(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、内部電極を構成する金属元素の熱膨張係数をα１、外部電極を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）を０．９以上１未満とする。【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、内部電極を構成する金属の熱膨張係数をα１、外部電極を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満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、内部電極と外部電極の接合部に中間層を設けることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
前記内部電極を構成する金属組成物が、前記外部電極を構成する金属組成物の主成分を８０質量％以上１００質量％未満含んでいることを特徴とする請求項１または２記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記中間層が前記内部電極を構成する金属組成物と前記外部電極を構成する金属組成物からなることを特徴とする請求項２または３記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記中間層の熱膨張係数をα３としたとき、α１＜α３＜α２であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記中間層の組成が前記内部電極中の金属組成から外部電極中の金属組成へと傾斜的に変化していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記内部電極中及び前記外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６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（質量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（質量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする請求項７記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
前記内部電極中の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７または８記載の積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記内部電極中の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７乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１１】
前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属がＮｉであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記内部電極中のＩｂ族金属がＣｕであることを特徴とする請求項７乃至９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１２のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
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１３記載の積層型圧電素子。
【請求項１５】
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１４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１６】
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１５記載の積層型圧電素子。
【請求項１７】
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１６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１８】
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１７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質量％、パラジウム３０質量％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、小型の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、アクチュエータは通常の積層型電子部品と異なり、通電に伴い圧電体磁器が変形する特徴がある。即ち駆動回数と圧電体磁器変形回数が同じである。そのため、内部電極と外部電極とが駆動中でも強固に結合することが求められているが、連続駆動回数が増加すると素子温度が上昇し、熱膨張係数の差に起因した内部電極と外部電極との密着不良が生じて連続駆動中にはがれたり断線することで、実行変位量が小さくなる問題や、さらには、はがれた部分がスパークして破壊する問題があった。
【０００９】
また、外部電極と内部電極との接続個所が、変位中に断線することは、変位量が駆動中に変化することになり、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。
【００１０】
また、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質量％、パラジウム３０質量％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、内部電極を構成する金属の熱膨張係数をα１、外部電極を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満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、内部電極と外部電極の接合部に中間層を設けることを特徴とする
さらに、前記内部電極を構成する金属組成物が、前記外部電極を構成する金属組成物の主成分を８０質量％以上１００質量％未満含んでいることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記中間層が前記内部電極を構成する金属組成物と前記外部電極を構成する金属組成物からなることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記中間層の熱膨張係数をα３としたとき、α１＜α３＜α２であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記中間層の組成が前記内部電極中の金属組成から外部電極中の金属組成へと傾斜的に変化していることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記内部電極中及び前記外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。
【００１８】
さらに、前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（質量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（質量％）としたとき、０＜Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２＜１００、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記内部電極中の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。
【００２０】
さらに、前記内部電極中の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。
【００２１】
さらに、前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属がＮｉであることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記内部電極中のＩｂ族金属がＣｕであることを特徴とする。
【００２３】
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したことを特徴とする。
【００２４】
さらに、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。
【００２５】
さらに、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。
【００２６】
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することを特徴とする。
【００２７】
さらに、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。
【００２８】
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】
【００２９】
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、内部電極を構成する金属の熱膨張係数をα１、外部電極を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満とすることにより、積層型圧電素子を連続駆動させても、内部電極と外部電極の熱膨張係数の差が小さいので、素子の連続駆動回数が増加して素子温度が上昇しても、内部電極と外部電極との間で密着不良が生じて、連続駆動中のはがれや断線を抑制でき、実行変位量が小さくなる問題や、さらには、はがれた部分がスパークして破壊する問題も防止でき、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。
【００３０】
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、内部電極と外部電極の接合部に中間層を設けることにより、内部電極と外部電極の熱膨張差から生じる応力を緩和することができ、電極はがれを防止して、駆動中の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極を構成する金属組成物が、前記外部電極を構成する金属組成物の主成分を８０質量％以上１００質量％未満含んでいることにより、内部電極中の金属部分と外部電極中の金属部分とが相互拡散して、内部電極と外部電極との間に極めて強い密着強度を発生することができる。そのため、内部電極と外部電極との間に熱膨張の差が生じても剥離することがない。さらに、前記外部電極を構成する金属組成物の主成分を８０質量％以上１００質量％未満含んでいることにより、内部電極と外部電極との間で新たな金属間化合物が形成されることがないので、積層型圧電素子を駆動した際に応力破壊の起点となる組成不均一箇所の形成を防止することができる。このことで、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。
【００３２】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層が前記内部電極を構成する金属組成物と前記外部電極を構成する金属組成物からなる成分で構成されていることにより、新たな金属間化合物あるいはガラス質が形成されず、応力破壊の起点となる硬くてもろい箇所の形成を防止することができる。
【００３３】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、中間層の熱膨張係数をα３としたとき、α１＜α３＜α２であることにより、内部電極と外部電極の熱膨張差に起因する応力を中間層が緩和することができるので、電極はがれを防止して、耐久性をより優れたものにすることができる。
【００３４】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層の組成が内部電極中の金属組成から外部電極中の金属組成へと傾斜的に変化していることにより、内部電極と外部電極の熱膨張差に起因する応力を中間層の一点に集中させずに緩和することができるので、電極はがれを防止し、内部電極と外部電極との密着強度を向上させて、耐久性をさらに優れたものにすることができる。
【００３５】
さらに、前記内部電極中及び前記外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、積層型圧電素子を連続駆動させても、シルバー・マイグレーション現象を防ぐことができるため、前記内部電極間の絶縁破壊を防ぐことができる。
【００３６】
さらに、前記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（質量％）、Ｉｂ族金属の含有量を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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
さらに、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ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、耐熱性に優れた前記内部電極を形成できる。
【００４０】
さらに、前記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、熱伝導性に優れた前記内部電極を形成できる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
そして本発明の積層型圧電素子では、少なくとも１つの圧電体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を有し、該積層体の側面に前記内部電極１２が一層おきに交互に接続された一対の外部電極１５を具備し、該外部電極１５に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極１２を構成する金属元素の熱膨張係数をα１、外部電極１５を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満としてある。
【００４８】
これは、上記熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９より小さくなると、内部電極１２中金属の熱膨張係数と外部電極１５中金属の熱膨張係数との差が大きくなりすぎるために、素子の連続駆動回数が増加して素子温度が上昇すると、内部電極１２と外部電極１５との接合部で密着不良が生じて、積層型圧電素子の実効変位量が小さくなったり、連続駆動中に各電極にはがれが生じたり、内部電極１２と外部電極１５の接合部に断線が発生するからである。一方、熱膨張係数の比（α１／α２）が１以上になると、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極１２の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化するため、内部電極１２と外部電極１５の接合部にかかる負荷が大きくなる。そのため、積層型圧電素子の耐久性が落ちたり、実効変位量が小さくなるとともに、連続駆動中に上述したようなはがれや断線が発生するからである。
【００４９】
即ち、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満とすることで、積層型圧電素子の実行変位量が小さくなる問題や、はがれた部分がスパークして破壊する問題も防止できる。併せて、装置の誤作動がなくなり、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。
【００５０】
上記に示したような本発明の積層型圧電素子において、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満とするために以下のようにすればよい。
【００５１】
これまで、積層型熱電素子を作製するためには、圧電体１１と内部電極１２を交互に積層した後、同時焼成して圧電磁器と内部電極１２を焼結させて、その後、外部電極１５を設けていた。この際、圧電体１１と内部電極１２を同時に焼結させるために、内部電極１２材料として、銀単体よりも焼結温度が高く、パラジウムや白金単体よりも焼結温度が低い特徴をもつ銀とパラジウムの合金金属を内部電極１１材料に用いていた。一方、外部電極１５としては、圧電体１１と内部電極１２を同時焼成させた温度よりも低い温度で形成するために、銀にガラスフリットを添加した銀ペーストを印刷して焼成していた。しかしながら、これらの内部電極１２と外部電極１５の金属材料の不一致は、熱膨張の差を発生させて素子の耐久性の低下を生じていた。即ち、熱膨張係数の比（α１／α２）で表すと、０．９よりも小さいものであった。
【００５２】
これに対して、本発明では熱膨張係数の比（α１／α２）を０．９以上１未満とするために、熱膨張係数の近い電極材料で内部電極１２と外部電極１５を構成したり、熱膨張係数の近い無機化合物を内部電極１２と外部電極１５に添加する必要がある。特にこれらの電極中の金属と無機化合物を均一分散させずに、内部電極１２金属と外部電極１５金属が接合する箇所には金属成分が偏在するようにすると、内部電極抵抗を小さくして素子温度の上昇を抑制することに効果的である。そのためには、外部電極１５の焼成時において、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。そして、素子の耐久性を高くするには、好ましくは、熱膨張係数の比（α１／α２）を０．９５以上１未満に、より好ましくは、熱膨張係数の比（α１／α２）を０．９７以上１未満とすることで達成できる。
【００５３】
また、本発明の積層型圧電素子は、図２に示すように、少なくとも１つの圧電体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を有し、該積層体１３の側面に内部電極１２が一層おきに交互に接続された一対の外部電極１５を具備し、該外部電極１５に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極１２と外部電極１５の接合部に中間層２０を設けなければならない。
【００５４】
これは、例えば、スパッタリング等の薄膜作製技術で外部電極１５を形成すると、中間層を形成できないので、内部電極１２と外部電極１５の熱膨張差に起因する応力が内部電極１２と外部電極１５とに接合部に集中し、積層型圧電素子を駆動した場合、内部電極１２と外部電極１５との接合部で破断して、破断面でスパークしたり、素子の駆動が停止しやすくなる。
【００５５】
一方、中間層２０を形成するには、外部電極１５を焼き付けにより形成して、内部電極１２と外部電極１５に含まれる金属成分を相互拡散させればよい。
【００５６】
具体的には、内部電極焼成温度よりも低い温度で外部電極中に液相が形成できるように低融点ガラスフリットを添加した外部電極ペーストを焼き付ける手法である。しかし、上記手法のみでは中間層２０を形成できないので、さらに、外部電極１５を構成する金属の酸化物を外部電極ペーストに添加し、液相中における外部電極金属の分散を促進させればよい。これによって、外部電極１５の焼結を進行させると同時に、外部電極１５と接する内部電極１２中に液相を介して内部電極と外部電極との接合部に中間層２０を形成することができる。この際、外部電極ペーストに添加するものとして、外部電極１５を構成する金属酸化物のみであっても良いが、液相を低温で形成させるために、他のガラス成分との混合、あるいはあらかじめガラスフリット成分として外部電極を構成する金属の酸化物を添加することが好ましい。
【００５７】
また、中間層２０の形成を確認する方法は、顕微鏡によっても良いが、好ましくはＳＥＭによって確認することができる。
【００５８】
尚、内部電極１２を構成する金属元素の熱膨張係数をα１、外部電極１５を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満であり、かつ内部電極１２と外部電極１５の接合部に中間層２０を設けることで、耐久性の極めて優れた積層型圧電素子となる。
【００５９】
このとき、内部電極１２を構成する金属組成物の８０質量％以上が外部電極１５を構成する金属組成物の主成分であることにより、内部電極１２中の金属部分と外部電極１５中の金属部分とが相互拡散することができると同時に、新たな金属間化合物や合金が形成されないため、内部電極１２と外部電極１５の接合部において、応力破壊の起点となる組成不均一箇所の形成を防止することができる。これにより、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。一方、内部電極１２の金属組成物を外部電極１５の金属組成物の主成分を８０質量％未満で構成すると、内部電極１２と外部電極１５との間で新たな金属間化合物や合金が形成され、該形成部が硬くもろくなる問題が生じる場合がある。特に積層型圧電素子は駆動により寸法が変化する素子であるから、寸法変化に伴い、外部電極１５と内部電極１２の接合部に応力が負荷される。この接合部に硬くもろい金属間化合物や合金が形成されると、素子の変形が伴う連続駆動中に上述したようなはがれや断線が発生する場合がある。一方、外部電極１５を構成する金属組成物の主成分のみで内部電極１２を構成すると、相互拡散により中間層２０を形成できない。そのため、内部電極１２と外部電極１５の接合部に応力緩和層が形成されないので、連続駆動時に積層型圧電素子が変位した際、耐久性を有することができない。
【００６０】
尚、素子の耐久性を高くするには、好ましくは、内部電極１２を構成する金属組成物の８５質量％以上が外部電極１５を構成する金属組成物の主成分であること、より好ましくは、９０質量％以上、さらに好ましくは、９５質量％とすることで達成できる。
【００６１】
また、本発明の積層型圧電素子は、中間層２０を内部電極１２を構成する金属成分と外部電極１５を構成する金属成分からなる成分で構成することが好ましい。これにより、内部電極１２と外部電極１５が相互拡散して極めて強い密着強度を有することができる。さらに、内部電極１２を焼成するときの雰囲気と、外部電極１５を焼成する時の雰囲気を同一にすることができるので、焼成雰囲気変化に伴う、電極構成金属の酸化還元反応等の化学反応を防止することができるの。そのため、内部電極１２と外部電極１５との間で密着不良が生じて連続駆動中に上述したようなはがれや断線を抑制でき、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。
【００６２】
ここで、中間層２０にガラス質等の無機化合物が存在すると内部電極１２と外部電極１５との熱膨張差に起因する応力が中間層２０に集中するため、金属よりも硬くてもろい無機化合物が破壊の起点となるため、素子の変形が伴う連続駆動中に上述したようなはがれや断線が発生する場合がある。
【００６３】
中間層２０を内部電極１２を構成する金属成分と外部電極１５を構成する金属成分からなる成分で構成するには、外部電極形成時に、外部電極酸化物が加わった液相を形成させて内部電極金属と外部電極金属間に金属成分を選択的に結晶成長させ、中間層２０外部に液相成分を追い出して中間層２０を形成させる。そのためには、外部電極焼成温度を保持する時には液相を形成し、冷却段階では中間層２０内に無機化合物を残留させないことが求められるが、ガラスフリットに外部電極酸化物を添加することで、焼成冷却時に外部電極酸化物の金属成分が中間層２０に取り込まれ、液相が中間層２０周辺でガラス層として析出することができる。このとき、冷却速度が速いと外部電極酸化物の金属成分が中間層２０に取り込まれるよりも先に、酸化物のまま中間層２０内に形成されてしまうので、焼成保持温度から６００℃までの冷却速度を５００℃／時間よりも遅くすればよい。
【００６４】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層２０の熱膨張係数をα３としたとき、α３がα１およびα２よりも大きくても小さくても素子駆動中の応力が中間層２０に集中して破断する。さらに、α２＜α３＜α１であると、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極１２の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化するため、内部電極１２と外部電極１５の接合部分にかかる負荷が大きくなり、耐久性が落ちたり、実効変位量が小さくなったり、連続駆動中にはがれたり断線することが発生する。そこで、α１＜α３＜α２であることにより、内部電極１２と外部電極１５が相互拡散して極めて強い密着強度を発生することができる上に、内部電極と外部電極との熱膨張差に起因する応力が中間層全体に集中するため、応力の１点集中をさけることができ、内部電極１２と外部電極１５との間で密着不良が生じて連続駆動中に上述したようなはがれや断線を抑制でき、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。中間層２０の熱膨張係数は、ＳＥＭ観察中に観察箇所の温度を計測しながら加熱して、温度と中間層２０の寸法を計測することで測定できる。あるいは、同一組成の試料を別途作製して熱膨張係数を求めることもできる。
【００６５】
また、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層２０の組成が内部電極１２中の金属組成から外部電極１５中の金属組成へと傾斜的に変化していることが好ましい。これにより、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極１２の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化しても、内部電極１２と中間層２０、及び外部電極１５と中間層２０との間における応力集中を抑制し、中間層２０全体で応力を吸収することができるので、内部電極１２と外部電極１５との間の密着不良による連続駆動中のはがれや断線を抑制でき、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。そのためには、外部電極を素子に装着する場合、熱処理することが必要である。特に内部電極の金属組成と外部電極の金属組成が相互拡散してかつ均一組成になることを抑制するために、内部電極の金属組成と外部電極の金属組成での融点あるいは液相線よりも低い温度で熱処理することが必要である。好ましくは、融点あるいは液相線の絶対温度の５０％から９５％の温度、さらに好ましくは８０％から９５％の温度で熱処理することで、前記中間層２０の組成が内部電極１２中の金属組成から外部電極１５中の金属組成へと傾斜的に変化させることができる。
【００６６】
さらに、内部電極１２中及び前記外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。
【００６７】
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（質量％）、Ｉｂ族金属の含有量を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、ＶＩＩＩ族金属が１５質量％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、０．１質量％以上１０質量％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質量％以上９．５質量％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質量％以上８質量％がさらに好ましい。
【００６８】
ここで、Ｉｂ族金属が８５質量％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、９０質量％以上９９．９質量％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質量％以上９９．５質量％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質量％以上９８質量％がさらに好ましい。
【００６９】
上記の内部電極１２中の金属成分の質量％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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
さらに、内部電極１２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＮｉであることが好ましい。これにより、耐熱性に優れた内部電極１２を形成できる可能性がある。
【００７３】
さらに、内部電極１２中の金属成分は、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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。
【００７８】
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、ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）、ＤＢＰ（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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
このとき、不活性層１４の部分のグリーンシートに、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末を添加したり、不活性層１４の部分のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末やその他の焼結助剤を、グリーンシートを構成する無機化合物、バインダー、および可塑剤からなるスラリーに混合して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、緻密な積層体を形成することができる。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
図３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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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】
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
次に、ダイシング装置により柱状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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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作製した。
【０１０９】
（実施例１）上記の製法に加えて、内部電極１２および外部電極１５の金属組成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変位量の変化率を測定した。
【０１１０】
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。
【０１１１】
また、内部電極１２と外部電極１５の熱膨張係数は、ＳＥＭにより観察箇所の温度を計測しながら加熱して、温度と内部電極１２と外部電極１５の寸法を計測することで測定した。結果は表１に示すとおりである。
【表１】
2005268393.tif 000003
【０１１２】
この表１から、比較例である試料番号１、２および１５は、内部電極１２を構成する金属元素の熱膨張係数をα１、外部電極１５を構成する金属の熱膨張係数をα２としたとき、熱膨張係数の比（α１／α２）が１以上であったため、積層型圧電アクチュエータを連続駆動させると、内部電極１２の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化し、内部電極１２と外部電極１５の接合部分にかかる負荷が大きくなり、内部電極１２と外部電極１５間でスパークして連続駆動中に断線が発生した。また、試料番号１４では上記接合部分にかかる負荷により、積層型圧電アクチュエータの実効変位量が小さくなった。
【０１１３】
一方、比較例である試料番号１３は、熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９より小さかったため、内部電極１２を構成する金属の熱膨張係数α１と外部電極１５を構成する熱膨張係数α２との差が大きくなり、内部電極１２と外部電極１５との間で密着不良が生じて、積層型圧電素子の実効変位量が小さくなった。
【０１１４】
これらに対して、本発明の実施例である試料番号３〜１２では、内部電極１２と外部電極１５の熱膨張係数の比（α１／α２）が０．９以上１未満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も、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。
【０１１５】
（実施例２）上記の製法に加えて、内部電極１２および外部電極１５の金属組成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、中間層２０の形成状態と外部電極１５の主成分が内部電極を構成する割合と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変位量の変化率を測定した。
【０１１６】
なお、外部電極１５の金属組成にガラスフリットを加えたものをペーストとして印刷焼き付けることにより、外部電極１５を形成した。
【０１１７】
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】
2005268393.tif 000004
【０１１８】
この表２から、比較例である試料番号１２および１３は、中間層を形成しなかったため、また、内部電極１２を構成する金属組成と外部電極１５を構成する金属組成が類似していなかったので、内部電極１２と外部電極１５の接合部分にかかる負荷が大きくなり、内部電極と外部電極間でスパークして連続駆動中に断線が発生した。
【０１１９】
これらに対して、本発明の実施例である試料番号１〜１１は、中間層を形成したため、また、内部電極１２を構成する金属組成と外部電極１５を構成する金属組成が類似していたので、１×１０９回連続駆動させた後でも、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。
【０１２０】
（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。
【０１２１】
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中の最大素子変位量（連続駆動中の最大素子変位量）を測定し、さらに、上記の積層型圧電アクチュエータを所定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）を測定して、該連続駆動後の素子変位量が前記連続駆動中の最大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、任意の回数で駆動中の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。
【０１２２】
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に室温で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３】
2005268393.tif 000005
【０１２３】
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、内部電極１２と外部電極１５の接合部分にかかる負荷が大きくなり、内部電極１２と外部電極１５間でスパークして連続駆動中に断線が発生したため、連続駆動が困難となった。
【０１２４】
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質量％を超えており、また、Ｉｂ族金属の含有量が８５質量％未満であったため、連続駆動によって劣化が増大して、積層型圧電アクチュエータの耐久性が低下した。
【０１２５】
これらに対して、試料番号２〜１６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（質量％）、Ｉｂ族金属の含有量を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、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。
【０１２６】
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】
【０１２７】
【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】図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図の要部拡大図である。
【図３】本発明の噴射装置を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１１・・・圧電体
１２・・・内部電極
１３・・・積層体
１４・・・不活性層
１５・・・外部電極
２０・・・中間層
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】
2005268393.tif 000006
【図２】
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【図３】
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