(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み０．０５〜０．２５ｍｍの複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の積層方向の両端面に設けられたセラミック体とを具備するとともに、前記積層体を、同一厚みの圧電体を積層してなる積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成されそれぞれ圧電体を６〜１２層積層してなる応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、前記積層体中央部の圧電体の厚みの２倍の厚みを有する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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、積層型圧電アクチュエータでは、不活性なセラミック体と活性な積層体の境界部に応力が発生することが知られており、セラミック体と積層体の境界部における応力緩和を如何に低減するかが問題となっている。セラミック体と積層体の境界部における応力緩和を図ったものとして、特開平７−３０１６５号公報に開示されたようなものが知られている。
【０００３】
この公報に開示された積層型圧電アクチュエータは、積層体とセラミック体との間の境界部分における内部電極同士の重なり面積を、積層体における内部電極同士の重なり面積よりも小さくしたものである。
【０００４】
また、特開平４−１５９７８５号公報に開示されたように、積層体とセラミック体との間の境界部における内部電極に、導体非形成部を形成し、これらの導体非形成部を有する内部電極間に圧電が印加されないようにした積層型圧電アクチュエータも知られている。
【０００５】
これらの公報に開示された積層型圧電アクチュエータでも、同様にセラミック体と積層体の境界部における応力緩和を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された従来の積層型圧電アクチュエータでは、積層体とセラミック体の境界部において、積層方向と直角方向に生じる収縮および伸長歪みの抑制が未だ不十分であり、セラミック体と積層体の境界部に発生するせん断応力集中により、積層体と不活性の境界部に割れ等の機械的な破壊が生じるという問題があった。
【０００７】
また、特開平７−３０１６５号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、内部電極形成部と非形成部の境界にせん断応力が集中し、磁器破壊にいたり、耐久性が劣化するという問題があった。また、特開平４−１５９７８号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでも、同様の原因にて耐久性が劣化するという問題があった。
【０００８】
本発明は、積層体とセラミック体の境界部に生じるせん断応力を大幅に減少させ、信頼性の高い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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、厚み０．０５〜０．２５ｍｍの複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の積層方向の両端面に設けられたセラミック体とを具備するとともに、前記積層体を、同一厚みの圧電体を積層してなる積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成されそれぞれ圧電体を６〜１２層積層してなる応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、前記積層体中央部の圧電体の厚みの２倍の厚みを有するものである。
【００１０】
このような構成を採用することにより、単位長さあたりの発生応力をセラミック体側に向けて徐々に低下させて全体として分散し、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体との間における応力を緩和できる。また、応力緩和部における圧電体の厚みが同一であるため、積層型圧電アクチュエータの圧電体として２種の厚みの圧電体しか必要なく、多数の種類の圧電体を準備する必要がないので製造が容易である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型圧電アクチュエータを図１に基いて説明する。図１において、複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる積層体（活性体）３と、該積層体３の積層方向の両端面に設けられ、電気的に接合されていないセラミック体（不活性体）４とから構成されている。
【００１７】
そして、積層体３が、積層体中央部５と、該積層体中央部５の両側に形成された応力緩和部７とから構成され、応力緩和部７における複数の圧電体１ａが同一厚みとされ、かつ、応力緩和部７における複数の圧電体１ａが、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みの２倍の厚みとされている。
【００２０】
応力緩和部７には、圧電体１ａが６〜１２層形成されている。これは、圧電体１ａが６層よりも少ない場合には応力緩和効果が小さく、１２層よりも多く形成すると、応力緩和効果が小さく、しかも所定の変位量が得られ難くなるからである。
【００２１】
積層体３およびセラミック体４とからなるアクチュエータ本体の側面には、複数の内部電極２が交互に電気的に接続した一対の外部電極９が形成されており、一対の外部電極９には、リード端子Ｌがそれぞれ接続されている。外部電極９と、この外部電極９と接続されない内部電極２の端部との間には溝が形成され、この溝に絶縁体１３が充填され、絶縁されている。
【００２２】
圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 （以下ＰＺＴと略す）或いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3 を主成分とする圧電セラミック材料などが使用されるが、これらに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも良い。なお、この圧電体材料としては、圧電歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。また、圧電体１の厚み、つまり内部電極２間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から０．０５〜０．２５ｍｍであることが望ましい。
【００２３】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、以下のようにして作製される。先ず、圧電材料からグリーンシートを作製し、所定形状に打ち抜いた後、内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成する。このとき内部電極パターンは厳密な形状でなくてもかまわない。
【００２４】
この内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層し、この積層成形体を脱脂し、焼成前に所定の形状に裁断する。その後、所定形状に裁断された積層成形体を所定の条件にて脱バインダ、焼成して焼結体を得る。
【００２５】
この焼結体を外周加工後に、外部電極が形成される部分の内部電極の端面部を、厚み方向に一層毎に溝加工を施し、形成した溝に耐熱樹脂からなる絶縁体を封入し、溝加工部上に金属粉末を含有した伸縮性耐熱樹脂と金属板を焼き付けて、外部電極を形成し、この外部電極上にリード線を接続し、さらに樹脂コートを施し、積層型アクチュエータを得る。
【００２６】
ここで、応力緩和部７における圧電体１ａが、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みの２倍の厚みとなるように、グリーンシートの厚みを制御する必要がある。尚、応力緩和部７の圧電体１ａを形成するグリーンシート厚みは、グリーンシートを複数積層して所定の厚みにしても良い。
【００２７】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータでは、積層体３を、積層体中央部５と、該積層体中央部５の両側に形成された応力緩和部７とから構成し、該応力緩和部７における複数の圧電体１ａが同一厚みであり、かつ、応力緩和部７における複数の圧電体１ａの厚みを、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みの２倍の厚みとしたので、応力緩和部７の圧電体１ａは積層体３の圧電体１ｂより、圧電体１ａの厚みが厚いため、単位磁器当たりの変位量が小さくなり、圧電横歪みに伴う積層体３の両端とセラミック体４の境界部に生じるせん断応力を減少できる。これによって、セラミック体４と積層体３の境界部に発生するせん断応力集中を抑制することができる。
【００２８】
また、応力緩和部７における圧電体１ａの厚みが同一であるため、積層型圧電アクチュエータ全体として２種の圧電体１ａ、１ｂの厚みしか必要なく、容易に製造することができる。
【００２９】
図２は、本発明の参考例を示す模式図で、この例では、応力緩和部１７における圧電体１１ａ１の厚みが、該圧電体１１ａ１の積層体中央部１５側に隣設する圧電体１１ａ２の厚みの１．０５〜１．１８倍とされている。即ち、応力緩和部１７の圧電体１１ａの厚みは、積層体中央部１５の圧電体１１ｂの厚みより厚く形成され、しかも、例えば、任意の圧電体１１ａ１の厚みは、圧電体１１ａ１の積層体中央部１５側に隣設する圧電体１１ａ２の厚みの１．０５〜１．１８倍とされている。
【００３０】
応力緩和部１７における圧電体１１ａ1 の厚みを、該圧電体１１ａ1 の積層体中央部１５側に隣設する圧電体１１ａ2 の厚みの１．０５〜１．１８倍としたのは、この範囲を外れる場合には、応力緩和効果が小さいからである。特に、圧電体１１ａ1 の厚みは、該圧電体１１ａ1 の積層体中央部１５側に隣設する圧電体１１ａ2 の厚みの１．０７〜１．１２倍が望ましい。
【００３１】
また、この場合にも、上記と同様、応力緩和部１７には、圧電体１１ａが６〜２４層、特には６〜１２層形成されていることが望ましい。これは、圧電体１１ａが６層よりも少ない場合には、応力緩和効果が小さく、２４層よりも多く形成すると応力緩和効果が小さく、しかも所定の変位量が得られ難いからである。
【００３２】
このような積層型圧電アクチュエータでは、積層体の応力緩和部１７における圧電体の単位長さあたりの変位量を、セラミック体１４側にいくほどを小さくして、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体１４との間における応力を緩和できる。
【００３３】
図３は、本発明の他の参考例を示す模式図で、ここでは応力緩和部２７における圧電体２１ａ１の厚みが、該圧電体２１ａ１の積層体中央部側に隣設する圧電体２１ａ２の厚みよりも０．００５〜０．０２０ｍｍ厚く形成されている。
【００３４】
即ち、応力緩和部２７の圧電体２１ａの厚みは、積層体中央部２５の圧電体２１ｂの厚みより厚く形成され、しかも、例えば、任意の圧電体２１ａ1 の厚みは、圧電体２１ａ1 の積層体中央部２５側に隣設する圧電体２１ａ2 の厚みよりも０．００５〜０．０２０ｍｍ厚く形成されている。
【００３５】
応力緩和部２７における圧電体２１ａ1 の厚みを、該圧電体２１ａ1 の積層体中央部２５側に隣設する圧電体２１ａ2 の厚みよりも０．００５〜０．０２０ｍｍ厚く形成したのは、この範囲を外れる場合には応力緩和効果が小さいからである。特に、圧電体２１ａ1 の厚みは、該圧電体２１ａ1 の積層体中央部２５側に隣設する圧電体２１ａ2 の厚みよりも０．００８〜０．０１４ｍｍ厚くすることが望ましい。
【００３６】
また、この場合にも、上記と同様の理由から、応力緩和部２７には、圧電体２１ａが６〜２４層形成されている。
【００３７】
このような積層型圧電アクチュエータでも、上記と同様、積層体の応力緩和部２７における圧電体の単位長さあたりの変位量を、セラミック体側にいくほどを小さくして、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体との間における応力を緩和できる。
【００３８】
本発明者等は、図１に示す積層型圧電アクチュエータについて、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みｔｅに対する、応力緩和部７の圧電体１ａの厚さｔｂの比と、セラミック体４と積層体５の境界部に生じる最大応力との関係を、応力緩和部７の圧電体１ａの積層数毎に解析し、その結果を図４に示した。尚、積層体５の積層方向の長さ、内部電極２の厚み、積層体５の圧電体１の積層数は一定とした。
【００３９】
この図４より、応力緩和部７の圧電体１ａの厚さｔｂが、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みｔｅの１．３〜２．５倍の厚みを有する時に最大応力が１３ＭＰａ程度以下となり、応力緩和部７の圧電体１ａの厚さｔｂが、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みｔｅの１．５〜２．３０倍の厚みを有する時に８〜１２ＭＰａとなり、応力緩和部７の圧電体１ａの厚さが、積層体中央部５の圧電体１ｂの厚みｔｅの１．９倍程度の厚みを有する時に８ＭＰａと最小となることが判る。
【００４０】
また、応力緩和部の圧電体の積層数については、６〜２４層積層した時に応力緩和効果が大きく、６〜１２層積層した時に最も応力緩和効果が大きいことが判る。
【００４１】
また、図２に示す積層型圧電アクチュエータについて、応力緩和部１７の圧電体１１ａの厚さを、セラミック体側に向けて所定の倍率で厚くした場合（応力緩和部の圧電体厚さ間公比）、即ち、応力緩和部１７の圧電体１１ａ1 の厚みを、積層体中央部側に隣設する圧電体１１ａ2 の厚みの所定倍とした場合に、セラミック体１４と積層体１５の境界部に生じる最大応力がどのように変化するかを、応力緩和部１７の圧電体１１ａの積層数毎に解析し、その結果を図５に示した。尚、この場合も、積層体の積層方向の長さ、内部電極の厚み、積層体の圧電体の積層数は一定とした。
【００４２】
また、積層体中央部１５に最も近い応力緩和部１７の圧電体１１ａの厚みは、応力緩和部１７の圧電体１１ａの厚みの関係と同様、積層体中央部１５の圧電体１１ｂの厚みよりも図５に示す比率だけ厚さした。
【００４３】
この図５より、圧電体１１ａ1 の厚みが、積層体中央部側に隣設する圧電体１１ａ2 の厚みの１．０５〜１．１８倍である時に最大応力が１３ＭＰａ程度以下と最小となり、応力緩和部１７の圧電体１１ａの積層数については、６〜２４層有する場合に最大応力が最小となる点を有することが理解でき、また、積層数が増加する程、比率が小さくても応力が最小となることが理解できる。
【００４４】
さらに、図３に示す積層型圧電アクチュエータについて、応力緩和部２７の圧電体２１ａの厚さをセラミック体側に向けて所定の差で厚くした場合（応力緩和部の圧電体厚さ間公差）、即ち、圧電体２１ａ1 の厚みを、積層体中央部側に隣設する圧電体２１ａ2 の厚みより所定厚さ分だけ厚くした場合に、セラミック体２４と積層体２５の境界部に生じる最大応力がどのように変化するかを、応力緩和部２７の圧電体２１ａの積層数毎に解析し、その結果を図６に示した。尚、この場合も、積層体の積層方向の長さ、内部電極の厚み、積層体の圧電体の積層数は一定とした。
【００４５】
また、積層体中央部２５に最も近い応力緩和部２７の圧電体２１ａの厚みは、応力緩和部２７の圧電体２１ａの厚みの関係と同様、積層体中央部２５の圧電体２１ｂの厚みより図６に示す分だけ厚くした。
【００４６】
この図６より、圧電体２１ａ1 の厚みが、積層体中央部側に隣設する圧電体２１ａ2 の厚みより０．００５〜０．０２０ｍｍ厚い時に最大応力が１３ＭＰａ程度以下と最小となり、６〜２４層の時最大応力が最小となる点を有することが理解でき、また、積層数が２層の時には応力緩和効果が小さいことが判る。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、積層体を、積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成された応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、積層体中央部の圧電体の厚みの２倍の厚みとすることにより、積層体とセラミック体の境界近傍に発生するせん断応力を抑制することができ、これによって、高温の使用環境下、高い印加電界で高速で連続駆動させる場合においても、高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータの模式図である。
【図２】本発明の参考例の積層型圧電アクチュエータの一部を示す模式図である。
【図３】本発明の他の参考例の積層型圧電アクチュエータの一部を示す模式図である。
【図４】積層体中央部の圧電体の厚みに対する応力緩和部の圧電体の厚みの比と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【図５】等比的に応力緩和部の圧電体の厚みを増加させた場合の比率と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【図６】等差的に応力緩和部の圧電体の厚みを増加させた場合の厚み差と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１、２１・・・圧電体
２・・・内部電極
３、１３、２３・・・積層体
５、１５、２５・・・積層体中央部
７、１７、２７・・・応力緩和部
４、１４、２４・・・セラミック体
【図１】
0003881484.tif 000002
【図２】
0003881484.tif 000003
【図３】
0003881484.tif 000004
【図４】
0003881484.tif 000005
【図５】
0003881484.tif 000006
【図６】
0003881484.tif 000007