆方向に作用するから、これらの影響も互い
に打消し合う効果を有している。

第３図は本発明の他実施例を示すもので圧電体
シート２，３からなる本体上に圧電体シート１
２，１３をそれぞれ接着して逆方向駆動部を形成
したものである。前記圧電体シート１２，１３に
は夫々銀などよりなる外側電極１４，１５が設け
られ、これらはリード線１０′により共通に接続
されリード線１０で電源９の正極端子に接続され
ている。また圧電体２，３の外側電極４，５は圧
電体シート１２，１３の内側電極と導電的に接続
されており、リード８′で共通に接続され、中央
リード線８により電源９の正負極間に接続された
可変抵抗の可動接点に接続されている。さらに圧
電体シート２，３の内側電極はリード線７によつ
て電源９の負極端子に接続されている。

この実施例では圧電体シート２には分極方向と
逆方向に電圧が印加され、印加ａの如く長さ方向
に伸びる。一方圧電体シート３は分極方向と同一
方向に電圧が印加されるので、矢印ｂの如く長さ
方向に収縮する。これらはいずれもバイモルフを
正方向に変位するように作用するが、逆方向駆動
部では圧電体シート１２に分極方向と同一方向に
電圧が印加されるので、圧電体の長さ方向に矢印
b′の如く収縮し、また圧電体シート１３には分極
方向と逆方向に電圧が印加されるので長さ方向に
伸び、バイモルフが逆方向に変位するように作用
する。

第４図は２枚の圧電体に直列に電圧を印加し、
逆方向駆動部として一枚の圧電体シートを接着し
た場合の本発明の他実施例であつて、その機能と
効果は上述した実施例と同様である。

すなわち、本発明によれば一種類の直流電源で
その極性を変えることなく、Ｏ点に関し正逆両方
向に制御でき、従つてＯ点からの変位量が少くて
きる。

従来のバイモルフ制御方法では正逆両方向に変
位させるためには、極性が異なる電源を用いる
か、一定のバイアス電圧を印加する方法による
が、前者による場合は二種類の電源が必要な上に
ヒステリシスが大きくなる欠点があつた。

バイモルフは温度によつても変位し、昇温時と
降温時では変位の方向は一般に逆である。ある対
象物に対し、バイモルフの位置を一定に維持する
場合、従来形バイモルフの制御方法ではバイモル
フに一定のバイアス電圧を印加して一定の変位を
与えておき、この変位を基準にとることによつて
温度による変位を補償する必要があつた。このよ
うな場合、本発明による方法にくらべ、バイアス
電圧に相当する電圧だけバイモルフは変位した状
態にあつて、このような状態では変位の温度によ
る影響が大きく、また分極の時間遅れによる影響
も大きくなる。さらに大きく変位した状態を基準
とするため、クリープ現象によつてバイモルフの
変位の不可逆性が生じることがあつたが、本発明
によれば変位が零のＯ点を基準にとることができ
るので、上述の欠点は除去できる。

さらにバイモルフの正方向駆動部と逆方向駆動
部は分極遅れによる変位の変化や残余の歪などに
よる一方向性を打消し合う効果がある。

以上説明した如く本発明はバイモルフに正方向
駆動部と逆方向駆動部を設け、その両者の力の大
小関係により変位を制御するようにした圧電体変
位装置であり、分極の時間的遅れや残余分極によ
る変位の影響を少なくしたものであつて、種々の
変形が可能である。例えば上述した実施例では逆
方向駆動部をバイモルフの先端部に設けている
が、その他の部分、例えば中央部等に設けてもよ
く、又第３図、第４図の実施例で示した如き形態
をとる場合には、逆方向駆動部を正方向駆動部の
外面全体に設けてもよい。

さらに第２図の実施例では圧電体シート２に対
向する櫛形電極を、また圧電体シート３にも同じ
く櫛形電極を設けて、圧電体シート２，３間の２
対の電極で正方向、逆方向駆動部を形成し正逆両
方向に駆動させることもできる。また逆方向駆動
部の圧電体シートの圧さを薄くして印加電圧によ
る変位の大きさを調整することも可能である。ま
た環状や積層体などの圧電体を用いた微小変位制
御装置などに適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のバイモルフの駆動
状況を示す概略図、第３図は本発明バイモルフ型
圧電体変位装置の駆動状況を示す概略図、第４図
は従来のバイモルフの変位のヒステリシスを示す
特性図、第５図はバイモルフの印加電圧と変位の
関係を示す特性図である。 １……金属板、２，３……圧電体、２ａ，３ａ
……正方向駆動部、２ｂ，３ｂ……逆方向駆動
部、５……電源、６……支持部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ バイモルフの一部に本体と逆方向に変位する
   部分を設け、正・逆駆動部により変位を制御する
   ようにしたことを特徴とする圧電体変位装置。