(57)【要約】【課題】発生力を大きく得られてコスト面に有利性がある圧電素子を提供すること【解決手段】２つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂを重ね合わせ、当該重ね合わせの間に、弾性係数が低く表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有する材料により膜層４を設けて圧電素子１０にする。圧電バイモルフ１は、上下２つの圧電板２ｕ，２ｄを貼り合わせてあって当該貼り合わせの間に電極層３を有し、駆動には上下の圧電板に逆相に電圧を加える。例えば上側の圧電板２ｕが縮み下側の圧電板２ｄが伸びると全体的には自由端が上に湾曲し、電圧の向きを変えると逆に自由端が下に湾曲する。膜層４は例えばシリコン系接着剤により形成し、カーボン等の導電性材料を添加して導電性を持たせる。このため、膜層４は表裏で相反する変位に追従し、歪み動作を抑制せず、導電性なので電極になる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料から形成した薄板を２枚貼り合わせてあって当該貼り合わせの間に電極層を有する圧電バイモルフを備えて、
前記圧電バイモルフは複数を重ね合わせ、当該重ね合わせの間に、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有する材料により膜層を設けることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
圧電材料から形成した薄板を２枚貼り合わせてあって当該貼り合わせの間に電極層を有する圧電バイモルフを備えて、
前記圧電バイモルフは複数を重ね合わせ、当該重ね合わせの間に、導電性材料により膜層を設けることを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
前記膜層が、導電性を有するとともに、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有することを特徴とする請求項１，２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記膜層の厚さを適宜に設定して剛性の調整を行うことを特徴とする請求項１〜３に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記膜層が、接着剤であることを特徴とする請求項１〜４に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記膜層が、金属メッシュ等の空隙を有する粗構造の金属部材であることを特徴とする請求項１〜４に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電板を２枚貼り合わせたバイモルフ構成の圧電素子に関するもので、より具体的には、複数の圧電バイモルフを重ね合わせにする多層構造の改良に関する。
【０００２】
【発明の背景】
よく知られているように、チタン酸バリウム等の圧電体は電界を加えると機械的に歪みを起こす逆圧電気効果を示すことから、これを電気，機械のエネルギ変換（アクチュエータ）に利用することが行われており、圧電アクチュエータとして、圧電板を２枚貼り合わせたバイモルフ構成の圧電素子がある。
【０００３】
圧電バイモルフは、例えば特開平６−２７５８８４号公報などに示されているように、薄板形状に形成した圧電板を２枚貼り合わせ、当該貼り合わせの間に電極層を有する。そして、上下２つの圧電板は厚み方向に分極し、電圧を加えることで板面に沿う接線方向に歪みが発生するようにしている。さらに、分極の向きを上下で同一向きに揃える。この圧電バイモルフには、上下の圧電板に逆相に電圧を加えるので、例えば上側の圧電板が縮み下側の圧電板が伸びることにより全体的には自由端が上に湾曲し、電圧の向きを変えると逆の動作になり自由端が下に湾曲する。
【０００４】
ところが、圧電バイモルフは、２枚対の薄板（圧電板）を厚み方向に曲がり変位させる圧電横効果によるものであるため、変位量は大きく得られるものの発生力が小さいという欠点がある。そこで、発生力を増すには圧電バイモルフを多層化する対策がある。しかし、複数の圧電バイモルフを単に重ね合わせて接合すると、接合層を挟んで互いの圧電バイモルフの変位を打ち消し合う動作になって大きな発生力を得られず、改善が求められている。
【０００５】
つまり、本発明に係る図２を援用して説明すると、２つの圧電バイモルフの間の接合層（膜層４）では接触している上下の変位は向きが逆になり、当該接合層が単なるリジットな接着剤の膜層であると、表裏で相反する面方向の変位を妨げる抵抗になり、歪み動作を抑制してしまう。
【０００６】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、変位量を大きくするとともに、大きな発生力を得るとともにコスト面に有利性がある圧電素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る圧電素子では、圧電材料から形成した薄板を２枚貼り合わせてあって当該貼り合わせの間に電極層を有する圧電バイモルフを備えている。そして、前記圧電バイモルフは複数を重ね合わせ、当該重ね合わせの間に、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有する材料により膜層を設ける。
【０００８】
また、前記圧電バイモルフは複数を重ね合わせ、当該重ね合わせの間に、導電性材料により膜層を設けるとよい。さらに、前記膜層を、導電性を有するとともに、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するものにするとよい。また、前記膜層の厚さを適宜に設定して剛性の調整を行うこともできる。
【０００９】
また、前記膜層は、各種のものを用いることができるが、例えばゴム等の柔軟性部材や、接着剤や、金属メッシュ等の空隙を有する粗構造の金属部材などから形成する。
【００１０】
従って本発明では、圧電バイモルフの間に設けた膜層は、弾性係数が低く表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するので、複数の圧電バイモルフによる多層構造の相互間が柔軟になり、当該膜層は表裏で相反する変位に追従し、接触する圧電板の歪み動作を抑制しない。
【００１１】
また、膜層が導電性であればこれを電極にすることができ、電極のための導体板は特に必要ない。つまり、積層した複数の圧電バイモルフには同一の向きに曲がり変位する動作を行わせるので電源の接続はパラレル接続になり、膜層の表裏に接触する圧電板にあっては同極になるので、導電性とした膜層を電極にすることができる。さらに、膜層には例えばシリコン系の接着剤を用いることができ、また、膜層の厚さを変えることで適切な剛性を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示している。本実施の形態において、圧電素子１０は、圧電横効果により厚み方向に曲がり変位する圧電バイモルフ１を複数重ね合わせるとともに、当該重ね合わせの間に、所定の膜層４を設けた構成をとっている。そして、係る膜層４は、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有する材料により構成される。
【００１３】
圧電バイモルフ１は、圧電材料から薄板形状に形成した圧電板２を２枚貼り合わせ、当該貼り合わせの間に電極層３を有した構成からなる。そして、上下２つの圧電板２ｕ，２ｄは、厚み方向に分極し、電圧を加えることで板面に沿う接線方向に歪みが発生するようにしている。さらに、分極の向きを上下で同一（上向き）に揃える。そして、この圧電バイモルフ１には、上下の圧電板２ｕ，２ｄに逆相に電圧を加えるので、例えば上側の圧電板２ｕが縮み下側の圧電板２ｄが伸びることにより全体的には自由端が上に湾曲し、電圧の向きを変えると逆の動作になり自由端が下に湾曲する。
【００１４】
ここでは２つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂを重ねる構成を採り、圧電バイモルフ１ａと圧電バイモルフ１ｂの間に膜層４を形成する。膜層４は接着剤により形成する。これは、例えばシリコン系の接着剤を重ね合わせ面（２ｄ，２ｕ）のそれぞれに塗布した状態で両圧電バイモルフ１ａ，１ｂを貼り合わせることにより形成できる。接着剤の塗布には、ハケ塗り，スピンコートなど、一般的な塗布方法を用いればよい。そして、接着剤は、急速に硬化が進む特性のものではなく、硬化に適宜な時間がかかるものが好ましい。つまり、硬化時間に余裕ができて膜層４の厚さ調節が容易に行える。
【００１５】
また、膜層４は、重ね合わせ面（２ｄ，２ｕ）に対してその全域に拡がる単一膜に形成してもよいが、例えば部分的な所定形状の膜層部を数ヶ所に分散して有する形態に形成することもできる。
【００１６】
接着剤は、弾性係数が低く、表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するものとする。さらに、カーボン等の導電性材料を添加して導電性を持たせるようにするとよい。
【００１７】
接着剤が導電性であれば膜層４を電極にすることができ、電極のための導体板は特に必要ない。つまり、積層した２つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂには、図２に示すように同一の向きに曲がり変位する動作を行わせるので電源５の接続はパラレル接続になり、膜層４の表裏に接触する圧電板（２ｄ，２ｕ）にあっては同極になるので、導電性とした膜層４を電極にすることができる。
【００１８】
なお、圧電素子１０としては最外側となる圧電板の表面には電極が必要である。そこで本実施の形態では、圧電バイモルフ１ａの圧電板２ｕ，圧電バイモルフ１ｂの圧電板２ｄそれぞれの表面に予め単体で電極膜６を蒸着することにより形成する。
【００１９】
駆動は、積層した２つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂに電源５をパラレル接続し、同一極性に電圧を加える。これにより、２つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂは、図２に示すように同一の向きに曲がり変位する動作になる。
【００２０】
例えば、自由端が上に湾曲する極性に電圧を加えると、圧電バイモルフ１ａは、上側の圧電板２ｕが縮み下側の圧電板２ｄが伸びる。そして、圧電バイモルフ１ｂでも同様に、上側の圧電板２ｕが縮み下側の圧電板２ｄが伸びる。係る現象を膜層４から見ると、上面にはこれと接触した圧電板２ｄの伸び変位のため引っ張り力が作用し、下面にはこれと接触した圧電板２ｕの縮み変位のため圧縮力が作用することになり、表裏で相反する面方向の作用力が加わる。しかし、本発明では上述したように、膜層４は弾性係数が低く表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するので、それら相反する作用力を緩衝し、接触する圧電板２ｄ，２ｕの歪み動作を抑制する抵抗にはならない。その結果、変位量は圧電バイモルフ１の単体時そのままを同等に保持しつつ、発生力を約２倍に増すことができる。
【００２１】
また、膜層４は導電性の接着剤により形成するので電極となり、接触する相手側に電極膜がいらない。このため、圧電バイモルフ１としては、少なくとも一方の圧電板２には表面に電極膜を蒸着する処理が不要になり、他方の圧電板２の片面にだけ電極膜６を蒸着すればよい。従って、蒸着処理の手間が減り、コスト面に有利性がある。
【００２２】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態では、３つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂ，１ｃを重ねた構成を採る。これに伴い、圧電バイモルフ１ａと圧電バイモルフ１ｂの間に膜層４ａを形成し、圧電バイモルフ１ｂと圧電バイモルフ１ｃの間に膜層４ｂを形成する。
【００２３】
この場合も電源５の接続はパラレル接続になり、３つの圧電バイモルフ１ａ，１ｂ，１ｃに対し、同一極性の電圧を加えるので、これらは同一の向きに曲がり変位するように動作する。そして、２つの膜層４ａ，４ｂは、弾性係数が低く表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するので、それら相反する作用力を緩衝し、その結果、変位量は圧電バイモルフ１の単体時そのままを同等に保持しつつ、発生力を約３倍に増すことができる。すなわち、圧電バイモルフ１の積層数を増すことでも変位量を下げずに発生力のみを増大できる。
【００２４】
ところで、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、膜層４の厚さは当該圧電素子１０の剛性と相関があり、膜層４の厚さを適宜に設定して剛性の調整を行うことができる。もちろんその場合、膜層４をなす接着剤の弾性係数も適切に設定することになる。圧電素子１０を小型化する面からは膜層４は薄く形成したいが、弾性係数が低く柔軟性が高い接着剤を薄くすると剛性が落ち、表裏面で相反する変位への追従性も損なわれるので、これらの点をバランスする適正値に設定する。
【００２５】
また、膜層４の部材も適宜に変更でき、例えばゴム等の柔軟性部材や金属メッシュ等の空隙を有する粗構造の金属部材などにより形成する。そして、金属部材としては、例えば樹脂材料で隙間空間を有するベース体を形成し、その隙間空間に金属を入り込ませた後にベース体の樹脂を除去すれば、空隙を有する粗構造体を形成でき、そうした粗構造体でもよい。
【００２６】
なお、接着剤に導電性材料を添加しないで膜層４を非導電性に構成する場合は、これと接触する圧電板（２ｄ，２ｕ）の表面に電極膜を形成しておき、外側の圧電板（２ｕ，２ｄ）から孔を開けて内側の電極膜に配線する構成を採ることができる。
【００２７】
（追記）
例えば、本発明で言う膜層は、ゴム等の柔軟性部材により構成することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る圧電素子では、圧電バイモルフの間に設けた膜層は弾性係数が低く表裏で相反する面方向の変位に追従する性質を有するので、複数の圧電バイモルフによる多層構造の相互間が柔軟になり、当該膜層は表裏で相反する変位に追従し、接触する圧電板の歪み動作を抑制しない。その結果、変位量は圧電バイモルフの単体時そのままを同等に保持しつつ、発生力を格段に増すことができる。
【００２９】
また、膜層が導電性であればこれを電極にでき、接触する相手側に電極膜がいらない。このため、圧電バイモルフとしては、少なくとも一方の圧電板には表面に電極膜を蒸着する処理が不要になり、他方の圧電板の片面にだけ電極膜を蒸着すればよい。従って、蒸着処理の手間が減り、コスト面に有利性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す圧電素子の側面図である。
【図２】圧電素子の曲がり変位を示す側面図である。
【図３】第２の実施の形態を示す圧電素子の側面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ　圧電バイモルフ
２，２ｕ，２ｄ　圧電板
３　電極層
４，４ａ，４ｂ　膜層
５　電源
６　電極膜
１０　圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004087662.tif 000005