JP4533097B2 - 圧電デバイス及びこれを用いたアクチュエータ並びにスピーカ - Google Patents

Description

本発明は、圧電デバイス及びこれを用いたアクチュエータ並びにスピーカに関し、特に、圧電素子が電圧を印加することで歪むことを利用した圧電デバイス及びこれを用いたアクチュエータ並びにスピーカに関する。

従来より、圧電デバイスは発振子、アクチュエータ、スピーカ、センサ、等多くの電子デバイスに用いられている。圧電デバイスを発振子として利用したものとしては水晶振動子やセラミック振動子があり、能動素子と組み合わせた集積回路の動作クロックの発振回路として多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧電デバイスは電圧を加えると歪むという特徴を利用し、振動を直接音に変換したブザーや小型のスピーカ等に圧電デバイス（例えば、特許文献２参照）や、圧電デバイスを加振源として弾性体を共振振動させると大きな振動を発生させることができるという特徴を利用したアクチュエータ及び圧電デバイスを積層することにより低電圧で大きな歪みを生じさせる非共振のアクチュエータ（例えば、特許文献３参照）や、リング又は円盤状の複数の圧電デバイスを回転方向に配置して位置的に位相の異なる複数の定在波を発生させると共に、この発生させた定在波間に時間的なずれを設けることで進行波を形成するアクチュエータ（例えば、特許文献４参照）が従来より知られている。

一方、点欠陥のナノ秩序の対称性という性質を用いて、可逆的な巨大電歪を生み出すことが可能な圧電部材が研究されている（例えば、非特許文献１参照）。

この圧電部材は電気分極方向が異なるドメインを有し、電場が加えられると通常の圧電効果よりも数十倍以上大きい上記巨大電歪が生じ、この電場が除去されるとこの巨大電歪がなくなるという特徴を有する。

この巨大電歪は、電気分極方向が異なるドメインを有する圧電部材に電場が加えられたことにより、このドメインの分極方向が電圧方向に沿うように変換（以下「ドメイン変換」という。）して強誘電相の長軸方向が低い対称性となったときに、強誘電相の長軸方向が点欠陥のナノ秩序の対称性によりその短軸方向と交換されるときに生じる歪みである。すなわち、このドメイン変換によりえられる巨大電歪の大きさは、強誘電相の長軸と短軸の差に比例する。

上述したような特徴を有する圧電部材２に用いられる部材は、ある点欠陥の周り（ナノメートル範囲）におけるほかの点欠陥の占有率は平衡時の結晶の対称性に一致するため、常誘電相での点欠陥対称性は高く、強誘電相での点欠陥対称性は低くなるという性質と、強誘電相の点欠陥による分極は自発分極と一致するという性質を利用して得ることができる。

具体的には、まず、常誘電相状態の部材を冷却して強誘電相状態とする。このとき、冷却直後の部材は常誘電相の結晶対称性を維持しているが、時間の経過と共に部材中の点欠陥の対称性が拡散し、次第に強誘電相の結晶対称性に変化する。このように、点欠陥の対称性の拡散が生じているとき、部材には電気分極方向が異なるドメイン（領域）が存在する状態となる。
特開平０８−１３０４３７号公報 特開平１０−２７７４８４号公報 特開２００４−０４８９８４号公報 特開平１１−２１５８６１号公報 Xiaobing Ren、 "Large electric-field-induced strain in ferroelectric crystals by point-defect-mediated reversible domain switching"、Nature Materials、Nature Publishing Group、２００４年２月１日、第３巻、ｐ．９１−９４、及び、［online］、平成１６年１月１１日、インターネット＜ＵＲＬ：www.nature.com/naturematerials＞

しかしながら、従来の圧電デバイスを利用するアクチュエータは、交流の駆動電圧を印加する必要があり、駆動電圧を供給する駆動回路が複雑になるという問題があった。

また、複数の圧電デバイスを用いて進行波を形成するためには、圧電デバイスの複数の電極パターンの夫々に対して、印加する駆動電圧を制御する必要があり、上記駆動回路がさらに複雑化するという問題がある。

さらに、一端に圧電デバイスが取り付け、他端に振動吸収材を取り付けてある棒状の振動体では大きな進行波を発生させることは困難であるという問題があった。

本発明の目的は、大きな進行波を確実に発生させることができ、且つ駆動回路を単純なものとすることができる圧電デバイス及びこれを用いたアクチュエータ並びにスピーカを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の圧電デバイスは、印加電圧の変化に対する歪み量の変化の比が異なる第１及び第２のエネルギー変換素子を有し、印加電圧の変化に対する歪み量の変化の比が前記第２のエネルギー変換素子より大きな前記第１のエネルギー変換素子から成り第１の電極を有する第１の区画と、前記第２のエネルギー変換素子から成り第２の電極を有する第２の区画と、前記第１の区画及び前記第２の区画と接続する第３の電極とを備える単位圧電デバイスを直列に複数接続する圧電デバイスであって、前記第２のエネルギー変換素子は歪み量に比例した電荷を発生し、電圧が前記単位圧電デバイスのうちの第１のデバイスの前記第１の電極と前記第３の電極の間に印加されたときに、当該第１のデバイスの前記第１の区画を歪ませ、その歪みに応じて前記第１のデバイスの前記第２の区画を歪ませ、その歪みに応じて前記第２の区画で電荷を発生させて前記第２の電極と前記第３の電極の間の電圧を出力することを特徴とする。

本発明によれば、各単位圧電デバイスの第１の電極に矩形信号状の電圧が次々と印加し、この電圧印加により加えられた電場で生じる周期的な歪みを直列に接続された単位圧電デバイスに伝播させて、大きな進行波を確実に発生させることができ、また、個々の単位圧電デバイスに電圧を印加する必要が無いため駆動回路を単純なものとすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧電デバイス３００の構成を概略的に示すブロック図である。

本実施の形態における圧電デバイス３００には、後述する図２の単位圧電デバイス２００の構成と等価な構成を有する単位圧電デバイス１００及びこれと同一の構成を有する単位圧電デバイスが複数用いられている。従って、単位圧電デバイス１００の構成のうち、図２の単位圧電デバイス２００と等価の構成については同一の符号を付し、また単位圧電デバイス１００と同一の構成を有する単位圧電デバイスにはその符号にアルファベットを付し、重複した説明は省略する。

図１において、圧電デバイス３００は、１枚の電気−機械エネルギー変換素子として作用する反強誘電性の圧電部材３０１（第１の区画）と、電極４を介して圧電部材３０１と面で接続する１枚の機械−電気エネルギー変換素子として作用する強誘電性の圧電部材３０２（第２の区画）と、圧電部材３０１の外面に接続する複数の電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅと、圧電部材３０２の外面にあって上記複数の電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅの夫々と対向する位置に接続する電極５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅとから形成され、これらの電極で区画分けされることにより形成される複数の単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅはその間を接続する配線３２，３３，３４，３５，３６により直列に接続する。

また、圧電デバイス３００には、強誘電性の圧電部材２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ側に不図示の加圧手段で移動体３７が押し付けられている。ここで本実施例では移動体３７は絶縁特性を有する材料であり、電極５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ間に異なる電圧が発生しても電極間をショートすることが無い。

電極４は基準電位に接続され、電極３は駆動回路１２に接続されて電極３と電極４の間に駆動回路１２の出力電圧が印加される。この電圧は後述する反強誘電性の圧電部材の飽和電圧より大きな値の直流電圧又は飽和電圧より大きな振幅の交流電圧である。電極５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、配線を介して接続する他の単位圧電デバイスに電圧を印加する。

図１に示すように圧電デバイス３００を構成することにより、外部と接続する給電端子を２つのみとする単純な構成とすることができる。

図２は、図１における圧電デバイス３００を構成する単位圧電デバイスの構成を概略的に示す構成図である。図１の単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、この図２の単位圧電デバイス２００と同様の構成を有している。

図２において、単位圧電デバイス２００は、電気−機械エネルギー変換素子として作用する反強誘電性の圧電部材から成り、電極３（第１の電極）を有する圧電部材１（第１の区画）と、機械−電気エネルギー変換素子として作用する強誘電性の圧電部材から成り、電極５（第２の電極）を有する圧電部材２（第２の区画）と、圧電部材１及び圧電部材２と接続する電極４（第３の電極）とを備える。

図１で上述したように、電極３と電極４の間に駆動電圧が印加され、電極４と電極５の間から単位圧電デバイス１００の圧電部材２が出力する電圧が出力される。電極４と電極５の間の電圧は、他の単位圧電デバイスの電極３と電極４の間に印加される。

図３は、上記非特許文献１の材料の特性を参照して模式的に表した圧電、電歪材料の電界強度に対する歪みの量（歪量）の関係を表す図で、電界強度０の歪量を０として歪量の変化を表している。実線２０１ａ，２０１ｂは点欠陥のナノ秩序の対象性という性質を用いて、可逆的な巨大電歪を発生する圧電材料の特性を示しており、点線２０２はＰＺＴ等の強誘電性の圧電材料の特性を示している。

図３において、実線２０１ａ，２０１ｂの特性を示す圧電部材は、非常に大きな歪みを生じることがわかるが、一定以上の電界強度で急激に歪みが増大する傾向や電界強度を０にすると歪みが元の状態に戻ること、また大きなヒステリシスを持つ特性等、特性的には反強誘電性の圧電材料と類似している。

以下の説明ではこのような特性を持つ電気―機械エネルギー変換素子として反強誘電性の圧電部材を例にとって説明するが、図２に実線２０１ａ，２０１ｂで示すような特性の電気−機械エネルギー変換素子であれば反強誘電性の圧電部材に限られるものではない。同様に機械−電気エネルギー変換素子としてＰＺＴ等の強誘電性の圧電部材とを例にとって説明するが、点線２０２で示すような特性の機械−電気エネルギー変換素子であればこれに限られるものではない。

図３の実線２０１ａ，２０１ｂに示すようなヒステリシス特性を示す反強誘電性の圧電部材１は、電界強度が所定の値、例えば２０［ｋＶ／ｍｍ］（上記非特許文献１の材料は１７０［Ｖ／ｍｍ］）以上に大きくなるような電圧（飽和電圧）が印加されると急峻に歪みが増大する歪み特性を有すると共に、電界強度が０になると、実際には歪みが多少残る場合もあるが、歪みも実質的に０（電界強度０で毎回ほぼ同じ歪量になる）になる（言い換えれば、電界強度０でほぼ毎回同じ歪量になる）。また、反強誘電性の圧電部材１は、大きなヒステリシス特性を有する。また図３の点線２０２に示すようにＰＺＴ等の分極された強誘電性の圧電部材２は、電界強度に対して比例した歪み特性を有していると共に、歪に対して比例した電荷を発生する性質を持っている。

図４は、図１における単位圧電デバイスを用いた発振手段の回路図である。

電極３に対応する電極がない点を除き、図１の単位圧電デバイス１００と同一の構成を有する単位圧電デバイス１００’ａが用いられている。従って、単位圧電デバイス１００’ａについては、単位圧電デバイス１００の構成要素と同一の構造を有するものに「’」を付し、重複した説明は省略する。

図４において、単位圧電デバイス１００と、電極３に圧電部材１’が接続する単位圧電デバイス１００’ａとを、電極３に対して線対称な配置で備える。

電極３は、抵抗１１で基準電位に接続されると共に、直流電圧を出力する電源４００と接続し、単位圧電デバイス１００，１００’ａに電源電圧Ｖｃｃを印加する。

また、電極４，４’は抵抗１０で基準電位に接続されると共に、単位圧電デバイス１００，１００’ａからの出力電圧Ｖｏｕｔを外部に出力する。

また、電極５，５’は共に基準電位に接続されている。

図５は、図４の発振手段に電源４００から印加される電源電圧Ｖｃｃ及びこの電圧印加に伴い圧電デバイス３００から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示す図である。

図５において、電源４００からの電源電圧Ｖｃｃが電極３に印加されていない間（ｔ０≦ｔ＜ｔ１）は、電極３は抵抗１１で、電極４，４’は抵抗１０で夫々基準電位に接続されているため、圧電部材１，２，１’，２’には歪みが生じない。

次に、時間がｔ１で電極３へ電源４００から直流の電源電圧Ｖｃｃが印加されると、電極３と接触する圧電部材１，１’に電場が加えられ、図３の点線２０２に示す特性に従って歪む。ここで、電源電圧Ｖｃｃが圧電部材２，２’の飽和電圧Ｖｓ以上のとき、図３に示したように圧電部材２，２’に大きな歪みが発生し、この歪みに応じて生じる電圧Ｖｏｕｔを電極４，４’が出力する。

この電極４，４’から出力される電圧Ｖｏｕｔと電極３から印加される電源電圧Ｖｃｃは同極性の電圧となるように構成されているので、歪みが大きくなるに従って圧電部材１，１’に加えられている電場の大きさが小さくなり、電極４，４’の出力電圧が電源電圧Ｖｃｃに近づくと加えられている電場が０に近づき圧電部材１及び圧電部材６の歪みが急に０になり圧電部材２，２’の歪みも０になる。すると、電極４，４’からに出力されていた電圧も０に近くなり、時間ｔ２で電源４００からの電源電圧Ｖｃｃを電極３に印加した瞬間の状態に戻る。

これを繰り返すことで電極４，４’から出力される電圧Ｖｏｕｔは所定の周波数で振動する交流波形となる。即ち、単位圧電部材１００，１００’ａを図４に示すように配置し、直流の電源電圧Ｖｃｃを電源４００から電極３に印加するだけで所定の周波数の交流電圧を出力する発振手段が実現できる。

また、抵抗１０の抵抗値を変更すると、出力電圧Ｖｏｕｔの周波数を変化させることができる。アクティブに抵抗値を変更できる素子としては、ＦＥＴ、アナログスイッチと抵抗を組み合わせたもの等があり、抵抗１０としてこれらいずれかの抵抗可変素子を用いれば、発振周波数を外部信号で切り替えることが可能となる。

また本実施の形態では、単位圧電デバイス１００，１００’ａが電極３を中心に線対称に配置されているので、単位圧電デバイスの発振を対称とすることができ、電極３付近での振動を極力抑えることができ、電極３付近を支持体（不図示）に固定することで、振動の減衰を防止できる。さらに、この支持体を、電極３が兼ねるようにすれば、構成を単純にすることができる。

また本実施の形態では反強誘電性の圧電部材１，１’を強誘電性の圧電部材２，２’より内側となるよう構成したが、強誘電性の圧電部材２，２’より外側となるよう構成してもよい。これにより、強誘電性の圧電部材２，２’を両側から歪ませることができるのでより大きな歪みを発生させることできる。ここで示したように単位圧電デバイスは上述した発振手段を構成するほかにも、説明は省くが各種論理デバイスやＤ／Ａ変換手段等を構成することができる。この様な機能素子としての単位圧電デバイスを図１の単位圧電デバイス１００の代わりに用いれば（発振手段を利用する例を後述する図１３の第４の変形例で説明する）様々なインターフェースを持った圧電デバイスを構成することができる。

図６は、図１の圧電デバイス３００を構成する単位圧電デバイスの入力端子側の電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅと出力端子側の電極５ｅに現れる電圧波形を示す図である。

図６において、まず、駆動回路１２から電極３と電極４の間に出力波形６００に示す飽和電圧Ｖｓ（図５）を超える駆動電圧が印加されると、大きな歪みが圧電部材１で発生して圧電部材２を歪ませる。この歪みにより、圧電部材２から電圧が出力され、この出力電圧が電極５を介して電極３ａに出力される。

この電極３ａでは、電極３に印加された電圧の出力波形６００に対して遅れた出力波形６０１の電圧が印加されることにより、まず、圧電部材１ａが大きく歪み、次に圧電部材２ａが歪む。

同様に、電極３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅについても順に遅れた出力波形６０２，６０３，６０４，６０５の電圧が印加される。また、このようにして電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，５ｅに電圧波形が時間的な遅れを伴って伝播する。

図７は、図１の圧電デバイス３００に発生する屈曲振動を示す図である。

図７において、各グラフは時間Ｔ１〜Ｔ１２における単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの入力側からみた屈曲波の位置を表している。

まず、電極３に単位圧電デバイス１００の飽和電圧以上の駆動電圧を印加すると、時間Ｔ１で単位圧電デバイス１００が屈曲波７００に示すように歪む。この歪みに応じて出力される電圧が単位圧電デバイス１００ａに印加されることにより、時間Ｔ２で単位圧電デバイス１００のみならず、単位圧電デバイス１００ａも屈曲波７０１に示すように歪む。その後、時間Ｔ５までの間に順に単位圧電デバイス１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅにも屈曲波７０２，７０３，７０４，７０５に示すように歪みが生じ、時間Ｔ６で、屈曲波７０６に示すように、全ての単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅが歪み大きな屈曲が圧電デバイス３００上に生ずる。

この間、屈曲の振幅が増大しながら単位圧電デバイス１００の位置から屈曲の波頭が圧電デバイス３００の中心に向けて移動してくる。

次に電極３への駆動電圧の印加を中止すると、時間Ｔ７で単位圧電デバイス１００の歪みが開放され、時間Ｔ８で単位圧電デバイス１００ａの歪みが開放される。その後、時間Ｔ１２までの間に順に単位圧電デバイス１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの歪みが開放される。この間、屈曲の振幅が減少しながら圧電デバイス３００の中心から屈曲の波頭が単位圧電デバイス１００ｅへ向けて移動する。

このようにして進行する屈曲波が構成され、移動体３７と圧電デバイス３００の接触部に生ずる進行する屈曲波の進行方向と逆方向に波頭が運動する質点の楕円運動によって移動体３７が移動するので、圧電デバイス３００上に大きな進行波を確実に発生させることができる。

図９は、図７の屈曲振動の変形例を示す図である。

図９において、各グラフは時間Ｔ１’〜Ｔ９’における単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの入力側からみた屈曲波の位置を表している。

図７の実施の形態では、全ての単位圧電デバイスが歪んでから電極３と電極４の間への駆動電圧の印加を中止したが、本実施の形態では、図８，９に示すように、単位圧電デバイス１００ｂが歪んだ時点（ｔ＝Ｔ３’）で駆動電圧の印加をまず中止するが、その後、単位圧電デバイス１００ｅが歪んだ時点（ｔ＝Ｔ６’）で再度駆動電圧の印加を開始し、さらにその後、単位圧電デバイス１００ｂが歪んだ時点（ｔ＝Ｔ９’）で再度駆動電圧の印加を中止する。

まず、時間Ｔ１’〜Ｔ３’までの間、電極３と電極４の間に駆動電圧が印加されるので、単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ・・・は順に歪んでゆき、圧電デバイス３００上に振幅を増大させながら波頭の位置を単位圧電デバイス１００ｅの方向に移動させていく屈曲波９００が現れる。

次に、時間Ｔ４’〜Ｔ６’までの間、駆動電圧の印加が中止されるので、単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ・・・は順に歪みが開放されていき、屈曲波９００は、その振幅を減少させながら波頭の位置を引き続き単位圧電デバイス１００ｅの方向に移動させていく。

その後、時間Ｔ７’で電極３に再度駆動電圧が印加されるので、単位圧電デバイス１００が歪み、第２の屈曲波９０１が形成され、２つの屈曲波９００，９０１が圧電デバイス３００上に現れる。時間Ｔ７’〜Ｔ９’までの間、電極３に駆動電圧が印加されるので、単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ・・・は順に歪んでゆき、第２の屈曲波９０１がその振幅を増大させながら波頭の位置を単位圧電デバイス１００ｅの方向に移動させていく。その一方、単位圧電デバイス１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの歪みが順に開放されていくので、最初の屈曲波９００が引き続き単位圧電デバイス１００ｅの位置に移動しながらその振幅を減少させていく。

図８，９によれば、進行波である複数の屈曲波を圧電デバイス３００上に生じさせることができるので、屈曲波と移動体３７との接触を常に保つことができるので安定して駆動することができる。

また本実施の形態では、移動体３７を移動させるとしたが、移動体３７を固定すれば圧電デバイス３００を自走させることもできる。

図１０は、図１の圧電デバイス３００の第１の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。

本変形例における圧電デバイス３００ａは、図２の単位圧電デバイス２００の構成と等価な構成を有する単位圧電デバイス１００及びこれと同一の構成を有する単位圧電デバイスが複数用いられている。従って、単位圧電デバイス１００の構成のうち、図２の単位圧電デバイス２００と等価の構成については同一の符号を付し、また単位圧電デバイス１００と同一の構成を有する単位圧電デバイスにはその符号にアルファベットを付し、重複した説明は省略する。

図１０において、圧電デバイス３００ａは、電極を介して交互に配列する反強誘電性の圧電部材と強誘電性の圧電部材とから形成され、これらの電極のうち、電極４，４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊの夫々は基準電圧に接続される。

また、圧電デバイス３００ａは、不図示の加圧手段によって弾性部材３９に押し付けられた移動体３７を移動させる。絶縁部材３８は弾性部材３９と圧電デバイス３００ａの電極間を絶縁している。

図１０に示すように圧電デバイス３００ａを構成することにより、図１の圧電デバイス３００において各単位圧電デバイスを直列に接続するために要した配線３２，３３，３４，３５，３６を不要とすることができる。

図１１は、図１の圧電デバイス３００の第２の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。

本変形例における圧電デバイス３００ｂは、図１の圧電デバイス３００及びこれと同一の構成を有する圧電デバイス３００’を備える。圧電デバイス３００，３００’は、絶縁部材３８ａ，３８ａ’を介して互いに不図示の加圧手段によって押し付けられており、お互いを移動体として駆動するように構成されている。

また、圧電デバイス３００，３００’の夫々の電極３，３’は、スイッチ４０により駆動回路１２との接続が切り替え可能に構成されている。

これにより、図５の圧電デバイス３００は、図６，７に示すように進行する屈曲波の方向が一方向なので、移動体３７の移動方向を切り替えることができなかったのに対し、図１１の圧電デバイス３００ｂは、スイッチ４０で駆動電圧が印加されている電極３（電極３’）を電極３’（電極３）に切り替えるだけで、圧電デバイス３００，３００’の相対的な移動方向を切り替えることができる。

図１２は、図１の圧電デバイス３００の第３の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。

本変形例における圧電デバイス３００ｃは、図１の圧電デバイス３００の配線のみを変更したものである。従って、圧電デバイス３００の構成要素と同一の構造を有するものは同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

本変形例における圧電デバイス３００ｃは、６つの単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅを、駆動電流が電極に与えられたときに移動体を移動させる方向が互いに逆方向である２つのグループに分かれるように配線が接続されている。具体的には、単位圧電デバイス１００，１００ａ，１００ｂを第１のグループとし、単位圧電デバイス１００ｃ，１００ｄ，１００ｅを第２のグループとし、電極５と電極３ａ、電極５ａと電極３ｂ、電極５ｅと電極３ｄ、電極５ｄと電極３ｃがそれぞれ配線部材３２，３３，３５，３４で接続されている。

また、電極３及び電極３ｅがスイッチ４０により電源１２と接続が切り替え可能に接続される。

これにより、図１２の圧電デバイス３００ｃは、印加時の屈曲波の進行方向を第１グループと第２グループで異なる方向にすることができ、スイッチ４０で駆動電圧が印加されている電極３（電極３ｅ）を電極３ｅ（電極３）に切り替えるだけで、簡易に移動体３７の移動方向を切り替えることができる。

図１３は、図１の圧電デバイス３００の第４の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。

本変形例における圧電デバイス３００ｄは、図２の単位圧電デバイス２００の構成と等価な構成を有する単位圧電デバイス５００及びこれとと同一の構成を有する単位圧電デバイスが複数用いられている。従って、単位圧電デバイス５００の構成のうち、図２の単位圧電デバイス２００と等価の構成については同一の符号を付し、また図１の単位圧電デバイスと同一の構成を有する単位圧電デバイスには同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

圧電デバイス３００ｄは、単位圧電デバイス５００を発振回路とし、その出力電圧を他の単位圧電デバイス１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅからなる区画に印加することによりこれらの単位圧電デバイスに歪みを生じさせるアクチュエータである。

具体的には、１枚の反強誘電性の圧電部材３０１と、電極４，４２を介して圧電部材１と面で接続する１枚の強誘電性の圧電部材３０２と、圧電部材３０１の外面に接続する複数の電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅと、圧電部材３０２の外面にあって上記複数の電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅの夫々と対向する位置に接続する電極５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅとから形成され、これらの電極で区画分けされることにより形成される複数の単位圧電デバイス５００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅはその間を接続する配線３２，３３，３４，３５，３６により直列に接続する。

電極４は、圧電部材１，２の境界のみに位置するように配置されると共に、電極５と共に帰還回路に接続する。本実施の形態における帰還回路とは、抵抗１１で基準電位と接続する接続部に、電極４及び抵抗１０を介した電極５が接続することにより構成される回路であるが、電極５から出力される電圧が電極４に帰還する回路であればよく、この回路に限定されない。また、電極４２は、反強誘電性の圧電部材１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと強誘電性の圧電部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの境界に配置されると共に、基準電位に接続し、電極３は、不図示の直流電源４００と接続する。

上記配線により構成される発振回路としての単位圧電デバイス５００の動作を説明する。

電極３と電極４の間にに不図示の直流電源４００から駆動電圧が印加されると、まず、反強誘電性の圧電部材１が大きく歪み、これによって強誘電性の圧電部材２が大きく歪む。すると歪みに応じた正の電圧が電極５に発生し、抵抗１０，１１で分圧した電圧が電極４に入力される。すると、圧電部材１の歪みが開放され、これに伴い、圧電部材２の歪みが開放される。以上の動作の繰り返しにより、電極３に直流電圧を入力している間発振が継続する。

この発振回路としての単位圧電デバイス５００の電極５からは交流電圧が出力されるので、電極５に配線３２を介して接続する電極３ａにこの交流電圧が入力されると、単位圧電デバイス１００ａの電極５ａに屈曲波が発生し、続いて、単位圧電デバイス１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの電極５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅにも順に屈曲波が発生する。

抵抗１０，１１の値や単位圧電デバイス５００の大きさ等で発振周波数を変えることができるので、予め最適な周波数で発振するようにこれらの条件を設計しておけば、電極３に入力する電圧のＯＮ−ＯＦＦで移動体３７に移動量の制御ができる。また、電極３へ出力される駆動電力のＯＮ−ＯＦＦの周期やデューティを可変にすれば、移動部材３７を任意の移動速度で移動することができる。

このように、単位圧電デバイス５００を発振手段として用いることで発振器とアクチュエータを一つにまとめた圧電デバイスを構成することができ、簡単な制御回路で制御可能なアクチュエータとなる。

図１４は、図１の圧電デバイス３００の第５の変形例の構成を概略的に示すブロック図であり、（ａ）はその平面的配置を示し、（ｂ）はＡ−Ａ面を示す。

本変形例における圧電デバイス３００ｅは、図１の圧電デバイス３００の形状のみを変更したものである。従って、圧電デバイス３００の構成要素と同一の構造を有するものは同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

具体的には、圧電部材３０１，３０２は円盤であり、電極３，５はその直径が圧電部材３０１，３０２より小さい円盤状、他の電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅは、リング形状である。各電極は、圧電部材３０１，３０２と同心円上に配置されており、電極３，５からの距離が離れている電極であるほど、その電極幅は細くなっている。

図１４に示すように圧電デバイス３００ｅを構成することにより、圧電デバイス３００ｅを電極３に駆動電圧が印加されたときにその中心から外側に向かって屈曲波が進行するスピーカとすることができる。

また、本実施の形態では屈曲波の進行方向は圧電デバイス３００ｅの中心から外側に向かうものであったが、配線３２，３３，３４，３５，３６の配線を変更し、また、電極３からでなく電極３ｅから駆動電圧を印加するようにすれば、その進行方向を逆にすることができる。

反強誘電性の圧電部材３０１は、図２で上述した所定の電圧で大きく歪む圧電部材１と等価の部材であるため、圧電デバイス３００ｅは大きな音を確実に発生させることができる。

また、電極３に印加する電圧を飽和電圧Ｖｓ以上にすると、各単位圧電デバイスに大きな歪みが次々と伝播することにより、進行波である大きな屈曲波を形成することができ、圧電デバイス３００ｅを構成する円盤全体が大きくたわむ低周波振動を発生させることができる。一方、反強誘電性の圧電部材３０１に飽和電圧Ｖｓに比べて比較的小さい電圧を駆動電圧として印加すると、駆動電圧を印加した中心の単位圧電デバイスのみがたわむ高周波振動を発生させることができる。このように、駆動電圧の大きさで振動する領域の広さを変化させることができるので、広帯域の周波数の音を発生させることができる。

また、上記の実施の形態では説明を容易にするために、図２に示すヒステリシス特性を備えた反強誘電性材料からなる圧電部材と、強誘電性材料からなる圧電部材とを隣接させた電圧変換素子を例にあげて説明を行ってきたが、上述したように、一方の部材が電気−機械エネルギー変換素子であって他方の部材が機械−電気エネルギー変換素子であれば、必ずしも上記の圧電部材で構成される必要はない。

なお、上記非特許文献１で述べられている点欠陥電歪材料は、従来の反強誘電性の圧電材料と同じヒステリシス特性（電界強度に対する歪み量の特性）を有するが、従来の一般的な反強誘電性の圧電材料と比較して数十〜百分の位置の電界強度で同等の歪みを発生することが可能である。そのため、低電圧で大きな歪みを発生する圧電部材が利用できるようになり、様々な用途への適用が検討されるようになってきた。

なお、これらの電圧変換素子は、電圧変換素子を構成する圧電部材に発生する歪みが大きいがゆえに、歪みによる電極の剥離や破断に対する対策が必要になる。本発明は電気―機械エネルギー変換素子である反強誘電性の圧電部材にて大きな歪みを発生させ、これに隣接する機械−電気エネルギー変換素子である強誘電性の圧電部材で電圧に変換するため、この隣接の界面に大きな応力がかかる可能性がある。そこで界面の応力を緩和する方法について、以下に例をあげる。

まず一つ目の方法として、界面の電極を複数の領域に分け、複数の領域を互いに適当な距離をおいて配置する方法がある。複数の領域が界面に平行に配置されることにより、電気力線の界面と平行となる方向の成分が大きくなる。厚さ方向の電界で厚さが増加する方向の歪みが生じる場合、ポアソン比分の収縮が厚さ方向と直行する方向に働くが、ここで電気力線が厚さ方向と直行する界面と平行な方向の成分を設けることで、厚さ方向と直行する方向へ伸張する歪みが加わり、界面と平行な方向の歪みを緩和することができる。この方法は歪みの伝達率を変えることになるので、上記電圧変換素子のゲイン調整に使うことも可能である。

二つ目の方法として、圧電部材と電極の接触面に生じた細かい凹凸を高誘電率あるいは導電性のゲルで満たす方法がある。この場合、歪みを効率的に伝達するために電圧変換素子に圧力をかける必要がある。

三つ目の方法として、電極自体にやわらかい材質を用いる方法がある。

これらのような工夫を施すことで、電圧変換素子を破損させることなく実用化することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る圧電デバイスの構成を概略的に示すブロック図である。 図１における単位圧電デバイスの構成を概略的に示すブロック図である。 非特許文献１に記載の点欠陥のナノ秩序の対象性という性質を用いて、可逆的な巨大電歪を有する圧電部材及び強誘電性の圧電部材の歪み特性を模式的に示す図である。 図１における単位圧電デバイスを用いた発振手段の回路図である。 図４の発振手段に電源から印加される電源電圧Ｖｃｃ及びこの電圧印加に伴い圧電デバイスから出力される出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示す図である。 図１の圧電デバイスを構成する単位圧電デバイスの入力端子側の電極と出力端子側の電極に現れる電圧波形を示す図である。 図１の圧電デバイスに発生する屈曲振動を示す図である。 図７の屈曲振動の変形例を圧電デバイスに与える電圧の出力波形を示す図である。 図７の屈曲振動の変形例を示す図である。 図１の圧電デバイスの第１の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の圧電デバイスの第２の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の圧電デバイスの第３の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の圧電デバイスの第４の変形例の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の圧電デバイスの第５の変形例の構成を概略的に示すブロック図であり、（ａ）はその平面的配置を示し、（ｂ）はＡ−Ａ面を示す。

符号の説明

１ 反強誘電性の圧電部材
２ 強誘電性の圧電部材
３，４，５ 電極
１２ 駆動回路
３２，３３，３４，３５，３６ 配線部材
３７ 移動体
３８ 絶縁部材
３９ 弾性体
４０ スイッチ
１００ 単位圧電デバイス
３００ 圧電デバイス

Claims (12)

1. 印加電圧の変化に対する歪み量の変化の比が異なる第１及び第２のエネルギー変換素子を有し、
   印加電圧の変化に対する歪み量の変化の比が前記第２のエネルギー変換素子より大きな前記第１のエネルギー変換素子から成り第１の電極を有する第１の区画と、前記第２のエネルギー変換素子から成り第２の電極を有する第２の区画と、前記第１の区画及び前記第２の区画と接続する第３の電極とを備える単位圧電デバイスを直列に複数接続する圧電デバイスであって、
   前記第２のエネルギー変換素子は歪み量に比例した電荷を発生し、
   電圧が前記単位圧電デバイスのうちの第１のデバイスの前記第１の電極と前記第３の電極の間に印加されたときに、当該第１のデバイスの前記第１の区画を歪ませ、その歪みに応じて前記第１のデバイスの前記第２の区画を歪ませ、その歪みに応じて前記第２の区画で電荷を発生させて前記第２の電極と前記第３の電極の間の電圧を出力することを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記第１の区画は印加電圧に応じた歪み量がヒステリシス特性を有する圧電部材からなり、前記第２の区画は歪み量に応じた出力電圧が比例特性を有する圧電部材からなることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 前記単位圧電デバイスから成る機能素子を一体に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記機能素子は発振手段を構成したことを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイス。
5. 前記複数の単位圧電デバイスは、前記第１の区画の外面に接続する複数の前記第１の電極と、前記第２の区画の外面にあって前記第１の電極の夫々と対向する位置に接続する複数の前記第２の電極と、第１の区画と第２の区画の間に設けられた第３の電極と、が形成され、
   配線により、前記第１のデバイスの前記第２の電極と第３の電極の間の電圧を、前記単位圧電デバイスのうちの前記第１のデバイスとは異なる第２のデバイスの前記第１の電極と前記第３の電極との間に印加することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
6. 前記複数の単位圧電デバイスは、電極を介して交互に配列する前記第１の区画と前記第２の区画とから形成され、前記電極のうち、前記第３の電極は電圧を外部に出力させることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
7. 前記第１のデバイスの前記第１の区画に印加する直流電圧或いは交流電圧の振幅は前記第１のエネルギー変換素子による前記第１の区画の歪みがほぼ飽和する飽和電圧以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
8. 前記第１のデバイスの前記第１の区画に印加する直流電圧をＯＮ−ＯＦＦする周期を制御する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
9. 前記第１のデバイスの前記第１の区画に印加する直流電圧のデューティを制御する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
10. 前記請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電デバイスを用いることを特徴とするアクチュエータ。
11. 前記請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電デバイスを用いることを特徴とするスピーカ。
12. 前記圧電デバイスを同心円上に配置することを特徴とする請求項１１記載のスピーカ。

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