(57)【要約】【課題】積層体に加わる駆動時の応力を緩和することができるとともに、外装電極やはんだ層等に損傷が生じることを抑制することができ、従来に比べて耐久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】積層体５の両側の側面には、積層方向に対して垂直方向（積層面に平行）に、側面から所定深さ切り込まれたように、積層体に発生する応力を緩和する目的でスリット６が所定間隔で複数形成されている。積層体５の両側の側面（スリットが形成された側面）には、外装電極７，８が、積層体５を外装電極７，８が形成された面側から投影した時に、スリット６の部分に重ならないように形成されている。外装電極７，８の表面には、全面にわたってはんだ層９，１０が形成されており、これらのはんだ層９，１０は、スリット６上で連結しないように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電層と内部電極とを交互に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た外装電極と、
前記外装電極の表面に形成されたはんだ層と、
前記はんだ層を介して前記外装電極と電気的に接続された外部電極と、
前記積層体の側面に積層方向に対して垂直方向に形成され、駆動時に当該積層体に発生する応力を緩和するスリットと
を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
前記外装電極は、前記スリットの部分に重ならないように形成され、
前記スリットを挟んで隣接する前記はんだ層同士は、該スリット上で連結しないように形成される
ことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項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、
前記スリットを挟んで隣接する前記外装電極同士は、当該スリットを介して非線対称に形成され、当該外装電極同士の最短距離は、当該外装電極同士の前記積層方向の距離より長いことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項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、
前記スリットと前記外装電極との距離が、前記複数の圧電層のうち前記積層方向の厚さが最小である圧電層の厚さより短いことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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圧電体素子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、内部電極で挟まれた部分の圧電層は分極領域となり、内部電極で挟まれていない部分は非分極領域となる。このため、分極領域と非分極領域との境界部分で変位分布が大きく変化しこの部分に応力が集中する。この応力集中により、長期間駆動するとクラックが発生する可能性が増大し、耐久性が低下してしまう。このため、積層体の側面に、積層方向に対して垂直方向（積層面に平行）にスリットを形成した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。）。
【特許文献１】特公平６−５７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したとおり、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おいては、積層体の側面に、積層方向に対して垂直方向（積層面に平行）にスリットを形成して駆動時の応力を緩和する技術が提案されている。このようなスリットを用いた技術では、スリット部分が開閉するように変形して積層体に加わる応力を緩和する。
【０００４】
そして、スリットが形成された積層体の側面に外部電極を配置させようとした場合、積層体の側面に導電性ペーストを印刷、焼き付けして外装電極を形成した後、外装電極上にはんだペーストを塗布し、その上に金属板状の外部電極をのせ、リフロ処理によりはんだを溶解して外装電極と外部電極とを接続して、配置させる方法が考えられる。
【０００５】
この方法で外部電極を配置させると、外装電極がスリット上で連結して形成されることがある。また、スリットに重ならないように外装電極を形成し、その表面にはんだペーストを塗布しても、リフロ処理によりはんだが溶解する際に、スリットを挟んで隣り合う外装電極上に塗布されたはんだが流動し、互いに接続することで、スリット上ではんだ層が連結されることがある。
【０００６】
しかしながら、外装電極又ははんだ層がスリット上で連結するように形成されると、積層型圧電アクチュエータ素子が駆動した際にスリット部分が開閉するように変形するため、外装電極及びはんだ層のうちスリット上で連結された部分が破損し、破損時の影響により積層体の側面から外装電極が剥離することがある。そして、外装電極の剥離が大きいと、内部電極と外装電極との間に隙間が生じ、その隙間で放電が起きることによって、積層体に亀裂が入る等して、耐久性が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、積層体に加わる駆動時の応力を緩和することができるとともに、外装電極やはんだ層等に損傷が生じることを抑制することができ、従来に比べて耐久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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、複数の圧電層と内部電極とを交互に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た外装電極と、前記外装電極の表面に形成されたはんだ層と、前記はんだ層を介して前記外装電極と電気的に接続された外部電極と、前記積層体の側面に積層方向に対して垂直方向に形成され、駆動時に当該積層体に発生する応力を緩和するスリットとを具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、前記外装電極は、前記スリットの部分に重ならないように形成され、前記スリットを挟んで隣接する前記はんだ層同士は、該スリット上で連結しないように形成されることを特徴とする。
【０００９】
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、外装電極が、スリットの部分に重ならないように形成されている。これによって、積層型圧電アクチュエータ素子を駆動した際に、スリットが開閉するように変形して応力緩和が行われても、外装電極に剥がれ等の損傷が発生することを防止することができる。さらに、スリットを挟んで隣接するはんだ層が、スリット上で連結しないように形成されるため、積層型圧電アクチュエータ素子を駆動した際に、スリットが開閉するように変形して応力緩和が行われても、はんだ層の破損に伴う外装電極の剥がれ等の損傷が発生することを防止することができる。これによって、外装電極又ははんだ層の損傷に起因した放電等が生じることを防止することができ、耐久性の向上を図ることができる。
【００１０】
また、上述したように、リフロ処理の際にはんだが流動することで、スリットを挟んで隣接する外装電極上に塗布されたはんだ同士が連結する虞があるため、隣接する外装電極同士をはんだが接続しないように所定距離離す必要がある。しかしながら、複数の外装電極が積層体の側面に直線的に配列されている場合（スリットを挟んで隣接する外装電極同士の最短距離が積層方向の距離と同じである場合）、外装電極とスリットとの距離を積層方向に十分離す必要がある。それに伴い、スリットとに隣接する内部電極と外装電極とを電気的に接続するために、その内部電極とスリットとの距離を積層方向に大きく離す必要がある。そのため、外装電極及びはんだ層をスリット上で連結しないように形成しようとした場合、圧電アクチュエータ素子が積層方向に長くなり、大型化してしまうという問題が生じる可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、上記の積層型圧電アクチュエータ素子において、前記スリットを挟んで隣接する前記外装電極同士は、当該スリットを介して非線対称に形成され、当該外装電極同士の最短距離は、当該外装電極同士の前記積層方向の距離より長いことを特徴とする。
【００１２】
上記構成は、例えば積層体の側面に、外装電極を千鳥状に配列することによって実現できる。かかる構成を採用することにより、積層型圧電アクチュエータ素子（積層体）が積層方向に長く、大型化することなく、スリットを挟んで隣接する外装電極同士の最短距離を長くすることができる。これによって、外装電極の上にはんだ層を形成して、外部電極をはんだ付けする工程を実施しても、はんだが流動して、スリットを挟んで隣接するはんだ層同士がスリット上で連結されてしまうことを防止することができる。また、このような構成を採用することにより、前記スリットと前記外装電極との距離が、複数の前記圧電層のうち前記積層方向の厚さが最小である圧電層の厚さより短い構成としても、はんだが流動して隣接するはんだ層同士が接続されてしまうことを防止することができ、大型化を招くことなく、耐久性の向上を図ることができる。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積層体に加わる駆動時の応力を緩和することができるとともに、外装電極やはんだ層等に損傷が生じることを抑制することができ、従来に比べて耐久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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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）からなる複数の圧電層２と、導電性を有する複数の内部電極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、数十層等の多数の積層数となっている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
積層体５の両側の側面には、積層方向に対して垂直方向（積層面に平行）に、側面から所定深さ切り込まれたように、スリット６が所定間隔で複数形成されている。これらのスリット６は、積層型圧電アクチュエータ素子１を駆動した際に積層体５に発生する応力を緩和する目的で形成されたものである。
【００１９】
また、積層体５の両側の側面（スリットが形成された側面）には、外装電極７，８が形成されている。これらの外装電極７，８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おり、積層体５を外装電極７，８が形成された面側から投影した時に、スリット６の部分に重ならないように形成されている。また、外装電極７，８の表面には、全面にわたってはんだ層９，１０が形成されており、これらのはんだ層９，１０は、スリット６上で連結しないように形成されている。なお、本実施形態では、はんだ層９，１０は、スリット６の部分に重ならないように形成されており、外装電極７，８及びはんだ層９，１０は、スリット６から積層方向に所定距離離れて形成されている。そして、これらのはんだ層９，１０を介して一対の外部電極１１，１２が、固定され、かつ、内部電極３，４と電気的に接続された状態とされている。外部電極１１，１２は、導電性部材からなるメッシュ状（金属メッシュ、エキスパンドメタル等）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。これらの外部電極１１，１２には、外部と電気的に接続するための端子として、例えばリード線１３，１４が設けられている。
【００２０】
上記のように、本実施形態では、外装電極７，８が、スリット６の部分に重ならないように形成されている。これによって、積層型圧電アクチュエータ素子１を駆動した際に、スリット６が開閉するように変形して応力緩和が行われても、外装電極７，８に剥がれ等の損傷が発生することを防止することができる。さらに、本実施形態では、外装電極７，８と同様に、はんだ層９，１０が、スリット６の部分に重ならないように形成されている。これによって、積層型圧電アクチュエータ素子１を駆動した際に、スリット６が開閉するように変形して応力緩和が行われても、はんだ層９，１０の破損に伴う外装電極７，８の剥がれ等の損傷が発生することを防止することができる。これによって、外装電極７，８又ははんだ層９，１０の損傷に起因した放電等が生じることを防止することができる。
【００２１】
また、本実施形態では、図２に示すように、積層体５を外装電極７，８が形成された面側から投影した時に、外装電極７，８が千鳥状に形成されている。すなわち、図３に拡大して示すように、スリット６を挟んで隣接する外装電極７，８同士の最短距離Ａが、当該外装電極７，８同士の積層方向の距離Ｂより長くされている。このような構成とすることにより、積層型圧電アクチュエータ素子１（積層体５）が積層方向に長く、大型化することなく、スリット６を挟んで隣接する外装電極７，８同士の最短距離を長くすることができる。これによって、外装電極７，８の上にはんだ層９，１０を形成して、外部電極１１，１２をはんだ付けする工程を実施しても、はんだが流動して隣接するはんだ層９，１０同士が接続されてしまうこと等を防止することができる。
【００２２】
ところで、外装電極７，８は、スリット６に隣接した内部電極３，４に対しても、確実に電気的に接続された状態とする必要がある。このため、外装電極７，８は、公差等を考慮して、確実にスリット６に隣接した内部電極３，４に対して電気的に接続するためには、スリット６のある程度近傍まで設け、図３に示す距離Ｃ（スリット６から外装電極７，８までの積層方向の距離）を短くする必要が生じ、この距離Ｃは、圧電層２の積層方向の厚さＤより短くなる。外装電極７，８がスリット６に重ならないように形成するために距離Ｃを十分にとり、かつスリット６に隣接した内部電極３，４に対して確実に電気的に接続するためには、スリット６と隣接する内部電極３，４との間の圧電層２の厚さＤを部分的に厚くする場合もあるが、この部分の圧電層２の厚さを厚くすることのない場合、つまり、この部分の圧電層２の厚さＤが、実質的に積層体５中の複数の圧電層２のうち最小の厚さである場合、
圧電層の最小厚さＤ＞距離Ｃ
となる。なお、スリット６と隣接する内部電極３，４との間の圧電層２の厚さＤを厚くした場合、前記したように、積層体５全体の積層方向の長さが長くなってしまい、小型化を図れなくなってしまう。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子１（積層体５）を小型化する上で、上記関係式を満たすことが好ましい。
【００２３】
上記圧電層の最小厚さＤは、具体的には例えば７０μｍ程度であり、このため距離Ｃは、長くとも５０μｍ程度となる。この場合、図３に示す距離Ｂは、１００μｍより小さくなるが、仮にこの１００μｍより小さい間隔で、千鳥状でなく直線的に外装電極７，８を形成すると、はんだ層９，１０が溶融した際に、隣接するはんだ層が繋がってしまう可能性が発生する。そして、このようにスリット６を挟んで隣接するはんだ層９，１０同士が繋がった状態となると、この繋がった部分に素子の駆動に伴って応力が発生するため、分離し、外装電極７，８を積層体５から剥がしてしまうため、その剥がれた部分で、放電等が発生する可能性が生じる。本実施形態では、外装電極７，８が千鳥状に配置され、スリット６を挟んで隣接する外装電極７，８の最短距離Ａが距離Ｂより大きくなっているので、このような事態が発生することを防止することができる。
【００２４】
なお、スリット６を挟んで隣接する外装電極７，８の最短距離Ａを１００μｍ以上とすることが、隣接するはんだ層９，１０同士を繋がり難くする上で好ましい。さらに、上記のとおり、積層型圧電アクチュエータ素子１（積層体５）の積層方向長さを長くすることなく、その最短距離Ａを１００μｍ以上確保する上で、外装電極７，８を千鳥状に形成することがより好ましい。
【００２５】
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、スリット６によって、積層体５に加わる駆動時の応力を緩和することができるとともに、外装電極７，８及びはんだ層９，１０に駆動に伴って損傷が発生することを防止できるので、耐久性の向上を図ることができる。また、積層体５全体の積層方向の長さが長くなり小型化を図れなくなることもない。
【００２６】
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。
【００２７】
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）と溶剤（ＭＥＫ＋トルエン）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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。また、上記と同様のシートにカーボン等の熱揮発性成分よりなるペーストを塗布したスリット形成用のシートを作製する。
【００３０】
次に、上記の２種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。すなわち、本実施形態の積層体は、圧電層と内部電極とが交互に積層されて一体に焼成された積層体である。そして、スリットも、圧電層と内部電極とを一体焼成する際に、カーボン等の熱揮発性成分が揮発することにより、同時に形成される。
【００３１】
そして、柱状体の側面に、銀系ペーストを前述したように千鳥状に印刷し、６００〜８００℃で焼き付けて外装電極を形成する。この後、外装電極上にはんだペーストを塗布し、その上に金属メッシュ状の外部電極をのせ、リフロ処理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。
【００３２】
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４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。
【００３３】
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４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４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１３，１４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。
【００３４】
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１３，１４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。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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断面構成を模式的に示す図。
【図２】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３】図２の外装電極の構成を拡大して示す図。
【図４】本発明の一実施形態の積層型圧電アクチュエータの断面構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３７】
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……スリット、７，８……外部電極、９，１０……外装電極、１１，１２……半田層、１３，１４……リード線。
【図１】
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【図２】
2008288259.tif 000004
【図３】
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【図４】
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