JP2009218270A - 積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体に電圧供給部材を固定した状態で保持する治具を必要とすることなく、従来に比べて短時間かつ低コストで安全に積層型圧電アクチュエータ素子を製造することのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】直線部３１，３３にて積層体５の側面電極７，８が形成された面を弾性的に挟持するように、電圧供給部材構成部材３０を積層体５に取り付ける。次に、電圧供給部材構成部材３０の直線部３１，３３を、側面電極７，８に電気的に接続された状態に固着する。次に、電圧供給部材構成部材３０の所定部を切断し、電圧供給部材構成部材３０を２つに分離し、切断した部位から直線部３２を反対方向に回動させるように曲折して、電圧供給部材１３、１４を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法に係り、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の製造方法に関する。

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体を具備した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、積層体の多数の内部電極と外部とを電気的に接続するための機構として、例えば、積層体の対向する側面に、それぞれ極性が共通する複数の内部電極と電気的に接続された側面電極（電極ストライプ）を設け（即ち、正極性の側面電極を一つの側面に設けつつ、負極の側面電極を他の側面に設け）、この側面電極（電極ストライプ）に、金属からなる電圧供給部材（例えば、櫛形二重構造の付加電極）をはんだ、接着剤、溶接等によって固着させ、この電圧供給部材に電気的接続経路を接続する構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特表２００２−５４２６３０号公報

しかしながら、上記の従来の技術では、積層体の対向する側面に形成された側面電極に、電圧供給部材を固着させる際に、積層体に電圧供給部材を固定した状態で保持する治具を用いる必要があり、この治具を製作するコストにより、積層型圧電アクチュエータ素子の製造コストが増大するという課題があった。また、はんだ、接着剤等によって側面電極に、電圧供給部材を固着させる場合、一般的に加熱処理を行うが、上記のような治具を用いて加熱処理を行うと、治具の有する熱容量分だけ加熱時間が増え、製造に要する時間が長くなるとともに、製造コストの増大を招く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ある。本発明は、積層体に電圧供給部材を固定した状態で保持する治具を必要とすることなく、従来に比べて短時間かつ低コストで安全に積層型圧電アクチュエータ素子を製造することのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法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の製造方法は、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それぞれ形成され、極性が共通する複数の前記内部電極と電気的に接続された側面電極を有する積層体と、前記側面電極と電気的に接続され前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材と、を有する積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法において、前記積層体の対向する側面を弾性的に挟持して、当該積層体に自身を固定させることが可能な電圧供給部材構成部材を前記積層体に取り付ける工程と、前記電圧供給部材構成部材を、前記側面電極と電気的に接続された状態に固着させる固着工程と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の製造方法では、積層体の対向する側面を弾性的に挟持して、当該積層体に自身を固定させることが可能な電圧供給部材となる電圧供給部材構成部材を積層体に取り付け、この状態ではんだや接着剤或いは溶接等によって電圧供給部材構成部材を側面電極に固着させる。したがって、積層体に電圧供給部材を固定した状態に保持する治具を必要としない。このため、治具の製作に要するコストを削減することができる。また、加熱処理する時間も、治具が有していた熱容量分だけ削減することができ、短時間かつ低コストで積層型圧電アクチュエータ素子を製造することができる。

上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法では、電圧供給部材構成部材は、一体化された部材から構成され、固着工程の後、当該電圧供給部材構成部材を分割し、側面電極それぞれの電圧供給部材として設ける構成とすることができる。このような構成とすれば、対向する側面にそれぞれ形成された２つの側面電極に対して、１つの電圧供給部材構成部材を取り付ければよく、取り付け工程の簡易化を図ることができる。また、電圧供給部材構成部材は、対向する側面にそれぞれ形成された側面電極部分の双方を弾性的に挟持する構成とすることができる。なお、一体化された部材から構成される電圧供給部材構成部材を積層体に取り付け、その後に分割する形態としては、一部材からなる電圧供給部材構成部材を積層体に取り付け後、切断して分割する形態や、二部材を嵌め合わせて構成された電圧供給部材構成部材を積層体に取り付け後、嵌め合わせを外して分割する形態などを挙げることができる。

また、上記の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法では、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まれる積層型圧電アクチュエータ素子を製造することができる。

本発明によれば、積層体に電圧供給部材を固定した状態で保持する治具を必要とすることなく、従来に比べて短時間かつ低コストで安全に積層型圧電アクチュエータ素子を製造することのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法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。まず、図１を参照して積層型圧電アクチュエータ素子１の構造を説明する。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柱状の積層体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。

なお、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（図示せず。）が一定の間隔で複数形成される場合がある。これらのスリットは、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るものである。

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は、極性が共通となる複数の内部電極３に接続され、側面電極８は、極性が共通となる複数の内部電極４に接続される。これらの側面電極７，８は、例えば、銀系ペースト等の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。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、図１中、上記側面電極７，８の下側部分には、外部から電圧を供給するための電圧供給部材１３，１４が、それぞれ面電極７，８と電気的に接続された状態で固着されている。なお、電圧供給部材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、側面電極７，８を介して内部電極３，４に電圧を印加することによって変位する活性部と、この活性部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、電圧供給部材１３，１４は、固定端側の端部に位置する側面電極７，８の部分に固着されている。

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、電圧供給部材１３，１４は、ほとんど変位することがない。このため、電圧供給部材１３，１４の慣性重量等によって、電圧供給部材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。

上記の電圧供給部材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棒状部材、又は平板状部材等から構成されている。図２は、上記の電圧供給部材１３，１４を、側面電極７，８に取り付ける製造工程を示すものである。

図２（ａ）に示すように、電圧供給部材１３，１４を構成するための電圧供給部材構成部材３０は、本実施形態では、断面円形状の棒状部材から形成された一部材からなり、積層体５の側面電極７，８が形成された面を弾性的に挟持するためのコ字状部を形成する直線部３１，３２，３３と、このコ字状部の端部の直線部３３の端部からコ字状部と反対方向に延在する直線部３４とから構成され、全体形状が柄杓状とされている。本実施形態では、電圧供給部材構成部材３０は、直径が０．４５ｍｍの銅製の棒状部材に、はんだへの濡れ性を考慮してＣｕ・Ｓｎの合金めっきを施した部材により構成したが、他の部材、例えばステンレス等も用いることができる。また、棒状部材に限らず前述したとおり平板状の部材から構成することもできる。さらに、電圧供給部材構成部材３０大きさは、どのような大きさのものでも良く、例えば、積層体５の長手方向長さと同様な大きさとしても良い。

そして、図２（ｂ）に示すように、まず、上記コ字状部を構成する直線部３１，３３にて、積層体５の側面電極７，８が形成された面を弾性的に挟持するように、電圧供給部材構成部材３０を積層体５に取り付ける。この際、電圧供給部材構成部材３０は、直線部３１，３３にて積層体５を弾性的に挟持することにより、自身を積層体５に仮止めした状態に固定することが可能となっている。すなわち、電圧供給部材構成部材３０を積層体５の所定位置に固定するための治具が不要な構成となっている。

次に、図２（ｃ）に示すように、予め塗布したはんだペーストを、リフロー炉で加熱して溶融させること等により、電圧供給部材構成部材３０の直線部３１，３３を、側面電極７，８に電気的に接続された状態に固着する。なお、図２（ｃ）において２０は、直線部３１，３３を、側面電極７，８に固着する部分のはんだを示している。このような電圧供給部材構成部材３０と側面電極７，８との固着は、導電性接着剤或いは溶接等によって行ってもよい。

次に、図２（ｄ）に示すように、電圧供給部材構成部材３０の所定部、本実施形態では、直線部３２と、直線部３３との間を切断し、電圧供給部材構成部材３０を２つに分離（分割）する。しかる後、図２（ｅ）に示すように、切断した部位から直線部３２を直線部３１側に回動させるように曲折し、側面電極７に接続された電圧供給部材１３と、側面電極８に電気的に接続された電圧供給部材１４とを形成する。

以上のとおり、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法では、積層体５の対向する側面を弾性的に挟持して、当該積層体５に自身を固定させることが可能な電圧供給部材構成部材３０を積層体５に取り付け、この状態ではんだや導電性接着剤或いは溶接等によって電圧供給部材構成部材３０を側面電極７，８に固着させる。したがって、積層体５に電圧供給部材１３，１４を固定するための治具を必要とせずに、固着工程を行うことができる。このため、治具の製作に要するコストを削減することができる。また、はんだ付け等のための加熱処理時間も、治具が有していた熱容量分だけ削減することができ、短時間かつ低コストで積層型圧電アクチュエータ素子を製造することができる。さらに、電圧供給部材構成部材３０を積層体５に取り付ける前段階において、積層体５に対する分極処理が済んでいる場合には、電圧供給部材構成部材３０を積層体５に取り付けて、はんだや導電性接着剤等によって電圧供給部材構成部材３０を固着させるための加熱処理を施したとしても、電圧供給部材構成部材３０によって側面電極７，８間が短絡されるため、加熱処理に伴う圧電層２の焦電に起因した放電等が発生するのを抑制できるといった効果も得られる。

なお、電圧供給部材構成部材３０は、図２に示した形状のものの他、積層体５の対向する側面を弾性的に挟持して、当該積層体５に自身を仮止めした状態に固定させることが可能なものであれば、どの様な形状のものでもよい。例えば、図２に示した電圧供給部材構成部材３０から直線部３４を除いた直線部３１，３２，３３からなるコ字状のものであってもよい。この場合、直線部３２の中間部を切断して、切断した辺を、互いに反対方向に回動させるように曲折して反対方向に突出させることができる。

次に、上記積層体５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。

図３に示すように、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、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。

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を複数積層して柱状体とし、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、焼成する。

上記のようにして焼成した積層体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、リフローによりはんだを溶解して側面電極７，８と、外部電極１１，１２とを接続する。この時、前述した電圧供給部材構成部材３０を取り付けて同時にリフローによりはんだ付けしてもよい。

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の電圧供給部材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電圧供給部材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。

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。

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。 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製造方法を説明するための図。 図１の積層体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、７，８……側面電極、９，１０……はんだ層、１１，１２……外部電極、１３，１４……電圧供給部材、３０……電圧供給部材構成部材。

Claims (4)

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、当該積層体の対向する側面にそれぞれ形成され、極性が共通する複数の前記内部電極と電気的に接続された側面電極を有する積層体と、
   前記側面電極と電気的に接続され前記内部電極に電圧を供給するための電圧供給部材と、
   を有する積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法において、
   前記積層体の対向する側面を弾性的に挟持して、当該積層体に自身を固定させることが可能な電圧供給部材構成部材を前記積層体に取り付ける工程と、
   前記電圧供給部材構成部材を、前記側面電極と電気的に接続された状態に固着させる固着工程と
   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の製造方法。
2. 前記電圧供給部材構成部材は、一体化された部材から構成され、前記固着工程の後、当該電圧供給部材構成部材を分割し、前記側面電極それぞれの前記電圧供給部材として設けることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法。
3. 前記電圧供給部材構成部材は、前記対向する側面にそれぞれ形成された前記側面電極部分の双方を弾性的に挟持するよう構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法。
4. 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積層型圧電アクチュエータ素子を製造することを特徴とする請求項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の製造方法。

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