JP2005005680A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インジェクタ等の駆動源として用いられる圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator used as a drive source such as an injector.
従来より、自動車の内燃機関等のインジェクタ(燃料噴射装置)等には、その駆動源として圧電素子を用いることが提案されている。特にインジェクタは、非常に高速な燃料の噴霧を108回以上も繰り返す必要があるため、駆動源となる圧電素子には非常に過酷な使用状態が課せられる。したがって、インジェクタ用の圧電素子には、優れた圧電特性のみならず、優れた耐久性が要求される。 Conventionally, it has been proposed to use a piezoelectric element as a drive source for an injector (fuel injection device) or the like of an internal combustion engine of an automobile. In particular, since an injector needs to repeat spraying of fuel at a very high speed as many as 10 8 times or more, a very severe use state is imposed on a piezoelectric element serving as a driving source. Therefore, the piezoelectric element for the injector is required to have not only excellent piezoelectric characteristics but also excellent durability.
このような圧電素子としては、印加電圧に応じて変位する複数の圧電セラミック層と、印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層圧電アクチュエータが最も有望視されている。この圧電アクチュエータは、電圧を印加すると内部電極層に挟まれる圧電セラミック層がそれぞれ変位するため、大きな駆動源生み出すことができるからである。 As such a piezoelectric element, a laminated piezoelectric actuator formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric ceramic layers that are displaced according to an applied voltage and an internal electrode layer for supplying an applied voltage is most promising. This is because the piezoelectric actuator can generate a large driving source because the piezoelectric ceramic layers sandwiched between the internal electrode layers are displaced when a voltage is applied.
ところが、従来の圧電アクチュエータは、電圧印加時にアクチュエータ内部に大きな応力が発生し、内部にクラックが発生するという問題があった。そのため、上記従来の圧電アクチュエータは、長期間の駆動が困難であり、特に過酷な使用状態を強いられるインジェクタ等への適用は困難であった。 However, the conventional piezoelectric actuator has a problem that a large stress is generated inside the actuator when a voltage is applied, and a crack is generated inside the actuator. Therefore, the conventional piezoelectric actuator is difficult to drive for a long period of time, and particularly difficult to apply to an injector or the like that is forced to use severely.
このような従来の問題を解決するために、各内部電極層の外部電極と非接続の端部位置を、内部電極層の重なり方向においてずらした積層圧電アクチュエータが提案されている(特許文献1参照)。このように、上記内部電極層を、その端部の位置がずれるように配置することにより、アクチュエータ内部に生じる応力を緩和することができるとされていた。 In order to solve such a conventional problem, there has been proposed a laminated piezoelectric actuator in which end positions of the internal electrode layers that are not connected to the external electrodes are shifted in the overlapping direction of the internal electrode layers (see Patent Document 1). ). As described above, it is said that the stress generated in the actuator can be relieved by arranging the internal electrode layers so that the positions of the end portions thereof are shifted.
しかしながら、上記従来の積層圧電アクチュエータを過酷な使用条件が要求されるインジェクタ等に用いたときには、上記のように内部電極の端部にズレを生じさせることによって、かえってアクチュエータ内部に応力が増加し、クラックが発生するという問題があり、上記従来の積層圧電アクチュエータは、耐久性において充分でなかった。また、静電容量や変位特性等の特性のバラツキが大きくなるという問題があった。 However, when the conventional multilayer piezoelectric actuator is used for an injector or the like that requires harsh usage conditions, stress is increased inside the actuator by causing a shift at the end of the internal electrode as described above. There is a problem that cracks occur, and the conventional multilayer piezoelectric actuator is not sufficient in durability. There is also a problem that variations in characteristics such as capacitance and displacement characteristics increase.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、インジェクタ等の用途に適した、耐久性に優れ、特性が安定した圧電アクチュエータ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 an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having excellent durability and stable characteristics suitable for applications such as injectors.
第1の発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層した圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を50層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記圧電素子アクチュエータの積層方向の断面において、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層の端部までの距離の最小値である最小幅Lと、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Wとは、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項1)。
0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mm (1)
A first invention is a piezoelectric actuator having a piezoelectric element unit in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately stacked.
The piezoelectric element unit is formed by stacking 50 or less piezoelectric ceramic layers, and has a pair of external electrodes having different potentials on its side surface.
The internal electrode layer has an electrode exposed portion exposed on a side surface of the piezoelectric element unit, and is connected to one of the pair of external electrodes through the electrode exposed portion, and alternately every other layer. The external electrode at the connection destination has been changed,
Further, around the internal electrode layer, a holding portion that is a region where the internal electrode layer is retreated from the side surface of the piezoelectric element unit is partially formed,
In a cross section in the stacking direction of the piezoelectric element actuator, a minimum width L that is a minimum distance from a side surface of the piezoelectric element unit to an end of each internal electrode layer in each holding portion, and the piezoelectric element unit in each holding portion The variation width W, which is the difference between the maximum and minimum distances from the side surface to each internal electrode layer, satisfies the relationship expressed by the following formula (1) (claim 1).
0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm, W ≦ 0.5 mm (1)
上記第1の発明の圧電アクチュエータにおいては、上記控え部の最小幅Lと、ばらつき幅Wとが、上記式(1)の関係を満足する。
そのため、上記圧電素子ユニット内において、上記内部電極層の重なり部分(以下適宜、圧電活性領域という)の面積のばらつきが小さくなり、静電容量や変位量等の特性が安定化する。
In the piezoelectric actuator according to the first aspect of the present invention, the minimum width L of the holding portion and the variation width W satisfy the relationship of the above formula (1).
Therefore, in the piezoelectric element unit, the variation in the area of the overlapping portion of the internal electrode layers (hereinafter referred to as a piezoelectric active region as appropriate) is reduced, and characteristics such as capacitance and displacement are stabilized.
また、上記のように、上記控え部の上記最小幅Lと上記ばらつき幅Wを限定することにより、上記控え部において接触した、電圧印加時に変位しにくい圧電セラミック層(以下適宜、圧電不活性部という)と上記圧電活性領域との間に応力が集中することを防止し、上記圧電アクチュエータの内部にクラックが発生することを防止することができる。したがって、上記圧電アクチュエータの耐久性が向上する。 In addition, as described above, by limiting the minimum width L and the variation width W of the storage portion, a piezoelectric ceramic layer that is in contact with the storage portion and is not easily displaced when a voltage is applied (hereinafter referred to as a piezoelectric inactive portion as appropriate). ) And the piezoelectric active region, and it is possible to prevent cracks from occurring inside the piezoelectric actuator. Therefore, the durability of the piezoelectric actuator is improved.
また、上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を50層以下積み重ねてなる。
このように、上記圧電素子ユニットの積層数を50層以下とすることにより、電圧印加時にユニット内に発生する応力が抑制される。そのため、上記圧電素子ユニットの内部に生じるクラックの発生を防止することができる。
The piezoelectric element unit is formed by stacking 50 or less piezoelectric ceramic layers.
Thus, the stress generated in the unit when a voltage is applied is suppressed by setting the number of stacked piezoelectric element units to 50 or less. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of cracks generated in the piezoelectric element unit.
以上のように、上記第1の発明によれば、インジェクタ等の用途に適した、耐久性に優れ、特性が安定した圧電アクチュエータを提供することができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric actuator having excellent durability and stable characteristics suitable for applications such as an injector.
次に、第2の発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層した圧電素子ユニットを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子ユニットは、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記一対の外部電極の一方を第一外部電極、他方を第二外部電極とし、上記第一外部電極に接続される上記内部電極層を第一内部電極層とし、上記第二外部電極に接続される上記内部電極層を第二内部電極層とした場合、
上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しておらず、
また、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Aとし、該外周Aにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、外周Aの長さをA、外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしていることを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項3)。
Next, a second invention is a piezoelectric actuator having a piezoelectric element unit in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately laminated.
The piezoelectric element unit has a pair of external electrodes with different potentials on its side surface,
The internal electrode layer has an electrode exposed portion exposed on a side surface of the piezoelectric element unit, and is connected to one of the pair of external electrodes through the electrode exposed portion, and alternately every other layer. The external electrode at the connection destination has been changed,
Further, around the internal electrode layer, a holding portion that is a region where the internal electrode layer is retreated from the side surface of the piezoelectric element unit is partially formed,
One of the pair of external electrodes is a first external electrode, the other is a second external electrode, the internal electrode layer connected to the first external electrode is a first internal electrode layer, and is connected to the second external electrode. When the internal electrode layer is a second internal electrode layer,
When the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the laminating direction, the first internal electrode layer does not overlap with each other so that the electrode exposed portions do not overlap each other. In the portion where the electrode exposed portion is exposed, the electrode exposed portion of the second internal electrode layer is not exposed,
Further, the area of one of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer is larger than the area of the other,
In addition, when the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the stacking direction, the piezoelectric activity is an area where the first internal electrode layer and the second internal electrode layer overlap The outer periphery of the region is the outer periphery A, and the outer periphery B is the portion of the outer periphery A where the larger internal electrode layer of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer covers the outer periphery A. When the length of the outer periphery A is A and the length of the outer periphery B is B, the piezoelectric actuator is characterized by satisfying the relational expression B ≧ 0.5 × A (Claim 3).
以下、上記第2の発明の作用効果につき、図10を用いて説明する。
図10は、上記圧電アクチュエータにおいて、上記第一内部電極層153と上記第二内部電極層154とをそれぞれ積層方向から透視して見た図である。
上記第2の発明の圧電アクチュエータにおいて、上記第一内部電極層153と上記第二内部電極層154とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部158、159が重ならない。
Hereinafter, the function and effect of the second invention will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a view of the piezoelectric actuator as seen through the first
In the piezoelectric actuator according to the second aspect of the present invention, when the first
また、上記第一内部電極層153及び上記第二内部電極層154のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層153と上記第二内部電極層154とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層153及び上記第二内部電極層154が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Aとし、該外周Aにおいて、上記第一内部電極層153及び第二内部電極層154のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、外周Aの長さをA、外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしている。
The area of one of the first
In addition, when the first
そのため、隣り合う二つの内部電極層153、154のオーバーラップしている領域(圧電活性領域150;図10において点線で囲まれる領域)の面積のばらつきが、上記内部電極層153、154の積層時の位置ずれ等に影響されにくくなる。そのため、上記圧電アクチュエータは耐久性に優れる共に、静電容量や変位量などの特性を安定化させることができる。
Therefore, the variation in the area of the overlapping region (piezoelectric
さらに、上記圧電素子ユニットにおける上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有している。そして、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しないようにしてある。
すなわち、上記圧電素子ユニットにおける同一の側面には、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層の上記電極露出部が共に露出することがない。そのため、上記圧電素子ユニットの側面における沿面放電による電気的な短絡を防止することができる。
Further, the internal electrode layer in the piezoelectric element unit has an electrode exposed portion exposed on a side surface of the piezoelectric element unit. And when said 1st internal electrode layer and said 2nd internal electrode layer see through these from the lamination direction, both said 1st internal electrode layer so that the said electrode exposure part may not mutually overlap The electrode exposed portion of the second internal electrode layer is not exposed at the exposed portion of the electrode exposed portion.
That is, the electrode exposed portions of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are not exposed on the same side surface of the piezoelectric element unit. Therefore, an electrical short circuit due to creeping discharge on the side surface of the piezoelectric element unit can be prevented.
上記第1の発明(請求項1)において、上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を50層以下積み重ねてなる。
ここで、上記圧電セラミック層の積層数と上記圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係をシミュレーションにて求めた結果を図21に示す。
シミュレーションは、有限要素法を用いた圧電解析にて行った。
In the first invention (invention 1), the piezoelectric element unit is formed by stacking 50 or less piezoelectric ceramic layers.
Here, FIG. 21 shows a result obtained by simulation of the relationship between the number of stacked piezoelectric ceramic layers and the stress generated in the piezoelectric element unit.
The simulation was performed by piezoelectric analysis using a finite element method.
図21より知られるごとく、一般に上記圧電セラミック層の積層数が多くなるにつれて、ユニット内に発生する応力は大きくなる。特に、50層を越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生する。その結果、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。 As is known from FIG. 21, generally, as the number of the piezoelectric ceramic layers stacked increases, the stress generated in the unit increases. In particular, when the number of layers exceeds 50, a large internal stress is generated when a voltage is applied. As a result, cracks may occur in the piezoelectric element unit.
また、上記圧電素子ユニットの積層方向の断面において、上記控え部における上記最小幅Lと上記ばらつき幅Wとは、下記式(1)の関係を満足する。
0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mm (1)
Further, in the cross section in the stacking direction of the piezoelectric element unit, the minimum width L and the variation width W in the holding portion satisfy the relationship of the following formula (1).
0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm, W ≦ 0.5 mm (1)
ここで、まず、上記控え部の最小幅Lとばらつき幅Wとについて、図3を用いて説明する。
図3は、後述する本発明の実施例にかかる、圧電アクチュエータの積層方向における断面の部分拡大図である。同図に示すごとく、圧電アクチュエータ1は、圧電セラミック層151と内部電極層153、154とを交互に積層した圧電素子ユニット15を有する。
Here, first, the minimum width L and the variation width W of the above-described recording portion will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a partially enlarged view of a cross section in the stacking direction of the piezoelectric actuator according to an example of the present invention described later. As shown in the figure, the
上記内部電極層153、154の積層位置において、上記内部電極層153、154の周囲には、該内部電極層153、154が圧電素子ユニット15の側面から後退した領域である控え部155が部分的に形成されている。
ここで、上記控え部155の上記最小幅Lは、上記圧電アクチュエータ1の積層方向の断面において、各控え部155における上記圧電素子ユニット15の側面から内部電極層153、154の端部までの距離の最小値で表すことができる。
また、上記控え部155のばらつき幅Wは、上記圧電アクチュエータ1の積層方向の断面において、各控え部155における上記圧電素子ユニット15の側面から内部電極層153、154の端部までの距離の最大値と最小値との差で表すことができる。
At the position where the internal electrode layers 153 and 154 are stacked, a holding
Here, the minimum width L of the holding
The variation width W of the holding
上記控え部の上記最小幅Lが0.1mm未満の場合には、上記ばらつき幅Wによらず、クラックの発生を効果的に抑制できないおそれがある。
一方、1.0mmを越える場合には、同体格で比較すると、相対的に圧電活性領域が小さくなり、変位発生力等の圧電体素子の特性が悪くなるおそれがある。
When the minimum width L of the storage portion is less than 0.1 mm, the occurrence of cracks may not be effectively suppressed regardless of the variation width W.
On the other hand, when the thickness exceeds 1.0 mm, the piezoelectric active region is relatively small when compared with the same size, and the characteristics of the piezoelectric element such as the displacement generating force may be deteriorated.
また、上記控え部のばらつき幅と圧電素子ユニットの内部に発生する応力との関係をシミュレーションにて求めた結果を図22に示す。
シミュレーションは、上記と同様に、有限要素法を用いた圧電解析にて行った。
Further, FIG. 22 shows the result of the relationship between the variation width of the holding portion and the stress generated in the piezoelectric element unit obtained by simulation.
The simulation was performed by piezoelectric analysis using the finite element method as described above.
図22より知られるごとく、一般に上記控え部のばらつき幅が大きくなるにつれて、ユニット内に発生する応力は大きくなる。
特に、ばらつき幅が0.5mmを越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生する。その結果、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。
As is known from FIG. 22, generally, the stress generated in the unit increases as the variation width of the holding portion increases.
In particular, when the variation width exceeds 0.5 mm, a large internal stress is generated when a voltage is applied. As a result, cracks may occur in the piezoelectric element unit.
また、上記第1の発明においては、下記式(2)の関係を満足することが好ましい(請求項2)。
0.2mm≦L≦0.6mm、W≦0.3mm (2)
この場合には、上記第1の発明の作用効果を、さらに向上することができる。すなわち、圧電活性領域の面積のばらつきを抑制でき、変位発生力等の圧電体素子の特性を安定化させることができる。また、電圧印加時に発生する内部応力を抑制して、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれを、さらに少なくできる。
In the first aspect of the invention, it is preferable that the relationship of the following formula (2) is satisfied (claim 2).
0.2 mm ≦ L ≦ 0.6 mm, W ≦ 0.3 mm (2)
In this case, the operational effect of the first invention can be further improved. That is, variations in the area of the piezoelectric active region can be suppressed, and the characteristics of the piezoelectric element such as the displacement generating force can be stabilized. Further, it is possible to further suppress the possibility of cracks occurring in the piezoelectric element unit by suppressing the internal stress generated when a voltage is applied.
次に、上記第2の発明(請求項3)においては、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Aとし、該外周Aにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、外周Aの長さをA、外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしている。 Next, in the second invention (invention 3), when the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the stacking direction, the first internal electrode layer and the second internal electrode layer The outer periphery of the piezoelectric active region, which is the region where the second internal electrode layer overlaps, is defined as the outer periphery A, and the inner electrode layer having the larger area of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer is the outer periphery A. When a portion covering the outer periphery A to the outer side is defined as an outer periphery B, the relational expression B ≧ 0.5 × A is satisfied, where A is the length of the outer periphery A and B is the length of the outer periphery B.
ここで、B<0.5×Aの場合には、隣り合う二つの内部電極層のオーバーラップしている圧電活性領域(後述する図10において点線で囲まれる領域)の面積のバラツキが上記内部電極層の積層時の位置ずれ等に影響されやすくなり、圧電アクチュエータの静電容量や変位量などの安定化ができないおそれがある。 Here, in the case of B <0.5 × A, the variation in the area of the overlapping piezoelectric active region (region surrounded by a dotted line in FIG. 10 described later) between two adjacent internal electrode layers is the above-described internal region. It becomes easy to be affected by a positional deviation at the time of stacking the electrode layers, and there is a possibility that the capacitance and displacement of the piezoelectric actuator cannot be stabilized.
また、B≧0.6×Aという関係式を満たしていることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記内部電極層の積層時の位置ずれ等による圧電活性領域の面積のバラツキをさらに抑制でき、圧電アクチュエータの静電容量や変位量などの特性をさらに安定化させることができる。
Further, it is preferable that the relational expression B ≧ 0.6 × A is satisfied (claim 4).
In this case, variations in the area of the piezoelectric active region due to misalignment when the internal electrode layers are stacked can be further suppressed, and characteristics such as capacitance and displacement of the piezoelectric actuator can be further stabilized.
さらに、B≦0.75×Aという関係式を満たしており、かつ、上記第一内部電極層の上記電極露出部と、上記第二内部電極層の上記電極露出部とが同一側面に露出していないことが好ましい(請求項5)。
この場合には、0.6×A≦B≦0.75×Aを満たすようにしたことで、圧電アクチュエータの特性を安定化できる。さらに、上記各電極露出部が同一側面に露出しないようにしたことにより、沿面放電による電気的な短絡等の防止効果を一層、高めることができる。
Furthermore, the relational expression B ≦ 0.75 × A is satisfied, and the electrode exposed portion of the first internal electrode layer and the electrode exposed portion of the second internal electrode layer are exposed on the same side surface. Preferably, it is not present (claim 5).
In this case, the characteristics of the piezoelectric actuator can be stabilized by satisfying 0.6 × A ≦ B ≦ 0.75 × A. Furthermore, by preventing the exposed portions of the electrodes from being exposed on the same side surface, the effect of preventing electrical short-circuiting due to creeping discharge can be further enhanced.
次に、上記第1及び第2の発明において、上記内部電極層は、該内部電極層の外縁にバラツキを有しており、そのバラツキの幅Dは、D≦0.2mm以内であることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記内部電極層の外縁に応力が集中することを防止することができ、上記圧電アクチュエータの耐久性が一層向上する。
Next, in the first and second inventions, the internal electrode layer has a variation at an outer edge of the internal electrode layer, and a width D of the variation is within D ≦ 0.2 mm. Preferred (claim 6).
In this case, stress can be prevented from concentrating on the outer edge of the internal electrode layer, and the durability of the piezoelectric actuator is further improved.
次に、上記内部電極層の外縁のバラツキ幅Dについて、図13及び図14を用いて説明する。
上記内部電極層は、焼成後に圧電セラミック層となるグリーンシートに、例えばスクリーン印刷等により形成される。図13は、圧電セラミック層151に形成された内部電極層154の部分拡大図であり、図14は、図13における内部電極層154の外縁の部分拡大図(図13の点線円で囲まれた領域の拡大図)である。
Next, the variation width D of the outer edge of the internal electrode layer will be described with reference to FIGS.
The internal electrode layer is formed on a green sheet that becomes a piezoelectric ceramic layer after firing, for example, by screen printing or the like. 13 is a partially enlarged view of the
同図に示すごとく、スクリーン印刷などにより形成された内部電極層154は、スクリーンメッシュ等の影響により、その外縁が直線状となっておらず、ある偏差をもった曲線状となっている。図14に示すごとく、上記内部電極層154の外縁において、その偏差の中心を偏差中心線199とすると、該偏差中心線199を挟む偏差の幅が上記バラツキ幅Dとなる。即ち、上記バラツキ幅Dは、各内部電極層154の外縁におけるばらつきの大きさを意味する。
上記ばらつき幅Dが0.2mmを越える場合には、電圧印加時に大きな内部応力が発生し、上記圧電素子ユニット内にクラックが発生するおそれがある。
As shown in the drawing, the outer edge of the
When the variation width D exceeds 0.2 mm, a large internal stress is generated when a voltage is applied, and cracks may occur in the piezoelectric element unit.
また、上記外部電極は、上記電極露出部をすべて覆っていることが好ましい(請求項7)。
この場合には、外部電極との接合面積のばらつきが小さくすることができ、変位の過渡特性を安定化することができる。また、外部環境から内部電極層へ作用するおそれのある悪影響を遮断することができる。
Moreover, it is preferable that the said external electrode has covered all the said electrode exposed parts (Claim 7).
In this case, variation in the bonding area with the external electrode can be reduced, and the transient characteristics of displacement can be stabilized. Further, it is possible to block adverse effects that may affect the internal electrode layer from the external environment.
次に、上記圧電素子ユニットの側面における上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記圧電素子ユニットの上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離は、上記圧電素子ユニットの側面に沿った最短距離で0.2mm以上であることが好ましい(請求項8)。 Next, the distance between the boundary between the electrode exposed portion and the holding portion on the side surface of the piezoelectric element unit and the external electrode provided on the side surface on the holding portion side of the piezoelectric element unit is the piezoelectric element The shortest distance along the side surface of the unit is preferably 0.2 mm or more.
上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離が0.2mm未満の場合には、上記圧電アクチュエータの表面で、沿面放電が起こりやすくなるおそれがある。 When the distance between the boundary between the electrode exposed portion and the holding portion and the external electrode provided on the side surface on the holding portion side is less than 0.2 mm, creeping discharge is generated on the surface of the piezoelectric actuator. May be more likely to occur.
また、上記圧電アクチュエータは、上記圧電素子ユニットを複数個積み重ねてなることが好ましい(請求項9)。
この場合には、所定の変位量を有する上記圧電素子ユニットを積み重ねることにより、さらに大きな所望の変位量を得ることができる。
The piezoelectric actuator is preferably formed by stacking a plurality of the piezoelectric element units.
In this case, a larger desired displacement amount can be obtained by stacking the piezoelectric element units having a predetermined displacement amount.
さらに、上記圧電素子ユニットの最外層は、活性であることが好ましい(請求項10)。
この場合には、上記圧電素子ユニットを複数個積み重ねてなる、上記圧電アクチュエータの積層方向の単位長さあたりの変位量を大きくすることができる共に、上記圧電素子ユニット内の圧電セラミック層のうち、最も外側の圧電セラミック層である最外層と内部の駆動層との界面に発生する内部応力を小さくすることにより、クラックの発生を抑制することができる。
Furthermore, the outermost layer of the piezoelectric element unit is preferably active (claim 10).
In this case, it is possible to increase the amount of displacement per unit length in the stacking direction of the piezoelectric actuator by stacking a plurality of the piezoelectric element units, and among the piezoelectric ceramic layers in the piezoelectric element unit, By reducing the internal stress generated at the interface between the outermost layer, which is the outermost piezoelectric ceramic layer, and the inner drive layer, the occurrence of cracks can be suppressed.
また、ここでいう「活性」とは、作動時に上記最外層にかかる電界強度が圧電素子ユニットの内部の抗電界以上であることを意味する。
具体的には、図23を用いて説明する。
図23は、上記圧電素子ユニットの抗電界に対する上記圧電素子ユニットにかかる電界強度と、上記圧電素子ユニットの圧電定数との関係を実験により求めた結果を示すものである。
同図において、横軸は、上記圧電素子ユニットの抗電界に対する上記圧電素子ユニットにかかる電界強度{(電界強度)/(抗電界)}を示し、縦軸は上記圧電素子ユニットの圧電定数を示す。
The term “activity” as used herein means that the electric field strength applied to the outermost layer during operation is greater than or equal to the coercive electric field inside the piezoelectric element unit.
Specifically, this will be described with reference to FIG.
FIG. 23 shows the result of an experiment to determine the relationship between the electric field strength applied to the piezoelectric element unit against the coercive electric field of the piezoelectric element unit and the piezoelectric constant of the piezoelectric element unit.
In the figure, the horizontal axis represents the electric field strength {(electric field strength) / (coercive electric field)} applied to the piezoelectric element unit against the coercive electric field of the piezoelectric element unit, and the vertical axis represents the piezoelectric constant of the piezoelectric element unit. .
図23より知られるごとく、上記最外層の電界強度が、上記圧電素子ユニットの抗電界を越える場合には、上記最外層の圧電定数が大きくなる。即ち、これは、上記最外層のセラミック層が活性になることを示す。 As can be seen from FIG. 23, when the electric field strength of the outermost layer exceeds the coercive electric field of the piezoelectric element unit, the piezoelectric constant of the outermost layer increases. That is, this indicates that the outermost ceramic layer becomes active.
次に、上記抗電界について説明する。
図24は、上記抗電界(Ec)の説明図である。同図は、横軸に圧電素子ユニットに付与する電界強度を、縦軸に変位量をとったものである。なお、電界強度は、分極方向と同じ方向をプラス(+)とし、分極方向と反対方向を(−)とする。
Next, the coercive electric field will be described.
FIG. 24 is an explanatory diagram of the coercive electric field (Ec). In the figure, the horizontal axis represents the electric field strength applied to the piezoelectric element unit, and the vertical axis represents the amount of displacement. The electric field strength is defined as plus (+) in the same direction as the polarization direction, and (−) in the direction opposite to the polarization direction.
そして、A点からスタートし、まず圧電素子ユニットに分極方向と同じ方向に電界強度を印加し、その値を徐々に高めていく。これにしたがって、圧電素子ユニットの変位量は増加していく。なお、変位量は、一定電圧を印加した際の積層方向への変位を測定し、このときの積層方向の単位長さあたりの変位をもって変位量とすることができる。この変位量は、レーザー変位計及び静電容量式変位計等を用いて測定することができる。 Then, starting from point A, first, an electric field strength is applied to the piezoelectric element unit in the same direction as the polarization direction, and the value is gradually increased. Accordingly, the displacement amount of the piezoelectric element unit increases. In addition, the displacement amount can measure the displacement in the stacking direction when a constant voltage is applied, and the displacement per unit length in the stacking direction can be used as the displacement amount. This displacement amount can be measured using a laser displacement meter, a capacitance displacement meter, or the like.
次に、電界強度がB点に達した後、徐々に電界強度を低くする。今度はこの電界強度の低下にしたがって、変位量が減少していく。そして電界強度が0となった後も、連続して分極方向と逆の方向に電界強度を徐々に低下させる。これにしたがって、変位量はさらに減少していく。そして、電界強度がC点に至った時点で、突然変位量が増加に転じる。この点の電界強度の絶対値が本発明における抗電界Ecである。 Next, after the electric field strength reaches point B, the electric field strength is gradually lowered. This time, the amount of displacement decreases as the electric field strength decreases. Then, even after the electric field strength becomes zero, the electric field strength is gradually decreased continuously in the direction opposite to the polarization direction. In accordance with this, the amount of displacement further decreases. Then, when the electric field intensity reaches point C, the amount of displacement suddenly starts to increase. The absolute value of the electric field strength at this point is the coercive electric field Ec in the present invention.
そして、その後、電界強度がD点に達した後、再び電界強度を高めていく。これにしたがって、今度は変位量が減少していく。そして、電界強度が0となり、さらに分極方向に電界強度を高めていくと、突然変位量が増加に転じる。このD点とC点が異なる場合があるため、本発明では分極方向と逆方向に電圧を印加した際の抗電界をEcとする。
なお、図24に示すごとく、その後さらに電界強度を高めることによって、最終的にB点とほぼ同じ状態になり、その後は同様な挙動を繰り返す。
Then, after the electric field strength reaches point D, the electric field strength is increased again. In accordance with this, the amount of displacement decreases this time. When the electric field strength becomes 0 and the electric field strength is further increased in the polarization direction, the amount of displacement suddenly starts to increase. Since the point D and the point C may be different, in the present invention, the coercive electric field when a voltage is applied in the direction opposite to the polarization direction is Ec.
As shown in FIG. 24, by further increasing the electric field strength after that, the state finally becomes substantially the same as point B, and thereafter the same behavior is repeated.
上記圧電素子ユニットの最外層を活性にする方法としては、例えば通常電圧を印加しない上記最外層に電圧を印加する方法がある。その結果、上記最外層は、電圧印加時に圧電活性として変形しうるものとなる。 As a method of activating the outermost layer of the piezoelectric element unit, for example, there is a method of applying a voltage to the outermost layer without applying a normal voltage. As a result, the outermost layer can be deformed as piezoelectric activity when a voltage is applied.
次に、上記圧電セラミック層は、PZT系材料よりなることが好ましい(請求項11)。
この場合には、上記PZT系材料{Pb(Zr、Ti)O3系ペロブスカイト構造の酸化物の総称}が有する優れた圧電体としての特性を生かして、上記圧電アクチュエータの、インジェクタ等のアクチュエータとしての性能を向上させることができる。
Next, the piezoelectric ceramic layer is preferably made of a PZT material.
In this case, taking advantage of the excellent piezoelectric properties of the PZT-based material {Pb (Zr, Ti) O 3 -based perovskite structure oxide}, as an actuator such as an injector. Performance can be improved.
また、上記内部電極層としては、例えばAg、Pd、Cu、Ni、Au、Ptの金属又は、これらの金属から選ばれる1種以上を用いることができる。 Moreover, as said internal electrode layer, the metal of Ag, Pd, Cu, Ni, Au, Pt, or 1 or more types chosen from these metals can be used, for example.
次に、上記圧電アクチュエータは、インジェクタに用いることが好ましい(請求項12)。
この場合には、上記圧電アクチュエータの優れた耐久性を充分に発揮することができる。
Next, the piezoelectric actuator is preferably used for an injector.
In this case, the excellent durability of the piezoelectric actuator can be sufficiently exhibited.
(実施例1)
次に、本発明の実施例にかかる、圧電アクチュエータにつき、図1〜図8を用いて説明する。
図1〜図3に示すごとく、本例の圧電アクチュエータ1は、圧電セラミック層151と内部電極層153、154とを交互に積層した圧電素子ユニット15を有する。
(Example 1)
Next, a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
圧電素子ユニット15は、圧電セラミック層151を50層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極5、6を有している。そして、内部電極層153、154は、それぞれ圧電素子ユニット15の側面に露出する電極露出部158、159を有し、該電極露出部158、159を介して上記一対の外部電極5、6のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の外部電極5、6を変更している。
The
また、内部電極層153、154の周囲には、該内部電極層153、154が圧電素子ユニット15の側面から後退した領域である控え部155が部分的に形成されている。
図3に示すごとく、圧電アクチュエータ1の積層方向の断面において、各控え部155における圧電素子ユニット15の側面から各内部電極層153、154の端部までの距離の最小値である最小幅Lと、各控え部155における圧電素子ユニット15の側面から各内部電極層153、154までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Wとは、下記式(1)の関係を満足する。
0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mm (1)
Further, around the internal electrode layers 153 and 154, a holding
As shown in FIG. 3, in the cross section in the stacking direction of the
0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm, W ≦ 0.5 mm (1)
以下、本例の圧電アクチュエータ1について、図1〜図3を用いて詳細に説明する。
図1〜図3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を積み重ね、接合部13を形成してなる。各圧電素子ユニット15は、PZT系材料よりなる圧電セラミック層151と、Ag及びPdよりなる内部電極層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セラミック層151の積層数は20層である。
Hereinafter, the
As shown in FIGS. 1 to 3, the
内部電極層153、154は、上記圧電素子ユニット15の側面に露出する電極露出部158、159を有している。そして、電極露出部158、159の少なくとも一部は、上記圧電素子ユニット15の側面にこれを挟むように形成された電位の異なる外部電極5、6に、積層方向において交互に電気的に接続している。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。また、本例において、外部電極5、6は、Agよりなっているが、その他にもPd、Cu、Ni、Au、Pt又は、これらの金属から選ばれる1種以上を用いることができる。
また、極性を目視にて容易に判別可能とするために、互いに電位の異なる外部電極5及び外部電極6をそれぞれ異なる形状とすることができる。
The internal electrode layers 153 and 154 have electrode exposed
In addition, the
また、図2及び図3に示すごとく、圧電素子ユニット15は、上記内部電極層153、154の積層位置において、圧電素子ユニット15の側面に露出しないように上記圧電セラミック層151同士が接触し上記内部電極層153、154が存在しない控え部155を部分的に有している。図3に示すごとく、この控え部155は、各内部電極層153、154と略同一平面上に形成され、各控え部155の幅には、ばらつきがある。そして、控え部155の最小幅Lとばらつき幅Wとは、下記式(1)の関係を満足している。
0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mm (1)
2 and 3, the
0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm, W ≦ 0.5 mm (1)
次に、本例の圧電アクチュエータ1の製造方法につき、図4〜図7を用いて説明する。
本例の圧電アクチュエータは、広く用いられているグリーンシート法を用いて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。
即ち、まず、公知の方法により圧電材料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所望の組成となるように秤量する。本例では、最終的な組成がいわゆるPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)となるようにした。また、鉛の蒸発を考慮して、上記の混合比組成の化学量論比よりも1〜2%リッチになるように調合する。そしてこれらの原料を混合機にて乾式混合し、その後800〜950℃で仮焼する。
Next, a method for manufacturing the
The piezoelectric actuator of this example can be manufactured using a widely used green sheet method. This green sheet is prepared as follows.
That is, first, powders such as lead oxide, zirconium oxide, titanium oxide, niobium oxide, and strontium carbonate, which are main raw materials of the piezoelectric material, are weighed so as to have a desired composition by a known method. In this example, the final composition is so-called PZT (lead zirconate titanate). In consideration of the evaporation of lead, the mixture is blended so as to be 1 to 2% richer than the stoichiometric ratio of the above mixture ratio composition. These raw materials are dry-mixed in a mixer and then calcined at 800 to 950 ° C.
次いで、仮焼粉に、純水、分散剤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、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 and a dispersant are added to the calcined powder to form a slurry, which is wet pulverized by a medium stirring mill. After this pulverized product is dried and powdered and degreased, a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant and the like are added and mixed by a ball mill. Thereafter, this slurry is subjected to vacuum defoaming and viscosity adjustment while stirring with a stirrer in a vacuum apparatus.
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。
回収した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 certain thickness by a doctor blade device.
The collected green sheet is punched out by a press machine or cut by a cutting machine to form a rectangular body having a predetermined size.
次いで、図4に示すごとく、例えば銀/パラジウム=7/3の比率からなる銀およ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7の一方の表面にパターンをスクリーン印刷成形する。図4は金属パターン印刷後のグリーンシートの一例を示す。なお、このペーストは、Ag、Pd、Cu、Ni、Au、Ptの金属又は、これらの金属から選択される1種以上を用いることもできる。
Next, as shown in FIG. 4, for example, a pattern is formed on one surface of the
グリーンシート7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、これを内部電極層153(154)とした。グリーンシート7の表面の対向辺の一方の側には、内部電極層153(154)の非形成部75が設けてある。つまり、グリーンシート7の対向辺の一方の端部には、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配置した。
On the surface of the
このような内部電極層153(154)を形成したグリーンシート7は、圧電アクチュエータ1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7も必要枚数準備する。
The
次いで、図5に示すごとく、内部電極層153(154)を印刷したグリーンシート7を積層した。このとき、非形成部75が図中左側と右側に交互に位置するように重ねる。
また、図5においては、非形成部75が図中左側に位置する内部電極層を内部電極層153、非形成部75が右側に位置する内部電極層を内部電極層154として表す。
Next, as shown in FIG. 5, a
In FIG. 5, the internal electrode layer in which the
このようにして、内部電極層153、154を形成したグリーンシート7を21枚重ね合わせて、さらにその上に内部電極層153、154を形成していないグリーンシートを上下に重ねて、図6に示すごとく、合計30層のグリーンシートよりなる積層体70を作製した。なお、図6には図面作成の便宜のため、積層数を省略した積層体70を示してある。
In this way, 21
次に、上記積層体70を熱圧着後、電気炉により温度400〜700℃のもとで脱脂し、温度900〜1200℃のもとで焼成し、所望の形状に研磨した。本例では、□7mmの角部に1mmの面取り(C面取り)を施し、積層方向の厚みを1.8mmとした。これにより、グリーンシート7は圧電セラミック層151となり、また、上記非形成部75には控え部155が形成され、図7に示すごとく、圧電セラミック層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。図7には、図面作成の便宜のため積層数を省略して示してあるが、この圧電素子ユニット15は、圧電素子として活性な圧電セラミック層を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, the
次に、上記のようにして作製した20個の圧電素子ユニット15を積み重ね、以下のようにして図1〜図3に示す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の側面を挟むようにAgよりなる外部電極5、6を形成した。
Next, the 20
Specifically, first,
外部電極5は、上記圧電素子ユニット15において、一方の極の内部電極層153が露出している位置に形成し、各内部電極層153の導通をとる。
外部電極6は、他方の極の内部電極層154が露出している位置に形成し、各内部電極層154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に、外部電極5、6から直流電圧を印加して、分極した。
In the
The
Thereafter, a direct current voltage was applied from the
次に、図1〜図3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156で積み重ね、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。これを試料E1とする。
Next, as shown in FIGS. 1 to 3, the 20
試料E1の圧電アクチュエータ1においては、控え部155の最小幅Lが0.3mm、控え部155ばらつき幅Wが0.5mmであった。
In the
さらに、本例では、上記圧電セラミック層の積層数、上記控え部の最小幅Lとばらつき幅Wを変えて、試料E1と同様の方法により圧電アクチュエータを作製し、これらを試料E2〜E5、試料Es1〜Es4及び試料C1〜C4とした。その詳細は後述する表1に示す。 Further, in this example, the piezoelectric actuators are manufactured by the same method as the sample E1 by changing the number of the piezoelectric ceramic layers stacked, the minimum width L and the variation width W of the holding portion, and these are prepared as samples E2 to E5, sample Es1 to Es4 and samples C1 to C4 were used. The details are shown in Table 1 described later.
次に、上記試料E1〜E5、試料Es1〜Es4及び試料C1〜試料C4に電圧を印加し、各試料の耐久性及び安定性を以下のようにして調べた。
まず、試料E1〜E5、試料Es1〜Es4及び試料C1〜試料C4をそれぞれ10個ずつ準備し、負電圧をかけない正電圧駆動により150Vの電圧を印加し、4×108回作動試験を実施した。そして、作動中にショートが発生したか否かを調べ、いずれにもショートが発生しなかった場合を◎、2×108回以上4×108回到達前にいずれかの試料にショートが発生した場合を○、2×108到達前に1つ以上ショートが発生した場合を×として判定した。その結果を表1に示す。
Next, voltages were applied to the samples E1 to E5, samples Es1 to Es4, and samples C1 to C4, and the durability and stability of each sample were examined as follows.
First, 10 samples E1 to E5, 10 samples Es1 to Es4 and 10 samples C1 to C4 are prepared, and a voltage of 150 V is applied by positive voltage driving without applying a negative voltage, and an operation test is performed 4 × 10 8 times. did. Then, it is checked whether or not a short circuit has occurred during operation. If no short circuit has occurred in any case, a short circuit occurs in any sample before reaching 2 × 10 8 times or more and 4 × 10 8 times. In the case of ◯, the case where one or more shorts occurred before reaching 2 × 10 8 was determined as x. The results are shown in Table 1.
表1より知られるごとく、試料E1〜E5及び試料Es1〜Es4は、圧電セラミック層が50層以下であり、また控え部の最小幅Lとばらつき幅Wとが、それぞれ0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mmの範囲内にある。そして、これらの試料E1〜E5及び試料Es1〜Es4は、2×108回の作動中にショートが発生せず、耐久性、動作安定性に優れるものであった。 As is known from Table 1, the samples E1 to E5 and the samples Es1 to Es4 have 50 or less piezoelectric ceramic layers, and the minimum width L and variation width W of the back portion are 0.1 mm ≦ L ≦ 1. 0.0 mm and W ≦ 0.5 mm. These samples E1 to E5 and samples Es1 to Es4 did not cause a short circuit during 2 × 10 8 operations, and were excellent in durability and operational stability.
特に、控え部の最小幅Lとばらつき幅Wとを、それぞれ0.2mm≦L≦0.6mm、W≦0.3mmの範囲内に設定した試料Es1、Es3及びEs4は、4×108回の動作中においても、ショートを生じることなく、さらに耐久性及び安定性に優れていた。 In particular, the samples Es1, Es3, and Es4 in which the minimum width L and the variation width W of the holding portion are set in the ranges of 0.2 mm ≦ L ≦ 0.6 mm and W ≦ 0.3 mm, respectively, are 4 × 10 8 times. Even during the operation, there was no short circuit, and the durability and stability were excellent.
また、試料E1〜試料E5及び試料Es1〜Es4において、上記圧電素子ユニットは、50層以下の圧電セラミック層からなっている。そのため、圧電素子ユニット内のクラックの発生を効果的に抑制することができる。 In Samples E1 to E5 and Samples Es1 to Es4, the piezoelectric element unit is composed of 50 or less piezoelectric ceramic layers. Therefore, the generation of cracks in the piezoelectric element unit can be effectively suppressed.
一方、上記試料C1及び試料C2は、50層を越える大きな圧電素子ユニットを有している。また、試料C3及び試料C4は、上記控え部の最小幅Lとばらつき幅Wとが、0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mmの範囲外にある。このような試料C1〜C4は、いずれの試料においても2×108回の作動中にショートが発生し、耐久性及び安定性に問題があった。 On the other hand, the sample C1 and the sample C2 have large piezoelectric element units exceeding 50 layers. In Sample C3 and Sample C4, the minimum width L and the variation width W of the above-described recording portion are outside the ranges of 0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm and W ≦ 0.5 mm. Such samples C1 to C4 had a problem in durability and stability because a short circuit occurred during 2 × 10 8 operations in any of the samples.
(実施例2)
本例は、上記圧電セラミック層、内部電極層、及び外部電極のそれぞれの位置関係や形状を変えて、他は実施例1と同様にして、図1に示すごとく、圧電セラミック層151及び内部電極層153、154を交互に積層してなる2つの圧電アクチュエータ1(後述する試料E6及び試料E7)を作製した例である。
(Example 2)
In this example, the positional relationship and shape of the piezoelectric ceramic layer, the internal electrode layer, and the external electrode are changed, and the others are the same as in Example 1. As shown in FIG. This is an example in which two piezoelectric actuators 1 (sample E6 and sample E7 described later) formed by alternately laminating
図8及び図9は、本例の圧電アクチュエータにおける、圧電セラミック層151及び外部電極5、6に対する内部電極層153、154の配置パターンを示すものである。
8 and 9 show arrangement patterns of the internal electrode layers 153 and 154 with respect to the piezoelectric
本例の圧電アクチュエータの作製に当たっては、図8及び図9に示すごとく、内部電極層153、154の電極露出部158、159が外部電極5、6との接続部分だけとなり、かつ控え部155が内部電極層153、154を囲むように内部電極層153、154を形成し、他は実施例1と同様にして、図1に示すような圧電アクチュエータ1を作製し、これを試料E6及び試料E7とした。
In manufacturing the piezoelectric actuator of this example, as shown in FIGS. 8 and 9, the electrode exposed
試料E6及びE7においては、図8及び図9に示すごとく、内部電極層153、154は、圧電セラミック層151と略同形状で、かつそれよりも小さく形成されている。
In the samples E6 and E7, as shown in FIGS. 8 and 9, the internal electrode layers 153 and 154 have substantially the same shape as the piezoelectric
上記試料E6及び試料E7のように、電極露出部158、159を外部電極5、6にてすべて覆うことにより、外部電極との接合面積のばらつきが小さくなり、変位の過渡特性を安定化することができ、安定性に一層優れた圧電アクチュエータを得ることができた。
By covering all the electrode exposed
(実施例3)
次に、本例では、上記第2の発明の圧電アクチュエータにつき、説明する。
本例の圧電アクチュエータは、図1及び図2に示すごとく、圧電セラミック層151と内部電極層153、154とを交互に積層した圧電素子ユニット15を有する圧電アクチュエータ1である。そして、圧電素子ユニット15は、その側面に電位の異なる一対の外部電極5、6を有している。
Example 3
Next, in this example, the piezoelectric actuator of the second invention will be described.
The piezoelectric actuator of this example is a
上記内部電極層153、154は、それぞれ圧電素子ユニット15の側面に導出された電極露出部158、159を有し、該電極露出部158、159を上記一対の外部電極5、6のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の外部電極5、6を変更している。
The internal electrode layers 153 and 154 have electrode exposed
また、本例の圧電アクチュエータを積層方向から透視してみたときにおける内部電極層153、154の形成パターンを図10に示す。
同図に示すごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、内部電極層153、154の周囲には、該内部電極層153、154が圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部155が部分的に形成されている。
FIG. 10 shows a formation pattern of the internal electrode layers 153 and 154 when the piezoelectric actuator of this example is seen through from the stacking direction.
As shown in the figure, in the piezoelectric actuator of the present example, a holding
また、上記一対の外部電極の一方を第一外部電極5、他方を第二外部電極6とし、第一外部電極5に接続される上記内部電極層を第一内部電極層153とし、上記第二外部電極6に接続される上記内部電極層を第二内部電極層154とした場合、
第一内部電極層153と第二内部電極層154とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに電極露出部158、159が重ならないように、第一内部電極層153を露出させている部分には、第二内部電極層154は露出させていない。
One of the pair of external electrodes is a first
When the first
また、上記第一内部電極層153及び上記第二内部電極層154のいずれか一方の面積は他方の面積より大きい。なお、本例においては、図10に示すごとく、面積が大きい方の内部電極層を第二内部電極層154とし、小さい方を第一内部電極層153とした。
また、上記第一内部電極層153と上記第二内部電極層154とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層153及び上記第二内部電極層154が重なっている領域である圧電活性領域150の外周を外周Aとし、該外周Aにおいて、上記第一内部電極層153及び第二内部電極層154のうち面積が大きい方の内部電極層(第二内部電極層154)が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、上記外周Aの長さをA、上記外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしている。
The area of one of the first
In addition, when the first
本例の圧電アクチュエータ1の作製方法は、図10に示すように内部電極層153、154の形状を変更した点を除いては、上記実施例1と同様である。
本例の圧電アクチュエータを試料E8とした。
The manufacturing method of the
The piezoelectric actuator of this example was designated as sample E8.
試料E8においては、第一内部電極層153と第二内部電極層154とが重なる部分(図10において点線で囲まれ、斜線にて塗りつぶした領域)、即ち圧電素子として活性な圧電活性領域150が略正方形となるように、第一内部電極層153と第二内部電極層154が形成されている。
また、上記第一内部電極層153と上記第二内部電極層154とを積層方向から透視して見た場合において、上記圧電活性領域150の外周を外周A(図10において点線で示す部分)とし、該外周Aにおいて、上記第一内部電極層153及び第二内部電極層154のうち面積が大きい方の内部電極層(第二内部電極層154)が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、上記外周Aの長さをA、上記外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしている。
In the sample E8, a portion where the first
Further, when the first
なお、図10、及び後述する図11及び図12は、第一内部電極層と第二内部電極層とを、積層方向から透視してみたときの、圧電セラミック層及び外部電極に対する第一及び第二内部電極層の配置パターンをそれぞれ示すものであり、各図面においては、外周Bを矢印にて示しており、この矢印は本来は外周A(図10において点線で示す部分)と重なるものであるが、図面作成の便宜のため若干ずらして示してある。 10 and FIG. 11 and FIG. 12 to be described later show the first and second piezoelectric ceramic layers and external electrodes when the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the stacking direction. The arrangement patterns of the two internal electrode layers are shown respectively. In each drawing, the outer periphery B is indicated by an arrow, and this arrow originally overlaps the outer periphery A (the portion indicated by the dotted line in FIG. 10). However, they are slightly shifted for convenience of drawing.
また、本例においては、図11及び図12に示すごとく、上記試料E8とは内部電極層の形成パターンが異なる圧電アクチュエータを作製し、これを試料E9(図11)及び試料E10(図12)とした。試料E9及び試料E10は、内部電極層の形成パターンを変更した点を除いては、上記試料E8と同様のものである。 Further, in this example, as shown in FIGS. 11 and 12, a piezoelectric actuator having a different internal electrode layer formation pattern from that of the sample E8 is manufactured, and this is used as a sample E9 (FIG. 11) and a sample E10 (FIG. 12). It was. Sample E9 and Sample E10 are the same as Sample E8 except that the formation pattern of the internal electrode layer is changed.
上記試料E8〜試料E10においては、それぞれ図10〜図12に示すごとく、第一内部電極層153と第二内部電極層154とを、互いに電極露出部158、159が重ならないように、第一内部電極層153を露出させている部分には、第二内部電極層154は露出させていない。
また、試料E8〜試料E10においては、上記外周Aの長さをA、上記外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たすように内部電極層153、154が形成されている。
In Sample E8 to Sample E10, as shown in FIGS. 10 to 12, the first
In Samples E8 to E10, when the length of the outer periphery A is A and the length of the outer periphery B is B, the internal electrode layers 153 and 154 satisfy the relational expression B ≧ 0.5 × A. Is formed.
そのため、上記試料E8〜試料E10の圧電アクチュエータは、その側面で、沿面放電が起こることを防止することができる。
また、隣り合う二つの内部電極層153、154がオーバーラップしている領域である圧電活性領域150(図10〜図12において点線で囲まれ、斜線で塗りつぶした領域)の面積のばらつきが、上記内部電極層153、154の積層時の位置ずれ等に影響されにくくなる。そのため、試料E8〜試料E10の圧電アクチュエータは、耐久性に優れる共に、静電容量や変位量などの特性が非常に安定であった。
Therefore, the piezoelectric actuators of Sample E8 to Sample E10 can prevent creeping discharge from occurring on the side surfaces.
Further, the variation in the area of the piezoelectric active region 150 (the region surrounded by the dotted line in FIG. 10 to FIG. 12 and filled with the diagonal line), which is the region where the two adjacent internal electrode layers 153 and 154 overlap, is described above. It becomes difficult to be affected by misalignment when the internal electrode layers 153 and 154 are stacked. Therefore, the piezoelectric actuators of Sample E8 to Sample E10 are excellent in durability and have extremely stable characteristics such as capacitance and displacement.
なお、内部電極層153、154のいずれかを大面積とし、かつ、圧電活性領域150の外周Aに対して、上記外周B=0.5×Aという関係式を満たすように内部電極層153、154を形成すれば、積層時の位置ずれ等の影響を抑制し得るという有効な効果を得ることができる。すなわち、例えば、内部電極層153、154を略同一形状に形成する場合と比べ、積層時の位置ずれ等の影響をおよそ半分以下とすることができる。
The
例えば、内部電極層153、154を略同一形状に形成した場合、図25に示すごとく、内部電極層153に対して、内部電極層154に積層ずれを生じると必ず圧電活性領域150の面積が小さくなる。なお、同図(a)では、内部電極層153、154間に、積層ずれを生じてない理想的な積層状態における圧電活性領域150を示している。また、同図(b)、(c)には、略正方形の内部電極層153、154の対角線a方向の両方向側(a+側、a−側)に位置ずれを生じた場合の圧電活性領域150の面積変動を示している。
For example, when the internal electrode layers 153 and 154 are formed in substantially the same shape, as shown in FIG. 25, the area of the piezoelectric
一方、図26には、上記のごとく、内部電極層153、154のうち内部電極層153を大面積とし、かつ、圧電活性領域150の外周Aに対して、上記外周B=0.5×Aという関係式を満たすように内部電極層153、154を形成した場合を示している。そして、積層ずれによる圧電活性領域150の面積の変動を図示してある。なお、同図(a)では、内部電極層153、154間に、積層ずれを生じてない理想的な積層状態(略正方形の内部電極層153、154とを、その2辺と1頂点を重ね合わせて積層した状態。)における圧電活性領域150を示している。また、同図(b)、(c)には、略正方形の内部電極層153、154の対角線a方向の両方向側(a+側、a−側)に位置ずれを生じた場合の圧電活性領域150の面積が変動する様子を示している。
On the other hand, in FIG. 26, as described above, the
同図(b)に示されるごとく、対角線aの一方の方向であるa+方向に、内部電極層154が積層ずれすると、図25の場合と同様、圧電活性領域150の面積が小さくなる。しかし、同図(c)に示すごとく、対角線aの他方の方向であるa−方向に、所定量以下の積層ずれを生じても、圧電活性領域150の面積は変動しない。
つまり、内部電極層153、154のいずれかを大面積とし、上記外周B=0.5×Aという関係式を満たすように内部電極層153、154を形成すると、上記のごとく、圧電活性領域の変動を誘発する積層ずれ方向を片方向のみにできる。すなわち、内部電極層153、154を略同一形状に形成した場合(図25)に対して、積層ずれに起因して圧電活性領域が小さくなる確率をおよそ半分以下にできる。
As shown in FIG. 5B, when the
That is, when any one of the internal electrode layers 153 and 154 has a large area and the internal electrode layers 153 and 154 are formed so as to satisfy the relational expression B = 0.5 × A, as described above, The stacking misalignment direction that induces the variation can be set to only one direction. That is, when the internal electrode layers 153 and 154 are formed in substantially the same shape (FIG. 25), the probability that the piezoelectric active region becomes small due to the stacking deviation can be reduced to about half or less.
さらに、図27は、(外周B/外周A)の値と、内部電極層153、154間の積層ずれによる圧電アクチュエータの特性ばらつきとの関係を調べた例である。同図では、横軸に(外周B/外周A)の値を規定し、縦軸に特性ばらつきの大きさを示している。なお、特性ばらつきとしては、積層ずれを生じたときの特性(静電容量)を、積層ずれがないときの特性(静電容量)で除算した値(%)を用いた。さらに、同図中のプロットの白抜きアルファベットは、図28(A)〜(F)に示すごとく、積層する内部電極層153、154の形状パターンの組み合わせを示している。なお、同図では、左列に、それぞれ理想的な積層状態における内部電極層153、154の組み合わせを図示し、右列には、それぞれ積層ずれを生じた場合を図示してある。 Further, FIG. 27 is an example in which the relationship between the value of (outer periphery B / outer periphery A) and the variation in characteristics of the piezoelectric actuator due to the stacking deviation between the internal electrode layers 153 and 154 is examined. In the figure, the value of (outer periphery B / outer periphery A) is defined on the horizontal axis, and the magnitude of characteristic variation is indicated on the vertical axis. As the characteristic variation, a value (%) obtained by dividing the characteristic (capacitance) when the stacking deviation occurred by the characteristic (capacitance) when there is no stacking deviation was used. Furthermore, the white alphabets in the plots in the figure indicate combinations of the shape patterns of the internal electrode layers 153 and 154 to be stacked as shown in FIGS. In the figure, the left column shows combinations of the internal electrode layers 153 and 154 in an ideal stacked state, and the right column shows a case where stacking misalignment occurs.
図27から明らかなように、(外周B/外周A)の値を大きくするにつれて、特性ばらつきを効果的に抑制することができる。特に、(外周B/外周A)の値が0.6以上、すなわち、B≧0.6×Aとなる範囲では、特性ばらつきをおよそ5%以下に抑制することができる。さらに、(外周B/外周A)の値を0.6以上0.75以内、すなわち、0.6×A≦B≦0.75×Aとし、かつ、第一内部電極層153の上記電極露出部と、第二内部電極層154の上記電極露出部とが同一側面に露出しないように構成すると、特性ばらつきをさらに抑制しながら、沿面放電による電気的な短絡を防止する効果を一層、高めることができる。
As is clear from FIG. 27, the characteristic variation can be effectively suppressed as the value of (outer periphery B / outer periphery A) is increased. Particularly, in the range where the value of (outer periphery B / outer periphery A) is 0.6 or more, that is, B ≧ 0.6 × A, the characteristic variation can be suppressed to about 5% or less. Furthermore, the value of (outer periphery B / outer periphery A) is 0.6 or more and 0.75 or less, that is, 0.6 × A ≦ B ≦ 0.75 × A, and the electrode exposure of the first
(実施例4)
次に、内部電極層の外縁にバラツキを有する圧電アクチュエータの例につき説明する。
本例の圧電アクチュエータは、実施例1と同様の方法により、グリーンシート法によって製造することができる。圧電セラミック層に形成する内部電極層の形状は、実施例2の上記試料E6(図8参照)と同形状である。
(Example 4)
Next, an example of a piezoelectric actuator having variations at the outer edge of the internal electrode layer will be described.
The piezoelectric actuator of this example can be manufactured by the green sheet method by the same method as in Example 1. The shape of the internal electrode layer formed on the piezoelectric ceramic layer is the same as that of the sample E6 of Example 2 (see FIG. 8).
本例においては、実施例1と同様に上記控え部における最小幅L及び上記ばらつき幅Wを変えて、スクリーン印刷法により6種類の圧電アクチュエータを作製し、これらを試料E11〜試料E16とした。各試料の最小幅L及びばらつき幅Wは後述する表2に示す。 In this example, as in Example 1, the minimum width L and the variation width W in the holding part were changed, and six types of piezoelectric actuators were produced by screen printing, and these were designated as Samples E11 to E16. The minimum width L and the variation width W of each sample are shown in Table 2 described later.
さらに、本例においては、上記グリーンシート法において、上記圧電セラミック層のグリーンシートに内部電極層を形成するときのスクリーンメッシュの大きさを変えて、他は上記試料E11〜試料E16と同様にして6種類の圧電アクチュエータを作製し、これらを試料E11a〜試料16aとした。 Further, in this example, in the green sheet method, the size of the screen mesh when the internal electrode layer is formed on the green sheet of the piezoelectric ceramic layer is changed, and the others are the same as the samples E11 to E16. Six types of piezoelectric actuators were produced, and these were designated as Sample E11a to Sample 16a.
図13及び図14に示すごとく、上記試料E11〜試料16及び上記試料E11a〜試料16aにおいては、各内部電極層154の外縁は、直線状となっておらず、ある偏差をもった曲線状となっている。この偏差の幅、即ちバラツキ幅Dを測定したところ、試料E11〜試料16においてはいずれも0.2mmであり、試料E11a〜試料16aにおいてはいずれも0.4mmであった。
内部電極層の外縁のバラツキの測定は、SEM(走査型電子顕微鏡)写真による寸法測定により行った。
試料E11〜試料16及び試料E11a〜試料16aの詳細を表2に示す。
As shown in FIGS. 13 and 14, in the samples E11 to 16 and the samples E11a to 16a, the outer edge of each
The variation of the outer edge of the internal electrode layer was measured by dimension measurement using a SEM (scanning electron microscope) photograph.
Table 2 shows details of the samples E11 to 16 and the samples E11a to 16a.
また、本例においては、実施例1と同様に、上記試料E11〜E16及び試料E11a〜試料16aに電圧を印加し、4×108回の作動試験を行った。そして、作動中にショートが発生したか否かを調べ、いずれにもショートが発生しなかった場合を◎、2×108回以上4×108回到達前にいずれかにショートが発生した場合を○、2×108到達前に1つ以上ショートが発生した場合を×として判定した。その結果を表2に示す。 Further, in this example, as in Example 1, voltages were applied to the samples E11 to E16 and the samples E11a to 16a, and the operation test was performed 4 × 10 8 times. Then, check if a short circuit occurred during operation, and if no short circuit occurred in any of the cases ◎ If a short circuit occurred in any of the cases before reaching 2 × 10 8 times or more and 4 × 10 8 times Was evaluated as x when one or more short-circuits occurred before reaching 2 × 10 8 . The results are shown in Table 2.
表2より知られるごとく、上記試料E11〜E16及び試料E11a〜試料16aは、いずれも2.0×108回まではショートが発生せず、耐久性に優れていた。
しかし、2.0×108回を越えて4.0×108回に到達する前に、試料E11a及び、試料E13a〜試料E16aにショートが発生した。
これに対し、上記試料E11a、試料E13a〜E16aと最小幅L及びばらつき幅Wがそれぞれ同じであって、バラツキ幅Dが異なる試料E11、試料E13〜E16は、4.0×108回という高い作動回数においても、ショートを発生せず、耐久性に一層優れていた。
As is known from Table 2, the samples E11 to E16 and the samples E11a to 16a were all excellent in durability because no short circuit occurred up to 2.0 × 10 8 times.
However, before reaching 2.0 × 10 8 times and reaching 4.0 × 10 8 times, a short circuit occurred in Sample E11a and Samples E13a to E16a.
On the other hand, the sample E11 and the samples E13 to E16 having the same minimum width L and variation width W as the samples E11a and E13a to E16a but different in the variation width D are as high as 4.0 × 10 8 times. In terms of the number of operations, no short circuit occurred and the durability was further improved.
この結果をさらに検討するため、表2の結果を図15及び図16に示す。
図15は、内部電極層のバラツキ幅Dが0.2mmである試料E11〜試料E16の上記結果を示すものである。
図16は、内部電極層のバラツキ幅Dが0.4mmである試料E11a〜試料E16aの上記結果を示すものである。
また、図15及び図16において、横軸は控え部の最小幅Lを示し、縦軸は控え部のばらつき幅Wを示した。また、図15及び図16においては、ショートが発生しなかったものを◎、2×108回以上4×108回到達前にいずれかにショートが発生したものを○、2×108到達前に1つ以上ショートが発生したものを×としてプロットした。
In order to examine this result further, the result of Table 2 is shown in FIG.15 and FIG.16.
FIG. 15 shows the results of Samples E11 to E16 in which the variation width D of the internal electrode layers is 0.2 mm.
FIG. 16 shows the results of Sample E11a to Sample E16a in which the variation width D of the internal electrode layer is 0.4 mm.
15 and 16, the horizontal axis indicates the minimum width L of the storage portion, and the vertical axis indicates the variation width W of the storage portion. In FIGS. 15 and 16, the case where no short-circuit occurred is ◎, 2 × 10 8 times or more 4 × 10 8 times before short-circuit occurs, and ○ is 2 × 10 8 The case where one or more shorts occurred before was plotted as x.
図15及び図16より知られるごとく、上記控え部の最小幅L及びばらつき幅Wが、図15及び図16の点線で囲まれる領域にある場合には、2×108回という高い作動回数においても、本例の圧電アクチュエータ(上記試料E11〜E16及び試料E11a〜試料16a)はショートを生じず、耐久性に優れていた。 As can be seen from FIGS. 15 and 16, when the minimum width L and the variation width W of the stub portion are in the region surrounded by the dotted line in FIGS. 15 and 16, the operation frequency is as high as 2 × 10 8 times. However, the piezoelectric actuators of the present example (the samples E11 to E16 and the samples E11a to 16a) did not cause a short circuit and had excellent durability.
ところが、図16より知られるごとく、更に作動回数を増やして作動させると、試料E11a及びE13a〜E16aにおいては、4×108回の作動回数に到達する前にショートが発生した。 However, as can be seen from FIG. 16, when the number of actuations was further increased, the samples E11a and E13a to E16a were short-circuited before reaching the number of actuations of 4 × 10 8 times.
一方、図15より知られるごとく、上記試料11a、試料14a及び試料15aと控え部の最小幅L及びばらつき幅Wがそれぞれ同じであるが、内部電極層のバラツキ幅Dを0.2mmとした上記試料11、試料14及び試料15は、4×108回というさらに高い作動においても、ショートは発生しなかった。
On the other hand, as can be seen from FIG. 15, the minimum width L and variation width W of the sample portion 11a, sample 14a and sample 15a are the same, but the variation width D of the internal electrode layer is 0.2 mm.
以上のことより、上記内部電極層のバラツキ幅Dを0.2mm以内とすることにより、圧電アクチュエータの耐久性をさらに向上させることができることがわかる。 From the above, it can be seen that the durability of the piezoelectric actuator can be further improved by setting the variation width D of the internal electrode layer within 0.2 mm.
(実施例5)
次に、上記圧電素子ユニットの側面における上記電極露出部と上記控え部との境界部と、上記圧電素子ユニットの上記控え部側の側面に設けられた上記外部電極との距離を、上記圧電素子ユニットの側面に沿った最短距離で0.2mm以上にした圧電アクチュエータの例を示す。
図17及び図18に示すごとく、本例の圧電アクチュエータにおいては、上記圧電素子ユニット15の側面において、外部電極5、6と接続していない上記電極露出部159と上記控え部155との境界部8と、上記圧電素子ユニット15の上記控え部155側の側面に設けられた上記外部電極5、6との距離cが、上記圧電素子ユニット15の側面に沿った最短距離で0.2mm以上となるように、内部電極層153、154及び外部電極5、6を配置し、他は実施例3の試料E8と同様にして、図1に示す圧電アクチュエータ1を作製した。これを試料E17とした。
(Example 5)
Next, the distance between the boundary between the electrode exposed portion and the holding portion on the side surface of the piezoelectric element unit and the external electrode provided on the side surface on the holding portion side of the piezoelectric element unit is determined as the piezoelectric element. An example of a piezoelectric actuator having a minimum distance of 0.2 mm along the side surface of the unit is shown.
As shown in FIGS. 17 and 18, in the piezoelectric actuator of this example, on the side surface of the
図17は、試料E17の圧電アクチュエータにおける、圧電素子ユニット15の側面を部分的に示すものであり、図18は、試料E17における、圧電セラミック層151及び外部電極5、6に対する内部電極層153、154の配置パターンを示すものである。
FIG. 17 partially shows a side surface of the
試料E17においては、図18に示すごとく、一方の外部電極5に接続する内部電極層153は、外部電極5と接続する部分を除いては電極露出部158を有していない。もう一方の外部電極6に接続する内部電極層154は、外部電極5、6を形成した側面以外にも電極露出部159を有している。
したがって、図17及び図18に示すごとく、圧電素子ユニット15において外部電極5、6を形成した側面以外の側面に露出する内部電極層は、外部電極6に接続する内部電極層154である。
In the sample E17, as shown in FIG. 18, the
Therefore, as shown in FIGS. 17 and 18, the internal electrode layer exposed to the side surface other than the side surface on which the
そして、試料E17においては、圧電素子ユニット15の側面において、外部電極5、6に接続されていない電極露出部159と控え部155との境界部8と、圧電素子ユニット15の控え部155側の側面に設けられた外部電極5との距離cが、上記圧電素子ユニット15の側面に沿った最短距離で0.2mm以上となっている。
In the sample E17, on the side surface of the
このように内部電極層153、154及び外部電極層5、6を配置することにより、上記圧電アクチュエータの側面で、沿面放電が起こることを効果的に防止することができた。
By arranging the internal electrode layers 153 and 154 and the
(実施例6)
本例は、圧電素子ユニットの最外層が活性な圧電アクチュエータを作製する例である。
まず、図19に示すごとく、実施例1と同様の圧電素子ユニット15を準備する。この圧電素子ユニット15は、圧電セラミック層151と内部電極層153、154とを交互に積層してなり、圧電素子ユニット15内の圧電セラミック層151のうち、最も外側にある最外層152の表面には、内部電極層が形成されていない。
(Example 6)
In this example, a piezoelectric actuator in which the outermost layer of the piezoelectric element unit is active is manufactured.
First, as shown in FIG. 19, a
次に、図20に示すごとく、電位が異なる2つの外部電極5及び外部電極6を圧電素子ユニット15の側面を挟むように形成し、外部電極5は内部電極層153の導通をとり、外部電極6は内部電極層154の導通をとる。
また、外部電極5は、圧電アクチュエータ1の側面に配置される本体部51と、該本体部51から略直角方向に伸びて圧電素子ユニット15の最外層152を覆うように形成された枝部53とからなる。
Next, as shown in FIG. 20, two
The
次に、外部電極5の枝部53同士が重なり、かつ、外部電極5の本体部51及び外部電極6が積層後にそれぞれ同じ側面に配置されるように、圧電素子ユニット15を積み重ね、圧電アクチュエータを作製した。これを試料E18とした。
試料E18においては、図20に示すごとく、外部電極5の枝部53は、各圧電素子ユニット15の間に配置される。
Next, the
In the sample E <b> 18, as shown in FIG. 20, the
このような圧電アクチュエータにおいては、電圧印加時には、圧電素子ユニット15の最外層152も変位し、圧電的に活性になる。その結果、上記圧電アクチュエータの積層方向の単位長さあたりの変位量を大きくすることができ、圧電アクチュエータは、大きな駆動力を発揮することができるものとなる。
In such a piezoelectric actuator, when a voltage is applied, the
1 圧電アクチュエータ
15 圧電素子ユニット
151 圧電セラミック層
153、154 内部電極層
155 控え部
158、159 電極露出部
5、6 外部電極
DESCRIPTION OF
Claims (12)
上記圧電素子ユニットは、上記圧電セラミック層を50層以下積み重ねてなると共に、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記圧電素子アクチュエータの積層方向の断面において、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層の端部までの距離の最小値である最小幅Lと、各控え部における上記圧電素子ユニットの側面から各内部電極層までの距離の最大と最小との差であるばらつき幅Wとは、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
0.1mm≦L≦1.0mm、W≦0.5mm (1) In a piezoelectric actuator having a piezoelectric element unit in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately laminated,
The piezoelectric element unit is formed by stacking 50 or less piezoelectric ceramic layers, and has a pair of external electrodes having different potentials on its side surface.
The internal electrode layer has an electrode exposed portion exposed on a side surface of the piezoelectric element unit, and is connected to one of the pair of external electrodes through the electrode exposed portion, and alternately every other layer. The external electrode at the connection destination has been changed,
Further, around the internal electrode layer, a holding portion that is a region where the internal electrode layer is retreated from the side surface of the piezoelectric element unit is partially formed,
In a cross section in the stacking direction of the piezoelectric element actuator, a minimum width L that is a minimum distance from a side surface of the piezoelectric element unit to an end of each internal electrode layer in each holding portion, and the piezoelectric element unit in each holding portion A piezoelectric actuator characterized in that the variation width W, which is the difference between the maximum and minimum distances from the side surface to each internal electrode layer, satisfies the relationship of the following formula (1).
0.1 mm ≦ L ≦ 1.0 mm, W ≦ 0.5 mm (1)
0.2mm≦L≦0.6mm、W≦0.3mm (2) 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the relationship of the following formula (2) is satisfied.
0.2 mm ≦ L ≦ 0.6 mm, W ≦ 0.3 mm (2)
上記圧電素子ユニットは、その側面に電位の異なる一対の外部電極を有しており、
上記内部電極層は、上記圧電素子ユニットの側面に露出する電極露出部を有し、該電極露出部を介して上記一対の外部電極のいずれか一方に接続してなると共に、一層おきに交互にその接続先の上記外部電極を変更しており、
また、上記内部電極層の周囲には、該内部電極層が上記圧電素子ユニットの側面から後退した領域である控え部が部分的に形成されており、
上記一対の外部電極の一方を第一外部電極、他方を第二外部電極とし、上記第一外部電極に接続される上記内部電極層を第一内部電極層とし、上記第二外部電極に接続される上記内部電極層を第二内部電極層とした場合、
上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とは、これらを積層方向から透視して見た場合に、両者は互いに上記電極露出部が重ならないように、上記第一内部電極層の上記電極露出部が露出している部分には、上記第二内部電極層の上記電極露出部が露出しておらず、
また、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層のいずれか一方の面積は他方の面積より大きく、
かつ、上記第一内部電極層と上記第二内部電極層とを積層方向から透視して見た場合において、上記第一内部電極層及び上記第二内部電極層が重なっている領域である圧電活性領域の外周を外周Aとし、該外周Aにおいて上記第一内部電極層及び第二内部電極層のうち面積が大きい方の内部電極層が上記外周Aの外側まで覆っている部分を外周Bとしたときに、外周Aの長さをA、外周Bの長さをBとすると、B≧0.5×Aという関係式を満たしていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator having a piezoelectric element unit in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately laminated,
The piezoelectric element unit has a pair of external electrodes with different potentials on its side surface,
The internal electrode layer has an electrode exposed portion exposed on a side surface of the piezoelectric element unit, and is connected to one of the pair of external electrodes through the electrode exposed portion, and alternately every other layer. The external electrode at the connection destination has been changed,
Further, around the internal electrode layer, a holding portion that is a region where the internal electrode layer is retreated from the side surface of the piezoelectric element unit is partially formed,
One of the pair of external electrodes is a first external electrode, the other is a second external electrode, the internal electrode layer connected to the first external electrode is a first internal electrode layer, and is connected to the second external electrode. When the internal electrode layer is a second internal electrode layer,
When the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the laminating direction, the first internal electrode layer does not overlap with each other so that the electrode exposed portions do not overlap each other. In the portion where the electrode exposed portion is exposed, the electrode exposed portion of the second internal electrode layer is not exposed,
Further, the area of one of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer is larger than the area of the other,
In addition, when the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are seen through from the stacking direction, the piezoelectric activity is an area where the first internal electrode layer and the second internal electrode layer overlap The outer periphery of the region is the outer periphery A, and the outer periphery B is the portion of the outer periphery A where the larger internal electrode layer of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer covers the outer periphery A. A piezoelectric actuator characterized by satisfying a relational expression of B ≧ 0.5 × A where A is the length of the outer periphery A and B is the length of the outer periphery B.
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