JP7746037B2 - 振動型アクチュエータ、光学機器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は超音波モータを含む振動型アクチュエータに関する。

弾性を有する振動板（弾性体）と圧電素子を接着した振動子が励起する２つの振動モードにより駆動する振動型アクチュエータが広く使われている。一例として振動子を構成する圧電素子に電圧を印加してモードＡとモードＢの二つの振動を発生させ、振動子に楕円振動を起こす方式の振動型アクチュエータがある。このような振動型アクチュエータでは電圧印加により振動子に発生する楕円振動と、振動子と接する接触体との接触面に生じる摩擦力によって振動子と接触体とが相対的に移動するものである。

特許文献１は、２つの振動モードによって駆動する振動型アクチュエータを開示している。振動型アクチュエータに用いられる圧電素子には、発生させる振動を阻害しないように、モードＡとモードＢの振動モードのそれぞれの節線の交点にスルーホールを設けることが開示されている。

しかしながら圧電素子を貫通する貫通部では圧電素子を構成する圧電材料が部分的に欠損する。そのため振動型アクチュエータの振動特性が低下するという課題があった。

特開２０１７－１５８４２９

本願発明は貫通部による振動特性の低下を抑えた振動型アクチュエータを提供する。

上記課題を解決する振動型アクチュエータは、
矩形状の圧電材料と、前記圧電材料に設けられた一対の電極と、
前記電極の一方と通電し前記圧電材料を貫き内壁に導電性材料を備えた貫通孔を備えた圧電素子と、弾性体を有する振動子と、
前記振動子と接し前記振動子と相対的に移動する接触体を備え、
前記貫通孔が、前記圧電材料の長辺に沿って振動の２本の節が生じる１次の面外曲げ振動モードの節線と、前記圧電材料の短辺に沿って振動の３本の節が生じる２次の面外曲げ振動モードの節線との交点を結んで囲まれる領域の外のみに形成されており、
前記圧電材料の含有する鉛の量が１０００ｐｐｍ未満であることを特徴とする。

本発明によれば、貫通部による振動特性の低下を抑えた、優れた振動特性を有する振動型アクチュエータを提供することができる。

本発明の振動型アクチュエータの概略構造を説明する図である。 本発明の振動型アクチュエータを構成する圧電素子の構造を説明する図である。 本発明の振動子が発生する二つの振動モードを説明する図である。 本発明の振動子に発生する二つの振動モードの節と腹位置を説明する図である。 本発明の振動子に発生する二つの振動モードにおける歪の節と腹位置を説明する図である。 本発明の実施例に対応する貫通部の構造を説明する図である。 本発明の振動型アクチュエータの貫通部の配置を説明する図である。 本発明に係る圧電セラミックス１１４Ｐおよび貫通部１１４Ｅを示す図である。 実施例および比較例に係る振動型アクチュエータを説明する図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。本実施形態の振動型アクチュエータは、以下の要素を備えている。

すなわち矩形状の圧電材料と、圧電材料に設けられた一対の電極と、電極の一方と通電し圧電材料を貫く貫通部を備えた圧電素子と、弾性体を有する振動子と、振動子と接し振動子と相対的に移動する接触体である。

矩形状の圧電材料の長辺に沿って振動の２本の節が生じる１次の面外曲げ振動モードの節線と、前記圧電材料の短辺に沿って振動の３本の節が生じる２次の面外曲げ振動モードの節線に注目する。これらの節線の交点を結んで囲まれる領域の外に貫通部が形成されている。

図１は、振動型アクチュエータ１００の概略構造を説明する斜視図である。

振動型アクチュエータ１００は、振動子１１５および該振動子と接して該振動子に対して相対的に移動可能に配された接触体１１１を備える。振動子１１５は板状で弾性を有する振動板１１３（弾性体）と、振動板１１３の一方の面に接合された略矩形で板状の圧電素子１１４と、振動板１１３の他方の面に設けられた２つの突起部１１２から構成される。

接触体１１１と振動子１１５はバネ部材あるいは磁石等で構成される不図示の加圧部により互いに加圧接触するように構成されている。

なお「接触体」とは、振動子と接触し、振動子に発生した振動によって、振動子に対して相対移動する部材のことをいう。接触体と振動子の接触は、接触体と振動子の間に他の部材が介在しない直接接触に限られない。接触体と振動子の接触は、振動子に発生した振動によって、接触体が振動子に対して相対移動するならば、接触体と振動子の間に他の部材が介在する間接接触であってもよい。「他の部材」は、接触体及び振動子とは独立した部材（例えば焼結体よりなる高摩擦材）に限られない。「他の部材」は、接触体又は振動子に、メッキや窒化処理などによって形成された表面処理部分であってもよい。

したがって、接触体１１１は、振動子１１５から加圧され、振動子１１５と相対的に移動可能な部材であればよく、振動子１１５と直接的に接するものに限られず、他の部材を介し振動子１１５と間接的に接するものであってもよい。

振動型アクチュエータ１００においては、圧電素子１１４に特定の周波数の電圧が印加されることで、振動子１１５に所定の振動モードが励振される。これらの振動モードの振動を複数もちいることにより２つの突起部の先端に楕円振動を生成する。その結果、振動子と接触体の接点に生じる摩擦力によって所定の駆動方向に接触体１１１を駆動することができる。この楕円振動は、例えば振動子１１５に２つの振動モードを励振することで生成される。

以下の説明において、”振動型アクチュエータの性能の低下”に関して、ある移動速度での消費電力（定格電力）が増加すること、つまり効率が低下することとして説明することがある。

図２は本発明の振動型アクチュエータ１００を構成する圧電素子１１４の構造を説明する図である。圧電素子１１４は矩形状の圧電材料と電極部とで構成される。圧電材料は多結晶の圧電セラミックス、もしくは圧電単結晶など圧電性を発揮するものであればよいが、以下では多結晶の圧電セラミックスを例に挙げて説明する。

図２（ａ）は圧電素子１１４の主面を、図２（ｂ）は圧電素子１１４の主面と対向する面を示す。矩形状の圧電セラミックス１１４Ｐは長手方向に２分された第１の領域と、第１の領域と隣あう第２の領域がある。前記第１および第２の領域にはそれぞれ、第１の電極１１４Ａと第２の電極１１４Ｂが形成されている。また前記第１の電極１１４Ａと第２の電極１１４Ｂとともに前記圧電セラミックス１１４Ｐを挟持する第３の電極１１４Ｄを有する。また前記第１の電極１１４Ａおよび第２の電極１１４Ｂが設けられた面（主面）から前記第３の電極に通電するために、前記圧電セラミックスを貫通する貫通部１１４Ｅを有する。

圧電素子１１４の主面と対向する面が振動板１１３の突起部１１２が設けられていない面と接着される。

前記第１の電極１１４Ａと第２の電極１１４Ｂが設けられた領域での圧電セラミックス１１４Ｐの分極方向は同一方向であり、公知の分極処理方法によってあらかじめ分極処理が施されていてもよい。

モードＡおよびモードＢの振動を発生させるために、圧電素子１１４の第３の電極１１４Ｄを接地するとともに、第１の電極１１４Ａには交番電圧Ｖ_Ａを印加し、第２の電極１１４Ｂには交番電圧Ｖ_Ｂをそれぞれ独立に印加する。

特に断りのない限り、交番電圧Ｖ_ＡとＶ_Ｂの振幅の大きさは等しいものとして以下説明する。

第１の電極１１４Ａおよび第２の電極１１４Ｂへの給電の手段としては、例えば圧電素子１１４の表面に給電部材として不図示のフレキシブルプリント基板を接着する。フレキシブルプリント基板には、第１の電極１１４Ａおよび第２の電極１１４Ｂとそれぞれ接続されて交番電圧を給電するための電極と、電極１１４Ｅと接続される接地電位の電極が少なくとも設けられている。フレキシブルプリント基板と、電気的な断線を抑制して導通の信頼性を高めるために、図２（ｃ）に示すように主面上に貫通部１１４Ｅと電気的に接続されている第４の電極１１４Ｆが形成されていてもよい。

図２（ｃ）に描かれるように貫通部１１４Ｅは、貫通孔および前記貫通孔の内壁に導電性材料を備える構成をとってよい。その場合、導電性材料が前記貫通孔を充填していると、接着剤の拡散を防いだり、十分に低い抵抗値で導通したりするためより好ましい。また貫通部１１４Ｅとして、図２（ｄ）に描かれるように、圧電セラミックス（矩形状の圧電材料）の端面に設けられ、圧電素子１１４の主面とその主面と対向する面を結ぶ溝および前記溝の内壁に導電性材料を備えた構成であってもよい。導電性材料は第１、第２、および第３の電極のいずれかと同じ導電性材料であってもよいし、十分な導通が確保されれば他の導電性材料であってもよい。

貫通部１１４Ｅの断面形状は特に限定されないが円形状が好ましい。円形状には楕円率が０．９以上の楕円形状も含まれる。圧電セラミックスの焼成前に貫通部を圧電セラミックスの成形体に形成しておく場合、貫通部の断面形状は円形状であると焼結中に等方的に収縮が進みクラックが入りにくい。圧電セラミックスを焼成する前のグリーンシートの状態で、パンチやドリルを用いて貫通孔を形成することができる。

圧電セラミックスの原料を含有する成形体に設けられた貫通孔に電極材料を充填し、電極材料と成形体とを共に焼成処理する場合には、焼成温度が高くなるほど電極材料に求められる耐熱性も高くなる。銀パラジウム電極の場合は高価なパラジウム比率を増やす必要があり、銀パラジウム電極よりもさらに高い耐熱性が必要な場合は高価なプラチナを用いたりする必要がある。

他方、生産コストを低減するためには、貫通孔を予め形成した成形体を焼成して圧電セラミックスを得た後に、セラミックスの貫通孔に電極材料を充填する工程を採用するとよい。この工程を採用すると、貫通孔に充填する電極に銀ペーストなど安価な電極材料を用いることができる。

また図２（ｄ）に示すように、貫通部１１４Ｅが圧電セラミックス１１４Ｐの側面に露出している場合、断面形状は半円弧状の形状を採用してもよいし、他の凹部状の溝の形状を採用してもよい。

このような形状の貫通部１１４Ｅを製造するにあたっては、予め形成した貫通孔を切断してもよいし、回転するブレードを側面にあてて加工することでも製造できる。

＜二つの面外曲げ振動モード＞
図３は本発明の振動型アクチュエータ１００の駆動に使用される振動子が発生する二つの振動モードを説明する図である。

図３（ａ）は、振動型アクチュエータ１００を構成する振動子１１５に励振される１次の面外曲げ振動モード（以下「モードＡ」と称呼する）について説明する斜視図である。図３（ｂ）は、振動型アクチュエータ１００を構成する振動子１１５に励振される２次の面外曲げ振動モード（以下「モードＢ」と称呼する）について説明する斜視図である。交番電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂの時間的な位相差が０°であり、交番電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂの周波数がそれぞれモードＡの共振周波数付近である時、振動子１１５には図３（ａ）に示される、モードＡの振動が発生する。モードＡの振動では、矩形状の圧電材料の長辺に沿って振動の２本の節が生じる。モードＡは第１の領域と第２の領域がともに伸長または収縮する振動モードである。

他方、交番電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂの時間的な位相差が１８０°であり、それらの周波数がモードＢの共振周波数付近である時、振動子１１５には図３（ｂ）に示されるモードＢの振動が発生する。モードＢの振動では、圧電材料の短辺に沿って振動の３本の節が生じる。モードＢは第１の領域が伸張するときに第２の領域が収縮し、反対に前記第１の領域が収縮するときに第２の領域が伸張するモードである。

振動板の突起部１１２は、モードＡの振動の腹（振幅が最大となるところ）となる位置近傍であって、かつモードＢの振動の節（振幅が最小となるところ）となる位置近傍である位置に配置されている。モードＡの振動により振動子１１５の突起部１１２の先端面はＺ方向に往復運動する。また、突起部１１２の先端面はモードＢの振動によりＸ方向に往復運動する。

振動型アクチュエータ１００では、モードＡとモードＢが重畳し、振動板の突起部１１２に楕円振動が励振される。

なお、図３におけるＺ方向は、振動子を接触体に対して加圧する方向（モードＡの振動において突起部が上下する方向）である。Ｘ方向は、振動子と接触体が相対的に移動する方向（モードＢの振動において突起部が往復する方向）である。Ｙ方向は、ＸＺ面に垂直な方向である。

交番電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂの位相差が０～±１８０°であるときにモードＡ、Ｂが重畳して突起部１１２の先端面にＸＺ面内の楕円運動を発生させることができる。

突起部１１２と接触体１１１との間には、加圧接触による摩擦力が働くため、突起部１１２の楕円運動によって、接触体１１１をＸ方向に駆動する駆動力（推力）を発生させることができる。

モードＡ、Ｂの共振周波数は矩形状圧電材料の長辺、短辺の寸法で調整することができる。矩形状の圧電材料の、長辺は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、前記短辺は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であると好ましい。長辺が６ｍｍ以上２０ｍｍ以下、前記短辺は３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であると加工精度に起因する共振周波数のばらつきが小さくより好ましい。

振動する圧電素子には振動モードに応じて、振動の腹、振動の節、歪の腹、歪の節が存在する。

＜振動の節／腹＞
図４は本発明の振動子に発生するモードＡおよびモードＢに対応する振動の節線と腹線の位置を示す。図４は振動子１１５を圧電素子１１４側からみた平面図である。

図４（ａ）はモードＡの振動の２本の節線を破線４１１で、振動の３本の腹線を一点鎖線４１２で示したものである。モードＡの節線及び腹線は、任意のＹＺ面内での振動の節及び腹位置をＸ方向につなげることでそれぞれ得られる。

また図４（ｂ）はモードＢの振動の３本の節線を破線４２１で、振動の２本の腹線を一点鎖線４２２で示したものである。モードＢの節線及び腹線は、任意のＸＺ面内での振動の節及び腹位置をＹ方向につなげることでそれぞれ得られる。

振動型アクチュエータ１００を利用する際には振動子１１５のモードＡとモードＢを共に用いる。図４（ｃ）はモードＡの節線およびモードＢの節線を重ねて記載し、好ましい貫通部１１４Ｅ（図中でＥと表記）の位置を例示したものである。モードＡの節線およびモードＢの節線の交点４２３を四角形で示す。モードＡとモードＢのそれぞれの振動によって生じる節線の交点が６つあることがわかる。後段にて説明するが、この６つの交点で囲まれる領域４３１を斜線域にて示した。

＜振動の節線及び腹線位置＞
振動子１１５におけるモードＡおよびモードＢの励起によって圧電セラミックス１１４Ｐに発生する振動の節線位置や腹線位置は以下のように計測する。すなわち、振動子１１５にモードＡもしくはモードＢの振動を発生させる。モードＡを発生させる際には交番電圧Ｖ_ＡとＶ_Ｂの位相差は０°とする。モードＢを発生させる際には交番電圧Ｖ_ＡとＶ_Ｂの位相差は１８０°とする。そして、たとえばレーザードップラー振動計でＺ方向への振動速度をＸＹ平面上で二次元的に測定し、各点のＺ方向の変位を算出することでモードＡおよびモードＢの節線および腹線の位置を計測できる。

なお、圧電素子１１４にフレキシブルプリント基板が貼付されていて、圧電素子１１４や圧電セラミックス１１４Ｐの振動を直接的に測定困難である場合がある。そのような場合は振動板１１３の表面の振動状態を観察し、観察された節線及び腹線の位置を圧電素子１１４に投影し、圧電セラミックス１１４Ｐに発生した振動の節線及び腹線の位置として扱ってよい。また、圧電セラミックス１１４Ｐの表面に設けられた電極材料は圧電セラミックス１１４Ｐと比べて厚みも剛性も十分小さいため、圧電素子１１４上に生じた振動は圧電セラミックス１１４Ｐに生じた振動とみなしてよい。または、有限要素法によるモーダル解析からもそれぞれの振動の節および腹の位置を求めることができる。

振動測定時には振動子は接触体へ加圧されていなくてもよい。

＜歪の節／腹＞
振動子１１５が振動する際、圧電セラミックス１１４Ｐの内部には歪が生じている。モードＡおよびモードＢでの歪の節線及び腹線は、前述の振動の節線及び腹線と同様の手順で得られる。歪の節線および腹線の位置は、振動の節線および腹線の位置と異なることがある。

図５は本発明の振動子に発生するモードＡおよびモードＢにおける圧電セラミックス１１４Ｐの歪の節と腹の位置を示す。

図５（ａ）はモードＡにおける圧電セラミックス１１４Ｐの歪の節を破線５１１で、歪の腹を一点鎖線５１２で示したものである。図５（ｂ）はモードＢにおける圧電セラミックス１１４Ｐの歪の節位置を破線５２１で、歪の腹位置を一点鎖線５２２で示したものである。

モードＡの歪の節は、長辺に平行に圧電セラミックス端部付近に存在する。

モードＢの歪の節は、短辺に平行に圧電セラミックス端部付近と圧電セラミックス中央に存在する。また腹は節と節の間に位置する。

図５（ｃ）はモードＡの歪の節線およびモードＢの歪の節線を重ねて記載したものであり、歪の節位置は主に圧電セラミックス１１４Ｐの外周部と、矩形状圧電材料の２長辺と交差し該２長辺をそれぞれ二等分する線上に存在する。

図４および図５に記載のように、圧電セラミックス１１４Ｐの２つの長辺の付近は、モードＡの振動の腹にあたるとともにモードＡの歪の節に相当する。他方で、矩形状の圧電セラミックス１１４Ｐの２つの短辺の付近は、モードＢの振動の腹にあたるとともにモードＢの歪の節に相当する。振動の節／腹とは異なり直接観察が困難であるので、歪の節／腹の位置は有限要素法による解析で求める。

＜好適な貫通部の位置１＞
歪の節位置は、圧電セラミックス１１４Ｐが振動を発生するために行う仕事が最小の位置であり、圧電セラミックス１１４Ｐに貫通部１１４Ｅを設ける場所として好適である。

反対に歪の腹位置は圧電セラミックス１１４Ｐが振動を発生するために行う仕事が最大の位置であり、圧電セラミックス１１４Ｐに貫通部１１４Ｅを設ける場所として好ましくない。

図５（ｄ）は、領域４３１およびモードＡ及びモードＢの歪の腹線を共に描いた図である。領域４３１はモードＡの歪の腹線５１２とモードＢの歪の腹線５２２が交差する領域を含み、振動による圧電セラミックスの歪が大きな領域である。上記モードＡの腹線５１２とモードＢの歪の腹線５２２の交点であって、最も歪の大きな点における歪量を１００％とすると領域４３１での歪量は３０％以上である。つまり領域４３１は圧電セラミックス１１４Ｐが振動を発生するために行う仕事が大きい領域である。したがって領域４３１の輪郭（振動の節線の交点を結んだ線）およびその内側に貫通部を設けると振動が減少し、振動型アクチュエータの効率が低下する。

振動の節位置は、振動量が少ないため振動阻害を抑制しながらフレキシブルプリント基板などの部材を接着するには好適な場所である。一方で振動の節位置は、振動に対応して発生する歪の量が大きいことがあるので、貫通部を設ける位置としては振動の節位置は必ずしも最適ではない。

したがって、圧電セラミックス１１４Ｐにおける貫通部１１４Ｅは、モードＡの振動の節線４１１とモードＢの振動の節線４２１の交点によって囲まれる領域４３１の外に形成されている。

「貫通部１１４Ｅが領域４３１の外に形成されている」とは領域４３１内の領域には貫通部１１４Ｅが形成されておらず、領域４３１の外の領域に貫通部１１４Ｅが形成されていることを指す。

図４（ｃ）に記載の振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の輪郭の外側の領域に貫通部１１４Ｅを少なくとも１つ設けるとよい。このことによって、圧電素子の欠損による振動特性低下を抑えることができ、優れた振動特性を有する振動型アクチュエータを提供することができる。

＜好適な貫通部の位置２＞
図７は本発明の振動型アクチュエータの貫通部の配置を説明する図である。

貫通部１１４Ｅ（図中ではＥと表記）は、モードＡの節線４１１から矩形状の圧電セラミックス１１４Ｐの長端辺側へ延在する領域に形成されているとより好ましい（図７（ａ），図７（ｂ），図７（ｃ））。このような貫通部１１４Ｅの配置は、振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の外の領域において、より好ましいものである。なぜなら、当該領域ではモードＡおよびモードＢの歪または振幅が共に腹となる領域がなく、さらにモードＡの歪の腹線５１２（図５（ａ））から総じて遠いためモードＡの振動に対して貫通部１１４Ｅによる振動阻害がより小さいからである。

＜好適な貫通部の位置３＞
図８は、本発明に係る圧電セラミックス１１４Ｐおよび貫通部１１４Ｅ（図中ではＥと表記）を示す図である。

振動の節線の交点（図中の白抜き四角）によって囲まれる領域４３１の外の領域において、矩形状の圧電セラミックス１１４Ｐの２つの長辺をそれぞれ二等分する線に注目する。この二等分線から３００ミクロン（＝０．３ｍｍ）以内にある領域に貫通部１１４Ｅが少なくとも１つ形成されていると好ましい。この領域に貫通部１１４ＥのＸＹ平面断面の重心があるとなおよい。

なぜならば二等分線から３００ミクロン以内の領域は、モードＢの歪の節とモードＢの振動の節を共に含むため、貫通部１１４Ｅを設けることによる振動型アクチュエータ１００の効率低下をより一層抑えられるからである。なおモードＢの歪の節線５２１とモードＢの振動の節線４２１は重複しているため、図８では便宜上、１本の破線で描いており、他の節線の一部は省略して描いている。

＜貫通孔の直径＞
貫通孔の直径は１４０ミクロンよりも大きく４００ミクロンよりも小さいと好適である。直径が１４０ミクロン以下であると、貫通孔内部の電気抵抗が高くなり振動型アクチュエータ１００の効率が低下するおそれがあるからである。また直径が４００ミクロン以上となると、貫通部１１４Ｅによる圧電材料の欠損が大きく振動特性が低下してしまうおそれがあるからである。直径が１４０ミクロンよりも大きく３００ミクロン以下になると十分な導電性を維持しつつ、さらに貫通孔に導電性材料を充填し、閉じることが容易になるためより好ましい。貫通孔の直径が一定ではない場合、本明細書における貫通孔の直径は最大の貫通孔の直径で定義される。

図６は貫通孔および貫通孔の内壁に導電性材料を備えた貫通部１１４Ｅの断面形状の一例を示す図である。

図６（ａ）は貫通孔が導電性材料によって充填されていない（閉じていない）場合であり、図６（ｂ）は導電性材料によって貫通孔が充填されている場合の概略図である。貫通孔が導電性材料によって閉じていると、振動板１１３と圧電素子１１４を接合する際に用いる接着剤が貫通部１１４Ｅを経由して拡散することを防いだり、貫通孔の電気抵抗を下げたりする効果もあり、より好ましい。

貫通孔が閉じていないと、貫通孔を通じて圧電素子の反対面に置いた光源の光が見える。

＜貫通部の個数＞
貫通部１１４Ｅの個数の制限はないが、偶数個の貫通部１１４Ｅが前記矩形状圧電セラミックス１１４Ｐの短辺を二等分する線に対して線対称に配置されていると好ましい。そのような構成をとることにより、モードＡの対称性が損なわれず、振動型アクチュエータ１００の効率低下を抑制できる。またフレキシブルプリント基板などを張り付ける際に、圧電素子の向きを揃える必要がなくなり好適である。

一方で貫通部１１４Ｅの数が一つであると生産コストの低減の観点でさらに好ましい。特に貫通孔の直径が１４０ミクロンよりも大きく３００ミクロンよりも小さいと、貫通部が１つであっても振動の対称性を乱すことがないためより好ましい。つまり貫通部が矩形状圧電材料の２短辺の二等分線に対して実質的に線対称に配置されていることが好ましい。

＜圧電材料の含有する鉛の量＞
圧電素子１１４が備える圧電セラミックス１１４Ｐには、圧電特性に優れるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用することができるが、圧電材料の含有する鉛の量が１０００ｐｐｍ未満であると環境負荷が小さいためより好ましい。圧電材料に含まれる鉛の含有量は、例えば蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析により定量された圧電材料の総重量に対する鉛の含有量によって評価することができる。

鉛の含有量の少ない圧電材料の一例は、具体的には圧電材料が、Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉ，およびＺｒを含むペロブスカイト型構造の酸化物、およびＭｎ、を含有する圧電材料である。そして、前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０である。そして前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対する前記Ｚｒのモル比であるｙが、０．０２０≦ｙ≦０．０９５であり、かつｙ≦ｘである。加えて前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対する前記Ｂａおよび前記Ｃａの和のモル比であるａが、１．００≦ａ≦１．０１である。さらには、前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下であると好ましい。本組成は以後ＢＣＴＺと称する。

また鉛の含有量の少ない圧電材料の第二の例として、Ｎａ、Ｂａ、ＮｂおよびＴｉを含む酸化物と、ＭｎおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む圧電材料を用いることができる。前記酸化物１ｍｏｌに対する前記Ｎａのｍｏｌ比であるｘが、０．８０≦ｘ＜０．９２である。そして前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｎｂのｍｏｌ比であるｙが、０．８３≦ｙ＜０．９２である。加えて前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｂａのｍｏｌ比は０．０８より大きく０．２０以下である。そしてＮｉの含有量は酸化物１ｍｏｌに対して０．０５ｍｏｌ以下であり（つまりモル比が０．０５以下）、Ｍｎの含有量は酸化物１ｍｏｌに対して０．００５ｍｏｌ以下（つまりモル比が０．００５以下）である。圧電材料はペロブスカイト型の圧電材料であるとより好ましい。本組成は以後ＮＮＢＴと称する。

＜圧電セラミックスの厚みについて＞
前記圧電セラミックス１１４Ｐが厚み０．３ミリ以上の単層であると好ましい。

圧電セラミックスが厚みが０．３ミリ以上であると振動板１１３など部材接着時の加圧で割れにくく歩留まりが増加するからである。また内挿電極を有する積層型圧電素子と比較して単層圧電素子はコストが安く、堅牢であるため好ましい。

一方で圧電セラミックスの厚みが０．５ミリよりも厚くなると、貫通孔の内壁への電極形成が困難となり、貫通孔内部で電極が断線する恐れがある。よって圧電セラミックスの厚みは０．３ミリ以上０．５ミリ以下であることが好ましい。

次に実施例を挙げて、本発明の振動型アクチュエータおよび振動子を説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。表１には本発明の実施例および比較例をまとめる。

まず実施例の説明に先立ち、実施例との比較対象となる比較例の振動型アクチュエータについて説明する。尚、貫通部の位置と数に応じて主面に形成される電極形状は適宜変更される。

＜比較例１＞
図９（ａ）に示すようにモードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の内側に貫通部１１４Ｅを合計２つ設けた圧電素子を作製した。圧電材料には厚み０．３５ミリのＰＺＴを用いた。２つの貫通部１１４ＥはモードＡの歪の腹線とモードＢの歪の腹線の交点に設けられ、貫通孔の直径は６００ミクロンである。この圧電素子を用いて作製した振動型アクチュエータの定格電力はＷ_ｒｅｆ１であった。

＜比較例２＞
図９（ｂ）に示すようにモードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の内側に貫通部を設けた圧電素子を作製した。すなわち、モードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点位置に合計２つの貫通部１１４Ｅを設けたこと以外は比較例１と同様である圧電素子である。この圧電素子を用いて作製した振動型アクチュエータの定格電力はＷ_ｒｅｆ２であり、Ｗ_ｒｅｆ２の値は比較例１と比べてより低い、Ｗ_ｒｅｆ２＜Ｗ_ｒｅｆ１の関係であった。Ｗ_ｒｅｆ２およびＷ_ｒｅｆ１の値はいずれも大きく、振動型アクチュエータの効率は十分ではなかった。

＜実施例１＞
図９（ｃ）に示すようにモードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の外に貫通部を設けた圧電素子を作製した。すなわち圧電セラミックスの２つの短辺を二等分する直線とモードＢの節線の交点と、圧電セラミックスの短辺との中点の位置に合計２つの貫通部１１４Ｅを設けたこと以外は比較例１と同様である圧電素子である。

貫通部１１４Ｅを設けた位置は領域４３１の外ではあるがモードＡの振動の節線によって挟まれる領域内である。

この圧電素子を用いて作製した振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ１とすると、Ｗｅ_ｘ１＜Ｗ_ｒｅｆ２＜Ｗ_ｒｅｆ１であった。すなわち比較例１および比較例２の構成より振動型アクチュエータの効率が向上していた。

＜実施例２＞
図９（ｄ）に示すようにモードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点によって囲まれる領域４３１の外に直径６００ミクロンの貫通孔を２つ有する貫通部１１４Ｅを設けた圧電素子を作製した。具体的には、貫通部１１４Ｅの位置は、圧電セラミックスの２つの長辺をそれぞれ二等分する直線とモードＡの振動の節線の交点と圧電セラミックスの長辺との中点から、圧電素子の重心を点対称に４００ミクロンずつずれた位置にある。この圧電素子を用いて作製した振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ２とすると、測定の結果はＷ_ｅｘ２＜Ｗ_ｅｘ１＜Ｗ_ｒｅｆ２＜Ｗ_ｒｅｆ１であった。すなわち比較例１および比較例２の構成より振動型アクチュエータの効率が向上していた。さらには実施例１の構成よりも振動型アクチュエータの効率が向上していた。

＜実施例３＞
図９（ｅ）に示す様に、２つの貫通部１１４Ｅの位置が領域４３１の外にあり、かつ圧電セラミックスの２長辺をそれぞれ二等分する直線に対しＸ方向のずれ量が３００ミクロン以内である圧電素子を作製した。この圧電素子を用いて作製した振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ３とすると、測定の結果はＷ_ｅｘ３＜Ｗ_ｅｘ２＜Ｗ_ｅｘ１＜Ｗ_ｒｅｆ２＜Ｗ_ｒｅｆ１であった。

＜実施例４＞
貫通孔の直径が１４０ミクロンである以外は実施例３と同じ圧電素子を作製した。同素子を用いた振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ４はＷ_ｅｘ４＜Ｗｅ_ｘ３であり、振動型アクチュエータの効率がより向上していた。

＜実施例５＞
貫通孔の直径が４００ミクロンである以外は実施例３と同じ圧電素子を作製し、同素子を用いた振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ５はＷ_ｅｘ４とほぼ同じであった。

＜比較例３＞
貫通孔の直径が９００ミクロンである以外は実施例３と同じ圧電素子を作製し、同素子を用いた振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｒｅｆ３はＷ_ｅｘ３＜Ｗｒ_ｅｆ３であった。実施例３－５、比較例３の結果をまとめると、
Ｗ_ｅｘ５≒Ｗ_ｅｘ４＜Ｗ_ｅｘ３＜Ｗ_ｒｅｆ３の関係にあった。

上述の結果から、貫通部の幅が１４０ミクロン以上４００ミクロン以下であるとより好ましい。

＜実施例６＞
貫通部の数が１つである以外は実施例５と同じ圧電素子を作製し、同素子を用いた振動型アクチュエータの定格電力Ｗ_ｅｘ６はＷ_ｅｘ５とほぼ同じであった。

＜実施例７＞
ＢＣＴＺを圧電材料に用いた圧電素子を作成した。圧電材料の組成が違うこと以外は実施例６同様に圧電素子を作製した。同素子を用いた振動型アクチュエータでも本発明の効果が得られることを確認した。

＜実施例８＞
ＮＮＢＴを圧電材料に用いた圧電素子を作成した。圧電材料の組成が違うこと以外は実施例６同様に圧電素子を作製した。

同素子を用いた振動型アクチュエータでも本発明の効果が得られることを確認した。

＜実施例９＞
貫通孔の直径が２００ミクロンであること以外は実施例７と同じ圧電素子を作製した。同素子を用いた振動型アクチュエータの効率は実施例７記載の振動型アクチュエータ同等であった。貫通孔を含む圧電素子の断面観察を行い、素子表面に形成された電極と貫通孔内壁の電極の平均厚みをそれぞれ求めた。平均厚みは素子表面もしくは貫通孔内に形成された電極の断面積を画像処理から求め、得られた断面積を電極形成部の長さで除して求めた。貫通孔内部での電極の平均厚みは、貫通孔内の電極の断面積を圧電材料の厚みを二倍した数値で割って得られる。その結果、表面電極と貫通孔内電極との平均厚みの比率は２．５～１０倍であり、貫通孔内部の電極の平均厚みの方が大きかった。

＜実施例１０＞
貫通孔の直径が１４０ミクロンであること以外は実施例７と同じ圧電素子を作製した。同素子を用いた振動型アクチュエータでも本発明の効果が得られることを確認した。

＜比較例４＞
圧電セラミックスの厚みが０．２５ミリであること以外は実施例９と同じ圧電素子を作製した。しかし同圧電素子を振動板と加圧接着する際に１０％の圧電素子が割れ、圧電素子の堅牢性が十分ではないことがわかった。

＜実施例１１＞
圧電セラミックスの厚みが０．３ミリであること以外は実施例９と同じ圧電素子を作製し、同素子を用いた振動型アクチュエータを作成した。圧電セラミックスの厚みが０．３ミリであるときは、圧電素子に振動板を接着する際に圧電素子が割れる頻度は１％以下であった。圧電セラミックスの厚みを０．３ミリ以上に増やすことで、振動板と圧電素子の接着工程で圧電素子が割れる確率は１％以下になった。すなわち圧電材料の厚みは０．３ミリ以上であると堅牢であり、より好ましい。

＜実施例１２＞
圧電セラミックスの厚みが０．５ミリであること以外は実施例９同様に振動型アクチュエータを作製した。圧電素子の割れは発生しなかった。

＜比較例５＞
圧電セラミックスの厚みが０．７ミリであること以外は実施例９同様に振動型アクチュエータを作製した。圧電素子の割れは発生しなかったが、貫通孔内壁の電極は断線しており振動型アクチュエータは動作しなかった。実施例９と同様の手法で表面電極と貫通孔内電極との平均厚みの比率を測定したところ、比率は２．５倍未満と小さかった。一部内壁は電極で被覆されていなかった。

以上のように、モードＡの振幅の節線とモードＢの振幅の節線の交点を結んで囲まれる領域４３１の外に貫通部を設けた圧電素子を用いた本発明の振動型アクチュエータについて説明した。当該振動型アクチュエータは、該領域４３１の内側に前記貫通部を設けた圧電素子を用いた振動型アクチュエータよりも効率よく駆動することができる。

本発明の振動型アクチュエータは、光学機器の駆動部としても好適に利用できる。また本発明の振動型アクチュエータは、電子機器の駆動部としても広く活用することが可能である。

具体的には本発明の振動型アクチュエータは、撮像装置（光学機器）のレンズや撮像素子の駆動用途、複写機の感光ドラムの回転駆動用途、ステージの駆動用途等の様々な用途に用いることができる。本明細書では一台の振動型アクチュエータについて説明したが、複数の振動型アクチュエータを円環状に配置しリング状の接触体を回転駆動することもできる。

１００ 振動型アクチュエータ
１１１ 接触体
１１２ 突起部
１１３ 振動板
１１４ 圧電素子
１１４Ａ 第１の電極
１１４Ｂ 第２の電極
１１４Ｄ 第３の電極
１１４Ｅ 貫通部
１１４Ｆ 第４の電極
１１４Ｐ 圧電セラミックス
１１５ 振動子
４１１ 一次の面外曲げ振動（モードＡ）の節線
４１２ 一次の面外曲げ振動（モードＡ）の線
４２１ 二次の面外曲げ振動（モードＢ）の節線
４２２ 二次の面外曲げ振動（モードＢ）の腹線
４２３ モードＡの節線およびモードＢの節線の交点
４３１ モードＡの振動の節線とモードＢの振動の節線の交点によって囲まれる領域
５１１ モードＡの振動における圧電セラミックスの歪の節線
５１２ モードＡの振動における圧電セラミックスの歪の腹線
５２１ モードＢの振動における圧電セラミックスの歪の節線
５２２ モードＢの振動における圧電セラミックスの歪の腹線

Claims (17)

1. 矩形状の圧電材料と、前記圧電材料に設けられた一対の電極と、
   前記電極の一方と通電し前記圧電材料を貫き内壁に導電性材料を備えた貫通孔を備えた圧電素子と、弾性体を有する振動子と、
   前記振動子と接し前記振動子と相対的に移動する接触体を備え、
   前記貫通孔が、前記圧電材料の長辺に沿って振動の２本の節が生じる１次の面外曲げ振動モードの節線と、前記圧電材料の短辺に沿って振動の３本の節が生じる２次の面外曲げ振動モードの節線との交点を結んで囲まれる領域の外のみに形成されており、
   前記圧電材料の含有する鉛の量が１０００ｐｐｍ未満である振動型アクチュエータ。
2. 前記電極は、前記圧電材料の第１の領域に設けられた第１の電極と、前記第１の領域と隣り合う第２の領域に設けられた第２の電極と、前記第１の電極および第２の電極とで前記圧電材料を挟持する第３の電極であり、前記１次の面外曲げ振動モードは前記第１の領域と前記第２の領域がともに伸長または収縮する振動モードであり、前記２次の面外曲げ振動モードは前記第１の領域が伸張するときに前記第２の領域が収縮し前記第１の領域が収縮するときに前記第２の領域が伸張するモードである請求項１記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記貫通孔が前記１次の面外曲げ振動モードの節線から前記圧電材料の長端辺側へ延在する領域に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記導電性材料が前記貫通孔を充填している請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
5. 矩形状の圧電材料の、前記長辺は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、前記短辺は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記圧電材料の厚みは０．３ミリ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記貫通孔が、前記矩形状の圧電材料の２長辺と交差し前記２長辺をそれぞれ二等分する線から３００ミクロン以内に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記貫通孔の幅が１４０ミクロン以上４００ミクロン以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
9. 前記貫通孔が一つであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記貫通孔が前記矩形状の圧電材料の２短辺と交差し前記２短辺を二等分する線に対して線対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
11. 前記圧電材料が、
    Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉ，およびＺｒを含むペロブスカイト型構造の酸化物、
    およびＭｎを含有する圧電材料であって、
    前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対する前記Ｚｒのモル比であるｙが、０．０２０≦ｙ≦０．０９５であり、かつｙ≦ｘであり、前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下である圧電材料であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
12. 前記圧電材料が、
    Ｎａ、Ｂａ、ＮｂおよびＴｉを含む酸化物と、
    ＭｎおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含み、
    前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｎａのｍｏｌ比であるｘが、０．８０≦ｘ＜０．９２であり、前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｎｂのｍｏｌ比であるｙが、０．８０≦ｙ＜０．９２であり、前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｂａのｍｏｌ比は０．０８より大きく０．２０以下であり、前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｎｉのｍｏｌ比は０．０５以下であり、前記Ｎｂおよび前記Ｔｉの和に対する前記Ｍｎのｍｏｌ比は０．００５以下であるペロブスカイト型の圧電材料であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
13. 前記貫通孔と通電する電極は、前記圧電材料と前記弾性体の間に設けられた電極である請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ。
14. 駆動部に請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータを備えた光学機器。
15. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータに取り付けられた部材を有する電子機器。
16. レンズと前記レンズを駆動する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータを備えた光学機器。
17. 撮像素子と前記撮像素子を駆動する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータを備えた撮像装置。