JP7003741B2 - 振動デバイス及び圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、振動デバイス及び圧電素子に関する。

互いに対向する第１主面及び第２主面を形成しており、第１及び第２主面の間において第１主面側に配置された第１活性領域と、当該第１及び第２主面の間において第１活性領域よりも第２主面側に配置された第２活性領域と、を有する圧電素子が知られている（たとえば、特許文献１）。たとえば、特許文献１に記載されている圧電素子は、電界が印加された際に第１活性領域及び第２活性領域が互いに逆の方向に伸縮するバイモルフ型圧電素子である。

特開平０２－１３８７８１号公報

特許文献１に記載されているバイモルフ型圧電素子は、第１及び第２活性領域が互いに逆の方向へ伸縮することによって撓む。しかし、たとえば、当該バイモルフ型圧電素子の第２主面に振動部材が接合されることで振動デバイスが構成される場合、第２主面側に配置された第２活性領域が振動部材に拘束されるため、圧電素子で発生する撓みが著しく低下する。この場合、圧電素子の全体で発生するエネルギーが振動部材に伝達され難く、振動デバイスとして所望の振動量が得られ難い。

本発明の一つの態様は、所望の振動量が効率的に確保され得る振動デバイス及び当該振動デバイスに用いられる圧電素子を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様に係る振動デバイスは、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に、当該第１及び第２主面の間において第１主面側に配置された第１活性領域と、当該第１及び第２主面の間において第１活性領域よりも第２主面側に配置された第２活性領域とを有するバイモルフ型の圧電素子と、圧電素子の第２主面に接合された振動部材と、を備える。第１活性領域で発生する力をＦ１とし、第２活性領域で発生する力をＦ２とし、振動部材が第２活性領域を拘束する力をＦｒとした場合、Ｆ２－Ｆ１≧Ｆｒが満たされる。

本発明の上記一つの態様に係る振動デバイスでは、第２活性領域で発生する力Ｆ２から第１活性領域で発生する力Ｆ１を引いた値が、振動部材が第２活性領域を拘束する力Ｆｒ以上である。このため、圧電素子に振動部材が接合されていても、第１活性領域よりも振動部材に近い第２活性領域が、第１活性領域で発生する力以上の力を発生する。この結果、圧電素子の全体で発生するエネルギーが、振動部材に効率的に伝達され得る。したがって、当該振動デバイスでは、所望の振動量が効率的に確保され得る。

本発明の一つの態様に係る圧電素子は、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に、第２主面が振動部材に接合されることで振動デバイスを構成するバイモルフ型の圧電素子であって、第１及び第２主面の間において第１主面側に配置された第１活性領域と、第１及び第２主面の間において第１活性領域よりも第２主面側に配置された第２活性領域と、第１活性領域に電界を印加する第１内部電極と、第２活性領域に電界を印加する第２内部電極と、を備える。第１活性領域及び第２活性領域は、それぞれ少なくとも１つの圧電体層によって構成される。第１活性領域の変位量をＸ１とし、第２活性領域の変位量をＸ２とした場合、Ｘ１＜Ｘ２が満たされる。

本発明の上記一つの態様に係る圧電素子では、第２活性領域の変位量Ｘ２が第１活性領域の変位量Ｘ１よりも大きい。たとえば、圧電素子の第２主面に振動部材が接合された場合、第１活性領域よりも変位量が大きい第２活性領域が第１活性領域よりも振動部材の近くに位置する。このため、圧電素子の全体で発生するエネルギーが、振動部材に効率的に伝達され得る。

本発明によれば、所望の振動量が効率的に確保され得る振動デバイス及び当該振動デバイスに用いられる圧電素子を提供することができる。

一実施形態に係る振動デバイスの斜視図である。 圧電素子の分解斜視図である。 圧電素子の断面図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。 圧電素子が振動デバイスに接合された状態を示す図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の分解斜視図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスの圧電体層における内部電極の拡大図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスの圧電体層における内部電極の拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１～図３を参照して、本実施形態に係る振動デバイスの構成について説明する。図１は、本実施形態に係る振動デバイスの平面図である。図２は、本実施形態に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の分解斜視図である。図３は、本実施形態に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面構成を示す図である。

振動デバイス１は、図１及び図２に示されているように、圧電素子１０及び振動部材６０を備えている。圧電素子１０は、バイモルフ型であり、圧電素体１１と、複数の外部電極１３，１４，１５と、を有している。本実施形態では、圧電素子１０は、三つの外部電極１３，１４，１５を有している。

圧電素体１１は、直方体形状を呈している。圧電素体１１は、互いに対向している一対の主面１１ａ，１１ｂ（第１主面及び第２主面）、互いに対向している一対の側面１１ｃ、互いに対向している一対の側面１１ｅを有している。直方体形状には、たとえば、角部及び稜線部が面取りされている直方体の形状、及び、角部及び稜線部が丸められている直方体の形状が含まれる。一対の主面１１ａ，１１ｂが対向している方向は、第一方向Ｄ１である。第一方向Ｄ１は、各主面１１ａ，１１ｂに直交する方向でもある。一対の側面１１ｅが対向している方向は、第二方向Ｄ２である。第二方向Ｄ２は、各側面１１ｃに直交する方向でもある。一対の側面１１ｃが対向している方向は、第三方向Ｄ３である。第三方向Ｄ３は、各側面１１ｅに直交する方向でもある。

各主面１１ａ，１１ｂは、一対の長辺と一対の短辺とを有している。各主面１１ａ，１１ｂは、一対の長辺と一対の短辺とを有する長方形状を呈している。すなわち、圧電素子１０（圧電素体１１）は、平面視で、一対の長辺と一対の短辺とを有する長方形状を呈している。長方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。本実施形態では、主面１１ａ，１１ｂの長辺方向は、第二方向Ｄ２と一致する。主面１１ａ，１１ｂの短辺方向は、第三方向Ｄ３方向と一致する。

一対の側面１１ｃは、一対の主面１１ａ，１１ｂを連結するように第一方向Ｄ１に延在している。一対の側面１１ｃは、第三方向Ｄ３にも延在している。一対の側面１１ｅは、一対の主面１１ａ，１１ｂを連結するように第一方向Ｄ１に延在している。一対の側面１１ｅは、第二方向Ｄ２にも延在している。圧電素体１１の第二方向Ｄ２での長さは、たとえば、２０ｍｍである。圧電素体１１の第三方向Ｄ３での長さは、たとえば、１０ｍｍである。圧電素体１１の第一方向Ｄ１での長さは、たとえば、０．２５ｍｍである。各主面１１ａ，１１ｂと各側面１１ｃ，１１ｅとは、間接的に隣り合っていてもよい。この場合、各主面１１ａ，１１ｂと各側面１１ｃ，１１ｅとの間には、稜線部が位置する。

圧電素体１１では、図２及び図３に示されるように、複数の圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが第一方向Ｄ１に積層されている。圧電体層１７ａは、主面１１ａを有している。圧電体層１８ｆは、主面１１ｂを有している。圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅは、圧電体層１７ａと圧電体層１８ｆとの間に位置している。圧電体層１７ｂ，１７ｄ，１８ｂ，１８ｄ，１８ｆの分極の向きは、圧電体層１７ａ，１７ｃ，１８ａ，１８ｃ，１８ｅの分極の向きと反対である。すなわち、圧電素体１１では、第一方向Ｄ１において、分極の向きが反対の圧電体層が交互に配置されている。本実施形態では、圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆの厚さは同じである。「同じ」には、製造誤差の範囲が含まれている。

各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、圧電材料からなる。本実施形態では、各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料には、たとえば、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）が用いられる。各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、たとえば、上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。実際の圧電素体１１では、各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆの間の境界が認識できない程度に一体化されている。

各外部電極１３，１４，１５は、主面１１ａ上に配置されている。外部電極１３，１４，１５は、外部電極１３、外部電極１４、外部電極１５の順で第二方向Ｄ２に並んでいる。外部電極１３と外部電極１４とは、第二方向Ｄ２で隣り合っている。外部電極１４と外部電極１５とは、第二方向Ｄ２で隣り合っている。第二方向Ｄ２において、外部電極１４と外部電極１５との最短距離は、外部電極１３と外部電極１４との最短距離よりも長い。各外部電極１３，１４，１５は、第一方向Ｄ１から見て、主面１１ａの全ての縁（四辺）から離間している。

各外部電極１３，１４は、第一方向Ｄ１から見て、長方形状を呈している。長方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。本実施形態では、長方形状の各角が丸められている。外部電極１５は、第一方向Ｄ１から見て、正方形状を呈している。正方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。本実施形態では、正方形状の各角が丸められている。各外部電極１３，１４，１５は、導電性材料からなる。導電性材料には、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、又はＡｇ－Ｐｄ合金が用いられる。各外部電極１３，１４，１５は、たとえば、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。

圧電素子１０は、図２及び図３に示されるように、圧電素体１１内に配置されている複数の内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９を備えている。各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、導電性材料からなる。導電性材料には、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、又はＡｇ－Ｐｄ合金が用いられる。各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、たとえば、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。本実施形態では、各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の外形形状は、長方形状を呈している。長方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。

各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、第一方向Ｄ１において異なる位置（層）に配置されている。内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の各々は、互いに、第一方向Ｄ１に間隔を有して対向している。各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、圧電素体１１の表面には露出していない。すなわち、各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、各側面１１ｃ，１１ｅには露出していない。各内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９は、第一方向Ｄ１から見て、主面１１ａ，１１ｂの全ての縁（四辺）から離間している。

内部電極２１は、圧電体層１７ａと圧電体層１７ｂとの間に位置している。内部電極２２は、圧電体層１７ｂと圧電体層１７ｃとの間に位置している。内部電極２３は、圧電体層１７ｃと圧電体層１７ｄとの間に位置している。内部電極２４は、圧電体層１７ｄと圧電体層１８ａとの間に位置している。内部電極２５は、圧電体層１８ａと圧電体層１８ｂとの間に位置している。内部電極２６は、圧電体層１８ｂと圧電体層１８ｃとの間に位置している。内部電極２７は、圧電体層１８ｃと圧電体層１８ｄとの間に位置している。内部電極２８は、圧電体層１８ｄと圧電体層１８ｅとの間に位置している。内部電極２９は、圧電体層１８ｅと圧電体層１８ｆとの間に位置している。

外部電極１３は、内部電極２１と内部電極２３と複数の接続導体３３とに複数のビア導体４３を通して電気的に接続されている。複数の接続導体３３は、それぞれ、内部電極２２，２４，２５，２６，２７，２８，２９と同じ層に位置している。具体的には、各接続導体３３は、各内部電極２２，２４，２５，２６，２７，２８，２９に形成された開口内に位置している。各開口は、第一方向Ｄ１から見て、外部電極１３に対応する位置に形成されている。すなわち、各接続導体３３は、第一方向Ｄ１から見て、各内部電極２２，２４，２５，２６，２７，２８，２９に囲まれている。各接続導体３３は、各内部電極２２，２４，２５，２６，２７，２８，２９と離間している。

各接続導体３３は、第一方向Ｄ１において外部電極１３と対向しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１３と重なる位置に配置されている。各接続導体３３は、第一方向Ｄ１において内部電極２１，２３と対向しており、第一方向Ｄ１から見て内部電極２１，２３と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４３は、それぞれ、外部電極１３と内部電極２１と内部電極２３と複数の接続導体３３との間に位置しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１３と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４３は、それぞれ、第一方向Ｄ１において、対応する圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅを貫通している。

外部電極１４は、内部電極２５と内部電極２７と内部電極２９と複数の接続導体３４とに複数のビア導体４４を通して電気的に接続されている。複数の接続導体３４は、それぞれ、内部電極２１，２２，２３，２４，２６，２８と同じ層に位置している。具体的には、各接続導体３４は、各内部電極２１，２２，２３，２４，２６，２８に形成された開口内に位置している。各開口は、第一方向Ｄ１から見て、外部電極１４に対応する位置に形成されている。すなわち、各接続導体３４は、第一方向Ｄ１から見て、各内部電極２１，２２，２３，２４，２６，２８に囲まれている。各接続導体３４は、各内部電極２１，２２，２３，２４，２６，２８と離間している。各接続導体３４は、各接続導体３３と離間している。

内部電極２２と同じ層に位置している接続導体３３と接続導体３４は、同じ開口内に隣り合って位置している。内部電極２４と同じ層に位置している接続導体３３と接続導体３４は、同じ開口内に隣り合って位置している。内部電極２６と同じ層に位置している接続導体３３と接続導体３４は、同じ開口内で隣り合って位置している。内部電極２８と同じ層に位置している接続導体３３と接続導体３４は、同じ開口内で隣り合って位置している。

各接続導体３４は、第一方向Ｄ１において外部電極１４と対向しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１４と重なる位置に配置されている。各接続導体３４は、第一方向Ｄ１において内部電極２５，２７，２９と対向しており、第一方向Ｄ１から見て内部電極２５，２７，２９と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４４は、それぞれ、外部電極１４と内部電極２５と内部電極２７と内部電極２９と複数の接続導体３４との間に位置しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１４と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４４は、それぞれ、第一方向Ｄ１において、対応する圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅを貫通している。

外部電極１５は、内部電極２２と内部電極２４と内部電極２６と内部電極２８と複数の接続導体３５とに複数のビア導体４５を通して電気的に接続されている。複数の接続導体３５は、それぞれ、内部電極２１，２３，２５，２７，２９と同じ層に位置している。具体的には、各接続導体３５は、各内部電極２１，２３，２５，２７，２９に形成された開口内に位置している。各開口は、第一方向Ｄ１から見て、外部電極１５に対応する位置に形成されている。すなわち、各接続導体３５の全縁は、第一方向Ｄ１から見て、各内部電極２１，２３，２５，２７，２９に囲まれている。各開口は、第一方向Ｄ１から見て、外部電極１５に対応する位置に形成されている。

各接続導体３５は、第一方向Ｄ１において外部電極１５と対向しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１５と重なる位置に配置されている。各接続導体３５は、第一方向Ｄ１において内部電極２２，２４，２６、２８と対向しており、第一方向Ｄ１から見て内部電極２２，２４，２６、２８と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４５は、それぞれ、外部電極１５と内部電極２２と内部電極２４と内部電極２６と内部電極２８と複数の接続導体３５との間に位置しており、第一方向Ｄ１から見て外部電極１５と重なる位置に配置されている。複数のビア導体４５は、それぞれ、第一方向Ｄ１において、対応する圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅを貫通している。

各接続導体３３，３４は、第一方向Ｄ１から見て、長方形状を呈している。長方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。本実施形態では、長方形状の各角が丸められている。各接続導体３５は、第一方向Ｄ１から見て、正方形状を呈している。正方形状には、たとえば、各角が面取りされている形状、及び、各角が丸められている形状が含まれる。本実施形態では、正方形状の各角が丸められている。

接続導体３３，３４，３５及びビア導体４３，４４，４５は、導電性材料からなる。導電性材料には、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、又はＡｇ－Ｐｄ合金が用いられる。接続導体３３，３４，３５及びビア導体４３，４４，４５は、たとえば、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。ビア導体４３，４４，４５は、対応する圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅを形成するためのセラミックグリーンシートに形成された貫通孔に充填された導電性ペーストが焼結することにより形成される。

圧電素体１１の主面１１ｂには、内部電極２１，２３と電気的に接続されている導体と、内部電極２５，２７，２９と電気的に接続されている導体と、内部電極２２，２４，２６，２８と電気的に接続されている導体は、配置されていない。本実施形態では、主面１１ｂを第一方向Ｄ１から見たとき、主面１１ｂの全体が露出している。主面１１ａ，１１ｂは、自然面である。自然面とは、焼成により成長した結晶粒の表面により構成される面である。

圧電素体１１の各側面１１ｃ，１１ｅにも、内部電極２１，２３と電気的に接続されている導体と、内部電極２５，２７，２９と電気的に接続されている導体と、内部電極２２，２４，２６，２８と電気的に接続されている導体は、配置されていない。本実施形態では、各側面１１ｃを第三方向Ｄ３から見たとき、各側面１１ｃの全体が露出している。各側面１１ｅを第二方向Ｄ２から見たとき、各側面１１ｅの全体が露出している。本実施形態では、各側面１１ｃ，１１ｅも、自然面である。

複数の圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄにおいて、外部電極１３に接続されている内部電極２１，２３と外部電極１５に接続されている内部電極２２，２４とに挟まれている領域は、圧電的に活性な第１活性領域１９を構成する。複数の圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅにおいて、外部電極１４に接続されている内部電極２５，２７，２９と外部電極１５に接続されている内部電極２４，２６，２８とに挟まれている領域は、圧電的に活性な第２活性領域２０を構成する。第１活性領域１９と第２活性領域２０は、主面１１ａと主面１１ｂとの間に配置されている。第２活性領域２０は、第１活性領域１９よりも主面１１ｂ側に配置されている。第１活性領域１９及び第２活性領域２０は、少なくとも１つの圧電体層によって構成される。

本実施形態では、第１活性領域１９及び第２活性領域２０は、第一方向Ｄ１から見て、複数の外部電極１３，１４，１５を囲むように位置している。第１活性領域１９及び第２活性領域２０は、第一方向Ｄ１から見て外部電極１４と外部電極１５との間に位置している領域、及び、第一方向Ｄ１から見て外部電極１３，１４，１５が位置している領域の外側の領域を含んでいる。

圧電素子１０では、第一方向Ｄ１において、圧電体層、外部電極１３に接続されている内部電極、圧電体層、外部電極１５に接続されている内部電極の順で構成されたパターンＰ１が、繰り返し配置されている。圧電素子１０では、パターンＰ１に続いて、第一方向Ｄ１において、圧電体層、外部電極１４に接続されている内部電極、圧電体層、外部電極１５に接続されている内部電極の順で構成されたパターンＰ２が繰り返し配置されている。換言すれば、本実施形態では、圧電素子１０には、第一方向Ｄ１において、第１活性領域１９を構成するパターンＰ１がＸ個配置され、第２活性領域２０を構成するパターンＰ２がＹ個配置される。

本実施形態では、第一方向Ｄ１において、第１活性領域１９を構成するパターンＰ１が２つ配置され、第２活性領域２０を構成するパターンＰ２が３つ配置されている。すなわち、Ｘ＝２，Ｙ＝３であり、Ｘ＜Ｙが満たされている。この場合、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数をＮ１とし、第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数をＮ２としたとき、Ｎ１＝３，Ｎ２＝５であり、Ｎ１＜Ｎ２が満たされている。すなわち、第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数Ｎ２は、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数Ｎ１よりも多い。

圧電素子１０におけるパターンＰ１の数ＸとパターンＰ２の数Ｙは、本実施形態の構成に限定されない。たとえば、図４に示されている圧電素子１０Ａでは、上述した圧電素子１０と、複数の圧電体層の層数と、内部電極の数とが異なる。図４は、第１実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。具体的には、圧電素子１０Ａでは、複数の圧電体層１７ａ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃが第一方向Ｄ１に順に積層されている。圧電素子１０Ａでは、圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆが設けられていない。圧電体層１７ａは、主面１１ａを有している。圧電体層１８ｃは、主面１１ｂを有している。圧電素子１０Ａは、圧電素体１１Ａ内に複数の内部電極２３，２４，２５，２６を備えている。圧電素子１０Ａは、内部電極２１，２２，２７，２８，２９を備えていない。

圧電素子１０Ａでは、第一方向Ｄ１において、第１活性領域１９を構成するパターンＰ１が１つ配置され、第２活性領域２０を構成するパターンＰ２が１つ配置されている。すなわち、Ｘ＝１，Ｙ＝１である。この場合も、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数をＮ１とし、第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数をＮ２としたとき、Ｎ１＝１，Ｎ２＝２であり、Ｎ１＜Ｎ２が満たされている。

振動部材６０は、図５に示されるように、互いに対向している主面６０ａ，６０ｂを有している。本実施形態では、振動部材６０は、板状の部材である。振動部材６０は、たとえば、金属からなる。振動部材６０は、たとえば、Ｎｉ－Ｆｅ合金、ガラス、樹脂、又はステンレス鋼からなる。各主面６０ａ，６０ｂは、一対の長辺と一対の短辺とを有している。各主面６０ａ，６０ｂは、一対の長辺と一対の短辺とを有する長方形状を呈している。すなわち、振動部材６０は、平面視で、一対の長辺と一対の短辺とを有する長方形状を呈している。

本実施形態では、主面６０ａ，６０ｂの長辺方向は、第二方向Ｄ２と一致する。主面６０ａ，６０ｂの短辺方向は、第三方向Ｄ３方向と一致する。振動部材６０の第二方向Ｄ２での長さは、たとえば、３０ｍｍである。振動部材６０の第三方向Ｄ３での長さは、たとえば、１５ｍｍである。振動部材６０の第一方向Ｄ１での長さは、たとえば、０．１５ｍｍである。

圧電素子１０は、樹脂層６１によって振動部材６０に接合されている。圧電素体１１の主面１１ｂと振動部材６０の主面６０ａとが互いに対向している。樹脂層６１は、主面１１ｂと主面６０ａとの間に位置している。主面１１ｂと主面６０ａとが、樹脂層６１によって接合されている。樹脂層６１は、樹脂（たとえば、エポキシ樹脂又はアクリル系樹脂）からなる。樹脂層６１は、導電性のフィラーを含んでおらず、電気絶縁性を有している。圧電素子１０が振動部材６０に接合された状態では、第一方向Ｄ１と、主面６０ａと主面６０ｂとが対向している方向とは同じである。第一方向Ｄ１から見て、圧電素子１０は、振動部材６０（主面６０ａ）の中央に配置されている。

次に、圧電素子１０における第１活性領域１９及び第２活性領域２０に電界が印加された場合の動作について、詳細に説明する。

外部電極１３と外部電極１４とには、極性が異なる電圧が印加される。外部電極１５には、外部電極１３，１４に印加されるような電圧は印加されない。外部電極１５は、グラウンド電極として機能する。外部電極１３に上述した電圧が印加されると、内部電極２１と内部電極２２との間、内部電極２２と内部電極２３との間、内部電極２３と内部電極２４との間で電界が発生する。内部電極２１，２３と内部電極２２，２４との間で電界が発生すると、第１活性領域１９に電界が印加され、当該電界に応じて第１活性領域１９で力Ｆ１が発生する。この結果、当該力Ｆ１に応じた変位量Ｘ１だけ、第１活性領域１９が変位する。

外部電極１４に上述した電圧が印加されると、内部電極２４と内部電極２５の間、内部電極２５と内部電極２６との間、内部電極２６と内部電極２７との間、内部電極２７と内部電極２８との間、内部電極２８と内部電極２９との間で電界が発生する。内部電極２５，２７，２９と内部電極２４，２６，２８との間で電界が発生すると、第２活性領域２０に電界が印加され、当該電界に応じて第２活性領域２０で力Ｆ２が発生する。この結果、当該力Ｆ２に応じた変位量Ｘ２だけ、第２活性領域２０が変位する。この際、第１活性領域１９と第２活性領域２０とは、互いに逆方向に変位する。このため、外部電極１３，１４に電圧が印加されると、圧電素子１０に撓みが生じる。

圧電素子１０では、外部電極１３，１４に交流電圧が印加されると、第１活性領域１９及び第２活性領域２０は、印加された交流電圧の周波数に応じて伸縮を繰り返す。このため、第１活性領域１９と第２活性領域２０とは互いに逆方向に伸縮し、圧電素子１０が撓み振動する。圧電素子１０と振動部材６０とは接合されている。したがって、振動部材６０では、圧電素子１０における撓み振動に応じて、圧電素子１０と一体に撓み振動が生じる。

本実施形態に係る圧電素子１０では、上述したように外部電極１３と外部電極１４とに電圧を印加した場合において、第１活性領域１９の変位量Ｘ１と、第２活性領域２０の変位量Ｘ２との関係は、Ｘ１＜Ｘ２を満たす。すなわち、第２活性領域２０の変位量Ｘ２は、第１活性領域１９の変位量Ｘ１よりも大きい。

圧電素子１０と振動部材６０が接合された状態では、外部電極１３と外部電極１４とに電圧を印加した場合において、第１活性領域１９で発生する力Ｆ１と、第２活性領域２０で発生する力Ｆ２と、振動部材６０が第２活性領域２０を拘束する力Ｆｒとの関係は、Ｆ２－Ｆ１≧Ｆｒを満たす。すなわち、第１活性領域１９で発生する力Ｆ１と第２活性領域２０で発生する力Ｆ２との差は、振動部材６０が第２活性領域２０を拘束する力Ｆｒ以上である。ここで、Ｆ２－Ｆ１＝Ｆｒには、製造誤差の範囲（±１０％）で、Ｆ２－Ｆ１とＦｒとの大小関係が異なる場合を含む。

以上のように、本実施形態に係る振動デバイス１では、第２活性領域２０で発生する力Ｆ２から第１活性領域１９で発生する力Ｆ１を引いた値は、振動部材６０が第２活性領域２０を拘束する力Ｆｒ以上である。このため、圧電素子１０に振動部材６０が接合されていても、第１活性領域１９よりも振動部材６０に近い第２活性領域２０が、第１活性領域１９で発生する力Ｆ１以上の力Ｆ２を発生する。この結果、圧電素子１０の全体で発生するエネルギーが、振動部材６０に効率的に伝達され得る。したがって、当該振動デバイス１では、所望の振動量が効率的に確保され得る。

圧電素子１０では、第２活性領域２０の変位量Ｘ２が第１活性領域１９の変位量Ｘ１よりも大きい。たとえば、圧電素子１０の主面１１ｂに振動部材６０が接合された場合、第１活性領域１９よりも変位量が大きい第２活性領域２０が第１活性領域１９よりも振動部材６０の近くに位置する。このため、圧電素子１０の全体で発生するエネルギーが、振動部材６０に効率的に伝達され得る。

第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数をＮ１とし、第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数をＮ２としたとき、Ｎ１＜Ｎ２が満たされている。この場合、たとえば、第１活性領域１９と第２活性領域２０とに印加される電界が同じであっても、第１活性領域で発生する力よりも大きい力が第２活性領域で発生し得る。このため、圧電素子１０の主面１１ｂに振動部材６０が接合された場合、圧電素子１０の全体で発生するエネルギーが、振動部材６０に効率的に伝達され得る。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態に係る振動デバイス１に用いられる圧電素子１０と異なる構成を有する圧電素子によって、第１活性領域１９の変位量Ｘ１と、第２活性領域２０の変位量Ｘ２との関係が、Ｘ１＜Ｘ２を満たすように構成されてもよい。

たとえば、圧電素子１０は、図６に示されているように構成されてもよい。図６は、本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。上述した実施形態における圧電素子１０と本変形例における圧電素子１０Ｂとでは、複数の圧電体層の層数と、内部電極の数と、第２活性領域２０を構成する圧電体層の厚さとが異なる。

本変形例に係る振動デバイス１に用いられる圧電素子１０Ｂでは、図６に示されているように、複数の圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが第一方向Ｄ１に順に積層されている。すなわち、圧電素子１０Ｂは、圧電体層１８ｅ，１８ｆを有していない。圧電体層１７ａは、主面１１ａを有している。圧電体層１８ｄは、主面１１ｂを有している。

圧電素子１０Ｂは、圧電素体１１Ｂ内に複数の内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７を備えている。圧電素子１０Ｂは、内部電極２８，２９を備えていない。本変形例では、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数Ｎ１と第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数Ｎ２とが同じである。

圧電素子１０Ｂでは、第１活性領域１９を構成する圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの各々の厚さをＴ１とし、第２活性領域２０を構成する圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各々の厚さをＴ２としたとき、Ｔ１＞Ｔ２が満たされている。すなわち、各圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの厚さＴ２は、各圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの厚さＴ１よりも小さい。圧電素子１０Ｂでは、圧電体層１７ａ及び圧電体層１８ｄの厚さは、各圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの厚さＴ１と同じに構成されている。圧電体層１７ａ及び圧電体層１８ｄの厚さは、各圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの厚さＴ２と同じに構成されてもよい。

以上のように、本変形例では、第１活性領域１９を構成する圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの各々の厚さをＴ１とし、第２活性領域２０を構成する圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各々の厚さをＴ２としたとき、Ｔ１＞Ｔ２が満たされている。この場合、たとえば、外部電極１３と外部電極１４とに印加される電圧が同じであっても、第１活性領域１９を構成する圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに印加される電界よりも強い電界が第２活性領域２０を構成する圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃに印加される。第一方向Ｄ１から見て、内部電極に挟まれた第１活性領域１９の面積と、内部電極に挟まれた第２活性領域２０の面積とは、同じである。したがって、外部電極１３と外部電極１４とに印加される電圧が同じであっても、第１活性領域１９で発生する力よりも大きい力が第２活性領域２０で発生し得る。

図６に示されている圧電素子１０Ｂでは、図３に示されている圧電素子１０よりも、第一方向Ｄ１における圧電素子１０の厚さが薄く構成され得る。図３に示されている圧電素子では、図６に示されている圧電素子１０Ｂよりも、プレス及び焼結等の製造工程及び電界の印加工程においてクラックが発生し難い。

図３に示されているように第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数Ｎ２が、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数Ｎ１よりも多い構成において、図６を参照して説明したように第２活性領域２０を構成する各圧電体層の厚さＴ２が、第１活性領域１９を構成する各圧電体層の厚さＴ１よりも小さく構成されてもよい。この場合、たとえば、外部電極１３と外部電極１４とに印加される電圧が同じであっても、第１活性領域で発生する力よりも一層大きい力が第２活性領域２０で発生し得る。

圧電素子１０は、図７及び図８に示されているように構成されてもよい。図７は、本実施形態の変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の分解斜視図である。図８は、本変形例に係る振動デバイスに用いられる圧電素子の断面図である。上述した実施形態における圧電素子１０と本変形例における圧電素子１０Ｃとでは、複数の圧電体層の層数と、内部電極の数と、第２活性領域２０を構成する圧電体層に電界を印加する内部電極の厚さ、被覆率、及び体積密度とが異なる。

本変形例に係る振動デバイス１に用いられる圧電素子１０Ｃでは、図７及び図８に示されているように、複数の圧電体層１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが第一方向Ｄ１に順に積層されている。圧電素子１０Ｃは、圧電体層１８ｅ，１８ｆを有していない。圧電体層１７ａは、主面１１ａを有している。圧電体層１８ｄは、主面１１ｂを有している。

圧電素子１０Ｃは、圧電素体１１Ｃ内に複数の内部電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７を備えている。圧電素子１０Ｃは、内部電極２８，２９を備えていない。本変形例では、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数Ｎ１と第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数Ｎ２とが同じである。

圧電素子１０Ｃでは、第１活性領域１９に電界を印加する内部電極２１，２２，２３，２４（第１内部電極）と第２活性領域２０に電界を印加する内部電極２５，２６，２７（第２内部電極）とで厚さが異なる。第２活性領域２０に電界を印加する複数の内部電極２１，２２，２３，２４の厚さの平均は、第１活性領域１９に電界を印加する複数の内部電極２５，２６，２７の厚さの平均より小さい。

第１活性領域１９に電界を印加する各内部電極２１，２２，２３，２４の厚さをＬ１とし、第２活性領域２０に電界を印加する各内部電極２５，２６，２７の厚さをＬ２としたとき、Ｌ１＞Ｌ２が満たされている。すなわち、各内部電極２５，２６，２７の厚さＬ２は、各内部電極２１，２２，２３，２４の厚さＬ１よりも小さい。本変形例では、内部電極２１，２２，２３，２４の各々の厚さは２０μｍであり、内部電極２５，２６，２７の各々の厚さは１．５μｍである。

圧電素子１０Ｃでは、第１活性領域１９に電界を印加する内部電極２１，２２，２３，２４（第１内部電極）の被覆率と第２活性領域２０に電界を印加する内部電極２５，２６，２７（第２内部電極）の被覆率とが異なる。圧電素子１０Ｃでは、第２活性領域２０に電界を印加する複数の内部電極２５，２６，２７の被覆率の平均が、第１活性領域１９に電界を印加する複数の内部電極２１，２２，２３，２４の被覆率の平均よりも小さい。ここで「被覆率」とは、第一方向Ｄ１から見て、内部電極が当該内部電極に隣接する圧電体層を覆っている割合である。

本変形例では、各内部電極２１，２２，２３，２４の被覆率は６０％であり、各内部電極２５，２６，２７の被覆率は７０％である。図９は、圧電体層１８ｂを覆う内部電極２５を顕微鏡で拡大して示している。図１０は、圧電体層１７ｂを覆う内部電極２１を顕微鏡で拡大して示している。

圧電素子１０Ｃでは、第１活性領域１９に電界を印加する内部電極２１，２２，２３，２４と第２活性領域２０に電界を印加する内部電極２５，２６，２７とで体積密度が異なる。第２活性領域２０に電界を印加する複数の内部電極２５，２６，２７における体積密度の平均は、第１活性領域１９に電界を印加する複数の内部電極２１，２２，２３，２４における体積密度の平均より小さい。ここで「体積密度」とは、内部電極ごとの単位体積あたりの金属体が占める体積を意味する。

第１活性領域１９に電界を印加する各内部電極２１，２２，２３，２４の体積密度をρ１とし、第２活性領域２０に電界を印加する各内部電極２５，２６，２７の体積密度をρ２としたとき、ρ１＞ρ２が満たされている。すなわち、各内部電極２５，２６，２７の体積密度ρ２が、各内部電極２１，２２，２３，２４の体積密度ρ１より小さい。

図７において、各内部電極２５，２６，２７におけるハッチングと各内部電極２１，２２，２３，２４のハッチングとの密度の違いは、被覆率及び体積密度ρ１，ρ２の違いを表している。すなわち、各内部電極２５，２６，２７のハッチングよりも荒いハッチングを付した各内部電極２１，２２，２３，２４は、各内部電極２５，２６，２７よりも被覆率及び体積密度が小さいことが示されている。

以上のように、本変形例では、第１活性領域１９に電界を印加する内部電極２１，２２，２３，２４の厚さをＬ１とし、第２活性領域２０に電界を印加する内部電極２５，２６，２７の厚さをＬ２としたとき、Ｌ１＞Ｌ２が満たされている。この場合、内部電極２５，２６，２７によって生じる拘束力が、内部電極２１，２２，２３，２４によって生じる拘束力よりも低減され得る。

第２活性領域２０に電界を印加する複数の内部電極２５，２６，２７の被覆率が、第１活性領域１９に電界を印加する複数の内部電極２１，２２，２３，２４の被覆率よりも小さい。この場合、内部電極２５，２６，２７によって生じる拘束力が、内部電極２１，２２，２３，２４によって生じる拘束力よりも低減され得る。

第１活性領域１９に電界を印加する各内部電極２１，２２，２３，２４の体積密度をρ１とし、第２活性領域２０に電界を印加する各内部電極２５，２６，２７の体積密度をρ２としたとき、ρ１＞ρ２が満たされている。この場合、内部電極２５，２６，２７によって生じる拘束力が、内部電極２１，２２，２３，２４によって生じる拘束力よりも更に低減され得る。

内部電極２５，２６，２７によって生じる拘束力が、内部電極２１，２２，２３，２４によって生じる拘束力よりも小さい場合、第１活性領域１９を構成する圧電体層１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの各々で発生する力と第２活性領域２０を構成する圧電体層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各々で発生する力とが同じであっても、第１活性領域１９で発生する力Ｆ１よりも大きい力Ｆ２が第２活性領域２０で発生し得る。したがって、圧電素子１０Ｃでは、第１活性領域１９で発生する力Ｆ１よりも大きい力Ｆ２が第２活性領域２０で発生し得る。

図７及び図８に示されている圧電素子１０Ｃでは、図３に示されている圧電素子１０よりも、第一方向Ｄ１における圧電素子１０の厚さが薄く構成され得る。図３に示されている圧電素子では、図７及び図８に示されている圧電素子１０Ｃよりも、プレス及び焼結等の製造工程及び電界の印加工程においてクラックが発生し難い。

第１活性領域１９に電界を印加する内部電極２１，２２，２３，２４と第２活性領域２０に電界を印加する内部電極２５，２６，２７とは、厚さと被覆率と体積密度とのうち少なくとも１つが異なるように構成されてもよい。図３を参照して説明したように、第２活性領域２０を構成する圧電体層の層数Ｎ２が、第１活性領域１９を構成する圧電体層の層数Ｎ１よりも多く構成されてもよい。図６を参照して説明したように第２活性領域２０を構成する各圧電体層の厚さＴ２が、第１活性領域１９を構成する各圧電体層の厚さＴ１よりも小さく構成されてもよい。

このように、上述した複数の構成を組み合わせることで、たとえば、外部電極１３と外部電極１４とに印加される電圧が同じであっても、第１活性領域で発生する力よりも一層大きい力が第２活性領域２０で発生し得る。

第一方向Ｄ１から見た場合において、第２活性領域２０に電界を印加する内部電極の面積が、第１活性領域１９に電界を印加する内部電極の面積よりも大きくてもよい。この場合、第１活性領域１９に印加される電界よりも大きい電界が第２活性領域２０に印加され得る。

圧電素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが備える内部電極の数、圧電体層の数、外部電極の数は、上述された実施形態及び変形例で開示した数に限られない。圧電素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ及び振動部材６０は、平面視で、正方形状又は円形状であってもよい。

振動部材６０は、電子機器などの筐体であってもよい。振動部材６０は、電子機器などの筐体とは別の部材であってもよい。この場合、振動部材６０は、面接着によって筐体に装着されてもよい。

１…振動デバイス、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…圧電素子、１１ａ，１１ｂ…主面、１９…第１活性領域、２０…第２活性領域、６０…振動部材、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９…内部電極、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ…圧電体層。

Claims (6)

1. 互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に、当該第１及び第２主面の間において前記第１主面側に配置された第１活性領域と、当該第１及び第２主面の間において前記第１活性領域よりも前記第２主面側に配置され、かつ、前記第１活性領域と逆方向に変位する第２活性領域とを有するバイモルフ型の圧電素子と、
   前記圧電素子の前記第２主面に接合された振動部材と、を備え、
   前記第１活性領域で発生する力をＦ１とし、前記第２活性領域で発生する力をＦ２とし、前記振動部材が前記第２活性領域を拘束する力をＦｒとした場合、
   Ｆ２－Ｆ１≧Ｆｒ
   が満たされる、振動デバイス。
2. 互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に、前記第２主面が振動部材に接合されることで振動デバイスを構成するバイモルフ型の圧電素子であって、
   前記第１及び第２主面の間において前記第１主面側に配置された第１活性領域と、
   前記第１及び第２主面の間において前記第１活性領域よりも前記第２主面側に配置され、かつ、前記第１活性領域と逆方向に変位する第２活性領域と、
   前記第１活性領域に電界を印加する第１内部電極と、
   前記第２活性領域に電界を印加する第２内部電極と、を備え、
   前記第１活性領域及び前記第２活性領域は、それぞれ少なくとも１つの圧電体層によって構成され、
   前記第１活性領域の変位量をＸ１とし、前記第２活性領域の変位量をＸ２とした場合、
   Ｘ１＜Ｘ２
   が満たされる、圧電素子。
3. 前記第１活性領域を構成する前記圧電体層の層数をＮ１とし、前記第２活性領域を構成する前記圧電体層の層数をＮ２としたとき、
   Ｎ１＜Ｎ２
   が満たされている、請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記第１活性領域を構成する前記圧電体層の各々の厚さをＴ１とし、前記第２活性領域を構成する前記圧電体層の各々の厚さをＴ２としたとき、
   Ｔ１＞Ｔ２
   が満されている、請求項２又は３に記載の圧電素子。
5. 前記第２内部電極の被覆率は、前記第１内部電極の被覆率よりも小さい、請求項２～４のいずれか一項に記載の圧電素子。
6. 前記第１内部電極の厚さをＬ１とし、前記第２内部電極の厚さをＬ２としたとき、
   Ｌ１＞Ｌ２
   が満たされている、請求項２～５のいずれか一項に記載の圧電素子。

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