JP7130416B2 - 振動子、振動型アクチュエータ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動子、振動型アクチュエータ及び電子機器に関する。

弾性体と圧電セラミックスが接着（接合）された振動体（以下「振動子」という）を備える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には、振動子と被駆動体とを接触させ、振動子に２つの異なるモードの振動を励起することにより生じる合成振動により、振動子と被駆動体を相対的に移動させる振動型アクチュエータが記載されている。

ここで、圧電セラミックスとしては、一般式がＡＢＯ_３（Ａ，Ｂはそれぞれ金属元素）で表されるペロブスカイト型金属酸化物が広く用いられている。代表的な圧電セラミックスとして、圧電定数の大きいチタン酸ジルコン酸鉛系材料（以下「ＰＺＴ系材料」という）が広く使用されている。しかし、ＰＺＴ系材料は、多量の鉛を含有するために環境に対する影響が問題視されている。

この問題に対して、鉛を含有しない圧電セラミックス（以下「非鉛系圧電セラミックス」という）の利用が検討されている。ペロブスカイト型の非鉛系圧電セラミックスとしては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）とその派生体（固溶体）が知られている。例えば、特許文献２及び非特許文献１には、チタン酸バリウムのＡサイトの一部をカルシウム（Ｃａ）で、Ｂサイトの一部をジルコニウム（Ｚｒ）でそれぞれ置換することで圧電特性を向上させた圧電セラミックスが記載されている。

特開２００４－２９７９１０号公報 特開２００９－２１５１１１号公報

"Journal of Applied Physics",2011年, 109巻, 054110-1～054110-6

しかしながら、一般的に、非鉛系圧電セラミックスの圧電定数は鉛系圧電セラミックスの圧電定数よりも小さい。そのため、非鉛系圧電セラミックスを用いた振動子で鉛系圧電セラミックスを用いた振動子と同等の振動変位を得ようとすると、消費電力が大きくなってしまうという問題が生じる。

本発明は、消費電力を抑えながら所望の振動変位を得ることができる振動子を提供することを目的とする。

本発明に係る振動子は、圧電セラミックスと電極を備えた圧電素子と弾性体とが接着層を介して接着されてなる振動子であって、前記接着層は、前記接着層の厚さ方向に投影して前記圧電素子と前記弾性体とが重なる領域における、前記振動子に一次の面外曲げ振動モードの振動が励起された際の前記振動の節線の近傍領域に、前記圧電素子と前記弾性体とを接着しない非接着領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、消費電力を抑えながら所望の振動変位が得られる振動子を実現することができる。

本発明の実施形態に係る圧電素子と振動子の概略構成を示す図である。 振動子に励起する面外振動モードの一例を説明する図である。 振動子のアドミッタンスの周波数依存性、共振周波数差Δｆと消費電力との関係を説明する図である。 振動子に励起する面外振動モードの節線と腹線を説明する図である。 振動子における接着層の実施例に係る構成を説明する図である。 振動子における接着層の比較例に係る構成を説明する図である。 実施例及び比較例での非接着面積率とΔｆの値との関係を示す図である。 図１の圧電素子の変形例を示す平面図である。 本発明の圧電素子と振動子を用いた振動波駆動装置の一実施形態を示す図である。 振動型アクチュエータを備える光学機器の概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧電素子１０１と振動子１００の概略構成を示す図である。図１（ａ）は、圧電素子１０１の側面図である。図１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、圧電素子１０１の平面図（上面図、裏面図）である。圧電素子１０１は、圧電セラミックス１の一方の面に第１電極２が形成され、他方の面に第２電極３ａ，３ｂが形成された構造を有する。説明の便宜上、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を規定する。図１（ｄ）は、振動子１００の側面図である。振動子１００は、圧電素子１０１と弾性体５を接着層４により接着（接合或いは固着と表現しても構わない）させた構造を有する。後に説明する図２に示すように弾性体５には突起部５１が設けられるが、図１（ｄ）では突起部５１の図示を省略している。

最初に、振動子１００を構成する圧電素子１０１の構成について説明する。圧電セラミックス１は、略矩形で平板状の形状を有しており、圧電セラミックス１の長手方向、短手方向及び厚さ方向をそれぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向と規定している。略矩形とは、完全な矩形であることを必要とせず、例えば、各辺が面取りされているような形状を含むことを意味する。圧電セラミックス１は、組成が略均一な焼結体であり、分極処理を施すことにより、例えば、２０℃において、圧電定数ｄ_３１の絶対値が１０ｐｍ／Ｖ以上又は圧電定数ｄ_３３が３０ｐＣ／Ｎ以上を示す圧電材料である。

なお、圧電セラミックス１の圧電定数は、例えば、圧電セラミックス１の密度と共振周波数及び***振周波数とを用い、電子情報技術産業規格（ＪＥＩＴＡ ＥＭ－４５０１）に基づいて計算（共振－***振法）により求めることができる。その場合、密度はアルキメデス法により測定することができる。共振周波数と***振周波数はインピーダンスアナライザを用いて測定することができる。共振－***振法以外にも、ベルリンコート法を測定原理に用いた圧電定数測定装置により圧電セラミックス１の圧電定数を測定することも可能である。

以前から、振動子を構成する圧電セラミックスには、圧電定数の大きいジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とするものが広く用いられている。しかし、圧電セラミックスを含む圧電素子が廃却されて酸性雨を浴びた場合や過酷な環境に放置された場合には、圧電セラミックスに含まれる鉛成分が土壌に溶け出し、生態系に害を及ぼすおそれがある。このような問題に鑑み、本実施形態では、圧電セラミックス１には、非鉛系圧電セラミックスが用いられ、非鉛系圧電セラミックスとは鉛含有量が１０００ｐｐｍ未満の圧電セラミックスを指すものと定義する。これは、鉛の含有量が１０００ｐｐｍ未満であれば、圧電素子１０１が廃却されて酸性雨を浴び或いは過酷な環境に放置されても、圧電セラミックス１に含まれる鉛成分による環境汚染は実質的に起こらないからである。なお、圧電セラミックス１の鉛含有量は、周知の定量分析法を用いて検出することができる。例えば、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ）を用いて或いはＩＣＰ発光分光分析により定量された鉛の重量の圧電セラミックス１の総重量に対する割合により求めることができる。

非鉛系圧電セラミックスの中でも、圧電定数が大きく、製造が比較的容易であるという観点から、チタン酸バリウム又はその派生体を用いることが望ましく、且つ、焼結体のヤング率が１００ＧＰａ～１４０ＧＰａの範囲にあるものが望ましい。チタン酸バリウム又はその派生体としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムカルシウム（［Ｂａ，Ｃａ］ＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ［Ｔｉ，Ｚｒ］Ｏ_３）、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム（［Ｂａ，Ｃａ］［Ｔｉ，Ｚｒ］Ｏ_３）、ニオブ酸ナトリウム－チタン酸バリウム（ＮａＮｂＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム－チタン酸バリウム（［Ｂｉ，Ｎａ］ＴｉＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム－チタン酸バリウム（［Ｂｉ，Ｋ］ＴｉＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）が挙げられる。

非鉛系圧電セラミックスは、実質的にこれらの各組成となっているもの、各組成を組み合わせたもの、各組成をベースとして他の元素を含んだもののいずれであってもよい。圧電定数と機械的品質係数（Ｑ値）を両立することができるという観点からは、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム又はニオブ酸ナトリウム－チタン酸バリウムを主成分とするものが好適に用いられる。また、機械的品質係数や絶縁性を向上させる観点からは、上記の主成分以外の元素として、マンガン（Ｍｎ）やビスマス（Ｂｉ）を含むものが好適に用いられる。圧電セラミックス１は、周知の製造方法によって製造することができる。例えば、金属元素を有する原料粉末（一般的には金属酸化物）を成形し、焼成し、得られた焼結体を所望の形状に加工することによって製造することができるが、特に限定されるものではない。

第１電極２及び第２電極３ａ，３ｂはそれぞれ、圧電セラミックス１に所定の変位を生じさせるための電圧を印加するために、圧電セラミックス１の表裏面に設けられている。第２電極３ａ，３ｂは交番電圧（駆動電圧）を印加するための電極として用いられ、第１電極２はグランド（アース）に接続される共通電極として用いられる。第１電極２と第２電極３ａ，３ｂとの間に所定の電位差が生じるように電圧を印加すると、圧電セラミックス１には厚さ方向に電界が印加され、圧電セラミックス１に圧電特性（圧電定数）に起因する変位を生じさせることができる。

第１電極２と第２電極３ａ，３ｂは、導電性材料からなり、その厚さは５ｎｍ～１０μｍ程度である。導電性材料には、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属又はこれらの合金を用いることが望ましい。低コストで良好な導電性を有するという観点からは、銀が好適に用いられる。例えば、圧電セラミックス１の表裏面にスクリーン印刷法等を用いて銀ペーストを印刷（塗布）し、乾燥させた後に所定の温度で焼き付けることにより、第１電極２と第２電極３ａ，３ｂを銀で形成することができる。第１電極２と第２電極３ａ，３ｂを上述した金属又は合金で形成する方法としては、スパッタリング法等を用いることもできる。

圧電特性に基づく変位を圧電素子１０１に発生させるためには、圧電セラミックス１の分極処理が必要となる。分極処理は、圧電素子１０１を弾性体５に接着する前に行ってもよいし接着した後に行っても構わない。分極処理を接着工程前に行う場合には、圧電セラミックス１に脱分極が生じないように、分極処理以降の工程を圧電セラミックス１のキュリー温度以下の温度で行う必要がある。

続いて、振動子１００の接着層４及び弾性体５について説明する。接着層４は、一般的には、圧電素子１０１と弾性体５のいずれか一方に液体状の樹脂接着剤を塗布し、圧電素子１０１と弾性体５とが密着するように厚さ方向（Ｚ方向）に所定の力を加えながら硬化させることによって形成される。なお、図１（ｄ）では、接着層４を明示するために厚みを設けて示しているが、接着層４の厚さは、一般的に、数ミクロン程度である。弾性体５は、例えば、ステンレス材等の金属材料からなり、弾性体５のＸＹ面の大きさは、圧電素子１０１のＸＹ面の大きさと同等か又は若干大きい。

ここで、圧電素子１０１と弾性体５の接着方法について説明する。まず、圧電素子１０１の接着面又は弾性体５の接着面に液状の樹脂接着剤を塗布する。なお、樹脂接着剤は、塗布時（硬化処理前）には流動性を有し、所定の硬化処理によって流動性が失われて硬化（固化）し、固体となる樹脂材料であり、一液硬化性であってもよいし二液硬化性であってもよい。樹脂接着剤の具体例としては、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂、シリコーン系樹脂が挙げられる。

続いて、塗布された樹脂接着剤を介して圧電素子１０１の接着面と弾性体５の接着面と貼り合わせ、圧電素子１０１と弾性体５とを厚さ方向（Ｚ方向）に加圧した状態で樹脂接着剤を硬化させる。圧電素子１０１と弾性体５に加える加圧力は、圧電素子１０１と弾性体５が動かず、且つ、圧電セラミックス１が割れない程度とし、例えば、３０ｋｇ／ｃｍ^２以下が好ましく、１ｋｇ／ｃｍ^２以上１０ｋｇ／ｃｍ^２以下がより好ましい。また、樹脂接着剤が熱硬化性である場合には、圧電素子１０１と弾性体５を加圧接触させた状態で、圧電素子１０１と弾性体５の少なくとも一方を加熱することで、硬化時間を短縮することができる。こうして、樹脂接着剤が硬化した接着層４が形成されることで、振動子１００が得られる。

なお、分極処理済みの圧電素子１０１を用いて圧電素子１０１と弾性体５とを熱硬化性の樹脂接着剤により接着する場合には、樹脂接着剤の硬化処理温度を圧電セラミックス１のキュリー温度以下として、圧電セラミックス１の脱分極を防止することが望ましい。また、圧電素子１０１と弾性体５の接着方法は、上記の方法に限定されるものではない。必要に応じて、第１電極２及び第２電極３ａ，３ｂには、電圧入力手段（電源）と電気的に接続するための給電部材（図８参照）が設けられる。

図２は、振動子１００に励起する２つの異なる面外振動モードの一例を説明する図である。なお、図２（ａ），（ｂ）では、振動子１００に生じる振動変位の理解を容易とするために変形量を拡大して表しており、また、接着層４の図示を省略している。弾性体５における圧電素子１０１との接着面の反対側の面には、長手方向（Ｘ方向）に所定の間隔で突起部５１が設けられている。なお、突起部５１の機能については後述する。

図２（ａ），（ｃ）は、２つの面外振動モードのうちの一方の面外振動モード（以下「面外振動モードＡ」という）を説明する図である。面外振動モードＡは、振動子１００の長辺（Ｘ方向）と略平行で互いに交わらない２本の節線を有する一次の面外曲げ振動モードである。図２（ｃ）には、節線の位置が黒丸で、腹線の位置が白丸でそれぞれ示されており、振幅は腹線の位置で最大となる。図２（ｂ），（ｄ）は、２つの面外振動モードのうちの他方の面外振動モード（以下「面外振動モードＢ」という）を説明する図である。面外振動モードＢは、振動子１００の短辺（Ｙ方向）と略平行で互いに交わらない３本の節線を有する二次の面外曲げ振動モードである。図２（ｄ）には、節線の位置が黒丸で、腹線の位置が白丸でそれぞれ示されており、振幅は腹線の位置で最大となる。

面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの共振周波数、節線の数とその位置は、例えば、振動子１００に駆動周波数を変化させながら交番電圧を印加し、駆動周波数ごとの面外方向変位量の面内分布をレーザドップラー振動計で計測することにより知ることができる。突起部５１は、面外振動モードＡの腹線と面外振動モードＢの節線とが交差する位置に設けられている。詳細は後述するが、面外振動モードＡ，Ｂの振動を同時に所定の位相差で励起することにより、突起部５１の先端にＺＸ面内で楕円運動を生じさせることができる。図９を参照して後述するように、突起部５１の先端部は被駆動体と接触し、突起部５１の先端部に生じる楕円運動によって突起部５１が被駆動体へ推力を与える。これにより、振動子１００と被駆動体とを相対的にＸ方向に移動させることができる。

面外振動モードＡについては、振動子１００の短辺方向（Ｙ方向）で変位量がゼロとなる場所又は変位量の正負が反転する境となる場所を節線とし、節線が圧電素子１０１の長辺方向（Ｘ方向）のいずれの場所においても短辺方向に２カ所ある周波数を求める。こうして求めた周波数の近傍で、２カ所の節線の中央部（腹線）の位置での変位量が最大となる周波数が面外振動モードＡの共振周波数ｆ_Ａである。面外振動モードＢについては、振動子１００の長辺方向（Ｘ方向）で変位量がゼロとなる場所又は変位量の正負が反転する境の場所を節線とし、節線が圧電素子１０１の短辺方向（Ｙ方向）のいずれの場所においても長辺方向に３カ所ある周波数を求める。こうして求めた周波数の近傍で、３カ所のうちの隣り合う２カ所の節線の中央部（腹線）の位置での変位量が最大となる周波数が面外振動モードＢの共振周波数ｆ_Ｂである。

図３（ａ）は、振動子１００のアドミッタンスの周波数依存性を示す図である。振動子１００のアドミッタンスは、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの共振周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂで極大値となり、共振周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂの差（ｆ_Ｂ－ｆ_Ａ）を共振周波数差Δｆと定義する。図３（ｂ）は、共振周波数差Δｆの異なる振動子１００がそれぞれ用いられている振動型アクチュエータを駆動したときの消費電力を測定した結果を示す図である。なお、振動型アクチュエータの構造は、後述する図９に示す振動型アクチュエータの構造に準じており、共振周波数差Δｆの違いは、振動子１００の形状が異なることに起因して生じる。図３（ｂ）では、一定の振動速度で駆動したときの消費電力を縦軸に、共振周波数差Δｆを横軸に取っており、共振周波数差Δｆが大きくなるにしたがって消費電力が小さくなる傾向が現れていることがわかる。そこで、本実施形態では、圧電素子１０１と弾性体５との接着状態に特徴を持たせることによって共振周波数差Δｆを大きくすることで、小さい消費電力で駆動が可能な振動型アクチュエータを実現する。

図４（ａ）は、面外振動モードＡにおける腹線（Ｃｎ－Ｃｎ´（ｎ＝１，２，３））及び節線（Ｄｎ－Ｄｎ´（ｎ＝１，２））の位置を非駆動時の圧電セラミックス１側から見た平面図である。図４（ｂ）は、面外振動モードＢにおける腹線（Ｅｎ－Ｅｎ´（ｎ＝１，２，３，４））及び節線（Ｆｎ－Ｆｎ´（ｎ＝１，２，３））の位置を非駆動時の圧電セラミックス１側から見た平面図である。なお、節線及び腹線は、図４（ａ），（ｂ）に示すように短辺又は長辺に平行な直線状になるとは限らず、振動子１００の形状や振動モードの混成によって複雑に屈曲した曲線となることもある。しかし、本実施形態では、近似的に節線及び腹線が直線状であるとして説明する。

振動子１００において、圧電セラミックス１と弾性体５の接着状態（接着層４の形態）を変化させた場合の共振周波数差Δｆの変化を、有限要素法パッケージソフトＡＮＳＹＳ（ＡＮＳＹＳＩｎｃ．）を用いて見積った。このシミュレーションでは、２０℃での弾性体５のヤング率Ｙｓｂを２００ＧＰａとし、圧電セラミックス１のヤング率Ｙｃｅを１２０ＧＰａとした。

図５は、接着層４の実施例１～５に係る構成を説明する図である。圧電素子１０１の内側にドット模様で示した領域は、圧電素子１０１と弾性体５が接着層４により接着されている領域を示している。一方、圧電素子１０１の内側の無地の領域（白色領域）は、接着剤が存在しないか又は接着剤が存在していても圧電素子１０１と弾性体５を実質的に接着していない領域（以下「非接着領域」という）を示している。非接着領域は、例えば、圧電素子１０１における弾性体５との接着面に、接着剤の密着を妨げるフッ素系樹脂等の層を設けることによって形成することができる。また、非接着領域は、接着層に予め可溶性材料を準備しておき、圧電素子１０１と弾性体５との接着後に可溶性材料を取り除く方法や、接着層４と圧電素子１０１又は弾性体５との界面に空隙を形成する方法等を用いて形成することも可能である。

図６は、接着層４の比較例１～６に係る構成を説明する図である。図６（ａ）は、圧電素子１０１と弾性体５との間の接着層４に非接着領域を形成せずに略均一な接着層４を設ける従来の一般的な形態を示しており、これを比較例１とする。比較例１の構成での共振周波数差Δｆを基準値Δｆ_０とし、実施例１～５のそれぞれの共振周波数差の計算値Δｆｅｘ_１～Δｆｅｘ_５及び比較例２～６のそれぞれの共振周波数差の計算値Δｆｃ_１～Δｆｃ_５を基準値Δｆ_０と比較する。

図５（ａ）は、接着層４の実施例１の構成を示している。実施例１は、面外振動モードＡの節線Ｄ１－Ｄ１´，Ｄ２－Ｄ２´を中心として２本の帯状の非接着領域が各節線の近傍領域に設けられた構成となっている。なお、本実施形態において、節線の近傍領域とは、非駆動時の振動子１００を圧電セラミックス１側から見たときに、所定の面外振動モードの腹線よりもその面外振動モードの節線に近い領域であって、その節線を含む領域であると定義する。さらに、弾性体５に対する圧電セラミックス１の接着面の全面積Ｓｃｅに対する非接着領域の面積Ｓｕの比率、つまり、Ｓｕ／Ｓｃｅを非接着面積率とよぶ。例えば図５（ａ）においては、腹線Ｃ１－Ｃ１´と腹線Ｃ３－Ｃ３´の間の幅と、接着領域のＸ方向の長さとからなる、一つの矩形領域が接着面の全面積Ｓｃｅに相当する。実施例１において、２本の帯状の非接着領域の各幅（Ｙ方向での長さ）を変化させて、２本の帯状の非接着領域の総和から求める非接着面積率を４．９％、９．８％、１４．６％とした場合のΔｆｅｘ_１／Δｆ_０の値は、それぞれ、１．００３、１．０１０，１．０２５となった。ここで、非接着面積率が１４．６％の場合においては、図５（ａ）及び図２（ｃ）に図示されているように、１波の波長λに対して、節線と交差する方向であるＹ方向において節線を含む位置に、より好適には節線がＹ方向において中心となる位置に、２つの節線のそれぞれに対して０．０７３λの幅の非接着領域が定義される。本実施例ではこれに限らず、２つの節線のそれぞれに０．０７３λ以内の幅の非接着領域を設け、この非接着領域において圧電素子１０１と弾性体５とを接着しないように接着層４を構成すると好適である。

図５（ｂ）は、接着層４の実施例２の構成を示している。実施例２は、面外振動モードＡの節線Ｄ１－Ｄ１´，Ｄ２－Ｄ２´を中心とし、圧電セラミックス１の長手方向の端部側（Ｘ方向端側）に４本の帯状の非接着領域が各節線の近傍領域に設けられた構成となっている。実施例２において、４本の帯状の非接着領域の各幅を変化させて非接着面積率をそれぞれ４．３％、８．７％、１４．６％とした場合のΔｆｅｘ_２／Δｆ_０の値はそれぞれ、１．００３、１．０１２、１．０２５となった。

図５（ｃ）は、接着層４の実施例３の構成を示している。実施例３は、面外振動モードＡの節線Ｄ１－Ｄ１´，Ｄ２－Ｄ２´を中心とし、圧電セラミックス１の長手方向の中央部（Ｘ方向中央部）に２本の帯状の非接着領域が各節線の近傍領域に設けられた構成となっている。２本の帯状の非接着領域の各幅を変化させて非接着面積率を８．８％、１４．６％とした場合のΔｆｅｘ_３／Δｆ_０の値はそれぞれ、１．０２４、１．０２５となった。

図５（ｄ）は、接着層４の実施例４の構成を示している。実施例４は、面外振動モードＡの節線Ｄ１－Ｄ１´を中心とし、圧電セラミックス１の長手方向の中央部（Ｘ方向中央部）に１本の帯状の非接着領域が節線Ｄ１－Ｄ１´の近傍領域に設けられた構成となっている。１本の帯状の非接着領域の非接着面積率を４．４％としたときのΔｆｅｘ_４／Δｆ_０の値は１．０１２となった。

図５（ｅ）は、接着層４の実施例５の構成を示している。実施例５は、面外振動モードＡの節線Ｄ１－Ｄ１´，Ｄ２－Ｄ２´に沿って各節線の近傍に非接着領域が点在するように設けられた構成となっている。点在する非接着領域の面積を足し合わせた非接着面積率を７．４％としたときのΔｆｅｘ_５／Δｆ_０の値は１．０１８となった。

図６（ｂ）は、接着層４の比較例２の構成を示している。比較例２は、面外振動モードＡの腹線Ｃ２－Ｃ２´を中心とした近傍に１本の帯状の非接着領域が設けられた構成となっている。１本の帯状の非接着領域の非接着面積率を２．４％、７．３％、１２．２％とした場合のΔｆｃ_２／Δｆ_０の値はそれぞれ、０．９９４、０．９６８、０．９１５となった。

図６（ｃ）は、接着層４の比較例３の構成を示している。比較例３は、面外振動モードＡの腹線Ｃ１－Ｃ１´，Ｃ３－Ｃ３´のそれぞれの近傍に２本の帯状の非接着領域が設けられた構成となっている。２本の帯状の非接着領域の非接着面積率を９．８％とした場合のΔｆｃ_３／Δｆ_０の値は０．９１５となった。

図６（ｄ）は、接着層４の比較例４の構成を示している。比較例４は、面外振動モードＡの腹線Ｃ２－Ｃ２´と節線Ｄ１－Ｄ１´，Ｄ２－Ｄ２´のそれぞれとの中間部に、Ｘ方向に延びる２本の帯状の非接着領域が設けられた構成となっている。２本の帯状の非接着領域の非接着面積率を９．８％とした場合のΔｆｃ_４／Δｆ_０の値は０．９９１となった。

図６（ｅ）は、接着層４の比較例５の構成を示している。比較例５は、面外振動モードＡの腹線Ｃ１－Ｃ１´と節線Ｄ１－Ｄ１´の中間部及び腹線Ｃ３－Ｃ３´と節線Ｄ２－Ｄ２´の中間部のそれぞれに圧電セラミックス１の長手方向（Ｘ方向）に延びる２本の帯状の非接着領域が設けられた構成となっている。２本の帯状の非接着領域の非接着面積率を９．８％とした場合のΔｆｃ_５／Δｆ_０の値は０．９９４となった。

図６（ｆ）は、接着層４の比較例６の構成を示している。比較例６は、面外振動モードＡの節線及び腹線と交差するように、圧電セラミックス１の長手方向（Ｘ方向）の中央部に短手方向（Ｙ方向）に延びる１本の帯状の非接着領域が設けられた構成となっている。１本の帯状の非接着領域の非接着面積率を５．０％とした場合のΔｆｃ_６／Δｆ_０の値は０．９５９となった。

図７（ａ）は、実施例１～５での非接着面積率とΔｆｅｘ／Δｆ_０の値との関係を示す図である。図７（ｂ）は、比較例１～６での非接着面積率とΔｆｃ／Δｆ_０の値との関係を示す図である。なお、実施例１～３では、非接着領域の幅（Ｙ方向長さ）や長さ（Ｘ方向長さ）を変更し、非接着面積率が１４．６％に至ったところで非接着領域が同一形状となるように調整した。

図７（ａ），（ｂ）において、Δｆｅｘ／Δｆ_０の値が１より大きいということは、面外振動モードＡ，Ｂ間の共振周波数差Δｆが大きいこと、つまり、消費電力を抑える効果が大きいことを意味する。一方、Δｆｃ／Δｆ_０の値が１より小さいということは、面外振動モードＡ，Ｂ間の共振周波数差Δｆが小さいこと、つまり、消費電力を抑える効果が得られないことがわかる。よって、実施例１～５のように、面外振動モードＡの節線を中心とした領域に非接着領域を設けて非接着面積率を大きくすることで、消費電力を抑えることができることがわかる。一方、比較例２～６のように、面外振動モードＡの腹線を中心とした領域に非接着領域を設けた場合には、消費電力を抑える効果が得られていないことがわかる。

なお、振動子１００が図２に示したように突起部５１を備える場合において突起部５１の内側が空洞である場合には、突起部５１の内側の領域は圧電素子１０１と接着されない非接着領域となる。この場合、実施例１～５での非接着領域に加えて、突起部５１の内側の非接着領域の非接着面積率が２０％程度存在しても構わない。つまり、実施例１～５の非接着領域が形成されていれば、突起部５１の内側に非接着領域が更に形成されたとしても、共振周波数差Δｆを比較例１よりも大きくすることができる。但し、全体の非接着面積率が大きくなり過ぎると、圧電素子１０１に励起された振動が弾性体５に伝わり難くなる問題や振動子１００が破壊され易くなる（圧電素子１０１と弾性体５とが剥離し易くなる）等の問題が生じる可能性がある。よって、圧電セラミックス１において弾性体５と対向する面積に対する非接着領域の面積の比率である非接着面積率は４０％未満とすることが望ましい。

また、前述の通り、弾性体５にはステンレス材等の金属部材が用いられる。ここで、弾性体５のヤング率が小さいと、振動子１００の曲げ振動の中立面が弾性体５側から圧電セラミックス１側にシフトし、その結果、振動子１００の振動変位量が低下するおそれがある。そこで、圧電セラミックスの２０℃におけるヤング率Ｙｃｅと弾性体５の２０℃におけるヤング率Ｙｓｂとは、Ｙｃｅ＜Ｙｓｂの関係にあることが望ましい。ここで、２０℃を例に挙げているのは、一般的な振動子１００の一般的な使用温度の平均値を考慮したものである。なお、弾性体５のヤング率が小さい場合には、弾性体５の厚さを大きくして中立面を弾性体５側に調整することも可能であるが、この方法では振動子１００が大型化してしまう。よって、振動子１００を小型化する観点からも、弾性体５には、圧電セラミックス１よりもヤング率の大きい材料を用いることが望ましい。

更に、振動子１００では、面外振動モードＡの２本の節線の長さ方向における非接着領域の長さ割合Ｎｎ（％）が、２本の節線の中間に位置する腹線の長さ方向における非接着領域の長さ割合Ｎａ（％）より大きいことが好ましい。これは、面外振動モードＡの節線上に位置する圧電セラミックス１の見かけ上の剛性が低下することで、面外振動モードＢの共振周波数に比べて面外振動モードＡの共振周波数が選択的に低下し、共振周波数差Δｆを大きくすることができるからである。比較例１～６では、Ｎｎ≦Ｎａとなっているが、実施例１～５ではＮｎ＞Ｎａの条件が満たされている。また、一般的に、圧電素子１０１の形状が複雑となるにしたがって、また、対称性が低くなるにしたがって、多くの振動モードが現れる。そのため、所望の振動モード以外の振動の発生を抑制する観点から、非接着領域は圧電素子１０１の中心を通るＸＺ平面又はＹＺ平面に対して対称に設けることが望ましい。

ところで、本発明は、非鉛系圧電セラミックスを用いた振動子で所望の振動変位を得る際の消費電力の抑制を目的としてなされたものであるが、上記説明の通り、圧電材料そのものではなく、接着層４の形態を特徴としている。そのため、上述した接着層４の実施例１～５の形態は、非鉛系圧電セラミックスを用いた振動子に限らず、鉛系圧電セラミックスを用いた振動子にも適用が可能となる。つまり、鉛系圧電セラミックスを用いた振動子に実施例１～５で例示した接着層４の形態を取り入れることによって、従来よりも消費電力を小さくすることができる。

次に、圧電素子１０１の駆動について説明する。図８は、本発明の圧電素子１０１と振動子１００を用いた振動波駆動装置の一実施形態を示している。圧電素子１０１Ａのアスペクト比（長辺長さ／短辺長さ）は、圧電素子１０１のアスペクト比と異なるが、面外振動モードＡ，Ｂの振動を同時に励起可能であれば、圧電素子のアスペクト比は限定されない。圧電素子１０１Ａに接合される弾性体５の形状は、圧電素子１０１Ａの形状に合わせて設計することができる。

圧電素子１０１Ａは、圧電セラミックス１の一方の面に共通電極２１（第１電極）が設けられ、他方の面に駆動電極３１ａ，３１ｂ（第２電極）が設けられ、駆動電極３１ａ，３１ｂが設けられた面に給電部材７が取り付けられた構成となっている。圧電素子１０１Ａにおいて共通電極２１が形成されている面は、不図示の弾性体と不図示の接着層を介して接着され、接着層は上述した実施例１～５の形態を有するように形成される。図８には、共通電極２１の全体は示されていない。共通電極２１は、圧電セラミックス１において駆動電極３１ａ，３１ｂが形成されている面の反対側の面の略全体に設けられ、且つ、圧電セラミックス１の長辺の中央部から側面を這って駆動電極３１ａ，３１ｂが形成されている面へ引き出されている。駆動電極３１ａ，３１ｂが形成されている面に共通電極２１の引き出し部を設けるために、駆動電極３１ａ，３１ｂは、Ｘ方向に所定の間隙を設けて形成されている。

給電部材７は、例えば、フレキシブルプリント基板であり、給電線７１とアース線７２を含む。給電部材７は、給電線７１が駆動電極３１ａ，３１ｂと電気的に接続され、アース線７２が共通電極２１の引き出し部と電気的に接続されるように、圧電セラミックス１において駆動電極３１ａ，３１ｂが設けられている面に取り付けられる。

電源から給電部材７の給電線７１を通じて、駆動電極３１ｂに交番電圧Ｖ１を印加すると同時に、交番電圧Ｖ１と振幅（電圧）の絶対値が同じ交番電圧Ｖ２を駆動電極３１ａに印加する。ここで、交番電圧Ｖ１，Ｖ２を面外振動モードＡの共振周波数ｆ_Ａ付近の周波数で同位相にすると、圧電素子１０１Ａ全体（駆動電極３１ａ，３１ｂ）が伸縮する。その結果、圧電素子１０１Ａを用いた振動子には、面外振動モードＡの振動が発生する。また、交番電圧Ｖ１，Ｖ２を面外振動モードＢの共振周波数ｆ_Ｂ付近の周波数で位相を１８０°ずらして印加すると、圧電素子１０１Ａにおいて駆動電極３１ａ，３１ｂがそれぞれ形成されている領域では、一方が縮むと他方が伸びる変形が生じる。その結果、圧電素子１０１Ａを用いた振動子には、面外振動モードＢの振動が発生する。こうして、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの振動を単独で励起したときの周波数を、例えば、インピーダンスアナライザを用いて測定することにより、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの共振周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂを測定することできる。

交番電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差θを０°と１８０°の間（０°＜θ＜１８０°）とすると、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの振動を位相差が９０°ずれた状態（振動の位相差は必ず９０°又は－９０°のいずれかになる）で同時に励起することができる。また、交番電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差θを変更することにより、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの振幅を調整することができる。

次に、振動子１００（１００Ａ）を用いた振動型アクチュエータの具体例について説明する。図９は、振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータを構成する振動子１００は、図２（ａ），（ｂ）に示した構造を有しており、被駆動体８が突起部５１の先端とＺ方向で接触するように配置された構成となっている。２つの突起部５１は、弾性体５の中心を通るＸＺ平面又はＹＺ平面に対して対称に設けられることが望ましく、これにより、振動子１００が突起部５１において被駆動体８から受ける反力の偏りが小さくなり、安定した接触状態を維持することができる。

図８を参照して説明したように、面外振動モードＡ，Ｂのそれぞれの振動を位相差が９０°ずれた状態で振動子１００に振動を励起する。これにより、突起部５１の先端にＺＸ面内で楕円運動を生じさせることができ、突起部５１の先端に生じる楕円運動によって被駆動体８は突起部５１から推力を受け、振動子１００と被駆動体８はＸ方向において相対移動することができる。２つの突起部５１は、面外振動モードＡの腹線上、且つ、面外振動モードＢの節線上に設けられることが望ましく、突起部５１の先端と被駆動体８とは所定の圧力で加圧接触していることが望ましい。これにより、振動子１００で発生する振動によって突起部５１の先端に生じる楕円運動を用いて、被駆動体８に効率的に推力を与えることができる。

次に、振動子１００を用いた電子機器の一例である光学機器について説明する。図９に示した振動型アクチュエータにおける移動体を光学部材と力学的に接続することで、光学部材を所定の方向に移動させることができる。なお、力学的な接続とは、一方の部材の座標変動、体積変化、形状変化によって生じた力が他方の部材に伝わるように直接的に接触している状態又は他の部材を介して接触している状態を指す。なお、振動型アクチュエータでは、振動子１００と被駆動体８の一方が所定位置に固定され他方が動くため、前述の移動体とは、振動子１００と被駆動体８のうち実際に動く部材を指す。

図１０は、光学機器２００の概略構成を示す斜視図である。光学機器２００は、具体的には、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置のレンズ鏡筒の内部に配置されるフォーカスレンズを撮影光軸方向に移動させる機構である。光学機器２００において、矩形状の被駆動体８が振動子１００と加圧接触しており、被駆動体８は光学機器２００が配置されるレンズ鏡筒内の所定位置に固定されている。

振動子１００（の弾性体５）は、不要な振動が発生しないように溶接等により保持部材２１１に保持されている。保持部材２１１には、ビス２１３を用いて移動筐体２１２が固定されており、これにより、保持部材２１１、移動筐体２１２及び振動子１００は一体となっている。移動筐体２１２は、レンズ鏡筒内の所定位置に固定された２本のガイド部材２１４に対して摺動可能に嵌合しており、ガイド部材２１４の長さ方向に移動可能となっている。

レンズ保持部材２１５は、フォーカスレンズ２１６を保持しており、フォーカスレンズ２１６の光軸がガイド部材２１４の長さ方向と略平行となるように２本のガイド部材２１４に対して摺動可能に嵌合している。保持部材２１１には連結部材２１７が取り付けられており、連結部材２１７は、ガイド部材２１４の長さ方向にがたつきが生じないようにレンズ保持部材２１５を移動筐体２１２に連結する。これにより、レンズ保持部材２１５は、移動筐体２１２と一体的に滑らかに２本のガイド部材２１４の長さ方向に移動することができる。

振動子１００に接続された給電部材７を通して不図示の電源から所定の交番電圧が振動子１００に供給されると、図８及び図９を参照して説明したように、振動子１００の突起部５１（図１０に不図示）に楕円運動が発生する。これにより、移動筐体２１２、レンズ保持部材２１５、保持部材２１１及び振動子１００が一体的にガイド部材２１４にガイドされて被駆動体８の長手方向に移動する。つまり、レンズ保持部材２１５に保持されたフォーカスレンズ２１６を光軸方向に移動させることで、被写体に焦点を合わせるフォーカス動作を行うことができる。

なお、レンズ保持部材２１５の側面部にはスケール２１９が貼り付けられており、振動子１００の駆動時には、レンズ鏡筒内の所定位置に固定されたセンサ１８でスケール２１９の位置情報がセンサ２１８によって読み取られる。センサ２１８が読み取った位置情報は電源を制御する不図示の制御装置へ送られ、制御装置は電源から振動子１００へ供給する交番電圧の電圧や位相を制御する。これにより、フォーカスレンズ２１６（レンズ保持部材２１５）を光軸方向の所定位置へ移動させることができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。例えば、上記実施形態では、略矩形平板状の圧電セラミックス１に第１電極２及び第２電極３ａ，３ｂを形成した圧電素子１０１を取り上げたが、上述した圧電セラミックスを用いた圧電素子の構成は、これに限定されるものではない。つまり、圧電セラミックスの形状は、略矩形に限定されるものではなく、また、平板状に限定されるものでもなく、所望の振動を得ることが可能な形状に設計することができる。更に、略矩形平板状の圧電セラミックス１に対して、図１（ｂ），（ｃ）の構成とは異なる構成で電極を形成することによって、所望の振動を励起することが可能な圧電素子を実現することもできる。

また、上記実施形態では、振動型アクチュエータを用いた電子機器として、振動型アクチュエータを用いてフォーカスレンズ２１６を撮影光軸方向に移動させる機構を備える撮像装置を取り上げた。しかし、振動型アクチュエータは、撮像装置において、ズームレンズを撮影光軸方向に移動させる機構や、像ブレ補正のためにレンズ鏡筒内に配置される像ブレ補正レンズを撮影光軸と直交する面内で駆動する機構にも適用が可能である。更に、振動型アクチュエータは、撮像装置本体に実装される撮像素子を撮像面と平行な面内で駆動することで像ブレ補正を行う機構への適用も可能である。振動型アクチュエータの適用例は撮像装置に限定されるものではなく、種々の電子機器において位置決めが必要な部材を駆動する駆動機構に用いることができ、これにより、低消費電力の電子機器を実現することができる。

１ 圧電セラミックス
２ 第１電極
３ａ，３ｂ 第２電極
４ 接着層
５ 弾性体
８ 被駆動体
１００ 振動子
１０１，１０１Ａ 圧電素子
２００ 光学機器

Claims (9)

1. 圧電セラミックスと電極を備えた圧電素子と弾性体とが接着層を介して接着されてなる振動子であって、
   前記接着層は、前記接着層の厚さ方向に投影して前記圧電素子と前記弾性体とが重なる領域における、前記振動子に一次の面外曲げ振動モードの振動が励起された際の前記振動の節線の近傍領域に、前記圧電素子と前記弾性体とを接着しない非接着領域を有することを特徴とする振動子。
2. 前記弾性体に対する前記圧電素子の接着面の全面積に対する前記非接着領域の面積の比率は４０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
3. 前記弾性体の２０℃におけるヤング率は前記圧電セラミックスの２０℃におけるヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
4. 前記節線の近傍領域は、前記一次の面外曲げモードの振動の腹線よりも前記節線に近い領域であって、前記節線を含む領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動子。
5. 前記非接着領域は、一次の面外曲げ振動波長λに対して、２つの節線それぞれに関し、前記節線と交差する方向に関して０．０７３λ以内の領域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動子。
6. ２本の前記節線の長さ方向における非接着領域の長さ割合Ｎｎ（％）は、前記２本の節線の中間に位置する腹線の長さ方向における非接着領域の長さ割合Ｎａ（％）より大きいことを特徴とする請求項４に記載の振動子。
7. 前記圧電素子と前記弾性体はそれぞれ、略矩形で平板状の形状を有し、
   前記振動子に前記一次の面外曲げ振動モードの振動が励起された際に、前記振動の節線は前記圧電素子の長辺に略平行に現れることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動子と、
   前記振動子と接触する被駆動体と、を備えることを特徴とする振動型アクチュエータ。
9. 請求項８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と接した部材と、を備えることを特徴とする電子機器。

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