WO2006135013A1

WO2006135013A1 - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置

Info

Publication number: WO2006135013A1
Application number: PCT/JP2006/312046
Authority: WO
Inventors: Takeshi Okamura; Masaki Terazono; Tomohiro Kawamoto; Takafumi Tsurumaru; Shigenobu Nakamura; Ken Yamamoto
Original assignee: Kyocera Corporation
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2006-12-21
Also published as: CN102651448A; US8441174B2; EP1898476A1; US20130161421A1; US20090295256A1; CN102651448B; CN101238598A; US20130168465A1; EP1898476B1; CN101238598B; US8648517B2; EP1898476A4

Abstract

　圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い低充填金属層を複数含んでいる。圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでいる。圧電体層と合金を主成分とする金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、前記合金を構成する一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいる。

Description

明細書

積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置

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、特に、高電圧 ·高圧力下において長期間連続駆動させるのに適した積層型圧電素子および噴射装置に関する。

背景技術

[0002] 従来より、積層型圧電素子を用いたものとして、圧電体層と金属層を交互に積層した圧電ァクチユエータがある。一般に、圧電ァクチユエータは、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金属層とを交互に積層したスタックタイプとの 2種類に分類される。これらのうち、低電圧化及び製造コスト低減の観点から、同時焼成タイプの圧電ァクチユエータが多く採用されている。同時焼成タイプの圧電ァクチュエータは、薄層化が簡単であり、小型化および耐久性にも優れる。

[0003] 図 21 (a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図 21 (b)は、図 21 (a) における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図 22および図 2 3は、従来の積層型圧電素子における積層構造を示す部分拡大断面図である。図 2 1に示すように、この積層型圧電素子は、積層体 103と、互いに対向する側面に形成された一対の外部電極 105と力構成されている。積層体 103は、圧電体層 101と金属層 102とが交互に積層されてなる。積層体 103の積層方向における両端面には、不活性層 104がそれぞれ積層されている。金属層 102は、圧電体層 101の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の金属層 102は、一層おきに積層体 103の異なる側面に露出するように積層されており、一対の外部電極 105に、それぞれ一層おきに接続されている。

[0004] 従来の積層型圧電素子の製造方法としては、以下の通りである。すなわち、まず、金属ペーストが、圧電体層 101の原料を含むセラミックグリーンシートに、図 21 (b)に示すような所定の金属層構造となるパターンで印刷される。ついで、金属ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、これを焼成して積層体 103を得る。その後、積層体 103の対向する側面に金属ペーストを塗布した後、焼成して一対の外部電極 105を形成し、図 21 (a)に示す積層型圧電素子を得る（例えば、特許文献 1参照)。

[0005] ここで、金属層 102としては、一般に銀とパラジウムの合金を用いることが多レ、。また、圧電体層 101と金属層 102を同時焼成するために、金属層 102の金属組成は、銀 70質量％、パラジウム 30質量％に設定されることが多い（例えば、特許文献 2参照）。このように、銀のみからなる金属層ではなぐ銀一パラジウム合金からなる金属層 10 2を用いるのは、以下の理由からである。

[0006] すなわち、金属層 102を、パラジウムを含まない銀のみの組成にすると、対向する金属層 102間に電位差を与えたときに、対向する金属層 102において正極から負極へと、金属層 102中の銀イオンが素子表面を伝わって移動する、いわゆるイオンマイグレーシヨン現象が生じるからである。この現象は、高温高湿の雰囲気中において、著しく発生する傾向にある。

[0007] 一方、従来から、金属充填率が略同一な金属層 102を形成することを目的に、金属成分比や金属濃度を略同一に調製した金属ペーストが用いられている。この金属ペーストをセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷する際には、メッシュ密度ゃレジスト厚みがほぼ同一条件に設定されて積層体 103が作製される。この金属ペーストで形成された金属層 102は、図 22に示すように、空隙（ボイド） 102'が略均一に形成される。

[0008] また、図 23に示すように、厚みが略同一な金属層 102を形成することを目的に、従来から金属成分比や金属濃度を略同一に調製した金属ペーストが用いられている。この金属ペーストをセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷する際には、メッシュ密度やレジスト厚みを略同一にして、積層体 103を作製する。

[0009] また、セラミックグリーンシートを押圧積層した際には、金属層 102が部分電極構造となっているので、金属層 102が重なり合う部分と重なり合わない部分とで押圧状態が異なる。その結果、金属層 102の同一面内においても、金属層密度が不均一になることがあるので、金属層 102を形成する部分のセラミックシートに凹部を形成し、金属充填率を均一にする方法が提案されている（例えば、特許文献 3参照）。 [0010] ところで、上記積層型圧電素子を圧電ァクチユエータとして使用する場合には、外部電極 105にリード線（不図示）を半田により接続固定し、外部電極 105間に所定の電位をかけて駆動させる。このような用途で使用される積層型圧電素子は、近時、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保することが求められている。したがって、前記積層型圧電素子には、より高い電界（電圧）が印カロされると共に、長時間連続駆動させる過酷な条件下でも使用できることが要求されている。

[0011] 上記要求、すなわち高電圧'高圧力下において長期間連続駆動させるという要求に対応するために、特許文献 4には、圧電体層 101の厚みを変化させた層を設けた素子が記載されている。すなわち、厚みが異なることで他の層と変位量が変化することを利用し、応力緩和を図っている。

[0012] 同時焼成タイプの積層型圧電素子では、すべての圧電体に均一に電圧が印加されるように、均一な金属層を形成することが試みられてきた。特に、各金属層の導電率を均一にすることや、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の金属組成を均一にすることが試みられてきた。さらに、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の厚みを均一にすることが試みられてきた。

[0013] スタックタイプの積層型圧電素子において、電極と圧電体の界面の接触抵抗を積層型圧電素子の積層方向の中央部で高抵抗とし、両端に向かうにつれて小さくなるように制御し、積層型圧電素子の積層方向の中央部に応力が集中しなレ、ようにすることが提案されている (例えば、特許文献 5参照)。

[0014] し力しながら、コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は、駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。したがって、全ての圧電体が金属層を介して密着して駆動すると、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時には広がり、伸びた時にはくびれる素子中央部の外周部分に、素子の変形による応力が集中することになる。このような積層型圧電素子を、高電圧 ·高圧力下において長期間連続駆動させた場合には、前記理由から圧電体層と金属層との界面 (積層界面）においてデラミネーシヨン (層間剥離）が生じることがあった。特に、圧電変位する活性層と、圧電変位しない不活性層との界面に応力が集中し、この界面がデラミネーシヨンの起点となっていた。

[0015] また、各圧電体層の変位挙動が一致す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してノイズ成分が生じることがあった。また、連続的に寸法変化を起こす積層型圧電素子を長時間駆動すると、素子温度が上昇し、この素子温度上昇分のエネルギーが放熱量を上回ると、加速的に素子温度が上昇するいわゆる熱暴走現象が生じ、温度上昇に伴い圧電体の変位量が低下し、さらには圧電体材料のキュリー点以上に圧電体層が高温になることで圧電体の変位量が急激に低下するという問題があった。したがって、素子温度の上昇を抑制するために、比抵抗の小さい金属層が求められていた。

[0016] さらに、圧電体の変位量は環境温度によって変化する特徴を有するので、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、素子温度の上昇によって圧電体の変位量が変化することがある。すなわち、所望の変位量が次第に変化する問題を生じていたため、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。

[0017] 上記問題の改善方法として、特許文献 4, 5に示すような方法がなされたが、高電圧 •高圧力下において、長期間連続駆動させるという過酷な条件下では、改善が十分とは言えず、素子中央部の外周に応力が集中し、クラックが生じたり、剥がれたりして、変位量が変化することがあった。

[0018] 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：特開平 10— 199750号公報

特許文献 4 :特開昭 60— 86880号公報

特許文献 5：特開平 6— 326370号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0019] 本発明の課題は、高電圧'高圧力下において大きい変位量を有し、かつ長期間連続駆動させた場合でも前記変位量の変化を抑制することができる耐久性に優れた積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置を提供することである。課題を解決するための手段

[0020] 本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、積層型圧電素子における複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる特定の金属充填率を有する金属層を複数含んでいる場合には、素子に加わる応力を分散させることができるので、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電圧'高圧力下において長期間連続駆動させた場合であっても、変位量の変化を抑制し、かつ積層部分のデラミネーシヨンを抑制することができ、耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

[0021] すなわち、本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い低充填金属層を複数含んでいることを特 ί数とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高充填金属層を複数含んでいることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層における金属の充填率よりも低い低充填金属層であることを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層における金属の充填率よりも高い高充填金属層であることを特徴とする。

[0022] また、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、積層型圧電素子における複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる厚みを有する金属層を複数含んでいる場合には、素子に加わる応力を分散させることができるので、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電圧'高圧力下において長期間連続駆動させた場合であっても、変位量の変化を抑制し、かつ積層部分のデラミネーシヨンを抑制することができ、耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

[0023] すなわち、本発明の他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでいることを特徴とする。

本発明の他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い厚型金属層を複数含んでいることを特徴とする。

本発明の他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも薄い薄型金属層であることを特徴とする。

本発明の他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも厚い厚型金属層であることを特徴とする。

[0024] また、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、従来のように合金を主成分とする複数の金属層をすベて均一な組成とするのではなぐ複数の金属層の一部として、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含ませることにより、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制すること力 Sでき、高電圧 ·高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても、変位量の変化を抑制し、かつ積層部分のデラミネーシヨンを抑制することができる耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

[0025] すなわち、本発明のさらに他の積層型圧電素子は、圧電体層と合金を主成分とする金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、前記合金を構成する一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする。

[0026] 本発明では、複数の金属層は、合金からなる場合だけでなぐその一部が単一組成の金属からなる形態であってもよい。

すなわち、本発明のさらに他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする。

本発明のさらに他の積層型圧電素子は、圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層を含み、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていることを特徴とする。

[0027] 本発明の噴射装置は、噴出孔を有する容器と、該容器内に収納される前記積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出させるように構成されていることを特徴とする。

発明の効果

[0028] 本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる金属充填率を有する所定の金属層を複数含んでいるので、変位挙動の異なる金属層が素子内に配置されることになる。すなわち、低充填金属層の周辺における圧電体層は変位が小さくなり、高充填金属層の周辺における圧電体層は変位が大きくなり、素子内に変位の異なる箇所が分散する。このように変位挙動の異なる金属層を素子内に分散して配置すると、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。し力、も、圧電素子の変形による応力集中を抑制することができるので、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。さらに、所定の金属層を複数配置することで、圧電素子の変位 (寸法変化)が揃つた場合に生じる共振現象を抑制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と共に、高調波信号の発生を防止することができ、制御信号のノイズを抑止すること力 Sできる。

[0029] 本発明の他の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる厚みを有する所定の金属層を複数含んでいるので、変位挙動の異なる金属層が素子内に配置されることになる。すなわち、薄型金属層の周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層が容易に変形することで吸収することができるので、圧電体層の変位が小さくなり、素子内に変位の異なる箇所が分散する。また、厚型金属層の周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層が変形することなくはね返すので、圧電体層の変位が大きくなり、素子内に変位の異なる箇所が分散する。このように変位の異なる金属層を素子内に分散して配置すると、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。しかも、圧電素子の変形による応力集中を抑制することができるので、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。さらに、所定の金属層を複数配置することで、圧電素子の変位 (寸法変化)が揃った場合に生じる共振現象を抑制することができる。これにより、うなり音発生を防止することができると共に、高調波信号の発生を防止することができ、制御信号のノイズを抑止することができる。

[0030] 本発明のさらに他の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいるので、部分的に硬さの異なる金属層を配置することができ、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、高電圧'高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても、積層部分におけるデラミネーシヨンを抑制することができる。さらに、高比率金属層を複数配置することで、圧電素子の変位 (寸法変化）が揃った場合に生じる共振現象を抑制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ができる。

[0031] 本発明の積層型圧電素子は、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、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。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1] (a)は、本発明の一実施形態に力、かる積層型圧電素子を示す斜視図であり、 ( b)は、 (a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。

[図 2]第 1の実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 3]第 1の実施形態に力かる高充填金属層を示す部分拡大断面図である。

[図 4]第 1の実施形態に力かる他の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 5]第 1の実施形態に力かる他の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 6]第 1の実施形態にかかる圧電体層の空隙を説明するための概略説明図である

[図 7]第 2の実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 8]第 5の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 9]第 5の実施形態にかかる厚型金属層を示す部分拡大断面図である。

[図 10]第 5の実施形態に力、かる他の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 11]第 5の実施形態に力、かる他の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 12]第 5の実施形態に力、かる圧電体層の空隙を説明するための概略説明図である

[図 13]第 6の実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 14]第 9の実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 15]第 10の実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。 [図 16]第 11の実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 17]実施例における表 15中の試料 No · III— 35の金属層の銀組成を示すグラフである。

[図 18]第 12の実施形態に力、かる積層型圧電素子の圧電体層と接する金属層の積層構造を示す概略断面図である。

[図 19] (a)は、第 13の実施形態に力、かる積層型圧電素子を示す斜視図であり、 (b) は、 (a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。

[図 20]本発明の一実施形態に力、かる噴射装置を示す概略断面図である。

[図 21] (a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、（b)は、（a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。

[図 22]従来の積層型圧電素子における積層構造を示す部分拡大断面図である。

[図 23]従来の積層型圧電素子における積層構造を示す部分拡大断面図である。発明を実施するための最良の形態

[0033] <積層型圧電素子 >

(第 1の実施形態）

以下、本発明の積層型圧電素子の第 1の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 1 (a)は、本実施形態の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図 1 (b )は、図 1 (a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図 2は、本実施形態に力、かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 3は、本実施形態にかかる高充填金属層を示す部分拡大断面図である。図 4 は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 5は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 6は、本実施形態にかかる圧電体層の空隙を説明するための概略説明図である。

[0034] 図 1に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とを交互に積層してなる積層体 13を有し、該積層体 13の対向する側面に一対の外部電極 15が配設されている（一方の外部電極は不図示）。 [0035] 金属層 12は、図 1 (b)に示すように、圧電体層 11の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の複数の金属層 12は、一層おきに積層体 13の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。これにより、金属層 12は、一層おきに、一対の外部電極 15に電気的に接続されている。なお、一対の外部電極 15は、 P 設する側面に形成してもよい。

[0036] 積層体 13の積層方向の両端側には、図 1 (a)に示すように、圧電体層で形成された不活性層 14が積層されている。この積層型圧電素子を圧電ァクチユエータとして使用する場合には、一対の外部電極 15にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。この外部電圧供給部からリード線を通じて隣り合う金属層 12間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層 11が逆圧電効果によって変位する。これは、金属層 12を後述する銀一パラジウム合金等の金属材料で形成してレ、るので、金属層 12を通じて各圧電体 11に所定の電圧を印加すると、圧電体 11を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。

一方、不活性層 14は、一方の主面側に金属層 12が配置されているのみであり、他方の主面側には金属層 12が配置されていないので、電圧を印加しても変位が生じない。

[0037] ここで、本実施形態に力かる複数の金属層 12は、図 2に示すように、該金属層 12を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12a)よりも低レ、低充填金属層 12bを複数含んでいる。これにより、低充填金属層 12b周辺の圧電体層は変位が小さくなり、低充填金属層 12bよりも金属充填率の大きレ、金属層 12a周辺の圧電体層は変位が大きくなる。したがって、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができると共に、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。また、共振現象を抑制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。さらに、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もできる。

[0038] 複数の圧電体層 11のうち駆動変形する箇所は、金属層 12に挟持された部分である。したがって、複数の金属層 12のうち圧電体層 1 1を介して重なりあう部分に、低充填金属層 12bを形成するのが好ましい。これにより、圧電素子の変位 (寸法変化）が揃った場合に生じる共振現象を確実に抑制することができる。

[0039] 複数の低充填金属層 12bは、該低充填金属層 12b以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。本実施形態の他の金属層としては、図 2 に示す金属層 12aと、図 3に示す後述する高充填金属層 12cである。ここで、低充填金属層 12bは、他の金属層（金属層 12a,高充填金属層 12c)よりも金属の充填率が低レ、。したがって、低充填金属層 12bは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、駆動中に応力が加わると変形して該応力を緩和することができる (応力緩和効果)。すなわち、低充填金属層 12bは、応力緩和層として作用する。

[0040] 特に、本実施形態では、この複数の低充填金属層 12bが積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。これは、素子全体に加わる応力を分散させるには、応力緩和層を規則的に配置させることが効果的であるからである。また、積層体 13は、少なくとも 3層以上の圧電体層 11を積層して構成されていると共に、低充填金属層 12b が所定の順序で繰り返し配置されてレ、る部分を有することが好ましレ、。

[0041] 前記複数の低充填金属層 12bが積層方向に規則的に配置されているとは、低充填金属層 12b間に存在する他の金属層（金属層 12a,高充填金属層 12c)の層数が、いずれの低充填金属層 12b間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、低充填金属層 12b間に存在する他の金属層 12の層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、低充填金属層 12b間に存在する他の金属層 12の層数は、各層数の平均値に対して土 20 %の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して ± 10%の範囲内、より好ましくはすベて同数であるのがよい。

[0042] 前記他の金属層である金属層 12aは、金属の充填率が低充填金属層 12bの充填率よりも高い金属層である。この金属層 12aは、主たる金属層である。該主たる金属層とは、金属層 12中において同等の金属充填率を有する複数の金属層からなり、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12cよりも層数が多レ、金属層のことを意味する。この主たる金属層である金属層 12aは、全金属層の平均の金属充填率に近いものから順に全金属層数の 1/3以上の層数を占めるのが好ましい。これは、主たる金属層 12aに求められる機能が、積層型圧電素子を駆動する電極として安定に機能することであり、そのためには、素子に印加された電圧を各圧電体層 11に均一に加えて圧電変位を均一に行うことが求められるからである。したがって、主たる金属層 12aが、全金属層の平均の金属充填率に近いものから順に全金属層数の 1Z3以上であると、素子に印加された電圧が各圧電体層 11に均一に加わるため、圧電体層 11が過度に不均一に駆動変形することなぐ素子全体としてほぼ均一に駆動変形して、耐久性のある素子となる。さらに、主たる金属層 12aに接する圧電体層 11は、応力が集中することがないので変位量が大きくなる。また、低充填金属層 12bに接する圧電体層 11 は応力緩和層となるので、素子の駆動変位を維持すると共に、素子の応力一点集中を避けることができる。その結果、変位量が大きくなると共に、耐久性に優れる。

[0043] 変位の位相をそろえて応答速度を速くするためには、主たる金属層 12aが、全金属層の平均の金属充填率に近いものから順に全金属層数の 70%以上、好ましくは 80 %以上、より好ましくは 90%以上、さらに好ましくは 90〜99%であるのがよい。主たる金属層 12aが全金属層数の 90%以上では、変位位相がそろいさらに高速の応答速度が得られる。一方、 99%を超えると位相が完全にそろうことで、素子がうなり音を発するため、好ましくない。なお、金属層 12の総層数は、用途に応じて任意に選定されるものであり、特に限定されるものではなレ、が、通常、 2〜： 10000層、好ましくは 5 〜1000層である。

[0044] 複数の金属層 12中において、主たる金属層 12aの層数が最も多いのが好ましい。

これにより、素子に印加された電圧が各圧電体層 11に均一に加わるために、圧電体層 11が不均一に駆動変形することがなぐさらに変位の位相がそろうことで、素子がほぼ均一に駆動変形して、応答速度が速いだけでなぐ耐久性のある積層型圧電素子になる。

[0045] 主たる金属層 12aは、金属層 12中で金属充填率が最も高い金属層と、金属充填率が最も低い金属層以外の金属層であることが好ましい。これは、駆動中の積層型圧電素子の応力が、金属充填率が最も高レ、金属層 12の近傍にある圧電体層 11に加わる傾向にあるため、主たる金属層 12aが、金属充填率が最も高い金属層以外であれば、金属層 12aとこれに接する圧電体層 11との間が強固に密着した耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。さらに、低い金属充填率の金属層 12に接する圧電体層 11の素子変位が小さいため、主たる金属層 12aが、金属充填率が最も低い金属層以外であれば、積層型圧電体素子の変位が過度に小さくなることもない。すなわち、主たる金属層 12aを、全ての金属層 12の中で、金属充填率が最も高い金属層と最も低い金属層以外のものとすることで、駆動変位を大きぐ耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、金属層 12の金属充填率を変化させることで、圧電体層 11の変位の大きさを制御できるので、圧電体層 11の厚みを変える必要もなぐ量産性に優れる。また、主たる金属層 12a (複数の金属層 12a)は、略同一な金属充填率で構成されているのが好ましい。これにより、さらに変位が大きくなり、応答性が速く耐久性も向上する。

[0046] 複数の金属層 12は、図 3に示すように、該金属層 12を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高充填金属層 12cを複数含んでいるのが好ましい。これは、図 6に示すように、金属充填率の高い高充填金属層 12cは、金属層のなかに空隙（ボイド） 12c'等の金属の充填されていない欠陥部分が少ないため、該金属層 12cに接した圧電体層 11は、素子に電圧が印加された際には、変位の大きい箇所になる。そのため、素子を駆動させた場合には、変位の大きい箇所になるので、高充填金属層 12c近傍に応力が集中する（応力集中効果)。このような電極層を素子内に分散させて配置することで、素子の一点に応力が集中することなぐ応力を分散させることができる。そのため、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。

[0047] 高充填金属層 12cは、金属の充填率が低充填金属層 12b及び主たる金属層 12a の充填率よりも高い金属層である。すなわち、主たる金属層 12a、低充填金属層 12b 及び高充填金属層 12cの金属の充填率は、高充填金属層 12c >主たる金属層 12a >低充填金属層 12bの関係である。これにより、主たる金属層 12aが全ての金属層 1 2の中で、金属充填率が最も高い金属層と最も低い金属層以外の金属層となるので、駆動変位が大きぐ耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。また、変位の異なる金属層 12が素子内に確実に配置されることになる。すなわち、低充填金属層 12bの周辺における圧電体層 11は変位が小さくなり、高充填金属層 12cの周辺における圧電体層 11は変位が大きくなる。その結果、変位の異なる金属層を素子内に配置することによる効果をより効率よく得ること力 Sできる。

[0048] 具体的には、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12cを除く他の金属層（すなわち主たる金属層 12a)における金属の充填率を XIとし、低充填金属層 12bにおける金属の充填率を Y1とするとき、充填率の比（Y1/X1)が 0. ：!〜 0. 9、好ましくは 0. 3〜0. 9、より好ましくは 0. 5〜0. 8の範囲にあるのがよレ、。これにより、低充填金属層 12bの応力緩和効果をより確実に得ることができると共に、素子形状が保たれる（素子の機械的強度が過度に低下するのを防止できる）。特に、前記比 (Y1/X1)が 0. 3〜0. 9であると、低充填金属層 12bに隣接する圧電体層 11も変位駆動するため、素子の変位が大きく耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。さらに、前記比 (Y1/X1)が 0. 5〜0. 8であると、素子の変位がより大きぐ耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記 XI及び Y1の具体的な値は、金属層 12 の組成等により任意に選定すればよぐ特に限定されるものではなレ、が、通常、 XIは 45〜90^ο/_ο、好ましく ίま 55〜85⁰/₀、より好ましく ίま 60〜80^ο/_ο、 ¥1ま3〜60⁰/₀、好ましくは 20〜60%、より好ましくは 30〜50%であるのがよぐ XI及び Y1がこの範囲内で前記比 (Y1/X1)を満たすのが好ましい。

[0049] 一方、前記比 (Y1/X1)が 0. 1よりも小さくなると、圧電体層 11と金属層とが密着しにくくなるので、積層体にデラミネーシヨンが生じるおそれがあり、 0. 9よりも大きくなると、低充填金属層 12bの応力緩和効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。

[0050] また、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12cを除く他の金属層（すなわち主たる金属層 12a)における金属の充填率を XIとし、高充填金属層 12cにおける金属の充填率を Z1とするとき、充填率の比（Z1ZX1)が 1. 05〜2、好ましくは 1. 05〜： 1. 5 、より好ましくは 1. 1〜： 1. 2の範囲にあるのがよい。これにより、高充填金属層 12cの応力集中効果が発生すると共に、素子形状が保たれる。特に、前記比 (Z1/X1)が 1. 05-1. 5であると、高充填金属層 12cに隣接する圧電体層 11と主たる金属層 12 aに隣接する圧電体層 11もほぼ同様に変位駆動するため、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。また、前記比（Z1/X1)が 1. ：!〜 1. 2であると、より素子の変位が大きぐ耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記 XI及び Z1の具体的な値は、前記比（Y1/X1)における XI及び Y1と同様に、金属層 12 の組成等により任意に選定すればよぐ特に限定されるものではなレ、が、通常、 XIは 45〜90^ο/ο、好ましく fま 55〜85⁰/₀、より好ましく fま 60〜80^ο/ο、 Zl fま 60〜： 100^ο/ο、好ましくは 70〜： 100%、より好ましくは 72〜95%であるのがよい。

[0051] 一方、前記比 (Z1/X1)が 2よりも大きくなると、高充填金属層 12cに応力が集中して、高充填金属層 12cと圧電体層 11との界面がはがれて、積層体にデラミネーシヨンが生じるおそれがあり、 1. 05よりも小さくなると、高充填金属層 12cの応力集中効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。

[0052] 金属層 12を構成する金属の充填率は、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定して得られた値である。具体的には、その切断面において、金属層 12を走查型電子顕微鏡 (SEM)や金属顕微鏡等で観察すると、金属成分だけでなぐボイドゃ、セラミック成分等の金属以外の要素で構成されているのがわかる。そこで、任意の金属層 1層の断面において、金属のみで構成された部分の面積を測定し、該金属のみで構成された部分の面積の総和をその金属層の総面積で除したものを金属充填率とする。この金属充填率を、金属層 12a、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12 cのそれぞれについて測定することにより、各層を区別することができる。

[0053] 図 4に示すように、主たる金属層 12aよりも金属充填率の高レ、高充填金属層 12cと、主たる金属層 12aよりも金属充填率の低レ、低充填金属層 12bと力圧電体層 11を挟んで対向配置されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、金属充填率の高い複数の高充填金属層 12cにそれぞれ集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに、高充填金属層 12cの隣に、応力緩和層となる金属充填率の低い低充填金属層 12bを配置することで、素子に加わる応力を効率よく分散緩和することができる。

[0054] 特に、図 5に示すように、低充填金属層 12bに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が高充填金属層 12cであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を金属充填率の高い複数の高充填金属層 12cにそれぞれ集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに高充填金属層 12cの両隣に応力緩和層となる金属充填率の低い低充填金属層 12bを配置することで、素子に加わる応力をより確実に分散緩和することができる。また、応力を集める層である高充填金属層 12cで、応力緩和層である低充填金属層 12bを挟持すると、応力を低充填金属層 12b中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和することができる。その結果、該素子を圧電ァクチユエータに用いた場合には、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。なお、挟持される低充填金属層 12bの層数は、少ない方が応力を閉じ込める効果をより奏することができるので、 1層であるのが最適である。

[0055] また、積層体 13の積層方向に、低充填金属層 12b、高充填金属層 12c、主たる金属層 12aの順序で間に圧電体層 11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層 1 2aが金属充填率の高い順に積層されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、高充填金属層 12cに集中させることで、素子に加わる応力を分散させ、さらに、応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる低充填金属層 12bを配置させることで、素子に加わる応力を分散緩和させることができるだけでなぐ主たる金属層 1 2aを金属充填率の高い順に配置することで、高充填金属層 12cに集まった応力を徐々に分散させること力 Sできる。これに加えて、金属充填率を高くすることで、隣接する圧電体層 11の変位量を大きくすることができるので、変位が大きく耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電体素子とすることができる。

[0056] 高充填金属層 12cが金属の充填率のピークであり、該高充填金属層 12cから積層方向に 2層以上、好ましくは 2〜5層以上の金属層にわたって金属の充填率が漸次減少する傾斜領域を有しているのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力は、金属充填率の高い高充填金属層 12cに集中するが、所定の傾斜領域を有すると、該高充填金属層 12cに集まった応力を徐々に分散させることができる。

[0057] 金属層 12は、図 6に示すように、所定の空隙（ボイド） 12a'， 12b ' , 12c 'を有してレ、るのが好ましい。これは、金属層 12に金属成分以外の絶縁物質が含有すると、素子を駆動した際には、圧電体層 11に電圧を印加できない部分が生じるので、圧電変位を大きくすることができず、駆動時の応力が該金属層 12に集中して破壊の起点となるおそれがあるからである。金属層 12が所定の空隙（ボイド）を有していると、金属部分に応力が加わった際に、空隙 (ボイド）の部分があることで、金属が変形しやすくなり応力を効果的に分散緩和することができる。また、金属層 12に接する圧電体層 1 1が、圧電変位する際には、空隙（ボイド）の部分があることで、圧電体層 11を部分的にクランプすることになり、全面でクランプするときよりも圧電体層 11が束縛される力力、さくなつて変位しやすくなり、変位量を大きくすることができる。その結果、素子の変位がより大きく耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。

[0058] 特に、主たる金属層 12aに空隙（ボイド） 12a'を設け、該金属層 12aの断面における全断面積に対する空隙（ボイド） 12a'の占める面積比（ボイド率）が 5〜70%、好ましくは 7〜70%、より好ましくは 10〜60%であるのがよレ、。これにより、変位量が大きくなるので、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができる。特に、前記ボイド率が 7〜70%または 10〜60%であると、圧電体層 11をよりスムーズに変形できるとともに、金属層 12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力 Sできる。

[0059] 一方、前記ボイド率が 5%より少ないと、圧電体層 11が電圧を印加されて変形する際に金属層 12から束縛を受け、圧電体層 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り、発生する内部応力も大きくなるため、耐久性にも悪い影響を与えるおそれがある。また、前記ボイド率が 70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層 12自体の強度が低下し、金属層 12にクラックが生じやすくなり、断線等を生じるおそれがあるので好ましくない。

[0060] 金属層 12の面積に対する前記ボイドの占める割合 (ボイド率）は、積層型圧電素子を積層方向に平行な面又は積層方向に垂直な面で切断した断面で測定して得られた値である。具体的には、その切断面において、金属層 12の部分に存在する空隙（ボイド）の面積を測定し、そのボイドの面積の総和を金属層 12の面積で除した値を 1 00倍した値である。

[0061] より具体的なボイド率の測定方法は次の通りである。すなわち、ボイド率を測定する方法は大きく分けて次の 2つある。第 1の方法は、積層体 13を積層方向に平行な面で切ったときの断面を観察する方法であり、第 2の方法は、積層体 13を積層方向に垂直な面で切ったときの断面を観察する方法である。 [0062] ボイド率を第 1の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積層方向に平行な断面が露出するように、積層体 13を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット 'ジャパン (株)社製卓上研磨機 KEMET—V— 300を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡 (SEM)、光学顕微鏡、金属顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによつて金属層のボイド率を測定することができる。具体例を挙げると、例えば光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積) Z (黒色部分の面積 +白色部分の面積）を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に 2階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の敷居値を設定して 2値化すればょレ、。

[0063] また、ボイド率を第 2の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。

まず、ボイド率を測定したい金属層の断面 (積層方向に垂直な断面）が露出するまで、公知の研磨装置を用いて積層体 13の積層方向に研磨する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット ·ジャパン (株)社製卓上研磨機 KEMET— V— 300を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡 (SEM)、光学顕微鏡、金属顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層のボイド率を測定すること力 Sできる。具体的には、例えば光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、（黒色部分の面積) / (黒色部分の面積 +白色部分の面積)を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に 2階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアゃ目視により境界の敷居値を設定して 2値化すればよレ、。なお、金属層の断面を観察する際には、これらの厚みの約 1/2の位置まで研磨し、これにより露出した断面を観察するのが好ましい。ただし、金属層の厚みが薄ぐかつ、厚みのばらつきが比較的大きな場合には、研磨処理により金属層の断面全体を露出させることができないことがある。このような場合には、金属層の一部が露出するまで研磨処理した時点で、その露出部分を観察して断面画像を得た後、さらに研磨を進めて、既に観察した部分を除く他の部分を観察するという操作を複数回繰り返してもよレ、。このようにして複数回の操作で得た観察画像を足し合わせて金属層の断面全体が観察できればょレ、。

[0064] 上記空隙 (ボイド）を有する金属層 12は、主に金属と空隙 (ボイド）とから構成されている。このように金属層 12が構成されると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。

[0065] 特に、低充填金属層 12bが、主に金属とボイドから構成されていると、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。すなわち、低充填金属層 12bは、図 6に示すように、空隙 (ボイド） 12b'を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されているのが好ましい。これにより、低充填金属層 12bに接する圧電体層 11が、金属層のなかでも空隙（ボイド） 12b'等の金属の充填されていない部分に接すると、その部分の圧電体は素子に電圧が印加されても変位しない上、駆動中に応力が加わると変形して応力を緩和することができる (応力緩和効果)。すなわち、部分金属層で構成されている低充填金属層 12bは、応力緩和層として作用する。したがって、その金属層に接する圧電体層 11は駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。その結果、耐久性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。

[0066] 具体的には、低充填金属層 12bの断面における全断面積に対する空隙（ボイド） 1 2b'の占める面積比（ボイド率）は 20〜90%であることが好ましい。これにより、さらに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。

[0067] 金属層 12は、周期律表第 8〜： 11族元素から選ばれる金属を主成分とするのが好ましい。これは、上記の金属組成物は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高い圧電体層 11と金属層 12を同時焼成することが可能となるからである。そのため、外部電極 15の焼結温度を圧電体層 11の焼結温度より低温で作製することが出来るので、圧電体層 11と外部電極 15との間の激しい相互拡散を抑制することができる。

[0068] さらに、金属層 12中の周期律表第 8〜： 10族元素の含有量を Ml (質量％)とし、周期律表第 11族元素の含有量を M2 (質量％)とするとき、 0< M1≤15、 85≤M2< 1 00、 Ml +M2 = 100の関係を満足する金属を主成分とするのが好ましい。これは、周期律表第 8〜： 10族元素の含有量である Mlが 15質量％を超えると、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には、金属層 12が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層 11に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。さらに、外部電極 15を形成した際には、外部電極 15と金属層 12とが相互拡散して接合する力 Mlが 15質量 %を超えると、外部電極 15中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子にぉレ、ては、耐久性が低下するおそれがあるからである。

[0069] 特に、金属層 12中の 11族元素の圧電体層 11へのイオンマイグレーションを抑制するため、 Mlを 0. 001質量％以上 15質量％以下とするのが好ましい。積層型圧電素子の耐久性を向上させる上で、 Mlを 0. 1質量％以上 10質量％以下とするのが好ましい。熱伝導に優れより高い耐久性を必要とする場合には、 Mlを 0. 5質量％以上 9. 5質量％以下とするのが好ましぐさらに高い耐久性を求める場合には、 Mlを 2 質量％以上 8質量％以下とするのが好ましい。

[0070] 一方、 11族元素の含有量である M2が 85質量％未満になると、金属層 12の比抵杭が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合には、金属層 12が発熱する場合があるので好ましくなレ、。特に、金属層 12中の 11族元素の圧電体層 11へのィオンマイグレーションを抑制するため、 M2を 85質量％以上 99. 999質量％以下とするのが好ましい。積層型圧電素子の耐久性を向上させるという上で、 M2を 90質量％以上 99. 9質量％以下とするのが好ましい。より高い耐久性を必要とする場合には、 M2を 90. 5質量％以上 99. 5質量％以下とするのが好ましぐさらに高い耐久性を求める場合には、 M2を 92質量％以上 98質量％以下とするのが好ましい。

[0071] 特に、低充填金属層 12bが応力を緩和する際、印加された応力を緩和するということは、加わった運動エネルギーを熱エネルギーに変換して、応力を開放することになり、応力緩和部分が熱をもつことになる。圧電体は温度が上昇すると、圧電変位の力が小さくなり、ひとたびキュリー点まで温度が上昇すると冷却しても分極の効果が無くなり圧電変位の力が大きく損なわれる。そこで、低充填金属層 12bが、ヒートシンクの役割を果たすことができれば、応力緩和部分から素子の外側へ熱を散逸することが可能となる。

[0072] ここで、本実施形態の組成の金属を用いることで熱の散逸効果が大きくなり、応力緩和効果を、長期間、高い耐久性を持って維持することが可能となる。特に、熱伝導の高い銀が高濃度に含まれる組成では、もっとも熱の散逸効果も大きぐさらに、酸ィ匕しても、熱の伝導度は衰えず、しかも、電気伝導特性も衰えることが無いので極めて高い耐久性の応力緩和層とすることができる。

[0073] 金属層 12中の金属成分の質量％を示す 8〜： 10族元素の Ml、 11族元素の M2は、それぞれ EPMA (Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定すること力 Sできる。

[0074] 金属層 12中の金属成分は、 8〜10族元素の金属が Ni、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os 力選ばれる少なくとも 1種以上であり、 11族元素の金属が Cu, Ag、 Auから選ばれる少なくとも 1種以上であるのが好ましい。例示したこれらの金属は、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。

[0075] 上記で例示した金属層 12中の金属成分のうち、 8〜： 10族元素の金属が Pt、 Pdから選ばれる少なくとも 1種以上であり、 11族元素の金属が Ag、 Auから選ばれる少なくとも 1種以上であるのが好ましい。これにより、耐熱性に優れ、比抵抗の小さな金属層 12を形成できる可能性がある。

[0076] 特に、金属層 12中の金属成分は、 8〜： 10族元素の金属が Niであるのが好ましレ、。

これにより、耐熱性に優れた金属層 12を形成できる可能性がある。また、 11族元素の金属が Cuであるのが好ましい。これにより、硬度の低い熱伝導性に優れた金属層 12を形成できる可能性がある。

[0077] 特に、 Cuであれば熱伝導特性が高いだけでなぐ応力が一方方向力加わった場合、応力が印加された一方向に結晶方向が配向する特徴があるので破断することない強靭な応力緩和効果を発生する。さらに同時焼成して素子を作成すると Cu表面に対腐食性の強い CuOの被覆層を形成するので耐久性の強い素子とすることができる（通常の Cu金属では、表面が次第に Cu Oの皮膜ができてその後空気中の水分と結合して緑青を形成して腐食する）。

[0078] また、金属層 12は、上記金属を主成分とする合金であることが好ましレ、。該合金としては、例えば、銀—パラジウム合金（銀 70〜99. 999質量⁰ /₀—パラジウム 0. 001 〜30質量％)等の全率固溶する合金が任意の組成比率で焼成温度を制御できるので好ましい。また、金属層 12中に上記した金属組成物とともに、酸化物、窒化物または炭化物を添加することが好ましい。これにより、金属層 12の強度が増し、積層型圧電素子の耐久性が向上する。特に酸化物は圧電体層 11と相互拡散して金属層 12と圧電体層 11との密着強度を高めるのでより好ましい。

[0079] 前記酸化物としては、圧電体層 11との密着強度が高いことから、 PbZrO -PbTiO 力もなるぺロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。なお、添加された酸化物等の含有量は、積層型圧電素子の断面 SEM像における金属層中の組成の面積比から算出できる。

[0080] 前記無機組成物（すなわち金属組成物とともに添加する酸化物、窒化物または炭化物）が金属に対して 50体積％以下であることが好ましい。これにより、金属層 12と圧電体層 11との間の接合強度を圧電体層 11の強度より小さく出来、さらに好ましくは 30体積％以下にすることで積層型圧電素子の耐久性を向上するこができる。

[0081] また、金属層 12を構成する金属層 12a,低充填金属層 12b及び高充填金属層 12 cの各厚みは、金属層 12の組成等により任意に選定すればよぐ特に限定されるものではないが、通常、金属層 12aの厚みは 0. 1〜： !OO z m、好ましくは 0. 5〜： 10 z m 程度、より好ましくは l〜5 z m程度、低充填金属層 12bの厚みは 0. 05〜： 100 z m、好ましくは 0. 1〜： 10 z m程度、より好ましくは 0. 5〜5 z m程度、高充填金属層 12c の厚み fま 0.：!〜 200 z m、好ましく fま 0. 5〜： 15 μ m程度、より好ましく fま：!〜 10 μ m 程度であるのがよい。

[0082] 圧電体層 11は、ぺロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましレ、。これは、圧電体層 11が、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等で形成されると、その圧電特性を示す圧電歪み定数 d が高いこと

33 から、変位量を大きくすることができ、さらに、圧電体層 11と金属層 12を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体層 11としては、圧電歪み定数 d が比較的高

33

い PbZrO -PbTiO力、らなるぺロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。

3 3

[0083] また、金属層 12を積層体 13の側面に露出させることが好ましい。これは、金属層 1 2が素子側面で露出してレ、なレ、部分では、駆動時に変位できなレ、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ことになる。このため、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

[0084] 積層体 13は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、高精度の円を作成し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となるからである。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、金属層 12の中心軸を高精度にそろえることが困難になる。これに対して、積層体 13が多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体層 11に金属層 12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用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。

[0085] また、上記した通り、本実施形態の積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層 12と端部が露出しない金属層 12とが交互に構成されているが、前記端部が露出してレヽなレ、金属層 12と外部電極 15間の圧電体層 11に溝が形成されており、この溝内に、圧電体層 11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、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ので、積層型圧電素子を連続駆動させても、金属層 12の発熱を抑制することができる。

[0086] (第 2の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 7は、本実施形態の積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図 7においては、前述した図 1〜図 6の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。図 7に示すように、この実施形態の積層型圧電素子は、上記で説明した第 1の実施形態と同様に、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層型圧電素子である。

[0087] ここで、複数の金属層 12は、該金属層 12を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12a)よりも高レ、高充填金属層 12cを複数含んでレ、る。このような構成であっても、高充填金属層 12c周辺の圧電体層 11は変位が大きくなり、高充填金属層 12cよりも金属充填率の小さレ、主たる金属層 12a周辺の圧電体層 1 1は変位が小さくなり、変位の異なる金属層を素子内に配置する構成となるので、上記で説明した第 1の実施形態と同様の効果を奏することができる。

[0088] 本実施形態に力かる複数の高充填金属層 12cは、上記で説明した第 1の実施形態と同様に、該高充填金属層 12c以外の他の金属層（すなわち主たる金属層 12a，低充填金属層 12b)を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。また、複数の高充填金属層 12cが、積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。さらに、複数の金属層 12は、該金属層 12を構成する金属の充填率が、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低レ、低充填金属層 12bを複数含んでレ、るのが好ましレ、。

上記した以外の構成は、上記で説明した第 1の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0089] (第 3の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 3の実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層されたものである。積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層 14が形成されており、該不活性層 14に隣接する金属層 12は、該金属層 12における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層 12における金属の充填率よりも低い低充填金属層（低充填金属層 12b)である。これにより、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。この理由としては、以下の理由が推察される。

[0090] すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層 14に隣接する金属層 12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているため、この境界部分に応力が集中する。このとき、すべての金属層 12が同じ金属充填率であると、応力は上記境界部分に一点集中する傾向にあるので、積層型圧電素子を高電圧 ·高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネーシヨンが生じるおそれがあった。

[0091] そこで、不活性層 14に隣接する金属層 12 (低充填金属層 12b)の金属充填率が積層方向に隣り合う金属層 12の金属充填率よりも低くなると、低充填金属層 12bは、他の金属層よりも柔軟性に優れる。これにより、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、低充填金属層 12b自体が変形して応力を緩和することができる (応力緩和効果)。さらに、低充填金属層 12bに接する不活性層 14は圧電材料で形成されていることから、応力印加により変形して応力を緩和することができる。すなわち、低充填金属層 12bと不活性層 14が応力緩和効果の相乗作用を生み出す。その上、低充填金属層 12b自体が変形するので、低充填金属層 12bと隣り合う金属層 12に挟まれた圧電体層 11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために低充填金属層 12b自体が変形するので、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形する。したがって、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。

[0092] さらに、低充填金属層 12bに対して積層方向に隣り合う金属層が高充填金属層 12 cであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を高充填金属層 12cに集中させて素子に加わる応力を端部に分散し、さらに応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる低充填金属層 12bを配置することで、素子に加わる応力を端部に分散緩和すること力 Sできる。また、応力を集める層である高充填金属層 12cと不活性層 14とで、応力緩和層である低充填金属層 12bを挟持すると、応力を低充填金属層 12b中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和する効果をより高めることができる。その結果、該素子を圧電ァクチユエータに用いた場合には、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。

[0093] 特に、従来、積層数が例えば 50層よりも少ない積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層 14近傍の圧電体層 11の金属含有率を不活性層 14に近づくにつれて増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層 11を形成するために、数種類の金属含有率の圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていた。一方、本発明では、不活性層 14に隣接する金属層 12の金属充填率を積層方向に隣り合う金属層 12の金属充填率よりも低い低充填金属層 12bとするだけで、低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、両端部の不活性層 14に隣接する金属層 1 2の金属充填率を積層方向に隣り合う金属層 12の金属充填率よりも低い低充填金属層 12bとすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。

[0094] 一方、積層数が多い積層型圧電体素子においては、さらに、積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12a)よりも金属の充填率が低レ、低充填金属層 12bを複数含むことにより、低充填金属層 12b周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を低充填金属層が容易に変形することで吸収することができるので、周辺の圧電体層は変位が小さくなり、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになる。このため、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。また、共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止すること力 Sできる。さらに、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もできる。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1および第 2の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0095] (第 4の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 4の実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層 14が形成されており、該不活性層 14に隣接する金属層 12は、該金属層 1 2の金属充填率が積層方向に隣り合う金属層 12の金属充填率よりも高い金属層（高充填金属層 12c)である。これにより、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。この理由としては、以下の理由が推察される。

[0096] すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層 14に隣接する金属層 12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているために、この境界部分に応力が集中する。このとき

、すべての金属層 12が同じ金属充填率であると、応力は上記境界部分に一点集中する傾向にあるので、積層型圧電素子を高電圧 ·高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネーシヨンが生じるおそれがあった。

[0097] そこで、不活性層 14に隣接する金属層 12における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層 12における金属の充填率よりも高くなると、素子を駆動して圧電体層 11 が変形した際には、高充填金属層 12cは、該高充填金属層 12cに接する圧電体層 1 1とともに高充填金属層 12cに接する不活性層 14をも拘束する力が強レ、ことから、圧電体変位の局所的な応力を高充填金属層が変形することなくはね返すので、該高充填金属層 12cに接する圧電体層 11は、より強い変位を行う。これにより、素子の圧電変位量を増大させることができる。

[0098] さらに、素子を駆動した際には、前記理由から高充填金属層 12c自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が高充填金属層 12c近傍に集中する (応力集中効果)。したがって、このような高充填金属層 12cを素子駆動部分の端部に配置すると、素子の駆動部分に応力が集中することなぐ応力を素子の端部に分散することができ、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。

[0099] 特に、従来、積層数が例えば 50層よりも少ない低い積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層 14近傍の圧電体層 11の金属含有率を不活性層 14に近づくにつれて増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層 11を形成するために、数種類の圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていた。一方、本発明では、不活性層 14に隣接する金属層 12の金属充填率を積層方向に隣り合う金属層 12の金属充填率よりも高レ、金属層（高充填金属層 12c)とするだけで、低コストで高レ、駆動力と高レ、耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、両端部の不活性層 14に隣接する金属層 12における金属の充填率を積層方向に隣り合う金属層 11における金属の充填率よりも低い低充填金属層（高充填金属層 12b)とすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 3の実施形態と同様であるので、説明は省略する。 [0100] 次に、上記で説明した第 1〜第 4の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法について説明する。

まず、 PbZrO -PbTiO等からなるぺロブスカイト型酸化物の圧電セラミックスの仮

3 3

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 (フタル酸ジォクチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体層 11となるセラミックグリーンシートを複数作製する。

[0101] 次に、例えば銀—パラジウム合金等の金属層 12を構成する金属粉末に、アクリルビーズ等の乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物を含有させて、バ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、これを前記各ダリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって 1〜40 μ mの厚みに印刷する。

[0102] ここで、前記有機物と金属粉末との比を変えることで、金属層 12の金属充填率を変化させることができる。すなわち、前記有機物は焼成時において揮発するので、金属層 12中に空隙（ボイド）が形成される。したがって、前記有機物が少ない場合には、金属充填率は高くなり、前記有機物が多くなると金属充填率は低くなる。具体的な各金属層 12a〜12cにおける有機物の含有量としては、金属層 12aは、金属粉末 100 質量部に対して 0. 1〜： 10質量部、好ましくは 1〜5質量部、低充填金属層 12bは、金属粉末 100質量部に対して 0.：!〜 50質量部、好ましくは 2〜： 10質量部、高充填金属層 12cは、金属粉末 100質量部に対して 0〜5質量部、好ましくは 0〜2質量部であるのがよい。

[0103] 前記有機物としては、焼成時に良好な熱分解挙動を示すものであればよぐ特に制限さるものではなレ、が、前記で例示したアクリルビーズの他、アクリル系、ひ一メチルスチレン系等の樹脂ビーズが好ましい。アクリルビーズ及び樹脂ビーズは、中空構造であってもよい。アクリルビーズ及び樹脂ビーズの平均粒径は 0. 01〜3 111程度カ好ましい。

[0104] また、アクリルビーズ等の有機物をバインダー及び可塑剤等を添加混合してアタリルビーズペーストを作製し、銀—パラジウム等の金属層 12を構成する金属粉末に、バ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て、前記各ダリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって、アクリルビーズペーストと導電性ペーストを積層印刷してもよい。これにより、さらに量産性に優れた印刷が可能となる。

[0105] そして、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、重石をのせた状態で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、金属層にボイドができるように重石をのせずに焼成することによって積層体 13が作製される。焼成温度は、 900〜1200。C、好ましくは 900〜1000。Cであること力 S好ましレヽ。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、緻密な圧電体を作製することが困難になる。また、焼成温度が 1200°Cを超えると、金属層と圧電体との接合強度が大きくなるからである。

[0106] このとき、不活性層 14を構成するグリーンシート中に、銀一パラジウム等の金属層 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—パラジウム等の金属層 12を構成する金属粉末及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近づけることができるので、緻密な積層体 13を形成することができる。

[0107] 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層 11と複数の金属層 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。

[0108] その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層 12と端部が露出しない金属層 12とを交互に形成して、端部が露出していない金属層 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、圧電体層 11よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体 1 3の側面に形成される。

[0109] 次に、ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これをシート状に成形し、乾燥した (溶媒を飛散させた)シートの生密度を 6〜9gZcm³に制御する。ついで、このシートを、柱状積層体 13の外部電極形成面に転写し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点（965°C)以下の温度で、且つ積層体 13の焼成温度（°C)の 4Z5以下の温度で焼き付けを行うことにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、 3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極 15を形成することができる。

[0110] このとき、外部電極 15を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、 1層ごとに積層しては焼付けを行っても良レ、が、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。そして、層ごとにガラス成分を変える場合には、シートごとにガラス成分の量を変えたものを用いればよいが、最も圧電体層 11に接した面にごく薄くガラスリッチな層を構成したい場合には、積層体 13に、スクリーン印刷等の方法で、ガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層すればよい。このとき、印刷の代わりに 5 z m以下のシートを用いても良い。

[0111] 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（結晶粒の括れた部分)を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と金属層 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と柱状の積層体 13側面とを部分的に接合させるという点から、 500〜800°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ィ匕点は、 500〜800°Cが望ましい。

[0112] 一方、焼き付け温度が 800°Cより高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な 3次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極 15が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極 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、ガラスの軟化点の 1. 2倍以内の温度で焼き付けを行った方がよい。また、焼き付け温度が 500°Cよりも低い場合には、金属層 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、駆動時に金属層 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。

[0113] 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から積層体 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、及び積層体 13の側面にコ一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、積層型圧電素子を得る。

[0114] この積層型圧電素子を圧電ァクチユエータに用いる場合には、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.：!〜 3kV/mm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圧電ァクチユエータが得られる。

[0115] この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を介して金属層 12に電圧を印加させれば、各圧電体層 11は逆圧電効果によって大きく変位し、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。また、この圧電ァクチユエータは、本発明の積層型圧電素子を備えているので、高電圧 ·高圧力下において大きい変位量を有し、かつ長期間連続駆動させた場合でも前記変位量の変化を抑制することができる。本発明における高電圧 ·高圧力下とは、圧電ァクチユエータ (積層型圧電素子）に、室温で 0〜+ 300Vの交流電圧を l〜300Hzの周波数で印加することを意味する。

[0116] さらに、外部電極 15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坦設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極 15の外面に導電性補助部材を設けることによりァクチユエ一タに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極 15に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極 15が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらに、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を坦設してレ、るため、前記導電性接着剤に亀裂が生じるのを防ぐことができる。金属のメッシュとは、金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものを意味する。

[0117] 前記導電性補助部材を構成する導電性接着剤は、銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。すなわち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。

[0118] 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。

[0119] 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い範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上記実施形態では、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、例えば隣設する側面に一対の外部電極 15を形成してもよい。

[0120] (第 5の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 5の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 8は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 9は、本実施形態にかかる厚型金属層を示す部分拡大断面図である。図 10は、本実施形態に力、かる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 11は、本実施形態に力、かる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図 12は、本実施形態にかかる圧電体層の空隙を説明するための概略説明図である。なお、図 8〜図 12においては、前述した図 1 〜図 7の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0121] 本実施形態にかかる複数の金属層 12は、図 8に示すように、積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12d)よりも厚みが薄い薄型金属層 12eを複数含んでいる。薄型金属層 12e周辺における圧電体層 11は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層 12eが容易に変形することで吸収することができる。これにより、薄型金属層 12e周辺の圧電体層 11は変位が小さくなる。また、薄型金属層 12eよりも厚みが厚い後述の厚型金属層 12f (図 9参照）周辺の圧電体層 11は、圧電体変位の局所的な応力を、変形しにくい厚型金属層がはね返すので、厚型金属層 12f周辺の圧電体層 11は変位が大きくなる。したがって、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができると共に、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。また、共振現象を抑制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。さらに、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もできる。さらには、金属層 12の厚みを印刷等の製法で変化させることで、圧電体層 1 1の厚みを変えることなぐ応力緩和効果のある素子を製造することができるので、量産性に優れた構造とすることができる。

[0122] 複数の圧電体層 11のうち駆動変形する箇所は、金属層 12に挟持された部分である。したがって、複数の金属層 12のうち圧電体層 1 1を介して重なりあう部分に、薄型金属層 12eを形成するのが好ましい。これにより、圧電素子の変位（寸法変化）が揃つた場合に生じる共振現象を確実に抑制することができる。

[0123] 複数の薄型金属層 12eは、該薄型金属層 12eよりも厚みの厚い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。本実施形態の他の金属層としては、図 8に示す金属層 12dと、図 9に示す後述する厚型金属層 12fである。ここで、薄型金属層 12eは、他の金属層（金属層 12d,厚型金属層 12f)よりも厚みが薄レ、。したがつて、薄型金属層 12eは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、薄型金属層 12e自体が変形して該応力を緩和することができる（応力緩和効果)。すなわち、薄型金属層 12eは、応力緩和層として作用する。さらに、薄型金属層 12eに接する圧電体層 11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存する。薄型金属層 12e自体は、応力を緩和するために変形する。このため、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形するので、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。その結果、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子となる。

[0124] 特に、厚型金属層 12fを複数層挟むと、厚型金属層 12fは、該厚型金属層 12fに接する圧電体層 11を拘束する力が強いうえに、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層 12fが大きく変形することなくはね返すので、該厚型金属層 12fに接する圧電体層 11は、より強い変位を行う。これにより、素子の圧電変位量を増大させることができる。さらに、素子を駆動した際には、前記理由から厚型金属層 12f自体は変形しにくいので、素子全体に加わる応力が厚型金属層 12f近傍に集中する (応力集中効果 )。よって、素子内に局所的に応力を集中する部分を設け、応力集中箇所を応力緩和効果のある薄型金属層 12eで包みこむことになるので、素子全体として極めて応力緩和の効果が大きレ、ものとすることができる。

[0125] 特に、本実施形態では、この複数の薄型金属層 12eが積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。これは、素子全体に加わる応力を分散させるには、規則的に応力緩和層を配置させることが効果的であるからである。また、積層体 13は、少なくとも 3層以上の圧電体層 1 1を積層して構成されてレ、ると共に、薄型金属層 12eが所定の順序で繰り返し配置されてレ、る部分を有することが好ましレ、。

[0126] 前記複数の薄型金属層 12eが積層方向に規則的に配置されているとは、薄型金属層 12e間に存在する他の金属層（金属層 12d，厚型金属層 12f)の層数が、いずれの薄型金属層 12e間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向におレ、て応力がほぼ均一に分散される程度に、薄型金属層 12e間に存在する他の金属層 12の層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、薄型金属層 12e 間に存在する他の金属層 12の層数は、各層数の平均値に対して ± 20%の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して ± 10%の範囲内、より好ましくはすべて同数であるのがよい。

[0127] 前記他の金属層である金属層 12dは、厚みが薄型金属層 12eよりも厚い金属層である。この金属層 12dは、主たる金属層である。該主たる金属層とは、金属層 12中において同等の厚みを有する複数の金属層からなり、薄型金属層 ;L 2_e及び厚型金属層 12fよりも層数が多レ、金属層のことを意味する。この主たる金属層である金属層 12 dは、全金属層の平均の厚みに近いものから順に全金属層数の 1/3以上の層数を占めるのが好ましい。これは、主たる金属層 12dに求められる機能力積層型圧電素子を駆動する電極として安定に機能することであり、そのためには、素子に印加された電圧を各圧電体層 11に均一に加えて圧電変位を均一に行うことが求められるからである。したがって、主たる金属層 12dが、全金属層の平均の厚みに近いものから順に全金属層数の 1/3以上であると、素子に印加された電圧が各圧電体層 11に均一に加わるため、圧電体層 11が過度に不均一に駆動変形することなぐ素子が全体としてほぼ均一に駆動変形して、耐久性のある素子となる。さらに、主たる金属層 12d に接する圧電体層 11は、応力が集中することがないので変位量が大きくなる。また、薄型金属層 12eに接する圧電体層 11は応力緩和層となるので、素子の駆動変位を維持すると共に、素子の応力一点集中を避けることができる。その結果、変位量が大きくなると共に、耐久性に優れる。 [0128] 変位の位相をそろえて応答速度を速くするためには、主たる金属層 12dが、全金属層の平均の厚みに近いもの力順に全金属層数の 70%以上、好ましくは 80%以上、より好ましくは 90%以上、さらに好ましくは 90〜99%であるのがよい。主たる金属層 12dが全金属層数の 90%以上では、変位位相がそろいさらに高速の応答速度が得られる。一方、 99%を超えると位相が完全にそろうことで、素子がうなり音を発するため、好ましくない。

[0129] 複数の金属層 12中において、主たる金属層 12dの層数が最も多いのが好ましい。

[0130] 主たる金属層 12dは、金属層 12中で最も厚みが厚い金属層と、最も厚みが薄い金属層以外の金属層であることが好ましい。これは、駆動中の積層型圧電素子の応力力最も厚みが厚レ、金属層 12の近傍にある圧電体層 11に加わる傾向にあるため、主たる金属層 12dが、最も厚みが厚い金属層以外であれば、金属層 12dとこれに接する圧電体層 11との間が強固に密着した耐久性の高レ、積層型圧電体素子とすることができる。さらに、厚みが薄い金属層 12に接する圧電体層 11の素子変位が小さいため、主たる金属層 12dが最も厚みが薄い金属層以外であれば、積層型圧電体素子の変位が過度に小さくなることもない。すなわち、主たる金属層 12dを、全ての金属層 12の中で、最も厚みが厚レ、金属層と最も厚みが薄レ、金属層以外のものとすることで、駆動変位を大きぐ耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、金属層 12の厚みを変化させることで、圧電体層 11の変位の大きさを制御できるので、圧電体層 11の厚みを変える必要もなぐ量産性に優れる。

[0131] 複数の金属層 12は、図 9に示すように、積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12d)よりも厚みが厚レ、厚型金属層 12fを複数含んでレ、るのが好ましレ、。これにより、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、厚型金属層 12fは、該厚型金属層 1 2fに接する圧電体層 11を拘束する力が強レ、うえに、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層 12fが変形することなくはね返すので、該厚型金属層 12fに接する圧電体層 11は、より強い変位を行レ、、素子の圧電変位量を増大することができる。さらに、素子を駆動した際には、前記理由力厚型金属層 12f自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が厚型金属層 12f近傍に集中する (応力集中効果)。したがつて、このような厚型金属層 12fを素子内に配置すると、素子の一点に応力が集中することなぐ該応力を分散することができ、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。

[0132] なお、複数の圧電体層 11のうち駆動変形する箇所は、金属層 12に挟持された部分である。したがって、複数の金属層 12のうち圧電体層 11を介して重なりあう部分に、厚型金属層 12fを形成するのが好ましい。これにより、素子全体に加わる応力が厚型金属層 12f近傍に集中する効果を高めることができる。

[0133] 特に、薄型金属層 12eを複数層挟むと、薄型金属層 12eは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、薄型金属層 12e 自体が変形して該応力を緩和することができる (応力緩和効果)。すなわち、薄型金属層 12eは、応力緩和層として作用する。さらに、薄型金属層 12eに接する圧電体層 11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために薄型金属層 12e自体が変形するために、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形するので、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。よって、素子内に局所的に応力を集中する部分を設け、応力集中箇所で応力緩和高価のある薄型金属層 12eを包みこむことになるので、素子全体として極めて応力緩和の効果が大きく駆動トルクの大きいものとすること力 Sできる。

[0134] 特に、本実施形態では、この複数の厚型金属層 12fが積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。これは、素子全体に加わる応力を分散させるには、規則的に応力緩和層を配置させることが効果的であるからである。また、積層体 13は、少なくとも 3層以上の圧電体層 1 1を積層して構成されてレ、ると共に、厚型金属層 12fが所定の順序で繰り返し配置されてレ、る部分を有することが好ましレ、。

[0135] 前記複数の厚型金属層 12fが積層方向に規則的に配置されているとは、厚型金属層 12f間に存在する他の金属層（金属層 12d，薄型金属層 12e)の層数が、いずれの厚型金属層 12f間におレ、ても同じである場合はもちろんのこと、積層方向にぉレヽて応力がほぼ均一に分散される程度に、厚型金属層 12f間に存在する他の金属層 12 の層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、厚型金属層 12f間に存在する他の金属層 12の層数は、各層数の平均値に対して ± 20%の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して ± 10%の範囲内、より好ましくはすべて同数であるのがよい。

[0136] 厚型金属層 12fは、薄型金属層 12e及び主たる金属層 12dの厚みよりも厚レ、金属層である。すなわち、主たる金属層 12d、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fの各厚みは、厚型金属層 12f >主たる金属層 12d>薄型金属層 12eの関係である。これにより、主たる金属層 12dが全ての金属層 12の中で、最も厚みが厚い金属層と、最も厚みが薄い金属層以外の金属層となるので、駆動変位が大きぐ耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。また、変位の異なる金属層 12が素子内に確実に配置されることになる。すなわち、薄型金属層 12eの周辺における圧電体層 11は変位力 S小さくなり、厚型金属層 12fの周辺における圧電体層 11は変位が大きくなる。その結果、変位の異なる金属層を素子内に配置することによる効果をより効率よく得ることができる。

[0137] 具体的には、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fを除く他の金属層（すなわち主たる金属層 12d)の厚みを X2とし、薄型金属層 12eの厚みを Y2とするとき、厚みの比 (Y2/X2)力 SO. 1~0. 9、好ましく ίま 0. 3〜0. 9、より好ましく ίま 0. 5〜0. 8の範囲にあるのが好ましい。これにより、薄型金属層 12eの応力緩和効果をより確実に得ることができると共に、素子形状が保たれる（素子の機械的強度が過度に低下するのを防止できる）。特に、前記比（Y2/X2)が 0. 3〜0. 9であると、薄型金属層 12eに隣接する圧電体層 11も変位駆動するため、素子の変位が大きく耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。さらに、前記比 (Y2ZX2)が 0. 5〜0. 8であると、素子の変位がより大きぐ耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記 X2 及び Y2の具体的な値は、金属層 12の組成等により任意に選定すればよぐ特に限定されるものではなレヽが、通常、 X2は 0. 1〜： !OO z m、好ましくは 0. 5〜： !O z m、より好ましく fま:!〜 5 x m、 Y2fま 0. 05〜： 100 μ m、好ましく fま 0. 1〜： lO x m、より好ましくは 0. 5〜5 /i mであるのがよぐ X2及び Y2がこの範囲内で前記比（Y2/X2)を満たすのが好ましい。

[0138] 一方、前記比 (Y2/X2)が 0. 1よりも小さくなると、薄型金属層 12eの応力緩和効果が大きくなりすぎるので、薄型金属層 12eが素子駆動のたびに大きく変形し、金属疲労で破断したり、外部電極 15との界面に亀裂が生じたりするため、耐久性が悪くなるおそれがあり、 0. 9よりも大きくなると、薄型金属層 12eの応力緩和効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。

[0139] また、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fを除く他の金属層（すなわち主たる金属層 12d)の厚みを X2とし、厚型金属層 12fの厚みを Z2とするとき、厚みの比（Z2/X 2)力 1. 05〜2、好ましく fま 1. 05〜： 1. 5、より好ましく fま 1. 1~1. 2の範囲にあるのがよレ、。これにより、厚型金属層 12fの応力集中効果をより確実に得ることができると共に、素子形状が保たれる。特に、前記比（Z2/X2)が 1. 05〜： 1. 5であると、厚型金属層 12fに隣接する圧電体層 11と主たる金属層 12dに隣接する圧電体層 11もほぼ同様に変位駆動するため、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。また、前記比 (Z2/X2)が 1. 1〜： 1. 2であると、より素子の変位が大きぐ耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記 X2及び Z2の具体的な値は、前記比（Y2/X2)における X2及び Y2と同様に、金属層 12の組成等により任意に選定すればよぐ特に限定されるものではないが、通常、 X2は 0. 1〜： 100 μ ΐη、好ましく ίま 0. 5〜： ίθ μ ΐη、より好ましく ίま:!〜 5 m、 Ζ2ίま 0.：!〜 200 /i m、好ましく ίま 0. 5〜 15 /i mより好ましくは:!〜 10 μ mであるのがよい。

[0140] 一方、前記比 (Z2/X2)が 2よりも大きくなると、厚型金属層 12fに応力が集中して、厚型金属層 12fと圧電体層 11との界面がはがれて、積層体にデラミネーシヨンが生じるおそれがあり、 1. 05よりも小さくなると、厚型金属層 12fの応力集中効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。

[0141] また、主たる金属層 12dは、略同一な厚みで構成されているのが好ましい。これにより、さらに変位が大きくなると共に、応答性が速く耐久性も向上する。また、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fも、一層中の厚みが略同一であることが好ましい。これは、異なる極性の電圧が印加される金属層のうち、圧電体層 11を介して重なりあう金属層部分において一層中の厚みが略同一であると、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からである。

[0142] 一方、薄型金属層 12eに局部的に薄い部分が存在すると、素子駆動変形時の応力緩和のために薄型金属層 12eが変形した際には、局部的に薄い部分に応力が集中する。このため、連続使用した場合には、異常発熱するので好ましくなレ、。また、厚型金属層 12fに局部的に厚い部分や薄い部分が存在する場合にも、素子駆動変形時に局部的に厚い部分や薄い部分に応力が集中し、連続使用した場合には、異常発熱するので好ましくない。

[0143] ここで、金属層 12 (金属層 12c！〜 12f)の厚みとは、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定して得られた値である。具体的には、その切断面において、金属層 12を走査型電子顕微鏡 (SEM)や金属顕微鏡等で観察すると、金属成分だけでなぐボイドゃ、セラミック成分等の金属以外の要素で構成されているのがわかる。そこで、任意の金属層 1層の断面において、金属が主成分となっている層の中で任意の 5箇所を選び、任意の 2本の平行線で挟むことができる厚みを測定し、その平均値を金属層厚みとする。このようにして、金属層 12d、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fの厚みを測定することにより、各金属層 12c！〜 12fの厚みを得ることができる。

[0144] 本実施形態では、図 10に示すように、主たる金属層 12dよりも厚みが厚い厚型金属層 12fと、主たる金属層 12dよりも厚みが薄い薄型金属層 12eとが、圧電体層 11を挟んで対向配置されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、厚型金属層 12fに集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに、応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層 12eを配置することで、素子に加わる応力を効率よく分散緩和することができる。

[0145] 特に、図 11に示すように、薄型金属層 12eに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が厚型金属層 12fであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を厚型金属層 12fに集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層 12eを配置することで、素子に加わる応力を分散緩禾ロすること力 Sできる。また、応力を集める層である厚型金属層 12fで、応力緩和層である薄型金属層 12eを挟持すると、応力を薄型金属層 12e中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和することができる。その結果、該素子を圧電ァクチユエータに用いた場合には、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。なお、挟持される薄型金属層 12eの層数は少ない方が応力を閉じ込める効果をより奏することができるので、該層数は 1層が最適である。

[0146] また、積層体 13の積層方向に、薄型金属層 12e、厚型金属層 12f、主たる金属層 1 2dの順序で間に圧電体層 11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層 12dが厚みの厚い順に積層されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、厚型金属層 12fに集中させることで、素子に加わる応力を分散させ、さらに、応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層 12eを配置させることで、素子に加わる応力を分散緩和させることができるだけでなぐ主たる金属層 12dを厚みの厚い順に配置することで、厚型金属層 12fに集まった応力を徐々に分散させることができると共に、厚みを厚くすることで、隣接する圧電体層 11の変位量を大きくすることができるので、変位が大きく耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電体素子とすることができる。

[0147] 複数の金属層 12の厚みを比較したときに、厚型金属層 12fの厚みにピークがあり、該厚型金属層 12fから積層方向に 2層以上、好ましくは 2〜5層以上の金属層にわたつて厚みが漸次減少する傾斜領域を有しているのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力は、厚型金属層 12fに集中するが、所定の傾斜領域を有すると、該厚型金属層 12fに集まった応力を徐々に分散させることができる。

[0148] 金属層 12は、図 12に示すように、所定の空隙（ボイド） 12d'， 12e ' , 12f 'を有しているのが好ましい。特に、主たる金属層 12dに空隙（ボイド） 12d'を設け、該金属層 12dの断面における全断面積に対する空隙（ボイド） 12d'の占める面積比（ボイド率）が 5〜70%、好ましくは 7〜70%、より好ましくは 10〜60%であるのがよレ、。これにより、変位量が大きくなるので、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができる。特に、前記ボイド率が 7〜70%または 10〜60%であると、圧電体層 11をよりスムーズに変形できるとともに、金属層 12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。

[0149] 一方、前記ボイド率が 5%より少ないと、圧電体層 11が電圧を印加されて変形する際に金属層 12から束縛を受け、圧電体層 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り、発生する内部応力も大きくなるため、耐久性にも悪い影響を与えるおそれがある。また、前記ボイド率が 70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層 12自体の強度が低下し、金属層 12にクラックが生じやすくなり、断線等を生じるおそれがあるので好ましくない。

[0150] 特に、薄型金属層 12eが、主に金属とボイドから構成されていると、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。すなわち、薄型金属層 12eは、図 12に示すように、空隙 (ボイド） 12e 'を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されているのが好ましい。これにより、薄型金属層 12eに接する圧電体層 11が、金属層のなかでも空隙（ボイド） 12e '等の金属の充填されていない部分に接すると、その部分の圧電体は素子に電圧が印加されても変位しない上、駆動中に応力が加わると変形して応力を緩和することができる（応力緩和効果)。すなわち、部分金属層で構成されている薄型金属層 12eは、応力緩和層として作用する。したがつて、その金属層に接する圧電体層 11は駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。その結果、耐久性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。

[0151] 具体的には、薄型金属層 12eの断面における全断面積に対する空隙（ボイド） 12e 'の占める面積比（ボイド率）は 20〜90%であることが好ましい。これにより、さらに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。

[0152] なお、本実施形態においても、金属層 12は、周期律表第 8〜： 11族元素から選ばれる金属を主成分とするのが好ましい。さらに、金属層 12中の周期律表第 8〜： 10族元素の含有量を Ml (質量％)とし、周期律表第 11族元素の含有量を M2 (質量％)とするとき、 0 < M1≤15、 85≤M2 < 100, Ml + M2 = 100の関係を満足する金属を主成分とするのが好ましい。

[0153] 特に、薄型金属層 12eが応力を緩和する際、印加された応力を緩和するということは、加わった運動エネルギーを熱エネルギーに変換して、応力を開放することになり、応力緩和部分が熱をもつことになる。圧電体は温度が上昇すると、圧電変位の力が小さくなり、ひとたびキュリー点まで温度が上昇すると冷却しても分極の効果が無くなり圧電変位の力が大きく損なわれる。そこで、薄型金属層 12eが、ヒートシンクの役割を果たすことができれば、応力緩和部分から素子の外側へ熱を散逸することが可能となる。

[0154] ここで、本実施形態の組成の金属を用いることで熱の散逸効果が大きくなり、応力緩和効果を、長期間、高い耐久性を持って維持することが可能となる。特に、熱伝導の高い銀が高濃度に含まれる組成では、もっとも熱の散逸効果も大きぐさらに、酸ィ匕しても、熱の伝導度は衰えず、しかも、電気伝導特性も衰えることが無いので極めて高い耐久性の応力緩和層とすることができる。

なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 4の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0155] (第 6の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 6の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 13は、本実施形態の積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図 13においては、前述した図 1〜図 12の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。図 13に示すように、この実施形態の積層型圧電素子は、上記で説明した実施形態と同様に、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層型圧電素子である。

[0156] ここで、複数の金属層 12は、積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12d)よりも厚みが厚い厚型金属層 12fを複数含んでいる。このような構成であっても、厚型金属層 12f周辺の圧電体層 11は変位が大きくなり、厚型金属層 12fよりも厚みが薄い主たる金属層 12d周辺の圧電体層 11は変位が小さくなり、変位の異なる金属層を素子内に配置する構成となるので、上記で説明した実施形態と同様の効果を奏することができる。

[0157] 本実施形態に力かる複数の厚型金属層 12fは、上記で説明した第 5の実施形態と同様に、該厚型金属層 12fよりも厚みの薄レ、他の金属層（すなわち主たる金属層 12 d，薄型金属層 12e)を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。また、複数の厚型金属層 12fが、積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。さらに、複数の金属層 12は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層 12eを複数含んでレ、るのが好ましレ、。

なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 5の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0158] (第 7の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 7の実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層 14が形成されており、該不活性層 14に隣接する金属層 11の厚みが積層方向に隣り合う金属層 11の厚みよりも薄レ、薄型金属層（薄型金属層 12e)である。これにより、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。この理由としては、以下の理由が推察される。

[0159] すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層 14に隣接する金属層 12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているため、この境界部分に応力が集中する。このとき、金属層 12が同じ厚みであると、応力はこの境界部分に一点集中するので、積層型圧電素子を高電圧 ·高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネーシヨンが生じるおそれがあった。

[0160] そこで、不活性層 14に隣接する金属層 11の厚みが積層方向に隣り合う金属層 11 の厚みよりも薄い薄型金属層（薄型金属層 I 2e)にすると、薄型金属層 12eは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、薄型金属層 12e自体が変形して応力を緩和することができる (応力緩和効果)。さらに、薄型金属層 12eに接する不活性層 14は圧電材料で形成されていることから、応力印加により変形して応力を緩和することができる。すなわち、薄型金属層 12eと不活性層 14が応力緩和効果の相乗作用を生み出す。その上、薄型金属層 12e自体が変形するので、薄型金属層 12eと隣り合う金属層 12に挟まれた圧電体層 11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために薄型金属層 12e自体が変形するので、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形する。したがって、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けること力 Sできる。

[0161] さらに、薄型金属層 12eに対して積層方向に隣り合う金属層が厚型金属層 12fであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を厚型金属層 12fに集中させて素子に加わる応力を端部に分散し、さらに応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層 12eを配置することで、素子に加わる応力を端部に分散緩和することができる。また、応力を集める層である厚型金属層 12fと不活性層 14とで、応力緩和層である薄型金属層 12eを挟持すると、応力を薄型金属層 12e中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和することができる。その結果、該素子を圧電ァクチユエ一タに用いた場合には、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。

[0162] 特に、従来、積層数が例えば 50層よりも少ない低い積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層 14近傍の圧電体層 11の層厚みを不活性層 14に近づくにつれて厚みを増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層 11を形成するために、数種類の厚みの圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていたが、不活性層 14に隣接する金属層 12のみの厚みを積層方向に隣り合う金属層 12の厚みよりも薄い薄型金属層（薄型金属層 12e)とすることで、低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすること力 Sできる。さらに、両端部の不活性層 14に隣接する金属層 12の厚みを積層方向に隣り合う金属層 12の厚みよりも薄い薄型金属層（薄型金属層 12e)とすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。

[0163] 一方、積層数が多い積層型圧電体素子においては、さらに、積層方向に隣り合う両側の金属層（金属層 12d)よりも厚みが薄い薄型金属層 12eを複数含むことにより、薄型金属層 12e周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層が容易に変形することで吸収することができるので、周辺の圧電体層は変位が小さくなり、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになる。このため、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、積層部分に生じるデラミネーシヨンを抑制することができる。また、共振現象を抑制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。さらに、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ちできる。

なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 6の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0164] (第 8の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 8の実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層 14が形成されており、該不活性層 14に隣接する金属層 11の厚みが積層方向に隣り合う金属層 11の厚みよりも厚レ、厚型金属層（厚型金属層 12f )である。これにより、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。この理由としては、以下の理由が推察される。

[0165] すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層 14に隣接する金属層 12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているために、この境界部分に応力が集中する。このとき、金属層 12が同じ厚みであると、応力はこの境界部分に一点集中するので、積層型圧電素子を高電圧 ·高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネ一シヨンが生じるおそれがあった。

[0166] そこで、不活性層 14に隣接する金属層 12の厚みが積層方向に隣り合う金属層 12 の厚みよりも厚い厚型金属層（厚型金属層 12f)にすると、素子を駆動して圧電体層 11が変形した際には、厚型金属層 12fは、厚型金属層 12fに接する圧電体層 11とともに厚型金属層 12fに接する不活性層 14をも拘束する力が強レ、ことから、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層が変形することなくはね返すので、該厚型金属層 1 2fに接する圧電体層 11は、より強い変位を行うので、素子の圧電変位量を増大すること力 Sできる。

[0167] さらに、素子を駆動した際には、前記理由から厚型金属層 12f自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が厚型金属層 12f近傍に集中する (応力集中効果)。したがって、このような厚型金属層 12fを素子駆動部分の端部に配置すると、素子の駆動部分に応力が集中することなぐ応力を素子の端部に分散することができ、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。

[0168] 特に、従来、積層数が例えば 50層よりも少ない低い積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層 14近傍の圧電体層 11の層厚みを不活性層 14に近づくにつれて厚みを増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層 11を形成するために、数種類の圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていたが、不活性層 14に隣接する金属層 12の厚みのみを積層方向に隣り合う金属層 12の厚みよりも厚い厚型金属層（厚型金属層 12f)とすることで、低コストで高い駆動力と高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、両端部の不活性層 14に隣接する金属層 12の厚みを積層方向に隣り合う金属層 12の厚みよりも薄レ、薄型金属層（薄型金属層 12e)とすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 7の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0169] 次に、上記で説明した第 5〜第 8の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法について説明する。

まず、第 1〜第 4の実施形態と同様にして、圧電体層 11となるセラミックグリーンシートを複数作製する。次に、例えば銀—パラジウム合金等の金属層 12を構成する金属粉末に、バ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 1〜40 μ mの厚みに印刷する。

[0170] ここで、前記バインダー及び可塑剤等と、前記金属粉末との比を変えることや、スクリーン印刷に使用するスクリーンのメッシュの度数を変えることや、スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、金属層 12の厚みを変化させることができる。なかでも、レジスト厚みを変えることで、単一の導電性ペーストを用いても、異なる厚みの金属層 12を形成することができる。あるいは、単一の製版、単一の導電性べ一ストを用いた場合でも、同じ箇所に、重ねて印刷することで、厚い金属層 12を形成すること力 Sできる。

[0171] また、金属層 12に空隙（ボイド）を形成するには、前記金属粉末に、アクリルビーズ等の乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物を含有させた導電性べ一ストを作製すればよい。金属層 12のボイド率を所定の値とするには、例えば前記有機物と金属粉末との比を変える方法が挙げられる。すなわち、前記有機物が焼成時に揮発することにより金属層 12中に空隙（ボイド）が形成されるので、前記有機物が少ないとボイド率は低くなり、前記有機物が多くなるとボイド率は高くなる。具体的な各金属層 12c！〜 12fにおける有機物の含有量としては、金属層 12dは、金属粉末 100質量部に対して 0. 1〜： 10質量部、好ましくは 1〜5質量部、薄型金属層 12eは、金属粉末 100質量部に対して 0.：!〜 50質量部、好ましくは 2〜： 10質量部、厚型金属層 12fは、金属粉末 100質量部に対して 0. 0：!〜 5質量部、好ましくは 0.：!〜 2質量部であるのがよい。前記有機物としては、第 1〜第 4の実施形態において例示したものと同じ有機物が挙げられる。

[0172] そして、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、重石をのせた状態で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、金属層 12の厚みが所定の厚みとなるように重石をのせずに焼成することによって積層体 13が作製される。焼成温度は、 900〜： 1200。C、好ましくは 900〜1000。Cであること力 S好ましレヽ。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、緻密な圧電体を作製することが困難になる。また、焼成温度が 1200°Cを超えると、熱膨張率の異なる圧電体層 11と金属層 12とが 1200°C以上で接合した後、冷却されることで生じる層間の応力が大きくなつたり、圧電体結晶粒子が異常粒成長したり、電極材料が融点以上になって溶融する問題があるからである。

[0173] その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層 12と端部が露出しない金属層 12とを交互に形成して、端部が露出していない金属層 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、圧電体層 11よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体 1 3の側面に形成される。 [0174] 次に、第 1〜第 4の実施形態と同様にして、外部電極 15を形成する。そして、外部電極 15を形成した積層体 13を第 1〜第 4の実施形態と同様にして、積層体 13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、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、積層型圧電素子を得る。

[0175] この積層型圧電素子を圧電ァクチユエータに用いる場合には、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.：!〜 3kV/mm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圧電ァクチユエータが得られる。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 4の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0176] (第 9の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 9の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 14は本実施形態に力かる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図 14においては、前述した図 1〜図 13の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0177] 本実施形態の積層型圧電素子は、図 14に示すように、複数の金属層 12が、合金を主成分としてなり、合金を構成する一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層 12gよりも高い高比率金属層 12hを複数含んでいる。すなわち、合金は、組成により軟らかさ（硬さ）を自在に変化させることができるので、複数の金属層 12のうちの一部を、高比率金属層 12hとすることで、部分的に軟ら力さが異なる金属層を配置すること力 Sできる。これにより、圧電素子に加わる応力を分散させることができるので、応力集中による素子変形の抑圧が緩和され、素子全体の変位を大きくすることができる。また、素子の変形による応力が集中するのを抑制でき、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層界面にぉレ、てデラミネーシヨンが生じて破損するのを抑制することができる。

[0178] 上記したように、本実施形態における「高比率金属層 12h」は、合金を構成する一成分の比率 (例えば、銀パラジウム合金を構成する銀の比率）が隣り合う両側の金属層 12gよりも高レ、金属層のことである。高比率金属層 12hにおける一成分の比率 Bは、これに隣り合う両側の金属層 12gにおける一成分の比率 Aよりも高く設定されていればよいが（B >A)、比率 Bが比率 Aよりも好ましくは 0. 1質量％以上、より好ましくは 0. 5〜： 10質量％、さらに好ましくは 1〜3質量％高く設定されているのがよレ、。比率 B が比率 Aよりも 0. 1質量％以上高く設定されているときには、素子に加わる応力を分散させる高い効果を得ることができる。特に、比率 Bが比率 Aよりも 0. 5質量％以上高く設定されているときには、その効果が高い。一方、比率 Bが比率 Aよりも 10質量％を超える範囲で高く設定されているときには、高比率金属層 12hの熱膨張係数と隣り合う両側の金属層 12gの熱膨張係数が異なることで、圧電体層と金属層との間の熱膨張率の差に起因する応力に分布が生じて積層型圧電素子内に応力が集中する箇所が生じるおそれがある。

[0179] また、本実施形態の積層型圧電素子では、駆動変形する領域は、圧電体層 11のうち、該圧電体層 11の両側の主面に配設された金属層 12が圧電体層 11を介して積層方向に重なり合う領域である。したがって、本実施形態の効果を得るためには、高比率金属層 12hにおける一成分の比率 B及び金属層 12gにおける一成分の比率 A は、圧電体層 11を介して積層方向に重なり合う領域において上記関係を満足していればよい。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、高電圧 ·高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても、積層部分におけるデラミネーシヨンを抑制することができる。さらに、圧電素子の変位（寸法変化)が揃った場合に生じる共振現象を抑制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。これにより、制御信号のノイズを抑止することができる。さらには、高比率金属層 12hを複数配置することで、積層型圧電素子 13の変位の大きさを制御できるので、圧電体層 11の厚みを変える必要がなく、量産性に有効な構造とすることができる。

[0180] 金属層 12の合金組成は、以下のようにして測定することができる。すなわち、金属層 12が露出するように、金属層 12と圧電体層 11との界面で積層体 13を切断するなどして、金属層 12の一部を採取し、 ICP (誘導結合プラズマ)発光分析等の化学分析をすることで測定できる。また、積層型圧電素子を積層方向に切断した断面を、 E PMA (Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法を用いて分析することもできる。積層型圧電素子の切断面において、金属層を SEM (走査型電子顕微鏡 )や金属顕微鏡で観察すると、金属成分だけでなぐボイドゃ、セラミック成分等の金属以外の要素も含まれていることがある。このような場合には、金属のみで構成された部分を EPMA法等により分析すればよい。これにより、高比率金属層 12hとそれ以外の金属層 12gの合金比率を特定できる。

[0181] また、複数の高比率金属層 12hは、該高比率金属層 12h以外の他の金属層 12gを

1層又は複数層挟んでそれぞれ配置されている。例えば金属層 12を構成する合金が銀パラジウムで、前記一成分が銀である場合には、以下の理由から複数の高比率金属層 12hは、該高比率金属層 12h以外の他の金属層 12gを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。すなわち、高比率金属層 12hと他の金属層 12gが 1 層ずつ交互に連続して配置されてレ、ると、積層型圧電素子 13内部の応力は全ての金属層 12に対して均一に分散するというメリットがある。一方、高比率金属層 12hは、他の金属層 12gと比較して銀比率が高いことに起因して層自体が柔らかいので、高比率金属層 12hが他の金属層 12gと同程度の層数で存在すると、駆動変位が緩和される作用も大きくなり、駆動変位量が低下する傾向にある。したがって、複数の高比率金属層 12hを、高比率金属層以外の他の金属層 12gを複数層挟んでそれぞれ配置させることで、他の金属層 12gを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができる。さらに、複数の高比率金属層 12hの部分で応力緩和効果が得られる。これにより、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれることがない。

[0182] また、金属層 12を構成する合金は、周期律表 8〜： 10族金属および/または 11族金属を主成分とすることで、圧電体と金属層とを同時焼成することが可能となり、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金属層に応力が加わっても、金属層自体が伸縮できるので、応力が一点に集中することがなぐ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。

[0183] 金属層 12を構成する合金は、特に、銀パラジウム合金であり、上記一成分が銀であるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で焼成して積層型圧電体素子 13を得ることができるというだけでなぐ銀とパラジウムは全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成することなく応力緩和効果を有する柔らかレヽ高比率金属層 12hを形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層 12と圧電体層 11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層 12を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。

[0184] 複数の高比率金属層 12hは規則的に配置されていることが好ましい。不規則に配置されると、積層型圧電素子全体に加わる応力が、高比率金属層同士の間隔が広い部分に集中して、応力分散の効果が十分に得られないおそれがある。高比率金属層 12hを規則的に配置することで、積層型圧電素子に加わる応力が効果的に分散される。ここで、本実施形態において「高比率金属層が規則的に配置されている」とは、高比率金属層 12h間に存在する他の金属層 12gの層数がレ、ずれの高比率金属層 12h間においても同じである場合はもちろんのこと、一部に応力が集中しない程度に、高比率金属層 12h間に存在する他の金属層 12gの層数が近似してレ、る場合も含む概念である。具体的には、高比率金属層 12h間に存在する他の金属層 12gの層数は、好ましくは各層数の平均値に対して ± 20%の範囲内、より好ましくは各層数の平均値に対して ± 10%の範囲内、さらに好ましくはすべて同数であるのがよレ、。高比率金属層 12h間に存在する他の金属層 12gの層数が、上記範囲内にあることで、積層型圧電素子に加わる応力がより効果的に分散される。

[0185] 高比率金属層 12hと圧電体層 11との密着力は、高比率金属層以外の他の金属層 12gと圧電体層 11との密着力よりも低く設定されてレ、るのが好ましレ、。このように高比率金属層 12hの密着力が他の金属層 12gよりも低レ、ことで、積層型圧電素子に応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層 12hが変形して応力が緩和される。また、密着力の弱い高比率金属層 12hに接する圧電体層 11は、当該高比率金属層 1 2hとの接触面積が小さくなることで圧電体 11を拘束する力が小さくなる。これによつても積層型圧電素子に力かる応力を緩和するとともに、応力の一点集中をさけることができるので、耐久性に優れた積層型圧電素子とすることができる。

[0186] 高比率金属層 12hは、ビッカース硬さ（Hv)が他の金属層 12gよりも低く設定されてレ、るのが好ましレ、。高比率金属層 12hのビッカース硬さ（Hv)が他の金属層 12gよりも低い、すなわち他の金属層 12gよりも柔らかい金属層とすることで、圧電素子を駆動させた際に、高比率金属層 12hは、これに接する圧電体層 11を拘束する力が弱くなり、圧電体層 11は変位を大きくすることが可能となる。そのために、耐久性が高ぐ変位の大きレ、積層型圧電素子とすることができる。

[0187] 本実施形態にかかる積層型圧電素子では、金属層 12の積層方向の厚みが薄いため、金属層 12のビッカース硬さは以下のようにして測定される。すなわち、ビッカース硬さを測定する際は、例えば明石製作所製 MVK— H3型などのマイクロビッカース測定器を使用する。金属層 12のビッカース硬さを測定するには、金属層 12と圧電体層 11の界面付近で積層型圧電素子を切断して、金属層 12の部分にダイヤモンド圧子を押し込んで測定することもできる力下地である圧電体層 11の影響を受けないようにするためには、金属層 12の積層方向に垂直な方向から、金属層 12にダイヤモンド圧子を押し込むのが好ましい。圧電素子の側面から金属層 12が露出している場合は、ダイヤモンド圧子と金属層 12の積層方向が垂直になるように積層型圧電素子を設置して、ダイヤモンド圧子を金属層 12に直接押し込んで硬度を測定する。

[0188] 一方、圧電素子の側面から金属層 12が露出していない場合は、金属層 12が見えるまで素子を研磨した後、上記と同様にして硬度を測定する。金属層 12を露出させるためには、研磨以外に、ダイシングソーマシーンでの切断や、リューター等の利用が考えられるが、クラック等を生じさせずに平坦な面を形成できる手法であれば、特に手法は限定するものではない。

[0189] また、 2つの高比率金属層 12hの間には、該高比率金属層以外の他の金属層 12g が複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、合金を構成する一成分の濃度が高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在しているのが好ましレ、。このような傾斜濃度領域が存在することで、積層型圧電素子の応力が高比率金属層 12hに集中しつつ、その近傍の金属層 12g (傾斜濃度領域の金属層 12g)にも応力を分散させることができるので、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。さらに、全ての高比率金属層 12h間において、上記傾斜濃度領域が存在するのがさらに耐久性を高める点でより好ましい。

[0190] 一方、合金を構成する一成分の比率が、高比率金属層 12hとこれに隣り合う金属層 12gとにぉレ、て極端に異なってレ、ると、応力緩和層となる高比率金属層 12hに応力が集中しやすくなるおそれがある。

[0191] 本実施形態では、上記で説明した実施形態と同様に、金属層 12が多数のボイドを有していることが好ましい。特に、高比率金属層以外の他の金属層 12gにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が 5〜70%であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層以外の他の金属層 12g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、変位特性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。

[0192] 一方、他の金属層 12gのボイド率が 5%より小さいと圧電体層 11が電界を印加されて変形する際に金属層 12gから大きな拘束力を受け、圧電体層 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つて、発生する内部応力も大きくなるおそれ力 Sある。また、他の金属層 12gのボイド率が 70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層 12gにクラックが生じやすくなり、断線等を生じる恐れがある。ボイド率は、より好ましくは 7〜70%、さらに好ましくは 10〜60%であるのがよい。このようにすることで、圧電体層 11をよりスムーズに変形できるとともに、金属層 12は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させることができる。

[0193] また、高比率金属層 12hの断面における全断面積に対するボイドの占める面積比は 20〜90%であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層 12hの面積に対して 20〜90%占めるようにすると、さらに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。

[0194] さらに、金属層 12が主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。特に、高比率金属層以外の他の金属層 12gよりも高比率金属層 12hが主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、応力緩和効果が向上し、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。

[0195] 高比率金属層 12hは、複数の合金が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、高比率金属層 12hは、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのがよい。高比率金属層 12hが複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子 13の応力が金属層 12に加わっても、高比率金属層 12h内での応力伝播が抑制でき、高比率金属層 12hのなかでも特に応力が集中する箇所を生み出さないので、応力緩和と、耐久性を両立することができる。

[0196] 一方、高比率金属層 12hが連続した一枚の層からなる場合には、積層型圧電素子

13の応力が、高比率金属層 12hに集中した際に、圧電体層 11との界面のうち、圧電素子の側面に面した部分にその応力が伝播集中するため、特に応力が集中する箇所が発生してしまうおそれがある。

[0197] また、本実施形態においても、金属層 12中のパラジウムの含有量を Ml (質量％)、銀の含有量を M2 (質量⁰ /₀)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することが好ましい。

[0198] 次に、第 9の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法について説明する。

まず、第 1〜第 8の実施形態と同様にして、圧電体層 11となるセラミックグリーンシートを作製する。次に、銀—パラジウム等の金属層 12を構成する金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製する。ついで、これを上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 1〜40 μ mの厚みに印刷する。

[0199] ここで、高比率金属層 12hを形成する導電性ペーストは、該導電性ペーストに含まれる金属粉末のうち一成分の量を、他の金属層 12gを形成する導電性ペーストに含まれる一成分の量よりも多くする。具体的には、合金として銀—パラジウムを用いて高比率金属層 12hの銀成分を多くする場合には、合金組成中の銀成分が多い金属ぺ一ストで高比率金属層 12hを形成し、合金組成中の銀成分が少ない金属ペーストで高比率金属層以外の他の金属層 12gを形成する。このとき、合金粉末ではなぐ銀粉末とパラジウム粉末の混合粉末を用レ、て組成を調整してもよぐまた、銀パラジウムの合金に銀粉末またはパラジウム粉末をカ卩えることで組成を調整してもよいが、はじめから異なる組成の合金粉末を用いる方力ペースト中の金属分散が均一になり、金属層 12の同一面内の組成分布が均一になるので好ましレ、。

[0200] 次に、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを所望の配置で複数積層し、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。なお、不活性層 14は、上記実施形態 1〜8と同様にして形成すればよい。

[0201] 次に、第 1〜第 8の実施形態と同様にして、外部電極 15を形成する。そして、外部電極 15を形成した積層体 13を第 1〜第 8の実施形態と同様にして積層体 13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、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、及び積層体 13の側面にコーティングしたシリコーンゴムを硬化させることにより、本実施形態の積層型圧電素子が完成する。

[0202] 最後に、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.：!〜 3kV/mm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圧電ァクチユエータが完成する。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 8の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0203] 以上、第 9の実施形態について説明したが、本発明の積層型圧電素子は第 9の実施形態に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上記第 9の実施形態では、金属層が全て合金からなる場合について説明したが、後述する第 10の実施形態のように一部の金属層が合金からなり、残りの金属層が単一の金属からなる形態であってもよレ、。また、上記第 9の実施形態では、金属層が同じ成分を含有している場合について説明したが、後述する第 11の実施形態のように金属層が主成分の異なる少なくとも二種以上の層からなる形態であってもよい。

[0204] (第 10の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 10の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 15は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図 15においては、前述した図 1〜図 14の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0205] 本実施形態の積層型圧電素子では、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12 ( 12i 、 1 ¾)とが交互に積層された積層体 13を有し、複数の金属層 12は、金属層 12を構成する少なくとも一成分の比率が、積層方向に隣り合う両側の金属層 12iよりも高い高比率金属層 1 ¾を複数含んでレ、る。

[0206] このような高比率金属層 1¾を複数含んでいることで、積層体 13において部分的に軟らかさ（硬さ）が異なる金属層を配置することができるので、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制することができる。

[0207] さらに圧電体層 11のうち、駆動変形する箇所が、金属層 11に挟まれた箇所であること力、好ましくは、金属層 12のうち圧電体層 11を介して重なりあう部分に、金属組成の異なる金属層を形成することで、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力 Sできる。さらには、金属層 12の金属組成を変化させることで、積層型圧電素子 13の変位の大きさを制御できるために、圧電体層 11の厚みを変える必要もなレ、ことで、量産性に有効な構造とすることができる。ここで、金属層の金属組成は、前記と同様の方法で測定できる。

[0208] また、複数の高比率金属層 1 ¾は、該高比率金属層 1¾以外の他の金属層 12iを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。高比率金属層 1¾と他の金属層 12iが 1層ずつ交互に連続して配置されると、積層型圧電素子 13内部の応力は全ての金属層 11に対して均一に分散するが、同時に積層型圧電素子を駆動させた際に、駆動変位量も緩和することになる。したがって、複数の高比率金属層 1 ¾が他の金属層 12iを複数層挟んでそれぞれ配置されることで、他の金属層 12iを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができ、さらに、複数の高比率金属層 1¾の部分で応力緩和を可能とする。これにより、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。

[0209] 具体的には、金属層 12を構成する一成分が銀であり、他の金属層 12iが銀パラジゥム合金からなり、高比率金属層 1 ¾が銀からなるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で積層型圧電体素子 13を焼成して構成することができるとレ、うだけでなく、銀パラジゥム合金は、全率固溶する合金なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層 12と圧電体層 11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。

[0210] このように高比率金属層 1 ¾が主に銀からなり、高比率金属層以外の他の金属層 1 2iが主に銀パラジウム合金からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層 11を挟んで主に銀からなる高比率金属層 1¾が隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがある力この場合、主に銀からなる高比率金属層 1 ¾ のとなりの金属層は主に銀パラジウム合金からなる金属層 12iであるので、銀がマイグレーシヨンしょうとしても、パラジウムと結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高い積層型圧線素子とすることができる。

[0211] また、第 9の実施形態と同様に理由から、複数の高比率金属層 1 ¾が規則的に配置されているのが好ましぐさらに、高比率金属層 1 ¾と圧電体層 11との密着力が、他の金属層 12iと圧電体層 11との密着力よりも低いことが好ましい。また、 2つの高比率金属層 1 ¾の間には、他の金属層 12iが複数配置されており、当該他の金属層 12i からなる群には、一成分の濃度が高比率金属層 1 ¾側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましい。さらに、金属層 12が多数のボイドを有していることが好ましぐさらに、高比率金属層 1 ¾が島状に点在する複数個の導体膜で構成されることが好ましい。

[0212] また、本実施形態においては、金属層 12i中のパラジウムの含有量を Ml (質量％) 、銀の含有量を M2 (質量⁰ /₀)としたとさ、 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。

第 10の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、高比率金属層 1 ¾を形成する導電ペーストに銀粉末を配合する以外は、第 9の実施形態と同様にすればよい。なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 9の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0213] (第 11の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子にかかる第 11の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図 16は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図 16においては、前述した図 1〜図 15の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0214] 本実施形態の積層型圧電素子では、複数の圧電体層 11と複数の金属層 12とが交互に積層された積層体 13を有し、複数の金属層 12は主成分が異なる二種の金属層 12k及び 121からなり、金属層 121が、他の金属層 12kを複数層挟んだ状態で、複数配置されてレ、る。金属層は組成により軟らかさ（硬さ）を自在に変化させることができる。本実施形態では、主成分が異なる二種の金属層 12k及び金属層 121が上記のように配置されていることで、部分的に軟ら力さが異なる金属層を配置することができるので、素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。

[0215] 具体的には、金属層 121が銀パラジウム合金を主成分とし、他の金属層 12kが銅を主成分とするのが好ましい。このような形態とすることで、窒素雰囲気等の還元雰囲気中で積層型圧電体素子 13を焼成して構成することができるというだけでなぐ銀と銅とパラジウムとが全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。

[0216] 特に、他の金属層 12kを複数層挟んだ金属層 121が銀パラジウム合金を主成分とすることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層 12と圧電体層 11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。

[0217] さらに、金属層 121が主に銀からなり、他の金属層 12kが主に銅からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層 11を挟んで、主に銀からなる金属層 121が隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがあるが、本実施形態の場合、主に銀からなる金属層 121のとなりの金属層は主に銅からなる金属層 12kであるので、銀がマイグレーションしょうとしても、銅と結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高レ、積層型圧線素子とすることができる。

[0218] また、第 9の実施形態と同様に理由から、複数の金属層 121が規則的に配置されてレ、るのが好ましぐさらに、金属層 121と圧電体層 11との密着力が、他の金属層 12kと圧電体層 11との密着力よりも低いことが好ましい。また、 2つの金属層 121の間には、他の金属層 12kが複数配置されており、当該他の金属層 12kからなる群には、一成分の濃度が金属層 121側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましレ、。さらに、金属層 12が多数のボイドを有していることが好ましい。特に、他の金属層 1 2kにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が 5〜70%であることが好ましい。これは、ボイドを金属層 12k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力 Sできるカゝらである。

[0219] また、金属層 12kのボイド率が 5%より少ないと圧電体層 11が電界を印加されて変形する際に金属層力束縛を受け、圧電体層 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り、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。一方、金属層 12kのボイド率が 70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層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。さらに、ボイド率は、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、圧電体層 11をよりスムーズに変形できるとともに、金属層 12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。

[0220] さらに、金属層 121の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が 24 〜90%であることが好ましレ、。これは、ボイドを金属層 121の面積に対して 24〜90% 占めるようにすると、さらに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力 Sできるカゝらである。

[0221] また、金属層 12が主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。特に、金属層 12kよりも金属層 121が主に金属とボイドから構成されていると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、応力緩和効果が向上し、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。

[0222] さらに、金属層 121は、複数の金属が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、金属層 121は、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのが好ましレ、。金属層 121が複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子 13 の応力が金属層 12に加わっても、金属層 121内での応力伝播が抑制でき、金属層 1 21のなかでも特に応力が集中するというような箇所を生み出さない。これにより、応力緩和と、耐久性を両立することができる。

[0223] また、本実施形態においては、金属層 121中のパラジウムの含有量を Ml (質量％) 、銀の含有量を M2 (質量⁰ /₀)としたとさ、 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、パラジウムが 1 5質量％を超えると、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、金属層 12が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層 11に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。さらに、外部電極 15を形成した際、外部電極 15と金属層 12とが相互拡散して接合するが、パラジウムが 15質量％を超えると、外部電極 15中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性がおちるからである。

[0224] 第 11の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、他の金属層 12kを形成する導電ペーストに銅粉末を配合する以外は、第 9の実施形態と同様にすればよい。なお、外部電極 15と金属層 12との接合強度を向上させるには、外部電極 15を構成する金属として、銅を主成分とした金属ペーストを用いることが好ましい。外部電極 15を構成するためには、銀電極であっても銅電極であっても、窒素雰囲気等の還元雰囲気で焼成することで、金属層 12の酸化を抑止して、耐久性の高い金属層 12とすることができる。

[0225] なお、上記第 11の実施形態では、複数の金属層が主成分の異なる 2種の金属層力なる場合について説明したが、本発明では、複数の金属層の主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層からなり、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていれば、本発明の効果が得られる。すなわち、圧電素子に力かる応力を金属主成分の異なる金属層近傍に集中させて、集まった応力を、さらに、金属層周辺の圧電体層を応力緩和層としてはさみこむことで、集まつた応力を金属組成の高レ、 2層の金属層のあいだに閉じ込めることができる。これにより、圧電素子全体に加わる応力を緩和させることができる。その結果、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。

[0226] (第 12の実施形態）

次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 12の実施形態について説明する。従来の積層型圧電素子は、すべての圧電体に均一に電界が印加されるように、均一な金属層を形成することが試みられてきた。特に、各金属層の導電率を均一にしたり、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の金属充填率を均一にすることが試みられてきた。そのため、変位に伴う応力は、積層型圧電素子の積層方向の中央部の外周に集中し、クラック等の不具合が生じてレ、た。

[0227] 特に、同時焼成タイプの積層型圧電素子ゃ圧電体の外周の少なくとも一部が拘束されるタイプの積層型圧電素子では、高電圧 ·高圧力下において長期間連続駆動させた場合には、素子中央部の外周に応力が集中し、クラックが生じたり、剥がれたりして、変位量が変化する問題が生じるおそれが高い。

[0228] 本発明者らは、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層を複数配置することにより、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、変位量が変化することがなぐ耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができるとレ、う新たな事実を見出し、本実施形態を完成するに至った。

[0229] すなわち、本実施形態にかかる積層型圧電素子は、以下の構成からなる。

(1)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、前記複数の金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高レ、高抵抗金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。

(2)複数の前記高抵抗金属層は、該高抵抗金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されている前記（1)記載の積層型圧電素子。

(3)前記高抵抗金属層が規則的に配置されている前記（1)又は（2)記載の積層型圧電素子。

(4)前記高抵抗金属層は、内部の空隙率が前記他の金属層における空隙率よりも大きレ、前記（1)〜（3)のレ、ずれかに記載の積層型圧電素子。

(5)前記高抵抗金属層は、前記他の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗成分を含み、該高抵抗成分の含有率が前記他の金属層における高抵抗成分の含有率よりも高い前記（1)〜（3)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

(6)前記高抵抗金属層は、厚みが前記他の金属層よりも薄レ、前記（1)〜（5)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

(7)前記高抵抗金属層の前記圧電体層に対する電気抵抗の比が 1Z10〜： 1000 倍である前記（1)〜（6)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

(8)前記高抵抗金属層の電気抵抗がその他の金属層の電気抵抗の 1000倍以上である前記（1)〜（7)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[0230] 本実施形態によれば、複数の金属層が、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層を複数含んでいる。このように高抵抗金属層が複数配置されていることにより、該高抵抗金属層と接する圧電体層の変位が小さくなる。このような変位の小さな圧電体層が積層型圧電素子中に複数存在することで、変位によって生じる応力の分布を分散させることができるので、クラックが発生するのを抑制し、クラック力 S発生してもその進展を抑制することができる。したがって、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、所望の変位量が変化するのを抑制することができるので、耐久性に優れ、信頼性の高い積層型圧電素子を提供することができる。

また、本実施形態の積層型圧電素子を用いることにより、耐久性に優れ、信頼性の高い噴射装置を提供することができる。すなわち、この噴射装置は、噴出孔を有する収納容器の内部に前記（1)〜（8)のいずれかに記載の積層型圧電素子を収納したものである。

[0231] 以下、本実施形態に力かる積層型圧電素子について図面を参照して詳細に説明する。図 18は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の圧電体層と接する金属層の積層構造を示す概略断面図である。なお、図 18においては、前述した図 1〜図 17の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0232] 本実施形態の積層型圧電素子では、図 18に示すように、複数の金属層 12は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い高抵抗金属層 12mを複数含み、これらの高抵抗金属層 12mが該高抵抗金属層 12m以外の他の金属層 12nを複数層挟んで配置されている。すなわち、複数の金属層 12は、複数の金属層 12ηと該金属層 12ηよりも電気抵抗の高レ、複数の高抵抗金属層 12mとからなる。

[0233] 従来の積層型圧電素子では、すべての圧電体層 11に均一に電界が印加されるように略均一な金属層 12を形成しているので駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こすため、全ての圧電体 11が金属層 12を介して密着して駆動していた。このため、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時に広がり、伸びた時にはくびれてしまう素子中央部の外周に、素子の変形による応力が集中し、高電圧 ·高圧力下で長期間連続駆動させた場合には、積層部分 (圧電体層と金属層との界面）が剥がれたり、あるいはクラックが生じたりするという問題があった。

[0234] 一方、本実施形態のように、高抵抗金属層 12mを複数配置することにより、変位によって発生する応力を分散することができるので、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合でもクラックの発生を抑制し、変位量の変化を小さくできるため、耐久性の向上を図ることができる。高抵抗金属層 12mに接する圧電体層 11は、その変位量が他の金属層 12ηに接する圧電体層 11よりも小さくなる。すなわち、変位の小さな圧電体層 11が複数存在することになる。したがって、素子が一体として駆動変形するのではなぐ高抵抗金属層 12mにより区切られた複数の領域がそれぞれ駆動変形するような状態となる。これにより、従来は素子中央部に集中していた応力が、本実施形態における素子では複数の領域毎に分散されるので、高電圧'高圧力下でも優れた耐久性を得ることができる。また、たとえ部分的に積層部分が剥がれたり、あるいはクラックが生じたりしても、変位の小さな圧電体 11の部分によりクラックの進展が抑制される。以上のような理由で耐久性が向上し、信頼性の高い素子とすることができると推測する。

[0235] 高抵抗金属層 12mの数は、多ければ多いほど応力は分散され、耐久性は向上する力多すぎると変位量が減少する傾向にあるので全体の圧電体層 11の総数の 20 %以下であるのが好ましい。

[0236] 高抵抗金属層 12mは、積層型圧電素子の積層方向に規則的に配置されているのが好ましレ、。高抵抗金属層 12mと高抵抗金属層 12mとの間に他の金属層 12nが複数含まれるようにして、複数の高抵抗金属層 12mが積層方向におおよそ規則的に配置されることにより、変位に伴う応力の発生は、それぞれ高抵抗金属層 12mで分割された部分でほぼ均一に分散される。このように応力の分散が計画的に行われることにより、クラックの発生を抑制し、運転時の変位量の変化が抑制され、耐久性が向上する。

[0237] ここで、本実施形態において「高抵抗金属層が規則的に配置されている」とは、高抵抗金属層 12m間に存在する他の金属層 12nの層数がレ、ずれの高抵抗金属層 12 m間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、高抵抗金属層 12m間に存在する他の金属層 12nの層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、高抵抗金属層 12m間に存在する他の金属層 12ηの層数は、好ましくは各層数の平均値に対して ± 20%の範囲内、より好ましくは各層数の平均値に対して ± 10%の範囲内、さらに好ましくはすべて同数であるのがよい。 [0238] 高抵抗金属層 12mは、内部の空隙率が他の金属層 12ηにおける空隙率よりも大きレ、ことが好ましレ、。高抵抗金属層 12mの空隙率が他の金属層 12nの空隙率よりも大きいことにより、高抵抗金属層 12mに接する圧電体層 11の変位量は、両主面が他の金属層 12ηに接する圧電体層 11の変位量よりも小さくなる。これにより、この変位量の小さな圧電体層 11で区切られた領域は、積層型圧電素子全体の変位量より小さくなり、積層型圧電素子の外周に発生するクラックを抑制することができ、耐久性が向上する。また、空隙率が多いことにより、応力を吸収できるために、これによつて更に耐久性が向上する。

[0239] 高抵抗金属層 12mの空隙率（ボイド率）は 40%〜99%であることが好ましぐ更には 50%〜90%であることがより好ましい。これは、空隙率が 40%より小さいと金属層の電気抵抗が高くならずに、それに接する圧電体層 11の変位量を十分に小さく出来ないおそれがあるためである。一方、空隙率が 99%より大きいと高抵抗金属層 12m の強度が低下して高抵抗金属層 12mが破壊してしまうおそれがあるためである。

[0240] 空隙率 (ボイド率）は、上記で説明した通り、積層型圧電素子を積層方向に平行な面又は積層方向に垂直な面で切断した断面で測定する。高抵抗金属層 1層の断面において、空隙の断面積を測定し、それを高抵抗金属層 12mの断面積の全体の面積で除して 100倍することによって求める。空隙の径は、特に限定されるものではなレヽが、好ましくは 3〜： 100 /i m、より好ましくは 5〜70 /i mであるのがよい。

[0241] 高抵抗金属層 12mは、他の金属層 12ηよりも電気抵抗の高い高抵抗成分を含み、高抵抗成分の含有率が他の金属層 12ηにおける高抵抗成分の含有率よりも高レ、ことが好ましい。このように高抵抗金属層 12mに高抵抗成分を多く入れることにより、実質的に空隙の量を減らしても電気抵抗の高い金属層を形成することができる。このようにして形成された高抵抗金属層 12mが複数配置されていることによつても変位の変化量をより小さくすることができる。高抵抗成分の径は、特に限定されるものではなレヽが、好ましくは 0. 1〜： 100 x m、より好ましくは 0. ：!〜 50 x mであるのがよい。

[0242] 高抵抗成分の含有率は 40%〜99%であることが好ましぐ更には 50〜90%であることがより好ましい。なお、高抵抗成分の含有率は、高抵抗金属層 12mに平行な面の SEM写真を撮って、その面に占める高抵抗成分の面積を測定し、全体の面積で除して 100倍することによって求めることができる。前記高抵抗成分としては、例えばジノレコン酸チタン酸鉛（PZT)、チタン酸鉛、アルミナ、チタニア、窒化珪素、シリカ等が挙げられる。

[0243] 高抵抗金属層 12mの厚みは他の金属層 12nの厚みよりも薄レ、ことが好ましレ、。これは、高抵抗金属層 12mの厚みが他の金属層 12ηの厚みより薄いことにより、他の金属層 12ηよりも変形がしゃすくなり、高抵抗金属層に隣接する圧電体層 11に発生する応力を軽減することができ、耐久性を向上させることができるからである。また、高抵抗金属層の厚みを他の金属層よりも薄くしたときは、金属層が変形しやすくなり、応力を吸収し、剥がれ難くなるので耐久性が向上する。

[0244] ここで、本実施形態における金属層の厚みとは、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定する。他の金属層の任意の 5箇所を選び、任意の 2本の平行な線で挟んで厚みを測定する。すなわち、 2本の平行線の一方を金属層と圧電体層の境界にセットし、他方の線を他方の境界に移動させ、 2本の平行線間の距離を測定する。高抵抗金属層 12mも同様の方法で測定して金属層の厚みを決定する。高抵抗金属層 12mの厚みは、特に限定されるものではないが、好ましくは 30〜0. l /i m、より好ましくは 20〜1 μ ΐηであるのがよい。また、他の金属層 12ηの厚みは、高抵抗金属層に対して好ましくは 103%以上、より好ましくは 110%以上であるのがよい。

[0245] さらに、高抵抗金属層 12mの圧電体層 11に対する電気抵抗の比力 Sl/10 (すなわち 0. 1)〜： 1000倍であることが好ましい。このような範囲にすることにより、高抵抗金属層 12mに接する圧電体層 11の変位量を適度にコントロールすることができる。高抵抗金属層 12mの圧電体層 11に対する電気抵抗の比力 0より小さいと高抵抗金属層 12mが接する圧電体層 11の変位量は、他の圧電体層 11の変位量と変わらず、応力が分散される効果が十分に得られないおそれがある。また、高抵抗金属層 1 2mの圧電体層 11に対する電気抵抗の比が 1000倍以上では、高抵抗金属層 12m が接する圧電体層 11の変位量が過度に小さくなり、逆に応力の集中を受け易くなる。なお、同様の理由から、高抵抗金属層 12mの圧電体層 11に対する電気抵抗の比力^〜 1000倍であることが好ましレ、。

[0246] なお、本実施形態における電気抵抗（Ω )は、各層において、高抵抗金属層 12m の両端または圧電体層 11の両端にプローブをあてて、ピコアンペアメーターを用いて測定できる（例えば、ヒューレットパッカード社製 4140Bなど）。ここで、「高抵抗金属層 12mの両端」とは、積層体 13における対向する 2つの側面に露出した高抵抗金属層 12mの端部をいう。高抵抗金属層 12mの端部が積層体 13の側面に露出していない場合には、高抵抗金属層 12mの端部が露出するまで公知の研磨装置等で研磨すればよレ、。そして、ピコアンペアメーターのプローブを高抵抗金属層 12mの両端にそれぞれ当てて、電気抵抗を測定する。このときの電気抵抗を測定する際の温度は 2 5°Cであるのがよい。

[0247] また、高抵抗金属層 12mの電気抵抗が、その他の金属層 12ηの電気抵抗の 1000 倍以上であることが好ましい。これにより、高抵抗金属層 12mに接する圧電体層 11 は、他の金属層 12ηに接する圧電体層 11に比べ変位量が小さくなり、高抵抗金属層 12mにより積層型圧電素子が区分され応力が分散され耐久性が向上する。

[0248] 次に、第 12の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法を説明する。

まず、圧電体 11となるセラミックグリーンシートを作製する。次に、銀一パラジウム等の高抵抗金属層 12mを構成する金属粉末に、乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物（例えば、アクリルビーズ等）を含有させて、バ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、これを上記グリーンシートのうちの一部のグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって 1〜40 μ mの厚みに印刷する

[0249] ここで、アクリルビーズと金属粉末との比を変えることで、高抵抗金属層の空隙率を変化させることができる。即ち、アクリルビーズが多い場合は、空隙率は高くなり、ァクリルビーズが少なくなると空隙率は低くなる。空隙の径は、ビーズの径を変えることにより調整できる。さらには、アクリルビーズ等の有機物をバインダー及び可塑剤等を添加混合してアクリルビーズペーストを作製し、銀—パラジウム等の高抵抗金属層 12m を構成する金属粉末に、バ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て、上記グリーンシートのうちの一部のグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって、アクリルビーズペーストと導電性ペーストを積層印刷することでさらに量産性に優れた印刷が可能となる。 [0250] 前記有機物としては、上記で説明した第 1〜第 4の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法で例示したものと同様の有機物が挙げられる。また、上記銀—パラジウム等の金属層を加熱処理し、一旦表面を酸化しておくことで、高抵抗金属層 12mの空隙率をコントロールがしゃすくなる。また、上記銀一パラジウム等の金属層に PZT、チタン酸鉛、アルミナ等、高抵抗成分を添加しても良い。

[0251] 高抵抗金属層 12mが形成されるグリーンシート以外の残りのグリーンシートには、他の金属層 12ηを形成するための導電性ペーストがスクリーン印刷等により印刷される。この導電性ペーストには、必要に応じてアクリルビーズ等の有機物や高抵抗成分を添カロしてもよい。

[0252] 次に、導電性ペーストが印刷された各グリーンシートを複数積層して積層体を得、この積層体に重しをのせた状態で所定の温度で脱バインダー処理を行った後、高抵抗金属層 12Αにボイドができるように重しをのせずに 900〜 1200°Cで焼成することによって積層体 13が作製される。なお、不活性層 14は、上記実施形態 1〜： 11と同様にして形成すればよい。

[0253] 次に、第 1〜第 11の実施形態と同様にして、外部電極 15を形成する。そして、外部電極 15を形成した積層体 13を第 1〜第 11の実施形態と同様にして、積層体 13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、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、本実施形態の積層型圧電素子が完成する。

[0254] 最後に、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.：!〜 3kV/mm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、本実施形態の積層型圧電素子を利用した圧電ァクチユエータが完成し、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を介して金属層 12に電圧を印加させれば、各圧電体 11は逆圧電効果によって大きく変位し、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。

なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 11の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0255] (第 13の実施形態）次に、本発明の積層型圧電素子に力かる第 13の実施形態について説明する。本実施形態に力かる積層型圧電素子は、以下の構成からなる。

(1)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層体を有する積層型圧電素子において、前記複数の金属層のうちの少なくとも一層が、前記圧電体層間に配設された複数の部分金属層力なることを特徴とする積層型圧電素子。

(2)前記積層体の側面には、前記複数の金属層が接続された一対の外部電極が形成されている前記（1)記載の積層型圧電素子。

(3)前記複数の部分金属層の一部は、該部分金属層の厚み方向の両端が隣接する両側の圧電体層に接しており、前記複数の部分金属層の残部は、該部分金属層の厚み方向の一端のみが圧電体層に接してレ、る前記（1)又は（2)記載の積層型圧電素子。

(4)前記部分金属層からなる金属層を複数備えている前記（1)〜（3)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

(5)前記部分金属層からなる複数の金属層は、複数の圧電体層を介してそれぞれ配置されてレ、る前記 (4)記載の積層型圧電素子。

(6)前記部分金属層からなる複数の金属層は規則的に配置されてレ、る前記 (4)又は（5)記載の積層型圧電素子。

(7)前記部分金属層は、当該金属点在層に隣接する圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さく又は漸次大きくなる前記（1)〜（6)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

(8)前記部分金属層が、銀若しくはパラジウム又はこれらの合金からなる前記（1) 〜（7)のレ、ずれかに記載の積層型圧電素子。

(9)隣り合う前記部分金属層の間には空隙が存在する前記（1)〜（8)のいずれかに記載の積層型圧電素子。

本実施形態によれば、複数の金属層のうちの少なくとも一層が、圧電体層間に配設された複数の部分金属層からなるので、該部分金属層からなる金属層が、圧電体層の変位時にその変位により生じる応力を吸収することができる。また、該部分金属層からなる金属層が存在することで該金属層周辺の圧電体層の自由度が大きくなるので、これらの圧電体層の変位を大きくすることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和され、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ素子の変形による応力が集中することを抑制できるので、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電圧 ·高圧力下で長時間連続駆動させた場合であつても、変位量の変化を抑制し、耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができる

[0257] また、複数の部分金属層の一部が、該部分金属層の厚み方向の両端が隣接する両側の圧電体層に接しており、複数の部分金属層の残部が、該部分金属層の厚み方向の一端のみが圧電体層に接しているときには、圧電体層の変位時に厚み方向に発生する応力の緩和効果をより高めることができる。また、部分金属層が、当該部分金属層に隣接する圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さく又は漸次大きくなるときには、部分金属層の輪郭が鋭角になるのを抑制し、該鋭角部分に発生する素子変形に伴う応力集中を抑制することができる。

従って、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても耐久性に優れ、信頼性の高い噴射装置を提供することができる。すなわち、この噴射装置は、噴出孔を有する収納容器の内部に前記（1)〜（9)のいずれかに記載の積層型圧電素子を収納したものである。前記噴射装置は、噴出孔を有する容器と、前記（1)〜（9)のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出させるように構成されたことを特徴とする。

[0258] 以下、本実施形態に力かる積層型圧電素子について図面を参照して詳細に説明する。図 19 (a)は、本実施形態に力かる積層型圧電素子を示す斜視図であり、図 19 (b)は、図 19 (a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。なお、図 19においては、前述した図 1〜図 18の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

[0259] 図 19 (a) , (b)に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層 1 1と複数の金属層 12 (12o， 12p)とを交互に積層してなる積層体 13を有し、該積層体 13の対向する側面に一対の外部電極 15が配設されている（一方の外部電極は不図示）。各金属層 12は、圧電体層 11の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の複数の金属層 12は、一層おきに積層体 13の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。これにより、金属層 12は、一層おきに、一対の外部電極 15に電気的に接続されている。

[0260] ここで、本実施形態の積層型圧電素子は、図 19 (a) , (b)に示すように、複数の金属層 12のうちの少なくとも一層が、圧電体層 11間に配設された複数の部分金属層 1 2qからなる金属層 12pである。このような金属層 12pが少なくとも 1層存在することで、積層型圧電素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ積層型圧電素子の耐久性が向上させることができる。すなわち、従来の積層型圧電素子のように、すべての圧電体に均一に電界を印加するために全ての金属層を略均一なものにすると、駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。このため、全ての圧電体が金属層を介して密着して駆動して、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時に広がり、伸びた時にはくびれてしまう素子中央部の外周に、素子の変形による応力が集中しやすくなる。特に、圧電変位する活性層と圧電変位しない不活性層の境目に応力が集中する傾向にあった。また、各圧電体層の変位挙動が一致す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してノイズ成分となる問題があった。

[0261] これに対して本実施形態に力かる積層型圧電素子では、金属層 12の少なくとも一層を金属層 12pとしたことで、金属層 12p周辺の圧電体層は変位が小さくなり、金属層 12ο周辺の圧電体層 11は変位が大きくなつて、素子内に変位の大きい箇所と小さい箇所を分散させることができる。このような金属層を素子内に配置することで、素子に加わる応力を分散させることができる。これにより、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで素子全体の変位を大きくすることができるだけでなぐ素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電圧'高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも優れた耐久性を発揮することができる。

[0262] 金属層 12ρを構成する複数の部分金属層 12qは、圧電体層間にほぼ均一に配設されていることが好ましい。複数の部分金属層 12qが圧電体層間にほぼ均一に配設されているときには、素子変形に伴う応力が一部に集中することがなぐ金属層 12p が素子の断面全域にわたって圧電体層の応力緩和層として作用する。

[0263] 本実施形態では、金属層 12pは、積層体 13中に複数存在している。各金属層 12p は、複数の圧電体層 11および複数の金属層 12οを介して配置されており、かつ、積層体 13の厚み方向に規則的に配置されている。複数の圧電体層 11のうち駆動変形するのは金属層 12οに挟まれた層であることから、金属層 12のうち圧電体 11を複数枚介した部位に、金属層 12ρを形成することで、素子の変位量をある程度確保するとともに、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。また、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ができる。また、金属層 1 2の厚みを変化させることで、圧電体 11の変位の大きさを制御できるので、圧電体 11 の厚みを変える必要がなぐ量産性に有効な構造とすることができる。

[0264] 本実施形態では、金属層 12ρを構成する複数の部分金属層 12qの一部は、該部分金属層 12qの厚み方向の両端が隣接する両側の圧電層 11に接しており、金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qの残部は、該部分金属層 12qの厚み方向の一端のみが圧電体層 11に接してレ、ることが望ましレ、。金属層 12pに求められる機能の一つが、積層型圧電素子の駆動時の変位を大きくすることである。そのため、金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qは、その厚み方向の両端もしくは一端が、隣接する両側の圧電体層 11に接する必要がある。金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qにおける厚み方向の両端が、隣接する両側の圧電体層 11にともに接触してレ、なレ、場合、隣接する圧電体層 11を連結するパネ的機能を十分に付与することができないので、積層型圧電素子駆動時の変位を大きくする効果が十分に得られない場合がある。

[0265] さらに、金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qは、 P 接する圧電体層 11の近傍領域において、該圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さくまたは漸次大きくなることが望ましい。ここで、金属層 12pに求められる機能の他の一つは、積層型圧電素子が駆動、変位する時に発生する応力を緩和することである。この機能を得るためには、積層型圧電素子が駆動変形したときに、圧電体 11と金属層 12の界面におレ、て発生する応力を一点集中させずに緩和する必要がある。本実施形態では、この応力緩和機能をさらに高めるため、金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qの輪郭を、特に隣接する圧電体層 11の近傍領域において、該圧電体層に近づくにつれて幅が漸次小さくまたは漸次大きくし、応力の一点集中を抑制したものである。これにより、金属層 12pに接する圧電体 11は応力が集中することが無レ、ので変位量が大きくなり、素子の駆動変位を保つと同時に素子の応力一点集中を避けることができるので、変位量が大きくかつ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力 Sできる。

[0266] また、金属層 12pにおいて、隣り合う複数の部分金属層 12q間には空隙が存在することが望ましい。これは、金属層 12pに金属成分以外の絶縁物質が存在すると、素子駆動した際、圧電体 11に電圧を印加できない部分が生じて圧電変位を十分に大きく出来ない場合があり、また、駆動時の応力が集中しやすくなる。

[0267] 一方、部分金属層 12pを構成する複数の部分金属層 12qの間に空隙が存在すると、金属部分に応力が加わった際に、空隙の部分があることで部分金属層 12qが変形して応力を分散緩和することができる。また、金属層 12pに接する圧電体 11が圧電変位する際、空隙の部分があることで、圧電体 11を部分的にクランプすることになり、全面でクランプするときよりも圧電体 11が束縛される力が小さくなるので、圧電体層 1 1が変位しやすくなつて変位量を大きくすることができる。これにより、素子の変位がより大きくなり、かつ、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。

[0268] また、本実施形態においては、金属層 12pを構成する金属が銀もしくはパラジウムまたはこれらの化合物とすることが望ましい。これらの金属は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高レ、圧電体層 11と金属層 12を同時焼成すること可能となるためである。そのため、外部電極 15の焼結温度を圧電体 11の焼結温度より低温で作製することが出来るので、圧電体層 11と外部電極 15との間の激しい相互拡散を抑制することができる。

[0269] 次に、第 13の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法を説明する。

まず、第 1〜第 12の実施形態と同様にして、圧電体 11となるセラミックグリーンシートを作製する。次に、銀—パラジウム等の金属層 12を構成する金属粉末にバインダ一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 1〜40 μ mの厚みに印刷する。

[0270] ここで、バインダー及び可塑剤と金属粉末との比を変えることや、スクリーンのメッシュの度数を変えることや、スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、金属層 12の厚みおよび金属層中の空隙等を変化させることができる。

[0271] そして、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、重石をのせた状態で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、金属層の厚みに差ができるように重石をのせずに 900〜： 1200°Cで焼成することによって積層体 13が作製される。なお、不活性層 14は、上記実施形態 1〜： 12と同様にして形成すればよレ、。

[0272] その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層 12と端部が露出しない金属層 12 (12oまたは 12p)とを交互に形成して、端部が露出してレ、なレ、金属層 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、樹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。

[0273] 次に、第 1〜第 12の実施形態と同様にして、外部電極 15を形成する。そして、外部電極 15を形成した積層体 13を第 1〜第 12の実施形態と同様にして、積層体 13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、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、本実施形態の積層型圧電素子が完成する。

[0274] 最後に、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.：!〜 3kV/mm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、本実施形態の積層型圧電素子を利用した圧電ァクチユエータが完成する。

なお、上記した以外の構成は、上記で説明した第 1〜第 12の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

[0275] ぐ噴射装置 >

次に、上記で説明した本発明の積層型圧電素子を備えた噴射装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図 20は、本実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図 20に示すように、本実施形態に力かる噴射装置は、一端に噴射孔 33を有する収納容器 31の内部に、上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子を備えた圧電ァクチユエータ 43が収納されている。

[0276] 具体的には、収納容器 31内には、噴射孔 33を開閉することができるニードルバノレブ 35が配設されている。噴射孔 33には、燃料通路 37がニードルバルブ 35の動きに応じて連通可能に配設されている。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。したがって、ニードルバルブ 35が噴射孔 33を開放すると、燃料通路 37に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。

[0277] ニードルバルブ 35の上端部は、内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が配置されている。そして、収納容器 31内には、上記した積層型圧電素子を備えた圧電ァクチユエータ 43が収納されてレ、る。

[0278] 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、皿バネ 45 力 S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構成されている。

[0279] 以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、積層型圧電素子を噴射装置に用いた場合について説明した力本発明はこれに限定されるものではなぐ例えば自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、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、圧電ブレーカ一等に搭載される回路素子に適用可能である。また、これら以外のものであっても、圧電特性を用いた素子であれば、実施可能である。

[0280] 以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

[0281] [実施例 I一 a] <圧電ァクチユエータの作製 >

積層型圧電素子からなる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 /i 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 z mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを複数作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、主たる金属層 12a、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12cを、それぞれスクリーン印刷法により印刷した。

[0282] 具体的には、主たる金属層 12a、低充填金属層 12b及び高充填金属層 12cの印刷は、それぞれ下記のようにして行った。

•主たる金属層 12a：銀—パラジウム合金 (銀 95質量％ -パラジウム 5質量％)に平均粒径 0. 2 μ mのアクリルビーズを銀—パラジウム合金 100質量部に対して 10質量部の割合でカ卩え、さらにバインダーを加えた導電性ペーストを、シート片面に厚さ 3 / m となるように印刷した。

•低充填金属層 12b :銀—パラジウム合金 (銀 95質量％—パラジウム 5質量％)にバインダーを加えた導電性ペーストを、シート片面に厚さ 1 μ ΐηとなるように印刷し、その上に平均粒径 1 μ mのアクリルビーズにバインダーを加えたアクリルビーズペーストを、厚さ 10 / mとなるように積層印刷した。なお、アクリルビーズは、銀一パラジウム合金 100質量部に対して 5質量部の割合となるように配合した。

•高充填金属層 12c：銀—パラジウム合金 (銀 95質量％—パラジウム 5質量％)にバインダーをカ卩えた導電性ペーストを、シート片面に厚さ 3 μ mとなるように印刷した。

[0283] 上記のようにして各金属層が印刷されたシートを 300枚用意した。これとは別に不活性層 14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層 30枚、積層体 300枚、不活性層 30枚となるように積層して積層成形体を得た。

なお、積層する際には、表 1に示す組み合わせで積層した。表 1中の詳細は、以下の通りである。

•金属層 12aの層数割合：全金属層数に対する主たる金属層 12aの層数の割合（％) •低充填金属層 12b，高充填金属層 12cの対向配置：低充填金属層 12bと高充填金属層 12cが、少なくとも 1層の圧電体層 11を挟んで対向配置されてレ、るか否か

•低充填金属層 12bの両側金属層が高充填金属層 12c：低充填金属層 12bに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が高充填金属層 12cであるか否か

•金属層 12aが金属充填率の高い順に積層：積層方向に、低充填金属層 12b、高充填金属層 12c、主たる金属層 12aの順序で間に圧電体層 11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層 12aが高充填率金属層 12c側から金属充填率の高レ、順に積層されているか否か

[0284] なお、表 1中の「低充填金属層 12bの有無」欄に記載された各数値は、低充填金属層 12bが積層体の積層方向の何層目に配置されているかを表している。同様に、表 1中の「高充填金属層 12cの有無」欄に記載された各数値は、高低充填金属層 12c が積層体の積層方向の何層目に配置されている力、を表している。

[0285] この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成して積層体 13を得た。この積層体 13について、各金属層 12a〜12cの金属の充填率を測定した結果、以下の通りであった。

•主たる金属層 12aにおける金属の充填率 XI : 70%

•低充填金属層 12bにおける金属の充填率 Y1 : 45%

•高充填金属層 12cにおける金属の充填率 Z1 : 85%

[0286] 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 640°Cの非晶質のガラス粉末との混合物に、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。ついで、この銀ガラス導電性ペーストを離型フィノレム上にスクリーン印刷によって形成して乾燥させた後、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面に転写して積層し、 700°Cで 30分焼き付けを行い、外部電極 15を形成して積層型圧電素子を得た。なお、フレーク状の粉末の平均粒径は、次のようにして測定されたものである。すなわち、走査型電子顕微鏡 (SEM)を用いて粉末の写真を撮影し、その写真上で直線を引き、粒子と直線が交わる長さを 50個測定し、その平均を取って平均粒径とした。 [0287] 上記で得た積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した（表 1中の試料 No. 1_：!〜 9)。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0288] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、連続駆動試験を行なった。評価方法を下記に示すと共に、その結果を表 1に示す。

(連続駆動試験の評価方法）

各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。より具体的には、試験は各試料 10 0個ずつで行った。変位量は、光学式非接触微少変位計で測定した。初期状態の変位量とは、 1回駆動させた際の変位量を意味する。また、連続駆動後の積層部を金属顕微鏡、 SEM等を使って観察し、デラミネーシヨンの有無を観察した。さらに、高調波成分のノイズ発生の有無及び 1kHzでうなり音発生の有無を評価した。

[0289] [表 1]

[0290] 表 1から明らかなように、比較例である試料 No. I— 9は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料 No. I—:!〜 8は、 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ているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できたといえる。

[0291] 特に、応力緩和層（低充填金属層 12b)と応力集中層（高充填金属層 12c)とを圧電体層 11を介して隣同士に配置させた試料 No. 1_ 3、 4は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなぐ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力わ力、る。さらに、応力緩和層を圧電体層 11を介してはさみこんだ試料 No. I _ 5〜8は、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなぐ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ことから、素子変位量が安定した圧電ァクチユエータとすることができた。

[0292] [実施例 I b]

上記実施例 I aにおける試料 No. I— 8の圧電ァクチユエータの金属層 12の組成 (Y1/X1及び Z1/X1)を表 2に示すように変化させて、各圧電ァクチユエ一タを得た (表 2中の試料 No. 1—10〜： 15)。また、比較例として、実施例 I— aにおける試料 N o. 1— 9の圧電ァクチユエータについても記載した（表 2中の試料 No. 1—15)。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、すべての圧電ァクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。なお、試料 No. 1—15の圧電ァクチュエータは、全ての金属層の充填率が約 70%に設定されているので、表中には X 1 = 70%、 Yl = 70%、 Zl = 70%と記載し、充填率の比率 Y1/X1 = 1、 Zl/Xl = 1と記載している。

[0293] 上記で得られた各圧電ァクチユエータ（表 2中の試料 No. 1_ 10〜15)について、上記実施例 I一 aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 2に示す。

[表 2]

1) 「*」印は本発明の請求範囲外の試料を示す。

[0294] 表 2力ら明ら力なように、 Y1/X1力 SO. 9より大きく、 Z1/X1力 . 05より/ Jヽさレ、試料 No. I— 15は、積層界面に力かる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。

[0295] これに対して、試料 No. 1—10〜： 14は、 Y1/X1が 0.：!〜 0. 9の範囲であり、 Z1 /XIが 1. 05〜2の範囲であるので、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、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ことから、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータとすることができた。特に、試料 No. 1- 1 2、 13は、 YlZXlが 0. 5〜0. 8の範囲であり、 Z1/X1が 1. 1〜： 1. 2の範囲であるので、優れた素子変位量を有する積層型ァクチユエータとすることができた。

[0296] [実施例 I一 c]

上記実施例 I_aにおける試料 No. 1— 8の圧電ァクチユエータの金属層 12の材料組成を表 3に示すように変化させて、各圧電ァクチユエータを得た（表 3中の試料 No . I— 16〜33)。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、すベての圧電ァクチユエータにおレ、て、積層方向に変位量が得られた。

[0297] 上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I aと同様にして連続駆動試験を行ない、初期状態の変位量と連続駆動後の変位量を式： [1 （連続駆動後の変位量/初期状態の変位量 ) ] X 100に当てはめ、変位量変化率(％)を算出した。その結果を表 3に示す。

[表 3]

金属層 12を構成する金《速続駆動拭接結果試料 No

Pd Ag Cu Ni 変位量変化率 (質量％) (質量％) (質量 ¾) (質量 "½) (%)

【- 16 0.001 99.999 0 0 0.7

【- 17 0.01 99.99 0 0 0.7

【- 18 0.1 99.9 0 0 0.4

1- 19 0.5 99.5 0 0 0.2

【- 20 1 99 0 0 0.2

1-21 2 98 0 0 0

4 95 1 0 0

1-23 5 95 0 0 0

ί-24 8 92 0 0 0

1-25 9 91 0 0 0.2

9.5 90.5 0 0 0.2

1-27 10 90 0 0 0.4

1-28 15 85 0 0 0.7

1-29 0 0 100 0 0.2

1-30 0 0 99.9 0.1 0

1-31 0 0 0 100 0.4

1-32 20 80 0 0 0.9

【- 33 30 70 0 0 0.9

[0298] 表 3から明らかなように、試料 No.1-32, 33は、金属層 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％未満であるため、金属層 12の比抵抗が大きぐ積層型圧電素子を連続駆動させた際には発熱し、圧電ァクチユエータの変位量が低下することがわかる。

[0299] これに対して、試料 No. I— 16〜28は、金属層 12中の金属組成物が 8〜： 10属金属の含有量を Ml質量％、 lib属金属の含有量を ^12質量％としたとき、 0<M1≤1 5、 85≤M2<100, ^11+ ? 2 =100質量％を満足する金属組成物を主成分とするため、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 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。また、試料 No. I— 29〜31も、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 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。

[0300] [実施例 I d]

<圧電ァクチユエータの作製 >

積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。まず、上記実施例 I-aと同様にして各金属層が印刷されたシートを 30枚用意した。ついで、これとは別に不活性層 14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層 5枚、積層体 30枚、不活性層 5枚となるように積層して積層成形体を得た。なお、積層する際には、表 4に示す組み合わせで積層した。表 4中の詳細は、以下の通りである。

•低充填金属層 12b,高充填金属層 12cの配置：低充填金属層 12bと高充填金属層 12cが、少なくとも 1層の圧電体層 11を挟んで対向配置されてレ、るか否か

[0301] この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成して積層体 13を得た。この積層体 13について、各金属層 12a〜12cの金属の充填率を測定した結果、以下の通りであった。

•主たる金属層 12aにおける金属の充填率 XI : 70%

•低充填金属層 12bにおける金属の充填率 Y1 : 45%

•高充填金属層 12cにおける金属の充填率 Z1 : 85%

[0302] 次に、上記実施例 I aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成して積層型圧電素子を得た。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した (表 4中の試料 No. 1_ 34〜37)。得られた積層型圧電素子に 1 70Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0303] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 Ι aと同様にして、連続駆動試験を行なった。その結果を表 4に示す。

[表 4]

表 4から明らかなように、比較例である試料 No. 1— 37は、積層界面にかかる応力がー点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料 No. 1— 34〜36は、 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ているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できたといえる。

[0305] 特に、応力緩和層（低充填金属層 12b)と応力集中層（高充填金属層 12c)とを圧電体層 11を介して隣同士に配置させた試料 No. 1_ 36は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなぐ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。

[0306] [実施例 II一 a]

<圧電ァクチユエータの作製 >

積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。まず、上記実施例 I_ aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを複数作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、銀一パラジウム合金 (銀 95質量％—パラジウム 5質量⁰ /₀)にバインダーをカ卩えた導電ぺーストを用いて、主たる金属層 12d、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fを、それぞれスクリーン印刷法により印刷した。

[0307] 具体的には、主たる金属層 12d、薄型金属層 12e及び厚型金属層 12fの印刷は、それぞれ下記のようにして行った。

'主たる金属層 12d :レジスト厚み 10 /i mの製版で 5 /i mの厚さとなるように印刷した。 •薄型金属層 12e：レジスト厚み 2 μ mの製版で 1 μ mの厚さとなるように印刷した。 •厚型金属層 12f：レジスト厚み 20 μ mの製版で 10 _β mの厚さとなるように印刷した

[0308] 上記のようにして各金属層が印刷されたシートを 300枚用意した。これとは別に不活性層 14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層 30枚、積層体 300枚、不活性層 30枚となるように積層して積層成形体を得た。

なお、積層する際には、表 5に示す組み合わせで積層した。表 5中の詳細は、以下の通りである。

•金属層 12dの層数割合：全金属層数に対する主たる金属層 12dの層数の割合（％) •薄型金属層 12e,厚型金属層 12fの対向配置：薄型金属層 12eと厚型金属層 12f 力少なくとも 1層の圧電体層 11を挟んで対向配置されているか否か •薄型金属層 12eの両側金属層が厚型金属層 12f：薄型金属層 12eに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が厚型金属層 12fであるか否か

•金属層 12dが厚みの厚い順に積層：積層方向に、薄型金属層 12e、厚型金属層 12 f、主たる金属層 12dの順序で間に圧電体層 11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層 12dが厚みの厚レ、順に積層されてレ、るか否か

[0309] この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成して積層体 13を得た。この積層体 13について、各金属層 12c！〜 12fの厚みを測定した結果、以下の通りであった。

•主たる金属層 12dの厚み X2： 5 μ m

•薄型金属層 12eの厚み Y2： 2 μ m

•厚型金属層 12fの厚み Z2： 7 μ m

[0310] 次に、上記実施例 I- aと同様にして積層体 13に外部電極 15を形成して積層型圧電素子を得た。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチュエータを作製した (表 5中の試料 No. II—:!〜 9)。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0311] <評価>

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I— aと同様にして、連続駆動試験を行なった。その結果を表 5に示す。

[表 5]

[0312] 表 5から明らかなように、比較例である試料 No. II— 9は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料 No. II—:!〜 8は、 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ているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できたといえる。

[0313] 特に、応力緩和層（薄型金属層 12e)と応力集中層（厚型金属層 12f )とを圧電体層 11を介して隣同士に配置させた試料 No. II_ 3は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなぐ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。さらに、応力緩和層を圧電体層 11を介して挟み込んだ試料 No. Π_4〜8は、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなぐ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ことから、素子変位量が安定した圧電ァクチユエータとすることができた。中でも、不活性層との境に、応力緩和層（薄型金属層 12e) 、応力集中層（厚型金属層 12f)を設けた試料 No. II— 6、 7は極めて耐久性に優れていた。

[0314] [実施例 II b]

上記実施例 II aにおける試料 No. II— 8の圧電ァクチユエータの金属層 12の厚みの比 (Y2/X2及び Z2/X2)を表 6に示すように変化させて、各圧電ァクチユエータを得た (表 6中の試料 Νο· Π—10〜14)。また、比較例として、実施例 II— aにおける試料 No. II— 9の圧電ァクチユエータについても記載した（表 6中の試料 No. 11- 15 )。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。なお、試料 No. II— 15の圧電ァクチユエータは、全ての金属層が約 5 x mに設定されているので、表中には厚み X2 = 5 x m, Y2 = 5 x m, Ζ2 = 5 μ mと記載し、厚みの比率 Y2ZX2 = 1、 Ζ2/Χ2 = 1と記載している。

[0315] 上記で得られた各圧電ァクチユエータ（表 6中の試料 No. Π_ 10〜15)について、上記実施例 I一 aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 6に示す。

[表 6] 0361

料 No. II— 15は、積層界面に力かる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。

[0317] これに対して、試料 No. Π— 10〜： 14は、 Y2/X2が 0·：!〜 0· 9の範囲であり、 Z2 /X2が 1. 05〜2の範囲であるので、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、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ことから、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータとすることができた。特に、試料 No. II- 1 2, 13fま、 Y2/X2力 SO. 5〜0. 8の範囲であり、 Z2/X2力 Si . 1〜： 1. 2の範囲であるので、優れた素子変位量を有する積層型ァクチユエータとすることができた。

[0318] [実施例 II一 c]

上記実施例 Π— aにおける試料 No. Π_ 8の圧電ァクチユエータの金属層 12の材料組成を表 7に示すように変化させて、各圧電ァクチユエータを得た（表 7中の試料 No . Π_ 16〜33)。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、すベての圧電ァクチユエータにおレ、て、積層方向に変位量が得られた。

[0319] 上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I aと同様にして連続駆動試験を行ない、実施例 I cと同様にして変位量変化率（％)を算出した。その結果を表 7に示す。

[0320] [表 7]

[0321] 表 7から明らかなように、試料 No. II— 32， 33は、金属層 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％未満であるため、金属層 12の比抵抗が大きぐ積層型圧電素子を連続駆動させた際には発熱し、圧電ァクチユエータの変位量が低下することがわかる。

[0322] これに対して、試料 No. II— 16〜28は、金属層 12中の金属組成物が 8〜： 10属金属の含有量を ^11質量％、 l ib属金属の含有量を 1^2質量％としたとき、 0< M1≤1 5、 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、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 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。また、試料 No. Π_ 29〜31も、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 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。

[0323] [実施例 II d]

<圧電ァクチユエータの作製 >

積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。すなわち、まず、上記実施例 ΙΙ— aと同様にして各金属層が印刷されたシートを 30 枚用意した。ついで、これとは別に不活性層 14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層 5枚、積層体 30枚、不活性層 5枚となるように積層して積層成形体を得た。

なお、積層する際には、表 8に示す組み合わせで積層した。表 8中の詳細は、以下の通りである。

•薄型金属層 12e,厚型金属層 12fの配置：薄型金属層 12eと厚型金属層 12fが、少なくとも 1層の圧電体層 11を挟んで対向配置されているか否か

[0324] この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成して積層体 13を得た。この積層体 13について、各金属層 12c！〜 12fの厚みを測定した結果、以下の通りであった。

•主たる金属層 12dの厚み X2： 5 μ m

•薄型金属層 12eの厚み Y2： 2 μ m

•厚型金属層 12fの厚み Z2： 7 μ m

[0325] 次に、上記実施例 I aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成して積層型圧電素子を得た。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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レ、、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した (表 8中の試料 No. Π_ 34〜37)。得られた積層型圧電素子に 1 70Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0326] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I_aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 8に示す。

[表 8]

表 8から明らかなように、比較例である試料 No. II— 37は、積層界面にかかる応力がー点に集中して負荷が増大してデラミネーシヨン (層間剥離）が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料 No. II— 34 36は、 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ているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できたといえる。

[0328] 特に、応力緩和層（薄型金属層 12e)と応力集中層（厚型金属層 12f )とを圧電体層

11を介して隣同士に配置させた試料 No. II— 36は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなぐ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力わ力、る。

[0329] [実施例 ΠΙ— a]

<圧電ァクチユエータの作製 >

第 9の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I_aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、表 9に示す組成となるように、主に銀パラジウムからなる合金に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形成したシートを 300枚積層し、焼成して積層体 13 を得た。焼成条件は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成した。

[0330] このとき、高比率金属層 12hを形成する部分には、表 9に示す組成となるように、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で、 3 μ mの厚さとなるように印刷を行い、高比率金属層 12hが 50層目、 100層目、 150層目、 200層目、 250層目になるように配置した。

[0331] 次に、上記実施例 I— aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成した。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行レ、、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した (表 9中の試料 No. ΠΙ_：!〜 6)。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0332] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I_aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 9に示す。なお、高比率金属層以外の他の金属層 12gは、表 9に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。

[表 9]

表 9に示すように、比較例である試料 No. ΙΠ_6は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して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。これに対して、本発明の実施例である試料 No. Ill— :!〜 5は、 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、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できた。

[0334] [実施例 ΠΙ— b]

<圧電ァクチユエータの作製 >

第 10の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I_aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを作製した。このセラミックグリーンシートの片面に、表 10の組成となるように、銀一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をスクリーン印刷法により形成したシートを 300枚積層して焼成し、積層体 3を得た。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°Cで焼成した。

[0335] このとき、高比率金属層 1 ¾を形成する部分には、銀 100%の導電性ペーストで、 3 z mの厚さとなるように印刷を行レ、、高比率金属層 1¾が 50層目、 100層目、 150層目、 200層目、 250層目になるように配置した。

[0336] 次に、上記実施例 I— aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成した。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用レ、た圧電ァクチユエータを作製した (表 10中の試料 No. Ill— 7〜： 12)。得られた積層型圧電素子に 170Vの直流電圧を印カロしたところ、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた

[0337] <評価>

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I_aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 10に示す。なお、高比率金属層以外の他の金属層は、表 10に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。

[表 10]

一点に集中して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。これに対して、本発明の実施例である試料 No. Ill— 7〜11は、 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、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できた。

[0339] [実施例 ΠΙ— c]

<圧電ァクチユエータの作製 >

第 11の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I_aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを作製した。このセラミックグリーンシートの片面に、銅粉末にバインダ一をカ卩えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを 300枚積層し、窒素雰囲気中で焼成して積層体 3を得た。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°C で焼成した。

[0340] このとき、金属層 121を形成する部分には、表 11に示す組成の銀—パラジウム合金の導電性ペーストで、 3 /i mの厚さとなるように印刷を行った。この金属層 121は 50層目、 100層目、 150層目、 200層目、 250層目になるように酉己置した。

[0341] 次に、上記実施例 I— aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成した。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用レ、た圧電ァクチユエータを作製した (表 11中の試料 No. Ill— 13〜： 19)。得られた積層型圧電素子に 170Vの直流電圧を印カロしたところ、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた

[0342] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I_aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 11に示す。なお、主成分が同一の金属層は、表 11に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。

[表 11]

表 11に示すように、比較例である試料 No. 111- 18, 19は、該積層界面に二力力る力が一点に集中して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。これらに対して、本発明の実施例である試料 No. ΙΠ—13〜17は、 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、優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できた。

[0344] [実施例 ΠΙ— d]

実施例 Ill— aにおける試料 No. ΙΠ— 5の圧電ァクチユエータの金属層 12の材料組成を変化させて、実施例 I一 cと同様にして変位量変化率（％)を算出した。その結果を表 12に示す。

[0345] [表 12]

[0346] 表 12より、試料 No. Ill— 34のように、全ての金属層 12を銀 100%にした場合は、銀のイオンマイグレーションが発生し、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. Ill— 32, 33は、金属層 12中の金属組成物においてパラジゥムの含有量が 15質量％を超えており、また、銀の含有量が 85質量％未満であるため、金属層 12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、圧電ァクチユエータの変位量が低下することがわかる。

[0347] これに対して、試料 No. ΙΠ— 20〜31は、金属層 12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、 1^1 + 1^2 = 100質量％を満足する金属組成物を主成分とするために、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 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力わ力、る。

[0348] 特に、試料 No. Ill— 25〜27は、金属層 12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、 2≤M1≤8, 92≤ M2≤ 98、 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、金属層 12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層 12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が全く変化しなレ、、極めて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。

[0349] [実施例 III e]

表 9に示す積層型圧電素子のうち、各試料 1本ずつを抜き取り、金属層 12の電極面が試験片の長手方向に略垂直になるように 3mm X 4mm X 36mmに加工し、 JIS R1601の 4点曲げにて曲げ強さを測定した。このとき、どの部分で破壊したかを確認することで、積層型圧電素子の密着力が弱い箇所を特定した。

[0350] 即ち、圧電体層 11内で破壊すれば、圧電体の強度が弱いことがわかり、金属層 12 内で破壊すれば、金属層 12の強度が弱いことがわかり、圧電体層 11と金属層 12の界面で破壊すれば、圧電体層 11と金属層 12の界面の強度が弱いことがわかる。その結果を表 13に示す。さらに、それぞれのサンプルをァクチユエータとして機能させた場合の耐久性は表 9に記載されている力 S、比較のために表 13にも記載した。 0352

SU^¾3511 層 11と金属層 12が高強度に接合していることを示している。このことにより、ァクチュエータとして 1 X 10⁹回連続駆動させると、積層界面に力かる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。

[0353] これに対して、本発明の実施例である試料 No. ΙΠ_：!〜 5は、圧電体層 11と高比率金属層の界面で破壊した。即ち、高比率金属層と圧電体層の密着力が最も弱いことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、ァクチユエータとして 1 X 10⁹ 回連続駆動させた後も、剥離することなぐ優れた耐久性を有していたと考えられる。

[0354] [実施例 ΠΙ— f]

表 9に示す積層型圧電素子のうち、各試料 1本ずつを抜き取り、金属層部分のビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さの測定には、明石製作所製 MVK— H3型マイクロビッカース測定器を使用した。測定に際しては、下地である圧電体層 11の影響を受けないようにするために、金属層 12の積層方向に垂直な方向から、金属層 12にダイヤモンド圧子を押し込む方法を用いた。結果を表 14に示す。なお、それぞれのサンプノレをァクチユエータとして機能させた場合の耐久性は表 9に記載されているが、比較のために表 14にも記載した。

[0355] [表 14]

比較例である試料 No. Ill— 6は、いずれの金属層も同じ組成であるため、同じ硬さであることがわかった。即ち、全ての圧電体 11が同じ硬さの金属層で接合されていることを示している。この試料 No. Ill— 6では、ァクチユエータとして I X 10⁹回連続駆動させると、積層界面に力かる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。

[0357] これに対して、本発明の実施例である試料 No. Ill— :!〜 5は、高比率金属層の硬さが他の金属層よりも低い結果となった。即ち、高比率金属層が他の金属層よりも柔らかいいことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、柔らかい高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、ァクチユエータとして 1 X 10 9回連続駆動させた後も、剥離することなぐ優れた耐久性を有していたと考えられる。

[0358] [実施例 ΠΙ— g]

<圧電ァクチユエータの作製 >

傾斜濃度領域を有する積層型圧電素子を備えた圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I— aと同様にして、厚み 150 / mの圧電体層 11になるセラミックグリーンシートを作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、銀一パラジゥム合金 (銀 80質量％—パラジウム 20質量％)にバインダーを加えた導電性べ一ストをスクリーン印刷法により形成したシートを 300枚積層し、焼成して積層体 3を得た。焼成条件は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1000°Cで 2時間焼成した。

[0359] このとき、高比率金属層 12hを形成する部分には、銀—パラジウム合金 (銀 85質量 %—パラジウム 15質量⁰ /₀)の導電性ペーストで、 3 μ ΐηの厚さとなるように印刷を行い、さらに、図 17に示すように、銀濃度が高比率金属層 12h側から漸次減少するように配置した。高比率金属層 12hは 50層目、 100層目、 150層目、 200層目、 250層目になるように配置した。

[0360] 次に、上記実施例 I_aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成した。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すような積層型圧電素子を用いた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、すべての圧電ァクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。 <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I aと同様にして連続駆動試験を行なった。また、実施例 I cと同様にして変位量変化率(％)を算出した。結果を表 15に示す。

[表 15]

比濃度金層属 1212h 12g

分成領無高波成域な音のののうり謂分のの変率量化変変位位量 _;のの

ノ (ン％ヨー () ()%im

in

この表 15から、比較例である試料 No. Ill— 37は、該積層界面にかかる応力が一点に集中して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。これに対して、本発明の実施例である試料 No. Ill— 35 36は、いずれも良好な結果を示したが、特に、試料 No. Ill— 35は、試料 No. Ill— 36と異なり、 1 X 10⁹回連続駆動させた後も、素子変位量が全く低下することなぐ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、極めて優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できた。

[0363] [実施例 IV]

<圧電ァクチユエータの作製 >

第 12の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I_aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体 11になるセラミックダリーンシートを複数作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、銀一パラジゥム合金（銀 95質量％—パラジウム 5質量％)に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印刷した。このようにして導電性ペーストが印刷されたシートを 300枚用意した。また、これとは別に、保護層になるグリーンシートを用意し、これらを下から保護層 30枚、積層体 300枚、保護層 30枚となるように積層してプレスした後、脱脂をして焼成して積層体 13を得た。焼成は、 800°Cで 2時間保持した後に、 1 000°Cで 2時間焼成した。

[0364] このとき、他の金属層を形成する部分には、銀—パラジウム合金 (銀 95質量％—パラジウム 5質量％)にバインダーを加えた導電性ペーストで、焼成後に 5または 10 / mの厚さとなるように印刷を行なった。また、場合によっては、上記導電性ペーストに 0. 2 /i mのアクリルビーズを加えて金属層中に空隙を作った。また、高抵抗金属層を形成する部分には、銀-パラジウム合金 (銀 95質量％—パラジウム 5質量％)の表面を酸化処理した粒子に平均粒径が 0. 2 z mのアクリルビーズを適量カ卩え、さらにバインダーをカ卩えた導電性ペーストで焼成後に l〜4 x mの厚さとなるように印刷を行った。このようにして、表 16に示す空隙率になるようにした。

[0365] また、積層体 13中の高抵抗金属層 12mは、表 16に示すような層数にした。また、この高抵抗金属層 12mの配置は、試料 No. IV_ 9を除いて規則的とした。具体的には、高抵抗金属層の層数が 1層の試料 No. IV— 1は、積層体の上から 150層目に高抵抗金属層を配置した。また、高抵抗金属層の層数が 2層の試料 No. IV— 2は、積層体の上から 100、 200層目に高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が 5層の試料 No. IV— 3は、積層体の上から 50層ごとに高抵抗金属層を規則的に配置した。

[0366] 高抵抗金属層の層数が 14層の試料は 20層ごと、 59層の試料は 5層ごとに規則的に配置した。更に、高抵抗金属層の層数が 10層の試料は積層体の上から 26、 27、 27、 28、 28、 28、 28、 28、 27、 27の間隔で高抵抗金属層を規則的に配置した。また、層数が 39層の試料は積層体の上から 7、 8、 7、 8のように 7層と 8層の間隔を交互にして、高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が 20層の試料は、 13、 13、 13、 13、 14、 14、 15、 15、 16、 16、 16、 16、 16、 15、 15、 14、 14、 13 、 13、 13の間隔で高抵抗金属層を規則的に配置した。高抵抗金属層の層数が 20 層の試料のうち、高抵抗金属層の配置が規則的ではない試料 No. IV_ 9は、積層体の上力も 5、 5、 25、 25、 15、 10、 20、 20、 10、 10、 10、 10、 10、 20、 20、 10、 1 5、 25、 25、 5、の間隔で高抵抗金属層を配置した。

[0367] 高抵抗金属層 12mには、場合によって PZT、チタン酸鉛、アルミナ、チタニア、窒化ケィ素、シリカ等の高抵抗成分を入れたものも用意した。

[0368] 次に、上記実施例 I aと同様にして、積層体 13に一対の外部電極 15を形成した。

ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 18に示すような積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した（表 16中の試料 No. IV—:!〜 32)。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位が得られた。

[0369] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータを室温で 0〜 + 170Vの交流電圧を 300Hz の周波数で印加して、 2 X 10⁹回まで連続駆動した試験を行った。試験は各試料 100 個ずつ行った。試験後に、破壊に至ったサンプルの割合を算出し試験後の破壊率として表 16に示した。また、同時に積層部を金属顕微鏡、 SEM等を使って観察し、剥がれが生じている層の数を数えた。更に、初期の積層型圧電素子の変位量と試験後の積層型圧電素子の変位量の差の絶対値を初期の積層型圧電素子の変位量で除した値に 100倍したものを駆動試験前後での変位量の変化率として表 16に示した。結果は表 16に示すとおりである。

[表 16]

表 16より、比較例である試料 No. IV 1は、積層型圧電素子中の高抵抗金属層の数が 1個であるので応力をうまく分散することができず、更には発生したクラックが素子全体に進展する為に試験後の破壊率が 10%と大きい。また、積層体中の層で剥がれを生じる層の数は 100個と多かった。更には、駆動試験前後での変位量の変化率 20%と大きくなり、耐久性が低かった。

[0372] これらに対して、本発明の実施例である試料番号 IV— 2〜32は、 2 X 10⁹回連続駆動させた後の破壊率が 3%以下で、比較例である試料 No. IV_ 1に比べ、耐久性の面で非常に優れていた。特に、高抵抗金属層を規則的に配置した試料、例えば試料 No. IV— 6は、規則的な配置でない試料 No. IV— 9に比べて、試験後の破壊が無いこと、試験前後での変位量の変化率が小さいことで、耐久性において優れている。

[0373] また、高抵抗金属層を 20層、規則的に配置し、高抵抗金属層の空隙率が他の金属層よりも大きな試料 No. IV— 10〜16は、駆動試験前後での変位量の変化率が 2 . 0%以下と小さぐ積層型圧電素子として耐久性が優れていることが分かった。また高抵抗金属層の空隙率を 40〜99%とした試料 No. IV— 11〜： 16では、駆動試験前後での変位量の変化率が 1. 8%以下と更に小さく耐久性に優れていることが分かつた。

[0374] また、高抵抗金属層を 20層、規則的に配置し、高抵抗金属層の高抵抗金属中の高抵抗成分の含有率がその他の金属層中の高抵抗成分の含有率よりも多い試料 N o. IV— 17〜26では、破壊する試料もなぐ駆動試験前後での変位量の変化も 0. 4 %〜0. 9%と著しく小さぐ積層型圧電素子として耐久性に優れていることが分かつた。なお、高抵抗成分として PZT、チタン酸鉛、アルミナ、チタニアを用いた試料は、更に耐久性が優れていた。

[0375] 更に、高抵抗金属層と他の金属層の厚みを変えて、高抵抗金属層の厚みが他の金属層の厚みより小さいことの効果を確認した試料 No. IV_6、 No. IV_ 28〜32では、高抵抗金属層の厚みが他の金属層の厚みより多きい試料 No. IV—27に比べて駆動試験前後での変位量の変化率が 1. 6%以下と小さく耐久性に優れていた。

[0376] 更に、高抵抗金属層の圧電体層に対する電気抵抗の比を 1Z10〜： 1000倍に制御した試料や高抵抗金属層の電気抵抗がその他の金属層の電気抵抗の 1000倍以上であるように作製した試料では、高抵抗金属層の剥がれが無く耐久性に優れることが分かった。

上記の結果から、本実施形態の積層型圧電体素子を収納した噴射装置は、噴射を効率よく行い、耐久性にも優れ、地球環境にやさしい製品となることが分かった。

[0377] [実施例 V]

<圧電ァクチユエータの作製 >

第 13の実施形態にかかる積層型圧電素子からなる圧電ァクチユエータを以下のようにして作製した。

まず、上記実施例 I_ aと同様にして、厚み 150 z mの圧電体 11になるセラミックダリーンシートを作製した。このセラミックグリーンシートの片面に、銀一パラジウム合金（銀 95質量％—パラジウム 5重量％)に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形成したシートを 300枚積層し、焼成して積層体 13を得た。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°Cで焼成した。

[0378] このとき、金属層を形成する部分には、レジスト厚み 20 _β mの製版で、 10 μ mの厚さとなるように印刷を行い、部分金属層を形成する部分には、レジスト厚み 10 / mの製版で、 5 / mの厚さとなるように印刷を行った。部分金属層は、 50層目、 100層目、 150層目、 200層目、 250層目になるように配置した。部分金属層からなる金属層は、図 19 (b)に示すように 6つの部分金属層を配置したものとした。

[0379] 次に、上記実施例 I— aと同様にして、積層体 13に外部電極 15を形成した。ついで、得られた積層型圧電素子の外部電極 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 3kV/mmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行レ、、図 19に示すような形態の積層型圧電素子を用いた圧電ァクチユエータを作製した (表 17中の試料 No. V—：!〜 6)。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、すべての圧電ァクチユエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

[0380] <評価 >

上記で得られた各圧電ァクチユエータについて、上記実施例 I_ aと同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表 17に示す。

[表 17]

*」印は本発明の囲外の示 ·

表中、「Ojは、その上部に記載の条件を満足することを意味し、「」は、その条件を満足しないことを意味する。

[0381] 表 17から、比較例である試料 No. V—6は、積層界面に力かる応力が一点に集中して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。これに対して、本発明の実施例である試料 No. V—:!〜 5は、 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ており、誤作動が生じない優れた耐久性を有した圧電ァクチユエータを作製できた。

[0382] 特に、応力緩和層と応力集中層を、圧電体を介して隣同士に配置させた試料 No.

V— 3は素子の変位量を大きくすることができるだけでなぐ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。さらに、応力緩和層を、圧電体を介してはさみこんだ試料 No. V_4、 5は、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、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ことから、素子変位量が安定した積層型ァクチユエータとすることができた。

Claims

請求の範囲

[I] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い低充填金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。

[2] 複数の前記低充填金属層は、該低充填金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている請求項 1記載の積層型圧電素子。

[3] 複数の前記低充填金属層が積層方向に規則的に配設されている請求項 1記載の積層型圧電素子。

[4] 複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高充填金属層を複数含んでいる請求項 1記載の積層型圧電素子。

[5] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高充填金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。

[6] 複数の前記高充填金属層は、該高充填金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されてレ、る請求項 5記載の積層型圧電素子。

[7] 複数の前記高充填金属層が積層方向に規則的に配設されている請求項 5記載の積層型圧電素子。

[8] 複数の前記金属層は、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い低充填金属層を複数含んでいる請求項 5記載の積層型圧電素子。

[9] 前記低充填金属層に対して積層方向に隣り合う金属層が前記高充填金属層である請求項 4又は 8記載の積層型圧電素子。

[10] 前記低充填金属層に対して積層方向に隣り合う両側の金属層が前記高充填金属層である請求項 4又は 8記載の積層型圧電素子。

[II] 前記高充填金属層が金属の充填率のピークであり、該高充填金属層から積層方向に 2層以上の金属層にわたって金属の充填率が漸次減少する傾斜領域を有している請求項 4〜8のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[12] 前記低充填金属層は、空隙を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されている請求項 1〜4, 8のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[13] 複数の前記金属層のうち、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い金属層を低充填金属層とし、金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い金属層を高充填金属層とし、前記低充填金属層及び高充填金属層を除く他の金属層における金属の充填率を XIとし、前記低充填金属層における金属の充填率を Y1とするとき、充填率の比（Y1ZX1)が 0.：!〜 0. 9の範囲にある請求項 1〜8のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[14] 複数の前記金属層のうち、該金属層を構成する金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも低い金属層を低充填金属層とし、金属の充填率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い金属層を高充填金属層とし、前記低充填金属層及び高充填金属層を除く他の金属層における金属の充填率を XIとし、前記高充填金属層における金属の充填率を Z1とするとき、充填率の比（Z1/X1)が 1 · 05〜2の範囲にある請求項 1〜8のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[15] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層における金属の充填率よりも低い低充填金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。

[16] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層における金属の充填率が積層方向に隣り合う金属層における金属の充填率よりも高い高充填金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。

[17] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでレヽることを特徴とする積層型圧電素子。

[18] 複数の前記薄型金属層は、該薄型金属層よりも厚みの厚い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている請求項 17記載の積層型圧電素子。

[19] 複数の前記薄型金属層が積層方向に規則的に配設されている請求項 17記載の積層型圧電素子。

[20] 複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い厚型金属層を複数含んでいる請求項 17記載の積層型圧電素子。

[21] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い厚型金属層を複数含んでレヽることを特徴とする積層型圧電素子。

[22] 複数の前記厚型金属層は、該厚型金属層よりも厚みの薄い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている請求項 21記載の積層型圧電素子。

[23] 複数の前記厚型金属層が積層方向に規則的に配設されている請求項 21記載の積層型圧電素子。

[24] 複数の前記金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでいる請求項 21記載の積層型圧電素子。

[25] 前記薄型金属層に対して積層方向に隣り合う金属層が前記厚型金属層である請求項 20又は 24記載の積層型圧電素子。

[26] 前記薄型金属層に対して積層方向に隣り合う両側の金属層が前記厚型金属層である請求項 20又は 24記載の積層型圧電素子。

[27] 複数の前記金属層の厚みを比較したときに、前記厚型金属層の厚みにピークがあり、該厚型金属層から積層方向に 2層以上の金属層にわたって厚みが漸次減少する傾斜領域を有している請求項 20〜24のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[28] 前記薄型金属層は、空隙を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されてレ、る請求項 17〜20， 24のレ、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[29] 複数の前記金属層のうち、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い金属層を薄型金属層とし、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い金属層を厚型金属層とし、前記薄型金属層及び厚型金属層を除く他の金属層の厚みを X2 とし、前記薄型金属層の厚みを Y2とするとき、厚みの比 (Y2/X2)が 0. ：!〜 0. 9の範囲にある請求項 17〜24のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[30] 複数の前記金属層のうち、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い金属層を薄型金属層とし、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い金属層を厚型金属層とし、前記薄型金属層及び厚型金属層を除く他の金属層の厚みを X2 とし、前記厚型金属層の厚みを Z2とするとき、厚みの比（Z2/X2)が 1. 05〜2の範囲にある請求項 17〜24のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[31] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも薄い薄型金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。

[32] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも厚い厚型金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。

[33] 圧電体層と合金を主成分とする金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、前記合金を構成する一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。

[34] 複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されている請求項 33記載の積層型圧電素子。

[35] 前記合金が全率固溶体を形成する銀合金であり、前記一成分が銀である請求項 3

3記載の積層型圧電素子。

[36] 前記合金が銀パラジウム合金である請求項 35記載の積層型圧電素子。

[37] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が積層方向に隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。

[38] 複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されている請求項 37記載の積層型圧電素子。

[39] 前記一成分が銀であり、前記他の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、前記高比率金属層が銀からなる請求項 38記載の積層型圧電素子。

[40] 前記他の金属層が銀パラジウム合金からなる請求項 39記載の積層型圧電素子。

[41] 複数の前記高比率金属層が規則的に配置されている請求項 33〜40のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[42] 前記高比率金属層と前記圧電体層との密着力が、高比率金属層以外の他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低い請求項 33〜40のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[43] 前記高比率金属層は、ビッカース硬さが高比率金属層以外の他の金属層よりも低い請求項 33〜40のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[44] 2つの前記高比率金属層の間には、該高比率金属層以外の他の金属層が複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、前記一成分の濃度が前記高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在する請求項 33〜40のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[45] 圧電体層と金属層とが交互に複数積層された積層型圧電素子において、複数の前記金属層は主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層を含み、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていることを特徴とする積層型圧電素子。

[46] 前記一種の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、他の金属層が銅を主成分とする請求項 45記載の積層型圧電素子。

[47] 前記一種の金属層が銀パラジウム合金を主成分とする請求項 46記載の積層型圧電素子。

[48] 複数の前記一種の金属層が規則的に配置されている請求項 45〜47のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[49] 前記一種の金属層と前記圧電体層との密着力が、前記他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低い請求項 45〜47のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[50] 前記一種の金属層は、ビッカース硬さが前記他の金属層よりも低い請求項 45〜47 のレ、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[51] 前記金属層が周期律表第 8〜： 11族元素から選ばれる金属を主成分とし、前記金属層中の周期律表第 8〜： 10族元素の含有量を Ml (質量％)とし、周期律表第 11族元素の含有量を M2 (質量％)とするとき、 0< M1≤15、 85≤M2< 100、 M1 + M2 = 100の関係を満足する請求項 1〜50のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[52] 前記金属層中の周期律表第 8〜： 10族元素が Ni、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru及び〇sから選ばれる少なくとも 1種であり、前記周期律表第 11族元素が Cu、 Ag及び Auから選ばれる少なくとも 1種である請求項 51記載の積層型圧電素子。

[53] 前記金属層が Cuを主成分とする請求項 1〜50のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[54] 噴出孔を有する容器と、該容器内に収納される請求項:!〜 53のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が、前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出させるように構成された噴射装置。