(57)【要約】【課題】インジェクタ等の用途に適した、耐久性に優れ、特性が安定した圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを積層した圧電素子ユニット１５を有する圧電アクチュエータ１である。圧電素子ユニット１５は、圧電セラミック層１５１を５０層以下積み重ねてなる。その側面には異電位の一対の外部電極５、６を有している。内部電極層１５３、１５４は、圧電素子ユニット１５の側面に露出する電極露出部１５８、１５９を有し、これらを介して一対の外部電極５、６の一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先を変更している。内部電極層１５３、１５４の周囲には、これらが圧電素子ユニット１５の側面から後退した領域である控え部１５５が部分的に形成されている。控え部１５５の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとは、０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍを満足する。【選択図】図３
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【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た圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を５０層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記圧電素子アクチュエータの積層方向の断面において、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層の端部までの距離の最小値である最小幅Ｌと、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Ｗとは、下記式（１）の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ          （１）
【請求項２】
請求項１において、下記式（２）の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．６ｍｍ、Ｗ≦０．３ｍｍ          （２）
【請求項３】
圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層した圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記一対の外部電極の一方を第一外部電極、他方を第二外部電極とし、上記第一外部電極に接続される上記内部電極層を第一内部電極層とし、上記第二外部電極に接続される上記内部電極層を第二内部電極層とした場合、
上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しておらず、
また、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Ａとし、該外周Ａにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、外周Ａの長さをＡ、外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３において、Ｂ≧０．６×Ａという関係式を満たしていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、Ｂ≦０．７５×Ａという関係式を満たしており、かつ、上記第一内部電極層の上記電極露出部と、上記第二内部電極層の上記電極露出部とが同一側面に露出していないことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、上記内部電極層は、該内部電極層の外縁にバラツキを有しており、そのバラツキ幅Ｄは、Ｄ≦０．２ｍｍであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、上記外部電極は、上記電極露出部をすべて覆っていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、上記圧電素子ユニットの側面における上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記圧電素子ユニットの上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離は、上記圧電素子ユニットの側面に沿った最短距離で０．２ｍｍ以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、上記圧電素子ユニットを複数個積み重ねてなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９において、上記圧電素子ユニットの最外層は、活性であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項において、上記圧電セラミック層は、ＰＺＴ系材料よりなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項において、上記圧電アクチュエータは、インジェクタに用いることを特徴とする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、インジェクタ等の駆動源として用いられる圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の内燃機関等のインジェクタ（燃料噴射装置）等には、その駆動源として圧電素子を用いることが提案されている。特にインジェクタは、非常に高速な燃料の噴霧を１０8回以上も繰り返す必要があるため、駆動源となる圧電素子には非常に過酷な使用状態が課せられる。したがって、インジェクタ用の圧電素子には、優れた圧電特性のみならず、優れた耐久性が要求される。
【０００３】
このような圧電素子としては、印加電圧に応じて変位する複数の圧電セラミック層と、印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層圧電アクチュエータが最も有望視されている。この圧電アクチュエータは、電圧を印加すると内部電極層に挟まれる圧電セラミック層がそれぞれ変位するため、大きな駆動源生み出すことができるからである。
【０００４】
ところが、従来の圧電アクチュエータは、電圧印加時にアクチュエータ内部に大きな応力が発生し、内部にクラックが発生するという問題があった。そのため、上記従来の圧電アクチュエータは、長期間の駆動が困難であり、特に過酷な使用状態を強いられるインジェクタ等への適用は困難であった。
【０００５】
このような従来の問題を解決するために、各内部電極層の外部電極と非接続の端部位置を、内部電極層の重なり方向においてずらした積層圧電アクチュエータが提案されている（特許文献１参照）。このように、上記内部電極層を、その端部の位置がずれるように配置することにより、アクチュエータ内部に生じる応力を緩和することができるとされていた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２３０４６３号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
しかしながら、上記従来の積層圧電アクチュエータを過酷な使用条件が要求されるインジェクタ等に用いたときには、上記のように内部電極の端部にズレを生じさせることによって、かえってアクチュエータ内部に応力が増加し、クラックが発生するという問題があり、上記従来の積層圧電アクチュエータは、耐久性において充分でなかった。また、静電容量や変位特性等の特性のバラツキが大きくなるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、インジェクタ等の用途に適した、耐久性に優れ、特性が安定した圧電アクチュエータを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層した圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を５０層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記圧電素子アクチュエータの積層方向の断面において、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層の端部までの距離の最小値である最小幅Ｌと、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Ｗとは、下記式（１）の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータにある（請求項１）。
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ          （１）
【００１０】
上記第１の発明の圧電アクチュエータにおいては、上記控え部の最小幅Ｌと、ばらつき幅Ｗとが、上記式（１）の関係を満足する。
そのため、上記圧電素子ユニット内において、上記内部電極層の重なり部分（以下適宜、圧電活性領域という）の面積のばらつきが小さくなり、静電容量や変位量等の特性が安定化する。
【００１１】
また、上記のように、上記控え部の上記最小幅Ｌと上記ばらつき幅Ｗを限定することにより、上記控え部において接触した、電圧印加時に変位しにくい圧電セラミック層（以下適宜、圧電不活性部という）と上記圧電活性領域との間に応力が集中することを防止し、上記圧電アクチュエータの内部にクラックが発生することを防止することができる。したがって、上記圧電アクチュエータの耐久性が向上する。
【００１２】
また、上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を５０層以下積み重ねてなる。
このように、上記圧電素子ユニットの積層数を５０層以下とすることにより、電圧印加時にユニット内に発生する応力が抑制される。そのため、上記圧電素子ユニットの内部に生じるクラックの発生を防止することができる。
【００１３】
以上のように、上記第１の発明によれば、インジェクタ等の用途に適した、耐久性に優れ、特性が安定した圧電アクチュエータを提供することができる。
【００１４】
次に、第２の発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層した圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記一対の外部電極の一方を第一外部電極、他方を第二外部電極とし、上記第一外部電極に接続される上記内部電極層を第一内部電極層とし、上記第二外部電極に接続される上記内部電極層を第二内部電極層とした場合、
上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しておらず、 
また、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Ａとし、該外周Ａにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、外周Ａの長さをＡ、外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしていることを特徴とする圧電アクチュエータにある（請求項３）。
【００１５】
以下、上記第２の発明の作用効果につき、図１０を用いて説明する。
図１０は、上記圧電アクチュエータにおいて、上記第一内部電極層１５３と上記第二内部電極層１５４とをそれぞれ積層方向から透視して見た図である。
上記第２の発明の圧電アクチュエータにおいて、上記第一内部電極層１５３と上記第二内部電極層１５４とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部１５８、１５９が重ならない。
【００１６】
また、上記第一内部電極層１５３及び上記第二内部電極層１５４のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層１５３と上記第二内部電極層１５４とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層１５３及び上記第二内部電極層１５４が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Ａとし、該外周Ａにおいて、上記第一内部電極層１５３及び第二内部電極層１５４のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、外周Ａの長さをＡ、外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしている。
【００１７】
そのため、隣り合う二つの内部電極層１５３、１５４のオーバーラップしている領域（圧電活性領域１５０；図１０において点線で囲まれる領域）の面積のばらつきが、上記内部電極層１５３、１５４の積層時の位置ずれ等に影響されにくくなる。そのため、上記圧電アクチュエータは耐久性に優れる共に、静電容量や変位量などの特性を安定化させることができる。
【００１８】
さらに、上記圧電素子ユニットにおける上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有している。そして、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しないようにしてある。
すなわち、上記圧電素子ユニットにおける同一の側面には、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層の上記電極露出部が共に露出することがない。そのため、上記圧電素子ユニットの側面における沿面放電による電気的な短絡を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
上記第１の発明（請求項１）において、上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を５０層以下積み重ねてなる。
ここで、上記圧電セラミック層の積層数と上記圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係をシミュレーションにて求めた結果を図２１に示す。
シミュレーションは、有限要素法を用いた圧電解析にて行った。
【００２０】
図２１より知られるごとく、一般に上記圧電セラミック層の積層数が多くなるにつれて、ユニット内に発生する応力は大きくなる。特に、５０層を越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生する。その結果、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。
【００２１】
また、上記圧電素子ユニットの積層方向の断面において、上記控え部における上記最小幅Ｌと上記ばらつき幅Ｗとは、下記式（１）の関係を満足する。
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ          （１）
【００２２】
ここで、まず、上記控え部の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとについて、図３を用いて説明する。
図３は、後述する本発明の実施例にかかる、圧電アクチュエータの積層方向における断面の部分拡大図である。同図に示すごとく、圧電アクチュエータ１は、圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層した圧電素子ユニット１５を有する。
【００２３】
上記内部電極層１５３、１５４の積層位置において、上記内部電極層１５３、１５４の周囲には、該内部電極層１５３、１５４が圧電素子ユニット１５の側面から後退した領域である控え部１５５が部分的に形成されている。
ここで、上記控え部１５５の上記最小幅Ｌは、上記圧電アクチュエータ１の積層方向の断面において、各控え部１５５における上記圧電素子ユニット１５の側面から内部電極層１５３、１５４の端部までの距離の最小値で表すことができる。
また、上記控え部１５５のばらつき幅Ｗは、上記圧電アクチュエータ１の積層方向の断面において、各控え部１５５における上記圧電素子ユニット１５の側面から内部電極層１５３、１５４の端部までの距離の最大値と最小値との差で表すことができる。
【００２４】
上記控え部の上記最小幅Ｌが０．１ｍｍ未満の場合には、上記ばらつき幅Ｗによらず、クラックの発生を効果的に抑制できないおそれがある。
一方、１．０ｍｍを越える場合には、同体格で比較すると、相対的に圧電活性領域が小さくなり、変位発生力等の圧電体素子の特性が悪くなるおそれがある。
【００２５】
また、上記控え部のばらつき幅と圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係をシミュレーションにて求めた結果を図２２に示す。
シミュレーションは、上記と同様に、有限要素法を用いた圧電解析にて行った。
【００２６】
図２２より知られるごとく、一般に上記控え部のばらつき幅が大きくなるにつれて、ユニット内に発生する応力は大きくなる。
特に、ばらつき幅が０．５ｍｍを越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生する。その結果、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。
【００２７】
また、上記第１の発明においては、下記式（２）の関係を満足することが好ましい（請求項２）。
０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．６ｍｍ、Ｗ≦０．３ｍｍ          （２）
この場合には、上記第１の発明の作用効果を、さらに向上することができる。すなわち、圧電活性領域の面積のばらつきを抑制でき、変位発生力等の圧電体素子の特性を安定化させることができる。また、電圧印加時に発生する内部応力を抑制して、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれを、さらに少なくできる。
【００２８】
次に、上記第２の発明（請求項３）においては、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Ａとし、該外周Ａにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、外周Ａの長さをＡ、外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしている。
【００２９】
ここで、Ｂ＜０．５×Ａの場合には、隣り合う二つの内部電極層のオーバーラップしている圧電活性領域（後述する図１０において点線で囲まれる領域）の面積のバラツキが上記内部電極層の積層時の位置ずれ等に影響されやすくなり、圧電アクチュエータの静電容量や変位量などの安定化ができないおそれがある。
【００３０】
また、Ｂ≧０．６×Ａという関係式を満たしていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記内部電極層の積層時の位置ずれ等による圧電活性領域の面積のバラツキをさらに抑制でき、圧電アクチュエータの静電容量や変位量などの特性をさらに安定化させることができる。
【００３１】
さらに、Ｂ≦０．７５×Ａという関係式を満たしており、かつ、上記第一内部電極層の上記電極露出部と、上記第二内部電極層の上記電極露出部とが同一側面に露出していないことが好ましい（請求項５）。
この場合には、０．６×Ａ≦Ｂ≦０．７５×Ａを満たすようにしたことで、圧電アクチュエータの特性を安定化できる。さらに、上記各電極露出部が同一側面に露出しないようにしたことにより、沿面放電による電気的な短絡等の防止効果を一層、高めることができる。
【００３２】
次に、上記第１及び第２の発明において、上記内部電極層は、該内部電極層の外縁にバラツキを有しており、そのバラツキの幅Ｄは、Ｄ≦０．２ｍｍ以内であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記内部電極層の外縁に応力が集中することを防止することができ、上記圧電アクチュエータの耐久性が一層向上する。
【００３３】
次に、上記内部電極層の外縁のバラツキ幅Ｄについて、図１３及び図１４を用いて説明する。
上記内部電極層は、焼成後に圧電セラミック層となるグリーンシートに、例えばスクリーン印刷等により形成される。図１３は、圧電セラミック層１５１に形成された内部電極層１５４の部分拡大図であり、図１４は、図１３における内部電極層１５４の外縁の部分拡大図（図１３の点線円で囲まれた領域の拡大図）である。
【００３４】
同図に示すごとく、スクリーン印刷などにより形成された内部電極層１５４は、スクリーンメッシュ等の影響により、その外縁が直線状となっておらず、ある偏差をもった曲線状となっている。図１４に示すごとく、上記内部電極層１５４の外縁において、その偏差の中心を偏差中心線１９９とすると、該偏差中心線１９９を挟む偏差の幅が上記バラツキ幅Ｄとなる。即ち、上記バラツキ幅Ｄは、各内部電極層１５４の外縁におけるばらつきの大きさを意味する。
上記ばらつき幅Ｄが０．２ｍｍを越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生し、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。
【００３５】
また、上記外部電極は、上記電極露出部をすべて覆っていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、外部電極との接合面積のばらつきが小さくすることができ、変位の過渡特性を安定化することができる。また、外部環境から内部電極層へ作用するおそれのある悪影響を遮断することができる。
【００３６】
次に、上記圧電素子ユニットの側面における上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記圧電素子ユニットの上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離は、上記圧電素子ユニットの側面に沿った最短距離で０．２ｍｍ以上であることが好ましい（請求項８）。
【００３７】
上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離が０．２ｍｍ未満の場合には、上記圧電アクチュエータの表面で、沿面放電が起こりやすくなるおそれがある。
【００３８】
また、上記圧電アクチュエータは、上記圧電素子ユニットを複数個積み重ねてなることが好ましい（請求項９）。
この場合には、所定の変位量を有する上記圧電素子ユニットを積み重ねることにより、さらに大きな所望の変位量を得ることができる。
【００３９】
さらに、上記圧電素子ユニットの最外層は、活性であることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記圧電素子ユニットを複数個積み重ねてなる、上記圧電アクチュエータの積層方向の単位長さあたりの変位量を大きくすることができる共に、上記圧電素子ユニット内の圧電セラミック層のうち、最も外側の圧電セラミック層である最外層と内部の駆動層との界面に発生する内部応力を小さくすることにより、クラックの発生を抑制することができる。
【００４０】
また、ここでいう「活性」とは、作動時に上記最外層にかかる電界強度が圧電素子ユニットの内部の抗電界以上であることを意味する。
具体的には、図２３を用いて説明する。
図２３は、上記圧電素子ユニットの抗電界に対する上記圧電素子ユニットにかかる電界強度と、上記圧電素子ユニットの圧電定数との関係を実験により求めた結果を示すものである。
同図において、横軸は、上記圧電素子ユニットの抗電界に対する上記圧電素子ユニットにかかる電界強度｛（電界強度）／（抗電界）｝を示し、縦軸は上記圧電素子ユニットの圧電定数を示す。
【００４１】
図２３より知られるごとく、上記最外層の電界強度が、上記圧電素子ユニットの抗電界を越える場合には、上記最外層の圧電定数が大きくなる。即ち、これは、上記最外層のセラミック層が活性になることを示す。
【００４２】
次に、上記抗電界について説明する。
図２４は、上記抗電界（Ｅｃ）の説明図である。同図は、横軸に圧電素子ユニットに付与する電界強度を、縦軸に変位量をとったものである。なお、電界強度は、分極方向と同じ方向をプラス（＋）とし、分極方向と反対方向を（−）とする。
【００４３】
そして、Ａ点からスタートし、まず圧電素子ユニットに分極方向と同じ方向に電界強度を印加し、その値を徐々に高めていく。これにしたがって、圧電素子ユニットの変位量は増加していく。なお、変位量は、一定電圧を印加した際の積層方向への変位を測定し、このときの積層方向の単位長さあたりの変位をもって変位量とすることができる。この変位量は、レーザー変位計及び静電容量式変位計等を用いて測定することができる。
【００４４】
次に、電界強度がＢ点に達した後、徐々に電界強度を低くする。今度はこの電界強度の低下にしたがって、変位量が減少していく。そして電界強度が０となった後も、連続して分極方向と逆の方向に電界強度を徐々に低下させる。これにしたがって、変位量はさらに減少していく。そして、電界強度がＣ点に至った時点で、突然変位量が増加に転じる。この点の電界強度の絶対値が本発明における抗電界Ｅｃである。
【００４５】
そして、その後、電界強度がＤ点に達した後、再び電界強度を高めていく。これにしたがって、今度は変位量が減少していく。そして、電界強度が０となり、さらに分極方向に電界強度を高めていくと、突然変位量が増加に転じる。このＤ点とＣ点が異なる場合があるため、本発明では分極方向と逆方向に電圧を印加した際の抗電界をＥｃとする。
なお、図２４に示すごとく、その後さらに電界強度を高めることによって、最終的にＢ点とほぼ同じ状態になり、その後は同様な挙動を繰り返す。
【００４６】
上記圧電素子ユニットの最外層を活性にする方法としては、例えば通常電圧を印加しない上記最外層に電圧を印加する方法がある。その結果、上記最外層は、電圧印加時に圧電活性として変形しうるものとなる。
【００４７】
次に、上記圧電セラミック層は、ＰＺＴ系材料よりなることが好ましい（請求項１１）。
この場合には、上記ＰＺＴ系材料｛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3系ペロブスカイト構造の酸化物の総称｝が有する優れた圧電体としての特性を生かして、上記圧電アクチュエータの、インジェクタ等のアクチュエータとしての性能を向上させることができる。
【００４８】
また、上記内部電極層としては、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔの金属又は、これらの金属から選ばれる１種以上を用いることができる。
【００４９】
次に、上記圧電アクチュエータは、インジェクタに用いることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記圧電アクチュエータの優れた耐久性を充分に発揮することができる。
【実施例】
【００５０】
（実施例１）
次に、本発明の実施例にかかる、圧電アクチュエータにつき、図１〜図８を用いて説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ１は、圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層した圧電素子ユニット１５を有する。
【００５１】
圧電素子ユニット１５は、圧電セラミック層１５１を５０層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極５、６を有している。そして、内部電極層１５３、１５４は、それぞれ圧電素子ユニット１５の側面に露出する電極露出部１５８、１５９を有し、該電極露出部１５８、１５９を介して上記一対の外部電極５、６のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の外部電極５、６を変更している。
【００５２】
また、内部電極層１５３、１５４の周囲には、該内部電極層１５３、１５４が圧電素子ユニット１５の側面から後退した領域である控え部１５５が部分的に形成されている。
図３に示すごとく、圧電アクチュエータ１の積層方向の断面において、各控え部１５５における圧電素子ユニット１５の側面から各内部電極層１５３、１５４の端部までの距離の最小値である最小幅Ｌと、各控え部１５５における圧電素子ユニット１５の側面から各内部電極層１５３、１５４までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Ｗとは、下記式（１）の関係を満足する。
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ          （１）
【００５３】
以下、本例の圧電アクチュエータ１について、図１〜図３を用いて詳細に説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ１は、２０個の圧電素子ユニット１５を積み重ね、接合部１３を形成してなる。各圧電素子ユニット１５は、ＰＺＴ系材料よりなる圧電セラミック層１５１と、Ａｇ及びＰｄよりなる内部電極層１５３、１５４とを交互に積層してなる。図面作成上の便宜のため図中には詳細に示していないが、各圧電素子ユニット１５における、圧電素子として活性な圧電セラミック層１５１の積層数は２０層である。
【００５４】
内部電極層１５３、１５４は、上記圧電素子ユニット１５の側面に露出する電極露出部１５８、１５９を有している。そして、電極露出部１５８、１５９の少なくとも一部は、上記圧電素子ユニット１５の側面にこれを挟むように形成された電位の異なる外部電極５、６に、積層方向において交互に電気的に接続している。したがって、圧電アクチュエータ１内において、隣接する２つの内部電極層１５３、１５４は、互いに電位が異なる電極に接続される。また、本例において、外部電極５、６は、Ａｇよりなっているが、その他にもＰｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ又は、これらの金属から選ばれる１種以上を用いることができる。
また、極性を目視にて容易に判別可能とするために、互いに電位の異なる外部電極５及び外部電極６をそれぞれ異なる形状とすることができる。
【００５５】
また、図２及び図３に示すごとく、圧電素子ユニット１５は、上記内部電極層１５３、１５４の積層位置において、圧電素子ユニット１５の側面に露出しないように上記圧電セラミック層１５１同士が接触し上記内部電極層１５３、１５４が存在しない控え部１５５を部分的に有している。図３に示すごとく、この控え部１５５は、各内部電極層１５３、１５４と略同一平面上に形成され、各控え部１５５の幅には、ばらつきがある。そして、控え部１５５の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとは、下記式（１）の関係を満足している。
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ          （１）
【００５６】
次に、本例の圧電アクチュエータ１の製造方法につき、図４〜図７を用いて説明する。
本例の圧電アクチュエータは、広く用いられているグリーンシート法を用いて製造することができる。このグリーンシートは、以下のようにして準備する。
即ち、まず、公知の方法により圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。本例では、最終的な組成がいわゆるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）となるようにした。また、鉛の蒸発を考慮して、上記の混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。そしてこれらの原料を混合機にて乾式混合し、その後８００〜９５０℃で仮焼する。
【００５７】
次いで、仮焼粉に、純水、分散剤を加えてスラリーとし、媒体攪拌ミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。
【００５８】
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定の厚みのグリーンシートに成形する。
回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさの矩形体に成形する。
【００５９】
次いで、図４に示すごとく、例えば銀／パラジウム＝７／３の比率からなる銀およびパラジウムのペースト（以下、Ａｇ／Ｐｄペーストという）により、成形後のグリーンシート７の一方の表面にパターンをスクリーン印刷成形する。図４は金属パターン印刷後のグリーンシートの一例を示す。なお、このペーストは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔの金属又は、これらの金属から選択される１種以上を用いることもできる。
【００６０】
グリーンシート７の表面には、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、略全面にこれよりもやや小さなパターンを形成し、これを内部電極層１５３（１５４）とした。グリーンシート７の表面の対向辺の一方の側には、内部電極層１５３（１５４）の非形成部７５が設けてある。つまり、グリーンシート７の対向辺の一方の端部には、内部電極層１５３（１５４）が到達せず、対向する他方の端部には内部電極層１５３（１５４）が到達するようにこれを配置した。
【００６１】
このような内部電極層１５３（１５４）を形成したグリーンシート７は、圧電アクチュエータ１の変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、内部電極層１５３（１５４）を印刷していないグリーンシート７も必要枚数準備する。
【００６２】
次いで、図５に示すごとく、内部電極層１５３（１５４）を印刷したグリーンシート７を積層した。このとき、非形成部７５が図中左側と右側に交互に位置するように重ねる。
また、図５においては、非形成部７５が図中左側に位置する内部電極層を内部電極層１５３、非形成部７５が右側に位置する内部電極層を内部電極層１５４として表す。
【００６３】
このようにして、内部電極層１５３、１５４を形成したグリーンシート７を２１枚重ね合わせて、さらにその上に内部電極層１５３、１５４を形成していないグリーンシートを上下に重ねて、図６に示すごとく、合計３０層のグリーンシートよりなる積層体７０を作製した。なお、図６には図面作成の便宜のため、積層数を省略した積層体７０を示してある。
【００６４】
次に、上記積層体７０を熱圧着後、電気炉により温度４００〜７００℃のもとで脱脂し、温度９００〜１２００℃のもとで焼成し、所望の形状に研磨した。本例では、□７ｍｍの角部に１ｍｍの面取り（Ｃ面取り）を施し、積層方向の厚みを１．８ｍｍとした。これにより、グリーンシート７は圧電セラミック層１５１となり、また、上記非形成部７５には控え部１５５が形成され、図７に示すごとく、圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層してなる圧電素子ユニット１５を得た。図７には、図面作成の便宜のため積層数を省略して示してあるが、この圧電素子ユニット１５は、圧電素子として活性な圧電セラミック層を２０層有している。また、上記と同様にして、２０個の圧電素子ユニット１５を作製した。
【００６５】
次に、上記のようにして作製した２０個の圧電素子ユニット１５を積み重ね、以下のようにして図１〜図３に示す圧電アクチュエータ１を作製した。
具体的には、まず、上記圧電素子ユニット１５の側面を挟むようにＡｇよりなる外部電極５、６を形成した。
【００６６】
外部電極５は、上記圧電素子ユニット１５において、一方の極の内部電極層１５３が露出している位置に形成し、各内部電極層１５３の導通をとる。
外部電極６は、他方の極の内部電極層１５４が露出している位置に形成し、各内部電極層１５４の導通をとる。
その後、外部電極５、６を形成した圧電素子ユニット１５の内部電極層１５３、１５４に、外部電極５、６から直流電圧を印加して、分極した。
【００６７】
次に、図１〜図３に示すごとく、上記のようにして分極を施した２０個の圧電素子ユニット１５を接合面１５６で積み重ね、図１〜図３に示すごとく圧電アクチュエータ１を作製した。これを試料Ｅ１とする。
【００６８】
試料Ｅ１の圧電アクチュエータ１においては、控え部１５５の最小幅Ｌが０．３ｍｍ、控え部１５５ばらつき幅Ｗが０．５ｍｍであった。
【００６９】
さらに、本例では、上記圧電セラミック層の積層数、上記控え部の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗを変えて、試料Ｅ１と同様の方法により圧電アクチュエータを作製し、これらを試料Ｅ２〜Ｅ５、試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４及び試料Ｃ１〜Ｃ４とした。その詳細は後述する表１に示す。
【００７０】
次に、上記試料Ｅ１〜Ｅ５、試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４及び試料Ｃ１〜試料Ｃ４に電圧を印加し、各試料の耐久性及び安定性を以下のようにして調べた。
まず、試料Ｅ１〜Ｅ５、試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４及び試料Ｃ１〜試料Ｃ４をそれぞれ１０個ずつ準備し、負電圧をかけない正電圧駆動により１５０Ｖの電圧を印加し、４×１０8回作動試験を実施した。そして、作動中にショートが発生したか否かを調べ、いずれにもショートが発生しなかった場合を◎、２×１０8回以上４×１０8回到達前にいずれかの試料にショートが発生した場合を○、２×１０8到達前に１つ以上ショートが発生した場合を×として判定した。その結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
2005005680.tif 000003
【００７２】
表１より知られるごとく、試料Ｅ１〜Ｅ５及び試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、圧電セラミック層が５０層以下であり、また控え部の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとが、それぞれ０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍの範囲内にある。そして、これらの試料Ｅ１〜Ｅ５及び試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４は、２×１０8回の作動中にショートが発生せず、耐久性、動作安定性に優れるものであった。
【００７３】
特に、控え部の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとを、それぞれ０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．６ｍｍ、Ｗ≦０．３ｍｍの範囲内に設定した試料Ｅｓ１、Ｅｓ３及びＥｓ４は、４×１０8回の動作中においても、ショートを生じることなく、さらに耐久性及び安定性に優れていた。
【００７４】
また、試料Ｅ１〜試料Ｅ５及び試料Ｅｓ１〜Ｅｓ４において、上記圧電素子ユニットは、５０層以下の圧電セラミック層からなっている。そのため、圧電素子ユニット内のクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００７５】
一方、上記試料Ｃ１及び試料Ｃ２は、５０層を越える大きな圧電素子ユニットを有している。また、試料Ｃ３及び試料Ｃ４は、上記控え部の最小幅Ｌとばらつき幅Ｗとが、０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍの範囲外にある。このような試料Ｃ１〜Ｃ４は、いずれの試料においても２×１０8回の作動中にショートが発生し、耐久性及び安定性に問題があった。
【００７６】
（実施例２）
本例は、上記圧電セラミック層、内部電極層、及び外部電極のそれぞれの位置関係や形状を変えて、他は実施例１と同様にして、図１に示すごとく、圧電セラミック層１５１及び内部電極層１５３、１５４を交互に積層してなる２つの圧電アクチュエータ１（後述する試料Ｅ６及び試料Ｅ７）を作製した例である。
【００７７】
図８及び図９は、本例の圧電アクチュエータにおける、圧電セラミック層１５１及び外部電極５、６に対する内部電極層１５３、１５４の配置パターンを示すものである。
【００７８】
本例の圧電アクチュエータの作製に当たっては、図８及び図９に示すごとく、内部電極層１５３、１５４の電極露出部１５８、１５９が外部電極５、６との接続部分だけとなり、かつ控え部１５５が内部電極層１５３、１５４を囲むように内部電極層１５３、１５４を形成し、他は実施例１と同様にして、図１に示すような圧電アクチュエータ１を作製し、これを試料Ｅ６及び試料Ｅ７とした。
【００７９】
試料Ｅ６及びＥ７においては、図８及び図９に示すごとく、内部電極層１５３、１５４は、圧電セラミック層１５１と略同形状で、かつそれよりも小さく形成されている。
【００８０】
上記試料Ｅ６及び試料Ｅ７のように、電極露出部１５８、１５９を外部電極５、６にてすべて覆うことにより、外部電極との接合面積のばらつきが小さくなり、変位の過渡特性を安定化することができ、安定性に一層優れた圧電アクチュエータを得ることができた。
【００８１】
（実施例３）
次に、本例では、上記第２の発明の圧電アクチュエータにつき、説明する。
本例の圧電アクチュエータは、図１及び図２に示すごとく、圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層した圧電素子ユニット１５を有する圧電アクチュエータ１である。そして、圧電素子ユニット１５は、その側面に電位の異なる一対の外部電極５、６を有している。
【００８２】
上記内部電極層１５３、１５４は、それぞれ圧電素子ユニット１５の側面に導出された電極露出部１５８、１５９を有し、該電極露出部１５８、１５９を上記一対の外部電極５、６のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の外部電極５、６を変更している。
【００８３】
また、本例の圧電アクチュエータを積層方向から透視してみたときにおける内部電極層１５３、１５４の形成パターンを図１０に示す。
同図に示すごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、内部電極層１５３、１５４の周囲には、該内部電極層１５３、１５４が圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部１５５が部分的に形成されている。
【００８４】
また、上記一対の外部電極の一方を第一外部電極５、他方を第二外部電極６とし、第一外部電極５に接続される上記内部電極層を第一内部電極層１５３とし、上記第二外部電極６に接続される上記内部電極層を第二内部電極層１５４とした場合、
第一内部電極層１５３と第二内部電極層１５４とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに電極露出部１５８、１５９が重ならないように、第一内部電極層１５３を露出させている部分には、第二内部電極層１５４は露出させていない。
【００８５】
また、上記第一内部電極層１５３及び上記第二内部電極層１５４のいずれか一方の面積は他方の面積より大きい。なお、本例においては、図１０に示すごとく、面積が大きい方の内部電極層を第二内部電極層１５４とし、小さい方を第一内部電極層１５３とした。
また、上記第一内部電極層１５３と上記第二内部電極層１５４とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層１５３及び上記第二内部電極層１５４が重なっている領域である圧電活性領域１５０の外周を外周Ａとし、該外周Ａにおいて、上記第一内部電極層１５３及び第二内部電極層１５４のうち面積が大きい方の内部電極層（第二内部電極層１５４）が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、上記外周Ａの長さをＡ、上記外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしている。
【００８６】
本例の圧電アクチュエータ１の作製方法は、図１０に示すように内部電極層１５３、１５４の形状を変更した点を除いては、上記実施例１と同様である。
本例の圧電アクチュエータを試料Ｅ８とした。
【００８７】
試料Ｅ８においては、第一内部電極層１５３と第二内部電極層１５４とが重なる部分（図１０において点線で囲まれ、斜線にて塗りつぶした領域）、即ち圧電素子として活性な圧電活性領域１５０が略正方形となるように、第一内部電極層１５３と第二内部電極層１５４が形成されている。
また、上記第一内部電極層１５３と上記第二内部電極層１５４とを積層方向から透視して見た場合において、上記圧電活性領域１５０の外周を外周Ａ（図１０において点線で示す部分）とし、該外周Ａにおいて、上記第一内部電極層１５３及び第二内部電極層１５４のうち面積が大きい方の内部電極層（第二内部電極層１５４）が上記外周Ａの外側まで覆っている部分を外周Ｂとしたときに、上記外周Ａの長さをＡ、上記外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たしている。
【００８８】
なお、図１０、及び後述する図１１及び図１２は、第一内部電極層と第二内部電極層とを、積層方向から透視してみたときの、圧電セラミック層及び外部電極に対する第一及び第二内部電極層の配置パターンをそれぞれ示すものであり、各図面においては、外周Ｂを矢印にて示しており、この矢印は本来は外周Ａ（図１０において点線で示す部分）と重なるものであるが、図面作成の便宜のため若干ずらして示してある。
【００８９】
また、本例においては、図１１及び図１２に示すごとく、上記試料Ｅ８とは内部電極層の形成パターンが異なる圧電アクチュエータを作製し、これを試料Ｅ９（図１１）及び試料Ｅ１０（図１２）とした。試料Ｅ９及び試料Ｅ１０は、内部電極層の形成パターンを変更した点を除いては、上記試料Ｅ８と同様のものである。
【００９０】
上記試料Ｅ８〜試料Ｅ１０においては、それぞれ図１０〜図１２に示すごとく、第一内部電極層１５３と第二内部電極層１５４とを、互いに電極露出部１５８、１５９が重ならないように、第一内部電極層１５３を露出させている部分には、第二内部電極層１５４は露出させていない。
また、試料Ｅ８〜試料Ｅ１０においては、上記外周Ａの長さをＡ、上記外周Ｂの長さをＢとすると、Ｂ≧０．５×Ａという関係式を満たすように内部電極層１５３、１５４が形成されている。
【００９１】
そのため、上記試料Ｅ８〜試料Ｅ１０の圧電アクチュエータは、その側面で、沿面放電が起こることを防止することができる。
また、隣り合う二つの内部電極層１５３、１５４がオーバーラップしている領域である圧電活性領域１５０（図１０〜図１２において点線で囲まれ、斜線で塗りつぶした領域）の面積のばらつきが、上記内部電極層１５３、１５４の積層時の位置ずれ等に影響されにくくなる。そのため、試料Ｅ８〜試料Ｅ１０の圧電アクチュエータは、耐久性に優れる共に、静電容量や変位量などの特性が非常に安定であった。
【００９２】
なお、内部電極層１５３、１５４のいずれかを大面積とし、かつ、圧電活性領域１５０の外周Ａに対して、上記外周Ｂ＝０．５×Ａという関係式を満たすように内部電極層１５３、１５４を形成すれば、積層時の位置ずれ等の影響を抑制し得るという有効な効果を得ることができる。すなわち、例えば、内部電極層１５３、１５４を略同一形状に形成する場合と比べ、積層時の位置ずれ等の影響をおよそ半分以下とすることができる。
【００９３】
例えば、内部電極層１５３、１５４を略同一形状に形成した場合、図２５に示すごとく、内部電極層１５３に対して、内部電極層１５４に積層ずれを生じると必ず圧電活性領域１５０の面積が小さくなる。なお、同図（ａ）では、内部電極層１５３、１５４間に、積層ずれを生じてない理想的な積層状態における圧電活性領域１５０を示している。また、同図（ｂ）、（ｃ）には、略正方形の内部電極層１５３、１５４の対角線ａ方向の両方向側（ａ＋側、ａ−側）に位置ずれを生じた場合の圧電活性領域１５０の面積変動を示している。
【００９４】
一方、図２６には、上記のごとく、内部電極層１５３、１５４のうち内部電極層１５３を大面積とし、かつ、圧電活性領域１５０の外周Ａに対して、上記外周Ｂ＝０．５×Ａという関係式を満たすように内部電極層１５３、１５４を形成した場合を示している。そして、積層ずれによる圧電活性領域１５０の面積の変動を図示してある。なお、同図（ａ）では、内部電極層１５３、１５４間に、積層ずれを生じてない理想的な積層状態（略正方形の内部電極層１５３、１５４とを、その２辺と１頂点を重ね合わせて積層した状態。）における圧電活性領域１５０を示している。また、同図（ｂ）、（ｃ）には、略正方形の内部電極層１５３、１５４の対角線ａ方向の両方向側（ａ＋側、ａ−側）に位置ずれを生じた場合の圧電活性領域１５０の面積が変動する様子を示している。
【００９５】
同図（ｂ）に示されるごとく、対角線ａの一方の方向であるａ＋方向に、内部電極層１５４が積層ずれすると、図２５の場合と同様、圧電活性領域１５０の面積が小さくなる。しかし、同図（ｃ）に示すごとく、対角線ａの他方の方向であるａ−方向に、所定量以下の積層ずれを生じても、圧電活性領域１５０の面積は変動しない。
つまり、内部電極層１５３、１５４のいずれかを大面積とし、上記外周Ｂ＝０．５×Ａという関係式を満たすように内部電極層１５３、１５４を形成すると、上記のごとく、圧電活性領域の変動を誘発する積層ずれ方向を片方向のみにできる。すなわち、内部電極層１５３、１５４を略同一形状に形成した場合（図２５）に対して、積層ずれに起因して圧電活性領域が小さくなる確率をおよそ半分以下にできる。
【００９６】
さらに、図２７は、（外周Ｂ／外周Ａ）の値と、内部電極層１５３、１５４間の積層ずれによる圧電アクチュエータの特性ばらつきとの関係を調べた例である。同図では、横軸に（外周Ｂ／外周Ａ）の値を規定し、縦軸に特性ばらつきの大きさを示している。なお、特性ばらつきとしては、積層ずれを生じたときの特性（静電容量）を、積層ずれがないときの特性（静電容量）で除算した値（％）を用いた。さらに、同図中のプロットの白抜きアルファベットは、図２８（Ａ）〜（Ｆ）に示すごとく、積層する内部電極層１５３、１５４の形状パターンの組み合わせを示している。なお、同図では、左列に、それぞれ理想的な積層状態における内部電極層１５３、１５４の組み合わせを図示し、右列には、それぞれ積層ずれを生じた場合を図示してある。
【００９７】
図２７から明らかなように、（外周Ｂ／外周Ａ）の値を大きくするにつれて、特性ばらつきを効果的に抑制することができる。特に、（外周Ｂ／外周Ａ）の値が０．６以上、すなわち、Ｂ≧０．６×Ａとなる範囲では、特性ばらつきをおよそ５％以下に抑制することができる。さらに、（外周Ｂ／外周Ａ）の値を０．６以上０．７５以内、すなわち、０．６×Ａ≦Ｂ≦０．７５×Ａとし、かつ、第一内部電極層１５３の上記電極露出部と、第二内部電極層１５４の上記電極露出部とが同一側面に露出しないように構成すると、特性ばらつきをさらに抑制しながら、沿面放電による電気的な短絡を防止する効果を一層、高めることができる。
【００９８】
（実施例４）
次に、内部電極層の外縁にバラツキを有する圧電アクチュエータの例につき説明する。
本例の圧電アクチュエータは、実施例１と同様の方法により、グリーンシート法によって製造することができる。圧電セラミック層に形成する内部電極層の形状は、実施例２の上記試料Ｅ６（図８参照）と同形状である。
【００９９】
本例においては、実施例１と同様に上記控え部における最小幅Ｌ及び上記ばらつき幅Ｗを変えて、スクリーン印刷法により６種類の圧電アクチュエータを作製し、これらを試料Ｅ１１〜試料Ｅ１６とした。各試料の最小幅Ｌ及びばらつき幅Ｗは後述する表２に示す。
【０１００】
さらに、本例においては、上記グリーンシート法において、上記圧電セラミック層のグリーンシートに内部電極層を形成するときのスクリーンメッシュの大きさを変えて、他は上記試料Ｅ１１〜試料Ｅ１６と同様にして６種類の圧電アクチュエータを作製し、これらを試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａとした。
【０１０１】
図１３及び図１４に示すごとく、上記試料Ｅ１１〜試料１６及び上記試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａにおいては、各内部電極層１５４の外縁は、直線状となっておらず、ある偏差をもった曲線状となっている。この偏差の幅、即ちバラツキ幅Ｄを測定したところ、試料Ｅ１１〜試料１６においてはいずれも０．２ｍｍであり、試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａにおいてはいずれも０．４ｍｍであった。
内部電極層の外縁のバラツキの測定は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真による寸法測定により行った。
試料Ｅ１１〜試料１６及び試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａの詳細を表２に示す。
【０１０２】
また、本例においては、実施例１と同様に、上記試料Ｅ１１〜Ｅ１６及び試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａに電圧を印加し、４×１０8回の作動試験を行った。そして、作動中にショートが発生したか否かを調べ、いずれにもショートが発生しなかった場合を◎、２×１０8回以上４×１０8回到達前にいずれかにショートが発生した場合を○、２×１０8到達前に１つ以上ショートが発生した場合を×として判定した。その結果を表２に示す。
【０１０３】
【表２】
2005005680.tif 000004
【０１０４】
表２より知られるごとく、上記試料Ｅ１１〜Ｅ１６及び試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａは、いずれも２．０×１０8回まではショートが発生せず、耐久性に優れていた。
しかし、２．０×１０8回を越えて４．０×１０8回に到達する前に、試料Ｅ１１ａ及び、試料Ｅ１３ａ〜試料Ｅ１６ａにショートが発生した。
これに対し、上記試料Ｅ１１ａ、試料Ｅ１３ａ〜Ｅ１６ａと最小幅Ｌ及びばらつき幅Ｗがそれぞれ同じであって、バラツキ幅Ｄが異なる試料Ｅ１１、試料Ｅ１３〜Ｅ１６は、４．０×１０8回という高い作動回数においても、ショートを発生せず、耐久性に一層優れていた。
【０１０５】
この結果をさらに検討するため、表２の結果を図１５及び図１６に示す。
図１５は、内部電極層のバラツキ幅Ｄが０．２ｍｍである試料Ｅ１１〜試料Ｅ１６の上記結果を示すものである。
図１６は、内部電極層のバラツキ幅Ｄが０．４ｍｍである試料Ｅ１１ａ〜試料Ｅ１６ａの上記結果を示すものである。
また、図１５及び図１６において、横軸は控え部の最小幅Ｌを示し、縦軸は控え部のばらつき幅Ｗを示した。また、図１５及び図１６においては、ショートが発生しなかったものを◎、２×１０8回以上４×１０8回到達前にいずれかにショートが発生したものを○、２×１０8到達前に１つ以上ショートが発生したものを×としてプロットした。
【０１０６】
図１５及び図１６より知られるごとく、上記控え部の最小幅Ｌ及びばらつき幅Ｗが、図１５及び図１６の点線で囲まれる領域にある場合には、２×１０8回という高い作動回数においても、本例の圧電アクチュエータ（上記試料Ｅ１１〜Ｅ１６及び試料Ｅ１１ａ〜試料１６ａ）はショートを生じず、耐久性に優れていた。
【０１０７】
ところが、図１６より知られるごとく、更に作動回数を増やして作動させると、試料Ｅ１１ａ及びＥ１３ａ〜Ｅ１６ａにおいては、４×１０8回の作動回数に到達する前にショートが発生した。
【０１０８】
一方、図１５より知られるごとく、上記試料１１ａ、試料１４ａ及び試料１５ａと控え部の最小幅Ｌ及びばらつき幅Ｗがそれぞれ同じであるが、内部電極層のバラツキ幅Ｄを０．２ｍｍとした上記試料１１、試料１４及び試料１５は、４×１０8回というさらに高い作動においても、ショートは発生しなかった。
【０１０９】
以上のことより、上記内部電極層のバラツキ幅Ｄを０．２ｍｍ以内とすることにより、圧電アクチュエータの耐久性をさらに向上させることができることがわかる。
【０１１０】
（実施例５）
次に、上記圧電素子ユニットの側面における上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記圧電素子ユニットの上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離を、上記圧電素子ユニットの側面に沿った最短距離で０．２ｍｍ以上にした圧電アクチュエータの例を示す。
図１７及び図１８に示すごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、上記圧電素子ユニット１５の側面において、外部電極５、６と接続していない上記電極露出部１５９と上記控え部１５５との境界部８と、上記圧電素子ユニット１５の上記控え部１５５側の側面に設けられた上記外部電極５、６との距離ｃが、上記圧電素子ユニット１５の側面に沿った最短距離で０．２ｍｍ以上となるように、内部電極層１５３、１５４及び外部電極５、６を配置し、他は実施例３の試料Ｅ８と同様にして、図１に示す圧電アクチュエータ１を作製した。これを試料Ｅ１７とした。
【０１１１】
図１７は、試料Ｅ１７の圧電アクチュエータにおける、圧電素子ユニット１５の側面を部分的に示すものであり、図１８は、試料Ｅ１７における、圧電セラミック層１５１及び外部電極５、６に対する内部電極層１５３、１５４の配置パターンを示すものである。
【０１１２】
試料Ｅ１７においては、図１８に示すごとく、一方の外部電極５に接続する内部電極層１５３は、外部電極５と接続する部分を除いては電極露出部１５８を有していない。もう一方の外部電極６に接続する内部電極層１５４は、外部電極５、６を形成した側面以外にも電極露出部１５９を有している。
したがって、図１７及び図１８に示すごとく、圧電素子ユニット１５において外部電極５、６を形成した側面以外の側面に露出する内部電極層は、外部電極６に接続する内部電極層１５４である。
【０１１３】
そして、試料Ｅ１７においては、圧電素子ユニット１５の側面において、外部電極５、６に接続されていない電極露出部１５９と控え部１５５との境界部８と、圧電素子ユニット１５の控え部１５５側の側面に設けられた外部電極５との距離ｃが、上記圧電素子ユニット１５の側面に沿った最短距離で０．２ｍｍ以上となっている。
【０１１４】
このように内部電極層１５３、１５４及び外部電極層５、６を配置することにより、上記圧電アクチュエータの側面で、沿面放電が起こることを効果的に防止することができた。
【０１１５】
（実施例６）
本例は、圧電素子ユニットの最外層が活性な圧電アクチュエータを作製する例である。
まず、図１９に示すごとく、実施例１と同様の圧電素子ユニット１５を準備する。この圧電素子ユニット１５は、圧電セラミック層１５１と内部電極層１５３、１５４とを交互に積層してなり、圧電素子ユニット１５内の圧電セラミック層１５１のうち、最も外側にある最外層１５２の表面には、内部電極層が形成されていない。
【０１１６】
次に、図２０に示すごとく、電位が異なる２つの外部電極５及び外部電極６を圧電素子ユニット１５の側面を挟むように形成し、外部電極５は内部電極層１５３の導通をとり、外部電極６は内部電極層１５４の導通をとる。
また、外部電極５は、圧電アクチュエータ１の側面に配置される本体部５１と、該本体部５１から略直角方向に伸びて圧電素子ユニット１５の最外層１５２を覆うように形成された枝部５３とからなる。
【０１１７】
次に、外部電極５の枝部５３同士が重なり、かつ、外部電極５の本体部５１及び外部電極６が積層後にそれぞれ同じ側面に配置されるように、圧電素子ユニット１５を積み重ね、圧電アクチュエータを作製した。これを試料Ｅ１８とした。
試料Ｅ１８においては、図２０に示すごとく、外部電極５の枝部５３は、各圧電素子ユニット１５の間に配置される。
【０１１８】
このような圧電アクチュエータにおいては、電圧印加時には、圧電素子ユニット１５の最外層１５２も変位し、圧電的に活性になる。その結果、上記圧電アクチュエータの積層方向の単位長さあたりの変位量を大きくすることができ、圧電アクチュエータは、大きな駆動力を発揮することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】実施例１にかかる、圧電アクチュエータの分解説明図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面矢視図。
【図３】図２に示す圧電アクチュエータの接合部付近の様子を示す説明図。
【図４】実施例１にかかる、セラミックグリーンシートに内部電極層を印刷した状態を示す説明図。
【図５】実施例１にかかる、内部電極層を形成したグリーンシートを積層する様子を示す説明図。
【図６】実施例１にかかる、積層体を示す斜視説明図。
【図７】実施例１にかかる、圧電素子ユニットを示す斜視説明図。
【図８】実施例２にかかる、試料Ｅ６における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の配置パターンを示す説明図。
【図９】実施例２にかかる、試料Ｅ７における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の配置パターンを示す説明図。
【図１０】実施例３にかかる、試料Ｅ８における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の配置パターンを示す説明図。
【図１１】実施例３にかかる、試料Ｅ９における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の配置パターンを示す説明図。
【図１２】実施例３にかかる、試料Ｅ１０における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の配置パターンを示す説明図。
【図１３】実施例４にかかる、圧電セラミック層に形成された内部電極層の端部の様子を示す説明図。
【図１４】図１３における点線円で囲まれた部分の拡大図。
【図１５】実施例４にかかる、上記圧電アクチュエータ（試料Ｅ１１〜試料Ｅ１６）の耐久性を示す説明図。
【図１６】実施例４にかかる、上記圧電アクチュエータ（試料Ｅ１１ａ〜試料Ｅ１６ａ）の耐久性を示す説明図。
【図１７】実施例５にかかる、試料Ｅ１７を側面から見たときにおける、電極露出部と控え部との境界部と、外部電極との関係を示す説明図。
【図１８】実施例５にかかる、試料Ｅ１７における内部電極層を圧電素子ユニットの積層方向から透視してみたときの内部電極層の電極露出部と外部電極との関係を示す説明図。
【図１９】実施例６にかかる、試料Ｅ１８の作製に用いる、圧電素子ユニットの積層方向の断面説明図。
【図２０】実施例６にかかる、試料Ｅ１８の圧電アクチュエータの積層方向の断面説明図。
【図２１】圧電セラミック層の積層数と、圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係を示す説明図。
【図２２】控え部のばらつき幅Ｗと、圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係を示す説明図。
【図２３】圧電素子ユニットの抗電界に対する最外層の電界強度と、最外層の圧電定数との関係を示す説明図。
【図２４】圧電素子ユニットの電界強度と変位量の関係を示す説明図。
【図２５】実施例３にかかる、Ｂ＝０×Ａの場合を比較して説明する説明図。
【図２６】実施例３にかかる、Ｂ＝０．５×Ａの場合を説明する説明図。
【図２７】実施例３にかかる、（外周Ｂ／外周Ａ）の値と、圧電アクチュエータの特性ばらつきとの関係を示すグラフ。
【図２８】実施例３にかかる、内部電極層の形状パターンの組み合わせを示す説明図。
【符号の説明】
【０１２０】
１  圧電アクチュエータ
１５  圧電素子ユニット
１５１  圧電セラミック層
１５３、１５４  内部電極層
１５５  控え部
１５８、１５９  電極露出部
５、６  外部電極
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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