(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定軸方向へと向かって積層されている複数の圧電層と、隣接する圧電層の間に形成されている内部電極層とを備えている積層体、この積層体の側面に設けられており、前記内部電極層に対して電気的に接続されている下地層、およびこの下地層と接合されている導電性補強層を備えている積層型圧電素子であって、
前記下地層が、規則的に配列された複数の島状部分または網状物からなり、前記下地層によって被覆されていない前記積層体の表面の非被覆部分を絶縁性樹脂層が隙間なく被覆しており、前記下地層および前記絶縁性樹脂層と前記導電性補強層との間にこの導電性補強層の表面積の１０〜５０％と接触するように設けられたハンダ層を備えており、前記導電性補強層が金属製の板状物からなることを特徴とする、積層型圧電素子。
【請求項２】
前記導電性補強層に接合されている上側導電性補強材を備えており、前記上側導電性補強材が前記ハンダ層によって接合されていないことを特徴とする、請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記導電性補強層と前記上側導電性補強材とが、溶接、拡散接合、ロウ付けまたは導電性接着剤により一体化されていることを特徴とする、請求項２記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記板状物が平板であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記板状物が、エキスパンドメタル、パンチングメタルまたはエッチングメタルであることを特徴とする、請求項４記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記上側導電性補強材が網状物からなることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
内燃機関の燃料噴射装置における噴射ノズル開閉機構の駆動源として用いられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子を製造する方法であって、
前記積層体の側面に前記下地層を形成する工程、
次いで前記下地層によって被覆されていない前記積層体の表面の非被覆部分を絶縁性樹脂層によって隙間なく被覆する工程、および
次いで前記下地層および前記絶縁性樹脂層に前記導電性補強層を前記ハンダ層によって接合する工程
を含むことを特徴とする、積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層型圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、燃料をシリンダへ噴射し高圧に圧縮して自己着火させるエンジンであり、燃料の噴射量でエンジン出力を制御するものであるため、ディーゼルエンジンにおいては、燃料をシリンダ内へ送る燃料噴射装置の役割が重要である。近年、ディーゼルエンジンの利用が増えた理由は、いわゆるコモンレール式の燃料噴射装置の発展によるところが大きく、特に、今後、噴射ノズルを開閉させる機構の駆動源として、ソレノイド素子に代わり圧電素子を採用することにより、ディーゼルエンジンの利用拡大を後押しすることが見込まれている。これは、圧電素子が、ソレノイド素子より高速な、且つ高精度な噴射ノズルの開閉を実現出来るため、より適切な量の燃料をより適切なタイミングでシリンダへ送ることが可能になり、燃料の最適な燃焼状態を形成することが出来るようになり、その結果、排出ガス中に含まれるパティキュレート、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等の有害物の減少、燃費の改善、エンジン音の低下、エンジン出力の向上、という優れた効果がもたらされるからである。
【０００３】
燃料噴射装置に適用される圧電素子は、変位と応力を発生する噴射ノズル開閉機構の駆動源として利用され、金属等のケースに収容した状態で使用される場合が多い。通常、圧電素子としては積層型のものが適用される。
【０００４】
内部電極が交互にオフセットされた積層型圧電アクチュエータにおいては、活性領域（伸縮する領域）と不活性領域（伸縮しない領域）とを素子内部に有するため、活性領域と不活性領域との境界で大きな応力が発生し、応力を原因とするクラックにより、外部電極をも分断してしまう可能性があり、外部電極の耐久性を改善することが求められている。このためには、単純に外部電極の強度を大きくすることによって、外部電極の分断を防止することが考えられる。しかし、外部電極の強度が大きい場合、素子の駆動を阻害する場合があり、その結果、変位効率を低下させることがある。
【０００５】
特許文献１には、外部電極下地層をブリッジすることによって導通を確保することが記載されている。
【特許文献１】特開平７−２２６５４１  特許文献２には、オフセット型素子において単層の外部電極補強層を接合することが記載されている。
【特許文献２】特開平１０−２２９２２７
【０００６】
また、以下の文献にも、オフセット型素子において外部電極補強層を接合した例が記載されている。
【特許文献３】特表２００３−５０２８６９
【特許文献４】特表２００３−５０２８７０
【特許文献５】特表２００３−５０３８５９
【０００７】
更に、特許文献６には、導電性補強層の下にある下地層をストライプ状としたり、網状とすることが記載されており、これによってセラミックス内の亀裂の発生や進展の防止を試みている。
【特許文献６】特開２００２−１７１００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近の素子の小型化の要求から、電圧印加時の素子の変位効率を一層向上させる必要があり、そのためには外部電極による圧電層の拘束力を低減する必要がある。このためには、導電性補強層の下地層によってアクチュエーター本体の表面を全面にわたって隙間なく被覆するよりも、下地層を網状やストライプ状に成形することで規則的な隙間を設けることが有用なはずである。しかし、実際に検討してみると、下地層によって被覆されていない非被覆部分の中にハンダが流入し、下地層をリジッドに固定して変形を抑制する傾向があるために、アクチュエーターの変位はそれほど大きくならない場合があった。また、長期間反復して使用するときに、ハンダとアクチュエーター本体表面との隙間において吸湿があり、アクチュエーター内部電極や導電性補強層の劣化の可能性があった。
【０００９】
本発明の課題は、積層型圧電素子の変位を大きくできるような構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、所定軸方向へと向かって積層されている複数の圧電層と、隣接する圧電層の間に形成されている内部電極層とを備えている積層体、この積層体の側面に設けられており、前記内部電極層に対して電気的に接続されている下地層、およびこの下地層と接合されている導電性補強層を備えている積層型圧電素子であって、
下地層が、規則的に配列された複数の島状部分または網状物からなり、下地層によって被覆されていない積層体の表面の非被覆部分を絶縁性樹脂層が隙間なく被覆しており、下地層および絶縁性樹脂層と導電性補強層との間にこの導電性補強層の表面積の１０〜５０％と接触するように設けられたハンダ層を備えており、前記導電性補強層が金属製の板状物からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記積層型圧電素子を製造する方法であって、
積層体の側面に下地層を形成する工程、
次いで下地層によって被覆されていない積層体の表面の非被覆部分を絶縁性樹脂層によって隙間なく被覆する工程、および
次いで下地層および絶縁性樹脂層に導電性補強層をハンダ層によって接合する工程
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、下地層パターン中に、積層体の表面を被覆していない非被覆部分を設けた。これと同時に、非被覆部分に絶縁性樹脂層を設けることによって、非被覆部分にハンダが流入するのを防止できる。これによって、非被覆部分に溜まったハンダによる影響を防止して変位を大きくすることが可能である。更には、非被覆部分に樹脂層を設けることで、非被覆部分における絶縁性を一層高くして不要な導通をなくし、また吸湿による耐久性低下を防止できる。
【００１３】
また、本発明の製造方法によれば、さらに以下の作用効果が得られる。すなわち、ハンダによって下地層に補強層を接合する際には、下地層及びハンダ表面の酸化物を取り除く為に少量のフラックスを使用する。フラックスを使用することで、安定した接合強度が得られ、接合部分の信頼性が向上する。しかしながら、接合後、金属メッシュ等の補強層の隙間や網目に入り込んだフラックス成分を完全に洗浄する事が難しい。
【００１４】
この残留したフラックス成分は、高温・高湿度環境に曝すと、圧電セラミックスをも腐食してしまうほど、激しい還元性を有する。更に、高温・高湿度環境下で急激な温度変化が加わると、軽微に腐食された部分からクラックが進展する可能性がある。また、同時に素子の駆動時のストレスをも加わることで、素子の内部に破壊が起こる可能性がある。また、腐食により外部電極の接合強度が低下し、外部電極の剥離が発生することで、素子の機能が停止する可能性が考えられる。本発明の方法では、フラックスを使用する前に、下地層以外の素子表面を樹脂層で充填するので、残留したフラックス成分がセラミックスに接触しないようにでき、セラミックス腐食を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明においては、所定軸方向へと向かって複数の圧電層を積層し、隣接する圧電層の間に内部電極層を形成することによって、積層体を作製する。ここで、好ましくは、内部電極層は、正極として作用する内部電極層と負極として作用する内部電極層とを交互に設ける。
【００１６】
本発明の素子で利用する積層体の変位は、電界によって圧電体に誘起される歪みに基づく変位の全てである。即ち、本発明の素子は、狭義の意味での印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果を利用するもの、及び印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果を利用するものに限定されず、強誘電体材料全般に見られる分極反転、反強誘電体材料に見られる反強誘電相−強誘電相転移、等の現象を利用するものも含まれる。
【００１７】
本発明の素子を構成する積層体は、限定されるものではないが、グリーンシート積層法及び打抜同時積層法を用いて作製できる。圧電材料を主成分とするグリーンシートに、導電材料からなる電極パターンを形成し、打抜加工機を用いて、電極パターンを形成したグリーンシートを、打抜加工機のパンチを積層軸としてパンチに積層しながら打抜加工し、グリーン積層体を得て、そのグリーン積層体を焼成して柱状積層体を得、焼成一体化する。
【００１８】
例えば、図１（ａ）は、本発明の素子で利用できる積層体１を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、各圧電層における内部電極層のパターンを示す斜視図である。図２（ａ）は、積層体を模式的に示す縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の積層体の横断面図である。
【００１９】
本例では、圧電層２が所定軸Ａに向かって多数積層されており、隣接する圧電層２の間に内部電極層４、５が形成されている。内部電極層４にはプラス極性の電圧が印加され、内部電極層５にはマイナス極性の電圧が印加されるようになっている。内部電極層４と５とは交互に形成されており、かつ図１（ｂ）に示すように、内部電極層４と５との平面的パターンは互いに異なっているため、オフセット型積層型圧電素子と呼ばれる。ただし、本発明はオフセット型積層型圧電素子に限定されるものではない。各内部電極層４は電極構造２３に対して導通しており、内部電極層５は別の電極構造２７に対して導通している。各電極構造の詳細は後述する。
【００２０】
積層体を製造するにあたっては、グリーンシート積層法及び打抜同時積層法を利用することが好ましい。まず、圧電／電歪材料を主成分とする所定枚数のセラミック製のグリーンシートを用意する。このセラミックグリーンシートは、焼成後に圧電層を構成するものである。セラミックグリーンシートは、従来知られたセラミック製造方法により作製出来る。例えば、圧電／電歪材料の粉末を用意し、これに有機樹脂（バインダ）、溶剤、分散剤、可塑剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のテープ成形法によって成形し、切断し、シートを作製することが可能である。
【００２１】
圧電（電歪）材料は、電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体セラミック材料や強誘電体セラミック材料、あるいは反強誘電体セラミック材料を用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。
【００２２】
具体的には、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ）、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。中でも、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料が、大きな電界誘起歪が利用出来ることから、好ましい。この場合、ニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有するものが、特に好ましい。又、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマニウム酸鉛等を添加した材料は、その圧電／電歪層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来るので好ましく、特に、上記したジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料であって、そのニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有し、且つゲルマン酸鉛を０．３〜４質量％添加した材料は望ましい。
【００２３】
次に、所定枚数のシートを作製したら、そのシートの表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜を形成する。この導体膜は、のちに内部電極層になる膜である。
【００２４】
導体膜の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料は、圧電／電歪層と同時に焼成されるか否かに依存して選定される。内部電極層の場合には、圧電／電歪層と同時に焼成されるため、圧電／電歪層の焼成温度においても溶解しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要がある。一方、のちに下地膜となる導体膜の場合には、積層体を焼成後形成するため、圧電体の焼成温度に比べて低温で焼成出来るので、アルミニウム、金、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅、ニッケル等を使用することが可能である。
【００２５】
次いで、のちに内部電極層になる導体膜が形成された所定枚数のシートに対し、既述の如くパンチとダイとのクリアランスを適切に調節した打抜加工機を用い、パンチを積層軸として、加工したシートをパンチに積層しながら打抜加工を施し、これらを積層し圧着して、グリーン積層体を得る。このグリーン積層体を焼成し、一体化した積層（焼成）体を得る。
【００２６】
好適な実施形態においては、導電性の下地層を積層体の側面３１（図１参照）に設け、下地層を、対応する内部電極と導通させる。積層体の側面３１とは、圧電体の伸縮方向Ａと略平行な方向を意味する。そして、下地層と導電性補強層とを接合し、導電性補強層に上側導電性補強材を接合し、下地層と導電性補強層とをハンダ層によって接合する。ここで、上側導電性補強材がハンダによって接合されないようにする。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態に係る素子の要部を示す断面図である。積層体１は、前述したように、多数の圧電層２が矢印Ａ方向へと向かって積層されており、隣接する圧電層の間に内部電極層４または５が形成されている。各内部電極層４は、端子部分２０を介して下地層３に対して導通している。下地層３は、積層体１の表面を連続的に被覆しておらず、規則的な非被覆部分３０が設けられている。各非被覆部分３０にはそれぞれ樹脂層１５が形成され、充填されている。樹脂層１５および下地層３によって積層体の表面を隙間なく被覆している。
【００２８】
下地層３は、導電性補強層１０に対してハンダ層９を介して接合されており、導電性補強層１０は、上側導電性補強材１１に対して接合されている。導電性補強層および上側導電性補強材によって、複合化された導電性補強層１２が形成されている。上側導電性補強材１１はハンダ層９によって濡れておらず、従って下地層へと接合されていない。
【００２９】
図４に示す例においても、各内部電極層４は、端子部分２０を介して下地層３に対して導通している。下地層３は、積層体１の表面を連続的に被覆しておらず、規則的な非被覆部分３０が設けられている。各非被覆部分３０にはそれぞれ樹脂層１５が形成され、充填されている。樹脂層１５および下地層３によって積層体の表面を隙間なく被覆している。下地層３は、導電性補強層１０Ａに対してハンダ層９を介して接合されており、導電性補強層１０Ａは、上側導電性補強材１１Ａに対して接合されている。導電性補強層１０Ａおよび上側導電性補強材１１Ａによって、複合化された導電性補強層１２Ａが形成されている。上側導電性補強材１１Ａはハンダ層９によって濡れておらず、従って下地層３へと接合されていない。
【００３０】
好ましくは、下地層は、規則的に配列された島状部分からなる。各島状部分の形態は特に限定されず、円形、楕円形、多角形、細長い四辺形状などであってよい。あるいは、下地層は網状を呈していてよい。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、積層体１の表面に、内部電極の導通部分２０を露出させる。各導通部分３０は本例では細長い四辺形状である。次いで、図５（ｂ）に示すように、導通部分２０上に、多数の細長い四辺形状の下地層３Ａを規則的に形成し、配列させる。ここで、隣接する下地層３Ａの非被覆部分３０に、前述した樹脂層を形成する。
【００３２】
また、図６（ａ）に示すように、導通部分２０の上に、円形の島状部分３Ｂを下地層として形成することもできる。各島状部分の形状は円形でなくともよく、楕円形、レーストラック形状、多角形、星型などあらゆる図形が考えられる。
【００３３】
また、図６（ｂ）に示す例では、導通部分２０の上に、網状の下地層３Ｃが形成されている。各網目３０が非被覆部分となる。各非被覆部分３０内には樹脂層が形成される。
【００３４】
下地層の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。
【００３５】
また、下地層に非被覆部分を設けるには、上記したスクリーン印刷、フォトリソグラフィー、転写、スタンピングの際に、非被覆部分をパターニングすることができる。あるいは、上記した方法で積層体表面の所定部分を隙間なく被覆したあとに、ソーイング、研磨、ブラスト等によって下地層の一部を剥離させることによって非被覆部分を形成することもできる。
【００３６】
本発明において、下地層の非被覆部分に形成する樹脂層の具体的材質は特に限定されないが、以下を例示できる。フッ素樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素−ポリアミドイミド混合樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂が候補となる。
またこれらの有機樹脂とシリカ粒子を混合したハイブリッド樹脂も耐熱性の面で有用である。具体的には、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂とシリカ樹脂を混合した材料が適用できる。
【００３７】
好適な実施形態においては、積層型圧電素子の下地層に対して導電性補強層を接続し、導電性補強層上に上側導電性補強材を接合し、その際にハンダ層が上側の上側導電性補強材を接合しないようにした。このような構造によって、導電性補強層と上側導電性補強材との機能を明確に分離し、変位効率の向上と耐久性の向上という相反する効果を奏することに成功した。
【００３８】
すなわち、ハンダ層によって下地層に対して導電性補強層を接合することによって、素子本体に対して所望の拘束力を生じさせることができる。この際、上側導電性補強材は直接ハンダによって接合されていないので、導電性補強層の設計によって拘束力を最適値とすることができる。これと共に、上側導電性補強材には十分に高い強度を付与することによって、下地層および導電性補強層が断線あるいは抵抗値上昇するような局面においても所望の導通を確保することが可能である。
【００３９】
導電性補強層と上側導電性補強材との接合方法は特に限定されない。好ましくは、溶接、拡散接合、ロウ付けまたは導電性接着剤により両者を一体化する。このような接合方法は金属加工分野において周知である。
【００４０】
本発明においては、導電性補強層が金属製の板状物からなる。これによって、導電性補強層の厚さを比較的に小さく抑えることができ、拘束力を低減できるため積層体の変位を大きくすることができる。導電性補強層の厚さは、素子の変位を大きくするためには、５００ｕｍ以下であることが好ましく、２５０ｕｍ以下であることが更に好ましい。しかし、導電性補強層が薄すぎると断線しやすくなるので、１０ｕｍ以上であることが好ましく、３０ｕｍ以上であることが更に好ましい。
【００４１】
導電性補強層は、実質的に伸縮性のない板状物であってよい。この場合には、板状物を一層薄くすることによって、積層体の変位を大きくすることが可能である。
【００４２】
また、好適な実施形態においては、導電性補強層を構成する板状物が、エキスパンドメタル、パンチングメタルまたはエッチングメタルである。
【００４３】
導電性補強層の材質は、所望のヤング率や強度と導電性とを有する限り特に限定されない。好ましくは、導電性補強層の材質が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなる。これらの中で、特に以下が好ましい。コストの面からＮｉ、Ｃｕ、Ｔｉが望ましく、低ヤング率であり低抵抗材料であるＣｕが優れた材料であると言える。
【００４４】
また、上側導電性補強材の形態は特に限定されないが、積層体の変位を大きくするという観点からは網状物であることが好ましい。また、上側導電性補強材の材質は、所望のヤング率、強度および導電性を実現できれば特に限定はされないが、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属が好ましい。
【００４５】
導電性補強層の開口率は上側導電性補強材の開口率よりも大きいことが好ましい。これによって、導電性補強層による積層体の拘束を弱くして変位を大きくすることができ、また導電性補強層が断線ないし抵抗値上昇したときの導電性補強層による導通を確保しやすい。この観点からは、導電性補強層の開口率と上側導電性補強材の開口率との差は５％以上であることが好ましく、１０％以上であることが更に好ましい。
【００４６】
導電性補強層の開口率は、積層体の変位を大きくするという観点からは、４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることが更に好ましい。また、上側導電性補強材の開口率は、導通確保という観点からは、７５％以下であることが好ましい。
【００４７】
上側導電性補強材の開口率は、積層体の変位を大きくするという観点からは、１０％以上であることが好ましく、２５％以上であることが更に好ましい。また、上側導電性補強材の開口率は、導通確保という観点からは、６０％以下であることが好ましい。
【００４８】
また、好適な実施形態においては、ハンダ層の面積を導電性補強層の面積よりも大きくする。
【００４９】
また、ハンダ層の材質は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌからなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金である。特に好ましくは以下の材質である。Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダにＡｇがドープされたハンダ合金や、Ｐｂフリーハンダとしては、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、Ｓｎ−７Ｚｎ−０．００３Ａｌ合金が挙げられる。特にＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金が接続信頼性が高い点で望ましい。具体的には、千住金属工業株式会社のＭ７０５（品番）材料が好ましい。
【００５０】
この実施形態においては、上側導電性補強材は、ハンダ層によって実質的に接合されていない。これには以下の二つの形態がある。
（１）  上側導電性補強材とハンダ層との間に隙間を設けることによって、上側導電性補強材とハンダ層とが直接接触しないようにする。この場合には、隙間の大きさは特に限定されないが、３０ｕｍ以上であることが好ましい。また、製造上の誤差により、部分的に上側導電性補強材とハンダ層とが接触することは許容される。また、この場合には、上側導電性補強材がハンダによって濡れにくい材質からなっていてよく、上側導電性補強材がハンダによって濡れる材質からなっていてもよい。
【００５１】
（２）  上側導電性補強材がハンダによって濡れない材質、あるいは濡れにくい材質からなる。このような組み合わせを以下例示する。
（上側導電性補強材：ハンダ）
（ステンレスメッシュ（ＳＵＳ３０４）：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金ハンダ）
【００５２】
本発明においては、導電性補強層の表面積のうち１０％以上、５０％以下がハンダ層と接触している。導電性補強層の表面積のうち１０％以上をハンダに接触させることによって、接着を強固にし，導電性補強層の剥離を防止できる。また、導電性補強層の表面積のうち、５０％以下をハンダと接触させることによって、積層体の変位を大きくすることができる。
【００５３】
また、好適な実施形態においては、上側導電性補強材の交点において上側導電性補強材が導電性補強層に対して接合されている。これによって上側導電性補強材の導電性補強層への接合を強固とし、脱落や剥離を防止でき、また断線時の導通を確実にできる。
【００５４】
例えば、図７（ａ）は、上側導電性補強材である網状物１１を示す平面図であり、図７（ｂ）は、導電性補強層であるエキスパンドメタル（ないしパンチングメタル）１０を示す平面図である。図７（ｃ）に示すように、導電性補強層１０上に上側導電性補強材１１を乗せ、両者を接合することによって、複合導電性補強層１２を作製する。この際、上側導電性補強材１１の各交点を導電性補強層１０に対して接合する。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、積層体１の側面上に、内部電極層４につながる導通引き出し部２０を露出させ、導通引き出し部２０を下地層に対して接続する。そして、下地層上に複合導電性補強層１２を載せて接合する。
【００５６】
本発明に係る素子は、積層コンデンサ、積層圧電素子等として適用可能である。積層コンデンサは、現在最も使用されているコンデンサであり、殆どの電気・電子回路に用いられ、あらゆる製品に利用される。例えば、コンピュータ、通信機器、あるいは小型化・軽量化が求められる携帯電話等の携帯端末、等に好適である。又、積層圧電素子は、センサ、アクチュエータ等の圧電デバイスとして使用され、例えば、計測器、光変調器、光スイッチ、電気スイッチ、マイクロリレー、マイクロバルブ、搬送装置、ディスプレイ及びプロジェクタ等の画像表示装置、画像描画装置、マイクロポンプ、液滴吐出装置、微小混合装置、微小撹拌装置、微小反応装置、等に利用される。
【００５７】
本発明の素子は、燃料噴射装置における噴射ノズル開閉機構に好適な駆動源として用いられるものである。又、光学装置等の精密な位置決めを要する装置や振動防止装置の駆動源として適用される。
【実施例】
【００５８】
（比較例１）
図１〜図３に示す素子を作製した。ただし、図３において、下地層は素子の側面上に切れ目なく連続的に形成されており、下地層の間隙および間隙内の樹脂層は設けられていない。具体的には、活性部として３００−３５０層、上下の不活性部として各５０層を積層一体化する。圧電テープには、内部電極層（例えば、厚み３ｕｍ）を印刷するとともにテープに比してバインダを増量させた接着層（例えば、厚み５ｕｍ）を印刷しておくことで、８０℃・２ＭＰａの加熱および加重によって一体化した。
【００５９】
こうして一体化された積層形成体を６００℃で脱脂し、９００−１１００℃で焼成することで、圧電セラミックスの積層体を得た。この積層体を切断・研削加工し、所望の形状の積層体を得た。積層体の断面形状は７ｍｍ×７ｍｍ、長さ３５ｍｍとした。オフセット電極層が引き出された素子の２側面に対し、外部電極の下地層３を形成した。本例では、ＡｇＰｄ焼成膜を厚さ２０ｕｍとなるように８００℃で焼き付けた。また、下地層３は素子の側面を間隙なしに被覆するように設けられている。
【００６０】
外部電極を補強する部材として、下地層の上に多層メッシュを接合した。すなわち、Ｃｕからなるエキスパンドメタル１０とＳＵＳメッシュ１１を拡散接合により一体化し、一体化させた多層メッシュ１２をハンダ９を用いて接合下地層３に接合した。ハンダとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金のＰｂフリーハンダを用い、２４０℃・５ｍｉｎの条件で接合した。
【００６１】
次いで、素子全体を絶縁性樹脂でコートした。具体的には、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂を塗装することで選択的にコートした。樹脂厚みは２０−１００ｕｍである。
次いで、素子の分極を行った。具体的には、１７０℃に加熱された状態でＤＣ１５０Ｖを１０分、ＤＣ２４０Ｖを１０分印加し、分極を完了した。この時の電界強度は、それぞれ、１．９ｋＶ／ｍｍ、３．０ｋＶ／ｍｍに相当する。
【００６２】
素子の駆動はプリロード７５０Ｎ下で、２００Ｖの電圧を加えて行った。印加波形は、立ち上げ０．１２ｍｓｃ、キープ１ｍｓｅｃ、立ち下げ０．１２ｍｓｅｃである。素子の変位は５０ｕｍ得ることができた。
【００６３】
（実施例１）
図１〜図３に示す素子を作製した。具体的には、活性部として３００−３５０層、上下の不活性部として各５０層を積層一体化する。圧電テープには、内部電極層（例えば、厚み３ｕｍ）を印刷するとともにテープに比してバインダを増量させた接着層（例えば、厚み５ｕｍ）を印刷しておくことで、８０℃・２ＭＰａの加熱および加重によって一体化した。
【００６４】
こうして一体化された積層形成体を６００℃で脱脂し、９００−１１００℃で焼成することで、圧電セラミックスの積層体を得た。この積層体を切断・研削加工し、所望の形状の積層体を得た。積層体の断面形状は７ｍｍ×７ｍｍ、長さ３５ｍｍとした。オフセット電極層が引き出された素子の２側面に対し、外部電極の下地層３を形成した。本例では、ＡｇＰｄ焼成膜を厚さ２０ｕｍとなるように８００℃で焼き付けた。また、下地層３Ａの平面的パターンは図５（ｂ）に示すようなストライプ状パターンとした。
【００６５】
次いで、素子全体を絶縁性樹脂でコートした。具体的には、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂を塗装することで素子の全体をコートした。樹脂厚みは２０−１００ｕｍである。その後、外部電極の下地層３上の樹脂を取り除き、下地層３Ａの非被覆部分に樹脂を除去することなく、残留させることによって、樹脂を充填し、樹脂層を形成した。
外部電極を補強する部材として、下地層３Ａの上に多層メッシュを接合した。すなわち、Ｃｕからなるエキスパンドメタル１０とＳＵＳメッシュ１１を拡散接合により一体化し、一体化させた多層メッシュ１２をハンダ９を用いて接合下地層３Ａに接合した。ハンダとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金のＰｂフリーハンダを用い、２４０℃・５ｍｉｎの条件で接合した。
【００６６】
次いで、素子の分極を行った。具体的には、１７０℃に加熱された状態でＤＣ１５０Ｖを１０分、ＤＣ２４０Ｖを１０分印加し、分極を完了した。この時の電界強度は、それぞれ、１．９ｋＶ／ｍｍ、３．０ｋＶ／ｍｍに相当する。
【００６７】
素子の駆動はプリロード７５０Ｎ下で、２００Ｖの電圧を加えて行った。印加波形は、立ち上げ０．１２ｍｓｃ、キープ１ｍｓｅｃ、立ち下げ０．１２ｍｓｅｃである。素子の変位は、比較例１に比べて約１０〜１５％向上しており、すなわち約５５〜５８μｍであった。
【００６８】
（実施例２）
実施例１と同様にして素子を作製した。ただし、下地層３Ｃの平面的パターは、図６（ｂ）に示すような網状とした。網のピッチは５００ｕｍとし、網目の径は１５０ｕｍとした。素子の変位は、比較例１に比べて約１０〜１５％向上しており、すなわち約５５〜５８μｍであった。
【００６９】
図８は、実施例１および比較例１の各例のアクチュエーターの変位を示すグラフである。また、表１にこれに対応するデータを示す。
【表１】
0005201646.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）は、積層体１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、各圧電層および内部電極層の分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、積層体１の模式的縦断面図であり、（ｂ）は、積層体１の模式的横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る素子の要部断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る素子の要部断面図である。
【図５】（ａ）は、内部電極層の引き出し導通部２０を示す平面図であり、（ｂ）は、導通部上に設けられた下地層３Ａを示す平面図である。
【図６】（ａ）は、導通部上に設けられた下地層３Ｂを示す平面図であり、（ｂ）は、導通部上に設けられた下地層３Ｂを示す平面図である。
【図７】（ａ）は、上側導電性補強材１１を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、導電性補強層１０を示す模式的平面図であり、（ｃ）は、複合化された導電性補強層１２を示す模式的平面図である。
【図８】実施例１および比較例１の各例のアクチュエーターの変位を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１  積層体            ２  圧電層            ３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  内部電極層            ９  ハンダ層            １０、１０Ａ  導電性補強層            １１、１１Ａ  上側導電性補強材            １２  複合化された導電性補強層            １５  樹脂層            ３０  非被覆部分            Ａ  所定軸
【図１】
0005201646.tif 000003
【図２】
0005201646.tif 000004
【図３】
0005201646.tif 000005
【図４】
0005201646.tif 000006
【図５】
0005201646.tif 000007
【図６】
0005201646.tif 000008
【図７】
0005201646.tif 000009
【図８】
0005201646.tif 000010