JP2010171146A

JP2010171146A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2010171146A
Application number: JP2009011339A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Shimizu; 達彦清水; Nobuhiro Shimizu; 信裕志水; Naoyuki Kawazoe; 尚幸川添; Hiroaki Asano; 浩章浅野; Hiroaki Makino; 浩明牧野
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】長寿命化が可能な圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータ１は、圧電体素子２が収容された密閉容器１１内に、酸化性ガスが封入された構成を有する。これにより、圧電層２１、２２内に存在する酸化金属の還元反応を抑制して還元を遅らせ、経時的に圧電層２１、２２に絶縁低下が生じるのを防ぎ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータ１の変位性能の低下を防止し、圧電アクチュエータ１の長寿命化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料噴射装置に使用する圧電アクチュエータに関する。

従来から、印加電圧に応じて伸張する圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、複数の圧電層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電体素子を備えている。

そして、外部からの湿気が積層型圧電体素子に届き難くし、積層型圧電素子の側面からの沿面放電を防止するために、不活性ガスを封入した密閉容器内に収容して、外装樹脂に酸化劣化防止剤を含有させる技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

ところで、セラミックスを用いた圧電層とＡｇを用いた内層電極とを一体焼結する積層型圧電素子は、焼結時にセラミックスの粒界中にＡｇが拡散し、Ａｇが高い拡散係数を持つことが確認されている（例えば非特許文献１を参照）。従って、セラミックスの圧電層内には、Ａｇの酸化物が存在することが知られている。

また、一般にＰＺＴセラミックスの場合、高温で分解しやすいジルコン酸鉛を含むため、焼成中にジルコン酸鉛が分解し、ＰｂＯが液相を形成して粒界に存在していることが知られている（例えば非特許文献２を参照）。

特開２００３−１８００９０号公報ＰＬＺＴセラミックスとＡｇ電極の反応及び拡散（著：永田肇）医用超音波プローブ用鉛系圧電単結晶の研究（著：細野靖晴）

従って、従来技術のように、密閉容器内に不活性ガスを封入し、あるいは外装樹脂に酸化劣化防止剤を含有させた状態で長時間使用すると、圧電層のセラミックス中に存在する金属酸化物（ＡｇＯ、ＰｂＯ）の還元が促進されて金属となり、圧電層のセラミックスに導電性が生じてしまい、アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長寿命化が可能な圧電アクチュエータを提供することである。

上記課題を解決する本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、密閉容器内に酸化性ガスを封入した構成を有することを特徴としている。

本発明によると、圧電アクチュエータは、圧電体素子が収容された密閉容器内に、酸化性ガスが封入された構成を有するので、圧電層内に存在する酸化金属の還元反応を抑制することができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。

本発明の好適な一つの具体例として、酸化性ガスは、予め設定された露点温度に水分管理された乾燥ガスであることが好ましい。このように乾燥ガスを使用することによって、圧電体素子の湿度を低くし、圧電層の絶縁性を維持することができる。

また、酸化性ガスの量は、密閉容器内に封入される気体の３０ｗｔ％〜１００ｗｔ％であることが好ましい。この場合、酸化性ガスの量は、１００ｗｔ％であることが最も好ましいが、３０ｗｔ％であっても、圧電層内の酸化金属の還元反応を十分に抑制することができる。そして、酸化性ガスは、酸素又はオゾンであることが好ましい。

また、上記課題を解決する本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、密閉容器内に酸化性粉末を封入した構成を有することを特徴としている。

本発明によると、圧電アクチュエータは、圧電体素子が収容された密閉容器内に、酸化性粉末が封入された構成を有するので、圧電層の内部に存在する金属酸化物よりも先に酸化性粉末を還元させて安定した酸化金属に変化させ、圧電層の金属酸化物の還元を遅らせることができる。

従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。また、酸化性粉末は、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＡｇＯのいずれかを有する過酸化金属の粉末が好ましい。

本発明によれば、密閉容器内に封入された酸化性ガスによって、圧電層の内部に存在する酸化金属の還元反応を抑制して、還元を遅らせることができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止し、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。

本実施の形態に係わる圧電アクチュエータの断面図。圧電アクチュエータのセラミックス層と内部電極層の平面図。図２の圧電層に隣接して積層される圧電層と内部電極層の平面図。圧電体素子の斜視展開図。従来品と発明品の耐久試験中における絶縁抵抗の推移を示すグラフ。

［第１実施の形態］
次に、本発明の第１実施の形態について図面を用いて以下に詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係わる圧電アクチュエータの断面図、図２は、圧電アクチュエータの圧電層と内部電極層の平面図、図３は、図２の圧電層に隣接して積層される圧電層と内部電極層の平面図、図４は、圧電体素子の斜視展開図である。

圧電アクチュエータ１は、図１に示すように、圧電体素子２と、その圧電体素子２を収容する密閉容器１１とを有している。圧電体素子２は、図１〜図４に示すように、印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層２１、２２と、印加電圧供給用の内部電極層２１０、２２０とを交互に積層した積層構造を備えている。積層構造の側面（符号２０１や符号２０２等）は、全体的に外装樹脂２５で覆われており、更に密閉容器１１に収容されて外気との間が遮断されている。

圧電体素子２は、図２〜図４に示すごとく、セラミックスからなる圧電層２１、２２の層間に内部電極層２１０、２２０を交互に形成し、圧電層２１、２２を交互に正負に印加できるように構成されている。圧電層２１に隣接する内部電極層２１０は、図２の左側に示すように、一端側に電極未形成部２１１を有し、圧電層２２に隣接する内部電極層２２０は、図３の右側に示すように、他端側に電極未形成部２２１を有している。内部電極層２１０は、圧電体素子２の一方の側面２０１に露出するように配設され、内部電極層２２０は他方の側面２０２に露出するように配設されている。

そして、圧電体素子２の側面２０１、２０２には、図１に示すように、露出した内部電極層２１０、２２０の端部をそれぞれ導通させるように銀等の貴金属よりなる側面電極２３、２４がそれぞれ形成されている。そして、側面電極２３、２４上には、外部電極２３１、２４１がエポキシ樹脂製の導電性接着剤２３０、２４０によって接合されている。これら外部電極２３１、２４１は、図示していない駆動電源に接続される。

そして、圧電体素子２の側面２０１、２０２を含む側面全体がディッピング法等により外装樹脂２５で被覆され、側面電極２３、２４、外部電極２３１、２４１の一部分が外装樹脂２５の内部に埋設されている。

密閉容器１１は、円筒状の金属ケース１２と、金属ケース１２の上端開口を閉塞する上板１４と、金属ケース１２の下端開口を閉塞する下板１３とからなり、上板１４及び下板１３は金属ケース１２に対して溶接されて密閉接合されている。

金属ケース１２は、図１に示すように、圧電体素子２の伸縮を阻害しないように、符号１２９にかかる部分を、ケース軸方向に伸縮可能な蛇腹状のベローズ構造としている。また、上板１４には、外部電極２３１、２４１用の挿通穴１４０が穿設されており、挿通穴１４０と外部電極２３１、２４１との間の隙間がシリコーン樹脂製等のシール材１５１で封止されている。

密閉容器１１内には、乾燥させた酸化性ガス、例えば露点温度が−４０℃に水分管理された酸素ガスが封入されている。酸化性ガスとしては、酸素やオゾンなどが好ましい。酸化性ガスの量は、密閉容器１１内に封入される気体の３０ｗｔ％〜１００ｗｔ％が好ましく、特に、１００ｗｔ％、すなわち、密閉容器１１内の内部雰囲気の全てが酸化性ガスであることが最も好ましい。

密閉容器１１に対し圧電体素子２を組み付けて圧電アクチュエータ１とするには、まず金属ケース１２に下板１３を溶接固定し、金属ケース１２内に圧電体素子２を収容する。それから、上板１４の挿通穴１４０に外部電極２３１、２４１を挿通しながら金属ケース１２の所定位置に上板１４を仮止めする。

そして、上板１４と金属ケース１２とを溶接固定し、挿通穴１４０と外部電極２３１、２４２との隙間から、密閉容器１１内に酸化性ガスを充填し、その後に、挿通穴１４０と外部電極２３１、２４１との間の隙間にシール材１５１を充填して封止する。これにより、密閉容器１１内に圧電体素子２が収容されかつ酸化性ガスが封入された圧電アクチュエータ１が得られる。

上記構成を有する圧電アクチュエータ１によれば、圧電体素子２が収容された密閉容器１１内に酸化性ガスを封入しているので、圧電層２１、２２のセラミックス内に存在する酸化金属の還元反応を抑制することができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層２１、２２に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータ１の寿命を飛躍的に向上させることができる。また、酸化性ガスとして、予め設定された露点温度に水分管理された乾燥ガスを使用することによって、圧電体素子２の湿度を低くし、圧電層２１、２２の絶縁性を適切に維持することができる。

［第２実施の形態］
次に、第２実施の形態について以下に説明する。本実施の形態において特徴的なことは、圧電体素子２が収容された密閉容器１１内に、過酸化金属からなる酸化性粉末を封入した構成としたことである。酸化性粉末は、密閉容器１１と圧電体素子２との間の空隙部分１９に充填される。

ＰｂＯ_２やＡｇＯ等の過酸化金属は、常温で還元しやすく、還元することで安定したＰｂＯ、Ａｇ_２Ｏになりやすい。この還元作用を利用して、密閉容器１１内に封入した過酸化金属を、圧電層２１、２２の金属酸化物よりも先に還元させ、安定した酸化金属に変化させることで、圧電層２１、２２のセラミックス内に存在する金属酸化物の還元を遅らせることができる。

従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層２１、２２のセラミックスに絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータ１の寿命を向上させることができる。なお、酸化性粉末の例としては、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＡｇＯ等が好ましい。

［実施例］
図５は、従来品と発明品の耐久試験中における絶縁抵抗の推移を示すグラフである。
発明品１は、第１実施の形態における圧電アクチュエータ１を実現したものであり、圧電体素子２が収容された密閉容器１１内には、封入気体として、ドライ（露点温度−４０℃）でＡｉｒ１０ｗｔ％＋酸化性ガス９０ｗｔ％のものが用いられている。

発明品２は、第２実施の形態における圧電アクチュエータ１を実現したものであり、圧電体素子２が収容された密閉容器１１内に、過酸化金属であるＰｂＯ_２の酸化性粉末が封入されている。

そして、各発明品１、２について、温度を１５０℃に保持し、外部電極２３１、２４１から１５０Ｖの電圧を印加し、サイクル周波数を１５０Ｈｚとして、絶縁抵抗が０になるまで駆動するという条件の耐久試験を行った。

その結果、発明品１は、駆動回数が２．０Ｅ＋０９［ｃｙｃ］を超えるまでは、絶縁抵抗が４．０Ｅ＋０３［ＭΩ］近傍を維持し、駆動回数が２．０Ｅ＋０９［ｃｙｃ］を超えてから緩やかに絶縁抵抗が低くなり始め、駆動回数が３．２Ｅ＋０９［ｃｙｃ］のときに絶縁抵抗が０になった。

そして、発明品２は、駆動回数が１．６Ｅ＋０９［ｃｙｃ］を超えるまでは、絶縁抵抗が４．０Ｅ＋０３［ＭΩ］近傍を維持し、駆動回数が１．６Ｅ＋０９［ｃｙｃ］を超えてから緩やかに絶縁抵抗が低くなり始め、駆動回数が２．８Ｅ＋０９［ｃｙｃ］のときに絶縁抵抗がほぼ０になった。

比較例として、実施例１と同様の構成であるが、密閉容器１１内に不活性ガスを充填した従来品の圧電アクチュエータを準備し、これについて同様の耐久試験を行った。その結果、従来品は、駆動回数が５．０Ｅ＋０８［ｃｙｃ］を超えたところで、絶縁抵抗が急激に低下し、駆動回数が１．０Ｅ＋０９［ｃｙｃ］のときに絶縁抵抗が０になった。従って、発明品１、２は、従来品に対して約３倍の寿命を得ることができ、従来品と比較して寿命を飛躍的に向上させることができた。

なお、本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、圧電アクチュエータ１は、密閉容器１１を円筒形状とし、圧電体素子２の形状を矩形とした場合を例に説明したが、かかる形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。また、実施例１では、酸化性ガスの例として酸素やオゾンが好ましいとしたが、酸化性ガスであればよい。同様に実施例２では、過酸化金属の例としてＰｂＯ_２、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＡｇＯ等が好ましいとしたが、還元することで安定化する過酸化金属であればよい。

１圧電アクチュエータ
２圧電体素子
１１密閉容器
２１、２２圧電層
２１０、２２０内部電極層

Claims

複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、
前記密閉容器内に酸化性ガスを封入した構成を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記酸化性ガスは、予め設定された露点温度に水分管理された乾燥ガスであることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記酸化性ガスの量を、前記密閉容器内に封入される気体の３０ｗｔ％〜１００ｗｔ％に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
前記酸化性ガスは、酸素又はオゾンであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、
前記密閉容器内に酸化性粉末を封入した構成を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記酸化性粉末は、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＡｇＯのいずれかを有する過酸化金属の粉末であることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。