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JP3114434B2 - 圧電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents

圧電アクチュエータの駆動方法

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Publication number
JP3114434B2
JP3114434B2 JP05161519A JP16151993A JP3114434B2 JP 3114434 B2 JP3114434 B2 JP 3114434B2 JP 05161519 A JP05161519 A JP 05161519A JP 16151993 A JP16151993 A JP 16151993A JP 3114434 B2 JP3114434 B2 JP 3114434B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
driving
electric field
piezoelectric
polarization
ceramic material
Prior art date
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JP05161519A
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Inventor
雅彦 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータの
駆動方法に関するものであり、更に詳細には圧電材料の
分極軸方向と直交する方向に電界を印加して使用する圧
電アクチュエータの駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、セラミックス圧電材料、有機圧電
材料、複合圧電材料等を利用した各種圧電アクチュエー
タが実用化されている。圧電アクチュエータとは該圧電
アクチュエータを構成する圧電材料に駆動用電極を通し
て駆動電界を印加することにより該圧電材料の圧電・電
歪効果によって生じる変位や発生力を利用したアクチュ
エータである。
【0003】前記圧電材料には代表的な変形モードとし
て、縦変形モード(縦効果)、横変形モード(横効
果)、及びせん断変形モード(厚み滑り効果)の三つが
ある。従来の圧電アクチュエータは、圧電材料の縦効果
を利用した積層圧電アクチュエータや横効果を利用した
ユニモルフ、バイモルフ圧電アクチュエータが主流であ
った。縦効果や横効果を利用した圧電アクチュエータで
は、使用される圧電材料の分極軸と駆動の為の駆動電界
の印加軸が一致している。つまり圧電材料は分極時の電
界方向と順方向に駆動電界を印加した場合電界印加軸方
向に伸び(縦効果)、それと直交する軸方向には縮む
(横効果)。また分極時の電界方向と逆方向に駆動電界
を印加した場合電界印加軸方向に縮み(縦効果)、それ
と直交する軸方向には伸びる(横効果)。従って該効果
を利用した圧電アクチュエータでは、駆動時の温度や駆
動電圧等で分極状態の劣化が起こった最悪の場合でも、
駆動用電極を利用した再分極処理により初期状態への復
帰が可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、もう一
つの圧電材料の代表的変形モードであるせん断変形モー
ドを利用した圧電アクチュエータでは、分極処理された
圧電材料の該分極軸方向と直交する方向に電界を印加し
て使用されるため、駆動時の温度や駆動電圧等で分極状
態の劣化が起こった場合、再分極処理等による初期状態
への復帰がほとんど不可能である。にもかかわらずせん
断変形モードを利用した圧電アクチュエータの駆動条件
に関して記載された文献・特許は少なく、該圧電アクチ
ュエータ駆動条件は明確化されていなかった。
【0005】本発明はせん断変形モードを利用した圧電
アクチュエータを構成する圧電材料の初期分極状態を劣
化させることなく安定的に使用するための駆動条件を提
示することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の圧電アクチュエータの駆動方法では、分極処
理された圧電材料に該分極軸方向と直交する方向に電界
を印加して使用する圧電アクチュエータの駆動方法に於
て、前記電界を、一周期内での電圧印加時間が100m
s以下であるパルス電圧により印加するとともに、前記
圧電材料のキュリー温度をTc(単位K)、分極方向と
直交する方向に電界を印加した場合の坑電界をEcと
し、駆動時の圧電材料の温度及び電界を各々Td(単位
K)、Edとした場合に、パルス電圧駆動の一周期内で
の電圧印加時間のデューティ比drが、dr<[{(T
c−Td)/(Tc−273)}・{(|Ec|−|E
d|)/|Ec|}]1/2の条件を満足するパルス電圧
にて駆動することを特徴としている。
【0007】
【作用】本発明の圧電アクチュエータの駆動方法では、
パルス電圧駆動の一周期内での電圧印加時間のデューテ
ィ比を上記のように求めれば、圧電アクチュエータの分
極状態の劣化が生じることなく長時間の安定駆動が出来
る。
【0008】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を説明する
前に、本発明に於て提案した式でのデューティ比drと
各変数の関係を説明する。
【0009】一般に圧電アクチュエータに使用される圧
電セラミックス材料は、自発分極を有する強誘電体材料
であることが多い。図1(a)で示すように多結晶焼結
体であるセラミックス材料は、焼結後の状態では、前記
自発分極の向き52が、焼結体内部残留応力の関係で各
分域51毎に三次元的に様々な方向を向いている。この
状態の材料に強い電界を印加し、自発分極の向き52を
一方向に揃えることを分極処理という。図1(b)で示
した分極後の状態を乱す要因としては、温度と電界があ
る。温度について説明すると、チタン酸ジルコン酸鉛系
材料で代表される圧電セラミックス材料は各々の材料に
特有な強誘電性の消失する温度(キュリー温度)を有す
る。この温度以上の温度になると圧電セラミックスは強
誘電性を消失し常誘電性を示す。一旦キュリー温度以上
にさらされた圧電セラミックス材料は、その後温度を下
げることで可逆的に再び強誘電性を示すが、分極処理後
の状態には復帰せず、材料の持つ自発分極の向きはアト
ランダムになる。さらに分極後の材料がキュリー温度以
下の温度にさらされた場合でも、他の様々な要因によっ
ては、分極状態の変化が起こることが知られている。
【0010】さて、分極処理された材料に分極時に印加
された電界方向と異なる電界が印加された場合、その印
加される電界強度が材料の持つ坑電界以上の電界であれ
ば、分極処理で一方向に揃えられた自発分極の向きが反
転し、分極処理後の状態が変化する。またこの分極反転
は温度が高いほど起こりやすくなる。分極反転は通常m
secオーダーの直流電界が印加された場合に起こると
言われているが、後に示すようにμsecオーダーのパ
ルス信号でもそれが連続的に印加された場合、充分起こ
り得るということが分かった。
【0011】従って、このような圧電アクチュエータを
駆動させる場合、一周期内での電圧印加時間が100m
s以下であるパルス電圧により駆動させるとともに、用
いた圧電セラミックス材料の初期分極状態は、駆動時の
温度と電界強度によりその劣化状態が左右されるため、
その条件に合わせた駆動条件を設定することが必要であ
ることが分かった。従って、本発明の圧電アクチュエー
タの駆動方法では、圧電材料のキュリー温度をTc(単
位K)、分極方向と直交する方向に電界を印加した場合
の坑電界をEcとし、駆動時の圧電材料の温度及び電界
を各々Td(単位K)、Edとした場合の、パルス電圧
駆動の一周期内での電圧印加時間のデューティ比dr
を、dr<[{(Tc−Td)/(Tc−273)}・
{(|Ec|−|Ed|)/|Ec|}]1/2と規定し
た。即ち、パルス電圧駆動を行うときの電圧印加時間
に、駆動時の温度と電界強度との両者のパラメータを反
映させることが出来るため、圧電セラミックス材料の分
極状態の劣化を防止することが出来るのである。
【0012】以下、本発明を具体化した実施例を図面を
参照して説明する。図2乃至図4を用いて、本実施例に
用いたチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス材料の
キュリー温度Tc及び、分極方向と直交する方向に電界
を印加した場合の坑電界をEcの測定方法を説明する。
尚、説明を簡略化するために、温度の単位系は以下につ
いては摂氏を用いることとする。
【0013】図2に示すように幅寸法1mm、高さ寸法
10mm、奥行き寸法20mmの圧電セラミックス材料
11を準備する。該圧電セラミックス材料11は高さ方
向14に分極処理されており、その両側面には駆動電極
13a、13bが形成されている。上記圧電セラミック
ス11を用いて、キュリー温度を測定した。
【0014】以下にそのキュリー温度の測定方法を記載
する。圧電セラミックス材料は一般に常温では強誘電体
材料であり、個々の圧電セラミックス材料が有するキュ
リー温度以上の温度領域では常誘電体となる。図3で示
したように温度を横軸、静電容量を縦軸にとると、キュ
リー温度近傍で強誘電体相から常誘電体相への相転移に
基づいて、静電容量が極大値となる。本実施例では各圧
電セラミックス材料11のキュリー温度Tcを、静電容
量が極大値を示す温度として測定した。
【0015】次に、分極方向と直交する方向に電界を印
加した場合の坑電界Ecの測定方法を説明する。図4a
に示すように、アルミナ製プレート12に接着された圧
電セラミックス材料11のせん断モードの共振周波数f
r及び反共振周波数faを、インピーダンスアナライザ
を用いて測定した。この時、周波数を横軸に、インピー
ダンスを縦軸にグラフ化したものを図4bに示した。こ
の時インピーダンスの極小値を示す周波数及び極大値を
示す周波数を、それぞれ個々の圧電セラミックス材料1
1の共振周波数fr及び反共振周波数faとした。初期
値としての共振周波数frおよび反共振周波数faを測
定した後、図2で示すように、圧電セラミックス材料1
1の分極方向14と直交する方向15に直流電界を10
分間印加し、各直流電界値印加後の共振周波数frを測
定した。本実施例においては、せん断モードの共振周波
数frがほぼ消失する直流電界値を、個々の圧電セラミ
ックス材料11の分極方向と直交する方向に電界を印加
した場合の坑電界Ecとした。
【0016】次に、本実施例で用いた各圧電セラミック
ス材料のキュリー温度Tc及び、分極方向と直交する方
向に電界を印加した場合の坑電界をEcの測定結果を図
5に示した。圧電セラミックス材料Aは高キュリー温度
のいわゆるハード系の圧電セラミックス材料であり、C
は圧電定数は大きいがキュリー温度の低いいわゆるソフ
ト系の圧電セラミックス材料であり、Bは前記材料の中
間的な特性を示す圧電セラミックス材料である。
【0017】次に、各々の圧電セラミックス材料A、
B、Cをもちいて、図2に示したような形状のサンプル
を作製し、その圧電セラミックス材料のせん断モードで
の周波数−インピーダンス特性、及びその時の位相差の
変化を、インピーダンスアナライザーをもちいて測定し
た。図6にその典型的な測定結果の例を示す。共振周波
数でのインピーダンス及び位相角変化Δθの絶対値は、
材質及びサンプル形状等によって決まる。ここで、圧電
材料の分極状態が劣化すると、圧電材料そのものの部分
的な分極方向の乱れが生じ、共振モードの単一性が失わ
れることに起因し、インピーダンス変化が緩やかになる
とともに、位相角変化Δθもその絶対値が減少する。さ
らに、分極劣化がすすむとついには、せん断モードの共
振が消失し、インピーダンス変化も位相角変化も消失す
ることとなる。従って、本実施例においては、図6のよ
うに求めた位相角変化Δθの値の変化率を、圧電セラミ
ックス材料の劣化率と規定した。
【0018】次に各圧電セラミックス材料A、B、Cの
駆動電極13a、bを通じて、様々な種類の駆動パルス
を8時間印加した。駆動パルスとしては、図7におけ
る、パルス電圧値Vを変化させることで圧電セラミック
ス材料に印加する駆動電界を変化させ、パルス周期Pを
変化させることで駆動周波数fを変化させた。またパル
ス幅Wを変化させることでパルス電圧駆動の一周期内で
の電圧印加時間のデューティ比drを変化させた。
【0019】そして、各圧電セラミックス材料A、B、
Cの、各パラメータ、即ち駆動電界Ed、駆動温度T
d、デューティー比dr、及び周波数fにおける、劣化
率の測定をそれぞれ行った。その結果を各々図8乃至図
13に示した。
【0020】この実験結果は、本発明の条件式から求め
られる計算値とほぼ一致しており、パルス電圧駆動の一
周期内での電圧印加時間のデューティ比drが、dr<
[{(Tc−Td)/(Tc−273)}・{(|Ec
|−|Ed|)/|Ec|}]1/2の条件を満たす場合
は、8時間の連続駆動後も劣化が少ないことが実験によ
っても明確になった。
【0021】従って、分極処理された圧電材料の該分極
軸方向と直交する方向に電界を印加して使用される、圧
電材料の代表的変形モードであるせん断変形モードを利
用した圧電アクチュエータでは、分極処理された圧電材
料の該分極軸方向と直交する方向に電界を印加して使用
されるため、駆動時の温度や駆動電圧等で分極状態の劣
化が起こる場合が考えられ、また劣化してしまった後は
再分極が不可能であるが、上記の条件式の範囲内で駆動
することにより、用いた圧電セラミックス材料の初期特
性を劣化させることなく、長時間の安定駆動が出来るこ
とが確認された。
【0022】次に、せん断変形モードの圧電アクチュエ
ータを、例えば特開平2−150355号公報に記載さ
れたインクジェットヘッドに利用した場合の、具体的な
圧電アクチュエータの駆動条件決定の実施例を示す。
【0023】まず図14に圧電アクチュエータの形状を
示す。壁高さ方向に分極処理された圧電セラミックス材
料で構成された壁21の、幅寸法wは0.1mm、壁高
さ寸法hは0.5mmである。該圧電セラミックス材料
としては、上記の圧電セラミックス材料Aをもちいた。
壁21はその上面が蓋23と接合されている。壁21の
両側面の上半分に形成された駆動電極22a、b間に駆
動電界が印加されることで壁21は壁上面を固定端とし
て、側面に駆動電極22が形成された部分がせん断変形
を生じる。駆動電極22のない壁の下の部分は上の部分
のせん断変形にともなって弾性的に変形を生じる。従っ
て壁21全体変形はいわゆるくの字形変形となる。この
インクジェットヘッドの圧電アクチュエータの駆動条件
は20μsecのパルスオンタイムが必要で、駆動電界
は0.5kV/mm、駆動温度条件は20℃である。駆
動波形は、単純な矩形波のパルス駆動、即ち図16の上
段のものを用いた。
【0024】この条件に基づいて駆動条件を計算してみ
ると、用いた圧電セラミックス材料Aのキュリー温度T
c=325℃、坑電界Ec=1.0kV/mmであるの
で、デューティ比dr<0.68となる。従って単純な
矩形波のパルス駆動の場合、許容できる最大周波数は約
34kHzとなる。つまり上記のアクチュエータの駆動
周波数は実質34kHz以下にして設計を行う必要があ
ることがわかる。
【0025】次に別の駆動波形の例を示す。図15に示
した様な駆動波形が必要な場合一つ目のパルスの電圧を
電界換算した値をEd1、二つ目をEd2とし、各々のパ
ルス幅をt1及びt2とすると、まず各々のパルスに対し
て求められた限界デューティー比dr1,dr2を用いて
t1/dr1とt2/dr2を求める。その結果、最大駆動
周波数=1/{(t1/dr1)+(t2/dr2)}と計
算できる。実例として温度20℃で圧電セラミックス材
料Aを用い、Ed1=0.5kV/mm、t1=20μs
ec、Ed2=0.2kV/mm、t2=40μsecの
場合、dr1<0.68、dr2<0.86となりt1/
dr1>29.4μsec、t2/dr2>46.5μs
ecとなる。従って最大駆動周波数は約13.2kHz
であることが判る。
【0026】図16に、上記二つの実施例の各周波数で
の8時間の連続駆動実験の結果を、共振時の位相角変化
の変化率を用いて示した。実験結果は本発明の計算結果
とよく一致した。
【0027】尚、上記の実施例においては、駆動時の温
度が正の場合について説明したため、温度の単位系が摂
氏となっていたが、負の場合にも同様の結果となること
が判明している。従って、上記の条件式はdr<
[{(Tc−Td)/(Tc−273)}・{(|Ec
|−|Ed|)/|Ec|}]1/2、(但し単位K)と
表わすことが出来る。
【0028】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、分
極処理された圧電材料の該分極軸方向と直交する方向に
電界を印加して使用されるせん断変形モードを利用した
圧電アクチュエータでは、分極処理された圧電材料の該
分極軸方向と直交する方向に電界を印加して使用される
ため、駆動時の温度や駆動電圧等で分極状態の劣化が起
こる場合が考えられるが、パルス電圧駆動の一周期内で
の電圧印加時間のデューティ比を、圧電材料のキュリー
温度、分極方向と直交する方向に電界を印加した場合の
坑電界、駆動時の圧電材料の温度及び電界にもとづいて
求め、そのデューティ比で駆動することにより、用いた
電材料の初期特性を劣化させることなく長時間の安定
駆動が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミックス材料の分極状態を表わす概念図で
ある。
【図2】本実施例の圧電セラミックス材料の概略図であ
る。
【図3】圧電セラミックス材料の温度と静電容量の関係
を表すグラフである。
【図4】圧電セラミックス材料の共振及び反共振周波数
の測定方法を示す図、及び周波数とインピーダンスの関
係を表すグラフである。
【図5】本実施例の圧電セラミックス材料のキュリー温
度及び坑電界の測定結果を示す図である。
【図6】圧電セラミックス材料の共振時の位相角変化の
測定結果の一例を示す図である。
【図7】本実施例に用いた駆動波形の概略図である。
【図8】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化率
の測定結果を示す図である。
【図9】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化率
の測定結果を示す図である。
【図10】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化
率の測定結果を示す図である。
【図11】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化
率の測定結果を示す図である。
【図12】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化
率の測定結果を示す図である。
【図13】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化
率の測定結果を示す図である。
【図14】本実施例の圧電アクチュエータの構成概略図
である。
【図15】圧電アクチュエータの駆動波形を示す概略図
である。
【図16】各駆動条件での圧電セラミックス材料の劣化
率の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
11 圧電セラミックス材料 14 分極方向 15 駆動方向

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分極処理された圧電材料に該分極軸方向
    と直交する方向に電界を印加して使用する圧電アクチュ
    エータの駆動方法に於て、前記電界を、一周期内での電
    圧印加時間が100ms以下であるパルス電圧により印
    加するとともに、前記圧電材料のキュリー温度をTc
    (単位K)、分極方向と直交する方向に電界を印加した
    場合の坑電界をEcとし、駆動時の圧電材料の温度及び
    電界を各々Td(単位K)、Edとした場合に、パルス
    電圧駆動の一周期内での電圧印加時間のデューティ比d
    rが、 dr<[{(Tc−Td)/(Tc−273)}・{(|Ec|−|Ed|) /|Ec|}]1/2 の条件を満足するパルス電圧にて駆動することを特徴と
    する圧電アクチュエータの駆動方法。
JP05161519A 1993-06-30 1993-06-30 圧電アクチュエータの駆動方法 Expired - Lifetime JP3114434B2 (ja)

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