(57)【要約】【課題】耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる積層型圧電素子及びその製造方法を提供すること。【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における接合面１０１、１０２にそれぞれ設けられた一対の外部電極３４とを有する。圧電層１１は、焼失材料を焼成によって焼失させて形成した空隙よりなり、セラミック積層体１０の外周面１０３全周に渡って周方向に設けられた応力緩和層１８を有する応力緩和圧電層１１１と、応力緩和層１８を有しない定常圧電層１１２とにより構成されている。応力緩和圧電層１１１は、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、応力緩和層１８は、応力緩和圧電層１１１の厚み方向の中間位置に設けられている。【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第１接合面及び第２接合面にそれぞれ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、
上記内部電極層は、外周端部の一部を上記第１接合面のみに露出させた第１内部電極層と、外周端部の一部を上記第２接合面のみに露出させた第２内部電極層とを交互に配置してなり、上記第１内部電極層及び第２内部電極層は、露出させていない外周端部を控え部によって上記セラミック積層体の内方に控えており、
上記圧電層は、少なくとも焼失材料を焼成により焼失させて形成した空隙を含み、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られた応力緩和層を有する応力緩和圧電層と、上記応力緩和層を有しない定常圧電層とにより構成されており、
上記応力緩和圧電層は、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、上記応力緩和層は、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置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２】
請求項１において、上記応力緩和圧電層間には、上記定常圧電層が６〜４０層積層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、上記応力緩和圧電層の厚みをＴ1、上記定常圧電層の厚みをＴ2とした場合、Ｔ2≦Ｔ1≦２Ｔ2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４】
請求項３において、上記応力緩和圧電層の厚みＴ1は、１００μｍ以下であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項３又は４において、上記定常圧電層の厚みＴ2は、１００μｍ以下で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、上記応力緩和層は、空隙よりなることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項において、上記応力緩和層は、多数の空隙を有する多孔質材料よりな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。
【請求項９】
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第１接合面及び第２接合面にそれぞれ設けられた一対の外部電極とを有し、上記内部電極層が、外周端部の一部を上記第１接合面のみに露出させた第１内部電極層と、外周端部の一部を上記第２接合面のみに露出させた第２内部電極層とを交互に配置してなり、上記第１内部電極層及び第２内部電極層が、露出させていない外周端部を控え部によって上記セラミック積層体の内方に控えており、上記圧電層が、少なくとも焼失材料を焼成によって焼失させて形成した空隙を含み、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られた応力緩和層を有する応力緩和圧電層と、上記応力緩和層を有しない定常圧電層とにより構成されており、上記応力緩和圧電層が、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、上記応力緩和層が、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置に設けられている積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートを成形するシート成形工程と、
上記グリーンシート上において最終的に上記内部電極層を形成する部分に電極材料を配設すると共に上記控え部を形成する部分に控え部形成材料を配設して電極配設シート部を作製する電極配設工程と、
上記グリーンシート上において最終的に上記応力緩和層を形成する部分に焼成により焼失する焼失材料を含む応力緩和材料を配設して応力緩和材料配設シート部を作製する応力緩和材料配設工程と、
上記応力緩和材料配設シート部が積層方向に一定の間隔で複数配置されるように、上記電極配設シート部と上記応力緩和材料配設シート部とを積層して中間積層体を作製する中間積層体作製工程と、
上記中間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１０】
請求項９において、上記中間積層体形成工程では、最終的に上記応力緩和圧電層間に上記定常圧電層が６〜４０層積層されるように、上記電極配設シート部と上記応力緩和材料配設シート部とを積層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１１】
請求項９又は１０において、上記中間積層体形成工程では、上記応力緩和材料を挟んで上下に位置する上記グリーンシートの厚みをＳ1、それ以外の上記グリーンシートの厚みをＳ2とした場合、１／２Ｓ2≦Ｓ1≦Ｓ2の関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項において、上記応力緩和材料は、上記焼失材料のみからなることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１３】
請求項９〜１１のいずれか１項において、上記応力緩和材料は、上記焼失材料を分散して含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれか１項において、上記焼失材料は、カーボン粒子、樹脂粒子、又は炭化有機物粒子の少なくともいずれかを含む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、圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費、排気ガス等の対策の面から、積層型圧電素子を用いた自動車の燃料噴射用インジェクタの開発が進められている。
積層型圧電素子は、例えば、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を有し、内部電極層間に電圧を印加することにより、圧電層に変位が生じて（以下、圧電変位という）駆動するように構成されている。
【０００３】
このような積層型圧電素子の構造としては、例えば特許文献１〜３では、圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる複数のユニット体を接着剤等により接着したセラミック積層体を有するものが開示されている。しかしながら、上記の構造では、電気絶縁性を有する接着剤によりユニット体同士を接着しているため、接着剤の上下に位置する圧電層は変位せず、出力の低下を招いていた。また、複数のユニット体を接着してセラミック積層体を作製するため、製造工程が複雑となるという問題もある。
【０００４】
また、特許文献４では、複数のユニットを熱圧着したセラミック積層体を有するものが開示されている。しかしながら、上記の構造では、均一に熱圧着することが困難であり、充分な品質を確保することができない。
また、積層型圧電素子は、高温高湿という過酷な条件下で使用されるインジェクタ内に搭載されるため、高い耐久性・信頼性も要求される。
【０００５】
したがって、製造工程が容易であり、耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる積層型圧電素子が望まれている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２４３１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２７４０２９号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１５４７号公報
【特許文献４】特開２００３−１７７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる積層型圧電素子及びその製造方法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】
【０００８】
第１の発明は、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第１接合面及び第２接合面にそれぞれ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、
上記内部電極層は、外周端部の一部を上記第１接合面のみに露出させた第１内部電極層と、外周端部の一部を上記第２接合面のみに露出させた第２内部電極層とを交互に配置してなり、上記第１内部電極層及び第２内部電極層は、露出させていない外周端部を控え部によって上記セラミック積層体の内方に控えており、
上記圧電層は、少なくとも焼失材料を焼成により焼失させて形成した空隙を含み、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られた応力緩和層を有する応力緩和圧電層と、上記応力緩和層を有しない定常圧電層とにより構成されており、
上記応力緩和圧電層は、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、上記応力緩和層は、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置に設けられていることを特徴とする積層型圧電素子にある（請求項１）。
【０００９】
本発明の積層型圧電素子において、上記圧電層は、少なくとも焼失材料を焼成により焼失させて形成した空隙を含んだ応力緩和層を有する応力緩和圧電層と、上記応力緩和層を有しない定常圧電層との２種類の圧電層により構成されている。そして、上記応力緩和圧電層は、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、上記応力緩和層は、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置に設けられている。
【００１０】
つまり、上記応力緩和層は、上記応力緩和圧電層と同様に、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられている。そのため、駆動時における圧電変位によって上記セラミック積層体の内部に生じる応力を、上記応力緩和層によって効果的に緩和することができる。これにより、上記セラミック積層体の割れ、クラック等の不具合の発生を抑制することができ、上記積層型圧電素子の耐久性・信頼性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記内部電極層は、外周端部の一部を上記第１接合面のみに露出させた第１内部電極層と、外周端部の一部を上記第２接合面のみに露出させた第２内部電極層とを交互に配置してなる。そして、上記第１内部電極層及び第２内部電極層は、露出させていない外周端部を控え部によって上記セラミック積層体の内方に控えている。すなわち、本発明における上記セラミック積層体は、いわゆる部分電極構造を有している。
【００１２】
そのため、上記第１内部電極層は、上記第１接合面において上記外部電極との電気的な導通性（以下、単に導通性という）を確保し、上記第１接合面以外の上記外周面において上記控え部により外部との電気的な絶縁性（以下、単に絶縁性という）を確保することができる。また、上記第２内部電極層は、上記第２接合面において上記外部電極との導通性を確保し、上記第２接合面以外の上記外周面において上記控え部により絶縁性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の導通性及び絶縁性を充分に確保することができ、信頼性を向上させることができる。
【００１３】
また、上記セラミック積層体は、従来のように上記圧電層と上記内部電極層とを交互に積層した複数個のユニット体を接着剤等により接着したものではなく、すべての上記圧電層と上記内部電極層とを交互に積層して一体的に構成されている。そのため、上記内部電極層間に設けられたすべての上記圧電層が駆動時において変位する。これにより、上記セラミック積層体全体の変位量を向上させることができ、上記積層型圧電素子の出力向上を図ることができる。
【００１４】
このように、本発明の積層型圧電素子は、耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる。
【００１５】
第２の発明は、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第１接合面及び第２接合面にそれぞれ設けられた一対の外部電極とを有し、上記内部電極層が、外周端部の一部を上記第１接合面のみに露出させた第１内部電極層と、外周端部の一部を上記第２接合面のみに露出させた第２内部電極層とを交互に配置してなり、上記第１内部電極層及び第２内部電極層が、露出させていない外周端部を控え部によって上記セラミック積層体の内方に控えており、上記圧電層が、少なくとも焼失材料を焼成によって焼失させて形成した空隙を含み、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られた応力緩和層を有する応力緩和圧電層と、上記応力緩和層を有しない定常圧電層とにより構成されており、上記応力緩和圧電層が、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、上記応力緩和層が、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置に設けられている積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートを成形するシート成形工程と、
上記グリーンシート上において最終的に上記内部電極層を形成する部分に電極材料を配設すると共に上記控え部を形成する部分に控え部形成材料を配設して電極配設シート部を作製する電極配設工程と、
上記グリーンシート上において最終的に上記応力緩和層を形成する部分に焼成により焼失する焼失材料を含む応力緩和材料を配設して応力緩和材料配設シート部を作製する応力緩和材料配設工程と、
上記応力緩和材料配設シート部が積層方向に一定の間隔で複数配置されるように、上記電極配設シート部と上記応力緩和材料配設シート部とを積層して中間積層体を作製する中間積層体作製工程と、
上記中間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９）。
【００１６】
本発明の積層型圧電素子の製造方法において、上記応力緩和材料配設工程では、上記グリーンシート上において最終的に上記応力緩和層を形成する部分に焼成により焼失する焼失材料を含む応力緩和材料を配設する。そして、上記中間積層体作製工程では、上記中間積層体に上記応力緩和材料配設シート部を積層方向に一定の間隔で複数配置する。そのため、上記応力緩和層は、上記セラミック積層体の積層方向に一定の間隔で複数形成される。これにより、上記第１の発明のごとく、駆動時における圧電変位によって上記セラミック積層体の内部に生じる応力を、上記応力緩和層によって効果的に緩和することができる。それ故に、上記セラミック積層体の割れ、クラック等の不具合の発生を抑制することができる、耐久性・信頼性に優れた積層型圧電素子を得ることができる。
【００１７】
また、上記電極配設工程では、上記グリーンシート上において最終的に上記内部電極層を形成する部分に電極材料を配設すると共に上記控え部を形成する部分に控え部形成材料を配設して電極配設シート部を作製する。そのため、得られる上記セラミック積層体は、上記第１の発明のごとく、いわゆる部分電極構造を有するものとなる。これにより、得られる上記積層型圧電素子の導通性及び絶縁性を充分に確保することができ、信頼性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の製造方法では、上記セラミック積層体を形成するに当たって、従来のように複数個のユニット体を作製し、これを接着剤等で接着して形成するのではなく、各種材料が配設された上記電極配設シート部及び上記応力緩和材料配設シート部を一体的に積層して上記中間積層体を作製し、これを焼成して形成する。そのため、製造工程を簡易にすることができ、安定した品質を確保することができる。
【００１９】
このように、本発明の製造方法によれば、耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる積層型圧電素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
上記第１の発明においては、上記応力緩和層は、上記応力緩和圧電層の厚み方向の中間位置に設けられている。ただし、ここでの中間位置とは、上記応力緩和層の厚み方向の寸法を完全に同寸法に二分する位置（真ん中）ということではなく、多少上下にずれた位置をも含む。すなわち、実質的に中間位置（中間位置及びその近傍）であればよい。
【００２１】
また、上記応力緩和圧電層間には、上記定常圧電層が６〜４０層積層されていることが好ましい（請求項２）。
上記応力緩和圧電層間の上記定常圧電層が６層未満の場合には、上記応力緩和層の数が多くなり、上記セラミック積層体の強度を充分に確保することができないおそれがある。一方、４０層を超える場合には、上記応力緩和層の数が少なくなり、該応力緩和層による応力緩和効果を充分に得ることができないおそれがある。
【００２２】
また、上記応力緩和圧電層の厚みをＴ1、上記定常圧電層の厚みをＴ2とした場合、Ｔ2≦Ｔ1≦２Ｔ2の関係を満たすことが好ましい（請求項３）。
上記厚みＴ1、Ｔ2の関係がＴ1＜Ｔ2の場合には、上記応力緩和圧電層に上記応力緩和層を形成することが困難となるおそれがある。また、上記応力緩和圧電層の厚みが小さくなりすぎて、強度・耐久性が低下するおそれがある。一方、Ｔ1＞２Ｔ2の場合には、駆動時における上記応力緩和圧電層の変位量が小さくなり、上記セラミック積層体全体としての変位量が低下するおそれがある。
【００２３】
また、上記応力緩和圧電層の厚みＴ1は、１００μｍ以下であることが好ましい（請求項４）。
上記厚みＴ1が１００μｍを超える場合には、駆動時における上記応力緩和圧電層の変位量が小さくなり、上記セラミック積層体全体としての変位量を充分に得ることができないおそれがある。
【００２４】
また、上記定常圧電層の厚みＴ2は、１００μｍ以下であることが好ましい（請求項５）。
上記厚みＴ2が１００μｍを超える場合には、駆動時における上記定常圧電層の変位量が小さくなり、上記セラミック積層体全体としての変位量を充分に得ることができないおそれがある。
【００２５】
また、上記応力緩和層は、空隙よりなることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記応力緩和層による応力緩和効果をより充分に発揮することができる。
【００２６】
また、上記応力緩和層は、多数の空隙を有する多孔質材料よりなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記セラミック積層体の強度を充分に確保しながら、上記応力緩和層による応力緩和効果を得ることができる。
【００２７】
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８）。
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・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。
【００２８】
上記第２の発明においては、上記中間積層体形成工程では、最終的に上記応力緩和圧電層間に上記定常圧電層が６〜４０層積層されるように、上記電極配設シート部と上記応力緩和材料配設シート部とを積層することが好ましい（請求項１０）。
上記応力緩和圧電層間の上記定常圧電層が６層未満となるように積層した場合には、上記応力緩和層の数が多くなり、上記セラミック積層体の強度を充分に確保することができないおそれがある。一方、４０層を超えるように積層した場合には、上記応力緩和層の数が少なくなり、上記応力緩和層による応力緩和効果を充分に得ることができないおそれがある。
【００２９】
また、上記中間積層体形成工程では、上記応力緩和材料を挟んで上下に位置する上記グリーンシートの厚みをＳ1、それ以外の上記グリーンシートの厚みをＳ2とした場合、１／２Ｓ2≦Ｓ1≦Ｓ2の関係を満たすことが好ましい（請求項１１）。
上記厚みＳ1、Ｓ2の関係がＳ1＜１／２Ｓ2の場合には、上記応力緩和圧電層に上記応力緩和層を形成することが困難となるおそれがある。また、上記応力緩和圧電層の厚みが小さくなり、強度・耐久性が低下するおそれがある。一方、Ｓ1＞Ｓ2の場合には、駆動時における上記応力緩和圧電層の変位量が小さくなり、上記セラミック積層体全体としての変位量が低下するおそれがある。
【００３０】
また、上記応力緩和材料は、上記焼失材料のみからなることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記焼成工程における焼成によって上記焼失材料が焼失し、空隙よりなる上記応力緩和層を形成することができる。
【００３１】
また、上記応力緩和材料は、上記焼失材料を分散して含んでいることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、上記焼成工程における焼成によって上記焼失材料が焼失し、多数の空隙を有する多孔質材料よりなる上記応力緩和層を形成することができる。
【００３２】
また、上記焼失材料は、カーボン粒子、樹脂粒子、又は炭化有機物粒子の少なくともいずれかを含むことが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記焼成工程における焼成によって上記焼失材料を確実に焼失させることができる。
なお、上記炭化有機物粒子は、粉末状の有機物を炭化させて得ることもできるし、炭化させた有機物を粉砕して得ることもできる。上記有機物としては、樹脂等の高分子材料やコーン、大豆、小麦粉等の穀物を用いることができる。この場合には、製造コストの低減を実現することができる。
【実施例】
【００３３】
（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に示すごとく、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を有する。
セラミック積層体１０は、図２に示すごとく、略円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第１接合面１０１及び第２接合面１０２を形成してなる断面樽形状を呈している。なお、セラミック積層体１０の断面形状としては、本例の樽形に限定されるものではなく、用途、使用状況に合わせて円形、四角形、八角形等の様々な形状に変更可能である。また、セラミック積層体１０の両端には、その両端を保護するための保護層１２が設けられている。
【００３４】
また、図１、図２に示すごとく、第１内部電極層２１は、外周端部の一部を第１接合面１０１に露出させていると共に、それ以外の外周端部を控え部１９によってセラミック積層体１０の内方に控えている。また、第２内部電極層２２は、外周端部の一部を第２接合面１０２に露出させていると共に、それ以外の外周端部を控え部１９によってセラミック積層体１０の内方に控えている。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。
【００３５】
また、同図に示すごとく、圧電層１１は、応力緩和層１８を有する応力緩和圧電層１１１と、応力緩和層１８を有しない定常圧電層１１２とにより構成されている。応力緩和圧電層１１１は、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、応力緩和圧電層１１１間には、定常圧電層１１２が１０層積層されている。なお、本例では、図１、図２に示すごとく、圧電層１１や内部電極層２１、２２の数を省略して図示している。
また、応力緩和層１８は、スリット状の空隙よりなり、応力緩和圧電層１１１の厚み方向の中間位置に設けられている。応力緩和層１８も、応力緩和圧電層１１１と同様に、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔で複数設けられている。
【００３６】
また、図１に示すごとく、本例の応力緩和圧電層１１１における応力緩和層１８を挟んで上側の厚みＴ11は６４μｍ、下側の厚みＴ12は７４μｍ、応力緩和層１８の厚みｔは１０μｍである。そして、応力緩和圧電層１１１の厚みＴ1（＝Ｔ11＋Ｔ12＋ｔ）は１４８μｍである。また、定常圧電層１１２の厚みＴ2は７４μｍである。上記の厚みＴ1、Ｔ2は、Ｔ2≦Ｔ1≦２Ｔ2の関係を満たしている。
【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、保護層１２は、圧電層１１と同材料により構成されている。また、内部電極層２１、２２は、Ａｇ／Ｐｄ合金により構成されている。
【００３８】
また、図１に示すごとく、セラミック積層体１０の第１接合面１０１、第２接合面１０２には、それぞれ第１側面電極３１、第２側面電極３２が設けられている。第１側面電極３１は第１内部電極層２１に導通されており、第２側面電極３２は第２内部電極層２２に導通されている。また、側面電極３１、３２上には、導電性接着剤３３が配設されており、この導電性接着剤３３によってメッシュ状の外部電極３４が接合されている。
【００３９】
なお、本例の側面電極３１、３２は、Ａｇとガラスフリットとを含有させた構成を有している。また、導電性接着剤３３は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた構成を有している。また、外部電極３４は、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルである。
【００４０】
次に、積層型圧電素子１の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１を製造方法において、セラミック積層体１０を形成するに当たっては、図３〜図１１に示すごとく、少なくとも、シート成形工程、電極配設工程、応力緩和材料配設工程、中間積層体作製工程、及び焼成工程を行う。
【００４１】
シート成形工程は、圧電層１１となるグリーンシート１１０を成形する工程である。
電極配設工程は、グリーンシート１１０上において最終的に内部電極層２１、２２を形成する部分に電極材料２１０、２２０を配設すると共に控え部１９を形成する部分に控え部形成材料１９０を配設して電極配設シート部５１を作製する工程である。
応力緩和材料配設工程は、グリーンシート１１０上において最終的に応力緩和層１８を形成する部分に焼成により焼失する焼失材料を含む応力緩和材料１８０を配設して応力緩和材料配設シート部５２を作製する工程である。
中間積層体作製工程は、応力緩和材料配設シート部５２が積層方向に一定の間隔で複数配置されるように、電極配設シート部５１と応力緩和材料配設シート部５２とを積層して中間積層体１００を作製する工程である。
焼成工程は、中間積層体１００を焼成してセラミック積層体１０を得る工程である。
以下、これを詳説する。
【００４２】
＜シート成形工程＞
まず、圧電層１１となるグリーンシート１１０を作製する。
圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなるセラミックス原料粉末を準備し、８００〜９５０℃で仮焼する。次に、仮焼粉に純水、分散剤等を加えてスラリー状とし、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、分散剤等を加えてスラリー状とし、ボールミルにより混合する。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、粘度調整を行う。
【００４３】
そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム１１９上に塗布し、一定厚みの長尺のグリーンシート１１０（図３参照）を成形する。
なお、グリーンシート１１０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。
【００４４】
＜電極配設工程＞
次いで、図３、図４に示すごとく、グリーンシート１１０に各種材料を配設する。
同図に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き領域５０において、内部電極層２１、２２を形成する部分には、電極材料２１０、２２０をスクリーン印刷により塗布する。そして、電極材料２１０、２２０が塗布されていない部分に、電極材料２１０、２２０と同じ厚みで控え部形成材料１９０をスクリーン印刷により塗布する。さらに、グリーンシート１１０を積層する際の接着効果を高めるため、電極材料２１０、２２０及び控え部形成材料１９０上に接着層１１８をスクリーン印刷により塗布する。これにより、電極配設シート部５１を作製する。
【００４５】
＜応力緩和材料配設工程＞
また、同図に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き領域５０において、応力緩和層１８を形成する部分には、その後の焼成によって焼失する焼失材料よりなる応力緩和材料１８０をスクリーン印刷により塗布する。そして、グリーンシート１１０を積層する際の接着効果を高めるため、応力緩和材料１８０が塗布されていない部分に、応力緩和材料１８０と同じ厚みで接着層１１８をスクリーン印刷により塗布する。これにより、応力緩和材料配設シート部５２を作製する。
【００４６】
なお、本例のグリーンシート１１０への各種材料の配設は、後述する打抜積層装置によってグリーンシート１１０の打ち抜き領域５０を効率よく打ち抜きながら積層できるように、長尺のグリーンシート１１０の長手方向に、積層する順に印刷を施した。また、接着層１１８の塗布厚みｓ（図示略）はすべて同じであり、１２μｍとした。
また、打ち抜き領域５０とは、打抜積層装置によって打ち抜く領域のことである。
【００４７】
また、本例の電極材料２１０、２２０としては、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いたが、これ以外にもＡｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ等の単体、Ｃｕ／Ｎｉ等の合金を用いることができる。また、控え部形成材料１９０及び接着層１１８としては、グリーンシート１１０を構成する上記スラリーを用いた。また、応力緩和材料１８０としては、焼失材料としてのカーボン粒子を用いたが、これ以外にも樹脂粒子、カーボン粒子及び樹脂粒子の混合物、穀物炭化粒子等を用いることができる。
【００４８】
＜中間積層体作製工程＞
次いで、図５に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き及び積層を同時に進行できるよう構成されている打抜積層装置７を用いて、打ち抜き及び積層を並行して行う。
この打抜積層装置７は、同図に示すごとく、グリーンシート１１０を打ち抜いて切断するためのトムソン刃７１と、グリーンシート１１０を打ち抜いて切断する際に、トムソン刃７１を受けるためのベースプレート７２と、グリーンシート１１０を打ち抜いて得られるシート部５１、５２を積層するための積層ホルダ７３とを備えている。
【００４９】
また、同図に示すごとく、積層ホルダ７３には、積層したシート部５１、５２を支持する支持部７３１と、その支持部７３１に連通する吸引パイプ７３２とを備えている。積層ホルダ７３は、積層したシート部５１、５２を吸引パイプ７３２で吸引しながら支持部７３１に支持できるように構成されている。
【００５０】
具体的に、打抜積層装置７を用いた打ち抜き及び積層を説明する。まず、各種材料が配設された長尺のグリーンシート１１０をキャリアフィルム１１９ごとベースプレート７２の上にセットする。そして、グリーンシート１１０を送りながら、所定の位置に設置されたトムソン刃７１によってグリーンシート１１０の打ち抜き領域５０を打ち抜いて切断し、電極配設シート部５１及び応力緩和材料配設シート部５２を得る。得られたシート部５１、５２は、積層ホルダ７３の支持部７３１において、順に接着して積層される。
【００５１】
そして、図６、図７に示すごとく、応力緩和材料配設シート部５２が積層方向に一定の間隔で複数配置されるように、電極配設シート部５１と応力緩和材料配設シート部５２とを所定の位置に積層して、中間積層体１００を得る。
このとき、中間積層体１００の積層方向両端には、最終的に保護層１２となる保護層形成シート１２０を積層しておく。保護層形成シート１２０は、グリーンシート１１０に接着層１１８を配設したものである。
【００５２】
また、図７に示すごとく、中間積層体１００において、応力緩和材料１８０を挟んで上下に位置するグリーンシート１１０の厚みＳ1は７５μｍ、それ以外のグリーンシート１１０の厚みＳ2は７５μｍである。つまり、すべてのグリーンシート１１０の厚みは同じである。上記の厚みＳ1、Ｓ2は、１／２Ｓ2≦Ｓ1≦Ｓ2の関係を満たしている。
なお、グリーンシート１１０は、その後の焼成工程における焼成によって収縮するため、焼成後の厚みは焼成前よりも小さくなる。
【００５３】
＜焼成工程＞
次いで、中間積層体１００を加熱することにより脱脂する。加熱条件は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温し、この温度で５時間保持する。これにより、中間積層体１００に含まれているバインダー樹脂を９０％以上除去する。
次いで、脱脂後の中間積層体１００を焼成する。焼成条件は、１２時間かけて徐々に１０６５℃まで昇温し、この温度で２時間保持した後、炉内で徐々に冷却する。これにより、図８、図９のセラミック積層体１０を得る。
【００５４】
同図に示すごとく、セラミック積層体１０には、焼成によって焼失材料よりなる応力緩和材料１８０が焼失して応力緩和層１８が形成される。この応力緩和層１８は、スリット状の空隙よりなり、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔を持って、外周面１０３全周に渡って周方向に複数形成される。
【００５５】
また、図９に示すごとく、焼成によってグリーンシート１１０部分は圧電層１１を形成し、電極材料２１０、２２０部分は内部電極層２１、２２を形成する。また、控え部形成材料１９０部分は控え部１９を形成する。
また、電極配設シート部５１及び緩和材料配設シート部５２における接着層１１８部分は、隣接するグリーンシート１１０部分と一体となって圧電層１１を形成する。すなわち、本例のように、シート部５１、５２をグリーンシート１１０と実質的に同材料の接着層１１８によって接着して積層する場合には、この接着層１１８も焼成後に圧電層１１の一部となる。
【００５６】
また、同図に示すごとく、応力緩和圧電層１１１における応力緩和層１８を挟んで上側の厚みＴ11は、応力緩和材料１８０の上側に積層された一層のグリーンシート１１０（厚みＳ1）の焼成後の厚み、下側の厚みＴ12は、応力緩和材料１８０の下側に積層された一層のグリーンシート１１０（厚みＳ1）と一層の接着層１１８（厚みｓ）との焼成後の厚みを合わせた厚みに相当する。
【００５７】
また、応力緩和層１８の厚みｔは、応力緩和材料１８０（または応力緩和材料１８０に囲まれた接着層１１８（厚みｓ））部分の焼成後の厚みに相当する。
また、定常圧電層１１２の厚みＴ2は、応力緩和材料１８０に隣接しない一層のグリーンシート１１０（厚みＳ2）と一層の接着層１１８（厚みｓ）との焼成後の厚みを合わせた厚みに相当する。
【００５８】
＜外部電極接合工程＞
最後に、セラミック積層体１０に外部電極３４を接合する外部電極接合工程を行う。
図１０に示すごとく、セラミック積層体１０の接合面１０１、１０２に、それぞれ側面電極材料３１０、３２０をスクリーン印刷により塗布する。そして、塗布した側面電極材料３１０、３２０を６５０℃で加熱することにより焼き付ける。これにより、セラミック積層体１０の接合面１０１、１０２に、それぞれ側面電極３１、３２を形成する。
なお、本例では、側面電極材料３１０、３２０としては、Ａｇ及びガラスフリットを含有するペーストを用いた。
【００５９】
次いで、図１１に示すごとく、セラミック積層体１０の接合面１０１、１０２に形成した側面電極３１、３２上に、導電性接着剤３３を塗布する。そして、塗布した導電性接着剤３３に外部電極３４を埋め込むように配置する。その後、導電性接着剤３３を加熱硬化させ、外部電極３４を接合する。
以上により、図１の積層型圧電素子１を得る。
【００６０】
なお、本例では、導電性接着剤３３としては、絶縁樹脂としてのエポキシ樹脂に導電性フィラーとしてのＡｇを分散させたものを用いた。上記絶縁樹脂としては、上記以外にもシリコーン、ウレタン、ポリイミド等の各種樹脂を用いることができる。また、上記導電性フィラーとしては、上記以外にもＰｔ、Ｃｕ、Ｎｉ等を用いることができる。
また、外部電極３４としては、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルを用いたが、これ以外にもパンチングメタル等を用いることができる。
【００６１】
次に、本例の積層型圧電素子１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、圧電層１１は、焼失材料を焼成により焼失させて形成した空隙よりなり、セラミック積層体１０の外周面１０３全周に渡って周方向に設けられた応力緩和層１８を有する応力緩和圧電層１１１と、応力緩和層１８を有しない定常圧電層１１２との２種類の圧電層により構成されている。そして、応力緩和圧電層１１１は、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔で複数設けられており、かつ、応力緩和層１８は、応力緩和圧電層１１１の厚み方向の中間位置に設けられている。
【００６２】
つまり、応力緩和層１８は、応力緩和圧電層１１１と同様に、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔で複数設けられている。そのため、駆動時における圧電変位によってセラミック積層体１０の内部に生じる応力を、応力緩和層１８によって効果的に緩和することができる。これにより、セラミック積層体１０の割れ、クラック等の不具合の発生を抑制することができ、積層型圧電素子１の耐久性・信頼性を向上させることができる。
【００６３】
また、内部電極層は、外周端部の一部を第１接合面１０１のみに露出させた第１内部電極層２１と、外周端部の一部を第２接合面１０２のみに露出させた第２内部電極層２２とを交互に配置してなる。そして、第１内部電極層２１及び第２内部電極層２２は、露出させていない外周端部を控え部１９によってセラミック積層体１０の内方に控えている。すなわち、本例におけるセラミック積層体１０は、いわゆる部分電極構造を有している。
【００６４】
そのため、第１内部電極層２１は、第１接合面１０１において外部電極３４との導通性を確保し、第１接合面１０１以外の外周面１０３において控え部１９により絶縁性を確保することができる。また、第２内部電極層２２は、第２接合面１０２において外部電極３４との導通性を確保し、第２接合面１０２以外の外周面１０３において控え部１９により絶縁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の導通性及び絶縁性を充分に確保することができ、信頼性を向上させることができる。
【００６５】
また、セラミック積層体１０は、従来のように圧電層１１と内部電極層２１、２２とを交互に積層した複数個のユニット体を接着剤等により接着したものではなく、すべての圧電層１１と内部電極層２１、２２とを交互に積層して一体的に構成されている。そのため、内部電極層２１、２２間に設けられたすべての圧電層１１が駆動時において変位する。これにより、セラミック積層体１０全体の変位量を向上させることができ、積層型圧電素子１の出力向上を図ることができる。
【００６６】
また、本例では、応力緩和層１８は、その全体をスリット状の空隙により構成されている。そのため、圧電変位によってセラミック積層体１０の内部に生じる応力を効果的に緩和することができる。これにより、セラミック積層体１０の内部に発生する割れ、クラック等を抑制することができる。
【００６７】
このように、本発明の積層型圧電素子１は、耐久性・信頼性に優れ、出力向上を図ることができる。
【００６８】
（実施例２）
本例は、応力緩和圧電層１１１の厚みを変更した例である。
本例では、図１３に示すごとく、応力緩和圧電層１１１の厚みＴ1は１２２μｍ、応力緩和圧電層１１１における応力緩和層１８を挟んで上側の厚みＴ11は５１μｍ、下側の厚みＴ12は６１μｍ、応力緩和層１８の厚みｔは１０μｍである。また、定常圧電層１１２の厚みＴ2は７４μｍである。上記の厚みＴ1、Ｔ2は、Ｔ2≦Ｔ1≦２Ｔ2の関係を満たしている。
その他は、実施例１と同様の構成である。
【００６９】
また、上述したような厚みの応力緩和圧電層１１１を形成するに当たっては、図１２に示すごとく、中間積層体形成工程において、応力緩和材料１８０を挟んで上下に位置するグリーンシート１１０の厚みＳ1を６０μｍ、それ以外のグリーンシート１１０の厚みＳ2を７０μｍとする。上記の厚みＳ1、Ｓ2は、Ｓ1＜Ｓ2であり、かつ１／２Ｓ2≦Ｓ1≦Ｓ2の関係を満たしている。
その他は、実施例１と同様の製造方法である。
【００７０】
そして、図１３に示すごとく、実施例１と同様に、応力緩和圧電層１１１における応力緩和層１８を挟んで上側の厚みＴ11は、応力緩和材料１８０の上側に積層された一層のグリーンシート１１０（厚みＳ1）の焼成後の厚み、下側の厚みＴ12は、応力緩和材料１８０の下側に積層された一層のグリーンシート１１０（厚みＳ1）と一層の接着層１１８（厚みｓ）との焼成後の厚みを合わせた厚みに相当する。
【００７１】
また、応力緩和層１８の厚みｔは、応力緩和材料１８０（または応力緩和材料１８０に囲まれた接着層１１８（厚みｓ））部分の焼成後の厚みに相当する。
また、定常圧電層１１２の厚みＴ2は、応力緩和材料１８０に隣接しない一層のグリーンシート１１０（厚みＳ2）と一層の接着層１１８（厚みｓ）との焼成後の厚みを合わせた厚みに相当する。
【００７２】
この場合には、応力緩和圧電層１１１の厚みをより小さくすることができる。そのため、駆動時における応力緩和圧電層１１１の変位量が大きくなり、セラミック積層体１０全体としての変位量を向上させることができる。これにより、積層型圧電素子１の出力向上をさらに図ることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７３】
（実施例３）
本例は、応力緩和層１８における構成を変更した例である。
本例では、図１５に示すごとく、セラミック積層体１０において、応力緩和層１８は、多孔質性のセラミックス材料４１により構成されている。すなわち、本例の応力緩和部４は、圧電層１１に含まれるセラミックス材料４１中に空隙よりなる焼失孔４２を多数有するものである。この焼失孔４２は、後述の焼失材料４２０としてのカーボン粒子が焼成により焼失して形成されたものである。
その他は、実施例１と同様の構成である。
【００７４】
また、応力緩和層１８を形成するに当たっては、図１４に示すごとく、応力緩和材料１８０として、グリーンシート１１０を構成するセラミックス原料４１０と焼成により焼失する焼失材料４２０とを含有したものを用いればよい。これにより、焼成工程の焼成によって焼失材料４２０が焼失し、図１５に示すごとく、セラミックス材料４１中に空隙よりなる焼失孔４２を多数有する応力緩和層１８を形成することができる。
その他は、実施例１と同様の製造方法である。
【００７５】
この場合には、セラミック積層体１０の強度を充分に確保しながら、応力緩和層１８による応力緩和効果を得ることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７６】
（実施例４）
本例は、実施例１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１６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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、本発明の積層型圧電素子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】
【００８２】
【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】実施例１における、セラミック積層体の構造を示す説明図。
【図３】実施例１における、グリーンシートに各種材料を配設する工程を示す説明図。
【図４】実施例１における、グリーンシートに各種材料を配設した状態を示す説明図。
【図５】実施例１における、打抜積層装置の構成を示す説明図。
【図６】実施例１における、シート部を積層して中間積層体を作製する工程を示す説明図。
【図７】実施例１における、中間積層体を示す断面図。
【図８】実施例１における、セラミック積層体を示す説明図。
【図９】実施例１における、セラミック積層体を示す断面図。
【図１０】実施例１における、側面電極を焼き付ける工程を示す説明図。
【図１１】実施例１における、導電性接着剤により外部電極を接合する工程を示す説明図。
【図１２】実施例２における、中間積層体を示す断面図。
【図１３】実施例２における、セラミック積層体を示す説明図。
【図１４】実施例３における、焼成前の応力緩和材料を示す説明図。
【図１５】実施例３における、焼成後の応力緩和層を示す説明図。
【図１６】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】
【００８３】
１  積層型圧電素子
１０  セラミック積層体
１０１  第１接合面
１０２  第２接合面
１０３  外周面
１１  圧電層
１１１  応力緩和圧電層
１１２  定常圧電層
１８  応力緩和層
２１  第１内部電極層
２２  第２内部電極層
３４  外部電極
６  インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【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】
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【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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