圧電アクチュエータ及びそれを備える装置、並びに圧電アクチュエータの製造方法
【課題】新規な構造で且つ改善されたヒステリシス特性を有する圧電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、絶縁層２０と、上側圧電部３０と、第１表面電極４１乃至第４表面電極４４からなる表面電極４０と、下側圧電部５０とを備えている。上側圧電部３０は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材３２と、上側圧電部材３２の間の夫々に設けられた上側内部電極３４とを備えている。下側圧電部５０は、上下方向に積層された複数の下側圧電部材５２と、下側圧電部材５２の間の夫々と最下部の下側圧電部材５２の下面上とに設けられた下側電極５４とを備えている。外部接続端子として機能する第１表面電極４１乃至第４表面電極４４は、４つあることから分極処理時の極性の付与の際の電極の組み合わせと実駆動時の駆動信号供給の際の電極の組み合わせとを変えることができる。
【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、絶縁層２０と、上側圧電部３０と、第１表面電極４１乃至第４表面電極４４からなる表面電極４０と、下側圧電部５０とを備えている。上側圧電部３０は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材３２と、上側圧電部材３２の間の夫々に設けられた上側内部電極３４とを備えている。下側圧電部５０は、上下方向に積層された複数の下側圧電部材５２と、下側圧電部材５２の間の夫々と最下部の下側圧電部材５２の下面上とに設けられた下側電極５４とを備えている。外部接続端子として機能する第１表面電極４１乃至第４表面電極４４は、４つあることから分極処理時の極性の付与の際の電極の組み合わせと実駆動時の駆動信号供給の際の電極の組み合わせとを変えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒステリシス特性の改善された圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザがタッチパネルを押圧操作した場合において、押圧できたか否かを明確に認識できない場合がある。かかる場合、同じ領域を２回押圧してしまうといった誤操作を引き起こすこととなる。圧電アクチュエータを適用したタッチパネルにおいて上述したような誤操作防止を図るためには、圧電アクチュエータを大電圧で駆動して、その振幅をユーザの指に伝達するという手段が考えられる。しかしながら、圧電アクチュエータを構成する圧電材料にはヒステリシス特性があるので、大電圧で駆動すると高調波歪み成分が大きくなってしまい、不要な電力が消費されてしまう。即ち、圧電アクチュエータの利点の一つである低消費電力が失われてしまうといった問題がある。
【０００３】
圧電アクチュエータのヒステリシス特性を改善する技術としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術は、圧電アクチュエータ自体ではなく、それに接続される電子回路によってヒステリシス特性の補正を行うものであり、部品点数増によるコスト増や、制御ループ増による圧電部材の本来の特性の低下などといった問題を有している。
【０００４】
ヒステリシス特性が比較的小さい圧電アクチュエータとしては、例えば、特許文献３に開示されたバイモルフ型のものがある。一般的に、バイモルフ型の圧電アクチュエータは、金属シムの両面に圧電部材を接着して構成される。金属シムを挟んで設けられた圧電部材は、互いに逆方向に分極処理され、駆動される。このようにすると、理想的には、一方の圧電部材のヒステリシス特性が他方の圧電部材のヒステリシス特性によってキャンセルされる。従って、圧電アクチュエータ全体としてはヒステリシス特性の改善が図られる。特許文献３の圧電アクチュエータは、一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータを積層することにより、大きな変位量を得ようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−４１０７７３号公報
【特許文献２】特開平９−１８２４６６号公報
【特許文献３】特開平９−６４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイモルフ型の圧電アクチュエータの場合、ペアにする圧電部材のヒステリシス特性が大きく異なってしまうと、所望とするヒステリシス特性の相互キャンセルが生じないため、圧電アクチュエータ全体の特性が悪くなる。一方、圧電部材はその製造プロセス等に起因して特性のバラツキを有しているのが一般的である。例えば、同一の焼結セッター上で焼結した圧電部材であったとしても、その焼結セッター上の位置によって結果として得られる圧電部材はサイズや特性においてバラついてしまう。従って、圧電アクチュエータ全体の特性の向上を図ろうとする場合、圧電部材のペアリングを徹底しなければならない。
【０００７】
しかしながら、ペアリング作業に注力すると作業コストが高くなるという問題があることに加えて、ペアリング作業にて選別されなかった圧電部材は廃棄物となってしまう可能性があり、環境保護の側面からも好ましくない。
【０００８】
更に、金属シムとしては、温度係数の近さなどのため鉄ニッケル４２アロイ材などが用いられるが、ニッケルは希少金属であるためコスト増を招くことになる。
【０００９】
本発明は、かかる状況を踏まえ、新規な構造で且つ改善されたヒステリシス特性を有する圧電アクチュエータ及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上述した圧電アクチュエータを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
金属シムを介在させると、金属シムと圧電部材との接着工程が必要となり、コストが高くなってしまうことから、金属シムが介在していた位置には金属シムに代えて絶縁層を介在させることとする。
【００１２】
別個に焼結した圧電部材を選別してペアリングすると、圧電部材のヒステリシス特性のバラツキの影響を避けることはできない。バラツキをなくすため、ペアとすべき圧電部材を積層した状態で焼結し、その後に分極処理を行うこととする。
【００１３】
圧電部材を積層し焼結した後に、絶縁層を中心として上下で分極分布が逆になるように分極処理する一方で、バイモルフ型の圧電アクチュエータのように位相の反転した入力信号を印加することを可能とするためには、外部接続端子となる電極（表面電極）が少なくとも４つ以上なくてはならない。このように外部接続端子が４つ以上あると、２つの電極には分極処理時と実駆動時とで異なる極性の電圧を加えることができ、それによって上述したような分極処理とバイモルフ型の圧電アクチュエータと同様の駆動との両方を行うことができる。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下に掲げる解決手段を提供する。
【００１４】
本発明によれば、第１の圧電アクチュエータとして、
絶縁層と、前記絶縁層の上側に設けられた上側圧電部と、前記上面圧電部の上面上に設けられた表面電極と、前記絶縁層の下側に設けられた下側圧電部とを備える圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材と、前記上側圧電部材の間の夫々に設けられた上側内部電極とを備えており、
前記下側圧電部は、前記上下方向に積層された複数の下側圧電部材と、前記下側圧電部材の間の夫々と最下部の前記下側圧電部材の下面上とに設けられた下側電極とを備えており、
前記表面電極は、４つ以上に分割されており、
前記分割された表面電極は、夫々、前記上側内部電極及び前記下側電極のいずれかと接続されている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、第２の圧電アクチュエータとして、第１の圧電アクチュエータであって、
前記分割された表面電極は、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記上側内部電極に接続される第１表面電極と、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記下側電極に接続される第２表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記下側電極に接続される第３表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記上側内部電極に接続される第４表面電極と
を備えている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、第３の圧電アクチュエータとして、第２の圧電アクチュエータであって、
分極処理の際には、前記第１表面電極と前記第３表面電極とを一の極性とする一方で、前記第２表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材の分極が行われており、
実使用時においては、前記第１表面電極と前記第２表面電極とを一の極性とする一方で、前記第３表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として駆動される
圧電アクチュエータが得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、第４の圧電アクチュエータとして、第３の圧電アクチュエータであって、
前記第１表面電極と前記第２表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられており、
前記第３表面電極と前記第４表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、第５の圧電アクチュエータとして、第４の圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部材の積層数は、奇数であり、
前記第４表面電極は、前記第１表面電極乃至前記第３表面電極と比較して大きな面積を有している
圧電アクチュエータが得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、第６の圧電アクチュエータとして、第１乃至第５のいずれかの圧電アクチュエータであって、
前記下側圧電部材の積層数は、前記上側圧電部材の積層数と同じである。
圧電アクチュエータが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、第７の圧電アクチュエータとして、第１乃至第６のいずれかの圧電アクチュエータであって、
前記絶縁層は、前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材と同じ材料からなる
圧電アクチュエータが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、第１の装置として、
第１乃至第７のいずれかの圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路とを備える装置であって、
前記分割された表面電極は、２つにグループ化されており、
前記駆動回路は、
入力信号に基づいて第１駆動信号を生成して前記分割された表面電極の一のグループに前記第１駆動信号を出力する第１駆動回路と、
前記入力信号に基づいて前記第１駆動信号と逆位相の第２駆動信号を生成して前記分割された表面電極の残りの一のグループに前記第２駆動信号を出力する第２駆動回路と
を備えている
装置が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、第２の装置として、第１の装置であって、
前記第１駆動信号は、直流成分として第１バイアス電圧を有する信号であり、
前記第２駆動信号は、直流成分として第２バイアス電圧を有する信号である
装置が得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、第３の装置として、第２の装置であって、
前記第１バイアス電圧は、前記第２バイアス電圧と異なる絶対値を有する
装置が得られる。
【００２４】
また、本発明によれば、第４の装置として、第２又は第３の装置であって、
前記第１駆動回路は、第１オペアンプと、一端を前記第１オペアンプの反転入力端子に接続され他端に前記入力信号を入力される第１入力抵抗と、前記第１オペアンプの前記反転入力端子と前記第１オペアンプの出力端子とを接続する第１帰還抵抗と、前記第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を前記第１オペアンプの非反転入力端子に対して入力する第１基準電圧供給部とを備えており、
前記第２駆動回路は、非反転入力端子に前記入力信号を入力される第２オペアンプと、前記第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給する第２基準電圧供給部と、前記第２基準電圧供給部と前記第２オペアンプの反転入力端子との間に接続された第２入力抵抗と、前記第２オペアンプの前記反転入力端子と前記第２オペアンプの出力端子とを接続する第２帰還抵抗とを備えている
装置が得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、第５の装置として、第４の装置であって、
前記第１入力抵抗、前記第２入力抵抗及び前記第２帰還抵抗は互いに同じ抵抗値を有しており、
前記第１帰還抵抗は、前記第１入力抵抗の２倍の抵抗値を有している
装置が得られる。
【００２６】
また、本発明によれば、第１乃至第７のいずれかの圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記表面電極又は前記上側内部電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の上に前記上側圧電部材として積層すると共に、前記下側電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の下に前記下側圧電部材として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成するステップと、
前記焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得るステップと、
前記焼結後圧電素子に対して、前記絶縁層を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施すステップと
を備える製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、４つ以上の表現電極を設けることとしたため、圧電部材を積層して焼結等により圧電アクチュエータを構成をほぼ構成した後に、４つ以上の表面電極を用いて圧電部材の分極処理を行う一方で実使用時には同じ表面電極に対して与える電圧を変えて圧電アクチュエータの駆動を行うことができる。これにより、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータとは異なる構造でありながら、それに類する駆動方法にて駆動することができる。圧電アクチュエータを構成する圧電部材の焼結は積層してから行われていることから、焼結条件はすべての圧電部材について同じであることになり、バイモルフ型の圧電アクチュエータにおけるヒステリシス特性のキャンセルと同様の効果を理想的に近い状態で実現することができる。
【００２８】
従って、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータに類する駆動方法（互いに逆位相の駆動信号を供給して駆動する方法）で、本発明による圧電アクチュエータを駆動することとすると、高調波歪み成分の発生を抑えることができ、不要な電力消費を減らすことができる。
【００２９】
更に、一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータの場合、異なる極性の信号に別個にバイアスをかけることが電極の配置・構造上不可能であったが、本発明の構造を備える圧電アクチュエータの場合、極性毎に異なるバイアス調整をしつつ逆位相で駆動することが可能となるため、圧電アクチュエータに使用する圧電材料に応じた調整をバイアスといった形で行うことができ、高調波歪み成分の発生をより抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態による圧電アクチュエータの構造を概略的に示す図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータを概略的に示す斜視図である。
【図３】図２の圧電アクチュエータを概略的に示す上面図である。図示された圧電アクチュエータには実使用時の状態でワイヤが結線されている。
【図４】図３の圧電アクチュエータとそれを駆動する駆動回路とを備える装置を模式的に示す図である。
【図５】全高調波歪み率の周波数特性の実測データを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１に示されるように、本発明の実施の形態による圧電アクチュエータ１０は、絶縁層２０と、絶縁層２０の上側に設けられた上側圧電部３０と、上側圧電部３０の上面上に設けられた表面電極４０と、絶縁層２０の下側に設けられた下側圧電部５０とを備えている。上側圧電部３０は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材３２と、上側圧電部材３２の間の夫々に設けられた上側内部電極３４とを備えている。下側圧電部５０は、上下方向に積層された複数の下側圧電部材５２と、下側圧電部材５２の間の夫々と最下部の下側圧電部材５２の下面上とに設けられた下側電極５４とを備えている。本実施の形態による上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２は、いずれも同一の圧電材料からなるシート状の部材である。更に、本実施の形態においては、絶縁層２０も上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２と同一の材料からなる。
【００３２】
本実施の形態による表面電極４０は、第１表面電極４１から第４表面電極４４の４つに分割されている。分割された表面電極４０、即ち、第１表面電極４１から第４表面電極４４は分極処理時及び実使用時において外部接続端子として用いられるものである。本実施の形態においては、後述するように分極処理時と実使用時において外部接続端子に与える極性の組み合わせを変え、それによって、焼結後の分割処理とバイモルフ型圧電アクチュエータと同様な駆動方法との両方を可能としているが、かかる処理を行うためには本実施の形態のように４つの外部接続端子が少なくとも必要となる。
【００３３】
第１表面電極４１乃至第４表面電極４４は、上側内部電極３４及び下側電極５４のいずれかと接続される。具体的な接続関係は以下の通りである。第１表面電極４１は、絶縁層２０から数えて偶数番目の上側内部電極３４に接続されており、第２表面電極４２は、絶縁層２０から数えて偶数番目の下側電極５４に接続されている。また、第３表面電極４３は、絶縁層２０から数えて奇数番目の下側電極５４に接続されており、第４表面電極４４は、絶縁層２０から数えて奇数番目の上側内部電極３４に接続されている。例えば、第３表面電極４３を２つに分けるといったように、第１表面電極４１から第４表面電極４４のうちの一つ又はそれ以上を複数に分割することとしても良い。即ち、表面電極４０の分割数を４つより多くしてもよい。しかしながら、本実施の形態による焼結後分極処理とバイモルフ型圧電アクチュエータ的駆動処理との両方に対応させることを考慮すると、例えば、第１表面電極４１と第２表面電極４２とを単一の電極にまとめてしまったりすることはできない。
【００３４】
本実施の形態による圧電アクチュエータ１０は、次のようにして製造される。まず、表面電極４０又は上側内部電極３４となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシート（例えば、セラミックグリーンシートなど）を絶縁層２０の上に上側圧電部材３２として積層すると共に、下側電極５４となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシート（同前）を絶縁層２０の下に下側圧電部材５２として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成する。ここで、本実施の形態による絶縁層２０は、上側圧電部材３２や下側圧電部材５２と同様に圧電体グリーンシートからなるものとしたため、上側圧電部材３２や下側圧電部材５２との密着性がよく、また当然ながら温度係数の整合性の面でも優れている。次いで、焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得る。このように積層した後に焼結していることから、本実施の形態によれば、焼結セッター上の位置などの焼結環境に起因した圧電部材のサイズ・特性のバラツキを最小限に抑えることができる。その後、焼結後圧電素子に対して、絶縁層２０を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施す。具体的には、第１表面電極４１乃至第４表面電極４４と上側内部電極３４及び下側電極５４とを上述したように接続した後、例えば、第１表面電極４１と第３表面電極４３とに正極性を与える一方で、第２表面電極４２と第４表面電極４４とに負極性を与えることにより、上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の分極処理を行い、図２のような圧電アクチュエータ１０を得る。その後、実使用時の駆動形態を考慮し、第１表面電極４１と第２表面電極４２をハンダ等で接続すると共に、第３表面電極４３と第４表面電極４４をハンダ等で接続して、図３のような圧電アクチュエータ１０を得る。
【００３５】
更に、本実施の形態においては、このようにして製造された圧電アクチュエータ１０に対して、バイモルフ型圧電アクチュエータのような駆動信号を与えて駆動する。具体的には、例えば、第１表面電極４１と第２表面電極４２とに第１駆動信号を与える一方で、第３表面電極４３と第４表面電極４４とに第１駆動信号と位相が逆である第２駆動信号を与える。これにより、上側圧電部材３２と下側圧電部材５２のヒステリシス特性が互いにキャンセルされることから、大電圧で駆動した場合にも高調波歪み成分の発生を抑えることができる。
【００３６】
本実施の形態においては、実使用時に接続される第１表面電極４１と第２表面電極４２とを隣り合うように配置していると共に第３表面電極４３と第４表面電極４４とを隣り合うように配置していることから、第１表面電極４１及び第２表面電極４２間の接続と第３表面電極４３及び第４表面電極４４間の接続とを離すことができ、従って、両者の短絡の可能性を低減することができる。
【００３７】
本実施の形態においては、絶縁層２０の上下に存在する上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の数（積層数）が同数且つ奇数である。かかる圧電アクチュエータ１０において、一番上に配置された上側圧電部材３２の圧電特性も利用するため、絶縁層２０から見て奇数番目の上側内部電極３４に接続された第４表面電極４４の面積を他の第１表面電極４１乃至第３表面電極４３と比較して大きくしている。同様の理由により、仮に絶縁層２０の上下に存在する上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の数（積層数）を同数且つ偶数とする場合には、絶縁層２０から見て偶数番目の上側内部電極３４に接続された第３表面電極４３の面積を他の第１表面電極４１、第２表面電極４２及び第４表面電極４４と比較して大きくすればよい。また、その場合、配線の引き回し等を考慮し、第３表面電極４３と第４表面電極４４の位置を入れ替えることしてもよい。絶縁層２０の上下に配置された上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２のヒステリシス特性のキャンセルといった側面からは本実施の形態のように上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の積層数を同数とするのが好ましいが、例えば、上側圧電部材３２と比較して下側圧電部材５２を一層少なくしてもよい。その場合、最上層に位置する上側圧電部材３２は、外部接続端子となる第１表面電極４１乃至第４表面電極４４の配置のためだけに設けられていることが好ましく、従って、他の上側圧電部材３２と比較して小さい（必要最小限の）サイズを有していることが好ましい。
【００３８】
本発明の実施の形態による圧電アクチュエータ１０には、上述したように互いに逆位相を有する第１駆動信号及び第２駆動信号が与えられるが、本実施の形態による圧電アクチュエータ１０の場合、その構造により、第１駆動信号及び第２駆動信号の夫々に対して別個にバイアスを掛けて圧電材料の特性を考慮した調整を図ることが可能となる。即ち、第１駆動信号と第２駆動信号とで同じバイアスを掛けることとしてもよいし、圧電アクチュエータの使用環境等を考慮して異なるバイアスを掛けることとしてもよい。例えば、本実施の形態による駆動回路から出力される第１駆動信号及び第２駆動信号は、夫々、直流成分として第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧を有している。ここで、第１バイアス電圧は、第２バイアス電圧と異なる絶対値を有している。かかる駆動回路の具体例を図４に示す。
【００３９】
図４を参照すると、本実施の形態による駆動回路６０は、入力信号から第１駆動信号を生成して第１表面電極４１及び第２表面電極４２に供給する第１駆動回路７０と、同じ入力信号から第１駆動信号と位相が逆である第２駆動信号を生成して第３表面電極４３及び第４表面電極４４に供給する第２駆動回路８０とを備えている。
【００４０】
第１駆動回路７０は、第１オペアンプ７２と、第１入力抵抗７４と、第１帰還抵抗７６と、第１基準電圧供給部７８とを備えている。第１入力抵抗７４の一端は、第１オペアンプ７２の反転入力端子（−）に接続されており、他端にはカップリング抵抗を介して入力信号が入力されている。第１帰還抵抗７６は、第１オペアンプ７２の反転入力端子（−）と出力端子（ＯＵＴ）とを接続している。本実施の形態による第１帰還抵抗７６は、第１入力抵抗７４の２倍の抵抗値を有している。第１基準電圧供給部７８は、上述した第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を第１オペアンプ７２の非反転入力端子（＋）に対して入力するためのものである。本実施の形態による第１基準電圧は、圧電材料の特性等を考慮して１／６Ｖｃｃとしてある。
【００４１】
第２駆動回路８０は、第２オペアンプ８２と、第２入力抵抗８４と、第２帰還抵抗８６と、第２基準電圧供給部８８とを備えている。第２基準電圧供給部８８は、上述した第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給するためのものである。本実施の形態による第２基準電圧は、圧電材料の特性等を考慮して１／２Ｖｃｃとしてある。即ち、第２基準電圧は第１基準電圧の３倍である。第２オペアンプ８２の非反転入力端子（＋）にはカップリング抵抗を介して入力信号が入力されている。第２入力抵抗８４の一端は、第２オペアンプ８２の反転入力端子（−）に接続されており、他端には、第２基準電圧供給部８８から第２基準電圧が供給されている。第２帰還抵抗８６は、第２オペアンプ８２の反転入力端子（−）と出力端子（ＯＵＴ）とを接続している。本実施の形態による第２入力抵抗８４と第２帰還抵抗８６は、いずれも第１入力抵抗７４と同じ抵抗値を有している。
【００４２】
上述したような駆動回路６０から出力される第１駆動信号は、入力信号をＶｉｎとした場合、１／６Ｖｃｃ−２Ｖｉｎとなる。一方、第２駆動信号は、２Ｖｉｎ−１／２Ｖｃｃとなる。即ち、第１駆動信号と第２駆動信号とは逆位相を有している。また、第１駆動信号の直流成分である第１バイアス電圧（１／６Ｖｃｃ）は、第２駆動信号の直流成分である第２バイアス電圧（−１／２Ｖｃｃ）と異なる絶対値を有し且つ正負が逆である。このため、本実施の形態による駆動回路６０によれば、単純に逆位相の駆動信号を印加した場合に比較して、圧電材料の特性を考慮した駆動信号を効率よく供給することができる。
【００４３】
（実施例）
ＰＺＴ（ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス材料Ｎ１０）をベースにして、バインダー材料を添加、泥しょうと呼ばれる混煉作業を行った後、一層３６μmのグリーンシートを作成し、更に、銀とパラジュームと共材として圧電セラミックス材料Ｎ１０よりなる内部電極パターンを印刷した。この時点でグリーンシートはロール状である為、これをＡ４大の大きさにトリミング加工を行い、トリミングされた枚葉シートをプレス用の金型に入れ４０層に積層したあと、約１００℃ 約１２０ｋｇ／ｃｍ２の条件でプレスを行って、焼結前圧電素子を形成した。その後、焼結前圧電素子を焼結し、ダイシング工程にて裁断して、矩形状の圧電セラミックス板からなる焼結後圧電素子（図２参照）を得た。ここで、焼結後圧電素子のサイズは、長さ４０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×厚み１．３５ｍｍである。この焼結後圧電素子に対して上述したような分極処理（絶縁層を挟んで上下対称となるような分極処理）を行い、その後、図３に示されるように結線した。
【００４４】
このようにして作製した本実施の形態による圧電アクチュエータ１０を２５０Ｈｚ〜３５０Ｈｚの駆動信号で駆動して全高調波歪率を測定した。また、比較例として、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータについても同様に測定した。特に本実施の形態による圧電アクチュエータ１０に関しては、バイアスを掛けない（即ち、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータの駆動信号）場合と、本実施の形態による駆動回路６０にて駆動した場合のそれぞれについて測定した。測定結果を図５に示す。
【００４５】
図５から明らかなように、本実施の形態による圧電アクチュエータ１０の全高調波歪率は、従来のバイモルフ型圧電アクチュエータと比較して小さい。即ち、大電圧で駆動した場合にも従来のバイモルフ型圧電アクチュエータと比較して不要な電力の消費が発生することを抑えることができる。特に、本実施の形態による駆動回路６０にて駆動した場合には、圧電材料の特性を考慮してバイアス電圧にて調整を図ることができていることから、バイアスを掛けずに駆動した場合と比較して、全高調波歪率を更に小さくすることができている。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の圧電アクチュエータ及び駆動回路は、表示装置、タッチパネル機能付き表示装置、入力装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 圧電アクチュエータ
２０ 絶縁層
３０ 上側圧電部
３２ 上側圧電部材
３４ 上側内部電極
４０ 表面電極
４１ 第１表面電極
４２ 第２表面電極
４３ 第３表面電極
４４ 第４表面電極
５０ 下側圧電部
５２ 下側圧電部材
５４ 下側電極
６０ 駆動回路
７０ 第１駆動回路
７２ 第１オペアンプ
７４ 第１入力抵抗
７６ 第１帰還抵抗
７８ 第１基準電圧供給部
８０ 第２駆動回路
８２ 第２オペアンプ
８４ 第２入力抵抗
８６ 第２帰還抵抗
８８ 第２基準電圧供給部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒステリシス特性の改善された圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザがタッチパネルを押圧操作した場合において、押圧できたか否かを明確に認識できない場合がある。かかる場合、同じ領域を２回押圧してしまうといった誤操作を引き起こすこととなる。圧電アクチュエータを適用したタッチパネルにおいて上述したような誤操作防止を図るためには、圧電アクチュエータを大電圧で駆動して、その振幅をユーザの指に伝達するという手段が考えられる。しかしながら、圧電アクチュエータを構成する圧電材料にはヒステリシス特性があるので、大電圧で駆動すると高調波歪み成分が大きくなってしまい、不要な電力が消費されてしまう。即ち、圧電アクチュエータの利点の一つである低消費電力が失われてしまうといった問題がある。
【０００３】
圧電アクチュエータのヒステリシス特性を改善する技術としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術は、圧電アクチュエータ自体ではなく、それに接続される電子回路によってヒステリシス特性の補正を行うものであり、部品点数増によるコスト増や、制御ループ増による圧電部材の本来の特性の低下などといった問題を有している。
【０００４】
ヒステリシス特性が比較的小さい圧電アクチュエータとしては、例えば、特許文献３に開示されたバイモルフ型のものがある。一般的に、バイモルフ型の圧電アクチュエータは、金属シムの両面に圧電部材を接着して構成される。金属シムを挟んで設けられた圧電部材は、互いに逆方向に分極処理され、駆動される。このようにすると、理想的には、一方の圧電部材のヒステリシス特性が他方の圧電部材のヒステリシス特性によってキャンセルされる。従って、圧電アクチュエータ全体としてはヒステリシス特性の改善が図られる。特許文献３の圧電アクチュエータは、一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータを積層することにより、大きな変位量を得ようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−４１０７７３号公報
【特許文献２】特開平９−１８２４６６号公報
【特許文献３】特開平９−６４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイモルフ型の圧電アクチュエータの場合、ペアにする圧電部材のヒステリシス特性が大きく異なってしまうと、所望とするヒステリシス特性の相互キャンセルが生じないため、圧電アクチュエータ全体の特性が悪くなる。一方、圧電部材はその製造プロセス等に起因して特性のバラツキを有しているのが一般的である。例えば、同一の焼結セッター上で焼結した圧電部材であったとしても、その焼結セッター上の位置によって結果として得られる圧電部材はサイズや特性においてバラついてしまう。従って、圧電アクチュエータ全体の特性の向上を図ろうとする場合、圧電部材のペアリングを徹底しなければならない。
【０００７】
しかしながら、ペアリング作業に注力すると作業コストが高くなるという問題があることに加えて、ペアリング作業にて選別されなかった圧電部材は廃棄物となってしまう可能性があり、環境保護の側面からも好ましくない。
【０００８】
更に、金属シムとしては、温度係数の近さなどのため鉄ニッケル４２アロイ材などが用いられるが、ニッケルは希少金属であるためコスト増を招くことになる。
【０００９】
本発明は、かかる状況を踏まえ、新規な構造で且つ改善されたヒステリシス特性を有する圧電アクチュエータ及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上述した圧電アクチュエータを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
金属シムを介在させると、金属シムと圧電部材との接着工程が必要となり、コストが高くなってしまうことから、金属シムが介在していた位置には金属シムに代えて絶縁層を介在させることとする。
【００１２】
別個に焼結した圧電部材を選別してペアリングすると、圧電部材のヒステリシス特性のバラツキの影響を避けることはできない。バラツキをなくすため、ペアとすべき圧電部材を積層した状態で焼結し、その後に分極処理を行うこととする。
【００１３】
圧電部材を積層し焼結した後に、絶縁層を中心として上下で分極分布が逆になるように分極処理する一方で、バイモルフ型の圧電アクチュエータのように位相の反転した入力信号を印加することを可能とするためには、外部接続端子となる電極（表面電極）が少なくとも４つ以上なくてはならない。このように外部接続端子が４つ以上あると、２つの電極には分極処理時と実駆動時とで異なる極性の電圧を加えることができ、それによって上述したような分極処理とバイモルフ型の圧電アクチュエータと同様の駆動との両方を行うことができる。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下に掲げる解決手段を提供する。
【００１４】
本発明によれば、第１の圧電アクチュエータとして、
絶縁層と、前記絶縁層の上側に設けられた上側圧電部と、前記上面圧電部の上面上に設けられた表面電極と、前記絶縁層の下側に設けられた下側圧電部とを備える圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材と、前記上側圧電部材の間の夫々に設けられた上側内部電極とを備えており、
前記下側圧電部は、前記上下方向に積層された複数の下側圧電部材と、前記下側圧電部材の間の夫々と最下部の前記下側圧電部材の下面上とに設けられた下側電極とを備えており、
前記表面電極は、４つ以上に分割されており、
前記分割された表面電極は、夫々、前記上側内部電極及び前記下側電極のいずれかと接続されている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、第２の圧電アクチュエータとして、第１の圧電アクチュエータであって、
前記分割された表面電極は、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記上側内部電極に接続される第１表面電極と、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記下側電極に接続される第２表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記下側電極に接続される第３表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記上側内部電極に接続される第４表面電極と
を備えている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、第３の圧電アクチュエータとして、第２の圧電アクチュエータであって、
分極処理の際には、前記第１表面電極と前記第３表面電極とを一の極性とする一方で、前記第２表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材の分極が行われており、
実使用時においては、前記第１表面電極と前記第２表面電極とを一の極性とする一方で、前記第３表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として駆動される
圧電アクチュエータが得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、第４の圧電アクチュエータとして、第３の圧電アクチュエータであって、
前記第１表面電極と前記第２表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられており、
前記第３表面電極と前記第４表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられている
圧電アクチュエータが得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、第５の圧電アクチュエータとして、第４の圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部材の積層数は、奇数であり、
前記第４表面電極は、前記第１表面電極乃至前記第３表面電極と比較して大きな面積を有している
圧電アクチュエータが得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、第６の圧電アクチュエータとして、第１乃至第５のいずれかの圧電アクチュエータであって、
前記下側圧電部材の積層数は、前記上側圧電部材の積層数と同じである。
圧電アクチュエータが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、第７の圧電アクチュエータとして、第１乃至第６のいずれかの圧電アクチュエータであって、
前記絶縁層は、前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材と同じ材料からなる
圧電アクチュエータが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、第１の装置として、
第１乃至第７のいずれかの圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路とを備える装置であって、
前記分割された表面電極は、２つにグループ化されており、
前記駆動回路は、
入力信号に基づいて第１駆動信号を生成して前記分割された表面電極の一のグループに前記第１駆動信号を出力する第１駆動回路と、
前記入力信号に基づいて前記第１駆動信号と逆位相の第２駆動信号を生成して前記分割された表面電極の残りの一のグループに前記第２駆動信号を出力する第２駆動回路と
を備えている
装置が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、第２の装置として、第１の装置であって、
前記第１駆動信号は、直流成分として第１バイアス電圧を有する信号であり、
前記第２駆動信号は、直流成分として第２バイアス電圧を有する信号である
装置が得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、第３の装置として、第２の装置であって、
前記第１バイアス電圧は、前記第２バイアス電圧と異なる絶対値を有する
装置が得られる。
【００２４】
また、本発明によれば、第４の装置として、第２又は第３の装置であって、
前記第１駆動回路は、第１オペアンプと、一端を前記第１オペアンプの反転入力端子に接続され他端に前記入力信号を入力される第１入力抵抗と、前記第１オペアンプの前記反転入力端子と前記第１オペアンプの出力端子とを接続する第１帰還抵抗と、前記第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を前記第１オペアンプの非反転入力端子に対して入力する第１基準電圧供給部とを備えており、
前記第２駆動回路は、非反転入力端子に前記入力信号を入力される第２オペアンプと、前記第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給する第２基準電圧供給部と、前記第２基準電圧供給部と前記第２オペアンプの反転入力端子との間に接続された第２入力抵抗と、前記第２オペアンプの前記反転入力端子と前記第２オペアンプの出力端子とを接続する第２帰還抵抗とを備えている
装置が得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、第５の装置として、第４の装置であって、
前記第１入力抵抗、前記第２入力抵抗及び前記第２帰還抵抗は互いに同じ抵抗値を有しており、
前記第１帰還抵抗は、前記第１入力抵抗の２倍の抵抗値を有している
装置が得られる。
【００２６】
また、本発明によれば、第１乃至第７のいずれかの圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記表面電極又は前記上側内部電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の上に前記上側圧電部材として積層すると共に、前記下側電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の下に前記下側圧電部材として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成するステップと、
前記焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得るステップと、
前記焼結後圧電素子に対して、前記絶縁層を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施すステップと
を備える製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、４つ以上の表現電極を設けることとしたため、圧電部材を積層して焼結等により圧電アクチュエータを構成をほぼ構成した後に、４つ以上の表面電極を用いて圧電部材の分極処理を行う一方で実使用時には同じ表面電極に対して与える電圧を変えて圧電アクチュエータの駆動を行うことができる。これにより、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータとは異なる構造でありながら、それに類する駆動方法にて駆動することができる。圧電アクチュエータを構成する圧電部材の焼結は積層してから行われていることから、焼結条件はすべての圧電部材について同じであることになり、バイモルフ型の圧電アクチュエータにおけるヒステリシス特性のキャンセルと同様の効果を理想的に近い状態で実現することができる。
【００２８】
従って、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータに類する駆動方法（互いに逆位相の駆動信号を供給して駆動する方法）で、本発明による圧電アクチュエータを駆動することとすると、高調波歪み成分の発生を抑えることができ、不要な電力消費を減らすことができる。
【００２９】
更に、一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータの場合、異なる極性の信号に別個にバイアスをかけることが電極の配置・構造上不可能であったが、本発明の構造を備える圧電アクチュエータの場合、極性毎に異なるバイアス調整をしつつ逆位相で駆動することが可能となるため、圧電アクチュエータに使用する圧電材料に応じた調整をバイアスといった形で行うことができ、高調波歪み成分の発生をより抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態による圧電アクチュエータの構造を概略的に示す図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータを概略的に示す斜視図である。
【図３】図２の圧電アクチュエータを概略的に示す上面図である。図示された圧電アクチュエータには実使用時の状態でワイヤが結線されている。
【図４】図３の圧電アクチュエータとそれを駆動する駆動回路とを備える装置を模式的に示す図である。
【図５】全高調波歪み率の周波数特性の実測データを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１に示されるように、本発明の実施の形態による圧電アクチュエータ１０は、絶縁層２０と、絶縁層２０の上側に設けられた上側圧電部３０と、上側圧電部３０の上面上に設けられた表面電極４０と、絶縁層２０の下側に設けられた下側圧電部５０とを備えている。上側圧電部３０は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材３２と、上側圧電部材３２の間の夫々に設けられた上側内部電極３４とを備えている。下側圧電部５０は、上下方向に積層された複数の下側圧電部材５２と、下側圧電部材５２の間の夫々と最下部の下側圧電部材５２の下面上とに設けられた下側電極５４とを備えている。本実施の形態による上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２は、いずれも同一の圧電材料からなるシート状の部材である。更に、本実施の形態においては、絶縁層２０も上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２と同一の材料からなる。
【００３２】
本実施の形態による表面電極４０は、第１表面電極４１から第４表面電極４４の４つに分割されている。分割された表面電極４０、即ち、第１表面電極４１から第４表面電極４４は分極処理時及び実使用時において外部接続端子として用いられるものである。本実施の形態においては、後述するように分極処理時と実使用時において外部接続端子に与える極性の組み合わせを変え、それによって、焼結後の分割処理とバイモルフ型圧電アクチュエータと同様な駆動方法との両方を可能としているが、かかる処理を行うためには本実施の形態のように４つの外部接続端子が少なくとも必要となる。
【００３３】
第１表面電極４１乃至第４表面電極４４は、上側内部電極３４及び下側電極５４のいずれかと接続される。具体的な接続関係は以下の通りである。第１表面電極４１は、絶縁層２０から数えて偶数番目の上側内部電極３４に接続されており、第２表面電極４２は、絶縁層２０から数えて偶数番目の下側電極５４に接続されている。また、第３表面電極４３は、絶縁層２０から数えて奇数番目の下側電極５４に接続されており、第４表面電極４４は、絶縁層２０から数えて奇数番目の上側内部電極３４に接続されている。例えば、第３表面電極４３を２つに分けるといったように、第１表面電極４１から第４表面電極４４のうちの一つ又はそれ以上を複数に分割することとしても良い。即ち、表面電極４０の分割数を４つより多くしてもよい。しかしながら、本実施の形態による焼結後分極処理とバイモルフ型圧電アクチュエータ的駆動処理との両方に対応させることを考慮すると、例えば、第１表面電極４１と第２表面電極４２とを単一の電極にまとめてしまったりすることはできない。
【００３４】
本実施の形態による圧電アクチュエータ１０は、次のようにして製造される。まず、表面電極４０又は上側内部電極３４となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシート（例えば、セラミックグリーンシートなど）を絶縁層２０の上に上側圧電部材３２として積層すると共に、下側電極５４となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシート（同前）を絶縁層２０の下に下側圧電部材５２として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成する。ここで、本実施の形態による絶縁層２０は、上側圧電部材３２や下側圧電部材５２と同様に圧電体グリーンシートからなるものとしたため、上側圧電部材３２や下側圧電部材５２との密着性がよく、また当然ながら温度係数の整合性の面でも優れている。次いで、焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得る。このように積層した後に焼結していることから、本実施の形態によれば、焼結セッター上の位置などの焼結環境に起因した圧電部材のサイズ・特性のバラツキを最小限に抑えることができる。その後、焼結後圧電素子に対して、絶縁層２０を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施す。具体的には、第１表面電極４１乃至第４表面電極４４と上側内部電極３４及び下側電極５４とを上述したように接続した後、例えば、第１表面電極４１と第３表面電極４３とに正極性を与える一方で、第２表面電極４２と第４表面電極４４とに負極性を与えることにより、上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の分極処理を行い、図２のような圧電アクチュエータ１０を得る。その後、実使用時の駆動形態を考慮し、第１表面電極４１と第２表面電極４２をハンダ等で接続すると共に、第３表面電極４３と第４表面電極４４をハンダ等で接続して、図３のような圧電アクチュエータ１０を得る。
【００３５】
更に、本実施の形態においては、このようにして製造された圧電アクチュエータ１０に対して、バイモルフ型圧電アクチュエータのような駆動信号を与えて駆動する。具体的には、例えば、第１表面電極４１と第２表面電極４２とに第１駆動信号を与える一方で、第３表面電極４３と第４表面電極４４とに第１駆動信号と位相が逆である第２駆動信号を与える。これにより、上側圧電部材３２と下側圧電部材５２のヒステリシス特性が互いにキャンセルされることから、大電圧で駆動した場合にも高調波歪み成分の発生を抑えることができる。
【００３６】
本実施の形態においては、実使用時に接続される第１表面電極４１と第２表面電極４２とを隣り合うように配置していると共に第３表面電極４３と第４表面電極４４とを隣り合うように配置していることから、第１表面電極４１及び第２表面電極４２間の接続と第３表面電極４３及び第４表面電極４４間の接続とを離すことができ、従って、両者の短絡の可能性を低減することができる。
【００３７】
本実施の形態においては、絶縁層２０の上下に存在する上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の数（積層数）が同数且つ奇数である。かかる圧電アクチュエータ１０において、一番上に配置された上側圧電部材３２の圧電特性も利用するため、絶縁層２０から見て奇数番目の上側内部電極３４に接続された第４表面電極４４の面積を他の第１表面電極４１乃至第３表面電極４３と比較して大きくしている。同様の理由により、仮に絶縁層２０の上下に存在する上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の数（積層数）を同数且つ偶数とする場合には、絶縁層２０から見て偶数番目の上側内部電極３４に接続された第３表面電極４３の面積を他の第１表面電極４１、第２表面電極４２及び第４表面電極４４と比較して大きくすればよい。また、その場合、配線の引き回し等を考慮し、第３表面電極４３と第４表面電極４４の位置を入れ替えることしてもよい。絶縁層２０の上下に配置された上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２のヒステリシス特性のキャンセルといった側面からは本実施の形態のように上側圧電部材３２及び下側圧電部材５２の積層数を同数とするのが好ましいが、例えば、上側圧電部材３２と比較して下側圧電部材５２を一層少なくしてもよい。その場合、最上層に位置する上側圧電部材３２は、外部接続端子となる第１表面電極４１乃至第４表面電極４４の配置のためだけに設けられていることが好ましく、従って、他の上側圧電部材３２と比較して小さい（必要最小限の）サイズを有していることが好ましい。
【００３８】
本発明の実施の形態による圧電アクチュエータ１０には、上述したように互いに逆位相を有する第１駆動信号及び第２駆動信号が与えられるが、本実施の形態による圧電アクチュエータ１０の場合、その構造により、第１駆動信号及び第２駆動信号の夫々に対して別個にバイアスを掛けて圧電材料の特性を考慮した調整を図ることが可能となる。即ち、第１駆動信号と第２駆動信号とで同じバイアスを掛けることとしてもよいし、圧電アクチュエータの使用環境等を考慮して異なるバイアスを掛けることとしてもよい。例えば、本実施の形態による駆動回路から出力される第１駆動信号及び第２駆動信号は、夫々、直流成分として第１バイアス電圧及び第２バイアス電圧を有している。ここで、第１バイアス電圧は、第２バイアス電圧と異なる絶対値を有している。かかる駆動回路の具体例を図４に示す。
【００３９】
図４を参照すると、本実施の形態による駆動回路６０は、入力信号から第１駆動信号を生成して第１表面電極４１及び第２表面電極４２に供給する第１駆動回路７０と、同じ入力信号から第１駆動信号と位相が逆である第２駆動信号を生成して第３表面電極４３及び第４表面電極４４に供給する第２駆動回路８０とを備えている。
【００４０】
第１駆動回路７０は、第１オペアンプ７２と、第１入力抵抗７４と、第１帰還抵抗７６と、第１基準電圧供給部７８とを備えている。第１入力抵抗７４の一端は、第１オペアンプ７２の反転入力端子（−）に接続されており、他端にはカップリング抵抗を介して入力信号が入力されている。第１帰還抵抗７６は、第１オペアンプ７２の反転入力端子（−）と出力端子（ＯＵＴ）とを接続している。本実施の形態による第１帰還抵抗７６は、第１入力抵抗７４の２倍の抵抗値を有している。第１基準電圧供給部７８は、上述した第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を第１オペアンプ７２の非反転入力端子（＋）に対して入力するためのものである。本実施の形態による第１基準電圧は、圧電材料の特性等を考慮して１／６Ｖｃｃとしてある。
【００４１】
第２駆動回路８０は、第２オペアンプ８２と、第２入力抵抗８４と、第２帰還抵抗８６と、第２基準電圧供給部８８とを備えている。第２基準電圧供給部８８は、上述した第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給するためのものである。本実施の形態による第２基準電圧は、圧電材料の特性等を考慮して１／２Ｖｃｃとしてある。即ち、第２基準電圧は第１基準電圧の３倍である。第２オペアンプ８２の非反転入力端子（＋）にはカップリング抵抗を介して入力信号が入力されている。第２入力抵抗８４の一端は、第２オペアンプ８２の反転入力端子（−）に接続されており、他端には、第２基準電圧供給部８８から第２基準電圧が供給されている。第２帰還抵抗８６は、第２オペアンプ８２の反転入力端子（−）と出力端子（ＯＵＴ）とを接続している。本実施の形態による第２入力抵抗８４と第２帰還抵抗８６は、いずれも第１入力抵抗７４と同じ抵抗値を有している。
【００４２】
上述したような駆動回路６０から出力される第１駆動信号は、入力信号をＶｉｎとした場合、１／６Ｖｃｃ−２Ｖｉｎとなる。一方、第２駆動信号は、２Ｖｉｎ−１／２Ｖｃｃとなる。即ち、第１駆動信号と第２駆動信号とは逆位相を有している。また、第１駆動信号の直流成分である第１バイアス電圧（１／６Ｖｃｃ）は、第２駆動信号の直流成分である第２バイアス電圧（−１／２Ｖｃｃ）と異なる絶対値を有し且つ正負が逆である。このため、本実施の形態による駆動回路６０によれば、単純に逆位相の駆動信号を印加した場合に比較して、圧電材料の特性を考慮した駆動信号を効率よく供給することができる。
【００４３】
（実施例）
ＰＺＴ（ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス材料Ｎ１０）をベースにして、バインダー材料を添加、泥しょうと呼ばれる混煉作業を行った後、一層３６μmのグリーンシートを作成し、更に、銀とパラジュームと共材として圧電セラミックス材料Ｎ１０よりなる内部電極パターンを印刷した。この時点でグリーンシートはロール状である為、これをＡ４大の大きさにトリミング加工を行い、トリミングされた枚葉シートをプレス用の金型に入れ４０層に積層したあと、約１００℃ 約１２０ｋｇ／ｃｍ２の条件でプレスを行って、焼結前圧電素子を形成した。その後、焼結前圧電素子を焼結し、ダイシング工程にて裁断して、矩形状の圧電セラミックス板からなる焼結後圧電素子（図２参照）を得た。ここで、焼結後圧電素子のサイズは、長さ４０ｍｍ×幅３．０ｍｍ×厚み１．３５ｍｍである。この焼結後圧電素子に対して上述したような分極処理（絶縁層を挟んで上下対称となるような分極処理）を行い、その後、図３に示されるように結線した。
【００４４】
このようにして作製した本実施の形態による圧電アクチュエータ１０を２５０Ｈｚ〜３５０Ｈｚの駆動信号で駆動して全高調波歪率を測定した。また、比較例として、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータについても同様に測定した。特に本実施の形態による圧電アクチュエータ１０に関しては、バイアスを掛けない（即ち、一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータの駆動信号）場合と、本実施の形態による駆動回路６０にて駆動した場合のそれぞれについて測定した。測定結果を図５に示す。
【００４５】
図５から明らかなように、本実施の形態による圧電アクチュエータ１０の全高調波歪率は、従来のバイモルフ型圧電アクチュエータと比較して小さい。即ち、大電圧で駆動した場合にも従来のバイモルフ型圧電アクチュエータと比較して不要な電力の消費が発生することを抑えることができる。特に、本実施の形態による駆動回路６０にて駆動した場合には、圧電材料の特性を考慮してバイアス電圧にて調整を図ることができていることから、バイアスを掛けずに駆動した場合と比較して、全高調波歪率を更に小さくすることができている。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の圧電アクチュエータ及び駆動回路は、表示装置、タッチパネル機能付き表示装置、入力装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 圧電アクチュエータ
２０ 絶縁層
３０ 上側圧電部
３２ 上側圧電部材
３４ 上側内部電極
４０ 表面電極
４１ 第１表面電極
４２ 第２表面電極
４３ 第３表面電極
４４ 第４表面電極
５０ 下側圧電部
５２ 下側圧電部材
５４ 下側電極
６０ 駆動回路
７０ 第１駆動回路
７２ 第１オペアンプ
７４ 第１入力抵抗
７６ 第１帰還抵抗
７８ 第１基準電圧供給部
８０ 第２駆動回路
８２ 第２オペアンプ
８４ 第２入力抵抗
８６ 第２帰還抵抗
８８ 第２基準電圧供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層と、前記絶縁層の上側に設けられた上側圧電部と、前記上面圧電部の上面上に設けられた表面電極と、前記絶縁層の下側に設けられた下側圧電部とを備える圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材と、前記上側圧電部材の間の夫々に設けられた上側内部電極とを備えており、
前記下側圧電部は、前記上下方向に積層された複数の下側圧電部材と、前記下側圧電部材の間の夫々と最下部の前記下側圧電部材の下面上とに設けられた下側電極とを備えており、
前記表面電極は、４つ以上に分割されており、
前記分割された表面電極は、夫々、前記上側内部電極及び前記下側電極のいずれかと接続されている
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であって、
前記分割された表面電極は、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記上側内部電極に接続される第１表面電極と、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記下側電極に接続される第２表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記下側電極に接続される第３表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記上側内部電極に接続される第４表面電極と
を備えている
圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載の圧電アクチュエータであって、
分極処理の際には、前記第１表面電極と前記第３表面電極とを一の極性とする一方で、前記第２表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材の分極が行われており、
実使用時においては、前記第１表面電極と前記第２表面電極とを一の極性とする一方で、前記第３表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として駆動される
圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載の圧電アクチュエータであって、
前記第１表面電極と前記第２表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられており、
前記第３表面電極と前記第４表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられている
圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４記載の圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部材の積層数は、奇数であり、
前記第４表面電極は、前記第１表面電極乃至前記第３表面電極と比較して大きな面積を有している
圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記下側圧電部材の積層数は、前記上側圧電部材の積層数と同じである。
圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記絶縁層は、前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材と同じ材料からなる
圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路とを備える装置であって、
前記分割された表面電極は、２つにグループ化されており、
前記駆動回路は、
入力信号に基づいて第１駆動信号を生成して前記分割された表面電極の一のグループに前記第１駆動信号を出力する第１駆動回路と、
前記入力信号に基づいて前記第１駆動信号と逆位相の第２駆動信号を生成して前記分割された表面電極の残りの一のグループに前記第２駆動信号を出力する第２駆動回路と
を備えている
装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置であって、
前記第１駆動信号は、直流成分として第１バイアス電圧を有する信号であり、
前記第２駆動信号は、直流成分として第２バイアス電圧を有する信号である
装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置であって、
前記第１バイアス電圧は、前記第２バイアス電圧と異なる絶対値を有する
装置。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０記載の装置であって、
前記第１駆動回路は、第１オペアンプと、一端を前記第１オペアンプの反転入力端子に接続され他端に前記入力信号を入力される第１入力抵抗と、前記第１オペアンプの前記反転入力端子と前記第１オペアンプの出力端子とを接続する第１帰還抵抗と、前記第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を前記第１オペアンプの非反転入力端子に対して入力する第１基準電圧供給部とを備えており、
前記第２駆動回路は、非反転入力端子に前記入力信号を入力される第２オペアンプと、前記第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給する第２基準電圧供給部と、前記第２基準電圧供給部と前記第２オペアンプの反転入力端子との間に接続された第２入力抵抗と、前記第２オペアンプの前記反転入力端子と前記第２オペアンプの出力端子とを接続する第２帰還抵抗とを備えている
装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置であって、
前記第１入力抵抗、前記第２入力抵抗及び前記第２帰還抵抗は互いに同じ抵抗値を有しており、
前記第１帰還抵抗は、前記第１入力抵抗の２倍の抵抗値を有している
装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記表面電極又は前記上側内部電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の上に前記上側圧電部材として積層すると共に、前記下側電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の下に前記下側圧電部材として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成するステップと、
前記焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得るステップと、
前記焼結後圧電素子に対して、前記絶縁層を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施すステップと
を備える製造方法。
【請求項１】
絶縁層と、前記絶縁層の上側に設けられた上側圧電部と、前記上面圧電部の上面上に設けられた表面電極と、前記絶縁層の下側に設けられた下側圧電部とを備える圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部は、上下方向に積層された複数の上側圧電部材と、前記上側圧電部材の間の夫々に設けられた上側内部電極とを備えており、
前記下側圧電部は、前記上下方向に積層された複数の下側圧電部材と、前記下側圧電部材の間の夫々と最下部の前記下側圧電部材の下面上とに設けられた下側電極とを備えており、
前記表面電極は、４つ以上に分割されており、
前記分割された表面電極は、夫々、前記上側内部電極及び前記下側電極のいずれかと接続されている
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であって、
前記分割された表面電極は、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記上側内部電極に接続される第１表面電極と、
前記絶縁層から数えて偶数番目の前記下側電極に接続される第２表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記下側電極に接続される第３表面電極と、
前記絶縁層から数えて奇数番目の前記上側内部電極に接続される第４表面電極と
を備えている
圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載の圧電アクチュエータであって、
分極処理の際には、前記第１表面電極と前記第３表面電極とを一の極性とする一方で、前記第２表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材の分極が行われており、
実使用時においては、前記第１表面電極と前記第２表面電極とを一の極性とする一方で、前記第３表面電極と前記第４表面電極とを他の極性として駆動される
圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３記載の圧電アクチュエータであって、
前記第１表面電極と前記第２表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられており、
前記第３表面電極と前記第４表面電極は、互いに隣り合うようにして設けられている
圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４記載の圧電アクチュエータであって、
前記上側圧電部材の積層数は、奇数であり、
前記第４表面電極は、前記第１表面電極乃至前記第３表面電極と比較して大きな面積を有している
圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記下側圧電部材の積層数は、前記上側圧電部材の積層数と同じである。
圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記絶縁層は、前記上側圧電部材及び前記下側圧電部材と同じ材料からなる
圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路とを備える装置であって、
前記分割された表面電極は、２つにグループ化されており、
前記駆動回路は、
入力信号に基づいて第１駆動信号を生成して前記分割された表面電極の一のグループに前記第１駆動信号を出力する第１駆動回路と、
前記入力信号に基づいて前記第１駆動信号と逆位相の第２駆動信号を生成して前記分割された表面電極の残りの一のグループに前記第２駆動信号を出力する第２駆動回路と
を備えている
装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置であって、
前記第１駆動信号は、直流成分として第１バイアス電圧を有する信号であり、
前記第２駆動信号は、直流成分として第２バイアス電圧を有する信号である
装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置であって、
前記第１バイアス電圧は、前記第２バイアス電圧と異なる絶対値を有する
装置。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０記載の装置であって、
前記第１駆動回路は、第１オペアンプと、一端を前記第１オペアンプの反転入力端子に接続され他端に前記入力信号を入力される第１入力抵抗と、前記第１オペアンプの前記反転入力端子と前記第１オペアンプの出力端子とを接続する第１帰還抵抗と、前記第１バイアス電圧の基となる第１基準電圧を前記第１オペアンプの非反転入力端子に対して入力する第１基準電圧供給部とを備えており、
前記第２駆動回路は、非反転入力端子に前記入力信号を入力される第２オペアンプと、前記第２バイアス電圧の基となる第２基準電圧を供給する第２基準電圧供給部と、前記第２基準電圧供給部と前記第２オペアンプの反転入力端子との間に接続された第２入力抵抗と、前記第２オペアンプの前記反転入力端子と前記第２オペアンプの出力端子とを接続する第２帰還抵抗とを備えている
装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置であって、
前記第１入力抵抗、前記第２入力抵抗及び前記第２帰還抵抗は互いに同じ抵抗値を有しており、
前記第１帰還抵抗は、前記第１入力抵抗の２倍の抵抗値を有している
装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記表面電極又は前記上側内部電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の上に前記上側圧電部材として積層すると共に、前記下側電極となる導電パターンの形成された圧電体グリーンシートを前記絶縁層の下に前記下側圧電部材として積層した後、全体をプレス加工して、焼結前圧電素子を形成するステップと、
前記焼結前圧電素子を焼結して、焼結後圧電素子を得るステップと、
前記焼結後圧電素子に対して、前記絶縁層を中心とした分極分布が上下対称となるように分極処理を施すステップと
を備える製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７９８５２（Ｐ２０１２−７９８５２Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２２３５７（Ｐ２０１０−２２２３５７）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
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