(57)【要約】【課題】駆動時に積層型圧電アクチュエータ素子に発生した熱を効率良く放熱する積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決方法】圧電セラミック層と内部電極２１とを交互に積層してなるセラミック積層体の側面に、一対の外部電極２３を形成した積層型圧電アクチュエータ素子２０と、積層型圧電アクチュエータ素子２０の周囲を取り囲む金属製のケース３０と、ケース３０の内部から外部に向かって延び、一対の外部電極２３に各々結合されるリード部材２５と、リード部材２５を挿通し、かつリード部材２５に直接又は別部材を介して接触すると共に、ケース３０に直接又は別部材を介して保持されるスリーブ３５とを備える積層型圧電アクチュエータにおいて、スリーブ３５は、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体の側面に、一対の外部電極を形成した積層型圧電アクチュエータ素子と、
前記積層型圧電アクチュエータ素子の周囲を取り囲む金属製のケースと、
前記ケースの内部から外部に向かって延び、一対の前記外部電極に各々結合されるリード部材と、
前記リード部材を挿通し、かつ該リード部材に直接又は別部材を介して接触すると共に、前記ケースに直接又は別部材を介して保持されるスリーブと
を備える積層型圧電アクチュエータにおいて、
前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスから構成されることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記スリーブは、アルミナ、ベリリア及びチタニアの少なくとも一つから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記リード部材は、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記スリーブに接触することを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記ケースに保持されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記ケースの周囲を取り囲むように、前記ケースが収容されるケース収容容器を備え、
前記スリーブは、前記ケース収容容器に直接または別部材を介して接触することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の積層型圧電アクチュエータ
【請求項６】
前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記ケース収容容器に接触することを特徴とする、請求項５に記載の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に関し、特に積層型圧電アクチュエータを駆動させることによって、積層型圧電アクチュエータ素子に発生した熱を効率良く放熱する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層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が開発され、実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示されている積層型圧電アクチュエータにおいては、積層型圧電アクチュエータ素子を収容する筒状ケースから、積層型圧電アクチュエータ素子側面に接続される外部端子を取り出す際に、金属ケースの端子取り出し口をシリコーンなどの可撓性樹脂で密閉または封止する構造を有している。また、特許文献２に示されている積層型圧電アクチュエータにおいても、圧電体素子を収容する金属ケースから、圧電体素子側面に接続される外部電極を取り出す際に、外部電極を金属ケースの外部へと取り出すために設けられた挿通孔を、シリコーン樹脂製などのシール材で封止する構造となっている。
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録公報２５８３８８８号
【特許文献２】特開２００３−１８００９０号
【０００５】
しかしながら、上述した積層型圧電アクチュエータにおいては、駆動時においてその構成要素である積層型圧電アクチュエータ素子が、伸縮に伴い、自己発熱し、温度上昇を生じる。このような発熱は、前記積層型圧電アクチュエータ素子の側面に外部電極を接合する際に用いられるはんだの溶解や、積層型圧電アクチュエータ素子の周囲を覆う防湿用のコーティング樹脂の熱劣化などを引き起こしてしまう場合がある。さらに、積層型圧電アクチュエータ素子の圧電セラミック層を構成している圧電セラミックスのキュリー点近傍まで温度上昇し、前記圧電セラミック層の分極が消失してしまい、前記積層型圧電アクチュエータが駆動しなくなってしまう場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑み、駆動時に積層型圧電アクチュエータ素子に発生した熱を効率良く放熱する積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体の側面に、一対の外部電極を形成した積層型圧電アクチュエータ素子と、前記積層型圧電アクチュエータ素子の周囲を取り囲む金属製のケースと、前記ケースの内部から外部に向かって延び、一対の前記外部電極に各々結合されるリード部材と、前記リード部材を挿通し、かつ該リード部材に直接又は別部材を介して接触すると共に、前記ケースに直接又は別部材を介して保持されるスリーブとを備える積層型圧電アクチュエータにおいて、前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスから構成されることを特徴とする積層型圧電アクチュエータに関する。
【０００８】
従来の積層型圧電アクチュエータにおいては、前記スリーブは、樹脂により構成されていた。例えば、前記樹脂としてはシリコーン樹脂などが使用されていたが、この樹脂の熱伝導率は０．１〜１．０W／mKであり、極めて小さいものであった。
【０００９】
また、積層型圧電アクチュエータの積層型圧電アクチュエータ素子を金属ケース内に収容するに際に、ポッティング樹脂を素子と金属ケースとの隙間に充填する構成を採っていた。さらに、前記積層型圧電アクチュエータ素子の少なくとも一方の端面に関しては、前記ポッティング樹脂を介さずに前記金属ケースに対して直接接触する構成を採っていた。しかしながら、上述した収容構造において、前記ポッティング樹脂には、上述したような熱伝導率の小さいシリコン樹脂などが用いられ、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスには、熱伝導率が１．０〜１．５Ｗ／ｍｋと小さいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。
【００１０】
この結果、従来の積層型圧電アクチュエータにおいては、その駆動時に発生した熱は、主に熱伝導性に優れる金属製の内部電極を通じて外部電極へと熱伝導が行われ、さらに前記外部電極より金属製のリード部材へと熱伝導が行われ、外部に放熱するのみであった。
【００１１】
本発明者らは、上述した従来の積層型圧電アクチュエータの熱伝導原理の解析に基づき、前記積層型圧電アクチュエータの駆動時に発生した熱の放熱性を改善すべく鋭意検討を実施した。その結果、積層型圧電アクチュエータにおいて、リード部材を挿通し、かつ前記リード部材に直接又は別部材を介して接触すると共に、ケースに直接又は別部材を介して保持されるスリーブを、圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスから構成することによって、前記アクチュエータ素子を駆動する際に発生する熱を、前記金属製リードから放熱することに加えて、前記金属ケースを介して外部に放熱できるようにした。
【００１２】
換言すれば、本発明の積層型圧電アクチュエータにおいては、リード部材からの放熱（第1の放熱ルート）に加えて、前記リード部材から前記金属ケースへの前記スリーブを介した熱伝導によって放熱（第２の放熱ルート）される。したがって、前記積層型圧電アクチュエータの駆動によって発生した熱を効率良く放熱させることができ、上述したはんだの溶解や、防湿用のコーティング樹脂の熱劣化、さらには圧電セラミック層の分極消失などの問題を生じることがない。
なお、本明細書において、「主体に」とは、着目している物質において、最も含有量の高い成分を意味する。
【００１３】
また、本発明の一態様においては、前記スリーブは、アルミナ、ベリリア及びチタニアの少なくとも一つから構成される。このような材料は熱伝導性に優れるとともに、比較的容易に入手できるため、本発明の目的をより簡易に達成することができる。
【００１４】
そして、本発明のその他の態様においては、前記リード部材は、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記スリーブに接触する。また、前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記ケースに保持される。この場合、前記リード部材と前記スリーブの接触、及び前記スリーブの前記ケースへの固定が容易になり、前記ケース内の封止性がより一層向上する。また、前記スリーブから前記ケースへの放熱特性（第２の放熱ルート）がより一層向上する。したがって、本発明の積層型圧電アクチュエータの放熱特性がより向上し、上述した放熱に関係した問題をより効果的に解決することができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の態様においては、前記スリーブは、前記ケースに加えて、前記ケースの周囲を取り囲むように、前記ケースが収容されるケース収容容器とも、直接または別部材を介して接触するように構成する。これによって、前記積層型圧電アクチュエータを駆動した際の放熱は、前記リード部材から前記スリーブを介して前記ケース収容容器からも放熱（第３の放熱ルート）されるようになる。したがって、本発明の積層型圧電アクチュエータにおける放熱特性をより効果的に向上させることができ、上述した放熱に関する問題をより効果的に改善することができる。
【００１６】
また、本発明のその他の態様においては、前記スリーブは、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、前記ケース収容容器に接触する。この場合、前記リード部材から前記スリーブを介して前記ケース収容容器からの放熱（第３の放熱ルート）がより向上するようになる。したがって、本発明の積層型圧電アクチュエータの放熱特性がより向上し、上述した放熱に関係した問題をより効果的に解決することができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
以上、本発明によれば、駆動時に積層型圧電体素子に発生した熱を効率良く放熱する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】
【００１８】
以下、本発明の具体的特徴について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１〜３は、本発明の積層型圧電アクチュエータの一例を示す図である。図１は、積層型圧電アクチュエータの要部を示す構成図であり、図２は、図１に示す積層型圧電アクチュエータの実装構造を示す図である。また、図３は、本例における放熱ルートを説明するための図である。
【００２０】
図１及び２に示すように、本例における積層型圧電アクチュエータは、アクチュエータ素子（積層型圧電アクチュエータ素子）２０と、このアクチュエータ素子２０を内包するようにして設けられた金属ケース（ケースに相当する。）３０とを具えている。
【００２１】
アクチュエータ素子２０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック層と、導電性を有する内部電極（内部電極層に相当する。）２１とを交互に積層してなるセラミック積層体と、この内部電極２１と電気的に接続され、前記セラミック積層体の側面に設けられた導電性の外装電極２２と、この外装電極２２に対してはんだ２４によって接合された外部電極２３と、この外部電極２３と電気的に接続された一対のリード線（リード部材に相当する。）２５とを含む。また、リード線２５は、セラミックスリーブ（スリーブに相当する。）３５を介して金属ケース３０及び金属ケース３０の裏蓋３２に固定されている。
また、アクチュエータ素子２０の内部電極２１は、セラミック積層体の積層方向の略垂直方向に沿って見たとき、自身の一端部が前記アクチュエータ素子２０において外装電極２２を設けた側面に露出する一方、自身の他端部が前記アクチュエータの側面に露出しない、部分電極構造を有している。
【００２２】
また、金属ケース３０の外方にはインジェクタボディ（ケース収容容器に相当する。）４０が設けられ、金属ケース３０とインジェクタボディ４０の上端側には、コネクタ樹脂４２が配置されている。
【００２３】
アクチュエータ素子２０の伸縮方向（セラミック積層体の積層方向）の端面は、ばね３３を介して金属ケース３０の表蓋３１に取り付けられており、プッシュロッド３４を介してインジェクタバルブ４１に接続されている。また、アクチュエータ素子２０の他方の端面は、金属ケース３０の裏蓋３２に接触している。
【００２４】
図１及び２に示す積層型アクチュエータ１０が図示しないドライバによって高電圧で駆動されると、アクチュエータ素子２０が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮するようになる。この伸縮はばね３３及びプッシュロッド３４を介してインジェクタバルブ４１に変位として伝達される。
【００２５】
一方、アクチュエータ素子２０が伸縮すると、この伸縮によって自己発熱が生じるようになる。生成した熱は図３に矢印で示すように、外装電極２２及びはんだ２４を介して外部電極２３に伝達され、さらに金属製のリード線２５に伝達される。このような放熱は、図３において第１の放熱ルートとして示している。
【００２６】
また、セラミックスリーブ３５は、本発明に従って、絶縁性を有し、圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックス（ＰＺＴ）より熱伝導率が高いセラミックスから構成している。したがって、アクチュエータ素子２０で生成した熱は、図３の矢印で示すように、セラミックススリーブ３５を介して金属ケース３０に伝達されるようになる。このような放熱は、図３において第２の放熱ルートとして示している。
【００２７】
従来の積層型圧電アクチュエータにおいて、図１及び２に示すような高熱伝導のセラミックスリーブの代わりに、熱伝導性の低いシリコーン樹脂（熱伝導率：０．１〜１．０W／mK）などを使用していた。したがって、このようなシリコーン樹脂を介した金属ケースへの熱伝導はほとんど行われなかった。すなわち、従来においては、図３に示すような第１の放熱ルートしか存在しなかった。
【００２８】
これに対して、本例の積層型圧電アクチュエータにおいては、図３に示すように第１の放熱ルートに加えて第２の放熱ルートを有するので、従来の積層型圧電アクチュエータに比較して、アクチュエータ素子２０で生成した熱を効率良く放熱させることができる。
【００２９】
なお、セラミックスリーブ３５は、例えばアルミナ（熱伝導率３６W/mK、絶縁耐力８．６〜９．６ｋV/mm）、ベリリア（熱伝導率２７２W/ｍK、絶縁耐力１１ｋV/mm）及びチタニア（熱伝導率８．４W/ｍK、絶縁耐力１０〜２５ｋV/mm）から構成することができる。これらの材料は入手が容易であるとともに、高い絶縁性を有し、さらに上述したシリコーン樹脂などに比較して、約１桁以上の高い熱伝導率を有する。したがって、上述した第２の放熱ルートを安定かつ確実に確保することができるようになる。なお、上記熱伝導率は室温（３００K）での値である。
【００３０】
また、図４において、上述したシリコーン樹脂、アルミナ、ベリリア及びチタニアの熱伝導率の温度依存性を示す。図から明らかなように、セラミックスリーブ３５に好適に用いることのできるアルミナ、ベリリア及びチタニアは、広い温度範囲で高い熱伝導率を有することが分かる。
【００３１】
図５は、本発明の積層型圧電アクチュエータの他の例を示す図である。図５は、図２に相当する積層型圧電アクチュエータの実装構造を示す図である。また、図６は、本例における積層型圧電アクチュエータの放熱ルートを説明するための図である。なお、図１及び２における積層型圧電アクチュエータと同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いて表している。
【００３２】
本例における積層型圧電アクチュエータは、基本的には図１及び２に示すものと同一であるが、セラミックスリーブ３５が、金属ケース３０の、リード線２５が貫通する部分のみならず、金属ケース３０の上方において外方に延在し、インジェクタボディ４０の上端部と接触している点で相違する。
【００３３】
本例においても、図５に示す積層型アクチュエータ１０が図示しないドライバによって高電圧で駆動されると、アクチュエータ素子２０が上下方向に例えば数十μｍのオーダで伸縮するようになる。この伸縮はばね３３及びプッシュロッド３４を介してインジェクタバルブ４１に変位として伝達される。
【００３４】
一方、アクチュエータ素子２０の伸縮によって自己発熱が生じ、外装電極２２及びはんだ２４を介して外部電極２３に伝達され、さらに金属製のリード線２５に伝達されて第１の放熱ルートを介して放熱される。また、セラミックススリーブ３５を介した金属ケース３０への熱伝導である第２の放熱ルートを介して放熱される。
【００３５】
さらに、本例では、セラミックスリーブ３５がインジェクタボディ４０と接触しているので、アクチュエータ素子２０で生成した熱は、図６の矢印で示すように、セラミックススリーブ３５を介してインジェクタボディ４０に伝達されるようになる。このような放熱は、図６において第３の放熱ルートとして示している。
【００３６】
本例の積層型圧電アクチュエータにおいては、図６に示すように第１の放熱ルートに加えて第２の放熱ルート及び第３の放熱ルートを有する。従って、上述した第１の放熱ルートのみを有する従来の積層型圧電アクチュエータに比較して、アクチュエータ素子２０で生成した熱を効率良く放熱させることができる。また、第１の放熱ルート及び第２の放熱ルートを有する上記具体例と比較しても、第３の放熱ルートが追加で設けられているので、アクチュエータ素子２０で生成した熱を効率良く放熱させることができる。
【００３７】
なお、セラミックスリーブ３５は、上記具体例と同じアルミナ（熱伝導率３６W/mK、絶縁耐力８．６〜９．６ｋV/mm）、ベリリア（熱伝導率２７２W/ｍK、絶縁耐力１１ｋV/mm）及びチタニア（熱伝導率８．４W/ｍK、絶縁耐力１０〜２５ｋV/mm）から構成することができる。
【００３８】
なお、上記具体例においては、特に明示していないが、セラミックスリーブ３５は、圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、金属ケース３０に保持することができる。これによって、セラミックススリーブ３５と金属ケース３０との密着性（固着性）が向上し、セラミックススリーブ３５による積層型圧電アクチュエータ１０の封止性がより向上するようになる。また、セラミックスリーブ３５から金属ケース３０への放熱特性（第２の放熱ルート）がより向上するようになる。
【００３９】
また、上記具体例においては、特に明示していないが、リード線２５は、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを介して、セラミックスリーブ３５に接触することができる。これによって、リード線２５とセラミックススリーブ３５との密着性が向上し、セラミックススリーブ３５による積層型圧電アクチュエータ１０の封止性がより向上するようになる。また、セラミックスリーブ３５から金属ケース３０への放熱特性（第２の放熱ルート）がより向上するようになる。
【００４０】
なお、上記具体例においては、リード線２５と金属ケース３０（リード線２５の周囲を覆う部分）によって形成される空間に存在する前記樹脂またはグリースの体積は、セラミックスリーブ３５による熱伝導を妨げないように、その空間に存在するセラミックスリーブ３５の体積の１０分の１程度以下とすることが好ましい。
【００４１】
また、上記具体例においては、金属ケース３０とインジェクタボディ４０との間に形成された空間の少なくとも一部に高熱伝導性を有する樹脂又はグリースを充填することが好ましい。具体的には、図中に示す空間Ｓ中に、圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより高熱伝導性を有する樹脂を充填する。リード線２５からの金属ケース３０及びインジェクタボディ４０への放熱ルート（第４の放熱ルート）をも確立することができるようになる。したがって、本発明の積層型圧電アクチュエータの放熱特性がより向上し、上述した放熱に関係した問題をより効果的に解決することができるようになる。
【００４２】
なお、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高い樹脂としては、高熱伝導性を有するフィラーを含有したシリコーン、エポキシ及びウレタンなどを例示することができる。
なお、前記圧電セラミック層を主体に構成する圧電セラミックスより熱伝導率が高いグリースとしては、シリコーンオイルコンパウンドなどを例示することができる
【００４３】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例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。
なお、本発明の積層型圧電アクチュエータのスリーブは、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックスより熱伝導率が低くならない限り、スリーブに不純物を含有してもよい。
また、リード部材の形状は、線状に限らず、板状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の積層型圧電アクチュエータは、例えば内燃機関燃料噴射装置などに対して好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータの要部を示す構成図である。
【図２】図1に示す積層型圧電アクチュエータの実装構造を示す図である。
【図３】図１及び２に示す積層型圧電アクチュエータの放熱ルートを説明するための図である。
【図４】本発明の積層型圧電アクチュエータにおけるセラミックスリーブに用いることのできる材料の、熱伝導率の温度依存性を示す。
【図５】本発明の積層型圧電アクチュエータの他の例における実装構造を示す図である。
【図６】図５に示す積層型圧電アクチュエータの放熱ルートを説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  積層型圧電アクチュエータ
２０  アクチュエータ素子
２１  内部電極
２２  外装電極
２３  外部電極
２４  はんだ
２５  リード線
３０  金属ケース
３１  金属ケースの表蓋
３２  金属ケースの裏蓋
３３  ばね
３４  プッシュロッド
３５  セラミックスリーブ
４０  インジェクタボディ
４１  インジェクタボディバルブ
４２  コネクタ樹脂
【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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