(57)【要約】      （修正有）【課題】  外部電極及び圧電体素子にクラックが発生するのを抑制出来る積層型圧電体素子を提供すること。【解決手段】  電圧印加により伸縮可能なセラミックからなる圧電体層１１と、内部電極層２１ａ、２１ｂとを交互に設けてなる積層型圧電体素子１と、積層型圧電体素子１の側面に設けられ、内部電極層２１ａ、２１ｂと各々電気的に導通する第１の外部電極層３１と、第２の外部電極層３２とを備え、積層型圧電体素子１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１の外部電極層３１の幅をＷ１、第２の外部電極層３２の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０、の関係であり、積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分１ａを有し、第２の外部電極層３２は、圧電活性部分１ａにおける圧電体層１１の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子１。【選択図】      図１
2006303045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層を介して前記内部電極層と電気的に導通する第２の外部電極層とを備え、
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１、前記第２の外部電極層の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０、の関係であり、
前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第２の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項２】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第２の外部電極層の幅をＷ２としたとき、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０の関係である請求項１に記載の積層型圧電体素子。
【請求項３】
前記第１の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ１、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、０．０５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦３００の関係である請求項１又は２に記載の積層型圧電体素子。
【請求項４】
前記第１の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ１、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、１≦（Ｔ２／Ｔ１）≦３５の関係である請求項１乃至３に記載の積層型圧電体素子。
【請求項５】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍである請求項１乃至４に記載の積層型圧電体素子。
【請求項６】
前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなる請求項１乃至５に記載の積層型圧電体素子。
【請求項７】
前記第２の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなる請求項１乃至６に記載の積層型圧電体素子。
【請求項８】
電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層を介して前記内部電極層と電気的に導通する第２の外部電極層と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層と前記第２の外部電極層との間に設けられた第３の外部電極層とを備え、
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１、前記第２の外部電極層の幅をＷ２、前記第３の外部電極層の幅をＷ３、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２、前記第３の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ３としたとき、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０、かつ、０．０５≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３００、の関係であり、
前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第２の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項９】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第２の外部電極層の幅をＷ２、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２、前記第３の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ３としたとき、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０、かつ、１≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３５、の関係である請求項８に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１０】
前記第１の外部電極層と、前記第２の外部電極層と、前記第３の外部電極層とが、全て異なる材料である請求項８又は９に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１１】
前記第１の外部電極層の線膨張係数をα１、前記第２の外部電極層の線膨張係数をα２、前記第３の外部電極層の線膨張係数をα３、前記第１の外部電極層の弾性率をＥ１、前記第２の外部電極層の弾性率をＥ２、前記第３の外部電極層の弾性率をＥ３としたとき、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２である請求項８乃至１０に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１２】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍである請求項８乃至１１に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１３】
前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなる請求項８乃至１２に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１４】
前記第２の外部電極層及び第３の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなる請求項８乃至１３に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１５】
電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層とを備え、
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１としたとき、２．５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦６０の関係であり、
前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第１の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１６】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１としたとき、５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦３０の関係である請求項１５に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１７】
前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍである請求項１５乃至１６に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１８】
前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなる請求項１５乃至１７に記載の積層型圧電体素子。
【請求項１９】
前記第１の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなる請求項１５乃至１７に記載の積層型圧電体素子。
【請求項２０】
燃料噴射装置に使用する請求項１乃至１９に記載の積層型圧電体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止用の駆動素子、インクジェットプリンタなどに用いられる積層型圧電体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電体素子、特に自動車用燃料噴射弁に使用される積層型圧電体素子では、低温から高温まで広い温度領域において信頼性を確保しなくてはならない。そのような熱衝撃の加わる環境下では、圧電体素子と、圧電体素子の側面に設けられる外部電極との熱膨張差が原因となり、外部電極から圧電体素子へ熱応力が加わる為、外部電極及び圧電体素子にクラックが発生するという問題がある。
【０００３】
特許文献１や特許文献２では、圧電体素子の側面に伸び率の異なる複数の外部電極を設けることにより外部電極の耐久性を向上する積層型圧電体素子が提案されている。また、特許文献３では、圧電体素子の側面に外部電極を設け、外部電極よりも幅狭である半田層を外部電極上に設け、外部電極と電気的に接続する外部電極層連結リード線を半田層上に設ける積層型圧電体素子が提案されている。これによると、半田層よりも幅広である外部電極の効果により、半田層と圧電体素子との熱膨張差による熱応力が半田層から圧電体素子へ直接加わらない。
【特許文献１】特開２００１−３４５４９０
【特許文献２】特開平８−２４２０２５
【特許文献３】特開２００１−１４８５２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に示す従来技術では、複数設けられた外部電極の幅が同じである為、外部電極の両端に発生する熱応力が集中し易く、外部電極から圧電体素子へ加わる熱応力が大きい為、外部電極及び圧電体素子にクラックが発生するという問題があった。また、特許文献３に示す従来技術では、半田層が圧電体の積層方向に対して不連続に設けられている為、半田層と外部電極との熱膨張差によって、半田層と接していない外部電極において複数の個所にクラックが発生すると、クラック発生個所間で電気的に不導通となる部分が生じる。また、圧電体に発生したクラックが半田層と接していない外部電極まで進展した場合も同様に、クラック発生個所間で電気的に不導通となる部分が生じる。これにより、圧電体素子の一部に電圧がかからなくなり圧電体素子の変位量が減少する為、使用中に特性が変ってしまうという問題がある。また、半田層における圧電体の積層方向の両端部から外部電極及び圧電体素子へ熱応力が加わり、圧電体素子にクラックが発生する。そして、クラック発生部位が圧電活性部分であることと、クラックの進展方向が圧電体素子の伸縮方向と一致することから、クラックの進展は助長される為、信頼性上の問題となる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、外部電極及び圧電体素子にクラックが発生するのを抑制出来る効果を奏する積層型圧電体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明においては、電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層を介して前記内部電極層と電気的に導通する第２の外部電極層とを備え、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１、前記第２の外部電極層の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０、の関係であり、前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第２の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子を提供する。
【０００７】
これによると、第１及び第２の外部電極層の幅が同じではない為、各外部電極層の両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、Ｗ１＞Ｗ２である為、第１の外部電極層に発生する熱応力が直接、圧電体に加わることがない。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が２．５以上になっていると、第２の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第２の外部電極層とを接合可能な接合強度を確保出来る。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が６０以下になっていると、圧電体への熱応力を小さく抑えられる為、クラックの発生を抑制出来る。また、第２の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に連続して設けられていると、第２の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から第１の外部電極及び圧電活性部分へ加わる熱応力の影響を最小限に留めることが出来る。つまり圧電活性部分上には、実質的に第２の外部電極層における圧電体の積層方向の両端が位置していないため、クラックが発生しても圧電活性部分への影響が少なく済む。一方、第２の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に不連続に設けられた場合、第２の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から第１の外部電極及び圧電活性部分へ熱応力が加わり、圧電活性部分にクラックが発生し易い。そして、クラックの進展方向が圧電活性部分の伸縮方向と一致することから、クラックの進展は助長される為、信頼性上の問題となる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第２の外部電極層の幅をＷ２としたとき、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０の関係であると良い。（Ｗ２／Ｗ０）×１００が５未満の場合、リード線や電極板と、第１の外部電極層との接合強度が不十分である。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が３０よりより大きい場合、クラック発生を抑制するが継続的な効果を十分に得ることが出来ない。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明のように、前記第１の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ１、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、０．０５≦（Ｔ２／Ｔ１）≦３００の関係であると良い。Ｔ２／Ｔ１が３００よりより大きい場合、第２の外部電極層の厚みが、応力緩和材として作用する第１の外部電極層の厚みに対して大き過ぎる為、応力緩和材としての効果が低くクラックが発生する。また、Ｔ２／Ｔ１が０．０５未満の場合、リード線や電極板と、第２の外部電極層との接合強度が不十分である。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明のように、前記第１の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ１、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、１≦（Ｔ２／Ｔ１）≦３５の関係であることが好ましい。Ｔ２／Ｔ１が３５よりより大きい場合、第２の外部電極層の厚みが、応力緩和材として作用する第１の外部電極層の厚みに対して大き過ぎる為、応力緩和材としての効果が低くクラックが発生する。また、Ｔ２／Ｔ１が１未満の場合、リード線や電極板と、第２の外部電極層との接合強度が不十分である。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍであることが好ましい。Ｗ０が１５ｍｍより大きい場合、第２の外部電極層の幅Ｗ２は９．０ｍｍ以上となり、第２の外部電極層で発生する熱応力が圧電体層の強度を上回り、圧電体にクラックが発生し易い。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明のように、前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると、第１の外部電極層の弾性率をＥ１、線膨張係数をα１、第２の外部電極層の弾性率をＥ２、線膨張係数をα２としたとき、第２の外部電極層に半田や導電性樹脂材を用いた場合に、Ｅ１×α１は、Ｅ２×α２より小さく出来る為、第１の外部電極層は、第２の外部電極層の熱応力を緩和する緩衝層として作用する為、第２の外部電極層から積層型圧電体素子へ加わる熱応力を緩和することが出来る。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明のように、前記第２の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなると、第２の外部電極層にリード線や電極板を接続する場合、リード線や電極板と第２の外部電極層との接合強度を強くすることが出来る。
【００１４】
以上、述べたように第１の発明によると、第２の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第２の外部電極層との接合強度の確保と、圧電体におけるクラック発生の抑制と、を両立する積層型圧電体素子を提供することが出来る。
【００１５】
第２の発明においては、電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層を介して前記内部電極層と電気的に導通する第２の外部電極層と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記第１の外部電極層と前記第２の外部電極層との間に設けられた第３の外部電極層とを備え、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１、前記第２の外部電極層の幅をＷ２、前記第３の外部電極層の幅をＷ３、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２、前記第３の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ３としたとき、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０、かつ、０．０５≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３００、の関係であり、前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第２の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子を提供する。
【００１６】
これによると、第１乃至第３の外部電極層の幅が同じではない為、各外部電極層の両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、第１及び第３の外部電極層により第２の外部電極層で発生する熱応力を緩和すると共に、第１の外部電極層により第３の外部電極層で発生する熱応力を緩和することが出来る。また、外部電極層の幅の関係がＷ１＞Ｗ３＞Ｗ２であると、第２又は第３の外部電極層で発生する熱応力が直接、圧電体に加わることがない。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が２．５以上になっていると、第２の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第２の外部電極層とを接合可能な接合強度を確保出来る。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が６０以下になっていると、圧電体への熱応力を小さく抑えられる為、クラックの発生を抑制出来る。また、第２の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に連続して設けられていると、第２の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から第１の外部電極及び圧電活性部分へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。一方、第２の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に不連続に設けられた場合、第２の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から第１の外部電極及び圧電活性部分へ熱応力が加わり、圧電活性部分にクラックが発生し易い。そして、クラックの進展方向が圧電活性部分の伸縮方向と一致することから、クラックの進展は助長される為、信頼性上の問題となる。また、Ｔ２／Ｔ１が３００以下に設定されていると、第２の外部電極層の厚みが、第１の外部電極層の厚みに対して大き過ぎない為、第１の外部電極層が応力緩和材として作用し、圧電体におけるクラック発生を抑制する。また、Ｔ２／Ｔ１が０．０５以上になっていると、第２の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第２の外部電極層とを接合可能な接合強度を確保出来る。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第２の外部電極層の幅をＷ２、前記第２の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ２、前記第３の外部電極層の厚み（硬化後）をＴ３としたとき、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０、かつ、１≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３５、の関係であると良い。（Ｗ２／Ｗ０）×１００が３０より大きい場合、圧電体におけるクラック発生を抑制するが継続的な効果を得ることが出来ない。また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が５未満の場合、リード線や電極板と、第２の外部電極層との接合強度が不十分である。また、Ｔ２／Ｔ１が３５よりより大きい場合、第２の外部電極層の厚みが、応力緩和材として作用する第１の外部電極層の厚みに対して大き過ぎる為、応力緩和材としての効果が低く、圧電体にクラックが発生する。また、Ｔ２／Ｔ１が１未満の場合、リード線や電極板と、第２の外部電極層との接合強度が不十分である。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明のように、前記第１の外部電極層と、前記第２の外部電極層と、前記第３の外部電極層とが、全て異なる材料であると、特に前記第１の外部電極層の線膨張係数をα１、弾性率をＥ１、前記第２の外部電極層の線膨張係数をα２、弾性率をＥ２、前記第３の外部電極層の線膨張係数をα３、弾性率をＥ３としたとき、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２であると良い。これによると、リード線や電極板を接合する第３の外部電極層の材料として、接着強度の高い材料を使用することが可能である。一般的に接着強度の高い材料は弾性率も大きい為、圧電体に対して大きな熱応力が加わることになる。しかし本発明では第３の外部電極層の材料として第２の外部電極層で発生する熱応力を緩和するＥ３×α３＜Ｅ２×α２となるような材料を使用することが出来る。また、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２である為、熱応力を段階的に緩和することが出来る。
【００１９】
また、請求項１２に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍであることが好ましい。Ｗ０が１５ｍｍより大きい場合、第２の外部電極層の幅Ｗ２は９．０ｍｍ以上となり、第２の外部電極層で発生する熱応力が圧電体層の強度を上回り、圧電体にクラックが発生し易い。
【００２０】
また、請求項１３に記載の発明のように、前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると、第１の外部電極層の弾性率をＥ１、線膨張係数をα１、第２の外部電極層の弾性率をＥ２、線膨張係数をα２としたとき、第２の外部電極層に半田や導電性樹脂材を用いた場合に、Ｅ１×α１は、Ｅ２×α２より小さく出来る為、第１の外部電極層は、第２の外部電極層の熱応力を緩和する緩衝層として作用する為、第２の外部電極層から積層型圧電体素子へ加わる熱応力を緩和することが出来る。
【００２１】
また、請求項１４に記載の発明のように、前記第２の外部電極層及び第３の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなると、第２又は第３の外部電極層にリード線や電極板を接続する場合、リード線や電極板と第２又は第３の外部電極層との接合強度を強くすることが出来る。
【００２２】
以上、述べたように第２の発明によると、第２の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第２の外部電極層との接合強度の確保と、圧電体におけるクラック発生の抑制と、を両立する積層型圧電体素子を提供することが出来る。
【００２３】
第３の発明においては、電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層よりなり、前記内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通する第１の外部電極層とを備え、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１としたとき、２．５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦６０の関係であり、前記積層型圧電体素子は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分を有し、前記第１の外部電極層は、前記圧電活性部分における前記圧電体層の積層方向に連続して設けられることを特徴とする積層型圧電体素子を提供する。
【００２４】
これによると、（Ｗ１／Ｗ０）×１００が２．５以上になっており、第１の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第１の外部電極層とを接合可能な接合強度を確保出来る。また、（Ｗ１／Ｗ０）×１００が６０以下になっていると、圧電体への熱応力を小さく抑えられる為、クラックの発生を抑制出来る。また、第１の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に連続して設けられていると、第１の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から圧電活性部分へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。つまり圧電活性部分上には、実質的に第１の外部電極層における圧電体の積層方向の両端が位置していないため、クラックが発生しても圧電活性部分への影響が少なく済む。一方、第１の外部電極層が圧電活性部分における圧電体層の積層方向に不連続に設けられた場合、第１の外部電極層における圧電体の積層方向の両端から圧電活性部分へ熱応力が加わり、圧電活性部分にクラックが発生し易い。そして、クラックの進展方向が圧電活性部分の伸縮方向と一致することから、クラックの進展は助長される為、信頼性上の問題となる。
【００２５】
また、請求項１６に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、前記第１の外部電極層の幅をＷ１としたとき、５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦３０の関係であると良い。（Ｗ１／Ｗ０）×１００が３０より大きい場合、圧電体におけるクラック発生を抑制するが継続的な効果を得ることが出来ない。また、（Ｗ１／Ｗ０）×１００が５未満の場合、リード線や電極板と、第１の外部電極層との接合強度が不十分である。
【００２６】
また、請求項１７に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０としたとき、Ｗ０≦１５ｍｍであることが好ましい。Ｗ０が１５ｍｍより大きい場合、第１の電極層の幅Ｗ１は９．０ｍｍ以上となり、第１の電極層で発生する熱応力が圧電体層の強度を上回り、圧電体にクラックが発生し易い。
【００２７】
また、請求項１８に記載の発明のように、前記第１の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると熱応力が小さく、圧電体に加わる熱応力を小さくすることが出来る。
【００２８】
また、請求項１９に記載の発明のように、前記第１の外部電極層は、半田又は導電性樹脂材からなると、第１の外部電極層にリード線や電極板を接続する場合、リード線や電極板と第１の外部電極層との接合強度を強くすることが出来る。
【００２９】
以上、述べたように第３の発明によると、第１の外部電極層に接続されるリード線や電極板と第１の外部電極層との接合強度の確保と、圧電体におけるクラック発生の抑制と、を両立する積層型圧電体素子を提供することが出来る。
【００３０】
また、請求項２０に記載の発明のように、燃料噴射装置、特に自動車用の燃料噴射装置で使用する場合、低温から高温まで幅広い温度領域において信頼性を確保しなくてはならない。そのような熱衝撃の加わる環境下においても、外部電極による熱応力により圧電体素子にクラックが発生するのを抑制出来る為、長時間使用しても特性が変わり難く、信頼性の高い燃料噴射装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（実施例１）
第１の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図１は、第１の発明の実施形態における積層型圧電体素子を示す説明図である。図１（ａ）は本実施例の積層型圧電体１の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ矢視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＹ矢視図である。図１に示すように、本実施例の積層型圧電体素子１は大きく分けて、圧電体層１１、内部電極層２１ａ及び２１ｂ、第１外部電極層３１、第２外部電極層３２、リード線３３とを備え、概略以下のように構成される。即ち、積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮するＰＺＴのセラミック材料よりなる複数の圧電体層１１と印加電圧供給用の内部電極層２１とを交互に設けてなる。積層型圧電体素子１の外周側面には、内部電極層２１ａ及び２１ｂが異なる極となるように電気的に導通した第１外部電極層３１を設けている。そして、第１外部電極層３１上には、第２外部電極層３２を介して、リード線３３が設けられている。
【００３２】
第１の発明の特徴について説明する。図２は、本実施例の積層型圧電体１の要部の拡大図である。図２（ａ）は模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）において丸枠で囲んだＢ部分を示したものである。図２に示すように、本実施例の積層型圧電体１では、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０の関係となっている。これによると、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２の幅が同じではない為、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２の両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、Ｗ１＞Ｗ２である為、第２外部電極層３２で発生する熱応力が直接、圧電体１１に加わることがない。また、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０の関係であり、圧電体１１へ加わる熱応力を緩和出来る為、クラックの発生を抑制すると共に、第２外部電極層３２に接続されるリード線３３と、第２外部電極層３２との接合強度が十分である。また、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０の関係であるとより効果的である。（効果については後述する。）
また、第２外部電極層３２は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分１ａにおける圧電体層１１の積層方向に連続して設けられる為、第２外部電極層３２における圧電体１１の積層方向の両端から第１外部電極層３１及び圧電体１１へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。
【００３３】
また、第１外部電極層３１の厚み（硬化後）をＴ１、第２外部電極層３２の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、Ｔ２／Ｔ１が０．０５から３００の範囲となっている。これによと、第２外部電極層３２の厚みが、第１外部電極層３１の厚みに対して大き過ぎない為、第１外部電極層３１が応力緩和材として作用し、圧電体におけるクラック発生を抑制する。また、第２外部電極層３２に接続されるリード線３３と第２外部電極層３２とを接合可能な接合強度を確保出来る。また、１≦（Ｔ２／Ｔ１）≦３５の関係であるとより効果的である。（効果については後述する。）
また、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅Ｗ０は１５ｍｍ以下となっている。これにより、第２外部電極層３２の幅Ｗ２は９．０ｍｍ以下となり、第２外部電極層３２で発生する熱応力が圧電体層１１の強度を上回ることがなく、圧電体層１１にクラックが発生し難い。
【００３４】
図３は、第１外部電極層３１の幅Ｗ１と第２外部電極層３２の幅Ｗ２とが同じ幅の場合を説明する説明図である。図３（ａ）は模式図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）において丸枠で囲んだＢ部分におけるクラックの発生の様子を示したものである。図３（ｂ）に示すように、Ｗ１＝Ｗ２の関係である積層型圧電体素子１では、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２の両端に発生する応力が集中して圧電体１１に加わる為、圧電体１１におけるクラック部１１ａに示すようなクラックが発生し易い。
【００３５】
第１の発明の効果等について表を用いて以下説明する。表１は、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２の幅をＷ２としたとき、Ｗ１とＷ２との関係及び（Ｗ２／Ｗ０）×１００に対する、圧電体への発生応力の計測結果である。表１に示すように、Ｗ１とＷ２の関係が、Ｗ１＝Ｗ２である場合、圧電体への発生応力が最も大きく、次いで、Ｗ２＞Ｗ１である場合、Ｗ１＞Ｗ２である場合、の順に、圧電体への発生応力が小さくなっている。また、Ｗ１＞Ｗ２である場合、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が小さくなるほど、圧電体への発生応力が小さくなっている。この表から、Ｗ１とＷ２の関係が、Ｗ１＞Ｗ２である場合、また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が小さくなるほど、圧電体への発生応力が小さくなることが分かる。
（表１）
2006303045.tif 000003
表２は、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２の幅をＷ２としたとき、Ｗ１とＷ２との関係及び（Ｗ２／Ｗ０）×１００に対する、耐久性を示すサイクル数及び第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度の計測結果である。以下試験方法について説明する。本実施形態における耐久性試験では、熱衝撃試験を行なう液槽冷熱試験機を使用する。はじめに試験対象となる圧電体素子をｎ個（例えば２０個）密封容器に収納する。次いで、密封容器に収納した圧電体素子を液槽冷熱試験機内の１６０℃に保たれた高温液槽に浸し、所定時間（例えば１０分）保持する。次いで、密封容器に収納した圧電体素子を液槽冷熱試験機内の−４０℃に保たれた低温液槽に浸し、所定時間（例えば１０分）保持する。これらの、高温液槽に浸す手順と低温液槽に浸す手順を１サイクルとし、このサイクルを繰り返し実施する。そして、サイクル数が１００、５００、１０００、１５００のとき、液槽冷熱試験機から圧電体素子を取出し、圧電体素子にクラックが発生していないか確認する。この時、全ての圧電体素子にクラックが発生していない場合は、評価を○とし、１個でもクラックが発生していた場合は、評価を×とする。ここで、本実施形態における積層型圧電体素子を自動車の燃料噴射装置に用いる場合は、サイクル数が１０００以上のときの評価が○であることが好ましい。また、本実施形態における第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度の測定試験では、金属材料等の引張り強度試験を行なうオートグラフ装置を使用する。はじめにオートグラフ装置における引張り方向と、圧電体素子１とリード線３３との接点が、略水平となるように、圧電体素子の位置を調整しながら、オートグラフにて一定の速度でリード線を引っ張る。次いで、リード線３３を圧電体素子から部分的に剥離させる時の引張力を、リード線３３が全て圧電体素子１から剥がれまで計測し、その平均値をリード線の接着強度とした。
【００３６】
表２に示すように、Ｎｏ．１では、第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度はサンプル中で最も大きい値となっているが、サイクル数が１００乃至１５００における評価は×となっており、耐久性に問題があった。Ｎｏ．２及び３では、サイクル数が１００及び５００における評価は○となっているが、サイクル数が１０００乃び１５００における評価は×となっている。Ｎｏ．４では、サイクル数が１００及び１０００における評価は○となっているが、サイクル数が１５００における評価は×となっている。Ｎｏ．５乃至７では、サイクル数が１００乃至１５００における評価は全て○となっており、耐久性が良好であった。Ｎｏ．８では、サイクル数が１００乃至１５００における評価は全て○となっているが、第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度が不十分であった。
【００３７】
この表から、Ｎｏ．５乃至７に示す関係である場合、耐久性が良好であることが分かる。ここで、例えば、Ｎｏ．５における各要素の実際の寸法は、それぞれ、Ｗ０＝８．４ｍｍ、Ｗ１＝１．６ｍｍ、Ｗ２＝４．０ｍｍである。本発明では、これらの寸法である場合に限らず、Ｗ１とＷ２の関係が、Ｗ１＞Ｗ２である場合、また、（Ｗ２／Ｗ０）×１００が５から３０の範囲である場合、耐久性が良好であると共に、第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度が十分となる。
（表２）
2006303045.tif 000004
表３は、圧電体１１における第１外部電極層３１の厚み（硬化後）をＴ１、第２外部電極層３２の厚み（硬化後）をＴ２としたとき、Ｔ１とＴ２との関係に対する、耐久性を示すサイクル数及び第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度の計測結果である。以下試験方法は、前述した試験方法と同様である。表３に示すように、Ｎｏ．１乃至４では、サイクル数が１００乃至１５００における評価は全て○となっており、耐久性が良好であった。Ｎｏ．５では、サイクル数が１００及至１０００における評価は○となっているが、サイクル数が１５００における評価は×となっている。Ｎｏ．６では、サイクル数が１００及び５００における評価は○となっているが、サイクル数が１０００乃び１５００における評価は×となっている。
【００３８】
この表から、Ｎｏ．１乃至４に示す関係である場合、耐久性が良好であることが分かる。ここで、例えば、Ｎｏ．３における各要素の実際の寸法は、それぞれ、Ｔ１＝０．０１５ｍｍ、Ｔ２＝０．１５ｍｍである。本発明では、これらの寸法である場合に限らず、Ｔ１とＴ２の関係（Ｔ２／Ｔ１）が、１から３５の範囲である場合、耐久性が良好であると共に、第２外部電極層３２とリード線３３との接着強度が十分となる。
（表３）
2006303045.tif 000005
第１の発明の他の実施形態について図４乃至６を用いて説明する。図４乃至６は、積層型圧電体ユニットを積層してなる積層型圧電体素子を示す説明図である。図４乃至６に示す積層型圧電体素子１は概略以下のように構成される。即ち、積層型圧電体素子１は複数の圧電体ユニット１ｕよりなり、複数の圧電体ユニット１ｕは、接着剤よりなる圧電体ユニットの接合面１ｂを介して積層される。積層型圧電体素子１の外周側面には、内部電極層２１ａ及び２１ｂが異なる極となるように電気的に導通した第１外部電極層３１を設けている。そして、第１外部電極層３１上には、第２外部電極層３２を介して、リード線３３が設けられている。
【００３９】
なお、複数の圧電体ユニット１ｕは、接着剤よりなる圧電体ユニットの接合面１ｂを介さずに積層されていても良い。
【００４０】
図４に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３２は、圧電体ユニットの接合面１ｂで分かれて設けられており、第２外部電極層３２が圧電体ユニットの接合面１ｂに染み込み難い為、第２外部電極層３２が導電性樹脂材よりなる場合、導電性樹脂材の接着成分により、圧電体層１１における変位が拘束され、特性、信頼性が低下するのを抑制出来る。また、第２外部電極層３２が圧電体ユニットの接合面１ｂを跨いで設けられている場合に比べて、第２外部電極層３２と第２外部電極層３２に接合されるリード線３３との接合面が少ない為、リード線３３の伸縮を妨げ難い。なお、第１外部電極層３１は、圧電体ユニットの接合面１ｂを跨いで設けられているが、第１外部電極層３１が焼成銀よりなる場合、一般的に粘度が高く膜化する為、圧電体ユニットの接合面１ｂに染み込み難い。
【００４１】
図５に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３２は、圧電体ユニットの接合面１ｂを跨いで設けられている為、第２外部電極層３２を一括して塗布することが出来、安価に製品を製造出来る。また、第１外部電極層３１は、圧電体ユニットの接合面１ｂを跨いで設けられているが、第１外部電極層３１が焼成銀よりなる場合、一般的に粘度が高く膜化する為、圧電体ユニットの接合面１ｂに染み込み難い。
【００４２】
図６に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３２は、圧電体ユニットの接合面１ｂを跨いで設けられている為、第２外部電極層３２を一括して塗布することが出来、安価に製品を製造出来る。また、第１外部電極層３１は、圧電体ユニットの接合面１ｂで分かれて設けられている為、圧電体ユニットの接合面１ｂに染み込み難い。また、圧電体ユニットを接合する前に圧電体ユニットを個別に製造及び検査が可能であり、不良製品を早期に発見できる為、生産性を向上することが出来る。
【００４３】
図４乃至６に示すような積層型圧電体ユニットを接合してなる積層型圧電体素子においても、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２であり、かつ、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０となっている。これによると、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２の幅が同じではない為、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２の両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、Ｗ１＞Ｗ２である為、第２外部電極層３２に発生する熱応力が直接、圧電体１１に加わることがない。また、２．５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦６０の関係である為、圧電体１１への熱応力を緩和し、圧電体におけるクラックの発生を抑制すると共に、第２外部電極層３２に接続されるリード線３３と、第２外部電極層３２との接合強度が十分である。また、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０の関係であるとより効果的である。（効果については後述する。）また、第２外部電極層３２は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分１ａにおける圧電体層１１の積層方向に連続して設けられる為、第２外部電極層３２における圧電体１１の積層方向の両端から第１外部電極層３１及び圧電体１１へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。
【００４４】
（実施例２）
第２の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図７は、第２の発明の実施形態における積層型圧電体素子を示す説明図である。図７に示すように、本実施例の積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮するＰＺＴのセラミック材料よりなる複数の圧電体層１１の外周側面に、第１外部電極層３１を設けている。そして、第１外部電極層３１上には、第３外部電極層３２ａが設けられている。そして、第３外部電極層３２ａ上には、第２外部電極層３２ｂが設けられている。
【００４５】
第２の発明の特徴は、積層型圧電体素子１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２ｂの幅をＷ２、第３外部電極層３２ａの幅をＷ３、第２外部電極層３２ｂの厚み（硬化後）をＴ２、第３外部電極層３２ａの厚み（硬化後）をＴ３としたとき、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２、かつ、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０、かつ、１≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３５、の関係を有する点である。また、第１外部電極層３１と、第２外部電極層３２ｂと、第３外部電極層３２ａとが、全て異なる材料である点である。また、第１外部電極層３１の弾性率をＥ１、線膨張係数をα１、第２外部電極層３２ｂの弾性率をＥ２、線膨張係数をα２、第３外部電極層３２ａの弾性率をＥ３、線膨張係数をα３、としたとき、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２である点である。
【００４６】
第２の発明によると、第１外部電極層３１、第２外部電極層３２ｂ、第３外部電極層３２ａ、の幅が同じではない為、各外部電極層の両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、第１外部電極層３１及び第３外部電極層３２ａにより第２外部電極層３２ｂで発生する熱応力を緩和すると共に、第１外部電極層３１により第３外部電極層３２ａで発生する熱応力を緩和することが出来る。また、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２である為、第２外部電極層３２ｂ及び第３外部電極層３２ａに発生する熱応力が直接、圧電体１１に加わることがない。また、５≦（Ｗ２／Ｗ０）×１００≦３０、かつ、１≦（Ｔ２／Ｔ３）≦３５である為、圧電体１１への熱応力を緩和し、圧電体１１におけるクラックの発生を抑制すると共に、第２外部電極層３２ｂに接続されるリード線３３と、第２外部電極層３２ｂとの接合強度が十分である。
【００４７】
また、第１外部電極層３１と、第２外部電極層３２ｂと、第３外部電極層３２ａとが、全て異なる材料となっている。また、第１外部電極層３１の弾性率をＥ１、線膨張係数をα１、第２外部電極層３２ｂの弾性率をＥ２、線膨張係数をα２、第３外部電極層３２ａの弾性率をＥ３、線膨張係数をα３としたとき、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２の関係となっている。これによると、リード線や電極板を接合する第２外部電極層３２ｂの材料として、接着強度の高い材料を使用することが可能である。一般的に接着強度の高い材料は弾性率も大きい為、圧電体１１に対して大きな熱応力が加わることになる。しかし本発明では第３外部電極層３２ａの材料として第２外部電極層３２ｂで発生する熱応力を緩和出来るような、弾性率と線膨張係数の積が小さい材料を使用することが出来る。また、Ｅ１×α１＜Ｅ３×α３＜Ｅ２×α２である為、熱応力を段階的に緩和することが出来る。
【００４８】
また、第２外部電極層３２ｂは、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分１ａにおける圧電体層１１の積層方向に連続して設けられる為、第２外部電極層３２ｂにおける圧電体１１の積層方向の両端から第１外部電極層３１及び第３外部電極層３２ａ及び圧電体１１へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。
【００４９】
また、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅Ｗ０は１５ｍｍ以下となっている。これにより、第２外部電極層３２ｂの幅Ｗ２は９．０ｍｍ以下となり、第２外部電極層３２ｂで発生する熱応力が圧電体層１１の強度を上回ることがなく、圧電体層１１にクラックが発生し難い。
【００５０】
第２の発明の効果等について表を用いて以下説明する。表４は、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２ｂの幅をＷ２、第３外部電極層３２ａの幅をＷ３、第２外部電極層３２ｂの厚み（硬化後）をＴ２、第３外部電極層３２ａの厚み（硬化後）をＴ３としたとき、Ｗ１とＷ２とＷ３との関係及び（Ｗ２／Ｗ０）×１００及びＴ２／Ｔ３に対する、圧電体への発生応力の計測結果である。表４に示すように、Ｗ１とＷ２とＷ３との関係が、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３である場合、圧電体への発生応力が最も大きく、次いで、Ｗ２＞Ｗ１（外部電極層が３層ではなく２層）である場合、Ｗ１＞Ｗ２である場合、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２である場合、の順に、圧電体への発生応力が小さくなっている。また、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２である場合、Ｔ２／Ｔ３が小さい方が、圧電体への発生応力が小さくなっている。この表から、Ｗ１とＷ２とＷ３との関係が、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２である場合、また、Ｔ２／Ｔ３が小さいほど、圧電体への発生応力が小さくなることが分かる。
（表４）
2006303045.tif 000006
表５は、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２ｂの幅をＷ２、第３外部電極層３２ａの幅をＷ３、第２外部電極層３２ｂの厚み（硬化後）をＴ２、第３外部電極層３２ａの厚み（硬化後）をＴ３としたとき、Ｗ１とＷ２とＷ３との関係及び（Ｗ２／Ｗ０）×１００及びＴ２／Ｔ３に対する、耐久性を示すサイクル数及び第２外部電極層３２ｂとリード線３３との接着強度の計測結果である。以下試験方法は、実施例１と同様である。表５に示すように、Ｎｏ．１乃至３では、サイクル数が１００乃至１５００における評価は全て○となっており、耐久性が良好であった。
（表５）
2006303045.tif 000007
第２の発明の他の実施形態について図８を用いて説明する。図８に示す積層型圧電体素子１は、前述した図７に示す積層型圧電体素子１と略同じ構成である為、両者の相違点である外部電極層の幅の関係についてのみ説明する。即ち、第１外部電極層３１の幅をＷ１、第２外部電極層３２ｂの幅をＷ２、第３外部電極層３２ａの幅をＷ３、としたとき、図７に示す積層型圧電体素子１では、Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２の関係であるが、図７に示す積層型圧電体素子１では、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３の関係となっている点が相違している。しかしながら、両者は以下の点で一致している。即ち、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２ｂの幅が同じではない為、第１外部電極層３１及び第２外部電極層３２ｂの両端に発生する熱応力を分散することが出来る。また、Ｗ１＞Ｗ２である為、第２外部電極層３２ｂに発生する熱応力が直接、圧電体１１に加わることがない。よって、圧電体層１１におけるクラックの発生を抑制出来る積層型圧電体素子１を提供することが出来る。
（実施例３）
第３の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図９は、第３の発明の実施形態における積層型圧電体素子を示す説明図である。図９に示すように、本実施例の積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮するＰＺＴのセラミック材料よりなる複数の圧電体層１１の外周側面に、第１外部電極層３１を設けている。そして、第１外部電極層３１上には、リード線３３が設けられている。
【００５１】
第３の発明の特徴は、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅をＷ０、第１外部電極層３１の幅をＷ１としたとき、２．５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦６０の関係を有する点である。これによると、２．５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦６０の関係であり、圧電体１１へ加わる熱応力を緩和出来る為、クラックの発生を抑制すると共に、第１外部電極層３１に接続されるリード線３３と、第１外部電極層３１との接合強度が十分である。また、５≦（Ｗ１／Ｗ０）×１００≦３０の関係であるとより効果的である。
【００５２】
また、第１外部電極層３１は、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部分１ａにおける圧電体層１１の積層方向に連続して設けられる為、第１外部電極層３１における圧電体１１の積層方向の両端から圧電体１１へ加わる熱応力を最小限に留めることが出来る。
【００５３】
また、圧電体１１における積層方向と垂直方向の最大幅Ｗ０は１５ｍｍ以下となっている。これにより、第１外部電極層３１の幅Ｗ１は９．０ｍｍ以下となり、第１外部電極層３１で発生する熱応力が圧電体層１１の強度を上回ることがなく、圧電体層１１にクラックが発生し難い。
（実施例４）
図１０は、本発明の積層型圧電体素子をディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに用いた例を示す説明図である。図１０に示すごとく、インジェクタ５は、駆動部としての上記積層型圧電体素子１が収容される上部ハウジング５２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部５４が形成される下部ハウジング５３を有している。
【００５４】
上部ハウジング５２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴５２１内に、積層型圧電体素子１が挿通固定されている。縦穴５２１の側方には、高圧燃料通路５２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング５２上側部に突出する燃料導入管５２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。
【００５５】
上部ハウジング５２上側部には、また、ドレーン通路５２４に連通する燃料導出管５２５が突設し、燃料導出管５２５から流出する燃料は、燃料タンク（図略）へ戻される。ドレーン通路５２４は、縦穴５２１と駆動部（積層型圧電体素子）１との間の隙間５０を経由し、さらに、この隙間５０から上下ハウジング５２、５３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する３方弁５５１に連通している。
【００５６】
噴射ノズル部５４は、ピストンボデー５３１内を上下方向に摺動するノズルニードル５４１と、ノズルニードル５４１によって開閉されて燃料溜まり５４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔５４３を備えている。燃料溜まり５４２は、ノズルニードル５４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路５２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル５４１は、燃料溜まり５４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室５４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室５４４の圧力が降下すると、ノズルニードル５４１がリフトして、噴孔５４３が開放され、燃料噴射がなされる。
【００５７】
背圧室５４４の圧力は３方弁５５１によって増減される。３方弁５５１は、背圧室５４４と高圧燃料通路５２２、またはドレーン通路５２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路５２２またはドレーン通路５２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン５５２、油圧室５５３、小径ピストン５５４を介して、駆動される。
【００５８】
本実施形態のインジェクタ用の積層型圧電体素子１の特徴は、前述した実施例１乃至３で示すような各外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の関係、積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅（Ｗ０）に対する外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２）等の関係を有する点である。これにより、外部電極層に接続されるリード線や電極板と外部電極層との接合強度確保と、圧電体におけるクラック発生の抑制と、を両立出来る。よって、過酷な使用環境で利用可能であり、且つ、信頼性の高いインジェクタ用の積層型圧電体素子１を提供することが出来る。
【００５９】
（製造方法）
この積層型圧電体素子１の製造方法と詳細構造について説明する。本例の積層型圧電体素子１は広く用いられているグリーンシート法を用いて製造することができる。公知の方法により圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。また、鉛の蒸発を考慮して、上記混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後８００〜９５０℃で仮焼する。
【００６０】
次いで、仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリーとし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。
【００６１】
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに成形する。回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさに成形する。
【００６２】
次いで、例えば銀／パラジウム＝７／３ｗｔ％の比率からなる銀およびパラジウムのペースト（以下、Ａｇ／Ｐｄペーストという）により、成形後のグリーンシートの一方の表面にパターンをスクリーン印刷成形する。
【００６３】
圧電体層１１となるグリーンシートの表面には、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、略全面に圧電体層１１の表面よりもやや小さなパターンを形成し、内部電極層２１ａ及び２１ｂとする。グリーンシートの表面の対向辺の一方の側には、内部電極層２１ａ（２１ｂ）の非形成部が設けてある。つまり、グリーンシートの対向辺の一方の端部（積層型圧電体素子１の側面１０１あるいは対向面に相当する部分）には、内部電極層２１ａ（２１ｂ）が到達せず、対向する他方の端部には内部電極層２１ａ（２１ｂ）が到達するようにこれを配置した。
【００６４】
このような内部電極層２１ａ及び２１ｂを形成したグリーンシートを所定の積層枚数分用意する。
【００６５】
次いで、これらのグリーンシートを重ねる。内部電極層２１ａ及び２１ｂを形成したグリーンシートを重ねる場合には、電極の非形成部が積層型圧電体素子１の側面１０１とその対向面に交互に位置するように重ねる。これにより、グリーンシートの側面１０１に達して露出する内部電極層２１ａが一方の極の内部電極となり、対抗面に達して露出している内部電極層２１ｂが他方の極の内部電極となる。これにより、図１に示す構造の積層体となる。
【００６６】
次いで、温水ラバープレス等による熱圧着後、電気炉により４００〜７００℃のもとで脱脂し、９００〜１２００℃のもとで焼成する。
【００６７】
次いで、上記積層体の側面に焼成用の銀ペーストをスクリーン印刷し、焼き付けることにより第１外部電極層３１を形成する。第１外部電極層３１は、一方の極の内部電極層２１ａが露出している位置に形成し、各内部電極層２１ａとの導通をとる。対向面に設けられた第１外部電極層３１（図示せず）は、他方の極の内部電極層２１ｂが露出している位置に形成し、各内部電極層２１ｂとの導通をとる。なお、本例は焼成用の銀ペーストより第１外部電極層３１を構成したが、例えばパラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなるペーストを焼き付けて形成することもできる。また、半田や、導電性樹脂材を塗布して形成することも出来る。次いで、第１外部電極層３１上に、導電性樹脂材よりなる第２外部電極層（３２、３２ｂ）を塗布する。（実施例３即ち外部電極層が１層の場合は不要）次いで、導電性樹脂材よりなる第２外部電極層３２ｂ上に導電性樹脂材よりなる第３外部電極層３２ａを塗布する。（実施例１即ち外部電極層が２層の場合は不要）
好ましくは、各外部電極層が、異なる材料であると良い。第１外部電極層３１としては、圧電体１１に対して線膨張係数差が少ない材料、例えば、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、ニッケル、錫、鉛、亜鉛、ビスマスより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると良い。第２外部電極層（３２、３２ｂ）としては、半田や、例えば、銀を含むエポキシ系導電性樹脂材よりなると良い。そして、第２外部電極層（３２、３２ｂ）が銀を含むエポキシ系導電性樹脂材よりなる場合、第３外部電極層３２ａとしては、弾性率と線膨張係数の積が、第１外部電極層３１と第２外部電極層３２ｂのものの中間となるような材料、例えば、銀を含むシリコーン変性のエポキシ系導電性樹脂材よりなると良い。一般的に接着強度の高い材料は弾性率も大きい為、圧電体１１に対して大きな熱応力が加わることになるが、第３外部電極層３２ａの効果により、リード線や電極板を接合する第２外部電極層３２ｂの材料として、接着強度の高い材料を使用することが可能である。
【００６８】
次いで、第２外部電極層（３２、３２ｂ）とリード線３３とを接合する。
【００６９】
一般的には、第２外部電極の硬化時にリード線を同時に接合させるが、
第３外部電極と、第２外部電極の硬化とリード線の接合を同時に行ってもよい。
【００７０】
次いで、積層型圧電体素子１を大気中で、または必要に応じ絶縁油中に浸漬し、リード線３３を介して内部電極層２１ａ及び２１ｂ間に直流電圧を印加して圧電体層１１を分極し、積層型圧電体素子１を得る。
【００７１】
（全般に係わる留意点）
ここで、発明１乃至３における積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅（Ｗ０）及び各外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の規定方法について図１１及び１３を用いて説明する。
【００７２】
発明１乃至３における積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅（Ｗ０）の規定方法について図１１を用いて説明する。図１１（ａ）乃至（ｄ）は、積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の断面を示す。断面における最大幅であるＷ０は、断面の外周線における２点間の直線距離が最も長くなる２点間の長さとする。図１１（ａ）に示す積層型圧電体素子１では、断面が略正方形となっている。このとき、断面における最大幅であるＷ０は、向かい合う頂点間を結ぶ線の長さとする。図１１（ｂ）に示す積層型圧電体素子１では、断面が長方形となっている。このとき、断面における最大幅であるＷ０は、向かい合う頂点間を結ぶ線の長さとする。図１１（ｃ）に示す積層型圧電体素子１では、断面が略楕円形となっている。このとき、断面における最大幅であるＷ０は、楕円の長手方向の軸線の長さとする。図１１（ｄ）に示す積層型圧電体素子１では、断面が２つの湾曲部を有し２つの湾曲部の端部同士を直線で結んだ形状（競技トラック形状）となっている。このとき、断面における最大幅であるＷ０は、２つの湾曲部の頂点同士を結ぶ２点間の長さとする。
【００７３】
なお、積層型圧電体素子の断面形状は図１１に示す形状に限らず、例えば、八角形等の多角形でも良い。
【００７４】
発明１乃至３における積層型圧電体素子における各外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の規定方法について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は、積層型圧電体素子１の側面図であり、図１２（ｂ）は、積層型圧電体素子１の積層方向と垂直方向の断面図であり、図１２（ｃ）は、積層型圧電体素子１の積層方向と垂直方向の部分断面図である。各外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）は、積層型圧電体素子１の圧電活性部１ａにおける各外部電極層の幅の平均値とする。図１２（ａ）に示す積層型圧電体素子１では、外部電極層３１の幅が一定でない。このとき、外部電極層３１の幅は、積層型圧電体素子１の圧電活性部１ａにおける外部電極層３１の幅の平均値とする。図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示す積層型圧電体素子１では、外部電極層３１が２面に渡って設けられている。このとき、外部電極層３１の幅は、圧電体１１側面に対する法線Ａ及びＢと外部電極層３１の両端部との交点間（３１ａ−３１ｂ間）の幅の最小値の平均値とする。
【００７５】
以上、述べたように第１乃至３の発明によると、各外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の関係、積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅（Ｗ０）に対する外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２）等を規定することより、外部電極層に接続されるリード線や電極板と外部電極層との接合強度確保と、圧電体におけるクラック発生の抑制と、を両立する積層型圧電体素子を提供することが出来る。
【００７６】
なお、本発明に用いられる構成は本発明の課題を達成出来るものであれば、本実施例の構成に限定されない。例えば、各圧電体層１１は四角形に限らず、八角形等の多角形でも良い。また、外部電極層を形成する方法は、スクリーン印刷や、蒸着や、メタルマスクによるマスキング塗布や、ディスペンサで塗布して形成しても良い。また、外部電極層の材料は全て同じ材料であっても良い。また、外部電極層の形状は適宜変更しても良く、例えば、図１３（ａ）に示すように、積層型圧電体素子１の外周側面において、電圧が印加されると伸縮する圧電活性部における圧電体１１の積層方向に連続して設けられた外部電極層３１が、圧電体ユニットの接合面１ｂで、分かれていると共に、分かれた外部電極層３１が圧電体１１の積層方向に直交する方向にずれて、互い違いに設けられていても良い。また、図１３（ｂ）に示すように、外部電極層３１が、積層型圧電体素子１の外周側面における圧電体層１１の積層方向の軸線Ａに対して斜めに設けられていても良い。また、図１３（ｄ）に示すように、外部電極層３１が、積層型圧電体素子１の外周側面における圧電体層１１の積層方向の軸線Ａに対して波状に設けられていても良い。また、図１３（ｃ）に示すように、外部電極層３１が、円状に設けられていても良い。また、外部電極層に外部電源から電圧を供給する電極はリード線に限らず、図１４乃至図１６に示すような板状かつ複数の開口部を有する板状電極３３であっても良い。また、図１７に示すように、積層型圧電体素子１の作動による内部応力を緩和する為、圧電体層１１の側面に凹部を設けた積層型圧電体素子１であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（１）である。
【図２】図１の要部を拡大した説明図である。
【図３】従来の積層型圧電体素子の要部を拡大した説明図である。
【図４】第１の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（２）である。
【図５】第１の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（３）である。
【図６】第１の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（４）である。
【図７】第２の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（１）である。
【図８】第３の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（１）である。
【図９】第３の発明における実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す説明図（２）である。
【図１０】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子を燃料噴射装置に適用した構成を示す説明図である。
【図１１】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子における積層方向と垂直方向の最大幅（Ｗ０）の規定方法を示す説明図である。
【図１２】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子における外部電極層の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）の規定方法を示す説明図である。
【図１３】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子の他の実施形態を示す説明図（１）である。
【図１４】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子の他の実施形態を示す説明図（２）である。
【図１５】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子の他の実施形態を示す説明図（３）である。
【図１６】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子の他の実施形態を示す説明図（４）である。
【図１７】第１乃至３の発明における積層型圧電体素子の他の実施形態を示す説明図（５）である。
【符号の説明】
【００７８】
１１  圧電体層
２１ａ、２１ｂ  内部電極層
３１  第１外部電極層
３２、３２ｂ  第２外部電極層
３２ａ  第３外部電極層
３３  リード線
【図１】
2006303045.tif 000008
【図２】
2006303045.tif 000009
【図３】
2006303045.tif 000010
【図４】
2006303045.tif 000011
【図５】
2006303045.tif 000012
【図６】
2006303045.tif 000013
【図７】
2006303045.tif 000014
【図８】
2006303045.tif 000015
【図９】
2006303045.tif 000016
【図１０】
2006303045.tif 000017
【図１１】
2006303045.tif 000018
【図１２】
2006303045.tif 000019
【図１３】
2006303045.tif 000020
【図１４】
2006303045.tif 000021
【図１５】
2006303045.tif 000022
【図１６】
2006303045.tif 000023
【図１７】
2006303045.tif 000024