JP2010245187A - 積層型圧電アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るときは、従来よりも入力電流量を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流量を印加した場合には、応答速度が速くなる積層型圧電アクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】積層型圧電アクチュエータ素子１は、上面に２つの導体層３Ａ，５Ａをそれぞれ相対向する端部に至るように設けた圧電体層２Ａと、導体層４Ｂを端部に至らないようにその上面に設けた圧電体層２Ｂとを、それぞれ複数枚、交互に備える積層体１３を形成する。そして、積層体１３の導体層３Ａ，５Ａが露出した両端面に設けた１対の外部電極１１，１４を備え、導体層３Ａ，５Ａと、導体層４Ｂとは圧電体層２Ａを挟んで重なる部分を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子に関し、特に、精密工作機器における位置決め、流量制御バルブ、自動車の燃料噴射ノズルの開弁用アクチュエータ、あるいはブレーキ装置などに用いられるアクチュエータ、また、インクジェットプリンタのインク吐出ノズルのアクチュエータなどの各種用途に用いられる積層型圧電アクチュエータ素子に関する。

積層型圧電アクチュエータ素子は、より大きな圧電効果を得るために、複数の圧電体と電極とを交互に積層したものである。この積層型圧電アクチュエータ素子において、素子内の複数の電極、またはユニット間の電極を直列に接続する構成とし、交流電源を入力することにより、素子の応答速度を向上させることが行われている。

例えば、図１３に示すように、内部電極層１１３が、交互に対向する側面に向けて突設するように、内部電極層１１３と圧電体層１１２とを、交互に複数層積層した積層体１１４からなる積層型圧電アクチュエータ素子１１１が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。この積層型圧電アクチュエータ素子１１１では、積層体１１４の対向する側面に一層ごとに内部電極層１１３の端面１１５が露出し、その端面１１５に、積層体１１４の側面に沿って配設された外部電極１１６が接続されている。

また、図１４に示すように、内部電極層１２３が、交互に対向する側面に向けて突設するように、圧電体層１２２と、内部電極層１２３とを、交互に複数層積層した積層体ユニット１２４を、接合部１２５を介して複数個接合して一体化した積層型圧電アクチュエータ素子１２１が知られている（特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。この積層型圧電アクチュエータ素子１２１では、積層体ユニット１２４の対向する側面に一層ごと内部電極層１２３の端面１２６が露出し、その端面１２６に、積層型圧電アクチュエータ素子１２１の側面に沿って配設された外部電極１２７Ａ，１２７Ｂが接続されている。

さらに、図１５に示すように、圧電体層１３２と、内部電極層１３３とを、交互に複数層積層した積層体１３４で構成される積層型圧電アクチュエータ素子１３１が知られている（特許文献６参照）。この積層型圧電アクチュエータ素子１３１では、積層体１３４の両側面に内部電極層１３３の両端面が露出し、内部電極層１３３の１層ごとに、交互に端面に短絡防止のための絶縁層１３５が設けられ、内部電極層１３３の他の露出する端面１３６に、積層体１３４の側面に沿って配設された外部電極１３７が接続されている。

特開２００５−１９１０５０号公報 特開平４−３０９２７４号公報 特開平５−１７５５６５号公報 特開２００４−２７４０３０号公報 特開平４−２７４３７７号公報 特開平３−２０３３８５号公報

しかし、従来の積層型圧電アクチュエータ素子は、複数の圧電体層と、それぞれの圧電体層に電圧を印加して圧電効果を発揮させるために配置される内部電極層とが、交互に複数層積層された構成を有する。この構成では、１の圧電体層と、その圧電体層を挟む内部電極層とで構成される複数の圧電ユニットが、外部電極に並列に接続された構成となっている。ここで、圧電ユニットは、内部電極層に挟まれた圧電体の誘電率とその厚さによって決まる静電容量を有する。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子は、電気的には、複数のコンデンサが並列接続されているものと等価である、と考えられる。そのため、従来の圧電ユニットが並列に接続された積層型圧電アクチュエータ素子では、並列に接続された圧電ユニットの個数だけ、静電容量が加算され、大きい静電容量を有することになる。

ところで、一般に、圧電アクチュエータ素子では、素子が有する静電容量に応じた電荷が、内部電極層に印加される電圧によって十分に充放電されてから圧電現象、すなわち、圧電体層の変位が生じ、電圧印加に対する圧電アクチュエータ素子としての応答が生じる。これは、図１０（ａ）に示すように、電圧を時間ｔ１からｔ３まで印加した場合、電圧の印加に対して、素子の応答は、応答遅れを生じ、立上り期間（ｔ１→ｔ２）、立下り期間（ｔ３→ｔ４）を示す。これは、図１０（ｂ）に示すように、ｔ１からｔ２の期間（充電期間、立上り期間）に、素子への充電が行われる。そして、充電が完了すると、ｔ２からｔ３の期間（変位期間）、電圧Ｐの印加によって素子が圧電変位し、電圧Ｐに印加に対して、素子が応答する。そして、電圧Ｐの印加がｔ３で終了すると、放電が開始され、ｔ３からｔ４までの期間（放電期間、立下り期間）、放電が行われる。この電圧の印加→充電（立上り）→圧電変位（応答）→電圧の印加の終了→放電（立下り）を繰り返すことによって、圧電アクチュエータ素子が動作することになる。

したがって、素子の静電容量が大きいほど充放電時間が長くなり、すなわち、静電容量が大きくなると、圧電アクチュエータ素子の立上り時間および立下り時間が長くなるため、素子が電圧の印加に対して、変位して応答するまでの時間、および電圧の印加の終了後、放電して次の電圧の印加に対して応答するまでの時間が長くなる。そのため、圧電アクチュエータ素子の応答速度が遅くなる。このような場合、応答速度を速くするためには、入力電気量（電荷）を増加させたり、または静電容量を減少させたりすることが必要となる。

これに対して、従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、前記のとおり、並列に接続された圧電ユニットの個数だけ、静電容量が加算され、大きい静電容量を有することになる。そのため、従来の積層型圧電アクチュエータ素子は、大きい静電容量に起因して、応答速度が遅い、という問題があった。また、積層型圧電アクチュエータ素子の変位量拡大、すなわち、積層型圧電アクチュエータ素子を構成する複数の圧電ユニットの電圧の印加による圧電体層の変位を大きくするためには、圧電体層の個数を増加させたり、印加電圧を増加させたり、あるいは圧電体層を薄層してより多数の圧電体層を積層することが必要となる。このような場合にも、従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、静電容量が増加し、素子を充電するのに必要な電荷が多くなり、応答速度が遅くなる。

このような積層型圧電アクチュエータ素子では、前記のとおり、応答速度を早くするために入力電流を増加させることが必要となる。しかし、素子への入力電流を増加させるためには、素子の駆動に用いられる制御回路の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の大容量化、大電流に耐えうる内部電極や外部電極の大型化、アクチュエータと接続された電流印加の為のハーネスの大容量化などを必要とする。静電容量および印加電圧を減少させると、アクチュエータの発生変位量や発生力の低下などの性能低下に繋がる。

そこで、本発明の課題は、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るのに、従来よりも入力電流を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流を印加した場合には応答速度を速くすることができる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る積層型圧電アクチュエータ素子は、上面に２つの第１の導体層をそれぞれ相対向する端部に至るように設けた第１の圧電体層と、第２の導体層を端部に至らないようにその上面に設けた第２の圧電体層とを、それぞれ複数枚、交互に備える積層体と、積層体の第１の導体層が露出した両端面に設けた１対の外部電極とを備え、第１の導体層と、第２の導体層とは第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする。

この積層型圧電アクチュエータ素子では、第１／第２の圧電体層を挟み第１および第２の導体層によってそれぞれ１つのコンデンサが形成される（都合２つのコンデンサが形成される）。これらのコンデンサは、２直列接続されたコンデンサとして働くので、圧電体層の厚みを増やさなくても、積層型圧電アクチュエータ素子の静電容量を小さくできる。これにより、駆動電流が小さくて済むので、積層型圧電アクチュエータ素子の反応速度を向上できる。また、駆動回路の素子などの電流容量が小さくて済むので、駆動回路のコストや部品点数、発熱量を削減できる。それに、前記した２直列接続されたコンデンサとすることで、積層型圧電アクチュエータ素子の耐電圧性を向上させることができる。また、圧電体層の厚みを小さくして、積層型圧電アクチュエータ素子の小型化を図ったり、高集積化して変位を大きくしたりすることができる。

また、請求項２に係る積層型圧電アクチュエータ素子は、請求項１に係る積層型圧電アクチュエータ素子において、第１の圧電体層の上面のうち、一対の第１の圧電体層間に、端部および第１の導体層に至らないように設けた複数の第３の導体層を備え、第２の導体層は複数に分割され、一方の第１の導体層と、第２の導体層とは第２の圧電体層を挟んで重なりを有し、第３の導体層と、第２の導体層とは、第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする。

この積層型圧電アクチュエータ素子では、第１／第２の圧電体層を挟み第１および第２の導体層によってそれぞれ１つのコンデンサが形成され、第１の圧電体層を挟み第２および第３の導体層によって複数のコンデンサが形成される（都合６つ以上のコンデンサが形成される）。これらのコンデンサは、６以上直列接続されたコンデンサとして働くので、圧電体層の厚みを増やさなくても、積層型圧電アクチュエータ素子の静電容量を請求項１に係る発明よりもさらに小さくできる。これにより、駆動電流がさらに小さくて済むので、積層型圧電アクチュエータ素子の反応速度をさらに向上できる。また、駆動回路の素子などの電流容量がさらに小さくて済むので、駆動回路のコストや部品点数、発熱量をさらに削減できる。それに、前記した６以上直列接続されたコンデンサとすることで、積層型圧電アクチュエータ素子の耐電圧性をさらに向上させることができる。また、圧電体層の厚みを小さくして、積層型圧電アクチュエータ素子のさらなる小型化を図ったり、高集積化して変位をさらに大きくしたりすることができる。

そして、請求項３に係る積層型圧電アクチュエータ素子は、請求項１に係る積層型圧電アクチュエータ素子において、第１の圧電体層の上面に端部および第１の導体層に至らないように設けた単一の第３の導体層を備え、一方の第１の導体層と、第２の導体層とは第２の圧電体層を挟んで重なりを有し、第２の導体層は２つに分割され、第３の導体層と、第２の導体層とは、第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする。

この積層型圧電アクチュエータ素子では、第１／第２の圧電体層を挟み第１および第２の導体層によってそれぞれ１つのコンデンサが形成され、第１の圧電体層を挟み第２および第３の導体層によってそれぞれ１つのコンデンサが形成される（都合４つのコンデンサが形成される）。これらのコンデンサは、４直列接続されたコンデンサとして働くので、圧電体層の厚みを増やさなくても、積層型圧電アクチュエータ素子の静電容量を請求項１に係る発明よりもさらに小さくできる。これにより、駆動電流がさらに小さくて済むので、積層型圧電アクチュエータ素子の反応速度をさらに向上できる。また、駆動回路の素子などの電流容量がさらに小さくて済むので、駆動回路のコストや部品点数、発熱量をさらに削減できる。それに、前記した２直列接続されたコンデンサとすることで、積層型圧電アクチュエータ素子の耐電圧性をさらに向上させることができる。また、圧電体層の厚みを小さくして、積層型圧電アクチュエータ素子のさらなる小型化を図ったり、高集積化して変位をさらに大きくしたりすることができる。

また、請求項４に係る積層型圧電アクチュエータ素子は、請求項１に係る積層型圧電アクチュエータ素子において、第１の圧電体層および第２の圧電体層は、圧電定数が３００［ｐｍ／Ｖ］以上の圧電セラミックからなることを特徴とする。

この積層型圧電アクチュエータ素子では、このような圧電定数が３００［ｐｍ／Ｖ］以上の圧電セラミックを第１および第２の圧電体層として用いているので、例えば燃料噴射弁装置において、アクチュエータ素子として十分な変位を得ることができる。

本発明によれば、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るのに、従来よりも入力電流を抑制でき、また、従来と同等の入力電流を印加した場合には、応答速度を速くできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供できる。

本発明による第１実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の構造を模式的に示す縦断面図である。 本発明による第２実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の構造を模式的に示す縦断面図である。 比較例に係る積層型圧電アクチュエータ素子の構造を示す模式的に示す縦断面図である。 （ａ）は、本発明による第１実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の電気的構成を簡略化して示す縦断面図であり、（ｂ）は、この積層型圧電アクチュエータ素子を示す等価回路図である。 （ａ）は、比較例の積層型圧電アクチュエータ素子の電気的構成を簡略化して示す縦断面図であり、（ｂ）は、この積層型圧電アクチュエータ素子を示す等価回路図である。 （ａ）は、実施例の積層型圧電アクチュエータ素子の構成を示す図であり、（ｂ）は、比較例の積層型圧電アクチュエータを示す図である。 実施例および比較例の測定条件および測定結果を示す図である。 実施例および比較例の積層型圧電アクチュエータの駆動条件を示す図である。 積層型圧電アクチュエータの駆動モデルを示すグラフである。 （ａ）は、入力波形を示すグラフであり、（ｂ）は、電圧印加波形と電流波形を示すグラフである。 実効電流と立上り時間との関係を示すグラフである。 印加電圧と立上り時間との関係を示すグラフである。 従来の積層型圧電アクチュエータ素子の構成例を示す図である。 従来の積層型圧電アクチュエータ素子の構成例を示す図である。 従来の積層型圧電アクチュエータ素子の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について、添付した各図を参照し、詳細に説明する。

（第１実施形態の構成）
図１は、本発明による第１実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子１の構造を模式的に示す縦断面図である。この断面は、積層型圧電アクチュエータ素子１の積層方向に切断した面である。なお、積層方向と直角な方向を面方向ということとする。
この積層型圧電アクチュエータ素子１は、圧電体層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，２Ｉと、導体層（３Ａおよび５Ａ），４Ｂ，（３Ｃおよび５Ｃ），４Ｄ，（３Ｅおよび５Ｅ），４Ｆ，（３Ｇおよび５Ｇ），４Ｈ，（３Ｉおよび５Ｉ），４Ｊと、が交互に積層された積層体１３を備えている。
なお、本説明において、要素に付した符号に後置したアルファベット（Ａ〜Ｊ）は、積層体１３において、その要素が属する層を示す。要素を層によって区別しないとき、または、要素を総体として示すときは、層を示すアルファベットを省き、要素の符号の本体部分（数字部分）で、その要素を示す。

圧電体層２Ａは、一端では（図示した断面の略右半分では）、導体層３Ａと導体層４Ｂとの間に挟まれ、他端では（図示した断面の略左半分では）、導体層５Ａと導体層４Ｂとの間に挟まれ、圧電ユニット９Ａを構成している。

以下同様に、圧電体層２Ｂは、導体層４Ｂと導体層３Ｃとの間、および、導体層４Ｂと導体層５Ｃとの間に挟まれ、圧電ユニット９Ｂを構成している。
圧電体層２Ｃは、導体層３Ｃと導体層４Ｄとの間、および、導体層５Ｃと導体層４Ｄとの間に挟まれ、圧電ユニット９Ｃを構成している。
以下、圧電ユニット９Ｄ〜９Ｉについても、前記と同様であるので、説明を省略する。

圧電体層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，２Ｉのそれぞれは、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などを焼結した圧電セラミックによって形成される。
なお、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子１を燃料噴射弁装置で利用する場合は、圧電体層２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，２Ｉ）は、圧電定数が３００［ｐｍ／Ｖ］以上の圧電セラミックからなることが好ましい。このような圧電セラミックを圧電体層２として用いることにより、例えば燃料噴射弁装置において、アクチュエータ素子として十分な変位を得ることができる。

導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉは、積層体１３から一辺が露出して外部接続用電極部を形成し、他辺が積層体１３の中央部に向かうように突設されている。この外部接続用電極部は、銀ペーストなどからなる導電性材料１２によって、外部電極１１に接続されている。
導体層５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉは、積層体１３から一辺が露出して外部接続用電極部を形成し、他辺が積層体１３の中央部に向かうように突設されている。この外部接続用電極部は、銀ペーストなどからなる導電性材料１２によって、外部電極１４に接続されている。
導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉと、導体層５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉとは、それぞれ、略同一平面上に設けられるが、相互に接触するまでは延伸せず、絶縁性などを考慮して決定される所定の間隙がおかれている。

導体層４Ｂ，４Ｄ，４Ｆ，４Ｈ，４Ｊは、導体層３（３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉ），５（５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉ）と互い違いに、また、略面方向に設けられる。導体層４Ｂ，４Ｄ，４Ｆ，４Ｈ，４Ｊは、いずれの導体層３，５と接触することなく、かつ、外部電極１１，１４のいずれにも接触することなく、圧電体層２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，２Ｉ）中に埋設される。つまり、積層体１３において、圧電体層２の中に「浮かんだ」状態となっている。

導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉと、導体層５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉとは、一辺が、それぞれ、同一面上で対向し、他辺が積層体１３の側端から露出して外部接続用電極部が形成される。
この導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉと、導体層５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉとの側端に形成される外部接続用電極部は、それぞれ積層体１３の側面に形成された外部電極１１，１４に、銀ペーストなどの導電性材料１２によって電気的に接続される。

本発明による第１実施形態によれば、例えば次の効果が得られる。
（１）圧電ユニット９Ａにおいて、圧電体層２Ａを挟み導体層３Ａ，４Ｂによって１つのコンデンサが形成され、圧電体層２Ａを挟み導体層５Ａ，４Ｂによってもう１つのコンデンサが形成される（他の圧電ユニット９Ｂ〜９Ｉでも同様）。これらのコンデンサは、直列接続されたコンデンサとして働くので、圧電体層２Ａ〜２Ｉの厚みを増やさなくても、積層型圧電アクチュエータ素子１の静電容量を小さくできる。
（２）これにより、駆動電流が小さくて済むので、積層型圧電アクチュエータ素子１の反応速度を向上できる。また、駆動回路の素子などの電流容量が小さくて済むので、駆動回路のコストや部品点数、発熱量を削減できる。
（３）前記した直列接続されたコンデンサとすることで、積層型圧電アクチュエータ素子１の耐電圧性を向上させることができる。
（４）圧電体層２Ａ〜２Ｉの厚みを小さくして、積層型圧電アクチュエータ素子１の小型化を図ったり、高集積化して変位を大きくしたりすることができる。

（第２実施形態の構成）
図２は、本発明による第２実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子２０の構造を模式的に示す縦断面図である。この断面は、積層型圧電アクチュエータ素子２０の積層方向に切断した面である。
この積層型圧電アクチュエータ素子２０は、圧電体層２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ，２２Ｈ，２２Ｉと、導体層（２３Ａ，２５Ａおよび２６Ａ），（２４Ｂおよび２７Ｂ），（２３Ｃ，２５Ｃおよび２６Ｃ），（２４Ｄおよび２７Ｄ），（２３Ｅ，２５Ｅおよび２６Ｅ），（２４Ｆおよび２７Ｆ），（２３Ｇ，２５Ｇおよび２６Ｇ），（２４Ｈおよび２７Ｈ），（２３Ｉ，２５Ｉおよび２６Ｉ），（２４Ｊおよび２７Ｊ）と、が交互に積層された積層体３３を備えている。

そして、圧電体層２２Ａは、一端では（図示した断面の右方では）、導体層２３Ａと導体層２４Ｂとの間に挟まれ、他端では（図示した断面の左方では）、導体層２５Ａと導体層２７Ｂとの間に挟まれ、中央部では、導体層２６Ａと（導体層２４Ｂおよび導体層２７Ｂ）との間に挟まれ、圧電ユニット２９Ａを構成している。

同様に、圧電体層２２Ｂは、導体層２４Ｂと導体層２３Ｃとの間、導体層２７Ｂと導体層２５Ｃとの間、および、（導体層２４Ｂおよび導体層２７Ｂ）と導体層２６Ｃとの間に挟まれ、圧電ユニット２９Ｂを構成している。
圧電体層２２Ｃは、導体層２３Ｃと導体層２４Ｄとの間、導体層２５Ｃと導体層２７Ｄとの間、および、導体層２６Ｃと（導体層２４Ｄおよび導体層２７Ｄ）との間に挟まれ、圧電ユニット２９Ｃを構成している。
以下、圧電ユニット２９Ｄ〜２９Ｉについても、前記と同様であるので、説明を省略する。

圧電体層２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ，２２Ｈ，２２Ｉのそれぞれは、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛などによって形成される。

導体層２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉは、積層体３３から一辺が露出して外部接続用電極部を形成し、他辺が積層体３３の中央部に向かうように突設されている。この外部接続用電極部は、銀ペーストなどからなる導電性材料３２によって、外部電極３１に接続されている。
導体層２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉは、積層体３３から一辺が露出して外部接続用電極部を形成し、他辺が積層体３３の中央部に向かうように突設されている。この外部接続用電極部は、銀ペーストなどからなる導電性材料３２によって、外部電極３４に接続されている。

導体層２３Ａと導体層２５Ａとの間、導体層２３Ｃと導体層２５Ｃとの間、導体層２３Ｅと導体層２５Ｅとの間、導体層２３Ｇと導体層２５Ｇとの間、導体層２３Ｉと導体層２５Ｉとの間には、それぞれ、いずれの電極とも接触しない導体層２６Ａ，２６Ｃ，２６Ｅ，２６Ｇ，２６Ｉが形成されている。

導体層２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉと、導体層２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉと、導体層２６Ａ，２６Ｃ，２６Ｅ，２６Ｇ，２６Ｉとは、それぞれ、略同一平面上に設けられるが、相互に接触するまでは延伸せず、絶縁性などを考慮して決定される所定の間隙がおかれている。

導体層２４Ｂ，２４Ｄ，２４Ｆ，２４Ｈ，２４Ｊは、導体層２３（２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉ），２５（２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉ）と略平行に、いずれの導体層２３，２５と接触することなく設けられる。さらに、導体層２４Ｂ，２４Ｄ，２４Ｆ，２４Ｈ，２４Ｊは、外部電極３１，３４のいずれにも接触することなく設けられる。つまり、積層体３３において、圧電体層２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ，２２Ｈ，２２Ｉ）の中に「浮かんだ」状態となっている。

同様に、導体層２７Ｂ，２７Ｄ，２７Ｆ，２７Ｈ，２７Ｊは、導体層２３（２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉ），２５（２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉ）と略平行に、いずれの導体層２３，２５と接触することなく設けられる。さらに、導体層２７Ｂ，２７Ｄ，２７Ｆ，２７Ｈ，２７Ｊは、外部電極３１，３４のいずれにも接触することなく設けられる。つまり、積層体３３において、圧電体層２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ，２２Ｈ，２２Ｉ）の中に「浮かんだ」状態となっている。

導体層２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉと、導体層２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉとは、導体層２６Ａ，２６Ｃ，２６Ｅ，２６Ｇ，２６Ｉと向き合う一辺と対向する他辺が、積層体３３から露出して外部接続用電極部を形成している。
導体層２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉと、導体層２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉの側端に形成される外部接続用電極部は、それぞれ積層体３３の側面に形成された外部電極３１，３４に、銀ペーストなどの導電性材料３２によって接続される。

本発明による第２実施形態によれば、例えば次の効果が得られる。
（１）圧電ユニット２９Ａにおいて、圧電体層２２Ａを挟み導体層２３Ａ，２４Ｂによってコンデンサが形成され、圧電体層２２Ａを挟み導体層２４Ｂ，２６Ａによってコンデンサが形成され、圧電体層２２Ａを挟み導体層２６Ａ，２７Ｂによってコンデンサが形成され、圧電体層２２Ａを挟み導体層２７Ｂ，２５Ａによってコンデンサが形成され、都合４つのコンデンサが形成される（他の圧電ユニット２９Ｂ〜２９Ｉでも同様）。これらのコンデンサは、４直列接続されたコンデンサとして働くので、圧電体層２２Ａ〜２２Ｉの厚みを増やさなくても、積層型圧電アクチュエータ素子２０の静電容量をさらに小さくできる。
（２）これにより、駆動電流がさらに小さくて済むので、積層型圧電アクチュエータ素子１の反応速度をさらに向上できる。また、駆動回路の素子などの電流容量がさらに小さくて済むので、駆動回路のコストや部品点数、発熱量をさらに削減できる。
（３）前記した４直列接続されたコンデンサとすることで、積層型圧電アクチュエータ素子１の耐電圧性をさらに向上させることができる。
（４）圧電体層２２Ａ〜２２Ｉの厚みをさらに小さくして、積層型圧電アクチュエータ素子２０のさらなる小型化を図ったり、高集積化して変位をさらに大きくしたりすることができる。

（比較例の構成）
図３は、比較例に係る積層型圧電アクチュエータ素子４０の構造を示す模式的に示す縦断面図である。
比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０は、圧電体層４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ，４２Ｈ，４２Ｉと、導体層４５Ａ，４３Ｂ，４５Ｃ，４３Ｄ，４５Ｅ，４３Ｆ，４５Ｇ，４３Ｈ，４５Ｉ，４３Ｊと、が交互に積層された積層体５３で構成されている。

そして、圧電体層４２Ａは、導体層４５Ａと導体層４３Ｂとの間に挟まれ、圧電ユニット４９Ａを構成している。
同様に、圧電体層４２Ｂは、導体層４３Ｂと導体層４５Ｃとの間に挟まれ、圧電ユニット４９Ｂを構成している。
圧電体層４２Ｃは、導体層４５Ｃと導体層４３Ｄとの間に挟まれ、圧電ユニット４９Ｃを構成している。
以下、圧電ユニット４９Ｄ〜４９Ｉについても、前記と同様であるので、説明を省略する。

圧電体層４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ，４２Ｈ，４２Ｉのそれぞれは、第１実施形態の圧電体層２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，２Ｉ）または第２実施形態の圧電体層２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆ，２２Ｇ，２２Ｈ，２２Ｉ）と同一の材質で形成される。

導体層４５Ａ，４３Ｂ，４５Ｃ，４３Ｄ，４５Ｅ，４３Ｆ，４５Ｇ，４３Ｈ，４５Ｉ，４３Ｊとは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層４２（４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ，４２Ｈ，４２Ｉ）を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層４３（４３Ｂ，４３Ｄ，４３Ｆ，４３Ｈ，４３Ｊ），４５（４５Ａ，４５Ｃ，４５Ｅ，４５Ｇ，４５Ｉ）の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層４５Ａ，４３Ｂ，４５Ｃ，４３Ｄ，４５Ｅ，４３Ｆ，４５Ｇ，４３Ｈ，４５Ｉ，４３Ｊは、積層体５３の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体５３の対向する側面に一層ごとに、導体層４５Ａ，４３Ｂ，４５Ｃ，４３Ｄ，４５Ｅ，４３Ｆ，４５Ｇ，４３Ｈ，４５Ｉ，４３Ｊの側端が露出して外部接続用電極部を形成している。

この導体層４５Ａ，４３Ｂ，４５Ｃ，４３Ｄ，４５Ｅ，４３Ｆ，４５Ｇ，４３Ｈ，４５Ｉの側端に形成される外部接続用電極部は、それぞれ積層体５３の側面に形成された外部電極５１，５４に導電性材料５２によって接続される。

（実施形態と比較例との比較）
図４（ａ）は、本発明による第１実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子１の電気的構成を簡略化して示す縦断面図であり、図４（ｂ）は、この積層型圧電アクチュエータ素子１を示す等価回路図である。
図５（ａ）は、比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０の電気的構成を簡略化して示す縦断面図であり、図５（ｂ）は、この積層型圧電アクチュエータ素子４０を示す等価回路図である。

まず、前提として、図４（ａ）に示すように、導体層３および導体層５で圧電体層２を挟んで形成されるコンデンサについて、キャパシタンスをＣ１、電位差をＶ１とし、導体層４および導体層５で圧電体層２を挟んで形成されるコンデンサについて、キャパシタンスをＣ２、電位差をＶ２とする。ここで、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃｏとする。
また、図４および図５に示すように、図４（ｂ）を流れる電流をＩ直、図５（ｂ）を流れる電流をＩ並としたとき、Ｉ並＝Ｉ直とする。
さらに、図４（ｂ）の回路でコンデンサに印加される電圧をＶ直、図５（ｂ）の回路でコンデンサに印加される電圧をＶ並としたとき、Ｖ直＝２Ｖ並とする。これは、後記するように、同一のキャパシタンスのコンデンサを直列接続して、所定の電圧を印加したとき、それぞれのコンデンサにかかる電圧はその２分の１になる（すなわち、耐圧が２倍になったのと等価である）からである。

図４に示す第１実施形態の等価回路の静電容量Ｃ直は、次式で表すことができる。

（１／Ｃ直） ＝ （１／Ｃ１）＋（１／Ｃ２）

ここで、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃｏとすると、次式を導くことができる。

（１／Ｃ直） ＝ （１／Ｃｏ）＋（１／Ｃｏ）
Ｃ直 ＝ Ｃｏ／２

図５に示す比較例の等価回路の静電容量Ｃ並は、次式で表すことができる。ここで、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃｏとする

Ｃ並＝Ｃｏ＋Ｃｏ＝２Ｃｏ

したがって、コンデンサに蓄えられる電荷Ｑ並は、次式で表すことができる。ここで、ｔ並は、図５（ｂ）の回路におけるコンデンサの充放電時間である。

Ｑ並 ＝ Ｃ並 × Ｖ並 ＝ ２Ｃｏ Ｖ並＝Ｉ並 ｔ並

また、図４の回路においてコンデンサに蓄えられる電荷Ｑ直は、次式で表すことができる。

Ｑ直 ＝ Ｃ直 Ｖ直 ＝ （Ｃｏ／２）×２Ｖ並 ＝ Ｃｏ Ｖ並 ＝ （Ｑ並／２）

また、次式でも表すことができる。ここで、ｔ直は、図４（ｂ）の回路におけるコンデンサの充放電時間である。

Ｑ直 ＝ Ｉ直 ｔ直

したがって、次式が成り立つ。

Ｉ直 ｔ直＝（Ｉ並 ｔ並）／２

よって、Ｉ直＝Ｉ並であるとき、ｔ直＝ｔ並／２である。
したがって、コンデンサを直列に接続した、実施形態１を表す回路（図４（ｂ））のほうが、コンデンサを並列に接続した、比較例を表す回路（図５（ｂ）よりも、応答速度が速いことが分かる。また、電流も少なくて済むので、発熱が少なくて済む。

以下、本発明の実施形態による実施例および比較例に基づいて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。例えば、第２実施形態においては、本願発明の第２の導体層は２つに分割されているが、それ以上に分割されていてもよいし、第３の導体層は単一であるが２つ以上に分割されていてもよい。その際は、第１の導体層と第２の導体層との重なり、あるいは第２の導体層と第３の導体層との重なりによって、直列のコンデンサを形成するようにすればよい。

実施例として、第１実施形態の実施例である図６（ａ）に示す構成の積層型圧電アクチュエータ素子１を用いて、圧電特性を評価した。この積層型圧電アクチュエータ素子１は、図７に示すとおり、ＰＺＴからなる圧電体層と、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる圧電体層を挟む導体層とを、８０層積層し、外部電極１１，１４を設けたものである。この積層型圧電アクチュエータ素子の詳細を図７の実施形態の欄に示す。

これに対して、比較例として、図６（ｂ）の比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０を用いて、圧電特性を評価した。この積層型圧電アクチュエータ素子４０は、図７に示すとおり、ＰＺＴからなる圧電体層と、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる圧電体層を挟む導体層とを、８０層積層し、外部電極５１，５４を設けたものである。この積層型圧電アクチュエータ素子の詳細を図７の比較例の欄に示す。

図８は、実施例および比較例の積層型圧電アクチュエータの駆動条件を示す図であり、図９は、積層型圧電アクチュエータの駆動モデルを示すグラフである。
なお、積層型圧電アクチュエータ素子駆動条件は図８および図９に示すモデルにもとづき、波形を方形波とし、周波数は１Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比は０．２％とした。Ｄｕｔｙ比はＤｕｔｙ比（％）＝実変位での駆動時間／１サイクル時間×１００（％）を表す。

このとき、図８に示す印加電圧および印加電流で積層型圧電アクチュエータ素子を駆動するとともに、静電容量（μＦ）、変位（μｍ）、応答の立上り時間（μｓｅｃ）を測定した。結果を図７に示す。応答の立上り時間（μｓｅｃ）は、印加電圧を０Ｖから２５０Ｖまたは１２５Ｖに、あるいは２５０Ｖまたは１２５Ｖから０Ｖに変えたときに、印加電圧が２５０Ｖ、１２５Ｖ、０Ｖになるまでの時間を測定することで得られる。

次に、実施例および比較例の積層型圧電アクチュエータ素子１，４０について、印加電圧および印加電流を加えて、積層型圧電アクチュエータ素子の実効電流に対する立上り時間を測定した。その結果を図１１に示す。

この図１１に示す結果から、同一の実効電流であるとき、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子１（実施例）は、立上り時間が比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０に比べて短く、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子１が、応答特性に優れ、応答速度が速いことが分かる。

次に、実施例および比較例の積層型圧電アクチュエータ素子１，４０について、印加電圧および印加電流を加えて、積層型圧電アクチュエータ素子の印加電圧に対する立上り時間を測定した。その結果を図１２に示す。なお、前記したとおり、実施例および比較例の積層型圧電アクチュエータ素子１，４０では構成が異なることから、実施例の積層型圧電アクチュエータ素子１の印加電圧を、比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０の印加電圧の２倍として比較した。

この図１２に示す結果から、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子１（実施例）は、立上り時間が比較例の積層型圧電アクチュエータ素子４０に比べて短く、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子１が、応答特性に優れ、応答速度が速いことが分かる。

１ 積層型圧電アクチュエータ素子（第１実施形態）
２Ａ，２Ｃ，２Ｅ，２Ｇ，２Ｉ 圧電体層（第１の圧電体層）
２Ｂ，２Ｄ，２Ｆ，２Ｈ 圧電体層（第２の圧電体層）
３Ａ，３Ｃ，３Ｅ，３Ｇ，３Ｉ 導体層（第１の導体層）
４Ｂ，４Ｄ，４Ｆ，４Ｈ，４Ｊ 導体層（第２の導体層）
５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇ，５Ｉ 導体層（第１の導体層）
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ，９Ｇ，９Ｈ，９Ｉ 圧電ユニット
１１ 外部電極
１２ 導電性材料
１３ 積層体
１４ 外部電極
２０ 積層型圧電アクチュエータ素子（第２実施形態）
２２Ａ，２２Ｃ，２２Ｅ，２２Ｇ，２２Ｉ 圧電体層（第１の圧電体層）
２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｆ，２２Ｈ 圧電体層（第２の圧電体層）
２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇ，２３Ｉ 導体層（第１の導体層）
２４Ｂ，２４Ｄ，２４Ｆ，２４Ｈ，２４Ｊ 導体層（第２の導体層）
２５Ａ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｇ，２５Ｉ 導体層（第１の導体層）
２６Ａ，２６Ｃ，２６Ｅ，２６Ｇ，２６Ｉ 導体層（第３の導体層）
２７Ｂ，２７Ｄ，２７Ｆ，２７Ｈ，２７Ｊ 導体層（第２の導体層）
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ，２９Ｄ，２９Ｅ，２９Ｆ，２９Ｇ，２９Ｈ，２９Ｉ 圧電ユニット
３１ 外部電極
３２ 導電性材料
３３ 積層体
３４ 外部電極
４０ 積層型圧電アクチュエータ素子（比較例）
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ，４２Ｈ，４２Ｉ 圧電体層
４３，４３Ｂ，４３Ｄ，４３Ｆ，４３Ｈ，４３Ｊ 導体層
４５Ａ，４５Ｃ，４５Ｅ，４５Ｇ，４５Ｉ 導体層
４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ，４９Ｄ，４９Ｅ，４９Ｆ，４９Ｇ，４９Ｈ，４９Ｉ 圧電ユニット
５１ 外部電極
５２ 導電性材料
５３ 積層体

Claims (4)

1. 上面に２つの第１の導体層をそれぞれ相対向する端部に至るように設けた第１の圧電体層と、第２の導体層を端部に至らないようにその上面に設けた第２の圧電体層とを、それぞれ複数枚、交互に備える積層体と、前記積層体の前記第１の導体層が露出した両端面に設けた１対の外部電極とを備え、前記第１の導体層と、前記第２の導体層とは前記第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
2. 前記第１の圧電体層の上面のうち、一対の第１の圧電体層間に、前記端部および前記第１の導体層に至らないように設けた複数の第３の導体層を備え、前記第２の導体層は複数に分割され、一方の前記第１の導体層と、前記第２の導体層とは前記第２の圧電体層を挟んで重なりを有し、前記第３の導体層と、前記第２の導体層とは、前記第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。
3. 前記第１の圧電体層の上面に前記端部および前記第１の導体層に至らないように設けた単一の第３の導体層を備え、一方の前記第１の導体層と、前記第２の導体層とは前記第２の圧電体層を挟んで重なりを有し、前記第２の導体層は２つに分割され、前記第３の導体層と、前記第２の導体層とは、前記第２の圧電体層を挟んで重なる部分を有することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。
4. 前記第１の圧電体層および第２の圧電体層は、圧電定数が３００［ｐｍ／Ｖ］以上の圧電セラミックからなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。

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