JP4931334B2 - 噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、積層型圧電素子を用いた噴射装置に関する。
従来、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。
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、外部電極と内部電極の接続部で接点不良を起こし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動時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、外部電極と内部電極との接合が十分に行われずに、高電界で連続駆動させた場合に、外部電極が積層体側面および内部電極端部から剥離してしまい、接点不良が生じ、変位特性が低下してしまうといった問題が生じる可能性があった。
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、耐久性に優れた安価な積層型圧電素子を用いた噴射装置を提供することを目的とする。
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、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とともに、前記外部電極が導電材とガラスからなり、前記外部電極と前記圧電体との界面の圧電体表層部に亀裂を設け、該亀裂にガラス材料を充填して成る、前記収納容器内に収容された積層型圧電素子と、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。
また、前記ガラス材料が前記外部電極を構成するガラスと同一成分であることを特徴とする。
また、前記亀裂を前記界面から深さ方向で１００μｍ以下の前記圧電体表層部に設けたことを特徴とする。
また、前記亀裂中のガラス材料の充填率が７０％以上であることを特徴とする。
また、前記積層体と前記外部電極間にガラス層を形成したことを特徴とする。
このように、本発明の噴射装置によれば、噴射孔を有する収納容器と、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とともに、前記外部電極が導電材とガラスからなり、前記外部電極と前記圧電体との界面の圧電体表層部に亀裂を設け、該亀裂にガラス材料を充填してなる、前記収納容器内に収容された積層型圧電素子と、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から、前記ガラス材料と前記外部電極を構成するガラスとが親和性よく接合するとともに、前記亀裂に充填されたガラス材料が前記圧電体における楔効果により、前記圧電体と接合強度を向上できるため、前記外部電極が前記積層体側面に強固に接合され、高電界で連続駆動させた場合においても前記外部電極が積層体側面から剥離するといった問題が生じるのを防ぐことができる。
また、本発明の噴射装置は、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。
また、本発明の噴射装置は、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。
また、前記ガラス材料が前記外部電極を構成するガラスと同一成分であることにより、前記外部電極と前記圧電体との接合力をより強固にするとともに、前記外部電極を焼き付ける工程にて同時に前記亀裂にガラスを充填できるため、製造工程数を削減することができ、新たなガラス材料を添加する必要もない。
また、前記亀裂を前記界面から深さ方向で１００μｍ以下の前記圧電体表層部に設けたことにより、前記亀裂にガラス材料を充填しやすくなるとともに、前記圧電体内部に発生する応力により前記亀裂からの破壊を抑制することができる。
また、前記亀裂中のガラス材料の充填率が７０％以上であることにより、積層型圧電素子の連続駆動により前記亀裂から生じる破壊を低減できるとともに、前記外部電極と前記圧電体との接合力をより強固にすることができる。
また、前記積層体と前記外部電極間にガラス層を形成したことにより、前記外部電極を構成するガラスと前記ガラス材料とが前記ガラス層を介して強固に接合されるため、前記外部電極と前記圧電体との接合強度を容易に向上させることができる。
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一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が導電材とガラスからなり、外部電極４と圧電体１との界面の圧電体１表層部に亀裂１ａを設け、該亀裂１ａにガラス材料を充填している。これは、圧電体１表層部にガラス材料が充填された亀裂１ａが存在しないと、外部電極４と圧電体１とを強固に接合し難くなるため、積層型圧電素子を長時間連続駆動させると、外部電極４が積層体側面から剥離してしまい、接点不良が生じ、変位特性が低下してしまう。
これに対して、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、亀裂１ａに充填されたガラス材料と外部電極４を構成するガラスとが親和性よく接合できるため、充填材の圧電体１に対する楔効果により、外部電極４と圧電体１との接合を強固なものとすることができる。ここで、上記した楔効果とは、図２（ａ）に示すように、外部電極４を構成するガラスが圧電体１に楔を打ち込んだ構造を有する亀裂内のガラス材料と接合することにより、外部電極４の圧電体１への接合強度が強くなるものである。これにより、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、外部電極４が積層体１０側面から剥離することなく、優れた耐久性を有することができる。
尚、亀裂の向きは、図２（ａ）に示すように、外部電極４と圧電体１との界面に対して垂直であっても、傾斜していても構わない。また、亀裂１ａの先端が内部電極２に達していてもよく、内部電極２側から亀裂１ａが進展していても構わない。
併せて、亀裂１ａに充填するガラス材料の軟化点を抑制することにより、圧電体１の焼成温度よりも十分に低い温度で亀裂１ａに充填することができるため、圧電体１の特性変化を抑制することができる。
上記ガラス材料は、ガラスを主成分とする材料で構成されており、ガラス成分としては、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、ＳｉＯ２４０〜７０質量％、Ｂ２Ｏ３２〜３０質量％Ａｌ２Ｏ３０〜２０質量％、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質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％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質量％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、Ｐ２Ｏ５４０〜８０質量％、Ａｌ２Ｏ３０〜３０質量％、Ｂ２Ｏ３０〜３０質量％、ＺｎＯ０〜３０質量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％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質量％、ＳｉＯ２０〜７０質量％、Ｂｉ２Ｏ３０〜３０質量％、Ａｌ２Ｏ３０〜２０質量％、ＺｎＯ０〜３０質量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％を含むようなガラスを使用することができる。
また、上記親和性を向上させるために、外部電極４を構成するガラスと亀裂に充填されるガラス材料は同等の主成分を有する組成であることが好ましい。
尚、亀裂１ａに充填されたガラスの有無、および後述する亀裂１ａに充填されたガラスの充填率に関しては、ＥＰＭＡ（電子線プローブ微小部分析）でのガラス構成元素の面分析によって確認できる。
さらに、亀裂１ａに充填されたガラス材料が外部電極４を構成するガラスと同一成分であることが望ましい。これは、同一のガラス成分を使用することにより、外部電極４と圧電体１との接合力をより強固にするとともに、外部電極４を焼き付ける工程にて同時に亀裂１ａにガラスを充填できるため、製造工程数を削減することができる。
さらに、亀裂１ａを外部電極４と圧電体１との界面から深さ方向ｔで１００μｍ以下の圧電体１表層部に設けることが望ましい。これは、亀裂１ａを前記界面から深さ方向ｔで１００μｍを超えた圧電体１表層部に設けると、亀裂１ａにガラス材料を充填し難くなるとともに、亀裂１ａが圧電体表層部から深部へ進展し、破壊の起点になったり、内部電極２を断線してしまう可能性があるためである。尚、亀裂１ａの長さの測定は、外部電極４と接合されている圧電体１表層部の任意の断面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にて観察して求めた。尚、倍率は２０００倍、測定個所は１０ヶ所とした。
さらに、亀裂１ａ中のガラス材料の充填率が７０％以上であることが望ましい。これは、充填率が７０％未満であると、外部電極４を構成するガラスと亀裂１ａ中のガラス材料との接合力が弱くなってしまうため、積層体１０から外部電極４の剥離が生じる可能性がある。また、亀裂１ａ中にガラス材料が充填されない空隙部分が増大するため、長時間連続駆動させると、該空隙部分に応力集中が生じて、積層体１０が破壊してしまう場合がある。
さらに、積層体１０の側面と外部電極４間にガラス層を形成することが望ましい。これは、前記ガラス層を形成すると、亀裂１ａに前記ガラス層を構成するガラス材料が入り込んで充填できるとともに、外部電極４を構成するガラスと亀裂内１ａのガラス材料とが前記ガラス層を介して強固に接合することができる。
さらに、図４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）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。
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。
外部電極４は銀を主成分とする導電材８０〜９９質量％と、残部がガラス成分１〜２０質量％からなり、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。また、外部電極４は、導電材とガラスからなる導電材ペーストを焼き付けて形成されるが、焼き付け時に外部電極４の厚み方向に１０％以上収縮することが望ましい。これは、導電材ペーストを焼き付け時に厚み方向に１０％以上収縮させることにより、焼き付け時の収縮による応力で圧電体１表層部に亀裂１ａを発生させたり、また、予め圧電体１表層部に存在する微小な亀裂をガラス材料が入り込むことができる程度の大きさを有する亀裂１ａに成長させることができる。
外部電極４を構成するガラスの成分は、圧電体１との接合強度を高め、且つ、有効的に亀裂に充填するという点から、酸化鉛若しくは酸化珪素の少なくとも１種を含む軟化点８００℃以下のガラスが望ましい。また、前述以外に、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、ＳｉＯ２４０〜７０質量％、Ｂ２Ｏ３２〜３０質量％Ａｌ２Ｏ３０〜２０質量％、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質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％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質量％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、Ｐ２Ｏ５４０〜８０質量％、Ａｌ２Ｏ３０〜３０質量％、Ｂ２Ｏ３０〜３０質量％、ＺｎＯ０〜３０質量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％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質量％、ＳｉＯ２０〜７０質量％、Ｂｉ２Ｏ３０〜３０質量％、Ａｌ２Ｏ３０〜２０質量％、ＺｎＯ０〜３０質量％、アルカリ土類金属酸化物０〜３０質量％、アルカリ金属酸化物０〜１０質量％を含むようなガラスを使用することができる。
また、外部電極を構成する導電剤は、耐酸化性があり、ヤング率が低く、安価であるという点から、銀を主成分とすることが望ましい。なお、耐エレクトロマイグレーション性を高めるという点から、微量の白金若しくはパラジウムを添加しても構わない
さらに、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１０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。
さらに、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１０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焼成体を作製する。
尚、積層焼成体は、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焼成体を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
得られた積層焼成体を、平面研削盤などの研削装置にて＃６０００より粗い砥石にて研削を行い、所定の寸法の積層体１０を得る。このとき、積層体１０表層部に微少な亀裂が形成される。この微少な亀裂が起点となり、後述する外部電極４の形成時に圧電体１と外部電極４の接合部の圧電体１表層部に亀裂１ａを形成することができる。
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深さ３０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの凹溝５を形成する。
次に、外部電極４の形成方法を説明する。
まず、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末を８０〜９９質量％と、残部が０．１〜１０μｍで酸化鉛若しくは酸化珪素の少なくとも１種以上を含むガラス粉末１〜２０質量％からなる混合物に、バインダーを加えて導電材ペースト２１を作製する。
そして、離型処理したフィルム上に、５〜４０μｍの厚みで導電材ペースト２１をスクリーン印刷し、乾燥後、離型フィルムより導電材ペーストシート２１を剥離する。このとき、乾燥後の導電材ペースト２１の銀粉末とガラス粉末を合わせた粉体充填率を４０〜７５％しておくことが望ましい。この導電材ペーストシート２１を図３（ｂ）に示すように、溝が形成された積層体１０の外部電極４形成面に転写し、導電材ペースト２１に含まれるガラス成分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。
ここで、上記した研削加工により形成された亀裂１ａは、焼き付け時の導電材ペーストの収縮による応力により成長するとともに、導電材ペースト２１に含まれるガラスの軟化点を超えた温度領域で導電材ペースト２１中のガラス成分が亀裂１ａに毛管現象により充填され、また同時に導電材ペースト２１に含まれるガラス成分が選択的に圧電体１の表層部に集まり、ガラス層４ａが形成される。このとき、亀裂１ａに充填されたガラス成分と、圧電体１表層部に形成されたガラス層４ａとは互いに強固に接合される。即ち、外部電極４のガラス成分が圧電体１表層部に楔を打ち込んだ構造となっており、結果、外部電極４と積層体１０との接続が確実強固なものとなる。
このとき、内部電極２を構成する銀−パラジウムと外部電極４中の銀が相互拡散して、内部電極２と外部電極４が強固に接合させる。
また、外部電極４と圧電体１との界面にガラス層を有効的に形成するために、導電材ペースト２１を多層構造に、若しくは導電材ペースト２１中のガラス成分の分布に傾斜をつけても構わない。即ち、圧電体１表層部側に近づくほどガラス成分を多くしておくことにより、焼き付け時に有効に圧電体１表層部の亀裂にガラス成分が侵入し、圧電体１と外部電極４との界面にガラス層４ａを形成できる。
また、導電材ペースト２１の段階で、圧電体１表層部にガラス層４ａを設けても、焼き付け時に、積層体１０と外部電極４間にガラス層４ａを設けても構わない。この場合においても、ガラス成分は積層体１０側面から露出した内部電極２と濡れ性が悪いため、焼き付け時に導電材ペースト２１中の銀は、内部電極２を形成する銀−パラジウムと拡散接合により強固に接合される。
尚、外部電極４の形成方法は、上述の方法に限定されるものではなく、直接積層体１０側面の外部電極４形成面に印刷しても構わない。
また、導電材ペースト２１は、焼き付け時に厚み方向に１０％以上収縮することが望ましい。これは、収縮率を１０％以上とすることにより、焼き付け時の収縮による応力で圧電体１表層部に有効的に亀裂１ａを形成することができる。
ここで、収縮率とは、導電材ペースト２１の乾燥厚みと焼き付け後の厚みの差を、乾燥厚みで割ったものを百分率で示したものである。
尚、導電材ペースト２１の焼き付け時の厚み方向の収縮率は、上記研削工程において微小な亀裂がなくとも形成することは可能であり、導電材ペーストの収縮により亀裂１ａを形成するためには、前記収縮率が２０％以上であることが望ましい。
また、導電材ペースト２１の収縮により、外部電極４中の銀と拡散接合する内部電極２先端が外部電極４に引っ張られて、図２（ｂ）に示すように、内部電極２を起点とする亀裂１ａが生じ、該亀裂１ａにガラス材料が充填される場合もある。
また、外部電極４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、アクチュエータ本体である積層体の伸縮に追従するためにも、５０μｍ以下がより好ましい。
導電材ペースト中の銀粉末を８０〜９９質量％、残部のガラス粉末を１〜２０質量％としたのは、銀粉末が８０質量％より少ない場合には、外部電極４の比抵抗が大きくなってしまい、大電流を流して高速で駆動させる場合において、該外部電極４で局所発熱を起こす可能性があり、一方で、銀粉末が９９質量％よりも多い場合には、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ってしまい、駆動中に外部電極４が積層体１０から剥離してしまうといった問題が生じる可能性がある。
また、導電材ペーストのガラス成分に、酸化鉛若しくは酸化ケイ素の少なくとも１種を含有させることにより、積層体１０との接合強度を向上させることができる。
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の凹溝５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、凹溝５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。
尚、本発明の積層型圧電素子を用いた積層型圧電アクチュエータは、上述した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲あれば変形可能である。例えば、上述では絶縁体３を充填した凹溝５を設けているが、従来の積層型セラミックコンデンサの電極取り出し部のように、内部電極２の端部が一層おきに外部電極４と接合されて、且つ内部電極２のもう一方の端部が外部電極４と接合しないような絶縁性を維持できる形状であってもよい。
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−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℃で焼成して積層焼成体を得た。その後、＃４００の砥石を用いて積層焼成体を研削して、図１の積層体１０を得た。得られた積層体１０の圧電体１表層部には微少な亀裂が生じていた。
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３０μｍの溝を形成した。
次に、平均粒径２μｍの銀粉末を８０〜９９質量％に、平均粒径２μｍで酸化鉛若しくは酸化ケイ素の少なくとも１種以上を含むガラス粉末を混合させ、さらにバインダーを添加して、導電材ペーストを作製した。
次に、離型フィルム上に導電材ペーストをスクリーン印刷により５〜４０μｍの厚みで印刷を行い、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ペーストシートを得た。この時の銀ペーストシートの粉体充填率は、５５％であった。その後、前記銀ペーストシートを溝を形成した積層体１０側面の対向する一対の側面に転写し、８００℃で１５分焼き付けを行った。
このとき、外部電極４の圧電体１側表層部にはガラス成分が偏在したガラス層４ａが形成されていた。また、導電材ペースト２１の厚み方向の収縮率は４０％であった。（焼き付け後の厚みは、乾燥厚みの６０％であった。）さらに、断面写真の観察から、外部電極４との接合部の圧電体１表層部には、長さ５〜２０μｍの亀裂１ａが存在し、該亀裂１ａには外部電極４を構成するガラスを充填されていた。
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作製した。
（実施例１）積層焼成体を研削する砥石の番手（粗さ）と外部電極４を構成する導電性ペーストの種類とその焼き付け温度を変化させた以外は、上記の製法を用いて本発明の実施例である積層体圧電アクチュエータ（試料番号１〜５）を作製した。
また、比較例として、積層焼結体を細かい番手を有する砥石にて研削し、外部電極４を構成する焼き付け時の収縮率が極めて小さい導電性ペースト２１を用いて外部電極４を作製することにより、圧電体１表層部に実質的に亀裂１ａを設けないように形成した積層型圧電アクチュエータを作製した（試料番号６）。また、試料番号６の積層型圧電アクチュエータは、外部電極４の圧電体側１表層部にはガラス層は存在していなかった。
上記した種々の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１×１０６サイクルまで駆動試験を行った。
尚、亀裂１ａの有無は、外部電極４と圧電体１との界面を、ＳＥＭにて任意の場所を２０ヶ所観察し判定した。亀裂１ａ部へのガラス材料の充填率は、前述の断面ＳＥＭ写真により、各々の亀裂１ａの面積に対して、該亀裂１ａに充填されているガラス材料の面積の割合を百分率で示したものの中で、最も充填率の低い値を表１に示した。併せて、ガラスの有無や組成はＥＰＭＡによる面分析により確認した。また、亀裂の深さは、前述の断面ＳＥＭ写真より観察された亀裂の最大の深さのものとした。駆動試験後の外観については、駆動試験後に前述同様の外部電極と圧電体との界面をＳＥＭにて任意の場所の観察を行った結果について表記した。変位量の変化率は、駆動試験前の変位量を基準とし、駆動試験後の変位量を測定し、その変化の割合を算出した。結果を表１に示す。
この表１から、比較例である試料番号６の積層型圧電アクチュエータにおいては、圧電体１表層部に亀裂１ａが実質的に存在しなかったため、亀裂１ａにガラスを充填できないことにより、上述したガラスによる楔効果を奏さないので、１×１０６サイクル駆動後に外部電極４が積層体表面から数箇所剥離して変位量が低下した。
これに対し、本発明の試料番号１〜５の積層型圧電アクチュエータは、外部電極４接合部の圧電体１表層部に亀裂１ａを設け、且つ、該亀裂１ａにガラス材料を充填したため、亀裂１ａに充填されたガラス材料の楔効果によって、外部電極４と積層体表面とを強固に接合できたので、積層型圧電アクチュエータを高速で駆動させた場合においても外部電極４が積層体表面から剥離することなく、変位量が低下すると言った問題が生じることはなかった。
さらに、前述と同じ条件で、１×１０９サイクルまで駆動を行った。結果を表２に示す。
この表２から、試料番号３の積層型圧電アクチュエータは、亀裂１ａへのガラス材料の充填率が７０％より小さかったために、ガラス材料による楔効果が弱くなり、外部電極４と圧電体１との接合力が低下し、駆動中に外部電極４の一部が積層体から剥離して変位量が低下した。
また、試料番号５の積層型圧電アクチュエータは、亀裂１ａの深さが１００μｍより大きかったため、亀裂１ａの一部が進展して他の亀裂１ａに到達して大きな亀裂１ａを形成しやすくなり、一部の内部電極２に亀裂１ａが貫通して断線が発生し、変位量が低下した。
これらに対して、試料番号１、２及び４の積層型圧電アクチュエータは、亀裂１ａの深さが、圧電体１と外部電極４との界面〜深さ方向ｔで１００μｍ以下で且つ、亀裂の７０％以上がガラス材料で充填されているため、高速で長時間駆動させた場合においても、外部電極４が積層体表面から剥離することがなく、変位量が低下するといった問題が生じていない。
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。
１・・・圧電体
１ａ・・・亀裂
２・・・内部電極
３・・・絶縁体
４・・・外部電極
４ａ・・・ガラス層
５・・・凹溝
６・・・リード線
１０・・・積層体
２１・・・導電材ペースト
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ
１ａ・・・亀裂
２・・・内部電極
３・・・絶縁体
４・・・外部電極
４ａ・・・ガラス層
５・・・凹溝
６・・・リード線
１０・・・積層体
２１・・・導電材ペースト
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ
Claims (5)
- 噴射孔を有する収納容器と、
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とともに、前記外部電極が導電材とガラスからなり、前記外部電極と前記圧電体との界面の圧電体表層部に亀裂を設け、該亀裂にガラス材料を充填してなる、前記収納容器内に収容された積層型圧電素子と、
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。 - 前記ガラス材料が前記外部電極を構成するガラスと同一成分であることを特徴とする請求項１に記載の噴射装置。
- 前記亀裂を前記界面から深さ方向で１００μｍ以下の前記圧電体表層部に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の噴射装置。
- 前記亀裂中のガラス材料の充填率が７０％以上であ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噴射装置。
- 前記積層体と前記外部電極間にガラス層を形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の噴射装置。
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