JPH1197755A

JPH1197755A - 圧電素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH1197755A
Application number: JP9255524A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Aoyama; 拓青山; Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】アクチュエータ等に利用される圧電素子を外
部電圧印加により駆動する際、その変形量を大きくする
為の駆動方法は従来検討されていなかった。【解決手段】圧電体を挟む一対（２枚）の電極間の印
加電圧の符号が入れ替わるパルス駆動方式とする。圧電
体が強誘電体の場合、一方の電極に対し抗電界を越えな
いバイアス電圧を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界を印加するこ
とで変位を得る、いわゆる圧電体を構成要素の一つとし
た圧電素子の駆動方法に関する。圧電素子はアクチュエ
ータ等に利用され、さらに薄膜デバイス化により微小領
域でのマイクロアクチュエータとして利用される。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子を用いたアクチュエータ（圧電
アクチュエータ）の利点は、微小領域での変位制御を再
現性良くおこなえることにある。従って、このようなア
クチュエータの多くは微小領域において正確な位置決め
装置として利用される。その場合、位置精度を向上させ
るために、印加電圧と変形量との関係が比較的良好な直
線関係を示す範囲を利用し制御を行っている。そしてそ
の駆動方式は、正確な位置決めが目的であるため、静的
な直流電界を安定に保持すること、即ち単純な直流駆動
である。

【０００３】圧電アクチュエータのもう一つの重要な利
用法としては、超音波発振源等の動的な変位、即ち振動
を利用するものがある。ここでは、目的とする発振周波
数と同一な交流電界を圧電体に印加することによって駆
動を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここでは、交流駆動
（正弦波のみならず矩形波、パルス等の周期を有するも
のも含む）により、圧電体を変形させる際、その変形量
（二つの状態間の相対変位量）を大きくすることを目的
としている。

【０００５】さて、先ず上述の従来技術における静的な
直流駆動では、その駆動方法に着目すると、静的な位置
決め精度の向上のみを目的としているため、印加電界と
圧電体の変形量（変位）のヒステリシスを考慮して、い
つも同一方向に電界を増加（または減少）させて所望の
電界値に設定すればよい。従って、変形量を可能な限り
大きくするといった要請はなく、よってそのような目的
を達成するための駆動方法に関する検討はこれまで一切
成されていない。

【０００６】次に、超音波発振源等の動的な変位、即ち
振動を利用するものに圧電体が応用される際の従来の駆
動方法について述べると、その目的は、正確な振動数の
発振である。二つの電極の内、片方はアースに落とし
（０Ｖ）、もう一方の電極に正方向（または負方向）の
みの交流駆動（正弦波のみならず矩形波、パルス等の周
期を有するものも含む）により、圧電体を変形させるも
のである。これは、用いる圧電体が強誘電体の場合その
自発分極の反転が起こらないようにするためである。し
かしながら、このような駆動方法では、圧電体の変形量
を大きくするといった観点からすると、その性質を十分
に発揮することは出来ないという問題点を有する。つま
り、圧電体はある一定方向に伸びることも縮むこともで
きるのだが、上述の従来技術による駆動方法だと、圧電
体がある一定方向に伸びるだけか、縮むだけであるから
である。

【０００７】そこで、本発明はこのような問題点を解決
するもので、その目的とするところは、交流駆動（正弦
波のみならず矩形波、パルス等の周期を有するものも含
む）により、圧電体を変形させる際、その変形量（二つ
の状態間の相対変位量）を最大にするような、効率の良
い圧電素子の駆動方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子の駆動
方法は、圧電性を有する材料（圧電体）とこれを挟む二
枚の平行電極（以下各々電極Ａ及び電極Ｂとする）とか
らなる圧電素子に対し、該電極Ａ、Ｂ間に電界をかける
ことにより該圧電体を含む該圧電素子を変形せしめる圧
電素子の駆動方法において、電極Ａの電位（この値を０
Ｖとする）に対し、電極Ｂの電位が高い領域Ｖｈ（即ち
正の値）と、電極Ａの電位（０Ｖ）に対し、電極Ｂの電
位が低い領域Ｖｌ（即ち負の値）とが交互に入れ替わる
一連の繰り返し電界印加方式によって圧電素子を変形駆
動することを特徴とする。また、本発明の圧電素子の駆
動方法は、周囲の一部が他の剛体（支持体）に束縛され
ている電極板Ａと、その上部に形成された圧電体膜と、
更にその上部に形成された電極板Ｂとからなる圧電素子
に対し、該電極板Ａ、Ｂ間に電界をかけることにより該
圧電体膜を含む該圧電素子を変形せしめる圧電素子の駆
動方法において、電極板Ａの電位（この値を０Ｖとす
る）に対し、電極板Ｂの電位が高い領域Ｖｈ（即ち正の
値）と、電極板Ａの電位（０Ｖ）に対し、電極板Ｂの電
位が低い領域Ｖｌ（即ち負の値）とが交互に入れ替わる
一連の繰り返し電界印加方式によって圧電素子を変形駆
動することを特徴とする。また、本発明の圧電素子の駆
動方法は、圧電体が強誘電体である場合、前記Ｖｈ（ま
たはＶｌ）が該強誘電体の自発分極Ｐを一定方向に揃え
るに十分な値を有し、かつＶｌ（またはＶｈ）が該自発
分極方向の符号を反転させない値であることを特徴とす
る。また、本発明の圧電素子の駆動方法は、圧電体が強
誘電体である場合、前記Ｖｌ（またはＶｈ）の絶対値
が、抗電界Ｅｃの絶対値以下であることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下実施例に基づき、本発明を更
に詳細に説明する。

【００１０】（実施例１）縦１ｃｍ、横１ｃｍ、厚み５
ｍｍの圧電体の上面及び下面に金電極を蒸着し、この２
枚の電極間に静電界（直流電圧）を印加した。圧電体の
分極方向は下面から上面方向（＋Ｚ方向）である。異な
る印加電圧に対する圧電体のＺ方向の厚みの変化量（歪
み量）をレーザー変位計で測定した。結果を図１に示
す。図１で、横軸は印加電圧で正符号は分極軸方向（Ｚ
方向）に一致する。ここでは、静電界下での変形量（歪
み量）を無印加電圧時の厚みと比較して評価を行った。
図１より、本実施例の印加条件の範囲内で、変形量と印
加電圧の関係が直線間系ではないことがわかる。

【００１１】本結果より、交流駆動（矩形波、正弦波等
の印加電圧）時の圧電体の相対変形量がわかる。即ち、
同じ交流の振幅でも、０Ｖ〜１０Ｖ間の駆動時（従来一
般に行われている駆動方法）より、−２Ｖ〜＋８Ｖ間の
駆動時（本発明の駆動方法）の方が、厚みの変化の差は
大きくなることが明らかとなった。

【００１２】（実施例２）圧電体膜を２枚の電極板で狭
持する構造を有する、図２（断面図）に示した形状の振
動板を作製した。下電極２０３をアースにとり、上電極
２０１に図３に示した波形のパルスを繰り返し印加する
ことにより、振動板を上下に振動させた。その時の振動
板中央部の変位量Ｚは、レーザー光照射によるドップラ
ー効果を利用し、得られた振動板の変形速度を積分する
ことにより求めた。

【００１３】本実施例では、図２に示した圧電体２０２
が強誘電体でもあるチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴ
と表記する）、上電極２０１と下電極２０３が共に白金
（Ｐｔ）からなり、他の構造体は石英（ＳｉＯ２）で構
成されているものを用いた。

【００１４】電極２０３をアース（０Ｖ）し、電極２０
１に振幅１５Ｖのパルスを印加する際、図３のバイアス
電圧Ｖｏｆｆをパラメータとして変化させて駆動した時
の変位量Ｚの挙動を調べた。変位量Ｚのバイアス電圧Ｖ
ｏｆｆ依存性を図４に示す。図４から明らかなように、
Ｚの値がもっとも大きくなるのは、Ｖｏｆｆ＝−３Ｖの
時であることがわかった。これより、振動板の変位量
は、片方の電極の電位を基準にし（本実施例の場合は、
電極２０３を０Ｖに設定した）、この電位をまたぐ形で
もう片方の電極にパルス駆動電圧を印加すると最大値を
とることがわかった。

【００１５】一方、ＰＺＴは強誘電体なので、自発分極
Ｐｓの印加電圧Ｖ依存性を調べた。いわゆるＰｓ−Ｖヒ
ステリシス曲線は、ソーヤータワー回路を用いて測定す
ることで得た。結果を図５に示す。図５より抗電界Ｅｃ
の値（絶対値）は３Ｖであることが判明した。この値
は、先の振動板の変位量Ｚが最大値を示す値と一致して
いる。このことは、圧電体としてＰＺＴに代表される強
誘電体を用いる場合、Ｐｓの符号が反転しない範囲で振
動板の上下電極間にパルス電界を印加すれば、その範囲
内では上下電極間の相対的な電位の符号の逆転領域を含
めて駆動するのが振幅を大きくするには優れている駆動
方法であると結論される。図４より、従来一般に採用さ
れていたＶｏｆｆ＝０Ｖ時の駆動に比べ、本発明のＶｏ
ｆｆ＝−３Ｖ時の駆動時の変位量の方が約１０％大きな
値を得ることが可能となった。また、Ｖｏｆｆの絶対値
が抗電界Ｅｃに一致しなくてもＥｃを中心としたある範
囲（本実施例では、−５Ｖ＜Ｖｏｆｆ＜０Ｖの範囲）で
従来例（Ｖｏｆｆ＝０Ｖ）よりも振動板の変位量Ｚは大
きな値を得た（図４）。

【００１６】本実施例では、強誘電体としてＰＺＴを用
いたが、これに限定されることはなく、用いる強誘電体
材料の抗電界を予め求めておけば、本実施例に示した効
果が得られることは明らかである。更に、強誘電体を除
く圧電体、即ち自発分極の方向が外力で変化せず分極方
向が一定であるものに対しては、強誘電体の場合のよう
な抗電界を考慮する必要がないので、Ｖｏｆｆの設定値
による振動板変位量の制御に関する自由度が大きくなる
ので、本発明の効果が得られるのはやはり明らかであ
る。

【００１７】（実施例３）圧電体膜を２枚の電極板で狭
持する構造を有する、図２（断面図）に示した形状の振
動板を作製した。下電極２０３をアースにとり、上電極
２０１に図３に示した波形のパルスを繰り返し印加する
ことにより、振動板を上下に振動させた。その時の振動
板中央部の変位量Ｚは、レーザー光照射によるドップラ
ー効果を利用し、得られた振動板の変形速度を積分する
ことにより求めた。

【００１８】本実施例では、図２に示した圧電体２０２
が強誘電体でもあるチタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴ
と表記する）、上電極２０１と下電極２０３が共に白金
（Ｐｔ）からなり、他の構造体は石英（ＳｉＯ２）で構
成されているものを用いた。

【００１９】従来用いられている駆動方法に従い、電極
２０３をアース（０Ｖ）し、電極２０１に前記パルスの
振幅をアース（０Ｖ）を基準に（即ち、Ｖｏｆｆ＝０Ｖ
を保ちつつ）増大させながら印加していき、その時の振
動板の変位量Ｚの挙動を調べた。結果を図６に示す。図
６より変位量Ｚとパルス振幅の関係は、ごく初期（振幅
約５Ｖ以下の領域）には直線関係であるが、振幅の上昇
に伴い上に凸の曲線を描き（５〜２０Ｖ領域）、２０Ｖ
を越えるとＰＺＴ膜が絶縁破壊に至ることがわかった。

【００２０】次に、本発明の駆動方式で振動板を変形さ
せる。電極２０３はアース（０Ｖ）の状態を保ち、図３
におけるＶｏｆｆ＝−３Ｖに設定し、上記と同様に振動
板変位量のパルス振幅依存性を調べた。結果を図７に示
す。先と同様、絶縁破壊はＶｈ＝（振幅）−３＝２０Ｖ
を越えると起こるが、Ｖｈ＝２０Ｖ時に変形量Ｚは最大
値に達し、従来例（Ｖｏｆｆ＝０Ｖ）に比べて約２０％
最大変位量の向上が達成された。この時、電極２０１へ
の印加電圧の振幅は２３Ｖとなり、ＰＺＴの自発分極Ｐ
ｓが方向を変えない範囲（抗電界Ｅｃ＝３Ｖなので、Ｖ
ｏｆｆ＝−３Ｖ近傍が変形量が最大となる。前述実施例
２参照）で駆動することで、印加電圧の振幅をより大き
く出来たことによる効果も含まれる。

【００２１】本実施例では、強誘電体としてＰＺＴを用
いたが、これに限定されることはなく、用いる強誘電体
材料の抗電界を予め求めておけば、本実施例に示した効
果が得られることは明らかである。更に、強誘電体を除
く圧電体、即ち自発分極の方向が外力で変化せず分極方
向が一定であるものに対しては、強誘電体の場合のよう
な抗電界を考慮する必要がないので、Ｖｏｆｆの設定値
による振動板変位量の制御に関する自由度が大きくなる
ので、本発明の効果が得られるのはやはり明らかであ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上に示したように、２枚の電極に狭
持された圧電体に電界を印加し変形させるにあたり、片
方の電極の電位（Ｖ１、例えばアースをとればよい）に
対し、もう一つの電極の電位Ｖ２が、Ｖ１をまたぐよう
なパルス波形に設定することにより、従来の駆動方式
（常にＶ２がＶ１以上の値、もしくは常にＶ１がＶ２以
上の値）に比べ、同一構成で振動板の変形量を増大させ
ることが可能となった。また、圧電体が強誘電体の場合
は、その自発分極を反転させない領域を利用し、かつ抗
電界値Ｅｃを予め測定しておくことにより、その値を利
用することで、従来法に比べ、同一構成で振動板の変形
量を大幅に増大させることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】歪み量と印加電圧の関係図。

【図２】本発明で用いた振動板構成の断面図。

【図２】本発明の酸化物の成膜装置の概略図。

【図３】本発明における上電極に印加するパルス波形
図。

【図４】本発明の駆動方法による変位量とＶｏｆｆの
関係図。

【図５】自発分極（Ｐｓ）と印加電圧（Ｖ）の関係
図。

【図６】従来の駆動方法による変位量とパルス振幅の
関係図。

【図７】本発明の駆動方法による変位量とパルス振幅
の関係図。

【符号の説明】

図２では２０１・・・上電極図２では２０２・・・圧電体膜図２では２０３・・・下電極図２では２０４・・・支持体（構造体）

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】歪み量と印加電圧の関係図。

【図２】本発明で用いた振動板構成の断面図。

【図３】本発明における上電極に印加するパルス波形
図。

【図５】自発分極（Ｐｓ）と印加電圧（Ｖ）の関係
図。

【符号の説明】図２では２０１・・・上電極図２では２０２・・・電圧体膜図２では２０３・・・下電極図２では２０４・・・支持体（構造体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性を有する材料（圧電体）とこれを
挟む二枚の平行電極（以下各々電極Ａ及び電極Ｂとす
る）とからなる圧電素子に対し、該電極Ａ、Ｂ間に電界
をかけることにより該圧電体を含む該圧電素子を変形せ
しめる圧電素子の駆動方法において、電極Ａの電位（こ
の値を０Ｖとする）に対し、電極Ｂの電位が高い領域Ｖ
ｈ（即ち正の値）と、電極Ａの電位（０Ｖ）に対し、電
極Ｂの電位が低い領域Ｖｌ（即ち負の値）とが交互に入
れ替わる一連の繰り返し電界印加方式によって圧電素子
を変形駆動することを特徴とする、圧電素子の駆動方
法。
【請求項２】周囲の一部が他の剛体（支持体）に束縛
されている電極板Ａと、その上部に形成された圧電体膜
と、更にその上部に形成された電極板Ｂとからなる圧電
素子に対し、該電極板Ａ、Ｂ間に電界をかけることによ
り該圧電体膜を含む該圧電素子を変形せしめる圧電素子
の駆動方法において、電極板Ａの電位（この値を０Ｖと
する）に対し、電極板Ｂの電位が高い領域Ｖｈ（即ち正
の値）と、電極板Ａの電位（０Ｖ）に対し、電極板Ｂの
電位が低い領域Ｖｌ（即ち負の値）とが交互に入れ替わ
る一連の繰り返し電界印加方式によって圧電素子を変形
駆動することを特徴とする、圧電素子の駆動方法。
【請求項３】圧電体（膜）が強誘電体（膜）であり、
かつ前記Ｖｈが該強誘電体（膜）の自発分極Ｐを一定方
向に揃えるに十分な値を有し、かつＶｌが該自発分極方
向の符号を反転させない値であることを特徴とする請求
項１、２いずれか記載の圧電素子の駆動方法。
【請求項４】圧電体（膜）が強誘電体（膜）であり、
かつ前記Ｖｌが該強誘電体（膜）の自発分極Ｐを一定方
向に揃えるに十分な値を有し、かつＶｈが該自発分極方
向の符号を反転させない値であることを特徴とする請求
項１、２いずれか記載の圧電素子の駆動方法。
【請求項５】前記Ｖｌの絶対値が、抗電界Ｅｃの絶対
値以下であることを特徴とする、請求項３記載の圧電素
子の駆動方法。
【請求項６】前記Ｖｈの絶対値が、抗電界Ｅｃの絶対
値以下であることを特徴とする、請求項４記載の圧電素
子の駆動方法。