JP2009131138A - 積層型圧電アクチュエータ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】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が複数形成されている。また、積層体5の両側の側面には、側面電極7,8が形成されている。側面電極7,8は、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。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、各ブロックの側面電極7,8が夫々電気的に導通されている。一番下側のブロックの側面電極7,8には、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。
【選択図】図1
【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が複数形成されている。また、積層体5の両側の側面には、側面電極7,8が形成されている。側面電極7,8は、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。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、各ブロックの側面電極7,8が夫々電気的に導通されている。一番下側のブロックの側面電極7,8には、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。
【選択図】図1
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、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)な方向にスリットを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、電極形成用の導電性材料を所定の形状に設けたセラミックグリーンシートの間に、カーボンを主成分とするスリット形成用のペーストを塗布したセラミックグリーンシートを介在させた未焼成の積層体を焼成することによってスリット形成用ペーストを消失させて上記のスリットを形成する方法も知られている(例えば、特許文献1参照、特許文献2参照。)。
上記のようなスリットを用いた技術では、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加わる応力を緩和する。ところで、積層体の側面には、内部電極と接続された側面電極が形成される。この側面電極は、スリットで区切られて積層体の側面に対して分離された形態で形成され、各側面電極の電気的な導通は、例えば、側面電極の外側に設けられたメッシュ状の外部電極等でとるようになっている。なお、このメッシュ状の外部電極は、積層体の伸縮に応じて変形可能とされている。そして、外部から電圧を供給するための電圧供給部材、例えばリード線は、上記のメッシュ状の外部電極にはんだ付けすること等によって固着されている。
特開昭62−271478号公報
特開平3−191583号公報
しかしながら、上記の従来の技術では、積層型圧電アクチュエータ素子を高速で長期間駆動した場合、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線及びこのリード線をメッシュ状の外部電極に固着するためのはんだ等の慣性重量のため、メッシュ状の外部電極が破断して断線状態となり、積層型圧電アクチュエータ素子が駆動不能となってしまう場合があり、耐久性が十分でないという課題があった。
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、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、当該積層体の対向する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それぞれ形成され、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、前記側面それぞれにおいて、前記スリットで分離される形態の前記側面電極を、外部電極で導通させるとともに、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、前記スリットで分離された各側面電極のうちの一の前記側面電極の上に固着させ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、積層体の対向する側面のそれぞれにおいて、内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、スリットで分離された各側面電極のうちの一の側面電極の上に固着させた構造となっている。つまり、スリットを跨いで配置される側面電極のそれぞれに固着されるように電圧供給部材が固着される構成にはなっていない。これによって、駆動時に、電圧供給部材やこの電圧供給部材を固着するためのはんだ等の慣性重量の影響が外部電極に加わることを防止でき、外部電極が破断して断線状態となる可能性を低減することができる。
上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、電圧供給部材のうち、側面電極に固着された固着部は、積層体の積層方向に対して垂直方向に延びた形状とすることができる。また、この電圧供給部材は、棒状の電極棒を含み、当該電極棒が、積層体の積層方向に対して垂直な向きで、側面電極の上に固着されている構成とすることができる。このような構成とすれば、電圧供給部材と側面電極との固着部分には、積層体の伸縮による応力がほとんど加わらない。これによって、電圧供給部材が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。
また、上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体の積層方向の一端が固定端、他端が変位端とされ、電圧供給部材は、固定端側に一番近いスリットより固定端側に形成された側面電極の上に固着されている構成とすることができる。このような構成とすれば、駆動時に、電圧供給部材やこの電圧供給部材を固着するためのはんだ等の慣性重量によって、電圧供給部材が側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。
本発明の他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、当該積層体の対向する側面に、前記内部電極と電気的に接続された側面電極が夫々形成された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、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が前記積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、前記積層体の対向する前記側面それぞれの前記側面電極の上に固着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、内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材が、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、積層体の側面電極の上に固着されている。これによって、電圧供給部材と側面電極との固着部分に加わる、積層体の伸縮による応力を軽減することができ、電圧供給部材が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。
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、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が一定の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。
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割された各ブロックの側面電極7,8が夫々電気的に導通された状態となっている。外部電極11,12は、導電性部材(例えば、銅)から例えば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、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。
このように、本実施形態では、電圧供給部材としてのリード電極13,14が側面電極7,8上に固着されているので、積層体5を高速で長期間駆動しても、リード電極13,14の慣性重量等によって外部電極11,12が破断状態となることがない。したがって、外部電極11,12が破断して断線状態となる可能性を低減することができる。また、スリット6の外側部分に位置する外部電極11,12は、スリット6が開閉するように変形するため、一部破断する等の損傷を受け易いが、このような外部電極11,12の損傷によって、リード電極13,14が外れるようなことも無い。なお、リード電極13,14は、側面電極7,8との間に外部電極11,12を介在させた状態で、側面電極7,8に対してはんだ層9,10により固着させてもよい。
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。すなわち、リード電極13,14は、固定端側に一番近いスリット6より固定端側の側面電極7,8に固着されている。
このように、本実施形態では、電圧供給部材としてのリード電極13,14が、積層体5の固定端側の側面電極7,8に固着されているので、積層体5を高速で駆動しても、リード電極13,14は、ほとんど変位することがない。このため、リード電極13,14の慣性重量等によって、リード電極13,14が側面電極7,8から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。
上記のリード電極13,14は、少なくとも側面電極7,8に固着される固着部が、金属等の導電性材料からなる断面円形状の棒状部材(太さが例えばφ0.2〜1.0mm)から構成されており、図2に示すように、リード電極13,14の直線部分が、積層体5の変位方向に対して垂直方向(積層面と平行な方向)に延在するように内部電極3,4に固着されている。なお、図2は、積層体5の全体構成を模式的に示す斜視図であり、図2において右側に示されているのは、積層体5の一部を拡大して示したものである。
このように、本実施形態では、リード電極13,14の直線状の固着部が、積層体5の変位方向に対して垂直方向(積層面と平行な方向)に延在するように内部電極3,4に固着されているので、積層体5を駆動した場合においても、リード電極13,14の固着部分には、積層体5の伸縮による応力がほとんど加わらない。これによって、リード電極13,14が、駆動に伴い繰返し印加される応力によって側面電極7,8から外れてしまい、断線状態となる可能性を低減することができる。
なお、仮にリード電極13,14の直線状の固着部が、積層体5の変位方向に対して平行な方向(積層面と垂直な方向)に延在するように内部電極3,4に固着されていた場合は、積層体5の伸縮による応力がリード電極13,14の固着部に加わり、リード電極13,14が側面電極7,8から外れてしまう可能性が増大する。また、このような構造の場合、固着部の長さがスリット6間の長さ以下に制限されてしまう。換言すれば、スリット6間の長さが、固着部の長さ以上に制限され、スリット6の数を増大させることが制限されることになる。
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3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3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4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4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4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の破断やリード端子13,14の外れ等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。
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 (6)
- 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、
当該積層体の対向する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それぞれ形成され、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、
前記側面それぞれにおいて、前記スリットで分離される形態の前記側面電極を、外部電極で導通させるとともに、前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、前記スリットで分離された各側面電極のうちの一の前記側面電極の上に固着させたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。 - 請求項1記載の積層型圧電アクチュエータ素子において、
前記電圧供給部材のうち、前記側面電極に固着された固着部は、前記積層体の積層方向に対して垂直方向に延びた形状と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。 - 請求項1又は2記載の積層型圧電アクチュエータ素子において、
前記電圧供給部材は、棒状の電極棒を含み、当該電極棒が、前記積層体の積層方向に対して垂直な向きで、前記側面電極の上に固着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。 - 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において、
前記積層体の積層方向の一端が固定端、他端が変位端とされ、前記電圧供給部材は、前記固定端側に一番近い前記スリットより前記固定端側に形成された側面電極の上に固着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。 - 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、当該積層体の対向する側面に、前記内部電極と電気的に接続された側面電極が夫々形成された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、
前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材を、当該電圧供給部材の固着部の長手方向が前記積層体の積層方向に対して垂直方向に向くように、前記積層体の対向する前記側面それぞれの前記側面電極の上に固着したことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。 - 請求項1〜5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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JP2007307317A JP2009131138A (ja) | 2007-11-28 | 2007-11-28 | 積層型圧電アクチュエータ素子 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010098015A (ja) * | 2008-10-14 | 2010-04-30 | Taiyo Yuden Co Ltd | 積層圧電アクチュエータ |
EP2634918A2 (en) | 2012-02-29 | 2013-09-04 | Fujitsu Limited | Amplifier |
JP2015070093A (ja) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 太平洋セメント株式会社 | 圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
US10377889B2 (en) | 2015-03-30 | 2019-08-13 | Mitsui Chemicals, Inc. | Thermoplastic elastomer composition and production process for the same |
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-
2007
- 2007-11-28 JP JP2007307317A patent/JP2009131138A/ja not_active Withdrawn
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