JP2004087731A - Laminated piezoelectric element and jet device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子及び噴射装置に関し、例えば、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素子及び噴射装置に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来より、積層型圧電素子としては、圧電体と内部電極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。
【0003】
図5は、従来の積層型圧電アクチュエータを示すもので、このアクチュエータでは、圧電体51と内部電極52が交互に積層されて柱状積層体53が形成され、その積層方向における両端面には不活性層55が積層されている。内部電極52は、その一方の端部が左右交互に絶縁体61で被覆され、その上から帯状外部電極70が内部電極52と左右各々一層おきに導通するように形成されている。帯状外部電極70上には、さらにリード線76が半田77により固定されている。
【0004】
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長期間連続駆動させることが行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した圧電アクチュエータでは、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、圧電体51間に形成された内部電極52と、正極、負極用の外部電極70との間で剥離が発生し、一部の圧電体51に電圧供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【0006】
また、特開平7−283451号公報や特開平8−51240号公報などには、一層おきの内部電極の端部にメッキにより導電性凸部を形成することが開示されているが、該導電性凸部と積層体との接合強度が弱いために、駆動中に前記導電性凸部と内部電極端部が剥離し、圧電体の一部に電圧が供給されなくなり、変位特性が低下するといった問題があった。
【0007】
このような問題を解決するために、本出願人は、先に、内部電極の端部に一層おきに柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子と、板状導電部材からなる外部電極とを接合した積層型圧電素子を出願した(特願2002−50252号)。
【0008】
このような積層型圧電素子では、積層型圧電体を駆動すると、突起状導電性端子が変形してアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転させた場合でも、外部電極と内部電極との断線を抑制することができ、耐久性を大幅に向上できるものの、外部電極を1枚の板状導電部材により構成すると、アクチュエータの伸縮により外部電極に過大な応力が発生するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転における外部電極のさらなる耐久性向上が要望されている。
【0009】
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、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及び噴射装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体と、該柱状積層体の側面に設けられ、前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極とを具備してなる積層型圧電素子であって、前記内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材からなる外部電極を接合してなるとともに、前記外部電極が、前記柱状積層体の積層方向に複数に分割されており、該分割外部電極が導電性補助部材によって連結されていることを特徴とする。
【0011】
本発明の積層型圧電素子では、内部電極の端部に一層おきに柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子と、板状導電部材からなる外部電極とを接合したため、積層型圧電体が積層方向に駆動すると、突起状導電性端子が変形してアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収するため、高電界、高圧力下で長期間連続運転させた場合でも、外部電極と内部電極との断線を抑制することができ、耐久性を大幅に向上できる。
【0012】
また、本発明では、外部電極が、前記柱状積層体の積層方向に複数に分割されているため、外部電極に作用する応力を分散でき、高電界下で駆動させた場合においても、外部電極にクラックが生じたり断線したりする問題が生じることはない。
【0013】
さらに、外部電極の外側には導電性補助部材が設けられ、各々の外部電極は導電性補助部材によって連結されているため、アクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができるため、外部電極が局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【0014】
また、本発明の積層型圧電素子は、柱状積層体側面の突起状導電性端子間には、内部電極端が露出する凹溝が形成されていることを特徴とする。このような積層型圧電素子では、いわゆる部分電極構造の積層型圧電素子に比較して発生応力を低減できるとともに、突起状導電性端子を介して外部電極に接続する内部電極端部の厚みを柱状積層体中央部の内部電極の厚みよりも有効的に厚くすることができるため、内部電極と外部電極の間で接点不良の問題が生じるのを防ぐことができる。
【0015】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、一部の突起状導電性端子には、複数の分割外部電極が接合されていることを特徴とする。このような構成によれば、分割外部電極は一部の内部電極に並列に接続されることになり、分割外部電極の積層方向端部付近において分割外部電極と突起状導電性端子との接続を確実に行うことができ、高電界下で駆動させた場合においても内部電極と外部電極の接点不良を防止できる。
【0016】
また、本発明の積層型圧電素子は、柱状積層体の積層方向端部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さは、柱状積層体の積層方向中央部に設けられた分割外部電極の積層方向の長さよりも短いことを特徴とする。このような構成によれば、柱状積層体の積層方向両端部に近いほど柱状積層体の伸縮によって外部電極に発生する応力が大きくなるため、積層方向両端部に近いほど分割外部電極の長さを短くすることにより、分割外部電極に作用する応力を分散できる。
【0017】
さらに、本発明では、柱状積層体の側面に複数の分割外部電極が直線状に配列されており、前記複数の分割外部電極の対向する部分に凹凸部が形成され、これらの凹凸部が噛合していることを特徴とする。このような構成によれば、分割外部電極の凹凸部では、内部電極に2つの分割外部電極が並列に接続されており、この部分の2つの分割外部電極の幅の和と、単一で内部電極に接続されている分割外部電極の部分の幅を略同一にすることができ、これにより、外部電極全体の幅を増すことなく、信頼性のある外部電極を形成することができる。
【0018】
また、本発明では、導電性補助部材が、導電性のメッシュ部材を埋設した導電性接着剤からなることを特徴とする。このような構成によれば、導電性補助部材としてフレキシブルな導電性接着剤を用いることにより、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、導電性補助部材が剥離したり、断線したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。また、該導電性接着剤に導電性のメッシュ部材を埋設しているため、アクチュエータの伸縮によって該導電性接着剤にクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。
【0019】
また、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するものである。
【0020】
このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子自体において外部電極と内部電極との断線を抑制でき、耐久性を大幅に向上できるため、噴射装置の耐久性をも向上できる。
【0021】
【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からなる積層型圧電素子の一実施例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’線に沿った縦断面図、(c)は(a)の一部を拡大して示す斜視図、(d)は内部電極と外部電極の接合部近傍の拡大図である。
【0022】
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、積層型圧電素子の伸縮方向に変形可能な突起状導電性端子5を設け、これらの突起状導電性端子5の先端部に板状導電部材からなる外部電極4を接合して構成されている。
【0023】
板状導電部材は、図2に示すように、柱状積層体1aの積層方向に複数に分割され、即ち、外部電極4が複数の分割外部電極4aから構成されている。これらの複数の分割外部電極4aは、図1(d)に示すように、その外側に設けられた導電性補助部材7によって連結されており、該導電性補助部材7は、導電性接着剤7a中に導電性のメッシュ状部材7bを埋設して構成されている。各導電性補助部材7にはリード線6が接続固定されている。
【0024】
圧電体1は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O3(以下PZTと略す)、或いはチタン酸バリウムBaTiO3を主成分とする圧電セラミックス材料等で形成されている。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。
【0025】
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。これは、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、積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を増加させた場合に圧電体1の厚みが厚すぎるとアクチュエータの小型化、低背化ができなくなり、一方、圧電体1の厚みが薄すぎると絶縁破壊しやすいからである。
【0026】
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は銀−パラジウム等の金属材料で形成されており、各圧電体1に所定の電圧を印加し、圧電体1に逆圧電効果による変位を起こさせる作用をなす。
【0027】
また、柱状積層体1a側面の突起状導電性端子5間には、深さ50〜500μm、積層方向の幅30〜200μmの凹溝11が形成されており、この凹溝11内にガラス、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、具体的にはシリコーンゴム等からなることが好適である。
【0028】
突起状導電性端子5と絶縁体3は、外部電極4が形成される柱状積層体1aの側面に露出した内部電極2に交互に形成されている。
【0029】
即ち、凹溝11内に充填された絶縁体3により内部電極2の端部が互い違いに一層おきに絶縁され、内部電極2の絶縁されていない他方の端部は、突起状導電性端子5を介して板状導電部材からなる外部電極4と接合されている。
【0030】
柱状積層体1aの対向する側面には、それぞれ板状導電部材からなる外部電極4が突起状導電性端子5を介して内部電極2に接続固定されており、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。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。
【0031】
突起状導電性端子5の積層方向と同一方向の厚みBは、図1(c)に示すように、外部電極4と内部電極2との接続部の抵抗を低くし、且つアクチュエータの駆動時に生じる応力を十分に吸収するという点から、1μm以上且つ圧電体1厚みの1/2以下であることが望ましい。特には、厚みBは5〜25μmが望ましい。
【0032】
また、突起状導電性端子5の突出高さhは、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、圧電体1厚みの1/20以上であることが望ましい。特には突出高さhは、15〜50μmが望ましい。
【0033】
さらに、分割外部電極4aの厚みtは、アクチュエータの伸縮に追従し、分割外部電極4aと突起状導電性端子5の間、若しくは突起状導電性端子5と内部電極2の間で断線を生じないという点から、50μm以下であることが望ましい。
【0034】
本発明では、外部電極4が突起状導電性端子5を介して内部電極2と接続されているため、アクチュエータを高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、突起状導電性端子5がアクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収し、外部電極4と内部電極2の断線を抑制することができ、耐久性に優れたアクチュエータを提供することができる。
【0035】
また、外部電極4は、図2に示したように、柱状積層体1aの積層方向に複数に分割されており、各々はその外側に設けられた導電性補助部材7によって接続されている。尚、図2では導電性補助部材7は省略した。
【0036】
本発明では、外部電極4は積層方向に分割されているため、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を分散することができ、外部電極4の信頼性を向上させることができる。即ち、外部電極4を一枚の板状導電部材により構成すると、アクチュエータの伸縮により外部電極4に過大な応力が発生し、破断する等の危険性があったが、本発明では、外部電極4を、柱状積層体1aの積層方向に配列された複数の分割外部電極4aにより構成したため、伸縮により外部電極4に発生する応力を分散することができ、外部電極4の信頼性を向上できる。
【0037】
さらに、導電性補助部材7には、図1に示したように、リード線6が半田により接続固定されている。このリード線6は導電性補助部材7および外部電極4を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
【0038】
また、分割外部電極4aの外側には、各々の分割外部電極4aを電気的に接続し、また、高速でアクチュエータを駆動させる場合に投入する大電流を優先的に流すことができる導電性補助部材7を備えているため、アクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材7に流すことができるため、分割外部電極4aが局所発熱を起こして断線するのを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【0039】
内部電極2は、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金合金、等の銀が主成分の金属および合金からなる。また、突起状導電性端子5および分割外部電極4aに関しても主成分が銀であることが望ましい。これは、内部電極2と突起状導電性端子5および分割外部電極4aの主成分を同一の銀とすることにより、突起状導電性端子5と内部電極2の間、及び突起状導電性端子5と分割外部電極4aの間で、銀が相互拡散し、これにより、各々の間での接合強度を強固にすることができるためである。また、突起状導電性端子5と分割外部電極4aは、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点からも、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
【0040】
柱状積層体1aの積層方向に分割された分割外部電極4aは、図2(b−1)(b−2)(c−1)(c−2)に示すように、一部並列に内部電極2と接続されていることが望ましい。即ち、分割外部電極4aの繋ぎ目の部分は、柱状積層体1aの側方から見て重なっており、一部の突起状導電性端子5には、複数の分割外部電極4aが接合されていることが望ましい。
【0041】
これにより、分割外部電極4aの積層方向の端部付近において、分割外部電極4aと突起状導電性端子5との接続を確実に行い、高電界下で駆動させた場合においても内部電極2と外部電極4の接点不良を防止することができる。なお、複数の分割外部電極4aに接続される内部電極2は、1層以上であれば何層でも良い。
【0042】
尚、図2(a−1)は、一つの絶縁体3を挟んで分割外部電極4a同士を直線状に配列した状態、(a−2)は、圧電体1側面で分離されている状態、(b−1)は2つの分割外部電極4aが1層の内部電極2に並列に接続されている状態、(b−2)は2つの分割外部電極4aが2層の内部電極2に並列に接続されている状態、(c−1)は2つの分割外部電極4aの先端部がL字状とされ、これらが噛合し、2つの分割外部電極4aが1層の内部電極2に並列に接続されている状態、(c−2)は2つの分割外部電極4aの先端部がL字状とされ、これらが噛合し、2つの分割外部電極4aが2層の内部電極2に並列に接続されている状態を示すものである。
【0043】
図2(c−1)(c−2)に示す分割外部電極4aでは、先端部をL字状の凹凸部4a1、4a2としたが、凹凸部は、鋸歯状でも良く、少なくとも一つの突出部を有するものであれば良い。
【0044】
また、分割外部電極4aは柱状積層体1aの積層方向両端部に近いほど、分割外部電極4aの長さが短いこと、即ち、柱状積層体1aの積層方向端部に設けられた分割外部電極4aの積層方向の長さは、柱状積層体1aの積層方向中央部に設けられた分割外部電極4aの積層方向の長さよりも短いことが望ましい。
【0045】
これは、積層方向両端部に近い分割外部電極4aほど柱状積層体1aの伸縮によって発生する応力が大きいため、積層方向端に近いほど分割外部電極4aの長さを短くすることにより、外部電極4に作用する応力を分散させることができる。
【0046】
さらに、図2(c−1)(c−2)に示すように、柱状積層体1aの側面に複数の分割外部電極4aが直線状に配列しており、隣設する分割外部電極4aの対向する部分に凹凸部4a1、4a2が形成され、これらの凹凸4a1、4a2が噛合していることが望ましい。これにより、2つの分割外部電極4aが並列に内部電極2に接続されている部分の幅(積層方向に直交する方向の長さ)の和と、単一で内部電極2に接続されている部分の幅をほぼ同一とでき、2つの分割外部電極4aの連結部において、外部電極4の全体に占める幅を増すことがなく、信頼性のある外部電極4を形成することができる。また、分割外部電極4aが直線状に配列されているので、導電性補助部材7の形成も容易である。
【0047】
また、図1(d)に示すように、複数の分割外部電極4aの外側に設けられ、各々の分割外部電極4aを連結する導電性補助部材7は、導電性のメッシュ状部材7bを埋設した導電性接着剤7aであることが望ましい。これは、導電性補助部材7をフレキシブルな導電性接着剤7aとすることにより、アクチュエータの伸縮によって生じる応力を吸収することができ、導電性補助部材7が剥離したり、断線したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。また、該導電性接着剤7aに導電性のメッシュ部材7bを埋設しているため、アクチュエータの伸縮によって該導電性接着剤7aにクラックが生じるといった問題が発生するのを防ぐことができる。
【0048】
この場合、導電性接着剤7aは、耐熱性および抵抗値を考慮して、ポリイミドに銀粉末を分散させたものが望ましい。また、導電性のメッシュ状部材7bは、銀、ニッケル、銅、金、アルミニウム等の導電性を備えた金属及びそれらの合金からなるメッシュ若しくはメッシュ状の板で、導電性接着剤7aにクラックが生じるのを防ぐ役目をもつ。
【0049】
次に、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。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成る柱状積層体1aは、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。
【0050】
次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、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。
【0051】
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った後、900〜1200℃で焼成することによって作製される。
【0052】
その後、図3(a)に示すように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凹溝11を形成する。
【0053】
次に、図3(b)に示すように、凹溝11間における柱状積層体1a側面に、粒径0.1〜10μmの銀粉末を50〜80体積%と、残部が粒径0.1〜10μmでケイ素を主成分とする軟化点が600〜950℃のガラス粉末20〜50体積%からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペースト21を塗布、乾燥する。
【0054】
さらに、この銀ガラス導電性ペースト21に、図3(c)に示すように、板状導電部材からなる分割外部電極4aを押圧するように荷重を加えた状態で700〜950℃で熱処理することにより、銀ガラス導電性ペースト21中のガラスが溶融し、溶融したガラス中に存在する銀成分が内部電極2の端部に集合し、図2(d)に示すように、柱状積層体1aの側面から突出する突起状導電性端子5が形成されるとともに、該突起状導電性端子5の先端部に分割外部電極4aを接合することができる。
【0055】
また、熱処理時には、銀ガラス導電ペースト21中の銀成分が内部電極2の端部2aに拡散していき、内部電極2の端部2aの厚みが、柱状積層体1a中央部における内部電極2(内部電極2の中央部2b)の厚みよりも厚くなる。これにより、内部電極2の端部2aにおける突起状導電性端子5の接合強度を向上できる。
【0056】
即ち、ペーストにガラス成分を分散させておくことにより、上述の熱処理時ににガラスが軟化し、この状態において圧電体1には拡散しにくい銀が内部電極2の端部2aに拡散して寄り集まるため、図3(d)に示すような突起状導電性端子5を形成できる。そして、内部電極2および銀ガラス導電性ペースト21および分割外部電極4a中の銀成分が相互に拡散して、内部電極2と突起状導電性端子5の間および突起状導電性端子5と分割外部電極4aの間で強固に接合がなされる。また、該突起状導電性端子5の根元付近には、銀ガラス導電性ペースト21中のガラスが寄り集まって隆起部5aを形成し、該突起状導電性端子5を保持している。
【0057】
突起状導電性端子5は柱状積層体1aの側面の一部に形成されており、レール状に形成され、その長さは分割外部電極4aの幅とほぼ同一とされている。尚、突起状導電性端子5の長さは、分割外部電極4aの幅よりも短くても良い。
【0058】
銀ガラス導電性ペースト21中の銀粉末を50〜80体積%、残部のガラス粉末を20〜50体積%としたのは、この範囲内とすることにより、突起状導電端子5を構成する銀成分が適量となり、形成される突起状導電性端子5の突出高さhを高くできるとともに、銀ガラス導電性ペースト21中の固形分残部であるガラス成分が適量となるため、該銀ガラス導電性ペースト21の焼き付け時に溶融するガラス成分も適量であり、銀成分が内部電極2端部に容易に集合し、突起状導電性端子5の突出高さhを高くできる。
【0059】
なお、上述の突起状導電性端子5の形成と、該突起状導電性端子5と分割外部電極4aの接合の熱処理時に加える荷重は圧力にして、2〜500kPaが望ましい。この範囲とすることにより、突起状導電性端子5と板状導電部材4aとの間で拡散接合を十分に行うことができ、接合部の強度を高くできるとともに、圧力が適度となるため、突起状導電性端子5の変形を防止できる。
【0060】
尚、予め、柱状積層体1aの凹溝11間に対応する分割外部電極4aの部分に、銀ガラス導電性ペースト21を塗布乾燥し、分割外部電極4aを柱状積層体1aに押圧するように荷重を加えた状態で熱処理してもよい。また、分割外部電極4aの全面に銀ガラス導電性ペースト21を塗布乾燥し、この分割外部電極4aを、導電性ペースト塗布面側を柱状積層体1aの内部電極2が露出した面に押圧し、熱処理しても、突起状導電性端子5が形成し、その先端部に分割外部電極4aを接続することができる。この場合にはさらに工程を短縮することができる。
【0061】
その後、図3(e)に示すように、分割外部電極4aの外側に、導電材として針状やフレーク状などの非球形の銀粉末を15〜80体積%と、残部がマトリックスとして弾性率が20GPa以下で、伸度が10%以上の樹脂を20〜85体積%と溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤7aに導電性のメッシュ部材7bを埋設した後、150〜300℃で該導電性接着剤7aを加熱硬化させ、導電性補助部材7を形成する。
【0062】
その後、図3(f)に示すように、凹溝11内に絶縁体3を充填し、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。
【0063】
そして、リード線6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6を外部の電圧供給部に接続し、リード線6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。
【0064】
また、上記例では、柱状積層体1aの対向する側面に外部電極4を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極4を形成してもよい。
【0065】
図4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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
【実施例】
まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み150μmのPZTで形成し、内部電極は厚み3μmの銀−パラジウム合金によって形成し、圧電体及び内部電極の各々の積層数は300層とした。なお、柱状積層体の全長は、不活性部を含め50mmとした。
【0070】
次に、柱状積層体の外部電極形成面に露出した一層おきの内部電極の端部を含む柱状積層体の側面に、深さ150μm、幅75μmの凹溝を形成した。その後、凹溝間における柱状積層体側面に、平均粒径5μmの銀粉末を60体積%と、残部が平均粒径5μmでケイ素を主成分とする軟化点が750℃のガラス粉末40体積%からなる混合物にバインダーを加えて作製した銀ガラス導電性ペーストを塗布、乾燥した。
【0071】
さらに、この銀ガラス導電性ペーストに、銀からなる厚み25μmの複数の板状導電部材を30kPaで押圧した状態で900℃で熱処理を行い、柱状積層体から突出する突起状導電性端子を形成するとともに、該突起状導電性端子の先端部に板状導電部材(分割外部電極)を接合した。なお、板状導電部材は、図2(c−2)に示すようなくさび形で、その長さは、柱状積層体の端部から、5mm、10mm、18mm、10mm、5mmとし、内部電極に並列に接続される部分は、図2(c−2)に示すように内部電極2層分とした。
【0072】
その後、板状導電部材の外側に、導電材としてフレーク状の平均粒径5μmの銀粉末を50体積%と、残部がマトリックスとして弾性率が10GPaで、伸度が30%のポリイミド樹脂を50体積%と溶剤を混合した導電性接着剤ペーストを塗布し、該導電性接着剤ペーストにニッケルよりなる厚み50μmのメッシュ部材を埋設した後、220℃で該導電性接着剤を加熱硬化させ、導電性補助部材を形成した。
【0073】
その後、凹溝に絶縁体としてシリコーンゴムを充填し、導電性補助部材にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電アクチュエータを作製した。
【0074】
なお、突起状導電性端子には、銀とパラジウムが分散していた。また、このときの、突起状導電性端子の高さは平均で20μmで、導電性接着剤のボイド率は10%であった。突起状導電性端子の根元部はガラスで被覆され、隆起部を形成していた。
【0075】
得られた積層型圧電アクチュエータに150Vの直流電圧を印加した結果、積層方向に40μmの変位量が得られた。さらに、このアクチュエータに室温で0〜+150Vの交流電圧を120Hzの周波数にて印加し駆動試験を行った結果、1×109サイクルまで駆動したところ40μmの変位量が得られ、外部電極の異常は見られなかった。
【0076】
一方、比較例として、内部電極の一方の端部を左右交互にガラスからなる絶縁体で被覆し、その上から上記した銀ガラス導電性ペーストを塗布して700℃で熱処理を行い、外部電極が内部電極と左右各々一層おきに導通した図5に示すアクチュエータを作製し、上記と同様の試験を行ったところ、駆動試験で1×105サイクルで外部電極にスパークが発生した。
【0077】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極の端部に一層おきに前記柱状積層体の側面から突出する突起状導電性端子を設け、該突起状導電性端子の先端部に、柱状積層体の積層方向に複数に分割された板状導電部材からなる分割外部電極を接合し、分割外部電極を導電性補助部材によって連結したので、積層型圧電素子の伸縮に対して突起状導電性端子が揺動し、外部電極に生じる応力を十分に吸収でき、また、外部電極は積層方向に分割されているため、積層型圧電素子の伸縮によって生じる応力を分散することができ、これにより外部電極と内部電極の間の接点不良や、外部電極が断線するといった問題を防ぐことができ、高信頼性を備えた積層型圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層型圧電素子を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’線に沿った縦断面図、(c)は(a)の一部を拡大して示す斜視図、(d)は(b)の一部を拡大して示す断面図である。
【図2】柱状積層体側面への分割外部電極の配列を示す側面図である。
【図3】本発明の積層型圧電素子の製法を説明するための工程図である。
【図4】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図5】従来の積層型圧電アクチュエータの縦断面図である。
【符号の説明】
1・・・圧電体
1a・・・柱状積層体
2・・・内部電極
2a・・・内部電極の端部
2b・・・内部電極の中央部
4・・・外部電極
4a・・・分割外部電極
4a1、4a2・・・凹凸部
5・・・突起状導電性端子
7・・・導電性補助部材
7a・・・導電性接着剤
7b・・・導電性のメッシュ状部材
11・・・凹溝
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・バルブ
43・・・圧電アクチュエータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated piezoelectric element and an injection device, for example, a laminated piezoelectric element and an injection device used for a precision positioning device such as a fuel injection device for an automobile, an optical device, and a driving element for preventing vibration. .
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a laminated piezoelectric element, a laminated piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately laminated is known. Multi-layer piezoelectric actuators are classified into two types: a co-firing type and a stack type in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are alternately laminated. Considering lower voltage and lower manufacturing cost, co-firing The advantage of the multilayer piezoelectric actuator of the type is that it is advantageous for thinning, and is showing its superiority.
[0003]
FIG. 5 shows a conventional laminated piezoelectric actuator. In this actuator, a
[0004]
By the way, in recent years, in order to secure a large displacement amount under a large pressure with a small piezoelectric actuator, a higher electric field is applied, and the piezoelectric actuator is driven continuously for a long period of time.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described piezoelectric actuator, when the piezoelectric actuator is continuously driven under a high electric field and a high pressure for a long period of time, peeling occurs between the
[0006]
Also, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 7-283451 and Hei 8-51240 disclose that a conductive convex portion is formed by plating at the end of every other internal electrode. Since the bonding strength between the protrusion and the laminate is weak, the conductive protrusion and the end of the internal electrode are peeled off during driving, and a voltage is not supplied to a part of the piezoelectric body, resulting in a problem that the displacement characteristics are reduced. was there.
[0007]
In order to solve such a problem, the present applicant first provides a protruding conductive terminal projecting from the side surface of the columnar laminate at every other end of the internal electrode, and (Japanese Patent Application No. 2002-50252) filed a multilayer piezoelectric element in which an external electrode made of a plate-shaped conductive member is bonded.
[0008]
In such a multi-layer piezoelectric element, when the multi-layer piezoelectric element is driven, the protruding conductive terminals are deformed to absorb the stress generated by the expansion and contraction of the actuator, so that the multi-layer piezoelectric element is operated continuously for a long time under a high electric field and high pressure Even in such a case, the disconnection between the external electrode and the internal electrode can be suppressed, and the durability can be greatly improved. However, if the external electrode is formed of a single plate-shaped conductive member, an excessive amount of the external electrode due to expansion and contraction of the actuator occurs. Because of the occurrence of stress, there is a demand for further improvement of the durability of the external electrode in continuous operation under a high electric field and high pressure for a long period of time.
[0009]
The present invention provides a laminated piezoelectric element and an ejection device that are excellent in durability without disconnection between an external electrode and an internal electrode even when driven continuously for a long time under a high electric field and high pressure. Aim.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A laminated piezoelectric element according to the present invention includes a columnar laminated body in which a piezoelectric body and an internal electrode are alternately laminated, and a pair in which the internal electrodes are alternately connected every other layer provided on a side surface of the columnar laminated body. And a protruding conductive terminal protruding from a side surface of the columnar laminate at every other end of the internal electrode, wherein the protruding conductive terminal is provided. An external electrode made of a plate-shaped conductive member is joined to the tip of the column, and the external electrode is divided into a plurality in the stacking direction of the columnar laminate, and the divided external electrodes are connected by a conductive auxiliary member. It is characterized by having been done.
[0011]
In the laminated piezoelectric element of the present invention, a protruding conductive terminal protruding from the side surface of the columnar laminate is provided at every other end of the internal electrode, and the protruding conductive terminal and an external electrode comprising a plate-shaped conductive member are provided. When the laminated piezoelectric element is driven in the laminating direction, the protruding conductive terminals are deformed to absorb the stress generated by the expansion and contraction of the actuator. However, disconnection between the external electrode and the internal electrode can be suppressed, and the durability can be greatly improved.
[0012]
Further, in the present invention, since the external electrode is divided into a plurality in the stacking direction of the columnar laminate, the stress acting on the external electrode can be dispersed, and even when driven under a high electric field, the external electrode is There is no problem of cracking or disconnection.
[0013]
Further, a conductive auxiliary member is provided outside the external electrode, and each external electrode is connected by the conductive auxiliary member. Therefore, even when a large current is applied to the actuator and the actuator is driven at a high speed, a large current is applied. Can flow through the conductive auxiliary member, so that the external electrode can be prevented from being locally heated and disconnected, and the durability can be greatly improved.
[0014]
Further, the laminated piezoelectric element of the present invention is characterized in that a concave groove for exposing an internal electrode end is formed between the protruding conductive terminals on the side surfaces of the columnar laminated body. In such a multilayer piezoelectric element, the generated stress can be reduced as compared with a multilayer piezoelectric element having a so-called partial electrode structure, and the thickness of the end of the internal electrode connected to the external electrode via the protruding conductive terminal is reduced to a columnar shape. Since the thickness can be effectively made larger than the thickness of the internal electrode at the center of the laminate, it is possible to prevent the problem of poor contact between the internal electrode and the external electrode.
[0015]
Further, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that a plurality of divided external electrodes are joined to some of the protruding conductive terminals. According to such a configuration, the divided external electrodes are connected in parallel to some of the internal electrodes, and the connection between the divided external electrodes and the protruding conductive terminals is made near the end of the divided external electrodes in the stacking direction. This can be performed reliably, and even when driven under a high electric field, a contact failure between the internal electrode and the external electrode can be prevented.
[0016]
Further, in the laminated piezoelectric element of the present invention, the length of the divided external electrode provided at the end of the columnar laminated body in the laminating direction is the same as that of the divided external electrode provided at the central part of the columnar laminated body in the laminating direction. The length is shorter than the length in the stacking direction. According to such a configuration, the stress generated in the external electrode due to expansion and contraction of the columnar laminate increases as the columnar laminate approaches both ends in the stacking direction. By reducing the length, the stress acting on the divided external electrodes can be dispersed.
[0017]
Further, in the present invention, a plurality of divided external electrodes are linearly arranged on the side surface of the columnar laminate, and a concavo-convex portion is formed at a portion facing the plurality of divided external electrodes, and these concavo-convex portions are meshed with each other. It is characterized by having. According to such a configuration, in the concavo-convex portion of the divided external electrode, the two divided external electrodes are connected in parallel to the internal electrode, and the sum of the widths of the two divided external electrodes in this portion and the single internal The widths of the divided external electrodes connected to the electrodes can be made substantially the same, whereby a reliable external electrode can be formed without increasing the overall width of the external electrodes.
[0018]
In the present invention, the conductive auxiliary member is made of a conductive adhesive in which a conductive mesh member is embedded. According to such a configuration, by using a flexible conductive adhesive as the conductive auxiliary member, it is possible to absorb the stress generated by the expansion and contraction of the actuator, and the conductive auxiliary member is peeled or disconnected. Such a problem can be prevented. Further, since the conductive adhesive is embedded with the conductive mesh member, it is possible to prevent a problem that cracks are generated in the conductive adhesive due to expansion and contraction of the actuator.
[0019]
Further, the injection device of the present invention includes a storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element housed in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element. Is provided.
[0020]
In such an injection device, as described above, disconnection between the external electrode and the internal electrode in the multilayer piezoelectric element itself can be suppressed, and the durability can be greatly improved. Therefore, the durability of the injection device can also be improved.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1A and 1B show an embodiment of a laminated piezoelectric element comprising a laminated piezoelectric actuator according to the present invention, wherein FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a longitudinal section taken along line AA ′ of FIG. FIG. 1C is an enlarged perspective view showing a part of FIG. 1A, and FIG. 2D is an enlarged view near a joint between an internal electrode and an external electrode.
[0022]
As shown in FIG. 1, the laminated piezoelectric actuator is configured such that an end of the
[0023]
As shown in FIG. 2, the plate-shaped conductive member is divided into a plurality in the stacking direction of the columnar laminated body 1a, that is, the
[0024]
The
[0025]
The thickness of the
[0026]
An
[0027]
Further, a
[0028]
The protruding
[0029]
That is, the ends of the
[0030]
[0031]
As shown in FIG. 1C, the thickness B of the protruding
[0032]
Further, the protrusion height h of the protruding
[0033]
Further, the thickness t of the divided
[0034]
In the present invention, since the
[0035]
Further, as shown in FIG. 2, the
[0036]
In the present invention, since the
[0037]
Further, as shown in FIG. 1, the
[0038]
Outside the divided
[0039]
The
[0040]
As shown in FIGS. 2 (b-1), (b-2), (c-1) and (c-2), the divided
[0041]
As a result, the divided
[0042]
2 (a-1) shows a state in which the divided
[0043]
In the divided
[0044]
Further, the closer the split
[0045]
This is because the stress generated by expansion and contraction of the columnar laminate 1a is greater at the divided
[0046]
Further, as shown in FIGS. 2 (c-1) and 2 (c-2), a plurality of divided
[0047]
Further, as shown in FIG. 1D, the conductive
[0048]
In this case, the conductive adhesive 7a is desirably one in which silver powder is dispersed in polyimide in consideration of heat resistance and resistance value. The
[0049]
Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described. First, the columnar laminate 1a is manufactured. The columnar laminated body 1a formed by alternately laminating the plurality of
[0050]
Next, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to the silver-palladium 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.
[0051]
Then, a green sheet on which a conductive paste is printed is laminated on the upper surface, a binder is removed from the laminated body at a predetermined temperature, and the laminate is fired at 900 to 1200 ° C.
[0052]
Thereafter, as shown in FIG. 3A, the
[0053]
Next, as shown in FIG. 3B, 50 to 80% by volume of silver powder having a particle size of 0.1 to 10 μm is provided on the side surface of the columnar laminate 1a between the
[0054]
Further, as shown in FIG. 3C, the silver glass
[0055]
Further, at the time of heat treatment, the silver component in the silver glass
[0056]
That is, by dispersing the glass component in the paste, the glass softens during the above-described heat treatment, and in this state, silver which is difficult to diffuse into the
[0057]
The protruding
[0058]
The reason why the silver powder in the silver glass
[0059]
The load applied during the formation of the protruding
[0060]
In addition, a silver glass
[0061]
Thereafter, as shown in FIG. 3 (e), a non-spherical silver powder such as a needle or flake is used as a conductive material outside the divided
[0062]
Thereafter, as shown in FIG. 3F, the
[0063]
Then, a DC voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of
[0064]
In the above example, the example in which the
[0065]
FIG. 4 shows an injection device of the present invention. In the drawing,
[0066]
A
[0067]
The upper end of the
[0068]
In such an injection device, when the
[0069]
【Example】
First, a columnar laminate was prepared. The piezoelectric body was formed of PZT having a thickness of 150 μm, the internal electrode was formed of a silver-palladium alloy having a thickness of 3 μm, and the number of layers of the piezoelectric body and the internal electrode was 300. The total length of the columnar laminate was set to 50 mm including the inactive portion.
[0070]
Next, a concave groove having a depth of 150 μm and a width of 75 μm was formed on the side surface of the columnar laminate including the ends of the internal electrodes that were exposed on the external electrode formation surface of the columnar laminate. Then, on the side surfaces of the columnar laminate between the concave grooves, 60 volume% of silver powder having an average particle size of 5 μm, and 40 volume% of glass powder having an average particle size of 5 μm and a softening point mainly composed of silicon of 750 ° C. A silver glass conductive paste prepared by adding a binder to the resulting mixture was applied and dried.
[0071]
Further, a heat treatment is performed on the silver glass conductive paste at 900 ° C. while a plurality of 25 μm-thick plate-shaped conductive members made of silver are pressed at 30 kPa to form protruding conductive terminals protruding from the columnar laminate. At the same time, a plate-shaped conductive member (divided external electrode) was joined to the tip of the protruding conductive terminal. The plate-shaped conductive member has a wedge shape as shown in FIG. 2 (c-2), and its length is 5 mm, 10 mm, 18 mm, 10 mm, and 5 mm from the end of the columnar laminate. The portion connected in parallel was for two internal electrodes as shown in FIG. 2 (c-2).
[0072]
Thereafter, 50 vol% of flake-shaped silver powder having an average particle size of 5 μm as a conductive material and 50 vol% of a polyimide resin having an elastic modulus of 10 GPa and an elongation of 30% as a matrix are provided outside the plate-shaped conductive member. % And a solvent are mixed, a 50 μm-thick mesh member made of nickel is embedded in the conductive adhesive paste, and the conductive adhesive is cured by heating at 220 ° C. An auxiliary member was formed.
[0073]
After that, the concave groove is filled with silicone rubber as an insulator, a lead wire is connected to the conductive auxiliary member, and a 3 kV / mm DC electric field is applied to the external electrodes of the positive electrode and the negative electrode via the lead wires for 15 minutes to be polarized. The processing was performed to produce a laminated piezoelectric actuator as shown in FIG.
[0074]
Note that silver and palladium were dispersed in the protruding conductive terminals. At this time, the height of the protruding conductive terminal was 20 μm on average, and the void ratio of the conductive adhesive was 10%. The base of the protruding conductive terminal was covered with glass to form a raised portion.
[0075]
As a result of applying a DC voltage of 150 V to the obtained laminated piezoelectric actuator, a displacement of 40 μm was obtained in the laminating direction. Furthermore, an AC voltage of 0 to +150 V was applied to this actuator at room temperature at a frequency of 120 Hz, and a drive test was performed. As a result, when the actuator was driven up to 1 × 10 9 cycles, a displacement of 40 μm was obtained. I couldn't see it.
[0076]
On the other hand, as a comparative example, one end of the internal electrode is alternately covered with an insulator made of glass on the left and right, the above-mentioned silver glass conductive paste is applied thereon, and heat treatment is performed at 700 ° C. to produce actuator shown in FIG. 5 which is electrically connected to the internal electrode right respectively every other layer, was subjected to the same test as above, the spark occurs in the external electrode at 1 × 10 5 cycles driving test.
[0077]
【The invention's effect】
According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the protruding conductive terminals protruding from the side surfaces of the columnar laminate are provided at every other end of the internal electrode, and the columnar lamination is provided at the tip of the protruding conductive terminals. Split external electrodes made of a plate-like conductive member divided into a plurality in the stacking direction of the body are joined, and the split external electrodes are connected by a conductive auxiliary member. Oscillates and can sufficiently absorb the stress generated in the external electrodes. Further, since the external electrodes are divided in the laminating direction, the stress generated by expansion and contraction of the multilayer piezoelectric element can be dispersed, whereby the external electrodes can be dispersed. It is possible to prevent a problem such as a contact failure between the internal electrode and the internal electrode or a disconnection of the external electrode, and to provide a laminated piezoelectric element having high reliability.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a laminated piezoelectric element of the present invention, wherein FIG. 1A is a perspective view, FIG. 1B is a longitudinal sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1A, and FIG. FIG. 3D is a perspective view showing an enlarged part of FIG. 4D, and FIG. 4D is a sectional view showing an enlarged part of FIG.
FIG. 2 is a side view showing an arrangement of divided external electrodes on a side surface of a columnar laminate.
FIG. 3 is a process diagram for explaining a method of manufacturing a multilayer piezoelectric element of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing an injection device of the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a conventional laminated piezoelectric actuator.
[Explanation of symbols]
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