(57)【要約】【課題】応力緩和性能に優れ、しかも、セラミックス層中に導電性を生じさせず、もって積層型圧電素子の変位性能低下が生じ得ない積層型圧電素子を提供する。【解決手段】圧電層３と、導電性を有する内部電極層１，２と、が交互に積層されたセラミック積層体４と、セラミック積層体４の外周面に形成された一対の外部電極５，５と、からなる積層型圧電素子１０であり、一方の内部電極層１と他方の内部電極層２において、内部電極層１の一端１’は一方の外部電極５に当接し、内部電極層１の他端１”は他方の外部電極５に間隔：ｔ０を置いた姿勢でセラミックス積層体４の内部に止まっており、一方の内部電極層１と他方の内部電極層２の間には、一対の外部電極５，５のそれぞれから該セラミックス積層体４の内部に延設するスリット７が形成され、スリット７の内部を導電性樹脂体８が閉塞している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなる圧電層と、導電性を有する内部電極層と、が交互に積層されたセラミック積層体と、
前記セラミック積層体の外周面であって、該セラミックス積層体の積層方向に直交する外周面に形成された一対の外部電極と、からなり、
前記積層方向で隣接する一方の内部電極層と他方の内部電極層において、該一方の内部電極層の一端は、前記一対の外部電極を構成する一方の外部電極に当接し、該一方の内部電極層の他端は、前記一対の外部電極を構成する他方の外部電極に間隔を置いた姿勢でセラミックス積層体の内部に止まっており、該他方の内部電極層の一端は、前記一対の外部電極を構成する他方の外部電極に当接し、該他方の内部電極層の他端は、前記一対の外部電極を構成する一方の外部電極に間隔を置いた姿勢でセラミックス積層体の内部に止まっており、
前記セラミックス積層体のうち、前記一方の内部電極層と前記他方の内部電極層の間には、前記一対の外部電極のそれぞれから該セラミックス積層体の内部に延設するスリットが形成されており、
前記スリットの内部を導電性樹脂体が閉塞している、積層型圧電素子。
【請求項２】
前記スリットは、前記内部電極の端部と前記外部電極との間の前記間隔以上の長さを有している、請求項１に記載の積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾアクチュエータ等に用いられる、積層型圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果を適用し、ナノメータから数百ミクロンメータの範囲での精緻な位置決めを可能にし、しかも迅速な応答性を有する装置として、ピエゾアクチュエータが一般に用いられており、その適用例として、圧力センサやマイクロホンなどを挙げることができる。また、環境影響負荷低減を促進する観点から、車両の燃費を向上させるべく、エンジンの燃料噴射用インジェクタ駆動源などへの適用も、現在、鋭意検討されているところである。
【０００３】
圧電効果とは、ある結晶に機械的な圧力を加えた際に、これに比例して電荷が発生する現象であり、それとは逆に、電界印加によって圧電体自体が変形する逆圧電効果もこの圧電効果に含まれるものであり、一般のピエゾアクチュエータは、この逆圧電効果を適用したものである。
【０００４】
上記するピエゾアクチュエータは、複数のセラミックス層と印加電圧供給用の内部電極層とが交互に積層された積層型圧電素子をその内部に具備するものであり、該圧電素子で発生した電圧は、二つの電極の間に放電が起こるほど大きな値となり得るものである。そして、この積層型圧電素子の分極方向に平行に加えられた電場は、一直線に並んだ電気双極子に回転力を生じ、結果として高いトルクを発生することができ、この作用によって単結晶中に長さの変化が生じ、結晶体の伸張が引き起こされる。なお、この素材としては、チタン酸やジルコン酸、酸化鉛等が用いられている。
【０００５】
ところで、従来のピエゾアクチュエータを構成する積層型圧電素子では、上記する圧電効果による変位が生じる部分が圧電変位した際に、圧電変位が生じない部分に応力が集中するものであり、長期の使用によってこの応力集中に起因したクラックが圧電素子間に発生し、これが積層型圧電素子の耐久性を決定する一つの大きな要因となっている。
そこで、上記するクラックの発生を効果的に抑止するべく、積層型圧電素子内の適所に応力緩和作用を奏するスリットを具備した積層型圧電素子が、特許文献１に開示されている。
【０００６】
確かに、積層型圧電素子の内部の適所にスリットを設けることで応力緩和を図ることは可能となり、クラックの発生は効果的に抑止できる。しかし、このスリットを設けたことで、今度は、別途の課題が懸念される。
それは、積層型圧電素子の内部に設けられたスリットに電界が作用した際に、このスリットに還元反応を引き起こす物質が生成され、その還元物質がセラミックス層中の粒界に存在する金属酸化物を還元し、セラミックス層に導電性が生じる結果、積層型圧電素子の変位性能が低下する、という課題である。
【０００７】
より具体的には、Ａｇからなる内部電極層とセラミックス層とを一体焼結等することでこれらの積層構造が形成される場合において、この焼結時に、セラミックス層中の粒界中にＡｇが拡散することが確認されており、さらには、このＡｇが極めて高い拡散係数を有していることも分かっており、セラミックス層中に往々にしてＡｇの酸化物が介在し易い。
【０００８】
また、一般に、ＰＴＺセラミックス（ＰＴＺ：ジルコン酸チタン酸鉛）の場合には、焼成中に鉛が分解し、ＰｂＯが液層を形成して粒界に存在していることも分かっている。
【０００９】
また、上記スリットの応力緩和作用を最大限に発揮するためには、スリットを内部電極端部より内側まで形成することが好ましく、その場合には、スリットの上下に電界がかかることになる。スリットの上下に電界が作用し、その電界印加が長期に及ぶ場合には、その部分の周縁のセラミックス層の絶縁性が除々に低下することが本発明者等によって特定されている。
【００１０】
本発明者等によれば、この原因として、スリット内に存在する水分が分解されて還元性の高いＨ＋を生成し、このＨ＋がセラミックス層中に存在するＡｇやＰｂの酸化物を還元し、金属化することが特定されている。この金属化により、セラミックス層に導電性が生じ、上記する積層型圧電素子の変位性能の低下に繋がるというものである。
【００１１】
なお、積層型圧電素子にかかる別途の公開技術である特許文献２においては、上記するスリット内に接着剤が介在している実施例の記載があるが、このスリットは内部電極と接しており、したがって、内部電極のＡｇが今度はスリットの接着剤の内部に析出してしまい、スリット内でＡｇが析出した箇所と隣接する内部電極間の距離が他の部位に比して相対的に短くなる結果、この距離が短い部位もしくはその近傍で局所的な電界集中が生じるという別途の課題が危惧される。また、この構造では、電極の一部までセラミックスと接着剤の異種材料がサンドイッチされる構造となるため、接着剤の端部でクラックが生じ易いという課題も危惧される。
【００１２】
したがって、特許文献１に開示の技術の有する応力緩和効果を得ながら、しかも、セラミックス層中に導電性を生じさせず、もって積層型圧電素子の変位性能低下が生じ得ない積層型圧電素子の開発が、当該分野における急務の開発課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−６６３９１号公報
【特許文献２】特開２００７−２４３０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、応力緩和性能に優れ、しかも、セラミックス層中に導電性を生じさせず、もって積層型圧電素子の変位性能低下が生じ得ない積層型圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による積層型圧電素子は、圧電材料からなる圧電層と、導電性を有する内部電極層と、が交互に積層されたセラミック積層体と、前記セラミック積層体の外周面であって、該セラミックス積層体の積層方向に直交する外周面に形成された一対の外部電極と、からなり、前記積層方向で隣接する一方の内部電極層と他方の内部電極層において、該一方の内部電極層の一端は、前記一対の外部電極を構成する一方の外部電極に当接し、該一方の内部電極層の他端は、前記一対の外部電極を構成する他方の外部電極に間隔を置いた姿勢でセラミックス積層体の内部に止まっており、該他方の内部電極層の一端は、前記一対の外部電極を構成する他方の外部電極に当接し、該他方の内部電極層の他端は、前記一対の外部電極を構成する一方の外部電極に間隔を置いた姿勢でセラミックス積層体の内部に止まっており、前記セラミックス積層体のうち、前記一方の内部電極層と前記他方の内部電極層の間には、前記一対の外部電極のそれぞれから該セラミックス積層体の内部に延設するスリットが形成されており、前記スリットの内部を導電性樹脂体が閉塞しているものである。
【００１６】
本発明の積層型圧電素子は、圧電層と内部電極が交互に積層されたセラミックス積層体において、その圧電層内部に従来技術のごとく、当該積層型圧電素子に応力緩和性を付与するためのスリットを設けるものの、このスリットは、内部電極と連続しない位置に配設されるものであり、かつ、このスリットを導電性樹脂体で閉塞させた構造としたことで、スリットに電界（電位）が生じてセラミックス積層体の絶縁性が低下することを効果的に抑止したものである。
【００１７】
ここで、導電性樹脂体の素材は特に限定されるものではないが、開設されたスリットのたとえば上下で電界が生じないようにするために導電性を有していること、および、スリット内を閉塞した場合でもこのスリットおよび導電性樹脂体の領域にて積層型圧電素子の作動時に応力緩和性を奏することができる程度の硬度もしくは変形性能（可撓性）を有していること、の双方の性能を満足できる素材であればよい。その一例を挙げれば、ポリエチレン樹脂、軟質ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂（シリコーンゴムも含む）などに、導電性フィラーである、Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉなどが混合された素材である。
【００１８】
そして、好ましい実施の形態として、前記スリットは、前記内部電極の端部と前記外部電極との間の前記間隔以上の長さを有しているのがよい。
【００１９】
スリットが内部電極の端部と外部電極との間の間隔よりも短い、すなわち、交互に積層する内部電極間にまで達していないと、その内部電極間に位置する圧電層の変位の際に、その周囲の変位しない部分に当該変位時の応力が集中し易くなってしまい、高い応力緩和作用が期待できないためである。また、本発明の構成である、スリット内に導電性樹脂体が閉塞された構成とすることで、内部電極内にまでスリットを延ばした場合でも、当該スリットの上下で電界（電位）が作用することがないため、上記する特許文献１に開示の積層型圧電素子の有する課題はやはり生じ得ないのである。
【００２０】
上記する本発明による積層型圧電素子を具備するピエゾアクチュエータによれば、応力緩和性能に優れ、しかも、形成されたスリットの上下に電界がかからないことからセラミックス積層体の絶縁性が除々に低下していくこともなく、したがって、高耐久性な積層型圧電素子からなるピエゾアクチュエータを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の説明から理解できるように、本発明の積層型圧電素子によれば、従来技術を簡易に構造変更することにより、耐久性の極めて高い積層型圧電素子となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の積層型圧電素子を説明した縦断面図である。
【図２】本発明の積層型圧電素子（実施例）と従来構造の積層型圧電素子（従来例）の耐久試験結果を示した図であり、積層型圧電素子の駆動回数と絶縁抵抗の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示する積層型圧電素子では、その途中で内部電極１，２の図示を省略しているが、この内部電極１，２の基数は、セラミックス積層体の全長、所望される変形量等に応じて適宜設定されるものである。
【００２４】
図１で示す積層型圧電素子１０は、圧電層３と、この圧電層３を挟んで隣接する内部電極層１、２（一方の内部電極層１、他方の内部電極層２）とが交互に積層してなる、セラミック積層体４と、このセラミックス積層体４の外周面に導電性の接着剤層６を介して取り付けられた一対の外部電極５，５と、から大略構成されている。
【００２５】
セラミックス積層体４の形状はその用途によって任意に設定でき、円柱形状、角柱形状、角錐形状、円錐形状、樽状、などに形成できる。なお、セラミックス積層体４の上下端には、保護層３’が設けられている。
【００２６】
ここで、圧電層３と保護層３’は、たとえば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）をその素材とする圧電セラミックスで構成されており、内部電極層１，２は、Ａｇ、もしくはＡｇ−Ｐｄ合金等から形成されている。また、導電性の接着剤層６は、エポキシ樹脂にＡｇ等のフィラーが含有された素材からなるが、後述する、スリット７内を閉塞する導電性樹脂体８と同素材の接着剤であってもよい。
【００２７】
一方の内部電極層１の一端１’は、一対の外部電極５，５を構成する一方の外部電極５に当接しており、かつ、その他端１”は、他方の外部電極５に間隔：ｔ０を置いた姿勢でセラミックス積層体４の内部に止まっている。同様にして、他方の内部電極層２の一端２’は、一対の外部電極５，５を構成する他方の外部電極５に当接しており、かつ、その他端２”は、一方の外部電極５に間隔：ｔ０を置いた姿勢でセラミックス積層体４の内部に止まっている。このような構造を呈することで、セラミック積層体４の外周面における電気的な絶縁性が担保されている。
【００２８】
セラミックス積層体４のうち、双方の内部電極１，２が積層方向でラップしている領域の圧電層３が、ピエゾアクチュエータ駆動時に変形する（Ｘ方向）変形領域となっている。そして、セラミックス積層体４を構成するすべての圧電層３と内部電極層１、２とを交互に積層し、これらが焼成にて一体に構成されていることで、内部電極層１、２間に設けられたすべての圧電層３が駆動時において変位し、セラミック積層体３全体の変位量が向上する。このことは、積層型圧電素子１０の出力の向上と同義である。
【００２９】
ここで、セラミックス積層体４には、上記する間隔：ｔ０よりも長い長さ：ｔ１を有するスリット７が、一対の外部電極５，５の対応する位置で、それぞれの一端が外部電極５，５と連通するようにして設けられている（厳密には、導電性の接着剤層６を介して間接的に外部電極５，５と通じている）。
【００３０】
さらに、このスリット７内には、導電性樹脂体８が充填硬化され、その内部が閉塞されている。
【００３１】
この導電性樹脂体８は、樹脂の中でもその硬化姿勢において比較的軟質な、ポリエチレン樹脂、軟質ポリ塩化ビニル、シリコーン樹脂などに、導電性フィラーである、Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉなどが混合された素材から形成される。中でも、硬度（デューロメータＡ）が８０以下、体積抵抗率が１．０×１０−３Ω・ｍ以下の、Ａｇフィラーが混合されたシリコーンゴムを適用するのが好ましい。
【００３２】
図示のごとく、スリット７が内部電極１，２と完全に縁切りされていること（通電可能でないこと）、および、スリット７内を導電性樹脂体８が閉塞していること、より、積層型圧電素子１０に応力緩和性能を付与するために設けられたスリット７の上下で電位が生じることがない。さらには、圧電層中に存在するＡｇやＰｂの酸化物を還元し得るＨ＋のもととなる水分がスリット７内に介在することも抑止できるため、圧電層に導電性が生じ、積層型圧電素子の変位性能が低下することが効果的に抑止される。
【００３３】
また、スリット７内に比較的軟質な導電性樹脂体８が介在すること、および、スリット７およびその内部の導電性樹脂体８の端部が、隣接する内部電極１，２のラップ領域にまで延設していることより、その応力緩和作用も十分に期待することができる。すなわち、スリット７内に設けられた軟質な導電性樹脂体８は、セラミック積層体４の積層方向にたとえば一定の間隔で複数設けられているため、駆動時における圧電変位によってセラミック積層体４の内部に生じる応力を効果的に緩和することができるものである。これにより、セラミック積層体４におけるクラック等の不具合の発生を抑止することができ、積層型圧電素子１０の耐久性や信頼性を向上させることが可能となる。
【００３４】
[本発明の積層型圧電素子（実施例）と従来構造の積層型圧電素子（従来例）の耐久試験とその結果]
本発明者等は、図１で示す構成の積層型圧電素子（実施例）を具備するピエゾアクチュエータの試験体と、この実施例が有するスリットおよびその内部を閉塞する導電性樹脂体の存在しない積層型圧電素子（従来例）を具備するピエゾアクチュエータの試験体と、をそれぞれ試作し、双方を１５０℃の温度雰囲気下、印加電圧を１５０Ｖ、サイクル周波数を１５０Ｈｚの条件で駆動し、その駆動回数に応じた絶縁抵抗を随時計測しながら、その低下の程度を比較する実験をおこなった。この実験結果を図２に示している。
【００３５】
図２より、駆動回数が５×１０８回までは実施例、従来例ともに同程度の絶縁抵抗の低下（ともに殆ど絶縁抵抗の低下はない）を示しているが、この駆動回数から双方の絶縁抵抗の低下の程度が顕著に相違してくる結果となっている。
【００３６】
そして、従来例においては、駆動回数が１×１０９回程度でその絶縁抵抗がゼロとなり、絶縁抵抗がゼロとなる状態をもって積層型圧電素子の耐久回数（耐久期間）とする場合には、この駆動回数が比較例の耐久回数となる。
【００３７】
一方、実施例においては、２×１０９回程度の駆動回数まで絶縁抵抗がほとんど低下せず、３×１０９回を超えた駆動回数で絶縁抵抗がゼロとなっており、３倍以上もの耐久期間の長期化を実現できることが実証された。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１…一方の内部電極層、２…他方の内部電極層、３…圧電層、４…セラミック積層体、５…外部電極、６…接着層、７…スリット、８…導電性樹脂体、１０…積層型圧電素子
【図１】
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【図２】
2010283141.tif 000004