(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、前記複数の金属層は、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでおり、
２つの前記高比率金属層の間には、該高比率金属層以外の他の金属層が複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、前記一成分の濃度が前記高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されている請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記一成分が銀であり、前記他の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、前記高比率金属層が銀からなる請求項２記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記他の金属層が銀パラジウム合金からなる請求項３記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
複数の前記高比率金属層が規則的に配置されている請求項１〜４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記高比率金属層と前記圧電体層との密着力が、高比率金属層以外の他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低い請求項１〜５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記高比率金属層は、ビッカース硬さが高比率金属層以外の他の金属層よりも低い請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
噴出孔を有する収納容器の内部に請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子を収納した噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子（以下、単に「素子」ということもある）に関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止装置等に搭載される駆動素子（圧電アクチュエータ）、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、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、並びに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子等に用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、積層型圧電素子を用いたものとしては、圧電体と金属層を交互に積層した圧電アクチュエータが知られている。一般に、圧電アクチュエータは、同時焼成タイプと、１つの圧電体からなる圧電磁器と板状体の金属層を交互に積層したスタックタイプの２種類に分類されている。これらのうち、低電圧化、製造コスト低減の観点から、薄層化の点で有利であり、しかも耐久性の点で有利である同時焼成タイプの圧電アクチュエータが優位になりつつある。
【０００３】
図７（ａ）は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子は、積層体１３３と、互いに対向する側面に形成された一対の外部電極１０５とから構成されている。積層体１３３は、圧電体１０１と金属層１０２とが交互に積層されてなる。積層体１３３の積層方向における両端面には不活性層１０４がそれぞれ積層されている。金属層１０２は圧電体１０１の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の金属層１０２は、一層おきに積層体１３３の異なる側面に露出するように積層されており、一対の外部電極１０５にそれぞれ一層おきに接続されている。
【０００４】
このような従来の積層型圧電素子の製造方法は、以下の通りである。すなわち、まず、圧電体１０１の原料を含むセラミックグリーンシートに、金属ペーストが図７（ｂ）に示すような所定の金属層構造となるパターンで印刷される。ついで、金属ペーストを印刷したグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、これを焼成することによって、図８のような断面構造を有する積層体１３３が得られる。その後、積層体１３３の対向する側面に金属ペーストを塗布した後、焼成することによって、一対の外部電極１０５が形成され、積層型圧電素子が得られる（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
一般に、金属層１０２としては、銀とパラジウムの合金が用いられている。また、圧電体１０１と金属層１０２を同時焼成するために、金属層１０２の金属組成は、銀７０質量％、パラジウム３０質量％に設定されている（例えば、特許文献２参照）。このように銀のみからなる金属層ではなく、銀−パラジウム合金からなる金属層１０２を用いるのは、以下の理由からである。すなわち、金属層１０２を、パラジウムを含まない銀のみの組成にすると、対向する金属層１０２間に電位差を与えたときに、対向する金属層１０２における正極から負極へ金属層中の銀が素子表面を伝わって移動する、いわゆるイオンマイグレーション現象が生じるからである。この現象は、特に高温、高湿の雰囲気中で著しく発生する傾向にある。
【０００６】
また、従来、金属充填率が略同一な金属層１０２を形成することを目的に、金属成分比や金属濃度を略同一に調製した金属ペーストが用いられている。この金属ペーストをセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷する際には、メッシュ密度やレジスト厚みがほ
ぼ同一条件に設定され、積層体１３３が作製される。
【０００７】
また、セラミックグリーンシートを押圧積層した際、金属層１０２が重なり合う部分と重なり合わない部分で押圧状態が異なるため、金属層１０２の同一面内でも金属層密度が不均一になることがあるので、金属層１０２を形成する部分のセラミックテープに凹部を形成して、金属充填率を均一にする方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００８】
ところで、従来の積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極１０５にリード線（不図示）を半田により接続固定し、外部電極１０５間に所定の電位をかけて駆動させる。そして、近年では、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。
【０００９】
このように高電界、高圧力下で長時間連続駆動させるという要求に対応するために、特許文献４には、圧電体１０１の厚みを変化させた層を設けた素子が提案されている。すなわち、厚みの異なることで他の層と変位量が変化することを利用して応力緩和を試みられている。
【００１０】
また、同時焼成タイプの積層型圧電素子では、すべての圧電体に均一に電界が印加されるように、均一な金属層を形成することが試みられてきた。特に、各金属層の導電率を均一にし、また、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の金属組成を均一にすることが試みられてきた。
【００１１】
更に、スタックタイプの積層型圧電素子において、電極と圧電体の界面の接触抵抗を積層型圧電素子の積層方向の中央部で高抵抗とし、両端に向かうにつれて小さくなるように制御し、積層型圧電素子の積層方向の中央部に応力が集中しないようにすることが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭６１−１３３７１５号公報
【特許文献２】実開平１−１３０５６８号公報
【特許文献３】特開平１０−１９９７５０号公報
【特許文献４】特開昭６０−８６８８０号公報
【特許文献５】特開平６−３２６３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こすため、全ての圧電体が金属層を介して密着して駆動すると、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時に広がり、伸びた時にはくびれる素子中央部の外周部分に、素子の変形による応力が集中することになる。これにより、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合には、圧電体層と金属層との界面（積層界面）においてデラミネーションが生じることがあった。特に、圧電変位する活性層と圧電変位しない不活性層の界面に応力が集中し、この界面がデラミネーションの起点となっていた。
【００１４】
また、各圧電体層の変位挙動が一致する共振現象が発生してうなり音が発生したり、また、駆動周波数の整数倍の高調波信号が発生してノイズ成分が生じることがあった。
【００１５】
また、連続的に寸法変化を起こす積層型圧電素子を長時間駆動すると、素子温度が上昇し、この素子温度上昇分のエネルギーが放熱量を上回ると変位量が低下するという問題があった。従って、素子温度の上昇を抑制するために、比抵抗の小さい金属層が求められていた。
【００１６】
さらに、圧電体の変位量は環境温度によって変化する特徴を持っているので、従来の積層型圧電素子を燃料噴射装置等の駆動素子に利用されるアクチュエータとして用いた場合には、素子温度の上昇によって圧電体の変位量が変化することがある。
【００１７】
その改善方法として、特許文献４、５に示すような方法がなされたが、現在は、高電界、高圧力下で長時間連続運転すると言うような過酷な条件下で使う場合が多くなっており、このような条件下では、まだ、改善が十分とは言えず、素子中央部の外周に応力が集中し、クラックが生じたり、剥がれたりして、変位量が変化することがあった。
【００１８】
したがって、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、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変化を抑制し、かつ、積層界面におけるデラミネーションを抑制することができる耐久性に優れた積層型圧電素子及びこれを用いた噴射装置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】
【００１９】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、前記複数の金属層は、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする。また、複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。さらに、前記一成分が銀であり、前記他の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、前記高比率金属層が銀からなるのがより好ましく、前記他の金属層が銀パラジウム合金からなるのがさらに好ましい。また、複数の前記高比率金属層は、規則的に配置されているのが好ましい。また、前記高比率金属層と前記圧電体層との密着力は、高比率金属層以外の他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低いのがよい。さらに、前記高比率金属層は、ビッカース硬さが高比率金属層以外の他の金属層よりも低いのがよい。また、２つの前記高比率金属層の間には、該高比率金属層以外の他の金属層が複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、前記一成分の濃度が前記高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在する。
【００２１】
本発明の噴射装置は、噴出孔を有する収納容器の内部に上記のいずれかに記載の積層型圧電素子を収納していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいるので、部分的に硬さの異なる金属層を配置することができ、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、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積層部分におけるデラミネーションを抑制することができる。さらに、高比率金属層を複数配置することで、圧電素子の変位（寸法変化）が揃った場合に生じる共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止することができるだけでなく、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することができる。
【００２４】
本発明の噴射装置は、積層型圧電素子を連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないため、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は、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り、（ｂ）は、（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。
【図２】第１の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図４】第３の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図５】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６】表７の試料番号１の金属層の銀組成を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、（ｂ）は圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。
【図８】従来の積層型圧電素子の圧電体と金属層との積層構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜積層型圧電素子＞
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態にかかる積層型圧電素子について詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図２は本実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【００２７】
図１および図２に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層１１と合金を主成分とする複数の金属層１２（１２ａ，１２ｂ）とを交互に積層してなる積層体１３を有し、該積層体１３の対向する側面に一対の外部電極１５が配設されている（一方の外部電極は不図示）。金属層１２は、圧電体層１１の主面全体には形成されておらず、
いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の複数の金属層１２は、一層おきに積層体１３の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。これにより、金属層１２は、一層おきに、一対の外部電極１５に電気的に接続されている。なお、一対の外部電極１５は、隣設する側面に形成してもよい。
【００２８】
また、積層体１３の積層方向の両端側には圧電体で形成された不活性層１４が積層されている。この積層型圧電素子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１５にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。この外部電圧供給部からリード線を通じて隣り合う金属層１２間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層１１が逆圧電効果によって変位する。一方、不活性層１４は一方の主面側に金属層１２が配置されているのみであり、他方の主面側には金属層１２が配置されていないので、電圧を印加しても変位が生じない。
【００２９】
本実施形態の積層型圧電素子は、図２に示すように、複数の金属層１２が、合金を主成分としてなり、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層１２ａよりも高い高比率金属層１２ｂを複数含んでいることを特徴としている。すなわち、合金は、組成により軟らかさ（硬さ）を自在に変化させることができるので、複数の金属層１２のうちの一部を、高比率金属層１２ｂとすることで、部分的に軟らかさが異なる金属層を配置することができる。これにより、圧電素子に加わる応力を分散させることができるので、応力集中による素子変形の抑圧が緩和され、素子全体の変位を大きくすることができる。また、素子の変形による応力が集中するのを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層界面においてデラミネーションが生じて破損するのを抑制することができる。
【００３０】
上記したように、本実施形態における「高比率金属層１２ｂ」は、合金を構成する一成分の比率（例えば、銀パラジウム合金を構成する銀の比率）が隣り合う両側の金属層１２ａよりも高い金属層のことである。高比率金属層１２ｂにおける一成分の比率Ｂは、これに隣り合う両側の金属層１２ａにおける一成分の比率Ａよりも高く設定されていればよいが（Ｂ＞Ａ）、比率Ｂが比率Ａよりも好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは０．５〜１０質量％、さらに好ましくは１〜３質量％高く設定されているのがよい。比率Ｂが比率Ａよりも０．１質量％以上高く設定されているときには、素子に加わる応力を分散させる高い効果を得ることができる。特に、比率Ｂが比率Ａよりも０．５質量％以上高く設定されているときには、その効果が高い。一方、比率Ｂが比率Ａよりも１０質量％を超える範囲で高く設定されているときには、高比率金属層１２ｂの熱膨張係数と隣り合う両側の金属層１２ａの熱膨張係数が異なることで、圧電体層と金属層との間の熱膨張率の差に起因する応力に分布が生じて積層型圧電素子内に応力が集中する箇所が生じるおそれがある。
【００３１】
また、本実施形態の積層型圧電素子では、駆動変形する領域は、圧電体層１１のうち、該圧電体層１１の両側の主面に配設された金属層１２が圧電体層１１を介して積層方向に重なり合う領域である。したがって、本発明の効果を得るためには、高比率金属層１２ｂにおける一成分の比率Ｂ及び金属層１２ａにおける一成分の比率Ａは、圧電体層１１を介して積層方向に重なり合う領域において上記関係を満足していればよい。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、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積層部分におけるデラミネーションを抑制することができる。さらに、圧電素子の変位（寸法変化）が揃った場合に生じる共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止することができるだけでなく、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することができる。
【００３２】
さらには、高比率金属層１２ｂを複数配置することで、積層型圧電素子１３の変位の大きさを制御できるので、圧電体層１１の厚みを変える必要がなく、量産性に有効な構造とすることができる。
【００３３】
金属層１２の合金組成は、以下のようにして測定することができる。すなわち、金属層１２が露出するように、金属層１２と圧電体層１１との界面で積層体１３を切断するなどして、金属層１２の一部を採取し、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析等の化学分析をすることで測定できる。また、積層型圧電素子を積層方向に切断した断面を、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）法等の分析方法を用いて分析することもできる。積層型圧電素子の切断面において、金属層をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）や金属顕微鏡で観察すると、金属成分だけでなく、ボイドや、セラミック成分等の金属以外の要素も含まれていることがある。このような場合には、金属のみで構成された部分をＥＰＭＡ法等により分析すればよい。これにより、高比率金属層１２ｂとそれ以外の金属層１２ａの合金比率を特定できる。
【００３４】
また、複数の高比率金属層１２ｂは、該高比率金属層１２ｂ以外の他の金属層１２ａを１層又は複数層挟んでそれぞれ配置されている。例えば金属層１２を構成する合金が銀パラジウムで、前記一成分が銀である場合には、以下の理由から複数の高比率金属層１２ｂは、該高比率金属層１２ｂ以外の他の金属層１２ａを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。すなわち、高比率金属層１２ｂと他の金属層１２ａが１層ずつ交互に連続して配置されていると、積層型圧電素子１３内部の応力は全ての金属層１２に対して均一に分散するというメリットがある。一方、高比率金属層１２ｂは、他の金属層１２ａと比較して銀比率が高いことに起因して層自体が柔らかいので、高比率金属層１２ｂが他の金属層１２ａと同程度の層数存在すると駆動変位が緩和される作用も大きくなり、駆動変位量が低下する傾向にある。したがって、複数の高比率金属層１２ｂを、高比率金属層以外の他の金属層１２ａを複数層挟んでそれぞれ配置させることで、他の金属層１２ａを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができ、さらに、複数の高比率金属層１２ｂの部分で応力緩和を可能とするので、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれることがない。
【００３５】
また、金属層１２を構成する合金は、周期律表８〜１０族金属および／または１１族金属を主成分とすることで、圧電体と金属層とを同時焼成することが可能となり、接合界面を強固に結合できるだけでなく、素子が変位して金属層に応力が加わっても、金属層自体が伸縮できるので、応力が一点に集中することがなく、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。金属層１２を構成する合金は、特に、銀パラジウム合金であり、上記一成分が銀であるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で焼成して積層型圧電体素子１３を得ることができるというだけでなく、銀とパラジウムは全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成することなく応力緩和効果を有する柔らかい高比率金属層１２ｂを形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層１２と圧電体層１１との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層１２を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
【００３６】
さらに、複数の高比率金属層１２ｂは規則的に配置されていることが好ましい。不規則に配置されると、積層型圧電素子全体に加わる応力が、高比率金属層同士の間隔が広い部分に集中して、応力分散の効果が十分に得られないおそれがある。高比率金属層１２ｂを規則的に配置することで、積層型圧電素子に加わる応力が効果的に分散される。ここで、
本発明において「高比率金属層が規則的に配置されている」とは、高比率金属層１２ｂ間に存在する他の金属層１２ａの層数がいずれの高比率金属層１２ｂ間においても同じである場合はもちろんのこと、一部に応力が集中しない程度に、高比率金属層１２ｂ間に存在する他の金属層１２ａの層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、高比率金属層１２ｂ間に存在する他の金属層１２ａの層数は、好ましくは各層数の平均値に対して±２０％の範囲内、より好ましくは各層数の平均値に対して±１０％の範囲内、さらに好ましくはすべて同数であるのがよい。高比率金属層１２ｂ間に存在する他の金属層１２ａの層数が、上記範囲内にあることで、積層型圧電素子に加わる応力がより効果的に分散される。
【００３７】
また、高比率金属層１２ｂと圧電体層１１との密着力は、高比率金属層以外の他の金属層１２ａと圧電体層１１との密着力よりも低く設定されているのが好ましい。このように高比率金属層１２ｂの密着力が他の金属層１２ａよりも低いことで、積層型圧電素子に応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層１２ｂが変形して応力が緩和される。また、密着力の弱い高比率金属層１２ｂに接する圧電体層１１は、当該高比率金属層１２ｂとの接触面積が小さくなることで圧電体１１を拘束する力が小さくなる。これによっても積層型圧電素子にかかる応力を緩和するとともに、応力の一点集中をさけることができるので、耐久性に優れた積層型圧電素子とすることができる。
【００３８】
さらに、高比率金属層１２ｂは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が他の金属層１２ａよりも低く設定されているのが好ましい。高比率金属層１２ｂのビッカース硬さ（Ｈｖ）が他の金属層１２ａよりも低い、すなわち他の金属層１２ａよりも柔らかい金属層とすることで、圧電素子を駆動させた際に、高比率金属層１２ｂは、これに接する圧電体層１１を拘束する力が弱くなり、圧電体層１１は変位を大きくすることが可能となる。そのために、耐久性が高く、変位の大きい積層型圧電素子とすることができる。
【００３９】
本実施形態にかかる積層型圧電素子では、金属層１２の積層方向の厚みが薄いため、金属層１２のビッカース硬さは以下のようにして測定される。すなわち、ビッカース硬さを測定する際は、例えば明石製作所製ＭＶＫ−Ｈ３型などのマイクロビッカース測定器を使用する。金属層１２のビッカース硬さを測定するには、金属層１２と圧電体層１１の界面付近で積層型圧電素子を切断して、金属層１２の部分にダイヤモンド圧子を押し込んで測定することもできるが、下地である圧電体層１１の影響を受けないようにするためには、金属層１２の積層方向に垂直な方向から、金属層１２にダイヤモンド圧子を押し込むのが好ましい。圧電素子の側面から金属層１２が露出している場合は、ダイヤモンド圧子と金属層１２の積層方向が垂直になるように積層型圧電素子を設置して、ダイヤモンド圧子を金属層１２に直接押し込んで硬度を測定する。一方、圧電素子の側面から金属層１２が露出していない場合は、金属層１２が見えるまで素子を研磨した後、上記と同様にして硬度を測定する。金属層１２を露出させるためには、研磨以外に、ダイシングソーマシーンでの切断や、リューター等の利用が考えられるが、クラック等を生じさせずに平坦な面を形成できる手法であれば、特に手法は限定するものではない。
【００４０】
また、２つの高比率金属層１２ｂの間には、該高比率金属層以外の他の金属層１２ａが複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、合金を構成する一成分の濃度が高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在しているのが好ましい。このような傾斜濃度領域が存在することで、積層型圧電素子の応力が高比率金属層１２ｂに集中しつつ、その近傍の金属層１２ａ（傾斜濃度領域の金属層１２ａ）にも応力を分散させることができるので、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。さらに、全ての高比率金属層１２ｂ間において、上記傾斜濃度領域が存在するのがさらに耐久性を高める点でより好ましい。一方、合金を構成する一成分の比率が、高比率金属層１２ｂとこれに隣り合う金属層１２ａとにおいて極端に異なっていると、応力緩和層となる高比率金属層１
２ｂに応力が集中しやすくなるおそれがある。
【００４１】
本発明では、金属層１２が多数のボイドを有していることが好ましい。金属層１２に金属成分以外の絶縁物質が含有すると、圧電素子を駆動させた際に、圧電体層１１に電圧を印加できない部分が生じて圧電変位を大きくできないおそれがあるだけでなく、絶縁物質の部分に駆動時の応力が集中してデラミネーションの起点となるおそれがある。一方、金属層１２が多数のボイドを有していると、金属部分に応力が加わった際に、ボイドの部分があることで金属が変形しやすくなり応力を分散緩和することができる。また、金属層１２に接する圧電体層１１が圧電変位する際、ボイドの部分があることで、圧電体層１１を部分的にクランプすることになり、全面でクランプするときよりも圧電体層１１が束縛される力が小さくなって変位しやすくなり、変位量を大きくすることができる。これにより、圧電素子の変位量がより大きく、しかも耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。
【００４２】
特に、高比率金属層以外の他の金属層１２ａにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が５〜７０％であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層以外の他の金属層１２ａの面積に対して５〜７０％占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位特性に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
【００４３】
ここで、上述した金属層の面積に対するボイドの占める割合（ボイド率）は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、金属顕微鏡、光学顕微鏡などを用いて、積層型圧電素子における積層方向に平行な断面又は積層方向に垂直な断面を観察して断面画像を得、この断面画像を評価すればよい。その切断面において、金属層の部分に存在する空隙（ボイド）の面積を測定し、そのボイドの面積の総和を金属層の面積で除した値を１００倍したものである。
【００４４】
他の金属層１２ａのボイド率が５％より小さいと圧電体層１１が電界を印加されて変形する際に金属層１２ａから大きな拘束力を受け、圧電体層１１の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が小さくなって、発生する内部応力も大きくなるおそれがある。一方、他の金属層１２ａのボイド率が７０％より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層１２ａにクラックが生じやすくなり、断線等を生じる恐れがある。ボイド率は、より好ましくは７〜７０％、さらに好ましくは１０〜６０％であるのがよい。このようにすることで、圧電体層１１をよりスムーズに変形できるとともに、金属層１２は導電性を充分に有しているため、積層型圧電素子の変位量を増大させることができる。
【００４５】
また、高比率金属層１２ｂの断面における全断面積に対するボイドの占める面積比は２０〜９０％であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層１２ｂの面積に対して２０〜９０％占めるようにすると、さらに変位量が大きくなり、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
【００４６】
さらに、金属層１２が主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。特に、高比率金属層以外の他の金属層１２ａよりも高比率金属層１２ｂが主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、応力緩和効果が向上し、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。
【００４７】
ボイド率の具体的な測定方法は次の通りである。すなわち、ボイド率を測定する方法は大きく分けて次の２つある。第１の方法は、積層体１３を積層方向に平行な面で切ったと
きの断面を観察する方法であり、第２の方法は、積層体１３を積層方向に垂直な面で切ったときの断面を観察する方法である。
【００４８】
ボイド率を第１の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積層方向に平行な断面が露出するように、積層体１３を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、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とができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層のボイド率を測定することができる。具体例を挙げると、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積）／（黒色部分の面積＋白色部分の面積）を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に２階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の敷居値を設定して２値化すればよい。
【００４９】
また、ボイド率を第２の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、ボイド率を測定したい金属層の断面（積層方向に垂直な断面）が露出するまで、公知の研磨装置を用いて積層体１３の積層方向に研磨する。具体的には、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とができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層のボイド率を測定することができる。具体的には、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積）／（黒色部分の面積＋白色部分の面積）を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に２階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の敷居値を設定して２値化すればよい。なお、金属層の断面を観察する際には、これらの厚みの約１／２の位置まで研磨し、これにより露出した断面を観察するのが好ましい。ただし、金属層の厚みが薄く、かつ、厚みのばらつきが比較的大きな場合には、研磨処理により金属層の断面全体を露出させることができないことがある。このような場合には、金属層の一部が露出するまで研磨処理した時点で、その露出部分を観察して断面画像を得た後、さらに研磨を進めて、既に観察した部分を除く他の部分を観察するという操作を複数回繰り返してもよい。このようにして複数回の操作で得た観察画像を足し合わせて金属層の断面全体が観察できればよい。
【００５０】
また、高比率金属層１２ｂは、複数の合金が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、高比率金属層１２ｂは、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのがよい。高比率金属層１２ｂが複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子１３の応力が金属層１２に加わっても、高比率金属層１２ｂ内での応力伝播が抑制でき、高比率金属層１２ｂのなかでも特に応力が集中する箇所を生み出さないので、応力緩和と、耐久性を両立することができる。一方、高比率金属層１２ｂが連続した一枚の層からなる場合には、積層型圧電素子１３の応力が、高比率金属層１２ｂに集中した際に、圧電体層１１との界面のうち、圧電素子の側面に面した部分にその応力が伝播集中するため、特に応力が集中する箇所が発生してしまうおそれがある。
【００５１】
また、金属層１２を積層体１３の側面に露出させることが好ましい。これは、金属層１
２が素子側面で露出していない部分では、金属層１２の露出していない箇所は、駆動時に変位できないことから、駆動時に変位する領域が素子内部に閉じ込められているために変位時の応力が前記境界に集中しやすくなり、耐久性に問題が生じるので好ましくないからである。
【００５２】
積層体１３は、断面が多角形の柱状体であるのが好ましい。これは、積層体１３が円柱状であると、真円にしなければ中心軸がぶれてしまうため高精度の円を作って積みあげなければならず、同時焼成による量産型の製法を用いるのが困難になる。また、略円形状の積層体を積層後、あるいは焼成後に外周を研磨して円柱状にしても、金属層１２の中心軸を高精度にそろえるが困難になる。これに対して、多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体層１１に金属層１２を形成することができ、さらに基準線に沿って積層することができるので、駆動の軸である中心軸を量産型の製法をもちいて形成することができるため、耐久性の高い素子とすることができる。
【００５３】
また、本発明においては、金属層１２中のパラジウムの含有量をＭ１（質量％）、銀の含有量をＭ２（質量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが１５質量％を超えると、比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、金属層１２が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層１１に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。さらに、外部電極１５を形成した際、外部電極１５と金属層１２とが相互拡散して接合するが、パラジウムが１５質量％を超えると、外部電極１５中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性が低下するおそれがあるからである。また、金属層１２中の銀の圧電体層１１へのマイグレーションを抑制するために、パラジウム金属が０．００１質量％以上１５質量％以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、パラジウムの比率は０．１質量％以上１０質量％以下であるのが好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合はパラジウムの比率を０．５質量％以上９．５質量％以下とするのがより好ましく、さらに高い耐久性を求める場合は２質量％以上８質量％以下とするのがさらに好ましい。
【００５４】
一方、銀の比率が８５質量％未満になると、金属層１２の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、金属層１２が発熱する場合がある。また、金属層１２中の銀の圧電体層１１へのマイグレーションを抑制するために、銀が８５質量％以上９９．９９９質量％以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、銀の比率が９０質量％以上９９．９質量％以下であるのが好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は銀の比率が９０．５質量％以上９９．５質量％以下であるのがより好ましく、さらに高い耐久性を求める場合は９２質量％以上９８質量％以下がさらに好ましい。上記の金属層１２中の金属成分の質量％を示すパラジウム金属、銀金属はＥＰＭＡ法等の分析方法で特定できる。
【００５５】
圧電体層１１は、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１１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等で形成されると、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、さらに、圧電体層１１と金属層１２を同時に焼成することもできる。圧電体層１１としては、圧電歪み定数ｄ３３が比較的高いＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３からなる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。
【００５６】
さらに、焼成温度は、９００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。これは、焼成温度が９００℃以下では、焼成温度が低いため焼成が不十分となり、緻密な圧電体層１
１を作製することが困難になる。また、焼成温度が１０００℃を超えると、金属層１２と圧電体層１１接合強度が大きくなるからである。
【００５７】
また、本発明の積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層１２と端部が露出しない金属層１２とが交互に構成されており、前記端部が露出していない金属層１２と外部電極１５間の圧電体層１１に溝が形成されており、この溝内に、圧電体層１１よりもヤング率の低い絶縁体が形成されていることが好ましい。これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、金属層１２の発熱を抑制することができる。
【００５８】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。
【００５９】
まず、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３等からなるペロブスカイト型酸化物の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、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。ついで、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体層１１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００６０】
次に、銀−パラジウム等の金属層１２を構成する金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製する。ついで、これを上記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の厚みに印刷する。
【００６１】
ここで、高比率金属層１２ｂを形成する導電性ペーストは、該導電性ペーストに含まれる金属粉末のうち一成分の量を、他の金属層１２ａを形成する導電性ペーストに含まれる一成分の量よりも多くする。具体的には、合金として銀−パラジウムを用いて高比率金属層１２ｂの銀成分を多くする場合には、合金組成中の銀成分が多い金属ペーストで高比率金属層１２ｂを形成し、合金組成中の銀成分が少ない金属ペーストで高比率金属層以外の他の金属層１２ａを形成する。このとき、合金粉末ではなく、銀粉末とパラジウム粉末の混合粉末を用いて組成を調整してもよく、また、銀パラジウムの合金に銀粉末またはパラジウム粉末を加えることで組成を調整してもよいが、はじめから異なる組成の合金粉末を用いる方が、ペースト中の金属分散が均一になり、金属層１２の同一面内の組成分布が均一になるので好ましい。
【００６２】
次に、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを所望の配置で複数積層し、所定の温度で脱バインダーを行った後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層体１３が作製される。
【００６３】
不活性層１４は、該不活性層１４を形成するグリーンシート中に、銀−パラジウム等の金属層１２を構成する金属粉末を添加したり、不活性層１４を形成するグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の金属層１２を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層１４とその他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻密な積層体１３を形成することができる。
【００６４】
なお、積層体１３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１１と複数の金属層１２とを交互に積層してなる積層体１３を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
【００６５】
その後、必要に応じて、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層１２と端部が露出しない金属層１２とを交互に形成して、端部が露出していない金属層１２と外部電極１
５間の圧電体部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体層１１よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成してもよい。ここで、上記溝は内部ダイシング装置等で積層体１３の側面に形成できる。
【００６６】
次に、ガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これをシート状に成形し、乾燥した（溶媒を飛散させた）シートの生密度を６〜９ｇ／ｃｍ３に制御する。このシートを積層体１３の外部電極形成面に転写し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点（９６５℃）以下の温度で、且つ積層体１３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１５を形成することができる。
【００６７】
このとき、外部電極１５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が、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。そして、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量を変えたものを用いればよいが、圧電体層１１に最も接した面にごく薄くガラスリッチな層を構成したい場合は、積層体１３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が用いられる。このとき、印刷のかわりに５μｍ以下のシートを用いても良い。
【００６８】
なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部（結晶粒の括れた部分）を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と金属層１２を拡散接合させ、また、外部電極１５中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極１５と柱状の積層体１３側面とを部分的に接合させるという点から、５００〜８００℃が望ましい。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℃が望ましい。ネック部が存在すると、過度に緻密な焼結体とはならず、適度に隙間が存在する網目状の構造となる。
【００６９】
焼き付け温度が８００℃より高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な３次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極１５が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極１５のヤング率が高くなりすぎ駆動時の応力を十分に吸収することができずに外部電極１５が断線してしまう可能性がある。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った方がよい。一方、焼き付け温度が５００℃よりも低い場合には、金属層１２端部と外部電極１５の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に金属層１２と外部電極１５の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。
【００７０】
次に、外部電極１５を形成した積層体１３をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体１３の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体１３を引き上げ、積層体１３の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体１３の側面にコーティングしたシリコーンゴムを硬化させることにより、本実施形態の積層型圧電素子が完成する。
【００７１】
最後に、外部電極１５にリード線を接続し、該リード線を介して一対の外部電極１５に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体１３を分極処理することによって、本発明の積層型圧電素子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１５を介して金属層１２に電圧を印加させると、各圧電体層１１は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって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する。
【００７２】
さらに、外部電極１５の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極１５の外面に導電性補助部材を設けることによりアクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極１５に流れる電流を低減できる。これにより、外部電極１５が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、導電性接着剤に亀裂が生じるのを防ぐことができる。金属のメッシュ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、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。
【００７３】
また、導電性補助部材を構成する導電性接着剤は銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。
【００７４】
さらに望ましくは、導電性粒子はフレーク状や針状などの非球形の粒子であるのがよい。導電性粒子の形状をフレーク状や針状などの非球形の粒子とすることにより、該導電性粒子間の絡み合いを強固にすることができ、該導電性接着剤のせん断強度をより高めることができる。
【００７５】
以上のように、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の積層型圧電素子は上記実施形態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であれば種々の変更は可能である。
【００７６】
例えば、上記第１の実施形態では、金属層が全て合金からなる場合について説明したが、後述する第２の実施形態のように一部の金属層が合金からなり、残りの金属層が単一の金属からなる形態であってもよい。また、上記第１の実施形態では、金属層が同じ成分を含有している場合について説明したが、後述する第３の実施形態のように金属層が主成分の異なる少なくとも二種以上の層からなる形態であってもよい。
【００７７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子について説明する。なお、第２の実施形態の説明では、上記した第１の実施形態と異なる構成についてのみ記載する。
【００７８】
図３は、第２の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。本実施形態の積層型圧電素子では、複数の圧電体層１１と複数の金属層１２（１２ｃ、１２ｄ）とが交互に積層された積層体１３を有し、複数の金属層１２は、金属層１２を構成する少なくとも一成分の比率が、隣り合う両側の金属層１２ｃよりも高い高比率金属層１２ｄを複数含んでいることを特徴としている。
【００７９】
このような高比率金属層１２ｄを複数含んでいることで、積層体１３において部分的に軟らかさ（硬さ）が異なる金属層を配置することができるので、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制することができる。
【００８０】
さらに圧電体層１１のうち、駆動変形する箇所が、金属層１１に挟まれた箇所であることから、好ましくは、金属層１２のうち圧電体層１１を介して重なりあう部分に、金属組
成の異なる金属層を形成することで、素子の寸法変化である変位がそろった場合に発生する共振現象を抑止することができるので、うなり音発生を防止することができるだけでなく、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することができる。さらには、金属層１２の金属組成を変化させることで、積層型圧電素子１３の変位の大きさを制御できるために、圧電体層１１の厚みを変える必要もないことで、量産性に有効な構造とすることができる。ここで、金属層の金属組成は、前記と同様の方法で測定できる。
【００８１】
また、複数の高比率金属層１２ｄは、該高比率金属層１２ｄ以外の他の金属層１２ｃを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。高比率金属層１２ｄと他の金属層１２ｃが１層ずつ交互に連続して配置されると、積層型圧電素子１３内部の応力は全ての金属層１１に対して均一に分散するが、同時に積層型圧電素子を駆動させた際に、駆動変位量も緩和することになる。したがって、複数の高比率金属層１２ｄが他の金属層１２ｃを複数層挟んでそれぞれ配置されることで、他の金属層１２ｃを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができ、さらに、複数の高比率金属層１２ｄの部分で応力緩和を可能とする。これにより、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。
【００８２】
具体的には、金属層１２を構成する一成分が銀であり、他の金属層１２ｃが銀パラジウム合金からなり、高比率金属層１２ｄが銀からなるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で積層型圧電体素子１３を焼成して構成することができるというだけでなく、銀パラジウム合金は、全率固溶する合金なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層１２と圧電体層１１との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
【００８３】
このように高比率金属層１２ｄが主に銀からなり、高比率金属層以外の他の金属層１２ｃが主に銀パラジウム合金からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層１１を挟んで主に銀からなる高比率金属層１２ｄが隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがあるが、この場合、主に銀からなる高比率金属層１２ｄのとなりの金属層は主に銀パラジウム合金からなる金属層１２ｃであるので、銀がマイグレーションしようとしても、パラジウムと結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高い積層型圧線素子とすることができる。
【００８４】
また、第１の実施形態と同様に理由から、複数の高比率金属層１２ｄが規則的に配置されているのが好ましく、さらに、高比率金属層１２ｄと圧電体層１１との密着力が、他の金属層１２ｃと圧電体層１１との密着力よりも低いことが好ましい。また、２つの高比率金属層１２ｄの間には、他の金属層１２ｃが複数配置されており、当該他の金属層１２ｃからなる群には、一成分の濃度が高比率金属層１２ｄ側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましい。さらに、金属層１２が多数のボイドを有していることが好ましく、さらに、高比率金属層１２ｄが島状に点在する複数個の導体膜で構成されることが好ましい。
【００８５】
また、第２の実施形態においては、金属層１２ｃ中のパラジウムの含有量をＭ１（質量％）、銀の含有量をＭ２（質量％）としたとき、０≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦１００、
Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが１５質量％を超えると、比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、金属層１２が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層１１に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。
【００８６】
さらに、外部電極１５を形成した際、外部電極１５と金属層１２とが相互拡散して接合するが、パラジウムが１５質量％を超えると、外部電極１５中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性がおちるからである。
【００８７】
第２の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、高比率金属層１２ｄを形成する導電ペーストに銀粉末を配合する以外は、第１の実施形態と同様にすればよい。
【００８８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる積層型圧電素子について説明する。なお、第３の実施形態の説明では、上記した第１の実施形態と異なる構成についてのみ記載する。
【００８９】
図４は、第３の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。本実施形態の積層型圧電素子では、複数の圧電体層１１と複数の金属層１２とが交互に積層された積層体１３を有し、複数の金属層１２は主成分が異なる二種の金属層１２ｅ及び１２ｆからなり、金属層１２ｆが、他の金属層１２ｅを複数層挟んだ状態で、複数配置されていることを特徴としている。
【００９０】
金属層は組成により軟らかさ（硬さ）を自在に変化させることができる。第３の実施形態では、主成分が異なる二種の金属層１２ｅ及び金属層１２ｆが上記のように配置されていることで、部分的に軟らかさが異なる金属層を配置することができるので、素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。
【００９１】
具体的には、金属層１２ｆが銀パラジウム合金を主成分とし、他の金属層１２ｅが銅を主成分とするのが好ましい。このような形態とすることで、窒素雰囲気等の還元雰囲気中で積層型圧電体素子１３を焼成して構成することができるというだけでなく、銀と銅とパラジウムとが全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。特に、他の金属層１２ｃを複数層挟んだ金属層１２ｆが銀パラジウム合金を主成分とすることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層１２と圧電体層１１との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
【００９２】
さらに、金属層１２ｆが主に銀からなり、他の金属層２４が主に銅からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層１１を挟んで、主に銀からなる金属層１２ｆが隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがあるが、本実施形態の場合、主に銀からなる金属層１２ｆのとなりの金属層は主に銅からなる金属層１２ｅであるので、銀がマイグレーションしようとしても、銅と結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高い
積層型圧線素子とすることができる。
【００９３】
また、第１の実施形態と同様に理由から、複数の高比率金属層１２ｆが規則的に配置されているのが好ましく、さらに、高比率金属層１２ｆと圧電体層１１との密着力が、他の金属層１２ｅと圧電体層１１との密着力よりも低いことが好ましい。また、２つの高比率金属層１２ｆの間には、他の金属層１２ｅが複数配置されており、当該他の金属層１２ｅからなる群には、一成分の濃度が高比率金属層１２ｄ側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましい。さらに、金属層１２が多数のボイドを有していることが好ましい。特に、他の金属層１２ｅにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が５〜７０％であることが好ましい。これは、ボイドを金属層１２ｅの面積に対して５〜７０％占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
【００９４】
また、金属層１２ｅのボイド率が５％より少ないと圧電体層１１が電界を印加されて変形する際に金属層から束縛を受け、圧電体層１１の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が小さくなり、発生する内部応力も大きくなるために耐久性にも悪い影響を与える。一方、金属層１２ｅのボイド率が７０％より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層にクラックが生じやすくなり、最悪は断線等を生じる恐れがあるので好ましくない。さらに、ボイド率は、より好ましくは７〜７０％、さらに好ましくは１０〜６０％である。このようにすることで、圧電体層１１をよりスムーズに変形できるとともに、金属層１２の導電性を充分に有しているため、積層型圧電素子の変位量を増大することができる。
【００９５】
さらに、金属層１２ｆの断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が２４〜９０％であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層１２ｂの面積に対して２４〜９０％占めるようにすると、さらに変位量が大きくなり、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
【００９６】
また、金属層１２が主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。特に、金属層１２ｅよりも金属層１２ｆが主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、応力緩和効果が向上し、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。
【００９７】
さらに、金属層１２ｆは、複数の金属が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、金属層１２ｆは、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのが好ましい。金属層１２ｆが複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子１３の応力が金属層１２に加わっても、金属層１２ｆ内での応力伝播が抑制でき、金属層１２ｆのなかでも特に応力が集中するというような箇所を生み出さない。これにより、応力緩和と、耐久性を両立することができる。
【００９８】
また、第３の実施形態においては、金属層１２ｆ中のパラジウムの含有量をＭ１（質量％）、銀の含有量をＭ２（質量％）としたとき、０≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが１５質量％を超えると、比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、金属層１２が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層１１に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。
【００９９】
さらに、外部電極１５を形成した際、外部電極１５と金属層１２とが相互拡散して接合
するが、パラジウムが１５質量％を超えると、外部電極１５中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性がおちるからである。
【０１００】
第３の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、高比率金属層１２ｅを形成する導電ペーストに銅粉末を配合する以外は、第１の実施形態と同様にすればよい。なお、外部電極１５と金属層１２との接合強度を向上させるには、外部電極１５を構成する金属として、銅を主成分とした金属ペーストを用いることが好ましい。外部電極１５を構成するためには、銀電極であっても銅電極であっても、窒素雰囲気等の還元雰囲気で焼成することで、金属層１２の酸化を抑止して、耐久性の高い金属層１２とすることができる。
【０１０１】
なお、上記第３の実施形態では、複数の金属層が主成分の異なる２種の金属層からなる場合について説明したが、本発明では、複数の金属層の主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層からなり、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていれば、本発明の効果が得られる。すなわち、圧電素子にかかる応力を金属主成分の異なる金属層近傍に集中させて、集まった応力を、さらに、金属層周辺の圧電体層を応力緩和層としてはさみこむことで、集まった応力を金属組成の高い２層の金属層のあいだに閉じ込めることができる。これにより、圧電素子全体に加わる応力を緩和させることができる。その結果、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
【０１０２】
＜噴射装置＞
図５は、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５に示すように、本実施形態にかかる噴射装置は、一端に噴射孔を有する３３を有する収納容器３１の内部に上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子が収納されている。収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が配設されている。噴射孔３３には燃料通路３７がニードルバルブ３５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３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７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３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７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ように構成されている。
【０１０３】
また、ニードルバルブ３５の上端部は内径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１が配置されている。そして、収納容器３１内には、上記した積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ４３が収納されている。
【０１０４】
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３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圧電アクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
【０１０５】
また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関するものであるが、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、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、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、実施可能である。
【０１０６】
なお、本発明は、上記実施形態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行うことは何等差し支えない。
【実施例１】
【０１０７】
第１の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
【０１０８】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【０１０９】
ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、表１に示す組成となるように、主に銀−パラジウムからなる合金にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを３００枚積層し、焼成した。焼成条件は、８００℃で２時間保持した後に、１０００℃で２時間焼成した。
【０１１０】
このとき、高比率金属層１２ｂを形成する部分には、表１に示す組成となるように、銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストで、３μｍの厚さとなるように印刷を行い、高比率金属層１２ｂが５０層目、１００層目、１５０層目、２００層目、２５０層目になるように配置した。
【０１１１】
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℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、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質量部添加し、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によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。なお、フレーク状の粉末の平均粒径は、次のようにして測定されたものである。すなわち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて粉末の写真を撮影し、その写真上で直線を引き、粒子と直線が交わる長さを５０個測定し、その平均を取って平均粒径とした。
【０１１２】
そして、銀ガラスペーストのシートを積層体１３の外部電極１５面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【０１１３】
その後、外部電極１５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１５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、図１に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
【０１１４】
得られた積層型圧電素子に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。
【０１１５】
さらに、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回まで連続駆動した試験を行った。
【０１１６】
結果は表１に示すとおりである。なお、高比率金属層以外の他の金属層１２ａは、表１に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
【０１１７】
【表１】
0005449433.tif 000002
【０１１８】
表１に示すように、比較例である試料番号６は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大して剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。
【０１１９】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜５は、１×１０９回連続駆動させた後も、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する実効変位量を有し、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できた。
【実施例２】
【０１２０】
第２の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
【０１２１】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【０１２２】
このセラミックグリーンシートの片面に、表２の組成となるように、銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを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。
【０１２３】
このとき、高比率金属層１２ｄを形成する部分には、銀１００％の導電性ペーストで、３μｍの厚さとなるように印刷を行い、高比率金属層１２ｂが５０層目、１００層目、１５０層目、２００層目、２５０層目になるように配置した。
【０１２４】
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℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、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質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電
性ペーストを作製し、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によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。
【０１２５】
そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体１３の外部電極１５面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【０１２６】
その後、外部電極１５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１５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、図１に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
【０１２７】
得られた積層型圧電素子に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。
【０１２８】
さらに、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回まで連続駆動した試験を行った。
【０１２９】
結果は表２に示すとおりである。なお、高比率金属層以外の他の金属層は、表２に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
【０１３０】
【表２】
0005449433.tif 000003
【０１３１】
表２に示すように、比較例である試料番号６は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大して剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。
【０１３２】
これらに対して、本発明の実施例である試料番号１〜５は、１×１０９回連続駆動させた後も、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する実効変位量を有し、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できた。
【実施例３】
【０１３３】
第３の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
【０１３４】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【０１３５】
このセラミックグリーンシートの片面に、銅粉末にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを３００枚積層し、窒素雰囲気中で焼成した。焼成は、８００℃で保持した後に、１０００℃で焼成した。
【０１３６】
このとき、金属層１２ｆを形成する部分には、表３に示す組成の銀−パラジウム合金の導電性ペーストで、３μｍの厚さとなるように印刷を行った。この金属層１２ｆは５０層目、１００層目、１５０層目、２００層目、２５０層目になるように配置した。
【０１３７】
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℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、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質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製し、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によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。
【０１３８】
そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体１３の外部電極１５面に転写して積層し、窒素雰囲気中７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【０１３９】
その後、外部電極１５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１５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、図１に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
【０１４０】
得られた積層型圧電素子に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。
【０１４１】
さらに、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回まで連続駆動した試験を行った。
【０１４２】
結果は表３に示すとおりである。なお、主成分が同一の金属層は、表３に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
【０１４３】
【表３】
0005449433.tif 000004
【０１４４】
表３に示すように、比較例である試料番号６と７は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大して剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。
【０１４５】
これらに対して、本発明の実施例である試料番号１〜５は、１×１０９回連続駆動させた後も、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する実効変位量を有し、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できた。
【実施例４】
【０１４６】
実施例１における試料番号５の圧電アクチュエータの内部電極１２の材料組成を変化させて、各試料の変位量の変化率を測定した。ここで、変位量の変化率とは、各試料の積層型圧電素子が駆動回数１×１０９回に達した時の変位量（μｍ）と、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量（μｍ）とを比較したものである。結果を表４に示す。
【０１４７】
【表４】
0005449433.tif 000005
【０１４８】
表４より、試料番号１５のように全ての内部電極１２を銀１００％にした場合は、銀のイオンマイグレーションが発生し、積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となった。また、試料番号１３、１４は内部電極１２中の金属組成物においてパラジウムの含有量が１５質量％を超えており、また、銀の含有量が８５質量％未満であるため、内部電極１２の比抵抗が大きいことで積層型圧電素子を連続駆動させた際発熱して、圧電アクチュエータの変位量が低下することがわかる。
【０１４９】
これに対して、試料番号１〜１２は、内部電極１２中の金属組成物が８〜１０属金属の含有量をＭ１質量％、１ｂ属金属の含有量をＭ２質量％としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００質量％を満足する金属組成物を主成分とするために、内部電極１２の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極１２で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。
【０１５０】
特に、試料番号６〜８は、内部電極１２中の金属組成物が８〜１０属金属の含有量をＭ１質量％、１ｂ属金属の含有量をＭ２質量％としたとき、２≦Ｍ１≦８、９２≦Ｍ２≦９８、Ｍ１＋Ｍ２＝１００質量％を満足する金属組成物を主成分とするために、内部電極１２の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極１２で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が全く変化しない、極めて安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。
【実施例５】
【０１５１】
表１に示す積層型圧電素子のうち、各試料１本ずつを抜き取り、金属層１２の電極面が試験片の長手方向に略垂直になるように３ｍｍ×４ｍｍ×３６ｍｍに加工し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１の４点曲げにて曲げ強さを測定した。このとき、どの部分で破壊したかを確認することで、積層型圧電素子の密着力が弱い箇所を特定した。
【０１５２】
即ち、圧電体１１内で破壊すれば、圧電体の強度が弱いことがわかり、金属層１２内で破壊すれば、金属層１２の強度が弱いことがわかり、圧電体１１と金属層１２の界面で破壊すれば、圧電体１１と金属層１２の界面の強度が弱いことがわかる。
【０１５３】
さらに、それぞれのサンプルをアクチュエータとして機能させた場合の耐久性は表１に記載されているが、比較のために表５にも記載した。
【０１５４】
【表５】
0005449433.tif 000006
【０１５５】
比較例である試料番号６は、圧電体１１内で破壊した。即ち、全ての圧電体１１と金属層１２が高強度に接合していることを示している。このことにより、アクチュエータとして１×１０９回連続駆動させると、積層界面にかかる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。
【０１５６】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜５は、圧電体１１と高比率金属層の界面で破壊した。即ち、高比率金属層と圧電体層の密着力が最も弱いことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、アクチュエータとして１×１０９回連続駆動させた後も、剥離することなく、優れた耐久性を有していたと考えられる。
【実施例６】
【０１５７】
表１に示す積層型圧電素子のうち、各試料１本ずつを抜き取り、金属層部分のビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さの測定には、明石製作所製ＭＶＫ−Ｈ３型マイクロビッカース測定器を使用した。測定に際しては、下地である圧電体層１１の影響を受けないようにするために、金属層１２の積層方向に垂直な方向から、金属層１２にダイヤモンド圧子を押し込む方法を用いた。結果を表６に示す。なお、それぞれのサンプルをアクチュエータとして機能させた場合の耐久性は表１に記載されているが、比較のために表６にも記載した。
【０１５８】
【表６】
0005449433.tif 000007
【０１５９】
比較例である試料番号６は、いずれの金属層も同じ組成であるため、同じ硬さであることがわかった。即ち、全ての圧電体１１が同じ硬さの金属層で接合されていることを示している。この試料６では、アクチュエータとして１×１０９回連続駆動させると、積層界面にかかる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。
【０１６０】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜５は、高比率金属層の硬さが他の金属層よりも低い結果となった。即ち、高比率金属層が他の金属層よりも柔らかいいことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、柔らかい高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、アクチュエータとして１×１０９回連続駆動させた後も、剥離することなく、優れた耐久性を有していたと考えられる。
【実施例７】
【０１６１】
傾斜濃度領域を有する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。
【０１６２】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【０１６３】
ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀８０質量％−パラジウム２０質量％）にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを３００枚積層し、焼成した。焼成条件は、８００℃で２時間保持した後に、１０００℃で２時間焼成した。
【０１６４】
このとき、高比率金属層１２ｂを形成する部分には、銀−パラジウム合金（銀８５質量％−パラジウム１５質量％）の導電性ペーストで、３μｍの厚さとなるように印刷を行い
、さらに、図６に示すように、銀濃度が高比率金属層１２ｂ側から漸次減少するように配置した。高比率金属層１２ｂは５０層目、１００層目、１５０層目、２００層目、２５０層目になるように配置した。
【０１６５】
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℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、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質量部添加し、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によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。そして、銀ガラスペーストのシートを積層体１３の外部電極１５面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【０１６６】
その後、外部電極１５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１５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、図１に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた積層型圧電素子に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。
【０１６７】
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回まで連続駆動した試験を行った。結果は表７に示すとおりである。
【０１６８】
【表７】
0005449433.tif 000008
【０１６９】
この表７から、比較例である試料番号３は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大して剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。
【０１７０】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１は、実施例２と異なり、１×１０９回連続駆動させた後も、素子変位量が全く低下することなく、圧電アクチュエータとして必要とする実効変位量を有し、極めて優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できた。
【符号の説明】
【０１７１】
１１  圧電体
１２  金属層
１２ａ  他の金属層
１２ｂ  高比率金属層
１２ｃ  他の金属層
１２ｄ  高比率金属層
１２ｅ、１２ｆ  金属層
１３  積層体
１４  不活性層
１５  外部電極
３１  収納容器
３３  噴射孔
３５  バルブ
３７  燃料通路
３９  シリンダ
４１  ピストン
４３  圧電アクチュエータ
【図１】
0005449433.tif 000009
【図２】
0005449433.tif 000010
【図３】
0005449433.tif 000011
【図４】
0005449433.tif 000012
【図５】
0005449433.tif 000013
【図６】
0005449433.tif 000014
【図７】
0005449433.tif 000015
【図８】
0005449433.tif 000016