(57)【要約】【課題】分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、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】圧電層２を挟むように形成された内部電極３，４の先端部分３０，４０は、積層方向から投影したときに、凹凸形状を有するように形成されている。この凹凸形状は、規則的に波状に形成されており、角部を有しない形状とされている。【選択図】図２
2008192807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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であって、一方の側辺が前記積層体の側面に露出し他方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極と、他方の側辺が前記積層体の側面に露出し一方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極とを交互に積層した積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
少なくとも一部の前記内部電極は、前記積層体の側面に露出しない側辺が、積層方向から投影した時に、規則的に配列された凹凸形状を有す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、
前記凹凸形状が角部を有しな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１又は２記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
前記積層体の同一側面に露出する前記内部電極の前記凹凸形状が、積層方向から投影したときに凹部と凸部がその振幅方向に対して垂直方向にずれて配列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。
【請求項４】
圧電層と内部電極とを交互に複数積層してなる積層体であって、一方の側辺が前記積層体の側面に露出し他方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極と、他方の側辺が前記積層体の側面に露出し一方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極とを交互に積層した積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、
少なくとも一部の前記内部電極は、前記積層体の側面に露出しない側辺が、積層方向から投影した時に、角部を有しない凹凸形状を有す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５】
請求項１〜４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複数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、内部電極の先端位置を内部電極の重なり方向においてずら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。）。
【０００３】
また、圧電層端部から上記の内部電極の先端までの領域（控え部）の距離の最小値である最小幅Ｌと、この距離の最大と最小との差であるばらつき幅Ｗとを、
０．１ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍ、Ｗ≦０．５ｍｍ
とし、かつ、積層数を５０層以下とすることによって、前記した応力集中を緩和しようとする技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２３０４６３号
【特許文献２】特開２００５−５６８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、従来から分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を緩和する技術が提案されている。しかしながら、さらなる応力緩和を実現することができ、従来に比べてさらに耐久性の向上を図ることが求められている。
【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、分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、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】
【０００６】
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であって、一方の側辺が前記積層体の側面に露出し他方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極と、他方の側辺が前記積層体の側面に露出し一方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極とを交互に積層した積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、少なくとも一部の前記内部電極は、前記積層体の側面に露出しない側辺が、積層方向から投影した時に、規則的に配列された凹凸形状を有することを特徴とする。
【０００７】
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、少なくとも一部の内部電極の積層体の側面に露出しない側辺（先端部分）、つまり、分極領域と非分極領域との境界部となる内部電極の側辺を直線状ではなく、規則的な凹凸形状とすることにより、積層体に加わる応力を横断面（内部電極が形成された面）内において分散させることができる。これによって、分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて耐久性の向上を図ることができる。
【０００８】
上記のように、内部電極の積層体の側面に露出しない側辺（先端部分）を、規則的な凹凸形状とする場合、サインカーブ状等の角部を有しない形状とすることが好ましいが、例えば、三角波状等の角部を有する形状であっても良い。また、規則的な凹凸形状は、全ての内部電極で同一としてもよく、異なるものであっても良い。規則的な凹凸形状を内部電極によって異ならせる場合、内部電極の凹凸形状をそれぞれ異ならせることもできるが、積層体の同一側面に露出する同極の内部電極の凹凸形状を、積層方向から投影したときに凹部と凸部がその振幅方向に対して垂直方向にずれて配列されている構成とすることが好ましい。このような構成とすれば、積層体に加わる応力を横断面（内部電極が形成された面）内で分散させるとともに、縦断面方向（積層方向）において分散させることができ、全体として分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を３次元的に緩和することができる。
【０００９】
また、本発明の他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であって、一方の側辺が前記積層体の側面に露出し他方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極と、他方の側辺が前記積層体の側面に露出し一方の側辺が前記積層体の側面に露出しない前記内部電極とを交互に積層した積層体を具備した積層型圧電アクチュエータ素子において、少なくとも一部の前記内部電極は、前記積層体の側面に露出しない側辺が、積層方向から投影した時に、角部を有しない凹凸形状を有することを特徴とする。
【００１０】
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、少なくとも一部の内部電極の積層体の側面に露出しない側辺（先端部分）、つまり、分極領域と非分極領域との境界部となる内部電極の側辺を直線状ではなく、角部を有しない凹凸形状とすることにより、積層体に加わる応力を横断面（内部電極が形成された面）内において分散させることができる。これによって、分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて耐久性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、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】
【００１２】
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層状の内部電極（内部電極層）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。
【００１３】
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。
【００１４】
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の他方の側辺である先端部分３０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の一方の側辺である先端部分４０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。
【００１５】
積層体５の外側には、一対の外部電極６，７が設けられている。これらの外部電極６，７は、積層体の側面に形成された外装電極８，９及びはんだ層１０，１１を介して内部電極３，４と電気的に接続されている。また、外部電極６，７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。これらの外部電極６，７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１２，１３が設けられている。
【００１６】
上記内部電極３，４の先端部分３０，４０は、図２に拡大して示すように、積層方向から投影したときに、凹凸形状を有するように形成されている。この凹凸形状は、規則的に波状（サインカーブ状）に形成されており、角部を有しない形状とされている。また、積層体５が、例えば５ｍｍ角、６ｍｍ角程度の大きさとされている場合、凹凸形状の振幅は、例えば０．５ｍｍ以上程度とされている。このように、内部電極３，４の先端部分３０，４０、つまり、分極領域と非分極領域との境界部となる内部電極の側辺を直線状ではなく、規則的な凹凸形状とすることにより、積層体５に加わる応力を横断面（内部電極３，４が形成された面）内において分散させることができる。なお、このような凹凸形状は、積層体５内の全ての内部電極３，４に形成することが好ましいが、必ずしも全部とする必要はなく、一部の内部電極３，４のみに形成しても良い。一部の内部電極３，４のみに凹凸形状を形成する場合は、全体の内部電極３，４の数の５０％以上程度の数の内部電極３，４に凹凸形状を形成することが好ましい。さらに、一方の同極の内部電極のうち、凹凸形状を有する内部電極３の数と、他方の同極の内部電極のうち凹凸形状を有する内部電極４の数とは、同数であることが好ましい。
【００１７】
上記の凹凸形状は、図２に示したような波状（サインカーブ状）の形状に限られるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、図３に示すように、三角波状（三角形状の凹凸を並べた形状）としても良い。また、図４に示すように、波状の凹凸形状の振幅を周期的に変更した形状としても良い。なお、上記した規則的な凹凸形状とは、同一の凹凸形状を並べたものに限られず、図４に示したように、振幅を規則的に変更した形状、あるいは周期を規則的に変更した形状、線対称な形状等、意図的に形状を変化させたものを含むものである。また、図２〜４では、凹凸形状の周期が比較的短く、多数の凹凸形状を有する例を示してあるが、凹凸形状は周期の長いものでも良く、最低２組以上程度の凹凸形状を有するものであればよい。さらに、１つの積層体５の中で異なる凹凸形状を有する内部電極３，４が存在するようにしても良い。
【００１８】
また、図５に示すように、同極の内部電極３，３同士、又は、内部電極４，４同士を積層方向から投影したときに、先端部分３０又は先端部分４０の凹凸形状の凹部と凸部がその振幅方向に対して垂直方向にずれる状態となるように配置しても良い。さらにその凹凸形状が半周期ずれ、凹部と凸部、凸部と凹部が重なった状態となるように配置することが好ましい。そして、凹部と凸部がずれた同極の内部電極３，３同士、又は内部電極４，４同士は、隣接することがより好ましい。このような構成とすれば、積層体５に加わる応力を横断面（内部電極３，４が形成された面）内で分散させるとともに、縦断面方向（積層方向）において分散させることができ、３次元的に応力を緩和することができる。
【００１９】
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、分極領域と非分極領域との境界部分における駆動時の応力を従来に比べて緩和することができ、従来に比べて耐久性の向上を図ることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
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−エチルへキシル）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。
【００２２】
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。
【００２３】
得られたシートに、上記導電性ペーストを、凹凸形状パターンを有するマスクを用いてスクリーン印刷によりパターニングし、外部電極と接続しない先端側を規則的な凹凸形状とした内部電極を形成する。この時、同極の隣接する電極の凹凸形状を半周期ずらす場合は、別のマスクを容易するか、凹又は凸１つ分マスクの位置をずらして印刷を行う。
【００２４】
次に、所定のパターンが形成されたシートを１０〜３０枚程度積層（６０℃−１００ｋｇ／ｃｍ2）した仮圧着体を作製する。
【００２５】
次に、上記の仮圧着体を必要枚数重ね、本圧着（４０〜７０℃−１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ2）を行い、積層体を作製し、柱状ピースを切り出す。
【００２６】
次に、切り出した柱状ピースを脱脂後、１０００〜１２００℃にて焼成し、焼成体を所定寸法にするため、平面研削を行う。
【００２７】
そして、所定寸法とした柱状ピースの側面に、銀系ペーストを印刷し、６００〜８００℃で焼き付ける。この後、銀上に必要に応じてリード線等を半田にて固定し、リード線を介して１〜３ｋＶ／ｍｍの電圧を印加し分極を行う。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。この際、上記したとおり、積層型圧電アクチュエータ素子１の分極領域と非分極領域との境界部分の応力を緩和することができ、従来に比べて耐久性を向上させることができる。
【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。例えば、上記実施形態では、内部電極３，４の先端部分３０，４０の形状を規則的な凹凸形状とした場合について説明したが、この凹凸形状は、角部を有しない形状であれば規則的でない形状としても良い。また、凹凸形状は、内部電極３，４の先端部分３０，４０に限らず、内部電極のうち積層体の側面に露出しない部分であれば、どこに設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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内部電極の要部構成を拡大して示す図。
【図３】図1の積層型圧電アクチュエータ素子の他の内部電極の例を示す図。
【図４】図1の積層型圧電アクチュエータ素子の他の内部電極の例を示す図。
【図５】図1の積層型圧電アクチュエータ素子の他の内部電極の例を示す図。
【図６】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】
【００３３】
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……外部電極、８，９……外装電極、１０，１１……半田層、１２，１３……リード線。
【図１】
2008192807.tif 000003
【図２】
2008192807.tif 000004
【図３】
2008192807.tif 000005
【図４】
2008192807.tif 000006
【図５】
2008192807.tif 000007
【図６】
2008192807.tif 000008