WO2022004848A1 - 圧電素子 - Google Patents

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WO2022004848A1
WO2022004848A1 PCT/JP2021/024969 JP2021024969W WO2022004848A1 WO 2022004848 A1 WO2022004848 A1 WO 2022004848A1 JP 2021024969 W JP2021024969 W JP 2021024969W WO 2022004848 A1 WO2022004848 A1 WO 2022004848A1
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electrode
piezoelectric element
laminated body
width direction
region
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PCT/JP2021/024969
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慶介 難波
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京セラ株式会社
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    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • This disclosure relates to piezoelectric elements.
  • Patent Document 1 An example of the prior art is described in Patent Document 1. It was
  • the piezoelectric element of the present disclosure is a laminated body including alternately laminated internal electrodes and piezoelectric layers, and has a rectangular parallelepiped shape whose longitudinal direction is orthogonal to the stacking direction.
  • a surface electrode located on the side surface of the laminate and electrically connected to the internal electrode is provided.
  • the internal electrode is A first electrode that applies a voltage to the piezoelectric layer so as to bend the laminated body in the laminated direction
  • the laminate includes a second electrode that applies a voltage to the piezoelectric layer so as to bend the laminate in a width direction orthogonal to the stacking direction and the longitudinal direction.
  • the laminate has grooves extending along the longitudinal direction on at least one of the upper and lower surfaces orthogonal to the stacking direction.
  • the piezoelectric element having the configuration underlying the piezoelectric element of the present disclosure is used as a piezoelectric actuator in which a piezoelectric layer and an internal electrode are laminated and bent and displaced by applying a voltage to the internal electrode. Piezoelectric actuators can achieve minute displacements with high accuracy.
  • the piezoelectric actuator described in Patent Document 1 extends in length along the Z axis and has a tip that can be moved in the XY plane.
  • FIG. 1A is a plan view showing the appearance of the piezoelectric element
  • FIG. 1B is a side view showing the appearance of the piezoelectric element
  • FIG. 1C is a perspective view showing the appearance of the piezoelectric element.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the cutting plane line AA of FIG. 1A.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting plane line BB of FIG. 1A.
  • FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the cutting plane line CC of FIG. 1A.
  • the piezoelectric element 100 includes a laminated body 1 in which an internal electrode 3 and a piezoelectric layer 4 are laminated, and a surface electrode 2 located on the side surface of the laminated body 1 and electrically connected to the internal electrode 3.
  • the piezoelectric element 100 of the present embodiment is a piezoelectric actuator that applies a voltage to the internal electrode 3 via the surface electrode 2 to bend and displace the laminated piezoelectric layer 4.
  • the piezoelectric element 100 of the present embodiment has, for example, a rectangular parallelepiped or a quadrangular prism, and the tip on one end side in the longitudinal direction or the axial direction is formed by bending displacement. It is movable.
  • the surface electrodes 2 are provided on both side surfaces on the other end side opposite to the movable tip.
  • the surface electrode 2 includes a surface electrode 2A provided on both side surfaces on the other end side and a surface electrode 2B provided on both side surfaces on the center side of the surface electrode 2A.
  • the longitudinal direction or the axial direction is the Z-axis direction, which is orthogonal to the Z-axis direction
  • the direction connecting both side surfaces where the surface electrode 2 is provided is the X-axis direction, which is orthogonal to the Z-axis direction and the X-axis direction, and is the internal electrode 3.
  • the stacking direction in which the piezoelectric layer 4 is laminated is defined as the Y-axis direction.
  • the laminated body 1 is formed by laminating a plurality of piezoelectric layer 4s, and an internal electrode 3 is located between the laminated piezoelectric layers 4.
  • the laminated body 1 has an upper surface 1a and a lower surface 1b orthogonal to the stacking direction (Y-axis direction), both side surfaces 1c and 1d orthogonal to the width direction (X-axis direction), and a front surface orthogonal to the longitudinal direction (Z-axis direction). It has 1e and a rear surface 1f.
  • the surface electrodes 2 are provided on both side surfaces 1c and 1d.
  • the internal electrode 3 is exposed on the side surface on the other end side of the laminated body 1 and is electrically connected to the surface electrode 2.
  • the piezoelectric layer 4 is formed of ceramics having piezoelectric properties, and examples of such ceramics include a perovskite-type oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3- PbTIO 3 ) and lithium niobate (LiNbO 3). ), Lithium tantalate (LiTaO 3 ) and the like can be used.
  • the internal electrode 3 for example, a conductor containing silver or a silver-palladium alloy as a main component, which has low reactivity with ceramics, or a conductor containing copper, platinum, or the like can be used.
  • the surface electrode 2 for example, the same material as the internal electrode 3 can be used, and an antioxidant plating layer or the like may be further provided on the surface.
  • the internal electrode 3 is a piezoelectric layer 4 so as to bend the laminated body 1 in a first direction (X-axis direction) orthogonal to the longitudinal direction (Z-axis direction) of the laminated body 1.
  • a voltage is applied to the piezoelectric layer 4 so as to bend the first electrode 31 for applying a voltage to the piezoelectric layer 1 and the laminate 1 in the second direction (Y-axis direction) orthogonal to the longitudinal direction and the first direction.
  • Y-axis direction orthogonal to the longitudinal direction and the first direction.
  • the laminated body 1 is divided into approximately three regions in the laminated direction (Y-axis direction).
  • the central region 1M is a region for bending and displacementing the piezoelectric element 100 in the X-axis direction (left-right direction), and the first electrode 31 is located in the central region 1M.
  • the upper region 1U and the lower region 1L are regions for bending and displacementing the piezoelectric element 100 in the Y-axis direction (vertical direction), and the second electrode 32 in these regions 1U and 1L. Is located.
  • the voltage is applied to the left. If a voltage is applied to the first electrode 31 so as to bend and the right side portion contracts, and a voltage is applied so that the left side portion expands, the right side portion bends to the right.
  • the voltage is applied downward. If a voltage is applied to the second electrode 32 so as to bend and the upper region 1U contracts, and a voltage is applied to the second electrode 32 so that the lower region 1L expands, the voltage is applied upward.
  • FIGS. 3A to 3F show an example of the pattern shape of the internal electrode 3 of the present embodiment. These show an example of each pattern shape of the second electrode 32 of the upper region 1U, the first electrode 31 of the central region 1M, and the second electrode 32 of the lower region 1L.
  • the pattern shown in FIGS. 3A and 3B constitutes the second electrode 32 of the upper region 1U.
  • the patterns shown in FIGS. 3C and 3D constitute the first electrode 31 in the central region 1M.
  • the patterns shown in FIGS. 3E and 3F constitute the second electrode 32 of the lower region 1L.
  • each region has two types of internal electrodes 3 having a pattern shape, and the two types of internal electrodes 3 are alternately arranged in the Y-axis direction with the piezoelectric layer 4 sandwiched between them.
  • a voltage is applied from the outside through the surface electrode 2 so that a potential difference is generated between the two types of internal electrodes 3, and the piezoelectric element 100 is flexed and displaced in the X-axis direction and the Y-axis direction as described above. Can be done. Further, by changing the voltage applied to the surface electrode 2, the displacement amount of the bending displacement, the bending direction, and the like can be controlled.
  • the second electrode 32 of the upper region 1U is of two types, the second electrode 32a shown in FIG. 3A and the second electrode 32b shown in FIG. 3B.
  • the second electrode 32 in the lower region 1L is of two types, the second electrode 32c shown in FIG. 3E and the second electrode 32d shown in FIG. 3F.
  • the second electrode 32b shown in FIG. 3B has a rectangular portion 321a extending along the longitudinal direction, one end of which is connected to the rectangular portion 321a, and the other end of which is exposed on the side surface of the laminate 1 and is connected to the surface electrode 2A. Includes a first conductor 321 with a drawer 321b.
  • the second electrode 32d also includes the first conductor 321.
  • one end of the drawer portion 321b is connected to the central portion of the rectangular portion 321a, extends linearly in the Z-axis direction, and the other end is bent at a right angle toward the side surface of the laminated body 1 to form a side surface of the laminated body 1. It has a substantially L-shape that is exposed.
  • the substantially L-shaped drawer portion 321b includes a wiring portion 321b1 having a width smaller than that of the rectangular portion 321a, and a connection portion 321b2 which is connected to the wiring portion 321b1 and is exposed on the side surface and is connected to the surface electrode 2.
  • the second electrode 32a in FIG. 3A and the second electrode 32c in FIG. 3E have a rectangular portion 321a, and the pattern shape is symmetrical with respect to the Z-axis direction.
  • the dimensions of the piezoelectric element 100 are not limited, and for example, the length in the X direction can be set to 1 to 3 mm, the length in the Y direction can be set to 1 to 2 mm, and the length in the Z direction can be set to 20 to 50 mm. Further, the thickness of the internal electrode 3 can be 0.1 to 5 ⁇ m, and the thickness of the piezoelectric layer 4 can be 0.01 to 0.1 mm.
  • the first electrode 31 in the central region 1M has two types, the first electrode 31a shown in FIG. 3C and the first electrode 31b shown in FIG. 3D.
  • the first electrode 31a has a pair of strips 311a extending in parallel along the longitudinal direction. In the present embodiment, for example, the strip-shaped portions 311a are arranged apart from each other along the center in the width direction.
  • the first electrode 31b has a pattern shape symmetrical with respect to the pattern shape of the second electrode 32b in the Z-axis direction. That is, in the present embodiment, the first electrode 31b in FIG. 3D includes the first conductor 321 of the second electrode 32b in FIG. 3B and the first conductor 321'which is symmetrical with respect to the Z axis.
  • the second electrode 32d in FIG. 3F includes the same first conductor 321 as the second electrode 32b in FIG. 3B.
  • the second electrode 32a shown in FIG. 3A and the second electrode 32c shown in FIG. 3E include a first conductor 321 and a first conductor 321'having a shape similar to that of the first conductor 321 and the first conductor 321'. I'm out.
  • the laminated body 1 has a groove 10 extending along the longitudinal direction (Z-axis direction) on at least one of the upper and lower surfaces 1a and 1b.
  • the inert region is, for example, sandwiched between the outermost layer including the upper and lower surfaces 1a and 1b of the laminate 1 not sandwiched between the electrodes in the upper region 1U and the lower region 1L, and a pair of strip-shaped portions 311a in the central region 1M.
  • the inert regions of the upper region 1U, the central region 1M, and the lower region 1L hinder the displacement, and a sufficient displacement amount cannot be obtained.
  • the groove 10 is provided in at least one of the upper and lower surfaces 1a and 1b of the laminated body 1, the inert region of the upper region 1U and the lower region 1L can be reduced and the displacement amount can be increased.
  • the groove 10 is provided on the upper surface 1a of the laminated body 1 to reduce the inert region of the upper region 1U.
  • the cross-sectional shape of the groove 10 is rectangular in this embodiment.
  • the cross-sectional shape of the groove 10 may be U-shaped or V-shaped, or may be a part of a circle (including an ellipse) such as a semicircle.
  • the groove 10 may be continuously provided in the longitudinal direction on the upper surface 1a of the laminated body 1, or may be provided intermittently such that a part thereof is interrupted.
  • the total length may be, for example, 50% or more of the length (longitudinal dimension) of the laminated body 1.
  • the depth of the groove 10 may be, for example, 0.01% or more and 5% or less of the thickness (dimension in the stacking direction) of the laminated body 1.
  • the width of the groove 10 may be, for example, 0.1% or more and 20% or less of the width (dimension in the width direction) of the laminated body 1.
  • the position of the groove 10 is not limited because the inert region can be reduced.
  • the groove 10 is located at the center of the upper surface 1a in the width direction. Since the groove 10 is located at the center in the width direction, the same effect of increasing the amount of displacement can be obtained in both the displacement in the width direction and the displacement in the other direction in the width direction of the piezoelectric element 100.
  • the inactive region in the central region 1M is located in the central portion in the width direction sandwiched between the pair of strip-shaped portions 311a, and the groove 10 is located in the center in the width direction, so that the displacement is hindered by the inactive region in the central region 1M. The effect on it can also be obtained.
  • the operation of the piezoelectric element 100 will be briefly explained. First, the electrical connection between the surface electrode 2 and the internal electrode 3 will be described.
  • One of the surface electrodes 2A is electrically connected to the second electrode 32b in the upper region 1U and the second electrode 32d in the lower region 1L.
  • the other side of the surface electrode 2A is electrically connected to the first electrode 31b in the central region 1M.
  • One of the surface electrodes 2B is electrically connected to the second electrode 32a in the upper region 1U and the first electrode 31a (one side) in the central region 1M.
  • the other side of the surface electrode 2B is electrically connected to the first electrode 31a (the other side) of the central region 1M and the second electrode 32c of the lower region 1L.
  • one side of the upper region 1U and the central region 1M is the first direction
  • the other side of the lower region 1L and the central region 1M is the second direction opposite to the first direction.
  • the surface electrode 2A as the ground potential
  • ⁇ 64V is applied to one of the surface electrodes 2B
  • + 64V is applied to the other to polarize the piezoelectric layer 4 as described above.
  • the same voltage is applied to one and the other of the surface electrodes 2B during operation.
  • + 11V is applied to one of the surface electrodes 2B
  • + 61V is applied to the other.
  • the piezoelectric element 100 can be flexed and displaced in a desired direction. For example, by applying + 72V to one of the surface electrodes 2A and + 36V to the other, bending displacement (maximum) is made to one (upward) in the Y-axis direction, and by applying 0V to one of the surface electrodes 2A and + 36V to the other, Y is applied.
  • Bend displacement (maximum) in the other (downward) in the axial direction can be adjusted by applying a constant voltage of + 36V to the other side of the surface electrode 2A and applying a voltage of 0 to + 72V to one side of the surface electrode 2A.
  • a constant voltage of + 36V to the other side of the surface electrode 2A For example, by applying + 36V to one of the surface electrodes 2A and + 72V to the other, bending displacement (maximum) is made to one (right) in the X-axis direction, and by applying + 36V to one of the surface electrodes 2A and 0V to the other, it is possible to apply + 36V to one of the surface electrodes 2A and 0V to the other.
  • Bend displacement (maximum) in the other (left) in the X-axis direction can be adjusted by applying a constant voltage of + 36V to one of the surface electrodes 2A and applying a voltage of 0 to + 72V to the other of the surface electrodes 2A.
  • a constant voltage of + 36V to one of the surface electrodes 2A
  • a voltage of 0 to + 72V to the other of the surface electrodes 2A.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric element.
  • the cross-sectional view of FIG. 4 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG. 2C.
  • the corner portion where the upper surface 1a of the laminated body 1 having the groove 10 and the side surfaces 1c and 1d intersect is R-shaped. That is, in the piezoelectric element 100 of the present embodiment, the corners where the upper surface 1a and the side surfaces 1c and 1d of the laminated body 1 intersect are chamfered in an R shape.
  • the corner portion on the upper surface 1a side of the laminated body 1 can be further reduced and the displacement amount can be increased. Further, by chamfering, it is possible to suppress the occurrence of chipping and cracks at the corners of the upper region 1U.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric element.
  • the cross-sectional view of FIG. 5 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG. 2C.
  • the lower surface 1b of the laminated body 1 in addition to the upper surface 1a of the laminated body 1, the lower surface 1b of the laminated body 1 also has a groove 10. If the groove 10 is provided on the lower surface 1b of the laminated body 1, the position of the groove 10 is not limited because the inert region can be reduced. In the present embodiment, for example, the groove 10 is located at the center of the lower surface 1b in the width direction.
  • the groove 10 on the upper surface 1a and the groove 10 on the lower surface 1b may have the same shape and the same dimensions, may have the same shape but different dimensions, or may have different shapes. Further, the position of the groove 10 on the upper surface 1a and the position of the groove 10 on the lower surface 1b may be the same or different in a plan view, for example. By having the groove 10 on the lower surface 1b, the inert region of the lower region 1L of the laminated body 1 can be reduced and the displacement amount can be increased.
  • corner portion where the lower surface 1b of the laminated body 1 having the groove 10 and the side surfaces 1c and 1d intersect may be R-shaped.
  • the corner portion on the lower surface 1b side of the laminated body 1 the inert region of the lower region 1L can be further reduced and the displacement amount can be increased. Further, by chamfering, it is possible to suppress the occurrence of chipping and cracks at the corners of the lower region 1L.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric element.
  • the cross-sectional view of FIG. 6 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG. 2C.
  • the rectangular portion 321a of the second electrode 32a and the second electrode 32b of the upper region 1U of the laminated body 1 has an arch shape in which at least one of the ends in the width direction is convex in the stacking direction. ..
  • the rectangular portion 321a has three portions in the width direction, all of which extend along the longitudinal direction.
  • the rectangular portion 321a has, for example, an end portion 321a1 on the side surface 1c side, an end portion 321a2 on the side surface 1d side, and a central portion 321a3 between them.
  • At least one of the end portion 321a1 on the side surface 1c side and the end portion 321a2 on the side surface 1d side may have an arch shape convex in the stacking direction.
  • both the end portion 321a1 on the side surface 1c side and the end portion 321a2 on the side surface 1d side have an arch shape convex in the stacking direction. If the rectangular portion 321a of the second electrode 32 has a flat plate shape, the piezoelectric element 100 will be deformed in the plane direction when the piezoelectric element 100 is displaced in the width direction.
  • the deformation of the plate-shaped member in the surface direction is less likely to be deformed than the deformation in other directions, and may hinder the displacement of the piezoelectric element 100 in the width direction.
  • the upper region 1U of the laminated body 1 if even a part of the rectangular portion 321a has a convex arch shape in the laminating direction, it is easily deformed in the width direction, and the displacement amount in the width direction of the piezoelectric element 100 is increased. Can be made to.
  • the end portions 321a1 and the end portions 321a2 have, for example, an arch shape that is convex outward in the stacking direction.
  • the central portion 321a3 is flat, but the central portion 321a3 may also have an arch shape convex in the stacking direction like the both end portions 321a1 and 321a2.
  • the rectangular portion 321a of the second electrode 32c and the second electrode 32d of the lower region 1L is also at least one of the end portions in the width direction as in the upper region 1U.
  • One side may have an arch shape that is convex in the stacking direction.
  • both ends of the rectangular portion 321a in the width direction have an arch shape that is convex outward in the stacking direction. Even in the lower region 1L of the laminated body 1, since at least a part of the rectangular portion 321a has an arch shape convex in the stacking direction, it is easily deformed in the width direction, and the piezoelectric element 100 is displaced in the width direction. The amount can be further increased.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric element.
  • the cross-sectional view of FIG. 7 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG. 2C.
  • the rectangular portion 321a of the second electrode 32a and the second electrode 32b of the upper region 1U of the laminated body 1 At least one of the ends in the width direction is convex in the stacking direction as in the above embodiment. It has an arch shape.
  • the end portion having the arch shape is located on the outside in the width direction from the inside in the width direction and on the outside in the stacking direction. That is, the arched end of the rectangular portion 321a is inclined with respect to the upper surface 1a and the lower surface 1b of the laminated body 1.
  • the end portion 321a1 on the side surface 1c side and the end portion 321a2 on the side surface 1d side have an arch shape convex in the stacking direction with respect to the upper surface 1a and the lower surface 1b of the laminated body 1. Is tilted. If at least a part of the rectangular portion 321a is tilted in the upper region 1U of the laminated body 1, it is likely to be deformed in the width direction, and the amount of displacement of the piezoelectric element 100 in the width direction can be increased.
  • the rectangular portion 321a of the second electrode 32c and the second electrode 32d of the lower region 1L is also at least one of the end portions in the width direction as in the upper region 1U.
  • One side has an arch shape that is convex in the stacking direction, and the end portion having the arch shape is located on the outside in the width direction from the inside in the width direction to the outside in the stacking direction.
  • both ends in the width direction of the rectangular portion 321a have an arch shape that is convex outward in the stacking direction, and is inclined with respect to the upper surface 1a and the lower surface 1b of the laminated body 1.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric element.
  • the cross-sectional view of FIG. 8 corresponds to the cross-sectional view shown in FIG. 2C or FIG.
  • the bottom portion is curved like a dent or a dent. It may be in shape.
  • the edge portion of the groove 10A may have a curved shape when viewed in cross section, and the groove 10A and the upper surface 1a may be smoothly connected to each other. ..
  • the concentration of stress at the bottom portion of the groove 10A can be reduced, and the occurrence of chipping, cracks, etc. at the edge portion of the groove 10A can be reduced.
  • the piezoelectric element of the present disclosure is a laminated body including alternately laminated internal electrodes and piezoelectric layers, and has a rectangular parallelepiped shape whose longitudinal direction is orthogonal to the stacking direction.
  • a surface electrode located on the side surface of the laminate and electrically connected to the internal electrode is provided.
  • the internal electrode is A first electrode that applies a voltage to the piezoelectric layer so as to bend the laminated body in the laminated direction
  • the laminate includes a second electrode that applies a voltage to the piezoelectric layer so as to bend the laminate in a width direction orthogonal to the stacking direction and the longitudinal direction.
  • the laminate has grooves extending along the longitudinal direction on at least one of the upper and lower surfaces orthogonal to the stacking direction.
  • the inert region can be reduced and the displacement amount can be increased.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

圧電素子は、内部電極および圧電体層が積層された積層体と、積層体の側面に位置し、内部電極に電気的に接続する表面電極と、を備える。積層体は、圧電体層を複数積層してなり、積層した圧電体層間に内部電極が位置している。内部電極は、積層体を、積層体の長手方向（Ｚ軸方向）に直交する第１の方向（Ｘ軸方向）に屈曲させるように圧電体層に電圧を印加する第１の電極と、積層体を、長手方向および第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に屈曲させるように圧電体層に電圧を印加する第２の電極と、を含む。積層体は、上面に、長手方向に沿って延びる溝を有する。

Description

圧電素子
　本開示は、圧電素子に関する。
　従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。　
特許第４２４０４７２号公報
　本開示の圧電素子は、交互に積層された内部電極および圧電体層を含む積層体であって、積層方向に直交する方向を長手方向とする直方体形状を有する積層体と、
　前記積層体の側面に位置し、前記内部電極に電気的に接続する表面電極と、を備え、
　前記内部電極は、
　　前記積層体を、前記積層方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第１の電極と、
　　前記積層体を、前記積層方向および前記長手方向に直交する幅方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第２の電極と、を含み、
　前記積層体は、前記積層方向に直交する上下面の少なくともいずれか一方に、前記長手方向に沿って延びる溝を有する。
　本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
圧電素子の外観を示す平面図である。 圧電素子の外観を示す側面図である。 圧電素子の外観を示す斜視図である。 図１Ａの切断面線Ａ－Ａにおける断面図である。 図１Ａの切断面線Ｂ－Ｂにおける断面図である。 図１Ａの切断面線Ｃ－Ｃにおける断面図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 内部電極のパターン形状を示す図である。 圧電素子の他の実施形態の断面図である。 圧電素子の他の実施形態の断面図である。 圧電素子の他の実施形態の断面図である。 圧電素子の他の実施形態の断面図である。 圧電素子の他の実施形態の断面図である。
　本開示の圧電素子の基礎となる構成の圧電素子は、圧電体層と内部電極を積層してなり、内部電極に電圧を印加することで屈曲変位する圧電アクチュエータとして用いられる。圧電アクチュエータは、高精度に微小な変位を実現することができる。
　特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、Ｚ軸に沿って長さを伸長し、ＸＹ平面内で移動可能な先端を有している。
　図１Ａは、圧電素子の外観を示す平面図であり、図１Ｂは、圧電素子の外観を示す側面図である。図１Ｃは、圧電素子の外観を示す斜視図である。図２Ａは、図１Ａの切断面線Ａ－Ａにおける断面図である。図２Ｂは、図１Ａの切断面線Ｂ－Ｂにおける断面図である。図２Ｃは、図１Ａの切断面線Ｃ－Ｃにおける断面図である。圧電素子１００は、内部電極３および圧電体層４が積層された積層体１と、積層体１の側面に位置し、内部電極３に電気的に接続する表面電極２と、を備える。本実施形態の圧電素子１００は、表面電極２を介して内部電極３に電圧を印加し、積層された圧電体層４を屈曲変位させる圧電アクチュエータである。図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、本実施形態の圧電素子１００は、その形状が、例えば、直方体または四角柱であり、屈曲変位によって長手方向または軸線方向の一方端側の先端が移動可能である。表面電極２は、移動可能な先端と反対側の他方端側の両側面に設けられている。表面電極２は、他方端側の両側面に設けられる表面電極２Ａと、表面電極２Ａより中央側の両側面に設けられる表面電極２Ｂとを含む。以下では、長手方向または軸線方向をＺ軸方向とし、これに直交し、表面電極２が設けられる両側面を結ぶ方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に直交し、内部電極３および圧電体層４が積層される積層方向をＹ軸方向とする。
　図２Ａなどの断面図に示すように、積層体１は、圧電体層４を複数積層してなり、積層した圧電体層４間に内部電極３が位置している。積層体１は、積層方向（Ｙ軸方向）に直交する上面１ａおよび下面１ｂと、幅方向（Ｘ軸方向）に直交する両側面１ｃ，１ｄと、長手方向（Ｚ軸方向）に直交する前面１ｅおよび後面１ｆと、を有している。表面電極２は、両側面１ｃ，１ｄに設けられている。内部電極３は、積層体１の他方端側の側面に露出しており、表面電極２と電気的に接続している。圧電体層４は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。内部電極３は、例えば、セラミックスとの反応性が低い銀または銀－パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。表面電極２は、例えば、内部電極３と同様の材料を用いることができ、さらに表面に酸化防止用のめっき層などを設けてもよい。
　詳細については、後述するが、内部電極３は、積層体１を、積層体１の長手方向（Ｚ軸方向）に直交する第１の方向（Ｘ軸方向）に屈曲させるように圧電体層４に電圧を印加する第１の電極３１と、積層体１を、長手方向および第１の方向に直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に屈曲させるように圧電体層４に電圧を印加する第２の電極３２と、を含む。例えば、積層体１は、積層方向（Ｙ軸方向）におよそ３つの領域に分かれている。３つの領域のうち中央領域１Ｍは、圧電素子１００をＸ軸方向（左右方向）に屈曲変位させるための領域であり、この中央領域１Ｍ内に第１の電極３１が位置している。また、３つの領域のうち上部領域１Ｕと下部領域１Ｌは、圧電素子１００をＹ軸方向（上下方向）に屈曲変位させるための領域であり、これらの領域１Ｕ、１Ｌ内に第２の電極３２が位置している。
　例えば、Ｘ軸方向に屈曲変位させる場合、中央領域１Ｍにおいて、右側部分が伸びるように第１の電極３１に電圧印加し、左側部分が縮むように第１の電極３１に電圧印加すれば、左向きに屈曲し、右側部分が縮むように第１の電極３１に電圧印加し、左側部分が伸びるように電圧印加すれば、右向きに屈曲する。同様に、例えば、Ｙ軸方向に屈曲変位させる場合、上部領域１Ｕが伸びるように第２の電極３２に電圧印加し、下部領域１Ｌが縮むように第２の電極３２に電圧印加すれば、下向きに屈曲し、上部領域１Ｕが縮むように第２の電極３２に電圧印加し、下部領域１Ｌが伸びるように第２の電極３２に電圧印加すれば、上向きに屈曲する。
　図３Ａ～図３Ｆに、本実施形態の内部電極３のパターン形状の一例を示す。これらは、上部領域１Ｕの第２の電極３２、中央領域１Ｍの第１の電極３１および下部領域１Ｌの第２の電極３２の各パターン形状の一例を示している。図３Ａおよび図３Ｂに示すパターンが、上部領域１Ｕの第２の電極３２を構成する。図３Ｃおよび図３Ｄに示すパターンが、中央領域１Ｍの第１の電極３１を構成する。図３Ｅおよび図３Ｆに示すパターンが、下部領域１Ｌの第２の電極３２を構成する。このように、いずれの領域も、それぞれ２種類のパターン形状の内部電極３を有しており、間に圧電体層４を挟んで２種類の内部電極３をＹ軸方向に交互に配置している。圧電素子１００の動作時には、２種類の内部電極３間に電位差が生じるように、表面電極２を介して外部から電圧を印加し、前述のようにＸ軸方向およびＹ軸方向に屈曲変位させることができる。また、表面電極２に印加する電圧を変化させることで屈曲変位の変位量および屈曲方向などを制御することができる。
　上部領域１Ｕの第２の電極３２は、図３Ａに示す第２の電極３２ａおよび図３Ｂに示す第２の電極３２ｂの２種類である。下部領域１Ｌの第２の電極３２は、図３Ｅに示す第２の電極３２ｃおよび図３Ｆに示す第２の電極３２ｄの２種類である。図３Ｂに示す第２の電極３２ｂは、長手方向に沿って延びる矩形状部３２１ａと、一端が矩形状部３２１ａに連なり、他端が積層体１の側面に露出して表面電極２Ａと接続する引出部３２１ｂとを有する第１導体３２１を含む。図３Ｂに示す第２の電極３２ｂと図３Ｆに示す第２の電極３２ｄとは、同じパターン形状を有しており、第２の電極３２ｄも同様に第１導体３２１を含む。引出部３２１ｂは、例えば、一端が矩形状部３２１ａの中央部に連なり、Ｚ軸方向に直線状に延び、他端が積層体１の側面に向かって直角に屈曲して積層体１の側面に露出する略Ｌ字状を有している。略Ｌ字状の引出部３２１ｂは、矩形状部３２１ａより幅が小さい配線部分３２１ｂ１と、配線部分３２１ｂ１に連なり、側面に露出して表面電極２と接続する接続部分３２１ｂ２を含んでいる。図３Ａの第２の電極３２ａと、図３Ｅの第２の電極３２ｃは、矩形状部３２１ａを有しており、パターン形状は、Ｚ軸方向に関して対称である。
　なお、圧電素子１００の寸法は限定されず、例えばＸ方向長さを１～３ｍｍに、Ｙ方向長さを１～２ｍｍに、Ｚ方向長さを２０～５０ｍｍにすることができる。また、内部電極３の厚さは０．１～５μｍに、圧電体層４の厚さは０．０１～０．１ｍｍにすることができる。
　中央領域１Ｍの第１の電極３１は、図３Ｃに示す第１の電極３１ａおよび図３Ｄに示す第１の電極３１ｂの２種類である。第１の電極３１ａは、長手方向に沿って平行に延びる一対の帯状部３１１ａを有する。本実施形態では、例えば、各帯状部３１１ａは、幅方向の中央に沿って離間して配設されている。第１の電極３１ｂは、第２の電極３２ｂのパターン形状とＺ軸方向に関して対称のパターン形状を有している。すなわち、本実施形態では、図３Ｄの第１の電極３１ｂが、図３Ｂの第２の電極３２ｂの第１導体３２１とＺ軸に関して対称の第１導体３２１’を含んでいる。また、本実施形態では、図３Ｆの第２の電極３２ｄが、図３Ｂの第２の電極３２ｂと同じ第１導体３２１を含んでいる。さらに、図３Ａに示す第２の電極３２ａおよび図３Ｅに示す第２の電極３２ｃは、第１導体３２１および第１導体３２１’と類似の形状の第１導体３２１および第１導体３２１’を含んでいる。
　積層体１は、上下面１ａ，１ｂの少なくともいずれか一方に、長手方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる溝１０を有する。圧電素子１００が、変位する場合、圧電体層４において、電圧が十分に印加されない不活性領域が存在する。不活性領域は、例えば、上部領域１Ｕおよび下部領域１Ｌでは、電極に挟まれていない積層体１の上下面１ａ，１ｂを含む最外層、および中央領域１Ｍでは、一対の帯状部３１１ａに挟まれた幅方向中央部分などである。圧電素子１００が、幅方向に変位する場合は、上部領域１Ｕ、中央領域１Ｍおよび下部領域１Ｌの不活性領域が、変位を阻害することになり、十分な変位量が得られない。積層体１の上下面１ａ，１ｂの少なくともいずれか一方に溝１０を設けることで、上部領域１Ｕ、下部領域１Ｌの不活性領域を減少させて変位量を増加させることができる。本実施形態では、積層体１の上面１ａに溝１０を有しており、上部領域１Ｕの不活性領域を減少させている。
　溝１０の断面形状は、本実施形態では矩形状である。溝１０の断面形状は、Ｕ字状またはＶ字状などであってもよく、半円状など円（楕円含む）の一部であってもよい。溝１０は、積層体１の上面１ａにおいて、長手方向に連続的に設けられていてもよく、一部が途切れるなど断続的に設けられてもよい。溝１０が、断続的に設けられていた場合は、長さの総和が、例えば、積層体１の長さ（長手方向寸法）の５０％以上であればよい。また、溝１０の深さは、例えば、積層体１の厚さ（積層方向寸法）の０．０１％以上５％以下であればよい。また、溝１０の幅は、例えば、積層体１の幅（幅方向寸法）の０．１％以上２０％以下であればよい。
　溝１０は、積層体１の上面１ａに設けられていれば、不活性領域を減少させることができるので、その位置は限定されない。本実施形態では、例えば、溝１０が上面１ａの幅方向中央に位置している。溝１０が幅方向中央に位置することで、圧電素子１００の幅方向の変位において、幅方向一方への変位と幅方向他方への変位のいずれにも同等の変位量増加効果が得られる。また、中央領域１Ｍにおける不活性領域は、一対の帯状部３１１ａに挟まれた幅方向中央部分にあり、溝１０が幅方向中央に位置することで、中央領域１Ｍの不活性領域による変位阻害に対しての効果も得られる。
　圧電素子１００の動作について簡単に説明する。まず、表面電極２と内部電極３との電気的接続について説明する。表面電極２Ａの一方は、上部領域１Ｕの第２の電極３２ｂと下部領域１Ｌの第２の電極３２ｄと電気的に接続される。表面電極２Ａの他方は、中央領域１Ｍの第１の電極３１ｂと電気的に接続される。表面電極２Ｂの一方は、上部領域１Ｕの第２の電極３２ａと、中央領域１Ｍの第１の電極３１ａ（一方側）と電気的に接続される。表面電極２Ｂの他方は、中央領域１Ｍの第１の電極３１ａ（他方側）と、下部領域１Ｌの第２の電極３２ｃと電気的に接続される。圧電体層４の分極方向は、上部領域１Ｕと中央領域１Ｍの一方側とが第１方向であり、下部領域１Ｌと中央領域１Ｍの他方側とが第１方向と逆向きの第２方向である。例えば、表面電極２Ａを接地電位とし、表面電極２Ｂの一方に－６４Ｖを印加し、他方に＋６４Ｖを印加して、圧電体層４を上記のように分極させる。
　表面電極２Ｂの一方および他方には、それぞれ動作中同じ電圧が印加される。印加電圧の一例として、表面電極２Ｂの一方には、＋１１Ｖが印加され、他方には、＋６１Ｖが印加される。表面電極２Ａの一方および他方にそれぞれ０～＋７２Ｖの電圧を印加することで、所望の方向に圧電素子１００を屈曲変位させることができる。例えば、表面電極２Ａの一方に＋７２Ｖ、他方に＋３６Ｖ印加することで、Ｙ軸方向一方（上方）に屈曲変位（最大）させ、表面電極２Ａの一方に０Ｖ、他方に＋３６Ｖ印加することで、Ｙ軸方向他方（下方）に屈曲変位（最大）させる。すなわち、表面電極２Ａの他方に＋３６Ｖの一定電圧を印加し、表面電極２Ａの一方に０～＋７２Ｖの電圧を印加することで、Ｙ軸方向の屈曲変位量を調節することができる。例えば、表面電極２Ａの一方に＋３６Ｖ、他方に＋７２Ｖ印加することで、Ｘ軸方向一方（右方）に屈曲変位（最大）させ、表面電極２Ａの一方に＋３６Ｖ、他方に０Ｖ印加することで、Ｘ軸方向他方（左方）に屈曲変位（最大）させる。すなわち、表面電極２Ａの一方に＋３６Ｖの一定電圧を印加し、表面電極２Ａの他方に０～＋７２Ｖの電圧を印加することで、Ｘ軸方向の屈曲変位量を調節することができる。表面電極２Ａの一方および他方のいずれも０～＋７２Ｖの範囲で変化させることで、斜め方向に屈曲変位させることが可能である。
　図４は、圧電素子の他の実施形態の断面図である。図４の断面図は、図２Ｃに示す断面図に相当するものである。本実施形態は、溝１０を有する、積層体１の上面１ａと、側面１ｃ，１ｄとが交差する角部がＲ状である。すなわち、本実施形態の圧電素子１００は、積層体１の上面１ａと、側面１ｃ，１ｄとが交差する角部がＲ状に面取りされている。積層体１の上面１ａ側の角部を面取りすることで、上部領域１Ｕの不活性領域をさらに減少させて変位量を増加させることができる。また、面取りすることで、上部領域１Ｕの角部の欠けおよびクラックなどの発生を抑制することができる。
　図５は、圧電素子の他の実施形態の断面図である。図５の断面図は、図２Ｃに示す断面図に相当するものである。本実施形態は、積層体１の上面１ａに加えて、積層体１の下面１ｂにも溝１０を有している。溝１０は、積層体１の下面１ｂに設けられていれば、不活性領域を減少させることができるので、その位置は限定されない。本実施形態では、例えば、溝１０が下面１ｂの幅方向中央に位置している。溝１０が幅方向中央に位置することで、圧電素子１００の幅方向の変位において、幅方向一方への変位と幅方向他方への変位のいずれにも同等の変位量増加効果が得られる。上面１ａの溝１０と下面１ｂの溝１０とは、例えば、同じ形状で同じ寸法であってもよく、同じ形状で異なる寸法であってもよく、異なる形状であってもよい。また、上面１ａの溝１０の位置と下面１ｂの溝１０の位置とは、例えば、平面視で同じであってもよく、異なっていてもよい。下面１ｂに溝１０を有することで、積層体１の下部領域１Ｌの不活性領域を減少させて変位量を増加させることができる。さらに、溝１０を有する、積層体１の下面１ｂと、側面１ｃ，１ｄとが交差する角部をＲ状としてもよい。積層体１の下面１ｂ側の角部を面取りすることで、下部領域１Ｌの不活性領域をさらに減少させて変位量を増加させることができる。また、面取りすることで、下部領域１Ｌの角部の欠けおよびクラックなどの発生を抑制することができる。
　図６は、圧電素子の他の実施形態の断面図である。図６の断面図は、図２Ｃに示す断面図に相当するものである。積層体１の上部領域１Ｕの第２の電極３２ａおよび第２の電極３２ｂの矩形状部３２１ａは、幅方向の端部の少なくともいずれか一方側が、積層方向に凸のアーチ状を有している。矩形状部３２１ａは、幅方向に３つの部分を有しており、いずれも長手方向に沿って延びている。矩形状部３２１ａは、例えば、側面１ｃ側の端部３２１ａ１、側面１ｄ側の端部３２１ａ２およびこれらの間にある中央部３２１ａ３を有する。これら３つの部分の間には明確な境界は無くてもよい。側面１ｃ側の端部３２１ａ１と側面１ｄ側の端部３２１ａ２の少なくともいずれかが積層方向に凸のアーチ状を有していればよい。本実施形態では、側面１ｃ側の端部３２１ａ１と側面１ｄ側の端部３２１ａ２の両方が、積層方向に凸のアーチ状を有している。第２の電極３２の矩形状部３２１ａが、平坦な板状であれば、圧電素子１００が、幅方向に変位する場合に、面方向に変形することになる。板状部材の面方向の変形は、他の方向の変形に比べて、変形し難く、圧電素子１００の幅方向の変位を阻害する場合がある。積層体１の上部領域１Ｕにおいて、矩形状部３２１ａの一部でも積層方向に凸のアーチ状を有していれば、幅方向に変形しやすくなり、圧電素子１００の幅方向の変位量を増加させることができる。
　本実施形態では、端部３２１ａ１と端部３２１ａ２は、例えば、積層方向外方に凸のアーチ状である。なお、本実施形態では、中央部３２１ａ３が平坦であるが、中央部３２１ａ３も両端部３２１ａ１，３２１ａ２と同様に積層方向に凸のアーチ状を有していてもよい。さらに、積層体１の上部領域１Ｕに加えて、下部領域１Ｌの第２の電極３２ｃおよび第２の電極３２ｄの矩形状部３２１ａも上部領域１Ｕと同様に、幅方向の端部の少なくともいずれか一方側が、積層方向に凸のアーチ状を有していてもよい。本実施形態では、矩形状部３２１ａの幅方向両端部側が、積層方向外方に凸のアーチ状を有している。積層体１の下部領域１Ｌにおいても、矩形状部３２１ａの少なくとも一部が積層方向に凸のアーチ状を有していることで、幅方向に変形しやすくなり、圧電素子１００の幅方向の変位量をさらに増加させることができる。
　図７は、圧電素子の他の実施形態の断面図である。図７の断面図は、図２Ｃに示す断面図に相当するものである。積層体１の上部領域１Ｕの第２の電極３２ａおよび第２の電極３２ｂの矩形状部３２１ａは、上記実施形態のように、幅方向の端部の少なくともいずれか一方側が、積層方向に凸のアーチ状を有している。本実施形態では、このアーチ状を有する端部は、幅方向内側より幅方向外側が、積層方向外側に位置する。すなわち、矩形状部３２１ａのアーチ状を有する端部が、積層体１の上面１ａおよび下面１ｂに対して傾いている。本実施形態の矩形状部３２１ａは、例えば、側面１ｃ側の端部３２１ａ１および側面１ｄ側の端部３２１ａ２が積層方向に凸のアーチ状を有し、積層体１の上面１ａおよび下面１ｂに対して傾いている。積層体１の上部領域１Ｕにおいて、矩形状部３２１ａの少なくとも一部が傾いていれば、幅方向に変形しやすくなり、圧電素子１００の幅方向の変位量を増加させることができる。
　さらに、積層体１の上部領域１Ｕに加えて、下部領域１Ｌの第２の電極３２ｃおよび第２の電極３２ｄの矩形状部３２１ａも上部領域１Ｕと同様に、幅方向の端部の少なくともいずれか一方側が、積層方向に凸のアーチ状を有し、アーチ状を有する端部は、幅方向内側より幅方向外側が、積層方向外側に位置する。本実施形態では、矩形状部３２１ａの幅方向両端部側が、積層方向外方に凸のアーチ状を有し、積層体１の上面１ａおよび下面１ｂに対して傾いている。積層体１の下部領域１Ｌにおいても、矩形状部３２１ａの少なくとも一部が傾いていれば、幅方向に変形しやすくなり、圧電素子１００の幅方向の変位量を増加させることができる。
　図８は、圧電素子の他の実施形態の断面図である。図８の断面図は、図２Ｃまたは図４に示す断面図に相当するものである。溝１０Ａは、積層体１の上下面１ａ，１ｂの少なくともいずれか一方に位置し、長手方向（Ｚ軸方向）に沿って延びるものであれば、例えば、窪みまたは凹みのように底部分が曲面形状であってもよい。また、本実施形態では、例えば、図８に示すように、断面視したときに、溝１０Ａの縁部分が曲線状を有し、溝１０Ａと上面１ａとが、滑らかに接続していてもよい。これにより、溝１０Ａの底部分における応力の集中を低減するとともに、溝１０Ａの縁部分の欠け、クラックなどの発生を低減できる。
　本開示は次の実施の形態が可能である。
　本開示の圧電素子は、交互に積層された内部電極および圧電体層を含む積層体であって、積層方向に直交する方向を長手方向とする直方体形状を有する積層体と、
　前記積層体の側面に位置し、前記内部電極に電気的に接続する表面電極と、を備え、
　前記内部電極は、
　　前記積層体を、前記積層方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第１の電極と、
　　前記積層体を、前記積層方向および前記長手方向に直交する幅方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第２の電極と、を含み、
　前記積層体は、前記積層方向に直交する上下面の少なくともいずれか一方に、前記長手方向に沿って延びる溝を有する。
　本開示の圧電素子によれば、不活性領域を減少させて変位量を増加させることができる。
　以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
　１　　　積層体
　１ａ　上面
　１ｂ　下面
　１ｃ，１ｄ　側面
　１ｅ　前面
　１ｆ　後面
　１Ｌ　　下部領域
　１Ｍ　　中央領域
　１Ｕ　　上部領域
　２，２Ａ，２Ｂ　　　表面電極
　３　　　内部電極
　４　　　圧電体層
　３１，３１ａ，３１ｂ　　第１の電極
　３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ　　第２の電極
　１００　圧電素子
　３１１ａ　帯状部
　３２１，３２１’　第１導体
　３２１ａ　矩形状部
　３２１ａ１　端部
　３２１ａ２　端部
　３２１ａ３　中央部
　３２１ｂ　引出部
　３２１ｂ１　配線部分
　３２１ｂ２　接続部分

Claims (5)

  1. 　交互に積層された内部電極および圧電体層を含む積層体であって、積層方向に直交する方向を長手方向とする直方体形状を有する積層体と、
    　前記積層体の側面に位置し、前記内部電極に電気的に接続する表面電極と、を備え、
    　前記内部電極は、
    　　前記積層体を、前記積層方向および前記長手方向に直交する幅方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第１の電極と、
    　　前記積層体を、前記積層方向に屈曲させるように前記圧電体層に電圧を印加する第２の電極と、を含み、
    　前記積層体は、前記積層方向に直交する上下面の少なくともいずれか一方に、前記長手方向に沿って延びる溝を有する圧電素子。
  2. 　前記第１の電極は、前記長手方向に沿って平行に延びる一対の帯状部であって、各帯状部が前記幅方向の中央に沿って離間して配設された一対の帯状部を含み、
    　前記溝は、前記上下面の少なくともいずれか一方の前記幅方向中央に位置する、請求項１記載の圧電素子。
  3. 　前記第２の電極は、前記長手方向に沿って延びる矩形状部を含み、
    　前記矩形状部の前記幅方向の端部の少なくともいずれか一方側は、前記積層方向に凸のアーチ状を有する、請求項１または２記載の圧電素子。
  4. 　前記アーチ状を有する端部は、前記幅方向内側より前記幅方向外側が、前記積層方向外側に位置する、請求項３記載の圧電素子。
  5. 　前記溝を有する、前記上下面の少なくともいずれか一方と、前記側面とが交差する角部がＲ状である、請求項１～４のいずれか１つに記載の圧電素子。
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