JPS61152086A - 積層型圧電駆動装置の使用方法 - Google Patents

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」 この発明は、電圧を印加して積層型圧電素子を変位させ
ることにより、被駆動物を駆動させる積層型圧電駆動装
置の使用方法に関する。

「従来の技術」 積層型圧電駆動装置としては、Ｘ−Ｙテーブル等の精密
位置決め装置（特開昭５８−１８２８８２号公報）、あ
るいは圧電素子の伸縮を繰り返えすことにより被駆動物
を連続的に移動させる、ないしは打点をおこなう駆動装
置（特開昭５８−１８８６７２号公報）等が存在してい
る。

連続的に移動させる駆動装置としては１例えば特公昭５
８−３２５１８号公報に示されるような圧電モータが存
在している。この公報の圧電モータでは第１図に示した
ように、上下を二枚の板で挟持された積層型圧電素子を
縦振動（第１図矢印Ａ方向）させることにより圧電モー
タを構成している。この場合、積層型圧電素子の各圧電
体の平面に垂直に荷重が働くので耐荷重性はよい、しか
しながら、積層型圧電素子の変位量は非常に小さいため
、駆動源として用いるためにはより大きい変位量のもの
が望まれている。

また、数百ｇｍと比較的大きな変位量を得られるものと
して、薄い金属板等に一枚の薄い圧電板を接着して圧電
板の長手方向の変位をとるようにしたユニモルフ型圧電
変位素子、あるいは２枚の薄い圧電板を接着したバイモ
ルフ型圧電変位素子等が存在する。しかしながら、ユニ
モルフ型やバイモルフ型の圧電変位素子は、薄いので圧
電体の平面に垂直に働く荷重に弱く、実用上数ｇないし
数百ｇの荷重にしか耐え得ないので駆動装置に使用する
ことは困難であった。

「発明が解決しようとする問題点」 このように従来技術にあっても積層型圧電素子を利用し
た圧電駆動装置は存在するが、従来例では単に積層型圧
電素子に任意の電圧を印加し、その変位量を駆動源とし
て使用するだけであるので、小さな変位量しか得られず
、積層型圧電素子の特性を十分に活用しているとは言い
難い。

従ってこの発明においては、積層型圧電素子の振動特性
を活用し、より大きな変位量を得ることにより、駆動効
率が良くしかも荷重に強い積層型圧電駆動装置の使用方
法を提供することを技術的課題とする。

「問題点を解決するための手段」 本発明は上記問題点を解決したものであり、荷重に強く
、数百ｇから数ｋｇオーダの荷重に耐えるように圧電体
を多数積層した積層型圧電素子を使用し、この積層型圧
電素子の共振周波数近傍で駆動させることを特徴とする
ものである。

本発明において、前記積層型圧電素子は、その一部を例
えば金属板等の他の部材に接着または穴に埋めこむ等に
より固定または保持して用いられるので、この固定また
は保持された状態で積層型圧電素子をその共振周波数に
より駆動することが重要である。このときの駆動周波数
は、積層型圧電素子単体での共振周波数に比べて低い周
波数となる。小さな周波数でも共振が生じるようにして
、その共振が生じる周波数近傍で駆動するために効率の
良い積層型圧電駆動装置の使用方法であるなお、積層型
圧電素子はその固定部と反対側の自由端部に印字用ピン
を取付けたり、積層型圧電素子の自由端部でロータを回
転できるようにして、積層型圧電駆動装置として使用さ
れるので、本発明における前記積層型圧電素子の共振周
波数とは、使用状態の系全体において得られる積層型圧
電素子の共振周波数をいうことは勿論である。また本発
明において積層型圧電素子には、通常発振器により所定
の周波数をもつ電圧を発生し、次いでアンプを介して電
圧が印加されるようになっている。

「作用」 上記の積層型圧電駆動装置は次の様に作用する、圧電体
に直流電圧を印加すると周知のように圧電体は収縮、膨
張、スベリ等を発生する。また、圧電体を金属板等の剛
体に接着しておき接着面と平行方向に収縮ないしは膨張
するように電圧を印加すると、圧電体は屈曲現象を示す
ことが良く知られている。

８１層型圧電素子に適切な周波数の交流電圧を印加する
と、ａ層型圧電素子に共振が生じ、大きな変位量が得ら
れる。特に積層型圧電素子を金属板等に固定したときは
、積層型圧電素子単体での共振周波数に比べ、より低い
周波数で共振が生じて大きな変位量が得られる。よって
この積層型圧電素子が積層型圧電駆動装置として使用さ
れると、積層型圧電素子に取付けた印字ビンがより高効
率で打点作動をし、あるいは積層型圧電素子の近くに配
置したロータがより高効率で回転される。

「実施例」 以下、本発明を実施例に基ずいて詳細に説明する。

初めに本発明の実施例との比較のため、第１図ないし第
３図により比較例を説明する。

第１図は比較例の積層型圧電駆動装置であり、その積層
型圧電素子１は拘束されることなく縦方向に自由に振動
することができる。積層型圧電素子には１辺が１Ｏ１Ａ
１１角で、厚さ０．２１１１１の薄板状圧電体２を６０
層積層したものを用いた０図示を省略したが、積層型圧
電素子の電極３ａ、３ｂはアンプを介して発振器に接続
した。

第２図は比較例の積層型圧電素子のインピーダンス−周
波数特性を示すもので、共振周波数は１Ｊ３ＯｋＨ２付
近にあり、実用に適した１−１５０ｋＨｚの周波数範囲
ではインピーダンス（Ｚ）は単調に減少しており共振点
はあられれていない。

第３図はこの積層型圧電素子に５ｖの交流電圧を印加し
た時の変位量−周波数特性を測定した結果をまとめたも
ので、１〜３０ｋＨ２と周波数の低い範囲で積層型圧電
素子の各圧電体の平面に垂直な方向の変位量は、約０．
１８ｐｍと一定値を示した。このように周波数の低い範
囲で変位が一定なのは、共振が生じていないためと考え
られる。

しかし共振周波数１８０ｋＨｚ付近で駆動することは、
アンプ及び変位差計の機能の制約上、実施できなかった
ので当該周波数での変位量は大きいものとは予想される
がその実測値は不明である。

次に本発明の第１実施例を第４図ないし第６図により説
明する。

積層型圧電素子ｌは、−辺が１０ｍｍ＋角で厚さ０゜２
　ｏｍの薄板状圧電体２を６０層積層し、各薄板状圧電
体はその上下面に絶縁された電極３ａ、３ｂが設けられ
るとともに、各薄板状圧電体に共通の外部電極３．３゛
が設けられたものを使用した。

ａ層型圧電素子ｌの第４図における下面をエポキシ系接
着剤で鉄板４に固定して用いた。なお鉄板４の大きさは
、縦、横がそれぞれｌｏｃｍ、８ｃ＋＊で、厚さが０．
９ｃ＋ｍのものを使用した。積層型圧電素子１への電圧
の印加は、発振器５によりアンプ６を介して行なった。

第５図はこの時のインピーダンス−周波数特性のｌＯ〜
３０ｋＨｚの範囲での測定結果をまとめたものである。

第２図に示したごとく、比較例の使用方法では素子のイ
ンピーダンス（Ｚ）は１０〜１７０ｋＨｚの範囲で周波
数増加とともに単調に減少しているが、第５図に示す本
実施例ではｌＯ〜３０ｋＨｚの範囲で多数の共振点が現
われている。

第６図はこの時の変位量−周波数特性の測定結果をまと
めたものである。なお変位量は積層型圧電素子の圧電体
２の平面に垂直な方向の変位である。比較例では１０〜
３０ｋＨｚの範囲で変位量はほぼ一定値を示したが、本
実施例では第５図で示された共振周波数近傍で変位量が
急激に大きくなることが明らかである。

この結果、本実施例では、比較例に比べて共振がより低
い周波数で生じ、この周波数近傍で駆動量が急激に大き
くなった。また、積層型圧電素子１にＩｋｇの荷重を加
えた場合も同様の結果を得、変位量は１０〜２０％減少
するのみであった。

なお、積層型圧電素子の固定側と反対の自由端部に図示
を省略した印字ピンが取付けられれば、印字ピンの打点
が行なえ、ロータが配置されればそれが回転される。

第７図は本発明の第２実施例の積層型圧電駆動装置であ
り、その積層型圧電素子の固定のし方を変更したもので
ある。この場合、ａ層型圧電素子１の第７図状態での下
部を鉄板４の浅い穴７に埋め込み機械的に固定して用い
た。なお鉄板４の大きさは第１実施例と同一にした。固
定方法としては４辺を均一に固定しても、また、対向す
る２辺のみを固定しても良く、両者共に第１実施例と同
様の結果を得た。

以上詳述したごとく、本発明は積層型圧電素子を適切な
周波数で駆動するので変位量が大きく、特に積層型圧電
素子を金属板等に固定することにより新たにより低い周
波数で共振が生じ、その共振周波数近傍で用いることに
より１パルス当たりの変位量が大きく、駆動特性が良い
、なお積層型圧電素子ｌの固定方法は上記実施例に限定
されるものではなく、また使用する周波数範囲も上記実
施例に限定されるものではなく、他の周波数であっても
、積層型圧電末子の共振周波数でありさえすれば、十分
本発明の効果を得ることができる。

さらに鉄板４に限らず他の金属板等の剛体でもよく、そ
の大きさも上記実施例に限定されない。

また、本発明で使用するａ層型圧電素子には焼結済の薄
板状圧電体を多数枚、接着、積層して用いても良く、生
シートの薄板状圧電体に電極を塗布した後、多数、ラミ
ネートし、一体焼結した積層型圧電素子を用いても良い
。

「発明の効果」 以上、詳述したことから、本発明による積層型圧電駆動
装置の使用方法は次のような特有の効果を有する。

（１）通常の積層型圧電素子に比べて、より低電圧でよ
り大きな変位量を得ることができ、しかも高荷重に耐え
る。

（２）積層型圧電素子の一部を固定し、新たな共振を発
生させることにより、実用上、より使用し易い周波数域
でより大きな変位量を得ることができる。

（３）このため、駆動装置として示す変位量も■パルス
当り、より大きな変位量を得ることができ、より低い電
圧で所望の駆動特性を得ることができる。

（４）この結果１本発明による積層型圧電駆動装置は、
圧電モータ、ドツトプリンター用素子、精密Ｘ−Ｙテー
ブル微調機構部等の駆動機構として有効であることは明
らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は比較例の積層型圧電駆動装置の斜視図第２図は
第１図の装置のインピーダンス−周波数特性図、第３図
は第１図の装置の変位量−周波数特性図である。第４図
は本発明の第１実施例の積層型圧電駆動装置の斜視図、
第５図は第１実施例のインピーダンス−周波数特性図、
騎６図は第１実施例の変位量−周波数特性図、第７図は
本発明の第２実施例の積層型圧電駆動装置の斜視図であ
る。 ｌ；積層型圧電素子　　２；圧電体 ４；鉄板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）上下の面に互いに絶縁された電極を持つ薄板状圧
   電体を複数枚積層し、各薄板状圧電体に共通の外部電極
   を設けて積層型圧電素子を形成し、共通の外部電極を通
   して個々の薄板状圧電体に電圧を印加することにより積
   層型圧電素子が変位するようにした圧電駆動装置におい
   て、積層型圧電素子の共振周波数近傍で駆動することを
   特徴とする積層型圧電駆動装置の使用方法。
2. （２）積層型圧電素子の一部を金属板等に固定または保
   持して使用するようにした特許請求の範囲第１項に記載
   の積層型圧電駆動装置の使用方法。