JP2004297043A - Stacked piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ユニット素子を複数個積み重ねてなるユニット積層体から構成した積層型圧電体素子に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element constituted by a unit laminated body in which a plurality of unit elements are stacked.
積層方向の高さを低くして応力緩和と信頼性向上を図り、ユニット素子を複数積み重ねてなるユニット積層体から構成した積層型圧電体素子が従来知られている。各ユニット素子は圧電層と内部電極層とを交互に積層して形成し、ユニット積層体の側面には内部電極層を一層おきに導通する側面電極が設けてある。
この積層型圧電体素子は、側面電極に通電して各圧電層に電位差を与えることで、圧電層を伸張させて駆動する。
2. Description of the Related Art A laminated piezoelectric element configured from a unit laminated body in which a plurality of unit elements are stacked to reduce stress and improve reliability by reducing a height in a laminating direction has been conventionally known. Each unit element is formed by alternately laminating a piezoelectric layer and an internal electrode layer, and a side surface electrode is provided on a side surface of the unit laminated body to conduct the internal electrode layers every other layer.
In the laminated piezoelectric element, the piezoelectric layer is extended and driven by applying a current to the side electrode to give a potential difference to each piezoelectric layer.
しかしながら、上記積層型圧電体素子に通電した場合、圧電層の外周から後退した領域に部分的に内部電極層が形成されていない控え部を有していると、積層型圧電体素子の中央部と外周部に伸長差が発生するため、ユニット素子2の積層境界200と側面電極91との間が開口し、無限大の応力が発生し、図18に示すごとく、側面電極91が破断するおそれがあった。
すなわち、図16に示すごとく、ユニット素子2間の距離Y1は電圧を印加する前はゼロである。積層型圧電体素子に通電することで、図17に示すごとく、ユニット積層体の積層境界200が側面電極91と対面する位置から開いて、断面扇形の開口部92が形成される。
However, when a current is applied to the laminated piezoelectric element, if the recessed portion where the internal electrode layer is not formed is partially formed in a region recessed from the outer periphery of the piezoelectric layer, the central portion of the laminated piezoelectric element is 18, the opening between the
That is, as shown in FIG. 16, the distance Y1 between the
この開口部92におけるユニット素子2間の距離をY2とすると、この状態で側面電極91に発生する歪みεは(Y2−Y1)/Y1で表され、Y1が0であるところから歪みεは∞となり、非常に大きな力が側面電極91にかかると考えられる。従って、図18に示すごとく、側面電極91は歪みεによって容易に破断してしまう。
勿論、各種の伸縮性に優れた材料で側面電極91を構成することで、歪みεを吸収緩和する対策方法も従来知られていたが、破断を防ぐことはかなり難しかった。
Assuming that the distance between the
Of course, a countermeasure method for absorbing and relaxing the strain ε by forming the
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、側面電極が破断し難く、耐久性に優れ、ユニット素子を積み重ねて構成した積層型圧電体素子を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and has as its object to provide a laminated piezoelectric element in which side electrodes are hard to be broken, have excellent durability, and are configured by stacking unit elements.
第1の発明は、圧電層と該圧電層の外周から後退した領域に部分的に内部電極層が形成されていない控え部を有する内部電極層とを交互に積層したユニット素子を複数個積み重ねたユニット積層体と、上記ユニット積層体の側面に設け、上記内部電極層を一つおきに導通させた一対の側面電極とを有する積層型圧電体素子において、
上記側面電極と各ユニット素子間の積層境界との間に、上記側面電極に向かって開口した溝からなる空隙部を設けてなることを特徴とする積層型圧電体素子にある(請求項1)。
According to a first aspect of the invention, a plurality of unit elements in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer having a notch portion in which an internal electrode layer is not partially formed in a region recessed from the outer periphery of the piezoelectric layer are alternately stacked are stacked. In a multilayer piezoelectric element having a unit laminate and a pair of side electrodes provided on the side surfaces of the unit laminate and conducting the internal electrode layers every other,
A multi-layer piezoelectric element is characterized in that a gap is formed between the side electrode and a lamination boundary between the unit elements, the gap having a groove opening toward the side electrode. .
第1の発明の作用効果につき説明する。
図5に示すごとく、電圧を印加する前、空隙部10が側面電極151に対面する開口部の積層方向に沿った最大開口幅をY1とする。
積層型圧電体素子の側面電極151を介して圧電層に通電すると、ユニット素子2は積層方向に伸張するため、図6に示すごとく、最大開口幅が広くなる。この時の空隙部10の最大開口幅をY2とする。
この状態で側面電極151に発生する歪みεは(Y2−Y1)/Y1で表されるが、Y1が0でないため、歪みεも有限の値となり、従来と比較して側面電極151にかかる応力が大きく軽減され、側面電極破断が生じ難くなる。
The operation and effect of the first invention will be described.
As shown in FIG. 5, before applying the voltage, the maximum opening width of the opening in which the
When the piezoelectric layer is energized through the
The strain ε generated in the
また、第2の発明は、圧電層と該圧電層の外周から後退した領域に部分的に内部電極層が形成されていない控え部を有する内部電極層とを交互に積層したユニット素子を複数個積み重ねたユニット積層体と、該ユニット積層体の両端にそれぞれ設けた圧電特性を持たないダミーユニット素子と、上記ユニット積層体の側面に設け、上記内部電極層を一つおきに導通させた側面電極とを有する積層型圧電体素子において、
各ユニット素子間の第1積層境界と上記側面電極との間、及び上記ユニット積層体と上記ダミーユニット素子との間の第2積層境界と上記側面電極との間のそれぞれにおいて、
上記側面電極に向かって開口した溝からなる空隙部を設けてなることを特徴とする積層型圧電体素子である(請求項9)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a plurality of unit elements in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer having a notch portion in which an internal electrode layer is not partially formed in a region recessed from the outer periphery of the piezoelectric layer are alternately stacked. Stacked unit laminates, dummy unit elements having no piezoelectric characteristics provided at both ends of the unit laminate, and side electrodes provided on the side surfaces of the unit laminate and conducting the internal electrode layers alternately. In the laminated piezoelectric element having
At each of a portion between a first stacked boundary between the unit elements and the side electrode, and a portion between a second stacked boundary between the unit stacked body and the dummy unit element and the side electrode,
A multi-layer piezoelectric element is provided with a void portion formed by a groove opened toward the side electrode.
すなわち、各ユニット素子間に形成される第1積層境界と、圧電特性を持たず、通電時に電位差が与えられず、伸張しないダミーユニット素子と、通電の際に伸張するユニット積層体との間に形成される第2積層境界と、双方に空隙部を設けることで、側面電極に生じる応力を軽減して、より一層側面電極の破断を防止することができる。
また、第2積層境界における側面電極破断防止の作用は第1の発明と同様である。
That is, a first stacking boundary formed between the unit elements, a dummy unit element that does not have piezoelectric characteristics, does not have a potential difference when energized, and does not expand, and a unit stacked body that expands when energizing is interposed. By providing a gap on both the formed second lamination boundary and both sides, the stress generated on the side electrode can be reduced, and the breakage of the side electrode can be further prevented.
The function of preventing the side electrode from breaking at the second lamination boundary is the same as that of the first invention.
以上、第1及び第2の発明によれば、側面電極が破断し難く、耐久性に優れ、ユニット素子を積み重ねて構成した積層型圧電体素子を提供することができる。 As described above, according to the first and second aspects of the present invention, it is possible to provide a laminated piezoelectric element in which side electrodes are not easily broken, have excellent durability, and are configured by stacking unit elements.
第1及び第2の発明にかかるユニット素子の圧電層はPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)等、内部電極層は各種貴金属電極等で形成するのが一般的である。その他の材料から形成することもある。
各ユニット素子間は絶縁性接着剤で接合することもできるが、直接ユニット素子同士を接触させて積層し、後にユニット素子の外周等から絶縁チューブのような固定具でユニット素子の相互の位置を固定して、一体化させることもできる。
In general, the piezoelectric layer of the unit element according to the first and second inventions is formed of PZT (lead zirconate titanate) or the like, and the internal electrode layer is formed of various noble metal electrodes or the like. It may be formed from other materials.
Each unit element can be joined with an insulating adhesive.However, the unit elements are brought into direct contact with each other and laminated, and the mutual positions of the unit elements are later fixed from the outer periphery of the unit element using a fixture such as an insulating tube. It can be fixed and integrated.
各ユニット素子間の積層境界とは、積層したユニット素子同士の隣接面が形成する部分である。この積層境界と側面電極との間に空隙部が設けてあり、この空隙部のおかげで各積層境界と側面電極とは原則として接触しない。
これは第2の発明にかかる第1積層境界、第2積層境界についても同様で、空隙部を設けることで第1及び第2の積層境界と側面電極とは原則として接触しない。
後述するごとく導電性接着剤を用いてユニット積層体と側面電極とを接合した際は導電性接着剤を介して間接的に積層境界と側面電極とが連結することもある。
The stacking boundary between the unit elements is a portion formed by the adjacent surfaces of the stacked unit elements. A gap is provided between the lamination boundary and the side electrode, and each lamination boundary and the side electrode do not come into contact with each other owing to the gap.
The same is true for the first stacked boundary and the second stacked boundary according to the second aspect of the present invention. By providing a gap, the first and second stacked boundaries do not come into contact with the side electrodes in principle.
As will be described later, when the unit laminate and the side electrode are joined using a conductive adhesive, the lamination boundary and the side electrode may be indirectly connected via the conductive adhesive.
次に、上記空隙部の積層方向に沿った最大開口幅は、各ユニット素子の積層方向厚みに対して8〜20%であることが好ましい(請求項2)。
空隙部の積層方向に沿った最大開口幅とは、空隙部と側面電極とが対面した部分にかかる最大の寸法であり、後述する図2に一例を記載した。
空隙部を上述した範囲で構成することで、第1の発明にかかる効果をより確実なものとして、側面電極の破断をより生じ難くすることができる。
Next, it is preferable that the maximum opening width of the gap along the stacking direction is 8 to 20% with respect to the thickness of each unit element in the stacking direction.
The maximum opening width of the gap along the stacking direction is a maximum dimension of a portion where the gap and the side electrode face each other, and an example is described in FIG. 2 described later.
By configuring the void portion in the above-described range, the effect according to the first aspect of the present invention can be made more reliable, and breakage of the side electrode can be made more difficult to occur.
8%未満である場合は、側面電極の破断率は低減するものの、長期にわたって使用した際に充分な耐久性を得るには至らないおそれがある(実施例2参照)。また、20%より大きい場合は、例えば空隙部を面取部から構成する場合に面取部の起点が内部電極層に達してしまう。これを防ぐためにはユニット素子の積層方向両端の圧電層を厚くせねばならず、しかしそうすると、同じ伸張特性を得るためには積層型圧電体素子の体格が大きくなってしまい、小型の素子が得難くなるという問題がある。 When it is less than 8%, although the breaking rate of the side electrode is reduced, there is a possibility that sufficient durability may not be obtained when used for a long period of time (see Example 2). On the other hand, if it is larger than 20%, the starting point of the chamfered portion reaches the internal electrode layer when, for example, the gap portion is formed of a chamfered portion. To prevent this, the piezoelectric layers at both ends of the unit element in the stacking direction must be thickened.However, however, in order to obtain the same extension characteristics, the size of the stacked piezoelectric element becomes large, and a small element is obtained. There is a problem that it becomes difficult.
次に、上記側面電極と上記ユニット積層体との間は導電性接着剤で接合されてなることが好ましい(請求項3)(図11参照)。
これにより、側面電極とユニット積層体との接合強度を高めることができる。
Next, it is preferable that the side electrode and the unit laminate are joined by a conductive adhesive (Claim 3) (see FIG. 11).
Thereby, the bonding strength between the side electrode and the unit laminate can be increased.
次に、上記導電性接着剤は上記空隙部に向かってはみ出してなると共に上記導電性接着剤の空隙部にはみ出した部分は積層方向に対して不連続であることが好ましい(請求項4)(図12参照)。
仮に導電性接着剤が積層方向に連続した場合は側面電極とユニット積層体とが連結することになる。この場合、空隙部を設けて両者を分離することで得た応力の軽減効果を無効化してしまうおそれがあり、さらに導電接着剤によって圧電層の歪みが側面電極に伝えられて側面電極の破断が生じるおそれがある。
Next, it is preferable that the conductive adhesive protrudes toward the gap and the portion of the conductive adhesive that protrudes into the gap is discontinuous in the laminating direction. See FIG. 12).
If the conductive adhesive is continuous in the laminating direction, the side electrodes and the unit laminate are connected. In this case, there is a possibility that the effect of reducing the stress obtained by providing the void portion and separating the two may be invalidated, and furthermore, the conductive adhesive may transmit the distortion of the piezoelectric layer to the side electrode and break the side electrode. May occur.
次に、上記空隙部は、積層境界において互いに隣接する圧電層の一方の角部を面取りして設けた面取部からなることが好ましい(請求項5)。
角部の面取りは容易に実現できるため、所望の空隙部を簡単に形成することができる。
Next, it is preferable that the gap portion is formed of a chamfered portion provided by chamfering one corner of the piezoelectric layer adjacent to each other at the lamination boundary (claim 5).
Since chamfering of the corner can be easily realized, a desired gap can be easily formed.
また、上記面取りの積層方向に沿った最大幅は上記ユニット積層体を構成する上記ユニット素子の積層方向の平均厚みに対して8〜20%であることが好ましい(請求項6)。
空隙部を上述した範囲で構成することで、第1の発明にかかる効果をより確実なものとして、側面電極の破断をより生じ難くすることができる。
8%未満である場合は、側面電極の破断率は低減するものの、長期にわたって使用した際に充分な耐久性を得るには至らないおそれがある(実施例2参照)。
20%より大きい場合は、例えば空隙部を面取部から構成する場合に面取部の起点が内部電極層に達してしまう。これを防ぐためにはユニット素子の積層方向両端の圧電層を厚くせねばならず、しかしそうすると、同じ伸張特性を得るためには積層型圧電体素子の体格が大きくなってしまい、小型の素子が得難くなるという問題がある。
The maximum width of the chamfer in the stacking direction is preferably 8 to 20% with respect to the average thickness of the unit elements constituting the unit stack in the stacking direction.
By configuring the void portion in the above-described range, the effect according to the first aspect of the present invention can be made more reliable, and breakage of the side electrode can be made more difficult to occur.
When it is less than 8%, although the breaking rate of the side electrode is reduced, there is a possibility that sufficient durability may not be obtained when used for a long period of time (see Example 2).
If it is larger than 20%, for example, when the gap is formed from a chamfered portion, the starting point of the chamfered portion reaches the internal electrode layer. To prevent this, the piezoelectric layers at both ends in the stacking direction of the unit element must be thickened.However, in order to obtain the same extension characteristics, the size of the stacked piezoelectric element becomes large, and a small element is obtained. There is a problem that it becomes difficult.
次に、上記空隙部は、積層境界において互いに隣接する圧電層の双方の角部を面取りして設けた面取部からなることが好ましい(請求項7)。
角部の面取りは容易に実現できるため、所望の空隙部を簡単に形成することができる。
また、上記面取部の積層方向に沿った最大幅は各ユニット素子の積層方向厚みに対して4〜10%であることが好ましい(請求項8)。
空隙部を上述した範囲で構成することで、第1の発明にかかる効果をより確実として、側面電極の破断をより生じ難くすることができる。
Next, it is preferable that the gap portion is formed of a chamfered portion provided by chamfering both corners of the piezoelectric layers adjacent to each other at the lamination boundary (claim 7).
Since chamfering of the corner can be easily realized, a desired gap can be easily formed.
Preferably, the maximum width of the chamfered portion in the stacking direction is 4 to 10% with respect to the thickness of each unit element in the stacking direction.
By configuring the void portion in the above-described range, the effect according to the first aspect of the present invention can be further ensured, and breakage of the side electrode can be made more difficult to occur.
4%未満である場合は、側面電極の破断率は低減するものの、長期にわたって使用した際に充分な耐久性を得るには至らないおそれがある(実施例2参照)。10%より大きい場合は、例えば空隙部を面取部から構成する場合に面取部の起点が内部電極層に達してしまう。これを防ぐためにはユニット素子の積層方向両端の圧電層を厚くせねばならず、しかしそうすると、同じ伸張特性を得るためには積層型圧電体素子の体格が大きくなってしまい、小型の素子が得難くなるという問題がある。
また、上記面取りの具体的形状については、後述する実施例6にて説明するが、平面状や曲面状の面取りなどとすることができる。
When it is less than 4%, although the breaking rate of the side electrode is reduced, sufficient durability may not be obtained when used for a long period of time (see Example 2). If it is larger than 10%, for example, when the gap is formed from a chamfered portion, the starting point of the chamfered portion reaches the internal electrode layer. To prevent this, the piezoelectric layers at both ends in the stacking direction of the unit element must be thickened.However, in order to obtain the same extension characteristics, the size of the stacked piezoelectric element becomes large, and a small element is obtained. There is a problem that it becomes difficult.
The specific shape of the chamfer will be described later in a sixth embodiment, but may be a flat or curved chamfer.
また、上記積層型圧電体素子は圧電アクチュエータとして用いることができる(請求項10)。
圧電アクチュエータとしては、例えば自動車エンジンの燃料噴射装置に使用するものがあるが、このアクチュエータの詳細については後述する実施例7に記載した。
圧電アクチュエータは過酷な使用環境で利用されるため、空隙部によって側面電極の破断が生じ難く耐久性の向上した本発明にかかる積層型圧電体素子を好適に用いることができる。
Further, the laminated piezoelectric element can be used as a piezoelectric actuator.
As the piezoelectric actuator, there is, for example, one used for a fuel injection device of an automobile engine. The details of this actuator are described in Example 7 described later.
Since the piezoelectric actuator is used in a severe use environment, the laminated piezoelectric element according to the present invention, in which the gap is less likely to break the side electrode and the durability is improved, can be preferably used.
また、上記空隙部の積層方向に沿った最大開口幅は、20μm以上であることが好ましい(請求項11)。
後述する実施例3にて説明するが、側面電極の破断については、側面電極の対疲労性に依存することが大きく、対疲労性を高めることで20μm以上の開口幅をもった空隙部を設けることで、第1や第2の発明と同様の効果を得ることができる。
また、最大開口幅は、例えば空隙部を面取り部から構成する場合に面取りの基点が内層電極に到達してしまうことを防ぐために、ユニット素子の積層方向両端の圧電層を厚くせねばならず、しかしそうすると同じ伸長特性を得るためには積層型圧電体素子の体格が大きくなってしまい、小型の素子が得難くなるという理由から、200μmより小さいことが好ましい。
Further, the maximum opening width of the gap along the laminating direction is preferably 20 μm or more.
As will be described in Example 3 to be described later, the fracture of the side electrode largely depends on the fatigue resistance of the side electrode, and a void having an opening width of 20 μm or more is provided by enhancing the fatigue resistance. Thus, the same effects as those of the first and second inventions can be obtained.
In addition, the maximum opening width is, for example, in order to prevent the base point of chamfering from reaching the inner layer electrode when the gap portion is formed of a chamfered portion, it is necessary to thicken the piezoelectric layers at both ends in the stacking direction of the unit element, However, in order to obtain the same elongation characteristics, the size of the laminated piezoelectric element becomes large, and it is difficult to obtain a small-sized element.
以下に、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
第1の発明にかかる積層型圧電体素子について説明する。
図1〜図4に示すごとく、本例の積層型圧電体素子1は、圧電層21、22と内部電極層23、24とを交互に積層したユニット素子2を複数個積み重ねたユニット積層体100と、上記内部電極層23、24を一つおきに導通させ、上記ユニット積層体100の側面101、102に設けた一対の側面電極151、152とを有する。
上記側面電極151、152と各ユニット素子2間の積層境界200との間に、上記側面電極151、152に向かって開口した溝からなる空隙部10を設けてなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
The multilayer piezoelectric element according to the first invention will be described.
As shown in FIGS. 1 to 4, the multilayer
Between the
以下、詳細に説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は、図1〜図4に示すごとく、ユニット素子2を積層したユニット積層体100からなる。また、本例は簡便に記載するため3つのユニット素子2を積層した状態で説明したが、例えば5〜30個と多数のユニット素子2を積層して構成する積層型圧電体素子が知られており、本例に記載した空隙部はそのような多層構成の素子に関しても有効である。
The details will be described below.
As shown in FIGS. 1 to 4, the multilayer
積層境界200で、側面電極151や152と対面するユニット素子2の角部は面取りされて、図4に示すごとく、斜面状である。ここに面取部251、252、261、262が形成される。面取部251、252、261、262が積層境界200の上下に位置することで、積層境界200において側面電極151、152に向かって開口した溝部が形成され、空隙部10となる。
At the
本例にかかるユニット素子2の圧電層21、22の積層方向と直交する断面形状は略正方形である。本例の空隙部10を形成する面取部251、252、261、262は、断面形状正方形の対向する2辺の全体に沿って設けてあるが、少なくとも側面電極151、152と同じ幅の面取部から空隙部10を形成することで本例の効果を得ることができる。
加えて、面取部は本例のように対向していても、対向していなくても、本例にかかる効果を得ることができる。また、面取部は、少なくとも側面電極を接合する面に設ければ本例の効果を得ることができるが、全周に設けても本例の効果を得ることができる。
The cross-sectional shape orthogonal to the laminating direction of the
In addition, the effects according to the present embodiment can be obtained whether the chamfered portions are opposed to each other as in the present embodiment or not. Further, the effect of the present example can be obtained if the chamfered portion is provided at least on the surface where the side electrodes are joined, but the effect of the present example can be obtained even if it is provided on the entire circumference.
図1、図2に示すごとく、ユニット素子2は、圧電層21、22と内部電極層23、24とを交互に積層し、上下の両端に通電時に伸びないダミー圧電層25、26を設けてある。ダミー圧電層25、26は図より明らかであるが、上下両端のいずれか一方しか内部電極層23、24と接していないため、通電時に変形しない。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図3に示すごとく、本例のユニット素子2は部分電極構成である。図3に示すごとく、圧電層21、22の控え部210、220を残して残りの領域に内部電極層23、24を形成する。内部電極層23の端面230、内部電極層24の端面240はそれぞれユニット積層体100の側面101、102に露出して、側面電極151、152のいずれかと接触して導通する。
As shown in FIG. 3, the
また、図2、図5に示すごとく、本例の空隙部10の積層方向に沿った最大開口幅Y1は0.3mm、ユニット素子2の厚みは2mmで、ユニット素子2の厚みに対して最大開口幅は15%で、8〜20%の範囲にある。
As shown in FIGS. 2 and 5, the maximum opening width Y1 of the
本例にかかる作用効果について説明する。
図5に示すごとく、電圧を印加する前の空隙部10の最大開口幅をY1とする。積層型圧電体素子1に側面電極151、152を介して通電すると、図6に示すごとく、開口幅が広くなる。この時の空隙部10の最大開口幅をY2とすると、この状態で側面電極151、152に発生する歪みεは(Y2−Y1)/Y1で表されるが、Y1が0でないため、εも有限の値となり、従来と比較して側面電極151、152にかかる応力が大きく軽減され、側面電極破断が生じ難くなる。
The operation and effect according to this example will be described.
As shown in FIG. 5, the maximum opening width of the
以上、本例によれば、側面電極が破断し難く、耐久性に優れ、ユニット素子を積み重ねて構成した積層型圧電体素子を提供することができる。 As described above, according to this example, it is possible to provide a laminated piezoelectric element in which side electrodes are hardly broken, have excellent durability, and are configured by stacking unit elements.
また、本例の空隙部10は全て同じ形状としたが、同形状である必要はない。この場合、最大開口幅は積層境界ごとに異なるが、いずれの積層境界に設けた空隙部についても各ユニット素子の積層方向厚みに対する条件が成立することが好ましい。
In addition, the
(実施例2)
積層境界における空隙部の最大開口幅の決定に関して説明する。
側面電極が破断する/しないに関しては、圧電層の歪み量、側面電極の耐疲労性が大きく影響する。
ところでユニット積層体に電位差を与えた際の最大歪み量は、通常、ユニット積層体の総厚みの0.1%程度である。このとき、側面電極を接合するユニット積層体側面での歪み量はユニット積層体の最大歪み量の約70%、すなわち、ユニット積層体が伸長した際にユニット積層体の最大歪み量の約30%が側面電極を接合するユニット積層体側面のユニット素子積層境界全体で開口することを我々研究者は見出した。
(Example 2)
The determination of the maximum opening width of the void at the lamination boundary will be described.
As to whether or not the side electrode is broken, the amount of distortion of the piezoelectric layer and the fatigue resistance of the side electrode greatly affect.
Incidentally, the maximum amount of strain when a potential difference is applied to the unit laminate is usually about 0.1% of the total thickness of the unit laminate. At this time, the amount of strain on the side surface of the unit laminate where the side electrodes are joined is about 70% of the maximum strain amount of the unit laminate, that is, about 30% of the maximum strain amount of the unit laminate when the unit laminate is elongated. The researchers found that an opening was formed over the unit element stacking boundary on the side of the unit stack connecting the side electrodes.
また、実施例1にかかる積層型圧電体素子で用いた側面電極について、図7に示すごとく、耐久疲労試験を行った。すなわち、側面電極に所定の応力を加えて伸ばし、応力を加えることをやめて元の状態に復元する、という操作を繰り返して、側面電極が破断するまでの回数を計測した。この結果を縦軸が歪み率で、横軸が破断繰り返し数を採用した図7にかかる線図にプロットした。
ここで歪み率0.9%、破断繰り返し数1.00E+05の×印は、側面電極に力を加えて歪み率0.9%となるまで伸張させることを10万回繰り返したところ、側面電極が破断したことを意味する。
Further, as shown in FIG. 7, a durability fatigue test was performed on the side surface electrodes used in the multilayer piezoelectric element according to Example 1. That is, the operation of applying a predetermined stress to the side electrode and extending it, stopping the application of the stress, and restoring the original state was repeated, and the number of times until the side electrode was broken was measured. The results are plotted in a diagram according to FIG. 7 in which the vertical axis indicates the strain rate and the horizontal axis indicates the number of repetitions of fracture.
Here, the cross mark with a strain rate of 0.9% and the number of breakage cycles of 1.00E + 05 indicates that the side electrode was stretched 100,000 times by applying a force to the side electrode until the strain rate became 0.9%. It means that it was broken.
ところで、後述する圧電アクチュエータに用いる積層型圧電体素子は、作動回数1000万回以上で側面電極が破断しないことが要求される。図7より、作動回数1000万回で破断するのは歪み率が0.4%を超える点であった場合である。 By the way, a laminated piezoelectric element used for a piezoelectric actuator described later is required to be such that a side electrode is not broken after 10 million operations or more. According to FIG. 7, the fracture at the number of operations of 10 million times is when the strain rate exceeds 0.4%.
図8(a)は、実施例1に示した積層型圧電体素子におけるユニット素子間の空隙部の最大開口幅Y1を表している。図8(b)は、ユニット素子の厚みが2ミリである場合、図8(a)に示す空隙部の最大開口幅のY1と該最大開口幅Y1における概算の歪み量率を表した線図である。
なお、同図において、開口幅が0mmとなる軸が積層境界である。
FIG. 8A shows the maximum opening width Y1 of the gap between the unit elements in the multilayer piezoelectric element shown in the first embodiment. FIG. 8B is a diagram showing the maximum opening width Y1 of the gap shown in FIG. 8A and the approximate distortion rate at the maximum opening width Y1 when the thickness of the unit element is 2 mm. It is.
In the same drawing, the axis at which the opening width is 0 mm is the lamination boundary.
同図より明らかであるが、歪み率を0.4%以下とするには、積層境界において互いに隣接するユニット素子の双方の角部にそれぞれ0.075mm程度、すなわち積層境界に0.15mm程度の空隙を設けることで達成できる。従って、空隙部の最大開口幅は、各ユニット素子の積層方向厚みに対して8%以上とすればよい。 As is apparent from the figure, in order to reduce the distortion rate to 0.4% or less, both corners of the unit elements adjacent to each other at the lamination boundary are about 0.075 mm, that is, about 0.15 mm at the lamination boundary. This can be achieved by providing a gap. Therefore, the maximum opening width of the gap may be 8% or more with respect to the thickness of each unit element in the stacking direction.
(実施例3)
実施例2にも記載したが、側面電極が破断する/しないに関しては、側面電極の耐疲労性に依存するところが大きい。当然のことながら、側面電極の耐疲労性が向上すれば、積層境界における空隙部の最大開口幅は小さくすることができる。
実施例2では、網目状に形成された側面電極板を用いたが、本例では、耐疲労性を向上した波型形状の側面電極板を用いた場合の積層境界における空隙部の最大開口幅の決定に関して説明する。
図9に本例で使用した側面電極の耐久疲労試験結果を示す。
図9より作動回数1000万回で破断するのは歪み率が3%を超える点であることがわかる。
(Example 3)
As described in Example 2, as to whether the side electrode is broken or not, it largely depends on the fatigue resistance of the side electrode. As a matter of course, if the fatigue resistance of the side electrode is improved, the maximum opening width of the void at the lamination boundary can be reduced.
In the second embodiment, the side electrode plate formed in a mesh shape is used, but in the present embodiment, the maximum opening width of the void portion at the lamination boundary when the corrugated side electrode plate having improved fatigue resistance is used. Will be described.
FIG. 9 shows the endurance fatigue test results of the side electrodes used in this example.
It can be seen from FIG. 9 that breaking at the number of operations of 10 million times is a point where the strain rate exceeds 3%.
ここで、図8(b)の線図から歪み率を3%以下とするには、積層境界において互いに隣接するユニット素子の双方に0.01mm程度、すなわち積層境界に0.02mm程度の空隙を設けることで達成できる。つまり、積層境界に0.02mmの空隙を設けることにより、側面電極破断が生じ難く、耐久性に優れたユニット素子を積み重ねて構成した積層型圧電体素子を提供することができる。
また、本例では、波型形状の側面電極を用いたが、耐疲労性が向上すれば、形状、材質等がどんなものであれ、同様の効果を得ることができる。
Here, from the diagram of FIG. 8B, in order to set the distortion rate to 3% or less, a gap of about 0.01 mm is provided in both unit elements adjacent to each other at the stacking boundary, that is, a gap of about 0.02 mm is formed at the stacking boundary. It can be achieved by providing. That is, by providing a gap of 0.02 mm at the lamination boundary, it is possible to provide a laminated piezoelectric element in which side electrode breakage is unlikely to occur and unit elements having excellent durability are stacked.
In this example, the corrugated side electrode was used. However, if the fatigue resistance is improved, the same effect can be obtained regardless of the shape and material.
(実施例4)
本例の積層型圧電体素子3は、図10に示すごとく、圧電層と内部電極層とを交互に積層したユニット素子2を複数個積み重ねたユニット積層体30と、該ユニット積層体30の両端にそれぞれ設けた圧電特性をもたないダミーユニット素子33と、上記内部電極層を一つおきに導通させ、上記ユニット積層体30の側面に設けた側面電極151、152とからなる。
(Example 4)
As shown in FIG. 10, the laminated piezoelectric element 3 of this example includes a unit laminated
本例にかかるユニット積層体30は、積層方向中央の駆動部31、これを挟持する両端のバッファ部32とよりなる。駆動部31もバッファ部32も、共に圧電層と内部電極層とを交互に積層したユニット素子2からなる。
駆動部31は側面電極151、152に通電することで圧電層が積層方向に変位する。バッファ部32も通電により圧電層が積層方向に変位するが、駆動部31より変位が小さい。
The unit stacked
The
駆動部31を構成するユニット素子2は、実施例1と同様のものである。バッファ部32を構成するユニット素子も基本構成は駆動部31構成用のユニット素子2と変わらない。ただし、変位量を小さくするために、隣り合う内部電極層の間の圧電層の厚さが駆動部31を構成するユニット素子2の圧電層よりも厚くなっている。
The
バッファ部32の両端にはダミーユニット素子33が隣接する。
ダミーユニット素子33は側面電極151、152に通電しても動かない。すなわち、ダミーユニット素子31は圧電特性を持っていない。
バッファ部32は動かないダミーユニット素子33に対する応力を緩和するために設けてある。
The
The
The
本例にかかる積層型圧電体素子3において、各ユニット素子間の第1積層境界とは、駆動部31を構成するユニット素子2の間に形成されるユニット素子間積層境界301及び駆動部31とバッファ部32との間の積層境界302の2種類からなる。
また、バッファ部32が複数のユニット素子より形成される場合は、バッファ部側のユニット素子間積層境界も上記第1積層境界の範疇である。
In the laminated piezoelectric element 3 according to the present example, the first laminated boundary between the unit elements is defined as a
When the
また、第2積層境界とは、ユニット積層体30とダミーユニット素子33との間の積層境界303を指す。積層境界303と側面電極151、152との間は、ダミーユニット素子33が動かずとも、バッファ部32が伸張するため、空隙部10を設けて応力を緩和する必要がある。
The second stacking boundary indicates a stacking
このように、積層型圧電体素子3において、空隙部10は、動く部分の間に形成される積層境界、動く部分と動かない部分との間に形成される積層境界に設ける必要があり、これにより各積層境界301〜303と側面電極151、152との間に発生する応力を緩和して、側面電極151、152の破断を防ぐことができる。
その他詳細は実施例1と同様であり、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
As described above, in the laminated piezoelectric element 3, the
Other details are the same as those of the first embodiment, and the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained.
(実施例5)
本例の積層型圧電体素子1は、実施例1と同様の構成を備え、側面電極は導電性接着剤でユニット積層体に貼り付けてある。
図11に示すごとく、側面電極151とユニット積層体とは導電性接着剤171、172にて貼り付けられ、導電性接着剤171、172は空隙部10に対してはみ出さない。
(Example 5)
The multilayer
As shown in FIG. 11, the
または、図12に示すように、導電性接着剤171、172は、積層方向の両側から空隙部10に対してはみ出しているが、そのはみ出し状態が不連続である。はみ出した部分には符号173、174を付した。
Alternatively, as shown in FIG. 12, the
仮に、積層方向の両側からの導電性接着剤171、172のはみ出しが連結していたり、図13に示すごとく、空隙部10が導電性接着剤174で埋められてしまった場合は、側面電極151、152の破断を防ぐ効果がでない。
例えば、図13に示すごとく、積層境界200から側面電極152に向かって導電性接着剤174に亀裂175が発生し、この亀裂175から側面電極151に破断が生じたり、空隙部がない場合と同様に非常に大きな応力がかかるおそれがある。
If the protruding portions of the
For example, as shown in FIG. 13, a
(実施例6)
本例は空隙部を形成する面取りの形状について説明する。
図14(a)〜(c)は積層境界200の両側に位置するユニット素子2の角部に同じ形状、同じ寸法の面取りを行うことで、空隙部10を形成した。
図14(a)は、積層境界200に面するユニット素子2の角部を外側に突出する弧状に面取りして空隙部を形成した。
(Example 6)
In this example, the shape of the chamfer forming the gap will be described.
In FIGS. 14A to 14C, the
In FIG. 14A, a gap is formed by chamfering a corner of the
図14(b)は、積層境界200に面するユニット素子2の角部を内側にえぐるように弧状に面取りして空隙部を形成した。
図14(c)は、積層境界200に面するユニット素子2の角部を角型に切り欠いて面取りして空隙部を形成した。
また、図14(d)は、図14(c)と同様の形状の面取りであるが、積層境界200の両側に位置するユニット素子2において、図面上側のユニット素子2に対する面取り量を少し大きくした。
In FIG. 14B, a gap is formed by chamfering the corner of the
In FIG. 14C, the corners of the
FIG. 14D is a chamfer having the same shape as that of FIG. 14C, but in the
図14(e)〜(h)はいずれもユニット素子2の図面上側の角部に対してのみ面取りを設けて空隙部10を形成した。
図14(e)は、積層境界200に面する下側のユニット素子2の角部を斜に平面状に面取りして空隙部10を形成した。
14 (e) to 14 (h), the
In FIG. 14 (e), the
図14(f)は、積層境界200に面する下側のユニット素子2の角部を弧状に面取りして空隙部10を形成した。
図14(g)は、積層境界200に面する下側のユニット素子2の角部を内側に凹むように弧状に面取りして空隙部10を形成した。
図14(h)は、積層境界200に面する下側のユニット素子2の角部を角型に面取りして空隙部10を形成した。
いずれの形状の空隙部10も実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
In FIG. 14F, the
In FIG. 14G, the
In FIG. 14H, the
The void 10 having any shape can obtain the same operation and effect as those of the first embodiment.
(実施例7)
本例は、実施例1の積層型圧電体素子1をインジェクタ5の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ5は、図15に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ5は、同図に示すごとく、駆動部としての上記積層型圧電体素子1が収容される上部ハウジング52と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部54が形成される下部ハウジング53を有している。
(Example 7)
This embodiment is an example in which the multilayer
As shown in FIG. 15, the
As shown in the drawing, the
上部ハウジング52は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴521内に、積層型圧電体素子1が挿通固定されている。
縦穴521の側方には、高圧燃料通路522が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング52上側部に突出する燃料導入管523内を経て外部のコモンレール(図略)に連通している。
The
A high-
上部ハウジング52上側部には、また、ドレーン通路524に連通する燃料導出管525が突設し、燃料導出管525から流出する燃料は、燃料タンク(図略)へ戻される。
ドレーン通路524は、縦穴521と駆動部(圧電体素子)1との間の隙間50を経由し、さらに、この隙間50から上下ハウジング52、53内を下方に延びる図示しない通路によって後述する3方弁551に連通してしる。
A
The
噴射ノズル部54は、ピストンボデー531内を上下方向に摺動するノズルニードル541と、ノズルニードル541によって開閉されて燃料溜まり542から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔543を備えている。燃料溜まり542は、ノズルニードル541の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路522の下端部がここに開口している。ノズルニードル541は、燃料溜まり542から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室544から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室544の圧力が降下すると、ノズルニードル541がリフトして、噴孔543が開放され、燃料噴射がなされる。
The
背圧室544の圧力は3方弁551によって増減される。3方弁551は、背圧室544と高圧燃料通路522、またはドレーン通路524と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路522またはドレーン通路524へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部1により、その下方に配設される大径ピストン552、油圧室553、小径ピストン554を介して、駆動される。
The pressure in the
そして、本例においては、上記構成のインジェクタ5における駆動源として、上記積層型圧電体素子1を用いている。この積層型圧電体素子1は、上記のごとく積層境界に空隙部を有するため、側面電極の破断が生じ難く、従って長期耐久性に優れ、上記ノズルニードル541の動作を上記積層型圧電体素子1によって精度よく制御することができる。
In this example, the multilayer
1 積層型圧電体素子
10 空隙部
100ユニット積層体
101、102 側面
151、152 側面電極
2 ユニット素子
200 積層境界
21、22 圧電層
23、24 内部電極層
DESCRIPTION OF
Claims (11)
上記側面電極と各ユニット素子間の積層境界との間に、上記側面電極に向かって開口した溝からなる空隙部を設けてなることを特徴とする積層型圧電体素子。 A unit laminate in which a plurality of unit elements in which piezoelectric layers and internal electrode layers having a notch portion in which an internal electrode layer is not formed partially in a region recessed from the outer periphery of the piezoelectric layer are alternately stacked are stacked; In a laminated piezoelectric element having a pair of side electrodes provided on the side surfaces of the unit laminated body and conducting the internal electrode layers every other,
A multilayer piezoelectric element comprising a gap formed by a groove opened toward the side electrode between the side electrode and a lamination boundary between the unit elements.
各ユニット素子間の第1積層境界と上記側面電極との間、及び上記ユニット積層体と上記ダミーユニット素子との間の第2積層境界と上記側面電極との間のそれぞれにおいて、
上記側面電極に向かって開口した溝からなる空隙部を設けてなることを特徴とする積層型圧電体素子。 A unit laminate in which a plurality of unit elements in which piezoelectric layers and internal electrode layers having a notch portion in which an internal electrode layer is not formed partially in a region receded from the outer periphery of the piezoelectric layer are alternately stacked are stacked; A laminated piezoelectric element having a dummy unit element having no piezoelectric characteristics provided at both ends of the unit laminated body and side electrodes provided on the side surfaces of the unit laminated body and conducting the internal electrode layers alternately. At
At each of a portion between a first stacked boundary between the unit elements and the side electrode, and a portion between a second stacked boundary between the unit stacked body and the dummy unit element and the side electrode,
A multi-layer piezoelectric element comprising a void portion formed by a groove opened toward the side electrode.
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