(57)【要約】【課題】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、耐久性に優れた積層型圧電素子を提供する。【解決手段】圧電体１と内部電極２とを交互に積層してなる柱状積層体１ａと、該柱状積層体１ａの側面に設けられ、内部電極２が一層おきに交互に接続された一対の外部電極４とを具備してなる積層型圧電素子であって、内部電極２の端部に一層おきに柱状積層体１ａの側面から突出する突起状導電性端子５を設け、該突起状導電性端子５の先端部に板状導電部材からなる外部電極４を接合するとともに、該外部電極４に導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設した導電性接着剤７ａからなる導電性補助部材７を設けてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体と、該柱状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積層型圧電素子であって、前記内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合するとともに、該外部電極に導電性のメッシュ状部材を埋設した導電性接着剤からなる導電性補助部材を設けてなることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
柱状積層体側面の突起状導電性端子間には、内部電極端が露出する凹溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
内部電極、突起状導電性端子及び外部電極の主成分が銀であ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。
【請求項４】
導電性接着剤が導電材とイミド結合を有する樹脂とからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
導電材が非球形の銀粉末であることを特徴とする請求項４記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
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５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。
【発明の詳細な説明】
【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】
従来より、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。
【０００３】
図４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柱状積層体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、その一方の端部が左右交互に絶縁体６１で被覆され、その上から帯状外部電極７０が内部電極５２と左右各々一層おきに導通するように形成されている。帯状外部電極７０上には、さらにリード線７６が半田７７により固定されている。
【０００４】
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、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した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、圧電体５１間に形成された内部電極５２と、正極、負極用の外部電極７０との間で剥離が発生し、一部の圧電体５１に電圧供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００６】
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体と、該柱状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積層型圧電素子であって、前記内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合するとともに、該外部電極に導電性のメッシュ状部材を埋設した導電性接着剤からなる導電性補助部材を設けてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の積層型圧電素子では、内部電極の端部に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を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合したため、アクチュエータが積層方向に駆動すると、突起状導電性端子が変形してアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転させた場合でも、外部電極と内部電極との断線を抑制することができ、耐久性を大幅に向上できる。
【０００９】
また、本発明では、板状導電部材の外面に、導電性のメッシュ状部材を埋設した導電性接着剤からなる導電性補助部材を備えているため、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、大電流を前記導電性補助部材に流すことができるため、外部電極が局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００１０】
さらに、導電性接着剤には、導電性のメッシュ状部材が埋設されているため、アクチュエータの伸縮によって導電性接着剤にクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。
【００１１】
また、本発明の積層型圧電素子は、柱状積層体側面の突起状導電性端子間には、内部電極端が露出する凹溝が形成されていることを特徴とする。このような積層型圧電素子では、いわゆる部分電極構造の積層型圧電素子に比較して発生応力を低減できるとともに、突起状導電性端子を介して外部電極に接続する内部電極端部の厚みを柱状積層体内部の内部電極の厚みよりも有効的に厚くすることができるため、内部電極と外部電極の間で接点不良の問題が生じるのを防ぐことができる。
【００１２】
また、本発明の積層型圧電素子では、内部電極、突起状導電性端子および外部電極の主成分が銀であることが望ましい。このような構成によれば、内部電極と突起状導電性端子および外部電極の主成分を同一の銀とすることにより、突起状導電性端子と内部電極の間、及び突起状導電性端子と外部電極の間で、銀が相互拡散し、これにより、各々の間での接合強度を強固にすることができ、アクチュエータを高電界下で駆動させた場合にも、外部電極と内部電極が断線することなく、耐久性を大きく向上させることができる。また、突起状導電性端子と外部電極の主成分をヤング率の低い銀とすることによりアクチュエータの駆動時に生じる応力を十分吸収することができ、外部電極と内部電極との断線を抑制できる。
【００１３】
さらに、本発明の積層型圧電素子では、導電性接着剤が導電材とイミド結合を有する樹脂とからなることを特徴とする。このような構成によれば、マトリックス樹脂を樹脂の中でも特に耐熱性に優れたポリイミドやポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂とすることにより、高温での耐久性に優れたアクチュエータを得ることができる。
【００１４】
また、本発明の積層型圧電素子は、導電性接着剤の導電材が非球形の銀粉末であることを特徴とする。このような構成によれば、銀粉末が体積固有抵抗が小さく、耐酸化性に優れている上に、銀粉末の粒子形状を針状やフレーク状などの非球形にすることにより、略球形の場合よりも導電材粒子同士の絡み合いが大きくなり、結果として、導電性接着剤の剪断強度を大きく向上させることができ、また比抵抗も低くできる。
【００１５】
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するものである。
【００１６】
このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子自体において外部電極と内部電極との断線を抑制でき、耐久性を大幅に向上できるため、噴射装置の耐久性をも向上できる。
【００１７】
【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）は内部電極と外部電極の接合部近傍の拡大図である。
【００１８】
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、積層型圧電素子の伸縮方向に変形可能な突起状導電性端子５を設け、該突起状導電性端子５の先端部に板状導電部材からなる外部電極４を接合して構成されている。
【００１９】
外部電極４の外側には導電性補助部材７が設けられており、この導電性補助部材７は、導電性接着剤７ａ中に導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設して構成されている。各導電性補助部材７にはリード線６が接続固定されている。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（銀主成分）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。
【００２３】
また、突起状導電性端子５間における柱状積層体１ａの側面には、内部電極２端が露出する、深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの凹溝１１が形成されており、この凹溝１１内にはガラス、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、柱状積層体１ａとの接合を強固とするため、柱状積層体１ａの変形に対して追従する、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。
【００２４】
突起状導電性端子５と絶縁体３は、外部電極４が形成される柱状積層体１ａの側面に露出した内部電極２に交互に形成されている。
【００２５】
即ち、凹溝１１内に充填された絶縁体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を介して板状導電部材からなる外部電極４と接合されている。
【００２６】
柱状積層体１ａの対向する側面には、それぞれ板状導電部材からなる外部電極４が突起状導電性端子５を介して内部電極２に接続固定されており、該外部電極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。この板状導電部材からなる外部電極４は、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作用をなす。
【００２７】
本発明では、このように板状導電部材からなる外部電極４が突起状導電性端子５を介して内部電極２に接続されているため、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がアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収し、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。
【００２８】
突起状導電性端子５の積層方向と同一方向の厚さ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。特には厚さＢは５〜２５μｍが望ましい。
【００２９】
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。特には突出高さｈは、１５〜５０μｍが望ましい。
【００３０】
さらに、板状導電部材からなる外部電極４の厚みｔ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。
【００３１】
さらに、導電性補助部材７にはリード線６が半田により接続固定されている。このリード線６は導電性補助部材７および外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【００３２】
また、内部電極２は、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金合金等の銀が主成分の金属および合金からなる。また、突起状導電性端子５および外部電極４に関しても主成分が銀であることが望ましい。これは、内部電極２と突起状導電性端子５および外部電極４の主成分を同一の銀とすることにより、突起状導電性端子５と内部電極２の間、及び突起状導電性端子５と外部電極４の間で、銀が相互拡散し、これにより、各々の間での接合強度を強固にすることができるためである。また、突起状導電性端子５と外部電極４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も、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【００３３】
また、外部電極４の外側には、導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設した導電性接着剤７ａからなる導電性補助部材７が形成されているため、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、大電流を前記導電性補助部材７に流すことができ、外部電極４が局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらに、前記導電性接着剤７ａには、導電性のメッシュ状部材７ｂが埋設されているため、アクチュエータの伸縮によって導電性接着剤７ａにクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。尚、メッシュ状部材７ｂとしては、金属線を編み込んだものや、金属板に多数の孔を形成したもの等がある。メッシュ状とすることにより、外部電極７の伸縮変形を向上できる。
【００３４】
さらに、導電性補助部材７を構成する導電性接着剤７ａに分散している導電材量は、該導電性接着剤７ａの比抵抗を十分低くし、且つ高い接着強度を維持できるという点から、１５〜８０体積％が望ましい。即ち、導電材の含有量を１５〜８０体積％とすることにより、導電材粒子間の接触が容易になるため導電性接着剤７ａの比抵抗を小さくでき、大電流を流した際に導電性接着剤７ａ部分での局所発熱を防止できるとともに、接着を担うマトリックス樹脂成分の含有量が適量であるため、高い接着強度を維持でき、駆動中における導電性接着剤７ａの剥離を防止できる。
【００３５】
また、導電性接着剤７ａのマトリックスとして用いる樹脂については、該導電性接着剤７ａと熱膨張の異なる外部電極４および該導電性接着剤７ａに埋設するメッシュ状部材７ｂとの熱膨張の差によって生じる応力、および、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、駆動時に導電性接着剤７ａが剥離したり、該導電性接着剤７ａにクラックが生じたりするといった問題が生じるのを防ぐことができるという点から、弾性率は２０ＧＰａ以下で且つ伸度は１０％以上であることが望ましい。
【００３６】
さらに、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収しやすくするという点から、導電性接着剤７ａのボイド率は５％以上が好ましい。また、高温での使用においても強い接着力を維持できるという点から、導電性接着剤７ａのマトリックス樹脂の５％重量減少温度は２５０℃以上であることが望ましい。
【００３７】
ここで簡単に、樹脂の５％重量減少温度の測定方法について説明する。まず、使用前の形態がワニス状の樹脂である場合は、予め溶剤分の蒸発と樹脂の硬化を完了させておく。そして、５％重量減少温度の測定には一般的には熱重量分析法（ＴＧ）が用いられる。即ち、大気中で一定の昇温速度（１〜１０℃／分）で試料となる樹脂を昇温させ、そのときの重量を逐次測定しておく。そして、初期の重量に対して５％の重量が減少した時点の温度がその樹脂の５％重量減少温度である。このように測定した５％重量減少温度が２５０℃以上の樹脂を導電性接着剤７ａのマトリックスとして用いることにより、高温での耐久性に優れた導電性補助部材７を形成することができる。
【００３８】
さらに、導電性接着剤７ａのマトリックス樹脂は、樹脂の中でも特に耐熱性に優れたポリイミドやポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂とすることが望ましい。これにより高温での耐久性に優れたアクチュエータを得ることができる。
【００３９】
また、低温と高温の間でのヒートサイクルの条件下において、柱状積層体１ａおよび外部電極４との熱膨張差から生じる応力を緩和するという点から、導電性接着剤７ａのマトリックス樹脂は熱可塑性であることが望ましい。さらには、高温での強度低下を防ぐという点から、温度環境的に厳しい自動車用燃料噴射弁等に用いられる場合の環境を考慮して、導電性接着剤７ａのマトリックス樹脂のガラス転移温度は１８０℃以上とすることが望ましい。これは、一般に樹脂はそのガラス転移温度以上の温度での使用は接着強度の低下を招くからである。
【００４０】
また、導電性接着剤７ａを構成する導電材は、体積固有抵抗が小さく、耐酸化性に優れているという点から、銀粉末が好ましい。さらに、該導電材粉末の形状は、導電材粒子の絡み合いを大きくすることにより、導電性接着剤７ａの剪断強度を大きく向上させるとともに、比抵抗も低くできるという点から、針状やフレーク状などの非球形であることが望ましい。
【００４１】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法について説明する。まず、柱状積層体１ａを作製する。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、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。
【００４２】
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。ここで、銀−パラジウム粉末は、銀７０％、パラジウム３０％の合金粉末を用いた。
【００４３】
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作製される。
【００４４】
その後、図２（ａ）に示すようにダイシング装置等により柱状積層体１ａの側面に一層おきに凹溝１１を形成する。
【００４５】
次に、図２（ｂ）に示すように、凹溝１１間における柱状積層体１ａの側面に、粒径０．１〜１０μｍの銀粉末を５０〜８０体積％と、残部が粒径０．１〜１０μｍでケイ素を主成分とする軟化点が６００〜９５０℃のガラス粉末２０〜５０体積％からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペースト２１を塗布、乾燥する。この後、図２（ｃ）に示すように、銀ガラス導電性ペースト２１に外部電極４となる板状導電部材を押圧するように荷重を加えた状態で７００〜９５０℃で熱処理することにより、銀ガラス導電性ペースト２１中のガラスが溶融し、溶融したガラス中に存在する銀成分が内部電極２の端部に集合し、図２（ｄ）に示すように、柱状積層体１ａの側面から突出する突起状導電性端子５が形成されるとともに、該突起状導電性端子５の先端部を外部電極４に接続することができる。熱処理時に、銀ガラス導電ペースト２１中の銀成分が内部電極２端部２ａに拡散していき、図１（ｄ）に示すように、内部電極２の端部２ａの厚みが柱状積層体１ａ中央部の内部電極２の厚みよりも厚くなる。これにより、内部電極２の端部２ａに対する突起状導電性端子５の接合強度を向上できる。
【００４６】
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、上述の熱処理時ににガラスが軟化し、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２（ｄ）に示すような突起状導電性端子５を形成できる。即ち、内部電極２および銀ガラス導電性ペースト２１および板状導電部材中の銀成分が相互に拡散して内部電極２と突起状導電性端子５の間および突起状導電性端子５と板状導電部材の間で強固に接合がなされる。また、該突起状導電性端子５の根元付近には、銀ガラス導電性ペースト２１中のガラスが寄り集まって隆起部５ａを形成し、該突起状導電性端子５を保持している。
【００４７】
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、その長さは板状導電部材からなる外部電極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。
【００４８】
銀ガラス導電性ペースト２１中の銀粉末を５０〜８０体積％、残部のガラス粉末を２０〜５０体積％としたのは、この範囲内とすることにより、突起状導電端子５を構成する銀成分が適量となり、形成される突起状導電性端子５の突出高さｈを高くできるとともに、銀ガラス導電性ペースト２１中の固形分残部であるガラス成分が適量となるため、該銀ガラス導電性ペースト２１の焼き付け時に溶融するガラス成分も適量であり、銀成分が内部電極２端部に容易に集合し、突起状導電性端子５の突出高さｈを高くできる。
【００４９】
なお、上述の突起状導電性端子５の形成と、該突起状導電性端子５と外部電極４を接合する熱処理時に加える荷重は圧力にして、２〜５００ｋＰａが望ましい。この範囲とすることにより、突起状導電性端子５と板状導電部材４ａとの間で拡散接合を十分に行うことができ、接合部の強度を高くできるとともに、圧力が適度となるため、突起状導電性端子５の変形を防止できる。
【００５０】
尚、予め、柱状積層体１ａの凹溝１１間に対応する板状導電部材の部分に、銀ガラス導電性ペースト２１を塗布乾燥し、この板状導電部材を柱状積層体１ａに押圧するように荷重を加えた状態で熱処理してもよい。また、板状導電部材の全面に銀ガラス導電性ペースト２１を塗布乾燥し、この板状導電部材を、導電性ペースト塗布面側を柱状積層体１ａの内部電極２が露出した面に押圧し、熱処理しても、突起状導電性端子５が形成され、その先端部を外部電極４に接続することができる。この場合にはさらに工程を短縮することができる。
【００５１】
その後、図２（ｅ）に示すように、外部電極４の外側に、導電材として針状やフレーク状などの非球形の銀粉末を１５〜８０体積％と、残部がマトリックスとして弾性率が２０ＧＰａ以下で、伸度が１０％以上、５％重量減少温度が２５０℃以上、ガラス転移温度が１８０℃以上でイミド結合を有する熱可塑性の樹脂を２０〜８５体積％と、溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤７ａに導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設した後、１５０〜３００℃で該導電性接着剤７ａを加熱硬化させ、導電性補助部材７を形成する。
【００５２】
導電性接着剤７ａ中の導電材の含有量を１５〜８０体積％としたのは、この範囲内ならば、導電材粒子間の接触が良好であるため導電性接着剤７ａの比抵抗が小さく、大電流を流した際に該導電性接着剤７ａ部分での局所発熱を防止できるとともに、接着を担うマトリックス樹脂成分の含有量が適量となるため、高い接着強度を維持でき、駆動中における導電性接着剤７ａの剥離を防止できる。
【００５３】
また、マトリックス樹脂の弾性率を２０ＧＰａ以下で且つ伸度を１０％以上とすることにより、該導電性接着剤７ａと熱膨張の異なる板状導電部材および該導電性接着剤７ａに埋設するメッシュ状部材７ｂとの熱膨張の差によって生じる応力、および、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、駆動時に該導電性接着剤７ａが剥離したり、該導電性接着剤７ａにクラックが生じたりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。
【００５４】
さらに、本発明では、導電性接着剤７ａを構成するマトリックス樹脂の５％重量減少温度を２５０℃以上とすることが望ましい。これは、マトリックス樹脂として、５％重量減少温度が２５０℃以上の耐熱性の高い樹脂を用いることにより、高温での使用に際して強い接着力を維持することが可能となり、高温の使用環境下、高い印加電界で高速で連続駆動させる場合においても、該導電性接着剤７ａが剥離することなく高耐久性を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００５５】
また、本発明では、導電性接着剤７ａを構成するマトリックス樹脂がイミド結合を有する樹脂であることが望ましい。これは、マトリックス樹脂を樹脂の中でも特に耐熱性に優れたポリイミドやポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂とすることにより、高温での耐久性に優れたアクチュエータを得ることができる。
【００５６】
さらに、本発明では、導電性接着剤７ａを構成するマトリックス樹脂が熱可塑性を示し、ガラス転移温度が１８０℃以上であることが望ましい。これは、マトリックスとして用いる樹脂を熱可塑性樹脂とすることにより、高温での連続使用はもちろん、低温と高温の間でのヒートサイクルの条件下でも、柱状積層体１ａおよび外部電極４との熱膨張差から生じる応力を吸収し、高強度を維持することができるからである。
【００５７】
また、マトリックス樹脂のガラス転移点に関しては、一般に、樹脂のガラス転移点以上の温度での使用は、樹脂の強度が著しく低下するため、温度環境的に厳しい自動車用燃料噴射弁等に用いられる場合の環境を考慮して、１８０℃以上とすることが望ましい。
【００５８】
また、導電性補助部材７を構成する導電性接着剤７ａのボイド率を５％以上とすることが望ましい。これは、該導電性接着剤７ａ中のボイド率を５％以上とすることにより、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収しやすくするためである。
【００５９】
なお、導電性接着剤７ａのボイド率は、該導電性接着剤７ａの加熱硬化前のペーストの粘度および該ペースト中に含まれる溶剤量および該導電性接着剤７ａの加熱硬化の際の加熱温度プロファイルによって変更できる。
【００６０】
その後、凹溝１１に絶縁体３を充填し、リード線６を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。
【００６１】
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、柱状積層体１ａ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。
【００６２】
以上のように構成された積層型圧電素子は、板状導電部材からなる外部電極４が突起状導電性端子５を介して内部電極２と接続されているため、アクチュエータを高電界下、連続で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、外部電極４と内部電極２との間でスパークが生じるといった問題を防ぐことができ、また、外部電極４の外側には導電性のメッシュ状部材７ｂを埋設した導電性接着剤７ａからなる導電性補助部材７が設けられているため、大電流を投入しアクチュエータを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７に流すことができるため、外部電極４が局所発熱を起こして断線するといった問題を防ぐことができ、高信頼性のアクチュエータを提供することができる。
【００６３】
上記例では、柱状積層体１ａの対向する側面に外部電極４を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極４を形成してもよい。
【００６４】
図３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。
【００６５】
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。
【００６６】
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となっている。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。
【００６７】
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。
【００６８】
【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７０％、パラジウム３０％の銀−パラジウム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。
【００６９】
次に、柱状積層体の外部電極形成面に露出した一層おきの内部電極の端部を含む柱状積層体の側面に、深さ１５０μｍ、幅７５μｍの凹溝を形成した。その後、凹溝間における柱状積層体側面に、平均粒径５μｍの銀粉末を６０体積％と、残部が平均粒径５μｍでケイ素を主成分とする軟化点が７５０℃のガラス粉末４０体積％からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペーストを塗布、乾燥した。
【００７０】
さらに、この銀ガラス導電性ペーストに銀からなる厚み２５μｍの板状導電部材を３０ｋＰａで押圧した状態で９００℃で熱処理を行い、柱状積層体から突出する突起状導電性端子を形成するとともに、該突起状導電性端子の先端部を前記板状導電部材に連結した。
【００７１】
その後、板状導電部材の外側に、導電材としてフレーク状の平均粒径５μｍの銀粉末を５０体積％と、残部がマトリックスとして弾性率が１０ＧＰａで、伸度が３０％、５％重量減少温度が３００℃、ガラス転移温度が２００℃以上の熱可塑性のポリイミド樹脂を５０体積％と溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤ペーストにニッケルよりなる厚み５０μｍのメッシュ状部材を埋設した後、２２０℃で該導電性接着剤を加熱硬化させ、導電性補助部材を形成した。
【００７２】
その後、凹溝に絶縁体としてシリコーンゴムを充填し、導電性補助部材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に示すような積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００７３】
なお、突起状導電性端子には、銀とパラジウムが分散していた。また、このときの、突起状導電性端子の高さは平均で２０μｍで、導電性接着剤のボイド率は１０％であった。
【００７４】
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１２０Ｈｚ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、外部電極の異常は見られなかった。
【００７５】
また、上記同様に作製して得られた積層型圧電アクチュエータに１５０℃で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１２０Ｈｚ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外部電極の異常は見られなかった。
【００７６】
さらに、上記同様に作製して得られた積層型圧電アクチュエータに対して、室温で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１２０Ｈｚの周波数にて５×１０７サイクル印加する駆動試験と、１５０℃で０〜＋１５０Ｖの交流電圧を１２０Ｈｚの周波数にて５×１０７サイクル印加する駆動試験を交互に合計２０回繰り返し、合計１×１０９サイクルまで駆動したところ外部電極の異常は見られなかった。
【００７７】
一方、比較例として、内部電極の一方の端部を左右交互にガラスからなる絶縁体で被覆し、その上から上記した銀ガラス導電性ペーストを塗布して７００℃で熱処理を行い、外部電極が内部電極と左右各々一層おきに導通した図４に示すアクチュエータを作製し、上記と同様の試験を行ったところ、駆動試験で１×１０５サイクルで外部電極にスパークが発生した。
【００７８】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極の端部に一層おきに柱状積層体の側面から突出し、各々が板状導電部材からなる外部電極によって連結されている突起状導電性端子を設けるとともに、板状導電部材の外側に導電性のメッシュ状部材を埋設した導電接着剤からなる導電性補助部材を設けたので、積層型圧電素子の伸縮によって生じる応力を十分に吸収することができ、外部電極と内部電極の間の接点不良や、外部電極が断線するといった問題を防ぐことができ、高信頼性を備えた積層型圧電素子を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】本発明の積層型圧電素子の製法を示す工程図である。
【図３】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図４】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
２・・・内部電極
４・・・外部電極
５・・・突起状導電性端子
７・・・導電性補助部材
７ａ・・・導電性接着剤
７ｂ・・・メッシュ状部材
１１・・・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
【図１】
2004087729.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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