(57)【要約】  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。
2009130863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２２９２２７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１５３８７０号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
これは、以下の理由による。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
【表１】
2009130863.tif 000003
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
【表２】
2009130863.tif 000004
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【符号の説明】
【００９３】
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
【図１】
2009130863.tif 000005
【図２】
2009130863.tif 000006
【図３】
2009130863.tif 000007
【図４】
2009130863.tif 000008
【図５】
2009130863.tif 000009
【図６】
2009130863.tif 000010
【図７】
2009130863.tif 000011
【図８】
2009130863.tif 000012
【図９】
2009130863.tif 000013
【図１０】
2009130863.tif 000014
【図１１】
2009130863.tif 000015
【国際調査報告】
2009130863.tif 000016
2009130863.tif 000017
2009130863.tif 000018
2009130863.tif 000019