JP2004281651A

JP2004281651A - Piezoelectric actuator device and its driving method

Info

Publication number: JP2004281651A
Application number: JP2003070003A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Uchiyama; 博一内山; Hideki Kuwajima; 秀樹桑島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: JP4449313B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator device which is easily wired and operated at a low voltage and has a large amount of displacement, and to provide a method of driving the same. <P>SOLUTION: The piezoelectric actuator device comprises first and second piezoelectric element units wherein piezoelectric elements are connected in parallel. Each piezoelectric element has first and second electrodes on both faces of a piezoelectric thin film with the piezoelectric thin film polarized in a direction from the first to the second electrode. These piezoelectric element units are connected in series or in parallel. By applying voltages to both ends of the series or parallel combination of the piezoelectric element units, the piezoelectric actuator device can be driven by only two terminals, and moreover, the number of driving power supplies can be reduced by making the piezoelectric actuator device small in size and driven by low power. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧を印加すると伸縮する特性を備えた圧電材料により形成したアクチュエータ素子に関し、特にディスク装置におけるヘッド位置決め機構に用いられる圧電アクチュータ素子とその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスク装置は、近年のヘッド素子などの改善によりトラックに沿った線記録密度が向上している。これに伴いトラックに垂直方向の記録密度の向上が重要になり、より微細なトラックピッチを実現することが求められてきている。幅の狭いトラックに正確にヘッド素子を追従させるためには、ヘッド素子を微少に移動させる機構が必要である。
【０００３】
磁気ディスク型情報記録再生装置（磁気ディスク装置）では、磁気ディスクに対して情報の記録再生を行うための磁気ヘッドがヘッドスライダに搭載され、アクチュエータアームに取り付けられている。このアクチュエータアームをボイスコイルモータ（ＶＣＭとよぶ）によって揺動させることで、磁気ディスク上の所定のトラック位置に位置決めされた磁気ヘッドで記録再生を行っている。しかしながら、記録密度の向上とともに、このような従来のＶＣＭのみでの位置決めでは十分な精度を確保できなくなってきている。このために、ＶＣＭの位置決め手段に加えて、副アクチュエータとして圧電体素子であるＰＺＴを用いた微少位置決め手段を付加してヘッドスライダを微少駆動させ、高速、高精度の位置決めを行う方法が提案されている。圧電体素子としてはセラミック積層タイプの厚膜タイプや薄膜タイプがあり、特に薄膜タイプの圧電体素子を用いた例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図８は、従来のこのような磁気ディスク装置のアクチュエータアームに設けられた圧電アクチュエータ素子を用いた副アクチュエータの概略を示す平面図であり、図９は図８のＤ−Ｄ断面図を示している。圧電アクチュエータ素子１００は、ともに薄膜圧電体で形成され、それぞれが鏡面対称形状に配置された第１の圧電体素子ユニット１００ａと第２の圧電体素子ユニット１００ｂとが一対となって、アクチュエータアーム１４０を構成するフレキシブル基板を構成する樹脂基板１２２に接着固定されている。第１の圧電体素子ユニット１００ａと第２の圧電体素子ユニット１００ｂのうちの片方が伸長する方向（矢印Ｅ）に変位し、一方が収縮する方向（矢印Ｄ）に変位することによって、先端に設けられたヘッドスライダ１０１を微少に回転させ、ヘッドスライダ１０１の先端に取り付けられた磁気ヘッド１３０を微少移動させている。また、図９に示すように、第１の圧電体素子ユニット１００ａおよび第２の圧電体素子ユニット１００ｂは、第１の薄膜圧電体１１１ａおよび第２の薄膜圧電体１１１ｂとが積層配置された２層構造を有している。第１の薄膜圧電体１１１ａの上側には第１電極１１２ａが、また下側には第２電極１１２ｂが形成されている。同様に第２の薄膜圧電体１１１ｂは、第１の薄膜圧電体１１１ａの下部に配置され、その両面には第３電極１１２ｃと第４電極１１２ｄとが設けられている。第２電極１１２ｂと第３電極１１２ｃとは接着剤１１３で接着されている。また、それぞれ第１の圧電体素子ユニット１００ａ、第２の圧電体素子ユニット１００ｂの端部には、電極端子部を形成するためのビアホール部１１４、１１５と端子接続部１１６、１１７が設けられている。図９に示すようにビアホール部１１４、１１５は、第２電極１１２ｂと第３電極１１２ｃとを短絡するための端子接続部１１６、１１７を形成するためのものであり、端子線１１８により共通電極としての接地電極１１９に接続されている。一方、第１の圧電体素子ユニット１００ａの第１電極１１２ａと第４電極１１２ｄとは端子線１２０に接続されて電圧印加手段１２１ａによって所定の電圧が印加されている。またさらに、第２の圧電体素子ユニット１００ｂの第１電極１１２ａと第４電極１１２ｄとが端子線１２０に接続されて電圧印加手段１２１ｂによって所定の電圧が印加されている。また、これらの第１の圧電体素子ユニット１００ａと第２の圧電体素子ユニット１００ｂはアクチュエータアーム１４０のフレキシブル基板の、樹脂のみの基板が構成されている樹脂基板１２２に接合されて搭載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３４８０７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような副アクチュエータを構成する圧電アクチュエータ素子としては、小型、軽量であることはもちろんであるが、特に小型ディスク装置用としては、圧電アクチュエータ素子の配線数を減らして組み立て性を向上させることやその製造プロセスが簡便であること、さらにより低電圧駆動として圧電体素子のマイグレーションを抑制することなどが要求される。
【０００７】
従来では、これらの要求を満たすことができないといった課題を有していた。すなわち、セラミック積層の厚膜タイプを実際に圧電素子として使用する際には、分極の乱れ（反転など）を防止するために正極方向のみに電圧印加する図１０に示すようなユニポーラ駆動の駆動回路とする必要があった。したがって、３端子の配線が必要であった。さらに、このような厚膜タイプは、圧電体素子の膜厚が大きいため容量が小さく、結果的に、駆動電圧に高電圧を必要とし、しかもＡＣ駆動であっても、時間軸で平均した場合、ＤＣ成分が等価的に印加され絶縁破壊を引き起こしやすいという課題があった。
【０００８】
一方、薄膜タイプを用いた場合には、成膜時に膜表面方向が正極に自然分極されるため、あえて分極形成処理（ポーリング処理）を必要とせず、形成された分極の抗電界が１００Ｋｖ／ｃｍ以上と高く、膜厚当たりの圧電特性（ｄ定数）が高いことから低電圧駆動が可能になる。したがって、図１１に示すように、バイアス電圧を印加せずに０電位を中心としたバイポーラ駆動が可能となり、マイグレーション性能にとって優位な駆動方法とすることができる。しかしながら、この場合でも左右素子が全くの同一素子でなく、左右素子のどちらか片方に欠陥がある場合には電圧印加バランスが崩れてしまうので、素子の共通端子にグランド電極を設け、左右素子に均等に電圧印加されるように３端子の配線が必要であった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決し、アクチュエータとして配線の簡便な２端子のみで駆動でき、なおかつ低電圧で変位量が大きく、圧電体素子の信頼性を向上させることが可能な圧電アクチュエータ素子とその駆動方法を得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の圧電アクチュエータ素子は、両面に第１の電極と第２の電極とを有し、第１の電極から第２の電極方向に分極された圧電薄膜よりなる少なくとも２つの圧電体素子を第２の電極同士を対向させて積層した第１の圧電体素子ユニットと、両面に第３の電極と第４の電極とを有し、第３の電極から第４の電極方向に分極された圧電薄膜よりなる少なくとも２つの圧電体素子を第４の電極同士を対向させて積層した第２の圧電体素子ユニットとを備え、第１の圧電体素子ユニットの第２の電極側と第２の圧電体素子ユニットの第４の電極側とを短絡接続するとともに、第１の圧電体素子ユニットの第１の電極側と第２の圧電体素子ユニットの第３の電極側とにそれぞれ逆位相の電圧を印加する構成としている。
【００１１】
この構成により、圧電アクチュエータ素子として２端子素子とすることが可能となり、圧電アクチュエータ素子の組み立てプロセスの簡略化を図れる。
【００１２】
また、本発明の圧電アクチュエータ素子は、両面に第１の電極と第２の電極とを有し、第１の電極から第２の電極方向に分極された圧電薄膜よりなる少なくとも２つの圧電体素子を第２の電極同士を対向させて積層した第１の圧電体素子ユニットと、両面に第３の電極と第４の電極とを有し、第３の電極から第４の電極方向に分極された圧電薄膜よりなる少なくとも２つの圧電体素子を第４の電極同士を対向させて積層した第２の圧電体素子ユニットとを備え、第１の圧電体素子ユニットの第１の電極側と第２の圧電体素子ユニットの第４の電極側とを接続するとともに、第１の圧電体素子ユニットの第２の電極側と第２の圧電体素子ユニットの第３の電極側とを接続し、第１の電極または第４の電極と第２の電極または第３の電極とに電圧を印加する構成としている。
【００１３】
この構成により、圧電アクチュエータ素子として２端子素子とすることが可能になり、圧電アクチュエータ素子の組み立てプロセスの簡略化が図られるとともに、より低電圧で変位させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の圧電アクチュエータ素子の駆動方法は、分極方向が同一の一対の圧電体素子を並列に接続した第１の圧電体素子ユニットよりなる第１駆動回路と、分極方向が前記第１の圧電体素子ユニットと逆方向の一対の圧電体素子を並列に接続した第２の圧電体素子ユニットよりなる第２駆動回路と、第１駆動回路と第２駆動回路とを直列に接続する第３駆動回路とを備え、第３駆動回路の両端にそれぞれ逆位相の電圧を印加して第１の圧電体素子ユニットおよび第２の圧電体素子ユニットを駆動する駆動方法である。
【００１５】
この方法により、２端子配線による安定した駆動が可能となる。
【００１６】
また、本発明の圧電アクチュエータ素子の駆動方法は、分極方向が同一の一対の圧電体素子を並列に接続した第１の圧電体素子ユニットよりなる第１駆動回路と、分極方向が第１の圧電体素子ユニットと逆方向の一対の圧電体素子を並列に接続した第２の圧電体素子ユニットよりなる第２駆動回路と、第１駆動回路と第２駆動回路とを並列に接続する第３駆動回路とを備え、第３駆動回路の両端にそれぞれ電圧を印加して第１の圧電体素子ユニットおよび第２の圧電体素子ユニットを駆動する駆動方法である。
【００１７】
この方法により、２端子駆動が可能となるとともに、より低電圧で駆動することが可能になる。
【００１８】
さらに、第３駆動回路の両端に印加する電圧がそれぞれ逆位相にすることで、変位量を増倍することが可能になる。
【００１９】
また、第３駆動回路の片側を接地することによって、駆動電源回路をシンプルにすることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における圧電アクチュエータ素子およびその駆動方法について図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における圧電アクチュエータ素子の構成を示す概要図である。
【００２２】
図１に示すように、実施の形態１における圧電アクチュエータ素子は、一対の圧電体素子ユニットにより構成されている。すなわち、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とが基板３上に鏡面対称形状に配置されている。第１の圧電体素子ユニット１は第１の圧電体素子４と第２の圧電体素子５とが積層されて構成され、第１の圧電体素子４の両側には第１の電極である第１電極６と第２の電極である第２電極７が形成されている。また第２の圧電体素子５の両側にも第１の電極である第３電極８と第２の電極である第４電極９が形成されている。さらに、第２電極７と第４電極９とは接着剤１０によって接合されている。また一方、第２の圧電体素子ユニット２は第３の圧電体素子１１と第４の圧電体素子１２とが積層されて構成され、第３の圧電体素子１１の両側には第３の電極である第５電極１３と第４の電極である第６電極１４が形成されている。また、第４の圧電体素子１２の両側にも第３の電極である第７電極１５と第４の電極である第８電極１６が形成されている。さらに、第６電極１４と第８電極１６とは接着剤１０によって接合されている。接着剤１０は導電性接着剤でもよい。
【００２３】
また、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とは、それぞれの第２電極７、第４電極９、第６電極１４、第８電極１６が配線部材１７によって短絡接続されている。ここで配線部材１７は第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２のそれぞれの電極を部分的に連結して構成してもよいし、別途の配線部材を設けて配線接続してもよい。また、それぞれ第１の圧電体素子４、第２の圧電体素子５、第３の圧電体素子１１、第４の圧電体素子１２は図１の矢印に示す方向に分極されている。さらに、第１の圧電体素子ユニット１を構成する第１電極６と第３電極８が配線部材１８で短絡接続され、第２の圧電体素子ユニット２を構成する第５電極１３と第７電極１５とが配線部材１９で短絡接続され、それぞれに所定電圧が印加されるための端子部２０と端子部２１を備えている。また、それぞれ第１の圧電体素子４、第２の圧電体素子５、第３の圧電体素子１１、第４の圧電体素子１２は、単結晶ＭｇＯ基板上の電極上にスパッタリングや真空蒸着などの薄膜形成法によって形成されたＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）の圧電薄膜を用いている。このような圧電薄膜は、印加電圧に対する分極反転までの動作域が広いため、逆位相の電圧を印加した場合でもマイグレーションが発生しにくく、信頼性の高い圧電体素子を得ることができる。また、これらの圧電薄膜によって圧電体素子ユニットを形成する際には、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とを同一ＭｇＯ基板上に同時に形成し、その後、エッチングなどによって分割することで、それぞれのユニットの特性バラツキをなくすことができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１における圧電アクチュエータ素子の駆動回路の概要図である。実施の形態１における駆動回路は、分極方向が同一の一対の圧電体素子３０が並列に接続された第１の圧電体素子ユニット３１よりなる第１駆動回路３２と、第１の圧電体素子ユニット３１と分極方向が逆方向の一対の圧電体素子３３が並列に接続された第２の圧電体素子ユニット３４よりなる第２駆動回路３５とが直列に接続された第３駆動回路３６とより構成され、この第３駆動回路の両端の端子部３７、３８にそれぞれ逆位相の電圧を印加するように構成している。
【００２５】
図３は、実施の形態１における圧電アクチュエータ素子を駆動するための印加電圧波形図である。図３は横軸に時間、縦軸に印加する電圧を示し、図２の端子部３７に印加される電圧を電圧曲線５１で示し、同じく端子部３８に印加される電圧を電圧曲線５２で示している。
【００２６】
このように、図２に示す駆動回路において、図３に示すように絶対値が等しく逆位相の駆動電圧を第１の圧電体素子ユニット１（３１）と第２の圧電体素子ユニット２（３４）とに印加する。第１の圧電体素子ユニット１（３１）は電圧曲線５１のプラス電圧が印加されると伸長し、逆に電圧曲線５１のマイナス電圧が印加されると収縮する。一方、この時、第２の圧電体素子ユニット２（３４）は電圧曲線５２のマイナス電圧が印加されると収縮し、同じく電圧曲線５２のプラス電圧が印加されると伸長する。これによって圧電アクチュエータ素子として変位を発生することができる。したがって、このように構成した圧電アクチュエータ素子を用いると、図８に示すように圧電アクチュエータ素子１００を、アクチュエータアーム１４０を構成するフレキシブル基板の樹脂基板１２２に接着固定し、先端に設けられたヘッドスライダ１０１を微少に回転させ、ヘッドスライダ１０１の先端に取り付けられた磁気ヘッド１３０を微少移動させることが可能となる。
【００２７】
また、図３では、印加電圧の最大値を５Ｖとしているが、印加電圧は所望変位量に応じて可変可能としている。
【００２８】
ここで、図１に示すような、実施の形態１の構成においては、第１の圧電体素子ユニット１の第１電極６と第３電極８とにプラス電圧が印加されると、第２電極７および第４電極９にはマイナス電圧が誘起される。一方、第２の圧電体素子ユニット２の第５電極１３と第７電極１５とにマイナス電圧が印加されると、第６電極１４および第８電極１６にはプラス電圧が誘起される。ここで、印加される電圧の絶対値が等しい場合、第２電極７、第４電極９、第６電極１４および第８電極１６とは配線部材１７によって短絡しているので電圧が相殺され、電圧はゼロとなる。したがって、第２電極７、第４電極９、第６電極１４、第８電極１６は見掛け上接地電極と同じになるとともに、第１の圧電素子ユニット１と第２の圧電素子ユニット２との特性バラツキがないため、特に接地する必要がない。そのため、２端子のみの配線によって駆動が可能となり、配線構成が簡便となり組み立て性、信頼性が向上する。
【００２９】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における圧電アクチュエータ素子の構成を示す概要図である。
【００３０】
実施の形態２における圧電アクチュエータ素子は、その主要構成要素は実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同一構成要素については同一符号を付与して説明する。すなわち、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とが基板３上に鏡面対称形状に配置されている。第１の圧電体素子ユニット１は第１の圧電体素子４と第２の圧電体素子５とが積層されて構成され、第１の圧電体素子４の両側には第１の電極である第１電極６と第２の電極である第２電極７が形成されている。また第２の圧電体素子５の両側にも第１の電極である第３電極８と第２の電極である第４電極９が形成されている。さらに、第２電極７と第４電極９とは接着剤１０によって接合されている。また一方、第２の圧電体素子ユニット２は第３の圧電体素子１１と第４の圧電体素子１２とが積層されて構成され、第３の圧電体素子１１の両側には第３の電極である第５電極１３と第４の電極である第６電極１４が形成されている。また、第４の圧電体素子１２の両側にも第３の電極である第７電極１５と第４の電極である第８電極１６が形成されている。さらに、第６電極１４と第８電極１６とは接着剤１０によって接合されている。接着剤１０は導電性接着剤でもよい。
【００３１】
また、それぞれ第１の圧電体素子４、第２の圧電体素子５、第３の圧電体素子１１、第４の圧電体素子１２は、単結晶ＭｇＯ基板上の電極上にスパッタリングや真空蒸着などの薄膜形成法によって形成されたＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）の圧電薄膜を用いている。このような圧電薄膜は、印加電圧に対する分極反転までの動作域が広いため、逆位相の電圧を印加した場合でもマイグレーションが発生しにくく、信頼性の高い圧電体素子を得ることができる。また、これらの圧電薄膜によって圧電体素子ユニットを形成する際には、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とを同一基板上に同時に形成し、その後、エッチングなどによって分割することで、それぞれのユニットの特性バラツキをなくすことができる。
【００３２】
実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２との配線接続構成である。すなわち、第１の圧電体素子ユニット１と第２の圧電体素子ユニット２とは、第１の圧電体素子ユニット１の第１電極６と第３電極８とを短絡接続する配線部材２２が、第２の圧電体素子ユニット２の第６電極１４と第８電極１６とを短絡接続する配線部材２３に短絡接続されている。一方、第１の圧電体素子ユニット１の第２電極７と第４電極９とを接続する配線部材２４が、第２の圧電体素子ユニット２の第５電極１３と第７電極１５とを接続する配線部材２５に短絡接続されている。
【００３３】
それぞれの圧電体素子ユニットに電圧を印加するための端子部２６、２７が、第１の圧電体素子ユニット１の第３電極８あるいは第１電極６と、第２の圧電体素子ユニット２の第５電極１３あるいは第７電極１５とに設けられている。また、端子部２６は配線部材２２、２３、端子部２７は配線部材２４、２５に接続してもよい。
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態２における圧電アクチュエータ素子の駆動回路の概要図である。実施の形態２における駆動回路は、分極方向が同一の一対の圧電体素子４０が並列に接続された第１の圧電体素子ユニット４１よりなる第１駆動回路４２と、第１の圧電体素子ユニット４１と分極方向が逆方向の一対の圧電体素子４３が並列に接続された第２の圧電体素子ユニット４４よりなる第２駆動回路４５と、それらが並列に接続された第３駆動回路４６とより構成され、この第３駆動回路４６の両端にそれぞれ所定の電圧を印加する端子部４７、４８が設けられている。
【００３５】
図６、図７に、実施の形態２における圧電アクチュエータ素子を駆動する駆動方法に関わる印加電圧の駆動波形を示す。それぞれの図は横軸に時間、縦軸に印加する電圧を示している。ここで、図４に示される第１の圧電体素子ユニット１あるいは図５に示される第１の圧電体素子ユニット４１に印加される電圧は電圧曲線６０で示している。一方、図４に示される第２の圧電体素子ユニット２あるいは図５に示される第２の圧電体素子ユニット４４に印加される電圧を電圧曲線６１で示している。
【００３６】
図６は、図５の回路両端に駆動電源２台によって端子部４７と端子部４８にそれぞれ逆位相の電圧を印加した例を示している。端子部４７に印加される電圧曲線６１と端子部４８に印加される電圧曲線６２を示している。図５に示す実施の形態２の駆動回路と、図２に示す実施の形態１の駆動回路とを比較すると、図２では分極方向が逆方向のユニットを直列に接続し、図５では分極方向が逆方向のユニットを並列に接続している。したがって、図６に示すように両端に逆位相の電圧を印加すると、実施の形態１に比較して変位量は倍増される。それゆえ、実施の形態１において±５Ｖの印加電圧で得られた変位量を、図６の電圧曲線６３と電圧曲線６４で示すような±２．５Ｖの印加電圧で得ることが可能となる。
【００３７】
また、実施の形態２においても、特に接地する必要がなく、２端子のみの配線によって駆動が可能となり、配線構成が簡便となり組み立て性、信頼性が向上する。
【００３８】
さらに、図７は実施の形態２における圧電アクチュエータ素子を駆動する駆動方法に関わる印加電圧駆動波形の他の実施例を示し、図５の両端に印加する電圧を片側のみに印加し、他端を接地して駆動する場合の駆動波形である。前述のように、実施の形態２では、分極が逆方向のユニットを並列に接続している。そのため、図５の端子部４７のみに電圧を印加し、端子部４８を接地することによっても変位させることが可能となり、駆動電源を１台とすることができる。図７に示すように、印加される電圧は、端子部４７に印加される電圧曲線７０のみである。ここで、プラス電圧が印加される間には第１の圧電体素子ユニット１（４１）は伸長し、第２の圧電体素子ユニット２（４４）が収縮する。一方、マイナス電圧が印加される間には第１の圧電体素子ユニット１（４１）が収縮し、第２の圧電体素子ユニット２（４４）が伸長する。このように、片側のみに±５Ｖの電圧を印加し、片側を接地すると、両側に逆位相の±５Ｖを印加した場合に比べ、変位量は半分になるが駆動電源として１台のみで駆動が可能となる。
【００３９】
また、図７中の電圧曲線７１は、電圧曲線７０に比べて変位量を倍にするために片側に±１０Ｖを印加した例を示している。
【００４０】
このように、図６および図７に示す駆動方法では、駆動配線数を１本で済ませることが可能となる。したがって、圧電アクチュエータ素子としてフレキシブル基板に配線を形成する場合には、配線数が減ることによってフレキシブル基板の剛性を低減することが可能となる。特に、アクチェータアームが可動する際には、フレキシブル基板の反力が低減されるため、余分の負荷電力が低減され、小型、軽量の駆動装置に好適な圧電アクチュエータ素子を実現することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の圧電アクチュエータ素子とその駆動方法によれば、圧電薄膜の両面に第１の電極と第２の電極を備えるとともに圧電薄膜が第１の電極から第２の電極方向に分極されて設けられた圧電体素子を並列に接続した第１の圧電体素子ユニットと第２の圧電体素子ユニットとを備え、これらの圧電体素子ユニットを直列あるいは並列に接続し、直列あるいは並列に接続した両端に電圧を印加することで、２端子のみで駆動が可能であり、さらに駆動電源の数を削減でき、小型で低電力駆動が可能な圧電アクチュエータ素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における圧電アクチュエータ素子の構成を示す概要図
【図２】同圧電アクチュエータ素子の駆動回路の概要図
【図３】同圧電アクチュエータ素子を駆動するための印加電圧波形図
【図４】本発明の実施の形態２における圧電アクチュエータ素子の構成を示す概要図
【図５】同圧電アクチュエータ素子の駆動回路の概要図
【図６】同圧電アクチュエータ素子を駆動するための印加電圧波形図
【図７】同圧電アクチュエータ素子を駆動するための他実施例における印加電圧波形図
【図８】従来の磁気ディスク装置のアクチュエータアームに設けられた圧電アクチュエータ素子を用いた副アクチュエータの概略を示す平面図
【図９】図８のＤ−Ｄ断面図
【図１０】従来の厚膜タイプの場合のユニポーラ駆動の駆動回路の概要図
【図１１】従来の薄膜タイプの場合のバイポーラ駆動の駆動回路の概要図
【符号の説明】
１，３１，４１第１の圧電体素子ユニット
２，３４，４４第２の圧電体素子ユニット
３基板
４第１の圧電体素子
５第２の圧電体素子
６第１電極
７第２電極
８第３電極
９第４電極
１０接着剤
１１第３の圧電体素子
１２第４の圧電体素子
１３第５電極
１４第６電極
１５第７電極
１６第８電極
１７，１８，１９，２２，２３，２４，２５配線部材
２０，２１，２６，２７，３７，３８，４７，４８端子部
３０，３３，４０，４３圧電体素子
３２，４２第１駆動回路
３５，４５第２駆動回路
３６，４６第３駆動回路
５１，５２，６１，６２，６３，６４電圧曲線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator element formed of a piezoelectric material having the property of expanding and contracting when a voltage is applied, and more particularly to a piezoelectric actuator element used for a head positioning mechanism in a disk drive and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a disk device, the linear recording density along a track has been improved due to recent improvements in a head element and the like. Accordingly, it is important to improve the recording density in the direction perpendicular to the track, and there is a demand for achieving a finer track pitch. In order for the head element to accurately follow a narrow track, a mechanism for slightly moving the head element is required.
[0003]
In a magnetic disk type information recording / reproducing apparatus (magnetic disk apparatus), a magnetic head for recording / reproducing information on / from a magnetic disk is mounted on a head slider and attached to an actuator arm. By swinging the actuator arm by a voice coil motor (referred to as a VCM), recording and reproduction are performed by a magnetic head positioned at a predetermined track position on a magnetic disk. However, with the improvement in recording density, it has become impossible to secure sufficient accuracy by such conventional positioning using only a VCM. For this purpose, a method has been proposed in which, in addition to the positioning means of the VCM, minute positioning means using PZT, which is a piezoelectric element, is added as a sub-actuator to finely drive the head slider to perform high-speed, high-precision positioning. ing. As the piezoelectric element, there are a ceramic laminate type thick film type and a thin film type, and in particular, an example using a thin film type piezoelectric element is disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 8 is a plan view schematically showing a sub-actuator using a piezoelectric actuator element provided in an actuator arm of such a conventional magnetic disk drive, and FIG. 9 is a sectional view taken along line DD of FIG. I have. The piezoelectric actuator element 100 is formed of a thin-film piezoelectric material, and a first piezoelectric element unit 100a and a second piezoelectric element unit 100b, each of which is arranged in a mirror-symmetrical shape, form a pair, and the actuator arm 140 Are adhered and fixed to a resin substrate 122 constituting a flexible substrate. One of the first piezoelectric element unit 100a and the second piezoelectric element unit 100b is displaced in the extending direction (arrow E) and the other is displaced in the contracting direction (arrow D). The provided head slider 101 is slightly rotated, and the magnetic head 130 attached to the tip of the head slider 101 is slightly moved. As shown in FIG. 9, the first piezoelectric element unit 100a and the second piezoelectric element unit 100b each include a first thin-film piezoelectric element 111a and a second thin-film piezoelectric element 111b stacked and arranged. It has a layered structure. A first electrode 112a is formed on the upper side of the first thin film piezoelectric body 111a, and a second electrode 112b is formed on the lower side. Similarly, the second thin-film piezoelectric member 111b is disposed below the first thin-film piezoelectric member 111a, and a third electrode 112c and a fourth electrode 112d are provided on both surfaces thereof. The second electrode 112b and the third electrode 112c are bonded with an adhesive 113. In addition, via-hole portions 114 and 115 for forming electrode terminal portions and terminal connection portions 116 and 117 are provided at ends of the first piezoelectric element unit 100a and the second piezoelectric element unit 100b, respectively. I have. As shown in FIG. 9, the via hole portions 114 and 115 are for forming terminal connection portions 116 and 117 for short-circuiting the second electrode 112b and the third electrode 112c, and are formed as common electrodes by terminal lines 118. Is connected to the ground electrode 119. On the other hand, the first electrode 112a and the fourth electrode 112d of the first piezoelectric element unit 100a are connected to the terminal line 120, and a predetermined voltage is applied by the voltage applying means 121a. Further, the first electrode 112a and the fourth electrode 112d of the second piezoelectric element unit 100b are connected to the terminal line 120, and a predetermined voltage is applied by the voltage applying means 121b. Further, the first piezoelectric element unit 100a and the second piezoelectric element unit 100b are mounted on a flexible substrate of the actuator arm 140 by being bonded to a resin substrate 122 which is a resin-only substrate. .
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-134807
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the piezoelectric actuator element constituting such a sub-actuator is, of course, small and light, but especially for a small disk device, the number of wires of the piezoelectric actuator element is reduced to improve the assemblability. In addition, it is required that the manufacturing process be simple and that the driving of the piezoelectric element be suppressed at a lower voltage.
[0007]
Conventionally, there has been a problem that these requirements cannot be satisfied. That is, when a thick film type of a ceramic laminate is actually used as a piezoelectric element, a unipolar drive circuit as shown in FIG. 10 in which a voltage is applied only in the positive electrode direction in order to prevent polarization disorder (reversal, etc.). Had to be done. Therefore, three-terminal wiring was required. Further, such a thick film type has a small capacitance due to a large film thickness of the piezoelectric element, and consequently requires a high driving voltage, and even when the AC driving is used, the average is over the time axis. In addition, there is a problem that a DC component is equivalently applied and dielectric breakdown is easily caused.
[0008]
On the other hand, when the thin film type is used, the film surface direction is spontaneously polarized to the positive electrode at the time of film formation. As described above, since the piezoelectric characteristics (d constant) per film thickness are high, low-voltage driving becomes possible. Therefore, as shown in FIG. 11, bipolar driving centering on 0 potential can be performed without applying a bias voltage, and a driving method superior in migration performance can be achieved. However, even in this case, if the left and right elements are not exactly the same element, and if either one of the left and right elements has a defect, the voltage application balance will be lost, so a ground electrode is provided at the common terminal of the elements, and the left and right elements are provided. Three-terminal wiring was required so that voltage was applied evenly.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems and provides a piezoelectric actuator element which can be driven by only two terminals with simple wiring as an actuator, and has a large displacement at a low voltage and can improve the reliability of the piezoelectric element. And a driving method thereof.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a piezoelectric actuator element according to the present invention has a first electrode and a second electrode on both surfaces, and at least comprises a piezoelectric thin film polarized from the first electrode in a second electrode direction. A first piezoelectric element unit in which two piezoelectric elements are stacked with the second electrodes facing each other; a third electrode and a fourth electrode on both surfaces; A second piezoelectric element unit in which at least two piezoelectric elements made of a piezoelectric thin film polarized in the electrode direction are stacked with the fourth electrodes facing each other, and a second piezoelectric element unit of the first piezoelectric element unit is provided. The electrode side and the fourth electrode side of the second piezoelectric element unit are short-circuited, and the first electrode side of the first piezoelectric element unit and the third electrode side of the second piezoelectric element unit are connected. , And voltages having opposite phases to each other.
[0011]
With this configuration, it is possible to use a two-terminal element as the piezoelectric actuator element, so that the assembly process of the piezoelectric actuator element can be simplified.
[0012]
Further, the piezoelectric actuator element of the present invention has at least two piezoelectric elements each having a first electrode and a second electrode on both surfaces, and composed of a piezoelectric thin film polarized from the first electrode in the direction of the second electrode. , A first piezoelectric element unit in which the second electrodes are opposed to each other, and a third electrode and a fourth electrode on both surfaces. The first piezoelectric element unit is polarized in the direction of the fourth electrode from the third electrode. A second piezoelectric element unit in which at least two piezoelectric elements made of a piezoelectric thin film are laminated with the fourth electrodes facing each other, and a first electrode side of the first piezoelectric element unit and a second piezoelectric element unit are provided. And connecting the second electrode side of the first piezoelectric element unit and the third electrode side of the second piezoelectric element unit to the fourth electrode side of the first piezoelectric element unit. A voltage is applied between the first or fourth electrode and the second or third electrode. It has a configuration to be applied.
[0013]
With this configuration, it is possible to use a two-terminal element as the piezoelectric actuator element, simplify the assembly process of the piezoelectric actuator element, and displace the piezoelectric actuator element at a lower voltage.
[0014]
The driving method of the piezoelectric actuator element according to the present invention may further include a first driving circuit including a first piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements having the same polarization direction are connected in parallel; A second driving circuit including a second piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements in a direction opposite to the piezoelectric element unit are connected in parallel; and a third driving circuit in which the first driving circuit and the second driving circuit are connected in series. A driving method comprising: a driving circuit; and driving the first piezoelectric element unit and the second piezoelectric element unit by applying voltages of opposite phases to both ends of a third driving circuit.
[0015]
According to this method, stable driving by two-terminal wiring becomes possible.
[0016]
Also, the driving method of the piezoelectric actuator element according to the present invention includes a first driving circuit including a first piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements having the same polarization direction are connected in parallel; A second drive circuit composed of a second piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements in the opposite direction to the body element unit are connected in parallel, and a third drive in which the first drive circuit and the second drive circuit are connected in parallel And a circuit for driving the first piezoelectric element unit and the second piezoelectric element unit by applying voltages to both ends of a third drive circuit.
[0017]
According to this method, two-terminal driving becomes possible, and driving at a lower voltage becomes possible.
[0018]
Further, by setting the voltages applied to both ends of the third drive circuit to have opposite phases, the displacement amount can be increased.
[0019]
Also, by grounding one side of the third drive circuit, the drive power supply circuit can be simplified.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a piezoelectric actuator element and a driving method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a piezoelectric actuator element according to Embodiment 1 of the present invention.
[0022]
As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator element according to the first embodiment includes a pair of piezoelectric element units. That is, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are arranged on the substrate 3 in a mirror-symmetrical shape. The first piezoelectric element unit 1 is configured by laminating a first piezoelectric element 4 and a second piezoelectric element 5, and a first electrode which is a first electrode on both sides of the first piezoelectric element 4. One electrode 6 and a second electrode 7 as a second electrode are formed. A third electrode 8 as a first electrode and a fourth electrode 9 as a second electrode are also formed on both sides of the second piezoelectric element 5. Further, the second electrode 7 and the fourth electrode 9 are joined by an adhesive 10. On the other hand, the second piezoelectric element unit 2 is configured by laminating a third piezoelectric element 11 and a fourth piezoelectric element 12, and a third electrode is provided on both sides of the third piezoelectric element 11. And a sixth electrode 14 as a fourth electrode. A seventh electrode 15 as a third electrode and an eighth electrode 16 as a fourth electrode are also formed on both sides of the fourth piezoelectric element 12. Further, the sixth electrode 14 and the eighth electrode 16 are joined by the adhesive 10. The adhesive 10 may be a conductive adhesive.
[0023]
Further, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are short-circuited by the wiring member 17 between the second electrode 7, the fourth electrode 9, the sixth electrode 14, and the eighth electrode 16, respectively. Have been. Here, the wiring member 17 may be configured by partially connecting the respective electrodes of the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 or by providing a separate wiring member and connecting the wiring. May be. The first piezoelectric element 4, the second piezoelectric element 5, the third piezoelectric element 11, and the fourth piezoelectric element 12 are polarized in the directions indicated by arrows in FIG. 1, respectively. Further, the first electrode 6 and the third electrode 8 constituting the first piezoelectric element unit 1 are short-circuited by a wiring member 18, and the fifth electrode 13 and the seventh electrode constituting the second piezoelectric element unit 2 are connected. 15 are short-circuited by a wiring member 19, and are provided with terminal portions 20 and 21 for applying a predetermined voltage to each. In addition, the first piezoelectric element 4, the second piezoelectric element 5, the third piezoelectric element 11, and the fourth piezoelectric element 12, respectively, are formed by sputtering, vacuum deposition, etc. on electrodes on a single crystal MgO substrate. PZT (lead zirconate titanate, Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ ) The piezoelectric thin film is used. Since such a piezoelectric thin film has a wide operation range up to polarization reversal with respect to an applied voltage, migration is unlikely to occur even when a voltage having an opposite phase is applied, and a highly reliable piezoelectric element can be obtained. When a piezoelectric element unit is formed from these piezoelectric thin films, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are simultaneously formed on the same MgO substrate, and thereafter, etching or the like is performed. By dividing the unit, the characteristic variation of each unit can be eliminated.
[0024]
FIG. 2 is a schematic diagram of a driving circuit of the piezoelectric actuator element according to Embodiment 1 of the present invention. The drive circuit according to the first embodiment includes a first drive circuit 32 including a first piezoelectric element unit 31 in which a pair of piezoelectric elements 30 having the same polarization direction are connected in parallel, and a first piezoelectric element unit. A third drive circuit 36 in which a second drive circuit 35 including a second piezoelectric element unit 34 in which a pair of piezoelectric elements 31 and a pair of piezoelectric elements 33 whose polarization directions are opposite to each other are connected in parallel, is connected in series. The third drive circuit is configured to apply opposite phase voltages to the terminal portions 37 and 38 at both ends.
[0025]
FIG. 3 is an applied voltage waveform diagram for driving the piezoelectric actuator element according to the first embodiment. 3 shows the time on the horizontal axis, the voltage applied on the vertical axis, the voltage applied to the terminal 37 in FIG. 2 by a voltage curve 51, and the voltage applied to the terminal 38 by the voltage curve 52. ing.
[0026]
Thus, in the drive circuit shown in FIG. 2, as shown in FIG. 3, drive voltages having the same absolute value and opposite phases are applied to the first piezoelectric element unit 1 (31) and the second piezoelectric element unit 2 (34). ). The first piezoelectric element unit 1 (31) expands when a plus voltage of the voltage curve 51 is applied, and contracts when a minus voltage of the voltage curve 51 is applied. On the other hand, at this time, the second piezoelectric element unit 2 (34) contracts when a minus voltage of the voltage curve 52 is applied, and expands when a plus voltage of the voltage curve 52 is applied. Thereby, displacement can be generated as the piezoelectric actuator element. Therefore, when the piezoelectric actuator element thus configured is used, the piezoelectric actuator element 100 is bonded and fixed to the resin substrate 122 of the flexible substrate forming the actuator arm 140 as shown in FIG. By slightly rotating the magnetic head 101, the magnetic head 130 attached to the tip of the head slider 101 can be slightly moved.
[0027]
In FIG. 3, the maximum value of the applied voltage is 5 V, but the applied voltage can be varied according to the desired displacement amount.
[0028]
Here, in the configuration of the first embodiment as shown in FIG. 1, when a positive voltage is applied to the first electrode 6 and the third electrode 8 of the first piezoelectric element unit 1, the second electrode A negative voltage is induced in the seventh and fourth electrodes 9. On the other hand, when a negative voltage is applied to the fifth electrode 13 and the seventh electrode 15 of the second piezoelectric element unit 2, a positive voltage is induced at the sixth electrode 14 and the eighth electrode 16. Here, when the absolute values of the applied voltages are equal, the second electrode 7, the fourth electrode 9, the sixth electrode 14, and the eighth electrode 16 are short-circuited by the wiring member 17, so that the voltages cancel each other, and the voltage is cancelled. Becomes zero. Therefore, the second electrode 7, the fourth electrode 9, the sixth electrode 14, and the eighth electrode 16 are apparently the same as the ground electrode, and the characteristics of the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are different. Since there is no variation, there is no particular need to ground. Therefore, driving can be performed by wiring with only two terminals, the wiring configuration is simplified, and assemblability and reliability are improved.
[0029]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of a piezoelectric actuator element according to Embodiment 2 of the present invention.
[0030]
The main components of the piezoelectric actuator element according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and the same components as those of the first embodiment will be described with the same reference numerals. That is, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are arranged on the substrate 3 in a mirror-symmetrical shape. The first piezoelectric element unit 1 is configured by laminating a first piezoelectric element 4 and a second piezoelectric element 5, and a first electrode which is a first electrode on both sides of the first piezoelectric element 4. One electrode 6 and a second electrode 7 as a second electrode are formed. A third electrode 8 as a first electrode and a fourth electrode 9 as a second electrode are also formed on both sides of the second piezoelectric element 5. Further, the second electrode 7 and the fourth electrode 9 are joined by an adhesive 10. On the other hand, the second piezoelectric element unit 2 is configured by laminating a third piezoelectric element 11 and a fourth piezoelectric element 12, and a third electrode is provided on both sides of the third piezoelectric element 11. And a sixth electrode 14 as a fourth electrode. A seventh electrode 15 as a third electrode and an eighth electrode 16 as a fourth electrode are also formed on both sides of the fourth piezoelectric element 12. Further, the sixth electrode 14 and the eighth electrode 16 are joined by the adhesive 10. The adhesive 10 may be a conductive adhesive.
[0031]
In addition, the first piezoelectric element 4, the second piezoelectric element 5, the third piezoelectric element 11, and the fourth piezoelectric element 12, respectively, are formed by sputtering, vacuum deposition, etc. on electrodes on a single crystal MgO substrate. PZT (lead zirconate titanate, Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ ) The piezoelectric thin film is used. Since such a piezoelectric thin film has a wide operation range up to polarization reversal with respect to an applied voltage, migration is unlikely to occur even when a voltage having an opposite phase is applied, and a highly reliable piezoelectric element can be obtained. When a piezoelectric element unit is formed from these piezoelectric thin films, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are simultaneously formed on the same substrate, and thereafter, by etching or the like. By dividing, the characteristic variation of each unit can be eliminated.
[0032]
The second embodiment differs from the first embodiment in the wiring connection between the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2. That is, the first piezoelectric element unit 1 and the second piezoelectric element unit 2 are formed by a wiring member 22 that short-circuits the first electrode 6 and the third electrode 8 of the first piezoelectric element unit 1 to each other. It is short-circuited to a wiring member 23 that short-circuits the sixth electrode 14 and the eighth electrode 16 of the second piezoelectric element unit 2. On the other hand, the wiring member 24 connecting the second electrode 7 and the fourth electrode 9 of the first piezoelectric element unit 1 connects the fifth electrode 13 and the seventh electrode 15 of the second piezoelectric element unit 2. To the wiring member 25 to be connected.
[0033]
Terminal portions 26 and 27 for applying a voltage to each piezoelectric element unit are provided with the third electrode 8 or the first electrode 6 of the first piezoelectric element unit 1 and the third electrode 8 or the first electrode 6 of the second piezoelectric element unit 2. The fifth electrode 13 or the seventh electrode 15 is provided. The terminal 26 may be connected to the wiring members 22 and 23, and the terminal 27 may be connected to the wiring members 24 and 25.
[0034]
FIG. 5 is a schematic diagram of a driving circuit of a piezoelectric actuator element according to Embodiment 2 of the present invention. The drive circuit according to the second embodiment includes a first drive circuit 42 including a first piezoelectric element unit 41 in which a pair of piezoelectric elements 40 having the same polarization direction are connected in parallel, and a first piezoelectric element unit. A second drive circuit 45 including a second piezoelectric element unit 44 in which a pair of piezoelectric elements 43 whose polarization directions are opposite to each other are connected in parallel; a third drive circuit 46 in which they are connected in parallel; Terminal portions 47 and 48 for applying a predetermined voltage are provided at both ends of the third drive circuit 46.
[0035]
6 and 7 show driving waveforms of an applied voltage related to a driving method for driving the piezoelectric actuator element according to the second embodiment. In each figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents applied voltage. Here, the voltage applied to the first piezoelectric element unit 1 shown in FIG. 4 or the first piezoelectric element unit 41 shown in FIG. On the other hand, the voltage applied to the second piezoelectric element unit 2 shown in FIG. 4 or the second piezoelectric element unit 44 shown in FIG.
[0036]
FIG. 6 shows an example in which opposite drive voltages are applied to the terminal portions 47 and 48 by two drive power supplies at both ends of the circuit of FIG. A voltage curve 61 applied to the terminal 47 and a voltage curve 62 applied to the terminal 48 are shown. A comparison between the drive circuit of the second embodiment shown in FIG. 5 and the drive circuit of the first embodiment shown in FIG. 2 shows that, in FIG. 2, units having opposite polarization directions are connected in series, and in FIG. Are connected in parallel with units in opposite directions. Therefore, when an opposite-phase voltage is applied to both ends as shown in FIG. 6, the displacement amount is doubled as compared with the first embodiment. Therefore, it is possible to obtain the displacement amount obtained at the applied voltage of ± 5 V in the first embodiment at the applied voltage of ± 2.5 V as shown by the voltage curve 63 and the voltage curve 64 in FIG.
[0037]
Also in the second embodiment, there is no particular need for grounding, and driving can be performed by wiring with only two terminals, the wiring configuration is simplified, and the assemblability and reliability are improved.
[0038]
Further, FIG. 7 shows another example of the applied voltage drive waveform related to the drive method for driving the piezoelectric actuator element according to the second embodiment, in which the voltage applied to both ends in FIG. 5 is applied to only one side, and the other end is applied. This is a driving waveform when driving with grounding. As described above, in the second embodiment, units having opposite polarities are connected in parallel. For this reason, the voltage can be applied only to the terminal portion 47 in FIG. 5 and the terminal portion 48 can be grounded, whereby the displacement can be achieved, and only one drive power supply can be used. As shown in FIG. 7, the applied voltage is only the voltage curve 70 applied to the terminal portion 47. Here, the first piezoelectric element unit 1 (41) expands while the positive voltage is applied, and the second piezoelectric element unit 2 (44) contracts. On the other hand, while the negative voltage is applied, the first piezoelectric element unit 1 (41) contracts, and the second piezoelectric element unit 2 (44) expands. In this way, when a voltage of ± 5 V is applied to only one side and one side is grounded, the displacement becomes half as compared with the case where ± 5 V of opposite phase is applied to both sides, but the drive can be performed with only one drive power supply. It becomes possible.
[0039]
A voltage curve 71 in FIG. 7 shows an example in which ± 10 V is applied to one side in order to double the amount of displacement as compared to the voltage curve 70.
[0040]
As described above, in the driving method shown in FIGS. 6 and 7, it is possible to reduce the number of driving wires to one. Therefore, when wiring is formed on a flexible substrate as a piezoelectric actuator element, the rigidity of the flexible substrate can be reduced by reducing the number of wirings. In particular, when the actuator arm moves, the reaction force of the flexible substrate is reduced, so that extra load power is reduced, and a piezoelectric actuator element suitable for a small and lightweight drive device can be realized.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric actuator element and the driving method of the present invention, the first electrode and the second electrode are provided on both surfaces of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric thin film is moved from the first electrode to the second electrode. A first piezoelectric element unit and a second piezoelectric element unit in which polarized piezoelectric elements are connected in parallel are provided, and these piezoelectric element units are connected in series or in parallel, and are connected in series or in parallel. By applying a voltage to both ends of the piezoelectric actuator, driving can be performed with only two terminals, the number of driving power sources can be reduced, and a small-sized piezoelectric actuator element that can be driven with low power can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a piezoelectric actuator element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a driving circuit of the piezoelectric actuator element.
FIG. 3 is an applied voltage waveform diagram for driving the piezoelectric actuator element.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a piezoelectric actuator element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of a driving circuit of the piezoelectric actuator element.
FIG. 6 is an applied voltage waveform diagram for driving the piezoelectric actuator element.
FIG. 7 is an applied voltage waveform diagram in another embodiment for driving the piezoelectric actuator element.
FIG. 8 is a plan view schematically showing a sub-actuator using a piezoelectric actuator element provided on an actuator arm of a conventional magnetic disk drive.
FIG. 9 is a sectional view taken along the line DD in FIG. 8;
FIG. 10 is a schematic diagram of a conventional unipolar drive circuit in the case of a thick film type.
FIG. 11 is a schematic diagram of a driving circuit for bipolar driving in the case of a conventional thin film type.
[Explanation of symbols]
1,31,41 First piezoelectric element unit
2,34,44 Second piezoelectric element unit
3 substrate
4 First piezoelectric element
5 Second piezoelectric element
6 First electrode
7 Second electrode
8 Third electrode
9 Fourth electrode
10 Adhesive
11 Third piezoelectric element
12. Fourth piezoelectric element
13 Fifth electrode
14 6th electrode
15 7th electrode
16 8th electrode
17, 18, 19, 22, 23, 24, 25 Wiring members
20, 21, 26, 27, 37, 38, 47, 48 terminals
30, 33, 40, 43 Piezoelectric element
32, 42 1st drive circuit
35, 45 Second drive circuit
36, 46 Third drive circuit
51, 52, 61, 62, 63, 64 Voltage curve

Claims

A first electrode and a second electrode are provided on both surfaces, and at least two piezoelectric elements made of a piezoelectric thin film polarized from the first electrode in the direction of the second electrode are connected to the second electrodes. A first piezoelectric element unit laminated to face each other, and a third electrode and a fourth electrode on both surfaces, the piezoelectric element being composed of a piezoelectric thin film polarized in the direction of the fourth electrode from the third electrode; A second piezoelectric element unit in which at least two piezoelectric elements are stacked with the fourth electrodes facing each other,
The second electrode side of the first piezoelectric element unit is short-circuited to the fourth electrode side of the second piezoelectric element unit, and the first electrode side of the first piezoelectric element unit is short-circuited. A piezoelectric actuator element characterized in that voltages having opposite phases are respectively applied to the electrode side of the second piezoelectric element unit and the third electrode side of the second piezoelectric element unit.

A first electrode and a second electrode are provided on both surfaces, and at least two piezoelectric elements made of a piezoelectric thin film polarized from the first electrode in the direction of the second electrode are connected to the second electrodes. A first piezoelectric element unit laminated to face each other, and a third electrode and a fourth electrode on both surfaces, the piezoelectric element being composed of a piezoelectric thin film polarized in the direction of the fourth electrode from the third electrode; A second piezoelectric element unit in which at least two piezoelectric elements are stacked with the fourth electrodes facing each other,
Connecting the first electrode side of the first piezoelectric element unit to the fourth electrode side of the second piezoelectric element unit, and connecting the second electrode side of the first piezoelectric element unit An electrode side is connected to the third electrode side of the second piezoelectric element unit, and a voltage is applied to the first electrode or the fourth electrode and the second electrode or the third electrode. A piezoelectric actuator element to which a voltage is applied.

A first drive circuit including a first piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements having the same polarization direction are connected in parallel;
A second drive circuit including a second piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements whose polarization directions are opposite to the first piezoelectric element unit are connected in parallel;
A third drive circuit that connects the first drive circuit and the second drive circuit in series,
A method of driving a piezoelectric actuator element, wherein opposite-phase voltages are applied to both ends of the third drive circuit to drive the first piezoelectric element unit and the second piezoelectric element unit.

A first drive circuit including a first piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements having the same polarization direction are connected in parallel;
A second drive circuit including a second piezoelectric element unit in which a pair of piezoelectric elements whose polarization directions are opposite to the first piezoelectric element unit are connected in parallel;
A third drive circuit that connects the first drive circuit and the second drive circuit in parallel,
A method of driving a piezoelectric actuator element, wherein a voltage is applied to both ends of the third drive circuit to drive the first piezoelectric element unit and the second piezoelectric element unit.

5. The method according to claim 4, wherein the voltages applied to both ends of the third drive circuit have opposite phases.

The method according to claim 4, wherein one side of the third drive circuit is grounded.