JP2020047724A - 圧電アクチュエータ及びバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせ得る構成を、簡易に実現する。【解決手段】圧電アクチュエータは、シム板４０上に第１圧電素子１０が配置され、第１圧電素子１０上に第２圧電素子２０が配置された構成をなす。第１圧電素子１０は、第１電極１４側が第１極性とされ、第２電極１６側が第２極性とされており、第２圧電素子２０は、第３電極２４側が第２極性とされ、第４電極２６側が第１極性とされている。第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０において、第２電極１６と第３電極２４とが互いに接合され、且つ、互いに電気的に接続されており、シム板４０の一方の主面４１に第１電極１４が接合されている。【選択図】図３

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及びバルブに関するものである。

従来、圧電材料を利用した屈曲型の圧電アクチュエータが知られている。この種の圧電アクチュエータには、ユニモルフ型とバイモルフ型とがあり、ユニモルフ型は、シム板の一方面側のみに圧電素子を配置した構成をなし、バイモルフ型は、シム板の両面に圧電素子をそれぞれ配置した構成をなす。

特開平１０−２２５１４６号公報 特開２００４−３４９３０５号公報

ユニモルフ型の圧電アクチュエータは、例えば図１２のような構成をなす。図１２の圧電アクチュエータ１８０は、シム板１８１上に分極処理が施された圧電素子１８２が積層され、圧電体１８３の両側に一対の電極１８４，１８５が配置された構成をなす。この圧電アクチュエータ１８０は、一対のリード線を介して電極１８４，１８５間に電圧を印加すると、圧電体１８３が板面方向に伸長又は収縮し、圧電アクチュエータ１８０全体が屈曲するように変位するものである。しかし、図１２のような一般的なユニモルフ型では、大きな変位や大きな力を得るために高い印加電圧が必要となる。

これに対し、バイモルフ型の圧電アクチュエータは、例えば図１３のような構成をなす。図１３の圧電アクチュエータ１９０は、シム板１９１の両側に分極処理が施された圧電素子１９２，１９６が積層されている。そして、一方の圧電素子１９２は、圧電体１９３の両側に一対の電極１９４，１９５が配置され、他方の圧電素子１９６は、圧電体１９７の両側に一対の電極１９８，１９９が配置されている。この圧電アクチュエータ１９０は、リード線を介して一対の電極１９４，１９５及び一対の電極１９８，１９９に電圧を印加すると、圧電素子１９２，１９６の一方が伸長し、他方が収縮するように動作する。このような作用が生じるため、図１２のような一般的なユニモルフ型と比較すると、低い印加電圧であっても、より大きな変位又はより大きな力を得やすくなる。しかし、図１３のような一般的なバイモルフ型は、構造上、一方の圧電素子において圧電体の分極方向とは逆極性の電圧を印加する必要があるため、逆分極に起因する消極が生じる虞がある。

一方、特許文献１には、シム板（シム材）の片面側に圧電素子（圧電セラミック層）が積層された積層型の圧電アクチュエータが開示されている。また、特許文献２には、シム板（シム層）の両側に圧電素子が積層され、二つの圧電素子に発生する歪みが互いに逆になるような電圧印加により屈曲変位を生じさせる積層型の圧電アクチュエータが開示されている。しかし、これらの積層型の圧電アクチュエータは、構造が複雑化する割には、それに見合う電圧低減効果が得られない虞がある。

本発明は、上述した課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、シム板と圧電素子を備えてなる圧電アクチュエータ又はバルブにおいて、より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせ得る構成を簡易に実現することを目的とするものである。

本発明の一つである圧電アクチュエータは、
電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
弾性を有するシム板と、
第１圧電体と、前記第１圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに第１極性とされる第１電極と、前記第１圧電体における厚さ方向他方側の面に配置されるとともに第２極性とされる第２電極と、を有し、前記シム板上に配置される第１圧電素子と、
第２圧電体と、前記第２圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに前記第２極性とされる第３電極と、前記第２圧電体の厚さ方向他方側の面に配置されるとともに前記第１極性とされる第４電極と、を有し、前記第１圧電素子上に配置される第２圧電素子と、
前記第１電極及び前記第４電極に電気的に接続される第１配線部と、
前記第２電極及び前記第３電極に電気的に接続される第２配線部と、
を備え、
前記シム板の一方の主面に前記第１電極が接合され、
前記第２電極と前記第３電極とが互いに接合され、且つ、互いに電気的に接続されている。

上記の圧電アクチュエータは、シム板上に第１圧電素子が配置され、第１圧電素子上に第２圧電素子が配置された構成をなす。そして、第１圧電素子は、第１電極側が第１極性とされ、第２電極側が第２極性とされた分極構造をなし、第２圧電素子は、第３電極側が第２極性とされ、第４電極側が第１極性とされた分極構造をなす。更に、第１圧電素子及び第２圧電素子において、第２電極と第３電極とが互いに接合され、且つ、互いに電気的に接続されており、シム板の一方の主面に第１電極が接合されている。
このような構成をなすため、第１配線部と第２配線部との間に電圧が印加されれば、シム板の一方の主面側に配置された第１圧電素子及び第２圧電素子の両方において同種の特性で伸縮する作用を生じさせることができる。よって、図１２のような一般的なユニモルフ型の圧電アクチュエータ（単一の圧電素子のみをシム板上に配置した構成）と比較すると、より低い印加電圧で、より大きな屈曲変位を生じさせることができる。
しかも、上記の圧電アクチュエータは、特許文献１のような積層型の構造と比較すると、「分極処理が施された２つの圧電素子の片側の電極を互いに接合し、一方の圧電素子の電極をシム板に接合する」という簡易な構成で、「より低い印加電圧でより大きな変位又は力を生じさせる」という効果を確実に得ることができ、コストを低減する上でも有利になる。

上記の圧電アクチュエータは、ユニモルフ型の積層構造をなしていてもよい。
この構成によれば、シム板の反対側主面（第１圧電素子及び第２圧電素子が積層された側とは反対側の主面）に圧電素子を接合せずに一層の簡易化を図りつつ、「より低い印加電圧でより大きな変位又は力を生じさせる」という効果を確実に得ることができる。
また、図１３のような一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータ（シム板の一方面側に第１圧電素子が配置され、他方面側に第２圧電素子が配置される構成）と比較すると、第２圧電素子において逆分極による消極を生じさせずに、第２圧電素子によって屈曲効果を高めることができる。

上記の圧電アクチュエータは、第３圧電体と、第３圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに第１極性とされる第５電極と、第３圧電体における厚さ方向他方側の面に配置されるとともに第２極性とされる第６電極と、を有する第３圧電素子を備えていてもよい。そして、上記の圧電アクチュエータは、シム板における一方の主面とは反対の主面に第６電極が接合されたバイモルフ型の積層構造をなしていてもよい。
この構成によれば、シム板、第１圧電素子、及び第２圧電素子などによって「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせ得る構成を、簡易に実現する」という顕著な効果を得つつ、更に、第３圧電素子を付加したバイモルフ型の積層構造により、「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせる」という効果を一層高めることができる。

本発明の一つであるバルブは、流体が流れる流路と、上記の圧電アクチュエータと、上記圧電アクチュエータによって駆動され、上記流路を開閉する弁体と、を有する。
上記バルブは、「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせる」という効果を簡易な構成で確実に得ることができ、コストを低減する上でも有利になる。しかも、上記バルブは、第２圧電素子に消極作用を生じさせずに上記効果を確実に得ることができる。

本発明は、より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせ得る構成を、簡易に実現することができる。

図１は、第１実施形態の圧電アクチュエータの断面構造を概略的に示す断面図である。 図２は、図１の圧電アクチュエータの一部を概略的に示す平面図である。 図３は、図１で示す断面構造の一部を拡大して概略的に示す拡大図である。 図４は、図１の圧電アクチュエータの動作を説明する説明図である。 図５（Ａ）は、図１の圧電アクチュエータを用いたバルブの開状態を例示する説明図であり、図５（Ｂ）は、そのバルブの閉状態を例示する説明図である。 図６は、第１実施形態のアクチュエータ及び比較例についての試験結果を示す図表である。 図７は、第２実施形態の圧電アクチュエータの断面構造を概略的に示す断面図である。 図８は、図７の圧電アクチュエータの一部を概略的に示す底面図である。 図９は、図７で示す断面構造の一部を拡大して概略的に示す拡大図である。 図１０は、図７の圧電アクチュエータの動作を説明する説明図である。 図１１（Ａ）は、図７の圧電アクチュエータを用いたバルブの開状態を例示する説明図であり、図１１（Ｂ）は、そのバルブの閉状態を例示する説明図である。 図１２（Ａ）は、一般的なユニモルフ型の圧電アクチュエータの断面構造を概略的に示す断面図であり、図１２（Ｂ）は、その平面図である。 図１３は、一般的なバイモルフ型の圧電アクチュエータの断面構造を概略的に示す断面図である。

［第１実施形態］
１−１．圧電アクチュエータ１の構成
図１で示す圧電アクチュエータ１は、電圧の印加に応じて屈曲するように変位するユニモルフ型の圧電アクチュエータである。

図１のように、圧電アクチュエータ１は、主に、屈曲変位部３及び配線部５を備える。屈曲変位部３は、配線部５に電圧が印加されたときに屈曲するように変位する部分であり、主に、シム板４０、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０などを備える。配線部５は、導電路として構成される部分であり、主に、第１配線部５１、第２配線部５２、リード線５４などを備える。図１では、屈曲変位部３が長手状且つ板状に構成された圧電アクチュエータ１を例示している。図２のように、屈曲変位部３は、平面視矩形状に構成されている。以下の説明では、屈曲変位部３の厚さ方向（板厚方向）をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向と直交する方向のうち屈曲変位部３の長手方向をＸ軸方向として説明する。そして、Ｚ軸方向及びＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向として説明する。なお、図２では、第１配線部５１、第２配線部５２、リード線５４を省略して示している。

シム板４０は、弾性を有し、図３のように板状の形態をなしており、例えば、ＳＵＳ等の金属材料によって形成されている。以下の説明では、シム板４０の厚さ方向一方側の板面を主面４１とし、厚さ方向他方側の板面を主面４２として説明する。

第１圧電素子１０は、長手状且つ板状の形態をなし、図３のようにシム板４０の主面４１上に配置されている。第１圧電素子１０は、主に、第１圧電体１２、第１電極１４、第２電極１６を備える。

第１圧電体１２は、例えば、ＰＺＴ又はチタン酸バリウムなどを主成分とする圧電セラミック材料によって長板状に構成されている。第１圧電体１２は、厚さ方向に分極しており、厚さ方向に電圧が印加されることに応じて自身の板面方向（厚さ方向と直交する平面方向）に伸縮するアクチュエータとして機能する。

図３のように、第１電極１４は、第１圧電体１２の厚さ方向一方側の面（具体的には、第１圧電体１２におけるシム板４０側の主面）のほぼ全面にわたって設けられ、第１極性とされている。第２電極１６は、第１圧電体１２における厚さ方向他方側の面（具体的には、第１圧電体１２におけるシム板４０とは反対側の主面）のほぼ全面にわたって設けられ、第２極性とされている。つまり、第１圧電素子１０は、第１電極１４側が第１極性となり、第２電極１６側が第２極性となるように分極処理が施されている。図３の例では、第１極性は負の極性であり、第２極性は正の極性である。第１電極１４及び第２電極１６としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性の金属材料を用いることができる。

このように構成された第１圧電素子１０は、第１電極１４がシム板４０の一方の主面４１に接合され、第１電極１４とシム板４０とが電気的に接続されている。シム板４０と第１電極１４は、エポキシ又はアクリル系の接着剤などを接着媒体として、互いの電気的な接続が確保された状態で接着されている。

第２圧電素子２０は、長手状且つ板状の形態をなし、図３のように第１圧電素子１０上に配置されている。第２圧電素子２０は、主に、第２圧電体２２、第３電極２４、第４電極２６などを備える。

第２圧電体２２は、例えば、ＰＺＴ又はチタン酸バリウムなどを主成分とする圧電セラミック材料によって長板状に構成されている。図３のように、第３電極２４は、第２圧電体２２の厚さ方向一方側の面（具体的には、第２圧電体２２における第１圧電素子１０側の主面）のほぼ全面にわたって設けられ、第２極性である正の極性とされている。第４電極２６は、第２圧電体２２における厚さ方向他方側の面（具体的には、第２圧電体２２における第１圧電素子１０とは反対側の主面）のほぼ全面にわたって設けられ、第１極性である負の極性とされている。つまり、第２圧電素子２０は、第４電極２６側が第１極性となり、第３電極２４側が第２極性となるように分極処理が施されている。第３電極２４及び第４電極２６としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性の金属材料を用いることができる。

図３のように、第３電極２４は、第１圧電素子１０の第２電極１６に接合されており、第２電極１６と第３電極２４とは電気的に接続されている。第２電極１６と第３電極２４は、エポキシ又はアクリル系の接着剤などを接着媒体として、互いの電気的な接続が確保された状態で接着されている。なお、図１、図４では、第２電極１６の領域と第３電極２４の領域の区別を省略し、第２電極１６及び第３電極２４による電極層全体を太線にて概念的に示している。

本構成では、図１のように、第２圧電素子２０が第１圧電素子１０における第２電極１６の一部の上に配置されている。第２電極１６は、第２圧電素子２０に覆われるとともに第３電極２４に接合される接合部１６Ａと、第１圧電素子１０に覆われない露出部１６Ｂとを有する。露出部１６Ｂは、第２圧電素子２０から外れた位置において外部に露出した構成をなしている（図２参照）。また、第４電極２６上には圧電素子が積層されておらず、第４電極２６は外部に露出した構成をなしている（図２参照）。なお、図１の例では、圧電アクチュエータ１を後述するバルブ１００（図５）に適用する場合に用いる弁体１１０が第４電極２６の表面に設けられている。

第１配線部５１は、リード線として構成されており、第１電極１４及び第４電極２６に電気的に接続された導電路として機能する。図１の例では、第１配線部５１がシム板４０の一方の主面４１に対して半田付け等によって接続されており、第１配線部５１は、シム板４０を介して第１電極１４と導通する。なお、シム板４０において第１配線部５１を接合する位置は、第１圧電素子１０から外れた位置であれば特に限定されず、主面４１以外の位置であってもよい。

第２配線部５２は、リード線として構成されており、第２電極１６及び第３電極２４に電気的に接続された導電路として機能する。図１の例では、第２配線部５２が第１圧電素子１０の第２電極１６に対して半田付け等によって接続されており、第２配線部５２は、第２電極１６と導通し、第２電極１６を介して第３電極２４とも導通する。図１の構成では、第２配線部５２と第２電極１６と第３電極２４とが同電位となる。

リード線５４は、第４電極２６とシム板４０とを電気的に接続する導電路であり、第１配線部５１は、シム板４０及びリード線５４を介して第４電極２６と導通する。リード線５４は、シム板４０と第１電極１４と第４電極２６とを同電位に保つように機能する。なお、リード線５４は、第２配線部５２、第２電極１６、及び第３電極２４とは導通していない。

１−２．圧電アクチュエータ１の動作
次に、圧電アクチュエータ１の動作について説明する。
圧電アクチュエータ１は、圧電素子の横効果を利用したアクチュエータである。図３のように、圧電アクチュエータ１では、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０のいずれもが厚さ方向に分極されている。第１圧電素子１０は、第１電極１４側を負の極性とし、第２電極１６側を正の極性とするように分極し、図３における第１圧電素子１０の領域内の矢印で概念的に示すような厚さ方向の分極方向となっている。

圧電アクチュエータ１は、第１配線部５１と第２配線部５２との間に電圧が印加されていないときには、図１のような自然状態で維持される。図１で示す自然状態のときには、シム板４０の両主面４１，４２が所定の平面方向に沿った平坦面となるように維持される。

圧電アクチュエータ１を屈曲変位させる場合、第１配線部５１と第２配線部５２との間に電圧を印加し、第２電極１６及び第３電極２４の電位が第１電極１４及び第４電極２６よりも高い電位となるように電位差を生じさせる。第１圧電素子１０は、第１電極１４を相対的に低い電位とし、第２電極１６を相対的に高い電位とするように電圧を印加すると、圧電素子の横効果により第１圧電素子１０が長手方向（Ｘ軸方向）に縮むように変位する。同様に、第２圧電素子２０は、第３電極２４側を正の極性とし、第４電極２６側を負の極性とするように分極し、図３における第２圧電素子２０の領域内の矢印で概念的に示すような厚さ方向の分極方向となっている。この第２圧電素子２０は、第４電極２６を相対的に低い電位とし、第３電極２４を相対的に高い電位とするように電圧を印加すると、圧電素子の横効果により第２圧電素子２０が長手方向（Ｘ軸方向）に縮むように変位する。

このように第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０がいずれも長手方向（Ｘ軸方向）に縮むように変位すると、図４のように屈曲変位部３の全体がシム板４０を弾性変形させながら屈曲するように変位する。なお、図４のように屈曲変位部３が屈曲した後、第１配線部５１と第２配線部５２（図１）との間に印加されていた上記電圧を解除して第１配線部５１及び第２配線部５２を同電位とすれば、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０に生じていた収縮が解除され、シム板４０の弾性的な復帰力によって屈曲変位部３が図１のような自然状態に復帰する。

１−３．圧電アクチュエータ１の製造方法
圧電アクチュエータ１の製造方法の一例を説明する。
圧電アクチュエータ１を製造する場合、まず、図１で示す第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０を別個に作製する。いずれの圧電素子も、以下のように作製することができる。まず、圧電セラミックス材料としてチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）の圧電材料を秤量し、溶剤及びバインダ等を加えてボールミル等で混合し、坏土を作製する。そして、坏土を押出成形し、焼成後の収縮を考慮した所定の厚さのグリーンシートに成形し、グリーンシートを金型で抜き、所定の寸法の成形体を作製する。そして、得られた成形体を焼成して単層の圧電体本体を形成し、両主面にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の電極ペーストを印刷し、焼成することで電極層を形成し、圧電素子を作製する。このような作製方法によって第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０となるべき各圧電素子をそれぞれ作製し、得られた圧電素子のそれぞれにおいて、厚さ方向に分極を行なう。

このようにして第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０となるべき各圧電素子をそれぞれ準備する。一方で、図１で示すシム板４０となるべきシム板を準備する。具体的には、所望の硬度、弾性係数及び熱膨張係数を有し且つ所望の形状とされた金属製のシム板または、カーボン繊維強化シム板を準備する。そして、このシム板の主面（図１で示す主面４１となるべき主面）にエポキシ等の接着剤を塗布し、この主面に対し、第１圧電素子１０となるべき圧電素子の一方の電極層（図１で示す第１電極１４となるべき電極層）を接着するように当該圧電素子を重ね合わせる。そして、このようにシム板に接着された圧電素子の他方の電極層（図１で示す第２電極１６となるべき電極層）に接着剤を塗布し、この電極層に対し、もう一つの圧電素子（第２圧電素子２０となるべき圧電素子）の一方の電極層（図１で示す第３電極２４となるべき電極層）を接着するように圧電素子同士を重ね合わせる。このようにして、シム板４０となるべきシム板の一方側に２つの圧電素子（第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０となるべき各圧電素子）が積層され、図１で示す屈曲変位部３と同様の構造が得られる。そして、このように得られた構造（屈曲変位部３となるべき構造）の電極及びシム板の所定箇所に第１配線部５１、第２配線部５２、リード線５４となるべき各リード線をそれぞれ半田付けし、電気的に接続することで、図１のような圧電アクチュエータ１を製造することができる。

１−４．バルブ１００の構成
次に、図５等を参照し、上述した圧電アクチュエータ１を適用したバルブ１００を説明する。
図５のように、バルブ１００は、上述の圧電アクチュエータ１と圧電アクチュエータ１によって駆動される弁体１１０とがケース１３０内に収容された構成をなしており、流路１２０の開閉を制御し得るバルブとして構成されている。

図５のバルブ１００は、第１流路１２２、第２流路１２４、第３流路１２６によって流路１２０が構成されており、第１流路１２２と第２流路１２４とが第３流路１２６を介して連通した構成をなしている。第１流路１２２及び第２流路１２４は例えばケース１３０に設けられた貫通孔として構成され、第３流路１２６は、ケース内に設けられた流体誘導路として構成されている。なお、図５では、第３流路１２６を二点鎖線にて概念的に示しているが、第３流路１２６の構造は流体が流れ得る構成であれば様々な構成を採用し得る。

バルブ１００では、第１流路１２２を開閉し得るように圧電アクチュエータ１がケース１３０内に固定されている。具体的には、屈曲変位部３の一部（図５で示す領域ＡＲ内の部分）が図示しない固定手段によってケース１３０内で固定されており、領域ＡＲ内の部分は、所定姿勢で維持されるようになっている。一方で、圧電アクチュエータ１において領域ＡＲよりも長手方向一方側の部分は、電圧の印加に応じて屈曲し得るようになっている。なお、図５の例では、第１圧電素子１０や第２圧電素子２０は簡略的に示しており、配線部５（図１）は省略して示している。

このように構成されたバルブ１００では、圧電アクチュエータ１の第１配線部５１及び第２配線部５２（図１）に電圧が印加されていないとき（即ち、第１配線部５１と第２配線部５２とが同電位のとき）には、ケース１３０内の圧電アクチュエータ１は図５（Ａ）のような自然状態で維持される。このとき、弁体１１０は第１流路１２２から離間した状態で維持されるため、第１流路１２２は開状態となる。つまり、流路１２０は、弁体１１０によって塞がれていない状態となるため、流路１２０内では矢印のように流体が流れ得る。なお、図５（Ａ）で示す矢印の向きはあくまで一例であり、この逆方向に流体が流れる構成であってもよい。

バルブ１００では、圧電アクチュエータ１の第１配線部５１及び第２配線部５２（図１）に電圧を印加し、第２電極１６及び第３電極２４（図３）の電位が第１電極１４及び第４電極２６（図３）よりも高い電位となるように電位差を生じさせると、上述したように第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０がいずれも長手方向に縮むように変位し、図５（Ｂ）のように屈曲変位部３の全体が屈曲するように変位する。すると、弁体１１０は第１流路１２２に接近して第１流路１２２を閉塞し、流路１２０は、弁体１１０によって塞がれた状態となるため、流路１２０では流体が流れなくなる。このように弁体１１０が第１流路１２２を閉塞した状態は、第１配線部５１及び第２配線部５２（図１）に印加された上記電圧が解除されるまで維持される。その後、上記電圧を解除して第１配線部５１及び第２配線部５２を同電位とすれば、屈曲変位部３は図５（Ａ）のような自然状態に復帰する。

１−５．効果
上述した圧電アクチュエータ１は、シム板４０上に第１圧電素子１０が配置され、第１圧電素子１０上に第２圧電素子２０が配置された構成をなす。そして、第１圧電素子１０は、第１電極１４側が第１極性とされ、第２電極１６側が第２極性とされた分極構造をなし、第２圧電素子２０は、第３電極２４側が第２極性とされ、第４電極２６側が第１極性とされた分極構造をなす。更に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０において、第２電極１６と第３電極２４とが互いに接合され、且つ、互いに電気的に接続されており、シム板４０の一方の主面４１に第１電極１４が接合されている。このような構成をなすため、第１配線部５１と第２配線部５２との間に電圧が印加されれば、シム板４０の一方の主面４１側に配置された第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０の両方において同種の特性で伸縮する作用が生じさせることができる。よって、図１２のような一般的なユニモルフ型の圧電アクチュエータ１８０（単一の圧電素子のみをシム板上に配置した構成）と比較すると、より低い印加電圧で、より大きな屈曲変位を生じさせることができる。

しかも、上述した圧電アクチュエータ１は、特許文献１のような積層型の構造と比較すると、「分極処理が施された２つの圧電素子の片側の電極を互いに接合し、一方の圧電素子の電極をシム板に接合する」という簡易な構成で、「より低い印加電圧でより大きな変位又は力を生じさせる」という効果を確実に得ることができ、コストを低減する上でも有利になる。

また、圧電アクチュエータ１は、ユニモルフ型の積層構造をなし、シム板４０において第１圧電素子１０を接合する側とは反対側の主面４２に圧電素子を接合しない簡易な構成を採用しつつ、「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じ得る構成」となっている。しかも、図１３で示す一般的なバイモルフ型のように消極作用が生じる虞もない。

上述したバルブ１００も、圧電アクチュエータ１が用いられているため、「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせる」という効果を簡易な構成で確実に得ることができる。しかも、より低い印加電圧で弁体１１０をより大きく変位させたり、弁体１１０により大きな力を加えたりすることができるため、例えば、図５（Ｂ）のように流路１２０を閉塞する際には、より確実に閉塞することができる。

１−６．実施例
次に、上記効果を具体的に示すための試験結果を説明する。
（試料の作製）
本試験の前提として、まず、上記製造方法により、図１、図２で示す圧電アクチュエータ１の試料（実施例１の試料）を作製した。実施例１の試料では、シム板４０は、図２で示す長さＬａが３８ｍｍ、幅Ｗａが１３ｍｍ、厚さが０．３ｍｍものを準備した。第１圧電素子１０は、長さＬ１を３５ｍｍ、幅Ｗ１を１２ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとした。第２圧電素子２０は、長さＬ２を３１ｍｍ、幅Ｗ１を１２ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとした。このような構成の圧電アクチュエータ１の試料によって得られた試験結果を実施例１とした。

更に、比較例として、図１２で示すユニモルフ型の圧電アクチュエータ１８０の試料（比較例１〜４の試料）を作製した。比較例１〜４の試料では、シム板１８１は、長さ３８ｍｍ、幅が１３ｍｍ、厚さが０．３ｍｍものを準備した。圧電素子１８２は、長さを３５ｍｍ、幅を１２ｍｍとし、厚さを０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍの４段階とした。厚さが０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍの各試料についての結果をそれぞれ比較例１、比較例２、比較例３、比較例４とした。

なお、実施例１、比較例１〜４のいずれにおいても、シム板の材料には４２アロイを用いた。また、第１圧電体１２、第２圧電体２２、圧電体１８３の圧電材料にはチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）を用いた。また、第１電極１４、第２電極１６、第３電極２４、第４電極２６、電極１８４，１８５の材料には銀電極を用いた。

（変位量の測定）
実施例１、比較例１〜４の各試料を作製した後、各試料について変位及び発生力を測定した。試料の長手方向一方側（リード線接続側）の所定領域を固定具で固定して固定端とし、長手方向の他方側は開放し、変位端として電圧印加により変位可能にした。このように設定された各試料に対し、１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖを印加し、それぞれの電圧印加時にレーザー変位計によって変位端の変位量を測定した。

（発生力の測定）
実施例１、比較例１〜４の各試料に対して上述の各電圧（１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ）を印加した状態でテンションゲージを試料先端に当て、変位が０μｍになるまで押した。そのときのテンションゲージの値を発生力として記録した。

（測定結果）
このような試験を行ったところ、実施例１、比較例１〜４の各試料について、図６に示す測定結果が得られた。実施例１における第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０の厚みの和は、比較例３の厚みと同程度であるが、変位量及び発生力のいずれについても、試験で用いた全ての電圧（１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ）において、比較例３よりも実施例１のほうが大きくなっており、圧電素子の厚みを単に２倍にするよりも格段に有利であることが明らかとなった。

＜第２実施形態＞
次に、図７〜図１１を参照して第２実施形態について説明する。
第２実施形態の圧電アクチュエータ２０１は、第３圧電素子３０を付加した点、及びリード線５５を付加した点のみが第１実施形態の圧電アクチュエータ１と異なり、これらの点以外は圧電アクチュエータ１と同様の構成をなし、同様に機能する。よって、図７〜図１１では、圧電アクチュエータ１と同様の点について同一の符号を付し、以下では、圧電アクチュエータ１と同様の点についての詳細な説明は省略する。

２−１．圧電アクチュエータ２０１の構成
図７のように、圧電アクチュエータ２０１は、主に、屈曲変位部２０３及び配線部２０５を備える。屈曲変位部２０３は、配線部２０５に電圧が印加されたときに屈曲するように変位する部分であり、主に、シム板４０、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、第３圧電素子３０などを備える。配線部２０５は、導電路として構成される部分であり、主に、第１配線部５１、第２配線部５２、リード線５４，５５などを備える。図７では、屈曲変位部２０３が長手状且つ板状に構成された圧電アクチュエータ２０１を例示している。なお、圧電アクチュエータ２０１の屈曲変位部２０３を平面視した構成は、図２と同様であり、平面視矩形状に構成されている。屈曲変位部２０３を底面視した構成は、図８のようになっている。なお、以下の説明では、屈曲変位部２０３の厚さ方向（板厚方向）をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向と直交する方向のうち屈曲変位部２０３の長手方向をＸ軸方向として説明する。そして、Ｚ軸方向及びＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向として説明する。

図７で示す圧電アクチュエータ２０１は、電圧の印加に応じて屈曲するように変位するバイモルフ型の圧電アクチュエータである。圧電アクチュエータ２０１において、シム板４０、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、第１配線部５１、第２配線部５２、リード線５４は、いずれも圧電アクチュエータ１のものと同様であり、同様に機能する。

第３圧電素子３０は、長手状且つ板状の形態をなし、図８のようにシム板４０の主面４２上に配置されている。図９のように、第３圧電素子３０は、主に、第３圧電体３２、第５電極３４、第６電極３６を備える。

第３圧電体３２は、例えば、ＰＺＴ又はチタン酸バリウムなどを主成分とする圧電セラミック材料によって長板状に構成されている。第３圧電体３２は、厚さ方向に分極しており、厚さ方向に電圧が印加されることに応じて自身の板面方向（厚さ方向と直交する平面方向）に伸縮するアクチュエータとして機能する。

第５電極３４は、第３圧電体３２の厚さ方向一方側の面（具体的には、第３圧電体３２におけるシム板４０側とは反対側の主面）のほぼ全面又は大部分にわたって設けられ、第１極性とされている。第６電極３６は、第３圧電体３２における厚さ方向他方側の面（具体的には、第３圧電体３２におけるシム板４０側の主面）のほぼ全面又は大部分にわたって設けられ、第２極性とされている。つまり、第３圧電素子３０は、第５電極３４側が第１極性となり、第６電極３６側が第２極性となるように分極処理が施されている。図９の例でも、第１極性は負の極性であり、第２極性は正の極性である。第５電極３４及び第６電極３６としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性の金属材料を用いることができる。

このように構成された第３圧電素子３０は、第６電極３６がシム板４０の主面４２に接合され、シム板４０と電気的に接続されている。シム板４０と第６電極３６は、エポキシ又はアクリル系の接着剤などを接着媒体として、互いの電気的な接続が確保された状態で接着されている。

図７で示すリード線５５は、第５電極３４と第２電極１６とを電気的に接続する導電路であり、リード線５５は、第５電極３４の電位を、第２電極１６、第３電極２４、及び第２配線部５２と同電位に保つように機能する。なお、リード線５５は、第１配線部５１、第１電極１４、第４電極２６、及び第６電極３６とは導通していない。

２−２．圧電アクチュエータ２０１の動作
次に、圧電アクチュエータ２０１の動作について説明する。
圧電アクチュエータ２０１は、圧電素子の横効果を利用したアクチュエータである。図９のように、圧電アクチュエータ２０１では、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、及び第３圧電素子３０のいずれもが厚さ方向に分極されている。第３圧電素子３０は、第５電極３４側を負の極性とし、第６電極３６側を正の極性とするように分極し、図９における第３圧電素子３０の領域内の矢印で概念的に示すような厚さ方向の分極方向となっている。

圧電アクチュエータ２０１は、図７で示す第１配線部５１と第２配線部５２との間に電圧が印加されていないときには、図７のような自然状態で維持される。図７で示す自然状態のときには、シム板４０の両主面４１，４２が所定の平面方向に沿った平坦面となるように維持される。

圧電アクチュエータ１を屈曲変位させる場合、第１配線部５１と第２配線部５２との間に電圧を印加し、第２電極１６、第３電極２４、及び第５電極３４の電位が第１電極１４、第４電極２６、及び第６電極３６よりも高い電位となるように電位差を生じさせる。このとき第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０は上述したように長手方向に縮むように変位する。一方、第３圧電素子３０は、第５電極３４側を負の極性とし、第６電極３６側を正の極性とするように厚さ方向に分極しているため、第５電極３４を相対的に高い電位とし、第６電極３６を相対的に低い電位とするように逆の電圧を印加すると、圧電素子の横効果により長手方向（Ｘ軸方向）に伸びるように変位する。

このように第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０がいずれも長手方向（Ｘ軸方向）に縮み、第３圧電素子３０が長手方向（Ｘ軸方向）に伸びるように変位すると、図１０のように屈曲変位部２０３の全体がシム板４０を弾性変形させながら屈曲するように変位する。なお、図１０のように屈曲変位部２０３が屈曲した後、上記電圧を解除して第１配線部５１及び第２配線部５２を同電位とすれば、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０に生じていた収縮及び第３圧電素子３０に生じていた伸長が解除され、シム板４０の弾性的な復帰力によって屈曲変位部２０３が図７のような自然状態に復帰する。

２−３．バルブ２００
次に、図１１等を参照し、上述した圧電アクチュエータ２０１を適用したバルブ２００を説明する。
なお、バルブ２００は、圧電アクチュエータ１を圧電アクチュエータ２０１に変更した点のみがバルブ１００（図５）と異なり、それ以外はバルブ１００と同様である。よって、変更点のみを主に説明し、同様の点については詳細な説明は省略する。

バルブ２００では、第１流路１２２を開閉し得るように圧電アクチュエータ２０１がケース１３０内に固定されている。具体的には、屈曲変位部２０３の一部（図１１で示す領域ＡＲ内の部分）が図示しない固定手段によってケース１３０内で固定されており、領域ＡＲ内の部分は、所定姿勢で維持されるようになっている。一方で、圧電アクチュエータ２０１において領域ＡＲよりも長手方向一方側の部分は、電圧の印加に応じて屈曲し得るようになっている。なお、図１１の例では、第１圧電素子１０、第２圧電素子２０、第３圧電素子３０は簡略的に示しており、配線部２０５（図７）は省略して示している。

このように構成されたバルブ２００では、圧電アクチュエータ２０１の第１配線部５１及び第２配線部５２（図７）に電圧が印加されていないとき（即ち、第１配線部５１と第２配線部５２とが同電位のとき）には、ケース１３０内の圧電アクチュエータ２０１は図１１（Ａ）のような自然状態で維持される。このとき、弁体１１０は第１流路１２２から離間した状態で維持され、第１流路１２２は開状態となる。

バルブ２００では、圧電アクチュエータ２０１の第１配線部５１及び第２配線部５２（図７）に電圧を印加し、第１配線部５１の電位が第２配線部５２よりも高い電位となるように電位差を生じさせると、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０がいずれも長手方向に縮むように変位し、第３圧電素子３０が長手方向に伸びるように変位するため、図１１（Ｂ）のように屈曲変位部２０３の全体が屈曲するように変位する。すると、弁体１１０は第１流路１２２に接近して第１流路１２２を閉塞し、流路１２０は、弁体１１０によって塞がれた状態となる。上記電圧を解除して第１配線部５１及び第２配線部５２を同電位とすれば、屈曲変位部２０３は図１１（Ａ）のような自然状態に復帰する。

２−４．効果
圧電アクチュエータ２０１は、圧電アクチュエータ１（図１）で生じる効果に加え、更に以下の効果が得られる。
圧電アクチュエータ２０１は、圧電アクチュエータ１（図１）の構成に第３圧電素子３０を付加したバイモルフ型の積層構造をなしていているため、第１圧電素子１０及び第２圧電素子２０によって「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせ得る構成を、簡易に実現する」という顕著な効果を得つつ、更に、第３圧電素子３０を付加したバイモルフ型の積層構造により、「より低い印加電圧で、より大きな変位又は力を生じさせる」という効果を一層高めることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施形態や後述する実施形態の様々な特徴は、矛盾しない組み合わせであればどのように組み合わせてもよい。

上記実施形態では圧電アクチュエータをバルブに用いた例を示したが、バルブ以外の用途に用いてもよい。また、上述した圧電アクチュエータをバルブに用いる場合、産業用、医療用などの様々なバルブに用いることができる。

図５、図１１の例では、電圧を印加していないときに流路が開放し、電圧が印加されたときに流路が閉塞されるバルブを例示したが、電圧を印加していないときに流路が閉塞され、電圧が印加されたときに流路が開放されるように圧電アクチュエータを配置したバルブとしてもよい。

１，２０１…圧電アクチュエータ
１０…第１圧電素子
１２…第１圧電体
１４…第１電極
１６…第２電極
２０…第２圧電素子
２２…第２圧電体
２４…第３電極
２６…第４電極
３０…第３圧電素子
３２…第３圧電体
３４…第５電極
３６…第６電極
４０…シム板
４１…第１主面（一方の主面）
４２…第２主面（反対の主面）
５１…第１配線部
５２…第２配線部
１００，２００…バルブ
１１０…弁体
１２０…流路

Claims (4)

1. 電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
   弾性を有するシム板と、
   第１圧電体と、前記第１圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに第１極性とされる第１電極と、前記第１圧電体における厚さ方向他方側の面に配置されるとともに第２極性とされる第２電極と、を有し、前記シム板上に配置される第１圧電素子と、
   第２圧電体と、前記第２圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに前記第２極性とされる第３電極と、前記第２圧電体の厚さ方向他方側の面に配置されるとともに前記第１極性とされる第４電極と、を有し、前記第１圧電素子上に配置される第２圧電素子と、
   前記第１電極及び前記第４電極に電気的に接続される第１配線部と、
   前記第２電極及び前記第３電極に電気的に接続される第２配線部と、
   を備え、
   前記シム板の一方の主面に前記第１電極が接合され、
   前記第２電極と前記第３電極とが互いに接合され、且つ、互いに電気的に接続されている
   圧電アクチュエータ。
2. ユニモルフ型の積層構造をなす
   請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 第３圧電体と、前記第３圧電体の厚さ方向一方側の面に配置されるとともに前記第１極性とされる第５電極と、前記第３圧電体における厚さ方向他方側の面に配置されるとともに前記第２極性とされる第６電極と、を有する第３圧電素子を備え、
   前記シム板における前記一方の主面とは反対の主面に前記第６電極が接合されたバイモルフ型の積層構造をなす
   請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
4. 流体が流れる流路と、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータによって駆動され、前記流路を開閉する弁体と、
   を有するバルブ。

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