(57)【要約】【課題】  ヒステリシスが大きく、急峻な電界−歪特性と飽和領域をもつ圧電材料では、オフセット電界を加えるため大きな変位を利用することができない。【解決手段】  複数の圧電層で構成し、各層の飽和領域に達する電圧を異ならせることにより、圧電アクチュエータの変位の線形性を向上させる。【選択図】  図１
2006140342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料にて挟まれた圧電層を複数積層し、各々の圧電層に駆動電圧を印加することによって歪を生じさせる圧電アクチュエータにおいて、
前記複数積層した圧電層のうち、第１の圧電層は第２の圧電層と飽和電界に達する電圧値が異なることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の圧電層と前記第２の圧電層は厚さが異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の圧電層を複数積層した第１の圧電層群と、前記第２の圧電層を前記第１の圧電層群とは異なる数だけ積層した第２の圧電層群を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の圧電層は前記第２の圧電層よりも薄く、前記第１の圧電層群の積層数は前記第２の圧電層群の積層数よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１の圧電層群と前記第２の圧電層群の厚さが等しいことを特徴とする請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層とは厚さが異なる第３の圧電層を有し、前記第１の圧電層、前記第２の圧電層および前記第３の圧電層の厚さを、等比級数的に変化させたことを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記複数の圧電層は、等しい厚さの圧電材料を異なる数だけ積層することによって異なる厚さに構成されていることを特徴とする請求項２または６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１の圧電層は前記第２の圧電層と飽和電界が異なることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記圧電層は、前記導電性材料の近傍では、前記導電性材料から発する電気力線が前記複数積層された圧電層の積層方向と平行でない成分を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記導電性材料は、前記圧電層の表面上に分布して配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電層の表面上に分布して配置された前記導電性材料が互いに連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記導電性材料は、金属板を圧電層に介在させ、前記圧電層と前記金属板の間に誘電性物質を含浸させたものであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記導電性材料は、金属板を圧電層に介在させ、前記圧電層と前記金属板の間に酸化物またはセラミック粉を誘電率２以上の高誘電性液体中に分散させた懸濁液を含浸したことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記導電性材料は、前記圧電層と前記金属板の間に前記懸濁液を含浸したのちゲル化したことを特徴とする請求項１３に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数積層された圧電層に電圧を供給することによって、圧電層の歪あるいは変位を利用して駆動力を得る圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気−機械エネルギー変換素子である圧電材料を駆動源として用いた圧電アクチュエータは、厳しい停止位置精度が要求される駆動装置や、分解能の高い駆動装置を構成するのに有用である。
【０００３】
圧電アクチュエータにはチタン酸ジルコン酸鉛や、チタン酸バリウムを主成分とした圧電材料が広く用いられており、直流電圧を印加することにより分極処理が施されている。圧電材料に供給する電界と、圧電材料で発生する歪との関係には、図３０の電界−歪特性に示すようなヒステリシスがある（例えば、特許文献１参照）。図３０において横軸は電界の大きさを示し縦軸は歪の大きさを示す。
【０００４】
圧電材料の電歪効果によって得られる変位は微小である場合が多く、変位量を拡大するために図２８に示すように圧電材料を積層構造にすることが考えられる（例えば、特許文献２）。この構成によれば、圧電材料に供給する電圧を比較的低くした状態で、駆動に必要な変位量を取り出すことが可能になる。
【０００５】
図２８に示す圧電アクチュエータにおいて、１００１は圧電材料をシート状にして形成した圧電層群であり、１００１ａから１００１ｏの１５枚の圧電層で構成されている。１００２は各圧電層の表面に形成された電極である。１００３は導電体であり、積層した圧電層の左右に分かれて導電体１００３ａ、１００３ｂが配置されている。各圧電層の両面に形成された電極１００２は導電体１００３ａと１００３ｂに交互に接続されている。１００４はリード線であり、リード線１００４ａは導電体１００３ａに接続され、リード線１００４ｂは導電体１００３ｂに接続される。１００５はダミー層であり、積層した圧電層の最上部、最下部に設けられている。これらダミー層１００５は、焼成時の収縮率を圧電層と近くするために圧電層と同じ材料のシートにて形成されている。リード線１００４ａ、１００４ｂを介して導電体１００３ａ、１００３ｂ間に電圧を加えて圧電層間に電界を生じさせることで、圧電アクチュエータに変位を生じさせることができる。
【０００６】
ところで、最近、圧電材料の分野では、点欠陥のナノ秩序の対象性という性質を用いて、可逆的な巨大電歪を生み出すことが研究されている（例えば、非特許文献１参照）。この圧電材料は図２９の電界−歪特性に示すヒステリシス曲線を有する。
【０００７】
電気分極方向が異なるドメイン（領域）を有する圧電材料に電場を加えると、分極方向が電圧方向に沿うようにドメイン変換が生じ、低い対称性を持つ強誘電相の長軸方向と短軸方向が交換されることになる。このとき得られる歪みの大きさは長軸と短軸の差であり、通常の圧電効果よりも数十倍以上大きいものとなる。
【０００８】
ある点欠陥の周り（ナノメートル範囲）におけるほかの点欠陥の占有率は、平衡時、結晶の対称性に一致し、常誘電相での点欠陥対称性は高く、強誘電相での点欠陥対称性は結晶の対称性と同様に低くなる。また、強誘電相の点欠陥による点欠陥の分極も自発分極と一致する。
【０００９】
これを利用し、常誘電相状態の圧電材料を冷却して強誘電状態とすると、圧電材料は点欠陥の対称性を常誘電相の対称性を引き継ぐため不安定な状態となる。時効にともなって点欠陥の拡散によって各ドメインの点欠陥の対称性がドメインの結晶対称性に一致して安定する。この状態の圧電材料に電場を加えると、上述したドメイン変換が発生し、電場を除去すると元のドメイン状態に戻る。
【００１０】
このような構成からなる点欠陥電歪材料によれば、例えばチタン酸ジルコニウム酸鉛材料の圧電素子の電歪効果と比べ、低電圧で４０倍という大きな電歪効果を得る高性能圧電材料を得ることができ、上記の図３０の圧電材料よりも大きな変位量を得ることができる。
【特許文献１】特開平１１−０９７７５５号公報
【特許文献２】特開平０９−３０７１４９号公報
【非特許文献１】Xiaobing Ren、 “Large electric-field-induced strain in ferroelectric crystals by point-defect-mediated reversible domain switching”、Nature Materials、Nature Publishing Group、２００４年２月１日、第３巻、ｐ．９１−９４、及び、［online］、平成１６年１月１１日、インターネット＜ＵＲＬ：www.nature.com/naturematerials＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図２９に示すヒステリシスを有する圧電材料はその最大変位量は大きいが、その変化の仕方は均等ではなく、印加する電界に応じて歪の増加の傾きが急峻に変化する。具体的には、電界が印加されていない状態から電界を印加して徐々に強めていくと、初めは変位が微小な量ずつ増加していくが途中から急峻に増加する。反対に電界を徐々に弱めていくと、初めは変位が微小な量ずつ減少していくが途中から急峻に減少する。
【００１２】
歪が飽和する電界を印加してから電界を取り除いた場合であっても、歪がほぼゼロになるのにもかかわらず、曲線がＳ字となるためにリニアな駆動が困難である。そのため、変位量の微調整が難しく圧電アクチュエータとしての分解能を高くすることが困難である。
【００１３】
そこで、圧電アクチュエータとして使用する場合は、オフセット電圧を与えて一度飽和させたうえで、歪の傾きが小さくなる狭い領域にて駆動電圧を制御することによって、歪の変化を緩やかなカーブとし、比較的リニアな特性で変位をコントロールできるようにする。
【００１４】
この駆動方法によれば、実使用上はヒステリシスを低減し、線形に近い駆動が可能となる。しかしながら、非線形性を低減することは可能であるが、オフセット電圧を与えることで生じる変位量は使用されないことになる。この圧電材料では、オフセット電界によって生ずる歪が大きいため、圧電材料に生じる歪の最大変位量に対する使用範囲の相対変位量が極端に小さい。そのため、大きな変位量を得るためには変位を拡大するための機構を別途設ける必要があり、装置が複雑化、大型化するという問題がある。
【００１５】
さらに、圧電材料が電界方向へ歪む場合、材料のポアソン比に従って電界と垂直方向の面内においても伸縮が生じる。電界を生じさせるために層間に介在させた電極材料も同様に伸縮するため、仮に変位がゼロから飽和状態となる広い範囲でこの圧電材料を使用したとしても、金属材料である電極には従来の数十から数百倍の大きな歪が生じるため、疲労破壊や、弾性限界を超えることによる破断が生じる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、導電性材料にて挟まれた圧電層を複数積層し、各々の圧電層に駆動電圧を印加することによって歪を生じさせる圧電アクチュエータにおいて、複数積層した圧電層のうち、第１の圧電層は第２の圧電層と飽和電界に達する電圧値が異なることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電界−歪特性のヒステリシスを有する圧電材料を圧電アクチュエータに用いた場合であっても、圧電層に供給する電圧に対する圧電層の歪の変化を緩やかにし、電圧による変位制御の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明を行う。
【実施例１】
【００１９】
図１に本発明の実施例１に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００２０】
図１において、１０１ａ、１０１ｂは圧電層、１０５はダミー層である。圧電層１０１ａ、１０１ｂは図２９の電界−歪特性に示すようなヒステリシスを有している。圧電層１０１ａは上面に配置された電極１０２ａと下面に配置された電極１０２ｂに挟まれており、圧電層１０１ｂは上面に配置された電極１０２ｂと下面に配置された電極１０２ｃに挟まれている。電極１０２ａおよび電極１０２ｃは左端が導電体１０３ａに接続され、電極１０２ｂは右端が導電体１０３ｂに接続されている。また、電極１０２ａおよび１０２ｃと導電体１０３ｂとの間、電極１０２ｂと導電体１０３ａとの間には、導通しないように絶縁体１０６が設けられている。この圧電アクチュエータは全体が絶縁体で被覆されている。導電体１０３ａ、１０３ｂにはそれぞれリード線１０４ａ、１０４ｂが接続されている。
【００２１】
本実施例の特徴は、圧電層１０１ａの厚さが圧電層１０１ｂの厚さのおよそ半分に設定されていることである。
【００２２】
リード線１０４ａ、１０４ｂおよび導電体１０３ａ、１０３ｂを介して、電極１０２ａ、１０２ｂ間および電極１０２ｂ、１０２ｃ間に電圧を印加すると、圧電層１０１ａ、１０１ｂの上下面には互いに等しい電位差が生じる。しかしながら圧電層１０１ａと圧電層１０１ｂの厚さが異なるため、図２に示すように圧電層１０１ａに生じる電界は圧電層１０１ｂに生じる電界よりも高くなる。
【００２３】
図３に圧電層１０１ａ、１０１ｂの電圧−変位曲線を示す。飽和電界に達する電圧は圧電層１０１ａが圧電層１０１ｂのおよそ半分となるが、飽和電界に達したときの出力変位もおよそ半分となる。
【００２４】
図４に本実施例の圧電アクチュエータの電圧と総変位の曲線を図３の電圧−変位曲線に重ねて示す。圧電層１０１ｂのみで飽和状態となる電位の中間付近と、飽和状態となる電位の手前において、圧電層１０１ａによる急峻な変位の増加と圧電層１０１ｂによる急峻な変位の増加が生じ、２段階のステップを持つ変位曲線となっている。
【００２５】
本実施例の圧電アクチュエータは、電圧増加時の特性が急峻な増加特性を、リニアな特性に近づけていくことが可能である。印加電圧を増加しながら位置決めを行う場合に、電圧の中間値での位置決めが容易になるため、従来は実駆動に使用できなかったオフセット電圧分の変位が使用可能な、出力変位の大きい圧電アクチュエータを構成できる。
【実施例２】
【００２６】
図５に本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００２７】
本実施例における圧電アクチュエータは圧電層２０１ａ、２０１ｂおよび２０１ｃの３層で構成され、この３層の圧電層の上下にダミー層１０５を配置している。圧電層２０１ａ、２０１ｂおよび２０１ｃは図２９の電界−歪特性に示すようなヒステリシスを有している。上側のダミー層１０５と圧電層２０１ａの間に電極２０２ａが、圧電層２０１ａと圧電層２０１ｂの間に電極２０２ｂが、圧電層２０１ｂと圧電層２０１ｃの間に電極２０２ｃが、そして圧電層２０１ｃと下側のダミー層１０５の間に電極２０２ｄが配置されている。
【００２８】
圧電層２０１ａおよび２０１ｂの２層は、それぞれが圧電層２０１ｃの約半分の厚さとなっており、圧電層２０１ａと２０１ｂを足した厚さは圧電層２０１ｃとほぼ等しい。ここで各圧電層に印加される電圧と電界の関係を図６に示す。半分の厚さである圧電層２０１ａおよび２０１ｂは、圧電層２０１ｃの約半分の電圧で飽和電界に達するが、圧電層２０１ａと２０１ｂ厚さの総和は２０１ｃと等しいため、図７に示すように圧電層２０１ａ、２０１ｂの２層の飽和電界での総変位量は圧電層２０１ｃのそれと等しくなる。したがって圧電アクチュエータの総変位は２０１ｃの飽和電圧の約半分で、変位も半分の位置に中間値を設定することが可能となる。
【００２９】
本実施形態の構成では、薄層化した素子の総和を他の層と等しくすることによって印加電圧、変位を等分した位置に中間値を設けることが可能となり、実施例１に示す圧電アクチュエータよりも線形に近いカーブが得られる。
【実施例３】
【００３０】
図８に本発明の実施例３に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００３１】
本発明における圧電アクチュエータは圧電層群３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄおよび３１１ｅの５群で構成され、積層した圧電層群の上下にダミー層１０５を配置している。３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄおよび３１１ｅの５群の圧電層群は互いの厚さが等しく、それぞれ５層、４層、３層、２層、１層の圧電層３０１で構成されており、各圧電層３０１は図２９の電界−歪特性に示すようなヒステリシスを有しており、一つの群の厚さを層数で等分割された厚さとなっている。
【００３２】
そしてダミー層１０５と圧電層３０１の間、および隣接する圧電層３０１の間には電極３０２が形成され、上から奇数番目の電極３０２は左端が一方の導電体１０３ａに接続され、偶数番目の電極３０２は右端が他方の導電体１０３ｂに接続されている。
【００３３】
図９に各圧電層群における圧電層の印加電圧に対する電界を示す。
【００３４】
３１１ｅの圧電層群における圧電層が飽和電界に達する電圧に対して、３１１ａの圧電層群における圧電層が飽和電界に達する電圧は１／５、３１１ｂの圧電層群における圧電層が飽和電界に達する電圧は２／５、３１１ｃの圧電層群における圧電層が飽和電界に達する電圧は３／５，３１１ｄの圧電層群における圧電層が飽和電界に達する電圧は４／５となり、５群の圧電層群は、この圧電層群の数で等分した電圧にて順に飽和電界に達する。
【００３５】
各圧電層群の厚さは等しいため、飽和電界での変位はそれぞれ等しく、図１０に示すような電圧−変位曲線となる。これらの曲線の総和である、アクチュエータの出力変位は、図１１に示すような曲線となる。
【００３６】
本実施形態では、実施例２の圧電アクチュエータを改良し、多数の圧電層群で構成したことにより、より線形に近い電圧−変位特性が得られる。
【実施例４】
【００３７】
図１２に本発明の実施例４に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００３８】
図８に示したヒステリシスを有する圧電層が積層された圧電アクチュエータは、電圧−変位特性の形状を直線に近づけようとするためには、多数の圧電層を用いて圧電層群を増やさなければならず、圧電アクチュエータが大型化してしまう。
【００３９】
そこで本実施例では、少ない層数で電圧−変位特性の形状を直線に近づけるために、厚さを等比級数的に増加させた圧電層を積層している。実施例４では８層の圧電層にて圧電アクチュエータを形成し、図１３に示すようにもっとも薄い圧電層４０１ａが２０μｍであり、順に１．５倍の係数で厚さが増加して、もっとも厚い圧電層４０１ｈが３４２μｍとなっている。
【００４０】
図１４に各圧電層の電圧−歪特性を示す。各圧電層の変位は歪に厚さを乗じた値となり、各圧電層の電圧−変位特性は図１５に示す形状となる。そして各圧電層の変位を総和したものが、図１６に示す圧電アクチュエータの電圧−変位特性となる。
【００４１】
本実施例では、各圧電層の厚さを等比級数的に分布させることによって、単位長さにおける平均電界強度を、最小厚さの層の電界強度から最大厚さの層の電界強度の範囲において等しい出現確率で分布させることができる。そのため、電圧を増加した時の出力変位の曲線は変動の少ない単調増加となり、より少ない層数で直線性にすぐれた電圧−変位特性を得ることが可能となる。また上述した出現確率の分布を変えることで、所望の変位の増加曲線をもつ圧電アクチュエータを構成することも可能となる。
【実施例５】
【００４２】
図１７に本発明の実施例５に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００４３】
本実施例は積層した圧電層５０１ａ〜５０１ｄの厚さを、実施例４に示すように徐々に増加させたものであるが、各圧電層の厚さがもっとも薄い圧電層の厚さの整数倍に設定されており、各圧電層が同一厚さの圧電材シートを重ねることによって形成されている。
【００４４】
図中の破線は積層した圧電材シートの境界部である。同一の圧電層を形成する圧電材シート間には電極が形成されておらず、焼成によって一体成形される。本実施例では同一の工程によって製作される圧電材シートの枚数を調整して各圧電層の厚さを変更しているため、性能のばらつきを抑え、厚さの精度を向上させることができ、電圧−変位特性の直線性がより優れた圧電アクチュエータを構成することができる。
【実施例６】
【００４５】
図１８に本発明の実施例６に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００４６】
図中ハッチングで示した６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃ、６１１ｄおよび６１１ｅの圧電層群は、それぞれ圧電材料の組成を異ならせたものであり、それぞれの材料の電界−歪特性は、図１９に示すように飽和領域に達する電界が異なるヒステリシスを有する。このような特性を持つ圧電材料にて計性された圧電層を組み合わせて構成することにより、図２０に示す電圧−出力変位特性を得ることができる。
【００４７】
本実施例では、各層の物性を異ならせたものであるため、厚さを薄くするなどの加工上の煩雑さがなくなり、一定の厚さで管理することによって性能のばらつきを抑えることが可能となる。また、実施例１〜５に示した圧電アクチュエータの構成と、本実施例の構成とを組み合わせても構わない。
【実施例７】
【００４８】
図２１に本発明の実施例７に係る圧電アクチュエータの側面図を示す。
【００４９】
本実施例の圧電アクチュエータは、一端を固定部１０８によって支持された片持ち梁１０７の一面に本発明の積層した圧電層を固着した構成となっている。
【００５０】
圧電層７０１ａ、７０１ｂおよび７０１ｃの間、圧電層７０１ａの上面、および圧電層７０１ｃの下面に電極７０２が形成され、最上面の電極７０２を介して片持ち梁１０７に固着されている。最下面の電極７０２はバイアホール７１０ａを介して圧電層７０１ａと圧電層７０１ｂの間にある電極７０２に接続され、圧電層７０１ｂと圧電層７０１ｃの間にある電極７０２はバイアホール７１０ｂを介して最上面の電極７０２に接続されている。
【００５１】
バイアホール７１０ａ、７１０ｂは圧電層に形成した穴に導電材料を詰め込んで形成されたものであり、それぞれがリード線１０４に接続されている。リード線１０４を介してバイアホール７１０ａ、７１０ｂに異なる電位を供給すると各圧電層は厚さ方向に伸び変形を生じ、これに伴う横方向の収縮変形によって片持ち梁７を下方向に曲げ変形させる。
【００５２】
圧電層７０１ａ、７０１ｂの厚さは圧電層７０１ｃの厚さの半分であるため、印加された電圧に対するそれぞれ単独での曲げ変形量、およびその総和である圧電アクチュエータの曲げ変形は、図２２に示すような特性となる。圧電材に施す電界と同方向の変位を利用する場合に比較して梁先端の変位が増大させることが可能となり、大変形が可能となる本発明の圧電アクチュエータの特徴をさらに生かすことができる。
【実施例８】
【００５３】
通常の積層圧電アクチュエータが、すべての層がほぼ等しい歪みを生じるのに対して、実施例１から実施例７に示す圧電アクチュエータでは、歪が急峻に拡大し始める電圧値が圧電層毎に異なるため、隣接する圧電層間で歪の大きさが異なってくる。これらの歪みが異なる圧電層の間に位置する電極層は、その歪みの差から大きなせん断応力が働くという課題がある。
【００５４】
さらに、従来、分極処理やオフセット電圧によってオフセットを設けて使用していた歪み範囲に比較して非常に大きな歪みが生じることから、電極材料の歪みも増大することとなる。そこで、本実施例における圧電アクチュエータでは、電極付近の歪みを緩和して電極部に生じる歪み、およびせん断力を小さくすることによって、電極の疲労破壊や破断を防いでいる。
【００５５】
図２３に本発明の実施例８に係る圧電アクチュエータの、積層される圧電層の１つとその表面に形成された電極パターンを示す。
【００５６】
電極２は金属で構成され、駆動領域８０２ａ、駆動領域８０２ａを互いに連結する連結領域８０２ｂ、駆動電圧が供給される端部領域８０２ｃから構成されている。図２４に破線で示した面における断面図を示す。
【００５７】
圧電層８０１を挟んで対向する面に同様の駆動領域８０２ａが形成されている。図中の矢印は電圧印加時に圧電層８０１に生ずる電気力線を示したものである。
【００５８】
電気力線は、駆動領域８０２ａを離間させて配置したことによって、隣接する駆動領域８０２ａの間となる図中点線で囲った領域では、電気力線の厚さ方向とは直交する方向（言い換えれば、圧電層８０１の表面と平行となる方向）の成分が大きくなる。厚さ方向の電界で厚さが増加する方向の歪みが生じる場合、ポアソン比分の収縮が厚さ方向と直行する方向に働くが、ここで電気力線が厚さ方向と直行する方向の成分を多く有しているために、厚さ方向と直行する方向へ伸張する歪みが加わり、電極８０２における厚さ方向と直行する方向の歪みを緩和することができる。
【実施例９】
【００５９】
図２５に本発明の実施例９に係る圧電アクチュエータの、積層される圧電層の１つとその表面に形成された電極パターンを示す。
【００６０】
電極８１２は金属で構成され、網目上に形成された駆動領域８１２ａと、これに接続された端部電極８１２ｃから構成されている。
【００６１】
図２５に破線で示した面における電気力線は、図２４に示すものと同様となり、電極層の歪みを緩和し、電極部のせん断力を小さくして信頼性の高い圧電アクチュエータを構成することが出来る。本実施例では、駆動領域８１２ａを網目状に構成することによって、印刷、スパッタ等で形成される電極パターンを微細にすることが可能となり、厚さ方向と直行する方向の電界を電極８１２の直近に位置させることができるため、圧電層をより有効に歪ませることが可能となる。
【実施例１０】
【００６２】
図２６に本発明の実施例１０に係る圧電アクチュエータの電極と圧電層の界面を示す。
【００６３】
図２６における電極９０２は導電性の金属板であり、２つの圧電層９０１の間に挟まれている。圧電層９０１の表面は凹凸を有しており、電極板を挟持するだけでは間に空隙が生じてしまい、圧電層９０１に効率的に電界を生じさせることができない。
【００６４】
そこで、図２６に示す圧電アクチュエータでは、圧電層９０１または電極９０２の接触面に電界液９２１を塗布した後、電極９０２を２つの圧電層９０１にて挟み込むことによって、圧電層９０１と電極９０２の間に生じた凹凸による空隙を埋めている。これによって、圧電層９０１と電極９０２の相対的な変位を許容しながら、かつ圧電層に電界を効率的に生じさせることが可能となる。
【００６５】
これにより、大きな歪を実現し、かつ隣り合う層間での歪みに差が生じる場合でも電極層に多大な歪みやせん断力が働くのを緩和することができる。本実施例では間に介在させるものを電解液としたが、シリコンオイルのような誘電率の比較的高い流体を介在させてもよい。
【００６６】
また、図２７に本発明の実施例１０の改良例に係る圧電アクチュエータの電極と圧電層の界面を示す。図２７の圧電アクチュエータでは、圧電層９０１または電極９０２の接触面に導電性ゲル９２２を塗布した後、電極９０２を２つの圧電層９０１にて挟み込むことによって、圧電層９０１と電極９０２の間に生じた凹凸による空隙を埋めている。電極９０２と圧電層９０１の間に導電性のスラリー（酸化物またはセラミック粉を誘電率２以上の高誘電性液体中に分散させた懸濁液）を塗布または含浸させた後にゲル化することによって、電極９０２と圧電層９０１の凹凸による空隙を埋め、圧電層９０１全面に電位をかけることが可能となる。さらに９２２は伸縮可能な導電性ゲルであるため、電極９０２と圧電層９０１近傍に作用するせん断力に対して変形することが可能であり、電極層９０１にかかるせん断応力を軽減することで電極の破断や剥離が生じにくい、信頼性の高い圧電アクチュエータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例１に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−電界特性を示す図である。
【図３】図１の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−変位特性を示す図である。
【図４】図１の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図６】図５の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−電界特性を示す図である。
【図７】図５の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図９】図８の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−電界特性を示す図である。
【図１０】図８の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−変位特性を示す図である。
【図１１】図１の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図１２】本発明の実施例４に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図１３】図１２の圧電アクチュエータの各圧電層の厚さを示す図である。
【図１４】図１２の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−歪特性を示す図である。
【図１５】図１２の圧電アクチュエータの各圧電層における印加電圧−変位特性を示す図である。
【図１６】図１２の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図１７】本発明の実施例５に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図１８】本発明の実施例６に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図１９】図１８の圧電アクチュエータの各圧電材料における電界−歪特性を示す図である。
【図２０】図１８の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図２１】本発明の実施例７に係る圧電アクチュエータの側面図である。
【図２２】図２１の圧電アクチュエータにおける印加電圧−変位特性を示す図である。
【図２３】本発明の実施例８に係る圧電アクチュエータの、積層される圧電層の１つとその表面に形成された電極パターンを示す図である。
【図２４】図２３の圧電アクチュエータの断面図である。
【図２５】本発明の実施例９に係る圧電アクチュエータの、積層される圧電層の１つとその表面に形成された電極パターンを示す図である。
【図２６】本発明の実施例１０に係る圧電アクチュエータの電極と圧電層の界面を示す図である。
【図２７】本発明の実施例１０の改良例に係る圧電アクチュエータの電極と圧電層の界面を示す図である。
【図２８】従来の圧電アクチュエータの側面図である。
【図２９】従来の圧電アクチュエータにおける電界−歪特性の一例を示す図である。
【図３０】従来の圧電アクチュエータにおける電界−歪特性の別の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００１  圧電層
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２、９０２、１００２  電極
１０３  導電体
１０４  リード線
１０５  ダミー層
１０６  絶縁体
１０７  片持ち梁
１０８  固定部
７１０  バイアホール
９２１  電界液
９２２  導電性ゲル
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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