JP4714227B2 - 圧電駆動装置、圧電駆動制御方法及び電子デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、圧電駆動装置、圧電駆動制御方法及び電子デバイスに関する。本発明は、特に、複数の圧電体を積層する積層型の圧電体においてヒステリシスを低減できる圧電駆動装置、圧電駆動制御方法及び電子デバイスに関する。
従来、２枚の圧電板を重ね合わせたバイモルフアクチュエータが知られている。例えば、特許文献１は、第１、第２の圧電板を重ね合わせて接合したバイモルフアクチュエータを開示する。当該バイモルフアクチュエータは、第１、第２の圧電板間に電圧を印加することにより、両圧電板の長さ方向に沿って互いに異なる方向に伸縮する。当該バイモルフアクチュエータは、また、一方の圧電板でアクチュエータを駆動させ、他方の圧電板をヒステリシス補正用のセンサとして用いる。そして、当該センサの出力をアクチュエータ駆動用の圧電板に印加する電圧のフィードバック制御に用いる。
特開２００１−１５６３５２号公報
圧電アクチュエータは、印加電圧の増減方向によって、印加電圧と変位量との間にヒステリシスを持つ。ヒステリシスは、圧電アクチュエータのリニアリティ特性を劣化させ、圧電アクチュエータを用いた高精度の変位量制御を困難にする問題がある。
特許文献１に記載のバイモルフアクチュエータは、センサ用の圧電板に電圧を印加しないので、フィードバック制御を行わなければ、変位量を制御することができない。また、アクチュエータの変位量を１枚の圧電板で制御するので、リニアリティをよくすることが難しい。そこで、圧電アクチュエータの変位量を、リニアリティ良く制御できる圧電駆動装置、圧電駆動制御方法及びそれを用いた電子デバイスが求められている。
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、力の印加により変形が可能な基体と、基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体と、第１面と略平行な基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体と、第１圧電体、第２圧電体および基体を有する積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、駆動電圧により積層体が変位した場合に生じるヒステリシスを補償する補償電圧を生成する補償電圧生成部と、駆動電圧および補償電圧の各々を第１圧電体および第２圧電体の各々に印加する電圧印加部と、を備える圧電駆動装置が提供される。
本発明の第２の形態においては、力の印加により変形が可能な基体、基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体、および、第１面と略平行な基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体、を有する積層体を用意する段階と、積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成段階と、駆動電圧による積層体の変位におけるヒステリシスを補償する補償電圧を生成する補償電圧生成段階と、駆動電圧および補償電圧の各々を第１圧電体および第２圧電体の各々に印加する電圧印加段階と、を備える圧電駆動制御方法が提供される。
本発明の第３の形態においては、力の印加により変形が可能な基体、基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体、第１面と略平行な基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体、第１圧電体、第２圧電体および基体を有する積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成部、駆動電圧による積層体の変位におけるヒステリシスを補償する補償電圧を生成する補償電圧生成部、ならびに、駆動電圧および補償電圧の各々を第１圧電体および第２圧電体の各々に印加する電圧印加部、を有する圧電駆動装置と、圧電駆動装置の変位部に配置した変位電極と、変位電極との間で可変容量を形成する固定電極と、を備える電子デバイスが提供される。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態の圧電駆動装置１００を備える可変容量キャパシタ１０と、圧電駆動装置１００を駆動する回路の機能ブロックの概要を示す。同図において圧電駆動装置１００は分解斜視図として示す。分解斜視図の左側には圧電駆動装置１００を長さ方向Ｌの中央近傍で幅方向Ｗに切断した断面図を示す。
可変容量キャパシタ１０は、電子デバイスの一例であってよい。可変容量キャパシタ１０は、圧電駆動装置１００と、変位電極１０２と、固定電極１０４と、基板１０６と、台座部１０８とを備える。
圧電駆動装置１００は、変位電極１０２と固定電極１０４との距離を制御する。圧電駆動装置１００は、積層体１１０と、駆動電圧生成部１８０と、補償電圧生成部１８２と、電圧印加部１８４と、センス部１９０と、制御部１９２と、格納部１９４と、制御テーブル１９６とを有する。
積層体１１０は、電圧の印加により高さ方向Ｈ（積層方向）に変位する。積層体１１０は、基体１２０と、第１圧電体１３０と、第２圧電体１４０と、第３圧電体１５０とを含む。積層体１１０は、第１電極１６０と、第２電極１６２と、第１センス電極１６４と、絶縁層１６６と、第２センス電極１６８とを含む。
基体１２０は、弾性を有する。これにより、力の印加により変形が可能なので、第１圧電体１３０または第２圧電体１４０が伸縮して基体１２０に力が印加されると、基体１２０は湾曲する。基体１２０は、剛性を有する。これにより、積層体１１０が撓みすぎるのを抑制する。基体１２０は、例えば、アルミニウム、金、白金等の導電体、ガラス等の絶縁体、シリコン等の半導体を用いてもよい。
基体１２０の一例として、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、高さ方向Ｈに０．５μｍの平板形状を有する白金を用いてもよい。基体１２０に導電体を用いることで、基体１２０を第１圧電体１３０および第２圧電体１４０に電圧を印加する電極として利用できる。
第１圧電体１３０は、基体１２０の第１面１２２に形成される。第１圧電体１３０は、電圧を印加されると歪んで伸縮する。第１圧電体１３０は、電圧を印加された場合に、長さ方向Ｌに伸縮して、高さ方向Ｈに積層体１１０を湾曲させるように配される。
第１圧電体１３０は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のウルツ鉱型の結晶、又は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、若しくはチタン酸バリウム（ＢＴＯ）等のペロブスカイト系強誘電体等を用いてもよい。第１圧電体１３０の一例として、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、高さ方向Ｈに０．５μｍのＰＺＴの圧電膜を用いてもよい。
第２圧電体１４０は、第１面１２２と略平行な基体１２０の第２面１２４に形成される。第２圧電体１４０は、電圧を印加されると歪んで伸縮する。第２圧電体１４０は、電圧を印加された場合に、長さ方向Ｌに伸縮して、高さ方向Ｈに積層体１１０を湾曲させるように配される。第２圧電体１４０は、第１圧電体１３０と同様の圧電体を用いてもよい。第２圧電体１４０の一例として、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、高さ方向Ｈに０．５μｍのＰＺＴの圧電膜を用いてもよい。
第３圧電体１５０は、第２圧電体１４０の基体１２０に面する側の面１４２とは逆の面１４４に、第２電極１６２、第１センス電極１６４及び絶縁層１６６を介して形成される。第３圧電体１５０は、電圧を印加されると歪んで伸縮する。第３圧電体１５０は、電圧を印加された場合に、長さ方向Ｌに伸縮して、高さ方向Ｈに積層体１１０を湾曲させるように配される。第３圧電体１５０は、第１圧電体１３０と同様の圧電体を用いてもよい。第３圧電体１５０の一例として、幅方向Ｗに９０μｍ、長さ方向Ｌに７５０μｍ、高さ方向Ｈに０．５μｍのＰＺＴの圧電膜を用いてもよい。
第１電極１６０は、第１圧電体１３０の基体１２０に面する側の面１３２とは逆の面１３４に形成される。第１電極１６０は、積層体１１０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有する。第１電極１６０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の低抵抗で加工が容易な金属、ルテニウムオキサイド（ＲｕＯ２）、イリジウムオキサイド（ＩｒＯ２）等酸化物電極、又は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体を用いてもよい。電極材料としてシリコン基板を用いる場合には、高濃度にドープされた基板を用いることが好ましい。第１電極１６０の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金を用いてもよい。
第２電極１６２は、第２圧電体１４０の基体１２０に面する側の面１４２とは逆の面１４４に形成される。第２電極１６２は、例えば、積層体１１０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有する。第２電極１６２の幅は、第２圧電体１４０の幅より短くてもよい。第２電極１６２は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。第２電極１６２の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金を用いてもよい。
第１センス電極１６４は、例えば、第２電極１６２が形成されるのと同一の面１４４に形成される。第１センス電極１６４は、例えば、積層体１１０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有する。第１センス電極１６４は、例えば、第２電極１６２の幅方向Ｗの両端に、絶縁層１６６を介して配される。これにより、第１センス電極１６４は、第２電極１６２と電気的に絶縁される。第１センス電極１６４は、第２圧電体１４０の幅方向Ｗの両端に配置できる。
第１センス電極１６４は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。第１センス電極１６４は、第２電極１６２と略同一の厚みを有してもよい。第１センス電極１６４の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金を用いてもよい。
絶縁層１６６は、第２電極１６２及び第１センス電極１６４が形成されるのと同一の面１４４に形成される。絶縁層１６６は、積層体１１０の長さ方向Ｌに延伸する平板形状を有する。絶縁層１６６は、第２電極１６２と第１センス電極１６４とに挟まれるように配される。絶縁層１６６は、第２電極１６２と第１センス電極１６４とを電気的に絶縁する。
絶縁層１６６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体を用いてもよい。絶縁層１６６の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍのＳｉＯ２を用いてもよい。
第２センス電極１６８は、第３圧電体１５０の第２圧電体１４０に面する側とは逆の面に形成される。第２センス電極１６８は、少なくとも一部が第１センス電極１６４と対向するように形成される。第２センス電極１６８は、第１センス電極１６４と略同一の形状を有してよい。第２センス電極１６８は、第３圧電体１５０を介して第１センス電極１６４と対向する位置に配されてもよい。これにより、積層体１１０の変位により第３圧電体１５０に生じた変位電圧を精度よく感知することができる。
積層体１１０は、例えば、ゾル・ゲル法、スパッタリング、ＣＶＤ又はエッチング等の微細加工技術を利用して形成できる。積層体１１０の形成方法は微細加工技術に限られるものではなく、例えば、接着により形成されてもよい。
なお、本実施形態において、第１圧電体１３０および第２圧電体１４０は、基体１２０の第１面１２２または第２面１２４に直接形成されているが、他の層を介して形成されてもよい。他の層は、例えば、導電性の電極であってもよい。第３圧電体１５０は、基体１２０の第２面１２４に、第２圧電体１４０を介して形成されているが、基体１２０の第２面１２４に直接形成されて、基体１２０、第３圧電体１５０、第２圧電体１４０の順に積層されてもよい。
本実施形態において、第２電極１６２と第１センス電極１６４とは、積層体１１０の幅方向Ｗに離間されることで電気的に絶縁されているが、第２電極１６２と第１センス電極１６４の絶縁方法はこれに限られるものではない。例えば、第２電極１６２が高さ方向Ｈの厚みの薄い領域を有して、当該領域に、第２電極１６２と第１センス電極１６４とが絶縁層１６６により絶縁されるように第１センス電極１６４及び絶縁層１６６が配されてもよい。
駆動電圧生成部１８０は、積層体１１０の変位量に応じた駆動電圧を生成する。駆動電圧生成部１８０は、制御部１９２より駆動電圧に関する信号が入力される。駆動電圧生成部１８０は、電圧印加部１８４に、第１電極１６０に当該駆動電圧を印加する旨の信号を、出力する。
補償電圧生成部１８２は、駆動電圧により積層体１１０が変位した場合に生じるヒステリシスを補償する補償電圧を生成する。補償電圧生成部１８２は、制御部１９２より補償電圧に関する信号が入力される。補償電圧生成部１８２は、電圧印加部１８４に、第２電極１６２に当該補償電圧を印加する旨の信号を出力する。
電圧印加部１８４は、駆動電圧および補償電圧の各々を、第１圧電体１３０および第２圧電体１４０の各々に印加する。電圧印加部１８４は、第１電源部１８６と、第２電源部１８８とを含む。
第１電源部１８６の出力端は、例えば、第１電極１６０の台座部１０８に固定される側の端部と接続されている。第１電源部１８６の接地端は、例えば、基体１２０の台座部１０８に固定される側の端部と接続されている。これにより、第１電極１６０に電圧を印加すると第１圧電体１３０の高さ方向Ｈに電位差が生じ、第１圧電体１３０が高さ方向Ｈに変位する。
第２電源部１８８の出力端は、例えば、第２電極１６２の台座部１０８に固定される側の端部と接続されている。第２電源部１８８の接地端は、基体１２０の台座部１０８に固定される側の端部と接続されている。これにより、第２電極１６２に電圧を印加すると第２圧電体１４０の高さ方向Ｈに電位差が生じ、第２圧電体１４０が高さ方向Ｈに変位する。
以上の構成により、電圧印加部１８４は、第１圧電体１３０と第２圧電体１４０にそれぞれ独立して電圧を印加することができる。なお、補償電圧生成部１８２は、補償電圧に重畳して変調電圧を印加してもよい。これにより、可変容量キャパシタ１０を発振回路に用いることができる。また基準周波数の信号に前記の変調電圧を変調信号として重畳すれば、可変容量キャパシタ１０は、周波数変調信号源、ＡＦＣ（Ａｕｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）あるいはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）用の発振器に応用することができる。
センス部１９０は、積層体１１０の変位により第３圧電体１５０に生成される変位電圧を検出する。センス部１９０は、第１センス電極１６４及び第２センス電極１６８に接続されている。なお第３圧電体１５０の材料として圧電定数の大きな材料、たとえば単結晶材料あるいはＰＺＴを用いることができる。圧電定数の高い材料を用いることにより、センシングの感度を高めることができる。
センス部１９０は、第１センス電極１６４及び第２センス電極１６８より電位に関する信号が入力される。センス部１９０は、その電位差を第３圧電体１５０に生成される変位電圧として検出する。センス部１９０は、変位電圧に関する信号を制御部１９２に出力する。なお、圧電駆動装置１００は、センス部１９０と制御部１９２との間に増幅部を有して、センス部１９０で検出した変位電圧を増幅した後、制御部１９２に出力してもよい。
制御部１９２は、駆動電圧生成部１８０及び補償電圧生成部１８２を制御する。制御部１９２は、積層体１１０の変位量を設定する。制御部１９２は、当該変位量に応じた駆動電圧に関する信号を駆動電圧生成部１８０に出力する。
制御部１９２は、センス部１９０より変位電圧に関する信号が入力される。制御部１９２は、当該変位電圧に関する信号と、駆動電圧の増減に関する信号と、格納部１９４に格納された制御テーブル１９６とに基づき、変位電圧に応じた補償電圧を求める。制御部１９２は、当該補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。
なお、制御部１９２、駆動電圧生成部１８０、及び、補償電圧生成部１８２の機能は明確に区別されるものではない。例えば、制御部１９２が、駆動電圧又は補償電圧を印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力してもよい。同様に、駆動電圧生成部１８０が積層体１１０の変位量に応じた駆動電圧を求めてもよく、補償電圧生成部が変位電圧に応じた補償電圧を求めても良い。
格納部１９４は、制御テーブル１９６を格納する。制御テーブル１９６は、変位電圧と補償電圧との関係を予め規定する。制御テーブル１９６は、駆動電圧を増加する場合および駆動電圧を減少する場合の各々について、駆動電圧ごとの変位電圧を予め測定した変位電圧測定値に基づき、変位電圧と、当該変位電圧に対応する補償電圧とを規定する。
具体的には、積層体１１０に印加する最小電圧から最大電圧まで駆動電圧を増加させていく場合、及び、当該最大電圧から当該最小電圧まで駆動電圧を減少させていく場合の各々について、第１電極１６０に所定の駆動電圧を印加した場合の変位電圧をセンス部１９０で検出する。その後、例えば、積層体１１０の変位量をＣＣＤカメラで観察しながら、積層体１１０の変位量が駆動電圧に対して線形となるように、第２電極１６２に補償電圧を印加する。変位量が駆動電圧に対して線形になる補償電圧の値が求まれば、制御テーブル１９６に、駆動電圧の増減を示す情報、駆動電圧、当該駆動電圧に対応する変位電圧、当該変位電圧に対応する補償電圧を記録して、格納部１９４に格納する。
これにより、駆動電圧を増加させる場合と減少させる場合の各々について、変位電圧と補償電圧との関係を予め測定した測定値に基づき規定しておくことで、複雑なフィードバック回路を用いずに、積層体１１０の変位量を制御できる。当該関係が予め規定されているので、積層体１１０の変位量を迅速に制御できる。さらに、最小電圧と最大電圧の間を複数の領域に分割して、当該領域ごとに制御テーブル１９６を作成してもよく、これにより、より精密な変位量制御が可能になる。
変位電極１０２は、圧電駆動装置１００の積層体１１０に配される。変位電極１０２は、第３圧電体１５０の第２圧電体１４０に面する側とは逆の面に配されてもよい。当該面の両端近傍には、第２センス電極１６８が配されているので、変位電極１０２は、第２センス電極１６８と離間して配される。これにより、変位電極１０２と第２センス電極１６８とは、電気的に絶縁される。
変位電極１０２は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。変位電極１０２の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金を用いてもよい。
固定電極１０４は、変位電極１０２との間で可変容量を形成する。固定電極１０４は、少なくとも一部が変位電極１０２と対向するように離間して配される。固定電極１０４は、変位電極１０２と対向する位置に、高さ方向Ｈに離間して配されてもよい。固定電極１０４は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。固定電極１０４の一例として、高さ方向Ｈの厚さが０．２μｍの白金を用いてもよい。
基板１０６は、固定電極１０４を支持する平坦面を有する。基板１０６は、例えば、絶縁性のガラス基板、シリコン等の半導体基板を用いてもよい。基板１０６の一例として、シリコン基板を用いてもよい。
台座部１０８は、基板１０６において、固定電極１０４の近傍で固定電極１０４と離間した位置に配される。台座部１０８は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体を用いてもよい。台座部１０８の一例として、ＳｉＯ２を用いてもよい。
なお、台座部１０８の厚みは、積層体１１０の最大変位量と同等もしくはそれ以上であってもよい。ここで、積層体１１０の最大変位量とは、積層体１１０に印加できる最大の電圧を印加した場合における、積層体１１０の変位量を意味する。
図２は、可変容量キャパシタ１０をＡ−Ａ'断面で切断した場合の概要を表す。同図に示すとおり、積層体１１０は、台座部１０８を介して基板１０６上に固定されてもよい。積層体１１０は長さ方向Ｌの一方の端部で台座部１０８に支持されている。積層体１１０に電圧を印加すると、積層体１１０において台座部１０８に支持されていない変位部２０２は、高さ方向Ｈに屈曲する（図中、下向きに変位する）、若しくは、反り返る（図中、上向きに変位する）ことができる。
積層体１１０において変位部２０２の基板１０６に面した側には、変位電極１０２が配される。基板１０６において変位電極１０２に対向する位置には、固定電極１０４が配される。台座部１０８は高さ方向Ｈに厚みを有するので、積層体１１０に電圧が印加されていない状態において、可変容量キャパシタ１０は、変位電極１０２と固定電極１０４との間に距離Ｈ１を有する。これにより、変位電極１０２と固定電極１０４との間に平板キャパシタが形成される。
変位部２０２の変位量Ｄ１は、積層体１１０に印加した電圧に応じて変化する。変位量Ｄ１が変化すると、積層体１１０に電圧が印加されている場合における変位電極１０２と固定電極１０４との距離Ｈ２も変化する。可変容量キャパシタ１０の容量は変位電極１０２と固定電極１０４との距離Ｈ２に反比例するので、積層体１１０に印加する電圧を制御することで、可変容量キャパシタ１０の容量を制御することができる。これにより、変位電極１０２と固定電極１０４との間で可変容量が形成される。
なお、本実施形態において、可変容量キャパシタ１０は、積層体１１０の一端が支持されたいわゆる片持ち梁構造を有するが、積層体１１０を支持する構造はこれに限られるものではない。他の構造は、例えば、積層体１１０の長さ方向Ｌにおける両端が支持され、積層体１１０の長さ方向Ｌにおける中央近傍が高さ方向Ｈに変位する、いわゆる両持ち梁構造であってもよい。両持ち梁構造の他の例は、円板状の積層体１１０を用意して、積層体１１０の円周部を支持して、積層体１１０の中心近傍を高さ方向Ｈに変位させてもよい。
図３は、圧電駆動装置１００の圧電駆動制御方法の一例を示す。以下、可変容量キャパシタ１０の容量を所定の容量に調整する場合について、圧電駆動装置１００の圧電駆動制御方法を説明する。
まず、圧電駆動装置１００は、駆動電圧を生成する（Ｓ１０）。駆動電圧は、以下の通り生成される。
制御部１９２は、現在、第１電極１６０に印加している駆動電圧を記憶する。制御部１９２は、可変容量キャパシタ１０の調整後の容量を形成する積層体１１０の変位量から第１電極１６０に印加すべき駆動電圧を求める。制御部１９２は、当該駆動電圧に関する信号を駆動電圧生成部１８０に出力する。駆動電圧生成部１８０は、制御部１９２から入力された駆動電圧を第１電極１６０に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
次に、圧電駆動装置１００は、駆動電圧を印加する（Ｓ１１）。駆動電圧は、電圧印加部１８４が、第１電源部１８６の発生させた電圧を第１電極１６０に印加することで、印加される。
次に、圧電駆動装置１００は、変位電圧を検出する（Ｓ１２）。変位電圧は、以下の通り検出される。
第１電極１６０に電圧が印加されると、第１圧電体１３０が歪んで伸縮して積層体１１０が変位する。第３圧電体１５０も積層体１１０と共に変位する。第３圧電体１５０が変位すると、第１センス電極１６４と第２センス電極１６８との間に第３圧電体１５０の変位量に応じた変位電圧が生じる。センス部１９０は、当該変位電圧を検出する。センス部１９０は、当該変位電圧に関する信号を制御部１９２に出力する。
次に、制御部１９２は、Ｓ１１において駆動電圧が増加したかどうかを判定する（Ｓ１３）。駆動電圧が増加していた場合には（Ｓ１３のＹＥＳ）、駆動電圧が増加する場合の補償電圧を生成する（Ｓ１４）。補償電圧は、以下の通り生成される。
制御部１９２は、制御テーブル１９６に規定された、駆動電圧が増加した場合における変位電圧に対応する補償電圧を参照する。制御部１９２は、センス部１９０から入力された変位電圧に対応する補償電圧を求める。制御部１９２は、当該補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部１９２から入力された補償電圧を第２電極１６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
Ｓ１３において、制御部１９２が、Ｓ１１において駆動電圧が増加していないと判定した場合には（Ｓ１３のＮＯ）、制御部１９２は、Ｓ１１において駆動電圧が減少したかどうかを判定する（Ｓ１５）。駆動電圧が減少していた場合には（Ｓ１５のＹＥＳ）、駆動電圧が減少する場合の補償電圧を生成する（Ｓ１６）。補償電圧は、以下の通り生成される。
制御部１９２は、制御テーブル１９６に記憶された、駆動電圧が減少した場合における変位電圧に対応する補償電圧を参照する。制御部１９２は、センス部１９０から入力された変位電圧に対応する補償電圧を求める。制御部１９２は、当該補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部１９２から入力された補償電圧を第２電極１６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
次に、圧電駆動装置１００は、Ｓ１４又はＳ１６で生成された補償電圧を印加する（Ｓ１７）。補償電圧は、電圧印加部１８４が第２電源部１８８の発生させた電圧を第２電極１６２に印加することで印加される。
図４は、圧電駆動装置１００に印加した駆動電圧に対する、積層体１１０の高さ方向Ｈにおける変位量を表す。同図において、横軸は第１電極１６０に印加した駆動電圧を示しており、縦軸は駆動電圧が印加された場合の積層体１１０の高さ方向Ｈにおける変位量を示す。同図において、点線は、補償電圧を印加しない場合における、駆動電圧に対する積層体１１０の変位量を示す。一方、実線は、図３に示した圧電駆動制御方法に基づき補償電圧を印加した場合における、駆動電圧に対する積層体１１０の変位量を示す。なお、同図において、縦軸および横軸は任意スケールで表されている。
図４に示すとおり、補償電圧を印加しない場合は、積層体１１０にはヒステリシスが生じている。つまり、駆動電圧を増加させる場合には、積層体１１０の変位量は下に凸の曲線を描いて増加する。一方、駆動電圧を減少させる場合には、積層体１１０の変位量は上に凸の曲線を描いて減少する。
これに対して、補償電圧を印加した場合には、駆動電圧と積層体１１０の変位量とは、ほぼ線形の関係にあることがわかる。つまり、本実施形態においては、駆動電圧を増加させる場合には、第２圧電体１４０が第１圧電体１３０の伸縮を補助するように補償電圧が印加されており、駆動電圧を減少させる場合には、第２圧電体１４０が第１圧電体１３０の伸縮を抑制するように補償電圧が印加されている。以上より、上記構成によれば、積層体自体がヒステリシスを有する場合であっても、複雑なフィードバック回路を用いずに、積層体１１０に印加する駆動電圧により積層体１１０の変位量を精度よく制御できる。
図５は、可変容量キャパシタ１０の校正方法の一例を示す。駆動電圧が増加する場合及び駆動電圧が減少する場合の各々について、同図に示す手順で制御テーブル１９６の値を更新することで、可変容量キャパシタ１０が駆動電圧に対して所定の容量を形成するように校正できる。以下、駆動電圧が増加する場合において、制御テーブル１９６の値を更新する手順を説明するが、駆動電圧が減少する場合の値も同様に更新できる。
まず、圧電駆動装置１００は、駆動電圧を印加する（Ｓ２０）。駆動電圧は、以下の通り印加される。
可変容量キャパシタ１０の校正を開始する旨の信号が、制御部１９２に入力される。制御部１９２は、積層体１１０に印加する最小電圧を駆動電圧として、駆動電圧に関する信号を駆動電圧生成部１８０に出力する。制御部１９２は、当該駆動電圧を記憶する。駆動電圧生成部１８０は、制御部１９２から入力された駆動電圧を第１電極１６０に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。電圧印加部１８４は、第１電源部１８６の発生させた電圧を第１電極１６０に印加する。
次に、圧電駆動装置１００は、変位電圧を検出する（Ｓ２１）。変位電圧は、以下の通り検出される。
センス部１９０は、第１センス電極１６４と第２センス電極１６８との間の変位電圧を検出する。センス部１９０は、当該変位電圧に関する信号を制御部１９２に出力する。制御部１９２は、当該変位電圧をＳ２０において印加した駆動電圧に対応付けて記憶する。
次に、圧電駆動装置１００は、可変容量キャパシタ１０の容量を測定する。（Ｓ２２）。このとき、制御部１９２は、可変容量キャパシタ１０の容量に関する情報を取得する。
次に、圧電駆動装置１００は、補償電圧を印加する（Ｓ２３）。補償電圧は、以下の通り印加される。
制御部１９２は、現在の制御テーブル１９６を参照する。制御部１９２は、上記変位電圧に対応する補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部１９２から入力された補償電圧を第２電極１６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。電圧印加部１８４は、第２電源部１８８の発生させた電圧を第２電極１６２に印加する。
次に、圧電駆動装置１００は、可変容量キャパシタ１０の容量を測定する（Ｓ２４）。そして、制御部１９２は、可変容量キャパシタ１０の容量に関する情報を取得する。センス部１９０は、検出した変位電圧を制御部１９２に出力してもよい（Ｓ２５）。
次に、制御部１９２は、Ｓ２４で取得した可変容量キャパシタ１０の容量が、Ｓ２０で積層体１１０に印加した駆動電圧に対して定められた所定の容量であるか否かを判定する（Ｓ２６）。Ｓ２４で取得した可変容量キャパシタ１０の容量が上記所定の容量でない場合には（Ｓ２６のＮＯ）、補償電圧を生成する（Ｓ２７）。補償電圧は、以下の通り生成される。
制御部１９２は、可変容量キャパシタ１０の容量を上記所定の容量に近づけるべく、補償電圧を設定する。制御部１９２は、当該補償電圧に関する信号を、補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部１９２から入力された補償電圧を第２電極１６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
ここで、上記補償電圧は、Ｓ２４で取得した可変容量キャパシタ１０の容量と上記所定の容量との差に応じて設定されても良く、Ｓ２１でセンス部から入力された変位電圧とＳ２５でセンス部から入力された変位電圧との差に応じて設定されてもよい。例えば、Ｓ２４で取得した可変容量キャパシタ１０の容量が上記所定の容量より大きい場合には、補償電圧は、積層体１１０の変位をより大きくするように設定される。可変容量キャパシタ１０の容量が所定の容量になるまで、Ｓ２３〜Ｓ２７が繰り返される。
Ｓ２６において、可変容量キャパシタ１０の容量として所定の容量が得られた場合には（Ｓ２６のＹＥＳ）、制御部１９２は、所定の容量が得られた場合の補償電圧をＳ２０において印加した駆動電圧に対応付けて記憶する。次に、制御部１９２は、積層体１１０に印加する駆動電圧を所定量増加させて、次に積層体１１０に印加する駆動電圧を設定して、当該駆動電圧が最大電圧より小さいかどうかを判定する（Ｓ２８）。
当該駆動電圧が最大電圧より小さい場合には（Ｓ２８のＹＥＳ）、駆動電圧を生成する（Ｓ２９）。駆動電圧は、以下の通り生成される。
制御部１９２は、Ｓ２８で設定された駆動電圧を駆動電圧として設定する。制御部１９２は、当該駆動電圧に関する信号を駆動電圧生成部１８０に出力する。駆動電圧生成部１８０は、制御部１９２から入力された駆動電圧を第１電極１６０に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。上記駆動電圧が最大電圧より大きくなるまで、Ｓ２０〜Ｓ２９が繰り返される。
次に、圧電駆動装置１００は、制御テーブル１９６を更新する（Ｓ３０）。制御テーブル１９６は以下の通り更新される。
Ｓ２８において、上記駆動電圧が最大電圧より大きくなった場合には、Ｓ２０で印加した駆動電圧、Ｓ２１で記憶した変位電圧、Ｓ２６で記憶した補償電圧を用いて、制御テーブル１９６を更新する。更新された制御テーブル１９６は、格納部１９４に格納される。
図６は、別の実施形態に係る圧電駆動装置６００の概要を表す。同図に示す通り、圧電駆動装置６００は、積層体６１０を有して、センス部１９０において、積層体６１０の変位により第２圧電体１４０に生成される変位電圧を検出する点で、圧電駆動装置１００と相違する。これにより、積層体６１０は第３圧電体１５０を有しないので、圧電駆動装置の製作が容易になり、より少ない電力で積層体を変位させることができる。なお、図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
図６に、積層体６１０を幅方向Ｗに切断した場合の断面図を示す。圧電駆動装置６００においては、第２圧電体１４０に生成される変位電圧を検出する。圧電駆動装置６００は、積層体６１０を有する。積層体６１０は、第２電極６６２と、絶縁層６６６と、センス電極６６８とを含む。
第２電極６６２は、第２圧電体１４０の基体１２０に面する側の面１４２とは逆の面１４４に形成される。第２電極６６２は、積層体６１０の長さ方向Ｌに延伸する。第２電極６６２は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。第２電極６６２は、第２電源部１８８に接続される。
絶縁層６６６は、第２電極６６２が形成されるのと同一の面１４４に形成される。絶縁層６６６は、第２電極６６２とセンス電極６６８とを電気的に絶縁する。絶縁層６６６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体を用いてもよい。
センス電極６６８は、第２電極６６２が形成されるのと同一の面１４４に形成される。センス電極６６８は、センス部１９０に接続される。第２電極６６２とセンス電極６６８とは、絶縁層６６６により電気的に絶縁される。
センス部１９０には、基体１２０及びセンス電極６６８より電位の情報が入力される。センス部１９０は、その電位差を第２圧電体１４０に生成される変位電圧として検出する。センス部１９０は、当該変位電圧に関する信号を制御部１９２に出力する。なお、圧電駆動装置６００に変位電極１０２を配置する場合には、変位電極１０２は、積層体６１０の適切な部分に電気的に絶縁されて配される。
図７は、別の実施形態に係る圧電駆動装置７００の概要を表す。同図に示す通り、圧電駆動装置７００は、センス部１９０で検出した変位電圧を補償電圧生成部７８２にフィードバックして補償電圧を生成する点で、圧電駆動装置６００と相違する。以上の構成により、圧電駆動装置７００は、変位電圧の目標値が予め定まっているので、フィードバック制御をした場合であっても、フィードバック回路が複雑にならない。なお、図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
同図に示す通り、圧電駆動装置７００は、制御部７９２を有する。圧電駆動装置７００は、制御テーブル７９６を、格納部１９４に格納する。制御テーブル７９６は、駆動電圧が増加する場合及び駆動電圧が減少する場合の各々について、駆動電圧と、当該駆動電圧に対応した変位電圧の目標値とを規定する。
制御部７９２は、駆動電圧の増減に関する情報と、駆動電圧と、制御テーブル７９６とに基づき、変位電圧の目標値を設定する。制御部７９２は、当該目標値に関する信号を補償電圧生成部７８２に出力する。補償電圧生成部７８２は、センス部１９０から入力された変位電圧と制御部７９２から入力された変位電圧の目標値に基づき、センス部１９０から入力された変位電圧を当該目標値に近づけるような補償電圧を第２電極１６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
図８は、別の実施形態に係る圧電駆動装置８００の概要を表す。同図に示す通り、圧電駆動装置８００は、積層体８１０を有して、センス部１９０を用いずに補償電圧を印加する点で、圧電駆動装置６００と相違する。これにより、圧電駆動装置の構造が更に簡素化される。なお、図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
図８に、積層体８１０を幅方向Ｗに切断した場合の断面図を示す。積層体８１０は、第２電極８６２を含む。第２電極８６２は、第２圧電体１４０の基体１２０に面する側の面１４２とは逆の面１４４に配される。第２電極８６２は、第１電極１６０と同様の電極材料を用いてもよい。第２電極８６２は、第２電源部１８８に接続される。
同図に示す通り、圧電駆動装置８００は、制御部８９２を有する。圧電駆動装置８００は、制御テーブル８９６を、格納部１９４に格納する。
制御テーブル８９６は、駆動電圧が増加する場合及び駆動電圧が減少する場合の各々について、駆動電圧と、当該駆動電圧に対応した補償電圧とを規定する。制御テーブル８９６は、駆動電圧ごとの積層体８１０の変位量を予め測定して変位量測定値を求め、当該変位量測定値が駆動電圧に対して線形となるような補償電圧を予め測定することで得られる。
制御部８９２は、積層体８１０の変位量を設定する。制御部８９２は、当該変位量に応じた駆動電圧に関する信号を駆動電圧生成部１８０に出力する。制御部８９２は、当該駆動電圧と、駆動電圧の増減に関する情報と、制御テーブル８９６とに基づき、駆動電圧に応じた補償電圧を求める。制御部８９２は、当該補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部８９２から入力された補償電圧を第２電極８６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
図９は、上記の通り用意された積層体８１０を有する圧電駆動装置８００の圧電駆動制御方法の一例を表す。以下、可変容量キャパシタ１０の容量を所定の容量に調整する場合について説明する。
まず、圧電駆動装置８００は、駆動電圧を生成する（Ｓ４０）。駆動電圧は、以下の通り生成される。
制御部８９２は、現在、第１電極１６０に印加している駆動電圧を記憶する。制御部８９２は、可変容量キャパシタ１０の調整後の容量を形成する積層体８１０の変位量から第１電極１６０に印加すべき駆動電圧を求める。制御部８９２は、当該駆動電圧を駆動電圧生成部１８０に出力する。駆動電圧生成部１８０は、制御部８９２から入力された駆動電圧を第１電極１６０に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
次に、制御部８９２は、Ｓ４０において駆動電圧を増加させたかどうかを判定する（Ｓ４１）。Ｓ４０において駆動電圧を増加させた場合には（Ｓ４１のＹＥＳ）、圧電駆動装置８００は、駆動電圧が増加した場合の補償電圧を生成する（Ｓ４２）。補償電圧は、以下の通り生成される。
制御部８９２は、制御テーブル８９６に記憶された、駆動電圧を増加させた場合における駆動電圧に対応する補償電圧を参照して、第２電極１６２に印加すべき補償電圧を求める。制御部８９２は、当該補償電圧に関する信号を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部８９２から入力された補償電圧を第２電極８６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
Ｓ４０において駆動電圧を増加させなかった場合には（Ｓ４１のＮＯ）、制御部８９２は、Ｓ４０において駆動電圧を減少させたかどうかを判定する（Ｓ４３）。Ｓ４０において駆動電圧を減少させた場合には（Ｓ４３のＹＥＳ）、圧電駆動装置８００は、駆動電圧が減少した場合の補償電圧を生成する（Ｓ４４）。補償電圧は、以下の通り生成される。
制御部８９２は、制御テーブル８９６に記憶された、駆動電圧を減少させた場合における駆動電圧に対応する補償電圧を参照して、第２電極１６２に印加すべき補償電圧を求める。制御部８９２は、当該補償電圧を補償電圧生成部１８２に出力する。補償電圧生成部１８２は、制御部８９２から入力された補償電圧を第２電極８６２に印加する旨の信号を電圧印加部１８４に出力する。
次に、圧電駆動装置８００は、電圧を印加する（Ｓ４５）。電圧は、以下の通り印加される。電圧印加部１８４は、第１電源部１８６の発生させた電圧を第１電極１６０に印加する。電圧印加部１８４は、第２電源部１８８の発生させた電圧を第２電極１６２に印加する（Ｓ４５）。これにより、簡単な構造の積層体を用いた場合であっても、迅速に、精度よく積層体の変位量を制御することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１０ 可変容量キャパシタ
１００ 圧電駆動装置
１０２ 変位電極
１０４ 固定電極
１０６ 基板
１０８ 台座部
１１０ 積層体
１２０ 基体
１２２ 第１面
１２４ 第２面
１３０ 第１圧電体
１３２ 面
１３４ 面
１４０ 第２圧電体
１４２ 面
１４４ 面
１５０ 第３圧電体
１６０ 第１電極
１６２ 第２電極
１６４ 第１センス電極
１６６ 絶縁層
１６８ 第２センス電極
１８０ 駆動電圧生成部
１８２ 補償電圧生成部
１８４ 電圧印加部
１８６ 第１電源部
１８８ 第２電源部
１９０ センス部
１９２ 制御部
１９４ 格納部
１９６ 制御テーブル
２０２ 変位部
６００ 圧電駆動装置
６１０ 積層体
６６２ 第２電極
６６６ 絶縁層
６６８ センス電極
７００ 圧電駆動装置
７８２ 補償電圧生成部
７９２ 制御部
７９６ 制御テーブル
８００ 圧電駆動装置
８１０ 積層体
８６２ 第２電極
８９２ 制御部
８９６ 制御テーブル
１００ 圧電駆動装置
１０２ 変位電極
１０４ 固定電極
１０６ 基板
１０８ 台座部
１１０ 積層体
１２０ 基体
１２２ 第１面
１２４ 第２面
１３０ 第１圧電体
１３２ 面
１３４ 面
１４０ 第２圧電体
１４２ 面
１４４ 面
１５０ 第３圧電体
１６０ 第１電極
１６２ 第２電極
１６４ 第１センス電極
１６６ 絶縁層
１６８ 第２センス電極
１８０ 駆動電圧生成部
１８２ 補償電圧生成部
１８４ 電圧印加部
１８６ 第１電源部
１８８ 第２電源部
１９０ センス部
１９２ 制御部
１９４ 格納部
１９６ 制御テーブル
２０２ 変位部
６００ 圧電駆動装置
６１０ 積層体
６６２ 第２電極
６６６ 絶縁層
６６８ センス電極
７００ 圧電駆動装置
７８２ 補償電圧生成部
７９２ 制御部
７９６ 制御テーブル
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８１０ 積層体
８６２ 第２電極
８９２ 制御部
８９６ 制御テーブル
Claims (8)
- 力の印加により変形が可能な基体と、
前記基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体と、
前記第１面と略平行な前記基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体と、
前記第１圧電体、前記第２圧電体および前記基体を有する積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成部と、
前記積層体の変位量が前記駆動電圧に対して線形となるように補償する補償電圧を生成する補償電圧生成部と、
前記駆動電圧および前記補償電圧の各々を前記第１圧電体および前記第２圧電体の各々に印加する電圧印加部と、
を備える圧電駆動装置。 - 前記補償電圧生成部は、前記駆動電圧を増加する場合および前記駆動電圧を減少する場合の各々について前記駆動電圧ごとの前記積層体の変位量を予め測定して求めた補償電圧の値に基づき、前記駆動電圧に応じた前記補償電圧を生成する、
請求項１に記載の圧電駆動装置。 - 前記積層体の変位により前記第２圧電体に生成される変位電圧を検出するセンス部、をさらに備え、
前記補償電圧生成部は、前記駆動電圧を増加する場合および前記駆動電圧を減少する場合の各々について前記駆動電圧ごとの前記積層体の変位量を予め測定して求めた前記センス部が検出した前記変位電圧に対応する前記補償電圧の値に基づき、前記補償電圧を生成する、
請求項１又は２に記載の圧電駆動装置。 - 前記基体の前記第１面、前記基体の前記第２面、前記第１圧電体の前記基体に面する側とは逆の面または前記第２圧電体の前記基体に面する側とは逆の面に、直接または他の層を介して形成された第３圧電体と、
前記第１圧電体、前記第２圧電体、前記第３圧電体および前記基体を有する積層体の変位により前記第３圧電体に生成される変位電圧を検出するセンス部と、をさらに備え、
前記補償電圧生成部は、前記駆動電圧を増加する場合および前記駆動電圧を減少する場合の各々について前記駆動電圧ごとの前記積層体の変位量を予め測定して求めた前記センス部が検出した前記変位電圧に対応する前記補償電圧の値に基づき、前記補償電圧を生成する、
請求項１又は２に記載の圧電駆動装置。 - 前記補償電圧生成部は、前記補償電圧に重畳して変調電圧を印加する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。 - 力の印加により変形が可能な基体、前記基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体、および、前記第１面と略平行な前記基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体、を有する積層体を用意する段階と、
前記積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成段階と、
前記積層体の変位量が前記駆動電圧に対して線形となるように補償する補償電圧を生成する補償電圧生成段階と、
前記駆動電圧および前記補償電圧の各々を前記第１圧電体および前記第２圧電体の各々に印加する電圧印加段階と、
を備える圧電駆動制御方法。 - 前記補償電圧生成段階は、前記駆動電圧を増加する場合および前記駆動電圧を減少する場合の各々について前記駆動電圧ごとの前記積層体の変位量を予め測定して求めた補償電圧の値に基づき、前記駆動電圧に応じた前記補償電圧を生成する、
請求項６に記載の圧電駆動制御方法。 - 力の印加により変形が可能な基体、前記基体の第１面に直接または他の層を介して形成された第１圧電体、前記第１面と略平行な前記基体の第２面に直接または他の層を介して形成された第２圧電体、前記第１圧電体、前記第２圧電体および前記基体を有する積層体の変位量に応じた駆動電圧を生成する駆動電圧生成部、前記積層体の変位量が前記駆動電圧に対して線形となるように補償する補償電圧を生成する補償電圧生成部、ならびに、前記駆動電圧および前記補償電圧の各々を前記第１圧電体および前記第２圧電体の各々に印加する電圧印加部、を有する圧電駆動装置と、
前記圧電駆動装置の変位部に配置した変位電極と、
前記変位電極との間で可変容量を形成する固定電極と、
を備える電子デバイス。
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