JP5427835B2 - 圧電駆動素子及び圧電駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電駆動素子及び圧電駆動装置に関し、更に具体的には、共振周波数及びその近傍で使用される圧電駆動素子及び圧電駆動装置に関するものである。
共振アクチュエータとしては、従来より、図７(A)に示すような構造が知られている。図７(A)に示す共振アクチュエータ２００は、角棒形状に形成された圧電セラミック素体２０２の両端面に電極２０４ａ，２０４ｂが設けられた構成となっている。前記共振アクチュエータ２００は、矢印ａ方向に分極されており、電極２０４ａ，２０４ｂに交流電界が印加されて、共振周波数又はその近傍周波数で駆動し、分極方向ａと同一方向である矢印ｂ方向の縦振動が得られるように構成されている。通常は、交流電源２１０に接続された導線２０８ａ，２０８ｂと、電極２０４ａ，２０４ｂとを、ばね端子２０６ａ，２０６ｂを介して接続し、あるいは、電極２０４ａ，２０４ｂを導線２０８ａ，２０８ｂに直接接続することによって、交流電界が電極２０４ａ，２０４ｂに印加される。
また、前記ばね端子２０６ａ，２０６ｂや導線２０８ａ，２０８ｂが共振アクチュエータ２００の振動を阻害することを考慮して、図７(B)に示す構造とすることも提案されている（下記特許文献１）。図７(B)に示す共振アクチュエータ２５０では、角棒形状の圧電セラミック素体２５２の両端面に設けられた電極２５４ａ，２５４ｂを、引出導体２５８ａ，２５８ｂによって、前記圧電セラミック素体２５２の側面の中間に引き出し、接続電極２５６ａ，２５６ｂをばね端子２６０ａ，２６０ｂによって押えることで、振動阻害を抑制する構造としたことが開示されている。
この種の共振アクチュエータでは、振動方向の変位量は、通常、圧電定数ｄに比例すると考えられている。このため、共振アクチュエータ用のセラミック材料としては、従来より、大きな圧電定数を有するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛（以下「ＰＺＴ」という））をベースとした圧電材料の研究・開発が盛んに行われている。例えば、下記非特許文献１では、圧電アクチュエータ等のパワーデバイスでは、圧電セラミックの大振幅弾性振動を利用していることから、圧電セラミックの大振幅特性について記載されている。当該非特許文献１には、振動速度（＝振動振幅×周波数）は、理論的には印加電界Ｅに比例して変動するが、ＰＺＴ系圧電セラミックを共振周波数で駆動させた場合、電界強度がある一定レベルを超えると振動速度が徐々に理論値を下回るようになると報告されている。
また、下記非特許文献２には、ＰＺＴ系圧電セラミックを共振周波数で駆動した場合、振動レベルがある一定値を超えると、共振周波数ｆｒや機械的品質係数が低下することが報告されている。また、従来のＰＺＴ系圧電セラミックを共振アクチュエータに使用した場合、振動速度が上昇するに従い、共振周波数や機械的品質係数は低下することが知られている。実際に、ＰＺＴ系圧電セラミックスの共振アクチュエータに、０．０５Ｖ，０．１１Ｖ，０．１４Ｖ，０．２０Ｖ，０．２６Ｖ，０．３３Ｖの交流電圧を印加し、駆動周波数を共振周波数より上から下へ、そして上へと掃引すると、図７(C)に示すように、交流電界の振幅増加につれ最大振動速度を示す共振周波数が低周波側に移動した。そして、周波数を下げても振動速度が元に戻らずにヒステリシスを示した。
従って、共振周波数ｆｒの変化に追随するためのフィードバック回路を設ける必要がある。圧電アクチュエータ等の分野では、高い振動レベルのハイパワー材料が求められていることから、圧電性の評価法やＰＺＴ系圧電セラミックの組成と振動レベル特性等のハイパワー特性との関係が報告されている。これを解決する方法として、振動速度∝（弾性定数）１／２×圧電定数×機械的品質係数×電界であるとし、機械的品質係数が高く、温度安定性の高い、ビスマス層状化合物を配向させたセラミックスによる共振アクチュエータが報告されている（特許文献２）。
高橋貞行著「圧電材料の新展開」、株式会社ＴＩＣ、ニューセラミックスVOL.11，No.8(1988)，p29-34
高橋貞行著「ハイパワー材料の評価」、株式会社ＴＩＣ、ニューセラミックス(1995)，No.6，p17-21
しかしながら、ビスマス層状化合物は、圧電特性が低いため、共振アクチュエータに負荷が加わると、機械的品質係数が低く抑えられ駆動できないという課題を有している。そこで、ビスマス層状化合物よりも高い圧電特性を有する圧電セラミックスにおいて、交流電界の電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を増加させたときでも、共振周波数の変動を抑制して、安定して共振周波数及び共振周波数近傍で駆動できることが望まれている。
本発明は、以上の点に着目したもので、印加する交流電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を増加させても共振周波数の変動を抑えて、共振周波数及び共振周波数の近傍の周波数で安定して駆動できる圧電駆動素子及び圧電駆動装置を提供することを、その目的とする。
本発明の圧電駆動素子は、振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックスと、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックスとを複合した複合セラミックスと、該複合セラミックスを介して対向するように、該複合セラミックスの側面に設けられた外部電極と、からなり、前記第１の圧電体セラミックスが、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス、ＢａＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｎａ １／２ ）ＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｋ １／２ ）ＴｉＯ ３ 、および｛（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ） １−ｙ Ｌｉ ｙ ｝（Ｎｂ １−ｚ−ｗ Ｔａ ｚ Ｓｂ ｗ ）Ｏ ３ (０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)、又はこれらの少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスであり、前記第２の圧電体セラミックスが、Ｓｒ ２−ｘ Ｃａ ｘ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ （０≦ｘ≦２），Ｓｒ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｃａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｓｒ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＬｉＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｋ ３ Ｌｉ ２ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ Ｂｉ １／３ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，又はこれらの少なくとも２種類を含むタングステンブロンズ型の固溶体セラミックスであって、前記外部電極に、共振周波数及び共振周波数近傍の交流電界を印加して駆動するとともに、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの体積分率によって、前記複合セラミックスの弾性定数を調整し、振動速度の変化に対する共振周波数の変動を抑制することを特徴とする。
主要な形態の一つは、前記複合セラミックスは、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスを混合した形態，あるいは、層状に重ねた形態であることを特徴とする。他の形態は、前記複合セラミックスが、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスを、平面状，ロール状，同心円状のいずれかの形態で層状に重ねた形状であることを特徴とする。更に他の形態は、前記複合セラミックスの内部に、前記対向する外部電極のそれぞれに接続する複数の内部電極を設けて積層構造化したことを特徴とする。
本発明の圧電駆動装置は、前記いずれかに記載の圧電駆動素子を利用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックスと、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックスとを複合した複合セラミックスに、該複合セラミックスを介して対向するように設けられた外部電極を介して、交流電界を印加して駆動することとした。そして、前記第１の圧電体セラミックスが、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス、ＢａＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｎａ １／２ ）ＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｋ １／２ ）ＴｉＯ ３ 、および｛（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ） １−ｙ Ｌｉ ｙ ｝（Ｎｂ １−ｚ−ｗ Ｔａ ｚ Ｓｂ ｗ ）Ｏ ３ (０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)、又はこれらの少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスであり、前記第２の圧電体セラミックスが、Ｓｒ ２−ｘ Ｃａ ｘ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ （０≦ｘ≦２），Ｓｒ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｃａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｓｒ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＬｉＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｋ ３ Ｌｉ ２ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ Ｂｉ １／３ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，又はこれらの少なくとも２種類を含むタングステンブロンズ型の固溶体セラミックスであって、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの体積分率によって、前記複合セラミックスの弾性定数を調整し、振動速度の変化に対する共振周波数の変動を抑制する。このため、交流電界の電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を増加しても、第１の圧電体セラミックスの部分の弾性定数が低下し、第２の圧電体セラミックスの部分の弾性定数が上昇するため、複合セラミックス全体の弾性定数の変化が抑えられ、共振周波数の変動が抑制されるため、共振周波数及び共振周波数近傍で安定して駆動する圧電駆動素子及び圧電駆動装置が得られる。
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１及び図２を参照しながら本発明の実施例１を説明する。図１(A)は本実施例の圧電駆動素子の形態を示す主要断面図，図１(B)は前記(A)の複合セラミックスの一部拡大図，図１(C)は実験例１の振動速度と周波数特性の関係を示す図である。図２は、比較例の圧電駆動素子の振動速度と周波数特性の関係を示す図であり、(A)は柔らかいばね特性を有する圧電体セラミックスを用いた比較例１の特性を示し、(B)は硬いばね特性を有する圧電体セラミックスを用いた比較例２の特性を示す。
図１(A)に示すように、本実施例の圧電駆動素子１０は、振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８と、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０とを複合した略直方体状の複合セラミックス１２の対向する側面に、分極方向（図１(A)の矢印Ｆａ方向）に直交するように外部電極１４，１６を設けた構成となっている。本実施例では、前記複合セラミックス１２は、前記第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を粉体で混合した形態となっている（図１(B)の一部拡大図参照）。そして、前記外部電極１４，１６を介して、前記複合セラミックス１２に、図示しない交流電源から、共振周波数及び共振周波数近傍の交流電界を印加することで、圧電駆動素子１０が矢印Ｆｂで示す方向に駆動される。
前記第１の圧電体セラミックス１８と、第２の圧電体セラミックス２０の体積分率は１であってもよいが、振動速度（駆動電界）による弾性率の変化を抑制し、振動速度に対する共振周波数の変動を抑制するように、前記体積分率を設定するようにしてもよい。共振周波数の変動は、例えば、０．０５％以下となるように調整することが望ましい。また、前記柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８としては、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス、ＢａＴｉＯ３，（Ｂａ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３，（Ｂａ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３、および｛（Ｋ１−ｘＮａｘ）１−ｙＬｉｙ｝（Ｎｂ１−ｚ−ｗＴａｚＳｂｗ）Ｏ３(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)、あるいは、これらの少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスなどから選択される。一方、硬いばね特性の第２の圧電体セラミックス２０としては、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦２），Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｃａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｓｒ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５，Ｂａ２Ｂｉ１／３Ｎｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５，あるいは、これらを少なくとも２種類を含むタングステンブロンズ型の固溶体セラミックスから選択される。また、前記外部電極１４，１６としては、公知の各種の電極材料、例えば、Ａｇが用いられる。
＜実験例１＞・・・次に、本実施例の具体例について更に説明する。前記柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８として、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックスを選定し、硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０として、Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックスを選定した。それぞれの圧電体セラミックスの粉体は、Ｋ２ＣＯ３，Ｎａ２ＣＯ３，Ｎｂ２Ｏ５，ＳｒＣＯ３，ＣａＣＯ３を化学量論組成に秤量、混合後、仮焼する固相合成法により作製した。作製したそれぞれの圧電体セラミックスには、機械的品質係数を高めるために、Ｍｎ２Ｏを０．５ｗｔ％添加した。そして、これらの圧電体セラミックスの粉体を、それぞれ体積分率が同じになるように秤量、混合し、該混合物を１１５０℃でスパークプラズマ焼成して、大気中で９００℃で熱処理し、複合セラミックスを作製した。
そして、図１(A)に示すように、複合セラミックス１２を角柱状に加工した後に、側面の電極１４，１６を形成し、１００℃，４ｋＶ／ｍｍで分極処理を行い、複合セラミックス１２からなる圧電駆動素子１０を形成した。前記電極１４，１６としては、Ａｇを用いた。更に、比較例１として、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックス（柔らかいばね特性の圧電体セラミックス）だけで作製した圧電駆動素子を作製し、比較例２として、Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックス（硬いばね特性の圧電体セラミックス）だけで作製した圧電駆動素子を作製した。これら比較例１及び２の圧電体セラミックスの端面に設ける外部電極には、前記実施例１と同じ材料を使用した。前記実験例１，比較例１，比較例２について、共振周波数及びその近傍の周波数で圧電駆動素子を駆動し、特性の確認を行った。
図２(A)には、前記比較例１の（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックスからなる圧電駆動素子について、印加する交流電圧を０．０５Ｖ，０．１４Ｖ，０．２１Ｖ，０．３５Ｖ，０．４２Ｖ，０．４６Ｖとしたそれぞれの場合について、共振周波数よりも高い周波数から低い周波数へ減少させたときの振動速度と周波数の測定結果が示されている。図２(A)の結果から、比較例１の圧電駆動素子は、印加する交流電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を上げる（振幅を増加させる）に伴い、共振周波数が下がり、柔らかいばね特性を示した。
図２(B)には、前記比較例２のＳｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックスからなる圧電駆動素子について、印加する交流電圧を０．０６Ｖ，０．１６Ｖ，０．２３Ｖ，０．３７Ｖ，０．４３Ｖ，０．４８Ｖとしたそれぞれの場合について、共振周波数よりも低い周波数から高い周波数へ上昇させたときの振動速度と周波数の測定結果が示されている。図２(B)の結果から、比較例２の圧電駆動素子は、印加する交流電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を上げる（振幅を増加させる）に伴い、共振周波数が上がり、硬いばね特性を示した。
一方、図１(C)には（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックスとＳｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックスを複合した実験例１の圧電駆動素子について、印加する交流電圧を０．０５Ｖ，０．１５Ｖ，０．２０Ｖ，０．３５Ｖ，０．４０Ｖ，０．４７Ｖとしたときのそれぞれの場合について、共振周波数及び共振周波数の近傍での振動速度の測定結果が示されている。図１(C)に示すように、実験例１では、印加する交流電界を上げて圧電駆動素子１０の振動速度を上げても、柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８の部分の弾性定数が低下し、硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０の部分の弾性定数が上昇するため、複合セラミックス１２の全体としての弾性定数の変化が抑えられる。その結果、共振周波数の変動が抑制され、安定して共振周波数及びその共振周波数近傍で駆動できることが確認できた。なお、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの粉体の混合物に樹脂を加えて硬化し、上記実験例１と同様に電極を形成して複合セラミックスからなる圧電駆動素子を作製した場合にも、同様の効果が得られた。従って、焼成しない複合セラミックスでも同様の効果が確認できた。
なお、前記実験例１では、柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８として、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３を使用し、硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０として、Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５を使用したが、前記第１の圧電体セラミックス１８として、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス，ＢａＴｉＯ３，（Ｂａ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３，（Ｂａ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３，および｛（Ｋ１−ｘＮａｘ）１−ｙＬｉｙ｝（Ｎｂ１−ｚ−ｗＴａｚＳｂｗ）Ｏ３(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)，あるいは、これらを少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスを使用し、前記第２の圧電体セラミックス２０として、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦２），Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｃａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｓｒ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５，Ｂａ２Ｂｉ１／３Ｎｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５，あるいは、これらの少なくとも２種類を含む（Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５は除く）タングステンブロンズ型の固溶体セラミックスを使用した場合にも、同様の結果が得られることが確認された。
このように、実施例１によれば、振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８と、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０とを複合した複合セラミックス１２に、該複合セラミックス１２を介して対向し、分極方向に直交するように外部電極１４，１６を設け、該外部電極１４，１６を介して交流電界を印加して圧電駆動素子１０を駆動することとした。このため、印加する交流電界を上げて圧電駆動素子１０の振動速度（なし振幅）を増加させても、第１の圧電体セラミックス１８の部分の弾性定数が低下し、第２の圧電体セラミックス２０の部分の弾性定数が上昇するため、複合セラミックス１２の全体としての弾性定数の変化が抑えられ、共振周波数の変動が抑制される。そのため、共振周波数及び共振周波数近傍で圧電駆動素子１０が安定して駆動するという効果が得られる。
次に、図３を参照しながら本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする（以下の実施例についても同様）。図３は、本実施例の圧電駆動素子の形態を示す主要断面図である。本実施例の圧電駆動素子３０は、複合セラミックス１２の内部に、前記外部電極１４に接続する複数の内部電極３２と、前記外部電極１６に接続する複数の内部電極３４を、前記外部電極１４，１６と直交する方向に、交互に配置した内部電極の積層構造を有している。
＜実験例２＞・・・次に、本実施例の具体例について更に説明する。前記柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミクス１８として、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックスを選定し、硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０として、Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックスを選定し、上述した実施例１の実験例１と同様に、それぞれの圧電体セラミックスの粉体を作製して混合した。混合した粉体に、有機溶媒と有機バインダを混ぜてスラリーにし、それをドクターブレード法でシート状に成形した。そして、Ａｇ−Ｐｄ内部電極を印刷後、焼成して、積層構造の複合圧電セラミックを作製し、角柱状に加工した後に、側面の電極１４，１６を形成し、上述した実験例１と同様にして分極処理を行い、圧電駆動素子３０を形成した。
このようにして得られた実験例２の圧電駆動素子３０において、前記実験例１と同様に印加する交流電界を変化させて周波数と振動速度の測定を行ったところ、前記図１(C)と同様に、交流電界を上げて振動速度を増加させても、振動速度が最大値を示す共振周波数が変動しないことが確認された。また、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの粉体の混合物に樹脂を加えてシート化し、Ａｇをフィラーとした導電性樹脂を内部電極として、前記図３に示す積層構造の圧電駆動素子３０を作製した場合も、同様の効果が得られた。なお、本実施例においても、前記実施例１で示した通り、第１の圧電体セラミックス１８，第２の圧電体セラミックス２０として、上記実験例２で使用したもの以外の圧電体セラミックスを選択することができ、その場合にも、同様の効果が得られた。
次に、図４及び図５を参照しながら本発明の実施例３を説明する。前記実施例１及び実施例２では、第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０の粉体が混合した複合形態としたが、本実施例のように、それぞれシート状に形成した第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を交互に積層した形態としてもよい。まず、図４(A)に示す例の圧電駆動素子５０では、複合セラミックス５２は、分極方向に第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を交互に積層した構成となっており、これらセラミックス層と平行に前記外部電極１４，１６が形成されており、矢印Ｆｂ方向に駆動する。また、図４(B)に示す例の圧電駆動素子６０では、分極方向と直交する方向に第１の圧電体セラミックス１８の層と、第２の圧電体セラミックス２０の層を交互に積層するとともに、これら第１及び第２の圧電体セラミックス層の間に、前記実施例２と同様に、外部電極１４，１６に接合する複数の内部電極３２，３４を交互に配置した構造となっており、矢印Ｆｂ方向に駆動する。図４(C)に示す圧電駆動素子７０は、前記図４(B)に示す形態の変形例であり、複合セラミックス７２は、第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０の積層体同士の間に、前記内部電極３２，３４を形成した構成となっており、矢印Ｆｂ方向に駆動する。これら図４(A)〜(C)に示す例は、いずれも、電界の印加方向に第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を積層している。
次に、図５(A)に示す圧電駆動素子８０では、複合セラミックス８２は、前記図４(A)〜(C)と異なり、印加電界に直交する方向に第１の圧電体セラミックス１８の層と第２の圧電体セラミックス２０の層を交互に積層した複合形態となっており、矢印Ｆｂ方向に駆動する。更に、図５(B)に示す圧電駆動素子９０では、前記図４(A)と同様の方向に第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を積層した複合セラミックス９２中に、前記セラミックス層の積層方向と直交するように複数の内部電極３２，３４を形成することにより、印加電界に直交する方向に第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０が積層した構造となっている。
＜実験例３＞・・・次に、本実施例の具体例について更に説明する。前記柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックス１８として、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３の圧電体セラミックスを選定し、硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックス２０として、Ｓｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５の圧電体セラミックスを選定し、上述した実施例１の実験例１と同様に、それぞれの圧電体セラミックスの粉体を作製して混合した。混合した粉体に、有機溶媒と有機バインダを混ぜてスラリーにし、それをドクターブレード法でシート状に成形した。そして、これらの圧電体セラミックスシートを用いて、積層，内部電極の印刷，外部電極形成などを適宜行い、前記図４(A)〜(C)及び図５(A)に示す積層構造の圧電駆動素子５０，６０，７０，８０を形成した。また、（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３のシートとＳｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５のシートを交互に積層した後、積層方向と直交方向に一定の間隔で切断し、その切断面に内部電極３２，３４を印刷して再度積層することで、前記図５(B)に示す構造の圧電駆動素子９０を作製した。
これらの積層型の圧電駆動素子５０，６０，７０，８０，９０において、前記実験例１と同様に印加する交流電界を変化させて周波数と振動速度の測定を行ったところ、前記図１(C)と同様に、交流電界を上げて振動速度を増加させても、振動速度が最大値を示す共振周波数が変動しないことが確認された。また、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの粉体の混合物に樹脂を加えてシート化し、Ａｇをフィラーとした導電性樹脂を内部電極として、前記図４(A)〜(C)及び図５(A)，(B)に示す積層構造の圧電駆動素子３０を作製した場合も、同様の効果が得られた。なお、本実施例においても、上述した実施例１で示した通り、前記（Ｋ０．５，Ｎａ０．５）ＮｂＯ３及びＳｒ１．９ＣａＯ．１ＮａＮｂ５Ｏ１５以外の圧電体セラミックスを選択することができ、その場合にも、同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例１〜３で示した形状，寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。材料についても同様であり、第１の圧電体セラミックス１８及び第２の圧電体セラミックス２０については前記実施例で示した材料群から選択することが好ましいが、内部電極や外部電極については、公知の各種の電極材料を利用してよい。
(2)前記実施例３では、第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を、それぞれ平面状のシートに形成して、それらを積層することとしたが、これも一例であり、積層構造には種々の形態が含まれる。例えば、図６に示す圧電駆動素子１００の複合セラミックス１０２のように、シート状の第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を重ねて渦巻き状（ないしロール状）に成形したもの利用し、外部電極１４，１６を端面に設けた構造としてもよい。この場合、前記複合セラミックス１０２の外形が略直方体状となるように形成すると、実装面で都合がよい。また、図６の例では、ロール状に積層したが、同心円状に積層する形態としてもよい。
(1)前記実施例１〜３で示した形状，寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。材料についても同様であり、第１の圧電体セラミックス１８及び第２の圧電体セラミックス２０については前記実施例で示した材料群から選択することが好ましいが、内部電極や外部電極については、公知の各種の電極材料を利用してよい。
(2)前記実施例３では、第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を、それぞれ平面状のシートに形成して、それらを積層することとしたが、これも一例であり、積層構造には種々の形態が含まれる。例えば、図６に示す圧電駆動素子１００の複合セラミックス１０２のように、シート状の第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０を重ねて渦巻き状（ないしロール状）に成形したもの利用し、外部電極１４，１６を端面に設けた構造としてもよい。この場合、前記複合セラミックス１０２の外形が略直方体状となるように形成すると、実装面で都合がよい。また、図６の例では、ロール状に積層したが、同心円状に積層する形態としてもよい。
(3)前記実施例１では、粉体の第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０が混合した複合形態としたが、前記粉体の粒子形状は、不定形，球形，板状形，ファイバ形状にするなど、適宜変更可能である。
(4)前記実施例２及び３に示した内部電極３２，３４の積層数や、実施例３に示した第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０の積層数も一例であり、同様の効果を奏するように適宜増減してよい。
(5)前記実施例で示した圧電駆動素子の製造方法も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。
(6)本発明の圧電駆動素子は、例えば、圧電アクチュエータなどが好適な利用例であるが、他の公知の各種の駆動部を有する装置（例えば、カメラの撮影レンズやオーバーヘッドプロジェクタなどの投影レンズ，双眼鏡のレンズ，複写機のレンズなど、光学装置におけるレンズの駆動のほか、プロッタやＸ−Ｙ駆動テーブルのような装置）など、駆動部を有する装置一般に用いる圧電駆動装置に適用可能である。特に、共振周波数及びその近傍の周波数での安定した駆動が必要とされる装置に好適である。
(4)前記実施例２及び３に示した内部電極３２，３４の積層数や、実施例３に示した第１の圧電体セラミックス１８と第２の圧電体セラミックス２０の積層数も一例であり、同様の効果を奏するように適宜増減してよい。
(5)前記実施例で示した圧電駆動素子の製造方法も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。
(6)本発明の圧電駆動素子は、例えば、圧電アクチュエータなどが好適な利用例であるが、他の公知の各種の駆動部を有する装置（例えば、カメラの撮影レンズやオーバーヘッドプロジェクタなどの投影レンズ，双眼鏡のレンズ，複写機のレンズなど、光学装置におけるレンズの駆動のほか、プロッタやＸ−Ｙ駆動テーブルのような装置）など、駆動部を有する装置一般に用いる圧電駆動装置に適用可能である。特に、共振周波数及びその近傍の周波数での安定した駆動が必要とされる装置に好適である。
本発明によれば、振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックスと、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックスとを複合した複合セラミックスに、該複合セラミックスを介して対向するように設けられた外部電極を介して、交流電界を印加して駆動することとした。そして、前記第１の圧電体セラミックスが、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス、ＢａＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｎａ １／２ ）ＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｋ １／２ ）ＴｉＯ ３ 、および｛（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ） １−ｙ Ｌｉ ｙ ｝（Ｎｂ １−ｚ−ｗ Ｔａ ｚ Ｓｂ ｗ ）Ｏ ３ (０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)、又はこれらの少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスであり、前記第２の圧電体セラミックスが、Ｓｒ ２−ｘ Ｃａ ｘ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ （０≦ｘ≦２），Ｓｒ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｃａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｓｒ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＬｉＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｋ ３ Ｌｉ ２ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ Ｂｉ １／３ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，又はこれらの少なくとも２種類を含むタングステンブロンズ型の固溶体セラミックスであって、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの体積分率によって、前記複合セラミックスの弾性定数を調整し、振動速度の変化に対する共振周波数の変動を抑制する。このため、交流電界の電界を上げて圧電駆動素子の振動速度を増加しても、第１の圧電体セラミックスの部分の弾性定数が低下し、第２の圧電体セラミックスの部分の弾性定数が上昇するため、複合セラミックス全体の弾性定数の変化が抑えられ、共振周波数の変動が抑制されるため、共振周波数及び共振周波数近傍での安定した駆動が必要とされる圧電駆動素子や圧電駆動装置の用途に適用できる。特に、超音波モータに好適である。
１０：圧電駆動素子
１２：複合セラミックス
１４，１６：外部電極
１８：第１の圧電体セラミックス
２０：第２の圧電体セラミックス
３０，５０，６０，７０，８０，９０，１００：圧電駆動素子
３２，３４：内部電極
５２，６２，７２，８２，９２，１０２：複合セラミックス
２００：共振アクチュエータ
２０２：圧電セラミック素体
２０４ａ，２０４ｂ：電極
２０６ａ，２０６ｂ：ばね端子
２０８ａ，２０８ｂ：導線
２１０：交流電源
２５０：共振アクチュエータ
２５２：圧電セラミック素体
２５４ａ，２５４ｂ：電極
２５６ａ，２５６ｂ：接続電極
２５８ａ，２５８ｂ：引出導体
２６０ａ，２６０ｂ：ばね端子
１２：複合セラミックス
１４，１６：外部電極
１８：第１の圧電体セラミックス
２０：第２の圧電体セラミックス
３０，５０，６０，７０，８０，９０，１００：圧電駆動素子
３２，３４：内部電極
５２，６２，７２，８２，９２，１０２：複合セラミックス
２００：共振アクチュエータ
２０２：圧電セラミック素体
２０４ａ，２０４ｂ：電極
２０６ａ，２０６ｂ：ばね端子
２０８ａ，２０８ｂ：導線
２１０：交流電源
２５０：共振アクチュエータ
２５２：圧電セラミック素体
２５４ａ，２５４ｂ：電極
２５６ａ，２５６ｂ：接続電極
２５８ａ，２５８ｂ：引出導体
２６０ａ，２６０ｂ：ばね端子
Claims (5)
- 振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる柔らかいばね特性を有する第１の圧電体セラミックスと、振動速度が増加すると弾性定数が大きくなる硬いばね特性を有する第２の圧電体セラミックスとを複合した複合セラミックスと、
該複合セラミックスを介して対向するように、該複合セラミックスの側面に設けられた外部電極と、
からなり、
前記第１の圧電体セラミックスが、ＰＺＴからなる鉛系圧電体セラミックス、ＢａＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｎａ １／２ ）ＴｉＯ ３ ，（Ｂａ １／２ Ｋ １／２ ）ＴｉＯ ３ 、および｛（Ｋ １−ｘ Ｎａ ｘ ） １−ｙ Ｌｉ ｙ ｝（Ｎｂ １−ｚ−ｗ Ｔａ ｚ Ｓｂ ｗ ）Ｏ ３ (０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．４，０≦ｗ≦０．２)、又はこれらの少なくとも２種類を含む固溶体セラミックスであり、
前記第２の圧電体セラミックスが、Ｓｒ ２−ｘ Ｃａ ｘ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ （０≦ｘ≦２），Ｓｒ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｃａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｓｒ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＬｉＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｋ ３ Ｌｉ ２ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｂａ ２ Ｂｉ １／３ Ｎｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＮａＮｂ ５ Ｏ １５ ，Ｐｂ ２ ＫＮｂ ５ Ｏ １５ ，又はこれらの少なくとも２種類を含むタングステンブロンズ型の固溶体セラミックスであって、
前記外部電極に、共振周波数及び共振周波数近傍の交流電界を印加して駆動するとともに、
前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスの体積分率によって、前記複合セラミックスの弾性定数を調整し、振動速度の変化に対する共振周波数の変動を抑制することを特徴とする圧電駆動素子。 - 前記複合セラミックスは、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスを混合した形態，あるいは、層状に重ねた形態であることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動素子。
- 前記複合セラミックスが、前記第１の圧電体セラミックスと第２の圧電体セラミックスを、平面状，ロール状，同心円状のいずれかの形態で層状に重ねた形状であることを特徴とする請求項２記載の圧電駆動素子。
- 前記複合セラミックスの内部に、前記対向する外部電極のそれぞれに接続する複数の内部電極を設けて積層構造化したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電駆動素子。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電駆動素子を利用したことを特徴とする圧電駆動装置。
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