JP2009131138A - 積層型圧電アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】積層体５の両側の側面には、積層方向と垂直に、スリット６が複数形成されている。また、積層体５の両側の側面には、側面電極７，８が形成されている。側面電極７，８は、スリット６によって積層方向に分割されたブロック毎に分離した状態となっている。側面電極７，８の表面には、はんだ層９，１０を介して一対の外部電極１１，１２が固着され、各ブロックの側面電極７，８が夫々電気的に導通されている。一番下側のブロックの側面電極７，８には、電圧供給部材としてのリード電極１３，１４が、はんだ層９，１０を介して固着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子に係り、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等の駆動源として好適な積層型圧電アクチュエータ素子に関する。

近年、印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極とを交互に複数積層した構造の積層型圧電アクチュエータ素子が開発され、実用化されている。このような積層型圧電アクチュエータ素子では、内部電極で挟まれた部分の圧電層は分極領域となり、内部電極で挟まれていない部分は非分極領域となる。このため、分極領域と非分極領域との境界部分で変位分布が大きく変化しこの部分に応力が集中する。この応力集中により、長期間駆動するとクラックが発生する可能性が増大し、耐久性が低下してしまう。

このため、積層体の側面に、積層方向と垂直（積層面に平行）な方向にスリットを形成した積層型圧電アクチュエータ素子が知られている。また、電極形成用の導電性材料を所定の形状に設けたセラミックグリーンシートの間に、カーボンを主成分とするスリット形成用のペーストを塗布したセラミックグリーンシートを介在させた未焼成の積層体を焼成することによってスリット形成用ペーストを消失させて上記のスリットを形成する方法も知られている（例えば、特許文献１参照、特許文献２参照。）。

上記のようなスリットを用いた技術では、積層体の側面に形成された複数のスリット部分が開閉するように変形して積層体に加わる応力を緩和する。ところで、積層体の側面には、内部電極と接続された側面電極が形成される。この側面電極は、スリットで区切られて積層体の側面に対して分離された形態で形成され、各側面電極の電気的な導通は、例えば、側面電極の外側に設けられたメッシュ状の外部電極等でとるようになっている。なお、このメッシュ状の外部電極は、積層体の伸縮に応じて変形可能とされている。そして、外部から電圧を供給するための電圧供給部材、例えばリード線は、上記のメッシュ状の外部電極にはんだ付けすること等によって固着されている。
特開昭６２−２７１４７８号公報 特開平３−１９１５８３号公報

しかしながら、上記の従来の技術では、積層型圧電アクチュエータ素子を高速で長期間駆動した場合、外部から電圧を供給するための電圧供給部材としてのリード線及びこのリード線をメッシュ状の外部電極に固着するためのはんだ等の慣性重量のため、メッシュ状の外部電極が破断して断線状態となり、積層型圧電アクチュエータ素子が駆動不能となってしまう場合があり、耐久性が十分でないという課題があった。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供しようとするものである。

本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、当該積層体の対向する側面に前記圧電層の内部に入り込むと共に当該積層体の積層方向に沿って任意の間隔で形成された複数のスリットと、前記スリットで分離される形態で前記積層体の対向する前記側面にそれぞれ形成され、前記内部電極と電気的に接続された側面電極とを有する積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、前記側面それぞれにおいて、前記スリットで分離される形態の前記側面電極を、外部電極で導通させるとともに、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、前記スリットで分離された各側面電極のうちの一の前記側面電極の上に固着させたことを特徴とする。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体の対向する側面のそれぞれにおいて、内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、スリットで分離された各側面電極のうちの一の側面電極の上に固着させた構造となっている。つまり、スリットを跨いで配置される側面電極のそれぞれに固着されるように電圧供給部材が固着される構成にはなっていない。これによって、駆動時に、電圧供給部材やこの電圧供給部材を固着するためのはんだ等の慣性重量の影響が外部電極に加わることを防止でき、外部電極が破断して断線状態となる可能性を低減することができる。

上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、電圧供給部材のうち、側面電極に固着された固着部は、積層体の積層方向に対して垂直方向に延びた形状とすることができる。また、この電圧供給部材は、棒状の電極棒を含み、当該電極棒が、積層体の積層方向に対して垂直な向きで、側面電極の上に固着されている構成とすることができる。このような構成とすれば、電圧供給部材と側面電極との固着部分には、積層体の伸縮による応力がほとんど加わらない。これによって、電圧供給部材が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。

また、上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体の積層方向の一端が固定端、他端が変位端とされ、電圧供給部材は、固定端側に一番近いスリットより固定端側に形成された側面電極の上に固着されている構成とすることができる。このような構成とすれば、駆動時に、電圧供給部材やこの電圧供給部材を固着するためのはんだ等の慣性重量によって、電圧供給部材が側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。

本発明の他の積層型圧電アクチュエータ素子は、圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、当該積層体の対向する側面に、前記内部電極と電気的に接続された側面電極が夫々形成された積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が前記積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、前記積層体の対向する前記側面それぞれの前記側面電極の上に固着したことを特徴とする。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材が、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、積層体の側面電極の上に固着されている。これによって、電圧供給部材と側面電極との固着部分に加わる、積層体の伸縮による応力を軽減することができ、電圧供給部材が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込んで使用することができる。

本発明によれば、高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することができる。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子の全体概略構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、積層型圧電アクチュエータ素子１は、圧電セラミック例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電層２と、導電性を有する内部電極３，４とを交互に複数積層して構成された積層体５を具備している。なお、図１等において、積層体５の積層数は、省略して少なく示してあるが、実際の積層型圧電アクチュエータ素子１では、例えば、数十層〜数百層等の多数の積層数となっている。

内部電極３，４は、積層方向に対して交互に配置されており、圧電層２は、内部電極３と内部電極４によって挟まれている。これらの内部電極３同士が一方の同極（例えば正極）の電極とされており、内部電極４同士が他方の同極（例えば負極）の電極とされている。

内部電極３は、積層体５の一方の側面（図１において左側の側面）に一方の側辺が露出するようにその端部まで形成されており、内部電極３の他方の側辺は積層体５の他方の側面（図１において右側の側面）より所定距離手前まで形成され積層体５の他方の側面に露出しないように構成されている。一方、内部電極４は、積層体５の他方の側面（図１において右側の側面）に他方の側辺が露出するようにその端部まで形成されており、内部電極４の一方の側辺は積層体５の一方の側面（図１において左側の側面）より所定距離手前まで形成され積層体５の一方の側面に露出しないように構成されている。このように内部電極３，４を構成することによって、異極の内部電極３，４同士が電気的に短絡しないようになっている。

積層体５の両側の側面には、積層方向と垂直（積層面と平行）に、側面から所定深さ入り込むように、スリット６が一定の間隔で複数形成されている。これらのスリット６は、積層型圧電アクチュエータ素子１を駆動した際に加わる応力を緩和する目的で形成されたものである。

また、積層体５の両側の側面には、側面電極７，８が形成されている。これらの側面電極７，８は、例えば、導電性ペーストをスクリーン印刷等によってパターニングして形成されており、スリット６によって積層方向に分割されたブロック毎に分離した状態となっている。

上記側面電極７，８の表面には、はんだ層９，１０が形成され、これらのはんだ層９，１０を介して一対の外部電極１１，１２が固着されている。これによって、スリット６によって積層方向に分割された各ブロックの側面電極７，８が夫々電気的に導通された状態となっている。外部電極１１，１２は、導電性部材（例えば、銅）から例えばメッシュ状に形成されており、積層体５の伸縮に応じて変形可能とされている。

また、上記側面電極７，８のうち、図１中一番下側のブロックの側面電極７，８には、外部から電圧を供給するための電圧供給部材としてのリード電極１３，１４が、はんだ層９，１０を介して固着されている。

このように、本実施形態では、電圧供給部材としてのリード電極１３，１４が側面電極７，８上に固着されているので、積層体５を高速で長期間駆動しても、リード電極１３，１４の慣性重量等によって外部電極１１，１２が破断状態となることがない。したがって、外部電極１１，１２が破断して断線状態となる可能性を低減することができる。また、スリット６の外側部分に位置する外部電極１１，１２は、スリット６が開閉するように変形するため、一部破断する等の損傷を受け易いが、このような外部電極１１，１２の損傷によって、リード電極１３，１４が外れるようなことも無い。なお、リード電極１３，１４は、側面電極７，８との間に外部電極１１，１２を介在させた状態で、側面電極７，８に対してはんだ層９，１０により固着させてもよい。

上記積層体５は、圧電層２と、内部電極３，４とを交互に複数積層して構成され、内部電極３，４に電圧を印加することによって変位する活性部５０と、この活性部５０の積層方向両側端部に設けられ、内部電極を具備せず変位しない不活性部５１とから構成されている。また、積層体５は、図１中下側が固定され変位しない固定端とされており、上側が変位する可動端とされている。そして、上記のリード電極１３，１４は、固定端側の端部に位置するブロックの側面電極７，８に固着されている。すなわち、リード電極１３，１４は、固定端側に一番近いスリット６より固定端側の側面電極７，８に固着されている。

このように、本実施形態では、電圧供給部材としてのリード電極１３，１４が、積層体５の固定端側の側面電極７，８に固着されているので、積層体５を高速で駆動しても、リード電極１３，１４は、ほとんど変位することがない。このため、リード電極１３，１４の慣性重量等によって、リード電極１３，１４が側面電極７，８から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。

上記のリード電極１３，１４は、少なくとも側面電極７，８に固着される固着部が、金属等の導電性材料からなる断面円形状の棒状部材（太さが例えばφ０．２〜１．０ｍｍ）から構成されており、図２に示すように、リード電極１３，１４の直線部分が、積層体５の変位方向に対して垂直方向（積層面と平行な方向）に延在するように内部電極３，４に固着されている。なお、図２は、積層体５の全体構成を模式的に示す斜視図であり、図２において右側に示されているのは、積層体５の一部を拡大して示したものである。

このように、本実施形態では、リード電極１３，１４の直線状の固着部が、積層体５の変位方向に対して垂直方向（積層面と平行な方向）に延在するように内部電極３，４に固着されているので、積層体５を駆動した場合においても、リード電極１３，１４の固着部分には、積層体５の伸縮による応力がほとんど加わらない。これによって、リード電極１３，１４が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極７，８から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。

なお、仮にリード電極１３，１４の直線状の固着部が、積層体５の変位方向に対して平行な方向（積層面と垂直な方向）に延在するように内部電極３，４に固着されていた場合は、積層体５の伸縮による応力がリード電極１３，１４の固着部に加わり、リード電極１３，１４が側面電極７，８から外れてしまう可能性が増大する。また、このような構造の場合、固着部の長さがスリット６間の長さ以下に制限されてしまう。換言すれば、スリット６間の長さが、固着部の長さ以上に制限され、スリット６の数を増大させることが制限されることになる。

次に、上記積層型圧電アクチュエータ素子１の製造方法について説明する。まず、調合組成ＰＺＴ混合粉末を、６００〜１０００℃の温度で、１〜１０時間程度熱処理し、仮焼粉末を作製する。

次に、仮焼粉末とポリビニルブチラール系樹脂、ＤＯＰ（フタル酸ジ−２−エチルヘキシル）と溶剤（ＭＥＫ＋トルエン）を混合、粉砕し、ドクターブレード法にてセラミックグリーンシートを作製し、加工に適した所定の大きさにカットする。尚、このセラミックグリーンシートは、焼成後に圧電層２となるものである。

また、予めＡｇＰｄ粉末にエチルセルロース、ブチルカルビトール又はテルピネオールを添加混合し、導電性ペーストを作製する。尚、この導電性ペーストは、焼成後に内部電極３，４となるものである。

得られたセラミックグリーンシートに、上記導電性ペースト１１１を、スクリーン印刷により内部電極の形状にパターニングし、図３に示すような内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を形成する。これとともに、得られたセラミックグリーンシートに、カーボン等の焼失性成分を主体とするペースト１２１を塗布し、図３に示すようなスリット形成用グリーンシート１２０を作製する。

次に、上記の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０、スリット形成用グリーンシート１２０を所望の構造となるように複数枚適宜積層して柱状体とする。すなわち、内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を複数積層するとともに、その複数の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０の間のうち任意の間に、スリット形成用グリーンシート１２０を介在させて柱状体とし、所定長さ（例えば、数十ｍｍ）の未焼成活性部を形成する。

そして、未焼成活性部の積層方向両側端部にセラミックグリーンシートのみを積層した未焼成不活性部を所定厚さ（例えば０．５〜２ｍｍ）形成して、柱状の未焼成積層体を得る。次に、このようにして形成した未焼成積層体を脱脂、焼成し、積層体５を得る。なお、この焼成工程において、ペースト１２１が消失し、スリット６が形成される。

上記のようにして積層体５を形成した後、積層体５の側面に、銀系ペーストを印刷し、６００〜８００℃で焼き付けて側面電極７，８を形成する。この後、側面電極７，８上にはんだペーストを塗布し、その上に金属メッシュ状の外部電極１１，１２をのせ、また、リード電極１３，１４を所定位置に配置して、リフローによりはんだを溶解して側面電極７，８と、リード電極１３，１４及び外部電極１１，１２とを接続する。

以上のような製造工程により、積層型圧電アクチュエータ素子１を製造することができる。図４は、上記構成の積層型圧電アクチュエータ素子１を具備した積層型圧電アクチュエータ１００の構成を示すものである。この積層型圧電アクチュエータ１００は、積層型圧電アクチュエータ素子１と、積層型圧電アクチュエータ素子１を収容するケース１０１とを備えている。

積層型圧電アクチュエータ素子１の伸縮方向（積層体５の積層方向）の一方の端面（図４中下側の端面）は、ケース１０１の裏蓋１０２に係止されている。また、積層型圧電アクチュエータ素子１の伸縮方向の他方の端面（図４中上側の端面）には、プッシュロッド１０３が接続されており、このプッシュロッド１０３は、板ばね１０４を介してケース１０１の表蓋１０５に係止されている。このプッシュロッド１０３の先端は、表蓋１０５に設けられた開口１０６から外部に突出するように配置されている。また、積層型圧電アクチュエータ素子１のリード端子１３，１４は、スリーブ１０７を介してケース１０１の外側に導出されている。

上記構成の積層型アクチュエータ１００では、図示しない駆動回路からリード端子１３，１４を経由して高電圧が印加され、これによって積層型圧電アクチュエータ素子１が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮する。この伸縮は、プッシュロッド１０３を介して内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置のインジェクタバルブ（図示せず。）等に変位として伝達される。このように、積層型圧電アクチュエータ素子１を自動車等の燃料噴射装置に使用した場合、高速で繰り返し積層型圧電アクチュエータ素子１が駆動されることになるが、このような過酷な条件下においても、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子１は、メッシュ状の外部電極１１，１２の破断やリード端子１３，１４の外れ等による断線を生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、従来に比べて耐久性を向上させることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。例えば、複数のスリット６は、積層体５の積層方向に沿って一定間隔で形成したが、必ずしも各スリット６間の距離を一定にする必要はない。つまり、積層体５に発生する応力の緩和の度合を考慮して任意の間隔でスリット６を設ければよい。

本発明の一実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の断面構成を模式的に示す図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子の斜視図。 本発明の一実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法を説明するための図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子を用いた積層型圧電アクチュエータの断面構成を模式的に示す図。

符号の説明

１…積層型圧電アクチュエータ素子、２…圧電層、３，４…内部電極、５…積層体、６…スリット、７，８…側面電極、９，１０…はんだ層、１１，１２…外部電極、１３，１４…リード端子、５０…活性部、５１…不活性部。

Claims (6)

1. 圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、
   当該積層体の対向する側面に前記圧電層の内部に入り込むと共に当該積層体の積層方向に沿って任意の間隔で形成された複数のスリットと、
   前記スリットで分離される形態で前記積層体の対向する前記側面にそれぞれ形成され、前記内部電極と電気的に接続された側面電極と
   を有する積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記側面それぞれにおいて、前記スリットで分離される形態の前記側面電極を、外部電極で導通させるとともに、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、前記スリットで分離された各側面電極のうちの一の前記側面電極の上に固着させたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
2. 請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記電圧供給部材のうち、前記側面電極に固着された固着部は、前記積層体の積層方向に対して垂直方向に延びた形状とされていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
3. 請求項１又は２記載の積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記電圧供給部材は、棒状の電極棒を含み、当該電極棒が、前記積層体の積層方向に対して垂直な向きで、前記側面電極の上に固着されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記積層体の積層方向の一端が固定端、他端が変位端とされ、前記電圧供給部材は、前記固定端側に一番近い前記スリットより前記固定端側に形成された側面電極の上に固着されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
5. 圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、当該積層体の対向する側面に、前記内部電極と電気的に接続された側面電極が夫々形成された積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が前記積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、前記積層体の対向する前記側面それぞれの前記側面電極の上に固着したことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込まれることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。

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