JP2012500486A - 多層型ピエゾアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】クラックが生じにくい外部電極を備え、信頼性が高いピエゾアクチュエータ、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の圧電材料層（２）と導電材料層（３）を積み重ねてスタック（１１）を形成するとともに、スタック（１１）の側面に、互いに織りなされた複数のワイヤ（４１）からなる外部電極（４ａ，４ｂ）の全体を電気的に接続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数の圧電材料層と、これら各圧電材料層の間に挟まれた多数の導電材料層とからなる多層型ピエゾアクチュエータに関する。これらの導電材料層に電圧を印加すると、各圧電材料層は厚さを増し、ピエゾアクチュエータ全体がこの方向に変位する。このようなピエゾアクチュエータは、例えば、自動車のインジェクションバルブを作動させるのに用いられている。

ピエゾアクチュエータが作動すると、機械的な応力が発生して、種々の箇所、特に外部電極にクラックが生ずる場合があるが、このようなクラックは、ピエゾアクチュエータの信頼性低下につながるおそれがある。

特許文献１には、上述の欠点を回避するため、外部電極が、複数の箇所で金属製の接続基部に電気的に接続されるよう、外部電極を３次元的に形成したピエゾアクチュエータが記載されている。

欧州特許第０８４４６７８号明細書

本発明の課題は、クラックが生じにくい外部電極を備えるようにして信頼性を高め、かつ低コストで製造しうるようにしたピエゾアクチュエータを提供することである。

上記の課題は、複数の圧電材料層、およびこれら圧電材料層の間に挟まれた導電材料層からなるスタック（積層体）と、前記導電材料層と電気的に接続する外部電極とを備える多層型ピエゾアクチュエータであって、前記外部電極の少なくとも一方は、ワイヤメッシュ形状であり、かつこのワイヤメッシュ形状の外部電極は、概ね全体が、スタックの外面上に設けられた金属製の接続基部に半田付けされるようになっている多層型ピエゾアクチュエータ（請求項１）によって解決される。請求項２以下には、この多層型ピエゾアクチュエータの種々の態様、およびこの多層型ピエゾアクチュエータの製造方法が記載されている。

多層型ピエゾアクチュエータとは、複数の圧電材料層、およびこれら圧電材料層の間に挟まれた複数の導電材料層からなるスタックを備えるピエゾアクチュエータをいう。本発明に係る多層型ピエゾアクチュエータは、導電材料層と電気的に接触するワイヤメッシュ形状の外部電極を備えている。このワイヤメッシュ形状の外部電極は、概ね全体が、スタックの外面に固定される。

本発明に係るピエゾアクチュエータは、一枚岩的なモノリシックタイプのものであり、圧電材料層は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜から得られる。一方、導電材料層は、スクリーン印刷プロセスを経て得られる薄膜（金属性ペースト（例えば、銀−パラジウムペーストや、銅を含有するペースト）を含有する）である。ついで、これらの薄膜を交互に積み重ね、圧縮して、ともに焼結すると、すべての層が一体的に焼結されたモノリシックタイプの焼結体が得られる。導電材料層は、スタックの一方の面から、スタック方向（積層方向）に沿って、スタックのもう一方の面まで、圧電材料層と交互に積層されている。ついで、２つの外部電極を、各導電材料層と電気的に接続するよう、それぞれ、スタックの側面に嵌め込む。この後、各導電材料層を、２つの外部電極に対して、スタック方向において交互に、一方の外部電極と離間させつつ、もう一方の外部電極と電気的に接続させる。

２つの外部電極の少なくとも一方は、複数のワイヤが織りなされたワイヤメッシュ形状とする。このワイヤメッシュにおいてスタック側を向く面は、スタックの外面に固定させる。

この結果、外部電極は、スタックの外面にしっかりと固着され、信頼性の高い電気的接続が得られる。このような外部電極を構成するワイヤメッシュは、スタックの外面に対して相対的に変位することがないため、スタックの外面との間で、ワイヤメッシュに摩耗が生じることはない。

ワイヤメッシュのスタック側に位置するワイヤコンポーネントは、スタックの外面にしっかりと固定される。ここで、スタック側に位置するワイヤコンポーネントとは、スタックの外面と直に接触しうる、すなわち、スタックの外面に対して、法線方向において直近に位置するものをいう。このワイヤコンポーネントとスタックの外面との間には、他のワイヤコンポーネントは存在しない。

ワイヤメッシュは、全体が、スタックの外面の範囲内に収まるように形成するのが好ましい。スタックとの電気的接続を無駄なスペースをとらずに実現しうるからである。この場合、ワイヤメッシュを構成するすべてのワイヤが、スタックの外面に固定される。

各ワイヤは、メッシュノードを形成するように織りなすのが好ましい。メッシュノードにおいては、一のワイヤが他のワイヤよりもスタック側に位置することとなる。この場合、ワイヤメッシュを構成するすべてのワイヤがスタックの外面に固定されるとはいっても、厳密にいえば、メッシュノードで他のワイヤに乗り上げるワイヤは、スタックの外面に当接しない。ワイヤノードにおいては、スタックの外面は、スタック側に位置するワイヤと堅固に固定されればよく、このワイヤに乗り上げているワイヤと固定される必要はない。換言すれば、メッシュノードにおいては、スタック側（内側）に位置するワイヤだけを、スタックの外面に固定すればよい。

外部電極は、具体的には、スタック上に設けられた金属製の接続基部に固定する。接続基部は、スタックの外面、すなわちスタックの両側面に設け、この接続基部に外部電極を固定する。

金属製の接続基部は、金属性ペーストを焼き付けて形成するか、またはペーストを含有する金属から形成する。金属性ペーストは、スタックの外面に層状に適用するのが好ましい。

上記金属性ペーストは、スタックを焼結する前に、スタックの外面に適用する。この場合、金属性ペーストは、いわゆる共焼結によって、焼結中にスタックの外面に焼き付けられ、金属製の接続基部が形成される。他の態様として、金属性ペーストは、スタックの焼結後にスタックの外面に適用し、スタックの焼結後に焼き付けることもできる。なお、接続基部は、複数種の金属性ペーストを積層させて形成することもできる。

金属性ペーストは、銅または銀を含む。接続基部は、スタックの焼結後に焼き付ける場合、ガラス融剤を含む金属性ペーストを少なくとも１種用いる。複数種の金属性ペーストを積層させるときには、スタックの外面に接する金属性ペーストが、ガラス融剤を含むようにする。こうすると、接続基部が、十分な強度でスタックに固着する。他の金属性ペーストは、このスタックの外面に接している層状の金属性ペーストの上に適用する。２層目以降の金属性ペーストは、ガラス融剤を含まない方が好ましい。

外部電極は、接続基部に半田付けする。本発明において半田付けに用いる半田材は、スズ、スズ合金、鉛またはアンチモンを含む。半田材としてスズを用いると、鉛、カドミウム等の健康被害をもたらす物質を、ほとんど、またはまったく用いずにすむという利点が生まれる。半田材は、半田付けが完了した後でも、弾性変形性を保持しうるものが望ましい。なぜならば、スタックの外面にクラックが生じたときにも、半田材が、直ちに破断せず、伸張して、クラックに架橋する効果が得られるからである。

接続基部は、半田濡れ性を向上させるために、表面処理を施すことができる。

半田材からなる層（半田層）は、接続基部のうち、ワイヤメッシュが取り付けられる領域全体を覆うように形成するのが好ましい。こうすると、接続基部は、少なくともワイヤメッシュが取り付けられた領域においては、外部から視認できなくなる。ワイヤメッシュは、半田層を介して、スタックに取り付けられる。ワイヤが半田層に埋め込まれると、ワイヤは、スタックの外面に当接するとともに、その側面が、半田層で覆われる。本明細書において、半田層を介してワイヤメッシュをスタックに取り付けるという記載は、このような場合をも包含する。連続的に展開する半田層は、容易に、かつ低コストで形成することができる。

本発明の一態様においては、ワイヤメッシュは、ワイヤを互いに９０°交差させて織りなす。この場合、各ワイヤは、スタック方向と４５°をなして延びるように配置するのが好ましい。

スタック方向に引張応力が生じたとき、上記のようなワイヤメッシュは、構成ワイヤの一部がスタック方向に延びるワイヤメッシュよりも、全体にかかる伸張力が小さい。一方、構成ワイヤの一部がスタック方向に延びるワイヤメッシュは、スタック方向に引張応力が生じると、この方向と直交する方向にクラックが走ることがある。スタック方向は、ピエゾアクチュエータが変位する方向でもあるが、ピエゾアクチュエータが通常の範囲内で作動する限り、本発明に係るワイヤメッシュに生じる応力は小さく、外部電極の電気的接続に関する信頼性は高い。

本発明の一態様においては、ワイヤメッシュは、導電性の材料を芯材とする。

芯材は、ワイヤの支持部材である。この芯材には、ワイヤメッシュの半田濡れ性、または導電性を向上させるために、コーティングを施すことができる。

ワイヤの芯材は、例えば、スチール、銅、銅合金等の金属、または導電性ポリマーから形成する。また、これらの材料を複数種含むこともできる。

ワイヤの芯材には、銅およびスズの少なくとも一方を含む金属製の外被を施すことができる。ワイヤは、スチールを芯材とし、少なくとも一部を、銅およびスズの少なくとも一方で被覆すれば、良好な半田濡れ性が得られる。

他の実施態様として、ワイヤの芯材を絶縁性の材料（例えば、木材等の絶縁材料や、絶縁性ポリマー）から形成することもできる。この場合には、金属性の外被を施して、適当な導電性を確保する。

ワイヤの芯材は、弾性を有するのが好ましい。

こうすると、機械的な負荷が与えられた場合でも、ワイヤは弾性的に変形し、ワイヤ自体にクラックが生じる可能性は低い。例えば、機械的な負荷が発生し、ワイヤメッシュが当接しているスタックの外面にクラックが生じた場合でも、ワイヤが弾性を有するならば、芯材が伸張して、このクラックに架橋することができる。

本発明の一態様として、外部電極を、複数のワイヤ層が折り重なったワイヤメッシュ（多層のワイヤメッシュ）であって、最も内側のワイヤ層が、クラック側に位置するようになっているワイヤメッシュの形状にすることができる。最も内側のワイヤ層は、概ね全体がスタックの外面に当接する。

外部電極が多層のワイヤメッシュからなる場合、電気的接続に係る信頼性が増し、外部電極にクラックが発生するおそれも低下する。このようなワイヤメッシュは、例えば、２つのワイヤ層から形成することができる。この場合、外側のワイヤ層は、内側のワイヤ層に半田付けするのが好ましい。

多層のワイヤメッシュは、１枚のワイヤメッシュを折り曲げることによって形成することができる。２層のワイヤメッシュを形成する際には、単一層からなる方形ワイヤメッシュの両長辺を、中央部で互いに接するように、同一側に折り曲げた後、この両長辺を互いに半田付けする。

本発明は、さらに、多層型ピエゾアクチュエータに外部電極を形成する方法を提供する。この場合、まず、複数の圧電材料層、およびこれら圧電材料層の間に挟まれた複数の導電材料層からなるスタックを用意する。ついで、このスタックの外面に金属製の接続基部を設け、かつこの外面に焼き付ける。この接続基部の焼き付けは、スタック焼結の際に一緒に行うことも、スタック焼結の後に行うこともできる。

つぎに、外部電極となるワイヤメッシュを用意し、このワイヤメッシュを半田材で被覆する。半田材には、スズ、スズ合金、アンチモンまたは鉛を用い、電気化学的方法によってワイヤメッシュに付着させる。ついで、このワイヤメッシュを接続基部に載置し、さらに加熱する。この結果、半田材は溶融して、ワイヤメッシュは、接続基部に半田付けされる。

本発明の方法においては、半田材の使用量は、ワイヤメッシュの概ね全体を、接続基部に半田付けしうる程度のものが望ましい。半田材は、ピエゾアクチュエータの機能に悪影響を及ぼすことのないよう、使いすぎないようにしなければならない。

ワイヤメッシュは、半田付けの工程中に接続基部に押圧する。こうすると、ワイヤメッシュが、半田材が溶融して形成される半田層中に、十分に埋め込まれ、ワイヤメッシュの電気的接続が堅固になる。さらに、ワイヤメッシュの概ね全体が接続基部に半田付けされることの信頼性が増す。ワイヤメッシュの概ね全体が半田付けされることを確実にするためには、ワイヤメッシュを接続基部に押しつける圧力が、製造プロセスの諸条件に合致するものでなければならない。これらの条件とは、例えば、半田材の性質および使用量、半田付けの温度、ワイヤメッシュの性質等である。ワイヤメッシュを接続基部に押圧するならば、ピエゾアクチュエータの側面にも、ワイヤメッシュを密接させることができ、外部電極とスタックとの省スペース的な電気的接続を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るピエゾアクチュエータの斜視図である。 本発明の他の実施形態に係るピエゾアクチュエータの側面図である。 同断面図（圧電材料層の積層方向と直角に切断したもの）である。

以下、本発明に係る多層型ピエゾアクチュエータの好ましい実施形態を、添付の図面（模式図であり、等縮尺で描いたものではない）に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る、多数の圧電材料層（例えばセラミック層）２がスタック方向Ｓに沿って配置されることにより、スタック１１が形成されている多層型ピエゾアクチュエータ１を示す。スタック方向Ｓは、ピエゾアクチュエータ１の長手方向と同一である。隣り合う圧電材料層２,２の間には、それぞれ、導電材料層３が挟まれている。スタック１１の両側面には、ワイヤメッシュ４０形状の外部電極４ａ，４ｂが固着されている。外部電極４ａ，４ｂを構成する各線状ワイヤ４１は、スチールが芯材であるが、銅で被覆され、メッシュ状に織りなされている。外部電極４ａ，４ｂは、スタック１１の両側面に位置する接続基部６ａ，６ｂに半田付けされている。

図２は、本発明の他の実施形態に係る、ワイヤメッシュ４０形状の外部電極４ａを備える多層型ピエゾアクチュエータ１の側面図である。ワイヤメッシュ４０において斜め方向に延びるメッシュコンポーネント４１ａ，４１ｂは、互いに９０°をなすように、かつスタック方向Ｓと４５°をなすように織りなされている。このようにワイヤコンポーネントを配置すると、ワイヤメッシュ４０にスタック方向Ｓの引張応力が発生したときに、メッシュコンポーネントの一方がスタック方向Ｓに沿って配置されている場合よりも、メッシュコンポーネント４１ａ，４１ｂにかかる負荷が軽減される。メッシュコンポーネント４１ａ，４１ｂのいずれかに属するワイヤは、各メッシュノードにおいて、一方のメッシュコンポーネントに属するワイヤが内側に、他方のメッシュコンポーネントに属するワイヤが外側に位置するように、織りなされている。さらに、各ワイヤは、このワイヤに沿って並ぶ各メッシュノードにおいて、一のメッシュノードで外側に位置すると、隣のメッシュノードでは内側に位置するようになっており、以下順次これが繰り返される。

外部電極４ａの自由端４２ａは、スタック方向Ｓに沿って、スタック１１よりも下方に位置している。この自由端４２ａには、半田付けや溶接によって、リード線７が接続されている。外部電極４ａは、これ以外に、図１に示す実施形態のように、スタック１１の側面の範囲内に収まるように形成することもできる。この場合、リード線７は、スタック１１の外面に取り付けられた上で、外部電極４ａに半田付けされる。

図３は、図２に示すピエゾアクチュエータ１を、スタック方向Ｓと直交する方向に切断した断面図である。図３の断面は、図２に破線で示した箇所であり、ワイヤメッシュ４０中のメッシュノード４３を横切るようになっている。図３は、ピエゾアクチュエータ１の両側面に装着された接続基部６ａ，６ｂをも示している。外部電極４ａ，４ｂは、その全体が、半田層５ａ，５ｂを介して、接続基部６ａ，６ｂに固定されている。

結局、外部電極４ａ，４ｂは、この全体が、接続基部６ａ，６ｂを介して、スタック１１の側面に固定されていることになる（以下、スタック１１に固定されるまたは当接するという記載は、接続基部６ａ，６ｂを介してスタック１１に固定されるまたは当接する場合を含む）。すなわち、ワイヤメッシュを構成する各ワイヤにおいてスタック１１の外面と向き合う内側面が、スタック１１に固定される。図３に示すように、２本のワイヤ４１ｃとワイヤ４１ｄは、一のメッシュノード４３において、ワイヤ４１ｃが外側に位置し、ワイヤ４１ｄが内側に位置するように交差している。この場合、内側に位置するワイヤ４１ｄの内側面は、接続基部６ａに当接し、他方、このワイヤ４１ｄの側面は半田層５ａに囲まれている。半田層５ａは、メッシュコンポーネントが当接する部分を除いて、接続基部６ａを覆っている。接続基部６ａは、半田層５ａと外部電極４ａによって覆われているため、外部電極４ａの側から視認することはできない。図３に示すメッシュノードにおいて、ワイヤ４１ｄの外側に位置するワイヤ４１ｃも、半田層５ａを介して、スタック１１に固定されていることになる。他方、ワイヤ４１ｃは、メッシュノードにおいて内側に位置するワイヤにのみ固定させることもできる。いずれにしても、重要なのは、メッシュノードにおいてスタック１１側に位置するメッシュコンポーネントを、スタック１１に固定するということである。半田材は、スタック１１の外面とワイヤメッシュの間に位置するか、またはワイヤコンポーネントの側方を覆うかのいずれかである。半田材は、必ずしも図示のように連続的に展開する半田層５ａ，５ｂとして用いる必要はなく、ワイヤメッシュ４０の全体をスタック１１に固定しうる程度に用いれば十分である。

上記ワイヤメッシュ４０の概ね全体をスタック１１に固定するという記載は、ワイヤコンポーネントのうち、ワイヤメッシュ４０の側縁に相当する部分が、半田材が存在しないために、スタック１１の外面に固定されない場合をも含む。例えば、図３に示すワイヤ４１ｅの端部（図示のメッシュノード４３において内側に位置し、スタック１１に当接している）が、これに該当する。このワイヤ４１ｅの端部は、半田層５ａから外れており、スタック１１の外面には固定されていない。一方、ワイヤ４１ｅの端部の外側に位置するワイヤ４１ｆの端部も、スタック１１には固定されていない。半田材（図示せず）を介して、ワイヤ４１ｅの端部に固定されているだけである。

上記実施形態の説明は、本発明の技術的範囲を、上記実施形態に限定する趣旨のものではない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載された新規な構成と同等の構成を有する発明、およびこのような構成を包含する発明であれば、特許請求の範囲または上記実施形態に明示的に記載されていない場合にも及ぶ。

１ ピエゾアクチュエータ
２ 圧電材料層
３ 導電材料層
４ａ，４ｂ 外部電極
５ａ，５ｂ 半田層
６ａ，６ｂ 接続基部
７ リード
１１ スタック
４０ ワイヤメッシュ
４１，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ ワイヤ
４１ａ，４１ｂ メッシュコンポーネント
４２ａ 外部電極の自由端
４３ メッシュノード
Ｓ スタック方向

Claims (15)

1. 複数の圧電材料層（２）、およびこれら圧電材料層（２）の間に挟まれた複数の導電材料層（３）からなるスタック（１１）と、
   前記導電材料層（３）と電気的に接続する外部電極（４ａ，４ｂ）とを備える多層型ピエゾアクチュエータであって、
   前記外部電極（４ａ，４ｂ）の少なくとも一方は、ワイヤメッシュ（４０）形状であり、かつこのワイヤメッシュ（４０）形状の外部電極は、概ね全体が、スタック（１１）の外面上に設けられた金属製の接続基部（６ａ，６ｂ）に半田付けされるようになっている多層型ピエゾアクチュエータ。
2. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、一のワイヤ（４１ｃ）よりもスタック側に他のワイヤ（４１ｄ）が重ね合わされた複数のメッシュノード（４３）を有することを特徴とする請求項１に記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
3. 前記メッシュノード（４３）において一のワイヤ（４１ｃ）よりもスタック側に重ね合わされた他のワイヤ（４１ｄ）は、前記スタック（１１）の外面に固定されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
4. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、導電性の芯材を有するワイヤ（４１）からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
5. 前記導電性の芯材は、スチール、銅および銅合金のいずれかを含むことを特徴とする請求項４に記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
6. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、絶縁性の芯材を有するワイヤ（４１）からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
7. 前記ワイヤ（４１）の芯材は、弾性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
8. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、導電性の外被を施されたワイヤ（４１）からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
9. 前記導電性の外被は、銅およびスズの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項８に記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
10. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、前記スタック（１１）の積層方向（Ｓ）と４５°をなしつつ互いに９０°で交差する複数のワイヤ（４１）が織りなされてなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
11. 前記金属製の接続基部（６ａ，６ｂ）は、金属性ペーストを含んでいることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
12. 前記接続基部（６ａ，６ｂ）は、半田濡れ性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
13. 前記外部電極（４ａ，４ｂ）と接続基部（６ａ，６ｂ）の間に、連続的に展開する半田層（５ａ，５ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
14. 前記ワイヤメッシュ（４０）は、複数のワイヤ層からなり、スタック（１１）側に位置するワイヤ層は、概ね全体が、スタック（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の多層型ピエゾアクチュエータ。
15. 多層型ピエゾアクチュエータのスタックに外部電極を取り付ける方法であって、
    Ａ）複数の圧電材料層（２）、およびこれら圧電材料層（２）の間に挟まれた導電材料層（３）からなり、かつ金属製の接続基部（６ａ）が外面に焼き付けられたスタック（１１）を用意する工程と、
    Ｂ）外部電極となるワイヤメッシュ（４０）を用意する工程と、
    Ｃ）前記ワイヤメッシュ（４０）を半田材で被覆する工程と、
    Ｄ）前記半田材で被覆されたワイヤメッシュ（４０）を接続基部（６ａ）に載置する工程と、
    Ｅ）前記接続基部（６ａ）に載置されたワイヤメッシュ（４０）を加熱し、かつこのワイヤメッシュ（４０）を接続基部（６ａ）に押圧することにより、ワイヤメッシュ（４０）を接続基部（６ａ）に半田付けする工程とを含む方法。

Images