JP4658280B2 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、各種機器の駆動手段として用いられる積層型圧電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
積層型圧電アクチュエータは、周知のように、矩形状の圧電体層と同じく矩形状の内部電極層とを交互に積層し、この積層体の側面に二つの外部電極（正極および負極）を設けた構造を有する。そして、この外部電極間に電圧を印加することにより、対象物を駆動するための変位（圧電歪み）が得られるようになっている。
【０００３】
ところで、上記積層型圧電アクチュエータの最大変位量は、一般に、アクチュエータ全長の０．１％程度である。しかし昨今は、最大変位量がアクチュエータ全長の０．１５％にも達するようなものが強く求められている。
だが、従来手法では、こうした高性能の積層型圧電アクチュエータを得ることは難しい。これは次のような理由による。
【０００４】
上記圧電体層を構成する圧電材料としては、現在のところ、比誘電率が３０００〜６０００程度のものが使用されている。しかし、このような比誘電率の高い圧電材料を用いた場合、変位量がアクチュエータ全長の０．１％を超えるような状況では、印加した電圧と変位量との間に比例関係が成り立たない。つまり、高電圧を印加しても、それに見合うだけの変位量が得られなくなる。そこで、比誘電率が低い、すなわち比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いる案が出されている。
【０００５】
確かに、このような比誘電率の低い圧電材料を使用した場合には、変位量がアクチュエータ全長の０．１％を超えるような状況でも、印加した電圧と変位量との間に満足できる比例関係が成り立つ。言い換えれば、高電圧を印加すると、それに見合うだけの変位量が得られる。ゆえに、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いることで、最大変位量がアクチュエータ全長の０．１５％にも達する高性能な積層型圧電アクチュエータが実現できると考えられた。
【０００６】
しかし、実用化に向けた研究を進める過程で、こうした積層型圧電アクチュエータにも次のような問題があることが判明した。すなわち、上記のごとく積層型圧電アクチュエータを構成すれば、十分な変位量を確保できるが、最大で従来の１．５倍も変形する（圧電歪みが１．５倍になる）ため、故障が非常に起きやすくなる。具体的に言うと、短時間作動させただけでも積層体、特にその側面部分に亀裂などが生じ、所期の性能が発揮されなくなる。
【０００７】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供することである。特に、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい積層型圧電アクチュエータを提供することである。更に詳しくは、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる積層型圧電アクチュエータを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、隣合う前記圧電体層によって挟まれ、かつ、前記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成（特に隣合う内部電極層同士が互いに異なる形状に構成）されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【０００９】
また、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、隣合う前記圧電体層によって挟まれ、かつ、前記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、
前記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１０】
また、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、前記圧電体層および前記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成（特に隣合う内部電極層同士が互いに異なる形状に構成）されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１１】
更に、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、前記圧電体層および前記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、
前記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１２】
すなわち、上記課題を解決するべく鋭意研究を進める中で、本発明者は、大きく変位させた際に積層体の側面部分に生じる亀裂などの不具合は、同側面部分を応力（引張り応力）が緩和されるような構造とすれば解消できるのではないかと考えた。そして更なる研究の結果、本発明者は、積層体の側面部分に、この積層体を構成している圧電体層同士によって挟まれるよう、この圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層を設ければよいことを見出した。また本発明者は、応力緩和層の代わりに空隙を設けても、言い換えれば、積層体の側面部分に、この積層体を構成している圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝を形成しても、同等の効果が得られることを突き止めた。
【００１３】
しかし、実用化に向けた研究を進めるうち、積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けただけでは、まだ不十分であることが判明した。すなわち、こうした構造の採用のみでは、長時間、圧電アクチュエータを動作させた際、やはり故障（積層体の損壊）するものが現れ、信頼性の点で不安が残る。
そこで本発明者は、こうした問題を解消するべく更に研究を推し進め、その結果、上記の問題が生じる原因を解明するに至った。その原因とは次のようなものである。
【００１４】
従来型の積層型圧電アクチュエータにおいては、全ての内部電極層が同一の形状を有している。つまり、圧電体層を挟んで対向する正極および負極それぞれの縁辺は完全に重なっている。ところで、圧電体層において内部電極層に挟まれた部分は電圧印加時、厚さが増大するように変形する。一方、同じ圧電体層において内部電極層に挟まれていない部分（端縁部）は、電圧印加の有無にかかわらず自ずからは変形しない。よって電圧印加時、両者の境界には大きな応力が発生することになり、これが上記問題の原因となっている。
【００１５】
また本発明者は、ある条件下では、これとは異なる次のような現象が、上記問題の原因となっていることも究察するに至った。すなわち、よく知られているように、圧電体層に電圧を印加するための内部電極層は矩形状となっている。つまり、この内部電極層は計四つの角を有する。ところで、電圧が印加された際、圧電体層はその表面に沿って収縮する性質がある。しかし、その収縮率は一様ではない。特に角部分は収縮率が低く、したがって角部分は他の部分の収縮に追従できず、取り残された格好となる。よって電圧印加時、角部分付近には大きな応力が発生することになり、これが上記問題の原因ともなっている。
【００１６】
本発明者は、こうした知見に鑑み、積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けることに加えて、内部電極層における隣合うもの同士の縁辺（正極および負極それぞれの縁辺）が重ならないようにすれば、問題となるような応力が発生せず、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られるであろうとの結論に到達した。また、同じく積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けることに加え、内部電極層における角に対応した部位を曲線で構成すれば（角に丸みを持たせれば）、この場合も問題となるような応力が発生せず、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られるであろうとの結論に到達した。そして、この結果、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい積層型圧電アクチュエータを、更に詳しくは、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる積層型圧電アクチュエータを得ることが可能となった。本発明は、上述したごとくの新知見に基づいてなされたものである。
【００１７】
なお本発明の技術は、圧電材料として比誘電率が２５００未満のものを用いる場合に特に好適である。ちなみに、圧電材料の比誘電率の下限値については特に限定されないが、１０００程度が一応の目安となる。また本発明の技術は、内部電極層同士の間隔が、したがって圧電体層の厚さが６０μｍ以下の場合に特に好適である。更に言えば、本発明では応力緩和層を、例えばチタン酸鉛を主成分とする圧電材料の粉末を、その原料として用いて構成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の第１実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成されていることを特徴とする。
【００１９】
以下で、本発明の第２実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２０】
以下で、本発明の第３実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成されていることを特徴とする。
【００２１】
以下で、本発明の第４実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における角に対応した部位が曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２２】
以下で、本発明の第５実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成され、更に上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２３】
最後に、以下で本発明の第６実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成され、更に上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
続いて、図１〜図３を用い、本発明の第１実施形態を具体的に説明する。なお図１は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図、図２は図１におけるＸ−Ｘ線での同積層型圧電アクチュエータの要部断面図、図３（ａ），（ｂ）は内部電極層（負極および正極）の平面図である。
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ（以下、本積層型圧電アクチュエータと言う）は、図１に示すような直方体状の積層体からなる。
【００２５】
この積層体（すなわち積層型圧電アクチュエータ）は、図２から判るように、主として圧電体層（厚さ６０μｍ以下）１と内部電極層２（負極２ａおよび正極２ｂ）とが交互に積層されて形成されたものである。このうち圧電体層１は、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成されており、一方、内部電極層２については圧電体層１の表面に印刷された電極材料からなる。更に詳しくは、まず比誘電率が２５００未満の圧電材料（例えばチタン酸ジルコン酸鉛）を主成分として用いて原料シートを作製し、その表面に電極ペーストを塗布する。次に、それを所定枚数積層し、圧着した後、所定温度で焼成することにより、上記積層体が形成されている。
【００２６】
積層体の互いに対向する側面には、外部電極３ａ，３ｂが形成されている。また、負極２ａおよび正極２ｂについては交互に積層されており、特に、負極２ａは外部電極３ａに、正極２ｂは外部電極３ｂにそれぞれ接続されている。
積層体の上端側および下端側には、内部に電極層が設けられていない保護層４ａ，４ｂが存在する。本実施形態では、この保護層４ａ，４ｂを、上記原料シートのみを積層されることにより得ている。但し、図１においては、保護層４ａ，４ｂと積層体の主要部（保護層４ａと保護層４ｂとで挟まれた部分）との境界を一点鎖線で示しているが、実際には両者は完全に一体となっている。
【００２７】
上記のごとく構成された積層体すなわち本積層型圧電アクチュエータでは、外部電極３ａ，３ｂを用いて、したがって負極２ａおよび正極２ｂを用いて電圧が印加されると、個々の圧電体層１に圧電歪みが誘起される。この結果、本積層型圧電アクチュエータには、対象物を駆動するための変位（最大で従来品の１．５倍程度）が生じる。
【００２８】
さて本積層型圧電アクチュエータは、図２に示すごとく、応力緩和層５を有する。すなわち、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の側面部分には、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層１によって挟まれた格好で、応力緩和層５が複数設けられている。なお、この応力緩和層５の弾性率は圧電体層１の弾性率よりも小さく、例えば１／２程度である。更に応力緩和層５の厚さは、上記内部電極層２の厚さと同じであり、また、その幅は厚さの数倍程度である。
【００２９】
ちなみに、この応力緩和層５は、チタン酸鉛を主成分とするペーストを用いて形成されている。更に具体的に言うと、上記電極ペーストを原料シートに塗布する際、チタン酸鉛を主成分とするペーストも併せて原料シートの周縁部に塗布しておく。すると、焼成後には、このチタン酸鉛を主成分とするペーストは粉末化し、これが上記応力緩和層５となる。なお本実施形態では、この応力緩和層５を全側面（外部電極３ａ，３ｂに対応する部位を除く）に設けたが、一部の側面だけに設けてもよい。
【００３０】
また本積層型圧電アクチュエータは、内部電極層２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺（輪郭線）が重ならないよう構成されている。すなわち、図２に加えて、積層体の水平断面を示す図３からも判るように、負極２ａの縁辺と正極２ｂの縁辺とが重ならないよう、負極２ａを正極２ｂよりも十分に大きくしている（したがって応力緩和層５の形状も上下で相違する）。なお本実施形態では、負極２ａと正極２ｂとが相似関係（負極２ａの一辺は正極２ｂの一辺の１．１倍の長さ）となるよう設定したが、両者は単に形状が互いに異なっているだけでもよい。
【００３１】
さて、上述したように本実施形態では、積層体の側面部分に応力緩和層５を設けることに加えて、内部で負極２ａと正極２ｂとの縁辺が重ならないようにしている。よって、電圧を印加した際、積層体の側面部分や内部には、問題となるような応力が発生しない。特に、圧電体層１の圧電歪みは、負極２ａあるいは正極２ｂの縁辺近傍から圧電体層１の端に向かって徐々に減少していくので、内部応力は分散・緩和される。こうした理由から、本積層型圧電アクチュエータは、長時間使用されても故障が起きにくく、高い信頼性を発揮する。言い換えれば、上記のごとく構成することで、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いた積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００３２】
次に、図４および図５を用い、本発明の第２実施形態を具体的に説明する。なお、図４は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図、図５（ｃ），（ｄ）は内部電極層（負極および正極）の平面図である。但し、本実施形態に関しても、その技術思想や基本的な構造は、上記第１実施形態と概ね同じである。よって、以下では第１実施形態との相違点を中心に解説する（後述する第３〜第６実施形態についても同じ）。
【００３３】
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ（以下、本積層型圧電アクチュエータと言う）も、図４に示すような略直方体状の積層体からなる。但し、第１実施形態のものとは異なり、角が面取りされている。つまり、積層体の側面同士が交差してできる角に対応した部位は、曲面から構成されている。
さて、本積層型圧電アクチュエータも、圧電体層１１と内部電極層１２（負極１２ａおよび正極１２ｂ）とが交互に積層されて形成されたものである。そして積層体の互いに対向する側面に、外部電極１３ａ，１３ｂを有する。なお、圧電体層１１は、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成されている。
【００３４】
また、本積層型圧電アクチュエータは、上記第１実施形態と同様の応力緩和層１４を複数有する。すなわち、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の側面部分には、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層１１によって挟まれた格好で、応力緩和層１４が設けられている（図５参照）。
更に、同じく図５から判るように、本積層型圧電アクチュエータにおいては、内部電極層１２における角に対応する部位が、曲線（円弧）で構成されている。言い換えれば、本実施形態では、負極１２ａおよび正極１２ｂの角に丸みを持たせている。なお、負極１２ａおよび正極１２ｂの形状は同一である（したがって応力緩和層１４の形状も同一である）。
【００３５】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでも、電圧を印加した際、積層体の側面部分や内部には、問題となるような応力が発生しない。特に、内部電極層１２の角部分付近に圧電体層１１の収縮に起因して生じる応力が、大幅に緩和される。こうした理由から、本積層型圧電アクチュエータは、長時間使用されても故障が起きにくく、高い信頼性を発揮する。すなわち、上記の構造を採用することで、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いた積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００３６】
続いて、図６を用い、本発明の第３実施形態を具体的に説明する。なお、図６は、図２と同じ位置での本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの要部断面図である。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層２１と、内部電極層２２（負極２２ａおよび正極２２ｂ）とが交互に積層されてできた積層体からなる（外観は上記第１実施形態と同じ）。
【００３７】
但し、この積層体の側面部分（特に負極２２ａと正極２２ｂとの間の部分）には、図６から判るように、圧電体層２１および内部電極層２２の積層方向（図６中、上下方向）と直交する溝２３が複数形成されている。また、内部電極層２２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極２２ａの縁辺と正極２２ｂの縁辺とは、上記第１実施形態と同様、重ならないよう構成されている。つまり、負極２２ａを正極２２ｂよりも十分に大きくしてある。
【００３８】
なお、上記溝２３の幅Ｂは、圧電体層２１の厚さの１／２０〜１／２程度である。一方、溝２３の深さＤは均一で、幅Ｂの数倍程度である。更にここでは、溝２３を、全側面（外部電極に対応する部位を除く）に設けたが、一部の側面だけに設けてもよい。ちなみに、本実施形態では上記溝２３を、原料シートの表面にカーボンペーストの層（膜）を印刷により形成し、焼成工程で、このカーボンペーストの層を焼失させることにより得ている。
【００３９】
こうした構造の本積層型圧電アクチュエータについても、言うまでもなく、上記第１実施形態と同等の効果が奏される。
続いて、本発明の第４実施形態を具体的に説明する。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層（負極および正極）とが交互に積層されてできた積層体からなる（外観は上記第２実施形態と同じ）。
【００４０】
そして、この積層体の側面部分（特に負極と正極との間の部分）には、上記第３実施形態と同様、圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝が複数形成されている。また、内部電極層における角に対応した部位は、上記第２実施形態と同様、曲線（円弧）で構成されている。つまり本実施形態では、負極および正極の角に丸みを持たせている。
【００４１】
こうした構造の本積層型圧電アクチュエータについても、言うまでもなく、上記第２実施形態と同等の効果が奏される。
続いて、図７を用い、本発明の第５実施形態を具体的に説明する。なお、図７（ｅ），（ｆ）は内部電極層（正極および負極）の平面図である。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層３１と、内部電極層３２（負極３２ａおよび正極３２ｂ）とが交互に積層されてできた積層体からなる。なお当然のことながら、この積層体の互いに対向する側面には、外部電極３３ａ，３３ｂが存在する。また本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の外観は、上記第２実施形態のそれと同じである（図４参照）。
【００４２】
さて、この積層体の側面部分には、上記第１実施形態と同様、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層３１によって挟まれた格好で、応力緩和層３４が複数設けられている。また、内部電極層３２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極３２ａの縁辺と正極３２ｂの縁辺とは、図７から判るように互いに重ならないよう構成されている。つまり、負極３２ａを正極３２ｂよりも十分に大きくしてある。更に本実施形態では、同じく図７から判るように、内部電極層３２における角に対応する部位が、曲線（円弧）で構成されている。
言い換えれば、負極３２ａおよび正極３２ｂの角には丸みを持たせてある。
【００４３】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでは、内部応力がより効果的に緩和されるので、上記第１実施形態や上記第２実施形態のものよりも更に優れた信頼性を発揮する。
次に、本発明の第６実施形態を具体的に説明する。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層（負極および正極）とが交互に積層されてできた積層体からなる。但し、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の外観も、先の第５実施形態と同様、上記第２実施形態のそれと同じである。つまり、角部分が曲面から構成されている。
【００４４】
さて積層体の側面部分には、上記第３実施形態と同様、圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝が複数形成されている。また、内部電極層における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極の縁辺と正極の縁辺とは、先の第５実施形態と同様、互いに重ならないよう構成されている。つまり負極を正極よりも十分に大きくしてある。更に本実施形態では、同じく上記第５実施形態と同様、内部電極層における角に対応する部位を曲線（円弧）で構成している。言い換えれば、負極および正極の角に丸みを持たせてある。
【００４５】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでも、内部応力がより効果的に緩和されるので、上記第３実施形態や上記第４実施形態のものよりも更に優れた信頼性を発揮する。
なお、内部電極層における隣接するもの同士の縁辺が重ならないようにする手法や、同内部電極層における角に対応した部位を構成する曲線は、上記第１〜第６実施形態のそれに限定されるものではない。
【００４６】
【実施例】
上記第５実施形態に係る積層型圧電アクチュエータを、次のようにして作製した。
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする、比誘電率が２０００の圧電材料粉末に、水、有機バインダ、分散剤、消泡剤などを加えて十分に混合する。真空脱泡後、ドクターブレード法により、この混合物から所定厚さ、例えば８０μｍ（圧着・焼成後には５０μｍとなる）の原料シートを製造する。次に、こうして得た原料シートの表面に、電極ペースト、例えばＡｇ／Ｐｄペーストの膜をスクリーン印刷により形成する。また、これに続いて、チタン酸鉛を主成分とするペースト（最終的に粉末化し応力緩和層となる）を、上記電極ペースト膜の周囲に塗布する。さて、原料シートにこうした処理を施したならば、それを所定枚数、例えば３００枚程度積層させる。そして圧着後、所定温度、例えば１１００℃にて焼成する。これにより焼結体（積層体）を得たならば、次にそれを所定寸法、例えば縦６ｍｍ、横６ｍｍ、高さ２０ｍｍの直方体状に加工する。更に、焼結体内部に交互に設けられた負極および正極それぞれに対応する外部電極を、同焼結体の側面に形成（これによって負極および正極はそれぞれ並列接続される）し、分極処理を施すことで、上記第５実施形態に係る積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００４７】
次に、この積層型圧電アクチュエータを計１０個、試料として準備した。そして、それを矩形波（０〜１５０Ｖ）によって連続駆動させ、駆動回数と故障（損傷）数との関係を調べた。その結果は図８のグラフに示すとおりである。なお、同じ材料を用いて作製された従来構造の積層型圧電アクチュエータ（以下、従来品と言う）についても同様の試験を行ったので、その結果も図８のグラフに併せて示す。
【００４８】
〔評価〕
図８のグラフから判るように従来品では、駆動回数３０００万回程度で故障するものが現れ、駆動回数９０００万回で全ての試料に故障が発生した。これに対して本実施例のものでは、駆動回数１億回でも故障は皆無であった。このことから、本発明に係る積層型圧電アクチュエータは非常に信頼性に優れていることが判る。
【００４９】
参考までに、比誘電率が３０００以上、特に４５００の圧電材料を用いて、上記実施例と同じ構造の積層型圧電アクチュエータを作製し、印加した電圧と変位量との関係を調べた（変位量の測定には光学式非接触変位計を使用）。結果は図９のグラフに示すとおりである。なお、比誘電率が３０００未満、特に２０００の圧電材料を用いて構成された上記実施例の積層型圧電アクチュエータについても同様の試験を行ったので、その結果も図９のグラフに併せて示す。
【００５０】
〔評価〕
図９のグラフから判るように、比誘電率が４５００の圧電材料を用いた場合には印加電圧が大きくなると、電圧と変位量との間に比例関係が成立しなくなる。つまり、性能が次第に低下する。これに対して、比誘電率が２０００の圧電材料を用いた場合には、印加電圧が大きくなっても、電圧と変位量との間に比例関係が成立する。このことから、本発明に係る積層型圧電アクチュエータは非常に高性能であることが判る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られる。特に、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい（比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる）積層型圧電アクチュエータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図
【図２】図１におけるＸ−Ｘ線での積層型圧電アクチュエータ（第１実施形態）の要部断面図
【図３】（ａ），（ｂ）は内部電極層（負極および正極）の平面図（第１実施形態）
【図４】本発明の第２実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図
【図５】（ｃ），（ｄ）は内部電極層（負極および正極）の平面図（第２実施形態）
【図６】図２と同じ位置での積層型圧電アクチュエータ（第３実施形態）の要部断面図
【図７】（ｅ），（ｆ）は内部電極層（正極および負極）の平面図（第５実施形態）
【図８】積層型圧電アクチュエータの駆動回数と故障数との関係を示すグラフ
【図９】積層型圧電アクチュエータに印加した電圧と変位量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 圧電体層
２ 内部電極層
２ａ 負極
２ｂ 正極
３ａ，３ｂ 外部電極
４ａ，４ｂ 保護層
５ 応力緩和層
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、各種機器の駆動手段として用いられる積層型圧電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
積層型圧電アクチュエータは、周知のように、矩形状の圧電体層と同じく矩形状の内部電極層とを交互に積層し、この積層体の側面に二つの外部電極（正極および負極）を設けた構造を有する。そして、この外部電極間に電圧を印加することにより、対象物を駆動するための変位（圧電歪み）が得られるようになっている。
【０００３】
ところで、上記積層型圧電アクチュエータの最大変位量は、一般に、アクチュエータ全長の０．１％程度である。しかし昨今は、最大変位量がアクチュエータ全長の０．１５％にも達するようなものが強く求められている。
だが、従来手法では、こうした高性能の積層型圧電アクチュエータを得ることは難しい。これは次のような理由による。
【０００４】
上記圧電体層を構成する圧電材料としては、現在のところ、比誘電率が３０００〜６０００程度のものが使用されている。しかし、このような比誘電率の高い圧電材料を用いた場合、変位量がアクチュエータ全長の０．１％を超えるような状況では、印加した電圧と変位量との間に比例関係が成り立たない。つまり、高電圧を印加しても、それに見合うだけの変位量が得られなくなる。そこで、比誘電率が低い、すなわち比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いる案が出されている。
【０００５】
確かに、このような比誘電率の低い圧電材料を使用した場合には、変位量がアクチュエータ全長の０．１％を超えるような状況でも、印加した電圧と変位量との間に満足できる比例関係が成り立つ。言い換えれば、高電圧を印加すると、それに見合うだけの変位量が得られる。ゆえに、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いることで、最大変位量がアクチュエータ全長の０．１５％にも達する高性能な積層型圧電アクチュエータが実現できると考えられた。
【０００６】
しかし、実用化に向けた研究を進める過程で、こうした積層型圧電アクチュエータにも次のような問題があることが判明した。すなわち、上記のごとく積層型圧電アクチュエータを構成すれば、十分な変位量を確保できるが、最大で従来の１．５倍も変形する（圧電歪みが１．５倍になる）ため、故障が非常に起きやすくなる。具体的に言うと、短時間作動させただけでも積層体、特にその側面部分に亀裂などが生じ、所期の性能が発揮されなくなる。
【０００７】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供することである。特に、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい積層型圧電アクチュエータを提供することである。更に詳しくは、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる積層型圧電アクチュエータを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、隣合う前記圧電体層によって挟まれ、かつ、前記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成（特に隣合う内部電極層同士が互いに異なる形状に構成）されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【０００９】
また、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、隣合う前記圧電体層によって挟まれ、かつ、前記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、
前記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１０】
また、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、前記圧電体層および前記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成（特に隣合う内部電極層同士が互いに異なる形状に構成）されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１１】
更に、上記の課題は、
比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、前記圧電体層および前記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、
前記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータによって解決される。
【００１２】
すなわち、上記課題を解決するべく鋭意研究を進める中で、本発明者は、大きく変位させた際に積層体の側面部分に生じる亀裂などの不具合は、同側面部分を応力（引張り応力）が緩和されるような構造とすれば解消できるのではないかと考えた。そして更なる研究の結果、本発明者は、積層体の側面部分に、この積層体を構成している圧電体層同士によって挟まれるよう、この圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層を設ければよいことを見出した。また本発明者は、応力緩和層の代わりに空隙を設けても、言い換えれば、積層体の側面部分に、この積層体を構成している圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝を形成しても、同等の効果が得られることを突き止めた。
【００１３】
しかし、実用化に向けた研究を進めるうち、積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けただけでは、まだ不十分であることが判明した。すなわち、こうした構造の採用のみでは、長時間、圧電アクチュエータを動作させた際、やはり故障（積層体の損壊）するものが現れ、信頼性の点で不安が残る。
そこで本発明者は、こうした問題を解消するべく更に研究を推し進め、その結果、上記の問題が生じる原因を解明するに至った。その原因とは次のようなものである。
【００１４】
従来型の積層型圧電アクチュエータにおいては、全ての内部電極層が同一の形状を有している。つまり、圧電体層を挟んで対向する正極および負極それぞれの縁辺は完全に重なっている。ところで、圧電体層において内部電極層に挟まれた部分は電圧印加時、厚さが増大するように変形する。一方、同じ圧電体層において内部電極層に挟まれていない部分（端縁部）は、電圧印加の有無にかかわらず自ずからは変形しない。よって電圧印加時、両者の境界には大きな応力が発生することになり、これが上記問題の原因となっている。
【００１５】
また本発明者は、ある条件下では、これとは異なる次のような現象が、上記問題の原因となっていることも究察するに至った。すなわち、よく知られているように、圧電体層に電圧を印加するための内部電極層は矩形状となっている。つまり、この内部電極層は計四つの角を有する。ところで、電圧が印加された際、圧電体層はその表面に沿って収縮する性質がある。しかし、その収縮率は一様ではない。特に角部分は収縮率が低く、したがって角部分は他の部分の収縮に追従できず、取り残された格好となる。よって電圧印加時、角部分付近には大きな応力が発生することになり、これが上記問題の原因ともなっている。
【００１６】
本発明者は、こうした知見に鑑み、積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けることに加えて、内部電極層における隣合うもの同士の縁辺（正極および負極それぞれの縁辺）が重ならないようにすれば、問題となるような応力が発生せず、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られるであろうとの結論に到達した。また、同じく積層体の側面部分に応力緩和層あるいは溝を設けることに加え、内部電極層における角に対応した部位を曲線で構成すれば（角に丸みを持たせれば）、この場合も問題となるような応力が発生せず、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られるであろうとの結論に到達した。そして、この結果、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい積層型圧電アクチュエータを、更に詳しくは、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる積層型圧電アクチュエータを得ることが可能となった。本発明は、上述したごとくの新知見に基づいてなされたものである。
【００１７】
なお本発明の技術は、圧電材料として比誘電率が２５００未満のものを用いる場合に特に好適である。ちなみに、圧電材料の比誘電率の下限値については特に限定されないが、１０００程度が一応の目安となる。また本発明の技術は、内部電極層同士の間隔が、したがって圧電体層の厚さが６０μｍ以下の場合に特に好適である。更に言えば、本発明では応力緩和層を、例えばチタン酸鉛を主成分とする圧電材料の粉末を、その原料として用いて構成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の第１実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成されていることを特徴とする。
【００１９】
以下で、本発明の第２実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２０】
以下で、本発明の第３実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成されていることを特徴とする。
【００２１】
以下で、本発明の第４実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における角に対応した部位が曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２２】
以下で、本発明の第５実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、隣合う上記圧電体層によって挟まれ、かつ、上記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成され、更に上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２３】
最後に、以下で本発明の第６実施形態として説明する積層型圧電アクチュエータは、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えたものであって、上記積層体の側面部分には、上記圧電体層および上記内部電極層の積層方向と直交する溝が形成されてなると共に、上記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう（積層方向に沿って重ならないよう）構成され、更に上記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
続いて、図１〜図３を用い、本発明の第１実施形態を具体的に説明する。なお図１は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図、図２は図１におけるＸ−Ｘ線での同積層型圧電アクチュエータの要部断面図、図３（ａ），（ｂ）は内部電極層（負極および正極）の平面図である。
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ（以下、本積層型圧電アクチュエータと言う）は、図１に示すような直方体状の積層体からなる。
【００２５】
この積層体（すなわち積層型圧電アクチュエータ）は、図２から判るように、主として圧電体層（厚さ６０μｍ以下）１と内部電極層２（負極２ａおよび正極２ｂ）とが交互に積層されて形成されたものである。このうち圧電体層１は、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成されており、一方、内部電極層２については圧電体層１の表面に印刷された電極材料からなる。更に詳しくは、まず比誘電率が２５００未満の圧電材料（例えばチタン酸ジルコン酸鉛）を主成分として用いて原料シートを作製し、その表面に電極ペーストを塗布する。次に、それを所定枚数積層し、圧着した後、所定温度で焼成することにより、上記積層体が形成されている。
【００２６】
積層体の互いに対向する側面には、外部電極３ａ，３ｂが形成されている。また、負極２ａおよび正極２ｂについては交互に積層されており、特に、負極２ａは外部電極３ａに、正極２ｂは外部電極３ｂにそれぞれ接続されている。
積層体の上端側および下端側には、内部に電極層が設けられていない保護層４ａ，４ｂが存在する。本実施形態では、この保護層４ａ，４ｂを、上記原料シートのみを積層されることにより得ている。但し、図１においては、保護層４ａ，４ｂと積層体の主要部（保護層４ａと保護層４ｂとで挟まれた部分）との境界を一点鎖線で示しているが、実際には両者は完全に一体となっている。
【００２７】
上記のごとく構成された積層体すなわち本積層型圧電アクチュエータでは、外部電極３ａ，３ｂを用いて、したがって負極２ａおよび正極２ｂを用いて電圧が印加されると、個々の圧電体層１に圧電歪みが誘起される。この結果、本積層型圧電アクチュエータには、対象物を駆動するための変位（最大で従来品の１．５倍程度）が生じる。
【００２８】
さて本積層型圧電アクチュエータは、図２に示すごとく、応力緩和層５を有する。すなわち、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の側面部分には、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層１によって挟まれた格好で、応力緩和層５が複数設けられている。なお、この応力緩和層５の弾性率は圧電体層１の弾性率よりも小さく、例えば１／２程度である。更に応力緩和層５の厚さは、上記内部電極層２の厚さと同じであり、また、その幅は厚さの数倍程度である。
【００２９】
ちなみに、この応力緩和層５は、チタン酸鉛を主成分とするペーストを用いて形成されている。更に具体的に言うと、上記電極ペーストを原料シートに塗布する際、チタン酸鉛を主成分とするペーストも併せて原料シートの周縁部に塗布しておく。すると、焼成後には、このチタン酸鉛を主成分とするペーストは粉末化し、これが上記応力緩和層５となる。なお本実施形態では、この応力緩和層５を全側面（外部電極３ａ，３ｂに対応する部位を除く）に設けたが、一部の側面だけに設けてもよい。
【００３０】
また本積層型圧電アクチュエータは、内部電極層２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺（輪郭線）が重ならないよう構成されている。すなわち、図２に加えて、積層体の水平断面を示す図３からも判るように、負極２ａの縁辺と正極２ｂの縁辺とが重ならないよう、負極２ａを正極２ｂよりも十分に大きくしている（したがって応力緩和層５の形状も上下で相違する）。なお本実施形態では、負極２ａと正極２ｂとが相似関係（負極２ａの一辺は正極２ｂの一辺の１．１倍の長さ）となるよう設定したが、両者は単に形状が互いに異なっているだけでもよい。
【００３１】
さて、上述したように本実施形態では、積層体の側面部分に応力緩和層５を設けることに加えて、内部で負極２ａと正極２ｂとの縁辺が重ならないようにしている。よって、電圧を印加した際、積層体の側面部分や内部には、問題となるような応力が発生しない。特に、圧電体層１の圧電歪みは、負極２ａあるいは正極２ｂの縁辺近傍から圧電体層１の端に向かって徐々に減少していくので、内部応力は分散・緩和される。こうした理由から、本積層型圧電アクチュエータは、長時間使用されても故障が起きにくく、高い信頼性を発揮する。言い換えれば、上記のごとく構成することで、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いた積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００３２】
次に、図４および図５を用い、本発明の第２実施形態を具体的に説明する。なお、図４は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図、図５（ｃ），（ｄ）は内部電極層（負極および正極）の平面図である。但し、本実施形態に関しても、その技術思想や基本的な構造は、上記第１実施形態と概ね同じである。よって、以下では第１実施形態との相違点を中心に解説する（後述する第３〜第６実施形態についても同じ）。
【００３３】
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ（以下、本積層型圧電アクチュエータと言う）も、図４に示すような略直方体状の積層体からなる。但し、第１実施形態のものとは異なり、角が面取りされている。つまり、積層体の側面同士が交差してできる角に対応した部位は、曲面から構成されている。
さて、本積層型圧電アクチュエータも、圧電体層１１と内部電極層１２（負極１２ａおよび正極１２ｂ）とが交互に積層されて形成されたものである。そして積層体の互いに対向する側面に、外部電極１３ａ，１３ｂを有する。なお、圧電体層１１は、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成されている。
【００３４】
また、本積層型圧電アクチュエータは、上記第１実施形態と同様の応力緩和層１４を複数有する。すなわち、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の側面部分には、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層１１によって挟まれた格好で、応力緩和層１４が設けられている（図５参照）。
更に、同じく図５から判るように、本積層型圧電アクチュエータにおいては、内部電極層１２における角に対応する部位が、曲線（円弧）で構成されている。言い換えれば、本実施形態では、負極１２ａおよび正極１２ｂの角に丸みを持たせている。なお、負極１２ａおよび正極１２ｂの形状は同一である（したがって応力緩和層１４の形状も同一である）。
【００３５】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでも、電圧を印加した際、積層体の側面部分や内部には、問題となるような応力が発生しない。特に、内部電極層１２の角部分付近に圧電体層１１の収縮に起因して生じる応力が、大幅に緩和される。こうした理由から、本積層型圧電アクチュエータは、長時間使用されても故障が起きにくく、高い信頼性を発揮する。すなわち、上記の構造を採用することで、変位量が従来品より大きいにもかかわらず故障が起きにくい、比誘電率が３０００未満、特に２５００未満の圧電材料を用いた積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００３６】
続いて、図６を用い、本発明の第３実施形態を具体的に説明する。なお、図６は、図２と同じ位置での本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの要部断面図である。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層２１と、内部電極層２２（負極２２ａおよび正極２２ｂ）とが交互に積層されてできた積層体からなる（外観は上記第１実施形態と同じ）。
【００３７】
但し、この積層体の側面部分（特に負極２２ａと正極２２ｂとの間の部分）には、図６から判るように、圧電体層２１および内部電極層２２の積層方向（図６中、上下方向）と直交する溝２３が複数形成されている。また、内部電極層２２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極２２ａの縁辺と正極２２ｂの縁辺とは、上記第１実施形態と同様、重ならないよう構成されている。つまり、負極２２ａを正極２２ｂよりも十分に大きくしてある。
【００３８】
なお、上記溝２３の幅Ｂは、圧電体層２１の厚さの１／２０〜１／２程度である。一方、溝２３の深さＤは均一で、幅Ｂの数倍程度である。更にここでは、溝２３を、全側面（外部電極に対応する部位を除く）に設けたが、一部の側面だけに設けてもよい。ちなみに、本実施形態では上記溝２３を、原料シートの表面にカーボンペーストの層（膜）を印刷により形成し、焼成工程で、このカーボンペーストの層を焼失させることにより得ている。
【００３９】
こうした構造の本積層型圧電アクチュエータについても、言うまでもなく、上記第１実施形態と同等の効果が奏される。
続いて、本発明の第４実施形態を具体的に説明する。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層（負極および正極）とが交互に積層されてできた積層体からなる（外観は上記第２実施形態と同じ）。
【００４０】
そして、この積層体の側面部分（特に負極と正極との間の部分）には、上記第３実施形態と同様、圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝が複数形成されている。また、内部電極層における角に対応した部位は、上記第２実施形態と同様、曲線（円弧）で構成されている。つまり本実施形態では、負極および正極の角に丸みを持たせている。
【００４１】
こうした構造の本積層型圧電アクチュエータについても、言うまでもなく、上記第２実施形態と同等の効果が奏される。
続いて、図７を用い、本発明の第５実施形態を具体的に説明する。なお、図７（ｅ），（ｆ）は内部電極層（正極および負極）の平面図である。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層３１と、内部電極層３２（負極３２ａおよび正極３２ｂ）とが交互に積層されてできた積層体からなる。なお当然のことながら、この積層体の互いに対向する側面には、外部電極３３ａ，３３ｂが存在する。また本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の外観は、上記第２実施形態のそれと同じである（図４参照）。
【００４２】
さて、この積層体の側面部分には、上記第１実施形態と同様、上下に重なり合う（隣合う）圧電体層３１によって挟まれた格好で、応力緩和層３４が複数設けられている。また、内部電極層３２における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極３２ａの縁辺と正極３２ｂの縁辺とは、図７から判るように互いに重ならないよう構成されている。つまり、負極３２ａを正極３２ｂよりも十分に大きくしてある。更に本実施形態では、同じく図７から判るように、内部電極層３２における角に対応する部位が、曲線（円弧）で構成されている。
言い換えれば、負極３２ａおよび正極３２ｂの角には丸みを持たせてある。
【００４３】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでは、内部応力がより効果的に緩和されるので、上記第１実施形態や上記第２実施形態のものよりも更に優れた信頼性を発揮する。
次に、本発明の第６実施形態を具体的に説明する。
本積層型圧電アクチュエータに関しても、比誘電率が２５００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層（負極および正極）とが交互に積層されてできた積層体からなる。但し、本積層型圧電アクチュエータ（積層体）の外観も、先の第５実施形態と同様、上記第２実施形態のそれと同じである。つまり、角部分が曲面から構成されている。
【００４４】
さて積層体の側面部分には、上記第３実施形態と同様、圧電体層および内部電極層の積層方向と直交する溝が複数形成されている。また、内部電極層における上下に重なり合う（隣合う）もの同士の縁辺、すなわち負極の縁辺と正極の縁辺とは、先の第５実施形態と同様、互いに重ならないよう構成されている。つまり負極を正極よりも十分に大きくしてある。更に本実施形態では、同じく上記第５実施形態と同様、内部電極層における角に対応する部位を曲線（円弧）で構成している。言い換えれば、負極および正極の角に丸みを持たせてある。
【００４５】
このように構成された本積層型圧電アクチュエータでも、内部応力がより効果的に緩和されるので、上記第３実施形態や上記第４実施形態のものよりも更に優れた信頼性を発揮する。
なお、内部電極層における隣接するもの同士の縁辺が重ならないようにする手法や、同内部電極層における角に対応した部位を構成する曲線は、上記第１〜第６実施形態のそれに限定されるものではない。
【００４６】
【実施例】
上記第５実施形態に係る積層型圧電アクチュエータを、次のようにして作製した。
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする、比誘電率が２０００の圧電材料粉末に、水、有機バインダ、分散剤、消泡剤などを加えて十分に混合する。真空脱泡後、ドクターブレード法により、この混合物から所定厚さ、例えば８０μｍ（圧着・焼成後には５０μｍとなる）の原料シートを製造する。次に、こうして得た原料シートの表面に、電極ペースト、例えばＡｇ／Ｐｄペーストの膜をスクリーン印刷により形成する。また、これに続いて、チタン酸鉛を主成分とするペースト（最終的に粉末化し応力緩和層となる）を、上記電極ペースト膜の周囲に塗布する。さて、原料シートにこうした処理を施したならば、それを所定枚数、例えば３００枚程度積層させる。そして圧着後、所定温度、例えば１１００℃にて焼成する。これにより焼結体（積層体）を得たならば、次にそれを所定寸法、例えば縦６ｍｍ、横６ｍｍ、高さ２０ｍｍの直方体状に加工する。更に、焼結体内部に交互に設けられた負極および正極それぞれに対応する外部電極を、同焼結体の側面に形成（これによって負極および正極はそれぞれ並列接続される）し、分極処理を施すことで、上記第５実施形態に係る積層型圧電アクチュエータが得られる。
【００４７】
次に、この積層型圧電アクチュエータを計１０個、試料として準備した。そして、それを矩形波（０〜１５０Ｖ）によって連続駆動させ、駆動回数と故障（損傷）数との関係を調べた。その結果は図８のグラフに示すとおりである。なお、同じ材料を用いて作製された従来構造の積層型圧電アクチュエータ（以下、従来品と言う）についても同様の試験を行ったので、その結果も図８のグラフに併せて示す。
【００４８】
〔評価〕
図８のグラフから判るように従来品では、駆動回数３０００万回程度で故障するものが現れ、駆動回数９０００万回で全ての試料に故障が発生した。これに対して本実施例のものでは、駆動回数１億回でも故障は皆無であった。このことから、本発明に係る積層型圧電アクチュエータは非常に信頼性に優れていることが判る。
【００４９】
参考までに、比誘電率が３０００以上、特に４５００の圧電材料を用いて、上記実施例と同じ構造の積層型圧電アクチュエータを作製し、印加した電圧と変位量との関係を調べた（変位量の測定には光学式非接触変位計を使用）。結果は図９のグラフに示すとおりである。なお、比誘電率が３０００未満、特に２０００の圧電材料を用いて構成された上記実施例の積層型圧電アクチュエータについても同様の試験を行ったので、その結果も図９のグラフに併せて示す。
【００５０】
〔評価〕
図９のグラフから判るように、比誘電率が４５００の圧電材料を用いた場合には印加電圧が大きくなると、電圧と変位量との間に比例関係が成立しなくなる。つまり、性能が次第に低下する。これに対して、比誘電率が２０００の圧電材料を用いた場合には、印加電圧が大きくなっても、電圧と変位量との間に比例関係が成立する。このことから、本発明に係る積層型圧電アクチュエータは非常に高性能であることが判る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、故障の起きにくい信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータが得られる。特に、変位量が従来品より大きいにもかかわらず、故障が起きにくい（比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いてなる）積層型圧電アクチュエータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図
【図２】図１におけるＸ−Ｘ線での積層型圧電アクチュエータ（第１実施形態）の要部断面図
【図３】（ａ），（ｂ）は内部電極層（負極および正極）の平面図（第１実施形態）
【図４】本発明の第２実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図
【図５】（ｃ），（ｄ）は内部電極層（負極および正極）の平面図（第２実施形態）
【図６】図２と同じ位置での積層型圧電アクチュエータ（第３実施形態）の要部断面図
【図７】（ｅ），（ｆ）は内部電極層（正極および負極）の平面図（第５実施形態）
【図８】積層型圧電アクチュエータの駆動回数と故障数との関係を示すグラフ
【図９】積層型圧電アクチュエータに印加した電圧と変位量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 圧電体層
２ 内部電極層
２ａ 負極
２ｂ 正極
３ａ，３ｂ 外部電極
４ａ，４ｂ 保護層
５ 応力緩和層
Claims (4)
- 比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、隣合う前記圧電体層によって挟まれ、かつ、前記圧電体層よりも弾性率の小さな応力緩和層が設けられてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の大小が交互に異なることで、前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。 - 比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層と、内部電極層とが交互に積層されてなる、積層体を備えた積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体の側面部分には、前記圧電体層および前記内部電極層の積層方向と直交する溝が、前記内部電極層における隣合うものの間の部分にて複数形成されてなると共に、
前記内部電極層における隣合うもの同士の大小が交互に異なることで、前記内部電極層における隣合うもの同士の縁辺が重ならないよう構成されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。 - 前記内部電極層における角に対応した部位が、曲線で構成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の積層型圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体層の厚さは６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
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