(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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活性層と、該活性層の積層方向両端に設けられた不活性層とからなる素子本体と、該素子本体の側面に設けられ、前記内部電極が交互に接続された外部電極とを具備し、前記外部電極と前記内部電極との電気的接続の為にガラス成分を含有する導電性物質を備えてなる積層型圧電素子において、
前記内部電極と外部電極との間に存在する圧電体の外部電極側は前記導電性物質と接触しており、前記導電性物質はＳｉを含有しており、該Ｓｉが圧電体磁器表面から５〜１００μｍの範囲に拡散し、かつ外部電極と接続されていない内部電極端部と圧電体に拡散した前記導電性物質中のＳｉとの距離を３００μｍ以上としたことを特徴とした積層型圧電素子。
【請求項２】
融点２４０℃以上の半田を前記外部電極として用いたことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１乃至２に記載の積層型圧電素子を噴射孔を有する収納容器内に収納すると共に、該収納容器が積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴射させるバルブ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、自動車用燃料噴射弁、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および噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層した積層型圧電素子が提案されている。積層型圧電素子には、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素子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５は、従来の積層型圧電素子を示すもので、この積層型圧電素子では、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ガラスからなる絶縁層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】
また同時焼成タイプの積層型圧電素子として、例えば、特公平４−５１９９２号公報に記載されているように、「電歪効果を示す圧電体と内部電極とが交互に積層され、一体に焼成された積層焼結体からなる積層型圧電素子本体であって、各内部電極の形状が圧電体の積層方向に垂直な断面形状のうち、その外周部を含む一部分が除去された形状であり、また、各内部電極はその除去された部分が積層方向に対して、互いに隣り合う内部電極の間では重ならず、一層おきの内部電極の間では重なるように積層されており、積層型圧電素子本体の側面上の前記除去された部分に対応する位置には、各内部電極を一層おきに接続する外部電極がそれぞれ形成された積層型圧電素子」が開示されている。
【０００５】
また、特開平４−２３７１７２号公報には、「積層型素子本体の側面に露出した内部電極の端部に一層おきにガラスからなる絶縁層を被覆し、外部電極には、絶縁層と同じピッチで、かつ絶縁層の断面よりやや大きい凹部を形成し、この凹部内に絶縁層を収容するようにして、かつ、凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない内部電極の端部を導電性接着剤で接着することにより、外部電極と一方の内部電極との電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶縁性を確保した積層型圧電素子」が開示されている。
【０００６】
また、特開２０００−３４９３５７号公報には、「多層積層型圧電アクチュエータであって、積層される圧電体膜間の電極形成層に、電極膜と非端子部とを有する多層積層型圧電アクチュエータ」が開示されている。
【０００７】
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。
【０００８】
【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たり、ガラスからなる絶縁層６１に割れが生じ、この割れを介して内部電極５２と外部電極７０との間でショートが発生したりすることによって、一部の圧電体５１に電圧が供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００９】
即ち、柱状積層体は、圧電体５１と内部電極５２の積層方向に伸縮するため、内部電極５２の端部およびその近傍の圧電体５１に設けられた高ヤング率のガラスからなる絶縁層６１が、長期間連続駆動による伸縮動作に耐えきれずに破壊され、この破壊部分を介して内部電極５２と外部電極７０との間でショートが発生し易いという問題があった。
【００１０】
また、内部電極の一部を磁器内部に埋設することで外部電極との絶縁を確保し、交互に外部電極と内部電極との接続を確保する、いわゆる部分電極構造の積層型圧電素子においては、対抗する内部電極間の圧電体は逆圧電効果により変位するが、外部電極との絶縁のために内部電極が一部磁器内部に埋設された部分には電界が充分かからず、変位しない。そのため、変位する部分と変位しない部分とが一枚の圧電体中に存在することになり、この部分に応力が集中しやすい。このため、外部電極と内部電極との電気的接続の為に用いられる導電性物質中のガラス成分が圧電体磁器表面から応力の集中する部分まで拡散すると、磁器の強度が極端に低下し、磁器の破壊が発生しやすいという問題があった。
【００１１】
本発明の積層型圧電素子は、上記問題点を解決するものであり、ガラス成分の拡散による磁器強度の低下を最小限におさえ、内部電極と外部電極との電気的接続を確保し、かつ磁器の破壊を防止できることが可能で、耐久性に優れ、信頼性の高い積層型圧電体素子及び噴射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
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活性層と、該活性層の積層方向両端に設けられた不活性層とからなる素子本体と、該素子本体の側面に設けられ、前記内部電極が交互に接続された外部電極とを具備し、前記外部電極と前記内部電極との電気的接続の為にガラス成分を含有する導電性物質を備えてなる積層型圧電素子において、前記内部電極と外部電極との間に存在する圧電体の外部電極側は前記導電性物質と接触しており、前記導電性物質はＳｉを含有しており、該Ｓｉが圧電体磁器表面から５〜１００μｍの範囲に拡散し、かつ外部電極と接続されていない内部電極端部と圧電体に拡散した前記導電性物質中のＳｉとの距離を３００μｍ以上としたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記導電性物質の上部に融点２４０℃以上の半田を前記外部電極として用いたことを特徴とする。
【００１４】
また本発明の噴射装置は、前記積層型圧電素子を噴射孔を有する収納容器内に収納すると共に、該収納容器が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を具備してなることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
このような積層型圧電素子では、電界がかかることによって駆動する部分と駆動しない部分の境界に発生する応力集中部に、導電性物質中のＳｉが充分な距離をもって存在するため、応力集中部での磁器強度の低下がおこらず、磁器破壊によるアクチュエータの信頼性低下を防ぐことが出来る。
【００１６】
また、積層型圧電素子を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と圧電素子の自己発熱により、温度が上昇する。自動車用の燃料噴射ノズル等に用いられる圧電アクチュエータではアクチュエータの雰囲気温度が最高１６０℃程度となり、圧電アクチュエータの自己発熱を加えると、圧電アクチュエータの温度は２００℃以上となる。このため、外部電極として融点２４０度以上の半田を用いると、耐久性が大幅に向上する。
【００１７】
このような噴射装置では、積層型圧電素子において外部電極と内部電極との断線および、磁器の破壊を低減でき、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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１（ａ）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１ａの一実施例を示す斜視図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図、図２はその一部の拡大断面図である。
【００２０】
本発明の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活性層８と、該活性層の積層方向両端に設けられた不活性層９とからなる四角柱状の素子本体３からなる。
【００２１】
内部電極２は、その端部が素子本体３の外部電極４形成面に一層おきに露出しており、この露出部分にそれぞれガラス成分を含有する導電性物質４ａが形成され、これらの導電性物質４ａ上に半田からなる外部電極４が接合されており、左右それぞれの外部電極４に、内部電極２が一層おきに電気的に接続されている。一方、外部電極４と接続されていない内部電極２の端部は圧電体１で被覆されている。このように内部電極２の端部は一層おきに互い違いに圧電体１によって絶縁され、内部電極２の絶縁されていない他方の端部は導電性物質４ａを介して板状の外部電極４と接続されている。さらに、外部電極４にはリード線６が接続固定されている。
【００２２】
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材料などが使用されるが、これらに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも良い。なお、この圧電体材料としては、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ｔ、つまり内部電極２間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から０．０５〜０．２５ｍｍであることが望ましい。これは、積層型圧電素子は電圧を印加して、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活性層８中の圧電体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、活性層８中の圧電体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊しやすいからである。
【００２３】
そして、本発明では、内部電極２と外部電極４とを電気的に接続するために用いている導電性物質４ａ中のＳｉが、圧電体１の表面に拡散しており、図２に示すようにその拡散距離ａを５〜１００μｍ以下としている。即ち、導電性物質４ａ中のＳｉを、圧電体１の表面から５〜１００μｍの範囲に拡散させることにより、内部電極２と外部電極４との電気的接続を確保することが可能となり、またガラス成分の拡散による圧電体１の磁器強度の極端な低下、および圧電体１の駆動時応力による破壊を防止し、信頼性の高い素子本体３を提供することができる。Ｓｉの拡散距離ａが５μｍ未満だと、導電性物質４ａと圧電体１との接合強度が弱くなり、内部電極２と導電性物質４ａが剥離しやすくなり、耐久性が悪くなる。１００μｍを越えると、圧電体１の磁器強度が弱くなり、磁器が破壊しやすくなり、耐久性が劣化する。
【００２４】
さらに本発明では、外部電極４と接続されていない内部電極２の端部と圧電体１に拡散した前記導電性物質４ａ中のＳｉとの距離ｂが３００μｍ以上としてある。これによって、導電性物質４ａ中のＳｉが、電界がかかることによって駆動する部分と駆動しない部分の境界に発生する応力集中部まで拡散していないため、応力集中部における圧電体１の磁器強度の低下がおこらず、磁器破壊による信頼性の低下を防ぐことができる。
【００２５】
なお、導電物質４ａの材質については、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ族金属等の耐酸化性金属と、これらの結合材として硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス等を含むものを使用することができる。
【００２６】
さらに本発明では、外部電極４に融点が２４０℃以上の半田を用いている。自動車用燃料噴射ノズルなどの用途のように素子本体３に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と素子本体３の自己発熱により、温度が上昇する。自動車用の燃料噴射ノズル等に用いられる圧電アクチュエータではアクチュエータの雰囲気温度が最高１６０℃程度となり、圧電アクチュエータの自己発熱を加えると、圧電アクチュエータの温度は２００℃以上となる。このため、外部電極４として融点２４０度以上の半田を用いると、耐久性が大幅に向上する。
【００２７】
以上のように構成された素子本体３は、以下のプロセスにより製造される。
【００２８】
先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００２９】
このグリーンシートの片面に内部電極２となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。この時、内部電極２を交互に取り出すために、一部分だけ内部電極２を印刷しない面を設け、この部分に絶縁層として圧電体セラミックスのペーストを印刷する。この後、この導電性ペーストおよび圧電体セラミックスペーストを乾燥させた後、導電性ペーストおよび絶縁層としての圧電体セラミックスペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、活性層８を積層する。
【００３０】
これとは別に、内部電極２となる導電性ペーストを塗布しないグリーンシートを、活性層８の積層方向の両端部に、所定の枚数だけ積層し、不活性層９を積層する。
【００３１】
次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は内部電極２が一層おきに交互に側面に露出するように、所定の大きさに切断された後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９００〜１２００℃で２〜５時間で本焼成が行われ、素子本体３となる積層焼結体を得る。この素子本体３本体の側面には、内部電極２の端部が一層おきに交互に露出している。
【００３２】
その後、図３に示すように素子本体３となる焼結体の側面を側面Ａ、Ｂを平面研削盤にて加工し、次に内部電極２の先端から側面Ｃおよび側面Ｄまでの距離ｈが４００μｍ以上になるように、側面Ｃおよび側面Ｄを加工する。
【００３３】
次に素子本体３の外部電極４形成側面に、銀粉末とガラス粉末からなる銀ガラスペーストをスクリーン印刷にて塗布し、そのガラス粉末の融点近傍の温度で熱処理することにより外部電極４ａを形成する。融点近傍で熱処理することにより、前記銀ガラスペースト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、電気的接続を形成するとともに、ガラス成分が磁器本体中に拡散し、銀粉末を強固に磁器に固定する。
【００３４】
ここで、導電性物質４ａ中のＳｉが磁器中へ拡散する距離が５μｍ以上、１００μｍ以下でありかつ外部電極と接続されていない内部電極端部と圧電体に拡散した前記導電性物質中のＳｉとの距離を３００μｍ以上であることが重要である。ガラスの融点と熱処理温度、熱処理時間をコントロールすることにより、これらの拡散距離をコントロールする。
【００３５】
この後、融点２４０℃以上の半田ペーストを外部電極４ａ上にスクリーン印刷にて塗布し、その融点以上の温度にて真空中で熱処理することにより、外部電極４を形成する。
【００３６】
この後、外部電極４にリード線６を接続し、素子本体３の外周面に真空脱泡によるディッピング等の方法により、外装樹脂を被覆した後、０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、素子本体３全体を分極処理することで、最終的な素子本体３を得る。
【００３７】
なお、本発明の素子本体３は、四角柱、六角柱、円柱等、どのような柱体であっても構わないが、切断の容易性から四角柱状が望ましい。
【００３８】
以上のように構成された素子本体３は、ガラス成分中のＳｉの圧電体１への拡散が５μｍ以上、１００μｍ以下であり、素子本体３を長時間駆動させた場合でも、外部電極４ａが内部電極２および圧電体１の表面から剥離せず、また、部分電極先端部に発生する駆動、非駆動に起因する応力集中が発生しても、ガラス拡散による圧電体１の磁器強度の極端な低下が起こらず、圧電体１の破壊を引き起こさない。このため高信頼性を備えた素子本体３を提供することができる。
【００３９】
図４は、本発明の噴射装置を示すもので、図４において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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、上記した素子本体３が収納されている。
【００４２】
このような噴射装置では、素子本体３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素子本体３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。
【００４３】
【実施例】
実施例１
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００４４】
このグリーンシートの片面に内部電極２となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストを所定のパターンになるようにスクリーン印刷法を用いて５μｍの厚みに印刷する。導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを１００枚積層する。この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを１０枚積層した。
【００４５】
次に、この積層体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、１１３０℃で２時間の本焼成を行って素子本体３本体となる積層焼結体を得た。
【００４６】
その後、積層焼結体の側面を図２に示すように側面Ａ、Ｂを平面研削盤にて加工し、次に内部電極先端から側面Ｃおよび側面Ｄまでの距離を表１に示す距離になるように、側面Ｃおよび側面Ｄを加工する。その後、端面を加工し７ｍｍ×７ｍｍ×１０ｍｍの素子本体となる素子本体３を作製した。その後、表１に示すような作業点を持つ硼珪酸系のガラス▲１▼、▲２▼にＡｇ粒子を分散させたペーストをスクリーン印刷法にて厚み５０〜１００μｍに印刷して導電性物質４ａを形成した。次に、表１に示す種々の温度、保持時間にて熱処理を行い、Ａｇ粒子を圧電体１の表面および内部電極２に焼き付けた。その後、２９５℃の融点を持つ半田ペーストをスクリーン印刷法にて塗布し、真空中で熱処理を行い、外部電極４を形成した。この後、外部電極４にリード線６を接続し、積層型圧電素子の外周面にディッピング等の方法によりシリコーン樹脂を被覆し、１ｋＶの分極電圧を印加し、積層型圧電素子全体を分極処理して本発明の積層型圧電素子を得た。
【００４７】
得られた積層型圧電素子に２００Ｖの直流電圧を印加した結果、各積層型圧電素子ともに約１５μｍ程度の変位が得られた。
【００４８】
得られた素子本体３の耐久性を比較するために、雰囲気温度１６０℃の恒温槽中で駆動電圧２００Ｖ、周波数２００Ｈｚの直流電界を５×１０8サイクルまで駆動耐久試験を行った。駆動試験は素子本体３を駆動させ、変位を測定し、初期の変位からの変動を調べた。尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固定し、試料端面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザー変位計により、素子本体３の中心部及び周囲部の３箇所で測定した値の平均値で評価した。また、駆動試験終了後すべての素子本体３を外部電極４に対し垂直な面で切断し、その切断面に対し図２に示すように圧電体１の磁器表面からのＳｉの拡散距離ａおよび内部電極２の先端からＳｉ拡散部までの距離ｂを波長分散型ＥＰＭＡにて面分析、マッピングを行い、その最大距離を求めた。分析条件は加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流１．００Ｅ−０７Ａデュエル時間３０ｍｓｅｃで分析し、カウント数が５カウント以上あるところをＳｉが拡散していると判断した。この結果を表1に示す。
【００４９】
【表１】
0004022062.tif 000002
【００５０】
表１から明らかなように、圧電体１の磁器表面からのＳｉの拡散距離ａが本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１、２、５、６、１０、１１、１２、１３、１７、１９は耐久サイクル数が５億サイクル以下で破損し、十分な耐久性を示さなかった。破壊源は試料Ｎｏ．１０、１１、１７、１９の試料は内部電極２先端部の応力集中部分近傍の圧電体１内部から破壊していた。一方、本発明の範囲内である３，４、７〜９、１４〜１６、１８の各試料は駆動耐久試験５億サイクルに耐えることが出来、駆動耐久試験後も変位の低下は見られなかった。
【００５１】
実施例２
実施例１と同様な手法を用い、表２に示す試料を作製した。圧電体１の磁器表面と内部電極２先端との距離は４００μｍになるように加工した。実施例２では種々の融点をもつ半田イ〜ニを用い、実施例１と同様な駆動耐久試験を実施した。この結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
0004022062.tif 000003
【００５３】
表２から明らかなように、融点２４０℃以上のハンダを用いた試料は５億サイクル以上の耐久性を示した。また駆動耐久試験後も変位の劣化はみられなかった。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の積層型圧電素子では、外部電極と内部電極との電気的接続の為に導電性物質を分散させたガラス成分を用いて電気的接続を保持している積層型圧電素子において、前記内部電極と外部電極との間に存在する圧電体の外部電極側は前記導電性物質と接触しており、前記導電性物質はＳｉを含有しており、該Ｓｉが圧電体磁器表面から５〜１００μｍの範囲に拡散し、かつ外部電極と接続されていない内部電極端部と圧電体に拡散した前記導電性物質中のＳｉとの距離を３００μｍ以上としたこによって、ガラス成分の拡散による磁器強度の低下、および磁器の破壊を防止でき、かつ内部電極と外部電極との電気的接続を確保することが可能になり、信頼性の高い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】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の一実施例を示す斜視図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。
【図２】図１に示した積層型圧電素子の一部の拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の積層型圧電素子の加工方法の一例を示すための斜視図であり、（ｂ）はその横断面図である。
【図４】本発明の積層型圧電素子を用いた噴射装置の概略図である。
【図５】従来の積層型圧電素子を示す概略図である。
【符号の説明】
１：圧電体
２：内部電極
３：素子本体
４：外部電極
６：リード線
８：活性層
９：不活性層
【図１】
0004022062.tif 000004
【図２】
0004022062.tif 000005
【図３】
0004022062.tif 000006
【図４】
0004022062.tif 000007
【図５】
0004022062.tif 000008