(57)【要約】      （修正有）【課題】大きな変位量が得られ、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、応力緩和層を備えたことで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。【解決手段】圧電体層と金属層１２が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子において、複数の前記金属層１２のうちの少なくとも一層は、当該金属層１２の一部が前記積層方向の一方側と他方側に分離された分離電極部１６を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と金属層が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子において、複数の前記金属層のうちの少なくとも一層は、当該金属層の一部が前記積層体の積層方向の一方側と他方側に分離された分離電極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２】
前記分離電極部は、前記一方側に分離された部分と前記他方側に分離された部分との間に、前記金属層とほぼ平行に延びたスリットを有している請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記分離電極部は、前記一方側に分離された部分と前記他方側に分離された部分との間に、誘電体層を有している請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記分離電極部が前記金属層の側端部に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記積層体が角柱であり、前記分離電極部が前記金属層の角部に形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記分離電極部が前記積層体の積層方向に規則的に配設されている請求項１〜５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記積層体は、該積層体の積層方向に隣り合う金属層のうちの一方の金属層を他方の金属層に前記積層方向に投影したときに、互いに重なり合う活性部と重なり合わない不活性部とを有し、前記分離電極部が前記不活性部に対応する領域に形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記金属層の一部に形成された分離電極部は、当該金属層の他の部位よりも空隙が多い請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
噴出孔を有する収納容器の内部に請求項１〜８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）および噴射装置に関し、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）、並びに燃焼圧センサ、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、圧電体層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。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、同時焼成タイプの圧電アクチュエータは、薄層化できるので、低電圧化、製造コスト低減の観点で有利である。また、同時焼成タイプの圧電アクチュエータは、耐久性の点でも有利である。
【０００３】
図２０（ａ）は従来の積層型圧電素子を示すもので、積層体１０３と、互いに対向する一対の側面に形成された外部電極１０５とから構成されている。積層体１０３は、それを構成する圧電体層１０１と金属層１０２とが交互に積層されてなる。金属層１０２は、圧電体層１０１の主面全体には形成されず、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、図２０（ｂ）に示すように、一層おきに積層体１０３の異なる側面に露出するように互い違いに積層されている。積層体１０３の積層方向における両端側には不活性層１０４がそれぞれ積層されている。そして、積層体１０３の互いに対向する一対の側面には、この側面に露出する金属層１０２同士を接続するように外部電極１０５が形成されている。これにより、金属層１０２が一層おきに一対の外部電極１０５に接続されている（例えば、特許文献１参照）。
【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２０（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、積層体１０３が得られる。その後、積層体１０３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。
【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】
上記のような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間に所定の電位をかけて駆動させる。特に、近年においては、小型の積層型圧電素子は大きな圧力下において大きな変位量を確保するという要求がある。このため、図２１に示すように、圧電体層１０１に部分的にスリットを入れた積層型圧電素子も検討されている（例えば特許文献３、４、５参照）。
【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５−２４３６３５号公報
【特許文献４】特開平８−２７４３８１号公報
【特許文献５】特開２００６−１２８４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の同時焼成タイプの積層型圧電素子は、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するために、金属層の材質を均一にすることが試みられてきた。
【０００８】
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大きな駆動変形をすることになる。そのため、伸縮時には圧電体層と金属層との界面に応力が集中するので、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合には、積層部分に亀裂が入ることがあった。特に、圧電変位する活性層と圧電変位しない不活性層の境目に応力が集中して亀裂の起点となり、亀裂が金属層間に生じると短絡して変位量が小さくなる問題があった。
【０００９】
また、圧電体層に部分的にスリットを設ける試みもあるが、スリット形成周辺が最も変位量が大きくなることになり、スリットに応力が集中し、特にスリットの最奥部に応力が一点集中し、スリットを起点として圧電体層に亀裂が生じる問題があった。ひとたび亀裂が形成されると、圧電体層に印加される電圧が亀裂部分で遮断されるために、亀裂の生じた部分では駆動せず、残りの圧電体層部分では駆動することになる。このため、応力集中箇所が亀裂の先端部へと変化し、亀裂が進行して、亀裂が異なる極性の金属層間に到達すると短絡して変位量が小さくなる問題があった。
【００１０】
また、圧電体材料の変位量が温度依存性を有しているので、寸法変化を起こす積層型圧電素子を連続的に長時間駆動すると、素子温度が上昇し、積層型圧電素子の変位量が変化する。このため、素子の温度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。
【００１１】
さらに、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、所望の変位量が次第に変化する問題を生じていた。このため、長期間連続運転における変位量の変化の抑制と耐久性向上が求められていた。
【００１２】
本発明は、上述の問題点に鑑みて成されたものであり、高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータの変位量を大きくさせ、かつ、長期間連続駆動させた場合でも変位量の変化が抑制され、耐久性に優れた積層型圧電素子および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】
【００１３】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子において、複数の前記金属層のうちの少なくとも一層は、当該金属層の一部が前記積層方向の一方側と他方側に分離された分離電極部を有していることを特徴とする。
【００１４】
前記分離電極部は、前記一方側に分離された部分と前記他方側に分離された部分との間に、前記金属層とほぼ平行に延びたスリットを有しているのがよい。また、前記分離電極部は、前記一方側に分離された部分と前記他方側に分離された部分との間に、誘電体層を有していてもよい。
【００１５】
また、前記分離電極部が前記金属層の側端部に形成されていることが好ましい。
【００１６】
また、前記積層体が角柱であり、前記分離電極部が前記金属層の角部に形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、前記分離電極部が前記積層体の積層方向に規則的に配設されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記積層体は、該積層体の積層方向に隣り合う金属層のうちの一方の金属層を他方の金属層に前記積層方向に投影したときに、互いに重なり合う活性部と重なり合わない不活性部とを有し、前記分離電極部が前記不活性部に対応する領域に形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記金属層の一部に形成された分離電極部は、当該金属層の他の部位よりも空隙が多いことが好ましい。
【００２０】
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積層型圧電素子を収納したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の積層型圧電素子は、複数の金属層のうちの少なくとも一層が、当該金属層の一部が積層体の積層方向の一方側と他方側に分離された分離電極部を有している。この分離電極部においては、一方側に分離された部分と他方側に分離された部分が圧電体層をクランプする力が、分離電極部以外の部分と比べて小さくなるので、分離電極部を有する金属層に隣接する圧電体層は変位量が大きくなる。また、分離電極部は、一方側に分離された部分と他方側に分離された部分がともに圧電体層に接している。したがって、この分離電極部においても隣接する圧電体には電圧が印加される。これにより、分離電極部に隣接する圧電体も駆動変形が可能になるので、分離電極部を設けることによる変位量低下を防止できる。また、積層型圧電素子の駆動に起因して応力が印加された際には、分離電極部が一種のばねのように変形することで応力を緩和することができるので、耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜積層型圧電素子＞
以下、本発明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２〜９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一実施例の部分拡大断面図である。
【００２３】
図１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と複数の金属層１２とを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。
【００２４】
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。
【００２５】
本実施形態の積層型圧電素子は、図１、２に示すように、圧電体層と金属層が交互に複数積層された積層体を有する積層型圧電素子において、複数の前記金属層のうちの少なくとも一層は、当該金属層の一部が前記積層方向の一方側と他方側に分離された分離電極部１６を有していることを特徴としている。
【００２６】
このことにより、分離電極部１６を含んだ金属層１２ａに接する圧電体層は電圧が印加された時に、他の金属層１２と同様に駆動変形が可能であり、金属層１２が圧電体層１１をクランプする力が、分離電極部１６において小さくなるために、分離電極部１６を含んだ金属層１２ａに接する圧電体層は変位量が大きくなり、積層型圧電素子の変位量を大きくすることができる。
【００２７】
さらに、積層型圧電素子駆動時に応力が印加した際には、応力の伝達方向にかかわらず、分離電極部１６において応力が一方側と他方側に分散される。分離電極部１６は、一方側と他方側に分離していて他の電極よりも肉厚の薄いので、他の電極と比較して可撓性が高い。このため、分離電極部１６に応力が集中すると、分離電極部がばねのように撓んで変形することで素子に加わる応力を緩和することができる。さらに、分離電極部１６が緩和できないような大きな応力が加わった際においても、分離電極部の一方側又は他方側の電極部分に亀裂が生じることで応力を緩和することができるので、圧電体を横断して異なる極性同士を短絡するような亀裂が生じるのを防止することができる。これにより、積層型圧電素子１３は変位を大きくすることができるだけでなく、長期駆動の耐久性を向上させることができる。
【００２８】
さらには、金属層１２が等間隔で配置されると、積層型圧電素子を駆動させた時に、圧電体の材料定数と金属層間距離から決定される固有振動数から生じる共振現象でうなり音が発生するが、分離電極部１６があることで、異なる電極板が挿入された効果が生まれ、位相ズレにより、共振が抑制され、うなり音を消滅させることができる。
【００２９】
さらには、素子が急激に高温にさらされるような環境に置かれた場合、熱は圧電体層よりも数段熱伝導特性に優れた金属層を伝播するので、分離電極部１６があることで、熱伝導を分割して、周囲の圧電体に散逸させる効果を生み出し、熱の伝達速度を遅らせて、素子内の急激な温度勾配を抑止して、熱膨張差による素子の破壊を抑止することもできる。
【００３０】
このようにして、積層型圧電素子１３は変位を大きくすることができるだけでなく、駆動電源に何らかのノイズが入って瞬間的に積層型圧電素子に高電圧が加わった場合や、高温、高湿、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合においても、信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００３１】
このとき、分離電極部１６は図２、５のようにスリットで構成されている場合、図３、６のように、絶縁体が充填された場合、そして、図４、７のように、絶縁体とスリットで構成されている場合がある。
【００３２】
なお、分離電極部１６の構造は、以下のようにして測定することができる。すなわち、分離電極部１６が露出するように、積層体１３を切断して、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、スリットや、ボイド、さらにはセラミック成分等の金属以外の要素も分析することができる。ここで、金属層中には微細なボイド（空隙）が生じることがある。このボイドは、通常、その形状が球ないし楕円体であり、本発明におけるスリットとは異なるものである。本発明におけるスリットは、金属層中に形成され、厚みの極めて薄い平面状の３次元構造であり、金属層とほぼ平行に延びた細長い隙間である。具体的には、このスリットは、厚み方向（金属層の厚み方向）の長さが、金属層と平行な平面方向の縦横の長さに対して１／１０以下であるものをいう。
【００３３】
さらに、前記分離電極部１６は、図２、４、５、７のように、積層体の積層方向に垂直な方向に延設されたスリットを介して配置されていることが好ましい。これは、積層型圧電素子駆動時に応力が印加した際には、応力の伝達方向として最も多い積層体の積層方向からの応力を、分離電極部がばねのようにたわんで変形することで素子に加わる応力を緩和することができるからである。さらに、分離電極部１６が緩和できないような大きな応力が加わった際においても、分離電極部の分離部のみ亀裂が生じたうえに破断して応力を緩和するとき、前記積層体の積層方向に垂直な方向に延設されたスリットを介して配置されていることで、圧電体を横断して異なる極性同士を短絡するような亀裂を生じることがない。よって、信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００３４】
さらに、図２〜４のように、前記分離電極部１６が前記金属層１２の側端部に形成されていることが好ましい。これは、圧電体が伸び縮みして駆動変形するのに対し、金属層がクランプしていることから、積層型圧電素子に加わる応力は素子側面に集中するので、図３の構造よりも図２の構造の方が、応力緩和効果の大きい分離電極部１６が金属層１２の側端部に形成されていることで、応力緩和効果が大きくなり、信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。より好ましくは、図２、４のように分離電極部１６が前記金属層１２の側端部にて素子表面側が開放されたスリットで形成されていると、応力に応じて、スリットの開放口の形状が変化してばねの働きで応力を緩和して、信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００３５】
さらに、図８、９のように分離電極部の一方側又は他方側の一部に電極が形成されていない場合と比較して、図２、５のように分離電極部の一方側及び他方側の全体に電極がそれぞれ形成されている場合、すなわちスリット全体が金属層内に納まっている場合の方が好ましい。これにより、圧電体層１１に接する金属層１２の面積が大きくなり、圧電体層１１のより広い面積に電圧を印加することが可能になるので、駆動変位量が大きくなる。しかも、分離電極部の一方側及び他方側の電極部分双方において亀裂を生じさせて応力を緩和することができるので、圧電体を横断して異なる極性同士を短絡するような亀裂が生じるのをより効果的に防止することができる。
【００３６】
さらに、前記積層体が角柱であり、前記分離電極部１６が前記金属層の角部に形成されていることが好ましい。これは、積層体が角柱であると、圧電体が伸び縮みして駆動変形するのに対し、金属層がクランプしていることから生じる応力が素子側面に集中したとき、素子側面のなかでも特に角部に応力が集中するので、応力緩和効果のある分離電極部１６を素子角部にあたる金属層１２の角部に形成することで、応力緩和効果を特に発揮して信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００３７】
さらに、前記分離電極部１６が前記積層体の積層方向に規則的に配設されていることが好ましい。これは応力緩和効果を発生させる分離電極部１６を積層方向に規則的に配設されていると、素子内に加わった応力を均等に分散させることができるので、応力の１点集中を避けることができるので信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。さらに全ての金属層１２に分離電極部１６を設けることで最も応力緩和効果を発揮して信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。ここで、分離電極部１６が積層方向に規則的に配置されているとは、分離電極部１６を有する金属層と分離電極部１６を有する金属層との間に存在する他の金属層の層数が、いずれの箇所においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、分離電極部１６を有する金属層間に存在する他の金属層１２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、分離電極部１６を有する金属層間に存在する他の金属層１２の層数は、各層数の平均値に対して±２０％の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して±１０％の範囲内、より好ましくはすべて同数であるのがよい。
【００３８】
さらに、前記積層体は、該積層体の積層方向に隣り合う金属層のうちの一方の金属層を他方の金属層に前記積層方向に投影したときに、互いに重なり合う活性部と重なり合わない不活性部とを有し、前記分離電極部１６が前記不活性部に対応する領域に形成されていることが好ましい。これは、活性部においては圧電体層１１は極性の異なる金属層に挟まれることで、素子に電圧が印加されると駆動変形するのに対し、不活性部においては、素子に電圧が印加されても圧電体層１１は駆動変形しない。このため、活性部と不活性部との境界において応力が集中するので、この不活性部に応力緩和効果のある分離電極部１６を設けることで、応力緩和効果を特に発揮して信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００３９】
さらに、前記金属層の一部に形成された分離電極部１６は、当該金属層の他の部位よりも空隙が多いことが好ましい。これは、分離電極部１６がより応力緩和効果を発揮するためには、他の金属層よりも応力に対しての変形能力が高いことが求められるため、同一金属で構成される金属層においても、分離電極部１６の部分に空隙が多いことで、クッション効果が生まれ、応力緩和効果が大きくなる。空隙が多くなり、分離電極部１６がスポンジ状の形状に金属層がなることがより好ましい。
【００４０】
さらに、分離電極部１６の金属層が、図１０〜１３のように、金属粒子１２ｂの集合体で構成されていることが好ましい。これは、応力が印加された場合、多数の粒子で構成されていることで、応力が分散して応力の集中を避けることができるだけでなく、急激に大きな応力が印加された場合でも、最も弱い粒子間の接続が破断して、応力を開放することができる。このような場合でも、粒子間が破断しても素子駆動の電圧は周囲の粒子を介して金属層内を伝播することができるので、素子の駆動力に影響を与えない信頼性の高い積層型圧電素子を形成することができる。
【００４１】
さらに、分離電極部１６に樹脂が充填されていることが好ましい。これは、応力緩和効果があることと同時に、分離電極部１６に圧縮の応力が加わっても、分離電極部１６がつぶれて破壊することがなく、樹脂が充填されていることで、分離電極部１６内に素子周囲の水分や雰囲気が触れることで金属からなる分離電極部１６の内部、特に分離端部が侵食されることを抑止できる。樹脂は柔軟性の点から、シリコーン樹脂やウレタン樹脂、弗素系樹脂、エポキシ樹脂が好ましく、密着性と腐食に対する強さから、シリコーン樹脂が最も好ましい。充填場所は、分離電極部端部に充填されていることが好ましい。
【００４２】
さらに、分離電極部１６の主成分が銀であると、圧電体と同時焼成して素子を形成できるだけでなく、熱伝導特性が優れていることで、応力集中による素子の局部加熱しても、熱を散逸することができ、さらに、表面に酸化層の皮膜がない金属粒子を形成できるため、柔らかい金属粒子として、応力吸収も可能である。
【００４３】
このとき、分離電極部１６の組成は、以下のようにして測定することができる。すなわち、分離電極部１６が露出するように、積層体１３を切断するなどして、分離電極部１６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。このような場合でも、ボイド以外の領域はＥＰＭＡ法等により分析することができる。
【００４４】
また、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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が比較的高いチタン酸ジルコン酸鉛（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。
【００４８】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。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。
【００４９】
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。
【００５０】
このとき、分離電極部１６を形成する部分を除いて導電性ペーストを印刷する。分離電極部１６を形成する部分は、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した上に、金属チタン粉末を含有させたアクリルビーズ等の樹脂ビーズ、あるいは金属チタン粉末を含有させたカーボン粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷し、さらに再度、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷する。
【００５１】
なお、後の焼成プロセスにおいて、金属チタン粉末を含有させたアクリルビーズ等の樹脂ビーズ、あるいは金属チタン粉末を含有させたカーボン粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを印刷した部分は、アクリルビーズやカーボン粉末が焼失すると同時に、周囲の金属層１２を構成する金属粉末が焼結する際に、周囲の金属層とアクリルビーズやカーボン粉末が焼失した空間との界面に、金属チタン成分がチタン金属やチタン酸化物となって、焼失した空間を保持する。その後、チタン金属やチタン酸化物が金属層中や圧電体層中に拡散することで、分離金属層のスリットが形成される。なお、チタン金属の代わりに酸化チタン、水素化チタン等のチタン化合物を用いても良いが、焼成後に拡散してスリットと分離電極部との界面に化合物を残さないという点で、分離電極部の応力吸収特性を最も高くすることができるチタン金属が最も好ましい。
【００５２】
さらに、焼成プロセスにおいて分離電極部１６のスリットがあるべき場所が癒着して形成されていなかった場合でも、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、スリットが形成される。特に分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子の伸び縮みを短時間で最も激しくできるので、効果的にスリットが形成される。
【００５３】
もしくは、分離電極部１６を形成する部分は、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した上に、スパッタ等の薄膜作製手法にて０．１〜５μｍの厚みのアルミナ膜、窒化ケイ素膜、シリカ膜を形成した後に、さらに再度、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷する。なお、後の焼成プロセスにおいて、スパッタ等の薄膜作製手法にて０．１〜５μｍの厚みのアルミナ膜、窒化ケイ素膜、シリカ膜を形成した部分は、０．１〜５μｍの厚みのアルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層として形成されるので、分離電極部１６が形成できる。さらに、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層が形成された後に、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層と銀―パラジウム層との間にスリットが形成され、スリットを伴う分離電極部１６とすることができる。特に分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子の伸び縮みを短時間で最も激しくできるので、スリットが形成される。
【００５４】
もしくは、分離電極部１６を形成する部分は、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した上に、０．１〜５μｍの厚みのアルミナ箔、窒化ケイ素箔、シリカ箔を配置した後に、さらに再度、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷する。なお、後の焼成プロセスにおいても、０．１〜５μｍの厚みのアルミナ箔、窒化ケイ素箔、シリカ箔を配置した部分は、そのまま０．１〜５μｍの厚みのアルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層として形成されるので、分離電極部１６が形成できる。さらに、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層が形成された後に、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層と銀―パラジウム層との間にスリットが形成され、スリットを伴う分離電極部１６とすることができる。特に分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子の伸び縮みを短時間で最も激しくできるので、効果的にスリットが形成される。
【００５５】
もしくは、分離電極部１６を形成する部分は、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した上に、ＢＮ粉末あるいはクオーツ相のＳｉＯ２粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷し、さらに再度、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷する。なお、後の焼成プロセスにおいて、ＢＮ粉末あるいはクオーツ相のＳｉＯ２粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した部分は、ＢＮ層あるいはクオーツ相のＳｉＯ２層として形成されので、分離電極部１６が形成できる。さらに、ＢＮ層あるいはクオーツ相のＳｉＯ２層が形成された後に、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、ＢＮ層あるいはクオーツ相のＳｉＯ２層と銀―パラジウム層との間にスリットが形成され、スリットを伴う分離電極部１６とすることができる。特に分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子の伸び縮みを短時間で最も激しくできるので、効果的にスリットが形成される。
【００５６】
もしくは、分離電極部１６を形成する部分は、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した上に、Ｗ粉末あるいはＭｏ粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷し、さらに再度、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作製した導電性ペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷する。なお、後の焼成プロセスにおいて、Ｗ粉末あるいはＭｏ粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜１０μｍの厚みに印刷した部分は、酸化雰囲気での焼成により酸化されて酸化タングステン、あるいは酸化モリブデン粉末層として形成されので、分離電極部１６が形成できる。さらに、酸化タングステン、あるいは酸化モリブデン粉末層が形成された後に、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、酸化タングステン、あるいは酸化モリブデン粉末層と銀―パラジウム層との間にスリットが形成され、スリットを伴う分離電極部１６とすることができる。また、素子表面に面していれば、超音波洗浄、あるいは塩酸等の溶液でエッチング処理ができるので、スリットを形成することができる。
【００５７】
もしくは、分離電極部１６を形成する部分は、他の金属層１２よりも銀濃度の高い銀−パラジウム等の金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して作製した導電性ペーストを１〜４０μｍの厚みに印刷する。なお、後の焼成プロセスにおいて、他の金属層１２よりも銀濃度の高い銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを１〜４０μｍの厚みに印刷した部分は、他の銀濃度の低い金属層１２に銀が拡散して、分離電極部１６を形成する部分は、ボイドだらけの金属層となる。そこで、その後のプロセスである分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、ボイドだらけの金属層が裂けてスリットが形成され、スリットを伴う分離電極部１６とすることができる。特に分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子の伸び縮みを短時間で最も激しくできるので、効果的にスリットが形成される。
【００５８】
このとき、銀−パラジウム等の金属粉末は合金粉末ではなく、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、ベースト中の金属分散が均一になり、金属層１２および分離電極部１６の同一面内の組成分布が均一になるので好ましい。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
例えば、図２２に示すように、金属層１２と圧電体層１１とを積層したのち焼成することで積層型圧電素子を作製し、複数の積層型圧電素子を接着剤で接合して積層型圧電素子を連結したものであってもよい。この際に、連結部分の両方の素子表面に部分電極層を形成した後に、電極層同士を導電性接着剤で接合する。このとき、分離電極層を設ける部分には、導電性接着剤を塗布しないように、メタルマスクを用いたり、パターン印刷を行う。このようにすることでスリットを伴う分離電極部１６とすることができる。
【００６３】
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、これを積層体１３の外部電極形成面に印刷し、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外部電極１５を形成することができる。
【００６４】
このとき、外部電極１５を構成するペーストを多層に積層してから焼付けを行っても、１層で焼付けを行っても良いが、多層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、層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。
【００６５】
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。
【００６６】
分極処理をするまでのプロセスにて、分離電極部１６のスリットがあるべき場所が癒着して形成されていなかった場合、分極処理で積層体１３が伸びる際に、応力が分離電極部１６に加わることで、スリットが形成される。さらに、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層、ＢＮ層あるいはクオーツ相のＳｉＯ２層にて分離電極部１６が形成された場合においては、このプロセスで、アルミナ層、窒化ケイ素層、シリカ層、ＢＮ層あるいはクオーツ相のＳｉＯ２層と銀―パラジウム層との間にスリットが形成され、分離電極部１６とすることができる。
【００６７】
さらに、積層型圧電素子をシリコーン樹脂等の樹脂で被覆することで、素子表面にスリットが開放された分離電極部１６のスリット内に樹脂を充填することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
さらに、外部電極１５の外面に、金属のメッシュ若しくはくし状の配線を導電性接着剤で接合してもよい。この場合には、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、大電流を直接金属層近傍に流すことができ、外部電極１５上を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。
【００７０】
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。
【００７１】
このような製法で、図１１〜１４のように、金属層１２の所望の位置に分離電極部１６を形成することができる。
【００７２】
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。
【００７３】
例えば、上記の実施形態では、金属層が全て合金からなる場合について説明したが、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、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。
【００７４】
＜噴射装置＞
図４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３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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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】
【００７９】
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。
【００８０】
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１００μｍ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。
【００８１】
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約１０μｍ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。
【００８２】
このとき、分離電極部１６を形成する部分は、表１に示すように、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作製した導電性ペーストを印刷した上に、平均粒径１μｍの金属チタン粉末を１重量％含有させた平均粒径１μｍのアクリルビーズ、あるいは平均粒径１μｍの金属チタン粉末を含有させた平均粒径１μｍカーボン粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを印刷し、さらに再度、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作製した導電性ペーストを、図２、５、８、９の形状になるようにパターン印刷する。なお、焼成プロセスにおいて、金属チタン粉末を含有させたアクリルビーズ等の樹脂ビーズ、あるいは金属チタン粉末を含有させたカーボン粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを印刷した部分は、スリットとして形成された。
【００８３】
なお、アクリルビーズは、焼成時の温度上昇に伴って比較的低温で燃焼が開始され、消失して図２および図５のスリットとなる。一方、カーボン粉末は、チタン金属と反応しながら燃焼するので、焼成温度が約８００℃に達した時点で急激に燃焼し始める。これと同時に周囲の金属層とも液相を形成する。このため、図８及び図９に示すような金属層パターンのない部分を印刷時に予め形成しておいた。これにより、金属層パターンの存在しない部分から燃焼時に生じるガスを効率的に排出することができるようになる。また、カーボン粉末の場合、燃焼が始まる温度がアクリルビーズと比較して高温であるため、金属層成分の焼結がある程度進んだ状態で消失することになる。これにより、アクリルビーズの場合と比較してスリット形状が保持されやすい傾向にある。
【００８４】
分離電極部１６を形成する部分は、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。
【００８５】
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積層体１３の外部電極１５面に印刷して、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【００８６】
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。
【００８７】
得られた積層型圧電素子に１５０Ｖ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。
【００８８】
さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１５０Ｖ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。
【００８９】
測定後、分離電極部１６が露出するように、積層体１３を切断して、積層型圧電素子の切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察して分離電極部１６の構造を確認した。
【００９０】
結果は表１に示すとおりである。なお、表１中の「スリット構成のために用いたペースト」欄において、「アクリルビーズ」と記載している試料については金属チタン粉末を含有させたアクリルビーズを用いたことを示し、「カーボン粉末」と記載している試料については金属チタン粉末を含有させたカーボン粉末を用いたことを示す。
【表１】
2008034542.tif 000003
【００９１】
表１に示すように、比較例として、分離電極部１６を設けなかった試料番号１７は、応力が金属層と圧電体層の境界に集中して金属層間の圧電体を横断する亀裂が生じて変位が小さくなった。
【００９２】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜１６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。
【００９３】
なお、分離電極構造が図８と図９のものは、金属層の一部が欠けたパターンであるため、金属層に接する圧電体において、金属層が接していない部分は電圧が印加されず、駆動できないため若干変位量が小さくなる。また、分離電極の位置が図１２と１３は他の図１４〜１９よりも分離電極の領域が狭いことにより応力緩和効果が小さくなり、初期変位量が小さくなっている。
【実施例２】
【００９４】
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。
【００９５】
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１００μｍ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。
【００９６】
ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、表２に示すように、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約１０μｍ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。
【００９７】
このとき、分離電極部１６を形成する部分は、表２に示すように、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作製した導電性ペーストを印刷した上に、印刷でクオーツ相のＳｉＯ２層を形成し、さらに再度、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作製した導電性ペーストを印刷した。
【００９８】
分離電極部１６を形成する部分は、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。
【００９９】
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積層体１３の外部電極１５面に印刷して、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１５を形成した。
【０１００】
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。図４、図７のようにスリットも形成するものは分極反転処理も加えた。
【０１０１】
得られた積層型圧電素子に１５０Ｖ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。
【０１０２】
さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１５０Ｖ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。
【０１０３】
なお、測定後、分離電極部１６が露出するように、積層体１３を切断して、積層型圧電素子の切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察して分離電極部１６の構造を確認した。
【０１０４】
結果は表２に示すとおりである。
【表２】
2008034542.tif 000004
【０１０５】
表２に示すように、比較例として、分離電極部１６を設けなかった試料番号１７は、応力が金属層と圧電体層の境界に集中して金属層間の圧電体を横断する亀裂が生じて変位が小さくなった。
【０１０６】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜１６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】
【０１０７】
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１００μｍ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３に示すように、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約１０μｍ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、図２、５に該当する試料については１０００℃で２時間焼成し、図８，９に該当する試料については１０００℃で１０時間焼成して銀の拡散を進行させ、図８，９の形状を得た。
【０１１０】
このとき、分離電極部１６を形成する部分は、表３に示すように、他の金属層１２よりも銀濃度の高い銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合したペーストを印刷した。
【０１１１】
分離電極部１６を形成する部分は、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。
【０１１２】
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積層体１３の外部電極１５面に印刷して、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１５０Ｖ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〜＋１５０Ｖ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】
なお、測定後、分離電極部１６が露出するように、積層体１３を切断して、積層型圧電素子の切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察して分離電極部１６の構造を確認した。
【０１１７】
結果は表３に示すとおりである。
【表３】
2008034542.tif 000005
【０１１８】
表３に示すように、比較例として、分離電極部１６を設けなかった試料番号１７は、応力が金属層と圧電体層の境界に集中して金属層間の圧電体を横断する亀裂が生じて変位が小さくなった。
【０１１９】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜１６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。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図２】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図３】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図４】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図５】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図６】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図７】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図８】実施形態にかかる応力緩和層の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図９】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図１０】実施形態にかかる応力緩和層の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図１１】実施形態にかかる応力緩和層の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図１２】実施形態にかかる分離電極部の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図１３】実施形態にかかる応力緩和層の積層構造を示す部分拡大断面図である。
【図１４】(a)は、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１５】(a)は、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１６】(a)は、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１７】(a)は、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１８】(a)は、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１９】(a)は、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２０】(a)は、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２１】(a)は、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２２】実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視展開図である。
【図２３】実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。
【図２４】(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２５】従来の積層型圧電素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１１  圧電体
１２  金属層
１２ａ  分離電極部を備えた金属層
１２ｂ  金属粒子
１３   積層体
１４  不活性層
１５  外部電極
１６  分離電極部
１７  スリット
１８  絶縁層
１９  導電性接着剤
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】
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【図２】
2008034542.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008034542.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2008034542.tif 000028
【図２４】
2008034542.tif 000029
【図２５】
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