JP2005322691A - Multilayer piezoelectric element and fuel injector employing it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance durability of a multilayer piezoelectric element by employing an external electrode of three layers or more. <P>SOLUTION: In the multilayer piezoelectric element comprising a multilayer body formed by laying at least one piezoelectric and a plurality of internal electrodes alternately in layers, and a pair of external electrodes connected alternately with every other internal electrode on the side face of the multilayer body and being driven by applying an electric field to the external electrode, the external electrode is formed by laying three or more layers. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、積層型圧電素子(以下、単に「素子」ということもある)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。   The present invention relates to a laminated piezoelectric element (hereinafter, also simply referred to as “element”) and an injection device, for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, and a vibration. Drive elements mounted on prevention devices, etc., and sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc., and piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric elements The present invention relates to a multilayer piezoelectric element and a jetting device used for circuit elements mounted on transformers, piezoelectric breakers, and the like.

従来より、積層型圧電素子を用いたものとしては、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、1つの圧電体からなる圧電磁器と板状体の内部電極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、薄層化に対して有利であることと、耐久性に対して有利であることから、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが優位性を示しつつある。   2. Description of the Related Art Conventionally, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked is known as a multilayer piezoelectric element. Multi-layer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing type and stack type in which piezoelectric ceramics made of a single piezoelectric body and plate-like internal electrodes are stacked alternately. Low voltage and low manufacturing costs. In view of the above, the simultaneous firing type laminated piezoelectric actuator is showing superiority because it is advantageous for thinning and advantageous for durability.

図3は、特許文献1に示す従来の積層型圧電素子を示すもので、積層体20と互いに対向する一対の側面に形成された外部電極23とから構成されている。積層体20は、それを構成する圧電体21と内部電極22とが交互に積層されてなるが、内部電極22は圧電体21主面全体には形成されず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の内部電極22を一層おきに異なる積層体20の側面に露出するように左右互い違いに積層している。なお、積層体20の積層方向における両端面には不活性層24が積層されている。そして、積層体20の互いに対向する一対の側面に上記露出する内部電極22同士を接続するように外部電極23が形成され、内部電極22を一層おきに接続することができる。   FIG. 3 shows a conventional multilayer piezoelectric element shown in Patent Document 1, and is composed of a multilayer body 20 and external electrodes 23 formed on a pair of side surfaces facing each other. The laminated body 20 is formed by alternately laminating piezoelectric bodies 21 and internal electrodes 22 constituting the laminated body 20, but the internal electrodes 22 are not formed on the entire main surface of the piezoelectric body 21 but have a so-called partial electrode structure. . The internal electrodes 22 of this partial electrode structure are alternately stacked on the left and right sides so as to be exposed on the side surfaces of different stacked bodies 20. Inactive layers 24 are stacked on both end surfaces of the stacked body 20 in the stacking direction. And the external electrode 23 is formed so that the said exposed internal electrodes 22 may be connected to a pair of mutually opposing side surfaces of the laminated body 20, and the internal electrodes 22 can be connected every other layer.

そして、従来の積層型圧電素子の製造方法としては、圧電体21の原料を含むセラミックグリーンシートに内部電極ペーストを図2のような所定の電極構造となるパターンで印刷し、この内部電極ペーストが塗布されたグリーンシートを複数積層して得られた積層成形体を作製し、これを焼成することによって積層体20を作製する。その後、積層体20の一対の側面に外部電極23を焼成によって形成して積層型圧電素子が得られる(例えば特許文献1参照)。   As a conventional method for manufacturing a laminated piezoelectric element, an internal electrode paste is printed on a ceramic green sheet containing a raw material of the piezoelectric body 21 in a pattern having a predetermined electrode structure as shown in FIG. A laminated body obtained by laminating a plurality of coated green sheets is produced, and the laminated body 20 is produced by firing this. Thereafter, external electrodes 23 are formed on the pair of side surfaces of the laminated body 20 by firing to obtain a laminated piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1).

なお、内部電極22としては、銀とパラジウムの合金が用いられ、さらに、圧電体21と内部電極22を同時焼成するために、内部電極22の金属組成は、銀70質量%、パラジウム30質量%にして用いていた(例えば、特許文献2参照)。   As the internal electrode 22, an alloy of silver and palladium is used. Further, in order to simultaneously fire the piezoelectric body 21 and the internal electrode 22, the metal composition of the internal electrode 22 is 70% by mass of silver and 30% by mass of palladium. (See, for example, Patent Document 2).

このように、銀のみの金属組成からなる内部電極22ではなく、パラジウムを含む銀−パラジウム合金含有の金属組成からなる内部電極22を用いるのは、パラジウムを含まない銀のみの組成では、一対の対向する内部電極22間に電位差を与えた場合、その一対の内部電極22のうちの正極から負極へ電極中の銀が素子表面を伝わって移動するという、いわゆるシルバーマイグレーション現象が生じるからである。この現象は、高温、高湿の雰囲気中で、著しく発生していた。   As described above, the internal electrode 22 made of a metal composition containing a silver-palladium alloy containing palladium is used instead of the internal electrode 22 made of a metal composition containing only silver. This is because when a potential difference is applied between the opposing internal electrodes 22, a so-called silver migration phenomenon occurs in which silver in the electrode moves along the element surface from the positive electrode to the negative electrode of the pair of internal electrodes 22. This phenomenon occurred remarkably in a high temperature and high humidity atmosphere.

従来の積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極23にさらにリード線が半田により固定され(不図示)、外部電極23間に所定の電位がかけられて駆動させることができる。特に、近年においては、小型の積層型圧電素子は大きな圧力下において大きな変位量を確保する要求があるため、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。
特開昭61−133715号公報 実開平1−130568号公報
When a conventional multilayer piezoelectric element is used as a piezoelectric actuator, a lead wire is further fixed to the external electrode 23 by solder (not shown), and can be driven by applying a predetermined potential between the external electrodes 23. . In particular, in recent years, there is a demand for a small multilayer piezoelectric element to ensure a large amount of displacement under a large pressure, and therefore, a higher electric field is applied and driven continuously for a long time.
JP-A-61-133715 Japanese Utility Model Publication No. 1-130568

従来の同時焼成タイプの積層型圧電素子は、外部電極を形成するために金属粉末にガラス成分を添加したものをペースト化して積層体20の側面に印刷焼成していた。   In the conventional co-fired multilayer piezoelectric element, in order to form an external electrode, a metal powder added with a glass component is pasted and printed and fired on the side surface of the laminate 20.

しかしながら、コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり積層型圧電素子は駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こすため、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、外部電極と圧電体間がはがれたり、外部電極自体に亀裂が生じたりすることで、外部電極と内部電極の接続部で接点不良を起こし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動時に変位特性が変化したり、スパークして駆動停止するという問題があった。   However, unlike ordinary multilayer electronic components such as capacitors, the multilayer piezoelectric element continuously undergoes dimensional changes when driven, so when driven continuously for a long time under a high electric field and high pressure, If the piezoelectric bodies are peeled off or cracks occur in the external electrodes themselves, contact failure occurs at the connection between the external electrodes and the internal electrodes, and voltage is not supplied to some of the piezoelectric bodies, resulting in displacement characteristics during driving. There was a problem of changing or sparking and stopping driving.

即ち、近年においては、小型の積層型圧電素子で大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長期間連続駆動させることが行われているため、導電性ペーストを単に積層体の側面に塗布し、焼き付けただけでは、外部電極と内部電極との接合が十分に行われずに、高電界で連続駆動させた場合に、外部電極が積層体側面および内部電極端部から剥離してしまい、接点不良が生じ、変位特性が低下してしまうといった問題があった。また、連続的に寸法変化が起こす積層型圧電素子を長時間駆動すると、素子温度が上昇し、この素子温度が放熱量を上回ると熱暴走現象が生じて破壊に至り、変位量が急激に劣化する問題があった。従って、素子温度上昇を抑制するために、比抵抗の小さい内部電極が求められていた。   That is, in recent years, in order to ensure a large amount of displacement with a small multilayer piezoelectric element, a higher electric field is applied and the continuous driving is performed for a long period of time. The external electrode and the internal electrode are not sufficiently bonded to each other only when applied and baked, and the external electrode peels off from the side surface of the laminate and the end of the internal electrode when continuously driven with a high electric field. There is a problem that a contact failure occurs and the displacement characteristics deteriorate. In addition, when a laminated piezoelectric element that continuously undergoes dimensional changes is driven for a long time, the element temperature rises, and if the element temperature exceeds the heat dissipation, a thermal runaway phenomenon occurs, causing destruction, and the displacement amount deteriorates rapidly. There was a problem to do. Therefore, an internal electrode having a small specific resistance has been demanded in order to suppress an increase in element temperature.

さらに、従来の積層型圧電素子を燃料噴射装置等の駆動素子に利用されるアクチュエータとして用いた場合には、所望の変位量が次第に変化して装置が誤作動する問題を生じていたため長期間連続運転における変位量の変化の抑制と耐久性向上が求められていた。   Furthermore, when a conventional multilayer piezoelectric element is used as an actuator used for a drive element such as a fuel injection device, the desired displacement amount gradually changes, causing a problem that the device malfunctions. There has been a demand for suppression of change in displacement and improved durability during operation.

本発明は、上述の問題点に鑑みて成されたものであり、高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータの変位量を大きくさせ、かつ、長期間連続駆動させた場合でも変位量が変化することがなく、耐久性に優れた積層型圧電素子および噴射装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. The displacement amount of the piezoelectric actuator is increased even when the displacement amount of the piezoelectric actuator is increased under a high voltage and a high pressure and the piezoelectric actuator is continuously driven for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a laminated piezoelectric element and a jetting device which are excellent in durability and have excellent durability.

本発明の積層型圧電素子は、少なくとも1つの圧電体と複数の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、前記外部電極が、3層以上積層されて構成されていることを特徴とする。   The multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately connected to the side surface of the multilayer body every other layer. A laminated piezoelectric element that includes a pair of external electrodes and is driven by applying an electric field to the external electrodes, wherein the external electrodes are formed by laminating three or more layers.

また、前記外部電極のうち前記圧電体に接した第1層の厚みが10μm以下であることを特徴とする。   Moreover, the thickness of the 1st layer which contact | connected the said piezoelectric material among the said external electrodes is 10 micrometers or less, It is characterized by the above-mentioned.

また、前記外部電極第1層が該外部電極第1層を被覆した外部電極第2層よりも金属酸化物を多く含有することを特徴とする。   Further, the external electrode first layer contains more metal oxide than the external electrode second layer covering the external electrode first layer.

また、前記外部電極の最外層の含有する金属酸化物が他のいずれの外部電極層よりも少ないことを特徴とする。   Further, the outermost layer of the external electrode contains less metal oxide than any other external electrode layer.

また、前記金属酸化物が主にガラスであることを特徴とする
また、前記8〜10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、11族金属がCu、Ag、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする。
The metal oxide is mainly glass. The group 8-10 metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os. The metal is at least one of Cu, Ag, and Au.

また、前記8〜10族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、11族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする。あるいは、前記8〜10族金属がNiであり、前記11族金属がCuであることを特徴とする。   Further, the Group 8-10 metal is at least one of Pt and Pd, and the Group 11 metal is at least one of Ag and Au. Alternatively, the Group 8-10 metal is Ni, and the Group 11 metal is Cu.

さらに、前記内部電極中に前記金属組成物とともに、酸化物、窒化物または炭化物を添加したことを特徴とする。   Furthermore, an oxide, a nitride or a carbide is added to the internal electrode together with the metal composition.

また、前記酸化物がPbZrO−PbTiOからなる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。 The oxide is mainly composed of a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 .

また、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。さらに、前記圧電体がPbZrO−PbTiOからなる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。 Further, the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide. Further, the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 .

また、前記積層体の焼成温度が900℃以上1000℃以下であることを特徴とする。   Moreover, the firing temperature of the laminate is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

また、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前記圧電体部分に溝が形成されており、該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。   Further, the internal electrodes whose end portions are exposed on the side surfaces of the laminate and the internal electrodes whose end portions are not exposed are alternately configured, and the internal electrodes between which the end portions are not exposed and the external electrodes are formed. A groove is formed in the piezoelectric body portion, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body.

また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器に収納された積層型圧電素子と、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。   The injection device of the present invention includes a storage container having an injection hole, a stacked piezoelectric element stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element. It is characterized by becoming.

本発明の積層型圧電素子によれば、外部電極が3層以上に連続的に積層されて構成されたことで、積層型圧電素子が駆動した際に素子の寸法変化が連続的に発生しても外部電極と圧電体の密着強度を大きくすることが出来る。また、素子の寸法変化により生じた応力で外部電極外側から亀裂が生じても、また、外部電極と圧電体との間を起点として外部電極に亀裂が生じても、外部電極層が3層以上あることで、各外部電極層の界面で亀裂が遮断されることにより、外部電極を貫通するような亀裂を防ぐことができる。   According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the external electrodes are continuously laminated in three or more layers, so that when the multilayer piezoelectric element is driven, the dimensional change of the element continuously occurs. Also, the adhesion strength between the external electrode and the piezoelectric body can be increased. Even if a crack occurs from the outside of the external electrode due to the stress caused by the dimensional change of the element, or even if a crack occurs in the external electrode starting from between the external electrode and the piezoelectric body, the external electrode layer has three or more layers. By being present, the cracks that penetrate the external electrodes can be prevented by blocking the cracks at the interfaces of the external electrode layers.

さらに外部電極第1層の金属酸化物成分を多くすることで、圧電体と外部電極との密着強度が向上するので、外部電極の剥離を防止することが出来る。さらに、圧電体から最も離れた外部電極の最外層の金属酸化物成分を少なくすることで、外部電極の硬度が下がり、積層型圧電素子が駆動して連続的に寸法変化しても外部電極に亀裂が発生しにくく、駆動中の変位量を一定とする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。さらには、外部電極の最外層の金属酸化物成分が少ないことから、前記最外層は金属成分を多く含有しているため、外部電極にリード線等を接続する場合、はんだ付け性、溶接性等の接続性が優れたものになる。   Further, by increasing the metal oxide component in the first layer of the external electrode, the adhesion strength between the piezoelectric body and the external electrode is improved, so that the external electrode can be prevented from peeling off. Furthermore, by reducing the metal oxide component in the outermost layer of the external electrode farthest from the piezoelectric body, the hardness of the external electrode is reduced, and even if the multilayer piezoelectric element is driven and continuously changes in size, it becomes an external electrode. It is possible to provide a highly reliable piezoelectric actuator that is less likely to crack and is excellent in durability with a constant displacement during driving. Furthermore, since the outermost layer contains a small amount of metal oxide component in the outermost layer of the external electrode, the outermost layer contains a large amount of metal component, so when connecting a lead wire or the like to the external electrode, solderability, weldability, etc. The connectivity will be excellent.

さらに、前記外部電極のうち前記圧電体に接した外部電極第1層の厚みが10μm以下であることにより、外部電極第1層が延性に富むようになるため、圧電体の寸法変化に追従しやすくなり、積層型圧電素子に寸法変化が生じても、亀裂が生じない耐久性のある外部電極とする事が出来る。   Furthermore, since the thickness of the external electrode first layer in contact with the piezoelectric body among the external electrodes is 10 μm or less, the external electrode first layer becomes rich in ductility, so that it is easy to follow the dimensional change of the piezoelectric body. Thus, even if a dimensional change occurs in the multilayer piezoelectric element, a durable external electrode that does not crack can be obtained.

従って、積層型圧電素子を連続駆動させても、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。
Therefore, even if the multilayer piezoelectric element is continuously driven, the desired displacement amount does not change effectively, so that the device does not malfunction, and a highly reliable injection device having excellent durability is provided. it can.

本発明の積層型圧電素子について以下に詳細に説明する。図1は本発明の積層型圧電素子の一実施例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。また、図2は本発明の積層型圧電素子の圧電体と接する外部電極の積層構造を示す拡大断面図である。   The multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail below. 1A and 1B show an embodiment of a laminated piezoelectric element according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a perspective development view showing a laminated state of a piezoelectric layer and an internal electrode layer. FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a laminated structure of external electrodes in contact with the piezoelectric body of the laminated piezoelectric element of the present invention.

本発明の積層型圧電素子は、図1に示すように、圧電体11と内部電極12とを交互に積層してなる積層体13の一対の対向する側面において、内部電極12が露出した端部と、一層おきに電気的に導通する外部電極15が接合されている。また、積層体13の積層方向の両端の層には圧電体11で形成された不活性層14を積層している。ここで、本発明の積層型圧電素子を積層型圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極15にリード線を半田により接続固定し、前記リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。   As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element of the present invention has end portions where the internal electrodes 12 are exposed on a pair of opposing side surfaces of a multilayer body 13 in which piezoelectric bodies 11 and internal electrodes 12 are alternately laminated. The external electrodes 15 that are electrically conductive are joined every other layer. In addition, an inactive layer 14 formed of the piezoelectric body 11 is stacked on both ends of the stacked body 13 in the stacking direction. Here, when the multilayer piezoelectric element of the present invention is used as a multilayer piezoelectric actuator, a lead wire may be connected and fixed to the external electrode 15 by soldering, and the lead wire may be connected to an external voltage supply unit.

圧電体11間には内部電極12が配されているが、この内部電極12は銀−パラジウム等の金属材料で形成しているので、内部電極12を通じて各圧電体11に所定の電圧を印加し、圧電体11を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。   An internal electrode 12 is arranged between the piezoelectric bodies 11. Since the internal electrode 12 is made of a metal material such as silver-palladium, a predetermined voltage is applied to each piezoelectric body 11 through the internal electrode 12. The piezoelectric body 11 has a function of causing displacement due to the reverse piezoelectric effect.

これに対して、不活性層14は内部電極12が配されていない複数の圧電体11の層で
あるため、電圧を印加しても変位を生じない。
On the other hand, since the inert layer 14 is a layer of a plurality of piezoelectric bodies 11 in which the internal electrode 12 is not disposed, no displacement occurs even when a voltage is applied.

そして本発明では、図2に示すように、外部電極15が3層以上積層されて構成されていることを特徴としている。ここで、外部電極15を3層以上積層されていることとしたのは、積層型圧電素子の耐久性が高くなるからである。   As shown in FIG. 2, the present invention is characterized in that the external electrode 15 is formed by laminating three or more layers. Here, the reason why three or more external electrodes 15 are laminated is that the durability of the laminated piezoelectric element is enhanced.

即ち、外部電極15が単層、または2層からなる積層型圧電素子を駆動させた場合、外部電極15の表面を起点にした亀裂と外部電極15と圧電体11との界面を起点にして発生する亀裂とが接合し、外部電極15に断線が発生する。併せて、外部電極15が2層である場合、積層型圧電素子を駆動させて圧電体を連続的に寸法変化させた場合、上記2層間で剥離する問題があった。特に、外部電極15と圧電体11との密着強度を上げるためにガラスを添加した外部電極層を圧電体11に接する外部電極層として設け、ガラスの少ない外部電極層をその外側に設けて2層構造を構成した場合に発生した。   That is, when the external electrode 15 is driven by a single-layer or two-layer laminated piezoelectric element, the crack is generated starting from the surface of the external electrode 15 and the interface between the external electrode 15 and the piezoelectric body 11 is generated. As a result, the external electrode 15 is disconnected. At the same time, when the external electrode 15 has two layers, there is a problem of peeling between the two layers when the multilayer piezoelectric element is driven to continuously change the size of the piezoelectric body. In particular, an external electrode layer to which glass is added in order to increase the adhesion strength between the external electrode 15 and the piezoelectric body 11 is provided as an external electrode layer in contact with the piezoelectric body 11, and an external electrode layer having a small amount of glass is provided outside the two layers. Occurs when constructing a structure.

そのため、駆動時に連続的に寸法変化する積層型圧電素子の外部電極15に求められるのは、圧電体11との密着を確保し、かつ、積層型圧電体素子の寸法変化と同時に伸び縮むことができる外部電極15であるため、外部電極15自体が多層構造であり、圧電体11と接する層には圧電体との接合強度が大きい層を構成し、圧電体11から最も離れて積層されている外部電極15の最外層15cは、ヤング率が小さく抵抗率が小さい電極層を構成し、その中間の層として、積層型圧電素子駆動時の寸法変化によって発生する応力を緩和する層であり、同時に圧電体と接する外部電極層第1層15aと最も外側に位置する外部電極層最外層15cともに密着力のある層を構成する。   Therefore, what is required of the external electrode 15 of the multilayer piezoelectric element that continuously changes in size when driven is to ensure close contact with the piezoelectric body 11 and to expand and contract simultaneously with the dimension change of the multilayer piezoelectric element. Since the external electrode 15 can be formed, the external electrode 15 itself has a multilayer structure, and a layer in contact with the piezoelectric body 11 forms a layer having a high bonding strength with the piezoelectric body, and is laminated farthest from the piezoelectric body 11. The outermost layer 15c of the external electrode 15 constitutes an electrode layer having a low Young's modulus and a low resistivity, and is an intermediate layer that relieves stress generated by a dimensional change during driving of the multilayer piezoelectric element. The external electrode layer first layer 15a in contact with the piezoelectric body and the external electrode layer outermost layer 15c located on the outermost side constitute an adhesive layer.

積層型圧電素子の連続駆動時の寸法変化によって圧電体11と外部電極15との間が剥離したり、外部電極層内ではがれたり、駆動時に外部電極15に発生する亀裂による断線を防止するためには、3層以上に積層した外部電極15の各層が連続的につながっていることが好ましい。さらに、外部電極15の平滑性と量産性を考慮すると5層以下がより好ましい。尚、外部電極15を構成する導電材は、比抵抗が低く、かつ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硬度が低い金属であることが望ましく、金、銀または銅が好ましい。より好ましくは銅または銀であることで、耐久性のある積層型圧電素子となる。さらに好ましくは銀であることで、より耐久性のある積層型圧電素子となる。   In order to prevent disconnection due to cracks generated in the external electrode 15 during driving or peeling between the piezoelectric body 11 and the external electrode 15 due to dimensional changes during continuous driving of the multilayer piezoelectric element. It is preferable that each layer of the external electrode 15 laminated in three or more layers is continuously connected. Furthermore, when the smoothness and mass productivity of the external electrode 15 are taken into consideration, 5 layers or less are more preferable. The conductive material constituting the external electrode 15 is desirably a metal having a low specific resistance and a low hardness from the viewpoint of sufficiently absorbing the stress generated by the expansion and contraction of the actuator, and is preferably gold, silver or copper. More preferably, it is a durable laminated piezoelectric element by using copper or silver. More preferably, silver is used to provide a more durable laminated piezoelectric element.

さらに本発明では、外部電極15のうち圧電体11に接した外部電極第1層15aの厚みが10μm以下であることを特徴とする。ここで、外部電極第1層15aの厚みとは、積層型圧電素子の断面をSEM等の顕微鏡で観察したときに確認できる外部電極第1層の厚みの平均値である。10μmを越えると積層型圧電素子を駆動させた場合、寸法変化を生じるので、圧電体に接した外部電極第1層は素子の寸法変化に伴い、特に素子が伸びた場合、引っ張り応力がかかり、亀裂が生じる問題があった。そこで、10μm以下にすることで、素子寸法変化が生じても亀裂の生じない耐久性のある外部電極とする事が出来る。5μm以下にすることでより耐久性が向上するので好ましい。3μm以下ではより耐久性が向上するのでより好ましい。さらに0.5μm以上2μm以下にすることでさらに耐久性が向上するのでさらに好ましい。   Furthermore, the present invention is characterized in that the thickness of the external electrode first layer 15a in contact with the piezoelectric body 11 in the external electrode 15 is 10 μm or less. Here, the thickness of the external electrode first layer 15a is an average value of the thickness of the external electrode first layer that can be confirmed when a cross section of the multilayer piezoelectric element is observed with a microscope such as SEM. When the laminated piezoelectric element is driven when the thickness exceeds 10 μm, the dimensional change occurs. Therefore, the external electrode first layer in contact with the piezoelectric body is subject to a dimensional change of the element. There was a problem of cracking. Therefore, by setting the thickness to 10 μm or less, it is possible to obtain a durable external electrode that does not crack even when the element size changes. It is preferable that the thickness is 5 μm or less because durability is further improved. 3 μm or less is more preferable because durability is further improved. Further, it is more preferable that the thickness is 0.5 μm or more and 2 μm or less because durability is further improved.

尚、第1層15a以外の各外部電極層の厚みが第1層15aよりも厚いと、外部電極15の最外層で発生する亀裂の伝搬を効果的に抑制できる。上記した亀裂の伝搬を抑制するためには、第1層15a以外の各外部電極層の厚みは5μm以上であることが好ましく、さらに、10μm、望ましくは15μm以上であると、外部電極15自体の耐久性が増大する。また、外部電極15の積層方向の全厚みは、15μm以上であれば積層型圧電素子の連続駆動に耐えることができる。さらに、20μm、望ましくは30μm以上であれば、亀裂が伝搬して断線するのを防ぐことができるとともに、外部電極15の抵抗値を小さくできるため、外部電極15の発熱を抑制することができる。一方、全厚みが100μmを超えると、外部電極15が圧電体11に追従できなくなるため、変位量が著しく低下してしまうため、全厚みは、30〜100μmであることがより好ましい。   If the thickness of each external electrode layer other than the first layer 15a is thicker than that of the first layer 15a, the propagation of cracks occurring in the outermost layer of the external electrode 15 can be effectively suppressed. In order to suppress the propagation of the cracks described above, the thickness of each external electrode layer other than the first layer 15a is preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm, preferably 15 μm or more. Increased durability. Further, if the total thickness of the external electrodes 15 in the stacking direction is 15 μm or more, it can withstand continuous driving of the stacked piezoelectric element. Furthermore, if it is 20 μm, preferably 30 μm or more, it is possible to prevent cracks from propagating and disconnection, and the resistance value of the external electrode 15 can be reduced, so that heat generation of the external electrode 15 can be suppressed. On the other hand, if the total thickness exceeds 100 μm, the external electrode 15 cannot follow the piezoelectric body 11 and the amount of displacement is significantly reduced. Therefore, the total thickness is more preferably 30 to 100 μm.

さらに本発明では、外部電極第1層15aが該外部電極第1層15aに被覆した外部電極第2層15bよりも金属酸化物を多く含有することが好ましい。これは、圧電体11と接する第1層15aの金属酸化物が第2層15bより少ないと、第1層15aの比抵抗が第2層15bより小さくなるため、積層型圧電素子を駆動した際、電流が比抵抗の小さい第1層15aの方に流れることで、第1層15aが過熱して、圧電体11と第1層15aの間が剥離したり、積層型圧電素子の温度が上昇して熱暴走するからである。ここで金属酸化物とは、周期律表の1〜15族のいずれかの酸化物であり、1000℃以下でガラスを形成することが出来る、Si、B、Bi、Pb、Zn、Al、Ca、Ba、Ti、Zr、希土類の酸化物であることが好ましい。さらに、Si、B、Bi、Pb、Znの酸化物であれば、さらに低温で非晶質を形成することができるので、より好ましい。このことにより、積層型圧電素子に外部電極を構成する熱処理条件で、第1層15aが圧電体11と強固に密着する。特に、耐久性が高い積層型圧電素子とするには、外部電極第1層の金属酸化物量は30体積%以上が好ましく、50体積%以上であればより好ましく、70体積%以上であればさらに好ましい。   Further, in the present invention, it is preferable that the external electrode first layer 15a contains more metal oxide than the external electrode second layer 15b covered with the external electrode first layer 15a. This is because when the metal oxide of the first layer 15a in contact with the piezoelectric body 11 is smaller than that of the second layer 15b, the specific resistance of the first layer 15a is smaller than that of the second layer 15b. When the current flows toward the first layer 15a having a small specific resistance, the first layer 15a is overheated, and the piezoelectric body 11 and the first layer 15a are separated from each other or the temperature of the multilayer piezoelectric element is increased. It is because of thermal runaway. Here, the metal oxide is an oxide of any one of groups 1 to 15 in the periodic table, and can form glass at 1000 ° C. or less, and can be formed of Si, B, Bi, Pb, Zn, Al, and Ca. Ba, Ti, Zr, and rare earth oxides are preferable. Furthermore, Si, B, Bi, Pb, and Zn oxides are more preferable because an amorphous state can be formed at a lower temperature. As a result, the first layer 15a is firmly adhered to the piezoelectric body 11 under the heat treatment conditions for forming the external electrode in the multilayer piezoelectric element. In particular, in order to obtain a multi-layer piezoelectric element with high durability, the amount of the metal oxide of the external electrode first layer is preferably 30% by volume or more, more preferably 50% by volume or more, and even more preferably 70% by volume or more. preferable.

さらに本発明では、外部電極15の最外層15cの含有する金属酸化物が他のいずれの外部電極層よりも少ないことが好ましい。このことにより、最外層15cはヤング率が小さく構成されるため、積層型圧電素子を連続駆動させて、素子寸法変化に伴って外部電極が伸び縮みしても、外部電極に発生する亀裂を抑制しやすくなる。さらに、抵抗率が低い電極とすることが出来るので、素子を連続駆動しても過熱することがないので、熱暴走することがない。また、金属成分を多くすることで、はんだ付けや溶接が容易になったり、導電性樹脂で接合する場合でも接触抵抗を小さくすることができるのは言うまでもない。   Furthermore, in the present invention, it is preferable that the outermost layer 15c of the external electrode 15 contains less metal oxide than any other external electrode layer. As a result, the outermost layer 15c is configured to have a low Young's modulus. Therefore, even if the multilayer piezoelectric element is continuously driven and the external electrode expands and contracts as the element size changes, cracks generated in the external electrode are suppressed. It becomes easy to do. Furthermore, since the electrode can have a low resistivity, the element does not overheat even if the element is continuously driven, and thermal runaway does not occur. Moreover, it goes without saying that by increasing the metal component, it is possible to facilitate soldering and welding, or to reduce the contact resistance even when joining with a conductive resin.

ここで、第1層15a以外の外部電極層がいずれも第1層15aの電極層よりも金属酸化物が少なければ、素子の加熱を抑制できるが、外部電極層の密着力を向上させて、層内で剥離することがないようにするには、第1層15aから、外側の電極層に向けて順に金属酸化物が少なくなることがより好ましい。つまり、外部電極15の各層の金属酸化物の含有量が、第1層>第2層>第3層>・・・>最外層となるように、段階的に含有量を制御すれば、隣接する外部電極層同士の熱膨張係数を近づけることができ、各層間の密着強度を向上することができる。尚、外部電極15の組成物の量は、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。特に、耐久性を高い積層型圧電素子とするには、外部電極15のうち最外層15cの金属酸化物量は30体積%以下が好ましく、10体積%以下であればより好ましく、5体積%以下であればさらに好ましい。   Here, if any of the external electrode layers other than the first layer 15a has less metal oxide than the electrode layer of the first layer 15a, the heating of the element can be suppressed, but the adhesion of the external electrode layer is improved, In order to prevent peeling in the layer, it is more preferable that the metal oxide decreases in order from the first layer 15a toward the outer electrode layer. That is, if the content is controlled step by step so that the content of the metal oxide in each layer of the external electrode 15 is first layer> second layer> third layer>. Thus, the thermal expansion coefficients of the external electrode layers can be made closer to each other, and the adhesion strength between the respective layers can be improved. The amount of the composition of the external electrode 15 can be specified by an analysis method such as an EPMA (Electron Probe Micro Analysis) method. In particular, in order to obtain a laminated piezoelectric element with high durability, the metal oxide content of the outermost layer 15c in the external electrode 15 is preferably 30% by volume or less, more preferably 10% by volume or less, and 5% by volume or less. More preferably.

さらに本発明では、金属酸化物が主にガラスであることが好ましい。このことにより、外部電極15中に金属間化合物が形成して電極が脆くなるのを抑止することができる。そして、外部電極15を構成する金属成分の粒界にガラス成分が拡散して外部電極15を強固に圧電体11に密着させることができる。   Furthermore, in this invention, it is preferable that a metal oxide is mainly glass. As a result, it is possible to suppress the formation of an intermetallic compound in the external electrode 15 and the electrode becoming brittle. Then, the glass component diffuses into the grain boundary of the metal component constituting the external electrode 15 so that the external electrode 15 can be firmly adhered to the piezoelectric body 11.

また、本発明においては、内部電極12中の金属組成物が8〜10族金属および/または11族金属を主成分とすることが望ましい。これは、上記の金属組成物は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高い圧電体11と内部電極12を同時焼成すること可能となるためである。そのため、外部電極の焼結温度を圧電体の焼結温度より低温で作製することが出来るので、圧電体と外部電極との間の激しい相互拡散を抑制することができる。   In the present invention, it is desirable that the metal composition in the internal electrode 12 is mainly composed of a group 8-10 metal and / or a group 11 metal. This is because the above metal composition has high heat resistance, so that the piezoelectric body 11 and the internal electrode 12 having a high firing temperature can be fired simultaneously. For this reason, since the sintering temperature of the external electrode can be made lower than the sintering temperature of the piezoelectric body, severe interdiffusion between the piezoelectric body and the external electrode can be suppressed.

さらに、内部電極12中の金属組成物が8〜10族金属の含有量をM1(質量%)、11族金属の含有量をM2(質量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、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。これは、8〜10族金属が15質量%を超えると、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12が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体11に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。さらに、外部電極15を形成した際、外部電極15と内部電極12とが相互拡散して接合するが、8〜10族金属が15質量%を超えると、外部電極15中に内部電極成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性がおちるからである。また、内部電極2中の11族金属の圧電体11へのマイグレーションを抑制するために、8〜10族金属が0.001質量%以上15質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、0.1質量%以上10質量%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質量%以上9.5質量%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質量%以上8質量%以下がさらに好ましい。   Furthermore, when the content of the group 8-10 metal in the internal electrode 12 is M1 (mass%) and the content of the group 11 metal is M2 (mass%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ It is preferable that the main component is a metal composition satisfying M2 <100 and M1 + M2 = 100. This is because when the group 8-10 metal exceeds 15% by mass, the specific resistance increases, and when the laminated piezoelectric element is continuously driven, the internal electrode 12 generates heat, and the generated heat has temperature dependence. This is because the amount of displacement of the multilayer piezoelectric element may be reduced because the displacement characteristic is reduced by acting on the substrate 11. Further, when the external electrode 15 is formed, the external electrode 15 and the internal electrode 12 are mutually diffused and joined. However, when the group 8-10 metal exceeds 15 mass%, the internal electrode component diffuses into the external electrode 15. This is because the durability of the laminated piezoelectric element whose dimensions change during driving is reduced because the hardness of the above-described portions becomes high. Moreover, in order to suppress the migration of the group 11 metal in the internal electrode 2 to the piezoelectric body 11, the group 8 to 10 metal is preferably 0.001% by mass to 15% by mass. Moreover, 0.1 mass% or more and 10 mass% or less are preferable at the point of improving the durability of a laminated piezoelectric element. Moreover, when it is excellent in heat conduction and needs higher durability, 0.5 mass% or more and 9.5 mass% or less are more preferable. In addition, when higher durability is required, it is more preferably 2% by mass or more and 8% by mass or less.

ここで、11族金属が85質量%未満になると、内部電極12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12が発熱する場合があるからである。また、内部金属12中の11族金属の圧電体11へのマイグレーションを抑制するために、11族金属が85質量%以上99.999質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、90質量%以上99.9質量%以下が好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は90.5質量%以上99.5質量%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質量%以上98質量%以下がさらに好ましい。   Here, when the Group 11 metal is less than 85% by mass, the specific resistance of the internal electrode 12 increases, and the internal electrode 12 may generate heat when the stacked piezoelectric element is continuously driven. Further, in order to suppress migration of the Group 11 metal in the internal metal 12 to the piezoelectric body 11, the Group 11 metal is preferably 85 mass% or more and 99.999 mass% or less. Moreover, 90 mass% or more and 99.9 mass% or less are preferable at the point of improving the durability of a laminated piezoelectric element. Moreover, when higher durability is required, 90.5 mass% or more and 99.5 mass% or less are more preferable. Moreover, when higher durability is calculated | required, 92 to 98 mass% is further more preferable.

上記の内部電極12中の金属成分の質量%を示す8〜10族金属、11族金属はEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。   The 8-10 group metal and 11 group metal which show the mass% of the metal component in the internal electrode 12 can be specified by an analysis method such as EPMA (Electron Probe Micro Analysis) method.

さらに、本発明の内部電極12中の金属成分は、8〜10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、11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。   Furthermore, the metal component in the internal electrode 12 of the present invention is that the Group 8-10 metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, and the Group 11 metal is Cu, Ag, Preferably, at least one of Au is used. This is because the metal composition has excellent mass productivity in recent alloy powder synthesis techniques.

さらに、内部電極12中の金属成分は、8〜10族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、11族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることが好ましい。これにより、耐熱性に優れ、比抵抗の小さな内部電極12を形成できる可能性がある。   Furthermore, as for the metal component in the internal electrode 12, it is preferable that a group 8-10 metal is at least 1 or more types among Pt and Pd, and a group 11 metal is at least 1 type or more among Ag and Au. Thereby, there is a possibility that the internal electrode 12 having excellent heat resistance and small specific resistance can be formed.

さらに、内部電極12中の金属成分は、8〜10族金属がNiであることが好ましい。これにより、耐熱性に優れた内部電極12を形成できる可能性がある。   Furthermore, as for the metal component in the internal electrode 12, it is preferable that a 8-10 group metal is Ni. Thereby, the internal electrode 12 excellent in heat resistance may be formed.

さらに、内部電極12中の金属成分は、11族金属がCuであることが好ましい。これにより、硬度の低い熱伝導性に優れた内部電極12を形成できる可能性がある。   Furthermore, as for the metal component in the internal electrode 12, it is preferable that group 11 metal is Cu. Thereby, there is a possibility that the internal electrode 12 having a low hardness and excellent thermal conductivity can be formed.

さらに、内部電極12中に上記した金属組成物とともに、酸化物、窒化物または炭化物を添加することが好ましい。これにより、内部電極の強度が増し、積層型圧電素子の耐久性が向上する。特に酸化物は圧電体と相互拡散して内部電極と圧電体との密着強度を高めるのでより好ましい。さらに、前記無機組成物が50体積%以下であることが好ましい。これにより、内部電極12と圧電体11との間の接合強度を圧電体11の強度より小さく出来る。さらに好ましくは30体積%以下にすることで積層型圧電素子の耐久性を向上できる。   Furthermore, it is preferable to add an oxide, nitride, or carbide to the internal electrode 12 together with the metal composition described above. Thereby, the strength of the internal electrode is increased, and the durability of the multilayer piezoelectric element is improved. In particular, an oxide is more preferable because it interdiffuses with the piezoelectric body and increases the adhesion strength between the internal electrode and the piezoelectric body. Furthermore, it is preferable that the said inorganic composition is 50 volume% or less. Thereby, the bonding strength between the internal electrode 12 and the piezoelectric body 11 can be made smaller than the strength of the piezoelectric body 11. More preferably, the durability of the multilayer piezoelectric element can be improved by setting the volume to 30% by volume or less.

前記酸化物がPbZrO−PbTiO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。尚、添加された酸化物等の含有量は、積層型圧電素子の断面SEM像における内部電極中の組成の面積比から算出できる。 It is preferable that the oxide contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component. The content of the added oxide or the like can be calculated from the area ratio of the composition in the internal electrode in the cross-sectional SEM image of the multilayer piezoelectric element.

さらに、圧電体11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)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d33が高いことから、変位量を大きくすることができ、さらに、圧電体11と内部電極12を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体11としては、圧電歪み定数d33が比較的高いPbZrO−PbTiO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。 Furthermore, it is preferable that the piezoelectric body 11 has a perovskite oxide as a main component. This is because, for example, when formed of a perovskite type piezoelectric ceramic material typified by barium titanate (BaTiO 3 ) or the like, the piezoelectric strain constant d 33 indicating the piezoelectric characteristics is high, so that the amount of displacement can be increased. Further, the piezoelectric body 11 and the internal electrode 12 can be fired simultaneously. The piezoelectric body 11 described above preferably contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 having a relatively high piezoelectric strain constant d 33 as a main component.

さらに、焼成温度が900℃以上1000℃以下であることが好ましい。これは、焼成温度が900℃以下では、焼成温度が低いため焼成が不十分となり、緻密な圧電体11を作製することが困難になる。また、焼成温度が1000℃を超えると、内部電極12と圧電体11接合強度が大きくなるからである。   Furthermore, it is preferable that a calcination temperature is 900 degreeC or more and 1000 degrees C or less. This is because when the firing temperature is 900 ° C. or lower, the firing temperature is low, so firing is insufficient, and it becomes difficult to manufacture the dense piezoelectric body 11. Further, when the firing temperature exceeds 1000 ° C., the bonding strength between the internal electrode 12 and the piezoelectric body 11 increases.

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12と端部が露出しない内部電極12とが交互に構成されており、前記端部が露出していない内部電極12と外部電極15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11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12の発熱を抑制することができる。   In addition, the internal electrodes 12 whose end portions are exposed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element of the present invention and the internal electrodes 12 whose end portions are not exposed are alternately configured, and the internal electrodes 12 whose end portions are not exposed and It is preferable that a groove is formed in the piezoelectric portion between the external electrodes 15 and an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body 11 is formed in the groove. As a result, in such a multilayer piezoelectric element, stress generated by displacement during driving can be relieved, so that heat generation of the internal electrode 12 can be suppressed even when continuously driven.

次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。   Next, a method for producing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described.

本発明の積層型圧電素子は、まず、PbZrO−PbTiO等からなるペロブスカイト型酸化物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(フタル酸ジブチル)、DOP(フタル酸ジオチル)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11となるセラミックグリーンシートを作製する。 The multilayer piezoelectric element of the present invention includes a calcined powder of a perovskite oxide piezoelectric ceramic made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and DBP (phthalate). A ceramic green sheet that is made into a piezoelectric body 11 by mixing a slurry with a plasticizer such as dibutyl acid or DOP (dioctyl phthalate), and producing the slurry by a tape molding method such as a known doctor blade method or calendar roll method. Is made.

次に、銀−パラジウム等の内部電極12を構成する金属粉末に、酸化銀等の金属酸化物、バインダー及び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。   Next, a metal paste such as silver-palladium and the like constituting the internal electrode 12 is mixed with a metal oxide such as silver oxide, a binder, a plasticizer, and the like to prepare a conductive paste. Printing on the upper surface to a thickness of 1 to 40 μm by screen printing or the like.

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、900〜1200℃で焼成することによって積層体13が作製される。   Then, a plurality of green sheets with conductive paste printed on the upper surface are laminated, the binder is debindered at a predetermined temperature, and then fired at 900 to 1200 ° C., whereby the laminate 13 is produced.

このとき、不活性層14の部分のグリーンシート中に、銀−パラジウム等の内部電極12を構成する金属粉末を添加したり、不活性層14の部分のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末および無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層14とその他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻密な積層体を形成することができる。   At this time, when the metal powder constituting the internal electrode 12 such as silver-palladium is added to the green sheet of the inert layer 14 or when the green sheet of the inert layer 14 is laminated, the silver- By printing on the green sheet a slurry composed of metal powder and inorganic compound constituting the internal electrode such as palladium, a binder and a plasticizer, the shrinkage behavior and shrinkage rate of the inert layer 14 and other parts during sintering can be reduced. Since they can be matched, a dense laminate can be formed.

なお、積層体13は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体11と複数の内部電極12とを交互に積層してなる積層体13を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。   In addition, the laminated body 13 is not limited to what is produced by the said manufacturing method, What is necessary if the laminated body 13 which laminates | stacks alternately the several piezoelectric body 11 and the some internal electrode 12 is producible. It may be formed by any manufacturing method.

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12と端部が露出しない内部電極12とを交互に形成して、端部が露出していない内部電極12と外部電極15間の圧電体部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体11よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体13の側面に形成される。   Thereafter, the internal electrodes 12 whose ends are exposed and the internal electrodes 12 whose ends are not exposed are alternately formed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element, and the internal electrodes 12 and the external electrodes 15 whose ends are not exposed are formed alternately. A groove is formed in the piezoelectric portion, and an insulator such as resin or rubber having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body 11 is formed in the groove. Here, the groove is formed on the side surface of the laminate 13 by an internal dicing device or the like.

次に、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に制御し、このシートを、柱状積層体13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、且つ積層体13の焼成温度(℃)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15を形成することができる。 Next, a binder is added to the glass powder to produce a silver glass conductive paste, which is formed into a sheet and dried (the solvent is scattered), and the raw density of the sheet is controlled to 6 to 9 g / cm 3 . Then, this sheet is transferred to the external electrode formation surface of the columnar laminate 13, and is a temperature higher than the softening point of the glass, a temperature not higher than the melting point of silver (965 ° C.), and the firing temperature (° C. of the laminate 13). ) At a temperature of 4/5 or less, the binder component in the sheet produced using the silver glass conductive paste is scattered and disappeared, and the external electrode 15 made of a porous conductor having a three-dimensional network structure. Can be formed.

このとき、外部電極を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、1層ごとに積層しては焼付けを行っても良いが、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。そして、外部電極層の層ごとにガラス成分を変える場合は、シートごとにガラス成分の量を変えたものを持ちいればよいが、最も圧電体に接した面にごく薄くガラスリッチな層を構成したい場合は、積層体に、スクリーン印刷等の方法で、ガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層する事が用いられる。このとき、印刷のかわりに5μm以下のシートを用いても良い。   At this time, the paste constituting the external electrode may be baked after being laminated on the multilayer sheet, or may be baked by laminating the layers one by one. Baking is better for mass production. And when changing the glass component for each layer of the external electrode layer, it is only necessary to have a glass component whose amount is changed for each sheet, but it forms a very thin glass-rich layer on the surface most in contact with the piezoelectric body. In order to achieve this, it is used to laminate a multilayer sheet after printing a glass-rich paste on the laminate by a method such as screen printing. At this time, a sheet of 5 μm or less may be used instead of printing.

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12を拡散接合させ、また、外部電極15中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極15と柱状積層体13側面とを部分的に接合させるという点から、500〜800℃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、500〜800℃が望ましい。   The baking temperature of the silver glass conductive paste effectively forms a neck portion, diffuses and joins silver in the silver glass conductive paste and the internal electrode 12, and effectively creates voids in the external electrode 15. The temperature is preferably 500 to 800 ° C. from the standpoint of remaining and further partially bonding the external electrode 15 and the side surface of the columnar laminate 13. The softening point of the glass component in the silver glass conductive paste is preferably 500 to 800 ° C.

焼き付け温度が800℃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15が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極15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15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。   When the baking temperature is higher than 800 ° C., the silver powder of the silver glass conductive paste is sintered too much to form a porous conductor having an effective three-dimensional network structure. May become too dense, and as a result, the Young's modulus of the external electrode 15 may become too high to absorb the stress during driving sufficiently and the external electrode 15 may be disconnected. Preferably, baking should be performed at a temperature within 1.2 times the softening point of the glass.

一方、焼き付け温度が500℃よりも低い場合には、内部電極12端部と外部電極15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12と外部電極15の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。   On the other hand, when the baking temperature is lower than 500 ° C., the diffusion electrode is not sufficiently bonded between the end portion of the internal electrode 12 and the external electrode 15, so that the neck portion is not formed and the internal electrode 12 and the external electrode are externally driven. There is a possibility of causing a spark between the electrodes 15.

次に、外部電極15を形成した積層体13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13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13を引き上げ、積層体13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13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ことにより、本発明の積層型圧電素子が完成する。   Next, the laminated body 13 on which the external electrode 15 is formed is immersed in a silicone rubber solution, and the silicone rubber solution is vacuum degassed to fill the groove of the laminated body 13 with silicone rubber. The laminated body 13 is pulled up, and the side surface of the laminated body 13 is coated with silicone rubber. Thereafter, the silicone rubber filled in the groove and coated on the side surface of the laminated body 13 is cured to complete the laminated piezoelectric element of the present invention.

そして、外部電極15にリード線を接続し、該リード線を介して一対の外部電極15に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層体13を分極処理することによって、本発明の積層型圧電素子を利用した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15を介して内部電極12に電圧を印加させれば、各圧電体11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。   Then, a lead wire is connected to the external electrode 15, a direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of external electrodes 15 via the lead wire, and the laminate 13 is subjected to polarization treatment. When a multilayer piezoelectric actuator using the multilayer piezoelectric element is completed, a lead wire is connected to an external voltage supply unit, and a voltage is applied to the internal electrode 12 via the lead wire and the external electrode 15, each piezoelectric The body 11 is largely displaced by the inverse piezoelectric effect, and thereby functions as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.

さらに、外部電極15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を形成してもよい。この場合には、外部電極15の外面に導電性補助部材を設けることにより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15に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極15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。さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、前記導電性接着剤に亀裂が生じるのを防ぐことができる。   Furthermore, a conductive auxiliary member made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded on the outer surface of the external electrode 15 may be formed. In this case, even when a large current is input to the actuator by providing a conductive auxiliary member on the outer surface of the external electrode 15 and the actuator is driven at a high speed, a large current can flow through the conductive auxiliary member. For the reason that the current flowing through 15 can be reduced, the external electrode 15 can be prevented from causing local heat generation and disconnection, and the durability can be greatly improved. Furthermore, since a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded in the conductive adhesive, it is possible to prevent the conductive adhesive from cracking.

金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。   The metal mesh is a braided metal wire, and the mesh metal plate is a mesh formed by forming holes in a metal plate.

さらに、前記導電性補助部材を構成する導電性接着剤は銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。さらに望ましくは、前記導電性粒子はフレーク状や針状などの非球形の粒子であることが望ましい。これは、導電性粒子の形状をフレーク状や針状などの非球形の粒子とすることにより、該導電性粒子間の絡み合いを強固にすることができ、該導電性接着剤のせん断強度をより高めることができるためである。   Furthermore, the conductive adhesive constituting the conductive auxiliary member is preferably made of a polyimide resin in which silver powder is dispersed. That is, by dispersing silver powder having a low specific resistance in a polyimide resin having high heat resistance, a conductive auxiliary member having a low resistance value and maintaining a high adhesive strength can be formed even when used at high temperatures. . More preferably, the conductive particles are non-spherical particles such as flakes or needles. This is because the entanglement between the conductive particles can be strengthened by making the shape of the conductive particles non-spherical particles such as flakes and needles, and the shear strength of the conductive adhesive can be further increased. This is because it can be increased.

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。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

また、上記では、積層体13の対向する側面に外部電極15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。   Moreover, although the example which formed the external electrode 15 in the side surface which the laminated body 13 opposes above was demonstrated, in this invention, you may form a pair of external electrode in the side surface provided adjacently, for example.

図4は、本発明の噴射装置を示すもので、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。   FIG. 4 shows an injection device of the present invention. An injection hole 33 is provided at one end of the storage container 31, and a needle valve 35 that can open and close the injection hole 33 is stored in the storage container 31. Has been.

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。   A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to be able to communicate. The fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.

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。   Further, the upper end portion of the needle valve 35 has a large diameter, and serves as a piston 41 slidable with a cylinder 39 formed in the storage container 31. In the storage container 31, the piezoelectric actuator 43 described above is stored.

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。   In such an injection device, when the piezoelectric actuator 43 is extended by applying a voltage, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the supply of fuel is stopped. When the application of voltage is stopped, the piezoelectric actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.

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、または、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、実施可能であることは言うまでもない。   Further, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element and an injection device, but is not limited to the above-described embodiments. For example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, an optical device, etc. Drive elements mounted on precision positioning devices, vibration prevention devices, etc., or sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, yaw rate sensors, and piezoelectric elements Needless to say, the present invention can be applied to elements other than circuit elements mounted on a gyroscope, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, a piezoelectric breaker, or the like as long as the elements use piezoelectric characteristics.

(実施例1)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。   Example 1 A laminated piezoelectric actuator comprising the laminated piezoelectric element of the present invention was produced as follows.

まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電体11になるセラミックグリーンシートを作製した。 First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A ceramic green sheet to be the piezoelectric body 11 having a thickness of 150 μm was produced.

このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5重量%)にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により3μmの厚みに形成したシートを300枚積層し、焼成した。焼成は、800℃で保持した後に、1000℃で焼成した。   On one side of this ceramic green sheet, 300 sheets of a conductive paste prepared by adding a binder to a silver-palladium alloy (silver 95% by mass-palladium 5% by weight) to a thickness of 3 μm by a screen printing method are laminated and fired. did. Firing was carried out at 1000 ° C. after holding at 800 ° C.

その後、ダイシング装置により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。   Thereafter, a groove having a depth of 50 μm and a width of 50 μm was formed at every other end of the internal electrode on the side surface of the laminate by a dicing apparatus.

次に、表1に示す組成になるように、平均粒径2μmのフレーク状の銀粉末と、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との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計質量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、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。   Next, an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. mainly composed of flaky silver powder having an average particle diameter of 2 μm and silicon having an average particle diameter of 2 μm as the main component so as to have the composition shown in Table 1. 8 parts by mass of the binder is added to the total mass of 100 parts by mass of the silver powder and the glass powder, and mixed well to prepare a silver glass conductive paste. The conductive paste was formed on the release film by screen printing, dried, and then peeled off from the release film to obtain a silver glass conductive paste sheet.

そして、表1の積層条件となるように、前記銀ガラスペーストのシートを積層体13の外部電極15面に転写して積層し、700℃で30分焼き付けを行い、外部電極15を形成した。   Then, the silver glass paste sheet was transferred and laminated on the surface of the external electrode 15 of the laminate 13 so as to satisfy the lamination conditions shown in Table 1, and baked at 700 ° C. for 30 minutes to form the external electrode 15.

その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15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を用いた積層型圧電アクチュエータを作製した。   Thereafter, a lead wire is connected to the external electrode 15, a 3 kV / mm direct current electric field is applied to the positive and negative external electrodes 15 through the lead wire for 15 minutes, and polarization is performed. As shown in FIG. A multilayer piezoelectric actuator using a piezoelectric element was produced.

得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての積層型圧電アクチュエータにおいて、積層方向に45μmの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×10回まで連続駆動した試験を行った。 When a DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric element, a displacement amount of 45 μm in the stacking direction was obtained in all the multilayer piezoelectric actuators. Further, a test was performed in which the multilayer piezoelectric actuator was continuously driven up to 1 × 10 9 times by applying an AC voltage of 0 to +170 V at a frequency of 150 Hz at room temperature.

また、外部電極15の層厚みとガラスの量は、断面をSEMにより計測することで測定した。厚みはSEM像の5点の平均値から算出し、ガラスの量はSEMおよびEPMAから電極層の面積を算出し、その中のガラス部分の面積を算出して得られた面積比を体積%として算出した。結果は表1に示すとおりである。

Figure 2005322691
The layer thickness of the external electrode 15 and the amount of glass were measured by measuring the cross section with an SEM. The thickness is calculated from the average value of 5 points in the SEM image, the amount of glass is calculated by calculating the area of the electrode layer from SEM and EPMA, and calculating the area of the glass portion in the area ratio as volume% Calculated. The results are as shown in Table 1.
Figure 2005322691

この表1から、比較例である試料番号1、2、13は、外部電極15を構成する層数が2層以下であったため、積層型圧電アクチュエータを連続駆動させると、圧電体12の寸法変化により、圧電体12と外部電極15の界面にかかる負荷が大きくなり、前記界面から外部電極15に亀裂が発生するとともに、前記界面で剥離が生じた。   From Table 1, since sample numbers 1, 2, and 13 as comparative examples had two or less layers constituting the external electrode 15, when the multilayer piezoelectric actuator was continuously driven, the dimensional change of the piezoelectric body 12 As a result, the load applied to the interface between the piezoelectric body 12 and the external electrode 15 increased, cracks occurred in the external electrode 15 from the interface, and peeling occurred at the interface.

これらに対して、本発明の実施例である試料番号3〜12では、外部電極が3層以上で構成された積層型圧電アクチュエータであったため、1×10回連続駆動させた後も、素子変位量が著しく低下することなく、積層型圧電アクチュエータとして必要とする実効変位量を有し、また、熱暴走や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電アクチュエータを作製できた。 On the other hand, in Sample Nos. 3 to 12, which are the examples of the present invention, since the external electrode was a laminated piezoelectric actuator composed of three or more layers, the element was continuously driven 1 × 10 9 times. A multi-layer piezoelectric actuator having an effective displacement required for a multi-layer piezoelectric actuator and having excellent durability without causing thermal runaway or malfunction could be produced without significantly reducing the displacement.

(実施例2)実施例1の試料No.7の積層型圧電アクチュエータの内部電極12の材料組成を変化させて、各試料の変位量の変化率を測定した。ここで、変位量の変化率とは、各試料の積層型圧電素子が駆動回数1×10回に達した時の変位量(μm)と、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量(μm)とを比較したものである。結果を表2に示す。

Figure 2005322691
(Example 2) Sample No. The change rate of the displacement amount of each sample was measured by changing the material composition of the internal electrode 12 of the multilayer piezoelectric actuator 7. Here, the change rate of the displacement amount is the displacement amount (μm) when the multilayer piezoelectric element of each sample reaches 1 × 10 9 times of driving, and the initial value of the multilayer piezoelectric element before starting the continuous driving. This is a comparison with the amount of displacement (μm) in the state. The results are shown in Table 2.
Figure 2005322691

表2より、試料No.1の内部電極12を銀100%にした場合は、シルバーマイグレーションにより積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となった。また、試料No.18は内部電極12中の金属組成物において8〜10族金属の含有量が15質量%を超えており、また、11族金属の含有量が85質量%未満であるため、内部電極12の比抵抗が大きいことで積層型圧電素子を連続駆動させた際発熱して、積層型圧電アクチュエータの変位量が低下することがわかる。   From Table 2, Sample No. When one internal electrode 12 was made of 100% silver, the laminated piezoelectric element was damaged by silver migration, and continuous driving became impossible. Sample No. 18 is a metal composition in the internal electrode 12, the group 8-10 metal content exceeds 15 mass%, and the group 11 metal content is less than 85 mass%. It can be seen that because the resistance is large, heat is generated when the multilayer piezoelectric element is continuously driven, and the displacement amount of the multilayer piezoelectric actuator decreases.

これに対して、試料No.2〜14は、内部電極12中の金属組成物が8〜10属金属の含有量をM1質量%、1b属金属の含有量をM2質量%としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100質量%を満足する金属組成物を主成分とするために、内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。   In contrast, sample no. 2 to 14, when the metal composition in the internal electrode 12 is 8% to 10% of the metal content and 1% of the metal group content is 2% by mass, 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 = In order to have a metal composition that satisfies 100% by mass as a main component, the specific resistance of the internal electrode 12 can be reduced, and heat generated in the internal electrode 12 can be suppressed even when continuously driven. It can be seen that a laminated actuator with a stable element displacement can be produced.

試料No.15〜17も内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。   Sample No. 15 to 17 can reduce the specific resistance of the internal electrode 12 and suppress the heat generation generated in the internal electrode 12 even when continuously driven, so that it can be understood that a laminated actuator with a stable element displacement can be manufactured.

なお、本発明は、上記実施例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内で種々の変更を行うことは何等差し支えない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の積層型圧電素子を示すもので、(a)は斜視図、(b)は圧電体層と内部電極層との積層状態を示す展開斜視図である。1A and 1B show a laminated piezoelectric element of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 本発明の積層型圧電素子の圧電体と接する外部電極の積層構造を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the laminated structure of the external electrode which touches the piezoelectric material of the multilayer piezoelectric element of this invention. 従来の積層型圧電素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional lamination type piezoelectric element. 本発明の噴射装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the injection apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11、21・・・圧電体
12、22・・・内部電極
13、20・・・積層体
14、24・・・不活性層
15、23・・・外部電極
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・バルブ
37・・・燃料通路
39・・・シリンダ
41・・・ピストン
43・・・圧電アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 21 ... Piezoelectric body 12, 22 ... Internal electrode 13, 20 ... Laminated body 14, 24 ... Inactive layer 15, 23 ... External electrode 31 ... Storage container 33 ... -Injection hole 35 ... Valve 37 ... Fuel passage 39 ... Cylinder 41 ... Piston 43 ... Piezoelectric actuator

Claims (18)

少なくとも1つの圧電体と複数の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、前記外部電極が、3層以上積層していることを特徴とする積層型圧電素子。 It has a laminate formed by alternately laminating at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes, and has a pair of external electrodes in which the internal electrodes are alternately connected to every other side surface of the laminate, A multilayer piezoelectric element that is driven by applying an electric field to the external electrode, wherein the external electrode is laminated in three or more layers. 前記外部電極のうち前記圧電体に接した外部電極第1層の厚みが10μm以下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。 2. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a thickness of a first external electrode layer in contact with the piezoelectric body of the external electrodes is 10 μm or less. 前記外部電極第1層が該外部電極第1層を被覆した外部電極第2層よりも金属酸化物を多く含有す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。 3. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the first external electrode layer contains more metal oxide than the second external electrode layer covering the first external electrode layer. 4. 前記外部電極の最外層の含有する金属酸化物が他のいずれの外部電極層よりも少なく構成されてい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。 4. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the outermost layer of the external electrode contains less metal oxide than any other external electrode layer. 前記金属酸化物が主にガラス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。 The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the metal oxide is mainly glass. 前記内部電極中の金属組成物が8〜10族金属および/または11族金属を主成分とす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。 The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the metal composition in the internal electrode contains a group 8-10 metal and / or a group 11 metal as a main component. 前記内部電極中の8〜10族金属の含有量をM1(質量%)、11族金属の含有量をM2(質量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足することを特徴とする請求項6に記載の積層型圧電素子。 When the content of the group 8-10 metal in the internal electrode is M1 (mass%) and the content of the group 11 metal is M2 (mass%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 = The multilayer piezoelectric element according to claim 6, wherein 100 is satisfied. 前記8〜10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、11族金属がCu、Ag、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする請求項6又は7に記載の積層型圧電素子。 The Group 8-10 metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the Group 11 metal is at least one of Cu, Ag, and Au. The multilayer piezoelectric element according to claim 6 or 7. 前記8〜10族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、11族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The group 8-10 metal is at least one of Pt and Pd, and the group 11 metal is at least one of Ag and Au. Multilayer piezoelectric element. 前記8〜10族金属がNiであることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の積層型圧電素子。 9. The multilayer piezoelectric element according to claim 6, wherein the group 8-10 metal is Ni. 前記11族金属がCuであることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The multilayer piezoelectric element according to claim 6, wherein the group 11 metal is Cu. 前記内部電極中に前記金属組成物とともに、酸化物、窒化物または炭化物を添加したことを特徴とする請求項6乃至11のいずれかに記載の積層型圧電素子。 12. The multilayer piezoelectric element according to claim 6, wherein an oxide, a nitride, or a carbide is added to the internal electrode together with the metal composition. 前記酸化物がPbZrO−PbTiOからなる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12記載の積層型圧電素子。 13. The multilayer piezoelectric element according to claim 12, wherein the oxide contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component. 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13のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric body contains a perovskite oxide as a main component. 前記圧電体がPbZrO−PbTiOからなる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14記載の積層型圧電素子。 15. The multilayer piezoelectric element according to claim 14, wherein the piezoelectric body contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component. 前記積層体の焼成温度が900℃以上1000℃以下であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の積層型圧電素子。 16. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a firing temperature of the multilayer body is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. 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前記圧電体部分に溝が形成されており、該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16のいずれかに記載の積層型圧電素子。 The internal electrodes whose ends are exposed on the side surfaces of the laminate and the internal electrodes whose ends are not exposed are alternately configured, and the internal electrodes between which the ends are not exposed and the external electrodes are formed. The multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 16, wherein a groove is formed in the piezoelectric body portion, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body. . 噴射孔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17の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。 A storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element. An injection device comprising:
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