JP2011082534A - Laminated piezoelectric element and injection device using the same - Google Patents

Laminated piezoelectric element and injection device using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated piezoelectric element with good durability that is free of breaking of wires of an external electrode and an internal electrode even when driven continuously for a long period in a high-electric-field and high-pressure environment, and an injection device. <P>SOLUTION: The laminated piezoelectric element is constituted by coating ends of every other layer of a plurality of internal electrodes 2 with insulators 3 on a side face of a square pole type pillar laminate 1a formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies 1 and the plurality of internal electrodes 2, joining external electrodes 4 to ends of the internal electrodes 2 which are not covered with the insulators 3, and connecting and fixing lead wires 5 to the respective external electrodes 4, wherein a piezoelectric layer 1 contains Si, which is segregated at a crystal grain boundary and not present in the form of a definite glass layer to be present as SiO<SB>2</SB>which is substantially monomolecular. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電セラミックスおよびこれを用いた積層型圧電素子及び噴射装置に関し、例えば、圧電トランスや、自動車用燃料噴射装置、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等の積層型圧電素子及び噴射装置に関する。   The present invention relates to piezoelectric ceramics and laminated piezoelectric elements and injection devices using the same, and is used for, for example, piezoelectric transformers, precision positioning devices such as automobile fuel injection devices and optical devices, and drive elements for vibration prevention. The present invention relates to a multilayer piezoelectric element such as a multilayer piezoelectric actuator and an ejection device.

従来、強誘電性セラミックスまたは圧電セラミックスとして、PbTiO−PbZrO(以下PZTと略す)を主成分とする複合ペロブスカイト型化合物がある。これらの材料は、その構成成分がほとんど全部セラミックスであり、原料あるいは仮焼粉末を所定の形状に成形した後、高温で焼成して作製される。これら従来の圧電セラミックスでは、成分の組成比を選ぶことにより用途に応じて種々の特性の圧電セラミックスが作製され、アクチュエータ、セラミックフィルタ、圧電ブザーなどの用途に用いられている。例えば、圧電アクチュエータは、磁性体にコイルを巻いた従来の電磁式アクチュエータと比較して消費電力や発熱量が少なく、応答速度に優れるとともに変位量が大きく、寸法、重量が小さいなどの優れた特徴を有している。しかし、PZT系セラミックスは4点曲げ強度が101MPa程度であることや、加工時に割れや欠けを生じやすいという欠点がある。 Conventionally, as a ferroelectric ceramic or a piezoelectric ceramic, there is a composite perovskite compound mainly composed of PbTiO 3 —PbZrO 3 (hereinafter abbreviated as PZT). These materials are almost entirely composed of ceramics, and are produced by forming a raw material or calcined powder into a predetermined shape and then firing it at a high temperature. In these conventional piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramics having various characteristics are produced according to the application by selecting the composition ratio of the components and used for applications such as actuators, ceramic filters, and piezoelectric buzzers. For example, the piezoelectric actuator has excellent features such as low power consumption and heat generation, excellent response speed, large displacement, and small dimensions and weight compared to a conventional electromagnetic actuator in which a coil is wound around a magnetic material. have. However, PZT ceramics have the disadvantages that the four-point bending strength is about 101 MPa and that cracks and chips are likely to occur during processing.

そこで、特許文献1には、研削加工時の欠けや割れの抑制を目的として、副成分としてFeを0.01〜0.3重量%、Alを0.01〜0.04重量%、Siを0.01〜0.04重量%含有するP
ZT系圧電セラミックスが開示されている。
Therefore, Patent Document 1 discloses P containing 0.01 to 0.3% by weight of Fe, 0.01 to 0.04% by weight of Al, and 0.01 to 0.04% by weight of Si for the purpose of suppressing chipping and cracking during grinding.
ZT piezoelectric ceramics are disclosed.

特許文献1に示されたPZT系圧電セラミックスでは、副成分として含有するAl、Siが焼結段階において液相を形成しやすく、焼結終了後において焼結体の結晶粒界にPbO−Al−SiOを主体とするガラス相を形成する。これにより、これらの副成分を含まない圧電セラミックスより低い温度で焼結体を緻密化でき、また結晶を粒成長させることができる。このために研削加工時の割れや欠けを抑制できることと、上記ペロブスカイト型化合物よりガラス相の方が破壊靭性値が高いため、焼結体の破壊靭性値を高めることができる。 In the PZT-based piezoelectric ceramic disclosed in Patent Document 1, Al and Si contained as subcomponents easily form a liquid phase in the sintering stage, and PbO—Al 2 is formed at the crystal grain boundary of the sintered body after the sintering. A glass phase mainly composed of O 3 —SiO 2 is formed. Thereby, the sintered body can be densified at a temperature lower than that of the piezoelectric ceramic not containing these subcomponents, and crystals can be grown. For this reason, cracking and chipping during grinding can be suppressed, and the fracture toughness value of the sintered body can be increased because the glass phase has a higher fracture toughness value than the perovskite type compound.

また、積層型圧電素子としては、圧電体と内部電極とを交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの2種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。   As a multilayer piezoelectric element, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked is known. Multilayer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing types and stack types in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are alternately stacked. Simultaneous firing is considered in terms of lowering the voltage and reducing manufacturing costs. Since the multilayer piezoelectric actuator of the type is advantageous for thinning, its superiority is being shown.

特開2002−220281公報JP2002-220281

しかし、特許文献1に示された圧電セラミックスでは、体積固有抵抗の経時変化など信頼性、耐久性の点で劣るという問題があった。例えば、圧電セラミックスを車載用圧電アクチュエータなどとして用いる場合には、信頼性、耐久性は非常に重要な要素となる。   However, the piezoelectric ceramic disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is inferior in terms of reliability and durability, such as a change in volume resistivity over time. For example, when piezoelectric ceramics are used as an in-vehicle piezoelectric actuator, reliability and durability are very important factors.

また、圧電セラミックスを加工する際や、超音波洗浄を行うと脱粒を起こすため面粗さ
が低下することや、磁器表面だけでなく、内部の結晶粒にもダメージを与え、耐久性が低下するという問題がある。
In addition, when processing piezoelectric ceramics or ultrasonic cleaning, the surface roughness decreases because of the occurrence of grain loss, and not only the porcelain surface but also the internal crystal grains are damaged, resulting in a decrease in durability. There is a problem.

また、本発明は、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、絶縁破壊することなく、耐久性に優れた圧電セラミックスおよびこれを用いた積層型圧電素子、噴射装置を提供することを目的とする。   In addition, the present invention provides a piezoelectric ceramic having excellent durability without causing dielectric breakdown even when driven continuously for a long time under a high electric field and high pressure, and a laminated piezoelectric element and an injection device using the same. For the purpose.

本発明の積層型圧電素子は、圧電セラミックスから成る圧電体層と内部電極層とを交互に積層して成る積層型圧電素子であって、前記圧電体層中にSiが含有されるとともに、このSiが前記圧電セラミックスの結晶粒界に偏析し、前記Siが明確なガラス層として存在せず、単分子程度のSiOとして存在していることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element formed by alternately laminating piezoelectric layers made of piezoelectric ceramics and internal electrode layers, and Si is contained in the piezoelectric layer. Si is segregated at the crystal grain boundaries of the piezoelectric ceramics, and the Si does not exist as a clear glass layer but exists as SiO 2 of about a single molecule.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記結晶粒界の厚さが1nm以下であることを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the crystal grain boundary has a thickness of 1 nm or less in the above configuration.

さらに、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記内部電極層の金属組成物が周期表第8族金属と第1b族金属とから成ることを特徴とするものである。   Furthermore, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the metal composition of the internal electrode layer is composed of a Group 8 metal and a Group 1b metal of the periodic table.

また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記内部電極の第8族金属の含有量をM1(重量%)、第1b族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1<15、85<M2<100であることを特徴とするものである。   In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when the content of the Group 8 metal in the internal electrode is M1 (wt%) and the content of the Group 1b metal is M2 (wt%) in each of the above configurations. 0 <M1 <15 and 85 <M2 <100.

さらに、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記第8族金属がPt、Pdのうち少なくとも一種であり、第1b族金属がAu、Agのうち少なくとも一種であることを特徴とするものである。   Furthermore, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above structures, the Group 8 metal is at least one of Pt and Pd, and the Group 1b metal is at least one of Au and Ag. To do.

本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、この収納容器内に収容された上記各構成の積層型圧電素子と、この積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とするものである。   An injection device according to the present invention includes a storage container having an injection hole, a laminated piezoelectric element having the above-described configuration housed in the storage container, and a valve for ejecting liquid from the injection hole by driving the laminated piezoelectric element. It is characterized by comprising.

本発明の積層型圧電素子によれば、これを構成する圧電セラミックスがSiを5ppm以上100ppm未満含有したことにより、粒界にガラス相を形成せず、体積固有抵抗の経
時変化を小さくすることができ、そのため、積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置を、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、外部電極と内部電極とが断線することがなく、耐久性に優れた積層型圧電素子、噴射装置を提供することが可能となる。
According to the multi-layer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric ceramic constituting the same contains 5 ppm or more and less than 100 ppm of Si, so that the glass phase is not formed at the grain boundary and the change in volume resistivity with time can be reduced. Therefore, even when a multilayer piezoelectric element and an injection device using the same are driven continuously for a long time under a high electric field and high pressure, the external electrode and the internal electrode are not disconnected and excellent in durability. It is possible to provide a laminated piezoelectric element and an injection device.

本発明の積層型圧電素子を示しており、(a)は斜視図、(b)はそのA−A’線断面図である。1 illustrates a multilayer piezoelectric element according to the present invention, in which (a) is a perspective view and (b) is a cross-sectional view taken along line A-A ′. 本発明の噴射装置を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the injection apparatus of this invention.

図1は本発明の積層型圧電素子の一実施形態である積層型圧電アクチュエータを示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’線に沿った縦断面図である。   FIG. 1 shows a multilayer piezoelectric actuator which is an embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention. FIG. 1 (a) is a perspective view, and FIG. 1 (b) is a longitudinal section along the line AA 'in FIG. FIG.

積層型圧電アクチュエータは、図1に示すように、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四角柱状の柱状積層体1aの側面において、内部電極2の端部を一層おきに絶縁体3で被覆し、絶縁体3で被覆していない内部電極2の端部に、銀を主成
分とする導電材とガラスからなり、且つ3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極4を接合し、各外部電極4にリード線5を接続固定して構成されている。尚、符号6は不活性層である。
As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric actuator has an end portion of the internal electrode 2 on the side surface of a quadrangular columnar stacked body 1a in which a plurality of piezoelectric bodies 1 and a plurality of internal electrodes 2 are alternately stacked. A porous conductor that is covered with an insulator 3 every other layer and is made of a conductive material and glass mainly composed of silver and has a three-dimensional network structure at the end of the internal electrode 2 that is not covered with the insulator 3 The external electrodes 4 are joined and lead wires 5 are connected and fixed to the external electrodes 4. Reference numeral 6 denotes an inactive layer.

圧電体1は、詳細を後述するPZT系圧電セラミックス材料で形成されている。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数d33が高いものが望ましい。 The piezoelectric body 1 is formed of a PZT-based piezoelectric ceramic material whose details will be described later. The piezoelectric ceramics are those piezoelectric strain constant d 33 indicating the piezoelectric characteristic is high is preferable.

また、圧電体1の厚み、つまり内部電極2間の距離は50〜250μmが望ましい。これに
より、積層型圧電アクチュエータは電圧を印加して、より大きな変位量を得るために積層数を増加させたとしても、アクチュエータの小型化、低背化ができるとともに、圧電体1の絶縁破壊を防止できる。
The thickness of the piezoelectric body 1, that is, the distance between the internal electrodes 2 is preferably 50 to 250 μm. As a result, even if the laminated piezoelectric actuator applies a voltage and increases the number of laminated layers in order to obtain a larger displacement, the actuator can be reduced in size and height and the dielectric breakdown of the piezoelectric body 1 can be reduced. Can be prevented.

圧電体1の間には内部電極2が配されているが、この内部電極2の金属組成物が周期律表第8族金属と第1b族金属とから構成されている。前記第8族金属はPt、Pdのうち少なくとも一種であり、第1b族金属はAu、Agのうち少なくとも一種であることが好ましい。例としては、Ag−Pd合金が挙げられる。   An internal electrode 2 is disposed between the piezoelectric bodies 1, and the metal composition of the internal electrode 2 is composed of a group 8 metal and a group 1b metal of the periodic table. Preferably, the Group 8 metal is at least one of Pt and Pd, and the Group 1b metal is at least one of Au and Ag. An example is an Ag-Pd alloy.

第8族金属の含有量をM1(重量%)、第1b族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1<15、85<M2<100であると、高価な材料である第1b族金属の含有量
を減らすことができるため、安価な積層型圧電素子を提供することができる。しかし、第1b族金属の含有量を減らすと合金金属の融点が低下するため、1000℃以下の低温でも焼結する磁器でなければ用いることができない。磁器組成中にSiを5ppm以上100pp
m未満含有していると磁器の結晶が成長しやすくなり、より低温で焼結しやすくなる。また、前記範囲のSi含有量であれば圧電特性に悪影響を及ぼさない。
When the content of the Group 8 metal is M1 (wt%) and the content of the Group 1b metal is M2 (wt%), if 0 <M1 <15, 85 <M2 <100, Since the content of a certain Group 1b metal can be reduced, an inexpensive stacked piezoelectric element can be provided. However, if the content of the Group 1b metal is reduced, the melting point of the alloy metal is lowered, so that it cannot be used unless it is sintered at a low temperature of 1000 ° C. or lower. Si is 5ppm or more and 100pp in the porcelain composition
When the content is less than m, porcelain crystals tend to grow, and it becomes easier to sinter at lower temperatures. Further, when the Si content is in the above range, the piezoelectric characteristics are not adversely affected.

また、柱状積層体1aの側面に一層おきに深さ30〜500μm、積層方向の幅30〜200μmの溝が形成されており、この溝内には、圧電体1よりもヤング率の低いガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等が充填されて絶縁体3が形成されている。この絶縁体3は、柱状積層体1aとの接合を強固とするために、柱状積層体1aの変位に対して追従する弾性率が低い材料、特にはシリコーンゴム等からなることが好適である。   In addition, a groove having a depth of 30 to 500 μm and a width in the stacking direction of 30 to 200 μm is formed on the side surface of the columnar laminated body 1a. An insulator 3 is formed by filling an epoxy resin, a polyimide resin, a polyamideimide resin, a silicone rubber, or the like. The insulator 3 is preferably made of a material having a low elastic modulus that follows the displacement of the columnar laminate 1a, particularly silicone rubber, in order to strengthen the bonding with the columnar laminate 1a.

柱状積層体1aの対向する側面には外部電極4が接合されており、この外部電極4には、積層されている内部電極2が一層おきに電気的に接続されている。この外部電極4は、接続されている各内部電極2に圧電体1を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給する作用をなす。   External electrodes 4 are joined to opposite side surfaces of the columnar laminate 1a, and the laminated internal electrodes 2 are electrically connected to the external electrodes 4 every other layer. The external electrode 4 serves to commonly supply a voltage necessary for displacing the piezoelectric body 1 to each connected internal electrode 2 by the inverse piezoelectric effect.

さらに、外部電極4にはリード線5が半田により接続固定されている。このリード線5は外部電極4を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。   Furthermore, lead wires 5 are connected and fixed to the external electrodes 4 by soldering. The lead wire 5 serves to connect the external electrode 4 to an external voltage supply unit.

そして、本発明では、圧電セラミックスは、前記圧電体1を構成する圧電セラミックスがPbTiO−PbZrOを主成分とし、Si含有量が5ppm以上100ppm未満
であることを特徴とする。Siは磁器の強度を向上させる効果があり、前記範囲のSi含有量であれば、粒界にSiが偏析して、結晶粒間の結合が強くなるため、加工時や超音波洗浄時等に脱粒しにくくなる。また、体積固有抵抗の劣化機構で、直流電界によって誘発される結晶粒界の劣化が磁器の劣化に対応していることが知られている。圧電セラミックスでは結晶粒界は結晶粒の内部よりも高い抵抗率を有していることが知られ、直流電界が印加された場合、Maxwell−Wagnerタイプの分極が結晶粒界に強い電界を発生させる。こ
の電界が局所的な絶縁破壊をもたらすことにより、磁器の体積固有抵抗が劣化すると考えられている。以上のような点からSi含有量が100ppm以上では、粒界にガラス相を形
成するため、粒界での抵抗率が高まり、粒界に強い電界が発生し、局所的な絶縁破壊を起こすため、体積固有抵抗の劣化が起こりやすい。100ppm未満では粒界に明確なガラス
相は形成せず、単分子程度のSiOとして存在している。そのため、粒界での抵抗率が低くなり、局所的な絶縁破壊を起こりにくくすることができる。一方、Si含有量が5ppm未満では、結晶粒間の結合力を向上させる効果が小さいため、加工時や超音波洗浄時に脱粒しやすくなる。
In the present invention, the piezoelectric ceramic is characterized in that the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric body 1 has PbTiO 3 —PbZrO 3 as a main component and an Si content of 5 ppm or more and less than 100 ppm. Si has the effect of improving the strength of porcelain. If the Si content is in the above range, Si segregates at the grain boundary and the bond between crystal grains becomes strong, so during processing, ultrasonic cleaning, etc. It becomes difficult to shatter. Further, it is known that the grain boundary degradation induced by the DC electric field corresponds to the degradation of the porcelain by the degradation mechanism of the volume resistivity. In piezoelectric ceramics, the grain boundaries are known to have a higher resistivity than the interior of the grains, and when a DC electric field is applied, Maxwell-Wagner type polarization generates a strong electric field at the grain boundaries. . It is considered that the volume resistivity of the porcelain is deteriorated by this electric field causing local breakdown. From the above points, when the Si content is 100 ppm or more, a glass phase is formed at the grain boundary, so the resistivity at the grain boundary is increased, a strong electric field is generated at the grain boundary, and local dielectric breakdown occurs. Deterioration of volume resistivity tends to occur. If it is less than 100 ppm, a clear glass phase is not formed at the grain boundary, and exists as SiO 2 of about a single molecule. Therefore, the resistivity at the grain boundary is lowered, and local dielectric breakdown can be made difficult to occur. On the other hand, when the Si content is less than 5 ppm, the effect of improving the bonding force between the crystal grains is small, so that the grains are easily shed during processing or ultrasonic cleaning.

また、本発明の圧電セラミックスは、Siから成る成分以外の残部は実質的にペロブスカイト型化合物からなる焼結体であるが、ここで残部が実質的にペロブスカイト型化合物からなるとは、他に積極的に含有させるものはなく、不純物以外はペロブスカイト型化合物であることを指し、不純物として含まれる成分(Siは除く)は100ppm未満の範囲
であれば含んでいても構わない。
In addition, the piezoelectric ceramic of the present invention is a sintered body substantially composed of a perovskite type compound except for the component composed of Si. However, the fact that the remainder is composed essentially of a perovskite type compound is positively This means that it is a perovskite type compound other than impurities, and components contained as impurities (excluding Si) may be contained within a range of less than 100 ppm.

また、本発明では、Siが結晶粒界に偏析し、且つ磁器の結晶粒界層の厚さが1nm以下であることが好ましい。Si含有量が100ppm未満であれば、Siは結晶粒界に偏析
し、粒界層の厚さは1nm以下となる。これにより、磁器の強度を高めつつ、さらに圧電歪定数などの特性には、ほとんど影響を与えず、体積固有抵抗の経時変化を小さくすることができる。これは、結晶粒内にSiが固溶すると圧電特性が著しく低下するが、結晶粒界に偏析すれば圧電歪み特性に対する影響を小さくできるからである。結晶粒界層の厚さが1nmを超えると、結晶粒界に明確なガラス相を形成する。粒界にガラス相があると、粒界の抵抗率が高くなるため結晶粒界で微少な絶縁破壊を起こしやすくなる。そのため、Siは結晶粒界にガラス相として存在するよりも単分子レベルで存在している方がよい。
Further, in the present invention, it is preferable that Si is segregated at the crystal grain boundary and the thickness of the crystal grain boundary layer of the porcelain is 1 nm or less. If the Si content is less than 100 ppm, Si segregates at the crystal grain boundary, and the thickness of the grain boundary layer is 1 nm or less. As a result, while increasing the strength of the porcelain, it is possible to reduce the time-dependent change of the volume resistivity while hardly affecting the characteristics such as the piezoelectric strain constant. This is because, when Si is dissolved in crystal grains, the piezoelectric characteristics are remarkably reduced, but if segregated at the crystal grain boundaries, the influence on the piezoelectric strain characteristics can be reduced. When the thickness of the crystal grain boundary layer exceeds 1 nm, a clear glass phase is formed at the crystal grain boundary. If there is a glass phase at the grain boundary, the resistivity of the grain boundary becomes high, so that it becomes easy to cause a minute dielectric breakdown at the crystal grain boundary. Therefore, it is better for Si to be present at the monomolecular level than at the crystal grain boundary as a glass phase.

好ましくは機械的強度を向上させるために圧電セラミックスの平均結晶粒径Aが0.5〜
5μmであり、その標準偏差をBとした時にB/Aが0.5以下であり、平均ボイド径Cが0.5〜5μmであり、その標準偏差をDとした時にD/Cが0.25以下、且つボイド率が5%以下であるとき、外部からの衝撃や繰返疲労に対して強くなる。また、急激に漏れ電流が増加し破壊に到る破壊モードは、なだれモードとして周知であるが、この原因はクラック、ボイドなどの構造欠陥に起因するため、磁器の微構造が均一であれば、例えばアクチュエータとして用いた場合、連続駆動時の体積固有抵抗の経時変化が小さくなるため、高い信頼性が得られる。
Preferably, the average crystal grain size A of the piezoelectric ceramic is 0.5 to 0.5 in order to improve the mechanical strength.
When the standard deviation is B, the B / A is 0.5 or less when the standard deviation is B, the average void diameter C is 0.5 to 5 μm, the D / C is 0.25 or less when the standard deviation is D, and the void ratio Is 5% or less, it becomes strong against external impact and repeated fatigue. In addition, the destruction mode that suddenly increases the leakage current and leads to destruction is known as the avalanche mode, but this cause is caused by structural defects such as cracks and voids, so if the microstructure of the porcelain is uniform, For example, when used as an actuator, a change in volume specific resistance with time during continuous driving is small, and thus high reliability can be obtained.

磁器の粒径が大きくなると抗折強度は低下する傾向にあり、磁器の平均結晶粒径Aが5μmを超えると、外部からの衝撃や繰返疲労によって破壊されやすくなることや体積固有抵抗が劣化しやすくなり、信頼性が低くなる。逆に磁器の平均結晶粒径を0.5μm未満と
することは、原料の微粒化や焼成温度の問題から製法上困難である。このことから磁器の平均結晶粒径は1〜3μmであることが好ましい。
As the grain size of porcelain increases, the bending strength tends to decrease. When the average crystal grain size A of porcelain exceeds 5 μm, it tends to be broken by external impact and repeated fatigue, and the volume resistivity deteriorates. Easier to use and less reliable. On the contrary, it is difficult to make the average crystal grain size of the porcelain less than 0.5 μm because of the problem of atomization of raw materials and firing temperature. Therefore, the average crystal grain size of the porcelain is preferably 1 to 3 μm.

また、磁器の平均結晶粒径Aと標準偏差Bの比B/Aが0.5を超えると、磁器の微構造
が均一でなくなり、大きな欠陥や結晶粒が存在するようになる。そのため、外部からの衝撃や繰返疲労によって破壊されやすくなることや、体積固有抵抗が劣化しやすくなり、信頼性が低くなる。
If the ratio B / A between the average crystal grain size A and the standard deviation B of the porcelain exceeds 0.5, the fine structure of the porcelain is not uniform and large defects and crystal grains are present. Therefore, it becomes easy to be destroyed by an external impact or repeated fatigue, and the volume resistivity is liable to deteriorate and the reliability is lowered.

磁器の平均結晶粒径が0.5〜5μmであるので、磁器中のボイドの平均径Cも同程度の0.5〜5μmとなる。欠陥は小さい方が外部からの衝撃や繰返疲労に対して強くなることと、体積固有抵抗が劣化しにくくなるため、信頼性が向上する。ボイドの平均径が5μmを超えると、外部からの衝撃や繰返疲労によって破壊されやすくなることや、体積固有抵抗が劣化しやすくなるため、信頼性が低下する。一方、ボイドの平均径を0.5μm未満にす
ることは、原料の微粒化や焼成温度の問題から安価にて製法することが困難である。
Since the average crystal grain size of the porcelain is 0.5 to 5 μm, the average diameter C of the voids in the porcelain is about 0.5 to 5 μm. The smaller the defect, the stronger the resistance to external impact and repeated fatigue, and the lower the volume resistivity, thereby improving the reliability. If the average diameter of the voids exceeds 5 μm, the void is likely to be broken by external impact or repeated fatigue, and the volume resistivity is easily deteriorated, so that the reliability is lowered. On the other hand, making the average diameter of voids less than 0.5 μm is difficult to produce at low cost due to problems of atomization of raw materials and firing temperature.

また、磁器中のボイドの平均径Cとその標準偏差Dとの比D/Cが0.25を超えると磁器中に大きな欠陥が存在し、外部からの衝撃や、繰返疲労によって破壊されやすくなる。さらにボイド率が5%を超えると欠陥が多すぎるため、外部からの衝撃や繰返疲労によって破壊されやすくなることや、体積固有抵抗が劣化しやすくなるため、信頼性が低下する。また、ボイドは存在しない方が特性や信頼性の面から好ましいが、製法上困難である。   Further, when the ratio D / C between the average diameter C of the voids in the porcelain and the standard deviation D thereof exceeds 0.25, there is a large defect in the porcelain, which is easily broken due to external impact or repeated fatigue. Further, if the void ratio exceeds 5%, there are too many defects, so that it tends to be destroyed by external impact or repeated fatigue, and the volume resistivity tends to deteriorate, so the reliability is lowered. Moreover, although it is preferable from the surface of a characteristic or reliability that a void does not exist, it is difficult on a manufacturing method.

本発明の積層型圧電素子の製法について説明する。まず、柱状積層体1aを作製する。先ず、PZTの原料粉末として高純度のPbO、ZrO、TiO、ZnO、Nb、WO,BaCO,SrCO、YbおよびSiOなどの各原料粉末を所定量秤量し、ボールミル等で10〜24時間湿式混合し、次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、800〜900℃で1〜3時間仮焼した後、当該仮焼物を再びボールミル等で粒度分布がD50で0.5±0.2μm、D90で0.8μm未満となるように湿式粉砕する。粉砕したPZT等
の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、DBP(フタル酸ジオチル)、DOP(フタル酸ジブチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体1となるセラミックグリーンシートを作製する。
A method for producing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described. First, the columnar laminate 1a is produced. First, as a raw material powder of PZT, a predetermined amount of high-purity PbO, ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , WO 3 , BaCO 3 , SrCO 3 , Yb 2 O 3 and SiO 2 is weighed in a predetermined amount. Then, the mixture is wet-mixed for 10 to 24 hours using a ball mill, etc., and then the mixture is dehydrated and dried, and then calcined at 800 to 900 ° C. for 1 to 3 hours. Wet pulverize so that 50 is 0.5 ± 0.2 μm and D 90 is less than 0.8 μm. Mixing the calcined powder of pulverized piezoelectric ceramics such as PZT, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer such as DBP (diethyl phthalate) or DOP (dibutyl phthalate) A slurry is prepared, and a ceramic green sheet to be the piezoelectric body 1 is prepared from the slurry by a tape molding method such as a well-known doctor blade method or calendar roll method.

次に、Ag−PdあるいはPt粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷する。   Next, a conductive paste is prepared by adding a binder, a plasticizer, and the like to Ag—Pd or Pt powder, and this is printed on the upper surface of each green sheet to a thickness of 1 to 40 μm by screen printing or the like.

そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを積層し、この積層体について所定の温度で脱バインダーを行なった後、900〜1200℃で焼成することによって柱状
積層体1aが作製される。
And the green sheet | seat with which the electrically conductive paste was printed on the upper surface is laminated | stacked, and after removing a binder about this laminated body at predetermined temperature, the columnar laminated body 1a is produced by baking at 900-1200 degreeC.

尚、柱状積層体1aは、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、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柱状積層体1aを作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。   The columnar laminate 1a is not limited to the one produced by the above-described manufacturing method, and any method can be used as long as the columnar laminate 1a formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes can be produced. It may be formed by any manufacturing method.

その後、ダイシング装置等により柱状積層体1aの側面に一層おきに溝を形成する。   Thereafter, grooves are formed in every other side surface of the columnar laminate 1a by a dicing apparatus or the like.

その後、銀ガラス導電性ペースト等を550〜700℃で焼き付け、外部電極4を形成することができる。   Thereafter, a silver glass conductive paste or the like can be baked at 550 to 700 ° C. to form the external electrode 4.

次に、外部電極4を形成した柱状積層体1aをシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、柱状積層体1aの溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から柱状積層体1aを引き上げ、柱状積層体1aの側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び柱状積層体1aの側面にコーティングした前記シリコーンゴムを硬化させる。   Next, the columnar laminate 1a on which the external electrode 4 is formed is immersed in a silicone rubber solution, and the silicone rubber solution is vacuum degassed to fill the groove of the columnar laminate 1a with silicone rubber. The columnar laminate 1a is pulled up from the solution, and the side surface of the columnar laminate 1a is coated with silicone rubber. Thereafter, the silicone rubber filled in the groove and coated on the side surface of the columnar laminate 1a is cured.

その後、外部電極4にリード線6を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。   Thereafter, the lead wire 6 is connected to the external electrode 4 to complete the multilayer piezoelectric element of the present invention.

そして、リード線5を介して一対の外部電極4に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加
し、柱状積層体1aを分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線5を外部の電圧供給部に接続し、リード線5及び外部電極4を介して内部電極2に電圧を印加させれば、各圧電体1は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能する。
Then, a direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of external electrodes 4 via the lead wires 5 to polarize the columnar laminated body 1a, thereby completing a laminated piezoelectric actuator as a product. 5 is connected to an external voltage supply unit, and a voltage is applied to the internal electrode 2 via the lead wire 5 and the external electrode 4, the piezoelectric bodies 1 are greatly displaced by the inverse piezoelectric effect. It functions as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel.

図2は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号31は収納容器を示している。
この収納容器31の一端には噴射孔33が設けられ、また収納容器31内には、噴射孔33を開閉することができるニードルバルブ35が収容されている。
FIG. 2 shows an injection apparatus according to the present invention. In the figure, reference numeral 31 denotes a storage container.
An injection hole 33 is provided at one end of the storage container 31, and a needle valve 35 that can open and close the injection hole 33 is stored in the storage container 31.

噴射孔33には燃料通路37が連通可能に設けられ、この燃料通路37は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路37に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ35が噴射孔33を開放すると、燃料通路37に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。   A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to communicate therewith, and the fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.

また、ニードルバルブ35の上端部は直径が大きくなっており、収納容器31に形成されたシリンダ39と摺動可能なピストン41となっている。そして、収納容器31内には、上記した圧電アクチュエータ43が収納されている。   Further, the upper end portion of the needle valve 35 has a large diameter, and serves as a piston 41 slidable with a cylinder 39 formed in the storage container 31. In the storage container 31, the above-described piezoelectric actuator 43 is stored.

このような噴射装置では、圧電アクチュエータ43が電圧を印加されて伸長すると、ピストン41が押圧され、ニードルバルブ35が噴射孔33を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ43が収縮し、皿バネ45がピストン41を押し返し、噴射孔33が燃料通路37と連通して燃料の噴射が行なわれるようになっている。   In such an injection device, when the piezoelectric actuator 43 is extended by applying a voltage, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the fuel supply is stopped. When the application of voltage is stopped, the piezoelectric actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.

実施例1
焼結体が
Pb1−xBa(Zn1/3Nb2/3(Yb1/2Nb1/2(Co1/3Nb2/3(Fe2/31/3Nb[Zr0.48Ti0.521−a−b−c−d−e(ここで、x,a,b,c,d,eは1より小さい値)の組成になるように所定量秤量し、さらにSiOを所定量秤量する。素原料中には不純物としてSiOを含むが、できるだけ含有量の少ない原料を用いる。ボールミルで18時間湿式混合した後、次いで、この混合物を900℃で2時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミル等で湿
式粉砕する。
Example 1
The sintered body is Pb 1-x Ba x (Zn 1/3 Nb 2/3 ) a (Yb 1/2 Nb 1/2 ) b (Co 1/3 Nb 2/3 ) c (Fe 2/3 W 1 / 3) d Nb e [Zr 0.48 Ti 0.52] 1-a-b-c-d-e O 3 ( wherein, x, a, b, c , d, e is a value smaller than 1) A predetermined amount is weighed so that the composition becomes, and a predetermined amount of SiO 2 is weighed. The raw material contains SiO 2 as an impurity, but a raw material with as little content as possible is used. After wet-mixing for 18 hours with a ball mill, the mixture is then calcined at 900 ° C. for 2 hours, and the calcined product is wet-pulverized again with a ball mill or the like.

その後、この粉砕物に有機バインダーと可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、スリップキャスティング法により、厚み150μmのグリーンシートを作製した。このグリーンシ
ート上にAgが90重量%、Pdが10重量%の比率からなる導電性ペーストを4μmの厚みにスクリーン印刷し、乾燥させた後、電極膜が形成されたグリーンシートを20枚(圧電歪定数d33を測定する際は200層)積層し、この積層体の積層方向の両端部に導電性ペース
トが塗布されていないグリーンシートを10枚積層した。
Thereafter, an organic binder and a plasticizer were mixed with the pulverized product to prepare a slurry, and a green sheet having a thickness of 150 μm was prepared by a slip casting method. On this green sheet, a conductive paste having a ratio of 90% by weight of Ag and 10% by weight of Pd was screen-printed to a thickness of 4 μm and dried, and then 20 sheets of green sheets on which electrode films were formed (piezoelectric) the strain constant d 33 200 layers) was stacked when measuring, the green sheet a conductive paste on both ends of the stacking direction is not applied to the laminate by laminating 10 sheets.

次にこの積層体を100℃で加熱を行ないながら加圧を行ない、積層体を一体化し、縦10
mm×横10mmに切断した後、800℃で10時間の脱バインダーを行い、1000℃にて焼成を
行い、1aに示す柱状積層体を作製した。その後、積層型圧電素子の2つの側面において、電極端部を含む圧電磁器の端部に該2側面において互い違いになるように、1層おきに深さ100μm、積層方向の幅50μmの溝を形成し、該溝部に絶縁体としてシリコーンゴム
を充填した。
Next, this laminate is heated while being heated at 100 ° C., and the laminate is integrated to obtain a vertical 10
After cutting to mm × width 10 mm, the binder was removed at 800 ° C. for 10 hours and baked at 1000 ° C. to prepare the columnar laminate shown in 1a. Thereafter, grooves having a depth of 100 μm and a width of 50 μm in the stacking direction are formed on the two side surfaces of the multilayer piezoelectric element so that the two side surfaces alternate with each other at the end portions of the piezoelectric ceramic including the electrode end portions. The groove was filled with silicone rubber as an insulator.

この後、絶縁されていない電極の他方の端面に外部電極として熱硬化性導電体を帯状に形成し、200℃の熱処理を行なった。この後、正極用外部電極、負極用外部電極にリード
線を接続し、積層型圧電素子の外周面にディッピングにより、シリコーンゴムを被覆した後、1kVの分極電圧を印加し、積層型圧電素子全体を分極処理して、図1に示すような本発明の積層型圧電素子を得た。得られた積層圧電素子について0〜200Vの電圧を印加
した時の変位量を測定するとともに、圧電歪定数d33を測定した。変位量の測定は上面にアルミニウム箔を張り付けた試料を防振台上に固定し、0〜200Vの電圧を試料に印加し
、レーザー変位計により素子の中心部および周囲部3箇所で測定した値の平均値で評価し
た。圧電歪定数d33は、積層数n=200と変位量ΔLおよび印加電圧V=200Vを用い、d33=ΔL/n・Vの式より算出した。
Thereafter, a thermosetting conductor was formed in a strip shape as an external electrode on the other end face of the non-insulated electrode, and a heat treatment at 200 ° C. was performed. Thereafter, lead wires are connected to the positive electrode external electrode and the negative electrode external electrode, and the outer peripheral surface of the multilayer piezoelectric element is coated with silicone rubber, and then a polarization voltage of 1 kV is applied to the entire multilayer piezoelectric element. Was subjected to polarization treatment to obtain a laminated piezoelectric element of the present invention as shown in FIG. The obtained laminated piezoelectric element was measured for the amount of displacement when a voltage of 0 to 200 V was applied, and the piezoelectric strain constant d 33 was measured. The amount of displacement was measured by fixing a sample with aluminum foil on the top surface on a vibration isolation table, applying a voltage of 0 to 200 V to the sample, and measuring it at the center of the element and at three locations around the element with a laser displacement meter. The average value was evaluated. The piezoelectric strain constant d 33 was calculated from the equation: d 33 = ΔL / n · V using the number of layers n = 200, the displacement ΔL, and the applied voltage V = 200V.

また、Si含有量については、ppmオーダーでの定量が行えるICP質量分析法にて定量を行なった。また、粒界層の厚さについては、TEM像より算出した。   Further, the Si content was quantified by ICP mass spectrometry capable of quantification on the order of ppm. Further, the thickness of the grain boundary layer was calculated from a TEM image.

また脱粒のしやすさについては、純水中で超音波洗浄を10分行ない、その後の表面を金属顕微鏡にて観察した。   For ease of grain removal, ultrasonic cleaning was performed in pure water for 10 minutes, and the subsequent surface was observed with a metallographic microscope.

絶縁抵抗の経時変化の測定については、HALT(Highly Accelerated Life Testing
)試験を行なった。漏れ電流が増加し、絶縁破壊するまでの時間を測定した。条件は雰囲気温度300℃、電界2kV/mmにて試験を行なった。
HALT (Highly Accelerated Life Testing)
) A test was conducted. The time until the leakage current increased and the dielectric breakdown occurred was measured. The test was conducted under the conditions of an atmospheric temperature of 300 ° C. and an electric field of 2 kV / mm.

結果を表1に示した。   The results are shown in Table 1.

Figure 2011082534
Figure 2011082534

表1から判るように、Si含有量が100ppm以上の試料1、10、11については粒界層
厚さが1nmを超え、絶縁破壊に至るまでの時間も早いことがわかる。一方、Si含有量が5ppm未満の試料8、9、15では、耐脱粒性が低く、加工後や超音波洗浄後に脱粒が見られた。本発明のSi含有量が5ppm以上100ppm未満の範囲においては、粒界層
が1nm以下となり、電圧を印加しても体積固有抵抗が長時間変化せず、絶縁破壊が起こりにくいことがわかる。
As can be seen from Table 1, Samples 1, 10, and 11 having a Si content of 100 ppm or more have a grain boundary layer thickness exceeding 1 nm, and the time until dielectric breakdown is fast. On the other hand, Samples 8, 9, and 15 having a Si content of less than 5 ppm had low resistance to degranulation, and degranulation was observed after processing and after ultrasonic cleaning. It can be seen that when the Si content of the present invention is in the range of 5 ppm or more and less than 100 ppm, the grain boundary layer is 1 nm or less, the volume resistivity does not change for a long time even when a voltage is applied, and dielectric breakdown hardly occurs.

また、上述した製造方法では組成の制御を行いやすいことからSiOを所定量添加したが焼成後の圧電セラミックスのSi含有量が5ppm以上100ppm未満の範囲にする
ことができれば、積極的にSiOを添加せず、不純物としてSiOを多めに含む出発原料を用いてもかまわない。
Further, in the above-described manufacturing method, the composition is easily controlled, so that a predetermined amount of SiO 2 is added. However, if the Si content of the fired piezoelectric ceramic can be in the range of 5 ppm or more and less than 100 ppm, the SiO 2 is positively added. A starting material containing a large amount of SiO 2 as an impurity may be used without adding.

1・・・・・圧電体
1a・・・・柱状積層体
2・・・・・内部電極
3・・・・・絶縁体
4・・・・・外部電極
5・・・・・リード線
6・・・・・不活性部
7・・・・・導電性補助部材
31・・・・収納容器
33・・・・噴射孔
35・・・・ニードルバルブ
37・・・・燃料通路
39・・・・シリンダ
41・・・・ピストン
43・・・・圧電アクチュエータ
45・・・・皿バネ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric body 1a ... Columnar laminated body 2 ... Internal electrode 3 ... Insulator 4 ... External electrode 5 ... Lead wire 6 .... Inactive part 7 ... Conductive auxiliary member 31 ... Storage container 33 ... Injection hole 35 ... Needle valve 37 ... Fuel passage 39 ... Cylinder 41 ... Piston 43 ... Piezo actuator 45 ... Disc spring

Claims (6)

圧電セラミックスから成る圧電体層と内部電極層とを交互に積層して成る積層型圧電素子であって、前記圧電体層中にSiが含有されるとともに、該Siが前記圧電セラミックスの結晶粒界に偏析し、前記Siが明確なガラス層として存在せず、単分子程度のSiOとして存在していることを特徴とする積層型圧電素子。 A multilayer piezoelectric element comprising piezoelectric layers made of piezoelectric ceramics and internal electrode layers alternately stacked, wherein Si is contained in the piezoelectric layer, and the Si is a crystal grain boundary of the piezoelectric ceramics. A laminated piezoelectric element characterized in that the Si is not segregated as a clear glass layer but is present as monomolecular SiO 2 . 前記結晶粒界の厚さが1nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a thickness of the crystal grain boundary is 1 nm or less. 前記内部電極層の金属組成物が周期表第8族金属と第1b族金属とから成ることを特徴とする請求項1または2に記載の積層型圧電素子。   3. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the metal composition of the internal electrode layer comprises a Group 8 metal and a Group 1b metal of the periodic table. 前記内部電極の第8族金属の含有量をM1(重量%)、第1b族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1<15、85<M2<100であることを特徴とする請求項3に記載の積層型圧電素子。   When the content of the Group 8 metal in the internal electrode is M1 (wt%) and the content of the Group 1b metal is M2 (wt%), 0 <M1 <15, 85 <M2 <100 The multilayer piezoelectric element according to claim 3, wherein 前記第8族金属がPt、Pdのうち少なくとも一種であり、第1b族金属がAu、Agのうち少なくとも一種であることを特徴とする請求項3または4に記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 3 or 4, wherein the Group 8 metal is at least one of Pt and Pd, and the Group 1b metal is at least one of Au and Ag. 噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項1〜5のいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。   A storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5 stored in the storage container, and a valve for ejecting liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element An injection device comprising:
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