JP3104305B2 - 積層型圧電体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印加される電圧に応じ
て伸縮する板状圧電素子を多数積層してなる圧電体に関
するもので、たとえば、燃料噴射装置を駆動する圧電体
アクチュエータに適用される。

【０００２】

【従来の技術】従来、積層型圧電体は、圧電板からなる
圧電素子と金属製の電極板とを交互に重ね合わせてなる
積層体と、積層体の電極板が一つおきに側面でそれぞれ
電気的に接続されて一対の側面電極を構成している。こ
の一対の側面電極にはリード線が側面でそれぞれ接合さ
れている。そしてリード線を介して側面電極および電極
板に電圧が印加され、積層型圧電体は圧電体特性を発揮
する。

【０００３】このリード線と側面電極との接合は、通常
積層型圧電体の外周側面で半田付け、あるいはかしめな
どの接合技術で接合されている。したがって、積層型圧
電体の外周面には、リード線およびその接合部が外周面
より突出しており、積層体の外径を大きくしている。こ
のため積層型圧電体をパッケージングする際（ある装置
に組付ける時）、積層型圧電体の収納容器はリード線を
挿入できる分を見越した大きな径のスペースとするか、
あるいはリード線を通すための逃がし溝部分を膨出した
形状とする必要がある。このため、従来の積層型圧電体
はデットスペースが多くなるという不具合がある。

【０００４】具体的に示すと積層型圧電体をアクチュエ
ータとして使用する場合、図７に示すようにパッケジン
グされる。この金属ベローズ８０は、積層型圧電体１及
びそこに突出するリード線７３、７４ならびに接合部７
６、７７を覆っている。そのためリード線７３、７４お
よび接合部７６、７７を覆う分だけ外径が大きくなって
いる。図７では 積層型圧電体１の一端１ａは、円板状
のカバー８１に当接し、他端１ｂはピストン８２の有底
部８２ａに当接している。そしてカバー８１とピストン
８２は金属製ベローズ８０より連結され、この金属製ベ
ローズ８０は引張り力がプリセット荷重として作用して
いる。金属製ベローズ８０は内部に積層型圧電体１が収
納されているが、リード線およびその接合部の突出のた
めベローズ８０の内径は圧電体の外径より大きくするこ
とが必要で、その結果アクチュエータ自体の体積も大き
くなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、組付けられた積層型圧電体の単
位断面積当たりの発生力（積層型圧電体に電圧を印加し
たときに発生する大荷重をいう）の効率を高めるために
側面側のデッドスペースをなくした積層型圧電体とする
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電体
は、圧電板からなる圧電素子と金属製の電極板とを交互
に重ね合わせてなる積層体と、該積層体の側面に沿って
積層方向に延び一つおきに各該電極板よりなる２組の電
極板組の各該電極板をその側面で電気的に接続する一対
の側面電極と、該側面電極に外部より電圧を負荷するた
めに該側面電極に電気的に導通されたリード線を具備し
た積層型圧電体であって、該積層体の一端側に積層さ
れ、一対の該側面電極の一方に外周面で電気的に接続さ
れた第１端子電極板と、該第１端子電極板上に載置され
た中央部に通孔を有する絶縁板と、該絶縁板上に載置さ
れ一対の該側面電極の他方に外周面で電気的に接続され
中央部通孔を有する第２端子電極板と、該第１端子電極
板に接続され該絶縁板および第２端子電極板の各通孔を
介して導出された第１リード線を有することを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】本発明の積層型圧電体では、該積層体の一端側
に積層され、一対の該側面電極の一方に外周面で電気的
に接続された第１端子電極板と、該第１端子電極板上に
載置された中央部に通孔を有する絶縁板と、該絶縁板上
に載置され一対の該側面電極の他方に外周面で電気的に
接続され中央部通孔を有する第２端子電極板と、該第１
端子電極板に接続され該絶縁板および第２端子電極板の
各通孔を介して導出された第１リード線を有することを
特徴とする該端子電極板上に載置されたリング状の絶縁
板とを有し、該絶縁板のリング孔内を介してリード線が
積層体外部に引き出されている。このため積層体の外周
面には、リード線およびリード線と側面電極との接合部
がないので、側面から外周方向への突出部がない。した
がって、この積層型圧電体では、積層体の外周側面を外
径として扱えるので、積層型圧電体を収納するパック材
の内径を小さくでき空間を有効に利用できる。このため
装置の空間の利用効率が高まりデッドスペースがなくな
り、従来品のリード線接合部の突出がある場合より積層
型圧電体のアクチュエータを小型化することができる。

【０００８】また、積層型圧電体の圧電性能は圧電素子
の面積に基づいて発生力を得るため、積層型圧電体が同
じ性能であれば、小型化したことによりその有効面積の
割合が増し見掛け上性能を向上させたことになる。

【０００９】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１） この積層型圧電体１は、図１の正面図、図２の断面図に
示すように、積層体１０と、積層体１０の側面に沿って
積層方向に一対形成された側面電極１３、１４と、積層
体１０の上端面に金属板２０、第１端子電極板３１、第
２端子電極板３２、絶縁板４０、スペーサ６０、端面電
極板５０とが載置され、第１端子電極板３１、第２端子
電極板３２にはリード線７１、７２が接続されて構成さ
れている。

【００１０】積層体１０は、図３の斜視図に示すように
両面にたとえば銀ペーストの塗布などにより形成した電
極１５をもつセラミックスの圧電板からなる圧電素子１
１と円板状の金属製で端面に外側方向に突出した設けら
れた３個の爪１２１をもつ電極板１２とが交互に積層さ
れて形成されている。そして一つおきの各電極板１２よ
りなる２組の電極板組の各電極板１２はその爪１２１を
直接溶接するか、または側面電極板（図示せず）に溶接
などで接合させて電気的に接続して一対（それぞれ３個
づつ）の側面電極１３、１４が形成されている。この一
対のうちの一方の側面電極１４は、積層体１０の上端面
より上方向に長く延び端面電極板５０に設けられている
爪５１と係合する係合部５２で接合される。他方の側面
電極１３は積層体１０の端面と同じ長さで、積層体１０
の最上面の電極板１２に当接する金属板２０に電気的に
接続するように形成されている。

【００１１】積層体１０の上端面には、図４の積層型圧
電体の組付け状態の斜視図に示すように、金属板２０、
第１端子電極板３１、絶縁板４０、第２端子電極板３
２、スペーサ６０、端面電極板５０が順次載置されてそ
れぞれ固定されている。金属板２０は、電極板１２の外
径より小さい外径を有する比較的肉厚の金属の板で積層
体１０の端面に載置される。積層体１０の上端面には電
極板１２がくるように積層されており、金属板２０は電
極層である電極板１２の端面に突出して設けられている
３個の爪１２１を接続して形成された３本の側面電極１
３と電気的に接続されている。

【００１２】この金属板２０は、積層体１０の端面に直
接当接するので両端面の面粗度や平面度がかなり高精度
に仕上げられており、積層体１０の圧電素子１１に曲げ
や集中荷重（片当たり）が加わった際に圧電素子１１に
割れなどの不具合が発生しないように考慮されたものが
使用される。第１端子電極板３１は、外径が金属板２０
と同じでリング状の金属板で形成され金属板２０の上面
に載置され、金属板２０を介して側面電極１３に電気的
に接続されており、第１端子電極板上でかしめまたは溶
接でリード線７１に接続されている。なお、この第１端
子電極板３１はリード線が中央部で接続できるのであれ
ば特にリング状でなく円板状などであってもよい。

【００１３】この第１端子電極３１は、基本的には電極
板１２と同じ金属板をプレス加工などの手段を用いて形
成しているが、両端面のバリ取りや面の仕上げ（平面度
など）が金属板２０と同等程度になされていれば金属板
２０を取り除くことも可能である。絶縁板４０は、第１
端子電極板３１と同じ外径で肉厚のリング状で、通孔で
第１端子電極板３１に接続したリード線７１を外部へ取
り出すことを可能にして第１端子電極板３１の上に載置
される。この絶縁板４０は、絶縁材料（樹脂、セラミッ
クスなど）で形成される。この絶縁材料は、積層型圧電
体１に電圧を印加したときに発生する発生力を直接・受
圧するため発生力の損失をできるかぎり小さくするため
に、ヤング率が大きく塑性変形のない材料を用いるのが
好ましい。

【００１４】第２端子電極板３２は、第１端子電極板３
１と絶縁するために絶縁板４０の上に載置されている。
この第２端子電極板３２は上記の第１端子電極板３１と
同じ材質でリング状のものが使用されリング穴よりリー
ド線７１の取り出しを可能とし、リングの内周端面でか
しめまたは溶接でリード線７２が接続されている。スペ
ーサ６０は、リング状で積層体１０の端面に直接載置さ
れ外径が積層体１０と同じで内径が絶縁板４０の外径よ
りやや大きくしてあり、金属板２０、絶縁板４０、第１
端子電極板３１、第２端子電極板３２の外周面に配置さ
れそれらの横方向への移動を拘束している。このスペー
サ６０は第１端子電極板３１、第２電極板３２間の絶縁
性を保もつため絶縁板４０と同じ絶縁材料で形成されて
いる。

【００１５】端面電極板５０は、リング状の金属製円板
でスペーサ６０および第２端子電極板３２を覆って上面
に載置され、端部に設けた積層方向に延びる３個の爪５
１がスペーサ６０の外周において積層体１０の上方に延
びた側面電極１４に係合して係合部５２を形成して溶接
などの手段を用いて接続されて積層体１０に係止されて
いる。したがって側面電極１４は端面電極板５０を介し
て第２端子電極板３２に電気的に接続されている。

【００１６】このためスペーサ６０は、端面電極板５０
と積層体１０の上端面で挟まれサンドイッチ状に固定さ
れさらに端面電極板５０の３個の爪の部分により横方向
への動きが拘束される。したがって、積層体１０の上端
面に設けられたスペーサ６０、絶縁板４０などの各部は
一体的に固定係止されている。リード線７１は、端面電
極板５０、第２端子電極板３２、絶縁板４０の中央部の
通孔を経て外部に取り出されている。リード線７２は、
端面電極板５０の中央部の通孔を経て同様に外部に取り
出されている。このリード線７１、７２は第１端子電極
板３１、第２端子電極板３２を介して側面電極１３、１
４に電気的に接続されているので、リード線７１、７２
への電圧を印加により積層体１０に電圧が負荷され圧電
特性が発揮される。

【００１７】また、リード線７１を接合した第１端子電
極板３１とリード線７２を接合した第２端子電極板３２
との接合部が接触しないように絶縁板４０の厚みを充分
大きくとるか、あるいは絶縁性のチューブなどを用いて
リード線と端子電極板の接合部を完全に覆うようにする
のが好ましい。次に図１および図２で積層型圧電体１へ
の電圧の印加の過程を説明をする。積層体１０の上端面
の電極板１２の電気極性を、たとえば、−極とすると
（端子電極板３１の極性は−極となりリード線７１も−
極となる）、積層体１０の上端面の電極板１２と電気的
に接合されていない側面電極１４が＋極となるので、こ
の側面電極１４と接続している端面電極板５０の極性は
＋極となる（第２端子電極板３２およびリード線７２の
極性は＋極となる）。但し積層型圧電体１の電気極性を
決定するのは分極時であるため、上記のことを考慮して
あれば、どちらが＋極、−極となってもかまわない。

【００１８】積層型圧電体１は、＋電極側に＋電圧を印
加すると伸び、−電圧を印加すると縮む特性を有してい
る。このとき積層型圧電体１の特徴として大発生力を発
生するが、これは積層型圧電体１の圧電素子１１の投影
面積に比例する。たとえば、ここで用いる積層型圧電体
１の圧電素子１１の面積は７８．５ｍｍ ² 、発生力は３
０００Ｎであるが、単位面積当たりでは３８．２ＭＰａ
の発生力となる。ところが、実使用状態では、従来の積
層型圧電体では外周部にリード線など電圧印加手段を配
置する必要からこの部分に要する面積が大きくなる。こ
れを平面図として模式的に示したのが図６である。斜線
範囲内が圧電素子の面積で、リード線が側面に配置され
ると一点破線の範囲が積層型圧電体の実面積となる。対
となるリード線の配置位置によってもこの面積は多少変
化するがこれより小さくなることはない。したがって、
圧電素子のみの面積に比べリード線などを側面に配置す
るとこのような面積としてデッドスペースが生じる。実
際に使用するときに必要な面積を計算すると、圧電素子
に要する面積に比べて１０％以上大きくなる。したがっ
て、実際には単位面積当たりの発生力は１０％以上低下
することになる。

【００１９】これに対して、本発明では、リード線等が
積層体の側面に突出していないため積層体の下面に投影
される面積が圧電素子とほぼ同じである。そこで圧電体
の投影面積のみで圧電体の発生力を得ることができ、ス
ペースを有効に用い単位面積当たりの発生力の効率のよ
い構造となる。言い換えれば、同じ積層型圧電体を用い
た場合でも、本構造を用いれば従来品に比べて１０％以
上小さい製品を供給することができる。 （実施例２） この例は、図５に示すように積層型圧電体１の電圧印加
用のリード線の一方の−極側をボディアース構造とした
ものである。このため、積層体１０の上端面に設ける第
１端子電極板３１が＋極のみとなりリード線７１の取り
出しも一方のみでよく構造が簡素化できる。

【００２０】この積層型圧電体１は、積層体１０の上端
面を圧電素子１１としその上に円板状の金属板２０を載
置しその上にリード線７１をかしめにより接続したリン
グ状の第１端子電極板３１を配置し、金属板２０および
第１端子電極板３１の外周囲にスペーサ６０を配置し両
者を固定し、第１端子電極板３１の上面に中空状の端面
電極板５０を載置して積層体１０の側面電極１３と爪５
１と係合部５２を形成して接合されて一体的に結合され
ている。なお、積層体１０の最上端面が電極板１２の場
合は、金属板２０の代わりに絶縁板３１（リング状でな
く円板状）を使用することで側面電極１３、１４が導通
するのが防げる。

【００２１】他方の側面電極１４は下端面でボディアー
スされる。そしてリード線７１を＋極となるように配置
すれば、図５における第２端子電極板３２と、絶縁板４
０または金属板２０が不要となり構造が簡単になり、積
層型圧電体１の全長もより小さいものとすることが可能
となる。なお、このとき積層型圧電体１の上側の電極板
１２と下側の電極板１２が極性が異なる様な配置とする
ことが必要である（上側の電極板の極性が＋、下側の電
極板の極性は−とする）。

【００２２】このように積層体の上面でリード線を接続
し端子電極板を絶縁材を介して配置して側面電極のそれ
ぞれに接続することで積層体のリード線の側面接合によ
る外径の拡大が防止できる。

【００２３】

【発明の効果】この積層型圧電体は電圧を印加するリー
ド線が圧電体の上端面に設けられた端子電極板に内周面
側で接合されて、リード線は上部方向に延びて取り出す
構造となっている。そのため積層体の側面に突出部が無
くデッドスペースがなくなり側面空間が有効に利用でき
る。このため積層型圧電体が装置に組付けられたときの
取りつけ外径を小さくすることができる。

【００２４】したがって、圧電体の単位面積当たりの発
生力を効率良く得ることができる。また端子電極板を用
いる簡単な構造で電極と接合しているので容易に作製す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は実施例１の積層型圧電体の正面図である。

【図２】は図１の積層型圧電体の断面図である。

【図３】は積層体の構成を説明する斜視図である。

【図４】は実施例１の積層型圧電体の構成を説明する模
式図である。

【図５】は実施例２の積層型圧電体の断面模式図であ
る。

【図６】従来品の実際に使用する時に必要な面積と圧電
素子の面積にリード線を接合した場合の面積の増加度合
いの投影面積を示す模式図である。

【図７】は従来の積層型圧電体の組付け使用状態を説明
する断面模式図である。

【符号の説明】

１ 積層型圧電体、 １０ 積層体、 １１ 圧電素
子、１２ 電極板、 １３、１４ 側面電極、 ２０
金属板、 ３１ 第１端子電極板、３２ 第２端子電極
板、 ４０ 絶縁板、 ５０ 端面電極板、 ６０スペ
ーサ、 ７１、７２ リード線、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 章 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−288380（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−44863（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電板からなる圧電素子と金属製の電極板
   とを交互に重ね合わせてなる積層体と、該積層体の側面
   に沿って積層方向に延び一つおきに各該電極板よりなる
   ２組の電極板組の各該電極板をその側面で電気的に接続
   する一対の側面電極と、該側面電極に外部より電圧を負
   荷するために該側面電極に電気的に導出されたリード線
   を具備した積層型圧電体であって、 該積層体の一端側に積層され、一対の該側面電極の一方
   に外周面で電気的に接続された第１端子電極板と、該第
   １端子電極板上に載置された中央部に通孔を有する絶縁
   板と、該絶縁板上に載置され一対の該側面電極の他方に
   外周面で電気的に接続され中央部通孔を有する第２端子
   電極板と、該第１端子電極板に接続され該絶縁板および
   第２端子電極板の各通孔を介して導出された第１リード
   線を有することを特徴とする積層型圧電体。