(57)【要約】【課題】変位性能に優れた圧電材料、積層型圧電素子及びその製造方法、並びにユニット接合積層型圧電素子を提供すること。【解決手段】一般式（１）：(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3で表される圧電材料である。一般式（１）は、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９という関係を満足する。また、この圧電材料からなる圧電体層２１と電極配設層２２、２３を交互に複数積層して構成したセラミック積層体２０と、その側面に形成された一対の側面電極２８、２９とを有する積層型圧電素子２及びその製造方法である。また、積層型圧電素子２を積層方向に複数接合して構成したユニット接合積層型圧電素子１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式（１）：(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3で表される圧電材料であって、
０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、
０．０３≦ｂ≦０．０８、
ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、
０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、
０．４５≦ｄ≦０．４８、
０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び
０．００１≦ｇ≦０．００９
という関係を満足することを特徴とする圧電材料。
【請求項２】
電圧の印加により伸縮可能な圧電材料からなる圧電体層と、内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に複数積層して構成したセラミック積層体、及び該セラミック積層体の側面に形成された一対の側面電極を有する積層型圧電素子において、
上記圧電体層は、上記請求項１に記載の上記圧電材料を主成分とすることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
電圧の印加により伸縮可能な圧電材料からなる圧電体層と、内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層して構成したセラミック積層体、及び該セラミック積層体の側面に形成された一対の側面電極を有する積層型圧電素子の製造方法において、
Ｐｂ源、Ｓｒ源、Ｚｒ源、Ｔｉ源、Ｙ源、Ｎｂ源、及びＳｂ源を、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb)(ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg))Ｏ3（ただし、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９）という配合割合で混合して原料混合物を作製する原料調合工程と、
上記原料混合物を温度１０００℃以下で仮焼して仮焼粉を得る仮焼工程と、
上記仮焼粉に少なくともバインダを加えて混合してシート状に成形することにより成形体シートを得るシート成形工程と、
上記成形体シート上に、導電性金属を含有する電極材料を印刷して電極印刷シートを得る電極印刷工程と、
上記電極印刷シートを複数積層して積層体を作製する積層工程と、
上記積層体を脱脂する脱脂工程と、
該脱脂工程後の上記積層体を焼成して上記セラミック積層体を得る焼成工程と、
上記セラミック積層体に、上記側面電極を形成する側面電極形成工程とを有することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の上記積層型圧電素子、又は請求項３に記載の製造方法により得られる上記積層型圧電素子を積層方向に複数接合して構成したユニット接合積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により伸縮可能な圧電材料、該圧電材料を圧電体層とする積層型圧電素子及びその製造方法、並びに該積層型圧電素子をさらに積層してなるユニット接合積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁の駆動源及び各種電装品等には、圧電素子を用いたアクチュエータが用いられている。
一般に、圧電素子に用いられる圧電材料には、ＡＢＯ3で表されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系材料等のペロブスカイト型化合物が用いられてきた。圧電材料には、変位量の大きな材料が望まれており、これまで特定組成の複合酸化物からなる様々な圧電材料が開発されている。
【０００３】
変位量の大きな圧電材料を得るためには、ＰＺＴ結晶の分域壁の移動度を高めることが重要であると考えられている。
分域壁の移動度はＰｂが配置しているＡサイトの欠陥量に依存し、例えばＰＺＴのＢサイトを価数の大きな元素で置換すると、電荷補償によりＡサイトに欠陥が生じて変位量を増大させることができる。その一例として、Ｐｂの一部をＬａで置換し、ＭｎＯ2を１．０重量％以下することにより、圧電特性を改善した組成物が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平８−７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の圧電材料は、アクチュエータの用途によってはその変位性能が未だ充分ではなかった。特に、内燃機関の燃料噴射弁向けの駆動源等の用途においては、より高い変位性能が要求されていた。また、Ｍｎを含有する圧電材料においては、副生成物が生成し、圧電特性の経時変化が大きくなり、安定な圧電特性を示すことができないという問題があった。そのため、Ｍｎを含有する圧電材料においては、特性安定のためのさらなる対策を講じる必要があった。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、変位性能に優れた圧電材料、積層型圧電素子及びその製造方法、並びにユニット接合積層型圧電素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3で表される圧電材料であって、
０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、
０．０３≦ｂ≦０．０８、
ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、
０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、
０．４５≦ｄ≦０．４８、
０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び
０．００１≦ｇ≦０．００９
という関係を満足することを特徴とする圧電材料にある（請求項１）。
【０００８】
第２の発明は、電圧の印加により伸縮可能な圧電材料からなる圧電体層と、内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に複数積層して構成したセラミック積層体、及び該セラミック積層体の側面に形成された一対の側面電極を有する積層型圧電素子において、
上記圧電体層は、上記第１の発明の上記圧電材料を主成分とすることを特徴とする積層型圧電素にある（請求項２）。
【０００９】
第３の発明は、電圧の印加により伸縮可能な圧電材料からなる圧電体層と、内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層して構成したセラミック積層体、及び該セラミック積層体の側面に形成された一対の側面電極を有する積層型圧電素子の製造方法において、
Ｐｂ源、Ｓｒ源、Ｚｒ源、Ｔｉ源、Ｙ源、Ｎｂ源、及びＳｂ源を、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb)(ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg))Ｏ3（ただし、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９）という配合割合で混合して原料混合物を作製する原料調合工程と、
上記原料混合物を温度１０００℃以下で仮焼して仮焼粉を得る仮焼工程と、
上記仮焼粉に少なくともバインダを加えて混合してシート状に成形することにより成形体シートを得るシート成形工程と、
上記成形体シート上に、導電性金属を含有する電極材料を印刷して電極印刷シートを得る電極印刷工程と、
上記電極印刷シートを複数積層して積層体を作製する積層工程と、
上記積層体を脱脂する脱脂工程と、
該脱脂工程後の上記積層体を焼成して上記セラミック積層体を得る焼成工程と、
上記セラミック積層体に、上記側面電極を形成する側面電極形成工程とを有することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法にある（請求項３）。
【００１０】
第４の発明は、上記第２の発明の積層型圧電素子、又は上記第３の発明の製造方法により得られる上記積層型圧電素子を積層方向に複数接合して構成したユニット接合積層型圧電素子にある。
【発明の効果】
【００１１】
上記第１の発明において、上記圧電材料は、一般式ＡＢＯ3で表されるＰＺＴ系材料からなり、上記一般式（１）で表される特定の組成を有している。
そのため、上記圧電材料は、優れた変位性能を示すことができる。また、上記圧電材料は、副生成物を生成して圧電特性の安定性を低下させるＭｎを含有していない。そのため、上記圧電材料は、上述の優れた変位性能等の圧電特性を長期間安定して発揮することができる。
【００１２】
上記一般式（１）においては０．０３≦ｂ≦０．０８である。即ち、Ｓｒの添加によりＡサイトのＰｂ結晶に欠陥が生成し、分域壁の移動度が高まり、変位性能を向上させることができる。
ｂ＜０．０３の場合には、上記圧電材料のキュリー温度が例えば３００℃以下にまで低下するおそれがある。その結果、例えば自動車の内燃機関等の高温環境下に上記圧電材料を適用することが困難になるおそれがある。一方、ｂ＞０．０８の場合には、変位性能が低下するおそれがある。好ましくは、ｂは０．０３以上がよく、０．０７以下がよい。
【００１３】
また、上記一般式（１）においては、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１である。即ち、上記一般式（１）においては、Ｂサイトに対するＡサイトの配合比を少なくしてある。そのため、上記一般式（１）で表される化合物におけるＰｂ欠陥を増やすことができる。その結果、分域壁の移動度が高まり、変位性能を向上させることができる。
ａ＋ｂ＜０．９０の場合には、上記圧電材料の製造時に温度１１００℃以上という高温での焼成が必要になるおそれがある。そして、高温での焼成時には副生成物が生成し易くなり、この副生成物により変位性能の向上効果が充分に得られなくなるおそれがある。一方、ａ＋ｂ＞０．９８の場合には、欠陥量が小さくなり、変位性能の向上効果が充分に得られなくなるおそれがある。好ましくは、ａ＋ｂは０．９３以上がよく、０．９６以下がよい。
【００１４】
また、上記一般式（１）においては、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９である。
即ち、ＢサイトにＮｂ及びＹを添加すると共に、さらにＳｂを添加している。よって、電荷補償により、Ａサイトに欠陥を生じさせることができる。
特に、Ｔｉ（イオン半径：６０．５ｐｍ）と置換し易いイオン半径を有するＳｂ（イオン半径：６１ｐｍ）は、Ｎｂよりも電子吸引能が大（Ｎｂの電気陰性度：１．６、Ｓｂの電気陰性度：２．０（ポーリング））であり、結晶格子を緩和する効果がある。そのため、変位性能を向上させることができる。
【００１５】
ｅ＋ｆ＜０．００１の場合には、欠陥量が小さくなり、変位性能の向上効果がほとんど得られなくなるおそれがある。一方、ｅ＋ｆ＞０．０１の場合には、パイクロア相が残留し、変位性能が低下するおそれがある。好ましくは、ｅ＋ｆは０．００３以上がよく、０．００８以下がよい。
また、ｇ＜０．００１の場合には、欠陥量が小さくなり、変位性能の向上効果がほとんど得られなくなるおそれがある。一方、ｇ＞０．００９の場合には、異相が残留し、変位性能が低下するおそれがある。好ましくは、ｇは０．００２以上がよく、０．００８以下がよい。
【００１６】
ｃ＋ｄ＜０．９８０の場合には、異相が残留し、変位性能が低下するおそれがある。一方、ｃ＋ｄ＞０．９９８の場合には、欠陥量が小さくなり、変位性能の向上効果がほとんど得られなくなるおそれがある。
また、ｄ＜０．４５の場合には、異相が残留し、変位性能が低下するおそれがある。一方、ｄ＞０．４８の場合には、欠陥量が小さくなり、変位性能の向上効果がほとんど得られなくなるおそれがある。
【００１７】
このように、上記第１の発明によれば、変位性能に優れた圧電材料を提供することができる。
【００１８】
次に、上記第２の発明及び第３の発明においては、上記第１の発明の圧電材料からなる圧電体層を有する上記積層型圧電素子を得ることができる。
そのため、上記第１の発明の上記圧電材料の優れた特性を生かして、上記積層型圧電素子は優れた変位性能を発揮することができる。
【００１９】
また、上記第４の発明のユニット接合積層型圧電素子は、上記第２の発明の積層型圧電素子及び第３の発明の製造方法によって得られる積層型圧電素子をさらに積層してなる。そのため、上記ユニット接合積層型圧電素子は、上記積層型圧電素子の優れた変位性能を生かして、優れた変位性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１にかかる、ユニット接合積層型圧電素子の構造を示す説明図。
【図２】実施例１にかかる、積層型圧電素子の構造を示す説明図。
【図３】実施例１にかかる、積層型圧電素子の断面構造を示す説明図。
【図４】実施例１にかかる、第１電極印刷シートを形成する工程を示す説明図。
【図５】実施例１にかかる、第２電極印刷シートを形成する工程を示す説明図。
【図６】実施例１にかかる、消失材料印刷シートを形成する工程を示す説明図。
【図７】実施例１にかかる、電極印刷シート及び消失材料印刷シートを積層する工程を示す説明図。
【図８】実施例１にかかる、予備積層体の上面図。
【図９】実施例１にかかる、予備積層体の断面（図８のＡ−Ａ断面）を示す説明図。
【図１０】実施例１にかかる、中間積層体の断面構造を示す説明図。
【図１１】実施例１にかかる、複数の積層型圧電素子を接合してユニット接合積層型圧電素子を作製する工程を示す説明図。
【図１２】実施例１にかかる、積層型圧電素子の製造工程の概略を示す説明図。
【図１３】実施例１にかかる、Ｓｒ量と変位量との関係を示す説明図。
【図１４】実施例１にかかる、ＰｂとＳｒの合計量と、変位量との関係を示す説明図。
【図１５】実施例１にかかる、Ｓｂ量と変位量との関係を示す説明図。
【図１６】実施例１にかかる、ＹとＮｂとの合計量と、変位量との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
本発明において、上記積層型圧電素子は、上記セラミック積層体と、該セラミック積層体の側面（積層方向と垂直な方向の面）に形成された一対の側面電極とを有する。
上記セラミック積層体は、上記一般式（１）で表される上記圧電材料からなる圧電体層と、内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に複数積層して構成されている。
【００２２】
上記電極配設層は、上記電極部と、該電極部の外周端部が上記セラミック積層体の外周側面から内方に後退した電極非形成部を有することが好ましい。この場合には、積層方向に隣合う上記内部電極（電極部）に交互に電気的に導通する上記側面電極を容易に形成することができる。
【００２３】
上記セラミック積層体は、該セラミック積層体の側面から内方に凹むスリット状の領域に応力緩和部を有することが好ましい。
上記応力緩和部は、上記セラミック積層体において、上記圧電体層を構成する結晶粒子が積層方向に分離され、上記圧電体層よりも形状を容易に変化し得る部分である。
上記応力緩和部は、上記セラミック積層体の積層方向に累積する応力を緩和することができる。積層数が少ないと上記応力緩和部による応力緩和効果が小さくなってしまう。そのため、上記セラミック積層体は、２０層以上の電極配設層を有することが好ましい。また、同様の理由から、上記応力緩和部は、積層方向に電極配設層１０層以上５０層以下の間隔を空けて形成されていることが好ましい。
上記応力緩和部が電極配設層１０層未満の間隔で形成されている場合、又は電極配設層５０層を超える間隔で形成されている場合には、いずれの場合においても上記応力緩和部による応力緩和効果が十分に得られなくなるおそれがある。
【００２４】
上記応力緩和部は、具体的には、例えばスリット状の空間（溝部）、スリット状の空間に上記圧電体層の上記圧電材料よりもヤング率の低い樹脂等の材料で充填した構造、上記圧電体層の上記圧電材料と同一材料をポーラス状に形成したスリット状の脆弱層、上記圧電体層の上記圧電材料とは異なるチタン酸鉛等の材料で形成したスリット状の脆弱層、又は分極や作動により意図的に発生させたクラック状のスリット等で形成することができる。
好ましくは、上記応力緩和部は、上記セラミック積層体の側面から内方に凹んだスリット状の溝部であることがよい。この場合には、比較的簡単に上記応力緩和部を形成することができる。
【００２５】
上記応力緩和部は、上記セラミック積層体の側面に形成される。上記応力緩和部は、例えば上記側面電極が形成される側の側面に部分的に形成することもできるが、上記セラミック積層体の外周面全周に渡って周方向に設けることもできる。
【００２６】
また、上記応力緩和部は、例えば焼成時に消失する消失材料を用いて形成することができる。
上記消失材料としては、例えば粉末状のカーボン粒子、樹脂粒子、又は、パウダー状の有機物粒子等を炭化させてなる炭化有機物粒子を用いることができる。
特に、上記消失材料として上記カーボン粒子を用いた場合には、熱による形状変化が少ないという上記カーボン粒子の特性を生かして、形状精度良く上記応力緩和部を形成することができる。
一方、上記消失材料として上記炭化有機物粒子を用いた場合には、上記応力緩和部を形成するためのコストを抑制することができる。
なお、上記有機物粒子としては、例えば樹脂材料を粉砕してなる粒子等がある。
炭化有機物粒子とは、上記有機物粒子が含有する水分の一部を除去することにより、ある程度炭化させて、流動性及び分散性が良好な微粒子の状態となった粒子をいう。
【００２７】
また、上記応力緩和部は、スリット状の領域を、上記積層型圧電素子の分極又は駆動時に亀裂が生じる材料によって形成し、上記積層型圧電素子の分極又は駆動時に亀裂を生じさせて形成しすることもできる。
【００２８】
また、上記応力緩和部を積層方向に挟む二つの上記電極配設層は、いずれも同じ側面電極に電気的に導通されていることが好ましい。より好ましくは、正極側の側面電極に電気的に接続されていることが好ましい。
この場合には、上記積層型圧電素子の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
次に、上記積層型圧電素子の製造にあたっては、上記原料調合工程と、上記仮焼工程と、上記シート成形工程と、上記電極印刷工程と、上記積層工程と、上記脱脂工程と、上記焼成工程と、上記側面電極形成工程とを行う。
上記原料調合工程においては、Ｐｂ源、Ｓｒ源、Ｚｒ源、Ｔｉ源、Ｙ源、Ｎｂ源、及びＳｂ源を、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb)(ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg))Ｏ3（ただし、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９）という配合割合で混合して原料混合物を作製する。
このような配合割合で上記原料混合物を調整することにより、後述の焼成工程後に上記一般式（１）で表される上記圧電材料からなる上記圧電体層を形成することができる。
【００３０】
Ｐｂ源、Ｓｒ源、Ｚｒ源、Ｔｉ源、Ｙ源、Ｎｂ源、及びＳｂ源等の各元素源は、それぞれＰｂ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｎｂ、又はＳｂを少なくとも含有する酸化物又は複合酸化物等の化合物を採用することができる。
【００３１】
上記仮焼工程においては、上記原料混合物を温度１０００℃以下で仮焼して仮焼粉を得る。
上記仮焼工程における加熱温度（仮焼温度）が１０００℃を超える場合には、主構成材料のＰｂが蒸発・気化し組成ずれが生じ所望組成の圧電材料が得られなくなるおそれがある。また、原料混合物を加熱して所望組成の圧電材料を得るための最低合成温度という観点から上記仮焼温度は８００℃以上が好ましい。より好ましくは、上記仮焼温度は、８５０℃以上、９５０℃以下がよい。
【００３２】
上記シート成形工程においては、上記仮焼粉に少なくともバインダを加えて混合してシート状に成形することにより成形体シートを得る。
上記電極印刷工程においては、上記成形体シート上の例えば上記電極部を形成する領域に、導電性金属を含有する電極材料を印刷して電極印刷シートを得る。このとき、上記電極部の外周に電極材料を印刷しない上記電極非形成部を形成することができる。
また、上記応力緩和部を形成する場合には、上記成形体シートに、上記消失材料を印刷し消失材料印刷シートを得る。
【００３３】
次いで、上記積層工程においては、上記電極印刷シートを複数積層して積層体を作製する。このとき、上記応力緩和部を形成する場合には、所望の間隔で、上記電極印刷シート間に上記消失材料印刷シートを積層する。その後、上記脱脂工程においては、上記積層体を脱脂する。
【００３４】
次に、上記焼成工程においては、該脱脂工程後の上記積層体を焼成する。
これにより、上記成形体シートが焼結して上記圧電材料で構成された上記圧電体層が形成されると共に、上記電極材料を印刷した領域に上記電極部が形成される。その結果、上記圧電体層と上記電極配設層とが交互に複数積層された上記セラミック積層体を得ることができる。
また、上記消失材料印刷シートを積層した場合には、上記焼成工程において上記消失材料が消失し、上記応力緩和部（溝部）を形成することができる。
【００３５】
上記側面電極形成工程においては、上記セラミック積層体に、上記側面電極を形成する。上記側面電極は、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金等の導電性金属を焼付けることにより形成することができる。このようにして上記積層型圧電素子を得ることができる。
【００３６】
また、上記積層型圧電素子を積層方向に複数接合することにより、上記ユニット接合積層型圧電素子を形成することができる。
具体的には、上記積層型圧電素子を積層方向に積み重ねると共に、接合部を接着剤等により接合する。これにより、上記ユニット接合積層型圧電素子を得ることができる。
【００３７】
上記積層型圧電素子及び上記ユニット接合積層型圧電素子は、例えば燃料噴射弁等に用いることができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
次に、本発明の実施例につき、図１〜図１６を用いて説明する。
図１に示すごとく、本例においては、複数の積層型圧電素子２が積層方向に接合されてなるユニット接合積層型圧電素子１を製造する。各積層型圧電素子２は、その積層方向の端部で互いに接合されており、積層型圧電素子２間には接合部１５が形成されている。
【００３９】
図２及び図３に示すごとく、積層型圧電素子２は、複数の圧電体層２１と複数の電極配設層２２、２３とを交互に積層してなるセラミック積層体２０と、その積層方向に垂直な面である側面に形成された一対の側面電極２８、２９とを有する。電極配設層２２、２３は、その電極部２２１、２３１において、それぞれいずれか一方の側面電極２８、２９に電気的に接続している。
【００４０】
図２及び図３に示すごとく、各電極配設層２２、２３は、電極非形成部２２２、２３２において、電極配設層２２、２３を挟む上下の圧電体層２１との境界が無くなっている。即ち、圧電体層２１と電極配設層２２，２３とは完全な層状構造で積層しているわけではない。しかし、本明細書においては、便宜上、セラミック積層体２０内において、電極配設層２２、２３の電極部２２１、２３１を水平方向（積層方向と垂直な方向）に延長させた平面に電極非形成部２２２、２３２が存在し、電極部２２１、２３１と電極非形成部２２２、２３２とからなる電極配設層２２、２３が圧電体層２１と積層構造を形成しているものとして取り扱う。したがって、各圧電体層２１は、隣接する２つの電極配設層２２、２３に挟まれた領域となる。
【００４１】
圧電体層２１は、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3で表され、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９という関係を満足する圧電材料からなる。
セラミック積層体２０の両端には、他よりも厚みの大きな圧電体層２１０（ダミー層２１０）が形成されている。
【００４２】
また、セラミック積層体２０は、側面より内方に凹むスリット状の応力緩和部２５（溝部２５）を有する。本例において、応力緩和部２５は、セラミック積層体２０の側面より内方に凹むスリット状の溝部であり、セラミック積層体２０の側面全周に渡って周方向に形成されている。
また、応力緩和部２５を挟んで隣り合う２つの電極配設層２２の電極部２２１は、いずれも正極側の側面電極２８に電気的に接続されている。その他の電極配設層２２、２３は、電極部２２１、２３１において、交互に異なる側面電極２８、２９に電気的に接続されている。
【００４３】
図１に示すごとく、ユニット接合積層型圧電素子１においては、各セラミック積層体２０の同じ側面に形成された側面電極２８、２９同士をそれぞれ電気的に接続する外部電極１８、１９が形成されている。
なお、図１〜図３においては、図面作成の便宜のため、実際の積層数を省略した形式で積層型圧電素子を示してある。
【００４４】
本例の積層型圧電素子の製造にあたっては、原料調合工程、仮焼工程、シート成形工程、電極印刷工程、積層工程、脱脂工程、焼成工程、及び側面電極形成工程を行う。
原料調合工程においては、Ｐｂ源、Ｓｒ源、Ｚｒ源、Ｔｉ源、Ｙ源、Ｎｂ源、及びＳｂ源を、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb)(ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg))Ｏ3（ただし、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９７、０．０３≦ｂ≦０．０８、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．０１）という配合割合で混合して原料混合物を作製する。
【００４５】
仮焼工程においては、上記原料混合物を温度１０００℃以下で仮焼して仮焼粉を得る。
シート成形工程においては、上記仮焼粉に少なくともバインダを加えて混合してシート状に成形することにより成形体シートを得る。
電極印刷工程においては、成形体シート２１０上の上記電極部を形成する領域４１に、導電性金属を含有する電極材料２２０、２３０を印刷して電極印刷シート３１、３２を得る（図４及び図５参照）。
【００４６】
積層工程においては、電極印刷シート３１、３２を複数積層して積層体４０（４）を作製する（図７参照）。その後、上記脱脂工程においては、上記積層体を脱脂する。
次に、上記焼成工程においては、該脱脂工程後の上記積層体を焼成してセラミック積層体２０を得る（図２及び図３参照）。
上記側面電極形成工程においては、セラミック積層体２０に、側面電極２８、２９を形成する（図２及び図３参照）。
【００４７】
また、本例においては、応力緩和部を形成するために、消失材料印刷工程を行う。
消失材料印刷工程においては、成形体シート２１０上における最終的に応力緩和部となる部分に、焼成によって消失する消失材料２５０を印刷し、消失材料印刷シート３３を形成する。そして、上記積層工程においては、所定枚数積層した電極印刷シート３１、３２間に消失材料印刷シート３３を配設して積層体４０を作製する（図７参照）。
【００４８】
以下、本例の積層型圧電素子の製造方法につき、図１〜図１０、及び図１２を用いて詳細に説明する。本例においては、図１２に示す工程図の調合1から側面電極焼付けまで行うことにより、積層型圧電素子を得る。
【００４９】
＜原料調合工程＞
まず、圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてＰｂ3Ｏ4、ＳｒＣＯ3、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5及びＳｂ2Ｏ3を準備し、これらの出発原料を上記一般式（１）(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3で示される組成となるような化学量論比で秤量した。次いで、湿式にて混合及び粉砕を行った後、温度１２０℃で乾燥した。
【００５０】
＜仮焼工程＞
次に、原料混合物を温度８５０℃で７時間仮焼した。次いで、仮焼粉をらいかい機にて粗粉砕した。次いで、仮焼粉をパールミルにより湿式粉砕し、この仮焼粉の粉砕物（粒径（Ｄ50値）：０．６５±０．０５μｍ）を乾燥した。
【００５１】
＜成形工程＞
次に、仮焼粉に、溶剤、バインダ、可塑剤、及び分散剤等を加えてボールミルにより混合し、得られた仮焼粉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し、さらに粘度調整した。
次いで、ドクターブレード法により、仮焼粉のスラリーをキャリアフィルム上に塗布し、厚さ８０μｍの長尺の成形体シート（グリーンシート）を成形した。このグリーンシートを所定の大きさに切断して、幅広のグリーンシートを作製した（シート成形）。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法のほか、押出成形法やその他種々の方法を採用することができる。
【００５２】
＜電極印刷工程＞
次に、電極印刷工程では、図４及び図５に示すごとく、グリーンシート２１０上に電極部となる電極材料２２０，２３０を印刷し、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２の２種類の電極印刷シートを作製した（電極印刷）。
以下に、電極印刷シートの作製についてさらに説明する。
図４に示すごとく、第１電極印刷シート３１の作製に当たっては、グリーンシート２１０上の印刷領域４１において、最終的に電極部となる部分に電極材料２２０を印刷した。これにより、第１電極印刷シート３１を形成した。
また、図５に示すごとく、第２電極印刷シート３２の形成に当たっては、第１電極印刷シートと同様に、グリーンシート２１０上の印刷領域４１において、電極部となる部分に電極材料２３０を印刷した。これにより、第２電極印刷シート３２を形成した。
第１電極印刷シート及び第２電極印刷シートにおいては、電極材料２２０、２３０が印刷領域４１内のそれぞれ異なる端部に露出するように電極材料２２０、２３０の印刷を行った。
なお、本例では、電極材料として、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いた。また、上記以外にも、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ等の単体、Ｃｕ／Ｎｉ等の合金を用いることができる。
【００５３】
＜消失材料印刷工程＞
次に、セラミック積層体２０の側面に応力緩和部２５（図２及び図３参照）を設けるため、図６に示すごとく、消失材料印刷シート３３を形成する消失材料印刷工程を行った。
同図に示すごとく、グリーンシート２１０上の印刷領域４１において、最終的に応力緩和部となる部分に焼成によって消失する消失材料２５０を印刷した。これにより、消失材料印刷シート３３を作製した。
本例では、消失材料としてカーボン粒子よりなる材料を用いた。また、カーボン粒子以外にも、炭化有機物粒子を用いることもできる。この炭化有機物粒子は、粉末状の有機物粒子を炭化して得ることができるほか、炭化させた有機物を粉砕して得ることもできる。さらに、上記有機物としては、樹脂等の高分子材料等を用いることができる。
【００５４】
また、電極印刷工程及び消失材料印刷工程においては、後述の積層及び切断工程により複数の積層体を作製するために、一枚のグリーンシート上に複数の電極材料２２０、２３０及び消失材料２５０を印刷した。
また、切断工程において切断される部分を避けるように、図４〜図６に示すごとく間隙４２を空けて、電極材料２２０、２３０及び消失材料層２５０の印刷を行った。つまり、グリーンシート２１０上の隣接する印刷領域４１の間に間隙４２を設けて印刷を行った。
【００５５】
＜積層工程＞
次に、図７に示すごとく、第１電極印刷シート３１、第２電極印刷シート３２、及び消失材料印刷シート３３を所定の順序で各印刷領域４１を積層方向に揃えて積層した。
このとき、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２を交互に積層し、上記応力緩和部を形成したい位置に消失材料印刷シート３３を挿入して積層した。
具体的には、本例においては、第１電極印刷シート３１と第２電極印刷シート３２との積層構造１１層毎に消失材料印刷シート３３を積層し、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２とが合計で９５枚となるように積層した。
このとき、第１電極印刷シート３１と第２電極印刷シート３２とはその電極材料２２０，２３０が交互に印刷領域４１の対向する端面に露出するように積層した。ただし、消失材料印刷シート３３を隣接して挟む２つの電極印刷シートについては、電極材料の形成パターンが同じ印刷シート（第１電極印刷シート３１）を用い、印刷領域４１の対向する２つの端面のうち同じ端面に電極材料２２０が露出するように積層した。すなわち、図９に示すごとく、消失材料印刷シート３３の上下には、後述の切断工程後に電極材料２２０が同じ側面に露出するような向きで第１電極印刷シート３１を配置した。
また、積層体の両端には、電極材料や消失材料を印刷していないグリーンシート２１０を積層した。そして、このようにして積層したシートを１００℃で加熱すると共に積層方向に５０ＭＰａで加圧し、予備積層体４０を形成した。なお、図７においては、図面作成の便宜のため、実際の積層数を省略した形式で予備積層体を示してある。
【００５６】
次に、図８〜図１０に示すごとく、形成した予備積層体を切断位置４３に沿って積層方向に切断し、中間積層体４を形成した（切断工程）。
なお、予備積層体４０の切断は、中間積層体４ごとに切断してもよいし、複数の中間積層体４を含んで切断してもよい。本例においては、中間積層体４ごとに切断し、各電極材料２２０、２３０及び消失材料層２５０が中間積層体４の側面に露出するように切断を行った。
なお、図９及び図１０においては、図面作成の便宜のため、実際の積層数を省略した形式で予備積層体及び中間積層体を示してある。
【００５７】
＜脱脂工程＞
次に、中間積層体のグリーンシートに含有されているバインダ樹脂を９０％以上加熱除去した（脱脂）。加熱は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温して１０時間保持した。
【００５８】
＜焼成工程＞
次に、脱脂した中間積層体を焼成した。焼成は、温度１０７０℃まで１８時間かけて徐々に昇温させ、２時間保持後、徐々に冷却することで行った。
このようにして、図２及び図３に示すごとく、圧電体層２１と電極配設層２２、２３とが交互に積層されてなり、スリット状の応力緩和部２５を有するセラミック積層体２０を得た。
【００５９】
＜側面電極形成工程＞
そして、焼成後、全面研磨を行って縦６ｍｍ×横６ｍｍ×高さ４．４ｍｍのセラミック積層体２０を作製し、その両側面を挟むように、一対の側面電極２８、２９を焼付けた。
このとき、各電極配設層２２、２３の電極部２２１、２２２は、それぞれ交互に異なる側面の側面電極２８、２９に電気的に接続される。ただし、応力緩和部２５を挟む２つの電極配設層２２の電極部２２１は、同じ側の側面電極２８に電気的に接続される。そして、本例においては、応力緩和部を挟む２つの電極配設層２２の電極部２２１が接続されている側の側面電極２８を正極とした。
【００６０】
以上のようにして、図２及び図３に示すごとく、複数の圧電体層２１と複数の電極配設層２２、２３とを交互に積層してなるセラミック積層体２０と、その側面に形成された応力緩和部２５と、一対の側面電極２８、２９とを有する積層型圧電素子２を作製した。
【００６１】
次に、このようにして得られた積層型圧電素子を複数接合し、ユニット接合積層型圧電素子を作製する。
まず、積層型圧電素子を接合させる接着剤として、シリコーン樹脂系接着剤を準備した。このシリコーン樹脂系接着剤は、ビニル基を含有する直鎖状のオルガノポリシロキサンをシリコーンゴム組成物の主剤として含有し、オルガノハイドロジェンポリシロキサンを架橋剤として含有する。本例においては、シリコーン樹脂系接着剤として硬化後の接着強度が１．３ＭＰａ以上のものを採用した。
【００６２】
図１１に示すごとく、積層型圧電素子２の接合面に厚さ１μｍ以下で接着剤５を塗布し、積層型圧電素子２同士を積層方向に接合した。本例においては、６個の積層型圧電素子２を接合させた。その後、積層方向から圧力をかけて圧着させ、温度１８０℃で１時間保持して接着剤を硬化させた。
このようにして、積層型圧電素子２が積層方向に６個接合されたユニット接合積層型圧電素子１を作製した。なお、図１１においては、図面作成の便宜のため、ユニット接合積層型圧電素子内の積層型圧電素子の数を省略して示すと共に、積層型圧電素子内の圧電体層の数及び応力緩和部を省略してある。
【００６３】
また、同図に示すごとく、積層型圧電素子２の接合後に、各積層型圧電素子２に形成された正極側の側面電極２８同士を電気的に導通させる外部電極１８と、負極側の側面電極２９同士をそれぞれ電気的に導通させる外部電極１９を形成した。外部電極２８、２９は、Ａｇ等の導電性金属を焼付けることにより形成した。
このようにして、図１に示すごとく、積層型圧電素子２が複数接合されてなるユニット接合積層型圧電素子１を作製した。
【００６４】
本例においては、原料調合工程における配合を変えて、組成の異なる複数の圧電材料で構成する圧電体層を形成した。
具体的には、まず、一般式：(Ｐｂ0.94Ｓｒb)(Ｚｒ0.529Ｔｉ0.454(Ｙ0.0025Ｎｂ0.0025Ｓｂ0.006))Ｏ3におけるｂの値（Ｓｒ量）を変えて出発原料を秤量し、その他は上述と同様の操作を行って１１種類のユニット接合積層型圧電素子（試料Ｅ１〜Ｅ７及び試料Ｃ１〜Ｃ４）を作製した。ｂの値を後述の表１に示す。
【００６５】
また、一般式：(ＰｂaＳｒ0.05)(Ｚｒ0.529Ｔｉ0.454(Ｙ0.0025Ｎｂ0.0025Ｓｂ0.006))Ｏ3におけるａ＋０．０５の値（Ｐｂ＋Ｓｒ量）を変えて出発原料を秤量し、その他は上述と同様の操作を行って１３種類のユニット接合積層型圧電素子（試料Ｅ８〜Ｅ１６及び試料Ｃ５〜Ｃ８）を作製した。ａ＋０．０５の値を後述の表２に示す。
【００６６】
また、一般式：(Ｐｂ0.94Ｓｒ0.05)(Ｚｒ0.529Ｔｉ0.454(Ｙ0.0025Ｎｂ0.0025Ｓｂg))Ｏ3におけるｇの値（Ｓｂ量）を変えて出発原料を秤量し、その他は上述と同様の操作を行って１４種類のユニット接合積層型圧電素子（試料Ｅ１７〜Ｅ２５及び試料Ｃ９〜Ｃ１３）を作製した。ｇの値を後述の表３に示す。
【００６７】
また、一般式：(Ｐｂ0.94Ｓｒ0.05)(Ｚｒ0.529Ｔｉ0.454(ＹeＮｂfＳｂ0.006))Ｏ3におけるｅ＋ｆの値（Ｙ＋Ｎｂ量、ただしｅ：ｆ＝１：１）を変えて出発原料を秤量し、その他は上述と同様の操作を行って１４種類のユニット接合積層型圧電素子（試料Ｅ２６〜Ｅ３５及び試料Ｃ１４〜Ｃ１７）を作製した。ｅ＋ｆの値を後述の表４に示す。
【００６８】
次に、上記のようにして得られたユニット接合積層型圧電素子（試料Ｅ１〜Ｅ３５及び試料Ｃ１〜Ｃ１７）について、変位量を測定した。
具体的には、積層方向に５００Ｎの荷重をかけながら各試料（ユニット接合積層型圧電素子）に１５０Ｖの電圧を印加した。このときの各試料の変位は、レーザー変位計により測定した。測定は２点について行い、これらの平均をもって各試料の変位量とした。
なお、変位量の測定は室温で行うが、予め各試料を駆動している状態で２０程度エージングした後に測定を行った。その結果を表１〜４及び図１３〜図１６に示す。
【００６９】
【表１】
2011009269.tif 000003
【００７０】
【表２】
2011009269.tif 000004
【００７１】
【表３】
2011009269.tif 000005
【００７２】
【表４】
2011009269.tif 000006
【００７３】
表１〜表４及び図１３〜図１６に示すごとく、一般式（１）：(ＰｂaＳｒb){ＺｒcＴｉd(ＹeＮｂfＳｂg)}Ｏ3（ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．９０≦ａ＋ｂ≦０．９８、０．０３≦ｂ≦０．０８、０．９８０≦ｃ＋ｄ≦０．９９８、０．４５≦ｄ≦０．４８、０．００１≦ｅ＋ｆ≦０．０１、及び０．００１≦ｇ≦０．００９）で表される組成の圧電材料で構成する圧電体層を形成した試料Ｅ１〜試料Ｅ３５は、４０μｍ以上という大きな変位量を示し、変位性能に優れていた。これに対し、上述の組成の範囲外にある試料Ｃ１〜試料Ｃ１７は、変位性能が不充分であった。
【００７４】
したがって、本例によれば、一般式（１）で表される圧電材料は、優れた変位性能を示すことができ、かかる圧電材料を用いた積層型圧電素子及びユニット接合積層型圧電素子は、実用上優れた変位性能を発揮できることがわかる。
【符号の説明】
【００７５】
１  ユニット接合積層型圧電素子
１５  接合部
１８  外部電極
１９  外部電極
２  積層型圧電素子
２１  圧電体層
２２  電極配設層
２３  電極配設層
２５  応力緩和部
２８  側面電極
２９  側面電極
【図１】
2011009269.tif 000007
【図２】
2011009269.tif 000008
【図３】
2011009269.tif 000009
【図４】
2011009269.tif 000010
【図５】
2011009269.tif 000011
【図６】
2011009269.tif 000012
【図７】
2011009269.tif 000013
【図８】
2011009269.tif 000014
【図９】
2011009269.tif 000015
【図１０】
2011009269.tif 000016
【図１１】
2011009269.tif 000017
【図１２】
2011009269.tif 000018
【図１３】
2011009269.tif 000019
【図１４】
2011009269.tif 000020
【図１５】
2011009269.tif 000021
【図１６】
2011009269.tif 000022