JP4841046B2

JP4841046B2 - 積層型圧電素子及び噴射装置

Info

Publication number: JP4841046B2
Application number: JP2001088131A
Authority: JP
Inventors: 英樹内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002285937A

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】
従来から、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが提案されている。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３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活性体５３ａが形成され、該活性体５３ａの積層方向上下面に不活性体５３ｂを形成して柱状積層体５３が構成されている。内部電極５２は、その一方の端部が左右交互に絶縁体５４で被覆され、その上から、導電性接着剤を活性体５３ａ及び不活性体５３ｂの側面に塗布乾燥して、一対の帯状外部電極５６を形成し、これらの帯状外部電極５６が内部電極５２と左右各々一層おきに導通している。
【０００４】
この積層型圧電アクチュエータでは、不活性体５３ｂの側面に接合された帯状外部電極５６の下側端部表面に、リード端子５７が半田５８により接合されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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、積層数を増加させ、またより高い電界を印加して、長期間連続駆動させることが行われているが、上記した従来の圧電アクチュエータでは、帯状外部電極５６の端部が不活性体５３ｂの側面から剥離し易いという問題があった。
【０００６】
即ち、活性体５３ａでは積層方向に大きな変位が発生するが、不活性体５３ｂでは変位が発生しないため、活性体５３ａ及び不活性体５３ｂに跨って形成された帯状外部電極５６には、その端部に積層方向への引張応力や圧縮応力が発生し、不活性体５３ｂに位置する帯状外部電極５６の端部が剥離し易いという問題があった。この状態で駆動を続けると、不活性体５３ｂに接合された帯状外部電極５６の端部だけでなく、活性体５３ａに位置する部分においても、帯状外部電極５６が活性体５３ａの表面から剥離して、内部電極５２との接続が解除され、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、一部の圧電体５１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。
【０００７】
また、リード端子５７が接合される帯状外部電極５６の下側端部では、リード端子５７が何らかの原因で引っ張られることにより、特に剥離し易いという問題があった。
【０００８】
本発明は、外部電極の柱状積層体への接合強度を向上できる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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、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活性体と、該活性体の上下面にそれぞれ設けられた不活性体とからなる柱状積層体の側面に、前記内部電極が一層おきに交互に接続する一対の外部電極を接着してなるとともに、前記不活性体の側面に接着された前記外部電極の端部にリード端子を接続してなる積層型圧電素子であって、前記外部電極の端部が接着される前記不活性体の側面に凹溝が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このような積層型圧電素子では、外部電極の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部分に接着されるため、不活性体の側面と外部電極との接合強度を向上でき、これにより、より高い電界を印加して大きな変位量を発生せしめ、この状態で長期間連続駆動させたとしても、外部電極の端部からの剥離を抑制することができ、外部電極の柱状積層体への接合強度を向上できる。
【００１１】
即ち、外部電極は、内部電極との接合を確実に行うという理由から、変位を発生する活性体から変位を発生しない不活性体にまで延設し、活性体及び不活性体に跨って外部電極を形成し、リード端子接続部にアクチュエータの伸びによる応力を発生させないという理由から、リード端子を、不活性体まで延設された外部電極の端部に接合せざるを得ないが、本発明では、外部電極の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部分に接合されるため、アンカー効果により、外部電極の端部が不活性体の側面から剥離することを抑制することができ、外部端子の端部からの剥離開始を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明では、不活性体の側面に形成された凹溝の深さが５〜１００μｍであることが望ましい。このような構成を採用することにより、不活性体の折損を抑制することができるとともに、外部電極の端部の剥離を有効に防止できる。
【００１３】
さらに、本発明では、外部電極が接続する内部電極の端部には、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が設けられていることが望ましい。このような構成を採用することにより、外部電極の柱状積層体からの剥離をさらに抑制することができる。
【００１４】
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してなるものである。
【００１５】
【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（ｂ）の一部を拡大して示す断面図である。
【００１６】
本発明の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活性体１ａ₁と、該活性体１ａ₁の上下面に形成された不活性体１ａ₂とから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の端部に突起状導電性端子５を設け、該突起状導電性端子５を埋設するように導電性接着剤を柱状積層体１ａの側面に塗布乾燥して外部電極４を形成し、各外部電極４の下側端部にリード端子６を接続固定して構成されている。
【００１７】
外部電極４は、活性体１ａ₁から不活性体１ａ₂にわたって形成され、外部電極４の下側端部が形成される不活性体１ａ₂の側面には、凹溝９が複数条形成されている。これらの凹溝９は、内部電極２の露出した端部と平行に、かつ外部電極形成面積よりも少し大きい面積範囲で形成されている。このような不活性体１ａ₂に位置する外部電極４の端部にリード端子６が半田等で接合されている。
【００１８】
これらの凹溝９の深さｄは５〜１００μｍとされている。この範囲の深さであれば、不活性体１ａ₂が折損せず、また、外部電極４の接合強度を向上できるからである。一方、凹溝９の深さが５μｍよりも浅い場合には、外部電極４の不活性体１ａ₂への接合強度が低く、１００μｍよりも深い場合には、高電圧で駆動させる場合に不活性体１ａ₂の凹溝９の部分で折損しやすいからである。
【００１９】
凹溝９の積層方向における幅ｂは、アンカー効果を高めるという点から５〜５０μｍであることが望ましい。このような凹溝９は、ダイシング加工もしくはスクラッチ加工することにより形成できる。
【００２０】
尚、リード端子６が形成される下側の不活性体１ａ₂の側面にのみ凹溝９を形成したが、上側の不活性体１ａ₂の側面にも凹溝を形成しても良いことは勿論である。また、凹溝９を外部電極形成面積よりも少し大きい面積範囲で形成したが、不活性体１ａ₂側面全面に形成しても良いことは勿論である。
【００２１】
さらに、凹溝９を内部電極２の露出した端部と平行に形成したが、内部電極２の露出した端部と直交するように形成してもよく、さらには、凹溝９を格子状に形成しても良い。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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積層し、この積層体の上下面に導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを積層し、これを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。
【００２８】
その後、柱状積層体１ａの外部電極４を形成する対向する側面に銀を主成分するペーストを塗布し、７００〜９５０℃で焼き付けすることにより、突起状導電性端子５が形成される。即ち、このような突起状導電性端子５を形成するためには、特に、銀を主成分とするペーストに軟化点が６００℃〜９５０℃のガラス粉末を分散させておき、該ペーストを外部電極４の形成面に塗布、焼き付けを行うことにより、有効的に突起状導電性端子５を形成することができる。
【００２９】
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、焼き付け時にガラスが軟化し、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の端部に拡散して寄り集まるため、図１（ｃ）に示すような突起状導電性端子５を形成できる。
【００３０】
この突起状導電性端子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、その長さは外部電極４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、外部電極４の幅よりも短くても良い。
【００３１】
また、突起状導電性端子５が形成された柱状積層体１ａの側面に一層おきに深さ５０〜５００μｍ、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。
【００３２】
溝が形成されていない内部電極２の端部は、上記した突起状導電性端子５を介して外部電極４と接続されている。なお、突起状導電性端子５に板状導電部材を接合し、この板状導電部材を埋設するように導電性接着剤で柱状積層体１ａの側面に接合して外部電極４を形成しても良い。この場合の導電性接着剤は、弾性係数が小さく、変形し易いものが望ましい。突起状導電性端子５と板状導電部材との接合は、例えば荷重を加えた状態で７００〜９５０℃で熱処理することにより、主成分である銀が突起状導電性端子５と板状導電部材間を相互に拡散し、いわゆる銀の拡散接合に行うことができる。
【００３３】
このように板状導電部材を突起状導電性端子５を介して内部電極２に接続すると、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が変形して突起状導電性端子５が駆動時に生じる応力を十分に吸収できるため、該外部電極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。
【００３４】
さらに、板状導電部材の外面に、金属等のメッシュ、メッシュ状の金属板、導電性コイル、若しくは導電性波板、若しくは導電性繊維集合体（ウール状）のいずれか一種からなる導電性補助部材を形成しても良い。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、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極４に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極４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。
【００３５】
また、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を介して外部電極４と接合されることになる。
【００３６】
なお、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。
【００３７】
突起状導電性端子５の積層方向と同一方向の幅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、幅Ｂは５〜２５μｍが望ましい。
【００３８】
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。突出高さｈは、１５〜５０μｍが望ましい。
【００３９】
さらに、板状導電部材の厚みは、アクチュエータの伸縮に追従し、外部電極４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。
【００４０】
突起状導電性端子５及び板状導電部材は、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り、このうち、内部電極との接合強度が強く、ヤング率が低いという点から、銀が望ましい。
【００４１】
以上のように構成された積層型圧電素子は、外部電極４の端部が、不活性体１ａ₂の側面の凹溝９が形成されている部分に接合されているので、アンカー効果により、外部電極４の端部が不活性体１ａ₂の側面から剥離することを抑制することができ、外部端子４の端部からの剥離開始を抑制することができる。また、リード端子６に外力が作用し、引っ張られたとしても、外部電極４の接合強度が高いため、外部端子４の端部の剥離を抑制できる。
【００４２】
本発明の積層型圧電素子はこれら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。
【００４３】
図２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。
【００４４】
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。
【００４５】
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を有している。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。
【００４６】
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。
【００４７】
【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−Ｐｔ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。外部電極が形成される不活性体の側面に、ダイシング加工により、深さｄが２０μｍ、幅ｂが２０μｍの凹溝を１００μｍ間隔で５本形成した。形成面積は、外部電極形成面積よりも僅かに大きい面積とした。
【００４８】
次に、外部電極が形成される柱状積層体の側面に銀を含有するペーストを塗布し、８００℃で焼き付け、柱状積層体の側面に露出した内部電極の端部に、積層方向と同一方向の幅Ｂが１０μｍ、高さｈが２０μｍの突起状導電性端子を形成した。この後、内部電極の端部一層おきに溝を形成し、該溝に絶縁体としてシリコーンゴムを充填した。
【００４９】
次にポリイミドの前駆体であるポリアッミク酸をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解させ、ワニス状にし、このワニスに銀粉末２０重量％を混合、混練、ペースト状にしたものを、外部電極を形成する所定の位置に塗布し、２２０℃の空気中で溶媒を蒸発させるとともに、硬化反応を起こさせ、外部電極を形成した。
【００５０】
この後、正極用外部電極、負極用外部電極の下側端部にリード端子を半田で接合し、図示しないが、アクチュエータの周囲にデイッピング等の方法により、シリコーンゴムを被覆し、さらに、正極、負極に３ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分極処理することで、図１に示す積層型圧電アクチュエータを得た。
【００５１】
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６０Ｈｚ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、外部電極の剥離等の異常は見られなかった。
【００５２】
また、本発明者は、凹溝の深さｄを５〜１００μｍに変更する以外は、上記と同様にして、積層型圧電アクチュエータを作製し、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６０Ｈｚ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、外部電極の剥離等の異常は見られなかった。
【００５３】
一方、凹溝、突起状導電性端子を形成しない以外は、上記と同様にして、積層型圧電アクチュエータを作製し、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ものの、このアクチュエータに室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、１×１０⁶サイクル駆動後に変位量の低下が見られたため、駆動を停止し、アクチュエータを観察したところ、外部電極の下側端部が剥離していた。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子では、外部電極の端部が、不活性体の側面の凹溝が形成されている部分に接着されるため、不活性体の側面と外部電極との接合強度を向上でき、これにより、より高い電界を印加して大きな変位量を発生せしめ、この状態で長期間連続駆動させたとしても、外部電極の端部からの剥離を抑制することができ、外部電極の柱状積層体への接合強度を向上できる。従って、高温の使用環境下、高い印加電界、高速で連続駆動させる場合においても、外部電極と内部電極が断線することなく高耐久性を備えた積層型圧電素子を安価に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】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図３】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
１ａ₁・・・活性体
１ａ₂・・・不活性体
２・・・内部電極
４・・・外部電極
５・・・突起状導電性端子
６・・・リード端子
９・・・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

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活性体と、該活性体の上下面にそれぞれ設けられた不活性体とからなる柱状積層体の側面に、前記内部電極が一層おきに交互に接続する一対の外部電極を接着してなるとともに、前記不活性体の側面に接着された前記外部電極の端部にリード端子を接続してなる積層型圧電素子であって、前記外部電極の端部が接着される前記不活性体の側面に凹溝が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
不活性体の側面に形成された凹溝の深さが５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
外部電極と接続する内部電極の端部には、柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子が設けられていることを特徴とする請求項１又は２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３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。