WO2009130863A1 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

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WO2009130863A1
WO2009130863A1 PCT/JP2009/001741 JP2009001741W WO2009130863A1 WO 2009130863 A1 WO2009130863 A1 WO 2009130863A1 JP 2009001741 W JP2009001741 W JP 2009001741W WO 2009130863 A1 WO2009130863 A1 WO 2009130863A1
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WO
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electrode
multilayer piezoelectric
base electrode
stress
piezoelectric actuator
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PCT/JP2009/001741
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English (en)
French (fr)
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葛西重治
進藤智
林宏一
森本靖弘
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株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • the present invention relates to a laminated piezoelectric actuator that is used as a drive source in, for example, an automobile fuel injection device. More specifically, the external electrode formed on the outer surface of the laminated piezoelectric material is expanded and contracted by the laminated piezoelectric material.
  • the present invention relates to a multilayer piezoelectric actuator having an external electrode material for stress absorption that relieves applied stress.
  • the stacked piezoelectric actuator has an active part in which a plurality of internal electrodes connected to different potentials are stacked via a piezoelectric layer, and an inactive part located outside the active part in the stacking direction. No voltage is applied to the piezoelectric layer in the inactive portion during driving. Therefore, during driving, a large stress is applied between the active portion that expands and contracts due to the piezoelectric effect and the inactive portion, and a crack may occur in the piezoelectric body.
  • the external electrode When the crack as described above progresses and reaches the external electrode formed on the surface of the piezoelectric body, the external electrode may be divided. When the external electrode is divided, a discharge is generated between the divided external electrode portions, which may cause destruction of the multilayer piezoelectric body.
  • Patent Document 1 discloses a multilayer piezoelectric actuator shown in FIG. As shown in FIG. 11, in the multilayer piezoelectric actuator 101, in the multilayer piezoelectric body 102, a plurality of first internal electrodes 103 and a plurality of second internal electrodes 104 are alternately stacked via piezoelectric layers. Has been. The second internal electrode 104 is drawn out to the side surface 102a. An external electrode 105 is formed on the side surface 102a.
  • the external electrode 105 includes a basic metal coating layer 105a formed on the side surface 102a and a three-dimensional electrode material 105b disposed on the basic metal coating layer 105a.
  • the electrode material 105b having this three-dimensional structure is bonded to the base metal coating layer 105a at a plurality of contact portions by a conductive bonding material 106.
  • the electrode material 105b having the three-dimensional structure can absorb the stress even when the stress causing the crack A is applied. Therefore, in the electrode material 105b, it is difficult to divide the electrode.
  • the electrode material 105b having such a three-dimensional structure is not limited to the shape shown in FIG. 9, and a structure using a sponge metal or a metal mesh is also shown.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a structure in which a reinforcing external electrode material made of a metal mesh is laminated on a base electrode.
  • a conductive joining material 106 is used.
  • the external electrode material for reinforcement made of a metal mesh as described in Patent Documents 2 and 3 is also bonded to the base electrode by a conductive bonding material.
  • the bonding strength is not sufficient, and if thermal stress due to temperature changes during use is applied, the difference in thermal expansion between the piezoelectric ceramic and the electrode material made of metal results in reinforcement.
  • the external electrode material may be peeled off.
  • brazing method sufficient bonding strength can be obtained by selecting a brazing material. However, flux and the like may remain, and the reliability of the multilayer piezoelectric actuator may be lowered.
  • the bonding strength can be increased.
  • the multilayer piezoelectric body is locally heated to a high temperature. For this reason, a micro-crack is generated in the multilayer piezoelectric actuator due to heat shock, and the multilayer piezoelectric actuator may be destroyed starting from the micro crack.
  • An object of the present invention is a multilayer piezoelectric actuator having an external electrode in which an electrode material for absorbing stress is bonded on a base electrode, which solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, A highly reliable multilayer piezoelectric actuator that has a sufficiently high bonding strength with an electrode material for stress absorption and that is resistant to destruction of the multilayer piezoelectric body even when driven or subjected to thermal shock. It is to provide.
  • the multilayer piezoelectric actuator according to the present invention includes a first internal electrode and a second internal electrode in which a plurality of internal electrodes and a plurality of piezoelectric layers are stacked, and the plurality of internal electrodes are connected to different potentials. And the first and second external electrodes respectively connected to the first and second internal electrodes and formed on the outer surface of the multilayer piezoelectric body.
  • the laminated piezoelectric body has first and second side surfaces facing each other, and the first and second inner electrodes are drawn out to the first and second side surfaces, respectively.
  • the first and second external electrodes are formed on the first and second side surfaces, and the first and second external electrodes include a base electrode and a stress-absorbing external electrode material.
  • the base electrode is formed on a side surface of the piezoelectric body, and the first electrode is drawn out to the side surface.
  • an elastic structure that is electrically connected to an edge portion of the second internal electrode, the external electrode material for stress absorption is formed on the base electrode, and is elastically deformed when an external force is applied.
  • a fixing portion joined to the base electrode which is connected to the elastic structure portion and extends in parallel with an internal electrode edge portion located below the base electrode.
  • a width direction dimension in which a portion where the fixing portion is joined to the base electrode does not reach an adjacent internal electrode in the stacking direction of the multilayer piezoelectric body. It is formed to have. In this case, even if a crack occurs, since the crack does not straddle between the first and second internal electrodes connected to different potentials, a short circuit between the first and second internal electrodes hardly occurs.
  • the stress-absorbing external electrode material is bonded to the base electrode in the fixing portion, and the elastic structure portion is bonded to the base electrode. It has not been. In this case, when the stress is applied, the elastic structure portion is elastically deformed without difficulty, so that the applied stress can be absorbed more effectively.
  • the fixing portion includes first and second fixing portions, and the first and second fixing portions sandwich the elastic structure portion. It arrange
  • the stress absorbing electrode material can be reliably fixed to the base electrode. Therefore, it is possible to improve the reliability of joining the stress absorbing electrode material to the base electrode.
  • the base electrode and the stress-absorbing external electrode material are joined by diffusion bonding.
  • the base electrode and the stress absorbing external electrode material are firmly bonded by diffusion bonding.
  • the reliability of the multilayer piezoelectric actuator is hardly lowered.
  • the base electrode and the stress absorbing external electrode material are diffusion bonded via an insert metal, and the insert metal and the metal diffused during the diffusion bonding of the stress absorbing external electrode material are the same kind.
  • the metal since the metal diffused during the diffusion bonding of the insert metal and the stress-absorbing external electrode material is the same metal, the stress-absorbing electrode material can be more firmly bonded to the base electrode.
  • the insert metal is made of an electrode paste containing metal powder and glass frit
  • the base electrode is an electrode paste mainly composed of the same metal as the conductive paste. It is formed by baking. In this case, in the step of applying and baking the base electrode, it is possible to simultaneously form the insert metal by applying and baking the conductive paste.
  • the first and second external electrodes include the base electrode and the stress absorbing electrode material formed on the base electrode, and the stress absorbing electrode material is Since the elastic structure portion is provided, even if a stress is applied to the external electrode during driving, the stress is quickly absorbed by the stress absorbing electrode material. Therefore, even if a split portion is generated in the external electrode, it is difficult to generate a split in the stress absorbing electrode material, so that no discharge is generated between the split external electrodes. hard.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a side view as seen from the second side of the multilayer piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view for explaining a stress absorbing electrode material in the multilayer piezoelectric actuator of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a partially cutaway front cross-sectional view for explaining the state of cracks generated in the multilayer piezoelectric actuator of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a partially cutaway cross-sectional view for explaining a crack occurrence state in a laminated piezoelectric actuator prepared for comparison.
  • FIG. 5 is a side view of the multilayer piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partially cutaway cross-sectional view for explaining the structure of the joint portion between the stress-absorbing electrode material and the base electrode in the multilayer piezoelectric actuator of the second embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view for explaining a modification of the elastic structure portion in the stress-absorbing electrode material.
  • FIG. 8 is a perspective view for explaining another modification of the elastic structure portion in the stress absorbing electrode material.
  • FIG. 9 is a side view for explaining the laminated piezoelectric actuator prepared as Comparative Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a side view showing a laminated piezoelectric actuator prepared as Comparative Example 2.
  • FIG. 11 is a partially cutaway front sectional view showing an example of a conventional multilayer piezoelectric actuator.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view showing an appearance of the multilayer piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention and a side view seen from the second side.
  • the multilayer piezoelectric actuator 1 has a multilayer piezoelectric body 2.
  • the multilayer piezoelectric body 2 is a monolithic piezoelectric body obtained by firing internal electrodes and piezoelectric ceramics by an integral firing technique.
  • the internal electrodes 6 to 8 are alternately arranged in the stacking direction.
  • the first internal electrodes 3 to 5 and the second internal electrodes 6 to 8 are arranged so as to overlap each other via the piezoelectric layer 2a.
  • the piezoelectric layer 2a is polarized in the thickness direction.
  • the first internal electrodes 3 to 5 are drawn out to the first side surface 2 b of the multilayer piezoelectric body 2.
  • the plurality of second inner electrodes 6 to 8 are led out to the second side surface 2c opposite to the first side surface 2b.
  • Appropriate piezoelectric ceramics can be used as the piezoelectric material constituting the multilayer piezoelectric body 2.
  • the internal electrodes 3 to 8 are formed by co-sintering a conductive paste such as Ag or Ag—Pd paste and the piezoelectric ceramic.
  • the laminated piezoelectric body 2 has a rectangular parallelepiped shape having first and second side surfaces 2b and 2c, an upper surface 2d and a lower surface 2e, a front surface 2f, and a back surface 2g.
  • a first external electrode is formed so as to be electrically connected to the internal electrode edge portion drawn to the side surface 2b of the first internal electrodes 3-5. In FIG. 1A, the first external electrode is not shown.
  • the second external electrode 9 is formed on the second side surface 2c.
  • the second external electrode 9 is electrically connected to internal electrode edge portions 6a to 8a led out to the side surface 2c of the second internal electrodes 6 to 8.
  • the external electrode 9 includes a base electrode 10 made of a metal film formed on the side surface 2 c and a stress absorbing electrode material 11 bonded to the outer surface of the base electrode 10. It has the same structure as the first external electrode.
  • the base electrode 10 can be formed using an appropriate metal such as Ag or Ag—Pd.
  • the base electrode 10 is an electrode film formed by applying and baking an electrode paste containing these metals.
  • the base electrode 10 may be formed by vapor deposition, plating, sputtering, or the like.
  • the stress-absorbing electrode material 11 has an elastic structure portion 11a that is elastically deformed when an external force is applied, and first and second fixing portions 11b and 11c. In this embodiment, it arrange
  • the first and second fixing portions 11 b and 11 c are joined to the base electrode 10.
  • the elastic structure 11 a is not joined to the outer surface of the base electrode 10. Therefore, since the elastic structure portion 11a is not joined to the base electrode 10, the elastic structure portion 11a elastically deforms when an external force is applied, absorbs the applied stress, and even if the stress is applied, It is difficult to break up.
  • the elastic structure 11a has a metal mesh shape. Therefore, even if an external force is applied in the stacking direction or the direction crossing the stacking direction in the stacked piezoelectric body 2, the mesh portion is elastically deformed without difficulty. Therefore, even if it is repeatedly driven or a heat shock is applied, the elastic structure portion 11a is hardly divided by stress.
  • the fixing portions 11b and 11c are linear portions extending in parallel to the internal electrode edge portions 6a to 8a exposed to the side surface 2c below the base electrode 10.
  • the fixing portions 11 b and 11 c are provided so as not to overlap the portion between the internal electrode edge portions 6 a and 7 a through the base electrode 10.
  • the fixing portions 11 b and 11 c are not necessarily provided at positions that do not overlap the internal electrode edge portion 4 a with the base electrode 10 interposed therebetween.
  • the width-direction dimensions of the joint portions of the fixed portions 11b and 11c to the base electrode 10 have width-direction dimensions that do not reach both internal electrodes adjacent to each other in the stacking direction in the stacked piezoelectric body 2.
  • the width direction dimension is a dimension in a direction orthogonal to the direction in which the fixing portions 11b and 11c are extended. More specifically, it is a dimension along the laminating direction of the fixing portions 11b and 11c.
  • both the internal electrode 4 which is the nearest internal electrode and the internal electrode 3 or the internal electrode 5 adjacent to the internal electrode 4 are bonded to the base electrode by the bonding material of the fixing portions 11b and 11c. It means having a dimension that does not reach.
  • fixed part 11b, 11c when the fixing
  • the joint portion of the fixing portions 11b and 11c has a width direction dimension that does not overlap with both the internal electrode 4 and the internal electrode 5 when viewed from the second side surface side. That is, it means that both the upper edge and the lower edge in FIG. 1 of the joint portion are located at the bulk position between the internal electrode 4 and the internal electrode 5.
  • fixed part 11d, 11e, 11f, and 11g are similarly arrange
  • the stress absorbing electrode material 11 can be formed of an appropriate metal such as Fe, Ni, Fe, Ni alloy, Cu, or Ag.
  • a joining method using a conductive adhesive, brazing or welding, a diffusion joining method, or the like is used as a method for joining the fixing portions 11b to 11g to the base electrode 10. Since bonding strength is sufficient and it is not necessary to heat to high temperature during bonding, it is preferable that bonding is performed by diffusion bonding.
  • the multilayer piezoelectric actuator 1 according to the present embodiment hardly breaks from the crack.
  • the first and second fixing portions 11b and 11c are formed so as to extend in parallel to the internal electrode edge portion 4a, and the dimension in the width direction of the joint portion of the fixing portions 11b and 11c is the above-mentioned. Therefore, even if a crack occurs in the multilayer piezoelectric body 2, a short circuit between the first internal electrode and the second internal electrode connected to different potentials is unlikely to occur. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 3 is a schematic partial cutaway front sectional view showing a state in which a crack B is generated in the multilayer piezoelectric actuator 1 of the present embodiment.
  • the first fixing portion 11b extends in parallel with the internal electrode edge portions 6a to 8a and is positioned between the internal electrodes 6 and 7.
  • the block generated in the multilayer piezoelectric body 2 is usually generated starting from the interface between the internal electrode, which is a metal material, and the piezoelectric layer. It is assumed that a crack is generated starting from the interface between the second internal electrode 7 and the piezoelectric layer as indicated by an arrow B in FIG. As shown in FIG. 3, the crack extends toward the side surface 2 c of the multilayer piezoelectric body 2 and divides the base electrode 10. In this case, as described above, even if a divided portion is generated in the base electrode 10, the discharge is not generated between the divided portions due to the presence of the stress absorbing electrode material 11 having the elastic structure portion 11a.
  • the crack B occurs at the interface between the internal electrode 6 and the piezoelectric layer, and extends as it is toward the side surface 2c. Therefore, a short circuit between the internal electrode 7 and the first internal electrodes 3 and 4 hardly occurs.
  • the weakest part is the interface between the ceramic layer, that is, the piezoelectric layer and the internal electrode. Therefore, when cracking occurs due to stress or the like, it is normal that cracking occurs at the interface. In this case, cracks are generated from the surface of the multilayer piezoelectric body, but when the reinforcing external electrode material is bonded to the outside of the base electrode, the cracks are difficult to occur because the reinforcement is reinforced. However, when the joint portion where the reinforcing external electrode material is joined to the base electrode is at a position where the joint portion is gathered at the edge portion where the internal electrode is drawn out, the reinforcing effect becomes high and the crack becomes difficult to break.
  • the internal electrodes connected to different potentials are short-circuited, and the withstand voltage is reduced due to cracks.
  • the dielectric constant is lower than that of the surrounding ceramic portion. For this reason, electric discharge easily occurs due to electric field concentration.
  • FIG. 4 shows the lamination of the above embodiment except that the stress absorbing electrode material 111 having only a mesh-like metal portion is bonded to the base electrode via the bonding material 112.
  • the configuration is the same as that of the piezoelectric actuator 1. Therefore, the stress-absorbing electrode material 111 has only one cross section shown in FIG. 4, but actually extends obliquely on the base electrode. Therefore, when the cracks C and D progress toward the joining portion between the joining material 112 and the stress absorbing electrode material 111, the first internal electrode 3 and the second internal electrode 7 are straddled like the crack D. There is a risk of cracking. Therefore, a short circuit may occur between the first internal electrode and the second internal electrode.
  • the fixing portions 11b to 11g extend in parallel with the internal electrode edge portions 6a to 8a, the fixed portion is the internal electrode edge portion 6a. Extends parallel to ⁇ 8a. Therefore, even if a crack occurs, the crack extends toward the fixed portion, and it is difficult for the laminated piezoelectric body 2 to extend obliquely from the interface between the piezoelectric layer and the internal electrode. Therefore, a short circuit between the first and second internal electrodes can be reliably prevented.
  • FIG. 3 shows a portion where the fixing portion 11b is bonded to the base electrode 10 via the conductive bonding layer 12.
  • the conductive bonding layer 12 is a diffusion bonding layer, and is formed by heating and diffusion bonding with an insert metal interposed between the base electrode 10 and the fixing portion 11b. .
  • the base electrode 10 is formed by applying and baking a metal powder-containing conductive paste, and it is desirable to use the same conductive paste as an insert metal layer for forming the conductive bonding layer 12 by diffusion bonding. In that case, formation by baking of the base electrode 10 and the diffusion bonding can be performed simultaneously. That is, a conductive paste is applied, the same conductive paste is printed on the conductive paste to form an insert metal layer, the fixing portion 11b of the stress-absorbing electrode material 11 is laminated, and heated to the baking temperature of the conductive paste. do it.
  • both the formation of the base electrode 10 and the formation of the conductive bonding layer 12 can be performed by a single heating process. Therefore, the thermal stress applied to the multilayer piezoelectric body 2 can be reduced. In addition, since the number of manufacturing steps is reduced, the cost can be reduced.
  • FIG. 5 is a right side view of the multilayer piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1B shown for the first embodiment.
  • metal layers 22 and 23 extending in the stacking direction are formed on the base electrode 10 on the side surface 2c of the multilayer piezoelectric body 2.
  • the metal layers 22 and 23 are formed by heating an insert metal layer formed on the base electrode 10 in order to perform the diffusion bonding. That is, the metal layers 22 and 23 are disposed in the portion where the fixing portions 11b to 11g are disposed in order to diffusely bond the first and second fixing portions 11b to 11g to the base electrode 10, and are diffused and bonded by heating. As shown in the partially cutaway sectional view in FIG. 6, the first fixing portion 11 b is diffusion bonded to the base electrode 10 through the metal layer 22.
  • the metal layer 22 straddling the plurality of first fixing portions 11b, 11d, and 11e and the band-shaped metal layer 23 straddling the plurality of second fixing portions 11c, 11e, and 11g are formed.
  • positioning at the time of diffusion bonding using the insert metal can be facilitated.
  • the multilayer piezoelectric actuator 21 of the second embodiment is configured in the same manner as the multilayer piezoelectric actuator 1 of the first embodiment.
  • the shape of the elastic structure part in this invention is not limited to this.
  • a zigzag elastic structure 31 a having a plurality of bent portions may be provided between the first and second fixing portions 31 b and 31 c.
  • the first and second fixing portions 31 b and 31 c are bonded onto the base electrode by the conductive bonding materials 32 and 33.
  • a meander-shaped, ie, meandering elastic structure 41a may be arranged between the first and second fixing parts 41b, 41c.
  • the first and second fixing portions 41b and 41c are bonded to the base electrode by the conductive bonding agents 42 and 43.
  • the zigzag elastic structure portion 31a and the meander-like elastic structure portion 41a include a plurality of portions between the first and second fixing portions. A row may be formed.
  • the shape of the elastic structure can be deformed in various ways as long as it can absorb stress.
  • a ceramic green sheet having a thickness of about 160 ⁇ m was formed by a doctor blade method using a ceramic slurry containing a lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic powder, a resin binder, and a plasticizer.
  • a conductive paste containing Ag—Pd powder was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method.
  • a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste was printed were stacked, and a plurality of plain ceramic green sheets were stacked on both sides in the stacking direction.
  • the laminated body thus obtained was pressurized, and the ceramic green sheets were pressed together.
  • the laminated body obtained as described above was cut into the size of the desired laminated piezoelectric actuator to obtain a laminated chip.
  • This multilayer chip was heated, subjected to binder treatment, and further fired to obtain a multilayer piezoelectric body 2.
  • the distance between adjacent internal electrodes that is, the thickness of the piezoelectric layer sandwiched between the internal electrodes was 100 ⁇ m.
  • a conductive paste mainly composed of Ag was printed on the side surfaces 2 b and 2 c of the multilayer piezoelectric body 2. After printing, after drying the conductive paste, the same conductive paste as the conductive paste was printed as an insert metal for diffusion bonding. Thereafter, an electrode material for stress absorption was disposed on the base electrode. In this case, the elastic structure portion 11a does not contact the conductive paste forming the base electrode so that the first and second fixing portions 11b to 11g are in contact with the conductive paste constituting the insert metal. Thereafter, the conductive paste forming the insert metal layer was dried.
  • the conductive paste constituting the base electrode and the insert metal layer was baked to form the base electrode, and diffusion bonding was performed.
  • the stress absorbing electrode material 11 was processed by etching an iron-nickel alloy into a shape having an elastic structure portion 11a and fixing portions 11b to 11g shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). After processing, silver having a thickness of 5 to 10 ⁇ m was formed on the surface by electroplating. In this way, the stress absorbing electrode material 11 was formed, and the multilayer piezoelectric actuator of Example 1 was obtained.
  • the dimension in the width direction of the joint portion of the fixed portion to the base electrode was set to 100 ⁇ m, and the dimension did not reach between adjacent internal electrodes.
  • Example 2 the stress absorbing electrode material was not bonded by diffusion bonding, but was bonded in the same manner as in Example 1 except that it was bonded by a conductive bonding agent formed by combining silver powder with an epoxy adhesive.
  • a multilayer piezoelectric actuator obtained as described above was prepared.
  • Example 3 a laminated piezoelectric actuator formed in the same manner as in Example 1 except that the stress absorbing electrode material 11 was welded to the base electrode 10 by resistance welding was prepared.
  • a laminated piezoelectric actuator 121 was prepared as shown in FIG.
  • a metal mesh-shaped stress absorbing electrode material 122 is stacked on the base electrode 10, and the vicinity of the end of the stress absorbing electrode material 122 is a fixing portion 122a. Therefore, the extending direction of the fixing portion 122a between the base electrode and the stress absorbing electrode material intersects with the internal electrode edge portions 6a to 8a so as to form an angle of about 45 °.
  • Comparative Example 2 As shown in FIG. 10, internal electrode edge portions 6a and 7a and internal electrode edge portions 7a and 8a adjacent to the bonding portions where the fixing portions 132b and 132c are bonded to the base electrode 10 are adjacent.
  • a laminated piezoelectric actuator 131 having a structure straddling them was prepared. That is, one having a joint portion similar to the structure shown in FIG. 4 was prepared.
  • a silicone rubber layer is formed on the outer surface of the stacked piezoelectric actuator by the dipping method, and an electric field of 2 kV / mm is applied between the first and second external electrodes.
  • Polarized Due to the polarization, the active part stretches and the inactive part does not stretch, so that cracks due to stress concentration occurred in all the samples. The state of cracks is shown in Table 1 below.
  • Example 1 As is apparent from Table 1, in Example 1 above, no cracks were observed immediately after joining the stress absorbing electrode material by diffusion bonding, and cracks were generated after polarization, as shown in FIG. Only a crack parallel to the internal electrode occurred.
  • Example 3 microcracks were observed immediately after joining the stress absorbing electrode material, and cracks crossing between adjacent internal electrodes were observed after polarization.
  • Examples 1 and 2 are preferable because there is no crack crossing between internal electrodes connected to different potentials.
  • Example 3 Although the above-described microcracks were generated, large cracks as in Comparative Examples 1 and 2 were not generated. In Example 3, it is thought that the micro crack has arisen by the local heating by welding.
  • Example 3 some failures were recognized by driving 10 9 times or less, but cracks extending in an oblique direction with respect to the extending direction of the internal electrodes were not recognized so much.
  • Comparative Examples 1 and 2 when a failure occurred, a crack in a direction oblique to the extending direction of the internal electrode occurred, and discharge was recognized.
  • the laminated piezoelectric actuators of Examples 1 and 2 above were maintained at ⁇ 40 ° C. for 60 minutes, and then rapidly increased to a temperature of 150 ° C.
  • the thermal shock test was carried out for 500 cycles with a cycle of maintaining the temperature at 150 ° C. for 60 minutes as one cycle.
  • Example 1 A thermal shock test was performed on each of the ten laminated piezoelectric actuators. Thereafter, the joining state of the stress absorbing electrode material was confirmed. In Example 1, after performing the thermal shock test, no defect was found in the joined state of the stress absorbing electrode material in all the samples.
  • Example 2 peeling of the stress absorbing electrode material was observed in 6 of the 10 laminated piezoelectric actuators.
  • Example 2 a rectangular wave voltage of 200 V was applied to the 10 laminated piezoelectric actuators of Example 1 after the thermal shock test and 4 laminated piezoelectric actuators in which no peeling was observed among the laminated piezoelectric actuators of Example 2. was applied to perform a driving test.
  • Example 1 the ten laminated piezoelectric actuators could be driven normally even if they were driven at 1 ⁇ 10 6 .
  • Example 2 all of the four laminated piezoelectric actuators were broken by the peeling of the stress absorbing electrode material.
  • Multilayer piezoelectric actuator 2 ... Multilayer piezoelectric body 2a ... Piezoelectric layer 2b ... 1st side surface 2c ... 2nd side surface 2d ... Upper surface 2e ... Lower surface 2f ... Front surface 2g ... Back surface 3-8 ... Internal electrode 4a ... Internal Electrode edge portion 6a to 8a ... Internal electrode edge portion 9 ... External electrode 10 ... Base electrode 11 ... Stress absorbing electrode material 11a ... Elastic structure portion 11b-11g ... Fixing portion 12 ... Conductive bonding layer 21 ... Multilayer piezoelectric Actuator 22, 23 ... Metal layer 31a ... Elastic structure part 31b, 31c ... Fixed part 32, 33 ...

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

　応力による外部電極の一部での分断が生じ難く、分断が生じたとしてもクラックの進行による破壊が生じ難い、信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを得る。 　複数の内部電極及び複数の圧電体層が積層された積層型圧電体２の外表面に外部電極９が形成されており、外部電極９が、下地電極１０と、下地電極１０上に形成された応力吸収用電極材１１とを有し、応力吸収用電極材１１が、外力が加わった際に弾性変形する弾性構造部１１ａと、下地電極１０に固定されている固定部１１ｂ，１１ｃとを有し、固定部１１ｂ，１１ｃが、内部電極６～８の端縁部分６ａ～８ａと平行に延びる形状を有しており、かつ該固定部１１ｂ～１１ｇが、積層方向において隣接する内部電極には至らない幅方向寸法を有する。

Description

積層型圧電アクチュエータ
　本発明は、例えば自動車の燃料噴射装置において駆動源として用いられる積層型の圧電アクチュエータに関し、より詳細には、積層型圧電体の外表面に形成された外部電極が、積層型圧電体の伸縮により加わる応力を緩和する応力吸収用外部電極材を有する、積層型圧電アクチュエータに関する。
　積層型の圧電アクチュエータでは、大きな変位量が得られるものの、圧電体に加わる応力も大きくなる。積層型圧電アクチュエータは、異なる電位に接続される内部電極が圧電体層を介して複数層積層されている活性部と、活性部の積層方向外側に位置している非活性部とを有する。非活性部の圧電体層には、駆動に際し電圧が印加されない。従って、駆動に際し、圧電効果により伸縮する活性部と、非活性部との間に大きな応力が加わり、圧電体にクラックが生じることがある。
　上記のようなクラックが進行し、圧電体表面に形成されている外部電極に至ると、外部電極が分断するおそれがあった。外部電極が分断すると、分断された外部電極部分間で放電が生じ、それによって積層型圧電体が破壊するおそれがあった。
　そこで、積層型圧電体の破壊を防止するために、様々な構造が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図１１に示す積層型圧電アクチュエータが開示されている。図１１に示すように、積層型圧電アクチュエータ１０１では、積層型圧電体１０２において、複数の第１の内部電極１０３と、複数の第２の内部電極１０４とが圧電体層を介して交互に積層されている。側面１０２ａに、第２の内部電極１０４が引き出されている。側面１０２ａ上に、外部電極１０５が形成されている。外部電極１０５は、側面１０２ａ上に形成された基礎金属被覆層１０５ａと、基礎金属被覆層１０５ａ上に配置された３次元構造の電極材１０５ｂとを有する。この３次元構造を有する電極材１０５ｂは、導電性の接合材１０６により、複数の接触部分で基礎金属被覆層１０５ａに接合されている。
　例えばクラックＡが積層型圧電体１０２において生じ、該クラックＡが側面１０２ａに至り、基礎金属被覆層１０５ａが分断したとしても、上記３次元構造を有する電極材１０５ｂにより導通が確保されることとなる。また、３次元構造を有する電極材１０５ｂは、上記クラックＡの原因となる応力が加わった場合でも応力を吸収し得る。従って、電極材１０５ｂにおいては、電極は分断し難い。
　特許文献１では、このような３次元構造を有する電極材１０５ｂとして、図９に示す形状のものに限らず、スポンジ金属や金属メッシュを用いた構造も示されている。
　他方、下記の特許文献２や特許文献３には、金属メッシュからなる補強用外部電極材を下地電極上に積層した構造が開示されている。
特開平１０－２２９２２７号公報 特開昭６３－１５３８７０号公報 特開２００１－２１０８８４号公報
　特許文献１に記載の３次元構造を有する電極材１０５ｂを下地となる基礎金属被覆層１０５ａに接合するために、導電性接合材１０６が用いられている。また、特許文献２，３に記載のような金属メッシュからなる補強用外部電極材も、同様に、導電性接合材により下地電極に接合されている。
　ところで、このような導電性接合材を用いた接合方法としては、導電性接着剤を用いた接着法、ロウ付けまたは溶接などが示されている。
　しかしながら、導電性接着剤などを用いた場合には、接合強度が十分ではなく、使用中の温度変化による熱ストレスが加わると、圧電セラミックスと金属からなる電極材との熱膨張差により、補強用外部電極材が剥離するおそれがあった。
　また、ロウ付け法では、ロウ材の選択により十分な接合強度が得ることができる。しかしながら、フラックスなどが残留するおそれがあり、積層型圧電アクチュエータの信頼性が低くなるおそれがあった。
　溶接法を用いた場合には、接合強度を高めることができる。しかしながら、溶接に際し、積層型圧電体が局部的に高い温度に加熱される。そのため、熱ショックにより、積層型圧電アクチュエータにマイクロクラックが生じ、マイクロクラックを起点に積層型圧電アクチュエータが破壊するおそれがあった。
　本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、下地電極上に、応力を吸収するための電極材が接合されている外部電極を有する積層型圧電アクチュエータであって、下地電極と、応力吸収用の電極材との接合強度が十分高く、かつ駆動された場合や熱衝撃が加わった場合であっても積層型圧電体の破壊が生じ難い、信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供することにある。
　本発明に係る積層型圧電アクチュエータは、複数の内部電極と、複数の圧電体層とが積層されており、複数の内部電極が異なる電位に接続される第１の内部電極と第２の内部電極とを有する積層型圧電体と、前記第１，第２の内部電極にそれぞれ電気的に接続されており、かつ前記積層型圧電体の外表面に形成されている第１，第２の外部電極とを備え、前記積層型圧電体が、対向し合う第１，第２の側面を有し、第１，第２の側面に、それぞれ、前記第１，第２の内部電極が引き出されており、前記第１，第２の外部電極が前記第１，第２の側面上に形成されており、前記第１，第２の外部電極が、下地電極と、応力吸収用外部電極材とを備え、前記下地電極が、前記圧電体の側面に形成されており、該側面に引き出されている前記第１または第２の内部電極の端縁部分に電気的に接続されており、前記応力吸収用外部電極材が、前記下地電極上に形成されており、外力が加わった際に弾性変形する弾性構造部と、前記弾性構造部に連ねられており、かつ前記下地電極の下方に位置している内部電極端縁部分と平行に延びる、前記下地電極に接合されている固定部とを有することを特徴とする。
　本発明に係る積層型圧電アクチュエータのある特定の局面では、前記固定部が前記下地電極に接合されている部分が、前記積層型圧電体の積層方向において隣接する内部電極には至らない幅方向寸法を有するように形成されている。この場合には、クラックが発生したとしても、クラックが異なる電位に接続される第１，第２の内部電極間に跨がらないので、第１，第２の内部電極間の短絡が生じ難い。
　本発明に係る積層型圧電アクチュエータの他の特定の局面では、前記応力吸収用外部電極材が、それぞれ、前記固定部において前記下地電極に接合されており、前記弾性構造部は前記下地電極に接合されていない。この場合には、応力が加わった際に弾性構造部が無理なく弾性変形するため、加わる応力をより効果的に吸収することができる。
　本発明に係る積層方圧電アクチュエータの他の特定の局面では、前記固定部が、第１，第２の固定部を有し、前記弾性構造部を挟んで前記第１，第２の固定部が対向するように配置されている。このように、第１，第２の固定部が弾性構造部を挟んで対向配置されている場合には、応力吸収用電極材を下地電極に対して確実に固定することができる。従って、応力吸収用電極材の下地電極への接合の信頼性を高めることができる。
　本発明に係る積層型圧電アクチュエータのさらに別の特定の局面では、前記下地電極と、前記応力吸収用外部電極材とが拡散接合により接合されている。この場合には、拡散接合により、下地電極と応力吸収用外部電極材とが強固に接合される。しかも、接合に際し、高い温度に加熱する必要がないため、積層型圧電アクチュエータの信頼性の低下も生じ難い。
　好ましくは、前記下地電極と前記応力吸収用外部電極材とがインサート金属を介して拡散接合されており、前記インサート金属と、前記応力吸収用外部電極材の拡散接合に際し拡散される金属とが同種の金属である。この場合には、インサート金属と応力吸収用外部電極材の拡散接合に際し拡散される金属とが同種の金属であるため、応力吸収用電極材を下地電極により一層強固に接合することができる。
　また、本発明のさらに他の特定の局面では、前記インサート金属が、金属粉末と、ガラスフリットとを含む電極ペーストからなり、前記下地電極が前記導電ペーストと同じ金属を主成分とする電極ペーストの焼付けにより形成されている。この場合には、下地電極を塗布し、焼き付ける工程において、同時に、インサート金属を、上記導電ペーストを塗布し、焼付けることにより、形成することが可能となる。
　本発明に係る積層型圧電アクチュエータによれば、第１，第２の外部電極が、下地電極と、下地電極上に形成された応力吸収用電極材とを備えており、応力吸収用電極材が、上記弾性構造部を有するため、駆動に際し外部電極に応力が加わったとしても、該応力が応力吸収用電極材において速やかに吸収される。従って、外部電極に分断部分が生じたとしても上記応力吸収用電極材において分断が生じ難いため、分断された外部電極間において放電が生じず、従って、放電による積層型の圧電体のクラックが生じ難い。
　よって、本発明によれば、繰り返し駆動された場合、あるいはヒートショックが加わったとしても、クラックやクラックを起点とした破壊が生じ難い、信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観を示す斜視図及び第２の側面からみた側面図である。 図２は、第１の実施形態の積層型圧電アクチュエータにおける応力吸収用電極材を説明するための斜視図である。 図３は、第１の実施形態の積層型圧電アクチュエータにおいて生じるクラックの状態を説明するための部分切欠正面断面図である。 図４は、比較のために用意した積層型圧電アクチュエータにおけるクラック発生状態を説明するための部分切欠断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの側面図である。 図６は、第２の実施形態の積層型圧電アクチュエータにおける応力吸収用電極材と下地電極との接合部の構造を説明するための部分切欠断面図である。 図７は、応力吸収用電極材における弾性構造部の変形例を説明するための斜視図である。 図８は、応力吸収用電極材における弾性構造部の他の変形例を説明するための斜視図である。 図９は、比較例１として用意した積層型圧電アクチュエータを説明するための側面図である。 図１０は、比較例２として用意した積層型圧電アクチュエータを示す側面図である。 図１１は、従来の積層型圧電アクチュエータの一例を示す部分切欠正面断面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観を示す斜視図及び第２の側面側からみた側面図である。
　積層型圧電アクチュエータ１は、積層型圧電体２を有する。積層型圧電体２は、内部電極と圧電体セラミックスとを一体焼成技術により焼成することにより得られたモノリシック型の圧電体である。
　より具体的には、積層型圧電体２では、一方の電位に接続される複数の第１の内部電極３～５と、第１の内部電極とは異なる他方の電位に接続される第２の内部電極６～８とが積層方向において交互に配置されている。第１の内部電極３～５と、第２の内部電極６～８とは、それぞれ、圧電体層２ａを介して重なり合うように配置されている。積層型圧電体２では、圧電体層２ａが厚み方向に分極されている。
　第１の内部電極３～５は、積層型圧電体２の第１の側面２ｂに引き出されている。他方、複数の第２の内部電極６～８は、第１の側面２ｂとは反対側の第２の側面２ｃに引き出されている。
　積層型圧電体２を構成する圧電材料としては、適宜の圧電セラミックスを用いることができる。また、内部電極３～８は、ＡｇまたはＡｇ－Ｐｄペーストのような導電ペーストと上記圧電セラミックスとの共焼結により形成される。
　積層型圧電体２は、第１，第２の側面２ｂ，２ｃと、上面２ｄ及び下面２ｅ並びに正面２ｆ及び背面２ｇを有する直方体状の形状を有する。第１の内部電極３～５の側面２ｂに引き出されている内部電極端縁部分に電気的に接続されるように、第１の外部電極が形成されている。図１(ａ)では、第１の外部電極は図示されていない。
　他方、第２の側面２ｃにおいては、第２の外部電極９が形成されている。第２の外部電極９は、第２の内部電極６～８の側面２ｃに引き出されている内部電極端縁部分６ａ～８ａに電気的に接続されている。
　より具体的には、外部電極９は、側面２ｃ上に形成された金属膜からなる下地電極１０と、下地電極１０の外表面に接合された応力吸収用電極材１１とを有する。第１の外部電極と同様の構造を有する。
　下地電極１０は、Ａｇ、Ａｇ－Ｐｄなどの適宜の金属を用いて形成することができる。下地電極１０は、これらの金属を含む電極ペーストを塗布し、焼付けることにより形成された電極膜である。もっとも、下地電極１０は、蒸着、メッキまたはスパッタリング等により形成されてもよい。
　上記応力吸収用電極材１１は、外力が加わった際に弾性変形する弾性構造部１１ａと、第１，第２の固定部１１ｂ，１１ｃとを有する。本実施形態では、弾性構造部１１ａを介して第１，第２の固定部１１ｂ，１１ｃが対向するように配置されている。第１，第２の固定部１１ｂ，１１ｃが下地電極１０に接合されている。弾性構造部１１ａは、下地電極１０の外表面に接合されていない。従って、弾性構造部１１ａは、下地電極１０に接合されていないため、外力が加わった際に無理なく弾性変形し、加わった応力を吸収するとともに、応力が加わったとしても、弾性構造部１１ａにおいて分断が生じ難い。
　図２に示すように、弾性構造部１１ａは、金属メッシュ状の形状を有する。従って、積層型圧電体２における積層方向や積層方向に交叉する方向に外力が加わったとしても、メッシュ状部分が無理なく弾性変形する。そのため、繰り返し駆動されたり、ヒートショックが加わったりしたとしても、応力による弾性構造部１１ａの分断は生じ難い。
　他方、固定部１１ｂ，１１ｃは、下地電極１０の下方において側面２ｃに露出している内部電極端縁部分６ａ～８ａと平行に延びる直線状部分である。本実施形態では、固定部１１ｂ，１１ｃは、内部電極端縁部分６ａ，７ａ間の部分に下地電極１０を介して重ならないように設けられている。もっとも、固定部１１ｂ，１１ｃは、下地電極１０を介して内部電極端縁部分４ａに重ならない位置に設けられる必要は必ずしもない。
　また、上記固定部１１ｂ，１１ｃの下地電極１０への接合部分の幅方向寸法は、積層型圧電体２において積層方向において隣接する内部電極の双方には至らない幅方向寸法を有する。ここで幅方向寸法とは、固定部１１ｂ，１１ｃの延ばされている方向と直交する方向の寸法である。より具体的には上記固定部１１ｂ，１１ｃの上記積層方向に沿う寸法である。
　なお、固定部１１ｂ，１１ｃの下地電極１０に接合されている部分の幅方向寸法が、積層方向において隣接する内部電極の双方に至らない幅方向寸法とは、より具体的には、図３に示すように、固定部１１ｂ，１１ｃの接合材による下地電極への接合部分が、もっとも近い内部電極である内部電極４と、内部電極４に隣接している内部電極３または内部電極５との双方に至らない寸法を有することを意味する。
　なお、固定部１１ｂ，１１ｃが、内部電極端縁部分４ａに重なる位置からずらされて設けられている場合、例えば内部電極端縁部分４ａと内部電極端縁部分５ａとの間の位置に配置されている場合には、固定部１１ｂ，１１ｃの接合部分が、内部電極４及び内部電極５の双方には第２の側面側からみたときに重なり合わない幅方向寸法を有するものとする。すなわち、接合部分の図１における上側の端縁及び下側の端縁のいずれもが、内部電極４と内部電極５との間の嵩位置に位置していることを意味する。
　なお、内部電極端縁部分６ａ，７ａ間や内部電極端縁部分７ａ，８ａに、同様に、第１，第２の固定部１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇが配置されている。
　上記応力吸収用電極材１１は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ａｇなどの適宜の金属により形成することができる。
　また、上記固定部１１ｂ～１１ｇの下地電極１０への接合方法としては、導電性接着剤を用いた接合方法、ロウ付け、または溶接、あるいは拡散接合法などが用いられる。接合強度が十分であり、接合に際し高温に加熱する必要がないため、拡散接合により接合されていることが好ましい。
　もっとも、他の接合方法を用いた場合においても、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ１では、クラックを起点とした破壊が生じ難い。
　本実施形態では、上記第１，第２の固定部１１ｂ，１１ｃが内部電極端縁部分４ａに平行に延びるように形成されており、かつ固定部１１ｂ，１１ｃの接合部分の幅方向寸法が上記のように設定されているため、積層型圧電体２においてクラックが生じたとしても、異なる電位に接続される第１の内部電極と第２の内部電極との間の短絡が生じ難い。これを、図３及び図４を参照して説明する。
　図３は、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ１において、クラックＢが発生している状態を示す模式的部分切欠正面断面図である。
　図３では、第１の固定部１１ｂが、内部電極端縁部分６ａ～８ａと平行に延ばされており、かつ内部電極６，７間に位置している。
　積層型圧電体２において生じるブロックは、金属材料である内部電極と、圧電体層との界面を起点として生じるのが普通である。図３の矢印Ｂで示すように第２の内部電極７と圧電体層との界面を起点としたクラックが生じたとする。該クラックは、図３に示すように、積層型圧電体２の側面２ｃに向かって延び、下地電極１０を分断する。この場合、前述したように、下地電極１０に分断部分が生じたとしても弾性構造部１１ａを有する応力吸収用電極材１１の存在により、分断部分間において放電は生じない。
　また、図３に示されているように、クラックＢは、内部電極６と圧電体層との界面において生じ、そのまま側面２ｃに向かって延びている。従って、内部電極７と第１の内部電極３，４との間の短絡は生じ難い。
　これは、以下の理由による。
　一般に、積層型圧電体のようなセラミック積層体の場合、もっとも強度が弱い部分は、セラミック層すなわち圧電体層と内部電極との界面である。従って、応力等により割れが生じる場合、上記界面において割れが生じるのが普通である。この場合、積層型圧電体の表面から割れが生じるが、補強用外部電極材を下地電極の外側に接合している場合、補強されるため、上記割れが生じ難くなる。ところが、補強用外部電極材が下地電極に接合されている接合部分が、内部電極の引き出されている端縁部分に集まる位置にある場合には、補強効果が高くなり、さらに割れにくくなる。特に、接合部分が隣り合う２層以上の内部電極引き出し部分に跨がっている場合には、かなりの引張応力が加わった場合でも割れにくくなる。逆に、クラックによる応力の緩和が生じないまま、応力が集中し、最終的に割れが生じる場合には、上記界面以外でランダムにクラックや割れが生じることとなる。そのため、生じるクラックの方向を制御することができず、異なる電位に接続される内部電極にわたりクラックが生じることとなる。
　その結果、異なる電位に接続される内部電極が短絡し、クラックにより耐電圧が低下する。加えて、クラックが生じている部分は空気に満たされているため、誘電率が周囲のセラミックス部分に比べて低い。そのため、電界集中により、放電が起こりやすくなる。
　これに対して、本実施形態では、固定部１１ｂ，１１ｃの接合部分の幅方向寸法が、隣り合う内部電極間に至らないようにされているため、矢印Ｂで示す方向にクラックを発生させることができる。すなわち、クラックの発生を防止するのではなく、クラックが発生したとしても、そのクラックの延びる方向を制御することにより、セラミックスの無秩序な方向への割れや放電を防止することができる。
　これに対して、図４は、下地電極上に、メッシュ状の金属部分のみを有する応力吸収用電極材１１１が接合材１１２を介して接合されていることを除いては、上記実施形態の積層型圧電アクチュエータ１と同様に構成されている。従って、応力吸収用電極材１１１は、図４ではその１つの断面のみが示されているが、実際には、下地電極上において斜め方向に延びている。従って、接合材１１２と応力吸収用電極材１１１との接合部分に向かってクラックＣ，Ｄが進行した場合、クラックＤのように、第１の内部電極３と第２の内部電極７とに跨がるクラックが生じるおそれがある。そのため、第１の内部電極と第２の内部電極との間で短絡が生じるおそれがある。
　これに対して、本実施形態では、上記のように、固定部１１ｂ～１１ｇが内部電極端縁部分６ａ～８ａと平行に延びる形状とされているため、固定部分は、内部電極端縁部分６ａ～８ａと平行に延びている。従って、クラックが発生したとしても、クラックは該固定部分に向かって延び、積層型圧電体２において圧電体層と内部電極との界面から斜め方向に延び難い。よって、第１，第２の内部電極間の短絡を確実に防止することができる。
　図３では、上記固定部１１ｂが導電性接合層１２を介して下地電極１０に接合されている部分が示されている。この導電性接合層１２は、本実施形態では、拡散接合層であり、インサート金属を下地電極１０と固定部１１ｂとの間に介在させた状態で加熱し、拡散接合することにより形成されている。
　上記拡散接合に際して加熱する温度は拡散される金属を選択することにより比較的低い温度とすることができる。従って、拡散接合に際し、積層型圧電体２の特性が劣化するおそれが少ない。より好ましくは、下地電極１０を、金属粉末含有導電ペーストの塗布・焼付けにより形成し、拡散接合による導電性接合層１２を形成するためのインサート金属層として同じ導電ペーストを用いることが望ましい。その場合には、下地電極１０の焼付けによる形成と、上記拡散接合とを同時に行うことができる。すなわち、導電ペーストを塗布し、該導電ペースト上にインサート金属層を形成するために同じ導電ペーストを印刷し、さらに応力吸収用電極材１１の固定部１１ｂを積層し、導電ペーストの焼付け温度に加熱すればよい。この場合には、下地電極１０の形成及び上記導電性接合層１２の形成の双方の工程を１回の加熱工程により行うことができる。従って、積層型圧電体２に加わる熱ストレスを小さくすることができる。また、製造工程が少なくなるため、コストを低減することも可能となる。
　図５は、本発明の第２の実施形態の積層型圧電アクチュエータの右側面図であり、第１の実施形態について示した図１（ｂ）に相当する図である。
　第２の実施形態の積層型圧電アクチュエータ２１では、積層型圧電体２の側面２ｃ上において、下地電極１０上に、積層方向に延びる金属層２２，２３が形成されている。この金属層２２，２３は、上記拡散接合を行うために、下地電極１０上に形成されたインサート金属層の加熱により形成されている。すなわち、第１，第２の固定部１１ｂ～１１ｇを下地電極１０に拡散接合するために固定部１１ｂ～１１ｇが配置される部分に上記金属層２２，２３が配置され、加熱により拡散接合されて、図６に部分切欠断面図で示すように、第１の固定部１１ｂが、金属層２２を介して下地電極１０に拡散接合されている。このように、複数の第１の固定部１１ｂ，１１ｄ，１１ｅに跨がる金属層２２や、複数の第２の固定部１１ｃ，１１ｅ，１１ｇに跨がる帯状の金属層２３を形成しておくことにより、インサート金属を用いた拡散接合に際しての位置決めを容易とすることができる。
　その他の点については、第２の実施形態の積層型圧電アクチュエータ２１は、第１の実施形態の積層型圧電アクチュエータ１と同様に構成されている。
　なお、上記実施形態では、金属メッシュからなる弾性構造部１１ａが用いられていたが、本発明における弾性構造部の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、第１，第２の固定部３１ｂ，３１ｃ間に、複数の屈曲部を有する、ジグザグ状の弾性構造部３１ａを設けてもよい。ここでは、第１，第２の固定部３１ｂ，３１ｃが、導電性接合材３２，３３により下地電極上に接合される。
　また、図８に示すように、第１，第２の固定部４１ｂ，４１ｃ間に、ミアンダ状すなわち、蛇行形状の弾性構造部４１ａを配置してもよい。
　第１，第２の固定部４１ｂ，４１ｃは、導電性接合剤４２，４３により下地電極に接合されている。
　なお、図７及び図８は、弾性構造部の変形例を示すものであり、上記ジグザグ状の弾性構造部３１ａやミアンダ状の弾性構造部４１ａは、第１，第２の固定部間において複数列形成されてもよい。
　また、応力を吸収し得る限り、弾性構造部の形状は、様々に変形し得ることを指摘しておく。
　次に、具体的な実験例を説明し、上記実施形態によれば、積層型圧電アクチュエータにおけるクラックによる破壊等が生じ難いこと、並びに耐ヒートショック性が高められることを示す。
　まず、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末と、樹脂バインダーと、可塑剤とを含むセラミックスラリーを用い、ドクターブレード法により厚み約１６０μｍのセラミックグリーンシートを成形した。
　上記セラミックグリーンシートの片面に、Ａｇ－Ｐｄ粉末を含む導電ペーストをスクリーン印刷法により印刷した。導電ペーストが印刷された複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、さらに積層方向両側に、無地のセラミックグリーンシートを複数枚それぞれ積層した。このようにして得られた積層体を加圧し、セラミックグリーンシート同士を圧着した。上記のようにして得られた積層体を、目的とする積層型圧電アクチュエータの大きさに切断して積層体チップを得た。この積層体チップを加熱し、かつバインダー処理を行い、さらに焼成することにより、積層型圧電体２を得た。積層型圧電体２において、隣り合う内部電極間の距離、すなわち内部電極間に挟まれた圧電体層の厚みは１００μｍとした。
　上記のようにして、１０ｍｍ×１０ｍｍ×積層方向寸法４０ｍｍの積層型圧電体２を得た。
　上記積層型圧電体２の側面２ｂ，２ｃに、Ａｇを主体とする導電ペーストを印刷した。印刷後、導電ペーストを乾燥した後、拡散接合のためのインサート金属として、上記導電ペーストと同じ導電ペーストを印刷した。しかる後、応力吸収用電極材を、下地電極上に配置した。この場合、インサート金属を構成している導電ペースト上に第１，第２の固定部１１ｂ～１１ｇが接触するように、弾性構造部１１ａは下地電極を形成している導電ペーストに接触しないようにし、しかる後に、インサート金属層を形成している導電ペーストを乾燥した。
　次に、炉内において、上記下地電極及びインサート金属層を構成している導電ペーストを焼付け、下地電極を形成し、かつ拡散接合を行った。
　なお、応力吸収用電極材１１としては、鉄－ニッケル合金をエッチングすることにより図１（ａ），（ｂ）に示す弾性構造部１１ａと、固定部１１ｂ～１１ｇを有する形状に加工した。加工後、表面に５～１０μｍの厚みの銀を電界メッキにより形成した。このようにして、応力吸収用電極材１１を形成し、実施例１の積層型圧電アクチュエータを得た。この応力吸収用電極材１１における固定部の下地電極への接合部分の幅方向寸法は１００μｍとし、隣り合う内部電極間には至らない寸法とした。
　さらに、実施例２として、応力吸収用電極材を拡散接合ではなく、エポキシ系接着剤に銀粉末を複合してなる導電性接合剤により接合したことを除いては、上記実施例１と同様にして得られた積層型圧電アクチュエータを用意した。
　実施例３として、抵抗溶接により、下地電極１０に応力吸収用電極材１１が溶接されたことを除いては、上記実施例１と同様にして形成された積層型圧電アクチュエータを用意した。
　比較例１として、図９に示すように、積層型圧電アクチュエータ１２１を用意した。積層型圧電アクチュエータ１２１では、下地電極１０上に、金属メッシュ状の応力吸収用電極材１２２が積層されており、該応力吸収用電極材１２２の端部近傍が固定部１２２ａとされている。従って、下地電極と、応力吸収用電極材との固定部１２２ａの延びる方向は、内部電極端縁部分６ａ～８ａに対し略４５°の角度をなすように交叉している。
　また、比較例２として、図１０に示すように、固定部１３２ｂ，１３２ｃを下地電極１０に接合している接合部分が隣り合う内部電極端縁部分６ａや７ａや内部電極端縁部分７ａ，８ａ間に跨がっている構造の積層型圧電アクチュエータ１３１を用意した。すなわち、図４に示した構造と同様の接合部を有するものを用意した。
　上記のようにして用意した各積層型圧電アクチュエータについて、ディップ法により積層型圧電アクチュエータの外表面にシリコーンゴム層を形成し、２ｋＶ／ｍｍの電界を第１，第２の外部電極間に印加し、分極した。分極により、活性部が伸張し、不活性部は伸張しないため、全ての試料において応力集中によるクラックが生じた。クラックの状態を下記の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、上記実施例１では、応力吸収用電極材を拡散接合により接合した直後にはクラックは認められず、分極後にクラックが生じたものの、図３に示したように、内部電極に平行なクラックが生じただけであった。
　これに対して、比較例１，２及び実施例２では、応力吸収用電極材接合直後にはクラックは認められなかったものの、比較例１，２では、分極後に内部電極を横断するクラックが生じた。なお、実施例２では、内部電極に平行なクラックが生じた。
　他方、実施例３では、応力吸収用電極材を接合した直後にマイクロクラックが認められ、さらに分極後に隣り合う内部電極間を横断するクラックが認められた。
　比較例１，２において、異なる電位に接続される内部電極間を横断するクラックが生じているのは、クラックが上記下地電極と応力吸収用電極材との接合部分に向かって延び、異なる電位に接続される内部電極間に跨がるようにクラックが生じていることによるものと考えられる。
　従って、比較例１，２に比べて、実施例１，２では、異なる電位に接続される内部電極間を横断するクラックが生じていないため好ましいことがわかる。
　また、実施例３では、上記マイクロクラックが生じているものの、比較例１，２のような大きなクラックは生じていなかった。実施例３では、溶接による局所加熱により、マイクロクラックが生じているものと考えられる。
　次に、上記実施例１～３及び比較例１，２の各積層型圧電アクチュエータを６０℃及び相対湿度５０％の環境下で０－２００Ｖの矩形波を印加し、故障に至る駆動回数を測定した。結果を下記の表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２から明らかなように、比較例１，２では、１０８回以下で故障が認められた。これに対して、実施例１，２では、１０９回以上駆動したとしても、故障は認められなかった。また、実施例３では、１０８回以上駆動したとしても故障は認められなかった。
　なお、実施例３では、１０9回以下の駆動でいくつかの故障が認められたが、内部電極の延びる方向に対して斜め方向に延びるクラックはさほど認められなかった。これに対して、比較例１，２では、故障した場合、内部電極の延びる方向に対して斜め方向のクラックが生じ、放電が認められた。
　次に、応力吸収用電極材の接合強度を確認するため、上記実施例１及び実施例２の積層型圧電アクチュエータを、－４０℃に６０分維持し、次に１５０℃の温度で急激に温度を変化させ、１５０℃の温度に６０分維持するサイクルを１サイクルとする熱衝撃試験を５００サイクル行った。
　それぞれ１０個の積層型圧電アクチュエータについて、熱衝撃試験を行った。しかる後、応力吸収用電極材の接合状態を確認した。実施例１では、熱衝撃試験を行った後、全てのサンプルにおいて、応力吸収用電極材の接合状態に不具合は認められなかった。
　これに対して、実施例２では、１０個の積層型圧電アクチュエータ中６個の積層型圧電アクチュエータにおいて、応力吸収用電極材の剥離が認められた。
　また、上記熱衝撃試験後に実施例１の積層型圧電アクチュエータ１０個と、実施例２の積層型圧電アクチュエータの内、剥離が認められなかった４個の積層型圧電アクチュエータについて、２００Ｖの矩形波電圧を印加し、駆動試験を行った。実施例１では、１０個の積層型圧電アクチュエータでは、１×１０６駆動したとしても、正常に駆動することができた。これに対して、実施例２では、４個の積層型圧電アクチュエータの全てが、応力吸収用電極材の剥離により、破壊した。
　１…積層型圧電アクチュエータ
　２…積層型圧電体
　２ａ…圧電体層
　２ｂ…第１の側面
　２ｃ…第２の側面
　２ｄ…上面
　２ｅ…下面
　２ｆ…正面
　２ｇ…背面
　３～８…内部電極
　４ａ…内部電極端縁部分
　６ａ～８ａ…内部電極端縁部分
　９…外部電極
　１０…下地電極
　１１…応力吸収用電極材
　１１ａ…弾性構造部
　１１ｂ～１１ｇ…固定部
　１２…導電性接合層
　２１…積層型圧電アクチュエータ
　２２，２３…金属層
　３１ａ…弾性構造部
　３１ｂ，３１ｃ…固定部
　３２，３３…導電性接合材
　４１ａ…弾性構造部
　４１ｂ，４１ｃ…固定部
　４２，４３…導電性接合剤
　１０１…積層型圧電アクチュエータ
　１０２…積層型圧電体
　１０２ａ…側面
　１０３…第１の内部電極
　１０４…第２の内部電極
　１０５…外部電極
　１０５ａ…基礎金属被覆層
　１０５ｂ…電極材
　１０６…導電性接合材
　１１１…応力吸収用電極材
　１１２…接合材
　１２１…積層型圧電アクチュエータ
　１２２…応力吸収用電極材
　１２２ａ…固定部
　１３１…積層型圧電アクチュエータ
　１３２ｂ，１３２ｃ…固定部

Claims (7)

  1. 　複数の内部電極と、複数の圧電体層とが積層されており、複数の内部電極が異なる電位に接続される第１の内部電極と第２の内部電極とを有する積層型圧電体と、
    　前記第１，第２の内部電極にそれぞれ電気的に接続されており、かつ前記積層型圧電体の外表面に形成されている第１，第２の外部電極とを備え、
    　前記積層型圧電体が、対向し合う第１，第２の側面を有し、第１，第２の側面に、それぞれ、前記第１，第２の内部電極が引き出されており、前記第１，第２の外部電極が前記第１，第２の側面上に形成されており、
    　前記第１，第２の外部電極が、下地電極と、応力吸収用外部電極材とを備え、前記下地電極が、前記圧電体の側面に形成されており、該側面に引き出されている前記第１または第２の内部電極の端縁部分に電気的に接続されており、前記応力吸収用外部電極材が、前記下地電極上に形成されており、外力が加わった際に弾性変形する弾性構造部と、前記弾性構造部に連ねられており、かつ前記下地電極の下方に位置している内部電極端縁部分と平行に延びる、前記下地電極に接合されている固定部とを有することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータ。
  2. 　前記固定部が前記下地電極に接合されている部分が、前記積層型圧電体の積層方向において隣接する内部電極には至らない幅方向寸法を有するように形成されている、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
  3. 　前記弾性構造部は前記下地電極に接合されていない、請求項１または２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
  4. 　前記固定部が、第１，第２の固定部を有し、前記弾性構造部を挟んで前記第１，第２の固定部が対向するように配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。
  5. 　前記下地電極と前記応力吸収用外部電極材とが拡散接合により接合されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。
  6. 　前記下地電極と前記応力吸収用外部電極材とがインサート金属を介して拡散接合されており、前記インサート金属と、前記応力吸収用外部電極材の拡散接合に際し拡散される金属とが同種の金属である、請求項５に記載の積層型圧電アクチュエータ。
  7. 　前記インサート金属が、金属粉末と、ガラスフリットとを含む電極ペーストからなり、前記下地電極が前記導電ペーストと同じ金属を主成分とする電極ペーストの焼付けにより形成されている、請求項６に記載の積層型圧電アクチュエータ。
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