JP2002285937A

JP2002285937A - 積層型圧電素子及び噴射装置

Info

Publication number: JP2002285937A
Application number: JP2001088131A
Authority: JP
Inventors: Hideki Uchimura; 英樹内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-03
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP4841046B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部電極の柱状積層体への接合強度を向上でき
る積層型圧電素子及び噴射装置を提供する。【解決手段】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体１ａ₁と、該活性体１ａ₁の上下
面にそれぞれ設けられた不活性体１ａ₂とからなる柱状
積層体１ａの側面に、内部電極２が一層おきに交互に接
続する一対の外部電極４を接着してなるとともに、不活
性体１ａ₂に接着された外部電極４の端部にリード端子
６を接続してなる積層型圧電素子であって、外部電極４
の端部が接着される不活性体１ａ₂の側面に凹溝９が形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電素子及
び噴射装置に関し、例えば、自動車用燃料噴射装置、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素子及び噴射装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術】従来から、電歪効果を利用して大きな変位
量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層した
積層型圧電アクチュエータが提案されている。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。

【０００３】図３は、従来の積層型圧電アクチュエータ
を示すもので、この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活性体５３ａが形成さ
れ、該活性体５３ａの積層方向上下面に不活性体５３ｂ
を形成して柱状積層体５３が構成されている。内部電極
５２は、その一方の端部が左右交互に絶縁体５４で被覆
され、その上から、導電性接着剤を活性体５３ａ及び不
活性体５３ｂの側面に塗布乾燥して、一対の帯状外部電
極５６を形成し、これらの帯状外部電極５６が内部電極
５２と左右各々一層おきに導通している。

【０００４】この積層型圧電アクチュエータでは、不活
性体５３ｂの側面に接合された帯状外部電極５６の下側
端部表面に、リード端子５７が半田５８により接合され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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、積層数を増加させ、ま
たより高い電界を印加して、長期間連続駆動させること
が行われているが、上記した従来の圧電アクチュエータ
では、帯状外部電極５６の端部が不活性体５３ｂの側面
から剥離し易いという問題があった。

【０００６】即ち、活性体５３ａでは積層方向に大きな
変位が発生するが、不活性体５３ｂでは変位が発生しな
いため、活性体５３ａ及び不活性体５３ｂに跨って形成
された帯状外部電極５６には、その端部に積層方向への
引張応力や圧縮応力が発生し、不活性体５３ｂに位置す
る帯状外部電極５６の端部が剥離し易いという問題があ
った。この状態で駆動を続けると、不活性体５３ｂに接
合された帯状外部電極５６の端部だけでなく、活性体５
３ａに位置する部分においても、帯状外部電極５６が活
性体５３ａの表面から剥離して、内部電極５２との接続
が解除され、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた
場合、一部の圧電体５１に電圧が供給されなくなり駆動
中に変位特性が変化するという問題があった。

【０００７】また、リード端子５７が接合される帯状外
部電極５６の下側端部では、リード端子５７が何らかの
原因で引っ張られることにより、特に剥離し易いという
問題があった。

【０００８】本発明は、外部電極の柱状積層体への接合
強度を向上できる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。

【０００９】

【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
なる活性体と、該活性体の上下面にそれぞれ設けられた
不活性体とからなる柱状積層体の側面に、前記内部電極
が一層おきに交互に接続する一対の外部電極を接着して
なるとともに、前記不活性体の側面に接着された前記外
部電極の端部にリード端子を接続してなる積層型圧電素
子であって、前記外部電極の端部が接着される前記不活
性体の側面に凹溝が形成されていることを特徴とする。

【００１０】このような積層型圧電素子では、外部電極
の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部分
に接着されるため、不活性体の側面と外部電極との接合
強度を向上でき、これにより、より高い電界を印加して
大きな変位量を発生せしめ、この状態で長期間連続駆動
させたとしても、外部電極の端部からの剥離を抑制する
ことができ、外部電極の柱状積層体への接合強度を向上
できる。

【００１１】即ち、外部電極は、内部電極との接合を確
実に行うという理由から、変位を発生する活性体から変
位を発生しない不活性体にまで延設し、活性体及び不活
性体に跨って外部電極を形成し、リード端子接続部にア
クチュエータの伸びによる応力を発生させないという理
由から、リード端子を、不活性体まで延設された外部電
極の端部に接合せざるを得ないが、本発明では、外部電
極の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部
分に接合されるため、アンカー効果により、外部電極の
端部が不活性体の側面から剥離することを抑制すること
ができ、外部端子の端部からの剥離開始を抑制すること
ができる。

【００１２】また、本発明では、不活性体の側面に形成
された凹溝の深さが５〜１００μｍであることが望まし
い。このような構成を採用することにより、不活性体の
折損を抑制することができるとともに、外部電極の端部
の剥離を有効に防止できる。

【００１３】さらに、本発明では、外部電極が接続する
内部電極の端部には、一層おきに柱状積層体の側面から
突出する突起状導電性端子が設けられていることが望ま
しい。このような構成を採用することにより、外部電極
の柱状積層体からの剥離をさらに抑制することができ
る。

【００１４】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してなるものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１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もの
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿
った縦断面図、（ｃ）は（ａ）の一部を拡大して示す斜
視図、（ｄ）は（ｂ）の一部を拡大して示す断面図であ
る。

【００１６】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体１ａ₁と、該活性体１ａ₁の
上下面に形成された不活性体１ａ₂とからなる四角柱状
の柱状積層体１ａ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の端部に突起状導電性端子５を設け、該突
起状導電性端子５を埋設するように導電性接着剤を柱状
積層体１ａの側面に塗布乾燥して外部電極４を形成し、
各外部電極４の下側端部にリード端子６を接続固定して
構成されている。

【００１７】外部電極４は、活性体１ａ₁から不活性体
１ａ₂にわたって形成され、外部電極４の下側端部が形
成される不活性体１ａ₂の側面には、凹溝９が複数条形
成されている。これらの凹溝９は、内部電極２の露出し
た端部と平行に、かつ外部電極形成面積よりも少し大き
い面積範囲で形成されている。このような不活性体１ａ
₂に位置する外部電極４の端部にリード端子６が半田等
で接合されている。

【００１８】これらの凹溝９の深さｄは５〜１００μｍ
とされている。この範囲の深さであれば、不活性体１ａ
₂が折損せず、また、外部電極４の接合強度を向上でき
るからである。一方、凹溝９の深さが５μｍよりも浅い
場合には、外部電極４の不活性体１ａ₂への接合強度が
低く、１００μｍよりも深い場合には、高電圧で駆動さ
せる場合に不活性体１ａ₂の凹溝９の部分で折損しやす
いからである。

【００１９】凹溝９の積層方向における幅ｂは、アンカ
ー効果を高めるという点から５〜５０μｍであることが
望ましい。このような凹溝９は、ダイシング加工もしく
はスクラッチ加工することにより形成できる。

【００２０】尚、リード端子６が形成される下側の不活
性体１ａ₂の側面にのみ凹溝９を形成したが、上側の不
活性体１ａ₂の側面にも凹溝を形成しても良いことは勿
論である。また、凹溝９を外部電極形成面積よりも少し
大きい面積範囲で形成したが、不活性体１ａ₂側面全面
に形成しても良いことは勿論である。

【００２１】さらに、凹溝９を内部電極２の露出した端
部と平行に形成したが、内部電極２の露出した端部と直
交するように形成してもよく、さらには、凹溝９を格子
状に形成しても良い。

【００２２】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
ラミック材料等で形成されている。この圧電セラミック
スは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ₃₃が高いもの
が望ましい。

【００２３】また、圧電体１の厚み、つまり内部電極２
間の距離は５０〜２５０μｍが望ましい。これは、積層
型圧電アクチュエータ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、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。

【００２４】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な
す。

【００２５】複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交
互に積層して成る柱状積層体１ａは、先ず、ＰＺＴ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。

【００２６】次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、
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。

【００２７】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積
層し、これを所定の温度で脱バインダーを行った後、９
００〜１２００℃で焼成することによって作製される。

【００２８】その後、柱状積層体１ａの外部電極４を形
成する対向する側面に銀を主成分するペーストを塗布
し、７００〜９５０℃で焼き付けすることにより、突起
状導電性端子５が形成される。即ち、このような突起状
導電性端子５を形成するためには、特に、銀を主成分と
するペーストに軟化点が６００℃〜９５０℃のガラス粉
末を分散させておき、該ペーストを外部電極４の形成面
に塗布、焼き付けを行うことにより、有効的に突起状導
電性端子５を形成することができる。

【００２９】即ち、ペーストにガラス成分を分散させて
おくことにより、焼き付け時にガラスが軟化し、この状
態において圧電体１には拡散しにくい銀が内部電極２の
端部に拡散して寄り集まるため、図１（ｃ）に示すよう
な突起状導電性端子５を形成できる。

【００３０】この突起状導電性端子５は柱状積層体１ａ
の側面の一部に形成されており、レール状に形成され、
その長さは外部電極４の幅とほぼ同一とされている。
尚、突起状導電性端子５の長さは、外部電極４の幅より
も短くても良い。

【００３１】また、突起状導電性端子５が形成された柱
状積層体１ａの側面に一層おきに深さ５０〜５００μ
ｍ、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３が形成されている。

【００３２】溝が形成されていない内部電極２の端部
は、上記した突起状導電性端子５を介して外部電極４と
接続されている。なお、突起状導電性端子５に板状導電
部材を接合し、この板状導電部材を埋設するように導電
性接着剤で柱状積層体１ａの側面に接合して外部電極４
を形成しても良い。この場合の導電性接着剤は、弾性係
数が小さく、変形し易いものが望ましい。突起状導電性
端子５と板状導電部材との接合は、例えば荷重を加えた
状態で７００〜９５０℃で熱処理することにより、主成
分である銀が突起状導電性端子５と板状導電部材間を相
互に拡散し、いわゆる銀の拡散接合に行うことができ
る。

【００３３】このように板状導電部材を突起状導電性端
子５を介して内部電極２に接続すると、アクチュエータ
を高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、
突起状導電性端子５が変形して突起状導電性端子５が駆
動時に生じる応力を十分に吸収できるため、該外部電極
４と内部電極２の断線を抑制することができ、耐久性に
優れたアクチュエータを提供することができる。

【００３４】さらに、板状導電部材の外面に、金属等の
メッシュ、メッシュ状の金属板、導電性コイル、若しく
は導電性波板、若しくは導電性繊維集合体（ウール状）
のいずれか一種からなる導電性補助部材を形成しても良
い。この場合には、アクチュエー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４に流れる電流を低減
できるという理由から、外部電極４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。

【００３５】また、絶縁体３により内部電極２の端部が
互い違いに一層おきに絶縁され、内部電極２の絶縁され
ていない他方の端部は、突起状導電性端子５を介して外
部電極４と接合されることになる。

【００３６】なお、絶縁体３は、柱状積層体１ａとの接
合を強固とするために、柱状積層体１ａ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。

【００３７】突起状導電性端子５の積層方向と同一方向
の幅Ｂは、図１（ｃ）に示すように、外部電極４と内部
電極２との接続部の抵抗を低くし、且つアクチュエータ
の駆動時に生じる応力を十分に吸収するという点から、
１μｍ以上且つ圧電体１厚みの１／２以下であることが
望ましい。特には、幅Ｂは５〜２５μｍが望ましい。

【００３８】また、突起状導電性端子５の突出高さｈ
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、圧電体１厚みの１／２０以上で
あることが望ましい。突出高さｈは、１５〜５０μｍが
望ましい。

【００３９】さらに、板状導電部材の厚みは、アクチュ
エータの伸縮に追従し、外部電極４と突起状導電性端子
５の間、若しくは突起状導電性端子５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。

【００４０】突起状導電性端子５及び板状導電部材は、
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、内部電
極との接合強度が強く、ヤング率が低いという点から、
銀が望ましい。

【００４１】以上のように構成された積層型圧電素子
は、外部電極４の端部が、不活性体１ａ₂の側面の凹溝
９が形成されている部分に接合されているので、アンカ
ー効果により、外部電極４の端部が不活性体１ａ₂の側
面から剥離することを抑制することができ、外部端子４
の端部からの剥離開始を抑制することができる。また、
リード端子６に外力が作用し、引っ張られたとしても、
外部電極４の接合強度が高いため、外部端子４の端部の
剥離を抑制できる。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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、上記した圧電アクチュエータ
４３が収納されている。

【００４６】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。

【００４７】

【実施例】まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み
１５０μｍのＰＺＴで形成し、内部電極は厚み３μｍの
銀−Ｐｔ合金によって形成し、圧電体及び内部電極の各
々の積層数は３００層とした。外部電極が形成される不
活性体の側面に、ダイシング加工により、深さｄが２０
μｍ、幅ｂが２０μｍの凹溝を１００μｍ間隔で５本形
成した。形成面積は、外部電極形成面積よりも僅かに大
きい面積とした。

【００４８】次に、外部電極が形成される柱状積層体の
側面に銀を含有するペーストを塗布し、８００℃で焼き
付け、柱状積層体の側面に露出した内部電極の端部に、
積層方向と同一方向の幅Ｂが１０μｍ、高さｈが２０μ
ｍの突起状導電性端子を形成した。この後、内部電極の
端部一層おきに溝を形成し、該溝に絶縁体としてシリコ
ーンゴムを充填した。

【００４９】次にポリイミドの前駆体であるポリアッミ
ク酸をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解さ
せ、ワニス状にし、このワニスに銀粉末２０重量％を混
合、混練、ペースト状にしたものを、外部電極を形成す
る所定の位置に塗布し、２２０℃の空気中で溶媒を蒸発
させるとともに、硬化反応を起こさせ、外部電極を形成
した。

【００５０】この後、正極用外部電極、負極用外部電極
の下側端部にリード端子を半田で接合し、図示しない
が、アクチュエータの周囲にデイッピング等の方法によ
り、シリコーンゴムを被覆し、さらに、正極、負極に３
ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分極処
理することで、図１に示す積層型圧電アクチュエータを
得た。

【００５１】得られた積層型圧電アクチュエータに１５
０Ｖ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、このアクチュエータに室温
で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印
加し駆動試験を行った結果、１×１０⁹サイクルまで駆
動したところ４０μｍの変位量が得られ、外部電極の剥
離等の異常は見られなかった。

【００５２】また、本発明者は、凹溝の深さｄを５〜１
００μｍに変更する以外は、上記と同様にして、積層型
圧電アクチュエータを作製し、得られた積層型圧電アク
チュエータに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、このアク
チュエータに室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈ
ｚの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、１×１０
⁹サイクルまで駆動したところ４０μｍの変位量が得ら
れ、外部電極の剥離等の異常は見られなかった。

【００５３】一方、凹溝、突起状導電性端子を形成しな
い以外は、上記と同様にして、積層型圧電アクチュエー
タを作製し、得られた積層型圧電アクチュエータに１５
０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に４０μｍの
変位量が得られたものの、このアクチュエータに室温で
０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加
し駆動試験を行った結果、１×１０⁶サイクル駆動後に
変位量の低下が見られたため、駆動を停止し、アクチュ
エータを観察したところ、外部電極の下側端部が剥離し
ていた。

【００５４】

【発明の効果】本発明の積層型圧電素子では、外部電極
の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部分
に接着されるため、不活性体の側面と外部電極との接合
強度を向上でき、これにより、より高い電界を印加して
大きな変位量を発生せしめ、この状態で長期間連続駆動
させたとしても、外部電極の端部からの剥離を抑制する
ことができ、外部電極の柱状積層体への接合強度を向上
できる。従って、高温の使用環境下、高い印加電界、高
速で連続駆動させる場合においても、外部電極と内部電
極が断線することなく高耐久性を備えた積層型圧電素子
を安価に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、（ｃ）は（ａ）の一部を拡大して示す斜視図、
（ｄ）は（ｂ）の一部を拡大して示す断面図である。

【図２】本発明の噴射装置を示す説明図である。

【図３】従来の積層型圧電アクチュエータの縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・圧電体１ａ・・・柱状積層体１ａ₁・・・活性体１ａ₂・・・不活性体２・・・内部電極４・・・外部電極５・・・突起状導電性端子６・・・リード端子９・・・凹溝３１・・・収納容器３３・・・噴射孔３５・・・バルブ４３・・・圧電アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に
積層してなる活性体と、該活性体の上下面にそれぞれ設
けられた不活性体とからなる柱状積層体の側面に、前記
内部電極が一層おきに交互に接続する一対の外部電極を
接着してなるとともに、前記不活性体の側面に接着され
た前記外部電極の端部にリード端子を接続してなる積層
型圧電素子であって、前記外部電極の端部が接着される
前記不活性体の側面に凹溝が形成されていることを特徴
とする積層型圧電素子。
【請求項２】不活性体の側面に形成された凹溝の深さが
５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の
積層型圧電素子。
【請求項３】外部電極と接続する内部電極の端部には、
柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子が設け
られていることを特徴とする請求項１又は２記載の積層
型圧電素子。
【請求項４】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３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。