WO2005008797A1 - アクチュエータ素子及びアクチュエータ素子を有する装置 - Google Patents

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WO2005008797A1
WO2005008797A1 PCT/JP2004/009203 JP2004009203W WO2005008797A1 WO 2005008797 A1 WO2005008797 A1 WO 2005008797A1 JP 2004009203 W JP2004009203 W JP 2004009203W WO 2005008797 A1 WO2005008797 A1 WO 2005008797A1
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WO
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piezoelectric
actuator element
plate member
electrostrictive
electrode
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PCT/JP2004/009203
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Inventor
Tsutomu Nanataki
Natsumi Shimogawa
Hisanori Yamamoto
Koji Kimura
Original Assignee
Ngk Insulators, Ltd.
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Publication date
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    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/874—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices embedded within piezoelectric or electrostrictive material, e.g. via connections
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/3564—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details
    • G02B6/3568—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details characterised by the actuating force
    • G02B6/3578—Piezoelectric force

Definitions

  • the present invention provides a method for converting electrical energy into mechanical energy (mechanical displacement, stress, vibration, etc.), such as a display, a relay, and an actuator (an actuator that generates a bending displacement used in a servo displacement element or the like).
  • mechanical energy mechanical displacement, stress, vibration, etc.
  • an actuator an actuator that generates a bending displacement used in a servo displacement element or the like.
  • various types of sensors filters, acceleration sensors, shock sensors, etc.
  • transformers microphones
  • sound generators sound generators
  • oscillators and oscillators power and communication
  • the present invention relates to an actuator element for converting electric energy and an apparatus using the actuator element. Background art
  • an actuator that utilizes an inverse piezoelectric effect, a displacement based on the electrostrictive effect, or a reverse phenomenon that occurs when an electric field is applied to a piezoelectric / electrostrictive material such as a ferroelectric material. (Hereinafter simply referred to as an actuator element) is being developed.
  • a conventional actuator element 200 has a ceramic substrate 202 and a piezoelectric Z electrostriction operating section 204 formed on the ceramic substrate 202.
  • the ceramic substrate 202 has a cavity 206, and a thin plate portion formed by the cavity 206 functions as a diaphragm 208.
  • the piezoelectric / electrostrictive operating section 204 is formed on the vibration plate 208 and has a lower electrode 210 directly formed on the vibration plate 208, a piezoelectric / electrostrictive layer 212 formed on the lower electrode 210, and And an upper electrode 214 formed on the piezoelectric / electrostrictive layer 212.
  • Patent Document 1 JP-A-7-202284
  • the diaphragm 208 is used.
  • the diaphragm 208 has a merit in that it can amplify the displacement of the piezoelectric / electrostrictive layer 212.Since it is necessary to provide the ceramic substrate 202 with the cavities 206, there is a limit to thinning, weight reduction, and low cost. Occurs.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and a desired displacement can be obtained without using a diaphragm, or an electric signal can be obtained without using a diaphragm. It is an object of the present invention to provide an actuator element and a device using the actuator element, which can increase the dynamic range of the displacement that can be converted and can realize a reduction in thickness, weight, and cost. .
  • the actuator element according to the present invention is provided with a plate member, a piezoelectric / electrostrictive body disposed facing the plate member, and disposed between the plate member and the piezoelectric / electrostrictive body, A bar for fixing the piezoelectric / electrostrictive body to the plate member, wherein the piezoelectric / electrostrictive body is opposed to the plate member of the piezoelectric / electrostrictive layer; And a lower electrode formed on a surface of the piezoelectric / electrostrictive layer opposite to the surface facing the plate member.
  • the upper electrode and the lower electrode may be formed at a portion corresponding to the crosspiece.
  • a portion of the piezoelectric / electrostrictive body corresponding to the drive region is displaced, for example, in a direction away from the plate member.
  • the upper electrode and the lower electrode may be formed in a portion of the piezoelectric Z-electrostrictive body corresponding to the drive region. In this case, by applying an electric field to the upper electrode and the lower electrode, a portion of the piezoelectric Z-electrostrictive body corresponding to the drive region is displaced, for example, in a direction approaching the plate member.
  • the upper electrode and the lower electrode may be formed in a portion corresponding to the crosspiece and a portion corresponding to the drive region in the piezoelectric Z electrostrictive body.
  • the portion of the piezoelectric / electrostrictive body corresponding to the drive region is displaced in a direction away from the plate member, for example.
  • the portion of the piezoelectric / electrostrictive body corresponding to the drive region is displaced, for example, in a direction approaching the plate member. I do.
  • the upper electrode may be drawn out to the same surface of the piezoelectric / electrostrictive layer as the surface on which the lower electrode is formed, through a through hole formed in the piezoelectric / electrostrictive layer.
  • wiring to the drive circuit becomes easy.
  • the piezoelectric / electrostrictive body is formed on a laminated body in which a plurality of piezoelectric / electrostrictive layers are laminated, and on a surface of the laminated body facing the plate member.
  • parallel-type driving can be realized, and a desired displacement can be obtained without using a diaphragm, or conversion into an electric signal can be performed without using a diaphragm.
  • the dynamic range of the displacement that can be obtained can be widened, and a reduction in thickness, weight, and low cost can be realized.
  • the upper electrode, the intermediate electrode, and the lower electrode may be formed in a portion of the piezoelectric / electrostrictive body corresponding to the crosspiece, or may be formed in a portion corresponding to the drive region. May be formed. Further, the upper electrode, the intermediate electrode, and the lower electrode may be formed on a portion of the piezoelectric Z-electrostrictive body corresponding to the crosspiece and a portion corresponding to the drive region. ,.
  • the upper electrode and the intermediate electrode may be led out to the same surface of the laminate as a surface on which the lower electrode is formed, through a through hole formed in the laminate. In this case, it is easy to take out (supply a signal) the upper electrode and the intermediate electrode formed in the laminate, and the wiring to the drive circuit is also easy.
  • the displacement of the piezoelectric / electrostrictive body is applied to the driving area defined by the crosspiece in the area between the plate member and the piezoelectric Z electrostrictive body. It may have a displacement transmitting section for transmitting to the side. In this case, since the displacement transmitting section is displaced in the region surrounded by the crosspiece, the displacement transmitting section does not increase the thickness of the actuator element itself. That is, the thickness of the actuator element is governed exclusively by the crosspiece. This contributes to making the actuator element thinner.
  • the plate member is a transparent plate into which light is introduced
  • at least a light scattering layer may be provided on the displacement transmitting unit.
  • the displacement in the piezoelectric / electrostrictive body is transmitted to the transparent plate by the displacement transmitting unit.
  • the light scattering layer comes into contact with the transparent plate, light is emitted from the drive region. Therefore, by configuring one driving region as one pixel or a plurality of driving regions as one pixel, application to, for example, a display device is simplified.
  • a spacer is provided between the plate member and the piezoelectric Z electrostrictive body, and the plate member contacts an upper surface of the spacer and a lower surface of the spacer.
  • the crosspiece may include the spacer.
  • the spacer itself functions as a crosspiece.
  • a spacer is arranged between the plate member and the piezoelectric Z electrostrictive body.
  • the crosspiece includes the spacer and the spacer of the film. The portion immediately below and may be included.
  • a displacement transmitting section is formed on the piezoelectric / electrostrictive body on which the upper electrode is formed, and at least one film (for example, the light scattering layer described above) is formed on the entire surface including the displacement transmitting section.
  • the spacer and a portion immediately below the spacer are hardened due to a pressing force applied thereto. In many cases. Therefore, the portion of the film immediately below the spacer functions as a crosspiece together with the spacer.
  • the crosspiece may include a buffer layer. This is because when the spacer is made of a hard material, the above-mentioned film is formed on the lower surface of the spacer, and when the spacer is formed, a part of the film (the boundary portion with the spacer) is formed. Stress concentrates and the film may be broken by repeated displacement of the piezoelectric / electrostrictive body. Therefore, such a defect can be avoided by including a buffer layer in the crosspiece.
  • Devices using the actuator element according to the above-mentioned invention include devices such as displays, relays, and actuators (actuators that generate bending displacement used in servo displacement elements and the like) and the like.
  • devices that convert mechanical energy mechanical displacement, stress, vibration, etc.
  • various sensors filters, acceleration sensors, shock sensors, etc.
  • transformers microphones
  • sound generators sound generators
  • vibrators and oscillations A device that converts mechanical energy into electrical energy, such as a child (for power or communication), can be used.
  • the invention's effect can be used.
  • a desired displacement can be obtained without using a diaphragm, or the diaphragm can be used.
  • the dynamic range of the displacement that can be converted into an electric signal can be widened without the need, and a reduction in thickness, weight, and cost can be realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a partially omitted actuator element according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a partially omitted actuator element according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of the displacement transmitting member with a part thereof omitted.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement of spacers constituting the crosspiece as viewed from the rear side of the plate member.
  • FIG. 4 is a view showing another example of the arrangement of the spacers constituting the crosspiece as viewed from the rear side of the plate member.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a wiring configuration of an upper electrode and a lower electrode.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view partially showing an example in which a plurality of actuator units are provided corresponding to one crosspiece in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first modified example of the actuator element according to the first embodiment, with a part being omitted.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a first modification of the first embodiment in which a plurality of actuator units are provided corresponding to one drive region, with a part thereof being omitted.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second modified example of the actuator element according to the first embodiment, with a part omitted.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an actuator element according to a second embodiment with a part thereof omitted.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a wiring configuration of an upper electrode, an intermediate electrode, and a lower electrode.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view partially showing an example in which a plurality of actuator units are provided corresponding to one crosspiece in the second embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a first modified example of the actuator element according to the second embodiment with a part being omitted.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a first modification of the second embodiment in which a plurality of actuator units are provided corresponding to one drive region, with a part thereof being omitted. is there.
  • Garden 15 is a cross-sectional view showing a second modified example of the actuator element according to the second embodiment, with a part omitted.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view partially showing a display device according to an example. 17] FIG. 17 is a cross-sectional view showing an actuator element according to a conventional example with a part thereof omitted.
  • piezoelectric / electrostrictive body 16 ... bar
  • an actuator element 1 OA includes a plate member 12 and a piezoelectric / electrostrictive body 14 arranged opposite to the plate member 12. And a bar 16 disposed between the plate member 12 and the piezoelectric Z electrostrictive body 14 for fixing the piezoelectric / electrostrictive body 14 to the plate member 12.
  • Bar 16 includes spacer 18.
  • spacers 18 As an example of the arrangement of the spacers 18, as shown in FIG. 3, for example, a plurality of spacers 18 a are arranged in a grid pattern, or as shown in FIG. In some cases, the formed spacer 18b is arranged.
  • the actuator element 10A Assuming that the area partitioned by the spacers 18a and 18b is the drive area 20, as shown in FIG. 1, the actuator element 10A according to the first embodiment includes a top surface of the piezoelectric / electrostrictive body 14.
  • One displacement transmitting member 24 is formed corresponding to each drive area 20.
  • the displacement transmitting member 24 has a shape in which the peripheral portion has a gentle slope (displacement).
  • the transmission member 24 may have a trapezoidal cross section, or may have a steep peripheral part (the cross section of the displacement transmission member 24 is rectangular) as shown in FIG.
  • a bonding layer 22 is formed on the entire upper surface of the piezoelectric / electrostrictive body 14, and one of the upper surfaces of the bonding layer 22 corresponds to each drive region 20.
  • the displacement transmitting member 24 may be formed.
  • the spacer 18 has an upper surface in contact with the plate member 12 and a lower surface in contact with the bonding layer 22. Therefore, the bar 16 includes the spacer 18 disposed between the plate member 12 and the piezoelectric Z electrostrictive body 14 and a part of the bonding layer 22 existing directly below the spacer 18. Further, by forming the bonding layer 22, the spacer 18 and the displacement transmitting member 24 can be simultaneously attached to the piezoelectric Z-electrostrictive body 14 when the actuator element 10A is manufactured, thereby simplifying the process. Is possible.
  • the piezoelectric / electrostrictive body 14 includes one piezoelectric Z electrostrictive layer 26, an upper electrode 28 formed on the upper surface (the surface facing the plate member 12) of the piezoelectric Z electrostrictive layer 26, It has a lower electrode 30 formed on the lower surface of Z electrostrictive layer 26 (the surface opposite to the surface facing plate member 12).
  • the upper electrode 28 is formed at a position corresponding to the bar 16 on the upper surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26
  • the lower electrode 30 is formed at a position corresponding to the bar 16 on the lower surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26. It is formed in the position where it did.
  • the upper electrode 28, the lower electrode 30, and a part of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 sandwiched between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 are combined into one actuator section. I will agree with 32.
  • a wiring form of the upper electrode 28 and the lower electrode 30 is such that a terminal 34 for the upper electrode 28 is formed separately from the lower electrode 30 on the lower surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26. Then, the upper electrode 28 and the terminal 34 are electrically connected via a through hole 36 formed in the piezoelectric / electrostrictive layer 26.
  • the lower electrode 30 also functions as a terminal. Further, the same terminal (terminal for the lower electrode 30) may be provided at a different place from the lower electrode 30 on the same surface.
  • the upper end surface of the displacement transmitting member 24 comes into contact with the lower surface of the plate member 12 and is lifted. From this state, a positive drive voltage (lower electrode) is applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 of the actuator section 32 formed around a certain drive area 20 (for example, the right drive area 20 in FIG. 1).
  • a voltage of, for example, +25 V is applied with reference to 30
  • the force S for bending and displacing so that the peripheral portion of the drive area 20 becomes convex toward the plate member 12 is applied by the spacer 18 and the plate member 12.
  • the energy at this time is transmitted to a portion of the piezoelectric Z electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20, and the portion is bent so as to be convex downward as shown in FIG.
  • the plate is displaced, and the upper end surface of the displacement transmitting member 24 in the drive area 20 is separated from the plate member 12.
  • a positive driving voltage is applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 sandwiching the piezoelectric / electrostrictive layer 26, and as a result, the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is
  • a driving voltage of the opposite polarity for example, a voltage of ⁇ 25 V with respect to the lower electrode 30
  • the polarization direction and voltage value of the layer 26 may be changed.
  • a portion of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the drive area 20 is displaced in a convex shape toward the plate member 12, and the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is strongly pressed against the lower surface of the plate member 12. It is possible to make various movements. Further, in a structure in which the plate member 12 and the piezoelectric / electrostrictive body 14 are separated from each other via the spacer 18 in advance, the contact / separation drive is also possible.
  • the plate member 12 is not particularly limited as long as it can use metal, ceramics, glass, organic resin, or the like and satisfies the above functions.
  • SUS304 Young's modulus: 193 GPa, linear expansion coefficient: 17. 3 X 10- Seo ° C
  • SUS403 Young's modulus: 200 GPa, coefficient of linear expansion: 10. 4 X 10- 6 /.C) oxide Jinorekoniumu (Young's modulus: 245. 2 GPa, linear expansion coefficient: 9. 2 X 10 ° C)
  • glass e.g. Koyungu 0211, Young's modulus: 74. 4 GPa, linear expansion coefficient: 7. 38 X 10- 6 / ° C
  • an acrylic plate and the like are preferably used.
  • the constituent material of the spacer 18 is preferably a material that is not deformed by heat and pressure.
  • a thermosetting resin such as an epoxy resin, a photocurable resin, a moisture-absorbing curable resin, or a resin obtained by curing a room-temperature curable resin can be used.
  • Metal, glass and ceramic materials are also acceptable.
  • the spacer 18 may be made to contain the filler. Hardness is higher and heat resistance, strength and dimensional stability are higher than when no filler is contained. In other words, by including a filler, the hardness, heat resistance, and strength of the cured resin can be improved, and the amount of expansion and contraction due to heat can be significantly reduced.
  • the upper electrode 28, the lower electrode 30, and the terminal 34 are made of an anomium, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum, ruthenium, palladium, rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, Metals such as iridium, platinum, gold, and lead, or alloys containing two or more of these metals as constituents, and these metals and alloys may be used in the form of anoremium oxide, titanium oxide, dinoreconium oxide, cerium oxide, copper oxide It is also possible to use a conductive material such as a cermet in which the same material as the constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 described later is dispersed in a simple substance and an alloy with a metal oxide added thereto. it can.
  • the method for forming the upper electrode 28, the lower electrode 30, and the terminal 34 on the piezoelectric / electrostrictive layer 26 includes a photolithography method, a screen printing method, a dive method, a coating method, an electrophoresis method, and an ion beam method. , A sputtering method, a vacuum deposition method, an ion plating method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a film forming method such as plating.
  • Preferable examples of the constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 include lead zirconate, lead manganese tandastate, sodium bismuth titanate, bismuth ferrate, potassium sodium niobate, strontium bismuth tantalate, Lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, lead antimony stannate, lead titanate, barium titanate, barium copper tungstate, magnesium Examples thereof include lead tungstate, lead cono-niobate, and composite oxides of two or more of these.
  • these piezoelectric Z electrostrictive materials include lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, eckenole, manganese, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, and iron. Oxides such as thorium, tantalum, lithium, bismuth, tin, and copper may be dissolved.
  • the constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 may be a composite material of a composite piezoelectric material in which an organic substance is mixed with a piezoelectric ceramic powder, a piezoelectric ceramic fiber, or the like.
  • a piezoelectric polymer film for example, polyvinylidene fluoride PVDF such as a non-stretched P (VDF-TrFE) copolymer film or a uniaxially stretched P (VDF-TrFE) copolymer film
  • a piezoelectric single crystal for example, quartz, LiNbO, LiTaO, KNbO, etc.
  • One layer is a piezoelectric thin film (for example, Z
  • an antiferroelectric layer may be used instead of the piezoelectric Z electrostrictive layer 26.
  • a composite oxide of lead dinoreconate, lead zirconate and lead stannate and a composite oxide of lead zirconate, lead stannate and lead diobate.
  • These antiferroelectric materials may also contain the above-mentioned elements in solid solution.
  • lithium bismuthate or lead germanate is added to a material obtained by adding lithium bismuthate, lead germanate, or the like to the above-mentioned materials, for example, to a composite oxide of lead zirconate, lead titanate, and lead magnesium niobate.
  • a material is preferable because it can exhibit high material characteristics while realizing low-temperature firing of the piezoelectric / electrostrictive layer 26.
  • the low-temperature calcination can also be realized by adding glass (for example, silicate glass, borate glass, phosphate glass, germanate glass, or a mixture thereof).
  • glass for example, silicate glass, borate glass, phosphate glass, germanate glass, or a mixture thereof.
  • excessive addition causes deterioration of the material properties, so it is desirable to determine the amount of auxiliary force according to the required properties.
  • an adhesive can be used.
  • a filler-containing adhesive may be used.
  • the displacement transmitting member 24 is not particularly limited, but is preferably a thermoplastic resin, a thermosetting resin, a photo-curable resin, a moisture-absorbing curable resin, a room-temperature curable resin, or the like. 'Can be.
  • examples thereof include resin, cyanoacrylate resin, urethane resin, polyimide resin, methacrylic resin, modified methacrylic resin, polyolefin resin, special silicone modified polymer, polycarbonate resin, natural rubber, synthetic rubber, and the like.
  • bürptylal resins, acrylic resins, modified acrylic resins, epoxy resins, modified epoxy resins, or a mixture of two or more of these are preferable because of their excellent adhesive strength. Resins, modified epoxy resins, or mixtures thereof are preferred.
  • preferable materials and configurations of the displacement transmitting member 24 and a light scattering layer 108 are as follows. That is, in order to keep the natural state (the position when the driving operation is not performed) in a part of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the driving region 20 by the driving operation of the piezoelectric / electrostrictive body 14, the displacement transmission is performed.
  • the member 24 and the light scattering layer 108 described later have a small plastic deformation and a preferable material (a high yield point and a preferable material). It is preferable that the thickness of the displacement transmitting member 24 and the light scattering layer 108 be thin. Specifically, for each thickness, 300 zm or less is preferred, 50 zm or less is more preferred, and 10 ⁇ m or less is even more preferred.
  • the reason is that a portion of the piezoelectric Z electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20 performs a drive operation that approaches or separates from the plate member 12, so that the displacement transmission member 24 and the light scattering layer 108 ( (See Fig. 16)). If a force exceeding the yield point is applied to the displacement transmitting member 24 or the light scattering layer 108, plastic deformation occurs, and the shape is maintained while being expanded or contracted. In this case, a part of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20 is affected by the expanded or contracted displacement transmitting member 14 and the light scattering layer 108, and is in a natural state before and after the driving operation. Is likely to change.
  • the actuator element 10A since no diaphragm is used, there is no need to provide a ceramic substrate or the like, and a reduction in thickness, weight, and cost is realized. can do.
  • the piezoelectric / electrostrictive layer 26 included in the piezoelectric / electrostrictive body 14 has a single-layer structure, the manufacturing process can be simplified, the cost can be reduced, and the thickness can be reduced.
  • a force in which one actuator section 32 is provided corresponding to one bar 16 in addition, as shown in FIG. 6, a plurality of actuator sections 32 are It may be provided. In this case, even if one or two actuator units 32 are defective due to manufacturing variations or the like, the displacement can be compensated by the other actuator units 32, which is advantageous in improving the yield of the actuator element 10A.
  • the upper electrode 28 is drawn out to the lower surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 through the through hole 36 formed in the piezoelectric / electrostrictive layer 26, Wiring to the circuit becomes easy.
  • the upper electrode 28 may be shared, or the lower electrode 30 may be shared.
  • the sharing of the upper electrode 28 includes electrically connecting the upper electrodes 28 or forming the upper electrode 28 on the entire upper surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26.
  • Sharing the lower electrode 30 includes electrically connecting the lower electrodes 30 to each other, or forming the lower electrode 30 on the entire lower surface of the piezoelectric Z electrostrictive layer 26.
  • the manufacturing process can be simplified and the wiring can be easily routed.
  • the driving voltage waveform can be simplified, and the driving circuit system can be simplified. Note that the common use of the upper electrode 28 is preferable to the common use of the lower electrode 30.
  • the displacement transmitting member 24 is displaced in a direction to approach or separate from the plate member 12 by applying an electric field to the upper electrode 28 and the lower electrode 30 .
  • the force S can be used as a sensor for extracting an electric signal from the upper electrode 28 and the lower electrode 30.
  • the upper electrode 28 and the lower electrode 30 are formed in a portion of the piezoelectric Z electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20. Is different.
  • a positive drive voltage (with reference to the lower electrode 30) is applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 of the actuator section 32 corresponding to a certain drive area 20 (the right drive area 20 in FIG. 7).
  • a voltage of, for example, +25 V is applied, the key corresponding to the drive region 20 is applied.
  • the drive displacement is transmitted to the displacement transmitting member 24 because the cutuator portion 32 is bent upward so as to be convex as shown in FIG. 7, whereby the upper end surface of the displacement transmitting member 24 becomes a plate member.
  • a positive driving voltage is applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 sandwiching the piezoelectric / electrostrictive layer 26, and as a result, the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is
  • a drive voltage of the opposite polarity for example, a voltage of ⁇ 25 V with respect to the lower electrode 30
  • the direction of polarization and the voltage value of the piezoelectric / electrostrictive layer 26 may be changed.
  • the piezoelectric / electrostrictive body 14 can be bent and displaced so that the portion corresponding to the drive region 20 is convex downward.
  • contact / separation driving is possible.
  • a configuration in which a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one drive area 20 can be adopted.
  • the upper electrode 28 may be shared, or the lower electrode 30 may be shared.
  • the actuator element lOAb according to the second modified example is configured such that the upper electrode 28 and the lower electrode 30 are formed of a portion of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the bar 16. In that it is formed in a portion corresponding to the drive region 20.
  • a driving voltage is applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 formed at a portion corresponding to the crosspiece 16.
  • a positive drive voltage for example, a voltage of +25 V with respect to the lower electrode 30
  • a positive drive voltage may be applied between the upper electrode 28 and the lower electrode 30 formed in a portion corresponding to the drive region 20.
  • the displacement transmitting unit 24 when the application of the driving voltage is stopped, only the repulsive force of the piezoelectric / electrostrictive body 14, the displacement transmitting unit 24, and the like causes the displacement transmitting member to move. 24 is in contact with the plate member 12, but in the second modified example, the driving force of the actuator section 32 corresponding to the driving area 20 can be used. Can reliably contact the lower surface of the plate member 12.
  • the upper electrode 28 may be shared, or the lower electrode 30 may be shared.
  • the common use of the upper electrode 28 means that the upper electrode 28 formed at the portion corresponding to the bar 16 is electrically connected to each other, or that the upper electrode 28 formed at the portion corresponding to the drive area 20 is electrically connected. This includes electrically connecting the electrodes 28 or forming the upper electrode 28 on the entire upper surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26.
  • the common use of the lower electrode 30 means that the lower electrodes 30 formed in the portion corresponding to the rail 16 are electrically connected to each other, or the lower electrodes 30 formed in the portion corresponding to the drive region 20 are connected to each other. This includes making an electrical connection or forming the lower electrode 30 on the entire lower surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 26.
  • a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one beam 16, and a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one drive area 20. S can be adopted.
  • actuator element 10B has substantially the same configuration as actuator element 10A according to the first embodiment described above.
  • a laminate 14 is formed by stacking two piezoelectric / electrostrictive layers (first and second piezoelectric Z electrostrictive layers 26A and 26B), and an upper surface of the laminate 40 (facing the plate member 12).
  • Upper electrode 28 formed on the lower surface of the laminated body 40 (the surface opposite to the surface facing the plate member 12), and the first and second piezoelectric / electrostrictive layers. The difference is that an intermediate electrode 42 is formed between 26A and 26B.
  • the upper electrode 28, the intermediate electrode 42, and the lower electrode 30 Each of the first and second piezoelectric / electrostrictive layers 26A and 26B sandwiched between the upper electrode 28, the intermediate electrode 42 and the lower electrode 30 functions as one actuator 32. Become. Note that the same material as the above-described constituent material of the upper electrode 28 and the lower electrode 30 can be used as the constituent material of the intermediate electrode 42.
  • the wiring configuration of the upper electrode 28, the intermediate electrode 42, and the lower electrode 30 is, for example, as shown in FIG. 11, on the lower surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer 26B, separately from the lower electrode 30.
  • the upper electrode 28 and the relay electrode 48 are electrically connected via a through horn 50 formed on the first piezoelectric / electrostrictive layer 26A, and the relay electrode 48 and the terminal 44 are connected to the second piezoelectric / electrostrictive layer.
  • the lower electrode 30 also serves as a terminal. Also in this case, the terminal (the terminal for the lower electrode 30) may be provided at a different place from the lower electrode 30 on the same surface.
  • the upper end surface of the displacement transmitting member 24 comes into contact with the lower surface of the plate member 12 and is lifted.
  • a positive drive voltage (intermediate electrode) is applied between the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 of the actuator section 32 formed around a certain drive area 20 (eg, the right drive area 20 in FIG. 10).
  • a voltage of, for example, +25 V with reference to 42 is applied, and a positive drive voltage (for example, a voltage of +25 V with reference to the intermediate electrode 42) is applied between the lower electrode 30 and the intermediate electrode 42.
  • the energy is transmitted to the portion of the piezoelectric Z electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20 and, as shown in FIG. 10, the portion is bent and displaced so as to be convex downward, and the displacement transmission member in the drive region 20 24 upper end surface is separated from plate member 12 To do.
  • Each of the first to third driving methods shows the same displacement operation, but if the driving voltage is the same, the first driving method has the largest displacement and the third driving method has the next largest displacement.
  • the second drive method is the smallest. Therefore, by employing the first driving method or the third driving method, it is possible to drive at a low voltage.
  • a driving voltage of the opposite polarity (for example, a voltage of 125 V based on the intermediate electrode 42) may be applied between the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 and / or between the lower electrode 30 and the intermediate electrode 42.
  • the polarization directions and voltage values of the first and second piezoelectric / electrostrictive layers 26A and 26B may be changed.
  • the portion of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the drive region 20 is bent and displaced in a convex shape toward the plate member 12, and is strongly pressed against the lower surface of the plate member 12 by the upper end surface of the displacement transmitting member 24. Such movement can be performed.
  • the actuator element 10 B for example, parallel driving can be realized, and a desired displacement can be obtained without using a diaphragm. And the ability to reduce the thickness, weight, and cost of the actuator element 10B.
  • the piezoelectric Z electrostrictive layer included in the piezoelectric / electrostrictive body 14 has a two-layer structure (the first and second piezoelectric Z electrostrictive layers 26A and 26B), the first and second piezoelectric / electrostrictive layers are formed.
  • the strained layers 26A and 26B can be made thinner, respectively. As a result, a high electric field is applied even at a low voltage, and a large driving force and displacement can be obtained. Further, as shown in FIG.
  • the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 are drawn out to the lower surface of the laminate 40 through the through holes 50, 52, 54 formed in the laminate 40, so that the Extraction (supply of signals) of the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 formed on the body 40 is facilitated, and wiring to a drive circuit (not shown) is also facilitated.
  • the intermediate electrode 42 may be shared.
  • the sharing of the intermediate electrode 42 includes electrically connecting the intermediate electrodes 42 or forming the intermediate electrode 42 on the entire upper surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer 26B.
  • a configuration in which a plurality of actuator sections 32 are provided for one beam 16 may be employed. it can.
  • the upper electrode 28, the intermediate electrode 42, and the lower electrode 30 correspond to the drive area 20 of the piezoelectric / electrostrictive body 14. In that it is formed in a portion where
  • the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is separated from the lower surface of the plate member 12.
  • a positive drive voltage is applied between the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 of the actuator section 32 corresponding to a certain drive area 20 (the right drive area 20 in FIG. 13), A positive drive voltage is applied between the electrode 30 and the intermediate electrode 42.
  • the piezoelectric / electrostrictive body 14 is bent and displaced so that a portion corresponding to the drive region 20 becomes convex toward the plate member 12. This displacement is transmitted to the displacement transmitting member 24, and the upper end surface of the displacement transmitting member 24 in the drive area 20 contacts the lower surface of the plate member 12, as shown in FIG.
  • the actuator in the drive area 20 is stopped.
  • the portion 32 is displaced to the original state, and the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is separated from the lower surface of the plate member 12 again.
  • a positive drive voltage may be applied only between the 42 (a sixth drive method).
  • Each of the fourth and sixth driving methods shows the same displacement operation, but if the driving voltage is the same, the fourth driving method has the largest displacement and the sixth driving method has the next largest displacement.
  • the fifth drive method is the smallest. Therefore, by employing the fourth driving method or the sixth driving method, it is possible to drive at a low voltage.
  • a drive voltage of the opposite polarity (for example, a voltage of 125 V based on the intermediate electrode 42) may be applied between the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 and / or between the lower electrode 30 and the intermediate electrode 42.
  • the polarization directions and voltage values of the first and second piezoelectric / electrostrictive layers 26A and 26B may be changed. In this case, the portion of the piezoelectric / electrostrictive body 14 corresponding to the drive area 20 is bent and displaced concavely with respect to the plate member 12, and the upper end surface of the displacement transmitting member 24 is separated from the lower surface of the plate member 12. Such movement can be performed.
  • a configuration in which a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one drive region 20 can be adopted. Further, the intermediate electrode 42 may be shared.
  • the actuator element lOBb according to the second modification includes the upper electrode 28, the intermediate electrode 42, the lower electrode 30, the force S, and the This is different from the portion corresponding to the driving region 20 in that it is formed in the portion corresponding to the driving region 20.
  • the intermediate electrode 42 may be shared.
  • the common use of the intermediate electrode 42 refers to electrically connecting the intermediate electrodes 42 formed at the portion corresponding to the rail 16 or the intermediate electrode 42 formed at the portion corresponding to the drive region 20. This includes electrically connecting each other, or forming the intermediate electrode 42 on the entire upper surface of the second piezoelectric / electrostrictive layer 26B.
  • FIGS. 12 and 14 a configuration in which a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one beam 16 or a plurality of actuator units 32 are provided corresponding to one drive region 20 is shown.
  • Adopting power S can.
  • the display device 100 has, as the plate member 12, one optical waveguide plate 104 into which light (introduction light) 102 from a light source (not shown) is introduced from the end face. Is used.
  • a bonding layer 22 is formed on the entire upper surface of the piezoelectric / electrostrictive body 14, and a displacement transmitting member 24 is formed on a portion of the upper surface of the bonding layer 22 corresponding to the drive region 20. Also, displacement transmission A light scattering layer 108 is formed on the entire surface extending from the member 24 to the bonding layer 22 via the bonding layer 106. Further, in a region between the optical waveguide plate 104 and the piezoelectric / electrostrictive body 14, a spacer 18 is arranged at a portion where the crossbar 16 is to be arranged. That is, the spacer 18 has an upper surface in contact with the optical waveguide plate 104 and a lower surface in contact with the light scattering layer 108.
  • the beam 16 is formed by the spacer 18 disposed between the optical waveguide plate 104 and the piezoelectric Z electrostrictive body 14, and a part of the light scattering layer 108 immediately below the spacer 18. Includes a portion of bonding layers 106 and 22. Then, by driving the driving regions 20 partitioned by the crossbars 16 in a matrix or in a staggered manner, one pixel is formed by one driving region 20 or one pixel is formed by a plurality of driving regions 20 Will be.
  • the spacer 18 can be composed of, for example, a light absorbing layer. Of course, the spacer 18 may be formed of another member, and the light absorbing layer may be interposed between the spacer 18 and the optical waveguide 104.
  • the end face of the light scattering layer 108 contacts the rear surface of the optical waveguide plate 104 at a distance less than the wavelength of the introduced light (light introduced into the optical waveguide plate) 102. Therefore, for example, white light emission 110 is emitted from the main surface of the optical waveguide plate 104.
  • a positive drive voltage is applied between the upper electrode 28 and the intermediate electrode 42 formed around a certain drive region 20 (for example, the right drive region 20 in FIG. 16), and the lower electrode A positive drive voltage is applied between 30 and the intermediate electrode 42.
  • the bending displacement is suppressed by the force spacer 18 and the optical waveguide plate 104 that attempt to bend and displace such that the peripheral portion of the drive region 20 becomes convex toward the optical waveguide plate 104.
  • the portion is bent and displaced so as to project downward, and the drive region 20 is extinguished. Will be.
  • the bar 16 includes a buffer layer. That is, the bonding layers 106 and 22 are interposed between the light scattering layer 108 directly below the spacer 18 and the piezoelectric / electrostrictive body 14. This is because, when the spacer 18 is made of, for example, a hard material, a thin layer or a film such as the light scattering layer 108 is formed on the lower surface of the spacer 18. Stress concentrates on a part (boundary portion with spacer 18), and light scattering layer 108 may be broken by repeated displacement of piezoelectric / electrostrictive body 14. However, in this embodiment, since the bonding layers 106 and 22 are interposed, the bonding layers 106 and 22 function as a buffer layer, and the above-described problems can be avoided.
  • Devices using the actuator elements 10A and 10B include displays, relays, actuators (bending used for servo displacement elements and the like).
  • Devices that convert electrical energy into mechanical energy such as actuators that generate displacement, and various sensors (filters, acceleration sensors, impact sensors, etc.) It converts mechanical energy into electrical energy, such as a transformer, a microphone, a sounding body (such as a speaker), a vibrator or oscillator (for power or communication), a micropump, and a high-sensitivity electrical conversion module (generator).
  • An apparatus for performing the above can be given.
  • actuator element and the device using the actuator element according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.

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Abstract

　板部材（１２）と、板部材（１２）に対向して配された圧電／電歪体（１４）と、板部材（１２）と圧電／電歪体（１４）との間に配され、該圧電／電歪体（１４）を板部材（１２）に固定するための桟（１６）とを有し、圧電／電歪体（１４）は、少なくとも１つの圧電／電歪層（２６）と、該圧電／電歪層（２６）のうち、板部材（１２）と対向する面に形成された上部電極（２８）と、圧電／電歪層（２６）のうち、板部材（１２）と対向する面と反対の面に形成された下部電極（３０）とを有し、上部電極（２８）及び下部電極（３０）への電界印加によって、圧電／電歪体（１４）の一部を板部材（１２）に対して接近又は離間する方向に変位させる。

Description

明 細 書
ァクチユエータ素子及びァクチユエータ素子を有する装置
技術分野
[0001] 本発明は、ディスプレイ、リレー、ァクチユエータ（サーボ変位素子等に用いられる 屈曲変位を発生させるタイプのァクチユエータ）等のように、電気エネルギーを機械 エネルギー (機械的な変位、応力、振動等）に変換を行うほか、各種センサ (フィルタ 一、加速度センサや衝撃センサ等）、トランス、マイクロホン、発音体 (スピーカ等）、振 動子や発振子 (動力用や通信用）のように機械エネルギーを電気エネルギーに変換 を行うァクチユエータ素子及びそのァクチユエータ素子を用いた装置に関する。 背景技術
[0002] 近年、光学や精密加工等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位 置を調整する変位素子や、微小変位を電気信号の変化として検知する検出素子が 所望されるようになってきている。
[0003] これに応えるものとして、強誘電体等の圧電/電歪材料に電界を加えた時に起こる 逆圧電効果ゃ電歪効果に基づく変位、あるいはその逆の現象を利用したァクチユエ ータゃセンサ（以下、単にァクチユエータ素子と記す）の開発が進められている。
[0004] そのような分野の中で、ァクチユエータ素子においては、安価で小型化、低電圧作 動化、高速応答化を安定して実現することができるよう開発が進められている。
[0005] 従来のァクチユエータ素子 200は、図 17に示すように、セラミック基板 202と、該セ ラミック基板 202上に形成された圧電 Z電歪作動部 204とを有する。
[0006] セラミック基板 202はキヤビティ 206を有し、該キヤビティ 206によって形成された薄 板部が振動板 208として機能するようになっている。圧電/電歪作動部 204は、この 振動板 208上に形成され、該振動板 208上に直接形成された下部電極 210と、下部 電極 210上に形成された圧電 /電歪層 212と、該圧電 /電歪層 212上に形成され た上部電極 214とを有する。
[0007] 圧電/電歪層 212として圧電材料を用いた場合、上部電極 214及び下部電極 21 0に、圧電 /電歪層 212の分極処理時の印加電圧と正負が同じとなるように電圧を 印加すると、電界誘起歪の横効果によって圧電/電歪層 212がキヤビティ 206の方 向へ屈曲変位する (例えば特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開平 7 - 202284号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] ところで、上述のようなァクチユエータ素子 200においては、振動板 208を使用する ようにしている。振動板 208は圧電 /電歪層 212の変位を増幅できる点でメリットがあ る力 セラミック基板 202にキヤビティ 206を設けて形成する必要があるため、薄型化 、軽量化、低コストィ匕に限界が生じる。
[0009] 本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、振動板を使用しなくても所 望の変位を得ることができ、あるいは振動板を使用しなくても電気信号に変換するこ とができる変位のダイナミックレンジを大きくとることができ、薄型化、軽量化、低コスト 化を実現することができるァクチユエータ素子及びそのァクチユエータ素子を用いた 装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明に係るァクチユエータ素子は、板部材と、前記板部材に対向して配された圧 電/電歪体と、前記板部材と前記圧電 /電歪体との間に配され、該圧電 /電歪体を 前記板部材に固定するための桟とを有し、前記圧電/電歪体は、圧電/電歪層と、 該圧電 /電歪層のうち、前記板部材と対向する面に形成された上部電極と、前記圧 電/電歪層のうち、前記板部材と対向する面と反対の面に形成された下部電極とを 有し、前記上部電極及び前記下部電極への電界印加によって、前記圧電/電歪体 の一部を前記板部材に対して接近又は離間する方向に変位させることを特徴とする
[0011] すなわち、本発明では、振動板を使用しないことから、セラミック基板等を設ける必 要がなくなり、薄型化、軽量化、低コストィ匕を実現することができる。
[0012] ここでは、上部電極及び下部電極への電界印加によって圧電/電歪体の一部を 板部材に対して接近又は離間する方向に変位させる場合を示したが、その他、圧電 /電歪体の一部が板部材に対して接近又は離間する方向に変位することによって、 上部電極及び下部電極から電気信号を取り出すセンサとしても利用することができる
[0013] そして、前記構成において、前記板部材と前記圧電/電歪体との間の領域のうち、 前記桟で区画された領域を駆動領域としたとき、前記上部電極と下部電極は、前記 圧電/電歪体のうち、前記桟に対応する部分に形成されていてもよい。この場合、上 部電極と下部電極に電界印加することで、圧電/電歪体のうち、駆動領域に対応す る部分が例えば前記板部材力 離間する方向に変位する。
[0014] また、前記上部電極と下部電極は、前記圧電 Z電歪体のうち、前記駆動領域に対 応する部分に形成されていてもよい。この場合、上部電極と下部電極に電界印加す ることで、圧電 Z電歪体のうち、駆動領域に対応する部分が例えば前記板部材に接 近する方向に変位する。
[0015] また、前記上部電極と下部電極は、前記圧電 Z電歪体のうち、前記桟と対応する 部分と、前記駆動領域に対応する部分とに形成されていてもよい。この場合、桟に対 応する部分に形成された上部電極と下部電極に電界印加することで、圧電/電歪体 のうち、駆動領域に対応する部分が例えば前記板部材力 離間する方向に変位し、 駆動領域に対応する部分に形成された上部電極と下部電極に電界印加することで、 圧電/電歪体のうち、駆動領域に対応する部分が例えば前記板部材に接近する方 向に変位する。
[0016] また、前記上部電極は、前記圧電 /電歪層に形成されたスルーホールを通じて前 記圧電/電歪層のうち、前記下部電極が形成された面と同じ面に引き出されていて もよレ、。この場合、駆動回路との配線が容易になる。
[0017] また、本発明において、前記圧電/電歪体は、複数の圧電/電歪層が積層されて なる積層体と、該積層体のうち、前記板部材と対向する面に形成された上部電極と、 前記積層体のうち、前記板部材と対向する面と反対の面に形成された下部電極と、 前記積層体のうち、前記圧電 z電歪層間に形成された中間電極とを有するようにし てもよい。
[0018] この場合、例えばパラレル型の駆動を実現させることができ、振動板を使用しなくて も所望の変位を得ることができ、あるいは振動板を使用しなくても電気信号に変換す ることができる変位のダイナミックレンジを大きくとることができ、薄型化、軽量化、低コ ストィ匕を実現することができる。
[0019] そして、前記上部電極、前記中間電極及び前記下部電極は、前記圧電/電歪体 のうち、前記桟に対応する部分に形成されていてもよいし、前記駆動領域に対応す る部分に形成されていてもよい。また、前記上部電極、前記中間電極及び前記下部 電極は、前記圧電 Z電歪体のうち、前記桟と対応する部分と、前記駆動領域に対応 する部分とに形成されてレ、てもよレ、。
[0020] また、前記上部電極及び前記中間電極は、前記積層体に形成されたスルーホール を通じて前記積層体のうち、前記下部電極が形成された面と同じ面に引き出されて いてもよい。この場合、積層体に形成された上部電極や中間電極の取り出し (信号の 供給)が容易になり、駆動回路との配線も容易になる。
[0021] また、本発明においては、前記板部材と前記圧電 Z電歪体との間の領域のうち、前 記桟で区画された駆動領域に前記圧電 /電歪体の変位を前記板部材側に伝える 変位伝達部を有するようにしてもよい。この場合、変位伝達部が桟で囲まれた領域内 を変位することとなるため、変位伝達部によってァクチユエータ素子自体の厚みが増 すということがない。すなわち、ァクチユエータ素子の厚みはもっぱら桟によって支配 されることになる。これは、ァクチユエータ素子の薄型化に寄与することになる。
[0022] 前記構成において、前記板部材が光が導入される透明板である場合に、前記変位 伝達部上に少なくとも光散乱層を有するようにしてもよい。これにより、ある駆動領域 において、圧電 /電歪体での変位が変位伝達部によって透明板に伝わる。このとき 、例えば光散乱層が透明板に接触することで、当該駆動領域から光が出射されること になる。従って、 1つの駆動領域を 1つの画素あるいは複数の駆動領域を 1つの画素 として構成することによって、例えば表示装置への応用が簡単になる。
[0023] また、前記構成において、前記板部材と前記圧電 Z電歪体との間にスぺーサが配 され、前記スぺーサの上面に板部材が接触し、前記スぺーサの下面に圧電 Z電歪 体が接触している場合に、前記桟は、前記スぺーサを含むようにしてもよい。すなわ ち、スぺーサ自体が桟として機能することになる。
[0024] また、前記構成において、前記板部材と前記圧電 Z電歪体との間にスぺーサが配 され、前記スぺーサの下面と圧電/電歪体との間に少なくとも 1層の膜が形成されて いる場合に、前記桟は、前記スぺーサと、前記膜のうち、前記スぺーサ直下の部分と を含むようにしてもよい。
[0025] これは、上部電極が形成された圧電/電歪体上に変位伝達部を形成し、さらに、 変位伝達部を含む全面に少なくとも 1つの膜 (例えば上述した光散乱層等）を形成し 、さらに、前記膜の所定箇所にスぺーサを形成し、スぺーサ上に板部材を配置した 場合、スぺーサとスぺーサの直下の部分は押圧力が加わって硬い状態となっている 場合が多い。従って、前記膜のうち、スぺーサ直下の部分は、スぺーサと共に桟とし て機能することになる。
[0026] 上述の構成において、前記桟は、緩衝層を含むようにしてもよレ、。これは、スぺーサ が硬い材料で構成されている場合、スぺーサの下面に上述のような膜が形成されて レ、ると、膜の一部 (スぺーサとの境界部分）に応力が集中し、圧電/電歪体の変位の 繰り返しによって、膜がやぶれるおそれがある。そこで、桟に緩衝層を含めることでこ のような不具合を回避することができる。
[0027] そして、上述した発明に係るァクチユエータ素子を使用した装置としては、ディスプ レイ、リレー、ァクチユエータ（サーボ変位素子等に用いられる屈曲変位を発生させる タイプのァクチユエータ）等のように、電気エネルギーを機械エネルギー (機械的な変 位、応力、振動等）に変換を行う装置のほか、各種センサ（フィルター、加速度センサ や衝撃センサ等）、トランス、マイクロホン、発音体 (スピーカ等）、振動子や発振子（ 動力用や通信用）のように機械エネルギーを電気エネルギーに変換を行う装置を挙 げること力 Sできる。 発明の効果
[0028] 以上説明したように、本発明に係るァクチユエータ素子及びァクチユエータ素子を 使用した装置によれば、振動板を使用しなくても所望の変位を得ることができ、あるい は振動板を使用しなくても電気信号に変換することができる変位のダイナミックレンジ を大きくとることができ、薄型化、軽量化、低コストィ匕を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0029] [図 1]図 1は、第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子を一部省略して示す断面 図である。
園 2]図 2は、変位伝達部材の他の例を一部省略して示す断面図である。
園 3]図 3は、桟を構成するスぺーサの配置の一例を板部材の背面方向から見て示 す図である。
園 4]図 4は、桟を構成するスぺーサの配置の他の例を板部材の背面方向から見て 示す図である。
園 5]図 5は、上部電極と下部電極の配線形態の一例を示す断面図である。
園 6]図 6は、第 1の実施の形態において、 1つの桟に対応して複数のァクチユエータ 部を設けた例を一部省略して示す断面図である。
園 7]図 7は、第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子の第 1の変形例を一部省 略して示す断面図である。
園 8]図 8は、第 1の実施の形態における第 1の変形例において、 1つの駆動領域に 対応して複数のァクチユエ一タ部を設けた例を一部省略して示す断面図である。 園 9]図 9は、第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子の第 2の変形例を一部省 略して示す断面図である。
[図 10]図 10は、第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子を一部省略して示す断 面図である。
[図 11]図 11は、上部電極、中間電極及び下部電極の配線形態の一例を示す断面図 である。
[図 12]図 12は、第 2の実施の形態において、 1つの桟に対応して複数のァクチユエ 一タ部を設けた例を一部省略して示す断面図である。
園 13]図 13は、第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子の第 1の変形例を一部 省略して示す断面図である。
[図 14]図 14は、第 2の実施の形態における第 1の変形例において、 1つの駆動領域 に対応して複数のァクチユエ一タ部を設けた例を一部省略して示す断面図である。 園 15]図 15は、第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子の第 2の変形例を一部 省略して示す断面図である。
[図 16]図 16は、実施例に係る表示装置を一部省略して示す断面図である。 園 17]図 17は、従来例に係るァクチユエータ素子を一部省略して示す断面図である 符号の説明
[0030] 10 Aヽ 10Aa、 10Ab、 10B、 10Ba、 lOBb…ァクチユエータ素子
12…板部材
14…圧電/電歪体 16…桟
18、 18a, 18b…スぺーサ 20…駆動領域
22、 106…接合層 24…変位伝達部材
26、 26A、 26B…圧電 /電歪層 28…上部電極
30…下部電極 32…ァクチユエータ部
36、 50、 52、 54· · ·スノレーホ一ノレ 42…中間電極
100…表示装置 104…光導波板
108…光散乱層
発明を実施するための最良の形態
[0031] 以下、本発明に係るァクチユエータ素子及びァクチユエータ素子を利用した装置の 実施の形態例を図 1一図 16を参照しながら説明する。
[0032] まず、第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 1 OAは、図 1に示すように、板部 材 12と、該板部材 12に対向して配された圧電/電歪体 14と、板部材 12と圧電 Z電 歪体 14との間に配され、該圧電 /電歪体 14を板部材 12に固定するための桟 16とを 有する。桟 16は、スぺーサ 18を含む。
[0033] スぺーサ 18の配置例としては、図 3に示すように、例えば複数のスぺーサ 18aが格 子状に並べられる場合や、図 4に示すように、格子状に一体的に形成されたスぺー サ 18bが配置される場合等がある。
[0034] そして、板部材 12と圧電 /電歪体 14との間の領域のうち、図 3や図 4に示すように
、スぺーサ 18aや 18bで区画された領域を駆動領域 20としたとき、図 1に示すように、 第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Aは、圧電 /電歪体 14の上面のうち
、各駆動領域 20に対応してそれぞれ 1つの変位伝達部材 24が形成されている。
[0035] 変位伝達部材 24としては、図 1に示すように、周部の傾斜がなだらかな形状（変位 伝達部材 24の断面が台形状）であってもよいし、図 2に示すように、周部の傾斜が急 峻 (変位伝達部材 24の断面が矩形状）であってもよい。
[0036] なお、図 6に示すように、圧電 /電歪体 14の上面全面に接合層 22を形成し、該接 合層 22の上面のうち、各駆動領域 20に対応してそれぞれ 1つの変位伝達部材 24を 形成するようにしてもよレ、。この場合、スぺーサ 18は、その上面が板部材 12に接触し 、下面が接合層 22に接触している。従って、桟 16は、板部材 12と圧電 Z電歪体 14 との間に配されたスぺーサ 18と、該スぺーサ 18の直下に存する接合層 22の一部を 含むこととなる。また、接合層 22を形成することで、ァクチユエータ素子 10Aを作製す る際、圧電 Z電歪体 14に対してスぺーサ 18と変位伝達部材 24を同時に貼り付ける ことができるため、工程の簡略化が可能となる。
[0037] 圧電/電歪体 14は、 1つの圧電 Z電歪層 26と、該圧電 Z電歪層 26の上面（板部 材 12と対向する面）に形成された上部電極 28と、圧電 Z電歪層 26の下面 (板部材 1 2と対向する面と反対の面）に形成された下部電極 30とを有する。特に、上部電極 2 8は、圧電 /電歪層 26の上面のうち、桟 16に対応した位置に形成され、下部電極 3 0は、圧電 /電歪層 26の下面のうち、桟 16に対応した位置に形成されている。この 例では、圧電 /電歪体 14のうち、上部電極 28と、下部電極 30と、これら上部電極 28 及び下部電極 30で挟まれた圧電 /電歪層 26の一部とが 1つのァクチユエータ部 32 として機肯することになる。
[0038] また、上部電極 28と下部電極 30の配線形態は、例えば図 5に示すように、圧電/ 電歪層 26の下面に下部電極 30とは別に上部電極 28用の端子 34を形成し、上部電 極 28と端子 34とを圧電/電歪層 26に形成されたスルーホール 36を介して電気的 に接続する。なお、この図 5では、下部電極 30は端子を兼ねることになる。また、同端 子（下部電極 30用の端子）は、同一面上の下部電極 30とは別の場所に設けてもよい
[0039] ここで、第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Aの駆動方法について説明 する。
[0040] 先ず、圧電 Z電歪体 14の自然状態においては、変位伝達部材 24の上端面が板 部材 12の下面に接触してレ、る。 [0041] この状態から、ある駆動領域 20 (例えば図 1において右側の駆動領域 20)の周りに 形成されたァクチユエータ部 32の上部電極 28と下部電極 30間に正極性の駆動電 圧（下部電極 30を基準として例えば + 25Vの電圧）を印加すると、当該駆動領域 20 の周辺部分が板部材 12に向かって凸となるように屈曲変位しょうとする力 S、スぺーサ 18及び板部材 12によってその屈曲変位が抑えられることから、このときのエネルギー が圧電 Z電歪体 14の当該駆動領域 20に対応した部分に伝わり、図 1に示すように、 該部分が下方に凸となるように屈曲変位し、当該駆動領域 20における変位伝達部 材 24の上端面が板部材 12から離間する。
[0042] そして、上述の駆動電圧の印加を停止すると、圧電/電歪体 14のうち、当該駆動 領域 20に対応する部分が元の状態に変位し、変位伝達部材 24の上端面が再び板 部材 12の下面に接触することとなる。
[0043] 上述の駆動方法では、圧電/電歪層 26を挟む上部電極 28と下部電極 30間に、 正極性の駆動電圧を印加し、その結果、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12から 離間させるようにした力 その他、上部電極 28と下部電極 30間に逆極性の駆動電圧 (下部電極 30を基準として例えば- 25Vの電圧）を印加するようにしてもよいし、圧電 /電歪層 26の分極の方向や電圧値を変えてもよい。この場合、圧電/電歪体 14の うち、駆動領域 20に対応する部分が板部材 12に向けて凸状に変位し、変位伝達部 材 24の上端面で板部材 12の下面に強く押し付けるような動きをさせることが可能とな る。また、板部材 12と圧電 /電歪体 14とをスぺーサ 18を介して予め離しておく構造 では、接触/離間の駆動も可能である。
[0044] 次に、各部材の好ましい構成材料等について説明する。まず、板部材 12は、金属 、セラミックス、ガラス、有機樹脂等が利用でき、上記機能を満たすものなら、特に限 定されるものではなレ、。一例を挙げれば、 SUS304 (ヤング率： 193GPa、線膨張係 数： 17. 3 X 10—ソ °C)、 SUS403 (ヤング率： 200GPa、線膨張係数： 10. 4 X 10— 6 /。C)、酸化ジノレコニゥム（ヤング率： 245. 2GPa、線膨張係数： 9. 2 X 10 °C) , ガラス（例えばコーユング 0211、ヤング率： 74. 4GPa、線膨張係数： 7. 38 X 10— 6/ °C)、アクリル板等が好ましく用いられる。
[0045] スぺーサ 18の構成材料としては、熱、圧力に対して変形しないものが好ましい。例 えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、光硬化性樹脂、吸湿硬化性樹脂、常温硬 化性樹脂等を硬化させたもの等が挙げられる。金属、ガラス、セラミック材料でもよレヽ
[0046] もちろん、スぺーサ 18にフイラ一を含有させるようにしてもよレ、。フィラーを含有しな い場合と比して硬度が高ぐかつ耐熱性や強度、寸法安定性が高い。換言すれば、 フィラーを含有させることによって、樹脂硬化物の硬度や耐熱性、強度を向上させる ことができ、かつ、熱による膨張 ·収縮量を著しく減少させることができる。
[0047] 上部電極 28、下部電極 30及び端子 34は、ァノレミニゥム、チタン、クロム、鉄、コバ ルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀 、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の各金属、あるいはこれら のうちの 2種類以上を構成成分とする合金、また、これら金属単体及び合金に酸化ァ ノレミニゥム、酸化チタン、酸化ジノレコニゥム、酸化セリウム、酸化銅等の金属酸化物を 添加したもの、さらには金属単体及び合金に対して後述する圧電/電歪層 26の構 成材料と同じ材料を分散させたサーメットとしたもの等の導電材料を用いることができ る。
[0048] 圧電/電歪層 26上に上部電極 28、下部電極 30、端子 34を形成する方法としては 、フォトリソグラフィ法、スクリーン印刷法、デイツビング法、塗布法、電気泳動法、ィォ ンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長 (CVD)法、あるいはめっき等の膜形成法が挙げられる。
[0049] 圧電/電歪層 26の構成材料の好適な例としては、ジルコン酸鉛、マンガンタンダス テン酸鉛、チタン酸ナトリウムビスマス、鉄酸ビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タ ンタル酸ストロンチウムビスマス、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜 鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸 鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、銅タングステン酸バリウム、 マグネシウムタングステン酸鉛、コノルトニオブ酸鉛、あるいはこれらのうちの 2種以 上からなる複合酸化物を挙げることができる。また、これらの圧電 Z電歪体材料には 、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、 亜鉛、エッケノレ、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イツ トリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。
[0050] また、圧電/電歪層 26の構成材料としては、圧電セラミック粉末、圧電セラミック繊 維等と有機物とを混在させた複合圧電体 'コンポジット材でもよい。あるいは圧電高分 子膜（例えば無延伸 P (VDF - TrFE)共重合フィルム、一軸延伸 P (VDF-TrFE)共 重合フィルム等のポリフッ化ビニリデン PVDF等）でもよい。あるいは、圧電単結晶（例 えば水晶、 LiNbO、 LiTaO、 KNbOなど）でもよレヽ。あるレヽは、圧電薄膜（例えば Z
3 3 3
n〇、 A1N等）でもよい。
[0051] なお、圧電 Z電歪層 26の代わりに反強誘電体層を用いてもよい。この場合、ジノレコ ン酸鉛、ジルコン酸鉛及びスズ酸鉛の複合酸化物、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及び二 ォブ酸鉛の複合酸化物等を挙げることができる。これらの反強誘電体材料も、上記し たような各元素が固溶されていてもよい。
[0052] また、前記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えば ジルコン酸鉛、チタン酸鉛およびマグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物にビスマス 酸リチウムないしゲルマン酸鉛を添加した材料は、圧電/電歪層 26の低温焼成を実 現しつつ高い材料特性を発現できるので好ましい。なお、低温焼成化はガラスの添 カロ（例えば珪酸塩ガラス、硼酸塩ガラス、燐酸塩ガラス、ゲルマン酸塩ガラス、又はそ れらの混合物）によっても実現させることができる。ただ、過剰な添加は、材料特性の 劣化を招くため、要求特性に応じて添力卩量を決めることが望ましい。
[0053] 変位伝達部材 24は、例えば接着剤を用いることができる。フィラー含有接着剤を用 いてもよい。もちろん、変位伝達部材 24は、特に限定されるものではないが、熱可塑 性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、吸湿硬化性樹脂、常温硬化性樹脂等を好 適な ί列として挙げ'ることができる。
[0054] 具体的には、アクリル系樹脂、変性アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ 樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、酢酸ビニル系樹脂、エチレン一酢酸ビニ ル共重合体系樹脂、ビュルプチラール系樹脂、シァノアクリレート系樹脂、ウレタン系 樹脂、ポリイミド系樹脂、メタクリル系樹脂、変性メタクリル系樹脂、ポリオレフイン系樹 脂、特殊シリコーン変性ポリマー、ポリカーボネート系樹脂、天然ゴム、合成ゴム等が 例示される。 [0055] 特に、ビュルプチラール系樹脂、アクリル系樹脂、変性アクリル系樹脂、エポキシ榭 脂、変性エポキシ樹脂、あるいはこれらの 2種以上の混合物は接着強度に優れるの で好適であり、とりわけ、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、あるいはこれらの混合物 が好適である。
[0056] また、変位伝達部材 24や後述する光散乱層 108 (図 16参照）の好ましい材質、構 成については、以下の通りである。すなわち、圧電/電歪体 14の駆動動作により、駆 動領域 20に対応する圧電/電歪体 14の一部における自然状態（駆動動作させない ときの位置）を一定に保っためには、変位伝達部材 24や後述する光散乱層 108は、 塑性変形の少なレ、材質が好ましレヽ（降伏点の高レ、材質が好ましレ、)。変位伝達部材 24や光散乱層 108の厚みは薄い方が好ましい。具体的には、各々の厚みについて 300 z m以下が好ましぐ 50 z m以下がより好ましぐ 10 μ m以下がさらに好ましレ、。
[0057] その理由は、駆動領域 20に対応する圧電 Z電歪体 14の一部が板部材 12に対し て接近又は離間する駆動動作をすることで、変位伝達部材 24や光散乱層 108 (図 1 6参照）に対しても伸長 ·収縮させる力が加わる。仮に、変位伝達部材 24や光散乱層 108に降伏点を超える力が加わると塑性変形を起こし、伸長または収縮したままその 形状が維持されてしまう。この場合、駆動領域 20に対応する圧電/電歪体 14の一 部は、伸長または収縮した変位伝達部材 14や光散乱層 108の影響を受けて、駆動 動作を行なう前と後における自然状態での位置が変わるおそれが有るからである。
[0058] このように、この第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Aにおいては、振動 板を使用しないことから、セラミック基板等を設ける必要がなくなり、薄型化、軽量化、 低コスト化を実現することができる。特に、圧電 /電歪体 14に含まれる圧電/電歪層 26を 1層構造としたので、製造工程を単純化でき、低コストを図ることができると共に 、薄型化にも有利になる。
[0059] 上述の例では、 1つの桟 16に対応して 1つのァクチユエータ部 32を設けるようにし た力 その他、図 6に示すように、 1つの桟 16に対応して複数のァクチユエータ部 32 を設けるようにしてもよレ、。この場合、製造ばらつき等によって 1つや 2つのァクチユエ ータ部 32が欠陥であってとしても、他のァクチユエータ部 32にて変位補償できるため 、ァクチユエータ素子 10Aの歩留まりを向上させる上で有利となる。 [0060] また、図 5に示すように、上部電極 28は、圧電 /電歪層 26に形成されたスルーホ ール 36を通じて圧電 /電歪層 26の下面に引き出すようにしたので、図示しない駆動 回路との配線が容易になる。
[0061] また、上部電極 28を共通化してもよいし、あるいは下部電極 30を共通化してもよい 。ここで、上部電極 28の共通化とは、上部電極 28同士を電気的に接続すること、ある いは圧電/電歪層 26の上面全面に上部電極 28を形成することを含む。下部電極 3 0の共通化とは、下部電極 30同士を電気的に接続すること、あるいは圧電 Z電歪層 26の下面全面に下部電極 30を形成することを含む。
[0062] 上部電極 28を共通化する、又は下部電極 30を共通化することによって、製造工程 の単純化を図ることができ、配線の引き回しも容易になる。駆動電圧波形も単純化す ること力 Sでき、駆動回路系を簡単化することができる。なお、上部電極 28の共通化が 下部電極 30の共通化よりも好ましレ、。
[0063] なお、ここでは、上部電極 28及び下部電極 30への電界印加によって変位伝達部 材 24を板部材 12に対して接近又は離間する方向に変位させる場合を示したが、そ の他、変位伝達部材 24が板部材 12に対して接近又は離間する方向に変位すること によって、上部電極 28及び下部電極 30から電気信号を取り出すセンサとしても利用 すること力 Sできる。
[0064] 次に、上述した第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Aのいくつかの変形 例について図 7—図 9を参照しながら説明する。なお、図 1と対応する部材について は同符号を付してその重複説明を省略する。
[0065] 第 1の変形例に係るァクチユエータ素子 lOAaは、図 7に示すように、上部電極 28と 下部電極 30が、圧電 Z電歪体 14のうち、駆動領域 20に対応する部分に形成されて いる点で異なる。
[0066] この駆動方法の一例を説明すると、先ず、圧電 Z電歪体 14の自然状態においては 、変位伝達部材 24の上端面が板部材 12の下面から離間している。
[0067] この状態から、ある駆動領域 20 (図 7において右側の駆動領域 20)に対応するァク チユエータ部 32の上部電極 28と下部電極 30間に正極性の駆動電圧（下部電極 30 を基準として例えば + 25Vの電圧）が印加されると、当該駆動領域 20に対応するァ クチユエータ部 32が図 7に示すように、上方に凸となるように屈曲変位することから、 この駆動変位が変位伝達部材 24に伝わり、これによつて、変位伝達部材 24の上端 面が板部材 12に接触する。
[0068] そして、上述の駆動電圧の印加を停止すると、当該駆動領域 20のァクチユエータ 部 32が元の状態に変位し、変位伝達部材 24の上端面は再び板部材 12の下面から 離間することとなる。
[0069] 上述の駆動方法では、圧電/電歪層 26を挟む上部電極 28と下部電極 30間に、 正極性の駆動電圧を印加し、その結果、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の 下面に接触させるようにしたが、その他、上部電極 28と下部電極 30間に逆極性の駆 動電圧（下部電極 30を基準として例えば- 25Vの電圧）を印加するようにしてもよいし 、圧電/電歪層 26の分極の方向や電圧値を変えてもよい。この場合、圧電/電歪 体 14のうち、駆動領域 20に対応する部分が下方に凸となるように屈曲変位させるこ とが可能となる。また、予め変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面に接触さ せた構造にしておくことで、接触/離間の駆動が可能である。
[0070] なお、この第 1の変形例においても、図 8に示すように、 1つの駆動領域 20に対応し て複数のァクチユエータ部 32を設けた構成を採用することができる。また、上部電極 28を共通化してもょレ、し、あるいは下部電極 30を共通化してもょレ、。
[0071] 次に、第 2の変形例に係るァクチユエータ素子 lOAbは、図 9に示すように、上部電 極 28と下部電極 30が、圧電/電歪体 14のうち、桟 16に対応した部分と、駆動領域 20に対応する部分に形成されている点で異なる。
[0072] そして、例えば変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面に接触させる場合は 、桟 16に対応した部分に形成された上部電極 28と下部電極 30間には駆動電圧を 印加せず、駆動領域 20に対応した部分に形成された上部電極 28と下部電極 30間 に正極性の駆動電圧（下部電極 30を基準として例えば + 25Vの電圧）を印加すれ ばよい。
[0073] 反対に、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面から離間させる場合は、駆 動領域 20に対応した部分に形成された上部電極 28と下部電極 30間には駆動電圧 を印加せず、桟 16に対応した部分に形成された上部電極 28と下部電極 30間に正 極性の駆動電圧を印加すればょレ、。
[0074] つまり、上述した第 1の実施の形態においては（図 1参照）、駆動電圧の印加停止の 際、圧電/電歪体 14や変位伝達部体 24等の反発力のみによって変位伝達部材 24 を板部材 12に接触させているが、この第 2の変形例では、駆動領域 20に対応した部 分のァクチユエータ部 32の駆動力をも用いることができるので、変位伝達部材 24の 上端面を板部材 12の下面に確実に接触させることができる。
[0075] なお、この第 2の変形例においても、上部電極 28を共通化してもよいし、あるいは 下部電極 30を共通化してもよレ、。この場合、上部電極 28の共通化とは、桟 16に対 応する部分に形成された上部電極 28同士を電気的に接続すること、あるいは駆動領 域 20に対応する部分に形成された上部電極 28同士を電気的に接続すること、ある いは圧電/電歪層 26の上面全面に上部電極 28を形成することを含む。下部電極 3 0の共通化とは、桟 16に対応する部分に形成された下部電極 30同士を電気的に接 続すること、あるいは駆動領域 20に対応する部分に形成された下部電極 30同士を 電気的に接続すること、あるいは圧電 /電歪層 26の下面全面に下部電極 30を形成 することを含む。
[0076] また、図 6や図 8と同様に、 1つの桟 16に対応して複数のァクチユエータ部 32を設 けたり、 1つの駆動領域 20に対応して複数のァクチユエータ部 32を設けた構成を採 用すること力 Sできる。
[0077] 次に、第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bについて図 10を参照しな 力 Sら説明する。
[0078] この第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bは、図 10に示すように、上述 した第 1の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Aとほぼ同様の構成を有するが、 圧電/電歪体 14が、 2つの圧電/電歪層（第 1及び第 2の圧電 Z電歪層 26A及び 2 6B)が積層されてなる積層体 40と、該積層体 40の上面 (板部材 12と対向する面）に 形成された上部電極 28と、積層体 40の下面 (板部材 12と対向する面と反対の面）に 形成された下部電極 30と、第 1及び第 2の圧電/電歪層 26A及び 26B間に形成さ れた中間電極 42とを有する点で異なる。
[0079] この例では、圧電/電歪体 14のうち、上部電極 28と、中間電極 42と、下部電極 30 と、これら上部電極 28、中間電極 42及び下部電極 30で挟まれた第 1及び第 2の圧 電/電歪層 26A及び 26Bの各一部とが 1つのァクチユエータ部 32として機能するこ とになる。なお、中間電極 42の構成材料は、上述した上部電極 28や下部電極 30の 構成材料と同様の材料を用いることができる。
[0080] また、上部電極 28、中間電極 42及び下部電極 30の配線形態は、例えば図 11に 示すように、第 2の圧電/電歪層 26Bの下面に下部電極 30とは別に上部電極 28用 の端子 44と中間電極 42用の端子 46を形成し、さらに、第 1の圧電/電歪層 26Aと 第 2の圧電 Z電歪層 26Bとの間に上部電極 28用の中継電極 48を形成する。そして 、上部電極 28と中継電極 48とを第 1の圧電/電歪層 26Aに形成されたスルーホー ノレ 50を介して電気的に接続し、中継電極 48と端子 44とを第 2の圧電/電歪層 26B に形成されたスルーホール 52を介して電気的に接続する。また、中間電極 42と端子 46とを第 2の圧電 Z電歪層 26Bに形成されたスルーホール 54を介して電気的に接 続する。なお、この図 11では、下部電極 30は端子を兼ねることになる。この場合も、 同端子（下部電極 30用の端子）は、同一面上の下部電極 30とは別の場所に設けて あよい。
[0081] ここで、第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bの駆動方法について説明 する。
[0082] 先ず、圧電 /電歪体 14の自然状態においては、変位伝達部材 24の上端面が板 部材 12の下面に接触してレ、る。
[0083] この状態から、ある駆動領域 20 (例えば図 10において右側の駆動領域 20)の周り に形成されたァクチユエータ部 32の上部電極 28と中間電極 42間に例えば正極性の 駆動電圧（中間電極 42を基準として例えば + 25Vの電圧）を印加し、下部電極 30と 中間電極 42間に正極性の駆動電圧 (中間電極 42を基準として例えば + 25Vの電 圧）を印加する。これにより、当該駆動領域 20の周辺部分が板部材 12に向かって凸 となるように屈曲変位しょうとする力 スぺーサ 18及び板部材 12によってその屈曲変 位が抑えられることから、このときのエネルギーが圧電 Z電歪体 14の当該駆動領域 2 0に対応した部分に伝わり、図 10に示すように、該部分が下方に凸となるように屈曲 変位し、当該駆動領域 20における変位伝達部材 24の上端面が板部材 12から離間 する。
[0084] そして、上述の駆動電圧の印加を停止すると、圧電/電歪体 14のうち、当該駆動 領域 20に対応する部分が元の状態に変位し、変位伝達部材 24の上端面が再び板 部材 12の下面に接触することとなる。
[0085] 上述の駆動方法では、第 1の圧電 Z電歪層 26Aを挟む上部電極 28と中間電極 42 間、及び第 2の圧電 Z電歪層 26Bを挟む下部電極 30と中間電極 42間の両方に、正 極性の駆動電圧を印加し、その結果、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12から離 間させるようにしたが（第 1の駆動方法）、その他、第 1の圧電/電歪層 26Aを挟む上 部電極 28と中間電極 42間のみに正極性の駆動電圧を印加する（第 2の駆動方法）、 あるいは第 2の圧電/電歪層 26Bを挟む下部電極 30と中間電極 42間のみに正極 性の駆動電圧を印加するようにしてもよい（第 3の駆動方法)。これら第 1一第 3の駆 動方法のいずれも同様の変位動作を示すが、駆動電圧が同一であれば、第 1の駆 動方法が最も変位が大きぐ第 3の駆動方法が次いで大きぐ第 2の駆動方法が最も 小さい。従って、第 1の駆動方法あるいは第 3の駆動方法を採用することで低電圧で 駆動することも可能となる。
[0086] また、上部電極 28と中間電極 42間及び/又は下部電極 30と中間電極 42間に逆 極性の駆動電圧（中間電極 42を基準として例えば一 25Vの電圧）を印加するようにし てもよいし、第 1及び第 2の圧電 /電歪層 26A及び 26Bの分極の方向や電圧値を変 えてもよい。この場合、圧電/電歪体 14のうち、駆動領域 20に対応する部分が板部 材 12に向けて凸状に屈曲変位し、変位伝達部材 24の上端面で板部材 12の下面に 強く押し付けるような動きをさせることが可能となる。
[0087] このように、上述した第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bにおいては、 例えばパラレル型の駆動を実現させることができ、振動板を使用しなくても所望の変 位を得ることができ、ァクチユエータ素子 10Bの薄型化、軽量化、低コスト化を実現す ること力 Sできる。特に、圧電/電歪体 14に含まれる圧電 Z電歪層を 2層構造 (第 1及 び第 2の圧電 Z電歪層 26A及び 26B)としたので、第 1及び第 2の圧電/電歪層 26 A及び 26Bをそれぞれ薄くすることができ、その結果、低電圧でも高電界がかかり、 大きな駆動力と変位を得ることができる。 [0088] また、上部電極 28及び中間電極 42を、図 11に示すように、積層体 40に形成され たスルーホール 50、 52、 54を通じて積層体 40の下面に引き出すようにしたので、積 層体 40に形成された上部電極 28や中間電極 42の取り出し (信号の供給）が容易に なり、図示しない駆動回路との配線も容易になる。
[0089] また、中間電極 42を共通化してもよい。ここで、中間電極 42の共通化とは、中間電 極 42同士を電気的に接続すること、あるいは第 2の圧電/電歪層 26Bの上面全面 に中間電極 42を形成することを含む。中間電極 42を共通化することによって、製造 工程の単純化を図ることができ、配線の引き回しも容易になる。駆動電圧波形も単純 化することができ、駆動回路系を簡単化することができる。
[0090] なお、この第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bにおいても、図 12に示 すように、 1つの桟 16に対して複数のァクチユエータ部 32を設けた構成を採用するこ とができる。
[0091] 次に、上述した第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bのいくつかの変形 例について図 13及び図 14を参照しながら説明する。なお、図 10と対応する部材に ついては同符号を付してその重複説明を省略する。
[0092] 第 1の変形例に係るァクチユエータ素子 lOBaは、図 13に示すように、上部電極 28 、中間電極 42及び下部電極 30が、圧電/電歪体 14のうち、駆動領域 20に対応す る部分に形成されている点で異なる。
[0093] この駆動方法の一例について説明すると、先ず、圧電/電歪体 14の自然状態に おいては、変位伝達部材 24の上端面が板部材 12の下面から離間している。
[0094] この状態から、ある駆動領域 20 (図 13において右側の駆動領域 20)に対応するァ クチユエータ部 32の上部電極 28と中間電極 42間に例えば正極性の駆動電圧を印 加し、下部電極 30と中間電極 42間に正極性の駆動電圧を印加する。これにより、圧 電/電歪体 14のうち、当該駆動領域 20に対応する部分が板部材 12に向かって凸と なるように屈曲変位する。この変位が変位伝達部材 24に伝わり、図 13に示すように、 当該駆動領域 20における変位伝達部材 24の上端面が板部材 12の下面に接触す る。
[0095] そして、上述の駆動電圧の印加を停止すると、当該駆動領域 20のァクチユエータ 部 32が元の状態に変位し、変位伝達部材 24の上端面が再び板部材 12の下面から 離間することとなる。
[0096] 上述の駆動方法では、第 1の圧電 /電歪層 26Aを挟む上部電極 28と中間電極 42 間、及び第 2の圧電 Z電歪層 26Bを挟む下部電極 30と中間電極 42間の両方に、正 極性の駆動電圧を印加し、その結果、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12に接 触させるようにしたが（第 4の駆動方法）、その他、第 1の圧電/電歪層 26Aを挟む上 部電極 28と中間電極 42間のみに正極性の駆動電圧を印加する（第 5の駆動方法）、 あるいは第 2の圧電/電歪層 26Bを挟む下部電極 30と中間電極 42間のみに正極 性の駆動電圧を印加するようにしてもよい（第 6の駆動方法)。これら第 4一第 6の駆 動方法のいずれも同様の変位動作を示すが、駆動電圧が同一であれば、第 4の駆 動方法が最も変位が大きぐ第 6の駆動方法が次いで大きぐ第 5の駆動方法が最も 小さレ、。従って、第 4の駆動方法あるいは第 6の駆動方法を採用することで低電圧で 駆動することも可能となる。
[0097] また、上部電極 28と中間電極 42間及び/又は下部電極 30と中間電極 42間に逆 極性の駆動電圧（中間電極 42を基準として例えば一 25Vの電圧）を印加するようにし てもよいし、第 1及び第 2の圧電 /電歪層 26A及び 26Bの分極の方向や電圧値を変 えてもよい。この場合、圧電/電歪体 14のうち、駆動領域 20に対応する部分が板部 材 12に対して凹状に屈曲変位し、変位伝達部材 24の上端面が板部材 12の下面か ら離間するような動きをさせることが可能となる。
[0098] なお、この第 1の変形例においても、図 14に示すように、 1つの駆動領域 20に対応 して複数のァクチユエータ部 32を設けた構成を採用することができる。また、中間電 極 42を共通化してもよい。
[0099] 次に、第 2の変形例に係るァクチユエータ素子 lOBbは、図 15に示すように、上部 電極 28、中間電極 42及び下部電極 30力 S、圧電/電歪体 14のうち、桟 16に対応し た部分と、駆動領域 20に対応する部分に形成されている点で異なる。
[0100] そして、例えば変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面に接触させる場合は 、桟 16に対応した部分に形成された上部電極 28と中間電極 42間並びに下部電極 3 0と中間電極 42間にはそれぞれ駆動電圧を印加せず、駆動領域 20に対応した部分 に形成された上部電極 28と中間電極 42間及び/又は下部電極 30と中間電極 42間 にそれぞれ正極性の駆動電圧を印加すればよい。
[0101] 反対に、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面から離間させる場合は、駆 動領域 20に対応した部分に形成された上部電極 28と中間電極 42間並びに下部電 極 30と中間電極 42間にはそれぞれ駆動電圧を印加せず、桟 16に対応した部分に 形成された上部電極 28と中間電極 42間及び Z又は下部電極 30と中間電極 42間に それぞれ正極性の駆動電圧を印加すればよい。
[0102] つまり、図 10においては、駆動電圧の印加停止の際、圧電 Z電歪体 14や変位伝 達部体 24等の反発力のみによって変位伝達部材 24を板部材 12に接触させている が、この第 2の変形例では、駆動領域 20に対応した部分のァクチユエータ部 32の駆 動力をも用いることができるので、変位伝達部材 24の上端面を板部材 12の下面に 確実に接触させることができる。
[0103] なお、この第 2の変形例においても、中間電極 42を共通化してもよレ、。この場合、 中間電極 42の共通化とは、桟 16に対応する部分に形成された中間電極 42同士を 電気的に接続すること、あるいは駆動領域 20に対応する部分に形成された中間電 極 42同士を電気的に接続すること、あるいは第 2の圧電/電歪層 26Bの上面全面 に中間電極 42を形成することを含む。
[0104] また、図 12及び図 14と同様に、 1つの桟 16に対応して複数のァクチユエータ部 32 を設けたり、 1つの駆動領域 20に対応して複数のァクチユエータ部 32を設けた構成 を採用すること力 Sできる。
実施例
[0105] 次に、上述した第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10Bを表示装置に適 用した実施例につレ、て図 16を参照しながら説明する。
[0106] この実施例に係る表示装置 100は、図 16に示すように、板部材 12として、図示しな い光源からの光（導入光） 102が端面から導入される 1つの光導波板 104が使用さ れる。
[0107] そして、圧電 /電歪体 14の上面全面に接合層 22が形成され、接合層 22の上面の うち、駆動領域 20に対応する部分に変位伝達部材 24が形成される。また、変位伝達 部材 24上から接合層 22上にわたる全面に接合層 106を介して光散乱層 108が形成 される。さらに、光導波板 104と圧電 /電歪体 14の間の領域のうち、桟 16が配置さ れるべき部分にスぺーサ 18が配置される。すなわち、スぺーサ 18は、その上面が光 導波板 104に接触し、下面が光散乱層 108に接触している。
[0108] つまり、桟 16は、光導波板 104と圧電 Z電歪体 14との間に配されたスぺーサ 18と 、該スぺーサ 18の直下に存する光散乱層 108の一部と接合層 106及び 22の一部を 含む。そして、この桟 16で区画された駆動領域 20がマトリックス状あるいは千鳥状に 酉己されることによって、 1つの駆動領域 20で 1つの画素、あるいは複数の駆動領域 20 で 1つの画素が構成されることになる。なお、スぺーサ 18は例えば光吸収層にて構 成すること力 Sできる。もちろん、スぺーサ 18を別の部材で構成し、スぺーサ 18と光導 波板 104間に光吸収層を介在させるようにしてもよい。
[0109] ここで、実施例に係る表示装置 100の動作について説明する。先ず、圧電 Z電歪 体 14の自然状態においては、光散乱層 108の端面が光導波板 104の背面に対して 導入光（光導波板に導入された光） 102の波長以下の距離で接触しているため、光 導波板 104の主面からは例えば白色発光 1 10が出射されることになる。
[0110] この状態から、ある駆動領域 20 (例えば図 16において右側の駆動領域 20)の周り に形成された上部電極 28と中間電極 42間に例えば正極性の駆動電圧を印加し、下 部電極 30と中間電極 42間に正極性の駆動電圧を印加する。これにより、当該駆動 領域 20の周辺部分が光導波板 104に向かって凸となるように屈曲変位しょうとする 力 スぺーサ 18や光導波板 104によってその屈曲変位が抑えられことから、このとき のエネルギーが圧電/電歪体 14の当該駆動領域 20に対応した部分に伝わり、図 1 6に示すように、該部分が下方に凸となるように屈曲変位し、当該駆動領域 20が消光 することになる。
[0111] この実施例に係る表示装置 100においては、上述した第 2の実施の形態に係るァ クチユエータ素子 10Bを使用しているため、薄型化、軽量化、低コスト化を実現するこ とができる。
[0112] また、桟 16は、緩衝層を含むようにしている。すなわち、スぺーサ 18の直下の光散 乱層 108と圧電/電歪体 14の間に接合層 106及び 22を介在させるようにしている。 これは、スぺーサ 18が例えば硬い材料で構成されている場合、スぺーサ 18の下面 に光散乱層 108のような薄レ、膜が形成されてレ、ると、光散乱層 108の一部（スぺーサ 18との境界部分）に応力が集中し、圧電 /電歪体 14の変位の繰り返しによって、光 散乱層 108がやぶれるおそれがある。しかし、この実施例では、接合層 106及び 22 を介在させたため、該接合層 106及び 22が緩衝層として機能し、上述のような不具 合を回避することができる。
[0113] そして、第 1及び第 2の実施の形態に係るァクチユエータ素子 10A及び 10B (各種 変形例を含む）を使用した装置としては、ディスプレイ、リレー、ァクチユエータ（サー ボ変位素子等に用いられる屈曲変位を発生させるタイプのァクチユエータ）等のよう に、電気工ネルギーを機械工ネルギー (機械的な変位、応力、振動等）に変換を行う 装置や、各種センサ（フィルター、加速度センサや衝撃センサ等）、トランス、マイクロ ホン、発音体 (スピーカ等）、振動子や発振子 (動力用や通信用）、マイクロポンプ、高 感度電気変換モジュール (発電機）のように機械エネルギーを電気エネルギーに変 換を行う装置を挙げることができる。
[0114] なお、本発明に係るァクチユエータ素子及びァクチユエータ素子を使用した装置は 、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなぐ種々の構成を採り 得ることはもちろんである。

Claims

請求の範囲
[1] 板部材 (12)と、
前記板部材（12)に対向して配された圧電 Z電歪体（14)と、
前記板部材（12)と前記圧電 Z電歪体（14)との間に配され、該圧電 Z電歪体（14
)を前記板部材（12)に固定するための桟（16)とを有し、
前記圧電/電歪体（14)は、圧電/電歪層（26)と、該圧電 /電歪層（26)のうち、 前記板部材（12)と対向する面に形成された上部電極（28)と、前記圧電 /電歪層（
26)のうち、前記板部材（12)と対向する面と反対の面に形成された下部電極（30)と を有し、
前記上部電極（28)及び前記下部電極（30)への電界印加によって、前記圧電 / 電歪体（14)の一部を前記板部材（12)に対して接近又は離間する方向に変位させ ることを特徴とするァクチユエータ素子。
[2] 請求項 1記載のァクチユエータ素子において、
前記上部電極（28)と下部電極（30)は、前記圧電/電歪体（14)のうち、前記桟（ 16)に対応する部分に形成されてレ、ることを特徴とするァクチユエータ素子。
[3] 請求項 1記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（12)と前記圧電 Z電歪体（14)との間の領域のうち、前記桟（16)で区 画された領域を駆動領域（20)としたとき、
前記上部電極（28)と下部電極（30)は、前記圧電/電歪体（14)のうち、前記駆動 領域（20)に対応する部分に形成されてレ、ることを特徴とするァクチユエータ素子。
[4] 請求項 1記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（12)と前記圧電 Z電歪体（14)との間の領域のうち、前記桟（16)で区 画された領域を駆動領域（20)としたとき、
前記上部電極（28)と下部電極（30)は、前記圧電/電歪体（14)のうち、前記桟（ 16)と対応する部分と、前記駆動領域（20)に対応する部分とに形成されていることを 特徴とするァクチユエータ素子。
[5] 請求項 1一 4のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子において、
前記上部電極（28)は、前記圧電/電歪層（26)に形成されたスルーホール（36) を通じて前記圧電 /電歪層（26)のうち、前記下部電極（28)が形成された面と同じ 面に引き出されていることを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 1記載のァクチユエータ素子において、
前記圧電/電歪体（14)は、複数の圧電/電歪層（26A、 26B)が積層されてなる 積層体 (40)と、該積層体 (40)のうち、前記板部材（12)と対向する面に形成された 上部電極（28)と、前記積層体 (40)のうち、前記板部材（12)と対向する面と反対の 面に形成された下部電極（30)と、前記積層体 (40)のうち、前記圧電 Z電歪層（26 A、 26B)間に形成された中間電極 (42)とを有することを特徴とするァクチユエータ 素子。
請求項 6記載のァクチユエータ素子において、
前記上部電極（28)、前記中間電極 (42)及び前記下部電極（30)は、前記圧電/ 電歪体（14)のうち、前記桟（16)に対応する部分に形成されていることを特徴とする ァクチユエータ素子。
請求項 6記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（ 12)と前記圧電 /電歪体（14)との間の領域のうち、前記桟（ 16)で区 画された領域を駆動領域（20)としたとき、
前記上部電極（28)、前記中間電極 (42)及び前記下部電極（30)は、前記圧電/ 電歪体（14)のうち、前記駆動領域（20)に対応する部分に形成されていることを特 徴とするァクチユエータ素子。
請求項 6記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（ 12)と前記圧電 /電歪体（14)との間の領域のうち、前記桟（ 16)で区 画された領域を駆動領域（20)としたとき、
前記上部電極（28)、前記中間電極 (42)及び前記下部電極（30)は、前記圧電/ 電歪体（14)のうち、前記桟（16)と対応する部分と、前記駆動領域 (20)に対応する 部分とに形成されていることを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 6— 9のいずれ力 4項に記載のァクチユエータ素子において、
前記上部電極（28)及び前記中間電極 (42)は、前記積層体 (40)に形成されたス ルーホールを通じて前記積層体 (40)のうち、前記下部電極（30)が形成された面と 同じ面に引き出されていることを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 1一 10のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（ 12)と前記圧電 /電歪体（14)との間の領域のうち、前記桟（ 16)で区 画された駆動領域 (20)に前記圧電 Z電歪体（14)の変位を前記板部材（12)側に 伝える変位伝達部（24)を有することを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 11記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（12)が光（102)が導入される透明板（104)である場合に、 前記変位伝達部（24)上に少なくとも光散乱層（108)を有することを特徴とするァク チユエータ素子。
請求項 1一 12のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（12)と前記圧電 Z電歪体（ 14)との間にスぺーサ（18)が配され、 前記スぺーサ（18)の上面に板部材（12)が接触し、前記スぺーサ（18)の下面に 圧電/電歪体（14)が接触してレ、る場合に、
前記桟（16)は、前記スぺーサ（18)を含むことを特徴とするァクチユエータ素子。 請求項 1一 12のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子において、
前記板部材（12)と前記圧電 /電歪体（14)との間にスぺーサ（18)が配され、 前記スぺーサ（18)の下面と圧電 /電歪体（14)との間に少なくとも 1層の膜（22)が 形成されている場合に、
前記桟（16)は、前記スぺーサ（18)と、前記膜（22)のうち、前記スぺーサ（18)直 下の部分とを含むことを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 1一 14のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子において、
前記桟（16)は、緩衝層を含むことを特徴とするァクチユエータ素子。
請求項 1一 15のいずれか 1項に記載のァクチユエータ素子を有する装置。
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