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JP7606851B2 - Driving method, driving circuit, and displacement driving device - Google Patents
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Description

本発明は、誘電体素子の駆動方法、駆動回路及び変位駆動装置に関する。 The present invention relates to a driving method, a driving circuit, and a displacement driving device for a dielectric element.

電装用タッチパネルに代表される触覚技術を用いたパネル等において、パネル上にあたかもボタンがあるように感じる技術や、運転中にパネルを目視することなく触覚によりボタンの位置を把握できる技術が注目を集めている。 In panels that use tactile technology, such as electronic touch panels, technology that makes it feel as if buttons are on the panel and technology that allows you to know the location of buttons by touch without having to look at the panel while driving are attracting attention.

これらの技術において触覚を発生させるための振動デバイスには、電磁式の偏心モータやLRA(Linear Resonant Actuator)、圧電アクチュエータ等が用いられている。圧電アクチュエータは応答速度が速い特性から、対応可能な駆動周波数が広く、多彩な触覚を表現できることから、次世代の触覚用モジュール部品として特に注目を集めている(例えば、特許文献1)。 In these technologies, the vibration devices used to generate haptics include electromagnetic eccentric motors, LRAs (Linear Resonant Actuators), and piezoelectric actuators. Piezoelectric actuators have the characteristic of fast response speed, can handle a wide range of drive frequencies, and can express a variety of haptics, so they are attracting particular attention as next-generation haptic module components (for example, Patent Document 1).

特開2001-197762号公報JP 2001-197762 A

従来、圧電アクチュエータの駆動振幅は電磁式に比べて小さく、駆動振幅を大きくするためには圧電素子の駆動電圧を大きくする必要であった。しかしながら、バイポーラ(双極性)駆動では抗電界の制約があり、駆動電圧振幅を抗電界以上に大きくした場合、脱分極する問題があった。また、分極方向へのユニポーラ(単極性)駆動では、抗電界の影響を受けないものの、駆動電圧振幅を過剰に上げた場合に信頼性を損ねるという問題や、駆動回数に応じて変位が小さくなるという問題があった。 Conventionally, the drive amplitude of a piezoelectric actuator is smaller than that of an electromagnetic type, and in order to increase the drive amplitude, it is necessary to increase the drive voltage of the piezoelectric element. However, bipolar drive is limited by the coercive electric field, and there is a problem of depolarization when the drive voltage amplitude is increased above the coercive electric field. Also, unipolar drive in the polarization direction is not affected by the coercive electric field, but there are problems such as loss of reliability when the drive voltage amplitude is excessively increased and the displacement decreasing depending on the number of drives.

さらに、圧電材料として代表的なPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)は圧電特性が高い一方で、環境への配慮から鉛を含まない非鉛への置き換えも検討されている。環境面において懸案される。一方、鉛を含まない圧電材料はBiやSb等の規制物質やLi、Ta又はNb等の高価な材料を必要とし、コスト面が問題となる。 Furthermore, while PZT (lead zirconate titanate), a representative piezoelectric material, has excellent piezoelectric properties, there are also plans to replace it with lead-free materials due to environmental considerations. This is an environmental concern. On the other hand, lead-free piezoelectric materials require regulated substances such as Bi and Sb, and expensive materials such as Li, Ta, or Nb, which poses a cost problem.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、誘電体素子の変位量を、信頼性を損ねない範囲で最大化することが可能な駆動方法、駆動回路及び変位駆動装置を提供することにある。 In view of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a driving method, driving circuit, and displacement driving device that can maximize the amount of displacement of a dielectric element without compromising reliability.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動方法は、電界誘起歪を発現するセラミックスと、上記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記セラミックスの内部に上記セラミックスを介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する誘電体素子の、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を上記正極と上記負極の間に印加する。 In order to achieve the above object, a driving method according to one embodiment of the present invention provides a dielectric element having a ceramic that exhibits electric field induced strain, a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on a surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes , the driving voltage waveform having a predetermined driving frequency is applied between the positive electrode and the negative electrode, wherein a first driving maximum voltage which is one peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the ceramic at the driving frequency, and a second driving maximum voltage which is the other peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the ceramic in the polarity opposite to that of the first driving maximum voltage, is applied between the positive electrode and the negative electrode.

この駆動方法によれば、主に駆動する側とは反対型にも抗電界を超えない範囲で電圧を振ることによって、駆動電圧振幅を大きくすることができ、かつインプリント効果による変特性の低下を防止することが可能となる。したがって、駆動安定性や駆動信頼性を損ねずに、誘電体素子の変位量を最大化することができる。また、この駆動方法では、誘電体素子の材料として電界誘起歪を発現するセラミックス用いることができ、高い圧電性や高い強誘電性を有する材料を用いる必要がないため、環境負荷やコスト負荷を低減することが可能である。 According to this driving method, by applying a voltage to the opposite side of the main driving side within a range that does not exceed the coercive electric field, it is possible to increase the driving voltage amplitude and prevent a decrease in the deformation characteristics due to the imprint effect. Therefore, it is possible to maximize the displacement of the dielectric element without compromising driving stability or driving reliability. Furthermore, with this driving method, ceramics that exhibit electric field induced strain can be used as the material for the dielectric element, and there is no need to use materials with high piezoelectricity or high ferroelectricity, making it possible to reduce the environmental burden and cost burden.

上記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満であってもよい。 The ceramic may have a coercive field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300°C.

上記駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波であってもよい。 The driving voltage waveform may be a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave of any of these.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動回路は、電界誘起歪を発現するセラミックスと、上記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記セラミックスの内部に上記セラミックスを介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する誘電体素子の、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、上記正極と上記負極の間に印加する。 In order to achieve the above object, a drive circuit according to one embodiment of the present invention generates a drive voltage waveform having a predetermined drive frequency and is applied between the positive electrode and the negative electrode of a dielectric element having a ceramic that exhibits electric field induced strain, a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes, wherein a first drive maximum voltage which is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the ceramic at the drive frequency , and a second drive maximum voltage which is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the ceramic in the polarity opposite to that of the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.

上記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満であってもよい。 The ceramic may have a coercive field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300°C.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位駆動装置は、誘電体素子と、駆動対象物と、駆動回路とを具備する。
上記誘電体素子は、電界誘起歪を発現するセラミックスと、上記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記セラミックスの内部に上記セラミックスを介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記セラミックスの表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する
上記駆動対象物は、上記誘電体素子が接合されている。
上記駆動回路は、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、上記正極と上記負極の間に印加する。
In order to achieve the above object, a displacement driving device according to one aspect of the present invention comprises a dielectric element, an object to be driven, and a driving circuit.
The dielectric element has a ceramic that exhibits electric-field-induced strain , a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on a surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic, and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes .
The dielectric element is joined to the object to be driven.
The drive circuit generates a drive voltage waveform that is applied between the positive electrode and the negative electrode and has a predetermined drive frequency, wherein a first drive maximum voltage that is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the ceramic at the drive frequency, and a second drive maximum voltage that is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the ceramic at the drive frequency and has a polarity opposite to that of the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.

上記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満であってもよい。 The ceramic may have a coercive field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300°C.

上記誘電体素子及び上記駆動対象物はアクチュエータを構成してもよい。 The dielectric element and the driven object may form an actuator.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動方法は、圧電材料からなる圧電体と、上記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記圧電体の内部に上記圧電体を介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する圧電素子の、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を上記正極と上記負極の間に印加する。 In order to achieve the above object, a driving method according to one embodiment of the present invention provides a piezoelectric element having a piezoelectric body made of a piezoelectric material, a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes, the method comprising: applying, between the positive electrode and the negative electrode, a driving voltage waveform having a predetermined driving frequency, wherein a first driving maximum voltage which is one peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the piezoelectric body at the driving frequency, and a second driving maximum voltage which is the other peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the piezoelectric material in a polarity opposite to that of the first driving maximum voltage, between the positive electrode and the negative electrode.

上記駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波であってもよい。 The driving voltage waveform may be a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave of any of these.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動回路は、圧電材料からなる圧電体と、上記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記圧電体の内部に上記圧電体を介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する圧電素子の、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、上記正極と上記負極の間に印加する。 In order to achieve the above object, a drive circuit according to one embodiment of the present invention generates a drive voltage waveform having a predetermined drive frequency, which is applied between the positive electrode and the negative electrode of a piezoelectric element having a piezoelectric body made of a piezoelectric material, a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes, wherein a first drive maximum voltage which is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the piezoelectric body at the drive frequency, and a second drive maximum voltage which is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the piezoelectric material in a polarity opposite to that of the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位駆動装置は、圧電素子と、振動体と、駆動回路とを具備する。
上記圧電素子は、圧電材料からなる圧電体と、上記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、上記圧電体の内部に上記圧電体を介して上記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と上記圧電体の表面に設けられ上記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する
上記振動体は、上記圧電素子が接合されている。
上記駆動回路は、上記正極と上記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、上記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、上記駆動周波数における上記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、上記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、上記第1駆動最大電圧と反対の極性において上記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、上記正極と上記負極の間に印加する。
In order to achieve the above object, a displacement driving device according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric element, a vibrating body, and a driving circuit.
The piezoelectric element has a piezoelectric body made of a piezoelectric material, a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes, and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body opposite the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body, and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes .
The vibrating body is joined to the piezoelectric element.
The drive circuit generates a drive voltage waveform that is applied between the positive electrode and the negative electrode and has a predetermined drive frequency, wherein a first drive maximum voltage, which is one peak voltage of the drive voltage waveform , is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the piezoelectric body at the drive frequency, and a second drive maximum voltage, which is the other peak voltage of the drive voltage waveform, is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the piezoelectric material in the opposite polarity to the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.

上記圧電素子及び上記振動体は圧電アクチュエータを構成し、上記振動体の振動により、上記振動体に触覚を発生させてもよい。 The piezoelectric element and the vibrating body may form a piezoelectric actuator, and the vibration of the vibrating body may generate a tactile sensation in the vibrating body.

以上のように本発明によれば、誘電体素子の変位量を、信頼性を損ねない範囲で最大化することが可能な駆動方法、駆動回路及び変位駆動装置を提供することができる。 As described above, the present invention provides a driving method, driving circuit, and displacement driving device that can maximize the amount of displacement of a dielectric element without compromising reliability.

本発明の第1の実施形態に係る変位駆動装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a displacement driving device according to a first embodiment of the present invention; 上記変位駆動装置が備える圧電素子の断面図である。4 is a cross-sectional view of a piezoelectric element included in the displacement driving device. FIG. 上記変位駆動装置が備える駆動回路が生成する駆動電圧波形であA driving voltage waveform generated by a driving circuit provided in the displacement driving device. 上記変位駆動装置が備える駆動回路が生成する駆動電圧波形である。1 shows a driving voltage waveform generated by a driving circuit included in the displacement driving device. 従来の圧電素子の動電圧波形であるバイポーラ駆動の駆動電圧波形である。1 shows a bipolar drive drive voltage waveform, which is a dynamic voltage waveform of a conventional piezoelectric element. 従来の圧電素子の動電圧波形であるユニポーラ駆動の駆動電圧波形である。1 shows a driving voltage waveform for unipolar driving, which is a dynamic voltage waveform of a conventional piezoelectric element. 本発明の第2の実施形態に係る変位駆動装置の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a displacement driving device according to a second embodiment of the present invention. 上記変位駆動装置が備える誘電体素子の断面図である。4 is a cross-sectional view of a dielectric element provided in the displacement driving device. FIG. 圧電アクチュエータに一般的に必要とされる誘電材料のP-Eヒステリシスループの例である。1 is an example of a PE hysteresis loop for a dielectric material typically required for piezoelectric actuators. 上記誘電体素子を構成する誘電材料のP-Eヒステリシスループの例である。2 is an example of a PE hysteresis loop of the dielectric material constituting the dielectric element. 本発明の実施例及び比較例に係る圧電アクチュエータの変位計測方法の模式図である。5A to 5C are schematic diagrams illustrating a method for measuring the displacement of a piezoelectric actuator according to an example and a comparative example of the present invention.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る変位駆動装置について説明する。変位駆動装置は振動発生装置を含む。
(First embodiment)
A displacement driving device according to a first embodiment of the present invention will be described below. The displacement driving device includes a vibration generating device.

[変位駆動装置の構成]
図1は本実施形態に係る変位駆動装置100の模式図である。同図に示すように、変位駆動装置100は、圧電アクチュエータ101及び駆動回路102を備える。圧電アクチュエータ101は振動体103と圧電素子104から構成されたユニモルフ型圧電アクチュエータである。
[Configuration of the displacement driving device]
1 is a schematic diagram of a displacement driving device 100 according to this embodiment. As shown in the figure, the displacement driving device 100 includes a piezoelectric actuator 101 and a driving circuit 102. The piezoelectric actuator 101 is a unimorph type piezoelectric actuator composed of a vibrating body 103 and a piezoelectric element 104.

振動体103は、振動体103に触れるユーザに触覚を提示する。振動体103は金属、ガラス又は樹脂材料等からなる板状の部材とすることができ、例えば、液晶パネルや電子機器の筐体等である。振動体103の形状やサイズは特に限定されない。 The vibrating body 103 provides a tactile sensation to a user who touches the vibrating body 103. The vibrating body 103 can be a plate-shaped member made of metal, glass, or resin material, such as a liquid crystal panel or the housing of an electronic device. There are no particular limitations on the shape or size of the vibrating body 103.

圧電素子104は、振動体103に接合され、振動を発生させる。図2は圧電素子104の断面図である。同図に示すように圧電素子104は、圧電体111、正極112及び負極113を備える。圧電体111はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電材料からなる。 The piezoelectric element 104 is bonded to the vibrating body 103 and generates vibrations. FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 104. As shown in the figure, the piezoelectric element 104 includes a piezoelectric body 111, a positive electrode 112, and a negative electrode 113. The piezoelectric body 111 is made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate).

正極112は、正極内部電極114及び正極外部電極115を備える。正極内部電極114は導電性材料からなり、圧電体111中に複数層が設けられている。正極外部電極115は導電性材料からなり、圧電体111の表面に形成され、正極内部電極114と接続されている。 The positive electrode 112 includes a positive internal electrode 114 and a positive external electrode 115. The positive internal electrode 114 is made of a conductive material and is provided in multiple layers in the piezoelectric body 111. The positive external electrode 115 is made of a conductive material, is formed on the surface of the piezoelectric body 111, and is connected to the positive internal electrode 114.

負極113は、負極内部電極116及び負極外部電極117を備える。負極内部電極116は導電性材料からなり、圧電体111中に複数層が設けられている。負極外部電極117は導電性材料からなり、圧電体111の表面に形成され、負極内部電極116と接続されている。 The negative electrode 113 includes a negative internal electrode 116 and a negative external electrode 117. The negative internal electrode 116 is made of a conductive material and is provided in multiple layers in the piezoelectric body 111. The negative external electrode 117 is made of a conductive material, is formed on the surface of the piezoelectric body 111, and is connected to the negative internal electrode 116.

図2に示すように、正極内部電極114と負極内部電極116は交互に配置され、圧電体111を介して対向する。正極外部電極115及び負極外部電極117は圧電素子104の表面及び裏面において離間して設けられている。図1に示すように正極外部電極115には正極配線105が接続され、正極外部電極115は正極端子として機能する。負極外部電極117には負極配線106が接続され、負極外部電極117は負極端子として機能する。 As shown in FIG. 2, the positive internal electrodes 114 and the negative internal electrodes 116 are arranged alternately and face each other via the piezoelectric body 111. The positive external electrodes 115 and the negative external electrodes 117 are provided at a distance on the front and back surfaces of the piezoelectric element 104. As shown in FIG. 1, the positive external electrode 115 is connected to the positive wiring 105, and the positive external electrode 115 functions as a positive terminal. The negative external electrode 117 is connected to the negative wiring 106, and the negative external electrode 117 functions as a negative terminal.

圧電素子104では、正極112と負極113の間に電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電体111に変形が生じ、振動が発生する。圧電素子104は図2に示すように、正極112と負極113を圧電体111を介して交互に積層した積層構造を有するものであってもよく、他の構造を有するものであってもよい。圧電素子104は樹脂等によって振動体103に接合されたものとすることができる。また、圧電素子104は2つ以上が振動体103に接合されてもよい。 In the piezoelectric element 104, when a voltage is applied between the positive electrode 112 and the negative electrode 113, the piezoelectric body 111 deforms due to the inverse piezoelectric effect, generating vibration. As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 104 may have a layered structure in which the positive electrodes 112 and the negative electrodes 113 are alternately layered with the piezoelectric body 111 interposed therebetween, or may have another structure. The piezoelectric element 104 may be bonded to the vibrating body 103 by a resin or the like. Two or more piezoelectric elements 104 may be bonded to the vibrating body 103.

駆動回路102は、正極配線105及び負極配線106を介して圧電素子104と接続され、圧電素子104に駆動信号を供給する。具体的には駆動回路102は、後述する駆動電圧波形を生成し、正極112と負極113の間に供給する。 The drive circuit 102 is connected to the piezoelectric element 104 via a positive electrode wiring 105 and a negative electrode wiring 106, and supplies a drive signal to the piezoelectric element 104. Specifically, the drive circuit 102 generates a drive voltage waveform, which will be described later, and supplies it between the positive electrode 112 and the negative electrode 113.

変位駆動装置100は以上のような構成を有する。変位駆動装置100は、スマートフォンや触覚機能デバイス等の各種電子機器に搭載することが可能である。 The displacement driving device 100 has the above-described configuration. The displacement driving device 100 can be installed in various electronic devices such as smartphones and haptic function devices.

[駆動電圧波形について]
駆動回路102が生成する駆動電圧波形について説明する。駆動回路102が生成する駆動電圧波形は、一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、0Vと駆動周波数における圧電体111のブレークダウン電圧(絶縁破壊電圧)の間の電圧である。また駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、第1駆動最大電圧と反対の極性において圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である。
[Drive voltage waveform]
The drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 will be described. The drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 has a first drive maximum voltage, which is one of the peak voltages, that is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (dielectric breakdown voltage) of the piezoelectric body 111 at the drive frequency. The other peak voltage of the drive voltage waveform, which is a second drive maximum voltage, is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the piezoelectric material in the opposite polarity to the first drive maximum voltage.

図3は、駆動回路102が生成する駆動電圧波形である。図3に示すようにこの駆動電圧波形において一方のピーク電圧と他方のピーク電圧は極性が反対であり、プラス側のピーク電圧を第1駆動最大電圧Vp+とし、マイナス側のピーク電圧を第2駆動最大電圧Vp-とする。 Figure 3 shows the drive voltage waveform generated by the drive circuit 102. As shown in Figure 3, in this drive voltage waveform, one peak voltage and the other peak voltage have opposite polarities, with the peak voltage on the positive side being the first drive maximum voltage Vp+ and the peak voltage on the negative side being the second drive maximum voltage Vp-.

また、駆動電圧波形の周波数(駆動周波数)における圧電体111のブレークダウン電圧をブレークダウン電圧BVとし、図3に示すようにプラス側のブレークダウン電圧BVをBV+とする。さらに、圧電体111を構成する圧電材料の抗電界を抗電界Ecとする。図3に示すようにプラス側の抗電界Ecを抗電界Ec+とし、マイナス側の抗電界Ecを抗電界Ec-とする。 The breakdown voltage of the piezoelectric body 111 at the frequency of the drive voltage waveform (drive frequency) is the breakdown voltage BV, and as shown in FIG. 3, the breakdown voltage BV on the positive side is BV+. Furthermore, the coercive field of the piezoelectric material that constitutes the piezoelectric body 111 is the coercive field Ec. As shown in FIG. 3, the coercive field Ec on the positive side is the coercive field Ec+, and the coercive field Ec on the negative side is the coercive field Ec-.

駆動回路102が生成する駆動電圧波形は、第1駆動最大電圧Vp+が0Vより大きく、ブレークダウン電圧BV+未満の電圧である。さらに、第2駆動最大電圧Vp-が抗電界Ec-の0.8倍以上0.1倍以下である。即ち、第1駆動最大電圧Vp+と第2駆動最大電圧Vp-は以下の(式1)及び(式2)を満たす。 The drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 has a first drive maximum voltage Vp+ that is greater than 0 V and less than the breakdown voltage BV+. Furthermore, the second drive maximum voltage Vp- is 0.8 to 0.1 times the coercive electric field Ec-. In other words, the first drive maximum voltage Vp+ and the second drive maximum voltage Vp- satisfy the following (Equation 1) and (Equation 2).

0V<Vp+<BV+ (式1)
0.8Ec-≦Vp-≦0.1Ec- (式2)
0V<Vp+<BV+ (Formula 1)
0.8Ec-≦Vp-≦0.1Ec- (Formula 2)

なお、圧電素子104の変位量を大きくするためにはVp+>Ec+が好適である。 In order to increase the amount of displacement of the piezoelectric element 104, it is preferable that Vp+>Ec+.

また、図3は分極方向がプラス側(>0V)の駆動電圧波形であるが、分極方向はマイナス側(<0V)であってもよい。図4は、駆動回路102が生成する、分極方向がマイナス側である駆動電圧波形である。 Although FIG. 3 shows a drive voltage waveform with a positive polarization direction (>0V), the polarization direction may be negative (<0V). FIG. 4 shows a drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 with a negative polarization direction.

図4に示すように、この駆動電圧波形においても一方のピーク電圧と他方のピーク電圧は極性が反対であり、マイナス側のピーク電圧を第1駆動最大電圧Vp-とし、プラス側のピーク電圧を第2駆動最大電圧Vp+とする。また、図4に示すようにマイナス側のブレークダウン電圧BVをBV-とする。図4に示すようにプラス側の抗電界Ecを抗電界Ec+とし、マイナス側の抗電界Ecを抗電界Ec-とする。 As shown in Figure 4, in this drive voltage waveform, one peak voltage and the other peak voltage have opposite polarities, with the negative peak voltage being the first drive maximum voltage Vp- and the positive peak voltage being the second drive maximum voltage Vp+. Also, as shown in Figure 4, the breakdown voltage BV on the negative side is BV-. As shown in Figure 4, the coercive field Ec on the positive side is the coercive field Ec+ and the coercive field Ec on the negative side is the coercive field Ec-.

駆動回路102が生成する駆動電圧波形は、第1駆動最大電圧Vp-がブレークダウン電圧BV-より大きく、0V未満である。さらに、第2駆動最大電圧Vp+が抗電界Ec+の0.1倍以上0.8倍以下である。即ち、第1駆動最大電圧Vp-と第2駆動最大電圧Vp+は以下の(式3)及び(式4)を満たす。 The drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 has a first drive maximum voltage Vp- that is greater than the breakdown voltage BV- and less than 0 V. Furthermore, the second drive maximum voltage Vp+ is 0.1 to 0.8 times the coercive electric field Ec+. In other words, the first drive maximum voltage Vp- and the second drive maximum voltage Vp+ satisfy the following (Equation 3) and (Equation 4).

BV-<Vp-<0V (式3)
0.1Ec+≦Vp+≦0.8Ec+ (式4)
BV-<Vp-<0V (Formula 3)
0.1Ec+≦Vp+≦0.8Ec+ (Formula 4)

なお、圧電素子104の変位量を大きくするためにはVp-<Ec-が好適である。 In order to increase the amount of displacement of the piezoelectric element 104, it is preferable that Vp-<Ec-.

駆動回路102は、図3又は図4に示す駆動電圧波形を生成し、正極配線105及び負極配線106を介して正極112と負極113の間にその駆動電圧波形を供給する。なお、駆動回路102が生成する駆動電圧波形は図3及び図4に示すような正弦波に限られず、第1駆動最大電圧及び第2駆動最大電圧が上記条件を満たすものであればよい。具体的には駆動回路102が生成する駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波であってもよい。 The drive circuit 102 generates the drive voltage waveform shown in FIG. 3 or FIG. 4, and supplies the drive voltage waveform between the positive electrode 112 and the negative electrode 113 via the positive electrode wiring 105 and the negative electrode wiring 106. Note that the drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 is not limited to the sine wave shown in FIG. 3 and FIG. 4, and may be any waveform in which the first drive maximum voltage and the second drive maximum voltage satisfy the above conditions. Specifically, the drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 may be a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave of these.

[変位駆動装置による効果]
駆動回路102が生成する駆動電圧波形について、従来の駆動電圧波形との比較の上で説明する。図5は、従来の駆動電圧波形であるバイポーラ駆動の駆動電圧波形を示すグラフである。同図に示すように、バイポーラ駆動においては|Vp+|=|Vp-|であり、脱分極を防止するため|Ec|>|Vp|とする必要がある。このため、圧電材料の抗電界Ecが小さいと駆動電圧振幅Vp-pを大きくできず、圧電アクチュエータの変位を大きくすることができない。
[Effects of the displacement drive device]
The drive voltage waveform generated by the drive circuit 102 will be described in comparison with a conventional drive voltage waveform. Figure 5 is a graph showing a drive voltage waveform for bipolar drive, which is a conventional drive voltage waveform. As shown in the figure, in bipolar drive, |Vp+|=|Vp-|, and in order to prevent depolarization, it is necessary to make |Ec|>|Vp|. Therefore, if the coercive electric field Ec of the piezoelectric material is small, the drive voltage amplitude Vp-p cannot be increased, and the displacement of the piezoelectric actuator cannot be increased.

また図6は、従来の駆動電圧波形であるユニポーラ駆動の駆動電圧波形を示すグラフである。図6では駆動電圧波形は全体が0Vよりプラス側であるが、全体が0Vよりマイナス側であってもよい。同図に示すように、ユニポーラ駆動においてはプラス側又はマイナス側に偏った電圧により駆動し続けることにより、インプリント効果により駆動時の誘電率が低下し、駆動し続けることにより変位特性が低下する。 Figure 6 is a graph showing the drive voltage waveform of unipolar drive, which is a conventional drive voltage waveform. In Figure 6, the drive voltage waveform is entirely on the positive side of 0 V, but the entire drive voltage waveform may be entirely on the negative side of 0 V. As shown in the figure, in unipolar drive, by continuing to drive with a voltage biased to the positive or negative side, the dielectric constant during driving decreases due to the imprint effect, and continued driving deteriorates the displacement characteristics.

これに対し、本実施形態に係る駆動回路102が生成する駆動電圧波形(図3及び図4参照)は、主に駆動する側とは反対型にも抗電界Ecを超えない範囲で電圧を振ることによって、駆動電圧振幅Vp-pを大きくすることができ、かつインプリント効果による変特性の低下を防止することが可能となる。したがって、駆動安定性や駆動信頼性を損ねずに、圧電素子104の変位量を最大化することができる。 In contrast, the drive voltage waveform (see Figures 3 and 4) generated by the drive circuit 102 according to this embodiment can increase the drive voltage amplitude Vp-p by swinging the voltage in a range that does not exceed the coercive electric field Ec in the opposite direction to the main driving side, and can prevent the deterioration of the deformation characteristics due to the imprint effect. Therefore, the displacement of the piezoelectric element 104 can be maximized without compromising the drive stability or drive reliability.

なお、上記のように第2駆動最大電圧Vpは抗電界Ecの0.1倍と0.8倍の間の電圧が好適であるが、第2駆動最大電圧Vpが抗電界Ecの0.1倍より小さいと、ユニポーラ駆動と同様にインプリント効果が発生する。また、第2駆動最大電圧Vpが抗電界Ecの0.8倍を超えると脱分極や絶縁性の低下が生じる。したがって、第2駆動最大電圧Vpは抗電界Ecの0.1倍と0.8倍の間の電圧が好適である。 As mentioned above, the second drive maximum voltage Vp is preferably between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec. However, if the second drive maximum voltage Vp is less than 0.1 times the coercive electric field Ec, the imprint effect occurs as with unipolar drive. Also, if the second drive maximum voltage Vp exceeds 0.8 times the coercive electric field Ec, depolarization and a decrease in insulation occur. Therefore, the second drive maximum voltage Vp is preferably between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る変位駆動装置について説明する。変位駆動装置は振動発生装置を含む。
Second Embodiment
A displacement driving device according to a second embodiment of the present invention will now be described. The displacement driving device includes a vibration generating device.

[変位駆動装置の構成]
図7は本実施形態に係る変位駆動装置200の模式図である。同図に示すように、変位駆動装置200は、アクチュエータ201及び駆動回路202を備える。アクチュエータ201は駆動対象物203と誘電体素子204から構成されたユニモルフ型圧電アクチュエータである。
[Configuration of the displacement driving device]
7 is a schematic diagram of a displacement driving device 200 according to this embodiment. As shown in the figure, the displacement driving device 200 includes an actuator 201 and a driving circuit 202. The actuator 201 is a unimorph type piezoelectric actuator composed of an object to be driven 203 and a dielectric element 204.

駆動対象物203は、例えば振動板であり、駆動対象物203に触れるユーザに触覚を提示する。駆動対象物203は金属、ガラス又は樹脂材料等からなる板状の部材とすることができ、例えば、液晶パネルや電子機器の筐体等である。駆動対象物203の形状やサイズは特に限定されない。 The driven object 203 is, for example, a vibration plate, and presents a tactile sensation to a user who touches the driven object 203. The driven object 203 can be a plate-shaped member made of metal, glass, or resin material, for example, a liquid crystal panel or the housing of an electronic device. There are no particular limitations on the shape or size of the driven object 203.

誘電体素子204は、駆動対象物203に接合され、駆動対象物203を駆動する。誘電体素子204は、例えば駆動対象物203に振動を発生させることができる。図8は誘電体素子204の断面図である。同図に示すように誘電体素子204は、誘電体211、正極212及び負極213を備える。誘電体211は誘電材料からなり、具体的には電界誘起歪を発現するセラミックスからなる。 The dielectric element 204 is joined to the driven object 203 and drives the driven object 203. The dielectric element 204 can, for example, generate vibrations in the driven object 203. FIG. 8 is a cross-sectional view of the dielectric element 204. As shown in the figure, the dielectric element 204 includes a dielectric 211, a positive electrode 212, and a negative electrode 213. The dielectric 211 is made of a dielectric material, specifically, a ceramic that exhibits electric field-induced strain.

このセラミックスは、電界誘起歪の発現を伴うものであれば、抗電界Ecが1kV/mm未満又はキュリー温度Tcが300℃未満のものであってもよい。このような材料としてはBT(BaTiO)が挙げられる(実施例参照)。また誘電体211を構成する誘電材料は強誘電体が好適であるが、電界誘起歪の発現を伴う材料であれば常誘電体に近い材料であってもよい。 As long as the ceramics exhibits electric field induced strain, it may have a coercive field Ec of less than 1 kV/mm or a Curie temperature Tc of less than 300° C. An example of such a material is BT (BaTiO 3 ) (see the examples). Although a ferroelectric is preferable as the dielectric material constituting the dielectric 211, it may also be a material close to a paraelectric as long as it exhibits electric field induced strain.

正極212は、正極内部電極214及び正極外部電極215を備える。正極内部電極214は導電性材料からなり、誘電体211中に複数層が設けられている。正極外部電極215は導電性材料からなり、誘電体211の表面に形成され、正極内部電極214と接続されている。 The positive electrode 212 includes a positive internal electrode 214 and a positive external electrode 215. The positive internal electrode 214 is made of a conductive material and is provided in multiple layers in the dielectric 211. The positive external electrode 215 is made of a conductive material, is formed on the surface of the dielectric 211, and is connected to the positive internal electrode 214.

負極213は、負極内部電極216及び負極外部電極217を備える。負極内部電極216は導電性材料からなり、誘電体211中に複数層が設けられている。負極外部電極217は導電性材料からなり、誘電体211の表面に形成され、負極内部電極216と接続されている。 The negative electrode 213 includes a negative internal electrode 216 and a negative external electrode 217. The negative internal electrode 216 is made of a conductive material and is provided in multiple layers in the dielectric 211. The negative external electrode 217 is made of a conductive material, is formed on the surface of the dielectric 211, and is connected to the negative internal electrode 216.

図8に示すように、正極内部電極214と負極内部電極216は交互に配置され、誘電体211を介して対向する。正極外部電極215及び負極外部電極217は誘電体素子204の表面及び裏面において離間して設けられている。図7に示すように正極外部電極215には正極配線205が接続され、正極外部電極215は正極端子として機能する。負極外部電極217には負極配線206が接続され、負極外部電極217は負極端子として機能する。 As shown in FIG. 8, the positive internal electrodes 214 and the negative internal electrodes 216 are arranged alternately and face each other via the dielectric 211. The positive external electrodes 215 and the negative external electrodes 217 are provided at a distance on the front and back surfaces of the dielectric element 204. As shown in FIG. 7, the positive external electrode 215 is connected to the positive wiring 205, and the positive external electrode 215 functions as a positive terminal. The negative external electrode 217 is connected to the negative wiring 206, and the negative external electrode 217 functions as a negative terminal.

誘電体素子204では、正極212と負極213の間に電圧を印加すると、電界誘起歪により誘電体211に変形が生じる。誘電体素子204は図8に示すように、正極212と負極213を誘電体211を介して交互に積層した積層構造を有するものであってもよく、他の構造を有するものであってもよい。誘電体素子204は樹脂等によって駆動対象物203に接合されたものとすることができる。また、誘電体素子204は2つ以上が駆動対象物203に接合されてもよい。 In the dielectric element 204, when a voltage is applied between the positive electrode 212 and the negative electrode 213, the dielectric 211 is deformed by electric field-induced strain. As shown in FIG. 8, the dielectric element 204 may have a laminated structure in which the positive electrode 212 and the negative electrode 213 are alternately laminated with the dielectric 211 interposed therebetween, or may have another structure. The dielectric element 204 may be bonded to the driven object 203 by a resin or the like. Two or more dielectric elements 204 may be bonded to the driven object 203.

駆動回路202は、正極配線205及び負極配線206を介して圧電素子204と接続され、圧電素子204に駆動信号を供給する。具体的には駆動回路202は、後述する駆動電圧波形を生成し、正極212と負極213の間に供給する。 The drive circuit 202 is connected to the piezoelectric element 204 via a positive electrode wiring 205 and a negative electrode wiring 206, and supplies a drive signal to the piezoelectric element 204. Specifically, the drive circuit 202 generates a drive voltage waveform, which will be described later, and supplies it between the positive electrode 212 and the negative electrode 213.

変位駆動装置200は以上のような構成を有する。変位駆動装置200は、スマートフォンや触覚機能デバイス等の各種電子機器に搭載することが可能である。 The displacement driving device 200 has the above-described configuration. The displacement driving device 200 can be installed in various electronic devices such as smartphones and haptic function devices.

[駆動電圧波形について]
駆動回路202が生成する駆動電圧波形について説明する。駆動回路202が生成する駆動電圧波形は第1の実施形態と同様とすることができる。即ち駆動回路202が生成する駆動電圧波形は、分極方向がプラス側(>0V)の場合上記(式1)及び(式2)を満たし(図3参照)、分極方向がマイナス側(<0V)の場合、上記(式3)及び(式4)を満たす(図4参照)ものとすることができる。
[Drive voltage waveform]
The driving voltage waveform generated by the driving circuit 202 will be described. The driving voltage waveform generated by the driving circuit 202 can be the same as that in the first embodiment. That is, the driving voltage waveform generated by the driving circuit 202 can be such that when the polarization direction is on the plus side (>0 V), the above formulas 1 and 2 are satisfied (see FIG. 3), and when the polarization direction is on the minus side (<0 V), the above formulas 3 and 4 are satisfied (see FIG. 4).

駆動回路202は、図3又は図4に示す駆動電圧波形を生成し、正極配線205及び負極配線206を介して正極212と負極213の間にその駆動電圧波形を供給する。なお、駆動回路202が生成する駆動電圧波形は図3及び図4に示すような正弦波に限られず、第1駆動最大電圧及び第2駆動最大電圧が上記条件を満たすものであればよい。具体的には駆動回路202が生成する駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波であってもよい。 The drive circuit 202 generates the drive voltage waveform shown in FIG. 3 or FIG. 4, and supplies the drive voltage waveform between the positive electrode 212 and the negative electrode 213 via the positive electrode wiring 205 and the negative electrode wiring 206. Note that the drive voltage waveform generated by the drive circuit 202 is not limited to the sine wave shown in FIG. 3 and FIG. 4, and may be any waveform in which the first drive maximum voltage and the second drive maximum voltage satisfy the above conditions. Specifically, the drive voltage waveform generated by the drive circuit 202 may be a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave of these.

[変位駆動装置による効果]
変位駆動装置200では、上記のような駆動電圧波形(図3及び図4参照)を駆動回路202が生成し、誘電体素子204に供給する。第1の実施形態と同様に、主に駆動する側とは反対型にも抗電界Ecを超えない範囲で電圧を振ることによって、駆動電圧振幅Vp-pを大きくすることができ、かつインプリント効果による変特性の低下を防止することが可能となる。したがって、駆動安定性や駆動信頼性を損ねずに、圧電素子204の変位量を最大化することができる。
[Effects of the displacement drive device]
In the displacement driving device 200, the driving circuit 202 generates the above-mentioned driving voltage waveform (see Figs. 3 and 4) and supplies it to the dielectric element 204. As in the first embodiment, by applying a voltage in a range that does not exceed the coercive electric field Ec also in the opposite direction to the main driving side, it is possible to increase the driving voltage amplitude Vp-p and prevent a decrease in the deformation characteristic due to the imprint effect. Therefore, it is possible to maximize the displacement of the piezoelectric element 204 without impairing the driving stability and driving reliability.

また、変位駆動装置200では、上記のような駆動電圧波形(図3及び図4参照)を用いることにより、誘電体211を形成する誘電材料の条件を広げることができる。圧電アクチュエータに一般的に必要とされる誘電材料としては、キュリー温度Tcが300℃以上かつ抗電界Ecが1kV/mmであり、耐リフロー性と耐バイポーラ駆動性能を有する材料を用いる必要がある。図9は、圧電アクチュエータに一般的に必要とされる誘電材料のP-Eヒステリシスループの例であり、横軸は電界(P)、縦軸は分極(E)である。 In addition, in the displacement driving device 200, by using the driving voltage waveforms as described above (see Figures 3 and 4), it is possible to expand the conditions of the dielectric material forming the dielectric 211. The dielectric material generally required for a piezoelectric actuator must have a Curie temperature Tc of 300°C or higher, a coercive electric field Ec of 1 kV/mm, and must have reflow resistance and bipolar drive resistance. Figure 9 shows an example of a P-E hysteresis loop of a dielectric material generally required for a piezoelectric actuator, with the horizontal axis representing the electric field (P) and the vertical axis representing polarization (E).

しかしながら変位駆動装置200では、上記のような駆動電圧波形を用いることにより、電界誘起歪の発現を伴う材料であれば、抗電界Ecが1kV/mm未満又はキュリー温度Tcが300℃未満のセラミックスを誘電体211の材料として用いることが可能となる。また、誘電体211の材料は図9に示すような高い強誘電性を必要としない。図10は、誘電体211を構成する誘電材料のP-Eヒステリシスループの例であり、横軸は電界(P)、縦軸は分極(E)である。 However, in the displacement driving device 200, by using the driving voltage waveform as described above, it is possible to use ceramics with a coercive electric field Ec of less than 1 kV/mm or a Curie temperature Tc of less than 300°C as the material for the dielectric 211, so long as the material exhibits electric field-induced distortion. Furthermore, the material for the dielectric 211 does not need to have high ferroelectricity as shown in Figure 9. Figure 10 is an example of a P-E hysteresis loop of the dielectric material that constitutes the dielectric 211, with the horizontal axis representing the electric field (P) and the vertical axis representing polarization (E).

一般的に用いられる圧電アクチュエータの誘電材料では、DC分極による分極処理が必要である。この分極処理では、分極度合いの違い、即ち分極位相の回転度数による差異が生じやすく、変位特性にばらつきが生じやすく、分極度合いを揃えるための複雑な機構を有す分極装置が必要であり、工程コストへの負担も大きい。これに対し、変位駆動装置200では、誘電体211の材料として電界誘起歪の発現を伴うセラミックスを用いることにより、分極処理が不要となる。電解誘起歪は分極の有無に関係なく発現するためである。 Dielectric materials commonly used in piezoelectric actuators require polarization processing by DC polarization. This polarization processing is prone to differences in the degree of polarization, i.e., differences due to the degree of rotation of the polarization phase, which can easily cause variations in the displacement characteristics, and requires a polarization device with a complex mechanism to align the degree of polarization, which also places a heavy burden on process costs. In contrast, the displacement drive device 200 uses ceramics, which exhibits electric field-induced strain, as the material for the dielectric 211, making polarization processing unnecessary. This is because electric field-induced strain is exhibited regardless of the presence or absence of polarization.

このように、誘電体211の材料として電界誘起歪の発現を伴うセラミックスを用いると、未分極であることを前提とするため、抗電界Ecが高い必要がない。また、脱分極の概念もないため、製造工程で高温に晒されてもなんら問題なく、キュリー温度Tcが300℃未満であっても問題がない。なお、圧電素子204においても性能検査等のために予備分極を実施してもよい。 In this way, when ceramics that exhibit electric field-induced strain are used as the material for the dielectric 211, it is assumed that the dielectric 211 is unpolarized, so there is no need for a high coercive electric field Ec. In addition, since there is no concept of depolarization, there is no problem even if the dielectric 211 is exposed to high temperatures during the manufacturing process, and there is no problem even if the Curie temperature Tc is less than 300°C. Preliminary polarization may also be performed on the piezoelectric element 204 for performance testing, etc.

以上のように、変位駆動装置200では、誘電体211の材料として高い圧電性や高い強誘電性を有しない材料を用いることができ、圧電アクチュエータに一般的に必要とされる誘電材料よりも環境負荷やコスト負荷が少ない誘電材料を選択することが可能である。さらに、誘電体素子204は分極処理を必要としないため、複雑で効果な分極装置や分極処理工程が不要となり、生産タクトの向上や生産設備コストの抑制が可能である。また、分極度合いを確認するための検査も必要としないため、検査工程の削減も可能である。 As described above, in the displacement driving device 200, a material that does not have high piezoelectricity or high ferroelectricity can be used as the material for the dielectric 211, making it possible to select a dielectric material that has a lower environmental impact and cost burden than the dielectric materials generally required for piezoelectric actuators. Furthermore, since the dielectric element 204 does not require polarization processing, complex and expensive polarization devices and polarization processing processes are not required, making it possible to improve production tact time and reduce production equipment costs. In addition, since no inspection is required to check the degree of polarization, it is also possible to reduce the inspection process.

上記第1の実施形態に係るユニモルフ型圧電アクチュエータ101(図1参照)を作製した。振動体103はステンレスからなる板であり、長さ40mm、幅15mm、厚み0.3mmである。圧電素子104は長さ30mm、幅15mm、厚み0.3mmとし、振動体103に樹脂接着剤により接合した。圧電体111を構成する圧電材料の抗電界Ecは1.1kV/mmであり、圧電素子104のブレークダウン電圧は9.5kV/mmであった。 A unimorph type piezoelectric actuator 101 (see FIG. 1) according to the first embodiment was fabricated. The vibrating body 103 was a plate made of stainless steel, with a length of 40 mm, a width of 15 mm, and a thickness of 0.3 mm. The piezoelectric element 104 had a length of 30 mm, a width of 15 mm, and a thickness of 0.3 mm, and was bonded to the vibrating body 103 with a resin adhesive. The coercive electric field Ec of the piezoelectric material constituting the piezoelectric body 111 was 1.1 kV/mm, and the breakdown voltage of the piezoelectric element 104 was 9.5 kV/mm.

図11は、圧電アクチュエータの変位計測方法を示す模式図である。同図に示すように、固定基板301上に固定部302及び固定部303を設け、振動体103の両端を固定部302及び固定部303にそれぞれ固定した。振動体103の自由長を自由長Lとして示す。レーザードップラー振動計(LDV)304により、振動体103の中央部(1/2L)のベンディング変位を計測した。下記の[表1]は測定結果を示す表である。 Figure 11 is a schematic diagram showing a method for measuring the displacement of a piezoelectric actuator. As shown in the figure, fixed parts 302 and 303 are provided on a fixed substrate 301, and both ends of the vibrating body 103 are fixed to the fixed parts 302 and 303, respectively. The free length of the vibrating body 103 is shown as free length L. The bending displacement of the center part (1/2L) of the vibrating body 103 was measured by a laser Doppler vibrometer (LDV) 304. The following [Table 1] shows the measurement results.

Figure 0007606851000001
Figure 0007606851000001

実施例1では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hz、第1駆動最大電圧Vp+:3.5kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:-0.8kV/mm、Vp-p:4.3kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧である。 In Example 1, the drive waveform is a sine wave, the drive frequency is 100 Hz, the first drive maximum voltage Vp+ is 3.5 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is -0.8 kV/mm, and Vp-p is 4.3 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm).

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は26.5μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は-1%であり、非常に高い特性安定性が得られた。このように、実施例1では、変位量と特性安定性は共に良好であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 26.5 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was -1%, and very high characteristic stability was obtained. Thus, in Example 1, both the displacement amount and characteristic stability were good.

実施例2では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hz、第1駆動最大電圧Vp+:5kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:-0.8kV/mm、Vp-p:5.8kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧である。 In Example 2, the drive waveform is a sine wave, the drive frequency is 100 Hz, the first drive maximum voltage Vp+ is 5 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is -0.8 kV/mm, and Vp-p is 5.8 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm).

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は32.8μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は-2%であり、高い特性安定性が得られた。このように、実施例2では、変位量と特性安定性は共に良好であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 32.8 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20 M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was -2%, indicating high characteristic stability. Thus, in Example 2, both the displacement amount and characteristic stability were good.

実施例3では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hz、第1駆動最大電圧Vp+:8kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:-0.8kV/mm、Vp-p:8.8kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧である。 In Example 3, the drive waveform is a sine wave, the drive frequency is 100 Hz, the first drive maximum voltage Vp+ is 8 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is -0.8 kV/mm, and Vp-p is 8.8 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm).

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は45.4μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は-4%であり、高い特性安定性が得られた。このように、実施例3では、変位量と特性安定性は共に良好であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 45.4 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20 M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was -4%, indicating high characteristic stability. Thus, in Example 3, both the displacement amount and characteristic stability were good.

比較例1では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hzである。第1駆動最大電圧Vp+:3.5kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:0kV/mm、Vp-p:3.5kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧ではなく、0.1倍より大きい電圧である。 In Comparative Example 1, the drive waveform is a sine wave, and the drive frequency is 100 Hz. The first drive maximum voltage Vp+ is 3.5 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is 0 kV/mm, and Vp-p is 3.5 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is not a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm), but a voltage greater than 0.1 times.

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は23.1μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は-7%であり、特性安定性は低いものとなった。このように、比較例1では、変位量は良好であったものの、特性安定性は不十分であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 23.1 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was -7%, indicating low characteristic stability. Thus, in Comparative Example 1, the amount of displacement was good, but the characteristic stability was insufficient.

比較例2では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hzである。第1駆動最大電圧Vp+:1kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:-1kV/mm、Vp-p:2kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧ではなく、0.8倍より小さい電圧である。 In Comparative Example 2, the drive waveform is a sine wave, and the drive frequency is 100 Hz. The first drive maximum voltage Vp+ is 1 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is -1 kV/mm, and Vp-p is 2 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is not a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm), but a voltage less than 0.8 times.

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は16.8μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は0%であり、高い特性安定性が得られた。このように、比較例2では、特性安定性は良好であったものの、変位量は不十分であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 16.8 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20 M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was 0%, and high characteristic stability was obtained. Thus, in Comparative Example 2, although the characteristic stability was good, the amount of displacement was insufficient.

比較例3では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hzである。第1駆動最大電圧Vp+:8kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:0kV/mm、Vp-p:8kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧ではなく、0.1倍より大きい電圧である。 In Comparative Example 3, the drive waveform is a sine wave, and the drive frequency is 100 Hz. The first drive maximum voltage Vp+ is 8 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is 0 kV/mm, and Vp-p is 8 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm). The second drive maximum voltage Vp- is not a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm), but a voltage greater than 0.1 times.

レーザードップラー振動計304による変位計測結果は41.3μmであった。また、40℃90%RHの高湿度下において20Mサイクルの連続駆動の後、変位を計測すると、変位低下率は-12%であり、特性安定性は低いものとなった。このように、比較例3では、変位量は良好であったものの、特性安定性は不十分であった。 The displacement measured by the laser Doppler vibrometer 304 was 41.3 μm. Furthermore, when the displacement was measured after 20 M cycles of continuous operation under high humidity conditions of 40°C and 90% RH, the displacement reduction rate was -12%, indicating low characteristic stability. Thus, in Comparative Example 3, the amount of displacement was good, but the characteristic stability was insufficient.

比較例4では駆動波形は正弦波、駆動周波数:100Hzである。第1駆動最大電圧Vp+:10kV/mm、第2駆動最大電圧Vp-:0kV/mm、Vp-p:10kV/mmとした。第1駆動最大電圧Vp+は0Vとブレークダウン電圧(9.5kV/mm)の間の電圧ではなく、ブレークダウン電圧より大きい電圧である。第2駆動最大電圧Vp-は抗電界Ec-(-1.1kV/mm)の0.1倍と0.8倍の間の電圧ではなく、0.1倍より大きい電圧である。 In Comparative Example 4, the drive waveform is a sine wave, and the drive frequency is 100 Hz. The first drive maximum voltage Vp+ is 10 kV/mm, the second drive maximum voltage Vp- is 0 kV/mm, and Vp-p is 10 kV/mm. The first drive maximum voltage Vp+ is not a voltage between 0 V and the breakdown voltage (9.5 kV/mm), but a voltage greater than the breakdown voltage. The second drive maximum voltage Vp- is not a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field Ec- (-1.1 kV/mm), but a voltage greater than 0.1 times.

比較例4では圧電体111においてブレークダウンが生じ、レーザードップラー振動計304によって変位が計測されなかった。 In Comparative Example 4, a breakdown occurred in the piezoelectric body 111, and no displacement was measured by the laser Doppler vibrometer 304.

以上のように実施例1乃至3では変位量と特性安定性の両方が良好となる結果が得られた。一方、比較例1乃至4では、変位量と特性安定性の両方が良好となる結果は得られなかった。したがって、第1駆動最大電圧を0Vとブレークダウン電圧の間の電圧とし、第2駆動最大電圧を抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧とすることにより、変位量と特性安定性が共に優れる変位駆動装置を実現することが可能である。 As described above, in Examples 1 to 3, good results were obtained for both the displacement amount and characteristic stability. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, good results were not obtained for both the displacement amount and characteristic stability. Therefore, by setting the first maximum driving voltage to a voltage between 0V and the breakdown voltage, and the second maximum driving voltage to a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field, it is possible to realize a displacement driving device that is excellent in both the displacement amount and characteristic stability.

上記第2の実施形態に係る誘電体素子204(図8参照)を作製した。誘電体素子204は1層あたり26μmの誘電体を、正極内部電極214及び負極内部電極216を交互に10層積層したものであり、3216形状を有する。各種の誘電材料からなる誘電体素子204を作製し、上記駆動電圧波形(駆動電圧-2V~+104V、駆動周波数10Hz、図3参照)によって誘電体素子204を駆動した。レーザードップラー振動計を用いて、誘電体素子204上方(Z方向、図8参照)からレーザーを照射し、誘電体素子204の厚み方向(Z方向)における伸縮の変位量を計測した。さらに、分極方向への変位量/電界強度/層数を変位量d33として算出した。下記の[表2]は誘電体素子204の構成及び測定結果を示す表である。 The dielectric element 204 (see FIG. 8) according to the second embodiment was produced. The dielectric element 204 is a 3216 shape in which 10 layers of 26 μm dielectrics are alternately laminated with the positive internal electrode 214 and the negative internal electrode 216. The dielectric elements 204 made of various dielectric materials were produced, and the dielectric elements 204 were driven by the above driving voltage waveform (driving voltage -2V to +104V, driving frequency 10Hz, see FIG. 3). Using a laser Doppler vibrometer, a laser was irradiated from above the dielectric element 204 (Z direction, see FIG. 8), and the amount of expansion and contraction displacement in the thickness direction (Z direction) of the dielectric element 204 was measured. Furthermore, the amount of displacement in the polarization direction/electric field strength/number of layers was calculated as the amount of displacement d33 * . The following [Table 2] is a table showing the configuration and measurement results of the dielectric element 204.

Figure 0007606851000002
Figure 0007606851000002

上記[表2]における「材料」は各実施例における誘電体素子204の誘電体211を構成する誘電材料である。下記の[表3]は、実施例4及び5に係るBT1の組成と実施例6に係るBT2の組成を示す表である。下記の[表4]は、実施例7に係るLNKN1の組成を示す表である。実施例8に係るPZT1の組成は、PZT-PZN(Pb(Zr1/2Ti1/2)O-Pb(Zn1/3Nb2/3)O)である。 The "Material" in the above [Table 2] is the dielectric material constituting the dielectric 211 of the dielectric element 204 in each example. The following [Table 3] is a table showing the composition of BT1 in Examples 4 and 5 and the composition of BT2 in Example 6. The following [Table 4] is a table showing the composition of LNKN1 in Example 7. The composition of PZT1 in Example 8 is PZT-PZN (Pb(Zr 1/2 Ti 1/2 )O 3 -Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 ).

Figure 0007606851000003
Figure 0007606851000003

Figure 0007606851000004
Figure 0007606851000004

実施例4、7及び8に係る誘電体素子204は25℃、3.5kV/mm、15minの条件で分極し、変位計測を実施した。一方、実施例5及び6に係る誘電体素子204は未分極の状態で変位計測を実施した。 The dielectric elements 204 of Examples 4, 7, and 8 were polarized at 25°C, 3.5 kV/mm, and 15 min, and displacement measurements were performed. On the other hand, the dielectric elements 204 of Examples 5 and 6 were subjected to displacement measurements in an unpolarized state.

上記[表2]に示すように、実施例7に係るLNKN1及び実施例8に係るPZT1は共にキュリー温度Tcが300℃以上、抗電界Ecが1kV/mm以上の材料である。実施例7では変位量d33は190pm/Vであり、実施例8では変位量d33は450pm/Vであった。 As shown in Table 2 above, both LNKN1 according to Example 7 and PZT1 according to Example 8 are materials with a Curie temperature Tc of 300° C. or higher and a coercive field Ec of 1 kV/mm or higher. In Example 7, the displacement d33 * was 190 pm/V, and in Example 8, the displacement d33 * was 450 pm/V.

一方、実施例4-6に係るBT1及びBT2は、キュリー温度Tcが300℃未満、抗電界Ecが1kV/mm未満の材料である。実施例4及び5では変位量d33が370pm/V、実施例6では変位量d33が390pm/Vであった。したがって、キュリー温度Tcが300℃未満、抗電界Ecが1kV/mm未満の材料であってもキュリー温度Tcが300℃以上、抗電界Ecが1kV/mm以上の材料と比較して遜色のない変位量が得られた。 On the other hand, BT1 and BT2 according to Examples 4-6 are materials having a Curie temperature Tc of less than 300° C. and a coercive electric field Ec of less than 1 kV/mm. In Examples 4 and 5, the displacement d33 * was 370 pm/V, and in Example 6, the displacement d33 * was 390 pm/V. Therefore, even though the material had a Curie temperature Tc of less than 300° C. and a coercive electric field Ec of less than 1 kV/mm, a displacement comparable to that of a material having a Curie temperature Tc of 300° C. or higher and a coercive electric field Ec of 1 kV/mm or higher was obtained.

また、実施例4-6から、誘電体素子204は未分極の状態であっても、分極した状態と同程度の変位量が得られた。したがって、誘電体素子204は分極処理を必要としないものである。 In addition, from Examples 4-6, even when the dielectric element 204 was in an unpolarized state, a displacement amount equivalent to that in a polarized state was obtained. Therefore, the dielectric element 204 does not require polarization processing.

100、200…変位駆動装置
101…圧電アクチュエータ
102、202…駆動回路
103、203…駆動対象物
104…圧電素子
105、205…正極配線
106、206…負極配線
111…圧電体
112、212…正極
113、213…負極
114、214…正極内部電極
115、215…正極外部電極
116、216…負極内部電極
117、217…負極外部電極
201…アクチュエータ
204…誘電体素子
211…誘電体
100, 200... Displacement driving device 101... Piezoelectric actuator 102, 202... Driving circuit 103, 203... Drive target 104... Piezoelectric element 105, 205... Positive electrode wiring 106, 206... Negative electrode wiring 111... Piezoelectric body 112, 212... Positive electrode 113, 213... Negative electrode 114, 214... Positive electrode internal electrode 115, 215... Positive electrode external electrode 116, 216... Negative electrode internal electrode 117, 217... Negative electrode external electrode 201... Actuator 204... Dielectric element 211... Dielectric

Claims (13)

電界誘起歪を発現するセラミックスと、前記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記セラミックスの内部に前記セラミックスを介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する誘電体素子の、前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を前記正極と前記負極の間に印加する
駆動方法。
a dielectric element including: a ceramic that exhibits electric-field-induced distortion; a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on a surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes, the driving method comprising: applying, between the positive electrode and the negative electrode, a driving voltage waveform having a predetermined driving frequency, wherein a first driving maximum voltage which is one peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times a breakdown voltage of the ceramic at the driving frequency, and a second driving maximum voltage which is the other peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times a coercive electric field of the ceramic in a polarity opposite to that of the first driving maximum voltage, between the positive electrode and the negative electrode.
請求項1に記載の駆動方法であって、
前記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満である
駆動方法。
2. The driving method according to claim 1,
The ceramic has a coercive electric field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300° C.
請求項1又は2に記載の駆動方法であって、
前記駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波である
駆動方法。
The driving method according to claim 1 or 2,
The driving method, wherein the driving voltage waveform is a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave thereof.
電界誘起歪を発現するセラミックスと、前記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記セラミックスの内部に前記セラミックスを介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する誘電体素子の、前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、前記正極と前記負極の間に印加する
駆動回路。
a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on a surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes. A drive circuit generates a drive voltage waveform having a predetermined drive frequency, which is applied between the positive electrode and the negative electrode, wherein a first drive maximum voltage which is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times a breakdown voltage of the ceramic at the drive frequency, and a second drive maximum voltage which is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times a coercive electric field of the ceramic in a polarity opposite to that of the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.
請求項4に記載の駆動回路であって、
前記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満である
駆動回路。
5. A drive circuit according to claim 4,
The ceramic has a coercive electric field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300° C.
電界誘起歪を発現するセラミックスと、前記セラミックスの内部に設けられた複数の正極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記セラミックスの内部に前記セラミックスを介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記セラミックスの表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する誘電体素子と、
前記誘電体素子が接合された駆動対象物と、
前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記セラミックスのブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記セラミックスの抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、前記正極と前記負極の間に印加する駆動回路と
を具備する変位駆動装置。
a dielectric element including: a ceramic that exhibits electric field induced strain; a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the ceramic and a positive external electrode provided on a surface of the ceramic and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the ceramic facing the plurality of positive internal electrodes via the ceramic and a negative external electrode provided on the surface of the ceramic and connected to the plurality of negative internal electrodes ;
a driving object to which the dielectric element is bonded; and
a drive circuit that generates a drive voltage waveform that is applied between the positive electrode and the negative electrode and has a predetermined drive frequency, wherein a first drive maximum voltage that is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the ceramic at the drive frequency, and a second drive maximum voltage that is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the ceramic in the opposite polarity to the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.
請求項6に記載の変位駆動装置であって、
前記セラミックスは、抗電界が1kV/mm未満又はキュリー温度が300℃未満である
変位駆動装置。
The displacement drive device according to claim 6,
The ceramic has a coercive electric field of less than 1 kV/mm or a Curie temperature of less than 300° C.
請求項6又は7に記載の変位駆動装置であって、
前記誘電体素子及び前記駆動対象物はアクチュエータを構成する
変位駆動装置。
The displacement drive device according to claim 6 or 7,
The dielectric element and the object to be driven constitute an actuator.
圧電材料からなる圧電体と、前記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記圧電体の内部に前記圧電体を介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する圧電素子の、前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を前記正極と前記負極の間に印加する
駆動方法。
a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes, the method comprising: applying, between the positive electrode and the negative electrode , a driving voltage waveform having a predetermined driving frequency, wherein a first driving maximum voltage which is one peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times a breakdown voltage of the piezoelectric body at the driving frequency, and a second driving maximum voltage which is the other peak voltage of the driving voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times a coercive electric field of the piezoelectric material in a polarity opposite to that of the first driving maximum voltage, between the positive electrode and the negative electrode.
請求項9に記載の駆動方法であって、
前記駆動電圧波形は、正弦波、三角波、ハーバーサイン波、ガウシアン波又はこれらのバースト波である
駆動方法。
The driving method according to claim 9,
The driving voltage waveform is a sine wave, a triangular wave, a Haversine wave, a Gaussian wave, or a burst wave thereof.
Drive method.
圧電材料からなる圧電体と、前記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記圧電体の内部に前記圧電体を介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する圧電素子の、前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、前記正極と前記負極の間に印加する
駆動回路。
a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes. A drive circuit generates a drive voltage waveform having a predetermined drive frequency and is applied between the positive electrode and the negative electrode of a piezoelectric element having a piezoelectric body made of a piezoelectric material, a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body, and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes, the drive circuit generating a drive voltage waveform having a predetermined drive frequency and a first drive maximum voltage which is one peak voltage of the drive voltage waveform, which is a voltage between 0.37 and 0.84 times a breakdown voltage of the piezoelectric body at the drive frequency, and a second drive maximum voltage which is the other peak voltage of the drive voltage waveform, which is a voltage between 0.1 and 0.8 times a coercive electric field of the piezoelectric material in a polarity opposite to that of the first drive maximum voltage, and applying the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.
圧電材料からなる圧電体と、前記圧電体の内部に設けられた複数の正極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の正極内部電極に接続された正極外部電極とを含む正極と、前記圧電体の内部に前記圧電体を介して前記複数の正極内部電極に対向して設けられた複数の負極内部電極と前記圧電体の表面に設けられ前記複数の負極内部電極に接続された負極外部電極とを含む負極と、を有する圧電素子と、
前記圧電素子が接合された振動体と、
前記正極と前記負極の間に印加され、所定の駆動周波数を有する駆動電圧波形であって、前記駆動電圧波形のうち一方のピーク電圧である第1駆動最大電圧が、前記駆動周波数における前記圧電体のブレークダウン電圧の0.37倍と0.84倍の間の電圧であり、前記駆動電圧波形のうち他方のピーク電圧である第2駆動最大電圧が、前記第1駆動最大電圧と反対の極性において前記圧電材料の抗電界の0.1倍と0.8倍の間の電圧である駆動電圧波形を生成し、前記正極と前記負極の間に印加する駆動回路と
を具備する変位駆動装置。
a piezoelectric element including: a piezoelectric body made of a piezoelectric material; a positive electrode including a plurality of positive internal electrodes provided inside the piezoelectric body and a positive external electrode provided on a surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of positive internal electrodes; and a negative electrode including a plurality of negative internal electrodes provided inside the piezoelectric body facing the plurality of positive internal electrodes via the piezoelectric body and a negative external electrode provided on the surface of the piezoelectric body and connected to the plurality of negative internal electrodes ;
a vibration body to which the piezoelectric element is bonded;
a drive circuit that generates a drive voltage waveform that is applied between the positive electrode and the negative electrode and has a predetermined drive frequency, wherein a first drive maximum voltage that is one peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.37 and 0.84 times the breakdown voltage of the piezoelectric body at the drive frequency, and a second drive maximum voltage that is the other peak voltage of the drive voltage waveform is a voltage between 0.1 and 0.8 times the coercive electric field of the piezoelectric material in the opposite polarity to the first drive maximum voltage, and applies the drive voltage waveform between the positive electrode and the negative electrode.
請求項12に記載の変位駆動装置であって、
前記圧電素子及び前記振動体は圧電アクチュエータを構成し、前記振動体の振動により、前記振動体に触覚を発生させる
変位駆動装置。
The displacement drive device according to claim 12,
The piezoelectric element and the vibrating body constitute a piezoelectric actuator, and a tactile sensation is generated on the vibrating body by vibration of the vibrating body.
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