JP2012079852A

JP2012079852A - Piezoelectric actuator, device with it, and piezoelectric actuator manufacturing method

Info

Publication number: JP2012079852A
Application number: JP2010222357A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Abe; 善幸阿部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator with a novel structure and an improved hysteresis characteristic.SOLUTION: A piezoelectric actuator 10 comprises an insulator layer 20, an upper piezoelectric part 30, a surface electrode 40 including a first surface electrode 41 to a fourth surface electrode 44, and a lower piezoelectric part 50. The upper piezoelectric part 30 comprises a plurality of upper piezoelectric members 32 laminated in a vertical direction, and upper internal electrodes 34 between the upper piezoelectric members 32, respectively. The lower piezoelectric part 50 comprises a plurality of lower piezoelectric members 52 laminated in a vertical direction, and lower electrodes 54 provided between the lower piezoelectric members 52 and on an undersurface of the lowermost piezoelectric member 52. There are four electrodes, the first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 functioning as external connection terminals, and therefore, a combination of the electrodes when applying polarity in polarization treatment and a combination of the electrodes when supplying driving signals in actual driving can be varied.

Description

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。 The present invention relates to a piezoelectric actuator having improved hysteresis characteristics.

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。 When the user presses the touch panel, it may not be possible to clearly recognize whether or not the touch panel has been pressed. In such a case, an erroneous operation such as pressing the same region twice will be caused. In order to prevent the erroneous operation as described above in the touch panel to which the piezoelectric actuator is applied, a means of driving the piezoelectric actuator with a large voltage and transmitting the amplitude to the user's finger can be considered. However, since the piezoelectric material constituting the piezoelectric actuator has a hysteresis characteristic, when it is driven with a large voltage, the harmonic distortion component becomes large, and unnecessary power is consumed. That is, there is a problem that low power consumption, which is one of the advantages of the piezoelectric actuator, is lost.

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。 As a technique for improving the hysteresis characteristics of a piezoelectric actuator, for example, there are those disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. However, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 correct the hysteresis characteristics not by the piezoelectric actuator itself but by an electronic circuit connected thereto, which increases the cost due to the increase in the number of components and increases the control loop. There is a problem such as deterioration of the original characteristics of the piezoelectric member.

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。 As a piezoelectric actuator having a relatively small hysteresis characteristic, for example, there is a bimorph type disclosed in Patent Document 3. Generally, a bimorph type piezoelectric actuator is configured by bonding a piezoelectric member to both surfaces of a metal shim. Piezoelectric members provided with a metal shim interposed therebetween are polarized in opposite directions and driven. In this way, ideally, the hysteresis characteristic of one piezoelectric member is canceled by the hysteresis characteristic of the other piezoelectric member. Therefore, the hysteresis characteristics of the piezoelectric actuator as a whole can be improved. The piezoelectric actuator disclosed in Patent Document 3 attempts to obtain a large amount of displacement by stacking general bimorph piezoelectric actuators.

特開平６−４１０７７３号公報JP-A-6-410773 特開平９−１８２４６６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-182466 特開平９−６４４３１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-64431

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。 In the case of a bimorph type piezoelectric actuator, if the hysteresis characteristics of the piezoelectric members to be paired greatly differ, mutual cancellation of the desired hysteresis characteristics does not occur, and the characteristics of the entire piezoelectric actuator deteriorate. On the other hand, the piezoelectric member generally has variations in characteristics due to its manufacturing process and the like. For example, even if the piezoelectric members are sintered on the same sintered setter, the resulting piezoelectric member varies in size and characteristics depending on the position on the sintered setter. Therefore, in order to improve the characteristics of the entire piezoelectric actuator, it is necessary to thoroughly pair the piezoelectric members.

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。 However, in addition to the problem of increased work costs when focusing on the pairing work, the piezoelectric members that were not selected in the pairing work may become waste, which is environmentally friendly. Is also not preferable.

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。 Further, as the metal shim, an iron nickel 42 alloy material or the like is used because of its close temperature coefficient, etc., but since nickel is a rare metal, the cost increases.

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。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having a novel structure and improved hysteresis characteristics, and an apparatus using the piezoelectric actuator.

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。 It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing the above-described piezoelectric actuator.

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。 If a metal shim is interposed, a bonding process between the metal shim and the piezoelectric member is required, which increases the cost. Therefore, an insulating layer is interposed instead of the metal shim at the position where the metal shim was interposed. And

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。 When separately sintered piezoelectric members are selected and paired, the influence of variations in the hysteresis characteristics of the piezoelectric members cannot be avoided. In order to eliminate variations, the piezoelectric members to be paired are sintered in a stacked state, and then a polarization process is performed.

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。 After the piezoelectric members are stacked and sintered, the polarization process is performed so that the polarization distribution is reversed up and down with the insulating layer as the center, while the input signal with reversed phase is applied like a bimorph type piezoelectric actuator. In order to make it possible, there must be at least four electrodes (surface electrodes) to be external connection terminals. In this way, when there are four or more external connection terminals, voltages having different polarities can be applied to the two electrodes during the polarization process and during the actual driving, whereby the polarization process and the bimorph type piezoelectric as described above can be applied. Both the actuator and the same drive can be performed. The present invention has been made based on such knowledge, and specifically provides the means for solving the following.

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。 According to the present invention, as the first piezoelectric actuator,
An insulating layer; an upper piezoelectric portion provided above the insulating layer; a surface electrode provided on an upper surface of the upper piezoelectric portion; and a lower piezoelectric portion provided below the insulating layer. A piezoelectric actuator,
The upper piezoelectric portion includes a plurality of upper piezoelectric members stacked in the vertical direction, and upper internal electrodes provided between the upper piezoelectric members,
The lower piezoelectric portion includes a plurality of lower piezoelectric members stacked in the vertical direction, a lower side provided between each of the lower piezoelectric members and a lower surface of the lowermost lower piezoelectric member. With electrodes,
The surface electrode is divided into four or more,
Each of the divided surface electrodes can be a piezoelectric actuator connected to either the upper internal electrode or the lower electrode.

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。 According to the present invention, the second piezoelectric actuator is a first piezoelectric actuator,
The divided surface electrodes are:
A first surface electrode connected to the even numbered upper internal electrode counted from the insulating layer;
A second surface electrode connected to the even-numbered lower electrodes counted from the insulating layer;
A third surface electrode connected to an odd numbered lower electrode counted from the insulating layer;
A piezoelectric actuator comprising a fourth surface electrode connected to the odd-numbered upper internal electrode counted from the insulating layer is obtained.

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。 According to the present invention, the third piezoelectric actuator is a second piezoelectric actuator,
In the polarization process, the first surface electrode and the third surface electrode are set to one polarity, while the second surface electrode and the fourth surface electrode are set to another polarity, the upper piezoelectric member and The lower piezoelectric member is polarized,
In actual use, there is a piezoelectric actuator that drives the first surface electrode and the second surface electrode with one polarity while driving the third surface electrode and the fourth surface electrode with another polarity. can get.

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。 Further, according to the present invention, the fourth piezoelectric actuator is a third piezoelectric actuator,
The first surface electrode and the second surface electrode are provided adjacent to each other,
A piezoelectric actuator is obtained in which the third surface electrode and the fourth surface electrode are provided adjacent to each other.

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。 According to the present invention, the fifth piezoelectric actuator is a fourth piezoelectric actuator,
The number of laminated upper piezoelectric members is an odd number,
The fourth surface electrode provides a piezoelectric actuator having a larger area than the first surface electrode to the third surface electrode.

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。 According to the present invention, the sixth piezoelectric actuator is any one of the first to fifth piezoelectric actuators,
The number of stacked lower piezoelectric members is the same as the number of stacked upper piezoelectric members.
A piezoelectric actuator is obtained.

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。 According to the present invention, the seventh piezoelectric actuator is any one of the first to sixth piezoelectric actuators,
The insulating layer is a piezoelectric actuator made of the same material as the upper piezoelectric member and the lower piezoelectric member.

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。 According to the present invention, as the first device,
A device comprising any one of the first to seventh piezoelectric actuators and a drive circuit for driving the piezoelectric actuators,
The divided surface electrodes are grouped into two,
The drive circuit is
A first drive circuit that generates a first drive signal based on an input signal and outputs the first drive signal to a group of the divided surface electrodes;
A second drive circuit that generates a second drive signal having a phase opposite to that of the first drive signal based on the input signal and outputs the second drive signal to the remaining group of the divided surface electrodes; The equipped device is obtained.

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。 Moreover, according to the present invention, the second device is a first device,
The first drive signal is a signal having a first bias voltage as a DC component;
A device is obtained in which the second drive signal is a signal having a second bias voltage as a DC component.

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。 According to the present invention, the third device is a second device,
The first bias voltage has an absolute value different from that of the second bias voltage.

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。 Further, according to the present invention, the fourth device is a second or third device,
The first driving circuit includes a first operational amplifier, a first input resistor having one end connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier and the input signal inputted to the other end, and the inverting input terminal of the first operational amplifier. A first feedback resistor that connects the output terminal of the first operational amplifier, and a first reference voltage that inputs a first reference voltage that is the basis of the first bias voltage to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier. A supply section,
The second driving circuit includes: a second operational amplifier that receives the input signal at a non-inverting input terminal; a second reference voltage supply unit that supplies a second reference voltage that is a basis of the second bias voltage; A second input resistor connected between the second reference voltage supply unit and the inverting input terminal of the second operational amplifier; and a second input resistor connecting the inverting input terminal of the second operational amplifier and the output terminal of the second operational amplifier. A device with a feedback resistor is obtained.

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。 According to the present invention, the fifth device is a fourth device,
The first input resistor, the second input resistor, and the second feedback resistor have the same resistance value,
The first feedback resistor has a resistance value that is twice that of the first input resistor.

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。 In addition, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing any one of the first to seventh piezoelectric actuators,
A piezoelectric green sheet on which the conductive pattern to be the surface electrode or the upper internal electrode is formed is laminated on the insulating layer as the upper piezoelectric member, and the piezoelectric body on which the conductive pattern to be the lower electrode is formed After laminating a green sheet as the lower piezoelectric member under the insulating layer, the whole is pressed to form a piezoelectric element before sintering;
Sintering the piezoelectric element before sintering to obtain a piezoelectric element after sintering;
And a step of subjecting the sintered piezoelectric element to a polarization treatment so that a polarization distribution centered on the insulating layer is vertically symmetrical.

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。 According to the present invention, since four or more representation electrodes are provided, the piezoelectric actuator is substantially constructed by laminating piezoelectric members and sintering or the like, and then using four or more surface electrodes. While performing the polarization treatment, the piezoelectric actuator can be driven by changing the voltage applied to the same surface electrode in actual use. Thereby, it can be driven by a driving method similar to that of a general bimorph type piezoelectric actuator, although it has a different structure. Since the piezoelectric members constituting the piezoelectric actuator are sintered after being laminated, the sintering conditions are the same for all piezoelectric members, similar to the cancellation of hysteresis characteristics in bimorph piezoelectric actuators. This effect can be realized in an ideally close state.

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。 Therefore, when the piezoelectric actuator according to the present invention is driven by a driving method similar to a general bimorph piezoelectric actuator (a method of driving by supplying driving signals having opposite phases to each other), generation of harmonic distortion components is suppressed. Can reduce unnecessary power consumption.

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。 Furthermore, in the case of a general bimorph type piezoelectric actuator, it was impossible to separately bias signals of different polarities due to the arrangement and structure of the electrodes, but in the case of a piezoelectric actuator having the structure of the present invention, the polarity Since it is possible to drive in the opposite phase while performing different bias adjustment for each, adjustment according to the piezoelectric material used for the piezoelectric actuator can be performed in the form of bias, and the generation of harmonic distortion components is further suppressed. be able to.

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。It is a figure which shows roughly the structure of the piezoelectric actuator by embodiment of this invention. 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。FIG. 2 is a perspective view schematically showing the piezoelectric actuator of FIG. 1. 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。FIG. 3 is a top view schematically showing the piezoelectric actuator of FIG. 2. Wires are connected to the illustrated piezoelectric actuator in a state of actual use. 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。It is a figure which shows typically the apparatus provided with the piezoelectric actuator of FIG. 3, and the drive circuit which drives it. 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。It is a graph which shows the actual measurement data of the frequency characteristic of a total harmonic distortion factor.

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。 As shown in FIG. 1, a piezoelectric actuator 10 according to an embodiment of the present invention is provided on an insulating layer 20, an upper piezoelectric portion 30 provided on the upper side of the insulating layer 20, and an upper surface of the upper piezoelectric portion 30. The surface electrode 40 and the lower piezoelectric portion 50 provided below the insulating layer 20 are provided. The upper piezoelectric unit 30 includes a plurality of upper piezoelectric members 32 stacked in the vertical direction, and upper internal electrodes 34 provided between the upper piezoelectric members 32. The lower piezoelectric portion 50 includes a plurality of lower piezoelectric members 52 stacked in the vertical direction, a lower side provided on each of the lower piezoelectric members 52 and on the lower surface of the lowermost lower piezoelectric member 52. And an electrode 54. The upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 according to the present embodiment are both sheet-like members made of the same piezoelectric material. Further, in the present embodiment, the insulating layer 20 is also made of the same material as the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52.

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。 The surface electrode 40 according to the present embodiment is divided into four parts, that is, a first surface electrode 41 to a fourth surface electrode 44. The divided surface electrodes 40, that is, the first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 are used as external connection terminals during the polarization treatment and in actual use. In the present embodiment, as will be described later, the combination of polarities given to the external connection terminals during the polarization process and the actual use is changed, whereby the divided process after sintering and the driving method similar to the bimorph type piezoelectric actuator, In order to perform such processing, at least four external connection terminals are required as in this embodiment.

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。 The first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 are connected to either the upper internal electrode 34 or the lower electrode 54. The specific connection relationship is as follows. The first surface electrode 41 is connected to the even-numbered upper internal electrode 34 counted from the insulating layer 20, and the second surface electrode 42 is connected to the even-numbered lower electrode 54 counted from the insulating layer 20. Yes. The third surface electrode 43 is connected to the odd-numbered lower electrode 54 counted from the insulating layer 20, and the fourth surface electrode 44 is connected to the odd-numbered upper internal electrode 34 counted from the insulating layer 20. Has been. For example, one or more of the first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 may be divided into a plurality of pieces, such as dividing the third surface electrode 43 into two. That is, the number of divisions of the surface electrode 40 may be more than four. However, considering that both the post-sintering polarization process and the bimorph type piezoelectric actuator driving process according to the present embodiment are taken into account, for example, the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42 are formed as a single electrode. You ca n’t put them together.

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。 The piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment is manufactured as follows. First, a piezoelectric green sheet (for example, a ceramic green sheet) on which a conductive pattern to be the surface electrode 40 or the upper internal electrode 34 is formed is laminated on the insulating layer 20 as the upper piezoelectric member 32, and the lower electrode 54. A piezoelectric green sheet (same as above) on which a conductive pattern to be formed is laminated as the lower piezoelectric member 52 under the insulating layer 20, and then the whole is pressed to form a pre-sintered piezoelectric element. Here, since the insulating layer 20 according to the present embodiment is made of a piezoelectric green sheet in the same manner as the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52, the adhesion to the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 is improved. Of course, it is also excellent in terms of consistency of temperature coefficient. Next, the piezoelectric element before sintering is sintered to obtain a piezoelectric element after sintering. Since sintering is performed after stacking in this way, according to the present embodiment, variations in size and characteristics of piezoelectric members due to the sintering environment such as the position on the sintering setter are minimized. Can do. Thereafter, the sintered piezoelectric element is subjected to polarization treatment so that the polarization distribution centering on the insulating layer 20 is vertically symmetric. Specifically, after connecting the first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 and the upper internal electrode 34 and the lower electrode 54 as described above, for example, the first surface electrode 41 and the third surface electrode 43 2 is provided with a positive polarity while the second surface electrode 42 and the fourth surface electrode 44 are provided with a negative polarity so that the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 are polarized. The actuator 10 is obtained. Then, in consideration of the driving mode at the time of actual use, the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42 are connected by solder or the like, and the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44 are connected by solder or the like, A piezoelectric actuator 10 as shown in FIG. 3 is obtained.

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。 Furthermore, in the present embodiment, the piezoelectric actuator 10 manufactured as described above is driven by giving a drive signal like a bimorph piezoelectric actuator. Specifically, for example, the first drive signal is supplied to the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42, while the phase of the first drive signal is reversed to the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44. A second drive signal is given. Thereby, since the hysteresis characteristics of the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 are canceled each other, generation of harmonic distortion components can be suppressed even when driven by a large voltage.

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。 In the present embodiment, the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42 that are connected in actual use are disposed adjacent to each other, and the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44 are adjacent to each other. Therefore, the connection between the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42 can be separated from the connection between the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44, and therefore, a short circuit between them. The possibility of this can be reduced.

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。 In the present embodiment, the number (the number of stacked layers) of the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 existing above and below the insulating layer 20 is the same and odd. In the piezoelectric actuator 10, since the piezoelectric characteristics of the upper piezoelectric member 32 disposed at the top are also used, the area of the fourth surface electrode 44 connected to the odd-numbered upper internal electrodes 34 as viewed from the insulating layer 20 is reduced. It is larger than the other first surface electrode 41 to third surface electrode 43. For the same reason, if the number of the upper piezoelectric members 32 and the lower piezoelectric members 52 existing on the upper and lower sides of the insulating layer 20 (the number of stacked layers) is the same and even, What is necessary is just to enlarge the area of the 3rd surface electrode 43 connected to the internal electrode 34 compared with the other 1st surface electrode 41, the 2nd surface electrode 42, and the 4th surface electrode 44. FIG. In that case, the positions of the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44 may be interchanged in consideration of wiring routing and the like. From the aspect of canceling the hysteresis characteristics of the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 disposed above and below the insulating layer 20, the same number of layers of the upper piezoelectric member 32 and the lower piezoelectric member 52 are laminated as in the present embodiment. For example, the lower piezoelectric member 52 may be further reduced as compared with the upper piezoelectric member 32. In that case, it is preferable that the upper piezoelectric member 32 located in the uppermost layer is provided only for the arrangement of the first surface electrode 41 to the fourth surface electrode 44 serving as external connection terminals. It is preferable to have a small (minimum necessary) size compared to the member 32.

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。 The piezoelectric actuator 10 according to the embodiment of the present invention is provided with the first drive signal and the second drive signal having opposite phases as described above. However, in the case of the piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment, depending on its structure. In addition, it is possible to perform adjustment in consideration of the characteristics of the piezoelectric material by separately biasing each of the first drive signal and the second drive signal. That is, the same bias may be applied to the first drive signal and the second drive signal, or different biases may be applied in consideration of the usage environment of the piezoelectric actuator. For example, the first drive signal and the second drive signal output from the drive circuit according to the present embodiment have a first bias voltage and a second bias voltage as DC components, respectively. Here, the first bias voltage has an absolute value different from that of the second bias voltage. A specific example of such a drive circuit is shown in FIG.

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。 Referring to FIG. 4, the driving circuit 60 according to the present embodiment has the same input as the first driving circuit 70 that generates the first driving signal from the input signal and supplies the first driving signal to the first surface electrode 41 and the second surface electrode 42. And a second drive circuit 80 that generates a second drive signal having a phase opposite to that of the first drive signal from the signal and supplies the second drive signal to the third surface electrode 43 and the fourth surface electrode 44.

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。 The first drive circuit 70 includes a first operational amplifier 72, a first input resistor 74, a first feedback resistor 76, and a first reference voltage supply unit 78. One end of the first input resistor 74 is connected to the inverting input terminal (−) of the first operational amplifier 72, and an input signal is input to the other end via a coupling resistor. The first feedback resistor 76 connects the inverting input terminal (−) and the output terminal (OUT) of the first operational amplifier 72. The first feedback resistor 76 according to the present embodiment has a resistance value that is twice that of the first input resistor 74. The first reference voltage supply unit 78 is for inputting the first reference voltage, which is the basis of the first bias voltage, to the non-inverting input terminal (+) of the first operational amplifier 72. The first reference voltage according to the present embodiment is set to 1/6 Vcc in consideration of the characteristics of the piezoelectric material and the like.

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。 The second drive circuit 80 includes a second operational amplifier 82, a second input resistor 84, a second feedback resistor 86, and a second reference voltage supply unit 88. The second reference voltage supply unit 88 is for supplying a second reference voltage that is the basis of the above-described second bias voltage. The second reference voltage according to the present embodiment is set to 1/2 Vcc in consideration of the characteristics of the piezoelectric material and the like. That is, the second reference voltage is three times the first reference voltage. An input signal is input to the non-inverting input terminal (+) of the second operational amplifier 82 via a coupling resistor. One end of the second input resistor 84 is connected to the inverting input terminal (−) of the second operational amplifier 82, and the second reference voltage is supplied from the second reference voltage supply unit 88 to the other end. The second feedback resistor 86 connects the inverting input terminal (−) and the output terminal (OUT) of the second operational amplifier 82. The second input resistor 84 and the second feedback resistor 86 according to the present embodiment both have the same resistance value as the first input resistor 74.

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。 The first drive signal output from the drive circuit 60 as described above is 1/6 Vcc-2 Vin when the input signal is Vin. On the other hand, the second drive signal is 2Vin−1 / 2Vcc. That is, the first drive signal and the second drive signal have opposite phases. Further, the first bias voltage (1/6 Vcc), which is the DC component of the first drive signal, has an absolute value different from the second bias voltage (−1/2 Vcc), which is the DC component of the second drive signal, and is positive or negative. Is the opposite. For this reason, according to the drive circuit 60 according to the present embodiment, it is possible to efficiently supply a drive signal in consideration of the characteristics of the piezoelectric material, compared to a case where a drive signal having an opposite phase is simply applied.

（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／ｃｍ^２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。 (Example)
Based on PZT (NEC TOKIN's piezoelectric ceramic material N10), after adding a binder material and carrying out a blending operation called mud, a 36-μm green sheet was created, and silver and palladium were used as a co-material. An internal electrode pattern made of the piezoelectric ceramic material N10 was printed. At this point, the green sheet is in the form of a roll, so it is trimmed to A4 size, the trimmed sheet is placed in a press mold and stacked in 40 layers, and then about 100 ° C. Pressing was performed under the condition of 120 kg / cm ² to form a piezoelectric element before sintering. Thereafter, the pre-sintered piezoelectric element was sintered and cut in a dicing process to obtain a post-sintered piezoelectric element made of a rectangular piezoelectric ceramic plate (see FIG. 2). Here, the size of the sintered piezoelectric element is 40 mm long × 3.0 mm wide × 1.35 mm thick. After the sintering, the piezoelectric element was subjected to the polarization treatment as described above (the polarization treatment so as to be symmetrical with respect to the insulating layer), and then connected as shown in FIG.

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。 The piezoelectric actuator 10 manufactured in this way was driven with a drive signal of 250 Hz to 350 Hz, and the total harmonic distortion was measured. In addition, as a comparative example, a common bimorph piezoelectric actuator was also measured in the same manner. In particular, with respect to the piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment, measurement is performed for each of a case where no bias is applied (that is, a driving signal for a general bimorph piezoelectric actuator) and a case where driving is performed by the driving circuit 60 according to the present embodiment. did. The measurement results are shown in FIG.

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。 As is apparent from FIG. 5, the total harmonic distortion factor of the piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment is smaller than that of the conventional bimorph piezoelectric actuator. That is, even when driven with a large voltage, unnecessary power consumption can be suppressed compared to the conventional bimorph piezoelectric actuator. In particular, when driven by the drive circuit 60 according to the present embodiment, the adjustment can be made with the bias voltage in consideration of the characteristics of the piezoelectric material. In comparison, the total harmonic distortion can be further reduced.

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。 The piezoelectric actuator and the drive circuit of the present invention can be used for a display device, a display device with a touch panel function, an input device, and the like.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric actuator 20 Insulating layer 30 Upper piezoelectric part 32 Upper piezoelectric member 34 Upper internal electrode 40 Surface electrode 41 First surface electrode 42 Second surface electrode 43 Third surface electrode 44 Fourth surface electrode 50 Lower piezoelectric part 52 Lower piezoelectric part 52 Member 54 Lower electrode 60 Drive circuit 70 First drive circuit 72 First operational amplifier 74 First input resistor 76 First feedback resistor 78 First reference voltage supply unit 80 Second drive circuit 82 Second operational amplifier 84 Second input resistor 86 First 2 feedback resistor 88 second reference voltage supply section

Claims

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。 An insulating layer; an upper piezoelectric portion provided above the insulating layer; a surface electrode provided on an upper surface of the upper piezoelectric portion; and a lower piezoelectric portion provided below the insulating layer. A piezoelectric actuator,
The upper piezoelectric portion includes a plurality of upper piezoelectric members stacked in the vertical direction, and upper internal electrodes provided between the upper piezoelectric members,
The lower piezoelectric portion includes a plurality of lower piezoelectric members stacked in the vertical direction, a lower side provided between each of the lower piezoelectric members and a lower surface of the lowermost lower piezoelectric member. With electrodes,
The surface electrode is divided into four or more,
The divided surface electrode is a piezoelectric actuator connected to either the upper internal electrode or the lower electrode, respectively.

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。 The piezoelectric actuator according to claim 1,
The divided surface electrodes are:
A first surface electrode connected to the even numbered upper internal electrode counted from the insulating layer;
A second surface electrode connected to the even-numbered lower electrodes counted from the insulating layer;
A third surface electrode connected to an odd numbered lower electrode counted from the insulating layer;
And a fourth surface electrode connected to an odd-numbered upper internal electrode counted from the insulating layer.

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。 The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein
In the polarization process, the first surface electrode and the third surface electrode are set to one polarity, while the second surface electrode and the fourth surface electrode are set to another polarity, the upper piezoelectric member and The lower piezoelectric member is polarized,
In actual use, the piezoelectric actuator is driven with the first surface electrode and the second surface electrode having one polarity, while the third surface electrode and the fourth surface electrode are driven with another polarity.

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。 The piezoelectric actuator according to claim 3, wherein
The first surface electrode and the second surface electrode are provided adjacent to each other,
The piezoelectric actuator, wherein the third surface electrode and the fourth surface electrode are provided adjacent to each other.

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。 The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein
The number of laminated upper piezoelectric members is an odd number,
The fourth surface electrode is a piezoelectric actuator having a larger area than the first surface electrode to the third surface electrode.

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。 A piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5,
The number of stacked lower piezoelectric members is the same as the number of stacked upper piezoelectric members.
Piezoelectric actuator.

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。 A piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6,
The insulating layer is a piezoelectric actuator made of the same material as the upper piezoelectric member and the lower piezoelectric member.

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。 An apparatus comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 7, and a drive circuit for driving the piezoelectric actuator,
The divided surface electrodes are grouped into two,
The drive circuit is
A first drive circuit that generates a first drive signal based on an input signal and outputs the first drive signal to a group of the divided surface electrodes;
A second drive circuit that generates a second drive signal having a phase opposite to that of the first drive signal based on the input signal and outputs the second drive signal to the remaining group of the divided surface electrodes; Equipment provided.

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。 The apparatus of claim 8, wherein
The first drive signal is a signal having a first bias voltage as a DC component;
The second drive signal is a device having a second bias voltage as a DC component.

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。 The apparatus of claim 9, comprising:
The first bias voltage has an absolute value different from that of the second bias voltage.

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。 An apparatus according to claim 9 or claim 10, wherein
The first driving circuit includes a first operational amplifier, a first input resistor having one end connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier and the input signal inputted to the other end, and the inverting input terminal of the first operational amplifier. A first feedback resistor that connects the output terminal of the first operational amplifier, and a first reference voltage that inputs a first reference voltage that is the basis of the first bias voltage to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier. A supply section,
The second driving circuit includes: a second operational amplifier that receives the input signal at a non-inverting input terminal; a second reference voltage supply unit that supplies a second reference voltage that is a basis of the second bias voltage; A second input resistor connected between the second reference voltage supply unit and the inverting input terminal of the second operational amplifier; and a second input resistor connecting the inverting input terminal of the second operational amplifier and the output terminal of the second operational amplifier. A device having a feedback resistor.

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。 The apparatus of claim 11, comprising:
The first input resistor, the second input resistor, and the second feedback resistor have the same resistance value,
The first feedback resistor has a resistance value that is twice that of the first input resistor.

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。 A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 7,
A piezoelectric green sheet on which the conductive pattern to be the surface electrode or the upper internal electrode is formed is laminated on the insulating layer as the upper piezoelectric member, and the piezoelectric body on which the conductive pattern to be the lower electrode is formed After laminating a green sheet as the lower piezoelectric member under the insulating layer, the whole is pressed to form a piezoelectric element before sintering;
Sintering the piezoelectric element before sintering to obtain a piezoelectric element after sintering;
A step of subjecting the sintered piezoelectric element to a polarization treatment so that a polarization distribution centered on the insulating layer is vertically symmetric.