CN101978522A

CN101978522A - 层叠型压电致动器

Info

Publication number: CN101978522A
Application number: CN2009801105968A
Authority: CN
Inventors: 葛西重治; 进藤智; 林宏一
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2011-02-16
Also published as: EP2259352A4; JPWO2009125553A1; WO2009125553A1; US20110018401A1; EP2259352A1; EP2259352B1; US7969066B2

Abstract

本发明的目的在于提供一种层叠型压电致动器，该层叠型压电致动器不容易因应力而发生外部电极的断裂，且引线等供电端子不容易从外部电极脱落。在层叠有多个内部电极及多个压电体层的层叠型压电体(2)的外表面形成有外部电极(9)，外部电极(9)包括基底电极(10)、和形成于基底电极(10)上的应力吸收用外部电极材料(11)，应力吸收用外部电极材料11包括可进行弹性形变的弹性结构部(11a)、和与弹性结构部(11a)相连并至少具有能够与引线等供电端子相接合的足够面积的平面部。

Description

层叠型压电致动器

技术领域

本发明涉及作为用于驱动柴油发动机的燃料喷射装置等的驱动源等而使用的层叠型压电致动器，更具体而言，所涉及的层叠型压电致动器的形成于层叠型压电体的外表面的外部电极具有对因层叠型压电体的伸缩所施加的应力进行缓和的应力吸收用外部电极材料。

背景技术

在层叠型压电致动器中虽然可以获得较大的位移量，但施加到层叠型压电体的应力也增大。层叠型压电致动器包括活性部和非活性部，上述活性部的与不同电位相连接的第一、第二内部电极隔着压电体层进行多层层叠，上述非活性部位于活性部的层叠方向外侧。在进行驱动时，不向非活性部的压电体层施加电压。因而，在驱动时，在利用压电效应而伸缩的活性部和非活性部之间施加较大的应力，可能会在压电体中产生裂纹。

若上述裂纹扩大，则可能会导致形成于层叠型压电体表面的外部电极断裂。因此，为了防止外部电极断裂，一直以来提出了各种结构。例如，在下述的专利文献1中，揭示了图6所述的层叠型压电致动器。如图6所示，对于层叠型压电致动器101，在层叠型压电体102中，将多个第一内部电极103和多个内部电极104隔着压电体层交替层叠。向侧面102a引出第二内部电极104。以覆盖侧面102a的方式形成有外部电极105。外部电极105包括基础金属被覆层105a和三维结构的电极材料105b，上述基础金属被覆层105a形成于侧面102a上，上述三维结构的电极材料105b配置于基础金属被覆层105a上。电极材料105b利用导电性接合材料106在多个接触部分与基础金属被覆层105a相接合。

即使在层叠型压电体102中产生裂纹A，该裂纹A到达侧面102a，基础金属被覆层105a断裂，但利用具有三维结构的电极材料105b也能够确保导通。另外，即使是在对具有三维结构的电极材料105b施加了成为裂纹A的原因的应力的情况下，也能够吸收该应力。因而，电极材料105b不容易断裂。

在专利文献1中，作为具有这样三维结构的电极材料105b，不限于图6所示的形状，还示出了使用海绵金属、金属网的结构。

另一方面，在下述专利文献2、专利文献3中，在层叠型压电致动器中，由金属网构成的增强用外部电极材料层叠于基底电极上。

专利文献1：日本专利特开平10-229227号公报

专利文献2：日本专利特开昭63-153870号公报

专利文献3：日本专利特开2003-210884号公报

发明内容

如上所述，提出了具有对来自层叠型压电体的应力进行吸收的结构的种种外部电极。

另外，对于层叠型压电体的外部电极，为了施加用于驱动层叠型压电致动器的电压，与引线等供电端子相接合。供电端子利用焊料、银焊等与外部电极相接合。因而，在供电端子和外部电极的接合部分不具有弹性。因而，若将来自上述层叠型压电体的应力施加到上述接合部分，则供电端子也可能脱落。若供电端子从外部电极脱落，则已经不能驱动层叠型压电致动器。

特别是在要求高速驱动的情况下，例如作为柴油发动机的燃料喷射装置用的驱动源而使用层叠型压电致动器的情况下，非常需要供电端子与外部电极进行牢固地接合。然而，在现有的层叠型压电致动器中，虽然能够实现进一步小型化且扩大位移量，但是难以充分提高外部电极和供电端子的接合强度。

本发明的目的在于消除上述现有技术的缺点，提供一种层叠型压电致动器，该层叠型压电致动器具有以下结构：即，外部电极不仅不容易因裂纹等所引起的应力而断裂，还能提高与引线等供电端子的接合强度。

根据本发明，提供一种层叠型压电致动器，其特征在于，包括层叠型压电体和第一、第二外部电极，上述层叠型压电体中层叠有多个内部电极和多个压电体层，上述层叠型压电体的多个内部电极包括与不同电位相连接的第一内部电极和第二内部电极，上述第一、第二外部电极分别与上述第一、第二内部电极电连接，且形成于上述层叠型压电体的外表面，上述第一、第二外部电极包括基底电极和应力吸收用外部电极材料，上述基底电极形成于上述层叠型压电体的外表面，上述应力吸收用外部电极材料设置于基底电极的外侧，上述应力吸收用外部电极材料包括弹性结构部和平面部，上述弹性结构部形成于上述基底电极上，且在施加外力时会发生弹性形变，上述平面部与上述弹性结构部相连，且具有的面积是能够对与上述第一、第二外部电极相接合的供电端子进行接合的面积以上。

本发明的层叠型压电致动器在某特定情况下，与上述供电端子相连接的平面部未与上述基底电极相接合，平面部以外的应力吸收用外部电极材料的一部分固定于基底电极。由于平面部未与基底电极相接合，因此即使平面部中与引线等供电端子相接合，来自层叠型压电体的应力也不容易传至平面部。因而，供电端子不容易从应力吸收用外部电极材料的平面部脱落。

另外，本发明的层叠型压电致动器在特定情况下，除了上述弹性结构部及平面部以外，还包括与基底电极相接合的固定部，在该固定部中应力吸收用外部电极材料与基底电极相接合。因而，由于平面部及弹性结构部这两者都未与基底电极相接合，因此弹性结构部中能够有效地吸收从层叠型压电体侧施加的应力，由此，不容易产生应力吸收用外部电极材料的断裂。而且，由于应力不容易传至上述平面部，因此供电端子不容易从平面部脱落。

本发明在其他特定情况下，在使用时固定上述层叠型压电致动器的端部侧包括上述应力吸收用外部电极材料的上述平面部。本发明的层叠型压电致动器适用于例如燃料喷射装置。在将本发明的层叠型压电致动器用于燃料喷射装置的情况下，通常，将层叠型压电驱动器仅在一侧的端部固定。因而，如上所述，通过使连接供电端子的外部电极材料的平面部与使用时固定层叠型压电致动器的端部侧相连接，从而由于累积的位移变小，因此能够抑制供电端子的脱落。

在本发明的层叠型压电驱动器中，外部电极包括基底电极和形成于基底电极的应力吸收用外部电极材料，在应力吸收用外部电极材料中，设置有在施加外力时发生弹性形变的弹性结构部、和与引线等供电端子相接合的平面分，因此通过弹性结构部发生弹性形变，可以有效地吸收所施加的应力，且上述应力不容易传至上述平面部。因此，即使重复使用，或长时间使用，外部电极也不容易产生断裂。另外，引线等供电端子等也不容易从外部电极脱落。

附图说明

图1(a)及(b)是示出本发明的实施方式1的层叠型压电致动器的外观的立体图及右视图。

图2是用于说明实施方式1的层叠型压电致动器的应力吸收用外部电极材料的弹性结构部的形状的部分剖开立体图。

图3是用于说明实施方式1的层叠型压电致动器的变形例的右视图。

图4是用于说明应力吸收用外部电极材料的弹性结构部的变形例的立体图。

图5是用于说明应力吸收用外部电极材料的弹性结构部的其他变形例的立体图。

图6是示出现有的层叠型压电致动器的一例的部分剖开主视剖视图。

标号说明

1层叠型压电致动器

2层叠型压电体

2a压电体层

2b、2c第二侧面

2d上表面

2e下表面

2f正面

2g背面

3～5第一内部电极

7、8第二内部电极

9外部电极

10基底电极

11应力吸收用外部电极材料

11a弹性结构部

11b、11c固定部

11d平面部

21、22插入金属层

31a弹性结构部

31b、31c固定部

32、33导电性接合材料

41a弹性结构部

41b、41c固定部

42、43导电性接合材料

具体实施方式

以下，通过一面参照附图、一面说明本发明的具体实施方式，来阐明本发明。

图1(a)及(b)是示出本发明的一实施方式的层叠型压电致动器的外观的立体图及示意性的右视图。

层叠型压电致动器1包括层叠型压电体2。层叠型压电体2是利用一体烧成技术来对内部电极和压电体陶瓷层进行烧成而获得的单片型的压电体。

更具体而言，在层叠型压电体2中，在层叠方向上交替配置有与一侧电位相连接的多个第一内部电极3～5、和与不同于第一内部电极的另一侧电位相连接的第二内部电极7、8。第一内部电极3～5及第二内部电极7、8以分别隔着压电体层2a重叠的方式进行配置。层叠型压电体2中，压电体层2a沿厚度方向进行分极。

将第一内部电极3～5向层叠型压电体2的第一侧面2b引出。另一方面，将多个第二内部电极7、8向与第一侧面2b相反一侧的第二侧面2c引出。

作为构成层叠型压电体2的压电材料，能够使用适当的压电陶瓷。另外，内部电极3～5、7、8是由Ag、Ag-Pd糊料那样的导电糊料和上述陶瓷进行共同烧结而形成的。

层叠型压电体2具有长方体状的形状，上述长方体状包括第一、第二侧面2b、2c、上表面2d、下表面2e、正面2f、及背面2g。形成有第一外部电极，使得与第一内部电极3～5的引出到侧面2b的内部电极端部边缘部分电连接。在图1(a)中，未示出第一外部电极。

另一方面，在第二侧面2c形成有第二外部电极9。第二外部电极9与第二内部电极7、8的引出到侧面2c的内部电极端部边缘部分电连接。

由于第一外部电极与第二外部电极9具有相同的结构，因此以第二外部电极9为代表进行说明。

第二外部电极9包括基底电极10和应力吸收用外部电极材料11，上述基底电极10由形成于侧面2c上的金属膜构成，上述应力吸收用外部电极材料11与基底电极10的外表面相接合。

基底电极10能够使用Ag、Ag-Pd等合适的金属形成。在本实施方式中，通过涂布包括上述金属的导电糊料，并进行烧接，从而形成基底电极10。但是，也可以利用蒸镀、镀敷、溅射等薄膜形成法来形成基底电极10。

应力吸收用外部电极材料11包括在施加外力时发生弹性形变的弹性结构部11a、多组第一、第二固定部11b、11c、及平面部11d。如图2所示，在本实施方式中，弹性结构部11a具有金属网状的形状。因而，即使在层叠型压电体2的层叠方向或与层叠方向交叉的方向上发生应力，金属网状部分也能很自然地进行弹性形变。因此，即使被重复驱动，或施加热冲击，弹性结构部11a也不容易断裂。

另一方面，第一、第二固定部11b、11c隔着弹性结构部11a而相对配置。第一、第二固定部11b、11c与基底电极10相接合。后文中将说明该接合结构。

上述弹性结构部11a未与基底电极10的外表面相接合。因而，弹性结构部11a很自然地进行弹性形变，吸收所施加的应力。但是，也可以将弹性结构部11a的一部分或全部与基底电极10相接合。在这种情况下，尽管弹性结构部11a的应力吸收作用降低，但与未设置弹性结构部11a的情况相比，也不容易产生断裂。

此外。也可以仅设置第一、第二固定部11b、11c中的一个。还可以不设第一、第二固定部11b、11c，使上述弹性结构部11a的一部分与基底电极10接合，并固定。

另一方面，平面部11d与上述弹性结构部11a的上方相连。平面部11d是至少具有与引线等供电端子相接合的足够面积的平面状部分。因而，在平面部11d的外侧表面，能够容易且可靠地利用焊接、银焊来接合引线等供电端子。由于除了接受应力而发生弹性形变的弹性结构部，还设置有与供电端子相接合的平面部11d，因此即使弹性结构部11a发生形变，供电端子也不容易从平面部11d脱落。

另外，在本实施方式中，以与上述平面部11d相连的方式设置第一、第二固定部11e、11f。但是，平面部11d也可以不与基底电极10相接合。在这种情况下，即使来自层叠型压电体2的应力传至基底电极10，该应力也不容易从基底电极10传至上述平面部11d。由此，供电端子不容易从平面部11d脱落。

最好将上述层叠型压电致动器1在使用时在上表面2d侧端部固定。例如，汽车的燃料喷射装置中使用层叠型压电致动器1作为致动器的情况下，仅将层叠型压电致动器1在一端侧固定。在这种情况下，最好在上表面2d侧固定。由此，由于累积位移在上表面2d侧要小于下表面2e侧，因此能够有效地抑制供电端子从平面部11d脱落。

在本实施方式中，上述第一、第二固定部11b、11c利用扩散接合而与基底电极10相接合。通过使用扩散接合，并不用加热至那么高的温度，就能使基底电极10和固定部11b、11c牢固地接合。

在使用上述扩散接合的情况下，如图3示意性的右视图所示，也可以在基底电极10上配置条状的插入金属层21、22来进行接合。该插入金属层21、22以跨过多个第一固定部11b、固定部11e及多个第二固定部11c、固定部11f的方式沿上下方向延伸。成为在一对带状的内插金属层21、22间配置上述弹性结构部11a及平面部11d。然后，将内插金属层21配置于多个固定部11b及11e和基底电极10之间，将内插金属层22配置于多个第二固定部11c、11f和基底电极10之间，在该状态下利用加热来进行扩散接合。

由此，将多个固定部11b、11c、11e、11f牢固地与基底电极10相接合。在这种情况下，由于设置有内插金属层21、22，因此配置于内插金属层21、22间的弹性结构部11a及平面部11d难以与基底电极10紧贴。由此，可以提高弹性结构部11a的应力吸收作用，而且来自基底电极10侧的应力更难传至平面部11d。

在上述实施方式中，弹性结构部11a具有网状的形状，但只要因施加的应力而发生弹性形变，能够吸收应力，则能够使用各种形状的弹性结构部11a。例如，如图4所示那样，也可以在第一、第二固定部31b、31c之间设置具有多个弯曲部的Z字形曲折形状的弹性结构部31a。第一、第二固定部31b、31c利用导电性接合材料32、33与基底电极相接合。

另外，如图5所示那样，也可以在第一、第二固定部41b、41c之间配置弯曲状即蛇行形状的弹性结构部41a。第一、第二固定部41b、41c利用导电性接合材料42、43与基底电极相接合。

图4及图5是示出弹性结构部的各种变形例的图。在这种情况下，也可以在第一、第二固定部间形成多排Z字形曲折形状的弹性结构部31a或弯曲状的弹性结构部41a。

接下来，基于具体实验例，说明利用上述实施方式的层叠型压电致动器使供电端子难以脱落的情况。

首先，使用包括锆钛酸铅类压电陶瓷粉末、树脂粘合剂、可塑剂的陶瓷浆料，利用刮刀法，形成厚度大约为160μm的陶瓷生片。

在上述陶瓷生片的单面上，印刷包含Ag-Pd粉末的导电糊料。层叠印刷有导电糊料的多片陶瓷生片，还在层叠方向两侧分别层叠多片无图案的陶瓷生片。对获得的层叠体进行加压，将陶瓷生片彼此之间进行压接。将压接后的层叠体切割为作为目标的层叠型压电体的大小，获得层叠体芯片。对层叠体芯片进行加热、和脱粘合剂处理，再进行烧成，获得层叠型压电体2。

在层叠型压电体2中，使相邻的内部电极间的距离、即夹在内部电极间的压电体层的厚度为100μm。由此，获得10mm×10mm×层叠方向尺寸40mm的层叠型压电体2。

在层叠型压电体2的侧面2b、2c，印刷以Ag为主体的导电糊料。印刷后，使导电糊料干燥，之后，作为用于扩散接合的内插金属层，印刷与上述导电糊料相同的导电糊料，并进行干燥。然后，配置应力吸收用外部电极材料。在这种情况下，使得第一、第二固定部11b、11c及平面部11d与构成内插金属层的导电糊料上面相接触，而弹性结构部11a与形成基底电极的导电糊料不接触。然后，使形成内插金属层的导电糊料干燥。

此外，作为应力吸收用外部电极材料11，是通过对铁-镍合金进行蚀刻，从而加工成为具有图1(b)所示的形状。加工后，在表面利用电镀形成5～10μm的银。

接下来，对上述导电糊料进行烧接，完成基底电极10，并使基底电极10与应力吸收用外部电极材料11的固定部11b、11c及平面部11d进行扩散接合。

此外，平面部11d的尺寸为高度2mm×宽度4mm的矩形形状。

由此获得的层叠型压电致动器的平面部11d利用焊接与由直径为1mm的硅橡胶绝缘柔性电线构成的引线相接合。

作为实施方式2，除了平面部的面积为2mm×2mm、且平面部未与基底电极相接合之外，都与上述实施方式1相同，获得了层叠型压电致动器。对于该实施方式2的层叠型压电致动器，也与实施方式1的实验例的情况相同，同样对由硅橡胶绝缘柔性电线构成的引线进行焊接。

为了进行比较，作为第一比较例，除了未设有上述平面部11d、且使用弹性结构部11a延伸至本应设有平面部11d的部分的应力吸收用外部电极材料之外，都与上述实施方式相同，从而制造了层叠型压电致动器。在该第一比较例的层叠型压电致动器中，与实施方式的情况相同利用焊接将上述弹性结构部的一部分与引线相接合。

(评价)

对上述第一、第二实施方式及第一比较例的各层叠型压电致动器分别准备五个样品，且使其分别与引线相接合。设对各样品施加0V-200V的矩形波，其中200V的施加时间为1ms(毫秒)，接下来施加0V时的时间为3ms(毫秒)，由此驱动各样品，并反复该驱动。求出到发生故障为止的驱动次数。此外，测定是在60℃及相对湿度为50％的情况下进行的，在该驱动条件下，从层叠型压电致动器发生大约10A的电流。

其结果是，在比较例的层叠型压电致动器中，在进行了1×10⁸以下的驱动次数后，五个样品全部停止驱动。

与此不同的是，在实施方式1的样品中，即使进行1×10⁹以上驱动，也未发现故障，在进行1.5×10⁹次驱动的情况下，五个样品内的三个样品停止驱动。而且，在实施方式2的样品中，即使五个样品全部被驱动2×10⁹次以上，也未发现故障。

即，可以认为与第一比较例相比，根据实施方式1，在上述平面部中，由于与引线牢固地接合，因此在发生故障前的驱动次数大幅地增加。而且可以认为在实施方式2中，由于平面部未与基底电极相接合，因此，引线更难以从平面部脱落。

Claims

1.一种层叠型压电致动器，其特征在于，

包括层叠型压电体和第一、第二外部电极，所述层叠型压电体中层叠有多个内部电极和多个压电体层，所述层叠型压电体的多个内部电极包括与不同电位相连接的第一内部电极和第二内部电极，

所述第一、第二外部电极分别与所述第一、第二内部电极电连接，且形成于所述层叠型压电体的外表面，

所述第一、第二外部电极包括基底电极和应力吸收用外部电极材料，所述基底电极形成于所述层叠型压电体的外表面，所述应力吸收用外部电极材料设置于基底电极的外侧，

所述应力吸收用外部电极材料包括弹性结构部和平面部，所述弹性结构部形成于所述基底电极上，且在施加外力时会发生弹性形变，所述平面部与所述弹性结构部相连，且具有的面积是能够对与所述第一、第二外部电极相接合的供电端子进行接合的面积以上。

2.如权利要求1所述的层叠型压电致动器，其特征在于，

所述应力吸收用外部电极材料的所述平面部未与所述基底电极相接合，所述平面部以外的应力吸收用外部电极材料的一部分与所述基底电极上相接合。

3.如权利要求2所述的层叠型压电致动器，其特征在于，

所述应力吸收用外部电极材料还包括与所述基底电极相接合的固定部，所述平面部及所述弹性结构部未与所述基底电极相接合。

4.如权利要求1至3的任一项所述的层叠型压电致动器，其特征在于，

所述基底电极与所述应力吸收用外部电极材料通过扩散接合而相接合。

5.如权利要求1至4的任一项所述的层叠型压电致动器，其特征在于，

在使用时固定所述层叠型压电致动器的端部侧包括所述应力吸收用外部电极材料的所述平面部。