JP3598057B2

JP3598057B2 - 積層型圧電素子および噴射装置

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Publication number: JP3598057B2
Application number: JP2000363698A
Authority: JP
Inventors: 成信中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002171003A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関し、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およ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６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最外層は不活性層５５とされている。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、圧電体間に形成された内部電極と正極、負極用の外部電極との間で剥離が発生し、一部の圧電体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】
例えば、特開平４−２３７１７２号公報には、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部が、一層おきにガラスからなる絶縁層で被覆され、内部電極とその上下の圧電体が強固に接合されており、この絶縁層が外部電極の凹部内に収容されて、外部電極と内部電極との絶縁性が確保された積層型圧電アクチュエータが開示されているが、このような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、ガラスからなる絶縁層に割れが生じ、この割れを介して内部電極と外部電極との間でショートが発生し、一部の圧電体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。
【０００７】
即ち、アクチュエータ本体は、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮するため、内部電極の端部およびその近傍の圧電体に設けられた高ヤング率のガラスからなる絶縁層が、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と外部電極間でショートが発生し易いという問題があった。
【０００８】
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および噴射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層して形成された柱状積層体と、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、前記外部電極がコイル状弾性部材からなるものである。
【００１０】
本発明の積層型圧電素子では、外部電極をコイル状弾性部材で形成しているため、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、コイル状弾性部材からなる外部電極がアクチュエータの伸縮に追従し、外部電極と内部電極とが断線するといった問題が生じるのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上できる。
【００１１】
ここで、コイル状弾性部材からなる外部電極の積層方向の繰り返し周期が、圧電体厚みと内部電極厚みの和の２倍とほぼ等しいことが望ましい。この場合には、コイル状弾性部材からなる外部電極と、一層おきに同一の極となる内部電極との接点が確実に形成され、外部電極と内部電極とを電気的に確実に接続することができる。
【００１２】
また、本発明では、外部電極が複数個のコイル状弾性部材からなることが望ましい。この場合には、コイル状弾性部材からなる外部電極と内部電極との接点数を増やすことができ、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、該外部電極と内部電極の間の接点不良を防ぐことができ、高信頼性のアクチュエータを提供することができる。
【００１３】
さらに、本発明では、柱状積層体が多角柱状であり、コイル状弾性部材からなる外部電極の内部電極が接続される部分に平坦部を有することが望ましい。この場合には、コイル状弾性部材の平坦部と、柱状積層体の側面に露出した内部電極との接続面積が増加し、アクチュエータを連続で高速駆動する場合にも、該外部電極と内部電極とを確実に接続できる。
【００１４】
さらに本発明では、コイル状弾性部材からなる外部電極が、積層方向に対して傾斜した状態で柱状積層体に設けられていることが望ましい。この場合には、外部電極の積層方向に垂直な断面積を小さくすることができ、外部電極の体積を小さくすることができ、小型の積層型圧電素子を得ることができる。
【００１５】
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防止でき、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の端部をコイル状弾性部材からなる外部電極４の各々に接続し、各外部電極４にリード線６を接続固定して構成されている。
【００１９】
圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（以下ＰＺＴと略す）、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３を主成分とする圧電セラミック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ｄ_３３が高いものが望ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、先ず、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。
【００２３】
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。
【００２４】
そして、最後に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。
【００２５】
さらに、焼成後には柱状積層体１ａのすべての側面に内部電極２が露出しているが、少なくとも一つの側面において、内部電極２の端部を含む圧電体１の端面に一層おきに深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅３０〜２００μｍの溝が形成されており、該溝内にガラス、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。
【００２６】
この絶縁体３により、柱状積層体１ａの対向する側面において、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、後述の正極及び負極を成すコイル状弾性部材からなる一対の外部電極４に接続されている。
【００２７】
なお、絶縁体３は、柱状積層体１ａとの接合を強固とするために、柱状積層体１ａの変位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。
【００２８】
柱状積層体１ａの対向する側面にはそれぞれコイル状弾性部材からなる外部電極４が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。このコイル状弾性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。コイル状弾性部材からなる外部電極４の隙間に、外部電極を埋設するように、弾性率が低い材料、例えばシリコーンゴム等を充填することが望ましい。
【００２９】
このように外部電極４がコイル状弾性部材にて形成されているため、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、コイル状弾性部材からなる外部電極４がアクチュエータの伸縮に追従し、該外部電極４と内部電極２とが断線するといった問題が生じるのを防ぐことができ、耐久性に優れたのアクチュエータを提供することができる。
【００３０】
外部電極４は、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、ステンレス、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の導電性を備え、弾性を備えた金属材料からなり、このうち、耐酸化性が良好で、導電性が良いという点から、Ａｇ、Ｎｉ、ステンレスが望ましく、また、外部電極４を形成する線材の線径は低抵抗であり、且つ、全体として伸縮性に富むという点から、５０〜５００μｍ程度であることが望ましい。
【００３１】
外部電極４は、外部からの挟持力により柱状積層体１ａ側面に押し当てられた状態で内部電極２と接続しても、また、導電性接着剤や導電性ペースト、半田等によって内部電極２と接続固定しても構わない。
【００３２】
また、外部電極４を接続する内部電極２の露出した柱状積層体１ａの側面に、蒸着、スパッタリング、メッキ等で、薄膜の低抵抗部を予め形成しておいても良い。
【００３３】
さらに、外部電極４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は外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【００３４】
また、本発明では、コイル状弾性部材からなる外部電極４の積層方向の繰り返し周期が、圧電体１の厚みと内部電極２の厚みの和の２倍とほぼ等しくしている。言い換えれば、外部電極４の繰り返し周期を、一層おきに露出している同一極の内部電極２間の距離にほぼ等しくしている。
【００３５】
これは、外部電極４の積層方向の繰り返し周期を、圧電体１の厚みと内部電極２の厚みの和の約２倍と等しくしておくことにより、柱状積層体１ａ側面に一層おきに露出する同一極の内部電極２端部の繰り返し周期と等しくなり、外部電極４と内部電極２との接続を確実なものとすることができる。
【００３６】
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。
【００３７】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータでは、外部電極４がコイル状弾性部材により形成されているため、該外部電極４がアクチュエータの伸縮に十分追従することができ、外部電極４と内部電極２との間に応力が生じ、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、高信頼性のアクチュエータを提供することができる。
【００３８】
さらに、本発明では、図２に示すように、正極、負極とも２個のコイル状弾性部材によって外部電極４を形成しても良い。この場合には、コイル状弾性部材からなる外部電極４と内部電極２との接点数を増やすことができ、アクチュエータを高速で駆動させる場合においても外部電極４と内部電極２との接点不良や断線といった問題が生じるのを防ぐことができる。
【００３９】
また、本発明では、図３に示すように、コイル状弾性部材からなる外部電極４の内部電極が接続される部分に平坦部４ａを有することが望ましい。即ち、積層方向に垂直な断面が略四角形若しくは楕円形のコイル状弾性部材で外部電極４を形成し、その長辺部分で柱状積層体１ａに露出した内部電極２と接続しても良い。この場合には、外部電極４と内部電極２との接続面積を増やすことができ、アクチュエータを高速で駆動させる場合においても、外部電極４と内部電極２との接続を確実に行うことができる。
【００４０】
さらに、本発明では、図４に示すように、コイル状弾性部材からなる外部電極４が積層方向に対して傾いた状態で柱状積層体１ａと接続しても良い。即ち、図１（ｂ）の外部電極４では、コイル状弾性部材の巻回方向が積層方向に対してほぼ直角であるが、図４の外部電極は、図１（ｂ）の外部電極４を柱状積層体１ａ側に押圧して巻回方向を傾斜させている。この場合には、該外部電極４の積層方向に垂直な断面積を小さくすることができ、外部電極４の体積を小さくでき、積層型圧電アクチュエータを小型化できる。尚、図４の外部電極４をさらに柱状積層体１ａ側に押圧して、巻回するコイル状弾性部材を柱状積層体１ａに沿って形成しても良い。この場合には、さらに積層型圧電アクチュエータを小型化できる。
【００４１】
本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４２】
図５は、本発明の噴射装置を示すもので、図５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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
まず、線径が１００μｍで繰り返し周期が３００μｍ、中心径が２ｍｍのステンレスからなるコイル状弾性部材を用いて外部電極を形成し、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。柱状積層体の積層方向に垂直な断面は１辺長さ７ｍｍの正方形である。
【００４７】
また、圧電体は厚み１４７μｍのＰＺＴで形成し、内部電極は厚み３μｍ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とした。また、柱状積層体の対向する側面の外部電極形成面において、内部電極の露出する端部には一層おきに左右交互に溝を形成し、該溝に絶縁体としてシリコーンゴムを充填した。
【００４８】
フッ素樹脂からなるチューブ内に外部電極を含めた柱状積層体を挿入することにより、該チューブの狭持力により、コイル状外部電極からなる外部電極を、内部電極に当接した状態で柱状積層体の対向する側面に押圧固定した。
【００４９】
その後、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、積層型圧電アクチュエータを得た。
【００５０】
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６０Ｈｚの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、１×１０^９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。表１のサンプルＮｏ．１に記載する。
【００５１】
（実施例２）
次に、外部電極の構成を表１に示すように変化させた以外は、実施例１と同様の構成の積層型圧電アクチュエータを作製した。サンプルＮｏ．２は、中心径が１ｍｍである以外は実施例１と同様のコイル状弾性部材を、図２に示すように正極、負極ともに２個ずつ用いて外部電極を形成したものである。サンプルＮｏ．３は、積層方向に垂直な断面形状が略四角形である以外は実施例１と同様のコイル状弾性部材を用いて、図３に示すような外部電極を形成したものである。また、比較例のサンプルＮｏ．４は、銀粉末をガラスに分散させたペーストにて図６に示すような外部電極を形成したものである。
【００５２】
得られた積層型圧電アクチュエータに室温で２００Ｖの交流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加し、駆動試験を行った。初期に得られた変位量はすべてのサンプル（Ｎｏ．１〜４）において５０μｍであった。得られた結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
サンプルＮｏ．４の場合、外部電極がヤング率の高い銀分散のガラスペーストで形成されているために、１×１０^４サイクルで、アクチュエータの伸縮に外部電極が追従できずに外部電極とアクチュエータの間に引っ張り応力が生じ、外部電極と内部電極との接続部においてクラックが発生し、スパークが生じてしまった。
【００５５】
一方、本発明のコイル状弾性部材を用いて外部電極を形成したサンプルＮｏ．１〜３は、外部電極がアクチュエータの伸縮に十分追従でき、高速で１×１０^９サイクル連続駆動した場合においても変位量はほとんど減少しなかった。
【００５６】
さらに、コイル状弾性部材を２個用いて外部電極を形成したサンプルＮｏ．２及び積層方向に垂直な断面形状を略四角形にしたサンプルＮｏ．３においては、外部電極と内部電極との接点面積が多いために、高い印加電圧で高速で１×１０^１０サイクル連続駆動させた場合にも、外部電極と内部電極との間に接点不良が生じることなく、高信頼性を備えていることが判る。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、外部電極をコイル状弾性部材によって形成したので、外部電極が積層型圧電素子の伸縮に十分追従することができ、外部電極と内部電極の間の接点不良や、外部電極がスパーク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アクチュエータを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線縦断面図である。
【図２】２つのコイル状弾性部材からなる外部電極を用いて形成した本発明の他の積層型圧電アクチュエータの斜視図である。
【図３】平坦部を有する外部電極を用いて形成した本発明のさらに他の積層型圧電アクチュエータの横断面図である。
【図４】外部電極を傾斜させた本発明のさらに他の積層型圧電アクチュエータの縦断面図である。
【図５】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図６】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
４ａ・・・平坦部
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ

Claims

複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層して形成された柱状積層体と、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、前記外部電極がコイル状弾性部材からなることを特徴とする積層型圧電素子。
外部電極が複数個のコイル状弾性部材からなることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
柱状積層体が多角柱状であり、コイル状弾性部材からなる外部電極の内部電極が接続される部分に平坦部を有することを特徴とする請求項１または２記載の積層型圧電素子。
コイル状弾性部材からなる外部電極が、積層方向に対して傾斜した状態で柱状積層体に設けられてい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。
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４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。