JP5200459B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子を用いたアクチュエータに関する。

従来から、圧電体層と電極層とを交互に積層して形成された積層型圧電素子がある。この積層型圧電素子を用いたアクチュエータとして、下記特許文献１に記載されたものがある。そのアクチュエータは、直方体形状の積層型圧電素子における長手方向の一方端側に固定部材が固定され、他方端側に被駆動部材が固定されている。そして、積層型圧電素子が長手方向に伸縮することにより、固定部材に対して被駆動部材を駆動する。
特開２００５−２８６１２５号公報

上記特許文献１に記載されたアクチュエータでは、被駆動部材の固定部材に対する変位量は、積層型圧電素子が長手方向に伸縮した寸法分である。この種のアクチュエータにおいて、動作電圧を増加したり、アクチュエータを大型化したりせずに、変位量を大きくすることが求められている。

そこで、本発明は、被駆動部材の変位量を大きくすることが可能なアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に積層されて、積層方向に対向する第一面及び第二面を有する圧電素子と、圧電素子の第一面における一方端側に固定された固定部材と、第一面における他方端側に固定されて、固定部材に対して駆動される被駆動部材と、を備え、圧電素子は、第二面側の最も外側に位置する最外圧電体層における電界強度が第一面側の最も外側に位置する最外圧電体層における電界強度より小さいことにより、第一面を内側にして屈曲し、被駆動部材を駆動することを特徴とする。

本発明のアクチュエータでは、駆動の際、圧電素子における第二面側の最外圧電体層の電界強度が第一面側の最外圧電体層の電界強度より小さいので、圧電素子では、第二面側の最外圧電体層より第一面側の最外圧電体層が大きく縮む。これにより、圧電素子には、曲げモーメントが発生し、第一面を内側にして屈曲する。すなわち、第一面における一方端と他方端との距離が小さくなるように屈曲する。よって、圧電素子は、電界強度に応じて一部の圧電体層が電界方向と垂直な方向に縮んだ寸法以上に、一方端と他方端との距離が小さくなる。この一方端側と他方端側に、それぞれ固定部材と被駆動部材とが固定されているので、固定部材に対する被駆動部材の変位量を大きくすることができる。

本発明のアクチュエータは、好ましくは、駆動の際、第二面側の最外圧電体層における電界強度が、第二面側の最外圧電体層以外の圧電体層における電界強度より小さい。この場合、圧電素子では、第二面側の最外圧電体層よりこの最外圧電体層以外の圧電体層が大きく縮む。これにより、圧電素子では、第一面を内側にしてより大きく屈曲するので、一方端と他方端との距離がより小さくなる。したがって、固定部材に対する被駆動部材の変位量をより大きくすることができる。

本発明のアクチュエータは、好ましくは、駆動の際、第二面側の最外圧電体層における電界強度が０である。この場合、圧電素子では、第二面側の最外圧電体層が縮まないので、第一面を内側にしてより大きく屈曲し、一方端と他方端との距離がより小さくなる。よって、固定部材に対する被駆動部材の変位量をより大きくすることができる。

本発明のアクチュエータは、好ましくは、第二面側の最外圧電体層の厚さは、複数の圧電体層の合計の厚さに対する３３％〜６６％程度である。この場合、圧電素子では、より効率良く圧電素子が屈曲して、固定部材に対する被駆動部材の変位量をより大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、圧電素子の一面における一方端に固定部材が固定され、他方端に被駆動部材が固定され、圧電素子が一方端と他方端とが近づくように屈曲するので、固定部材に対する被駆動部材の変位量を大きくすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るアクチュエータを図１に示す。図１は、第１実施形態に係るアクチュエータの平面図である。第１実施形態のアクチュエータ１は、ハードディスクドライブにおいて、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の駆動機構として用いられる。具体的には、アクチュエータ１は、磁気ディスクを読み出すための磁気ヘッド２を駆動する磁気ヘッド駆動装置である。

アクチュエータ１は、固定部材３と、固定部材３に対して駆動される被駆動部材４と、固定部材３と被駆動部材４とを連結する圧電素子５とを備える。アクチュエータ１では、圧電素子５が伸縮し、磁気ヘッド２が固定された被駆動部材４が固定部材３に対して駆動される。これにより、磁気ヘッド２が駆動されることとなる。

固定部材３は、長方形状のプレートである。被駆動部材４は、略三角形状の部分４ａと部分４ａの底辺の両端部からそれぞれ伸びた部分４ｂ及び部分４ｃとから構成された、略Ｕ字型のプレートである。被駆動部材４の部分４ｂにおける先端部分が、固定部材３の上面に重なり、部分４ｂの貫通孔に挿入されたピン６を介して、固定部材３と被駆動部材４の部分４ｂとが連結されている。これにより、被駆動部材４は、固定部材３に対してピン６を軸に回転が可能である。

被駆動部材４の部分４ｃは部分４ｂより短く、その上面に圧電素子５における長手方向の一方端側の部分が固定されている。圧電素子５の他方端側の部分は、固定部材３の上面に固定され、圧電素子５が、固定部材３と被駆動部材４の部分４ｃとを連結している。この圧電素子５がその長手方向Ｙ１に伸縮することにより、被駆動部材４が固定部材３に対してピン６を軸に回転駆動される。これにより、被駆動部材４の部分４ａの頂部に固定された磁気ヘッド２が、被駆動部材４の回転方向Ｙ２に動くこととなる。磁気ヘッド２の変位量は、圧電素子５の変位量が大きいほど大きくなる。

引き続いて、図２及び図３を参照して圧電素子５の構成について説明する。図２は圧電素子５の斜視図であり、図３は圧電素子５の平面図である。図２及び図３に示すように、圧電素子５は、直方体形状の積層型圧電素子である。本実施形態の圧電素子５は、長手方向Ｙ１の長さが１．３５ｍｍ程度、奥行きが０．５ｍｍ程度、積層方向の厚さが０．１２ｍｍ程度である。

この圧電素子５は、直方体形状の積層体１０と、積層体１０の外表面に形成された２つの外部電極３１，３２とを備えている。積層体１０は、積層方向と垂直且つ長手方向Ｙ１と平行で互いに対向する主面１０ａ及び１０ｂを備え、長手方向Ｙ１に対向する端面１０ｃ及び１０ｄを備え、主面１０ａ，１０ｂ，端面１０ｃ，１０ｄに垂直で互いに対向する側面１０ｅ及び１０ｆを備える。

外部電極３１は、端面１０ｃ全体の領域を覆う外部電極部分３１ａと、主面１０ａにおける端面１０ｃ側の領域を覆う外部電極部分３１ｂとを有する。この外部電極部分３１ａと外部電極部分３１ｂとは連続して一体的に形成されている。外部電極部分３１ｂによって覆われる主面１０ａの領域は、主面１０ａの３分の１程度である。

外部電極３２は、端面１０ｄ全体の領域を覆う外部電極部分３２ａと、主面１０ａにおける端面１０ｄ側の領域を覆う外部電極部分３２ｂとを有する。この外部電極部分３２ａと外部電極部分３２ｂとは連続して一体的に形成されている。外部電極部分３２ｂが覆う主面１０ａの領域は、主面１０ａの３分の２程度である。主面１０ａにおける外部電極部分３１ｂと外部電極部分３２ｂとの間には隙間があり、外部電極３１と外部電極３２とは、互いに絶縁されている。このような外部電極３１，３２は、圧電印加用の電極であり、例えば、Ａｕ等で形成されている。

圧電素子５は、互いに対向する第一面５ａと第二面５ｂとを備える。第一面５ａは、外部電極部分３１ｂ，３２ｂ及び積層体１０の主面１０ａにおいて外部電極部分３１ｂ，３２ｂから露出した部分で構成される。第二面５ｂは、積層体１０の主面１０ｂによって構成され、この第二面５ｂは、圧電体層１５の外表面である。

圧電素子５は、第一面５ａを構成する外部電極部分３１ｂがハンダ７を介して被駆動部材の部分４ｃと接着されている。一方、第一面５ａを構成する外部電極部分３２ｂにおける端面１０ｄ側の部分がハンダ８を介して固定部材３と接着されている。すなわち、固定部材３は、圧電素子５の積層方向に垂直な第一面５ａにおける端面１０ｃ側に固定されている。また、被駆動部材４は、圧電素子５の積層方向に垂直な第一面５ａにおける端面１０ｄ側に固定されている。

積層体１０は、５層の圧電体層１１〜１５と４層の内部電極層２１〜２４とが交互に積層されている。圧電体層１１は、第一面５ａ側の最も外側の最外圧電体層である。積層体１０において、圧電体層１１の上には、内部電極層２１、圧電体層１２、内部電極層２２、圧電体層１３、内部電極層２３、圧電体層１４、内部電極層２４、圧電体層１５の順序で各層が積層されている。すなわち、圧電体層１５は、第二面５ｂ側の最も外側の最外圧電体層である。

また、圧電体層１１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層２１に挟まれている。圧電体層１２〜１４は、それぞれ内部電極層２１〜２４に挟まれている。圧電体層１５は、内部電極層や外部電極に挟まれていない。

圧電体層１１〜１４の厚さは、同程度であり、１５μｍ程度である。圧電体層１５の厚さは、圧電体層１１〜１４の５倍程度であり、７５μｍ程度である。この圧電体層１５の厚さは、全ての圧電体層１１〜１５の総厚の５５％程度である。総厚とは、全ての圧電体層の厚さの合計である。これらの圧電体層１１〜１５は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。

内部電極層２１〜２４は、互いに同形状の略長方形である。内部電極層２１〜２４における積層体１０の側面１０ｅ側と側面１０ｆ側の端面は、それぞれ側面１０ｅと側面１０ｆに露出している。内部電極層２１，２３は、内部電極層２２，２４に対して端面１０ｃ側にずれて、積層体１０の端面１０ｃに内部電極層２１，２３の端面が露出している。この内部電極層２１，２３の端面は、端面１０ｃに形成された外部電極部分３１ａと物理的且つ電気的に接続されている。

内部電極層２２，２４は、内部電極層２１，２３に対して端面１０ｄ側にずれて、積層体１０の端面１０ｄに内部電極層２２，２４の端面が露出している。この内部電極層２２，２４の端面は、端面１０ｄに形成された外部電極部分３２ａと物理的且つ電気的に接続されている。内部電極層２１〜２４は、例えば、Ａｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料により形成されている。なお、内部電極層２１〜２４は、例えば、Ａｕ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料により形成されてもよい。

引き続いて、以上説明した圧電素子５の製造方法について説明する。まず、圧電体層１１〜１５を形成するグリーンシートを作製する。グリーンシートを作製するにあたって、例えばＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを準備する。そして、ドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、グリーンシートを複数枚作製する。

次に、作製したグリーンシートに、内部電極層２１〜２４に相当する電極パターンを複数形成する。電極パターンを形成するにあたって、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを準備する。なお、導電材料はＡｕ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成されたものを用いてもよい。そして、そのペーストをグリーンシートにスクリーン印刷して乾燥させることにより、内部電極層２１〜２４に相当する電極パターンが形成されたグリーンシートをそれぞれ得る。

次に、電極パターンが形成されたグリーンシートを重ねて加熱圧着し、シート積層体を得る。このとき、内部電極層２４に相当する電極パターンが形成されたグリーンシートの上には、電極パターンが形成されていないグリーンシートを５枚積層する。これにより、圧電体層１５がその他の圧電体層１１〜１４の約５倍の厚さとなる。

続いて、得られたシート積層体を切断して、チップ形状の積層体チップを複数得る。積層体チップをセッターに載せ、積層体チップの脱脂（脱バインダ）を４００℃程度の大気雰囲気中にて１０時間程度行う。その後、積層体チップが載置されたセッターを密閉炉内に入れ、１１００℃程度の大気中にて積層体チップの焼成を２時間程度行い、焼結体を得る。

得られた焼結体に、温度１２０℃の環境下で、焼結体の厚みに対する電界強度が２〜３ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を３分間印加することにより、焼結体の分極処理を行う。分極処理は、隣り合う圧電体層１１〜１５の分極方向が互いに反転の関係となるように行う。これにより、圧電体層１１〜１５と内部電極層２１〜２４とを有する、積層体１０が得られることとなる。その後、積層体１０の側面に金をスパッタリングすることにより外部電極３１，３２を形成する。以上の工程を経て、圧電素子５が完成する。

以上説明した圧電素子５の外部電極３１，３２に電圧を印加すると、積層体１０においてその積層方向に電界が発生する。図３に示すように、主に、領域１１ａ〜１４ａにおいて電界が発生する。領域１１ａは、圧電体層１１において外部電極部分３２ｂと内部電極層２１とに挟まれた領域である。領域１２ａは、圧電体層１２において内部電極層２１と内部電極層２２とに挟まれた領域である。領域１３ａは、圧電体層１３において内部電極層２２と内部電極層２３とに挟まれた領域である。領域１４ａは、圧電体層１４において内部電極層２３と内部電極層２４とに挟まれた領域である。領域１１ａ〜１４ａに発生する電界強度は、同程度となる。

圧電素子５に電圧を印加した状態を図４に示す。圧電素子５に、電圧が印加され、領域１１ａ〜１４ａに電界が発生すると、領域１１ａ〜１４ａは活性状態となり長手方向Ｙ１に縮む。一方で、第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層１５）には、電界が発生しないので、電界による歪は発生しない。第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層１５）以外の圧電体層１１〜１４が長手方向Ｙ１に縮むことにより、圧電素子５には、曲げモーメントが発生し、第一面５ａを内側にして屈曲する。すなわち、圧電素子５は、第一面５ａの端面１０ｃ側の一方端５Ｐと端面１０ｄ側の他方端５Ｑとの距離が小さくなるように屈曲する。これにより、図３に示すように、固定部材３に対して被駆動部材４が矢印Ｙ３に示すように固定部材３へ向かって駆動される。

圧電素子５が屈曲することにより、電界強度に応じて各圧電体層１１〜１４が長手方向Ｙ１に縮んだ寸法以上に、第一面５ａの一方端５Ｐと他方端５Ｑとの距離が小さくなり、変位量Ｄが大きくなる。圧電素子５の変位量Ｄは、第一面５ａにおける他方端５Ｑに対する一方端５Ｐの長手方向Ｙ１の移動量である。本実施形態のアクチュエータ１は、圧電素子５の第一面５ａにおける一方端５Ｐ側と他方端５Ｑ側にそれぞれ固定部材３と被駆動部材４とが固定されているので、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

特に、本実施形態の圧電素子５では、第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層１５）における電界強度は、０であり、第二面５ｂ側の最外圧電体層以外の全ての圧電体層１１〜１４における電界強度より小さい。これにより、圧電素子５では、第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層１５）以外の全ての圧電体層１１〜１４が縮む。よって、一方端５Ｐと他方端５Ｑとの距離が小さくなるように、効果的に曲げモーメントが発生するので、圧電素子５が効率良く屈曲する。したがって、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

本実施形態に係る圧電素子５は、圧電素子における全ての圧電体層の総厚に対する第二面側の最外圧電体層（圧電体層）の厚さを様々に設定することができる。その例として、圧電素子５Ａ，５Ｂについて図５を参照して説明する。図５（ａ）は、圧電素子５Ａを示し、図５（ｂ）は圧電素子５Ｂを示す。

圧電素子５Ａ，５Ｂは、備える積層体の構成が上述した圧電素子５の積層体１０と異なる。また、圧電素子５Ａ，５Ｂは、圧電素子５と同様に、外部電極３１，３２を備え、互いに対向する第一面５ａ及び第二面５ｂを備えている。そして、圧電素子５Ａ及び５Ｂは、圧電素子５と同様に、第一面５ａにおける一方端５Ｐ側がハンダ７を介して被駆動部材４に固定され、他方端５Ｑ側がハンダ８を介して固定部材３に固定されている。

最初に圧電素子５Ａが備える積層体４０について、図５（ａ）を参照して説明する。積層体４０は、９層の圧電体層４１〜４９と８層の内部電極層２１〜２８とが交互に積層されている。圧電体層４１は、圧電素子５Ａの第一面５ａ側の最も外側の最外圧電体層である。積層体４０において、圧電体層４１の上には、内部電極層２１〜２８と圧電体層４２〜４９が順に交互に積層されている。すなわち、圧電体層４９は、第二面５ｂ側の最も外側の最外圧電体層である。

圧電体層４１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層２１に挟まれている。圧電体層４２〜４８は、それぞれ内部電極層２１〜２８に挟まれている。圧電体層４９は、内部電極層や外部電極に挟まれていない。また、全ての圧電体層４１〜４９の厚さは、同程度であり、１５μｍ程度である。圧電体層４９の厚さは、全ての圧電体層４１〜４９の総厚の１１％程度である。

また、内部電極層２１，２３，２５，２７は、外部電極部分３１ａと物理的且つ電気的に接続されている。内部電極層２２，２４，２６，２８は、外部電極部分３２ａと物理的且つ電気的に接続されている。

以上説明した圧電素子５Ａの外部電極３１，３２に電圧を印加すると、主に、領域４１ａ〜４８ａにおいて電界が発生する。領域４１ａは、圧電体層４１において外部電極部分３２ｂと内部電極層２１とに挟まれた領域である。領域４２ａ〜４８ａは、圧電体層４２〜４８においてそれぞれ内部電極層２１〜２８に挟まれた領域である。領域４１ａ〜４８ａに発生する電界強度は同程度である。

領域４１ａ〜４８ａに電界が発生すると、領域４１ａ〜４８ａは活性状態となり長手方向Ｙ１に縮む。一方で、第二面側の最外圧電体層（圧電体層４９）には、電界が発生しないので、電界による歪は発生しない。第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層４９）以外の圧電体層４１〜４８が長手方向Ｙ１に縮むことにより、圧電素子５Ａには曲げモーメントが発生し、第一面５ａを内側にして屈曲する。すなわち、圧電素子５Ａは、第一面５ａの端面１０ｃ側の一方端５Ｐと端面１０ｄ側の他方端５Ｑとの距離が小さくなるように屈曲する。

圧電素子５Ａが屈曲することにより、電界強度に応じて各圧電体層４１〜４８が長手方向Ｙ１に縮んだ寸法以上に、第一面５ａの一方端５Ｐと他方端５Ｑとの距離が小さくなり、変位量Ｄが大きくなる。本実施形態のアクチュエータ１は、圧電素子５の第一面５ａにおける一方端５Ｐ側と他方端５Ｑ側にそれぞれ固定部材３と被駆動部材４とが固定されているので、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

次に圧電素子５Ｂが備える積層体５０について、図５（ｂ）を参照して説明する。積層体５０は、３層の圧電体層５１〜５３と２層の内部電極層２１，２１とが交互に積層されている。圧電体層５１は、圧電素子５Ｂの第一面５ａ側の最も外側の最外圧電体層である。積層体５０において、圧電体層５１の上には、内部電極層２１、圧電体層５２、内部電極層２２、圧電体層５３が順に積層されている。すなわち、圧電体層５３は、第二面５ｂ側の最も外側の最外圧電体層である。

圧電体層５１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層２１に挟まれている。圧電体層５２は、内部電極層２１と内部電極層２２に挟まれている。圧電体層５３は、内部電極層や外部電極に挟まれていない。

圧電体層５１，５２の厚さは、同程度であり、１５μｍ程度である。圧電体層５３の厚さは、圧電体層５１の７倍程度であり、１０５μｍ程度である。この圧電体層５３の厚さは、全ての圧電体層５１〜５３の総厚の７７％程度である。内部電極層２１は、外部電極部分３１ａと物理的且つ電気的に接続されている。内部電極層２２は、外部電極部分３２ａと物理的且つ電気的に接続されている。

以上説明した圧電素子５Ｂの外部電極３１，３２に電圧を印加すると、主に、領域５１ａ，５２ａにおいて電界が発生する。領域５１ａは、圧電体層５１において外部電極部分３２ｂと内部電極層２１とに挟まれた領域である。領域５２ａは、圧電体層５において内部電極層２１と内部電極層２２とに挟まれた領域である。領域５１ａ，５２ａに電界が発生すると、領域５１ａ，５２ａは活性状態となり長手方向Ｙ１に縮む。一方で、第二面側の最外圧電体層（圧電体層５３）には、電界が発生しないので、電界による歪は発生しない。

第二面５ｂ側の最外圧電体層（圧電体層５３）以外の圧電体層５１，５２が長手方向Ｙ１に縮むことにより、圧電素子５Ｂには曲げモーメントが発生し、第一面５ａを内側にして屈曲する。すなわち、圧電素子５Ｂは、第一面５ａの一方端５Ｐと他方端５Ｑとの距離が小さくなるように屈曲する。これにより、固定部材３に対して被駆動部材４が矢印Ｙ３に示すように固定部材３へ向かって駆動される。

圧電素子５Ｂが屈曲することにより、電界強度に応じて各圧電体層５１，５２が長手方向Ｙ１に縮んだ寸法以上に、第一面５ａの一方端５Ｐと他方端５Ｑとの距離が小さくなり、変位量Ｄが大きくなる。本実施形態のアクチュエータ１は、圧電素子５の第一面５ａにおける一方端５Ｐ側と他方端５Ｑ側にそれぞれ固定部材３と被駆動部材４とが固定されているので、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

以上、例を出して説明したように、本実施形態に係る圧電素子５は、圧電体層の総厚に対する第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さを様々に設定することができる。図６は、圧電体層の総厚に対する第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合と圧電素子５の変位量との関係を示すグラフである。

横軸は、圧電体層の総厚に対する第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合である。縦軸は、比較の基準となる圧電素子の変位量Ｄに対する、本実施形態に係る各圧電素子の変位量Ｄの割合、変位％である。なお、圧電素子の変位量Ｄは、第一面５ａにおける他方端５Ｑに対する一方端５Ｐの長手方向Ｙ１の移動量である。

比較の基準となる圧電素子は、図１０に示す従来の圧電素子１００である。圧電素子１００は、本実施形態に係る圧電素子５と同様な大きさで、積層体１１０と、外部電極３１，３２を備える。積層体１１０は、９層の圧電体層１１１〜１１９と９層の内部電極層１２１〜１２８が交互に積層されている。更に、積層体１１０は、圧電体層１１９の外側に形成された外部電極層１２９を備える。外部電極層１２９は、内部電極層１２１〜１２８と同形状である。

圧電体層１１１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層１２１とに挟まれ、その他の全ての圧電体層１１２〜１１９は、それぞれ内部電極層１２１〜１２８及び外部電極層１２９によってそれぞれ挟まれている。また、９層の圧電体層１１１〜１１９は全て同じ程度の厚さである。

圧電素子１００に電圧が印加されると、圧電体層１１１の外部電極３２ａと内部電極層１２１に挟まれた領域と、圧電体層１１２〜１１９において内部電極層１２１〜１２８及び外部電極層１２９にそれぞれ挟まれた領域が活性化し、長手方向Ｙ１に縮む。すなわち、圧電素子１００では、積層された全ての圧電体層１１１〜１１９がほぼ同様に長手方向Ｙ１に縮む。よって、圧電素子１００は、屈曲しない。

図６のグラフでは、圧電体層の総厚に対する第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合が１１％、２２％、３３％、４４％、５５％、６６％、７７％である場合の変位％が示されている。最外圧電体層の厚さの割合が１１％から５５％までは大きくなるにつれて変位％が大きくなり、最外圧電体層の厚さの割合が５５％から７７％まで小さくなるにつれて変位％が小さくなっている。そして、最外圧電体層の厚さの割合が３３％〜６６％の範囲で、変位％が大きい。

すなわち、駆動の際、第二面５ｂ側の最外圧電体層における電界強度が第二面５ｂ側の最外圧電体層以外の圧電体層における電界強度より小さく、第二面５ｂ側の最外圧電体層における電界強度が０である場合、第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さは、複数の圧電体層の合計の厚さに対する３３％〜６６％程度であることが好ましい。この場合、圧電素子では、より効率良く圧電素子が屈曲して、固定部材に対する被駆動部材の変位量をより大きくすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るアクチュエータは、備える圧電素子の構成が第１実施形態のアクチュエータ１と異なる。図７は、第２実施形態に係るアクチュエータが備える圧電素子の平面図である。図７に示すように、圧電素子９は、圧電素子５と同様に直方体形状の積層型圧電素子であり、大きさも同程度である。そして、圧電素子９は、直方体形状の積層体６０と、積層体６０の外表面に形成された上述の外部電極３１，３２を備えている。

圧電素子９は、第１実施形態に係る圧電素子５と、その積層体の構成が異なる。圧電素子９が備える積層体６０は、第二面側に形成された外部電極層７５を備える点で、圧電素子５が備える積層体１０と構成が異なる。この積層体６０の構成について詳細に説明する。

積層体６０は、積層体１０と同様に積層方向と垂直且つ長手方向Ｙ１と平行で互いに対向する主面６０ａ及び６０ｂを備え、長手方向Ｙ１に対向する端面６０ｃ及び６０ｄを備え、主面６０ａ，６０ｂ，端面６０ｃ，６０ｄに垂直で互いに対向する側面６０ｅ及び側面を備える。外部電極３１は、端面６０ｃ全体の領域を覆う外部電極部分３１ａと、主面６０ａの端面６０ｃ側の領域を覆う外部電極部分３１ｂとを有する。外部電極３２は、端面６０ｄ全体の領域を覆う外部電極部分３２ａと、主面６０ａの端面６０ｄ側の領域を覆う外部電極部分３２ｂとを有する。

このような圧電素子９は、互いに対向する第一面９ａ及び第二面９ｂを備える。第一面９ａは、外部電極部分３１ｂ，３２ｂ及び積層体６０の主面６０ａにおいて外部電極部分３１ｂ，３２ｂから露出した部分で構成される。第二面９ｂは、積層体６０の主面６０ｂによって構成される。圧電素子９は、第一面９ａを構成する外部電極部分３１ｂがハンダ７を介して被駆動部材の部分４ｃと接着されている。一方、第一面９ａを構成する外部電極部分３２ｂの端面６０ｄ側の部分がハンダ８を介して固定部材３と接着されている。

すなわち、本実施形態のアクチュエータは、第１実施形態に係るアクチュエータ１と同様に、固定部材３は、圧電素子９の積層方向に垂直な第一面９ａにおける端面６０ｃ側に固定されている。また、被駆動部材４は、圧電素子９の積層方向に垂直な第一面９ａにおける端面６０ｄ側に固定されている。

積層体６０は、５層の圧電体層６１〜６５と４層の内部電極層７１〜７４とが交互に積層されている。圧電体層６１は、第一面側９ａ側の最も外側の最外圧電体層である。積層体６０において、圧電体層６１の上には、内部電極層７１、圧電体層６２、内部電極層７２、圧電体層６３、内部電極層７３、圧電体層６４、内部電極層７４、圧電体層６５の順序で積層されている。すなわち、圧電体層６５は、積層体６０の最も外側の最外圧電体層である。更に、積層体６０が備える外部電極層７５は、圧電体層６５の上に積層されている。

すなわち、圧電体層６１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層７１とによって挟まれている。圧電体層６２〜６４は、内部電極層７１〜７４によってそれぞれ挟まれている。圧電体層６５は、内部電極層７４と外部電極層７５によって挟まれている。

圧電体層６１〜６４の厚さは、同程度であり、１５μｍ程度である。圧電体層６５の厚さは、圧電体層１５の５倍程度であり、７５μｍ程度である。この圧電体層６５の厚さは、全ての圧電体層６１〜６５の総厚の５５％程度である。内部電極層７１，７３及び外部電極層７５は、内部電極層７２，７４に対して端面６０ｃ側にずれて、端面６０ｃに形成された外部電極部分３１ａと物理的且つ電気的に接続されている。内部電極層７２，７４は、内部電極層７１，７３及び外部電極層７５に対して端面６０ｄ側にずれて、端面６０ｄに形成された外部電極部分３２ａと物理的且つ電気的に接続されている。

以上説明した圧電素子９の外部電極３１，３２に電圧を印加すると、積層体６０においてその積層方向に電界が発生する。主に、領域６１ａ〜６５ａにおいて電界が発生する。領域６１ａは、圧電体層１１において外部電極部分３２ｂと内部電極層７１とに挟まれた領域である。領域６２ａは、圧電体層６２において内部電極層７１と内部電極層７２とに挟まれた領域である。領域６３ａは、圧電体層６３において内部電極層７２と内部電極層７３とに挟まれた領域である。領域６４ａは、圧電体層６４において内部電極層７３と内部電極層７４とに挟まれた領域である。領域６５ａは、圧電体層６５において内部電極層７４と外部電極層７５とに挟まれた領域である。

領域６１ａ〜６４ａは、同程度の強さの電界が発生する。領域６５ａは、領域６５ａを挟む内部電極層７４と内部電極層７５との間の距離が、領域６１ａ〜６４ａをそれぞれ挟む内部電極層７１〜７４の５倍程度なので、領域６５ａに発生する電界強度は、領域６１ａ〜６４ａの５分の１程度である。

圧電素子９に、電圧が印加され、領域６１ａ〜６５ａに電界が発生すると、領域６１ａ〜６４ａは活性状態となり長手方向Ｙ１に縮む。一方で、第二面側の最外圧電体層（圧電体層６５）における領域６５ａには、領域６１ａ〜６４ａの５分の１程度の電界しか発生しないので、領域６１ａ〜６４ａの５分の１程度しか電界強度に応じた応力が発生しない。これにより、圧電素子９には曲げモーメントが発生し、第一面９ａを内側にして屈曲する。すなわち、圧電素子９は、第一面９ａの端面６０ｃ側の一方端９Ｐと端面６０ｄ側の他方端９Ｑとの距離が小さくなるように屈曲する。これにより、固定部材３に対して被駆動部材４が矢印Ｙ３に示すように固定部材３へ向かって駆動される。

圧電素子９が屈曲することにより、電界強度に応じて各圧電体層６１〜６４が長手方向Ｙ１に縮んだ寸法以上に、第一面９ａの一方端９Ｐと他方端９Ｑとの距離が小さくなり、変位量Ｄが大きくなる。圧電素子９の変位量Ｄは、第一面９ａにおける他方端に対する一方端９Ｐの長手方向Ｙ１の移動量である。本実施形態のアクチュエータは、圧電素子９の第一面９ａにおける一方端９Ｐ側と他方端９Ｑ側にそれぞれ固定部材３と被駆動部材４とが固定されているので、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

特に、本実施形態の圧電素子９では、第二面９ｂ側の最外圧電体層（圧電体層６５）における電界強度が、第二面９ｂ側の最外圧電体層以外の圧電体層６１〜６４における電界強度より小さい。これにより、圧電素子９では、第二面９ｂ側の最外圧電体層（圧電体層６５）よりこの最外圧電体層以外の圧電体層６１〜６４が大きく縮む。よって、効果的に曲げモーメントが発生するので、圧電素子９が効率良く屈曲する。したがって、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

本実施形態に係る圧電素子９は、圧電体層の総厚に対する第二面９ｂ側の最外圧電体層（圧電体層）の厚さを様々に設定することができる。その例として、圧電素子９Ａについて図８を参照して説明する。

圧電素子９Ａは、備える積層体８０の構成が上述した圧電素子９の積層体６０と異なる。また、圧電素子９Ａは、圧電素子９と同様に、外部電極３１，３２を備え、互いに対向する第一面９ａ及び第二面９ｂを備えている。そして、圧電素子９Ａは、圧電素子９と同様に、第一面９ａにおける一方端９Ｐ側がハンダ７を介して被駆動部材４に固定され、他方端９Ｑ側がハンダ８を介して固定部材３に固定されている。

積層体８０は、３層の圧電体層８１〜８３と２層の内部電極層９１，９１とが交互に積層されている。圧電体層８１は、圧電素子９Ａの第一面９ａ側の最も外側の最外圧電体層である。積層体８０において、圧電体層８１の上には、内部電極層９１、圧電体層８２、内部電極層９２、圧電体層８３が順に積層されている。すなわち、圧電体層８３は、第二面９ｂ側の最も外側の最外圧電体層である。更に、積層体８０が備える外部電極層９３は、圧電体層８３の上に積層されている。

圧電体層８１は、外部電極部分３２ｂと内部電極層９１に挟まれている。圧電体層８２は、内部電極層９１と内部電極層９２に挟まれている。圧電体層８３は、内部電極層９２と外部電極層９３とに挟まれている。

圧電体層８１，８２の厚さは、同程度であり、１５μｍ程度である。圧電体層８３の厚さは、圧電体層８１の７倍程度であり、１０５μｍ程度である。この圧電体層８３の厚さは、全ての圧電体層８１〜８３の総厚の７７％程度である。また、内部電極層９１は、外部電極部分３１ａと物理的且つ電気的に接続されている。内部電極層９２は、外部電極部分３２ａと物理的且つ電気的に接続されている。

以上説明した圧電素子９の外部電極３１，３２に電圧を印加すると、積層体６０においてその積層方向に電界が発生する。主に、領域８１ａ〜８３ａにおいて電界が発生する。領域８１ａは、圧電体層８１において外部電極部分３２ｂと内部電極層９１とに挟まれた領域である。領域８２ａは、圧電体層８２において内部電極層９１と内部電極層９２とに挟まれた領域である。領域８３ａは、圧電体層８３において内部電極層９２と外部電極層９３とに挟まれた領域である。

圧電素子９Ａに、電圧が印加され、領域８１ａ〜８３ａに電界が発生すると、領域８１ａ〜８２ａは活性状態となり長手方向Ｙ１に縮む。一方で、第二面側の最外圧電体層（圧電体層８３）における領域８３ａには、領域８１ａ，８２ａの７分の１程度の電界しか発生しないので、領域８１ａ，８２ａの７分の１程度しか電界強度に応じた応力が発生しない。これにより、圧電素子９Ａには曲げモーメントが発生し、第一面９ａを内側にして屈曲する。すなわち、圧電素子９Ａは、第一面９ａの一方端９Ｐと他方端９Ｑとの距離が小さくなるように屈曲する。これにより、固定部材３に対して被駆動部材４が矢印Ｙ３に示すように固定部材３へ向かって駆動される。

圧電素子９Ａが屈曲することにより、電界強度に応じて各圧電体層８１，８２が長手方向Ｙ１に縮んだ寸法以上に、第一面９ａの一方端９Ｐと他方端９Ｑとの距離が小さくなり、変位量Ｄが大きくなる。本実施形態のアクチュエータは、圧電素子９Ａの第一面９ａにおける一方端９Ｐ側と他方端９Ｑ側にそれぞれ固定部材３と被駆動部材４とが固定されているので、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

特に、本実施形態の圧電素子９Ａでは、第二面９ｂ側の最外圧電体層（圧電体層８３）における電界強度が、第二面９ｂ側の最外圧電体層以外の圧電体層８１，８２における電界強度より小さい。これにより、圧電素子９Ａでは、第二面９ｂ側の最外圧電体層（圧電体層８３）よりこの最外圧電体層以外の圧電体層８１，８２が大きく縮む。よって、効果的に曲げモーメントが発生するので、圧電素子９が効率良く屈曲する。したがって、固定部材３に対する被駆動部材４の変位量を大きくすることができる。

以上、例を出して説明したように、本実施形態に係る圧電素子９Ａは、圧電体層の総厚に対する第二面９ｂ側の最外圧電体層の厚さを様々に設定することができる。図９は、圧電体層の総厚に対する第二面９ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合と圧電素子９の変位量との関係を示すグラフである。

横軸は、圧電体層の総厚に対する第二面５ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合である。縦軸は、比較の基準となる圧電素子の変位量Ｄに対する、本実施形態に係る各圧電素子の変位量Ｄの割合である。なお、圧電素子の変位量Ｄは、第一面９ａにおける他方端９Ｑに対する一方端９Ｐの長手方向Ｙ１の移動量である。比較の基準となる圧電素子は、図１０に示す上述した圧電素子１００である。

図９のグラフでは、圧電体層の総厚に対する第二面９ｂ側の最外圧電体層の厚さの割合が１１％、２２％、３３％、４４％、５５％、６６％、７７％である場合の変位％が示されている。最外圧電体層の厚さの割合が１１％から５５％までは大きくなるにつれて変位％が大きくなり、最外圧電体層の厚さの割合が５５％から７７％まで小さくなるにつれて変位％が小さくなっている。そして、最外圧電体層の厚さの割合が３３％〜６６％の範囲で、変位％が大きい。

すなわち、駆動の際、第二面９ｂ側の最外圧電体層における電界強度が第二面９ｂ側の最外圧電体層以外の圧電体層における電界強度より小さい場合、第二面９ｂ側の最外圧電体層の厚さは、複数の圧電体層の合計の厚さに対する３３％〜６６％程度であることが好ましい。この場合、圧電素子では、より効率良く圧電素子が屈曲して、固定部材に対する被駆動部材の変位量をより大きくすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、圧電素子の第二面側の最外圧電体層における電界強度が、第一面側の最外圧電体層における電界強度より小さければ、第二面側の最外圧電体層と第一面側の最外圧電体層との間の層の電界強度が０であってもよい。

第１実施形態に係るアクチュエータの平面図である。 第１実施形態に係る圧電素子の斜視図である。 第１実施形態に係る圧電素子の平面図である。 第１実施形態に係る圧電素子の屈曲状態を示す図である。 第１実施形態に係る圧電素子における第二面側の最外圧電体層の厚さが異なる例を示す平面図である。 第１実施形態に係る圧電素子における第二面側の最外圧電体層の厚さと圧電素子の変位量との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る圧電素子の平面図である。 第２実施形態に係る圧電素子における第二面側の最外圧電体層の厚さが異なる例を示す平面図である。 第２実施形態に係る圧電素子における第二面側の最外圧電体層の厚さと圧電素子の変位量との関係を示すグラフである。 従来の圧電素子の平面図である。

符号の説明

１…アクチュエータ、３…固定部材、４…被駆動部材、５，５Ａ，５Ｂ，９，９Ａ…圧電素子、５Ｐ，９Ｐ…一方端、５Ｑ，９Ｑ…他方端、５ａ，９ａ…第一面、５ｂ，９ｂ…第二面、１０，４０，５０，６０，８０…積層体、１１〜１５，４１〜４９，５１〜５３，６１〜６５，８１〜８３…圧電体層、２１〜２８，７１〜７４…内部電極層、３１，３２…外部電極。

Claims (3)

1. 複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に積層されて、積層方向に対向する第一面及び第二面を有する圧電素子と、
   前記圧電素子の前記第一面における一方端側に固定された固定部材と、
   前記第一面における他方端側に固定されて、前記固定部材に対して駆動される被駆動部材と、を備え、
   前記圧電素子は、前記第二面側の最も外側に位置する最外圧電体層における電界強度が前記第一面側の最も外側に位置する最外圧電体層における電界強度より小さいことにより、前記第一面を内側にして屈曲し、前記被駆動部材を駆動し、
   駆動の際、前記第二面側の最外圧電体層における電界強度が、前記第二面側の最外圧電体層以外の圧電体層における電界強度より小さく、前記第二面側の最外圧電体層以外の前記圧電体層における電界強度が、同程度であることを特徴とするアクチュエータ。
2. 駆動の際、前記第二面側の最外圧電体層における電界強度が０であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第二面側の最外圧電体層の厚さは、前記複数の圧電体層の合計の厚さに対する３３％〜６６％程度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。

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