(57)【要約】  圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層を複数含んでいる。複数の前記高抵抗金属層は、該高抵抗金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ規則的に配置されている。本発明の他の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層され、前記複数の金属層のうちの少なくとも一層が、前記圧電体層間に配設された複数の部分金属層からなる。
2007037377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
複数の前記高抵抗金属層は、該高抵抗金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されている請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記高抵抗金属層が規則的に配置されて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】
前記高抵抗金属層は、内部の空隙率が前記他の金属層における空隙率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記高抵抗金属層は、前記他の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗成分を含み、該高抵抗成分の含有率が前記他の金属層における高抵抗成分の含有率よりも高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記高抵抗金属層は、厚みが前記他の金属層よりも薄いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記高抵抗金属層の前記圧電体層に対する電気抵抗の比が１／１０〜１０００倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項８】
前記高抵抗金属層の電気抵抗がその他の金属層の電気抵抗の１０００倍以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項９】
複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層体を有する積層型圧電素子において、前記複数の金属層のうちの少なくとも一層が、前記圧電体層間に配設された複数の部分金属層からなることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項１０】
前記複数の部分金属層の一部は、該部分金属層の厚み方向の両端が隣接する両側の圧電体層に接しており、前記複数の部分金属層の残部は、該部分金属層の厚み方向の一端のみが圧電体層に接している請求項９に記載の積層型圧電素子。
【請求項１１】
前記部分金属層からなる金属層を複数備えている請求項９又は１０に記載の積層型圧電素子。
【請求項１２】
前記部分金属層からなる複数の金属層は、複数の圧電体層を介してそれぞれ配置されている請求項１１記載の積層型圧電素子。
【請求項１３】
前記部分金属層からなる複数の金属層は規則的に配置されている請求項１１または１２記載の積層型圧電素子。
【請求項１４】
前記部分金属層は、当該部分金属層からなる金属層に隣接する圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さく又は漸次大きくなる請求項９〜１３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１５】
前記部分金属層が、銀若しくはパラジウム又はこれらの合金からなる請求項９〜１４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１６】
隣り合う前記部分金属層の間には空隙が存在する請求項９〜１５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１７】
前記積層体の側面には、前記複数の金属層が接続された一対の外部電極が形成されている請求項１〜１６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項１８】
噴出孔を有する容器と、請求項１〜１７のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出させるように構成された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（以下、単に「素子」ということもある）および噴射装置に関し、特に、高電圧・高圧力下において長期間連続駆動させるのに適した積層型圧電素子および噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、積層型圧電素子を用いたものとして、圧電体層と金属層を交互に積層した圧電アクチュエータがある。一般に、圧電アクチュエータは、同時焼成タイプと、１つの圧電体からなる圧電磁器と板状体の金属層とを交互に積層したスタックタイプとの２種類に分類される。これらのうち、低電圧化及び製造コスト低減の観点から、同時焼成タイプの圧電アクチュエータが多く採用されている。同時焼成タイプの圧電アクチュエータは、薄層化が簡単であり、小型化および耐久性にも優れる。【０００３】
図６（ａ）は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図６(a)，(b)に示すように、この積層型圧電素子は、積層体１０３と、互いに対向する側面に形成された一対の外部電極１０５とから構成されている。積層体１０３は、圧電体層１０１と金属層１０２とが交互に積層されてなる。積層体１０３の積層方向における両端側には、不活性層１０４がそれぞれ積層されている。金属層（内部電極層）１０２は、圧電体層１０１の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金属層１０２は、一層おきに積層体１０３の異なる側面に露出するように積層されており、一対の外部電極１０５に、それぞれ一層おきに接続されている。【０００４】
従来の積層型圧電素子の製造方法としては、以下の通りである。すなわち、まず、金属ペーストが、圧電体層１０１の原料を含むセラミックグリーンシートに、図６（ｂ）に示すような所定の金属層構造となるパターンで印刷される。ついで、金属ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、これを焼成して積層体１０３を得る。その後、積層体１０３の対向する側面に金属ペーストを塗布した後、焼成して一対の外部電極１０５を形成し、図６（ａ）に示す積層型圧電素子を得る（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
ここで、金属層１０２としては、一般に銀とパラジウムの合金を用いることが多い。また、圧電体層１０１と金属層１０２を同時焼成するために、金属層１０２の金属組成は、銀７０質量％、パラジウム３０質量％に設定されることが多い（例えば、特許文献２参照）。このように、銀のみからなる金属層ではなく、銀−パラジウム合金からなる金属層１０２を用いるのは、以下の理由からである。【０００６】
すなわち、金属層１０２を、パラジウムを含まない銀のみの組成にすると、対向する金属層１０２間に電位差を与えたときに、対向する金属層１０２において正極から負極へと、金属層１０２中の銀イオンが素子表面を伝わって移動する、いわゆるイオン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において、著しく発生する傾向にある。【０００７】
一方、従来から、金属充填率が略同一な金属層１０２を形成することを目的に、金属成分比や金属濃度を略同一に調製した金属ペーストが用いられている。この金属ペーストをセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷する際には、メッシュ密度やレジスト厚みがほぼ同一条件に設定されて積層体１０３が作製される。【０００８】
また、セラミックグリーンシートを押圧積層した際、金属層１０２が重なり合う部分と重なり合わない部分で押圧状態が異なるため、金属層１０２の同一面内でも金属層密度が不均一になることがある。そこで、金属層１０２を形成する部分のセラミックテープに凹部を形成して、金属充填率を均一にする方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。【０００９】
ところで、従来の積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極１０５にリード線（不図示）を半田により接続固定し、外部電極１０５間に所定の電位をかけて駆動させる。そして、近年では、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保するように求められているため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。【００１０】
このように高電界、高圧力下で長時間連続駆動させるという要求に対応するために、特許文献４には、圧電体１０１の厚みを変化させた層を設けた素子が提案されている。すなわち、厚みの異なることで他の層と変位量が変化することを利用して応力緩和が試みられている。【００１１】
更に、スタックタイプの積層型圧電素子において、金属層と圧電体層の界面の接触抵抗を積層型圧電素子の積層方向の中央部で高抵抗とし、両端に向かうにつれて小さくなるように制御し、積層型圧電素子の積層方向の中央部に応力が集中しないようにすることが提案されている（例えば、特許文献５参照）。【００１２】
【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
【特許文献３】特開平１０−１９９７５０号公報
【特許文献４】特開昭６０−８６８８０号公報
【特許文献５】特開平６−３２６３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、従来の積層型圧電素子は、前述したように、すべての圧電体に均一に電界が印加されるように、均一な金属層を形成することが試みられてきた。特に、各金属層の導電率を均一にしたり、圧電体層に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の金属充填率を均一にすることが試みられてきた。そのため、変位に伴う応力は、積層型圧電素子の積層方向の中央部の外周に集中し、クラックが発生する等の不具合が生じていた。【００１４】
その改善方法として、特許文献４、５に示すような方法がなされたが、現在は、高電界、高圧力下で長時間連続運転すると言うような過酷な条件下で使う場合が多くなっており、このような条件下では、まだ、改善が十分とは言えず、素子中央部の外周に応力が集中し、クラックが生じたり、剥がれたりして、変位量が変化することがあった。
特に、同時焼成タイプの積層型圧電素子や圧電体の外周の少なくとも一部が拘束されるタイプの積層型圧電素子では、上記のような問題が生じるおそれが高い。【００１５】
また、各圧電体層の変位挙動が一致する共振現象が発生してうなり音が発生したり、駆動周波数の整数倍の高調波信号が発生してノイズ成分となることがあった。
さらに、従来の積層型圧電素子を燃料噴射装置等の駆動素子に利用されるアクチュエータとして用いた場合には、所望の変位量が次第に変化する問題を生じていたため、長期間連続運転における変位量の変化の抑制と耐久性向上が求められていた。【００１６】
したがって、本発明の主たる課題は、上述の問題点に鑑みて成されたものであり、高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも変位量が変化するのを抑制することができ、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である。
本発明の他の課題は、共振現象によるノイズの発生を抑制することができる積層型圧電素子および噴射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層を複数配置することにより、高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合であって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を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。【００１８】
すなわち、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層され、複数の前記金属層は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層を含んでいる。【００１９】
本発明の積層型圧電素子において、複数の前記高抵抗金属層は、該高抵抗金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。また、前記高抵抗金属層は規則的に配置されているのがより好ましい。さらに、前記高抵抗金属層は、内部の空隙率が前記他の金属層における空隙率よりも大きいのがよい。前記高抵抗金属層は、前記他の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗成分を含み、該高抵抗成分の含有率が前記他の金属層における高抵抗成分の含有率よりも高いのがよい。また、前記高抵抗金属層は、厚みが前記他の金属層よりも薄いのがよい。前記高抵抗金属層の前記圧電体層に対する電気抵抗の比が１／１０〜１０００倍であるのがよく、前記高抵抗金属層の電気抵抗がその他の金属層の電気抵抗の１０００倍以上であることがより好ましい。【００２０】
本発明の他の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層され、前記複数の金属層のうちの少なくとも一層が、前記圧電体層間に配設された複数の部分金属層からなる。
前記複数の部分金属層の一部は、該部分金属層の厚み方向の両端が隣接する両側の圧電体層に接しており、前記複数の部分金属層の残部は、該部分金属層の厚み方向の一端のみが圧電体層に接していることが好ましい。【００２１】
また、前記部分金属層からなる金属層は複数備えられているのがよく、また複数の圧電体層を介してそれぞれ配置されているのがよい。前記部分金属層からなる複数の金属層は規則的に配置されているのがよい。また、前記部分金属層は、当該部分金属層に隣接する圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さく又は漸次大きくなっているのが好ましい。前記部分金属層が、銀若しくはパラジウム又はこれらの合金からなるのがよい。さらに、隣り合う前記部分金属層の間には空隙が存在するのが好ましい。また、前記積層体の側面には、前記複数の金属層が接続された一対の外部電極が形成されているのがよい。【００２２】
本発明の噴射装置は、噴出孔を有する容器と、上記の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されるように構成される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、複数の前記金属層は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層を含んでいるので、高抵抗金属層と接する圧電体層の変位が小さくなる。このような変位の小さな複数の圧電体層が積層型圧電素子中に存在することで、変位によって生じる応力の分布を分散させることができるので、クラックが発生するのを抑制し、クラックが発生してもその進展を抑制することができる。したがって、高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、変位量が変化するのを抑制することができるので、耐久性に優れ、信頼性の高い積層型圧電素子を提供することができる。【００２４】
本発明の他の積層型圧電素子によれば、複数の金属層のうちの少なくとも一層が、圧電体層間に配設された複数の部分金属層からなるので、該部分金属層からなる金属層が、圧電体層の変位時にその変位により生じる応力を吸収することができる。また、該部分金属層からなる金属層が存在することで該金属層周辺の圧電体層の自由度が大きくなるので、これらの圧電体層の変位を大きくすることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和され、素子の変形による応力集中を抑制できるので、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても変位量の変化を抑制し、耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができる。【００２５】
本発明の積層型圧電素子は、連続駆動させても変位量が実質的に変化しないため、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。
【図２】第１の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の他の実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。
【図４】(a)〜(e)は、圧電体層間に配設された部分金属層の周辺を拡大した拡大断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。
【図６】（ａ）は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＜積層型圧電素子＞
（第１の実施形態）
本発明の一実施形態にかかる積層型圧電素子について図面を参照し詳細に説明する。図１(a)は本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図１(b)はこの積層型圧電素子における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図２は本実施形態にかかる積層型圧電素子の圧電体層と接する金属層の積層構造を示す断面図である。【００２８】
図１に示すように、この積層型圧電素子は、圧電体層１１と金属層１２とを交互に積層してなる積層体１３を有し、この積層体１３の対向する側面に露出した金属層１２の端部と電気的に導通する一対の外部電極１５がそれぞれ接合されている。積層体１３の積層方向の両端には圧電体層１１で形成された不活性層１４が積層されている。【００２９】
本実施形態の積層型圧電素子を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（不図示）を半田により接続固定し、このリード線を外部電圧供給部（不図示）に接続すればよい。圧電体層１１間には金属層１２が配されているが、この金属層１２は銀−パラジウム等の金属材料で形成しているので、金属層１２を通じて各圧電体１１に所定の電圧を印加し、圧電体層１１を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。【００３０】
不活性層１４は複数の圧電体層を積層した積層体からなり、一方の主面側にのみ金属層１２が配置されているだけであるため、電圧を印加しても変位を生じない。【００３１】
本実施形態の積層型圧電素子では、図２に示すように、複数の金属層１２は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層１２Ａを含み、これらの高抵抗金属層１２Ａが該高抵抗金属層１２Ａ以外の他の金属層１２Ｂを複数層挟んで配置されている。すなわち、複数の金属層１２は、複数の金属層１２Ｂと該金属層１２Ｂよりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層１２Ａとからなる。【００３２】
従来の積層型圧電素子では、すべての圧電体層１１に均一に電界が印加されるように略均一な金属層１２を形成しているので駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こすため、全ての圧電体１１が金属層１２を介して密着して駆動していた。このため、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時に広がり、伸びた時にはくびれてしまう素子中央部の外周に、素子の変形による応力が集中し、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合には、積層部分（圧電体層と金属層との界面）が剥がれたり、あるいはクラックが生じたりするという問題があった。【００３３】
本実施形態のように、複数の高抵抗金属層１２Ａを配置することにより、変位によって発生する応力を分散することができる。そのため、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、クラックの発生を抑制し、変位量の変化を小さくでき、耐久性の向上を図ることができる。【００３４】
より詳しく説明すると、高抵抗金属層１２Ａに接する圧電体層１１は、その変位量が他の金属層１２Ｂに接する圧電体層１１よりも小さくなる。すなわち、変位の小さな圧電体層１１が複数存在することになる。したがって、素子が一体として駆動変形するのではなく、高抵抗金属層１２Ａにより区切られた複数の領域がそれぞれ駆動変形するような状態となる。これにより、従来は素子中央部に集中していた応力が、本実施形態における素子では複数の領域毎に分散されるので、高電界、高圧力下でも優れた耐久性を得ることができる。また、たとえ部分的に積層部分が剥がれたり、あるいはクラックが生じたりしても、変位の小さな圧電体１１の部分によりクラックの進展が抑制される。以上のような理由で耐久性が向上し、信頼性の高い素子とすることができると推測する。
なお、高抵抗金属層１２Ａの数は、多ければ多いほど応力は分散され、耐久性は向上するが、多すぎると変位量が減少する傾向にあるので、全体の圧電体層１１の総数の２０％以下であるのが好ましい。【００３５】
また、高抵抗金属層１２Ａは、積層型圧電素子の積層方向に規則的に配置されているのが好ましい。高抵抗金属層１２Ａと高抵抗金属層１２Ａとの間に他の金属層１２Ｂが複数含まれるようにして、複数の高抵抗金属層１２Ａが積層方向に規則的に配置されるようにする。これにより、変位に伴う応力の発生は、それぞれ高抵抗金属層１２Ａで分割された部分でほぼ均一に分散されるようになる。このように応力の分散が計画的に行われることにより、クラックの発生を抑制し、運転時の変位量の変化が抑制され、耐久性が向上する。【００３６】
ここで、「高抵抗金属層が規則的に配置されている」とは、高抵抗金属層１２Ａ，１２Ａ間に存在する他の金属層１２Ｂの層数がいずれの高抵抗金属層１２Ａ，１２Ａ間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、高抵抗金属層１２Ａ，１２Ａ間に存在する他の金属層１２Ｂの層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、高抵抗金属層１２Ａ間に存在する他の金属層１２Ｂの層数は、好ましくは各層数の平均値に対して±２０％の範囲内、より好ましくは各層数の平均値に対して±１０％の範囲内、さらに好ましくはすべて同数であるのがよい。【００３７】
上記高抵抗金属層１２Ａは、内部の空隙率が他の金属層１２Ｂにおける空隙率よりも１．５〜３０倍、好ましくは５〜２０倍大きいことが好ましい。これにより、高抵抗金属層１２Ａに接する圧電体層１１の変位量は、両主面が他の金属層１２Ｂに接する圧電体層１１の変位量よりも小さくなる。この変位量の小さな圧電体層１１で区切られた領域は、積層型圧電素子全体の変位量より小さくなり、積層型圧電素子の外周に発生するクラックを抑制することができ、耐久性が向上する。また、空隙率が多いことにより、応力を吸収できるために、これによって更に耐久性が向上する。【００３８】
高抵抗金属層１２Ａの空隙率は４０％〜９９％、好ましくは５０％〜９０％であることがより好ましい。空隙率が４０％より小さいと、金属層の電気抵抗が高くならずにそれに接する圧電体層１１の変位量を十分に小さく出来ないおそれがある。一方、空隙率が９９％より大きいと高抵抗金属層１２Ａの強度が低下して高抵抗金属層１２Ａが容易に破壊してしまうおそれがある。【００３９】
ここで、空隙率は、積層型圧電素子を積層方向に平行な面又は積層方向に垂直な面で切断した断面で測定する。高抵抗金属層１２Ａの断面において、空隙の断面積を測定し、それを高抵抗金属層１２Ａの断面積で除して１００倍することによって求める。空隙の径は、特に限定されるものではないが、好ましくは３〜１００μｍ、より好ましくは５〜７０μｍであるのがよい。【００４０】
空隙率を測定する方法は大きく分けて次の２つある。第１の方法は、積層体１３を積層方向に平行な面で切ったときの断面を観察する方法であり、第２の方法は、積層体１３を積層方向に垂直な面で切ったときの断面を観察する方法である。本発明における空隙率は、どちらの方法で測定したものであってもよい。【００４１】
空隙率を第１の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積層方向に平行な断面が露出するように、積層体１３を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層の空隙率を測定することができる。具体例を挙げると、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積）／（黒色部分の面積＋白色部分の面積）を求め、百分率で表すことにより空隙率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に２階調化するための境界の閾値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の閾値を設定して２値化すればよい。【００４２】
空隙率を第２の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、空隙率を測定したい金属層の断面（積層方向に垂直な断面）が露出するまで、公知の研磨装置を用いて積層体１３の積層方向に研磨する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機ＫＥＭＥＴ−Ｖ−３００を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層の空隙率を測定することができる。具体的には、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積）／（黒色部分の面積＋白色部分の面積）を求め、百分率で表すことにより空隙率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に２階調化するための境界の閾値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の閾値を設定して２値化すればよい。【００４３】
なお、金属層の断面を観察する際には、金属層の厚みの約１／２の位置まで研磨し、これにより露出した断面を観察するのが好ましい。ただし、金属層の厚みが薄く、かつ、厚みのばらつきが比較的大きな場合には、研磨処理により金属層の断面全体を露出させることができないことがある。このような場合には、金属層の一部が露出するまで研磨処理した時点で、その露出部分を観察して断面画像を得た後、さらに研磨を進めて、既に観察した部分を除く他の部分を観察するという操作を複数回繰り返してもよい。このようにして複数回の操作で得た観察画像を足し合わせて金属層の断面全体が観察できればよい。【００４４】
また、高抵抗金属層１２Ａは、電気抵抗の高い高抵抗成分を他の金属層１２Ｂよりも多く含むことが好ましい。具体的には、高抵抗成分の含有率が他の金属層１２Ｂにおける高抵抗成分の含有率よりも１．５〜２０倍、好ましくは２〜１０倍高いのがよい。このように高抵抗金属層１２Ａに高抵抗成分を多く入れることにより、実質的に空隙の量を減らしても電気抵抗の高い金属層を形成することができる。このようにして形成された高抵抗金属層１２Ａが複数配置されていることによっても変位の変化量をより小さくすることができる。【００４５】
高抵抗成分としては、例えばPd、Pt、Cr、Ni、Mo、Wなどが挙げられる。高抵抗成分の粒径は、特に限定されるものではないが、好ましくは０．１〜１００μｍ、より好ましくは０．１〜５０μｍであるのがよい。【００４６】
高抵抗金属層１２Ａにおける高抵抗成分の含有率は４０％〜９９％であることが好ましく、更には５０〜９０％であることがより好ましい。なお、高抵抗成分の含有率は、高抵抗金属層１２Ａに平行な面のＳＥＭ写真を撮って、その面に占める高抵抗成分の面積を測定し、撮影面全体の面積で除して１００倍することによって求めることができる。【００４７】
また、高抵抗金属層１２Ａの厚みは他の金属層１２Ｂの厚みよりも薄いことが好ましい。高抵抗金属層１２Ａの厚みが他の金属層１２Ｂの厚みより薄いことにより、他の金属層１２Ｂよりも変形がしやすくなり、高抵抗金属層に隣接する圧電体層１１に発生する応力を軽減することができ、耐久性を向上させることができる。また、高抵抗金属層の厚みを他の金属層よりも薄くしたときは、金属層が変形しやすくなり、応力を吸収し、剥がれ難くなるので耐久性が向上する。【００４８】
金属層１２Ａ、１２Ｂの厚みは、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定する。他の金属層１２Ｂの任意の５箇所を選び、任意の２本の平行な線で挟んで厚みを測定する。すなわち、２本の平行線の一方を金属層と圧電体層の境界にセットし、他方の線を他方の境界に移動させ、２本の平行線間の距離を測定する。高抵抗金属層１２Ａも同様の方法で測定して金属層の厚みを決定する。高抵抗金属層１２Ａの厚みは、特に限定されるものではないが、好ましくは３０〜０．１μｍ、より好ましくは２０〜１μｍであるのがよい。また、他の金属層１２Ｂの厚みは、高抵抗金属層に対して好ましくは１０３％以上、より好ましくは１１０％以上であるのがよい。金属層の厚みを測定する５箇所の選び方としては、例えば次のようにすればよい。すなわち、積層型圧電素子を積層方向に切断した断面において、金属層の幅方向の両端と、幅方向の１／２の位置と、端部から幅方向の１／４の位置（２点）とからなる５箇所を選ぶ方法がある。【００４９】
さらに、本発明では、高抵抗金属層１２Ａの圧電体層１１に対する電気抵抗の比が１／１０〜１０００倍であることが好ましい。このような範囲にすることにより、高抵抗金属層１２Ａに接する圧電体層１１の変位量を適度にコントロールすることができる。高抵抗金属層１２Ａの圧電体層１１に対する電気抵抗の比が１／１０倍以上であることにより、高抵抗金属層１２Ａが接する圧電体層１１の変位量が他の圧電体層１１の変位量よりも小さくなり、応力が分散される効果を十分に得ることができる。また、高抵抗金属層１２Ａの圧電体層１１に対する電気抵抗の比が１０００倍以下であることにより、高抵抗金属層１２Ａが接する圧電体層１１の変位量が過度に小さくなるのを防止し、応力が過度に集中するのを防止できる。高抵抗金属層１２Ａの圧電体層１１に対する電気抵抗の比は１〜１０００倍であることがより好ましい。【００５０】
なお、本発明における電気抵抗（Ω）は、各層において、高抵抗金属層１２Ａの両端または圧電体層１１の両端にプローブをあててピコアンペアメーター（例えば、ヒューレットパッカード社製４１４０Ｂなど）を用いて測定できる。ここで、「高抵抗金属層１２Ａの両端」とは、積層体１３における対向する２つの側面（外部電極１５，１５が形成されていない部分）に露出した高抵抗金属層１２Ａの端部をいう。高抵抗金属層１２Ａの端部が積層体１３の側面に露出していない場合には、高抵抗金属層１２Ａの端部が露出するまで公知の研磨装置等で研磨すればよい。そして、ピコアンペアメーターのプローブを高抵抗金属層１２Ａの両端にそれぞれ当てて電気抵抗を測定する。このときの電気抵抗を測定する際の温度は２５℃であるのがよい。【００５１】
また、高抵抗金属層１２Ａの電気抵抗がその他の金属層１２Ｂの電気抵抗の１０００倍以上であることが好ましい。このようにすることにより高抵抗金属層１２Ａに接する圧電体層１１は、他の金属層１２Ｂに接する圧電体層１１に比べ変位量が小さくなり、高抵抗金属層１２Ａにより積層型圧電素子が区分され応力が分散され耐久性が向上する。【００５２】
次に、本実施形態の積層型圧電素子の製法を説明する。
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（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）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。【００５３】
次に、銀−パラジウム等の高抵抗金属層１２Ａを構成する金属粉末に、乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物（例えば、アクリルビーズ等）を含有させて、バインダー及び可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを上記グリーンシートのうちの一部の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。【００５４】
アクリルビーズと金属粉末との比を変えることで、高抵抗金属層の空隙率を変化させることができる。即ち、アクリルビーズが多い場合は、空隙率は高くなり、アクリルビーズが少なくなると空隙率は低くなる。空隙の径は、ビーズの径を変えることにより調整できる。【００５５】
他の印刷方法として、アクリルビーズ等の有機物をバインダー及び可塑剤等に添加混合してアクリルビーズペーストを作製し、一方、銀−パラジウム等の金属粉末に、バインダー及び可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製して、上記一部のグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって、アクリルビーズペーストと導電性ペーストを積層印刷してもよい。この印刷方法により、さらに量産性に優れた印刷が可能となる。【００５６】
また、上記銀−パラジウム等の金属層を加熱処理し、一旦表面を酸化しておくことで、高抵抗金属層１２Ａの空隙率をコントロールがしやすくなる。また、上記銀―パラジウム等の金属層にＰＺＴ、チタン酸鉛、アルミナ等、高抵抗成分を添加しても良い。【００５７】
高抵抗金属層１２Ａが形成されるグリーンシート以外の残りのグリーンシートには、他の金属層１２Ｂを形成するための導電性ペーストがスクリーン印刷等により印刷される。この導電性ペーストには、必要に応じてアクリルビーズ等の有機物や高抵抗成分を添加してもよい。【００５８】
次に、導電性ペーストが印刷された各グリーンシートを複数積層して積層体を得る。この積層体に重しをのせた状態で所定の温度で脱バインダー処理を行った後、高抵抗金属層１２Ａにボイドができるように重しをのせずに９００〜１２００℃で焼成することによって積層体１３が作製される。【００５９】
このとき、不活性層１４の部分のグリーンシート中に、銀−パラジウム等の金属層１２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−パラジウム等の金属層１２を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーを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１３を形成することができる。
なお、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と複数の金属層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。【００６０】
その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層１２と端部が露出しない金属層１２とを交互に形成して、端部が露出していない金属層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。【００６１】
次に、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、且つ積層体１３の焼成温度（℃）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。【００６２】
このとき、外部電極１５を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、１層ごとに積層しては焼付けを行っても良いが、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。そして、層ごとにガラス成分を変える場合は、シートごとにガラス成分の量を変えたものを用いればよいが、最も圧電体１１に接した面にごく薄くガラスリッチな層を構成したい場合は、積層体１３に、スクリーン印刷等の方法で、ガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層する事が用いられる。このとき、印刷のかわりに５μｍ以下のシートを用いても良い。【００６３】
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（結晶粒の括れた部分）を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と金属層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と柱状の積層体１３側面とを部分的に接合させるという点から、５００〜８００℃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、５００〜８００℃が望ましい。ネック部が存在すると、過度に緻密な焼結体とはならず、適度に隙間が存在する網目状の構造となる。【００６４】
焼き付け温度が８００℃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。【００６５】
一方、焼き付け温度が５００℃よりも低い場合には、金属層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、駆動時に金属層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。【００６６】
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。【００６７】
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を介して金属層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。【００６８】
外部電極１５の外面には、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亀裂が生じるのを防ぐことができる。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。【００６９】
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。【００７０】
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。【００７１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態にかかる積層型圧電素子について詳細に説明する。図１３(a)は、本実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図１３(b)は図１３(a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。【００７２】
図３(a)、(b)に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層２１と複数の金属層２２ａ，２２ｂ（以下、「金属層２２」と総称することがある。）とを交互に積層してなる積層体２３を有し、該積層体２３の対向する側面に一対の外部電極２５が配設されている（一方の外部電極は不図示）。各金属層２２は、圧電体層２１の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複数の金属層２２は、一層おきに積層体２３の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。これにより、金属層２２は、一層おきに、一対の外部電極２５に電気的に接続されている。【００７３】
また、積層体２３の積層方向の両端側には圧電体で形成された不活性層２４が積層されている。この積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、一対の外部電極２５にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。この外部電圧供給部からリード線を通じて隣り合う金属層２２間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層２１が逆圧電効果によって変位する。一方、不活性層２４は一方の主面側に金属層２２が配置されているのみであり、他方の主面側には金属層２２が配置されていないので、電圧を印加しても変位が生じない。【００７４】
本実施形態の積層型圧電素子は、図３(a)、(b)に示すように、複数の金属層２２のうちの少なくとも一層が、圧電体層２１間に配設された複数の部分金属層２２ｃからなる金属層２２ｂである。このような金属層２２ｂが少なくとも１層存在することで、積層型圧電素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、積層型圧電素子の耐久性を向上させることができる。【００７５】
すなわち、従来の積層型圧電素子のように、すべての圧電体に均一に電界を印加するために全ての金属層を略均一なものにすると、駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。このため、全ての圧電体が金属層を介して密着して駆動して、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時に広がり、伸びた時にはくびれてしまう素子中央部の外周に、素子の変形による応力が集中しやすくなる。特に、圧電変位する活性層と圧電変位しない不活性層の境目に応力が集中する傾向にあった。また、各圧電体層の変位挙動が一致する共振現象が発生してうなり音が発生したり、駆動周波数の整数倍の高調波信号が発生してノイズ成分となる問題があった。【００７６】
これに対して、本実施形態にかかる積層型圧電素子では、金属層２２の少なくとも一層を金属層２２ｂとしたことで、金属層２２ｂ周辺の圧電体層は変位が小さくなり、金属層２２ａ周辺の圧電体層２１は変位が大きくなって、素子内に変位の大きい箇所と小さい箇所を分散させることができる。このような金属層を素子内に配置することで、素子に加わる応力を分散させることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで素子全体の変位を大きくすることができる。また、素子の変形による応力集中を抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも優れた耐久性を発揮することができる。【００７７】
また、金属層２２ｂを構成する複数の部分金属層２２ｃは、圧電体層２１，２１間にほぼ均一に配設されていることが好ましい。複数の部分金属層２２ｃが圧電体層２１，２１間に、相互の間隔がほぼ均一となるように配設されているときには、素子変形に伴う応力が一部に集中することがなく、金属層２２ｂが素子の断面全域にわたって圧電体層の応力緩和層として作用する。【００７８】
図３(a)、(b)に示す本実施形態では、金属層２２ｂは、積層体２３中に複数存在している。各金属層２２ｂは、複数の圧電体層２１および複数の金属層２２ａを介して配置されており、かつ、積層体２３の厚み方向に規則的に配置されている。【００７９】
複数の圧電体層２１のうち駆動変形するのは金属層２２ａに挟まれた層であることから、金属層２２のうち圧電体２１を複数枚介した部位に、金属層２２ｂを形成することで、素子の変位量をある程度確保することができる。また、素子の寸法変化である変位がそろった場合に発生する共振現象を抑止することができるので、うなり音発生が防止される。さらに、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することができる。また、金属層２２の厚みを変化させることで、圧電体１１の変位の大きさを制御できるので、圧電体２１の厚みを変える必要がなく、量産性に有効な構造とすることができる。【００８０】
さらに、本発明では、複数の部分金属層２２ｃの一部は、該部分金属層２２ｃの厚み方向の両端が隣接する両側の圧電層２１に接しており（図４(a)）、金属層２２ｂを構成する複数の部分金属層２２ｃの残部は、該部分金属層２２ｃの厚み方向の一端のみが圧電体層２１に接している（図４(b)）ことが望ましい。また、図４(c)に示す部分金属層２２ｃのように一端側のほぼ全面が圧電体層２１に接しており、他端側の一部のみが圧電体層２１に接しているような形態であってもよい。金属層２２ｂに求められる機能の一つが、積層型圧電素子の駆動時の変位を大きくすることである。そのため、金属層２２ｂを構成する複数の部分金属層２２ｃは、その厚み方向の両端もしくは一端が、隣接する両側の圧電体層２１に接する必要がある。金属層２２ｂを構成する複数の部分金属層２２ｃにおける厚み方向の両端が、隣接する両側の圧電体層２１にともに接触していない場合、隣接する圧電体層２１を連結するバネ的機能を十分に付与することができないので、積層型圧電素子駆動時の変位を大きくする効果が十分に得られない場合がある。【００８１】
さらに、複数の部分金属層２２ｃは、隣接する圧電体層２１の近傍領域において、該圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さくなるか（図４(d)）、または漸次大きくなる（図４(e)）ことが望ましい。ここで、金属層２２ｂに求められる機能の他の一つは、積層型圧電素子が駆動、変位する時に発生する応力を緩和することである。この機能を得るためには、積層型圧電素子が駆動変形したときに、圧電体２１と金属層２２の界面において発生する応力を一点集中させずに緩和する必要がある。本発明では、この応力緩和機能をさらに高めるため、複数の部分金属層２２ｃの輪郭を、特に隣接する圧電体層２１の近傍領域において、該圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さくまたは漸次大きくし、応力の一点集中を抑制したものである。これにより、金属層２２ｂに接する圧電体２１は応力が集中することが無いので変位量が大きくなり、素子の駆動変位を保つと同時に素子の応力一点集中を避けることができるので、変位量が大きくかつ耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。【００８２】
また、金属層２２ｂにおいて、隣り合う複数の部分金属層２２ｃ間には空隙が存在することが望ましい。これは、金属層２２ｂに金属成分以外の絶縁物質が存在すると、素子駆動した際、圧電体２１に電圧を印加できない部分が生じて圧電変位を十分に大きく出来ない場合があり、また、駆動時の応力が集中しやすくなる。【００８３】
一方、部分金属層２２ｂを構成する複数の部分金属層２２ｃの間に空隙が存在すると、金属部分に応力が加わった際に、空隙の部分があることで部分金属層２２ｃが変形して応力を分散緩和することができる。また、金属層２２ｂに接する圧電体２１が圧電変位する際、空隙の部分があることで、圧電体２１を部分的にクランプすることになり、全面でクランプするときよりも圧電体２１が束縛される力が小さくなるので、圧電体層２１が変位しやすくなって変位量を大きくすることができる。これにより、素子の変位がより大きくなり、かつ、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。【００８４】
また、積層体２３は、多角形柱状体であることが好ましい。これは、積層体２３が円柱状体であると、真円にしなければ中心軸がぶれてしまうため高精度の円を作って積みあげなければならず、同時焼成による量産型の製法を用いるのが困難になり、また、略円形状の積層体を積層後、あるいは焼成後に外周を研磨して円柱状にしても、金属層２２の中心軸を高精度にそろえるが困難になる。【００８５】
これに対して、多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体２１に金属層２２を形成することができ、さらに基準線に沿って積層することができるので、駆動の軸である中心軸を量産型の製法を用いて形成することができるため、耐久性の高い素子とすることができる。
また、本発明においては、金属層２２ｂを構成する金属が銀もしくはパラジウムまたはこれらの化合物とすることが望ましい。これらの金属は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高い圧電体２１と金属層２２を同時焼成すること可能となるためである。そのため、外部電極２５の焼結温度を圧電体２１の焼結温度より低温で作製することが出来るので、圧電体２１と外部電極２５との間の激しい相互拡散を抑制することができる。【００８６】
次に、本実施形態にかかる積層型圧電素子の製法を説明する。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（フタル酸ジブチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジオチル）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２１となるセラミックグリーンシートを作製する。【００８７】
次に、銀−パラジウム等の金属層２２を構成する金属粉末にバインダー及び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。バインダー及び可塑剤と金属粉末との比を変えることや、スクリーンのメッシュの度数を変えることや、スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、金属層２２の厚みおよび金属層中の空隙等を変化させることができる。【００８８】
そして、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、重しをのせた状態で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、金属層の厚みに差ができるように重しをのせずに９００〜１２００℃で焼成することによって積層体２３が作製される。
このとき、不活性層２４の部分のグリーンシート中に、銀−パラジウム等の金属層２２を構成する金属粉末を添加したり、不活性層２４の部分のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の金属層２２を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層２４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２３を形成することができる。【００８９】
なお、積層体２３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２１と複数の金属層２２とを交互に積層してなる積層体２３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。【００９０】
次に、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に制御する。このシートを、柱状積層体２３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、且つ積層体２３の焼成温度（℃）の４／５以下の温度で焼き付けを行う。これにより、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２５を形成することができる。【００９１】
なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、前記と同様に５００〜８００℃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、５００〜８００℃が望ましい。【００９２】
次に、外部電極２５を形成した積層体２３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２３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２３を引き上げ、積層体２３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２３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。【００９３】
そして、外部電極２５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２５に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体２３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圧電アクチュエータが完成する。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２５を介して金属層２２に電圧を印加させれば、各圧電体２１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。
その他は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。【００９４】
＜噴射装置＞
図５は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図５に示すように、この噴射装置は、一端に噴射孔を有する３３を有する収納容器３１の内部に、上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子が収納されている。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が配設されている。噴射孔３３には燃料通路３７がニードルバルブ３５の動きに応じて連通可能に配設されている。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図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。【００９５】
また、ニードルバルブ３５の上端部は内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が配置されている。そして、収納容器３１内には、上記した積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ４３が収納されている。【００９６】
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。
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。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００９７】
（実施例１）本発明の積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
まず、平均粒径が０．４μｍの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複数作製した。【００９８】
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５質量％）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印刷した。このとき、他の金属層１２Ｂを形成する部分には、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５質量％）にバインダーを加えた導電性ペーストで、焼成後に５または１０μｍの厚さとなるように印刷を行なった。また、場合によっては、上記導電性ペーストに０．２μｍのアクリルビーズを加えて金属層中に空隙を作った。
高抵抗金属層１２Ａを形成する部分には、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５質量％）の表面を酸化処理した粒子に平均粒径が０．２μｍのアクリルビーズを適量加え、さらにバインダーを加えた導電性ペーストで焼成後に１〜６μｍの厚さとなるように印刷を行った。【００９９】
このようにして導電性ペーストが印刷されたシートを３００枚用意した。これとは別に保護層になるグリーンシートを用意し、これらを下から保護層３０枚、積層体３００枚、保護層３０枚となるように積層し、プレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、８００℃で２時間保持した後に、１０００℃で２時間焼成した。形成された高抵抗金属層１２Ａの空隙率を表１に示した。【０１００】
また、積層体１３中の高抵抗金属層１２Ａは表１に示すような層数にした。また、この高抵抗金属層１２Ａの配置は、試料Ｎｏ．９を除いて規則的とした。具体的には、高抵抗金属層の層数が１層の試料Ｎｏ．１は、積層体の上から１５０層目に高抵抗金属層を配置した。また、高抵抗金属層の層数が２層の試料Ｎｏ．２は、積層体の上から１００、２００層目に高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が５層の試料Ｎｏ．３は、積層体の上から５０層ごとに高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が１４層の試料は２０層ごと、５９層の試料は５層ごとに規則的に配置した。更に、高抵抗金属層の層数が１０層の試料は積層体の上から２６、２７、２７、２８、２８、２８、２８、２８、２７、２７の間隔で高抵抗金属層を規則的に配置した。また、層数が３９層の試料は積層体の上から７、８、７、８のように７層と８層の間隔を交互にして、高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が２０層の試料は、１３、１３、１３、１３、１４、１４、１５、１５、１６、１６、１６、１６、１６、１５、１５、１４、１４、１３、１３、１３の間隔で高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が２０層の試料のうち、高抵抗金属層の配置が規則的ではない試料Ｎｏ.９は、積層体の上から５、５、２５、２５、１５、１０、２０、２０、１０、１０、１０、１０、１０、２０、２０、１０、１５、２５、２５、５の間隔で高抵抗金属層を配置した。【０１０１】
高抵抗金属層１２Ａには、場合によってＰＺＴ、チタン酸鉛、アルミナ、チタニア、窒化ケイ素、シリカ等の高抵抗成分を入れたものも用意した。【０１０２】
次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末と、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、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。なお、フレーク状の粉末の平均粒径は、次のようにして測定されたものである。すなわち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて粉末の写真を撮影し、その写真上で直線を引き、粒子と直線が交わる長さを５０個測定し、その平均を取って平均粒径とした。【０１０３】
そして、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面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、一対の外部電極１５を形成した。【０１０４】
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圧電アクチュエータを作製した。得られた積層型圧電素子に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位が得られた。【０１０５】
さらに、この圧電アクチュエータを室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を３００Ｈｚの周波数で印加して、２×１０9回まで連続駆動した試験を行った。試験は各試料１００個ずつ行った。試験後に、破壊に至ったサンプルの割合を算出し試験後の破壊率として表１に示した。また、同時に積層部を金属顕微鏡、ＳＥＭ等を使って観察し、剥がれが生じている層の数を数えた。更に、初期の積層型圧電素子の変位量と試験後の積層型圧電素子の変位量の差の絶対値を初期の積層型圧電素子の変位量で除した値に１００倍したものを駆動試験前後での変位量の変化率として表１に示した。結果は表１に示すとおりである。【０１０６】
【表１】
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【０１０７】
同表より、比較例である試料Ｎｏ．I-１は、積層型圧電素子中の高抵抗金属層の数が１個であるので応力をうまく分散することができず、更には発生したクラックが素子全体に進展する為に試験後の破壊確率が１０％と大きい。また、積層体中の層で剥がれを生じる層の数は１００個と多かった。更には、駆動試験前後での変位量の変化率１０％と大きくなり、耐久性が低かった。【０１０８】
これに対して、本発明の実施例である試料番号I-２〜３２は、２×１０9回連続駆動させた後の破壊率が３％以下で、比較例である試料Ｎｏ．I-１に比べ、耐久性の面で非常に優れていた。
特に高抵抗金属層を規則的に配置した試料、例えば試料Ｎｏ．I-６は規則的な配置でない試料Ｎｏ．I-９に比べて、試験後の破壊が無いこと、試験前後での変位量の変化率が小さいことで、耐久性において優れている。【０１０９】
また、２０層の高抵抗金属層を規則的に配置し、高抵抗金属層の空隙率が他の金属層よりも大きな試料Ｎｏ．I-１０〜１６は、駆動試験前後での変位量の変化率が２．０％以下と小さく、積層型圧電素子として耐久性が優れていることが分かった。また高抵抗金属層の空隙率を４０〜９９％とした試料Ｎｏ．I-１１〜１６では、駆動試験前後での変位量の変化率が１．８％以下と更に小さく耐久性に優れていることが分かった。【０１１０】
また、高抵抗金属層を２０層、規則的に配置し、高抵抗金属層の高抵抗金属中の高抵抗成分の含有率がその他の金属層中の高抵抗成分の含有率よりも多い試料Ｎｏ．I-１７〜１６では、破壊する試料もなく、駆動試験前後での変位量の変化も０．４％〜０．９％と著しく小さく、積層型圧電素子として耐久性に優れていることが分かった。なお、高抵抗成分としてＰＺＴ、チタン酸鉛、アルミナ、チタニアを用いた試料は、更に耐久性が優れていた。【０１１１】
更に、高抵抗金属層と他の金属層の厚みを変えて、高抵抗金属層の厚みが他の金属層の厚みより小さいことの効果を確認した試料Ｎｏ．I-６、Ｎｏ．I-２８〜３２では、高抵抗金属層の厚みが他の金属層の厚みより多きい試料Ｎｏ．I-２７に比べて駆動試験前後での変位量の変化率が１．６％以下と小さく耐久性に優れていた。
更に、高抵抗金属層の圧電体層に対する電気抵抗の比を１／１０〜１０００倍に制御した試料や高抵抗金属層の電気抵抗がその他の金属層の電気抵抗の１０００倍以上であるように作製した試料では、高抵抗金属層の剥がれが無く耐久性に優れることが分かった。
本発明の積層型圧電体素子を収納した噴射装置は、噴射を効率よく行い、耐久性にも優れ、地球環境にやさしい製品となることが分かった。【０１１２】
（実施例２）
本発明の積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍの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２１になるセラミックグリーンシートを作製した。【０１１３】
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５重量％）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形成したシートを３００枚積層し、焼成した。焼成は、８００℃で保持した後に、１０００℃で焼成した。【０１１４】
このとき、金属層２２ａを形成する部分には、レジスト厚み２０μｍの製版で、１０μｍの厚さとなるように印刷を行い、部分金属層２２ｃを形成する部分には、レジスト厚み１０μｍの製版で、５μｍの厚さとなるように印刷を行った。部分金属層は、表２に示すように配置した。部分金属層２２ｃからなる金属層２２ｂは、図３(b)に示すような６つの部分金属層２２ｃを配置した形態とした。さらに、試料番号II-５は、１つの部分金属層２２ｃをさらに縦５個横５個の２５個の部分金属層に細分化したものとした。すなわち、試料番号II-５では１層あたり１５０個の部分金属層を配置した。【０１１５】
次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末と、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。【０１１６】
そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体２３の外部電極形成面に転写して積層し、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極２５を形成した。
その後、外部電極２５にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極２５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３に示すような形態の積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。【０１１７】
得られた積層型圧電素子に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
さらに、この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２に示すとおりである。【０１１８】
【表２】
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【０１１９】
表2から、比較例である試料番号II-６は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大して剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。【０１２０】
これに対して、本発明の実施例である試料番号II-１〜５は、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、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ており、誤作動が生じない優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できた。【０１２１】
特に、応力緩和層と応力集中層を、圧電体を介して隣同士に配置させた試料Ｎｏ．II-３は素子の変位量を大きくすることができるだけでなく、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ることがわかる。さらに、応力緩和層を、圧電体を介してはさみこんだ試料Ｎｏ．II-４、５は、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、素子変位量がほとんど変化せず、極めて耐久性に優れていたことから、素子変位量が安定した積層型アクチュエータとすることができた。【０１２２】
本発明の積層型圧電素子および噴射装置は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更は可能である。例えば、上記実施形態では、積層体１３，２３の対向する側面に外部電極１５，２５を形成した例について説明したが、例えば隣設する側面に一対の外部電極１５，２５を形成してもよい。
【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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【国際調査報告】
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