JP4954783B2 - Piezoelectric element and vibration type actuator - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、圧電素子及びそれを備えた振動型アクチュエータに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric element and a vibration type actuator including the piezoelectric element.

従来から、各種電気機器等に用いられる、圧電素子(電気機械変換素子)を備えた振動型アクチュエータが知られている(例えば、特許文献1参照)。この圧電素子は、圧電体と電極とを交互に積層してなる。そして、前記振動型アクチュエータでは、電極に電圧を印加することにより圧電素子を振動させ、これにより、可動体を移動させる。
特表2003−501988号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, a vibration type actuator including a piezoelectric element (electromechanical conversion element) that is used in various electric devices is known (see, for example, Patent Document 1). This piezoelectric element is formed by alternately laminating piezoelectric bodies and electrodes. In the vibration type actuator, the piezoelectric element is vibrated by applying a voltage to the electrode, thereby moving the movable body.
Special table 2003-501988 gazette

振動型アクチュエータは2相の電源を必要とする。振動型アクチュエータの圧電素子は、通常、圧電体と2相の独立している給電電極と共通電極を有している。そして、この圧電素子が、1層の圧電体の両面にそれぞれ電極を形成してなる、厚みが数mmの単板型のものであると、圧電素子を十分に変位させるためには、数十V〜数百Vの印加電圧が必要となる。   The vibration type actuator requires a two-phase power source. The piezoelectric element of the vibration actuator usually has a piezoelectric body and a two-phase independent feeding electrode and a common electrode. If this piezoelectric element is of a single plate type having a thickness of several millimeters, with electrodes formed on both surfaces of a single layer of piezoelectric material, several tens of millimeters are required to sufficiently displace the piezoelectric element. An applied voltage of V to several hundred V is required.

そこで近年は、圧電体と電極とを交互に積層することで、電極間の圧電体の厚みを薄くし、同じ大きさの電源電圧であっても、単位長さ当たりの圧電体にかかる電圧(電界強度)を高くし、駆動電圧の低電圧化を図っている。   Therefore, in recent years, by alternately laminating piezoelectric bodies and electrodes, the thickness of the piezoelectric bodies between the electrodes is reduced, so that the voltage applied to the piezoelectric bodies per unit length (even with the same power supply voltage) ( The electric field strength) is increased to reduce the driving voltage.

しかしながら、例えば、最近の携帯機器の電源として用いられるリチウムイオン電源による3V駆動を実現するためには、圧電体の厚みを数十um以下にまでしなければならない。そうすると、圧電定数が劣化したり、圧電素子に対する電極の割合が増加したりして、効率が低下する。   However, for example, in order to realize 3V driving by a lithium ion power source used as a power source of recent portable devices, the thickness of the piezoelectric body must be reduced to several tens of um or less. If it does so, a piezoelectric constant will deteriorate or the ratio of the electrode with respect to a piezoelectric element will increase, and efficiency will fall.

ところで、圧電素子の駆動方式として、効率と使用デバイスの数に鑑みて、一般に、ハーフブリッジ駆動、又はシングル駆動方式が用いられる。これらの方式では、圧電素子にグランドレベルと電源レベルとの差に相当する電圧しか印加できない。   By the way, in view of the efficiency and the number of devices used, a half-bridge driving method or a single driving method is generally used as a driving method of the piezoelectric element. In these systems, only a voltage corresponding to the difference between the ground level and the power supply level can be applied to the piezoelectric element.

フルブリッジ駆動方式、又はプッシュプル駆動方式を採用すれば、圧電素子に電源レベルと逆電源レベルの電圧を印加できるので、同じ大きさの電源電圧であっても、2倍の大きさの電圧を印加できる。   If the full-bridge drive method or push-pull drive method is adopted, the voltage of the power supply level and the reverse power supply level can be applied to the piezoelectric element. Can be applied.

しかしながら、共通電極を持つ従来の振動型アクチュエータでは、フルブリッジ回路やプッシュプル回路など、逆電圧をかける電源回路を用いることができなかった。   However, a conventional vibration actuator having a common electrode cannot use a power supply circuit that applies a reverse voltage, such as a full bridge circuit or a push-pull circuit.

これに対し、共通電極を分割することが考えられるが、単に共通電極を分割するだけでは、素子外面(例えば素子周囲面)の外部電極とワイヤー等との接点が8箇所必要となり、ワイヤーなどの重さによる特性劣化が起こる。   On the other hand, it is conceivable to divide the common electrode. However, if the common electrode is simply divided, eight contact points between the external electrode on the outer surface of the element (for example, the peripheral surface of the element) and the wire are required. Degradation of characteristics due to weight occurs.

さらに、共通電極を分割した上で、素子外面(例えば素子主面)に外部電極同士を互いに接続する接続電極を形成すると、前記接点を4つに減らすことができるが、この場合、圧電素子のエッジ部分に電極を形成しなければならず(いわゆるエッジ接続)、圧電素子がその周辺部品と接触するとそのエッジ部分の電極が取れてしまうなど、信頼性に問題がある。   Further, when the connection electrode for connecting the external electrodes to each other is formed on the element outer surface (for example, the element main surface) after dividing the common electrode, the number of the contacts can be reduced to four. An electrode must be formed at the edge portion (so-called edge connection), and when the piezoelectric element comes into contact with its peripheral parts, there is a problem in reliability, such as removal of the electrode at the edge portion.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電素子及び振動型アクチュエータにおいて、フルブリッジ駆動を可能にするとともに、信頼性を向上させることにある。   The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to enable full-bridge driving and improve reliability in a piezoelectric element and a vibration type actuator.

その課題を解決するために、本発明は、略矩形状の圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電素子であって、前記内部電極層は、積層方向に前記圧電体層を介して交互に配されたプラス電極層及びマイナス電極層からなり、前記プラス電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第1プラス電極層と、主面に該第1プラス電極層が設けられた圧電体層とは異なる圧電体層の主面に設けられた第2プラス電極層とを有し、前記マイナス電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第1マイナス電極層と、主面に前記第1マイナス電極層が設けられた圧電体層とは異なる圧電体層の主面に設けられた第2マイナス電極層とを有し、前記第1プラス電極層及び前記第1マイナス電極層はそれぞれ、前記圧電体層の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ2分割してなる4つの領域にそれぞれ設けられた4つの分割電極と、該4つの分割電極のうち前記圧電体層の主面の第1対角線方向に対向する2つの領域にそれぞれ設けられた一対の分割電極を互いに接続する接続電極とを有し、前記第2プラス電極層及び前記第2マイナス電極層はそれぞれ、前記4つの領域にそれぞれ設けられた4つの分割電極と、該4つの分割電極のうち前記圧電体層の主面の第2対角線方向に対向する2つの領域にそれぞれ設けられた一対の分割電極を互いに接続する接続電極とを有することを特徴とするものである。   In order to solve the problem, the present invention provides a piezoelectric element in which substantially rectangular piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and the internal electrode layers are arranged in the stacking direction in the piezoelectric layer. The positive electrode layer includes a first positive electrode layer provided on the main surface of the piezoelectric layer, and the first positive electrode on the main surface. A second positive electrode layer provided on a main surface of the piezoelectric layer different from the piezoelectric layer provided with the layer, and the negative electrode layer is provided on the main surface of the piezoelectric layer. A negative electrode layer and a second negative electrode layer provided on a main surface of a piezoelectric layer different from the piezoelectric layer provided with the first negative electrode layer on the main surface, the first positive electrode layer And the first negative electrode layer has a major surface of the piezoelectric layer and a major surface of the piezoelectric layer, respectively. Four divided electrodes provided in four regions each divided into two in the direction, and provided in two regions of the four divided electrodes facing the first diagonal direction of the main surface of the piezoelectric layer. A connection electrode that connects the pair of divided electrodes to each other, and each of the second positive electrode layer and the second negative electrode layer includes four divided electrodes provided in the four regions, It has a connection electrode for connecting a pair of divided electrodes respectively provided in two regions facing each other in the second diagonal direction of the main surface of the piezoelectric layer among the two divided electrodes.

本発明によれば、圧電素子に逆電圧を印加できるので、フルブリッジ駆動が可能になる。また、複数の圧電素子を直列に接続できるので、それらを協調動作させることが可能になる。また、エッジ接続が不必要となり、信頼性が向上する。   According to the present invention, since a reverse voltage can be applied to the piezoelectric element, full-bridge driving is possible. Further, since a plurality of piezoelectric elements can be connected in series, they can be operated in a coordinated manner. Further, the edge connection is unnecessary, and the reliability is improved.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態1)
−振動型アクチュエータの構成−
図1及び図2に示すように、振動型アクチュエータは、略直方体状の圧電素子12(例えば、長さ6.0mm×幅1.7mm×厚み1.0mmのもの)を備えている。この圧電素子12は、互いに対向する一対の主面と、この主面と直交して圧電素子12の主面の長手方向に延びる、互いに対向する一対の端面と、これらの主面及び端面の両方と直交して圧電素子12の主面の短手方向に延びる、互いに対向する一対の側面とを有している。主面、端面及び側面が圧電素子12の外面を構成し、端面及び側面が圧電素子12の周囲面を構成している。本実施形態では、主面、端面及び側面のうち主面が最大の面積を有している。
(Embodiment 1)
−Configuration of vibration actuator−
As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration actuator includes a substantially rectangular parallelepiped piezoelectric element 12 (for example, a length 6.0 mm × width 1.7 mm × thickness 1.0 mm). The piezoelectric element 12 includes a pair of main surfaces that face each other, a pair of end surfaces that face each other and extend in the longitudinal direction of the main surface of the piezoelectric element 12, and both the main surface and the end surface. And a pair of side surfaces facing each other and extending in the short direction of the main surface of the piezoelectric element 12. The main surface, the end surface, and the side surface constitute the outer surface of the piezoelectric element 12, and the end surface and the side surface constitute the peripheral surface of the piezoelectric element 12. In this embodiment, a main surface has the largest area among a main surface, an end surface, and a side surface.

圧電素子12は、3つの支持部13a〜13cを介してケース11に収容支持されている。圧電素子12の一方の端面には駆動子8,8が設けられており、これらの駆動子8,8は平板状の可動体9を支持している。駆動子8及び可動体9は、例えばジルコニア、アルミナ、窒化珪素を主成分とするセラミック材料からなるものである。圧電素子12の他方の端面(駆動子8,8が設けられた端面とは反対側の端面)の支持部13cは、駆動子8,8を可動体9に押圧している。これにより、駆動子8,8の先端部と可動体9との摩擦力が高められ、圧電素子12の振動が駆動子8,8を介して確実に可動体9に伝搬される。   The piezoelectric element 12 is accommodated and supported by the case 11 via three support portions 13a to 13c. Drive elements 8 are provided on one end face of the piezoelectric element 12, and these drive elements 8 support a flat movable body 9. The driver element 8 and the movable body 9 are made of a ceramic material whose main component is, for example, zirconia, alumina, or silicon nitride. The support portion 13c on the other end face of the piezoelectric element 12 (the end face opposite to the end face on which the drive elements 8 and 8 are provided) presses the drive elements 8 and 8 against the movable body 9. Thereby, the frictional force between the tip portions of the driver elements 8 and 8 and the movable body 9 is increased, and the vibration of the piezoelectric element 12 is reliably transmitted to the movable body 9 via the driver elements 8 and 8.

圧電素子12は、略矩形状の圧電体層1と内部電極層2とを交互に積層してなるものである。この圧電体層1は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミック材料からなる絶縁体層である。   The piezoelectric element 12 is formed by alternately laminating substantially rectangular piezoelectric layers 1 and internal electrode layers 2. The piezoelectric layer 1 is an insulator layer made of a piezoelectric ceramic material mainly composed of lead zirconate titanate, for example.

内部電極層2は、例えば銀、パラジウムを主成分とする金属からなる電極層である。内部電極層2は、田の字状に4分割された4つの分割電極3,3,…と、これらの4つの分割電極3,3,…のうち圧電体層1の上側主面のいずれか一方の対角線上に位置する一対の分割電極3,3を互いに接続する接続電極4と、分割電極3を素子端面まで引き出す引出電極5とからなる。この引出電極5により素子端面に引き出された分割電極3は、外部接続電極(外部給電電極)6を介して、異なる内部電極層2上の同電位の分割電極3と接続されている。この外部接続電極6は、例えば銀、パラジウムを主成分とする金属からなる電極である。外部接続電極6は、圧電素子12の両端面にそれぞれ4つずつ形成されており、圧電体層1の厚み以上の間隔を開けて配置するのが望ましい。そして、分割電極3は、外部接続電極6、引出電極5、及び接続電極4を通じて、電力が供給されるようになっている。   The internal electrode layer 2 is an electrode layer made of a metal whose main component is, for example, silver or palladium. The internal electrode layer 2 is divided into four divided electrodes 3, 3,... Divided into a square shape, and one of the upper main surfaces of the piezoelectric layer 1 among these four divided electrodes 3, 3,. The connection electrode 4 connects the pair of divided electrodes 3 and 3 located on one diagonal line to each other, and the extraction electrode 5 pulls the divided electrode 3 to the element end face. The divided electrode 3 drawn to the element end face by the lead electrode 5 is connected to the divided electrode 3 of the same potential on the different internal electrode layers 2 via the external connection electrode (external power feeding electrode) 6. The external connection electrode 6 is an electrode made of a metal whose main component is, for example, silver or palladium. Four external connection electrodes 6 are formed on each of both end faces of the piezoelectric element 12, and it is desirable that the external connection electrodes 6 be arranged with an interval larger than the thickness of the piezoelectric layer 1. The divided electrode 3 is supplied with electric power through the external connection electrode 6, the extraction electrode 5, and the connection electrode 4.

内部電極層2は、積層方向(圧電素子12の厚み方向)に圧電体層1を介して交互に配されたプラス電極層(給電電極層)2a及びマイナス電極層(グラウンド電極層)2bからなる。これらのプラス電極層2a及びマイナス電極層2bは互いに絶縁されて導通されていない。プラス電極層2aは、圧電体層1の上側主面に設けられた第1プラス電極層2aaと、上側主面にこの第1プラス電極層2aaが設けられた圧電体層1とは異なる圧電体層1の上側主面に設けられた第2プラス電極層2abとからなる。マイナス電極層2bは、圧電体層1の上側主面に設けられた第1マイナス電極層2baと、上側主面にこの第1マイナス電極層2baが設けられた圧電体層1とは異なる圧電体層1の上側主面に設けられた第2マイナス電極層2bbとからなる。そして、内部電極層2は、積層方向に圧電体層1を介して第1プラス電極層2aa、第1マイナス電極層2ba、第2プラス電極層2ab、第2マイナス電極層2bbがこの順に繰り返し配されてなる。なお、圧電体層1は、プラス電極層2a側からマイナス電極層2b側へと分極されている。   The internal electrode layer 2 includes a positive electrode layer (feeding electrode layer) 2 a and a negative electrode layer (ground electrode layer) 2 b that are alternately arranged in the stacking direction (thickness direction of the piezoelectric element 12) via the piezoelectric layers 1. . The positive electrode layer 2a and the negative electrode layer 2b are insulated from each other and are not conducted. The positive electrode layer 2a includes a first positive electrode layer 2aa provided on the upper main surface of the piezoelectric layer 1, and a piezoelectric body different from the piezoelectric layer 1 provided with the first positive electrode layer 2aa on the upper main surface. The second positive electrode layer 2ab is provided on the upper main surface of the layer 1. The negative electrode layer 2b is a piezoelectric body different from the first negative electrode layer 2ba provided on the upper main surface of the piezoelectric layer 1 and the piezoelectric layer 1 provided with the first negative electrode layer 2ba on the upper main surface. The second negative electrode layer 2bb provided on the upper main surface of the layer 1. The internal electrode layer 2 has a first plus electrode layer 2aa, a first minus electrode layer 2ba, a second plus electrode layer 2ab, and a second minus electrode layer 2bb repeatedly arranged in this order via the piezoelectric layer 1 in the stacking direction. Being done. The piezoelectric layer 1 is polarized from the positive electrode layer 2a side to the negative electrode layer 2b side.

以下、第1プラス電極層2aaについて説明する。第1プラス電極層2aaの4つの分割電極3,3,…は、圧電体層1の上側主面をその長手方向L及び短手方向Sにそれぞれ2等分してなる4つの領域A1〜A4(図3参照)にそれぞれ設けられており、接続電極4は、これらの4つの分割電極3,3,…のうち圧電体層1の上側主面の第1対角線方向(第1対角線の延びる方向)D1に対向する2つの領域A1,A3にそれぞれ設けられた一対の分割電極3,3を導通している。各分割電極3は略矩形状の電極であり、積層方向から見てマイナス電極層(相隣り合う電極層)2bの各分割電極3と重なっている。つまり、第1プラス電極層2aaの各分割電極3とマイナス電極層2bの各分割電極3とは、圧電体層1を挟んで対向している。各分割電極3には、圧電素子12の端面に向かって延びる引出電極5が設けられている。この各引出電極5は、積層方向から見てマイナス電極層2bの各分割電極3と重なっていない。つまり、第1プラス電極層2aaの各引出電極5は、マイナス電極層2bの各分割電極3とは対向していない。このため、圧電体層1の各引出電極5に対向する部分には電界が生じない。つまり、この部分は圧電的に不活性な部分となる。   Hereinafter, the first positive electrode layer 2aa will be described. The four divided electrodes 3, 3,... Of the first plus electrode layer 2aa are divided into four regions A1 to A4 obtained by dividing the upper main surface of the piezoelectric layer 1 into two in the longitudinal direction L and the lateral direction S, respectively. (See FIG. 3), and the connection electrode 4 is a first diagonal direction of the upper main surface of the piezoelectric layer 1 (the direction in which the first diagonal line extends) among these four divided electrodes 3, 3. ) A pair of divided electrodes 3 and 3 provided in two regions A1 and A3 facing D1 are electrically connected. Each divided electrode 3 is a substantially rectangular electrode, and overlaps with each divided electrode 3 of the minus electrode layer (adjacent electrode layers) 2b when viewed from the stacking direction. That is, each divided electrode 3 of the first plus electrode layer 2aa and each divided electrode 3 of the minus electrode layer 2b are opposed to each other with the piezoelectric layer 1 interposed therebetween. Each divided electrode 3 is provided with an extraction electrode 5 extending toward the end face of the piezoelectric element 12. Each extraction electrode 5 does not overlap with each divided electrode 3 of the negative electrode layer 2b when viewed from the stacking direction. That is, each extraction electrode 5 of the first plus electrode layer 2aa does not face each divided electrode 3 of the minus electrode layer 2b. For this reason, an electric field does not arise in the part facing each extraction electrode 5 of the piezoelectric layer 1. That is, this part becomes a piezoelectrically inactive part.

続いて、第2プラス電極層2abについて説明する。第2プラス電極層2abの4つの分割電極3,3,…も、前記4つの領域A1〜A4にそれぞれ設けられており、接続電極4は、これらの4つの分割電極3,3,…のうち圧電体層1の上側主面の第2対角線方向(第2対角線の延びる方向)D2に対向する2つの領域A2,A4にそれぞれ設けられた一対の分割電極3,3を導通している。各分割電極3には、圧電素子12の端面に向かって延びる引出電極5が設けられている。この各引出電極5が引き出される位置は第1プラス電極層2aaの各引出電極5の引出し位置と同じである。そして、外部接続電極6,6を通じて、各第1プラス電極層2aaの領域A1,A3の分割電極3,3と各第2プラス電極層2abの領域A1,A3の分割電極3,3とは導通されており、外部接続電極6,6を通じて、各第1プラス電極層2aaの領域A2,A4の分割電極3,3と各第2プラス電極層2abの領域A2,A4の分割電極3,3とは導通されている。その他の点に関しては、第1プラス電極層2aaとほぼ同様である。   Next, the second positive electrode layer 2ab will be described. The four divided electrodes 3, 3,... Of the second plus electrode layer 2ab are also provided in the four regions A1 to A4, respectively, and the connection electrode 4 is one of these four divided electrodes 3, 3,. The pair of divided electrodes 3 and 3 provided in the two regions A2 and A4 respectively facing the second diagonal direction (direction in which the second diagonal extends) D2 of the upper main surface of the piezoelectric layer 1 are electrically connected. Each divided electrode 3 is provided with an extraction electrode 5 extending toward the end face of the piezoelectric element 12. The position where each extraction electrode 5 is extracted is the same as the extraction position of each extraction electrode 5 of the first plus electrode layer 2aa. Then, through the external connection electrodes 6 and 6, the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the first positive electrode layers 2aa and the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the second positive electrode layers 2ab are electrically connected. Through the external connection electrodes 6 and 6, the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of each first positive electrode layer 2aa and the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of each second positive electrode layer 2ab Is conducting. The other points are substantially the same as those of the first plus electrode layer 2aa.

続いて、マイナス電極層2bについて説明する。第1マイナス電極層2baの4つの分割電極3,3,…も、前記4つの領域A1〜A4にそれぞれ形成されており、接続電極4は、第1プラス電極層2aaと同じく、前記第1対角線方向D1に対向する2つの領域A1,A3にそれぞれ配された一対の分割電極3,3を導通している。各分割電極3には、圧電素子12の端面に向かって延びる引出電極5が設けられている。第2マイナス電極層2bbの4つの分割電極3,3,…も、前記4つの領域A1〜A4にそれぞれ形成されており、接続電極4は、第2プラス電極層2abと同じく、前記第2対角線方向D2に対向する2つの領域A2,A4にそれぞれ配された一対の分割電極3,3を導通している。各分割電極3には、圧電素子12の端面に向かって延びる引出電極5が設けられている。この各引出電極5が引き出される位置は第1マイナス電極層2baの各引出電極5の引出し位置と同じである。そして、外部接続電極6,6を通じて、各第1マイナス電極層2baの領域A1,A3の分割電極3,3と各第2マイナス電極層2bbの領域A1,A3の分割電極3,3とは導通されており、外部接続電極6,6を通じて、各第1マイナス電極層2baの領域A2,A4の分割電極3,3と各第2マイナス電極層2bbの領域A2,A4の分割電極3とは導通されている。その他の点に関しては、プラス電極層2aとほぼ同様である。   Next, the negative electrode layer 2b will be described. The four divided electrodes 3, 3,... Of the first negative electrode layer 2ba are also formed in the four regions A1 to A4, respectively, and the connection electrode 4 is the first diagonal line, like the first positive electrode layer 2aa. A pair of divided electrodes 3 and 3 arranged in two regions A1 and A3 facing each other in the direction D1 are electrically connected. Each divided electrode 3 is provided with an extraction electrode 5 extending toward the end face of the piezoelectric element 12. The four divided electrodes 3, 3,... Of the second negative electrode layer 2bb are also formed in the four regions A1 to A4, respectively, and the connection electrode 4 is the second diagonal line, like the second positive electrode layer 2ab. A pair of divided electrodes 3 and 3 arranged in two regions A2 and A4 facing in the direction D2 are electrically connected. Each divided electrode 3 is provided with an extraction electrode 5 extending toward the end face of the piezoelectric element 12. The position where each extraction electrode 5 is extracted is the same as the extraction position of each extraction electrode 5 of the first negative electrode layer 2ba. The divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the first minus electrode layers 2ba and the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the second minus electrode layers 2bb are electrically connected through the external connection electrodes 6 and 6. Through the external connection electrodes 6 and 6, the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of the first negative electrode layers 2ba and the divided electrodes 3 in the regions A2 and A4 of the second negative electrode layers 2bb are electrically connected. Has been. The other points are almost the same as those of the plus electrode layer 2a.

上述のような電極構成を採用することで、圧電素子12のいずれ一方の端面上の4つの外部接続電極6,6,…に給電すると、4つの独立している領域A1〜A4の分割電極3,3,…にそれぞれ電圧を供給できる。つまり、各プラス電極層2aの領域A1,A3の分割電極3,3にそれぞれ接続されている外部接続電極6,6をA+と、各プラス電極層2aの領域A2,A4の分割電極3,3にそれぞれ接続されている外部接続電極6,6をB+と、各マイナス電極層2bの領域A1,A3の分割電極3,3にそれぞれ接続されている外部接続電極6,6をA−と、各マイナス電極層2bの領域A2,A4の分割電極3,3にそれぞれ接続されている外部接続電極6,6をB−とすると、圧電素子12のいずれ一方の端面上のA+とA−との間、及びB+とB−との間に電圧をそれぞれ印加することで、領域A1,A3の位置に対応する圧電体層1、及び領域A2,A4の位置に対応する圧電体層1に電界をそれぞれ加えることができる。   By adopting the electrode configuration as described above, when the four external connection electrodes 6, 6,... On any one end face of the piezoelectric element 12 are fed, the divided electrodes 3 in four independent regions A1 to A4. , 3... Can be supplied with voltages. That is, the external connection electrodes 6 and 6 connected to the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of each positive electrode layer 2a are A +, and the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of each positive electrode layer 2a. The external connection electrodes 6 and 6 respectively connected to B +, and the external connection electrodes 6 and 6 respectively connected to the divided electrodes 3 and 3 of the regions A1 and A3 of each negative electrode layer 2b are A and If the external connection electrodes 6 and 6 connected to the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of the negative electrode layer 2b are B−, the distance between A + and A− on one end face of the piezoelectric element 12 , And by applying a voltage between B + and B−, respectively, an electric field is applied to the piezoelectric layer 1 corresponding to the positions of the regions A1 and A3 and the piezoelectric layer 1 corresponding to the positions of the regions A2 and A4. Can be added.

ところで、圧電素子12の伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数は、それぞれ圧電素子12の材料や形状等により決定される。そして、圧電素子12の材料や形状等は、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数が略一致するように決められている。本実施形態では、圧電素子12の材料や形状等は、1次モードの伸縮振動の共振周波数及び2次モードの屈曲振動の共振周波数が略一致するように決定されている。   By the way, the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration of the piezoelectric element 12 are determined by the material and shape of the piezoelectric element 12, respectively. The material, shape, and the like of the piezoelectric element 12 are determined so that the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration are approximately the same. In the present embodiment, the material, shape, and the like of the piezoelectric element 12 are determined so that the resonance frequency of the primary mode stretching vibration and the resonance frequency of the secondary mode bending vibration are approximately the same.

以下、内部電極層2等についてさらに説明する。   Hereinafter, the internal electrode layer 2 and the like will be further described.

各分割電極3は、圧電的に不活性な部分に配置された引出電極5を介して外部接続電極6に接続されている。このことにより、圧電素子12に余分な振動が発生しない。その結果、圧電素子12がバランスよく振動し、その振動効率が向上する。   Each divided electrode 3 is connected to an external connection electrode 6 via an extraction electrode 5 disposed in a piezoelectrically inactive portion. As a result, no extra vibration is generated in the piezoelectric element 12. As a result, the piezoelectric element 12 vibrates with good balance, and the vibration efficiency is improved.

また、内部電極層2は、積層方向に圧電体層1を介して第1プラス電極層2aa、第1マイナス電極層2ba、第2プラス電極層2ab、第2マイナス電極層2bbがこの順に配されてなる。これにより、圧電素子12の接続電極4の配置部分の振動の対称性が向上する。このことにより、圧電素子12に余分な振動が発生せず、エネルギーロスが大幅に低減される。その結果、給電電力を効率よく振動に変換できる。   The internal electrode layer 2 includes a first plus electrode layer 2aa, a first minus electrode layer 2ba, a second plus electrode layer 2ab, and a second minus electrode layer 2bb in this order via the piezoelectric layer 1 in the stacking direction. It becomes. Thereby, the symmetry of the vibration of the arrangement part of the connection electrode 4 of the piezoelectric element 12 is improved. As a result, excessive vibration does not occur in the piezoelectric element 12, and energy loss is greatly reduced. As a result, the supplied power can be efficiently converted into vibration.

また、第1プラス電極層2aa、第2プラス電極層2ab、第1マイナス電極層2ba、及び第2マイナス電極層2bbの数が同数である。これにより、圧電素子12の振動の対称性が向上する。このことにより、圧電素子12に余分な振動が発生せず、エネルギーロスが大幅に低減される。その結果、給電電力を効率よく振動に変換できる。   Further, the numbers of the first plus electrode layer 2aa, the second plus electrode layer 2ab, the first minus electrode layer 2ba, and the second minus electrode layer 2bb are the same. Thereby, the symmetry of vibration of the piezoelectric element 12 is improved. As a result, excessive vibration does not occur in the piezoelectric element 12, and energy loss is greatly reduced. As a result, the supplied power can be efficiently converted into vibration.

また、圧電素子12の積層方向の最外層が圧電体層1である。これにより、以下の効果が得られる。つまり、電子機器内部の非常に小さい空間に小型の振動型アクチュエータ(例えば、長さが1mm〜20mm程度のもの)を実装する場合、圧電素子12の最外層が内部電極層2であると、圧電素子12の主面にその周辺にある金属部品が接触したときに、その最外層の電極層がショートして、振動型アクチュエータの特性が著しく低下することがある。そこで、上述のように、圧電素子12の積層方向の最外層を絶縁体である圧電体層1とすることにより、圧電素子12の主面に金属部品が接触してもショートが発生しない。その結果、振動型アクチュエータの信頼性を向上させることができる。   The outermost layer in the stacking direction of the piezoelectric elements 12 is the piezoelectric layer 1. Thereby, the following effects are acquired. That is, when a small vibration type actuator (for example, one having a length of about 1 mm to 20 mm) is mounted in a very small space inside the electronic device, the piezoelectric element 12 is piezoelectric when the outermost layer is the internal electrode layer 2. When the metal part in the periphery contacts the main surface of the element 12, the outermost electrode layer may be short-circuited, and the characteristics of the vibration type actuator may be significantly deteriorated. Therefore, as described above, the outermost layer in the stacking direction of the piezoelectric elements 12 is the piezoelectric layer 1 that is an insulator, so that no short circuit occurs even when a metal part comes into contact with the main surface of the piezoelectric elements 12. As a result, the reliability of the vibration type actuator can be improved.

−振動型アクチュエータの動作−
以下、振動型アクチュエータの動作について説明する。図4は、1次モードの伸縮振動の変位図であり、図5は、2次モードの屈曲振動の変位図であり、図6は、圧電素子12の動作を示す概念図である。なお、図4〜図6においては、圧電素子12の主面はその紙面と平行な位置関係にある。
−Operation of vibration type actuator−
Hereinafter, the operation of the vibration type actuator will be described. 4 is a displacement diagram of stretching vibration in the primary mode, FIG. 5 is a displacement diagram of bending vibration in the secondary mode, and FIG. 6 is a conceptual diagram showing the operation of the piezoelectric element 12. 4 to 6, the principal surface of the piezoelectric element 12 is in a positional relationship parallel to the paper surface.

例えばワイヤー(図示せず)を介して、A+とA−との間、つまり、プラス電極層2aの領域A1,A3の分割電極3,3とマイナス電極層2bの領域A1,A3の分割電極3,3との間に、前記共振周波数近傍の周波数の正弦波の基準交流電圧(以下、第1電圧という)を印加し、B+とB−との間、つまり、プラス電極層2aの領域A2,A4の分割電極3,3とマイナス電極層2bの領域A2,A4の分割電極3,3との間に、第1電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の交流電圧(以下、第2電圧という)を印加する。これにより、プラス電極層2aの領域A1,A3の分割電極3,3に同位相の電圧が加わり、プラス電極層2aの領域A2,A4の分割電極3,3に同位相の電圧が加わる。第1電圧と第2電圧との位相差が0度の場合、圧電素子12には図4に示す1次モードの伸縮振動が誘起される。一方、その位相差が180度の場合、圧電素子12には図5に示す2次モードの屈曲振動が誘起される。   For example, between wires A + and A− via a wire (not shown), that is, the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the positive electrode layer 2a and the divided electrode 3 in the regions A1 and A3 of the negative electrode layer 2b. , 3, a sine wave reference AC voltage (hereinafter referred to as a first voltage) having a frequency in the vicinity of the resonance frequency is applied, and between B + and B−, that is, the region A2, of the positive electrode layer 2a. A sinusoidal AC voltage (hereinafter referred to as the second voltage) having the same magnitude and frequency as the first voltage between the divided electrodes 3 and 3 of A4 and the divided electrodes 3 and 3 of the regions A2 and A4 of the negative electrode layer 2b. Applied). As a result, in-phase voltages are applied to the divided electrodes 3 and 3 in the regions A1 and A3 of the plus electrode layer 2a, and in-phase voltages are applied to the divided electrodes 3 and 3 in the regions A2 and A4 of the plus electrode layer 2a. When the phase difference between the first voltage and the second voltage is 0 degree, the piezoelectric element 12 is induced to expand and contract in the primary mode shown in FIG. On the other hand, when the phase difference is 180 degrees, the piezoelectric element 12 is induced to bend in the second mode shown in FIG.

また、A+とA−との間に共振周波数近傍の周波数の正弦波の第1電圧を印加し、B+とB−との間に位相が第1電圧と90度又は−90度だけ異なる、第1電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の第2電圧を印加すると、圧電素子12には、図4に示す1次モードの伸縮振動と図5に示す2次モードの屈曲振動とが調和的に誘起される。   Further, a first voltage of a sine wave having a frequency near the resonance frequency is applied between A + and A−, and the phase between B + and B− is different from the first voltage by 90 degrees or −90 degrees. When a second voltage of a sine wave having the same magnitude and frequency as the first voltage is applied, the piezoelectric element 12 is harmonized with the stretching vibration of the primary mode shown in FIG. 4 and the bending vibration of the secondary mode shown in FIG. Induced.

そして、圧電素子12の形状が、図6(a)〜(d)に示すような順で変化する。その結果、圧電素子12に設けられた駆動子8,8が、図6の紙面を貫く方向から見て略楕円運動する。つまり、圧電素子12の伸縮振動及び屈曲振動の合成振動により駆動子8,8が楕円運動する。この楕円運動により駆動子8,8に支持された可動体9が圧電素子12との間で相対運動して、図1に示す矢印A又は矢印Bの方向に移動する。   Then, the shape of the piezoelectric element 12 changes in the order as shown in FIGS. As a result, the driver elements 8 provided on the piezoelectric element 12 move substantially elliptically as viewed from the direction penetrating the paper surface of FIG. That is, the driver elements 8 and 8 are elliptically moved by the combined vibration of the expansion / contraction vibration and the bending vibration of the piezoelectric element 12. Due to this elliptical movement, the movable body 9 supported by the driver elements 8 and 8 moves relative to the piezoelectric element 12 and moves in the direction of arrow A or arrow B shown in FIG.

ここで、伸縮振動の伸縮方向は、圧電素子12の主面の長手方向、つまり、可動体9の移動方向であり、屈曲振動の振動方向は、駆動子8,8が可動体9を支持する方向である。圧電素子12の積層方向は、伸縮振動の伸縮方向及び屈曲振動の振動方向の両方と垂直な方向である。   Here, the expansion / contraction direction of the expansion / contraction vibration is the longitudinal direction of the main surface of the piezoelectric element 12, that is, the moving direction of the movable body 9. The vibration direction of the bending vibration is the driver elements 8, 8 supporting the movable body 9. Direction. The stacking direction of the piezoelectric elements 12 is a direction perpendicular to both the stretching direction of stretching vibration and the vibration direction of bending vibration.

−実施例−
図7に示すフルブリッジ回路を電源電圧3Vで駆動した(本発明に係る振動型アクチュエータ)。スイッチング回路としてFETを用いた。CPUにより270kHzでスイッチングすることにより、圧電素子12に±3Vの電圧を印加した。A+とA−との間に印加するFETのゲート信号と、B+とB−との間に印加するFETのゲート信号を、周波数を同じにし、位相差を90度にした。この場合、圧電素子12にかかる電圧は6Vppで、無負荷状態における可動体9の移動速度は90mm/sであった。
-Example-
The full bridge circuit shown in FIG. 7 was driven with a power supply voltage of 3 V (vibration actuator according to the present invention). FET was used as a switching circuit. A voltage of ± 3 V was applied to the piezoelectric element 12 by switching at 270 kHz by the CPU. The FET gate signal applied between A + and A− and the FET gate signal applied between B + and B− have the same frequency and a phase difference of 90 degrees. In this case, the voltage applied to the piezoelectric element 12 was 6 Vpp, and the moving speed of the movable body 9 in the no-load state was 90 mm / s.

一方、同じ条件で、図8に示すハーフブリッジの構成を駆動した(共通電極を持つ従来の振動型アクチュエータ)。この場合、圧電素子12にかかる電圧は3Vppで、無負荷状態における可動体9の移動速度は50mm/sであった。   On the other hand, the configuration of the half bridge shown in FIG. 8 was driven under the same conditions (conventional vibration type actuator having a common electrode). In this case, the voltage applied to the piezoelectric element 12 was 3 Vpp, and the moving speed of the movable body 9 in the no-load state was 50 mm / s.

(実施形態2)
本実施形態は、振動型アクチュエータの構成が実施形態1と異なるものである。図9に示すように、本実施形態では、圧電素子12の一方の端面には、屈曲振動の腹の部分に駆動子8,8を実装し、駆動子8を実装した端面とは反対側の他方の端面には、外部接続電極6を介して支持部13bとしての導電ゴムが設けられ、この導電ゴム13bがケース11にある電源端子に導通されている。そして、ケース11の下側から予圧が付与されることで、導電ゴム13bを介して圧電素子12に力が加わり、駆動子8,8が可動体9に押し付けられる。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the configuration of the vibration type actuator is different from that of the first embodiment. As shown in FIG. 9, in this embodiment, the driver elements 8 are mounted on one end surface of the piezoelectric element 12 at the antinodes of the bending vibration, and are opposite to the end surface where the driver element 8 is mounted. On the other end surface, conductive rubber as a support portion 13 b is provided via the external connection electrode 6, and this conductive rubber 13 b is electrically connected to a power supply terminal in the case 11. Then, by applying a preload from the lower side of the case 11, a force is applied to the piezoelectric element 12 through the conductive rubber 13 b, and the driver elements 8 are pressed against the movable body 9.

導電ゴム13bは、例えばシリコーンゴムが主成分の支持層とシリコーンゴムと銀などの金属粒子が混ぜられた導電層との積層構造になっており、その積層方向(図9の左右方向)には絶縁されている異方性のものである。そして、圧電素子12の他方の端面には4つの外部接続電極6があるので、1つの異方性導電ゴム13bにより4つの端子との接続が可能になる。   The conductive rubber 13b has, for example, a laminated structure of a support layer mainly composed of silicone rubber and a conductive layer in which silicone rubber and metal particles such as silver are mixed, and in the lamination direction (left and right direction in FIG. 9) It is insulated and anisotropic. Since there are four external connection electrodes 6 on the other end face of the piezoelectric element 12, it is possible to connect to four terminals by one anisotropic conductive rubber 13b.

なお、圧電素子12の主面の長手方向の位置精度を高めるため、圧電素子12の各側面にゴムを支持部13a,13cとして設けてもよい。   In addition, in order to improve the positional accuracy in the longitudinal direction of the main surface of the piezoelectric element 12, rubber may be provided on each side surface of the piezoelectric element 12 as the support portions 13a and 13c.

(実施形態3)
本実施形態は、振動型アクチュエータの構成が実施形態2と異なるものである。図10及び図11に示すように、本実施形態では、圧電素子12の両側面に外部給電電極6をそれぞれ2つずつ形成し、両端面に外部接続電極6をそれぞれ2つずつ形成する。そして、圧電素子12の両側面から支持部13a,13cとしての異方性導電ゴム(これらの導電ゴム13a,13cは図10の上下方向に絶縁されている)により4チャンネル引き出す。素子底面(素子端面)のゴム(支持部)13bには予圧が加えられている。
(Embodiment 3)
The present embodiment is different from the second embodiment in the configuration of the vibration type actuator. As shown in FIGS. 10 and 11, in this embodiment, two external power supply electrodes 6 are formed on each side surface of the piezoelectric element 12, and two external connection electrodes 6 are formed on both end surfaces. Then, four channels are drawn from both side surfaces of the piezoelectric element 12 by anisotropic conductive rubber as the support portions 13a and 13c (the conductive rubbers 13a and 13c are insulated in the vertical direction in FIG. 10). A preload is applied to the rubber (support portion) 13b on the element bottom surface (element end surface).

実施形態2では、外部給電電極6を下側端面に形成しており、導電ゴム13bが給電端子の役割と予圧付与の役割を兼ねている。ここで、振動型アクチュエータを高出力化したい場合、大きな予圧をかける必要があり、予圧付与に厳密さが求められる。このため、実施形態2においては、安定した導通に必要な導電ゴム13bへの圧力と、予圧付与に必要な導電ゴム13bの圧力が一致しないときがある。   In the second embodiment, the external power supply electrode 6 is formed on the lower end face, and the conductive rubber 13b serves both as a power supply terminal and as a preload. Here, when it is desired to increase the output of the vibration type actuator, it is necessary to apply a large preload, and strictness is required for applying the preload. For this reason, in the second embodiment, the pressure on the conductive rubber 13b necessary for stable conduction may not match the pressure on the conductive rubber 13b necessary for applying the preload.

本実施形態では、圧電素子12の両側面に外部給電電極6を形成し、その素子各側面から給電するので、予圧が加えられる支持部13bから給電端子の役割をなくすことができ、信頼性を向上させることができる。   In this embodiment, since the external power supply electrode 6 is formed on both side surfaces of the piezoelectric element 12 and power is supplied from each side surface of the element, the role of the power supply terminal can be eliminated from the support portion 13b to which the preload is applied, and the reliability is improved. Can be improved.

なお、素子側面は通常、素子端面よりも小さいため、2つの外部給電電極6を絶縁距離を開けて形成するのは難しいが、図11に示すように、素子端面へのにじみをある程度許容することで、2つの外部給電電極6の絶縁距離を確保できる。このため、素子端面に形成する2つの外部接続電極6は、できる限り素子側面よりも離れた位置に形成するのが望ましい。   Note that since the element side surface is usually smaller than the element end face, it is difficult to form the two external power supply electrodes 6 with an insulation distance therebetween, but as shown in FIG. Thus, the insulation distance between the two external power supply electrodes 6 can be secured. For this reason, it is desirable that the two external connection electrodes 6 formed on the element end face be formed as far as possible from the element side face.

(その他の実施形態)
前記各実施形態では、内部電極層2は、積層方向に圧電体層1を介して第1プラス電極層2aa、第1マイナス電極層2ba、第2プラス電極層2ab、第2マイナス電極層2bbがこの順に配されてなるが、これに限らない。第1プラス電極層2aa又は第2プラス電極層2abを積層方向に何層か連続して配してもよく、第1マイナス電極層2ba又は第2マイナス電極層2bbを積層方向に何層か連続して配してもよい。あるいは、第1プラス電極層2aa及び第2プラス電極層2abをランダムに配してもよく、第1マイナス電極層2ba及び第2マイナス電極層2bbをランダムに配してもよい。
(Other embodiments)
In each of the embodiments, the internal electrode layer 2 includes the first plus electrode layer 2aa, the first minus electrode layer 2ba, the second plus electrode layer 2ab, and the second minus electrode layer 2bb via the piezoelectric layer 1 in the stacking direction. Although arranged in this order, it is not limited to this. Several layers of the first plus electrode layer 2aa or the second plus electrode layer 2ab may be continuously arranged in the stacking direction, and several layers of the first minus electrode layer 2ba or the second minus electrode layer 2bb are continuously arranged in the stacking direction. May be arranged. Alternatively, the first plus electrode layer 2aa and the second plus electrode layer 2ab may be randomly arranged, and the first minus electrode layer 2ba and the second minus electrode layer 2bb may be randomly arranged.

また、前記各実施形態では、内部電極層2の分割電極3及び接続電極4のなす形状を、圧電体層1の上側主面の中心点M(図3参照)に対して点対称の形状にしてもよい。つまり、引出電極5を除く内部電極層2の形状を、圧電体層1の上側主面の第1対角線及び第2対角線の交点に対して点対称の形状にしてもよい。このように、内部電極層2の形状を圧電体層1の上側主面の中心点Mに対して略点対称の形状にすることにより、圧電素子12の振動、特に2次モードの屈曲振動の対称性が向上する。このことにより、圧電素子12に余分な振動が発生せず、エネルギーロスが大幅に低減される。その結果、給電電力を効率よく振動に変換できる。   In each of the above embodiments, the shape formed by the divided electrode 3 and the connection electrode 4 of the internal electrode layer 2 is a point-symmetric shape with respect to the center point M (see FIG. 3) of the upper main surface of the piezoelectric layer 1. May be. That is, the shape of the internal electrode layer 2 excluding the extraction electrode 5 may be point-symmetric with respect to the intersection of the first diagonal line and the second diagonal line of the upper main surface of the piezoelectric layer 1. Thus, by making the shape of the internal electrode layer 2 substantially symmetric with respect to the center point M of the upper main surface of the piezoelectric layer 1, the vibration of the piezoelectric element 12, particularly the bending vibration of the secondary mode is obtained. Symmetry is improved. As a result, excessive vibration does not occur in the piezoelectric element 12, and energy loss is greatly reduced. As a result, the supplied power can be efficiently converted into vibration.

また、前記各実施形態では、第1プラス電極層2aaの分割電極3及び接続電極4のなす形状と、第2プラス電極層2abの分割電極3及び接続電極4のなす形状とを、圧電体層1の上側主面の長手方向Lに延びる中心線C(図3参照)に対して互いに反転した形状にし、第1マイナス電極層2baの分割電極3及び接続電極4のなす形状と、第2マイナス電極層2bbの分割電極3及び接続電極4のなす形状とを、その中心線Cに対して互いに反転した形状にしてもよい。つまり、引出電極5を除く第1プラス電極層2aa及び第1マイナス電極層2baの形状をそれぞれその中心線Cに対して反転した形状を、引出電極5を除く第2プラス電極層2ab及び第2マイナス電極層2bbの形状にしてもよい。このように、第1プラス電極層2aaの形状と第2プラス電極層2abの形状を、その中心線Cに対して互いに略反転した形状にし、第1マイナス電極層2baの形状と第2マイナス電極層2bbの形状を、その中心線Cに対して互いに略反転した形状にすることにより、圧電素子12の振動、特に2次モードの屈曲振動の対称性が向上する。このことにより、圧電素子12に余分な振動が発生せず、エネルギーロスが大幅に低減される。その結果、給電電力を効率よく振動に変換できる。   In each of the above embodiments, the shape formed by the divided electrode 3 and the connection electrode 4 of the first plus electrode layer 2aa and the shape formed by the divided electrode 3 and the connection electrode 4 of the second plus electrode layer 2ab are divided into piezoelectric layers. The shape of the divided electrode 3 and the connection electrode 4 of the first negative electrode layer 2ba is reversed with respect to the center line C (see FIG. 3) extending in the longitudinal direction L of the upper main surface of the first negative electrode layer 2ba. The shape formed by the divided electrode 3 and the connection electrode 4 of the electrode layer 2bb may be reversed with respect to the center line C. That is, the shapes of the first plus electrode layer 2aa and the first minus electrode layer 2ba excluding the extraction electrode 5 are inverted with respect to the center line C, respectively. The shape of the negative electrode layer 2bb may be used. In this way, the shape of the first plus electrode layer 2aa and the shape of the second plus electrode layer 2ab are substantially inverted with respect to the center line C, and the shape of the first minus electrode layer 2ba and the second minus electrode are By making the shape of the layer 2bb substantially reversed with respect to the center line C, the symmetry of the vibration of the piezoelectric element 12, particularly the bending vibration of the secondary mode is improved. As a result, excessive vibration does not occur in the piezoelectric element 12, and energy loss is greatly reduced. As a result, the supplied power can be efficiently converted into vibration.

また、前記各実施形態では、図12に示すように、プラス電極層2aの分割電極3とマイナス電極層2bの分割電極3との、積層方向から見たときの重なり部分を、圧電体層1の長手方向両端縁部を除く部分に形成してもよい。   Further, in each of the above embodiments, as shown in FIG. 12, the overlapping portion of the divided electrode 3 of the plus electrode layer 2a and the divided electrode 3 of the minus electrode layer 2b when viewed from the stacking direction is the piezoelectric layer 1 You may form in the part except a longitudinal direction both-ends edge part.

ところで、圧電体層1の長手方向両端部は、1次モードの伸縮振動の応力集中部から遠く離れており、応力があまり発生しない。応力があまり発生しないその領域に電極を形成すると、その電極を通じて供給される電力が効率よく振動に変換されず、電気的なロスが生じやすい。だから、給電電力を効率よく振動に変換するために、上述のように、伸縮振動の応力集中部及びこの近傍に電極を形成し、応力があまり発生しないそれ以外の部分に電極を形成しないようにするのがよい。具体的には、圧電体層1の長手方向各端縁から、その長手方向中心に向かって圧電体層1の長手方向長さの10%に相当する長さだけ入った領域以外の領域に前記重なり部分を形成するのが好ましく、その長手方向長さの20%に相当する長さだけ入った領域以外の領域に形成するのがより好ましい。このことにより、より大きな1次モードの伸縮振動を誘起させることができ、振動型アクチュエータの効率を向上させることができる。   By the way, both end portions in the longitudinal direction of the piezoelectric layer 1 are far away from the stress concentration portion of the primary mode stretching vibration, and the stress is not generated so much. When an electrode is formed in the region where stress is not generated so much, electric power supplied through the electrode is not efficiently converted into vibration, and electrical loss is likely to occur. Therefore, in order to efficiently convert the feed power into vibration, as described above, electrodes should be formed in the stress concentration part of the stretching vibration and in the vicinity thereof, and electrodes should not be formed in other parts where stress is not generated so much. It is good to do. Specifically, in each region other than the region that includes a length corresponding to 10% of the length in the longitudinal direction of the piezoelectric layer 1 from each edge in the longitudinal direction of the piezoelectric layer 1 toward the center in the longitudinal direction. The overlapping portion is preferably formed, and more preferably formed in a region other than a region that has a length corresponding to 20% of the length in the longitudinal direction. As a result, it is possible to induce a larger first-order stretching vibration and to improve the efficiency of the vibration actuator.

また、前記各実施形態では、前記重なり部分を圧電体層1の短手方向中央部を除く部分に形成してもよい。   In each of the above embodiments, the overlapping portion may be formed in a portion excluding the central portion in the lateral direction of the piezoelectric layer 1.

ところで、圧電体層1の短手方向中央部は、2次モードの屈曲振動による応力が集中する応力集中部(圧電体層1の短手方向両端縁部)から遠く離れており、応力があまり発生しない。応力があまり発生しないその領域に電極を形成すると、その電極を通じて供給される電力が効率よく振動に変換されず、電気的なロスが生じやすい。だから、給電電力を効率よく振動に変換するために、上述のように、屈曲振動の応力集中部及びこの近傍に電極を形成し、応力があまり発生しないそれ以外の部分に電極を形成しないようにするのがよい。具体的には、圧電体層1の短手方向中央から、その短手方向各端縁に向かって圧電体層1の短手方向長さの10%に相当する長さだけ行った領域以外の領域に前記重なり部分を形成するのが好ましく、その短手方向長さの20%に相当する長さだけ行った領域以外の領域に形成するのがより好ましい。このことにより、より大きな2次モードの屈曲振動を誘起でき、振動型アクチュエータの効率を向上させることができる。   By the way, the central portion in the short direction of the piezoelectric layer 1 is far from the stress concentration portion (both edges in the short direction of the piezoelectric layer 1) where stress due to the bending vibration of the secondary mode is concentrated, and the stress is not so much. Does not occur. When an electrode is formed in the region where stress is not generated so much, electric power supplied through the electrode is not efficiently converted into vibration, and electrical loss is likely to occur. Therefore, in order to efficiently convert the feed power to vibration, as described above, electrodes should be formed in the stress concentration part of the bending vibration and in the vicinity thereof, and electrodes should not be formed in other parts where stress is not generated much. It is good to do. Specifically, a region other than the region formed by a length corresponding to 10% of the length in the short direction of the piezoelectric layer 1 from the short direction center of the piezoelectric layer 1 toward each edge in the short direction. The overlapping portion is preferably formed in the region, and more preferably in a region other than the region formed by a length corresponding to 20% of the length in the short direction. As a result, a larger second-order bending vibration can be induced, and the efficiency of the vibration type actuator can be improved.

また、前記各実施形態では、接続電極4を、圧電体層1の長手方向中央部の、短手方向両端縁部を除く部分のほぼ全面に亘って設けてもよい。これにより、圧電体層1の長手方向中央部の電極の面積を大きくすることができる。ここで、圧電体層1の長手方向中央部は、1次モードの伸縮振動のノード部、つまり、伸縮振動による応力が集中する応力集中部であり、この応力集中部には、圧電効果による電荷が集中して発生する。そして、上述のように、その部分の電極の面積を大きくすることにより、圧電素子12を小型化した場合でも、大きな伸縮振動を誘起させることができる。その結果、振動型アクチュエータの効率を向上させることができる。   Further, in each of the above embodiments, the connection electrode 4 may be provided over almost the entire surface of the piezoelectric layer 1 at the center in the longitudinal direction, excluding both edge portions in the lateral direction. Thereby, the area of the electrode of the longitudinal direction center part of the piezoelectric material layer 1 can be enlarged. Here, the central portion in the longitudinal direction of the piezoelectric layer 1 is a node portion of primary mode stretching vibration, that is, a stress concentration portion where stress due to stretching vibration is concentrated. Occur in a concentrated manner. And as mentioned above, even when the piezoelectric element 12 is downsized by increasing the area of the electrode at that portion, a large stretching vibration can be induced. As a result, the efficiency of the vibration type actuator can be improved.

ところで、接続電極4の電極面積が大きいほど、大きな伸縮振動が発生するが、その電極面積があまりに大きすぎると、2次モードの屈曲振動が妨げられる。そこで、接続電極4の幅は、圧電体層1の長手方向長さの5%〜40%程度の大きさとするのが望ましい。   By the way, as the electrode area of the connection electrode 4 is larger, a larger stretching vibration is generated. However, if the electrode area is too large, the bending vibration of the secondary mode is hindered. Therefore, the width of the connection electrode 4 is desirably about 5% to 40% of the longitudinal length of the piezoelectric layer 1.

一方、接続電極4は、圧電体層1の短手方向に関しては、ほぼ全域に亘って形成することが理想であるが、接続電極4を圧電体層1の短手方向端縁部にまで形成すると、内部電極層2間の絶縁が困難となる。そこで、上述のように、接続電極4を圧電体層1の短手方向両端縁部を除く部分に形成するのがよい。具体的には、圧電体層1の短手方向各端縁から、その短手方向中心に向かって圧電体層1の厚み方向長さだけ入った領域以外の領域に接続電極4を形成するのが望ましい。   On the other hand, the connection electrode 4 is ideally formed over almost the entire region in the short direction of the piezoelectric layer 1, but the connection electrode 4 is formed up to the edge in the short direction of the piezoelectric layer 1. Then, insulation between the internal electrode layers 2 becomes difficult. Therefore, as described above, the connection electrode 4 is preferably formed on the portion of the piezoelectric layer 1 excluding both lateral edges. Specifically, the connection electrode 4 is formed in a region other than a region where only the length in the thickness direction of the piezoelectric layer 1 enters from the respective edges in the short direction of the piezoelectric layer 1 toward the center in the short direction. Is desirable.

また、前記各実施形態では、分割電極3を略矩形状の電極としたが、これに限らず、例えば、これらを振動による応力の分布に応じた形状のものとしてもよい。   In each of the above embodiments, the divided electrode 3 is a substantially rectangular electrode. However, the present invention is not limited to this, and for example, the divided electrode 3 may have a shape corresponding to the distribution of stress due to vibration.

また、前記各実施形態では、ワイヤーによる給電などについて説明したが、フレキシブル基板による給電や、コンタクトピンによる給電など、他の給電方法を用いてもよい。これらにより、前記各実施形態と同様の効果が得られる。   In each of the embodiments described above, power supply using a wire has been described. However, other power supply methods such as power supply using a flexible substrate or power supply using a contact pin may be used. As a result, the same effects as those of the above embodiments can be obtained.

また、前記各実施形態では、振動型アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体9は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体9の構成としては任意の構成を採用できる。例えば、図13に示すように、可動体は所定の軸X回りに回動可能な円板体9であり、振動型アクチュエータの駆動子8,8が円板体9の側周面9aに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、振動型アクチュエータを駆動すると、駆動子8,8の略楕円運動によって、円板体9が所定の軸X回りに回動させられる。   Further, in each of the above embodiments, the movable body 9 driven by the driving force of the vibration type actuator is a flat plate shape, but is not limited to this, and the movable body 9 may have any configuration. Can be adopted. For example, as shown in FIG. 13, the movable body is a disk body 9 that can rotate about a predetermined axis X, and the drive elements 8, 8 of the vibration type actuators contact the side peripheral surface 9 a of the disk body 9. You may be comprised so that it may touch. In the case of such a configuration, when the vibration type actuator is driven, the disk body 9 is rotated about the predetermined axis X by the substantially elliptical motion of the driver elements 8.

また、前記各実施形態では、駆動子8,8を圧電素子12の一方の端面に設けた構成について説明したが、圧電素子12の一方の側面に形成してもよい。この場合、1次モードの伸縮振動の伸縮方向は、駆動子8,8が可動体9を支持する方向となり、2次モードの屈曲振動の振動方向は、可動体9の移動方向となる。   Further, in each of the embodiments, the configuration in which the driver elements 8 are provided on one end face of the piezoelectric element 12 has been described, but the driver elements 8 may be formed on one side face of the piezoelectric element 12. In this case, the expansion / contraction direction of the primary mode expansion / contraction vibration is the direction in which the driver elements 8 support the movable body 9, and the vibration mode of the secondary mode bending vibration is the moving direction of the movable body 9.

本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施できる。   The present invention is not limited to the embodiments, and can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof.

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。   As described above, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is defined by the claims, and is not limited by the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

以上説明したように、本発明にかかる圧電素子及び振動型アクチュエータは、フルブリッジ駆動を可能にするとともに、信頼性を向上させるための用途等に適用できる。   As described above, the piezoelectric element and the vibration type actuator according to the present invention can be applied to an application for enabling full-bridge driving and improving reliability.

振動型アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of a vibration type actuator. (a)は、圧電素子の斜視図であり、(b)は、上側主面に電極層が設けられた圧電体層の平面図である。(A) is a perspective view of a piezoelectric element, and (b) is a plan view of a piezoelectric layer in which an electrode layer is provided on the upper main surface. 圧電体層の上側主面を示す図である。It is a figure which shows the upper side main surface of a piezoelectric material layer. 1次モードの伸縮振動の変位図である。It is a displacement figure of the expansion-contraction vibration of a primary mode. 2次モードの屈曲振動の変位図である。It is a displacement figure of the bending vibration of a secondary mode. 圧電素子の動作を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows operation | movement of a piezoelectric element. 圧電素子の駆動回路の回路図である。It is a circuit diagram of the drive circuit of a piezoelectric element. 圧電素子の駆動回路の回路図である。It is a circuit diagram of the drive circuit of a piezoelectric element. 振動型アクチュエータの正面図である。It is a front view of a vibration type actuator. 振動型アクチュエータの正面図である。It is a front view of a vibration type actuator. (a)は、圧電素子の斜視図であり、(b)は、圧電素子の分解斜視図である。(A) is a perspective view of a piezoelectric element, (b) is an exploded perspective view of a piezoelectric element. (a)は、圧電素子の斜視図であり、(b)は、上側主面に電極層が設けられた圧電体層の平面図である。(A) is a perspective view of a piezoelectric element, and (b) is a plan view of a piezoelectric layer in which an electrode layer is provided on the upper main surface. 振動型アクチュエータの変形例の斜視図である。It is a perspective view of the modification of a vibration type actuator.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電体層
2 内部電極層
2a プラス電極層
2aa 第1プラス電極層
2ab 第2プラス電極層
2b マイナス電極層
2ba 第1マイナス電極層
2bb 第2マイナス電極層
3 分割電極
4 接続電極
5 引出電極
6 外部接続電極
8 駆動子
9 可動体
12 圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric layer 2 Internal electrode layer 2a Positive electrode layer 2aa First positive electrode layer 2ab Second positive electrode layer 2b Negative electrode layer 2ba First negative electrode layer 2bb Second negative electrode layer 3 Split electrode 4 Connection electrode 5 Lead electrode 6 External connection electrode 8 Driver 9 Movable body 12 Piezoelectric element

Claims (3)

略矩形状の圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電素子であって、
前記内部電極層は、積層方向に前記圧電体層を介して交互に配されたプラス電極層及びマイナス電極層からなり、
前記プラス電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第1プラス電極層と、主面に該第1プラス電極層が設けられた圧電体層とは異なる圧電体層の主面に設けられた第2プラス電極層とを有し、
前記マイナス電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第1マイナス電極層と、主面に前記第1マイナス電極層が設けられた圧電体層とは異なる圧電体層の主面に設けられた第2マイナス電極層とを有し、
前記第1プラス電極層及び前記第1マイナス電極層はそれぞれ、前記圧電体層の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ2分割してなる4つの領域にそれぞれ設けられた4つの分割電極と、該4つの分割電極のうち前記圧電体層の主面の第1対角線方向に対向する2つの領域にそれぞれ設けられた一対の分割電極を互いに接続する接続電極とを有し、
前記第2プラス電極層及び前記第2マイナス電極層はそれぞれ、前記4つの領域にそれぞれ設けられた4つの分割電極と、該4つの分割電極のうち前記圧電体層の主面の第2対角線方向に対向する2つの領域にそれぞれ設けられた一対の分割電極を互いに接続する接続電極とを有することを特徴とする圧電素子。
A piezoelectric element formed by alternately laminating substantially rectangular piezoelectric layers and internal electrode layers,
The internal electrode layer is composed of a positive electrode layer and a negative electrode layer alternately arranged via the piezoelectric layers in the stacking direction,
The positive electrode layer has a first positive electrode layer provided on a main surface of the piezoelectric layer and a main surface of a piezoelectric layer different from the piezoelectric layer provided with the first positive electrode layer on the main surface. A second positive electrode layer provided,
The negative electrode layer is formed on a main surface of a piezoelectric layer different from the first negative electrode layer provided on the main surface of the piezoelectric layer and the piezoelectric layer provided with the first negative electrode layer on the main surface. A second negative electrode layer provided,
Each of the first plus electrode layer and the first minus electrode layer has four divided electrodes provided in four regions obtained by dividing the main surface of the piezoelectric layer into two in the longitudinal direction and the short direction, respectively. And a connection electrode for connecting a pair of divided electrodes respectively provided in two regions facing the first diagonal direction of the main surface of the piezoelectric layer among the four divided electrodes,
Each of the second plus electrode layer and the second minus electrode layer includes four divided electrodes provided in the four regions, and a second diagonal direction of the main surface of the piezoelectric layer among the four divided electrodes. A piezoelectric element comprising a connection electrode for connecting a pair of divided electrodes provided in two regions facing each other to each other.
請求項1記載の圧電素子において、
前記内部電極層は、積層方向に前記圧電体層を介して前記第1プラス電極層、前記第1マイナス電極層、前記第2プラス電極層、前記第2マイナス電極層がこの順に配されてなることを特徴とする圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1, wherein
The internal electrode layer is formed by arranging the first plus electrode layer, the first minus electrode layer, the second plus electrode layer, and the second minus electrode layer in this order via the piezoelectric layer in the stacking direction. A piezoelectric element characterized by that.
請求項1又は2記載の圧電素子と、
前記圧電素子に設けられた駆動子と、
前記駆動子に支持された可動体とを備え、
前記圧電素子に給電することにより該圧電素子を伸縮振動と屈曲振動とが合成された振動をさせ、該振動により前記駆動子を略楕円運動させて前記可動体を移動させることを特徴とする振動型アクチュエータ。
The piezoelectric element according to claim 1 or 2,
A driver provided in the piezoelectric element;
A movable body supported by the driver;
By supplying power to the piezoelectric element, the piezoelectric element is caused to oscillate in a combination of expansion and contraction vibration and bending vibration, and the movable body is moved by moving the driver by a substantially elliptical motion by the vibration. Type actuator.
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