(57)【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り、圧電体が変位する活性部、及び該活性部の積層方向の両端部にそれぞれ設けられ、変位しない不活性部からなる柱状積層体と、該柱状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電気的に接続される一対の外部電極とを具備してなるとともに、前記活性部と前記不活性部とが同時焼成される積層型圧電素子であって、前記不活性部が、圧電体と、金属粒子を含有する収縮調整層とを交互に積層してなるとともに、該収縮調整層のうち少なくとも一層の端部が前記不活性部側面に露出していることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
収縮調整層のシート抵抗値が１０６Ω／□以上であ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】
収縮調整層が、金属粒子５〜５０体積％と圧電体粒子５０〜９５体積％からな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】
収縮調整層を構成する金属粒子が、内部電極を構成する金属粒子と同一であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
柱状積層体の外部電極形成面に露出している収縮調整層の端部及び内部電極の端部にそれぞれ突起状導電部材が設けられており、該突起状導電部材が外部電極に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数積層してなる活性部成形体の積層方向の両端部に、金属粉末を含有する収縮調整層用パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数積層してなり、側面に収縮調整層用パターンのうち少なくとも一層の端部が露出する不活性部成形体をそれぞれ設けてなる柱状積層成形体を作製する工程と、該柱状積層成形体を焼成して柱状積層体を作製する工程と、該柱状積層体の側面に、内部電極が一層おきに交互に電気的に接続される一対の外部電極を形成する工程とを具備してなることを特徴とする積層型圧電素子の製法。
【請求項７】
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５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、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素子及びその製法並びに噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、積層型圧電素子として、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５は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、この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活性部５３が形成され、その積層方向における両端面には不活性部５５が積層され、これにより柱状積層体が構成されている。内部電極５２は、その一方の端部が左右交互に絶縁体６１で被覆され、その上から帯状外部電極７０が内部電極５２と左右各々一層おきに導通するように形成されている。帯状外部電極７０上には、さらにリード線７６が半田７７により固定されている。
【０００４】
このような積層型圧電アクチュエータでは、従来、セラミックグリーンシートに内部電極ペーストを印刷し、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活性部成形体を作製し、内部電極ペーストが塗布されていない上記セラミックグリーンシートを複数積層して形成された不活性部成形体を、活性部成形体の上下面に積層して、柱状積層成形体を作製し、これを焼成して柱状積層体を作製していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記積層型圧電アクチュエータでは、グリーンシートと内部電極ペーストを交互に積層して作製された活性部成形体と、グリーンシートを複数積層して作製された不活性部成形体とを積層して、同時焼成するため、活性部成形体と不活性部成形体の焼成収縮率が異なることに起因して、焼成後に活性部と不活性部との間にデラミネーションやクラック等が発生するという問題があった。
【０００６】
即ち、活性部成形体中のグリーンシートは内部電極ペーストに挟まれているため、内部電極ペースト中の銀やパラジウム等の貴金属の触媒作用により焼結が促進され、内部電極ペーストに挟まれていない不活性部成形体中のグリーンシートよりも焼成時の収縮量が大きくなり、活性部と不活性部の間にデラミネーションやクラック等が発生するという問題があった。また、デラミネーションやクラック等が発生しないまでも、活性部と不活性部の間に残留応力が生じ、アクチュエータを駆動させた際の破損の原因となるという問題があった。
【０００７】
このような問題を解決するために特開昭６３−２８８０７４号公報には、不活性部を形成するグリーンシートに銀を添加することが開示されているが、この方法では、銀の分散量に対して不活性部の収縮挙動が敏感であるため、活性部と不活性部の焼成収縮を完全に合致させるのは困難であった。
【０００８】
また、銀成分の添加量が多いと不活性部の絶縁性が低下し、不活性部まで延設されている一対の外部電極間で導通が生じやすいといった問題があった。
【０００９】
さらに、この方法では２種類のグリーンシートを用意しなければならず、工程が煩雑になるといった問題があった。
【００１０】
また、特開平９−２７０５４０号公報では、不活性部が、圧電体と、外部電極に接続されない金属層とを交互に積層して構成されているが、この方法では、金属層が不活性部の外面に露出しないようにパターン制御する必要があり、工程が複雑であるとともに、活性部と不活性部の界面近傍が、中央部では焼成収縮率が実質的に同一となるものの、外周部では金属層が形成されていないため収縮率を同一にすることができず、未だ活性部と不活性部の間に残留応力が生じ、アクチュエータを駆動させた際の破損の原因となるという問題があった。
【００１１】
本発明は、活性部と不活性部の界面に生じる焼成時の残留応力を低減し、駆動時においても活性部と不活性部との界面における破損を抑制できる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ことを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、圧電体が変位する活性部、及び該活性部の積層方向の両端部にそれぞれ設けられ、変位しない不活性部からなる柱状積層体と、該柱状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電気的に接続される一対の外部電極とを具備してなるとともに、前記活性部と前記不活性部とが同時焼成される積層型圧電素子であって、前記不活性部が、圧電体と、金属粒子を含有する収縮調整層とを交互に積層してなるとともに、該収縮調整層のうち少なくとも一層の端部が前記不活性部側面に露出していることを特徴とする。
【００１６】
このような積層型圧電素子では、焼結性を向上する金属粒子が不活性部の外周部にまで存在することになり、収縮調整層の金属粒子が不活性部の外周部の焼結性を向上し、活性部と不活性部の界面近傍の収縮率を全域にわたって実質的に同一とすることができる。
【００１７】
本発明の積層型圧電素子では、収縮調整層のシート抵抗値が１０6Ω／□以上であることが望ましい。これにより、不活性部の高い絶縁性を維持できる。
【００１８】
また、収縮調整層が、金属粒子５〜５０体積％と圧電体粒子５０〜９５体積％からなることが望ましい。金属粒子を５〜５０体積％、残部を圧電体粒子とすることにより、不活性部の高い絶縁性を維持できるとともに、金属粒子による焼結性向上を図ることができ、不活性部の収縮率を活性部の収縮率に合わせることができる。
【００１９】
さらに、収縮調整層を構成する金属粒子が、内部電極を構成する金属粒子と同一であることが望ましい。これにより、不活性部の焼成時の収縮挙動を活性部の収縮挙動に合わせることができ、焼成時に活性部と不活性部の界面及びその近傍においてデラミネーションやクラックが発生することを防止できる。
【００２０】
また、柱状積層体の外部電極形成面に露出している収縮調整層の端部及び内部電極の端部にそれぞれ突起状導電部材が設けられており、該突起状導電部材が外部電極に接続されていることが望ましい。収縮調整層の端部を柱状積層体の外部電極形成面に露出させておくことにより、柱状積層体の外部電極形成面近傍においても不活性部と活性部の収縮差から生じる応力の発生を効果的に防ぐことができ、耐久性を大きく向上させることができる。
【００２１】
また、柱状積層体の外部電極形成面に露出している収縮調整層の端部及び内部電極の端部にそれぞれ突起状導電部材を設け、該突起状導電部材を外部電極に接続することにより、柱状積層体の外部電極形成面に露出している内部電極の端部のみならず、収縮調整層の端部までもが突起状導電部材を介して外部電極に接続されているため、積層型圧電素子を高電界下で連続して駆動させた場合でも、外部電極と内部電極が断線することがなく、耐久性を大幅に向上できる。
【００２２】
本発明の積層型圧電素子の製法は、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数積層してなる活性部成形体の積層方向の両端部に、金属粉末を含有する収縮調整層用パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数積層してなり、側面に収縮調整層用パターンのうち少なくとも一層の端部が露出する不活性部成形体をそれぞれ設けてなる柱状積層成形体を作製する工程と、該柱状積層成形体を焼成して柱状積層体を作製する工程と、該柱状積層体の側面に、内部電極が一層おきに交互に電気的に接続される一対の外部電極を形成する工程とを具備してなるものである。
【００２３】
このような製法によれば、内部電極と圧電体を交互に複数枚積層した活性部と、収縮調整層と圧電体を交互に複数枚積層した不活性部との焼成収縮率を近似させることができるため、焼成時に活性部と不活性部の界面及びその近傍にデラミネーションやクラック等の問題が発生するのを防ぐことができる。金属粉末は銀−パラジウムや銀−白金などの複数の金属の合金粉末であっても良い。
【００２４】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記し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するものである。
【００２５】
このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子自体において活性部と不活性部界面に生じる焼成時の残留応力をなくし、耐久性を大幅に向上できるため、噴射装置の耐久性をも向上できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の積層型圧電アクチュエータからなる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（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図である。
【００２７】
本発明の積層型圧電素子は、図１に示すように、柱状積層体１ａの対向する側面にそれぞれ正極及び負極の外部電極４を形成して構成されている。該柱状積層体１ａは、圧電体１と内部電極２とを交互に複数層積層された活性部８と、この活性部８の積層方向両端面に形成された不活性部９とから構成されている。
【００２８】
内部電極２は、その端部が柱状積層体１ａの外部電極４形成面に一層おきに露出しており、この露出部分にそれぞれ突起状導電部材７が形成され、これらの突起状導電部材７に金属板からなる外部電極４が接合され、これにより、それぞれの外部電極４に、内部電極２が一層おきに電気的に接続されている。一方、外部電極４と接続されていない内部電極２の端部は絶縁体３で被覆されている。さらに、外部電極４にはリード線６が半田等で接続固定されている。
【００２９】
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。
【００３０】
また、活性部８中の圧電体１の厚み、つまり内部電極２間の距離は５０〜２５０μｍが望ましい。これは、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、積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を増加させた場合に活性部８中の圧電体１の厚みが厚すぎるとアクチュエータの小型化、低背化ができなくなり、一方、活性部８中の圧電体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊しやすいからである。
【００３１】
活性部８中の圧電体１の間には厚み０．５〜１０μｍの内部電極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、活性部８中の各圧電体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なす。
【００３２】
また、柱状積層体１ａにおける活性部８側面の外部電極４形成面には、一層おきに深さ５０〜５００μｍ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。このように内部電極２の端部は一層おきに互い違いに溝内に充填された絶縁体３によって絶縁され、内部電極２の絶縁されていない他方の端部は突起状導電部材７を介して板状の外部電極４と接続されている。
【００３３】
なお、突起状導電部材７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。また、突起状導電部材７の突出高さｈ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、活性部８中の圧電体１厚みの１／２０以上であることが望ましい。特には突出高さｈは、１５〜５０μｍが望ましい。
【００３４】
さらに、外部電極４を構成する板状導電部材の厚みｔは、アクチュエータの伸縮に追従し、外部電極４と突起状導電部材７の間、若しくは突起状導電部材７と内部電極２の間で断線を生じないという点から、５０μｍ以下であることが望ましい。
【００３５】
また、板状の外部電極４は、銀、ニッケル、銅、金、アルミニウム等の導電性を備えた金属及びそれらの合金からなり、このうち、突起状導電部材７との接合強度が強く、ヤング率が低いという点から、銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【００３６】
なお、絶縁体３は、柱状積層体１ａとの接合を強固とするために、柱状積層体１ａの変位に対して追従する弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等からなることが好適である。
【００３７】
柱状積層体１ａの対向する側面にはそれぞれ板状導電部材からなる外部電極４が突起状導電部材７を介して接続固定されており、該外部電極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。この板状導電部材からなる外部電極４は、接続されている活性部８中の各内部電極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作用をなす。
【００３８】
さらに、外部電極４にはリード線６が半田により接続固定されている。このリード線６は外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【００３９】
そして、本発明では、活性部８と不活性部９の界面近傍の密度が、界面近傍全域にわたって実質的に同一とされている。ここで、活性部９とは、圧電体１が内部電極２に挟まれており、外部電極４に電圧を印加することにより圧電体１が変位する部分のことで、不活性部９とは、外部電極４に電圧を印加しても変位しない部分のことをいう。ここで、実質的に同一とは、活性部８と不活性部９との密度差が５％以内であることである。即ち、活性部８の密度と不活性部９の密度の差を活性部８の密度で割った商が５％以内であることである。また、活性部８の密度とは活性部８に含まれる圧電体１と内部電極２とを合わせた積層体の密度のことをいう。なお、活性部８と不活性部９の密度差は、焼成時の残留応力を減少させるという点から２％以内が好ましい。また、活性部８と不活性部９の界面近傍のみならず、活性部８全体と不活性部９全体の密度が実質的に同一であることが最も良い。
【００４０】
即ち、活性部８の密度と不活性部９の密度を実質的に等しくすることにより、焼成時の活性部８と不活性部９の収縮率が実質的に等しくなり、焼成時に活性部８と不活性部９の界面若しくはその近傍でのデラミネーションやクラック等の発生を防ぐことができる。また、活性部８と不活性部９の収縮率を実質的に等しくできるため、活性部８と不活性部９の界面及びその近傍に残留応力が発生するのを防ぐことができ、アクチュエータを駆動させた場合においても、活性部８と不活性部９の界面及びその近傍で破損することがなく、高い信頼性を得ることができる。
【００４１】
また、本発明では、不活性部９が、活性部８の圧電体と同一の圧電体９ａと、金属粒子を含有する収縮調整層９ｂとを交互に積層して構成され、全ての収縮調整層９ｂの外周端部が不活性部９側面に露出している。尚、収縮調整層９ｂの少なくとも一層の外周端部が不活性部９側面に露出していれば良い。また、収縮調整層９ｂの外周端部の一部が不活性部９側面に露出していても良く、例えば、収縮調整層９ｂの外周端部が、外部電極４が形成される不活性部９側面のみに露出していても良い。活性部８と不活性部９の界面及びその近傍の応力発生を低減するという点からは、図１に示したように、全ての収縮調整層９ｂの外周端部が不活性部９の４側面に露出していることが望ましい。尚、収縮調整層９ｂの全外周部は露出しているが破線で示した。
【００４２】
不活性部９を構成する収縮調整層９ｂは、シート抵抗値が１０6Ω／□以上であることが望ましい。即ち、圧電体９ａと金属粒子が分散してなる収縮調整層９ｂとを複数枚交互に積層して不活性部９を形成することにより、収縮調整層９ｂ中の金属粒子の影響で不活性部９中の圧電体９ａの焼結が促進され、不活性部９中の圧電体９ａの収縮率を活性部８中の内部電極２に挟まれた圧電体１の収縮率と実質的に等しくすることができる。
【００４３】
収縮調整層９ｂの金属粒子は、銀粒子や、銀−パラジウム及び銀−白金などの複数の金属の合金粒子とされている。
【００４４】
不活性部９中の圧電体９ａの厚みは、活性部８中の圧電体１の厚みと同一であることが望ましい。また、収縮調整層５ｂの厚みは０．５〜１０μｍが好ましい。
【００４５】
また、収縮調整層９ｂのシート抵抗値は１０6Ω／□以上とされている。これにより、不活性部９の絶縁性を低下させることがなく、高い絶縁性を維持できる。尚、シート抵抗値とは、被測定体の抵抗値に被測定体の幅を乗じ、長さで割ったものである。換言すれば、被測定体の体積固有抵抗を被測定体の厚みで割ったものである。
【００４６】
さらに、本発明では、不活性部９の絶縁性を低下させることなく、不活性部９の収縮率を活性部８の収縮率に合わせるために前記収縮調整層５を金属粒子５〜５０体積％と残部が圧電体粒子５０〜９５体積％とで形成されていることが望ましい。これにより、収縮調整層９ｂのシート抵抗値を１０6Ω／□以上とすることができる。
【００４７】
また、本発明では、収縮調整層９ｂを構成する金属粒子が内部電極２を構成する金属粒子と同一とされている。収縮調整層９ｂの金属粒子が内部電極２を構成する金属粒子と同一であることにより、不活性部９の焼成時の収縮挙動を活性部８の収縮挙動に合わせることができ、焼成時に活性部８と不活性部９の界面及びその近傍でのデラミネーションやクラックの発生等を防止することができる。
【００４８】
さらに、本発明では、柱状積層体１ａの外部電極４の形成面近傍においても不活性部９と活性部８の焼成時の収縮差から生じる応力の発生を防ぐために、収縮調整層９ｂの端部が柱状積層体１ａの外部電極４形成面に露出している。
【００４９】
即ち、柱状積層体１ａの外部電極４形成面に収縮調整層９ｂの端部を露出させておくことにより、柱状積層体１ａの外部電極４形成面近傍においても活性部８と不活性部９との焼成収縮率を等しくすることができ、活性部８と不活性部９の外部電極４形成面近傍での界面及びその近傍で焼成時に応力が発生するのを防ぐことができる。
【００５０】
また、本発明では、柱状積層体１ａの外部電極４形成面に露出している収縮調整層９ｂの端部及び内部電極２の端部がそれぞれ突起状導電部材７を介して板状導電部材からなる外部電極４に接続されている。このように、柱状積層体１ａの外部電極４の形成面に露出している活性部８の内部電極２の端部だけではなく、不活性部９中の収縮調整層５の端部までもが突起状導電部材７を介して板状の外部電極４に接続固定されることにより、アクチュエータを高電界下で連続に駆動させた場合においても、内部電極２と突起状導電部材７若しくは突起状導電部材７と外部電極４が断線することがなく、高信頼性を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００５１】
本発明の積層型圧電アクチュエータの製法について説明する。
【００５２】
まず、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型法により圧電体１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００５３】
次に、銀−パラジウムからなる金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して内部電極ペーストを作製し、これを各セラミック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の厚みに印刷し、グリーンシート上に内部電極パターンを形成する。
【００５４】
これとは別に、銀−パラジウムからなる金属粉末５〜５０体積％と、残部が圧電体１と同一のセラミック仮焼粉末５０〜９５体積％からなる混合物に、バインダー、可塑剤等を添加混合して収縮調整層ペーストを作製し、これを前記セラミック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の厚みに印刷し、グリーンシート上に収縮調整層パターンを形成する。
【００５５】
ここで、収縮調整層ペースト中の金属粉末の混合比を５〜５０体積％としたのは、金属粉末が５体積％より少ない場合には、焼成時に金属粉末が不活性部９中の圧電体９ａに与える影響が少なくなり、不活性部９中の圧電体９ａの焼結促進効果が小さく活性部８中の圧電体１との収縮率が異なってしまう傾向があり、一方、金属粉末が５０体積％より多い場合には、収縮調整層５に含まれる金属粒子が多くなるために不活性部９の絶縁性が低下する傾向があるからである。
【００５６】
即ち、収縮調整層ペースト中に含まれる金属粒子を５〜５０体積％とすることにより、不活性部９の絶縁性を低下させることなく、不活性部９の焼成時の収縮率を活性部８の収縮率に合わせることができる。さらには、焼成時の不活性部９と活性部８の収縮挙動を一致させることにより、焼成時の残留応力をなくし、また、高温における絶縁性の低下を防ぐという点から、好ましくは収縮調整層ペーストに含まれる金属粒子は１０〜３０体積％の範囲が良い。
【００５７】
なお、収縮調整層ペースト中に含まれる金属粒子は、複数の金属成分からなる合金粒子であっても良い。また、活性部８中の内部電極２に挟まれた圧電体１と不活性部９中の収縮調整層９ｂに挟まれた圧電体９ａとの焼成時の収縮挙動を有効的に合わせるために、収縮調整層ペースト中に含まれる金属粒子は、内部電極ペースト中に含まれる金属粒子と同一であることが望ましい。
【００５８】
そして、上面に内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層して活性部８となる活性部成形体を作製し、この活性部成形体の積層方向の両端面に、収縮調整層パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数枚それぞれ積層して形成された不活性部成形体を積層し、活性部成形体の積層方向両端面に不活性部成形体が積層された柱状積層成形体を得る。この際、内部電極パターンの全外周端部、収縮調整層パターンの全外周端部が柱状積層成形体の４側面に露出している。
【００５９】
その後、この柱状積層成形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、図１に示したように、内部電極の全外周端部、収縮調整層９ｂの全外周端部が４側面に露出した柱状積層体１ａが作製される。
【００６０】
その後、柱状積層体１ａの外部電極４形成側面に、ダイシング装置等により一層おきに溝を形成する。この溝が形成された柱状積層体１ａの外部電極４形成側面と、板状導電部材からなる外部電極４との間に銀粉末とガラス粉末からなる銀ガラスペーストを介在させ、外部電極４と柱状積層体１ａを２〜８０ｋＰａの圧力で圧接した状態で７００〜９００℃で熱処理することにより、前記銀ガラスペースト中のガラスが溶融し、溶融したガラス中に存在する銀成分が、内部電極２の端部及び収縮調整層５の端部に集合し、柱状積層体１ａの側面から突出する突起状導電部材７が形成されるとともに、この突起状導電部材７に、柱状積層体１ａと外部電極４との間に隙間を形成した状態で板状導電部材からなる外部電極４が接合される。
【００６１】
その後、溝部に絶縁体３を充填し、リード線６を外部電極４に接続することにより本発明の積層型圧電アクチュエータが完成する。
【００６２】
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、柱状積層体１ａ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。
【００６３】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、活性部８と不活性部９の密度を実質的に等しくすることができるため、焼成時の活性部８と不活性部９の収縮率が実質的に等しくなり、焼成時に活性部８と不活性部９の界面及びその近傍でのデラミネーションやクラック等の発生といった問題が生じるのを防ぐことができ、、アクチュエータを駆動させた場合においても活性部８と不活性部９の界面及びその近傍で破損することがなく、耐久性を大きく向上させることができる。
【００６４】
本発明の積層型圧電素子は、上記態様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り、例えば、板状導電部材からなる外部電極４の外側に導電性補助部材を形成しても良い。この場合には、板状導電部材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４に流れる電流を低減でき、外部電極４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。
【００６５】
なお、導電性補助部材はアクチュエータの伸縮に追従し、駆動中に該導電性補助部材の断線を防ぐ点から、フレキシブルな導電性接着剤や導電性コイル、若しくは導電性波板、若しくは導電性繊維集合体（ウール状）であることが望ましい。特には、抵抗値及びヤング率が低く、伸縮性に富み、また、アクチュエータの断面積を小さくできるという点から、材質が銀の導電性波板が望ましい。
【００６６】
図２は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
【実施例】
実施例１
まず、ＰＺＴの仮焼粉末を含むセラミックグリーンシートの上面に、銀−パラジウム合金とバインダーからなる内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンが形成されたものを３００層積層し、活性部成形体を作製した。
【００７１】
一方、前記セラミックグリーンシートの上面に収縮調整層ペーストを印刷して収縮調整層パターンが形成されたものを１０層積層し、２つの不活性層成形体を作製し、これらの不活性層成形体を、活性部成形体の積層方向両端面にそれぞれ積層し、四角柱状の柱状積層成形体を形成した。
【００７２】
不活性層成形体の４側面に１０層の収縮調整層パターンの外周端部を露出させ、活性部成形体の４側面に３００層の内部電極パターンの外周端部を露出させた。
【００７３】
収縮調整層ペーストは、内部電極を形成する銀−パラジウム合金粉末２０体積％と、前記セラミックグリーンシートに含まれるＰＺＴ仮焼粉末と同一のもの８０体積％とからなる固形分に、バインダーを加えて作製した。
【００７４】
その後、柱状積層成形体を４００℃で脱バインダー処理を行い、大気中１０５０℃で焼成して柱状積層体を得た。
【００７５】
なお、活性部中の圧電体の厚みは１５０μｍ、内部電極の厚みは３μｍであった。また、不活性部中の圧電体の厚みは１５０μｍ、収縮調整層の厚みは３μｍであった。
【００７６】
その後、活性部の外部電極形成側面における内部電極の露出部分に、ダイシング装置より一層おきに幅５０μｍ深さ２００μｍの溝を形成した。そして、前記溝が形成された柱状積層体の外部電極形成側面と、銀を主成分とする板状導電部材からなる外部電極との間に銀粉末とガラス粉末からなる銀ガラスペーストを介在させ、３０ｋＰａの圧力で圧接した状態で９００℃で熱処理することにより、活性部の内部電極の端部及び不活性部の収縮調整層に端部に、柱状積層体の側面から突出する突起状導電部材を形成するとともに、該突起状導電部材に外部電極を接合した。
【００７７】
その後、活性部の溝内に絶縁体としてシリコーンゴムを充填し、外部電極にリード線を接続した。
【００７８】
その後、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。
【００７９】
得られた積層型圧電アクチュエータでは、圧電体と内部電極からなる活性部と、圧電体と収縮調整層からなる不活性部の密度は、実質的に同一であった。また、収縮調整層のシート抵抗を絶縁抵抗計で測定したところ、８×１０8Ω／□であった。
【００８０】
得られた積層型圧電アクチュエータに１５０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に４０μｍの変位量が得られた。さらに、このアクチュエータに室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、５×１０10サイクルまで駆動したところ４０μｍの変位量が得られ、活性部と不活性部の界面及びその近傍にクラック等の異常は見られなかった。
実施例２
次に、収縮調整層を構成する銀−パラジウム合金と圧電体の体積比率を変化させた以外は、実施例１と同様の柱状積層体を作製した。得られた柱状積層体について、活性部と不活性部を切り離し、それぞれの密度をアルキメデス法により測定し、活性部と不活性部の密度差を算出した。また、活性部と不活性部の境界及びその近傍でのデラミネーションとクラックの発生状況について調べた。さらに、不活性部中の収縮調整層のシート抵抗を測定した。
【００８１】
図３に活性部と不活性部の密度差と、活性部と不活性部の境界及びその近傍でのデラミネーション及びクラックの不良率の関係を示す。活性部と不活性部の密度差は、活性部と不活性部の密度の差を、活性部の密度で割った値を百分率で表したものである。活性部と不活性部の密度差が大きくなるほど、デラミネーションやクラックによる不良が多くなることが判る。
【００８２】
また、収縮調整層中の銀−パラジウム合金の体積％と、密度差及び収縮調整層のシート抵抗の関係を図４に示す。収縮調整層中の金属成分が５体積％より小さい場合には、嵩密度差が５％より大きくなり、デラミネーションやクラック等の不良が多発することが判る。また、収縮調整層中の金属成分が５０体積％より大きい場合には、収縮調整層のシート抵抗値が１０6Ωより小さくなり、不活性部の絶縁性が低下してしまうことが判る。
【００８３】
即ち、収縮調整層中の金属成分量が本発明で規定した範囲の５〜５０体積％の場合には、実質的に活性部と不活性部の密度が等しくなり、不活性部と活性部境界及びその近傍でのデラミネーションやクラック等の不良が発生するのを防ぐことができ、かつ、不活性部の絶縁性の低下がないことが判る。
実施例３
さらに、実施例２と同様な方法で得られた柱状積層体に、実施例１と同様な方法で外部電極形成を行い、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室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った。得られた結果を表１に示す。
【００８４】
【表１】
0003730893.tif 000002
【００８５】
この表１から、収縮調整層中の金属成分量が５体積％より少ない試料では、駆動時に活性部と不活性部の境界で破損が生じてしまっている。一方、収縮調整層中の金属成分量が６０体積％以上の試料では、駆動時に絶縁破壊するか、若しくは初期状態で絶縁不良だった。一方、収縮調整層中の金属成分量が５〜５０体積％の試料では、１×１０9まで駆動しても、破損、絶縁破壊等の異常は見られなかった。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、焼結性を向上する金属粒子が不活性部の外周部にまで存在することになり、収縮調整層の金属粒子が不活性部の外周部の焼結性を向上し、焼成時の活性部と不活性部の収縮率が実質的に等しくなり、焼成時に活性部と不活性部の界面及びその近傍でのデラミネーションやクラック等の発生をなくし、アクチュエータを駆動させた場合においても活性部と不活性部の界面及びその近傍で破損することがない高信頼性を備えた積層型圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【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（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図である。
【図２】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図３】活性部と不活性部の密度差と、不良率の関係を示すグラフである。
【図４】収縮調整層中の金属成分の割合と、活性部と不活性部の密度差及び収縮調整層のシート抵抗の関係を示すグラフである。
【図５】従来の積層型圧電アクチュエータの縦断面図である。
【符号の説明】
１、９ａ・・・圧電体
１ａ・・・柱状積層体
２・・・内部電極
４・・・外部電極
９ｂ・・・収縮調整層
８・・・活性部
９・・・不活性部
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】
0003730893.tif 000003
【図２】
0003730893.tif 000004
【図３】
0003730893.tif 000005
【図４】
0003730893.tif 000006
【図５】
0003730893.tif 000007