JP4826340B2 - アクチュエータ及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及び圧電素子の製造方法に関する。

従来のアクチュエータとして、例えば特許文献１に記載されているように、複数の直方体型の圧電素子と、被駆動体とを備えたものが知られている。このようなアクチュエータでは、複数の圧電素子に電圧を印加すると各圧電素子が変形し、各圧電素子の変形に応じて被駆動体が変位する。
特開平０６−１０５５６９号公報

上述のアクチュエータでは、直方体型の圧電素子を複数用いるため、サイズが大きくなってしまう。アクチュエータのサイズを小さくするには圧電素子の数を減らせばよいが、その場合には被駆動体の変位量が小さくなってしまう。

そこで、本発明は、サイズが小さく且つ変位量が大きいアクチュエータおよびこのアクチュエータに用いられる圧電素子の製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係るアクチュエータは、一端部および他端部を有するとともに少なくとも一端部と他端部との間の領域が湾曲しており、一端部および他端部が印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する圧電素子と、圧電素子における湾曲した領域を支持する支持部材と、圧電素子の一端部および他端部に固定される一対の固定部と、一対の固定部を連結するとともに屈曲または湾曲された連結部とを有する被駆動部材と、を備え、連結部が、圧電素子の変位に伴って、連結部における屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することを特徴とする。

本発明のアクチュエータで用いられる圧電素子は、一端部と他端部との間の領域が湾曲して形成されている。圧電素子を湾曲させることによって、より狭いスペースに、有効長がより長い圧電素子を収容することができる。圧電素子を狭いスペースに収容できるため、アクチュエータとしてのサイズを小さくすることが可能となる。また、圧電素子の有効長を長く取ることができるため、電圧印加時における圧電素子の一端部および他端部の変位量を大きくすることができる。

圧電素子は、印加電圧に応じて湾曲の内側方向および外側方向に変位する。駆動部材の連結部は屈曲又は湾曲されており、圧電素子の変位に伴って屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する。そのため、圧電素子が変位すると、連結部は、圧電素子の変位量に応じた量だけ屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することとなる。先に述べたように、有効長が長い圧電素子の変位量は大きいので、連結部の変位量も大きくなる。よって、本発明によれば、変位量が大きいアクチュエータを得ることができる。

更に、本発明の圧電素子は、支持部材によって支持されている。支持部材は、一端部と他端部との間の領域を支持している。一端部と他端部との間の領域は、一端部および他端部と比べて変位量が非常に小さい。このように変位量が小さい部分を支持することにより、支持部材が圧電素子の変位を妨げる可能性を低くすることができる。したがって、圧電素子の変位量は、印加された電圧値を正確に反映したものとなる。また、一端部と他端部との間の領域には圧電素子の重心が位置している。圧電素子は、支持部材によって重心位置を常に支えられることとなるため、変位時においても安定した状態を維持することができる。

また、本発明のアクチュエータでは、圧電素子は、一端部から他端部に向かって連続的に伸びるとともに、厚み方向が湾曲の内側から外側に向かう方向とされた圧電体層を有することが好ましい。このように長く連続した圧電体層を有することにより、圧電素子の一端部および他端部の変位量をさらに大きくすることができる。また、圧電体層の厚み方向を湾曲の内側から外側に向かう方向とすることにより、圧電素子を湾曲の内側方向あるいは外側方向に確実に変位させることができる。

また、本発明のアクチュエータでは、圧電素子は、圧電体層を複数有し、複数の圧電体層は、湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層されていることが好ましい。この場合、圧電素子を湾曲の内側方向あるいは外側方向にいっそう大きく変位させることができる。

また、本発明のアクチュエータでは、圧電素子は、圧電体層を挟むように形成された内部電極と、当該内部電極に接続された外部電極とを有しており、外部電極は圧電素子の一端部と他端部との間の領域に設けられていることが好ましい。変位が殆ど生じない領域に設けられた外部電極は、圧電素子の変位を妨げることがない。

また、本発明のアクチュエータでは、圧電素子は半円環状を呈していることが好ましい。半円環状とすることによって、圧電素子のスムーズな変位が可能となる。さらに、圧電素子の収容スペースを確実に小さくすることができる。

本発明に係る圧電素子の製造方法は、湾曲した圧電素子を製造する方法であって、内部電極が形成されたグリーンシートを含む複数のグリーンシートを積層してシート積層体を形成する第１工程と、シート積層体を切断して短冊状のシート積層体を得る第２工程と、湾曲した第１壁面を有する第１焼成治具と、第１焼成治具の第１壁面と沿うように湾曲した第２壁面を有する第２焼成治具と、を用意する第３工程と、第１焼成治具の第１壁面と第２焼成治具の第２壁面とに挟まれるように、短冊状のシート積層体を配置する第４工程と、第１壁面と第２壁面との間に配置された短冊状のシート積層体を焼成する第５工程と、を含み、第４工程では、短冊状のシート積層体の側面のうち長手方向に沿い且つ積層方向と垂直な一対の側面が第１壁面および第２壁面と対向するように、短冊状のシート積層体を配置することを特徴とする。

短冊状に切断されたシート積層体を、湾曲した第１壁面と湾曲した第２壁面との間に挟んで焼成するので、湾曲した圧電素子を得ることができる。また、短冊状に切断されたシート積層体を挟む際に、短冊状のシート積層体の側面のうち長手方向に沿い且つ積層方向と垂直な一対の側面を第１壁面および第２壁面と対向させるため、得られる圧電素子は、湾曲方向に沿って連続的に伸びた圧電体層を有するものとなる。その結果、湾曲して形成され、且つ湾曲方向に沿って連続的に伸びた圧電体層を有する圧電素子を、容易に製造することができる。

本発明によれば、サイズが小さく且つ変位量が大きいアクチュエータおよびこのアクチュエータに用いられる圧電素子の製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は本実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。図２（ａ）は本実施形態に係るアクチュエータを示す上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したアクチュエータのＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１および図２に示されるように、アクチュエータ１は、支持部材１０と、被駆動部材２０と、圧電素子３０と、を備えている。

支持部材１０は、底壁１２と、底壁１２に略垂直で互いに対向する第１側壁１４および第２側壁１５と、底壁１２に略垂直で第１および第２側壁１４，１５と隣り合う第３側壁１６と、を有している。底壁１２の中央には、第１〜第３側壁１４〜１６で囲まれる空間に向かって突出した凸部１７が設けられている。凸部１７の上面には圧電素子３０に電圧を印加するための電極（図示せず）が設けられており、当該電極は支持部材１０の内部に形成された配線（図示せず）を介して、電圧源（図示せず）と接続されている。凸部１７の上面の幅は、圧電素子３０の長さと比べて十分に短くなっている。

第３側壁１６の中央には、略円筒状の筒部１８が設けられている。筒部１８は、その径方向が底壁１２に対して略垂直となるように設けられている。筒部１８の長さは、被駆動部材２０の軸部２２の長さよりも短くなっている。

被駆動部材２０は、軸部２２と、軸部２２に接続された連結部２４と、連結部２４によって連結された一対の固定部２８と、を有している。軸部２２は支持部材１０の筒部１８に内挿されている。筒部１８は軸部２２のガイドとなり、軸部２２が確実に底壁１２に対して垂直な方向に動作することを保証する。筒部１８の長さは軸部２２の長さよりも短くなっている。そのため、軸部２２の一端部は筒部１８から突出している。

連結部２４は、軸部２２の一端部と結合されている。連結部２４は、軸部２２に固定されるヘッド２５と、ヘッド２５から伸びる一対のアーム２６を含んでいる。図２に示されるように、ヘッド２５は、その一端部が軸部２２に固定され、他端部が支持部材１０の第３側壁１６と反対の方向に伸びている。ヘッド２５の他端部は支持部材１０から外方に突き出ている。

ヘッド２５の一端部には、各アーム２６の一端部が接続されている。一方のアーム２６はヘッド２５から第１側壁１４に向かって伸びており、他方のアーム２６はヘッド２５から第２側壁１５に向かって伸びている。各アーム２６は略扁平形状を呈している。そのため連結部２４は、ヘッド２５を頂部として屈曲された形状となっている。一対のアーム２６は、ヘッド２５を介してヒンジ結合されている。アーム２６をヒンジ結合することにより、連結部２４は屈曲の内側方向あるいは外側方向に変位することが可能となる。

各アーム２６の他端部には、固定部２８がそれぞれ取り付けられている。各アーム２６と各固定部２８とはヒンジ結合されている。固定部２８は、圧電素子３０に固定されている。より具体的には、一方の固定部２８は圧電素子３０の一端部３０ａに、他方の固定部２８は圧電素子３０の他端部３０ｂに、それぞれ公知の接着剤を介して固定されている。

図１に示されるように、圧電素子３０は、一端部３０ａおよび他端部３０ｂを有する積層型の圧電素子である。圧電素子３０の一端部３０ａと他端部３０ｂとの間の領域、すなわち圧電素子３０の中間部は、湾曲している。圧電素子３０の中間部は、支持部材１０の凸部１７によって支持されている。なお、凸部１７の上面の幅は圧電素子３０の長さと比べて十分に狭いため、圧電素子３０の変位が支持部材によって抑制されることはない。

図３は圧電素子３０を示す斜視図である。図４は圧電素子３０を他の方向から見たときの斜視図である。圧電素子３０は、積層体３２と、この積層体３２の側面に形成された第１外部電極３４、第２外部電極３６、および第３外部電極３８と、を有している。積層体３２は、複数（本実施形態では８つ）の圧電体層４０と、複数（本実施形態では４つ）の第１内部電極４２と、複数（本実施形態では２つ）の第２内部電極４４と、複数（本実施形態では２つ）の第３内部電極４６と、を積層したものである。圧電体層４０は、圧電素子３０の一端部３０ａから他端部３０ｂに向かって連続的に伸びている。また、圧電体層４０の厚み方向は、圧電素子３０の湾曲の内側から外側に向かう方向に沿っている。第１〜第３内部電極４２，４４，４６は圧電体層４０を挟むように形成されており、圧電体層４０および第１〜第３内部電極４２，４４，４６の積層方向は、圧電体層４０の厚み方向と同様に、圧電素子３０の湾曲の内側から外側に向かう方向に沿っている。

積層体３２は、半円環状の六面体を呈している。積層体３２は、一対の主面３２ａ，３２ｂと、一対の主面３２ａと垂直な一対の側面３２ｃ，３２ｃと、一対の主面３２ａ，３２ｂと垂直で一対の側面３２ｃ，３２ｃに挟まれる一対の側面３２ｄ，３２ｄと、を有している。一対の主面３２ａ，３２ｂは、積層体３２の湾曲方向に沿い、且つ積層方向に対向する面である。主面３２ａ側は圧電素子３０の湾曲の内側に位置しており、主面３２ｂは圧電素子３０の湾曲の外側に位置している。一対の側面３２ｃ，３２ｃは、積層体３２の湾曲方向に対向する面である。一方の側面３２ｃは圧電素子３０の一端部３０ａに位置しており、他方の側面３２ｃは圧電素子３０の他端部３０ｂに位置している。一対の側面３２ｃ，３２ｃは、被駆動部材２０の固定部２８に固定されている。一対の側面３２ｃ，３２ｃおよび一対の側面３２ｄ，３２ｄからは、圧電体層４０および第１〜第３内部電極４２，４４，４６が露出している。

圧電体層４０および第１〜第３内部電極４２，４４，４６は、圧電体層４０、第３内部電極４６、圧電体層４０、第１内部電極４２、圧電体層４０、第３内部電極４６、圧電体層４０、第１内部電極４２、圧電体層４０、第２内部電極４４、圧電体層４０、第１内部電極４２、圧電体層４０、第２内部電極４４、圧電体層４０、の順で積層されている。圧電体層４０のうち、積層方向に隣り合う第１内部電極４２と第２内部電極４４とに挟まれる領域４０ａ、および積層方向に隣り合う第１内部電極４２と第３内部電極４６とに挟まれる領域４０ｂは、圧電活性領域となる。圧電活性領域４０ａ，４０ｂは、電圧が印加されたときに積層体３２の積層方向に伸縮する。圧電活性領域４０ａと圧電活性領域４０ｂとは、伸縮の方向が逆となっている。すなわち、圧電活性領域４０ａが伸びるときに圧電活性領域４０ｂは縮み、圧電活性領域４０ａが縮むときに圧電活性領域４０ｂは伸びるように構成されている。圧電活性領域４０ａ，４０ｂがこのように伸縮することによって、圧電素子３０の一端部３０ａおよび他端部３０ｂは湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することとなる。

積層体３２の主面３２ｂと側面３２ｄとには、第１〜第３外部電極３４，３６，３８が設けられている。第２および第３外部電極３６，３８は積層体３２の中間部に配設されており、第１外部電極３４は、その一部が積層体３２の中間部にかかるように配設されている。第１〜第３外部電極３４，３６，３８は、下地電極および端子電極からなっており、積層体３２と同時焼成することにより形成されている。下地電極は端子電極を形成する際の下地になる。端子電極は、積層体３２の側面３２ｄから露出した第１〜第３内部電極４２，４４，４６と下地電極を介して電気的に接続されている。

圧電体層４０は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。第１〜第３内部電極４２，４４，４６は、Ａｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。第１〜第３外部電極３４，３６，３８の下地電極は、第１〜第３内部電極４２，４４，４６を構成している金属と電気的に良好に接続できる導電材料で形成されており、例えば第１〜第３内部電極４２，４４，４６と同様に、Ａｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。第１〜第３外部電極３４，３６，３８の端子電極は、下地電極上にＰｔを主成分とするペーストを印刷することにより形成されている。

続いて、図５〜図９を参照して、上述した構成を有する圧電素子３０の製造方法について説明する。

まず、圧電体層４０となるグリーンシートを作製する（ステップＳ１００）。グリーンシートを作製するにあたって、例えばＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、グリーンシートを複数枚作製する。

次に、グリーンシートに、第１〜第３内部電極４２，４４，４６に対応する電極パターンを複数（後述する分割チップ数に対応する数）形成する。電極パターンを形成するにあたって、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、そのペーストをグリーンシートにスクリーン印刷して乾燥させることにより、第１内部電極４２に相当する電極パターンＥＬ１が形成されたグリーンシートＧＳ１、第２内部電極４４に相当する電極パターンＥＬ２が形成された第２グリーンシートＧＳ２、および第３内部電極４６に相当する電極パターンＥＬ３が形成された第３グリーンシートＧＳ３を得る。

次に、電極パターンが形成されたグリーンシートを重ねてラミネートし、シート積層体を得る（ステップＳ１０２）。グリーンシートは、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１の順で積層される。なお、グリーンシートＧＳ３とグリーンシートＧＳ１との間、およびグリーンシートＧＳ２とグリーンシートＧＳ１との間には、電極パターンが形成されていないグリーンシートを適宜積層してもよい。

次に、得られたシート積層体の上下面を反転させる。より具体的には、最初に積層したグリーンシートＧＳ２の電極パターンが形成されていない面が上面、最後に積層したグリーンシートＧＳ１の電極パターンが形成された面が下面となるように、シート積層体を反転させる。反転後、シート積層体の上面に先述したペーストをスクリーン印刷し、第１外部電極３４の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４、第２外部電極３６の下地電極に相当する電極パターンＥＬ５、および第３外部電極３８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ６を形成する（ステップＳ１０３）。

上面に電極パターンを形成した後、シート積層体をチップ単位に切断して、短冊状のシート積層体を複数得る（ステップＳ１０４）。得られた短冊状のシート積層体を、以下グリーン体ＬＳ１と呼ぶ。図６は、グリーン体ＬＳ１の分解斜視図である。図６に示されるように、グリーン体ＬＳ１では、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ２、の順でこれらが積層されている。グリーン体ＬＳ１の主面６０、すなわち最上位層に位置するグリーンシートＧＳ２の露出面には、第１〜第３外部電極３４，３６，３８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６が印刷されている。

得られたグリーン体ＬＳ１の側面に、先述したペーストをスクリーン印刷または転写等の方法で付着させ、第１〜第３外部電極３４，３６，３８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６を形成する（図５、ステップＳ１０５）。図７に、側面に電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６が形成されたグリーン体ＬＳ１の斜視図を示す。これらの下地電極の上からＰｔを主成分とするペーストを印刷して、第１〜第３外部電極３４，３６，３８の端子電極となる部分を形成する（図５、ステップＳ１０６）。

次に、グリーン体ＬＳ１を焼成する。グリーン体ＬＳ１を焼成するにあたって、焼成治具を用意する（図５、ステップＳ１０７）。図８（ａ）は焼成治具を示す斜視図であり、図８（ｂ）は焼成治具の上面図である。図８に示されるように、焼成治具５０は、第１焼成治具５２および第２焼成治具５４から成っている。第１および第２焼成治具５２，５４は略円環状を呈している。このような形状を有する第１焼成治具５２の外壁面５２ａ（第１壁面）および第２焼成治具５４の内壁面５４ａ（第２壁面）は、ともに略円形状に湾曲している。第２焼成治具５４の内壁面５４ａの径は、第１焼成治具５２の外壁面５２ａの径よりも大きくなっている。第１および第２焼成治具５２，５４は、ジルコニアといった材料から形成されている。

第１焼成治具５２の外壁面５２ａと第２焼成治具５４の内壁面５４ａとに挟まれるように、グリーン体ＬＳ１を配置する（図５、ステップＳ１０８）。より具体的には、図９（ａ）に示されるように、第１焼成治具５２の外壁面５２ａにグリーン体ＬＳ１を沿わせる。このとき、グリーン体ＬＳ１のうち主面６０とは反対側の面が第１焼成治具５２の外壁面５２ａと対向するようにする。グリーン体ＬＳ１を第１焼成治具５２の外壁面５２ａに沿わせた後、図９（ｂ）に示されるように、第２焼成治具５４を被せて、グリーン体ＬＳ１の主面６０が第２焼成治具５４の内壁面５４ａと対向するようにする。このように、グリーン体ＬＳ１の側面のうち、長手方向に沿い且つ積層方向と垂直な一対の側面が、第１および第２焼成治具５２，５４と対向するよう、グリーン体ＬＳ１を配置する。

図９（ｃ）に示されるように、第１および第２焼成治具５２，５４で挟んだまま、グリーン体ＬＳ１をジルコニア製の焼成セッター５６の上に載置する。そして、４００℃、１０時間程度の加熱処理を実施して、グリーン体ＬＳ１に脱バインダ処理を施す。脱バインダ後、引き続き第１および第２焼成治具５２，５４で挟んだままの状態で、グリーン体ＬＳ１を９５０℃で２時間程度、焼成する（図５、ステップＳ１０９）。これにより、湾曲した積層体３２が形成される。

次に、第１および第２焼成治具５２，５４を外して積層体３２を取り出す。取り出した積層体３２に、温度１２０℃の環境下で、積層体３２の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を３分間印加することにより、積層体３２の分極処理を行う（図５、ステップＳ１１０）。以上の工程を経て、図３に示される圧電素子３０が完成する。

ここで、圧電素子３０の他の製造方法を考える。他の製造方法として、例えば、ステップＳ１０３で得られたシート積層体を圧電素子３０の形状に打ち抜き、打ち抜いたものを焼成する方法が考えられる。しかしながらこの方法では、図３に示されるような構造の圧電素子、すなわち湾曲した圧電素子であって、圧電体層が湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層された圧電素子、を得るのは非常に困難である。シート積層体の上面から単に打ち抜きを行っただけでは、湾曲形状のものは得られても、圧電体層が上記した方向に積層されたものは得られないからである。本実施形態の製造方法では、シート積層体をまず短冊状に切断した後に、第１および第２焼成治具５２，５４を用いて湾曲させるため、図３に示されるような圧電素子３０を容易に得ることができる。

上述したステップＳ１００〜Ｓ１１０の工程を経て製造された圧電素子３０を備えるアクチュエータ１の動作について、説明する。図１０は、アクチュエータ１の動作を説明するための概略正面図である。図１０（ａ）は、圧電素子３０の第１〜第３外部電極３４，３６，３８に電圧が印加されていない状態を示している。図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、圧電素子３０の第１〜第３外部電極３４，３６，３８に電圧が印加された状態を示している。第１〜第３外部電極３４，３６，３８に対する電圧の印加は、支持部材１０に設けられた電極を介して行われる。

電圧が印加されて、当該印加電圧値に応じた量だけ積層体３２の圧電活性領域４０ａが縮み圧電活性領域４０ｂが伸びると、圧電素子３０は図１０（ｂ）に示されるように、湾曲の外側方向すなわち主面３２ｂ方向に変位する。圧電素子３０が主面３２ｂ方向に変位すると、圧電素子３０の両端に固定された被駆動部材２０の固定部２８が、互いに離間する方向に移動する。固定部２８が離間する方向に移動すると、固定部２８にヒンジ結合された各アーム２６の他端部は、固定部２８により引っ張られて、互いに離間する方向に動く。その結果、アーム２６とアーム２６との間に位置しているヘッド２５が、支持部材１０の底壁１２に近づく方向、つまり矢印Ａ方向に変位することとなる。

電圧が印加されて、当該印加電圧値に応じた量だけ積層体３２の圧電活性領域４０ａが伸び圧電活性領域４０ｂが縮むと、圧電素子３０は図１０（ｃ）に示されるように、湾曲の内側方向すなわち主面３２ａ方向に変位する。圧電素子３０が主面３２ａ方向に変位すると、圧電素子３０の両端に固定された被駆動部材２０の固定部２８が、互いに接近する方向に移動する。固定部２８が接近する方向に移動すると、固定部２８にヒンジ結合された各アーム２６の他端部は、固定部２８によりヘッド２５側に押されて、互いに接近する方向に動く。その結果、アーム２６とアーム２６との間に位置しているヘッド２５が、支持部材１０の底壁１２から離れる方向、つまり矢印Ｂ方向に変位することとなる。

以上説明したように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、湾曲して形成された圧電素子３０を備えている。湾曲した圧電素子３０を用いるので、直方体型の圧電素子を用いる場合と比べて、より狭いスペースに、有効長がより長い圧電素子３０を収容することができる。狭いスペースに圧電素子３０を収容できるため、アクチュエータ１のサイズを小さくすることができる。また、圧電素子３０の有効長を長く取ることができるため、電圧印加時における圧電素子３０の一端部３０ａおよび他端部３０ｂの変位量を大きくすることができる。

圧電素子３０は、印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する。圧電素子３０の変位に応じて、圧電素子３０の両端に固定された固定部２８が互いに接近離間する。固定部２８が接近離間すると、固定部２８にヒンジ結合された連結部材２４の各アーム２６が動き、その結果、アーム２６間に位置する連結部材２４のヘッド２５が変位する。ヘッド２５の変位量は、圧電素子３０の変位量に応じたものとなる。先述したように、圧電素子３０の変位量は大きい。そのため、ヘッド２５の変位量も大きなものとなる。

圧電素子３０は、支持部材１０の凸部１７によって支持されている。凸部１７は圧電素子３０の中間部を支持している。一端部３０ａおよび他端部３０ｂと比べて変位量が非常に小さい中間部を支持することで、凸部１７が圧電素子３０の変位を妨げる可能性を低くすることができる。更に、凸部１７の上面の幅を圧電素子３０の長さと比べて十分に短くすることで、圧電素子の変位（特に湾曲の外側方向への変位）が凸部１７によって抑制される可能性をいっそう低くすることができる。したがって、圧電素子３０の変位量は、印加された電圧値を正確に反映したものとなる。なお、圧電素子３０の中間部には圧電素子３０の重心が位置している。重心位置を凸部１７が常に支えることとなるため、圧電素子３０は変位時においても安定した状態を維持することができる。

また、本実施形態に係るアクチュエータ１において、圧電素子３０は圧電体層４０を有している。この圧電体層４０は、圧電素子３０の一端部３０ａから他端部３０ｂに向かって連続的に伸びている。このように長く連続した圧電体層４０を有することにより、圧電素子３０の一端部３０ａおよび他端部３０ｂの変位量をさらに大きくすることができる。また、圧電体層４０の厚み方向は、圧電素子３０の湾曲の内側から外側に向かう方向となっている。これにより、圧電素子３０を湾曲の内側方向あるいは外側方向に確実に変位させることができる。

また、本実施形態に係るアクチュエータ１において、圧電素子３０の積層体３２は圧電体層４０を複数有しており、圧電体層４０の積層方向は圧電素子３０の内側から外側に向かう方向に沿っている。複数の圧電体層４０をこのように積層することにより、圧電体層４０が1つである場合と比べて、湾曲の内側方向あるいは外側方向に圧電素子３０をより大きく変位させることができる。また、圧電体層４０が一つである場合と比べて、同一変位量を得るための駆動電圧を小さくすることができる。

また、本実施形態に係るアクチュエータ１において、圧電素子３０は、圧電体層４０を挟むように形成された第１〜第３内部電極４２，４４，４６と、これらに接続された第１〜第３外部電極３４，３６，３８とを有しており、第１〜第３外部電極３４，３６，３８は圧電素子３０の中間部に設けられている。圧電素子３０の中間部は変位が殆ど生じない部位であるため、第１〜第３外部電極３４，３６，３８が圧電素子３０の変位を妨げることはない。したがって、変位を妨げることなく、圧電素子３０に電圧を印加できる。

また、本実施形態に係るアクチュエータ１において、圧電素子３０は半円環状を呈している。半円環状とすることによって、圧電素子３０を変位がスムーズなものとすることができる。また、直方体型の圧電素子を用いる場合と比べて、圧電素子３０の収容スペースを確実に小さくすることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、被駆動部材２０を以下のような構造とした。すなわち、圧電素子３０が湾曲の外側方向に変位するとヘッド２５が支持部材１０の底壁１２と近づく方向に変位し、圧電素子３０が湾曲の内側方向に変位するとヘッド２５が支持部材１０の底壁１２から離れる方向に変位するような構造とした。被駆動部材２０は、図１１や図１２に示されるような構造であってもよい。図１１は、被駆動部材２０の変形例を示す概略正面図である。図１１には、圧電素子３０が湾曲の外側方向に変位するとヘッド２５が底壁１２から離れる方向（矢印Ｂ方向）に変位し、圧電素子３０が湾曲の内側方向に変位するとヘッド２５が底壁１２と近づく方向（矢印Ａ方向）に変位する構造が示されている。図１２（ａ）は被駆動部材２０の他の変形例を示す概略正面図であり、図１２（ｂ）は被駆動部材２０の他の変形例を示す概略上面図である。図１２には、圧電素子３０が変位すると、ヘッド２５が矢印Ｃ方向、すなわち圧電素子３０で囲まれる空間を貫く方向に沿って変位する構造が示されている。

また、本実施形態では、圧電素子３０の積層体３２は半円環状を呈しているとしたが、積層体３２は少なくとも中間部が湾曲していればよい。また、本実施形態では、連結部２４はヘッド２５を頂部として屈曲された形状を成しているとした。これを、連結部２４の各アーム２６をカーブさせることにより、連結部２４はヘッド２５を頂部として湾曲された形状を成しているとしてもよい。この場合、アーム２６をヒンジ結合することによって、連結部２４は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することとなる。

また、本実施形態では、第１〜第３外部電極３４，３６，３８は下地電極および端子電極からなっているとしたが、第１〜第３外部電極３４，３６，３８を外部（例えば底壁１２の凸部１７に設けられた電極）に半田付けする必要がない場合には、第１〜第３外部電極３４，３６，３８は下地電極のみを有していればよい。

また、本実施形態では、圧電素子３０の積層体３２は８つの圧電体層４０を有するとしたが、圧電体層４０の数はこれに限られず、１つ以上であればよい。また、圧電体層４０、第１〜第３内部電極４２，４４，４６、および第１〜第３外部電極３４，３６，３８に用いられる材料は、上述したものに限られない。

本実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。 本実施形態に係るアクチュエータを示す上面図および断面図である。 本実施形態に係るアクチュエータが備える圧電素子の斜視図である。 本実施形態に係るアクチュエータが備える圧電素子の斜視図である。 本実施形態に係るアクチュエータが備える圧電素子の製造方法を説明するためのフロー図である。 グリーン体の分解斜視図である。 側面に電極パターンが形成されたグリーン体の斜視図である。 焼成治具を示す斜視図および上面図である。 グリーン体を焼成する工程を示す斜視図である。 本実施形態に係るアクチュエータの動作を説明するための概略正面図である。 被駆動部材の変形例を示す概略正面図である。 被駆動部材の他の変形例を示す概略正面図および概略上面図である。

符号の説明

１・・・アクチュエータ、１０・・・支持部材、２０・・・被駆動部材、２２・・・軸部、２４・・・連結部、２５・・・ヘッド、２６・・・アーム、２８・・・固定部、３０・・・圧電素子、３２・・・積層体、３２ａ，３２ｂ・・・主面、３２ｃ・・・側面、３２ｄ・・・側面、３４，３６，３８・・・第１〜第３外部電極、４０・・・圧電体層、４２，４４，４６・・・第１〜第３内部電極、５０・・・焼成治具、５２・・・第１焼成治具、５４・・・第２焼成治具。

Claims (4)

1. 一端部および他端部を有するとともに少なくとも前記一端部と前記他端部との間の領域が湾曲しており、前記一端部および前記他端部が印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する圧電素子と、
   前記圧電素子における湾曲した前記領域を支持する支持部材と、
   前記圧電素子の前記一端部および前記他端部に固定される一対の固定部と、前記一対の固定部を連結するとともに屈曲または湾曲された連結部とを有する被駆動部材と、を備え、
   前記圧電素子は、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に伸びるとともに、厚み方向が湾曲の内側から外側に向かう方向とされた圧電体層を有し、
   前記連結部が、前記圧電素子の変位に伴って、前記連結部における屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記圧電素子は、前記圧電体層を複数有し、
   複数の前記圧電体層は、湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記圧電素子は、前記圧電体層を挟むように形成された内部電極と、当該内部電極に接続された外部電極とを有しており、
   前記外部電極は、前記圧電素子の前記一端部と前記他端部との間の領域に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記圧電素子は、半円環状を呈していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

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