JP2007189099A - 積層型圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型圧電素子において、電圧印加時の変位効率を向上させるのと共に、反復使用時の耐久性を改善することも可能な構造を提供する。
【解決手段】積層型圧電素子は、所定軸Ａ方向へと向かって積層されている複数の圧電層２と、隣接する圧電層２の間に形成されている内部電極層４、５とを備えている積層体１、積層体１の表面に設けられており、内部電極層４に対して電気的に接続されている下地層３、下地層３と接合されている第一の導電性補強層１０、第一の導電性補強層１０に接合されている第二の導電性補強層１１、および下地層３と第一の導電性補強層１０とを接合する導電性接合剤９とを備えている。第二の導電性補強層１１が導電性接合剤９によって接合されていない。
【選択図】 図３

Description

本発明は積層型圧電素子に関するものである。

ディーゼルエンジンは、燃料をシリンダへ噴射し高圧に圧縮して自己着火させるエンジンであり、燃料の噴射量でエンジン出力を制御するものであるため、ディーゼルエンジンにおいては、燃料をシリンダ内へ送る燃料噴射装置の役割が重要である。近年、ディーゼルエンジンの利用が増えた理由は、いわゆるコモンレール式の燃料噴射装置の発展によるところが大きく、特に、今後、噴射ノズルを開閉させる機構の駆動源として、ソレノイド素子に代わり圧電素子を採用することにより、ディーゼルエンジンの利用拡大を後押しすることが見込まれている。これは、圧電素子が、ソレノイド素子より高速、且つ高精度な噴射ノズルの開閉を実現出来るため、より適切な量の燃料をより適切なタイミングでシリンダへ送ることが可能になり、燃料の最適な燃焼状態を形成することが出来るようになり、その結果、排出ガス中に含まれるパティキュレート、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等の有害物の減少、燃費の改善、エンジン音の低下、エンジン出力の向上、という優れた効果がもたらされるからである。

燃料噴射装置に適用される圧電素子は、変位と応力を発生する噴射ノズル開閉機構の駆動源として利用され、金属等のケースに収容した状態で使用される場合が多い。通常、圧電素子としては積層型のものが適用される。

内部電極が交互にオフセットされた積層型圧電アクチュエータにおいては、活性領域（伸縮する領域）と不活性領域（伸縮しない領域）とを素子内部に有するため、活性領域と不活性領域との境界で大きな応力が発生し、応力を原因とするクラックにより、外部電極をも分断してしまう可能性があり、外部電極の耐久性を改善することが求められている。このためには、単純に外部電極の強度を大きくすることによって、外部電極の分断を防止することが考えられる。しかし、外部電極の強度が大きい場合、素子の駆動を阻害する場合があり、その結果変位効率を低下させることがある。

特許文献１には、外部電極下地層をブリッジすることによって導通を確保することが記載されている。
特開平７−２２６５４１ 特許文献２には、オフセット型素子において単層の外部電極補強層を接合することが記載されている。 特開平１０−２２９２２７

また、以下の文献にも、オフセット型素子において外部電極補強層を接合した例が記載されている。
特表２００３−５０２８６９ 特表２００３−５０２８７０ 特表２００３−５０３８５９ 特開２００２−１７１００４

しかし、最近の素子の小型化の要求から、電圧印加時の素子の変位効率を一層向上させる必要があり、そのためには外部電極による圧電層の拘束力を低減する必要がある。しかし外部電極による圧電層の拘束力を小さくするためには、外部電極のヤング率を低くし、変形しやすくする必要があるが、この場合には多数回の伸縮時に素子が破壊しやすくなるという二律背反があった。
外部電極の圧電体への拘束力を低減するには、外部電極の系全体のヤング率を下げることが効果的である。すなわち外部電極に用いる材料をフレキシブルな材料にするか、また圧電体へ接合をソフトにすることによって、外部電極から圧電体への拘束力を低減できる。しかしながら、このように外部電極から圧電体への拘束力を低減した場合には、外部電極を多数回伸縮させると、外部電極の圧電体への接合部分の信頼性が低下する傾向があり、二律背反が存在していた。

本発明の課題は、積層型圧電素子において、電圧印加時の変位効率を向上させるのと共に、反復使用時の耐久性を改善することも可能な構造を提供することである。

本発明に係る積層型圧電素子は、所定軸方向へと向かって積層されている複数の圧電層と、隣接する圧電層の間に形成されている内部電極層とを備えている積層体、積層体の側面に設けられており、内部電極層に対して電気的に接続されている下地層、下地層と接合されている第一の導電性補強層、第一の導電性補強層に接合されている第二の導電性補強層、および下地層と第一の導電性補強層とを接合する導電性接合剤とを備えており、第二の導電性補強層が前記導電性接合剤によって接合されていないことを特徴とする。

本発明によれば、積層型圧電素子の下地層に対して第一の導電性補強層を接続し、第一の導電性補強層上に第二の導電性補強層を接合し、その際に導電性接合剤が上側の第二の導電性補強層を接合しないようにした。このような構造によって、第一の導電性補強層と第二の導電性補強層との機能を明確に分離し、変位効率の向上と耐久性の向上という相反する効果を奏することに成功した。すなわち、導電性接合剤によって下地層に対して第一の導電性補強層を接合することによって、素子本体に対して所望の拘束力を生じさせることができる。この際、第二の導電性補強層は直接導電性接合剤によって接合されていないので、第一の導電性補強層の設計によって拘束力を最適値とすることができる。これと共に、第二の導電性補強層には十分に高い強度を付与することによって、下地層および第一の導電性補強層が断線あるいは抵抗値上昇するような局面においても所望の導通を確保することが可能である。

本発明においては、所定軸方向へと向かって複数の圧電層を積層し、隣接する圧電層の間に内部電極層を形成することによって、積層体を作製する。ここで、好ましくは、内部電極層は、正極として作用する内部電極層と負極として作用する内部電極層とを交互に設ける。

本発明の素子で利用する積層体の変位は、電界によって圧電体に誘起される歪みに基づく変位の全てである。即ち、本発明の素子は、狭義の意味での印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果を利用するもの、及び印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果を利用するものに限定されず、強誘電体材料全般に見られる分極反転、反強誘電体材料に見られる反強誘電相−強誘電相転移、等の現象を利用するものも含まれる。

本発明の素子を構成する積層体は、限定されるものではないが、グリーンシート積層法及び打抜同時積層法を用いて作製できる。圧電材料を主成分とするグリーンシートに、導電材料からなる電極パターンを形成し、打抜加工機を用いて、電極パターンを形成したグリーンシートを、打抜加工機のパンチを積層軸としてパンチに積層しながら打抜加工し、グリーン積層体を得て、そのグリーン積層体を焼成して柱状積層体を得、焼成一体化する。

例えば、図１（ａ）は、本発明の素子で利用できる積層体１を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、各圧電層における内部電極層のパターンを示す斜視図である。図２（ａ）は、積層体を模式的に示す縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の積層体の横断面図である。

本例では、圧電層２が所定軸Ａに向かって多数積層されており、隣接する圧電層２の間に内部電極層４、５が形成されている。内部電極層４にはプラス極性の電圧が印加され、内部電極層５にはマイナス極性の電圧が印加されるようになっている。内部電極層４と５とは交互に形成されており、かつ図１（ｂ）に示すように、内部電極層４と５との平面的パターンは互いに異なっているため、オフセット型積層型圧電素子と呼ばれる。ただし、本発明はオフセット型積層型圧電素子に限定されるものではない。各内部電極層４は電極構造２３に対して導通しており、内部電極層５は別の電極構造２７に対して導通している。各電極構造の詳細は後述する。

積層体を製造するにあたっては、グリーンシート積層法及び打抜同時積層法を利用することが好ましい。まず、圧電／電歪材料を主成分とする所定枚数のセラミック製のグリーンシートを用意する。このセラミックグリーンシートは、焼成後に圧電層を構成するものである。セラミックグリーンシートは、従来知られたセラミック製造方法により作製出来る。例えば、圧電／電歪材料の粉末を用意し、これに有機樹脂（バインダ）、溶剤、分散剤、可塑剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のテープ成形法によって成形し、切断し、シートを作製することが可能である。

圧電（電歪）材料は、電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体セラミック材料や強誘電体セラミック材料、あるいは反強誘電体セラミック材料を用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。

具体的には、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ）、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。中でも、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料が、大きな電界誘起歪が利用出来ることから、好ましい。この場合、ニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有するものが、特に好ましい。又、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマニウム酸鉛等を添加した材料は、その圧電／電歪層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来るので好ましく、特に、上記したジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分として酸化ニッケルを含有してなる材料、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛の複合酸化物を主成分とする材料であって、そのニッケル成分として、酸化物換算で０．０５〜３質量％含有し、且つゲルマン酸鉛を０．３〜４質量％添加した材料は望ましい。

次に、所定枚数のシートを作製したら、そのシートの表面に、導電材料を用いて、所定のパターン（電極パターン）の導体膜を形成する。この導体膜は、のちに内部電極層になる膜である。

導体膜の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料は、圧電／電歪層と同時に焼成されるか否かに依存して選定される。内部電極層の場合には、圧電／電歪層と同時に焼成されるため、圧電／電歪層の焼成温度においても変化、溶解しない白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、銀−パラジウム合金等の高融点金属を使用する必要がある。一方、のちに下地膜となる導体膜の場合には、積層体を焼成後形成するため、圧電体の焼成温度に比べて低温で焼成出来るので、アルミニウム、金、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅、ニッケル等を使用することが可能である。

次いで、のちに内部電極層になる導体膜が形成された所定枚数のシートに対し、既述の如くパンチとダイとのクリアランスを適切に調節した打抜加工機を用い、パンチを積層軸として、加工したシートをパンチに積層しながら打抜加工を施し、これらを積層し圧着して、グリーン積層体を得る。このグリーン積層体を焼成し、一体化した積層（焼成）体焼成体を得る。

本発明によれば、導電性の下地層を積層体の側面３０（図１参照）に設け、下地層を、対応する内部電極と導通させる。積層体の側面３０とは、圧電体の伸縮方向Ａと略平行な方向を意味する。第一の導電性補強層と第二の導電性補強層を接合し、補強層の接合体を圧電焼成体上に形成された下地層の上に接合する。ここで、第二の導電性補強層が導電性接合剤によって接合されないようにする。

下地層の形成手段は、スクリーン印刷法が好適に用いられるが、フォトリソグラフィ、転写、スタンピング等の手段で行ってもよい。使用する導電材料としては、室温で固体である金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電／電歪材料等との混合物、サーメットであってもよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る素子の要部を示す断面図である。積層体１は、前述したように、多数の圧電層２が矢印Ａ方向へと向かって積層されており、隣接する圧電層の間に内部電極層４または５が形成されている。各内部電極層４は下地層３に対して導通している。下地層３は、第一の導電性補強層１０に対して導電性接合剤９を介して接合されており、第一の導電性補強層１０は、第二の導電性補強層１１に対して接合されている。第一の導電性補強層および第二の導電性補強層によって、複合化された導電性補強層１２が形成されている。第二の導電性補強層１１は導電性接合剤９によって濡れておらず、従って下地層へと接合されていない。

第一の導電性補強層と第二の導電性補強層との接合方法は特に限定されない。好ましくは、溶接、拡散接合、ロウ付けまたは導電性接着剤により両者を一体化する。このような接合方法は金属加工分野において周知である。

好適な実施形態においては、第一の導電性補強層が金属製の板状物からなる。これによって、第一の導電性補強層の厚さを比較的に小さく抑えることができ、拘束力を低減できるため、積層体の変位を大きくすることができる。第一の導電性補強層の厚さは、素子の変位を大きくするためには、５００ｕｍ以下であることが好ましく、２５０ｕｍ以下であることが更に好ましい。しかし、第一の導電性補強層が薄すぎると断線しやすくなるので、１０ｕｍ以上であることが好ましく、３０ｕｍ以上であることが更に好ましい。

第一の導電性補強層は、実質的に伸縮性のない板状物であってよい。この場合には、板状物を一層薄くすることによって、積層体の変位を大きくすることが可能である。

また、好適な実施形態においては、第一の導電性補強層を構成する板状物が、エキスパンドメタル、パンチングメタルまたはエッチングメタルである。

第一の導電性補強層の材質は、所望のヤング率や強度と導電性とを有する限り特に限定されない。好ましくは、第一の導電性補強層の材質が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなる。これらの中で、特に以下が好ましい。コストの面からＮｉ、Ｃｕ、Ｔｉが望ましく、低ヤング率であり低抵抗材料であるＣｕが優れた材料であると言える。

また、第二の導電性補強層の形態は特に限定されないが、積層体の変位を大きくするという観点からは網状物であることが好ましい。また、第二の導電性補強層の材質は、所望のヤング率、強度および導電性を実現できれば特に限定はされないが、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属が好ましい。

第一の導電性補強層の開口率は第二の導電性補強層の開口率よりも大きいことが好ましい。これによって、第一の導電性補強層による積層体の拘束を弱くして変位を大きくすることができ、また第一の導電性補強層が断線ないし抵抗値上昇したときの第一２の導電性補強層による導通を確保しやすい。この観点からは、第一の導電性補強層の開口率と第二の導電性補強層の開口率との差は５％以上であることが好ましく、１０％以上であることが更に好ましい。

第一の導電性補強層の開口率は、積層体の変位を大きくするという観点からは、４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることが更に好ましい。また、第一の導電性補強層の開口率は、導通確保という観点からは、７５％以下であることが好ましい。

第二の導電性補強層の開口率は、積層体の変位を大きくするという観点からは、１０％以上であることが好ましく、２５％以上であることが更に好ましい。また、第二の導電性補強層の開口率は、導通確保という観点からは、６０％以下であることが好ましい。

また、好適な実施形態においては、導電性接合剤の面積を第一の導電性補強層の面積よりも大きくする。

また、導電性接合剤の材質は、第一の導電性補強層を接合可能な材質であれば特に限定されない。好ましくは、第一の導電性補強層の材質は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌからなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金である。特に好ましくは以下の材質である。
Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダにＡｇがドープされたハンダ合金や、Ｐｂフリーハンダとしては、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、Ｓｎ−７Ｚｎ−０．００３Ａｌ合金が挙げられる。特にＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金が接続信頼性が高い点で望ましい。具体的には、千住金属工業株式会社のＭ７０５（品番）材料が好ましい。

本発明においては、第二の導電性補強層は、導電性接合剤によって実質的に接合されていない。これには以下の二つの形態がある。
（１） 第二の導電性補強層と導電性接合剤との間に隙間を設けることによって、第二の導電性補強層と導電性接合剤とが直接接触しないようにする。この場合には、隙間の大きさは特に限定されないが、３０ｕｍ以上であることが好ましい。また、製造上の誤差により、部分的に第二の導電性補強層と導電性接合剤とが接触することは許容される。また、この場合には、第二の導電性補強層が導電性接合剤によって濡れにくい材質からなっていてよく、第二の導電性補強層が導電性接合剤によって濡れる材質からなっていてもよい。

（２） 第二の導電性補強層が導電性接合剤によって濡れない材質、あるいは濡れにくい材質からなる。このような組み合わせを以下例示する。
（第二の導電性補強層：導電性接合剤）
（ステンレスメッシュ（ＳＵＳ３０４）：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金ハンダ）

好適な実施形態においては、導電性補強層の表面積のうち１０％以上、７０％以下が導電性接合剤と接触している。導電性接合剤の表面積のうち１０％以上を導電性接合剤に接触させることによって、接着を強固にし，第一の導電性補強層の剥離を防止できる。また、導電性接合剤の表面積のうち、５０％以下を導電性接合剤と接触させることによって、積層体の変位を大きくすることができる。

また、好適な実施形態においては、第一の導電性補強層の交点において第二の導電性補強層が第一の導電性補強層に対して接合されている。これによって第二の導電性補強層の第一の導電性補強層への接合を強固とし、脱落や剥離を防止でき、また断線時の導通を確実にできる。

例えば、図４（ａ）は、第二の導電性補強層である網状物１１を示す平面図であり、図４（ｂ）は、第一の導電性補強層であるエキスパンドメタル（ないしパンチングメタル）１０を示す平面図である。図４（ｃ）に示すように、第一の導電性補強層１０上に第二の導電性補強層１１を乗せ、両者を接合することによって、複合導電性補強層１２を作製する。この際、第一の導電性補強層１１の各交点を第二の導電性補強層１０に対して接合する。

図５（ａ）に示すように、積層体１の側面上に、内部電極層４につながる導通引き出し部１３を露出させ、導通引き出し部１３を下地層３に対して接続する。そして、下地層３上に複合導電性補強層１２を載せて接合する。

図６に示す例においても、下地層３は、第一の導電性補強層１０Ａに対して導電性接合剤９を介して接合されており、第一の導電性補強層１０Ａは、第二の導電性補強層１１Ａに対して接合されている。第一の導電性補強層１０Ａおよび第二の導電性補強層１１Ａによって、複合化された導電性補強層１２Ａが形成されている。第二の導電性補強層１１Ａは導電性接合剤９によって濡れておらず、従って下地層３へと接合されていない。

本発明に係る素子は、積層コンデンサ、積層圧電素子等として適用可能である。積層コンデンサは、現在最も使用されているコンデンサであり、殆どの電気・電子回路に用いられ、あらゆる製品に利用される。例えば、コンピュータ、通信機器、あるいは小型化・軽量化が求められる携帯電話等の携帯端末、等に好適である。又、積層圧電素子は、センサ、アクチュエータ等の圧電デバイスとして使用され、例えば、計測器、光変調器、光スイッチ、電気スイッチ、マイクロリレー、マイクロバルブ、搬送装置、ディスプレイ及びプロジェクタ等の画像表示装置、画像描画装置、マイクロポンプ、液滴吐出装置、微小混合装置、微小撹拌装置、微小反応装置、等に利用される。

本発明の素子は、燃料噴射装置における噴射ノズル開閉機構に好適な駆動源として用いられるものである。又、光学装置等の精密な位置決めを要する装置や振動防止装置の駆動源として適用される。

（実施例１）
図１〜図３に示す素子を作製した。具体的には、活性部として３００−３５０層、上下の不活性部として各５０層を積層一体化する。圧電テープには、内部電極層（例えば、厚み３ｕｍ）を印刷するとともにテープに比してバインダを増量させた接着層（例えば、厚み５ｕｍ）を印刷しておくことで、８０℃・２ＭＰａの加熱および加重によって一体化した。

こうして一体化された積層形成体を６００℃で脱脂し、９００−１１００℃で焼成することで、圧電セラミックスの積層体を得た。この積層体を切断・研削加工し、所望の形状の積層体を得た。積層体の断面形状は７ｍｍ×７ｍｍ、長さ３５ｍｍとした。オフセット電極層が引き出された素子の２側面に対し、外部電極の下地層３を形成した。本例では、ＡｇＰｄ焼成膜を厚さ２０ｕｍとなるように８００℃で焼き付けた。

外部電極を補強する部材として、下地層の上に多層メッシュを接合した。すなわち、Ｃｕからなるエキスパンドメタル１０とＳＵＳメッシュ１１を拡散接合により一体化し、一体化させた多層メッシュ１２をハンダ９を用いて接合下地層３に接合した。ハンダとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金のＰｂフリーハンダを用い、２４０℃・５ｍｉｎの条件で接合した。

次いで、素子全体を絶縁性樹脂でコートした。具体的には、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂を塗装することで選択的にコートした。樹脂厚みは２０−１００ｕｍである。
次いで、素子の分極を行った。具体的には、１７０℃に加熱された状態でＤＣ１５０Ｖを１０分、ＤＣ２４０Ｖを１０分印加し、分極を完了した。この時の電界強度は、それぞれ、１．９ｋＶ／ｍｍ、３．０ｋＶ／ｍｍに相当する。

素子の駆動はプリロード７５０Ｎ下で、２００Ｖの電圧を加えて行った。印加波形は、立ち上げ０．１２ｍｓｃ、キープ１ｍｓｅｃ、立ち下げ０．１２ｍｓｅｃである。素子の変位は５０ｕｍ得ることができた。本願の多層補強層構造により、外部電極の拘束力は小さく、かつ耐久性に優れた素子とすることができた。１０億サイクル経過後も破損は見られなかった。

（比較例１）
図７に模式的に示すような素子２０を作製した。具体的には、活性部として３００−３５０層、上下の不活性部として各５０層を積層一体化する。圧電テープには、内部電極層（例えば、厚み３ｕｍ）を印刷するとともにテープに比してバインダを増量させた接着層（例えば、厚み５ｕｍ）を印刷しておくことで、８０℃・２ＭＰａの加熱および加重によって一体化した。

こうして一体化された積層形成体を６００℃で脱脂し、９００−１１００℃で焼成することで、圧電セラミックスの積層体を得た。この積層体を切断・研削加工し、所望の形状の積層体を得た。積層体の断面形状は７ｍｍ×７ｍｍ、長さ３５ｍｍとした。オフセット電極層が引き出された素子の２側面に対し、外部電極の下地層１５を形成した。本例では、ＡｇＰｄ焼成膜を厚さ２０ｕｍとなるように８００℃で焼き付けた。外部電極を補強する部材は接合しない。

次いで、素子全体を絶縁性樹脂でコートした。具体的には、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂を塗装することで選択的にコートした。樹脂厚みは２０−１００ｕｍである。
次いで、素子の分極を行った。具体的には、１７０℃に加熱された状態でＤＣ１５０Ｖを１０分、ＤＣ２４０Ｖを１０分印加し、分極を完了した。この時の電界強度は、それぞれ、１．９ｋＶ／ｍｍ、３．０ｋＶ／ｍｍに相当する。

素子の駆動はプリロード７５０Ｎ下で、２００Ｖの電圧を加えて行った。印加波形は、立ち上げ０．１２ｍｓｃ、キープ１ｍｓｅｃ、立ち下げ０．１２ｍｓｅｃである。素子の変位は５０ｕｍ得ることができた。１万サイクル駆動後、素子内に発生したクラックにより外部電極層が分断され、機能停止した。

（比較例２）
図８に示すような素子を作製した。具体的には、比較例１と同様にして、積層体１および下地層３を形成した。次いで、下地層３の上に、ＳＵＳメッシュ１１をハンダで接合した。ただしハンダ１９内にＳＵＳメッシュ１１が埋め込まれる形態とした。

この結果、メッシュ１１および接合層１９による素子の拘束力が大きく、変位が若干低下した。また、３００万サイクル後には埋め込まれたＳＵＳメッシュごと外部電極が分断され、機能停止した。

なお、実施例１で作製した素子の外観を図９に示し、断面を図１０に示す。図９に示すように、素子の表面に網状の第二の導電性補強層が露出している。図１０に示すように、積層体の表面に下地層が形成されており、下地層上に導電剤を介して第一の導電性補強層が突出しており、これに第二の導電性補強層が接合されている。第二の導電性補強層と接合剤との間には隙間がある。

図１１は、実施例１および比較例１、２の各例の駆動サイクル数とアクチュエーターの変位との関係を示すグラフである。

（ａ）は、積層体１を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、各圧電層および内部電極層の分解斜視図である。 （ａ）は、積層体１の模式的縦断面図であり、（ｂ）は、積層体１の模式的横断面図である。 本発明の一実施形態に係る素子の要部断面図である。 （ａ）は、第二の導電性補強層１１示す模式的平面図であり、（ｂ）は、第一の導電性補強層１０を示す模式的平面図であり、（ｃ）は、複合化された導電性補強層１２を示す模式的平面図である。 （ａ）は、下地層３および内部電極層の引き出し部１３を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に複合化された導電性補強層を取り付けた状態を示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る素子の要部断面図である。 比較例の素子２０を示す断面図である。 比較例の素子２１を示す断面図である。 実施例の素子の外観を示す写真である。 実施例の素子の断面を示す写真である。 実施例１および比較例１、２の各例の駆動サイクル数とアクチュエーターの変位との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 積層体 ２ 圧電層 ３ 下地層 ４、５ 内部電極層 ９ 導電性接合剤 １０、１０Ａ 第一の導電性補強層 １１、１１Ａ 第二の導電性補強層 １２ 複合化された導電性補強層 Ａ 所定軸

Claims (16)

1. 所定軸方向へと向かって積層されている複数の圧電層と、隣接する圧電層の間に形成されている内部電極層とを備えている積層体、この積層体の側面に設けられており、前記内部電極層に対して電気的に接続されている下地層、この下地層と接合されている第一の導電性補強層、この第一の導電性補強層に接合されている第二の導電性補強層、および前記下地層と前記第一の導電性補強層とを接合する導電性接合剤とを備えており、前記第二の導電性補強層が前記導電性接合剤によって接合されていないことを特徴とする、積層型圧電素子。
2. 前記第一の導電性補強層と前記第二の導電性補強層とが、溶接、拡散接合、ロウ付けまたは導電性接着剤により一体化されていることを特徴とする、請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記第一の導電性補強層が金属製の板状物からなることを特徴とする、請求項１または２記載の積層型圧電素子。
4. 前記板状物が平板であることを特徴とする、請求項３記載の積層型圧電素子。
5. 前記板状物が、エキスパンドメタル、パンチングメタルまたはエッチングメタルであることを特徴とする、請求項３記載の積層型圧電素子。
6. 前記第二の導電性補強層が網状物からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
7. 前記第一の導電性補強層が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、ＰｔおよびＡｕからなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
8. 前記第二の導電性補強層が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、ＰｔおよびＡｕからなる群より選ばれた一種以上の金属またはその合金からなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
9. 前記第一の導電性補強層の開口率が前記第二の導電性補強層の開口率よりも大きいことを特徴とする、請求項６記載の積層型圧電素子。
10. 前記導電性接合剤の面積が前記第一の導電性補強層の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
11. 前記導電性接合剤が、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌからなる群より選ばれた一種以上の金属を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
12. 前記導電性接合剤が、導電性物質を含む有機接着剤からなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
13. 前記第一の導電性補強層の表面積のうち１０％以上、８０％以下が前記導電性接合剤と接触していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
14. 前記第一の導電性補強層の交点において前記第二の導電性補強層が接合されていることを特徴とする、請求項６記載の積層型圧電素子。
15. 内燃機関の燃料噴射装置における噴射ノズル開閉機構の駆動源として用いられることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つの請求項に記載の積層型圧電素子。
16. 所定軸方向へと向かって積層されている複数の圧電層と、隣接する圧電層の間に形成されている内部電極層とを備えている積層体、この積層体の側面に設けられており、前記内部電極層に対して電気的に接続されている下地層、この下地層と接合されている第一の導電性補強層、この第一の導電性補強層に接合されている第二の導電性補強層、および前記下地層と前記第一の導電性補強層とを接合する導電性接合剤とを備えている積層型圧電素子を製造する方法であって、
    前記第一の導電性補強層と前記第二の導電性補強層を接合した後に、前記第一の導電性補強層を前記下地層に対して前記導電性接合剤によって接合し、この際前記第二の導電性補強層が前記導電性接合剤によって前記下地層に実質的に接合されないようにすることを特徴とする、積層型圧電素子の製造方法。

Images