JP2008243924A - 積層型圧電アクチュエータ素子及び積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】素子の大型化を招くことなく従来に比べて信頼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及び積層型圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】各極となる外装電極６，６及び外装電極７，７は、各々導通先の１層の内部電極３，４に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数設けられ、各極となる外装電極６，６及び外装電極７，７に対して単一部材で構成された外部電極１０，１１により、複数の当該電極６，６及び外装電極７，７が同極となるように、当該外部電極１０，１１が接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子及び積層型圧電アクチュエータに係り、特に燃料噴射用インジェクタ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及び積層型圧電アクチュエータに関する。

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積層してなる積層体を利用する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、各内部電極と電気的に接続された外部電極を設ける必要があり、かつ、積層型圧電アクチュエータ素子の伸縮が繰り返し行われても外部電極と内部電極との電気的接続を維持できる構造とする必要がある。

このため、積層体の側面に、導電性ペースト等から形成された外装電極（下地電極）を形成し、この外装電極と金属メッシュ状に形成された伸縮可能な外部電極とを接続した構成の積層型圧電アクチュエータ素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、複数の同極の外部電極を設け、これらの外部電極に夫々リード線を接続した構成の積層型圧電アクチュエータ素子も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−２６１３３９号公報 特開平５−２２６７２１号公報

上記した外装電極と金属メッシュ状に形成された外部電極とを用いた積層型圧電アクチュエータ素子では、駆動を繰り返し行うと、外装電極の一部に亀裂等の破損が生じ、内部電極と外装電極との電気的な接続が失われてしまう場合がある。この様な状態となると、圧電層の一部に電圧が印加されず駆動時の変位量が減少してしまうという問題が生じる。また、電気的接続を失った内部電極と、外装電極又は外部電極との間で放電が発生する場合があり、この放電が誤動作の原因となったり、放電による電波ノイズが発生するという問題があった。

また、上記した複数の外部電極を設けてこれらの外部電極に夫々リード線を接続した構成の積層型圧電アクチュエータ素子では、外装電極上に外部電極とリード電極との接続箇所を設けると、リード線がはがれやすいため、外部電極とリード線との接続の信頼性を確保するために、わざわざ外部電極を大きくしたり素子を長くしたりして、外部電極とリード線との接続箇所が外装電極上に配置されないように設ける必要がある。そういった場合、素子が大型化するという問題がある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、素子の大型化を招くことなく従来に比べて信頼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及び積層型圧電アクチュエータ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てなる積層体と、前記積層体の側面に形成され前記内部電極と電気的に接続されるとともに、正極と負極とを有する外装電極と、前記外装電極と電気的に接続された外部電極とを具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、各極となる前記外装電極は、各々導通先の１層の前記内部電極に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数設けられ、各極となる前記外装電極に対して単一部材で構成された前記外部電極により、複数の当該電極が同極となるように、当該外部電極が接続されていることを特徴とする。

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、各極となる前記外装電極は、各々導通先の１層の前記内部電極に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数設けられ、各極となる前記外装電極に対して単一部材で構成された前記外部電極により、複数の当該電極が同極となるように、当該外部電極が接続されている。このように、１層の内部電極に対して複数の同極の外装電極を設けることにより、仮に１つの外装電極に損傷が発生して内部電極との電機的接続が失われた場合においても、もう１つの外装電極によってこの内部電極に対する電気的接続を維持することができ、信頼性の向上を図ることができる。また、複数の同極の外装電極に対して、単一部材で構成された外部電極が接続されているので、素子の大型化を招くこともない。

また、上記の積層型圧電アクチュエータ素子においては、複数の同極の外装電極の間に、外部電極に電気的に接続された外部接続端子を配置することが可能となる。このため、外装電極または素子を大きくすることなく、外部電極と外部接続端子の接続の信頼性を確保できる。さらに、積層体を積層方向に垂直な断面で見た時に、外部接続端子を積層体側面の略中央付近に配置することが可能となる。これによって、外部接続端子を積層体側面の端部付近に配置した場合に比べて、小型化を図ることができる。さらに、外部接続端子を、外部電極と積層体との間に配置する構成とすれば、より一層小型化を図ることができる。

上記の積層体は、積層方向に垂直な断面形状を多角形形状、例えば四角形状とすることができ、この場合複数の同極の外装電極は、積層体の同一の側面に形成することができる。また、このような積層体の断面形状を、例えば八角形状等のさらに角の多い形状とした場合、複数の同極の外装電極は、積層体の異なる側面に形成することができる。

また、上記の本発明の積層型圧電アクチュエータは、ケース内に収容して積層型圧電アクチュエータとして構成することができる。

本発明によれば、素子の大型化を招くことなく従来に比べて信頼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及び積層型圧電アクチュエータ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縦断面図である。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、正極と負極を有する外装電極６，７が形成されている。これらの外装電極６，７は、後述するように、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いる。また、図２，３に示すように、同極の外装電極６，７は、各々導通先の１層の内部電極３又は内部電極４に対して、少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数（図２，３に示す例では２つの外装電極６，６（例えば正極）及び外装電極７，７（例えば負極））設けられている。

そして、図３に示すように、一方の複数の同極の外装電極６，６に対しては、単一部材で構成された（１つの）外部電極１０が電気的に接続され、他方の複数の同極の外装電極７，７に対しては、単一部材で構成された（１つの）外部電極１１が電気的に接続されている。外部電極１０は、はんだ層８によって、外装電極６，６に接続されており、外部電極１１は、はんだ層９によって、外装電極７，７に接続されている。このようにして、外部電極１０が、内部電極３と電気的に接続され、外部電極１１が、内部電極４と電気的に接続された状態とされている。外部電極１０，１１は、導電性部材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。例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル等から構成されている。これらの外部電極１０，１１には、外部と電気的に接続するための外部接続端子として、例えばリード線１２，１３が設けられている。リード線１２は、外装電極６，６の間に位置するように、リード線１３は、外装電極７，７の間に位置するように配置されている。なお、本実施形態では、積層体５の積層方向に垂直な断面形状は、四角形状とされており、外装電極６，６は、同一の側面に形成され、外装電極７，７も反対側の同一の側面に形成されている。

上記のように、本実施形態では、各極となる外装電極６，６、外装電極７，７は、各々導通先の１層の前記内部電極３，４に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数設けられている。そして、外装電極６，６、に対してこれらが同極となるように、単一部材で構成された外部電極１０が接続され、外装電極７，７に対してこれらが同極となるように、単一部材で構成された外部電極１１が接続されている。このように、１層の内部電極３，４に対して複数の同極の外装電極６，６、外装電極７，７を設けることにより、仮に１つの外装電極６、外装電極７に損傷が発生して内部電極３，４との電機的接続が失われた場合においても、もう１つの外装電極６、外装電極７によってこの内部電極３，４に対する電気的接続を維持することができ、信頼性の向上を図ることができる。また、複数の同極の外装電極６，６、外装電極７，７に対して、単一部材で構成された外部電極１０，１１が接続されており、外部接続端子としてのリード線１２等も各極に１つずつで済むので、素子の大型化を招くこともない。

また、図３に示したように、リード線１２，１３等からなる外部接続端子は、外装電極６，６の間、及び外装電極７，７の間の位置、すなわち、積層方向に垂直な断面において積層体５の側面の略中央付近に配置されている。これに対して、例えば、図７に示すように、１つの外装電極６及び外装電極７を有する従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、リード線１２，１３等からなる外部接続端子を積層体５の側面の端部付近に配置しなければならない。すなわち、外装電極６と外部電極１０、及び外装電極７と外部電極１１とをはんだによって、接続しているため、リード線１２，１３と外部電極１０，１１の接続の信頼性を確保するためには、これらの接続部（外装電極６，７上）以外でリード線１２，１３を外部電極１０，１１にはんだ付けする必要があるからである。

そして、図３に示されるように、リード線１２，１３を積層体５の側面の略中央付近に配置した場合と、図７に示すように、積層体５の側面の端部付近に配置した場合とを比較すると、例えば、積層型圧電アクチュエータ１をケースに収容したり、樹脂モールドしたりして、その外形を円柱状とした場合、リード線１２，１３を積層体５の側面の略中央付近に配置した場合の方が、その径をより小さくして小型化することができる。このことは、特に積層型圧電アクチュエータ１を、燃料噴射用インジェクタ等の駆動源として使用する場合等、積層型圧電アクチュエータ１を円筒状の筒状体内に収容する場合、有利になる。また、従来の積層型圧電アクチュエータ素子において、外部電極１０，１１を外装電極６，７より積層方向に延ばして、その部分でリード線１２，１３を外部電極１０，１１にはんだ付けする場合もあるが、その場合においても、素子が長くなってしまい、大型化してしまう。それに対して、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子１では、素子を長くすることなく、リード線１２，１３と外部電極１０，１１の接続の信頼性を確保できる。

図３は、積層体５の積層方向に垂直な断面形状を、四角形状にした場合を示しているが、例えば、図４に示すように、積層体５の積層方向に垂直な断面形状は、さらに角数の多い多角形状としてもよい。図４に示す例では、四角形状の四隅を面取りしたように、上記断面形状を、実質的に八角形状とした場合について示してある。また、図４に示す例では、外装電極６，６、及び外装電極７，７は、積層体５の同一の側面ではなく、異なった側面に配置されており、これらの外装電極６，６、及び外装電極７，７を繋ぐように、断面形状が円弧状とされた外部電極１０，１１が設けられている。つまり、複数の同極の外装電極６，６及び外装電極７，７は、各々導通先の１層の内部電極３，４に対して異なる（少なくとも２つ以上の）側面で接続している。そして、外部接続端子としてのリード線１２，１３は、積層体５の側面（外装電極６，７が形成されていない側面）の略中央付近で、かつ、積層体５と外部電極１０，１１との間に配置されている。この様な構成とすれば、積層型圧電アクチュエータ１をケースに収容したり、樹脂モールドしたりして、その外形を円柱状とした場合、その径をより小さくして小型化することが可能となる。また、異なる側面に、複数の同極の外装電極６，６、及び外装電極７，７が形成されているので、より一層、内部電極３，４と外装電極６，７の接続の信頼性を向上させることができる。

上記のとおり、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子１では、素子の大型化を招くことなく従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。なお、本発明において、複数の外装電極６，６、及び外装電極７，７は、１層の内部電極３，４に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように形成されていれば良い。この理由は、内部電極３，４に対する接続箇所が離間していれば、１つの接続箇所に亀裂等が生じても、もう１つの接続箇所に亀裂が伝搬しないのに対して、１箇所で接続されていると亀裂が全体に伝搬して接続が失われる可能性が高まるからである。したがって、例えば、図５に示すように、外装電極６，６、及び外装電極７，７が、積層体５の端部の不活性領域（伸縮に寄与しない領域）等で接続されていても良い。また、外装電極は同極に対して２つに限られるものではなく、３以上であっても良い。

次に、上記積層型圧電アクチュエータ素子１を製造する方法の一例について説明する。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）を混合、粉砕し、ドクターブレード法にてシートを作製し、加工に適した所定の大きさにカットする。

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。

得られたシートに、上記導電性ペーストを、スクリーン印刷によりパターニングし、内部電極を形成する。

次に、上記のシート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し、脱脂、焼成する。

次に、柱状体の側面に、銀系ペーストを印刷し、６００〜８００℃で焼き付けて、図２に示したように外部電極を形成後に各極となる外装電極が、各々導通先の１層の内部電極に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように、複数の外装電極を形成する。この後、各極となる外装電極上にはんだペーストを塗布し、その上に単一部材で構成された金属メッシュ状の外部電極をその外部電極により、その外装電極が同極となるようにのせ、リフローによりはんだを溶解して外装電極と外部電極とを接続する。そして、図３に示したように、外部電極の中央部付近に外部接続端子、例えばリード線等をはんだ付けする。

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。図６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６中上側の端面）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６中下側の端面）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のリード線１２，１３は、スリーブ１０７を介してケース１０１及び裏蓋１０２に固定されている。

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線１２，１３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を介して図示しないインジェクタバルブ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縦断面方向の構成を模式的に示す図。 図1の積層型圧電アクチュエータ素子の外装電極の構成を示す図。 図１の積層型圧電アクチュエータ素子の横断面方向の構成を模式的に示す図。 他の実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の横断面方向の構成を模式的に示す図。 外装電極の変形例の構成を示す図。 本発明の一実施形態の積層型圧電アクチュエータの縦断面方向の構成を模式的に示す図。 従来の積層型圧電アクチュエータ素子の構成を示す図。

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、６，７……外装電極、８，９……半田層、１０，１１……外部電極、１２，１３……リード線。

Claims (6)

1. 圧電層と内部電極とを交互に複数積層してなる積層体と、前記積層体の側面に形成され前記内部電極と電気的に接続されるとともに、正極と負極とを有する外装電極と、前記外装電極と電気的に接続された外部電極とを具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
   各極となる前記外装電極は、各々導通先の１層の前記内部電極に対して少なくとも離間した２箇所以上で接続するように複数設けられ、
   各極となる前記外装電極に対して単一部材で構成された前記外部電極により、複数の当該電極が同極となるように、当該外部電極が接続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。
2. 請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   複数の同極の前記外装電極の間に位置し、前記外部電極に電気的に接続された外部接続端子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。
3. 請求項２記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
   前記外部接続端子は、前記外部電極と前記積層体との間に配置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。
4. 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であって、
   前記積層体は、積層方向に垂直な断面形状が多角形形状とされ、複数の同極の前記外装電極は、前記積層体の同一の側面に形成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。
5. 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であって、
   前記積層体は、積層方向に垂直な断面形状が多角形形状とされ、複数の同極の前記外装電極は、前記積層体の異なる側面に形成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。
6. 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と、
   当該積層型圧電アクチュエータ素子を収容するケースと
   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。

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