(57)【要約】本発明の圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電セラミック層と複数の平面電極とを含む積層体と、上記積層体の一方の端面上に設けられた低電位用外部電極と、上記積層体の他方の端面上に設けられた高電位用外部電極と、を備える。上記平面電極は、上記低電位用外部電極に電気的に接続された低電位用平面電極と、上記高電位用外部電極に電気的に接続された高電位用平面電極とを含み、上記低電位用平面電極と上記高電位用平面電極とは上記積層方向において交互に位置する。上記積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出し、上記積層体の他方の主面においては、高電位用平面電極が外部に露出しない。
2019172064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の圧電セラミック層と複数の平面電極とを含み、積層方向において相対する一対の主面と、前記積層方向に直交する長さ方向において相対する一対の端面と、前記積層方向及び前記長さ方向の両方に直交する幅方向において相対する一対の側面とを有する積層体と、
前記積層体の一方の端面上に設けられた、第１の電位を印加するための低電位用外部電極と、
前記積層体の他方の端面上に設けられた、前記第１の電位よりも高い第２の電位を印加するための高電位用外部電極と、を備える圧電アクチュエータであって、
前記第１の電位及び前記第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドであり、
前記平面電極は、前記低電位用外部電極に電気的に接続された低電位用平面電極と、前記高電位用外部電極に電気的に接続された高電位用平面電極とを含み、前記低電位用平面電極と前記高電位用平面電極とは前記積層方向において交互に位置し、そのうち、前記積層体の内部に位置する平面電極はＮｉを主成分とし、
前記圧電セラミック層は、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸アルカリ化合物又はチタン酸バリウム化合物を主成分とし、かつ、前記低電位用平面電極と前記高電位用平面電極とが対向する領域において、前記低電位用平面電極側から前記高電位用平面電極側に向かって分極された活性領域を有し、
前記積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は前記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出し、
前記積層体の他方の主面においては、高電位用平面電極が外部に露出しない、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は前記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出する、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は前記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は前記圧電セラミック層と接する、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が高電位用平面電極であり、該高電位用平面電極の内側は前記活性領域の分極の＋側と接し、該高電位用平面電極の外側は前記圧電セラミック層と接する、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの前記低電位用外部電極に第１の電位を印加し、前記高電位用外部電極に前記第１の電位よりも高い第２の電位を印加する、圧電アクチュエータの駆動方法であって、
前記第１の電位及び前記第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドである、圧電アクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、及び、圧電アクチュエータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小さい電圧でも大きな変位量の取得が可能な圧電アクチュエータ等の圧電セラミック電子部品の需要が増加している。【０００３】
この種の圧電セラミック電子部品では、圧電セラミック層となるセラミックグリーンシートと内部電極となる導電層とを交互に積層し、共焼成して製造するのが一般的である。【０００４】
例えば、特許文献１には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック材料を使用し、内部電極の材料としてＡｇ−Ｐｄを使用した圧電アクチュエータを製造する方法が開示されている。【０００５】
近年、環境面の配慮等から、ＰＺＴをはじめとする鉛系の圧電セラミック材料に代えて、鉛を含有しない非鉛系の圧電セラミック材料の開発が行われている。特に、ペロブスカイト構造（一般式ＡＢＯ３）のＡサイトにＫやＮａ等のアルカリ金属元素を主成分として配し、ＢサイトにＮｂを主成分として配したニオブ酸アルカリ化合物系の圧電セラミック材料は、比較的大きな圧電定数が得られることから注目されている。ニオブ酸アルカリ化合物系の圧電セラミック材料を使用する場合、内部電極の材料としては、低価格で比較的容易に入手できるＮｉを使用するのが好ましい。【０００６】
例えば、特許文献２には、特定の組成を有するニオブ酸アルカリ化合物を主成分とするセラミックグリーンシートとＮｉを主成分とする導電層とが交互に積層された積層体を還元雰囲気下で焼成して圧電セラミック素体を作製し、該圧電セラミック素体の両端部に外部電極を形成した後、分極処理を行うことにより圧電アクチュエータを製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２３０４６３号公報
【特許文献２】特許第５５６１４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されているように、ＰＺＴ系の圧電セラミック材料を使用して圧電アクチュエータを作製する場合、Ｎｉと共焼結させることができない。そのため、電極材料を卑金属化することができず、コストダウンが困難となる。【０００９】
一方、特許文献２に記載されている方法により圧電アクチュエータを作製する場合、圧電アクチュエータの初期特性や歩留まりには問題がない。しかし、還元雰囲気下でＮｉと共焼結させる積層構造を有する電子部品においては、充分な信頼性を担保することが困難であるという問題が知られている。ここでいう信頼性とは、電子部品に電圧を印加してから絶縁破壊による故障に至るまでの時間を意味する。したがって、圧電アクチュエータに特有の「変位特性を高くする」という課題に加えて、還元雰囲気下でＮｉと共焼結させる積層構造を有する電子部品に特有の「絶縁劣化を抑制する」という課題を解決するためには、未だ改善の余地があると言える。【００１０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、変位特性が高く、かつ、絶縁劣化が抑制された圧電アクチュエータを提供することを目的とする。本発明はまた、上記圧電アクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電セラミック層と複数の平面電極とを含み、積層方向において相対する一対の主面と、上記積層方向に直交する長さ方向において相対する一対の端面と、上記積層方向及び上記長さ方向の両方に直交する幅方向において相対する一対の側面とを有する積層体と、上記積層体の一方の端面上に設けられた、第１の電位を印加するための低電位用外部電極と、上記積層体の他方の端面上に設けられた、上記第１の電位よりも高い第２の電位を印加するための高電位用外部電極と、を備える圧電アクチュエータであって、上記第１の電位及び上記第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドであり、上記平面電極は、上記低電位用外部電極に電気的に接続された低電位用平面電極と、上記高電位用外部電極に電気的に接続された高電位用平面電極とを含み、上記低電位用平面電極と上記高電位用平面電極とは上記積層方向において交互に位置し、そのうち、上記積層体の内部に位置する平面電極はＮｉを主成分とし、上記圧電セラミック層は、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸アルカリ化合物又はチタン酸バリウム化合物を主成分とし、かつ、上記低電位用平面電極と上記高電位用平面電極とが対向する領域において、上記低電位用平面電極側から上記高電位用平面電極側に向かって分極された活性領域を有し、上記積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は上記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出し、上記積層体の他方の主面においては、高電位用平面電極が外部に露出しない。【００１２】
上記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は上記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出してもよい。【００１３】
上記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は上記活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は上記圧電セラミック層と接してもよい。【００１４】
上記積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が高電位用平面電極であり、該高電位用平面電極の内側は上記活性領域の分極の＋側と接し、該高電位用平面電極の外側は上記圧電セラミック層と接してもよい。【００１５】
本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、本発明の圧電アクチュエータの上記低電位用外部電極に第１の電位を印加し、上記高電位用外部電極に上記第１の電位よりも高い第２の電位を印加する、圧電アクチュエータの駆動方法であって、上記第１の電位及び上記第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、変位特性が高く、かつ、絶縁劣化が抑制された圧電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。
【図４】図４（ａ）は、従来の圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。
【図５】図５は、実施例１及び比較例１における故障時間の寿命解析を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例２及び比較例１における故障時間の寿命解析を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の圧電アクチュエータについて説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
【００１９】
本発明の圧電アクチュエータでは、積層体の一方の主面において、圧電セラミック層の活性領域の−側と接する低電位用平面電極が外部に露出し、積層体の他方の主面において、圧電セラミック層の活性領域の＋側と接する高電位用平面電極が外部に露出していないことを特徴としている。
【００２０】
本発明者らの検討により、圧電セラミック層の活性領域の＋側と接する高電位用平面電極が外部に露出した構造では、該高電位用平面電極の外部電極近傍における絶縁劣化がボトルネックとなり、信頼性が決定されることが判明した。その理由については、還元雰囲気下での焼成により生じる酸素欠陥が関係しているのではないかと推測される。本発明の圧電アクチュエータでは、積層体の主面において、高電位用平面電極が外部に露出しない構造とすることにより、絶縁劣化のボトルネックが取り除かれるため、電圧印加駆動における信頼性を向上させることができる。
【００２１】
一方、圧電セラミック層の活性領域の−側と接する低電位用平面電極が外部に露出していても、信頼性は担保されることが判明した。また、平面電極が外部に露出せず、電圧を印加しても変位しない圧電セラミック層が積層体の両主面の最表層に存在する構造では、最表層の圧電セラミック層が変位に寄与しないため好ましくない。そこで、本発明の圧電アクチュエータでは、積層体の少なくとも一方の主面において低電位用平面電極を外部に露出する構造とすることにより、変位特性を高くすることができる。また、外部に露出した低電位用平面電極を外部電極として使用することができるため、外部との接続も容易となる。
【００２２】
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。第２実施形態以降では、第１実施形態と共通の事項についての記述は省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
【００２３】
［第１実施形態］
第１実施形態では、積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出する。一方、積層体の他方の主面においても、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出する。また、積層体の一方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。同様に、積層体の他方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。
【００２４】
上述のとおり、高電位用平面電極が外部に露出しない構造とすることにより、高電位用平面電極が外気と接する部位で生じる絶縁劣化が抑制されるため、信頼性、すなわち、電圧印加による駆動時間を向上させることができる。
【００２５】
さらに、第１実施形態では、全ての圧電セラミック層が分極されて変位に寄与するため、高い変位特性を得ることができる。
【００２６】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）の１ａ−１ａ断面図である。
【００２７】
図１（ａ）に示す圧電アクチュエータ１は、積層体１０Ａを備えている。積層体１０Ａは、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆと平面電極２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃ及び２１ｄとが交互に積層された構造を有している。
【００２８】
圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆは、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸アルカリ化合物又はチタン酸バリウム化合物を主成分としている。このように、圧電セラミック層は、ニオブ酸アルカリ化合物系の圧電セラミック材料又はチタン酸バリウム化合物系の圧電セラミック材料で構成される。
【００２９】
ニオブ酸アルカリ化合物系の圧電セラミック材料は、例えば、以下の一般式：
（１−ｘ）（Ｋ１−ａ−ｂＮａａＬｉｂ）（Ｎｂ１−ｃＴａｃ）Ｏ３−ｘＭ２Ｍ４Ｏ３
を主成分とする。ただし、Ｍ２は２価の金属元素、Ｍ４は４価の金属元素を表す。ｘ、ａ、ｂ及びｃは０であってもよい。ここで、ｘ＞０である場合には、（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３にＭ２Ｍ４Ｏ３が固溶されている。また、ａ＞０である場合にはＫの一部がＮａと置換され、ｂ＞０である場合にはＫの一部がＬｉと置換され、ｃ＞０である場合にはＮｂの一部がＴａと置換されている。
【００３０】
チタン酸バリウム化合物系の圧電セラミック材料としては、例えば次の組成式で表されるものを使用することができる。
｛Ｂａ１−ｘＣａｘＯ｝ｍＴｉＯ２＋αＲｅ２Ｏ３＋βＭｇＯ＋γＭｎＯ
［但し、Ｒｅ２Ｏ３は、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３及びＹｂ２Ｏ３の中から選ばれる少なくとも１種以上であり、α、β及びγはモル比を表し、以下の関係式（１）〜（４）を満たす。
α：β：γ＝２．５：２．２：１  （１）
０．０００２≦γ≦（−１３．０６ｍ＋１３．５４）／１００    （２）
０．９９５≦ｍ≦１．０１１  （３）
ｘ＝０．１３    （４）］
【００３１】
また、チタン酸バリウム化合物系の圧電セラミック材料を下記のように規定することもできる。
圧電セラミック材料が、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｎ及びＲｅ（ＲｅはＹ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ及びＹｂの中から選ばれる少なくとも１種以上）を含有する酸化物を含み、上記酸化物は、上記酸化物に含まれるＴｉ１モルに対する、ＢａとＣａの合計含有量をｍモル、Ｒｅの含有量をαモル、Ｍｇの含有量をβモル、Ｍｎの含有量をγモルとしたとき、以下の関係式（１）〜（４）を満たす。
α：β：γ＝５：２．２：１  （１）
０．０００２≦γ≦（−１３．０６ｍ＋１３．５４）／１００    （２）
０．９９５≦ｍ≦１．０１１  （３）
ＢａとＣａのモル比がＢａ：Ｃａ＝０．８７：０．１３    （４）］
【００３２】
本明細書において、「主成分」とは、存在割合（モル％）が最も大きい成分を意味し、望ましくは、存在割合が５０モル％を超える成分を意味する。
【００３３】
平面電極のうち、積層体１０Ａの内部に位置する平面電極２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ及び２２ｃは、Ｎｉを主成分としており、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆと共焼結されている。一方、外部に露出する平面電極２１ａ及び２１ｄは、後述する低電位用外部電極３１と同じ導電性材料、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ合金（ニクロム）、Ａｇ等で構成される。
【００３４】
積層体１０Ａは、直方体状又は略直方体状をなしており、積層方向（図１（ａ）では上下方向）に相対する第１の主面１１及び第２の主面１２と、積層方向に直交する長さ方向（図１（ａ）では左右方向）に相対する第１の端面１３及び第２の端面１４と、積層方向及び長さ方向に直交する幅方向（図１（ａ）では前後方向）に相対する第１の側面１５及び第２の側面１６（図１（ｂ）及び図１（ｃ）参照）とを有している。
【００３５】
図１（ａ）に示す圧電アクチュエータ１は、さらに、積層体１０Ａの第１の端面１３に設けられた低電位用外部電極３１、及び、積層体１０Ａの第２の端面１４に設けられた高電位用外部電極３２を備えている。低電位用外部電極３１及び高電位用外部電極３２は、Ｎｉ−Ｃｒ合金（ニクロム）、Ａｇ等の導電性材料で構成される。
【００３６】
低電位用外部電極３１は、第１の電位を印加するための外部電極であり、高電位用外部電極３２は、第１の電位よりも高い第２の電位を印加するための外部電極である。ただし、第１の電位及び第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドである。例えば、低電位用外部電極３１にグランド電位が印加され、高電位用外部電極３２に正電位が印加される。その他、低電位／高電位の組み合わせとしては、負電位／グランド電位、正電位／正電位、負電位／負電位が挙げられる。
【００３７】
平面電極のうち、平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄは、一端が低電位用外部電極３１に電気的に接続された低電位用平面電極であり、平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃは、一端が高電位用外部電極３２に電気的に接続された高電位用平面電極である。低電位用平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄと高電位用平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃとは、積層方向において交互に位置しており、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆを介して互いに対向している。
【００３８】
圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆは、低電位用平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄと高電位用平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃとが対向する領域において、低電位用平面電極側から高電位用平面電極側に向かって分極された活性領域２０Ｘを有している。
【００３９】
本明細書において、「活性領域」とは、対向する異なる電位の平面電極に挟まれ、分極された領域を意味する。
【００４０】
図１（ａ）では、活性領域２０Ｘにおける分極の向きを矢印で示しており、矢印の先が分極の＋側、矢印の元が分極の−側を表している。
なお、分極の向きは、例えば、ｄ３３メーターを用いて確認することができる。具体的には、まず、圧電アクチュエータの各々の外部電極に、ｄ３３メーターの正極及び負極のプローブを接続する。そして、圧電アクチュエータに積層方向の応力を加える。この時に測定されるｄ値が正であれば、ｄ３３メーターの正極側プローブに接続された平面電極側が分極の＋側であり、負極側プローブに接続された平面電極側が分極の−側である。測定されるｄ値が負であればその逆となる。
【００４１】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、積層体１０Ａの第１の主面１１においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ａであり、低電位用平面電極２１ａの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ａの外側は外部に露出している。
【００４２】
図１（ａ）及び図１（ｃ）に示すように、積層体１０Ａの第２の主面１２においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ｄであり、低電位用平面電極２１ｄの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ｄの外側は外部に露出している。
【００４３】
本明細書において、「最も外側に位置する」とは、積層方向において最も外側に位置することを意味する。
【００４４】
図１（ａ）に示すように、高電位用平面電極２２ａは圧電セラミック層２０ａ及び２０ｂの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｂは圧電セラミック層２０ｃ及び２０ｄの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｃは圧電セラミック層２０ｅ及び２０ｆの層間に位置する。また、低電位用平面電極２１ｂは圧電セラミック層２０ｂ及び２０ｃの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｃは圧電セラミック層２０ｄ及び２０ｅの層間に位置する。
【００４５】
なお、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、積層体１０Ａの第１の主面１１及び第２の主面１２のうち、活性領域２０Ｘでない領域にまで高電位用外部電極３２が回り込んでいてもよい。この場合、高電位用外部電極３２は、第１の主面１１における活性領域２０Ｘでない領域に位置し、また、高電位用外部電極３２は、第２の主面１２における活性領域２０Ｘでない領域に位置する。図１（ｂ）に示すように、第１の主面１１における高電位用外部電極３２の面積は、第１の主面１１における低電位用平面電極２１ａの面積よりも小さい。また、図１（ｃ）に示すように、第２の主面１２における高電位用外部電極３２の面積は、第２の主面１２における低電位用平面電極２１ｄの面積よりも小さい。
【００４６】
本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータは、好ましくは、以下の方法により製造される。
【００４７】
圧電セラミック層を構成する材料としてニオブ酸アルカリ化合物系の圧電セラミック材料を使用する場合には、まず、セラミック原料として、Ｋを含有するＫ化合物、Ｎａを含有するＮａ化合物、及び、Ｎｂを含有するＮｂ化合物を用意する。必要に応じて、Ｌｉを含有するＬｉ化合物、Ｍ２元素を含有するＭ２化合物、Ｍ４元素を含有するＭ４化合物等を用意する。化合物の形態は、酸化物、炭酸塩、水酸化物のいずれであってもよい。
【００４８】
上記セラミック原料を所定量秤量した後、ＰＳＺ（部分安定化ジルコニア）ボール等の粉砕媒体が内有されたボールミルやポットミル等の粉砕機に投入し、エタノール等の溶媒下、充分に湿式粉砕し、混合物を得る。
【００４９】
この混合物を乾燥させた後、所定温度（例えば、８５０℃以上、１０００℃以下）で仮焼して合成し、仮焼物を得る。
【００５０】
得られた仮焼物を解砕した後、有機バインダ、分散剤を加え、純水等を溶媒としてボールミル中で湿式混合し、セラミックスラリーを得る。その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工をすることによって、セラミックグリーンシートを作製する。
【００５１】
Ｎｉを主成分とする導電性ペーストを使用し、上記セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷し、これにより所定形状の導電層を形成する。
【００５２】
導電層が形成されたセラミックグリーンシートを積層した後、加圧して圧着する。これにより、導電層とセラミックグリーンシートとが交互に積層されたセラミック積層体を作製する。このセラミック積層体を所定寸法に切断してアルミナ製の匣（さや）に収容し、所定温度（例えば、２５０℃以上、５００℃以下）で脱バインダ処理を行った後、還元雰囲気下、所定温度（例えば、１０００℃以上、１１６０℃以下）で焼成する。これにより、内部に平面電極が埋設された圧電セラミック素体（積層体）を作製する。
【００５３】
圧電セラミック素体の両端面に、スパッタリング法により、ニクロム及びＡｇで構成される低電位用外部電極及び高電位用外部電極を形成する。この際、外部に露出する低電位用平面電極もスパッタリング法により形成する。
【００５４】
その後、所定の分極処理を行う。以上により、圧電アクチュエータが得られる。
【００５５】
なお、圧電セラミック層を構成する材料としてチタン酸バリウム化合物系の圧電セラミック材料を使用する場合には、当該チタン酸バリウム化合物を構成する元素を含むセラミック原料を使用すればよい。セラミック原料としては、酸化物や炭酸塩などを高温で反応させる固相法により作製した原料粉末や、アルコキシド法あるいは水熱合成法などの湿式合成法により作製した原料粉末を準備する。なお、添加剤などは、酸化物や炭酸塩などの粉末以外に、アルコキシド、有機金属などの溶液を用いることもできる。
【００５６】
［第２実施形態］
第２実施形態では、積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出する。一方、積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は圧電セラミック層と接する。また、積層体の一方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。同様に、積層体の他方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。
【００５７】
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）の２ａ−２ａ断面図である。
【００５８】
図２（ａ）に示す圧電アクチュエータ２は、積層体１０Ｂを備えている。積層体１０Ｂは、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ及び２０ｇと平面電極２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃ及び２１ｄとが交互に積層された構造を有している。
【００５９】
図２（ａ）に示す圧電アクチュエータ２は、さらに、積層体１０Ｂの第１の端面１３に設けられた低電位用外部電極３１、及び、積層体１０Ｂの第２の端面１４に設けられた高電位用外部電極３２を備えている。
【００６０】
平面電極のうち、平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄは、一端が低電位用外部電極３１に電気的に接続された低電位用平面電極であり、平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃは、一端が高電位用外部電極３２に電気的に接続された高電位用平面電極である。低電位用平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄと高電位用平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃとは、積層方向において交互に位置しており、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆを介して互いに対向している。
【００６１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、積層体１０Ｂの第１の主面１１においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ａであり、低電位用平面電極２１ａの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ａの外側は外部に露出している。
【００６２】
図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、積層体１０Ｂの第２の主面１２においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ｄであり、低電位用平面電極２１ｄの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ｄの外側は圧電セラミック層２０ｇと接している。
【００６３】
図２（ａ）に示すように、高電位用平面電極２２ａは圧電セラミック層２０ａ及び２０ｂの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｂは圧電セラミック層２０ｃ及び２０ｄの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｃは圧電セラミック層２０ｅ及び２０ｆの層間に位置する。また、低電位用平面電極２１ｂは圧電セラミック層２０ｂ及び２０ｃの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｃは圧電セラミック層２０ｄ及び２０ｅの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｄは圧電セラミック層２０ｆ及び２０ｇの層間に位置する。
【００６４】
本発明の第２実施形態において、平面電極が対向していない最外層の圧電セラミック層は分極されていてもよい。例えば、図２（ａ）に示す圧電アクチュエータ２において、圧電セラミック層２０ｇは分極されていてもよい。
【００６５】
［第３実施形態］
第３実施形態では、積層体の一方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極であり、該低電位用平面電極の内側は活性領域の分極の−側と接し、該低電位用平面電極の外側は外部に露出する。一方、積層体の他方の主面においては、最も外側に位置する平面電極が高電位用平面電極であり、該高電位用平面電極の内側は活性領域の分極の＋側と接し、該高電位用平面電極の外側は圧電セラミック層と接する。また、積層体の一方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。同様に、積層体の他方の主面側の最も外側に位置する高電位用平面電極は、圧電セラミック層同士の層間に位置する。
【００６６】
図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。なお、図３（ａ）は、図３（ｂ）の３ａ−３ａ断面図である。
【００６７】
図３（ａ）に示す圧電アクチュエータ３は、積層体１０Ｃを備えている。積層体１０Ｃは、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ及び２０ｆと平面電極２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ及び２２ｃとが交互に積層された構造を有している。
【００６８】
図３（ａ）に示す圧電アクチュエータ３は、さらに、積層体１０Ｃの第１の端面１３に設けられた低電位用外部電極３１、及び、積層体１０Ｃの第２の端面１４に設けられた高電位用外部電極３２を備えている。
【００６９】
平面電極のうち、平面電極２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、一端が低電位用外部電極３１に電気的に接続された低電位用平面電極であり、平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃは、一端が高電位用外部電極３２に電気的に接続された高電位用平面電極である。低電位用平面電極２１ａ、２１ｂ及び２１ｃと高電位用平面電極２２ａ、２２ｂ及び２２ｃとは、積層方向において交互に位置しており、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ及び２０ｅを介して互いに対向している。
【００７０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、積層体１０Ｃの第１の主面１１においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ａであり、低電位用平面電極２１ａの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ａの外側は外部に露出している。
【００７１】
図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、積層体１０Ｃの第２の主面１２においては、最も外側に位置する平面電極が高電位用平面電極２２ｃであり、高電位用平面電極２２ｃの内側は活性領域２０Ｘの分極の＋側と接し、高電位用平面電極２２ｃの外側は圧電セラミック層２０ｆと接している。
【００７２】
図３（ａ）に示すように、高電位用平面電極２２ａは圧電セラミック層２０ａ及び２０ｂの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｂは圧電セラミック層２０ｃ及び２０ｄの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｃは圧電セラミック層２０ｅ及び２０ｆの層間に位置する。また、低電位用平面電極２１ｂは圧電セラミック層２０ｂ及び２０ｃの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｃは圧電セラミック層２０ｄ及び２０ｅの層間に位置する。
【００７３】
本発明の第３実施形態において、平面電極が対向していない最外層の圧電セラミック層は分極されていてもよい。例えば、図３（ａ）に示す圧電アクチュエータ３において、圧電セラミック層２０ｆは分極されていてもよい。
【００７４】
［その他の実施形態］
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に限定されるものではなく、圧電アクチュエータの構成、製造条件等に関し、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。例えば、圧電セラミック層及び平面電極の積層数は、特に限定されるものではない。
【００７５】
本発明の圧電アクチュエータにおいて、低電位用外部電極は、積層体の第１の主面及び第２の主面にまで回り込んでいてもよいが、積層体の第１の端面の少なくとも一部に設けられていればよい。同様に、高電位用外部電極は、積層体の第１の主面及び第２の主面にまで回り込んでいてもよいが、積層体の第２の端面の少なくとも一部に設けられていればよい。
【００７６】
本発明の圧電アクチュエータにおいては、第２実施形態及び第３実施形態でも説明したように、最も外側に位置する平面電極の外側に接する圧電セラミック層は、分極された領域を有していてもよい。
【００７７】
本発明の圧電アクチュエータでは、低電位用外部電極に第１の電位が印加され、高電位用外部電極に第１の電位よりも高い第２の電位が印加されると、積層方向に対して垂直な方向へ最も変位する。上述のとおり、第１の電位及び第２の電位の極性は同一、又は、一方がグランドである。このような圧電アクチュエータの駆動方法もまた、本発明の１つである。
【実施例】
【００７８】
以下、本発明の圧電アクチュエータをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。【００７９】
［圧電アクチュエータの作製］
（実施例１）
セラミック原料として、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｌｉ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＢａＣＯ３、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＭｎＣＯ３を用意し、以下のセラミック組成：  
０．９２５（Ｋ０．４３Ｎａ０．５１Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３−０．０７５ＢａＺｒＯ３＋０．０２５ＺｒＯ２＋０．００２５Ｌａ２Ｏ３＋０．００５ＭｎＯ
となるように秤量した。ここで、主成分は「０．９２５（Ｋ０．４３Ｎａ０．５１Ｌｉ０．０６）ＮｂＯ３−０．０７５ＢａＺｒＯ３」であり、副成分は「０．０２５ＺｒＯ２＋０．００２５Ｌａ２Ｏ３＋０．００５ＭｎＯ」である。  【００８０】
秤量後、ＰＳＺボールが内有されたポットミルに投入し、エタノールを溶媒にして約９０時間ポットミルを回転し、湿式で混合した。得られた混合物を乾燥した後、９００℃の温度で仮焼し、仮焼物を得た。【００８１】
得られた仮焼物を解砕した後、バインダ、分散剤、純水及びＰＳＺボールとともに、ポットミルに投入し、該ポットミルを回転させながら充分に湿式で混合した。その後、ドクターブレード法を使用して成形加工を施し、厚みが３３μｍのセラミックグリーンシートを得た。【００８２】
Ｎｉを主成分とする導電性ペーストを使用し、スクリーン印刷法により上記セラミックグリーンシート上に所定パターンの導電層を形成した。導電層が形成されたセラミックグリーンシートを所定枚数積層し、加圧して圧着し、セラミック積層体を作製した。【００８３】
このセラミック積層体を還元雰囲気下で１０５０℃の温度で２時間焼成し、圧電セラミック素体（積層体）を作製した。【００８４】
図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、ニクロム及びＡｇで構成される低電位用平面電極２１ａ、低電位用平面電極２１ｄ、低電位用外部電極３１及び高電位用外部電極３２を形成した。その後、常温の空気中で３ｋＶ／ｍｍの電界を４分間印加し、分極処理を行った。
以上により、実施例１の圧電アクチュエータを作製した。圧電セラミック層の積層数は６層である。また、圧電アクチュエータの寸法は、長さ１３ｍｍ×幅３ｍｍである。【００８５】
（実施例２）
実施例２では、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、ニクロム及びＡｇで構成される低電位用平面電極２１ａ、低電位用外部電極３１及び高電位用外部電極３２を形成したことを除いて、実施例１と同様に圧電アクチュエータを作製した。圧電セラミック層の積層数は７層である。【００８６】
（実施例３）
まず、出発原料としてＴｉＯ２、ＢａＣＯ３及びＣａＣＯ３を準備した。混合粉砕した後、１０００℃以上の温度で加熱して、チタン酸バリウムカルシウムを合成した。なお、原料の粒子径は走査型電子顕微鏡で観察し、その平均粒径が０．５μｍであった。また、副成分としてＳｉＯ２粉末を準備した。【００８７】
次に、チタン酸バリウムカルシウムの（Ｂａ，Ｃａ）／Ｔｉモル比ｍを調整するためのＢａＣＯ３あるいはＴｉＯ２及び純度９９％以上のＤｙ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＭｎＯを準備した。これらの原料粉末と副成分である上記ＳｉＯ２粉末を秤量した。なお、ＳｉＯ２の添加量は、主成分［｛Ｂａ０．８７Ｃａ０．１３Ｏ｝ｍＴｉＯ２＋αＤｙ２Ｏ３＋βＭｇＯ＋γＭｎＯ］１００重量部に対する添加重量部数とし、それを０．４重量部とした。このとき、α〜γについてストイキオ比率に対してわずかにβを増やし、ややアクセプタリッチとなるα：β：γ＝２．５：２．２：１とした。今回、Ｒｅ２Ｏ３としてＤｙ２Ｏ３を用いたが、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３及びＹｂ２Ｏ３の中から選ばれる１種を用いても同等の効果が得られる。
モル比ｍは１．０１１とし、γは０．００３４とした。【００８８】
そして、この秤量物にポリビニルブチラール系バインダ及びエタノールなどの有機溶剤を加えて、ボールミルにより湿式混合し、セラミックスラリーを調製した。このセラミックスラリーをドクターブレード法によりシート成形してセラミックグリーンシートを得た。
このセラミックグリーンシートを用いて、実施例１と同様に導電層を形成し、積層、加圧して圧着してセラミック積層体を作製した。【００８９】
セラミック積層体を、大気雰囲気中にて３００℃の温度に加熱し、バインダを燃焼させた後、酸素分圧１０−９ＭＰａ以上、１０−１２ＭＰａ以下のＨ２−Ｎ２−Ｈ２Ｏガスからなる還元雰囲気中において１２００℃以上、１３００℃以下の温度で２時間焼成し、圧電セラミック素体（積層体）を作製した。【００９０】
実施例１と同様の構造となるように、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すような外部電極を形成し、分極処理を行って実施例１と同様に圧電アクチュエータを作製した。【００９１】
（比較例１）
図４（ａ）は、従来の圧電アクチュエータの一例を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す圧電アクチュエータを一方の主面から見た平面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す圧電アクチュエータを他方の主面から見た平面図である。なお、図４（ａ）は、図４（ｂ）の４ａ−４ａ断面図である。【００９２】
図４（ａ）に示す圧電アクチュエータ４は、積層体１０Ｄを備えている。積層体１０Ｄは、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ及び２０ｇと平面電極２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃ、２１ｄ及び２２ｄとが交互に積層された構造を有している。【００９３】
図４（ａ）に示す圧電アクチュエータ４は、さらに、積層体１０Ｄの第１の端面１３に設けられた低電位用外部電極３１、及び、積層体１０Ｄの第２の端面１４に設けられた高電位用外部電極３２を備えている。【００９４】
平面電極のうち、平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄは、一端が低電位用外部電極３１に電気的に接続された低電位用平面電極であり、平面電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄは、一端が高電位用外部電極３２に電気的に接続された高電位用平面電極である。低電位用平面電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄと高電位用平面電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄとは、積層方向において交互に位置しており、圧電セラミック層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ及び２０ｇを介して互いに対向している。【００９５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、積層体１０Ｄの第１の主面１１においては、最も外側に位置する平面電極が低電位用平面電極２１ａであり、低電位用平面電極２１ａの内側は活性領域２０Ｘの分極の−側と接し、低電位用平面電極２１ａの外側は外部に露出している。【００９６】
図４（ａ）及び図４（ｃ）に示すように、積層体１０Ｄの第２の主面１２においては、最も外側に位置する平面電極が高電位用平面電極２２ｄであり、高電位用平面電極２２ｄの内側は活性領域２０Ｘの分極の＋側と接し、高電位用平面電極２２ｄの外側は外部に露出している。【００９７】
図４（ａ）に示すように、高電位用平面電極２２ａは圧電セラミック層２０ａ及び２０ｂの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｂは圧電セラミック層２０ｃ及び２０ｄの層間に位置し、高電位用平面電極２２ｃは圧電セラミック層２０ｅ及び２０ｆの層間に位置する。また、低電位用平面電極２１ｂは圧電セラミック層２０ｂ及び２０ｃの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｃは圧電セラミック層２０ｄ及び２０ｅの層間に位置し、低電位用平面電極２１ｄは圧電セラミック層２０ｆ及び２０ｇの層間に位置する。【００９８】
比較例１では、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、ニクロム及びＡｇで構成される低電位用平面電極２１ａ、低電位用外部電極３１、高電位用平面電極２２ｄ及び高電位用外部電極３２を形成したことを除いて、実施例１と同様に圧電アクチュエータを作製した。圧電セラミック層の積層数は７層である。【００９９】
（比較例２）
実施例３で得た圧電セラミック素体（積層体）に対して、比較例１と同様の構造となるように、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すような外部電極を形成し、分極処理を行って圧電アクチュエータを作製した。【０１００】
［信頼性の評価］
実施例１、実施例２及び比較例１で作製した試料を８〜２２個準備し、温度８５℃にて８０Ｖの直流電圧（電界強度：４ｋＶ／ｍｍ）を印加した。
この試験では、各試料の絶縁劣化が進行して短絡に至り、放電するまでの時間を寿命時間とした。ワイブル確率分布を用いて、平均故障寿命を算出した。【０１０１】
図５は、実施例１及び比較例１における故障時間の寿命解析を示すグラフである。
図５より、比較例１における平均故障寿命が１２．５時間であるのに対し、実施例１における平均故障寿命が２３．１時間であり、約２倍に向上することが分かる。また、実施例１では、全ての圧電セラミック層が変位に寄与するため、高い変位特性が得られる。【０１０２】
図６は、実施例２及び比較例１における故障時間の寿命解析を示すグラフである。
図６より、比較例１における平均故障寿命が１２．５時間であるのに対し、実施例２における平均故障寿命が３３．０時間であり、約２．６倍に向上することが分かる。【０１０３】
また、実施例３及び比較例２で作製した試料については、それぞれ４個の試料を準備し、温度８５℃にて８０Ｖの直流電圧（電界強度：４ｋＶ／ｍｍ）を印加して、実施例１等と同様に寿命時間を算出した。
実施例３では４つの試料全てが８１０時間の電圧印加後でも故障していなかった。一方、比較例２ではそれぞれ３．１時間、６１．７時間、４２．７時間、５２．３時間の電圧印加で故障が生じていた。
このことから、実施例３の構造の方が比較例２の構造に比べて大幅に平均故障寿命が長いことが分かる。
【符号の説明】
【０１０４】
１，２，３，４  圧電アクチュエータ
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ  積層体
１１  第１の主面
１２  第２の主面
１３  第１の端面
１４  第２の端面
１５  第１の側面
１６  第２の側面
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ  圧電セラミック層
２０Ｘ  活性領域
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ  低電位用平面電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ  高電位用平面電極
３１  低電位用外部電極
３２  高電位用外部電極
【図１】
2019172064.tif 000003
【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】
2019172064.tif 000008
【国際調査報告】
2019172064.tif 000009
2019172064.tif 000010
2019172064.tif 000011
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