JP2006180639A - 圧電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも2周期以上の駆動波形を印加した後、電圧を反転させた駆動波形を2周期以上印加する。
【選択図】 図1
Description
例えば、光学系の焦点補正や傾角制御、インクジェットプリンタ装置、磁気ディスク装置のヘッドアクチュエータ等では、微小距離を移動制御することができる圧電アクチュエータが必要となっている。
図12は従来の積層型圧電アクチュエータの概略的斜視図であり、PNN−PT−PZ等の圧電体層41となるグリーンシート上にAu等の内部電極層42をスクリーン印刷し、次いで、その上に新たなグリーンシートを重ね再び内部電極層42をスクリーン印刷し、この工程を必要とする積層数だけ繰り返して圧電体ブロックを形成する。
この様なマイグレーションに対する耐性を高めるためには図13に示すように、側面に電極が露出しないような構成をとることも可能であるが、そのような構成の場合、壁44が変位量を拘束してしまい、圧電アクチュエータが本来持っている変位量を低減させてしまい、要求される変位特性を満たせないことが多い。
以上の事情から、依然として信頼性まで含めた高性能圧電アクチュエータが開発されていないのが現状である。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、圧電アクチュエータの駆動方法において、少なくとも2周期以上の駆動波形を印加した後、電圧を反転させた駆動波形を2周期以上印加することを特徴とする。
この場合には、少なくとも初期においては1時間以上の周期で反転させことが望ましいが、最も短い周期としては2周期の駆動波形となる。
なお、頻繁に反転を行ってもマイグレーションによる絶縁抵抗の低下を効果的に抑制することができるが、反転回数が飛躍的に増大すると分極反転に起因する劣化が加速される。
この様な電圧反転時においては、反転直後の最初のパルスにおいては駆動は若干不安定になるが、反転時の電圧変化率が0でない場合には不安定性が大きくなる。
まず、PbO、NiO、Nb2 O5 、TiO2 、及び、ZrO2 の各原料を所定量秤量し、溶媒として純水(H2 O)またはアルコールを用いて、ボールミルによって湿式粉砕しながら混合する。
なお、この場合の各原料はいずれも粉末状であり、例えば、各原料がモル%において、PbO:NiO:Nb2 O5 :TiO2 :ZrO2 =50:8.3:16.3:17:8になるように秤量する。
次いで、乾燥した粉末を電気炉に入れ、例えば、850℃で3時間仮焼成させてペロブスカイト構造を有するPb(Ni、Nb)O3 −PbTiO3 −PbZrO3 (PNN−PT−PZ)の化合物からなる仮焼粉末を得る。
この場合の溶媒としてはエチルアルコールを、バインダとしてはポリビニルブチラールを、可塑剤としてはフタル酸ジブチルを、分散剤としてはセルナ501(中京油脂社製商品名)を用いるものであり、混合比は粉末100重量部に対して、
エチルアルコール 35.0重量部
ポリビニルブチラール 5.0重量部
フタル酸ジブチル 1.9重量部
セルナ501(中京油脂社製商品名) 1.8重量部
とする。
次いで、粘度を調整したスラリーをドクターブレード法によって、マイラーシート上に、厚さが、例えば、焼成後に0.1mmになるようにシート状に形成し、乾燥させることによってグリーンシートとしたのち、乾燥したグリーンシートを切断し、所定の大きさに打ち抜く。
なお、この場合、組成比a,b,cは、上記の秤量比の場合には、a≒0.5、b≒0.34、c≒0.16となる。
このように作製したサンプルを80℃,80%の高温・高湿の環境に置き、図2に示すように約225Vの電圧を50時間毎に電圧反転させて加速劣化試験を行った。
その結果、試験前は、502GΩあった絶縁抵抗は、200時間後には、2.85GΩまでしか低下しなかった。
一方、同時に作成した他のサンプルを80℃,80%の高温・高湿の環境に置き、図3に示すように約225Vの電圧を連続的に印加して加速劣化試験を行った結果、試験前は492GΩあった絶縁抵抗は、200時間後には0.911GΩまで低下し、電圧を反転させた場合に比べて3倍以上絶縁抵抗が低下した。
この場合の絶縁抵抗低下はマイグレーションによる拡散電極材料の蓄積によるものと考えられるので、電圧の印加方向を変更する周期をより短くすれば、拡散電極材料の蓄積が少なくなるので、絶縁抵抗低下をより効果的に抑制することができる。
まず、上記の実施例1と同様な方法でグリーンシートを作成するが、この場合には、焼成後の厚さが38μmになるようにする。
なお、何も印刷していないグリーンシートは、全体の厚さが薄い場合に、良好な焼成が行われないために設けるものであり、素子特性には直接影響しないものである。
図4は、本発明の実施例2に用いる駆動回路図であり、印加電圧をベースを決定する直流バイアス電源13、交流駆動電源14、及び、圧電アクチュエータ11に印加する駆動電圧の極性を反転するためのスイッチ手段12によって構成される。
図5は本発明の実施例2における駆動電圧波形図であり、直流バイアス電源13により正の駆動電圧波形の最低値及び負の駆動電圧波形の最大値が0Vになるように設定する。 積層型圧電アクチュエータを80℃,80%の高温・高湿環境に置き、交流駆動電源14により約57Vの正弦波電圧を周波数1kHzで50時間毎に電圧反転させるのである。
この結果からみると、実施例1の単層型圧電アクチュエータと積層型圧電アクチュエータにおける直流電圧と正弦波電圧でも劣化の度合いに大差はなかった。
したがって、実用的な積層型圧電アクチュエータにおいても、一定時間経過後に印加電圧を反転させることにより劣化抑制することが可能である。
図6は、本発明の実施例3の圧電アクチュエータの駆動方法における駆動電圧波形の説明図であり、ここでも約57Vの正弦波電圧を周波数1kHzで印加するが、電圧反転を順次短縮して行うものである。
図7参照
図7は、上述の圧電アクチュエータの駆動方法を採用した本発明の実施例4の磁気ディスク装置の本体部を示す要部斜視図であり、磁気ディスク装置20は、磁気ディスク21に書き込まれた磁気情報を読み取るとともに、磁気ディスク31に磁気情報を書き込む磁気センサを備えたスライダー22、サスペンション(図示を省略)を介してスライダー22を先端部に取り付けた微動アーム23、微動アーム23を駆動する一対の圧電アクチュエータ24、微動アーム23を軸26により揺動支持するとともに磁気ディスク装置20のシャーシ(図示を省略)に回動可能に支持されたベースアーム25、ベースアーム25を駆動する電磁アクチュエータ27によって構成される。
この場合、圧電アクチュエータ24は、その上下面が微動アーム23の後端部とベースアーム25の先端部に接着固定されている。
図8は、本発明の実施例4の磁気ディスク装置の機能を示すブロック図であり、磁気ディスク装置20には、圧電アクチュエータ24を電圧反転させながら駆動する駆動回路30、磁気ディスク装置20の稼働時間を計測・積算するタイマー28、計測・積算した稼働時間を磁気ディスク21の稼働時間記録領域に直接書き込む制御回路29が設けられてる。
図9は、駆動回路の回路構成図であり、連動する一対のスイッチ手段31、直流バイアス電源32、及び、交流駆動電源33からなる。
図10は、駆動電圧のタイムチャートの一例であり、ここでは50時間毎に反転させた場合を示している。
図に示すように、直流バイアス電圧を調整することによって、平均電圧値が正の場合においては、印加電圧の最大値V+maxが正の抗電界+Ec 以上であり且つ最小値V+minが負の抗電界−Ec 以上に設定し、電圧を反転させて平均電圧値が負の場合においては、印加電圧の最大値V-maxが正の抗電界+Ec 以下であり且つ最小値V-minが負の抗電界−Ec 以下に設定する。
図11は、一般的な使用状態における圧電アクチュエータ制御のフローチャートであり、電源をオンにした段階で後述する工程で磁気ディスクに直接書き込んだ積算稼働時間を読み出し、経過時間を判定する。
再び、図1参照
(付記1) 少なくとも2周期以上の駆動波形を印加した後、電圧を反転させた駆動波形を2周期以上印加することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記2) 上記印加電圧の最大値が正の抗電界以上であり且つ最小値が負の抗電界以上であるか或いは印加電圧の最大値が正の抗電界以下であり且つ最小値が負の抗電界以下であることを特徴とする付記1記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記3) 上記印加電圧の反転が少なくとも1回以上行われ、且つ、前記反転周期が等間隔であることを特徴とする付記1または2に記載の圧電アクチュエータ1の制御方法。
(付記4) 上記印加電圧の反転が少なくとも1 回以上行われ、且つ、前記反転周期を徐々に短くすることを特徴とする付記1または2に記載の圧電アクチュエータ1の制御方法。
(付記5) 上記印加電圧の反転時の電圧変化率が0であることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記6) 上記印加電圧の反転時に、タイマを利用して印加電圧を反転させることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の圧電アクチュエータ1の制御方法。
(付記7) 上記圧電アクチュエータ1が、電極が側面に露出している積層型圧電アクチュエータ1であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記8) 上記圧電アクチュエータ1が、抗電圧が100kV/cm以下のソフト材であることを特徴とする付記1乃至7のいずれか1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記9) 上記圧電アクチュエータ1が、PbTiO3 、Pb(Zr,Ti)O3 、Pb(Ni,Nb)O3 、Pb(Ni,Nb)O3 −PbTiO3 −PbZrO3 、Pb(Mg,Nb)O3 、或いは、Pb(Mg,Nb)O3 −Pb(Zr,Ti)O3 のいずれかを主成分とする圧電体で構成されることを特徴とする付記8記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記10) 上記圧電アクチュエータ1の側面に露出する電極が、Ag、Pd、Ag−Pd、Pt、Au、Ir、或いは、Ir酸化物のいずれかであることを特徴とする付記7乃至9のいずれか1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記11) 上記電極が圧電アクチュエータ1の側面に露出する電極が、Ag、Pd、Ag−Pd、Pt、Au、Ir、或いは、Ir酸化物のいずれかとセラミックスとからなることを特徴とする付記7乃至9のいずれか1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記12) 上記電極に含まれるセラミックスの組成が、圧電アクチュエータ1の組成と同一であることを特徴とする付記11記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
(付記13) 付記1乃至12のいずれか1に記載の圧電アクチュエータ1の駆動方法により磁気ヘッドの移動制御を行う移動制御機構を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
(付記14) 稼働時間をディスクに保存する稼働時間記憶機構を備えたことを特徴とする付記13記載の磁気ディスク装置。
(付記15) 上記電圧反転のタイミングを決定するタイマを具備したことを特徴とする付記13または14に記載の磁気ディスク装置。
2 スイッチ手段
3 直流バイアス電源
4 交流駆動電源
11 圧電アクチュエータ
12 スイッチ手段
13 直流バイアス電源
14 交流駆動電源
20 磁気ディスク装置
21 磁気ディスク
22 スライダー
23 微動アーム
24 圧電アクチュエータ
25 ベースアーム
26 軸
27 電磁アクチュエータ
28 タイマー
29 制御回路
30 駆動回路
31 スイッチ手段
32 直流バイアス電源
33 交流駆動電源
41 圧電体層
42 内部電極層
43 表面電極
44 壁
Claims (5)
- 少なくとも2周期以上の駆動波形を印加した後、電圧を反転させた駆動波形を2周期以上印加することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
- 上記印加電圧の最大値が正の抗電界以上であり且つ最小値が負の抗電界以上であるか或いは印加電圧の最大値が正の抗電界以下であり且つ最小値が負の抗電界以下であることを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
- 上記印加電圧の反転が少なくとも1回以上行われ、且つ、前記反転周期が等間隔であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電アクチュエータの制御方法。
- 上記印加電圧の反転が少なくとも1 回以上行われ、且つ、前記反転周期を徐々に短くすることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電アクチュエータの制御方法。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータの駆動方法により磁気ヘッドの移動制御を行う移動制御機構を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
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