(57)【要約】 【課題】  アスペクト比が大きいにも関わらず薄型形状であって容積が小さく、部品点数が少なく、信頼性の高い、積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】  積層体ユニット１１〜１３の両側の側面にはそれぞれ外部電極１４ａ〜１６ａおよび外部電極１４ｂ〜１６ｂが設けられ、その外側にはクランプ１７，１８が配置されて、積層体ユニット１１〜１３に対して圧縮応力を付勢している。クランプ１７，１８は端部に鈎状構造体を有する１対の構造体であり、また可撓性を有するために胴部に複数の貫通孔が設けられている。この貫通孔は円形か、もしくはクランプ１７，１８の長辺の向きに対して直交する向きに長軸を有する楕円形もしくは長円形であり、貫通孔の大きさおよび個数を変えることによって、積層型圧電アクチュエータに付勢される圧縮応力の大きさを調整することが可能である。【選択図】  図１
2008218780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなる積層体を備え、前記内部電極層が露出する２側面に設けられた１対の外部電極と前記内部電極層とが各々１層おきに電気的に接続されてなる積層体ユニットが、前記積層体の積層方向に垂直に２個以上積み重ねられ、
前記各積層体ユニットの側面に配置された少なくとも１対のクランプによって、前記各積層体ユニットが積層方向に与圧され、
前記クランプがそれぞれ少なくとも一方の端部に鈎状構造体を有し、積み重ねられた前記積層体ユニットのうち、少なくとも一方の端に位置する積層体ユニットの外側端面に、前記クランプの鈎状構造体が固定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。
【請求項２】
前記クランプが両方の端部に鈎状構造体を有しており、積み重ねられた前記積層体ユニットの両方の端に位置する積層体ユニットの外側端面に、前記クランプの鈎状構造体がそれぞれ固定されてなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】
積み重ねられた前記積層体ユニットのうち、少なくとも一方の端に位置する積層体ユニットの外側端部に保護層が設けられており、
前記保護層の外側端部に切り欠き加工部が設けられ、前記クランプの鈎状構造体が前記切り欠き加工部に固定されてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記保護層がセラミック層からなり、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなる前記積層体ユニットと一体であることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記クランプがばね用材料からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記クランプの胴部に複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記クランプの胴部に設けられた複数の前記貫通孔の少なくとも一部が、円形の貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記クランプの胴部に設けられた複数の前記貫通孔の少なくとも一部が、前記各クランプの長辺の向きに対して直交する向きにそれぞれ長軸を有する、楕円形もしくは長円形の貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記クランプが金属材料からなることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記クランプがステンレス、銅、黄銅、洋白、リン青銅、ベリリウム銅から選択される金属材料からなることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記各積層体ユニットの積層方向に垂直な向きの各端面にそれぞれ複数の電極が設けられ、前記各電極が、前記各積層体ユニットの側面に設けられた１対の前記外部電極にそれぞれ電気的に接続されており、
互いに積み重ねられた前記各積層体ユニットどうしが、対向する各端面に設けられた前記各電極どうしの接続によって互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電アクチュエータの構造に関し、とくにアスペクト比が大きく、薄型形状で容積の小さい積層型圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電アクチュエータは、従来より精密な移動を要求される産業用ＸＹステージの駆動機構や半導体製造用ガス流量制御機器のバルブの開閉などの用途に使用されてきた。こうした用途では一般に大きな変位量が必要となるため、圧電セラミック層と内部電極層とを複数層積層してなる積層体ユニットを、その変位方向（直列方向）にさらに複数個積み重ねることによって、変位量を拡大した積層型圧電アクチュエータが用いられる場合が多い。また近年は、積層型圧電アクチュエータを産業機器や航空機の振動や騒音の防止のために利用しようとする動きがあり、このような場合には駆動装置の近傍の限られたスペースに収納する必要があるので、単に変位量が大きいだけではなく、そのアスペクト比を大きくして薄型形状とした、容積の小さい積層型圧電アクチュエータが求められている。
【０００３】
従来の一般的な変位量の大きな積層型圧電アクチュエータの構成について図３に基づいて説明する。一般に積層型圧電アクチュエータのアスペクト比を大きくするには、複数個の積層体ユニットを直列方向に互いに積み重ねるとよい。図３はこのような積層型圧電アクチュエータの縦断面図であって、３つの積層体ユニットを積み重ねた場合を示している。図の上方から順に、第１の積層体ユニット３１、第２の積層体ユニット３２、第３の積層体ユニット３３を縦に重ねており、各々の積層体ユニットの間は接着剤により接続固定されている。積層体ユニット３１，３２，３３の両側面にはそれぞれ内部電極の端部の露出部を覆って外部電極３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂが形成されており、各外部電極は内部電極の各層と１層おきに電気的に接続されている。また外部電極３４ａ，３５ａ，３６ａの間はそれぞれリード線３７により電気的に接続されている。外部電極３４ｂ，３５ｂ，３６ｂの間も同様に、それぞれリード線３８により電気的に接続されている。
【０００４】
前記の一般的な積層型圧電アクチュエータの場合は３つの積層体ユニットを積み重ねることにより、その変位量を積層体ユニット単体の場合の約３倍に高めている。このように変位量を拡大した積層型圧電アクチュエータでは、その大きな伸縮が原因となって積層体ユニット間の接続部が破損したり、内部電極にクラックが生じるという問題があった。なお内部電極にクラックが生じる問題は、複数の積層体ユニットを積み重ねた積層型圧電アクチュエータに特有の問題ではなく、高アスペクト比であるならば単体の積層体ユニットのみの場合にも起こりうる問題である。また、これ以外にも各積層体ユニットの間の外部電極の電気的な接続を行うリード線が積層体の駆動によって断線したり、リード線の接続部の外部電極が破損するという別の問題も生じていた。
【０００５】
一般的な積層型圧電アクチュエータに関する前記２種類の問題の解決方法として、特許文献１、特許文献２に記載の２種類の方法が提案されている。このうち特許文献１の方法を図４に基づいて、特許文献２の方法を図５に基づいてそれぞれ説明する。特許文献１に記載の方法は、積層型圧電アクチュエータを構成する積層体の積層方向に圧縮応力を常時付与するための技術であり、この圧縮応力によって前記積層体ユニット間の接続部や内部電極での破損の問題の解決を図るものである。また特許文献２の方法は、前記リード線を板状の部材に置き換えることによって、リード線の断線や接続部の外部電極が破損を防ぐとともに、同時に積層体の積層方向への圧縮応力を付与する技術である。
【０００６】
図４は特許文献１に記載の積層型圧電アクチュエータの縦断面図であって、積層体４１の上下には上面用固定部材４９および下面用固定部材５０がそれぞれ設置されている。この２つの固定部材は図の両側に設けられたワイヤばね４７，４８により接続されており、このワイヤばね４７，４８のばね性によって、積層体４１には上下方向に常時圧縮応力が付与されている。なお図４では積層体４１に設けられている外部電極は省略されている。上面用固定部材４９、下面用固定部材５０にはそれぞれ孔部４９ａ，４９ｂ，５０ａ，５０ｂが設けられていて、ワイヤばね４７，４８が各々の孔部を貫通している。ワイヤばね４７，４８の図の上側には例えば鍔状の形状を有する係止用梁部４７ａ，４８ａがそれぞれ設けられていて、上面用固定部材４９に係止されている。
【０００７】
この係止用梁部４７ａ，４８ａは抜け止め用の構造を有しており、ワイヤばね４７，４８を上面用固定部材４９の上側の係止位置に固定する役割を果たしている。一方、下面用固定部材５０に対しては、ワイヤばね４７，４８の先端部分が孔部５０ａ，５０ｂに嵌入されることで固定される。このワイヤばね４７，４８を固定する手順は、例えば以下の通りである。まずワイヤばね４７，４８を各々の孔部に貫通させた上で、下面用固定部材５０から図の下側に突出している先端部に引っ張り応力を付勢し、そのまま下面用固定部材５０をかしめて固定し、下側に突出しているこの先端部を切断除去して積層体４１に圧縮応力を付与する。なお、特許文献１には、対象となる積層体が複数の積層体ユニットを直列方向に積み重ねたものであるとの記述はないものの、一般に積層体に対して適当な圧縮応力を付与することは、複数個の積層体ユニットを積み重ねているか、単体であるかを問わず、その駆動による積層体素子の破損の防止において有効である。
【０００８】
一方、図５は特許文献２に記載の積層型圧電アクチュエータの斜視図であって、第１および第２の積層体ユニット５１，５２が図の上下方向に直列に積み重ねられている。これら積層体ユニット５１，５２の側面にはそれぞれ外部電極５４，５５が設けられており、さらにこの外部電極５４，５５にはそれぞればね性部材５７がはんだ付け固定されていて、２つの積層体ユニットは電気的に互いに接続されている。ばね性部材５７は導電性と弾性を有する材料である必要があり、金属材料が好適であって、例えば黄銅、洋白、リン青銅、ベリリウム銅などを用いることができる。
【０００９】
このばね性部材５７には予め引っ張り応力が加えられており、これにより第１および第２の積層体ユニット５１，５２には圧縮応力が常時付勢されている。ばね性部材５７の外部電極５４，５５への接合箇所がそれぞれ１箇所ではなく、２箇所ずつに分かれているのは、ばね性部材５７が圧縮応力を第１および第２の積層体ユニット５１，５２の全体に付勢するためである。ばね性部材５７は、４箇所の接合箇所５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄのそれぞれの間に圧縮応力を付勢し、それによって第１および第２の積層体ユニット５１，５２の間だけではなく、これらの積層体ユニットの内部にも圧縮応力が付勢されることになる。なお、図５で外部電極５４，５５が設けられている側面の裏側となる側面にも、同様に外部電極とばね性部材がそれぞれ設けられている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７６４６０号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上記した特許文献１および特許文献２に開示されている積層型圧電アクチュエータには以下の問題があった。まず特許文献１に記載の積層型圧電アクチュエータでは、直列方向に複数の積層体ユニットを重ねることは構造上十分に実施可能であるため、高アスペクト比を実現することにはとくに問題がない。しかし、圧電素子である積層体を上面用固定部材および下面用固定部材により挟持して、両者を２本のワイヤばねによって接続する構成であるために、図４における横方向の寸法がやや増加してしまう。これは上面用固定部材および下面用固定部材が積層体の外側に孔部や係止用梁部の抜け止め構造の設置領域を備えているためである。この構成では必ずしも積層型圧電アクチュエータの薄型形状の特徴が損なわれることにはならないものの、使用可能な積層体の容積に対する積層型圧電アクチュエータ全体の容積の増加を招くことになる。
【００１２】
またこの構成では一般に外部電極を図４での積層体の正面に設けることになるが、複数の積層体ユニットを重ねた場合には各積層体ユニットの外部電極どうしを接続するリード線が別途必要になり、上面用固定部材および下面用固定部材の存在も合わせて部品点数が多少増加するという問題がある。
【００１３】
一方、特許文献２の場合は、複数の積層体ユニットを積み重ねて構成する仕様であるので、高アスペクト比の実現にはとくに問題はない。また各積層体ユニットの外部電極どうしを接続するばね性部材が複数の積層体ユニットの間の電気的な接続も同時に行っているので、別途リード線を設ける必要がない。さらに、ばね性部材を外部電極に直接はんだ付けによって固定しているため、ばね性部材の設置スペースは僅かであり、積層型圧電アクチュエータの薄型化や全体の容積の減少、部品点数の抑制の点でも優れている。しかしばね性部材は積層体ユニットの側面にはんだ付け固定されているために、その固定箇所には図５の上下方向、即ち接合箇所を引き剥がそうとする向きに恒常的に応力が加えられることとなる。しかもこの応力の大きさは積層体の伸縮の周期に合わせて大きく変化する。このため、外部電極とばね性部材とのはんだ付け固定部にこの応力による歪みが次第に蓄積して破壊に至る可能性が否定できず、積層型圧電アクチュエータの信頼性の面で問題があった。
【００１４】
従って、本発明の課題は、アスペクト比が大きいにも関わらず薄型形状であって容積が小さく、部品点数が少なく、信頼性の面でも問題がない、積層型圧電アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明では、積層型圧電アクチュエータを構成する複数の積層体ユニットを直列方向に積み重ねた上で、この複数の積層体ユニットの接続固定のために、少なくとも１対のクランプを使用する。このクランプは少なくともその一方の端部に鈎状構造体を有するもので、積み重ねた積層体ユニットのうち最も端に位置する積層体ユニットの外側の端面に、この鈎状構造体の部分を把持させて固定する。この鈎状構造体がクランプの両端に設けられている場合には、クランプはＣ字状の形状である。１対のクランプによる積層体ユニットの接続固定では、クランプが積層型圧電アクチュエータに加える圧縮応力の向きが、複数の積層体ユニットからなるこの積層体の伸縮の向きと同じであるために、クランプの鈎状構造体の固定部には、接合箇所を引き剥がそうとする向きの応力がほとんど作用することがない。このため、クランプを設置することによって積層型圧電アクチュエータに安定した圧縮応力を付勢することが可能である。
【００１６】
少なくとも１対の前記クランプは、好適にはばね用材料からなるものであり、金属材料からなるものとする場合はさらに好適である。このクランプが金属材料である場合には、各積層体ユニットの外部電極に接触させるか、もしくは接続固定させることにより、各積層体ユニットの外部電極の間の電気的接続を行わせることが可能である。またクランプのばね性（積層体の伸縮に対する応答性）を高めるために、円形、楕円形もしくは長円形の貫通孔を含む、複数の貫通孔をその胴部に設けることも好適である。なおこの貫通孔が楕円形もしくは長円形の場合は、その長軸の向きはクランプの長辺の向きに対して垂直な向きとすることが好適であり、この貫通孔の大きさおよび個数を変えることによって、クランプにより付勢される圧縮応力の大きさを調整することができる。さらにクランプが金属材料からなる場合には、その材質としては銅、黄銅、洋白、リン青銅、ベリリウム銅から選択される金属材料とすることがさらに好適である。
【００１７】
最端部の積層体ユニットの外側端部には、前記クランプの端部の鈎状構造体を把持させるためにセラミック層からなる保護層を設けることが好適であり、この保護層は最端部の積層体ユニットを構成する圧電セラミック層および内部電極層と一体化したものとすることがよい。この保護層は、他の圧電セラミック層よりもかなり厚いセラミック層からなるものとすることが一般的であって、この保護層には少なくとも１対の切り欠き加工部を設けて、そこに前記クランプの端部の鈎状構造体を把持させることとする。この場合には鈎状構造体とこの切り欠き加工部の噛み合いによって、鈎状構造体の固定をより強固なものとすることができるので、積層型圧電アクチュエータの信頼性をより高めることになる。
【００１８】
また、各積層体ユニットの外部電極をその直列方向に延長して、各積層体ユニットの両端部のセラミック層の端面の一部に、前記外部電極に電気的に接続された電極部を設ける構成としてもよい。この場合には、直列方向に接続される各積層体ユニットの外部電極どうしはこの電極部での接触によって電気的に接続されることになる。従って積層体の側面にリード線のはんだ付け固定部を設ける必要がないので、従来の積層型圧電アクチュエータで生じていた、はんだの収縮応力が原因での積層体表層部でのマイクロクラックの発生や積層体の駆動によるリード線の外れ、断線などの発生の問題を解決することができる。
【００１９】
さらにこの電極部を最端部の積層体ユニットの外側端部の切り欠き加工部に設け、クランプの鈎状構造体がこの電極部に固定される構成とするならば、各積層体ユニットの全ての外部電極がこの１対のクランプに電気的に接続される構成となる。この場合は外部からのリード線をこのクランプに接続することも可能であり、その場合には各積層体ユニットの表面からリード線のはんだ付け固定部を追放することが可能である。なお、各積層体ユニットにおいて内部電極が露出した側面部には、スクリーン印刷などの手段によって絶縁樹脂を被覆することにより、外部環境からの湿度の影響を低減し、積層型圧電アクチュエータの信頼性をさらに向上させることができる。
【００２０】
即ち、本発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなる積層体を備え、前記内部電極層が露出する２側面に設けられた１対の外部電極と前記内部電極層とが、各々１層おきに電気的に接続されてなる積層体ユニットが、前記積層体の積層方向に垂直に２個以上積み重ねられ、前記各積層体ユニットの側面に配置された少なくとも１対のクランプによって、前記各積層体ユニットが積層方向に与圧され、前記クランプがそれぞれ少なくとも一方の端部に鈎状構造体を有し、積み重ねられた前記積層体ユニットのうち、少なくとも一方の端に位置する積層体ユニットの外側端面に、前記クランプの鈎状構造体が固定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である。
【００２１】
また、本発明は、前記クランプが両方の端部に鈎状構造体を有しており、積み重ねられた前記積層体ユニットの両方の端に位置する積層体ユニットの外側端面に、前記クランプの鈎状構造体がそれぞれ固定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である。
【００２２】
さらに、本発明は、積み重ねられた前記積層体ユニットのうち、少なくとも一方の端に位置する積層体ユニットの外側端部に保護層が設けられており、前記保護層の外側端部に切り欠き加工部が設けられ、前記クランプの鈎状構造体が前記切り欠き加工部に固定されてなることを特徴とする請求項１または積層型圧電アクチュエータである。
【００２３】
さらに、本発明は、前記保護層がセラミック層からなり、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなる前記積層体ユニットと一体であることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２４】
さらに、本発明は、前記クランプがばね用材料からなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２５】
さらに、本発明は、前記クランプの胴部に複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２６】
さらに、本発明は、前記クランプの胴部に設けられた複数の前記貫通孔の少なくとも一部が、円形の貫通孔であることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２７】
さらに、本発明は、前記クランプの胴部に設けられた複数の前記貫通孔の少なくとも一部が、前記各クランプの長辺の向きに対して直交する向きにそれぞれ長軸を有する、楕円形もしくは長円形の貫通孔であることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２８】
さらに、本発明は、前記クランプが金属材料からなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００２９】
さらに、本発明は、前記クランプがステンレス、銅、黄銅、洋白、リン青銅、ベリリウム銅から選択される金属材料からなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００３０】
さらに、本発明は、前記各積層体ユニットの積層方向に垂直な向きの各端面にそれぞれ複数の電極が設けられ、前記各電極が、前記各積層体ユニットの側面に設けられた１対の前記外部電極にそれぞれ電気的に接続されており、互いに積み重ねられた前記各積層体ユニットどうしが、対向する各端面に設けられた前記各電極どうしの接続によって互いに電気的に接続されることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、複数の積層体ユニットを直列方向に積み重ねてなる積層型圧電アクチュエータにおいて、片端もしくは両端に鈎状構造体を有する、少なくとも１対のクランプをその固定のために使用する。即ち直列方向に積み重ねた複数の積層体ユニットのうち、最端部の積層体ユニットのさらに外側端部にセラミック層からなる保護層を設けておき、この保護層に切り欠き加工部を設けてそこにクランプの鈎状構造体を把持させる。この少なくとも１対のクランプを用いることによって、複数の積層体ユニットに圧縮応力を付勢するための構成を従来例よりも簡略化することができる。
【００３２】
また各積層体ユニットの側面の外部電極をその両端面の一部に延長した構成となし、クランプが圧縮応力を付勢することによる各端面での電極どうしの接触により、各積層体ユニットの間の電気的な接続を行うこととしている。この構成によれば、従来各積層体ユニットの側面に設けられていたリード線の接続のためのはんだ付け固定部が不要となり、積層型圧電アクチュエータの信頼性を高めることができる。以上の方法により、アスペクト比が大きいことにより変位量が大きく、薄型形状で容積が小さく、部品点数が少なく、信頼性の高い、積層型圧電アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施の形態による積層型圧電アクチュエータについて、図１および図２に基づいて説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータの例の縦断面図である。ここで積層型圧電アクチュエータは複数の積層体ユニットを直列方向に積み重ねた構成であって、図１では３つの積層体ユニットからなる場合を示している。これら第１、第２、第３の積層体ユニット１１，１２，１３は、それぞれ複数の圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるものであり、その両側の側面にはそれぞれ外部電極１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂが形成されている。各積層体ユニットの側面に形成された外部電極の上下方向の端部は、それぞれ各積層体ユニットの上面および下面の一部にまで延長して設けられており、外部電極の端面延長部を形成している。
【００３５】
このうち第１の積層体ユニット１１に設けられた外部電極１４ａ，１４ｂの図１の下方の端面延長部１４ｃ，１４ｄは、第２の積層体ユニット１２の図１の上方の端面延長部１５ｃ，１５ｄにそれぞれ接触しており、互いに電気的に接続している。同様に第２の積層体ユニット１２の図１の下方の端面延長部１５ｅ，１５ｆは、第３の積層体ユニット１３の図１の上方の端面延長部１６ｃ，１６ｄにそれぞれ接触している。さらに、第１の積層体ユニット１１および第３の積層体ユニット１３に設けられた切り欠き加工部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂにはそれぞれクランプ１７，１８が固定されていて、各積層体ユニットに対して圧縮応力を付勢している。なお図１の両側の各積層体ユニットの外部電極の端面延長部どうしは電気的に互いに接続することはなく、両側面の外部電極どうしは互いに絶縁されている。また前記各外部電極の表面、および各積層体ユニットの内部電極の露出面には、全て絶縁性の外装樹脂の被覆が設けられている。
【００３６】
各々の外部電極の端面延長部での接触、およびクランプ１７，１８による圧縮応力の付勢によって、外部電極１４ａ〜１６ａおよび外部電極１４ｂ〜１６ｂはそれぞれ互いに電気的に接続されているために、この積層型圧電アクチュエータにおいては外部からのリード線の接続固定部を各側面の外部電極上に設ける必要がない。この接続固定部は第１の積層体ユニット１１もしくは第３の積層体ユニット１３の端部に設けることができるほか、クランプ１７，１８が金属材料からなる場合には、このクランプ１７，１８を接続固定部として利用することができる。
【００３７】
図１におけるクランプ１７，１８の詳細について、図２に基づいて説明する。図２は本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータを構成するクランプの例の斜視図である。クランプは少なくともその片端、好ましくは両端に鈎状構造体を有する１対の構造体であり、図２ではこのうち両端に鈎状構造体２３，２４を有する１つのクランプ２１のみを図示している。クランプ２１はばね用材料からなる可撓性に富む素材により構成されており、とくに金属材料からなる場合には、ステンレス、銅、黄銅、洋白、リン青銅、ベリリウム銅から選択される材料とすることが好ましい。また、その可撓性をさらに向上させるために、その胴部に複数の貫通孔２２を設ける構成とすることが好適である。この貫通孔２２は円形か、クランプ２１の長辺の向きに対して直交する向きに長軸を有する楕円形もしくは長円形の場合が好ましく、貫通孔２２の大きさおよび個数を変えることによって、クランプ２１により積層型圧電アクチュエータに付勢される圧縮応力の大きさを調整することが可能である。
【００３８】
以上記した積層型圧電アクチュエータは、各積層体ユニットを構成する内部電極層がその全面に渡って形成されている、全面電極構成素子の場合について示したものである。しかし、ここでは言及しないものの、本発明は、内部電極層がその全面に設けられておらず、各層の一部に内部電極層の非形成部を有する部分電極構造素子の場合であっても、同様の方法にて実施することができる。
【実施例】
【００３９】
図１に記載した本発明における積層型圧電アクチュエータを、以下の方法にて実際に作製し、その信頼性について測定を行った。まずニッケルニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミック粉末を溶媒中に分散させて、バインダを加えて泥漿を作り、これをキャリアテープ上に成膜して厚さ９０〜１３０μｍのグリーンシートとした。このシートにＡｇ／Ｐｄ内部電極ペーストを印刷して乾燥させ、所定の形状に打ち抜いて金型内に積層し、充填して熱圧着により一体化して積層体とした。この積層体を大気中にて４５０℃まで加熱して樹脂成分を除去した後に、１１００℃の温度にて４時間焼結を行った。室温まで降温した後で積層体の高さが所定の高さ（３０ｍｍ）となるようラッピング加工して、積層方向（高さ方向）以外の１辺を、その幅が３０ｍｍになるようスライス加工してスライス体を得た。ここでスライス加工を行っていない１辺の長さは８３ｍｍである。これらのスライス体のうち、積層型圧電アクチュエータにおいて最上段と最下段に位置する積層体ユニットとなるものの片端部に、それぞれ研削砥石を用いて階段状の切り欠き加工部を形成した。
【００４０】
作製したスライス体の側面のうち、１辺の幅が８３ｍｍの互いに表裏の関係にある２面に対して、それぞれ露出している内部電極の端面に１層おきにガラス絶縁被覆を施した。この絶縁被覆の形成面にはその絶縁被覆に直交する向きに、所定の幅の細長い外部電極を１ｍｍ間隔で印刷し、焼き付けを行った。このときには絶縁被覆の形成面だけではなく、階段状の切り欠き加工部を含むスライス体の端面にも外部電極の端面延長部を形成している。その後にスライス体のこの外部電極形成面に対して、その幅が１．０ｍｍとなるように裁断を行い、多数の積層体ユニットを得た。この各積層体ユニットの幅１．０ｍｍの面の中央には、前記外部電極がそれぞれ形成されている。
【００４１】
作製した各積層体ユニットを、切り欠き加工部がその両端に位置するように直列方向に３つ並べ、２個のクランプを、その鈎状構造体が前記切り欠き加工部に噛み合うように固定して、各積層体ユニットを両端から把持するようにした。このときの２個のクランプは、各積層体ユニットが最も縮んだ場合でも各積層体ユニットに圧縮応力が付勢された状態となるよう、各積層体ユニットの縮み量の合計を上回る長さの伸びを予め付与した状態で固定している。２個のクランプは真鍮製で、両端に鈎状構造体を有し、その胴部に楕円形の複数の貫通孔を設けたものである。その後電着工法によりエポキシ樹脂の被覆を外部電極の露出部分、および内部電極が露出している側面に形成した。こうして作製した素子に対して外部電極に約２ｋＶ／ｍｍの電界を加えて分極処理を行い、積層型圧電アクチュエータの製品とした。高さ３０ｍｍの積層体ユニットを直列方向に３つ接続しているため、この積層型圧電アクチュエータの高さは９０ｍｍである。
【００４２】
以上の方法により作製した積層型圧電アクチュエータの完成品２０個に対して、クランプによる固定以外に負荷を加えずに大気中にて１５０Ｖ、２００Ｈｚのサイン波形の交流電圧を印加して駆動させ、信頼性試験を行った。試験では交流電圧の印加による伸び縮みの繰り返しが１０億回に達しても、試験品２０個中での不良の発生数はゼロであり、本発明による積層型圧電アクチュエータの信頼性が確認された。
【００４３】
以上示したように、本発明の積層型圧電アクチュエータによれば、ばね用材料からなる１対のクランプを用いることによって、アスペクト比が大きいにも関わらず薄型形状であって容積が小さく、部品点数が少なく、信頼性の高い、積層型圧電アクチュエータを提供することができる。なお、上記実施例の説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータの例の縦断面図。
【図２】本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータを構成するクランプの例の斜視図。
【図３】複数の積層体ユニットを有する従来の一般的な積層型圧電アクチュエータの縦断面図。
【図４】従来の積層型圧電アクチュエータの例の縦断面図。
【図５】従来の積層型圧電アクチュエータの例の斜視図。
【符号の説明】
【００４５】
１１，３１，５１    第１の積層体ユニット
１２，３２，５２    第２の積層体ユニット
１３，３３    第３の積層体ユニット
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，５４，５５    外部電極
１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１６ｃ，１６ｄ    外部電極の端面延長部
１７，１８，２１    クランプ
１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ    切り欠き加工部
２２    貫通孔
２３，２４    鈎状構造体
３７，３８    リード線
４１    積層体
４７，４８    ワイヤばね
４７ａ，４８ａ    係止用梁部
４９    上面用固定部材
５０    下面用固定部材
４９ａ，４９ｂ，５０ａ，５０ｂ    孔部
５７    ばね性部材
５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ    接合箇所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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