(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電体の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】金属薄板からなるシム１１の表裏に一対の圧電体１２を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、一対の圧電体１２の片側のみに交流電源１６により交流電圧を印加し、この交流電圧を印加する圧電体１２を、交流電圧の周期よりも長い一定時間毎に切り替える切替給電手段２０を設けた。圧電体１２の振動変位が減少する前に、あるいは、圧電体１２の温度上昇が大きくなる前に、駆動させる圧電体１２を切り替えれば、温度上昇による圧電体１２の分極特性の劣化、及び振動特性の劣化を防止できること、そして、駆動させていない側の圧電体１２が振動加速度を増大させる作用をする。【選択図】図１
2009277822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、
前記一対の圧電体の片側のみに交流電圧を印加し、この交流電圧を印加する圧電体を、該交流電圧の周期よりも長い一定時間毎に切り替える切替給電手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記一定時間は、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動変位が所定値まで減少する時間に基づいて設定されている圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記一定時間は、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動加速度が所定値まで減少する時間に基づいて設定されている圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記一定時間は、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに該圧電体の温度が所定温度まで上昇する時間に基づいて設定されている圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記切替給電手段は、一方の圧電体に交流電圧を印加する第１の給電経路と、他方の圧電体に交流電圧を印加する第２の給電経路とを切り替えるスイッチ手段である圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源（振動発生素子)として用いられる圧電アクチュエータは、特許文献１〜３に記載されたように、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる。圧電体は、その表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると、一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小する性質がある。このため、圧電体の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が延びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。
【特許文献１】特開昭６０−２１９９７１号公報
【特許文献２】特開平１１−８９２５４号公報
【特許文献３】特開２００７−２２１３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような圧電アクチュエータは、連続駆動時間が長くなると、誘電損失により圧電体の温度が上昇し、圧電体の分極特性が一部消滅してしまう問題がある。減極（消極）が生じた場合には、振動量が低減し、初期の振動特性を維持することができない。このため、従来の圧電アクチュエータは連続駆動時間が短く制限され、長時間駆動に向いていなかった。
【０００４】
本発明は、圧電体の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、シム表裏の圧電体の片側のみを交流電圧で駆動させ、振動変位が減少する前にあるいは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、駆動させる圧電体を切り替えれば、温度上昇による圧電体の分極特性の劣化及び振動特性の劣化を防止できること、そして、駆動させていない側の圧電体が振動加速度を増大させる作用をすることに着目して完成されたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電体を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、一対の圧電体の片側のみに交流電圧を印加し、この交流電圧を印加する圧電体を、該交流電圧の周期よりも長い一定時間毎に切り替える切替給電手段を設けたことを特徴としている。
【０００７】
圧電体の連続駆動時間が長くなるほど、圧電体の誘電損失による温度上昇は大きくなり、圧電体の減極によって振動変位及び振動加速度は減少する傾向がある。よって、上記一定時間は、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動変位が所定値まで減少する時間に基づいて設定することが好ましい。または、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに振動加速度が所定値まで減少する時間に基づいて設定されていることが好ましい。或いは、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに該圧電体の温度が所定温度まで上昇する時間に基づいて設定することが好ましい。この態様によれば、振動変位が大きく減少する前に或いは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、交流電圧で駆動させる圧電体を切り替えることができる。
【０００８】
切替給電手段は、一方の圧電体に交流電圧を印加する第１の給電経路と、他方の圧電体に交流電圧を印加する第２の給電経路とを切り替えるスイッチ手段とすることが実際的である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シム表裏の圧電体の片側のみが交流電圧で駆動され、振動変位が大きく減少する前に或いは圧電体の温度上昇が大きくなる前に、駆動される圧電体が切り替わるので、圧電体の温度が過度に上昇することなく、圧電体の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。圧電アクチュエータ１０は、金属薄板からなるシム１１と、シム１１の表裏に接着した一対の圧電体１２とを備えている。具体的に、シム１１は厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板で構成され、一対の圧電体１２は厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）で構成されている。この圧電アクチュエータ１０は、例えば圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源（振動発生素子）として用いられる。
【００１１】
一対の圧電体１２には、その表裏方向（厚さ方向）に分極処理が施されている。図１において一対の圧電体１２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、シム１１の板厚方向に同一方向の分極処理が施されている。一対の圧電体１２の両面には全面的に膜状電極１３が形成されており、シム１１側の面（シム１１との接着面）はシム１１と全面的に導通するように接着されている。膜状電極１３は、例えばＡｇＰｄなどの導電ペーストを印刷及び焼き付けることで形成される。膜状電極の材料や形成方法は周知である。シム表面側の圧電体１２Ａの露出面（膜状電極１３）には表面側導体１４Ａが接続され、シム裏面側の圧電体１２Ｂの露出面（膜状電極１３）には裏面側導体１４Ｂが接続されている。
【００１２】
シム１１には、シム側導体１５を介して交流電源１６が接続されている。交流電源１６は、圧電体１２に印加する交流電圧（駆動電圧）を生じさせる。交流電源１６の他端側には共通導体１７が接続されている。
【００１３】
以上の圧電アクチュエータ１０は、共通導体１７、表面側導体１４Ａ及び裏面側導体１４Ｂの間に、切替給電手段としての切替スイッチ２０を備えている。切替スイッチ２０は、共通導体１７に対して表面側導体１４Ａと裏面側導体１４Ｂを択一的に接続するスイッチである。この切替スイッチ２０は、交流電源１６からの交流電圧の周期（圧電アクチュエータ１０の振動周期）よりも十分に長い一定時間毎に、スイッチ状態が変化して一対の圧電体１２への給電経路を切り替え、交流電圧で駆動させる圧電体１２を切り替える。図２は切替スイッチ２０のスイッチ状態を示し、図３はシム１１の変位形状を示している。なお、図２及び図３では、膜状電極１３を図示省略してある。
【００１４】
切替スイッチ２０が共通導体１７と表面側導体１４Ａを接続する第１の状態にあるとき（図２（ａ））、矢印Ｉ１で示される第１の給電経路が形成され、シム表面側の圧電体１２Ａのみに交流電圧が印加される。これにより、シム表面側の圧電体１２Ａが交流電圧で駆動し、シム裏面側の圧電体１２Ｂは駆動しない。シム表面側の圧電体１２Ａの分極方向と電圧印加方向が同一であれば、シム表面側の圧電体１２Ａは縮み、シム裏面側の圧電体１２Ｂは伸縮しないので、シム１１は図３（ａ）に示すように上側に反りかえる。電圧印加方向が逆向きであれば、シム表面側の圧電体１２Ａは伸び、シム裏面側の圧電体１２Ｂは伸縮しないので、シム１１は図３（ｂ）に示すように下側に反りかえる。この繰り返しによって、シム１１は振動する。この振動中、駆動していないシム裏面側の圧電体１２Ｂは、駆動しているシム表面側の圧電体１２Ａのおもりとして作用し、振動加速度を増大させる（図５参照）。
【００１５】
一方、切替スイッチ２０が共通導体１７と裏面側導体１４Ｂを接続する第２の状態にあるとき（図２（ｂ））、矢印Ｉ２で示される第２の給電経路が形成され、シム裏面側の圧電体１２Ｂのみに交流電圧が印加される。これにより、シム裏面側の圧電体１２Ｂが交流電圧で駆動し、シム表面側の圧電体１２Ａは駆動しない。シム裏面側の圧電体１２Ｂの分極方向に対して電圧印加方向が同一であれば、シム表面側の圧電体１２Ａは伸縮せず、シム裏面側の圧電体１２Ｂは縮むので、シム１１は図３（ｂ）に示すように下側に反り返る。電圧印加方向が逆向きであれば、シム表面側の圧電体１２Ａは伸縮せず、シム裏面側の圧電体１２Ｂは伸びるので、シム１１は図３（ａ）に示すように上側に反り返る。この繰り返しによって、シム１１は振動する。この振動中、駆動していないシム表面側の圧電体１２Ａは、シム裏面側の圧電体１２Ｂのおもりとして作用し、振動加速度を増大させる（図５参照）。
【００１６】
切替スイッチ２０のスイッチ状態は、タイマーにより自動的に切り替わる構成としても、外部の制御手段によって切替制御する構成としてもよい。
【００１７】
切替スイッチ２０の切替タイミングは、上述したように、圧電体１２に印加する交流電圧の周期よりも十分長い一定時間毎である。交流電圧の周期は１Ｈｚ以上（１ｓｅｃ）〜数百Ｈｚ程度であり、交流電圧の周期よりも十分長いとは秒単位、分単位ではなく、時間単位でのことを意味する。
【００１８】
図４は、図１の圧電アクチュエータ１０において一対の圧電体１２の片側を交流電圧（±９０Ｖ、２０Ｈｚ）で駆動し、駆動時間［ｈｏｕｒ］に対する振動加速度［ｍ/ｓ2］及び振動変位［μｍ］の変化を示すグラフである。図４から明らかなように、駆動開始してから数時間は振動加速度、振動変位ともに大きな劣化はなく、駆動時間が約３時間を超えて長くなるほど振動加速度、振動変位は両方とも急激に劣化している。
【００１９】
図４の特性を参照して、上記スイッチ状態を切り替える一定時間は、予め、一対の圧電体１２の片側を交流電圧で連続駆動させたときに振動変位が所定値Ｄまで減少する時間に基づいて設定されている。所定値Ｄは、駆動開始時点での振動変位の７０〜９０％程度とすることが好ましい。本実施形態の圧電アクチュエータ１０では、駆動開始から２時間まで振動加速度及び振動変位の劣化が小さいことから、２時間でスイッチ状態を切り替える構成にしてある。
【００２０】
図５は、圧電体１２に印加する交流電圧［Ｖｐ−ｐ］を変化させながら圧電アクチュエータ１０の振動によって発生する樹脂ブロック３２の振動加速度［ｍ/ｓ2］を測定した結果を示すグラフであり、一対の圧電体１２の片側のみを駆動させた場合と両側を駆動させた場合を比較して示してある。この測定は、図６に示すように、柔らかいスポンジ３１で支持された樹脂ブロック３２に圧電アクチュエータ１０をねじ３３で固定した状態で行なわれる。加速度ピックアップ３４は、樹脂ブロック３２の圧電アクチュエータ１０側とは反対側に設置されており、圧電アクチュエータ１０の駆動中に樹脂ブロック３２に生じる振動加速度を測定する。測定した振動加速度に基づき、圧電アクチュエータ１０が発生している加振力がわかる。圧電体１２に印加する交流電圧には、周波数５０Ｈｚの矩形波交流電圧を用いた。
【００２１】
図５から明らかなように、片側の圧電体１２のみを駆動させた場合のほうが、両側の圧電体１２を駆動させた場合よりも振動加速度が大きくなっている。これは、片側の圧電体１２のみを駆動させると、駆動させていない側の圧電体１２が駆動させた圧電体１２のおもりとして作用し、振動加速度を増大させると考えられる。圧電体１２に印加する交流電圧が大きくなるほど、振動加速度は大きくなり、一対の圧電体１２の片側のみを駆動させた場合と両側の圧電体１２を駆動させた場合との振動加速度差も大きくなる。
【００２２】
以上のように本実施形態では、交流電圧の周期よりも十分長い一定時間毎に、切替スイッチ２０を介して第１の給電経路と第２の給電経路が切り替えられ、交流電圧で駆動される圧電体１２が替わる。このようにシム表裏の一対の圧電体１２を片側ずつ駆動させれば、一対の圧電体１２を両側とも駆動させた場合に比べて圧電体１２の誘電損失による温度上昇を抑制でき、温度上昇による圧電体１２の分極劣化を回避できる。これにより、圧電体１２の分極特性を良好に維持でき、長時間駆動に適した圧電アクチュエータ１０が得られる。
【００２３】
上記切替スイッチ２０の切替タイミングは、本実施形態では振動変位をパラメータに用いて設定しているが、振動変位のかわりに、振動加速度または駆動させた圧電体１２の温度をパラメータに用いることができる。振動加速度を利用する場合には、予め、一対の圧電体１２の片側を交流電圧で連続駆動させたときに振動加速度が所定値Ａまで減少する時間に基づいて設定することが好ましい。所定値Ａは駆動開始時点での振動加速度の７０〜９０％程度とする。駆動させた圧電体１２の温度を利用する場合には、予め、片側の圧電体を交流電圧で連続駆動させたときに該圧電体の温度が所定温度Ｔ１まで上昇する時間に基づいて設定することが好ましい。所定温度Ｔ１は、圧電体１２の減極が生じる温度Ｔ２より低く、振動変位の大きな劣化がない温度に設定する（Ｔ１＜Ｔ２）。
【００２４】
本発明による圧電アクチュエータは、圧電ポンプや圧電振動ジャイロ等の駆動源以外にも様々な用途に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）切替スイッチのスイッチ状態を示す模式図である。
【図３】（ａ）（ｂ）シムの変位形状を示す模式断面図である。
【図４】圧電体の連続駆動時間と振動加速度、振動変位の関係を示すグラフである。
【図５】圧電体に印加する交流電圧と振動加速度の関係を示すグラフである。
【図６】図５の測定状態を説明する（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ矢視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０    圧電アクチュエータ
１１    シム
１２    圧電体
１２Ａ  シム表面側の圧電体
１２Ｂ  シム裏面側の圧電体
１３    膜状電極
１４Ａ  表面側導体
１４Ｂ  裏面側導体
１５    シム側導体
１６    外部電源
１７    共通導体
２０    切替スイッチ
３１    スポンジ
３２    樹脂ブロック
３３    ねじ
３４    加速度ピックアップ
【図１】
2009277822.tif 000003
【図２】
2009277822.tif 000004
【図３】
2009277822.tif 000005
【図４】
2009277822.tif 000006
【図５】
2009277822.tif 000007
【図６】
2009277822.tif 000008