JP2005019860A - Laminated piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【技術分野】
本発明は,車両用エンジンの燃料噴射用インジェクタ駆動源の圧電アクチュエータ等として使用可能な積層型圧電体素子に関する。
【0002】
【従来技術】
積層型圧電体素子として,圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電積層体と,該圧電積層体の外周面に形成した一対の側面電極と,該側面電極ごと上記圧電積層体の外周面を覆って外部と絶縁を確保するよう形成した絶縁被覆層とを有する構成が知られている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−135872号公報
【特許文献2】
特開2001−244514号公報
【特許文献3】
特開平5−160458号公報
【特許文献7】
特開平7−7193号公報
【0004】
【解決しようとする課題】
しかしながら積層型圧電体素子は駆動時に積層方向に伸張するため,圧電積層体から絶縁被覆層の剥離が生じやすい。
特に車両用エンジンの燃料噴射用インジェクタの駆動源として積層型圧電体素子を使用する際は,使用環境温度が150℃〜200℃と高温であり,圧電積層体を構成する圧電層と絶縁被覆層の熱膨張係数が異なる等,剥離しやすい条件が揃っている。
【0005】
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので,絶縁被覆層の剥離が生じ難い積層型圧電体素子を提供しようとするものである。
【0006】
【課題の解決手段】
本発明は,圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電積層体と,該圧電積層体の外周面に形成した一対の側面電極と,該側面電極ごと上記圧電積層体の外周面を覆って外部と絶縁を確保するよう形成した絶縁被覆層とを有する積層型圧電体素子において,
上記圧電積層体の外周面で,上記絶縁被覆層と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなることを特徴とする積層型圧電体素子にある(請求項1)。
【0007】
本発明にかかる圧電積層体の外周面で,絶縁被覆層と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなり,従って絶縁被覆層と絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
また,絶縁被覆層が凹凸面の凹状となった部分に入り込むことでアンカー効果を得て,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
【0008】
以上,本発明によれば,絶縁被覆層の剥離が生じ難い積層型圧電体素子を提供することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
一般に積層型圧電体素子は,圧電層の断面形状と内部電極層の断面形状とが同程度に構成され,内部電極層の側端面が圧電積層体の外周面に露出した全面電極タイプと,圧電層の断面形状よりも内部電極層の断面形状が小さく,側面電極と電気的に導通したい内部電極層の側端面のみが圧電積層体の外周面に露出した部分電極タイプとがあるが,本発明はいずれのタイプに対しても適用することができる。なお,上記断面形状とは積層方向に略直交する方向で切断した際の断面形状である。
【0010】
また,積層型圧電体素子として,圧電層と内部電極層とを多数枚,交互に積層して所望の高さに構成した一体型のタイプと,圧電層と内部電極層を例えば20層や30層等と適当な枚数で積層して圧電ユニットを作製して,該圧電ユニットを積層し,所望の高さに構成したユニット式のタイプとが知られている。
本発明は一体型,ユニット式のいずれに対しても適用することができる。
【0011】
また,上記凹凸面における凹部や凸部は,円,楕円,十字,星型,クロス溝等,特に限定せず適当な形状で形成することができる。
また,上記凹凸面の形成は実施例にて詳述するが,レーザー加工,切削加工(圧電積層体の焼成後),型押し加工(圧電積層体の焼成前)など,種々の方法を利用することができる。
【0012】
更に凹凸面は,絶縁被覆形成面の全面に設けることが好ましいが,部分的に設けることでも本発明の効果を得ることができる。しかし凹凸面形成の手間を考慮すると,圧電積層体の外周面の全体に設けることが好ましい。
ここに圧電積層体の外周面とは積層方向と平行な側面である。絶縁被覆層とは,内部電極層や側面電極と,積層型圧電体素子の外にある各種部材との間で絶縁を確保したり,積層型圧電体素子における沿面放電を防止するために設ける被覆材で,樹脂やゴムのモールド等で形成することができる。具体的にはシリコーンゴムやエポキシ樹脂で絶縁被覆層を形成することができる。
【0013】
また,上記絶縁被覆層形成面の面積S0と上記凹凸面からなる絶縁被覆層形成面の表面積S1との間には,S0よりS1の表面積が増加するという関係が成立することが好ましい(請求項2)。
【0014】
これにより絶縁被覆層形成面において絶縁被覆層との実質的な接触面積がより増えるため,両者の接合強度がより大きくなる。
ここに絶縁被覆層形成面の面積S0とは,絶縁被覆層形成面が凹凸面が存在しない平べったい状態であると仮定した場合の面積である。また,絶縁被覆層形成面の表面積S1とは,凹凸面に沿って測定された実質的な表面積である。
表面積の測定は、断面形状を走査型顕微鏡あるいはマイクロスコープ等にて形状を観察計測しそれを基に概略計算して算出することができる。
【0015】
また,本発明にかかる凹凸面は,後述する図9に示すごとく平坦部が殆どなく山部と谷部とからなるパターン,図10に示すごとく平坦部に窪みが形成されるパターン,図11に示すごとく平坦部に突部が形成されるパターン等がある。
図9にかかるパターンにおいて,凹部は谷部からなる。図10にかかるパターンにおいて,凹部は窪みからなる。図11にかかるパターンにおいて,凹部は平坦部からなる。
【0016】
そして,上記凹凸面における凹部の深さは3〜60μmであることが好ましい(請求項3)。
凹部の深さを上記範囲とすることで,絶縁被覆層との実質的な接触面積がより増え、さらに凹み部の接合方向が違うことから,両者の接合が有効に作用する、また絶縁被覆層が凸凹となり被覆層の弾力性も増加する効果を得ることができる。
【0017】
また,凹部の深さとは,図9〜図11に示すf1〜f5のように,凸部の最高点から,該凸部に隣接する凹部の最低点との間の距離である。凸部や凹部が平坦部からなる場合は平坦部の中心位置を最高点や最低点とする。
凹部の深さが3μm未満である場合は,凹部の効果が小さく,またこのように浅い凹部を加工することは困難となるおそれがある。凹部の深さが60μmより大である場合は,表面積に対して凹部の数が小さく,本発明の効果が得難くなるおそれがある。
【0018】
また,上記凹凸面の凸部間距離は4〜80μmであることが好ましい(請求項4)。
凸部間距離を上記範囲とすることで,絶縁被覆層との実質的な接触面積がより増え、さらに凹み部の接合方向が違うことから,両者の接合が有効に作用する、また絶縁被覆層が凸凹となり被覆層の弾力性も増加する作用効果を得ることができる。
【0019】
ここに凸部間距離とは,図9〜図11に示すP1〜P4のように,ある凸部の最高点から,該凸部に隣接する他の凸部における最高点との間の距離である。凸部が平坦部からなる場合は平坦部の中心位置を最高点とする。
凸部間距離が4μm未満である場合は,凹部の深さに対して間隔が狭くなりすぎて,凹部の加工が困難となるおそれがある。凸部間距離が80μmより大である場合は,表面積に比べて凹部の数が少なくなるおそれがある。
【0020】
【実施例】
以下に,図面を用いて本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
本発明にかかる積層型圧電体素子について,図1〜図8を用いて説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は,図1に示すごとく,圧電層11と内部電極層121,122とを交互に積層してなる圧電積層体100と,該圧電積層体100の外周面10に形成した一対の側面電極141,142と,該側面電極141,142ごと上記圧電積層体100の外周面10を覆って外部と絶縁を確保するよう形成した絶縁被覆層15とを有する。
そして,上記圧電積層体100の外周面10で,上記絶縁被覆層15と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなる。
【0021】
以下,詳細に説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は,ディーゼルエンジンの燃料噴射用インジェクタの駆動源として用いるもので,図6に示すごとき側面電極141,142を有する積層型圧電体素子1を図7に示す封入ホルダー3を組み込んでレーザー溶接にて封入し,図8に示すごとくディーゼルエンジン用のインジェクタ4に組み付ける。
【0022】
封入ホルダー3は,図7に示すごとく,内部に積層型圧電体素子1を組み付ける封入筒34と,該封入筒34の端部には,底部材31と外周をベローズパイプ33で覆われた伝達棒32を設ける。封入筒34のもう一方の端部には,内部に電極361を配置した電極ユニット36を差し込む。電極ユニット36の側面には取り付けナット37を配置する。また,電極ユニット36の端部にはコネクタ38を設けて,該コネクタ38を図示を略した電源装置に取り付ける。
また,封入筒34は図8(b)に示すような形状である。
【0023】
封入ホルダ3を収納するインジェクタ4は,図8に示すごとく,インジェクタ4の中空筒型のボデー43に封入ホルダ3が導入され,封入ホルダ3の図面下方にはピストン42が内蔵されたシリンダ41が配置され,ボデー43の図面上方における側面から突出して燃料口44が設けてある。
なお,インジェクタ4に対する封入ホルダ3の組み付けは上記取り付けナット37によって行う。
【0024】
そして,図1〜図5に示すごとく,本例の積層型圧電体素子1における圧電積層体100は,断面がたる型の圧電層11と,該圧電層11と同じ断面形状を備えた内部電極層121,122とを交互に積層してなる。
圧電積層体100の外周面10は対向する平面部分101,102と対向する曲面部分103,104とからなり,平面部分101,102に側面電極141,142を配置する。
上記平面部分101,102に側面電極141,142を形成する前に,平面部分101に露出する内部電極層121,122の側端面123,124のうち,内部電極層122の側端面124を絶縁層131で覆って,内部電極層121と側面電極141とが導通するように構成する。
【0025】
また,平面部分102に露出する内部電極層121,122の側端面123,124のうち,内部電極層121の側端面123を絶縁層132で覆って,内部電極層122と側面電極142とが導通するように構成する。
これによって,側面電極141と側面電極142とを異なる電位として,圧電層11に電圧を印加した際に,圧電層11が印加した電圧の大きさに応じて伸張して,積層型圧電体素子1を駆動することができる。
【0026】
本例において,外周面10における絶縁層131,132と側面電極141,142とを設けてない部分が絶縁被覆層形成面となるが,該絶縁被覆層形成面のみに凹凸面21を設けるのは製造工程上面倒であるため,上記圧電積層体100の外周面10の全体が,図3〜図5に示すごとく,平坦部212と窪み211とからなる凹凸面21になっている。窪み21の開口形状は略円形である。
そして,上記圧電積層体100の外周面10と絶縁層131,132と,側面電極141,142とが絶縁被覆層15で覆われ,圧電積層体100の積層方向の端面は絶縁被覆層15で覆われていない。
【0027】
そして,図5に示すごとく,本例にかかる凹凸面21における凹部とは,窪み211からなり,その深さはf1,f2・・・等であり,略20μmである。
また,図5に示すごとく,本例にかかる凹凸面21における凸部間距離は,平坦部212の中央から隣接する別の平坦部212の中央への距離であり,例えばP1,P2・・・・等であり,略30μmである。
なお,これらの深さや凸部間距離は絶縁層131,132や側面電極141,142を形成する前の圧電積層体100の状態において,外周面や外周面を含む断面を走査型電子顕微鏡等で観察して測定した。
【0028】
また,本例にかかる絶縁被覆層形成面の面積S0は絶縁被覆層形成面の表面積S1が概算で約2倍に増加していた。
表面積S1の測定は,断面形状を走査型電子顕微鏡やマイクロスコープ等を用いて観察計測し,それに基いて概略計算から算出した。
面積S0は積層型圧電体素子1の寸法から算出した。
【0029】
本例にかかる積層型圧電体素子1において,圧電積層体100の外周面10で,絶縁被覆層15と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面21からなり,従って絶縁被覆層15と絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
また,絶縁被覆層15が凹凸面21の凹部に入り込むことでアンカー効果を得て,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
更に,凹凸面21を外周面10に設けた分,内部電極層121,122における側端面123と124との間の経路長が長くなり,これら側端面123,124間の沿面放電が生じ難くなる。
以上,本例によれば,絶縁被覆層の剥離が生じ難い積層型圧電体素子を提供することができる。
【0030】
(実施例2)
本例は圧電積層体の外周面に設けた各種の凹凸面22〜24について説明する。
図9に示すごとく,外周面に垂直な断面において平坦部が殆どなく山部222と谷部221とが交互に繰り返されるような凹凸面22がある。山部222が凸部に,谷部221が凹部となる。凹部の深さは同図に記載したf1,f2・・・となり,凸部間距離は山部222の頂点と谷部221を挟んで隣接する別の山部222の頂点との距離で,同図に記載したP1,P2・・・となる。
【0031】
また,図10に示すごとく,外周面に垂直な断面において平坦部232と該平坦部232から後退した窪み231とからなる凹凸面23がある。平坦部232が凸部に,窪み231が凹部となる。凹部の深さは同図に記載したf1,f2・・・となり,凸部間距離は平坦部232の中央と,窪み231を一つ挟んで隣接する他の平坦部232の中央との最短距離で,同図に記載したP1,P2・・・となる。
【0032】
また,図11に示すごとく,外周面に垂直な断面において平坦部241と該平坦部241から突出した突部242とからなる凹凸面24がある。平坦部241が凹部に,突部242が凹部となる。凹部の深さは突部242の最高点から平坦部241までの距離であり,f1,f2・・・となる。また,凸部間距離は突部242の最高点から平坦部241を挟んで隣接する別の突部242の最高点との最短距離で,同図に記載したP1,P2・・・となる。
【0033】
上記いずれのタイプの凹凸面22〜24を外周面に設けた場合であっても,実施例1と同様に,絶縁被覆層と外周面における絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
その他詳細は実施例1の作用効果を有する。
【0034】
(実施例3)
本例は圧電積層体の外周面に設けた凹凸面21における窪み211の形状が異なるものについて説明する。
図12に示すごとく,断面がたる型の圧電積層体10において,外周面10に平坦部212と窪み211とからなる凹凸面21が形成され,窪み21の開口形状は長円形である。また,図13に示すごとく,断面がたる型の圧電積層体10において,外周面10に平坦部212と窪み211とからなる凹凸面21が形成され,窪み21の開口形状は十字型である。また,図14に示すごとく,断面がたる型の圧電積層体10において,外周面10に平坦部212と窪み211とからなる凹凸面21が形成され,窪み21はクロス溝からなる。
【0035】
上記いずれのタイプの凹凸面21を外周面に設けた場合であっても,実施例1と同様に,絶縁被覆層と外周面における絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
その他詳細は実施例1の作用効果を有する。
なお,実施例1も本例も,各窪み211は略同形状で,略同寸法で,規則正しく設けてあるが,窪みの形状や大きさ等が不均一で,ランダムに設けて形成した凹凸面であっても,実施例1にかかる作用効果を得ることができる。
【0036】
(実施例4)
図15に示すごとく,積層型圧電体素子を構成する圧電積層体100として,断面形状が正方形の圧電層11と内部電極層121,122を交互に積層してなるものを用いることができる。
圧電層11や内部電極層121,122の断面形状にかかわらず,外周面10に凹凸面を設けることで,実施例1と同様に,絶縁被覆層と外周面における絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって剥離が生じ難くなる。
その他詳細は実施例1の作用効果を有する。
【0037】
(実施例5)
本例は,図17に示す圧電積層体10からなる積層型圧電体素子の製造方法について説明する。図17に示す圧電積層体10は,外周面10に平坦部が殆どなく山部222と谷部221とが交互に繰り返されるような凹凸面22を有する。
【0038】
次に,製造方法について説明する。
まず,チタン酸ジルコン酸鉛に所定量の有機バインダ及び溶剤を混合してスラリーを作製し,ドクターブレード法により圧電層用のグリーンシートとする。グリーンシートに銀・パラジウムのペーストをスクリーン印刷法により塗布して内部電極層用の印刷部を形成し,乾燥する。その後,チタン酸ジルコン酸鉛を含む接着用スラリーを印刷部の上から塗布し,上記印刷部付きグリーンシートを所定形状に打ち抜くと共に所定枚数を積層して,プレスして圧着する。その後,500℃で数百時間電気炉中に保持し脱バインダを行って,約1200℃数時間の条件で焼成し,図16に示すごとき積層焼結体49を得る。
【0039】
この積層焼結体49の外周面490に図17に示すごとき凹凸面22を図18に示すレーザー加工機4を用いて形成する。
このレーザー加工機4は,パルスレーザーを発信するレーザー発信器41と該レーザー発信器41から発信されたレーザー40のビーム径を拡張するビームエキスパンダ42と,該ビームエキスパンダ42を通過したレーザー40をミラーにより反射する2台のガルバノメーター431,432とを有し,最後のガルバノメーター431,432を通過したレーザー40を集光レンズ44で収束させ,外周面490に当てて,ここに窪みを多数形成して,図17に示すごとく,凹凸面22を有する外周面10を備えた圧電積層体100となす。
【0040】
ここで,レーザー40の照射法について説明すると,図19(a)に示すごとく,外周面490に破線490で示した部分を除去するように,略等間隔にレーザー40を照射する。図19(b)に示すごとく,第1の窪み492を形成した後,該窪み492間の平坦な領域に対し,図19(c)に示すごとく,破線493で示した部分を除去するように,再びレーザー40を照射する。その結果,図19(d)に示すように,第1の窪み492の間に第2の窪み494を得る。
このようにして,図17に示すごとき圧電積層体100を得た。
【0041】
次いで,上記圧電積層体100について,内部電極層を一層おきに側面電極に接続することができるように(詳細は実施例1参照),外周面の平面部分に露出した内部電極層の側端部に対して,電気泳動法により一層おきにガラス粉末を被着させ,約600℃で熱処理し,絶縁層を形成する(図1参照)。
その後,絶縁層で覆われていない側端部を電気的に接続するように,波形状に加工したステンレス材からなる板状の側面電極を導電性接着剤を用いて接着する。
これにより実施例1等に示すような積層型圧電体素子を得た。
【0042】
また,図20に示すように,外周面490に形成したい凹凸面の形状の雛形となるマスク45を置いて,マスク45を介してレーザー40を照射することもできる。
この場合は,例えば,実施例1の図3に示すような凹凸面を得ることができる。
【0043】
いずれにしても本例にかかる製造方法によれば,圧電積層体の外周面で,絶縁被覆層と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなり,従って絶縁被覆層と絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって,絶縁被覆層の剥離が生じ難い積層型圧電体素子を得ることができる。
【0044】
(実施例6)
本例は,圧電積層体を焼成する前に凹凸面を形成する方法について説明する。すなわち,まず,チタン酸ジルコン酸鉛に所定量の有機バインダ及び溶剤を混合してスラリーを作製し,ドクターブレード法により圧電層用のグリーンシートとする。グリーンシートに銀・パラジウムのペーストをスクリーン印刷法により塗布して内部電極層用の印刷部を形成し,乾燥する。その後,チタン酸ジルコン酸鉛を含む接着用スラリーを印刷部の上から塗布し,上記印刷部付きグリーンシートを所定形状に打ち抜くと共に所定枚数を積層して,プレスして圧着して,圧着体を得る。
【0045】
続いて,図21に示すごとく,回転ホルダー521で支持され,外表面に多数の突起522を備えた回転部523からなる凹凸面形成用ローラー52を準備する。
そして圧着体58の積層方向の両端面を回転ホルダー51で支持する。回転部523を圧着体58の未乾燥の外表面580に押し当てる。回転ホルダー51ごと圧着体58を矢線R1の方向に,該R1と反対方向の矢線R2の方向に凹凸面形成用ローラー52を回転する。これにより,外表面580は突起522に押されて,多数の窪みが形成される。
その後,圧着体を乾燥させ,500℃で数百時間電気炉中に保持し脱バインダを行って,約1200℃数時間の条件で焼成し,前述した図16に示すごとき積層焼結体49を得る。
この積層焼結体49から本発明にかかる積層型圧電体素子を製造することができる。
【0046】
または,図22,図23に示すように,静止した圧着体59の外表面590に対し,凹凸面形成用ローラー52を矢線R3方向に回転させつつ,外表面590と平行方向に矢線R4に沿って移動させ,突起522によって外表面590に多数の窪みを形成した。
その後,圧着体を乾燥させ,500℃で数百時間電気炉中に保持し脱バインダを行って,約1200℃数時間の条件で焼成し,前述した図16に示すごとき積層焼結体49を得る。この積層焼結体49から本発明にかかる積層型圧電体素子を製造することができる。
なお,ここで示した圧着体59は断面形状が正方形で,外表面590は直方体の4つの側面からなる。
【0047】
以上,本例にかかる製造方法によれば,圧電積層体の外周面で,絶縁被覆層と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなり,従って絶縁被覆層と絶縁被覆層形成面との接触面積が増え,両者の接合強度が大きくなって,絶縁被覆層の剥離が生じ難い積層型圧電体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における,積層型圧電体素子の要部斜視図。
【図2】実施例1における,積層型圧電体素子の積層方向に沿った断面の説明図。
【図3】実施例1における,外周面に凹凸面を設けた圧電積層体の説明図。
【図4】実施例1における,外周面に凹凸面を設けた圧電積層体の積層方向に沿った断面の説明図。
【図5】実施例1における,凹凸面の説明図。
【図6】実施例1における,積層型圧電体素子の斜視図。
【図7】実施例1における,積層型圧電体素子を組み込んだ封入ホルダーの説明図。
【図8】実施例1における,積層型圧電体素子を組み込んだディーゼルエンジン用インジェクタの説明図。
【図9】実施例2における,山部と谷部とが交互に繰り返される凹凸面の説明図。
【図10】実施例2における,平坦部と該平坦部から後退した窪みとからなる凹凸面の説明図。
【図11】実施例2における,平坦部と該平坦部から突出した突部とからなる凹凸面の説明図。
【図12】実施例3における,窪みの形状が長円形からなる凹凸面を外周面に設けた圧電積層体の説明図。
【図13】実施例3における,窪みの形状が十字型からなる凹凸面を外周面に設けた圧電積層体の説明図。
【図14】実施例3における,窪みの形状がクロス溝からなる凹凸面を外周面に設けた圧電積層体の説明図。
【図15】実施例4における,断面形状が正方形の圧電積層体の斜視図。
【図16】実施例5における,積層焼結体の説明図。
【図17】実施例5における,圧電積層体と外周面の凹凸面の状態を示す断面説明図。
【図18】実施例5における,レーザー加工機の構成を示す線図。
【図19】実施例5における,レーザーによる凹凸面の形成に関する説明図。
【図20】実施例5における,マスクを用いたレーザー加工機の構成を示す線図。
【図21】実施例6における,凹凸面形成用ローラーによる未焼成の圧着体に対する窪み形成の説明図。
【図22】実施例6における,凹凸面形成用ローラーによる未焼成の断面正方形の圧着体に対する窪み形成の説明図。
【図23】実施例6における,凹凸面形成用ローラーによる未焼成の断面正方形の圧着体に対する窪み形成の説明図。
【符号の説明】
1...積層型圧電体素子,
10...外表面,
100...圧電積層体,
11...圧電層,
121,122...内部電極層,
141,142...側面電極層,
15...絶縁被覆層,
21...凹凸面,[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a multilayer piezoelectric element that can be used as a piezoelectric actuator or the like of an injector drive source for fuel injection of a vehicle engine.
[0002]
[Prior art]
As a laminated piezoelectric element, a piezoelectric laminated body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, a pair of side electrodes formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminated body, and the piezoelectric laminated body together with the side electrodes The structure which has the insulation coating layer which covered the outer peripheral surface of this and was formed so that insulation was ensured with the exterior is known.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-135872 A [Patent Document 2]
JP 2001-244514 A [Patent Document 3]
JP-A-5-160458 [Patent Document 7]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-7193
[Problems to be solved]
However, since the laminated piezoelectric element expands in the laminating direction when driven, the insulating coating layer is easily peeled off from the piezoelectric laminated body.
In particular, when a laminated piezoelectric element is used as a drive source for a fuel injection injector of a vehicle engine, the operating environment temperature is as high as 150 ° C. to 200 ° C., and the piezoelectric layer and the insulating coating layer constituting the piezoelectric laminated body Conditions that are easy to peel off, such as different thermal expansion coefficients, are available.
[0005]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element in which an insulating coating layer is hardly peeled off.
[0006]
[Means for solving problems]
The present invention provides a piezoelectric laminate in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, a pair of side electrodes formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate, and the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate together with the side electrodes. A laminated piezoelectric element having an insulation coating layer formed to cover the outside and to ensure insulation;
The laminated piezoelectric element is characterized in that, on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate, the insulating coating layer forming surface that comes into contact with the insulating coating layer is an uneven surface.
[0007]
In the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate according to the present invention, the insulating coating layer forming surface that is in contact with the insulating coating layer is an uneven surface, so that the contact area between the insulating coating layer and the insulating coating layer forming surface is increased, and the bonding strength between the two is increased. Becomes larger and peeling is less likely to occur.
In addition, the anchoring effect is obtained by the insulating coating layer entering the concave portion of the concavo-convex surface, and the joint strength between the two is increased, so that the separation hardly occurs.
[0008]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a multilayer piezoelectric element in which the insulation coating layer hardly peels off.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In general, a laminated piezoelectric element has a cross-sectional shape of a piezoelectric layer and a cross-sectional shape of an internal electrode layer, and a side electrode surface of the internal electrode layer is exposed on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminated body. There is a partial electrode type in which the cross-sectional shape of the internal electrode layer is smaller than the cross-sectional shape of the layer, and only the side end surface of the internal electrode layer that is to be electrically connected to the side electrode is exposed on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate. Can be applied to any type. In addition, the said cross-sectional shape is a cross-sectional shape at the time of cut | disconnecting in the direction substantially orthogonal to the lamination direction.
[0010]
In addition, as the laminated piezoelectric element, an integrated type in which a large number of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated to have a desired height, and 20 or 30 piezoelectric layers and internal electrode layers are formed, for example. There is known a unit type in which a piezoelectric unit is manufactured by laminating an appropriate number of layers and the like, and the piezoelectric units are laminated to have a desired height.
The present invention can be applied to both an integral type and a unit type.
[0011]
In addition, the concave and convex portions on the concave and convex surface can be formed in an appropriate shape without particular limitation, such as a circle, an ellipse, a cross, a star shape, and a cross groove.
In addition, although the formation of the uneven surface is described in detail in the examples, various methods such as laser processing, cutting (after firing the piezoelectric laminate), embossing (before firing the piezoelectric laminate), etc. are used. be able to.
[0012]
Further, the uneven surface is preferably provided on the entire surface of the insulating coating forming surface, but the effect of the present invention can also be obtained by providing it partially. However, considering the trouble of forming the uneven surface, it is preferable to provide the entire outer peripheral surface of the piezoelectric laminate.
Here, the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate is a side surface parallel to the lamination direction. An insulation coating layer is a coating provided to ensure insulation between internal electrode layers and side electrodes and various members outside the multilayer piezoelectric element, and to prevent creeping discharge in the multilayer piezoelectric element. It can be formed of a material such as a resin or rubber mold. Specifically, the insulating coating layer can be formed of silicone rubber or epoxy resin.
[0013]
Further, it is preferable that the relationship that the surface area of S1 is increased from S0 is established between the area S0 of the insulating coating layer forming surface and the surface area S1 of the insulating coating layer forming surface composed of the uneven surface. 2).
[0014]
As a result, the substantial contact area with the insulating coating layer on the surface of the insulating coating layer is increased, so that the bonding strength between the two is increased.
Here, the area S0 of the insulating coating layer forming surface is an area when it is assumed that the insulating coating layer forming surface is flat without an uneven surface. The surface area S1 of the insulating coating layer forming surface is a substantial surface area measured along the uneven surface.
The surface area can be calculated by observing and measuring the cross-sectional shape with a scanning microscope or a microscope and roughly calculating the cross-sectional shape.
[0015]
Further, the uneven surface according to the present invention has a pattern having almost no flat portion as shown in FIG. 9 to be described later, and a pattern composed of peaks and valleys, a pattern in which depressions are formed in the flat portion as shown in FIG. As shown, there are patterns in which protrusions are formed on flat portions.
In the pattern according to FIG. 9, the concave portion is formed by a valley portion. In the pattern according to FIG. 10, the concave portion is a depression. In the pattern according to FIG. 11, the concave portion is a flat portion.
[0016]
And it is preferable that the depth of the recessed part in the said uneven surface is 3-60 micrometers (Claim 3).
By setting the depth of the recess in the above range, the substantial contact area with the insulating coating layer is further increased, and the bonding direction of the concave portion is different, so that the bonding of both functions effectively, and the insulating coating layer As a result, the effect of increasing the elasticity of the coating layer can be obtained.
[0017]
Moreover, the depth of a recessed part is the distance between the highest point of a convex part and the lowest point of the recessed part adjacent to this convex part like f1-f5 shown in FIGS. When a convex part or a recessed part consists of a flat part, let the center position of a flat part be the highest point or the lowest point.
When the depth of the recess is less than 3 μm, the effect of the recess is small, and it may be difficult to process such a shallow recess. When the depth of the recess is greater than 60 μm, the number of recesses is small with respect to the surface area, and it may be difficult to obtain the effect of the present invention.
[0018]
Moreover, it is preferable that the distance between convex parts of the said uneven surface is 4-80 micrometers.
By making the distance between the convex portions within the above range, the substantial contact area with the insulating coating layer is further increased, and the bonding direction of the concave portions is different, so that the bonding between the two functions effectively, and the insulating coating layer As a result, the effect of increasing the elasticity of the coating layer can be obtained.
[0019]
Here, the distance between the convex portions is a distance between the highest point of a certain convex portion and the highest point of other convex portions adjacent to the convex portion, as in P1 to P4 shown in FIGS. is there. When a convex part consists of a flat part, let the center position of a flat part be the highest point.
When the distance between the convex portions is less than 4 μm, the interval becomes too narrow with respect to the depth of the concave portion, and it may be difficult to process the concave portion. When the distance between convex parts is larger than 80 micrometers, there exists a possibility that the number of recessed parts may decrease compared with a surface area.
[0020]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Example 1)
The laminated piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the multilayer
And the insulating coating layer forming surface which contacts the said insulating
[0021]
This will be described in detail below.
The multilayer
[0022]
As shown in FIG. 7, the enclosing
The enclosing
[0023]
As shown in FIG. 8, the
The
[0024]
As shown in FIGS. 1 to 5, the piezoelectric
The outer
Before the
[0025]
In addition, of the side end surfaces 123 and 124 of the internal electrode layers 121 and 122 exposed to the
Accordingly, when the
[0026]
In this example, the portion of the outer
The outer
[0027]
And as shown in FIG. 5, the recessed part in the
Further, as shown in FIG. 5, the distance between the convex portions on the
Note that these depths and the distances between the protrusions are measured with a scanning electron microscope or the like in the state of the
[0028]
In addition, the area S0 of the insulating coating layer forming surface according to this example was approximately double the surface area S1 of the insulating coating layer forming surface.
The surface area S1 was measured by observing and measuring the cross-sectional shape using a scanning electron microscope, a microscope, or the like, and calculating from the rough calculation based on the measurement.
The area S0 was calculated from the dimensions of the multilayer
[0029]
In the multilayer
Further, the insulating
Further, since the
As described above, according to this example, it is possible to provide a multilayer piezoelectric element in which the insulation coating layer hardly peels off.
[0030]
(Example 2)
In this example, various
As shown in FIG. 9, there is an
[0031]
Further, as shown in FIG. 10, there is an
[0032]
In addition, as shown in FIG. 11, there is an
[0033]
Even when any of the above-described
Other details have the effects of the first embodiment.
[0034]
Example 3
In this example, a case where the shape of the
As shown in FIG. 12, in the
[0035]
In any case where the
Other details have the effects of the first embodiment.
In each of Example 1 and this example, each of the
[0036]
(Example 4)
As shown in FIG. 15, as the
Regardless of the cross-sectional shape of the
Other details have the effects of the first embodiment.
[0037]
(Example 5)
In this example, a method of manufacturing a multilayer piezoelectric element composed of the
[0038]
Next, the manufacturing method will be described.
First, a slurry is prepared by mixing a predetermined amount of an organic binder and a solvent with lead zirconate titanate, and a green sheet for a piezoelectric layer is obtained by a doctor blade method. A silver / palladium paste is applied to the green sheet by screen printing to form a printed part for the internal electrode layer and dried. Thereafter, an adhesive slurry containing lead zirconate titanate is applied from above the printing part, and the green sheet with the printing part is punched into a predetermined shape, and a predetermined number of sheets are stacked, pressed and pressed. Thereafter, it is held in an electric furnace at 500 ° C. for several hundred hours, and is subjected to binder removal, and fired under conditions of about 1200 ° C. for several hours to obtain a laminated
[0039]
An
The
[0040]
Here, the irradiation method of the
In this way, a
[0041]
Next, with respect to the
Thereafter, a plate-like side electrode made of a stainless material processed into a corrugated shape is bonded using a conductive adhesive so as to electrically connect the side end portions not covered with the insulating layer.
Thereby, a multilayer piezoelectric element as shown in Example 1 or the like was obtained.
[0042]
In addition, as shown in FIG. 20, a
In this case, for example, an uneven surface as shown in FIG.
[0043]
In any case, according to the manufacturing method according to this example, the insulating coating layer forming surface that is in contact with the insulating coating layer on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate is an uneven surface, and therefore the insulating coating layer, the insulating coating layer forming surface, This increases the contact area, increases the bonding strength between the two, and makes it possible to obtain a laminated piezoelectric element in which the insulation coating layer hardly peels off.
[0044]
(Example 6)
In this example, a method for forming an uneven surface before firing a piezoelectric laminate will be described. That is, first, a slurry is prepared by mixing a predetermined amount of an organic binder and a solvent with lead zirconate titanate, and a green sheet for a piezoelectric layer is obtained by a doctor blade method. A silver / palladium paste is applied to the green sheet by screen printing to form a printed part for the internal electrode layer and dried. Thereafter, an adhesive slurry containing lead zirconate titanate is applied from above the printing portion, the green sheet with the printing portion is punched into a predetermined shape, a predetermined number of layers are stacked, pressed and pressure bonded, obtain.
[0045]
Subsequently, as shown in FIG. 21, an uneven surface forming roller 52 that is supported by a
Then, both end surfaces of the crimping
Thereafter, the pressure-bonded body is dried, held in an electric furnace at 500 ° C. for several hundred hours, debindered, fired under conditions of about 1200 ° C. for several hours, and the laminated
From this laminated
[0046]
Or, as shown in FIG. 22 and FIG. 23, an arrow R4 is formed in a direction parallel to the
Thereafter, the pressure-bonded body is dried, held in an electric furnace at 500 ° C. for several hundred hours, debindered, fired under conditions of about 1200 ° C. for several hours, and the laminated
In addition, the crimping | compression-bonding
[0047]
As described above, according to the manufacturing method of this example, the insulating coating layer forming surface that contacts the insulating coating layer on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate is an uneven surface, and therefore the contact between the insulating coating layer and the insulating coating layer forming surface is The laminated piezoelectric element in which the area increases, the bonding strength between the two increases, and the insulating coating layer hardly peels off can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a main part of a multilayer piezoelectric element according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory view of a cross section in the stacking direction of the stacked piezoelectric element in the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a piezoelectric laminate having an uneven surface on the outer peripheral surface in Example 1.
4 is an explanatory view of a cross section along the stacking direction of a piezoelectric laminate having an uneven surface on the outer peripheral surface in Example 1. FIG.
5 is an explanatory diagram of an uneven surface in Example 1. FIG.
6 is a perspective view of a multilayer piezoelectric element in Example 1. FIG.
7 is an explanatory diagram of an enclosing holder incorporating a multilayer piezoelectric element in Example 1. FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an injector for a diesel engine incorporating a laminated piezoelectric element according to the first embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a concavo-convex surface in which peaks and valleys are alternately repeated in the second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a concavo-convex surface including a flat portion and a recess retreated from the flat portion in
FIG. 11 is an explanatory diagram of a concavo-convex surface including a flat portion and a protrusion protruding from the flat portion in the second embodiment.
12 is an explanatory view of a piezoelectric laminate in Example 3 in which a concave and convex surface having an indentation in the shape of an ellipse is provided on the outer peripheral surface. FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a piezoelectric laminate in Example 3 in which a concave and convex surface having a dent shape having a cross shape is provided on the outer peripheral surface.
FIG. 14 is an explanatory view of a piezoelectric laminate in Example 3 in which a concave and convex surface whose depression shape is a cross groove is provided on the outer peripheral surface.
15 is a perspective view of a piezoelectric laminate having a square cross-sectional shape in Example 4. FIG.
16 is an explanatory diagram of a laminated sintered body in Example 5. FIG.
17 is a cross-sectional explanatory view showing the state of the piezoelectric laminate and the uneven surface of the outer peripheral surface in Example 5. FIG.
18 is a diagram showing the configuration of a laser beam machine in Example 5. FIG.
FIG. 19 is an explanatory diagram regarding the formation of an uneven surface by a laser in Example 5.
20 is a diagram showing a configuration of a laser processing machine using a mask in Example 5. FIG.
FIG. 21 is an explanatory diagram of formation of a recess for an unfired pressure-bonded body by a concavo-convex surface forming roller in Example 6.
FIG. 22 is an explanatory diagram of formation of a depression on a pressed body having an unfired cross-sectional square shape by a concavo-convex surface forming roller in Example 6.
FIG. 23 is an explanatory diagram of formation of a recess on a pressed body having an unfired cross-sectional square shape by a concavo-convex surface forming roller in Example 6.
[Explanation of symbols]
1. . . Laminated piezoelectric element,
10. . . Outer surface,
100. . . Piezoelectric laminate,
11. . . Piezoelectric layer,
121, 122. . . Internal electrode layer,
141, 142. . . Side electrode layer,
15. . . Insulation coating layer,
21. . . Uneven surface,
Claims (4)
上記圧電積層体の外周面で,上記絶縁被覆層と接触する絶縁被覆層形成面は凹凸面からなることを特徴とする積層型圧電体素子。Piezoelectric laminates formed by alternately laminating piezoelectric layers and internal electrode layers, a pair of side electrodes formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate, and the outer peripheral surface of the piezoelectric laminate together with the side electrodes And a laminated piezoelectric element having an insulating coating layer formed to ensure insulation,
A laminated piezoelectric element, wherein an outer peripheral surface of the piezoelectric laminated body is an uneven surface on an insulating coating layer forming surface that comes into contact with the insulating coating layer.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|---|
JP2006210423A (en) * | 2005-01-25 | 2006-08-10 | Denso Corp | Stacked piezoelectric element and manufacturing method thereof |
JP2009272466A (en) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Denso Corp | Piezoelectric actuator and its manufacturing method |
-
2003
- 2003-06-27 JP JP2003185347A patent/JP2005019860A/en active Pending
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