(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、スリットの底部分にクラックが発生す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その製造方法並びに積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】積層型圧電アクチュエータ素子１は、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た積層体５を具備している。積層体５の少なくともスリット６の底部分５０は、積層体５の側面のうち当該スリット６が形成されていない部分に比べてビッカース硬度が高くなるように構成されている。【選択図】図１
2008277704.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、当該積層体の側面に形成されたスリットを有する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、
少なくとも前記スリットの底部のビッカース硬度が、前記積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高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２】
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、当該積層体の側面に形成されたスリットを有する積層体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、
焼成後に前記内部電極となる導電性膜を所定の形状に設けた、焼成後に前記圧電層となるセラミックグリーンシートを複数積層するとともに、任意の前記セラミックグリーンシートの間に、
セラミック改質用の添加剤が含有された熱揮発性成分よりなるペーストを所定の形状に塗布した、
又は、
セラミック改質用の添加剤が熱揮発性成分よりなるペーストに隣接するように、当該添加剤及び当該ペーストを所定の形状に塗布した、
スリット形成用のセラミックグリーンシートを介在させたグリーンシート積層体を形成する工程と、
前記グリーンシート積層体を熱処理し、前記熱揮発性成分を揮発させてスリットを形成するとともに、前記セラミック改質用の添加剤により、少なくとも前記スリットの底部のビッカース硬度を、前記積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高くする工程と
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その製造方法並びに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その製造方法並びに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複数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。）。
【０００３】
また、電極形成用の導電性材料を所定の形状に設けたセラミックグリーンシートの間に、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セラミックグリーンシートを介在させ、このグリーンシートの積層体を焼成することによって熱揮発性成分を揮発、飛散させて上記のスリットを形成する方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特公平６−５７９４号公報
【特許文献２】特開平３−１９１５８３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。
【０００５】
しかしながら、上記技術では、スリット部分が開閉するように変形するため、スリットに応力が集中し、ここにクラックが発生する場合があり、耐久性の低下を招くという問題がある。
【０００６】
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、スリットの底部分にクラックが発生す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その製造方法並びに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】
【０００７】
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、当該積層体の側面に形成されたスリットを有する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、少なくとも前記スリットの底部のビッカース硬度が、前記積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高いことを特徴とする。
【０００８】
上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子では、少なくともスリットの底部のビッカース硬度が、積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高くなるように構成されている。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、スリットの底部にクラックが発生することを抑制することができ、耐久性の向上を図ることができる。
【０００９】
また、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複数積層してなる積層体であって、当該積層体の側面に形成されたスリットを有する積層体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、焼成後に前記内部電極となる導電性膜を所定の形状に設けた、焼成後に前記圧電層となるセラミックグリーンシートを複数積層するとともに、任意の前記セラミックグリーンシートの間に、セラミック改質用の添加剤が含有された熱揮発性成分よりなるペーストを所定の形状に塗布した、又は、セラミック改質用の添加剤が熱揮発性成分よりなるペーストに隣接するように、当該添加剤及び当該ペーストを所定の形状に塗布した、スリット形成用のセラミックグリーンシートを介在させたグリーンシート積層体を形成する工程と、前記グリーンシート積層体を熱処理し、前記熱揮発性成分を揮発させてスリットを形成するとともに、前記セラミック改質用の添加剤により、少なくとも前記スリットの底部のビッカース硬度を、前記積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高くする工程とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法では、少なくともスリットの底部のビッカース硬度が、積層体の側面のうち当該スリットが形成されていない部分のビッカース硬度に比べて高くなるように構成された積層型圧電アクチュエータ素子を、容易に製造することができる。
【００１１】
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】
【００１２】
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、スリットの底部分にクラックが発生す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その製造方法並びに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】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
積層体５の両側の側面には、積層面と平行に、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を駆動した際に加わる応力を緩和する目的で形成されたものである。
【００１７】
また、積層体５の両側の側面には、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、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。また、外装電極７，８の表面には、はんだ層９，１０が形成されている。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。
【００１８】
図２は、上記した積層体５のスリット６部分を拡大して示すもので、図２に示す積層体５の少なくともスリット６の底部分５０は、積層体５の側面のうち当該スリット６が形成されていない部分に比べてビッカース硬度が高くなるように構成されている。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、スリット６の底部分５０に、クラックが発生することを抑制できる。
【００１９】
なお、本実施形態では、積層体５の少なくともスリット６の底部分５０のビッカース硬度が積層体５の側面のうち当該スリット６が形成されていない部分に比べて高くするためには、この底部分５０が、クラックが発生し難い組織、組成を有する構成とすればよい。かかる構成を実現するための具体的方法としては、例えば、セラミックの粒径を異ならせる、セラミックの主成分の構成比率を異ならせる、微量成分を添加する等の方法を使用することができる。尚、スリット６の底部分５０のビッカース硬度が、積層体５の側面のうち当該スリット６が形成されていない部分のビッカース硬度より高いか否かは、マイクロビッカース硬度計等で判定することができる。
【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セラミックグリーンシートを作製し、加工に適した所定の大きさにカットする。尚、このセラミックグリーンシートは、焼成後に圧電層２となるものである。
【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。尚、この導電性ペーストは、焼成後に内部電極３，４となるものである。
【００２３】
得られたセラミックグリーンシートに、上記導電性ペースト１１１を、スクリーン印刷により内部電極の形状にパターニングし、図３に示すような内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を形成する。これとともに、得られたセラミックグリーンシートに、カーボン等の熱揮発性成分よりなるペースト１２１を塗布し、図３に示すようなスリット形成用グリーンシート１２０を作製する。このスリット形成用グリーンシート１２０を作製する際に、熱揮発性成分よりなるペースト１２１を枠状に塗布した当該枠の内周部分に、所定のセラミック改質用の添加剤１２２を塗布する。このセラミック改質用の添加剤１２２は、焼結した後に、図２に示したスリット６の底部分５０のビッカース硬度を積層体５の側面のうち当該スリット６が形成されていない部分のビッカース硬度より高くなるようにするためのもので、例えば、鉄を含む添加剤やクロムを含む添加剤等を使用することができる。尚、スリット形成用グリーンシート１２０は、セラミック改質用の添加剤が含有された熱揮発性成分よりなるペーストを枠状に塗布して形成してもよい。
【００２４】
次に、図３に示すように、上記の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０、スリット形成用グリーンシート１２０を所望の構造となるように複数枚適宜積層して（内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を複数積層するとともに、その複数の内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０の間のうち任意の間に、スリット形成用グリーンシート１２０を介在させて）柱状体とし、脱脂、焼成する。
【００２５】
そして、柱状体の側面に、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、リフロー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。
【００２６】
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を容易に製造することができる。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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】
【００３０】
【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要部構成を拡大して示す図。
【図３】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製造方法を説明するための図。
【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】
【００３１】
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、５０……スリットの底部分。
【図１】
2008277704.tif 000003
【図２】
2008277704.tif 000004
【図３】
2008277704.tif 000005
【図４】
2008277704.tif 000006