JP2010507222A - 圧電アクチュエータユニット及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が少なく、耐久性に優れた圧電アクチュエータユニット及びその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の圧電体層５及び複数の金属層７を有し、圧電体層５と金属層７とが交互に積層されてなる積層型圧電素子１と、積層型圧電素子１が収納されたケース３と、を備えた圧電アクチュエータユニットであり、複数の金属層７のうちの少なくとも一層は、当該金属層に対して積層方向に隣接する２つの圧電体層５，５間の全域にわたって点在する複数の部分金属層７１と空隙７２とからなる応力緩和層７ｂであり、応力緩和層７ｂとこれに隣接する圧電体層５との界面の少なくとも一部に剥離部１５が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、振動防止装置等に搭載される圧電アクチュエータユニットに関するものである。

従来より、圧電アクチュエータユニットとして、圧電体層と金属からなる内部電極層とを交互に積層した積層型圧電素子（以下、単に「素子」ということがある。）を金属やプラスチックのケースに収納したものが知られている。積層型圧電素子は、同時焼成タイプとスタックタイプの２種類に分類されている。中でも、薄層化が可能である点、耐久性に優れる点、低電圧化が可能である点、製造コスト低減が可能である点等の理由から、近年は、同時焼成タイプの積層型圧電素子が優位性を示している。

図６（ａ）は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子は、積層体１０３と、互いに対向する一対の側面に形成された外部電極１０５とから構成されている。積層体１０３は、圧電体層１０１と内部電極層とが交互に積層されてなる。内部電極層１０２は、圧電体層１０１の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。図６（ｂ）は、部分電極構造を説明するために図６（ａ）の素子の一部分を分解した分解立体図である。図６（ｂ）に示すように、内部電極層１０２は、一層おきに積層体１０３の異なる右側側面と左側側面に交互に露出するように積層されている。これにより、各内部電極１０２は、一層おきに一対の外部電極１０５にそれぞれ接続されている。積層体１０３の積層方向における両端側には不活性層１０４がそれぞれ積層されている。

この積層型圧電素子は、極性の異なる電極間の絶縁を保つために表面が樹脂等で被覆される。表面が被覆された積層型圧電素子は、金属ケース、プラスチックケース等に収納されて圧電アクチュエータユニットを構成する。以上のように構成された圧電アクチュエータユニットは、コンデンサ等の積層型電子部品と異なり、駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。

図６（ａ）（ｂ）に示すような部分電極構造を有した積層型圧電素子は、異極の内部電極層１０２が圧電体層１０１を介して対向して電界が生じる領域（活性領域）１０３ａと、異極の内部電極層１０２が圧電体層１０１を介して異極の内部電極層が対向していないため電界が発生しない領域（不活性領域）１０３ｂとを有している。

ＤＥ１０２３４７８７Ａ１公報 ＤＥ１０３０７８２５Ａ１公報

図６(a)，(b)に示すように部分電極構造を有する積層型圧電素子は、異極の金属層１０７が圧電体層１０５を介して対向する活性領域Ａと、圧電体層１０５を介して異極の金属層１０７が対向していない不活性領域Ｂとが存在する。したがって、圧電アクチュエータユニットを駆動させた際には、活性領域Ａのみが変位し不活性領域Ｂは変位しないので、活性領域Ａと不活性領域Ｂの境界部分に応力が集中して亀裂の起点となることがある。

また、図６(a)に示すように、積層型圧電素子１０１はその積層方向両端側に不活性層１１３を有している。したがって、圧電アクチュエータユニットを駆動させた際には、不活性層１１３は変位しないので、変位する領域と不活性層１１３との境界部分に応力が集中して亀裂の起点となることがある。

上記したような亀裂は、境界部分から積層体１０９の側面側（不活性領域Ｂ側）に向かって進展する場合もあるが、積層体１０９の内部側（活性領域Ａ側）に向かって進展することもある。活性領域Ａは、対向する金属層１０７間に電界が加わると、逆圧電効果によって電界方向に伸び、それと直行する平面方向に収縮する変形が生じる。各圧電体層１０５が電界方向の伸びると素子１０１が全体として積層方向に伸びる。素子１０１がこの伸びを拘束するケースや枠に収納されている場合には、その反力として素子１０１に圧縮応力が生じる。

境界部分を起点として活性領域１０３ａ側に進展した亀裂は、その際の応力状態を反映して屈折したり分岐して、圧電体層１０５の厚さ方向に進展することがある。このように圧電体層１０５の厚さ方向に進展する亀裂が、対向する金属層１０７間に生じると、これらの金属層１０７が短絡して圧電アクチュエータユニットの変位量が小さくなることがあった。

さらに、近年、圧電アクチュエータユニットは、小型化され、大きな圧力下において大きな変位量を確保することが要求されているため、より高い電界が印加される。しかも、圧電アクチュエータユニットは、長時間の連続駆動に耐えうることが要求されている。これらの要求を満たすために、内部に応力緩和層を設けた積層型圧電素子が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。しかしながら、積層型圧電素子に応力緩和層を設けた従来の圧電アクチュエータユニットは、高圧力下で長時間連続駆動させる環境下では必ずしも十分な耐久性が得られているとは言えなかった。

本発明の課題は、高電圧、高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても変位量の変化が少なく、耐久性に優れた圧電アクチュエータユニット及びその製造方法を提供することである。

本発明の圧電アクチュエータユニットは、複数の圧電体層及び複数の金属層を有し、前記圧電体層と前記金属層とが交互に積層されてなる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子が収納されたケースと、を備え、前記複数の金属層のうちの少なくとも一層が、当該金属層に対して積層方向に隣接する２つの圧電体層間の全域にわたって点在する複数の部分金属層と空隙とからなる応力緩和層であり、前記応力緩和層とこれに隣接する前記圧電体層との界面の少なくとも一部には剥離部が形成されていることを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータユニットは、前記応力緩和層が前記積層型圧電素子の積層方向に複数配置されているのが好ましい。また、本発明の圧電アクチュエータユニットは、前記応力緩和層が前記積層型圧電素子の積層方向に規則的に配置されているのがより好ましい。

本発明の圧電アクチュエータユニットの製造方法は、積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層間の全域にわたって点在する複数の部分金属層と空隙とからなる応力緩和層を含む積層型圧電素子を作製する工程と、前記積層型圧電素子を前記ケースに収納した状態で分極処理することにより、前記応力緩和層とこれに隣接する前記圧電体層との界面の少なくとも一部に剥離部を形成する工程と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の金属層のうちの少なくとも一層が、当該金属層に対して積層方向に隣接する２つの圧電体層間の全域にわたって点在する複数の部分金属層と空隙からなる応力緩和層であり、応力緩和層とこれに隣接する圧電体層との界面の少なくとも一部に剥離部が形成されているので、圧電体層の厚さ方向に亀裂が進展するのを防止することができる。すなわち、複数の部分金属層と空隙とからなる応力緩和層は、他の金属層と比較して圧電体層との接合強度（密着強度）が低いので、素子１０１に応力が生じた場合には、剥離部を起点にして応力緩和層とこれに隣接する圧電体層との界面に沿って剥離が進展することになる。これにより、圧電体層の厚さ方向に亀裂が進展するのを防止することができるので、素子１０１の変位量の変化を抑制することができる。

(a)は、実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットを示す斜視図であり、(b)は、(a)に断面図である。 (a)は、実施形態にかかる積層型圧電素子を示す斜視図であり、(b)は、(a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。 実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。 実施形態にかかる応力緩和層の積層構造を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。 (a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、(b)は圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。

＜圧電アクチュエータユニット＞
以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットについて図面を参照して詳細に説明する。図１(a)は、本実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットを示す斜視図であり、図１(b)はその断面図である。

図１(a)，(b)に示すように、この圧電アクチュエータユニットは積層型圧電素子１とこの積層型圧電素子１を収納するケース３とから構成されている。ケース３はプラスチック製であってもよいが、耐久性に優れた金属製であるのが好ましく、中でもステンレス製であるのがより好ましい。ケース３の蓋３ａａは、ケース３と同一材料であるのが好ましい。積層型圧電素子１は蓋３ａａとケース３の底部で挟まれていることが望ましい。ケース３内で積層型圧電素子１を固定するためには位置決めピンを用いたり、接着剤を用いるなどの固定手段が用いられる。

ケース３と積層型圧電素子１との間の絶縁を確保し、積層型圧電素子１を周囲の雰囲気や湿度から保護するために、ケース３と積層型圧電素子１との隙間に充填材１７を充填することが好ましい。充填材１７は、積層型圧電素子１の駆動変形に追随できるように、樹脂からなるのが好ましく、中でも、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂がより好ましい。

図２(a)は本実施形態にかかる積層型圧電素子１を示す斜視図であり、図２(b)は、図２(a)に示す積層型圧電素子１の内部構造を説明するために積層型圧電素子１の一部分を分解した分解立体図である。図３は本実施形態にかかる積層型圧電素子１の応力緩和層周辺を拡大した断面図である。図４は、図３に示す応力緩和層をさらに拡大した断面図である。

図２(a)，(b)に示すように、積層型圧電素子１は、複数の圧電体層５及び複数の金属層７を有し、圧電体層５と金属層７とが交互に積層されてなる積層体９を備えている。積層体９の積層方向の両端側には圧電体からなる不活性層１３，１３がそれぞれ積層されている。積層体９の対向する側面には一対の外部電極１１，１１がそれぞれ配設されている。

一対の外部電極１１には、リード線（不図示）が半田によりそれぞれ接続固定される。これらのリード線は外部電圧供給部（不図示）に接続される。この外部電圧供給部からリード線を通じて隣り合う内部電極層７ａ間に所定の電圧が印加されることにより、各圧電体層５が逆圧電効果によって変位する。不活性層１３は、一方の主面側にのみ内部電極層７ａが配置され、他方の主面側には内部電極層７ａが配置されていないので、電圧を印加しても変位が生じない。

複数の金属層７は、内部電極として機能する内部電極層７ａと、応力緩和機能を有する応力緩和層７ｂとからなる。内部電極層７ａは、圧電体層５の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。すなわち、圧電体層５の主面には内部電極層７ａが形成されていない電極非形成部１９が存在する。このような部分電極構造を有する複数の内部電極層７ａは、積層体９の対向する側面に交互に露出するように配置されている。これにより、内部電極層７ａは、一対の外部電極１１，１１に交互に電気的に接続されている。本実施形態では、一対の外部電極１１，１１は、積層体９の対向する側面に形成されているが、隣設する側面に形成されていてもよい。

複数の金属層７のうちの少なくとも一層は、応力緩和層７ｂである。図４に示すように、応力緩和層７ｂは、積層方向に隣接する２つの圧電体層５，５間の全域にわたって点在する複数の部分金属層（金属粒子）７１と空隙７２とから主に構成されている。複数の部分金属層７１は、空隙（ボイド）７２で互いに離隔し電気的に絶縁状態にあるのが好ましい。このように複数の部分金属層７１間が空隙７２で区分されているときには、応力緩和層７ｂは内部電極としては機能しないので、異なる極性の外部電極１１，１１間を短絡させることはない。

また、上記のように応力緩和層７ｂが金属と空隙で構成されているときには、金属及び空隙のいずれも応力に対して変形可能であるため、耐久性の高い圧電アクチュエータユニットが得られる。また、応力緩和層７ｂが、空隙７２を介して互いに離隔した状態で配置された複数の部分金属層７１で構成されているときには、応力緩和層７ｂに隣接する圧電体層５のうち空隙７２に面する部分は、素子１に電圧が印加されても変位しない。したがって、応力緩和層７ｂに接する圧電体層５は駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。また、圧電体層５のうち空隙７２に面する部分は、変形しやすいので、駆動中に応力が加わると変形して応力を緩和する効果が高い（圧電体層自体の応力緩和効果）。

応力緩和層７ｂの空隙率は２０％以上９０％以下であるのが好ましい。耐久性と応力緩和効果を両立させるためには、空隙率は、４０〜９０％であるのがより好ましく、６０〜８５％であるのがさらに好ましい。空隙率が２０％以上であることにより、圧電体層５が応力緩和層７ｂに拘束される拘束力が大きくなるのを防ぐことができるので、素子１の変位量が大きくなるとともに、内部応力が生じるを抑制できる。一方、空隙率が９０％以下であることにより、応力緩和層７ｂ自体の強度が低下するのを抑制することができる。

内部電極層７ａの空隙率は５％以上７０％以下であるのが好ましく、７％以上７０％以下であるのがより好ましく、１０％以上６０％以下であるのがさらに好ましい。これにより、圧電体層５をよりスムーズに変形させることができるとともに、十分な導電性を維持することができるので、積層型圧電素子１の変位量が低下するのを防止できる。内部電極層７ａの空隙率が５％以上であることにより、圧電体層５が内部電極層７ａに拘束される拘束力が過度に高くならない。また、内部電極層７ａの空隙率が７０％以下であることにより、内部電極層７ａを構成する金属の一部が極端に細くなったり、孤立したりするのを防止することができる。これにより、内部電極層７ａの導電性を維持することができるとともに、内部電極層７ａ自体の強度が低下するのを防止できる。

また、応力緩和層７ｂとこれに隣接する圧電体層５との界面の少なくとも一部には剥離部１５が形成されている。このように応力緩和層７ｂが空隙７２で区分された複数の部分金属層７１からなり、圧電体層５との界面に剥離部１５を有していることで、応力が素子１に加わったときに、剥離部１５を起点として複数の部分金属層７１が順次圧電体層５から剥がされて応力を吸収する、進行型応力緩和機能が発現する。

また、部分金属層７１間に空隙７２が存在することで、応力緩和層７ｂと圧電体層５との界面全体が一度に剥離してしまうのを防止することができる。さらに、部分金属層７１を構成する金属は圧電体層５を構成する圧電体粒子よりも柔らかいことから、部分金属層７１自体は、応力を緩和する効果が圧電体層に比べて高い。また、空隙７２はクッション効果を生み出す。したがって、極めて応力緩和効果に優れた耐久性の高い圧電アクチュエータユニットが得られる。

上記のような効果が得られる理由は次の通りであると考えられる。圧電アクチュエータユニットが駆動して積層型圧電素子１に応力が加わった際には、強度が最も弱い応力緩和層７ｂに応力が集中しやすい。圧電体粒子と圧電体粒子との接合強度及び金属粒子と金属粒子との接合強度に比べて、異種材料の圧電体粒子と金属粒子との接合強度は弱い。また、複数の部分金属層７１からなる応力緩和層７ｂは、他の内部電極層７ａと比較して圧電体層５との接合面積が小さい。このため、応力緩和層７ｂと圧電体層５との接合強度は、他の内部電極層７ａと圧電体層５との接合強度に比べて弱い。したがって、素子１に応力が加わった際には、点在した部分金属層７１と圧電体層５との間に応力が集中しやすい。このようにして応力緩和層７ｂに応力がかかった際には、部分金属層７１と圧電体層５との界面が順次剥離していくことで応力が緩和される。このとき、剥離の起点となるのは、応力緩和層７ｂとこれに隣接する圧電体層５との界面の少なくとも一部に形成された剥離部１５である。

また、２つの圧電体層５間の全域にわたって点在した複数の部分金属層７１が存在することで、素子１のいかなる方向から応力がかかったとしても、その応力を吸収することができる。また、部分金属層７１が点在しているので、この応力緩和層７ｂは内部電極として機能しない。このため、応力緩和層７ｂの剥離部１５から剥離が進行しても素子１の変位量に変化が生じず、安定な変位量を長時間保つことができる。

圧電体１１同士の接合強度が非金属である圧電体層５と金属層７との接合強度よりも強いことから、複数の部分金属層７１からなる応力緩和層７ｂと圧電体層５との界面に生じた亀裂は圧電体層５内部に伝播できない。したがって、圧電体層５を厚さ方向に縦断する亀裂が生じるのを防止して対向する内部電極層７ａ間が短絡するのを防止することができる。

また、長時間の駆動により、応力緩和層７ｂにおける全ての部分金属層７１が圧電体層５から剥離したとしても、素子１はケース３内に収納されているので素子１が分解することはない。しかも、全ての部分金属層７１が剥離した応力緩和層７ｂは、これに隣接する積層方向両側の圧電体層５同士の動きを規制する力が小さくなって圧電体層５同士が相対的に動きやすくなるので、引き続き応力緩和機能を発揮する。これにより、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させる環境下でも優れた耐久性を発揮する圧電アクチュエータユニットを得ることができる。

応力緩和層７ｂに空隙７２が少なく金属成分以外の絶縁物質が多く含まれていると、素子１を駆動させた際に、絶縁物質の部分に駆動時の応力が集中してそこが起点となって、圧電体層５の厚み方向に亀裂が生じやすくなることがある。一方、応力緩和層７ｂが多数の空隙７２を含んでいると、部分金属層７１に応力が加わった際に、空隙７２があることで部分金属層７１が変形しやすくなり応力を分散緩和することができる。これにより、圧電体層５の厚み方向に亀裂が生じるのを防止できる。

また、積層型圧電素子１が圧電変位する際、空隙７２があることで、圧電体層５を部分的にクランプすることになる。金属層７がその全面で圧電体層５をクランプするときと比べて圧電体層５を束縛する力が小さくなる。これにより、圧電体層５がより変位しやすくなり、変位量を大きくすることができる。その結果、変位量がより大きく、しかも耐久性の高い圧電アクチュエータユニットが得られる。

応力緩和層７ｂにおける空隙７２の占める割合（空隙率）は、積層型圧電素子１を積層方向に切断した断面を観察することで測定することができる。すなわち、空隙率（％）は、素子１の断面における応力緩和層７ｂに存在する空隙７２の面積を測定し、その空隙７２の面積の総和を応力緩和層７ｂ全体の面積で割った値を１００倍したものである。この空隙率は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られた画像を公知の方法で画像処理して測定することができる。

応力緩和層７ｂは、素子１の積層方向に複数配置されているのが好ましい。これにより、素子１内の応力を複数の箇所に分散できるので、より耐久性を向上させることができる。この場合、複数の応力緩和層７ｂが、複数の圧電体層５を介してそれぞれ配設されていることが好ましい。これは、素子１内に応力緩和層７ｂが連続して設けられると素子１全体に加わった応力がこの応力緩和層７ｂが連続して設けられた箇所に集中してしまうことになる。一方、複数の応力緩和層７ｂが、複数の圧電体層５を介してそれぞれ配設されているときには、素子１内に応力を効果的に分散させることができる。さらには、複数の応力緩和層７ｂは、素子１の積層方向に規則的に配置されているのが好ましい。これにより、素子１の積層方向に応力が均一に分散される。

積層体９は、断面が多角形の柱状体であるのが好ましい。これは、積層体９が円柱状であると、真円にしなければ中心軸がぶれてしまうため高精度の円を作って積みあげなければならず、同時焼成による量産型の製法を用いるのが困難になる。また、略円形状の積層体を積層後、あるいは焼成後に外周を研磨して円柱状にしても、金属層７の中心軸を高精度にそろえるが困難になる。これに対して、多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体層５に金属層７を形成することができ、さらに基準線に沿って積層することができるので、駆動の軸である中心軸を量産型の製法をもちいて形成することができる。このため、耐久性の高い素子とすることができる。

応力緩和層７ｂは、主成分が銀であるのが好ましい。これにより、圧電体層５と同時焼成することができる。しかも、銀は熱伝導特性が優れているので、応力集中により素子１の一部が局部加熱しても、熱を効率的に放散させることができる。また、応力緩和層７ｂの主成分が銀であることで、表面に酸化層の皮膜がない部分金属層７１を形成できる。このため、柔軟性の高い部分金属層７１を形成することができるので、応力緩和効果も高まる。応力緩和層７ｂは、例えば銀−パラジウム合金を用いることができる。内部電極層７ａは、例えば銀−パラジウム合金を用いることができる。

本実施形態においては、金属層７（内部電極層７ａ、応力緩和層７ｂ）中のパラジウムの含有量をＭ１（質量％）、銀の含有量をＭ２（質量％）としたとき、金属層７は、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。パラジウムが１５質量％を超えると、比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子１を連続駆動させた場合、金属層７が発熱しやすくなり、この発熱が温度依存性を有する圧電体層５に作用して変位特性を低下させてしまうおそれがある。その結果、積層型圧電素子１の変位量が小さくなることがある。

また、外部電極１１を形成した際、外部電極１１と金属層７とが、これらの間で金属成分が相互拡散することにより接合される。このとき、金属層７中のパラジウム含有量が１５質量％を超えると、外部電極１１中に金属層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１においては、耐久性が低下するおそれがある。

また、金属層７中の銀の圧電体層５へのマイグレーションを抑制するために、パラジウム金属が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１の耐久性を向上させるという点では、パラジウムの比率は０．１質量％以上１０質量％以下であるのが好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合はパラジウムの比率を０．５質量％以上９．５質量％以下とするのがより好ましく、さらに高い耐久性を求める場合は２質量％以上８質量％以下とするのがさらに好ましい。

金属層７中の銀の比率が８５質量％未満になると、金属層７の比抵抗が大きくなる。このため、積層型圧電素子１を連続駆動させた場合、金属層７の発熱量が大きくなることがある。また、金属層７中の銀の圧電体層５へのマイグレーションを抑制するために、金属層７中の銀の含有量を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１の耐久性を向上させるという点では、銀の比率が９０質量％以上９９．９質量％以下であるのが好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は銀の比率が９０．５質量％以上９９．５質量％以下であるのがより好ましく、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。

応力緩和層７ｂ及び内部電極層７ａの組成は、以下のようにして測定することができる。すなわち、応力緩和層７ｂが露出するように、応力緩和層７ｂと圧電体層５との界面で積層体９を切断して、応力緩和層７ｂの一部を採取する。採取した応力緩和層７ｂは、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析等の化学分析をすることでその成分を測定できる。また、積層型圧電素子１を積層方向に切断した断面を、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法等の分析方法を用いて分析することもできる。積層型圧電素子１の切断面において、金属層をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）や金属顕微鏡で観察すると、金属成分だけでなく、空隙７２や、セラミック成分等の金属以外の要素も含まれていることがある。このような場合でも、空隙７２以外の領域はＥＰＭＡ法等により分析することができる。

圧電体層５は、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。例えば、圧電体層５がチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）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ｄ_３３が高いことから、変位量を大きくすることができ、さらに、圧電体層５と金属層７を同時に焼成することもできる。圧電体層５としては、圧電歪み定数ｄ_３３が比較的高いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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。

次に、本発明の圧電アクチュエータユニットの製法について説明する。まず、積層型圧電素子１の製法を説明する。ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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（フタル酸ジオクチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製する。ついで、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層５となるセラミックグリーンシートを作製する。

次に、銀−パラジウム等の金属層７を構成する金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製する。ついで、これを上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。

ここで、応力緩和層７ｂを形成する部分には、銀−パラジウム等の金属粉末にアクリルビーズ等の樹脂ビーズを添加し、バインダー、可塑剤等を添加混合した導電性ペーストを印刷すればよい。また、焼結後の部分金属層７１が空隙７２で区分されて互いに絶縁状態にある複数の金属粒子で構成されるように、印刷パターンをドットパターンにした上で導電性ペーストを印刷してもよい。また、スパッタリング等の薄膜作成技術で銀のドットパターンをあらかじめ作製し、その上に導電性ペーストを印刷して、焼結時に金属粒子を核成長させることにより複数の部分金属層７１を形成してもよい。

また、応力緩和層７ｂ用の導電性ペーストに含まれる銀−パラジウム等の金属粉末における銀の比率を内部電極１２ａ用の導電性ペーストよりも多くして印刷し、焼成時の金属層間の銀濃度の差に起因する濃度勾配を利用して銀を拡散させて、応力緩和層７ｂを空隙７２で区分されて互いに絶縁状態にある複数の金属粒子１６ａで構成されたものとすることもできる。このとき、銀−パラジウム等の金属粉末は合金粉末ではなく、銀粉末とパラジウム粉末の混合粉末を用いて組成を調整してもよい。また、銀パラジウムの合金に銀粉末またはパラジウム粉末を加えることで組成を調整してもよい。特に、はじめから異なる組成の合金粉末を用いる方が、ベースト中の金属分散が均一になり、内部電極層７ａおよび応力緩和層７ｂの同一面内の組成分布が均一になるので好ましい。

次に、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを所望の配置で複数積層し、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９が作製される。

不活性層１４は、該不活性層１４を形成するグリーンシート中に、銀−パラジウム等の金属層７を構成する金属粉末を添加したり、不活性層１４を形成するグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の金属層７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９を形成することができる。

なお、積層体９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、複数の圧電体層５と複数の金属層７とを交互に積層してなる積層体９を作製できれば、他の製法によって形成されても良い。

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、これを積層体９の外部電極形成面に印刷し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点（９６５℃）以下の温度で焼き付けを行う。これにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて外部電極１１を形成することができる。

このとき、外部電極１１を構成するペーストを多層に積層してから焼付けを行っても、１層で焼付けを行っても良いが、多層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、層ごとにガラス成分を変える場合は、層ごとにガラス成分の量を変えたものを用いればよいが、圧電体層５に最も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９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方法が用いられる。

次に、上記のようにして得られた積層型圧電素子１を円柱状のステンレスなどの金属製のケースに収納して、ケース３と積層型圧電素子１との間に絶縁層としてシリコーン樹脂等の充填材１７を充填する。このとき、先に円柱状のジグに積層型圧電素子１をいれて樹脂を充填した後、ジグから樹脂コートした積層型圧電素子１を取り出して、それを円柱状の金属製のケース３に入れても良い。

次に、ケース３を蓋３ａで封止する。接着剤で接合したり、はんだ付けやロウ付けすることで封止することができるが、溶接するのが最も耐久性が良い。このとき、円柱状のケース３の側面に複数の穴をあけることで、ケース３自体がばねの役割をもつので、蓋３ａを溶接した際に、積層型圧電素子１の積層方向に圧縮応力をかけた圧電アクチュエータユニットとなる。

次に、外部電極１１に接続されたリード線を介して一対の外部電極１１に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加して、素子１を分極処理する。これにより、素子１を収納した圧電アクチュエータユニットが伸び、そのときの応力が応力緩和層７ｂに加わる。その結果、圧電体層５間の全域にわたって点在した複数の部分金属層７１のうち、より高い応力が集中した箇所がそれに隣接する圧電体層５から剥離して剥離部（スリット）が形成される。特に応力が集中しやすいのが素子１の側面であることから、素子１の側面側に位置する部分金属層７１が圧電体層５から剥がれ、図３に示すような剥離部が形成される。特に、分極処理の極性を反転させる分極反転処理を施すことで、素子１の伸び縮みを短時間で激しくできるので、効果的に剥離部１５が形成される。

このとき、積層型圧電素子１をケース３に入れない状態で分極をすると、積層型圧電素子１が伸びた際に積層型圧電素子１の保持が不十分であるため、内部電極層７ａの層間の積層ズレや素子側面側の絶縁距離のばらつきに応じて、積層型圧電素子１が積層方向にブレが無いように伸びることができない。このため、伸び方向に歪が生じて、素子１の側面に加わる応力が制御できずに、圧電体層５に亀裂が生じたりする。一方、ケース３に収納することで、積層型圧電素子１を積層方向に伸び方向を限定することができるので、圧電体層５間の全域にわたって点在した複数の部分金属層７１からなる応力緩和層７ｂにのみ剥離部１５を形成するように制御することができる。特に、ケース３自体にばね特性を付与することで、伸び方向と逆の圧縮応力をかけて、圧縮応力よりも伸びの応力が勝った時に初めて圧電アクチュエータユニットが伸びることができる。これにより、圧電体層５間の全域にわたって点在した複数の部分金属層７１からなる応力緩和層７ｂは、内部電極として機能しないことから、周囲の圧電体層５が伸びに寄与せず、伸びる圧電体層５と異なって圧縮応力が集中し、剥離部１５が形成される。

さらに、外部電極１１の外面に、金属のメッシュ状若しくはくし状の配線を導電性接着剤やはんだで接合してもよい。この場合には、アクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を直接内部電極近傍に流すことができ、外部電極１１上を流れる電流を低減できる。これにより、外部電極１１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。

さらに望ましくは、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のがよい。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。

以上のように、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の積層型圧電素子１は上記実施形態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。

例えば、上記の実施形態では、金属層が全て合金からなる場合について説明したが、一部の金属層が合金からなり、残りの金属層が単一の金属からなる形態であってもよい。また、上記の実施形態では、金属層が同じ成分を含有している場合について説明したが、金属層が主成分の異なる少なくとも二種以上の層からなる形態であってもよい。

以上のように、本実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットは、大きな変位量を得ることができるだけでなく、駆動電源に何らかのノイズが入って瞬間的に積層型圧電素子１に高電圧が加わった場合や、高温、高湿、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合においても高い信頼性を維持することができる。

＜噴射装置＞
図５は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図５に示すように、本実施形態にかかる噴射装置は、一端に噴射孔３３を有する収納容器３１の内部に上記実施形態に代表される本発明の圧電アクチュエータユニット４３が収納されている。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が配設されている。噴射孔３３には燃料通路３７がニードルバルブ３５の動きに応じて連通可能に配設されている。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所定の圧力で内燃機関（不図示）の燃料室内に噴出されるように構成されている。

また、ニードルバルブ３５の上端部は内径が大きくなっている。収納容器３１のシリンダ３９には、上記した積層型圧電素子１を備えた圧電アクチュエータユニット４３が収納され、ユニット４３の下端部にはシリンダ３９に対して摺動するピストン４１が配置されている。

このような噴射装置では、圧電アクチュエータユニット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ユニット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。

なお、本発明は、圧電アクチュエータユニットに関するものであるが、上記実施形態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。本発明の圧電アクチュエータユニットは、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、振動防止装置等に搭載される駆動素子、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、並びに圧電ジャイロ、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の他、圧電特性を利用した素子であれば、種々の用途に適用可能である。

積層型圧電素子を搭載した圧電アクチュエータユニットを以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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、焼成後の厚みが１００μｍとなる圧電体層５用のセラミックグリーンシートを複数作製した。

ついで、これらのセラミックグリーンシートの片面に、表１に示す組成となるように、主に銀−パラジウムからなる合金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形成したシートを３００枚積層し、焼成した。焼成条件は、８００℃で２時間保持した後に、１０００℃で２時間焼成した。

このとき、応力緩和層１６を形成する部分には、表１に示す組成となるように、銀−パラジウム合金に銀を過剰に添加してバインダーを加えた導電性ペーストで、印刷を行い、互いに絶縁状態にある複数の金属粒子１６ａで構成された応力緩和層１６を、５０層目、１００層目、１５０層目、２００層目、２５０層目になるように配置した。接合部１７が形成できるように図１（ｂ）の形状に応力緩和層１６はパターン印刷した。

次に、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た。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを積層体９の外部電極１１面に印刷して、７００℃で３０分焼き付けを行い、外部電極１１を形成した。

次に、ばね鋼製の容器に、積層型圧電素子１を入れて、シリコーン樹脂を充填した後、ばね鋼製のふた３を溶接して、圧電アクチュエータユニットと構造とした。

その後、外部電極１１にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極１１にリード線を介して０〜２ｋＶ／ｍｍ、２０Ｈｚのサイン波交流電界を１５分間印加して分極処理を行った。このとき分極で剥離部（スリット）ができるときの特徴であるノイズを聞くことができる。１回の分極を行った場合と、リード線の極性を逆に接続して０〜２ｋＶ／ｍｍ、２０Ｈｚのサイン波交流電界を１５分間印加して分極反転を１回行ったものとは表１で記載した。以上のように、図１に示すような積層型圧電素子１を用いた圧電アクチュエータユニットを作製した。

得られた積層型圧電素子１に１５０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータユニットにおいて、積層方向に変位量が得られた。

さらに、この圧電アクチュエータユニットを室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１５０Ｈｚの周波数で印加して、１×１０^９回まで連続駆動した試験を行った。

なお、剥離部の測定については、駆動試験したアクチュエータユニットから積層型圧電素子を取り外した後、積層型圧電素子を切断してＳＥＭと金属顕微鏡で断面観察を行った。積層した全ての金属層の断面を観察できるように、積層方向に沿って、かつ、二つの外部電極のそれぞれの中央近辺同士をつなぐ面が断面となるように素子を切断した。剥離部の長さは観察断面にて測定し、全ての剥離部の長さの平均値とした。結果は表１に示すとおりである。

表１に示すように、比較例として、応力緩和層を設けなかった試料番号９は、応力が金属層と圧電体層の境界に集中して内部電極間の圧電体を縦断する亀裂が生じて変位が小さくなった。

これに対して、本発明の実施例である試料番号１〜８は、１×１０^９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、圧電アクチュエータユニットとして必要とする実効変位量を有し、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータユニットを作製できた。

１ 積層型圧電素子
３ ケース
３ａ ふた
５ 圧電体層
７ 金属層
７ａ 内部電極層
７ｂ 応力緩和層
９ 積層体
１１ 外部電極
１３ 不活性層
１５ 剥離部
１７ 充填材
１９ 電極非形成部
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ユニット
７１ 部分金属層（金属粒子）
７２ 空隙

Claims (5)

1. 複数の圧電体層及び複数の金属層を有し、前記圧電体層と前記金属層とが交互に積層されてなる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子が収納されたケースと、を備えた圧電アクチュエータユニットであって、
   前記複数の金属層のうちの少なくとも一層は、当該金属層に対して積層方向に隣接する２つの圧電体層間の全域にわたって点在する複数の部分金属層と空隙とからなる応力緩和層であり、前記応力緩和層とこれに隣接する前記圧電体層との界面の少なくとも一部には剥離部が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
2. 前記応力緩和層が前記積層型圧電素子の積層方向に複数配置されている請求項１記載の圧電アクチュエータユニット。
3. 前記応力緩和層が前記積層型圧電素子の積層方向に規則的に配置されている請求項２記載の圧電アクチュエータユニット。
4. 複数の圧電体層及び複数の金属層を有し、前記圧電体層と前記金属層とが交互に積層されてなる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子が収納されたケースと、を備えた圧電アクチュエータユニットを製造するための方法であって、
   積層方向に隣り合う２つの前記圧電体層間の全域にわたって点在する複数の部分金属層と空隙とからなる応力緩和層を含む積層型圧電素子を作製する工程と、
   前記積層型圧電素子を前記ケースに収納した状態で分極処理することにより、前記応力緩和層とこれに隣接する前記圧電体層との界面の少なくとも一部に剥離部を形成する工程と、
   を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータユニットの製造方法。
5. 複数の圧電体層及び複数の金属層を有し、前記圧電体層と前記金属層とが交互に積層されてなる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子が収納されたケースと、を備えた圧電アクチュエータユニットであって、
   前記複数の金属層のうちの少なくとも一層は、複数の部分金属層と空隙を含み、その部分金属層は積層方向に隣接する２つの圧電体層間の全域にわたって点在しており、
   その部分金属層のうちの少なくとも１つは隣接する圧電体層から分離されていることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。

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