JP3990613B2

JP3990613B2 - 積層型圧電素子及び噴射装置

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Publication number: JP3990613B2
Application number: JP2002245841A
Authority: JP
Inventors: 成信中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP2004087731A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子及び噴射装置に関し、例えば、自動車用燃料噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電素子及び噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、積層型圧電素子としては、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、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。
【０００３】
図５は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、このアクチュエータでは、圧電体５１と内部電極５２が交互に積層されて柱状積層体５３が形成され、その積層方向における両端面には不活性層５５が積層されている。内部電極５２は、その一方の端部が左右交互に絶縁体６１で被覆され、その上から帯状外部電極７０が内部電極５２と左右各々一層おきに導通するように形成されている。帯状外部電極７０上には、さらにリード線７６が半田７７により固定されている。
【０００４】
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した圧電アクチュエータでは、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、圧電体５１間に形成された内部電極５２と、正極、負極用の外部電極７０との間で剥離が発生し、一部の圧電体５１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あった。
【０００６】
また、特開平７−２８３４５１号公報や特開平８−５１２４０号公報などには、一層おきの内部電極の端部にメッキにより導電性凸部を形成することが開示されているが、該導電性凸部と積層体との接合強度が弱いために、駆動中に前記導電性凸部と内部電極端部が剥離し、圧電体の一部に電圧が供給されなくなり、変位特性が低下するといった問題があった。
【０００７】
このような問題を解決するために、本出願人は、先に、内部電極の端部に一層おきに柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子と、板状導電部材からなる外部電極とを接合した積層型圧電素子を出願した（特願２００２−５０２５２号）。
【０００８】
このような積層型圧電素子では、積層型圧電体を駆動すると、突起状導電性端子が変形してアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転させた場合でも、外部電極と内部電極との断線を抑制することができ、耐久性を大幅に向上できるものの、外部電極を１枚の板状導電部材により構成すると、アクチュエータの伸縮により外部電極に過大な応力が発生するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転における外部電極のさらなる耐久性向上が要望されている。
【０００９】
本発明は、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、外部電極と内部電極とが断線することがなく、耐久性に優れた積層型圧電素子及び噴射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられ、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とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合してなるとともに、前記外部電極が、前記柱状積層体の積層方向に複数に分割されており、これらの分割外部電極が導電性補助部材によって連結されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の積層型圧電素子では、内部電極の端部に一層おきに柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子と、板状導電部材からなる外部電極とを接合したため、積層型圧電体が積層方向に駆動すると、突起状導電性端子が変形してアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収する。これにより、高電界、高圧力下で長期間連続運転させた場合でも、外部電極と内部電極との断線を抑制することができ、耐久性を大幅に向上できる。
また、本発明では、外部電極が、前記柱状積層体の積層方向に複数に分割されているため、外部電極に作用する応力を分散でき、高電界下で駆動させた場合においても、外部電極にクラックが生じたり断線したりするのを防止できる。
さらに、外部電極の外側には導電性補助部材が設けられ、各々の外部電極は導電性補助部材によって連結されているため、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る。これにより、外部電極が局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００１２】
本発明では、積層方向に隣り合う２つの前記分割外部電極における一方の分割外部電極の一部と他方の分割外部電極の一部とが、前記柱状積層体の積層方向に垂直でかつ前記柱状積層体の側面に平行な方向に並列に配置されているのが好ましい。
【００１３】
また、本発明では、前記一方の分割外部電極の端部には、積層方向に突出する凸部が形成され、前記他方の分割外部電極の端部には、前記凸部に対して積層方向に対向する位置に凹部が形成され、該凹部に前記凸部が入り込んでいるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の積層型圧電素子は、柱状積層体側面の突起状導電性端子間には、内部電極端が露出する凹溝が形成されていることを特徴とする。このような積層型圧電素子では、いわゆる部分電極構造の積層型圧電素子に比較して発生応力を低減できるとともに、突起状導電性端子を介して外部電極に接続する内部電極端部の厚みを柱状積層体中央部の内部電極の厚みよりも有効的に厚くすることができるため、内部電極と外部電極の間で接点不良の問題が生じるのを防ぐことができる。
【００１５】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、一部の突起状導電性端子には、複数の分割外部電極が接合されていることを特徴とする。このような構成によれば、分割外部電極は一部の内部電極に並列に接続されることになり、分割外部電極の積層方向端部付近において分割外部電極と突起状導電性端子との接続を確実に行うことができ、高電界下で駆動させた場合においても内部電極と外部電極の接点不良を防止できる。
【００１６】
また、本発明の積層型圧電素子は、柱状積層体の積層方向端部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さは、柱状積層体の積層方向中央部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さよりも短いことを特徴とする。このような構成によれば、柱状積層体の積層方向両端部に近いほど柱状積層体の伸縮によって外部電極に発生する応力が大きくなるため、積層方向両端部に近いほど分割外部電極の長さを短くすることにより、分割外部電極に作用する応力を分散できる。
【００１８】
また、本発明では、導電性補助部材が、導電性のメッシュ部材を埋設した導電性接着剤からなることを特徴とする。このような構成によれば、導電性補助部材としてフレキシブルな導電性接着剤を用いることにより、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、導電性補助部材が剥離したり、断線したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。また、該導電性接着剤に導電性のメッシュ部材を埋設しているため、アクチュエータの伸縮によって該導電性接着剤にクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備するものである。
【００２０】
このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子自体において外部電極と内部電極との断線を抑制でき、耐久性を大幅に向上できるため、噴射装置の耐久性をも向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の積層型圧電アクチュエータからなる積層型圧電素子の一実施例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図、（ｃ）は（ａ）の一部を拡大して示す斜視図、（ｄ）は内部電極と外部電極の接合部近傍の拡大図である。
【００２２】
積層型圧電アクチュエータは、図１に示すように、複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる四角柱状の柱状積層体１ａの側面において、内部電極２の端部を一層おきに絶縁体３で被覆し、絶縁体３で被覆していない内部電極２の端部に、積層型圧電素子の伸縮方向に変形可能な突起状導電性端子５を設け、これらの突起状導電性端子５の先端部に板状導電部材からなる外部電極４を接合して構成されている。
【００２３】
板状導電部材は、図２に示すように、柱状積層体１ａの積層方向に複数に分割され、即ち、外部電極４が複数の分割外部電極４ａから構成されている。これらの複数の分割外部電極４ａは、図１（ｄ）に示すように、その外側に設けられた導電性補助部材７によって連結されており、該導電性補助部材７は、導電性接着剤７ａ中に導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設して構成されている。各導電性補助部材７にはリード線６が接続固定されている。
【００２４】
圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を主成分とする圧電セラミックス材料等で形成されている。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ₃₃が高いものが望ましい。
【００２５】
また、圧電体１の厚み、つまり内部電極２間の距離は５０〜２５０μｍが望ましい。これは、積層型圧電アクチュエータは電圧を印加してより大きな変位量を得るために、積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を増加させた場合に圧電体１の厚みが厚すぎるとアクチュエータの小型化、低背化ができなくなり、一方、圧電体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊しやすいからである。
【００２６】
圧電体１の間には内部電極２が配されているが、この内部電極２は銀−パラジウム等の金属材料で形成されており、各圧電体１に所定の電圧を印加し、圧電体１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用をなす。
【００２７】
また、柱状積層体１ａ側面の突起状導電性端子５間には、深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの凹溝１１が形成されており、この凹溝１１内にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等が充填されて絶縁体３が形成されている。この絶縁体３は、柱状積層体１ａとの接合を強固とするために、柱状積層体１ａの変位に対して追従する弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等からなることが好適である。
【００２８】
突起状導電性端子５と絶縁体３は、外部電極４が形成される柱状積層体１ａの側面に露出した内部電極２に交互に形成されている。
【００２９】
即ち、凹溝１１内に充填された絶縁体３により内部電極２の端部が互い違いに一層おきに絶縁され、内部電極２の絶縁されていない他方の端部は、突起状導電性端子５を介して板状導電部材からなる外部電極４と接合されている。
【００３０】
柱状積層体１ａの対向する側面には、それぞれ板状導電部材からなる外部電極４が突起状導電性端子５を介して内部電極２に接続固定されており、外部電極４には、積層されている内部電極２が一層おきに電気的に接続されている。外部電極４は、接続されている各内部電極２に圧電体１を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給する作用をなす。
【００３１】
突起状導電性端子５の積層方向と同一方向の厚みＢは、図１（ｃ）に示すように、外部電極４と内部電極２との接続部の抵抗を低くし、且つアクチュエータの駆動時に生じる応力を十分に吸収するという点から、１μｍ以上且つ圧電体１厚みの１／２以下であることが望ましい。特には、厚みＢは５〜２５μｍが望ましい。
【００３２】
また、突起状導電性端子５の突出高さｈは、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、圧電体１厚みの１／２０以上であることが望ましい。特には突出高さｈは、１５〜５０μｍが望ましい。
【００３３】
さらに、分割外部電極４ａの厚みｔは、アクチュエータの伸縮に追従し、分割外部電極４ａと突起状導電性端子５の間、若しくは突起状導電性端子５と内部電極２の間で断線を生じないという点から、５０μｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
本発明では、外部電極４が突起状導電性端子５を介して内部電極２と接続されているため、アクチュエータを高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、突起状導電性端子５がアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収し、外部電極４と内部電極２の断線を抑制することができ、耐久性に優れたアクチュエータを提供することができる。
【００３５】
また、外部電極４は、図２に示したように、柱状積層体１ａの積層方向に複数に分割されており、各々はその外側に設けられた導電性補助部材７によって接続されている。尚、図２では導電性補助部材７は省略した。
【００３６】
本発明では、外部電極４は積層方向に分割されているため、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を分散することができ、外部電極４の信頼性を向上させることができる。即ち、外部電極４を一枚の板状導電部材により構成すると、アクチュエータの伸縮により外部電極４に過大な応力が発生し、破断する等の危険性があったが、本発明では、外部電極４を、柱状積層体１ａの積層方向に配列された複数の分割外部電極４ａにより構成したため、伸縮により外部電極４に発生する応力を分散することができ、外部電極４の信頼性を向上できる。
【００３７】
さらに、導電性補助部材７には、図１に示したように、リード線６が半田により接続固定されている。このリード線６は導電性補助部材７および外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【００３８】
また、分割外部電極４ａの外側には、各々の分割外部電極４ａを電気的に接続し、また、高速でアクチュエータを駆動させる場合に投入する大電流を優先的に流すことができる導電性補助部材７を備えているため、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７に流すことができるため、分割外部電極４ａが局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３９】
内部電極２は、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金合金、等の銀が主成分の金属および合金からなる。また、突起状導電性端子５および分割外部電極４ａに関しても主成分が銀であることが望ましい。これは、内部電極２と突起状導電性端子５および分割外部電極４ａの主成分を同一の銀とすることにより、突起状導電性端子５と内部電極２の間、及び突起状導電性端子５と分割外部電極４ａの間で、銀が相互拡散し、これにより、各々の間での接合強度を強固にすることができるためである。また、突起状導電性端子５と分割外部電極４ａは、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点からも、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【００４０】
柱状積層体１ａの積層方向に分割された分割外部電極４ａは、図２（ｂ−１）（ｂ−２）（ｃ−１）（ｃ−２）に示すように、一部並列に内部電極２と接続されていることが望ましい。即ち、分割外部電極４ａの繋ぎ目の部分は、柱状積層体１ａの側方から見て重なっており、一部の突起状導電性端子５には、複数の分割外部電極４ａが接合されていることが望ましい。
【００４１】
これにより、分割外部電極４ａの積層方向の端部付近において、分割外部電極４ａと突起状導電性端子５との接続を確実に行い、高電界下で駆動させた場合においても内部電極２と外部電極４の接点不良を防止することができる。なお、複数の分割外部電極４ａに接続される内部電極２は、１層以上であれば何層でも良い。
【００４２】
尚、図２（ａ−１）は、一つの絶縁体３を挟んで分割外部電極４ａ同士を直線状に配列した状態、（ａ−２）は、圧電体１側面で分離されている状態、（ｂ−１）は２つの分割外部電極４ａが１層の内部電極２に並列に接続されている状態、（ｂ−２）は２つの分割外部電極４ａが２層の内部電極２に並列に接続されている状態、（ｃ−１）は２つの分割外部電極４ａの先端部がＬ字状とされ、これらが噛合し、２つの分割外部電極４ａが１層の内部電極２に並列に接続されている状態、（ｃ−２）は２つの分割外部電極４ａの先端部がＬ字状とされ、これらが噛合し、２つの分割外部電極４ａが２層の内部電極２に並列に接続されている状態を示すものである。
【００４３】
図２（ｃ−１）（ｃ−２）に示す分割外部電極４ａでは、先端部をＬ字状の凹凸部４ａ１、４ａ２としたが、凹凸部は、鋸歯状でも良く、少なくとも一つの突出部を有するものであれば良い。
【００４４】
また、分割外部電極４ａは柱状積層体１ａの積層方向両端部に近いほど、分割外部電極４ａの長さが短いこと、即ち、柱状積層体１ａの積層方向端部に設けられた分割外部電極４ａの積層方向の長さは、柱状積層体１ａの積層方向中央部に設けられた分割外部電極４ａの積層方向の長さよりも短いことが望ましい。
【００４５】
これは、積層方向両端部に近い分割外部電極４ａほど柱状積層体１ａの伸縮によって発生する応力が大きいため、積層方向端に近いほど分割外部電極４ａの長さを短くすることにより、外部電極４に作用する応力を分散させることができる。
【００４６】
さらに、図２（ｃ−１）（ｃ−２）に示すように、柱状積層体１ａの側面に複数の分割外部電極４ａが直線状に配列しており、隣設する分割外部電極４ａの対向する部分に凹凸部４ａ１、４ａ２が形成され、これらの凹凸４ａ１、４ａ２が噛合していることが望ましい。これにより、２つの分割外部電極４ａが並列に内部電極２に接続されている部分の幅（積層方向に直交する方向の長さ）の和と、単一で内部電極２に接続されている部分の幅をほぼ同一とでき、２つの分割外部電極４ａの連結部において、外部電極４の全体に占める幅を増すことがなく、信頼性のある外部電極４を形成することができる。また、分割外部電極４ａが直線状に配列されているので、導電性補助部材７の形成も容易である。
【００４７】
また、図１（ｄ）に示すように、複数の分割外部電極４ａの外側に設けられ、各々の分割外部電極４ａを連結する導電性補助部材７は、導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設した導電性接着剤７ａであることが望ましい。これは、導電性補助部材７をフレキシブルな導電性接着剤７ａとすることにより、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、導電性補助部材７が剥離したり、断線したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。また、該導電性接着剤７ａに導電性のメッシュ部材７ｂを埋設しているため、アクチュエータの伸縮によって該導電性接着剤７ａにクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。
【００４８】
この場合、導電性接着剤７ａは、耐熱性および抵抗値を考慮して、ポリイミドに銀粉末を分散させたものが望ましい。また、導電性のメッシュ状部材７ｂは、銀、ニッケル、銅、金、アルミニウム等の導電性を備えた金属及びそれらの合金からなるメッシュ若しくはメッシュ状の板で、導電性接着剤７ａにクラックが生じるのを防ぐ役目をもつ。
【００４９】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法について説明する。まず、柱状積層体１ａを作製する。複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層して成る柱状積層体１ａは、ＰＺＴ等の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００５０】
次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍの厚みに印刷する。
【００５１】
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作製される。
【００５２】
その後、図３（ａ）に示すようにダイシング装置等により柱状積層体１ａの側面に一層おきに凹溝１１を形成する。
【００５３】
次に、図３（ｂ）に示すように、凹溝１１間における柱状積層体１ａ側面に、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末を５０〜８０体積％と、残部が粒径０．１〜１０μｍでケイ素を主成分とする軟化点が６００〜９５０℃のガラス粉末２０〜５０体積％からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペースト２１を塗布、乾燥する。
【００５４】
さらに、この銀ガラス導電性ペースト２１に、図３（ｃ）に示すように、板状導電部材からなる分割外部電極４ａを押圧するように荷重を加えた状態で７００〜９５０℃で熱処理することにより、銀ガラス導電性ペースト２１中のガラスが溶融し、溶融したガラス中に存在する銀成分が内部電極２の端部に集合し、図２（ｄ）に示すように、柱状積層体１ａの側面から突出する突起状導電性端子５が形成されるとともに、該突起状導電性端子５の先端部に分割外部電極４ａを接合することができる。
【００５５】
また、熱処理時には、銀ガラス導電ペースト２１中の銀成分が内部電極２の端部２ａに拡散していき、内部電極２の端部２ａの厚みが、柱状積層体１ａ中央部における内部電極２（内部電極２の中央部２ｂ）の厚みよりも厚くなる。これにより、内部電極２の端部２ａにおける突起状導電性端子５の接合強度を向上できる。
【００５６】
即ち、ペーストにガラス成分を分散させておくことにより、上述の熱処理時ににガラスが軟化し、この状態において圧電体１には拡散しにくい銀が内部電極２の端部２ａに拡散して寄り集まるため、図３（ｄ）に示すような突起状導電性端子５を形成できる。そして、内部電極２および銀ガラス導電性ペースト２１および分割外部電極４ａ中の銀成分が相互に拡散して、内部電極２と突起状導電性端子５の間および突起状導電性端子５と分割外部電極４ａの間で強固に接合がなされる。また、該突起状導電性端子５の根元付近には、銀ガラス導電性ペースト２１中のガラスが寄り集まって隆起部５ａを形成し、該突起状導電性端子５を保持している。
【００５７】
突起状導電性端子５は柱状積層体１ａの側面の一部に形成されており、レール状に形成され、その長さは分割外部電極４ａの幅とほぼ同一とされている。尚、突起状導電性端子５の長さは、分割外部電極４ａの幅よりも短くても良い。
【００５８】
銀ガラス導電性ペースト２１中の銀粉末を５０〜８０体積％、残部のガラス粉末を２０〜５０体積％としたのは、この範囲内とすることにより、突起状導電端子５を構成する銀成分が適量となり、形成される突起状導電性端子５の突出高さｈを高くできるとともに、銀ガラス導電性ペースト２１中の固形分残部であるガラス成分が適量となるため、該銀ガラス導電性ペースト２１の焼き付け時に溶融するガラス成分も適量であり、銀成分が内部電極２端部に容易に集合し、突起状導電性端子５の突出高さｈを高くできる。
【００５９】
なお、上述の突起状導電性端子５の形成と、該突起状導電性端子５と分割外部電極４ａの接合の熱処理時に加える荷重は圧力にして、２〜５００ｋＰａが望ましい。この範囲とすることにより、突起状導電性端子５と板状導電部材４ａとの間で拡散接合を十分に行うことができ、接合部の強度を高くできるとともに、圧力が適度となるため、突起状導電性端子５の変形を防止できる。
【００６０】
尚、予め、柱状積層体１ａの凹溝１１間に対応する分割外部電極４ａの部分に、銀ガラス導電性ペースト２１を塗布乾燥し、分割外部電極４ａを柱状積層体１ａに押圧するように荷重を加えた状態で熱処理してもよい。また、分割外部電極４ａの全面に銀ガラス導電性ペースト２１を塗布乾燥し、この分割外部電極４ａを、導電性ペースト塗布面側を柱状積層体１ａの内部電極２が露出した面に押圧し、熱処理しても、突起状導電性端子５が形成し、その先端部に分割外部電極４ａを接続することができる。この場合にはさらに工程を短縮することができる。
【００６１】
その後、図３（ｅ）に示すように、分割外部電極４ａの外側に、導電材として針状やフレーク状などの非球形の銀粉末を１５〜８０体積％と、残部がマトリックスとして弾性率が２０ＧＰａ以下で、伸度が１０％以上の樹脂を２０〜８５体積％と溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤７ａに導電性のメッシュ部材７ｂを埋設した後、１５０〜３００℃で該導電性接着剤７ａを加熱硬化させ、導電性補助部材７を形成する。
【００６２】
その後、図３（ｆ）に示すように、凹溝１１内に絶縁体３を充填し、リード線６を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。
【００６３】
そして、リード線６を介して一対の外部電極４に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、柱状積層体１ａを分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線６を外部の電圧供給部に接続し、リード線６及び外部電極４を介して内部電極２に電圧を印加させれば、各圧電体１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。
【００６４】
また、上記例では、柱状積層体１ａの対向する側面に外部電極４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４を形成してもよい。
【００６５】
図４は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ３５が収容されている。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
【実施例】
まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み１５０μｍのＰＺＴで形成し、内部電極は厚み３μｍの銀−パラジウム合金によって形成し、圧電体及び内部電極の各々の積層数は３００層とした。なお、柱状積層体の全長は、不活性部を含め５０ｍｍとした。
【００７０】
次に、柱状積層体の外部電極形成面に露出した一層おきの内部電極の端部を含む柱状積層体の側面に、深さ１５０μｍ、幅７５μｍの凹溝を形成した。その後、凹溝間における柱状積層体側面に、平均粒径５μｍの銀粉末を６０体積％と、残部が平均粒径５μｍでケイ素を主成分とする軟化点が７５０℃のガラス粉末４０体積％からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペーストを塗布、乾燥した。
【００７１】
さらに、この銀ガラス導電性ペーストに、銀からなる厚み２５μｍの複数の板状導電部材を３０ｋＰａで押圧した状態で９００℃で熱処理を行い、柱状積層体から突出する突起状導電性端子を形成するとともに、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材（分割外部電極）を接合した。なお、板状導電部材は、図２（ｃ−２）に示すようなくさび形で、その長さは、柱状積層体の端部から、５ｍｍ、１０ｍｍ、１８ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍとし、内部電極に並列に接続される部分は、図２（ｃ−２）に示すように内部電極２層分とした。
【００７２】
その後、板状導電部材の外側に、導電材としてフレーク状の平均粒径５μｍの銀粉末を５０体積％と、残部がマトリックスとして弾性率が１０ＧＰａで、伸度が３０％のポリイミド樹脂を５０体積％と溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤ペーストにニッケルよりなる厚み５０μｍのメッシュ部材を埋設した後、２２０℃で該導電性接着剤を加熱硬化させ、導電性補助部材を形成した。
【００７３】
その後、凹溝に絶縁体としてシリコーンゴムを充填し、導電性補助部材にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極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アクチュエータを作製した。
【００７４】
なお、突起状導電性端子には、銀とパラジウムが分散していた。また、このときの、突起状導電性端子の高さは平均で２０μｍで、導電性接着剤のボイド率は１０％であった。突起状導電性端子の根元部はガラスで被覆され、隆起部を形成していた。
【００７５】
得られた積層型圧電アクチュエータに１５０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に４０μｍの変位量が得られた。さらに、このアクチュエータに室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１２０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、１×１０⁹サイクルまで駆動したところ４０μｍの変位量が得られ、外部電極の異常は見られなかった。
【００７６】
一方、比較例として、内部電極の一方の端部を左右交互にガラスからなる絶縁体で被覆し、その上から上記した銀ガラス導電性ペーストを塗布して７００℃で熱処理を行い、外部電極が内部電極と左右各々一層おきに導通した図５に示すアクチュエータを作製し、上記と同様の試験を行ったところ、駆動試験で１×１０⁵サイクルで外部電極にスパークが発生した。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に、柱状積層体の積層方向に複数に分割された板状導電部材からなる分割外部電極を接合し、分割外部電極を導電性補助部材によって連結したので、積層型圧電素子の伸縮に対して突起状導電性端子が揺動し、外部電極に生じる応力を十分に吸収でき、また、外部電極は積層方向に分割されているため、積層型圧電素子の伸縮によって生じる応力を分散することができ、これにより外部電極と内部電極の間の接点不良や、外部電極が断線するといった問題を防ぐことができ、高信頼性を備えた積層型圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った縦断面図、（ｃ）は（ａ）の一部を拡大して示す斜視図、（ｄ）は（ｂ）の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】柱状積層体側面への分割外部電極の配列を示す側面図である。
【図３】本発明の積層型圧電素子の製法を説明するための工程図である。
【図４】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図５】従来の積層型圧電アクチュエータの縦断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電体
１ａ・・・柱状積層体
２・・・内部電極
２ａ・・・内部電極の端部
２ｂ・・・内部電極の中央部
４・・・外部電極
４ａ・・・分割外部電極
４ａ１、４ａ２・・・凹凸部
５・・・突起状導電性端子
７・・・導電性補助部材
７ａ・・・導電性接着剤
７ｂ・・・導電性のメッシュ状部材
１１・・・凹溝
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ

Claims

圧電体と内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられ、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とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合してなるとともに、前記外部電極が前記柱状積層体の積層方向に複数に分割されており、これらの分割外部電極が導電性補助部材によって連結されていることを特徴とする積層型圧電素子。
積層方向に隣り合う２つの前記分割外部電極における一方の分割外部電極の一部と他方の分割外部電極の一部とが、前記柱状積層体の積層方向に垂直でかつ前記柱状積層体の側面に平行な方向に並列に配置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。
前記一方の分割外部電極の端部には、積層方向に突出する凸部が形成され、前記他方の分割外部電極の端部には、前記凸部に対して積層方向に対向する位置に凹部が形成され、該凹部に前記凸部が入り込んでいることを特徴とする請求項２記載の積層型圧電素子。
前記柱状積層体の側面の前記突起状導電性端子間には、前記内部電極の端部が露出する凹溝が形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。
一部の前記突起状導電性端子には、複数の前記分割外部電極が接合されてい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。
前記柱状積層体の積層方向の端部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さは、前記柱状積層体の積層方向の中央部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さよりも短い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。
前記導電性補助部材が、導電性のメッシュ部材を埋設した導電性接着剤からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項１乃至７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。