(57)【要約】【課題】外部電極を積層体に固着する際の治具を不要とすることができ、従来に比べて生産コストの低減と製造工程の簡易化を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法を提供する。【解決手段】外装電極６，７の表面にはんだペースト８．９を塗布する工程と、弾性変形可能とされ外部電極を構成する外部電極構成部材２０を、積層体５の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材２０の内側に積層体５が位置するように配置する工程と、外部電極構成部材２０の変形を解いて外部電極構成部材２０の復元力で外部電極構成部材２０を積層体５のはんだペースト８．９に接触させる工程と、はんだペースト８．９を加熱して、外装電極６，７と外部電極構成部材２０とを固着する固着工程と、を具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の製造方法において、
前記外装電極の表面にはんだを塗布する工程と、
弾性変形可能とされ前記外部電極を構成する外部電極構成部材を、前記積層体の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材の内側に前記積層体が位置するように配置する工程と、
前記外部電極構成部材の変形を解いて前記外部電極構成部材の復元力で前記外部電極構成部材を前記積層体の前記はんだに接触させる工程と、
前記はんだを加熱して、前記外装電極と前記外部電極構成部材とを固着する固着工程と、
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素子の製造方法。
【請求項２】
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の製造方法において、
前記外装電極の表面に導電性接着剤を塗布する工程と、
弾性変形可能とされ前記外部電極を構成する外部電極構成部材を、前記積層体の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材の内側に前記積層体が位置するように配置する工程と、
前記外部電極構成部材の変形を解いて前記外部電極構成部材の復元力で前記外部電極構成部材を前記積層体の前記導電性接着剤に接触させる工程と、
前記導電性接着剤を乾燥して、前記外装電極と前記外部電極構成部材とを固着する固着工程と、
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素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記外部電極構成部材は、筒状、又はＵ字状、又はＣ字状、又はコ字状とされ、前記固着工程の後、前記外部電極部材の一部を切除して、所定形状の外部電極を形成する工程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の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記積層体は、積層方向に垂直な断面形状が円形又は多角形状とされ、前記外部電極は、前記積層体の側面に沿って円弧状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の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記外装電極は、正極と負極とを有するとともに、同極の前記外装電極は、前記積層方向に対して並列に前記積層体の側面に複数形成され、前記外部電極は、これらの複数の同極の前記外装電極に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の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか１項記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記積層体を積層方向が鉛直方向となるように立てた状態で、前記固着工程を行うことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法。
【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の製造方法係り、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の製造方法に関する。
【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。
【０００３】
このため、積層体の側面に、金属メッシュ状に形成された伸縮可能な板状の外部電極を、導電性接着剤等によって固着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】特開２００１−２１０８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、金属メッシュ状に形成された板状の外部電極を積層体の側面に導電性接着剤等で固着する積層型圧電アクチュエータ素子では、この板状の外部電極と積層体の固着の際に、外部電極が、ずれたり、浮いたり、剥がれ落ちたりすることを防止するため、治具等によって、外部電極を所定位置に位置決めした状態で押圧保持する必要があった。このため、多数の治具を準備しなければならず、その生産コストが高くなるとともに、製造工程が複雑になるという課題があった。
【０００５】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、外部電極を積層体に固着する際の治具を不要とすることができ、従来に比べて生産コストの低減と製造工程の簡易化を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法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】
【０００６】
本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法は、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の製造方法において、前記外装電極の表面にはんだを塗布する工程と、弾性変形可能とされ前記外部電極を構成する外部電極構成部材を、前記積層体の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材の内側に前記積層体が位置するように配置する工程と、前記外部電極構成部材の変形を解いて前記外部電極構成部材の復元力で前記外部電極構成部材を前記積層体の前記はんだに接触させる工程と、前記はんだを加熱して、前記外装電極と前記外部電極構成部材とを固着する固着工程と、を具備したことを特徴とする。
【０００７】
本発明の他の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法は、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の製造方法において、前記外装電極の表面に導電性接着剤を塗布する工程と、弾性変形可能とされ前記外部電極を構成する外部電極構成部材を、前記積層体の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材の内側に前記積層体が位置するように配置する工程と、前記外部電極構成部材の変形を解いて前記外部電極構成部材の復元力で前記外部電極構成部材を前記積層体の前記導電性接着剤に接触させる工程と、前記導電性接着剤を乾燥して、前記外装電極と前記外部電極構成部材とを固着する固着工程と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法では、外装電極の表面にはんだ、又は、導電性接着剤を塗布した後、
弾性変形可能とされ外部電極を構成する外部電極構成部材を、積層体の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とし、当該外部電極構成部材の内側に積層体が位置するように配置する。次に、外部電極構成部材の変形を解いて外部電極構成部材の復元力で外部電極構成部材を積層体のはんだ、又は、導電性接着剤に接触させ、この状態で、はんだを加熱、又は、導電性接着剤を乾燥して、外装電極と外部電極構成部材とを固着する固着工程を行う。これによって、外部電極を外装電極に固着する際の治具を不要とすることができ、従来に比べて生産コストの低減と製造工程の簡易化を図ることができる。
【０００９】
上記外部電極構成部材としては、例えば筒状、又はＵ字状、又はＣ字状、又はコ字状とされた外部電極構成部材を使用することができる。この場合、上記した固着工程の後、外部電極構成部材の一部を切除して所定形状の1対の外部電極とする。
【００１０】
また、積層体は、積層方向に垂直な断面形状を円形又は例えば６角形以上の多角形状とすることができ、外部電極は、積層体の側面に沿って円弧状に形成することができる。積層体及び外部電極をこのような形状とすれば、積層型圧電アクチュエータ素子を円筒状のケース等に収容した場合、より小型化を図ることができるが、このような構造の積層型圧電アクチュエータ素子も容易に製造することができる。
【００１１】
さらに、外装電極は、正極と負極とを有するとともに、同極の外装電極は、積層方向に対して並列に積層体の側面に複数形成され、外部電極は、これらの複数の同極の外装電極に接続されている構造の積層型圧電アクチュエータ素子も容易に製造することができる。このように、複数の同極の外装電極が設けられた積層型圧電アクチュエータ素子では、仮に一方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、他方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。
【００１２】
本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法によれば、積層体を積層方向が鉛直方向となるように立てた状態で、固着工程を行うことができる。これによって、積層体を寝かせて配置した場合に比べて配置面積を少なくすることができるので、効率良く固着工程を行うことができ、生産コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部電極を積層体に固着する際の治具を不要とすることができ、従来に比べて生産コストの低減と製造工程の簡易化を図ることのできる積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法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】
【００１４】
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。まず、本発明方法にかかる積層型圧電アクチュエータ素子の構造について説明する。図１は、積層型圧電アクチュエータ素子の積層体の概略構成を模式的に示す図である。図１に示すように、積層体５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。
【００１５】
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。
【００１６】
本実施形態では、積層体５は、図２に示すように、その積層方向に水平な断面形状が、四角形状の角部を面取りしたような８角形形状とされている。内部電極３は、図１に実線で示すように、積層体５の一方の側面（図１に図示されている側面）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、他方の側辺は積層体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、図１に図示されていない積層体５の他方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、図１に点線で示すように、内部電極４の一方の側辺は積層体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。
【００１７】
また、積層体５の側面には、正極と負極とを有する外装電極６，７が形成されている。図２に示すように、本実施形態では、積層体５の前述した面取りした側面に外装電極６，７が、夫々同極について積層方向に対して並列に２個ずつ設けられている。すなわち、これらの外装電極６（例えば、正極）および外装電極７（例えば、負極）は、図１に示すように、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（本実施形態では２箇所）で、接続するように設けられている。さらに、本実施形態では、同極の外装電極６，６、及び外装電極７，７は、積層体５の異なる側面で各々導通先の１層の内部電極３又は内部電極４に接続するように設けられている。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。
【００１８】
図２に示すように、２つの外装電極６に対しては、１つの外部電極１０が電気的に接続され、２つの外装電極７に対しては、１つの外部電極１１が電気的に接続されている。そして、外部電極１０，１１は、円弧状に形成されている。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に接続されている。
【００１９】
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、導電性部材からなり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から構成される。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、２つの外装電極６の間に位置し、かつ、外部電極１０の内側に位置するように配置されている。また、リード線１３は、２つの外装電極７の間に位置し、かつ、外部電極１１の内側に位置するように配置されている。
【００２０】
上記のように、本実施形態では、１層の内部電極３、内部電極４に対して複数の同極の外装電極６、外装電極７が設けられている。したがって、仮に一方の外装電極６等に損傷が発生して内部電極３との電機的接続が失われた場合においても、他方の外装電極６によってこの内部電極３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等に対して、１つの外部電極１０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。
【００２１】
また、図に示したように、リード線１２，１３等からなる外部接続端子は、外装電極６の間、及び外装電極７の間の位置に配置され、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、その径を小径化して小型化することが可能となる。このことは、特に積層型圧電アクチュエータを、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を円筒状の筒状体内に収容する場合、有利になる。
【００２２】
次に、上記積層型圧電アクチュエータ素子を製造する方法について説明する。まず、積層体５の製造方法の一例について説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、上記作製したシートに、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３，４を形成する。この後、上記のシートを所望の構造となるように複数枚（例えば４００枚）積層し、切断して柱状体とし、脱脂、焼成する。以上の工程によって、積層体５を製造することができる。
【００２５】
次に、積層体５の側面に、銀系ペーストを印刷し、６００〜８００℃で焼き付けて、外装電極を形成後に各極となる外装電極が図１、図２に示すように、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、複数形成される。
【００２６】
上記工程の後、図３（Ａ）の右側に示すように、外装電極６，７上にはんだペースト（例えば、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだペースト）８．９を所定厚さ（例えば１００μｍ程度）となるように塗布して、所定温度（例えば１２０℃）で乾燥させる。一方、予め、外部電極１０，１１を構成するための外部電極構成部材２０として、例えばメッシュ状に形成された導電性金属（金属メッシュ、エキスパンドメタル等）からなり、筒状に形成され、弾性変形可能な外部電極構成部材２０を用意する。そして、図３（Ａ）の左側に示すように、このような外部電極構成部材２０を、例えば矢印で示す方向から押圧することによって、積層体５の少なくとも一部を収容するように弾性変形させた状態とする。
【００２７】
そして、当該外部電極構成部材２０の内側に積層体５が位置するように配置し、この後、外部電極構成部材２０の変形を解いて外部電極構成部材２０の復元力で外部電極構成部材２０を外装電極６，７上のはんだペースト８，９に接触させる。この状態を図３（Ｂ）に示す。
【００２８】
次に、上記図３（Ｂ）の状態の積層体５及び外部電極構成部材２０をリフロー炉内（ピーク温度２５０℃）に収容して加熱し、はんだペースト８，９を溶融させて外部電極構成部材２０を外装電極６，７に固着する固着工程を行う。この時、外部電極構成部材２０は、自身の持つ復元力（弾性力）で外装電極６，７上のはんだペースト８，９に接触された状態となっているので、治具等を必要とすることなく、位置ずれ、うき、剥がれ等が生じることを防止できる。また、積層体５をその積層方向が鉛直方向となるように、立てた状態でリフロー炉内等に搬入することができ、積層体５を寝かせて配置した場合に比べて１つの積層体５の配置面積を減少させることができるので、効率良く固着工程を実施することができる。なお、外部電極構成部材２０の外装電極６，７に固着への固着は、はんだ付けの他、例えば導電性接着剤によっても行うことができる。この場合、外装電極６，７上に導電性接着剤（例えば、Ａｇ導電性接着剤）を塗布し、外部電極構成部材２０を装着した後、導電性接着剤を所定の条件（例えば、１６０℃で３０分）乾燥させる乾燥工程を行う。
【００２９】
次に、外部電極構成部材２０の所定部分を複数の外装電極６，７が同極となるように、切除して所定形状の外部電極１０，１１とし、これらの外部電極１０，１１に、外部接続端子としてのリード線１２，１３をはんだ付けする。この状態を図３（Ｃ）に示す。
【００３０】
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を製造することができる。この積層型圧電アクチュエータ素子では、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、プッシュロッド等を介しインジェクタバルブ等に変位として伝達される。
【００３１】
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。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、円筒状の外部電極構成部材２０を用いた例について説明したが、外部電極構成部材２０の形状はこの様な形状のものに限定されることはない。例えば、図４に示すように、閉じた形状ではなく開放端を有するＣ字状の外部電極構成部材２０であっても良い。また図5に示すように、Ｕ字状に形成された外部電極構成部材２０、図６に示すように、コ字状に形成された外部電極構成部材２０であっても良い。すなわち、積層体５の少なくとも一部が収容できるように、弾性変形可能で、復元力により、積層体５のはんだ部に接触可能な形状のものであれば、どの様な形状の外部電極構成部材２０を用いても良い。
【００３３】
また、積層体５についても、上記実施形態では、積層方向に水平な断面形状が８角形状のものについて説明したが、積層体５は、積層方向に水平な断面形状が８角形状のものに限らず、４角形状であっても、さらに角数の多い多角形形状であっても、円形形状であっても良い。また、外装電極6及び外装電極７の数も、複数の場合に限らず、図５、図６に示すように、積層体５の側壁に設けられた外装電極６、及び外装電極７が、１つのみの場合であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】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積層体の構成を模式的に示す図。
【図２】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積層方向に水平な断面における構成を模式的に示す図。
【図３】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製造方法を模式的に示す図。
【図４】外部電極構成部材の変形例の構成を模式的に示す図。
【図５】外部電極構成部材の他の変形例の構成を模式的に示す図。
【図６】外部電極構成部材の他の変形例の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３５】
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、２０……外部電極構成部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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