(57)【要約】【課題】外部電極の耐久性の向上と積層型圧電素子の性能向上とを両立させることができ、かつ、その性能を維持することができる積層型圧電素子を提供すること。【解決手段】積層型圧電素子１は、圧電層１１と内部電極層２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０と、セラミック積層体１０の外周面１０３における一対の電極接合面１０１、１０２に設けられた外部電極３３とを有する。外部電極３３は、接合材３２を介して接合されていると共に、接合材３２と接している固定部３３１と、伸縮可能な複数の開口部３３０を有するフリー部３３２と、外部電極３３の幅方向ｘにおける断面積が固定部３３１及びフリー部３３２に比べて大きいリジット部３３３とを有する。外部電極３３には、外部電極３３の幅方向ｘにおいて、固定部３３１、フリー部３３２、リジット部３３３の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面に、上記内部電極層に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
上記外部電極は、該外部電極の幅よりも小さな幅の導電性を有する接合材を介して上記電極接合面に接合されていると共に、上記接合材と接している固定部と、上記接合材と接しておらず、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を有するフリー部と、上記接合材と接しておらず、上記外部電極の幅方向における断面積が上記固定部及び上記フリー部に比べて大きいリジット部とを有し、
かつ、上記外部電極には、該外部電極の幅方向において、上記固定部、上記フリー部、上記リジット部の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在することを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、上記フリー部の開口部は、網目状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記固定部は、複数の開口部を有していることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】
請求項３において、上記固定部の開口部は、網目状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記開口部は、エキスパンド、パンチング、エッチング、又はレーザーのいずれかの加工方法を用いて形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、上記リジット部は、開口部を有しておらず、板状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記リジット部は、上記外部電極の幅方向端部に設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、上記外部電極の全幅をＷａとした場合に、Ｗａ＜１０ｍｍの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、上記リジット部の幅をＷｒとした場合に、Ｗｒ＞０．３ｍｍの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において、上記フリー部の幅をＷｆ、上記セラミック積層体の積層方向の長さをＬｐとした場合に、Ｗｆ＞０．０１Ｌｐの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において、上記リジット部の断面積をＳｒ、上記積層型圧電素子の最大駆動電流をＩｍ、上記外部電極の単位面積当たりの許容電流をＩａとした場合に、（Ｉｍ／Ｓｒ）＜Ｉａの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項において、上記外部電極は、銅、金、銀のいずれか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１３】
請求項１〜１１のいずれか１項において、上記外部電極は、ステンレスを主成分とし、該外部電極の表面には、銅、金、銀のいずれかがメッキされていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項において、上記接合材は、導電性接着剤であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項において、上記接合材は、半田であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項において、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることを特徴とする積層型圧電素子。
【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等の圧電アクチュエータとして用いられる積層型圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子は、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体に一対の外部電極を設けたものがある。そして、内部電極層に対して電圧を印加することにより、圧電層に変位が生じて駆動するように構成されている。
【０００３】
近年、小型の圧電アクチュエータを用い、高圧力下で大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが行われている。このような圧電アクチュエータに積層型圧電素子を用いた場合、高電界、高圧力の下で長時間駆動させることにより、セラミック積層体に設けられた外部電極が積層型圧電素子の伸縮動作に追従することができず、剥離が生じたり、クラックが生じて破断したりする。これによって、一部の圧電層に電圧が供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するといった問題が起きる。
【０００４】
そこで、特許文献１では、導電性部材を積層体から離れた部分に外部電極を介して設けることにより、積層体や外部電極にクラックが生じた場合でも、機能低下を抑制することができる積層型圧電アクチュエータ素子が提案されている。
また、特許文献２では、幅方向に切り込みが形成された薄板状の圧電素子連結電極を導電性接着剤により圧電素子柱の側面に接合し、内部電極との導通を充分に確保した圧電アクチュエータが提案されている。
また、特許文献３では、電極層と接触ピンとをそれぞれ接触ワイヤで接合し、積層体全体への導通を充分に確保した圧電アクチュエータが提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、導電部材の断面積を充分に確保しておらず、電流容量が小さいため、インジェクタのような高速動作が必要な用途には向かない。
また、特許文献２は、薄板状の圧電素子連結電極に形成された切り込み部にかかる応力には効果があるものの、導電性接着剤によって固定されている切り込み部以外の部分は充分に応力を低減することができず、破断が生じてしまう。これにより、圧電素子連結電極と内部電極との導通を確保することができなくなるため、駆動中に変位特性が変化するという問題が生じる。
また、特許文献３は、電極層の全てにワイヤを接合することが生産上困難であり、また充分な耐久性を確保することができない。
【０００６】
これらのことから、厳しい環境下において長期間に渡って使用した場合でも、不具合の発生を抑制することができ、かつ、変位特性等の性能を維持し続けることができる積層型圧電素子が望まれている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−９３５６号公報
【特許文献２】特開平８−２４２０２５号公報
【特許文献３】独国特許公報第１９９４５９３３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、外部電極の耐久性向上と積層型圧電素子の性能向上とを両立させることができ、かつ、その性能を維持することができる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】
【０００９】
本発明は、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面に、上記内部電極層に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
上記外部電極は、該外部電極の幅よりも小さな幅の導電性を有する接合材を介して上記電極接合面に接合されていると共に、上記接合材と接している固定部と、上記接合材と接しておらず、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を有するフリー部と、上記接合材と接しておらず、上記外部電極の幅方向における断面積が上記固定部及び上記フリー部に比べて大きいリジット部とを有し、
かつ、上記外部電極には、該外部電極の幅方向において、上記固定部、上記フリー部、上記リジット部の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在することを特徴とする積層型圧電素子にある（請求項１）。
【００１０】
本発明の積層型圧電素子において、上記外部電極は、上記のごとく、固定部とフリー部とリジット部とを有している。
上記フリー部は、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な上記複数の開口部を有していることにより、上記圧電層の変位（以下、適宜、圧電変位という）によって上記外部電極に生じる応力を緩和することができる。これにより、上記外部電極における破断、剥離等の発生を抑制することができ、上記外部電極の耐久性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記リジット部は、上記外部電極の幅方向における断面積が上記固定部及び上記フリー部に比べて大きく、このようなリジット部を上記外部電極の一部に設けることにより、該外部電極の電流容量を増加させることができる。これにより、上記積層型圧電素子の駆動時における変位量を大きくすることができ、性能向上を図ることができる。
なお、断面積の比較は、上記外部電極の幅方向における任意の断面において、上記固定部、フリー部、及びリジット部の面積を比較する。上記固定部、フリー部、及びリジット部が複数存在する場合には、その面積の合計を比較する。
【００１２】
また、上記接合材の幅は、上記外部電極の幅よりも小さい。そのため、例え圧電変位によって生じる応力により、上記接合材に固定されている上記固定部に幅方向の破断が生じた場合でも、上記接合材に固定されていない上記フリー部及びリジット部によって、上記内部電極と上記外部電極との間の電気的な導通性（以下、適宜、単に導通性という）を確保することができる。これにより、上記積層型圧電素子は、駆動中に変位特性が変化することを抑制することができる。
【００１３】
また、上記外部電極には、該外部電極の幅方向において、上記固定部、上記フリー部、上記リジット部の順に並んで形成されている部分が存在する。すなわち、上記固定部と上記リジット部との間に、伸縮可能であり、応力緩和効果を有する上記フリー部を設けることにより、上記固定部に破断が生じてもその破断が伸展することを抑制することができる。これにより、電流容量を増加させ、性能向上を実現する上記リジット部の破断を防止することができ、上記積層型圧電素子の持つ性能を長期間に渡って維持することができる。
【００１４】
このように、本発明の積層型圧電素子は、上記外部電極が上記固定部、フリー部、及びリジット部を有し、かつ、各部を上述したような順に配置した部分を形成しておくことにより、外部電極の耐久性向上と積層型圧電素子の性能向上とを両立させることができる。また、厳しい環境下において長期間に渡って使用した場合でも、変位特性等の性能を維持することができる。それ故、高速動作が必要なインジェクタ等にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明においては、上記固定部、フリー部、及びリジット部は、それぞれ複数形成されていてもよい。
また、上記フリー部は、上記外部電極において、上記セラミック積層体の積層方向（上記外部電極の長さ方向）に連続して形成されていることが好ましい。すなわち、上記圧電層が変位する方向に連続して設けることにより、圧電変位による応力を緩和する効果を有効に発揮することができる。
また、上記リジット部は、上記外部電極において、上記セラミック積層体の積層方向（上記外部電極の長さ方向）に連続して形成してもよいし、分割して形成してもよい。
【００１６】
また、上記フリー部の開口部は、網目状に形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記フリー部の伸縮性を向上させることができる。そのため、上記フリー部の応力緩和効果をより一層発揮することができる。これにより、上記外部電極の破断をさらに抑制することができる。
【００１７】
また、上記固定部は、複数の開口部を有していることが好ましい（請求項３）。
この場合には、例えば上記接合材に接着剤等を用いて上記固定部の開口部に入り込ませ、上記接合材と上記固定部とを碇状接合することが可能となる。これにより、上記外部電極の接合強度を向上させることができる。
【００１８】
また、上記固定部の開口部は、網目状に形成されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記接合材と上記固定部との碇状接合がさらに強固となり、上記外部電極の接合強度をより一層向上させることができる。
【００１９】
また、上記開口部は、エキスパンド、パンチング、エッチング、又はレーザーのいずれかの加工方法を用いて形成してあることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記の加工方法を用いることによって、様々な形状の上記開口部を容易に形成することができる。
【００２０】
なお、上記固定部及びフリー部の開口部の形状は、円、楕円、三角形、四角形等の様々な形状を採用することができる。特に、上記フリー部の開口部は、円や楕円等のような角がない形状とすることにより、圧電変位によって生じる応力が上記フリー部に集中し難くなり、上記外部電極の破断をより一層抑制することができる。
【００２１】
また、上記リジット部は、開口部を有しておらず、板状に形成されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記リジット部の断面積をできるだけ大きく確保することができる。これにより、上記外部電極の電流容量増加及び上記積層型圧電素子の性能向上をより一層実現することができる。
【００２２】
また、上記リジット部は、上記外部電極の幅方向端部に設けられていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記固定部から上記リジット部までの距離を充分に確保することができる。すなわち、両者の間の上記フリー部の幅を充分に確保することができる。これにより、圧電変位による応力を上記フリー部によって確実に緩和することで、該フリー部よりもさらに外側の上記リジット部の破断を抑制することができる。
【００２３】
また、上記外部電極の全幅をＷａとした場合に、Ｗａ＜１０ｍｍの関係を満たすことが好ましい（請求項８）。
Ｗａ≧１０ｍｍの場合には、上記外部電極の材料コストが高くなったり、上記外部電極の全幅Ｗａが上記セラミック積層体の幅よりも広くなって取り扱いが困難になったりするおそれがある。
【００２４】
また、上記リジット部の幅をＷｒとした場合に、Ｗｒ＞０．３ｍｍの関係を満たすことが好ましい（請求項９）。
Ｗｒ≦０．３ｍｍの場合には、上記外部電極に上記リジット部を形成することが生産上困難となるおそれがある。
なお、上記リジット部の幅Ｗｒは、上記リジット部が複数存在する場合には、その幅の合計とする。
【００２５】
また、上記フリー部の幅をＷｆ、上記セラミック積層体の積層方向の長さをＬｐとした場合に、Ｗｆ＞０．０１Ｌｐの関係を満たすことが好ましい（請求項１０）。
一般に上記セラミック積層体は、積層方向に０．１〜０．２％程度伸長させて使用することが多い。そのため、Ｗｆ≦０．０１Ｌｐの場合には、上記フリー部の幅Ｗｆが上記セラミック積層体の積層方向の長さＬｐに対して充分に確保できず、上記フリー部による応力緩和効果が不充分となり、上記外部電極に疲労破断が生じるおそれがある。特に、インジェクタ等のように伸長、収縮の回数が多いものに適用した場合には、それが顕著に現れる。
なお、上記フリー部の幅Ｗｆは、上記フリー部が複数存在する場合には、その幅の合計とする。
【００２６】
また、上記リジット部の断面積をＳｒ、上記積層型圧電素子の最大駆動電流をＩｍ、上記外部電極の単位面積当たりの許容電流をＩａとした場合に、（Ｉｍ／Ｓｒ）≦Ｉａの関係を満たすことが好ましい（請求項１１）。
（Ｉｍ／Ｓｒ）＞Ｉａの場合には、例えば上記外部電極において上記固定部及びフリー部に破断が生じた場合、上記外部電極の電流容量が低下してしまう。したがって、全電流（最大駆動電流Ｉｍ）が上記リジット部に流れても問題が生じないようにするため、（Ｉｍ／Ｓｒ）≦Ｉａとすることが好ましいのである。これにより、駆動中に変位特性が変化することを抑制することができる。
また、上記リジット部の断面積Ｓｒを充分に確保することにより、電流を流した際に生じる発熱を抑制することができる。そのため、上記接合材の劣化が抑えられ、上記外部電極の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
また、上記外部電極は、銅、金、銀のいずれかを主成分とすることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記外部電極の強度を高くすることができると共に、電流容量を大きなものとすることができる。
【００２８】
また、上記外部電極は、ステンレスを主成分とし、該外部電極の表面には、銅、金、銀のいずれかがメッキされていることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、上記外部電極の強度を高くすることができると共に、電流容量を表面のメッキによって充分に確保することができる。
【００２９】
また、上記接合材は、導電性接着剤であることが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記内部電極層と上記外部電極との間の導通性を充分に確保することができる。また、上記電極接合面に対して上記外部電極を容易に接合することができる。
【００３０】
また、上記接合材は、半田であることが好ましい（請求項１５）。
この場合には、上記内部電極層と上記外部電極との間の導通性を充分に確保することができる。また、上記電極接合面に対する上記外部電極の接合強度を強固なものとすることができる。
【００３１】
また、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることが好ましい（請求項１６）。
上記インジェクタは、高温高湿という過酷な条件下で使用される。そのため、上記の優れた積層型圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、耐久性及び信頼性を向上させることができ、インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。
【００３２】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる積層型圧電素子について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１は、図１、図２に示すごとく、圧電材料よりなる圧電層１１と導電性を有する内部電極層２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０と、セラミック積層体１０の外周面１０３における一対の電極接合面１０１、１０２に、内部電極層２１、２２に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極３３とを有する。
【００３３】
外部電極３３は、外部電極３３の幅よりも小さな幅の導電性を有する接合材３２を介して電極接合面１０１、１０２に接合されていると共に、接合材３２と接している固定部３３１と、接合材３２と接しておらず、セラミック積層体１０の積層方向Ｙ（以下、適宜、単に積層方向Ｙという）に伸縮可能な複数の開口部３３０を有するフリー部３３２と、接合材３２と接しておらず、外部電極３３の幅方向ｘ（以下、適宜、単に幅方向ｘという）における断面積が固定部３３１及びフリー部３３２に比べて大きいリジット部３３３とを有し、かつ、外部電極３３には、外部電極３３の幅方向ｘにおいて、固定部３３１、フリー部３３２、リジット部３３３の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在する。
以下、これを詳説する。
【００３４】
図１、図２に示すごとく、本例の積層型圧電素子１において、セラミック積層体１０は、角柱状を呈する積層体の外周面１０３に、相互に対面する一対の電極接合面１０１、１０２を形成してなる断面四角形状を呈している。なお、セラミック積層体１０の断面形状としては、本例の四角形に限定されるものではなく、用途、使用状況に合わせて樽型、円形、八角形等の様々な形状に変更可能である。
【００３５】
また、セラミック積層体１０は、上述のごとく、圧電層１１と内部電極層２１、２２とが交互に積層されている。
内部電極層２１、２２は、外周端部の一部を一対の電極接合面１０１、１０２に交互に露出している。また一方で、内部電極層２１、２２は、外周端部の一部を控え部１９によってセラミック積層体１０の外周面１０３に対して内方に控えている。つまり、本例のセラミック積層体１０は、いわゆる電極控え構造（部分電極構造）を有しており、このような構造を採用することで、セラミック積層体１０の外周面１０３における電気的な絶縁性を確保している。
【００３６】
また、セラミック積層体１０は、積層方向の中央部分にある駆動部１０ａと、これを挟持するように配置された部分であるバッファー部１０ｂと、さらにこのバッファー部１０ｂを挟持するように配置された部分であるダミー部１０ｃとに分けることができる。そして、駆動部１０ａ、バッファー部１０ｂ、ダミー部１０ｃの順に電圧印加時における伸縮量が小さくなるように構成されている。具体的には、圧電層１１の厚さを順に大きくしてあり、内部応力を段階的に緩和することができるように構成されている。
【００３７】
なお、本例の圧電層１１は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電セラミックスで構成されている。
また、内部電極層２１、２２は、Ａｇ（銀）／Ｐｄ（パラジウム）合金により構成されている。なお、上記のＡｇ／Ｐｄ合金に代えて、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ等の単体、Ｃｕ／Ｎｉ等の合金を用いることもできる。
【００３８】
また、同図に示すごとく、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２には、それぞれに露出した内部電極層２１、２２の端部を導通させるように側面電極３１が配設されている。また、側面電極３１上には、接合材３２が配設されており、この接合材３２を介して外部電極３３が接合されている。また、セラミック積層体１０の外周面１０３は、図示を省略するが、全体を覆うようにモールド材でモールドしてある。
【００３９】
なお、本例の側面電極３１は、Ａｇ（９７ｗｔ％）とガラスフリット（３ｗｔ％）とを含有するＡｇペーストを焼き付けた焼付け銀で構成されている。なお、上記のＡｇペーストに代えて、Ａｇ／Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等のペーストを焼き付けて形成することもできる。
また、接合材３２は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた導電性接着剤で構成されている。なお、上記の導電性接着剤に代えて、半田を用いることもできる。
また、モールド材は、絶縁樹脂であるシリコーン樹脂で構成されている。
【００４０】
ここで、外部電極３３について、さらに詳しく説明する。
外部電極３３は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成されており、ステンレス鋼には、下地としてのＮｉメッキが施されており、その上にＡｇメッキが施されている。なお、上記のＡｇメッキに代えてＣｕ、Ａｕ等をメッキすることもできる。また、外部電極３３全体をＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等で構成することもできる。
【００４１】
また、図１に示すごとく、外部電極３３は、上述したように導電性接着剤よりなる接合材３２によって接合されており、接合材３２の幅は、外部電極３３の全幅Ｗａよりも小さい。本例では、接合材３２の幅は１．２ｍｍであり、外部電極３３の全幅Ｗａは３ｍｍである。
また、外部電極３３は、接合材３２と接している固定部３３１と、接していないフリー部３３２及びリジット部３３３とで構成されている。
【００４２】
固定部３３１及びフリー部３３２は、菱形形状の開口部３３０を複数有しており、その開口部３３０は、網目状に形成されている。本例の開口部３３０は、エキスパンド加工方法を用いて形成した。なお、開口部３３０の加工方法は、パンチング、エッチング、レーザー等の加工方法を用いることもできる。
リジット部３３３は、固定部３３１及びフリー部３３２と異なり、開口部３３０を有しておらず、平板状に形成されている。そのため、リジット部３３３は、固定部３３１及びフリー部３３２に比べて幅方向ｘにおける断面積が大きい。本例では、図２に示すごとく、外部電極３３の幅方向ｘの任意断面において、固定部３３１の断面積Ｓｄは０．０４ｍｍ2、フリー部３３２の断面積Ｓｆは０．０４ｍｍ2、リジット部３３３の断面積Ｓｒは０．０５ｍｍ2である。
【００４３】
また、固定部３３１は、幅方向ｘの中央において、外部電極３３の長さ方向ｙ（以下、適宜、単に長さ方向ｙという）に連続して形成されている。そして、接合材３２としての導電性接着剤が開口部３３０に入り込み、接合材３２と外部電極３３とが碇状接合を形成している。この固定部３３１によって、外部電極３３は強固に接合されている。固定部３３１の幅Ｗｄは、接合材３２の幅と同じであり、１．２ｍｍである。
また、リジット部３３３は、外部電極３３の幅方向ｘの一方の端部において、長さ方向ｙに連続して形成されている。リジット部３３３の幅Ｗｒは、０．５ｍｍである。
【００４４】
また、固定部３３１及びリジット部３３３以外の部分は、フリー部３３２となっている。フリー部３３２は、接合材３２と接しておらず、開口部３３０によって長さ方向ｙ、すなわち積層方向Ｙに伸縮可能に構成されている。なお、本例では、フリー部３３２が固定部３３１を挟んで両側に存在するため、それぞれの幅の合計Ｗｆ１＋Ｗｆ２をフリー部３３２の幅Ｗｆとした。本例のフリー部３３２の幅Ｗｆは、１．３ｍｍである。
【００４５】
また、本例の外部電極３３は、幅方向ｘにおいて、固定部３３１、フリー部３３２、リジット部３３３の順に並んで形成されている部分が存在する。
また、セラミック積層体１０の積層方向Ｙの長さをＬｐとした場合に、Ｗｆ＞０．０１Ｌｐの関係を満たす。なお、本例のＬｐは、３０ｍｍである。
また、リジット部３３３の断面積をＳｒ、積層型圧電素子１の最大駆動電流をＩｍ、外部電極３３の単位面積当たりの許容電流をＩａとした場合に、（Ｉｍ／Ｓｒ）＜Ｉａの関係を満たす。なお、本例のＳｒは０．０５ｍｍ2、Ｉｍは２０Ａ、Ｉａは４２０Ａ／ｍｍ2である。
【００４６】
次に、上記の積層型圧電素子１の製造方法について、簡単に説明する。
本例の積層型圧電素子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。このとき、鉛の蒸発を考慮して、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。
【００４７】
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、粘度調整する。
【００４８】
次いで、上記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。成形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、所定の大きさにする。
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以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。
【００４９】
次いで、圧電層１１となるグリーンシートの表面において、内部電極層２１、２２を形成する部分に、Ａｇ（７０ｗｔ％）とＰｄ（３０ｗｔ％）とを含有するＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷により塗布し、内部電極層２１、２２とする。このとき、内部電極層２１、２２を印刷しない電極控え部１９を形成しておく。
また、このグリーンシートは、駆動部１０ａ、バッファー部１０ｂ用に変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、バッファー部１０ｂ、ダミー部１０ｃ用の内部電極層２１、２２の印刷を施していないグリーンシートも必要枚数用意する。
【００５０】
次いで、上記グリーンシートを積層する。このとき、電極控え部１９が電極接合面１０１、１０２に交互に位置するように積層する。これにより、内部電極層２１、２２が電極接合面１０１、１０２に交互に露出した状態となる。
そして、駆動部１０ａ用のグリーンシートを積層し、その両端にバッファー部１０ｂ用のグリーンシートを積層し、さらにその両端にダミー部１０ｃ用のグリーンシートを積層し、図１に示す構造の中間積層体を得る。
【００５１】
次いで、上記中間積層体を熱圧着後、電気炉により４００〜７００℃の下で脱脂し、９００〜１２００℃の下で焼成する。これにより、セラミック積層体１０を得る。
次いで、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２にＡｇペーストを塗布し、これを焼き付けることにより側面電極３１を形成する。
【００５２】
次いで、側面電極３１上に、導電性接着剤よりなる接合材３２を塗布する。そして、塗布した接合材３２上に外部電極３３を配置する。このとき、外部電極３３の開口部３３０に接合材３２が入り込むように外部電極３３を配置する。その後、接合材３２を加熱硬化させて外部電極３３を接合する。
最後に、セラミック積層体１０の外周面１０３全体を絶縁樹脂よりなるモールド材（図示略）によってモールドする。
これにより、図１、図２に示した積層型圧電素子１を得る。
【００５３】
次に、本例の積層型圧電素子における作用効果について説明する。
本例の積層型圧電素子１において、外部電極３３は、固定部３３１とフリー部３３２とリジット部３３３とを有している。
フリー部３３２は、セラミック積層体１０の積層方向Ｙに伸縮可能な複数の開口部３３０を有していることにより、圧電変位によって外部電極３３に生じる応力を緩和することができる。これにより、外部電極３３における破断、剥離等の発生を抑制することができ、外部電極３３の耐久性を向上させることができる。
【００５４】
また、リジット部３３３は、外部電極３３の幅方向ｘにおける断面積が固定部３３１及びフリー部３３２に比べて大きく、このようなリジット部３３３を外部電極３３の一部に設けることにより、外部電極３３の電流容量を増加させることができる。これにより、積層型圧電素子１の駆動時における変位量を大きくすることができ、性能向上を図ることができる。
【００５５】
また、接合材３２の幅は、外部電極３３の幅よりも小さい。そのため、例え圧電変位によって生じる応力によって、接合材３２に固定されている固定部３３１に幅方向ｘの破断が生じた場合でも、接合材３２に固定されていないフリー部３３２及びリジット部３３３によって、内部電極２１、２２と外部電極３３との間の導通性を確保することができる。これにより、積層型圧電素子１は、駆動中に変位特性が変化することを抑制することができる。
【００５６】
また、外部電極３３には、外部電極３３の幅方向ｘにおいて、固定部３３１、フリー部３３２、リジット部３３３の順に並んで形成されている部分が存在する。すなわち、固定部３３１とリジット部３３３との間に、伸縮可能であり、応力緩和効果を有するフリー部３３２を設けることにより、固定部３３１に破断が生じてもその破断が伸展することを抑制することができる。これにより、電流容量を増加させ、性能向上を実現するリジット部３３３の破断を防止することができ、積層型圧電素子１の持つ性能を長期間に渡って維持することができる。
【００５７】
また、本例においては、フリー部３３２の開口部３３０は、網目状に形成されている。そのため、フリー部３３２の伸縮性を向上させることができる。そのため、フリー部３３２の応力緩和効果をより一層発揮することができる。これにより、外部電極３３の破断をさらに抑制することができる。
【００５８】
また、固定部３３１は、フリー部３３２と同様に複数の開口部３３０を有し、その開口部３３０は網目状に形成されている。そのため、接合材３２を固定部３３１の開口部３３０に入り込ませ、両者を碇状接合することが可能となる。これにより、外部電極３３の接合強度を向上させることができる。
【００５９】
また、リジット部３３３は、開口部３３０を有しておらず、平板状に形成されている。そのため、リジット部３３３は、固定部３３１及びフリー部３３２に比べて断面積をできるだけ大きく確保することができる。これにより、外部電極３３の電流容量増加及び積層型圧電素子１の性能向上をより一層実現することができる。
【００６０】
また、リジット部３３３は、外部電極３３の幅方向端部に設けられている。そのため、フリー部３３２の幅を充分に確保することができる。これにより、圧電変位による応力をフリー部３３２によって確実に緩和することで、フリー部３３２よりもさらに外側のリジット部３３３の破断を抑制することができる。
【００６１】
また、フリー部３３２の幅をＷｆ、セラミック積層体１０の積層方向Ｙの長さをＬｐとした場合に、Ｗｆ＞０．０１Ｌｐの関係を満たす。そのため、圧電変位によって外部電極３３に生じる応力をフリー部３３２によって充分に緩和することができる。
【００６２】
また、リジット部３３３の断面積をＳｒ、積層型圧電素子１の最大駆動電流をＩｍ、外部電極３３の単位面積当たりの許容電流をＩａとした場合に、（Ｉｍ／Ｓｒ）≦Ｉａの関係を満たす。そのため、外部電極３３において固定部３３１及びフリー部３３２に破断が生じ、全電流がリジット部３３３に流れても問題がなく、駆動中に変位特性が変化することを抑制することができる。
また、リジット部３３３の断面積Ｓｒを充分に確保しているため、電流を流した際に生じる発熱を抑制することができる。これにより、接合材３２の劣化が抑えられ、外部電極３３の耐久性を向上させることができる。
【００６３】
また、外部電極３３は、ステンレスを主成分とし、その表面には、Ａｇメッキが施されている。そのため、外部電極３３の強度を高くすることができる。また、外部電極３３の電流容量を表面のＡｇメッキによって大きくすることができる。
【００６４】
また、接合材３２としては、導電性接着剤を用いた。そのため、接合材３２を固定部３３１の開口部３３０に入り込ませ、接合材３２と外部電極３３とを碇状接合することができる。これにより、外部電極３３の接合強度を向上させることができる。また、外部電極３３の接合を容易に行うことができると共に、内部電極層２１、２２と外部電極３３との間の導通性を充分に確保することができる。
【００６５】
このように、本例の積層型圧電素子１は、外部電極３３が固定部３３１、フリー部３３２、及びリジット部３３３を有し、かつ、各部を上述したような順に配置した部分を形成しておくことにより、外部電極３３の耐久性向上と積層型圧電素子１の性能向上とを両立させることができる。また、厳しい環境下において長期間に渡って使用した場合でも、変位特性等の性能を維持することができる。
【００６６】
（実施例２）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１において、耐久性及び信頼性について評価した例である。
本例では、外部電極３３におけるリジット部３３３の断面積Ｓｒを変化させることによって、積層型圧電素子１の故障率がどのように変化するかを調べ、耐久性及び信頼性を評価した。
故障率の評価は、積層型圧電素子１に対して電圧上昇時間０．１ｍｓ、最大電圧１５０Ｖ、電圧降下時間０．１ｍｓの台形波となるような駆動電流を与え、１００Ｈｚで１０9回作動させたときの故障の割合を調べることによって行った。
【００６７】
図３に耐久性及び信頼性の評価結果を示す。同図は、縦軸に故障率（％）、横軸にリジット部３３３の断面積Ｓｒ（ｍｍ2）をとったものである。
この図から知られるように、断面積Ｓｒが大きくなると故障率は非常に低くなる。これは、リジット部３３３を設け、その断面積Ｓｒを大きく確保することにより、大きな電流を流した際に生じる発熱が抑制され、それによって接合材３２の劣化が抑えられ、外部電極３３の耐久性が向上するからである。
【００６８】
（実施例３）
本例は、図３〜図１１に示すごとく、本発明の積層型圧電素子１における外部電極３３の他の構成を示した例である。
【００６９】
図４は、固定部３３１を幅方向ｘの中央に設け、リジット部３３３を幅方向ｘの一方の端部から少し内側に設けた例である。この場合には、リジット部３３３の両側にフリー部３３２を設けることにより、リジット部３３３の破断を防止することができる。
図５は、固定部３３１を幅方向ｘの中央に設け、リジット部３３３を幅方向ｘの両端に設けた例である。この場合には、リジット部３３３の断面積Ｓｒを大きく確保し、外部電極３３の電流容量をさらに増加させることができるため、性能向上をより一層図ることができる。
【００７０】
図６は、固定部３３１を幅方向ｘの一方の端部に設け、リジット部３３３を幅方向ｘのもう一方の端部に設けた例である。この場合には、フリー部３３２の幅Ｗｆを大きく確保することができるため、圧電変位による応力をより一層緩和することができる。
また、図７は、固定部３３１を幅方向ｘの一方の端部に設け、リジット部３３３を幅方向ｘのもう一方の端部から少し内側に設けた例である。この場合にも、フリー部３３２の幅Ｗｆを大きく確保することができるため、圧電変位による応力をより一層緩和することができる。また、リジット部３３３の両側にフリー部３３２を設けることにより、リジット部３３３の破断を防止することができる。
【００７１】
図８は、固定部３３１を幅方向ｘの一方の端部に設け、リジット部３３３を上下に分割し、それを幅方向ｘの位置が異なるように設けた例である。また、図９は、固定部３３１を幅方向ｘの中央に設け、リジット部３３３を上下に分割し、それを幅方向ｘの位置が異なるように固定部３３１の両側に設けた例である。この場合には、伸長し難いリジット部３３３が長さ方向ｙに分割されているため、その分割部分において圧電変位による応力をより一層緩和することができる。これにより、セラミック積層体１０の長さが長くなり、伸長量が大きくなった場合でも、充分に対応することができる。
図１０は、固定部３３１を幅方向ｘの両端に設け、リジット部３３３を幅方向ｘの中央に設けた例である。この場合には、外部電極３３の接合強度をさらに向上させることができる。
【００７２】
図１１は、固定部３３１を幅方向ｘの中央に設け、リジット部３３３を幅方向ｘの一方の端部と長さ方向ｙの一方の端部とに設けてＬ字状とした例である。この場合には、外部電極３３を外部の機器に接続することが容易となる。
図１２は、固定部３３１を幅方向ｘの中央に設け、リジット部３３３を幅方向ｘの一方の端部と長さ方向ｙの一方の端部とに設けてＬ字状とし、かつ、そのリジット部３３３とフリー部３３２との間に切り欠き部３９を設けた例である。この場合にも、外部電極３３を外部の機器に接続することが容易となる。また、切り欠き部３９によって、圧電変位による応力をより一層緩和することができる。
【００７３】
なお、図４〜図１２において、外部電極３３における固定部３３１及びリジット部３３３以外の部分は、フリー部３３２である。
また、外部電極３３には、幅方向ｘにおいて、固定部３３１、フリー部３３２、リジット部３３３の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在する。
その他の基本的な構成や作用効果は、実施例１と同様である。
【００７４】
（実施例４）
本例は、実施例１及び２の積層型圧電素子１をインジェクタ６の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ６は、図１３に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ６は、同図に示すごとく、駆動部としての積層型圧電素子１が収容される上部ハウジング６２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部６４が形成される下部ハウジング６３を有している。
【００７５】
上部ハウジング６２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６２１内に、積層型圧電素子１が挿通固定されている。
縦穴６２１の側方には、高圧燃料通路６２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング６２上側部に突出する燃料導入管６２３内を経て外部のコモンレール（図示略）に連通している。
【００７６】
上部ハウジング６２上側部には、また、ドレーン通路６２４に連通する燃料導出管６２５が突設し、燃料導出管６２５から流出する燃料は、燃料タンク（図示略）へ戻される。
ドレーン通路６２４は、縦穴６２１と駆動部（積層型圧電素子）１との間の隙間６０を経由し、さらに、この隙間６０から上下ハウジング６２、６３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６５１に連通してしる。
【００７７】
噴射ノズル部６４は、ピストンボデー６３１内を上下方向に摺動するノズルニードル６４１と、ノズルニードル６４１によって開閉されて燃料溜まり６４２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６４３を備えている。燃料溜まり６４２は、ノズルニードル６４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路６２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル６４１は、燃料溜まり６４２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６４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室６４４の圧力が降下すると、ノズルニードル６４１がリフトして、噴孔６４３が開放され、燃料噴射がなされる。
【００７８】
背圧室６４４の圧力は３方弁６５１によって増減される。３方弁６５１は、背圧室６４４と高圧燃料通路６２２、またはドレーン通路６２４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６２２またはドレーン通路６２４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６５２、油圧室６５３、小径ピストン６５４を介して、駆動される。
【００７９】
そして、本例においては、上記構成のインジェクタ６における駆動源として、実施例１及び２の積層型圧電素子１を用いている。この積層型圧電素子１は、上記のごとく、優れた耐久性及び信頼性を有するものである。そのため、インジェクタ６全体の性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施例１における、積層型圧電素子の構造を示す説明図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す断面図。
【図３】実施例２における、故障率の評価結果を示す説明図。
【図４】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図５】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図６】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図７】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図８】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図９】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図１０】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図１１】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図１２】実施例３における、外部電極の他の構成を示す説明図。
【図１３】実施例４における、インジェクタの構造を示す説明図。
【符号の説明】
【００８１】
１  積層型圧電素子
１０  セラミック積層体
１０１、１０２  電極接合面
１０３  外周面
１１  圧電層
２１、２２  内部電極層
３２  接合材
３３  外部電極
３３１  固定部
３３２  フリー部
３３３  リジット部
【図１】
2008010742.tif 000003
【図２】
2008010742.tif 000004
【図３】
2008010742.tif 000005
【図４】
2008010742.tif 000006
【図５】
2008010742.tif 000007
【図６】
2008010742.tif 000008
【図７】
2008010742.tif 000009
【図８】
2008010742.tif 000010
【図９】
2008010742.tif 000011
【図１０】
2008010742.tif 000012
【図１１】
2008010742.tif 000013
【図１２】
2008010742.tif 000014
【図１３】
2008010742.tif 000015