(57)【要約】  本発明の積層型圧電素子は、積層構造体と正極及び負極の外部電極とを備えている。積層構造体は複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された構造である。外部電極は、積層構造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続される。また、積層構造体が、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の部位を有している。そして、積層方向に隣り合う２つの前記部位間には、応力緩和部が設けられている。積層型圧電素子は、このような構造を備えることにより、圧電体層の変位量の違いにより集中する応力を分散させることができる。
2008072767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された積層構造体と、該積層構造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続された正極及び負極の外部電極とを備えた積層型圧電素子において、
前記積層構造体は、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の変位可能な部位を有し、
積層方向に隣り合う２つの前記部位の間には、応力緩和部が設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記応力緩和部は、隣接する一対の前記内部電極と、該一対の内部電極に挟持された圧電体層とを備え、前記一対の内部電極は、同極の前記外部電極に接続されることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記応力緩和部は、前記圧電体層よりも弾性率の高い高弾性層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記応力緩和部は、前記圧電体層及び前記内部電極のいずれよりも剛性が低い低剛性層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記応力緩和部は、同極の前記外部電極に接続された２つの前記内部電極と積層方向両側でそれぞれ隣接する前記圧電体層を備えた少なくとも２つの部分と、これらの部分の間に前記圧電体層を介して配置された前記低剛性層と、からなることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記応力緩和部は、同極の前記外部電極に接続された２つの前記内部電極と積層方向両側でそれぞれ隣接する前記圧電体層を備え、当該圧電体層内に前記低剛性層が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記低剛性層は、互いに離隔した複数の金属部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数の前記金属部を備えていることを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
前記低剛性層は、互いに離隔した複数のセラミック部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数の前記セラミック部を備えていることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
【請求項１１】
前記低剛性層に対して積層方向に隣り合う２つの内部電極のうち、圧電体層の厚みが大きい方の部位に位置する内部電極は、圧電体層の厚みが小さい方の部位に位置する内部電極よりも空隙が多いことを特徴とする請求項４に記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記応力緩和部に対して積層方向に隣り合う２つの前記部位のうち、前記積層構造体の端部に近い方の部位を構成する圧電体層は、他方の部位を構成する圧電体層よりも厚みが大きいことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記複数の部位をそれぞれ構成する圧電体層は、前記積層構造体の積層方向の中心から第１の端部に向かう厚み分布と、前記中心から第２の端部に向かう厚み分布とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の積層型圧電素子と噴射孔とを備え、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を吐出させることを特徴とする噴射装置。
【請求項１５】
高圧燃料を蓄えるコモンレールと、
このコモンレールに蓄えられた燃料を噴射する請求項１４に記載の噴射装置と、
前記コモンレールに高圧の燃料を供給する圧力ポンプと、
前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットと、
を備えた燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子、これを備えた噴射装置及び燃料噴射システムに関するものである。積層型圧電素子は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ）、センサ素子及び回路素子に用いられる。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェットのような液体噴射装置、光学装置のような精密位置決め装置、及び振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ及びヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス及び圧電ブレーカーが挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保するように求められている。そのため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。【０００３】
コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は素子自体が断続的に寸法変化を起こす。そして、全ての圧電体層が内部電極を介して密着して駆動することにより、積層型圧電素子は全体として大きく駆動変形する。そのため、素子の端部の変形が特に大きくなり、素子の端部に大きな応力がかかる。【０００４】
そこで、特許文献１で、圧電体層の厚みを変化させた圧電素子が提案されている。厚みが異なることにより変位量が変化することを利用して、素子端部にかかる応力の緩和が試みられている。
【特許文献１】特開昭６０−８６８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている方法により、圧電素子の端部にかかる応力をある程度緩和することができる。そのため、素子にかかる応力をより効果的に緩和させることが必要となっている。【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の低下が抑制された積層型圧電素子、これを用いた噴射装置及び燃料噴射システム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】
【０００７】
本発明の積層型圧電素子は、積層構造体と正極及び負極の外部電極とを備えている。積層構造体は複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層されている。外部電極は、積層構造体の側面に形成されるとともに前記内部電極が接続される。また、前記積層構造体が、前記圧電体層の厚みを互いに異ならせた複数の部位を有している。積層方向に隣り合う２つの前記部位間には、応力緩和部が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図２】図１に示す実施形態の応力緩和部が配設された部分を拡大した断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図５】図４に示す実施形態の低剛性層が配設された部分を拡大した分解斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の第５の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図８】本発明の第６の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図９】本発明の第７の実施形態にかかる積層型圧電素子を示し、積層方向に平行な断面図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態にかかる応力緩和部が配設された部分を拡大した断面図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態にかかる応力緩和部が配設された部分を拡大した断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる燃料噴射システムを示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１、２に示すように、本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子１（以下、素子１ともいう）は、複数の圧電体層３と複数の内部電極５とが交互に積層された積層構造体７と、積層構造体７の側面に形成されるとともに内部電極５が接続された正極及び負極の外部電極９と、を備えている。また、積層構造体７は、圧電体層３の厚みを互いに異ならせた複数の部位を有している。すなわち、積層構造体７は、圧電体層３の厚みがＬ１である部位Ａと、圧電体層３の厚みがＬ２である部位Ｂを有している（Ｌ１＞Ｌ２）。【００１０】
圧電体層３の厚みは、例えば、以下のようにして測定することができる。外部電極９の形成されていない積層構造体７の側面に内部電極５が露出している場合には、積層方向に垂直な幅方向の中心で、内部電極５の間の圧電体層３の厚みを測定すれば良い。また、積層構造体７の側面に内部電極５が露出していない場合には、内部電極５が露出するように、積層方向に平行な平面で積層構造体７を切断し、切断面において、同様に、積層方向に垂直な幅方向の中心で、内部電極５の間の圧電体層３の厚みを測定すれば良い。【００１１】
そして、積層方向に隣り合う２つの部位間には、応力緩和部１１が設けられている。このように、本実施形態の積層型圧電素子１は、圧電体層３の厚みが互いに異なる部位Ａ、Ｂを有し、これらの部位Ａ、Ｂ間に応力緩和部１１を設けることにより耐久性を向上させている。【００１２】
部位Ａと部位Ｂとは、圧電体層の変位量が異なる。そのため、互いに変位量の異なる圧電体層の近傍に応力が集中しやすい。しかしながら、この部位ＡとＢの間に応力緩和部１１を設けることで、部位Ａ、Ｂにかかる応力を効果的に緩和することができる。【００１３】
また、図１、２に示すように、応力緩和部１１は、隣接する一対の内部電極５と、一対の内部電極５に挟まれた圧電体層３とを備え、さらに、一対の内部電極５が、同極の外部電極９に接続されることが好ましい。同極の外部電極９に接続された、隣接する２つの内部電極５に挟まれた圧電体層３は、逆圧電効果を殆ど示さない。そのため、積層方向に隣り合う部位の変動に追従しやすいので、より高い応力緩和の効果が得られる。以下、同極の外部電極９に接続された２つの内部電極５及びこれらの外部電極９に挟まれた圧電体層３からなる部位を部位Ｃとする。【００１４】
また、このような逆圧電効果を殆ど示さない部位Ｃの圧電体層３及び内部電極５が、部位Ａ、Ｂを形成する圧電体層３及び内部電極５とそれぞれ同じ主成分を有していることがより好ましい。主成分が同じである材料を用いることにより、別途、部材を用意する必要がなく、単純な形状でありながらも高い応力緩和の効果を得ることが出来るからである。また、圧電体層３として同じ主成分の材料を用いているため、圧電体層３同士の結合力を高めることもできる。【００１５】
圧電体層３の材料としては、圧電性を有するセラミックスを用いることができる。好ましくは、圧電歪み定数ｄ３３が高いセラミックスが用いられる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）のようなペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。例えば、圧電体層３がチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を代表とするペロブスカイト型圧電セラミックス材料で形成されるときには、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ３３が高いことから、変位量を大きくすることができる。また、ペロブスカイト型圧電セラミックス材料で圧電体層３を形成する場合には、圧電体層３と内部電極５を同時に焼成することもできる。【００１６】
内部電極５の材料としては、導電性を有するものを用いることができる。例えばＣｕ及びＮｉといった単体の金属、並びに銀−白金及び銀−パラジウム合金といった合金を用いることができる。特に、耐マイグレーション性や耐酸化性があり、ヤング率が低く、かつ、安価であるという点から銀−パラジウムを主成分とすることが好ましい。【００１７】
金属部１９を備えた低剛性層１７の組成は、以下のようにして測定することができる。【００１８】
まず、内部電極５が露出するように、積層構造体７を切断するなどして、内部電極５の一部の組成を測定する。測定方法としては、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析のような化学分析を用いることができる。また、積層型圧電素子１の切断面を、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いて分析、測定してもよい。【００１９】
積層構造体７の側面には、外部電極９が形成される。外部電極９は、陽極側及び陰極側の一対の電極として形成される。陽極側及び陰極側の外部電極９は、互いに電気的に短絡しないように配設されれば良いので、対向する側面に配設されていても、隣り合う側面に配設されていてもよい。しかし、上記の電気的な短絡を抑制する点、及び圧電素子にかかる応力を出来る限り分散させる点から、外部電極９は対向する側面に配設されることが好ましい。【００２０】
外部電極９の材質としては、導電性の良いものを用いることができる。例えば、ＣｕやＮｉといった金属やこれらの合金等を用いることができる。特に、電気抵抗が低く、取り扱いが容易であることから、銀、若しくは銀が主成分の合金を用いることが好ましい。【００２１】
また、積層構造体７の積層方向の両端側には圧電体で形成された低活性層２３が積層されている。低活性層２３は一方の主面側に内部電極５が配置されているのみであり、他方の主面側には内部電極５が配置されていないので、電圧を印加しても逆圧電効果を殆ど示さない。【００２２】
この積層型圧電素子１を圧電アクチュエータとして使用する場合には、一対の外部電極９にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部の電源に接続すればよい。この外部の電源からリード線を通じて隣り合う内部電極５間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層３が逆圧電効果によって変位する。【００２３】
次に、他の構造を有する実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と重複する説明については省略する。まず、本発明の第２の実施形態について説明する。【００２４】
図３に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子１は、応力緩和部１１を備えている。応力緩和部１１として、隣り合う部位ＡとＢの間には、上記の逆圧電効果を殆ど示さない部位Ｃが複数設けられる。このように部位Ｃが複数形成されることで、応力緩和部１１にかかる応力をより広範囲に分散させることができる。その結果、積層型圧電素子１の耐久性をより高くすることができる。【００２５】
また、上記の部位Ｃを構成する圧電体層３の厚みが、この部位と隣り合う２つの部位のうち、圧電体層３の厚みの大きい方の部位に配設される圧電体層３の厚みと同じであることが好ましい。これにより、積層型圧電素子１の焼結後の冷却時に生じる圧電体層３と内部電極５との熱膨張差に起因する応力を小さくすることができる。すなわち、製造工程において積層型圧電素子１に加わる応力を低減することができる。【００２６】
また、応力緩和部１１が、圧電体層３よりも弾性率の高い高弾性層１５を備えていることが好ましい。圧電体層３よりも弾性率の高い高弾性層１５を備えていることにより、より高い応力緩和の効果を得ることが出来る。【００２７】
なお、本実施形態において、弾性率が高いとは、ヤング率が小さいことを意味している。このヤング率が小さい理由としては、例えば、後述する第８の実施形態のように、多くの空隙が形成されていることなどが挙げられる。【００２８】
ヤング率の測定方法としては、例えば、ナノインデンテーション法を用いることができる。測定装置としては、例えば、ナノインスツルメント社製の「ナノインデンターII」を用いることができる。積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、低剛性層１７、圧電体層３又は内部電極５を露出させ、上記の測定装置を用いてヤング率を測定すれば良い。【００２９】
高弾性層１５としては、圧電体層３や内部電極５よりも弾性率の高い材料、具体的には、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、又はポリイミド樹脂などの樹脂を用いることができる。【００３０】
また、後述するように、多くの空隙が形成されていることなどにより、圧電体層３や内部電極５よりも弾性率を高くすることができる。【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。【００３２】
図４、５に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子１は、応力緩和部１１を備えている。そして、応力緩和部１１が、圧電体層３及び内部電極５よりも剛性が低い低剛性層１７を備えている。低剛性層１７は圧電体層３及び内部電極５よりも破断しやすい。そのため、低剛性層１７が破断することにより、圧電体層３や内部電極５を拘束する力を弱めることができる。【００３３】
また、低剛性層１７を優先的に破断させることにより、部位Ａ及びＢに配設された圧電体層３又は内部電極５にクラックが生じることを抑制することができる。結果として、素子１を安定して駆動させることができる。また同時に、変位量の低下を抑制することができる。【００３４】
低剛性層１７、圧電体層３及び内部電極５の剛性は、例えば素子１に対して、積層方向に垂直な方向に荷重を加えることで容易に比較できる。具体的には、ＪＩＳ３点曲げ試験（ＪＩＳ  Ｒ  １６０１）などにより、素子１に対して積層方向に垂直な方向から荷重を加えることで低剛性層１７の有無を確認できる。上記の試験を行ったときに、どの部分で素子１が破断するかを確認すればよいからである。その破断箇所が素子の中で最も剛性が低い箇所である。【００３５】
本実施形態では、応力緩和部１１に低剛性層１７が備えられているので、ＪＩＳ３点曲げ試験を行うと、低剛性層１７で破断が起きる。このように、破断した箇所が部位Ａ又は部位Ｂであるか、若しくは、部位間の低剛性層１７であるかにより低剛性層１７の有無を確認できる。【００３６】
なお、試験片が小さく、上記ＪＩＳ３点曲げ試験を用いることができない場合には、例えば、下記の方法により低剛性層１７の有無を確認することができる。まず、試験片を柱状に加工する。そしてＪＩＳ３点曲げ試験に準拠して、この試験片を一定距離に配置された２支点上に置く。さらに、支点間の中央の１点に荷重を加える。以上により、低剛性層１７の有無を確認することができる。【００３７】
低剛性層１７は、圧電体層３や内部電極５よりも剛性の低い材料を用いること、或いは、後述する第８の実施形態のように、多くの空隙が形成されていることなどにより、圧電体層３や内部電極５よりも剛性を低くすることができる。【００３８】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。【００３９】
図６に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子は応力緩和層１１を備えている。そして、応力緩和部１１は、同極の外部電極９に接続された２つの内部電極５と積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層３を備えた少なくとも２つの部位Ｃと、これらの部位の間に圧電体層３を介して配置された低剛性層１７と、からなる。【００４０】
応力緩和部１１が、このように形成されていることで、隣り合う部位間に集中させた応力を上記の部位Ｃに集中させることができる。さらに、低剛性層１７が破断することにより、上に示した応力を、より吸収できる。【００４１】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。【００４２】
図７に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子は応力緩和層１１を備えている。そして、応力緩和部１１が、同極の外部電極９に接続された２つの内部電極５と積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層３を備え、この圧電体層３の内部に低剛性層１７が設けられている。圧電体層３の厚みを互いに異ならせた複数の部位間に応力が集中するため、低剛性層１７の応力緩和の効果をより高めることができる。【００４３】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。【００４４】
図８に示すように、本実施形態にかかる積層型圧電素子は応力緩和部１１を有し、この応力緩和部１１には、複数の低剛性層１７が設けられている。応力緩和部１１に複数の低剛性層１７を設けることで、より大きな応力緩和の効果を得ることができる。応力緩和部１１を介して隣り合う２つの部位のそれぞれに配設された圧電体層３の厚みが大きく異なる場合には、特に有効となる。【００４５】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。【００４６】
さらに、図９に示すように、本実施形態にかかる素子１は、中央に位置する部位から端部に位置する部位に向かうに従い、段階的に圧電体層３の厚みが大きくなっている。このように、圧電体層３の厚みを変化させていくことで、応力を分散させ、一定の場所に応力が集中することを抑制できる。そのため、素子の端部に強い応力がかかることが抑制され、かつ、応力緩和部１１に過度の応力がかかる可能性がより小さくなる。【００４７】
本実施形態において、隣り合う２つの部位間の圧電体層３の厚みの差が、圧電体層３の厚みの大きい部位の１０％以上であることが好ましい。上記の差が１０％以上である場合には、応力緩和部１１による応力緩和の効果をより向上させることができる。また、隣り合う２つの部位間の圧電体層３の厚みの差が、５０％以上であることが、より好ましい。上記の差が５０％以上である場合には、応力緩和部１１による応力緩和の効果をより大きくできる。【００４８】
さらには、圧電素子１の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向かい圧電体層３の厚みが実質的に整数倍となるように、それぞれの部位に配設された圧電体層３の厚みを変化させていくことがより一層好ましい。具体的には、中央に位置する部位に配設される圧電体層３の厚みを１とした場合に、この部位と隣り合う部位に配設される圧電体層３の厚みを２とし、さらに、この部位の、積層構造体７の端部側で隣り合う部位に配設される圧電体層３の厚みを３とすればよい。【００４９】
このように積層構造体７を形成する場合には、一定の厚みの圧電体層３を用意すればよく、非常に簡単に積層構造体７を作製することができる。積層構造体７の端部に近づくに従って、この圧電体層３の積層する枚数を変えていくことで、上記の圧電素子１を作製することができるからである。このような構成により、低コストかつ小型の圧電素子１を作製することができる。なお、それぞれの部位に配設される圧電体層３の厚みにばらつきがある場合には、それぞれの部位に配設される圧電体層３の平均をとればよい。【００５０】
また、圧電素子１の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向かって各部位の圧電体層３の厚みが倍となるように、それぞれの部位に配設された圧電体層３の厚みを変化させていくことも好ましい。具体的には、中央に位置する圧電体層３の厚みを１とした場合に、この部位と隣り合う部位に形成されている圧電体層３の厚みを２とし、さらに、この部位の、積層構造体７の端部側で隣り合う部位の圧電体層３の厚みを４とすればよい。【００５１】
このように積層構造体７を形成する場合には、既に示したように、一定の厚みの圧電体層３を用意すればよく、非常に簡単に積層構造体７を作製することができる。このような構成により、より高い応力緩和の効果を有する積層型圧電素子１を作製することができる。【００５２】
さらにこの時、この応力緩和部１１に配設される圧電体層３ａの厚みが、この応力緩和部１１と隣り合う部位のうちの圧電体層３の厚みの大きい方の部位に位置する圧電体層３の厚みと同じであることが好ましい。応力緩和部１１に配設される圧電体層３ａの厚みを上記のようにすることで、既に示したように、積層型圧電素子１の焼結後の冷却時に生じる圧電体層３と内部電極５との熱膨張差に起因する応力を小さくすることができるからである。さらに、駆動時に生じる圧電体層３特有の圧電振動波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ）の位相を安定して揃えることができる。これにより、ノイズの発生を抑制できるので、駆動電源やケーブルにノイズ防止の被覆をしなくても信頼性の高い信号伝達と素子駆動を実現することができる。【００５３】
また、複数の部位をそれぞれ構成する圧電体層３は、積層構造体７の積層方向の中心から第１の端部に向かう厚み分布と、この中心から第２の端部に向かう厚み分布とがほぼ同一であることが好ましい。このように、各部位に配設される圧電体層３の厚みの分布を上下対称にすることによって応力分布をより均一に近くできる。結果として、ひずみがより小さくなり、耐久性を改善することができる。【００５４】
本実施形態において、上下対称にするとは、積層方向の中心に位置する部位を基準として、積層構造体７の各々の端部に向かって、それぞれ隣り合う部位の圧電体層３の厚みがほぼ同等であることをいう。なお、部位の数、応力緩和数１１の数、低剛性層１７の数などについては、本実施形態に限定されるものではない。【００５５】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。【００５６】
図１０に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は低剛性層１７を有している。そして低剛性層１７は、互いに離隔した複数の金属部１９を備えている。上記の構成の低剛性層１７は、圧電体層３と比較して破断しやすい。そして、金属部１９が圧電体層３の変動に追従して変形する、或いは破断することにより、応力を分散させることができる。その結果、耐久性および信頼性を改善した積層型圧電素子１を得ることができる。【００５７】
この金属部１９としては、例えば、Ｃｕ及びＮｉのような単体の金属、並びに、銀−白金及び銀−パラジウムのような合金が挙げられる。耐マイグレーション性や耐酸化性があり、ヤング率が低く、かつ、安価であるという点から銀−パラジウムを主成分とすることが好ましい。【００５８】
また、熱伝導性の観点からは、銀が主成分であることが好ましい。銀は熱伝導特性が優れているので、応力集中により素子が局所的に加熱されたとしても、熱を効率良く吸収できるからである。さらに、表面に酸化層の皮膜が形成されていないことが好ましい。酸化皮膜の少ない金属粒子は柔軟性に富んでいるので、より応力を吸収しやすくなる。【００５９】
金属部１９を備えた低剛性層１７の組成は、既に示したＥＰＭＡ法の分析方法を用いることで特定できる。具体的には、低剛性層１７の金属部１９が露出するように、積層構造体７を切断するなどして、低剛性層１７の一部の組成を測定すればよい。なお、積層型圧電素子１の切断面において、低剛性層１７は、金属成分だけでなく、ボイドや、セラミックス成分等の金属以外の要素も含まれている場合がある。このような場合であっても、ボイド以外の部位をＥＰＭＡ法により分析することができる。【００６０】
また、低剛性層１７は、大きさの異なる多数の金属部１９がランダムに配設されたものであってもよい。ばらつきのある応力が低剛性層１７に加わるような場合には、このように低剛性層１７を形成することが特に有効である。低剛性層１７の一部に応力が局所的に集中する可能性を小さくし、より広範囲に応力を分散させることができるからである。【００６１】
さらに、低剛性層１７は、空隙を介して互いに離隔した複数の金属部１９を備えていることが好ましい。空隙を介していることにより、金属部１９が圧電体層３の変動に追従して変形したり、或いは破断したりすることがより容易となるからである。これにより、低剛性層１７のより広範囲にわたる金属部１９に応力を分散させることができ、積層型圧電素子１の耐久性をより向上させることができる。【００６２】
また、上記のように低剛性層１７が形成されている場合、この低剛性層１７の空隙率は１０％〜９５％であることが好ましい。１０％以上であれば、クラックの進展をより抑制させることができる。また、９５％以下であれば、積層型圧電素子１の外形の形状を安定して保持することができる。【００６３】
なお、本実施形態において、空隙率とは、積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面において、低剛性層１７の断面積に対して空隙の面積が占める割合（％）を意味する。空隙率を測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積層方向に垂直な断面が露出するように、積層構造体７を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。例えば、研磨装置としてケメット・ジャパン（株）社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨する。この研磨処理により露出した断面に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡又は金属顕微鏡を用いて断面処理をして、断面画像を得る。この断面画像において、空隙が占める面積の割合を測定する。このようにして、圧電体層３、内部電極５及び低剛性層１７の各々の空隙率を測定することができる。【００６４】
なお、図示しないが、低剛性層が、互いに離隔していた複数のセラミック部が備えられた構成であることも好ましい。セラミック部自体が順次破損するので、圧電体層の変位により生じる応力を分散させることができる。これにより、高い耐久性を有するとともに高い信頼性を備えた積層型圧電素子を得ることができる。【００６５】
さらに、セラミック部が圧電体により形成されることが好ましい。圧電体からなるセラミック部が互いに離隔して配設される場合には、下記の理由により、さらに高い応力緩和効果を得ることができるからである。互いに離隔するようにセラミック部を配設することで、セラミック部の自由度が高くなる。セラミック部の自由度が高くなると、セラミック部に応力が加わったときに、圧電体の結晶内のイオンの配置が移動して、応力方向に応じて結晶構造が変形しやすくなる。そのため、セラミック部がより応力を吸収しやすくなるので、高い応力緩和効果が得られる。【００６６】
圧電体により形成されるセラミック部としては、具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）等のペロブスカイト型酸化物を用いることができる。圧電体により形成されるセラミック部の成分は、既に述べたようにＥＰＭＡ法のような分析方法を用いることで分析及び測定をすることができる。【００６７】
また、低剛性層が、大きさの異なる多数のセラミック部がランダムに配設されたものであってもよい。ばらつきのある応力が低剛性層に加わるような場合には、上記のように低剛性層を形成することが特に有効である。低剛性層の一部に応力が局所的に集中する可能性を小さくし、より広範囲に応力を分散させることができるからである。【００６８】
さらに、低剛性層は、空隙を介して互いに離隔した複数のセラミック部を備えていることがより好ましい。セラミック部自体がより破損しやすくなるので、圧電体層が変位することにより生じる応力をより広範囲に分散させることができる。この場合、低剛性層の空隙率は３０％〜９０％であることがより一層好ましい。【００６９】
低剛性層の空隙率が３０％以上であれば、応力を吸収して緩和するのに十分な空隙が存在するので、信頼性の高い積層型圧電素子とすることができる。さらに、空隙率は５０％以上であることがより好ましい。低剛性層に接する圧電体層に応力が伝わった時に、空隙に接するセラミック部が、応力に対して十分に変形することができる。結果、セラミック部による応力吸収の効果がより高められるので、信頼性の特に高い積層型圧電素子１が得られる。【００７０】
また、低剛性層の空隙率が９０％以下であれば、素子寸法の長時間駆動による変形を抑制して、安定に駆動させることができる。これは、セラミック部により、低剛性層に接する圧電体層同士が安定して支持されるからである。これにより、低剛性層が破損する場合であっても、急激に破損することなく、応力の集中した箇所から徐々に柱が破損し、素子の急激な破壊が生じる可能性を小さくすることができる。結果、素子駆動制御系において、余裕をもって異常検知をすることが可能となり、信号制御系回路で素子外部から素子の駆動を細かく制御することができる。なお、本実施形態における空隙率は、先に説明したものと同じものである。また、空隙率の測定方法も先に示した方法を用いればよい。【００７１】
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。【００７２】
図１１に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は低剛性層１７を有している。そして低剛性層１７は、互いに離隔した複数の金属部１９及び複数のセラミック部２１を備えている。これにより、耐久性の改善された積層型圧電素子１を得ることができる。これは、急激な応力は主にセラミック部により吸収され、常時加わる応力は主に金属部１９により吸収されるからである。結果、様々な形態の応力に対応できるので、耐久性の非常に優れた積層型圧電素子１を得ることができる。【００７３】
低剛性層１７における金属部１９とセラミック部２１とは、互いに接するか、空隙を介して隔離した状態であるのが好ましい。金属部１９とセラミック部２１とが互いに接する場合、金属部１９及びセラミック部２１による各々の応力緩和効果を高めることができる。【００７４】
既に示したように、金属部１９、セラミック部２１は応力緩和の作用効果にそれぞれ特徴がある。金属部１９とセラミック部２１とが互いに接していることで、金属部１９とセラミック部２１とが別々に作用するのではなく、この接している部分で金属部１９とセラミック部２１とを一体となって作用させることができるからである。また、金属部１９とセラミック部２１とが、空隙を介して互いに離隔している場合、金属部１９及びセラミック部２１による応力緩和の効果をより高めることができる。【００７５】
このとき、金属部１９とセラミック部２１の比率が同程度であることが好ましい。それぞれの応力緩和の効果が効率よく発揮されて、非常に耐久性の高い積層型圧電素子１を得ることができる。なお、ここでの比率は、積層構造体７の積層方向に垂直若しくは平行な断面における金属部１９とセラミック部２１のそれぞれの面積を合計したものの比率を意味している。【００７６】
また、低剛性層１７に対して積層方向に隣り合う２つの内部電極５のうち、圧電体層３の厚みが大きい方の部位に位置する内部電極５は、圧電体層３の厚みが小さい方の部位に位置する内部電極５よりも空隙が多いことが好ましい。内部電極５の空隙が上記のように形成されていることによって、圧電体層３の厚みが大きい方の部位に位置する内部電極５に印加される電界強度が小さくなるので、厚みの大きい圧電体層３の変位量が小さくなる。そのため、低剛性層１７に加わる応力が、圧電体層３の厚みの小さい方の部位に位置する圧電体層３よりも、厚みの大きい部位に位置する圧電体層３に偏るからである。【００７７】
これにより、低剛性層１７に対して積層方向に隣り合う２つの内部電極５のうち、圧電体層３の厚みの大きい方の部位に位置する内部電極５の空隙によって、応力をより効果的に分散させることができるので、より耐久性の高い積層型圧電素子１を得ることができる。【００７８】
なお、本実施形態において、空隙率とは、第６の実施形態において示した通りである。また、空隙率の測定方法も第６の実施形態において示した方法を用いればよい。【００７９】
また、応力緩和部１１に対して積層方向に隣り合う２つの部位のうち、積層構造体７の端部に近い方の部位を構成する圧電体層３が、他方の部位を構成する圧電体層３よりも厚みが大きいことが好ましい。【００８０】
次に、本発明の積層型圧電素子にかかる製法の一例を説明する。【００８１】
まず、圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３のペロブスカイト型酸化物を用いた圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系及びブチラール系の有機高分子からなるバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）及びＤＯＰ（フタル酸ジオチル）の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。次に、このスラリーをドクターブレード法又はカレンダーロール法といった周知のテープ成型法を用いることにより圧電体層３となるセラミックグリーンシートを作製する。【００８２】
次に、銀−パラジウム等の内部電極５を構成する金属粉末、セラミック粉末にバインダー及び可塑剤を添加混合して導電性ペーストを作製する。これを各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍ程度の厚みに印刷する。【００８３】
バインダー及び可塑剤と金属粉末及びセラミック粉末との比を変えること、スクリーンのメッシュの度数を変えること、又はスクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることにより、内部電極５及び圧電体層３の厚みを変化させることができる。【００８４】
また、同じ厚みのセラミックグリーンシートを複数重ねて、圧電体層３の厚みを変えることが有効である。つまり、圧電素子１の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向かって圧電体層３の厚みが整数倍となるようにセラミックグリーンシートの積層数を変える。これにより、より簡易に素子１を作製することができる。【００８５】
具体的には、中央に位置する部位にはセラミックグリーンシート１枚で一層の圧電体層３を形成し、この部位と隣り合う部位にはセラミックグリーンシートを２枚重ねて一層の圧電体層３を形成する。さらに、この部位と積層構造体７の端部側で隣り合う部位ではセラミックグリーンシートを３枚重ねて一層の圧電体層３を形成すればよい。【００８６】
このように積層構造体７を形成する場合には、一定の厚みのセラミックグリーンシートを用意すればよく、非常に簡単に積層構造体７を作製することができる。積層構造体７の端部に近づくに従って、この圧電体層３の積層する枚数を変えていくことで、本実施形態の圧電素子１を作製することができるからである。このような構成により、低コストかつ小型の圧電素子１を作製することができる。【００８７】
また、圧電素子１の積層方向の中央に位置する部位から端部に位置する部位に向かって各部位のセラミックグリーンシートの厚みが倍となるように、それぞれの部位に配設されたセラミックグリーンシートの積層枚数を変化させていくことも有効である。具体的には、中央に位置する圧電体層３の一層あたりのセラミックグリーンシートの積層数を１とした場合に、この部位と隣り合う部位に形成されているセラミックグリーンシートの積層数を２とし、さらに、この部位の、積層構造体７の端部側で隣り合う部位でのセラミックグリーンシートの積層数を４とすればよい。【００８８】
次に、低剛性層１７となるペーストを作製する。低剛性層１７に関して、まず、セラミック部２１について説明する。ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３のペロブスカイト型酸化物を用いた圧電セラミックスの仮焼粉末に、バインダー及び可塑剤を添加混合することでセラミック部２１となるペーストを作製する。これを上記の各グリーンシートの上面における所望の位置にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍ程度の厚みに印刷し、乾燥させる。以上により、セラミック部２１となるグリーンシートが作製される。【００８９】
バインダー及び可塑剤とセラミック粉末との比を変えること、スクリーンのメッシュの度数を変えること、或いはスクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、セラミック部２１の大きさ、空隙の大きさ、空隙率等を変化させることができる。【００９０】
次に、低剛性層１７の一つである金属部１９について説明する。銀−パラジウムの金属粉末にバインダー及び可塑剤を添加混合した金属部１９となるペーストを作製する。これを、上記の各グリーンシートの上面の所望の位置にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍ程度の厚みに印刷する。【００９１】
このとき、空隙を介して複数の金属部１９を互いに離隔させるためには、バインダー及び可塑剤と金属粉末との比を変える、スクリーンのメッシュの度数を変える、或いはスクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えて金属ペーストを作製すればよい。これにより、金属部１９の大きさ、空隙の大きさ、空隙率等を変化させることができる。【００９２】
また、内部電極５が銀−パラジウムからなる時には、内部電極５となる導電性ペーストと比較して銀−パラジウムの銀比率の高い導電性ペーストを用いることにより、複雑な工程を経ることなく低剛性層１７を形成することができる。これは、低剛性層１７が形成される位置に上記の銀比率の高い導電性ペーストを配設して同時焼成により積層構造体７を形成すると、銀比率の高い導電性ペーストから銀が拡散していくからである。銀が拡散することによって空隙が形成され、結果、上記の銀比率の高い導電性ペーストは圧電体層３や内部電極５と比較して剛性の低い低剛性層１７となる。【００９３】
なお、本実施形態においては、セラミック部２１となるペーストの印刷パターンと金属部１９となるペーストの印刷パターンは、互いに重なり合わないことが好ましく、相互の間に隙間を持つことが好ましい。これは、互いに重なり合わないことで、低剛性層１７に厚みの大きい箇所と厚みの小さい箇所が生じてしまうことを抑制できるからである。これにより、低剛性層１７と隣接する圧電体層３との間で不要な剥離が生じることを抑制できる。【００９４】
次に、低活性層２３を形成するグリーンシート、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートおよび低剛性層１７を形成するグリーンシートを所望の構成で積層する。導電性ペーストを印刷していないグリーンシートを複数枚重ねた上に導電性ペーストを印刷することにより、厚みの異なる部位が形成される。もちろんあらかじめ厚みの異なるグリーンシートを作製し、これに導電性ペーストを印刷することにより、厚みの異なる部位を形成してもよい。重石をのせるなどして積層構造体７に加圧した状態で所定の温度で脱バインダーを行った後、金属層の厚みに差ができるように加圧による負荷をはずして９００〜１２００℃で焼成することにより、積層構造体７が作製される。【００９５】
このとき、低活性層２３の部分のグリーンシート中に、銀−パラジウムのような内部電極５を構成する金属粉末を添加することにより、低活性層２３と圧電体層３の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を近づけることができる。このようにして、より緻密な積層構造体７を形成することができる。また、低活性層２３の部分のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウムのような内部電極５を構成する金属粉末、無機化合物、バインダー及び可塑剤を備えたスラリーをグリーンシート上に印刷することによっても、低活性層２３と圧電体層３の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を近づけることができる。【００９６】
なお、積層構造体７は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体層３と複数の内部電極５とを交互に積層してなる積層構造体７を形成できれば、いずれの製法によって形成されても良い。【００９７】
次に、積層構造７の２つの側面に、互い違いになるように一層おきに内部電極５に沿ってそれぞれ溝部を形成する。この溝部に、圧電体層３よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を配設する。【００９８】
また、外部電極９となる銀ガラス導電性ペーストを作製する。ガラス粉末に、バインダーを加えることで銀ガラス導電性ペーストを作製する。この銀ガラス導電性ペーストをシート状に成形し、乾燥させる。ここで、上記の銀ガラス導電性ペーストを乾燥させる工程は、溶媒を飛散させ、シートの生密度が６〜９ｇ／ｃｍ３となるように制御することが好ましい。このようにして作製されたシートを、積層構造体７の外部電極９の形成面に転写する。そして、ガラスの軟化点よりも高い温度であって、銀の融点（９６５℃）以下の温度、且つ、積層構造体７の焼成温度（℃）の４／５以下の温度で焼き付けを行う。これにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散して消失し、３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極９を形成することができる。【００９９】
このとき、外部電極９を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、１層ごとに積層しては焼付けを行っても良い。特に、多層のシートに積層してから焼付けを行うことが好ましい。多層のシートに積層してから一度に焼付けを行う方が、量産性に優れているからである。【０１００】
また、上記の多層のシートに関して、一層ごとにガラス成分を変える場合は、シートごとにガラス成分の質量比を変えたものを用いればよい。圧電体層３に最も接した面にごく薄くガラスリッチな層を形成したい場合は、積層構造体７にスクリーン印刷等の方法でガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層する方法を用いればよい。このとき、印刷に代えて５μｍ以下のシートを用いても良い。【０１０１】
なお、銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、５００〜８００℃の範囲に設定することが望ましい。これは、ネック部を効果的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極５を拡散接合させることができるからである。これにより、外部電極９中の空隙を有効に残存させることができる。また、外部電極９と柱状の積層構造体７の側面とを部分的に接合させることもできる。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、５００〜８００℃であるのが望ましい。【０１０２】
焼き付け温度を８００℃以下とすることにより、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎることを抑えることができる。これにより、３次元網目構造をなす多孔質導電体を形成できるので、外部電極９を適度に緻密にさせることができる。そのため、外部電極９のヤング率が高くなりすぎることが抑制されて、外部電極９の断線が抑制される。結果、駆動時の応力をより広範囲に分散させることができる。より好ましくは、ガラスの軟化点の１．２倍以内の温度で焼き付けを行うことがよい。【０１０３】
また、焼き付け温度を５００℃以上とすることにより、内部電極５の端部と外部電極９との間での拡散による接合性をより高めることができる。これにより、より強固なネック部を形成することができる。結果、駆動時に内部電極５と外部電極９との間でより安定して通電させることができる。【０１０４】
そして、外部電極９にリード線を接続し、リード線を介して一対の外部電極９に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層構造体７を分極処理する。これにより、本発明の積層型圧電素子１を利用した圧電アクチュエータが完成する。リード線を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極９を介して圧電体層３に電圧を印加させれば、各圧電体層３は逆圧電効果によって大きく変位する。以上により、例えば、エンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることができる。【０１０５】
次に、本発明の一実施形態にかかる流体の噴射装置について説明する。図１２に示すように、本実施形態の噴射装置２５は、一端に噴射孔２７を有する収納装置２９の内部に上記の実施形態に代表される積層型圧電素子１が収納されている。【０１０６】
収納容器２９内には、噴射孔２７を開閉することができるニードルバルブ３１が配設されている。噴射孔２７には流体通路３３がニードルバルブ３１の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路３３は外部の流体供給源に連結され、流体通路３３に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を開放すると、流体通路３３に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室（不図示）に、噴出されるように構成されている。【０１０７】
また、ニードルバルブ３１の上端部は内径が大きくなっており、収納装置２９に形成されたシリンダ３５と摺動可能なピストン３７が配置されている。そして、収納装置２９内には、上記した積層型圧電素子１が収納されている。【０１０８】
このような噴射装置２５では、圧電アクチュエータが電圧を印加されて伸長すると、ピストン３７が押圧され、ニードルバルブ３１が噴射孔２７を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータが収縮し、皿バネ３９がピストン３７を押し返し、噴射孔２７が流体通路３３と連通して流体の噴射が行われるようになっている。【０１０９】
なお、積層型圧電素子１に電圧を印加することによって流体流路３３を開放し、電圧の印加を停止することによって流体流路を閉鎖するように構成しても良い。【０１１０】
また、本発明の噴射装置２５は、噴射孔２７を有する容器と、上記積層型圧電素子１とを備え、容器内に充填された流体を積層型圧電素子１の駆動により噴射孔２７から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子１が必ずしも容器の内部にある必要はなく、積層型圧電素子１の駆動によって容器の内部に圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本発明において、流体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）および気体が含まれる。噴射装置を用いる事によって、流体の流量および噴出タイミングを制御することができる。【０１１１】
本発明の積層型圧電素子を採用した噴射装置を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べてエンジン等の内燃機関の燃料室に燃料をより長い期間精度よく噴射させることができる。【０１１２】
次に、本発明の一実施形態にかかる流体噴射システムについて説明する。図１３に示すように、本実施形態の流体噴射システム４１は、高圧流体を蓄えるコモンレール４３と、このコモンレール４３に蓄えられた流体を噴射する複数の上記噴射装置２５と、コモンレール４３に高圧の流体を供給する圧力ポンプ４５と、噴射装置２５に駆動信号を与える噴射制御ユニット４７と、を備えている。【０１１３】
噴射制御ユニット４７は、外部情報または外部からの信号に基づいて流体噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に噴射制御ユニットを用いた場合、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。圧力ポンプ４５は、流体タンク４９から流体燃料を高圧でコモンレール４３に送り込む役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システムの場合には１０００〜２０００気圧程度、好ましくは１５００〜１７００気圧程度にしてコモンレール４３に流体を送り込む。コモンレール４３では、圧力ポンプ４５から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置２５に送り込む。噴射装置２５は、上述したように噴射孔２７から一定の流体を噴射装置から外部または隣接する容器に噴射する。例えば、エンジンの場合には燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
【実施例】
【０１１４】
積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を含有する圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したスラリーを作製した。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により、厚み１５０μｍの圧電体層３になるセラミックグリーンシートを作製した。【０１１５】
次に、銀−パラジウムの合金（銀９５質量％−パラジウム５重量％）にバインダーを加えて内部電極５となる導電性ペーストを作製した。この導電性ペーストを、先に作製したグリーンシートの片面に、レジスト厚み２０μｍの製版で、１０μｍの厚さとなるようにスクリーン印刷法により印刷を行った。【０１１６】
このとき、試料番号１の積層型圧電素子１では、各々のグリーンシートの片面にそれぞれ上記導電性ペーストを印刷することにより、グリーンシートの厚みを一定にしている。そして、これらのシートを３００枚積層し、焼成した。焼成は、８００℃で保持した後に、１０００℃で焼成した。【０１１７】
一方、試料番号２−７の積層型圧電素子１では、上記セラミックグリーンシートの厚みを基準としてグリーンシートの一部を２枚又は３枚重ねることにより、基準となるセラミックグリーンシートと比較して厚みが２倍又は３倍となるグリーンシートをそれぞれ作製した。これらのグリーンシートの片面にそれぞれ上記導電性ペーストを印刷した。これらの厚みの異なるグリーンシートをそれぞれ厚みの異なるもの毎に積層することで圧電体層３の厚みの異なる部位を形成した。【０１１８】
そして、これらの部位を積層方向の中心から一方及び他方の端部のそれぞれに向かうに従ってグリーンシートの厚みが段階的に大きくなるように積層した。その後、試料番号１の積層型圧電素子１と同様にして焼成を行った。【０１１９】
試料番号３の積層型圧電素子１は、図２に示した構造を有する。図２に示したように、圧電体層３の厚みを互いに異ならせた部位Ａと部位Ｂとの間に同極の外部電極９に接続された２つの内部電極５と、を備えた応力緩和部１１である部位Ｃが配設されている。【０１２０】
試料番号４−６の積層型圧電素子１は、図４に示した構造を有する。すなわち、これらの積層型圧電素子１は低剛性層１７を具備している。また、試料番号７の積層型圧電素子１は、図７に示した構造を有する。すなわち、同極の外部電極９に接続された２つの内部電極５と積層方向両側でそれぞれ隣接する圧電体層３と、この圧電体層３内に形成された低剛性層１７と、を有している。【０１２１】
試料番号４−７の積層型圧電素子１には、図９または１０に示したように、低剛性層１７を形成するグリーンシートは表１に示すように金属部１９および／またはセラミック部２１が印刷により形成されている。特に、試料番号６及び７の積層型圧電素子１の低剛性層１７は、図１０に示したように金属部１９とセラミックス部２１とを備えている。【０１２２】
本実施例においては、セラミック部２１としては、圧電体層３の形成に用いたセラミックグリーンシートと同じく、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を含有する圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤からなるシートを用いている。また、セラミック部２１となるペーストをレジスト厚み１０μｍの製版で５μｍの厚さとなるように印刷を行った後、８０℃で２０分間乾燥している。【０１２３】
また、本実施例においては、金属部１９として、内部電極５の形成に用いた導電性ペーストを用い、所望の金属部１９を形成する箇所にレジスト厚み５μｍの製版で、５μｍの厚さとなるように印刷をしている。【０１２４】
なお、試料番号４−７の積層型圧電素子１の低剛性層１７の空隙率を既に示した方法により測定したところ、試料番号４、５の積層型圧電素子１では、どちらも０．５であった。また、試料番号６、７の積層型圧電素子１では、どちらも０．２５であった。【０１２５】
次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径２μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６４０℃のガラス粉末とを混合した。この混合物に、バインダーを、銀粉末とガラス粉末の合計質量１００質量部に対して８質量部となるように添加した。このバインダーを加えた混合物を十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷し、乾燥させた。その後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性シートを得た。そして、銀ガラス導電性シートを積層構造体７の外部電極９形成面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極９を形成した。【０１２６】
その後、外部電極９にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極９にリード線を介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、各々の積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータを作製した。【０１２７】
このようにして得られたそれぞれの圧電アクチュエータに１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。この時の変位量を初期状態の変位量として表１に示す。この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動する試験を行った。結果は表１に示すとおりである。
【表１】
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【０１２８】
表１に示すように、試料番号１及び２の素子１は連続駆動の試験中に破損してしまっている。これは、比較例である試料番号１では、積層型圧電素子１の端部に位置する圧電体層３に応力が集中してしまったと考えられる。また、試料番号２では、積層型圧電素子１の端部に位置する圧電体層３への応力の集中は低減できたものの、圧電体層３の厚みを互いに異ならせた部位の境界に位置する圧電体層３に応力が集中してしまったからである。【０１２９】
結果として、試料番号１及び２では、それぞれ一部の圧電体層３にかかる負荷が増大して圧電体層３の一部が破損した。そのため、積層型圧電素子１が破断し、その結果、破断した圧電体層３と積層方向の両方に隣接する内部電極５間で電気的な短絡が起きた。【０１３０】
これに対して、試料番号３〜７の素子１では、積層方向に隣り合う２つの部位間に応力緩和部１１を備えていることにより、１×１０９回連続駆動試験の後においても、素子変位量が著しく低下することなく、圧電アクチュエータとして必要とされる実効変位量を有していた。このようにして、耐久性の改善された圧電アクチュエータを作製することができた。【０１３１】
また、試料番号１−３及び５の積層型圧電素子１においては、複数の内部電極５の空隙率はそれぞれ同等であった。一方で、試料番号４、６及び７の積層型圧電素子１においては、応力緩和部１１と隣り合う１層となりの内部電極５の空隙率が、この内部電極５と上記応力緩和部１１とは積層方向の反対側で隣り合う、応力緩和部１１に対して２層となりの内部電極５の空隙率よりも小さくなっていた。このように、応力の集中する応力緩和部１１により近い内部電極５の方が、空隙率が大きく変位しやすいので、より大きな応力緩和効果が得られた。【０１３２】
特に、試料番号６及び７の積層型圧電素子１においては、低剛性層１７が、金属部１９とセラミックス部２１とを備えていることにより、１×１０９回連続駆動させた後も、素子変位量が殆ど低下しておらず、非常に高い性能が得られていることが分かる。
【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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【国際調査報告】
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