CN101361204A - 共振执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共振执行器，包括：具备以共振频率或共振频率附近的频率区域进行振动的变位元件的驱动部；和被上述变位元件驱动的被驱动部件。上述变位元件，具有由铋层状化合物组成的压电陶瓷基体。此外，优选变位元件的变位方向与压电陶瓷基体的极化方向为同一方向。此外，优选铋层状化合物的结晶轴的c轴在垂直于压电陶瓷基体的极化方向的方向上取向。优选c轴的取向度是Lotgering法下的75％以上。由此，饱和振动速度加大，即使提升振动速度，也不会导致该振动速度的不稳定，可以最大限度地抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降，而且，即便施加高电场，也可以得到较大变位量。

Description

共振执行器

技术领域

本发明涉及一种共振执行器，更具体涉及使用压电陶瓷材料的共振执行器。

背景技术

压电执行器的变位量通常由压电常数d决定，所以目前，以具有较大压电常数的Pb(Zr，Ti)O₃(钛锆酸铅，下称“PZT”。)为基础的压电陶瓷材料的研究·开发十分盛行。

例如，由于压电执行器等电力器件利用了压电陶瓷的大振幅弹性振动，所以非专利文献1记述了压电陶瓷的大振幅特性。

上述非专利文献1报告：振动速度(＝振动振幅×频率)逻辑上是与施加电场E成比例变化，在以共振频率驱动PZT类压电陶瓷的情况下，当电场强度超过某个一定水平时，振动速度会渐渐降低至逻辑值以下，最终饱和。此外，上述非专利文献1还表示了PZT振动速度的界限与驱动电场之间的关系，报告显示，上述振动速度虽然因材料组成的不同而变化，但PZT类压电陶瓷材料的振动速度最大不超过1m/s。

此外，对于非专利文献2，由于压电执行器等领域要求高振动水平的高电力(high power)材料，所以它报告了压电性评价法，和PZT类压电陶瓷的组成与振动水平特性等高电力特性之间的关系。

上述非专利文献2的报告显示，在以驱动频率驱动PZT类压电陶瓷的情况下，当振动水平超过某个一定水平时，共振频率fr和机械品质系数Qm降低。

非专利文献1：高桥贞行著“压电材料的新展开”、株式会社TIC、新陶瓷VOL.11，No.8(1988)，p29-34

非专利文献2：高桥贞行著“高电力材料的评价”、株式会社TIC、新陶瓷(1995)，No.6，p17-21

如非专利文献1所述，即使将现有PZT类压电陶瓷用于共振执行器，当负载某个一定以上的高电场时，振动速度也会下降至逻辑值以下，稳定性减弱，最终饱和。

也就是说，使用PZT类压电陶瓷的共振执行器存在以下问题点：由于振动速度变大时振动速度饱和，所以，结果得不到超过1m/s的振动速度，因此，得不到具有较大变位量的共振执行器。而且，还存在以下问题点：对于某个一定以上的高电场，由于振动速度不与施加电场E成比例而低于逻辑值，所以，需要用于将振动速度控制在逻辑值的反馈电路，导致设备复杂。

此外，如非专利文献2所述，已知：在将现有PZT类压电陶瓷用于共振执行器的情况下，随着振动速度的上升，共振频率fr和机械品质系数Qm降低。因此，存在的问题是：需要设置跟踪共振频率fr变化的反馈电路，导致设备复杂。同时，由于机械品质系数Qm的降低导致机械损失增大，压电陶瓷的发热量增大，所以，在实际应用上，以较大振动速度使用是很困难的。

发明内容

本发明就是鉴于上述情况而提出的，目的是提供一种共振执行器，即便饱和振动速度大、振动速度上升，也不会导致该振动速度不稳定，可以最大限度地抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降，而且，即便施加高电场，也可以得到较大变位量。

在共振执行器这种要求大变位量的电力器件的情况下，以往认为压电常数d高很重要，因此，从材料方面出发，只探讨了以压电常数d较高的PZT为基础的压电陶瓷材料。

但是，如背景技术所述，PZT类压电陶瓷在振动速度v上升时，机械品质系数Qm和共振频率fr降低。此外，当施加某个一定以上的高电场时，振动速度v不与施加速度E成比例，下降至逻辑值以下并饱和。由此，结果是无法得到具有较大振动速度的共振执行器。

因此，本案发明者们对各种材料进行了深入研究，通过将铋层状化合物组成的压电陶瓷元件用作变位元件，可以加大饱和振动速度，由此，即使振动速度v上升，也不会导致该振动速度v不稳定，可以最大限度地抑制机械品质系数Qm和共振频率fr的降低，此外还发现，即便施加某个一定以上的高电场时，振动速度v也不会饱和，而随施加电场E大致成比例地变化。

本发明是基于这种见解而提出的，本发明中的共振执行器，包括：至少一个具备以共振频率或共振频率附近的频率区域进行振动的变位元件的驱动部；和被上述变位元件驱动的被驱动部件，其特征是：上述变位元件具有由铋层状化合物组成的压电陶瓷基体。

此外，对于铋层状化合物，各向异性较大、变位方向与极化方向为同一方向的情况，与变位方向与极化方向为垂直方向的情况相比，振动速度v大幅提升，可以得到具有更大变位量的共振执行器。

也就是说，本发明的共振执行器的特征是：上述变位元件的变位方向与上述压电陶瓷基体的极化方向为同一方向。

此外，由本案发明者们的进一步深入研究的结果可知：使铋层状化合物的结晶轴中的c轴在垂直于压电陶瓷基体的极化方向的方向上取向，可以在振动速度v上升时加大机械品质系数Qm。

而且，对于共振执行器，由于振动速度v与机械品质系数Qm和压电常数d之积成比例，所以即使压电常数d小，只要机械品质系数Qm不降低，就可以加大振动速度v，结果得到大于PZT类压电陶瓷材料的变位量。

也就是说，本发明的共振执行器的特征是，上述铋层状化合物的结晶轴的c轴在垂直于上述压电陶瓷基体的极化方向的方向上取向。

特别是，c轴的取向度F在Lotgering法下为75％以上的情况更为优选，即使提升振动速度v也可以抑制共振频率fr的变动，而且对功耗W的节约有益，可以以较低的施加电场E得到较大的振动速度v。

也就是说，本发明的共振执行器的特征是，上述c轴的取向度在Lotgering法下为75％以上。

根据本发明的共振执行器，包括至少一个具备以共振频率或共振频率附近的频率区域进行振动的变位元件的驱动部、和被上述变位元件驱动的被驱动部件的共振执行器，由于上述变位元件具有由铋层状化合物组成的压电陶瓷基体，所以与使用PZT类化合物作为压电陶瓷基体的情况相比，饱和振动速度变大，即使振动速度v上升，该振动速度v也不会不稳定，可以最大限度地抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降，并且可以在更大的电场强度范围内，使振动速度v与施加电场E大致成比例地变化。因此，即便施加高电场，振动速度v也不会饱和，可以得到较大振动速度v，得到具有较大变位量的共振执行器。而且，由于即便振动速度v如此上升也可以抑制共振频率fr的降低，并使振动速度v与施加电场E大致成比例地变化，所以不需要用于控制共振频率fr和振动速度v的反馈电路，可以实现设备简化、成本削减、小型化。

此外，由于上述变位元件的变位方向与上述压电陶瓷基体的极化方向为同一方向，所以在施加同一电场的情况下，它比变位方向和极化方向为垂直方向时，更能加大振动速度v，进一步实现共振执行器的特性提升。

此外，上述铋层状化合物中，由于结晶轴的c轴在垂直于上述压电陶瓷基体的极化方向的方向上取向，所以可以加大机械品质系数Qm。由此可以加大能够稳定使用的振动速度v，实现具有更大变位量的共振执行器。

特别是，通过将上述c轴的取向度F设为Lotgering法下的75％以上，即使振动速度v提升，也可以抑制共振频率的变动，并对功耗W的节约有益，进而还可以以较低的施加电场E得到较大的振动速度v。

附图说明

图1是表示本发明的共振执行器的一个实施方式的示意图。

图2是表示变位元件的一个实施方式的截面图。

图3是说明共振执行器的工作原理的示意图。

图4是表示[实施例1]中的试料编号1～3的试料的概略立体图。

图5是表示[实施例1]中的试料编号4的试料的概略立体图。

图6是[实施例1]使用的测定装置的概略框图。

图7是表示功耗的振动速度依赖性的图。

图8是表示机械方面质量系数的振动速度依赖性的图。

图9是表示共振频率的振动速度依赖性的图。

图10是表示变位率的振动速度依赖性的图。

图11是表示[实施例2]中的共振频率的振动速度依赖性的图。

图12是表示[实施例2]中的功耗的振动速度依赖性的图。

图13是表示[实施例2]中的振动速度的电场依赖性的图。

图中：1a、1b—驱动部，2—被驱动部件，3a、3b—变位元件，5—压电陶瓷基体。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明的共振执行器的一个实施方式的截面图，在本实施方式中，共振执行器具有2个驱动部。

也就是说，本共振执行器包括：驱动部1(第1和第2驱动部1a、1b)和被该驱动部1在箭头A方向或箭头B方向驱动的被驱动部件2。

驱动部1(第1和第2驱动部1a、1b)具有：以共振频率振动，在箭头Ca方向、箭头Cb方向上变位的变位元件3(第1和第2变位元件3a、3b)；和从该变位元件3突出设置的振动片4(第1和第2振动片4a、4b)。

变位元件3如图2所示，具有：在箭头D方向上极化、同时具有由铋层状化合物形成的单片构造的压电陶瓷基体(body)5；和在该压电陶瓷基体5的两主面上形成的由Ag等组成的电极6、7。而且，当该电极6、7被施加电场时，变位元件3以共振频率fr振动，在箭头C方向上变位。

用铋层状化合物，如上所述形成压电陶瓷基体5是基于以下理由。

即，铋层状化合物与PZT类压电陶瓷材料不同，在用于共振执行器的情况下，即使振动速度v上升，该振动速度v也不会不稳定，可以最大限度地抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降。此外，即便施加某个规定以上的高电场，振动速度v也不会不稳定，而与施加电场E大致成比例地上升，可以得到具有较大变位量的共振执行器。

铋层状化合物与PZT类化合物不同，具有上述作用效果，可以认为是基于以下理由。

即，由于PZT类化合物具有钙钛矿型晶格结构(一般式ABO₃)，所以结晶的各向异性比铋层状化合物小，因此，当振动速度v上升时，非180°电畴(domain)比较容易翻转，其结果，可以认为振动速度v的上升致使共振频率fr和机械品质系数Qm下降。

与此相对，对于铋层状化合物而言，由于铋层是在垂直于结晶轴c轴的方向上周期形成，所以可以认为非180°电畴的翻转几乎不会发生。因此，即便振动速度v上升，也可以认为能够抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降。

另外，这种铋层状化合物并不被特别限定，例如也可以使用Bi₂SrNb₂O₉、BiWO₆、CaBiNb₂O₉、BaBiNb₂O₉、PbBi₂Nb₂O₉、Bi₃TiNbO₉、Bi₃TiTaO₉、Bi₄Ti₃O₁₂、SrBi₃Ti₂NbO₁₂、BaBi₃Ti₂NbO₁₂、PbBi₃Ti₂NbO₁₂、CaBi₄Ti₄O₁₅、SrBi₄Ti₄O₁₅、BaBi₄Ti₄O₁₅、PbBi₄Ti₄O₁₅、Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅、K_0.5Bi₄Ti₄O₁₅、Ca₂Bi₄Ti₅O₁₈、Sr₂Bi₄Ti₅O₁₈、Ba₂Bi₄Ti₅O₁₈、Bi₆Ti₃Wo₁₈、Bi₇Ti₄NbO₂₁、Bi₁₀Ti₃W₃O₃₀等。

此外，优选，像本实施方式那样，变位方向C与极化反向D是同一方向。也就是说，通过像上述那样用铋层状化合物形成压电陶瓷基体5，即便振动速度v上升，该振动速度v也不会不稳定，可以最大限度地抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降。但是，由于铋层状化合物的各向异性较大，所以在施加同一电场的情况下，变位方向与极化方向为同一方向的情况，与变位方向与极化方向为垂直方向的情况相比，更能增大振动速度v，得到具有更大变位量的共振执行器。

另外，对于铋层状化合物，优选使结晶轴的c轴在垂直于陶瓷基体5的极化方向D的方向上取向。

也就是说，铋层状化合物如上所述，各向异性较大，通过使结晶轴的c轴在垂直于陶瓷基体5的极化方向D的方向上取向，可以增大机械品质系数Qm。

另一方面，振动速度v与施加电场E的关系用式(1)表示。

v∝C_E ^1/2·d·Qm·E…(1)

这里，C_E是弹性刚度常数。

由该式(1)可知，振动速度v，与压电常数d和机械品质系数Qm之积成比例。因此，在铋层状化合物的情况下，虽然如上所述，压电常数d比PZT类压电陶瓷材料小，但仍可以增大机械品质系数Qm，所以，作为结果，可以得到较大的振动速度v，因此，可以得到具有较大变位量的共振执行器。

而且，即便像上述那样，施加电场E变高，振动速度v也与施加电场E大致成比例地上升，所以，即便是高电场也可以实现稳定的驱动。

此外，通过这样使c轴在垂直于陶瓷基体5的极化方向D的方向上取向，可以增大机械品质系数Qm。其取向度F，优选Lotgering法下的75％以上。

也就是说，根据Lotgering法，c轴的取向度F可以由下式(2)算出。

[式2]

$F=\frac{\frac{\mathrm{\ΣI}\left(001\right)}{\mathrm{\ΣI}\left(\mathrm{hkl}\right)}-\frac{\mathrm{\ΣIo}\left(001\right)}{\mathrm{\ΣIo}\left(\mathrm{hkl}\right)}}{1-\frac{\mathrm{\ΣIo}\left(001\right)}{\mathrm{\ΣIo}\left(\mathrm{hkl}\right)}}\×100\·\·\·\left(2\right)$

这里，∑I(001)，是表示测定试料的c轴取向的结晶面(001)的X线峰值强度的总和，∑I(hkl)是测定试料的全结晶面(hkl)的X线峰值强度的总和。此外，∑Io(001)是比较用试料(例如无取向试料)的结晶面(001)的X线峰值强度的总和，∑Io(hkl)是比较用试料的全结晶面(hkl)的X线峰值强度的总和。

而且，在用式(2)算出的取向度F为75％以上的情况下，即便使振动速度v上升1m/s以上，共振频率fr也几乎不变，此外，功耗W增加迟缓，所以，有益于节约功耗W。而且，在这种情况下，存在以下优点：以较低的施加电场E就可以得到较大的振动速度v，容易得到变位量较大的共振执行器等。

因此，更优选，使结晶轴的c轴在垂直于陶瓷基体5的极化方向D的方向上取向，且c轴的取向度F是Lotgering法下的75％以上。

另外，已进行取向的铋层状化合物如后记[实施例]详述的那样，可以很容易地用TGG(Templated Grain Growth)法等制作。也就是说，例如，通过在制造含有已进行c轴取向的片状陶瓷粉末和无取向的煅烧粉末的陶瓷成形体之后，对该陶瓷成形体实施热处理，就可以容易地制造。此外，取向度F可以通过调整片状陶瓷粉末和无取向的煅烧粉末的含有比率来控制。

另外，在具有这种变位元件3的共振执行器中，如图3(a)所示，在驱动部1a的振动片4a抵接至被驱动部2的状态下对变位元件3a施加电场时，由于箭头Ca方向上的振动，被驱动部2在箭头A方向上驱动。

此外，如图3(b)所示，在驱动部1b的振动片4b抵接至驱动部2的状态下对变位元件3b施加电场时，由于箭头Cb方向上的振动，被驱动部2在箭头B方向上驱动。

这样，在本实施方式中，由于变位元件3(第1和第2变位元件3a、3b)具有由铋层状化合物组成的压电陶瓷基体5，所以即便振动速度v上升，也可以抑制共振频率fr和机械品质系数Qm的下降。此外，由于振动速度v与施加电场E大致成比例地在大范围的电场强度范围内变化，所以，不需要用来控制共振频率fr和振动速度v的反馈电路，因此，可以实现设备简化、成本削减、小型化。

此外，对于现有的PZT类压电陶瓷，在振动速度v超过1m/s的状态下使用是很困难的，而对于铋层状化合物，即便是振动速度v超过1m/s，也可以稳定使用，可以提高共振执行器的特性。

另外，本发明不限于上述实施方式。上述实施方式中，虽是以共振频率驱动共振执行器，但用偏离共振频率约几％的共振频率附近的频率区域对其进行驱动，也可以得到同样的作用效果。

此外，在上述实施方式中，虽然是对具有2个驱动部的情况进行了说明，但毋庸赘言，同样适用于具有1个或3个以上的驱动部的情况。

此外，在上述实施方式中，虽然变位元件3是单片形状，但对于贴合陶瓷电路基板(ceramic green sheet)的、和与内部电极共烧结叠层的叠层型共振执行器，也可以得到相同的作用效果。

下面，对本发明的实施例进行具体说明。

实施例1

[试料的制作]

使用作为铋层状化合物的无取向的Bi₂SrNb₂O₉(下称“SBN”)类材料和在c轴上取向的SBN类材料，制作变位方向与极化方向为同一方向的试料编号为1、2的变位元件。

此外，作为比较例，使用PZT类材料，制作与变位方向和极化方向为同一方向的试料编号3的变位元件，以及变位方向与极化方向垂直的试料编号4的变位元件。

以下，详述各试料的制作步骤。

[试料编号1]

作为陶瓷原料，准备SrCO₃、Bi₂O₃、Nb₂O₅、Nd₂O₃和MnCO₃，以满足最终组成为组成式{100(Sr_0.9Nd_0.1Bi₂Nb₂O₉)+MnO}的方式，称量上述陶瓷原料。将该称量物与PSZ(Partially Stabilized Zirconia；部分稳定氧化锆)球和水一起投入球磨机，在该球磨机内进行约16小时的湿式混合，得到混合物。

接下来，在将得到的上述混合物干燥之后，在800℃温度下进行2小时煅烧，得到煅烧粉末。

其后，添加煅烧粉末、适量的有机粘结剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂，与PSZ球和水一起投入球磨机，在该球磨机内进行大约16小时的湿式混合，制作陶瓷浆(ceramics slurry)。其后，使用刮刀法对该陶瓷浆实施成形加工，制作厚约为60μm的陶瓷电路基板。

接下来，在将规定层数的上述陶瓷电路基板叠层之后，在温度为60℃、压力为30MPa的加压条件下，进行30秒的压接处理，制作叠层成形体。

接下来，将上述叠层成形体在350℃温度下进行5小时加热，再在500℃温度下进行2小时加热，进行脱粘结剂处理，其后，在1150℃温度下进行2小时烧结处理，制作烧结体块，切出纵7mm、横7mm、厚5mm，得到陶瓷烧结体。

下面，以Ag为对象进行溅射处理，在两主面上形成电极之后，在浴温为200℃的油中，施加30分钟的10.0kV/mm的电场，进行厚度方向的极化处理。然后，将极化处理过的试料，如图4所示，用切割机切割，切出横(x)为2mm、纵(y)为2mm、厚(t)为5mm的尺寸，将银线13、14与电极面11、12焊接，制作变位方向E与极化方向F相同的无取向的试料编号1的SBN类试料15。

[试料编号2]

与试料编号1同样，以最终组成满足组成式{100(Sr_0.9Nd_0.1Bi₂Nb₂O₉)+MnO}的方式，称量各陶瓷原料，在球磨机内进行约16小时的湿式混合，得到混合物。其后，将上述混合物干燥，然后在800℃温度下进行2小时煅烧，得到煅烧粉末。

接下来，取出该煅烧粉末的一部分，对该煅烧粉末和KCl进行重量比为1∶1的混合，在900℃温度下进行10小时热处理，然后进行水洗，除去KCl，得到陶瓷颗粒。

这里，使用扫描型电子显微镜观察陶瓷颗粒，可以确认，形状具有各向异性，形成最大直径Φ与高度H之比Φ/H(长宽比)为5左右的片状。

接下来，对片状陶瓷颗粒和上述煅烧粉末进行重量比为1∶1的混合，然后再添加适量的有机粘结剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂，同PSZ球和水一起投入球磨机，在该球磨机内进行约16小时的湿式混合，制作陶瓷浆。其后使用刮刀法对陶瓷浆实施成形加工，制作厚约60μm的取向陶瓷片。

接下来，将该取向陶瓷片叠层规定层数，然后在温度为60℃、压力为30MPa的加压条件下，进行30秒压接处理，制作叠层成形体。

接下来，对该叠层成形体进行温度为350℃的5小时加热，然后进行温度为500℃的2小时加热，进行脱粘结剂处理，然后进行温度为1150℃的2小时的烧结处理，制作烧结体块。也就是说，通过烧结处理，将片状陶瓷颗粒作为晶种(template)，一边放入煅烧粉末一边进行分子束磊晶成长，由此得到取向的烧结体块(TGG法)。然后，从烧结体块中切出纵7mm、横7mm厚5mm的陶瓷烧结体，使结晶轴的c轴朝向纵7mm、横7mm的主面的面内方向，即a-b面朝向厚度方向，得到取向性陶瓷烧结体。

这里，对上述取向性陶瓷烧结体，用Lotgering法测定c轴的取向度F。

即，首先，使用X线衍射装置(线源：CuKα线)，对上述取向性陶瓷烧结体，进行衍射角2θ为20°～80°的X线峰值强度的测定。此外，作为比较试料，使用试料编号1的无取向陶瓷烧结体，同样进行衍射角2θ为20°～80°的X线峰值强度的测定。

接下来，计算取向性烧结体和无取向陶瓷烧结体的结晶面(001)和全结晶面(hkl)的X线峰值强度的总和，根据[具体实施方式]项所述的式(2)，求出c轴的取向度F。另外，其结果，取向度F为90％。

下面，以Ag为对象，进行溅射处理，在取向性陶瓷烧结体的两主面上形成电极，之后在浴温为200℃的油中，施加30分钟的10.0kV/mm的电场，进行厚度方向的极化处理。然后，与试料编号1同样，将极化处理过的试料，用切割机切割，切出横(x)为2mm、纵(y)为2mm、厚(t)为5mm的尺寸，将银线与电极面焊接，制作变位方向与极化方向相同的、c轴在垂直于极化方向的方向上取向的试料编号2的SBN类试料。

[试料编号3]

作为陶瓷原料，准备Pb₃O₄、TiO₂、MnCO₃和Nb₂O₅，以最终组成满足组成式[Pb{(Mn_1/3Nb_2/3)_0.10Ti_0.46Zr_0.44}O₃]，称量上述陶瓷原料。将该称量物与PSZ球和水一起投入球磨机，在该球磨机内进行约16小时的湿式混合，得到混合物。

接下来，将得到的上述混合物进行干燥，然后在900℃温度下进行2小时煅烧，得到煅烧粉末。

然后，其后，添加煅烧粉末、适量的有机粘结剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂，同PSZ球和水一起投入球磨机，在该球磨机内进行约16小时的湿式混合，制作陶瓷浆。其后使用刮刀法对陶瓷浆实施成形加工，制作厚约60μm的陶瓷电路基板。

接下来，将该陶瓷电路基板叠层规定层数，然后在温度为60℃、压力为30MPa的加压条件下，进行30秒压接处理，制作叠层成形体。

接下来，对该叠层成形体进行温度为350℃的5小时加热，然后进行温度为500℃的2小时加热，进行脱粘结剂处理，其后进行温度为1200℃的2小时的烧结处理，制作烧结体块。切成纵7mm、横7mm、厚5mm，得到陶瓷烧结体。

下面，以Ag为对象，进行溅射处理，在两主面上形成电极之后，在浴温为200℃的油中，施加30分钟的10.0kV/mm的电场，进行厚度方向的极化处理。然后，与试料编号1同样，将极化处理过的试料，用切割机切割，切出横(x)为2mm、纵(y)为2mm、厚(t)为5mm的尺寸，将银线与电极面焊接，制作变位方向与极化方向相同的试料编号3的PZT类试料。

[试料编号4]

以与试料编号3同样的方法·步骤，得到纵7mm、横7mm、厚5mm的陶瓷烧结体。将该陶瓷烧结体切成横(x)为5mm、纵(y)为2mm、厚(t)为2mm的尺寸，以Ag为对象，对横(x)为5mm、纵(y)为2mm的彼此相对的2面进行溅射处理，形成电极。在该电极形成之后，在浴温为200℃的油中，施加30分钟的10.0kV/mm的电场，进行厚度方向的极化处理，接下来，如图5所示，将银线13’、14’与电极面11’、12’焊接，制作变位方向E与极化方向F’垂直的试料编号4的PZT类试料15’。

[各试料的特性评价]

图6是对各试料特性评价使用的测定装置的概略框图。

也就是说，上述测定装置具有：支撑试料15(15’)的试料支撑部件16；检测振动时的变位量和振动速度的激光多普勒振动计17；在对试料15(15’)施加电场的同时，驱动电压被调节成电流值总为恒定的电源·额定的电源·恒流电路18；和具备输入输出部等，并控制上述电源·恒流电路18的控制部19。控制部19与电源·恒流电路18电连接。

然后，用试料支撑部件16支撑试料15(15’)的变位方向的中心部，根据来自电源·恒流电路18的信号，对试料15(15’)施加电场，测定共振特性，求出共振频率fr。另外，本实施例将最低频率侧的共振频率设为共振频率fr。

此外，根据共振频率fr附近的阻抗曲线，求出机械品质系数Qm。

另外，根据来自电源·恒流电路18的信号，对试料15(15’)施加各种强度的电场，同时使用激光多普勒振动计17，对试料15(15’)端面的振动速度进行测定。另外，对于试料编号3、4，在提升施加电场E的情况下，振动速度虽然不稳定，但可以将其即将发生不稳定前的振动速度作为饱和振动速度求出。

此外，使用激光多普勒振动计17，测定各种施加电场E下的变位量s，算出未施加电场的无电场时所对应的各试料的变位率Δs。

此外，由于试料小难以测定发热量，所以测定成为发热量指标的功耗。

表1 表示各试料的取向性的有无、极化方向、功耗为1mW/mm³、3mW/mm³和5mW/mm³时的振动速度以及饱和振动速度。

[表1]

^*本发明范围外

根据表1可知，由于试料编号3中将PZT类压电陶瓷材料用于变位元件，所以，振动速度在功耗为1mW/mm³时为0.50m/s，在功耗为3mW/mm³时为0.79m/s，在功耗为5mW/mm³时为0.94m/s，没有能够得到超过1m/s的振动速度。此外可知：饱和振动速度也都是很小的0.94m/s，所以，不是振动速度较小的区域就无法进行稳定的驱动。

试料编号4也与试料编号3同样，是将PZT类压电陶瓷材料用于变位元件，所以，振动速度在功耗为1mW/mm³时为0.52m/s，在功耗为3mW/mm³时为0.72m/s，在功耗为5mW/mm³时为0.82m/s，没有能够得到超过1m/s的振动速度。此外可知：饱和振动速度都是很小的0.78m/s，所以，不是振动速度较小的区域就无法进行稳定的驱动。而且，可知：对于试料编号4，由于变位方向垂直于极化方向，所以，与试料编号3相比，饱和振动速度还是很小，即便功耗很大，也只能得到较小的振动速度。

与此相对，可知：使用SBN类压电陶瓷材料的试料编号1，在功耗为1mW/mm³时，振动速度几乎与试料编号3、4相同，当功耗为3mW/mm³，振动速度变为0.85m/s，此外，当功耗为5mW/mm³，振动速度变为1.07m/s，与试料编号3、4相比稍有上升。此外，还可知：由于提升了施加电场E，银线在振动速度变为2.12m/s时会断线，所以可以确认，饱和振动速度至少为2.12m/s以上，能够得到较大的振动速度。

另外，对于试料编号2，振动速度在功耗为1mW/mm³时为0.95m/s，振动速度在功耗为3mW/mm³时为1.32m/s，振动速度在功耗为5mW/mm³时为1.66m/s。因此，通过进行c轴取向，与试料编号1相比，可以得到更大的振动速度。此外，还可知：由于提升了施加电场E，银线在振动速度变为2.62m/s时会断线，所以饱和振动速度至少为2.62m/s以上，能够得到较大的饱和振动速度。

图7是表示功耗的振动速度依赖性的图，横轴表示振动速度v，纵轴表示功耗W，标号□是试料编号1，标号■是试料编号2，标号●是试料编号3，标号○是试料编号4。图中，标号×表示振动速度v不稳定的点。

此外，图8是表示机械品质系数的振动速度依赖性的图，横轴表示振动速度v，纵轴表示机械品质系数Qm，标号□是试料编号1，标号■是试料编号2，标号●是试料编号3，标号○是试料编号4。图中，标号×表示振动速度v不稳定的点。

根据上述图7和图8可知，对于使用无取向的SBN类压电陶瓷材料的试料编号1，在振动速度v为1.0m/s以下的情况下，功耗W与使用PZT类压电陶瓷材料的试料编号3、4几乎等同。因此，可知发热量也几乎等同。此外，根据图8可以确认，试料编号1在振动速度v为1.0m/s以下的情况下，与发热量具有相关关系的机械品质系数Qm也与试料编号4几乎等同。

另一方面，根据图7可知，使用c轴取向SBN类材料的试料编号2与使用PZT类材料的试料编号3、4相比，功耗W明显下降，因此，发热量也下降。此外，根据图8可以确认，试料编号2与试料编号3、4相比，机械品质系数Qm上升。

此外，在作为共振执行器使用的情况下，希望功耗W小于1mW/mm³，但是对于PZT类压电陶瓷材料(试料编号3、4)，在振动速度为0.50m/s以上时功耗W超过1mW/mm³，与此相对，对于c轴取向SBN类压电陶瓷材料(试料编号2)，即便使振动速度v上升为0.95m/s，也可以将功耗W抑制在1mW/mm³以下。因此，可以确认，如果是振动速度v超过0.50m/s的用途，优选c轴取向SBN类压电陶瓷材料。

此外，对试料编号1和试料编号2进行比较，像由表1了解的那样，c轴取向试料编号2与无取向试料编号1相比，在功耗W相同的情况下，可以增大振动速度v，像由上述图7和图8了解的那样，可知在同一振动速度v下，功耗W可较少，此外，可以增大机械品质系数Qm。也就是说，可以确认，通过使用c轴取向SBN类压电陶瓷材料，可以进一步实现特性提升。

图9是表示共振频率的振动速度依赖性的图，横轴表示振动速度v，纵轴表示共振频率变化率Δfr，标号□是试料编号1，标号■是试料编号2，标号●是试料编号3，标号○是试料编号4。图中，试料编号3中的标号×表示振动速度v不稳定的点。

像由上述图9了解的那样，可知：对于使用PZT类压电陶瓷材料的试料编号3、4，振动速度v上升的同时，共振频率变化率Δfr变大，共振频率fr显著降低。

与此相对，对于使用无取向SBN类材料的试料编号1，共振频率fr的变化较小，此外，对于c轴取向的试料编号2，即使振动速度v上升，共振频率fr也几乎不变。

在作为共振执行器使用的情况下，希望共振频率变化率Δfr在-0.05％以内，对于PZT类压电陶瓷材料(试料编号3、4)，当振动速度v超过0.5m/s时，共振频率变化率Δfr超过-0.05％而表示出显著下降的倾向。

与此相对，可知：对于无取向的SBN类压电陶瓷材料(试料编号1)，直到振动速度v到1.0m/s左右，都能将共振频率变化率Δfr抑制在-0.05％以内，在上述振动速度v的范围内，适合作为共振执行器使用。另外，可知：对于c轴取向的SBN类材料(试料编号2)，即便振动速度v达到2.0m/s，共振频率变化率Δfr也只下降-0.03％左右，因此，如果是振动速度v为0.5m/s的用途，更优选SBN类压电陶瓷材料。

图10是表示变位率的电场依赖性的图，横轴表示施加电场E，纵轴表示变位率Δs，标号□是试料编号1，标号■是试料编号2，标号●是试料编号3，标号○是试料编号4。图中，标号×表示振动速度v不稳定的点。

根据上述图10可知，在使施加电场E上升的情况下，在使用PZT类材料的试料编号3、4中，试料编号3在施加电场E约为1V/mm时振动速度v不稳定，试料编号4在施加电场E约为1.8V/mm时振动速度v不稳定。

与此相对，可知，对于使用SBN类材料的试料编号1、2，即使施加电场E上升，变位率Δs也会与施加电场E成比例地上升，即便施加了高电场，也可以得到较大的变位量s。

另外，上述实施例1中，虽然使用最低频率测的共振频率fr进行驱动，但已经确认，用高次的共振频率fr进行驱动，也可以得到相同的作用效果。

此外，实施例1虽然是使用单片构造的变位元件，但毋庸赘言，使用叠层型的变位元件也可以得到相同的作用效果。

实施例2

制作c轴的取向度F不同的各种SBN类试料，对特性进行评价。

也就是说，使用与[实施例1]的试料编号2同样的方法·步骤，制作煅烧粉末和片状陶瓷颗粒。

另外，其后，改变重量比，将片状陶瓷颗粒和煅烧粉末进行混合，使陶瓷烧结体中的c轴的取向度F为54％、75％、95％，除此之外，使用与[试料编号2]同样的方法·步骤，制作试料编号22(取向度F：54％)、试料编号23(取向度F：75％)和试料编号24(取向度F：95％)的SBN类试料。

另外，试料编号22～24的各取向度F，与[实施例1]的试料编号2同样，使用Lotgering法计算、确认。

此外，作为试料编号21，与试料编号1同样，制作无取向SBN类试料。

另外，对于试料编号21～24，使用与[实施例1]同样的方法·步骤，测定各种施加电场E下的振动速度v、共振频率fr、功耗W。

图11是表示共振频率的振动速度依赖性的图，横轴是振动速度v，纵轴是共振频率变化率Δfr。此外，图12是表示功耗的振动速度依赖性的图，横轴是振动速度v，纵轴是功耗W。此外，图13是表示振动速度的电场依赖性的图，横轴是施加电场E，纵轴是振动速度v。另外，各图中，标号一表示试料编号21，标号△表示试料编号22，标号□表示试料编号23，标号○表示试料编号24。

根据图11可知，试料编号21为无取向，此外，试料编号22由于c轴的取向度F为很低的54％，所以当振动速度v变为1m/s以上时，共振频率变化率Δfr变位至负侧，导致共振频率fr下降。

与此相对，可以确认，对于取向度F为75％、90％的试料编号23、24，即便振动速度v变成1m/s以上，共振频率变化率Δfr也几乎为零，可以抑制共振频率fr的变动。

此外，根据图12可知，c轴的取向度F为75％、90％的试料编号23、24，与无取向的试料编号21和取向度F为54％的试料编号22相比，相对于振动速度v的上升，功耗W的上升程度迟缓，可以节约功耗W。此外，对于c轴的取向度F为75％和90％而言，功耗大致相等，所以，当c轴的取向度F变为75％以上时，功耗W变为大致饱和状态。

此外，根据图13可以确认，对于试料编号21～24中的任意一个，虽然振动速度v与施加电场E大致成比例地上升，但随着c轴的取向度F变大，可以以较低的施加电场E得到较大的振动速度v。

通过以上可知，铋层状化合物，优选在使c轴垂直于极化方向的方向上取向，在这种情况下，优选c轴的取向度F为75％以上。

Claims (4)

1.一种共振执行器，包括：至少一个驱动部，具备以共振频率或共振频率附近的频率区域进行振动的变位元件；和被驱动部件，被所述变位元件驱动，其特征在于，

所述变位元件，具有由铋层状化合物组成的压电陶瓷基体。

2.根据权利要求1所述的共振执行器，其特征在于，

所述变位元件的变位方向与所述压电陶瓷基体的极化方向为同一方向。

3.根据权利要求1或2所述的共振执行器，其特征在于，

所述铋层状化合物中，结晶轴的c轴在垂直于所述压电陶瓷基体的极化方向的方向上取向。

4.根据权利要求3所述的共振执行器，其特征在于，

所述c轴的取向度，在Lotgering法下为75％以上。

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