JP2005217180A - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型圧電素子において、高電圧、長時間の連続運転における耐久性を向上させる。
【解決手段】圧電体と電極とが交互に積層してなる積層型圧電素子１０において、積層方向と垂直な断面の同一面でダミー層１１の外周から保護層１２の側面までの最短距離をＡ、保護層の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８であるように制御する。
【選択図】図１

Description

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。

従来より、積層型圧電素子を用いたものとしては、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、薄膜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、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが優位性を示しつつある。

図４は、従来の積層型圧電素子の断面の一部を示すもので、圧電体５１と内部電極５２が交互に積層されているが、内部電極５２は圧電体５１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内部電極５２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５４に内部電極５２を一層おきに交互に接続した構造となっている。そして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５４にさらにリード線（図示なし）を半田により接続固定されていた。

このような積層型圧電素子の製造方法としては、圧電体５１となるセラミックグリーンシートに内部電極５２となる内部電極ペーストを所定の電極構造となるようなパターンで印刷し、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、これを焼成し、側面に外部電極５４となる導電性ペーストを焼き付けることによって、積層型圧電素子を作製していた（例えば、特許文献１参照）。

このような積層型圧電素子は、一般的には圧電体５１と内部電極５２が交互に積層されて圧電層６３が形成され、その積層方向における上下の両主面には保護層６２が積層されている。このような積層型圧電素子は、保護層６２に電極層を含まないものが普通であるが、圧電層６３と保護層６２の間で焼成時に収縮の差が生じ、応力が発生したり、クラックが発生したりすることを防止するために、保護層６２に圧電層６３と同様の電極層を積層し、焼成後に起こるクラックや使用時に起こるクラックを防止している（例えば特許文献２参照）
なお、内部電極５２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５１と内部電極５２を同時焼成するために、内部電極５２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３参照）。
特開昭６１−１３３７１５号公報 特開平９−２７０５４０号公報 実開平１−１３０５６８号公報

しかしながら、積層型圧電アクチュエータは通常の積層型電子部品（例えば積層型セラミックコンデンサ）と異なり、通電に伴い圧電体５１の磁器が変形する特徴がある。すなわち駆動回数と圧電体５１の磁器変形回数が同じである。また、近年においては、小型の積層型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により高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが望まれている。

しかしながら、特許文献２の改善では、高い電圧を印加し、特に長時間連続駆動を行った場合、クラックが発生し、アクチュエータとしての機能が損なわれ、耐久性に問題があった。そこで、本発明者は、ダミー層６１の外周から保護層６２の側面までの最短距離と耐久性に関し研究開発を行った結果、その最短距離と耐久性の間に関係があるのを見出した。つまり、ダミー層６１の保護層６２の側面までの最短距離を制御することで、耐久性が格段に向上することを見出した。

そこで、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、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。

上述の課題に鑑み、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圧電層と、該圧電層の上下に前記圧電体とダミー層とを交互に積層した保護層を有し、前記圧電層の一対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、前記ダミー層の外周から前記保護層の側面までの最短距離をＡ、保護層の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８であることを特徴とする。

ここで上述の最短距離Ａは保護層を積層方向と垂直な方向に切った面においてそれぞれの長さを測ったものであり、保護層の幅Ｂは、その最短距離Ａを測った方向と同一の方向を測った長さとしている。

本発明の積層型圧電素子は、前記ダミー層に金属を含むことを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、前記ダミー層が前記圧電層の内部電極と同じ物質からなることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体の厚みが５０μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、前記ダミー層が無機組成物を含むことを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、前記ダミー層が無機組成物を２ｗｔ％以上含有することを特徴とする。

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。

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。

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。

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。

本発明の積層型圧電素子は、前記Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであることを特徴とする。

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。

本発明の積層型圧電素子は、前記無機組成物がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

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。

本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

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１０５０℃以下であることを特徴とする。

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。

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。

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１５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。

このように、本発明の積層型圧電素子によれば、ダミー層の外周から前記保護層の側面までの最短距離をＡ、保護層の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８とすることで、保護層と圧電層との間に生じる応力を焼成の収縮を均一にすること及び圧電体間の適切な接合領域を設けることでより低減できるため、高電圧、長時間の連続的な使用においても耐久性が向上し、耐久性に優れた積層型圧電素子を有する噴射装置を提供することができる。

なお、上述の構成に加えて前記圧電層の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、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ぎ内部電極間の絶縁破壊を防ぐことができるため、更に耐久性を向上させることが可能となる。

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）は圧電層、内部電極層、保護層、及びダミー層の積層状態を示す断面図である。

本発明の積層型圧電素子１０は、図１に示すように、圧電体１と内部電極２とを交互に積層してなる圧電層１３の一対の対向側面において、内部電極２が露出した端部と、一層おきに電気的に導通する一対の外部電極４が接合されている。さらに、圧電層１３の上下には圧電体１とダミー層１１とが交互に積層した保護層１２が積層されている。ここで、本発明の積層型圧電素子１０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４にリード線６を半田により接続固定し、前記リード線６を外部電圧供給部に接続すればよい。

内部電極２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２を通じて各圧電体１に所定の電圧を印加し、圧電体１を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。

そして本発明の積層型圧電素子１０では、本発明者が鋭意検討の結果、圧電体１の積層方向と垂直な断面の同一面で前記ダミー層１１の外周から保護層１２の側面までの最短距離をＡ、その最短距離Ａと同じ方向の保護層１２の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８とすることにより耐久性が向上し、長時間使用しても信頼性の高い積層型圧電素子を得ることができるのを見出したものである。

Ａ／Ｂが０．０１より小さくすると積層される圧電体１同士の接合部分の領域が小さくなりすぎ、高電圧、長時間の連続使用中に、ダミー層１１において変形により受ける応力が圧電体間の接合力より大きくなり、デラミネーションが発生し、圧電素子として使用できなくなる。

一方、Ａ／Ｂが０．０８より大きいと保護層１２と圧電層１３との焼成時の収縮差や収縮のプロファイルが異なり、両者の間で大きな歪を生じ、圧電体間の接合力より大きくなり、最悪の場合、焼成後にデラミナーションが生じたり、長時間の使用でデラミネーションが生じたりする問題が発生する。

本発明では、Ａ／Ｂの値は、０．０２〜０．０７であることが好ましい。更に０．０３〜０．０６であることがより好ましい。このようにすることで保護層１２のデラミネーションが発生しにくくなり、耐久性を向上させることができる。

また、ダミー層１１に金属を含むことが好ましい。これにより、圧電体１間に発生した応力を緩和でき、その結果、長時間の使用に対しても使用可能となり耐久性が向上する。金属としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等、周期律表にある金属元素単体でも良いし、それらのうち１つ以上の合金でも良い。さらにダミー層にガラスを含ませても良い。
また、ダミー層１１が内部電極２と同じ物質からなることが好ましい。このことにより、保護層１２と圧電層１３との焼成の挙動はほぼ同じ物となり、両者間に発生する応力を抑えられ、デラミネーションを減少することができ、耐久性の向上した圧電素子を得ることができる。

また、圧電体１の厚みは５０μｍ以上であることが好ましい。このように厚くすることで、発生する応力に耐えることができ、破壊を防止できる。

また、ダミー層１１が無機組成物を含むことが好ましい。ダミー層１１に無機組成物を入れることによって、圧電体１間に無機組成物の架橋が生じ、焼成や使用時の応力に対し強くなり、デラミネーションを生じ難くするので、耐久性が向上する。尚、無機組成物としては、ＰＺＴ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等を用いることができる。

更に、ダミー層１１が無機組成物を２ｗｔ％以上含有することが好ましい。これにより圧電体１間の架橋が十分なものになり、圧電体１間の接合強度が増し、デラミネーションを減少させ、耐久性を向上できる。

さらに、内部電極２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１と内部電極２を同時焼成することも可能である。

さらに、内部電極２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２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２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１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１０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。

ここで、Ｉｂ族金属が８５重量％未満になると、内部電極２の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子１０を連続駆動させた場合、内部電極２が発熱する場合があるからである。また、内部金属２中のＩｂ族金属の圧電体１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１０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。

上記の内部電極２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。

さらに、本発明の内部電極２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。

さらに、内部電極２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２を形成できる可能性がある。

さらに、内部電極２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、熱伝導性に優れた内部電極２を形成できる可能性がある。

さらに、内部電極２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２を形成できる可能性がある。

さらに、内部電極２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２と圧電体１を強固に結合できる可能性があり、前記無機組成物がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

さらに、圧電体１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（ＢａＴｉＯ_３）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ｄ_３３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１と内部電極２を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体１としては、圧電歪み定数ｄ３３が比較的高いＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

さらに、焼成温度が９００℃以上１０５０℃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１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２の収縮と圧電体１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１０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。

また、内部電極２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２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１０の駆動による伸縮に対して、内部電極２が追従できなくなる可能性がある。

ここで、内部電極２中の組成のずれとは、内部電極２を構成する元素が焼成によって蒸発、または圧電体１へ拡散することにより内部電極２の組成が変わる変化率を示している。

また、本発明の積層型圧電素子１０の側面に端部が露出する内部電極２と端部が露出しない内部電極２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２と外部電極４間の圧電体１部分に溝３が形成されており、この溝内に、圧電体１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１０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２の発熱を抑制することができる。

また、図２に示すように外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体からなるのが望ましい。外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体で構成されていなければ、外部電極４はフレキシブル性を有しないため、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従できなくなるので、外部電極４の断線や外部電極４と内部電極２の接点不良が生じる場合がある。ここで、３次元網目構造とは、外部電極４にいわゆる球形のボイドが存在している状態を意味するのではなく、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が、比較的低温で焼き付けられている為に、焼結が進みきらずにボイドがある程度連結した状態で存在し、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が３次元的に連結、接合した状態を示唆している。

あるいは、外部電極４中の空隙率が３０〜７０体積％であることが望ましい。ここで、空隙率とは、外部電極４中に占める空隙４ａの比率である。これは、外部電極４中の空隙率が３０体積％より小さければ、外部電極４が積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力に耐えきれずに、外部電極４が断線する可能性がある。また、外部電極４中の空隙率が７０体積％を超えると、外部電極４の抵抗値が大きくなるため、大電流を流した際に外部電極４が局所発熱を起こして断線してしまう可能性がある。

さらに、外部電極４の圧電体１側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極４中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極４が圧電体１との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。

また、外部電極４を構成するガラスの軟化点（℃）が、内部電極２を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であることが望ましい。これは、外部電極４を構成するガラスの軟化点が、内部電極２を構成する導電材の融点の４／５を超えると、外部電極４を構成するガラスの軟化点と内部電極２を構成する導電材の融点が同程度の温度になるため、外部電極４を焼き付ける温度が必然的に内部電極２を構成する融点に近づくので、外部電極４の焼き付けの際に、内部電極２及び外部電極４の導電材が凝集して拡散接合を妨げたり、また、焼き付け温度を外部電極４のガラス成分が軟化するのに十分な温度に設定できないため、軟化したガラスによる十分な接合強度を得ることができない場合がある。 さらに、外部電極４の圧電体１側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極４中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極４が圧電体１との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。

さらに、外部電極４を構成するガラスを非晶質にすることが望ましい。これは、結晶質のガラスでは、積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力を外部電極４が吸収できないので、クラック等が発生する場合がある。

さらに、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。これは、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも厚いと、外部電極４の強度が増大するため、積層体１０が伸縮する際に、外部電極４と内部電極２の接合部の負荷が増大し、接点不良が生じる場合がある。

さらに、外部電極４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７を設けることが望ましい。外部電極４の外面に導電性補助部材７を設けないと、積層型圧電素子１０に大電流を流して駆動する際に、外部電極４が大電流に耐えきれずに局所発熱してしまい、断線する可能性がある。

また、外部電極４の外面にメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を使用しないと、積層型圧電素子１０の伸縮による応力が外部電極４に直接作用することにより、駆動中の疲労によって外部電極４が積層型圧電素子１０の側面から剥離しやすくなる可能性がある。

さらに、導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。これは、ポリイミド樹脂を使用することにより、積層型圧電素子１０を高温下で駆動させる際にも、比較的高い耐熱性を有するポリイミド樹脂を使用することによって、導電性接着剤が高い接着強度を維持しやすい。

さらに、導電性粒子が銀粉末であることが望ましい。これは、導電性粒子に比較的抵抗値の低い銀粉末を使用することによって、導電性接着剤における局所発熱を抑制しやすい。

また、本発明の積層型圧電素子１０は単板あるいは積層数が１またはそれ以上からなることが好ましい。これにより、素子に加えられた圧力を電圧に変換することも、素子に電圧を加えることで素子を変位させることもできるため、素子駆動中に予期せぬ応力を加えられたとしても、応力を分散して電圧変換することで、応力緩和させることができるので、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。

次に、本発明の積層型圧電素子１０の製法を説明する。

本発明の積層型圧電素子１０は、まず、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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、かつ、上記不純物の範囲としたスラリーを作製し、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。

次にこのグリーンシートを適当な大きさにカットし、Ａ／Ｂを制御するために枠に固定する。

次に、銀−パラジウム等の内部電極２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の厚みに印刷し圧電層１３用のグリーンシートを用意する。

次に、同様に銀−パラジュウム等を含むダミー層を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印刷し、保護層 １２用のグリーンシートを用意する。印刷時には、焼成収縮を考慮し、Ａ／Ｂが所定の値となるように制御し印刷する。

そして、Ａ／Ｂを制御するために、上面に導電性ペーストが印刷された圧電層１３用のグリーンシートと保護層１２用のグリーンシートを圧電層１３の上下に保護層１２がくるように複数積層し、同時に圧力をかけて密着させる。このように、グリーンシートを枠に固定し、保護層１２と圧電層１３を同時に密着させることによって、ダミー層１１の外周から保護層１２の側面までの最短距離Ａを制御することができる。

この後、グリーンシートを適当な大きさにカットし、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型圧電素子１０が作製される。

なお、積層型圧電素子１０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、ダミー層１１の外周から保護層１２の側面までの最短距離Ａを制御することができる方法であれば、どのような製法によって形成されても良い。

その後、積層型圧電素子１０の側面に端部が露出する内部電極２と端部が露出しない内部電極２とを交互に形成して、端部が露出していない内部電極２と外部電極４間の圧電体１部分に溝３を形成して、この溝３内に、圧電体１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３は内部ダイシング装置等で圧電層１３の側面に外部電極４は構成する導電材は積層型圧電素子１０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。

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／ｃｍ^３に制御し、このシートを、柱状圧電層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４を形成することができる。

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２を拡散接合させ、また、外部電極４中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極４と柱状圧電層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。

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４が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極４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４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。

一方、焼き付け温度が５５０℃よりも低い場合には、内部電極２端部と外部電極４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２と外部電極４の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。

なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体１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。

次に、外部電極４を形成した圧電層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、圧電層１３の溝３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圧電層１３を引き上げ、圧電層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３内部に充填、及び柱状圧電層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１０が完成する。

そして、外部電極４にリード線６を接続し、該リード線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、圧電層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１０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６を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極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。

さらに、外部電極４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７を形成してもよい。この場合には、外部電極４の外面に導電性補助部材７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７に流すことができ、外部電極４に流れる電流を低減できるという理由から、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。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。

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。

さらに、前記導電性補助部材７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７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。

本発明の積層型圧電素子１０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。

また、上記では、圧電層１３の対向する側面に外部電極４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。

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。

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。

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。

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１０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。

（実験例）
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。

まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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。

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、Ａｇにバインダーを加えた導電性ペースト、Ｃｕにバインダーを加えた導電性ペースト、Ｎｉにバインダーを加えた導電性ペーストのいずれかを選択し、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、積層体用として用意した。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、１０００℃で焼成した。なお、圧電体１１、内部電極１２および外部電極１３の原料中にＫ_２ＣＯ_３あるいはＮａ_２ＣＯ_３粉末を添加した。

得られた焼結体の積層型圧電素子、圧電体、内部電極および外部電極に含まれるアルカリ金属はＩＣＰ分析を用いて検出した。

その後、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。

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／ｃｍ^３であった
そして、銀ガラスペーストのシートを積層体の外部電極面に転写し、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を形成した。なお、この時の外部電極の空隙率は、外部電極の断面写真の画像解析装置を用いて測定したところ４０％であった。

その後、外部電極にリード線を接続し、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素子を用いた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素子に１７０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に４５μｍの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電素子に室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った。

そして、この積層型圧電素子が駆動回数１×１０^９回まで連続のテストを行って、この時までに不良になった数を不良率として表した。

結果を表１に示す。尚、表１に示すように保護層の圧電体の厚みは５０〜２００μｍまで変化させ、ダミー層としては銀−パラジュウム合金、銀、銅、ニッケルのいずれかを用いた。

同表より、積層方向と垂直な断面の同一面で前記ダミー層の外周から保護層の側面までの最短距離をＡ、保護層の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８である本発明の試料Ｎｏ．１〜６、８〜１４、１６〜３０は、連続耐久試験後の不良率は２％以下で比較例（Ｎｏ．７、１５）に比べて小さく耐久性に優れることがわかった。

特にＡ／Ｂが０．０２〜０．０７である試料Ｎｏ．１〜６、９〜１３、１６、１８〜３０は、連続耐久試験後の不良率が１％以下で更に小さく耐久性に優れることがわかった。

更にＡ／Ｂが０．０２〜０．０７で、ダミー層に金属を含み、内部電極がダミー層と同じ物質からなり、圧電体の厚みが５０μｍ以上、ダミー層に無機組成物を２ｗｔ％以上含む試料Ｎｏ．１〜６、１０〜１３、１６、１８〜２５、２７〜２９は、連続耐久試験後の不良率が０．８％以下で更に小さく耐久性が更に優れることがわかった。

一方、本発明の範囲外であるＡ／Ｂが０．０１より小さい試料Ｎｏ．７、Ａ／Ｂが０．０８より大きい試料Ｎｏ．１５は、耐久試験後の不良率が３％以上と悪く、耐久性において本発明品に比べ劣っていた。

本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は圧電層、内部電極層、保護層、及びダミー層の積層状態を示す断面図である。 外部電極の外面に導電性補助部材を形成した積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。 本発明の噴射装置を示す説明図である。 従来の積層型圧電素子の断面の一部を示すものである。

符号の説明

１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・溝
４・・・外部電極
６・・・リード線
７・・・導電性補助部材７
１０・・・積層型圧電体素子
１１・・・ダミー層
１２・・・保護層
１３・・・圧電層
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ
５１・・・圧電体
５２・・・内部電極
５４・・・外部電極
６１・・・ダミー層
６２・・・保護層
６３・・・圧電層

Claims (18)

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圧電層と、該圧電層の上下に前記圧電体とダミー層とを交互に積層した保護層を有し、前記圧電層の一対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、前記ダミー層の外周から前記保護層の側面までの最短距離をＡ、保護層の幅をＢとした時にＡ／Ｂが０．０１〜０．０８であることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記ダミー層に金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記ダミー層が前記圧電層の内部電極と同じ物質からなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記圧電体の厚みが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 前記ダミー層が無機組成物を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 前記ダミー層が無機組成物を２ｗｔ％以上含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 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６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 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７記載の積層型圧電素子。
9. 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７または８に記載の積層型圧電素子。
10. 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７乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
11. 前記ＶＩＩＩ族金属がＣｕであることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
12. 前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の積層型圧電素子。
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。
14. 前記無機組成物がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。
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。
16. 前記圧電体がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。
17. 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１６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
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。

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