WO2007037377A1 - 積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置 - Google Patents

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、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。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規則的に配置されている。本発明の他の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層され、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からなる。

Description

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 チユエータは、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 6 (a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図 6 (b)は、図 6 (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 6(a), (b)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とから構成されている。積層体 103は、圧電体層 101と金属層 10 2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側には、不活性 層 104がそれぞれ積層されている。金属層（内部電極層） 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 6 (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 6 (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 、。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—パラジウム合金力もなる金属層 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、ノ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 、て正極力も負極 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。

[0008] また、セラミックグリーンシートを押圧積層した際、金属層 102が重なり合う部分と重 なり合わない部分で押圧状態が異なるため、金属層 102の同一面内でも金属層密 度が不均一になることがある。そこで、金属層 102を形成する部分のセラミックテープ に凹部を形成して、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)。

[0009] ところで、従来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、 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。そして、近年では、積層型圧電素子は、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ように求められている ため、より高い電界が印加され、し力も長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用 できることが要求されて 、る。

[0010] このように高電界、高圧力下で長時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 101の厚みを変化させた層を設けた素子が提案されてい る。すなわち、厚みの異なることで他の層と変位量が変化することを利用して応力緩 和が試みられている。

[0011] 更に、スタックタイプの積層型圧電素子において、金属層と圧電体層の界面の接触 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い ようにすることが提案されて ヽる (例えば、特許文献 5参照)。

[0012] 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

[0013] ところで、従来の積層型圧電素子は、前述したように、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、圧電体層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、クラックが発生する等 の不具合が生じていた。

[0014] その改善方法として、特許文献 4、 5に示すような方法がなされたが、現在は、高電 界、高圧力下で長時間連続運転すると言うような過酷な条件下で使う場合が多くなつ ており、このような条件下では、まだ、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。 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、上記のような問題が生じるおそれが高!、。

[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となることがあった。 さらに、従来の積層型圧電素子を燃料噴射装置等の駆動素子に利用されるァクチ ユエータとして用いた場合には、所望の変位量が次第に変化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。

[0016] したがって、本発明の主たる課題は、上述の問題点に鑑みて成されたものであり、 高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも変位量が変化するのを抑制す ることができ、耐久性に優れた積層型圧電素子および噴射装置を提供することである 本発明の他の課題は、共振現象によるノイズの発生を抑制することができる積層型圧 電素子および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

[0017] 本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、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いう新たな事実を見出し、本発 明を完成するに至った。

[0018] すなわち、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互 に積層され、複数の前記金属層は、隣り合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い複 数の高抵抗金属層を含んで！/ヽる。

[0019] 本発明の積層型圧電素子において、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のが好ましい。また、 前記高抵抗金属層は規則的に配置されているのがより好ましい。さらに、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!、のがよ!/、 。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 、 のがよい。また、前記高抵抗金属層は、厚みが前記他の金属層よりも薄いのがよい。 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 るのがよぐ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 以上であることがより好まし!/、。

[0020] 本発明の他の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積 層され、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からなる。

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 、ることが好まし!/、。

[0021] また、前記部分金属層からなる金属層は複数備えられているのがよぐまた複数の 圧電体層を介してそれぞれ配置されているのがよい。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いるのがよい。また、前記部分金属層は、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つて いるのが好ましい。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 なるのがよい。さらに、隣り合う前記部分金属層の間には空隙が存在するのが好まし い。また、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 、るのがよ 、。

[0022] 本発明の噴射装置は、噴出孔を有する容器と、上記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 吐出されるように構成される。

発明の効果

[0023] 本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、複数の前記金属層は、隣り 合う両側の金属層よりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層を含んでいるので、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複数の圧 電体層が積層型圧電素子中に存在することで、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、クラックが発生してもその 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、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。

[0024] 本発明の他の積層型圧電素子によれば、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、素子の変形による応力集中を抑制で 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、高電界、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、耐久性に優れ た積層型圧電素子を得ることができる。

[0025] 本発明の積層型圧電素子は、連続駆動させても変位量が実質的に変化しないた 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

[0026] [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断面図である。

[図 3] (a)は、本発明の他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 4](a)〜( は、圧電体層間に配設された部分金属層の周辺を拡大した拡大断面 図である。

[図 5]本発明の一実施形態にカゝかる噴射装置を示す概略断面図である。

[図 6] (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。

発明を実施するための最良の形態

[0027] <積層型圧電素子 >

(第 1の実施形態）

本発明の一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詳細に説明 する。図 1(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 1(b)は この積層型圧電素子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圧電体層と接する金属層の積層 構造を示す断面図である。

[0028] 図 1に示すように、この積層型圧電素子は、圧電体層 11と金属層 12とを交互に積 層してなる積層体 13を有し、この積層体 13の対向する側面に露出した金属層 12の 端部と電気的に導通する一対の外部電極 15がそれぞれ接合されている。積層体 13 の積層方向の両端には圧電体層 11で形成された不活性層 14が積層されて 、る。

[0029] 本実施形態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、外 部電極 15にリード線 (不図示)を半田により接続固定し、このリード線を外部電圧供 給部（不図示）に接続すればよい。圧電体層 11間には金属層 12が配されているが、 この金属層 12は銀—パラジウム等の金属材料で形成して 、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し、圧電体層 11を逆圧電効果による変位を起こ させる作用を有する。

[0030] 不活性層 14は複数の圧電体層を積層した積層体からなり、一方の主面側にのみ 金属層 12が配置されて 、るだけであるため、電圧を印加しても変位を生じな!/、。

[0031] 本実施形態の積層型圧電素子では、図 2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複数の高抵抗金属層 12Aを含み、これらの 高抵抗金属層 12 Aが該高抵抗金属層 12A以外の他の金属層 12B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 12Bと該金属層 12B よりも電気抵抗の高い複数の高抵抗金属層 12Aとからなる。

[0032] 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 、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、高電界、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。

[0033] 本実施形態のように、複数の高抵抗金属層 12Aを配置することにより、変位によつ て発生する応力を分散することができる。そのため、高電界、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、耐久性の 向上を図ることができる。

[0034] より詳しく説明すると、高抵抗金属層 12Aに接する圧電体層 11は、その変位量が他 の金属層 12B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 12A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、高電界、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。

なお、高抵抗金属層 12Aの数は、多ければ多いほど応力は分散され、耐久性は向 上するが、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 、。

[0035] また、高抵抗金属層 12Aは、積層型圧電素子の積層方向に規則的に配置されて V、るのが好まし 、。高抵抗金属層 12Aと高抵抗金属層 12Aとの間に他の金属層 12 Bが複数含まれるようにして、複数の高抵抗金属層 12Aが積層方向に規則的に配置 されるようにする。これにより、変位に伴う応力の発生は、それぞれ高抵抗金属層 12 Aで分割された部分でほぼ均一に分散されるようになる。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。

[0036] ここで、「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 12A, 12A 間に存在する他の金属層 12Bの層数が 、ずれの高抵抗金属層 12A, 12A間にお Vヽても同じである場合はもちろんのこと、積層方向にお!、て応力がほぼ均一に分散さ れる程度に、高抵抗金属層 12A, 12A間に存在する他の金属層 12B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 12A間に存在する他の 金属層 12B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。

[0037] 上記高抵抗金属層 12Aは、内部の空隙率が他の金属層 12Bにおける空隙率より も 1. 5〜30倍、好ましくは 5〜20倍大きいことが好ましい。これにより、高抵抗金属層 12Aに接する圧電体層 11の変位量は、両主面が他の金属層 12Bに接する圧電体 層 11の変位量よりも小さくなる。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。

[0038] 高抵抗金属層 12Aの空隙率は 40%〜99%、好ましくは 50%〜90%であることが より好ましい。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。一方、空隙率が 99%より大き ヽと高抵抗金属層 12Aの強度が低下して高抵抗金属層 12Aが容易に 破壊してしまうおそれがある。

[0039] ここで、空隙率は、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する。高抵抗金属層 12A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 12Aの断面積で除して 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いが、好ましくは 3〜： ίΟΟ /ζ πι、より好まし くは 5〜70 μ mであるのがよ!/ヽ。

[0040] 空隙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。本発明に おける空隙率は、どちらの方法で測定したものであってもよ 、。

[0041] 空隙率を第 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、光学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空隙率を測定することができる。具体例を挙げると、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空隙率を算出すること 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 の境界の閾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 界の閾値を設定して 2値ィ匕すればょ 、。

[0042] 空隙率を第 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、 空隙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 查型電子顕微鏡 (SEM)、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学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空隙率を測定 することができる。具体的には、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 で表すことにより空隙率を算出することができる。例えば、断面画像力カラーである場 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閾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閾値を設定して 2値ィ匕すればよい。

[0043] なお、金属層の断面を観察する際には、金属層の厚みの約 1Z2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 してもょ ヽ。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 、。

[0044] また、高抵抗金属層 12Aは、電気抵抗の高い高抵抗成分を他の金属層 12Bよりも 多く含むことが好ましい。具体的には、高抵抗成分の含有率が他の金属層 12Bにお ける高抵抗成分の含有率よりも 1. 5〜20倍、好ましくは 2〜： LO倍高いのがよい。この ように高抵抗金属層 12A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！、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 12A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 ることがでさる。

[0045] 高抵抗成分としては、例えば Pd、 Pt、 Cr、 Ni、 Mo、 Wなどが挙げられる。高抵抗成分 の粒径は、特に限定されるものではないが、好ましくは 0. 1〜： LOO m、より好ましく は 0. 1〜50 /ζ πιであるのがよい。

[0046] 高抵抗金属層 12Aにおける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 12A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、撮影面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。

[0047] また、高抵抗金属層 12Aの厚みは他の金属層 12Bの厚みよりも薄いことが好まし い。高抵抗金属層 12Aの厚みが他の金属層 12Bの厚みより薄いことにより、他の金 属層 12B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。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。

[0048] 金属層 12A、 12Bの厚みは、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 12B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 12Α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 12Α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. 1 m、より好ましくは 20〜1 /z mであるのがよい。また、他の金属層 12B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。金属層の厚みを測定す る 5箇所の選び方としては、例えば次のようにすればよい。すなわち、積層型圧電素 子を積層方向に切断した断面において、金属層の幅方向の両端と、幅方向の 1Z2 の位置と、端部から幅方向の 1Z4の位置（2点）とからなる 5箇所を選ぶ方法がある。

[0049] さらに、本発明では、高抵抗金属層 12Aの圧電体層 11に対する電気抵抗の比が 1 Z10〜： LOOO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 12A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 12Aの圧電体層 11に対する電気抵抗の比が 1Z10倍以上であることによ り、高抵抗金属層 12Aが接する圧電体層 11の変位量が他の圧電体層 11の変位量 よりも小さくなり、応力が分散される効果を十分に得ることができる。また、高抵抗金属 層 12Aの圧電体層 11に対する電気抵抗の比が 1000倍以下であることにより、高抵 抗金属層 12Aが接する圧電体層 11の変位量が過度に小さくなるのを防止し、応力 が過度に集中するのを防止できる。高抵抗金属層 12Aの圧電体層 11に対する電気 抵抗の比は 1〜： LOOO倍であることがより好ましい。

[0050] なお、本発明における電気抵抗（Ω )は、各層において、高抵抗金属層 12A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（例えば、ヒュ 一レットパッカード社製 4140Bなど）を用いて測定できる。ここで、「高抵抗金属層 12 Aの両端」とは、積層体 13における対向する 2つの側面 (外部電極 15, 15が形成さ れていない部分）に露出した高抵抗金属層 12Aの端部をいう。高抵抗金属層 12Aの 端部が積層体 13の側面に露出して 、な 、場合には、高抵抗金属層 12A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い。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 12A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 25°Cであるのがよい。

[0051] また、高抵抗金属層 12Aの電気抵抗がその他の金属層 12Bの電気抵抗の 1000 倍以上であることが好ま 、。このようにすることにより高抵抗金属層 12Aに接する圧 電体層 11は、他の金属層 12B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 12A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。

[0052] 次に、本実施形態の積層型圧電素子の製法を説明する。

まず、 PbZrO -PbTiO等力 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力も成るバインダーと、 DBP (フ タル酸ジブチル）、 DOP (フタル酸ジォチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製 し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法 により圧電体 11となるセラミックグリーンシートを作製する。

[0053] 次に、銀—パラジウム等の高抵抗金属層 12A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 mの厚みに印刷する。

[0054] 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、アクリルビ 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。

[0055] 他の印刷方法として、アクリルビーズ等の有機物をバインダー及び可塑剤等に添加 混合してアクリルビーズペーストを作製し、一方、銀—パラジウム等の金属粉末に、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、上記一部のダリ 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べ一 ストを積層印刷してもよい。この印刷方法により、さらに量産性に優れた印刷が可能と なる。

[0056] また、上記銀—パラジウム等の金属層を加熱処理し、ー且表面を酸ィ匕しておくこと で、高抵抗金属層 12A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 ジゥム等の金属層に PZT、チタン酸鉛、アルミナ等、高抵抗成分を添加しても良い。

[0057] 高抵抗金属層 12A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 12B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 を添加してもよい。

[0058] 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る 。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 12A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。

[0059] このとき、不活性層 14の部分のグリーンシート中に、銀一パラジウム等の金属層 12 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および無機化合物とバイン ダ一と可塑剤力もなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層 14とそ の他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻 密な積層体 13を形成することができる。

なお、積層体 13は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなぐ 複数の圧電体 11と複数の金属層 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。

[0060] 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 、な 、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、榭脂また はゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体 13 の側面に形成される。

[0061] 次に、ガラス粉末に、ノ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 御し、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 体力 なる外部電極 15を形成することができる。

[0062] 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力も焼付けを 行っても、 1層ごとに積層しては焼付けを行っても良いが、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 1 1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る 事が用いられる。このとき、印刷のかわりに 5 m以下のシートを用いても良い。

[0063] 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。ネ ック部が存在すると、過度に緻密な焼結体とはならず、適度に隙間が存在する網目 状の構造となる。

[0064] 焼き付け温度が 800°Cより高 、場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結 が進みすぎ、有効的な 3次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず 、外部電極 15が緻密になりすぎてしまい、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、ガラスの軟ィ匕点の 1. 2倍以内の温度で焼き付けを行つ た方がよい。

[0065] 一方、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。

[0066] 次に、外部電極 15を形成した積層体 13をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、 シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体 13の溝内部にシリコーンゴムを 充填し、その後シリコーンゴム溶液力も積層体 13を引き上げ、積層体 13の側面にシ リコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体 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、本発明の積層型圧電素子 が完成する。 [0067] そして、外部電極 15にリード線を接続し、該リード線を介して一対の外部電極 15に 0. l〜3kVZmmの直流電圧を印加し、積層体 13を分極処理することによって、本 発明の積層型圧電素子を利用した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ェン 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。

[0068] 外部電極 15の外面には、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された 導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。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。さらには、導 電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設して 、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 したものをいう。

[0069] さらに、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 イミド榭脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリ イミド榭脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い 接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。

[0070] さらに望ましくは、前記導電性粒子はフレーク状や針状などの非球形の粒子である ことが望ましい。これは、導電性粒子の形状をフレーク状や針状などの非球形の粒子 とすることにより、該導電性粒子間の絡み合いを強固にすることができ、該導電性接 着剤のせん断強度をより高めることができるためである。

[0071] (第 2の実施形態）

本発明の第 2の実施形態に力かる積層型圧電素子について詳細に説明する。図 1 3(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 13(b)は図 13( 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。 [0072] 図 3(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 21と 複数の金属層 22a, 22b (以下、「金属層 22」と総称することがある。）とを交互に積層 してなる積層体 23を有し、該積層体 23の対向する側面に一対の外部電極 25が配 設されている（一方の外部電極は不図示)。各金属層 22は、圧電体層 21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 22は、一層おきに積層体 23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 22は、一層おきに、一対の外部電極 25に電 気的に接続されている。

[0073] また、積層体 23の積層方向の両端側には圧電体で形成された不活性層 24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 25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 22間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層 21が逆圧電効果によって変 位する。一方、不活性層 24は一方の主面側に金属層 22が配置されているのみであ り、他方の主面側には金属層 22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。

[0074] 本実施形態の積層型圧電素子は、図 3(a)、（b)に示すように、複数の金属層 22のう ちの少なくとも一層が、圧電体層 21間に配設された複数の部分金属層 22cからなる 金属層 22bである。このような金属層 22b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を 向上させることができる。

[0075] 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。

[0076] 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 22の少なくとも 一層を金属層 22bとしたことで、金属層 22b周辺の圧電体層は変位が小さくなり、金 属層 22a周辺の圧電体層 21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。また、素子の変形 による応力集中を抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも優 れた耐久性を発揮することができる。

[0077] また、金属層 22bを構成する複数の部分金属層 22cは、圧電体層 21, 21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 22cが圧電体層 21, 21間 に、相互の間隔がほぼ均一となるよう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 22b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。

[0078] 図 3(a)、（b)に示す本実施形態では、金属層 22bは、積層体 23中に複数存在してい る。各金属層 22bは、複数の圧電体層 21および複数の金属層 22aを介して配置され ており、かつ、積層体 23の厚み方向に規則的に配置されている。

[0079] 複数の圧電体層 21のうち駆動変形するのは金属層 22aに挟まれた層であることか ら、金属層 22のうち圧電体 21を複数枚介した部位に、金属層 22bを形成することで 、素子の変位量をある程度確保することができる。また、素子の寸法変化である変位 がそろつ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、うなり音発生が防 止される。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 を抑止することができる。また、金属層 22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 21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。

[0080] さらに、本発明では、複数の部分金属層 22cの一部は、該部分金属層 22cの厚み 方向の両端が隣接する両側の圧電層 21に接しており（図 4(a))、金属層 22bを構成 する複数の部分金属層 22cの残部は、該部分金属層 22cの厚み方向の一端のみが 圧電体層 21に接している（図 4(b))ことが望ましい。また、図 4(c)に示す部分金属層 2 2cのように一端側のほぼ全面が圧電体層 21に接しており、他端側の一部のみが圧 電体層 21に接して ヽるような形態であってもよ!/ヽ。金属層 22bに求められる機能の一 つ力 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 2 2bを構成する複数の部分金属層 22c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 21に接する必要がある。金属層 22bを構成する複数の部分金 属層 22cにおける厚み方向の両端力 隣接する両側の圧電体層 21にともに接触し ていない場合、隣接する圧電体層 21を連結するパネ的機能を十分に付与することが できな 、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!/、 場合がある。

[0081] さらに、複数の部分金属層 22cは、隣接する圧電体層 21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なるか（図 4(d))、または漸次大きくなる（ 図 4(e))ことが望ましい。ここで、金属層 22b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 21と金属層 22の界面に おい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。本発明では、この応 力緩和機能をさらに高めるため、複数の部分金属層 22cの輪郭を、特に隣接する圧 電体層 21の近傍領域にぉ ヽて、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 22bに接 する圧電体 21は応力が集中することが無い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ができる。

[0082] また、金属層 22bにおいて、隣り合う複数の部分金属層 22c間には空隙が存在す ることが望ましい。これは、金属層 22b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 21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。

[0083] 一方、部分金属層 22bを構成する複数の部分金属層 22c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 22c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 22bに接する圧電体 21が圧電 変位する際、空隙の部分があることで、圧電体 21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 21が束縛される力が小さくなるので、圧電体層 2 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。

[0084] また、積層体 23は、多角形柱状体であることが好ましい。これは、積層体 23が円柱 状体であると、真円にしなければ中心軸がぶれてしまうため高精度の円を作って積 みあげなければならず、同時焼成による量産型の製法を用いるのが困難になり、また 、略円形状の積層体を積層後、あるいは焼成後に外周を研磨して円柱状にしても、 金属層 22の中心軸を高精度にそろえるが困難になる。

[0085] これに対して、多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体 21に金属層 22 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。

また、本発明においては、金属層 22b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、 焼成温度の高い圧電体 21と金属層 22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 25の焼結温度を圧電体 21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 21と外部電極 25との間の激しい相互拡散を抑制することができ る。

[0086] 次に、本実施形態に力かる積層型圧電素子の製法を説明する。まず、 PbZrO— P

3 bTiO等力 なるぺロブスカイト型酸ィ匕物の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル

3

系、プチラール系等の有機高分子力も成るバインダーと、 DBP (フタル酸ジブチル）、 DOP (フタル酸ジォチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、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 21とな るセラミックグリーンシートを作製する。

[0087] 次に、銀—パラジウム等の金属層 22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 mの厚みに印刷する。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 22の厚みおよび金属層中の空隙 等を変ィ匕させることができる。

[0088] 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、重しをのせた状 態でこの積層体につ 、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しをのせずに 900〜1200°Cで焼成することによって積層体 23が 作製される。

このとき、不活性層 24の部分のグリーンシート中に、銀—パラジウム等の金属層 22 を構成する金属粉末を添加したり、不活性層 24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 22を構成する金属粉末および無機化合物とバイン ダ一と可塑剤力もなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層 24とそ の他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻 密な積層体 23を形成することができる。

[0089] なお、積層体 23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 21と複数の金属層 22とを交互に積層してなる積層体 23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。

[0090] 次に、ガラス粉末に、ノ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。このシートを、柱状積層体 23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 23の焼成温度（ °C)の 4Z5以下の温度で焼き付けを行う。これにより、銀ガラス導電性ペーストを用い て作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、 3次元網目構造をなす多孔質 導電体からなる外部電極 25を形成することができる。

[0091] なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、前記と同様に 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。 [0092] 次に、外部電極 25を形成した積層体 23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 23の溝内部にシリコーンゴムを 充填し、その後シリコーンゴム溶液力も積層体 23を引き上げ、積層体 23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 23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、本発明の積層型圧電素子 が完成する。

[0093] そして、外部電極 25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 25に 0. l〜3kVZmmの直流電圧を印加し、積層体 23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。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 25を介して金属層 22に電圧を印加 させれば、各圧電体 21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ェン 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。

その他は、第 1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

[0094] <噴射装置 >

図 5は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図 5〖こ 示すように、この噴射装置は、一端に噴射孔を有する 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が収納されている。収 納容器 31内には、噴射孔 33を開閉することができる-一ドルバルブ 35が配設され ている。噴射孔 33には燃料通路 37が-一ドルバルブ 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〖こ 常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ 35が噴射孔 33 を開放すると、燃料通路 37に供給されていた燃料が一定の高圧で図示しない内燃 機関の燃料室内に噴出されるように構成されて 、る。

[0095] また、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 、る。

[0096] このような噴射装置では、圧電ァクチユエータ 43が電圧を印加されて伸長すると、 ピストン 41が押圧され、ニードルバルブ 35が噴射孔 33を閉塞し、燃料の供給が停止 される。また、電圧の印加が停止されると圧電ァクチユエータ 43が収縮し、皿パネ 45 がピストン 41を押し返し、噴射孔 33が燃料通路 37と連通して燃料の噴射が行われる ようになっている。

また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関するものであるが、上記実 施例に限定されるものではなぐ例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジ 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 以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、実施可能である。

以下、実施例を挙げて本発明を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。

実施例

[0097] (実施例 1)本発明の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. 4 111のチタン酸ジルコン酸鉛（？1^1：0— PbTiO )を主成分

3 3 とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製 し、ドクターブレード法で厚み 150 μ mの圧電体 11になるセラミックグリーンシートを 複数作製した。

[0098] このセラミックグリーンシートの片面に、銀—パラジウム合金（銀 95質量⁰ /₀—パラジ ゥム 5質量⁰ /₀)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。このとき、他の金属層 12B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％)にバインダーをカ卩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、上記導電性べ一 ストに 0. 2 μ mのアクリルビーズをカ卩えて金属層中に空隙を作った。

高抵抗金属層 12Aを形成する部分には、銀—パラジウム合金 (銀 95質量％—パラ ジゥム 5質量％)の表面を酸化処理した粒子に平均粒径が 0. 2 μ 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 1〜6 mの厚さと なるように印刷を行った。

[0099] 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。これとは別に 保護層になるグリーンシートを用意し、これらを下力も保護層 30枚、積層体 300枚、 保護層 30枚となるように積層し、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時間焼成した。形成された高抵抗金属層 12Aの 空隙率を表 1に示した。

[0100] また、積層体 13中の高抵抗金属層 12Aは表 1に示すような層数にした。また、この 高抵抗金属層 12Aの配置は、試料 No. 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. 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. 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. 3は、積層体の上カゝら 50層ごと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 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 力 S39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、 1 3、 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.9は、積層体の上から 5、 5 、 25、 25、 15、 10、 20、 20、 10、 10、 10、 10、 10、 20、 20、 10、 15、 25、 25、 5の 間隔で高抵抗金属層を配置した。

[0101] 高抵抗金属層 12Aには、場合によって PZT、チタン酸鉛、アルミナ、チタ二了、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。

[0102] 次に、平均粒径 2 μ mのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径 2 μ mのケィ素を 主成分とする軟ィ匕点が 640°Cの非晶質のガラス粉末との混合物に、ノインダーを銀 粉末とガラス粉末の合計質量 100質量部に対して 8質量部添加し、十分に混合して 銀ガラス導電性ペーストを作製し、このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを 離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして 、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。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。

[0103] そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体 13の外部電極 15面に転写して積 層し、 700°Cで 30分焼き付けを行い、一対の外部電極 15を形成した。

[0104] その後、外部電極 15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極 15にリード線 を介して 3kVZmmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 1に示すよう な積層型圧電素子を用いた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ユエータにおいて、積 層方向に変位が得られた。

[0105] さらに、この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 1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 1に示した。結果 は表 1に示すとおりである。

[0106] [表 1]

[0107] 同表より、比較例である試料 No. 1-1は、積層型圧電素子中の高抵抗金属層の数 力 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確率が 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個と多力つた。更には、駆動試験前後での変位量の変化 率 10%と大きくなり、耐久性が低力つた。

[0108] これに対して、本発明の実施例である試料番号 1-2〜32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. 1-1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. 1-6は規則的な配 置でない試料 No. 1-9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 、ことで、耐久性にぉ 、て優れて!/、る。

[0109] また、 20層の高抵抗金属層を規則的に配置し、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.ト 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力つた。また高 抵抗金属層の空隙率を 40〜99%とした試料 No.ト 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力つた。

[0110] 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.ト 17〜16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力つた。 なお、高抵抗成分として PZT、チタン酸鉛、アルミナ、チタ-ァを用いた試料は、更に 耐久性が優れていた。

[0111] 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. 1-6、 No. I- 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. 1-27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。

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〜： L000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。

本発明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力つた。

[0112] (実施例 2)

本発明の積層型圧電素子力 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. 4 111のチタン酸ジルコン酸鉛（？1^1：0— PbTiO )を主成分

3 3 とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製 し、ドクターブレード法で厚み 150 μ mの圧電体 21になるセラミックグリーンシートを 作製した。

[0113] 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 ゥム 5重量⁰ /₀)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、焼成した。焼成は、 800°Cで保持した後に、 1000°Cで焼 成した。

[0114] このとき、金属層 22aを形成する部分には、レジスト厚み 20 mの製版で、 10 m の厚さとなるように印刷を行い、部分金属層 22cを形成する部分には、レジスト厚み 1 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、表 2に示す ように配置した。部分金属層 22cからなる金属層 22bは、図 3(b)に示すような 6つの部 分金属層 22cを配置した形態とした。さらに、試料番号 Π-5は、 1つの部分金属層 22 cをさらに縦 5個横 5個の 25個の部分金属層に細分ィ匕したものとした。すなわち、試 料番号 Π-5では 1層あたり 150個の部分金属層を配置した。

[0115] 次に、平均粒径 2 mのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径 2 mのケィ素を 主成分とする軟ィ匕点が 640°Cの非晶質のガラス粉末との混合物に、ノインダーを銀 粉末とガラス粉末の合計質量 100質量部に対して 8質量部添加し、十分に混合して 銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペースト を離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がし て、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。

[0116] そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体 23の外部電極形成面に転写して 積層し、 700°Cで 30分焼き付けを行い、外部電極 25を形成した。

その後、外部電極 25にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極 25にリード線 を介して 3kVZmmの直流電界を 15分間印加して分極処理を行い、図 3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。

[0117] 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 、て、積層方向に変位量が得られた。 さらに、この圧電ァクチユエータを室温で 0〜 + 170Vの交流電圧を 150Hzの周波 数で印加して、 1 X 10⁹回まで連続駆動した試験を行った。結果は表 2に示すとおり である。

[表 2]

[0119] 表 2から、比較例である試料番号 Π-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。

[0120] これに対して、本発明の実施例である試料番号 11-1〜5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ュ エータを作製できた。

[0121] 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.

Π-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. 11-4、 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 変位量が安定した積層型ァクチユエータとすることができた。

[0122] 本発明の積層型圧電素子および噴射装置は以上の実施形態に限定されるもので はなぐ本発明の請求の範囲に記載の範囲内で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, 23の対向する側面に外部電極 15, 25を形成した 例について説明したが、例えば隣設する側面に一対の外部電極 15, 25を形成して ちょい。

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、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!、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!ヽる請求項 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ことを特徴とする請求項 1または 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 V、ことを特徴とする請求項 1〜3の 、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 、 ことを特徴とする請求項 1〜4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いことを特徴とする請求項 1 〜5の ヽ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 あることを特徴とする請求項 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 ることを特徴とする請求項 1〜7のいずれかに記載の積層型圧電素子。

[9] 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からなることを特徴とする積層型圧電素子。

[10] 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いる請求項 9に記載の積層型圧電素子。

[II] 前記部分金属層からなる金属層を複数備えている請求項 9又は 10に記載の積層 型圧電素子。

[12] 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!ヽる請求項 11記載の積層型圧電素子。

[13] 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いる請求項 11また は 12記載の積層型圧電素子。

[14] 前記部分金属層は、当該部分金属層からなる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請求項 9〜13のいずれかに記載の積 層型圧電素子。

[15] 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力もなる請求項 9〜 14 の!ヽずれかに記載の積層型圧電素子。

[16] 隣り合う前記部分金属層の間には空隙が存在する請求項 9〜15のいずれかに記 載の積層型圧電素子。

[17] 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 、る請求項 1〜 16の 、ずれかに記載の積層型圧電素子。

[18] 噴出孔を有する容器と、請求項 1〜17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 カゝら吐出させるように構成されたことを特徴とする噴射装置。