JP2002289935A

JP2002289935A - 積層型圧電素子及び噴射装置

Info

Publication number: JP2002289935A
Application number: JP2001086028A
Authority: JP
Inventors: Hideki Uchimura; 英樹内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合
でも、耐久性に優れた積層型圧電素子及び噴射装置を提
供する。【解決手段】複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交
互に積層してなるとともに、側面に複数の内部電極２の
端部を一層おきに露出せしめる複数の凹溝５を有する柱
状積層体１ａと、該柱状積層体１ａの凹溝５内に収容さ
れ、内部電極２を一層おきに電気的に接続する金属線７
とを具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電素子及
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及び噴射装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術】従来、積層型圧電素子として圧電体と内部
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。この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
されており、その積層方向における上下の最外層は不活
性部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５４で被覆され、その上から帯状
外部電極５６が被覆され、内部電極５２と左右各々一層
おきに導通している。帯状外部電極５６上には、さらに
リード線５７が半田５８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
クチュエータにおいて大きな圧力下で大きな変位量を確
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、１層おきに形成された絶縁体５４
にクラックが生じ、漏れ電流により放電現象が生じ、接
点が溶断する、若しくは圧電体５１間に形成された内部
電極５２と正極、負極用の外部電極５６との間で接触不
良が発生し、一部の圧電体５１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、柱状積層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体で被覆され、内部電極と
その上下の圧電体が強固に接合されており、この絶縁体
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
からなる絶縁体に割れが生じ、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、柱状積層体は、圧電体と内部電極と
の積層方向に伸縮するため、内部電極の端部及びその近
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
縁体が、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、耐久性に優れた積層型圧電素子及
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
なるとともに、側面に前記複数の内部電極の端部を一層
おきに露出せしめる複数の凹溝を有する柱状積層体と、
該柱状積層体の凹溝内に収容され、前記内部電極を一層
おきに電気的に接続する金属線とを具備するものであ
る。

【００１０】本発明の積層型圧電素子では、例えば、複
数の凹溝内にそれぞれ金属線を収容し、これらの金属線
を連結したり、或いは複数の凹溝内に金属線を蛇行した
状態で収容することにより、内部電極が金属線で一層お
きに電気的に接続され、柱状積層体が積層方向に伸縮し
たとしても、伸縮する圧電体には金属線が形成されてい
ないため、金属線には殆ど伸縮による応力が発生せず、
高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、金
属線と内部電極との接続部に無理な荷重が作用すること
がなく、金属線と内部電極との断線を防止することがで
き、耐久性を大幅に向上できる。

【００１１】また、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してなるものであ
る。本発明では、積層型圧電素子の耐久性を向上できる
ため、噴射装置自体の耐久性を向上できる。

【００１２】

【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。

【００１３】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の対向する側面
において、内部電極２の端部を一層おきに交互に電気的
に接続して構成されている。

【００１４】ここで、圧電体１は、例えば、チタン酸ジ
ルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略
す）、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃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ｄ₃₃
が高いものが望ましい。

【００１５】また、圧電体１の厚みｔ、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ｔ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ｔが薄すぎると絶縁破壊しや
すいからである。

【００１６】圧電体１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−白金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。

【００１７】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を含有するスラ
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。

【００１８】次に、銀−白金粉末にバインダー、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
〜３０μｍの厚みに印刷する。

【００１９】そして、導電性ペーストが印刷されたグリ
ーンシートを複数積層し、この積層体の上下面に、導電
性ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数積
層し（不活性部となる）、所定の温度で脱バインダーを
行った後、１２００℃以下で焼成することによって作製
される。焼成後には柱状積層体１ａの４側面に内部電極
２が露出しており、積層方向の最上下には、変位に実質
的に寄与しない不活性部３が形成されている。

【００２０】そして、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、柱状積層体１ａの対向する側面において、内部
電極２の一方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Ｂが３０〜２００
μｍの凹溝５が、柱状積層体１ａの対向する側面の幅方
向全体にわたってそれぞれ形成されており、該凹溝５内
に金属線７がそれぞれ収容され、これらの金属線７が、
例えば、銀銅ロウ、銀ロウ、銅ロウ等のロウ剤９によっ
て内部電極２の端部と接続されている。これらの銀銅ロ
ウ、銀ロウ、銅ロウ等からなるロウ剤９は、凹溝５内に
一部充填されている。

【００２１】一方、凹溝５が形成されておらず、柱状積
層体１ａの側面に露出した内部電極２の他方の端部、即
ち金属線７に接続していない内部電極２の他方の端部
は、図示しないが、柱状積層体１ａの側面全面に、弾性
率が低い材料、例えばシリコーンゴム等で被覆すること
により絶縁されている。尚、この際に凹溝５内のロウ剤
９上にもシリコーンゴムが積層されることになる。ま
た、内部電極２の他方の端部近傍を被覆するように、柱
状積層体１ａの側面に、図６に示すように絶縁体を設け
ても良い。絶縁性を向上するという点からは、内部電極
２の他方の端部が露出する凹溝を形成して、該凹溝内に
絶縁体を充填することが望ましい。

【００２２】凹溝５内に収容された金属線７の両端は、
柱状積層体１ａの対向する側面から突出しており、金属
線７の両端は、フレーム１１に固定されている。このフ
レーム１１は導電性材料から構成されており、図２に示
すように、柱状積層体１ａの上下の不活性部３に当接す
る一対の支持部１１ａと、これらの支持部１１ａを連結
し、複数の金属線７を張る金属線固定部１１ｂとから構
成されている。

【００２３】フレーム１１の支持部１１ａは、不活性部
３の側面に当接しており、金属線固定部１１ｂは、金属
線７が内部電極２の端部に当接するように、不活性部３
の側面よりも柱状積層体１ａの中央部側に向けて突出し
ている。その突出量は、柱状積層体１ａの表面から金属
線７の埋設深さより僅かに大きいことが、金属線７と内
部電極２の端部との接続を強固にするという点から望ま
しい。

【００２４】また、金属線固定部１１ｂは、金属線７が
突出した柱状積層体１ａの対向する側面から、間隔Ｌを
有している。この間隔Ｌは、圧電体１の厚みｔと内部電
極２の厚みの和以上であることが、異なる極性を有する
内部電極２との絶縁性を向上するという点、接合部分に
発生する引っ張り応力を出来るだけ小さくし、金属フレ
ーム１１と内部電極２との接続を確実にするという点か
ら望ましい。

【００２５】また、金属線固定部１１ｂと、柱状積層体
１ａとの間隔Ｌには、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。特には、フレー
ム１１を埋設するように柱状積層体１ａの外周をシリコ
ーンゴム等で被覆することが望ましい。

【００２６】凹溝５内に収容された金属線７は、内部電
極２の端部とロウ剤９により接続固定されているが、こ
のロウ剤９は、内部電極２の端部と金属線７を接合でき
れば良く、圧電体１とのヤング率、熱膨張率の差によっ
て生じる応力を減少できるという点から、図３に示すよ
うに、凹溝５内におけるロウ剤９の充填率は８０％以下
とすることが望ましい。尚、凹溝５にロウ剤９を接着し
やすくするために、露出した凹溝５内部の側面に、蒸
着、スパッタリング、メッキ等で、薄膜の低抵抗部を予
め形成しておくことが望ましい。

【００２７】金属線７、及びフレーム１１はＡｕ、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ及びステンレスのうち少な
くとも１種からなる弾性を備えた金属材料からなること
が望ましく、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、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスが望ま
しい。

【００２８】また、金属線７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、断面積０．
００２ｍｍ²以上であることが望ましい。これは、金属
線７の比抵抗を小さくすることで金属線７に流れる大電
流による発熱を防ぎ、異常発熱によるアクチュエータ接
点の溶断を防ぐことで、高信頼性のアクチュエータを提
供することができるからである。

【００２９】さらに、図１に示したように、フレーム１
１の下側の支持部１１ａには、即ち、金属線７とフレー
ム１１により構成される正極、負極の一対の外部電極に
は、リード線１５が半田により接続固定されている。こ
のリード線１５はフレーム１１を外部の電圧供給部に接
続する作用をなす。

【００３０】以上のような積層型圧電アクチュエータ
は、上記したように、柱状積層体１ａを作製した後、こ
の柱状積層体１ａの対向する側面に、幅方向に側面全体
にわたって、内部電極２の端部が交互に露出する凹溝５
を形成し、これらの凹溝５内に、金属線７が埋設される
ように、図２に示したようなフレーム１１の支持部１１
ａを上下の不活性部３の側面に当接し、この状態で、ロ
ウ剤９によりロウ付けし、内部電極２の端部と金属線７
を接合する。

【００３１】次に、フレーム１１にリード線１５をハン
ダ付けし、この後、柱状積層体１ａの側面全面に、例え
ばシリコーンゴムを被覆し、フレーム１１自体を埋設す
るとともに、内部電極の他方の端部を絶縁する。

【００３２】この後、リード線１５を介して一対のフレ
ーム１１に１〜４ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、柱状
積層体１ａの圧電体１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する。

【００３３】このような積層型圧電アクチュエータのリ
ード線１５を外部の電圧供給部に接続し、リード線１
５、フレーム１１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。

【００３４】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、フレーム１１が金属線７を介して内部電
極２に接続されているため、従来のように柱状積層体１
ａの側面に積層方向に外部電極が形成されておらず、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、金属線７がアクチュエータの伸縮に十分追
従することができ、フレーム１１と内部電極２との間に
応力が生じ、フレーム１１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。

【００３５】尚、上記した例では、１つの凹溝５内に１
本の金属線７を収容した例について説明したが、本発明
では、１つの凹溝内に複数の金属線を収容しても良い。
この場合には、フレームと内部電極との接点数を増やす
ことができ、アクチュエータを高速で駆動させる場合に
おいても金属線と内部電極との接点不良や断線といった
問題が生じるのをさらに防止できる。

【００３６】図４は本発明の積層型圧電アクチュエータ
の他の例を示すもので、この積層型圧電アクチュエータ
では、複数の凹溝５内に、１本の金属線２５が蛇行した
状態で収容され、内部電極２の端部と接合されている。

【００３７】このような積層型圧電アクチュエータで
は、金属線２５が凹溝５内に収容されており、しかも金
属線２５が蛇行し、撓んだ状態となっているため、積層
方向に伸縮しても金属線２５には応力が作用することが
なく、上記例とほぼ同様の効果を得ることができる。ま
た、図１に示したようなフレームを不要とすることがで
きる。

【００３８】尚、図４に示した積層型圧電アクチュエー
タでも、凹溝内に複数の金属線を収容してもよいことは
勿論である。また、本発明の積層型圧電素子は上記した
例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。

【００３９】図５は、本発明の噴射装置を示すもので、
図において符号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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】

【発明の効果】本発明の積層型圧電素子によれば、柱状
積層体の凹溝内に収容され、内部電極を一層おきに電気
的に接続する金属線を具備するため、例えば、複数の凹
溝内にそれぞれ金属線を収容し、これらの金属線を連結
したり、或いは複数の凹溝内に金属線を蛇行した状態で
収容することにより、内部電極を一層おきに電気的に接
続することができ、柱状積層体が積層方向に伸縮したと
しても、金属線には殆ど伸縮による応力が発生せず、高
電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、金属
線と内部電極との接続部に無理な荷重が作用することが
なく、金属線と内部電極との断線を防止することがで
き、耐久性を大幅に向上できる。

【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’線に沿
った縦断面図である。

【図２】フレームを示すもので、（ａ）は側面図、
（ｂ）は斜視図である。

【図３】柱状積層体に形成された凹溝及びその近傍を拡
大して示す断面図である。

【図４】本発明の他の積層型圧電アクチュエータを示す
斜視図である。

【図５】本発明の噴射装置を示す断面図である。

【図６】従来の積層型圧電アクチュエータのを示す縦断
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５・・・凹溝７、２５・・・金属線３１・・・収納容器３３・・・噴射孔３５・・・バルブ４３・・・圧電アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に
積層してなるとともに、側面に前記複数の内部電極の端
部を一層おきに露出せしめる複数の凹溝を有する柱状積
層体と、該柱状積層体の凹溝内に収容され、前記内部電
極を一層おきに電気的に接続する金属線とを具備するこ
とを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】複数の凹溝内にそれぞれ金属線が収容さ
れ、これらの金属線が連結されていることを特徴とする
請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】複数の凹溝内に金属線が蛇行した状態で収
容されていることを特徴とする請求項１記載の積層型圧
電素子。
【請求項４】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３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。