(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造の圧電アクチュエータであって、
圧電体層（２）及び当該圧電体層（２）の間に介装された電極層（３）の積層体（１１）と、
溶射により形成される接合層（４，４ａ，４ｂ）を介し、前記積層体（１１）の外面に固定された少なくとも１つの外部電極（６，６ａ，６ｂ）と
を備え、
前記接合層（４，４ａ，４ｂ）は、前記積層体（１１）から離間する方向に向く面である前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）の上面の全域に付着している
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記接合層（４，４ａ，４ｂ）は、前記積層体（１１）の外面に対し、少なくとも部分的に付着し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。
【請求項３】
前記積層体（１１）の外面には、前記電極層（３）の電気的接続を行うための接続層（５ａ，５ｂ）が設けられ、
前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）は、前記接続層（５ａ，５ｂ）に固定されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記接合層（４，４ａ，４ｂ）は導電性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記接合層（４，４ａ，４ｂ）は金属を含有す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。
【請求項６】
前記金属は、銅、銀、アルミニウム、及び錫からなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）は、孔（６３）を有した金網体により形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）は、孔（６３）を有した金属板により形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記孔（６３）は、前記接合層（４，４ａ，４ｂ）で満たされていることを特徴とする請求項７または８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）は、銅、鋼、及び鉄・ニッケル合金からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記積層体の全ての層（２，３）は、一括して同時に焼成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
圧電アクチュエータにおける外部電極を固定する方法であって、
（Ａ）圧電体層（２）及び当該圧電体層（２）の間に介装された電極層（３）の積層体（１１）を準備する工程と、
（Ｂ）前記積層体（１１）の外面に外部電極（６，６ａ，６ｂ）を置く工程と、
（Ｃ）前記積層体（１１）から離間する方向に向く面である前記外部電極（６，６ａ，６ｂ）の上面の全域と、前記積層体（１１）の外面の一部とに材料（４１）を溶射する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記工程（Ｃ）における溶射には、フレーム溶射法、プラズマ溶射法、冷ガス溶射法、及びアーク溶射法からなる群から選択した方法を用いることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記工程（Ｃ）における溶射の際の前記積層体（１１）の温度は、前記材料（４１）の融点より低いことを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記積層体（１１）の温度は２００℃未満であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体層と電極層とが積層された多層構造の圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極層の電気的接続を行うため、積層体の外面には外部電極が固定されている。このような形式の圧電アクチュエータは、例えば自動車における燃料噴射弁を駆動するために用いられる。
【０００３】
特許文献１には、積層体に固定された外部電極を有する圧電アクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許第０８４４６７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、可能な限り悪影響を抑制しながら、圧電体層と電極層との積層体に外部電極を結合可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、圧電体層と、当該圧電体層の間に介装された電極層との積層体を有する多層構造の圧電アクチュエータを提供する。圧電アクチュエータは少なくとも１つの外部電極を有しており、この外部電極は、溶射により形成された層を介し、積層体の外面に固定されている。
【０００７】
積層体の全ての層は、一括して同時に焼成され、一体的な多層型アクチュエータを形成するのが好ましい。圧電体層には、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）といった圧電材料を含有する薄板が用いられる。電極層を形成するため、例えば銀・パラジウムペースト、或いは銅含有ペーストなどの金属ペーストを、スクリーン印刷によって上記薄板に塗布してもよい。その後、この薄板は、例えば縦方向軸線に沿って積層され、積層方向に加圧された状態で一括して同時に焼成される。このとき、圧電体層毎に電極層を設ける必要はなく、例えば２つの電極層の間に数層の圧電体層が設けられるようにしてもよい。
【０００８】
隣り合う２つの電極層に電圧が印加されると、圧電体層が分極し、その分極方向に沿って伸長する。電極層の電気的接続を行うため、各電極層は外部電極に接続されている。例えば、２つの外部電極が積層体の２つの外面に取り付けられる。各電極層は、積層方向において交互となるように外部電極の一方または他方まで延設されて電気的に接続されると共に、反対側の外部電極からは離間するようになっている。このようにして、同じ極性の電極層を共通の外部電極により電気的に接続することができる。
【０００９】
信頼性の高い電気的接続を行うため、外部電極を積層体の外面に確実に固定する必要がある。外部電極は、溶射によって形成された接合層を介して積層体に固定される。
【００１０】
このような固定方法には、外部電極を積層体に固定する際に、積層体が悪影響を受けるような温度まで圧電セラミックが加熱されないという利点がある。積層体の外面には、局部的に高い温度（例えば、１００℃〜２００℃）が生じる可能性があるものの、このような温度上昇は積層体全体に影響を及ぼすものではなく、且つ短時間でしか発生しない。また、溶射によって形成される接合層は、外部電極及び積層体に密着すると共に、厚みを薄く形成されるのが好ましい。これにより、省スペースでの圧電アクチュエータの電気的接続が可能となる。
【００１１】
接合層は、外部電極及び積層体のそれぞれに対して少なくとも部分的に付着し、これにより外部電極が積層体に固定される。接合層は、積層体から離間する方向に向く面である外部電極の上面の全域に付着している。また、接合層は、積層体の外面に対して少なくとも部分的に付着するのが好ましい。
【００１２】
この場合、外部電極が積層体に設けられたときに、外部から直接的に接触可能な外部電極の面が、外部電極の上面となる。このような面には、積層体の外面と平行であって外部から良好に視認可能な部分が含まれる。但し、この「上面」には、外部から直接的に接触可能であるが、積層体の外面に対して傾斜しているために外部からはよく見えないような外部電極の部分も含まれる。例えば、これらの部分は、外部電極の外周部分または外部電極に形成された孔の部分である。例えば、接合層は、外部電極の上面を覆っている。
【００１３】
同様に、接合層は、積層体の外面のうち、外部電極が取り付けられたときに外部から直接的に接触可能な部分、即ち外部電極によって隠れていない領域に少なくとも部分的に付着しているのが好ましい。例えば、このような領域は、積層体の外面のうち、外部電極の周囲に位置する部分、或いは外部電極に形成された空隙を介して外部から見える部分である。
【００１４】
外部から直接的に接触することのできない積層体と外部電極との間の領域には、接合層が入り込まないのが好ましい。これは、例えば積層体の外面のうち、外部電極が覆っていて外部から見えなくなっている領域に関するものである。このような領域では、外部電極が積層体に対してしっかりとは固定されていない。このことには、積層体の外面に発生したクラックを外部電極が跨ぐことが可能となって、外部電極にまでクラックが続いて入り込まずに済むという利点がある。但し、外部電極は積層体の外面の少なくとも一部に直接的に接して延設されており、積層体の外面と電気的に接続されている。この場合、電極層は外部電極を直接介して電気的接続を行うことが可能である。従って、低導電性または非導電性の接合層を用いる場合でも、電極層の電気的接続が可能である。
【００１５】
接合層と直に機械的に結合している外部電極及び積層体のそれぞれの領域は、使用する溶射方法によって概ね定まる。この方法では、最初の工程として、圧電体層と、当該圧電体層の間に介装された電極層とからなる積層体を準備し、この積層体の外面に外部電極を置く。次に、こうして形成された部材に対して材料を溶射する。このとき、外部電極及び積層体は、外部から溶射されてくる溶射粒子と直接的に接することが可能な部分領域のみが、接合層で覆われるようにするのが好ましい。
【００１６】
一態様として、電極層との電気的接続を行う接続層が、積層体の外面に設けられる。外部電極は、この接続層に固定される。外部電極は、少なくとも一部が接続層に対して直に設けられているのが好ましい。
【００１７】
例えば接続層は、積層体が焼成される際に同時に焼成されるベース金属膜である。例えば、銀・パラジウムペーストまたは銅含有ペーストといった、電極層と同様の材料を接続層に用いてもよい。この場合、接続層は、積層体の外面のうち、いわゆる不活性領域の部分に固定されており、この不活性領域において、積層方向で１つおきとなるように電極層が積層体の外面まで延設されて接続層と電気的に接続される。例えば、積層体において対向する２つの外面の不活性領域の部分に、それぞれ接続層が配設される。
【００１８】
接合層は導電性を有するのが好ましい。これには、外部電極だけではなく、接合層をも介して電極層の電気的接続が可能となるという利点がある。従って、接合層が外部電極と積層体との間の領域に広がり、接続層または電極層と電気的に接続された状態になると、電極層の電気的接続も確実なものとなる。また、電極層への電圧印加も、接合層に固着した更なる接合材を用いて行うことが可能となる。例えば、このような目的のため、ワイヤ状のリード線を接合層にハンダ付けしてもよい。
【００１９】
例えば、接合層は金属を含有していてもよい。
この金属には、ベース金属膜及び金属製の外部電極に良好に接合されると共に、信頼性の高い電気的接続が得られるような材料を選択するのが好ましい。例えば、接合層は、ベース金属膜または外部電極と同じ材料を含有する。接合層の金属は、例えば、銅、銀、アルミニウム、及び錫からなる群から選択される。
【００２０】
一態様において、外部電極は孔を有した金網体からなる。
例えば金網体は、鋼製金網、銅製金網、或いは鉄・ニッケル合金製金網からなる。金網体を形成する線材は、銅で被覆していてもよく、このようにすることで外部電極へのハンダ付けをより良好に行うことが可能となる。このため、例えば、電圧印加のための外部電極への電気的接続がハンダ付けによって特に良好に行われることになる。
【００２１】
金網体も多層構造とすることが可能である。この場合、外部電極が完全に断裂してしまう可能性を低減することが可能となり、電気的接続の信頼性が特に高まる。
【００２２】
別の態様として、外部電極は孔を有した金属板で形成される。
例えば、この金属板は、鋼、銅、または鉄・ニッケル合金を含有する。孔は、パンチ加工によって金属板に形成するようにしてもよい。
【００２３】
孔を有したこのような形式の外部電極は、特に良好に積層体に固定可能である。溶射の際には、外方から外部電極の上面と積層体とに接合層が溶射される。このとき、外部電極及び積層体のできるだけ多くの領域に接合層が同時に付着するようにすれば、外部電極は特に高い信頼性をもって積層体に固定される。接合層が積層体に付着する部位の可能な限り多くは、接合層が外部電極に付着する部位に近接しているのが好ましい。
【００２４】
孔は、できるだけ多くの位置で外部電極が積層体に結合されるように、外部電極において均一に分布しているのが好ましい。
【００２５】
孔は接合層によって満たされているのが好ましい。
【００２６】
例えば、積層体の外面は、孔の部分が接合層によって覆われている。この場合、接合層は、孔を完全には満たしていなくてもよい。孔は、部分的に接合層で塞がれていれば十分である。
【００２７】
更に、本発明は、圧電アクチュエータにおける外部電極を固定する方法を提供する。この方法では、最初の工程として、圧電体層と、当該圧電体層の間に介装された電極層とからなる積層体を準備する。次に、この積層体の外面に外部電極を置く。その後、積層体から離間する方向に向く面である外部電極の上面の全域と、積層体の外面の一部とに対し、溶射により材料を付着させる。このとき、材料は溶射されることにより粒子状になるのが好ましい。
【００２８】
圧電体層と、当該圧電体層の間に介装された電極層との積層体は、外部電極が積層体の外面に設けられる前に焼成されるのが好ましい。例えば、焼成の際には、外部電極が設けられる積層体の外面に、接続層が同時に組み込まれる。
【００２９】
上記の材料は、外部電極が積層体にしっかりと結合するように溶射される。溶射された材料は接合層を形成し、外部電極の外面の少なくとも一部、及び積層体の外面の少なくとも一部に付着する。
【００３０】
溶射には、例えばフレーム溶射法、プラズマ溶射法、冷ガス溶射法、アーク溶射法からなる群から選択した方法を用いる。
これらの方法を用いる場合、材料は粒子状になり外部電極及び積層体の表面に向けて加速され駆動される。これら部材の表面に対し、溶射された粒子状の材料が衝突すると、材料の粒子が変形し、表面に付着したままとなる。これらの方法は、特に温度及び材料粒子の速度が異なっている。
【００３１】
例えば、フレーム溶射法の場合、材料は加熱によって溶融した状態または溶融を開始した状態とされ、粒子状にされて部材の表面に向け駆動される。冷ガス溶射法の場合にはパウダー状の材料が用いられ、わずかに加熱されただけで、被覆しようとする部材の表面に向けて高速で材料が駆動される。この材料が部材の表面に衝突すると、生成された摩擦熱によって粒子が互いに接着すると共に部材の表面に接着する。溶射法は、積層体を加熱する必要がなく、或いは溶射の際にわずかに加熱するだけでよいことから、積層体に対して熱的な悪影響が生じない、或いは僅かな熱的影響しか生じない点で利点がある。
【００３２】
溶射の際の積層体の温度は、接合層を形成する材料の融点より低いのが好ましい。
例えば、積層体の温度は２００℃未満とする。
【００３３】
溶射の際、積層体の外面は、短い時間の間、局部的に高温となる場合がある。但し、このような温度は、積層体の全体或いは積層体の外面全体に関わるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】外部電極及び接合層を有した圧電アクチュエータの平面図である。
【図２】図１に示す外部電極及び接合層を有した圧電アクチュエータの断面図である。
【図３】圧電アクチュエータにおける外部電極を固定する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
正確な縮尺とはなっていない概略図に基づき、本発明の圧電アクチュエータ及びその有利な構成について以下に説明する。
【００３６】
図１は、積層方向Ｓに沿って交互に積層配置された圧電体層（ここでは図示せず）及び電極層（ここでは図示せず）の積層体１１を有した圧電アクチュエータ１を示しており、積層方向Ｓは積層体１１の長手方向軸線に一致している。圧電体層、及び当該圧電体層の間に介装された電極層は、一括して同時に焼成され、一体的な焼結体を形成する。電極層の電気的接続を行うため、２つの対向する外面にはそれぞれ外部電極６が取り付けられている。図１は、一方の外部電極６が固定された側面を示す平面図である。積層体１１の外面には、ベース金属膜の状態で接続層（ここでは図示せず）が設けられ、電極層の電気的接続をより一層良好に行うと共に、外部電極の接続の信頼性を可能な限り高めるようにしている。
【００３７】
外部電極６は、金網状に構成すると共に、溶射によって設けられる接合層４を介して積層体１１に固定するようにしてもよい。外部電極６は、接合層４によって覆われる。このため、図１では接合層４の下方にある外部電極６が破線で示されている。接合層４は、外部電極６の上面、即ち外部電極６において積層体１１から離間する方向を向く面に付着している。このような付着は外部電極の側面部分においてもなされる。更に、接合層４は、接続層の部位にも付着している。本実施形態において、外部電極６は積層体１１の一端より先まで延設され、電圧印加用のリード線８に接続されている。リード線８は、ハンダ付け接合部８１によって外部電極６に固定されている。リード線８の接続は、例えば溶接によって行ってもよい。なお、外部電極６は、必ずしも積層体１１の一端より先まで延設することはなく、接合層４によって完全に覆われるようにしてもよい。このような場合、リード線８を接合層４に直接固定するようにしてもよい。
【００３８】
図２は、図１に示す圧電アクチュエータ１の断面図である。ここでは、平面視した圧電体層２を見ることができる。圧電体層及び電極層の積層体１１は、対向位置にある２つの不活性領域３１ａ，３１ｂを有する。各電極層は、交互に圧電アクチュエータ１の外面の一方または他方まで延設されると共に、その反対側の外面からは離間しているので、これら不活性領域３１ａ，３１ｂにおいては、異なる極性を有して互いに隣り合う２つの電極層が重なり合っていない。積層体１１の２つの外面には、接続層５ａ，５ｂが設けられており、その上に外部電極６ａ，６ｂが固定されている。これら外部電極６ａ，６ｂは、接続層５ａ，５ｂに直に設けられている。各電極層は、圧電アクチュエータ１の外面に設けられた２つの外部電極６ａ，６ｂに対し、交互に電気的に接続されている。
【００３９】
外部電極６ａ，６ｂは、金属線材を織り合せた金網状に構成されている。これらの外部電極６ａ，６ｂにおいて、金属線材の間には複数の孔６３が存在する。接合層４ａ，４ｂは、外部電極６ａ，６ｂの上面の一部及び積層体１１の外面の一部に付着すると共に、外部電極６ａ，６ｂの孔６３内にも達している。従って、接合層４ａ，４ｂは、孔６３の部分及び外部電極６ａ，６ｂの周囲において、積層体１１の外面にある接続層５ａ，５ｂに付着している。また、接合層４ａ，４ｂは、外部電極６ａ，６ｂの上面、即ち外部電極６ａ，６ｂを形成する金属線材の外面にも付着している。ここで、金属線材の外面には、外部電極６ａ，６ｂの周縁部分にあるものだけではなく、外部電極６ａ，６ｂにある孔６３を包囲する部分にあるものも含まれる。一方、外部電極６ａ，６ｂの下方には、接合層４ａ，４ｂが入り込んでいない。即ち、積層体１１の外面と外部電極６ａ，６ｂとに挟まれた部分には接合層４ａ，４ｂが存在していない。
【００４０】
図３のＡ〜Ｄは、圧電アクチュエータ１において外部電極６ａを固定する方法を概略的に図示するものである。図３のＡに示す工程において、圧電体層２と、当該圧電体層２の間に介装された電極層３との積層体１１を準備する。圧電体層２は、例えば圧電セラミック層である。ここで、全ての圧電体層２の間には電極層３を設けなくてもよい。電極層３は、積層方向Ｓにおいて交互となるように、積層体１１の外面の一方または他方まで延設されると共に、その反対側の外面からは離間している。これにより、異なる極性を有して積層方向で互いに隣り合う電極層３が重なり合っていない不活性領域３１ａ，３１ｂが形成されることになる。図中の積層体１１は焼成された状態にあり、同じく焼成によって積層体１１に結合された接続層５ａ，５ｂを有している。
【００４１】
図３のＢに示す工程では、積層体１１の外面に設けられた接続層５ａに外部電極６ａが置かれる。この外部電極６ａは、複数の孔６３を有した金網体または金属板である。
【００４２】
図３のＣに示す工程では、外部電極６ａの上面の一部及び接続層５ａの外面の一部に対し、金属材料４１が溶射される。このとき、金属材料４１は粒子状になっている。粒子状の金属材料４１は、高速で接続層５ａ及び外部電極６ａに衝突し、衝突の際、金属材料４１の粒子が互いに接着すると共に接合層４ａを形成する。また、金属材料４１は外部電極６ａにある孔６３内にも入り込む。
【００４３】
このような溶射作業の際、金属材料４１の温度は金属材料４１の融点より高くなっていてもよい。但し、金属材料４１の温度を金属材料４１の融点より低くし、金属材料４１の粒子が部材に衝突したときに、生成される摩擦熱によって金属材料４１の粒子が互いに接着すると共に部材に付着するようにすることも可能である。
【００４４】
図３のＤは、溶射作業を終了した状態を示している。外部電極６ａは接合層４ａで覆われており、この接合層４ａは外部電極６ａにある孔６３内にも達している。孔６３の内部及び外部電極６ａの周囲では、接合層４ａが接続層５ａと直に機械的に結合している。このほかの部分においては、接合層４ａが外部電極６ａの上面と直に結合している。
【００４５】
積層体１１の反対側の外面に対して外部電極６ｂを同様に設けるため、積層体１１はひっくり返されて、上記Ａ〜Ｃの工程がもう１度実行される。
【００４６】
本発明は、例示した実施形態に基づく説明によってこれら実施形態に限定されるものではなく、それぞれの新規な特徴及びこれら新規な特徴の様々な組み合わせを含むものである。即ち、特許請求の範囲に示す特徴またはその組み合わせが特許請求の範囲または実施形態に明確に示されていないとしても、特許請求の範囲に示す特徴のいかなる組み合わせも本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１              圧電アクチュエータ
１１            積層体
２              圧電体層
３              電極層
３１ａ，３１ｂ  不活性領域
４，４ａ，４ｂ  接合層
４１            金属材料
５ａ，５ｂ      接続層
６，６ａ，６ｂ  外部電極
６３            孔
８              リード線
８１            ハンダ付け接合部
【図１】
0005677968.tif 000002
【図２】
0005677968.tif 000003
【図３Ａ）】
0005677968.tif 000004
【図３Ｂ）】
0005677968.tif 000005
【図３Ｃ）】
0005677968.tif 000006
【図３Ｄ）】
0005677968.tif 000007