JP4466321B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子に関するものである。

従来の積層型圧電素子として、例えば特許文献１に記載された圧電アクチュエータがある。この圧電アクチュエータは、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、積層体の側面に対向するように設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、第１の外部電極のそれぞれの外側に設けられ、第１の外部電極と電気的に接続された第２の外部電極とを備えている。そして、この圧電アクチュエータでは、端子としての接続ワイヤが各第２の外部電極にろう接されている。
特表２００３−５０２８６９号公報

しかしながら、上述した圧電アクチュエータには、次のような問題が存在する。すなわち、端子としての接続ワイヤが第２の外部電極にろう接されているため、圧電アクチュエータが長期間に渡って使用されると、接続ワイヤと第２の外部電極とのろう接部が破断するなど、圧電アクチュエータの信頼性に不安がある。また、一対の接続ワイヤが積層体とほぼ同じ幅で積層体の積層方向に延在しているため、各種装置に組み込む際の圧電アクチュエータのユニット化が困難となってしまう。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性が高く、且つ各種装置に組み込む際のユニット化が容易な積層型圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、積層体の側面に対向するように設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、第１の外部電極のそれぞれの外側に設けられた第２の外部電極と、を備え、第２の外部電極は、第１の外部電極と電気的且つ物理的に接続された本体部と、積層体の積層方向において積層体の一端面より突出した一端を有する延在部とを含んで一体的に形成され、積層体の一端面は、対向する第２の外部電極間における本体部間の距離より大きい幅を有するヘッドプレートが配置される面であり、延在部は、積層方向に沿って直線状に延在しており、本体部の一端及び延在部の他端は、積層方向において積層体の一端面より積層体の他端面側に位置しており、本体部の一端と延在部の他端とは、積層方向と交差する方向に沿って直線状に延在する接続部によって繋がれており、対向する第２の外部電極間において延在部間の距離はヘッドプレートの幅より大きいことを特徴とする。

この積層型圧電素子においては、第２の外部電極は、第１の外部電極と電気的且つ物理的に接続された本体部と、積層体の積層方向において積層体の一端面より突出した一端を有する延在部とを含んで一体的に形成されている。これにより、第２の外部電極の延在部を端子として使用することができるが、第２の外部電極は一体的に形成されているため、圧電素子が長期間に渡って使用されても、第２の外部電極が断線するのを防止することができる。従って、圧電素子の信頼性が向上することとなる。更に、対向する第２の外部電極間において延在部間の距離は本体部間の距離より大きいため、予圧印加用のプレートを積層体の一端面に配置するなど、各種装置に組み込む際の圧電素子のユニット化が容易となる。

本発明に係る積層型圧電素子によれば、信頼性が高く、且つ各種装置に組み込む際のユニット化が容易となる。

以下、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書において、「上」、「下」等の語は、図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

図１及び図２に示されるように、積層型圧電素子１は、多角柱形状（ここでは、四角柱形状）の積層体２を備えている。積層体２は、当該積層体２の積層方向（以下、単に「積層方向」という）に平行で且つ互いに対向するように位置する第１の側面２ａと第２の側面２ｂとを有している。

積層体２は、圧電体３と圧電体５とが交互に積層され、更に、圧電体７と圧電体９とで上下から挟み込まれるようにして構成されている。各圧電体３，５，７，９は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料からなり、矩形薄板状に形成されている。ここでは、各圧電体３，５の厚さは５０〜１００μｍである。

積層体２は、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とを有している。第１の内部電極１１は圧電体３の上面に形成されており、第２の内部電極１３は圧電体５，９の上面に形成されている。各内部電極１１，１３は、例えば、銀及びパラジウムを主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、各内部電極１１，１３の厚さは０．５〜５μｍである。

積層体２では、圧電体３，５を介在させて第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とが積層されている。これにより、積層体２では、複数の圧電体３，５と複数の内部電極１１，１３とが交互に積層されることとなる。

第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂよりも内側から第１の側面２ａに露出するように形成されている。すなわち、第１の内部電極１１の第２の側面２ｂ側の端は、第２の側面２ｂから所定の距離だけ離れて位置している。第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂに露出していない。

第２の内部電極１３は、第１の側面２ａよりも内側から第２の側面２ｂに露出するように形成されている。すなわち、第２の内部電極１３の第１の側面２ａ側の端は、第１の側面２ａから所定の距離だけ離れて位置している。第２の内部電極１３は、第１の側面２ａに露出していない。そして、第２の内部電極１３は、積層方向から見て、その一部が第１の内部電極１１の一部に重なるように位置している。

積層体２の各側面２ａ，２ｂには、外部電極２１が設けられている。外部電極２１は、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを含んで構成されている。第１の外部電極２３は、各側面２ａ，２ｂの一部を覆うように形成されている。第１の外部電極２３は、例えば、銀を主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、第１の外部電極２３の厚さは１〜４０μｍである。

第１の側面２ａに形成された第１の外部電極２３は、第１の側面２ａにおいて、当該第１の側面２ａに露出する第１の内部電極１１と電気的に接続されている。第２の側面２ｂに形成された第１の外部電極２３は、第２の側面２ｂにおいて、当該第２の側面２ｂに露出する第２の内部電極１３と電気的に接続されている。

第２の外部電極２５は、第１の外部電極２３と重なるように配置された本体部２７と、本体部２７に比べ第１の外部電極２３から離れて本体部２７より上方に配置された延在部２９と、本体部２７と延在部２９とを繋ぐ接続部３１とによって一体的に形成されており、各第１の外部電極２３の外側に配置されている。これにより、対向する第２の外部電極２５間において延在部２９間の距離Ｄ１は本体部２７間の距離Ｄ２より大きくなっている。

第２の外部電極２５は、例えば、銅及びその合金、ニッケル及びその合金、ステンレス鋼或いはベリリウム銅等の導電材料、又は導電材料の表面にめっきを施した部材からなり、平板状の部材が折り曲げられることで、本体部２７に対して延在部２９及び接続部３１がクランク状に形成されている。ここでは、第２の外部電極２５の厚さは１５０μｍ程度である。このように、平板状の部材を折り曲げるだけで、本体部２７、延在部２９及び接続部３１を有する第２の外部電極２５を容易に一体的に形成することができる。

本体部２７は、第１の部分２７ａと第２の部分２７ｂとを有している。第１の部分２７ａは、積層方向に沿って延在し、積層方向において不連続に配置されている。第２の部分２７ｂは、積層方向と交差する方向（ここでは、積層方向と直交する方向）に沿って延在し、第１の部分２７ａ同士を繋いでいる。これにより、本体部２７は、全体として、積層方向に沿って矩形波状（すなわち、パルス波状）に延在することとなる。

本体部２７は、各第１の部分２７ａに位置する接続部Ｐにおいて半田３３により不連続に第１の外部電極２３と電気的且つ物理的（すなわち、機械的）に接続されている。ここでは、半田３３の直径は２００μｍ程度である。なお、第１の外部電極２３と本体部２７とを、各接続部Ｐにおいてスポット溶接により或いは導電性接着剤により接続してもよい。また、第１の外部電極２３と本体部２７とを、各第２の部分２７ｂに位置する接続部Ｐにおいて不連続に電気的且つ物理的に接続してもよい。

延在部２９は、積層方向に沿って直線状に延在しており、積層方向において積層体２の上面（一端面）２ｃより突出した上端（一端）２９ａを有している。すなわち、延在部２９の上端２９ａは、積層方向において積層体２の上面２ｃより上方に位置している。なお、本体部２７の上端２７ａ及び延在部２９の下端２９ｂは、積層方向において積層体２の上面２ｃより下方に位置しており、本体部２７の上端２７ａと延在部２９の下端２９ｂとが、積層方向と交差する方向（ここでは、積層方向と直交する方向）に沿って直線状に延在する接続部３１によって繋がれている。

以上のように構成された積層型圧電素子１においては、一対の第２の外部電極２５の延在部２９を端子として、第１の側面２ａに形成された第１の外部電極２３と第２の側面２ｂに形成された第１の外部電極２３との間に電圧が印加されると、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に電圧が印加されることとなる。これにより、圧電体３，５においては、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とで挟まれた部分に電界が生じ、当該部分が活性部として変位することとなる。このような積層型圧電素子１は、燃料噴射制御用として特に好適なものである。

ところで、積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５の本体部２７は、積層方向に沿って矩形波状に延在すると共に、複数の接続部Ｐにおいて第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、本体部２７は積層方向に伸縮性を有することとなるため、積層体２の積層方向への変位が阻害されるのを抑制することができ、また、圧電素子１が長期間に渡って使用されても、本体部２７が断線するのを抑制することができる。なお、本体部２７は、矩形波状に限られず、積層方向に沿って波状（例えば、三角波状や正弦波状等）に延在するものであれば、積層方向への伸縮性を有することとなる。

更に、積層体２の各側面２ａ，２ｂに形成された第１の外部電極２３が断線したとしても、第１の外部電極２３には、第２の外部電極２５の本体部２７が複数の接続部Ｐにおいて電気的且つ物理的に接続されているため、第１の内部電極１１への導通路及び第２の内部電極１３への導通路が確保されることとなり、圧電素子１としての機能が損なわれることはない。

次に、積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、その基体ペーストを用いて、各圧電体層３，５，７，９となるグリーンシートを成形する。また、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料（例えば、銀：パラジウム＝７：３）に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

続いて、グリーンシート上に、第１の内部電極１１に対応する電極パターンを形成する。また、別のグリーンシート上に、第２の内部電極１３に対応する電極パターンを形成する。各電極パターンの形成は、上述した導電ペーストをスクリーン印刷することで行われる。

続いて、第１の内部電極１１に対応する電極パターンが形成されたグリーンシートと、第２の内部電極１３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシートとを交互に積層し、更に、電極パターンが形成されていないグリーンシートを最外層に積層して、積層体グリーンを作製する。ここでは、グリーンシートの積層数は３５０層程度である。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、６０℃程度）で加熱しながら、所定の圧力（例えば、１００ＭＰａ程度）で積層方向にプレスした後、その積層体グリーンを所定の大きさに切断する。積層体グリーンの切断は、例えば、ダイヤモンドブレードにより行われる。これにより、第１の内部電極１１が第１の側面２ａに露出し、第２の内部電極１３が第２の側面２ｂに露出することとなる。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂（すなわち、脱バインダ）した後、所定の温度（例えば、１１００℃程度）で所定の時間（例えば、２時間程度）焼成して、積層体２を得る。

続いて、積層体２の各側面２ａ，２ｂに、銀を主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定の温度（例えば、７００℃程度）で焼き付けて、第１の外部電極２３を形成する。なお、第１の外部電極２３の形成には、スパッタリング法や無電解めっき法等を適用してもよい。

続いて、用意した第２の外部電極２５を、半田付けにより各接続点Ｐにおいて第１の外部電極２３と接続する。第２の外部電極２５は、例えば、ステンレス鋼やニッケル合金等からなる板材にスズめっきを施した後、上述した形状に加工することで得られる。

最後に、分極処理（例えば、温度１２０℃の環境下で、強度が２ｋＶ／ｍｍになるように３分間にわたって電界を印加する）を施して、積層型圧電素子１を得る。

以上説明したように、積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５は、第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続された本体部２７と、積層方向において積層体２の上面２ｃより突出した上端２９ａを有する延在部２９とを含んで一体的に形成されている。これにより、第２の外部電極２５の延在部２９を端子として使用することができるが、第２の外部電極２５は一体的に形成されているため、圧電素子１が長期間に渡って使用されても、第２の外部電極２５が断線するのを防止することができる。従って、圧電素子１の信頼性が向上することとなる。

また、第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続される本体部２７と、端子として使用することができる延在部２９とが接続部３１を介して一体的に形成されているため、第２の外部電極に端子としてリードピン等を電気的に接続するようなものに比べ、部品点数を減少させることができる。しかも、第２の外部電極に端子としてリードピン等を電気的に接続するための位置決めも不要となる。

また、積層型圧電素子１は、燃料噴射装置等の各種装置に組み込むに際して積層体２に予圧をかけるために、次のようにユニット化される。すなわち、図２に示されるように、積層体２の上面２ｃに金属製のヘッドプレート３５が配置され、積層体２の下面２ｄに金属製のボトムプレート３７が配置されて、積層方向において圧縮力を作用させる筒形状の連結体３９によってヘッドプレート３５とボトムプレート３７とが連結される。このような積層型圧電素子１のユニット化においては、対向する第２の外部電極２５間において延在部２９間の距離Ｄ１が本体部２７間の距離Ｄ２より大きいため、積層体２の上面２ｃにヘッドプレート３５を配置するに際して延在部２９が邪魔にならず、各種装置に組み込む際の圧電素子１のユニット化が容易となる。

しかも、本体部２７の上端２７ａ及び延在部２９の下端２９ｂは、積層方向において積層体２の上面２ｃより下方に位置しており、本体部２７の上端２７ａと延在部２９の下端２９ｂとが、積層方向と交差する方向に沿って直線状に延在する接続部３１によって繋がれている。そのため、上述したような積層型圧電素子１のユニット化においては、積層体２の上面２ｃに配置されるヘッドプレート３５と第２の外部電極２５とのショートを防止することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、積層体２の形状は、多角柱形状に限られず、円柱形状であってもよい。そして、積層体２が円柱形状である場合には、外部電極２１は、互いに対向する位置であれば、側面の任意の領域に設けられる。

また、第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第２の側面２ｂに露出してもよい。同様に、第２の内部電極１３は、第１の側面２ａに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第１の側面２ａに露出してもよい。

また、第２の外部電極２５は、平板状の部材がクランク状に折り曲げられることで、本体部２７及び延在部２９を有していたが、平板状の部材が湾曲させられることで、本体部２７及び延在部２９を有するようにしてもよい。

また、第２の外部電極２５の延在部２９に端子としてコネクタを取り付けてもよい。

本発明に係る積層型圧電素子の一実施形態の斜視図である。 図１に示された積層型圧電素子の断面構成を説明するための模式図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、２ａ…第１の側面、２ｂ…第２の側面、２ｃ…上面（一端面）、３，５…圧電体、１１…第１の内部電極、１３…第２の内部電極、２３…第１の外部電極、２５…第２の外部電極、２７…本体部、２９…延在部、２９ａ…上端（一端）。

Claims (1)

1. 複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、
   前記積層体の側面に対向するように設けられ、所定の前記内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、
   前記第１の外部電極のそれぞれの外側に設けられた第２の外部電極と、を備え、
   前記第２の外部電極は、前記第１の外部電極と電気的且つ物理的に接続された本体部と、前記積層体の積層方向において前記積層体の一端面より突出した一端を有する延在部とを含んで一体的に形成され、
   前記積層体の一端面は、対向する前記第２の外部電極間における前記本体部間の距離より大きい幅を有するヘッドプレートが配置される面であり、
   前記延在部は、前記積層方向に沿って直線状に延在しており、
   前記本体部の一端及び前記延在部の他端は、前記積層方向において前記積層体の一端面より前記積層体の他端面側に位置しており、前記本体部の一端と前記延在部の他端とは、前記積層方向と交差する方向に沿って直線状に延在する接続部によって繋がれており、
   対向する前記第２の外部電極間において前記延在部間の距離は前記ヘッドプレートの幅より大きいことを特徴とする積層型圧電素子。
   

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