JP2008053467A - 積層型圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性・信頼性に優れた積層型圧電素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】積層型圧電素子１は、圧電材料よりなる圧電層１１と導電性を有する内部電極層２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０を有し、セラミック積層体１０の外周面における一対の電極接合面１０１（１０２）には、内部電極層２１、２２に順次交互に導通される一対の側面電極３１が設けられ、側面電極３１上には、導電性接着剤３２を介して外部電極３３が接合されている。側面電極３１は、外表面３１１に凹凸を有していると共に内部に複数の空孔４２を有しており、凹凸の凹部４１及び空孔４２は、焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものである。導電性接着剤３２は、側面電極３１における凹凸の凹部４１に入り込んで配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子及びその製造方法に関する。

近年、自動車の燃費、排気ガス等の対策の面から、積層型圧電素子を用いた自動車の燃料噴射用インジェクタの開発が進められている。
積層型圧電素子は、例えば、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、内部電極層間に電圧を印加することにより、圧電層に変位が生じて（以下、圧電変位という）駆動するように構成されている。

このような積層型圧電素子の構造としては、例えば、研削したセラミック積層体の側面に金属ペースト等を焼き付けて側面電極を形成し、その上に導電性接着剤を塗布して外部電極を接合したものがある。しかしながら、自動車の燃料噴射用インジェクタ等のように、厳しい環境下において使用した場合には、圧電変位によって生じる応力により側面電極や導電性接着剤の剥離が生じる。

また、その他にも様々な構造が提案されている（特許文献１〜３参照）が、コストや耐久性において有効なものは未だ見出されていない。したがって、厳しい環境下における長期間の使用においても不具合の発生を抑制することができ、耐久性・信頼性に優れた構造を有する積層型圧電素子が望まれている。

特開２００４−２０７６３２号公報 特開２００４−２４１５９０号公報 特開２００５−２２３０１４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐久性・信頼性に優れた積層型圧電素子及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面には、上記内部電極層に順次交互に導通される一対の側面電極が設けられ、該側面電極上には、導電性接着剤を介して外部電極が接合されている積層型圧電素子において、
上記側面電極は、外表面に凹凸を有していると共に内部に複数の空孔を有しており、上記凹凸の凹部及び上記空孔は、焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものであり、
上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設されていることを特徴とする積層型圧電素子にある（請求項１）。

本発明の積層型圧電素子において、上記側面電極の外表面には、凹凸が形成されている。この凹凸の凹部は、上記焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものである。そして、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設されている。そのため、上記導電性接着剤は、アンカー効果によって上記側面電極に対する密着性・接着性を向上させることができ、上記積層型圧電素子の駆動時に繰り返し生じる圧電変位に耐え得る密着性・接着性を有するものとなる。これにより、上記導電性接着剤の剥離を抑制することができると共に、上記側面電極と上記導電性接着剤との間の電気的な導通性（以下、適宜、単に導通性という）を長期的に確保することができる。
また、上記導電性接着剤は、上述のごとく、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設されているため、上記側面電極と上記導電性接着剤との接触面積は、従来に比べて大きくなる。これにより、両者間の導通性を向上させることができる。

また、上記側面電極の内部には、複数の空孔が形成されている。この空孔は、上記凹凸の凹部と同様に、上記焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものである。そして、上記側面電極は、内部に形成された上記複数の空孔によって、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を有するものとなる。これにより、圧電変位によって上記側面電極に生じる応力を低減することができ、該側面電極の剥離、割れ、クラック等を抑制することができる。

このように、本発明の積層型圧電素子は、駆動時における不具合の発生を抑制することができ、長期間の使用においても優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。

第２の発明は、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面には、上記内部電極層に順次交互に導通される一対の側面電極が設けられ、該側面電極上には、導電性接着剤を介して外部電極が接合されている積層型圧電素子を製造する方法において、
上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層となる電極材料とを交互に積層してなる中間積層体を焼成し、上記セラミック積層体を得る積層体作製工程と、
上記セラミック積層体の上記電極接合面に、その後の加熱によって焼失する焼失粒子を含有する側面電極用スラリーを塗布する側面電極用スラリー塗布工程と、
上記側面電極用スラリーを加熱することにより、上記電極接合面に上記側面電極を焼き付け、かつ、上記焼失粒子を焼失させて、上記側面電極の外表面に凹凸を形成すると共に、内部に複数の空孔を形成する側面電極焼付け工程と、
上記側面電極上に上記導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤を上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込ませ、さらに上記導電性接着剤を介して上記外部電極を接合する外部電極接合工程とを有する積層型圧電素子の製造方法にある（請求項９）。

本発明の積層型圧電素子の製造方法は、上記側面電極用スラリー塗布工程において、上記セラミック積層体の上記電極接合面に、上記焼失粒子を含有する側面電極用スラリーを塗布する。そして、上記側面電極焼付け工程において、上記側面電極用スラリーを加熱し、上記電極接合面に上記側面電極を焼き付ける。このときの加熱により、上記側面電極用スラリーに含まれている上記焼失粒子を焼失させる。これによって、上記側面電極の外表面には、上記側面電極用スラリーの表面に存在していた上記焼失粒子が焼失して、凹部が形成される。すなわち、上記側面電極の外表面には、凹凸が形成される。また、上記側面電極の内部には、上記側面電極用スラリーの内部に存在していた上記焼失粒子が焼失して、空孔が形成される。

その後、上記外部電極接合工程において、上記導電性接着剤を上記側面電極の外表面に形成された上記凹凸の凹部に入り込ませて塗布することにより、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設される。そのため、上記導電性接着剤は、アンカー効果によって上記側面電極に対する密着性・接着性を向上させることができ、圧電変位に耐え得る密着性・接着性を有するものとなる。これにより、上記導電性接着剤の剥離を抑制することができると共に、上記側面電極と上記導電性接着剤との間の導通性を長期的に確保することができる。
また、上記導電性接着剤は、上述のごとく、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設される。そのため、上記側面電極と上記導電性接着剤との接触面積は、従来に比べて大きくなる。これにより、両者間の導通性を向上させることができる。

また、上記側面電極の内部には、複数の空孔が形成される。そのため、上記側面電極は、内部に形成された上記複数の空孔によって、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を有するものとなる。これにより、圧電変位によって上記側面電極に生じる応力を低減することができ、該側面電極の剥離、割れ、クラック等を抑制することができる。

このように、本発明の製造方法によれば、駆動時における不具合の発生を抑制することができ、長期間の使用においても優れた耐久性・信頼性を有する積層型圧電素子を得ることができる。

上記第１の発明においては、上記側面電極は、Ａｇ及びガラスフリットを含有して構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、ガラスフリットを含有していることによって、上記側面電極を上記セラミック積層体の上記電極接合面に対して強固に接合して設けることができる。また、従来用いられていたＡｇ／Ｐｄ合金等と比べて安価であり、製造コストを抑えることができる。

また、上記側面電極における上記凹凸の凹部は、平均深さが１．５〜６μｍであることが好ましい（請求項３）。
上記平均深さが１．５μｍ未満の場合には、上記導電性接着剤は、アンカー効果を充分に得ることができず、上記側面電極に対する密着性・接着性が不充分となるおそれがある。一方、６μｍを超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極における上記空孔は、平均内径が１．５〜６μｍであることが好ましい（請求項４）。
上記平均内径が１．５μｍ未満の場合には、上記側面電極は、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を充分に得ることができないおそれがある。一方、６μｍを超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極は、気孔率が２０〜６０％であることが好ましい（請求項５）。
上記気孔率が２０％未満の場合には、上記側面電極は、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を充分に得ることができないおそれがある。一方、６０％を超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極は、上記セラミック積層体の積層方向に互いに間隙を設けて複数に分割された分割部により構成されており、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記分割部間の間隙に入り込んで配設されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んでいると共に、上記側面電極における上記分割部間の間隙にも入り込んで配設されている。そのため、上記導電性接着剤は、より一層アンカー効果を得ることができ、上記側面電極に対する密着性・接着性がさらに向上する。
なお、上記側面電極の上記分割部は、様々なパターン、様々な形状で設けることができる。

また、上記セラミック積層体の外周面の少なくとも上記電極接合面には、少なくとも空隙を含んで構成される応力緩和層が１又は複数形成されていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記応力緩和層は、圧電変位によって上記セラミック積層体の内部に生じる応力を効果的に緩和することができる。これにより、上記セラミック積層体の内部に発生する割れ、クラック等を抑制することができる。
また、上記側面電極を上記応力緩和層の空隙に入り込ませて配設することにより、上記側面電極は、アンカー効果によって上記セラミック積層体の上記電極接合面に対する密着性・接着性が向上する。これにより、圧電変位によって生じる応力によって、上記側面電極が上記セラミック積層体の上記電極接合面上から剥離することを抑制することができる。

また、上記応力緩和層は、その全体を空隙により構成した層とすることできるし、部分的に多数の空隙を有する多孔質材料等で構成した層とすることもできる。全体を空隙により構成すれば、上記応力緩和層による応力緩和効果を充分に発揮することができる。また、多孔質材料等で構成すれば、上記セラミック積層体の強度を充分に確保しながら、上記応力緩和層による応力緩和効果を得ることができる。
なお、上記応力緩和層は、上記セラミック積層体の外周面や内部等の様々な場所に、様々な形状で形成することができる。

また、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることが好ましい（請求項８）。
上記インジェクタは、高温高湿という過酷な条件下で使用される。そのため、上記の優れた積層型圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、耐久性・信頼性を向上させることができ、インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。

上記第２の発明においては、上記側面電極用スラリーは、上記焼失粒子に加えてＡｇ及びガラスフリットを含有していることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記側面電極焼付け工程において、上記側面電極を上記セラミック積層体の上記電極接合面に対して強固に接合することができる。また、従来用いられていたＡｇ／Ｐｄ合金等と比べて安価であり、製造コストを抑えることができる。

また、上記側面電極用スラリーは、上記焼失粒子の含有率が８〜２４重量％であることが好ましい（請求項１１）。
上記含有率が８重量％未満の場合には、上記側面電極の外表面に凹部を、内部に空孔を充分に形成することができないおそれがある。一方、２４重量％を超える場合には、上記側面電極用スラリーを塗布する際の作業性が低下するおそれがある。また、上記側面電極の内部に空孔が多く形成され、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記焼失粒子は、カーボン粒子、炭化有機物粒子、又は樹脂粒子の少なくとも１種以上を含有することが好ましい（請求項１２）。
この場合には、上記側面電極焼付け工程において、上記側面電極用スラリーを加熱することによって上記焼失粒子を容易に焼失させることができる。これにより、上記側面電極の外表面に凹部を、内部に空孔を確実に形成することができる。
なお、上記炭化有機物粒子は、粉末状の有機物を炭化させて得ることもできるし、炭化させた有機物を粉砕して得ることもできる。上記有機物としては、樹脂等の高分子材料や、コーン、大豆、小麦粉等の穀物を用いることができる。この場合には、製造コストの低減を実現することができる。

また、上記焼失粒子は、平均粒径が２〜７μｍであることが好ましい（請求項１３）。
上記平均粒径が２μｍ未満の場合には、上記側面電極の外表面に凹部を、内部に空孔を充分な大きさで形成することができないおそれがある。一方、７μｍを超える場合には、上記側面電極用スラリーを塗布する際の作業性が低下するおそれがある。また、上記側面電極の内部に大きな空孔が形成され、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極における上記凹凸の凹部は、平均深さが１．５〜６μｍであることが好ましい（請求項１４）。
上記平均深さが１．５μｍ未満の場合には、上記導電性接着剤は、アンカー効果を充分に得ることができず、上記側面電極に対する密着性・接着性が不充分となるおそれがある。一方、６μｍを超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極における上記空孔は、平均内径が１．５〜６μｍであることが好ましい（請求項１５）。
上記平均内径が１．５μｍ未満の場合には、上記側面電極は、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を充分に得ることができないおそれがある。一方、６μｍを超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極は、気孔率が２０〜６０％であることが好ましい（請求項１６）。
上記気孔率が２０％未満の場合には、上記側面電極は、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を充分に得ることができないおそれがある。一方、６０％を超える場合には、上記側面電極の強度が低下するおそれがある。

また、上記側面電極用スラリー塗布工程では、上記セラミック積層体の上記電極接合面に、上記側面電極用スラリーを上記セラミック積層体の積層方向に互いに間隙を設けて複数部分に塗布し、上記側面電極焼付け工程では、上記電極接合面に、互いに間隙を設けて複数に分割された分割部により構成された上記側面電極を焼き付け、上記外部電極接合工程では、上記導電性接着剤を上記側面電極における上記分割部間の間隙に入り込ませて塗布することが好ましい（請求項１７）。
この場合には、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込み、かつ、上記側面電極における上記分割部間の間隙にも入り込んで配設される。そのため、上記導電性接着剤は、より一層アンカー効果を得ることができ、上記側面電極に対する密着性・接着性がさらに向上する。

また、上記積層体作製工程では、上記中間積層体にその後の焼成によって焼失する焼失材料を含有する応力緩和層形成材料を予め配設しておき、上記中間積層体を焼成することにより、上記焼失材料を焼失させて、上記セラミック積層体の外周面の少なくとも上記電極接合面に、少なくとも空隙を含んで構成される応力緩和層を１又は複数形成することが好ましい（請求項１８）。
この場合には、上記応力緩和層は、圧電変位によって上記セラミック積層体の内部に生じる応力を効果的に緩和することができる。これにより、上記セラミック積層体の内部に発生する割れ、クラック等を抑制することができる。
また、上記側面電極用スラリー塗布工程において、上記側面電極用スラリーを上記応力緩和層の空隙に入り込ませて塗布することにより、上記側面電極は、上記応力緩和層の空隙に入り込んで配設される。そのため、上記側面電極は、アンカー効果によって上記セラミック積層体の上記電極接合面に対する密着性・接着性が向上する。これにより、圧電変位によって生じる応力により、上記側面電極が上記セラミック積層体の上記電極接合面上から剥離することを抑制することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる積層型圧電素子について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１は、図１に示すごとく、圧電材料よりなる圧電層１１と導電性を有する内部電極層２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０を有し、セラミック積層体１０の外周面１０３における一対の電極接合面１０１、１０２には、内部電極層２１、２２に順次交互に導通される一対の側面電極３１が設けられ、側面電極３１上には、導電性接着剤３２を介して外部電極３３が接合されている。
また、図３に示すごとく、側面電極３１は、外表面３１１に凹凸を有していると共に内部に複数の空孔４２を有しており、凹凸の凹部４１及び空孔４２は、焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものである。また、導電性接着剤３２は、側面電極３１における凹凸の凹部４１に入り込んで配設されている。
以下、これを詳説する。

本例の積層型圧電素子１において、セラミック積層体１０は、図２に示すごとく、略円柱状を呈する積層体の外周面１０３に、相互に対面する一対の電極接合面１０１、１０２を形成してなる断面樽形状を呈している。なお、セラミック積層体１０の断面形状としては、本例の樽形に限定されるものではなく、用途、使用状況に合わせて円形、四角形、八角形等の様々な形状に変更可能である。

また、同図に示すごとく、セラミック積層体１０は、上述のごとく、圧電層１１と内部電極層２１、２２とが交互に積層されている。内部電極層２１、２２は、外周端部の一部をそれぞれ電極接合面１０１、１０２に露出している。また一方で、内部電極層２１、２２は、外周端部の一部を控え部１９によってセラミック積層体１０の外周面１０３に対して内方に控えている。つまり、本例のセラミック積層体１０は、いわゆる電極控え構造（部分電極構造）を有しており、このような構造を採用することで、セラミック積層体１０の外周面１０３における電気的な絶縁性を確保している。

また、同図に示すごとく、セラミック積層体１０の外周面１０３には、スリット状の空隙よりなる応力緩和層１８が積層方向に一定間隔を持って複数設けられている。応力緩和層１８は、外周面１０３全周に渡って形成されている。
また、セラミック積層体１０の両端には、その両端を保護するための保護層１２が設けられている。

なお、本例の圧電層１１は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電セラミックスで構成されている。また、保護層１２は、圧電層１１と同材料により構成されている。また、内部電極層２１、２２は、Ａｇ／Ｐｄ合金により構成されている。
また、セラミック積層体１０の構造としては、本例の電極控え構造の他、内部電極層２１、２２の外周端部がセラミック積層体１０の外周面１０３にすべて露出した全面電極構造やその他の種々の構造を採用することができる。

また、図１に示すごとく、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２には、それぞれ側面電極３１が設けられている。各側面電極３１は、それぞれ内部電極層２１、２２に導通されている。また、側面電極３１上には、導電性接着剤３２が配設されており、この導電性接着剤３２によってメッシュ状の外部電極３３が接合されている。

なお、本例の側面電極３１は、Ａｇとガラスフリットとを含有させた構成を有している。また、導電性接着剤３２は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた構成を有している。また、外部電極３３は、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルである。

ここで、側面電極３１について、さらに詳しく説明する。
側面電極３１は、図３に示すごとく、外表面３１１に凹凸を有しており、内部に空孔４２を有している。この凹凸の凹部４１及び空孔４２は、後述の焼失粒子が焼失して形成されたものである。そして、導電性接着剤３２は、側面電極３１における凹凸の凹部４１に入り込んだ状態で配設されている。なお、凹凸の凹部４１の平均深さは３μｍであり、空孔４２の平均内径は３μｍである。また、側面電極３１の気孔率は３０％である。

次に、積層型圧電素子１の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１を製造するに当たっては、図４〜図１２に示すごとく、少なくとも、積層体作製工程、側面電極用スラリー塗布工程、側面電極焼付け工程、及び外部電極接合工程を行う。

上記積層体作製工程は、圧電層１１となるグリーンシート１１０と内部電極層２１、２２となる電極材料２００とを交互に積層してなる中間積層体１００を焼成し、セラミック積層体１０を得る工程である。
上記側面電極用スラリー塗布工程は、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に、その後の加熱によって焼失する焼失粒子４０を含有する側面電極用スラリー３１０を塗布する工程である。
上記側面電極焼付け工程は、側面電極用スラリー３１０を加熱することにより、電極接合面１０１、１０２に側面電極を焼き付け、かつ、焼失粒子４０を焼失させて、側面電極３１の外表面３１１に凹凸を形成すると共に、内部に複数の空孔４２を形成する工程である。
上記外部電極接合工程は、側面電極３１上に導電性接着剤３２を塗布し、導電性接着剤３２を側面電極３１における凹凸の凹部４１に入り込ませ、さらに導電性接着剤３２を介して外部電極３３を接合する工程である。
以下、これを詳説する。

＜積層体作製工程＞
まず、圧電層１１となるグリーンシート１１０を作製する。
圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなるセラミックス原料粉末を準備し、８００〜９５０℃で仮焼する。次に、仮焼粉に純水、分散剤等を加えてスラリー状とし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてスラリー状とし、ボールミルにより混合する。このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整を行う。

そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム１１９上に塗布し、一定厚みの長尺のグリーンシート１１０（図４参照）を成形する。
なお、グリーンシート１１０の成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。

次いで、図４、図５に示すごとく、成形したグリーンシート１１０に各種材料を配設する。
同図に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き領域５０において、内部電極層２１、２２を形成する部分には、電極材料２００をスクリーン印刷により塗布する。そして、電極材料２００が塗布されていない部分に、電極材料２００と同じ厚みでスペーサ層１１１をスクリーン印刷により塗布する。さらに、グリーンシート１１０を積層する際の接着効果を高めるため、電極材料２００及びスペーサ層１１１上に接着層１１２をスクリーン印刷により塗布する。

また、同図に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き領域５０において、応力緩和層１８を形成する部分には、その後の焼成によって焼失する焼失材料よりなる応力緩和層形成材料１８０をスクリーン印刷により塗布する。そして、グリーンシート１１０を積層する際の接着効果を高めるため、応力緩和層形成材料１８０が塗布されていない部分に、応力緩和層形成材料１８０と同じ厚みで接着層１１２をスクリーン印刷により塗布する。

なお、本例のグリーンシート１１０への各種材料の配設は、後述する打抜積層装置によってグリーンシート１１０の打ち抜き領域５０を効率よく打ち抜きながら積層できるように、長尺のグリーンシート１１０の長手方向に、積層する順に印刷を施した。
また、打ち抜き領域５０とは、打抜積層装置によって打ち抜く領域のことである。

また、本例の電極材料２００としては、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いたが、これ以外にもＡｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ等の単体、Ｃｕ／Ｎｉ等の合金を用いることができる。また、スペーサ層１１１及び接着層１１２としては、グリーンシート１１０を構成する上記スラリーを用いた。また、応力緩和層形成材料１８０としては、焼失材料としてのカーボン粒子を用いたが、これ以外にも樹脂粒子、カーボン粒子及び樹脂粒子の混合物、穀物炭化粒子等を用いることができる。

次いで、図６に示すごとく、グリーンシート１１０の打ち抜き及び積層を同時に進行できるよう構成されている打抜積層装置７を用いて、打ち抜き及び積層を並行して行う。
この打抜積層装置７は、同図に示すごとく、グリーンシート１１０を打ち抜いて切断するためのトムソン刃７１と、グリーンシート１１０を打ち抜いて切断する際に、トムソン刃７１を受けるためのベースプレート７２と、グリーンシート１１０を打ち抜いて得られるシート片５１を積層するための積層ホルダ７３とを備えている。積層ホルダ７３には、積層したシート片５１を支持する支持部７３１と、その支持部７３１に連通する吸引パイプ７３２とを備えている。積層ホルダ７３は、積層したシート片５１を吸引パイプ７３２で吸引しながら支持部７３１に支持できるように構成されている。

具体的に、打抜積層装置７を用いた打ち抜き及び積層を説明する。まず、各種材料が配設された長尺のグリーンシート１１０をキャリアフィルム１１９ごとベースプレート７２の上にセットする。そして、グリーンシート１１０を送りながら、所定の位置に設置されたトムソン刃７１によってグリーンシート１１０の打ち抜き領域５０を打ち抜いて切断し、シート片５１を得る。得られたシート片５１は、積層ホルダ７３の支持部７３１において、順に接着して積層される。

そして、図７に示すごとく、所定の位置に所定のシート片５１が配置されるように積層し、中間積層体１００を得る。このとき、中間積層体１００の積層方向両端には、最終的に保護層１２となる保護層形成シート１２０を積層しておく。保護層形成シート１２０は、グリーンシート１１０に接着層１１２を配設したものである。

次いで、中間積層体１００を加熱することにより脱脂する。加熱条件は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温し、この温度で５時間保持する。これにより、中間積層体１００に含まれているバインダー樹脂を９０％以上除去する。

次いで、脱脂後の中間積層体１００を焼成する。焼成条件は、１２時間かけて徐々に１０６５℃まで昇温し、この温度で２時間保持した後、炉内で徐々に冷却する。
これにより、図８のセラミック積層体１０を得る。セラミック積層体１０には、焼成によって応力緩和層形成材料（焼失材料）１８０が焼失して、スリット状の空隙よりなる応力緩和層１８が形成される。この応力緩和層１８は、セラミック積層体１０の積層方向に一定の間隔を持って、外周面１０３全周に渡って複数形成される。

＜側面電極用スラリー塗布工程＞
次いで、図９、図１０に示すごとく、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に、側面電極用スラリー３１０をスクリーン印刷により塗布する。このとき、応力緩和層１８の一部に側面電極用スラリー３１０を入り込ませて塗布した。側面電極用スラリー３１０の平均塗布厚みは２０μｍとした。また、側面電極用スラリー３１０の印刷方法としては、スクリーン印刷以外の様々な方法を用いることもできる。

なお、本例の側面電極用スラリー３１０は、Ａｇ、ガラスフリット、焼失粒子４０としてのカーボン粒子、粘度調整用の溶剤等を混合したものを撹拌し、作製した。本例では、側面電極用スラリー３１０中の焼失粒子４０の含有率を１２重量％とした。また、焼失粒子としてのカーボン粒子は、平均粒径が６μｍである。

＜側面電極焼付け工程＞
次いで、図９、図１１に示すごとく、塗布した側面電極用スラリー３１０を６５０℃で加熱することにより、電極接合面１０１、１０２に焼き付ける。これにより、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に、それぞれ側面電極３１を形成する。側面電極３１には、加熱により焼失粒子４０が焼失し、外表面３１１に凹部４１が、内部に空孔４２が形成される。

＜外部電極接合工程＞
次いで、図１２に示すごとく、セラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に形成した側面電極３１上に、導電性接着剤３２を塗布する。このとき、導電性接着剤３２を側面電極３１の外表面３１１の凹部４１に入り込むように塗布する。そして、塗布した導電性接着剤３２に外部電極３３を埋め込むように配置する。その後、導電性接着剤３２を加熱硬化させ、外部電極３３を接合する。
以上により、図１の積層型圧電素子１を得る。

なお、本例では、導電性接着剤３２としては、絶縁樹脂としてのエポキシ樹脂に導電性フィラーとしてのＡｇを分散させたものを用いた。上記絶縁樹脂としては、上記以外にもシリコーン、ウレタン、ポリイミド等の各種樹脂を用いることができる。また、上記導電性フィラーとしては、上記以外にもＰｔ、Ｃｕ、Ｎｉ等を用いることができる。
また、外部電極３３としては、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルを用いたが、これ以外にもパンチングメタル等を用いることができる。

次に、本例の積層型圧電素子１における作用効果について説明する。
本例の積層型圧電素子１において、側面電極３１の外表面３１１には、凹凸が形成されている。この凹凸の凹部４１は、焼失粒子４０を加熱によって焼失させて形成したものである。そして、導電性接着剤３２は、側面電極３１の外表面３１１の凹部４１に入り込んで配設されている。そのため、導電性接着剤３２は、アンカー効果によって側面電極３１に対する密着性・接着性を向上させることができ、積層型圧電素子１の駆動時に繰り返し生じる圧電変位に耐え得る密着性・接着性を有するものとなる。これにより、導電性接着剤３２の剥離を抑制することができると共に、側面電極３１と導電性接着剤３２との間の導通性を長期的に確保することができる。
また、導電性接着剤３２は、上述のごとく、側面電極３１の外表面３１１の凹部４１に入り込んで配設されているため、側面電極３１と導電性接着剤３２との接触面積は、従来に比べて大きくなる。これにより、両者間の導通性を向上させることができる。

また、側面電極３１の内部には、複数の空孔４２が形成されている。この空孔４２は、凹部４１と同様に、焼失粒子４０を加熱によって焼失させて形成したものである。そして、側面電極３１は、内部に形成された複数の空孔４２によって、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を有するものとなる。これにより、圧電変位によって側面電極３１に生じる応力を低減することができ、側面電極３１の剥離、割れ、クラック等を抑制することができる。

また、本例では、側面電極３１は、Ａｇ及びガラスフリットを含有して構成されている。そのため、ガラスフリットを含有していることによって、側面電極３１をセラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に対して強固に接合して設けることができる。また、従来用いられていたＡｇ／Ｐｄ合金等と比べて安価であり、製造コストを抑えることができる。

また、側面電極３１の外表面３１１の凹部４１は、平均深さが３μｍである。そのため、導電性接着剤３２は、アンカー効果を充分に得ることができる。
また、側面電極３１における空孔４２は、平均内径が３μｍであり、気孔率が３０％である。そのため、側面電極３１は、圧電変位に追従し得る弾力性・伸縮性を充分に得ることができる。

また、セラミック積層体１０の外周面１０３の少なくとも電極接合面１０１、１０２には、スリット状の空隙よりなる応力緩和層１８が複数形成されている。そのため、応力緩和層１８は、圧電変位によってセラミック積層体１０の内部に生じる応力を効果的に緩和することができる。これにより、セラミック積層体１０の内部に発生する割れ、クラック等を抑制することができる。
また、側面電極３１を応力緩和層１８に入り込ませて配設しているため、側面電極３１は、アンカー効果によってセラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２に対する密着性・接着性が向上する。これにより、圧電変位によって生じる応力により、側面電極３１がセラミック積層体１０の電極接合面１０１、１０２上から剥離することを抑制することができる。

また、本例の製造方法では、側面電極用スラリー３１０は、焼失粒子４０の含有率が１２重量％である。そのため、側面電極３１の外表面３１１に凹部４１を、内部に空孔４２を充分に形成することができる。
また、焼失粒子４０としては、平均粒径６μｍのカーボン粒子を用いた。そのため、側面電極用スラリー３１０を加熱することによって焼失粒子４０を容易に焼失させることができると共に、側面電極３１の外表面３１１に凹部４１を、内部に空孔４２を充分な大きさで確実に形成することができる。

このように、本例の積層型圧電素子は、駆動時における不具合の発生を抑制することができ、長期間の使用においても優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。

（実施例２）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１において、側面電極３１の配設形状を変更した例である。
本例の側面電極３１は、図１３に示すごとく、セラミック積層体１０の積層方向に互いに間隔を設けて複数に分割された分割部３１９により構成されている。そして、長方形状の分割部３１９を一定間隔で断続的に設けている。また、電極接合面１０１（１０２）に露出している内部電極層２１（２２）は、複数の分割部３１９のうちのいずれかと接触しており、内部電極層２１（２２）と側面電極３１と導通性を確保している。
また、図１４に示すごとく、導電性接着剤３２は、側面電極３１の外表面３１１の凹部４１及び分割部３１９間の間隙３１８に入り込んで配設されている。なお、図１４は、セラミック積層体１０の電極接合面１０１付近を拡大して示したものである。
その他は、実施例１と同様の構成である。

この場合には、導電性接着剤３２は、側面電極３１の外表面３１１の凹部４１に加えて、分割部３１９間の間隙３１８にも入り込んで配設されている。そのため、導電性接着剤３２は、より一層アンカー効果を得ることができ、側面電極３１に対する密着性・接着性をさらに向上させることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、側面電極３１の分割部３１９は、様々なパターン、様々な形状で設けることができる。
図１５は、斜線状の分割部３１９を断続的に設けた例である。また、図１６は、Ｖ字状の分割部３１９を断続的に設けた例である。また、図１７は、ドット（島）状の分割部３１９を断続的に複数列設けた例である。
また、図１８（ａ）は、菱形状の分割部３１９を格子状に設けた例、図１８（ｂ）は、長方形状の分割部３１９を断続的に互い違いに設けた例、図１８（ｃ）は、六角形状の分割部３１９を格子状に設けた例である。なお、図１８（ａ）〜（ｃ）は、側面電極３１における分割部３１９のパターンのみを示したものである。

（実施例３）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１をインジェクタ６の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ６は、図１９に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ６は、同図に示すごとく、駆動部としての積層型圧電素子１が収容される上部ハウジング６２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部６４が形成される下部ハウジング６３を有している。

上部ハウジング６２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６２１内に、積層型圧電素子１が挿通固定されている。
縦穴６２１の側方には、高圧燃料通路６２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング６２上側部に突出する燃料導入管６２３内を経て外部のコモンレール（図示略）に連通している。

上部ハウジング６２上側部には、また、ドレーン通路６２４に連通する燃料導出管６２５が突設し、燃料導出管６２５から流出する燃料は、燃料タンク（図示略）へ戻される。
ドレーン通路６２４は、縦穴６２１と駆動部（積層型圧電素子）１との間の隙間６０を経由し、さらに、この隙間６０から上下ハウジング６２、６３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する３方弁６５１に連通してしる。

噴射ノズル部６４は、ピストンボデー６３１内を上下方向に摺動するノズルニードル６４１と、ノズルニードル６４１によって開閉されて燃料溜まり６４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔６４３を備えている。燃料溜まり６４２は、ノズルニードル６４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路６２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル６４１は、燃料溜まり６４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室６４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室６４４の圧力が降下すると、ノズルニードル６４１がリフトして、噴孔６４３が開放され、燃料噴射がなされる。

背圧室６４４の圧力は３方弁６５１によって増減される。３方弁６５１は、背圧室６４４と高圧燃料通路６２２、またはドレーン通路６２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路６２２またはドレーン通路６２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン６５２、油圧室６５３、小径ピストン６５４を介して、駆動される。

そして、本例においては、上記構成のインジェクタ６における駆動源として、本発明の積層型圧電素子１を用いている。この積層型圧電素子１は、上記のごとく、優れた耐久性及び信頼性を有するものである。そのため、インジェクタ６全体の性能向上を図ることができる。

実施例１における、積層型圧電素子の構造を示す説明図。 実施例１における、セラミック積層体の構造を示す説明図。 実施例１における、セラミック積層体の電極接合面を示す拡大図。 実施例１における、グリーンシートに印刷を施す工程を示す説明図。 実施例１における、グリーンシートに印刷を施した状態を示す説明図。 実施例１における、打抜積層装置の構成を示す説明図。 実施例１における、シート片を積層して中間積層体を作製する工程を示す説明図。 実施例１における、セラミック積層体を示す説明図。 実施例１における、側面電極用スラリーを塗布する工程を示す説明図。 実施例１における、側面電極用スラリーを塗布したセラミック積層体の電極接合面を示す拡大図。 実施例１における、側面電極を焼き付けたセラミック積層体の電極接合面を示す拡大図。 実施例１における、外部電極を接合する工程を示す説明図。 実施例２における、側面電極のその他の配設パターンを示す説明図。 実施例２における、セラミック積層体の電極接合面を示す拡大図。 実施例２における、側面電極のその他の配設パターンを示す説明図。 実施例２における、側面電極のその他の配設パターンを示す説明図。 実施例２における、側面電極のその他の配設パターンを示す説明図。 実施例２における、（ａ）〜（ｃ）側面電極のその他の配設パターンを示す説明図。 実施例３における、インジェクタの構造を示す説明図。

符号の説明

１ 積層型圧電素子
１０ セラミック積層体
１０１、１０２ 電極接合面
１１ 圧電層
２１、２２ 内部電極層
３１ 側面電極
３１１ 外表面
３２ 導電性接着剤
３３ 外部電極
４１ 凹部
４２ 空孔

Claims (18)

1. 圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面には、上記内部電極層に順次交互に導通される一対の側面電極が設けられ、該側面電極上には、導電性接着剤を介して外部電極が接合されている積層型圧電素子において、
   上記側面電極は、外表面に凹凸を有していると共に内部に複数の空孔を有しており、上記凹凸の凹部及び上記空孔は、焼失粒子を加熱によって焼失させて形成したものであり、
   上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込んで配設されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 請求項１において、上記側面電極は、Ａｇ及びガラスフリットを含有して構成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
3. 請求項１又は２において、上記側面電極における上記凹凸の凹部は、平均深さが１．５〜６μｍであることを特徴とする積層型圧電素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記側面電極における上記空孔は、平均内径が１．５〜６μｍであることを特徴とする積層型圧電素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記側面電極は、気孔率が２０〜６０％であることを特徴とする積層型圧電素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記側面電極は、上記セラミック積層体の積層方向に互いに間隔を設けて複数に分割された分割部により構成されており、上記導電性接着剤は、上記側面電極における上記分割部間の間隙に入り込んで配設されていることを特徴とする積層型圧電素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記セラミック積層体の外周面の少なくとも上記電極接合面には、少なくとも空隙を含んで構成される応力緩和層が１又は複数形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることを特徴とする積層型圧電素子。
9. 圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面には、上記内部電極層に順次交互に導通される一対の側面電極が設けられ、該側面電極上には、導電性接着剤を介して外部電極が接合されている積層型圧電素子を製造する方法において、
   上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層となる電極材料とを交互に積層してなる中間積層体を焼成し、上記セラミック積層体を得る積層体作製工程と、
   上記セラミック積層体の上記電極接合面に、その後の加熱によって焼失する焼失粒子を含有する側面電極用スラリーを塗布する側面電極用スラリー塗布工程と、
   上記側面電極用スラリーを加熱することにより、上記電極接合面に上記側面電極を焼き付け、かつ、上記焼失粒子を焼失させて、上記側面電極の外表面に凹凸を形成すると共に内部に複数の空孔を形成する側面電極焼付け工程と、
   上記側面電極上に上記導電性接着剤を塗布し、該導電性接着剤を上記側面電極における上記凹凸の凹部に入り込ませ、さらに上記導電性接着剤を介して上記外部電極を接合する外部電極接合工程とを有する積層型圧電素子の製造方法。
10. 請求項９において、上記側面電極用スラリーは、上記焼失粒子に加えてＡｇ及びガラスフリットを含有していることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
11. 請求項９又は１０において、上記側面電極用スラリーは、上記焼失粒子を８〜２４重量％含有していることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項において、上記焼失粒子は、カーボン粒子、炭化有機物粒子、又は樹脂粒子の少なくとも１種以上を含有することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
13. 請求項９〜１２のいずれか１項において、上記焼失粒子は、平均粒径が２〜７μｍであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
14. 請求項９〜１３のいずれか１項において、上記側面電極における上記凹凸の凹部は、平均深さが１．５〜６μｍであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
15. 請求項９〜１４のいずれか１項において、上記側面電極における上記空孔は、平均内径が１．５〜６μｍであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
16. 請求項９〜１５のいずれか１項において、上記側面電極は、気孔率が２０〜６０％であることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
17. 請求項９〜１６のいずれか１項において、上記側面電極用スラリー塗布工程では、上記セラミック積層体の上記電極接合面に、上記側面電極用スラリーを上記セラミック積層体の積層方向に互いに間隙を設けて複数部分に塗布し、上記側面電極焼付け工程では、上記電極接合面に、互いに間隙を設けて複数に分割された分割部により構成された上記側面電極を焼き付け、上記外部電極接合工程では、上記導電性接着剤を上記側面電極における上記分割部間の間隙に入り込ませて塗布することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
18. 請求項９〜１７のいずれか１項において、上記積層体作製工程では、上記中間積層体にその後の焼成によって焼失する焼失材料を含有する応力緩和層形成材料を予め配設しておき、上記中間積層体を焼成することにより、上記焼失材料を焼失させて、上記セラミック積層体の外周面の少なくとも上記電極接合面に、少なくとも空隙を含んで構成される応力緩和層を１又は複数形成することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。

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