(57)【要約】【課題】高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、外部電極と内部電極とが断線することがなく、耐久性に優れた積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置を提供する。【解決手段】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極が銀を主成分としパラジウム若しくは白金の少なくとも１種含む導電材からなり、また前記外部電極が銀を主成分とする導電材とガラス成分からなり、外部電極との接続部近傍の内部電極導電材の銀比率を、積層体内部の内部電極導電材の銀比率に比べ、大きくする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極が銀を主成分としパラジウム若しくは白金の少なくとも１種含む導電材からなり、また前記外部電極が銀を主成分とする導電材とガラス成分からなり、上記外部電極との接続部近傍の内部電極導電材の銀比率が、積層体内部の内部電極導電材の銀比率よりも大きいことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
上記内部電極導電材中の銀の比率が、外部電極に近づくに従い次第に大きくなることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
上記外部電極と内部電極がネック部を形成して拡散接合していることを特徴とする請求項１又は２記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
上記内部電極導電材中の銀比率が８５重量％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
上記外部電極の圧電体側表層部にガラスリッチ層を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
外部電極中のガラス成分が、実質的に外部電極の厚みの積層体表層側の８０％以下の範囲に存在していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
外部電極中のガラス成分に酸化鉛もしくは酸化ビスマスを含むことを特徴とする請求項1乃至６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項１乃至７のうちいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置に関し、例えば、圧電トランスや、自動車用燃料噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電アクチュエータ等の積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、積層型圧電素子としては、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。
【０００３】
図６は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、この積層型圧電アクチュエータでは、圧電体５１と内部電極５２が交互に積層されて積層体５３が形成され、その積層方向における両端面には不活性層５５が積層されている。内部電極５２は、その一方の端部が積層体５３の側面に左右交互に露出しており、この内部電極５２の端部が露出した積層体５３の側面に、外部電極７０が形成されている。内部電極５２の他方の端部は絶縁体６１により被覆され、外部電極７０とは絶縁されている。
【０００４】
また、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータは、圧電体の仮焼粉末と有機バインダーからなるセラミックグリーンシートに、銀−パラジウム粉末にバインダーを添加混合した内部電極ペーストを印刷したものを所定枚数積層して得られた積層成形体について、所定の温度で脱脂を行った後、焼成することによって、積層体を得ていた。
【特許文献１】実開昭６０−９９５２２号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３３７１５号公報
【特許文献３】実開平１−１３０５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の積層型圧電アクチュエータでは、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、外部電極と内部電極の接続部で接点不良を起こし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動時に変位特性が変化するという問題があった。
【０００６】
即ち、近年においては、小型の積層型圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長期間連続駆動させることが行われているが、導電性ペーストを単に積層体の側面に塗布し、焼き付けただけでは、外部電極と内部電極との接合が十分に行われずに、高電界で連続駆動させた場合に、外部電極が積層体側面および内部電極端部から剥離してしまい、接点不良が生じ、変位特性が低下してしまうといった問題が生じる可能性があった。
【０００７】
また、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータは、圧電体の仮焼粉末と有機バインダーからなるセラミックグリーンシートに、銀−パラジウム粉末にバインダーを添加混合した内部電極ペーストを印刷したものを所定枚数積層して得られた積層成形体について、所定の温度で脱脂を行った後、焼成することによって、積層体を得ていた。
【０００８】
従来の圧電体は、焼成温度として１２００〜１３００℃の温度が必要であったため、高価なパラジウムの比率の高い銀−パラジウムが内部電極として用いられていた。しかしながら、最近では低温焼成化の技術が進み、１１００℃程度の温度で焼成可能な圧電体が開発されてきたが、この場合でも内部電極の融点を考慮すると、銀比率７０重量％、パラジウム比率３０重量％の銀−パラジウムが必要であった。結果として、コストが高いパラジウムを３０重量％も含むため、製品のコストが高くなるといった問題があった。
【０００９】
本発明は、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、外部電極と内部電極とが断線することがなく、耐久性に優れた安価な積層型圧電素子並びに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】
【００１０】
本発明の積層型圧電素子では、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極が銀を主成分としパラジウム若しくは白金の少なくとも１種含む導電材からなり、また前記外部電極が銀を主成分とする導電材とガラス成分からなり、外部電極との接続部近傍の内部電極導電材の銀比率が、積層体内部の内部電極導電材の銀比率に比べ、大きいことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の積層型圧電素子では、外部電極に近づくに従い、内部電極導電材中の銀の比率が次第に大きくなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の積層型圧電素子では、外部電極と内部電極がネック部を形成して拡散接合していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の積層型圧電素子では、内部電極導電材中の銀比率が８５重量％以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の積層型圧電素子では、外部電極の圧電体側表層部にガラスリッチ層を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の積層型圧電素子では、外部電極中のガラス成分が実質的に外部電極の厚みの積層体表層側の８０％以下に存在していることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の積層型圧電素子では、外部電極中のガラス成分に酸化鉛もしくは酸化ビスマスを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の噴射装置では、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明の積層型圧電素子によれば、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極が銀を主成分としパラジウム若しくは白金の少なくとも１種含む導電材からなり、また前記外部電極が銀を主成分とする導電材とガラス成分からなり、外部電極との接続部近傍の内部電極導電材の銀比率が、積層体内部の内部電極導電材の銀比率に比べ、大きくすることにより、内部電極の導電材と外部電極の導電材との接続が、確実強固なものとなり、高電界で連続駆動させた場合においても外部電極と内部電極の接続部が剥離したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。
【００１９】
即ち、銀を主成分とする外部電極導電材との接合を強固なものとするために、外部電極との接続部近傍で、内部電極導電材の銀比率を積層体内部の銀比率よりも大きくすることにより、外部電極導電材の主成分である銀と、内部電極導電材中の銀の濃度を近くすることができるため、銀の相互拡散により、外部電極と内部電極の接合が確実なものとなる。
【００２０】
つまり、外部電極との接続部近傍の内部電極を構成する導電材中の銀の濃度と外部電極中の銀の濃度がほぼ等しくなるため、前記外部電極を前記積層体に焼き付ける際に、前記外部電極中の銀と前記内部電極中の銀の相互拡散が促進され、前記内部電極と前記外部電極の強固な接合が可能になり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させる場合においても、前記外部電極と前記内部電極を断線することなく、優れた耐久性を有することができる。
【００２１】
さらに、外部電極に近づくに従い、内部電極導電材中の銀の比率を次第に大きくすることにより、連続的に銀の濃度勾配が形成されるため、安定的な内部電極および内部電極と外部電極の接合を確立することができる。
【００２２】
さらに、外部電極と内部電極がネック部を形成して拡散接合しているため、大電流を流して高速に駆動させる場合においても、前記内部電極と前記外部電極との接点部のスパークや断線などを防ぐことができる。
【００２３】
さらに、内部電極導電材中の銀比率を８５重量％以上とすることにより、内部電極中の銀の濃度を高くすることができ、銀の拡散接合による外部電極との接続を確実なものにすることができる。なお、内部電極導電材中の銀比率とは、内部電極の銀比率が変化しない積層体内部での銀比率を指す。
【００２４】
さらに、外部電極の圧電体側表層部にガラスリッチ層を設けることにより、前記外部電極中のガラス成分を前記圧電体との接合界面に多く存在させることを可能にするため、前記外部電極と積層体との接合強度を向上することができる。
【００２５】
さらに、外部電極中のガラス成分が実質的に外部電極の厚みの積層体表層側の８０％以下に存在しているため、外部電極の大気側表層部には実質的に銀を主成分とする導電材しか存在せず、リード線を前記外部電極に半田にて接続固定する際においても、半田濡れ性の良好な外部電極表面を提供することができる。
【００２６】
さらに、外部電極中のガラス成分に酸化鉛もしくは酸化ビスマスを含むことにより、外部電極と圧電体との接合を強固なものとすることができる。
【００２７】
また、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備する噴射装置は、前記積層型圧電素子の外部電極と内部電極との断線を抑制できるため、高電界下においても、耐久性を大幅に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータの実施例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【００２９】
本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータは、図１に示すように、複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる四角柱状の積層体１０の側面において、内部電極２の端部を一層おきに絶縁体３で被覆し、絶縁体３で被覆していない内部電極２の端部に、銀を主成分とする導電材とガラスからなる外部電極４を接合し、各外部電極４にリード線６を接続固定して構成されている。
【００３０】
圧電体１の間には内部電極２が配されているが、この内部電極２は銀−パラジウム等の金属材料で形成されており、各圧電体１に所定の電圧を印加し、圧電体１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有している。
【００３１】
これに対して、不活性層９は内部電極２が配されていない複数の圧電体１の層であるため、電圧を印加しても変位を起こさない。
【００３２】
また、積層体１０の対向する側面には外部電極４が接合されており、この外部電極４には、積層されている内部電極２が一層おきに電気的に接続されているため、接続されている各内部電極２に圧電体１を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給することができる。
【００３３】
さらに、外部電極４にはリード線６が半田等により接続固定されているため、外部電極４を外部の電圧供給部に接続することができる。
【００３４】
そして本発明の積層型圧電アクチュエータでは、内部電極２が銀を主成分としパラジウム若しくは白金の少なくとも１種を含む導電材からなり、また、外部電極４が銀を主成分とする導電材とガラス成分からなり、外部電極４との接続部近傍の内部電極２中の導電材の銀比率が、積層体１０内部の内部電極２中の導電材の銀比率よりも大きくなっている。これは、外部電極４との接続部近傍の内部電極２の導電材中の銀比率を積層体１０内部の内部電極２の導電材中の銀比率よりも大きくすることにより、外部電極４導電材の主成分である銀と、内部電極２導電材中の銀の濃度を近くすることができるため、銀の相互拡散により、外部電極４と内部電極２の接合が確実なものとなる。
【００３５】
つまり、外部電極４との接続部近傍の内部電極２を構成する導電材中の銀の濃度と外部電極中５の銀の濃度がほぼ等しくなるため、前記外部電極４を前記積層体１０に焼き付ける際に、前記外部電極４中の銀と前記内部電極２中の銀の相互拡散が促進され、前記内部電極２と前記外部電極４の強固な接合が可能になり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させる場合においても、前記外部電極４と前記内部電極２を断線することなく、優れた耐久性を有することができる。
【００３６】
さらに、内部電極２導電材中の銀比率が、外部電極４に近づくに従い、次第に大きくなっていることが望ましい。このことにより内部電極２導電材において、連続的に銀の濃度勾配が形成されるため、安定的な内部電極２および内部電極２と外部電極４の接合を確立することができる。
【００３７】
さらに、外部電極４と内部電極２がネック部４ｂを介して拡散接合していることが望ましい。このことにより、アクチュエータに大電流を流して高速で駆動させる場合においても、内部電極２と外部電極４の接合部分に大電流に耐えうるネック部４ｂが形成されているため、該接点部でのスパークや断線を防ぐことができる。また、該ネック部を介して内部電極２と外部電極４とが拡散接合をしているため、内部電極２と外部電極４との接合部で明確な組成境界がなく、信頼性の高い接合部を形成することができる。なお、前記ネック部４ｂとは内部電極２の導電材と外部電極４の導電材が相互拡散して形成された部分のことをいう。
【００３８】
さらに、内部電極２導電材中の銀比率を８５重量％以上とすることにより、内部電極２中の銀の濃度を高くすることができ、銀の拡散接合による外部電極４との接続を確実なものにすることができる。また、内部電極２の導電材中の銀比率を８５重量％以上とすることにより、高価なパラジウムや白金などの使用量を抑制できるため、安価な積層型圧電素子を製造することが可能になる。一方、内部電極２の導電材中の銀比率が８５重量％未満の場合においては、必然的に高価なパラジウムや白金の使用量が増大するため、安価な積層型圧電素子を製造することができなくなり、また、内部電極２の導電材中の銀の濃度が低くなるため、外部電極４との接合が不確かなものになってしまう。なお、内部電極２導電材中の銀比率とは、内部電極２導電材中の銀比率が変化しない積層体１０内部で外部電極４との接合部から１ｍｍ以上離れたところでの銀比率を指す。
【００３９】
さらに、外部電極４の圧電体１側表層部にガラスリッチ層を設けることが望ましい。このように、外部電極４中のガラス成分を圧電体１との接合界面に多く存在させることにより、外部電極４と積層体１０側面との接合強度を向上させることができる。
【００４０】
さらに、外部電極４中のガラス成分が実質的に外部電極４厚みの積層体１０表層側の８０％以下に存在していることが望ましい。これにより、積層体１０との接合を担うガラス成分が圧電体１側の表層部に存在するため、外部電極４と積層体１０との強い接合が可能となり、一方で、外部電極４の大気側表層部には実質的に銀を主成分とする導電材しか存在せず、リード線等を前記外部電極４に半田にて接続固定する際においても、半田濡れ性の良好な外部電極４表面を提供することができる。
【００４１】
さらに、外部電極４中のガラス成分に酸化鉛もしくは酸化ビスマスを含むことが望ましい。即ち、外部電極４中のガラス成分に圧電体１との接合強度が高い酸化鉛若しくは酸化ビスマスを含有することにより、外部電極４と圧電体との接合を強固なものとすることができる。一方で、外部電極４中のガラス成分に酸化鉛若しくは酸化ビスマスを含有しない場合においては、駆動時に外部電極４が積層体１０側面から剥離するといった問題が生じる可能性がある。
【００４２】
さらに、図４は、本発明の積層型圧電素子からなる噴射装置を示すもので、噴射孔３３を有する収納容器３１と、この収納容器３１に収容された圧電アクチュエータ４３と、この圧電アクチュエータの駆動により噴射孔３３から液体を噴出させるバルブ３５を有している。
【００４３】
噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、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、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内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
【００４４】
また、バルブ３５の上端部は直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となっている。
【００４５】
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。
【００４６】
圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（以下ＰＺＴと略す）、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ３を主成分とする圧電セラミックス材料等で形成されている。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ３３が高いものが望ましい。
【００４７】
また、圧電体１の厚み、つまり内部電極２間の距離は５０〜２５０μｍが望ましい。これにより、積層型圧電アクチュエータは電圧を印加してより大きな変位量を得るために積層数を増加しても、積層型圧電アクチュエータの小型化、低背化ができるとともに、圧電体１の絶縁破壊を防止できる。
【００４８】
また、コスト面から、内部電極２として低パラジウム比率の銀−パラジウム合金を用いることが望ましいが、このためには、９８０℃以下程度で焼成可能な圧電体１を用いることが望ましく、この圧電体１を構成する材料は、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させたものが好ましい。即ち、銀−パラジウム合金の状態図から、パラジウムが５重量％の銀−パラジウム合金を用いる際には、９８０℃以下の温度で焼成可能な圧電体１としては、例えば、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させたものを用いることができる。
【００４９】
ここで、パラジウム５重量％の銀−パラジウム合金を内部電極２として用いた場合において、１１００℃の温度で焼成してしまうと、焼成温度が内部電極２構成する導電材（銀−パラジウム合金）の融点を超えてしまい、内部電極２の導電材が凝集してしまい、デラミネーションが発生するといった問題が生じてしまう。即ち、内部電極２の導電材に低パラジウム比率の銀−パラジウム合金を用いるためには、圧電体１の焼成温度を９８０℃以下程度に下げる必要がある。
【００５０】
外部電極４は銀を主成分とする導電材８０〜９９．５重量％と、酸化鉛若しくは酸化ビスマスの少なくとも１種を含むガラス成分０．５〜１３重量％からなり、該ガラス成分は実質的に外部電極４厚みの積層体１０表層側の８０％以下にしか存在していない。また、前述の外部電極４は、積層体１０の側面に露出した内部電極２の端部とは内部電極２中の導電材と外部電極４中の導電材が拡散接合しており、積層体１０の圧電体１の側面とは主に外部電極４中のガラス成分を介して接合している。
【００５１】
さらに、積層体１０の側面に一層おきに深さ３０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの溝が形成されており、この溝内にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等が充填されて絶縁体３が形成されている。この絶縁体３は、積層体１０との接合を強固とするために、積層体１０の変位に対して追従する弾性率が低い材料、特にはシリコーンゴム等からなることが好適である。
【００５２】
次に、本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータの製法を説明する。
【００５３】
本発明の積層型圧電アクチュエータは、先ず、ＰＺＴ等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（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、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形法により圧電体１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００５４】
次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等、及び必要に応じて前記圧電セラミックスの仮焼粉末等を添加混合して、内部電極２をなす導電性ペーストを作製し、これを前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。
【００５５】
そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数枚積層し、この積層体について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１０を作製する。
【００５６】
ここで、コスト面から、内部電極２を形成する銀−パラジウム合金としては、低パラジウム比率のものが望ましく、特に、パラジウム比率が１０重量％以下のものがより好ましい。このためには、圧電体１が９８０℃以下で焼成できる材料であることが望ましく、例えば、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｃｏ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させた材料を圧電体１に用いればよい。また、内部電極を構成する銀−パラジウムは、銀とパラジウムの合金粉末を用いても、銀粉末とパラジウム粉末の混合物を用いても良い。なお、銀粉末とパラジウム粉末の混合物を用いた場合においても、焼成時に銀−パラジウムの合金が形成される。
【００５７】
また、内部電極２を形成するための導電性ペーストに添加する圧電材（圧電セラミックスの仮焼粉末）の比率は、内部電極２と圧電体１の接合強度を強固なものにし、また、内部電極２の抵抗値を十分低くするので、焼成後の内部電極２中に導電材が７５〜９３重量％、残部の圧電材が７〜２５重量％含まれることが望ましい。
【００５８】
尚、積層体１０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１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる積層体１０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。
【００５９】
その後、図３（ａ）に示すように、ダイシング装置等により積層体１０の側面に一層おきに凹溝を形成する。
【００６０】
次に、外部電極４の形成方法を説明する。まず、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末を８７〜９９．５重量％と、残部が粒径０．１〜１０μｍで酸化鉛若しくは酸化ビスマスの少なくとも１種以上を含むガラス粉末０．５〜１３重量％からなる混合物に、バインダーを加えて下層用銀ガラスペーストを作製する。さらに、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末にバインダーを加えて上層用銀ペーストを作製する。
【００６１】
そして、離型処理したフィルム上に、５〜４０μｍの厚みで下層用銀ガラスペースト２１ａをスクリーン印刷し、乾燥後、その上に５〜４０μｍの厚みで上層用銀ペースト２１ｂをスクリーン印刷する。さらに乾燥後、離型フィルムよりペーストシート２１を剥離し、このペーストシート２１を図３（ｂ）に示すように、溝が形成された積層体１０の外部電極４形成面に下層用銀ガラスペーストが積層体１０側になるように転写し、下層用銀ガラスペーストに含まれるガラス成分の軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点以下の温度で焼き付けを行うことにより、図３（ｃ）に示すようにネック部４ｂを形成した外部電極４を形成することができる。
【００６２】
なお、内部電極２導電材中の銀比率を、有効的に外部電極４に近づくに従い次第に大きくするためには、外部電極4の焼き付けパターンを式１に示す温度の指数関数Ｙで表した場合において、Ｙを時間（単位分）で積分した値が１０００以上、望ましくは１８００〜４０００であることが望ましい。
【００６３】
（式１）  Ｙ＝ｅｘｐ（（Ｔ＋２７３）／２７３）        [Ｔの単位は℃]
このように、Ｙを時間（分）で積分した値を１８００〜４０００にすることにより、有効的に内部電極２導電材中の銀比率を、外部電極４に近づくにつれ次第に大きくし、また、外部電極４と内部電極２との接合部にネック部４ｂを形成し、さらに、外部電極４の積層体１０表層側にガラスリッチ層を形成することができる。
【００６４】
このようにガラス成分を含む下層用銀ガラスペーストとガラス成分を含まない上層用銀ペーストからなるペーストシート２１を下層用銀ガラスペーストが積層体１０側になるように焼き付けを行うことにより、外部電極４の積層体１０表層側にガラスリッチ層を設けることができる。また、前述のペーストシート２１を形成する下層用銀ガラスペーストと上層用銀ペーストの厚みを制御することにより、外部電極４中のガラス成分を実質的に外部電極４厚みの積層体１０表層側の８０％以下に存在させることができる。さらに、前記焼き付けによりネック部４ｂが形成され、ネック部４ｂでは、内部電極２の銀−パラジウム合金と外部電極４の銀が相互拡散するので、内部電極２から拡散したパラジウムは一般的な分析手法（例えば、ＥＰＭＡ、ＥＤＳ等）で検出できる。
【００６５】
なお、外部電極４の形成方法は、上述の方法に限定されるものではなく、直接積層体１０側面の外部電極４形成面に印刷しても構わない。さらに、上述の方法では、１回の焼き付けで外部電極４を形成したが、下層用銀ガラスペーストを転写若しくは印刷した後、焼き付けを行い、その後、上層用銀ペーストを転写若しくは印刷した後、焼き付けを行って、即ち２回の焼き付けで外部電極４を形成しても良い。
【００６６】
また、外部電極４の厚みは、圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、アクチュエータ本体である積層体の伸縮に追従するためにも、５０μｍ以下がより好ましい。
【００６７】
下層用銀ガラスペースト中の銀粉末を８０〜９９．５重量％、残部のガラス粉末を０．５〜１３重量％としたのは、銀粉末が８０重量％より少ない場合には、外部電極４の比抵抗が大きくなってしまい、大電流を流して高速で駆動させる場合において、該外部電極４で局所発熱を起こす可能性があり、一方で、銀粉末が９９．５重量％よりも多い場合には、相対的にガラス成分が少なくなり、外部電極４と積層体１０との接合強度が弱くなってしまい、駆動中に外部電極４が積層体１０から剥離してしまうといった問題が生じる可能性がある。
【００６８】
また、上層用銀ペーストにはガラス成分は含まれていない。これは、リード線６を半田により外部電極４に接続固定する場合において、ガラス成分が外部電極４の大気側表層部分に存在していると、著しく半田の濡れ性が低下し、リード線６の外部電極４への接合強度が低下し、駆動中に該リード線６が外れてしまう恐れがあるからである。
【００６９】
また、下層用銀ガラスペーストのガラス成分に、酸化鉛若しくは酸化ビスマスの少なくとも１種を含有させることにより、積層体１０との接合強度を向上させることができる。
【００７０】
次に、外部電極４を形成した積層体１０をシリコーンゴム溶液に浸漬し、前記シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体１０の溝内部にシリコーンゴムからなる絶縁層３を充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体１０を引き上げ、積層体１０の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体１０側面にコーティングした前記シリコーンゴムを硬化させる。
【００７１】
その後、外部電極４にリード線６を半田等で接続することにより本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータが完成する。
【００７２】
そして、リード線６を介して一対の外部電極４に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体１０を分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線６を外部の電圧供給部に接続し、リード線６及び外部電極４を介して内部電極２に電圧を印加させれば、各圧電体１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。
【実施例】
【００７３】
本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
【００７４】
先ず、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、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１５０μｍの圧電体１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【００７５】
このグリーンシートの片面に、内部電極２導電材中の銀重量比率が８５〜９５重量％になるようにパラジウムを混合させた銀−パラジウム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３μｍ厚みで形成し、前記セラミックグリーンシートを３００枚積層し、９８０〜１１００℃で焼成して図１の積層体１０を得た。
【００７６】
次に、図３（ａ）に示すように、ダイシング装置により積層体１０側面の内部電極２の端部に一層おきに深さ５０μｍ、幅５０μｍの溝を形成した。
【００７７】
次に、平均粒径２μｍの銀粉末を８０〜９９．５重量％に、酸化鉛若しくは酸化ビスマスの少なくとも１種を含む平均粒径２μｍのガラス粉末を混合させ、さらに、バインダーを添加して、下層用銀ガラスペーストを作製した。同様に、平均粒径２μｍの銀粉末にバインダーを添加して上層用銀ガラスペーストを作製した。
【００７８】
次に、離型フィルム上に下層用銀ガラスペーストをスクリーン印刷により５〜４０μｍの厚みで印刷を行い、乾燥後、その上に上層用銀ガラスペーストをスクリーン印刷により５〜４０μｍの厚みで印刷を行った。前記ペーストを乾燥した後、離型フィルムより剥がして、ペーストシートを得た。その後、前記ペーストシートを積層体１０側面の対向する一対の側面に下層用銀ガラスペーストが積層体１０表層側になるよう転写紙、８００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極４を形成した。なお、このときの、式１のＹを時間（分）で積分した値は、３２４０であった。
【００７９】
内部電極２を図２（ｂ）に示す線Ｘに沿ってＥＰＭＡにより元素の定量分析を行ったところ、外部電極４への接続部５０μｍ手前から外部電極４への接続部に向けて、図５に示すように内部電極2導電材中の銀比率が徐々に増加していた。
【００８０】
また、内部電極２と外部電極４の接合部には、内部電極２中の銀−パラジウム合金と外部電極４中の銀が互いに拡散したネック部４ｂが形成されており、このネック部４ｂをＥＰＭＡにより分析を行ったところ、内部電極２からパラジウムが拡散していることが確認された。
【００８１】
また、外部電極４の圧電体側表層部にはガラス成分が偏在したガラスリッチ層が形成されていた。さらに、外部電極４に含まれるガラス成分は実質的に積層体１０表層側の６０％以下に存在していた。
【００８２】
その後、外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極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アクチュエータを作製した。
【００８３】
（実施例１）
外部電極４を形成する導電性ペーストの種類及びその焼付け温度を変化させた以外は、上記の製法を用いて数種の積層型圧電アクチュエータを作製した。得られた積層型圧電アクチュエータに対して、内部電極２導電材の外部電極４との接続部近傍での銀比率の、積層体１０内部での銀比率に対する比を調べた。（表１）上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、１８５Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての積層型圧電アクチュエータにおいて、積層方向に４９μｍの変位が得られた。さらに、これらの積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１８５Ｖの交流電界を１５０Ｈｚの周波数で印加して２×１０８サイクルまで駆動試験を行った。結果は表１に示す通りである。
【表１】
2005183607.tif 000003
【００８４】
この表１から、比較例である試料番号３は、内部電極２導電材の外部電極４との接続部近傍での銀比率の、積層体１０内部での銀比率に対する比が１より大きくないために、即ち、外部電極４との接続部近傍での内部電極２導電材中の銀比率が、積層体１０内部での内部電極２導電材中の銀比率に比べて大きくなっていないため、内部電極２と外部電極４との接点部分の接合強度が弱いために、駆動中に一部の内部電極２と外部電極４の接点部分が剥離し、一部の圧電体１に電圧が供給されなくなり、変特性が低下してしまっている。
【００８５】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１及び２は、外部電極４との接続部近傍での内部電極２導電材中の銀比率が、積層体１０内部での内部電極２導電材中の銀比率に比べて大きいため、内部電極２と外部電極４との接合強度が高く、２×１０８サイクル後も４９μｍの変位量が得られ、また、２×１０８サイクル後外部電極４にスパークや断線等の異常が生じることなく、積層型圧電アクチュエータとして優れた耐久性を有した。
【００８６】
（実施例２）
外部電極４を形成する導電性ペーストの種類及びその焼付け温度を変化させて、さらに数種の積層型圧電アクチュエータを作製した。試料番号６は外部電極４の積層体１０表層部にガラスリッチ層がないもの、試料番号７は外部電極４の厚みの積層体表層側の９５％までガラス成分が存在しているものである。得られた積層型圧電アクチュエータに対して、１８５Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての試料において積層方向に４９μｍの変位量が得られた。さらに、これらの積層型圧電アクチュエータに対して、室温で０〜＋１８５Ｖの交流電界を１５０Ｈｚの周波数で印加して５×１０８サイクルまで駆動試験を行った。結果は表２に示す通りである。
【表２】
2005183607.tif 000004
【００８７】
この表２から、試料番号６は、外部電極４の積層体１０表層部にガラスリッチ層が存在しないために、外部電極４の積層体１０に対する接合強度が弱く、駆動中に外部電極４が積層体１０から剥離してしまい、一部の圧電体１に電圧が供給されなくなり、変位特性が低下してしまっている。また、試料番号７は、外部電極４厚みの積層体１０表層側の９５％までガラス成分が存在しているため、リード線６を接続固定している半田の外部電極４に対する接合強度が弱く、駆動中にリード線６が脱落してしまっている。
【００８８】
これに対して、試料番号４及び５では、５×１０８サイクル後も４９μｍの変位量が得られ、内部電極２と外部電極４との接点部の断線等の異常は生じなかった。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の積層型圧電素子は、圧電トランスに利用できる。また、本発明の積層型圧電素子は、自動車用燃料噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電アクチュエータに利用できる。さらに、本発明の積層型圧電素子を用いることにより、自動車用燃料やインクジェットプリンタのインク等の噴射装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は図１（ｂ）の部分拡大図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の積層型圧電素子の製法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の噴射装置を示す側面図である。
【図５】本発明の実施例における内部電極導電材中の銀比率を示すグラフである。
【図６】従来の積層型圧電アクチュエータの側面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・絶縁体
４・・・外部電極
４ｂ・・・ネック部
６・・・リード線
１０・・・積層体
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ
【図１】
2005183607.tif 000005
【図２】
2005183607.tif 000006
【図３】
2005183607.tif 000007
【図４】
2005183607.tif 000008
【図５】
2005183607.tif 000009
【図６】
2005183607.tif 000010