JP2005129871A - 積層型圧電素子及びこれを用いた噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電界、高圧力下で使用した場合でも変位のばらつきが小さく、また長期間連続駆動させた場合でも変位量の変化が小さく、信頼性、耐久性に優れた積層型圧電素子及び噴射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐセラミックからなる柱を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨ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、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧電素子および噴射装置に関するものである。

従来より、積層型圧電素子としては、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。

図５は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、この積層型圧電アクチュエータでは、圧電体５１と内部電極５２が交互に積層されて積層体５３が形成され、その積層方向における両端面には不活性層５５が積層されている。内部電極５２は、その一方の端部が積層体５３の側面に左右交互に露出しており、この内部電極５２の端部が露出した積層体５３の側面に、外部電極７０が形成されている。内部電極５２の他方の端部は絶縁体６１により被覆され、外部電極７０とは絶縁されている。

また、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータは、圧電体の仮焼粉末と有機バインダーからなるセラミックグリーンシートに、銀−パラジウム粉末にバインダーを添加混合した内部電極ペーストを印刷したものを所定枚数積層して得られた積層成形体について、所定の温度で脱脂を行った後、焼成することによって、積層体を得ていた。

従来の圧電体は、焼成温度として１２００〜１３００℃の温度が必要であったため、高価なパラジウムの比率の高い銀−パラジウムが内部電極として用いられていた。しかしながら、最近では低温焼成化の技術が進み、１１００℃程度の温度で焼成可能な圧電体が開発されてきたが、この場合でも内部電極の融点を考慮すると、銀比率７０重量％、パラジウム比率３０重量％の銀−パラジウムが必要であった。

また内部電極が金属であるために圧電体との接合力が弱くまた、熱膨張の差による内部応力の発生により内部電極と圧電体との界面でクラックが発生したり、ひどい場合は、積層体が破壊するという問題も発生していた。そこでこの問題を解決するために、例えば特許文献１には、内部電極にセラミック粉末を混ぜ圧電体と内部電極との接合強度を増す方法が示されている。

ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するためにより高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが行われている。
特開平４−２９９５８８号公報

しかしながら、従来の積層型圧電アクチュエータでは、内部電極５２部分が圧電体５１に比べ柔らかいために圧電体５１で発生する変位の一部が吸収され、変位のばらつきが大きくなると言う問題があった。また、耐久性においても問題があり、長時間の繰り返しの使用後に変位量のばらつきが大きくなると言う問題もあった。これら問題は、上記特許文献１に示すように内部電極５２にセラミック粉末を混ぜて内部電極５２と圧電体５１との接合強度向上する方法でも解決することはできなかった。

即ち、近年のように、アクチュエータを小型化し、大きな圧力下で大きな変位量を確保するために、より高い電界を印加し、長時間連続駆動させているが、この場合、使用初期において個々のアクチュエータの変位のばらつきが問題となっている。更に、長時間の運転での変位量の変化も問題となっている。

そこで本発明は、高電界、高圧力下で使用した場合でも変位のばらつきが小さく、また長期間連続駆動させた場合でも変位量の変化が小さく、信頼性、耐久性に優れた積層型圧電素子及び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、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極を貫き、この内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けたことを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記柱と圧電体の接合部分の径が柱の最大径の５０％以上であるものの個数が全体の３０％以上を占めることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記柱の最小径の平均値が０．２μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、柱が１ｍｍ当り５〜１５０本存在することを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、柱と圧電体との熱膨張差が３×１０^−５／℃以下であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、柱が圧電体と同じ材料からなることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記内部電極中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属及び／又はＩｂ族金属を主成分とすることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓの内少なくとも一種以上であり、前記Ｉｂ族金属がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの内少なくとも一種以上であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄの内少なくとも一種以上であり、前記Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕの内少なくとも一種以上であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたものであることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、前記溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする。

また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電素子と、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することを特徴とする。

このように、本発明の積層型圧電素子によれば、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けることで、個々の変位量のばらつきを小さくすることができ、さらに、長時間の連続運転後も変位量の変化が小さい、高信頼性で耐久性の向上した圧電アクチュエータを提供することができる。

更には、積層型圧電素子の変位のばらつきが小さく、連続駆動させてもその変位量の変化が小さいことから、耐久性に優れ、高信頼性の噴射装置を提供することができる。

図１は本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータの実施例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。また、図２は、内部電極２部分の断面図である。

本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータは、図１に示すように、複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる四角柱状の積層体１０の側面において、内部電極２の端部を一層おきに絶縁体３で被覆し、絶縁体３で被覆していない内部電極２の端部に、銀を主成分とする導電材とガラスからなり、且つ３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極４を接合し、各外部電極４にリード線６を接続固定して構成されている。上記積層体が必ずしも四角柱である必要は無く、円柱、多角柱等さまざまな形が考えられる。

圧電体１の間には内部電極２が配されているが、この内部電極２は銀−パラジウム等の金属材料で形成されており、各圧電体１に所定の電圧を印加し、圧電体１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有している。

これに対して、不活性層９は内部電極２が配されていない複数の圧電体１の層であるため、電圧を印加しても変位を起こさない。

また、積層体１０の対向する側面には外部電極４が接合されており、この外部電極４には、積層されている内部電極２が一層おきに電気的に接続されているため、接続されている各内部電極２に圧電体１を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給することができる。

さらに、外部電極４にはリード線６が半田等により接続固定されているため、外部電極４を外部の電圧供給部に接続することができる。

そして本発明の積層型圧電アクチュエータでは、図２に示すように、内部電極２を貫き挟んで対向する圧電体１をつなぐ複数の柱２０が設けられている。このように、圧電体１間に例えば、セラミックのように硬い物質で柱２０を形成することにより、内部電極２の剛性が向上し、内部電極２で起こる変位量の吸収が少なくなるため、変位量が安定化する。その結果、各製品の変位量のばらつきが小さくなり、信頼性を向上することができる。また、長時間の使用後の変位量の変化も小さくなり、耐久性を向上することができる。

また、図２に示すように柱２０と圧電体１との接合部分２２の径Ｂが柱２０の最大径Ａの５０％以上であるような柱２０の個数が全体の３０％以上を占めることが好ましい。これは、柱２０と圧電体１との接合部分２２の径Ｂが柱２０の最大径Ａの５０％以上であるような柱２０の個数が３０％以上を占めることにより、柱２０と圧電体１の強度が大きくなり、また剛性も大きくなるので、内部電極２で起こる変位量の吸収が少なくなり、変位量が安定化するためである。その結果、各製品の変位量のばらつきが小さくなり、信頼性を向上することができる。また、長時間の使用後の変位量の変化も小さくなり、耐久性を向上することができる。同様の理由から、柱２０と圧電体１との接合部分２２の径Ｂが柱２０の最大径Ａの５０％以上である柱２０の個数が５０％以上であることがより好ましい。

ここで、測定方法について説明する。図２のように積層型圧電素子の内部電極２付近の断面写真において１ｍｍ程度の長さを測定し、各柱２０について最大径Ａと圧電体１との接合部分の径Ｂを測定し、（Ｂ／Ａ）×１００の計算をして、個々の柱２０に関して、柱２０の最大径Ａと柱２０と圧電体１との接合部分２２の径Ｂの割合を求めた。そして、その値が５０％以上のものの個数が測定した数の何％あるかを計算した。このようなことを、１０箇所行って平均を取って数値として表した。

また、本発明では、柱２０の最小径の平均値が０．２μｍ以上であることが好ましい。更に０．３μｍ以上であることがより好ましい。このようにすることで、柱２０の強度が大きくなり、破壊しにくくなるため、変位量のばらつきを小さくし、連続使用後の変位量の変化も小さくなり、信頼性と耐久性が向上する。

また、本発明の積層型圧電素子では、内部電極２付近の断面において、柱２０が１ｍｍ当り５〜１５０本存在することが好ましい。また、１０〜１００本存在することがより好ましい。これは、柱２０の数を上記のようにすることで、剛性を高めることができ、変位量のばらつきの小さい信頼性に優れた積層型圧電素子が得られるためである。柱２０の数が５本より少ないと上記の効果が小さくなり、一方、柱２０の数が１００本より多いと内部電極２の抵抗が大きくなり電極が加熱するなど電極としての機能が低下する。

さらに、柱２０と圧電体１との熱膨張差が３×１０^−５／℃以下、特に２×１０^−５／℃であることが好ましい。これにより、圧電体１と柱２０の間での内部応力が小さくなり、界面での接合強度が大きくなり耐久性が向上できる。熱膨張差が３×１０^−５／℃以下の場合としては、圧電体１にＰＺＴを用いた場合、柱２０の材料は、ＰＺＴ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等を用いることができる。

更には、柱２０が圧電体１とが同じ材料から成ることが好ましい。これにより、柱２０と圧電体１との間で発生する内部応力は、更に小さくなり、界面での接合強度が大きくなり耐久性が向上できる。

前記柱２０の形成は、製造工程で予め内部電極２中に上記柱２０を成す材料の粉末を混合しておき、昇温中に焼成の最高温度の８０％以上の温度で、一回以上保持することによって達成される。つまり、従来の焼成とは異なり、脱脂をした後に、最高焼成温度の８０％以上で一旦保持することにより、内部電極２に混合された柱２０を成す材料の粉末が周囲の金属組成物の影響を受け、粒成長を生じやすい状態となり、最高焼成温度で焼成することで粒成長が対向する圧電体１の間を連結することで、内部電極２を貫き、内部電極２を挟んで対向する圧電体１をつなぐ柱２０を形成することができる。内部電極２に添加する柱２０の材料粉末の添加量は、５〜４０重量％が適当である。４０重量％よりも多くなると電極の抵抗が上がり過ぎ、加熱する可能性があり、また５重量％より小さいと柱を十分に設けることができず、内部電極の剛性を向上する効果が小さくなり、信頼性及び耐久性を十分に向上させることができなくなる。

本発明の内部電極２中の金属組成物は、ＶＩＩＩ族金属とＩｂ族金属からなるのがよい。上記の金属組成物は耐熱性があることから、圧電体１と内部電極２を同時焼成することができる。

そして、本発明の内部電極２中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％、）Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、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。

本発明の内部電極２を成す金属成分の主成分の組成比を上記範囲に限定したのは、次の理由による。即ち、Ｍ１を０．００１以上１５以下としたのは、０．００１未満では内部金属Ｍ２元素が圧電体中へマイグレーションし、また１５を越えると、内部電極２の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極２部が発熱して、電極と磁器界面が劣化することで、駆動中にデラミネーションが発生するからである。特にデラミネーションを防止して積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、Ｍ１は０．１以上１０以下が好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合は０．５以上９．５以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は２以上８以下がさらに好ましい。

また、Ｍ２を８５以上９９．９９９以下としたのは、９９．９９９を超えると内部金属Ｍ２元素は圧電体１中へのマイグレーションし、また８５未満では、内部電極２の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極２部が発熱して、電極と磁器界面が劣化することで、駆動中にデラミネーションが発生するからである。特に積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、Ｍ２は、９０以上９９．９が好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は９０．５以上９９．５以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は９２以上９８以下がさらに好ましい。

これら、内部電極２中の金属成分の重量％を示すＭ１、Ｍ２はＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法等の分析方法で特定できる。

また、本発明の内部電極２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＣｕ，Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることが好ましい。これは、近年における合金粉末合成技術において量産性に優れた金属組成であるからである。

上記内部電極２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種以上であり、Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕのうち少なくとも１種以上であることが、より好ましい。これにより、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極２の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極２部の発熱を抑制することができるからである。更には、内部電極２の含有する金属成分が、Ｉｂ族金属であるＡｇを主成分とし、ＶＩＩＩ族金属であるＰｔ、Ｐｄのうち１種以上を含有することが好ましい。

更に、上記内部電極２中の金属成分は、ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることが、より好ましい。これにより、耐酸化性に優れた電極を形成することができ、連続駆動させても内部電極２の抵抗が劣化しにくく、耐久性を向上することができるからである。

また、本発明の圧電体１がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。これは、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を代表とするペ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_３３が高いことから、変位量を大きくできる。さらに、優れた圧電素子として機能するとともに圧電体と内部電極を同時焼成することができる。

また、本発明の圧電体がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。

これにより、このような積層型圧電素子では、さらに圧電歪み定数ｄ_３３が高いことから、変位量を大きくできる。

また、本発明の積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極とが交互に構成されており、該端部が露出していない内部電極と外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、この溝内に、圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が形成されていることが好ましい。

これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。

また、図３に示すように外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体からなるのが望ましい。外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体で構成されていなければ、外部電極４はフレキシブル性を有しないため、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従できなくなるので、外部電極４の断線や外部電極４と内部電極２の接点不良が生じる場合がある。ここで、３次元網目構造とは、外部電極４にいわゆる球形のボイドが存在している状態を意味するのではなく、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が、比較的低温で焼き付けられている為に、焼結が進みきらずにボイドがある程度連結した状態で存在し、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が３次元的に連結、接合した状態を示唆している。

あるいは、外部電極４中の空隙率が３０〜７０体積％であることが望ましい。ここで、空隙率とは、外部電極４中に占める空隙４ａの比率である。これは、外部電極４中の空隙率が３０体積％より小さければ、外部電極４が積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力に耐えきれずに、外部電極４が断線する可能性がある。また、外部電極４中の空隙率が７０体積％を超えると、外部電極４の抵抗値が大きくなるため、大電流を流した際に外部電極４が局所発熱を起こして断線してしまう可能性がある。

さらに、外部電極４の圧電体１側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極４中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極４が圧電体１との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。

また、外部電極４を構成するガラスの軟化点（℃）が、内部電極２を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であることが望ましい。これは、外部電極４を構成するガラスの軟化点が、内部電極２を構成する導電材の融点の４／５を超えると、外部電極４を構成するガラスの軟化点と内部電極２を構成する導電材の融点が同程度の温度になるため、外部電極４を焼き付ける温度が必然的に内部電極２を構成する融点に近づくので、外部電極４の焼き付けの際に、内部電極２及び外部電極４の導電材が凝集して拡散接合を妨げたり、また、焼き付け温度を外部電極４のガラス成分が軟化するのに十分な温度に設定できないため、軟化したガラスによる十分な接合強度を得ることができない場合がある。

さらに、外部電極４を構成するガラスを非晶質にすることが望ましい。これは、結晶質のガラスでは、積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力を外部電極４が吸収できないので、クラック等が発生する場合がある。

さらに、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。これは、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも厚いと、外部電極４の強度が増大するため、積層体１０が伸縮する際に、外部電極４と内部電極２の接合部の負荷が増大し、接点不良が生じる場合がある。

さらに、外部電極４の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材７を設けることが望ましい。外部電極４の外面に導電性補助部材７を設けないと、積層体１０に大電流を流して駆動する際に、外部電極４が大電流に耐えきれずに局所発熱してしまい、断線する可能性がある。

また、外部電極４の外面にメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を使用しないと、積層体１０の伸縮による応力が外部電極４に直接作用することにより、駆動中の疲労によって外部電極４が積層体１０の側面から剥離しやすくなる可能性がある。

さらに、導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。これは、ポリイミド樹脂を使用することにより、積層体１０を高温下で駆動させる際にも、比較的高い耐熱性を有するポリイミド樹脂を使用することによって、導電性接着剤が高い接着強度を維持しやすい。

さらに、導電性粒子が銀粉末であることが望ましい。これは、導電性粒子に比較的抵抗値の低い銀粉末を使用することによって、導電性接着剤における局所発熱を抑制しやすい。

また、本発明の積層型圧電素子は単板あるいは積層数が１またはそれ以上からなることが好ましい。これにより、素子に加えられた圧力を電圧に変換することも、素子に電圧を加えることで素子を変位させることもできるため、素子駆動中に予期せぬ応力を加えられたとしても、応力を分散して電圧変換することで、応力緩和させることができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。

さらに、図４は、本発明の積層型圧電素子を用いた噴射装置を示すもので、噴射孔３３を有する収納容器３１と、この収納容器３１に収容された圧電アクチュエータ４３と、この圧電アクチュエータの駆動により噴射孔３３から液体を噴出させるバルブ３５を有している。

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、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、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となっている。

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。

これにより、噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子において、連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、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。

本発明品の積層型圧電素子の製造方法について以下に説明する。

本発明の積層型圧電素子は、まず、積層体１０を作製する。複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層して成る積層体１０は、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物等の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）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１となるセラミックグリーンシートを作製する。

次に、例えば、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末に柱２０の材料としてＰＺＴ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等のセラミック粉末をいずれか一種以上とバインダー、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１〜４０μｍの厚みに印刷する。

そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、この積層体について所定の温度で脱バインダーを行った後、最高温度の８０％以上の温度で一旦保持した後、最高温度である９００〜１２００℃で焼成する。最高温度の８０％以上での保持時間は０．２５ｈより長い方が好ましい。更に２段以上のステップを設けても良い。例えば、最高保持温度の８０％と９０％で保持を入れて多段のパターンで加熱しても良い。柱の成長を促すためには、最高保持温度の８０％以上で一旦保持することが必要である。これにより、対向する圧電体を強固に結合することができる。９００℃以上１２００℃以下に限定したのは、９００℃より低温では、緻密な圧電体を作製することができず、１２００℃を超えると焼成時の電極の収縮と圧電体の収縮のずれを起因とした応力が大きくなり、連続駆動時にクラックが発生する理由からである。

また、電極中の組成のずれが焼成前後で５％以下であることが好ましい。これにより、電極が硬くなることを抑制することができる。これによって積層体１０が作製される。

その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極２とが交互に構成して、該端部が露出していない内部電極２と外部電極４間の圧電体１部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体１よりもヤング率の低い、例えば樹脂またはゴム等の絶縁体を形成させる場合には、内部ダイシング装置等により柱状積層体１０の側面に一層おきに溝３を形成する。

外部電極４を構成する導電材はアクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。

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６〜９ｇ／ｃｍ^３に制御し、このシートを、柱状積層体１０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℃）以下の温度で、且つ焼成温度（℃）の４／５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４を形成することができる。

なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極２を拡散接合させ、また、外部電極４中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極４と積層体１０側面とを部分的に接合させるという点から、５５０〜７００℃が望ましい。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、５００〜７００℃が望ましい。

焼き付け温度が７００℃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４が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極４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４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。

一方、焼き付け温度が５５０℃よりも低い場合には、内部電極２端部と外部電極４の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に内部電極２と外部電極４の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。

なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、アクチュエータの伸縮に追従するという点から、５０μｍ以下がよい。

次に、外部電極４を形成した積層体１０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１０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１０を引き上げ、積層体１０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１０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。

その後、外部電極４にリード線を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。

そして、リード線を介して一対の外部電極４に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体４を分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、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４を介して内部電極２に電圧を印加させれば、各圧電体１は逆圧電効果によって大きく変位し、これによっ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。

以上のように構成された積層型圧電素子は、内部電極２の剛性が高くなり、また、接合強度が向上するので、内部電極での変位量の吸収を少なくき、更に連続駆動させても、デラミネーションが発生しないので、変位量が実効的に変化せず、ゆえに、装置が誤作動することなく、高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。

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く、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。

また、上記例では、柱状積層体１０の対向する側面に外部電極４を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極を形成してもよい。

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く、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨ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、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、用いることが可能であることは言うまでもない。

実施例
本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み１５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、で形成し、これに、内部電極は厚み３μｍにて形成し、圧電体及び内部電極の各々の積層数は３００層とした。内部電極には、表１に示すような金属（例えば９０Ａｇ−１０Ｐｄ）とセラミック等の粉末の混合物を用いた。セラミック等の粉末の粒径は、１．５μｍ以下の柱を成す粒子はアスペクト比が３以下のものを用いた。その後、積層体は４００〜７００℃で脱脂した後、８５０℃で２０分保持した後に１０００℃保持し焼結体を得た。内部電極の金属組成物がＮｉの場合は、積層体は４００〜７００℃で脱脂した後、１０５０℃で２０分保持した後に１２００℃保持し焼結体を得た。

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

次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末を９０体積％と、残部が平均粒径２μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６４０℃の非晶質のガラス粉末１０体積％との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計重量１００質量部に対して８質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。このシートの生密度をアルキメデス法にて測定したところ、６．５ｇ／ｃｍ^３であった。

次に、前記銀ガラスペーストのシートを柱状積層体の外部電極面に転写し、６５０℃で３０分焼き付けを行い、３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極を形成した。なお、この時の外部電極の空隙率は、外部電極の断面写真を画像解析装置を用いて測定したところ４０％であった。

その後、外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して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からなる積層型圧電アクチュエータを作製した。

得られた積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに１７０Ｖの直流電圧を印加し、それぞれの試料における変位量を測定し、そのばらつきを計算して、表１に示した。さらに、この積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに室温で０〜＋１７０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った。

駆動回数が１×１０^９回に達した積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータに１７０Ｖ印加の直流電圧を印可し、それぞれの試料における変位量を測定し、駆動試験前後の変位量の変化を算出した。計算は、駆動試験前の変位量を分子とし、駆動試験後の変位量を分母とし、これに１００を乗じて％で表した。

尚、内部電極を貫き圧電体間をつなぐ柱の径、個数は、下記のようにして測定した。

接合部分が最大径の５０％以上である柱の割合については、図２のように積層型圧電素子の内部電極２付近の断面写真において１ｍｍの長さを測定し、各柱２０について最大径Ａ、柱２０と圧電体１の接合部分２２の径Ｂを測定し、（Ｂ／Ａ）×１００の計算をして、柱２０の最大径Ａと柱２０と圧電体１との接合部分２２の径Ｂの割合を求めた。そして、その値が５０％以上のものが測定した数の何％あるかを計算した。このようなことを、１０箇所行って平均を取って数値として表した。また、柱の最小径は、上記と同様の測定で行った。また測定は１０箇所で行った。

以上の結果及び内部電極の材質、圧電体と柱との熱膨張差等を表１に示した。

内部電極を貫き、内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けた本発明品の試料Ｎｏ．１〜２５は、初期の変位量のばらつきは１０％以下で、比較例（Ｎｏ．２６）に比べて小さかった。また、連続耐久試験後の変位量の変化も５％以下と小さく、比較例に比べ信頼性及び耐久性に優れることがわかった。

特に接合部分が最大径の５０％以上である柱の個数が３０％以上の場合である試料Ｎｏ．２〜２５は、初期の変位量のばらつきが８％以下、連続耐久試験後の変位量の変化も４％以下と更に小さく、信頼性及び耐久性が更に優れることがわかった。

更に接合部分が最大径の５０％以上である柱の個数が５０％以上、柱の最小径の平均値が０．２μｍの場合である試料Ｎｏ．３〜５及び７〜２５は、初期の変位量のばらつきが７％以下と更に小さく、信頼性が更に優れることがわかった。

一方、本発明の範囲外である柱を設けていない試料Ｎｏ．２６は、初期の変位量のばらつきが２０％と悪くまた、連続耐久試験後の変位量の変化も１０％と悪く、信頼性及び耐久性において本発明品に比べ劣っていた。

本発明の積層型圧電素子は、圧電トランスに利用できる。また、本発明の積層型圧電素子は、自動車用燃料やインクジェットプリンタのインク等の噴射装置、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用いられる積層型圧電アクチュエータに利用できる。さらに、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨ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、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧電素子に利用できる。

本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 本発明の積層型圧電素子の一部を示す断面図である。 外部電極の外面に導電性補助部材を形成した積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）断面図である。 本発明の噴射装置を示す断面図である。 従来の積層型圧電アクチュエータの側面図である。

符号の説明

１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・絶縁体
４・・・外部電極
６・・・リード線
７・・・導電性補助部材
９・・・不活性層
１０・・・積層体
２０・・・柱
２２・・・柱と圧電体の接合部分
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ

Claims (15)

1. 圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極を貫き、この内部電極を挟んで対向する圧電体をつなぐ柱を設けたことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 上記柱と圧電体の接合部分の径が柱の最大径の５０％以上であるものの個数が全体の３０％以上を占めることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 上記柱の最小径の平均値が０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型圧電素子。
4. 上記柱が１ｍｍ当り５〜１５０本存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 上記柱と圧電体との熱膨張差が３×１０^−５／℃以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 上記柱が圧電体と同じ材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 上記内部電極中の金属組成物がＶＩＩＩ族金属及び／又はＩｂ族金属を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 上記内部電極中のＶＩＩＩ族金属の含有量をＭ１（重量％）、Ｉｂ族金属の含有量をＭ２（重量％）としたとき、０．００１≦Ｍ１≦１５、８５≦Ｍ２≦９９．９９９、Ｍ１＋Ｍ２＝１００を満足することを特徴とする請求項７記載の積層型圧電素子。
9. 前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓの内少なくとも一種以上であり、前記Ｉｂ族金属がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの内少なくとも一種以上であることを特徴とする請求項７乃至８のいずれかに記載の積層型圧電素子。
10. 前記ＶＩＩＩ族金属がＰｔ、Ｐｄの内少なくとも一種以上であり、前記Ｉｂ族金属がＡｇ、Ａｕの内少なくとも一種以上であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
11. 前記ＶＩＩＩ族金属がＮｉであり、Ｉｂ族金属がＣｕであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の積層型圧電素子。
12. 前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の積層型圧電素子。
13. 前記圧電体がＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたものであることを特徴とする請求項１２記載の積層型圧電素子。
14. 前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、前記溝に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
15. 噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項１乃至１４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。

Images