(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層および内部電極層が交互に複数積層されてなる活性部および該活性部の積層方向の両端に配置されたそれぞれ圧電体層が複数積層されてなる不活性部を有する柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられて前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、
前記不活性部における層間の少なくとも１つに、前記不活性部の前記圧電体層を形成する圧電磁器の結晶粒子の粒径よりも粒径の小さい金属粒子が、前記柱状積層体の積層方向から見て前記内部電極層同士が重なる領域を含む範囲に、前記圧電磁器の前記結晶粒子を介して点在しており、前記層間と前記内部電極層との間隔および前記層間同士の間隔は、前記活性部の前記圧電体層の厚みよりも大きいことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記層間における前記金属粒子同士の間隔が、前記不活性部の前記圧電体層を形成する圧電磁器の粒径以上であり、かつ前記層間同士の間隔以下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３】
前記金属粒子は、銀−パラジウム合金からな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】
前記外部電極の端部は、前記金属粒子が点在する前記層間に位置し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】
噴射孔を有する容器と、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とする噴射装置。
【請求項６】
高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する請求項５に記載の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧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ことを特徴とする燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、駆動素子（圧電アクチュエータ），センサ素子および回路素子等に用いられる積層型圧電素子およびそれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電素子は、例えばセラミックグリーンシートに内部電極層となる導電性ペーストを印刷し、この導電性ペーストが塗布されたセラミックグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、この積層成形体を焼成して、焼結された積層体を作製し、積層体に研削加工等の加工を施すことによって得られる。【０００３】
内部電極層は一層おきに正負の外部電極に接続される。正の外部電極に接続された内部電極層と、それに隣接する負の外部電極に接続された内部電極層とが、積層体の積層方向において重なる部位は活性部となり、電圧を印加するとこの活性部の圧電体層が伸縮駆動する。そして、積層体においては、この活性部を挟む形で上下に内部電極層を含まず、伸縮駆動しない不活性部が配置されている。この不活性部は端面と外部治具との絶縁をとるためにも必要な領域である。【０００４】
従来、この不活性部は内部電極層を含まないため端面からクラックが入りやすく、一旦クラックが入ると活性領域まで進展し、電極の短絡を招き、素子として破損する問題があった。また、この不活性層と活性層との界面はそれぞれの焼成収縮率が異なるためデラミネーションを招く問題もあった。これらの対策として、銀の粒子をあらかじめこの不活性層に添加することが知られている。（以下の特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭63−288074号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この対策では、不活性部と活性部との収縮率が近くなり、ある程度デラミネーションを防ぐことができるが、端面からのクラックの進展を抑制することはできなかった。【０００７】
近年、高電圧および高圧力下で長期間連続駆動できることが積層型圧電素子に要求されてきており、さらなる耐久性の向上が望まれている。圧電素子はセラミックのなかでも脆い材料であるため、特に端面は欠けやすく、そこからクラックが進展し、素子の破損につながる問題があった。【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、端面からのクラック進展を抑制し耐久性を向上させた積層型圧電素子およびそれを用いた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層されてなる活性部および該活性部の積層方向の両端に配置されたそれぞれ圧電体層が複数積層されてなる不活性部を有する柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられて前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記不活性部における層間の少なくとも１つに、前記不活性部の前記圧電体層を形成する圧電磁器の結晶粒子の粒径よりも粒径の小さい金属粒子が、前記柱状積層体の積層方向から見て前記内部電極層同士が重なる領域を含む範囲に、前記圧電磁器の結晶粒子を介して点在しており、前記層間と前記内部電極層との間隔および前記層間同士の間隔は、前記活性部の前記圧電体層の厚みよりも大きいことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記層間における前記金属粒子同士の間隔が、前記不活性部の前記圧電体層を形成する圧電磁器の粒径以上であり、かつ前記層間同士の間隔以下であることを特徴とするものである。【００１２】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記金属粒子が、銀−パラジウム合金からなることを特徴とするものである。【００１３】
また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記外部電極の端部が、前記金属粒子が点在する前記層間に位置していることを特徴とするものである。【００１４】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とするものである。【００１５】
本発明の噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧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ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の積層型圧電素子によれば、不活性部の端部からクラックが入っても、金属粒子を含む層で偏向され、エネルギーを吸収される。特に、金属粒子の粒径が小さいので、残留応力も小さく、クラックの進展が抑制され、耐久性が向上する。【００１７】
本発明の噴射装置によれば、噴射孔を有する容器と、上記本発明の積層型圧電素子とを備え、容器内に蓄えられた流体が積層型圧電素子の駆動により噴射孔から吐出されることから、耐久性を向上させた積層型圧電素子を備えているために、耐久性が向上した噴射装置となる。【００１８】
本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、コモンレールに高圧燃料を供給する圧力ポンプと、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ているために、耐久性が向上した燃料噴射システムとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の積層型圧電素子について実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す積層型圧電素子１の一部を模式的に拡大した断面図である。
【図３】本発明の噴射装置について実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の燃料噴射システムについて実施の形態の一例を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態の積層型圧電素子１を示す斜視図である。この積層型圧電素子１は、圧電体層21および内部電極層３ａ，３ｂが交互に複数積層されてなる活性部２ａおよび活性部２ａの積層方向の両端に配置されたそれぞれ圧電体層22が複数積層されてなる不活性部２ｂを有する柱状積層体５を有している。柱状積層体５の側面には、内部電極層３ａ，３ｂが一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極４ａ，４ｂが形成されている。活性部２ａにおける内部電極層３ａ，３ｂは互いに対向する領域を有していて、これらの間に位置する圧電体層21が伸縮駆動する。また、この活性部２ａに対して積層方向の両端部側に位置する不活性部２ｂでは、圧電体層22が伸縮駆動しないようになっている。
【００２２】
そして、積層型圧電素子１は、この不活性部２ｂの層間の少なくとも１つに、不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径よりも粒径の小さい金属粒子12が、柱状積層体５の積層方向から見て内部電極層３ａ，３ｂ同士が重なる領域10を含む範囲に、圧電磁器の結晶粒子13を介して点在している。
【００２３】
積層型圧電素子１は脆い材料であるため欠けやすい。特に、製造工程中や駆動中に端面または角部からクラックが入りやすい。これらのクラックは進展し、内部電極層３ａ，３ｂまで到達すると、内部電極層３ａ，３ｂ間の短絡を生じさせ、破壊に至るのである。これに対し、不活性部２ｂの層間の少なくとも１つに、不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径よりも粒径の小さい金属粒子12が、柱状積層体５の積層方向から見て内部電極層３ａ，３ｂ同士が重なる領域10を含む範囲に点在していることで、たとえ不活性部２ｂの端部からクラックが入っても、クラックは金属粒子12を含む層で偏向され、そのエネルギーを吸収されるため、内部電極層３ａ，３ｂ間の短絡を抑制でき、耐久性が向上するのである。なお、不活性部２ｂの層間とは、不活性部２ｂにおいて積層されている圧電体層22同士の間のことである。また、内部電極層３ａ，３ｂ同士が重なる領域10を含む範囲の外に金属粒子12が存在していてもよく、この存在が本発明に影響することはない。
【００２４】
図２は、図１に示す積層型圧電素子１の一部を模式的に拡大した断面図である。金属粒子12の粒径は圧電磁器の結晶粒子13の粒径より小さいので、残留応力を小さくすることができ、クラックの進展を抑制できる。圧電磁器の結晶粒子13の粒径は１〜５μｍ程度であり、金属粒子12の粒径は0.1〜３μｍ、好ましくは0.5〜２μｍ程度の範囲内で圧電磁器の結晶粒子13の粒径よりも小さい数値である。
【００２５】
なお、圧電磁器の結晶粒子13の粒径および金属粒子の粒径12は、それぞれの平均粒径のことであり、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めたものである。
【００２６】
本発明の積層型圧電素子１は、不活性部２ｂの圧電体層22の層間における金属粒子12同士の間隔ａが、不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径ｂ以上離れているのが好ましい。不活性部２ｂの圧電体層22の層間に点在する金属粒子12は、圧電磁器の結晶粒子13と焼成収縮率が異なるため、焼結後に金属粒子12の周りに残留応力が生じやすい。層間における金属粒子12同士の間隔ａ（金属粒子12と金属粒子12との間の距離）が圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径ｂよりも近いと、これらの残留応力が影響しあい、クラックを進展させるおそれがあるからである。これに対し、不活性部２ｂの圧電体層22の層間における金属粒子12同士の間隔ａが、不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径ｂ以上離れていることで、金属粒子12周りの残留応力に影響されないようにすることができる。ここで、不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径は１〜５μｍ程度であるため、金属粒子12同士の間隔ａは少なくとも２μｍ以上、好ましくは３μｍ以上である必要がある。
【００２７】
また、不活性部２ｂの圧電体層22の層間における金属粒子12同士の間隔ａの上限は、不活性部２ｂの圧電体層22の層間同士の間隔ｃ以下であるのが好ましい。層間同士の間隔ｃ以上に間隔があいてしまうと、クラックが金属粒子12にあたる確率が減り、効果が低減してしまうおそれがあるためである。不活性部２ｂの圧電体層22の層間における金属粒子12同士の間隔ａの上限は、層間同士の間隔ｃ以下であることで、効率的にクラックの進展を抑制することができる。具体的には、不活性部２ｂの圧電体層22の層間同士の間隔ｃは20〜100μｍ程度であるため、層間における金属粒子12同士の間隔ａの上限は50μｍ、好ましくは30μｍであって、層間同士の間隔ｃ（20〜100μｍ程度）よりも小さくなっているのが好ましい。
【００２８】
なお、金属粒子12同士の間隔ａは、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、金属粒子12に含まれない線分の合計長さと間隔の数を測定し、この長さを間隔の数で割ることにより求めた平均距離である。また、層間同士の間隔ｃは、上側の層間に存在する金属粒子12の中心とこれに最も近い下側の層間に存在する金属粒子12の中心を結んだ線分との距離（上側の金属粒子12の中心から下側の層間に存在する金属粒子12の中心を結んだ線分に向かって下ろした垂線の長さ）を異なる線分について任意の数だけ測定して、平均したものである。
【００２９】
また、本発明の積層型圧電素子１は、活性部２ａに最も近い不活性部２ｂの圧電体層22の層間とこの層間に最も近い内部電極層３ａ，３ｂとの間隔ｅおよび不活性部２ｂの圧電体層22の層間同士の間隔ｃが、活性部２ａの圧電体層21の厚みｄよりも大きいのが好ましい。換言すれば、不活性部２ｂの圧電体層22の厚みが活性部２ａの圧電体層21の厚みよりも厚いのが好ましい。先に述べた理由で、金属粒子12の周りには残留応力が生じるが、金属粒子12を含む不活性部２ｂの圧電体層22の層間と内部電極層３ａ，３ｂとの間隔ｅおよび不活性部２ｂの圧電体層22の層間同士の間隔ｃを、活性部２ａの圧電体層の厚みよりも大きくすることで、金属粒子12の周りに生じる残留応力が影響してクラックが層間をつなぐように進展しやすくなるのを抑制することができる。なお、活性部２ａに最も近い不活性部２ｂの圧電体層22の層間とこの層間に最も近い内部電極層３ａ，３ｂとの間隔ｅおよび不活性部２ｂの圧電体層22の層間同士の間隔ｃが大きくなればなるほど、金属粒子12を含む層に進展したクラックは、金属粒子12を含む層に沿って進展しやすくなり、積層方向に進展しにくくなる。具体的には、活性部２ａの圧電体層21の厚みは20〜100μｍ程度であるため、金属粒子12を含む不活性部２ｂの圧電体層22の層間とこの層間に最も近い内部電極層３ａ，３ｂとの間隔ｅおよび層間同士の間隔ｃは30〜300μｍ、好ましくは50〜200μｍであって、活性部２ａの圧電体層21の厚みｄよりも大きいのが好ましい。
【００３０】
また、本発明の積層型圧電素子１に用いる金属粒子12は、柔らかく、圧電磁器との反応性が低い銀−パラジウム合金からなるのが好ましい。クラックのエネルギーをより吸収し、クラックの進展をより抑制できるためである。特に、銀の比率が高い方がより柔らかく効果的であり、銀の比率は70％以上好ましくは90％以上であるのがよい。なお、銅、プラチナなどを用いてもよい。
【００３１】
また、本発明の積層型圧電素子１は、外部電極４ａ、４ｂの端部が、金属粒子12の点在する不活性部２ｂの圧電体層22の層間に位置しているのが好ましい。積層型圧電素子１（活性部２ａ）の伸縮とともに外部電極４ａ、４ｂが伸縮しようとして、外部電極４ａ、４ｂの端部近傍に位置する不活性部２ｂに生じる応力が大きくなる。そのため、金属粒子12の点在する層間にこの外部電極４ａ、４ｂの端部が位置するように配置することで、この応力を柔らかい金属粒子12が緩和するため、より耐久性を向上させることができる。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態の一例の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。まず、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の粉末と、アクリル系、ブチラール系等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）、ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。
【００３３】
次に、得られたスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成形法を用いてセラミックグリーンシートに成形する。
【００３４】
次に、内部電極層３ａ，３ｂとなる導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストは、例えば、主に銀−パラジウム合金からなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して得られたものである。この導電性ペーストをセラミックグリーンシートの片面にスクリーン印刷法等によって内部電極層３ａ，３ｂのパターンに印刷する。
【００３５】
そして、不活性部２ｂとなる部分のセラミックグリーンシートの少なくとも１つには金属粒子12を分散させたペーストを印刷する。これらの金属粒子12は0.1〜３μｍの粒径で、粒子間が不活性部２ｂの圧電体層22を形成する圧電磁器の結晶粒子13の粒径以上で層間の厚み以下となるようにするのがよい。また、粒子間を制御するために金属粒子にＰＺＴ粉末や酸化鉛粉末などのセラミック粒子などを混合したペーストを印刷してもよい。
【００３６】
次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを、例えば図１に示す構成の柱状積層体５となるように積層し、乾燥させることによって積層成形体を得る。この積層成形体の積層方向のさらに両端側に導電性ペーストを印刷していない不活性部７用のセラミックグリーンシートを複数層積層する。その中に、上記金属粒子12を分散させたペーストの印刷されたセラミックグリーンシートを少なくとも１層配置する。そして、その層間の距離は、活性部２ａの圧電体層21の厚み以上となるように設計する。なお、積層成形体は、必要に応じて積層方向に沿って裁断して所望の形状にしてもよい。
【００３７】
次に、積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1150℃で焼成することにより柱状積層体５を得る。必要に応じて柱状積層体５の側面を研磨してもよい。
【００３８】
次に、柱状積層体５の側面に外部電極４ａ，４ｂを形成する。外部電極４ａ，４ｂは、例えば、主に銀からなる金属粉末にバインダー、可塑剤、ガラス粉末等を添加混合して導電性ペーストを作製し、この導電性ペーストを柱状積層体５の側面にスクリーン印刷法等によって印刷して600〜800℃で焼成することにより形成できる。この外部電極４ａ，４ｂは、その端部が金属粒子12の点在する層間に位置するような長さとするのがよい。さらに、外部電極４ａ，４ｂの外面に、導電性接着剤を用いて金属から成るメッシュ状体またはメッシュ状の金属板を取り付けてもよい。金属から成るメッシュ状体とは、金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に多数の貫通孔を形成してメッシュ状にしたものである。
【００３９】
その後、外部電極４ａ，４ｂにリード線を半田等で接続した後、外部電極４ａ，４ｂを含む柱状積層体５の側面に、シリコーンゴム等からなる外装樹脂をディッピング等の手法を用いてコーティングすることにより、積層型圧電素子１を得る。
【００４０】
次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。図３は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。図３に示すように、本実施の形態の噴射装置６は、一端に噴射孔61を有する収納容器62の内部に上記の積層型圧電素子１が収納されている。
【００４１】
収納容器62内には、積層型圧電素子１の駆動により噴射孔61を開閉することができるニードルバルブ63が配設されている。噴射孔61には燃料通路64がニードルバルブ63の動きに応じて連通可能に配設されている。この燃料通路64は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路64に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ63が噴射孔61を開放すると、燃料通路64に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出される。
【００４２】
また、ニードルバルブ63の上端部は内径が大きくなっており、収納容器62に形成されたシリンダ65と摺動可能なピストン66になっている。そして、収納容器62内には、上記の積層型圧電素子１がピストン66に接して収納されている。
【００４３】
このような噴射装置６では、積層型圧電素子１が電圧を印加されて伸長すると、ピストン66が押圧され、ニードルバルブ63が噴射孔61を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子１が収縮し、皿バネ67がピストン66を押し返し、噴射孔61が燃料通路64と連通して燃料の噴射が行なわれるようになっている。
【００４４】
本実施の形態の噴射装置６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焼室に燃料をより長い期間にわたって精度よく噴射させることができる。
【００４５】
なお、噴射装置６は、噴射孔61を有する容器と、積層型圧電素子１とを備え、容器内に充填された液体が積層型圧電素子１の駆動により噴射孔61から吐出させるように構成されていればよい。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。本実施の形態において、液体とは、燃料、インクなどの他、種々の液状流体（導電性ペースト等）が含まれる。
【００４６】
図４は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略ブロック図である。図４に示すように、本発明の実施の形態の燃料噴射システム７は、高圧燃料を蓄えるコモンレール71と、このコモンレール71に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の噴射装置６と、コモンレール71に高圧の燃料を供給する圧力ポンプ72と、噴射装置６に駆動信号を与える噴射制御ユニット73とを備えている。
【００４７】
噴射制御ユニット73は、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ものである。圧力ポンプ72は、燃料タンク74から燃料を1000〜2000気圧（約101ＭＰａ〜約203ＭＰａ）程度、好ましくは1500〜1700気圧（約152ＭＰａ〜約172ＭＰａ）程度にしてコモンレール71に送り込む役割を果たす。また、コモンレール71では、圧力ポンプ72から送られてきた燃料を蓄え、適宜噴射装置６に送り込む。そして、噴射装置６は、上述したように噴射孔61から少量の燃料を燃焼室内に霧状に噴射する。
【００４８】
本実施の形態の燃料噴射システム７を用いれば、従来の燃料噴射システムに比べて高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。
【実施例】
【００４９】
本発明の積層型圧電素子の実施例について以下に説明する。【００５０】
先ず、ＰＺＴを主成分とする圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み150μｍのセラミックグリーンシートを作製した。【００５１】
次に、このセラミックグリーンシートの片面に、銀の含有量が70質量％でパラジウムの含有量が30質量％である銀−パラジウム合金の粉末を、スクリーン印刷法により、所望のパターン形状として５μｍの厚みに印刷し、導電性ペースト層とした。また、銀の含有量が90質量％でパラジウムの含有量が10質量％の平均粒径１μｍの銀−パラジウム合金の粉末20質量％（表１の試料番号３）もしくは銀の含有量が70質量％でパラジウムの含有量が30質量％の平均粒径１μｍの銀−パラジウム合金の粉末20質量％（表１の試料番号２，４〜７）に対し、平均粒径３μｍのＰＺＴの粉末を60〜90質量％混合させ、粒子間距離が変わるよう調整した粉末をスクリーン印刷法により、上記と同様の形状として５μｍの厚みに印刷し非導電性ペースト層とした。【００５２】
次に、導電性ペースト層を乾燥させた後、導電性ペースト層が塗布された複数のセラミックグリーンシートを100枚積層し、１次積層成形体を作製した。さらに、１次積層成形体の積層方向の上側端部に導電性ペーストが塗布されていないセラミックグリーンシートを20枚積層し、下側端部に20枚積層し、積層成形体を作製した。その際、１層もしくは３層おきに上記の合金とＰＺＴとを含む非導電性ペースト層を加えた。【００５３】
次に、この積層成形体を100℃で加熱しながら加圧し、積層成形体のセラミックグリーンシートを一体化した。【００５４】
次に、積層成形体を断面が８ｍｍ×８ｍｍの四角形状で長さが18ｍｍの四角柱状に切断した後、800℃で10時間の脱バインダーを行ない、1130℃で２時間焼成することにより、柱状積層体を得た。焼成の際に使用した焼成鉢は、密閉構造のＭｇＯ製の鉢を用い、積層成形体および積層成形体に含まれるセラミックスと同じ組成のセラミック粉末を鉢に入れて焼成し、柱状積層体を得た。なお、柱状積層体における活性部および不活性部の圧電体層の厚みは100μｍであった。【００５５】
次に、積層体の４つの側面を、0.2ｍｍの厚み分ずつ、平面研削盤を用いて研磨した。
このとき、内部電極層の端部を交互に柱状積層体の２つの側面に露出させた。即ち、内部電極層３ａの端部が外部電極４ａ側の柱状積層体の側面に露出し、内部電極層３ｂの端部が外部電極４ｂ側の柱状積層体の側面に露出するようにした。【００５６】
次に、柱状積層体の２つの側面に、銀とポリイミド樹脂を含む導電性接着剤を塗布し、この導電性接着剤中に、ステンレスから成るメッシュ状体を埋め込み、この状態で200℃に加熱し導電性接着剤を硬化させることにより、外部電極４ａと外部電極４ｂとを形成した。各条件で試作されたサンプルのうち各３個抜き取り、側面から２ｍｍ研磨したのち、粒径１μｍのダイヤモンドペーストで鏡面仕上げした。【００５７】
そして、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の1000倍の画像で観察し、金属粒子の中心を結ぶ100μｍの線分の間に含まれる金属粒子の数と金属粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を金属粒子の数で割ることによって、金属粒子の平均粒径を求めたところ、平均粒径は１μｍであった。また、圧電磁器だけを含む100μｍの線分の間に含まれる圧電磁器の結晶粒子の数と結晶粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を結晶粒子の数で割ることによって、圧電磁器の結晶粒子の平均粒径を求めたところ、平均粒径は３μｍであった。【００５８】
さらに、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の1000倍の画像で観察し、金属粒子の中心を結ぶ100μｍの線分における金属粒子に含まれない線分の合計長さと間隔の数を測定し、この長さを間隔の数で割ることにより金属粒子同士の間隔を求めた。その結果を表１に示す。【００５９】
また、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の500倍の画像で観察し、上側の層間に存在する金属粒子の中心とこれに最も近い下側の層間に存在する金属粒子の中心を結んだ線分との距離（上側の金属粒子12の中心から下側の層間に存在する金属粒子12の中心を結んだ線分に向かって下ろした垂線の長さ）を異なる５個の線分について測定して、平均化した。その結果を表１に示す。【００６０】
また端面にヴィッカース硬度計にて、不活性部端面に500ｇの荷重をかけ約150μｍのクラックを発生させた。【００６１】
次に、正極用の外部電極（外部電極４ａ）、負極用の外部電極（外部電極４ｂ）に、それぞれリード線をはんだで接続し、積層型圧電素子の表面をアルコールで洗浄した。その後、プライマーによって積層体に表面処理を施して外装樹脂の密着性を向上させた後に、ディッピング法によってシリコーンゴムから成る外装樹脂を積層体の表面に被覆し、積層型圧電素子を作製した。【００６２】
最後に、積層型圧電素子に２ｋＶ／ｍｍの分極電圧を印加し、積層型圧電素子の圧電体層全体に分極処理を施して、本発明の積層型圧電素子を得た。【００６３】
このとき、柱状積層体における構成を表１のように５種類のものとした５種類の積層型圧電素子を作製した。【００６４】
試料番号２〜７の積層型圧電素子は、図１に示すように、不活性部に金属粒子を含む層を設けたものである。【００６５】
具体的には、試料番号２の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝70／30の粉末が２μｍの間隔で分散した層を100μｍの間隔で２層配置したものである。【００６６】
試料番号３の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝90／10の粉末が３μｍの間隔で分散した層を100μｍの間隔で２層配置したものである。【００６７】
試料番号４の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝70／30の粉末が３μｍの間隔で分散した層を300μｍの間隔で２層配置したものである。【００６８】
試料番号５の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝70／30の粉末が５μｍの間隔で分散した層を100μｍの間隔で２層配置したものである。【００６９】
試料番号６の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝70／30の粉末が40μｍの間隔で分散した層を100μｍの間隔で２層配置したものである。【００７０】
試料番号７の積層型圧電素子は、平均粒径１μｍの銀／パラジウム＝70／30の粉末が110μｍの間隔で分散した層を100μｍの間隔で２層配置したものである。【００７１】
これらの積層型圧電素子にそれぞれ200Ｖの直流電圧を印加した結果、各積層型圧電素子とも伸縮駆動による10μｍの変位量（初期の変位量）が得られた。なお、変位量の測定は、試料を防振台上に固定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザ変位計により素子の中心部および両端部の３箇所で測定することによって行ない、３箇所の変位量の平均値を積層型圧電素子の変位量とした。【００７２】
さらに、これらの積層型圧電素子に０Ｖ〜＋200Ｖの交流電界を200Ｈｚの周波数で印加し、150℃で駆動試験を行なった。駆動試験は、積層型圧電素子を１×10９サイクル連続駆動した後の変位を測定し、初期の変位からの変化を調べた。具体的には、各試料について10個ずつ評価を行い、変位の変化量の絶対値が0.5μｍを超えるものを不良として、その個数を確認した。また、１×10９サイクル連続駆動した後の不活性部端面から活性部までのクラックの進展状況を確認した。具体的には、各試料について10個ずつ測定し、不活性部端面から活性部までクラックが進展したものの個数を確認した。その結果を表１に示す。【００７３】
なお、比較例として、不活性部に金属粒子を含む層を設けていない積層型圧電素子を作製し（試料番号１）、試料番号２〜７の積層型圧電素子と同様に、初期の変位量を測定したところ、10本とも所定の変位は得られなかったことを確認した。また、試料番号１の積層型圧電素子について、試料番号２〜７の積層型圧電素子と同様に、不活性部端面から活性部までクラックが進展したものの個数を確認した。その結果を表１に示す。【００７４】
【表１】
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【００７５】
本発明の試料番号２〜７の積層型圧電素子は、それぞれの試料の10個の全てにおいて、初期の変位量と１×10９サイクル連続駆動後の変位量との差の絶対値が0.5μｍを超えることはなかった。【００７６】
また、表１より、試料番号５〜７の積層型圧電素子において不活性部端面から活性部までクラックが進展したものが１個乃至２個存在したものの、試料番号２〜７の積層型圧電素子の全てにおいて、金属粒子の存在がクラックの進展を抑制していることが確認された。【００７７】
これに対し、試料番号１の積層型圧電素子は、不活性部端面から活性部までクラックが進展したものが10個中10個であることが確認された。【００７８】
なお、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えても何等差し支えない。
【符号の説明】
【００７９】
１：積層型圧電素子
２ａ：活性部
２ｂ：不活性部
21，22：圧電体層
３ａ，３ｂ：内部電極層
４ａ，４ｂ：外部電極
５：柱状積層体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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