JP4954783B2 - 圧電素子及び振動型アクチュエータ - Google Patents

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、内部電極層２等についてさらに説明する。

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。

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。

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。

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。

−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。

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。

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。

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。

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。

−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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

振動型アクチュエータの斜視図である。 （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。 圧電体層の上側主面を示す図である。 １次モードの伸縮振動の変位図である。 ２次モードの屈曲振動の変位図である。 圧電素子の動作を示す概念図である。 圧電素子の駆動回路の回路図である。 圧電素子の駆動回路の回路図である。 振動型アクチュエータの正面図である。 振動型アクチュエータの正面図である。 （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）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。 振動型アクチュエータの変形例の斜視図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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