JP2018107251A - Piezoelectric element and piezoelectric actuator including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、例えば、音響変換器、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに用いられる圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータに関するものである。 The present disclosure relates to a piezoelectric element used for, for example, an acoustic transducer, precise positioning for correcting displacement of a magnetic head, shutter driving of a camera, needle selection driving of a knitting machine or a loom, or a relay switch, and a piezoelectric actuator including the piezoelectric element. It is about.
薄板状の金属板(シム板)に圧電素子を貼り合わせた圧電アクチュエータが、例えば、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに広く用いられている。 Piezoelectric actuators with a piezoelectric element bonded to a thin metal plate (shim plate), for example, precise positioning to correct magnetic head displacement, camera shutter drive, knitting machine or loom needle selection drive or relay switch, etc. Widely used in
ここで、金属板として例えば17〜18×106psiの縦弾性係数を有するCu−Sn−Fe系合金板を用いることで、圧電アクチュエータの変位量や耐寿命を向上できることが知られている(例えば特許文献1を参照)。 Here, it is known that the displacement amount and lifetime of the piezoelectric actuator can be improved by using a Cu—Sn—Fe based alloy plate having a longitudinal elastic modulus of, for example, 17 to 18 × 10 6 psi as the metal plate ( For example, see Patent Document 1).
近年、圧電アクチュエータではより高い発生力や変位量を満足するために、高電圧で駆動する場合がある。しかしながら、圧電アクチュエータを高電圧で駆動すると、高電圧による圧電素子の破壊が発生する場合があった。 In recent years, piezoelectric actuators are sometimes driven at a high voltage in order to satisfy higher generated force and displacement. However, when the piezoelectric actuator is driven at a high voltage, the piezoelectric element may be broken by the high voltage.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高電圧駆動における破壊を抑制できる圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element that can suppress breakage during high-voltage driving and a piezoelectric actuator including the piezoelectric element.
本開示の圧電素子は、板状の圧電体または、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、前記圧電体または前記積層体の主面に設けられた表面電極とを備え、前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする。 A piezoelectric element of the present disclosure includes a plate-like piezoelectric body or a plate-like laminate in which a piezoelectric body and an internal electrode are laminated, and a surface electrode provided on the main surface of the piezoelectric body or the laminate. The surface electrode has a grid-like convex part or a grid-like concave part.
また本開示の圧電アクチュエータは、上記圧電素子と、該圧電素子の前記主面が接合されたシム板とを備えていることを特徴とする。 A piezoelectric actuator according to the present disclosure includes the piezoelectric element and a shim plate to which the main surface of the piezoelectric element is bonded.
本開示の圧電素子によれば、高電圧駆動における圧電素子の破壊を抑制できる。また本開示の圧電アクチュエータによれば、高電圧駆動における破壊を抑制された圧電素子を用いるため、より高電圧にて駆動させることができて発生力や変位量を向上できる。 According to the piezoelectric element of the present disclosure, it is possible to suppress the breakdown of the piezoelectric element during high voltage driving. Further, according to the piezoelectric actuator of the present disclosure, since the piezoelectric element in which the breakdown in the high voltage driving is suppressed is used, the piezoelectric actuator can be driven at a higher voltage and the generated force and the displacement amount can be improved.
以下、添付図面を参照して、圧電素子の実施形態の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an example of an embodiment of a piezoelectric element will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
図1は圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図2(a)は図1に示す圧電素子の一部の平面図、図2(b)は図1に示すii−ii線で切断した断面図である。また、図3は圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図であり、図4(a)は図3に示す圧電素子の一部の平面図、図4(b)は図3に示す圧電素子の長手方向から見た側面図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of a piezoelectric element, FIG. 2 (a) is a plan view of a part of the piezoelectric element shown in FIG. 1, and FIG. 2 (b) is an ii-ii shown in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by the line. 3 is a schematic perspective view showing another example of the embodiment of the piezoelectric element, FIG. 4A is a plan view of a part of the piezoelectric element shown in FIG. 3, and FIG. 4B is FIG. It is the side view seen from the longitudinal direction of the piezoelectric element shown.
図1および図2に示す圧電素子1は、板状の圧電体11と、圧電体11の主面に設けられた表面電極12とを備え、表面電極12は、格子状の凸部121を有している。
The
また、図3および図4に示す圧電素子1は、板状の圧電体11と、圧電体11の主面に設けられた表面電極13とを備え、表面電極13は、格子状の凹部131を有している。
The
圧電体11は、圧電特性を有するセラミックスで設けられたものである。このようなセラミックスとして、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、Bi層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、従来から用いられている圧電セラミックスを用いることができる。
The
圧電体11の形状は、図1乃至図4に示す例では長方形板状(直方体状)である。この圧電体11の形状は、特に制限はなく、長方形以外の多角形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。圧電体11の寸法は、例えば、長さを20mm〜45mm、幅を5mm〜10mm、厚みを0.01mm〜3.0mmとすることができる。
The shape of the
また、表面電極12および表面電極13は、圧電体11に駆動電圧を印加するものであり、圧電体11の一方主面(上側主面)および他方主面(下側主面)の両主面にそれぞれ設けられている。ここでいう主面とは、他の面よりも大きな面積の面のことを意味する。
Further, the
表面電極12および表面電極13は、例えば圧電体11に焼き付けて形成することができる。表面電極12の材料としては、例えば低温焼成が可能な銀、銀−パラジウム合金を主成分とする導体、ニッケル、銅、白金などを含む導体を用いることができる。また、これらの導体材料に加えて、セラミック成分やガラス成分を含有していてもよい。
The
そして、図1および図2に示す表面電極12は、格子状の凸部121を有している。表面電極12には、縦横の並びに配列された凹部122が設けられており、凹部122以外の部分が格子状の凸部121とされている。すなわち、格子状の凸部121は相対的に厚みの厚い部分であり、凹部122は相対的に厚みの薄い部分である。
The
一方、図3および図4に示す表面電極13は、格子状の凹部131を有している。表面電極13には、縦横の並びに配列された凸部132が設けられており、凸部132以外の部分が格子状の凹部131とされている。すなわち、格子状の凹部131は相対的に厚みの薄い部分であり、凸部132は相対的に厚みの厚い部分である。
On the other hand, the
図1および図2に示す形態のように表面電極12が格子状の凸部121を有すること、
また図3および図4に示す形態のように表面電極13が格子状の凹部131有することで、相対的に厚みの厚い部分と厚みの薄い部分とを規則的に有することとなる。この形状効果により、相対的に厚みの厚い部分に対向する圧電体11の表面付近に圧縮応力が加わる。
The
Further, as the
詳しくは、表面電極12、13が焼きつけにより形成されて冷却されると収縮し、この表面電極12、13の収縮により圧電体11の表面付近に圧縮応力が生じる。そして、圧電体11にかかる圧縮応力は、表面電極12、13の厚みが厚いほど大きくなる。そこで、相対的に厚みの厚い部分に対向する圧電体11の表面付近に圧縮応力が加わるようになる。
Specifically, when the
表面電極12、13の形状効果による圧電体11にかかる圧縮応力が、圧電体11の主面に平行な方向に沿って規則的に生じる。このため、圧電体11へのクラックの発生および伸展が抑制され、圧電素子1の高電圧駆動における破壊を抑制することができる。
Compressive stress applied to the
なお、表面電極12、13の全体の厚みを厚くすると圧電体11の全域に圧縮応力がかかるものの、このように全体の厚みを厚くすると、屈曲振動の妨げになってしまう。そこで、上述のように格子状の凸部121または格子状の凹部131を有することにより、圧電素子1の屈曲性を維持しつつ、圧電体11へのクラックの発生および伸展を抑制することができる。
If the entire thickness of the
また、図1および図2に示す凹部122、図3および図4に示す凸部132の一つ一つの大きさは異なっても構わないが、ほぼ均一であるのがよい。また、図1および図2に示す格子状の凸部121、図3および図4に示す格子状の凹部131においては、平面視長方形状の圧電体11の長手方向に延びる複数の線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しく、またこれに垂直に交わる短手方向に延びる線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しい格子になっているのがよい。
The size of each of the
このような構成とすることで、圧電体11の圧縮応力がかかる領域が圧電体11の全域に一様に分散されるため、クラックの発生位置によらずクラックの進展を抑制でき、より圧電素子1の破壊を抑制できる。
By adopting such a configuration, the region where the compressive stress is applied to the
ここで、縦横の並びに配列された凹部122の形状としては、図1および図2に示すような平面視四角形状の他、三角形、五角形以上の多角形や円形などを採用することもできる。同様に、縦横の並びに配列された凸部132の形状としては、図3および図4に示すような平面視四角形状の他、三角形、五角形以上の多角形や円形などを採用することもできる。
Here, as the shape of the concave and
また、表面電極12、13の最大厚み(圧電体11の主面から最も離れた面までの距離)は、例えば2〜30μmに設定される。
Further, the maximum thickness of the
また、格子状の凸部121の幅w1、格子状の凹部131の幅w2としては、例えば0.01mm〜0.20mmに設定される。
Also, the width w1 of the grid-like
また、縦横の並びに配列された凹部122の幅については、圧電体11の長手方向と幅方向のそれぞれの方向に対して、例えば0.01mm〜0.20mmに設定される。同様に、縦横の並びに配列された凸部132の幅についても、圧電体11の長手方向と幅方向のそれぞれの方向に対して、例えば0.01mm〜0.20mmに設定される。
In addition, the width of the concave and
また、格子状の凸部121と凹部122との厚み差t1(格子状の凸部121を基準面
としたときの凹部122の深さ)は、例えば1〜10μmに設定される。同様に、格子状の凹部131と凸部132との厚み差t2(格子状の凹部131を基準面としたときの凸部132の高さ)は、例えば1〜10μmに設定される。
Further, a thickness difference t1 between the grid-like
また、凹部122または凸部132が0.1mm角の平面視四角形状とした場合において、表面電極12または表面電極13において幅方向に50列、長さ方向に200列設けることができる。
Further, in the case where the
なお、図1および図2に示す凹部122、図3および図4に示す凸部132の一つ一つの大きさは異なっても構わないが、ほぼ均一であるのがよい。また、図1および図2に示す格子状の凸部121、図3および図4に示す格子状の凹部131においては、平面視長方形状の圧電体11の長手方向に延びる複数の線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しく、またこれに垂直に交わる短手方向に延びる線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しい格子になっているが、このような構成であるのがよい。
The sizes of the
このような構成とすることで、圧電体11の圧縮応力がかかる領域が圧電体11の全域に一様に分散されるため、クラックの発生位置によらずクラックの進展を抑制でき、より圧電素子1の破壊を抑制できる。
By adopting such a configuration, the region where the compressive stress is applied to the
また、格子状の凸部121または格子状の凹部131における角部が曲面になっている構成とすることもできる。図5は、図3および図4に示す格子状の凹部131における角部が曲面になっている例を示している。ここでいう角部とは、開口部側の稜部、底面側の稜部の両方のことを意味している。
Alternatively, the corners of the lattice-shaped
このような構成とすることで、圧電素子1が変位した場合に、表面電極12、13の角部に生じる応力を分散し、表面電極12、13へのクラックの発生を抑制できる。
With such a configuration, when the
さらに、図示していないが、図1乃至図4に示す圧電体11に代えて、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体としてもよい。すなわち、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、積層体の主面に設けられた表面電極とを備え、表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有している構成としてもよい。
Further, although not shown, a plate-like laminated body in which a piezoelectric body and internal electrodes are laminated may be used instead of the
この場合の積層体を構成する圧電体の1層の厚みは、低電圧で駆動させるために、例えば0.01〜0.1mmに設定することができる。積層数としては、例えば2〜300層とすることができる。また、大きな屈曲振動を得るために、200pm/V以上の圧電定数d31を有することができる。 In this case, the thickness of one layer of the piezoelectric body constituting the laminated body can be set to, for example, 0.01 to 0.1 mm in order to drive with a low voltage. The number of stacked layers can be, for example, 2 to 300 layers. Moreover, in order to obtain a large flexural vibration, it can have a piezoelectric constant d31 of 200 pm / V or more.
また、積層体を構成する内部電極は、圧電体と交互に積層されて、積層順に異なる極の内部電極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体に駆動電圧を印加するものである。内部電極を構成する材料としては、種々の金属材料を用いることができる。例えば、低温焼成が可能な銀や銀−パラジウムを主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができるが、これらにセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。なお、銀とパラジウムとからなる金属成分と、圧電体層を構成するセラミック成分とを含有した材料で内部電極層を構成した場合、圧電体層と内部電極層との焼成時の収縮差による応力を低減することができるので、積層不良のない圧電素子を得ることができる。 In addition, the internal electrodes constituting the laminated body are alternately laminated with piezoelectric bodies, and internal electrodes with different poles are arranged in the order of lamination so that a driving voltage is applied to the piezoelectric bodies sandwiched between them. It is. As a material constituting the internal electrode, various metal materials can be used. For example, a conductor containing silver or silver-palladium as a main component that can be fired at a low temperature, or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used. However, a ceramic component or a glass component may be contained therein. When the internal electrode layer is made of a material containing a metal component composed of silver and palladium and a ceramic component that constitutes the piezoelectric layer, the stress due to the shrinkage difference during firing between the piezoelectric layer and the internal electrode layer Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric element free from stacking faults.
積層体の構成としては、ユニモルフ型、バイモルフ型いずれでも構わない。 The structure of the laminate may be either a unimorph type or a bimorph type.
なお、図示していないが、圧電素子1に電気信号を入力する配線部材としては、導線の
外周を絶縁被膜で被覆したリード線、フレキシブル基板(FPC)などを用いることができる。
Although not shown, as a wiring member for inputting an electrical signal to the
次に、本実施形態の圧電素子1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、圧電材料の原料粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。 First, a binder, a dispersant, a plasticizer, and a solvent are kneaded with the raw material powder of the piezoelectric material to produce a slurry. As the piezoelectric material, any of lead-based and non-lead-based materials can be used.
次に、得られたスラリーをシート状に成形してグリーンシート(成形体)を得る。なお積層体を作製する場合は、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを例えば4枚積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。この後、これらの成形体または積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットした後、必要に応じて外周部を加工することにより圧電体または積層体を得ることができる。 Next, the obtained slurry is formed into a sheet shape to obtain a green sheet (molded body). When producing a laminate, an internal electrode paste is printed on this green sheet to form an internal electrode pattern, and, for example, four green sheets on which this electrode pattern is formed are stacked, and only the green sheet is the uppermost layer. Lamination is performed to produce a laminated molded body. Thereafter, the molded body or laminated molded body is degreased and fired, cut into a predetermined size, and then processed into an outer peripheral portion as necessary to obtain a piezoelectric body or laminated body.
その後、圧電体または積層体の主面の所定範囲全体に表面電極のペーストをスクリーン印刷等で印刷し乾燥した後、所定位置が凸部となるマスクを設けた製版を用いて再度表面電極のペーストを重ねて印刷した後、所定の温度で焼付けを行う。なお、積層体の場合は表面電極のペーストを印刷した後、積層体の例えば長手方向の両側面に内部電極と電気的に接続される外部電極のペーストを印刷し、焼付けを行えばよい。 After that, after the surface electrode paste is printed by screen printing or the like over the entire predetermined range of the main surface of the piezoelectric body or the laminate, and then dried, the surface electrode paste is again used with a plate making provided with a mask having a convex portion at a predetermined position. After being printed, the images are baked at a predetermined temperature. In the case of a laminate, after printing the surface electrode paste, the paste of the external electrode that is electrically connected to the internal electrodes may be printed on both sides of the laminate, for example, in the longitudinal direction, and baked.
また、表面電極に所定形状を設けるには上記の方法以外に、例えば主面の所定範囲全体に表面電極のペーストをスクリーン印刷等で印刷し焼付けた後、レジストを所定形状に印刷しエッチング法により形成する方法や、例えば所定形状となるメッシュで構成した製版を用い、表面電極ペーストの粘度を調整して印刷する方法を用いることもできる。 In addition to the above-described method, the surface electrode is provided with a predetermined shape by, for example, printing the surface electrode paste over the entire predetermined area of the main surface by screen printing or the like, and then printing the resist in a predetermined shape by an etching method. It is also possible to use a method of forming and a method of printing by adjusting the viscosity of the surface electrode paste using a plate making composed of a mesh having a predetermined shape, for example.
この後、圧電素子に圧電性を付与するために表面電極または外部電極を通じて直流電圧を印加して、圧電体の分極を行うことで、所望の圧電素子1が得られる。
Thereafter, in order to impart piezoelectricity to the piezoelectric element, a desired
次に、圧電アクチュエータ10の実施形態の一例を説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
Next, an example of an embodiment of the
図6は、本実施形態の圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図である。図6に示す圧電アクチュエータ10は、圧電素子1と、圧電素子1の主面が接合されたシム板2と、圧電素子1とシム板2とを接合する接着剤3とを備えている。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an example of the piezoelectric actuator of the present embodiment. A
圧電素子1は、上述したとおり、圧電体11または積層体(図示せず)の両主面に表面電極12、13を備え、この表面電極12が格子状の凸部121または格子状の凹部131を有している構成のものである。なお、図では表面電極12を有している構成を示している。
As described above, the
シム板2は、圧電素子1の一方主面に接着剤3で接合されている。言い換えれば、圧電素子1とシム板2とを接合するために、これらの間に接着剤3が介在されている。
The shim plate 2 is bonded to one main surface of the
シム板2の材質としては、例えば42アロイ、黄銅、ステンレスなどの金属や、カーボンファイバー強化エポキシ樹脂、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などが挙げられる。 Examples of the material of the shim plate 2 include metals such as 42 alloy, brass, and stainless steel, carbon fiber reinforced epoxy resin, and glass fiber reinforced epoxy resin.
また、シム板2の寸法は、例えば、長さが20mm〜50mm、幅が5mm〜12mm、厚みが0.05mm〜3.0mmとすることができる。 The dimensions of the shim plate 2 can be, for example, 20 mm to 50 mm in length, 5 mm to 12 mm in width, and 0.05 mm to 3.0 mm in thickness.
シム板2は、圧電素子2より幅および長さの少なくともいずれか一方を大きくすることができる。このとき、シム板2は、圧電素子1の長手方向の両端からはみ出しているか、または圧電素子2の幅方向の両端からはみ出していてもよい。また、図6に示すように、シム板2は圧電素子1の長さ方向および幅方向の両方向にはみ出していてもよい。さらに、シム板2の圧電素子1からのはみ出し長さは、圧電素子1の長手方向および幅方向のそれぞれにおいて同じ長さであっても、圧電素子1の長手方向と幅方向とで異なっていてもよい。
The shim plate 2 can be larger in width and length than the piezoelectric element 2. At this time, the shim plate 2 may protrude from both ends in the longitudinal direction of the
シム板2の圧電素子1からはみ出した部分は、圧電アクチュエータ10の取付部として用いることができる。また、シム板2は、圧電素子1への電圧印加のためにリード線等を接続する端子電極として用いることもできる。シム板2の寸法は、圧電アクチュエータ1の取付けやリード線等の接続のしやすさにより設定すればよい。
The portion of the shim plate 2 that protrudes from the
接着剤3としては、例えば紫外線硬化型接着剤を用いることができ、エポキシ系、アクリレート系、ポリエステル系など通常使用される接着剤を用いることができる。紫外線硬化型接着剤が嫌気硬化性を有するものであれば、より硬化する領域を大きくすることができる。 As the adhesive 3, for example, an ultraviolet curable adhesive can be used, and usually used adhesives such as epoxy, acrylate, and polyester can be used. If the ultraviolet curable adhesive has anaerobic curability, the area to be cured can be increased.
そして、圧電素子1に電圧が印加されることで圧電素子1の圧電体11が伸縮する。伸縮する圧電素子1と伸縮しないシム板2とが貼り合わされていることで、圧電アクチュエータ10は屈曲する。このときの圧電素子1はユニモルフ型である。また、圧電素子1が積層体を備える場合は、圧電素子1をバイモルフ型とすることもできる。この場合は、圧電素子1自身が屈曲し、シム板2とともに圧電アクチュエータ10としても屈曲する。
Then, when a voltage is applied to the
このような構造の圧電アクチュエータ10は、屈曲の大きさが変位量となり、厚み方向に屈曲変位する機能を各種デバイスで応用されている。
In the
ここで、発生力や変位量を向上させるために高電圧で駆動すると、圧電素子1が破壊するおそれがあるのに対し、本実施形態の圧電アクチュエータ10によれば、圧電体11または積層体の主面に設けた表面電極12、13に格子状の凸部121または格子状の凹部131を有しているので、圧電素子の破壊が抑制されている。したがって、より高電圧駆動で発生力や変位量を向上した圧電アクチュエータ10を得ることができる。
Here, when driving at a high voltage in order to improve the generated force and displacement, the
また、表面電極12、13に格子状の凸部121または格子状の凹部131を有していることにより、接着剤3との接合面積が増加するため、圧電素子1とシム板2の接合強度が高く、長期間の高電圧駆動においても圧電素子1とシム板2との剥離が抑制される。
Further, since the
なお、圧電アクチュエータ10としてシム板2の片面に1つの圧電素子1が接合されている例を示しているが、圧電アクチュエータ10はシム板2を挟んでシム板2の両面にそれぞれ圧電素子1を接合したものであってもよい。
Although an example in which one
1 圧電素子
11 圧電体
12,13 表面電極
121 格子状の凸部
122 凹部
131 格子状の凹部
132 凸部
2 シム板
3 接着剤
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする圧電素子。 A plate-like piezoelectric body, and a surface electrode provided on the main surface of the piezoelectric body,
The surface electrode has a lattice-shaped convex portion or a lattice-shaped concave portion.
前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする圧電素子。 A plate-like laminate in which a piezoelectric body and internal electrodes are laminated, and a surface electrode provided on the main surface of the laminate,
The surface electrode has a lattice-shaped convex portion or a lattice-shaped concave portion.
A piezoelectric actuator comprising: the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3; and a shim plate to which the main surface of the piezoelectric element is bonded.
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