WO2005086247A1 - 積層型圧電素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

　高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータの変位量を大きくでき、かつ、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ことがない、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供するために、少なくとも１つの圧電体と第１及び第２の内部電極からなる複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、前記積層体の第１の側面に形成されて前記第１の内部電極に接続された第１の外部電極と、前記積層体の第２の側面に形成されて前記第２の内部電極に接続された第２の外部電極とを有し、前記圧電体と前記内部電極との間の接合強度を前記圧電体の曲げ強度より弱くした。

Description

明 細 書

積層型圧電素子とその製造方法

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、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、ョ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、圧電スィ ツチ、圧電トランス、圧電ブレーカ一等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧 電素子に関するものである。 背景技術

[0002] 従来より、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いた積層型圧 電ァクチユエータが知られている。積層型圧電ァクチユエータには、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内部電極を交互に積層したスタックタ イブの 2種類があるが、低電圧化、製造コスト低減の面、薄層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ァクチユエ ータが優位性を示しつつある。

[0003] 図 24A、図 24Bは、特許文献 1に開示された従来の積層型圧電素子を示すもので 、積層体 103と、その対向する一対の側面に形成された外部電極 105とから構成さ れている。積層体 103は、圧電体 101と内部電極 102とが交互に積層されてなるが、 内部電極 102は圧電体 101の主面全体には形成されず、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積層体は、内部電極 102がー層おきに側面に露出 するように左右互い違いに積層されている。このように、従来の同時焼成タイプの積 層型圧電素子は、極性の異なる内部電極と外部電極が接触しないように部分電極構 造の内部電極パターンを有していた。また、積層体の側面において、内部電極を 1つ おきに絶縁体で被覆して外部電極と絶縁したものもある。このように、いずれのタイプ のものでも、積層体の側面に一層おきに内部電極を露出させておいて、積層体 103 の対向する一対の側面に一層おきに露出した内部電極に接続されるように外部電極

105が形成される。尚、積層体 103の積層方向における両端面には不活性層 104が 積層されている。

[0004] また、従来の積層型圧電素子は、圧電体材料を含む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たものを複数積層して焼成することによって積層体 103を作 製し、積層体 103の一対の側面に外部電極 105を形成することにより作製される（例 えば特許文献 1参照)。尚、セラミックグリーンシートには内部電極ペーストが図 24B に示すような所定のパターンで印刷される。

[0005] このような同時焼成タイプの積層型圧電素子は、内部電極 102と圧電体 101を密 着させるために、内部電極 102の焼結温度と圧電体 101の焼結温度を一致させるこ とが求められ、その要求を満たすように、内部電極 102や圧電体 101の材料組成が 検討されている。

通常、内部電極 102として、銀とパラジウムの合金が用いられる力 圧電体 101と内 部電極 102を同時焼成するために、その組成比は、通常、銀 70重量％、パラジウム 30重量％に設定される（例えば、特許文献 2参照)。

[0006] また、ノ《ラジウムを含む銀-パラジウム合金含有の金属組成力もなる内部電極 102 は、銀が素子表面を伝わって移動するという、いわゆるシルバーマイグレーション現 象を抑制できる。すなわち、銀のみの組成では、対向する内部電極 102間に電位差 を与えた場合、その正極力 負極へ電極中の銀が素子表面を伝わって移動するシ ルバ一マイグレーション現象が生じる。この現象は、高温、高湿の雰囲気中で、発生 が著しい。

[0007] また、内部電極に関しては、積層セラミックコンデンサの分野では、特許文献 3にお いて、内部電極の端部に空隙を設けることが提案されている。これは、誘電体層と内 部電極層の界面で誘起された応力を緩和して、耐基板曲げ性等の信頼性に優れ、 電気特性の安定性と高性能の品質を有する積層セラミックコンデンサを提供すること を目的とするものである。

[0008] し力しながら、積層型圧電素子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）とは異なり、通電に伴い電界が印加されると圧電体の磁器が大きく変形（ 変位)する。また、駆動回数と圧電体磁器の変形回数が同じである。

この点を考慮して、頻繁に変位を伴う積層型圧電素子では、内部電極の耐久性を 維持する目的で、内部電極を緻密構造にしていた。

[0009] 以上のように構成される積層型圧電素子において、リード線を外部電極 105に半田 により固定し、外部電極 105間に所定の電圧を印加して駆動することにより、圧電ァ クチユエータとして使用することができる。

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 2002-231558号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] し力しながら、近年においては、小型の圧電ァクチユエータ用の積層型圧電素子で は、大きな圧力下において大きな変位量が求められているが、従来の積層型圧電素 子は、圧電体 101が内部電極 102にクランプされた状態となり、圧電体 101の変位量 を大きくできな 、と 、う問題があった。

また、緻密な内部電極では、近年求められているような大きな変位量を効率良く得 ることが難し!/、と!/、う問題も生じて!/、た。

さらに、積層型圧電素子を長時間駆動すると、素子温度が上昇し、この素子温度が 放熱量を上回ると熱暴走現象が生じて破壊に至り、変位量が急激に劣化する問題が めつに。

[0011] またさらに、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ァ クチユ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して装置が誤作動 する問題を生じていた。そのため、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。

また、積層型圧電素子を高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、部分電 極構造に起因して、特定の部分で変位が大きくなり、その部分が起点となって積層部 分がはがれて破壊するという問題があった。

[0012] また、そのような特定の部位の変位によ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することがあるという問題があった。そ のうなり音や高調波信号がノイズ成分となって、ァクチユエータとして用いた場合、誤 作動の原因となるという問題があった。

また、部分電極構造では、異なる極性の内部電極に挟まれた圧電体のみが変位を 示し、内部電極に挟まれていない圧電体は変位を示さないために、高電界、高圧力 下で長期間連続駆動させた場合、前記内部電極と前記絶縁領域の境界に応力が集 中する。この応力に起因して、絶縁領域である圧電体にクラックが発生し、クラックを 伝って、極性の異なる内部電極と外部電極間でショートして積層型圧電体素子が破 壊する問題があった。

[0013] 上述したようなクラックが発生した場合、圧電体の変位機能低下を引き起こすため、 積層型圧電素子の駆動変位量が変化し、信頼性と耐久性が劣化する。

[0014] そこで、本発明は、高電圧、高圧力下で圧電ァクチユエータの変位量を大きくでき、 かつ、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ことが な 、、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 課題を解決するための手段

[0015] 本発明に係る第 1の積層型圧電素子は、圧電体と内部電極間の接合強度を、圧電 体の曲げ強度との関係において、適切な範囲に設定することにより、圧電体が内部 電極にクランプされた状態であってもクランプ力を小さくすることができることを見出し て完成させたものである。

[0016] すなわち、本発明に係る第 1の積層型圧電素子は、少なくとも 1つの圧電体と第 1及 び第 2の内部電極カゝらなる複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、 前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された 第 2の外部電極とを有し、前記圧電体と前記内部電極との間の接合強度を前記圧電 体の曲げ強度より弱くしたことを特徴とする。

[0017] また、本発明に係る第 2及び第 3の積層型圧電素子は、これまでの考え方と異なり、 敢えて内部電極に空隙を設けることにより、変位量が格段に向上し、また同時に耐久 性が向上することも見出し完成させたものである。

[0018] すなわち、本発明に係る第 2の積層型圧電素子は、少なくとも 1つの圧電体と第 1及 び第 2の内部電極カゝらなる複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、 前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された 第 2の外部電極とを有し、前記内部電極は空隙を含み、前記内部電極の断面におい て前記空隙の占める面積の割合が 5— 70%であることを特徴とする。

[0019] また、本発明に係る第 3の積層型圧電素子は、少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極からなる複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、前記積 層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外部電極と 、前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、前記積層体の積層方向に前記内部電極を貫通する空隙を設けた ことを特徴とする。

[0020] 本発明に係る第 4の積層型圧電素子は、発明者が見出した次のような知見に基づ き完成させたものである。

すなわち、積層型圧電素子は、コンデンサ等の他の積層型電子部品とは異なり、 駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。そのため、高電界、高圧力下で 長期間連続駆動させた場合、異なる極性の内部電極が圧電体を介して重なる部分 のみが実効的な圧電変位をする。この際、異なる極性の内部電極が圧電体を介して 重なる部分の形状が線対称形状であると、対称の中心線となる一直線上が最も変位 が大きくなり、その一直線上にある素子側面が起点となり、積層部分がはがれて破壊 する。

[0021] さらに、変位がそろった一直線が存在することで、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って、ァク チユエータとして用いた場合、誤作動の原因となる。

また、このような変位の大きい部分が在ることにより、長期間繰り返し動作をさせた場 合、変位量が変化して耐久性を劣化させていた。

[0022] 以上の知見に基づいて完成された本発明に係る第 4の積層型圧電素子は、少なく とも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交互に積層 されてなる積層体と、前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に 接続された第 1の外部電極と、前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内 部電極に接続された第 2の外部電極とを有し、前記第 1の内部電極と前記第 2の内 部電極が対向する対向部分の形状は、非線対称形状であることを特徴とする。

[0023] 本発明に係る第 5の積層型圧電素子は、発明者が見出した以下のような知見に基 づ 、てなされたものである。

上述したように、極性の異なる外部電極と絶縁をとるために内部電極が形成されて Vヽな 、領域である絶縁領域に位置する圧電体は、異なる極性の内部電極間に挟ま れて 、な 、ため、積層型圧電素子を駆動させても前記圧電体は変位を示さな 、。 したがって、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、異なる極性の内部 電極に挟まれた圧電体のみが変位を示し、異なる極性の内部電極に挟まれて 、な V、圧電体は変位を示さな!/、ために、前記内部電極と前記絶縁領域の境界に応力が 集中する。そのような応力が集中する境界では、圧電体にクラックが発生し易い。また 、クラックが発生した場合、クラックを伝って、極性の異なる内部電極と外部電極間で ショートすると素子が破壊する。

[0024] また、圧電体は絶縁体であることから、異なる極性の内部電極間で電流が流れるこ とがないため、積層型圧電素子を駆動するための電圧は電極パターン端部に集中 するいわゆるエッジ効果を発生する。そのため、異なる極性の内部電極に挟まれた 圧電体のなかでも、電極パターン端部に挟まれた部位の変位が大きく変化しようとす る。しかし、異なる極性の内部電極に挟まれていない圧電体は変位を示さないため に、その境界により大きな応力が集中する。

[0025] かかる場合、内部電極と前記絶縁領域との境界が直線状であれば、境界の一部に クラックが発生した場合、その一点を起点にして境界に沿ってクラックが直線状に成 長して積層型圧電体素子を破壊してしまう。また、内部電極と前記絶縁領域との境界 に直線同士を付き合わせたような任意の角度の端部が内部電極パターンに形成され ていると、直線同士を付き合わせたような任意の角度の端部に応力が集中して絶縁 領域である圧電体にクラックが発生する。 [0026] このような知見に基づいて完成された本発明に係る第 5の積層型圧電素子は、少 なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交互に 積層されてなる積層体と、前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電 極に接続された第 1の外部電極と、前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2 の内部電極に接続された第 2の外部電極とを有し、前記第 1の内部電極の前記第 2 の外部電極に対向する対向端部は円弧形状であり、前記第 2の内部電極の前記第 1 の外部電極に対向する対向端部は円弧形状であることを特徴とする。

尚、前記第 1の内部電極の円弧形状の対向端部と前記第 2の外部電極の間は、前 記第 2の内部電極の円弧形状の対向端部と前記第 1の外部電極の間は、上述した 絶縁領域である。

発明の効果

[0027] 以上の本発明に係る第 1の積層型圧電素子によれば、圧電体の強度よりも圧電体 と内部電極との間の接合強度を弱くしたことで、内部電極が圧電体をクランプする力 を小さくすることができることから、積層型圧電体素子の変位量を大きくすることがで きる。さらに、圧電体と内部電極との間の残留応力を小さくすることが出来るので、駆 動中の変位量を一定とする耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供 することができる。

また、本発明に係る第 1の積層型圧電素子によれば、内部電極に硬度の高い硬い 金属を用いた場合であっても、圧電体が内部電極にクランプされる力を比較的小さく でき、残留応力を小さくできる。したがって、連続して駆動した場合の変位量の変化 を小さくでき、かつ残留応力が大きい積層型圧電素子を長時間駆動した場合に生じ る素子温度の上昇を抑えることができる。これにより、この素子温度が放熱量を上回 つたときに起こる熱暴走現象を防止でき、変位量の劣化を防止できる。

[0028] また、本発明に係る第 2の積層型圧電素子は、前記内部電極の面積に対して 5— 7 0%を占める空隙を内部電極中に設けることで、圧電体が電界によって変形する時 に内部電極によって拘束される力が弱まり、圧電体が比較的容易に変形できるため に変位量が向上し、また内部電極に発生する応力も低減されることから耐久性にも 優れたものとなる。 [0029] また、本発明に係る第 3の積層型圧電素子は、前記積層体の積層方向に前記内部 電極を貫通する空隙を設けているので、圧電体が電界によって変形する時に内部電 極によって拘束される力が弱まり、圧電体が比較的容易に変形できるために変位量 が向上し、また内部電極に発生する応力も低減されることから耐久性にも優れたもの となる。

[0030] 本発明に係る第 4の積層型圧電素子によれば、異なる極性の内部電極同士が圧電 体を介して重なる部分の形状を非線対称形とすることで、積層型圧電素子が駆動し た際に素子の寸法変化が連続的に発生しても積層部分のはがれを抑止することが 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、うなり音発生を防止することができるだけでなぐ高調波信 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となり、ァク チユエータの誤作動の抑止することができる。

[0031] さらに異なる極性の内部電極が全ての素子側面で露出していることで、ァクチユエ ータとして駆動させた際に素子に発生する応力を素子の外側まで伝播することがで きることから、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる

[0032] さらに異なる極性を有する内部電極と外部電極との絶縁を取るためのパターンが内 部電極に形成されて ヽることで、素子の外側に絶縁防止の領域を設ける必要がな ヽ ので、素子変位にともなう素子寸法変化で、絶縁防止部分がはがれたり、はがれてス パークすることがな 、ので、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供 することができる。

さらに、前記内部電極パターンに C面または R面が形成されていることで、素子変位 の際、電極パターンの端部に応力集中することを避けることができるため、耐久性に 優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。

[0033] 本発明に係る第 5の積層型圧電素子によれば、前記第 1の内部電極の前記第 2の 外部電極に対向する対向端部を円弧形状とし、前記第 2の内部電極の前記第 1の外 部電極に対向する対向端部を円弧形状とする、すなわち、内部電極と絶縁領域との 境界を R状にすることで、内部電極と極性が異なる外部電極間に形成された絶縁領 域と内部電極との境界における応力集中を防止できる。このため、高電界、高圧力下 で積層型圧電素子を長期間連続駆動させても、極性の異なる内部電極と外部電極 間に生じるクラックの成長を抑止し、極性の異なる内部電極と外部電極間におけるシ ョートを防止することができる。

[0034] さらに、異なる極性を有する前記内部電極が前記圧電体を介して重なる部分の各 隅部の形状が R状であれば、内部電極と極性が異なる外部電極間に形成された絶 縁領域と内部電極との境界に応力がー点に集中することがな 、ので、前記境界にお ける応力集中を防止することができる。これにより、積層型圧電素子を高電界、高圧 力下で長期間連続駆動させても、積層型圧電素子の駆動方向である積層方向に伸 縮駆動させても、異なる極性を有する上下の内部電極の前記境界で発生する積層 方向に生じるクラックを防止することができるので、素子の耐久性を高めることができ る。

[0035] さらに、前記内部電極を前記積層体の側面に露出させれば、前記内部電極同士に 挟まれる圧電体の面積を広くできるので、前記圧電体の変位面積を大きくできるとと もに、駆動させた際に素子に発生する応力を素子の外側まで伝播することができるこ とから、変位量に優れた高信頼性の積層型圧電素子とすることができる。

従って、積層型圧電素子を連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しな いために、装置が誤作動することなぐ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。

[0036] また、本発明に係る第 1一第 5の積層型圧電素子において、内部電極を構成する 金属の熱膨張係数を α

1、外部電極を構成する金属の熱膨張係数を α

2としたとき、 熱膨張係数の比（a / a )が 0. 9以上 1未満とすることにより、積層型圧電素子を

1 2

連続駆動させても、内部電極と外部電極の熱膨張係数の差が小さいので、素子の連 続駆動回数が増力！]して素子温度が上昇しても、内部電極と外部電極との間で密着 不良を防止できる。すなわち、連続駆動中のはがれや断線を抑制でき、実行変位量 が小さくなる問題や、さらには、はがれた部分がスパークして破壊する問題を防止で きる。これにより、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有 することができる。 [0037] また、本発明に係る第 1一第 5の積層型圧電素子において、内部電極と外部電極 の接合部に中間層を設けることにより、内部電極と外部電極の熱膨張差から生じる応 力を緩和することができ、電極はがれを防止して、駆動中の耐久性を向上させること ができる。

[0038] さらに、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により、 前記内部電極と前記圧電体の界面の密着強度が増大するため、前記内部電極と前 記圧電体の界面における剥離を抑制することができる。

以上のように、本発明に係る積層型圧電素子によれば、変位量が大きくかつ積層 型圧電素子を連続駆動させても所望の変位量の変化がな 、、耐久性に優れた高信 頼性の噴射装置を提供することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0039] [図 1A]本発明に係る実施の形態 1の積層型圧電素子の斜視図。

[図 1B]実施の形態 1の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を示 す展開斜視図。

[図 2A]本発明に係る実施の形態 2の積層型圧電素子の斜視図。

[図 2B]実施の形態 2の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を示 す展開斜視図。

[図 3]実施の形態 2の積層型圧電素子の圧電体間に配された内部電極の拡大断面 図である。

[図 4A]本発明の積層型圧電素子の変形例の斜視図。

[図 4B]本発明の積層型圧電素子の変形例の断面図。

[図 5A]本発明に係る実施の形態 3の積層型圧電素子の斜視図。

[図 5B]実施の形態 3の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を示 す展開斜視図。

[図 6A]実施の形態 3の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を示 す斜視展開図。

[図 6B]実施の形態 3の積層型圧電素子において、異なる極性の内部電極が圧電体 を介して重なる部分を示す図。 [図 7]実施の形態 3の積層型圧電素子における内部電極と外部電極との距離を示す 横断面図。

[図 8A]本発明に係る実施例 4の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パ ターンを示す平面図。

[図 8B]本発明に係る実施例 4の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パ ターンを示す平面図。

[図 8C]本発明に係る実施例 4の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が 圧電体を介して重なる部分を示す図。

[図 9A]本発明に係る実施例 5の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パ ターンを示す平面図。

[図 9B]本発明に係る実施例 5の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パ ターンを示す平面図。

[図 9C]本発明に係る実施例 5の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が 圧電体を介して重なる部分を示す図。

[図 10A]本発明に係る実施の形態 4の積層型圧電素子の斜視図。

圆 10B]実施の形態 4の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を 示す展開斜視図。

[図 10C]実施の形態 4に係る変形例の積層型圧電素子における一方の極性の内部 電極パターンを示す平面図。

[図 10D]実施の形態 4に係る変形例の積層型圧電素子における他方の極性の内部 電極パターンを示す平面図。

[図 10E]実施の形態 4に係る変形例の積層型圧電素子における異なる極性の内部電 極が圧電体を介して重なる部分を示す図。

圆 11A]実施の形態 4の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を 示す斜視展開図。

[図 11B]実施の形態 4の積層型圧電素子において、異なる極性の内部電極が圧電体 を介して重なる部分を示す図。

[図 12]実施の形態 4の積層型圧電素子における内部電極と外部電極との距離を示 す横断面図。

[図 13A]本発明に係る実施例 6の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極 パターンを示す平面図。

[図 13B]本発明に係る実施例 6の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極 パターンを示す平面図。

[図 13C]本発明に係る実施例 6の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が 圧電体を介して重なる部分を示す図。

[図 14A]本発明に係る実施例 7の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極 パターンを示す平面図。

[図 14B]本発明に係る実施例 7の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極 パターンを示す平面図。

[図 14C]本発明に係る実施例 7の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が 圧電体を介して重なる部分を示す図。

[図 15]本発明に係る実施の形態 5の積層型圧電素子における外部電極と内部電極 の接合部分の断面の一部を拡大して示す図。

[図 16]本発明に係る実施の形態 6の噴射装置の断面図。

[図 17A]比較例 1の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 17B]比較例 1の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

圆 17C]比較例 1の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。

[図 18A]比較例 2の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 18B]比較例 2の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 18C]比較例 2の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。 [図 19A]比較例 3の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 19B]比較例 3の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 19C]比較例 3の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。

[図 20A]比較例 4の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 20B]比較例 4の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 20C]比較例 4の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。

[図 21A]比較例 5の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 21B]比較例 5の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 21C]比較例 5の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧体を介して 重なる部分を示す図。

[図 22A]比較例 6の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 22B]比較例 6の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 22C]比較例 6の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。

[図 23A]比較例 7の積層型圧電素子における一方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。

[図 23B]比較例 7の積層型圧電素子における他方の極性の内部電極パターンを示す 平面図。 [図 23C]比較例 7の積層型圧電素子における異なる極性の内部電極が圧電体を介し て重なる部分を示す図。

[図 24A]従来例の積層型圧電素子の斜視図。

[図 24B]従来例の積層型圧電素子の圧電体層と内部電極層との積層状態を示す展 開斜視図。

符号の説明

1, 11···圧電体、

13···積層体、

2, 12, 82, 92···内部電極、

2a, 82a, 92a…電極部分、

3…溝、

4, 15， 85···外部電極、

6···リード線、

9, 14···不活性層、

31· ··収納容器、

33· ··噴射孔、

35· ''バルブ、

43· ··圧電ァクチユエータ、

10· ··積層型圧電体素子、

20· ··空隙、

31· ··収納容器、

33· ··噴射孔、

35· "バルブ、

43· ··圧電ァクチユエータ、

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。

実施の形態 1.

図 1は本発明に係る実施の形態 1の積層型圧電素子の構成を示すもので、図 1 A は斜視図、図 IBは圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。

[0042] 本実施の形態 1の積層型圧電素子は、図 1A、図 IBに示すように、圧電体 11と内 部電極 12とを交互に積層してなる積層体 13の一対の対向する側面に外部電極が形 成され、その外部電極 15に内部電極 12がー層おきに接続されている。すなわち、外 部電極 15が形成される積層体の側面には、一層おきに内部電極 12が露出されてそ の露出された内部電極 12に外部電極 15が電気的に導通するように接合されている 。また、積層体 13の積層方向の両端には、複数の圧電体 11を積層することにより（内 部電極 12を含むことなく）不活性層 14が形成されている。ここで、本発明の積層型圧 電素子を積層型圧電ァクチユエータとして使用する場合には、外部電極 15にリード 線を半田により接続固定し、前記リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。

[0043] また、圧電体 11間に配された内部電極 12は、例えば、銀 パラジウム等の金属材 料で形成されており、内部電極 12を通じて各圧電体 11に所定の電圧を印加すること により、圧電体 11を逆圧電効果による変位を起こさせる。

[0044] これに対して、不活性層 14は内部電極 12が配されていない複数の圧電体 11の層 であるため、電圧を印加しても変位を生じない。

[0045] そして、本実施の形態 1では、圧電体 11の強度より圧電体 11と内部電極 12との間 の接合強度を弱くしたことが特徴である。すなわち、圧電体 11が内部電極 12にクラ ンプされた構造において、圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度が圧電体 11の 強度以上であると、内部電極 12に接合した圧電体 11の界面部分は電圧を印加され ても圧電変位が出来ないため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる。これに対し て、圧電体 11の強度よりも圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度を弱くすると、 圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度が圧電体 11の強度以上である場合に比 較して、積層型圧電素子の変位量を大きくできる。

[0046] 以上のように、積層型圧電体素子の変位量を大きくするには、圧電体 11の強度より 圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度を弱くすることが必要であるが、その接合 強度は、好ましくは圧電体 11の強度の 70%以下、より好ましくは 50%以下、よりいつ そう好ましくは 40%以下とする。このように、その接合強度を、圧電体 11の強度の 70 %以下とすることで、内部電極 12に接合した圧電体 11の界面部分の残留応力を小 さくすることができ、積層型圧電素子の変位量を大きくすることができる。また、圧電 体 11と内部電極 12との間の接合強度を、圧電体 11の強度の 50%以下、より好まし くは 40%以下とするで、連続駆動時における耐久性を向上させることができる。

[0047] また、本発明（実施の形態 1)では、圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度が 7 OMPa以下であることが好ましい。これは、 70MPaより大きくなると、内部電極が圧電 体 11をクランプする力が大きくなり、変位量力 、さくなるからである。ただし、接合強 度が OMPaでは積層型圧電素子自体が形状を保つことが出来ない。そのため、積層 型圧電体素子の変位量を大きくするには、圧電体 11の強度より圧電体 11と内部電 極 12との間の接合強度が弱ぐかつ、前記圧電体 11と内部電極 12との間の接合強 度が OMPaより大きく 70MPa以下であることが好ましい。

[0048] なお、積層型圧電素子の変位量を大きくするためには、圧電体 11と内部電極 12と の間の接合強度は 50MPa以下が好ましい。また、積層型圧電素子の変位量を大き くかつ耐久性を向上させるためには、圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度は 4 OMPa以下がより好ましぐさらに耐久性を向上させるには、 lOMPa以上 35MPa以 下がさらに好ましい。

[0049] ここで、圧電体 11の強度と、圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度の評価及 び比較は以下のようにした。

評価に当たって、積層型圧電素子を、例えば、 3mm X 4mm X 36mmに加工する ことにより、内部電極 12の電極面が試験片の長手方向に略垂直になるようにする。そ の試験片を、 JIS R1601に規定されている 4点曲げ強さ試験方法にて、長手方向に 略垂直な方向から荷重を加えて、曲げ強さを測定する。このとき、試験片が内部電極 12と圧電体 11の界面で破壊した時の値を圧電体と内部電極との間の接合強度とし 、試験片が圧電体 11の箇所で破壊した時の値を圧電体の強度（曲げ強度）とした。

[0050] さらに本発明に係る実施の形態 1のより好ましい形態では、前記外部電極 15と内部 電極 12との間の接合強度が圧電体 11と内部電極 12との接合強度よりも大きくする。 このように、圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度が外部電極 15と内部電極 12 の強度以上であれば、積層型圧電素子の連続駆動時における耐久性を向上できる [0051] 本発明において、圧電体 11の強度より圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度 を弱くする具体的方法 (製造方法)としては、（1)圧電体 11の表面粗さを小さくして、 圧電体 11と内部電極 12との接合時のアンカー効果を小さくする方法、（2)焼成時の 圧電体 11と内部電極 12との接合部の結晶成長を押さえる目的で、内部電極 12が焼 結を開始する焼結開始温度を、圧電体 11が焼結を開始する焼結開始温度より低温 になるように、材料組成を選定する方法、（3)圧電体 11と内部電極 12との接合箇所 の面積を少なくするために、内部電極の占有面積を小さくする方法、（4)圧電体 11と 内部電極 12との間にガラス層を形成する方法、などがある。

[0052] 具体的な方法 (一例）としては、圧電体 11と内部電極 12との界面に、圧電体 11が 焼結を開始する焼結開始温度よりも低温の液相が形成できるように、例えば、内部電 極 12を構成する金属の粉末とともに、その金属酸化物の粉末を加えて電極パターン を印刷する。

[0053] このように、内部電極 12が焼結を開始する焼結開始温度を、圧電体 11が焼結を開 始する焼結開始温度より低温にすることで、同時焼成の際、最初に内部電極 12部分 に液相が生成することになり内部電極 12単独で焼結が進行する。圧電体 11と内部 電極 12との間にガラス層を形成する場合は、液相がガラス層となるように冷却速度を 100°CZ時間よりも速くする。

[0054] さら〖こ、内部電極 12が硬度の高い金属で構成されると、圧電体 11と内部電極 12と の接合強度が高まるので、内部電極 12を硬度の低い金属で構成する。

[0055] 次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。

[0056] 本実施の形態 1の積層型圧電素子を作成するには、まず、 PbZrO— PbTiO等か

3 3 らなるベロブスカイト型酸ィ匕物の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、プチラー 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 ル酸ジォチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、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。

[0057] 次に、銀 パラジウム等の内部電極 12を構成する金属粉末に、酸化銀等の金属酸 化物、ノ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 1一 40 μ mの厚みに印刷する

[0058] そして、上面に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、この積層 体を所定の温度で脱バインダーを行った後、 900— 1200°C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-パラジウム等の内部電極 1 2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-パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末および無機化合物とバイン ダ一と可塑剤力も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 密な積層体を形成することができる。

[0060] 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ぐ 複数の圧電体 11と複数の内部電極 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。

[0061] その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極 12と端部が露出しな い内部電極 12とを交互に形成して、端部が露出していない内部電極 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、 榭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。

[0062] 外部電極 15を構成する導電材は、ァクチユエータ (積層体)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。

[0063] 例えば、外部電極 15は、以下のようにして形成する。

まず、銀、若しくは銀が主成分の合金粉末とガラス粉末に、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て、シートの生密度が 6— 9g Zcm3になるように制御し、乾燥する (溶媒を飛散させる)。そして、このシートを、柱 状積層体 13の外部電極形成面に転写する。

次に、ガラスの軟化点よりも高い温度、銀の融点（965°C)以下の温度で、且つ焼成 温度 (°C)の 4Z5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 15を形成することができる。

[0064] 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 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と柱状積層体 13側面とを部分 的に接合させるという点から、 550— 700°C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°Cが望ましい。

[0065] 焼き付け温度が 700°Cより高 、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う。その結果、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、ガラスの軟ィ匕点の 1. 2倍以内の温度で焼き付けを行った 方がよい。

[0066] 一方、焼き付け温度が 550°Cよりも低い場合には、内部電極 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、駆動時に内部 電極 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。

[0067] なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体 11の厚みよりも薄いことが 望ましい。さらに好ましくは、ァクチユエータの伸縮に追従するという点から、 50 /z m 以下がよい。

[0068] 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力も積層体 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、及び柱状積層体 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。

[0069] 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. 1一 3kVZmm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積層型圧電ァクチユエータが完成する。このよう に作製した積層型圧電ァクチユエータの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を介して内部電極 12に電圧を印加すると、各圧電体 11は逆圧 電効果によって大きく変位する。これによつ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。

[0070] 本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸 脱しな 、範囲であれば種々の変更は可能である。

[0071] また、上記では、積層体 13の対向する側面に外部電極 15を形成した例について 説明したが、本発明では、例えば、隣接する側面に一対の外部電極を形成してもよ い。

[0072] 実施の形態 2.

図 2A,図 2Bは、本発明に係る実施の形態 2の積層型圧電素子の構成を示すもの で、図 2Aは斜視図、図 2Bは断面図である。また図 3は、図 2の積層型圧電素子の内 部電極付近の一部断面の拡大図である。

[0073] この実施の形態 2の積層型圧電素子 10は、内部電極 2が制御された空隙 20を有し ていることを特徴とし、その点を除けば、実施の形態 1の積層型圧電素子とほぼ同様 の構造を有している。

[0074] すなわち、実施の形態 2の積層型圧電素子 10は、図 2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積層体の一対の対向側面に、外部電極 4が形成さ れてなり、その側面においてそれぞれ、外部電極 4は一層おきに露出した内部電極 2 の端部と、電気的に導通するように接合されている。また、実施の形態 1と同様、積層 型圧電素子 10の両端には不活性層 9設けられており、この本実施の形態 2の積層型 圧電素子 10を積層型圧電ァクチユ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ることに より、逆圧電効果によって圧電体 1を変位させる。

[0075] そして本実施の形態 2の積層型圧電素子 10では、図 3に示すように圧電体 1間に 挟まれた内部電極 2の中に空隙 20を設けるとともに、内部電極 2の断面において、該 空隙 20部分が全断面積の 5— 70%占めるように制御されている。すなわち、本発明 は、本発明者が鋭意検討の結果、図 3に示すように圧電体 1間に挟まれた内部電極 2の中に、一定の範囲内の割合で空隙 20を設けることにより、変位量が大きくでき、 優れた積層型圧電素子を得ることができるのを見出して完成させたものである。

[0076] 内部電極 2内にこのように制御された空隙 20が無い従来のタイプでは、電界を受け て圧電体 1が変形する際に、内部電極 2からの束縛を受けて変形量が小さくなり、充 分な積層型圧電素子の変位量を得ることができな力つた。

これに対して、本発明の内部電極 2中に空隙 20がある積層型圧電素子は、圧電体 の変形が自由になり、従来に比べて変形量を大きくできる。

[0077] ここで、上述した内部電極 2の面積に対する空隙の占める割合 (空隙率）につ！/、て 説明する。空隙率は積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定する。その切 断面において、内部電極の部分に存在する空隙の面積を測定し、その空隙の面積 の総和を内部電極 2の面積 (空隙も含む)で除した値を 100倍したものである。

また、空隙率が 5%より少ないと圧電体 1が電界を印加されて変形する際に内部電 極 2から束縛を受け、圧電体 1の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が小さ くなる。また、発生する内部応力も大きくなるために耐久性にも悪い影響を与える。

[0078] 一方、空隙率が 70%より大きいと、空隙 20間の電極部分 2aに極端に細い部分が 生じる為、内部電極 2自体の強度が低下し、内部電極 2にクラックが生じやすくなり、 最悪は断線等を生じる恐れがあるので好ましくない。併せて、内部電極 2の導電性が 低下するため、圧電体 1に電圧を印加し難くなり、充分な変位量を得られない場合が ある。

尚、図 3に示すように、空隙 20は電極部分 2a間に設けたものだけではなぐ電極部 分 2aの内部に包含されたような状態で存在しても良!、。

[0079] さらに、前記空隙率は、より好ましくは 7— 70%、さらに好ましくは 10— 60%である 。このようにすることで、圧電体 1をよりスムーズに変形できるとともに、内部電極 2の導 電性を充分に有しているため、積層型圧電素子 10の変位量を増大することができる

[0080] また、空隙 20は、断面における最大幅が 1 μ m以上であることが好ましい。

このように、断面における空隙の最大幅を 1 m以上とすると、内部電極が圧電体 を拘束する力が小さくなり圧電体が変形しやすくなるので変位量を大きくでき、発生 する応力も低減できるので耐久性に優れた積層型圧電素子を提供できる。

この最大幅は、積層型圧電素子の積層方向の断面において、内部電極の断面に 存在する空隙の大きさを電極に平行な線を引きその線上の長さを測定し、測定値で 最大の値である。空隙 20の最大幅は、より変位量を大きくできるということと、内部応 力を軽減し、耐久性を向上すると言う観点から、 2 mがより好ましぐ 3 mがさらに 好ましい。

[0081] また、前記内部電極 2断面において電極部分 2aと空隙 20の界面が圧電体 1に接 する部分における電極部分 2aの接線 22と圧電体 1とのなす角度 24が 60度以上であ ることが好ましい。この角度 24は、図 3に示すように、積層型圧電素子の積層方向の 断面において、電極部分 2aと空隙 2の界面が圧電体 1と接する点を起点とし、電極部 分 2aに接するように線を引き、この接線 22と圧電体 1とのなす角度 24で表される。

[0082] ここで、角度 24が 60度未満であると、内部電極 2中の電極部分 2aが圧電体 1と接 してできるメニスカスの部位が大きくなるため、内部電極 2が圧電体 1を拘束する力が 大きくなり、変位量が低下する可能性がある。さらに、角度 24は、内部電極 2が圧電 体 1を拘束する力が小さくなるという理由で変位量を大きくできること、内部応力を小 さくし、耐久性を向上させると言う観点から、 70度以上がより好ましぐ 80度以上であ ることがさらに好ましい。

[0083] また、内部電極 2中の金属組成物が 8— 10族金属および Zまたは 11族金属を主 成分とすることが望ましい。これは、 8— 10族金属および 11族金属は、圧電体 1と濡 れ性が悪いため、圧電体 1と内部電極 2との界面に空隙が発生しやすくなり、それら を積層して焼成すると、比較的高い空隙を有する内部電極 2を形成することができる 力 である。

[0084] さら〖こ、内部電極 2に、電極部分 2aを構成する材質と濡れ性の悪い無機組成物を 添加することが好ましい。これは、濡れ性の悪い無機組成物が内部電極 2にあること により、焼成の際に、電極部分を構成する材料と濡れ性が悪いので、この無機組成 物の周囲の電極部分 2aがはじかれ、周囲には電極部分 2aの無い部分つまり空隙 2 0が形成されるからである。このように、空隙形成の面で有利となる結果、変位量を向 上させることができる。ここで、上記無機組成物としては、 BN、 TiN、 ZrN等の窒化物 を主成分とすることが好ましぐ BNを主成分とすることがさらに好ましい。尚、無機組 成物は圧電体 1の表面に形成したものでも良い。

[0085] 次に、本実施の形態 2の積層型圧電素子 10の製法を説明する。

この製造方法では、まず、実施の形態 1と同様にして、圧電体 1となるセラミックダリ 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、枠に固定する。

[0086] 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ノインダー、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 1一 40 mの厚みに印刷する。この際、内部電極を構成する金 属粉末は，焼成後に内部電極 2に空隙ができるように、融点の異なる 2種以上の材料 を用いることが重要であり、材料としては金属または合金であることが好ましい。そし て、内部電極 2を構成する金属または合金の最も低い融点以上、且つ他の金属の融 点以下の温度で仮焼すると、融点以上になって融けた金属または合金が毛管現象 により、内部電極中の空孔に移動し、移動した部分が空隙になる。このようにして、本 発明の空隙を有する内部電極 2を作製することができる。尚、前記空孔は、例えば、 前記導電性ペーストを調製する際に前記金属粉末間にできる僅かな隙間、または前 記バインダー部分が脱バインダーにより生じた隙間等により形成することができる。

[0087] また、この他にも、内部電極 2を構成する材質に、該材質と濡れ性の悪!ヽ材質を添 カロして空隙 20を形成しても良い。さらに、内部電極 2が印刷されるグリーンシート面に 内部電極 2を構成する材質と濡れ性の悪い材質を設けることでも空隙 20を形成する ことちでさる。

[0088] 次に、同様に銀ーパラジュゥム等の焼結助剤となる成分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 1一 40 μ m印刷し、不活性層 9用のグリーン シートを用意する。

そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートと不活性層 9用のダリー ンシートを積層型圧電素子の端部に不活性層 9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。 [0089] 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つ た後、 900— 1050°C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。焼 成の際に、内部電極を構成する金属または合金のうち、融点の低い金属または合金 の融点以上で 2番目に低い金属または合金の融点より低温で温度を保持した後に昇 温し焼成することが重要である。

[0090] 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 はなぐ内部電極に空隙を作る方法であれば、どのような製法によって形成されても 良い。

その後は、実施の形態 1と同様にして、実施の形態 2の積層型圧電素子 10を完成 させる。

また、上記では、積層型圧電素子 10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 ちょい。

[0091] 実施の形態 3.

本発明に係る実施の形態 3の積層型圧電素子について以下に説明する。図 5A, 図 5Bは、実施の形態 3の積層型圧電素子の構成を示すもので、図 5Aは斜視図、図 5Bは圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。また、図 6A、 図 6Bは本実施の形態 3の積層型圧電素子の内部電極パターンを示す拡大図で、図 6Aは圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図、図 6Bは異なる極性 の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aを示す透視図である。

[0092] 本実施の形態 3の積層型圧電素子は、図に示すように、内部電極と外部電極が実 施の形態 1及び 2と異なっている他は、実施の形態 1及び 2と同様に構成される。

[0093] すなわち、実施の形態 3の積層型圧電素子では、図 6Aに示すように、異なる極性 の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの形状が非線対称形であるこ とを特徴としている。ここで、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる 部分 82aとは、積層型圧電素子の圧電体 11を介して形成され、異なる極性の電圧を 印加される内部電極 82の電極パターン同士が重なり合う領域を示して 、る。実際の ところ、圧電体 11は異なる極性の電界が印加される内部電極 82に挟まれた領域 (上 述した異なる極性の内部電極 82同士が圧電体 11を介して重なる部分 82a)で実効 的に圧電変位して、積層型圧電素子として動作する。そこで、異なる極性の内部電 極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの形状が線対称形状であると、山の稜 線のように、変位の大きくなる部分が対称の中心線となる一直線にそろってしまうため 、素子を駆動させると対称の中心線となる一直線が最も変位が激しくなり、一直線上 にある素子側面が起点となり、積層部分がはがれて破壊するので好ましくない。さら に、変位がそろった一直線が存在することで、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って、ァクチュ エータとして用いた場合、誤作動の原因となるので好ましくない。

[0094] これに対して、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状を非線対称形とすると、積層型圧電素子が駆動した際に素子の寸法変化が連 続的に発生しても積層部分のはがれを抑止することができる。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 音発生を防止することができるだけでなぐ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となり、ァクチユエータの誤作動を抑止する ことができる。ここで、非線対称形というのは、線対称をとりえない形状であることを示 している。即ち、どの方向力も見ても左右対称の形状をとらないことである。

[0095] さらに本発明では、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 8 2aの形状が点対称形であることが好ま 、。異なる極性の内部電極同士が圧電体 1 1を介して重なる部分 82aの形状が点対称でない場合、素子を変位させると、素子変 位の中心軸がそろっていないために、変位の軸がぶれるため好ましくない。内部電 極 82形状が点対称形であることにより、素子変位の中心軸が一直線になり、素子変 位の軸がぶれな 、ため、変位方向が一直線となる変位のぶれな 、耐久性に優れた 高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。

[0096] ここで、点対称とは、いわゆる対称中心が存在する形状であることを示している。本 発明にお 、ては、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82a の面内に任意の 1点を規定し、その 1点を中心にして、異なる極性の内部電極同士 が圧電体 11を介して重なる部分 82aを面に平行になるように回転させた場合、 180 ° 以内の回転角で、回転前後の形状が重なり合うことである。そして、この時の回転 の中心となる点力 対称中心である。点対称としては、 180° 回転対称、 120° 回転 対称、 90° 回転対称がよく知られているが、内部電極 82と外部電極 85の導通を確 保する経路を最小限に押さえることができることで、簡単な構造で精度良く積層型圧 電素子を作製することが可能な 180° 回転対称が好ましい。

[0097] また、対称の中心力 異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの重心であると、積層型圧電素子の全ての異なる極性の内部電極同士が圧電 体 11を介して重なる部分 82aの重心が積層方向に一直線にそろうため、変位方向の 中心軸が一直線となるだけではなぐ重心が変位方向の中心軸と一致するので、耐 久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができるので、さらに好 ましい。

[0098] さらに本発明では、異なる極性の内部電極 82が全ての素子側面で露出しているこ とが好ましい。内部電極 82が素子側面で露出していない部分では、電極の露出して いない箇所は、駆動時に変位できないことから、駆動時に変位する領域が素子内部 に閉じ込められて 、るために変位時の応力が電極のある部分と無 、部分の境目に集 中し、耐久性に問題が生じるので好ましくない。異なる極性の内部電極 82が全ての 素子側面で露出していることで、ァクチユエータとして駆動させた際に素子に発生す る応力を素子の外側まで伝播することができることから、耐久性に優れた高信頼性の 圧電ァクチユエータを提供することができる。

[0099] さらに本発明では、異なる極性の外部電極 85との絶縁を取るためのパターンが内 部電極 82に形成されていることが好ましい。異なる極性の外部電極 85との絶縁を取 るためのパターンが内部電極 82に形成されていないと、短絡する問題がある。異なる 極性の外部電極 85との絶縁を取るためのパターンが内部電極 82に形成されている ことで、素子の外側に絶縁防止の領域を設ける必要がないので、素子変位にともなう 素子寸法変化で、絶縁防止部分がはがれたり、はがれてスパークすることがないので 、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。

[0100] さらに本発明では、異なる極性の内部電極 82と外部電極 85との距離 L1が 0. 1— 5 mmであることで、変位量を大きくかつ絶縁破壊を防止することを両立した、耐久性に 優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。 5mmを超えると、内 部電極面積の減少に伴い、圧電体 11の駆動領域が小さくなるので好ましくない。 0. lmmよりも小さいと絶縁特性が急激に劣化する。

駆動寸法を大きくして、耐久性を高めるには、 0. lmm以上 3mm以下が好ましぐ 0. 5mm以上 lmm以下がさらに好ましい。ここで、距離 L1とは、内部電極 82が配さ れた圧電体 11上における内部電極 82と外部電極 85との絶縁距離であり、該絶縁距 離の最短距離を示している。

[0101] さらに本発明では、図 7に示すように、素子表面での異なる極性の内部電極 82と外 部電極 85の距離 L2が 0. lmm— 5mmであることで、変位量を大きくかつ絶縁破壊 を防止することを両立した、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供 することができる。 5mmを超えると、内部電極面積の減少に伴い、圧電体 11の駆動 領域が小さくなるので好ましくない。 0. lmmよりも小さいと絶縁特性が急激に劣化す る。

[0102] 駆動寸法を大きくして、耐久性を高めるには、 0. lmm以上 3mm以下が好ましぐ 0. 5mm以上 lmm以下がさらに好ましい。ここで、距離 L2とは、積層体 80の側面に おける 1つの内部電極 82と外部電極 85との絶縁距離であり、該絶縁距離の最短距 離を示している。

[0103] さらに本発明では、内部電極 82パターンに C面または R面が形成されていることで 、素子変位の際、電極パターンの端部に応力集中することを避けることができるため 、変位量が大きく耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することがで きる。電極パターンの全てに C面または R面が形成されていると耐久性が向上するの で好ましい。圧電体 11自体が C面または R面が形成されていると、より耐久性が向上 するので好ましい。電極パターンの全ての外周が曲線で形成されると、さらに変位量 が大きく耐久性が向上するので好ましい。

[0104] 次に、本実施の形態 3の積層型圧電素子の製法を説明する。

本製造方法では、まず、実施の形態 1及び 2と同様にして、セラミックグリーンシート 、及び内部電極 82用の導電性ペーストを作製する。

そして、導電性ペースト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 1一 4 の厚みに印刷する。

[0105] このとき、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの形状 を非線対称形となるように内部電極パターンを形成する。

そして、上面に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、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、 900— 1200°Cで焼成すること によって積層体 80が作製される。

[0106] このとき、不活性層 14の部分のグリーンシート中に、銀-パラジウム等の内部電極 8

2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-パラジウム等の内部電極 82を構成する金属粉末および無機化合物とバイ ンダ一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、 好ましいことは、実施の形態 1及び 2と同様である。

なお、積層体 80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ぐ 複数の圧電体 11と複数の内部電極 82とを交互に積層してなる積層体 80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。

[0107] 以下、実施の形態 1及び 2と同様にして、実施の形態 3の積層型圧電素子を製造す ることがでさる。

[0108] 本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸 脱しな 、範囲であれば種々の変更は可能である。

また、上記では、積層体 80の対向する側面に外部電極 85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

[0109] 実施の形態 4.

次に、本発明に係る実施の形態 4の積層型圧電素子について以下に説明する。図 10A,図 10Bは本実施の形態 4の積層型圧電素子の構成を示すもので、図 10Aは 斜視図、図 10Bは圧電体と内部電極との積層状態を示す斜視展開図である。また、 図 11は本発明の積層型圧電素子の内部電極パターンを示す拡大図で、図 11 Aは 圧電体と内部電極との積層状態を示す斜視展開図、図 11Bは異なる極性を有する 内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す透視図である。

[0110] 本実施の形態 4の積層型圧電素子は、内部電極の構成が実施の形態 3と異なって

V、る以外は、実施の形態 3とほぼ同様に構成されて 、る。

[0111] すなわち、実施の形態 4の積層型圧電素子では、圧電体 11と内部電極 92とを交互 に積層してなる積層体 13の一対の対向する側面に、外部電極 85が形成され、その 外部電極 85と内部電極 92とが以下のように接続される。ここで、一対の側面の一方 に形成された外部電極 85は、正極の外部電極であり、他方に形成された外部電極 は負極又はグランド用の外部電極である。そして、積層体 90において、正極用の内 部電極 92と負極用の内部電極 92は交互に配置されており、一方の側面において、 外部電極 85は、正極用の内部電極 92に接続され、負極用の内部電極 92とは絶縁 領域 96によって絶縁分離されている。また、他方の側面において、外部電極 85は、 負極用の内部電極 92に接続され、正極用の内部電極 92とは絶縁領域 96によって 絶縁分離されている。

[0112] ここで、特に実施の形態 4の積層型圧電素子では、圧電体 11の主面に形成された 絶縁領域 96と内部電極 92の境界を、図 10Bに示すように、円弧形状 (R状）としたこ とを特徴としている。このように絶縁領域 96と内部電極 92の境界を円弧形状にした のは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直線状であると、境界の一部にクラック が発生した場合、その一点を起点にして境界に沿ってクラックが直線状に成長して素 子を破壊することを見出した力もである。また、内部電極 92と絶縁領域 96との境界に 直線同士を付き合わせたような角形状の端部を有する内部電極パターンにより形成 されて 、ると、前記角形状の端部に応力が集中して絶縁領域 96にクラックが発生す るおそれがある力もである。このようにクラックが発生するとそのクラックを伝って極性 の異なる内部電極 92と外部電極 85間でショートが起こり、積層型圧電体素子の耐久 性が著しく低下する。

[0113] なお、図 10Bでは、内部電極 92のパターンが絶縁領域 96に向かって凸型で R状 に形成されている力 本発明では内部電極 92と絶縁領域 96の境界が R状であれば よいため、前記凸型に限るものではない。例えば、内部電極 92のパターンを絶縁領 域 96に向かって凹型に形成したり、 R状を有する凸型と凹型と交互に連続して形成 されているものでもよい（例えば、図 IOC, 10D, 10E参照）。

[0114] また、上述したことから明らかなように、積層型圧電素子の耐久性をより高くするた めには、凸型あるいは凹型のどちらかの R状であることが好ましぐ異なる曲率半径を 有する曲部が複数あるよりも単一の曲率半径を有する曲部で前記境界を形成する方 が耐久性に優れているので好ましい。さらには、積層型圧電素子に電圧を印加して 素子を変位させた後、電圧を解除した際、内部電極に素子側面力 圧縮の応力がか かるため、耐久性をさらに高めるには、凹型が好ましい。

[0115] また、異なる極性を有する内部電極 92同士が圧電体 11を介して重なる部分の形 状が R状であることが好ましい。これは、異なる極性の内部電極に挟まれた圧電体 11 の領域が実効的に変位する領域であるので、前記重なる部分の端部の形状が直線 状であれば、前記境界に応力が集中し、そこでクラックが発生しやすくなる。そのため 、異なる極性を有する上下の内部電極 92間に挟まれた圧電体 11は積層型圧電素 子の駆動方向である積層方向に伸縮駆動するため、前記境界力 積層方向に前記 クラックが成長しやすくなり、極性が異なる内部電極 92同士をつなぐようなクラックが 生じてショートする可能性がある。

[0116] そして、上記した異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92a の形状は点対称形であることが好ましい。これは、異なる極性の内部電極同士が圧 電体 11を介して重なる部分 92aの形状が点対称でない場合、素子を変位させると、 素子変位の中心軸がそろって 、な 、ために、変位の軸がぶれるため好ましくな 、。 内部電極 92形状が点対称形であることにより、素子変位の中心軸が一直線になり、 素子変位の軸がぶれな 、ため、変位方向が一直線となる変位のぶれな 、耐久性に 優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。

[0117] ここで、点対称とは、いわゆる対称中心が存在する形状であることを示している。即 ち、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aの面内に任意 の 1点を規定し、その 1点を中心にして、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を 介して重なる部分 92aを面に平行になるように回転させた場合、 180° 以内の回転 角で、回転前後の形状が重なり合うことである。そして、この時の回転の中心となる点 力 対称中心である。点対称としては、 180° 回転対称、 120° 回転対称、 90° 回 転対称がよく知られて！/ヽるが、内部電極 92と外部電極 85の導通を確保する経路を 最小限に押さえることができることで、簡単な構造で精度良く積層型圧電素子を作製 することが可能な 180° 回転対称が好ましい。

[0118] さらに、対称の中心力 異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部 分 92aの重心であると、積層型圧電素子の全ての異なる極性の内部電極同士が圧 電体 11を介して重なる部分 92aの重心が積層方向に一直線にそろうため、変位方 向の中心軸が一直線となるだけではなぐ重心が変位方向の中心軸と一致するので 、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供することができるので、さら に好ましい。

[0119] また、内部電極 92が積層体 13の側面に露出させることが好ましい。これは、内部電 極 92が素子側面で露出していない部分では、電極の露出していない箇所は、駆動 時に変位できないことから、駆動時に変位する領域が素子内部に閉じ込められてい るために変位時の応力が前記境界に集中しやすくなり、耐久性に問題が生じるので 好ましくないからである。

[0120] ここで、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aとは、図 1 1 Aに示すように、異なる極性の電圧を印加される内部電極 92の電極パターンが圧 電体 11に配されており、図 11Bに示すように、前記電極パターン同士が圧電体 11を 介して重なり合う領域で示される。実際のところ、圧電体 11は異なる極性の電界が印 カロされる内部電極 92に挟まれた領域 (上述した異なる極性の内部電極 92同士が圧 電体 11を介して重なる部分 92a)で実効的に圧電変位して、積層型圧電素子は駆動 する。

[0121] また、前記 R状の曲率半径 Rが 0. 5— 10mmであることが好ましい。これは、前記 R 状の曲率半径 _Rが 0. 5mm未満であると、曲率が小さいために、実際には、内部電 極 92と絶縁領域 96との境界が直線同士を付き合わせたようなあ角形状の端部が内 部電極パターンに形成されていることと同じであり、端部に応力が集中して絶縁領域 である圧電体にクラックが発生しやすいからである。また、曲率半径 Rが 0. 5— 10m mであれば、内部電極と前記絶縁領域との境界の一部にクラックが発生した場合でも 、境界が曲線であるためにクラックが境界に沿って一気に直線状に成長するのを抑 制することができる。このようなクラックが発生すると、クラックを伝って異なる極性の内 部電極同士がショートして積層型圧電体素子が破壊するおそれがある。

[0122] 10mmを超えると、逆に曲率が大きくなり、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直 線状であることと同じ現象が発生し、境界の一部にクラックが発生した場合、その一 点を起点にして境界に沿ってクラックが成長して素子を破壊するからである。

[0123] 前記 R状の曲率半径 Rは、より好ましくは 1一 5mmとすることで耐久性を高めること ができる。さらには 1一 3mmとすることで耐久性が高く積層型圧電素子を小型化する ことができる。

[0124] また、内部電極 92に空隙 21を設け、該内部電極 92の断面における全断面積に対 する空隙 21の占める面積比が 5— 70%であることが好ましい。これは、空隙 21を内 部電極 92の面積に対して 5— 70%占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位量 に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。

内部電極 92に空隙 21が無いと、電界を受けて圧電体 11が変形する際に、内部電 極 92からの束縛を受けやすいため、変形量が小さくなり、充分な積層型圧電素子の 変位量を得ることができない。これに対して、内部電極 92中に空隙 21がある積層型 圧電素子は、圧電体の変形が自由になり、変形量が大きくなる。

[0125] ここで、上述した内部電極 92の面積に対する空隙 21の占める割合 (空隙率）は、積 層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定する。その切断面において、内部電 極の部分に存在する空隙の面積を測定し、その空隙の面積の総和を内部電極 2の 面積 (空隙も含む)で除した値を 100倍したものである。

[0126] また、空隙率が 5%より少ないと圧電体 11が電界を印加されて変形する際に内部 電極 92から束縛を受け、圧電体 11の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が 小さくなる。また、発生する内部応力も大きくなるために耐久性にも悪い影響を与える

[0127] 一方、空隙率が 70%より大きいと、空隙 21間の電極部分に極端に細い部分が生じ る為、内部電極 92自体の強度が低下し、内部電極 92にクラックが生じやすくなり、最 悪は断線等を生じる恐れがあるので好ましくない。併せて、内部電極 92の導電性が 低下するため、圧電体 11に電圧を印加し難くなり、充分な変位量を得られない場合 がある。

尚、空隙 21は電極部分間に設けたものだけではなぐ電極部分の内部に包含され たような状態で存在しても良 、。

[0128] さらに、前記空隙率は、より好ましくは 7— 70%、さらに好ましくは 10— 60%である 。このようにすることで、圧電体 11をよりスムーズに変形できるとともに、内部電極 92 の導電性を充分に有しているため、積層型圧電素子の変位量を増大することができ る。

[0129] また、空隙 21の断面における最大幅が 1 μ m以上であることが好ましい。最大幅と は、積層型圧電素子の積層方向の断面において、内部電極の断面に存在する空隙 の大きさを電極に平行な線を引きその線上の長さを測定し、測定値で最大の値を最 大幅とした。さらに、空隙 21の最大幅は、変位量を大きくできるということと、内部応力 を軽減し、耐久性を向上するという観点から、 がより好ましぐ がさらに好 ましい。

[0130] また、前記内部電極 92断面において電極部分と空隙の界面が圧電体 11に接する 部分を起点とする電極部分への接線 22と圧電体 11とのなす角度 23が 60度以上で あることが好ましい。この角度は、積層型圧電素子の積層方向の断面において、電 極部分と空隙 21の界面が圧電体 11と接する点を起点とし、電極部分に接するよう〖こ 線を引き、この接線 22と圧電体 11とのなす角度 23で表される。

[0131] ここで、角度 23が 60度未満であると、内部電極 92中の電極部分が圧電体 11と接 してできるメニスカスの部位が大きくなるため、内部電極 92が圧電体 11を拘束する力 が大きくなり、変位量が低下する可能性がある。さらに、角度は、内部電極 92が圧電 体 11を拘束する力が小さくなるという理由で変位量を大きくできること、内部応力を小 さくし、耐久性を向上させると言う観点から、 70度以上がより好ましぐ 80度以上であ ることがさらに好ましい。

[0132] また、積層体 13が多角形柱状体であることが好ましい。これは、積層体 13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、 内部電極の中心軸を高精度にそろえるが困難になる。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に内部電極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もちい 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。

[0133] また、異なる極性の内部電極 92と外部電極 85との距離 L1が 0. 1— 5mmであるこ とで、変位量を大きくかつ絶縁破壊を防止することを両立した、耐久性に優れた高信 頼性の圧電ァクチユエータを提供することができる。 5mmを超えると、内部電極面積 の減少に伴い、圧電体 11の駆動領域が小さくなるので好ましくない。 0. 1mmよりも 小さ！/、と絶縁特性が急激に劣化する。

駆動寸法を大きくして、耐久性を高めるには、 0. 1mm以上 3mm以下が好ましぐ 0. 5mm以上 lmm以下がさらに好ましい。ここで、距離 L1とは、内部電極 92が配さ れた圧電体 11上における内部電極 92と外部電極 85との絶縁距離であり、該絶縁距 離の最短距離を示して！/ヽる（図 12に示す)。

[0134] さらに本発明では、素子表面での異なる極性の内部電極 92と外部電極 85の距離 L2 (図 12に示す）が 0. lmm— 5mmであることで、変位量を大きるうえ、さらに絶縁 破壊を防止することができ、耐久性に優れた高信頼性の圧電ァクチユエータを提供 することができる。 5mmを超えると、内部電極面積の減少に伴い、圧電体 11の駆動 領域が小さくなるので好ましくない。 0. lmmよりも小さいと絶縁特性が急激に劣化す る。

[0135] 駆動寸法を大きくして、耐久性を高めるには、 0. lmm以上 3mm以下が好ましぐ 0. 5mm以上 lmm以下がさらに好ましい。ここで、距離 L2とは、積層体 13の側面に おける 1つの内部電極 92と外部電極 85との絶縁距離であり、該絶縁距離の最短距 離を示している。

[0136] 次に、実施の形態 4の積層型圧電素子の製法を説明する。

本製造方法では、まず、実施の形態 1一 3と同様にして、セラミックグリーンシートを 作製し、内部電極 92を形成するための導電性ペーストを作製する。

[0137] そして、この導電性ペーストを、各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって

1一 40 mの厚みに印刷する。ここで、内部電極 92に R状のパターンを形成するに は、あら力じめ、スクリーン印刷の版に R状となるようにパターンを形成して印刷する。 薄膜手法で電極を形成する場合は、 R状となるようにパターンを形成したメタルマスク を代表とするマスクパターンをグリーンシート状に配置して電極パターンを形成した。

[0138] そして、上面に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、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、 900— 1200°Cで焼成すること によって積層体 13が作製される。

以下、実施の形態 3と同様にして、本実施の形態 4の積層型圧電素子及びそれを 利用した積層型圧電ァクチユエータを完成させる。

[0139] 本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸 脱しな 、範囲であれば種々の変更は可能である。

また、上記では、積層体 13の対向する側面に外部電極 85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

[0140] 実施の形態 5.

本発明に係る実施の形態 5の積層型圧電素子は、実施の形態 1の積層型圧電素 子において、内部電極 12を構成する金属元素の熱膨張係数を α 、外部電極 15を 構成する金属の熱膨張係数を α としたとき、熱膨張係数の比（a / a

1 2 )が 0. 9

2 以 上 1未満としてある。この内部電極 12の熱膨張係数と外部電極 15の熱膨張係数の 間に特定の関係を持たせた以外は、実施の形態 5の積層型圧電素子は、実施の形 態 1の積層型圧電素子と同様に構成されている。

[0141] このように、内部電極 12の熱膨張係数と外部電極 15の熱膨張係数の間に特定の 関係を持たせたのは以下のような理由による。上記熱膨張係数の比（a / a )が 0.

1 2

9より小さくなると、内部電極 12中金属の熱膨張係数と外部電極 15中金属の熱膨張 係数との差が大きくなりすぎるために、素子の連続駆動回数が増カロして素子温度が 上昇した場合に、内部電極 12と外部電極 15との接合部で密着不良が生じて、積層 型圧電素子の実効変位量が小さくなつたり、連続駆動中に各電極にはがれが生じた り、内部電極 12と外部電極 15の接合部に断線が発生する。一方、熱膨張係数の比（ a / a )が 1以上になると、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極 12 の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化するため、内部電極 12と外部電極 15の 接合部に力かる負荷が大きくなる。そのため、積層型圧電素子の耐久性が落ちたり、 実効変位量が小さくなるとともに、連続駆動中に上述したようなはがれや断線が発生 する。

[0142] 即ち、熱膨張係数の比（ α Z α )が 0. 9以上 1未満とすることで、積層型圧電素子

1 2

の実行変位量が小さくなる問題や、はがれた部分がスパークして破壊する問題も防 止できる。併せて、装置の誤作動がなくなり、熱暴走のない優れた耐久性を有するこ とがでさる。

上記に示したような本発明の積層型圧電素子において、熱膨張係数の比（ α Ζ α )が 0. 9以上 1未満とするために以下のようにすればょ 、。

2

[0143] これまで、積層型熱電素子を作製するためには、圧電体 11と内部電極 12を交互に 積層した後、同時焼成して圧電磁器と内部電極 12を焼結させて、その後、外部電極 15を設けていた。この際、圧電体 11と内部電極 12を同時に焼結させるために、内部 電極 12材料として、銀単体よりも焼結温度が高ぐパラジウムや白金単体よりも焼結 温度が低 、特徴をもつ銀とパラジウムの合金金属を内部電極 11材料に用いて 、た。 一方、外部電極 15としては、圧電体 11と内部電極 12を同時焼成させた温度よりも低 V、温度で形成するために、銀にガラスフリットを添加した銀ペーストを印刷して焼成し ていた。し力しながら、これらの内部電極 12と外部電極 15の金属材料の不一致は、 熱膨張の差を発生させて素子の耐久性の低下を生じていた。即ち、熱膨張係数の比 / )で表すと、 0. 9よりも小さいものであった。

1 2

[0144] これに対して、本発明では熱膨張係数の比（ひ Z α )を 0. 9以上 1未満とするた

1 2

めに、熱膨張係数の近い電極材料で内部電極 12と外部電極 15を構成したり、熱膨 張係数の近い無機化合物を内部電極 12と外部電極 15に添加する必要がある。特に これらの電極中の金属と無機化合物を均一分散させずに、内部電極 12金属と外部 電極 15金属が接合する箇所には金属成分が偏在するようにすると、内部電極抵抗 を小さくして素子温度の上昇を抑制することに効果的である。そのためには、外部電 極 15の焼成時において、最大焼成温度からの降温速度を遅くする方法がある。具体 的には、降温速度を 600°CZ時以下にすればよぐ好ましくは 300°CZ時以下にす ればよい。そして、素子の耐久性を高くするには、好ましくは、熱膨張係数の比（ひェ

/ a

2 )を 0. 95以上 1未満に、より好ましくは、熱膨張係数の比 /

1 2 )を 0. 97以 上 1未満とすることで達成できる。

また、本実施の形態 6の積層型圧電素子は、図 15に示すように、内部電極 12と外 部電極 15の接合部に中間層 70を形成することが好ま U、。

[0145] これは、例えば、スパッタリング等の薄膜作製技術で外部電極 15を形成すると、中 間層を形成できないので、内部電極 12と外部電極 15の熱膨張差に起因する応力が 内部電極 12と外部電極 15とに接合部に集中し、積層型圧電素子を駆動した場合、 内部電極 12と外部電極 15との接合部で破断して、破断面でスパークしたり、素子の 駆動が停止しやすくなるからである。

一方、中間層 70を形成するには、外部電極 15を焼き付けにより形成して、内部電 極 12と外部電極 15に含まれる金属成分を相互拡散させればよい。

[0146] 具体的には、内部電極焼成温度よりも低い温度で外部電極中に液相が形成できる ように低融点ガラスフリットを添加した外部電極ペーストを焼き付ける手法である。しか し、上記手法のみでは中間層 70を形成できないので、さらに、外部電極 15を構成す る金属の酸ィ匕物を外部電極ペーストに添カ卩し、液相中における外部電極金属の分 散を促進させればよい。これによつて、外部電極 15の焼結を進行させると同時に、外 部電極 15と接する内部電極 12中に液相を介して内部電極と外部電極との接合部に 中間層 70を形成することができる。この際、外部電極ペーストに添加するものとして、 外部電極 15を構成する金属酸ィ匕物のみであっても良いが、液相を低温で形成させ るために、他のガラス成分との混合、あるいはあら力じめガラスフリット成分として外部 電極を構成する金属の酸化物を添加することが好まし ヽ。

また、中間層 70の形成を確認する方法は、顕微鏡によっても良いが、好ましくは SE Mによって確認することができる。

[0147] 尚、内部電極 12を構成する金属元素の熱膨張係数を α 、外部電極 15を構成する 金属の熱膨張係数を α としたとき、熱膨張係数の比（a / a )が 0. 9以上 1未満で

2 1 2

あり、かつ内部電極 12と外部電極 15の接合部に中間層 70を設けることで、耐久性 の極めて優れた積層型圧電素子となる。 [0148] このとき、内部電極 12を構成する金属組成物の 80質量％以上が外部電極 15を構 成する金属組成物の主成分であることにより、内部電極 12中の金属部分と外部電極 15中の金属部分とが相互拡散して、内部電極と外部電極との間に極めて強い密着 強度を得ることができる。そのため、内部電極と外部電極との間に熱膨張の差が生じ ても剥離することがない。また、内部電極と外部電極との間で新たな金属間化合物が 形成されることがないので、積層型圧電素子を駆動した際に応力破壊の起点となる 組成不均一箇所の形成を防止することができる。これにより、装置の誤作動がなくなり 、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。これに対して、内部電極 12の金属組成物を外部電極 15の金属組成物の主成分を 80質量％未満で構成す ると、内部電極 12と外部電極 15との間で新たな金属間化合物や合金が形成され、 該形成部が硬くもろくなる問題が生じる場合がある。特に積層型圧電素子は駆動に より寸法が変化する素子であるから、寸法変化に伴い、外部電極 15と内部電極 12の 接合部に応力が負荷される。この接合部に硬くもろい金属間化合物や合金が形成さ れると、素子の変形が伴う連続駆動中に上述したようなはがれや断線が発生する場 合がある。一方、外部電極 15を構成する金属組成物の主成分のみで内部電極 12を 構成すると、相互拡散により中間層 70を形成できない。そのため、内部電極 12と外 部電極 15の接合部に応力緩和層が形成されないので、連続駆動時に積層型圧電 素子が変位した際、耐久性を有することができない。

[0149] 尚、素子の耐久性を高くするには、好ましくは、内部電極 12を構成する金属組成物 の 85質量％以上が外部電極 15を構成する金属組成物の主成分であること、より好 ましくは、 90質量％以上、さらに好ましくは、 95質量％とすることで達成できる。

[0150] また、本発明の積層型圧電素子は、中間層 70を内部電極 12を構成する金属成分 と外部電極 15を構成する金属成分力もなる成分で構成することが好ましい。これによ り、内部電極 12と外部電極 15が相互拡散して極めて強い密着強度を有することがで きる。また、内部電極 12と中間層 70の間及び外部電極 15と中間層 70の間に、金属 間化合物あるいはガラス質の形成が形成されてな 、ので、応力破壊の基点になる硬 くてもろい箇所の形成を防止できる。

さらに、内部電極 12を焼成するときの雰囲気と、外部電極 15を焼成する時の雰囲 気を同一にすることができるので、焼成雰囲気変化に伴う、電極構成金属の酸化還 元反応等の化学反応を防止することができるの。そのため、内部電極 12と外部電極 15との間で密着不良が生じて連続駆動中に上述したようなはがれや断線を抑制でき 、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる

[0151] ここで、中間層 70にガラス質等の無機化合物が存在すると内部電極 12と外部電極 15との熱膨張差に起因する応力が中間層 70に集中するため、金属よりも硬くてもろ い無機化合物が破壊の起点となるため、素子の変形が伴う連続駆動中に上述したよ うなはがれや断線が発生する場合がある。

[0152] 中間層 70を内部電極 12を構成する金属成分と外部電極 15を構成する金属成分 からなる成分で構成するには、外部電極形成時に、外部電極酸化物が加わった液 相を形成させて内部電極金属と外部電極金属間に金属成分を選択的に結晶成長さ せ、中間層 70外部に液相成分を追い出して中間層 70を形成させる。そのためには、 外部電極焼成温度を保持する時には液相を形成し、冷却段階では中間層 70内に無 機化合物を残留させないことが求められるが、ガラスフリットに外部電極酸ィ匕物を添 加することで、焼成冷却時に外部電極酸ィ匕物の金属成分が中間層 70に取り込まれ 、液相が中間層 70周辺でガラス層として析出することができる。このとき、冷却速度が 速いと外部電極酸ィ匕物の金属成分が中間層 70に取り込まれるよりも先に、酸化物の まま中間層 70内に形成されてしまうので、焼成保持温度から 600°Cまでの冷却速度 を 500°CZ時間よりも遅くすればよい。

[0153] また、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層 70の熱膨張係数を α としたとき、

3 α が α および α よりも大きくても小さくても素子駆動中の応力が中間層 70に集中

3 1 2

して破断する。さらに、 a < α < α であると、積層型圧電素子を連続駆動させた場

2 3 1

合、内部電極 12の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化するため、内部電極 12 と外部電極 15の接合部分に力かる負荷が大きくなり、耐久性が落ちたり、実効変位 量が小さくなつたり、連続駆動中にはがれたり断線することが発生する。そこで、 (X < α < α であることにより、内部電極 12と外部電極 15が相互拡散して極めて強い

3 2

密着強度を発生することができる上に、内部電極と外部電極との熱膨張差に起因す る応力が中間層全体に集中するため、応力の 1点集中をさけることができ、内部電極 12と外部電極 15との間で密着不良が生じて連続駆動中に上述したようなはがれや 断線を抑制でき、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有 することができる。中間層 70の熱膨張係数は、 SEM観察中に観察箇所の温度を計 測しながら加熱して、温度と中間層 70の寸法を計測することで測定できる。あるいは 、同一組成の試料を別途作製して熱膨張係数を求めることもできる。

[0154] また、本発明の積層型圧電素子は、前記中間層 70の組成が内部電極 12中の金 属組成力も外部電極 15中の金属組成へと傾斜的に変化していることが好ましい。こ のようにすると、内部電極と外部電極の熱膨張差に起因する応力を中間層の一点に 集中させることなく緩和することができるので、電極はがれを防止し、内部電極と外部 電極との密着強度を向上させて、耐久性をさらに優れたものにすることができる。す なわち、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極 12の熱膨張に加え、圧 電磁器自体が寸法変化しても、内部電極 12と中間層 70、及び外部電極 15と中間層 70との間における応力集中を抑制でき、中間層 70全体で応力を吸収することができ る。これにより、内部電極 12と外部電極 15との間の密着不良による連続駆動中のは がれや断線を抑制でき、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久 性を有することができる。そのような傾斜層を形成するためには、外部電極を素子に 装着する場合、熱処理することが必要である。し力しながら、その熱処理は、内部電 極の金属組成と外部電極の金属組成が相互拡散してかつ均一組成になることを抑 制するために、内部電極の金属組成と外部電極の金属組成での融点あるいは液相 線よりも低い温度で行うことが必要である。好ましくは、融点あるいは液相線の絶対温 度の 50%から 95%の温度、さらに好ましくは 80%から 95%の温度で熱処理すること で、前記中間層 70の組成が内部電極 12中の金属組成から外部電極 15中の金属組 成へと傾斜的に変化させることができる。

[0155] 以上の実施の形態 5の積層型圧電素子は、上述したようにして、中間層を形成する 以外は、実施の形態 1等と同様にして作製することができる。

[0156] 以下、本発明に係る実施の形態 1一 5おける、内部電極、外部電極及び圧電体の より好ましい形態について説明する。 [0157] (内部電極）

内部電極 2中の金属組成物が 8— 10族金属および Zまたは 11族金属を主成分と することが望ましい。これは、これらの金属を用いると、マイグレーションを抑制できる ことに加え、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からである。このように、圧電体と内部 電極とを同時焼成すると、接合界面を強固に結合できるだけでなぐ素子が変位して 内部電極に応力が加わっても、内部電極自体が伸縮して応力集中を防止するため、 クラックの発生を抑制することができる。また、実施の形態 2で説明したように、圧電体 1と濡れ性が悪いため、圧電体 1と内部電極 2との界面に空隙が発生しやすくなり、そ れらを積層して焼成すると、比較的高い空隙を有する内部電極 2を形成することがで きる。

[0158] さらに、内部電極 2中の金属組成物が 8— 10族金属の含有量を Ml (質量％)、 11 族金属の含有量を M2 (質量⁰ /₀)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、 8— 10族 金属が 15質量％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力 である。これにより、積 層圧電体素子の温度上昇を抑制でき、素子変位量を安定させることができるからで ある。また、内部電極 2中の 11族金属の圧電体 1へのマイグレーションをより抑制する ために、 8— 10族金属が 0. 001質量％以上 15質量％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質量％以上 10質 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 質量％以上 10質量％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 1 質量％以上 8質量％以下がさらに好ましい。

[0159] ここで、 11族金属が 85質量％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 11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、 11族金属が 85質量％以上 99. 999質量％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質量％以上 99. 9質量％ 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質量％以上 99. 5 質量％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質量％以上 9 8質量％以下がさらに好ましい。

上記の内部電極 2中の金属成分の質量％を示す 8— 10族金属、 11族金属は EP MA (Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。

[0160] さらに、本発明の内部電極 2中の金属成分は、 8— 10族金属が Ni、 Pt、 Pd、 Rh、 I r、 Ru、 Osのうち少なくとも 1種以上であり、 11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、 8— 10族金属が Pt、 Pdのうち少なくとも 1種以 上であり、 11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。

[0161] さらに、内部電極 2中の金属成分は、 11族金属が Cuであることがより好ましい。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と同時に発生する 内部応力を軽減できる可能性がある。

また、内部電極 2中の金属成分が 11族金属の Cuである積層圧電体素子を用いた 噴射装置では、例えば、燃料の噴射圧力が急激に上昇するような事態が生じた場合 であっても噴射装置の暴走を防止できる。すなわち、燃料噴射圧力が急激に上昇し て噴射装置内の素子が燃料蒸気に曝された場合、 Ag電極を用いた素子では、燃料 中に含まれる S (ィォゥ）によって AgSが形成されるため、 Agが腐食して素子の駆動 が停止するという問題があるが、内部電極が Cuであれば、 Sに対しても安定な材料で あるので異常事態が生じても、駆動に問題が生じない。

さらに、内部電極 2中の金属成分は、 8— 10族金属が Niであることが好ましい。これ により、耐熱性および耐酸化性に優れた内部電極 2を形成できる可能性がある。

[0162] また、前記内部電極に前記内部電極を構成する材質と濡れ性の悪い無機組成物 を添加することが好ましい。これは、濡れ性の悪い無機組成物が内部電極 2にあるこ とにより、焼成の際に、内部電極 2と濡れ性が悪いので、この無機組成物の周囲の電 極部分 2aがはじかれ、周囲には電極部分 2aの無い部分つまり空隙 20が形成される ことになり、空隙形成の面で有利となり、その結果、変位量を向上させることができる。 ここで、上記無機組成物としては、 BN、 TiN、 ZrN等の窒化物を主成分とすることが 好ましぐ BNを主成分とすることがさらに好ましい。尚、無機組成物は圧電体 1の表 面に形成したものでも良い。

[0163] (圧電体）

また、圧電体 1はぺロブスカイト型酸ィ匕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 )を代表とするぺロブスカイト型圧電セラミックス材料

3

等で形成されると、その圧電特性を示す圧電歪み定数 d33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— PbTiO

3 3 力もなるぺロブスカイト型酸ィ匕物を主成分とすることが好ましい。

[0164] さらに、圧電体の焼成温度は 900°C以上 1050°C以下であることが好ましい。これ は、焼成温度が 900°C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 1050°Cを超えると、焼成時 の内部電極 2の収縮と圧電体 1の収縮のずれに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。

[0165] また、圧電体の焼成温度との関係する、内部電極 2中の糸且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つ 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。

[0166] (外部電極）

また、外部電極は、 3次元網目構造をなす多孔質導電体力もなるのが望ましい。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 、ため、積層型圧電ァクチユ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ぐ外部電極 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 、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 、る。

[0167] 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が積層型圧電ァクチユエータの伸縮 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。

[0168] また、外部電極 4を構成するガラスの軟化点 (°C)力 内部電極 2を構成する導電材 の融点 (°C)の 4Z5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 4Z5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、軟ィ匕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。

[0169] 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。

[0170] 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、積層型圧電ァクチユ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 、ので、クラック等が発生する場合がある。 [0171] 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。

[0172] 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 れた導電性接着剤カゝらなる導電性補助部材 7を設けることが望まし ヽ。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。

[0173] 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 、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の側面力も剥離しやすくなる可能 '性がある。

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 、う。

[0174] 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榭脂からなることが望ま しい。これは、ポリイミド榭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榭脂を使用することによって、 導電性接着剤が高 ヽ接着強度を維持しやす ヽ。

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。

[0175] 即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド榭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 [0176] 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ァクチユエータを提供することができ る。

[0177] 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!/、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。

[0178] 実施の形態 6.

図 16は、本発明に係る実施の形態 6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-一ドルバルブ 35が収容されて!、る。

[0179] 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 つて、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。

[0180] また、ニードルバルブ 35の上端部は直径が大きくなつており、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 、上記した圧電ァクチユエータ 43が収納されている。

[0181] このような噴射装置では、圧電ァクチユエータ 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ァクチユエータ 43が収縮し、皿パネ 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。

[0182] 以上、本発明に係る実施の形態の積層型圧電素子および噴射装置について説明 したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなぐ例えば、自動車ェンジ 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、ョ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、圧電スィッチ、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、適 用できることは言うまでもない。

実施例

[0183] 実施例 1.

実施例 1として、本発明に係る実施の形態 1の積層型圧電素子からなる積層型圧 電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

[0184] まず、平均粒径が 0. 4 μ mのチタン酸ジルコン酸鉛（PbZrO— PbTiO )を主成分

3 3 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 150 μ m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。

[0185] このセラミックグリーンシートの片面に、スクリーン印刷法により、所定の組成比の銀 パラジウム合金に酸ィ匕銀とバインダーを加えた導電性ペーストを、 3 mの厚みに 形成した。この導電性ペーストが形成されたシートを 300枚積層し、焼成した。焼成 は、 800°Cで保持した後に、 1000°Cで焼成した。

[0186] 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 5 0 m、幅 50 μ mの溝を形成した。

[0187] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末を 90体積％と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を主成分とする軟ィ匕点が 640°C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. 5gZcm3であった。

[0188] 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、 650 °C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 1 5を形成した。なお、この時の外部電極 15の空隙率は、外部電極 15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。

[0189] 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 3kVZmm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ァクチユエータを作製した。

[0190] 得られた積層型圧電素子に 200Vの直流電圧を印加した結果、積層方向に表 1〖こ 示す変位量が得られた。

[0191] 次に、作製した表 1の積層型圧電素子を、 3mm X 4mm X 36mmに加工して、 JIS

R1601の 4点曲げにて、曲げ強さを測定した。この試料片は、内部電極 12の電極 面が試験片の長手方向に略垂直になるようになつている。この試料片に、長手方向 に略垂直方向から荷重して、曲げ強さを測定した。この試験において、試験片が内 部電極 12と圧電体 11の界面で破壊した時、圧電体と内部電極との間の接合強度が 圧電体の強度よりも大きいことから、この時の値を圧電体と内部電極との間の接合強 度とした。一方、試験片が圧電体 11の箇所で破壊した時、圧電体の強度が圧電体と 内部電極との間の接合強度よりも大きいことから、この値を圧電体の強度とした。

[0192] 比較のために、圧電体を 3mm X 4mm X 36mmに加工して、 JIS R1601の 4点曲 げにて、曲げ強さを測定した結果も記載した。

[0193] 表 1 N o . 試料片 無機組成物 破壊箇 接合強 曲げ強さ 変位量 添加量（体積 所 度 ( M P a ) ( μ )

% )

氺 1 素子 7 5 . 0 圧電体 強 1 0 4 8

2 素子 5 0 . 0 境界 弱 7 0 4 2

3 素子 4 0 . 0 界 弱 5 0 4 9

4 素子 3 0 . 0 境界 弱 4 0 5 2

5 素子 2 0 . 0 界 弱 3 0 5 4

6 素子 1 5 . 0 界 弱 2 5 5 5

7 素子 1 0 . 0 境界 弱 2 0 5 6

8 素子 5 . 0 界 弱 1 5 5 7

9 素子 1 . 0 境界 弱 1 0 5 8

1 0 素子 0 . 0 界 弱 1 0 5 8

* 1 1 圧電体 圧電体 1 0 5

*印は、本発明の範囲外であることを示す。

[0194] 表 1中、素子は積層型圧電素子のことである。また、破壊箇所が圧電体となってい る部分は圧電体のみで破壊したことを示し、境界となっている部分は圧電体と内部電 極との境界で破壊したことを示して 、る。

また、無機組成物添加量は、内部電極中における無機組成物添加量を体積％で 示したものである。

さらに、接合強度の欄は、圧電体の強度より、圧電体と内部電極の間の接合強度 が強いか弱いかにより表示し、変位量とは積層型圧電素子の変位量である。

[0195] 表 1より、圧電体 11の強度より圧電体 11と内部電極 12との間の接合強度が強い場 合には (試料 No. 1)、積層型圧電素子の変位量を充分大きくすることができないが、 圧電体の強度より圧電体と内部電極との間の接合強度が弱い場合には (試料 No. 2 一 7)、積層型圧電素子の変位量を充分大きくできることが確認できる。

[0196] 実施例 2.

実施例 2として、本発明に係る実施の形態 1の積層型圧電素子からなる積層型圧 電ァクチユエータを作製して評価した。

この実施例 2の積層型圧電素子は、実施例 1とは内部電極 12の材料組成が異なつ ている。この実施例 2の積層型圧電素子を、内部電極 12の材料組成以外は実施例 1 と同様に作製して実施例 1と同様の方法で評価した。

[0197] このように評価した曲げ強さとの関係を表 2に示す。なお、各試料の変位量の変化 率も併せて測定した。変化率としては、各試料の積層型圧電素子が駆動回数 1 X 10 9回に達した時の変位量 m)と、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状 態の変位量（ μ m)とを比較して、変位量と積層型圧電素子の劣化の度合 、を調べ たものである。結果を表 2に示す。

[0198] 表 2

(1) Pd, Pt, Ag,その他の金属は、内部電極金属中における含有量を重量％で示 している。

(2)変化量変化率は、初期状態に対する連続駆動後の変化量の変化を示す。

[0199] 表 2より、試料 No. 1の内部電極 12を銀 100%にした場合は、シルバーマイグレー シヨンにより積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となった。また、試料 No. 15、 16は内部電極 12中の金属組成物において 8— 10族金属の含有量が 15重量 %を超えており、また、 11族金属の含有量が 85重量％未満であるため、内部電極 1 2の硬度が大き 、ことで、積層型圧電ァクチユエータの耐久性が低下することがわか る。

[0200] これに対して、 No. 2— 14は、内部電極 12中の金属組成物が 8— 10属金属の含 有量を Ml質量％、 11属金属の含有量を M2質量％としたとき、 0≤M1≤15、 85≤ M2≤ 100、 Ml + M2= 100質量％を満足する金属組成物を主成分とするために、 内部電極 12の硬度を小さくすることができるとともに、内部電極 12の比抵抗を小さく でき、連続駆動させても内部電極 12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量 が安定した積層型ァクチユエータを作製できることがわかる。

[0201] No. 17— 19も内部電極の硬度を小さくすることができるとともに、内部電極 12の比 抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極 12で発生する発熱を抑制できたので 、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータを作製できることがわかる。

[0202] 実施例 3.

実施例 3では、本発明に係る実施の形態 2の積層型圧電素子からなる積層型圧電 ァクチユエータを以下のようにして作製して評価した。

ここでは、まず、チタン酸ジルコン酸鉛（PbZrO— PbTiO )を主成分とする圧電セ

3 3

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 150 /z mの圧電体 1になるセラミックグリーンシートを作製した。

[0203] 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 Agと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 4 μ mの厚 みに印刷した。これらシートを 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、これらを下力も保護層 30枚、積層体 300枚、保護層 3 0枚となるように積層し、プレスした後、脱脂をし、 Agの融点以上でー且温度を保持し た後、 1000°Cで最終焼成した。また、この他にも Agにバインダーをカ卩えた導電性べ 一ストに BNを添加し、同様の工程を経ることにより、比較的空隙 20の割合が大きい 内部電極 2を得た。更に、 Cuにバインダーをカ卩えた導電性ペースト、 Niにバインダー をカロえた導電性ペーストも同様に、スクリーン印刷法により 4 mの厚みに印刷した。 これらシートを 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、これらを下カゝら保護層 30枚、積層体 300枚、保護層 30枚となるよう〖こ 積層し、プレスした後、脱脂をし、それぞれの導電性ペーストが含有する金属の融点 以上で一旦温度を保持した後、さらに昇温して最終焼成した。

その後、ダイシング装置により積層体の側面の内部電極 2の端部に一層おきに深さ 50 μ m、幅 50 μ mの溝を形成した。

[0204] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末を 90体積％と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を主成分とする軟ィ匕点が 640°C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。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. 5gZcm³であった

[0205] 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°C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 4を形成し た。なお、この時の外部電極 4の空隙率は、外部電極 4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。

[0206] その後、外部電極 4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 3kVZmmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 2に示すような積 層型圧電素子を用いた積層型圧電ァクチユエータを作製した。

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、表 3に示すような変 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 1 50Hzの周波数にて印加し駆動試験を行った。

[0207] そして、この積層型圧電素子が駆動回数 1 X 10⁹回まで連続のテストを行って、そ の時点で積層型圧電素子に 170Vの直流電圧を印加し、変位量を測定し、駆動試 験前後での変位量の変化を算出した。駆動試験前後での変位量の変化は、駆動試 験前後での変位の差の絶対値を駆動試験前の変位量で除して 100倍したものを示 した。

[0208] 尚、空隙率、空隙の最大幅ならびに角度は、以下のようにして測定した。 空隙率は積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定した。その切断面にお いて、内部電極 2に存在する空隙 20の面積を測定し、その空隙 20の面積の総和を 内部電極 2の面積 (空隙も含む)で除した値を 100倍したものである。測定は任意の 5 箇所以上で行いその平均値を空隙率とした。また、最大幅は、積層型圧電素子 10の 積層方向の断面において、内部電極 2の断面に存在する空隙 20の大きさを電極に 平行な線を引きその線上の長さを測定し、測定値で最大の値を最大幅とした。測定 は任意の 10箇所で行いすベての結果力も最も大きい物を最大幅とした。最後に、内 部電極 2における電極部分 2aと空隙 20との界面が圧電体 1に接する部分を起点とし 、該起点力も電極部分 2aへの接線と圧電体 1とのなす角度 24の測定は、積層型圧 電素子 10の積層方向の断面において、任意の 10箇所で、任意の 10個の角度を測 定し、その平均値を計算し、代表値として示した。結果を表 3に示す。

表 3

空隙の 初期変 空隙 変化

No 最大幅 角度 位量

率 （％ 内部電極の主成分 率（％

( μ m (度） ( μ m

) )

) ) 氺 1 4 1 40 9 5 A g - 5 P d 43 1.1

2 5 16 50 9 5 A g - 5 P d 48 0.8

3 7 17 80 9 5 A g - 5 P d 50 0.5

4 10 18 80 9 5 A g - 5 P d 53 0.3

5 29 19 80 9 5 A g - 5 P d 57 0.1

6 48 20 80 9 5 A g - 5 P d 57 0

7 60 22 80 9 5 A g - 5 P d 53 0.1

8 70 23 80 9 5 A g - 5 P d 50 0.4

*9 80 43 80 9 5 A g - 5 P d 43 1.0

10 30 1 80 9 5 A g - 5 P d 50 0.6

11 30 2 80 9 5 A g - 5 P d 55 0.4

12 31 3 80 9 5 A g - 5 P d 57 0.3

13 32 5 80 9 5 A g - 5 P d 57 0.1

14 31 11 80 9 5 A g - 5 P d 57 0.1

15 31 20 80 9 5 A g - 5 P d 57 0

16 32 29 80 9 5 A g - 5 P d 57 0

17 30 52 80 9 5 A g - 5 P d 55 0.3

18 31 100 80 9 5 A g - 5 P d 52 0.5

19 32 300 80 9 5 A g - 5 P d 52 0.5

20 29 20 50 9 5 A g - 5 P d 48 0.7

21 30 21 60 9 5 A g - 5 P d 54 0.5

22 30 22 70 9 5 A g - 5 P d 55 0.2

23 32 20 80 9 5 A g - 5 P d 57 0

24 30 22 90 9 5 A g - 5 P d 57 0.1

25 31 20 120 9 5 A g - 5 P d 55 0.2

26 30 21 150 9 5 A g - 5 P d 53 0.4

9 9. 9 A g - 0. I P

27 32 20 80 d 55 0.3

9 9. 5 A g - 0. 5 P

28 30 19 80 d 57 0.1

29 29 20 80 9 9A g - l P d 57 0

30 30 22 80 9 5 A g - 5 P d 57 0

31 32 21 80 9 2 A g - 8 P d 57 0

32 30 22 80 9 0A g - 1 0 P d 55 0.1

33 31 20 80 8 5A g - 1 5 P d 55 0.2

34 32 21 80 8 0A g - 20 P d 53 0.4

35 30 20 80 70A g - 3 0 p d 52 0.5

36 29 22 80 6 0A g - 40 P d 52 0.5

37 32 20 80 1 00 C u 56 0.1

38 30 21 80 1 00 N i 55 0.1 ( 1)角度欄の角度は、内部電極への接線と圧電体のなす角度を表して!、る。

(2)変化率は、駆動試験前後における変位量の変化率を示している。

[0210] 表 3より、比較例である試料 No. 1は、内部電極 2の空隙率が 5%未満であったため 、内部電極 2が圧電体 1を拘束する力が大きくなつたため、初期の変位量が著しく小 さくなるとともに、連続駆動試験前後での変位量の変化率が 1. 1%と耐久性も低下し た。また、試料 No. 9は、内部電極 2の空隙率が 70%を超えたため、圧電体 1に所望 の電圧を印加できず、初期の変位量が低下したとともに、連続駆動させると、内部電 極 2の強度低下に伴い、耐久性も低下した。

[0211] これらに対して、内部電極 2に 5— 70%の空隙 20を有する本発明の試料 No. 2— 8、 10— 38は、初期の変位量が 48 m以上で比較例 No. 1、 9に比べて変位量が 大きぐ積層型圧電素子 10として優れていることがわ力つた。また、本発明の試料 No . 2— 8、 10— 38は、連続駆動試験前後の変位量の変化率が 0. 8%以下で比較例 No. 1、 9〖こ比べて小さく、耐久性の面でも本発明品が優れていることがわ力つた。

[0212] 特に、空隙 20の最大幅が 1 μ m以上、または内部電極 2における電極部分 2aと空 隙 20との界面が圧電体 1に接する部分を起点とし、該起点から電極部分 2aへの接 線と圧電体 1とのなす角度 24が 60度以上である試料 No. 3— 8、 10— 19、 21— 38 は、初期の変位量が 50 m以上と大きぐまた、連続駆動試験前後での変化率が 0 . 6%以下と小さぐ積層型圧電素子として変位特性と耐久性においても優れることが わかった。

[0213] 実施例 4.

実施例 4では、本発明に係る実施の形態 3の積層型圧電素子からなる積層型圧電 ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が 0. 4 111のチタン酸ジルコン酸鉛（？1^1：0— PbTiO )を主成分

3 3 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 150 μ m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。

[0214] 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⁰ パラジゥ ム 5重量⁰ /₀)にバインダーをカ卩えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により 3 μ mの 厚みに形成したシートを 300枚積層し、焼成した。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°Cで焼成した。

ここで、内部電極 82の形状は、図 8、図 9、図 17、図 18、図 19に示す形状になるよ うにそれぞれ印刷した。

[0215] 図 8A— Cは、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状が非線対称形でかつ点対称形であり、積層型圧電素子の全ての素子側面で異 なる極性の内部電極が露出している内部電極パターンを示す図である。ここで、図 8 A、図 8Bは異なる極性を有するそれぞれの内部電極パターンを示す平面図で、図 8 Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aを示す 図である。

[0216] 図 9A— Cは、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状が非線対称形でかつ点対称形であり、積層型圧電素子の全ての素子側面で異 なる極性の内部電極が露出している内部電極パターンで、さらに内部電極パターン に R面が形成されていることを示す図である。ここで、図 9A、図 9Bは異なる極性を有 するそれぞれの内部電極パターンを示す平面図で、図 9Cは異なる極性を有する内 部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aを示す図である。

[0217] 図 17A— Cは、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状が線対称形でかつ点対称形であり、積層型圧電素子の一部の素子側面では片 方の内部電極しか露出していない内部電極パターンを示す図である。ここで、図 17 A、図 17Bは異なる極性を有するそれぞれの内部電極パターンを示す平面図で、図 17Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aを示 す平面図である。

[0218] 図 18A— Cは、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状が線対称形でかつ点対称形であり、積層型圧電素子の全ての素子側面で異な る極性の内部電極が露出して ヽる積層型圧電素子の内部電極パターンを示す図で ある。ここで、図 18A、図 18Bは異なる極性のそれぞれの内部電極パターンを示す 平面図で、図 18Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる 部分 82aを示す図である。 [0219] 図 19A— Cは、異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの 形状が線対称形でかつ非点対称形であり、積層型圧電素子の全ての素子側面で異 なる極性の内部電極が露出して ヽる積層型圧電素子の内部電極パターンを示す図 である。ここで、図 19A、図 19Bは異なる極性のそれぞれの内部電極パターンを示す 平面図で、図 19Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる 部分 82aを示す図である。

[0220] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を 主成分とする軟ィ匕点が 640°Cの非晶質のガラス粉末との混合物に、ノ 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。

そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体 80の外部電極 85面に転写して積 層し、 700°Cで 30分焼き付けを行い、外部電極 85を形成した。

[0221] その後、外部電極 85にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極 85にリード線 を介して 3kVZmmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 5Aに示すよ うな積層型圧電素子を用いた積層型圧電ァクチユエータを作製した。

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、すべての積層型 圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に 45 μ mの変位量が得られた。さらに、この 積層型圧電ァクチユエータを室温で 0— + 170Vの交流電圧を 150Hzの周波数で 印加して、 1 X 10⁹回まで連続駆動した試験を行った。結果は表 4に示すとおりである

[0222] 表 4 N

A B C D E F G H I J K

o .

1 図 8 A

図 8 C X 〇 〇 X 50. 0 49. 9

図 8 B

2 図 9 A

図 9 C X 〇 〇 〇 55. 0 55. 0 一 一 ― 図 9 B

氺 図 1 7 A

図 1 7 C 〇 〇 X X 45. 0 発生 発生 発生

3 図 1 7 B

氺 図 1 8 A

図 1 8 C 〇 〇 〇 X 50. 0 発生 発生 発生

4 図 1 8 B

氺 図 1 9 A

図 1 8 C 〇 X 〇 X 45. 0 発生 発生 発生

5 図 1 9 B

*印は、本発明の範囲外のものである。

[0223] 尚、表 4におけるアルファベットの文字で表示した欄は、以下のことを示す。

A：内部電極の構成、

B：異なる極性の内部電極同士が重なる部分の形状、

C：異なる極性の内部電極同士が重なる部分の形状が線寸対称、

D:異なる極性の内部電極同士が重なる部分の形状が点対称、

E：異なる極性の内部電極が全ての素子側面で露出、

F:内部電極パターンに C面または R面、

G :初期状態の変位量 m)、

H：連続駆動後（1 X 109回）の変位量（ m)、

I：連続駆動後（1 X 109回)積層部分にはがれ、

J：高調波成分のノイズ発生、

K: 1kHz以上でうなり音発生。

[0224] この表 4から、比較例である試料番号 3、 4、 5は、内部電極 82のパターン力 異なる 極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの形状が、線対称である ため、積層型圧電ァクチユエータを連続駆動させると、圧電変位の大きくなる部分が 線対称の中心線となり、該中心線上において変位が著しく大きくなるため、その変位 が素子側面の圧電体 11と内部電極 82の積層界面まで伝搬し、該積層界面に力かる 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。

[0225] これらに対して、本発明の実施例である試料番号 1、 2では、内部電極 82のパター ンカ 異なる極性の内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 82aの形状力 非 線対称であるため、 I X 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 となぐ積層型圧電ァクチユエータとして必要とする実効変位量を有し、また、誤作動 が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電ァクチユエータを作製できた。

特に試料番号 2は、内部電極パターンに R面があるため、 1 X 10⁹回連続駆動させ た後も、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。

[0226] 実施例 5.

実施例 5では、実施例 4の試料 No. 2の積層型圧電ァクチユエータの内部電極 82 の材料組成を変化させて、各試料の変位量の変化率を測定した。ここで、変位量の 変化率とは、各試料の積層型圧電素子が駆動回数 1 X 10⁹回に達した時の変位量（ μ m)と、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量（ μ m)とを比 較したものである。結果を表 5に示す。

[0227] 表 5

P d A g Cu Ni

変位量変化率

No (質量％ (質量％ (質量％ (質量％

( % )

) ) ) )

マイ グレーションで破

1 0 100 0 0

損

2 0. 001 99. 999 0 0 0. 7

3 0. 01 99. 99 0 0 0. 7

4 0. 1 99. 9 0 0 0. 4

5 0. 5 99. 5 0 0 0. 2

6 1 99 0 0 0. 2

7 2 98 0 0 0

8 4 95 1 0 0

9 5 95 0 0 0

10 8 92 0 0 0

11 9 9 1 0 0 0. 2

12 9. 5 90. 5 0 0 0. 2

13 10 90 0 0 0. 4

14 1 5 85 0 0 0. 7

15 0 0 100 0 0. 2

16 0 0 99. 9 0. 1 0

17 0 0 0 100 0. 4

18 20 80 0 0 0. 9

19 30 70 0 0 0. 9

[0228] Pd, Ag, Cu, Ni (質量％)は、内部電極金属中に含まれる各元素の質量％で表し ており、変位量変化率(％)は、初期状態に対する連続駆動後の変位量の変化率を 示している。

[0229] 表 5より、試料 No. 1の内部電極 82を銀 100%にした場合は、シルバーマイグレー シヨンにより積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となった。また、試料 No. 18は内部電極 82中の金属組成物にお 、て 8— 10族金属の含有量が 15質量％を 超えており、また、 11族金属の含有量が 85質量％未満であるため、内部電極 82の 比抵抗が大き!/ヽことで積層型圧電素子を連続駆動させた際発熱して、積層型圧電ァ クチユエータの変位量が低下することがわかる。

[0230] これに対して、試料 No. 2— 14は、内部電極 82中の金属組成物が 8— 10属金属 の含有量を Ml質量％、 lb属金属の含有量を M2質量％としたとき、 0< M1≤15、 85≤M2< 100、 Ml + M2= 100質量％を満足する金属組成物を主成分とするた めに、内部電極 82の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極 82で発生する 発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータを作製できるこ とがわかる。

試料 No. 15— 17も内部電極 82の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電 極 82で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型ァクチユエ ータを作製できることがわかる。

[0231] 実施例 6.

実施例 6では、本発明に係る実施の形態 4の積層型圧電素子からなる積層型圧電 ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が 0. 4 111のチタン酸ジルコン酸鉛（？1^1：0— PbTiO )を主成分

3 3 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 150 μ m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。

[0232] 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％ パラジゥ ム 5重量⁰ /₀)にバインダーをカ卩えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により 3 μ mの 厚みで、図 13、図 14、図 20、図 21、図 22、図 23に示す形状で印刷して形成したシ ートをそれぞれ 300枚積層し、焼成した。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°C で焼成した。

[0233] 図 13A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が R状であり、積層型圧電素子 の全ての素子側面で異なる極性の内部電極が露出している内部電極パターンを示 す図である。ここで、図 13A,図 13Bは異なる極性を有するそれぞれの内部電極パタ ーンを示す平面図で、図 13Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介 して重なる部分 92aを示す図である。

[0234] 図 14A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が R状であり、積層型圧電素子 の全ての素子側面で異なる極性の内部電極が露出している内部電極パターンで、さ らに圧電体 11に R面が形成されていることを示す図である。ここで、図 14A,図 14B は異なる極性を有するそれぞれの内部電極パターンを示す平面図で、図 14Cは異 なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す図であ る。

[0235] 図 20A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直線状であり、積層型圧電 素子の一部の素子側面では片方の内部電極しか露出していない内部電極パターン を示す図である。ここで、図 20A,図 20Bは異なる極性を有するそれぞれの内部電 極パターンを示す平面図で、図 20Cは異なる極性を有する内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す平面図である。

[0236] 図 21A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直線状であり、積層型圧電 素子の全ての素子側面で異なる極性の内部電極が露出して!/、る積層型圧電素子の 内部電極パターンを示す図である。ここで、図 21A、図 21Bは異なる極性のそれぞ れの内部電極パターンを示す平面図で、図 21Cは異なる極性を有する内部電極同 士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す図である。

[0237] 図 22A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直角状であり、積層型圧電 素子の全ての素子側面で異なる極性の内部電極が露出して!/、る積層型圧電素子の 内部電極パターンを示す図である。ここで、図 22A、図 22Bは異なる極性のそれぞ れの内部電極パターンを示す平面図で、図 22Cは異なる極性を有する内部電極同 士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す図である。

[0238] 図 23A— Cは、内部電極 92と絶縁領域 96との境界が直線状であり、異なる極性の 内部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aの形状が非点対称形であり、積 層型圧電素子の全ての素子側面で異なる極性の内部電極が露出して！/ヽる積層型圧 電素子の内部電極パターンを示す図である。ここで、図 23A、図 23Bは異なる極性 のそれぞれの内部電極パターンを示す平面図で、図 23Cは異なる極性を有する内 部電極同士が圧電体 11を介して重なる部分 92aを示す図である。

[0239] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を 主成分とする軟ィ匕点が 640°Cの非晶質のガラス粉末との混合物に、ノインダーを銀 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。

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 85面に転写して積 層し、 700°Cで 30分焼き付けを行い、外部電極 85を形成した。

[0240] その後、外部電極 85にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極 85にリード線 を介して 3kVZmmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 10に示すよ うな積層型圧電素子を用いた積層型圧電ァクチユエータを作製した。

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、すべての積層型 圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に 45 μ mの変位量が得られた。さらに、この 積層型圧電ァクチユエータを室温で 0— + 170Vの交流電圧を 150Hzの周波数で 印加して、 1 X 10⁹回まで連続駆動した試験を行った。結果は表 6に示すとおりである

[0241] 表 6

N

A B C D E F G H I

o

図 1

1 図 1 3 O 3 ( c O O 52. 0 51. 9

)

図 1

2 図 1 4 O 4 ( c O O 56. 0 56. 0

)

図 2

*3 図 2 0 X 0 ( c 〇 X 45. 0 44. 0 発生 発生

)

図 2

Φ4 図 2 1 X 1 ( c o O 50. 0 49. 0 発生 発生

)

図 2

*5 図 2 2 X 2 ( c 〇 〇 51 . 0 49. 0 発生 発生

)

図 2

*5 図 2 3 X 3 ( c X 〇 45. 0 42. 0 発生 発生

) [0242] 尚、表 4におけるアルファベットの文字で表示した欄は、以下のことを示す。

A：内部電極の構成、

B：内部電極と絶縁領域との境界に R面である（〇）か否か（ X )、

C：異なる極性の内部電極同士が重なる部分の形状

D：異なる極性の内部電極同士が重なる部分の形状が点対称 (〇）か否か（ X )、 E：異なる極性の内部電極が全ての素子側面で露出して 、る（〇）力否（ X )か、 F:初期状態の変位量 m)、

G：連続駆動後（ 1 X 10⁹回）の変位量 m)、

H :連続駆動後（1 X 10⁹回)積層部分にクラックが発生した力否か、

I：高調波成分のノイズが発生した力否か。

[0243] この表 6から、比較例である試料番号 3、 4、 5、 6は、内部電極 92と絶縁領域 96との 境界が R状でないため、積層型圧電ァクチユエータを連続駆動させると、圧電変位の 大きくなる部分と圧電変位しない部分の境界に応力が集中して、該積層界面にかか る負荷が増大して圧電体 11の絶縁領域 96にクラックが生じるとともに、駆動中にノィ ズが発生した。

[0244] これらに対して、本発明の実施例である試料番号 1、 2では、内部電極 92と絶縁領 域 96との境界が R状であるため、 1 X 10⁹回連続駆動させた後も、素子変位量が著し く低下することなぐ積層型圧電ァクチユエータとして必要とする実効変位量を有し、 また、誤作動が生じな ヽ優れた耐久性を有した積層型圧電ァクチユエータを作製で きた。

特に試料番号 2は、圧電体 11に R面があるため、 1 X 10⁹回連続駆動させた後も、 素子変位量がほとんど変化せず、極めて耐久性に優れて 、た。

[0245] 実施例 7.

実施例 6の試料 No. 2の積層型圧電ァクチユエータの内部電極 92の材料組成を 変化させて、各試料の変位量の変化率を測定した。ここで、変位量の変化率とは、各 試料の積層型圧電素子が駆動回数 1 X 10⁹回に達した時の変位量 m)と、連続駆 動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量（ μ m)とを比較したものであ る。結果を表 7に示す。 [0246] 表 7

表 7において、 Pd、 Ag、 Cu、 Niと表記した欄には、内部電極金属中における各金 属の質量％を示している。また、変位量変化率と表記した欄には、初期状態に対す る連続駆動後の変位量の変化率（％)を示し、試料 1の破壊はマイグレーションで破 損したものである。

[0247] 表 7より、試料 No. 1の内部電極 92を銀 100%にした場合は、シルバーマイグレー シヨンにより積層型圧電素子の一部に破損が生じた。また、試料 No. 18は内部電極 92中の金属組成物において 8— 10族金属の含有量が 15質量％を超えており、また 、 11族金属の含有量が 85質量％未満であるため、内部電極 92の比抵抗が大きいこ とで積層型圧電素子を連続駆動させた際発熱して、積層型圧電ァクチユエ一タの変 位量が低下することがわかる。

[0248] これに対して、試料 No. 2— 14は、内部電極 92中の金属組成物が 8— 10属金属 の含有量を Ml質量％、 lb属金属の含有量を M2質量％としたとき、 0< M1≤15、 85≤M2< 100、 Ml + M2= 100質量％を満足する金属組成物を主成分とするた めに、内部電極 92の比抵抗を小さくして発熱を抑制できたとともに、伸縮性に富んだ 内部電極 92とすることができたので、クラックが発生することなく素子変位量が安定し た積層型ァクチユエータを作製できた。

試料 No. 15— 17も内部電極 92の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電 極 92で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型ァクチユエ ータを作製できることがわかる。

[0249] 実施例 8.

実施例 8では、本発明に係る実施の形態 5の積層型圧電素子からなる積層型圧電 ァクチユ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— PbTiO )を主成分とする圧電セラミックの

3 3

仮焼粉末、ノ 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 150 m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。

[0250] 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カ卩えた導電性ペーストが、スクリーン印刷法により 3 mの厚み に形成されたシートを 300枚積層し、 1000°Cで焼成した。

次に、ダイシング装置により柱状積層体の側面の内部電極の端部に一層おきに深 さ 50 m、幅 50 μ mの溝を形成した。

[0251] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末を 90体積％と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を主成分とする軟ィ匕点が 640°C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。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. 5gZcm³であった。

[0252] 次に、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、 650

°C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 1

5を形成した。なお、この時の外部電極 15の空隙率は、外部電極 15の断面写真を画 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 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 3kVZmm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作製した。

[0253] 実施例 9.

実施例 9では、上記の製法にカ卩えて、内部電極 12および外部電極 15の金属組成 を制御して作製された本発明の積層型圧電ァクチユエータにおいて、積層型圧電ァ クチユエータの連続駆動前後における素子変位量の変化率を測定した。

上記のようにして得られた積層型圧電ァクチユエータに対して、 170Vの直流電圧 を印加したところ、すべての積層型圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に 45 mの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電ァクチユエータを室温で 0— + 170 Vの交流電圧を 150Hzの周波数で印加して、 1 X 10⁹回まで連続駆動した試験を行 つた o

[0254] また、内部電極 12と外部電極 15の熱膨張係数は、 SEMにより観察箇所の温度を 計測しながら加熱して、温度と内部電極 12と外部電極 15の寸法を計測することで測 定した。結果は表 8に示すとおりである。

[0255] 表 8

表 8—1 内部電極構成金属

No A g P d A u 熱膨張係数《！

(質量％) (質量％) (質量％) ( X 1 0— V deg)

100 0 17. 0

100 0 17. 0

3 99. 99 0. 01 17. 0

4 99. 9 0. 1 17. 0

5 99 1 16. 9

6 98 2 16. 9

7 95 5 16. 7

8 90 10 16. 5

9 85 15 16. 2

10 80 20 16. 0

11 70 30 15. 4

12 95 5 16. 9

*13 60 40 14. 9

H=14 70 30 15. 4

=1=15 70 30 15. 4 表 8— 2

外部電極構成金属

熱膨張係数

No A g P d A u

(質量％) (質量％) (質量％)

( X 1 0 - Vdeg)

*1 70 30 0 15. 4

*2 100 0 0 17. 0

3 100 0 0 17. 0

4 100 0 0 17. 0

5 100 0 0 17. 0

6 100 0 0 17. 0

7 100 0 0 17. 0

8 100 0 0 17. 0

9 100 0 0 17. 0

10 100 0 0 17. 0

11 100 0 0 17. 0

12 100 0 0 17. 0

*13 100 0 0 17. 0

*14 70 30 0 15. 4

*15 0 0 100 14. 2 表 8—3 N o 連続駆動後 変位量

構成割合 初期変位

最大変位量 変化率

i / a (質量％ 量 A

B ( % )

) { β m )

{ β ra )

1 1. 1 100 45. 0 破壊

2 1. 0 100 45. 0 破壊 ―

3 0. 99997 100 45. 0 44. 7 0. 7

4 0. 9997 100 45. 0 44. 8 0. 4

5 0. 997 99 45. 0 44. 9 0. 2

6 0. 99 98 45. 0 45. 0 0. 0

7 0. 98 95 45. 0 45. 0 0. 0

8 0. 97 90 45. 0 44. 8 0. 4

9 0. 95 85 45. 0 44. 7 0. 7

1 0 0. 94 80 45. 0 44. 6 0. 9

1 1 0. 91 70 45. 0 44. 6 0. 9

1 2 0. 99 95 45. 0 45. 0 0. 0

1 3 0. 88 60 45. 0 44. 4 1. 3

1 4 1. 0 70 45. 0 44. 4 1. 3

1 5 1. 09 70 45. 0 破壊 ―

[0256] 表 8—3において、構成割合の欄には、外部電極主成分が内部電極を構成する割 合 (質量％)を示している。

初期変位量 Α m)の欄には、連続駆動する前の初期状態における変位量 A ( m)を示す。

連続駆動後最大変位量 B ( μ m)の欄には、 1 X 10⁹回連続駆動した後の最大変位 量 m)を示す。

変位量変化率 (％)の欄には、初期状態における変位量 Aに対する連続駆動後の 変位量 Bの変化率（ I (A-B) ZAX IOO I )を示す。

破壊と記載されて ヽる部分は、内部電極と外部電極との間でスパークして破壊した ことを示す。

[0257] この表 8から、比較例である試料番号 1、 2および 15は、内部電極 12を構成する金 属元素の熱膨張係数を a 、外部電極 15を構成する金属の熱膨張係数を a とした

1 2 とき、熱膨張係数の比（ a Z a )

1 2が 1以上であったため、積層型圧電ァクチユエータ を連続駆動させると、内部電極 12の熱膨張に加え、圧電磁器自体が寸法変化し、内 部電極 12と外部電極 15の接合部分にカゝかる負荷が大きくなり、内部電極 12と外部 電極 15間でスパークして連続駆動中に断線が発生した。また、試料番号 14では上 記接合部分に力かる負荷により、積層型圧電ァクチユエータの実効変位量力 、さく なった。

[0258] 一方、比較例である試料番号 13は、熱膨張係数の比（ α . 9より小さか

1 Z α )が 0

2

つたため、内部電極 12を構成する金属の熱膨張係数 α と外部電極 15を構成する 熱膨張係数お との差が大きくなり、内部電極 12と外部電極 15との間で密着不良が

2

生じて、積層型圧電素子の実効変位量が小さくなつた。

[0259] これらに対して、本発明の実施例である試料番号 3— 12では、内部電極 12と外部 電極 15の熱膨張係数の比（a / a )が 0. 9以上 1未満の範囲で形成した積層型圧

1 2

電ァクチユエータであったため、 1 X 10⁹回連続駆動させた後も、素子変位量が著しく 低下することなぐ積層型圧電ァクチユエータとして必要とする実効変位量を有し、ま た、熱暴走や誤作動が生じな!/ヽ優れた耐久性を有した積層型圧電ァクチユエータを 作製できた。

[0260] 実施例 10.

実施例 10として、上記の製法にカ卩えて、内部電極 12および外部電極 15の金属組 成を制御して作製された本発明の積層型圧電ァクチユエータにおいて、中間層 70の 形成状態と外部電極 15の主成分が内部電極を構成する割合と積層型圧電ァクチュ エータの連続駆動前後における素子変位量の変化率を測定した。

なお、外部電極 15の金属組成にガラスフリットをカロえたものをペーストとして印刷焼 き付けることにより、外部電極 15を形成した。

[0261] 上記のようにして得られた積層型圧電ァクチユエータに対して、 170Vの直流電圧 を印加したところ、すべての積層型圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に 45 mの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電ァクチユエータを室温で 0— + 170 Vの交流電圧を 150Hzの周波数で印カロして、 1 X 10⁹回まで連続駆動させた駆動試 験を行った。結果は表 9に示すとおりである。

[0262] 表 9

表 9—1 内部電極構成金属

No A g P d C u N i

(質量％) (質量％) (質量％) (質量％)

1 99. 99 0. 01 0 0

2 99. 9 0. 1 0 0

3 99 1 0 0

4 98 2 0 0

5 95 5 0 0

6 90 10 0 0

7 85 15 0 0

8 80 20 0 0

9 0 0 100 0

10 0 0 99. 9 0. 1

¾

11 0 0 0 100

綱

*12 0 0 100 0 、 、

*13 100 0 0 0 表 9 2

N o 外部電極構成金属

A g P d

C u

(質量％ 〔質量％

〔質量％)

) )

1 100 0 0 0

2 100 0 0 0

3 100 0 0 0

4 100 0 0 0

5 100 0 0 0

6 100 0 0 0

7 100 0 0 0

8 100 0 0 0

9 10 0 90 0

1 0 0 0 100 0

1 1 0 0 10 90

1 2 100 0 0 0

1 3 0 0 100 0 表 9—3

[0263] 表 9— 3において、中間層の欄には、中間層がある場合は（〇）とし、無い場合は（X )と表示した。

構成割合の欄には、外部電極主成分が内部電極を構成する割合 (質量％)を示し ている。

初期変位量 A m)の欄には、連続駆動する前の初期状態における変位量 A ( m)を示す。

連続駆動後最大変位量 B ( μ m)の欄には、 1 X 10⁹回連続駆動した後の最大変位 量 m)を示す。

変位量変化率 (％)の欄には、初期状態における変位量 Aに対する連続駆動後の 変位量 Bの変化率（ I (A-B) ZAX IOO I )を示す。

破壊と記載されて ヽる部分は、内部電極と外部電極との間でスパークして破壊した ことを示す。

[0264] この表 9から、比較例である試料番号 12および 13は、中間層を形成しなかったた め、また、内部電極 12を構成する金属組成と外部電極 15を構成する金属組成が類 似していな力つたので、内部電極 12と外部電極 15の接合部分に力かる負荷が大きく なり、内部電極と外部電極間でスパークして連続駆動中に断線が発生した。

[0265] これらに対して、本発明の実施例である試料番号 1一 11は、中間層を形成したため

、また、内部電極 12を構成する金属組成と外部電極 15を構成する金属組成が類似 していたので、 1 X 10⁹回連続駆動させた後でも、素子変位量が著しく低下することな ぐ積層型圧電ァクチユエータとして必要とする実効的な変位量を有し、また、熱暴走 や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電ァクチユエータを作製できた

[0266] 実施例 11.

実施例 11として、上記の製法において、様々な電極材料組成で形成した内部電極 12を有する積層型圧電ァクチユエータにおいて、積層型圧電ァクチユエータの連続 駆動中における素子変位量の最大変化率を測定し、内部電極 12の電極材料組成と 積層型圧電ァクチユエータの連続駆動による劣化の度合との関連について検証した

[0267] ここで、劣化の度合とは、積層型圧電ァクチユエータを任意の回数で駆動中の最大 素子変位量 (連続駆動中の最大素子変位量)を測定し、さらに、上記の積層型圧電 ァクチユエータを所定の回数で駆動させた後の素子変位量 (連続駆動後の素子変位 量)を測定して、該連続駆動後の素子変位量が前記連続駆動中の最大素子変位量 に対して変化した割合で示している。これにより、任意の回数で駆動中の積層型圧電 ァクチユエータを所定回数で連続駆動させたことによって引き起こされる劣化の様子 を確認することができる。

[0268] 上記のようにして得られた積層型圧電ァクチユエータに対して、 170Vの直流電圧 を印加したところ、すべての積層型圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に 45 mの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電ァクチユエータに室温で 0— + 170 Vの交流電圧を 150Hzの周波数で印カロして、 1 X 10⁹回まで連続駆動させた駆動試 験を行った。結果は表 9に示すとおりである。

[0269] 表 10 C u 劣化の 変位量変

No (質量％ 度合 （％ 化率 （％)

) )

1 0 100 0 0 破損

2 0. 00 1 99. 999 0 0 0. 7 0. 22

3 0. 01 99. 99 0 0 0. 7 0. 22

4 0. 1 99. 9 0 0 0. 4 0. 22

5 0. 5 99. 5 0 0 0. 2 0. 00

6 1 99 0 0 0. 2 0. 00

7 2 98 0 0 0 0. 00

8 4 95 1 0 0 0. 00

9 5 95 0 0 0 0. 00

10 8 92 0 0 0 0. 00

2

11 9 91 0 0 0. 2 0. 00

12 9. 5 90. 5 0 0 0. 2 0. 00

13 10 90 0 0 0. 4 0. 22

14 15 85 0 0 0. 7 0. 22

15 0 0 100 0 0. 2 0. 00

16 0 0 99. 9 0. 1 0 0. 00

17 0 0 0 100 0. 4 0. 22

18 20 80 0 0 0. 9 0. 45

19 30 70 0 0 0. 9 0. 45

[0270] 表 10において、 Pd (質量％)、 Ag (質量％)、 Cu (質量％)及び Ni (質量％)の欄に は、内部電極金属中の各金属の割合を示している。

変位量変化率 (％)の欄には、初期状態に対する連続駆動後の変位量の変化率を 示している。

破壊と記載されている部分は、マイグレーションにより破壊したことを示す。

[0271] この表 10から、試料番号 1は内部電極 12を銀 100%で形成したため、シルバ一 · マイグレーションが起こり、内部電極 12と外部電極 15の接合部分に力かる負荷が大 きくなり、内部電極 12と外部電極 15間でスパークして連続駆動中に断線が発生した ため、連続駆動が困難となった。

また、試料番号 18、 19は内部電極 12中の金属組成物において、 8— 10族金属の 含有量が 15質量％を超えており、また、 11族金属の含有量が 85質量％未満であつ たため、連続駆動によって劣化が増大して、積層型圧電ァクチユエータの耐久性が 低下した。

[0272] これらに対して、試料番号 2— 16では内部電極 12中の金属組成物が 8— 10族金 属の含有量を Ml (質量％)、 11族金属の含有量を M2 (質量％)としたとき、 0< M1 ≤15、 85≤M2< 100、 Ml + M2= 100を満足する金属組成物を主成分としたた め、内部電極 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極 12で発生する発 熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータを作製できた。

[0273] なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しな V、範囲内で種々の変更を行うことは何等差し支えな!/、。

Claims

請求の範囲

[1] 少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交 互に積層されてなる積層体と、

前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、

前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、

前記圧電体と前記内部電極との間の接合強度を前記圧電体の曲げ強度より弱くし た積層型圧電素子。

[2] 前記圧電体と前記内部電極との間の接合強度が 70MPa以下であることを特徴と する請求項 1に記載の積層型圧電素子。

[3] 前記第 1の外部電極と内部電極との間の接合強度及び前記第 2の外部電極と内部 電極との間の接合強度が、前記圧電体と前記内部電極との接合強度よりも大きいこと 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] 少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交 互に積層されてなる積層体と、

前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、

前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、

前記内部電極は空隙を含み、前記内部電極の断面において前記空隙の占める面 積の割合が 5— 70%であることを特徴とする積層型圧電素子。

[5] 少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交 互に積層されてなる積層体と、

前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、

前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、 前記積層体の積層方向に前記内部電極を貫通する空隙を設けたことを特徴とする 積層型圧電素子。

[6] 全ての前記内部電極に、前記内部電極を貫通する空隙を設けたことを特徴とする 請求項 5に記載の積層型圧電素子。

[7] 前記内部電極と前記圧電体との界面において、電極部分と前記圧電体の境界と、 前記空隙と前記電極部分の境界とのなす角度が、 60度以上であることを特徴とする 請求項 4乃至 6の ヽずれかに記載の積層型圧電素子。

[8] 前記内部電極に BNを主成分とする無機組成物を添加したことを特徴とする請求項

4乃至 7の 、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[9] 少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交 互に積層されてなる積層体と、

前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、

前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、

前記第 1の内部電極と前記第 2の内部電極が対向する対向部分の形状は、非線対 称形状であることを特徴とする積層型圧電素子。

[10] 前記対向部分の形状は、点対称形状であることを特徴とする請求項 9に記載の積 層型圧電素子。

[11] 前記第 1の内部電極は、その端部の一部が前記積層体の側面より内側に位置する ことにより、その側面に形成された第 2の外部電極と絶縁されており、前記第 2の内部 電極は、その端部の一部が前記積層体の側面より内側に位置することにより、その側 面に形成された第 1の外部電極と絶縁されたことを特徴とする請求項 9または 10に記 載の積層型圧電素子。

[12] 前記積層体の内部において、前記第 1の内部電極と前記第 2の外部電極の距離及 び前記第 2の内部電極と前記第 1の外部電極の距離が、 0. 1一 5mmの範囲に設定 されたことを特徴とする請求項 9乃至 11のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[13] 前記第 1の内部電極の一部が前記第 2の外部電極が形成されている前記積層体 の側面に露出されており、その前記第 1の内部電極の露出部と前記第 2の外部電極 の間の前記積層体の表面における最短距離及び前記第 2の内部電極の一部が前 記第 1の外部電極が形成されている前記積層体の側面に露出されており、その前記 第 2の内部電極の露出部と前記第 1の外部電極の間の前記積層体の表面における 最短距離がそれぞれ、 0. 1一 5mmの範囲に設定されたことを特徴とする請求項 9乃 至 12のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[14] 少なくとも 1つの圧電体と第 1及び第 2の内部電極力 なる複数の内部電極とが交 互に積層されてなる積層体と、

前記積層体の第 1の側面に形成されて前記第 1の内部電極に接続された第 1の外 部電極と、

前記積層体の第 2の側面に形成されて前記第 2の内部電極に接続された第 2の外 部電極とを有し、

前記第 1の内部電極の前記第 2の外部電極に対向する対向端部は円弧形状であり 、前記第 2の内部電極の前記第 1の外部電極に対向する対向端部は円弧形状であ ることを特徴とする積層型圧電素子。

[15] 前記円弧形状の中心は、前記内部電極内にある請求項 14記載の積層型圧電素 子。

[16] 前記円弧形状の中心は、前記内部電極の外にある請求項 14記載の積層型圧電 素子。

[17] 前記第 1の内部電極と前記第 2の内部電極が重なる対向部分のかどは、それぞれ 円弧形状であることを特徴とする請求項 14一 16のうちのいずれか 1つに記載の積層 型圧電素子。

[18] 前記円弧形状の曲率半径 Rが 0. 5— 10mmの範囲に設定されたことを特徴とする 請求項 14一 17のうちのいずれか 1つに記載の積層型圧電素子。

[19] 前記内部電極を構成する金属の熱膨張係数を α 、前記外部電極を構成する金属 の熱膨張係数を α としたとき、熱膨張係数の比（a / a )が 0. 9以上 1未満である

2 1 2

ことを特徴とする請求項 1乃至 18のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[20] 前記内部電極と前記外部電極の接合部に、前記内部電極及び前記外部電極とは 組成の異なる中間層を設けたことを特徴とする請求項 1乃至 19のいずれかに記載の 積層型圧電素子。

[21] 前記中間層が前記内部電極を構成する金属組成物と前記外部電極を構成する金 属組成物からなることを特徴とする請求項 20記載の積層型圧電素子。

[22] 前記中間層の熱膨張係数を α としたとき、 a < (χ < (χ であることを特徴とする請

3 1 3 2

求項 20または 21に記載の積層型圧電素子。

[23] 前記中間層の組成が前記内部電極中の金属組成から外部電極中の金属組成へと 傾斜的に変化していることを特徴とする請求項 18乃至 22のいずれかに記載の積層 型圧電素子。

[24] 前記内部電極を構成する金属組成物力 前記外部電極を構成する金属組成物の 主成分を 80質量％以上 100質量％未満含んでいることを特徴とする請求項 19乃至

23の 、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[25] 前記内部電極が、前記積層体の全ての側面で露出していることを特徴とする請求 項 1乃至 24の 、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[26] 前記内部電極中の金属組成物が 8— 10族金属および Ζまたは 11族金属を主成 分とすることを特徴とする請求項 1乃至 25のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[27] 前記内部電極中の 8— 10族金属の含有量を Ml (質量％)、 11族金属の含有量を M

2 (質量⁰ /₀)としたとき、 0く Ml≤15、 85≤M2く 100、 Ml + M2 = 100を満足する ことを特徴とする請求項 26に記載の積層型圧電素子。

[28] 前記 8— 10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、 1

1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 26又 は 27に記載の積層型圧電素子。

[29] 前記 8— 10族金属が Pt、 Pdのうち少なくとも 1種以上であり、 11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 26乃至 28のいずれかに記載の 積層型圧電素子。

[30] 前記 8— 10族金属が Niであることを特徴とする請求項 26乃至 28のいずれかに記載 の積層型圧電素子。

[31] 前記 11族金属が Cuであることを特徴とする請求項 26乃至 28のいずれかに記載の 積層型圧電素子。

[32] 前記内部電極中に金属組成物とともに、該金属組成物とは異なる無機組成物を添加 したことを特徴とする請求項 1乃至 31のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[33] 前記無機組成物が PbZrO— PbTiOからなるぺロブスカイト型酸化物を主成分とす

3 3

ることを特徴とする請求項 32に記載の積層型圧電素子。

[34] 前記圧電体がぺ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 33の ヽずれかに記載の積層型圧電素子。

[35] 前記圧電体が PbZrO -PbTiOからなるぺロブスカイト型酸化物を主成分とするこ

3 3

とを特徴とする請求項 34に記載の積層型圧電素子。

[36] 前記積層体の一側面において、前記第 1の内部電極の端部が露出しかつ前記第 2 の内部電極と前記第 1の外部電極間には溝が形成されており、

前記積層体の他の側面において、前記第 2の内部電極の端部が露出しかつ前記 第 1の内部電極と前記第 1の外部電極間には溝が形成されており、

前記各溝に前記圧電体よりもヤング率の低 、絶縁体が充填されて 、ることを特徴と する請求項 1、 4、 5、 9、 14のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。

[37] 請求項 4または 5に記載された積層型圧電素子の製造方法において、前記内部電 極を 2種以上の混合材料で構成し、該混合材料を最も低い融点以上で、且つ他の材 料の融点以下の温度で仮焼した後に、本焼成する工程を含むことを特徴とする積層 型圧電素子の製造方法。