JP3860746B2

JP3860746B2 - 積層型圧電素子及び噴射装置

Info

Publication number: JP3860746B2
Application number: JP2001393083A
Authority: JP
Inventors: 進小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003197991A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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用いられる積層型圧電素子及び噴射装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子が提案されている。積層型圧電素子には、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素子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。
【０００３】
同時焼成タイプの積層型圧電素子は、従来、先ず、圧電材料を含有するグリーンシートと内部電極材料を含有する内部電極パターンが交互に積層された活性部成形体の上下面に、上記グリーンシートを複数積層して形成された不活性部成形体が積層された素子本体成形体を作製する。この素子本体成形体の側面に露出した内部電極パターンの端部部分に、交互に凹溝を形成し、素子本体成形体の対向する側面に内部電極パターンの端部が交互に露出するように、前記凹溝内に絶縁体を充填し、焼成し、素子本体を作製する。
【０００４】
この後、素子本体の内部電極が交互に露出した側面及び不活性部の側面に、金属粉末とガラスフリットを含有するペーストを塗布して焼き付け、内部電極と交互に接続される外部電極が素子本体の側面（活性部及び不活性部の側面）に接合されていた。
【０００５】
この外部電極は、外部電極を構成する金属粉末と内部電極材料が拡散して接合するとともに、外部電極を構成するガラスフリット中のＳｉが活性部の圧電体、及び不活性部に拡散することにより、素子本体に接合されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の積層型圧電素子においては、不活性部には内部電極が存在しないため、不活性部と外部電極との接合は、外部電極を構成するガラスフリット中のＳｉが不活性部に拡散することによってのみ行われており、外部電極と活性部との接合強度に比べて、外部電極と不活性部との接合強度が弱く、駆動中に外部電極の不活性部側端から剥離が発生し易いという問題があった。
【０００７】
即ち、積層型圧電素子を駆動させると、活性部は逆圧電効果により変位するが、不活性部では逆圧電効果による変位が生じないため、活性部と不活性部との境界部近傍に応力が集中し、接合強度の弱い外部電極の端部、即ち外部電極の不活性部側端から剥離が発生し、これを起点とし活性部と外部電極とが剥離していき、内部電極との電気的接続が切断され、特性を低下させるという問題があった。
【０００８】
また、外部電極中のガラスフリット中のＳｉを増加させ、外部電極中のＳｉを活性部や不活性部に多量に拡散させることも考えられ、Ｓｉの過剰な拡散は活性部や不活性部の外部電極が接合される圧電体表面を脆化させ、却って外部電極の接合強度を低下させるという問題があった。特に、内部電極が存在しない不活性部と外部電極との接合強度低下が著しくなるという問題があった。
【０００９】
本発明の積層型圧電素子は、上記問題点を解決するものであり、外部電極の不活性部側端部からの剥離を防止することができ、耐久性に優れ、信頼性の高い積層型圧電体素子及び噴射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、変位する活性部と、該活性部の積層方向両端に設けられた、変位しない不活性部とからなる素子本体と、該素子本体の側面に接合され、前記内部電極が交互に接続された一対の外部電極とを具備する積層型圧電素子であって、前記外部電極と前記不活性部との接合強度が、前記外部電極と前記活性部との接合強度よりも大きく、かつ前記外部電極が、Ｓｉを含有するガラスを有するとともに、前記不活性部のＳｉ含有量が前記活性部のＳｉ含有量よりも多いことを特徴とする。
【００１１】
このような積層型圧電素子では、外部電極と不活性部との接合強度が、外部電極と活性部との接合強度よりも大きいため、駆動時の応力による外部電極の不活性部端からの剥離が防止され、耐久性及び信頼性を向上できる。
【００１２】
また、本願発明では、外部電極が、Ｓｉを含有するガラスを有するとともに、不活性部のＳｉ含有量が活性部のＳｉ含有量よりも多いものである。外部電極中のＳｉは、熱処理時に素子本体の外部電極形成面から内部に拡散していくが、不活性部に活性部よりも多くのＳｉを含有せしめることにより、活性部と外部電極との接合強度は変わらないものの、外部電極中のガラスフリットのＳｉが、活性部よりも不活性部に拡散しにくくなり、Ｓｉの不活性部内部への拡散距離が短くなり、不活性部と外部電極とのＳｉの拡散による接合強度向上効果は低下するものの、不活性部側面の脆化を抑制し、これによる接合強度の低下を著しく抑制できることから、結果的に不活性部の側面と外部電極との接合強度が著しく向上し、活性部と外部電極との接合強度よりも大きくできる。
【００１３】
一方、外部電極中に含有せしめるＳｉ量は増加させる必要がないため、活性部、不活性部の外部電極形成面の脆弱化を最小限に抑制できる。
【００１４】
外部電極中のＳｉは、Ｓｉ拡散による素子本体側面の脆弱化及び接合強度向上の点から最も接合強度が高くなるように定められるが、この場合では素子本体の脆弱化による接合強度低下は免れない。本発明では、Ｓｉを不活性部に予め含有させることによりＳｉの不活性部への拡散を最小限に抑制し、不活性部側面の脆弱化を最小限とし、従来よりも接合強度を向上させることができる。一方、圧電体にＳｉを予め含有させると圧電特性が低下するため好ましくない。
【００１５】
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してなるものである。
【００１６】
本発明の噴射装置では、積層型圧電素子において外部電極の端部からの剥離を抑制できるため、噴射装置として、耐久性及び信頼性を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の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例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’に沿った縦断面図である。
【００１８】
本発明の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活性部８と、該活性部８の積層方向外側に設けられた不活性部９とからなる四角柱状の素子本体３を有している。
【００１９】
内部電極２は、その端部が素子本体３の対向する側面（外部電極形成面）に一層おきに露出しており、この内部電極２の露出部分にそれぞれ導電部４ａが形成され、これらの導電部４ａに金属板４ｂが接合され、外部電極４が構成されている。
【００２０】
これにより、それぞれの外部電極４に、内部電極２が一層おきに電気的に接続されており、一方、外部電極４と接続されていない内部電極２の端部は絶縁体１０で被覆されている。さらに、外部電極４にはリード線１６が半田等で接続固定されている。
【００２１】
圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）或いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を主成分とする圧電セラミック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。
【００２２】
また、圧電体１の厚み、つまり内部電極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０．０５〜０．２５ｍｍであることが望ましい。これは、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活性部８中の圧電体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、活性部８中の圧電体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊しやすいからである。
【００２３】
また、素子本体３における活性部８側面の外部電極４形成面には、一層おきに深さ５０〜５００μｍ積層方向の幅３０〜２００μｍの溝が形成されており、この溝内にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等が充填されて絶縁体１０が形成されている。このように内部電極２の端部は一層おきに互い違いに溝内に充填された絶縁体１０によって絶縁され、内部電極２の絶縁されていない他方の端部は導電部４ａを介して金属板と接続されている。
【００２４】
なお、導電部４ａは内部電極２との拡散接合による接合のため銀、若しくは銀が主成分の合金と、圧電体１との拡散接合による接合のためガラス成分とを含有する必要がある。また、外部電極４としての導電性を備えるため、銀、若しくは銀が主成分の合金が外部電極４全量中の４０〜９０体積％であることが望ましい。
【００２５】
なお、外部電極４を構成する金属板４ｂの厚みｔは、アクチュエータの伸縮に追従し、金属板４ｂと導電部４ａの間、若しくは導電部４ａと内部電極２の間で断線を生じないという点から、５０μｍ以下であることが望ましい。
【００２６】
また、板状の金属板４ｂは、銀、ニッケル、銅、金、アルミニウム等の導電性を備えた金属及びそれらの合金からなり、このうち、導電部４ａとの接合強度が強く、ヤング率が低いという点から、銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【００２７】
なお、絶縁体１０は、素子本体３との接合を強固とするために、素子本体３の変位に対して追従する弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等からなることが好適である。
【００２８】
素子本体３の少なくとも１つの側面にはそれぞれ金属板４ｂが導電部４ａを介して接続固定されており、該外部電極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。この金属板４ｂは、接続されている活性部８中の各内部電極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作用をなす。
【００２９】
さらに、外部電極４にはリード線１６が半田により接続固定されているが、このリード線１６は外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【００３０】
そして、本発明では、外部電極４と不活性部９との接合強度が、外部電極４と活性部８との接合強度以上である。即ち、外部電極４と不活性部９との接合強度を、外部電極４と活性部８との接合強度以上とすることにより、駆動時の活性部８と不活性部９との境界近傍で発生する応力による、外部電極４端部からの剥離を防止することが可能となり、高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
また、本発明では、不活性部９に活性部８より多くのＳｉを含有することが望ましい。これは、不活性部９に活性部８より多くのＳｉを含有することで、外部電極４中のＳｉの不活性部９への拡散の濃度勾配の距離を低下させ、Ｓｉの過剰な拡散による不活性部９の圧電体の脆化による接合強度の低下を防止させ、外部電極４と不活性部９との接合強度が向上するためである。なお、不活性部９へのＳｉの含有量はＳｉの拡散による圧電体１の強度の低下を防ぐという点から、ＳｉＯ₂換算で、不活性部９を構成する圧電磁器の０．１〜３重量％が望ましい。特に、Ｓｉ拡散距離を小さくし、接合強度を向上するという点から０．１〜１重量％であることが望ましい。
【００３２】
以上のように構成された積層型圧電素子は、以下のプロセスにより製造される。先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、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５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００３３】
このグリーンシートの片面に内部電極２となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、活性部８の活性部成形体を形成する。
【００３４】
これとは別に、所定量のＳｉＯ₂と、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、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５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００３５】
このグリーンシートを、活性部成形体の積層方向の両端部に、所定の枚数だけ積層し、不活性部成形体を積層する。
【００３６】
次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９００〜１２００℃で２〜５時間で本焼成が行われ、素子本体３となる積層焼結体を得る。この素子本体３の側面には、内部電極２の端部が露出している。
【００３７】
その後、素子本体３の外部電極４形成側面に、ダイシング装置等により一層おきに凹溝を形成する。この凹溝が形成された素子本体３の外部電極４形成側面と、金属板４ｂとの間に、銀粉末と、Ｐｂ−Ｓｉ系、若しくはＢ−Ｓｉ系のガラス粉末からなる銀ガラスペーストを介在させ、金属板４ｂと素子本体３を２〜８０ｋＰａの圧力で圧接した状態で５００〜９００℃で熱処理することにより、銀ガラスペースト中のＳｉが活性部８の圧電体１及び不活性部９へ拡散し、また、前記銀ガラスペースト中の銀が内部電極２へ拡散し、素子本体３の側面に導電部４ａが形成されるとともに、この導電部４ａに、板状導電部材からなる金属板４ｂが接合される。
【００３８】
この後、外部電極４にリード線１６を接続し、素子の外周面に真空脱泡によるディッピング等の方法により、外装樹脂を被覆した後、０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、素子全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電素子を得る。
【００３９】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、外部電極４と活性部８との接合強度よりも、外部電極４と不活性部９との接合強度が大くなり、アクチュエータを駆動させた場合においても、活性部８と不活性部９との境界近傍で発生する応力による外部電極４の不活性部端からの剥離を防止することができ、高信頼性を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００４０】
なお、本発明の積層型圧電素子は、四角柱、六角柱、円柱等、どのような柱体であっても構わないが、切断の容易性から四角柱状が望ましい。
【００４１】
また、外部電極４として金属板４ｂを用いたが、ペーストによってのみ形成しても同様の効果を得ることができる。
【００４２】
図２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。
【００４３】
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。
【００４４】
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となっている。そして、収納容器３１内には、上記した圧電アクチュエータ４３が収納されている。
【００４５】
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。
【００４６】
【実施例】
実施例１
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、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のセラミックグリーンシートを作製した。
【００４７】
このグリーンシートの片面に内部電極となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを１００枚積層し、活性部成形体を作製した。
【００４８】
一方、前記スラリー中にＳｉＯ₂を所定量添加し、スリップキャスティング法によりセラミックグリーンシートを作製し、このセラミックグリーンシートを活性部成形体の積層方向の両端部に１０枚ずつ積層し、活性体成形体の両端面に不活性部成形体を形成し、素子本体成形体を作製した。
【００４９】
次に、この素子本体成形体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い一体化し、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℃で２時間で本焼成を行ない、素子本体となる積層焼結体を得た。
【００５０】
その後、活性部の外部電極形成側面に、ダイシング装置より一層おきに幅５０μｍ深さ２００μｍの凹溝を形成した。そして、この凹溝が形成された素子本体の外部電極形成側面と、銀を主成分とする金属板との間に、銀粉末とＢ−Ｓｉ系のガラス粉末からなる銀ガラスペーストを介在させ、外部電極を３０ｋＰａの圧力で圧接した状態で熱処理することにより、素子本体の側面に導電部を形成するとともに、該導電部を金属板に接合し、外部電極を素子本体に接合した。この後、シリコーンゴムを凹溝内に充填し、絶縁体１０を形成した。
【００５１】
得られたサンプルの素子本体へのＳｉの拡散距離を電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）にて測定した。この結果を図３に示す。また、得られた積層型圧電素子の外部電極の接合強度を測定するために、外部電極の不活性部との接合部分と、活性部との接合部分との部分を切断して分離し、各々にエポキシ樹脂により金属板を接着し、この板を引張ることで強度を測定した。活性部と不活性部との引張り強度比の結果を図３に示す。
【００５２】
図３より、不活性部中のＳｉＯ₂量の増加に伴い、Ｓｉの拡散距離が低下することがわかる。これによりＳｉの不活性部への過剰な拡散が抑制され不活性部の圧電体表面の脆弱化を防止することが可能となり、外部電極と不活性部との接合強度が向上していることがわかる。
【００５３】
また、不活性部中のＳｉＯ₂量を０．１〜３重量％とすると、拡散距離が短くなり、大きな接合強度比が得られ、特に、不活性部のＳｉＯ₂量を０．１〜１．０重量％とすることが望ましいことが判る。
実施例２
不活性部へＳｉＯ₂を全量中２重量％添加したグリーンシートを用いて、実施例１と同様に作製した積層型圧電素子にリード線を接続し、素子の外周面にデイッピング等の方法によりシリコーン樹脂を被覆し、１ｋＶの分極電圧を印加し、素子全体を分極処理して本発明の積層型圧電素子を得た。
【００５４】
また、比較として不活性部も活性部と同様のグリーンシートを用いた以外は同様のサンプルも作製した。
【００５５】
得られた積層型圧電アクチュエータに２００Ｖの直流電圧を印加した結果、各アクチュエータとも１０μｍの変位が得られた。
【００５６】
得られたアクチュエータの耐久性を比較するために、室温で２００Ｖの直流電界を５×１０⁸サイクルまで駆動耐久試験を行った。駆動試験はアクチュエータを駆動させ、変位を測定し、初期の変位からの変動を調べた。尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザー変位計により、素子の中心部及び周囲部の３箇所で測定した値の平均値で評価した。この結果を表１に示す。
【００５７】
【表１】

【００５８】
この表１から、不活性部にＳｉを含有せしめていない従来品は、外部電極と不活性部との接合強度が弱く、駆動試験においても活性部と不活性部との境界近傍から外部電極が剥離し内部電極に電圧が供給されず、所定のサイクル数未満で変位特性が低下した。一方、本発明品は駆動試験後も変位の低下はみられなかった。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の積層型圧電素子では、外部電極と不活性部との接合強度が、外部電極と活性部との接合強度以上であるため、アクチュエータを駆動させた場合においても、活性部と不活性部との境界近傍で発生する応力による外部電極の剥離を防止することができ、高信頼性を備えたアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図である。
【図２】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図３】不活性部中のＳｉＯ₂量とＳｉの拡散距離、接合強度比を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・素子本体
４・・・外部電極
８・・・活性部
９・・・不活性部
１０・・・外装樹脂
１６・・・リード線

Claims

複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、変位する活性部と、該活性部の積層方向両端に設けられた、変位しない不活性部とからなる素子本体と、該素子本体の側面に接合され、前記内部電極が交互に接続された一対の外部電極とを具備する積層型圧電素子であって、前記外部電極と前記不活性部との接合強度が、前記外部電極と前記活性部との接合強度よりも大きく、かつ前記外部電極が、Ｓｉを含有するガラスを有するとともに、前記不活性部のＳｉ含有量が前記活性部のＳｉ含有量よりも多いことを特徴とする積層型圧電素子。
不活性部のＳｉ含有量が活性部よりもＳｉＯ_２換算で０．１〜３重量％多いことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
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又は２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。