JPH10155286A - コンデンサ付き圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動回路中のコンデンサを省いて駆動回路を
小型化しながら、圧電アクチュエータの駆動電力を節約
すること。 【解決手段】 本発明の圧電アクチュエータの圧電ユニ
モルフ１は、バネ弾性を持つ薄板である弾性板１１と、
弾性板１１の一方の面に接合されており印加電圧により
伸縮する圧電板１２と、弾性板１１の他方の面に接合さ
れておりコンデンサを形成している誘電板１３とからな
る。圧電板１２への印加電圧をなくし変形を戻す際に、
圧電板１２に蓄電された電荷の一部は誘電板１３のコン
デンサに蓄電される。逆に圧電板１２を変形させる際に
は、先ず上記コンデンサに蓄電されている電荷の一部を
圧電板１２に供給し、次に不足分の電荷を直流電源５か
らの電流で補う。圧電ユニモルフ１内蔵のコンデンサの
蓄電作用により、圧電板１２への電荷の一部が賄われ、
直流電源５からの駆動電力を節約することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電ユニモルフお
よび圧電バイモルフなどの圧電アクチュエータの技術分
野に属する。

【０００２】

【従来の技術】特開平５−１６９０２５号公報には、従
来技術として、圧電アクチュエータを駆動する駆動回路
の一部に、同圧電アクチュエータに蓄電された電荷を回
収する電荷回収用コンデンサ（蓄電器）が装備されてい
る技術が開示されている。この従来技術の駆動回路で
は、圧電アクチュエータが放電した電荷がコンデンサに
蓄電されて回収され、次回の圧電アクチュエータの駆動
電源として再利用される。したがってこの従来技術によ
れば、圧電アクチュエータの駆動に伴って消費される消
費電力が低減されるという効果がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来技術
では、圧電アクチュエータの他に駆動回路の回路要素と
してコンデンサを装備しなくてはならないので、コンデ
ンサの存在が駆動回路の小型化の妨げとなって不都合で
あった。そこで本発明は、駆動回路中において圧電アク
チュエータとは独立した回路要素としてのコンデンサの
必要性をなくし、コンデンサによる節電効果を挙げなが
らより小型化された駆動回路により駆動されうるコンデ
ンサ付き圧電アクチュエータを提供することを解決すべ
き課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するために、発明者らは以下の各手段を発
明した。 （第１手段）本発明の第１手段は、請求項１記載のコン
デンサ付き圧電アクチュエータである。なお、誘電板
は、誘電材料からなる薄板であると記載されているが、
成膜工程によって形成された膜ないし薄膜であってもよ
い。

【０００５】本手段では、両面の二つの電極と両電極に
挟持されている誘電板とで、コンデンサが形成されてい
る。そして、印加電圧により伸縮する圧電板と、コンデ
ンサを形成している誘電板とが、互いに張り合わされて
圧電ユニモルフを形成している。ここで、圧電板に印加
電圧が加わると、圧電効果により圧電板は面内方向で伸
張または収縮する。一方、誘電板には印加電圧による変
化はないので、誘電板は伸縮しない。それゆえ、互いに
張り合わされている圧電板および誘電板との間に曲げ変
形が生じ、両者の張り合わされたコンデンサ付き圧電ア
クチュエータはユニモルフとして作用して、一方に凸に
曲げ変形する。

【０００６】次に、付設された回路により圧電板に蓄電
されている電荷を誘電板が形成しているコンデンサに流
すと、同電荷のうち一部は同コンデンサに蓄積される。
しかる後、圧電板の両面の電極を互いに導通させ、印加
電圧をなくすとコンデンサ付き圧電アクチュエータの曲
げ変形がなくなり、同アクチュエータはもとの形状に復
帰する。

【０００７】そして次回に圧電板に印加電圧を加える際
に、上記コンデンサに蓄電されている電荷を持って圧電
板に印加電圧の一部を加え、しかる後に電源からの印加
電圧を圧電板に加えれば、前回と同様にコンデンサ付き
圧電アクチュエータに曲げ変形が生じる。この際、圧電
板に蓄電される印加電圧による電荷のうち一部は、誘電
板が形成しているコンデンサから供給されているので、
電源からの供給される消費電力は節減されている。

【０００８】すなわち本手段では、圧電アクチュエータ
にコンデンサが内蔵されて節電効果が挙がっており、節
電効果を挙げるために圧電アクチュエータの外部の駆動
回路にコンデンサを装備する必要がない。したがって本
手段によれば、コンデンサによる節電効果を挙げなが
ら、コンデンサ付き圧電アクチュエータを駆動する同ア
クチュエータの外部の駆動回路は、コンデンサなしに構
成されて小型化されるという効果がある。

【０００９】（第２手段）本発明の第２手段は、請求項
２記載のコンデンサ付き圧電アクチュエータである。本
手段では、弾性板の両面にそれぞれ圧電板と誘電板とが
接合されているので、弾性板の材料力学的な強度や弾性
係数（ヤング率）等が生かされ、より強度が高く割れな
どの破損を生じにくくなる。

【００１０】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、コンデンサ付き圧電アクチュエータ
の機械的（力学的）強度などの特性が向上し、信頼性が
向上するという効果がある。 （第３手段）本発明の第３手段は、請求項３記載のコン
デンサ付き圧電アクチュエータである。

【００１１】本手段では、誘電板が弾性板を兼ねている
ので、曲げ変形を生じる際に弾性板を挟んで対向する誘
電板が変形に抵抗することがなく、より大きな曲げ変形
が生じる。また、誘電板と別に弾性板が装備されていな
いので、コンデンサ付き圧電アクチュエータはより薄く
より軽量に構成される。したがって本手段によれば、前
述の第１手段の効果に加えて、より大きな曲げ変形を生
じる薄型軽量のコンデンサ付き圧電アクチュエータを提
供することができるという効果がある。

【００１２】（第４手段）本発明の第４手段は、請求項
４記載のコンデンサ付き圧電アクチュエータである。本
手段では、圧電板に張り合わされている誘電板の分極方
向が、圧電板の分極方向とは逆方向である。それゆえ、
圧電板から誘電板に電荷が移動して蓄電される際に、圧
電板の圧電効果による元の曲げ変形方向とは逆の曲げ方
向に、誘電板が圧電効果による曲げ変形力を発生する。
その結果、誘電板の圧電効果により、圧電板の圧電効果
による曲げ変形をなくし元の印加電圧がない状態に復元
する作用が生じ、コンデンサ付き圧電アクチュエータの
変位量が増大する。

【００１３】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、コンデンサ付き圧電アクチュエータ
の変位量がより大きくなるという効果がある。 （第５手段）本発明の第５手段は、請求項５記載のコン
デンサ付き圧電アクチュエータである。

【００１４】本手段では、圧電ユニモルフを形成してい
るコンデンサ付き圧電アクチュエータが、中央連結部材
および外周連結部材によって連結され、平行に積層され
ている。上記連結の仕方が変位量に関して並列であれ
ば、積層されたコンデンサ付き圧電アクチュエータは積
層枚数分の発生力を生じる。逆に、上記連結の仕方が変
位量に関して直列であれば、積層されたコンデンサ付き
圧電アクチュエータは積層枚数分の変位量を生じる。

【００１５】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、積層枚数分の発生力および変位量の
うち一方を増大させることができるという効果がある。

【００１６】

〔実施例１〕

（実施例１の全体構成）本発明の実施例１としてのコン
デンサ付き圧電アクチュエータは、図１に示すように、
円盤状のコンデンサ付圧電ユニモルフ１が三枚、同じ向
きに同軸に積層されている。ここで、コンデンサ付圧電
ユニモルフ１の単体も本発明のコンデンサ付き圧電アク
チュエータであるが、実施例１ではコンデンサ付圧電ユ
ニモルフ１の積層体をもってコンデンサ付き圧電アクチ
ュエータと称することにする。

【００１７】本実施例のコンデンサ付き圧電アクチュエ
ータは、同じ向きで同軸に積層されている三枚のコンデ
ンサ付圧電ユニモルフ１と、その中央部を互いに連結し
ている中央連結部材２と、外縁部を互いに連結している
外周連結部材３とを有する。中央連結部材２は、絶縁性
の樹脂製の丸棒状部材であり、各コンデンサ付圧電ユニ
モルフ１の中央部を貫通していて、絶縁性の接着剤によ
り各コンデンサ付き圧電アクチュエータの中央部に接合
されている。一方、外周連結部材３は、六本のステンレ
ス鋼製の棒材であり、各コンデンサ付圧電ユニモルフ１
の外周部に６０度ずつの間隔を置いて配設されている。
各外周連結部材３は、それぞれ各コンデンサ付圧電ユニ
モルフ１の外縁部に、クリップ４によって接合されてい
る。クリップ４は、各コンデンサ付圧電ユニモルフ１の
弾性板１１の外縁部と、各外周連結部材３の各部位と
に、それぞれ鑞付けされている。

【００１８】コンデンサ付圧電ユニモルフ１の主要構成
は、弾性板１１と、弾性板１１の図中上面に接合されて
いる圧電板１２と、弾性板１１の図中下面に接合されて
いる誘電板１３とからなる。弾性板１１は、バネ弾性を
もつステンレス鋼製の薄板であり、圧電板１２と誘電板
１３とに挟持されているが、両者１２，１３よりもやや
直径が大きい。圧電板１２は、両面の電極からの印加電
圧により伸縮する圧電材料ＰＺＴからなる薄板である。
誘電板１３は、その両面に二つの電極が形成されている
誘電材料からなる薄板であって、弾性板１１の図中下面
に接合されている。それゆえ、誘電板１３は、圧電板１
２の一方の面に一面を対向させ、弾性板１１を挟んで圧
電板１２に間接的に接合されている。

【００１９】（実施例１のユニモルフの詳細）図２
（ａ）〜（ｃ）に示すように、弾性板１１の両面には、
蒸着による膜形成工程によって形成されたアルミニウム
の薄膜である電極膜１５，１６が形成されている。圧電
板１２は、導電性の接着剤により、電極膜１５が形成さ
れている弾性板１１の一方の表面に接合されている。圧
電板１２の表面には、銀ペーストの印刷および焼成から
なる膜形成工程によって形成されている銀膜の表面電極
１４が形成されている。同様に、誘電板１３は、導電性
の接着剤により、電極膜１６が他方の表面に形成されて
いる弾性板１１の他の表面に接合されている。誘電板１
３の表面には、銀ペーストの印刷および焼成からなる膜
形成工程によって形成されている銀膜の表面電極１７が
形成されている。

【００２０】それゆえ弾性板１１は、圧電板１２および
誘電板１３の共通電極となっており、各クリップ４を介
してそれぞれ各外周連結部材３に電気的に接続されてい
る。また、誘電板１３は、圧電板１２の一方の面に一面
を対向させ、弾性板１１を挟んで圧電板１２に間接的に
接合されている。なお、前述の弾性板１１はステンレス
鋼製の薄板で導電性あるから、電極膜１５，１６は必ず
しも必要ではなく、省略してコストダウンしても良い。

【００２１】ここで図３に示すように、誘電板１３を形
成している誘電材料は、高誘電率を持つ圧電材料ＰＺＴ
であり、圧電板（駆動用圧電薄板）１２の圧電材料の分
極方向Ｐに対して、背向する向きに分極している。すな
わち、圧電板１２の圧電材料の分極方向Ｐと、誘電板１
３を形成している高誘電率の圧電材料の分極方向Ｐ’と
は、互いに背向して逆の向きを向いている。なお、この
誘電材料は、圧電板１２の圧電材料の誘電率よりも高い
誘電率を持っている。

【００２２】すなわち、再び図２（ａ）〜（ｃ）に示す
ように、電極膜１６と表面電極１７とに挟持されている
誘電板１３は、コンデンサを形成している。そして、印
加電圧により伸縮する圧電板１２と、コンデンサを形成
している誘電板１３とが、弾性板１１を介して互いに張
り合わされて圧電ユニモルフを形成している。 （実施例１の駆動方法および作用）再び図１に示すよう
に、本実施例のコンデンサ付き圧電アクチュエータの駆
動回路は、直流電源５、電源電圧印加用スイッチ６、電
荷放電用スイッチ７および電荷回収用スイッチ８を回路
要素としてもっている。

【００２３】また、導線Ｌ１は各コンデンサ付圧電ユニ
モルフ１の圧電板１２の表面電極１４に接続されてお
り、導線Ｌ２は各コンデンサ付圧電ユニモルフ１の誘電
板１３の表面電極１７にスイッチ８を介して接続されて
いる。さらに、各コンデンサ付圧電ユニモルフ１の弾性
板１１は、接地されている。なお、図説の便宜上、接地
導線Ｌ３が描かれているが、各弾性板１１は外周連結部
材３に導通しているので、実際には接地導線Ｌ３はなく
て外周連結部材３が接地していればよい。

【００２４】以上の構成のコンデンサ付き圧電アクチュ
エータおよびその駆動回路を使用して、以下の駆動方法
で同アクチュエータを駆動することができる。すなわ
ち、電源電圧印加用スイッチ６のみが閉じて圧電板１２
に直流電源５からの印加電圧が加わると、圧電効果によ
り圧電板１２は面内方向で伸張する。一方、電荷回収用
スイッチ８は開いており誘電板１３には印加電圧の変化
はないので、誘電板１３は伸縮しない。それゆえ、弾性
板１１を介して互いに張り合わされている圧電板１２
と、弾性板１１および誘電板１３との間に曲げ変形が生
じ、コンデンサ付き圧電アクチュエータはユニモルフと
して作用して、図中上方に凸に曲げ変形する。

【００２５】次に、電源電圧印加用スイッチ６を開いて
電荷回収用スイッチ８を閉じ、導線Ｌ１，Ｌ２を介して
圧電板１２に蓄電されている電荷を誘電板１３が形成し
ているコンデンサに流すと、同電荷のうち一部は同コン
デンサに蓄積される。しかる後、電荷回収用スイッチ８
を開いて電荷放電用スイッチ７を閉じ、圧電板１２の両
面の電極１４，１５を互いに導通させ、圧電板１２への
印加電圧をなくす。すると、コンデンサ付圧電ユニモル
フ１の曲げ変形がなくなり（厳密には誘電板１３の圧電
効果で若干下に凸に変形）、コンデンサ付き圧電アクチ
ュエータはもとの形状に復帰する。

【００２６】そして次回に圧電板１２に印加電圧を加え
る際に、上記コンデンサに蓄電されている電荷を持って
圧電板１２に印加電圧の一部を加え、しかる後に直流電
源５からの印加電圧を圧電板１２にさらに加えれば、前
回と同様にコンデンサ付き圧電アクチュエータに曲げ変
形が生じる。この際、圧電板１２に蓄電される印加電圧
による電荷のうち一部は、誘電板１３が形成しているコ
ンデンサから供給されているので、直流電源５から供給
される消費電力は節減されている。

【００２７】以上の駆動方法をサイクルとしてとらえ、
図４に示すように、四つのステップに分解して説明する
と、次のようになる。すなわち、ステップ１を始める時
点の初期状態として、誘電板１３が形成しているコンデ
ンサに所定の電圧Ｖ１がかかっているものとする。ステ
ップ１では、他のスイッチ６，７を開いて電荷回収用ス
イッチ８を閉じると、誘電板１３のコンデンサに蓄電さ
れていた電荷のうち一部が、導線Ｌ１，Ｌ２を介して誘
電板１３から圧電板１２に移動する。すると、誘電板１
３の表面電極１７（図２（ａ）〜（ｃ）参照）の電位は
Ｖ２に下がり、圧電板１２の表面電極１４の電位はゼロ
から同電位Ｖ２に上昇する。すなわち、誘電板１３から
圧電板１２へ電荷の供給があり、印加電圧の半分程度が
これで賄われる。ちなみに、弾性板１１が接地されてい
るので、弾性板１１および電極膜１５，１６の電位は常
にゼロである。

【００２８】ステップ２では、電荷回収用スイッチ８を
開いて電源電圧印加用スイッチ６を閉じると、直流電源
５の電圧Ｖが印加され、圧電板１２の表面電極１４の電
位はＶにまで上昇する。一方、ステップ２では電荷回収
用スイッチ８が開いているので、誘電板１３の表面電極
１７の電位はＶ２のまま変化はない。ステップ３では、
再び電源電圧印加用スイッチ６を開いて電荷回収用スイ
ッチ８を閉じ、圧電板１２に蓄電されていた電荷のうち
一部を、導線Ｌ１，Ｌ２を介して誘電板１３のコンデン
サに回収する。その結果、誘電板１３の表面電極１７の
電位はＶ１に回復し、圧電板１２の表面電極１４の電位
は同電位Ｖ１に低下する。すなわち、圧電板１２に蓄電
されていた電荷の一部が、誘電板１３のコンデンサに回
収されて蓄積される。

【００２９】この際、誘電板１３に印加されている電圧
は再びＶ１に上昇するので、分極している誘電板１３の
圧電効果により、圧電板１２の圧電効果による変形を相
殺する方向に変位力が発生し、圧電板１２の圧電効果に
よる変位量は減殺される。この減殺効果は、次のステッ
プ４が完了するまで持続する。ステップ４では、電荷回
収用スイッチ８を開き電荷放電用スイッチ７を閉じて、
圧電板１２に残った電荷をアースに流し、圧電板１２の
表面電極１４の電位をゼロにリセットする。このステッ
プでは、電荷回収用スイッチ８が開いているので、誘電
板１３の表面電極１７の電位は、Ｖ１のままに保たれて
いる。それゆえ、誘電板１３の圧電効果により、コンデ
ンサ付圧電ユニモルフ１は先ほどとは反対側に反って若
干の変位量を生じる。

【００３０】ステップ４が完了すると、圧電板１２の表
面電極１４の電位はゼロになり、誘電板１３の表面電極
１７の電位はＶ１になっている。この状態は、ステップ
１を開始する際の初期状態と同一であり、これ以後、前
述のステップ１〜ステップ４を繰り返すことにより、コ
ンデンサ付圧電ユニモルフ１は連続的に往復駆動され、
本実施例のコンデンサ付き圧電アクチュエータも同様に
往復駆動される。

【００３１】すなわち、本実施例のコンデンサ付き圧電
アクチュエータは、図５に示すように、ステップ１〜ス
テップ４を繰り返すことにより連続的に往復駆動され
る。同アクチュエータの変位量は、ステップ１からステ
ップ２にかけて増大し、ステップ２の完了時点で最大変
位量に達し、その後、ステップ３からステップ４にかけ
て減少し、ステップ４が完了すると初期状態の変位量ゼ
ロになっている。

【００３２】なお、誘電板１３の圧電効果による変位量
が生じたままであるので、厳密には圧電板１２の圧電効
果による変位方向とは逆方向に発生力が生じており、コ
ンデンサ付圧電ユニモルフ１はやや下に凸に変形してい
る。それゆえ、本実施例のコンデンサ付き圧電アクチュ
エータは、誘電板１３を分極させていない場合に比べ、
より大きな最大変位量（ストローク）を生じることがで
きる。

【００３３】以上の本実施例のコンデンサ付き圧電アク
チュエータの変位量は、圧電板１２の電圧（表面電極１
４の電位）の変化と対応している。 （実施例１の効果）以上詳述したように、本実施例のコ
ンデンサ付き圧電アクチュエータでは、各コンデンサ付
圧電ユニモルフ１に誘電板１３が形成しているコンデン
サが内蔵されて、直流電源５が放出する電荷が節減さ
れ、節電効果が挙がっている。それゆえ、本実施例のコ
ンデンサ付き圧電アクチュエータでは、節電効果を挙げ
るために圧電アクチュエータの外部の駆動回路にコンデ
ンサを装備する必要がない。

【００３４】したがって本実施例のコンデンサ付き圧電
アクチュエータによれば、コンデンサによる節電効果を
挙げながら、同アクチュエータを駆動する外部の駆動回
路はコンデンサなしに構成されて小型化されるという効
果がある。また、本実施例のコンデンサ付圧電ユニモル
フ１では、弾性板の両面にそれぞれ圧電板と誘電板とが
接合されているので、弾性板の材料力学的な強度や弾性
係数（ヤング率）等が生かされ、より強度が高く割れな
どの破損を生じにくくなっている。したがって本実施例
によれば、コンデンサ付き圧電アクチュエータの機械的
（力学的）強度などの特性が向上し、信頼性が向上する
という効果もある。

【００３５】さらに、本実施例のコンデンサ付圧電ユニ
モルフ１では、圧電板１２の分極方向と背向する逆方向
に誘電板１３が分極しているので、より大きな変位量が
生じるという効果がある。 （実施例１の変形態様１）前述の実施例１の作用効果で
言及したように、コンデンサ付圧電ユニモルフ１の誘電
板１３が分極していない変形態様も実施可能である。本
変形態様では、誘電板１３の誘電材料として、チタン酸
バリウムまたは鉄ニオブ酸バリウム等を使用すると良
い。ただし、本変形態様の場合には誘電板１３の圧電効
果がないので、図６に示すように、本変形態様のコンデ
ンサ付き圧電アクチュエータに発生する変位量は、実施
例１の変位量には及ばない。

【００３６】本変形態様によれば、比誘電率や耐電圧等
の特性がより優れた誘電材料を選択することが可能にな
り、全体として性能を向上させうる。 （実施例１の変形態様２）コンデンサ付圧電ユニモルフ
１の弾性板１１をガラス製にし、接地導線Ｌ３で電極膜
１５を接地する構成の変形態様が、実施可能である。弾
性板１１の材料を導電性のステンレス鋼から絶縁性のガ
ラスに変更することにより、アクチュエータの軽量化が
できると共に、製作時に半導体プロセスの適用が可能に
なるという効果が生じる。

【００３７】（実施例１のその他の変形態様）前述の実
施例１のコンデンサ付圧電ユニモルフ１を、円盤状に替
えて矩形板で形成した変形態様も実施可能であり、実施
例１と同様の作用効果が得られる。また、実施例１の変
形態様１についても同様である。 〔実施例１の応用〕 （実施例１の応用の構成）実施例１の応用として、図７
に示すように、実施例１のコンデンサ付き圧電アクチュ
エータを構成要素の中核とする孔内移動体の製作が可能
である。

【００３８】この孔内移動体は、中央連結部材２に固定
されている重くて剛性の高い質量体２１を有し、中央連
結部材２に発生する慣性力が強化されている。一方、ク
ランプ脚３’は、燐青銅製の丸棒材で、実施例１の外周
連結部材３が軸長方向の両側へ延長され、その延長部で
外側に屈曲されて形成された形状をしている。この孔内
移動体は、各クランプ脚３’の屈曲部で孔の内壁面に当
接し、クランプ脚３’と孔の内周面との間に生じる摩擦
力で孔内移動体を孔内に保持している。

【００３９】（実施例１の応用の駆動方法）本応用の孔
内移動体の駆動回路は、同じく図７に示すように、おお
むね実施例１の駆動回路と同様であるが、インパクト駆
動を可能にするために次の相違点がある。すなわち、直
列に配設されている抵抗器Ｒおよびスイッチ７’が、電
荷放電用スイッチ７に並列に設けられている。また、導
線Ｌ１と導線Ｌ２との間には、直列に配設されている抵
抗器Ｒ’およびスイッチ９’と、これらＲ’，９’に対
して並列に配設されているスイッチ９とが、電源電圧印
加用スイッチ６に対して直列かつ電荷放電用スイッチ７
に対して並列に挿置されている。

【００４０】以上の駆動回路のスイッチ操作により、上
記孔内移動体は、慣性力が支配的な慣性駆動フェーズと
摩擦力が支配的な摩擦駆動フェーズとを交互に繰り返し
て、孔内を前進または後退して移動することができる。
すなわちステップ１では、スイッチ９およびスイッチ８
のみを閉じて、予め蓄電されている誘電板１３のコンデ
ンサから、導線Ｌ２，Ｌ１’を通じて圧電板１２へ電荷
を供給して印加電圧に充てる。この過程で、図８に示す
ように、圧電板１２の表面電極１４の電位はゼロからＶ
２へ上昇し、誘電板１３の表面電極１７の電位はＶ１か
らＶ２へ降下する。その結果、圧電板１２の圧電効果に
より、コンデンサ付圧電ユニモルフ１は図７中で上に凸
に変形する。

【００４１】次にステップ２では、スイッチ８を開きス
イッチ６を閉じると、スイッチ６およびスイッチ９のみ
が閉じているので、直流電源５から電圧Ｖの印加電圧が
圧電板１２に加わり、コンデンサ付圧電ユニモルフ１は
図７中でさらに上に凸に変形する。この過程では、圧電
板１２の表面電極１４の電位はＶ２からＶへさらに上昇
し、誘電板１３の表面電極１７の電位はＶ２のままに保
たれている。

【００４２】以上のステップ１およびステップ２では、
電荷の移動（すなわち電流）の経路に抵抗器が入ってい
ないので、電荷の移動は瞬時に行われ、コンデンサ付圧
電ユニモルフ１は急激に図７中で上方に凸に変形する。
すると、質量体２１が発生する慣性力はクランプ脚３’
に生じる摩擦力に比べて極めて大きく、支配的となる。
その結果、クランプ脚３’と孔の内壁面との間に滑りが
生じ、クランプ脚３’は図７中の下方へ所定距離だけ移
動する。

【００４３】またステップ３では、電源電圧印加用スイ
ッチ６およびスイッチ９を開き、電荷回収用スイッチ８
およびスイッチ９’のみを閉じると、圧電板１２に蓄電
されていた電荷は、抵抗器Ｒ’を経由してゆっくりと誘
電板１３に移動する。この過程では、圧電板１２の表面
電極１４の電位はＶからＶ１へ緩やかに低下し、誘電板
１３の表面電極１７の電位はＶ２からＶ１へと緩やかに
上昇する。

【００４４】最後のステップ４では、電荷回収用スイッ
チ８およびスイッチ９’を開き、電荷放電用スイッチ
７’のみを閉じて、圧電板１２に残っている電荷を抵抗
器Ｒを通してゆっくりとアースに逃がす。この過程で
は、圧電板１２の表面電極１４の電位はゆっくりとＶ１
からゼロまでさらに下降し、誘電板１３の表面電極１７
の電位はＶ１のままに保たれている。

【００４５】以上のステップ３およびステップ４では、
移動する電荷はそれぞれ抵抗器Ｒ，Ｒ’を通してゆっく
りと流れるので、コンデンサ付圧電ユニモルフ１は上に
凸に変形した状態から、ゆっくりとステップ１以前の初
期状態にまで戻る。それゆえ、質量体２１に生じる慣性
力は微少であってクランプ脚３’に生じる摩擦力が支配
的になり、質量体２１はゆっくりと図７中の下方に引き
戻される。

【００４６】以上のステップ１〜ステップ４を繰り返す
ことによりインパクト駆動がなされ、孔内移動体は徐々
に図７中の下方へ移動していくことができる。また、前
述のステップ１〜ステップ４の過程で、スイッチ７，
７’および抵抗器Ｒとスイッチ９、９’および抵抗器
Ｒ’とを交換して読み替えることにより、孔内移動体は
逆方向へとインパクト駆動されて移動することができ
る。

【００４７】なお、前述のステップ３およびステップ４
において、抵抗器Ｒ，Ｒ’を通して電荷の移動を行った
のは、コンデンサ付き圧電アクチュエータの動きを緩慢
にして質量体２１に生じる慣性力を微少にするためであ
る。慣性力が微少になるので、この間の運動においては
摩擦力が支配的となり、クランプ脚３’と孔の内壁面と
の間に滑りが生じることなく、孔内移動体の重心移動が
行われる。

【００４８】（実施例１の応用の変形態様）本応用例の
孔内移動体においても、コンデンサ付き圧電アクチュエ
ータについて実施例１の各変形態様をもって替える変形
態様が可能であり、同様の作用効果が得られる。また、
後述の実施例２、実施例３およびこれらの各変形態様を
採用した孔内移動体の変形態様も可能であり、それぞれ
に特有の作用効果が得られる。

【００４９】［実施例２］ （実施例２の構成）本発明の実施例２としてのコンデン
サ付き圧電アクチュエータは、図９に示すように、おお
むね図１を参照して説明した実施例１のコンデンサ付き
圧電アクチュエータと同様の構成および駆動回路をとっ
ている。しかし、コンデンサ付圧電ユニモルフ１’の構
成が、実施例１のコンデンサ付圧電ユニモルフ１とは異
なっている。

【００５０】すなわち、本実施例のコンデンサ付圧電ユ
ニモルフ１’は、誘電材料からなり弾性板を兼ねる誘電
板１３’と、その一方の表面に接合されている圧電板１
２とから構成されている。つまり、誘電板１３’はバネ
弾性を持つ所定の厚さの弾性板であり、誘電板１３’と
圧電板１２とは、導電性の接着剤により互いに直接的に
接合されている。誘電板１３’の直径は圧電板１２の直
径よりもやや大きく、コンデンサ付圧電ユニモルフ１’
は、誘電板１３’の外縁部で複数の外周連結部材３に絶
縁性のクリップ４’で接合されている。

【００５１】本実施例の駆動回路は、実施例１の駆動回
路とほぼ同様であるが、誘電板１３’と外周連結部材３
とは導通しておらず、接地導線Ｌ３’は、誘電板１３’
の圧電板１２側の電極膜１５’（図１０参照）に接続さ
れている。コンデンサ付圧電ユニモルフ１’の詳細な構
成については、以下に図１０を参照して説明する。誘電
板１３’の両側の表面には、それぞれ導電性の電極膜１
５’，１６’がアルミニウムの蒸着により形成されてい
る。圧電板１２は、導電性の接着剤により電極膜１５’
が形成されている誘電板１３’の一方の表面に接合され
ており、圧電板１２の表面には銀の表面電極１４が形成
されている。

【００５２】圧電板１２を形成している圧電材料は実施
例１と同様にＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃ ）であり、
誘電板１３’を形成している誘電材料はＢａＴｉＯ₃ や
Ｐｂ（ＦｅＮｂ）Ｏ₃ 等の複合ぺロブスカイト材料であ
る。 （実施例２の作用効果）本実施例のコンデンサ付き圧電
アクチュエータの駆動方法は、実施例１の駆動方法と同
様であり、コンデンサ付圧電ユニモルフ１’は実施例１
のコンデンサ付圧電ユニモルフ１とほぼ同様の作用を発
揮する。

【００５３】本実施例では、誘電板１３’が弾性板を兼
ねているので、実施例１のように曲げ変形を生じる際に
弾性板１１を挟んで対向する誘電板１３が変形に抵抗す
ることがなく、より大きな曲げ変形が生じ、より大きな
変位量が得られる。また、誘電板１３’とは別に弾性板
が装備されていないので、本実施例のコンデンサ付き圧
電アクチュエータは、より薄くより軽量に構成される。

【００５４】したがって本実施例によれば、実施例１と
同様に駆動電力を節約できるだけではなく、実施例１の
コンデンサ付き圧電アクチュエータに比べて、より大き
な曲げ変形および変位量を生じる薄型軽量のコンデンサ
付き圧電アクチュエータを提供することができるという
効果がある。 ［実施例３］ （実施例３の構成）本発明の実施例３としてのコンデン
サ付き圧電アクチュエータは、図１１に示すように、実
施例２のコンデンサ付圧電ユニモルフ１’が六枚、変位
量に関して直列に連結されて構成されているものであ
る。ただし、コンデンサ付圧電ユニモルフ１’の中央部
には、実施例２とは異なって貫通孔１０は形成されてい
ない。

【００５５】すなわち、二枚のコンデンサ付圧電ユニモ
ルフ１’が対向した状態で、外縁部を互いに接合してい
るリング状ないし短いパイプ状の外周連結部材３”によ
って接合されており、これで一つのユニットを形成して
いる。そして、三つの同ユニットが、互いに隣り合うユ
ニット同士、中央部で短い丸棒状の中央連結部材２’に
よって連結されている。

【００５６】本実施例のコンデンサ付き圧電アクチュエ
ータを駆動する駆動回路の構成は、実施例２の駆動回路
の構成と同様である。 （実施例３の作用効果）本実施例のコンデンサ付き圧電
アクチュエータは、両端の中央部の間隔が圧電板１２へ
の印加電圧によって変化し、各コンデンサ付圧電ユニモ
ルフ１の変位量の総和としての変位量を生じる。それゆ
え、実施例１および実施例２のコンデンサ付き圧電アク
チュエータに比べて、格段に大きな変位量が得られると
いう効果がある。

【００５７】また、駆動電力の節約効果も、実施例２の
コンデンサ付き圧電アクチュエータと同様に得られる。 （実施例３の変形態様）前述の実施例３のコンデンサ付
き圧電アクチュエータにおいて、コンデンサ付圧電ユニ
モルフ１’を、実施例１およびその各変形態様のうちい
ずれかのコンデンサ付圧電ユニモルフ１で置換した変形
態様の構成も可能である。

【００５８】本変形態様では、実施例３と同様の効果が
得られるほか、コンデンサ付圧電ユニモルフ１に強度の
高い弾性板１１が含まれているので、破損しにくく信頼
性が向上するという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１としてのコンデンサ付き圧電アクチ
ュエータの構成を示す模式図

【図２】 実施例１のコンデンサ付圧電ユニモルフの構
成を示す三面図 （ａ）平面図 （ｂ）側面図 （ｃ）下面図

【図３】 実施例１のコンデンサ付圧電ユニモルフの分
極方向を示す模式図

【図４】 実施例１の駆動方法を示すタイミングチャー
ト

【図５】 実施例１のコンデンサ付き圧電アクチュエー
タの作用を示すタイミングチャート

【図６】 実施例１およびその変形態様の効果を比較し
て示すタイミングチャート

【図７】 実施例１の応用としての孔内移動体の構成を
示す模式図

【図８】 実施例１の応用としての孔内移動体の駆動方
法を示すタイミングチャート

【図９】 実施例２としてのコンデンサ付き圧電アクチ
ュエータの構成を示す模式図

【図１０】実施例２のコンデンサ付圧電ユニモルフの構
成を示す三面図 （ａ）平面図 （ｂ）側面図 （ｃ）下面図

【図１１】実施例３としてのコンデンサ付き圧電アクチ
ュエータの構成を示す模式図

【符号の説明】

１：圧電ユニモルフ １０：貫通孔 １１：弾性板（ステンレス鋼製の円盤状の薄板） １２：圧電板（ＰＺＴからなる駆動用圧電薄板） １３：誘電板（ＰＺＴからなる電荷回収用圧電薄板、コ
ンデンサを形成） １４，１７：表面電極 １５，１６：電極膜 ２：中央連結部材（絶縁性の丸棒材） ３：外周連結部材（ステンレス鋼製の棒材） ４：クリップ（金属製の連結部材） ５：直流電源 ６：電源電圧印加用スイッチ ７：
電荷放電用スイッチ ８：電荷回収用スイッチ Ｐ，Ｐ’：分極方向 ２１：質量体（剛性の高い錘） １’：圧電ユニモルフ １３’：誘電板（弾性板を兼ね、コンデンサを形成） １５’，１６’：電極膜（アルミニウムの蒸着膜） ２’：中央連結部材 ３”：外周連結部材 ３’：クランプ脚（外周連結部材を兼ねる燐青銅製の丸
棒材） ４’：クリップ（絶縁性の連結部材） ７’：電荷放電用スイッチ ９，９’：スイッチ
Ｒ，Ｒ’：抵抗器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面の電極からの印加電圧により伸縮する
   圧電材料からなる薄板である圧電板と、 他の二つの電極が両面に形成されており、該圧電板の一
   方の面に一面を対向させて直接的または間接的に接合さ
   れている誘電材料からなる薄板である誘電板と、を有す
   ることを特徴とする、コンデンサ付き圧電アクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】前記圧電板と前記誘電板とに挟持されてそ
   れぞれに接合されておりバネ弾性をもつ金属製の薄板で
   ある弾性板を有する、請求項１記載のコンデンサ付き圧
   電アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記誘電板は、バネ弾性を持つ所定の厚さ
   の弾性板であり、 該誘電板と前記圧電板とは、導電性の薄膜および接着剤
   のうち少なくともいずれかにより、互いに直接的に接合
   されている、請求項１記載のコンデンサ付き圧電アクチ
   ュエータ。
4. 【請求項４】前記誘電材料は、前記圧電材料の誘電率以
   上の誘電率をもつ圧電材料であり、該圧電板を形成して
   いる該圧電材料の分極方向と対向または背向する方向に
   分極している、請求項１記載のコンデンサ付き圧電アク
   チュエータ。
5. 【請求項５】複数の前記コンデンサ付き圧電アクチュエ
   ータが平行に積層されており、各該コンデンサ付き圧電
   アクチュエータの中央部を互いに連結している中央連結
   部材と、外縁部を互いに連結している外周連結部材とを
   有する、積層型の請求項１記載のコンデンサ付き圧電ア
   クチュエータ。