JP4069161B2 - 圧電素子及び超音波アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子及びそれを備えた超音波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）を備えた超音波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、上記超音波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、可動体を運動させる。
特表２００３−５０１９８８号公報

ここで、本発明者は、超音波アクチュエータとして以下に示すものを考案した。図１３は、その超音波アクチュエータの斜視図であり、図１４（ａ）は、超音波アクチュエータに用いられている圧電素子の斜視図であり、図１４（ｂ）は、圧電素子の分解斜視図である。

図１３、図１４に示すように、圧電素子１００は、ケース１０３に設けられた３つの支持部１０４Ａ〜１０４Ｃにてこのケース１０３に収容支持されている。圧電素子１００の端面には駆動子１１０，１１０が設けられており、これらの駆動子１１０，１１０は可動体１１１を支持している。駆動子１１０，１１０は支持部１０４Ｂにより可動体１１１に押圧されている。

圧電素子１００は、圧電体１０１と内部電極１０２とを交互に積層してなる。内部電極１０２Ｇは、圧電体１０１の主面のほぼ全面に亘って設けられた共通電極（グラウンド電極）である。また、圧電体１０１は、図１４で示す矢印の方向に分極されている。

内部電極１０２Ａ〜１０２Ｄ，１０２Ｇは、それぞれの外部電極１０３Ａ〜１０３Ｄ，１０３Ｇに接続されている。この各外部電極１０３Ａ〜１０３Ｄ，１０３Ｇは、圧電素子１００の端面に設けられている。各外部電極１０３Ａ〜１０３Ｄ，１０３Ｇには、例えば、ワイヤー１０８Ａ〜１０８Ｄ，１０８Ｇがはんだ１０７を介して接続されている。そして、これらのワイヤー１０８Ａ〜１０８Ｄ，１０８Ｇを通じて、各内部電極１０２Ａ〜１０２Ｄ，１０２Ｇには電圧が供給される。

ところで、圧電素子１００の、後述する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１００の材料や形状等により決定される。そして、圧電素子１００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。

以下、超音波アクチュエータの動作について説明する。図６〜図８は、それぞれ圧電素子の振動形態を説明する概念図である。

ワイヤー１０８Ｇをグラウンドに接続するとともに、ワイヤー１０８Ａ，１０８Ｃを介して圧電体１０１の主面の一方の対角線上に配した内部電極１０２Ａ，１０２Ｃに特定周波数の正弦波の基準電圧を印加し、ワイヤー１０８Ｂ，１０８Ｄを介して他方の対角線上に配した内部電極１０２Ｂ，１０２Ｄに基準電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の電圧を印加する。これにより、内部電極１０２Ａ，１０２Ｃに同位相の電圧が加わり、内部電極１０２Ｂ，１０２Ｄに同位相の電圧が加わる。基準電圧と内部電極１０２Ｂ，１０２Ｄに印加した電圧との位相差が０°の場合、図６に示すように、圧電素子１００には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°の場合、図７に示すように、圧電素子１００には２次モードの屈曲振動が誘起される。

また、内部電極１０２Ａ，１０２Ｃに前記略一致させた共振周波数近傍の周波数の正弦波の基準電圧を加え、内部電極１０２Ｂ，１０２Ｄに、位相が基準電圧と９０°又は−９０°だけ異なる、基準電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の電圧を加えると、圧電素子１００には１次モードの伸縮振動と２次モードの屈曲振動とが調和的に誘起される。これにより、圧電素子１００の形状が、図８（ａ）〜（ｄ）に示すような順で変化する。その結果、圧電素子１００に設けられた駆動子１１０，１１０が、図８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１００の伸縮振動及び屈曲振動の合成振動により駆動子１１０，１１０が楕円運動する。この楕円運動により駆動子１１０，１１０に支持された可動体１１１が圧電素子１００との間で相対運動して、矢印Ａ又は矢印Ｂの方向に動く。

ところで、上記超音波アクチュエータでは、少なくとも５本のワイヤー１０８Ａ〜１０８Ｄ，１０８Ｇを圧電素子１００上の外部電極１０３Ａ〜１０３Ｄ，１０３Ｇに接続する必要がある。このため、圧電素子１００の振動時に、ワイヤー１０８Ａ〜１０８Ｄ，１０８Ｇや、ワイヤー１０８Ａ〜１０８Ｄ，１０８Ｇと外部電極１０３Ａ〜１０３Ｄ，１０３Ｇとを接続する導電性接続部材としてのはんだ１０７が負担となって、圧電素子１００の振動が阻害されてしまう。その結果、超音波アクチュエータの効率が低下するおそれがあった。

また、振動による応力が集中する応力集中部に内部電極１０２Ａ〜１０２Ｄ，１０２Ｇが形成されていない箇所があるため、圧電素子１００を小型化した場合、大きな伸縮振動を得ることができない。その結果、超音波アクチュエータの効率がさらに低下するおそれがあった。

さらに、応力集中部以外の部分に内部電極１０２Ａ〜１０２Ｄ，１０２Ｇが形成されているため、振動による応力があまり発生しない部分でも電力が消費されてしまう。その結果、超音波アクチュエータの効率がより一層低下するおそれがあった。

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、圧電素子の振動阻害を抑制しながら、圧電素子を小型化した場合でも、大きな伸縮振動を得るとともに、振動による応力があまり発生しない部分における電力消費を低減することにある。

その目的を達成するために、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共通電極層及び給電電極層からなり、前記共通電極層は、共通電極を有し、前記給電電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第一給電電極層と、主面に該第一給電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二給電電極層とを有し、前記第一給電電極層は、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一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第一接続電極とを有し、前記第二給電電極層は、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二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第二接続電極とを有し、前記第一接続電極及び前記第二接続電極は、前記圧電体層の主面の長手方向中央部にそれぞれ設けられ、前記圧電体層の主面の短辺と略平行な方向に延びた形状であり、前記共通電極は、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極に接続され、前記第一給電電極層の、前記第一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と前記第二給電電極層の、前記第一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とは、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極で接続され、前記第一給電電極層の、前記第二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と前記第二給電電極層の、前記第二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とは、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極で接続されている構成としたものである。

本発明によれば、第一給電電極層の４つの分割電極のうち、圧電体層の主面の第一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第一接続電極で接続させ、第二給電電極層の４つの分割電極のうち、圧電体層の主面の第二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第二接続電極で接続させることにより、ワイヤー等の数を減らすことができる。その結果、圧電素子の振動阻害を抑制することができる。

また、ワイヤー等の接続工数を減らすことができるので、製造が容易になる。特に、圧電素子は機械的強度が弱いため、ワイヤー等を外部電極に接続する際、機械的ストレスにより圧電素子が壊れるおそれがあるが、上述のように、ワイヤー等の接続工数が減ることにより、この接続工程における圧電素子の破壊を低減することができる。

さらに、ワイヤー等と外部電極との接続点も減らすことができるので、信頼性も向上する。

その上、第一接続電極及び第二接続電極は、圧電体層の主面の長手方向中央部にそれぞれ設けられ、前記圧電体層の主面の短辺と略平行な方向に延びた形状であるので、１次モードの伸縮振動による応力が集中する応力集中部の電極の面積を大きくすることができる。これにより、圧電素子を小型化した場合でも、大きな伸縮振動を実現することができる。

それに加えて、上述の構成により、第一給電電極層及び第二給電電極層は、振動による応力が集中する応力集中部に形成されることとなり、この応力集中部以外の、振動にあまり寄与しない部分に形成されないこととなる。これにより、振動による応力があまり発生しない部分における電力消費を低減することができる。

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。

−超音波アクチュエータの構成−
図１は、本実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図であり、図２は、その超音波アクチュエータに用いられている圧電素子１２の斜視図であり、図３は、圧電素子１２の分解斜視図であり、図４は、圧電体層１の平面図であり、図５（ａ）は、第一給電電極層６ａと共通電極層３との位置関係を示す図であり、図５（ｂ）は、第二給電電極層６ｂと共通電極層３との位置関係を示す図である。

図１〜図３に示すように、超音波アクチュエータは、圧電素子１２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（支持体）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。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１３ｂ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５とを交互に積層してなる略直方体状のものである。この圧電体層１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などのセラミック材料からなる絶縁体層である。内部電極層５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共通電極層３及び給電電極層６からなる。この共通電極層３は、圧電体層１の上側主面のほぼ全面に亘って設けられた略矩形状の共通電極３ａを有している。この共通電極３ａには、その長手方向中央部から圧電素子１２の両端面に向かってそれぞれ延びる引出電極３ｂ，３ｂが設けられている。異なる圧電体層１上の共通電極３ａ同士は、引出電極３ｂを介して共通電極用の外部電極７ｇで接続されている。この外部電極７ｇは、圧電素子１２の両端面にそれぞれ設けられている。

給電電極層６は、圧電体層１の上側主面に設けられた第一給電電極層６ａと、上側主面にこの第一給電電極層６ａ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二給電電極層６ｂとからなる。つまり、圧電体層１の主面上には、共通電極層３、第一給電電極層６ａ、及び第二給電電極層６ｂのうちいずれか１つが印刷されている。また、圧電体層１は、図３の矢印で示すように、第一給電電極層６ａ又は第二給電電極層６ｂ側から共通電極層３側へと分極されている。

第一給電電極層６ａ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４参照）にそれぞれ形成された４つの分割電極２ａ〜２ｄと、この４つの分割電極２ａ〜２ｄのうち圧電体層１の上側主面の第一対角線方向Ｄ１に対向する２つの領域Ａ２，Ａ４にそれぞれ形成された一対の分割電極２ｂ，２ｄを互いに接続する第一接続電極２ｅとを有している。

各分割電極２ａ〜２ｄは略矩形状の電極であり、積層方向から見て共通電極層３と重なっている（図５（ａ）参照）。つまり、各分割電極２ａ〜２ｄは、共通電極層３と圧電体層１を挟んで対向している。各分割電極２ａ〜２ｄには、その長手方向中央部から圧電素子１２の端面に向かって延びる引出電極２ｆが設けられている。この各引出電極２ｆは、積層方向から見て共通電極層３と重なっていない（図５（ａ）参照）。つまり、各引出電極２ｆは、共通電極層３と対向していない。このため、圧電体層１の各引出電極２ｆ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。分割電極２ａ〜２ｄは、それぞれ引出電極２ｆを介して外部電極７ａ〜７ｄに接続されている。外部電極７ｃ，７ｄは圧電素子１２の一方の端面に、外部電極７ａ，７ｂは圧電素子１２の他方の端面に、それぞれ設けられている。

第一接続電極２ｅは、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上側主面のほぼ全面に亘って設けられていて、圧電体層１の主面の短辺と略平行な方向に延びた形状であり、積層方向から見て共通電極層３と重なっている（図５（ａ）参照）。

第二給電電極層６ｂ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にそれぞれ形成された４つの分割電極４ａ〜４ｄと、この４つの分割電極４ａ〜４ｄのうち圧電体層１の上側主面の第二対角線方向Ｄ２に対向する２つの領域Ａ１，Ａ３にそれぞれ形成された一対の分割電極４ａ，４ｃを互いに接続する第二接続電極４ｅとを有している。

各分割電極４ａ〜４ｄは略矩形状の電極であり、積層方向から見て共通電極層３と重なっている（図５（ｂ）参照）。各分割電極４ａ〜４ｄには、その長手方向中央部から圧電素子１２の端面に向かって延びる引出電極４ｆが設けられている。この各引出電極４ｆは、積層方向から見て共通電極層３と重なっていない（図５（ｂ）参照）。このため、圧電体層１の各引出電極４ｆに対向する部分には電界が生じない。分割電極４ａ〜４ｄは、それぞれ引出電極４ｆを介して前記外部電極７ａ〜７ｄに接続されている。これにより、第一給電電極層６ａ及び第二給電電極層６ｂの互いに対向する分割電極２ａ〜２ｄ，４ａ〜４ｄ同士は、それぞれ外部電極７ａ〜７ｄで接続されている。

第二接続電極４ｅは、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上側主面のほぼ全面に亘って設けられていて、圧電体層１の主面の短辺と略平行な方向に延びた形状であり、積層方向から見て共通電極層３と重なっている（図５（ｂ）参照）。

以上のように、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄは、第一接続電極２ｅを介して互いに接続されている。また、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂは、外部電極７ｂを介して第二給電電極層６ｂの、前記２つの領域Ａ２，Ａ４の一方Ａ２に形成された分割電極４ｂに接続され、第一給電電極層６ａの分割電極２ｄは、外部電極７ｄを介して第二給電電極層６ｂの、前記２つの領域Ａ２，Ａ４の他方Ａ４に形成された分割電極４ｄに接続されている。つまり、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄと異なる圧電体層１上の第二給電電極層６ｂの分割電極４ｂ，４ｄ同士とは、外部電極７ｂ，７ｄで接続されている。これらにより、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ｂ，４ｄは同電位となる。

また、第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ，４ｃは、第二接続電極４ｅを介して互いに接続されている。また、第二給電電極層６ｂの分割電極４ａは、外部電極７ａを介して第一給電電極層６ａの、前記２つの領域Ａ１，Ａ３の一方Ａ１に形成された分割電極２ａに接続され、第二給電電極層６ｂの分割電極４ｃは、外部電極７ｃを介して第一給電電極層６ａの、前記２つの領域Ａ１，Ａ３の他方Ａ３に形成された分割電極２ｃに接続されている。つまり、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄと異なる圧電体層１上の第二給電電極層６ｂの分割電極４ｂ，４ｄ同士とは、外部電極７ｂ，７ｄで接続されている。これにより、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ，２ｃ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ，４ｃは同電位となる。

各外部電極７ａ，７ｂ，７ｇには、ワイヤー１０がはんだを介して接続されている。そして、このワイヤー１０を通じて、内部電極層５には圧電素子１２を振動させるための電圧が印加される。

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。

ここで、外部電極７ａ〜７ｄは、上述のように、圧電素子１２の各端面に２箇所ずつ、計４箇所形成する必要がある。しかし、ワイヤー１０と接続するのは、圧電素子１２の一方の端面上の外部電極７だけで構わないので、圧電素子１２とワイヤー１０との接続箇所は、外部電極７ａ，７ｃの一方とワイヤー１０との接続、１つ（本実施形態では、外部電極７ａとワイヤー１０ａとの接続）と、外部電極７ｂ，７ｄの一方とワイヤー１０との接続、１つ（本実施形態では、外部電極７ｂとワイヤー１０ｂとの接続）の、計２つと、共通電極用の外部電極７ｇとワイヤー１０ｇとの接続、１つの、合計３つとなる。これにより、外部電極７に接続すべきワイヤー１０の数を３つに減らすことができる。その結果、圧電素子１２の振動阻害を抑制することができ、超音波アクチュエータの効率低下を抑制することができる。

また、ワイヤー１０の接続工数を減らすことができるので、超音波アクチュエータの製造が容易になる。特に、圧電素子１２は機械的強度が弱いため、ワイヤー１０を外部電極７に接続する際、機械的ストレスにより圧電素子１２が壊れるおそれがあるが、上述のように、ワイヤー１０の接続工数が減ることにより、この接続工程における圧電素子１２の破壊を低減することができる。

さらに、ワイヤー１０と外部電極７との接続点も減らすことができる。これにより、この接続点に設けられたはんだによる振動阻害を抑制することができる。また、この接続点は超音波アクチュエータを駆動させる上で重要な箇所であるが、湿度や温度変化などの外部環境の影響を受けやすいので、上述のように、その接続点を少なくすることにより、超音波アクチュエータの信頼性を向上させることができる。

ところで、２次モードの屈曲振動を効率よく誘起させるためには、圧電体層１の上側主面の対角部にそれぞれ配置された一対の電極が同電位となることが望ましい。ここで、上述のように、第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄは、外部電極７ｂ，７ｄを通じて第二給電電極層６ｂの分割電極４ｂ，４ｄと導通して同電位となり、第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ，４ｃは、外部電極７ａ，７ｃを通じて第一給電電極層６ａの分割電極２ａ，２ｃと導通して同電位となる。その結果、圧電体層１の上側主面の対角部にそれぞれ配置された一対の電極をすべて同電位とすることができる。

また、外部電極７ｇが圧電素子１２の両端面にそれぞれ形成されている。これにより、圧電素子１２の方向性がなくなり、圧電素子１２に駆動子８，８を実装するとき、その位置をそろえる必要がなくなる。その結果、超音波アクチュエータの量産性が向上する。なお、外部電極７ｇを圧電素子１２の一方の端面にのみ形成してもよい。

さらに、共通電極３ａ、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ、及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄは、それぞれ引出電極３ｂ，２ｆ，４ｆを介して外部電極７ａ〜７ｄ，７ｇに接続されているので、圧電素子１２の周囲面の異なる位置に、共通電極３ａ、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ、及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄをそれぞれ引き出すことができる。その結果、共通電極３ａ、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ、及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄの間に充分な絶縁距離を確保することができる。このように、充分な絶縁距離を取るためには、異なる電位の電極３ａ，２ａ〜２ｄ，４ａ〜４ｄの引出電極３ｂ，２ｆ，４ｆを圧電体層１の厚み以上の間隔を開けて形成することが望ましい。

その上、上述のように、共通電極３ａ、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ、及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄは、それぞれ、圧電的に不活性な部分に配置された引出電極３ｂ，２ｆ，４ｆを介して外部電極７ａ〜７ｄ，７ｇに接続されているので、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、上述のように、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅを圧電体層１の主面の長手方向中央部の、短手方向両端縁部を除く部分にそれぞれ形成しているので、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、超音波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、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅ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、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅ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ことが望ましい。

一方、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅは、圧電体層１の短手方向Ｓ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、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅ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５間の絶縁が困難となる。そこで、上述のように、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅを圧電体層１の短手方向両端縁部を除く部分に形成している。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、第一接続電極２ｅ及び第二接続電極４ｅを形成することが望ましい。

以下、給電電極層６等についてさらに説明する。

第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄは、圧電体層１の長手方向両端縁部を除く部分に形成されている。なお、これらの分割電極２ａ〜２ｄ，４ａ〜４ｄや上記接続電極２ｅ，４ｅは、積層方向から見て共通電極３ａと重なっている部分のことをいう（図５参照）。つまり、給電電極層６のうち積層方向から見て共通電極３ａと重なっていない部分は、分割電極２ａ〜２ｄ，４ａ〜４ｄや接続電極２ｅ，４ｅではなく、引出電極２ｆ，４ｆである。

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している。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、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄ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、超音波アクチュエータの効率を向上させることができる。

また、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄは、圧電体層１の短手方向中央部を除く部分に形成されている。

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している。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、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄ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、超音波アクチュエータの効率を向上させることができる。

また、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第一接続電極２ｅのなす形状が、圧電体層１の上側主面の中心点Ｍ（図４参照）に対して点対称の形状である。さらに、第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄ及び第二接続電極４ｅのなす形状も、圧電体層１の上側主面の中心点Ｍに対して点対称の形状である。つまり、引出電極２ｆを除く（以外の）第一給電電極層６ａの形状及び引出電極４ｆを除く第二給電電極層６ｂの形状が、それぞれ圧電体層１の上側主面の第一対角線及び第二対角線の交点に対して点対称の形状である。このように、給電電極層６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することができる。

また、第一給電電極層６ａの分割電極２ａ〜２ｄ及び第一接続電極２ｅのなす形状と第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ〜４ｄ及び第二接続電極４ｅのなす形状とが、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４参照）に対して互いに反転した形状である。つまり、引出電極２ｆを除く第一給電電極層６ａの形状をその中心線Ｃに対して互いに反転した形状が、引出電極４ｆを除く第二給電電極層６ｂの形状である。このように、第一給電電極層６ａの形状及び第二給電電極層６ｂ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することができる。

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超音波アクチュエータ（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の最外層が共通電極層３又は給電電極層６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、超音波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、超音波アクチュエータの信頼性を向上させることができる。

−超音波アクチュエータの動作−
以下、超音波アクチュエータの動作について説明する。図６は、本実施形態に係る１次モードの伸縮振動の変位図であり、図７は、２次モードの屈曲振動の変位図であり、図８は、圧電素子１２の動作を示す概念図である。なお、図６〜図８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１０を介して共通電極層３と第一給電電極層６ａとの間に、前記略一致させた共振周波数近傍の周波数の基準交流電圧を印加し、ワイヤー１０を介して共通電極層３と第二給電電極層６ｂとの間に、位相が基準交流電圧と９０°又は−９０°だけ異なる、基準交流電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子１２には、図６に示す１次モードの伸縮振動と図７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８（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８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の方向に動く。

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の可動方向であり、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に垂直な方向である。

（その他の実施形態）
前記実施形態では、図３に示すように、給電電極層６は、第一給電電極層６ａ又は第二給電電極層６ｂが積層方向に何層か連続して配されてなっていてもよく、あるいは、第一給電電極層６ａ及び第二給電電極層６ｂがランダムに配されてなっていてもよいが、図９に示すように、第一給電電極層６ａの数及び第二給電電極層６ｂの数が同数で、給電電極層６が、第一給電電極層６ａ及び第二給電電極層６ｂが積層方向に交互に配されてなることが望ましい。

このように、第一給電電極層６ａの数及び第二給電電極層６ｂの数を同数にすることにより、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することができる。

また、給電電極層６が、第一給電電極層６ａ及び第二給電電極層６ｂが積層方向に交互に配されてなることにより、圧電素子１２の接続電極２ｅ，４ｅ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することができる。

また、前記実施形態では、外部電極７を圧電素子１２の周囲面にのみ形成し、圧電素子１２の主面に形成しないことが望ましい。この場合、圧電素子１２の外面のうち、面積が最も大きい主面に外部電極７が形成されないことになるため、その周辺にある金属部品と接触してもショートが起こりにくくなる。さらに、外部電極７と共通電極層３との間に電界が発生しないので、圧電素子１２に余分な振動が発生せず、超音波アクチュエータの効率低下を抑制することができる。

また、前記実施形態では、分割電極２ａ〜２ｄ，４ａ〜４ｄ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、前記実施形態では、外部電極７にはんだによりワイヤー１０を接続する構成について説明したが、ワイヤボンディングによる接続、導電性接着剤による接続、圧着による接続、接触による接続など、他の電気的接続方法を用いてもよい。これらにより、前記実施形態と同様の効果が得られる。

また、前記実施形態では、ワイヤー１０による給電について説明したが、導電性ゴムによる給電、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、前記実施形態と同様の効果が得られる。

以下、導電性ゴムによる給電の一例について説明する。図１０、図１１に示すように、各支持部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、シリコーンゴムに金属粒子を混入した導電性ゴムからなる。第一給電電極層６ａの領域Ａ４（図４参照）の分割電極２ｄには、この分割電極２ｄから圧電素子４３の側面に向かって延びる引出電極２ｇが設けられている。第二給電電極層６ｂの領域Ａ３（図４参照）の分割電極４ｃには、この分割電極４ｃから圧電素子４３の側面に向かって延びる引出電極４ｇが設けられている。圧電素子４３の両側面には、外部電極７ｅ，７ｆがそれぞれ設けられている。共通電極３ａは、外部電極７ｇを介して支持部１３ｂに接続されている。第一給電電極層６ａの分割電極２ｂ，２ｄ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ｂ，４ｄは、引出電極２ｇ及び外部電極７ｅを介して支持部１３ｃに接続されている。第一給電電極層６ａの分割電極２ａ，２ｃ及び第二給電電極層６ｂの分割電極４ａ，４ｃは、引出電極４ｇ及び外部電極７ｆを介して支持部１３ａに接続されている。そして、これらの支持部１３ａ〜１３ｃ等を通じて、内部電極層５には電圧が印加される。その他の点に関しては、前記実施形態とほぼ同様である。以上により、圧電素子４３にはんだを設ける必要がなくなるため、はんだを設けた圧電素子４３の部位に振動による応力が集中して圧電素子４３が割れてしまうことを抑制することができる。

また、前記実施形態では、超音波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することができる。例えば、図１２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、超音波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、超音波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の可動方向となる。

また、前記実施形態では、支持体をケース１１で構成しているが、圧電素子１２を支持する支持部を有する限り、如何なるもので構成してもよい。

以上説明したように、本発明は、給電電極層の構成を工夫することにより圧電素子の振動阻害を抑制するものであり、各種電子機器等に用いられる超音波アクチュエータ等に有用である。

本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 圧電素子の斜視図である。 圧電素子の分解斜視図である。 圧電体層の平面図である。 （ａ）は、第一給電電極層と共通電極層との位置関係を示す図であり、（ｂ）は、第二給電電極層と共通電極層との位置関係を示す図である。 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。 圧電素子の変形例の分解斜視図である。 超音波アクチュエータの変形例の斜視図である。 （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。 超音波アクチュエータの変形例の斜視図である。 超音波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、圧電素子の分解斜視図である。

符号の説明

１ 圧電体層
２ａ〜２ｄ 分割電極
２ｅ 第一接続電極
２ｆ 引出電極
３ 共通電極層
４ａ〜４ｄ 分割電極
４ｅ 第二接続電極
４ｆ 引出電極
５ 内部電極層
６ 給電電極層
６ａ 第一給電電極層
６ｂ 第二給電電極層
７ａ〜７ｄ 外部電極
７ｇ 共通電極用の外部電極
８ 駆動子
９ 可動体
１０ ワイヤー
１１ ケース
１２，２３，４３ 圧電素子
１３ａ〜１３ｃ 支持部

Claims (13)

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共通電極層及び給電電極層からなり、
   前記共通電極層は、共通電極を有し、
   前記給電電極層は、前記圧電体層の主面に設けられた第一給電電極層と、主面に該第一給電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二給電電極層とを有し、
   前記第一給電電極層は、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一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第一接続電極とを有し、
   前記第二給電電極層は、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二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第二接続電極とを有し、
   前記第一接続電極及び前記第二接続電極は、前記圧電体層の主面の長手方向中央部にそれぞれ設けられ、前記圧電体層の主面の短辺と略平行な方向に延びた形状であり、
   前記共通電極は、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極に接続され、
   前記第一給電電極層の、前記第一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と前記第二給電電極層の、前記第一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とは、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極で接続され、
   前記第一給電電極層の、前記第二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と前記第二給電電極層の、前記第二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とは、前記圧電素子の外面に設けられた外部電極で接続されている圧電素子。
2. 共通電極、第一給電電極層の分割電極、及び第二給電電極層の分割電極には、引出電極がそれぞれ設けられ、
   前記引出電極は、前記外部電極に接続されている請求項１記載の圧電素子。
3. 共通電極層と第一給電電極層の引出電極及び第二給電電極層の引出電極とは、積層方向から見て重なっていない請求項２記載の圧電素子。
4. 分割電極は、前記圧電体層の長手方向両端縁部を除く部分に設けられている請求項１記載の圧電素子。
5. 分割電極は、前記圧電体層の短手方向中央部を除く部分に設けられている請求項１記載の圧電素子。
6. 給電電極層の分割電極及び接続電極のなす形状が、前記圧電体層の主面の中心点に対して点対称の形状である請求項１記載の圧電素子。
7. 第一給電電極層の分割電極及び第一接続電極のなす形状と第二給電電極層の分割電極及び第二接続電極のなす形状とが、前記圧電体層の主面の長手方向に延びる中心線に対して互いに反転した形状である請求項１記載の圧電素子。
8. 第一給電電極層の数及び第二給電電極層の数が同数である請求項１記載の圧電素子。
9. 給電電極層は、前記第一給電電極層及び前記第二給電電極層が積層方向に交互に配されてなる請求項１記載の圧電素子。
10. 圧電素子の積層方向の最外層が前記圧電体層である請求項１記載の圧電素子。
11. 外部電極は、前記圧電素子の端面及び側面からなる周囲面にのみ設けられている請求項１記載の圧電素子。
12. 請求項１記載の圧電素子と、
    前記圧電素子の端面又は側面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、
    前記内部電極層に給電することにより前記圧電素子を１次モードの伸縮振動と２次モードの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前記圧電素子との間で相対運動させる超音波アクチュエータ。
13. 圧電素子を支持する支持部を有する支持体をさらに備え、
    前記支持部は、導電性ゴムからなる請求項１２記載の超音波アクチュエータ。

Images