JPH03285374A - 圧電バイモルフ素子及びその駆動方法 - Google Patents

圧電バイモルフ素子及びその駆動方法

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JPH03285374A
JPH03285374A JP2084827A JP8482790A JPH03285374A JP H03285374 A JPH03285374 A JP H03285374A JP 2084827 A JP2084827 A JP 2084827A JP 8482790 A JP8482790 A JP 8482790A JP H03285374 A JPH03285374 A JP H03285374A
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JP
Japan
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electric field
piezoelectric
piezoelectric plate
application side
bimorph element
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JP2084827A
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English (en)
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Takenobu Matsumura
武宣 松村
Keiichi Furuta
圭一 古田
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Ube Corp
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Ube Industries Ltd
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は分極法の圧電板に電圧を印加した場合に生じる
圧電板の伸縮変形を利用した圧電バイモルフ素子及びそ
の駆動方法に関する。
(従来の技術及びその問題点) 第2図は従来の圧電バイモルフ素子を示す図である。第
2図において表面電極を形成した圧電板1.2を金属製
のシム仮に貼り合わせて圧電バイモルフ素子が形成され
る。圧電板1.2に外部から電圧■を印加すると、各圧
電板にはE=V/(h/2)なる電界を生じる。圧電板
の自発分極Psの方向が第2図の如くであれば、圧電板
1には自発分極Psに対して順電界が加わり、圧電板2
には逆電界が加わる。圧電板1は長さ方向と厚み方向に
それぞれ下記式(1)、(2)で表される電界誘起ひず
みを生ずる。
一5L=d3I−E     N) Sh=d3x・E       (2)ここでSLとS
hはポアソン比σによって下記式(3)で関係付けられ
る。
σ=SL /Sh       (3)他方、逆電界が
加わる圧電板2は符号は変わるが、長さ方向にSL、厚
み方向に−36の電界誘起ひずみを生じ、圧電板l、2
は貼り合わされているので、一端を固定すれば他端は曲
げ変形を生じる。
前記式(1)、(2)によれば、印加電圧■を大きくす
るほど、圧電板の電界誘起ひずみは大きくなる。順電界
が印加される圧電板lについては、自発分極の方向に電
界を加えることから、絶縁破壊電圧−杯まで電圧を印加
した方が有利であるという考えから、特公昭63−47
040号公報では、順電界印加例の圧電板の厚みを逆電
界印加例の圧電板の厚みより薄くして、同じ電圧が各圧
電板に加わっても、順電界印加側には絶縁破壊電圧−杯
の高い電界が加わるようにして、結果として大きな変位
量を得ようとしている。この場合、逆電界印加側圧電板
に印加できる電界は、自発分極Psが反転する抗電界値
以下に制限されるのは当然であるが、変位量を大きくす
るためには順電界印加側圧電板の絶縁破壊電圧−杯の高
い電圧を印加することになり、このため絶縁破壊が起こ
り易いという欠点があった。
(問題点を解決するための手段) 従来、電界依存性については注意が払われていなかった
が、本発明者らは、前記問題点を解決すために電界依存
性に着目して検討を行った結果、前記式(1)、(2)
中の圧電d3.定数、圧電d1.定数が、電界によって
大きく値が変り、かつ、特定の電界で極大値を示すこと
を見い出した。
さらに圧電バイモルフ素子において大きな変位量を得る
ためには、順電界印加側圧電板と逆電界印加側圧電板と
の厚さの比を、単に小さくするのではなく、順電界印加
側圧電板の圧電d3.定数の電界依存性最大の電界値と
逆電界印加側圧電板の抗電界値との比との関係において
特定の範囲に設定すればよいことを見い出し本発明に至
った。
本発明は、2枚の圧電板を貼り合わせてバイモルフ構造
とした圧電バイモルフ素子において、順電界印加側圧電
板と逆電界印加側圧電板との圧電d定数を異ならしめ、
前記順電界印加側圧電板と逆電界印加側圧電板との厚さ
の比を、順電界印加側圧電板の圧’K d s s定数
の電界依存性最大の電界値と逆電界印加側圧電板の抗電
界値との比の1.2〜2.0倍としたことを特徴とする
圧電バイモルフ素子に関する。
また本発明は、前記圧電バイモルフ素子に順電界印加側
圧電板の抗電界値にほぼ等しい負電界を加えて後に、正
電界を加えることを特徴とする圧電バイモルフ素子の駆
動方法に関する。
本発明によると、順電界印加側圧電板の厚みT1と逆電
界印加側圧電板の厚みT2との比を、順電界印加側圧電
板の圧電dffff定数の電界依存性最大の電界(IE
MAXと逆電界印加側圧電板の抗電界値ECとの比の1
.2〜2.0倍とすることにより、大きな変位量が得ら
れる。
また本発明によると、順電界印加側圧電板においても抗
電界値とほぼ等しい負電界を加えて後に正電界を加える
と、電界誘起紺ひずみから求めた圧電d。定数の極大値
をとる傾向が顕著になり、得られるd33定数もOボル
トから正電界を加える場合より大きな値をとる。従来技
術では、順電界印加側圧電板に絶縁破壊電圧ギリギリの
高い電界を印加していたので、素子の絶縁破壊も起こり
易く、かつ、圧電d33定数が極大を越えてむしろ低下
した領域の高い電界を使用していることから、得られる
電界誘起ひずみはかえって小さかったという結論に達す
る。
本発明の目的は、第1図に示すように、圧電板の厚みと
材料を変え、順電界印加側圧電板には圧Qd定数の大き
な材料を用い、電界誘起ひずみが最大となるような電界
値を印加し、他方、抗電界値によって使用電圧が制限さ
れる逆電界印加側圧電板には抗電界値の大きな圧電材料
を用いることで、絶縁破壊の少ない信顛性の高い圧電バ
イモルフ素子を提供しようとするものである。
圧電バイモルフ素子を使用する用途は多様であり、比較
的短時間の変位でアクチュエータとしての目的を達する
場合は、逆電界印加側圧電板に印加できる電界値は抗電
界値に近い値でもよい。しかし、長時間の変位を必要と
する場合は、逆電界印加側圧電板の分極破壊により特性
劣化が著しいので、できるだけ抗電界値より低い値が望
ましい。
(実施例) 圧電板の厚み方向に電圧を印加した際に生じる縦方向(
厚み方向)のひずみ量を直接測定できる装置を用いて、
電界誘起線ひずみ〜電界強度(O〜2 k Vloll
)の関係を求めた。使用した圧電材料はd31定数=−
255X 10−” m/V、Kr=0.57、Ec=
500V/m+aである。電界誘起線ひずみを電界強度
で除して得た圧N d 33定数(図中、縦軸)と電界
強度(図中、横軸)の関係を第3図中、曲線Aで示す。
曲vAAが示すように、圧電d33定数は明らかに電界
強度依存性を示し、IkV/myn付近で極大を示す。
共振・反共振法で測定する圧電d3ff定数は第3図の
電界強度がゼロに近い領域での値である。
他方、電界誘起ひずみの発生を、電圧0■からスタート
するのでなく、−旦、順電界印加側圧電板の抗電界値に
ほぼ等しい負電界を加えて後に正電界を印加した時、発
現する電界誘起ひずみを測定し、これから求めた圧電d
33定数と電界強度の関係を第3図中の曲線Bで示す、
圧(fJdユ、定数はほぼ1kV/+maの電界強度で
極大を示すことは変らないが、極大値は曲線Aの場合と
比べて著しく大きい。この現象は分極済みの圧電板に再
び電界を印加する場合、分極方向とは逆の方向に電界を
加えて自発分極の配列状態を、−旦、無配列に近い状態
に戻してから正電界を加えることによって、従来、利用
していなかった領域のひずみも加算利用することができ
ることを示している。第3図中の一500V/+mnの
負電界を加えてから正電界を加えた場合、電界強度1k
V/mu+のd33は1610 X 10−” m/V
であったものが、電界強度2kV/+nmでは1340
X 10−” m/Vに低下してしまう。厚みIIII
IIと0.5 mmの圧電板にそれぞれ1kVを印加し
た時、発生するひずみは前記式(2)%式% 従って、1卸厚みの圧電板の厚み変化は1.61 X 
10−”mm 0.5m厚みの圧電板の厚み変化は 2.68 x 10−”xo、5 =1.34X10−”鵬 となり、結果的に0.5 noの圧電板に2kVO高電
圧を加えるより、1mmの厚みに1kVの電圧を加えた
方がより大きな変位量を得ることができる。
次に、逆電界印加側圧電板として、d:z=  165
 X 10−” m/V、Ec=1980V/+nm、
K r = 0.6、厚みTz =0.217mmのP
ZT板を用い、シム材に熱膨張係数がPZTに近い42
合金を用い、順電界印加側圧電板の厚みT、を変えてバ
イモルフ素子を作成した。素子の幅Wをl。
I、自由長りを3011II11とした。順電界印加側
圧電板の圧電d3ff定数最大を与える電界(1f!E
Maxは1000V/anであり、逆電界印加側圧電板
の抗電界値Ecは1980V/鵬である。
このような厚み構成よりなるバイモルフ素子に20gの
負荷を与え、印加電圧をOV〜200■まで印加した時
の素子先端変位量を求めた。第1表に、T + / T
 zと20g負荷時の変位量を示す。
またその変化の様子を第4図に示す0図中、継軸は20
g負荷時の変位!(μm)を、また横軸は、順電界印加
側圧電板の厚み(肛)である。
第1表 第4図に示すように、順電界印加側圧電板の厚みが減少
すると、素子先端変位量は一旦上昇するが、0.16+
o+の厚み付近で極大を持ち、それ以上薄くなると、2
0g1荷時の変位量はむしろ減少する。極大を与える圧
電板に加わる電界値は1250V/mで、第3図に示す
電界誘起ひずみから求めた圧td 3 x定数が最大と
なる電界強度に近い。
次に、順電界印加側圧電板厚みを0.16mm、逆電界
印加側圧電板の厚みを0.217mmとしたバイモルフ
素子の先端に15gの負荷を加えた状態で、素子に種々
の電圧パターンを印加した時の先端変位量の変化をみた
。電圧印加は、素子に負電圧O■〜−130■まで種々
変えて5Qmsec間印加し、しかる後に200■の正
電界を5Qmsec間印加した。結果を第5図に示す。
図中縦軸は、素子先端変位量(μm)を、また横軸は、
順電界印加側圧電板に印加する負の印加電圧(V)を示
す。
第5図から、素子先端変位量は一80V付近で最大とな
ることが判る。この電圧値は順電界印加側圧電板の抗電
界値500V/+nmに厚み0.16mを乗じた値80
■に等しい、最大変位量は0■から印加する場合と比べ
て30%も増加している。
順電界印加例の抗電界値を越えて大きな負電界値を印加
すると分極が反転してしまうので、変位量は減少した。
この素子を室温で0■→−80V→200■のパターン
で1万回駆動したが、絶縁破壊はまったく起こらず、変
位量の減少もほとんど無かった。
(発明の効果) 本発明によれば、順電界印加側圧電板に絶縁破壊限度に
近い高電圧を加える事もな(、負荷下変位量を増大でき
、かつ、逆電界印加側圧電板も負荷時間に応じた電界強
度を印加するように厚みを調節することで、絶縁破壊や
変位特性の劣化の少ない長期安定性に優れたバイモルフ
素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係わる圧電バイモルフ素子の斜視図で
あり、第2図は従来の圧電バイモルフ素子の斜視図であ
る。第3図は電界誘起ひずみから求めた圧電d3ff定
数の電界強度依存性を示すグラフ図である。第4図は、
順電界印加側圧電板の厚み/逆電界印加側圧電板の厚み
の比を変えて作成した圧電バイモルフ素子の20g負荷
下の変位量と順電界印加側圧電板の厚みとの関係を示す
グラフ図である。第5図は負電界を加えて後に正電界を
印加する駆動電圧パターンで駆動した時のバイモルフ素
子の先端変位量の変化を示すグラフ図である。 1: 順電界印加側圧電板 2: 逆電界印加側圧電板

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)2枚の圧電板を貼り合わせてバイモルフ構造とし
    た圧電バイモルフ素子において、順電界印加側圧電板と
    逆電界印加側圧電板との圧電d定数を異ならしめ、前記
    順電界印加側圧電板と逆電界印加側圧電板との厚さの比
    を、順電界印加側圧電板の圧電d_3_3定数の電界依
    存性最大の電界値と逆電界印加側圧電板の抗電界値との
    比の1.2〜2.0倍としたことを特徴とする圧電バイ
    モルフ素子。
  2. (2)特許請求の範囲第1項の圧電バイモルフ素子に順
    電界印加側圧電板の抗電界値にほぼ等しい負電界を加え
    て後に、正電界を加えることを特徴とする圧電バイモル
    フ素子の駆動方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6787975B2 (en) * 2000-05-31 2004-09-07 Denso Corporation Piezoelectric device for injector
US6918659B2 (en) * 2002-03-18 2005-07-19 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, piezoelectric actuator and liquid ejection head incorporating the same
US6997547B2 (en) 2002-03-18 2006-02-14 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, piezoelectric actuator and liquid jetting head incorporating the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6787975B2 (en) * 2000-05-31 2004-09-07 Denso Corporation Piezoelectric device for injector
US6873089B2 (en) 2000-05-31 2005-03-29 Denso Corporation Piezoelectric device for injector
US7067960B2 (en) 2000-05-31 2006-06-27 Denso Corporation Piezoelectric device for injector
US6918659B2 (en) * 2002-03-18 2005-07-19 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, piezoelectric actuator and liquid ejection head incorporating the same
US6997547B2 (en) 2002-03-18 2006-02-14 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, piezoelectric actuator and liquid jetting head incorporating the same

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