JP2009130194A - 積層型圧電アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の大型化を招くことなく、高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】積層体５の両側の側面には、積層方向と垂直に、スリット６が複数形成されるとともに、側面電極７，８が形成されている。側面電極７，８の表面には、はんだ層９，１０を介して一対の外部電極１１，１２が、固着されている。外部電極１１，１２は、導電性部材からメッシュ状に形成されている。外部電極１１，１２のスリット６を跨ぐ位置には、積層体５の積層方向と垂直な方向に側面電極７，８の側方から張り出し、側面電極７，８と非固着状態とされる拡幅部２１，２２が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子に係り、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等の駆動源として好適な積層型圧電アクチュエータ素子に関する。

近年、印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極とを交互に複数積層した構造の積層型圧電アクチュエータ素子が開発され、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素子では、内部電極で挟まれた部分の圧電層は分極領域となり、内部電極で挟まれていない部分は非分極領域となる。このため、分極領域と非分極領域との境界部分で変位分布が大きく変化しこの部分に応力が集中する。この応力集中により、高速で長期間駆動するとクラックが発生する可能性が増大し、耐久性が低下してしまう。

このため、積層体の側面に、積層方向と垂直（積層面に平行）な方向に複数のスリットを所定間隔で形成した積層型圧電アクチュエータ素子が知られている。また、かかる構成の積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体の側面に側面電極が形成され、この側面電極が内部電極と電気的に接続された構成となっているが、この側面電極がスリットにより分離された構成となる。このため、スリットにより分離された側面電極同士をリード線等の外部電極によって接続した構成とすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記の構造の積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体に発生したクラックにより、側面電極にもクラックが生じ、断線状態となってしまう虞がある。また、リード線と側面電極との固着部分が外れて断線状態となってしまう虞もある。さらに、リード線が積層体の側面から張り出して設けられるため、装置全体の大きさが大型化するという問題もある。このため、リード線の代わりに、側面電極の外側に伸縮可能なメッシュ状の外部電極を固着し、断線状態となる可能性を低減することが知られている。

また、側面電極の全高さにわたって、積層体の側面から所定長さ（例えば、７×７ｍｍ、高さ４０ｍｍの積層体の場合５〜１０ｍｍ）突出するように金属シート等の外部電極を固着し、側面電極にクラックが発生しても、このクラックの端部が金属シート等の外部電極内に止まるようにし、断線状態となる可能性を低減することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６２−２７１４７８号公報 特表２００１−５０７１６９号公報

上記したように積層体に複数のスリットを設けた従来の技術では、積層体の側面に形成された複数のスリット部分が開閉するように変形して積層体に発生する応力を緩和する。このため、伸縮可能なメッシュ状の外部電極を用いた場合においても、このスリット部分で特に外部電極が破断する可能性が高くなるという問題があった。

また、側面電極の全高さにわたって、積層体の側面から突出するように金属シート等の外部電極を固着する従来の技術では、金属シートが積層体から突出した分、積層型圧電アクチュエータ素子を収容する容器等の大きさを大きくしなければならず、素子の大型化を招くという問題があった。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、素子の大型化を招くことなく、高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供しようとするものである。

本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、当該積層体の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に当該積層体の積層方向に沿って任意の間隔で形成された複数のスリットと、前記スリットで分離される形態で前記積層体の対向する前記側面に夫々形成され、前記内部電極と電気的に接続された側面電極と、を有する積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、前記積層体の対向する前記側面に夫々形成され、前記スリットを跨いで分離された前記側面電極と固着されて、分離された当該側面電極同士を電気的に接続する外部電極であって、前記スリットを跨ぐ位置に、前記側面電極の側方より外側に張り出し、前記側面電極と非固着状態とされる拡幅部が部分的に形成されてなる外部電極を具備したことを特徴とする。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、外部電極が、積層体のスリットを跨ぐ位置に、側面電極の側方より外側に張り出し、側面電極と非固着状態とされる拡幅部を部分的に有している。したがって、スリットが開閉するように変形してスリットを跨ぐ部分の外部電極に応力が掛かっても、拡幅部によって外部電極が完全に破断に至るまでのマージンが増大し、外部電極が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。また、この拡幅部は、側面電極と非固着状態とされているので、スリットの開閉によって直接積層方向への引っ張り力が作用することがなく、この拡幅部がスリットの開閉によって破断する可能性は低いため、外部電極が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。さらに、外部電極としてリード線等を用いず、且つ拡幅部は側面電極の側方の外側に張り出す状態で部分的に形成されているだけなので、素子の大型化を招くことがない。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、外部電極の少なくとも一部が、メッシュ状に形成されている構成とすることが好ましい。このような構成とすれば、スリットの開閉等の積層体の変形に応じて外部電極が変形し、外部電極が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、外部電極のスリットを跨ぐ位置に、側面電極と非固着状態とされ、積層方向の長さが、スリットの積層方向の長さより長い非固着領域を設けた構成とすることが好ましい。このような構成とすれば、スリットの開閉に応じて変形可能な外部電極の領域が増大し、変形することによって破断を免れる可能性が増大するので、外部電極が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、側面電極が形成される積層体の対向する側面のそれぞれを平面視したとき、拡幅部を含めた外部電極が当該側面の領域内に収まっていることが好ましい。このような構成とすれば、外部電極が積層体の側辺から突出することがなく、素子の大型化を招くことがない。

上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込んで使用することができる。

本発明によれば、素子の大型化を招くことなく、高速で長期間駆動した場合においても断線等が生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、耐久性の向上を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することができる。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子の全体概略構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、積層型圧電アクチュエータ素子１は、圧電セラミック例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電層２と、導電性を有する内部電極３，４とを交互に複数積層して構成された積層体５を具備している。なお、図１等において、積層体５の積層数は、省略して少なく示してあるが、実際の積層型圧電アクチュエータ素子１では、例えば、数十層〜数百層等の多数の積層数となっている。

内部電極３，４は、積層方向に対して交互に配置されており、圧電層２は、内部電極３と内部電極４によって挟まれている。これらの内部電極３同士が一方の同極（例えば正極）の電極とされており、内部電極４同士が他方の同極（例えば負極）の電極とされている。

内部電極３は、積層体５の一方の側面（図１において左側の側面）に一方の側辺が露出するようにその端部まで形成されており、内部電極３の他方の側辺は積層体５の他方の側面（図１において右側の側面）より所定距離手前まで形成され積層体５の他方の側面に露出しないように構成されている。一方、内部電極４は、積層体５の他方の側面（図１において右側の側面）に他方の側辺が露出するようにその端部まで形成されており、内部電極４の一方の側辺は積層体５の一方の側面（図１において左側の側面）より所定距離手前まで形成され積層体５の一方の側面に露出しないように構成されている。このように内部電極３，４を構成することによって、異極の内部電極３，４同士が電気的に短絡しないようになっている。

積層体５の対向する側面、つまり図１における左右両側の側面には、積層方向と垂直（積層面と平行）に、側面から所定深さ入り込むように、スリット６が一定間隔で複数形成されている。これらのスリット６は、積層型圧電アクチュエータ素子１を駆動した際に加わる応力を緩和する目的で形成されたものである。

また、積層体５の上記した両側の側面には、側面電極７，８が形成されている。これらの側面電極７，８は、例えば、導電性ペーストをスクリーン印刷等によってパターニングして形成されており、スリット６によって積層方向に分割されたブロック毎に分離した状態となっている。また、側面電極７，８は、図２に示すように、積層体５の側面の水平方向中央部分に所定幅Ｗ１にて形成されており、その両側は、積層体５の側面が露出した状態となっている。

図１に示すように、上記側面電極７，８の表面には、はんだ層９，１０が形成され、これらのはんだ層９，１０を介して一対の外部電極１１，１２が、固着されている。これによって、スリット６によって積層方向に分離された各側面電極７，８が夫々電気的に導通された状態となっている。これらの外部電極１１，１２は、スリット６を跨ぐように設けられており、スリット６の部分には、はんだ層９，１０が形成されておらず、この部分では、側面電極７，８と外部電極１１，１２とは非固着状態となっている。また、上記側面電極７，８のうち、図１中一番下側のブロックの側面電極７，８には、外部から電圧を供給するための電圧供給部材としてのリード電極１３，１４が、はんだ層９，１０を介して固着されている。

図２の側面電極７，８が形成された積層体５の対向する側面を平面視した図面（要部拡大図）に示すように、外部電極１１，１２は、導電性部材（例えば、銅）からメッシュ状に形成されており、積層体５の伸縮に応じて変形可能とされている。また、外部電極１１，１２のスリット６を跨ぐ位置には、積層体５の積層方向と垂直な方向に側面電極７，８の側方より左右それぞれに張り出し、側面電極７，８と非固着状態とされる拡幅部２１，２２が設けられている。なお、図２に示すＷ２が、外部電極１１，１２の拡幅部２１，２２部分の幅（積層方向と垂直な方向の長さ）を示している。このＷ２は、Ｗ１より長いが、積層体５の幅よりは短くなっている。したがって、拡幅部２１，２２が積層体５の側辺から突出することがなく、素子１の大型化を招くことがない。また、図２においてＷ３は、スリット６の幅（積層方向の長さ）を示しており、Ｗ４は、側面電極７，８と外部電極１１，１２（拡幅部２１，２２以外の中央部分）とが非固着状態となっている非固着領域の幅（積層方向の長さ）を示している。上記のＷ４は、Ｗ３よりも長くなっている。このように、Ｗ４を、Ｗ３よりも長くすれば、スリット６の開閉に応じて変形可能な外部電極１１，１２の領域が増大し、変形することによって破断を免れる可能性を増大させることができる。なお、拡幅部２１，２２は、スリット６を跨ぐ位置に配置されるが、後述するように外部電極１１，１２自身の完全な破断を防止するために、積層方向に沿った長さＷ５は、スリット６の幅Ｗ３よりも長くなっている。

上記のように、本実施形態では、外部電極１１，１２のスリット６を跨ぐ位置には、積層体５の積層方向と垂直な方向に側面電極７，８の側方から張り出し、側面電極７，８と非固着状態とされる拡幅部２１，２２が設けられている。これによって、スリット６が開閉するように変形してスリット６を跨ぐ部分の外部電極１１，１２に応力が掛かったとしても、拡幅部２１，２２によって外部電極１１，１２が完全に破断に至るまでのマージンが増大し、外部電極１１，１２が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。また、この拡幅部２１，２２は、側面電極７，８と非固着状態とされているので、スリット６の開閉によって直接積層方向への引っ張り力が作用することがなく、この拡幅部２１，２２がスリット６の開閉によって破断する可能性は低いため、外部電極１１，１２が完全に破断して断線状態となる可能性を低減できる。

なお、図２に示す外部電極１１，１２では、拡幅部２１，２２の部分が板状となっており、メッシュ状となっていないが、図３に示す外部電極１１，１２のように、拡幅部２１，２２の部分を含めて全体をメッシュ状としてもよい。また、図３に示した外部電極１１，１２では、拡幅部２１，２２のメッシュ形状を他の部分のメッシュ形状と異ならせ、周縁部分が曲線状となっているが、例えば、図４に示す外部電極１１，１２のように、拡幅部２１，２２のメッシュ形状を他の部分のメッシュ形状と同一としてもよく、どのような形状としてもよい。

図１に示すように、上記積層体５は、圧電層２と、内部電極３，４とを交互に複数積層して構成され、内部電極３，４に電圧を印加することによって変位する活性部５０と、この活性部５０の積層方向両側端部に設けられ、内部電極を具備せず変位しない不活性部５１とから構成されている。また、積層体５は、図１中下側が固定され変位しない固定端とされており、上側が変位する可動端とされている。そして、上記のリード電極１３，１４は、固定端側の端部に位置するブロックの側面電極７，８に固着されている。

次に、上記積層型圧電アクチュエータ素子１の製造方法について説明する。まず、調合組成ＰＺＴ混合粉末を、６００〜１０００℃の温度で、１〜１０時間程度熱処理し、仮焼粉末を作製する。

次に、仮焼粉末とポリビニルブチラール系樹脂、ＤＯＰ（フタル酸ジ−２−エチルヘキシル）と溶剤（ＭＥＫ＋トルエン）を混合、粉砕し、ドクターブレード法にてセラミックグリーンシートを作製し、加工に適した所定の大きさにカットする。尚、このセラミックグリーンシートは、焼成後に圧電層２となるものである。

また、予めＡｇＰｄ粉末にエチルセルロース、ブチルカルビトール又はテルピネオールを添加混合し、導電性ペーストを作製する。尚、この導電性ペーストは、焼成後に内部電極３，４となるものである。

得られたセラミックグリーンシートに、上記導電性ペースト１１１を、スクリーン印刷により内部電極の形状にパターニングし、図５に示すような内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を形成する。これとともに、得られたセラミックグリーンシートに、カーボン等の焼失性成分を主体とするペースト１２１を塗布し、図５に示すようなスリット形成用グリーンシート１２０を作製する。

次に、上記の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０、スリット形成用グリーンシート１２０を所望の構造となるように複数枚適宜積層して柱状体とする。すなわち、内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を複数積層するとともに、その複数の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０の間のうち任意の間に、スリット形成用グリーンシート１２０を介在させて柱状体とし、所定長さ（例えば、数十ｍｍ）の未焼成活性部を形成する。

そして、未焼成活性部の積層方向両側端部にセラミックグリーンシートのみを積層した未焼成不活性部を所定厚さ（例えば０．５〜２ｍｍ）形成して、柱状の未焼成積層体を得る。次に、このようにして形成した未焼成積層体を脱脂、焼成し、積層体５を得る。なお、この焼成工程において、ペースト１２１が消失し、スリット６が形成される。

上記のようにして積層体５を形成した後、積層体５の側面に、銀系ペーストを印刷し、６００〜８００℃で焼き付けて側面電極７，８を形成する。この後、側面電極７，８上にはんだペーストを塗布し、その上に金属メッシュ状の外部電極１１，１２をのせ、また、リード電極１３，１４を所定位置に配置して、リフローによりはんだを溶解して側面電極７，８と、リード電極１３，１４及び外部電極１１，１２とを接続する。

以上のような製造工程により、積層型圧電アクチュエータ素子１を製造することができる。図６は、上記構成の積層型圧電アクチュエータ素子１を具備した積層型圧電アクチュエータ１００の構成を示すものである。この積層型圧電アクチュエータ１００は、積層型圧電アクチュエータ素子１と、積層型圧電アクチュエータ素子１を収容するケース１０１とを備えている。

積層型圧電アクチュエータ素子１の伸縮方向（積層体５の積層方向）の一方の端面（図６中下側の端面）は、ケース１０１の裏蓋１０２に係止されている。また、積層型圧電アクチュエータ素子１の伸縮方向の他方の端面（図６中上側の端面）には、プッシュロッド１０３が接続されており、このプッシュロッド１０３は、板ばね１０４を介してケース１０１の表蓋１０５に係止されている。このプッシュロッド１０３の先端は、表蓋１０５に設けられた開口１０６から外部に突出するように配置されている。また、積層型圧電アクチュエータ素子１のリード端子１３，１４は、スリーブ１０７を介してケース１０１の外側に導出されている。

上記構成の積層型アクチュエータ１００では、図示しない駆動回路からリード端子１３，１４を経由して高電圧が印加され、これによって積層型圧電アクチュエータ素子１が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮する。この伸縮は、プッシュロッド１０３を介して内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置のインジェクタバルブ（図示せず。）等に変位として伝達される。このように、積層型圧電アクチュエータ素子１を自動車等の燃料噴射装置に使用した場合、高速で繰り返し積層型圧電アクチュエータ素子１が駆動されることになるが、このような過酷な条件下においても、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子１は、メッシュ状の外部電極１１，１２の破断による断線を生じる可能性を従来に比べて大幅に低減することができ、従来に比べて耐久性を向上させることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態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。例えば、複数のスリット６は、積層体５の積層方向に沿って一定間隔で形成したが、必ずしも各スリット６間の距離を一定にする必要はない。つまり、積層体５に発生する応力の緩和の度合を考慮して任意の間隔でスリット６を設ければよい。

本発明の一実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の断面構成を模式的に示す図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子の要部を拡大して示す図。 外部電極の他の構成例を示す図。 外部電極の他の構成例を示す図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法を説明するための図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子を用いた積層型圧電アクチュエータの断面構成を模式的に示す図。

符号の説明

１…積層型圧電アクチュエータ素子、２…圧電層、３，４…内部電極、５…積層体、６…スリット、７，８…側面電極、９，１０…はんだ層、１１，１２…外部電極、１３，１４…リード端子、５０…活性部、５１…不活性部。

Claims (5)

1. 圧電層と内部電極とを交互に複数積層した柱状の積層体であって、
   当該積層体の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に当該積層体の積層方向に沿って任意の間隔で形成された複数のスリットと、
   前記スリットで分離される形態で前記積層体の対向する前記側面に夫々形成され、前記内部電極と電気的に接続された側面電極と、
   を有する積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
   前記積層体の対向する前記側面に夫々形成され、前記スリットを跨いで分離された前記側面電極と固着されて、分離された当該側面電極同士を電気的に接続する外部電極であって、
   前記スリットを跨ぐ位置に、前記側面電極の側方より外側に張り出し、前記側面電極と非固着状態とされる拡幅部が部分的に形成されてなる外部電極を具備した
   ことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
2. 請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   前記外部電極の少なくとも一部が、メッシュ状に形成されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
3. 請求項１又は２記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   前記外部電極の前記スリットを跨ぐ位置に、前記側面電極と非固着状態とされ、前記積層方向の長さが、前記スリットの前記積層方向の長さより長い非固着領域を設けたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   前記積層体の対向する上記側面のそれぞれを平面視したとき、前記拡幅部を含めた前記外部電極は、前記積層体の前記側面の領域内に収まっていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込まれることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。

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