JP4822664B2

JP4822664B2 - 積層型圧電素子およびその製法、並びに噴射装置

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Publication number: JP4822664B2
Application number: JP2003426901A
Authority: JP
Inventors: 隆晶平; 健岡村; 正喜寺園
Original assignee: Kyocera Corp
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Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005191048A

Description

本発明は、積層型圧電素子およびその製法、並びに噴射装置に関し、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に関する。

従来、積層型圧電素子として、例えば、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体層と導体層を交互に積層したものが提案されている。このような積層型圧電素子は、一般に、圧電粉末を含有するグリーンシートと金属粉末を含有する導体パターンが交互に積層された圧電積層体を形成し、これを脱脂、焼成して積層型圧電素子を作製し、次いで、この圧電積層体の側面に外部電極を形成される。この後、積層型圧電素子に、１ｋＶ程度の電圧を印加することにより分極処理が行われている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−２９３６２５号公報

しかしながら、上記特許文献１の積層型圧電素子に適用される分極処理の条件は、外部電極を形成した積層型圧電素子を、（１）加温したオイルバスに浸漬し、（２）電圧を印加し、（３）電圧を下げた後冷却する条件であるが、このような分極処理条件では、圧電体層を構成する結晶粒子に対して、十分飽和した分極が行えず、例えば、長期間の駆動試験において、圧電特性のうち、特に変位量が低下するという問題があった。これは圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動前後の配向度の変化率が大きくなっていることに基づくものであった。

従って、本発明は、圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動前後の配向度の変化率を小さくして、長期間の駆動試験においても、圧電特性の低下が小さい積層型圧電素子およびその製法、並びにそれを用いた噴射装置を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層してなる積層型圧電素子において、前記圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動回数が荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０ ^９回以上の駆動前後の格子定数（ｃ／ａ）の変化率が５％以内であることを特徴とする。

即ち、本発明によれば、圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動回数が荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０ ^９回以上の駆動前後の格子定数（ｃ／ａ）の変化率を５％以下としたことにより、長期間の駆動試験においても、圧電特性の、特に、変位量の低下を小さくでき、高信頼性を得ることができる。

上記積層型圧電素子では、結晶粒子の平均粒径が２．５μｍ以下であることを特徴とする。本発明によれば、圧電体層を構成する結晶粒子の平均粒径を２．５μｍ以下とすることにより、分極処理での結晶粒子の配向度を高めるとともに、これにより圧電特性の分極率の変化率をさらに小さくできる。

上記積層型圧電素子では、駆動回数は、荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０^９回以上であることを特徴とする。本発明の積層型圧電素子の駆動回数を、上記のような条件とすることにより、連続駆動での高い信頼性を必要とする噴射装置のような装置にも十分適用できる。

上記積層型圧電素子では、圧電体層の厚みが２００μｍ以下であることを特徴とする。本発明では、分極する圧電体層の厚みを２００μｍ以下とすることにより、さらに、厚み方向に対して電界の印加が十分となるために、さらに飽和した分極を行うことができる。

上記積層型圧電素子では、積層数が２００層以上であることを特徴とする。本発明によれば、多くの圧電体層が積層され分極率の変化率の大きくなるような高積層品に対して、特に有効に用いることができる。

上記積層型圧電素子では、導体層の厚みが５μｍ以下であることを特徴とする。導体層の厚みを５μｍ以下と薄くすることにより、導体層の厚み方向の導電性を高くでき、これにより圧電体層を構成する結晶粒子の配向度および分極率をさらに高めることができる。

上記積層型圧電素子では、内部電極層中の金属成分がＶＩＩＩ族金属、Ｉｂ族金属のうちのいずれか、またはＶＩＩＩ族金属およびＩｂ族金属の両方を主成分としたことを特徴とする。即ち、ＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１質量％、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２質量％としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、Ｍ１＋Ｍ２＝１００質量％の関係を満足することを特徴とすること、さらには、ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種、Ｉｂ族金属がＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であることを特徴とするものである。

つまり、本発明では、導体層の金属成分を上記した金属の組合せとすることにより、上記他の金属に比較して、延性が高く、ヤング率の低いＡｇやＣｕを導体層の主成分として用いることにより圧電体層面への追従性および密着性が高まり、圧電体層のほぼ全面に均一に電界を印加し分極を行うことができる。

さらに、本発明では、ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であること、特に、ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、または、Ｉｂ族金属がＣｕであることが望ましい。

また、上記積層型圧電素子では、導体層中に無機成分を含有してなり、さらに、その無機成分が、圧電体層と同じ成分であり、無機成分の平均粒径が、圧電体層の平均粒径よりも小さいものであることを特徴とする。

このように、本発明では、導体層中に圧電体層を構成する圧電体粒子と同じ共材成分を含ませ、しかも、内部電極層側の粒子径を圧電体層側よりも小さくすることにより、導体層に接触する圧電体粒子が小さくなり、これにより導体層の有効面積を大きくできるとともに、無機成分の添加による導体層の剛性の高まりを抑え、圧電体層との密着性を高めることができ、電界の印加を向上できる。

本発明の積層型圧電素子の製法は、圧電粉末を含むグリーンシート上に、導体パターンを形成し、次いで、該導体パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して圧電積層体を形成する工程と、該圧電積層体を焼成して積層圧電体本体を形成する工程と、該積層圧電体本体の端面に外部電極ペーストを塗布した後に熱処理して外部電極を有する積層型圧電素子を形成する工程と、前記外部電極に電圧を印加して前記積層型圧電素子を、（１）加温したオイルバスに浸漬し、（２）電圧を印加し、（３）電圧を印加した状態のままで、冷却速度が、圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、ｔ／３（℃／分）以下の条件で冷却し、（４）冷却後に電圧を下げることにより分極処理する工程とを具備することを特徴とする。

即ち、本発明の製法では、上記のような工程を経て分極処理を行うことにより、圧電体層への十分な分極処理ができ、これにより、駆動前後の圧電特性の低下率を抑制できる。

上記積層型圧電素子の製法では、圧電粉末の平均粒径が０．８μｍ以下であることを特徴とする。圧電粉末の平均粒径として上記のように小さいものを用いることにより、圧電体層の磁器が緻密となり、これにより印加される電界に敏感な結晶粒子を容易に形成できる。

上記積層型圧電素子の製法では、焼成温度が１０００℃以下であることを特徴とする。本発明の製法によれば、上記した導体層の成分および組成の構成で、同時焼成を可能にするという点で、焼成温度は１０００℃以下が好適であり、これにより、異常な結晶成長を抑制して、印加する電界に対して均一な分極率を有する圧電体層を容易に形成できる。

上記積層型圧電素子の製法では、結晶粒子の格子定数の比であるｃ／ａの変化率が０．５％以下となるように分極処理することを特徴とする。また、前記分極処理の工程において、熱処理の最高温度からの冷却速度が、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、ｔ／３（℃／分）以下であることを特徴とし、さらには、前記熱処理の工程において、熱処理からの冷却時に、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、０．８ｔ〜１．２ｔの温度域の冷却速度がｔ／３（℃／分）以下であることを特徴とする。

即ち、本発明では、上記したグリーンシートを構成する圧電粉末の平均粒径の改良による効果に加えて、結晶粒子が適正な結晶構造となるように圧電体層に電気的あるいは熱的に生じる歪みを抑制することにより、さらに、圧電体層の分極率の高い圧電体層を容易に形成できる。

本発明の噴射装置は、噴射口を有する収納容器と、該収納容器に収納された上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする。

このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子が、駆動前後の配向度の変化率が５％以内であるような結晶粒子により構成される圧電体層を有するものであるために、噴射装置として優れた噴射特性が得られるとともに、信頼性を向上できる。

即ち、本発明の積層型圧電素子では、圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動前後の配向度の変化率を５％以下としたことにより、長期間の駆動試験においても、圧電特性の、特に、変位量の低下を小さくでき、これを組み込む噴射装置を高い信頼性を備えたものとすることができる。

図１は積層型圧電アクチュエータからなる積層型圧電素子の一実施形態を示す縦断面図である。図１は、本発明の積層型圧電素子の断面図である。

本発明の積層型圧電素子は、図１に示すように複数の圧電体層１と複数の導体層２とを交互に積層してなる圧電積層体３の、導体層２の一辺が露出する側面（対向する側面）にそれぞれ外部電極４が形成されている。ここで、導体層２は、図２に示すように矩形状をしており、その一辺が圧電積層体３の対向する側面（外部電極形成面）に一層おきに露出し、外部電極４と電気的に交互に接続されている。この外部電極４には、電源をとるためのリード線６が接続されている。

圧電体層１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする圧電セラミックス材料などが使用されるが、これらに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも良い。なお、この圧電体材料としては、圧電歪み定数ｄ３３が高いものが望ましい。

また、圧電体層１の厚み、つまり、導体層２間の距離は、小型化及び高い電界を印加するという点から２００μｍ以下、特に、１５０μｍ以下がより望ましい。一方、圧電体層１に印加される電気エネルギーの飽和時間を短縮して駆動性を高めるという点で、５０μｍ以上、特に、７０μｍ以上が望ましい。また、積層数は２００層以上が好ましい。積層型圧電素子は電圧を印加して、より大きな変位量を得るために積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を増加させた場合に圧電積層体３中の圧電体層１の厚みが厚すぎるとアクチュエータの小型化、低背化ができなくなり、一方、圧電積層体３中の圧電体層層１の厚みが薄すぎると、上記の理由とともに絶縁破壊しやすいからである。

本発明の圧電体層１を構成する結晶粒子では、特に、その平均粒径が５μｍ以下、特に、３μｍ以下がより望ましい。

一方、本発明の導体層の厚みは５μｍ以下、特に、４μｍ以下がより好ましい。上記の導体層２では、これを構成する金属成分がＶＩＩＩ族金属、Ｉｂ族金属のうちのいずれか、またはＶＩＩＩ族金属およびＩｂ族金属の両方を主成分としたことが望ましく、特に、ＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１質量％、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２質量％としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、Ｍ１＋Ｍ２＝１００質量％の関係を満足することが望ましく、特に、３≦Ｍ１≦８、９２≦Ｍ２≦９７がより望ましい。

ここで、ＶＩＩＩ族金属はＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種、Ｉｂ族金属はＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であること、特に、ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であること、さらには、ＶＩＩＩ族金属がＮｉであること、または、Ｉｂ族金属がＣｕであることがより望ましい。

また、本発明の内部電極層２は、無機成分を含有してなり、その無機成分の成分は圧電体層１と同じ成分であることが好ましく、さらには、この無機成分の平均粒径は、圧電体層１の平均粒径よりも小さいことが好ましい。

そして、本発明の積層型圧電素子では、圧電体層１を構成する結晶粒子７の、駆動前後の配向度ｆの変化率が５％以内であることが重要であり、特に、連続駆動１０^９回以上を達成するという点で３％以内がより好ましく、このような積層型圧電素子では、駆動回数が、荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０^９回以上であることが噴射装置などの信頼性を得るために望ましい。

これに対して、圧電体層１を構成する結晶粒子７の、駆動前後の配向度ｆの変化率が５％よりも大きくなるような場合には、連続駆動での一様な圧電特性が得られないばかりか耐久時間も短くなる。

図２は、本発明の積層型圧電素子を製造するための工程図である。本発明の積層型圧電素子の代表例である積層型圧電アクチュエータについてその製法を詳述する。本発明の積層型圧電素子は、（ａ）先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３などの圧電体セラミックスの仮焼粉末（セラミック粉末）と、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などの有機高分子からなる有機バインダと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、例えばスリップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシート２１を作製する。

本発明では、圧電体層１をなす仮焼粉末である圧電粉末の平均粒径は０．３〜０．８μｍであることが望ましい。圧電粉末の平均粒径を０．３μｍ以上とすることにより、グリーンシート２１の作製時の乾燥クラック発生防止のために必要な有機バインダを少量とすることができる。

一方、圧電粉末の平均粒径を０．８μｍ以下とすることにより、焼成時の焼結を充分に行うことができ、磁器強度を高くでき、例えば積層型圧電素子において電界により発生する応力によるクラックの発生を抑制できる。

また、グリーンシート２１の厚みは絶縁強度を向上させるという理由から９０μｍ以上、特には、１００μｍ以上であることが望ましい。

（ｂ）次に、作製されたグリーンシート２１を所定の寸法に打ち抜いた後、グリーンシート２１の片面に、導体層２となる、例えば、Ａｇ−Ｐｄ及び溶媒を含有する導体ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷し、乾燥させて導体パターン２３を形成する。この場合、本発明においては、導体ペースト中にセラミック粉末を共材として混合することが望ましい。

なお、本発明の製法に用いる導体パターン２３は矩形状をなしており、矩形状のグリーンシート２１よりも小さい面積を有しており、一部導体パターンの非形成領域を有する。

（ｃ）次に、導体パターン２３が形成されたグリーンシート２１を、導体パターンの一辺が積層成形体２３の対向する側面に交互に露出するように所定の枚数だけ積層して、圧電素子の活性部となる積層成形体２３ａを作製し、この積層成形体２３ａの上下面に、導体ペーストが印刷されていないグリーンシート２１を複数積層して不活性となる不活性部成形体２３ｂを積層し、圧電積層成形体２３を作製する。次に、この圧電積層成形体２３を加熱を行いながら加圧を行い、圧電積層成形体２３を一体化する。

一体化された圧電積層成形体は所定の大きさに切断された後、大気中において４００〜８００℃で５〜４０時間の脱脂を行ない、この後、９００〜１２００℃において２〜５時間で本焼成が行われ、図１に示すような積層圧電体３が形成される。

尚、本発明においては、焼成は、例えば、導体層２中のＡｇ比率を高め、低コスト化を図るという点で、１０００℃以下、特に、９８０℃以下で行うことがより望ましい。

次に、この圧電積層体３の端面にＡｇ−ガラスを含む外部電極ペーストを塗布し、５００〜９００℃の温度で熱処理して、図１に示すような外部電極４を形成する。この場合、熱処理の工程において、熱処理の最高温度からの冷却速度は、デラミネーションやクラックを抑制できるという点で、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、ｔ／３（℃／分）以下であること、さらには、熱処理からの冷却時に、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、０．８ｔ〜１．２ｔの温度域の冷却速度がｔ／３（℃／分）以下であることがより望ましい。キュリー温度より高い温度では圧電体層１が立方晶であり、キュリー温度より低い温度では菱面体晶若しくは正方晶となるため、結晶層の変化する温度域においては冷却速度を速くすると結晶層が変化することによる内部応力により分極した結晶が変化するためである。

通常、例えば、導体層２にＡｇを含む場合には、焼成時に圧電体層側へ拡散する。Ａｇが拡散すると圧電体層の磁器との相互拡散により、磁器中に酸素欠陥が形成される。酸素欠陥は連続駆動時に酸素空孔イオンとなり、圧電体層を構成するＢサイト（Ｚｒ、Ｔｉ）イオンの変位方向に影響を与え、磁器の配向性が経時変化する。これに対して、本発明では、下記の条件にて十分な分極が行われているために磁器の配向性の経時変化が抑制される。

図３は、本発明の分極処理の工程を示す模式図である。つぎに、図３に示したように、素子の分極を行う。本発明の積層型圧電素子は、下記の工程を経て分極処理することが重要である。即ち、温度１００〜４００℃に加温したオイルバス中に浸漬し、この素子の一対の外部電極４に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、圧電体層を構成する結晶粒子が十分に分極した後、このまま印加電圧を保持した状態でキュリー点以下、室温まで冷却する。この後電界を落とす。このような分極処理をすることによって、製品としての積層型圧電素子が完成する。

ここで、格子定数の比であるｃ／ａの分極前後の変化率が０．５％以下であることが望ましい。ｃ／ａの変化率が０．５％より大きいと、分極時に発生する応力により、導体層２と圧電体層１との間で剥離が起こるためである。本発明では、分極時の応力による剥離を防止するため、ｃ／ａの変化率は０．２％以下がより望ましい。ここで、格子定数の比ｃ／ａは、ＸＲＤ回折パターンから面指数（２００）のピークより格子定数ａを求め、同様に面指数（００２）のピークより格子定数ｃを求め、これらの値よりｃ／ａを求める。

以上のような製造方法を用いることにより、圧電体層１を構成する結晶粒子の、駆動前後の配向度の変化率を５％以内とすることが可能となる。

尚、本発明の積層型圧電素子の製法は、積層型圧電トランス、積層型コンデンサ、積層型圧電アクチュエータ等の積層型電子部品の製法に好適に用いられる。特に、高電界にて連続駆動される、圧電セラミックスを用いた積層型圧電アクチュエータにおいては、本発明の積層型圧電素子の製法は好適に用いられる。なお、駆動試験条件は、荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０^９回以上とすることが望ましい。

次に、上記の積層型圧電素子により構成される噴射装置について説明する。図４は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。

噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、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内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。

また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、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を有している。そして、収納容器３１内には、噴射装置において圧電アクチュエータとなる積層型圧電素子４３が収納されている。

このような噴射装置では、圧電アクチュエータ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アクチュエータ４３が収縮し、皿バネ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。

チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３からなるキュリー温度３００℃、粒径０．７μｍの圧電粉末と、ブチラール樹脂からなる有機バインダと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０μｍのグリーンシートを作製した。

このグリーンシートの片面に、図２に示したように、導体層となるＡｇ−Ｐｄ成分で所定組成を有する金属粉末と、有機樹脂および溶媒を含有する導体ペーストをスクリーン印刷法により４μｍの厚みに印刷し、導体パターンを形成した。次に、導体パターンが形成されたグリーンシートを３０枚積層し、この積層体の上下面に、導電性ペーストを塗布していないグリーンシートを５枚ずつ積層し、図２に示すような構造の積層成形体を作製した。

次に、この積層成形体を金型内に配置し、９０℃で加熱を行いながら静水圧プレスにより１００ＭＰａの加圧を行い一体化した。

これを１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、１１３０℃において２時間本焼成を行い、圧電積層体を得た。こうして作製した圧電積層体を構成する圧電体層の厚みは１２０μｍ、導体層の厚みは３μｍであった。焼成での降温はキュリー温度をｔとした時に、最高温度からｔ／３（℃／分）の速度で行った。

その後、活性部の対向する側面に、銀を主成分とするＡｇガラスペーストを塗布し、７５０℃で１時間の加熱後、表１に示す冷却速度でそれぞれ熱処理を完了することにより外部電極を形成した。

その後、温度４００℃に設定して加温したオイルバス中に浸漬し、この素子の一対の外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１時間印加し、圧電体層を構成する結晶粒子が十分に分極した後、このまま印加電圧を保持した状態でキュリー点以下、室温まで冷却することにより積層型圧電素子を作製した。また、結晶粒子の配向度は分極直後と１０^９回の駆動試験後にＸ線回折法により求めた。このときの格子定数の比ｃ／ａの変化率を表１に示した。実効的な圧電歪定数の評価は、防震台上に固定した積層型圧電素子試料に対し積層方向に１５０ｋｇｆの予荷重を加えた状態で、０〜２００Ｖの電圧を印加し、その時の積層型圧電素子試料の全長の変化量を測定し、この変化量を積層数および印加電圧で除することにより算出した。キュリー温度は、圧電磁器の静電容量の温度特性を測定して求めた。高温耐久試験は、高温槽を用いて、１５０ｋｇｆの荷重を印加した状態で、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて１０^９回までの繰り返し駆動を行った。

一方、上記の積層型圧電素子を、従来の分極処理を経て作製したものを比較例とした。結晶粒子径は電子顕微鏡観察により求めた。

この表１から、本発明の分極処理を行い、圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動前後の配向度の変化率が５％以内であった試料Ｎｏ．２〜６では、本発明の駆動試験条件においても、連続駆動後の変位量が１０％以内で良好な結果であった。

これに対して、駆動前後の配向度の変化率が５％より大きかった試料Ｎｏ．１では、連続駆動後の変位量が１０％を超え１５％であった。

本発明の積層型圧電素子の断面図である。本発明の積層型圧電素子を製造するための工程図である。本発明の分極処理の工程を示す模式図である。本発明の噴射装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・圧電体層
２・・・導体層
２１・・・グリーンシート
２２・・・導体パターン
２３・・・圧電積層体

Claims

圧電体層と導体層とが交互に積層してなる積層型圧電素子において、前記圧電体層を構成する結晶粒子の、駆動回数が荷重１５０ｋｇｆ、温度１５０℃、周波数５０Ｈｚの条件にて繰り返しで１０ ^９回以上の駆動前後の格子定数（ｃ／ａ）の変化率が５％以内であることを特徴とする積層型圧電素子。
前記結晶粒子の平均粒径が２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
前記圧電体層の厚みが２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
積層数が２００層以上であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記導体層の厚みが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記導体層中の金属成分がＶＩＩＩ族金属、Ｉｂ族金属のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記導体層中の金属成分がＶＩＩＩ族金属およびＩｂ族金属の両方を主成分としたことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記ＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１質量％、前記Ｉｂ族金属の含有量をＭ２質量％としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、Ｍ１＋Ｍ２＝１００質量％の関係を満足することを特徴とする請求項７に記載の積層型圧電素子。
前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種、前記Ｉｂ族金属がＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種、前記Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子。
前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
前記Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする請求項９に記載の積層型圧電素子。
前記導体層中に無機成分を含有することを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記無機成分が、前記圧電体層と同じ成分を含有することを特徴とする請求項１３に記載の積層型圧電素子。
前記無機成分の平均粒径が、前記圧電体層の結晶粒子の平均粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１３または１４に記載の積層型圧電素子。
請求項１乃至１６のうちいずれかに記載の積層型圧電素子の製法であって、圧電粉末を含むグリーンシート上に、導体パターンを形成し、次いで、該導体パターンが形成された前記グリーンシートを複数積層して圧電積層体を形成する工程と、該圧電積層体を焼成して前記積層圧電体本体を形成する工程と、該積層圧電体本体の端面に外部電極ペーストを塗布した後に熱処理して外部電極を有する積層型圧電素子を形成する工程と、前記外部電極に電圧を印加して前記積層型圧電素子を、（１）加温したオイルバスに浸漬し、（２）電圧を印加し、（３）電圧を印加した状態のままで、冷却速度が、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、ｔ／３（℃／分）以下の条件で冷却し、（４）冷却後に電圧を下げることにより分極処理する工程と、を具備することを特徴とする積層型圧電素子の製法。
前記圧電粉末の平均粒径が０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の積層型圧電素子の製法。
焼成温度が１０００℃以下であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の積層型圧電素子の製法。
結晶粒子の格子定数の比であるｃ／ａの変化率が０．５％以下となるように分極処理することを特徴とする請求項１６乃至１８のうちいずれかに記載の積層型圧電素子の製法。
前記分極処理する工程において、前記圧電体層のキュリー温度をｔ（℃）としたとき、０．８ｔ〜１．２ｔの温度域の冷却速度がｔ／３（℃／分）以下であることを特徴とする請求項１６乃至１９のうちいずれか記載の積層型圧電素子の製法。
噴射口を有する収納容器と、該収納容器に収納された請求項１乃至１５のうちいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。