(57)【要約】【課題】連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つ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を有し、該積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内になるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つ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を有し、該積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
少なくとも１つ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を有し、該積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の前記内部電極の厚み寸法の変化率が５％以内であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
前記内部電極中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属および／またはＩｂ族金属を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする請求項３記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＣｕ、Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項３乃至４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記内部電極中に金属組成物とともに無機組成物を添加したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
前記無機組成物が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を特徴とする請求項８記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１１】
前記圧電体が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を特徴とする請求項１０記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記積層体の焼成温度が９００℃以上１０００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記内部電極中の組成のずれが焼成前後で５％以下であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の前記圧電体部分に溝が形成されており、該溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１５】
噴射孔を有する収納容器と、該収納容器に収納された請求項１乃至１４の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や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、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、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、積層型圧電素子としては、圧電体と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ことと、耐久性に対して有利であることから、優位性を示しつつある。
【０００３】
図１は、従来の積層型圧電素子を示すもので、圧電体１１と内部電極１２が交互に積層されているが、内部電極１２は圧電体１１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内部電極１２を左右互い違いに積層することで、積層型電子部品の側面に形成された外部電極１５に内部電極１２を一層おきに交互に接続することができる。セラミックグリーンシートに内部電極ペーストを所定の電極構造となるパターンで印刷し、この内部電極ペーストが塗布されたグリーンシートを複数積層して得られた積層成形体を作製し、これを焼成することによって、積層体を作製していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような積層型圧電素子は、圧電体１１と内部電極１２が交互に積層されて柱状積層体１３が形成され、その積層方向における両端面には不活性層１４が積層されている。内部電極１２は、その一方の端部が左右交互に外部電極１５と左右各々一層起きに導通するように形成されている。積層型圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極１５にさらにリード線を半田により接続固定されていた。
【０００５】
また、内部電極としては、銀とパラジウムの合金が用いられ、さらに、圧電体と内部電極を同時焼成するために、内部電極の金属組成は、銀７０重量％、パラジウム３０重量％にして用いていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
このように、銀のみの金属組成からなる内部電極ではなく、パラジウムを含む銀−パラジウム合金含有の金属組成からなる内部電極を用いるのは、パラジウムを含まない銀のみの組成では、一対の対向する電極間に電位差を与えた場合、その一対の電極のうちの正極から負極へ電極中の銀が素子表面を伝わって移動するという、いわゆるシルバー・マイグレーション現象が生じるからである。この現象は、高温、高湿の雰囲気中で、著しく発生していた。
【０００７】
また、近年においては、圧電アクチュエータを噴射装置に設置し、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、長時間連続駆動させることが行われている。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、圧電体は使用する環境温度により変位量が変化する特性を有していることから、素子温度が上昇することで内部電極の体積膨張が発生し、圧電アクチュエータ変位量が変化する問題があった。また、変位量が駆動中に変化することで電圧制御する電源に対する負荷変動が生じ、電源に負担をかける問題が生じていた。さらには、変位量の変化率が大きいと、変位量自体が急激に劣化するだけでなく、素子温度上昇が放熱量を上回ると熱暴走現象が生じて素子が破壊する問題があった。
【０００９】
また、圧電アクチュエータに高電界を印加すると、内部電極と外部電極との接合部が電気伝導の経路が狭くなることによる著しい局部熱を発し、これにより、圧電アクチュエータの伸縮能が低下し、圧電アクチュエータを利用した噴射装置の長期連続駆動が困難となっていた。
【００１０】
また、上記の素子温度上昇を抑制するために、比抵抗の小さい内部電極が求められていた。しかしながら、銀−パラジウム合金の比抵抗値は、その組成比によって銀、またはパラジウム単体の比抵抗よりも著しく高い抵抗となり、銀７０重量％、パラジウム３０重量％の銀−パラジウム合金の組成では、パラジウム単体の１．５倍の抵抗になるという問題があった。しかも、内部電極の焼結密度が低くなれば、さらに高い抵抗になった。
【００１１】
本発明は、高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータを長期間連続駆動させた場合でも、変位量が変化することがなく、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】
【００１２】
本発明の積層型圧電素子は、少なくとも１つ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を有し、該積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の積層型圧電素子は、少なくとも１つ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を有し、該積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の前記内部電極の厚み寸法の変化率が５％以内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は、前記内部電極中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属および／またはＩｂ族金属を主成分としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＣｕ、Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中に金属組成物とともに無機組成物を添加することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記無機組成物がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体が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を特徴とする。
【００２３】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体の焼成温度が９００℃以上１０００℃以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中の組成のずれが焼成前後で５％以下であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の前記圧電体部分に溝が形成されており、該溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器に収納された請求項１乃至１６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。
【発明の効果】
【００２７】
このように、本発明の積層型圧電素子によれば、少なくとも１つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体を有し、該柱状積層体の側面に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を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内とすることにより、積層型圧電素子を連続駆動させても、変位量が実効的に変化しないため、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。
【００２８】
また、本発明の積層型圧電素子は、連続駆動前後の前記内部電極の厚み寸法の変化率が５％以内とすることにより、積層型圧電素子を連続駆動させても、変位量が実効的に変化しないため、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。
【００２９】
さらに、前記内部電極中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属および／またはＩｂ族金属を主成分とすることにより、前記内部電極を高い耐熱性を有する金属組成で形成できるため、焼成温度の高い前記圧電体との同時焼成が可能になる。
【００３０】
さらに、前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することにより、前記内部電極の比抵抗を小さくできるため、積層型圧電素子を長時間連続駆動させても、前記内部電極部の発熱を抑制することができる。併せて、積層型圧電素子の温度上昇を抑制できるため、素子変位量を安定化することができる。
【００３１】
さらに、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることにより、前記内部電極の原料として、合金原料および混合粉原料のいずれでも使用することができる。
【００３２】
さらに、前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることにより、耐熱性および耐酸化性に優れた前記内部電極を形成できる。
【００３３】
さらに、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることにより、駆動時の変位によって生じる応力を緩和することができるとともに、耐熱性および熱伝導性に優れた前記内部電極を形成できる。
【００３４】
さらに、前記内部電極中に金属組成物とともに無機組成物を添加することにより、前記内部電極と前記圧電体の界面の密着強度が増大するため、前記内部電極と前記圧電体の界面における剥離を抑制することができる。
【００３５】
さらに、前記圧電体がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたことにより、前記圧電体と前記内部電極を同時焼成することができるため、焼成工程を短縮でき、併せて、前記内部電極の比抵抗を小さくできる。
【００３６】
さらに、前記内部電極中の組成のずれが焼成前後で５％以下とすることにより、積層型圧電素子の駆動による伸縮に追従可能な前記内部電極を構成することができるため、前記内部電極の剥離を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は本発明の積層型圧電素子の一実施例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。
【００３８】
本発明の積層型圧電素子は、図１に示すように、圧電体１１と内部電極１２とを交互に積層してなる積層体１３の一対の対向側面において、内部電極１２が露出した端部と、一層おきに電気的に導通する外部電極１５が接合されている。また、積層体１３の積層方向の両端の層には圧電体１１で形成された不活性層１４を積層している。ここで、本発明の積層型圧電素子を積層型圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極１５にリード線を半田により接続固定し、前記リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。
【００３９】
圧電体１１間には内部電極１２が配されているが、この内部電極１２は銀―パラジウム等の金属材料で形成しているので、内部電極１２を通じて各圧電体１１に所定の電圧を印加し、圧電体１１を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。
【００４０】
これに対して、不活性層１４は内部電極１２が配されていない複数の圧電体１１の層であるため、電圧を印加しても変位を生じない。
【００４１】
そして本発明の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内としてある。これは、積層型圧電素子の連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％を超えると、積層型圧電素子の変位量の変化が増大し、積層型圧電素子が熱暴走で破壊されるためである。
【００４２】
ここで、連続駆動前後の素子寸法の変化率とは、積層型圧電素子に任意の交流電圧を印加し、１×１０９回程度連続駆動させた後の積層型圧電素子の積層方向における寸法が、連続駆動前の積層型圧電素子の寸法に対して変化した割合を示している。
【００４３】
また、本発明の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の連続駆動前後の内部電極１２の厚み寸法の変化率が５％以内としてある。これは、積層型圧電素子の連続駆動前後の内部電極１２の厚み寸法の変化率が５％を超えると、積層型圧電素子の変位量の変化率で示される積層型圧電素子の劣化が増大し、積層型圧電素子の耐久性が著しく低下するためである。
【００４４】
ここで、連続駆動前後の内部電極の厚み寸法の変化率とは、積層型圧電素子に任意の交流電圧を印加し、１×１０９回程度連続駆動させた後の積層型圧電素子の積層方向における内部電極の厚み寸法が、連続駆動前の内部電極の厚み寸法に対して変化した割合を示している。尚、内部電極の厚み寸法は、積層型圧電素子に内部電極１２が５以上配されている場合には、不活性層１４に接する内部電極１２（２箇所）、積層型圧電素子の積層方向の中間に位置する内部電極１２（１箇所）、さらに、該中間に位置する内部電極１２と前記不活性層１４に接する内部電極１２との中間に配されている任意の内部電極１２（２箇所）の厚み寸法をＳＥＭで測定し、その平均値とした。また、積層型圧電素子に配されている内部電極１２が５未満である場合には、すべての内部電極１２の厚み寸法を測定し、その平均値を内部電極の厚み寸法とした。
【００４５】
上記に示したような本発明の積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法や内部電極１２の厚み寸法の変化率を制御するには、内部電極１２の酸化による体積膨張を防ぐ必要がある。ここで、前記体積膨張を抑制するためには以下のようにすればよい。
【００４６】
これまで、連続駆動前後の素子寸法や内部電極の厚み寸法の変化を抑制する手段としては、連続駆動中の素子温度を一定に保つ方法や、素子温度に応じて駆動電圧を細かく制御する方法が用いられてきた。具体的には、素子温度をモニターしながら駆動電圧を制御したり、素子周辺温度を制御するために、放熱を積極的に行うヒートシンクを取り付けたりした。
【００４７】
これに対して、本発明においては、駆動により発生する素子自身の発熱を抑制することにより、連続駆動中の素子温度を制御した。前記素子温度を制御するためには、圧電体１１の誘電損失（ｔａｎδ）を小さくしたり、素子抵抗を小さくする必要がある。
【００４８】
圧電体１１の誘電損失（ｔａｎδ）を小さくするためには、圧電体１１をＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３等のペロブスカイト型酸化物を主成分として形成する場合、積層体１３を酸素過剰雰囲気で焼成する方法や、また、積層体１３の焼成後の処理において、最大焼成温度からの降温速度を遅くする方法がある。具体的には、降温速度を６００℃／時以下にすればよく、好ましくは３００℃／時以下にすればよい。また、誘電損失（ｔａｎδ）の値としては、１．５％未満であればよく、好ましくは０．５％以下にすればよい。
【００４９】
また、素子抵抗を小さくするには、内部電極１２に比抵抗値が小さい組成の材料を用いるとともに、電気伝導の経路を確保した緻密な構造にするとよい。
【００５０】
さらに、圧電体１１の構成材料が有する変位量の温度特性が、使用温度に関係なく一定であることが望ましいので、連続駆動中の素子温度変化に対して変位量が小さい圧電体材料が好ましい。
【００５１】
また、効率良く素子内部の熱を素子の外側に放出するために、熱が伝わる内部電極１２を熱伝導特性の優れた組成にすることが好ましい。
【００５２】
さらに、内部電極１２中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属および／またはＩｂ族金属を主成分とすることが望ましい。これは、上記の金属組成物は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高い圧電体１１と内部電極１２を同時焼成することも可能である。
【００５３】
さらに、内部電極１２中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）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、ＶＩＩＩ族金属が１５重量％を超えると、内部電極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、内部電極１２が発熱する場合があるからである。また、内部電極２中のＩｂ族金属の圧電体１１へのマイグレーションを抑制するために、ＶＩＩＩ族金属が０．００１重量％以上１５重量％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、０．１重量％以上１０重量％以下が好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合は０．５重量％以上９．５重量％以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は２重量％以上８重量％以下がさらに好ましい。
【００５４】
ここで、Ｉｂ族金属が８５重量％未満になると、内部電極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、内部電極１２が発熱する場合があるからである。また、内部金属１２中のＩｂ族金属の圧電体１１へのマイグレーションを抑制するために、Ｉｂ族金属が８５重量％以上９９．９９９重量％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、９０重量％以上９９．９重量％以下が好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は９０．５重量％以上９９．５重量％以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は９２重量％以上９８重量％以下がさらに好ましい。
【００５５】
上記の内部電極１２中の金属成分の重量％を示すＶＩＩＩ族金属、Ｉｂ族金属はＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）法等の分析方法で特定できる。
【００５６】
さらに、本発明の内部電極１２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることが好ましい。これは、近年における合金粉末合成技術において量産性に優れた金属組成であるからである。
【００５７】
さらに、内部電極１２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることが好ましい。これにより、耐熱性に優れ、比抵抗の小さな内部電極１２を形成できる可能性がある。
【００５８】
さらに、内部電極１２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることが好ましい。これにより、耐熱性および熱伝導性に優れた内部電極１２を形成できる可能性がある。
【００５９】
さらに、内部電極１２中には、金属組成物とともに無機組成物を添加することが好ましい。これにより、内部電極１２と圧電体１１を強固に結合できる可能性があり、前記無機組成物が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。
【００６０】
さらに、圧電体１１が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。これは、例えば、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１１と内部電極１２を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体１１としては、圧電歪み定数ｄ３３が比較的高い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。
【００６１】
さらに、焼成温度が９００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。これは、焼成温度が９００℃以下では、焼成温度が低いため焼成が不十分となり、緻密な圧電体１１を作製することが困難になる。また、焼成温度が１０００℃を超えると、焼成時の内部電極１２の収縮と圧電体１１の収縮のずれから起因した応力が大きくなり、積層型圧電素子の連続駆動時にクラックが発生する可能性があるからである。
【００６２】
また、内部電極１２中の組成のずれが焼成前後で５％以下であることが好ましい。これは、内部電極１２中の組成のずれが焼成前後で５％を超えると、内部電極１２中の金属材料が圧電体１１へのマイグレーションが多くなり、積層型圧電素子の駆動による伸縮に対して、内部電極１２が追従できなくなる可能性がある。
【００６３】
ここで、内部電極１２中の組成のずれとは、内部電極１２を構成する元素が焼成によって蒸発、または圧電体１１へ拡散することにより内部電極１２の組成が変わる変化率を示している。
【００６４】
また、本発明の積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極１２と端部が露出しない内部電極１２とが交互に構成されており、前記端部が露出していない内部電極１２と外部電極１５間の圧電体部分に溝が形成されており、この溝内に、圧電体１２よりもヤング率の低い絶縁体が形成されていることが好ましい。これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、内部電極１２の発熱を抑制することができる。
【００６５】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。
【００６６】
本発明の積層型圧電素子は、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型法により圧電体１１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００６７】
次に、銀−パラジウム等の内部電極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。
【００６８】
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１３が作製される。好ましくは、上述したように、９００〜１０００℃の範囲で焼成する。
【００６９】
尚、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１１と複数の内部電極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。
【００７０】
その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極１２と端部が露出しない内部電極１２とを交互に形成して、端部が露出していない内部電極１２と外部電極１５間の圧電体部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体１１よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体１３の側面に形成される。
【００７１】
外部電極１５は構成する導電材はアクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【００７２】
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、これをシート状に成形し、乾燥した（溶媒を飛散させた）シートの生密度を６〜９ｇ／ｃｍ３に制御し、このシートを、柱状積層体１３の外部電極形成面に転写し、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、且つ焼成温度（℃）の４／５以下の温度で焼き付けを行うことにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極１５を形成することができる。
【００７３】
なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極１２を拡散接合させ、また、外部電極１５中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極１５と柱状積層体１３側面とを部分的に接合させるという点から、５５０〜７００℃が望ましい。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、５００〜７００℃が望ましい。
【００７４】
焼き付け温度が７００℃より高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な３次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極１５が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極１５のヤング率が高くなりすぎ駆動時の応力を十分に吸収することができずに外部電極１５が断線してしまう可能性がある。好ましくは、ガラスの軟化点の１．２倍以内の温度で焼き付けを行った方がよい。
【００７５】
一方、焼き付け温度が５５０℃よりも低い場合には、内部電極１２端部と外部電極１５の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に内部電極１２と外部電極１５の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。
【００７６】
なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体１１の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、アクチュエータの伸縮に追従するという点から、５０μｍ以下がよい。
【００７７】
次に、外部電極１５を形成した積層体１３をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体１３の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体１３を引き上げ、積層体１３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、及び柱状積層体１３の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ことにより、本発明の積層型圧電素子が完成する。
【００７８】
そして、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積層型圧電アクチュエータが完成し、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を介して内部電極１２に電圧を印加させれば、各圧電体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。
【００７９】
さらに、外部電極１５の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極１５の外面に導電性補助部材を設けることにより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、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極１５に流れる電流を低減できるという理由から、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。さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、前記導電性接着剤にクラックが生じるのを防ぐことができる。
【００８０】
金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。
【００８１】
さらに、前記導電性補助部材を構成する導電性接着剤は銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。さらに望ましくは、前記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ことが望ましい。これは、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ためである。
【００８２】
本発明の積層型圧電素子はこれら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。
【００８３】
また、上記では、積層体１３の対向する側面に外部電極１５を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極を形成してもよい。
【００８４】
図２は、本発明の噴射装置を示すもので、収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器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が収容されている。
【００８５】
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、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。
【００８６】
また、ニードルバルブ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。そして、収納容器３１内には、上記した圧電アクチュエータ４３が収納されている。
【００８７】
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。
【００８８】
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、実施可能であることは言うまでもない。
【実施例】
【００８９】
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。
【００９０】
まず、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１５０μｍの圧電体１１になるセラミックグリーンシートを作製した。
【００９１】
このセラミックグリーンシートの片面に、任意の組成比で形成された銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストが、スクリーン印刷法により３μｍの厚みに形成されたシートを３００枚積層し、１０００℃で焼成した。
【００９２】
次に、ダイシング装置により積層体の側面の内部電極の端部に一層おきに深さ５０μｍ、幅５０μｍの溝を形成した。
【００９３】
次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末を９０体積％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１０体積％との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計重量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離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。このシートの生密度をアルキメデス法にて測定したところ、６．５ｇ／ｃｍ３であった。
【００９４】
次に、前記銀ガラスペーストのシートを積層体１３の外部電極１５面に転写し、６５０℃で３０分焼き付けを行い、３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極１５を形成した。なお、この時の外部電極１５の空隙率は、外部電極１５の断面写真を画像解析装置を用いて測定したところ４０％であった。
【００９５】
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積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００９６】
（実施例１）上記の製法に加えて、素子抵抗の抵抗値や圧電体１１の誘電損失（ｔａｎδ）を制御して作製された本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における素子寸法と素子温度の変化率を測定し、それらと積層型圧電アクチュエータの連続駆動後の素子変位量との関連について検証した。
【００９７】
また、比較例として、上記の積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における素子寸法の変化率が１％を超える範囲で形成した試料を作製した。
【００９８】
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、１７０Ｖ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４５μｍの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖ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。結果は表１に示すとおりである。
【表１】
2005150548.tif 000003
【００９９】
この表１から、比較例である試料番号８は、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％を超えたため、連続駆動後の素子変位量が著しく低下し、さらに、内部電極１２と外部電極１５との接合部に高温の局部熱が発生したため、積層型圧電アクチュエータが熱暴走を引き起こして破壊した。
【０１００】
これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜７では、連続駆動前後の素子寸法の変化率が１％以内の範囲で形成した積層型圧電アクチュエータであったため、１×１０９回連続駆動させても、連続駆動後の素子変位量が著しく低下することなく、積層型圧電アクチュエータとして必要とする実効的な変位量を有し、また、熱暴走や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電アクチュエータを作製できた。
【０１０１】
（実施例２）上記の製法に加えて、素子抵抗の抵抗値や圧電体１１の誘電損失（ｔａｎδ）を制御して作製された本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動後における内部電極１２の厚み寸法の変化率と素子温度の変化率を測定し、それらと積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後の変位量の変化率で示される劣化の度合いとの関連について検証した。
【０１０２】
ここで、劣化の度合とは、積層型圧電アクチュエータを任意の回数で駆動させた後の素子変位量（連続駆動後の素子変位量）を測定し、連続駆動前の素子変位量（初期状態の変位量）に対して前記連続駆動後の素子変位量に対して変化した割合で示している。これにより、積層型圧電アクチュエータを所定回数で連続駆動させたことによって引き起こされる劣化の様子を確認することができる。
【０１０３】
また、比較例として、上記の積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における内部電極１２の厚み寸法の変化率が５％を超える範囲で形成した試料を作製した。
【０１０４】
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、１７０Ｖ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４５μｍの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動させた駆動試験を行った。結果は表２に示すとおりである。
【表２】
2005150548.tif 000004
【０１０５】
この表２から、比較例である試料番号８および９は、連続駆動前後の内部電極１２の厚み寸法の変化率が５％を超えたため、連続駆動後の素子変位量が著しく低下し、併せて、劣化の度合が増大した。また、試料番号９は内部電極１２の著しい発熱により酸化膨張が促進され、積層型圧電アクチュエータが熱暴走を引き起こして破壊した。
【０１０６】
これらに対して、本発明の実施例である試料番号１〜７では、連続駆動前後の内部電極１２の厚み寸法の変化率が５％以内の範囲で形成した積層型圧電アクチュエータであったため、１×１０９回連続駆動させた後でも、連続駆動後の素子変位量が著しく低下することなく、積層型圧電アクチュエータとして必要とする実効的な変位量を有し、また、熱暴走や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電アクチュエータを作製できた。
【０１０７】
（実施例３）上記の製法において、様々な電極材料組成で形成した内部電極１２を有する積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動中における素子変位量の最大変化率を測定し、内部電極１２の電極材料組成と積層型圧電アクチュエータの連続駆動による劣化の度合との関連について検証した。
【０１０８】
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、１７０Ｖ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４５μｍの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０９回まで連続駆動させた駆動試験を行った。結果は表３に示すとおりである。
【表３】
2005150548.tif 000005
【０１０９】
この表３から、試料番号１は内部電極１２を銀１００％で形成したため、シルバー・マイグレーションが起こり、積層型圧電アクチュエータの破損が発生するので、連続駆動が困難となった。
【０１１０】
また、試料番号１８、１９は内部電極１２中の金属組成物において、ＶＩＩＩ族金属の含有量が１５重量％を超えており、また、Ｉｂ族金属の含有量が８５重量％未満であるため、連続駆動によって劣化が増大するので、積層型圧電アクチュエータの耐久性が低下した。
【０１１１】
これらに対して、試料番号２〜１５では内部電極１２中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）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したため、内部電極１２の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極１２で発生する発熱を抑制できたので、所定の連続駆動後における素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できた。
【０１１２】
また、試料番号１５〜１７は内部電極１２中のＶＩＩＩ族金属をＮｉ、またはＩｂ族金属をＣｕとした金属組成を主成分としたため、内部電極１２の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極１２で発生する発熱を抑制できたので、所定の連続駆動後における素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できた。
【０１１３】
なお、本発明は、上記実施例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。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【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）は圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。
【図２】本発明の噴射装置を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１１・・・圧電体
１２・・・内部電極
１３・・・積層体
１４・・・不活性層
１５・・・外部電極
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】
2005150548.tif 000006
【図２】
2005150548.tif 000007