JP2008060147A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】過酷な使用条件下でも、安定して駆動させることが可能な積層型圧電アクチュエータを提供する。
【解決方法】圧電セラミック層と内部電極層２１とを積層してなるセラミック積層体と、セラミック積層体の側面に設けられ、内部電極層２１に導通される外装電極２２と、複数の開口部２３Ｃを有し、かつ外装電極２２に接合される外部電極２３と、を有する積層型圧電アクチュエータ１０において、外部電極２３は、一部が外装電極２２に接合されるとともに、残部が前記セラミック積層体の側面から離間され、前記残部を通じて外部電極２３に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータ１０が駆動可能となるよう構成され、さらに、積層方向に沿って見たとき、開口部２３Ｃの最大長さが、セラミック積層体の側面に該積層方向に対して略垂直方向に発生しうるクラックＸの隣り合うクラックＸの最小距離よりも小さく形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータに関し、特に外部電極に電圧を印加して積層型圧電アクチュエータを駆動させた際に長時間安定して駆動させることが可能な積層型圧電アクチュエータに関する。

近年、印加電圧に応じて伸張する複数の圧電セラミック層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる圧電体素子（セラミック積層体に相当する。）を利用する積層型圧電アクチュエータが開発され、実用化されている。このような積層型圧電アクチュエータにおいては、前記圧電体素子の側面に設けられた外装電極によって同極の前記内部電極同士を電気的に接続するとともに、前記外装電極に対して所定の外部電極が接合されている。

このような積層型圧電アクチュエータにおいては、所定のドライバから前記外部電極及び前記外装電極を介して前記内部電極に高電圧が印加されることによって駆動され、前記積層型圧電アクチュエータを構成する前記圧電体素子が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮するようになる。この伸縮は、例えばプッシュロッドなどを介してインジェクタバルブなどに所定の変位として伝達される。

そして、上記外部電極として、例えば特許文献１に記載された積層型圧電アクチュエータでは、全体が積層体の積層方向に伸びるように形成されている。具体的には、導電性線材からなるメッシュ部材であって、導電性接着剤により積層体の側面に固着されている。

また、特許文献２に記載された積層型圧電アクチュエータでは、上記外部電極（特許文献2の第２側面電極に相当）として、穴付きの金属板が用いられる。

このような積層型圧電アクチュエータでは、複数の開口部を有する部材を外部電極に用いることにより、外部電極をフレキシブルにし、積層型圧電アクチュエータの伸縮動作に外部電極が追従させるようにして、外部電極の破損（断線）を防止している。
特開２００１−２１０８８４号公報 特開２００２−６１５５１号公報

しかしながら、上述した積層型圧電アクチュエータにおいて、前記伸縮の速度が速く、かつ前記変位量が大きく、さらに高温にて伸縮の回数が多くなるような過酷な使用条件下では、前記セラミック積層体の側面に、その積層方向に対して略垂直方向にクラックが発生し、そのクラックが伸張するに伴い、外装電極に亀裂が入り、最終的に外部電極が破損（断線）する場合がある。そして、前記外部電極が破損（断線）されると、積層方向に沿って見た時の隣り合うクラック同士の間において、前記外装電極を介して前記内部電極層に対して電圧を印加することができないことがあり、安定した積層型圧電アクチュエータの駆動を実施することは困難であった。

つまり、複数の開口部を有する部材を外部電極にただ単に用いただけでは、外部電極が破損（断線）する可能性があり、そして破損（断線）した場合には、圧電セラミック層の一部に電圧が印加されないことがあり、安定した積層型圧電アクチュエータの伸縮（変位）特性が得られないという問題があった。

なお、このような問題は、前記内部電極層の構造が、積層方向の略垂直方向に沿って見たとき、自身の一端部が前記圧電体素子において外装電極を設けた側面に露出する一方、自身の他端部が前記圧電体素子の側面に露出しない構造である、部分電極構造の場合に顕著に現れる。その理由としては、前記内部電極層が部分電極構造の場合、積層方向に見たとき、セラミック積層体のうち隣り合う内部電極同士に挟まれない部分が不活性部となり、その不活性部に応力が集中し、クラックが発生しやすいからである。

本発明は、高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な使用条件下においても、安定して駆動させることが可能な積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
圧電セラミックスよりなる圧電セラミック層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、前記セラミック積層体の側面に設けられ、前記内部電極層に導通される一対の外装電極と、複数の開口部を有し、かつ前記外装電極上に設けられるとともに、一対の前記外装電極にそれぞれに接合される一対の外部電極とを有する積層型圧電アクチュエータにおいて、
前記外部電極は、自身の一部が前記外装電極に接合されるとともに、残部が前記セラミック積層体の側面に離間又は当接し、前記残部を通じて一対の当該外部電極間に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータが駆動可能となるよう、構成されており、
さらに、前記セラミック積層体の積層方向に沿って見たとき、前記一部の前記開口部の最大長さが、前記セラミック積層体の側面に該積層方向に対して略垂直方向に発生しうるクラックの隣り合う該クラック同士の最小距離よりも小さい、ことを特徴とする積層型圧電アクチュエータに関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、積層型圧電アクチュエータが高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な使用条件下で使用されると、前記積層型圧電アクチュエータを構成するセラミック積層体の側面にその積層方向に対して略垂直方向にクラックが発生し、このクラックの発生に起因して前記外装電極さらには前記外部電極が破損することに着目した。

したがって、本発明においては、前記外部電極を前記積層型圧電アクチュエータが駆動した際に、複数の開口部を有する前記外部電極は、自身の一部が前記外装電極に接合されるとともに、残部が前記セラミック積層体の側面に離間又は当接し、前記残部を通じて一対の当該外部電極間に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータが駆動可能となるよう、構成されている。さらに、前記外部電極は、前記積層方向に沿って見たとき、前記一部の前記開口部の最大長さが、前記セラミック積層体の側面に該積層方向に対して略垂直方向に発生しうるクラックの隣り合う該クラック同士の最小距離よりも小さく、構成されている。

つまり、前記外部電極は、前記セラミック積層体の側面に発生しうるクラックの最小間隔よりも小さい間隔で前記外装電極に接合することになる。そして、前記外部電極の前記残部は、前記セラミック積層体に離間又は当接しており、接合されていないので、破損しない。さらに、前記積層方向に沿って見た時の隣り合うクラック同士の間に配置される前記外装電極及び前記内部電極層に対して、前記残部を通じて電圧が印加できるように、前記外部電極が構成されている。

従って、前記セラミック積層体の側面にクラックが発生して、前記外装電極が破損するに伴い、前記外部電極の前記外装電極と接合している部分（前記一部）が破損したとしても、前記内部電極層との電気的接触を確保することができる。

この結果、前記積層型圧電アクチュエータが高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な使用条件下で使用された場合においても、前記外部電極を介して前記内部電極層との導通が確保されるようになるので、前記積層型圧電アクチュエータに対して高電圧が長時間安定的に印加されることになり、これによって、前記積層型圧電アクチュエータの長時間安定した駆動が可能となる。

また、本発明の一態様としては、前記外部電極は所定の厚みを持つメッシュ部材から構成される。メッシュ部材の開口部は、線材を編んで形成しても良いし、板材を打ち抜くことで形成しても良い。上記外部電極をメッシュ部材から構成するようにすることによって、上述した作用効果を有する外部電極を簡易に形成することができる。

そして、本発明の他の態様としては、前記外装電極は、前記圧電セラミック層の側面に、略中央に帯状に形成する。この場合、前記外部電極と前記内部電極層との電気的接触を十分に確保することができる。

以上、本発明によれば、高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な使用条件下においても、安定して駆動させることが可能な積層型圧電アクチュエータを提供することができる。

以下、本発明の具体的特徴について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。

図1〜３は、本発明の積層型圧電アクチュエータの一例を示す図である。図1は、積層型圧電アクチュエータの要部を示す構成図であり、図２は、図1に示す積層型圧電アクチュエータの実装構造を示す図である。また、図３は、図１及び２に示す積層型圧電アクチュエータの圧電セラミック層を含むこのアクチュエータ素子の側面図である。

図１及び２に示すように、本例における積層型圧電アクチュエータは、アクチュエータ素子２０と、このアクチュエータ素子２０を内包するようにして設けられた金属ケース３０とを具えている。

アクチュエータ素子２０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック層と、導電性を有する内部電極（内部電極層に相当する。）２１とを交互に積層してなるセラミック積層体と、この内部電極２１と電気的に接続され、前記セラミック積層体の側面に設けられた導電性の一対の外装電極２２と、この外装電極２２に対してはんだ２４によって接合された一対の外部電極２３と、この外部電極２３と電気的に接続された一対のリード線２５とを含む。また、リード線２５は、樹脂３５を介して金属ケース３０及び金属ケース３０の裏蓋３２に固定されている。

そして、アクチュエータ素子２０の内部電極２１は、セラミック積層体の積層方向の略垂直方向に沿って見たとき、自身の一端部が前記アクチュエータ素子２０において外装電極２２を設けた側面に露出する一方、自身の他端部が前記アクチュエータの側面に露出しない、部分電極構造を有している。

なお、内部電極の積層数は例えば４００とすることができるが、使用態様などに応じて適宜に変化させることができる。

また、金属ケース３０の外方にはインジェクタボディ４０が設けられ、金属ケース３０と接合されることによって実装されている。そして、金属ケース３０とインジェクタボディ４０の上端には、コネクタ樹脂４２が配置されている。

アクチュエータ素子２０の一端は、ばね３３を介して金属ケース３０の表蓋３１に取り付けられており、プッシュロッド３４を介してインジェクタバルブ４１に接続されている。また、アクチュエータ素子２０の他端は、金属ケース３０の裏蓋３２に接触している。

さらに、図３に示すように、外装電極２２はアクチュエータ素子２０の略中央においてその長手方向において帯状に形成されている。

そして、外部電極２３は所定の金属板材を打ち抜き加工して、はしご状に形成している。尚、外部電極２３は、伸縮性があり、アクチュエータ素子２０の伸縮動作に追従可能となっている。具体的に、外部電極２３は、セラミック積層体の積層方向の略垂直方向に沿って延びる複数のはしご部材２３Ｂが所定の間隔で配置され、複数のはしご部材２３Ｂのそれぞれが、上記セラミック積層体の略積層方向に沿って延びる支持部材２３Ａで支持されている構成を採っている。そして、はしご部材２３Ｂの一部で外装電極２２と接合しており、はしご部材２３Ｂの残部及び支持部材２３Ａは、セラミック積層体から離間している。

このような構成により、はしご部材２３Ａを通じて一対の外部電極２３間に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータが駆動可能となる。

また、本例において、隣り合うはしご部材２３Ｂ同士の間に存在する空隙部分２３Ｃが外部電極２３の開口部に相当する。そして、積層方向に沿って見た時、開口部（空隙部分）２３Ｃの最大長さが、セラミック積層体の側面に積層方向の略垂直方向に発生するクラックＸの隣り合う該クラック同士の最小距離よりも小さく、形成されている。

すなわち、はしご部材２３Ｂは、隣り合う該クラック同士の最小距離より狭い間隔で、外装電極２２に接合される。

図１及び２に示す積層型アクチュエータ１０が図示しないドライバによって高電圧で駆動されると、アクチュエータ素子２０が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮するようになる。この伸縮はばね３３及びプッシュロッド３４を介してインジェクタバルブ４１に変位として伝達される。

本例においては、図示した積層型圧電アクチュエータ１０が、高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な条件下で使用されたような場合において、アクチュエータ素子２０を構成するセラミック積層体の側面に積層方向の略垂直方向にクラックＸが発生することにより外装電極２２が破損し、それによって外部電極２３のはしご部材２３Ｂの一部が破損する場合がある。特に、本例のように、内部電極の構造が部分電極構造の場合に、外部電極２３が破損することがよくある。その場合においても、積層方向に沿って見た時の隣り合うクラック同士の間に配置される外装電極２２に対して、別のはしご部材２３Ｂが接合されるので、破損していない外部電極２３の支持部材２３Ａを介して、外装電極２２の全体にわたって導通が確保される。
なお、外装電極２２は、クラックＸの発生に伴い、破損して切断されることがあるが、一つの外装電極としてみなす。

したがって、上述したような過酷な使用条件下においても、積層型圧電アクチュエータ１０に対して高電圧を安定的に負荷することができ、長時間安定して使用することができるようになる。

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図である。なお、本例において、積層型圧電アクチュエータの基本的な構成は図１に示すものと同じであり、実装構造についても図２に示すものと同じである。しかしながら、本例においては、図４に示すように外部電極の構成が上述した例と異なる。

図４に示すように、本例において、外部電極２３は、所定の厚みを有するメッシュ部材により構成されている。なお、メッシュ部材の開口部は、線材を編んで形成しても良いし、金属板材を打ち抜くことで形成しても良い。また、メッシュ部材である外部電極として、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を使用することもできる。尚、外部電極２３は、伸縮性があり、アクチュエータ素子２０の伸縮動作に追従可能となっている。

また、メッシュ状外部電極２３（メッシュ部材に相当する。）は、自身の一部が外装電極２２に接合されるとともに、残部がセラミック積層体の側面から離間されている。そして、メッシュ状外部電極２３の前記残部では、セラミック積層体の略積層方向に沿って延びる電気導通経路が形成されている。

このような構成により、前記残部（前記電気導通経路）を通じて一対のメッシュ状外部電極２３間に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータが駆動可能となる。

さらに、積層方向に沿って見た時、開口部２３Ｃの最大長さが、セラミック積層体の側面に積層方向の略垂直方向に発生するクラックＸの隣り合う該クラック同士の最小距離よりも小さく、形成されている。

すなわち、外部電極２２の前記一部は、隣り合う該クラック同士の最小距離より狭い間隔で、外装電極２２に接合される。

本例においても、図示した積層型圧電アクチュエータ１０が、高速、高変位、高温にて長時間連続駆動する過酷な条件下で使用されたような場合において、アクチュエータ素子２０を構成するセラミック積層体の側面にクラックＸが発生することにより、外装電極２２が破損し、それによって外部電極２３の前記一部が破損する場合がある。特に、本例のように、内部電極の構造が部分電極構造の場合に、外部電極２２が破損することがよくある。その場合においても、積層方向に沿って見た時の隣り合うクラック同士の間に配置される外装電極２２に対して、外部電極２３の前記一部が接合されるので、破損していないメッシュ状外部電極２３の前記残部（前記電気導通経路）を介して、外装電極２２の全体にわたって導通が確保される。

したがって、上述したような過酷な使用条件下においても、積層型圧電アクチュエータ１０に対して高電圧を安定的に負荷することができ、長時間安定して使用することができるようになる。

図５は、図４に示す積層型圧電アクチュエータの変形例である。本例においては、アクチュエータ素子２０を構成するセラミック積層体の側面のうち外装電極２２が設けられる側面に、積層方向の略垂直方向に予めスリットＹを形成する。そして、スリットＹにより、セラミック積層体に発生する応力を緩和することができるので、セラミック積層体の側面に発生するクラックを予防することができる。なお、その他の構成においては、基本的に図４に示す構成と同じである。

本例においては、アクチュエータ素子２０を構成するセラミック積層体に予めスリットＹを形成しているので、外装電極２２及び外部電極２３に発生しうる破損箇所を予測することができる。言い換えると、外装電極２２及び外部電極２３に発生しうる破損箇所は、スリットＹが形成されている箇所になる。したがって、外部電極２３（本例においてはメッシュ状電極）の開口部の大きさを、予備的な実験などを行うことなく、スリットＹの間隔を考慮して簡易に決定することができるようになる。

なお、上述した例においては、例えば積層型圧電アクチュエータ１０が３０μｍ程度伸びると、クラックＸは１０〜２０個の割合で生成される。したがって、図５に示すようなスリットＹを形成しないような場合（例えば図１〜４に関連した例）、このようなクラックＸの発生割合を考慮して、外部電極２３の開口部２３Ｃの大きさを決定する必要がある。

また、セラミック積層体の側面にスリットＹを形成する場合も、上記クラックＸの発生割合を考慮して、スリットＹの間隔を決定することが好ましい。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明の積層型圧電アクチュエータは、特に高変位と高速応答とを要する燃料噴射装置、液体あるいはガス流路開閉機構などに対して好適に用いることができる。

本発明の積層型圧電アクチュエータの要部を示す構成図である。 図1に示す積層型圧電アクチュエータの実装構造を示す図である。 図１及び２に示す積層型圧電アクチュエータの圧電セラミック層を含むこのアクチュエータ素子の側面図である。 本発明の積層型圧電アクチュエータの他の例を示す図である。 図４に示す積層型圧電アクチュエータの変形例である。

符号の説明

１０ 積層型圧電アクチュエータ
２０ アクチュエータ素子
２１ 内部電極
２２ 外装電極
２３ 外部電極
２４ はんだ
２５ 取り出し電極
３０ 金属ケース
３１ 金属ケースの表蓋
３２ 金属ケースの裏蓋
３３ ばね
３４ プッシュロッド
３５ 樹脂
４０ インジェクタボディ
４１ インジェクタボディバルブ
４２ コネクタ樹脂

Claims (3)

1. 圧電セラミックスよりなる圧電セラミック層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、
   前記セラミック積層体の側面に設けられ、前記内部電極層に導通される一対の外装電極と、
   複数の開口部を有し、かつ前記外装電極上に設けられるとともに、一対の前記外装電極にそれぞれに接合される一対の外部電極と、
   を有する積層型圧電アクチュエータにおいて、
   前記外部電極は、
   自身の一部が前記外装電極に接合されるとともに、残部が前記セラミック積層体の側面に離間又は当接し、
   前記残部を通じて一対の当該外部電極間に電圧を印加したときに、前記積層型圧電アクチュエータが駆動可能となるよう、構成されており、
   さらに、前記セラミック積層体の積層方向に沿って見たとき、前記一部の前記開口部の最大長さが、前記セラミック積層体の側面に該積層方向に対して略垂直方向に発生しうるクラックの隣り合う該クラック同士の最小距離よりも小さい、
   ことを特徴とする、積層型圧電アクチュエータ。
2. 前記外部電極は所定の厚みを持つメッシュ部材であることを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
3. 前記外装電極は前記セラミック積層体の側面に帯状に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層型圧電アクチュエータ。

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