JP4688329B2

JP4688329B2 - アクチュエータ用圧電磁器及び積層型圧電アクチュエータ並びに噴射装置

Info

Publication number: JP4688329B2
Application number: JP2001097425A
Authority: JP
Inventors: 智裕川元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002293625A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ用圧電磁器及び積層型圧電アクチュエータ並びに噴射装置に関するもので、例えば、インクジェット用プリンターヘッド、積層型圧電アクチュエータ等に好適に用いられるアクチュエータ用圧電磁器及び積層型圧電アクチュエータ並びに噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えばセラミックフィルタ、超音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニット、超音波モータ、圧電ファン、圧電アクチュエータ、及び加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサがある。
【０００３】
ここで、圧電アクチュエータとは、圧電体が有する逆圧電効果を利用するものであり、従来、圧電セラミックスと内部電極とを交互積層し圧電縦効果を応用した積層型圧電アクチュエータがある。
【０００４】
この積層型圧電アクチュエータの圧電磁器としては、比較的大きな圧電歪定数を有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）に、第三成分としてＰｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）Ｏ₃やＰｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ₃等を固溶させた系のモルフォトロピック相境界（Ｍ．Ｐ．Ｂ．）近傍の組成物が利用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に圧電磁器では、圧電歪定数が大きくなるとキュリー温度が低くなる傾向があるため、高温用途においては、積層型圧電アクチュエータを構成する圧電セラミックスにキュリー温度の高いものを用い、積層数を増加させることによって必要変位量を確保してきた。
【０００６】
しかしながら、安易に積層数によって変位量を大きくすることは、信頼性の低下、及び製品コストの増加につながるといった問題があった。
【０００７】
また、荷重を加えない状態でかつ低電界領域で積層型圧電アクチュエータを変位させた場合、レーザ変位計などで測定される実際の変位量は、共振・***振法より測定された圧電歪定数を用いて算出した変位量と比較的正確に一致するが、圧縮荷重下で高電界を印加させて積層型圧電アクチュエータを変位させた場合には、圧電歪だけでなく自発分極の反転に起因すると考えられる歪も加わるため、圧電歪定数を用いて算出した変位量よりも実際の変位量の方が大きくなる。
【０００８】
その為、積層型圧電アクチュエータを車載用途の燃料噴射弁など、予め圧縮荷重を加えた状態で使用する場合、共振・***振法によって求められる圧電歪定数では、圧電磁器の歪の指標として不充分であり、実際の変位量から求められる実効的な圧電歪定数の大きさを歪の指標とする必要がある。
【０００９】
即ち、従来、アクチュエータ材料として用いられている前記のＰＺＴ系圧電磁器組成物では、共振・***振法から求めた圧電歪定数を共振圧電歪定数、実際の変位量から計算される実効的な圧電歪定数を実効圧電歪定数とした場合、圧電歪定数比（実効圧電歪定数／共振圧電歪定数）は、１．５程度で通常の圧電材料が有する一般的な圧電歪定数比と同程度であり、大きな実効圧電歪定数を実現するために、材料のキュリー温度が低くなるといった問題や、積層数が増加し製品コストが高くなってしまったり、信頼性が低下したりするといった問題があった。
【００１０】
それは、上述したように、一般に、圧電材料のキュリー温度と圧電歪定数は負の相関関係があるため、圧電歪定数比が小さいと、キュリー温度が高い材料では実効圧電歪定数も小さくなってしまうからである。従って、高信頼性、低コスト及び高温での駆動が可能な積層型圧電アクチュエータを実現するために、キュリー温度が高く圧電歪定数比の大きな圧電磁器が切望されていた。
【００１１】
本発明は、キュリー温度が高く、しかも実効圧電歪定数が大きいアクチュエータ用圧電磁器及び積層型圧電アクチュエータ並びに噴射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータ用圧電磁器は、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを主成分とするペロブスカイト型複合酸化物であって、一般式を、Ｐｂ _ｘ−ａＭ _ａ（Ｙｂ _２／３Ｗ _１／３） _ｙ（Ｚｒ _１−ｚＴｉ _ｚ） _１−ｙＯ _３と表したとき、前記ｘ、ｙ、ｚ、ａが、０．９５５≦ｘ≦０．９９５、０．０１５≦ｙ≦０．０２５、０．４５≦ｚ≦０．５０、０．０３≦ａ≦０．０７、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａのうち少なくとも１種の関係を満足し、キュリー温度が２９０℃以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のアクチュエータ用圧電磁器では、キュリー温度を高くできるとともに、圧縮荷重下での実効圧電歪定数を高くできる。
【００１４】
また、このような関係を満足することにより、本発明の圧電磁器は特に優れたキュリー温度及び圧縮荷重下での実効圧電歪定数を示すことができる。
【００１５】
また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、圧電体と電極とを交互に積層してなるとともに、前記圧電体が、上記アクチュエータ用圧電磁器からなることを特徴とする。このような積層型圧電アクチュエータでは、キュリー温度が高く、実効圧電歪定数の大きな圧電体により構成されているため、高温での使用が可能であり、圧電体の積層数を増加させることなく、大きな変位量を得ることができる。
【００１６】
このような積層型圧電アクチュエータでは、圧縮荷重下での実効圧電歪定数が、共振・***振法により求めた圧電歪定数の１．８倍以上であることが望ましい。
【００１７】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電アクチュエータと、該積層型圧電アクチュエータ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ものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の積層型圧電アクチュエータの縦断面図を示すもので、この積層型圧電アクチュエータは、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活性体３ａと、この活性体３ａの両端面に形成された不活性体３ｂからなる柱状積層体３の対向する側面において、内部電極２の端部に１層おきに絶縁体４を形成し、絶縁体４を形成していない内部電極２の端部を同一の外部電極５に接続して構成されている。
【００１９】
活性体３ａと不活性体３ｂは同時焼成されて柱状積層体３が形成されており、活性体３ａの圧電体１と不活性体３ｂは、同一圧電セラミック材料から構成されることが、焼成時における収縮差を小さくするという点から望ましい。活性体３ａは、変位を発生させる部分であり、不活性体３ｂは、柱状積層体３を機械的に保持し、発生する力を外部へ伝達する機能を有する。
【００２０】
内部電極２は、同時焼成時には柱状積層体３の全ての側面に露出しているが、そのうち対向する側面において、内部電極２端部を含む圧電体１の端部１層おきに溝が形成され、該溝部にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等の絶縁体４が充填され、これにより、内部電極２の一方の端部が絶縁されている。
【００２１】
なお、絶縁体４は低ヤング率の材質、例えばシリコーンゴム等が好ましい。このように、内部電極２は互い違いに１層おきに絶縁され、絶縁されていない内部電極２の他方の端面は、例えば、予め塗布しておいた導電性耐熱接着剤５ａに導電性部材５ｂを密着させた状態で、導電性耐熱接着剤５ａを加熱硬化させることにより、外部電極５が形成されている。外部電極５の下側端部にはリード線６が取り付けられている。
【００２２】
活性体３ａの圧電体１の厚みは０．０５〜０．２５ｍｍ、内部電極２の厚みは０．００３〜０．０１ｍｍ、不活性体３ｂの厚みは、それぞれ０．５〜３．０ｍｍとされ、圧電体１、内部電極２の積層数は、所望の特性を得るためにそれぞれ１００〜４００層とされている。
【００２３】
さらに、内部電極２間の沿面放電を防止し、大きな電圧を印加するために、柱状積層体３の側面がシリコーンゴムなどの伸縮性をもつ絶縁物からなる被覆層（図示せず）で被覆されている。
【００２４】
内部電極２は、銀、または銀−パラジウムあるいは、銀−白金を主成分として構成されている。
【００２６】
本発明では、圧電体１が、一般式を、Ｐｂ_x-aＭ_a（Ｙｂ_2/3Ｗ_1/3）_y（Ｚｒ_1-zＴｉ_z）_1-yＯ₃と表したとき、ｘ、ｙ、ｚ、ａが、０．９５５≦ｘ≦０．９９５、０．０１５≦ｙ≦０．０２５、０．４５≦ｚ≦０．５０、０．０３≦ａ≦０．０７、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａのうち少なくとも１種の関係を満足するものである。
【００２７】
Ａ／Ｂサイト比を示すｘを０．９５５〜０．９９５とした理由は、Ａ／Ｂサイト比が０．９５５未満のときは圧電歪定数が小さくなり、実効圧電歪定数としても小さくなるからであり、また、Ａ／Ｂサイト比が０．９９５よりも大きくなると、実効圧電歪定数／共振圧電歪定数比が小さくなるためである。Ａ／Ｂサイト比を示すｘは、実効圧電歪定数を大きくし、実効圧電歪定数／共振圧電歪定数比を大きくするという点から、０．９７０〜０．９９０であることが望まししい。
【００２８】
ペロブスカイト型複合酸化物のＡサイトのＣａ、Ｓｒ及びＢａのうち少なくとも１種による置換量を７モル％以下（ａ≦０．０７）としたのは、ＡサイトのＣａ、Ｓｒ等による置換量が７モル％を超えると、キュリー温度の低下が大きくなるからである。ＡサイトのＣａ、Ｓｒ等による置換量は、高いキュリー温度を維持するという点から、３〜７モル％が望ましく、特には、４モル％が望ましい。
【００２９】
さらに、Ｂサイトの、Ｗと、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ及びＹｂのうち少なくとも１種による置換量は、１．５〜２．５モル％（０．０１５≦ｙ≦０．０２５）であることが必要である。置換量が１．５モル％よりも小さい場合には、最適焼成温度が１１５０℃より高くなり、例えば同時焼成型のアクチュエータを作製した場合に内部電極のコスト代が大きくなってしまう。また、２．５ｍｏｌ％より置換量が多いときにはキュリー温度が低下するからである。Ｂサイトの、Ｗと、Ｙ等による置換量は、焼成温度を低下し、内部電極材料を安価にするという点から、１．５〜２．５モル％であることが望ましい。
【００３１】
本発明では、特に、一般式、Ｐｂ_x-aＭ_a（Ｙｂ_2/3Ｗ_1/3）_y（Ｚｒ_1-zＴｉ_z）_1-yＯ₃と表したときに、ｘが０．９７０〜０．９９０、ｙが０．０１５〜０．０２５、ｚが０．４７〜０．４８、ａが０．０３〜０．０７であり、ＭとしてはＳｒとＢａであることが望ましい。
【００３２】
本発明のアクチュエータ用圧電磁器は、ペロブスカイト型結晶を主結晶相とするもので、異相は殆ど存在しないことが望ましい。また、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓ、Ｃｌ、Ｅｕ、Ｋ、Ｐ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ等が不可避不純物として混入する場合もあるが、特性上問題ない。
【００３３】
このような積層型圧電アクチュエータでは、圧電体のキュリー温度を高くできるとともに、圧縮荷重下での実効圧電歪定数を高くできる。従って、圧電体１のキュリー温度が高いため、高温において積層型圧電アクチュエータを用いる場合でも、圧電体の積層数を増加させることなく、大きな変位量を得ることができるとともに、圧電体の圧縮荷重下での実効圧電歪定数が高いため、大きな変位量を得ることができる。
【００３４】
このような積層型圧電アクチュエータでは、圧電体の圧縮荷重下での実効圧電歪定数を、共振・***振法により求めた圧電歪定数の１．８倍以上とすることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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を有している。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。
【００３８】
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われるようになっている。
【００３９】
【実施例】
原料粉末として高純度のＰｂＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣｏ₃、ＣａＣＯ₃、ＷＯ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃の各原料粉末を所定量秤量し、ボールミルで２０時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、９００℃で３時間仮焼し当該仮焼物を再びボールミルで湿式粉砕し脱水、乾燥し、原料粉末を作製した。
【００４０】
この原料粉末に有機バインダー（ＰＶＡ）を混合し、造粒した。得られた粉末を１．５ｔ／ｃｍ²の圧力でプレス成形し円柱形状の成形体を得た。更に、これらの成形体をＭｇＯ等からなる容器内に密閉し、大気中１１５０℃で２時間の条件で焼成した。得られた焼結体は、直径３．５ｍｍ厚み７ｍｍの円柱形状となるよう加工し、磁器密度を測定した。
【００４１】
また、この円柱の両主面にＡｇペーストを焼付けることにより電極を形成し、８０℃のシリコンオイル中で２ｋＶ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加して分極処理した後、共振・***振法による圧電歪定数ｄ₃₃及び比誘電率の温度特性からキュリー温度を求めた。
【００４２】
次に、上記原料粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００４３】
このグリーンシートの片面に銀−パラジウムを主成分とし、Ａｇ／Ｐｄ比が７０／３０の導電性ペーストをスクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを２００枚積層し、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。
【００４４】
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、１２ｍｍ×１２ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダーを行ない、１１００℃で５時間の本焼成を行った。
【００４５】
その後、焼結体の対向する側面において、内部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、該溝にシリコーンゴムを充填した。この後、焼結体の対向する側面に外部電極を形成し、絶縁されていない内部電極の端部を外部電極に接続した。
【００４６】
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、アクチュエータの外周面にデイッピングにより、シリコーンゴムを被覆した後、１ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分極処理して積層型圧電アクチュエータを得た。
【００４７】
得られた積層型圧電アクチュエータについて、応力４０ＭＰａに相当する圧縮荷重を積層方向に印加し、電圧を０〜１５０Ｖの範囲で変化させることによってレーザ変位計で変位を測定し、変位量を積層数及び印加電圧で割ることによって実効圧電歪定数を算出し、その結果を表１〜３に記載した。
【００４８】
尚、表１では、組成式を、Ｐｂ_x-0.07Ｂａ_0.04Ｓｒ_0.03Ｙｂ_0.02Ｗ_0.01（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）_0.97Ｏ₃と固定し、Ａ／Ｂサイト比を示すｘを変化させたときの磁器密度、キュリー温度、圧電歪定数、実効圧電歪定数、圧電歪定数比を求め、記載した。
【００４９】
また、表２では、組成式を、Ｐｂ_0.97-aＭ_a（Ｙｂ_0.02Ｗ_0.01）（Ｚｒ_1-zＴｉ_z）_0.97Ｏ₃と固定し、Ｍとして元素を変化させ、またＡサイトのＭによる置換量ａとＴｉ比ｚを変化させたときの磁器密度、キュリー温度、圧電歪定数、実効圧電歪定数、圧電歪定数比を求め、記載した。
【００５１】
さらに、表３では、組成式を、Ｐｂ_0.09Ｂａ_0.04Ｓｒ_0.03（Ｙｂ_2/3Ｗ_1/3）_y（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）_1-yＯ₃と固定し、Ｂサイトの（Ｙｂ_2/3Ｗ_1/3）による置換量を変化させたときの磁器密度、キュリー温度、圧電歪定数、実効圧電歪定数、圧電歪定数比を求め、記載した。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５５】
【表３】

【００５６】
表１から、Ａ／Ｂサイト比が０．９５５〜０．９９５の範囲内である本発明では、キュリー温度が２９０℃以上、圧電歪定数が３０５ｐＣ／Ｎ以上、実効圧電歪定数が５５０ｐｍ／Ｖ以上、圧電歪定数比が１．８以上であった。これに対して、Ａ／Ｂサイト比が範囲外の場合には、圧電歪定数、実効圧電歪定数が低いことが判る。
【００５７】
また、表２から、ＡサイトのＣａ等による置換では、キュリー温度、圧電歪定数、実効圧電歪定数、圧電歪定数比を総合すると、ＢａとＳｒによる置換の場合が最も良好であることが判る。さらに、置換量については、Ａサイトを７モル％以下置換することにより高いキュリー温度を維持できるが、１０モル％となると、急激にキュリー温度が低下することが判る。
【００５９】
また、表３から、ＢサイトのＹｂとＷによる置換量が０、１モル％の場合には焼結不良となり、５モル％の場合には、キュリー温度、圧電歪定数、実効圧電歪定数が低下することが判る。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを主成分とするペロブスカイト型複合酸化物であって、一般式を、Ｐｂ _ｘ−ａＭ _ａ（Ｙｂ _２／３Ｗ _１／３） _ｙ（Ｚｒ _１−ｚＴｉ _ｚ） _１−ｙＯ _３と表したとき、前記ｘ、ｙ、ｚ、ａが、０．９５５≦ｘ≦０．９９５、０．０１５≦ｙ≦０．０２５、０．４５≦ｚ≦０．５０、０．０３≦ａ≦０．０７、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａのうち少なくとも１種の関係を満足し、キュリー温度が２９０℃以上であるため、特に優れたキュリー温度及び圧縮荷重下での実効圧電歪定数を示す積層型圧電アクチュエータを提供できる。
【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を示す斜視図である。
【図２】本発明の噴射装置の説明図である。
【符号の説明】
１・・・圧電体
２・・・内部電極
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・圧電アクチュエータ

Claims

Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉを主成分とするペロブスカイト型複合酸化物であって、一般式を、Ｐｂ _ｘ−ａＭ _ａ（Ｙｂ _２／３Ｗ _１／３） _ｙ（Ｚｒ _１−ｚＴｉ _ｚ） _１−ｙＯ _３と表したとき、前記ｘ、ｙ、ｚ、ａが、
０．９５５≦ｘ≦０．９９５
０．０１５≦ｙ≦０．０２５
０．４５≦ｚ≦０．５０
０．０３≦ａ≦０．０７
Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａのうち少なくとも１種の関係を満足し、
キュリー温度が２９０℃以上であることを特徴とするアクチュエータ用圧電磁器。
圧電体と電極とを交互に積層してなるとともに、前記圧電体が、請求項１に記載のアクチュエータ用圧電磁器からなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
圧縮荷重下での実効圧電歪定数が、共振・***振法により求めた圧電歪定数の１．８倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
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２または３記載の積層型圧電アクチュエータと、該積層型圧電アクチュエータ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。