JP6932935B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

従来の圧電アクチュエータとして、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、圧電素子に、縦振動モード及び屈曲振動モードが合成された振動モードを発生させることにより、摩擦部に超音波楕円振動を発生させる。この圧電アクチュエータでは、摩擦部は、屈曲振動の腹部に対応する位置に設けられている。

特開２００５−９４９５６号公報

従来の圧電アクチュエータでは、上述のように、圧電素子において屈曲振動により最大振幅となる腹（一般的には、圧電素子の長手方向の１／３の位置）に摩擦部が設けられている。このような圧電アクチュエータにおいては、駆動特性について、更なる改善が求められている。

本発明の一側面は、駆動特性の向上が図れる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、複数の圧電体層を積層することによって形成されると共に、長方形状を呈し且つ互いに対向する一対の主面と、一対の主面の長辺方向で互いに対向する一対の端面と、一対の主面の短辺方向で互いに対向する一対の側面と、を有し、印加される電圧によって縦振動モードと屈曲振動モードとが合成された振動モードを発生させる圧電素子と、圧電素子において一方の主面に配置されると共に、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる第１摩擦部及び第２摩擦部と、を備え、圧電素子は、一対の側面の対向方向から見て、圧電素子の長手方向の中心を通り且つ一対の主面の対向方向に沿った直線に対して非対称となる位置に、屈曲振動モードにより最大振幅を生じる腹を有し、第１摩擦部は、圧電素子の腹以外の位置で、且つ、圧電素子の長手方向の長さをＬとした場合に、一方の端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置されおり、第２摩擦部は、圧電素子の腹以外の位置で、且つ、他方の端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置されている。

本発明の一側面に係る圧電アクチュエータでは、電圧が印加されて縦振動モード及び屈曲振動モードが合成された振動モードが発生すると、第１摩擦部及び第２摩擦部のそれぞれに楕円運動が生じる。第１摩擦部及び第２摩擦部は、楕円運動の加速部分（楕円の長手方向の成分）において高い駆動力が得られる。圧電アクチュエータでは、圧電素子の腹は、一対の側面の対向方向から見て、圧電素子の長手方向の中心を通り且つ一対の主面の対向方向に沿った直線に対して非対称となる位置である。また、圧電アクチュエータでは、第１摩擦部を、圧電素子の腹以外の位置で、且つ、一方の端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置し、第２摩擦部を、圧電素子の腹以外の位置で、且つ、他方の端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置している。この構成により、圧電アクチュエータでは、第１摩擦部及び第２摩擦部の楕円運動において、楕円の長手方向の成分が圧電素子の長手方向に沿うように、楕円の長手方向の成分を傾けることができる（楕円の長手方向の成分と圧電素子の長手方向とが成す角度を小さくできる）。これにより、圧電アクチュエータでは、第１摩擦部及び第２摩擦部は、楕円運動の加速部分において被駆動体と接触する。したがって、圧電アクチュエータでは、駆動力を確保することができる。その結果、圧電アクチュエータでは、駆動特性の向上が図れる。

一実施形態においては、圧電素子は、同一の圧電体層上に配置される４つの第１内部電極と、４つの第１内部電極と圧電体層を挟んで対向して配置され、第１内部電極との間に電圧が印加される第２内部電極と、を有し、４つの第１内部電極のうち、２つの第１内部電極が第１の対角に位置し、他の２つの第１内部電極が第１の対角に交差する第２の対角に位置しており、第１の対角又は第２の対角に位置する２つの第１内部電極が接続部材によって電気的に接続されていてもよい。圧電素子では、内部電極において最大寸法となる部分（領域）において変位が生じる。一実施形態に係る圧電アクチュエータでは、圧電体層上において、第１の対角又は第２の対角に位置する２つの第１内部電極が接続部材によって電気的に接続されているため、接続部材で接続された２つの第１内部電極にわたって変位が生じる。これに対して、残りの２つの第１内部電極は、それぞれの最大寸法となる部分で変位が生じる。このように、同一の圧電体層上において、変位量に差が生じる。このような構成により、圧電アクチュエータでは、圧電素子の腹を、一対の側面の対向方向から見て、圧電素子の長手方向の中心を通り且つ一対の主面の対向方向に沿った直線に対して非対称となる位置に設定することができる。

本発明の一側面によれば、駆動特性の向上が図れる。

図１は、一実施形態に係る圧電アクチュエータが被駆動体に実装されている状態を示す斜視図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、圧電アクチュエータを示す斜視図である。 図３は、圧電素子の分解斜視図である。 図４は、圧電アクチュエータの側面図である。 図５（ａ）は、縦振動モードを示す図であり、図５（ｂ）は、屈曲振動モードを示す図である。 図６（ａ）は、従来の圧電アクチュエータの駆動特性を示す図であり、図６（ｂ）は、一実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動特性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、圧電アクチュエータ１は、交流電圧が印加されて変位することによって、被駆動体１００（例えば、ローター等）を移動させる機能を有している。図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、圧電アクチュエータ１は、圧電素子３と、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２と、を備えている。被駆動体１００は、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２との摩擦力により移動することとなる。

圧電素子３の積層体２は、直方体形状を呈している。積層体２は、互いに対向している一対の端面２ａ，２ｂと、互いに対向している一対の主面２ｃ，２ｄと、互いに対向している一対の側面２ｅ、２ｆと、を有している。主面２ｃ，２ｄは、長方形状を呈している。本実施形態では、一対の主面２ｃ，２ｄの長辺方向で互いに対向する一対の端面２ａ，２ｂの対向方向が、積層体２（圧電素子３）の長手方向である。一対の主面２ｃ，２ｄが対向している対向方向が、積層体２（圧電素子３）の高さ方向である。一対の主面２ｃ，２ｄの長辺方向で互いに対向する一対の側面２ｅ，２ｆの対向方向が、積層体２（圧電素子３）の幅方向である。

一対の端面２ａ，２ｂは、一対の主面２ｃ，２ｄの間を連結するように延びている。一対の端面２ａ，２ｂは、一対の主面２ｃ，２ｄの短辺方向にも延びている。一対の側面２ｅ，２ｆは、一対の主面２ｃ，２ｄの間を連結するように延びている。一対の側面２ｅ，２ｆは、一対の端面２ａ，２ｂの長辺方向にも延びている。本実施形態では、主面２ｄは、図１に示されるように、被駆動体１００に実装する際、被駆動体１００と対向する実装面として規定される。

積層体２は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料としては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などが挙げられる。本実施形態では、積層体２は、圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体である圧電体層２０ａ〜２０ｆ（図３参照）が積層されて構成されている。積層体２では、複数の圧電体層２０ａ〜２０ｆの積層方向が一対の側面２ｅ，２ｆの対向方向と一致する。実際の積層体２では、各圧電体層２０ａ〜２０ｆは、各圧電体層２０ａ〜２０ｆの間の境界が視認できない程度に一体化されている。本実施形態では、圧電体層２０ａの外表面が積層体２の側面２ｆを構成しており、圧電体層２０ｆの外表面が積層体２の側面２ｅを構成している。

図３に示されるように、圧電素子３は、第１内部電極２２と、第２内部電極２４と、第３内部電極２６と、第４内部電極２８と、第５内部電極３０と、第６内部電極３２と、第７内部電極３４と、第８内部電極３６と、第９内部電極３８と、備えている。各内部電極２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８は、積層型の電子素子の内部電極として通常用いられる導電性材料（例えば、Ｎｉ、Ｐｔ又はＰｄなど）からなる。各内部電極２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８は、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。なお、第１内部電極２２、第２内部電極２４、第３内部電極２６及び第４内部電極２８は、特許請求の範囲に記載の４つの第１内部電極を構成している。第５内部電極３０は、特許請求の範囲に記載の第２内部電極を構成している。第６内部電極３２、第７内部電極３４、第８内部電極３６及び第９内部電極３８は、特許請求の範囲に記載の４つの第１内部電極を構成している。

圧電体層２０ｂ上には、第１内部電極２２、第２内部電極２４、第３内部電極２６及び第４内部電極２８が配置されている。第１内部電極２２及び第２内部電極２４は、圧電体層２０ｂ上において、互いに電気的に絶縁されている（離間している）。第３内部電極２６及び第４内部電極２８は、圧電体層２０ｂ上において、互いに電気的に接続されている。

第１内部電極２２は、圧電体層２０ｂ上において、積層体２の端面２ａと主面２ｃとが形成する角部側に配置されている。第１内部電極２２は、主電極部２２ａと、接続部２２ｂと、を有している。主電極部２２ａと接続部２２ｂとは、一体に形成されている。接続部２２ｂは、主電極部２２ａから積層体２の一方の主面２ｃ側に延在し、積層体２の主面２ｃに露出している。具体的には、接続部２２ｂは、積層体２の一方の端面２ａ側寄りの位置において主面２ｃに露出している。

第２内部電極２４は、圧電体層２０ｂ上において、第１内部電極２２が配置された角部と対角（第１の対角）の角部、すなわち積層体２の端面２ｂと主面２ｄとが形成する角部側に配置されている。第２内部電極２４は、主電極部２４ａと、接続部２４ｂと、を有している。主電極部２４ａと接続部２４ｂとは、一体に形成されている。接続部２４ｂは、主電極部２４ａから積層体２の一方の主面２ｄ側に延在し、積層体２の主面２ｄに露出している。具体的には、接続部２４ｂは、積層体２の他方の端面２ｂ側寄りの位置において主面２ｄに露出している。

第３内部電極２６は、圧電体層２０ｂ上において、積層体２の端面２ｂと主面２ｃとが形成する角部側に配置されている。第３内部電極２６は、主電極部２６ａと、接続部２６ｂと、を有している。主電極部２６ａと接続部２６ｂとは、一体に形成されている。接続部２６ｂは、主電極部２６ａから積層体２の一方の主面２ｃ側に延在し、積層体２の主面２ｃに露出している。具体的には、接続部２６ｂは、積層体２の他方の端面２ｂ側寄りの位置において主面２ｃに露出している。

第４内部電極２８は、圧電体層２０ｂ上において、第３内部電極２６が配置された角部と対角（第２の対角）の角部、すなわち積層体の端面２ａと主面２ｄとが形成する角部側に配置されている。第４内部電極２８は、主電極部２８ａと、接続部２８ｂと、を有している。主電極部２８ａと接続部２８ｂとは、一体に形成されている。接続部２８ｂは、主電極部２８ａから積層体２の一方の主面２ｄ側に延在し、積層体２の主面２ｄに露出している。具体的には、接続部２８ｂは、積層体２の一方の端面２ａ側寄りの位置において主面２ｄに露出している。

第３内部電極２６と第４内部電極２８とは、接続部材２９により電気的に接続されている。具体的には、第３内部電極２６の主電極部２６ａと第４内部電極２８の主電極部２８ａとが、接続部材２９により電気的に接続されている。接続部材２９は、所定の間隔をあけて対角に配置された第１内部電極２２と第２内部電極２４との間に配置されている。接続部材２９は、導電性材料（例えば、Ｎｉ、Ｐｔ又はＰｄなど）からなる。接続部材２９は、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。

圧電体層２０ｃ上には、第５内部電極３０が配置されている。第５内部電極３０は、主電極部３０ａと、接続部３０ｂ，３０ｃと、を有している。主電極部３０ａは、積層体２の長手方向を当該主電極部３０ａの長手方向とする長方形状を呈している。主電極部３０ａは、圧電体層２０ｂを介して、第１内部電極２２（主電極部２２ａ）、第２内部電極（主電極部２４ａ）、第３内部電極２６（主電極部２６ａ）及び第４内部電極（主電極部２８ａ）と対向している。

接続部３０ｂは、主電極部３０ａの長手方向に沿う一方の側面から積層体２の一方の主面２ｃ側に延在し、積層体２の主面２ｃに露出している。具体的には、接続部３０ｂは、積層体２の長手方向の中央の位置において主面２ｃに露出している。接続部３０ｃは、主電極部３０ａの長手方向に沿う他方の側面から積層体２の他方の主面２ｄ側に延在に、積層体２の主面２ｄに露出している。具体的には、接続部３０ｃは、積層体２の長手方向の中央の位置において主面２ｄに露出している。

圧電体層２０ｄ上には、第６内部電極３２、第７内部電極３４、第８内部電極３６及び第９内部電極３８が配置されている。第６内部電極３２及び第７内部電極３４は、圧電体層２０ｄ上において、互いに電気的に接続されている。第８内部電極３６及び第９内部電極３８は、圧電体層２０ｄ上において、互いに電気的に絶縁されている。

第６内部電極３２は、圧電体層２０ｄ上において、積層体２の端面２ａと主面２ｃとが形成する角部側に配置されている。第６内部電極３２は、主電極部３２ａと、接続部３２ｂと、を有している。主電極部３２ａと接続部３２ｂとは、一体に形成されている。接続部３２ｂは、主電極部３２ａから積層体２の一方の主面２ｃ側に延在し、積層体２の主面２ｃに露出している。具体的には、接続部３２ｂは、積層体２の一方の端面２ａ側寄りの位置において主面２ｃに露出している。

第７内部電極３４は、圧電体層２０ｄ上において、第６内部電極３２が配置された角部と対角の角部、すなわち積層体２の端面２ｂと主面２ｄとが形成する角部側に配置されている。第７内部電極３４は、主電極部３４ａと、接続部３４ｂと、を有している。主電極部３４ａと接続部３４ｂとは、一体に形成されている。接続部３４ｂは、主電極部３４ａから積層体２の一方の主面２ｄ側に延在し、積層体２の主面２ｄに露出している。具体的には、接続部３４ｂは、積層体２の他方の端面２ｂ側寄りの位置において主面２ｄに露出している。

第８内部電極３６は、圧電体層２０ｄ上において、積層体２の端面２ｂと主面２ｃとが形成する角部側に配置されている。第８内部電極３６は、主電極部３６ａと、接続部３６ｂと、を有している。主電極部３６ａと接続部３６ｂとは、一体に形成されている。接続部３６ｂは、主電極部３６ａから積層体２の一方の主面２ｃ側に延在し、積層体２の主面２ｃに露出している。具体的には、接続部３６ｂは、積層体２の他方の端面２ｂ側寄りの位置において主面２ｃに露出している。

第９内部電極３８は、圧電体層２０ｄ上において、第８内部電極３６が配置された角部と対角の角部、すなわち積層体２の端面２ａと主面２ｄとが形成する角部側に配置されている。第９内部電極３８は、主電極部３８ａと、接続部３８ｂと、を有している。主電極部３８ａと接続部３８ｂとは、一体に形成されている。接続部３８ｂは、主電極部３８ａから積層体２の一方の主面２ｄ側に延在し、積層体２の主面２ｄに露出している。具体的には、接続部３８ｂは、積層体２の一方の端面２ａ側寄りの位置において主面２ｄに露出している。

第６内部電極３２と第７内部電極３４とは、接続部材４０により電気的に接続されている。具体的には、第６内部電極３２の主電極部３２ａと第７内部電極３４の主電極部３４ａとが、接続部材４０により電気的に接続されている。接続部材４０は、所定の間隔をあけて対角に配置された第８内部電極３６と第９内部電極３８との間に配置されている。

圧電体層２０ｅ上には、第５内部電極３０が配置されている。圧電体層２０ｆ上には、第１内部電極２２、第２内部電極２４、第３内部電極２６及び第４内部電極２８が配置されている。第３内部電極２６と第４内部電極２８とは、接続部材２９により電気的に接続されている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、圧電素子３は、第１外部電極４と、第２外部電極５と、第３外部電極６と、第４外部電極７と、第５外部電極８と、第６外部電極９と、を備えている。図１及び図２（ａ）に示されるように、第１外部電極４は、積層体２の一方の主面２ｃに配置されている。具体的には、第１外部電極４は、主面２ｃ上において、一方の端面２ａ側に配置されている。第１外部電極４は、矩形状を呈している。本実施形態では、第１外部電極４は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第１外部電極４は、主面２ｃに露出する接続部２２ｂ及び接続部３２ｂと直接的に接続されている。これにより、第１外部電極４は、第１内部電極２２及び第６内部電極３２と電気的に接続されている。

第１外部電極４は、積層体２の主面２ｃに導電性ペーストを付与した後に所定温度（例えば、７００℃程度）にて焼き付けることにより形成される。導電性ペーストの焼き付けにより得られた焼付電極層に、電気めっきを施してめっき層を更に形成してもよい。導電性ペーストとしては、Ａｇを主成分とした導電材料を含む導電性ペーストを用いることができる。めっき層としては、Ｎｉ／Ａｕめっき層などが挙げられる。

第１外部電極４は、スパッタリング法、蒸着法などにより形成されてもよい。この場合、第１外部電極４を構成する膜構造は、Ｃｒ／Ｎｉ、ＮｉＣｕ／Ａｇ、ＳｎＡｇ、又はＡｕなどが挙げられる。以下、第２外部電極５、第３外部電極６、第４外部電極７、第５外部電極８及び第６外部電極９についても、第１外部電極４と同様に形成される。

第２外部電極５は、積層体２の一方の主面２ｃに配置されている。具体的には、第２外部電極５は、主面２ｃ上において、他方の端面２ｂ側に配置されている。第２外部電極５は、矩形状を呈している。本実施形態では、第２外部電極５は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第２外部電極５は、主面２ｃに露出する接続部２６ｂ及び接続部３６ｂと直接的に接続されている。これにより、第２外部電極５は、第３内部電極２６及び第８内部電極３６と電気的に接続されている。

第３外部電極６は、積層体２の一方の主面２ｃに配置されている。具体的には、第３外部電極６は、主面２ｃ上において、積層体２の長手方向の中央部に配置されている。すなわち、第３外部電極６は、積層体２の長手方向において、第１外部電極４と第２外部電極５との間に配置されている。第３外部電極６は、矩形状を呈している。本実施形態では、第３外部電極６は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第３外部電極６は、主面２ｃに露出する接続部３０ｂと直接的に接続されている。これにより、第３外部電極６は、第５内部電極３０と電気的に接続されている。

図２（ｂ）に示されるように、第４外部電極７は、積層体２の他方の主面２ｄに配置されている。具体的には、第４外部電極７は、主面２ｄ上において、一方の端面２ａ側に配置されている。第４外部電極７は、第１外部電極４と積層体２の高さ方向において対向する位置に配置されている。第４外部電極７は、矩形状を呈している。本実施形態では、第４外部電極７は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第４外部電極７は、主面２ｄに露出する接続部２８ｂ及び接続部３８ｂと直接的に接続されている。これにより、第４外部電極７は、第４内部電極２８及び第９内部電極３８と電気的に接続されている。

第５外部電極８は、積層体２の他方の主面２ｄに配置されている。具体的には、第５外部電極８は、主面２ｄ上において、他方の端面２ｂ側に配置されている。第５外部電極８は、第２外部電極５と積層体２の高さ方向において対向する位置に配置されている。第５外部電極８は、矩形状を呈している。本実施形態では、第５外部電極８は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第５外部電極８は、主面２ｄに露出する接続部２４ｂ及び接続部３４ｂと直接的に接続されている。これにより、第５外部電極８は、第２内部電極２４及び第７内部電極３４と電気的に接続されている。

第６外部電極９は、積層体２の他方の主面２ｄに配置されている。具体的には、第６外部電極９は、主面２ｄ上において、積層体２の長手方向の中央部に配置されている。すなわち、第６外部電極９は、積層体２の長手方向において、第４外部電極７と第５外部電極８との間に配置されている。第６外部電極９は、第３外部電極６と積層体２の高さ方向において対向する位置に配置されている。第６外部電極９は、矩形状を呈している。本実施形態では、第６外部電極９は、一方の側面２ｅから他方の側面２ｆにわたって形成されている。第６外部電極９は、主面２ｄに露出する接続部３０ｃと直接的に接続されている。これにより、第６外部電極９は、第５内部電極３０と電気的に接続されている。

第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、積層体２の主面２ｄに配置されている。第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、ジルコニア、アルミナなどから構成されている。第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、円柱部材を断面半円形状に切断し、その切断面を主面２ｄの２箇所に接着することにより設けられている。第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、半円柱の延在方向が積層体２の幅方向に沿うように設けられている。

第１摩擦部１０は、後述する圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、圧電素子３の長手方向の長さをＬとした場合に、一方の端面２ａからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置されている。本実施形態では、図４に示されるように、第１摩擦部１０は、積層体２の一方の端面２ａからの距離がＬ３の位置に配置されている。Ｌ３は、圧電素子３の長手方向の長さをＬとした場合、積層体２の端面２ａから１／１２Ｌの位置である。すなわち、圧電素子３の長手方向の中心Ｃから端面２ａまでの長さをＬ１（１／２Ｌ）とした場合、第１摩擦部１０は、積層体２の端面２ａから１／６Ｌ１の位置に配置されている。本実施形態では、第１摩擦部１０は、第４外部電極７よりも端面２ａ側の位置（第４外部電極７と重ならない位置）に配置されている。

第２摩擦部１２は、後述する圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、圧電素子３の長手方向の長さをＬとした場合に、他方の端面２ｂからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置されている。本実施形態では、第２摩擦部１２は、積層体２の他方の端面２ｂからの距離がＬ４の位置に配置されている。Ｌ４は、積層体２の端面２ｂから１／１２Ｌの位置である。すなわち、圧電素子３の長手方向の中心Ｃから端面２ｂまでの長さをＬ２（１／２Ｌ）とした場合、第２摩擦部１２は、積層体２の端面２ｂから１／６Ｌ２の位置に配置されている。本実施形態では、第２摩擦部１２は、第５外部電極８よりも端面２ｂ側の位置（第５外部電極８と重ならない位置）に配置されている。

上記構成を有する圧電アクチュエータ１の動作について、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明する。圧電アクチュエータ１は、駆動時においては２つの共振モードを有している。具体的には、圧電アクチュエータ１は、図５（ａ）に示されるように、圧電素子３の長手方向に振動する縦振動モードと、図５（ｂ）に示されるように、圧電素子３の高さ方向への屈曲振動モードとの重ね合わせによって振動する。

圧電アクチュエータ１では、第３外部電極６及び第６外部電極９をグランドに接続すると共に、第１外部電極４及び第６外部電極９と、第２外部電極５及び第５外部電極８とに、位相を９０°ずらした電圧をそれぞれ印加して圧電素子３を駆動させると、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２にそれぞれ位相が１８０°ずれた楕円運動が生じる。これにより、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２と被駆動体１００（図１参照）との間に交互に摩擦力が作用して、被駆動体１００が移動することとなる。第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２の楕円運動は、同じ軌跡となってもよいし、異なる軌跡となってもよい。

本実施形態では、圧電素子３は、幅方向（積層体２の一対の側面２ｅ，２ｆの対向方向）から見て、圧電素子３の長手方向の中心Ｃを通り且つ高さ方向に沿った直線に対して非対称である位置に、振動の腹（振動において振幅が最大となる位置）を有する。具体的には、図４に示されるように、圧電素子３の振動の腹は、例えば、Ｐ１〜Ｐ６で示す位置となる。圧電アクチュエータ１では、圧電素子３の振動の節（振動において振幅を生じない位置）に、第１外部電極４〜第６外部電極９が配置されている。

上述の振動の腹Ｐ１〜Ｐ６の位置は、縦振動モードの共振周波数と、屈曲振動モードの共振周波数とをずらすことにより実現されている。縦振動モードの共振周波数及び屈曲振動モードの共振周波数は、圧電素子３の長手方向と幅方向との寸法比により調整される。したがって、圧電素子３の寸法比を調整することにより、縦振動モードの共振周波数と屈曲振動モードの共振周波数とをずらすことができる。

また、上述の振動の腹Ｐ１〜Ｐ６の位置は、第１内部電極２２〜第４内部電極２８、及び、第６内部電極３２〜第９内部電極３８の構成により実現されている。具体的には、本実施形態では、圧電体層２０ｂ上及び圧電体層２０ｆ上のそれぞれにおいて、第３内部電極２６と第４内部電極２８とを接続部材２９により電気的に接続し、圧電体層２０ｄ上において、第６内部電極３２と第７内部電極３４とを接続部材４０により電気的に接続している。圧電素子３では、内部電極において最大寸法となる部分（領域）において変位が生じる。例えば、圧電体層２０ｂ上においては、第３内部電極２６と第４内部電極２８とが接続部材２９により電気的に接続されているため、対角に位置する第３内部電極２６及び第４内部電極２８にわたって変位が生じる。これに対して、対角において孤立する第１内部電極２２及び第２内部電極２４は、それぞれの最大寸法となる部分で変位が生じる。このように、同一の圧電体層２０ｂ上において、変位量に差が生じる。これにより、圧電素子３の振動の腹Ｐ１〜Ｐ６は、圧電素子３の幅方向から見て、圧電素子３の長手方向の中心Ｃを通り且つ高さ方向に沿った直線に対して非対称となる。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１では、電圧が印加されて縦振動モード及び屈曲振動モードが合成された振動モードが発生すると、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２のそれぞれに楕円運動が生じる。第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、楕円運動の加速部分（楕円の長手方向の成分）において高い駆動力が得られる。

本実施形態に係る圧電アクチュエータ１では、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６は、圧電素子３の幅方向から見て、圧電素子３の長手方向の中心Ｃを通り且つ高さ方向に沿った直線に対して非対称となる位置である。また、圧電アクチュエータ１では、第１摩擦部１０を、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、一方の端面２ａからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置し、第２摩擦部１２を、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、他方の端面２ｂからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置している。この構成により、圧電アクチュエータ１では、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２の楕円運動において、楕円の長手方向の成分が圧電素子３の長手方向に沿うように、楕円の長手方向の成分を傾けることができる（楕円の長手方向の成分と圧電素子３の長手方向とが成す角度を小さくできる）。これにより、圧電アクチュエータ１では、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２は、楕円運動の加速部分において被駆動体１００と接触する。したがって、圧電アクチュエータ１では、駆動力を確保することができる。その結果、圧電アクチュエータ１では、駆動特性の向上が図れる。

図６（ａ）は、従来の圧電アクチュエータの駆動特性を示す図であり、図６（ｂ）は、本実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動特性を示す図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、横軸は駆動推力［ｇ］を示し、縦軸は駆動速度［ｍｍ／ｓｅｃ］を示している。

図６（ａ）に示す従来の圧電アクチュエータでは、圧電素子の長手方向の長さをＬとした場合、長手方向の中央位置（１／２Ｌ）と、長手方向の一端から１／６Ｌの位置と、長手方向の他端から１／６Ｌの位置と、を節とすると共に、長手方向の一端及び他端と、長手方向の一端から１／３Ｌの位置と、長手方向の他端から１／３の位置と、を腹としている。図６（ａ）に示す従来の圧電アクチュエータでは、２つの摩擦部のそれぞれは、長手方向の一端から１／３Ｌの位置と、長手方向の他端から１／３Ｌの位置と、に配置されている。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１は、従来の圧電アクチュエータに比べて、駆動推力及び駆動速度のいずれも向上している。すなわち、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１では、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６を、圧電素子３の幅方向から見て、圧電素子３の長手方向の中心Ｃを通り且つ高さ方向に沿った直線に対して非対称となる位置とすると共に、第１摩擦部１０を、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、一方の端面２ａからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置し、第２摩擦部１２を、圧電素子３の腹Ｐ１〜Ｐ６以外の位置で、且つ、他方の端面２ｂからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置することで、摩擦部が振動の腹の位置に配置されている構成に比べて、駆動特性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

上記実施形態では、積層体２の主面２ｃに矩形状を呈する第１外部電極４〜第３外部電極６が配置されており、積層体２の主面２ｄに矩形状を呈する第４外部電極７〜第６外部電極９が配置されている形態を一例に説明した。しかし、外部電極の構成はこれに限定されない。

上記実施形態では、圧電体層２０ａ〜２０ｆが積層されることで積層体２が形成される形態を一例に説明した。しかし、圧電体層の積層数はこれに限定されず、設計に応じて適宜設定される。

上記実施形態では、図３に示される構成（形状）の第１内部電極２２〜第９内部電極３８を一例に説明した。しかし、内部電極の構成はこれに限定されない。内部電極は、圧電素子３が、積層体２の一対の側面２ｅ，２ｆの対向方向から見て、圧電素子３の長手方向の中心Ｃを通り且つ一対の主面２ｃ，２ｄの対向方向に沿った直線に対して非対称となる位置に、屈曲振動モードにより最大振幅を生じる腹を有する構成を実現できる構成であればよい。

上記実施形態では、第１摩擦部１０及び第２摩擦部１２を備える形態を一例に説明した。しかし、摩擦部を更に（３以上）備えていてもよい。

上記実施形態では、第１摩擦部１０が、圧電素子３の長手方向の長さをＬとした場合、積層体２の端面２ａから１／１２Ｌの位置に配置されている形態を一例に説明した。しかし、第１摩擦部は、圧電素子３の長手方向の長さをＬとした場合に、一方の端面２ａからの距離が１／３Ｌ未満となる位置に配置されていればよい。第２摩擦部についても同様である。

上記実施形態では、第１摩擦部１０が、圧電素子３の積層体２の主面２ｄにおいて、積層体２の幅方向に沿って連続して延在する形態を一例に説明した。しかし、第１摩擦部は、積層体の幅方向において断続的に配置されていてもよい。また、第１摩擦部の断面形状は、半円形状に限定されない。また、第１摩擦部は、円柱状、半球状などであってもよい。第２摩擦部についても同様である。

１…圧電アクチュエータ、２…積層体、３…圧電素子、２ａ，２ｂ…端面、２ｃ，２ｄ…主面、２ｅ，２ｆ…側面、１０…第１摩擦部、１２…第２摩擦部、２２…第１内部電極、２４…第２内部電極（第１内部電極）、２６…第３内部電極（第１内部電極）、２８…第４内部電極、２９…接続部材、３０…第５内部電極（第２内部電極）、３２…第６内部電極（第１内部電極）、３４…第７内部電極（第１内部電極）、３６…第８内部電極（第１内部電極）、３８…第９内部電極（第１内部電極）、４０…接続部材、Ｃ…中心。

Claims (2)

1. 複数の圧電体層を積層することによって形成されると共に、長方形状を呈し且つ互いに対向する一対の主面と、一対の前記主面の長辺方向で互いに対向する一対の端面と、一対の前記主面の短辺方向で互いに対向する一対の側面と、を有し、印加される電圧によって縦振動モードと屈曲振動モードとが合成された振動モードを発生させる圧電素子と、
   前記圧電素子において一方の前記主面に配置されると共に、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる第１摩擦部及び第２摩擦部と、を備え、
   前記圧電素子は、
   一方の前記主面において、一対の前記端面の対向方向において所定の間隔をあけて配置される少なくとも２つの外部電極と、
   一対の前記側面の対向方向から見て、前記圧電素子の長手方向の中心を通り且つ一対の前記主面の対向方向に沿った直線に対して非対称となる位置に、前記屈曲振動モードにより最大振幅を生じる腹と、を有し、
   前記第１摩擦部は、前記圧電素子の前記腹以外の位置で、且つ、前記圧電素子の前記長手方向の長さをＬとした場合に、一方の前記端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置であって、一方の前記主面において、一方の前記外部電極よりも一方の前記端面側の位置に配置されており、
   前記第２摩擦部は、前記圧電素子の前記腹以外の位置で、且つ、他方の前記端面からの距離が１／３Ｌ未満となる位置であって、一方の前記主面において、他方の前記外部電極よりも他方の前記端面側の位置に配置されている、圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電素子は、同一の前記圧電体層上に配置される４つの第１内部電極と、４つの前記第１内部電極と前記圧電体層を挟んで対向して配置され、前記第１内部電極との間に電圧が印加される第２内部電極と、を有し、
   ４つの前記第１内部電極のうち、２つの前記第１内部電極が第１の対角に位置し、他の２つの前記第１内部電極が前記第１の対角に交差する第２の対角に位置しており、
   前記第１の対角又は前記第２の対角に位置する２つの前記第１内部電極が接続部材によって電気的に接続されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。

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