WO2012160910A1 - 圧電駆動素子及び圧電駆動装置 - Google Patents

圧電駆動素子及び圧電駆動装置 Download PDF

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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric driving element and a piezoelectric driving device, and more specifically to a piezoelectric driving element and a piezoelectric driving device used at and near a resonance frequency.
  • a resonant actuator 200 shown in FIG. 7A has a configuration in which electrodes 204a and 204b are provided on both end faces of a piezoelectric ceramic body 202 formed in a square bar shape.
  • the resonance actuator 200 is polarized in the direction of arrow a, and is driven at a resonance frequency or a frequency near the resonance frequency by applying an AC electric field to the electrodes 204a and 204b, and is longitudinal in the direction of arrow b which is the same direction as the polarization direction a. It is configured to obtain vibration.
  • the conductive wires 208a and 208b connected to the AC power supply 210 and the electrodes 204a and 204b are connected via the spring terminals 206a and 206b, or the electrodes 204a and 204b are directly connected to the conductive wires 208a and 208b.
  • an alternating electric field is applied to the electrodes 204a and 204b.
  • FIG. 7B In the resonance actuator 250 shown in FIG. 7B, electrodes 254a and 254b provided on both end faces of a square bar-shaped piezoelectric ceramic body 252 are connected to the side surfaces of the piezoelectric ceramic body 252 by lead conductors 258a and 258b.
  • a configuration is disclosed in which vibration inhibition is suppressed by pulling out in the middle and pressing the connection electrodes 256a and 256b by spring terminals 260a and 260b.
  • Non-Patent Document 1 in Sadayuki Takahashi's “New Development of Piezoelectric Materials”, TIC Co., Ltd., New Ceramics VOL.11, No.8 (1988), p29-34 (Non-Patent Document 1), in power devices such as piezoelectric actuators, Since the large amplitude elastic vibration of the ceramic is used, the large amplitude characteristics of the piezoelectric ceramic are described.
  • Non-Patent Document 2 drives PZT piezoelectric ceramics at resonance frequency.
  • the vibration level exceeds a certain value, the resonance frequency fr and the mechanical quality factor decrease.
  • a conventional PZT piezoelectric ceramic is used for a resonance actuator, it is known that the resonance frequency and the mechanical quality factor decrease as the vibration speed increases.
  • AC voltage of 0.05V, 0.11V, 0.14V, 0.20V, 0.26V, 0.33V is applied to the resonance actuator of PZT-based piezoelectric ceramics, and the drive frequency is changed from above the resonance frequency.
  • the resonance frequency indicating the maximum vibration speed shifted to the low frequency side as the amplitude of the AC electric field increased. And even if the frequency was lowered, the vibration speed did not return to the original value and showed hysteresis.
  • the bismuth layered compound has low piezoelectric characteristics, there is a problem that when a load is applied to the resonant actuator, the mechanical quality factor is kept low and cannot be driven. Therefore, in piezoelectric ceramics with higher piezoelectric properties than bismuth layered compounds, even when the AC electric field is increased to increase the vibration speed of the piezoelectric drive element, the fluctuation of the resonance frequency is suppressed and the resonance frequency is stabilized. In addition, it is desired to be able to drive near the resonance frequency.
  • a piezoelectric driving element and a piezoelectric driving device are provided.
  • a piezoelectric driving element has a first piezoelectric ceramic having a soft spring characteristic in which an elastic constant decreases as the vibration speed increases, and a hard spring characteristic in which the elastic constant increases as the vibration speed increases.
  • a composite ceramic comprising a composite of the second piezoelectric ceramic and an external electrode provided on a side surface of the composite ceramic so as to face the composite ceramic, wherein the external electrode has a resonance frequency. And an AC electric field in the vicinity of the resonance frequency is applied for driving.
  • the composite ceramic includes a configuration in which the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are mixed, or the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic. It has a layered structure. In another embodiment, the composite ceramic has a configuration in which the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic are layered in a planar shape, a roll shape, or a concentric shape. . In still another embodiment, a multilayer structure is formed by providing a plurality of internal electrodes connected to each of the opposing external electrodes inside the composite ceramic. In still another embodiment, the elastic constant of the composite ceramic is adjusted by the volume fraction of the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic to suppress the fluctuation of the resonance frequency with respect to the change in vibration speed. To do.
  • the first piezoelectric ceramic is a lead-based piezoelectric ceramic made of PZT, BaTiO 3 , (Ba 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 , (Ba 1/2 K 1/2). ) TiO 3 , and ⁇ (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), or a solid solution ceramic containing at least two of these, wherein the second piezoelectric ceramic is 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
  • the piezoelectric driving element and the piezoelectric driving device that are stably driven near the resonance frequency and the resonance frequency can be obtained.
  • Example 1 of this invention It is a figure which shows Example 1 of this invention, (A) is principal sectional drawing which shows the structure of a piezoelectric drive element, (B) is a partial enlarged view of the composite ceramic of said (A), (C) is an experiment example. It is a figure which shows the relationship between the vibration speed of 1 and a frequency characteristic. It is a figure which shows the relationship between the vibration speed of the piezoelectric drive element of the comparative example in the said Example 1, and a frequency characteristic, (A) shows the characteristic of the comparative example 1 using the piezoelectric ceramic which has a soft spring characteristic, B) shows the characteristics of Comparative Example 2 using a piezoelectric ceramic having hard spring characteristics.
  • FIG. 1A is a main cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric drive element of this embodiment
  • FIG. 1B is a partially enlarged view of the composite ceramic of FIG. 1A
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the vibration speed and frequency characteristics of the piezoelectric drive element of the comparative example.
  • A shows the characteristics of comparative example 1 using piezoelectric ceramics having soft spring characteristics.
  • a piezoelectric ceramic having hard spring characteristics Shows the characteristics of Comparative Example 2 using a piezoelectric ceramic having hard spring characteristics.
  • the piezoelectric driving element 10 of this embodiment includes a first piezoelectric ceramic 18 having a soft spring characteristic in which the elastic constant decreases as the vibration speed increases, and elasticity as the vibration speed increases.
  • a first piezoelectric ceramic 18 having a soft spring characteristic in which the elastic constant decreases as the vibration speed increases, and elasticity as the vibration speed increases.
  • the second piezoelectric ceramics 20 having a hard spring characteristic with a large constant so as to be orthogonal to the polarization direction (the direction of the arrow Fa in FIG. 1A).
  • the external electrodes 14 and 16 are provided.
  • the composite ceramic 12 has a form in which the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are mixed with powder (partially enlarged view of FIG. 1B). reference). Then, by applying an AC electric field in the vicinity of the resonance frequency from the AC power source (not shown) to the composite ceramics 12 through the external electrodes 14 and 16, the piezoelectric driving element 10 is moved in the direction indicated by the arrow
  • the volume fraction of the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 may be 1, but the change in elastic modulus due to the vibration speed (drive electric field) is suppressed, and the resonance frequency with respect to the vibration speed.
  • the volume fraction may be set so as to suppress fluctuations in the above. It is desirable to adjust the fluctuation of the resonance frequency to be, for example, 0.05% or less.
  • the first piezoelectric ceramic 18 having the soft spring characteristic for example, a lead-based piezoelectric ceramic made of PZT, BaTiO 3 , (Ba 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 , (Ba 1/2).
  • the second piezoelectric ceramic 20 of stiff spring characteristic for example, 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 It is selected from NaNb 5 O 15 , Pb 2 KNb 5 O 15 , or tungsten bronze type solid solution ceramics containing at least two of these.
  • the external electrodes 14 and 16 various known electrode materials, for example, Ag are used.
  • Example 1 Next, specific examples of this embodiment will be further described.
  • a piezoelectric ceramic of (K 0.5 , Na 0.5 ) NbO 3 is selected
  • the second piezoelectric ceramic 20 having a hard spring characteristic Sr 1.9 Ca O.S.
  • a piezoelectric ceramic of 1 NaNb 5 O 15 was selected.
  • Each piezoelectric ceramic powder is prepared by a solid-phase synthesis method in which K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , SrCO 3 , and CaCO 3 are weighed in a stoichiometric composition, mixed, and calcined. did.
  • Example 1 The same material as in Example 1 was used for the external electrodes provided on the end faces of the piezoelectric ceramics of Comparative Examples 1 and 2.
  • the piezoelectric driving element was driven at the resonance frequency and a frequency in the vicinity thereof, and the characteristics were confirmed.
  • the applied AC voltage is 0.05V, 0.14V, and 0.1V for the piezoelectric drive element made of the (K 0.5 , Na 0.5 ) NbO 3 piezoelectric ceramic of Comparative Example 1.
  • the piezoelectric driving element of Comparative Example 1 has a soft spring characteristic that the resonance frequency decreases and the vibration speed of the piezoelectric driving element increases (increases the amplitude) by increasing the applied AC electric field. showed that.
  • FIG. 2 (B) shows Sr 1.9 Ca 2 O.O in Comparative Example 2 .
  • the applied AC voltage was 0.06V, 0.16V, 0.23V, 0.37V, 0.43V, 0.48V.
  • the measurement results of the vibration speed and frequency when the frequency is raised from a frequency lower than the resonance frequency to a higher frequency are shown.
  • the piezoelectric driving element of Comparative Example 2 has a hard spring characteristic that the resonance frequency increases and the vibration speed of the piezoelectric driving element increases (increases the amplitude) by increasing the applied AC electric field. showed that.
  • FIG. 1 (C) shows (K 0.5 , Na 0.5 ) NbO 3 piezoelectric ceramics and Sr 1.9 Ca O.3.
  • the applied AC voltage is 0.05 V, 0.15 V, 0.20 V, 0.35 V, 0.40 V, and 0.47 V, respectively.
  • the measurement result of the vibration speed in the vicinity of the resonance frequency and the resonance frequency is shown.
  • Example 1 it has the 1st piezoelectric ceramic 18 which has the soft spring characteristic that an elastic constant becomes small when a vibration speed increases, and the hard spring characteristic that an elastic constant becomes large when a vibration speed increases.
  • External electrodes 14 and 16 are provided so as to face the composite ceramic 12 composited with the second piezoelectric ceramic 20 via the composite ceramic 12 and to be orthogonal to the polarization direction, and through the external electrodes 14 and 16.
  • the piezoelectric drive element 10 was driven by applying an alternating electric field.
  • FIG. 3 is a main cross-sectional view showing the configuration of the piezoelectric drive element of the present embodiment.
  • the piezoelectric driving element 30 of this embodiment includes a plurality of internal electrodes 32 connected to the external electrode 14 and a plurality of internal electrodes 34 connected to the external electrode 16 inside the composite ceramic 12. 16 has a laminated structure of internal electrodes arranged alternately in a direction orthogonal to the direction 16.
  • Example 2 Next, a specific example of this example will be further described.
  • a piezoelectric ceramic of (K 0.5 , Na 0.5 ) NbO 3 is selected
  • the second piezoelectric ceramic 20 having a hard spring characteristic Sr 1.9 Ca O.S. 1 NaNb 5 O 15 piezoelectric ceramics were selected, and each piezoelectric ceramic powder was prepared and mixed in the same manner as in Experimental Example 1 of Example 1 described above.
  • the mixed powder was mixed with an organic solvent and an organic binder to form a slurry, which was formed into a sheet by a doctor blade method.
  • the Ag—Pd internal electrode is printed and fired to produce a multilayered composite piezoelectric ceramic, processed into a prismatic shape, and then the side electrodes 14 and 16 are formed, in the same manner as in Experimental Example 1 described above.
  • the piezoelectric drive element 30 was formed by performing polarization treatment.
  • Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the configuration in which the powder of the first piezoelectric ceramic 18 and the powder of the second piezoelectric ceramic 20 are mixed is employed.
  • a configuration in which the first piezoelectric ceramics 18 and the second piezoelectric ceramics 20 that are formed in a shape are alternately stacked may be employed.
  • the composite ceramic 52 has a configuration in which the first piezoelectric ceramics 18 and the second piezoelectric ceramics 20 are alternately stacked in the polarization direction.
  • the external electrodes 14 and 16 are formed in parallel with these ceramic layers.
  • the piezoelectric drive element 50 is driven in the direction of arrow Fb.
  • the piezoelectric driving element 60 in the example shown in FIG. 4B alternately stacks the first piezoelectric ceramic 18 layers and the second piezoelectric ceramic 20 layers in the direction orthogonal to the polarization direction. Along with these first and second piezoelectric ceramic layers, a plurality of internal electrodes 32 and 34 joined to the external electrodes 14 and 16 are alternately arranged in the same manner as in the second embodiment. Driven in the direction of arrow Fb.
  • a piezoelectric drive element 70 shown in FIG. 4 (C) is a modification of the piezoelectric drive block 60 shown in FIG. 4 (B), and the composite ceramic 72 is composed of the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric body.
  • the internal electrodes 32 and 34 are formed between the laminated bodies of the ceramics 20.
  • the piezoelectric drive element 70 is driven in the direction of arrow Fb.
  • the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are laminated in the direction in which the electric field is applied.
  • the composite ceramic 82 is different from the above-mentioned FIGS. 4 (A) to (C) in that the first piezoelectric ceramic 18 layer is arranged in the direction perpendicular to the applied electric field. And layers of the second piezoelectric ceramics 20 are alternately laminated.
  • the piezoelectric driving element 80 is driven in the direction of arrow Fb.
  • the piezoelectric drive element 90 shown in FIG. 5B is in a composite ceramic 92 in which the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are laminated in the same direction as in FIG. 4A.
  • the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are stacked in the direction orthogonal to the applied electric field by forming the plurality of internal electrodes 32 and 34 so as to be orthogonal to the stacking direction of the ceramic layers. It has a configuration.
  • Example 3 Next, a specific example of this example will be further described.
  • a piezoelectric ceramic of (K 0.5 , Na 0.5 ) NbO 3 is selected
  • the second piezoelectric ceramic 20 having a hard spring characteristic Sr 1.9 Ca O.S. 1 NaNb 5 O 15 piezoelectric ceramics were selected, and each piezoelectric ceramic powder was prepared and mixed in the same manner as in Experimental Example 1 of Example 1 described above.
  • the mixed powder was mixed with an organic solvent and an organic binder to form a slurry, which was formed into a sheet by a doctor blade method.
  • FIGS. 4 (A) to 4 (C) and FIG. 5 (A) are appropriately performed, and the piezoelectric drive having the laminated structure shown in FIGS. 4 (A) to 4 (C) and FIG. 5 (A) is performed. Elements 50, 60, 70, and 80 were formed.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
  • the following are also included.
  • (1) The shapes and dimensions shown in the first to third embodiments are examples, and may be appropriately changed as necessary. The same applies to the materials, and it is preferable to select the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 from the material group shown in the above embodiment. Various electrode materials may be used.
  • the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are each formed on a planar sheet and laminated, but this is also an example.
  • the laminated structure includes various forms. For example, like the composite ceramic 102 of the piezoelectric drive element 100 shown in FIG.
  • the sheet-like first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are stacked and formed into a spiral shape (or roll shape).
  • a structure in which the external electrodes 14 and 16 are provided on the end surfaces may be employed.
  • the outer shape of the composite ceramic 102 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, it is convenient in terms of mounting.
  • stacked in roll shape you may laminate
  • the powder first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 are mixed to form a composite form.
  • the particle shape of the powder is indefinite, spherical, The shape can be changed as appropriate, such as a plate shape or a fiber shape.
  • the number of laminations of the internal electrodes 32 and 34 shown in Examples 2 and 3 and the number of laminations of the first piezoelectric ceramic 18 and the second piezoelectric ceramic 20 shown in Example 3 are examples. The amount may be increased or decreased as appropriate to achieve the same effect.
  • the method of manufacturing the piezoelectric driving element shown in the above embodiment is also an example, and may be appropriately changed so as to achieve the same effect.
  • the piezoelectric drive elements of the various embodiments described above are preferably used as, for example, piezoelectric actuators, but other devices having various known drive units (for example, camera photographing lenses and overhead projectors). Applicable to piezoelectric drive devices generally used for devices with a drive unit such as projection lenses, binoculars lenses, copier lenses, etc., as well as driving lenses in optical devices, such as plotters and XY drive tables) Is possible.
  • the piezoelectric drive elements of the various embodiments described above are particularly suitable for devices that require stable driving at the resonance frequency and frequencies in the vicinity thereof.
  • Piezoelectric drive element 12 Composite ceramics 14, 16: External electrode 18: First piezoelectric ceramic 20: Second piezoelectric ceramic 30, 50, 60, 70, 80, 90, 100: Piezoelectric drive element 32, 34: Internal electrodes 52, 62, 72, 82, 92, 102: Composite ceramics 200: Resonant actuator 202: Piezoelectric ceramic body 204a, 204b: Electrodes 206a, 206b: Spring terminals 208a, 208b: Conductor 210: AC power supply 250: Resonant actuator 252: Piezoelectric ceramic body 254a, 254b: Electrodes 256a, 256b: Connection electrodes 258a, 258b: Lead conductors 260a, 260b: Spring terminals

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Abstract

［課題］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、共振周波数及びその近傍の周波数で安定して駆動できる圧電駆動素子を提供する。 ［解決手段］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の第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の第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、分極方向に直交する外部電極１４，１６を介して交流電界を印加する構成となっている。印加電界を上げて圧電駆動素子１０の振動速度を増加させても、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、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。

Description

圧電駆動素子及び圧電駆動装置
　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)に示すような構成を有するものが知られている。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が設けられた構成を有する。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、国際公開第２００８／０９０７５８号パンフレット（特許文献１）には、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)に示す構成も提案されている。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成が開示されている。
　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、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（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、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（「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。国際公開第２００７／０８３４７５号パンフレット（特許文献２）には、これを解決するために、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。
　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。
　本発明の様々な実施形態では、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。
　本発明の一実施形態に係る圧電駆動素子は、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、を具備し、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。
　一実施形態では、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前記第２の圧電体セラミックスとを混合した構成，又は、前記第１の圧電体セラミックスと前記第２の圧電体セラミックスとを層状に重ねた構成を有する。別の実施形態では、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前記第２の圧電体セラミックスとを、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構成を有する。更に他の実施形態では、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。更に他の実施形態では、前記第１の圧電体セラミックスと前記第２の圧電体セラミックスと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。
　更に他の実施形態では、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、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)、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、Ｓｒ２－ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦２），Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｃａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｓｒ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５，Ｂａ２Ｂｉ１／３Ｎｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５，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る。
　本発明の一態様によれば、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。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。
本発明の実施例１を示す図であり、(A)は圧電駆動素子の構成を示す主要断面図，(B)は前記(A)の複合セラミックスの一部拡大図，(C)は実験例１の振動速度と周波数特性との関係を示す図である。 前記実施例１における比較例の圧電駆動素子の振動速度と周波数特性と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。 本発明の実施例２の圧電駆動素子の構成を示す主要断面図である。 本発明の実施例３の圧電駆動素子の構成を示す主要断面図である。 前記実施例３の他の形態の圧電駆動素子の構成を示す主要断面図である。 本発明の他の実施例の圧電駆動素子の構成を示す外観斜視図である。 背景技術を示す図であり、(A)及び(B)は従来の共振アクチュエータの構成を示す外観斜視図，(C)は典型的な圧電体（ＰＺＴ）の電圧駆動時の振動速度と周波数特性との関係を示す図である。
　以下、様々な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
　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構成を示す主要断面図，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と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を設けた構成を有する。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と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、例えば、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、例えば、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及び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圧電駆動素子１０を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の粉体と第２の圧電体セラミックスの粉体と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構成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、有機溶媒及び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及び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の粉体と第２の圧電体セラミックス２０の粉体とが混合した構成を採用したが、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とを交互に積層した構成を採用してもよい。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とを交互に積層した構成を有する。これらセラミックス層と平行に前記外部電極１４，１６が形成されている。圧電駆動素子５０は、矢印Ｆｂ方向に駆動される。また、図４(B)に示す例の圧電駆動素子６０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の層と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を有し、矢印Ｆｂ方向に駆動される。図４(C)に示す圧電駆動素子７０は、前記図４(B)に示した圧電駆動阻止６０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を形成した構成を有する。圧電駆動素子７０、矢印Ｆｂ方向に駆動される。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とを積層している。
　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の層とを交互に積層した構成を有する。この圧電駆動素子８０は、矢印Ｆｂ方向に駆動される。更に、図５(B)に示す圧電駆動素子９０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と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が積層した構成を有する。
　＜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、有機溶媒及び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及び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の粉体と第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及び第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とを重ねて渦巻き状（ないしロール状）に成形したもの利用し、外部電極１４，１６を端面に設けた構成を採用してもよい。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と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及び第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)上述した様々な実施形態の圧電駆動素子は、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。上述した様々な実施形態の圧電駆動素子は、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。
　本発明の一態様によれば、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。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。よって、上述した様々な実施形態は、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に用途に適用でき、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

Claims (7)

  1. 　振動速度が増加すると弾性定数が小さくなる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、
    を具備し、
    　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圧電駆動素子。
  2. 　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前記第２の圧電体セラミックスとを混合した構成、又は、前記第１の圧電体セラミックスと前記第２の圧電体セラミックスとを層状に重ねた構成を有する、請求項１に記載の圧電駆動素子。
  3. 　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前記第２の圧電体セラミックスとを、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構成を有する、請求項２記載の圧電駆動素子。
  4. 　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、請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電駆動素子。
  5. 　前記第１の圧電体セラミックスと前記第２の圧電体セラミックスと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、請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電駆動素子。
  6. 　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、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)、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、Ｓｒ２－ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦２），Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｃａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｓｒ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｂａ２ＫＮｂ５Ｏ１５，Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５，Ｂａ２Ｂｉ１／３Ｎｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＮａＮｂ５Ｏ１５，Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５，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る、請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電駆動素子。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれかに記載の圧電駆動素子を含む圧電駆動装置。
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