JP5019274B2

JP5019274B2 - 共振アクチュエータ

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Publication number: JP5019274B2
Application number: JP2008555009A
Authority: JP
Inventors: 弘純小川; 慎一郎川田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: JPWO2008090758A1; WO2008090758A1; US20090302961A1; US8035283B2

Description

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。

従来より、図１２に示すように、角棒形状に形成されたセラミック素体１０１の両端面に電極１０２ａ、１０２ｂが設けられた共振アクチュエータが知られている。

この共振アクチュエータは、矢印ａ方向に分極されており、電極１０２ａ、１０２ｂ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、電極１０２ａ、１０２ｂと導線１０４ａ、１０４ｂとをばね端子１０３ａ、１０３ｂで保持したり、或いは電極１０２ａ、１０２ｂを導線１０４ａ、１０４ｂで直接保持することにより、交流電界が電極１０２ａ、１０２ｂに印加される。

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）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材料の研究・開発が盛んに行われている。

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。

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。

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。

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や機械的品質係数Ｑｍが低下することが報告されている。

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 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。

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課題があった。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おそれがあった。

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る。このためデバイスの煩雑化を招く上、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った。

しかも、従来の共振アクチュエータは、上記図１２に示すように、ばね端子１０３ａ、１０３ｂ又は導線１０４ａ、１０４ｂで電極１０２ａ、１０２ｂを保持していることから、これらばね端子１０３ａ、１０３ｂや導線１０４ａ、１０４ｂが共振アクチュエータの振動を阻害するという問題点もあった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、大きな機械的品質係数Ｑｍを有することによって大きな振動速度の取得を可能とし、かつ機械的要因で振動が阻害されることのない共振アクチュエータを提供することを目的とする。

大きな振動速度が要求される共振アクチュエータの場合、従来より、圧電定数ｄの高いことが重要であると考えられており、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。

しかるに、本発明者らが種々の材料について検討したところ、ビスマス層状化合物は、圧電定数ｄはＰＺＴ系材料に比べて低いものの、該ＰＺＴ系材料に比べ大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができるという知見を得た。しかも、ビスマス層状化合物はある一定以上の高電界を印加しても振動速度が飽和することなく印加電界に略比例して上昇させることが可能であるということも分かった。

したがって、圧電セラミック材料としてビスマス層状化合物を使用し、かつ機械的要因で振動が阻害されないように電極形状を工夫することにより、より大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができ、したがって低い電界で大きな振動速度を得ることができると考えられる。

本発明はこのような点に着目して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、棒状に形成されたセラミック素体の振動方向の両端面に主電極が設けられると共に、前記振動方向と分極方向とが同一方向とされて共振周波数又はその近傍の周波数で駆動する共振アクチュエータにおいて、前記セラミック素体がビスマス層状化合物からなり、かつ、前記セラミック素体の側面中央部に接続電極が形成されると共に、前記接続電極と前記主電極とが引出導体を介して電気的に接続されていることを特徴としている。

尚、上記「側面中央部」とは、セラミック素体の側面部の中央部分のみならず、その近傍部分も含む。

また、本発明の共振アクチュエータは、前記セラミック素体は、結晶軸のｃ軸が前記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。

ビスマス層状化合物は、平面的な酸化ビスマス層の間にペロブスカイト構造を含む結晶構造で構成されるが、上記「結晶軸のｃ軸」とは、結晶軸の最も長い軸をいう。

上記構成によれば、共振アクチュエータが駆動しても振動の生じない不動状態の側面中央部に接続電極が形成されることとなる。したがって接続電極をばね端子や導線で保持して交流電界を印加しても、機械的要因で振動が阻害されるのを回避することできる。しかも、ビスマス層状化合物はＰＺＴ系材料に比べて大きな機械的品質係数Ｑｍを有する。

したがって、本発明によれば、機械的要因で振動が阻害されるのを回避することができ、かつセラミック素体がビスマス層状化合物からなるので、より大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができ、低い電界で大きな振動速度を得ることが可能となる。しかも、ビスマス層状化合物は、振動速度は印加電界を上げても飽和することなく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。したがって、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、小型化が可能になる。

さらに、大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができることから、発熱量も抑制することができ、熱による振動速度の低下を防止することができる。

また、前記セラミック素体は、結晶軸のｃ軸が前記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、これにより安定して使用できる振動速度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。

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斜視図である。圧電セラミック素体が励振した場合の状態を模式的に示した斜視図である。圧電セラミック素体がＰＺＴ材料で形成された場合の問題点を説明するための平面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。試料番号１及び４の共振アクチュエータをばね端子で保持した状態を示す斜視図である。試料番号２及び３の共振アクチュエータをばね端子で保持した状態を示す斜視図である。試料番号１の周波数特性を示す図である。試料番号２の周波数特性を示す図である。試料番号３の周波数特性を示す図である。試料番号４の周波数特性を示す図である。実施例２で使用した測定装置の概略を示す図である。試料番号１における印加電界と振動速度との関係を示す図である。共振アクチュエータの従来例を示す斜視図である。

符号の説明

１圧電セラミック素体
２ａ、２ｂ主電極
３ａ、３ｂ接続電極
４ａ、４ｂ引出導体
１１圧電セラミック素体
１２ａ、１２ｂ主電極
１３ａ、１３ｂ接続電極
１４ａ、１４ｂ引出導体

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。

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斜視図であって、本共振アクチュエータは、ビスマス層状化合物からなる矢印Ａ方向に分極された角棒形状の圧電セラミック素体１を備え、分極方向Ａと同一方向の矢印Ｂ方向に変位して縦振動が得られるように構成されている。

この共振アクチュエータは、具体的には、圧電セラミック素体１の振動方向Ｂの両端面には主電極２ａ、２ｂが形成されると共に、側面部５ａ、５ｂの中央部（側面中央部）には接続電極３ａ、３ｂが形成されている。そして、一方の主電極２ａと一方の接続電極３ａとは引出導体４ａを介して電気的に接続され、さらに他方の主電極２ｂと他方の接続電極３ｂとは引出導体４ｂを介して電気的に接続されている。尚、引出導体４ａ、４ｂの幅は、主電極２ａ、２ｂの幅に比べ狭くなるように形成されている。

そして、接続電極３ａ、３ｂに共振周波数と同じ周波数の交流電界が印加されると共振アクチュエータは共振周波数ｆｒで振動して矢印Ｂ方向に変位し、これにより機械的要因で振動が阻害されることもなく、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可能となる。

以下、その原理を説明する。

図２は、圧電セラミック素体１が矢印Ｂ方向に振動した状態を示す図である。すなわち、上記共振アクチュエータを駆動させた場合、圧電セラミック素体１は矢印Ｂ方向に振動し、仮想線に示すように圧電セラミック素体１は変位する。

したがって、従来のように主電極２ａ、２ｂをばね端子や導線で保持すると、該ばね端子や導線によって圧電セラミック素体１の矢印Ｂ方向への振動が阻害され、大きな変位量を得ることができなくなる。

一方、圧電セラミック素体１が矢印Ｂ方向に振動する場合、該圧電セラミック素体１の側面中央部には振動の生じない不動状態のノード部６が存在する。

したがって、このノード部６にばね端子や導線を保持させて交流電界を印加するようにすれば、機械的要因で共振アクチュエータの振動が阻害されるのを回避することができる。

そこで、本実施の形態では、ノード部６に相当する側面中央部に接続電極３ａ、３ｂを形成し、かつ引出導体４ａ、４ｂを介して主電極２ａ、２ｂと接続電極３ａ、３ｂとが電気的に接続されるように電極形状を工夫している。

ところで、本発明者らの研究結果により、圧電セラミック素体をＰＺＴ系材料で形成した場合、上記図１に示すような電極形状にすると、縦振動が電界によって大きく阻害され、機械的品質係数Ｑｍが極端に低下するとことが分かった。

図３は、ＰＺＴ系材料からなる圧電セラミック素体１を備えた共振アクチュエータに、交流電界を印加した場合の電界発生状態を示した図であって、図３（ａ）は共振アクチュエータの平面図、図３（ｂ）は正面図である。また、電極形状は図１と同様である。

共振アクチュエータが大きな変位量を確保するためには、矢印Ｃ方向の電界のみを有するのが望ましい。

しかしながら、圧電セラミック素体１をＰＺＴ系材料で形成した場合、対向する接続電極３ａ、３ｂ間や引出導体４ａ、４ｂ間にも電界が発生する。すなわち、矢印Ｃ方向のみならず、矢印Ｄ方向（矢印Ｃ方向に対し直交方向乃至斜め方向）にも電界が発生することとなり、その結果、縦振動自体が阻害され、機械的品質係数Ｑｍが極端に低下する。

しかるに、圧電セラミック素体１がビスマス層状化合物からなる場合は、図１のような電極形状とすることにより、従来の電極形状（図１２）と比べても機械的品質係数Ｑｍが上昇することが分かった。すなわち、ビスマス層状化合物は異方性が大きく、かつ振動方向Ｂと分極方向Ａとが同一方向であることから、対向する接続電極３ａ、３ｂ間や引出電極４ａ、４ｂ間での電界の影響を殆ど受けることもなく、大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることが可能となる。

さらに、引出電極４ａ、４ｂの幅を主電極２ａ、２ｂの幅よりも狭く形成することにより、矢印Ｄ方向への電界発生をより少なくすることができ、これによっても、より大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることが可能となる。

また、このビスマス層状化合物は、結晶軸のｃ軸をセラミック素体１の分極方向Ａと直交する方向に配向させるのが好ましい。

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１の分極方向Ａ（振動方向Ｂ）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。

さらに、図１のような電極形状とすることにより、機械的要因により振動が阻害されるのを排除することができ、より一層大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることが可能となる。

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。

そして、このように機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができることから、大きな振動速度ｖを得ることが可能となる。

すなわち、振動速度ｖと機械的品質係数Ｑｍとの関係は数式（１）で表される。

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。

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、圧電定数ｄはＰＺＴ系圧電セラミック材料に比べて約１／１０と低いものの、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を得ることが可能となり、したがって変位量の大きな共振アクチュエータを得ることが可能となる。

また、ビスマス層状化合物の場合、ある一定以上の高電界を印加しても振動速度ｖが不安定化することなく、印加電界Ｅに略比例して上昇するもことも分かった。したがって、高電界でも安定して駆動させることが可能となり、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る。

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_３Ｗｏ₁₈、Ｂｉ_７Ｔｉ_４ＮｂＯ₂₁、Ｂｉ₁₀Ｔｉ_３Ｗ_３Ｏ₃₀等を使用することができる。

このように本実施の形態の共振アクチュエータは、圧電セラミック素体１がビスマス層状化合物からなり、かつ、振動方向に対し直交する側面中央部に接続電極３ａ、３ｂが形成されると共に、前記接続電極３ａ、３ｂと主電極２ａ、２ｂとが引出導体４ａ、４ｂを介して電気的に接続されているので、機械的要因で振動が阻害されることもなく大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができ、低電界でも大きな振動速度ｖが得ることが可能となる。しかも、広範な電界強度範囲で振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して変動するので、高電界でも安定した駆動が可能となる。したがって共振周波数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、小型化が可能になる。

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。

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ｆｒで駆動させているが、共振周波数ｆｒ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。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

〔試料番号１〕
ビスマス層状化合物としてｃ軸に配向したＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９（以下、「ＳＢＮ」という。）系材料を使用し、図４に示すような電極形状を有する試料番号１の共振アクチュエータを作製した。

すなわち、まず、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、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。

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。

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、セラミック粉末を得た。

ここで、走査型電子顕微鏡を使用してセラミック粉末を観察したところ、形状が異方性を有してｃ軸に配向しており、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。

次いで、この板状セラミック粉末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を成形し、厚みが約６０μｍの配向セラミックシートを作製した。

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。

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、焼成して焼結体ブロックを作製した。すなわち、焼成により、板状セラミック粒子が種結晶（テンプレート）として上記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１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み７ｍｍのセラミック焼結体を、結晶軸のｃ軸が、縦１０ｍｍ、厚み７ｍｍの面に対して垂直方向を向くように、すなわちａ−ｂ面が厚み方向を向くように切り出した。

ここで、縦１０ｍｍ、厚み７ｍｍの面をＸ線回折法を使用して分析し、ロットゲーリング法によって配向度を求めたところ、配向度は９０％であった。

次に、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、厚み方向（振動方向）の両端面に主電極を形成した後、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、縦（ｘ）が２ｍｍ、横（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が７ｍｍの寸法にダイサーカットを使用して切り出した。これにより図４に示すように、厚み方向の両端面に主電極１２ａ、１２ｂが形成されたＳＢＮ系材料からなる圧電セラミック素体１１が得られた。

次いで、再び、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、各々側面中央部に接続電極１３ａ、１３ｂを形成し、さらに接続電極１３ａ、１３ｂと主電極１２ａ、１２ｂとを電気的に接続する引出導体１４ａ、１４ｂを形成し、これにより共振アクチュエータを得た。

次に、比較例として試料番号２〜４の共振アクチュエータを作製した。

〔試料番号２〕
試料番号１と同様の方法・手順で、図５に示すように、ＳＢＮ系材料からなる圧電セラミック素体１１の厚み方向の両端面に主電極１２ａ、１２ｂを形成した縦（ｘ）：２ｍｍ、横（ｙ）：２ｍｍ、厚み（ｔ）：７ｍｍの共振アクチュエータを作製した。

〔試料番号３〕
ＰＺＴ系材料を使用し、図５に示すような共振アクチュエータを作製した。

すなわち、まず、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。

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。

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を成形し、厚みが約６０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

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。

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時間焼成し、焼結体ブロックを作製し、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み７ｍｍに切り出してセラミック焼結体を得た。

次に、Ａｇをターゲットとしてスパッタリング処理を行い、両端面に主電極を形成した後、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、縦（ｘ）が２ｍｍ、横（ｙ）が２ｍｍ、厚み（ｔ）が７ｍｍの寸法にダイサーカットを使用して切り出した。そしてこれにより図５に示すように、ＰＺＴ系材料からなる圧電セラミック素体１６の両端面に主電極１２ａ、１２ｂが形成された共振アクチュエータを得た。

〔試料番号４〕
試料番号３と同様の方法・手順で、厚み方向の両端面に主電極１２ａ、１２ｂが形成されたＰＺＴ系材料からなる圧電セラミック素体１６を作製した。

そしてその後は試料番号１と同様の方法・手順で、図４に示すような形状の接続電極１３ａ、１３ｂ及び引出導体１４ａ、１４ｂを形成し、これにより縦（ｘ）：２ｍｍ、横（ｙ）：２ｍｍ、厚み（ｔ）：７ｍｍの共振アクチュエータを得た。

〔各試料の特性評価〕
試料番号１、４については接続電極１３ａ、１３ｂをばね端子１５ａ、１５ｂで保持し（図４参照）、試料番号２、３については主電極１２ａ、１２ｂをばね端子１５ａ、１５ｂで保持し（図５参照）、これらのばね端子１５ａ、１５ｂを介して共振アクチュエータに０．０７１Ｖ／ｍｍの電界を印加し、縦振動を励振させた。そして、インピーダンスアナライザ（アジレント・テクノロジー社製ＨＰ４２９４Ａ）を使用してインピーダンス及び位相の周波数特性を測定し、さらに機械的品質係数Ｑｍを求めた。

図６〜図９は試料番号１〜４におけるインピーダンス及び位相の周波数特性を示しており、横軸は周波数（ｋＨｚ）、左縦軸はインピーダンスＺ（ｋΩ）、右横軸は位相角θ（°）である。図中、実線がインピーダンス曲線、破線が位相曲線を示し、二点鎖線は位相角０°を示している。

表１は試料番号１〜４の圧電セラミック材料、電極形状、機械的品質係数Ｑｍ、及び周波数特性を示している。

試料番号２の周波数特性（図７）と試料番号３の周波数特性（図８）とを比較すると、いずれも共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａで位相が反転しているが、試料番号３は、試料番号２に比べ、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの近傍におけるインピーダンス曲線は急峻さに劣っている。また、表１から明らかなように、試料番号３は機械的品質係数Ｑｍが１１００であるのに対し、試料番号２は機械的品質係数Ｑｍが４０００であり、したがってＳＢＮ系材料はＰＺＴ系材料に比べ、大きな機械的品質係数Ｑｍが得られることが分かった。

また、試料番号４は、機械的品質係数Ｑｍが３００であり、試料番号３に比べて極端に低下しており、しかもその周波数特性は、図９に示すように位相曲線及びインピーダンス曲線共、大幅に乱れることが分かった。これは圧電セラミック材料としてＰＺＴ系材料を使用したため、電極形状を図４のようにすると、機械的要因による振動の阻害は生じないものの、対向する接続電極１３ａ、１３ｂ間や引出導体１４ａ、１４ｂ間に電界が発生し、このため、厚み方向の縦振動が阻害され、機械的品質係数Ｑｍの低下を招いたものと思われる。

これに対し試料番号１は、機械的品質係数Ｑｍが６０００であり、試料番号２に比べても向上しており、しかも周波数特性（図６）も共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの近傍でより急峻なものとなっている。すなわち、電極形状を図４のようにし、かつ圧電セラミック素体１１にＳＢＮ系材料を使用することにより、図５のような電極形状にした場合に比べて機械的要因で振動が阻害されるのを回避することができ、かつ対向する接続電極１３ａ、１３ｂ間や引出電極１４ａ、１４ｂ間で発生する電界の影響が抑制することができた。そして、その結果大きな機械的品質係数Ｑｍを得ることができ、低い電界で大きな振動速度の得られることが分かった。

試料番号１の試料を使用して印加電界と振動速度との関係を調べた。

図１０は、実施例２で使用した測定装置の概略図であって、該測定装置は、試料１７にレーザー光を照射するレーザー照射装置１８と、振動速度ｖを検出するレーザードップラー振動計１９とを備えている。

そして、試料１７の接続電極１３ａ、１３ｂをばね端子１５ａ、１５ｂで保持し、試料１７に種々の電圧及び共振周波数の交流電界を印加すると共に、主電極１２ａの中心部にレーザー照射装置１８からのレーザー光を照射し、レーザードップラー振動計１９により試料１７の振動速度ｖを測定した。

図１１は、印加電界Ｅと振動速度ｖとの関係を示した図であり、横軸が印加電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）、縦軸が振動速度ｖ（ｍ／ｓ）である。

この図１１から明らかなように振動速度ｖは印加電界Ｅに略比例して変動し、印加電界Ｅが１４Ｖ／ｍｍ程度になると振動速度は４ｍ／ｓ近くまで上昇することが分かった。

すなわち、従来のＰＺＴ系材料を使用した共振アクチュエータでは、振動速度は１ｍ／ｓ程度で飽和していたが（非特許文献１）、本発明の共振アクチュエータでは印加電界Ｅに略比例して変動することが確認された。

Claims

棒状に形成されたセラミック素体の振動方向の両端面に主電極が設けられると共に、前記振動方向と分極方向とが同一方向とされて共振周波数又はその近傍の周波数で駆動する共振アクチュエータにおいて、
前記セラミック素体がビスマス層状化合物からなり、
かつ、前記セラミック素体の側面中央部に接続電極が形成されると共に、前記接続電極と前記主電極とが引出導体を介して電気的に接続されていることを特徴とする共振アクチュエータ。
前記セラミック素体は、結晶軸のｃ軸が前記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請求項１記載の共振アクチュエータ。