(57)【要約】【課題】モールド樹脂やスリーブの熱による破損を抑制することができ、さらには、使用環境下での温度上昇によっても半田接続を良好に維持できるとともに、駆動時の応力集中による圧電材料へのクラックの発生を抑制することができる圧電アクチュエータユニットを提供する。【解決手段】電圧の印加方向に積層した複数の圧電素子３０と、圧電素子３０を収容するガイド２０と、圧電素子３０の側面に設けた外部電極３３と、外部電極３３どうしを接続する糸半田５０とを備えている。糸半田５０と外部電極３３とは半田６０により接続され、半田６０は、Ｉｎおよび／またはＢｉを含有し、含有されたＩｎおよび／またはＢｉが糸半田５０に拡散している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加方向に積層した複数の圧電素子と、前記圧電素子を収容する保持部材と、前記圧電素子の側面に設けた外部電極と、前記外部電極どうしを接続する導電部材とを備え、
前記導電部材と前記外部電極とは半田により接続され、
前記半田は、Ｉｎおよび／またはＢｉを含有し、含有された前記Ｉｎおよび／またはＢｉが前記導電部材に拡散していることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
【請求項２】
前記圧電素子は、互いに接合されることなく前記保持部材内に収容され、該保持部材によって積層方向と直交する方向への移動が阻止されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項３】
前記導電部材は、隣接する前記圧電素子の間で屈曲または湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項４】
前記導電部材は、半田材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば可変ダンパ、燃料噴射装置、インクジェットプリンタなどに用いられる液体流量調整バルブの制御に用いて好適な圧電アクチュエータユニットの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような圧電アクチュエータユニットとしては、例えば特許文献１に開示されているように、圧電材料からなる圧電板と導電材料からなる内部電極とを交互に積層することで所望の変位を得たものが知られている（請求項１、０００２段、図１，１０）。
【０００３】
また、特許文献２には、圧電素子ユニットを積層方向の面で複数接合して圧電体素子のユニットを形成し、これにより、所望の積層数の圧電体素子をえることが開示されている（０００５，０００６段、請求項１、図１）。
【０００４】
さらに、特許文献３には、圧電素子の外周面に電気絶縁性を有するモールド樹脂を設け、さらに、モールド樹脂をＰＰＳ、ＰＥＴ、６６ナイロン等からなるスリーブで覆うことにより、絶縁性を高めたアクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６１３３９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７４０２９号公報
【特許文献３】特開２００７−２８１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３に記載の技術では、圧電素子の外部電極とそこから電流を取り出す導電部材とを接続する際に、モールド樹脂やスリーブが熱により破損する可能性がある。一方、融点の低い半田で半田付けを行うと、アクチュエータの使用環境下での温度上昇により、接合不良が発生する可能性がある。また、特許文献１〜３に共通することであるが、セラミクス製の圧電材料を用いたアクチュエータにおいて大きな変位を発生させると、圧電材料の内部応力により圧電材料にクラックが発生し、耐久性の低下が懸念される。
【０００７】
したがって、本発明は、モールド樹脂やスリーブの熱による破損を抑制することができ、さらには、使用環境下での温度上昇によっても半田接続を良好に維持できるとともに、駆動時の応力集中による圧電材料へのクラックの発生を抑制することができる圧電アクチュエータユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧電アクチュエータユニットは、電圧の印加方向に積層した複数の圧電素子と、圧電素子を収容する保持部材と、圧電素子の側面に設けた外部電極と、外部電極どうしを接続する導電部材とを備え、導電部材と外部電極とは半田により接続され、半田は、Ｉｎおよび／またはＢｉを含有し、含有されたＩｎおよび／またはＢｉが導電部材に拡散していることを特徴とする。
【０００９】
上記構成の圧電アクチュエータユニットでは、半田がＩｎやＢｉを含有しているから半田の融点が低下し、導電部材と外部電極とを接続する際の加熱温度を低くすることができる。したがって、熱による保持部材の破損が抑制される。また、加熱により溶融した半田から導電部材にＩｎやＢｉが拡散する。すなわち、導電部材が溶融した半田と接触することにより、半田に含まれるＩｎやＢｉが導電部材に拡散し、導電部材の融点を下げる。これにより、導電部材の表面が溶融すればＩｎやＢｉの拡散がさらに進行し、溶融が導電部材の内部に進行する。その結果、導電部材は、表面から内部に至る程ＩｎやＢｉの濃度が低くなる傾斜組成となる。一方、半田においては、ＩｎやＢｉが抜け出ることにより融点が高くなるので、使用環境下での温度上昇によっても半田の固着力が維持され、導電部材の離脱を防止することができる。
【００１０】
半田は、市販のフラックス入りＳｎＡｇＣｕ系のもの（融点：２００℃）を用いることができる。たとえば、市販のフラックス入りＳｎＡｇＣｕ系半田にＩｎやＢｉを所定の割合で混合した後、２００℃程度で加熱することで両者を溶融し一体化させて作製することができる。具体的には、ＳｎＡｇＣｕ系半田は、ＪＩＳＺ３２８２に規定する組成がＳｎ：９６．５％、Ａｇ：３％、Ｃｕ：０．５％、で融点が２１９℃のものや、組成がＳｎ：９９％、Ｃｕ：０．７％、Ａｇ：０．３％で融点が２１９℃のものなど、一般に市販されている非鉛半田にＩｎやＢｉを添加することで作製することができる。
【００１１】
たとえば、ＪＩＳＺ３２８２に規定する半田とＩｎとを１：１で溶融することにより、融点が１２５℃の半田を作製することができる。また、ＳｎにＢｉを添加して半田を作製することができる。半田の作製においては、材料を混合、加熱溶解させるだけで所望の半田が得られる。これら以外の半田としては、鉛錫合金（Ｐｂ−Ｓｎ、融点：２００℃）、錫銀合金（ＳｎＡｇ、融点：２１５℃）、錫アンチモン合金（ＳｎＳｂ、融点：２２０℃）なども用いることができる。上記したようなＩｎやＢｉを含有する半田は、例えば１４０℃以下の温度で溶融するので、保持部材の材料を適宜選定することにより、圧電素子の外部電極と導電部材とを接続する際に、保持部材が熱により破損するのを抑制することができる。
【００１２】
半田に含有させるＩｎやＢｉは、３０〜６０質量％であることが望ましい。ＩｎやＢｉの含有量を３０質量％以上とすることにより、耐熱樹脂が熱変形することのない１４０℃以上で、確実に接続することができる。また、ＩｎやＢｉの含有量が６０質量％以下であると、Ｂｉ単体の融点２７１℃よりも十分に低い温度、例えば１４０℃以下で確実に接続することができる。ＩｎやＢｉのより好ましい含有量は４０〜４５質量％である。
【００１３】
導電部材の材料としては、ＩｎやＢｉを添加しない上記した半田のベース材料を用いることが望ましい。たとえば、市販されている糸半田で半田のベース材料と同じ材質のものを用いると、調達コストを低減することができるとともに、半田との濡れ性が良く接合強度を高めることができる。
【００１４】
圧電素子は、セラミックス等の圧電材料からなる圧電板と導電材料からなる内部電極とを交互に積層した構成とすることができる。そして、圧電素子の側面に内部電極を露出させ、その側面に外部電極を接合して両電極を接続することができる。圧電材料としては、チタン酸バリウムやニオブ酸カリウムなどの公知の圧電材料を用いることができる。また、外部電極は、圧電素子の側面にＳｎ等をメッキして構成することができる。
【００１５】
圧電素子は、互いに接合されることなく保持部材内に収容され、該保持部材によって積層方向と直交する方向への移動が阻止されていることが望ましい。圧電素子どうしが互いに接合されている構成では、個々の圧電素子の内部応力が結合され、積層方向に力が加えられたときに積層方向と直交する方向へ結合された応力が作用し、座屈により圧電アクチュエータユニットの変形が生じることがある。また、結合された応力により圧電素子にクラックが生じることがある。この点、圧電素子を接合しないことにより、圧電アクチュエータユニットにかかる水平方向の荷重や変位を分散させることができるので、座屈やクラックの発生を抑制して信頼性を向上させることができる。
【００１６】
導電部材は、隣接する圧電素子の間で屈曲または湾曲していることが望ましい。これにより、圧電素子が積層方向へ膨張および縮小したときに、導電部材が屈曲部や湾曲部で変形して追従し、半田付けした部分や導電部材への応力集中を緩和し、それらの部分の経時劣化による破損を抑制することができる。また、導電部材としては、半田材料からなる細線を編んで紐状としたものも用いることができる。このような導電部材は圧電素子の膨張および縮小に追従して伸縮するので、上記と同等の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、導電部材と外部電極とを接続する際の加熱温度を低くすることができるので、熱による保持部材の破損が抑制される。また、半田の融点が高くなるので、使用環境下での温度上昇によっても半田の固着力が維持され、導電部材の脱落を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態の圧電アクチュエータユニットの全体を示す側面図であり、（Ｂ）はガイドを示す側面図、（Ｃ）は積層した圧電素子を示す側面図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）の矢印Ａ方向矢視、（Ｂ）は図１（Ｂ）の矢印Ｂで示す部分の拡大図、（Ｃ）は図２（Ｂ）の矢印Ｃで示す部分の拡大図である。
【図３】実施形態の圧電アクチュエータユニットの全体を示す断面図である。
【図４】圧電素子を示す側面図である。
【図５】圧電素子を示す側断面図である。
【図６】（Ａ）は糸半田を示す側面図であり、（Ｂ）は糸半田を圧電素子に接続した状態を示す側面図である。
【図７】（Ａ）は半田の基部を示す側断面図、（Ｂ）は糸半田と外部電極とを半田で接続した状態を示す側断面図、（Ｃ）は糸半田にＩｎが拡散した状態を示す側断面図である。
【図８】実施形態の圧電アクチュエータユニットの製造工程を示す平断面図である。
【図９】実施形態の圧電アクチュエータユニットの製造工程を示す平断面図である。
【図１０】実施形態の圧電アクチュエータユニットの製造工程を示す平断面図である。
【図１１】（Ａ）は従来の圧電アクチュエータユニットにおいて横荷重が作用した状態を示す側面図、（Ｂ）は実施形態の圧電アクチュエータユニットにおいて横荷重が作用した状態を示す側面図である。
【図１２】導電部材の変形例を示す側面図である。
【図１３】糸半田にＩｎが拡散している状態を示すＥＤＸ元素マッピングの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．圧電アクチュエータユニットの構成
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１（Ａ）は実施形態の圧電アクチュエータユニットを示す側面図である。図において符号１０はシャフトである。シャフト１０は両端が開口した円筒状をなし金属で構成されている。シャフト１０の内周には、ガイド（保持部材）２０が嵌合されている。ガイド２０は、半円筒状をなす胴部２１と、胴部２１の両端開口部に形成され中央部に開口２２を有して半リング状をなす蓋部２３とからなっている。ガイド２０の内周部には、断面が矩形状の凹部２４が形成されている。また、ガイド２０の側部には、長手方向に延在するスリット２５が形成されている。ガイド２０は、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）等の合成樹脂で構成され、１４０℃程度に加熱されても変形しない高温剛性を有している。
【００２０】
２つのガイド２０は、円筒状に重ね合わされてシャフト１０に挿入されている。重ね合わされたガイド２０の内部には、複数の圧電素子３０が長手方向に積層されている。圧電素子３０は、平面視で正方形状をなし、図５に示すように、チタン酸バリウムやニオブ酸カリウムなどの公知の圧電材料からなる圧電板３１と、導電材料からなる内部電極３２とを交互に積層して構成されている。内部電極３２は、圧電板３１のスリット２５側を向く側面に露出している。圧電素子３０にはバレル研磨が施され、図６に示すように、角部に断面円弧状の面取部３４を有している。圧電板３１の側面には、外部電極３３が設けられ、内部電極３２と接続されている。外部電極３３は、例えばＳｎメッキなどで形成されている。Ｓｎメッキは、電気メッキと無電解メッキのいずれでも形成することができる。
【００２１】
積層された圧電素子３０は互いに接合されることなく、ガイド２０の凹部２４によって積層方向と直交する方向への移動が阻止された状態で保持されている。両端部に位置する圧電素子３０に隣接してプランジャ４０が配置されている。プランジャ４０は、例えばステンレス鋼からなり、圧電素子３０と平面視形状が同じ基部４１と、基部４１に立設された円柱状のピン４２とからなっている。そして、ピン４２は、ガイド２０の開口２２から突出している。
【００２２】
外部電極３３には、糸半田（導電部材）５０が接続されている。糸半田５０は例えばＳｎＡｇＣｕ系などの半田材料で構成されたワイヤ状のもので、千鳥状に屈曲させられている。その屈曲のピッチは、圧電素子３０のピッチに合致しており、圧電素子３０側へ屈曲した箇所で半田６０によって外部電極３３と接続されている。
【００２３】
半田６０は、例えばフラックス入りＳｎＡｇＣｕ系などの半田材料に、例えばＩｎを３０〜６０重量％含有させたものを用いることができる。半田６０は、外部電極３３と接触する基部６１と、基部６１から盛り上がって糸半田５０を覆う凸部６２とからなっている。
【００２４】
２．圧電アクチュエータユニットの製造方法
次に、上記構成の圧電アクチュエータユニットの製造方法を実施形態の作用とともに説明する。まず、圧電素子３０の内部電極３２が露出した側面にＳｎメッキを施して外部電極３３を形成する。これにより、内部電極３２と外部電極３３とが導通する。次に、外部電極３３の上面に、半田６０の基部６１を構成する半田材料を例えば２００℃に加熱して塗布し、基部６１を形成する（図７（Ａ）参照）。
【００２５】
次に、一方のガイド２０の凹部２４に、圧電素子３０およびプランジャ４０を積層方向に予圧をかけて嵌合させる。その際、半田６０がスリット２５側を向くように圧電素子３０の向きを揃える。次いで、他方のガイドの凹部２４に圧電素子３０およびプランジャ４０を嵌合させる（図８参照）。
【００２６】
次に、一方のガイド２０側の基部６１の上に糸半田５０を載置し、その上から例えば１４０℃で溶融させた半田材料で半田付けし、凸部６２を形成する（図９参照）。半田材料は、Ｉｎを含有しているため、例えば５０質量％の含有で融点が１２５℃まで低下しており、樹脂製のガイド２０の変形や破損を起こさない温度での半田付けが可能となる。
【００２７】
糸半田５０に溶融した半田材料が接触すると、半田材料に含まれるＩｎが糸半田５０に拡散し、糸半田５０の表層部５１が溶融する（図７（Ｃ）参照）。これにより、糸半田５０と半田６０とが密着し、信頼性の高い電気接続が行われる。
【００２８】
半田６０からＩｎが糸半田５０に拡散することにより、半田６０と糸半田５０との境界は無くなり、半田６０中のＩｎの濃度が低下することで半田６０の融点が例えば１８０℃まで上昇する。したがって、使用環境下での温度上昇によっても半田６０の固着力が維持され、糸半田５０の離脱を防止することができる。一方、糸半田５０においては、Ｉｎが傾斜組成となるように拡散することで、融点が例えば２１９℃から１８０℃まで低下する。したがって、１４０℃の半田６０と接触することによっては糸半田５０は変形しない。
【００２９】
図１０は上記のようにして接合した糸半田と外部電極との接合部断面のＥＤＸ元素マッピングを示すものである。この場合において、市販のフラックス入りＳｎＡｇＣｕ半田（千住金属工業製、Ｍ７０５、Ｓｎ：９６．５質量％、Ａｇ：３質量％、Ｃｕ：０．５質量％）とインジウム（関東化学株式会社製、Ｃａｔ．２００１８−３２）を１：１の割合で混合し溶解して半田を作製し、これを２００℃で外部電極に塗布した。また、市販のＳｎＡｇＣｕ製糸半田を上記半田に載置し、その上から１４０℃で溶解した半田で半田付けした。
【００３０】
図１０から判るように、元々糸半田であった部分にはＩｎは存在していないが、１４０℃で半田付けすることで、半田から糸半田側にＩｎが拡散している。また、糸半田と半田の境界は元素分析としても組織観察としても境界なく一体化している。
【００３１】
次に、他方のガイド２０側の基部６１の上に糸半田５０を載置し、その上から例えば１４０℃で溶融させた半田材料で半田付けし、凸部６２を形成する（図１０参照）。そして、シャフト１０の内部にガイド２０を挿入することにより、図１（Ａ）に示す圧電アクチュエータユニットが完成する。
【００３２】
なお、上記実施形態では、半田６０の基部６１と凸部６２を別々に溶融しているが、たとえば、外部電極３３の上に基部６１を構成する粉末状の半田材料を塗布し、その上に糸半田５０を載置し、その上から凸部６２を構成する半田材料を塗布して加熱炉で１４０℃の熱処理を行うこともできる。この場合、熱処理を２回行うことになるが、先に熱処理を行った糸半田５０および半田６０の融点が１８０℃であるので、２回目の熱処理でそれらが溶融することはない。
【００３３】
３．実施形態の効果
上記構成の圧電アクチュエータユニットにおいては、２つの糸半田５０に外部電源から電圧を印加することにより、内部電極３２間に電位差が生じ、圧電素子３０がガイド２０とともに積層方向に膨張する。そして、プランジャ４０が例えば燃料噴射装置等の所定箇所を動かすことで動作させる。この圧電アクチュエータユニットにおいては、糸半田５０と外部電極３３とを接続する際の加熱温度を低くすることができるので、熱によるガイド２０の変形や破損が防止され、また、半田６０の融点が高くなるので、使用環境下での温度上昇によっても半田６０の固着力が維持され、糸半田５０の離脱を防止することができる。
【００３４】
特に、上記実施形態では、糸半田５０を千鳥状に屈曲させているので、圧電素子３０が積層方向へ膨張および縮小したときに、糸半田５０が屈曲部で変形して追従し、半田付けした部分や糸半田５０への応力集中を緩和し、それらの部分の経時劣化による破損を抑制することができる。また、糸半田５０の材料を半田６０のベース材料と同じにしているので、調達コストを低減することができるとともに、糸半田５０と半田６０との濡れ性がよく両者の固着力を高めることができる。
【００３５】
上記実施形態では、圧電素子３０どうしを接合していないので、圧電アクチュエータユニットにかかる水平方向の荷重や変位を分散させることができ、座屈や圧電素子３０へのクラックの発生を抑制して信頼性を向上させることができる。
【００３６】
また、図１１（Ａ）に示すように、圧電素子３５の角部が直角に交差している形態では、圧電アクチュエータユニットの動作中に横方向の応力が加わると、角部どうしが点で接触し、応力が集中して欠けなどの不良につながる。この点、上記実施形態では、圧電素子３０にバレル研磨を施して角部に面取部３４を形成しているので、横方向の応力が加わっても圧電素子３０どうしが面で接触し、応力集中を緩和することができる。
【００３７】
４．変形例
図１２は上記実施形態の変形例を示すものである。図１２（Ｂ）に示す例は、波状に湾曲させた糸半田７０を用いたものである。このような例においても、糸半田７０が湾曲部で変形して追従するから、半田付けした部分や糸半田７０への応力集中を緩和し、それらの部分の経時劣化による破損を抑制することができる。また、図１２（Ｂ）に示す例は、半田材料からなる細線を編んで紐状とした糸半田８０を用いたものである。このような例においては、圧電素子３０の膨張および縮小に追従して伸縮するので、上記と同等の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、減衰力可変ダンパ、燃料噴射装置、インクジェットプリンタなどに用いられる液体流量調整バルブの制御等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  シャフト
２０  ガイド（保持部材）
３０  圧電素子
３３  外部電極
５０  糸半田（導電部材）
６０  半田
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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