JP2000077733A - 積層型圧電素子 - Google Patents
積層型圧電素子Info
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- JP2000077733A JP2000077733A JP10241339A JP24133998A JP2000077733A JP 2000077733 A JP2000077733 A JP 2000077733A JP 10241339 A JP10241339 A JP 10241339A JP 24133998 A JP24133998 A JP 24133998A JP 2000077733 A JP2000077733 A JP 2000077733A
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- Japan
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- piezoelectric element
- stress relaxation
- laminated
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高温下でも信頼性の高い圧電素子を提供するこ
とである。 【解決手段】圧電性を有する圧電材と導電性を有する導
電材を交互に積層一体化してなる積層型圧電素子におい
て、積層方向に垂直な側面に応力緩和層を形成したこと
を特徴とする積層型圧電素子。 【効果】本発明の構造を用いることにより、高温下でも
信頼性の高い圧電素子を提供することができる。
とである。 【解決手段】圧電性を有する圧電材と導電性を有する導
電材を交互に積層一体化してなる積層型圧電素子におい
て、積層方向に垂直な側面に応力緩和層を形成したこと
を特徴とする積層型圧電素子。 【効果】本発明の構造を用いることにより、高温下でも
信頼性の高い圧電素子を提供することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アクチュエータ又
はセンサーなどとして用いる積層型圧電素子に関する。
はセンサーなどとして用いる積層型圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気的エネルギーと機械的エネルギーを
相互に変換可能な圧電素子の構造として、圧電材と内部
電極を交互に積層した積層型圧電素子が報告されてい
る。
相互に変換可能な圧電素子の構造として、圧電材と内部
電極を交互に積層した積層型圧電素子が報告されてい
る。
【０００３】一例として、特開平6−232466 号公報では
内部電極と外部電極の間にガラスフリットを含有する導
電部を形成することが報告されている。
内部電極と外部電極の間にガラスフリットを含有する導
電部を形成することが報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特開平6−232466 号公
報に記載の積層型圧電素子では、内部電極と外部電極の
間に形成した導電部のガラスフリット量を徐々に変化さ
せた多層とすることにより、両者の間を好適に接合して
いるが、高温下で長期間に渡って使用する場合、上記多
層が均質化して単層となり、室温近傍で使用する場合に
較べて破壊しやすくなるという問題がある。
報に記載の積層型圧電素子では、内部電極と外部電極の
間に形成した導電部のガラスフリット量を徐々に変化さ
せた多層とすることにより、両者の間を好適に接合して
いるが、高温下で長期間に渡って使用する場合、上記多
層が均質化して単層となり、室温近傍で使用する場合に
較べて破壊しやすくなるという問題がある。
【０００５】本発明は高温下でも信頼性の高い圧電素子
を提供することを目的とする。
を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する第１
の特徴は、圧電性を有する圧電材と導電性を有する内部
電極を交互に積層一体化してなる積層型圧電素子におい
て、積層方向に垂直な側面に応力緩和層を形成すること
である。
の特徴は、圧電性を有する圧電材と導電性を有する内部
電極を交互に積層一体化してなる積層型圧電素子におい
て、積層方向に垂直な側面に応力緩和層を形成すること
である。
【０００７】上記目的を達成する第２の特徴は、圧電性
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層が無機質多孔体と導電
性物質が混在した構造を有することである。
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層が無機質多孔体と導電
性物質が混在した構造を有することである。
【０００８】上記目的を達成する第３の特徴は、圧電性
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層の厚さが１００μｍよ
り小さいことである。
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層の厚さが１００μｍよ
り小さいことである。
【０００９】上記目的を達成する第４の特徴は、圧電性
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層を構成する導電性物質
に導電性を有する粒子が含まれていることである。
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層を構成する導電性物質
に導電性を有する粒子が含まれていることである。
【００１０】上記目的を達成する第５の特徴は、圧電性
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層を構成する導電性物質
に含まれている導電性を有する粒子の粒径が５μｍより
小さいことである。
を有する圧電材と導電性を有する内部電極とを交互に積
層一体化してなる積層型圧電素子において、積層方向に
垂直な側面に形成する応力緩和層を構成する導電性物質
に含まれている導電性を有する粒子の粒径が５μｍより
小さいことである。
【００１１】上記目的を達成する第６の特徴は、上記第
１から５の特徴に記載の積層型圧電素子を用いたエンジ
ン用燃料供給装置である。
１から５の特徴に記載の積層型圧電素子を用いたエンジ
ン用燃料供給装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例の積層型
圧電素子の構成を示す模式断面図である。本実施例の積
層型圧電素子では圧電性を有する圧電材１と外部電極３
の間、導電性を有する内部電極２と外部電極３との間、
内部電極２上に形成された絶縁層８と外部電極３との間
に応力緩和層５が形成されている。さらに詳細には図２
に示すように、応力緩和層５が３次元的に連続した空隙
を有する無機質多孔体６と導電性物質７が混在した構造
を有している。導電性物質７は無機質多孔体６の３次元
的に連続した空隙に存在し、３次元的に導電経路を有す
るため、本実施例の応力緩和層は導電性を損なうことは
ない。本実施例ではこのような応力緩和層を有している
ため、従来材の課題であった変形量や熱膨張係数差に起
因した残留応力を、応力緩和層を構成する無機質多孔質
自体の変形、又は導電性物質による滑り変形などにより
緩和することができる。また無機質多孔体と導電性物質
を交互に積層した積層構造を形成することにより、多孔
体間での導電性物質による滑りも発生してより残留応力
を緩和することができる。応力緩和層の厚さは、構成す
る無機質多孔体や導電性物質の物性により異なるため一
概には言えないが１００μｍより小さいことが望まし
い。応力緩和層の厚さがこれ以上になると、応力緩和層
と圧電材の熱膨張係数差に起因する残留応力が大きくな
り、両者の界面で剥離を起こすためである。
圧電素子の構成を示す模式断面図である。本実施例の積
層型圧電素子では圧電性を有する圧電材１と外部電極３
の間、導電性を有する内部電極２と外部電極３との間、
内部電極２上に形成された絶縁層８と外部電極３との間
に応力緩和層５が形成されている。さらに詳細には図２
に示すように、応力緩和層５が３次元的に連続した空隙
を有する無機質多孔体６と導電性物質７が混在した構造
を有している。導電性物質７は無機質多孔体６の３次元
的に連続した空隙に存在し、３次元的に導電経路を有す
るため、本実施例の応力緩和層は導電性を損なうことは
ない。本実施例ではこのような応力緩和層を有している
ため、従来材の課題であった変形量や熱膨張係数差に起
因した残留応力を、応力緩和層を構成する無機質多孔質
自体の変形、又は導電性物質による滑り変形などにより
緩和することができる。また無機質多孔体と導電性物質
を交互に積層した積層構造を形成することにより、多孔
体間での導電性物質による滑りも発生してより残留応力
を緩和することができる。応力緩和層の厚さは、構成す
る無機質多孔体や導電性物質の物性により異なるため一
概には言えないが１００μｍより小さいことが望まし
い。応力緩和層の厚さがこれ以上になると、応力緩和層
と圧電材の熱膨張係数差に起因する残留応力が大きくな
り、両者の界面で剥離を起こすためである。
【００１３】本実施例の積層型圧電素子は、従来の積層
型圧電素子に較べて高温での動作が可能であるため、例
えば自動車用エンジンの燃料供給装置などに用いること
ができる。
型圧電素子に較べて高温での動作が可能であるため、例
えば自動車用エンジンの燃料供給装置などに用いること
ができる。
【００１４】応力緩和層の例として、酸化ケイ素を主成
分とする無機質多孔体と銀粒子やパラジウム粒子などの
導電粒子を含んだ導電性物質が混在したものが挙げられ
る。このような応力緩和層の形成方法として、例えばゾ
ルーゲル法が挙げられる。すなわち銀粒子やパラジウム
粒子などの導電粒子を含んだゾル溶液と酸化ケイ素を含
んだゾル溶液を塗布し、これを加熱して応力緩和層を形
成する。ゾル状態からゲル状態への変化の際、ゲル溶液
中の溶媒成分が除去され、酸化ケイ素を主成分とする無
機質多孔体と銀粒子やパラジウム粒子などの導電粒子を
含んだ導電性物質が混在した応力緩和層が形成される。
また、導電粒子を含んだゾル溶液と酸化ケイ素を含んだ
ゾル溶液を交互に塗布することにより、銀粒子やパラジ
ウム粒子などの導電粒子を含んだ導電性物質とケイ素を
主成分とする多孔体が交互に積層した構造も形成でき
る。加熱温度はゾル溶液の成分や銀粒子，パラジウム粒
子などの導電粒子の種類や量により異なるため、一概に
は言えないが、概ね５００℃以下である。また各ゾル溶
液に適した所定の波長の光を照射したのち加熱すること
により、加熱温度を低下することもできる。
分とする無機質多孔体と銀粒子やパラジウム粒子などの
導電粒子を含んだ導電性物質が混在したものが挙げられ
る。このような応力緩和層の形成方法として、例えばゾ
ルーゲル法が挙げられる。すなわち銀粒子やパラジウム
粒子などの導電粒子を含んだゾル溶液と酸化ケイ素を含
んだゾル溶液を塗布し、これを加熱して応力緩和層を形
成する。ゾル状態からゲル状態への変化の際、ゲル溶液
中の溶媒成分が除去され、酸化ケイ素を主成分とする無
機質多孔体と銀粒子やパラジウム粒子などの導電粒子を
含んだ導電性物質が混在した応力緩和層が形成される。
また、導電粒子を含んだゾル溶液と酸化ケイ素を含んだ
ゾル溶液を交互に塗布することにより、銀粒子やパラジ
ウム粒子などの導電粒子を含んだ導電性物質とケイ素を
主成分とする多孔体が交互に積層した構造も形成でき
る。加熱温度はゾル溶液の成分や銀粒子，パラジウム粒
子などの導電粒子の種類や量により異なるため、一概に
は言えないが、概ね５００℃以下である。また各ゾル溶
液に適した所定の波長の光を照射したのち加熱すること
により、加熱温度を低下することもできる。
【００１５】次に、本実施例材と比較材との特性を評価
した結果を示す。
した結果を示す。
【００１６】本実施例材は、まずチタン酸ジルコン酸塩
（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミックス粉末に有機
バインダーを添加し、これを有機溶媒中に分散させてス
ラリ−を作り、テープキャスト法により膜厚約１５０μ
ｍのセラミックスシートを作る。このセラミックスシー
トに銀とパラジウム粉末を混合したペーストをスクリー
ン印刷で形成した。このシートを所定の枚数積層し、最
後に上記ペーストを印刷していないセラミックスシート
を乗せて熱加圧して一体化した。これを所定の寸法に切
断後、加熱焼成して積層体を作製した。積層体の積層方
向に垂直な４つの側面のうち、平行する２つの側面に露
出している内部電極上にガラスペーストを塗布加熱して
一層毎に交互に絶縁層を形成した。絶縁層形成後の側面
に銀粒子とパラジウム粒子を２０％含んだゾル溶液と酸
化ケイ素を２０％含んだゾル溶液を交互に塗布後、２０
０℃で３０分加熱して応力緩和層を形成した。その後応
力緩和層上に外部電極及びリード線を形成した。外部電
極には無機高温接着剤を、リード線には銅線を用い、無
機高温接着剤で接合した。
（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミックス粉末に有機
バインダーを添加し、これを有機溶媒中に分散させてス
ラリ−を作り、テープキャスト法により膜厚約１５０μ
ｍのセラミックスシートを作る。このセラミックスシー
トに銀とパラジウム粉末を混合したペーストをスクリー
ン印刷で形成した。このシートを所定の枚数積層し、最
後に上記ペーストを印刷していないセラミックスシート
を乗せて熱加圧して一体化した。これを所定の寸法に切
断後、加熱焼成して積層体を作製した。積層体の積層方
向に垂直な４つの側面のうち、平行する２つの側面に露
出している内部電極上にガラスペーストを塗布加熱して
一層毎に交互に絶縁層を形成した。絶縁層形成後の側面
に銀粒子とパラジウム粒子を２０％含んだゾル溶液と酸
化ケイ素を２０％含んだゾル溶液を交互に塗布後、２０
０℃で３０分加熱して応力緩和層を形成した。その後応
力緩和層上に外部電極及びリード線を形成した。外部電
極には無機高温接着剤を、リード線には銅線を用い、無
機高温接着剤で接合した。
【００１７】図３のように、本実施例材に対する比較材
は、本実施例と同様にして作製した積層体の側面に絶縁
層を形成した後、応力緩和層を形成せずに外部電極及び
リード線を形成した。
は、本実施例と同様にして作製した積層体の側面に絶縁
層を形成した後、応力緩和層を形成せずに外部電極及び
リード線を形成した。
【００１８】この積層型圧電素子は図３に示すように内
部電極２が一層おきに外部電極３に接続されており、さ
らにこの外部電極３にリード線４が接続されている。リ
ード線４間に電圧を印加すると、お互いに隣接する内部
電極２間に異符号の電荷が誘起され内部電極２間の圧電
材１に電圧がかかり積層方向に変位を生じる。この圧電
材１の変形に対して、側面に形成されている外部電極３
はほとんど変形しないため、両者の間で変形量に起因し
た残留応力が形成される。またこの積層型圧電素子を高
温下で使用する場合、圧電材１と外部電極３，内部電極
２と外部電極３，絶縁層８と外部電極３との熱膨張係数
差に起因した残留応力が両者の間で発生し、室温近傍で
利用する場合に較べて容易に破壊を招く恐れがある。
部電極２が一層おきに外部電極３に接続されており、さ
らにこの外部電極３にリード線４が接続されている。リ
ード線４間に電圧を印加すると、お互いに隣接する内部
電極２間に異符号の電荷が誘起され内部電極２間の圧電
材１に電圧がかかり積層方向に変位を生じる。この圧電
材１の変形に対して、側面に形成されている外部電極３
はほとんど変形しないため、両者の間で変形量に起因し
た残留応力が形成される。またこの積層型圧電素子を高
温下で使用する場合、圧電材１と外部電極３，内部電極
２と外部電極３，絶縁層８と外部電極３との熱膨張係数
差に起因した残留応力が両者の間で発生し、室温近傍で
利用する場合に較べて容易に破壊を招く恐れがある。
【００１９】評価方法としては、１５０℃に加熱したシ
リコンオイル中に本実施例材，比較材を浸積し、周波数
１００Ｈｚの正弦波で１００Ｖ印加して各素子を駆動さ
せた。その結果、比較材は繰り返し数１０6 回以下で破
壊したのに対して、本実施例材は１０8 回以上でも異常
は見られなかった。
リコンオイル中に本実施例材，比較材を浸積し、周波数
１００Ｈｚの正弦波で１００Ｖ印加して各素子を駆動さ
せた。その結果、比較材は繰り返し数１０6 回以下で破
壊したのに対して、本実施例材は１０8 回以上でも異常
は見られなかった。
【００２０】本実施例材を評価試験後、ＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）を用いて応力緩和層を観察したところ、図
２に模式的に示したように３次元的に連続した空隙を有
する酸化ケイ素を主成分とする多孔体と銀粒子やパラジ
ウム粒子を含んだ導電性物質が混在した構造を示してい
た。この応力緩和層の厚さは１０μｍ以下であった。ち
なみに銀粒子とパラジウム粒子を含んだゾル溶液と酸化
ケイ素を含んだゾル溶液の塗布量を増やして、応力緩和
層の厚さが１００μｍ以上の素子を作製したところ、１
５０℃に加熱したシリコンオイル中に投入した直後に圧
電材と外部電極との間で剥離を起こし、評価するに至ら
なかった。
電子顕微鏡）を用いて応力緩和層を観察したところ、図
２に模式的に示したように３次元的に連続した空隙を有
する酸化ケイ素を主成分とする多孔体と銀粒子やパラジ
ウム粒子を含んだ導電性物質が混在した構造を示してい
た。この応力緩和層の厚さは１０μｍ以下であった。ち
なみに銀粒子とパラジウム粒子を含んだゾル溶液と酸化
ケイ素を含んだゾル溶液の塗布量を増やして、応力緩和
層の厚さが１００μｍ以上の素子を作製したところ、１
５０℃に加熱したシリコンオイル中に投入した直後に圧
電材と外部電極との間で剥離を起こし、評価するに至ら
なかった。
【００２１】応力緩和層を構成する導電性物質が良好な
潤滑作用を示し、残留応力低減に有効に作用するために
は、導電性物質のなかに微細な導電性を有する粒子が含
まれていることが望ましい。上記の評価実験でも、発明
材中の導電性物質には粒径が１μｍより小さな銀粒子と
パラジウム粒子が含まれていた。比較のため、５μｍよ
り大きい銀粒子とパラジウム粒子を含んだゾル溶液を用
いて、同様にして導電性物質中に５μｍより大きい銀粒
子とパラジウム粒子を含んだ素子を作製，評価したとこ
ろ、繰り返し数１０6 回以下で破壊が発生した。
潤滑作用を示し、残留応力低減に有効に作用するために
は、導電性物質のなかに微細な導電性を有する粒子が含
まれていることが望ましい。上記の評価実験でも、発明
材中の導電性物質には粒径が１μｍより小さな銀粒子と
パラジウム粒子が含まれていた。比較のため、５μｍよ
り大きい銀粒子とパラジウム粒子を含んだゾル溶液を用
いて、同様にして導電性物質中に５μｍより大きい銀粒
子とパラジウム粒子を含んだ素子を作製，評価したとこ
ろ、繰り返し数１０6 回以下で破壊が発生した。
【００２２】また、本実施例の積層型圧電素子をガソリ
ンエンジンの燃料供給装置に組み込み、ガソリン噴射用
アクチュエータとしての評価試験も行った。試験は１２
０℃中、エンジンの回転数５００〜１００００rpm に対
応してガソリン噴射挙動を調べた。その結果、従来用い
られている電磁式アクチュエータに較べて、全ての回転
数領域で入力信号に対するガソリン噴射応答速度が１／
５以下に低減され、本実施例材がエンジンの燃料供給装
置部品として優れた特性を示すことが明らかとなった。
ンエンジンの燃料供給装置に組み込み、ガソリン噴射用
アクチュエータとしての評価試験も行った。試験は１２
０℃中、エンジンの回転数５００〜１００００rpm に対
応してガソリン噴射挙動を調べた。その結果、従来用い
られている電磁式アクチュエータに較べて、全ての回転
数領域で入力信号に対するガソリン噴射応答速度が１／
５以下に低減され、本実施例材がエンジンの燃料供給装
置部品として優れた特性を示すことが明らかとなった。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば高温下でも信頼性の高い
圧電素子を提供することができる。
圧電素子を提供することができる。
【図１】本発明の実施例の積層型圧電素子の構造の模式
図。
図。
【図２】本発明の実施例の積層型圧電素子の応力緩和層
近傍の構造の模式図。
近傍の構造の模式図。
【図３】比較例の積層型圧電素子の構造の模式図。
１…圧電材、２…内部電極、３…外部電極、４…リード
線、５…応力緩和層、６…無機質多孔体、７…導電性物
質、８…絶縁層。
線、５…応力緩和層、６…無機質多孔体、７…導電性物
質、８…絶縁層。
フロントページの続き (72)発明者 林原 光男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 秀夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 綿引 誠次 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 石田 富雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】圧電性を有する圧電材と導電性を有する電
極を交互に積層してなる積層型圧電素子において、積層
方向に垂直な側面に応力緩和層を形成したことを特徴と
する積層型圧電素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の積層型圧電素子におい
て、応力緩和層が無機質多孔体と導電性物質が混在した
ものであることを特徴とする積層型圧電素子。 - 【請求項３】請求項１，２に記載の積層型圧電素子にお
いて、応力緩和層の厚さが１００μｍより小さいことを
特徴とする積層型圧電素子。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の積層型
圧電素子において、応力緩和層に導電性を有する粒子が
含まれていることを特徴とする積層型圧電素子。 - 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の積層型
圧電素子において、応力緩和層に含まれている導電性を
有する粒子の粒径が５μｍより小さいことを特徴とする
積層型圧電素子。 - 【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の積層型
圧電素子を有することを特徴とするエンジン用燃料供給
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10241339A JP2000077733A (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10241339A JP2000077733A (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 積層型圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000077733A true JP2000077733A (ja) | 2000-03-14 |
Family
ID=17072841
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10241339A Pending JP2000077733A (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000077733A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003061022A2 (de) * | 2002-01-17 | 2003-07-24 | Epcos Ag | Piezoelektrisches bauelement und verfahren zu dessen herstellung |
| WO2005029603A1 (ja) * | 2003-09-24 | 2005-03-31 | Kyocera Corporation | 積層型圧電素子 |
| WO2005029602A1 (ja) * | 2003-09-24 | 2005-03-31 | Kyocera Corporation | 積層型圧電素子 |
| JP2005101207A (ja) * | 2003-09-24 | 2005-04-14 | Kyocera Corp | 積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置 |
| JP2005183607A (ja) * | 2003-12-18 | 2005-07-07 | Kyocera Corp | 積層型圧電素子及び噴射装置 |
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