(57)【要約】【課題】積層体に加わる駆動時の応力を緩和する作用が良好で、従来に比べて耐久性の向上を図ることができ、焼成時にスリットの開口端の間隔がつぶれたりして積層体の各スリットの間隔のばらつきが生じ難い積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法及び積層型圧電アクチュエータ素子を提供する。【解決手段】未焼成活性部１５０の積層方向両側端部にセラミックグリーンシート１３０のみを積層した未焼成不活性部１５１を形成し、さらに、未焼成不活性部１５１の積層方向外側両側に、内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を積層したダミー未焼成体部１５２を形成して、柱状の未焼成積層体５００を得る。次に、未焼成積層体５００を脱脂、焼成して積層体を得る。【選択図】図３
2009130124.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柱状の活性部と、
前記活性部の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に前記活性部の積層方向に沿って形成された複数のスリットと、
前記活性部の積層方向両側端部に設けられた不活性部と、
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、
焼成後に前記圧電層となる未焼成圧電層と、焼成後に前記内部電極となる未焼成電極とを積層させ、かつ、前記スリットを形成する部分に焼成時に消失する消失材料を配置した、焼成後に前記活性部となる未焼成活性部と、
当該未焼成活性部の積層方向両側端部に設けられ焼成後に前記不活性部となる未焼成不活性部と、
前記未焼成不活性部のさらに積層方向外側に設けられ、前記未焼成圧電層を構成する材料と、前記未焼成電極を構成する材料とを有するダミー未焼成体部と
を具備した未焼成積層体を形成し、
当該未焼成積層体を焼成する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２】
請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法において、
前記ダミー未焼成体部が、前記未焼成圧電層を構成する材料からなる層と、前記未焼成電極を構成する材料からなる層とを交互に複数積層させて構成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の製造方法。
【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の製造方法において、
前記未焼成積層体を焼成した後、前記ダミー未焼成体部の焼成部分を除去する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４】
圧電層と内部電極とを交互に複数積層してなる柱状の活性部と、
前記活性部の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に前記活性部の積層方向に沿って形成された複数のスリットと、
前記活性部の積層方向両側端部に設けられた不活性部と、
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、
前記積層体が、当該積層体中における前記スリットの開口端の上下方向の間隔の値の最大値と最小値との差が３０μｍ未満と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５】
請求項４記載の積層型圧電アクチュエータ素子であって、
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込まれることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
【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の製造方法及び積層型圧電アクチュエータ素子に係り、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置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の製造方法及び積層型圧電アクチュエータ素子に関する。
【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、カーボンを主成分とするスリット形成用ペーストを塗布したセラミックグリーンシートを介在させた未焼成積層体を焼成することによって、スリット形成用ペーストを消失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。）。
【０００４】
上記の積層型圧電アクチュエータ素子では、圧電層と印加電圧供給用の内部電極とが交互に複数積層され、電圧の印加によって変位する活性部の積層方向両側端部に、活性部の保護等を目的として、不活性部が設けられた構造とされたものが知られている。この不活性部は、活性部の圧電層と同一の圧電セラミック等から構成され、一般的に電極を有しない構造となっており、電圧の印加で変位を生じない部分となっている。
【０００５】
このように、活性部の両端に不活性部を有する構造の積層型圧電アクチュエータ素子の場合、焼成時における活性部と不活性部の収縮量の違いから、活性部と不活性部との間にき裂や割れ等が発生する場合がある。このため、不活性部にダミーの電極を設け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３、特許文献４参照。）。
【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
【特許文献３】実開平３−１１２９５６号公報
【特許文献４】特許第３７３０８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、圧電層の内部に入り込むと共に積層体の積層方向に沿って複数の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。
【０００７】
しかしながら、上記の不活性部を有し、かつスリットを有する構造の積層型圧電アクチュエータ素子を得る際には、焼成時にスリット開口端の上下方向の間隔の値に大きなばらつきが生じ、この値が略ゼロで、略つぶれた状態のスリットが発生する場合もある。このため、積層体に加わる駆動時の応力の緩和効果が不十分になり、耐久性の低下を招くという問題があった。また、不活性部に内部電極を設ける技術では、不活性部の抵抗率が低下し、十分な絶縁性を確保することができなくなる恐れがあった。
【０００８】
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作用が良好で、従来に比べて耐久性の向上を図ることができ、焼成時にスリットの開口端の間隔がつぶれたりして積層体の各スリットの間隔のばらつきが生じ難い積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法及び積層型圧電アクチュエータ素子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】
【０００９】
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柱状の活性部と、前記活性部の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に前記活性部の積層方向に沿って形成された複数のスリットと、前記活性部の積層方向両側端部に設けられた不活性部と、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、焼成後に前記圧電層となる未焼成圧電層と、焼成後に前記内部電極となる未焼成電極とを積層させ、かつ、前記スリットを形成する部分に焼成時に消失する消失材料を配置した、焼成後に前記活性部となる未焼成活性部と、当該未焼成活性部の積層方向両側端部に設けられ焼成後に前記不活性部となる未焼成不活性部と、前記未焼成不活性部のさらに積層方向外側に設けられ、前記未焼成圧電層を構成する材料と、前記未焼成電極を構成する材料とを有するダミー未焼成体部とを具備した未焼成積層体を形成し、当該未焼成積層体を焼成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の製造方法では、未焼成不活性部の積層方向外側に設けられ、未焼成圧電層を構成する材料と、未焼成電極を構成する材料とを有するダミー未焼成体部を具備した未焼成積層体を形成し、当該未焼成積層体を焼成する。これによって、焼成時に、ダミー未焼成体部の収縮により、未焼成不活性部が隣接するダミー未焼成体部側に引っ張られ、スリットがつぶれることを抑制して、スリット開口端の上下方向の間隔の値のばらつきを抑制することができる。このようなスリット開口端の上下方向の間隔の値のばらつきは、従来例えば最大値が５０μｍ程度の場合、最小値が０μｍとなってしまい、最大値と最小値との差が５０μｍ程度となっていた。これに対して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、最大値と最小値との差を３０μｍ未満とすることができる。したがって、従来に比べてスリット開口端の上下方向の間隔の値が揃った積層体を製造することができ、積層体に加わる駆動時の応力を緩和する作用が良好で、耐久性の高い積層型圧電アクチュエータ素子を製造することができる。
【００１１】
上記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、ダミー未焼成体部を、前記未焼成圧電層を構成する材料からなる層と、前記未焼成電極を構成する材料からなる層とを交互に複数積層させて構成することができる。このようにすれば、活性部の未焼成圧電層及び未焼成内部電極と同様にして製造することができ、ダミー未焼成体部用に別途の構成材料を準備する必要がないので、製造工程を簡略化することができる。また、未焼成積層体を焼成した後、ダミー未焼成体部の焼成部分を除去すれば、完成品の積層体の構造を、ダミー未焼成体部を有しない構造とすることができる。
【００１２】
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柱状の活性部と、前記活性部の側面に、前記圧電層の内部に入り込むと共に前記活性部の積層方向に沿って形成された複数のスリットと、前記活性部の積層方向両側端部に設けられた不活性部と、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、前記積層体が、当該積層体中における前記スリットの開口端の上下方向の間隔の値の最大値と最小値との差が３０μｍ未満とされていることを特徴とする。
【００１３】
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、積層体が、当該積層体中におけるスリットの開口端の上下方向の間隔の値の最大値と最小値との差が３０μｍ未満とされている。すなわち、略完全につぶれた状態のスリット等が無く、スリット開口端の上下方向の間隔の値が揃った積層体となっている。したがって、積層体に加わる駆動時の応力を緩和する作用が良好で、耐久性の向上を図ることができる。
【００１４】
上記構成の本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置に組み込んで使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
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作用が良好で、従来に比べて耐久性の向上を図ることができ、焼成時にスリットの開口端の間隔がつぶれたりして積層体の各スリットの間隔のばらつきが生じ難い積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法及び積層型圧電アクチュエータ素子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】
【００１６】
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〜数百層等の多数の積層数となっている。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
積層体５の両側の側面には、積層面と平行に、側面から所定深さ入り込むように、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。
【００２０】
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。
【００２１】
上記積層体５は、圧電層２と、内部電極３，４とを交互に複数積層して構成され、内部電極３，４に電圧を印加することによって変位する活性部５０と、この活性部５０の積層方向両側端部に設けられ、内部電極を具備せず変位しない不活性部５１とから構成されている。
【００２２】
次に、上記積層型圧電アクチュエータ素子１の製造方法について説明する。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２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、カーボン等の焼消性成分やテオブロミン、インジゴ等の昇華性成分からなる消失材料を主体とするペースト１２１を塗布し、図２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。
【００２６】
次に、図２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柱状体とする。すなわち、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、図３に示すように、所定長さ（例えば、数十ｍｍ）の未焼成活性部１５０を形成する。
【００２７】
そして、未焼成活性部１５０の積層方向両側端部にセラミックグリーンシート１３０のみを積層した未焼成不活性部１５１を所定厚さ（例えば０．５〜２ｍｍ）形成し、さらに、未焼成不活性部１５１の積層方向外側両側に、内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を積層したダミー未焼成体部１５２を所定厚さ（例えば０．５〜５ｍｍ）形成して、柱状の未焼成積層体５００を得る。なお、本実施形態では、ダミー未焼成体部１５２を、内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０を積層して形成した。このようにすれば、未焼成活性部１５０の製造に用いる内部電極付きのセラミックグリーンシート１１０をそのまま用いることができ、工程の簡略化を図れるとともに、ダミー未焼成体部１５２の収縮の状態を未焼成活性部１５０の収縮の状態と略同一にすることができる。しかし、ダミー未焼成体部１５２は、未焼成圧電層を構成する材料と、内部電極を構成する材料とを含んでいれば良く、これらを混合した未焼成のバルク体で形成してもよい。
【００２８】
次に、このようにして形成した未焼成積層体５００を脱脂、焼成し、図４に示すように必要に応じてダミー未焼成体部１５２の焼成部分５２を研削等にて除去して積層体５を得る。なお、ダミー未焼成体部１５２の焼成部分５２は、必ずしも除去する必要はなく、残した状態としてもよい。
【００２９】
上記の焼成工程において、消失材料を主体とするペースト１２１が消失し、スリット６が形成されるが、本実施形態では、未焼成不活性部１５１の積層方向外側両側に設けられたダミー未焼成体部１５２が焼成時に収縮して未焼成不活性部１５１が隣接するダミー未焼成体部１５２側に引っ張られる。これによって、スリット６がつぶれることを抑制して、図５に示すスリット開口端の上下方向の間隔の値Ａのばらつきを抑制することができる。
【００３０】
すなわち、ダミー未焼成体部１５２が無い場合、未焼成活性部１５０の収縮量が未焼成不活性部１５１の収縮量より多いため、未焼成不活性部１５１が未焼成活性部１５０側に引っ張られ、特に未焼成不活性部１５１近傍に位置するスリット６がつぶれてしまう傾向がある。これに対して、本実施形態では、ダミー未焼成体部１５２の収縮によって未焼成不活性部１５１をダミー未焼成体部１５２側に引っ張る力を作用させ、上記のようなスリット６のつぶれの発生を抑制する。
【００３１】
例えば、積層体５が、６．５ｍｍ×６．５ｍｍの四角柱状で長さが数十ｍｍ、圧電層２の厚さが７０μｍ、内部電極３，４の厚さが３〜４μｍ程度の場合、上記のスリット開口端の上下方向の間隔の値Ａは、従来例えば最大値が５０μｍ程度、最小値が０μｍとなってしまい、最大値と最小値との差（ばらつき）が５０μｍ程度となっていた。これに対して本実施形態の積層型圧電アクチュエータ素子の製造方法によれば、上記のスリット開口部の上下方向の間隔の値Ａの最大値と最小値との差を３０μｍ未満とすることができる。したがって、従来に比べてスリット開口端の上下方向の間隔の値Ａが揃った積層体５を製造することができ、積層体５に加わる駆動時の応力を緩和する作用が良好で、耐久性の高い積層型圧電アクチュエータ素子１を製造することができる。また、不活性部５１には、導電性の材料が含まれていないため、不活性部５１の抵抗率の低下を生じさせず、十分な絶縁性を確保することができる。
【００３２】
上記のようにして積層体５を形成した後、積層体５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。
【００３３】
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を製造することができる。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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を介して内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置のインジェクタバルブ（図示せず。）等に変位として伝達される。このように、積層型圧電アクチュエータ素子１を自動車等の燃料噴射装置に使用した場合、高速で繰り返し積層型圧電アクチュエータ素子１が駆動されることになるが、このような過酷な条件下においても、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子１は、積層体５に加わる駆動時の応力を緩和する作用が良好であるので、従来に比べて耐久性を向上させることができる。
【００３６】
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】
【００３７】
【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】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素子の製造方法を説明するための図。
【図５】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６】図１の積層型圧電アクチュエータ素子を用いた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】
【００３８】
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……外装電極、９，１０……はんだ層、１１，１２……外部電極、１３，１４……リード線、５０……活性部、５１……不活性部。
【図１】
2009130124.tif 000003
【図２】
2009130124.tif 000004
【図３】
2009130124.tif 000005
【図４】
2009130124.tif 000006
【図５】
2009130124.tif 000007
【図６】
2009130124.tif 000008