JP2009123750A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電極の破断等の発生を抑制することができ、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供すること。
【解決手段】積層型圧電素子は、圧電層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、側面に設けられた外部電極５とを有する。外部電極５は、開口部７が形成されている開口領域５１と、外部電極５の一方の端部５０１に設けられ、開口部７が形成されていない非開口領域５２とを有する。外部電極５には、開口領域５１と非開口領域５２とが混在する混在領域５９が存在する。混在領域５９の積層方向Ｘにおける長さをａ、混在領域開口部５２の積層方向Ｘにおける開口長さをｂとした場合に、０．５ｂ≦ａ≦１０ｂの関係を満たし、かつ、開口領域５１と非開口領域５２との境界線Ｈの総延長をｃ、外部電極５の幅をｄとした場合に、両者の比（ｃ／ｄ）が１．０５〜３である。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、自動車用燃料噴射装置の圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子に関するものである。

圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子（適宜、圧電素子という）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に対して内部電極層に電流を供給するための外部電極を設けたものがある。そして、上記圧電素子は、外部電極から内部電極層に電流を供給し、圧電層に電圧を印加することによって変位が生じて駆動（伸縮）するように構成されている。

近年、小型の圧電アクチュエータを用い、高圧力下で大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが行われている。このような圧電アクチュエータに圧電素子を用いた場合、高圧力下、高電界で長時間駆動させることにより、セラミック積層体に設けられた外部電極が圧電素子の伸縮動作に追従することができず、クラックが発生し、破断を生じることがあった。そして、一部の圧電層に電圧が印加されなくなり、駆動中に変位特性が変化するといった問題が生じていた。

そこで、特許文献１では、セラミック積層体の側面に、図１７に示すごとく、伸縮可能な複数の開口部９７が形成された開口領域９５１と開口部９７が形成されていない非開口領域９５２とを有する外部電極９５を導電性接着剤によって接合した圧電素子が提案されている。上記構造の圧電素子は、開口領域９５１によって外部電極９５の耐久性を確保し、非開口領域９５２によって外部電極９５とそれに電流を供給する外部端子等との接続面積を確保することができる。

特開２００６−３０３０４４号公報

しかしながら、上記構成の外部電極を有する圧電素子は、使用環境がさらに厳しくなり、要求される性能が高くなれば、対応することができないおそれがある。すなわち、図１７に示すごとく、外部電極９５は、開口領域９５１と非開口領域９５２との境界（境界線Ｈ₀）がセラミック積層体の積層方向Ｘ（外部電極９５の長手方向）に直交する方向にある。そのため、境界付近に応力集中が起こり易くなり、外部電極９５の破断等の不具合を生じるおそれがある。そのため、耐久性及び信頼性の低下を招くおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、外部電極の破断等の発生を抑制することができ、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供しようとするものである。

本発明は、圧電材料よりなる複数の圧電層と導電性を有する複数の内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成された一対の側面に、上記内部電極層に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
上記外部電極は、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部が形成されている開口領域と、上記外部電極の一方の端部に設けられ、上記開口部が形成されていない非開口領域とを有し、
上記外部電極には、上記積層方向に対して垂直な方向に仮想線を引いたときに、該仮想線上に上記開口領域と上記非開口領域とが混在する混在領域が上記積層方向に所定の長さを有して存在し、
該混在領域の上記積層方向における長さをａ、上記開口領域内において上記混在領域と重なる部分に形成された上記開口部である混在領域開口部の上記積層方向における開口長さをｂとした場合に、０．５ｂ≦ａ≦１０ｂの関係を満たし、かつ、上記開口領域と上記非開口領域との境界線の総延長をｃ、上記外部電極の幅をｄとした場合に、両者の比（ｃ／ｄ）が１．０５〜３であ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、上記外部電極は、上記積層方向に伸縮可能な複数の上記開口部が形成されている開口領域と、上記外部電極の一方の端部に設けられ、上記開口部が形成されていない非開口領域とを有する。
そのため、上記圧電層の変位（以下、適宜、圧電変位という）によって上記外部電極に生じる応力を上記開口領域の上記開口部によって緩和することができる。また、外部電源から電力を供給するための外部端子等を上記外部電極に接続する部分の面積を上記非開口領域によって確保することができ、電気的な接続性を向上させることができる。

そして、本発明において最も注目すべき点は、上記外部電極には、上記積層方向に対して垂直な方向に仮想線を引いたときに該仮想線上に上記開口領域と上記非開口領域とが混在する混在領域が上記積層方向に所定の長さを有して存在する。
さらに、上記混在領域の上記積層方向における長さａと上記混在領域開口部の上記積層方向における開口長さｂとが上記関係式（０．５ｂ≦ａ≦１０ｂ）を満たし、上記開口領域と上記非開口領域との境界線における総延長ｃと上記外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）が上記特定の範囲（１．０５〜３）である。

すなわち、圧電変位によって上記外部電極に生じる応力が集中し易い上記開口領域と上記非開口領域との境界が存在する領域となる上記混在領域は、上記積層方向に所定の長さを有して、つまり上記積層方向にある一定の幅を持って存在する。そのため、上記開口領域と上記非開口領域との境界に及ぼされる応力を上記積層方向に分散させることができ、上記境界における応力集中を抑制することができる。
また、上記のａ〜ｄの値が上記関係式を満たすと共に上記特定の範囲であることにより、充分な長さの上記混在領域を確保することができると共に、上記混在領域に生じる応力を上記混在領域開口部によって充分に緩和することができる。そのため、上記混在領域を設けたことによる効果を有効に発揮することができる。

これにより、上記開口領域と上記非開口領域との境界における応力集中を効果的に抑制することができる。そして、上記外部電極の破断等の不具合の発生を抑制することができ、上記外部電極の耐久性を向上させることができる。
また、上記外部電極の耐久性の向上により、上述した上記開口領域及び上記非開口領域を設けたことによる効果を充分に発揮することができる。そして、上記積層型圧電素子全体の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

このように、本発明によれば、外部電極の破断等の発生を抑制することができ、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供することができる。

本発明において、上記混在領域開口部の開口長さｂは、伸縮していない状態の上記混在領域開口部の上記積層方向における長さ（開口幅）である。

また、上記開口領域と上記非開口領域との境界線は、例えば、次のように決定すればよい。
後述するように、上記外部電極を１つの部材で構成するような場合には、上記開口部を形成する上記開口領域と上記開口部を形成しない上記非開口領域とを決定してから、つまり、上記開口部を形成するための加工を施す加工領域と加工を施さない非加工領域とを決定してから、上記開口部を形成する。したがって、上記加工領域と上記非加工領域との境界線を上記開口領域と上記非開口領域の境界線とすればよい。
一方、上記外部電極をそれぞれ別々の部材で構成された上記開口領域と上記非開口領域とを結合させて構成するような場合には、上記開口領域を構成する部材と上記非開口領域を構成する部材との結合部分を上記境界線とすればよい。

また、上記混在領域の長さａと上記混在領域開口部の開口長さｂとの関係について、ａ＜０．５ｂの場合には、上記開口領域と上記非開口領域の境界付近にある上記混在領域に生じる応力を上記混在領域開口部によって充分に緩和することができないおそれがある。そのため、上記外部電極の破断等の発生を招くおそれがある。一方、ａ＞１０ｂの場合には、実質的に上記混在領域開口部の開口長さが小さくなり、上記混在領域に生じる応力を上記混在領域開口部によって充分に緩和することができないおそれがある。そのため、上記外部電極の破断等の発生を招くおそれがある。

また、上記開口領域と上記非開口領域との境界線の総延長ｃと上記外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）が１．０５未満である場合には、充分な長さの上記混在領域を確保することができないおそれがある。一方、（ｃ／ｄ）が３を超える場合には、上記非開口領域が大きくなり、アクチュエータへの搭載性が低下するおそれがある。

また、上記開口領域の上記開口部は、上記混在領域開口部と、上記開口領域内において上記混在領域と重ならない部分に形成された上記開口部である通常開口部とを有し、
上記混在領域開口部の上記積層方向における開口長さは、上記通常開口部の上記積層方向における開口長さよりも小さいことが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記開口領域と上記非開口領域との連結部分が増えるため、両者の境界における破断強度を向上させることができる。

なお、上記通常開口部の開口長さｅは、上記混在領域開口部と同様に、伸縮していない状態の上記通常開口部の上記積層方向における長さ（開口幅）である。

また、上記外部電極は、平板状に形成され、上記積層方向に長辺を有する長方形状を呈しており、
上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記外部電極の一方の側端からもう一方の側端までを１又は複数の直線又は曲線により繋いでなる構成とすることができる（請求項３）。

その例として、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、２本の直線を上記開口領域側に突出するように山状に繋いで構成されており、上記非開口領域は、全体として五角形状を呈している構成とすることができる（後述する実施例１の図３参照）（請求項４）。
なお、上記境界線は、２本の直線を上記開口領域側に凹ませるように谷状に繋いで構成することもできる。

また、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、複数の直線を上記開口領域側に突出する凸部を形成するように繋いで構成されており、上記非開口領域は、全体として凸形状を呈している構成とすることができる（後述する実施例２の図１１（ａ）参照）（請求項５）。
なお、上記境界線は、複数の直線を上記開口領域側に凹む凹部を形成するように繋いで構成することもできる。

また、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記積層方向に直交する方向に対して傾斜する１本の直線により構成されており、上記非開口領域は、全体として台形状を呈している構成とすることができる（後述する実施例２の図１１（ｂ）参照）（請求項６）。

また、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記非開口領域側に湾曲する曲線により構成することができる（後述する実施例２の図１２（ａ）参照）（請求項７）。
なお、上記境界線は、上記開口領域側に湾曲する曲線により構成することもできる。

また、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、山と谷とが交互に繰り返される波状の曲線により構成することができる（後述する実施例２の図１２（ｂ）参照）（請求項８）。

また、上記外部電極は、平板状に形成され、上記積層方向に長辺を有する長方形状を呈しており、
上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記外部電極の一方の側端からもう一方の側端までを１又は複数の直線及び曲線を組み合わせて繋いでなる構成とすることもできる（請求項９）。

また、上記外部電極の形状は、上記以外の様々な形状を採用することができる。
また、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線の形状や上記外部電極の上記非開口領域の形状は、上記以外の様々な形状とすることができる。

また、上記開口領域の上記開口部は、網目状に形成されていることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記開口領域の伸縮性を向上させることができ、上記開口領域による応力緩和効果をより一層発揮することができる。そのため、上記外部電極の破断等の発生をさらに抑制することができる。

また、上記開口部の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形等の様々な形状を採用することができる。
また、上記開口領域の上記開口部は、パンチング、エキスパンドメタル、エッチング等の加工方法を用いて形成することができる。このような加工方法を用いることによって、様々な形状の上記開口部を容易に形成することができる。

また、上記外部電極は、１つの部材で構成する、つまり上記開口領域と上記非開口領域とを一体的に構成することもできるし、それぞれ別々の部材で構成された上記開口領域と上記非開口領域とを結合させて構成することもできる。また、別々の部材で構成した場合には、上記開口領域と上記非開口領域とを同じ材料で構成することもできるし、異なる材料で構成することもできる。
また、上記外部電極を構成する材料としては、ＳＵＳ（ステンレス鋼）材、銅、リン青銅、バネ用金属材料等を用いることができる。

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に適用することができる（請求項１１）。
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、耐久性及び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。

（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、図２に示すごとく、圧電材料よりなる複数の圧電層１１と導電性を有する複数の内部電極層１３、１４とを交互に積層してなるセラミック積層体１５と、そのセラミック積層体１５の外周面１５０に形成された側面１５１、１５２に設けられた一対の側面電極２１、２２と、その側面電極２１、２２上に導電性接着剤２３を介して設けられた一対の外部電極５とを有する。

図２に示すごとく、内部電極層１３、１４は、導電性を有する内部電極部１３１、１４１と、その外周端部がセラミック積層体１５の外周面１５０よりも内方に所定の控え距離で控えた控え部１３２、１４２とを有している。内部電極層１３、１４は、交互に異なる側面電極２１、２２に電気的に接続されている。すなわち、内部電極部１３１、１４１が交互に異なる側面電極２１、２２に電気的に接続されている。
なお、内部電極部１３１、１４１及び控え部１３２、１４２の形状は、図４及び図５を参照されたい。

図１、図２に示すごとく、セラミック積層体１５は、その外周面１５０から内方に所定の深さで凹んだスリット状のスリット溝部１２を有する。
スリット溝部１２は、その内壁面に内部電極部１３１、１４１が露出しないように、セラミック積層体１５の外周面１５０全周に渡って周方向に形成されている。スリット溝部１２は、セラミック積層体１５の積層方向Ｘに一定の間隔で複数形成されている。

ここで、外部電極５について、さらに詳しく説明する。
外部電極５は、図１、図３に示すごとく、平板状に形成されており、積層方向Ｘに長辺を有する長方形状を呈している。外部電極５は、セラミック積層体１５の積層方向Ｘに伸縮可能な複数の開口部７が形成されている開口領域５１と、外部電極５の一方の端部５０１に設けられ、開口部７が形成されていない非開口領域５２とを有している。
また、外部電極５には、積層方向Ｘに対して垂直な方向に仮想線Ｇ（図３参照）を引いたときに、仮想線Ｇ上に開口領域５１と非開口領域５２とが混在する混在領域５９が積層方向Ｘに所定の長さを有して存在する。

図３に示すごとく、開口領域５１は、菱形状の開口部７を規則正しく網目状に複数有している。開口部７には、導電性接着剤２３が入り込み、外部電極５と導電性接着剤２３とが碇状接合を形成している。
一方、非開口領域５２は、開口領域５１と異なり、開口部７を有しておらず、外部電極５の一方の端部５０１に平板状に形成されている。
開口領域５１と非開口領域５２との境界線Ｈは、外部電極５の一方の側端５０３からもう一方の側端５０４までを複数の直線により繋いでなる。本例の境界線Ｈは、２本の直線を開口領域５１側に突出するように山状に繋いで構成されている。したがって、本例の非開口領域５２は、全体として五角形状を呈している。

また、同図に示すごとく、開口領域５１の開口部７は、開口領域５１と混在領域５９とが重なる部分に形成された混在領域開口部７２と、開口領域５１と混在領域５９とが重ならない部分に形成された通常開口部７１とを有する。
なお、本例では、通常開口部７１及び混在領域開口部７２は、同じサイズ、同じ形状である。

また、同図に示すごとく、混在領域５９の積層方向Ｘにおける長さａは０．６ｍｍであり、混在領域開口部７２の積層方向Ｘにおける開口長さｂは０．２５ｍｍである。両者は、０．５ｂ≦ａ≦１０ｂの関係を満たす。
また、開口領域５１と非開口領域５２との境界線Ｈの総延長ｃは３．４ｍｍであり、外部電極５の幅ｄは３ｍｍである。両者の比（ｃ／ｄ）は、１．０５〜３の範囲内である。本例では、（ｃ／ｄ）＝１．１３である。

また、外部電極５は、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）で構成されている。また、下地としてのＮｉメッキが施されており、その上にＡｇメッキが施されている。
なお、外部電極５の材料としては、上記以外のＳＵＳ材、銅、リン青銅、バネ用金属材料等を用いることができる。

次に、本例の積層型圧電素子の製造方法につき、図を用いて説明する。
本例においては、グリーンシート作製工程、電極印刷工程、焼失スリット印刷工程、圧着工程、積層体切断工程、焼成工程及び外部電極接合工程を行うことにより、積層型圧電素子を作製する。
以下、製造方法を工程ごとに説明する。

＜グリーンシート作製工程＞
まず、圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてＰｂ₃Ｏ₄、ＳｒＣＯ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃及びＮｂ₂Ｏ₅を準備し、これらの出発原料を目的組成ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｙ_1/2Ｎｂ_1/2）Ｏ₃となるような化学量論比で秤量し、湿式混合し、温度８５０℃で５時間仮焼した。次に、仮焼粉をパールミルにより湿式粉砕した。この仮焼粉粉砕物（粒径（Ｄ₅₀値）：０．７±０．０５μｍ）を乾燥した後、溶剤、バインダ、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合し、得られた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、粘度調整をした。

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上に塗布し、厚さ８０μｍの長尺のグリーンシートを成形した。このグリーンシートを所定の大きさに切断して、幅広のグリーンシート１１０（図４〜図６）を作製した。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法のほか、押出成形法やその他種々の方法を採用することができる。

＜電極印刷工程＞
次に、図４、図５に示すごとく、グリーンシート１１０上に内部電極部１３１、１４１となる電極材料１３０、１４０を印刷し、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２の２種類のシートを形成した。
以下に、電極印刷シート３１、３２の形成についてさらに説明する。

第１電極印刷シート３１の形成に当たっては、図４に示すごとく、グリーンシート１１０上の印刷領域４１において、最終的に内部電極部１３１となる部分に電極材料１３０を印刷して、第１電極印刷シート３１を形成した。
また、第２電極印刷シート３２の形成に当たっては、第１電極印刷シート３１と同様に、図５に示すごとく、グリーンシート１１０上の印刷領域４１において、内部電極部１４１となる部分に電極材料１４０を印刷した。これにより、第２電極印刷シート３２を形成した。

第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２においては、グリーンシート１１０上に形成された電極材料１３０、１４０がそれぞれ異なる側面に露出している。
なお、本例では、電極材料１３０、１４０として、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いた。また、上記以外にも、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ等の単体、Ｃｕ／Ｎｉ等の合金を用いることができる。

＜焼失スリット印刷工程＞
また、本例では、製造しようとする積層型圧電素子１のセラミック積層体１５の側面にスリット溝部１２（図１、図２参照）を設けるため、図６に示すごとく、焼失スリット印刷シート３３を形成する焼失スリット印刷工程を行った。

焼失スリット印刷シート３３の形成に当たっては、同図に示すごとく、上記のグリーンシート１１０上の印刷領域４１において、最終的にスリット溝部１２となる部分に焼成によって焼失する焼失材料よりなる焼失スリット層１２０を印刷した。これにより、焼失スリット印刷シート３３を形成した。

なお、本例では、焼失スリット層１２０を構成する焼失材料として、熱変形が小さく、焼成工程によって形成される溝の形状精度を高く維持し得るカーボン粒子よりなる材料を用いた。また、カーボン粒子以外にも、炭化させたパウダー状の炭化有機物粒子を用いることもできる。この炭化有機物粒子は、パウダー状の有機物粒子を炭化して得ることができるほか、炭化させた有機物を粉砕して得ることもできる。さらに、上記有機物としては、樹脂等の高分子材料（例えば、アクリル樹脂等）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、製造コストを抑制することができる。また圧電素子を焼成後に機械加工によりスリットを形成させることもできる。

また、電極印刷工程及び焼失スリット印刷工程では、図４〜図６に示すごとく、後工程の積層体切断工程において切断される部分を避けるように間隙４２を空けて、電極材料１３０、１４０及び焼失スリット層１２０の印刷を行う。つまり、グリーンシート１１０上の隣接する印刷領域４１の間に間隙４２を設けて印刷を行う。

＜圧着工程＞
次に、図７に示すごとく、形成した第１電極印刷シート３１、第２電極印刷シート３２及び焼失スリット印刷シート３３を所定の順序で各印刷領域４１を積層方向に揃えて積層した。このとき、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２を交互に積層し、スリット溝部１２を形成したい位置に焼失スリット印刷シート３３を挿入して積層した。

具体的には、本例においては、第１電極印刷シート３１と第２電極印刷シート３２との積層構造１１層毎に焼失スリット印刷シート３３を積層し、第１電極印刷シート３１及び第２電極印刷シート３２とが合計で５９枚となるように積層し、さらに積層方向の両端に電極材料１３０、１４０及び焼失スリット層１２０が印刷されていないグリーンシート１１０を積層した。そして、第１電極印刷シート３１と第２電極印刷シート３２とは、電極材料１３０と電極材料１４０とが交互に印刷領域４１の対向する端面に露出するように積層した。

このようにして積層したシートを温度１００℃で加熱すると共に、積層方向に５０ＭＰａで加圧し、予備積層体１００を作製した。
なお、図７においては、図面作成の便宜のため、実際の積層数を省略した形で予備積層体１００を示してある。

＜積層体切断工程＞
次に、図８〜図１０に示すごとく、形成した予備積層体１００を切断位置４３に沿って積層方向に切断し、中間積層体１０を形成した。
なお、予備積層体１００の切断は、各中間積層体１０ごとに切断してもよいし、複数の中間積層体１０を含んで切断してもよい。本例においては、各中間積層体１０ごとに切断し、各電極材料１３０、１４０及び焼失スリット層１２０が中間積層体１０の側面に露出するように切断を行った。
なお、図９、図１０においては、図面作成の便宜のため、実際の積層数を省略した形で予備積層体１００及び中間積層体１０を示してある。

＜焼成工程＞
次に、中間積層体１０のグリーンシート１１０に含有されているバインダ樹脂を９０％以上加熱除去（脱脂）した。加熱は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温し、５時間保持することにより行った。
次に、脱脂した中間積層体１０を焼成した。焼成は、温度１０５０℃まで１２時間かけて徐々に昇温させ、２時間保持後、徐々に冷却することにより行った。

このようにして、焼失スリット層１２０が焼失して形成されたスリット状のスリット溝部１２を有するセラミック積層体１５（図１、図２参照）を作製した。スリット溝部１２は、セラミック積層体１５の外周面１５０全周に渡ってスリット状の空間を設けてなる。
また、作製したセラミック積層体１５は、グリーンシート１１０が焼結してなる圧電層１１と電極材料１３０、１４０により形成された内部電極部１３１、１４１を含む内部電極層１３、１４とを交互に積層してなる。

次に、全面研磨を行って縦６ｍｍ×横６ｍｍ×高さ４．８ｍｍのセラミック積層体１５を作製し、さらに、図２を参照のごとく、セラミック積層体１５の側面１５１、１５２に、側面電極２１、２２を形成した。このとき、各内部電極層１３、１４は、それぞれ交互に異なる側面１５１、１５２の側面電極２１、２２に電気的に接続される。
なお、本例では、側面電極２１、２２の材料として、ガラス成分入りの銀ペーストを用いた。そして、これを焼き付けて側面電極２１、２２を形成した。

＜外部電極接合工程＞
次に、接合する外部電極５の作製方法について説明する。
本例においては、外部電極５の材料として、厚み０．１ｍｍのＳＵＳ３０４製のシート材を準備し、プレス機による打ち抜き（パンチング）加工を行うことによって開口部７を形成し、外部電極５を作製した。このとき、通常開口部７１及び混在領域開口部７２を形成するためのパンチング加工は、それぞれプレス型を交換して行った。
その後、加工後のシート材に対して表面処理を行い、電解Ｎｉメッキ（約０．１μｍ）、電解Ａｇメッキ（約１．５μｍ）を施した。

なお、外部電極５の加工方法としては、上記のパンチング加工の他、エキスパンドメタル加工、エッチング加工等の方法を用いることもできる。
例えば、エキスパンドメタル加工を用いて行う場合には、開口部（ラス部）加工を行うプレスの刃を非開口部（トラビス部）加工時に部分的に止める間欠仕様のプレスにて、外部電極５を作製する。
また、エッチング加工であるフォトエッチング加工方法を用いて行う場合には、まず、シート材を洗浄し、レジストコーティング、プレベーキング、露光、現像、ポストベーキングの各工程を順に行う。そして、シート材をエッチング溶液に浸漬させ、所定の形状に加工する。その後、レジスト膜を除去し、洗浄する。以上により、外部電極５を作製する。

そして、図２を参照のごとく、開口部７を形成した外部電極５を準備した後、側面電極２１、２２上に導電性接着剤２３を塗布した。そして、塗布した導電性接着剤２３に一対の外部電極５を配置した。このとき、外部電極５の開口部７に導電性接着剤２３が入り込むように外部電極５を配置する。その後、導電性接着剤２３を加熱硬化させ、外部電極５を接合した。
なお、導電性接着剤２３としては、エポキシ樹脂中に鱗片状のＡｇフィラーを分散させたものを用いた。また、導電性接着剤２３は、樹脂成分がシリコーン変性エポキシやシリコーン樹脂であってもよい。また、本例では、導電性接着剤２３を用いて外部電極５を接合したが、半田等を用いて接合することもできる。
以上により、積層型圧電素子１を完成させた。

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、外部電極５は、積層方向Ｘに伸縮可能な複数の開口部７が形成されている開口領域５１と、外部電極５の一方の端部５０１に設けられ、開口部７が形成されていない非開口領域５２とを有する。
そのため、圧電層１１の変位（圧電変位）によって外部電極５に生じる応力を開口領域５１の開口部７によって緩和することができる。また、外部から電力を供給するための外部端子等を外部電極５に接続する部分の面積を非開口領域５２によって確保することができ、電気的な接続性を向上させることができる。

そして、本例において最も注目すべき点は、外部電極５には、積層方向Ｘに対して垂直な方向に仮想線Ｇを引いたときに、仮想線Ｇ上に開口領域５１と非開口領域５２とが混在する混在領域５９が積層方向Ｘに所定の長さを有して存在する。
さらに、混在領域５９の積層方向Ｘにおける長さａと混在領域開口部７２の積層方向Ｘにおける開口長さｂとが上記関係式（０．５ｂ≦ａ≦１０ｂ）を満たし、開口領域５１と非開口領域５２との境界線Ｈの総延長ｃと外部電極５の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）が上記特定の範囲（１．０５〜３）である。

すなわち、圧電変位によって外部電極５に生じる応力が集中し易い開口領域５１と非開口領域５２との境界（境界線Ｈ）が存在する領域となる混在領域５９は、積層方向Ｘに所定の長さを有して、つまり積層方向Ｘにある一定の幅を持って存在する。そのため、開口領域５１と非開口領域５２との境界に及ぼされる応力を積層方向Ｘに分散させることができ、上記境界における応力集中を抑制することができる。
また、上記のａ〜ｄの値が上記関係式を満たすと共に上記特定の範囲であることにより、充分な長さの混在領域５９を確保することができると共に、混在領域５９に生じる応力を混在領域開口部７２によって充分に緩和することができる。そのため、混在領域５９を設けたことによる効果を有効に発揮することができる。

これにより、開口領域５１と非開口領域５２との境界における応力集中を効果的に抑制することができる。そして、外部電極５の破断等の不具合の発生を抑制することができ、外部電極５の耐久性を向上させることができる。
また、外部電極５の耐久性の向上により、上述した開口領域５１及び非開口領域５２を設けたことによる効果を充分に発揮することができる。そして、積層型圧電素子１全体の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

また、本例では、開口領域５１の開口部７は、網目状に形成されている。そのため、開口領域５１の伸縮性を向上させることができ、開口領域５１による応力緩和効果をより一層発揮することができる。これにより、外部電極５の破断等の発生をさらに抑制することができる。

また、セラミック積層体１５は、その外周面１５０から内方に所定の深さで凹んだスリット状のスリット溝部１２を有する。そして、スリット溝部１２は、セラミック積層体１５の外周面１５０全周に渡って周方向に形成されている。また、スリット溝部１２は、セラミック積層体１５の積層方向Ｘに一定の間隔で複数形成されている。そのため、セラミック積層体１５の積層方向Ｘに累積する応力をスリット溝部１２によって効果的に緩和することができ、積層型圧電素子１全体の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

このように、本例によれば、外部電極の破断等の発生を抑制することができ、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１１、図１２に示すごとく、外部電極５における境界線Ｈ及び非開口領域５２の形状を変更した例である。

図１１（ａ）の例では、境界線Ｈは、複数の直線を開口領域５１側に突出する凸部を形成するよう繋いで構成されている。非開口領域５２は、全体として凸形状を呈している。
図１１（ｂ）の例では、境界線Ｈは、積層方向Ｘに直交する方向に対して傾斜する１本の直線により構成されている。非開口領域５２は、全体として台形状を呈している。

図１１（ｃ）の例では、境界線Ｈは、複数の直線を開口領域５１側に台形状に突出するよう繋いで構成されている。
図１１（ｄ）の例では、境界線Ｈは、複数の直線を山と谷とが交互に繰り返されるよう繋いで構成されている。

図１２（ａ）の例では、境界線Ｈは、非開口領域５２側に湾曲する曲線により構成されている。
図１２（ｂ）の例では、境界線Ｈは、山と谷が交互に繰り返される波状の曲線により構成されている。

上記のいずれの例においても、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、本例では、開口領域５１と非開口領域５２との境界線Ｈを直線又は曲線のみで構成しているが、直線及び曲線を組み合わせて構成することもできる。この場合も、同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１３に示すごとく、外部電極５の開口領域５１において、通常開口部７１及び混在領域開口部７２の開口長さの関係を変更した例である。

本例の外部電極５では、同図に示すごとく、混在領域開口部７２の積層方向における開口長さは、通常開口部７１の積層方向における開口長さよりも小さい。そして、混在領域開口部７２の開口長さをｂ、通常開口部７１の開口長さをｅとした場合に、ｂ＜ｅの関係を満たす。本例では、ｂ＝０．１５ｍｍであり、ｅ＝０．３５ｍｍである。

この場合には、開口領域５１と非開口領域５２との境界における機械的強度（破断強度）を向上させることができ、外部電極５の破断等の不具合の発生をより一層抑制することができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、外部電極の引張り強度を調べた例である。
本例では、外部電極の開口領域と非開口領域との境界線における総延長ｃと外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）が異なる複数の外部電極を準備し、それぞれについて引張り強度を測定した。
なお、準備した外部電極の基本的な構成は、実施例１と同様である（図３参照）。ただし、（ｃ／ｄ）＝１の外部電極は、従来の構成のものである（図１７参照）。

次に、測定方法について説明する。
計測機としてオートグラフ（島津製作所製：ＡＧＳ−１００Ｂ）を準備した。次いで、図１４（ａ）、（ｂ）に示すごとく、外部電極５の開口領域５１と非開口領域５２とをチャック治具８１により挟持した。このとき、開口領域５１を挟持しているチャック治具８１と非開口領域５２を挟持しているチャック治具８１との間に、混在領域５９が位置するようにした。なお、チャックスパンは２０ｍｍとした。そして、ロードセル：５００Ｎ、測定速度：１．０ｍｍ／分の条件でチャック治具８１を上下方向に引っ張り、外部電極５が破断した際の引張強度（破断強度）を測定した。

次に、測定結果を図１５に示す。同図は、開口領域と非開口領域との境界線の総延長ｃと外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）と引張強度比との関係を示したものである。なお、引張強度比は、（ｃ／ｄ）＝１のときの引張強度を１としている。
同図からわかるように、（ｃ／ｄ）の値が大きくなるほど、引張強度比が高くなっている。すなわち、同図の結果から、（ｃ／ｄ）の値が大きくなるほど、破断強度が高くなり、外部電極の耐久性が高くなることがわかる。

したがって、本発明のように、上記の（ｃ／ｄ）の値を１．０５以上とすることが好ましい。なお、（ｃ／ｄ）の値の上限は、開口領域と非開口領域との境界線の総延長ｃが外部電極の幅ｄよりも大きくなり過ぎると、アクチュエータへの搭載性が低下するという理由により、３としている。

（実施例５）
本例は、積層型圧電素子の振動耐久性について調べた例である。
本例では、外部電極の開口領域と非開口領域との境界線における総延長ｃと外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）が異なる複数の外部電極を準備し、積層型圧電素子を作製した。そして、積層型圧電素子をシリコーン樹脂でモールドした状態で金属筐体に封入、溶接することによりアクチュエータサブアセンブリを作製し、このアクチュエータサブアセンブリに一定時間振動を加えて振動耐久性を調べた。
なお、準備した外部電極の基本的な構成は、実施例１と同様である（図３参照）。ただし、（ｃ／ｄ）＝１の外部電極は、従来の構成のものである（図１７参照）。

次に、評価方法について説明する。
振動試験機（ＩＭＶ製：ＶＳ−５０００−３５）を準備し、アクチュエータサブアセンブリに対して３０Ｇ０−ｐ、２０〜２０００Ｈｚの条件で振動を与えた。そして、一定時間（５０、１００、２００、５００時間）加振させ、外部電極の状態を調べた。
評価基準は、外部電極が破断せず断線しなかった場合には○、外部電極が破断して断線した場合には×とした。

次に、評価結果を表１に示す。
同表からわかるように、開口領域と非開口領域との境界線における総延長ｃと外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）の値が大きくなるほど、外部電極が破断して断線するまでの時間が長くなる。すなわち、同表の結果から、（ｃ／ｄ）の値が大きくなるほど、外部電極の耐久性が高くなることがわかる。

したがって、本発明のように、上記の（ｃ／ｄ）の値を１．０５以上とすることが好ましい。なお、（ｃ／ｄ）の値の上限は、開口領域と非開口領域との境界線の総延長ｃが外部電極の幅ｄよりも大きくなり過ぎると、アクチュエータへの搭載性が低下するという理由により、３としている。

（実施例６）
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１６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、実施例１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、積層型圧電素子の断面構造を示す説明図。 実施例１における、外部電極の構成を示す説明図。 実施例１における、第１電極印刷シートを形成する工程を示す説明図。 実施例１における、第２電極印刷シートを形成する工程を示す説明図。 実施例１における、焼失スリット印刷シートを形成する工程を示す説明図。 実施例１における、電極印刷シート及び焼失スリット印刷シートを積層する工程を示す説明図。 実施例１における、予備積層体の上面図。 実施例１における、予備積層体の断面図。 実施例１における、中間積層体の断面構造を示す説明図。 実施例２における、（ａ）〜（ｄ）外部電極のその他の構成を示す説明図。 実施例２における、（ａ）、（ｂ）外部電極のその他の構成を示す説明図。 実施例３における、外部電極のその他の構成を示す説明図。 実施例４における、（ａ）引張り強度の測定方法を示す説明図、（ｂ）図１４（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 実施例４における、境界線の総延長ｃと外部電極の幅ｄとの比（ｃ／ｄ）と引張強度比との関係を示したグラフ。 実施例６における、インジェクタの構造を示す説明図。 従来における、外部電極の構成を示す説明図。

符号の説明

１ 積層型圧電素子
１０ セラミック積層体
１１ 圧電層
１３、１４ 内部電極層
１５ セラミック積層体
１５１、１５２ 側面
５ 外部電極
５０１ 端部
５１ 開口領域
５２ 非開口領域
５９ 混在領域
７ 開口部

Claims (11)

1. 圧電材料よりなる複数の圧電層と導電性を有する複数の内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成された一対の側面に、上記内部電極層に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
   上記外部電極は、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部が形成されている開口領域と、上記外部電極の一方の端部に設けられ、上記開口部が形成されていない非開口領域とを有し、
   上記外部電極には、上記積層方向に対して垂直な方向に仮想線を引いたときに、該仮想線上に上記開口領域と上記非開口領域とが混在する混在領域が上記積層方向に所定の長さを有して存在し、
   該混在領域の上記積層方向における長さをａ、上記開口領域内において上記混在領域と重なる部分に形成された上記開口部である混在領域開口部の上記積層方向における開口長さをｂとした場合に、０．５ｂ≦ａ≦１０ｂの関係を満たし、かつ、上記開口領域と上記非開口領域との境界線の総延長をｃ、上記外部電極の幅をｄとした場合に、両者の比（ｃ／ｄ）が１．０５〜３であ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、上記開口領域の上記開口部は、上記混在領域開口部と、上記開口領域内において上記混在領域と重ならない部分に形成された上記開口部である通常開口部とを有し、
   上記混在領域開口部の上記積層方向における開口長さは、上記通常開口部の上記積層方向における開口長さよりも小さい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、上記外部電極は、平板状に形成され、上記積層方向に長辺を有する長方形状を呈しており、
   上記開口領域と上記非開口領域との境界線は、上記外部電極の一方の側端からもう一方の側端までを１又は複数の直線又は曲線により繋いでなることを特徴とする積層型圧電素子。
4. 請求項３において、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、２本の直線を上記開口領域側に突出するように山状に繋いで構成されており、上記非開口領域は、全体として五角形状を呈していることを特徴とする積層型圧電素子。
5. 請求項３において、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、複数の直線を上記開口領域側に突出する凸部を形成するように繋いで構成されており、上記非開口領域は、全体として凸形状を呈していることを特徴とする積層型圧電素子。
6. 請求項３において、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記積層方向に直交する方向に対して傾斜する１本の直線により構成されており、上記非開口領域は、全体として台形状を呈していることを特徴とする積層型圧電素子。
7. 請求項３において、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記非開口領域側に湾曲する曲線により構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３において、上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、山と谷とが交互に繰り返される波状の曲線により構成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
9. 請求項１又は２において、上記外部電極は、平板状に形成され、上記積層方向に長辺を有する長方形状を呈しており、
   上記開口領域と上記非開口領域との上記境界線は、上記外部電極の一方の側端からもう一方の側端までを１又は複数の直線及び曲線を組み合わせて繋いでなることを特徴とする積層型圧電素子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、上記開口領域の上記開口部は、網目状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
11. 請求項１〜１０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。

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