JP5274215B2 - Multilayer piezoelectric element, injection device, and fuel injection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、圧電体を用いた駆動素子(圧電アクチュエータ),センサ素子または回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置,インクジェットプリンタの印字装置のような液体噴射装置,光学装置における位置決め装置のような精密位置決め装置および振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、燃焼圧センサ,ノックセンサ,加速度センサ,荷重センサ,超音波センサ,感圧センサおよびヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ,圧電スイッチ,圧電トランスおよび圧電ブレーカーが挙げられる。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element used for a drive element (piezoelectric actuator), a sensor element or a circuit element using a piezoelectric body, for example. Examples of the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as a printing device for an ink jet printer, a precision positioning device such as a positioning device for an optical device, and a vibration prevention device. Examples of the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor. Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
従来から、積層型圧電素子は、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保できることが求められている。そのため、積層型圧電素子には、より大きな変位量に応じたより高い電圧が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。 Conventionally, multilayer piezoelectric elements have been required to be able to ensure a large amount of displacement under a large pressure at the same time as miniaturization proceeds. For this reason, it is required that the multilayer piezoelectric element be used under severe conditions in which a higher voltage corresponding to a larger displacement amount is applied and continuous driving is performed for a long time.
高電圧かつ高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、積層型圧電素子の駆動に伴って、内部電極層および圧電体層で構成された積層体の側面に接合された外部電極に大きな応力がかかることとなり、そのため外部電極が積層体の側面から剥がれて破断してしまうことがある。そこで、積層型圧電素子の外部電極に破断が生じないように積層体による応力を緩和する目的で、例えば特許文献1に開示されているような、圧電体層にスリット状の応力緩和部を設けた構造や、特許文献2に開示されているような、あらかじめ圧電体層の内部に目標破断層として多孔質な層を設けた積層型圧電素子が提案されている。さらに、外部電極が応力で破断しても駆動できるように、例えば特許文献3に開示されているような、複数の電極を組み合わせた構造の外部電極も提案されている。
しかしながら、外部電極の破断を防止するために積層型圧電素子の駆動時に圧電体層によって外部電極に加わる応力のみを緩和しようとすると、積層型圧電素子に外部から応力が加わったときに、圧電体層が応力で変形しようとしても外部電極に拘束された部分が変形できなくなり、外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境において圧電体層に応力が集中して積層型圧電素子の積層体に亀裂が発生するという問題が生じるようになる。 However, if it is attempted to relieve only the stress applied to the external electrode by the piezoelectric layer during driving of the multilayer piezoelectric element in order to prevent the external electrode from being broken, the piezoelectric body will be exposed when stress is applied to the multilayer piezoelectric element from the outside. Even if the layer is deformed by stress, the part restricted by the external electrode cannot be deformed, and the stress is concentrated on the piezoelectric layer at the boundary between the part without the external electrode and the part with the external electrode. The problem arises that the body cracks.
また、積層型圧電素子の駆動中においては、駆動による自己発熱による積層体の熱膨張に対して外部電極の熱膨張が異なることからも、最も熱を放散しにくい積層体の中央部においては、外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境に応力が集中し、外部電極が積層体から剥がれたり、外部電極にクラックが発生して内部電極層に電圧が供給されずに駆動が低下したりするという問題がある。 In addition, during the driving of the multilayer piezoelectric element, the thermal expansion of the external electrode is different from the thermal expansion of the multilayer body due to self-heating by driving, so in the central part of the multilayer body that is most difficult to dissipate heat, Stress concentrates on the boundary between the part without the external electrode and the part with the external electrode, and the external electrode peels off from the laminate, or the external electrode cracks and the drive is reduced without voltage being supplied to the internal electrode layer. There is a problem of doing.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも安定した変位量が得られる積層型圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element that can obtain a stable displacement even when driven for a long time under high voltage and high pressure conditions.
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体の側面に、前記内部電極層に電気的に接続された外部電極を備えた積層型圧電素子であって、前記外部電極に複数のスリットが形成されており、これら複数のスリットは前記積層体の端部側よりも中央部で長い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 having an external electrode electrically connected to the internal electrode layer on the side surface of the multilayer body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked. A plurality of slits are formed in the external electrode, and the plurality of slits are longer at the center than at the end side of the laminate.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記複数のスリットは、前記積層体の端部側から中央部に向かって順に長くなっていることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element according to the present invention is characterized in that, in the above configuration, the plurality of slits are elongated in order from the end side to the center of the multilayer body.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、一対の前記外部電極が前記積層体を挟んで対向して配置されているとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに対向した位置に形成されていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above configurations, the pair of external electrodes are disposed to face each other with the multilayer body interposed therebetween, and the slits are opposed to each other in the pair of external electrodes. It is characterized by being formed.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、一対の前記外部電極が前記積層体を挟んで対向して配置されているとともに、前記スリットが一対の前記外部電極において互いに前記積層体の積層方向の中心軸を対称軸として回転対称の位置に形成されていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above-described configurations, the pair of external electrodes are disposed to face each other with the multilayer body interposed therebetween, and the slits are mutually disposed in the pair of external electrodes. It is characterized in that it is formed at a rotationally symmetric position with the central axis in the laminating direction as the symmetry axis.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記スリットは、前記積層体側の幅よりも前記外部電極の表面における開口の幅の方が大きいことを特徴とするものである。 Moreover, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the slit has a larger opening width on the surface of the external electrode than a width on the multilayer body side.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記スリットは、開口の幅が前記外部電極の縁側で大きくなっていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the slit has an opening whose width is increased on the edge side of the external electrode.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記複数のスリットは、隣接するもの同士の間隔が前記積層体の積層方向の端部側で大きくなっていることを特徴とするものである。 Further, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above-described configurations, the plurality of slits have a large interval between adjacent ones on the end side in the stacking direction of the stacked body. It is.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記スリットは、前記内部電極層と平行に形成されていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the slit is formed in parallel with the internal electrode layer in each of the above-described configurations.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記スリットは、隣接する前記内部電極層同士の間に位置していることを特徴とするものである。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the slit is located between the adjacent internal electrode layers.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記各構成において、前記積層体は、駆動時に前記内部電極層よりも優先的に破断することによって応力を緩和する予定破断層を含んでおり、前記スリットは、前記予定破断層の近傍に形成されていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in each of the above structures, the multilayer body includes a planned fracture layer that relaxes stress by breaking preferentially over the internal electrode layer during driving, and the slit Is formed in the vicinity of the expected fracture layer.
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出されることを特徴とするものである。 An ejection device according to the present invention includes a container having an ejection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention, and fluid stored in the container is driven from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by being discharged.
本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とするものである。 The fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and the injection And an injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus.
本発明の積層型圧電素子によれば、外部電極に複数のスリットが形成されているとともに、これら複数のスリットが積層体の端部側よりも中央部で長いことにより、外部電極の積層体の積層方向に直交する方向の両方の端部、すなわち積層体の側面における外部電極の無い部分と外部電極のある部分との境に発生する応力を外部電極に形成されたスリットが吸収することができるので、外部電極が積層体から剥離したり積層体に亀裂が発生したりするのを抑制することができる。 According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, a plurality of slits are formed in the external electrode, and the plurality of slits are longer in the center portion than the end portion side of the multilayer body. The slit formed in the external electrode can absorb the stress generated at the boundary between the end portion in the direction orthogonal to the stacking direction, that is, the portion where the external electrode is not present and the portion where the external electrode is present on the side surface of the stack. Therefore, it can suppress that an external electrode peels from a laminated body or a crack generate | occur | produces in a laminated body.
さらに、外部電極の外周距離、すなわち外部電極の表面の距離が、スリットが形成されていることによって増加することで、外部電極と圧電体層との熱膨張差による応力を緩和することができる。さらに、外部電極の表面積が、スリットが形成されていることによって増加するので、積層型圧電素子の駆動中に積層体において発生した自己発熱を積層体から外部電極を通して外部電極の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、外部電極の剥離や積層体の亀裂が発生することを抑制することができるので、変位量を安定させることができる。 Furthermore, since the outer peripheral distance of the external electrode, that is, the distance of the surface of the external electrode is increased by the formation of the slit, the stress due to the thermal expansion difference between the external electrode and the piezoelectric layer can be relieved. Further, since the surface area of the external electrode is increased by the formation of the slit, the self-heating generated in the multilayer body during the driving of the multilayer piezoelectric element is effectively prevented from the surface of the external electrode through the external electrode from the multilayer body. Can be dissipated. As a result, even when the driving is performed for a long time under a high voltage and high pressure condition, it is possible to suppress the peeling of the external electrode and the cracking of the laminated body, so that the amount of displacement can be stabilized.
また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた流体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において外部電極が剥離したり積層体に亀裂が発生したりすることを防止でき、また、積層体の自己発熱による問題が生じるのを抑制することができるので、流体の噴射孔からの所望の吐出を長期にわたって安定して行なうことができる。 Further, according to the ejection device of the present invention, the multilayer piezoelectric element of the present invention is provided as the multilayer piezoelectric element for discharging the fluid stored in the container from the ejection hole. Can be prevented from peeling off or cracking in the laminated body, and problems due to self-heating of the laminated body can be suppressed, so that desired discharge from the fluid injection holes can be performed over a long period of time. It can be performed stably.
さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。 Furthermore, according to the fuel injection system of the present invention, since the injection device of the present invention is provided as a device for injecting the high-pressure fuel stored in the common rail, the desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time. Can do.
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。図1に示すように、本例の積層型圧電素子1は、圧電体層3と内部電極層5とが交互に積層された積層構造の積層体7の側面に、内部電極層5に電気的に接続された外部電極11を備えた積層型圧電素子1であって、外部電極11の表面には複数のスリット(外部電極11の厚み方向にわたる細隙)12が積層体7の端部側よりも中央部で長さを長くして形成されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention. As shown in FIG. 1, the multilayer
このように外部電極11に、外部電極11の厚み方向にわたって外部電極11を貫通する細隙であるスリット12が複数形成されていることによって、それぞれのスリット12の周辺に外部電極11内に局所的に変形する領域を形成して、外部電極11に加わる応力を吸収することができる。特に、積層体7の自己発熱を放散できずに最も過熱しやすい積層体7の中央部のスリット12の長さを長くすることで、応力緩和効果を高めることができる。
Thus, by forming a plurality of
さらに、外部電極11の表面に沿った長さが、あるいは外部電極11の外周距離、すなわち外部電極11の外周に沿った距離(外周に沿った長さ)が増加することで、外部電極11と圧電体層3との熱膨張差による応力を緩和することができるので、最も過熱しやすい積層体7の中央部のスリット12の長さを長くすることで、応力緩和効果を高めることができる。さらに、積層型圧電素子1の駆動中に積層体7において発生した自己発熱を積層体7から外部電極11を通して外部電極11のスリット12の部位の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、外部電極11の剥離や積層体7の亀裂が発生することを抑制することができるので、変位量を安定させることができる。
Further, the length along the surface of the
また、複数のスリット12は、積層体7の端部側から中央部に向かって長さが順に長くなっていることが好ましい。これは、駆動中の積層型圧電素子1の熱分布が、積層体7の端部側から中央部へ向かって次第に高くなっているため、外部電極11と積層体7との間で生じる応力も積層体7の端部側から中央部へ向かって次第に大きくなっているので、この応力分布に対応するようにスリット12の長さを順に長くすることで、応力緩和効果が高まり、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも外部電極11の剥離や積層体7の亀裂が発生することを抑制することができ、変位量を安定させることができる。
Moreover, it is preferable that the length of the plurality of
このように複数のスリット12の長さを積層体7の端部側から中央部に向かって順に長くする場合には、例えば、積層体7では異なる極性の内部電極層5に挟まれた領域である駆動領域において、駆動変形する圧電体層3は外部電極11が設けられることでクランプされている。その応力分布は積層体7の端部側(上端側または下端側)から反対側の端部側に向けて、中央部での応力の値をピークとした正規分布になっている。よって、この分布に従い、スリット12の長さの比を設定すると、最も応力を緩和することができる。
When the lengths of the plurality of
また、スリット12は、積層体7の積層方向に直交する方向に沿って、すなわち内部電極層5と平行に形成されていることが好ましい。これは、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が伸び縮みする方向に外部電極11に設けられたスリット12の幅が広がったり狭まったりして変形しやすいためであり、この変形により外部電極11が積層体7と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果を効果的に得ることができるからである。
The
なお、スリット12を積層体7の積層方向に直交する方向とは異なる方向に沿って形成する場合の例としては、例えば、1つあるいは複数の内部電極層5をまたがるように斜めにスリット12を設ける例がある。このような場合には、内部電極層5を挟む2つの圧電体層3をそれぞれ異なる領域で積層体7の側面に露出させて、外部電極11でクランプされていない領域を設けることができる。その結果、圧電体層3に外部電極11でクランプされていない領域を設けることで、積層体7に応力が加わった時に、2つの圧電体層3のスリット12から露出した場所で応力により圧電体層3が変形することができるので、応力緩和効果を高めることができる。
As an example of the case where the
さらに、図2(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、スリット12は、一端が外部電極11の縁に達していることが好ましい。これは、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が伸び縮みする時に、スリット12が応力が集中しやすい外部電極11の縁においてより容易に変形することができ、外部電極11の応力を効果的に緩和することができるからである。また、駆動による自己発熱による積層体7の熱膨張に対して外部電極11の熱膨張が異なることに起因する応力についても、この応力は外部電極11の縁に集中するので、外部電極11の縁の外周距離(外周に沿った長さ)が増加することによっても、応力を効果的に緩和することができる。
Further, as shown in FIGS. 2A and 2B in side views of other examples of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, one end of the
この場合のスリット12は、外部電極11の縁から反対側の縁に向けての長さが長いほど応力緩和効果が高くなる。特に、外部電極11の幅の半分以上の長さのスリット12を対向する縁から互い違いの配置になるように設けることで、スリット12の間に挟まれた圧電体層3が変形しやすくなり、応力緩和効果が高くなるとともに、駆動時の積層体7の変位量も大きくなる。また、隣り合うスリット12間の距離は短いほど応力緩和効果が高くなり、内部電極層5同士の間隔と一致すると最も応力緩和効果が大きくなる。
In this case, the
また、図2(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図で示すように、積層体7の対向する側面にそれぞれ異なる極性の外部電極11同士が対向して配置された場合に、複数のスリット12も対向した位置にそれぞれ形成されていることが好ましい。これは、積層型圧電素子1に応力が加わった場合に、異なる極性の外部電極11同士が積層体7の対向する側面に形成されて対向していることで、応力をそれぞれの外部電極11に均等に分散させることができ、さらに、複数のスリット12を互いに対向した位置に配置することで、応力緩和の箇所を積層体7に対して対称に配置することができるので、積層体7に加わる応力を均等に分散することができ、応力が一箇所に集中することを避けることができることによって、優れた応力緩和効果を得ることができる。
Also, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), which are side views of another example of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, external electrodes having different polarities on the opposite side surfaces of the
なお、図2に示す例において、圧電体層3と交互に積層された内部電極層5は、後述するように部分電極構造となっていて1層おきにそれぞれ積層体7の対向する側面に引き出されているので、図2(a)に示す積層体7の一方の側面と図2(b)に示す積層体7の他方の側面とでは内部電極層5が引き出されている位置が異なる(交互に位置する)ようになる。従って、複数のスリット12を外部電極11の対向した位置にそれぞれ形成することによって、図2(b)の側面図ではスリット12が内部電極層5に重なるように位置しているのに対して、図2(a)の側面図ではスリット12が内部電極層5とずれて位置しているものを設けることができる。このような位置関係は、以下に示す例においても同様である。
In the example shown in FIG. 2, the
この場合のスリット12としては、応力の最も大きな積層体7の中央部に最も長いスリット12を設けることが、応力緩和効果を高めることができるので好ましい。また、積層体7の中央部を中心に上下対称にスリット12を複数配置することで、積層体7の中央部を中心にして応力を分散させて緩和することができるので、駆動時に上下対称に積層体7を駆動させることができ、駆動重心を積層体7の重心と一致させることができることから、ぶれの無い安定した駆動が可能となる。
As the
次に、図3(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図で示すように、異なる極性の外部電極11同士が積層体7の対向する側面に対向して配置された場合には、スリット12が積層体7の積層方向に延びる中心軸に対して回転対称の位置にそれぞれ形成されていることによって、積層型圧電素子1の駆動軸の中心が積層体7の中心軸と一致するので、駆動軸がぶれることがなく、耐久性の高い積層型圧電素子1とすることができる。さらに、図4(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図で示すように、スリット12を積層体7を挟んで対向した位置で、かつ積層体7の積層方向に延びる中心軸に対して回転対称の位置に配置された場合には、積層体7に加わる応力を均等に分散することで応力を緩和できるだけでなく、さらに、駆動軸がぶれない利点も併せ持つことで、積層型圧電素子1が駆動する際の自己発熱を抑制することができるので、耐久性の優れた積層型圧電素子1を得ることができる。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B in side views of still another example of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, the
この場合のスリット12としては、応力の最も大きな積層体7の中央部に最も長いスリット12を設けることが、応力緩和効果を高めることができるので好ましい。また、積層体7の中央部を中心に上下対称にスリット12を複数配置することで、積層体7の中央部を中心にして応力を分散させて緩和することができるので、駆動時に上下対称に積層体7を駆動させることができるので、駆動重心を積層体7の重心と一致させることができ、ぶれの無い安定した駆動が可能となる。
As the
また、スリット12は、積層体7側の幅、すなわち外部電極11の積層体7との接合面側の開口の幅よりも外部電極11の表面における開口の幅の方が大きいことが好ましい。スリット12の底面の幅よりも外部電極11の表面における開口の幅を大きくすることで、外部電極11と積層体7との界面に集中した応力によって生じた熱を、スリット12を介して外部電極11の表面に伝搬させて放散させることができ、応力を緩和することができるからである。また、スリット12を介して熱を放散させることによって、熱膨張に起因する応力も抑止できるので、応力緩和に優れているものとすることができる。
Further, it is preferable that the width of the opening on the surface of the
このようにスリット12の開口の幅を設定する場合は、熱膨張の差に起因してスリット12の開口も駆動中の積層体7の自己発熱によって加熱されて変形するので、積層体7の熱膨張に対する外部電極11の熱膨張の比の割合に応じて、積層体7側の幅に対して外部電極11の表面における開口の幅を大きくして設定することが好ましい。
When the width of the opening of the
また、図5(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図で示すように、スリット12の幅は、外部電極11の縁側で大きくなっていることが好ましい。これによると、外部電極11の縁に集中する応力を縁に向かって大きな開口の幅で形成されたスリット12によって効果的に緩和することができるので、外部電極11の縁からの剥離や亀裂の発生を効果的に抑止することができ、積層型圧電素子1の耐久性を高いものとすることができる。さらに好ましくは、スリット12の開口の縁をC面あるいはR面のように面取りされた形状にすることで、スリット12の開口の縁での応力集中を避けることができる。
Further, as shown in the side views of still another example of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention in FIGS. 5A and 5B, the width of the
このようにスリット12の開口の幅を外部電極11の縁側に向かって大きくなっているものとする場合には、スリット12の開口の幅を外部電極11の縁で開口内に圧電体層3が10層以上あるようにすることで応力緩和効果が高くなる。これは、スリット12に集中した応力を、スリット12の開口部にある圧電体層3が圧力に応じて変形することにより緩和することができるためである。特に、圧電体層3が10層以上あることで、圧電体層3相互の応力を分散することができるため、圧電体層3の1層に応力が集中することを抑止でき、良好に応力を緩和することができる。
When the width of the opening of the
このようにスリット12の幅を外部電極11の縁側で大きくする場合には、積層体7の伸びる寸法に相当する長さ以上の大きさにスリット12の開口の幅を設定することで、駆動時に外部電極11に加わる応力を緩和できる。
When the width of the
また、図6(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図で示すように、複数のスリット12は、隣接するスリット12同士の間隔が積層体7の積層方向の端部側(上端部側および下端部側)で大きくなっていることが好ましい。これは、積層型圧電素子1の駆動時の変形の形態が、積層体7の積層方向の端部側では積層方向に伸び縮みするのに対し、積層体7の中央部では積層方向に直交する方向に伸び縮みすることから、スリット12を積層方向の中央部に多く配置することによって外部電極11の縁に集中した応力を緩和することができるので、積層体7の駆動による積層体7の変形を大きくするとともに、外部電極11が縁から剥がれることを防止することができ、積層型圧電素子1の耐久性を高めることができる。
In addition, as shown in the side views of still another example of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the plurality of
このように隣接するスリット12同士の間隔を積層体7の積層方向の端部側で大きくする場合には、積層体7の中央部から端部側に向けて、隣接するスリット12同士の間隔比を例えば1,2,4と、あるいは1,3,9と指数関数的に広げることが好ましい。それは、積層体7における応力の分布が積層体7の中央部をピークとした正規分布になっていることから、隣接するスリット12同士の間隔を間隔比が指数関数的になるように配置することによって応力の分布に応じて応力を緩和することができるからである。
Thus, when increasing the space | interval of
また、前述したようにスリット12は、内部電極層5と平行に形成されていることが好ましい。この場合は、積層体7に加わる電界と直交する方向にスリット12を形成することができるので、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が変形する方向と直交する方向にスリット12が形成されることになり、外部電極11が伸び縮みしやすくなるので、外部電極11の応力を効果的に緩和することができる。さらに、内部電極層5が、外部電極11と通電し、かつ異なる極性の内部電極層5同士が短絡するのを防止するために、内部電極層5を圧電体層3の全面にわたって形成するのではなく、異なる極性の外部電極11のうちの一方の外部電極11との絶縁を保つようにその外部電極11との間に絶縁領域を持たせたものとなっている部分電極構造の場合には、異なる極の内部電極層5に挟まれた活性領域とそれ以外の不活性領域とが圧電体層3に形成されるので、スリット12を内部電極層5と平行な位置で不活性領域に配置すると、スリット12に加わった応力を圧電体層3が圧力で伸び縮みする効果を用いて緩和することができるので、さらに高い耐久性を持った外部電極11とすることができることから、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。
As described above, the
また、スリット12は、隣接する内部電極層5同士の間に位置していることが好ましい。この場合は、スリット12に加わった応力がこのスリット12に接している圧電体層3の変形を誘発し、圧電体層3の圧電効果により発生した起電力が隣接する内部電極層5に伝わることで、積層型圧電素子1に印加された電圧に補正が加わる効果が発生して駆動電圧が低下するので、積層型圧電素子1に応力緩和効果が発生することとなる。また、スリット12に急激な応力が加わったことでスリット12に対応する位置の積層体7の表面に亀裂や剥がれが生じても、この場合にはスリット12が直接に内部電極層5に接していないので、内部電極層5間の短絡が生じるようなことがない。
In addition, the
この場合のスリット12は、特に、外部電極11を設けた積層体7の側面に異なる極性の内部電極層5が露出している場合は、積層体7の駆動変形が大きくなり、外部電極11に加わる応力が大きくなるので、応力を緩和するためには、スリット12の幅を隣接する内部電極層5同士の間隔の半分以下にすることで、応力をスリット12に集中させて、外部電極11に加わる応力を緩和することができる。
The
また、図7(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図で示すように、積層体7が、駆動時に積層体7内において内部電極層5よりも優先的に破断することによって積層体7における応力を緩和する予定破断層13を含んでおり、スリット12が予定破断層13の近傍に形成されていると、このスリット12の最も奥の部分に応力が集中することを利用して、外部電極11に加わった応力をこのスリット12を介して予定破断層13に伝えることができ、予定破断層13を破断させることによって積層体7における応力を緩和することができる。このことにより、積層型圧電素子1を長期間にわたって高い負荷の加わった環境で使用した場合においても、圧電体層3に応力および応力に起因した亀裂を発生させることなく、積層体7の予定破断層13だけに亀裂を効果的に発生させた応力緩和が可能となり、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。さらに、スリット12を設けた位置から予定破断層13に対して破断を開始させることができるので、積層体7に予定破断層13を設けた場合に、どの位置から破断を開始させることができるかまでを設定することができるようになり、予定破断層13の配置設計を容易にすることができ、量産性に優れた積層型圧電素子1を得ることができる。特に、予定破断層13の部分に位置するようにスリット12を形成すると、予定破断層13に応力をより効果的に集中できることで好ましいものとなる。
7A and 7B are side views of still other examples of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, respectively, and the
なお、積層体7における予定破断層13は、例えば、内部電極層5とは別に、あるいは内部電極層5に代えて、積層体7内に多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成することによって設けることができる。
The
また、図8(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびそのA−A線断面図で示すように、外部電極11に、底部が積層体7に達していない溝(外部電極11の表面から厚み方向の途中にわたり、底が積層体7の側面にまでは達していない細隙)14が形成されていることによって、この溝14の周辺に外部電極11内に局所的に変形する領域を形成して、外部電極11に加わる応力を吸収することができる。特に、急激に積層型圧電素子1に応力が加わるような場合でも、溝14を起点として外部電極11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体7の亀裂抑止および積層体7からの外部電極11の剥がれ抑止を行なうことができる。
Further, as shown in FIGS. 8A and 8B in a side view and a cross-sectional view taken along the line AA of another embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, This groove is formed by forming a
ここで、外部電極11は、少なくとも積層体7側に位置する層(最深層)11Aおよび表面側に位置する層11Bの複数層が積層された積層構造を有しており、底部が積層体7に達していない溝14が、外部電極11の最深層(この例では層11A)よりも上側の層(この例では層11B)に形成されていることが好ましい。このように複数層からなる外部電極11を設けることで、特に、急激に積層体7に応力が加わるような場合でも、溝14を起点として、外部電極11の層間に亀裂を生じさせて応力を緩和することができるので、積層体7からの外部電極11の剥がれ抑止と積層体7の亀裂抑止とをより確実に両立できるようになる。このとき、外部電極11の最も積層体7側に位置する最深層(この例では層11A)の成分として、外部電極11の他の層(この例では層11B)の成分よりも酸化ケイ素等のガラス成分を多く含有させると、外部電極11(層11A)と積層体7との密着強度が高まるので、外部電極11が積層体7からより剥がれ難くなることから、さらに好ましい。中でも、外部電極11内で応力が最も大きくなる積層体7の中央部に対応する部位に溝14をスリット12よりも長くして配置することによって、溝14を起点として外部電極11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体7の亀裂抑止および積層体7からの外部電極11の剥がれ抑止を効果的に行なうことができる。
Here, the
なお、外部電極11に設ける底部が積層体7に達していない溝14は、外部電極11の縁からそれに対向する縁にかけて形成されていることが好ましい。これによると、積層体7が伸び縮みするのに合わせて溝14の開口が広がったり狭まったりすることで外部電極11の縁に集中する応力を効果的に緩和することができるので、外部電極11の縁からの剥離や亀裂を防止することができ、積層型圧電素子1の耐久性を高いものとすることができる。
In addition, it is preferable that the groove |
このような溝14としては、スリット12を起点としたクラックを積層体7に生じさせることなく、溝14を起点とした応力緩和の亀裂を外部電極11に生じさせるには、スリット12よりも溝14に応力が集中するように、溝14の幅をクラック12の幅よりも狭くして設けることが好ましい。特に、スリット12同士が外部電極11の長手方向に密な間隔で連続して配置されないように、他に比べて狭い間隔で隣接するスリット12同士の間に溝14を設けることで、スリット12を起点としたクラックを積層体7に生じさせることなく、溝14を起点とした応力緩和の亀裂を外部電極11に確実に生じさせることができる。
In order to generate a stress relaxation crack starting from the
また、図9(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびそのA−A線断面図で示すように、積層体7に、駆動時に積層体7内において内部電極層5よりも優先的に破断することによって積層体7における応力を緩和する予定破断層13を設けた積層型圧電素子1において、スリット12を予定破断層13の近傍に形成するのに加えて、外部電極11内で応力が最も大きくなる積層体7の中央部に対応する部位に底部が積層体7に達していない溝14をスリット12よりも長くして配置することで、溝14を起点として外部電極11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体7の亀裂抑止および積層体7からの外部電極11の剥がれ抑止を行なうことができる。この場合には、予定破断層13による応力緩和効果との相乗作用により、極めて過酷な環境下での応力に対しても、積層型圧電素子1の耐久性を高いものとすることができる。
Further, as shown in FIGS. 9A and 9B in a side view and a cross-sectional view taken along line AA of another embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, In the multilayer
このように溝14をスリット12よりも長くして配置しておく場合には、特に、スリット12の長さが外部電極11の幅の半分以下の場合は、外部電極11には応力が残留する領域が積層体7の駆動軸に沿って存在するので、溝14をスリット12よりも長くして、外部電極11の幅の半分以上の長さで互い違いの配置になるように対向する縁からそれぞれ形成することで、外部電極11に加わる応力を効果的に緩和することができる。また、外部電極11の縁から反対側の縁へわたって溝14を設けることで、最も応力緩和効果が得られる。
In this way, when the
特に、図9に示す例のように、外部電極11に溝14を形成し、この溝14の内側に予定破断層13を配置しておくと、スリット12の近傍に配置された予定破断層13に対してスリット12を介して予定破断層13内に水分が浸入するような高湿度な環境において、多孔質金属粒子層からなる予定破断層13の多数の空孔に水分が浸入することによって予定破断層13が見かけ上緻密な層となって破断しにくくなった場合でも、外部電極11に溝14をスリット12よりも長くして配置することで、溝14の内側に位置する予定破断層13内への水分の浸入を抑止しつつ、溝14を起点として外部電極11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体7の亀裂抑止および積層体7からの外部電極11の剥がれ抑止を行なうことができる。また、さらに強力な応力が加わったときには、溝14の内側に位置する予定破断層13が破断することによって、積層体7の応力を緩和して積層型圧電素子1の駆動を維持することができるので、極めて過酷な環境下での応力に対しても、積層型圧電素子1の耐久性を高いものとすることができる。
In particular, as in the example shown in FIG. 9, when the
次に、本発明の積層型圧電素子1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the multilayer
まず、圧電体層3となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系あるいはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、このスラリーに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を用いることにより、セラミックグリーンシートが作製される。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、PbZrO3−PbTiO3等からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、DBP(フタル酸ジブチル),DOP(フタル酸ジオクチル)等を用いることができる。
First, a ceramic green sheet to be the
次に、内部電極層5となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム等の金属粉末にバインダーおよび可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて所定のパターンに印刷する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように焼成することで、交互に積層された圧電体層3および内部電極層5を備えた積層体7を形成することができる。
Next, a conductive paste to be the
このとき、予定破断層13として、例えば、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成する場合であれば、導電性ペースト中にカーボン粉末を含有させて、焼成中にそのカーボン粉末を消失させたり、導電性ペーストの印刷時にドットパターンとなるようにパターン印刷したり、導電性ペーストを印刷乾燥した後にドライアイスブラストを行なって印刷面を荒らしたりする方法がある。また、予定破断層13として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を量産して形成する場合であれば、予定破断層13となる多孔質金属粒子層の導電性ペーストとその他の内部電極層5の導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中に濃度差を利用して、予定破断層13から、圧電体層3を介して隣接している内部電極層5へ金属を拡散させることによって多孔質とすることができる。この方法は、量産性に優れている点で好ましい。特に、主に銀−パラジウムからなる導電性ペーストを用いて、予定破断層13となる層の銀濃度をその他の内部電極層5の銀濃度よりも高くすると、焼成時に銀が液相を形成するとともに圧電体層3の圧電体粒子間を容易に移動することができるので、極めて均一な多孔質金属粒子層からなる予定破断層13が形成できる。
At this time, for example, when forming a porous metal particle layer including a large number of independent metal particles as the expected
その後、積層型圧電素子1の積層体7の外表面に、端部が露出している内部電極層5との導通が得られるように外部電極11を形成する。この外部電極11は、銀粉末およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これを積層体7の側面に印刷して、乾燥接着する、あるいは焼き付けることによって得ることができる。
After that, the
外部電極11にスリット12を設けるには、銀ガラス導電性ペーストを印刷する際にパターン印刷して形成する方法が最も量産的である。他には、印刷法や蒸着法等によって外部電極11を形成した後にスリット12のパターンにエッチングする方法、同様に外部電極11を形成した後にスリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクを載せて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、同様に外部電極11を形成した後にダイヤモンドディスク等の切削手段を用いてスリット12のパターンに切削加工する方法等がある。
In order to provide the
次に、金属の線材からなるリード線や、金属メッシュあるいはメッシュ状の金属板等からなる導電部材を、外部電極11の表面に半田や導電性接着剤等の結合材を用いて接合し接続固定する。ここで、導電部材の材質は、銀,ニッケル,銅,リン青銅,鉄,ステンレス等の金属や合金が好ましい。また、導電部材の表面には、銀やニッケル等のメッキが施されていてもよい。
Next, a lead wire made of a metal wire, a conductive member made of a metal mesh or a mesh-like metal plate, etc. are joined and fixed to the surface of the
なお、導電部材は、外部電極11の積層方向の全てにわたって接合されていてもよいし、外部電極11の一部分に接合されていても構わない。
It should be noted that the conductive member may be joined over the entire lamination direction of the
次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極11を形成した積層体7を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体7の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体7を引き上げる。これにより、複数のスリット12を有する外部電極11を形成した積層体7の側面にシリコーン樹脂がコーティングされる。
Next, the
その後、外部電極11に接続した導電部材を介して一対の外部電極11から内部電極層5によって圧電体層3に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層体7の圧電体層3を分極することによって、本例の積層型圧電素子1が完成する。そして、導電部材を外部の電圧供給部に接続し、導電部材および外部電極11を介して内部電極層5によって圧電体層3に電圧を印加することにより、各圧電体層3を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、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機構として機能させることが可能となる。
Thereafter, a direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied from the pair of
次に、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置の実施の形態の一例について説明する。図10は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 Next, an example of an embodiment of a fluid ejection device as the ejection device of the present invention will be described. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention.
図10に示すように、本例の噴射装置21は、一端に噴射孔23を有する容器25の内部に上記の実施の形態の例に代表される本発明の積層型圧電素子1が収納されている。
As shown in FIG. 10, in the
容器25内には、噴射孔23を開閉することができるニードルバルブ27が配設されている。噴射孔23には流体通路29がニードルバルブ27の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路29は、外部の流体供給源に連結され、常時高圧で流体である例えば液体が供給されている。従って、積層型圧電素子1の駆動によってニードルバルブ27が噴射孔23を開放すると、流体通路29に供給されていた流体が、噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室(不図示)に、噴射孔23から吐出され噴射されるように構成されている。
A
また、ニードルバルブ27の上端部は内径が大きくなっており、その部分に容器25に形成されたシリンダ31と摺動可能なピストン33が配置されている。そして、容器25内には、本発明の積層型圧電素子1が収納されている。
The upper end of the
このような噴射装置21では、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子1が電圧を印加されて伸長すると、ピストン33が押圧され、ニードルバルブ27が噴射孔23を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子1が収縮し、皿バネ35がピストン33を押し返すことによって流体通路29が開放され、噴射孔23が流体通路29と連通して、噴射孔23から流体の噴射が行なわれるようになっている。
In such an
なお、流体噴射の動作としては、積層型圧電素子1に電圧を印加することによって流体通路29を開放して噴射孔23から流体を吐出し、電圧の印加を停止することによって流体通路29を閉鎖して流体の吐出を停止するように構成してもよい。
The fluid ejection operation is to apply a voltage to the multilayer
また、本発明の噴射装置21は、噴射孔23を有する容器25と、本発明の積層型圧電素子1とを備え、容器25内に充填された流体を積層型圧電素子1の駆動により噴射孔23から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子1は必ずしも容器25の内部にある必要はなく、積層型圧電素子1の駆動によって容器25の内部に噴射孔23への流体の供給および停止を行なうための圧力が加わるように構成されていればよい。また、液体を始めとする流体は、流体通路29を通して噴射孔23に供給されるだけでなく、容器25内の適当な箇所に流体を一時的に溜めておく部分を設けて、容器25内に充填された流体を噴射孔23から吐出させてもよい。
The
なお、本発明において、流体とは、燃料あるいはインク等の液体の他、種々の液状体(導電性ペースト等)および気体が含まれる。これら流体に対して本発明の噴射装置21を用いることによって、流体の流量および噴射タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。
In the present invention, the fluid includes various liquid materials (such as conductive paste) and gas, as well as liquid such as fuel or ink. By using the
本発明の積層型圧電素子1を採用した本発明の噴射装置21を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べて、エンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長期間にわたって精度よく噴射させることができる。
When the
次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。図11は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。 Next, the example of embodiment of the fuel-injection system of this invention is demonstrated. FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a fuel injection system of the present invention.
図11に示すように、本例の燃料噴射システム41は、高圧燃料を蓄えるコモンレール43と、このコモンレール43に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本発明の噴射装置21と、コモンレール43に高圧燃料を供給する圧力ポンプ45と、噴射装置21に駆動信号を与える噴射制御ユニット47とを備えている。
As shown in FIG. 11, the
噴射制御ユニット47は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧燃料の噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に用いる噴射制御ユニット47の場合には、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。
The
圧力ポンプ45は、流体タンク49から流体燃料を高圧でコモンレール43に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム41の場合には、1000〜2000気圧程度、好ましくは1500〜1700気圧程度の高圧にしてコモンレール43に流体燃料を送り込む。
The
コモンレール43では、圧力ポンプ45から送られてきた高圧燃料を蓄え、積層型圧電素子1の駆動に応じて噴射装置21に適宜送り込む。噴射装置21は、前述したように噴射孔23から所定量の流体である高圧燃料を噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器に高圧で吐出(噴射)する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、流体である高圧燃料を噴射孔23からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
In the
なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置ならびに燃料噴射システムに関するものであるが、上記の実施の形態の例に限定されるものでなく、例えば、インクジェットプリンタの印字装置、あるいは圧力センサ等に用いるものであっても、圧電特性を利用した積層型の圧電素子であれば、同様の構成で実施可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. In addition, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element, an injection device, and a fuel injection system, but is not limited to the above-described embodiment, for example, a printing device of an ink jet printer, a pressure sensor, or the like Even if it is what is used for, if it is a laminated type piezoelectric element using a piezoelectric characteristic, it can implement by the same structure.
本発明の積層型圧電素子の例を以下のようにして作製した。 An example of the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows.
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)粉末を主成分とする原料粉末にバインダーおよび可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚みが150μmのセラミックグリーンシートを作製した。 First, a slurry is prepared by mixing a binder powder and a plasticizer with a raw material powder mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) powder having an average particle diameter of 0.4 μm, and a ceramic green sheet having a thickness of 150 μm is prepared by a doctor blade method. Produced.
次に、Ag95質量%−Pd5質量%の金属組成である銀−パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストAと、Ag100質量%の金属組成である銀粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストBとを作製した。
Next, a conductive paste A obtained by adding a binder to a raw material powder containing silver-palladium alloy powder having a metal composition of Ag 95 mass% -
そして、セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストAをスクリーン印刷法により30μmの厚みになるように内部電極層5のパターンで印刷した。そして、導電性ペーストAが印刷された各セラミックグリーンシートを積層して生積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極層5の数が300となるように積層し、生積層体の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ20枚積層し、試料番号1〜5とした。
Then, the conductive paste A was printed on one side of the ceramic green sheet with a pattern of the
次に、予定破断層13として、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層を設けるために、試料番号6,7においては、積層方向の50番目,150番目および250番目に位置する内部電極層5を導電性ペーストBを用いて印刷した。
Next, in order to provide a low-rigidity metal layer made of isolated metal particles as the expected
次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、800〜1000℃で焼成して、積層体7を得た。ここで、試料番号6,7では、導電性ペーストBを用いた層の電極成分の銀が焼成中に隣接する銀濃度の低い金属層に拡散するために、導電性ペーストBを用いた層に、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層である予定破断層13が形成された。
Next, the raw laminate of each sample number was subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, and then fired at 800 to 1000 ° C. to obtain a
そして、各々の試料番号の積層体7に、所望の寸法に加工した上で、表1に示すような作製条件で図2,図3,図4,図6,図7および図9に示す例のようにスリット12が形成できるように、外部電極11をそれぞれ形成した。ここで、まず銀を主成分とする金属粉末にバインダー,可塑剤,ガラス粉末等を添加混合して、外部電極11用の導電性ペーストCを作製した。この導電性ペーストCを、積層体7の側面の外部電極11を形成する箇所にスクリーン印刷等によってパターン印刷した。そして、パターン印刷された導電性ペーストCを乾燥した後、600〜800℃で焼成して、外部電極11を形成した。
Then, after processing the
このとき、外部電極11にスリット12を形成するために、試料番号2〜6については、外部電極11のパターン自体にスリット12の形状も加えたパターンを用いて、スクリーン印刷によって外部電極11にスリット12を形成した。また、試料番号7については、スリット12の形状があり、溝14の形状のない印刷パターンを用いて導電性ペーストCを印刷して乾燥した後、その層に積層するようにスリット12の形状に溝14の形状を加えた印刷パターンを用いて導電性ペーストCを印刷して乾燥したものを600〜800℃で焼成して、スリット12および溝14を有する外部電極11を形成した。
At this time, in order to form the
これら試料2〜7におけるスリット12の形状は、積層体7側の幅よりも外部電極11の表面における開口の幅の方が10%大きくなっているものとした。これは、印刷直後の導電性ペーストCのパターンのエッジ部が表面張力で丸みを帯びた形状になるため、外部電極11の表面における開口の縁部が面取りされた形状になったからである。なお、表1において、スリット12の本数はそれぞれ対応する図に示したスリット12の本数を示しており、スリット12の寸法としては、スリット12の底面すなわち積層体7側の形状を長方形状としたので、長方形状の底面の幅および長さを、幅×長さ(長さについてはそれぞれの本数分の各スリット12の長さを( )内に積層体7の積層方向に形成した順に示した。また、積層方向の同じ位置(同じ高さ)に形成したものは[ ]内に示した。)として表1に示した。
The shape of the
なお、試料番号6,7については、スリット12を予定破断層13に対応する位置に設けた。これについては、表1の本数の欄に(予定破断層)と示した。
For
このようにして作製した各試料を用いて駆動評価を行なった。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価とを行なった。まず、外部電極11にリード線を接続し、正極および負極の外部電極11からリード線を介して圧電体層3に3kV/mmの直流電圧を15分間印加して分極処理を行ない、積層型圧電素子1を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに170Vの直流電圧を印加して、初期状態の変位量を測定した。
Driving evaluation was performed using each sample thus produced. As drive evaluation, high-speed response evaluation and durability evaluation were performed. First, a lead wire is connected to the
高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で0〜+170Vの電圧の交流電圧を150Hzから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で0〜+170Vの電圧の交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動した試験を行なった。これらの試験の結果を表2に示す。 For high-speed response evaluation, an AC voltage of 0 to +170 V at room temperature was applied to each piezoelectric actuator with a frequency gradually increased from 150 Hz. For durability evaluation, an AC voltage of 0 to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a frequency of 150 Hz at room temperature, and a test was continuously performed up to 1 × 10 9 times. The results of these tests are shown in Table 2.
表1および表2に示すように、外部電極11にスリット12を形成しなかった比較例の試料番号1についてのみ、圧電アクチュエータでは、周波数が1kHzを超えたときにうなり音の発生が認められた。これは、試料番号1の積層型圧電素子では、積層体7が外部電極11に拘束されているために、駆動に伴って内部電極層5間に局部発熱が生じた際に、圧電体層3毎の変位速度に乱れが生じ、印加した交流電圧の周波数に変位が追従できなかったためにうなり音が発生したものと考えられる。
As shown in Tables 1 and 2, only the sample No. 1 of the comparative example in which the
なお、駆動周波数を確認するために、横河電機製オシロスコープDL1640Lを用いて試料番号1の駆動信号のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。これについて、表2では高調波成分のノイズ発生の欄に「あり」で示した。
In order to confirm the drive frequency, the pulse waveform of the drive signal of
また、耐久性評価の結果としては、試料番号1では、耐久性評価試験後の変位量(1×109回後の変位量)は5μmとなり、耐久性評価試験前と比較して90%近く({(45−5)/45}×100=88.9(%))低下していた。また、試料番号1の圧電アクチュエータでは、連続駆動後(1×109回)に、外部電極11に剥がれが見られ、また積層体7において積層部分の一部に剥がれが見られた。
As a result of the durability evaluation, in Sample No. 1, the displacement amount after the durability evaluation test (displacement amount after 1 × 10 9 times) is 5 μm, which is nearly 90% compared with that before the durability evaluation test. ({(45-5) / 45} × 100 = 88.9 (%)). Further, in the piezoelectric actuator of
一方、本発明の実施例である試料番号2〜7の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動後(1×109回)に、外部電極11の剥がれおよび積層体7における積層部分の剥がれは見られなかった。また、耐久性評価試験後の変位量の低下がいずれも3μm以下であり、耐久性評価試験前と比較して変位量の低下は7%以下({(48−45)/48}×100=6.25(%))に抑えられていた。このように、本発明の実施例である試料番号2〜7の圧電アクチュエータでは、1×109回の連続駆動後も変位量の低下が確認されず、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
On the other hand, in the piezoelectric actuators of sample numbers 2 to 7 which are embodiments of the present invention, peeling of the
なお、耐久性評価試験後に、試料番号6、7の積層型圧電素子では、予定破断層13に亀裂が生じていた。亀裂の位置はスリット12を設けた部分であることが確認できたので、予定破断層13がスリット12を用いることによって優先的に破断し、積層体7における応力を緩和したことを確認できた。
In addition, after the durability evaluation test, in the laminated piezoelectric elements of Sample Nos. 6 and 7, the expected
さらに、積層体7の中央部に熱電対を貼り付けて、駆動中の積層体7の最高温度を計測したところ、表2に示すように、スリット12が応力緩和効果とともに有する熱放散効果により、積層体7の中央部の自己発熱による温度上昇を抑止できたことが確認できた。このことによっても、外部電極11の剥がれを防止できたと考えられる。
Furthermore, when a thermocouple was attached to the central portion of the
1・・・積層型圧電素子
3・・・圧電体層
5・・・内部電極層
7・・・積層体
11・・・外部電極
12・・・スリット
13・・・予定破断層
14・・・溝
21・・・噴射装置
23・・・噴射孔
25・・・収納容器(容器)
27・・・ニードルバルブ
29・・・流体通路
31・・・シリンダ
33・・・ピストン
35・・・皿バネ
41・・・燃料噴射システム
43・・・コモンレール
45・・・圧力ポンプ
47・・・噴射制御ユニット
49・・・燃料タンク
DESCRIPTION OF
11 ... External electrode
12 ... Slit
13 ... Scheduled fracture layer
14 ... Groove
21 ... Injection device
23 ・ ・ ・ Injection hole
25 ・ ・ ・ Storage container (container)
27 ... Needle valve
29 ・ ・ ・ Fluid passage
31 ... Cylinder
33 ... Piston
35 ... Belleville spring
41 ... Fuel injection system
43 ... Common rail
45 ... Pressure pump
47 ・ ・ ・ Injection control unit
49 ... Fuel tank
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