JP2012504858A - 外部電極を有する圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明の多層構造の圧電アクチュエータ（１）は、複数の圧電層と前記圧電層間に配設される電極層とを備える積層体（１１）を有する。前記電極層は、複数のワイヤ（４１）を有する２つの外部電極（４ａ，４ｂ）を介して接続される。前記外部電極（４ａ，４ｂ）は、前記積層体（１１）の第１側面（７１ａ，７１ｂ）において固着領域（２ａ，２ｂ）に固着され、前記固着領域（２ａ，２ｂ）のそれぞれの最近傍に位置する前記積層体（１１）の縁（７３ａ，７３ｂ）を囲むように延びている。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、電極層を間に挟んだ複数の圧電層を備え、当該電極層に電圧が印可されると当該圧電層が伸長してストロークを生成する多層構造の圧電アクチュエータに関する。

電極層を間に挟んだ複数の圧電層を備え、電極層に電圧が印可されると圧電層が伸長してストロークを生成する多層構造の圧電アクチュエータは、例えば自動車の噴射弁を作動させるために用いられる。圧電アクチュエータを確実に動かすためには、電極層が確実に電気的に接続されなければならない。更に、極性の異なる電極層間の短絡を防止することも肝要である。

特許文献１及び２には、所謂ワイヤハープによって内部電極の電気的接続が施されている圧電アクチュエータが開示されている。

独国特許発明第１９９４５９３３号明細書 国際公開第２００５／０３５９７１号

解決すべき課題は、低コストで製造可能であり且つ短絡に対して高い信頼性を備える、外部電極を有する圧電アクチュエータを示すことにある。

複数の圧電層と当該圧電層間に配置される電極層とを備える積層体を有する多層構造の圧電アクチュエータが示される。電極層は、２つの外部電極を介して電気的に接続される。少なくとも１つの外部電極は、複数のワイヤを有する。

この種の外部電極により、電極層は確実に電気的に接続されうる。ワイヤはワイヤハープの形状に配設されていることが好ましい。すなわち、当該ワイヤは、一列に配設されて互いに平行に延設されている。電極のクラックの影響を受けにくくし、更には圧電アクチュエータのクラックを良好に跨いで電気的接続を維持するべく、複数のワイヤを備える外部電極は可撓性を備えることが好ましい。それにもかかわらず、１つのワイヤにクラックが生じたとしても、当該クラックが他のワイヤに広がる可能性は低い。このようにして、確実な電気的接続を確保することできる。

ワイヤは積層体の第１側面の固着領域に固着されており、当該固着領域に対して最近傍の位置にある積層体の縁を囲むように延設されている。

固着領域は積層体の表面の領域であり、ワイヤは当該領域にて積層体と堅固に接続される。例えば、ワイヤは積層体の表面に設けられた基盤金属層に半田付けされている。固着領域は、表面のいくつかの部分領域から構成されてもよい。

積層体の縁を囲むようにワイヤを延設することにより、外部電極は積層体の外形に適合することになる。例えば、ワイヤは積層体の長手縁を囲むように延設されている。固着領域に対して最近傍の積層体の縁を囲むようにワイヤを延設することにより、ワイヤの必要な長さが短くなるため、このような態様ではコストが特に低くなる。

ワイヤは、圧電層の積層方向に対して垂直に延設されていることが好ましい。

このようなワイヤの配設では、ワイヤの必要な長さがわずかですみ、加えて、機械的応力の発生を特に良好に抑制することができる。圧電アクチュエータが積層方向に伸長する場合に、このようなワイヤの配設では機械的応力は外部電極に生じないか、又はわずかしか生じない。加えて、積層方向に対して垂直にクラックが生じても、外部電極のワイヤの一部に当該クラックの影響が及ぶ可能性は低い。

第１側面の領域内におけるワイヤの長さは、第１側面の幅の１／２以下であることが好ましい。

好ましい態様において、積層体の縁でワイヤがこすれないように、固着領域が選択される。

例えば、固着領域は最近傍の縁に隣接している。

この場合に、ワイヤは縁の領域で積層体に固着されているため、積層体が伸長する際、積層体とともに動く。従って、縁の領域においてワイヤは縁に対して相対運動せず、相対運動によってワイヤが縁でこすれることがない。ワイヤが積層体でこすれると、ワイヤのクラック、及び電気的接続不良につながりかねない。加えて、積層体の上記こすれに関連する縁が損傷しかねず、電極層間の短絡が起こりかねない。

第１側面の領域において、ワイヤは端から端まで積層体と接続されていることが好ましい。

このようにして、外部電極の積層体への確実な接続を達成できる。

ワイヤは第１側面を越えた向こう側で曲げられていて、当該ワイヤの少なくとも一部分は、ワイヤが囲む縁に隣接した第２側面に平行に延設されていることが好ましい。

ワイヤは第２側面に平行に延設されていることにより、外部電極は積層体の外形に適合し、これによって省スペースな電気的接続が達成される。

ワイヤは、縁を越えた向こう側において、第２側面に対して離間していることが好ましい。ワイヤが第２側面に接触しなければ、特に有利である。

このような場合には、ワイヤが圧電アクチュエータの第２側面でこすれることがないという利点がある。加えて、外部電極と圧電アクチュエータの間に例えば接続ピンの形で更なる接続体を配設することができる。接続ピンは、積層体から離間して配設されることが好ましい。このようにして、当該接続ピンが積層体表面でこすれることで生じる圧電アクチュエータの摩耗を防ぐことができる。

圧電アクチュエータは、圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜から製造されるモノリシック多層アクチュエータであることが好ましい。スクリーン印刷法によって金属ペースト、例えば銀−パラジウムペーストを当該薄膜に塗布することにより、電極層を形成してもよい。薄膜は積み重ねられ、プレスされた状態で積み重ねられた薄膜が同時に焼成される。電極層は、圧電アクチュエータの積層方向に沿って、交互となるように２つの外部電極に接続されていることが好ましい。

このような目的ために、好ましい態様において、電極層は、積層方向において交互に、一つの側面の領域に達し、別な側面の領域からは離間していることが好ましい。このような場合において、積層体には、極性の異なる隣り合った電極層が積層方向に重ならない不活性領域が形成される。不活性領域は、積層方向に対して垂直な平面であって、一つの側面の部分領域、例えば積層体の縁に隣接した部分領域のみに亘って延びていることが好ましい。不活性領域は、一つの側面全体に亘らず、一つの側面の部分領域にのみ亘って延びているため、機械的ストレスを小さく保つことができる。

電極層の電気的接続のため、積層方向に積層体に沿って延びる導電層を、不活性領域に隣接した側面に設けてもよい。例えば、不活性領域が対応して配設された状態において、導電層は、積層体の向かい合った２つ側面に設けられて、且つ対角線上に向かい合った長手方向の２つの縁に隣接している。外部電極のワイヤは、例えば半田付け又は溶接によって導電層に固着されてもよい。例えば、ワイヤは半田層により導電層と接続される。

圧電アクチュエータの別な態様において、電極層は積層体の断面全体に亘って延びている。このような場合には、積層体に不活性領域が形成されていないため、機械的ストレスが抑えられるという利点がある。このような場合に、電極層のそれぞれを外部電極の一つのワイヤと１つずつ個別に電気的に接続する方法により、当該電極層を圧電アクチュエータの積層方向において交互に極性の異なる外部電極と接続してもよい。このようにして、各電極層は積層方向において交互に第１外部電極のワイヤ又は第２外部電極のワイヤと接続させる。

外部電極の自由端は、例えば、積層方向と平行な向きに配設されることが好ましい接続ピンによって電気的に接続される。

これによって圧電アクチュエータの特に省スペースな接続が達成される。電極層と接続ピンをワイヤによって電気的に接続することにより、接続ピンは圧電アクチュエータから十分に機械的に分離されることになる。

圧電アクチュエータの斜視図である。 図１Ａの圧電アクチュエータの積層方向に対して垂直な断面図である。 圧電アクチュエータの積層方向に沿った断面図である。 圧電アクチュエータの外部接続のための一実施形態を示す、積層方向に対して垂直な断面図である。 圧電アクチュエータの積層方向に沿った断面図である。 圧電アクチュエータの外部接続のための別な実施形態を示す、積層方向に対して垂直な断面図である。

本発明の圧電アクチュエータ及びその有利な構成を、正確な縮尺でない概略図に基づいて説明する。

図１Ａは多層構造の圧電アクチュエータ１を示し、複数の圧電層とその間の電極層が積層方向Ｓに沿って配設されて積層体１１を形成している。図１Ｂはこの種の圧電アクチュエータの上面図である。

積層体１１は、積層方向Ｓにおいて隣合う極性の異なる電極層が重なっていない二つの不活性領域３ａ，３ｂを有している。このために、電極層は交互に、側面７１ａ及び向かい側の側面７１ｂの領域に達するまでは延びていない。不活性領域３ａ，３ｂはそれぞれ、２つの第１側面７１ａ，７１ｂの部分領域のみに亘って延びており、積層体１１の長手縁７３ａ，７３ｂ全体に亘って設けられている。

電極層の電気的接続のために、積層体１１の２つの第１側面７１ａ，７１ｂに帯状の導電層５ａ，５ｂが設けられている。導電層５ａ，５ｂは、電極層と同様に金属ペーストの焼成によって生成される基盤金属層である。導電層５ａ，５ｂは不活性領域３ａ，３ｂに隣接し、積層体１１の全長に亘って延びている。各導電層５ａ，５ｂには外部電極４ａ，４ｂが半田付けされている。

各外部電極４ａ，４ｂは、積層方向Ｓに対して垂直に延設された複数のワイヤ４１を有している。ワイヤ４１は、第１側面７１ａ，７１ｂの固着領域２ａ，２ｂにおいて導電層５ａ，５ｂに固着され、隣接する長手縁７３ａ，７３ｂを囲むように延設されている。固着領域２ａ，２ｂは最も近傍に位置する長手縁７３ａ，７３ｂに隣接している。従って、ワイヤ４１が長手縁７３ａ，７３ｂでこすれ、ワイヤ４１が長手縁７３ａ，７３ｂで直接摩擦されることによる摩耗を防止できる。第１側面７１ａ，７１ｂの領域にあるワイヤ４１の部分は全体的に積層体１１と接続されている。

第２側面７２ａ，７２ｂの領域で、各外部電極４ａ，４ｂの自由端４２ａ，４２ｂは接続ピン６ａ，６ｂと接続されている。接続ピン６ａ，６ｂは、第２側面７２ａ，７２ｂにこすれることがないように、第２側面７２ａ，７２ｂから離間している。

外部電極４ａ，４ｂはそれぞれ、第１側面７１ａ，７１ｂ上の導電層５ａ，５ｂに隣接した長手縁７３ａ，７３ｂを囲むように延びている。

ワイヤ４１は、固着領域２ａ，２ｂから長手縁７３ａ，７３ｂを越えた向こう側の少なくとも一部の領域において、長手縁７３ａ，７３ｂに隣接した第２側面７２ａ，７２ｂに平行に延び、第２側面７２ａ，７２ｂに対して離間している。これにより、圧電アクチュエータ１１の第２側面７２ａ，７２ｂにワイヤ４１がこすれることを防止できる。外部電極４ａ，４ｂの自由端４２ａ，４２ｂは、各外部電極４ａ，４ｂと第２側面７２ａ，７２ｂとの間に配設された接続ピン６ａ，６ｂに接続されている。接続ピン６ａ，６ｂは、積層方向Ｓに沿って延びている。ワイヤ４１は、各第２側面７２ａ，７２ｂの中間部分で終わりになる。

図２Ｂは、圧電アクチュエータの外部接続のための第１実施形態を示す、積層方向Ｓに対して垂直な断面図である。ここで断面図は図２Ａに書き入れられた線に沿ったもので、Ａを付した矢印に沿って見た断面の図である。圧電アクチュエータ１は、例えばシリコーンからなる成型材８１で固められ、更にプラスチックスリーブ８２で囲まれている。成型材８１により、圧電アクチュエータ１と接続ピン６ａ，６ｂとを所望の位置に固定することができる。

図３Ｂは、圧電アクチュエータの外部接続のための別な実施形態を示す、積層方向Ｓに対して垂直な断面図である。ここで断面図は図３Ａに書き入れられた線に沿ったもので、Ａを付した矢印に沿って見た断面の図である。

この実施形態においても、外部電極４ａ、４ｂは、積層体１１の長手縁７３ａ，７３ｂに隣接した領域で導電層５ａ，５ｂに固着されている。しかしながら、この実施形態の外部電極４ａ，４ｂそれぞれは、導電層５ａ，５ｂに隣接していない長手縁７４ａ，７４ｂを囲むように延びている。

加えてこの場合、外部電極４ａ，４ｂは、第１側面７１ａ，７１ｂと堅固に接続されておらず、部分的に第１側面７１ａ，７１ｂから離間している。このため、積層体が伸長すると、外部電極４ａ，４ｂは第１側面７１ａ，７１ｂ及び長手縁７４ａ，７４ｂの領域で積層体１１に対して動き、積層体１１の側面又は縁でこすれうる。損傷から保護するために、積層体１１の側面７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂは、パッシベーション層９２によって囲まれている。外部電極４ａ，４ｂの保護のために、外部に向かって延びた外部電極４ａ，４ｂによって囲まれた長手縁７４ａ，７４ｂには、カプトン膜９１が更に設けられている。

これに対し、図２Ｂに示された実施形態においては、パッシベーション層９２もカプトン膜９１も必要ない。これは、図２Ｂに示された実施形態におけるワイヤ４１のこすれが、積層体１１における外部電極４ａ，４ｂの配置により、既に防止できるからである。更に、外部電極４ａ，４ｂが導電層５ａ，５ｂに隣接した長手縁７３ａ，７３ｂを囲むように延びている場合、ワイヤの必要な長さは、図３に示された実施例に比べて短くなる。従って、図２Ｂに示された外部接続は、特に低コストとなる。

本発明は、上記の実施例に基づく説明によって上記の実施例に限定されるものではなく、いずれの新規な特徴、及び特徴の任意の組合せをも包含する。すなわち、このような特徴又は組合せ自体が特許請求の範囲又は実施例に明記されていなくとも、このような特徴又は組合せは、特許請求の範囲中の特徴の任意の組合せを包含する。

１ 圧電アクチュエータ
１１ 積層体
２ａ，２ｂ 固着領域
３ａ，３ｂ 不活性領域
４ａ，４ｂ 外部電極
４１ ワイヤ
４２ａ、４２ｂ 自由端
５ａ，５ｂ 導電層
６ａ，６ｂ 接続ピン
７１ａ，７１ｂ 第１側面
７２ａ，７２ｂ 第２側面
７３ａ，７３ｂ，７４ａ，７４ｂ 長手縁
８１ 成型材
８２ プラスチックスリーブ
９１ カプトン膜
９２ パッシベーション層
Ｓ 積層方向

Claims (15)

1. 多層構造の圧電アクチュエータであって、
   複数の圧電層と前記圧電層間に配置される複数の電極層とを備える積層体（１１）と、
   前記電極層の電気的接続のために設けられ、少なくとも一方が複数のワイヤ（４１）を備える２つの外部電極（４ａ，４ｂ）と、を有し、
   前記ワイヤ（４１）は、前記積層体（１１）の第１側面（７１ａ，７１ｂ）の固着領域（２ａ，２ｂ）に固着され、前記固着領域（２ａ，２ｂ）に最近傍の縁（７３ａ，７３ｂ）を囲むように延設されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記積層体（１１）は、積層方向（Ｓ）に沿った積層構造を有し、
   前記ワイヤ（４１）は、前記積層方向（Ｓ）に対して垂直に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１側面（７１ａ，７１ｂ）の領域内における前記ワイヤ（４１）の長さは、前記第１側面（７１ａ，７１ｂ）の幅の１／２以下であることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記固着領域（２ａ，２ｂ）は、前記最近傍の縁（７３ａ，７３ｂ）に隣接していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記ワイヤ（４１）は、前記第１側面（７１ａ，７１ｂ）の領域にある部分が全体的に積層体（１１）と接続されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記ワイヤ（４１）が前記第１側面（７１ａ，７１ｂ）を越えた向こう側で曲げられていることにより、前記ワイヤ（４１）の少なくとも一部分が、前記縁（７３ａ，７３ｂ）に隣接した第２側面（７２ａ，７２ｂ）に平行に延びていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記ワイヤ（４１）は、前記縁（７３ａ，７３ｂ）を越えた向こう側で前記第２側面（７２ａ，７２ｂ）から離間していることを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記ワイヤ（４１）は、前記第２側面（７２ａ，７２ｂ）の中間部分で終わりになることを特徴とする請求項６又は７に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記外部電極（４ａ，４ｂ）の自由端（４２ａ，４２ｂ）が、前記積層方向（Ｓ）に対して平行な向きに向けて配設された接続ピン（６ａ，６ｂ）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記ワイヤ（４１）が、前記積層方向（Ｓ）に沿い且つ前記積層体（１１）に亘って帯状に延びている導電層（５ａ，５ｂ）に固着されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記ワイヤ（４１）が、半田層によって前記導電層（５ａ，５ｂ）と接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記導電層（５ａ，５ｂ）は２つ設けられ、
    前記電極層は、前記積層方向（Ｓ）において交互に、前記導電層（５ａ，５ｂ）の一方に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の圧電アクチュエータ。
13. 成型材（８１）に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
14. 前記積層体（１１）を構成する全ての層は、一括して同時に焼成されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。
15. 前記接続ピン（６ａ，６ｂ）は、前記積層体（１１）から離間して配設されていることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１に記載の圧電アクチュエータ。

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