(57)【要約】【課題】対象を正確かつ効率よく動作させることのできる積層型圧電素子を提供する。【解決手段】積層型圧電素子１００は、圧電体層が積層方向に複数積層された積層構造体５０を含む。伸縮用圧電素子１０は、第１圧電体層１１と、第１圧電体層１１を挟む伸縮用電極対１９と、を含み、伸縮用電極対１９への信号の入力により第１圧電体層の長手方向に伸縮する。屈曲用圧電素子２０は、第２圧電体層２１と、第２圧電体層２１を挟む屈曲用電極対２９と、を含み、屈曲用電極対２９への信号の入力により第２圧電体層の短手方向に屈曲する。伸縮用圧電素子１０が、積層構造体５０の積層方向における中心位置を含むように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視において長手方向及び短手方向を有する平板状の圧電体層が、積層方向に複数積層された積層構造体を含み、
前記積層構造体は、
複数の前記圧電体層の一である第１圧電体層と、前記第１圧電体層を挟む伸縮用電極対と、を含み、前記伸縮用電極対への信号の入力により前記第１圧電体層の長手方向に伸縮する伸縮用圧電素子と、
複数の前記圧電体層の一である第２圧電体層と、前記第２圧電体層を挟む屈曲用電極対と、を含み、前記屈曲用電極対への信号の入力により前記第２圧電体層の短手方向に屈曲する屈曲用圧電素子と、
を含み、
前記伸縮用圧電素子が、前記積層構造体の前記積層方向における中心位置を含むように配置された積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記積層構造体は、
前記長手方向に平行な２つの側面に形成された配線層をさらに含み、
前記配線層は、前記積層型圧電素子が動作した場合の屈曲振動における節に対応する位置に形成される、積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記屈曲用電極対は、
前記第２圧電体層の一方の表面に、前記第２圧電体層の長手方向及び短手方向にそれぞれ２分割してなる４つの領域のそれぞれに配置された４つの分割電極と、
前記４つの分割電極のうち対角位置に配置された１組の分割電極を接続する接続配線と、を含む、屈曲用第１電極と、
前記第２圧電体層の他方の表面に配置され、前記第２圧電体層を挟んで前記屈曲用第１電極と対向する、屈曲用第２電極と、を含み、
前記屈曲用第２電極は、前記屈曲用圧電素子を前記積層構造体の積層方向から見て、前記接続配線と重ならない非重複領域を少なくとも含む、積層型圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、
前記屈曲用第２電極は、前記屈曲用第１電極を構成する複数の分割電極のうち、前記第２圧電体層の長手方向又は短手方向に対向する分割電極間の空隙に対応する位置に空隙を有する、積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
前記伸縮用電極対は、
前記第１圧電体層の表面に前記第１圧電体層の長手方向に延在して形成され、
前記第１圧電体層の長手方向における両端部と中央部との間に、前記短手方向における電極の幅が小さいくびれ部を有する、積層型圧電素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記積層構造体には、前記積層方向の一端側の表面に、前記伸縮用電極対に接続された伸縮用入力端子と、前記屈曲用電極対に接続された屈曲用入力端子とが設けられ、
前記伸縮用入力端子及び屈曲用入力端子は、前記積層型圧電素子が動作した場合の伸縮振動あるいは屈曲振動における節に対応する位置に形成された、積層型圧電素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子に固定された出力取出部材と、
を備えた、圧電アクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子及び圧電アクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置である。例えば、圧電アクチュエーターを電気的に駆動することにより回転体を回転させたり移動体を移動させたりすることができる。例えば、圧電アクチュエーターは、圧電アクチュエーターが備える圧電素子に電気信号を印加して振動させ、その振動を出力部材を介して回転体や移動体に伝えることにより動作させることができる。
【０００３】
圧電アクチュエーターを用いた、モーター等が検討されており、低速高トルクで、静粛性に優れるといった特徴がある。例えば、カメラや顕微鏡のフォーカス動作を始めとし、精密な位置決めが要求される機構の駆動源として採用されている。
【０００４】
圧電アクチュエーターの構造は多様であるが、電気機械変換素子として圧電素子を用いる場合、比較的薄い圧電素子を複数積層した積層圧電素子を用いることがある。積層圧電素子を用いると、同じ厚さの積層していない圧電体を用いた圧電素子と比較して、より低い電圧で、同等の変位量を得ることができる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、複数層の圧電素子を積層し、これらの圧電素子を動作させることによって、積層体に屈曲及び伸縮の動作をさせ、出力を取り出すための駆動子に楕円運動を生じさせる圧電素子及び超音波アクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０９１４４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の積層型の圧電素子では、積層圧電素子に屈曲駆動用と伸縮駆動用の共用の電極を設け伸縮及び屈曲の動作を行う。そのため、特許文献１に記載の超音波アクチュエータでは、入力信号を調節しても、楕円運動する駆動子の軌跡を変更することが困難である。換言すると、特許文献１に記載の超音波アクチュエータでは、入力信号を調節しても、楕円運動する駆動子の軌跡は、相似形のままで拡大又は縮小させることとなる。
【０００８】
もとより圧電アクチュエーターには、動作の対象となる回転体や移動体を、任意の動作長、任意の速度、任意の加速度で運動させることが求められる。圧電アクチュエーターにより対象を動作させる場合、圧電アクチュエーターの出力取り出し部材は、対象に対して接触する期間と、離間する期間とが必要である。そして接触する期間の間に対象を目的の方向に移動させることで対象を動作させる。
【０００９】
ここで、動作の対象を小さい動作長や遅い速度で動作させたい場合、出力取り出し部材が対象に接触する期間の間に対象を目的の方向に移動させる量を小さくすればよい。しかしこの場合においても出力取り出し部材が対象に対して接触する期間、離間する期間、離間する距離は、それぞれ十分に確保される必要がある。
【００１０】
特許文献１に記載の超音波アクチュエータでは、動作の対象を小さい動作長、遅い速度で動作させたい場合、駆動子が対象に接触する期間の間に対象を目的の方向に移動させる量を小さくすると、楕円運動する駆動子の軌跡が相似形のままで縮小する。そのため、この場合、駆動子が対象から離間する期間及び離間する距離が少なくなることが懸念される。例えば、駆動子が対象から離間する期間が無くなると、駆動子が対象に接触する期間の間に対象を目的とは反対の方向に移動させてしまうことになり、入力に対する動作の効率が悪くなるばかりか、正確な動作を行うことが困難となる。
【００１１】
本発明に係る課題の一つは、対象を正確かつ効率よく動作させることのできる積層型圧電素子及び圧電アクチュエーターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る積層型圧電素子の一態様は、
平面視において長手方向及び短手方向を有する平板状の圧電体層が、積層方向に複数積層された積層構造体を含み、
前記積層構造体は、
複数の前記圧電体層の一である第１圧電体層と、前記第１圧電体層を挟む伸縮用電極対と、を含み、前記伸縮用電極対への信号の入力により前記第１圧電体層の長手方向に伸縮する伸縮用圧電素子と、
複数の前記圧電体層の一である第２圧電体層と、前記第２圧電体層を挟む屈曲用電極対と、を含み、前記屈曲用電極対への信号の入力により前記第２圧電体層の短手方向に屈曲する屈曲用圧電素子と、
を含み、
前記伸縮用圧電素子が、前記積層構造体の前記積層方向における中心位置を含むように配置される。
【００１３】
上記積層型圧電素子の態様において、
前記積層構造体は、
前記長手方向に平行な２つの側面に形成された配線層をさらに含み、
前記配線層は、前記積層型圧電素子が動作した場合の屈曲振動における節に対応する位置に形成されてもよい。
【００１４】
上記積層型圧電素子のいずれかの態様において、
前記屈曲用電極対は、
前記第２圧電体層の一方の表面に、前記第２圧電体層の長手方向及び短手方向にそれぞれ２分割してなる４つの領域のそれぞれに配置された４つの分割電極と、
前記４つの分割電極のうち対角位置に配置された１組の分割電極を接続する接続配線と、を含む、屈曲用第１電極と、
前記第２圧電体層の他方の表面に配置され、前記第２圧電体層を挟んで前記屈曲用第１電極と対向する、屈曲用第２電極と、を含み、
前記屈曲用第２電極は、前記屈曲用圧電素子を前記積層構造体の積層方向から見て、前記接続配線と重ならない非重複領域を少なくとも含んでもよい。
【００１５】
上記積層型圧電素子の態様において、
前記屈曲用第２電極は、前記屈曲用第１電極を構成する複数の分割電極のうち、前記第２圧電体層の長手方向又は短手方向に対向する分割電極間の空隙に対応する位置に空隙を有してもよい。
【００１６】
上記積層型圧電素子のいずれかの態様において、
前記伸縮用電極対は、
前記第１圧電体層の表面に前記第１圧電体層の長手方向に延在して形成され、
前記第１圧電体層の長手方向における両端部と中央部との間に、前記短手方向における電極の幅が小さいくびれ部を有してもよい。
【００１７】
上記積層型圧電素子のいずれかの態様において、
前記積層構造体には、前記積層方向の一端側の表面に、前記伸縮用電極対に接続された伸縮用入力端子と、前記屈曲用電極対に接続された屈曲用入力端子とが設けられ、
前記伸縮用入力端子及び屈曲用入力端子は、前記積層型圧電素子が動作した場合の伸縮振動あるいは屈曲振動における節に対応する位置に形成されてもよい。
【００１８】
本発明に係る圧電アクチュエーターの一態様は、
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子に固定された出力取出部材と、
を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る積層型圧電素子及び圧電アクチュエーターは、屈曲振動と伸縮振動とを個別に設定することで、最適な楕円運動を実現できるので、動作対象物を正確にかつ効率よく移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る積層型圧電素子を模式的に示す斜視図。
【図２】実施形態に係る積層型圧電素子の模式図。
【図３】実施形態に係る伸縮用電極の電極パターンの一例を示す模式図。
【図４】実施形態に係る伸縮用電極の電極パターンの一例を示す模式図。
【図５】実施形態に係る屈曲用電極の電極パターンの一例を示す模式図。
【図６】実施形態に係る屈曲用電極の電極パターンの一例を示す模式図。
【図７】実施形態に係る屈曲用電極の電極パターンの一例を示す模式図。
【図８】積層型圧電素子の屈曲変形の形状を示す模式図。
【図９】積層型圧電素子の伸縮変形の形状を示す模式図。
【図１０】実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００２２】
１．積層型圧電素子
まず、図１を用いて本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子１００の概略を説明する。図１は、実施形態に係る積層型圧電素子１００を模式的に示す斜視図である。図１では各部材の縮尺や相対的な寸法は、説明の便宜のために必ずしも正確ではない。
【００２３】
本実施形態の積層型圧電素子１００は、平面視において長手方向及び短手方向を有する平板状の圧電体層が、積層方向に複数積層された積層構造体５０を含む。そして積層構造体５０は、伸縮用圧電素子１０と、屈曲用圧電素子２０と、を含み、伸縮用圧電素子１０が、積層構造体５０の積層方向における中心位置を含む。なお中心位置については図２を用いて後述する。
【００２４】
本明細書では、圧電体層が積層される方向を「積層方向」という場合があり、各図にお
いてＺ軸として示す。また平面視とは、積層方向に平行に仮想的な光線で投影した像のことをいう。
【００２５】
また、長手方向を有するとは、長手を有するという意味であり、長手方向とは、例えば長方形であれば長辺に沿う方向のことを指し、楕円であれば長径に沿う方向のことを指す。長手方向は、各図においてＹ軸として示す。一方、短手方向とは、例えば長方形であれば短辺に沿う方向のことを指し、楕円であれば短径に沿う方向のことを指す。短手方向は、各図においてＸ軸として示す。
【００２６】
積層型圧電素子１００は、積層構造体５０と、積層構造体５０の積層方向に直交する表面１１０の一方（すなわち、積層構造体の一端側の表面）に、伸縮用入力端子６０と、屈曲用入力端子７０と、を有する。また、積層型圧電素子１００は、積層構造体５０の長手方向に平行な２つの側面１１２，１１３に形成された配線層８０を含む。伸縮用入力端子６０及び屈曲用入力端子７０は、いずれも対応する配線層８０に電気的に接続されている。
【００２７】
積層構造体５０は、複数の圧電体層が積層方向に積層された状態で焼成され、焼結された構造を有する。そのため、積層構造体５０の積層方向に平行な側面１１２，１１３には、層の境界が明確に現れない場合がある。この場合、顕微鏡観察や断面の観察により各圧電体層を確認することができる。また、積層構造体５０の側面１１２，１１３には、各電極が現れていないが、図１に描かれた範囲では、各電極は、積層構造体５０の側面１１２，１１３よりも内側に端を有するからである。
【００２８】
１．１．積層型圧電素子の詳細
次に、図２を用いて積層型圧電素子１００の詳細を説明する。図２は、実施形態に係る積層型圧電素子１００の模式図である。図２の左側には積層型圧電素子１００の積層構成の縦断面が模式的に描かれ、図２の右側には、積層型圧電素子１００の平面視における各電極パターンが模式的に描かれている。
【００２９】
積層型圧電素子１００は、積層構造体５０に複数、例えば１２層の圧電体層を有する。積層構造体５０は、４層の第１圧電体層１１と、４層の第２圧電体層２１とを備える。
【００３０】
第１圧電体層１１は、伸縮用電極対１９によって挟まれて伸縮用圧電素子１０を構成し、伸縮用電極対への信号の入力により長手方向に伸縮する。また、積層構造体５０には伸縮用圧電素子１０が４層含まれている。
【００３１】
第２圧電体層２１は、屈曲用電極対２９によって挟まれて屈曲用圧電素子２０を構成し、屈曲用電極対への信号の入力により短手方向に屈曲する。また、積層構造体５０には屈曲用圧電素子２０が４層含まれている。
【００３２】
なお伸縮用電極対１９のうちの一方の電極は、隣り合う伸縮用圧電素子１０と共通となっており、屈曲用電極対２９のうちの一方の電極は、隣り合う屈曲用圧電素子２０と共通となっている。
【００３３】
一方、積層構造体５０に１２層の圧電体層のうち、伸縮用電極対１９の一方の電極と屈曲用電極対２９の一方の電極とに挟まれた圧電体層は、非分極層として機能する非分極用圧電体層４０である。また、１２層の圧電体層のうち、片側のみに伸縮用電極対１９の一方の電極又は屈曲用電極対２９の一方の電極を有する圧電体層は、積層構造体５０の積層方向の両端に配置される表面圧電体層３０である。このように、積層構造体５０は、２層の非分極用圧電体層４０と、２層の表面圧電体層３０が含まれる。また、積層構造体５０
において、非分極用圧電体層４０は、伸縮用圧電素子１０及び屈曲用圧電素子２０の間に配置され、表面圧電体層３０は積層構造体５０の積層方向の両端に配置されている。
【００３４】
非分極用圧電体層４０には、電圧が印加されないようにすることが好ましく、非分極用圧電体層４０は、伸縮用電極対１９のうちの接地電極及び屈曲用電極対２９のうちの接地電極に挟まれることが好ましい。これは、非分極用圧電体層４０がない場合には、圧電体層を分極するための電圧を印加しても十分な分極領域を得ることができない圧電体層が生じ、電力消費が大きくなってしまうためである。これを回避するために非分極用圧電体層４０を形成することで、電力消費を抑制している。
【００３５】
図示の例では、伸縮用電極対１９は、電極パターンＣ及び電極パターンＤによって構成されている。屈曲用電極対２９は、電極パターンＢ及び電極パターンＥによって構成されている。この場合には、電極パターンＤ及び電極パターンＥを接地電極とすることが好ましい。各電極パターンについては後述する。
【００３６】
また、積層型圧電素子１００では、伸縮用圧電素子１０及び屈曲用圧電素子２０は、平面視における輪郭が同一形状である。そして積層構造体５０は、伸縮用圧電素子１０の輪郭及び屈曲用圧電素子２０の輪郭が平面視において重なる。
【００３７】
積層型圧電素子１００では、積層構造体５０の積層方向の中心位置Ｇに近い側に４個の伸縮用圧電素子１０が配置され、中心位置Ｇから遠い側に屈曲用圧電素子２０が中心位置Ｇを基準に対称に２個ずつ配置されている。
【００３８】
積層型圧電素子１００では、積層構造体５０の積層方向の中心位置Ｇは、４個の伸縮用圧電素子１０のうちの内側にある２個の伸縮用圧電素子１０に含まれる。より詳しくは、積層型圧電素子１００では、積層構造体５０の積層方向の中心位置Ｇは、４個の伸縮用圧電素子１０のうちの内側にある２個の伸縮用圧電素子１０に共通する電極パターンＤに含まれる。
【００３９】
積層構造体５０は、焼結されたセラミックからなる連続した物体である。そのため、積層構造体５０の伸縮は、積層構造体５０の中心位置Ｇを起点として、積層構造体５０の長手方向に伸縮する。
【００４０】
伸縮用圧電素子１０が、積層構造体５０の積層方向における中心位置Ｇを含むように配置されることにより、積層型圧電素子１００が駆動する際に、伸縮動作（伸縮振動）の起点を積層構造体５０の中心位置Ｇに近接させることができる。これにより中心位置Ｇ付近を起点として積層構造体５０の長手方向に伸縮することができるため、伸縮振動の効率を高めることができる。なお、積層構造体５０の中心位置Ｇは、例えば、積層構造体５０の重心である。
【００４１】
１．２．伸縮用圧電素子及び屈曲用圧電素子の電極パターン
図３は、伸縮用電極対１９の一方の電極パターンＤを示す模式図である。図４は、伸縮用電極対１９の他方の電極パターンＣを示す模式図である。図５は、屈曲用電極対２９の一方の電極パターンＢを示す模式図である。図６は、屈曲用電極対２９の他方の電極パターンＥを示す模式図である。
【００４２】
図３は、第１圧電体層１１の上に形成された伸縮用電極対１９の一方の電極パターンＤを示している。また、図４は、第１圧電体層１１の上に形成された伸縮用電極対１９の一方の電極パターンＣを示している。
【００４３】
図３に示す電極パターンＤの電極及び図４に示す電極パターンＣの電極は、伸縮用電極対１９を構成することができる。すなわち電極パターンＤの電極と電極パターンＣの電極とによって第１圧電体層１１が挟まれることにより、伸縮用圧電素子１０が形成される。
【００４４】
電極パターンＤ及び電極パターンＣの形状は、平面視において第１圧電体層１１を挟んで重ねた場合に、引出部１５を除き、同一の形状となっている。引出部１５は、配線層８０と電気的に接続できるように第１圧電体層１１の短手方向の端（側面１１２，１１３）まで延在している。
【００４５】
このように電極パターンＤ及び電極パターンＣは、合計で２つの引出部１５を有し、それぞれが積層構造体５０の側面１１２，１１３の異なる位置で配線層８０と電気的に接続できるようになっている。
【００４６】
電極パターンＤの電極及び電極パターンＣの電極が、第１圧電体層１１を挟んで、引出部１５を除き、同一の形状となっていることにより、第１圧電体層１１の駆動に関与しない分極領域を小さくすることができるので、駆動時の電力の無駄や発熱を抑制することができる。このことは第１圧電体層１１の駆動に関与しない領域が分極されると、駆動時にその領域に電流が生じることに起因している。さらに、必要最小限の電極面積とすることで、振動を阻害する要因を低減することができる。
【００４７】
電極パターンＤ及び電極パターンＣの平面的な形状は、任意であるが、図示の例では、電極パターンＤ及び電極パターンＣの形状は、第１圧電体層１１の表面において長手方向に延在している。また、図示の例では、電極パターンＤ及び電極パターンＣの形状が、長手方向の両端部１６と中央部１７との間に、短手方向における電極の幅が小さいくびれ部１８を有している。
【００４８】
ところで、伸縮用圧電素子１０の伸縮には、第１圧電体層１１の中央付近の伸縮の寄与が大きいことが分かっている。そのため、電極パターンＤ及び電極パターンＣの電極の面積は、中央部１７において大きくなるようにし、両端部１６に向かって小さくなるように設計することが伸縮動作を十分に行い、消費電力を小さくするという観点から好ましい。しかし、積層型圧電素子１００を圧電アクチュエーターとして、これを駆動対象に当接して押しつける場合のように、伸縮用圧電素子１０を長手方向に圧縮するような負荷が加えられる場合には、より負荷が加えられる位置に近い位置で伸縮動作をさせることにより、伸縮動作をより効率化できる。このような観点から、図示のように、電極パターンＤ及び電極パターンＣに、長手方向の両端部１６と中央部１７との間に、短手方向の幅が小さいくびれ部１８を設けることがより好ましい。
【００４９】
図５は、第２圧電体層２１の上に形成された屈曲用電極対２９の一方の電極パターンＢを示している。また、図６は、第２圧電体層２１の上に形成された屈曲用電極対２９の一方の電極パターンＥを示している。
【００５０】
図４に示す電極パターンＢの電極及び図５に示す電極パターンＥの電極は、屈曲用電極対２９を構成することができる。すなわち電極パターンＢの電極と電極パターンＥの電極とによって第２圧電体層２１が挟まれることにより、屈曲用圧電素子２０が形成される。
【００５１】
電極パターンＢは、第２圧電体層２１の表面を長手方向及び短手方向にそれぞれ２分割してなる４つの領域のそれぞれに配置された４つの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄと、４つの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄのうち対角位置に配置された１組の分割電極２６ａ，２６ｄを接続する接続配線２７と、を含む。
【００５２】
また、電極パターンＢは、４つの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄのうち接続配線２７で接続されていない２つの分割電極２６ｂ，２６ｃのそれぞれから第２圧電体層２１の短手方向の端まで延在する２つの引出部２５と、接続配線２７で接続された一方の分割電極２６ａから第２圧電体層２１の短手方向の端まで延在する１つの引出部２５と、の合計３つの引出部２５を有している。
【００５３】
一方、電極パターンＥは、電極パターンＢを第２圧電体層２１を除いて重ねた場合に、電極パターンＢの４つの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを包含するような形状となっている。そのため、４つの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄに対応した分極領域が得られる。
【００５４】
また、電極パターンＥは、電極パターンＢを第２圧電体層２１を除いて重ねた場合に、電極パターンＢの３つの引出部２５とは異なる位置に、短手方向の端まで延在する引出部２５を有している。
【００５５】
さらに、電極パターンＥは、電極パターンＢを第２圧電体層２１を除いて重ねた場合に電極パターンＢの接続配線２７に対応する位置に、開口部２７ａを有している。開口部２７ａには、電極は存在しない。開口部２７ａは、接続配線２７と重ならない非重複領域ということができる。
【００５６】
電極パターンＥの電極が開口部２７ａを有することにより、接続配線２７と重複しないので、第２圧電体層２１の駆動に関与しない領域が分極せず、駆動時の電力の無駄や発熱を抑制することができる。
【００５７】
このように電極パターンＢ及び電極パターンＥは、合計で４つの引出部２５を有し、それぞれが積層構造体５０の側面１１２，１１３の異なる位置で配線層８０と電気的に接続できる。
【００５８】
図７は、電極パターンＥの変形例である電極パターンＦを示す模式図である。上述の電極パターンＥは、電極パターンＢを第２圧電体層２１を除いて重ねた場合に、電極パターンＢの分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの間の間隙にも、電極が存在していた。すなわち、第２圧電体層２１の駆動に関与しない分極領域が分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの間隙部分に形成される形状となっていた。
【００５９】
図７に示す電極パターンＦでは、分割電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの間隙部分に対応する位置に、スリット状の開口部２７ｂが形成されている。すなわち、電極パターンＦは、電極パターンＢの複数の分割電極のうち長手方向又は短手方向に対向する分割電極間の空隙に対応する位置に空隙を有する。
【００６０】
図７に示す電極パターンＦの形状を用いれば、第２圧電体層２１の駆動に関与しない領域を分極しないため、駆動時の電力の無駄や発熱をさらに抑制することができる。また、本実施形態の積層型圧電素子１００は、４層の屈曲用圧電素子２０を含むので、電極パターンＥ及び電極パターンＦのように開口部２７ａや開口部２７ｂを設けることによる効果は顕著に現れる。屈曲用圧電素子２０の数が増せばかかる効果はより顕著になる。
【００６１】
１．３．積層型圧電素子の動作
図８は、積層型圧電素子１００の屈曲振動をシミュレーションして変形の様子を平面視した模式図である。図９は、積層型圧電素子１００の伸縮振動をシミュレーションして変形の様子を平面視した模式図である。図８、図９では変形を可視化するために変形量を拡大して図示している。また、図８、図９では各端子の図示を省略している。
【００６２】
図８に示すように、積層型圧電素子１００が共振周波数付近の周波数で屈曲振動する際には、変位の少ない領域が３箇所生じる。また、図９に示すように、積層型圧電素子１００が共振周波数付近の周波数で伸縮振動する際には、変位の少ない領域が１箇所生じる。これらの変位の少ない領域のことを「節」（ｎｏｄｅ）という。図８及び図９では節の位置を鎖線で囲って示した。
【００６３】
１．４．配線層、端子及びその配置
図２に示すように、配線層８０は、伸縮用電極対１９及び屈曲用電極対２９にそれぞれ電気的に接続される。伸縮用電極対１９に接続された配線層８０は、伸縮用入力端子６０と電気的に接続される。屈曲用電極対２９に接続された配線層８０は、屈曲用入力端子７０と電気的に接続される。
【００６４】
図８に示すように、配線層８０は、長手方向に平行な積層構造体５０の側面１１２，１１３に形成され、積層型圧電素子１００が動作した場合の屈曲振動におけるいずれかの節に対応する位置に形成されることが好ましい。
【００６５】
また、伸縮用入力端子６０及び屈曲用入力端子７０は、積層型圧電素子１００が動作した場合の伸縮振動及び屈曲振動におけるいずれかの節に対応する位置に配置されることが好ましい。
【００６６】
この場合において、伸縮用入力端子６０は、積層型圧電素子１００が動作した場合の伸縮運動及び屈曲振動における節であって、長手方向の中央領域に生じる節に対応する位置に配置されることがより好ましい。
【００６７】
積層型圧電素子１００が動作した場合の屈曲振動における節では屈曲の変位が小さくなるが、節以外の領域では、屈曲の変位が大きい。配線層８０、伸縮用入力端子６０及び屈曲用入力端子７０のいずれもが伸縮振動及び屈曲振動に対し悪影響を及ぼすため、節以外の領域に設けられた場合には、積層型圧電素子１００の消費電力が大きくなる。
【００６８】
１．５．各部材の寸法、材質、入力信号等
上述の各圧電体層の厚さは、積層型圧電素子の寸法、材質、用途等の仕様により適宜に設定されるが、２０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上１８０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下である。圧電体層の厚さが２０μｍ未満であると、変形量が不十分となる場合があり、２００μｍを超えると、駆動電圧が大きくなり例えば昇圧回路等が必要となる場合がある。
【００６９】
上述の各圧電体層の材質は、圧電性を示す材質であれば限定されないが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）及びニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）のようなペロブスカイト型の結晶構造を呈する酸化物が挙げられる。またこれらの化合物に他の元素がさらに添加されていてもよい。
【００７０】
上述の各種電極、配線、端子等は、例えば、焼成前の圧電体層にスクリーン印刷することにより形成することができる。各種電極、配線、端子等の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上２０μｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上５μｍ以下である。電極、配線、端子等の材質は、圧電体層と共に焼結されて形状が維持できかつ導電性が得られれば特に限定されない。電極、配線、端子等の材質としては、銀、金、白金、パラジウム、銅、アルミニウム等の金属及び合金、錫酸インジウム（ＩＴＯ）等の導電性酸化物が挙げられ、多層構造としてもよい。
【００７１】
積層型圧電素子を動作させる際に、伸縮用電極対１９及び屈曲用電極対２９に対して印加する信号としては、積層型圧電素子の共振周波数近傍の周波数の交流信号が好ましい。信号の電圧としては、例えば、１Ｖｒｍｓ以上５Ｖｒｍｓ以下である。また、伸縮用電極対１９の２つの電極のうちの一方を接地電位とし、屈曲用電極対２９の２つの電極のうちの一方を接地電位としてもよい。例えば、上記実施形態の積層型圧電素子１００では、電極パターンＤの電極及び電極パターンＥの電極を接地電位とすることが好ましい。
【００７２】
また、屈曲用圧電素子２０と伸縮用圧電素子１０の境界に位置する非分極用圧電体層４０を挟んで配置される電極には、同電位が印加されるようにすることが好ましく、両者に接地電位が印加されることがさらに好ましい。
【００７３】
１．６．その他
積層型圧電素子１００は、複数の圧電体層の表面に所定の電極パターンＢ〜Ｅのいずれかを形成し、これを複数積層して焼結することで積層構造体５０を製造し、配線層８０を設けることにより製造することができる。なお、図２に示すように、伸縮用入力端子６０、屈曲用入力端子７０についても、該当する圧電体層の一方の表面に電極パターンＡの電極を形成し、これを積層して焼結することで形成できる。
【００７４】
実施形態では、１２層の圧電体層を含む積層型圧電素子１００を用いて説明したが、素子に含まれる圧電体層や圧電素子の数及び配置は、伸縮用圧電素子１０が、積層構造体５０の積層方向における中心位置Ｇを含むようになっている限り限定されない。例えば、積層構造体５０の積層方向における中心位置Ｇを基準として積層方向で対称な数が配置されてもされなくてもよい。また、伸縮用圧電素子１０は、中心位置Ｇを含むような位置に配置されていれば、さらに積層方向の端部側に加えて配置されてもよい。
【００７５】
１．７．作用効果等
積層型圧電素子１００は、伸縮振動する伸縮用圧電素子１０と、屈曲振動する屈曲用圧電素子２０とを、それぞれ異なる入力信号により駆動することができる。その結果、伸縮振動及び屈曲振動の振幅や周波数を独立に制御することができる。例えば、伸縮振動の振幅を維持したまま、屈曲振動の振幅を変更することができる。これにより、積層型圧電素子１００を圧電アクチュエーターに適用した場合に、動作の対象となる回転体や移動体の動作を自由度高く制御することができ、入力に対する動作の効率を低下させることなく、正確な動作を行うことができる。
【００７６】
２．圧電アクチュエーター
本実施形態の圧電アクチュエーター３００は、上述の積層型圧電素子１００と、積層型圧電素子１００に固定された出力取出部材９０と、を備える。図１０は、積層型圧電素子１００を含む圧電アクチュエーター３００の一例を示す模式図である。
【００７７】
本実施形態の圧電アクチュエーター３００は、積層型圧電素子１００と、積層型圧電素子１００の長手方向に垂直な側面の一方に固定された出力取出部材９０とを含む。出力取出部材９０は、図示せぬ回転体や移動体などの対象物に対して押しつけられる部材である。出力取出部材９０は、圧電アクチュエーター３００の動作を対象物に伝達することができる。出力取出部材９０は、例えば接着剤を用いて積層型圧電素子１００に固定される。出力取出部材９０の材質は、特に限定されないが、耐摩耗性の高い材質であることが好ましい。出力取出部材９０の形状も任意であり、積層型圧電素子の振動の態様、動作対象物の性状等に応じて適宜に設計される。
【００７８】
本実施形態の圧電アクチュエーター３００は、上述の積層型圧電素子１００を含むので、動作の対象となる回転体や移動体の動作を自由度高く制御することができ、入力に対す
る動作の効率を低下させることなく、正確な動作を行うことができる。
【００７９】
本発明は、上述した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、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８０】
１０…伸縮用圧電素子、１１…第１圧電体層、１５…引出部、１６…両端部、１７…中央部、１８…くびれ部、１９…伸縮用電極対、２０…屈曲用圧電素子、２１…第２圧電体層、２５…引出部、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…分割電極、２７…接続配線、２７ａ，２７ｂ…開口部、２９…屈曲用電極対、３０…表面圧電体層、４０…非分極用圧電体層、５０…積層構造体、６０…伸縮用入力端子、７０…屈曲用入力端子、８０…配線層、９０…出力取出部材、１００…積層型圧電素子、１１０…表面、１１２，１１３…側面、３００…圧電アクチュエーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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