JP2006303044A - 積層型圧電体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 例え、導電性接着剤を使用しても圧電体に形成された内部電極と外部電極との間の接合強度が強く、且つ、外部電極の一部が破断しても変位特性が変り難いなどの効果を奏する積層型圧電体素子を提供することである。
【解決手段】 積層型圧電体素子１の側面に設けられ、内部電極層１１と電気的に導通し、積層型圧電体素子１の積層方向に伸縮可能な複数の開口部３３ａを備える第１の外部電極層３３とを備え、第１の外部電極層３３は、導電性接着剤３２によって積層型圧電体素子１に接合されており、導電性接着剤３２の幅は、第１の外部電極層３３の幅よりも狭いことにより、導電性接着剤３２が第１の外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第１の外部電極層３３は積層型圧電体素子１に強力に接合する。
【選択図】 図１
【解決手段】 積層型圧電体素子１の側面に設けられ、内部電極層１１と電気的に導通し、積層型圧電体素子１の積層方向に伸縮可能な複数の開口部３３ａを備える第１の外部電極層３３とを備え、第１の外部電極層３３は、導電性接着剤３２によって積層型圧電体素子１に接合されており、導電性接着剤３２の幅は、第１の外部電極層３３の幅よりも狭いことにより、導電性接着剤３２が第１の外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第１の外部電極層３３は積層型圧電体素子１に強力に接合する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止用の駆動素子、インクジェットプリンタなどに用いられる積層型圧電体素子に関するものである。
近年、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、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。
このような圧電アクチュエータに用いられる積層型圧電体素子では、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、積層型圧電体素子の側面に設けられた正極、負極用の外部電極が積層型圧電体素子の伸縮動作に追従することが出来ずに、圧電体間に形成された内部電極と外部電極との間で剥離が発生する、又、外部電極にクラックが発生して破断することにより、一部の圧電体に電圧供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題が起きる。
そこで特許文献１では、幅方向に切り込みが形成された薄板状導電部材を導電性接着剤により積層型圧電体素子の側面に、内部電極と導通するように接合する積層型圧電体素子が提案されている。
特開平８−２４２０２５
しかし、特許文献１に示す従来技術では、半田付けやロウ付けと比較して一般に接合強度が弱い導電性接着剤によって積層型圧電体素子と薄板状導電部材を接合しているため、接合強度が低く耐久性が劣るなどの課題がある。また、薄板状導電部材に形成された切り込み部にかかる応力には効果があるものの、切り込み部以外の部分は導電性接着剤によって固定されている為、十分に応力を低減することが出来ず、薄板状導電部材が破断してしまう。そして、このような薄板状導電部材の破断により、薄板状導電部材と内部電極との導通を確保出来なくなるため、駆動中に変位特性が変化するという問題がある。本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、例え、導電性接着剤を使用しても圧電体に形成された内部電極と外部電極との間の接合強度が強く、且つ、外部電極の一部が破断しても変位特性が変り難いなどの効果を奏する積層型圧電体素子を提供することである。
本発明においては、電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通し、前記積層型圧電体素子の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を備える第１の外部電極層とを備え、前記第１の外部電極層は、導電性接着剤によって前記積層型圧電体素子に接合されており、前記導電性接着剤の幅は、前記第１の外部電極層の幅よりも狭い積層型圧電体素子を提供する。
これによると、導電性接着剤は、半田付けやロウ付けと比較して一般に接合強度が弱いが、本発明では導電性接着剤が第１の外部電極層の開口部に入り込み碇状接合を形成するため、第１の外部電極層は積層型圧電体素子に強力に接合する。また、導電性接着剤の幅は、第１の外部電極層の幅よりも狭くなっているため、圧電体層の変位等によって、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されている部分が破断した場合でも、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されない部分により内部電極層に対する導通を確保することが出来る。よって、積層型圧電体素子に形成された内部電極層と第１の外部電極層との間の接合強度が強く、且つ、第１の外部電極層の一部が破断しても変位特性が変り難い積層型圧電体素子を提供することが出来る。
また、請求項２に記載の発明のように、前記導電性接着剤の幅は、０．３ｍｍ以上とすることにより、例え２０ＭＰａ以下の接着力を有する接着剤であっても積層型圧電体素子として使用する場合に接合強度が不足することがない。
また、請求項３に記載の発明のように、前記第１の外部電極層の幅をＷｍとしたとき、前記開口部における前記積層型圧電体素子の積層方向と垂直方向の最大幅は、０．５Ｗｍ以下であると、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されている部分が破断した場合でも、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されない部分により内部電極層に対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部を形成する辺によって、内部電極層に対する導通を確保することが出来る。
また、請求項４に記載の発明のように、前記開口部の形は、円または楕円であると、開口部に角がなく、圧電体層の変位等による応力が集中し難い形状であるため、第１の外部電極層の破断を抑制することが出来る。
また、請求項５に記載の発明のように、前記開口部の形は、多角形且つ角に丸みを設けてなると、開口部に丸みがあり、圧電体層の変位等による応力が集中し難い形状であるため、第１の外部電極層の破断を抑制することが出来る。
また、請求項６に記載の発明のように、前記開口部の形は、四角形または菱形であると、特に四角形又は菱形に形成された前記開口部における積層方向に隣合う２辺の長さをａとｂ、前記開口部における前記積層型圧電体素子の積層方向の幅をＬ２、３辺をそれぞれａ、ｂ、Ｌ２とする三角形の高さをｈ、前記第１の外部電極層の幅をＷｍとしたとき、前記導電性接着剤の幅Ｗｓは、下記数式で表されると、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されている部分が破断した場合でも、第１の外部電極層における導電性接着剤に固定されない部分により内部電極層に対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部を形成するａ及びｂの辺によって、内部電極層に対する導通を確保することが出来る。
（数式）
Ｗｓ＜Ｗｍ−ｈ
また、請求項８に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向の伸び率（最大伸長／全長）をαとしたとき、前記三角形における各辺の関係は、下記数式で表されると、ａ＋ｂ＞Ｌ2×αであるため、圧電体の伸びにより第１の外部電極層が断線し難い。
（数式）
ａ＋ｂ＞Ｌ2×α
また、請求項９に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向の最大伸び率（最大伸長／全長）が０．０１２以下であると望ましい。
（数式）
Ｗｓ＜Ｗｍ−ｈ
また、請求項８に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向の伸び率（最大伸長／全長）をαとしたとき、前記三角形における各辺の関係は、下記数式で表されると、ａ＋ｂ＞Ｌ2×αであるため、圧電体の伸びにより第１の外部電極層が断線し難い。
（数式）
ａ＋ｂ＞Ｌ2×α
また、請求項９に記載の発明のように、前記積層型圧電体素子における積層方向の最大伸び率（最大伸長／全長）が０．０１２以下であると望ましい。
また、請求項１０に記載の発明のように、前記第１の外部電極層は、ステンレス、銅、銀、鉄、又はニッケルより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると、強度の強い第１の外部電極層が形成出来る。
また、請求項１１に記載の発明のように、前記第１の外部電極層の端部に前記開口部が形成されていない非開口部を形成すると、外部の機器との接続が容易となる。
また、請求項１２に記載の発明のように、前記導電性接着剤と前記第１の外部電極層との間には、第２の外部電極層が介在すると、特に前記第２の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、又はニッケルより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなると、第２の外部電極層の熱膨張係数は、圧電体層と第１の外部電極層との間であり、熱応力緩和層として機能するため、圧電体層に第１の外部電極層を直接接合した場合と比較して、圧電体層から第１の外部電極層にかかる熱応力を小さくすることが出来る
また、請求項１４に記載の発明のように、前記導電性接着剤の幅が前記第１の外部電極層の幅よりも狭いことによって形成される前記第１の外部電極層と前記内部電極層との隙間には、絶縁樹脂部材が介在すると、特に前記絶縁樹脂部材は、シリコーン樹脂、又は、エポキシ樹脂、又は、ウレタン樹脂、又は、ポリイミド樹脂、又は、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリエステル樹脂からなると、第１の外部電極層と内部電極層との絶縁が出来るため、第１の外部電極層と内部電極層との間における通電の繰り返しにより生じる火花放電現象を防止出来る。
また、請求項１４に記載の発明のように、前記導電性接着剤の幅が前記第１の外部電極層の幅よりも狭いことによって形成される前記第１の外部電極層と前記内部電極層との隙間には、絶縁樹脂部材が介在すると、特に前記絶縁樹脂部材は、シリコーン樹脂、又は、エポキシ樹脂、又は、ウレタン樹脂、又は、ポリイミド樹脂、又は、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリエステル樹脂からなると、第１の外部電極層と内部電極層との絶縁が出来るため、第１の外部電極層と内部電極層との間における通電の繰り返しにより生じる火花放電現象を防止出来る。
また、請求項１６に記載の発明のように、積層型圧電体ユニットを接合してなる積層型圧電体素子であっても、本発明によって、積層型圧電体素子に形成された内部電極層と第１の外部電極層との間の接合強度が強く、且つ、第１の外部電極層の一部が破断しても変位特性が変り難い積層型圧電体素子を提供することが出来る。
また、請求項１７に記載の発明のように、燃料噴射装置に使用すると、積層型圧電体素子に形成された内部電極層と第１の外部電極層との間の接合強度が強く、且つ、第１の外部電極層の一部が破断しても変位特性が変り難いため、耐久性に優れた燃料噴射装置を提供することが出来る。
（１．概要）
第１の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図１は、実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施例の積層型圧電体素子１は大きく分けて、圧電体層１１、内部電極層２１ａ及び２１ｂ、第２外部電極層３１、導電性接着剤３２、第１外部電極層３３、絶縁樹脂部材３４とを備え、概略以下のように構成される。即ち、積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮するＰＺＴのセラミック材料よりなる複数の圧電体層１１と印加電圧供給用の内部電極層２１とを交互に設けてなる。積層型圧電体素子１の外周側面１０１には、内部電極層２１ａ及び２１ｂが異なる極となるように電気的に導通した第２外部電極層３１を設けている。そして、第２外部電極層３１上には、導電性接着剤３２を介して、第１外部電極層３３が設けられている。外部電極層３３は、伸縮可能な複数の開口部３３ａを備えている。また、積層型圧電体素子１の外周側面１０１と第１外部電極層３３との間には、絶縁樹脂部材３４が介在しており、第１外部電極層３３と内部電極層２１ａ及び２１ｂとの間における通電の繰り返しにより生じる火花放電現象を防止している。
第１の発明の実施形態の構成を図面に従って説明する。図１は、実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施例の積層型圧電体素子１は大きく分けて、圧電体層１１、内部電極層２１ａ及び２１ｂ、第２外部電極層３１、導電性接着剤３２、第１外部電極層３３、絶縁樹脂部材３４とを備え、概略以下のように構成される。即ち、積層型圧電体素子１は、電圧が印加されると伸縮するＰＺＴのセラミック材料よりなる複数の圧電体層１１と印加電圧供給用の内部電極層２１とを交互に設けてなる。積層型圧電体素子１の外周側面１０１には、内部電極層２１ａ及び２１ｂが異なる極となるように電気的に導通した第２外部電極層３１を設けている。そして、第２外部電極層３１上には、導電性接着剤３２を介して、第１外部電極層３３が設けられている。外部電極層３３は、伸縮可能な複数の開口部３３ａを備えている。また、積層型圧電体素子１の外周側面１０１と第１外部電極層３３との間には、絶縁樹脂部材３４が介在しており、第１外部電極層３３と内部電極層２１ａ及び２１ｂとの間における通電の繰り返しにより生じる火花放電現象を防止している。
ここで、本発明の特徴部分について説明する。外部電極層３３は、伸縮可能な複数の開口部３３ａを備えているため、半田付けやロウ付けと比較して一般に接合強度が弱い導電性接着剤３２を使用しても、導電性接着剤３２が第１外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第２外部電極層３１と第１外部電極層３３は強力に接合する。また、導電性接着剤３２の幅は、第１外部電極層３３の幅よりも狭くなっているため、圧電体層の変位等によって第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。よって、圧電体１１に形成された内部電極層２１ａ及び２１ｂと第１外部電極層３３との間の接合強度が強く、且つ、第１外部電極層３３の一部が破断しても変位特性が変り難い積層型圧電体素子を提供することが出来る。
（２．詳細）
以下、詳細に説明する。積層型圧電体素子１は、図１に示すごとく、上記圧電体層１１の層間に上記内部電極層２１ａ及び２１ｂを交互に正負となるように形成してなる。一方の内部電極層２１ａは外周側面１０１に露出するように配設され、他方の内部電極層２１ｂは図示しない他方の外周側面に露出するように配設している。そして、積層型圧電体素子１の外周側面１０１には、露出した内部電極層２１の端部を導通させるように焼き付け銀よりなる第２外部電極層３１を形成している。第２外部電極層３１を構成する焼き付け銀は、Ａｇペーストを焼き付けることにより作製した電極でＡｇ（９７％）とガラスフリット成分（３％）という組成である。なお、第２外部電極層３１は焼き付け以外に、蒸着やメッキにより設けることもできる。
以下、詳細に説明する。積層型圧電体素子１は、図１に示すごとく、上記圧電体層１１の層間に上記内部電極層２１ａ及び２１ｂを交互に正負となるように形成してなる。一方の内部電極層２１ａは外周側面１０１に露出するように配設され、他方の内部電極層２１ｂは図示しない他方の外周側面に露出するように配設している。そして、積層型圧電体素子１の外周側面１０１には、露出した内部電極層２１の端部を導通させるように焼き付け銀よりなる第２外部電極層３１を形成している。第２外部電極層３１を構成する焼き付け銀は、Ａｇペーストを焼き付けることにより作製した電極でＡｇ（９７％）とガラスフリット成分（３％）という組成である。なお、第２外部電極層３１は焼き付け以外に、蒸着やメッキにより設けることもできる。
そして、第２外部電極層３１上には、導電性接着剤３２を介して、第１外部電極層３３を設けている。導電性接着剤３２、第１外部電極層３３については後述する。
また、第１外部電極層３３には印加電圧を外部から供給するための非開口部３３ｂを形成する。なお、非開口部３３ｂに相当する外部電源と接続する部位は、設計に応じて適宜変更出来、例えば、第２外部電極層３１に形成しても良い。
また、積層型圧電体素子１においては、積層方向の中央部分を駆動部１１ａ、これを挟持するように配置された部分をバッファー部１１ｂ、さらにこのバッファー部１１ｂを挟持するように配置された部分をダミー部１１ｃとした。これにより駆動部１１ａ、バッファー部１１ｂ、ダミー部１１ｃの順に電圧印加時における伸縮量が小さくなるように構成されている。具体的には圧電体層１１の厚さを順に厚くし、上部ダミー部１１ｃの上面及び下部ダミー部１１ｃの下面には内部電極層を形成しない。従って、内部応力を段階的に緩和出来るため、クラックが発生し難く、長期にわたって使用可能である。
この積層型圧電体素子１の製造方法と詳細構造について説明する。本例の積層型圧電体素子１は広く用いられているグリーンシート法を用いて製造することができる。公知の方法により圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。また、鉛の蒸発を考慮して、上記混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後８００〜９５０℃で仮焼する。
次いで、仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリーとし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに成形する。回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさに成形する。グリーンシートは駆動部、バッファー部およびダミー部に共通である。
次いで、例えば銀／パラジウム＝７／３ｗｔ％の比率からなる銀およびパラジウムのペースト（以下、Ａｇ／Ｐｄペーストという）により、成形後のグリーンシートの一方の表面にパターンをスクリーン印刷成形する。
圧電体層１１となるグリーンシートの表面には、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、略全面に圧電体層１１の表面よりもやや小さなパターンを形成し、内部電極層２１ａ及び２１ｂとする。グリーンシートの表面の対向辺の一方の側には、内部電極層２１ａ（２１ｂ）の非形成部が設けてある。つまり、グリーンシートの対向辺の一方の端部（積層型圧電体素子１の側面１０１あるいは対向面に相当する部分）には、内部電極層２１ａ（２１ｂ）が到達せず、対向する他方の端部には内部電極層２１ａ（２１ｂ）が到達するようにこれを配置した。
このような内部電極層２１ａ及び２１ｂを形成したグリーンシートは、駆動部１１ａ、バッファー部１１ｂ用に変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、バッファー部１１ｂ、ダミー部１１ｃ用の内部電極層を印刷していないグリーンシートも必要枚数準備する。
次いで、これらのグリーンシートを重ねる。内部電極層２１ａ及び２１ｂを形成したグリーンシートを重ねる場合には、電極の非形成部が積層型圧電体素子１の側面１０１とその対向面に交互に位置するように重ねる。これにより、グリーンシートの側面１０１に達して露出する内部電極層２１ａが一方の極の内部電極となり、対抗面に達して露出している内部電極層２１ｂが他方の極の内部電極となる。
そして、中央の駆動部１１ａにおいては、上記内部電極層２１ａ及び２１ｂを形成したグリーンシートのみを用いて積層し、バッファー部１１ｂにおいてグリーンシートの間に内部電極層を形成していないグリーンシートを介在させて積層し、ダミー部１１ｃにおいては内部電極層を形成していないグリーンシートのみを用いて積層する。これにより、図１に示す構造の積層体となる。
次いで、温水ラバープレス等による熱圧着後、電気炉により４００〜７００℃のもとで脱脂し、９００〜１２００℃のもとで焼成する。次いで、上記積層体の側面に上記Ａｇペーストを塗布、焼き付けることにより第２外部電極層３１を形成する。なお、本例は焼き付け銀より第２外部電極層３１を構成したが、例えばＡｇ／Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕペースト等を焼き付けて形成することもできる。また、内部電極層２１ａ及び２１ｂの材料としては、本例に示した材料の他に、銀、銅、ニッケル、白金、金等を用いてもよい。
第２外部電極層３１は、一方の極の内部電極層２１ａが露出している位置に形成し、各内部電極層２１ａとの導通をとる。対向面に設けられた第２外部電極層３１（図示せず）は、他方の極の内部電極層２１ｂが露出している位置に形成し、各内部電極層２１ｂとの導通をとる。次いで、第２外部電極層３１上に導電性接着剤３２を塗布する。次いで、第１外部電極層３３を導電性接着剤３２に押圧する。次いで、積層型圧電体素子１を絶縁油中に浸漬し第１外部電極層３３の非開口部３３ｂから内部電極層２１ａ及び２１ｂ間に直流電圧を印加して圧電体層１１を分極し、積層型圧電体素子１を得る。
（３．発明の特徴部分）
図２の（ａ）は、図１のＸ矢視図であり、図２の（ｂ）は、図１のＹ矢視図である。図２に示すように、導電性接着剤３２は、第２外部電極層３１と第１外部電極層３３との間に設けられ、両者を接合している。
図２の（ａ）は、図１のＸ矢視図であり、図２の（ｂ）は、図１のＹ矢視図である。図２に示すように、導電性接着剤３２は、第２外部電極層３１と第１外部電極層３３との間に設けられ、両者を接合している。
第１外部電極層３３は、ステンレス、銅、銀、鉄、ニッケル、あるいは、それらの合金よりなり、菱形形状の開口部３３ａが形成されている。開口部３３ａを形成する方法としては、パンチング加工、エッチング加工、レーザー加工、或いは、金属板に切れ目を入れて、引き延ばすことによって、格子状のシートを形成する方法（所謂エキスパンドメタル或いはメタルラス）等がある。また、第１外部電極層３３の端部には開口部が形成されていない非開口部３３ｂが形成されている。
絶縁樹脂部材３４は、シリコーン樹脂、又は、エポキシ樹脂、又は、ウレタン樹脂、又は、ポリイミド樹脂、又は、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリエステル樹脂からなり、積層型圧電体素子１に設けられた内部電極層２１ａ及び２１ｂと第１外部電極層３３との間に設けられ、第１外部電極層３３と内部電極層２１ａ及び２１ｂとの間における通電の繰り返しにより生じる火花放電現象を防止している。
図３は、図１の要部を拡大した説明図である。ここで、本発明の特徴は、導電性接着剤３２の幅Ｗｓが、第１外部電極層３３の幅Ｗｍよりも細い点である。本実施形態における導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、１ｍｍ程度としている。なお、導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、本実施形態によって限定されるものではない。具体的には、０．３ｍｍ以上であれば、大きくても３０ＭＰａ以下の接着強度を有する一般的な接着剤であっても接合強度が不足することがない。（接着強度の測定方法については後述する。）また、以下のようにも定義出来る。即ち、略四角形に形成された開口部３３ａにおける隣合う２辺の長さをａとｂ、開口部３３ａにおける積層型圧電体素子１の積層方向の幅をＬ2、３辺をそれぞれａ、ｂ、Ｌ2とする三角形の高さをｈ、第１外部電極層３３の幅をＷｍとしたとき、導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、下記数式で表されると、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成するａ及びｂの辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
（数式）
Ｗｓ＜Ｗｍ−ｈ
また、積層型圧電体素子１における積層方向の伸び率（最大伸長／全長）をαとしたとき、三角形における各辺の関係は、下記数式で表されると、積層型圧電体素子１の伸びにより第１外部電極層３３が断線し難い。本実施形態における積層型圧電体素子１の伸び率は、０．００１〜０．００２程度である。即ち、例えば、積層型圧電体素子１の全長が５０ｍｍ、最大伸長が０．０５ｍｍである場合、伸び率は０．００１となる。なお、積層型圧電体素子１の伸び率は、本実施例に限定されるものではなく、積層型圧電体素子１伸び率は、０．０１２以下であれば、積層型圧電体素子１の伸びにより第１外部電極層３３が断線し難いと考えられる。
（数式）
ａ＋ｂ＞Ｌ2×α
また、第１外部電極層３３の幅をＷｍとしたとき、開口部３３ａにおける積層型圧電体素子１の積層方向と垂直方向の幅は、０．５Ｗｍ以下であると、第１外部電極層３３に形成された一つの開口部３３ａは導電性接着剤３２により固定された状態であっても他方の開口部３３ａは導電性接着剤３２により固定されない状態にすることが出来るため、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
（数式）
Ｗｓ＜Ｗｍ−ｈ
また、積層型圧電体素子１における積層方向の伸び率（最大伸長／全長）をαとしたとき、三角形における各辺の関係は、下記数式で表されると、積層型圧電体素子１の伸びにより第１外部電極層３３が断線し難い。本実施形態における積層型圧電体素子１の伸び率は、０．００１〜０．００２程度である。即ち、例えば、積層型圧電体素子１の全長が５０ｍｍ、最大伸長が０．０５ｍｍである場合、伸び率は０．００１となる。なお、積層型圧電体素子１の伸び率は、本実施例に限定されるものではなく、積層型圧電体素子１伸び率は、０．０１２以下であれば、積層型圧電体素子１の伸びにより第１外部電極層３３が断線し難いと考えられる。
（数式）
ａ＋ｂ＞Ｌ2×α
また、第１外部電極層３３の幅をＷｍとしたとき、開口部３３ａにおける積層型圧電体素子１の積層方向と垂直方向の幅は、０．５Ｗｍ以下であると、第１外部電極層３３に形成された一つの開口部３３ａは導電性接着剤３２により固定された状態であっても他方の開口部３３ａは導電性接着剤３２により固定されない状態にすることが出来るため、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図４は、図１の要部を拡大した説明図である。図４に示すように本実施形態の積層型圧電体素子１では、積層型圧電体素子１の外周側面１０１に設けられた第２外部電極層３１上に設けられた導電性接着剤３２に対して、第１外部電極層３３を押圧することにより、導電性接着剤３２は第１外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第２外部電極層３１と第１外部電極層３３は強力に接合する。両側碇状接合３３ｅ部は、第１外部電極層３３の開口部に入り込んだ導電性接着剤３２が、積層型圧電体素子１の積層方向における上方向及び下方向の両方向から第１外部電極層３３に覆い被さっている状態を示し、片側碇状接合３３ｆ部は、第１外部電極層３３の開口部に入り込んだ導電性接着剤３２が、積層型圧電体素子１の積層方向における上方向又は下方向から第１外部電極層３３に覆い被さっている状態を示し、全面碇状接合３３ｇ部は、第１外部電極層３３の開口部に入り込んだ導電性接着剤３２が、積層型圧電体素子１の積層方向における上方向及び下方向の両方向から第１外部電極層３３に覆い被さっていると共に、上下方向から覆い被さっている導電性接着剤３２が第１外部電極層上で繋がっている状態を示す。
図５は、図１乃至４における積層圧電体素子１における導電性接着剤３２の接着強度の測定方法を説明する説明図である。図５に示すように、導電性接着剤３２の接着強度は、以下のように測定することが出来る。まず、ガラス板４１上に厚さが均一（例えば０．０５ｍｍ）となるようにで導電性接着剤４２を塗布する。次いで、所定の寸法のおもり４３（例えばＭ３のステンレスナット）をのせ、Ｙ方向から所定の（例えば４００ｇ）の荷重をかける。次いで、導電性接着剤４２を硬化させる。次いで、強度計測器（例えばプッシュプルゲージ）を使用して、おもり４３を速度５ｍｍ／ｍｉｎでＸ方向から押し、導電性接着剤４２が破断した時の強度を測定する。
以上述べたように本実施の形態に係わるでは、積層型圧電体素子１と第１外部電極層３３を接合する導電性接着剤３２が第１外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第１外部電極層３３は積層型圧電体素子１に強力に接合する。また、導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、第１外部電極層３３の幅Ｗｍよりも狭くなっているため、圧電体層１１の変位等によって第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺が導電性接着剤３２に接着されないことによって、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺の作用により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。よって、積層型圧電体素子１に形成された内部電極層２１ａ及び２１ｂと第１外部電極層３３との間の接合強度が強く、且つ、第１外部電極層３３の一部が破断しても変位特性が変り難い積層型圧電体素子１を提供することが出来る。
図６は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図６に示すごとく、本実施形態の積層型圧電体素子１は、積層型圧電体ユニット１ａを複数接合してなる。このような積層型圧電体素子１においても、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図７及び図８は、図６における積層型圧電体素子の作動を示す説明図である。図７は、圧電体層１１の変位によって、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した状態を示す。又、図８は、積層型圧電体素子１に外部から瞬間的にかかる過大な引っ張り力によって、導電性接着剤３２及び第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した状態を示す。このように、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺が導電性接着剤３２に接着されないことによって、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺の作用により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。なお、図１乃至４における積層型圧電体素子１でも同様に、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図９及び図１０は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図９及び図１０に示すごとく、本実施形態の積層型圧電体素子１は、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２における積層型圧電体素子１の積層方向の中心線と、第１外部電極層３３における積層型圧電体素子１の積層方向の中心線がずれている。図９に示す積層型圧電体素子１は、第１外部電極層３３における積層型圧電体素子１の積層方向の垂直方向の端部側である第１外部電極層端部３３ｃと第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２とが重なるように形成されている。図１０に示す積層型圧電体素子１は、第１外部電極層端部３３ｃより更に外側に設けられた第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２が、第１外部電極層端部３３ｃと部分的に重なるように形成されている。図９及び図１０に示す積層型圧電体素子１によると、導電性接着剤３２と接しない開口部３３ａを連続して多く設けることが可能となるため、過大な引っ張り応力等によって第１外部電極層３３が破断するような場合であっても第１外部電極層３３が完全に破断する可能性は低くなる。又、図１０に示す積層型圧電体素子１では、第１外部電極層端部３３ｃが導電性接着剤３２により固定されているため、製造工程において積層型圧電体素子１を支持する場合において、第１外部電極層端部３３ｃ方向から支持することにより、第１外部電極層３３が支持具等に引っかかり難い。このような積層型圧電体素子１においても、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図１１は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１１に示す積層型圧電体素子１は、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２を複数の部分に分けると共に、第１外部電極層３３の幅方向及び長さ方向に互い違いに設けている。具体的には、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２の一部は、第１外部電極層３３の長さ方向における一端部側に位置すると共に第１外部電極層３３の幅方向における端部側である第１外部電極層端部３３ｃに設けられ、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２の他部は、第１外部電極層の長さ方向における他端部側に位置すると共に幅方向における他端部側である第１外部電極層他端部３３ｄに設けられている。
図１２は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１２に示す積層型圧電体素子１は、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２を第１外部電極層３３の長さ方向の中心線に対して斜めに設けている。具体的には、第２外部電極層３１及び導電性接着剤３２は、第１外部電極層３３の長さ方向における一端部側且つ第１外部電極層３３の幅方向における端部側である第１外部電極層端部３３ｃ部分（図面左上）から、第１外部電極層の長さ方向における他端部側且つ第１外部電極層端部３３の幅方向における他端部側である第１外部電極層他端部３３ｄ部分（図面右下）に向かって線状に設けられている。
図１１及び図１２に示す積層型圧電体素子１では、第１外部電極層３３における長さ方向及び幅方向を全体的に固定することが可能であるため、積層型圧電体素子１が外部から振動を受けることによって、第１外部電極層３３の導電性接着剤３２に固定されていない部分が振られて、第１外部電極層３３が剥がれてしまうのを抑制することが出来る。
図１３は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１３に示す積層型圧電体素子１は、第２外部電極層３１の幅を導電性接着剤３２の幅よりも狭くして形成されている。図１３の（ａ）では、第２外部電極層３１の長さは導電性接着剤３２の長さより長く、図１３の（ｂ）では、第２外部電極層３１（図示せず）の長さと導電性接着剤３２の長さが等しく、図１３の（ｃ）では、第２外部電極層３１（図示せず）の長さは導電性接着剤３２の長さより短くなっている。図１３の（ａ）に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３１より熱膨張係数の大きい導電性接着剤３２が低温時に幅方向に収縮した場合に、収縮した導電性接着剤３２の端部が第２外部電極層３１の端部に引っかかるため、剥がれや破断が発生し難く接合強度が強い。又、図１３の（ｂ）に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３１と導電性接着剤３２の長さが等しく、積層型圧電体素子１の積層方向の端部までの距離を広く出来るため、積層型圧電体素子１の積層方向の端部に金属部品がある場合において、絶縁性を向上することが可能である。又、図１３の（ｃ）に示す積層型圧電体素子１では、第２外部電極層３１より熱膨張係数の大きい導電性接着剤３２が低温時に幅方向及び長さ方向に収縮した場合に、収縮した導電性接着剤３２の端部が第２外部電極層３１の端部に引っかかるため、剥がれや破断が発生し難く接合強度が強い。このような積層型圧電体素子１においても、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図１４は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１４に示すごとく、本実施形態の積層型圧電体素子１では、第１外部電極層３３における積層型圧電体素子１の積層方向と垂直方向の端部に開口部３３ａを有していない。本実施形態の第１外部電極層３３は、ステンレス、銅、銀、鉄、ニッケル、あるいは、それらの合金よりなる第１の外部電極層に切れ目を入れて、引き延ばすことによって、略四角形の開口部が形成し、出来上がった薄板上の第１の外部電極層を所望の幅に切断して使用する。このため、必ず、メッシュ開口部同士の境界線で切断出来ない場合もあるためである。しかしながら、このような積層型圧電体素子１においても、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
図１５は、本発明の積層型圧電体素子をディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに用いた例を示す構成図である。図１５に示すごとく、インジェクタ５は、駆動部としての上記積層型圧電体素子１が収容される上部ハウジング５２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部５４が形成される下部ハウジング５３を有している。
上部ハウジング５２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴５２１内に、積層型圧電体素子１が挿通固定されている。縦穴５２１の側方には、高圧燃料通路５２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング５２上側部に突出する燃料導入管５２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。
上部ハウジング５２上側部には、また、ドレーン通路５２４に連通する燃料導出管５２５が突設し、燃料導出管５２５から流出する燃料は、燃料タンク（図略）へ戻される。ドレーン通路５２４は、縦穴５２１と駆動部（積層型圧電体素子）１との間の隙間５０を経由し、さらに、この隙間５０から上下ハウジング５２、５３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する３方弁５５１に連通している。
噴射ノズル部５４は、ピストンボデー５３１内を上下方向に摺動するノズルニードル５４１と、ノズルニードル５４１によって開閉されて燃料溜まり５４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔５４３を備えている。燃料溜まり５４２は、ノズルニードル５４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路５２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル５４１は、燃料溜まり５４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室５４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室５４４の圧力が降下すると、ノズルニードル５４１がリフトして、噴孔５４３が開放され、燃料噴射がなされる。
背圧室５４４の圧力は３方弁５５１によって増減される。３方弁５５１は、背圧室５４４と高圧燃料通路５２２、またはドレーン通路５２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路５２２またはドレーン通路５２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン５５２、油圧室５５３、小径ピストン５５４を介して、駆動される。
本実施形態のインジェクタ用の積層型圧電体素子１の特徴は、積層型圧電体素子１と第１外部電極層３３を接合する導電性接着剤３２が第１外部電極層３３の開口部に入り込み碇状接合を形成するため、インジェクタ５のような過酷な使用環境であっても、第１外部電極層３３は積層型圧電体素子１に強力に接合する。また、導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、第１外部電極層３３の幅Ｗｍよりも狭くなっているため、圧電体層１１の変位等によって第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来、信頼性が高い。よって、過酷な使用環境で利用可能であり、且つ、信頼性の高いインジェクタ用の積層型圧電体素子１を提供することが出来る。
図１６は、本発明における他の実施形態の積層型圧電体素子の構成を示す構成図である。図１６の（ａ）に示す積層型圧電体素子１では、開口部３３ａの形状が円形となっている。図１６の（ｂ）に示す積層型圧電体素子１では、開口部３３ａの形状が楕円形となっている。図１６の（ｃ）に示す積層型圧電体素子１では、開口部３３ａの形状が四角形且つ角に丸みを設けた円形となっている。いづれの形状も圧電体層の変位等による応力が集中し難い形状であるため、第１の外部電極層の破断を抑制することが出来る。なお、開口部３３ａの形状は、三角形、六角形、八角形等、適宜、設計変更して良い。このようにな積層型圧電体素子１では、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺によって、内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。
以上述べたように本実施の形態に係わるでは、積層型圧電体素子１と第１外部電極層３３を接合する導電性接着剤３２が第１外部電極層３３の開口部３３ａに入り込み碇状接合を形成するため、第１外部電極層３３は積層型圧電体素子１に強力に接合する。また、導電性接着剤３２の幅Ｗｓは、第１外部電極層３３の幅Ｗｍよりも狭くなっているため、圧電体層１１の変位等によって第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されている部分が破断した場合でも、第１外部電極層３３における導電性接着剤３２に固定されない部分により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。即ち、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺が導電性接着剤３２に接着されないことによって、少なくとも一つの開口部３３ａを形成する辺の作用により内部電極層２１ａ及び２１ｂに対する導通を確保することが出来る。よって、積層型圧電体素子１に形成された内部電極層２１ａ及び２１ｂと第１外部電極層３３との間の接合強度が強く、且つ、第１外部電極層３３の一部が破断しても変位特性が変り難い積層型圧電体素子１を提供することが出来る。
なお、本発明に用いられる構成は本発明の課題を達成出来るものであれば、本実施例の構成に限定されない。例えば、各圧電体層１１は四角形に限らず、八角形等の多角形でも良い。
１ 積層型圧電体素子
１１ 圧電体層
１０１ 外周側面
２１ａ、２２ｂ 内部電極層
３１ 第２外部電極層
３２ 導電性接着剤
３３ 第１外部電極層
３３ａ 開口部
３３ｂ 非開口部
３４ 絶縁樹脂部材
１１ 圧電体層
１０１ 外周側面
２１ａ、２２ｂ 内部電極層
３１ 第２外部電極層
３２ 導電性接着剤
３３ 第１外部電極層
３３ａ 開口部
３３ｂ 非開口部
３４ 絶縁樹脂部材
Claims (17)
- 電圧が印加されることにより伸縮可能なセラミックからなる圧電体層と、
前記圧電体層に電圧を供給する内部電極層と前記圧電体層とを交互に設けてなる積層型圧電体素子と、
前記積層型圧電体素子の側面に設けられ、前記内部電極層と電気的に導通し、前記積層型圧電体素子の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を備える第１の外部電極層とを備え、
前記第１の外部電極層は、導電性接着剤によって前記積層型圧電体素子に接合されており、
前記導電性接着剤の幅は、前記第１の外部電極層の幅よりも狭い積層型圧電体素子。 - 前記導電性接着剤の幅は、０．３ｍｍ以上とした請求項１に記載の積層型圧電体素子。
- 前記第１の外部電極層の幅をＷｍとしたとき、前記開口部における前記積層型圧電体素子の積層方向と垂直方向の最大幅は、０．５Ｗｍ以下である請求項１又は２に記載の積層型圧電体素子。
- 前記開口部の形は、円または楕円である請求項１乃至３に記載の積層型圧電体素子。
- 前記開口部の形は、多角形且つ角に丸みを設けてなる請求項１乃至３に記載の積層型圧電体素子。
- 前記開口部の形は、四角形または菱形である請求項１乃至３に記載の積層型圧電体素子。
- 四角形又は菱形に形成された前記開口部における積層方向に隣合う２辺の長さをａとｂ、前記開口部における前記積層型圧電体素子の積層方向の幅をＬ2、３辺をそれぞれａ、ｂ、Ｌ2とする三角形の高さをｈ、前記第１の外部電極層の幅をＷｍとしたとき、前記導電性接着剤の幅Ｗｓは、下記数式で表される請求項６に記載の積層型圧電体素子。
（数式）
Ｗｓ＜Ｗｍ−ｈ - 前記積層型圧電体素子における積層方向の伸び率（最大伸長／全長）をαとしたとき、前記三角形における各辺の関係は、下記数式で表される請求項７に記載の積層型圧電体素子。
（数式）
ａ＋ｂ＞Ｌ2×α - 前記積層型圧電体素子における積層方向の最大伸び率（最大伸長／全長）が０．０１２以下である請求項１乃至８に記載の積層型圧電体素子。
- 前記第１の外部電極層は、ステンレス、銅、銀、鉄、又はニッケルより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなる請求項１乃至９に記載の積層型圧電体素子。
- 前記第１の外部電極層の端部に前記開口部が形成されていない非開口部を形成した請求項１乃至１０に記載の積層型圧電体素子。
- 前記導電性接着剤と前記第１の外部電極層との間には、第２の外部電極層が介在する請求項１乃至１１に記載の積層型圧電体素子。
- 前記第２の外部電極層は、銀、パラヂウム、プラチナ、銅、金、又はニッケルより少なくとも１種類よりなる金属、又は、それらの合金よりなる請求項１２に記載の積層型圧電体素子。
- 前記導電性接着剤の幅が前記第１の外部電極層の幅よりも狭いことによって形成される前記第１の外部電極層と前記内部電極層との隙間には、絶縁樹脂部材が介在する請求項１乃至１３に記載の積層型圧電体素子。
- 前記絶縁樹脂部材は、シリコーン樹脂、又は、エポキシ樹脂、又は、ウレタン樹脂、又は、ポリイミド樹脂、又は、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリエステル樹脂からなる請求項１４に記載の積層型圧電体素子。
- 積層型圧電体ユニットを接合してなる請求項１乃至１５に記載の積層型圧電体素子。
- 燃料噴射装置に使用する請求項１乃至１６に記載の積層型圧電体素子。
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