JP2004319966A - Piezoelectric actuator and piezoelectric ceramic - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として使用できる圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータに使用できる圧電磁器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that can be used as a drive source of an injector for a fuel injection device, and a piezoelectric ceramic that can be used for the piezoelectric actuator.
車両用エンジン等の内燃機関で用いる燃料噴射装置用のインジェクタにおける駆動源として、圧電アクチュエータを用いることがある。圧電アクチュエータは、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子から構成される。
また、上記圧電磁器としては、ジルコン酸チタン酸鉛等からなる圧電磁器を用いることが多い。
In some cases, a piezoelectric actuator is used as a drive source in an injector for a fuel injection device used in an internal combustion engine such as a vehicle engine. The piezoelectric actuator is composed of a laminated piezoelectric element in which piezoelectric layers composed of piezoelectric ceramics and internal electrode layers are alternately laminated.
Further, as the piezoelectric ceramic, a piezoelectric ceramic made of lead zirconate titanate or the like is often used.
ところで、上述した使用環境におけるインジェクタ近傍は、環境温度の変化がめまぐるしく、該インジェクタの特性が熱履歴によって変化して、燃料の噴射量制御に問題が生じることがあった。この問題は圧電アクチュエータの特性が熱履歴によって変動することに起因する。 By the way, in the vicinity of the injector in the use environment described above, the temperature of the environment changes rapidly, and the characteristics of the injector change due to the heat history, which may cause a problem in controlling the fuel injection amount. This problem is caused by the fact that the characteristics of the piezoelectric actuator fluctuate due to the thermal history.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータ及び圧電磁器を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a conventional problem, and has as its object to provide a piezoelectric actuator and a piezoelectric ceramic having stable characteristics even when subjected to a heat history.
第1の発明は、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電アクチュエータであって、
任意の温度:T1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC1とし、T1と100℃以上の差がある温度T2の熱履歴を受けた直後のT1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC2とした時、C1からC2への変化率が5.5%以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ(但し、−40℃≦T1<T2≦200℃)にある(請求項1)。
A first invention is a piezoelectric actuator in which a piezoelectric layer composed of a piezoelectric ceramic and an internal electrode layer are alternately laminated,
Arbitrary temperature: The electric capacity under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more at T1 is defined as C1, and 1.0 kV at T1 immediately after receiving a thermal history at a temperature T2 having a difference of 100 ° C. or more from T1. Wherein the rate of change from C1 to C2 is 5.5% or less, where C2 is the capacitance under an electric field strength of / mm or more (provided that -40 ° C ≦ T1 <T2 ≦ 200 ° C.) (Claim 1).
第1の発明にかかる作用効果につき説明する。
第1の発明にかかる圧電アクチュエータは、上記温度範囲で与えた熱履歴の前後で1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量の変化率が5.5%以下である。
第1の発明にかかる圧電アクチュエータは安定した電気容量を有している。
電気容量が安定することで、変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、エネルギーを投入した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
The operation and effect according to the first invention will be described.
In the piezoelectric actuator according to the first aspect of the invention, the change rate of the electric capacity under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more before and after the thermal history given in the above temperature range is 5.5% or less.
The piezoelectric actuator according to the first invention has a stable electric capacity.
When the electric capacity is stabilized, the variation in the transient characteristic of displacement is reduced, and the extension speed of the piezoelectric layer when energy is applied, that is, the extension speed of the piezoelectric actuator becomes substantially constant.
また、第2の発明は、任意の温度:T1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での比誘電率をε1とし、T1と100℃以上の差がある温度T2の熱履歴を受けた直後のT1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での比誘電率をε2とした時、ε1からε2への変化率が5.5%以下であることを特徴とする圧電磁器(但し、−40℃≦T1<T2≦200℃)にある(請求項9)。 Further, the second invention has a relative permittivity at an arbitrary temperature: T1 under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more as ε1, and receives a thermal history at a temperature T2 having a difference of 100 ° C. or more from T1. The relative dielectric constant under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more at T1 immediately after the temperature is ε2, and the rate of change from ε1 to ε2 is 5.5% or less. However, -40 ° C ≦ T1 <T2 ≦ 200 ° C.).
第2の発明にかかる圧電磁器は、上記温度範囲で与えた熱履歴の前後で1.0kV/mm以上の電界強度下での比誘電率の変化率が5.5%以下であり、この圧電磁器からなる圧電層を有する積層型圧電体素子は安定した電気容量を有し、該電気容量が安定することで変位の過渡特性のばらつきが小さくなる。そのため、エネルギーを投入した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電層の伸び速度が略一定となる。 The piezoelectric ceramic according to the second invention has a relative dielectric constant change rate of 5.5% or less under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more before and after the thermal history given in the above temperature range. A laminated piezoelectric element having a piezoelectric layer made of porcelain has a stable electric capacity, and the stable electric capacity reduces variations in the transient characteristics of displacement. Therefore, the elongation speed of the piezoelectric layer when energy is applied, that is, the elongation speed of the piezoelectric layer becomes substantially constant.
以上、第1、第2の発明によれば、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータ及び圧電磁器を提供することができる。 As described above, according to the first and second inventions, it is possible to provide a piezoelectric actuator and a piezoelectric ceramic having stable characteristics even when subjected to a thermal history.
第1の発明にかかる駆動時の電界強度は圧電アクチュエータを通常の使用環境で駆動する際に印加する電界強度範囲であり、温度範囲は圧電アクチュエータの通常の使用環境にかかる温度範囲である。
従って、上記電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における電気容量の変化率が5.5%以下であれば、圧電アクチュエータの実使用の際に熱履歴による特性変化が生じ難い。
仮に電気容量の変化率が5.5%より大きい場合、変位の過渡特性の変化が大きくなり、本発明にかかる効果が失われるおそれがある。
また、熱履歴前後で電気容量の変化率が0%となる場合がもっとも好ましい。
The electric field strength at the time of driving according to the first invention is a range of electric field strength applied when the piezoelectric actuator is driven in a normal use environment, and the temperature range is a temperature range applied to a normal use environment of the piezoelectric actuator.
Therefore, if the rate of change of the electric capacity before and after the thermal history is 5.5% or less in the above-mentioned electric field strength range and temperature range, the characteristic change due to the thermal history hardly occurs when the piezoelectric actuator is actually used.
If the rate of change of the electric capacity is greater than 5.5%, the change in the transient characteristic of displacement becomes large, and the effect according to the present invention may be lost.
It is most preferable that the rate of change in electric capacity before and after the heat history becomes 0%.
熱履歴前後の電気容量について説明する。
圧電アクチュエータを所定の駆動電圧(電界強度)にて駆動しつつ、温度T1から温度T2に加熱し、再び温度T1に戻した。
加熱前の圧電アクチュエータの電気容量をC1、加熱して、冷却して、再び温度T1に戻した後の圧電アクチュエータの電気容量をC2として、100×(C2−C1)/C1の値が第1の発明にかかる圧電アクチュエータは5.5%以下である。
The electric capacity before and after the heat history will be described.
While driving the piezoelectric actuator at a predetermined drive voltage (electric field strength), the piezoelectric actuator was heated from the temperature T1 to the temperature T2 and returned to the temperature T1 again.
Assuming that the electric capacity of the piezoelectric actuator before heating is C1, the electric capacity of the piezoelectric actuator after heating, cooling, and returning to the temperature T1 again is C2, the value of 100 × (C2−C1) / C1 is the first value. The piezoelectric actuator according to the invention of (1) is 5.5% or less.
第1(また第2)の発明において温度T1〜温度T2〜温度T1の範囲は−40℃〜200℃より選択し、電気容量は、圧電アクチュエータを駆動しつつ測定するが、この駆動時の電界強度を1.5kV/mm以上とする。
なお、詳細な測定方法は実施例1に記載した。
In the first (and second) invention, the range of the temperature T1 to the temperature T2 to the temperature T1 is selected from −40 ° C. to 200 ° C., and the electric capacitance is measured while driving the piezoelectric actuator. The strength is set to 1.5 kV / mm or more.
The detailed measurement method is described in Example 1.
また、上記変化率が5%以下であることがより好ましい(請求項2)。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
更に、上記変化率が4.8%以下であることがより好ましい(請求項3)。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果を更に大きくすることができる。
More preferably, the rate of change is 5% or less (claim 2).
As a result, the change in the transient characteristic of the displacement is reduced, and the effect of the present invention can be further enhanced.
More preferably, the rate of change is 4.8% or less (claim 3).
As a result, the change in the transient characteristic of the displacement is reduced, and the effect of the present invention can be further enhanced.
また、上記圧電アクチュエータにおいては、誘電損失が8.2%以下であることが好ましい(請求項4)。
誘電損失が低い場合は、圧電アクチュエータの自己発熱を抑制することができる。8.2%より誘電損失が大きい場合、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量が多くなり、圧電アクチュエータの耐久性が低下するおそれがある。
Preferably, the piezoelectric actuator has a dielectric loss of 8.2% or less (claim 4).
When the dielectric loss is low, self-heating of the piezoelectric actuator can be suppressed. If the dielectric loss is larger than 8.2%, the amount of self-heating when driving the piezoelectric actuator is increased, and the durability of the piezoelectric actuator may be reduced.
また、誘電損失が8%以下であることが好ましい(請求項5)。
これにより、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量がより小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
また、誘電損失が0.5%以上であることが好ましい(請求項6)。
誘電損失が0.5%未満の場合、一般的に圧電層に用いられる圧電磁器(チタン酸ジルコン酸鉛酸化物系材料等)において、圧電アクチュエータの基本性能である変位性能が大きく低下するおそれがある。
Preferably, the dielectric loss is 8% or less (claim 5).
As a result, the amount of self-heating when driving the piezoelectric actuator becomes smaller, and the effect of the present invention can be further increased.
Further, the dielectric loss is preferably 0.5% or more (claim 6).
When the dielectric loss is less than 0.5%, the displacement performance, which is the basic performance of the piezoelectric actuator, may be greatly reduced in piezoelectric ceramics (such as a lead zirconate titanate-based material) generally used for a piezoelectric layer. is there.
次に、熱履歴前後の電気容量の変化率が5.5%以下となる圧電アクチュエータを得るには、Pbの一部をBa、Ca、Srより選択される一種以上で置換した化学式PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3−Pb(Mn1-zWz)O3系であって0.25≦z≦0.40である圧電材料に対し、Pb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器から圧電層を形成することが好ましい(請求項7)。 Next, in order to obtain a piezoelectric actuator in which the rate of change in electric capacitance before and after the heat history is 5.5% or less, a chemical formula of PbZrO 3 − in which a part of Pb is replaced by one or more selected from Ba, Ca, and Sr. PbTiO 3 -Pb (Y 1/2 Nb 1/2 ) O 3 -Pb (Mn 1-z W z) piezoelectric material a O 3 system is 0.25 ≦ z ≦ 0.40 with respect to, Pb oxide It is preferable to form a piezoelectric layer from a piezoelectric ceramic which is fired by adding an auxiliary oxide containing both an oxide and a W oxide (claim 7).
請求項7にかかる圧電磁器は、上記化学式PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3−Pb(Mn1-zWz)O3にかかる組成を備えたペロブスカイト型構造の化合物においてPbの一部を他の元素(Ba、Ca、Sr)で置換した材料である。
Ba、Ca、SrでPbを置換することで、ペロブスカイト結晶格子内に大きな歪みが導入されて、より大きな圧電効果を発揮することができる。そのため、請求項7にかかる圧電磁器からなる圧電層を備えた圧電アクチュエータは、大きな変位量を発揮することができる。
Piezoelectric ceramic according to claim 7, perovskite type having a composition according to Formula PbZrO 3 -PbTiO 3 -Pb (Y 1/2 Nb 1/2) O 3 -Pb (Mn 1-z W z)
By replacing Pb with Ba, Ca, and Sr, a large strain is introduced into the perovskite crystal lattice, and a larger piezoelectric effect can be exhibited. Therefore, the piezoelectric actuator including the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic according to claim 7 can exhibit a large displacement.
また、請求項7にかかる圧電磁器では、ドナー元素であるWとアクセプタ元素であるMnの比率を適正範囲に設定した。これにより、圧電材料中の結晶格子における酸素欠陥の生成量を低減させて、電気容量の経時変化を抑制することができる。
また、請求項7にかかるPb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物を用いることで、圧電材料の焼成温度を下げて、より安価な電極材料(Cu、Ag、Pd含有量が10wt%以下のAg−Pd合金等)を用いて圧電アクチュエータを作製することができる。よってコスト安な圧電アクチュエータを得ることができる。
なお、z<0.25である場合は圧電アクチュエータの電気容量の経時変化が大きくなるおそれがある。z>0.4である場合は圧電アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。
In the piezoelectric ceramic according to claim 7, the ratio of W as the donor element and Mn as the acceptor element is set in an appropriate range. Thereby, the generation amount of oxygen defects in the crystal lattice in the piezoelectric material can be reduced, and the change with time in the electric capacity can be suppressed.
Further, by using the auxiliary oxide containing both the Pb oxide and the W oxide according to claim 7, the firing temperature of the piezoelectric material is lowered, and the lower-cost electrode material (Cu, Ag, Pd content is reduced). A piezoelectric actuator can be manufactured using 10 wt% or less of an Ag-Pd alloy. Therefore, a low-cost piezoelectric actuator can be obtained.
When z <0.25, there is a possibility that the change over time in the electric capacity of the piezoelectric actuator becomes large. If z> 0.4, the displacement performance of the piezoelectric actuator may be reduced.
また、圧電材料に対する助剤酸化物の添加量は、圧電材料100wt%に対して0.05〜5wt%(外wt%)とすることが好ましい。
0.05wt%未満である場合は、焼結温度低下効果が得難くなるおそれがある。5wt%より多い場合は圧電アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。変位に寄与しない助剤酸化物が圧電材料中に増えるためである。
The amount of the auxiliary oxide added to the piezoelectric material is preferably 0.05 to 5 wt% (outer wt%) based on 100 wt% of the piezoelectric material.
If the content is less than 0.05 wt%, the effect of lowering the sintering temperature may be difficult to obtain. If it is more than 5 wt%, the displacement performance of the piezoelectric actuator may be reduced. This is because auxiliary oxides that do not contribute to displacement increase in the piezoelectric material.
ここにPb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物とは、Pb酸化物とW酸化物とを含有する混合物、あるいはPbとWとの複合酸化物である。
具体的には、Pb酸化物とW酸化物とからなる助剤酸化物、Pb及びWの複合酸化物からなる助剤酸化物、Pb酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物、W酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Pb酸化物とW酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物が請求項7にかかる助剤酸化物に相当する。
Here, the auxiliary oxide containing both Pb oxide and W oxide is a mixture containing Pb oxide and W oxide, or a composite oxide of Pb and W.
Specifically, an auxiliary oxide composed of a Pb oxide and a W oxide, an auxiliary oxide composed of a composite oxide of Pb and W, and an auxiliary composed of a composite oxide of a Pb oxide and Pb and W An oxide, an auxiliary oxide composed of a W oxide and a composite oxide of Pb and W, and an auxiliary oxide composed of a Pb oxide, a W oxide and a composite oxide of Pb and W according to claim 7 It corresponds to an auxiliary oxide.
また、上記圧電アクチュエータは燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることができる(請求項8)。
第1の発明にかかる圧電アクチュエータは、上述した特定範囲の温度における熱履歴に対し、特定の電界強度下での電気容量が安定している。
そのため、変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、電圧を印加した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
このような圧電アクチュエータを車両用エンジン等の内燃機関における燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として使用することで、燃料噴射タイミングのばらつきを減らし、燃料の噴射量のばらつきを減らして、燃焼状態制御をより精密に行うことができる。
Further, the piezoelectric actuator can be used as a drive source of an injector for a fuel injection device.
The piezoelectric actuator according to the first invention has a stable electric capacity under a specific electric field strength with respect to the thermal history at the above-described specific range of temperature.
Therefore, variation in the transient characteristics of displacement is reduced, and the extension speed of the piezoelectric layer when a voltage is applied, that is, the extension speed of the piezoelectric actuator becomes substantially constant.
By using such a piezoelectric actuator as a drive source of an injector for a fuel injection device in an internal combustion engine such as a vehicle engine, the variation in fuel injection timing and the variation in fuel injection amount are reduced, and the combustion state control is reduced. Can be performed more precisely.
つまり、圧電アクチュエータの使用環境として従来の位置決め用等の用途に比べ、車両用エンジン等の内燃機関の場合は、苛酷な環境となり、始動前の常温(場合によっては−40℃の低温)から使用中の高温(場合によっては、約200℃)になり、エンジンの停止後は常温に戻るといった、熱履歴に曝されることになる。 In other words, as compared with conventional positioning applications, the use of the piezoelectric actuator is more severe in the case of an internal combustion engine such as an engine for a vehicle, and is used from normal temperature before starting (low temperature of -40 ° C. in some cases). It will be exposed to a heat history of medium high temperature (in some cases, about 200 ° C.) and return to normal temperature after the engine stops.
ここで圧電アクチュエータの電気容量の変化が燃料の噴射量バラツキにつながる点について説明する、
図9は、電気容量の異なる2台の圧電アクチュエータに定エネルギーを注入した場合の時間の変化と変位との関係を示す線図である。圧電アクチュエータAの電気容量はCa、圧電アクチュエータBの電気容量はCbで、Cb>Caである。
同図より明らかであるが、変位xに到達するまでの時間は、電気容量の小さいほうが、電気容量の大きなものと比較して短い。すなわち、圧電アクチュエータA(電気容量Ca)が変位xに到達するまでの時間をTa、圧電アクチュエータB(電気容量Cb)が変位xに到達するまでの時間をTbとすると、Ta<Tbとなる。
電気容量が異なることで電荷の注入速度が変わり、その結果、変位に至る過渡特性が違ってくる。
Here, a description will be given of a point that a change in the electric capacity of the piezoelectric actuator leads to variation in the fuel injection amount,
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a change in time and a displacement when constant energy is injected into two piezoelectric actuators having different electric capacities. The electric capacity of the piezoelectric actuator A is Ca, the electric capacity of the piezoelectric actuator B is Cb, and Cb> Ca.
As is clear from the figure, the time required to reach the displacement x is shorter when the capacitance is smaller than when the displacement is larger. That is, if the time required for the piezoelectric actuator A (capacitance Ca) to reach the displacement x is Ta and the time required for the piezoelectric actuator B (capacitance Cb) to reach the displacement x is Tb, then Ta <Tb.
The difference in electric capacity changes the charge injection speed, and as a result, the transient characteristics leading to displacement will differ.
同一個体の圧電アクチュエータが熱履歴を受けることで、電気容量が仮にCaからCbに増加したと仮定すると、所定変位のxに到達するまでの時間が熱履歴の前後で変化することになる。変位xが圧電アクチュエータが燃料噴射装置における燃料噴射バルブを開閉するに必要な変位量であるとすると、電気容量が変化するごとに噴射タイミングも変化することになる。
従って、第1の発明にかかる圧電アクチュエータは、前記したごとく熱履歴を受けた際に優れて安定した電気容量を維持することができるため、第1の発明にかかる圧電アクチュエータを燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることで、燃料噴射装置の噴射量バラツキが抑制され、精度の高い制御が可能となる。
従って、燃費の改善や排出ガスの低減等、エンジンの性能向上といった優れた効果を得ることができる。
Assuming that the piezoelectric actuator of the same individual receives the thermal history and the electric capacity increases from Ca to Cb, the time required to reach the predetermined displacement x changes before and after the thermal history. Assuming that the displacement x is a displacement amount required for the piezoelectric actuator to open and close the fuel injection valve in the fuel injection device, the injection timing changes each time the electric capacity changes.
Therefore, the piezoelectric actuator according to the first invention can maintain an excellent and stable electric capacity when it receives a thermal history as described above, so that the piezoelectric actuator according to the first invention can be used for a fuel injection device. By using it as a drive source for the injector, variation in the injection amount of the fuel injection device is suppressed, and highly accurate control is possible.
Therefore, excellent effects such as improvement of engine performance such as improvement of fuel efficiency and reduction of exhaust gas can be obtained.
第2の発明にかかる圧電磁器は、所定の電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における比誘電率の変化率が5%以下である。上記電界強度範囲は圧電アクチュエータを通常の使用環境で駆動する際に印加する電界強度範囲であり、温度範囲は圧電アクチュエータの通常の使用環境にかかる温度範囲である。
従って、上記電界強度範囲、温度範囲で熱履歴前後における比誘電率の変化率が5%以下の圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータは、実使用の際に熱履歴による特性変化が生じ難い。
In the piezoelectric ceramic according to the second aspect of the present invention, the change rate of the relative dielectric constant before and after the heat history in a predetermined electric field intensity range and a temperature range is 5% or less. The electric field intensity range is an electric field intensity range applied when the piezoelectric actuator is driven in a normal use environment, and the temperature range is a temperature range applied to the piezoelectric actuator in a normal use environment.
Therefore, a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer composed of a piezoelectric ceramic having a relative dielectric constant change rate of 5% or less before and after the thermal history in the electric field intensity range and the temperature range hardly causes a characteristic change due to the thermal history in actual use. .
仮に比誘電率の変化率が5.5%より大きい場合、この圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータにおいて、変位の過渡特性の変化が大きくなり、本発明にかかる効果が失われるおそれがある。また、熱履歴前後で比誘電率の変化率が0%となる場合がもっとも好ましい。 If the change rate of the relative dielectric constant is greater than 5.5%, in the piezoelectric actuator having the piezoelectric layer composed of the piezoelectric ceramic, the change in the transient characteristic of displacement becomes large, and the effect according to the present invention may be lost. . It is most preferable that the relative dielectric constant change rate is 0% before and after the heat history.
また、上記変化率が5%以下であることがより好ましい(請求項10)。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
更に、上記変化率が4.8%以下であることがより好ましい(請求項11)。
これにより、変位の過渡特性の変化が小さくなり、本発明の効果を更に大きくすることができる。
More preferably, the rate of change is 5% or less (claim 10).
As a result, the change in the transient characteristic of the displacement is reduced, and the effect of the present invention can be further enhanced.
More preferably, the rate of change is 4.8% or less (claim 11).
As a result, the change in the transient characteristic of the displacement is reduced, and the effect of the present invention can be further enhanced.
第2の発明にかかる圧電磁器において、誘電損失が8.2%以下であることが好ましい(請求項12)。
誘電損失が低い場合は、この圧電磁器からなる圧電層を有する圧電アクチュエータにおいて駆動時に自己発熱を抑制することができる。8.2%より誘電損失が大きい場合、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量が多くなり、圧電アクチュエータの耐久性が低下するおそれがある。
In the piezoelectric ceramic according to the second invention, the dielectric loss is preferably 8.2% or less (claim 12).
When the dielectric loss is low, self-heating can be suppressed during driving in the piezoelectric actuator having the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic. If the dielectric loss is larger than 8.2%, the amount of self-heating when driving the piezoelectric actuator is increased, and the durability of the piezoelectric actuator may be reduced.
また、誘電損失が8%以下であることが好ましい(請求項13)。
これにより、圧電アクチュエータ駆動時の自己発熱量がより小さくなり、本発明の効果をより大きくすることができる。
また、誘電損失が0.5%以上であることが好ましい(請求項14)。
誘電損失が0.5%未満の場合、一般的に圧電層に用いられる圧電磁器(チタン酸ジルコン酸鉛酸化物系材料等)において、圧電アクチュエータの基本性能である変位性能が大きく低下するおそれがある。
Further, the dielectric loss is preferably 8% or less (claim 13).
As a result, the amount of self-heating when driving the piezoelectric actuator becomes smaller, and the effect of the present invention can be further increased.
Preferably, the dielectric loss is 0.5% or more.
When the dielectric loss is less than 0.5%, the displacement performance, which is the basic performance of the piezoelectric actuator, may be greatly reduced in piezoelectric ceramics (such as a lead zirconate titanate-based material) generally used for a piezoelectric layer. is there.
そして、熱履歴前後の比誘電率の変化率が5.5%以下となる圧電磁器を得るには、Pbの一部をBa、Ca、Srより選択される一種以上で置換した化学式PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3−Pb(Mn1-zWz)O3系であって0.25≦z≦0.40である圧電材料に対し、Pb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成してなるものを用いることが好ましい(請求項15)。 In order to obtain a piezoelectric ceramic having a relative dielectric constant change rate of 5.5% or less before and after the heat history, a chemical formula of PbZrO 3 − in which a part of Pb is replaced with one or more selected from Ba, Ca, and Sr. PbTiO 3 -Pb (Y 1/2 Nb 1/2 ) O 3 -Pb (Mn 1-z W z) piezoelectric material a O 3 system is 0.25 ≦ z ≦ 0.40 with respect to, Pb oxide It is preferable to use a material obtained by adding and sintering an auxiliary oxide containing both a material and a W oxide (claim 15).
上記圧電磁器は、上記化学式PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3−Pb(Mn1-zWz)O3にかかる組成を備えたペロブスカイト型構造の化合物において、Pbの一部を他の元素(Ba、Ca、Sr)で置換した化合物である。
この置換により、ペロブスカイト結晶格子内に大きな歪みが導入されて、より大きな圧電効果を発揮することができる。そのため、上記圧電磁器からなる圧電層を備えた圧電アクチュエータは、大きな変位量を発揮することができる。
The piezoelectric porcelain in Chemical Formula PbZrO 3 -PbTiO 3 -Pb (Y 1/2 Nb 1/2) O 3 -Pb (Mn 1-z W z) compounds of the perovskite structure having such composition O 3 , Pb is a compound in which a part of Pb is replaced by another element (Ba, Ca, Sr).
By this substitution, a large strain is introduced into the perovskite crystal lattice, and a larger piezoelectric effect can be exhibited. Therefore, the piezoelectric actuator including the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic can exhibit a large displacement.
また、ドナー元素であるWとアクセプタ元素であるMnの比率を適正範囲に設定しているため、圧電材料中の結晶格子における酸素欠陥の生成量を低減させて、比誘電率の経時変化を抑制することができる。
また、助剤酸化物を用いることで、圧電材料の焼成温度を下げて、より安価な電極材料(Cu、Ag、Pd含有量が10wt%以下のAg−Pd合金等)を用いて圧電アクチュエータを作製することができる。よってコスト安な圧電アクチュエータに向く圧電材料を得ることができる。
なお、z<0.25である場合は比誘電率の経時変化が大きくなるおそれがある。z>0.4である場合は変位性能が低下するおそれがある。
In addition, since the ratio of the donor element W and the acceptor element Mn is set in an appropriate range, the generation amount of oxygen defects in the crystal lattice in the piezoelectric material is reduced, and the change in the relative dielectric constant with time is suppressed. can do.
In addition, by using the auxiliary oxide, the firing temperature of the piezoelectric material is reduced, and the piezoelectric actuator is formed using a less expensive electrode material (eg, an Ag-Pd alloy having a Cu, Ag, or Pd content of 10 wt% or less). Can be made. Therefore, a piezoelectric material suitable for a piezoelectric actuator which is inexpensive can be obtained.
When z <0.25, there is a possibility that the change with time of the relative dielectric constant becomes large. When z> 0.4, the displacement performance may be reduced.
また、圧電材料に対する助剤酸化物の添加量は、圧電材料100wt%に対して0.05〜5wt%(外wt%)とすることが好ましい。
0.05wt%未満である場合は、焼結温度低下効果が得難くなるおそれがある。5wt%より多い場合は圧電磁器の変位性能が低下するおそれがある。変位に寄与しない助剤酸化物が圧電材料中に増えるためである。
ここにPb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物とは、Pb酸化物とW酸化物とを含有する混合物、あるいはPbとWとの複合酸化物である。
具体的には、Pb酸化物とW酸化物とからなる助剤酸化物、Pb及びWの複合酸化物からなる助剤酸化物、Pb酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物、W酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物、Pb酸化物とW酸化物とPb及びWの複合酸化物とからなる助剤酸化物が請求項7にかかる助剤酸化物に相当する。
The amount of the auxiliary oxide added to the piezoelectric material is preferably 0.05 to 5 wt% (outer wt%) based on 100 wt% of the piezoelectric material.
If the content is less than 0.05 wt%, the effect of lowering the sintering temperature may be difficult to obtain. If the content is more than 5 wt%, the displacement performance of the piezoelectric ceramic may decrease. This is because auxiliary oxides that do not contribute to displacement increase in the piezoelectric material.
Here, the auxiliary oxide containing both Pb oxide and W oxide is a mixture containing Pb oxide and W oxide, or a composite oxide of Pb and W.
Specifically, an auxiliary oxide composed of a Pb oxide and a W oxide, an auxiliary oxide composed of a composite oxide of Pb and W, and an auxiliary composed of a composite oxide of a Pb oxide and Pb and W An oxide, an auxiliary oxide composed of a W oxide and a composite oxide of Pb and W, and an auxiliary oxide composed of a Pb oxide, a W oxide and a composite oxide of Pb and W according to claim 7 It corresponds to an auxiliary oxide.
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)
本例にかかる圧電アクチュエータは、圧電磁器からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子からなる。
そして、任意の温度:T1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC1とし、T1と100℃以上の差がある温度T2の熱履歴を受けた直後のT1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC2とした時、C1からC2への変化率が5.5%以下である(但し、−40℃≦T1<T2≦200℃)。また、誘電損失が8.2%以下である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
The piezoelectric actuator according to the present example is composed of a laminated piezoelectric element in which piezoelectric layers composed of piezoelectric ceramics and internal electrode layers are alternately laminated.
An electric capacity at an arbitrary temperature: T1 under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more is defined as C1, and 1 at T1 immediately after receiving a thermal history of a temperature T2 having a difference of 100 ° C. or more from T1. Assuming that the capacitance under an electric field strength of 0.0 kV / mm or more is C2, the rate of change from C1 to C2 is 5.5% or less (provided that -40 ° C ≦ T1 <T2 ≦ 200 ° C). Further, the dielectric loss is 8.2% or less.
更に、上記圧電層は、Pbの一部をBa、Ca、Srより選択される一種以上で置換した化学式PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3−Pb(Mn1-zWz)O3系であって0.25≦z≦0.40である圧電材料に対し、Pb酸化物及びW酸化物の双方を含む助剤酸化物を添加して焼成した圧電磁器からなる。
そして、本例の圧電アクチュエータは燃料噴射装置用のインジェクタの駆動源として用いることができる。
Moreover, the piezoelectric layer, a portion of the Pb Ba, Ca, Formula was replaced with at least one member selected from Sr PbZrO 3 -PbTiO 3 -Pb (Y 1/2
And the piezoelectric actuator of this example can be used as a drive source of an injector for a fuel injection device.
以下、本例の圧電アクチュエータについて詳細に説明する。
図1に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ1は、20個の圧電素子ユニット15を接合して構成したユニット積層体11からなる。
各圧電素子ユニット15は、上述した化学式の圧電磁器からなる圧電層151と、Ag及びPdからなる内部電極層153、154とを交互に積層してなる。図面作成上の便宜のため図中には詳細に示していないが、各圧電素子ユニット15における、圧電素子として活性な圧電層151の積層数は20層である。
Hereinafter, the piezoelectric actuator of this example will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the
Each
内部電極層153、154は、図2、図3に示すごとく、圧電層151の片側の側面だけに到達するように形成されている。また、圧電素子ユニット15の側面にはこれを挟むように、電位の異なる外部電源に接続された、Agからなる外部電極5、6が設けられている。そして、内部電極層153、154は、上記圧電素子ユニット15の側面において、上記外部電極5、6に、積層方向において交互に電気的に接続されている。したがって、圧電アクチュエータ1内において、隣接する2つの内部電極層153、154は、互いに電位が異なる電極に接続される。
The internal electrode layers 153 and 154 are formed so as to reach only one side surface of the
また、図1に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ1は、ユニット積層体11の積層方向の最も端部に、圧電素子ユニット15よりもヤング率が大きい、アルミナからなる接続部材4を積層してなる。そして、ユニット積層体11と接続部材4との間には、圧電素子ユニット15よりも変位量の小さいバッファユニット2と、接続部材4よりもヤング率の小さいダミーユニット3とが介在している。バッファユニット2及びダミーユニット3は、圧電素子ユニット15の圧電層151と同じ圧電磁器からなる。
As shown in FIG. 1, the
バッファユニット2は、図1に示すごとく、圧電層251と内部電極層253、254とからなる。バッファユニット2内の圧電層251の厚みは、ユニット積層体11側では圧電素子ユニット15内の圧電層151と略同等であり、接続部材4側では圧電層151よりも大きい。また、外部電極5、6は、上記圧電素子ユニット15と同様にバッファユニット2の側面を挟んでそれぞれ内部電極層253、254に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
また、ダミーユニット3は圧電層151や圧電層251と同様の圧電層を積層して構成してあるが、内部電極層がなく、外部電極5、6によって側面を挟持されていない。したがって、圧電アクチュエータ1の駆動時に動かない場所である。
Further, the
次に、本例の圧電アクチュエータ1の製造方法について説明する。
本例の圧電アクチュエータ1は、広く用いられているグリーンシート法から製造することができる。このグリーンシートは以下のようにして準備する。
Next, a method for manufacturing the
The
即ち、公知の方法により圧電磁器の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を得ようとする圧電磁器の組成が得られるように秤量する。この時、鉛の蒸発を考慮して鉛が1〜2wt%リッチになるように秤量する。これらの原料を湿式混合した後、750〜950℃で仮焼し、仮焼粉となす。
また、助剤酸化物の原料である酸化鉛、酸化タングステンの粉末を、得ようとする助剤酸化物の組成になるように秤量し、これらを湿式混合した後、500℃で仮焼する。この仮焼粉を湿式粉砕後、乾燥したものを助剤酸化物として用いる。
That is, it is weighed by a known method so as to obtain a composition of a piezoelectric ceramic for obtaining a powder such as lead oxide, zirconium oxide, titanium oxide, niobium oxide, or strontium carbonate, which is a main raw material of the piezoelectric ceramic. At this time, the lead is weighed so as to be rich in 1 to 2 wt% in consideration of the evaporation of the lead. After wet mixing these raw materials, they are calcined at 750 to 950 ° C. to form calcined powder.
Also, powders of lead oxide and tungsten oxide, which are the raw materials of the auxiliary oxide, are weighed so as to have the composition of the auxiliary oxide to be obtained, wet-mixed, and then calcined at 500 ° C. The calcined powder is wet-pulverized and then dried and used as an auxiliary oxide.
次いで、仮焼粉に、純水を加えてスラリーとし、媒体攪拌ミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、助剤酸化物、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。 Next, pure water is added to the calcined powder to form a slurry, which is wet-pulverized by a medium stirring mill. After the pulverized product is dried and degreased, a solvent, an auxiliary oxide, a binder, a plasticizer, a dispersant, and the like are added and mixed by a ball mill. Thereafter, the slurry is subjected to vacuum defoaming and viscosity adjustment while being stirred by a stirrer in a vacuum device.
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定の厚みのグリーンシートに成形する。このグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさの矩形体に成形する。 Next, the slurry is formed into a green sheet having a predetermined thickness by a doctor blade device. The green sheet is punched by a press or cut by a cutter to form a rectangular body having a predetermined size.
次いで例えば銀/パラジウム=7/3の比率からなる銀及びパラジウムのペースト(以下、Ag/Pdペーストという)により、成形後のグリーンシートの一方の表面にパターンをスクリーン印刷形成する。
グリーンシートの表面には、上記Ag/Pdペーストにより、略全面にこれよりもやや小さなパターンを形成した(図2参照)。これが内部電極層153(154)用の印刷部である。グリーンシートの表面の対向辺の一方の側には、内部電極層153(154)用の印刷部が形成されておらず、焼成後は電極非形成部となる。つまり、グリーンシートの対向辺の一方の端部(圧電アクチュエータの側面に相当する部分)には、内部電極層153(154)が到達せず、対向する他方の端部には内部電極層153(154)が到達するようにこれを形成した。
Next, a pattern is screen-printed on one surface of the green sheet after molding using a paste of silver and palladium having a ratio of, for example, silver / palladium = 7/3 (hereinafter, referred to as an Ag / Pd paste).
On the surface of the green sheet, a slightly smaller pattern was formed on almost the entire surface by the Ag / Pd paste (see FIG. 2). This is the printed portion for the internal electrode layer 153 (154). A printed portion for the internal electrode layer 153 (154) is not formed on one side of the opposite side of the surface of the green sheet, and becomes an electrode non-formed portion after firing. That is, the internal electrode layer 153 (154) does not reach one end of the opposite side of the green sheet (the portion corresponding to the side surface of the piezoelectric actuator), and the internal electrode layer 153 (154) 154) was formed.
このような内部電極層153用の印刷部を形成したグリーンシートは、ユニット積層体11及びバッファユニット2の変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、内部電極層153(154)を印刷していないグリーンシートも必要枚数準備する。
次いで、これらのグリーンシートを図1にかかるユニット圧電体素子15が得られるように積層した。
このようにして、内部電極層153(154)用の印刷部を形成したグリーンシートを21枚重ね合わせて、更にその上に上記印刷部を形成していないグリーンシートを上下に重ねて、合計30層のグリーンシートからなる積層体を作製した。
A predetermined number of the green sheets on which the printed portions for the internal electrode layers 153 are formed are prepared based on the required specifications of the displacement of the
Next, these green sheets were laminated so that the unit
In this way, 21 green sheets on which the printed portions for the internal electrode layers 153 (154) are formed are superimposed, and the green sheets on which the printed portions are not formed are superimposed on top of each other. A laminate composed of green sheets was prepared.
次に、上記積層体を熱圧着後、電気炉により温度400〜700℃のもとで脱脂し、温度900〜1100℃のもとで焼成し、その後、所望の形状に研削した。これにより、グリーンシートは圧電層151となり、圧電層151と内部電極層153、154とを交互に積層してなる圧電素子ユニット15を得た。この圧電素子ユニット15は、圧電素子として活性な圧電層を20層有している。また、上記と同様にして、20個の圧電素子ユニット15を作製した。
Next, after thermocompression bonding of the laminate, the laminate was degreased in an electric furnace at a temperature of 400 to 700 ° C, fired at a temperature of 900 to 1100 ° C, and then ground into a desired shape. As a result, the green sheet became the
次に、上記圧電素子ユニット15の作製に用いたものと同様の、内部電極層用の印刷部を形成したグリーンシートを19枚重ねてバッファユニット2用の積層体を作製した。このバッファユニット2用の積層体においては、上記圧電アクチュエータ1の組み立て後に接続部材4側となる側の2層分に、内部電極層を形成していないグリーンシートを介在させ、接続部材4側の厚みを圧電素子ユニットの圧電層153(154)の2倍となるようにした。
また、接続部材4側の最も外側には、内部電極層を形成していないグリーンシートを更に重ねてある。
続いて、バッファユニット用の積層体を、上記と同様にして、熱圧着し、脱脂し、その後焼成してバッファユニットを作製した。
Next, a laminate for the
Further, on the outermost side on the
Subsequently, the laminate for the buffer unit was thermocompression-bonded, degreased, and then fired in the same manner as described above to produce a buffer unit.
次に、内部電極層を形成していないグリーンシートを20枚重ねて、ダミーユニット用の積層体を作製した。そして、このダミーユニット用の積層体を、上記と同様にして、熱圧着し、脱脂し、その後焼成してダミーユニット3とした。
また、上記接続部材4は、アルミナ焼結体ブロックを所望の形状に加工することにより作製した。
Next, 20 green sheets on which the internal electrode layers were not formed were stacked to produce a laminate for a dummy unit. Then, the laminate for the dummy unit was thermocompression-bonded, degreased, and fired in the same manner as described above to obtain the
The connecting
次に、上記のようにして作製した圧電素子ユニット15、バッファユニット2、ダミーユニット3、及び接続部材4を積み重ね、以下のようにして圧電アクチュエータ1を作製した。
具体的には、まず、上記圧電素子ユニット15及びバッファユニット2の側面を挟むようにAgからなる外部電極5、6を焼き付けて形成した。
Next, the
Specifically, first, the
外部電極5は、上記圧電素子ユニット15及びバッファユニット2において、一方の極の内部電極層153又は内部電極層253が露出している位置に形成し、各内部電極層153又は内部電極層253の導通をとる。
外部電極6は、他方の極の内部電極層154又は内部電極層254が露出している位置に形成し、各内部電極層154又は内部電極層254の導通をとる。
その後、外部電極5、6を形成した圧電素子ユニット15の内部電極層153、154及びバッファユニット2の内部電極層253、254に、外部電極5、6から直流電圧を印加して、分極した。
The
The
Thereafter, a direct current voltage was applied from the
次に、図1に示すごとく、上記のようにして分極を施した20個の圧電素子ユニット15を接合面155で積み重ね、その両端にバッファユニット2を重ね、更にその両端にダミーユニット3、また更にその両端に接続部材4を積み重ねた。
このようにして、図1〜図3に示すごとく圧電アクチュエータ1を作製した。
そして、この圧電アクチュエータ1の評価については実施例2に記載する。
Next, as shown in FIG. 1, the 20
Thus, the
The evaluation of the
(実施例2)
本例は、試料1〜8にかかる圧電材料を用いて実施例1に示すごとき圧電アクチュエータを作製し、その性能について評価した。
本例の圧電層は、圧電磁器である(Pb0.91Sr0.045Ba0.045)1.001(Zr0.526Ti0.474)0.99-x(Y1/2Nb1/2)0.01(Mn1-zWz)xO3.001に助剤酸化物である0.835PbO・0.165WO3を、圧電磁器100wt%に対して0.5wt%(外wt%)混ぜてなる。また、XとZは、表1に示すごとき値をとる。
(Example 2)
In this example, a piezoelectric actuator as shown in Example 1 was manufactured using the piezoelectric materials according to
The piezoelectric layer of this example is a piezoelectric ceramic (Pb 0.91 Sr 0.045 Ba 0.045 ) 1.001 (Zr 0.526 Ti 0.474 ) 0.99-x (Y 1/2 Nb 1/2 ) 0.01 (Mn 1-z W z ) x O In 3.001 , 0.835 PbO.0.165 WO 3 as an auxiliary oxide is mixed with 0.5 wt% (outer wt%) with respect to 100 wt% of the piezoelectric ceramic. X and Z take values as shown in Table 1.
次に、圧電アクチュエータの電気容量測定方法について説明する。
図4にかかる測定回路7を準備する。
この測定回路7において、圧電アクチュエータ1の電気容量はCp、測定回路7で圧電アクチュエータ1と直列に接続されたコンデンサ73の電気容量はC0、圧電アクチュエータ1に加わる電圧は入力端子712とアース端子711との間の電位差に等しくVin、コンデンサ73の両端に接続された端子731、アース端子732の電位差をVoutとする。
Next, a method for measuring the capacitance of the piezoelectric actuator will be described.
The measurement circuit 7 according to FIG. 4 is prepared.
In this measurement circuit 7, the capacitance of the
更に、端子712とアース端子711との間に電圧が印加されている時の電圧をVin(ON)、Vout(ON)、されていないときの電圧をVin(OFF)、Vout(OFF)とすると、これらの電気容量や電位差との間には次の関係が成立する。
Cp=C0×{Vout(ON)−Vout(OFF)}/〔Vin(ON)−{Vout(ON)−Vout(OFF)}〕
Further, when a voltage is applied between the terminal 712 and the
Cp = C0 × {Vout (ON) -Vout (OFF)} / [Vin (ON)-{Vout (ON) -Vout (OFF)}]
そして、圧電アクチュエータ1を測定回路7に接続したまま恒温漕にセットして温度25℃に保持し、電界強度が1.8kV/mmとなる電圧の150V(=Vin(ON))を与えて圧電アクチュエータ1を駆動した。この状態で電気容量を測定した。
Then, the
次に、圧電アクチュエータ1を正負短絡した状態で温度160℃に昇温、30分保持し、その後温度25℃に戻すことで熱履歴を与えた。その後、熱履歴前と同様に電圧150V(=Vin(ON))で圧電アクチュエータ1を駆動した。この状態で電気容量を測定した。
Next, the temperature was raised to 160 ° C. for 30 minutes while the
以上の測定から得た熱履歴前後の電気容量を、〔{熱履歴後の電気容量(25℃)−熱履歴前の電気容量(25℃)}/熱履歴前の電気容量(25℃)〕×100という式に代入して電気容量の変化率を求めた。結果を表1に記載した。 The electric capacity before and after the heat history obtained from the above measurement is [{electric capacity after heat history (25 ° C.) − Electric capacity before heat history (25 ° C.)} / Electric capacity before heat history (25 ° C.)] The change rate of the electric capacity was obtained by substituting into an equation of × 100. The results are shown in Table 1.
次に、圧電アクチュエータ1のP−Eヒステリシス(電荷−電圧ヒステリシス)から誘電損失を求め、自己発熱による圧電アクチュエータの温度上昇との関係について測定した。
まず、P−Eヒステリシスは次のように求めた。
図5に示すごとき測定治具8を準備した。
測定治具8は、台座81上に立設した2本のガイドポール82を有している。このガイドポール82には、ブリッジ部83が配設されており、このブリッジ部83の中央に押圧板841を有する押圧部86を配設してある。圧電アクチュエータ1は、押圧板841と台座81との間に挟むように配置する。そして、押圧板841は、これとブリッジ部83との間に配設した皿バネ85によって、10MPaの予荷重(プリセット荷重)を付与する。
Next, dielectric loss was determined from the PE hysteresis (charge-voltage hysteresis) of the
First, the PE hysteresis was determined as follows.
A
The measuring
この状態で、圧電アクチュエータ1に電界強度0〜1.5kV/mm、周波数100Hz、sin波の電圧を印加し、図6に示すごときヒステリシスを求める。同図は、横軸にE:電界(V/mm)、縦軸にP:電流の積分値(電荷密度)(C/mm2)をとったものである。そして、電圧を分極方向と同じ方向に徐々に増加させ、その後徐々に減少させた場合の上記Pの軌跡をプロットした。同図に示すごとく、得られたヒステリシス曲線に囲まれた部分の面積をS1とする。
In this state, an electric field strength of 0 to 1.5 kV / mm, a frequency of 100 Hz, and a sine wave voltage are applied to the
次に、図7に示すごとく、原点OとPの最高値点Qとを結んだ線、上記Qから横軸に垂下した線及び横軸により囲まれる三角形の面積S2を求める。これらの値を用いることにより誘電損失を算出することができる。即ち、誘電損失(%)はS1/S2/(2π)×100により算出することができる。
このようにして得られた誘電損失は、通常行われるようなインピーダンスアナライザにて1Vにて測定される誘電損失に比べて、圧電アクチュエータを実使用した場合に生じる誘電損失を見積もることが可能である。
この方法によって得た誘電損失を表1に記載した。
Next, as shown in FIG. 7, an area S2 of a line connecting the origin O and the highest point Q of P, a line hanging down from the above Q on the horizontal axis, and a triangle surrounded by the horizontal axis is obtained. The dielectric loss can be calculated by using these values. That is, the dielectric loss (%) can be calculated by S1 / S2 / (2π) × 100.
The dielectric loss obtained in this way makes it possible to estimate the dielectric loss that occurs when the piezoelectric actuator is actually used, as compared with the dielectric loss measured at 1 V by an impedance analyzer that is normally used. .
Table 1 shows the dielectric loss obtained by this method.
次に、圧電アクチュエータの変位の過渡特性の測定について説明する。
圧電アクチュエータの応答性と該圧電アクチュエータを駆動源として採用したインジェクタの応答性とには相関がある。
Next, measurement of the transient characteristics of the displacement of the piezoelectric actuator will be described.
There is a correlation between the responsiveness of a piezoelectric actuator and the responsiveness of an injector employing the piezoelectric actuator as a drive source.
圧電アクチュエータの変位の過渡特性のばらつきが小さくなれば、圧電アクチュエータの伸び速度、すなわち電圧を印加した際の圧電層の伸び速度が略一定となる。圧電アクチュエータの伸び速度が一定であれば、インジェクタにおける燃料噴射のタイミングが早くなったり遅くなったりすることなく一定となるため、噴射量のばらつきを防いで、燃焼状態の制御を更に厳密に行うことができる。
以上の観点から、各試料にかかる圧電磁器からなる圧電アクチュエータの160℃の熱履歴前後における過渡特性変化(ばらつき)を、温度25℃、注入エネルギー80mJで評価して、表1に記載した。
If the variation in the transient characteristics of the displacement of the piezoelectric actuator is reduced, the extension speed of the piezoelectric actuator, that is, the extension speed of the piezoelectric layer when a voltage is applied becomes substantially constant. If the elongation speed of the piezoelectric actuator is constant, the fuel injection timing in the injector will be constant without being advanced or delayed, so it is necessary to prevent variation in the injection amount and control the combustion state more strictly. Can be.
From the above viewpoints, the change (variation) in the transient characteristics of the piezoelectric actuator composed of the piezoelectric ceramic applied to each sample before and after the heat history of 160 ° C. was evaluated at a temperature of 25 ° C. and an injection energy of 80 mJ, and is shown in Table 1.
図5に示すような冶具8に圧電アクチュエータをセットし、予荷重(プリセット荷重)として10MPaを加える。圧電アクチュエータの制御回路を接続し、5Hzで充放電を繰り返すことで、圧電アクチュエータを伸縮させる。ヘッド86の上部に図示しない、静電容量式のギャップセンサを配置し、充電時に圧電アクチュエータが変位する過程の挙動(時間に対する変位量の挙動)をデジタルオシロスコープで測定した。
A piezoelectric actuator is set on a
なお、表1において過渡特性が×とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が大きく、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量がばらつくおそれがあるという状態を示しており、○とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が少しあり、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量が少しばらつくおそれがあるが、問題となる程でもない状態を示しており、◎とは、熱履歴の前後で過渡特性の変化が殆どなく、燃料噴射用のインジェクタに用いた場合、噴射量がばらつくおそれがないという状態を示している。 In Table 1, when the transient characteristic is x, the transient characteristic changes greatly before and after the heat history, and when used for an injector for fuel injection, there is a possibility that the injection amount may vary. Indicates that there is a slight change in the transient characteristics before and after the heat history, and when used for an injector for fuel injection, the injection amount may vary slightly, but it is not so much as to cause a problem. This shows a state in which there is almost no change in the transient characteristics before and after the heat history, and there is no possibility that the injection amount will vary when used in an injector for fuel injection.
ところで表1より明らかであるが、試料1と2は電気容量の変化率が5.5%を大きく越えている。これら2つの試料からなる圧電アクチュエータの変位の過渡特性のばらつきは×と大きかった。また、試料3は電気容量の変化率が5.5%であるため、変位の過渡特性のばらつきは○となり、試料4〜8は電気容量の変化率が4.8%以下で、変位の過渡特性のばららつきは◎と小さかった。
By the way, it is clear from Table 1 that the change rate of the electric capacity of the
更に、表1より明らかであるが、圧電アクチュエータにおいて電気容量の変化率が小さくなればなるほど誘電損失が大きくなった。
そこで、電気容量の変化率1%以下の試料5〜8について、120℃にて80mJのエネルギーを与えて200Hzで駆動し、安定後の温度を測定し、表2に記載した。
表2より、誘電損失が最も小さい試料5にかかる圧電アクチュエータの温度が最も低く、耐久性に優れていた。
Furthermore, as is clear from Table 1, the smaller the rate of change in the capacitance of the piezoelectric actuator, the greater the dielectric loss.
Then, with respect to
According to Table 2, the temperature of the piezoelectric actuator according to the
ここに耐久性とは、圧電アクチュエータが自己発熱により劣化して、変位性能や機械的強度が低下した状態を×、変位性能や機械的強度の低下の兆候が現れた(しかし圧電アクチュエータ使用に問題が生じる程の低下ではない。)状態を○、変位性能や機械的強度の低下がない状態を◎と評価したものである。
誘電損失が8.2%を越えた試料8は、自己発熱により圧電アクチュエータの温度が150℃を越え、変位性能や機械的強度の低下や電気容量の変化という問題が生じた。
試料7は誘電損失が8.2%で、変位性能や機械的強度に低下の兆候が現れた。試料5、6は誘電損失が7.8%以下で、変位性能や機械的強度に変化が殆ど生じなかった。
Here, durability refers to a state in which the displacement performance and mechanical strength of the piezoelectric actuator have deteriorated due to self-heating, indicating that the displacement performance and mechanical strength have decreased. Is not as low as the occurrence of). The state was evaluated as ○, and the state where there was no decrease in displacement performance or mechanical strength was evaluated as ◎.
In
Sample 7 had a dielectric loss of 8.2%, and showed signs of reduction in displacement performance and mechanical strength.
このように、任意の温度:T1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC1とし、T1と100℃以上の差がある温度T2の熱履歴を受けた直後のT1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC2とした時、C1からC2への電気容量の変化率が5.5%以下(但し、−40℃≦T1<T2≦200℃)である場合、圧電アクチュエータは安定した電気容量を得ることができる。また、4.8%以下とすることで、更に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。 Thus, the electric capacity under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more at an arbitrary temperature: T1 is defined as C1, and T1 immediately after receiving a thermal history of a temperature T2 having a difference of 100 ° C. or more from T1. When the capacitance under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more is C2, the rate of change of the capacitance from C1 to C2 is 5.5% or less (provided that -40 ° C ≦ T1 <T2 ≦ 200 ° C). ), The piezoelectric actuator can obtain a stable electric capacitance. Further, by setting the content to 4.8% or less, a more excellent piezoelectric actuator can be obtained.
電気容量が安定することで変位の過渡特性のばらつきが小さくなり、そのため、電圧を印加した際の圧電層の伸び速度、すなわち圧電アクチュエータの伸び速度が略一定となる。
更に、誘電損失を8.2%以下とすることができれば、圧電アクチュエータの温度上昇を抑制して、自己発熱を防止して、耐久性に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。更に、誘電損失を7.8%以下とすることで、更に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。
以上、本例によれば、熱履歴を受けても特性が安定した圧電アクチュエータを得ることができる。
When the electric capacitance is stabilized, the variation in the transient characteristics of displacement is reduced, and therefore, the extension speed of the piezoelectric layer when a voltage is applied, that is, the extension speed of the piezoelectric actuator becomes substantially constant.
Furthermore, if the dielectric loss can be reduced to 8.2% or less, the temperature rise of the piezoelectric actuator can be suppressed, self-heating can be prevented, and a piezoelectric actuator having excellent durability can be obtained. Further, by setting the dielectric loss to 7.8% or less, a more excellent piezoelectric actuator can be obtained.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a piezoelectric actuator having stable characteristics even when subjected to a thermal history.
(実施例3)
本例は実施例1にかかる圧電アクチュエータを駆動源として内蔵したインジェクタについて説明する。
インジェクタ9は、図8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9は、同図に示すごとく、駆動部としての上記圧電アクチュエータ1が収容される上部ハウジング92と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部94が形成される下部ハウジング93を有している。
(Example 3)
In this embodiment, an injector incorporating the piezoelectric actuator according to the first embodiment as a drive source will be described.
As shown in FIG. 8, the
上部ハウジング92は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴921内に、圧電アクチュエータ1が挿通固定されている。縦穴921の側方には、高圧燃料通路922が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング92上側部に突出する燃料導入管923内を経て外部のコモンレール(図略)に連通している。
The
上部ハウジング92上側部には、また、ドレーン通路924に連通する燃料導出管925が突設し、燃料導出管925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924は、縦穴921と駆動部(圧電アクチュエータ)1との間の隙間90を経由し、更に、この隙間90から上下ハウジング92、93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951に連通してしる。
A
噴射ノズル部94は、ピストンボデー931内を上下方向に摺動するノズルニードル941と、ノズルニードル941によって開閉されて燃料溜まり942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943を備えている。燃料溜まり942は、ノズルニードル941の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路922の下端部がここに開口している。ノズルニードル941は、燃料溜まり942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944から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室944の圧力が降下すると、ノズルニードル941がリフトして、噴孔943が開放され、燃料噴射がなされる。
The
背圧室944の圧力は3方弁951によって増減される。3方弁951は、背圧室944と高圧燃料通路922、又はドレーン通路924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922又はドレーン通路924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952、油圧室953、小径ピストン954を介して、駆動される。
The pressure in the
このようなインジェクタに実施例2の試料4〜8にかかる圧電磁器からなる圧電層を持った圧電アクチュエータを設けることで、燃料噴射タイミングのばらつきを減らし、燃料の噴射量のばらつきを減らして、燃焼状態制御をより精密に行うことができる。
By providing such an injector with a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer composed of piezoelectric ceramics according to the
1 圧電アクチュエータ
151 圧電層
153、154 内部電極層
1
Claims (15)
任意の温度:T1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC1とし、T1と100℃以上の差がある温度T2の熱履歴を受けた直後のT1における、1.0kV/mm以上の電界強度下での電気容量をC2とした時、C1からC2への変化率が5.5%以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ(但し、−40℃≦T1<T2≦200℃)。 A piezoelectric actuator formed by alternately laminating piezoelectric layers made of piezoelectric ceramics and internal electrode layers,
Arbitrary temperature: The electric capacity under an electric field strength of 1.0 kV / mm or more at T1 is defined as C1, and 1.0 kV at T1 immediately after receiving a thermal history at a temperature T2 having a difference of 100 ° C. or more from T1. Wherein the rate of change from C1 to C2 is 5.5% or less, where C2 is the capacitance under an electric field strength of / mm or more (provided that -40 ° C ≦ T1 <T2 ≦ 200 ° C).
The chemical formula PbZrO 3 -PbTiO 3 -Pb (Y 1/2 Nb 1/2 ) O according to any one of claims 9 to 14, wherein Pb is partially substituted with at least one selected from Ba, Ca and Sr. Auxiliary oxide containing both Pb oxide and W oxide is added to a piezoelectric material based on 3- Pb (Mn 1-z W z ) O 3 where 0.25 ≦ z ≦ 0.40. A piezoelectric ceramic characterized by being fired.
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