JP5013269B2 - 共振アクチュエータ - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は共振アクチュエータに関し、より詳しくは圧電セラミック材料を使用した共振アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータの変位量は、通常、圧電定数ｄによって決定されることから、従来より、大きな圧電定数を有するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（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セラミック材料の研究・開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、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。
【０００４】
この非特許文献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に比例して変化するが、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り、最終的に飽和すると報告されている。また、この非特許文献１には、ＰＺＴの振動速度限界と駆動電界との関係も示されており、前記振動速度限界は材料組成によって変化するものの、ＰＺＴ系圧電セラミック材料では、振動速度は最大でも１ｍ／ｓを超えないことが報告されている。
【０００５】
また、非特許文献２では、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。
【０００６】
この非特許文献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と機械的品質係数Ｑｍが低下することが報告されている。
【０００７】
【非特許文献１】
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２】
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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１に記載されているように、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ても、ある一定以上の高電界を負荷すると振動速度は理論値を下回って安定性を欠くようになり最終的に飽和する。
【０００９】
すなわち、ＰＺＴ系圧電セラミックを使用した共振アクチュエータでは、振動速度が大きくなると振動速度が飽和するため、結果として１ｍ／ｓを超える振動速度を得ることができず、このため大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることができないという問題点があった。しかも、ある一定以上の高電界では振動速度が印加電界Ｅに比例しなくなって理論値を下回るため、振動速度を理論値に制御するためのフィードバック回路が必要となり、デバイスの煩雑化を招くという問題点があった。
【００１０】
また、非特許文献２に記載されているように、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伴い、共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍは低下することが知られている。したがって、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り、デバイスの煩雑化を招くと共に、機械的品質係数Ｑｍの低下によって機械的損失が増大し、圧電セラミックの発熱量の増大を招くことから、大きな振動速度で使用するのは実用的に困難であるという問題点があった。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、飽和振動速度が大きく、振動速度を上昇させても該振動速度の不安定化を招くこともなく共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を極力抑制することができ、かつ、高電界を印加しても大きな変位量を得ることができる共振アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
共振アクチュエータのように大変位量が要求されるパワーデバイスの場合、従来では圧電定数ｄが高いことが重要と考えられており、このため材料面からは圧電定数ｄの高いＰＺＴをベースとした圧電セラミック材料しか検討されてこなかった。
【００１３】
しかしながら、〔発明が解決しようとする課題〕の項でも述べたように、ＰＺＴ系圧電セラミック材料は、振動速度ｖが上昇したときに機械的品質係数Ｑｍや共振周波数ｆｒが低下し、またある一定以上の高電界を印加すると振動速度ｖが印加電界Ｅに比例しなくなり、理論値を下回って飽和する。これにより、結果として大きな振動速度を有する共振アクチュエータを得ることができなかった。
【００１４】
そこで、本発明者らが種々の材料について鋭意研究を行ったところ、変位素子としてビスマス層状化合物からなる圧電セラミック素体を使用することにより、飽和振動速度を大きくすることができ、これにより振動速度ｖが上昇しても該振動速度ｖの不安定化を招くこともなく機械的品質係数Ｑｍや共振周波数ｆｒの低下を極力抑制することができ、また、ある一定以上の高電界を印加しても振動速度ｖが飽和することもなく印加電界Ｅに略比例して変化するという知見を得た。
【００１５】
しかも、ビスマス層状化合物は異方性が大きく、変位方向が、分極方向と同一方向の場合は、分極方向と垂直方向の場合に比べ、振動速度ｖが大幅に上昇し、より大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることが可能となる。
【００１６】
また、共振アクチュエータでは、振動速度ｖが圧電定数ｄと機械的品質係数Ｑｍとの積に比例することから、圧電定数ｄが小さくても機械的品質係数Ｑｍが低下しないのであれば、振動速度ｖを大きくすることが可能であり、結果的にＰＺＴ系圧電セラミック材料よりも大きな変位量を得ることが可能となる。
【００１７】
そして、本発明者らの更なる鋭意研究の結果、ビスマス層状化合物の結晶軸中、ｃ軸を圧電セラミック素体の分極方向と直交する方向に配向させることにより、振動速度ｖの上昇時に機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができることが分かった。
【００１８】
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る共振アクチュエータは、共振周波数又は共振周波数近傍の周波数領域で振動する変位素子を備えた少なくとも一つの駆動部と、前記変位素子によって駆動される被駆動部材とを有する共振アクチュエータにおいて、前記変位素子が、ビスマス層状化合物からなる圧電セラミック素体を有すると共に、前記変位素子の変位方向と前記圧電セラミック素体の分極方向とが同一方向であり、かつ、前記ビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸が前記圧電セラミック素体の分極方向と直交する方向に配向していることを特徴としている。
【００２１】
特に、ｃ軸の配向度Ｆがロットゲーリング法で７５％以上の場合は、振動速度ｖを上昇させても共振周波数ｆｒの変動を抑制することができ、また、消費電力Ｗの節約にも寄与することができ、さらに比較的低い印加電界Ｅで大きな振動速度ｖを得ることができ、より好ましい。
【００２２】
すなわち、本発明の共振アクチュエータは、前記ｃ軸の配向度が、ロットゲーリング法で７５％以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の共振アクチュエータによれば、共振周波数又は共振周波数近傍の周波数領域で振動する変位素子を備えた少なくとも一つの駆動部と、前記変位素子によって駆動される被駆動部材とを有する共振アクチュエータにおいて、前記変位素子が、ビスマス層状化合物からなる圧電セラミック素体を有すると共に、前記変位素子の変位方向と前記圧電セラミック素体の分極方向とが同一方向であり、かつ、前記ビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸が前記圧電セラミック素体の分極方向と直交する方向に配向しているので、圧電セラミック素体としてＰＺＴ系化合物を使用した場合に比べ、飽和振動速度が大きくなり、振動速度ｖを上昇させても該振動速度ｖが不安定化することなく共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を極力抑制することが可能となり、また広範な電界強度範囲において振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して変化させることが可能となる。したがって、高電界を印加しても振動速度ｖが飽和することなく、大きな振動速度ｖを得ることができ、大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることができる。しかも、このように振動速度ｖが上昇しても共振周波数ｆｒが低下するのを抑制することができ、また振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して変化することから、共振周波数ｆｒや振動速度ｖを制御するためのフィードバック回路が不要となり、デバイスの簡素化、コスト削減、小型化が可能となる。
【００２４】
また、前記変位素子の変位方向と前記圧電セラミック素体の分極方向とが同一方向であるので、同一電界を印加した場合、変位方向と分極方向とが垂直方向のときに比べ、振動速度ｖを大きくすることができ、共振アクチュエータのより一層の特性向上を図ることができる。
【００２５】
また、前記ビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸が前記圧電セラミック素体の分極方向と直交する方向に配向しているので、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができる。これにより安定して使用できる振動速度ｖを大きくすることができ、より大きな変位量を有する共振アクチュエータを実現することができる。
【００２６】
特に、前記ｃ軸の配向度Ｆを、ロットゲーリング法で７５％以上とすることにより、振動速度ｖが上昇しても共振周波数の変動を抑制でき、また、消費電力Ｗの節約にも寄与することができ、さらには比較的低い印加電界Ｅで大きな振動速度ｖを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る共振アクチュエータの一実施の形態を示す模式図である。
【図２】変位素子の一実施の形態を示す断面図である。
【図３】共振アクチュエータの動作原理を説明する模式図である。
【図４】〔実施例１〕における試料番号１〜３の試料の概略を示す斜視図である。
【図５】〔実施例１〕における試料番号４の試料の概略を示す斜視図である。
【図６】〔実施例１〕で使用した測定装置の概略ブロック図である。
【図７】消費電力の振動速度依存性を示す図である。
【図８】機械的品質係数の振動速度依存性を示す図である。
【図９】共振周波数の振動速度依存性を示す図である。
【図１０】変位率の電界依存性を示す図である。
【図１１】〔実施例２〕における共振周波数の振動速度依存性を示す図である。
【図１２】〔実施例２〕における消費電力の振動速度依存性を示す図である。
【図１３】〔実施例２〕における振動速度の電界依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ、１ｂ 駆動部
２ 被駆動部材
３ａ、３ｂ 変位素子
５圧電セラミック素体
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
【００３０】
図１は本発明に係る共振アクチュエータの一実施の形態を示す断面図であって、本実施の形態では、共振アクチュエータは２個の駆動部を有している。
【００３１】
すなわち、本共振アクチュエータは、駆動部１（第１及び第２の駆動部１ａ、１ｂ）と、該駆動部１によって矢印Ａ方向又は矢印Ｂ方向に駆動する被駆動部材２とを備えている。
【００３２】
駆動部１（第１及び第２の駆動部１ａ、１ｂ）は、共振周波数で振動して矢印Ｃａ方向、矢印Ｃｂ方向に変位する変位素子３（第１及び第２の変位素子３ａ、３ｂ）と、該変位素子３から突設された振動片４（第１及び第２の振動片４ａ、４ｂ）とを有している。
【００３３】
変位素子３は、図２に示すように、矢印Ｄ方向に分極されると共にビスマス層状化合物で形成された単板構造の圧電セラミック素体５と、該圧電セラミック素体５の両主面に形成されたＡｇ等からなる電極６、７とを有している。そして、この電極６、７に電界が印加されると変位素子３は共振周波数ｆｒで振動し、矢印Ｃ方向に変位する。
【００３４】
圧電セラミック素体５を上述のようにビスマス層状化合物で形成したのは以下の理由による。
【００３５】
すなわち、ビスマス層状化合物は、ＰＺＴ系圧電セラミック材料とは異なり、共振アクチュエータに使用した場合、振動速度ｖが上昇しても該振動速度ｖが不安定化することもなく共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を極力抑制することができるからである。また、ある一定以上の高電界を印加しても、振動速度ｖが不安定になることもなく印加電界Ｅに略比例して上昇することから、大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることができるからである。
【００３６】
ビスマス層状化合物が、ＰＺＴ系化合物とは異なり、上述のような作用効果を奏するのは、以下の理由によると考えられる。
【００３７】
すなわち、ＰＺＴ系化合物はペロブスカイト型結晶構造（一般式ＡＢＯ_３）を有しているため、結晶の異方性がビスマス層状化合物に比べて小さく、このため振動速度ｖが上昇すると比較的容易に非１８０°ドメインが回転し、その結果振動速度ｖの上昇に伴って共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を招くと考えられる。
【００３８】
これに対しビスマス層状化合物は、ビスマス層が結晶軸のｃ軸に対し垂直方向に周期的に形成されているため、非１８０°ドメインの回転がほとんど生じないと考えられる。このため振動速度ｖが上昇しても共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を抑制できるものと思われる。
【００３９】
そして、このようなビスマス層状化合物としては、特に限定されるものではなく、例えば、Ｂｉ_２ＳｒＮｂ_２Ｏ_９、ＢｉＷＯ_６、ＣａＢｉＮｂ_２Ｏ_９、ＢａＢｉＮｂ_２Ｏ_９、ＰｂＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９、Ｂｉ_３ＴｉＮｂＯ_９、Ｂｉ_３ＴｉＴａＯ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ₁₂、ＳｒＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ₁₂、ＢａＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ₁₂、ＰｂＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ₁₂、ＣａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、ＢａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、ＰｂＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、Ｎａ_0.5Ｂｉ_4.5Ｔｉ_４Ｏ₁₅、Ｋ_0.5Ｂｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、Ｃａ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ₁₈、Ｓｒ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ₁₈、Ｂａ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ₁₈、Ｂｉ_６Ｔｉ_３ＷＯ ₁₈、Ｂｉ_７Ｔｉ_４ＮｂＯ₂₁、Ｂｉ₁₀Ｔｉ_３Ｗ_３Ｏ₃₀等を使用することができる。
【００４０】
また、本実施の形態のように、変位方向Ｃと分極方向Ｄは同一方向であるのが好ましい。すなわち、上述したように圧電セラミック素体５をビスマス層状化合物で形成することにより、振動速度ｖが上昇しても該振動速度ｖが不安定化することなく共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍの低下を極力抑制することができる。だが、ビスマス層状化合物は異方性が大きいため、同一電界を印加した場合、変位方向が分極方向と同一方向のときは変位方向が分極方向と垂直方向のときに比べ、振動速度ｖを大きくすることが可能となり、より大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることができる。
【００４１】
さらに、ビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸をセラミック素体５の分極方向Ｄと直交する方向に配向させるのが好ましい。
【００４２】
すなわち、ビスマス層状化合物は、上述したように異方性が大きく、結晶軸のｃ軸をセラミック素体５の分極方向Ｄと直交する方向に配向させることにより、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができる。
【００４３】
一方、振動速度ｖと印加電界Ｅとの関係は数式（１）で表される。
【００４４】
ｖ∝Ｃ_E ^1/2・ｄ・Ｑｍ・Ｅ …（１）
ここで、Ｃ_Eは弾性スチフネス係数である。
【００４５】
この数式（１）から明らかなように、振動速度ｖは、圧電定数ｄと機械的品質係数Ｑｍとの積に比例する。したがって、ビスマス層状化合物の場合、上述したように圧電定数ｄがＰＺＴ系圧電セラミック材料に比べて小さいものの、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができることから、結果として大きな振動速度ｖを得ることができ、したがって大きな変位量を有する共振アクチュエータを得ることができる。
【００４６】
しかも、上述したように印加電界Ｅが高くなっても振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して上昇するので、高電界でも安定した駆動が可能となる。
【００４７】
また、このようにｃ軸をセラミック素体５の分極方向Ｄと直交する方向に配向させることにより、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができるが、その配向度Ｆは、ロットゲーリング法で７５％以上が好ましい。
【００４８】
すなわち、ロットゲーリング法によると、ｃ軸の配向度Ｆは下記数式（２）で算出される。
【００４９】
【数１】

【００５０】
ここで、ΣＩ（００１）は、測定試料のｃ軸配向を示す結晶面（００１）のＸ線ピーク強度の総和であり、ΣＩ（ｈｋｌ）は測定試料の全結晶面（ｈｋｌ）のＸ線ピーク強度の総和である。また、ΣＩｏ（００１）は比較用試料（例えば、無配向試料）の結晶面（００１）のＸ線ピーク強度の総和であり、ΣＩｏ（ｈｋｌ）は比較用試料の全結晶面（ｈｋｌ）のＸ線ピーク強度の総和である。
【００５１】
そして、数式（２）で算出される配向度Ｆが７５％以上の場合は、振動速度ｖを１ｍ／ｓ以上に上昇させても共振周波数ｆｒは殆ど変化せず、また、消費電力Ｗの増加が鈍化し、したがって消費電力Ｗの節約にも寄与する。しかも、この場合、比較的低い印加電界Ｅで大きな振動速度ｖを得ることができ、変位量の大きな共振アクチュエータを容易に得ることができる等の利点がある。
【００５２】
したがって、結晶軸のｃ軸をセラミック素体５の分極方向Ｄと直交する方向に配向させ、かつｃ軸の配向度Ｆはロットゲーリング法で７５％以上がより好ましい。
【００５３】
尚、配向化したビスマス層状化合物は、後記〔実施例〕で詳述するように、ＴＧＧ（Templated Grain Growth）法等で容易に作製することができる。すなわち、例えば、ｃ軸配向した板状セラミック粉末と無配向の仮焼粉末とを含有したセラミック成形体を作製した後、該セラミック成形体に熱処理を施すことにより、容易に作製することができる。また、配向度Ｆは、板状セラミック粉末と無配向の仮焼粉末との含有比率を調整することにより制御することができる。
【００５４】
そして、このような変位素子３を有する共振アクチュエータでは、図３（ａ）に示すように、駆動部１ａの振動片４ａが被駆動部２に圧接された状態で変位素子３ａに電界が印加されると、矢印Ｃａ方向の振動によって被駆動部２が矢印Ａ方向に駆動する。
【００５５】
また、図３（ｂ）に示すように、駆動部１ｂの振動片４ｂが被駆動部２に圧接された状態で変位素子３ｂに電界が印加されると、矢印Ｃｂ方向の振動によって被駆動部２が矢印Ｂ方向に駆動する。
【００５６】
このように本実施の形態では、変位素子３（第１及び第２の変位素子３ａ、３ｂ）が、ビスマス層状化合物からなる圧電セラミック素体５を有しているので、振動速度ｖが上昇しても共振周波数ｆｒや機械的品質係数Ｑｍが低下するのを抑制することができる。また広範な電界強度範囲で振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して変化するので、共振周波数ｆｒや振動速度ｖを制御するためのフィードバック回路が不要となり、したがってデバイスの簡素化、コスト削減、小型化が可能になる。
【００５７】
また、従来のＰＺＴ系圧電セラミックスでは振動速度ｖが１ｍ／ｓを超えて使用するのは困難であったが、ビスマス層状化合物では１ｍ／ｓを超える振動速度ｖでも安定して使用することが可能であり、共振アクチュエータの特性を向上させることができる。
【００５８】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では、共振アクチュエータを共振周波数で駆動させているが、共振周波数から数％程度偏位した共振周波数近傍の周波数領域で駆動させても同様の作用効果を得ることができる。
【００５９】
また、上記実施の形態では、２個の駆動部を有する場合について説明したが、１個あるいは３個以上の駆動部を有する場合についても、同様に適用できるのはいうまでもない。
【００６０】
また、上記実施の形態では、変位素子３は単板形状であるが、セラミックグリーンシートを貼り合わせた形態のものや、内部電極と共焼結されて積層された積層型の共振アクチュエータについても同様の作用効果を得ることができる。
【００６１】
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００６２】
〔試料の作製〕
ビスマス層状化合物である無配向のＢｉ_２ＳｒＮｂ_２Ｏ_９（以下、「ＳＢＮ」という。）系材料、及びｃ軸に配向したＳＢＮ系材料を使用し、変位方向と分極方向とが同一方向の試料番号１、２の変位素子を作製した。
【００６３】
また、比較例としてＰＺＴ系材料を使用し、変位方向と分極方向と同一方向の試料番号３の変位素子、及び変位方向が分極方向と垂直方向の試料番号４の変位素子を作製した。
【００６４】
以下、各試料の作製手順を詳述する。
【００６５】
〔試料番号１〕
セラミック素原料としてＳｒＣＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｎｄ_２Ｏ_３、及びＭｎＣＯ_３を用意し、最終組成が組成式｛１００（Ｓｒ_0.9Ｎｄ_0.1Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）＋ＭｎＯ｝を満たすように前記セラミック素原料を秤量した。この秤量物をＰＳＺ（Partially Stabilized Zirconia；部分安定化ジルコニア）ボール及び水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で約１６時間湿式混合して混合物を得た。
【００６６】
次いで、得られた前記混合物を乾燥した後、８００℃の温度で２時間仮焼し、仮焼粉末を得た。
【００６７】
そしてこの後、仮焼粉末、適量の有機バインダ、分散剤、消泡剤及び表面活性剤を添加し、ＰＳＺボール及び水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で約１６時間湿式混合してセラミックスラリーを作製した。その後ドクターブレード法を使用してこのセラミックスラリーに成形加工を施し、厚みが約６０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００６８】
次いで、このセラミックグリーンシートを所定枚数積層した後、温度６０℃、圧力３０ＭＰａの加圧条件で３０秒間圧着処理を行い、積層成形体を作製した。
【００６９】
次いで、この積層成形体を温度３５０℃で５時間加熱し、さらに温度５００℃で２時間加熱して脱バインダ処理を行い、その後温度１１５０℃で２時間焼成処理を行い、焼結体ブロックを作製し、縦７ｍｍ、横７ｍｍ、厚み５ｍｍに切り出してセラミック焼結体を得た。
【００７０】
次に、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、両主面に電極を形成した後、浴温２００℃のオイル中で１０．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、厚み方向に分極処理を行った。そして分極処理された試料を、図４に示すように、横（ｘ）が２ｍｍ、縦（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が５ｍｍの寸法にダイサーカットを使用して切り出し、電極面１１、１２に銀線１３、１４をはんだ付けし、変位方向Ｅと分極方向Ｆとが同一である無配向の試料番号１のＳＢＮ系試料１５を作製した。
【００７１】
〔試料番号２〕
試料番号１と同様、最終組成が組成式｛１００（Ｓｒ_0.9Ｎｄ_0.1Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）＋ＭｎＯ｝を満たすように各セラミック素原料を秤量し、ボールミル内で約１６時間湿式混合して混合物を得た。その後前記混合物を乾燥した後、８００℃の温度で２時間仮焼し、仮焼粉末を得た。
【００７２】
次いで、この仮焼粉末の一部を取り出し、該仮焼粉末とＫＣｌとが重量比で１：１となるように混合し、９００℃の温度で１０時間熱処理を行い、その後水洗してＫＣｌを除去し、セラミック粒子を得た。
【００７３】
ここで、走査型電子顕微鏡を使用してセラミック粒子を観察したところ、形状が異方性を有しており、最大径φと高さＨとの比φ／Ｈ（アスペクト比）が５程度の板状になっていることが確認された。
【００７４】
次いで、板状セラミック粒子と上記仮焼粉末とが重量比で１：１となるように混合し、さらに適量の有機バインダ、分散剤、消泡剤及び表面活性剤とを添加し、ＰＳＺボール及び水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で約１６時間湿式混合してセラミックスラリーを作製した。その後ドクターブレード法を使用してこのセラミックスラリーに成形加工を施し、厚みが約６０μｍの配向セラミックシートを作製した。
【００７５】
次いで、この配向セラミックシートを所定枚数積層した後、温度６０℃、圧力３０ＭＰａの加圧条件で３０秒間圧着処理を行い、積層成形体を作製した。
【００７６】
次いで、この積層成形体を温度３５０℃で５時間加熱し、さらに温度５００℃で２時間加熱して脱バインダ処理を行い、その後温度１１５０℃で２時間、焼成処理を行って焼結体ブロックを作製した。すなわち、焼成処理により、板状セラミック粒子が種結晶（テンプレート）として無配向の仮焼粉末を取り込みながらホモエピタキシャル成長し、これにより配向化した焼結体ブロックが得られる（ＴＧＧ法）。そして、焼結体ブロックから縦７ｍｍ、横７ｍｍ、厚み５ｍｍのセラミック焼結体を、結晶軸のｃ軸が、縦７ｍｍ、横７ｍｍの主面の面内方向を向くように、すなわちａ−ｂ面が厚み方向を向くように切り出し、配向性セラミック焼結体を得た。
【００７７】
ここで、上記配向性セラミック焼結体について、ロットゲーリング法によりｃ軸の配向度Ｆを測定した。
【００７８】
すなわち、まず、Ｘ線回折装置（線源：ＣｕＫα線）を使用し、この配向性セラミック焼結体について、回折角２θが２０°〜８０°におけるＸ線ピーク強度を測定した。また、比較試料として試料番号１の無配向のセラミック焼結体を使用し、同様に回折角２θが２０°〜８０°におけるＸ線ピーク強度を測定した。
【００７９】
次いで、配向性焼結体及び無配向のセラミック焼結体の結晶面（００１）及び全結晶面（ｈｋｌ）におけるＸ線ピーク強度の総和を算出し、〔発明を実施するための最良の形態〕の項に記載した数式（２）に基づいてｃ軸の配向度Ｆを求めた。そしてその結果、配向度Ｆは９０％であった。
【００８０】
次に、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、配向性セラミック焼結体の両主面に電極を形成した後、浴温２００℃のオイル中で１０．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、厚み方向に分極処理を行った。そして分極処理された試料を、試料番号１と同様、横（ｘ）が２ｍｍ、縦（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が５ｍｍの寸法にダイサーカットを使用して切り出し、電極面に銀線をはんだ付けし、変位方向が分極方向と同一である、ｃ軸が分極方向と直交する方向に配向した試料番号２のＳＢＮ系試料を作製した。
【００８１】
〔試料番号３〕
セラミック素原料としてＰｂ_３Ｏ_４、ＴｉＯ_２、ＭｎＣＯ_３、及びＮｂ_２Ｏ_５を用意し、最終組成が組成式〔Ｐｂ｛（Ｍｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.10Ｔｉ_0.46Ｚｒ_0.44｝Ｏ_３〕を満たすように前記セラミック素原料を秤量し、この秤量物をＰＳＺボール及び水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で約１６時間湿式混合して混合物を得た。
【００８２】
次いで、得られた前記混合物を乾燥した後、９００℃の温度で２時間仮焼し、仮焼粉末を得た。
【００８３】
そしてこの後、仮焼粉末、適量の有機バインダ、分散剤、消泡剤及び表面活性剤を添加し、ＰＳＺボール及び水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で約１６時間湿式混合してセラミックスラリーを作製した。その後ドクターブレード法を使用してこのセラミックスラリーに成形加工を施し、厚みが約６０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００８４】
次いで、このセラミックグリーンシートを所定枚数積層した後、温度６０℃、圧力３０ＭＰａの加圧条件で３０秒間圧着処理を行い、積層成形体を作製した。
【００８５】
次いで、この積層成形体を温度３５０℃で５時間、更に温度５００℃で２時間加熱して脱バインダ処理を行い、その後温度１２００℃で２時間焼成処理を行い、焼結体ブロックを作製し、縦７ｍｍ、横７ｍｍ、厚み５ｍｍに切り出してセラミック焼結体を得た。
【００８６】
次に、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、両主面に電極を形成した後、浴温２００℃のオイル中で１０．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、厚み方向に分極処理を行った。そして分極処理された試料を、試料番号１と同様、横（ｘ）が２ｍｍ、縦（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が５ｍｍの寸法にダイサーカットを使用して切り出し、電極面に銀線を半田付けし、変位方向が分極方向と同一である試料番号３のＰＺＴ系試料を作製した。
【００８７】
〔試料番号４〕
試料番号３と同様の方法・手順で縦７ｍｍ、横７ｍｍ、厚み５ｍｍのセラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体を、横（ｘ）が５ｍｍ、縦（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が２ｍｍの寸法に切断し、横（ｘ）が５ｍｍ、縦（ｙ）が２ｍｍの互いに対向する２面にＡｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、電極を形成した。この電極形成後、浴温２００℃のオイル中で１０．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、厚み方向に分極処理を行った。次いで、図５に示すように、電極面１１′、１２′に銀線１３′、１４′をはんだ付けし、変位方向Ｅと分極方向Ｆ′とが垂直である試料番号４のＰＺＴ系試料１５′を作製した。
【００８８】
〔各試料の特性評価〕
図６は、各試料の特性評価に使用した測定装置の概略ブロック図である。
【００８９】
すなわち、この測定装置は、試料１５（１５′）を支持する試料支持部材１６と、振動時の変位量や振動速度を検出するレーザードップラー振動計１７と、試料１５（１５′）に電界を印加すると共に電流値が常に一定となるように駆動電圧が調節されるように回路構成した電源・定電流回路１８と、入出力部等を備え前記電源・定電流回路１８を制御する制御部１９とを有し、制御部１９と電源・定電流回路１８とは電気的に接続されている。
【００９０】
そして、試料１５（１５′）の変位方向の中心部を試料支持部材１６で支持し、電源・定電流回路１８からの信号に基づいて試料１５（１５′）に電界を印加し、共振特性を測定して共振周波数ｆｒを求めた。尚、本実施例では、最も低周波側の共振周波数を共振周波数ｆｒとした。
【００９１】
また、共振周波数ｆｒ近傍のインピーダンス曲線に基づいて機械的品質係数Ｑｍを求めた。
【００９２】
さらに、電源・定電流回路１８からの信号に基づき試料１５（１５′）に種々の強度の電界を印加しながらレーザードップラー振動計１７を使用して試料１５（１５′）端面の振動速度を測定した。尚、試料番号３、４では、印加電界Ｅを上昇させていった場合、振動速度が不安定化するが、その不安定化する直前の振動速度を飽和振動速度として求めた。
【００９３】
また、レーザードップラー振動計１７を使用して種々の印加電界Ｅにおける変位量ｓを測定し、電界が印加されていない無電界時に対する各試料の変位率Δｓを算出した。
【００９４】
また、試料が小さく発熱量を測定するのが困難であったことから、発熱量の指標となる消費電力を測定した。
【００９５】
表１は、各試料における配向性の有無、分極方向、消費電力が１ｍＷ／ｍｍ^３、３ｍＷ／ｍｍ^３及び５ｍＷ／ｍｍ^３のときの振動速度及び飽和振動速度を示している。
【００９６】
【表１】

【００９７】
表１から明らかなように、試料番号３は変位素子にＰＺＴ系圧電セラミック材料を使用しているので、振動速度は、消費電力が１ｍＷ／ｍｍ^３のときで０．５０ｍ／ｓ、消費電力が３ｍＷ／ｍｍ^３のときで０．７９ｍ／ｓであり、消費電力が５ｍＷ／ｍｍ^３のときでも０．９４ｍ／ｓであり、１ｍ／ｓを超える大きな振動速度を得ることができなかった。また、飽和振動速度も０．９４ｍ／ｓと小さく、したがって振動速度の小さい領域でないと安定して駆動させることができないことが分かった。
【００９８】
試料番号４も、試料番号３と同様、変位素子にＰＺＴ系圧電セラミック材料を使用しているので、振動速度は、消費電力が１ｍＷ／ｍｍ^３のときで０．５２ｍ／ｓ、消費電力が３ｍＷ／ｍｍ^３のときで０．７２ｍ／ｓであり、消費電力が５ｍＷ／ｍｍ^３のときでも０．８２ｍ／ｓであり、１ｍ／ｓを超える大きな振動速度を得ることができなかった。また、飽和振動速度も０．７８ｍ／ｓと小さく、したがって振動速度の小さい領域でないと安定して駆動させることができないことが分かった。しかも、試料番号４は、変位方向が分極方向に対し垂直であるため、試料番号３と比べても飽和振動速度が小さく、消費電力が大きくしてもより小さな振動速度しか得られないことが分かった。
【００９９】
試料番号１は、ＳＢＮ系圧電セラミック材料を使用しているので、消費電力が１ｍＷ／ｍｍ^３のときには試料番号３、４とほぼ同じ振動速度であったが、消費電力が３ｍＷ／ｍｍ^３になると振動速度は０．８５ｍ／ｓとなり、また消費電力が５ｍＷ／ｍｍ^３のときは振動速度が１．０７ｍ／ｓとなって試料番号３、４に比べると若干上昇することが分かった。また、印加電界Ｅを上昇させていったところ、振動速度が２．１２ｍ／ｓとなった時点で銀線が断線してしまったことから、飽和振動速度は少なくとも２．１２ｍ／ｓ以上であることが確認された。
【０１００】
これに対し試料番号２は、試料番号１と同様、ＳＢＮ系圧電セラミック材料を使用しているが、ｃ軸配向させているため、消費電力が１ｍＷ／ｍｍ^３のときで振動速度は０．９５ｍ／ｓ、消費電力が３ｍＷ／ｍｍ^３のときで振動速度は１．３２ｍ／ｓ、消費電力が５ｍＷ／ｍｍ^３のときで振動速度が１．６６ｍ／ｓとなった。すなわち、ｃ軸配向させたことにより、試料番号１に比べ、振動速度を更に大きくすることができた。また印加電界Ｅを上昇させていったところ、振動速度が２．６２ｍ／ｓとなった時点で銀線が断線してしまったことから、飽和振動速度は少なくとも２．６２ｍ／ｓ以上であり、大きな飽和振動速度が得られることが分かった。
【０１０１】
図７は消費電力の振動速度依存性を示した図であり、横軸が振動速度ｖ、縦軸は消費電力Ｗを示し、□印が試料番号１、■印が試料番号２、●印が試料番号３、○印が試料番号４である。図中、×印は振動速度ｖが安定しなくなった点を示している。
【０１０２】
また、図８は機械的品質係数の振動速度依存性を示した図であり、横軸が振動速度ｖ、縦軸が機械的品質係数Ｑｍを示し、□印が試料番号１、■印が試料番号２、●印が試料番号３、○印が試料番号４である。図中、×印は振動速度ｖが安定しなくなった点を示している。
【０１０３】
この図７及び図８から明らかなように、無配向のＳＢＮ系圧電セラミック材料を使用した試料番号１では、振動速度ｖが１．０ｍ／ｓ以下の場合には、消費電力ＷがＰＺＴ系圧電セラミック材料を使用した試料番号３、４とほぼ同等となっている。したがって、発熱量もほぼ同等であることが分かった。また、図８から明らかなように、試料番号１は、振動速度ｖが１．０ｍ／ｓ以下の場合には発熱量と相関関係を有する機械的品質係数Ｑｍも試料番号４とほぼ同等であることが確認された。
【０１０４】
一方、ｃ軸配向のＳＢＮ系材料を使用した試料番号２は、図７から明らかなように、ＰＺＴ系材料を使用した試料番号３、４と比較して消費電力Ｗが顕著に低下しており、したがって、発熱量も低下することが分かった。また、図８から明らかなように、試料番号２は、試料番号３、４と比較して機械的品質係数Ｑｍが上昇することが確認された。
【０１０５】
また、共振アクチュエータとして使用する場合には、消費電力Ｗが１ｍＷ／ｍｍ^３より小さいことが望まれるが、ＰＺＴ系圧電セラミック材料（試料番号３、４）では振動速度ｖが０．５０ｍ／ｓ以上になると消費電力Ｗが１ｍＷ／ｍｍ^３を超えているのに対し、ｃ軸配向したＳＢＮ系圧電セラミック材料（試料番号２）では振動速度ｖを０．９５ｍ／ｓまで上昇させても消費電力Ｗを１ｍＷ／ｍｍ^３以下に抑制できた。したがって振動速度ｖが０．５０ｍ／ｓを超える用途ではｃ軸配向したＳＢＮ系圧電セラミック材料が好ましいことが確認された。
【０１０６】
また、試料番号１と試料番号２とを比較すると、表１から明らかなように、ｃ軸配向した試料番号２は、無配向の試料番号１と比べ、消費電力Ｗが同一の場合は振動速度ｖを大きくすることができ、図７及び図８から明らかなように同一の振動速度ｖでは消費電力Ｗは少なくて済み、また機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができることが分かった。すなわち、ｃ軸配向したＳＢＮ系圧電セラミック材料を使用することにより、より一層の特性向上を図ることができることが確認された。
【０１０７】
図９は、共振周波数の振動速度依存性を示した図であり、横軸が振動速度ｖ、縦軸が共振周波数変化率Δｆｒを示し、□印が試料番号１、■印が試料番号２、●印が試料番号３、〇印が試料番号４である。図中、試料番号３中の×印は振動速度ｖが安定しなくなった点を示している。
【０１０８】
この図９から明らかなように、ＰＺＴ系圧電セラミック材料を使用した試料番号３、４は振動速度ｖが上昇するに伴い、共振周波数変化率Δｆｒが大きくなり、共振周波数ｆｒの低下が顕著になることが分かった。
【０１０９】
すなわち、共振アクチュエータとして使用する場合には、共振周波数変化率Δｆｒは−０．０５％以内であるのが望ましいが、ＰＺＴ系圧電セラミック材料を使用した試料番号３、４では、振動速度ｖが０．５ｍ／ｓを超えると共振周波数変化率Δｆｒは−０．０５％を超えて顕著な低下傾向を示している。
【０１１０】
また、無配向のＳＢＮ系圧電セラミック材料を使用した試料番号１では、振動速度ｖが１．０ｍ／ｓ程度までは、共振周波数変化率Δｆｒは−０．０５％以内に抑制することができたが、振動速度ｖが１．０ｍ／ｓを超えると共振周波数変化率Δｆｒは−０．０５％を超えて顕著な低下を示すことが分かった。
【０１１１】
これに対し試料番号２は、ｃ軸配向したＳＢＮ系材料を使用しているので、振動速度ｖが２．０ｍ／ｓに到達しても共振周波数変化率Δｆｒは−０．０３％程度しか低下せず、良好な結果が得られた。
【０１１２】
図１０は、変位率の電界依存性を示した図であり、横軸が印加電界Ｅ、縦軸が変位率Δｓを示し、□印が試料番号１、■印が試料番号２、●印が試料番号３、〇印が試料番号４である。図中、×印は振動速度ｖが安定しなくなった点を示している。
【０１１３】
この図１０から明らかなように、印加電界Ｅを上昇させていった場合、ＰＺＴ系材料を使用した試料番号３、４のうち、試料番号３は印加電界Ｅが約１Ｖ／ｍｍで振動速度ｖが不安定化し、試料番号４では印加電界Ｅが約１．８Ｖ／ｍｍで振動速度ｖが不安定化している。
【０１１４】
これに対しＳＢＮ系材料を使用した試料番号１、２では、印加電界Ｅの上昇に伴い変位率Δｓも印加電界Ｅに略比例して上昇し、高電界が印加されても大きな変位量ｓの得られることが分かった。特に、ｃ軸配向させた試料番号２は、印加電界Ｅの増加に対し変位率Δｓが大きいことが分かった。
【０１１５】
尚、この実施例１では最も低周波側の共振周波数ｆｒで駆動させているが、高次の共振周波数ｆｒで駆動しても同様の作用効果が得られることを確認した。
【０１１６】
また、実施例１では、単板構造の変位素子を用いているが、積層型の変位素子を用いても同様の作用効果が得られるのはいうまでもない。
【実施例２】
【０１１７】
ｃ軸の配向度Ｆが異なる種々のＳＢＮ系試料を作製し、特性を評価した。
【０１１８】
すなわち、〔実施例１〕の試料番号２と同様の方法・手順で、仮焼粉末及び板状セラミック粒子を作製した。
【０１１９】
そしてその後、セラミック焼結体におけるｃ軸の配向度Ｆが５４%、７５%、９５%となるように、板状セラミック粒子と仮焼粉末とを重量比を変えて混合し、その他は〔試料番号２〕と同様の方法・手順で試料番号２２（配向度Ｆ：５４％）、試料番号２３（配向度Ｆ：７５％）、及び試料番号２４（配向度Ｆ：９５％）のＳＢＮ系試料を作製した。
【０１２０】
尚、試料番号２２〜２４の各配向度Ｆは、〔実施例１〕の試料番号２と同様、ロットゲーリング法で算出し、確認した。
【０１２１】
また、試料番号２１として、試料番号１と同様、無配向のＳＢＮ系試料を作製した。
【０１２２】
そして、試料番号２１〜２４について、〔実施例１〕と同様の方法・手順で種々の印加電界Ｅおける振動速度ｖ、共振周波数ｆｒ、消費電力Ｗを測定した。
【０１２３】
図１１は共振周波数の振動速度依存性を示した図であり、横軸が振動速度ｖ、縦軸は共振周波数変化率Δｆｒである。また、図１２は消費電力の振動速度依存性を示した図であり、横軸が振動速度ｖ、縦軸は消費電力Ｗである。また、図１３は、振動速度の電界依存性を示した図であり、横軸が印加電界Ｅ、縦軸が振動速度ｖである。尚、各図中、−印は試料番号２１、△印が試料番号２２、□印が試料番号２３、○印が試料番号２４を示している。
【０１２４】
図１１から明らかなように、試料番号２１は無配向であり、また試料番号２２はｃ軸の配向度Ｆが５４％と低いため、振動速度ｖが１ｍ／ｓ以上になると共振周波数変化率Δｆｒが負側に変位し、共振周波数ｆｒの低下を招いていることが分かった。
【０１２５】
これに対し配向度Ｆが７５％、９０％の試料番号２３、２４は、振動速度ｖが１ｍ／ｓ以上となっても共振周波数変化率Δｆｒはほぼ「０」であり、共振周波数ｆｒの変動を抑制できることが確認された。
【０１２６】
また、図１２から明らかなように、ｃ軸の配向度Ｆが７５％、９０％の試料番号２３、２４は、無配向の試料番号２１や配向度Ｆが５４％の試料番号２２に比べ、振動速度ｖの上昇に対して消費電力Ｗの上昇程度が鈍化し、消費電力Ｗを節約できることが分かった。また、ｃ軸の配向度Ｆが７５％と９０％とでは、消費電力は略同等であり、したがってｃ軸の配向度Ｆが７５％以上になると消費電力Ｗは略飽和状態になることが分かった。
【０１２７】
また、図１３から明らかなように、試料番号２１〜２４のいずれにおいても振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して上昇しているが、ｃ軸の配向度Ｆが大きくなるに伴い、低い印加電界Ｅで大きな振動速度ｖの得られることが確認された。
【０１２８】
以上よりビスマス層状化合物は、ｃ軸を分極方向と直交する方向に配向させるのが好ましく、この場合、ｃ軸の配向度Ｆは７５％以上であるのがより好ましいことが分かった。

Claims (2)

1. 共振周波数又は共振周波数近傍の周波数領域で振動する変位素子を備えた少なくとも一つの駆動部と、前記変位素子によって駆動される被駆動部材とを有する共振アクチュエータにおいて、
   前記変位素子が、ビスマス層状化合物からなる圧電セラミック素体を有すると共に、
   前記変位素子の変位方向と前記圧電セラミック素体の分極方向とが同一方向であり、
   かつ、前記ビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸が前記圧電セラミック素体の分極方向と直交する方向に配向していることを特徴とする共振アクチュエータ。
2. 前記ｃ軸の配向度は、ロットゲーリング法で７５％以上であることを特徴とする請求項１記載の共振アクチュエータ。

Images