JP3894861B2

JP3894861B2 - 積層型圧電素子及び噴射装置

Info

Publication number: JP3894861B2
Application number: JP2002222217A
Authority: JP
Inventors: 進小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2004063911A

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、積層型セラミックコンデンサと同様に、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を積層し、これを脱脂、焼成することで積層型圧電素子を作製していた。
【０００４】
【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、一般に積層型セラミックコンデンサと同様に、一部の内部電極端が活性部側面に露出していない、いわゆる部分電極構造であるため、内部電極端から活性部側面にわたって、変位を発生しない不活性な部分が存在する。このため、積層型圧電素子を高電圧で長期間にわたり駆動させると、内部電極端部に応力集中が発生し、駆動時にクラックやデラミネーションが発生し易いという問題があった。
【０００５】
本発明は、デラミネーションやクラック等の発生を抑制でき、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。
【０００６】
【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る活性部、及び該活性部の積層方向の両端部にそれぞれ設けられた不活性部から成る柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられ、前記柱状積層体側面に露出した前記内部電極の一部の端部が一層おきに交互に接続される一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記柱状積層体内部に存在する前記内部電極端に沿って空隙が形成され、該空隙と前記柱状積層体側面との間に前記圧電体が形成されており、積層方向における前記空隙の高さが、前記内部電極の厚みの０．５〜２．５倍であるとともに、前記内部電極の平面方向における前記空隙の幅が、前記内部電極の厚みの０．５〜５倍であることを特徴とする。
【０００７】
一般に部分電極を有する積層型圧電素子では、駆動させると内部電極が積層方向に重畳する部分で変位が発生し、重畳しない部分では変位が発生しないため、その境界部で応力集中が生じるが、本発明では、柱状積層体内部であって内部電極端に沿って空隙が形成されているため、変位が発生する部分と発生しない部分との境界部に空隙が存在することになり、発生する応力を空隙によって吸収することができ、積層型圧電素子を高電圧で長期間にわたり駆動させても、クラックやデラミネーションが発生することがなく、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。
【０００８】
また、本発明の積層型圧電素子は、積層方向における空隙の高さｔが、内部電極の厚みの０．５〜２．５倍であることを特徴とする。このような積層型圧電素子では、発生する応力を空隙によって吸収することができるとともに、空隙と、極性が異なる隣設する内部電極との間の圧電体厚みを十分に確保でき、耐電圧を高く維持できる。
【０００９】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、内部電極の平面方向における空隙の幅Ｗが、前記内部電極の厚みの０．５〜５倍であることを特徴とする。このような積層型圧電素子では、発生する応力を空隙によって吸収することができるとともに、内部電極と外部電極との間の距離を確保できるため、耐電圧を十分に高く維持できる。
【００１０】
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ことを特徴とする。このような噴射装置では、積層型圧電素子において駆動時のデラミネーションやクラック等を抑制できるため、噴射装置として、耐久性及び信頼性を向上できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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り、図２は図１の一部を拡大して示す縦断面図、図３は図１の横断面図である。尚、図２、３ではいずれも外部電極の記載は省略した。
【００１２】
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の積層方向両端に設けられた不活性部９とからなる四角柱状の柱状積層体３を有している。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
内部電極２は、図３に示すように、矩形状をしており、図１に示したように、その一辺が柱状積層体３の対向する側面（外部電極形成面）に一層おきに露出しており、この内部電極２の一辺が露出する柱状積層体３の側面（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交互に接続されている。これらの外部電極４にはリード線１６が半田１７で接続固定されている。
【００１６】
そして、本発明では、図２、図３に示すように、柱状積層体３の側面に露出している辺以外の辺（柱状積層体３内部に存在する内部電極２の３つの辺）に沿って連続する空隙２０が形成されている。即ち、柱状積層体３内部に存在する内部電極２端に沿って空隙２０が形成されている。この空隙２０により駆動時に発生する内部応力を低減することが可能となり、内部電極２端部からのデラミネーションやクラックの発生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。
【００１７】
また、本発明では、積層方向における空隙２０の高さｔが内部電極２の厚みの０．５〜２．５倍であることが重要である。空隙２０の高さｔを、内部電極２の厚みの０．５倍以上とすることにより、空隙２０による応力緩和の効果を十分に発揮でき、また、空隙２０の高さｔを、内部電極２の厚みの２．５倍以下とすることにより、上下の内部電極２と空隙２０との間に占める圧電体１の厚みを十分に確保でき、絶縁距離が十分であるため耐電圧が大きく、高電界を印加した場合でもショートが発生することがない。特に耐電圧の向上の面から空隙２０の高さｔは内部電極２の厚みの２倍以下が望ましい。特に、空隙２０の高さｔは、内部電極２の厚みの１〜１．５倍であることが望ましい。
【００１８】
また、本発明では、内部電極２の平面方向における空隙２０の幅Ｗが内部電極２の厚みの０．５〜５倍であることが重要である。空隙２０の幅Ｗを０．５倍以上とすることにより空隙２０による応力緩和の効果が大きく、また、空隙２０の幅Ｗを５倍以下とすることにより内部電極２端と柱状積層体３の外面に形成される外部電極４との絶縁距離を十分に確保でき、高電界が印加された場合でもショートが発生することがない。空隙２０の幅Ｗは、特に、内部電極２端と柱状積層体３の外面にある外部電極４との絶縁距離を十分に確保するという点から、内部電極２の厚みの１．５〜２．５倍であることが望ましい。
【００１９】
内部電極２端が柱状積層体３の外周面に近いほど、内部電極２端からデラミネーションやクラックが発生し易いため、空隙２０による応力緩和が必要となる。即ち、柱状積層体３の外面と、内部電極２端との距離Ｌが０．５ｍｍ以下と小さい場合には本発明を有効に用いることができる。特には、０．３ｍｍ以下が効果的である。
【００２０】
また、内部電極２端からのデラミネーションやクラックの発生は、圧電体１の厚みとの関係も大きく、近年においては大きな変位を得るべく、また、小型化という点から、圧電体１厚みは薄くなる傾向があり、薄くなる程、上記不具合が発止し易くなるため、本発明による応力緩和が必要となる。即ち、圧電体厚みが１２０μｍ以下と薄い場合、特に１００μｍ以下と薄い場合に本発明を有効に用いることができる。
【００２１】
尚、柱状積層体３内部に存在する内部電極２の３つの辺に、連続する空隙２０を形成した例について説明したが、ほぼ連続した空隙２０が形成されていれば良く、一部分で空隙２０が形成されていない部分があっても良い。
【００２２】
また、上記例では、柱状積層体３内部に内部電極２の３つの辺が存在する場合について説明したが、２辺が柱状積層体の外面に露出し、２辺が柱状積層体３内部に存在する場合でも、また、一辺が柱状積層体３内部に存在する場合でも本発明を適用できる。特には、３辺が柱状積層体内部に存在する場合が効果的である。さらに、内部電極２の形状は矩形状に限定されるものではなく、五角形でもよく、円形でも良い。
【００２３】
また、柱状積層体３の内部電極２端が露出する側面には外部電極４がそれぞれ形成され、これにより、内部電極２は互い違いに１層おきに外部電極４にそれぞれ接続されている。柱状積層体３の外周面にはディッピング等の方法により、シリコーンゴムが被覆されている。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図４（ａ）に示すように、グリーンシート５１の上面に、内部電極２となる銀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の厚みに印刷し、内部電極パターン５２を形成する。
【００２６】
次に内部電極パターン５２の外周囲に、図４（ｂ）に示すように、柱状積層体３の側面に露出する辺を除いて、再度スクリーン印刷法により導電性ペーストを印刷し、内部電極パターン５２の外周部上に、幅１００〜３００μｍ、厚み４〜２０μｍの盛り上がり部５５を形成する。これにより内部電極パターン５２の中央部より、盛り上がり部５５の高さが高くなる。
【００２７】
この盛り上がり部５５が形成された内部電極パターン５２を乾燥させた後、この内部電極パターン５２が形成された複数のグリーンシート５１を所定の枚数だけ積層し、この積層体の上下面に、導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数積層し、積層成形体を作製する。尚、導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数積層し、次に内部電極パターン５２が形成された複数のグリーンシート５１を所定の枚数だけ積層し、この次に導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数積層して、積層成形体を作製しても良い。
【００２８】
次に、この積層成形体を金型内に配置し５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層成形体を一体化する。この時、積層成形体内部の内部電極パターン端と内部電極パターンが形成されていない部分の厚み差から、積層時に空隙が形成されている。ここで、空隙の大きさは内部電極パターンに形成された盛り上がり部５５の厚み、及び加圧時の圧力を変化させることで制御することができる。
【００２９】
一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、３００〜８００℃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、柱状積層体３を得る。この柱状積層体３は、図１に示すように、対向する側面に内部電極２の一辺が交互に露出している。また、柱状積層体３内部に存在する内部電極２端に沿って空隙２０が形成されている。
【００３０】
尚、盛り上がり部５５を形成することなく、空隙２０を形成する必要がある部分の内部電極パターン５２の外周囲に、脱バイ時に飛散する有機物を主成分とするペーストをスクリーン印刷法等により印刷し、脱バイ時に有機物を飛散させ、空隙２０を形成しても良い。
【００３１】
また、柱状積層体３は、グリーンシート上に複数の内部電極パターンを形成し、これを複数積層し、対向する側面に内部電極パターンの一辺が交互に露出するように切断することにより形成しても良い。
【００３２】
つぎに、柱状積層体３の内部電極２の端部が露出した側面に熱硬化性の導電性接着剤を塗布し、この導電性接着剤を熱硬化させることにより、外部電極４を形成する。これにより、内部電極２は互い違いに１層おきに外部電極４にそれぞれ接続される。
【００３３】
また、外部電極４には、銀を主成分とする銀ガラスペーストを塗布し５００〜９００℃で熱処理することにより外部電極４を形成してもよい。
【００３４】
この後、外部電極４にリード線１６を接続し、柱状積層体３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／ｍｍの分極電圧を印加し、分極処理することで、最終的な積層型圧電素子を得る。
【００３５】
以上のように構成された積層型圧電素子では、内部電極２端に空隙２０が形成されているため、外部電極４に高電圧を印加し、駆動させた場合においても、内部電極２端部で発生する応力が空隙２０で緩和されるため、内部電極２端から発生するデラミネーションやクラックの発生を抑制することができ、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。
【００３６】
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。
【００３７】
図５は本発明の積層型圧電素子５を用いた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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、上記した積層型圧電素子４３が収納されている。
【００４０】
このような噴射装置では、積層型圧電素子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積層型圧電素子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。
【００４１】
【実施例】
実施例１
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃の仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、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１３０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００４２】
このグリーンシートの片面に、図４に示したように、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４μｍの厚みに印刷し、内部電極パターン５２を形成した。さらに、内部電極２端部となる部分には再度導電性ペーストを４μｍの厚みで印刷し、盛り上がり部５５を形成した。内部電極パターン５２及び盛り上がり部５５が形成された複数のグリーンシート５１を３００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２０枚ずつ積層した。
【００４３】
次に、この積層成形体を金型内に配置し、１００℃で加熱を行いながら金型の上下より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℃において２時間本焼成を行い、図１に示したような柱状積層体３を得た。
【００４４】
その後、活性部８の外部電極４形成側面に、銀を主成分とする導電性樹脂を塗布し、２５０℃で１時間の熱処理をすることにより、柱状積層体３の側面に外部電極４を形成した。
【００４５】
その後、外部電極４にリード線１６を接続し、柱状積層体３の周囲にシリコーンゴムを塗布することで外装樹脂を被覆した。
【００４６】
その後、正極及び負極の外部電極４にリード線１６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った。
【００４７】
得られた積層型圧電素子に１５０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に４０μｍの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電素子に室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１００Ｈｚの周波数にて印加して駆動試験を行った結果、１×１０⁸サイクルまで駆動したところ４０μｍの変位量が得られ、デラミネーションやクラックは発生しなかった。
【００４８】
この後、柱状積層体の横断面、縦断面を観察したところ、圧電体の厚みが０．１ｍｍ、内部電極の厚みが３μｍ、空隙が内部電極の周囲に連続して形成されており、空隙の大きさは、高さｔが３μｍ、幅Ｗが４．５μｍ、柱状積層体の側面と内部電極端との間隔Ｌは０．５ｍｍであった。なお、空隙の大きさは、積層方向に垂直な方向の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することで測定を行った。
【００４９】
また、比較例として、内部電極パターンを、グリーンシートにメタルマスクを配置し、スプレーコートで塗布形成した以外は上記例と同様に柱状積層体を作製し、同様の駆動試験を行った結果、２×１０⁶サイクルにて内部電極端部からのクラックにより素子が破壊した。この後、柱状積層体を横断面、縦断面を観察したところ、圧電体の厚みが０．１ｍｍ、内部電極の厚みが３μｍ、内部電極の周囲には空隙は形成されていなかった。柱状積層体の側面と内部電極端との間隔Ｌは０．５ｍｍであった。
実施例２
次に、内部電極端部への導電性ペーストの印刷回数を変え、盛り上がり部の厚みを変化させることにより、内部電極端部の空隙の大きさを表１に示すように変化させ、上記実施例と同様に駆動試験を行い、３×１０⁸サイクル後に断面観察を行った。その結果を表１に記載した。尚、内部電極の厚みはいずれも３μｍであり、内部電極の周囲に空隙が形成されていた。
【００５０】
【表１】

【００５１】
表１に示すように、空隙の高さｔが内部電極の厚みの２．５倍より大きい場合や、空隙の幅Ｗが内部電極の厚みの５倍よりも大きい場合には駆動試験中にショートが発生し、空隙の高さｔが内部電極の厚みの０．５倍より小さい場合や、空隙の幅Ｗが内部電極の厚みの０．５倍よりも小さい場合には、駆動試験後の変位量の低下はなかったが、断面観察結果により一部に微小クラックの発生が確認された。一方、空隙の高さｔ、空隙の幅Ｗが本発明の範囲内の試料においては駆動試験後の変位量の低下もみられず、また、断面観察によっても異常は確認されなかった。
【００５２】
【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、内部電極端に沿って空隙を形成することにより、駆動時に内部電極端部で発生する応力を低減することが可能となり、デラミネーションやクラックの発生を防止することができ、高信頼性を備えた積層型圧電素子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縦断面図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１の横断面図である。
【図４】本発明の積層型圧電素子の製法を説明するための説明図である。
【図５】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・柱状積層体
４・・・外部電極
８・・・活性部
９・・・不活性部
２０・・・空隙
ｔ・・・空隙の高さ
Ｗ・・・空隙の幅

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る活性部、及び該活性部の積層方向の両端部にそれぞれ設けられた不活性部から成る柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられ、前記柱状積層体側面に露出した前記内部電極の一部の端部が一層おきに交互に接続される一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記柱状積層体内部に存在する前記内部電極端に沿って空隙が形成され、該空隙と前記柱状積層体側面との間に前記圧電体が形成されており、積層方向における前記空隙の高さｔが、前記内部電極の厚みの０．５〜２．５倍であるとともに、前記内部電極の平面方向における前記空隙の幅Ｗが、前記内部電極の厚みの０．５〜５倍であることを特徴とする積層型圧電素子。
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。