JP4808915B2 - 積層型圧電素子及び噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子及び噴射装置に関し、例えば、圧電トランスや、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アクチュエータ等の積層型圧電素子及び噴射装置に関する。

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。

図６は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、この積層型圧電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、その一方の端部が積層体５３の側面に左右交互に露出しており、この内部電極５２の端部が露出した積層体５３の側面に、外部電極７０が形成されている。内部電極５２の他方の端部は絶縁体６１により被覆され、外部電極７０とは絶縁されている。

また、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータは、圧電体の仮焼粉末と有機バインダーからなるセラミックグリーンシートに、銀−パラジウム粉末にバインダーを添加混合した内部電極ペーストを印刷したものを所定枚数積層して得られた積層成形体について、所定の温度で脱脂を行った後、焼成することによって、積層体を得ていた。

従来の圧電体は、焼成温度として１２００〜１３００℃の温度が必要であったため、高価なパラジウムの比率の高い銀−パラジウムが内部電極として用いられていた。しかしながら、最近では低温焼成化の技術が進み、１１００℃程度の温度で焼成可能な圧電体が開発されてきたが、この場合でも内部電極の融点を考慮すると、銀比率７０重量％、パラジウム比率３０重量％の銀−パラジウムが必要であった。結果として、コストが高いパラジウムを３０重量％も含むため、製品のコストが高くなるといった問題があった。

また外部電極は、従来、銀８３〜９９重量％と、残部がガラス粉末１〜１７重量％および有機成分とからなる導電性ペーストを、積層体５３の側面に塗布し、５００〜１０００℃で焼き付けて形成されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−４０６３５号

しかしながら、従来の積層型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、該外部電極が積層体の伸縮に追従できずに断線したり、該外部電極と内部電極の間で接点不良を起こしたりして、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。

即ち、近年においては、小型の積層型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が、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、外部電極がフレキシブルではなく、積層体の積層方向への伸縮に追従できず、内部電極と外部電極との接続が解除され剥離が発生したり、また外部電極にクラックが発生して断線し、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あった。

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その製法並びに噴射装置を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と、導電材と圧電材とからなる複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該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、銀を主成分とする導電材とガラスとからなる外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極を構成する導電材中の銀重量比率をＸ（％）、前記外部電極中の銀重量比率をＹ（％）としたとき、Ｘ≧８５及び０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１を満たし、前記外部電極が前記積層体側面に露出した前記内部電極端部と拡散接合しており、前記内部電極の導電材成分が前記外部電極に拡散してネック部を形成していることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極が導電材と圧電材とからなり、前記内部電極中の銀重量比率をＺ（％）としたとき、０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．０を満たすことを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極が３次元網目構造をなす多孔質導電体からなることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極の空隙率が３０〜７０体積％であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極の前記圧電体側表層部にガラスリッチ層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極に用いるガラスの軟化点（℃）が、前記内部電極を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極を構成するガラスが非晶質であることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極の厚みが前記積層体を構成する前記圧電体の厚みよりも薄いことを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体側面に形成された凹溝内に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填され、前記内部電極と前記外部電極とが一層置きに絶縁されていることを特徴とする。
また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極の外面に、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が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることを特徴とする。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記導電性接着剤中の前記導電性粒子が銀粉末であることを特徴とする。

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ことを特徴とする。

このように、本発明の積層型圧電素子によれば、複数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と、該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、前記外部電極が銀を主成分とする導電材とガラスからなり、前記内部電極を構成する導電材中の銀重量比率をＸ（％）、前期外部電極中の銀重量比率をＹ（％）としたとき、Ｘ≧８５、及び０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１を満たすことにより、高価なパラジウムの使用量を抑制できるため、低コストで積層型圧電素子を製造することが可能になる。

また、前記内部電極を構成する導電材中の銀の重量比率と、前記外部電極中の銀の重量比率がほぼ等しくなるため、前記外部電極を前記積層体に焼き付ける際に、前記外部電極中の銀と前記内部電極中の銀の相互拡散が促進され、前記内部電極と前記外部電極の強固な接合が可能になり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させる場合においても、前記外部電極と前記内部電極を断線することなく、優れた耐久性を有することができる。

さらに、前記内部電極が導電材と圧電材からなり、前記内部電極中の銀重量比率をＺ（％）とするとき、０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．０を満たすことにより、前記内部電極に圧電材を含むため、前記内部電極中の導電材が焼成時に圧電体と焼結すると、前記内部電極と前記圧電体との接合強度が向上するので、前記積層体の耐久性が向上する。一方で、前記内部電極中の銀重量比率が０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．０を満たしているため、前記内部電極中の銀重量比率と前記外部電極中の銀重量比率がほぼ等しいので、前記外部電極を焼き付けた際に、前記外部電極中の銀と前記内部電極中の銀の相互拡散が促進され、前記内部電極と前記外部電極の強固な接合が可能になり、高速で駆動させる場合においても、前記外部電極と前記内部電極との接点部の断線などを防ぐことができる。

さらに、前記外部電極が積層体側面に露出した前記内部電極端部と拡散接合しており、前記内部電極の導電材成分が前記外部電極に拡散してネック部を形成していることにより、大電流を流して高速に駆動させる場合においても、前記内部電極と前記外部電極との接点部のスパークや断線などを防ぐことができる。

さらに、前記外部電極が３次元網目構造をなす多孔質導電体からなることにより、駆動時に積層方向へ伸縮した場合においても、前記外部電極がフレキシブルであるため、前記外部電極が前記積層体の伸縮に対応して追従することが可能になり、前記外部電極の断線や前記外部電極と前記内部電極の接点不良などを防ぐことができる。

さらに、前記外部電極の空隙率が３０〜７０体積％であれば、駆動時の伸縮によって生じる応力を吸収することができるため、前記外部電極の破損を防ぐことができる。

さらに、前記外部電極の圧電体側表層部にガラスリッチ層が形成されていることにより、前記外部電極中のガラス成分を前記圧電体との接合界面に多く存在させることを可能にするため、前記外部電極と前記積層体との接合強度を向上することができる。

さらに、前記外部電極に用いるガラスの軟化点（℃）が、内部電極を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であれば、前記外部電極の焼き付けを前記内部電極を構成する導電材の融点よりも十分低温度で、且つ前記ガラスの軟化点より高温度で行うことができるため、前記内部電極及び前記外部電極の導電材の凝集を防ぐとともに、前記内部電極中の導電材と前記外部電極の導電材との十分な拡散接合を可能にし、軟化したガラスによって強い接合強度を有することができる。

さらに、前記外部電極を構成するガラスが非晶質であれば、結晶質よりもヤング率を低くすることができるため、前記外部電極に生じるクラックなどを抑制することができる。

さらに、前記外部電極の厚みが前記積層体を構成する前記圧電体の厚みよりも薄くすることにより、前記外部電極の硬度が小さくなり、前記積層体が駆動時に伸縮する際に、前記外部電極と前記内部電極の接合部における負荷を小さくできるため、前記接合部の接点不良を抑制することができる。

さらに、前記積層体側面に形成された凹溝内に、前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填され、前記内部電極と前記外部電極が一層置きに絶縁されていることにより、前記内部電極と前記外部電極との絶縁を確保できるとともに、前記積層体の駆動時における伸縮に対して、凹溝内の前記絶縁体が追従して変形することができるため、凹溝近傍におけるクラック等の発生を防止でき、また、応力の発生を低減することができる。

さらに、前記外部電極の外面に、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設けることにより、前記積層体を大電流で高速駆動させる場合においても、前記大電流を導電性補助部材に流すことができるため、前記外部電極の局所発熱による断線を防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。

さらに、前記導電性接着剤には、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ていることにより、前記積層体の駆動時における伸縮によって生じる導電性接着剤のクラックなどを防ぐことができる。

さらに、前記導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることにより、前記積層体を高温で駆動する際においても、前記導電性接着剤が高い接着強度を維持することができる。

さらに、前記導電性接着剤中の前記導電性粒子が銀粉末であれば、前記導電性接着剤の抵抗値を低くすることができるため、前記積層体を大電流で駆動する場合においても、局所発熱を防ぐことができる。

また、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噴射装置は、前記積層型圧電素子の外部電極と内部電極との断線を抑制できるため、高電界下においても、耐久性を大幅に向上することができる。

図１は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の実施例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。

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積層体１０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、銀を主成分とする導電材とガラスからなり、且つ３次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極４を接合し、各外部電極４にリード線６を接続固定して構成されている。

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有している。

これに対して、不活性層９は内部電極２が配されていない複数の圧電体１の層であるため、電圧を印加しても変位を起こさない。

また、積層体１０の対向する側面には外部電極４が接合されており、この外部電極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ため、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ことができる。

さらに、外部電極４にはリード線６が半田等により接続固定されているため、外部電極４を外部の電圧供給部に接続することができる。

そして本発明の積層型圧電アクチュエータでは、外部電極４が銀を主成分とする導電材とガラスからなり、前記内部電極２が導電材と圧電材を含み、内部電極２の導電材中の銀重量比率をＸ（％）、導電材と圧電材を含めた内部電極２中の銀重量比率をＺ（％）、銀を主成分とした導電材とガラスからなる外部電極４中の銀重量比率をＹ（％）としたとき、Ｘ≧８５、及び０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１を満たさなければならない。これは、Ｘが８５％未満であれば、必然的に内部電極２を構成するパラジウムの重量比率が増大するため、低コストで積層型圧電アクチュエータを製造できない。また、Ｘ／Ｙが０．９未満では、内部電極２中の銀の量が外部電極４中の銀の量に対して相対的に少なくなるため、外部電極４を焼き付ける際に、内部電極２と外部電極４に含まれている銀同士の相互拡散が少なくなり、内部電極２と外部電極４の接合強度が弱くなり、積層型圧電アクチュエータの耐久性が低下するためである。また、Ｘ／Ｙが１．１を超えると、外部電極４中の銀の量が内部電極２に対して相対的に少なくなるため、外部電極４を焼き付ける際に、内部電極２と外部電極４に含まれている銀同士の相互拡散が少なくなり、内部電極２と外部電極４の接合強度が弱くなり、積層型圧電アクチュエータの耐久性が低下するためである。

これに対して、内部電極２の導電材中の銀重量比率をＸ（％）、銀を主成分とした導電材とガラスからなる外部電極４中の銀重量比率をＹ（％）としたとき、Ｘ≧８５、及び０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１を満たすと、内部電極２を構成する高価なパラジウムの使用量を抑制できるため、低コストで積層型圧電素子を製造することが可能になる。また、内部電極２中の銀重量比率Ｘ（％）と外部電極４中の銀重量比率Ｙ（％）とがほぼ等しくなるため、外部電極４を焼き付ける際に、内部電極２と外部電極４に含まれている銀同士の相互拡散が促進され、内部電極２と外部電極４の強固な接合が可能になり、高電界、高圧下で長時間連続駆動させる場合においても、内部電極２と外部電極４を断線することなく、優れた耐久性を有することができる。

さらに、内部電極２が導電材と圧電材からなり、内部電極２中の銀重量比率をＺ（％）とするとき、０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．０を満たすことが望ましい。これは、Ｚ／Ｙが０．７未満では、内部電極２中の銀の量が外部電極４中の銀の量に対して相対的に少なくなるため、外部電極４より内部電極２の抵抗値が高くなるので、内部電極２に局所発熱が生じる。また、Ｚ／Ｙが１．０を超えると、内部電極２中の圧電材が少なくなるため、内部電極２と圧電体１の界面の密着強度が弱くなり、内部電極２と圧電体１の界面で剥離が生じる。また、外部電極４中の銀の量が内部電極２に対して相対的に少なくなるので、内部電極２と外部電極４間の銀の相互拡散が少なくなり、内部電極２と外部電極４の接合強度が弱くなる場合がある。

図２（ａ）は、図１（ｂ）の部分拡大図、（ｂ）は図２（ａ）をさらに拡大した図であり、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、外部電極４が積層体側面に露出した内部電極２の端部と拡散接合しており、内部電極２の導電材成分が外部電極４に拡散してネック部４ｂを形成することが望ましい。ネック部４ｂが存在しないと大電流を流して積層型圧電アクチュエータを高速で駆動させる際に、外部電極４と内部電極２の接点部分で局所発熱を起こしたり、スパーク等が生じたりする場合がある。

さらに、外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体からなるのが望ましい。外部電極４が３次元網目構造をなす多孔質導電体で構成されていなければ、外部電極４はフレキシブル性を有しないため、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従できなくなるので、外部電極４の断線や外部電極４と内部電極２の接点不良が生じる場合がある。ここで、３次元網目構造とは、外部電極４にいわゆる球形のボイドが存在している状態を意味するのではなく、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が、比較的低温で焼き付けられている為に、焼結が進みきらずにボイドがある程度連結した状態で存在し、外部電極４を構成する導電材粉末とガラス粉末が３次元的に連結、接合した状態を示唆している。

あるいは、外部電極４中の空隙率が３０〜７０体積％であることが望ましい。ここで、空隙率とは、外部電極４中に占める空隙４ａの比率である。これは、外部電極４中の空隙率が３０体積％より小さければ、外部電極４が積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力に耐えきれずに、外部電極４が断線する可能性がある。また、外部電極４中の空隙率が７０体積％を超えると、外部電極４の抵抗値が大きくなるため、大電流を流した際に外部電極４が局所発熱を起こして断線してしまう可能性がある。

さらに、外部電極４の圧電体１側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極４中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極４が圧電体１との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。

また、外部電極４を構成するガラスの軟化点（℃）が、内部電極２を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であることが望ましい。これは、外部電極４を構成するガラスの軟化点が、内部電極２を構成する導電材の融点の４／５を超えると、外部電極４を構成するガラスの軟化点と内部電極２を構成する導電材の融点が同程度の温度になるため、外部電極４を焼き付ける温度が必然的に内部電極２を構成する融点に近づくので、外部電極４の焼き付けの際に、内部電極２及び外部電極４の導電材が凝集して拡散接合を妨げたり、また、焼き付け温度を外部電極４のガラス成分が軟化するのに十分な温度に設定できないため、軟化したガラスによる十分な接合強度を得ることができない場合がある。

さらに、外部電極４を構成するガラスを非晶質にすることが望ましい。これは、結晶質のガラスでは、積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力を外部電極４が吸収できないので、クラック等が発生する場合がある。

さらに、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。これは、外部電極４の厚みが圧電体１の厚みよりも厚いと、外部電極４の強度が増大するため、積層体１０が伸縮する際に、外部電極４と内部電極２の接合部の負荷が増大し、接点不良が生じる場合がある。

さらに、図２及び図３に示すように、積層体１０の側面に形成された凹溝内に圧電体１よりもヤング率の低い絶縁体３が充填され、内部電極２と外部電極４が一層置きに絶縁されていることが望ましい。内部電極２間に挟まれた圧電体１は、隣り合う内部電極２間に印加された電圧により伸縮するが、内部電極２に挟まれていない積層体１０の側面付近の圧電体１には、内部電極２に電圧を印加しても伸縮しないので、内部電極２に電圧が印加される度に、圧縮応力や引張応力が発生する。これに対し、積層体１０の側面に凹溝を形成し、この凹溝内に圧電体１よりもヤング率の低い絶縁体３を充填することにより、積層体１０が伸縮した場合に積層体１０の側面に発生する応力を、絶縁体３が伸縮することにより低減することが可能となり、これにより耐久性を改善することができる。

この時、前記凹溝に充填される絶縁体３のヤング率が圧電体１より大きいと、上記のように積層体１０の側面付近に発生する応力を絶縁体３の伸縮で緩和できないので、積層型圧電素子の耐久性が低下する可能性がある。

さらに、図４に示すように、外部電極４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７を設けられることが望ましい。外部電極４の外面に導電性補助部材７を設けないと、積層体１０に大電流を流して駆動する際に、外部電極４が大電流に耐えきれずに局所発熱してしまい、断線する可能性がある。

また、外部電極４の外面にメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を使用しないと、積層体１０の伸縮による応力が外部電極４に直接作用することにより、駆動中の疲労によって外部電極４が積層体１０の側面から剥離しやすくなる可能性がある。

さらに、導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。これは、ポリイミド樹脂を使用することにより、積層体１０を高温下で駆動させる際にも、比較的高い耐熱性を有するポリイミド樹脂を使用することによって、導電性接着剤が高い接着強度を維持しやすい。

さらに、導電性粒子が銀粉末であることが望ましい。これは、導電性粒子に比較的抵抗値の低い銀粉末を使用することによって、導電性接着剤における局所発熱を抑制しやすい。

さらに、図５は、本発明の積層型圧電素子からなる噴射装置を示すもので、噴射孔３３を有する収納容器３１と、この収納容器３１に収容された圧電アクチュエータ４３と、この圧電アクチュエータの駆動により噴射孔３３から液体を噴出させるバルブ３５を有している。

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、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。

また、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。

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。

圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（以下ＰＺＴと略す）、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３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ｄ_３３が高いものが望ましい。

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。これにより、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しても、積層型圧電アクチュエータの小型化、低背化ができるとともに、圧電体１の絶縁破壊を防止できる。

また、コスト面から、内部電極２として低パラジウム比率の銀−パラジウム合金を用いることが望ましいが、このためには、９８０℃以下程度で焼成可能な圧電体１を用いることが望ましく、この圧電体１を構成する材料は、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させたものが好ましい。即ち、銀−パラジウム合金の状態図から、パラジウムが５重量％の銀−パラジウム合金を用いる際には、９８０℃以下の温度で焼成可能な圧電体１としては、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させたものを用いることができる。

ここで、パラジウム５重量％の銀−パラジウム合金を内部電極２として用いた場合において、１１００℃の温度で焼成してしまうと、焼成温度が内部電極２構成する導電材（銀−パラジウム合金）の融点を超えてしまい、内部電極２の導電材が凝集してしまい、デラミネーションが発生するといった問題が生じてしまう。即ち、内部電極２の導電材に低パラジウム比率の銀−パラジウム合金を用いるためには、圧電体１の焼成温度を９８０℃以下程度に下げる必要がある。

外部電極４は、導電材８７〜９９．５重量％と、ガラス粉末０．５〜１３重量％からなり、微量のガラスが導電材中に分散している。この外部電極４は、積層体１０の側面に部分的に接合している。即ち、積層体１ａの側面に露出した内部電極２の端部とは内部電極２中の導電材と外部電極４中の導電材が拡散接合しており、積層体１０の圧電体１の側面とは、主に外部電極４中のガラス成分を介して接合している。つまり、圧電体１の側面とは外部電極４中の導電材とガラスの混合物が部分的に接合し、圧電体１の側面と外部電極４との間には空隙４ａが形成されている。また、外部電極４中にも空隙４ａが多数形成され、これにより、外部電極４が多孔質導電体から構成されている。空隙４ａの形状は、導電材とガラスの焼き付け前の形状が比較的そのまま残存する複雑な形状である。

また、外部電極４は、積層型圧電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ために、外部電極４の導電材はヤング率の低い銀、若しくは銀を主成分とした合金からなることが望ましく、また、外部電極４全体としては、フレキシブルな３次元網目構造をなす多孔質導体で形成されていることが望ましい。

また、積層体１０の側面に一層おきに深さ３０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの溝が形成されており、この溝内にガラス、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、積層体１０との接合を強固とするために、積層体１ａの変位に対して追従する弾性率が低い材料、特にはシリコーンゴム等からなることが好適である。

次に、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の製法を説明する。

本発明の積層型圧電アクチュエータは、先ず、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形法により圧電体１となるセラミックグリーンシートを作製する。

次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等、及び必要に応じて前記圧電セラミックスの仮焼粉末等を添加混合して、内部電極２をなす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。

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枚積層し、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１０を作製する。

ここで、コスト面から、内部電極２を形成する銀−パラジウム合金としては、低パラジウム比率のものが望ましく、特に、パラジウム比率が１０重量％以下のものがより好ましい。このためには、圧電体１が９８０℃以下で焼成できる材料であることが望ましく、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を１０〜２０ｍｏｌ％含有させた材料を圧電体１に用いればよい。また、内部電極を構成する銀−パラジウムは、銀とパラジウムの合金粉末を用いても、銀粉末とパラジウム粉末の混合物を用いても良い。なお、銀粉末とパラジウム粉末の混合物を用いた場合においても、焼成時に銀−パラジウムの合金が形成される。

また、内部電極２を形成するための導電性ペーストに添加する圧電材（圧電セラミックスの仮焼粉末）の比率は、内部電極２と圧電体１の接合強度を強固なものにし、また、内部電極２の抵抗値を十分低くするので、焼成後の内部電極２中に導電材が７５〜９３重量％、残部の圧電材が７〜２５重量％含まれることが望ましい。

尚、積層体１０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１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる積層体１０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。

その後、図３（ａ）に示すように、ダイシング装置等により積層体１０の側面に一層おきに凹溝を形成する。

さらに、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末を８７〜９９．５重量％と、残部が粒径０．１〜１０μｍでケイ素を主成分とする軟化点が４５０〜８００℃のガラス粉末０．５〜１３重量％からなる混合物に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを成形し、乾燥した（溶媒を飛散させた）シート２１の生密度を６〜９ｇ／ｃｍ^３に制御し、このシート２１を、図３（ｂ）に示すように、溝が形成された積層体１ａ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、且つ銀の融点以下の温度で焼き付けを行うことにより、外部電極４を形成することができる。

また、図３（ｃ）に示すように、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート２１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４を形成することも可能であり、特に、３次元網目構造の外部電極４を形成するには、シート２１の生密度を６〜９ｇ／ｃｍ^３に制御し、さらに、外部電極４の空隙率を３０〜７０％とするためには、生密度を６．２〜７．０ｇ／ｃｍ^３とすることが望ましい。シート２１の生密度はアルキメデス法により測定できる。

この銀ガラスペーストの焼き付けによって、外部電極４中に空隙４ａが形成されるとともに、銀ガラスペースト中の銀が内部電極２中の銀−パラジウム合金と拡散接合し、ネック部４ｂが形成されてもよく、外部電極４が積層体１０側面に部分的に接合される。ネック部４ｂでは、内部電極２の銀−パラジウム合金と外部電極４の銀が相互拡散するので、内部電極２から拡散したパラジウムは一般的な分析手法（例えば、ＥＰＭＡ、ＥＤＳ等）で検出できる。

なお、前記銀ガラスペーストの焼き付け温度は、ネック部４ｂを有効的に形成し、銀ガラスペースト中の銀と内部電極２を拡散接合させ、また、外部電極４中の空隙４ａを有効に残存させ、さらには、外部電極４と積層体１ａ側面とを部分的に接合させるという点から、５５０〜７００℃が望ましい。また、銀ガラスペースト中のガラス成分の軟化点は、５００〜７００℃が望ましい。

焼き付け温度が７００℃より高い場合には、銀ガラス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４が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極４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４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。

一方、焼き付け温度が５００℃よりも低い場合には、内部電極２端部と外部電極４の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部４ｂが形成されず、駆動時に内部電極２と外部電極４の間でスパークを生じる可能性がある。

また、銀ガラスペーストのシート２１の厚みは、圧電体１の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従するためにも、５０μｍ以下がより好ましい。

銀ガラス導電性ペースト２１中の銀粉末を８７〜９９．５重量％、残部のガラス粉末を０．５〜１３重量％としたのは、銀粉末が８７重量％より少ない場合には、相対的にガラス成分が多くなり、焼き付けを行った際に、外部電極４中に有効的に空隙４ａを形成することや該外部電極４と積層体１０側面とを部分的に接合することができず、一方、銀粉末が９７体積％９９．５重量％より多い場合には、相対的にガラス成分が少なくなり外部電極４と積層体１０との接合強度が弱くなり、積層型圧電アクチュエータの駆動中に外部電極４が積層体１０から剥離してしまう可能性があるからである。

また、外部電極４を構成するガラス成分は、シリカガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛アルカリけい酸ガラス、アルミノほうけい酸塩ガラス、ほうけい酸塩ガラス、アルミノけい酸塩ガラス、ほう酸塩ガラス、りん酸塩ガラス、鉛ガラス等を用いる。

例えば、ほうけい酸塩ガラスとしては、ＳｉＯ_２４０〜７０重量％、Ｂ_２Ｏ_３２〜３０重量％Ａｌ_２Ｏ_３０〜２０重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのようなアルカリ土類金属酸化物を総量で０〜１０重量％、アルカリ金属酸化物０〜１０重量％含有するものを使用することができる。また、上記ほうけい酸塩ガラスに、５〜３０重量％のＺｎＯを含むようなガラスとしても構わない。ＺｎＯは、ほうけい酸塩ガラスの作業温度を低下させる効果がある。

また、りん酸塩ガラスとしては、Ｐ_２Ｏ_５４０〜８０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３０〜３０重量％、Ｂ_２Ｏ_３０〜３０重量％、ＺｎＯ０〜３０重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０重量％、アルカリ金属酸化物０〜１０重量％を含むようなガラスを使用することができる。

また、鉛ガラスとしては、ＰｂＯ３０〜８０重量％、ＳｉＯ_２０〜４０重量％、Ｂｉ_２Ｏ_３０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３０〜２０重量％、ＺｎＯ０〜３０重量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０重量％、アルカリ金属酸化物０〜１０重量％を含むようなガラスを使用することができる。

次に、外部電極４を形成した積層体１０をシリコーンゴム溶液に浸漬し、前記シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体１０の溝内部にシリコーンゴムからなる絶縁層３を充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体１０を引き上げ、積層体１０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１０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。

その後、外部電極４にリード線６を半田等で接続することにより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が完成する。

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、積層体１０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。

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。

先ず、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、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１になるセラミックグリーンシートを作製した。

このグリーンシートの片面に、銀の重量比率Ｘ（％）が８５〜９５重量％になるようにパラジウムを混合させた銀−パラジウム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３μｍ厚みで形成し、前記セラミックグリーンシートを３００枚積層し、９８０〜１１００℃で焼成して図１の積層体１０を得た。

次に、図３（ａ）に示すように、ダイシング装置により積層体１０側面の内部電極２の端部に一層おきに深さ５０μｍ、幅５０μｍの溝を形成した。

次に、平均粒径２μｍのフレーク状の銀粉末を銀の重量比率Ｙ（％）が８４〜９７重量％になるように平均粒径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を混合させ、さらに、銀粉末とガラス粉末の合計重量１００重量部に対して８重量部のバインダーを添加し、混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このように作製した銀ガラス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後に、前記銀ガラス導電ペーストのシートを積層体１０の対向する一対の側面に転写し、６５０℃で３０分焼き付けを行い、外部電極４を形成した。

また、内部電極２と外部電極４の接合部には、内部電極２中の銀−パラジウム合金と外部電極４中の銀ガラス導電性ペースト中の銀が互いに拡散したネック部４ｂが形成されており、このネック部４ｂをＥＰＭＡにより分析を行ったところ、内部電極２からパラジウムが拡散していることが確認された。

また、上記で形成された外部電極４の空隙率は、外部電極４の断面写真により空隙率は４０％であった。さらに、外部電極４の断面写真により測定したところ、外部電極４と積層体１０側面の接合部分は、約５０％であった。また、外部電極４の圧電体側表層部には銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分が偏在したガラスリッチ層が形成されていた。

その後、外部電極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。

（実施例１）上記の製法を用いて作製された本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、内部電極２導電材中の銀重量比率Ｘ（％）と外部電極中の銀重量比率Ｙ（％）をＸ≧８５の範囲で形成し、Ｘ／Ｙの値と積層型圧電アクチュエータの駆動との関連を検証した。

また、比較例として、上記のＸ／Ｙの値をＸ／Ｙ＜０．９、またはＸ／Ｙ＞１．１の範囲で形成した試料を作製した。

上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、１８５Ｖ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４９μｍの変位量が得られた。さらに、これらの積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１８５Ｖの交流電界を１５０Ｈｚの周波数で印加して２×１０^８サイクルまで駆動試験を行った。結果は表１に示す通りである。

この表１から、比較例である試料番号４は、Ｘ／Ｙの値が０．９未満であったために、内部電極２中の銀の量が外部電極４に対して相対的に少なくなり、また、内部電極２中の銀の量が少なくなることにより内部電極２の融点が高くなったので、内部電極２と外部電極４の間で銀の相互拡散が少なくなり、これによって、ネック部４ｂの強度が低下したために、積層型圧電アクチュエータを高速で連続駆動させた場合に、ネック部４ｂが積層体１０の伸縮によって生じる応力で断線し、一部の圧電体１に電圧が供給されなくなったため、駆動サイクルが増加するにつれて積層体１０の変位量が低下するので、積層型圧電アクチュエータとしての耐久性が低下した。

また、比較例である試料番号５は、Ｘ／Ｙの値が１．１を超えたために、外部電極４中の銀の量が内部電極２導電材中の銀の量に対して相対的に少なくなり、内部電極２と外部電極４間で銀の相互拡散が少なくなり、これによって上記と同様に、ネック部４ｂが積層体１０の伸縮によって生じる応力で断線し、一部の圧電体１に電圧が供給されなくなったため、駆動サイクルが増加するにつれて積層体１０の変位量が低下するので、積層型圧電アクチュエータとしての耐久性が低下した。

これらに対して、本発明の実施例である試料番号１〜３では、Ｘ≧８５において０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１の範囲内で形成された積層型圧電アクチュエータであったために、内部電極２と外部電極４間で銀の相互拡散が促進され、内部電極２と外部電極４の接合が強固になったために、２×１０^８サイクル後も４９μｍの変位量が得られ、また、２×１０^８サイクル後外部電極４にスパークや断線等の異常が生じることなく、積層型圧電アクチュエータとして優れた耐久性を有した。

（実施例２）上記の製法において、銀−パラジウム合金に圧電セラミックスの仮焼粉末を加えた導電性ペーストで形成された内部電極２を用いて作製された積層型圧電アクチュエータにおいて、導電材と圧電材を有する内部電極２の銀の重量比率をＺ（％）として、外部電極４中の銀重量比率Ｙ（％）と内部電極２中の銀重量比率Ｚ（％）で積層型アクチュエータを形成し、Ｚ／Ｙの値と積層型圧電アクチュエータの駆動との関連を検証した。

上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、１８５Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての試料において積層方向に４９μｍの変位量が得られた。さらに、これらの積層型圧電アクチュエータに対して、室温で０〜＋１８５Ｖの交流電界を１５０Ｈｚの周波数で印加して５×１０^８サイクルまで駆動試験を行った。結果は表２に示す通りである。

この表２から、試料番号９はＺ／Ｙの値が１．０よりも大きいため、内部電極２中の圧電材が少なくなり、内部電極２と圧電体１の界面の密着強度が弱くなるので、駆動中に内部電極２と圧電体１の一部で剥離が生じ、一部の圧電体１に電圧を供給できなくなり、変位量が低下した。

また、試料番号１０はＺ／Ｙの値が０．７より小さいために、内部電極２中の銀の量が少なくなり、外部電極４と比較して内部電極２の抵抗値が高くなるので、高周波数で連続駆動させた場合にその高い抵抗値による電圧降下により圧電体１に十分な電圧を供給できなくなり、変位量が低下した。

これに対して、試料番号６〜８では、５×１０^８サイクル後も４９μｍの変位量が得られ、内部電極２と外部電極４との接点部の断線等の異常は生じなかった。

本発明の積層型圧電素子は、圧電トランスに利用できる。また、本発明の積層型圧電素子は、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アクチュエータに利用できる。さらに、本発明の積層型圧電素子を用いることにより、自動車用燃料やインクジェットプリンタのインク等の噴射装置に利用できる。

本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図１（ｂ）の部分拡大図、（ｃ）は（ｂ）に相当する断面の拡大写真である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の積層型圧電素子の製法を説明するための説明図である。 外部電極の外面に導電性補助部材を形成した積層型圧電素子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。 本発明の噴射装置を示す側面図である。 従来の積層型圧電アクチュエータの側面図である。

符号の説明

１・・・圧電体
２・・・内部電極
３・・・絶縁体
４・・・外部電極
４ａ・・・空隙
４ｂ・・・ネック部
７・・・導電性補助部材
１０・・・積層体
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ

Claims (13)

1. 複数の圧電体と、導電材と圧電材とを含む複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該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、銀を主成分とする導電材とガラスとからなる外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極を構成する導電材中の銀重量比率をＸ（％）、前記外部電極中の銀重量比率をＹ（％）としたとき、Ｘ≧８５、及び０．９≦Ｘ／Ｙ≦１．１を満たし、前記外部電極が前記積層体側面に露出した前記内部電極端部と拡散接合しており、前記内部電極の導電材成分が前記外部電極に拡散してネック部を形成していることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記内部電極が導電材と圧電材とからなり、前記内部電極中の銀重量比率をＺ（％）としたとき、０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．０を満たすことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記外部電極が３次元網目構造をなす多孔質導電体からな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。
4. 前記外部電極の空隙率が３０〜７０体積％であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 前記外部電極の前記圧電体側表層部にガラスリッチ層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 前記外部電極に用いるガラスの軟化点（℃）が、前記内部電極を構成する導電材の融点（℃）の４／５以下であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 前記外部電極を構成するガラスが非晶質であることを特徴とする請求項６記載の積層型圧電素子。
8. 前記外部電極の厚みが前記積層体を構成する圧電体の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
9. 前記積層体側面に形成された凹溝内に前記圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填さ
   れ、前記内部電極と前記外部電極とが一層置きに絶縁されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
10. 前記外部電極の外面に、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が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
11. 前記導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１０記載の積層型圧電素子。
12. 前記導電性粒子が銀粉末であることを特徴とする請求項１１記載の積層型圧電素子。
13. 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１２のうち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。

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