JP2005150369A - Laminated piezoelectric element and spraying device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関し、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子に用いられる積層型圧電素子および噴射装置に関するものである。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element and an injection device, for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, a drive element mounted on a precision positioning device such as an optical device, a vibration prevention device, and the like, and a combustion Sensor elements mounted on pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc., and circuit elements mounted on piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, etc. The present invention relates to a stacked piezoelectric element and a jetting device used.
従来より、積層型圧電素子としては、圧電体と電極を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプの2種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、薄層化に対して有利であることと、耐久性に対して有利であることから、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが優位性を示しつつある。 Conventionally, as a multilayer piezoelectric element, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and electrodes are alternately stacked is known. Multilayer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing types and stack types in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are alternately stacked. Considering low voltage and manufacturing cost reduction, the layered piezoelectric actuator is thinned. Therefore, a co-fired multilayer piezoelectric actuator is showing an advantage.
図2は、従来の積層型電子部品として代表的な積層コンデンサを示すもので、誘電体21と内部電極22が交互に積層されているが、内部電極22は誘電体21主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の内部電極22
を左右互い違いに積層することで、積層型電子部品の側面に形成された外部電極23に内部電極22を一層おきに交互に接続することができる(例えば、特許文献1参照)。
FIG. 2 shows a typical multilayer capacitor as a conventional multilayer electronic component, in which
Are alternately stacked, so that the
図1は、従来の積層型圧電素子を示すもので、圧電体11と内部電極12が交互に積層されているが、内部電極12は圧電体11主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の内部電極12を左右互い違いに積層することで、積層型電子部品の側面に形成された外部電極15に内部電極12を一層おきに交互に接続することができる。基本構造は図2の積層コンデンサと同じであり、セラミックグリーンシートに内部電極ペーストを所定の電極構造となるパターンで印刷し、この内部電極ペーストが布されたグリーンシートを複数積層して積層積層体を作製し、これを焼成して積層体を作製していた(例えば、特許文献2参照)。
FIG. 1 shows a conventional multilayer piezoelectric element, in which
このような積層型圧電素子は、圧電体11と内部電極12が交互に積層されて柱状積層体13が形成され、その積層方向における両端面には不活性層14が積層されている。内部電極12は、その一方の端部が左右交互に外部電極15と左右各々一層起きに導通するように形成されている。積層型圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極15にさらにリード線が半田により固定される場合がある。
In such a laminated piezoelectric element,
また、内部電極としては、銀とパラジウムの合金が用いられ、さらに、圧電体と内部電極を同時焼成するために、内部電極の金属組成は、銀70重量%、パラジウム30重量%にして用いていた(例えば、特許文献3参照)。 Further, as the internal electrode, an alloy of silver and palladium is used. Further, in order to simultaneously fire the piezoelectric body and the internal electrode, the metal composition of the internal electrode is 70% by weight of silver and 30% by weight of palladium. (For example, see Patent Document 3).
これは、銀70重量%、パラジウム30重量%の組成において、固相線1150℃、液相線1220℃であることと、PbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物を主成分とした圧電体の最適焼結温度が1200℃近傍であったからである。 This is a piezoelectric body mainly composed of a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 with a solidus of 1150 ° C. and a liquidus of 1220 ° C. in a composition of 70% by weight of silver and 30% by weight of palladium. This is because the optimum sintering temperature was around 1200 ° C.
このように、銀100%の金属組成からなる内部電極ではなく、パラジウムを含む銀・パラジウム合金含有の金属組成からなる内部電極を用いるのは、パラジウムを含まない銀100%組成では、一対の対向する電極間に電位差を与えた場合、その一対の電極のうちの正極から負極へ電極中の銀が素子表面を伝わって移動するという、いわゆるシルバー・マイグレーション現象が生じるからである。この現象は、高温、高湿の雰囲気中で、特に著しく発生する。 As described above, an internal electrode made of a metal composition containing a silver / palladium alloy containing palladium is used instead of an internal electrode made of a metal composition containing 100% silver. This is because when a potential difference is applied between the electrodes, a so-called silver migration phenomenon occurs in which silver in the electrode moves along the element surface from the positive electrode to the negative electrode of the pair of electrodes. This phenomenon occurs particularly remarkably in a high temperature and high humidity atmosphere.
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長時間連続駆動させることが行われている。
しかしながら、圧電体は使用する環境温度により変位量が変化する特性を有していることから、素子温度が上昇することで、圧電アクチュエータ変位量が変化する問題があった。また、変位量が駆動中に変化することで電圧制御する電源に対する負荷変動が生じ、電源に負担をかける問題が生じていた。さらには、変位量の変化率が大きいと、変位量自体が急激に劣化するだけでなく、素子温度上昇が放熱量を上回ると熱暴走現象が生じて素子が破壊する問題があった。 However, since the piezoelectric body has a characteristic that the amount of displacement changes depending on the environmental temperature to be used, there is a problem that the amount of displacement of the piezoelectric actuator changes as the element temperature rises. In addition, a change in the displacement amount during driving causes a load fluctuation with respect to the power source for voltage control, which causes a problem of placing a burden on the power source. Furthermore, when the rate of change of the displacement amount is large, not only the displacement amount itself deteriorates but also there is a problem that when the device temperature rise exceeds the heat dissipation amount, a thermal runaway phenomenon occurs and the device is destroyed.
そこで、内部電極を比抵抗の低い組成とするために銀の組成比を多くする試みも行われていたが、緻密な電極構造にすることができずに、電極抵抗値が逆に高抵抗になる問題があった。 Therefore, attempts have been made to increase the composition ratio of silver in order to make the internal electrode have a low specific resistance composition. However, the electrode resistance value is increased to a high resistance because the electrode structure cannot be made dense. There was a problem.
即ち、従来、積層型圧電素子に用いられてきた銀70重量%、パラジウム30重量%の組成ではパラジウムの1.5倍の高抵抗な特性になるのである。しかも、内部電極の焼結密度が低くなれば、さらに高抵抗の電極になるのである。 In other words, the composition of 70% by weight of silver and 30% by weight of palladium that has been used in conventional multilayer piezoelectric elements has a high resistance characteristic 1.5 times that of palladium. In addition, if the sintered density of the internal electrode is lowered, the electrode has a higher resistance.
また、このような積層型圧電素子では、圧電アクチュエータを駆動すると、所望の変位量が次第に変化して、装置が誤作動する問題を生じていたことから、長期間連続運転における素子変化量の抑制と耐久性向上が求められていた。 In addition, in such a multilayer piezoelectric element, when the piezoelectric actuator is driven, the desired amount of displacement gradually changes, causing a problem that the device malfunctions. And there was a need for improved durability.
本発明は、高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータを長期間連続駆動させた場合でも、変位量が変化することがなく、耐久性に優れた積層型圧電素子および噴射装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a multilayer piezoelectric element and a jetting device that are excellent in durability and do not change in displacement even when a piezoelectric actuator is continuously driven for a long time under high voltage and high pressure. And
本発明の積層型圧電素子は、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物が周期律表VIII族金属およびIb族金属を主成分として、前期VIII族金属の含有量をM1(重量%)、Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足することを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately connected to the side surface of the multilayer body every other layer. In the laminated piezoelectric element that includes a pair of external electrodes and is driven by applying an electric field to the external electrodes, the metal composition in the internal electrodes is mainly composed of a group VIII metal and a group lb metal in the periodic table, When the content of the group VIII metal is M1 (wt%) and the content of the group Ib metal is M2 (wt%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, and M1 + M2 = 100 are satisfied. Features.
これにより、このような積層型圧電素子では、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。また同時に、連続駆動させても、シルバー・マイグレーション現象が生じることなく、高温、高湿の雰囲気中でも、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 As a result, in such a multilayer piezoelectric element, the specific resistance of the internal electrode can be reduced, so that heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided. At the same time, even when continuously driven, a silver migration phenomenon does not occur, and a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided even in a high temperature and high humidity atmosphere.
また、本発明の積層型圧電素子は、VIII族金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がCu,Ag、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group VIII metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the group Ib metal is at least one of Cu, Ag, and Au. It is characterized by more than seeds.
これにより、このような積層型圧電素子では、内部電極の原料を、合金原料、混合粉原料のいずれも使用することができるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thereby, in such a laminated piezoelectric element, the raw material for the internal electrode can be any of the alloy raw material and the mixed powder raw material, and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Heat generation in the internal electrode portion can be suppressed. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記VIII族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group VIII metal is at least one of Pt and Pd, and the group Ib metal is at least one of Ag and Au.
これにより、このような積層型圧電素子では、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Accordingly, in such a multilayer piezoelectric element, an electrode having excellent heat resistance can be formed and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed. . Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
同時に、このような積層型圧電素子では、駆動時の変位にて生じる応力を緩和することができるとともに、耐熱性および耐酸化性ならびに熱伝導性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 At the same time, such a multilayer piezoelectric element can relieve stress caused by displacement during driving, and can form an electrode having excellent heat resistance, oxidation resistance and thermal conductivity, and the ratio of internal electrodes. Since the resistance can be reduced, it is possible to suppress the heat generation of the internal electrode portion even if it is continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記Ib族金属がCuであることを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the group Ib metal is Cu.
これにより、このような積層型圧電素子では、熱伝導特性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 As a result, in such a multilayer piezoelectric element, an electrode having excellent heat conduction characteristics can be formed, and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed. it can. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物成分が銀からなるときの素子抵抗をρAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの素子抵抗をρPdとした時、前記素子抵抗ρが、ρAg<ρ<ρPdとなることを特徴とする。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately disposed on the side surfaces of the multilayer body. In a laminated piezoelectric element comprising a pair of connected external electrodes and driven by applying an electric field to the external electrodes, the element resistance when the metal composition component in the internal electrode is made of silver is ρAg, the metal composition When the element resistance when the physical component is made of palladium is ρPd, the element resistance ρ satisfies ρAg <ρ <ρPd.
これにより、このような積層型圧電素子では、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Accordingly, in such a multilayer piezoelectric element, an electrode having excellent heat resistance can be formed and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed. . Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物成分が銀からなるときの内部電極の導電率をσAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの内部電極導電率をσPdとした時、前記内部電極導電率σが、σPd<σ<σAgとなることを特徴とする。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately disposed on the side surfaces of the multilayer body. In a laminated piezoelectric element having a pair of connected external electrodes and driven by applying an electric field to the external electrodes, the electrical conductivity of the internal electrodes when the metal composition component in the internal electrodes is made of silver is represented by σAg When the internal electrode conductivity when the metal composition component is palladium is σPd, the internal electrode conductivity σ is σPd <σ <σAg.
これにより、このような積層型圧電素子では、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Accordingly, in such a multilayer piezoelectric element, an electrode having excellent heat resistance can be formed and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed. . Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが金属組成物の80体積%以上存在することを特徴とする。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are alternately disposed on the side surfaces of the multilayer body. In a laminated piezoelectric element that includes a pair of connected external electrodes and is driven by applying an electric field to the external electrodes, the maximum diameter of crystal grains made of a metal composition component that constitutes the internal electrodes is 1 μm or more. Is characterized by the presence of more than 80% by volume of the metal composition.
これにより、このような積層型圧電素子では、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 As a result, in such a multilayer piezoelectric element, the specific resistance of the internal electrode can be reduced, so that heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中に金属組成物とともに無機組成物を添加したことを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that an inorganic composition is added to the internal electrode together with a metal composition.
これにより、このような積層型圧電素子では、内部電極と圧電体を強固に結合することができるとともに、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thereby, in such a multilayer piezoelectric element, the internal electrode and the piezoelectric body can be firmly coupled, and heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、前記無機組成物がPbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたことを特徴とする。 The inorganic composition is mainly composed of a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 .
これにより、このような積層型圧電素子では、内部電極と圧電体を強固に結合することができるとともに、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thereby, in such a multilayer piezoelectric element, the internal electrode and the piezoelectric body can be firmly coupled, and heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分としたことを特徴とする。 Further, the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide.
これにより、このような積層型圧電素子では、圧電体と内部電極を同時焼成することができるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thus, in such a multilayer piezoelectric element, the piezoelectric body and the internal electrode can be fired simultaneously, and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion is suppressed. be able to. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、前記圧電体がPbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物を主成分としたことを特徴とする。 Further, the piezoelectric material is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 .
これにより、このような積層型圧電素子では、変位量を大きくできるとともに、内部電極の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thus, in such a multilayer piezoelectric element, the amount of displacement can be increased and the specific resistance of the internal electrode can be reduced. Therefore, even when continuously driven, heat generation in the internal electrode portion can be suppressed. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、前記積層体の焼成温度が900℃以上1000℃以下であることを特徴とする。これにより、圧電体と電極とを強固に結合することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Moreover, the firing temperature of the laminate is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Thereby, since the piezoelectric body and the electrode can be firmly coupled, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、前記内部電極中の組成のずれが焼成前後で5%以下であることを特徴とする。これにより、電極が硬くなることを抑制することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Further, the composition deviation in the internal electrode is 5% or less before and after firing. Thereby, since it can suppress that an electrode becomes hard, the highly reliable piezoelectric actuator excellent in durability can be provided.
また、前記積層型圧電素子の側面に外部電極を有し、前記側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極とが交互に構成されており、該端部が露出していない内部電極と外部電極間の圧電体部分に溝が形成されており、この溝内に、圧電体よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることを特徴とする。 In addition, an external electrode is provided on a side surface of the multilayer piezoelectric element, and an internal electrode whose end is exposed on the side surface and an internal electrode whose end is not exposed are alternately configured, and the end is exposed. A groove is formed in a portion of the piezoelectric body between the internal electrode and the external electrode that is not present, and an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body is filled in the groove.
これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 Thereby, in such a multilayer piezoelectric element, stress generated by displacement during driving can be relieved, so that heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric actuator can be stabilized by suppressing an increase in element temperature, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
また、本発明の噴射装置は、噴射口を有する収納容器と、該収納容器に収納された積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする。噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子において、連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。 The injection device of the present invention includes a storage container having an injection port, a multilayer piezoelectric element stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by becoming. In the injection device, as described above, even if it is continuously driven in the multilayer piezoelectric element, the desired displacement does not change effectively, so that the device does not malfunction and has high durability and high reliability. Can be provided.
このような本発明の積層型圧電素子によれば、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物が周期律表VIII族金属およびIb族金属を主成分として、前期VIII族金属の含有量をM1(重量%)、Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足することによって、連続駆動させても、素子温度の上昇を抑えることができるので、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、さらには熱暴走のない耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 According to such a laminated piezoelectric element of the present invention, the laminated piezoelectric element has a laminated body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and the internal electrodes are arranged on one side of the laminated body. A laminated piezoelectric element having a pair of external electrodes alternately connected to each other and driven by applying an electric field to the external electrodes, wherein the metal composition in the internal electrodes is a group VIII metal and a group Ib metal in the periodic table As the main component, when the content of the group VIII metal is M1 (wt%) and the content of the group Ib metal is M2 (wt%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 = 100 By satisfying the above, since it is possible to suppress an increase in the element temperature even if it is continuously driven, the desired amount of displacement does not change effectively, so that the device does not malfunction and further there is no thermal runaway. High reliability with excellent durability It is possible to provide a gender of the piezoelectric actuator.
このような本発明の積層型圧電素子によれば、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物成分が銀からなるときの素子抵抗をρAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの素子抵抗をρPdとした時、前記素子抵抗ρが、ρAg<ρ<ρPdとしたことによって、連続駆動させても、素子温度の上昇を抑えることができるので、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、さらには熱暴走のない耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 According to such a laminated piezoelectric element of the present invention, the laminated piezoelectric element has a laminated body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and the internal electrodes are arranged on one side of the laminated body. In the laminated piezoelectric element having a pair of external electrodes alternately connected to each other and driven by applying an electric field to the external electrodes, the element resistance when the metal composition component in the internal electrode is made of silver is ρAg When the element resistance when the metal composition component is palladium is ρPd, since the element resistance ρ is ρAg <ρ <ρPd, an increase in the element temperature can be suppressed even when continuously driven. Therefore, since the desired amount of displacement does not change effectively, it is possible to provide a highly reliable piezoelectric actuator that is superior in durability without causing malfunction of the apparatus and without thermal runaway.
このような本発明の積層型圧電素子によれば、少なくとも1つの圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に前記内部電極が一層おきに交互に接続された一対の外部電極を具備し、該外部電極に電界を印加して駆動する積層型圧電素子において、前記内部電極中の金属組成物成分が銀からなるときの内部電極の導電率をσAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの内部電極導電率をσPdとした時、前記内部電極導電率σが、σPd<σ<σAgとしたことによって、連続駆動させても、素子温度の上昇を抑えることができるので、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、さらには熱暴走のない耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 According to such a laminated piezoelectric element of the present invention, the laminated piezoelectric element has a laminated body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and the internal electrodes are arranged on one side of the laminated body. In a laminated piezoelectric element comprising a pair of external electrodes connected alternately to each other and driven by applying an electric field to the external electrodes, the conductivity of the internal electrodes when the metal composition component in the internal electrodes is made of silver When the internal electrode conductivity σ is σPd <σ <σAg when the rate is σAg and the internal electrode conductivity when the metal composition component is palladium is σPd, the element temperature Since the desired displacement does not change effectively, the device does not malfunction, and further provides a highly reliable piezoelectric actuator with excellent durability without thermal runaway. be able to
さらには、積層型圧電素子を連続駆動させても、所望の変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。 Furthermore, since the desired amount of displacement does not change effectively even when the multilayer piezoelectric element is continuously driven, a highly reliable injection device having excellent durability without causing malfunction of the device is provided. Can do.
本発明の積層型圧電素子について以下に詳細に説明する。図1は本発明の積層型圧電素子の一実施例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は圧電体層と内部電極層との積層状態を示す斜視展開図である。 The multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail below. 1A and 1B show an embodiment of a laminated piezoelectric element according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a perspective development view showing a laminated state of a piezoelectric layer and an internal electrode layer.
積層型圧電素子は、圧電体11と内部電極12が交互に積層されて柱状積層体13が形成され、その積層方向における両端面には不活性層14が積層されている。
In the laminated piezoelectric element,
柱状積層体13の対向する側面には外部電極15が接合されており、該外部電極15には、積層されている内部電極12が一層おきに電気的に接続されている。この外部電極15は、接続されている各内部電極12に圧電体11を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給する作用をなす。
さらに、積層型圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極15にはリード線が半田により接続固定される場合がある。このリード線は外部電極15を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。
Furthermore, when used as a multilayer piezoelectric actuator, the lead wire may be connected and fixed to the
従来、連続駆動中の素子変位量を一定に保つには、連続駆動中の素子温度を一定に保つ方法や、素子温度に応じて駆動電圧を細かく制御することが用いられてきた。具体的には、素子温度をモニターしながら駆動電圧を制御したり、素子周辺温度を制御するために、放熱を積極的に行うヒートシンクを取り付けた構造などが用いられる。本発明においては、駆動により発生する素子自身の発熱を抑制させることを目的として、素子抵抗を小さくすることが好ましい。 Conventionally, in order to keep the element displacement amount during continuous driving constant, a method of keeping the element temperature constant during continuous driving or fine control of the driving voltage according to the element temperature has been used. Specifically, in order to control the drive voltage while monitoring the element temperature, or to control the temperature around the element, a structure with a heat sink that actively dissipates heat is used. In the present invention, it is preferable to reduce the element resistance for the purpose of suppressing the heat generation of the element itself generated by driving.
特に、素子抵抗を小さくするには、内部電極の比抵抗値を小さくしたり、電極材料に熱伝導特性の優れた材料を用いることが好ましい。 In particular, in order to reduce the element resistance, it is preferable to reduce the specific resistance value of the internal electrode or to use a material having excellent thermal conductivity as the electrode material.
また、効率良く素子内部の熱を素子の外側に伝達させるためには、熱を素子の外側に伝達する内部電極自体が、熱伝導特性の優れた材料を用いることが好ましい。さらに、内部電極自体が素子外部まで露出していることが好ましい。また、さらには、圧電体材料自体の持つ変位量の温度特性が、使用温度に関係なく一定であることが望ましいので、連続駆動中の素子温度変化に対して変位量が小さい圧電体材料が好ましい。 Further, in order to efficiently transfer the heat inside the element to the outside of the element, it is preferable that the internal electrode itself for transferring the heat to the outside of the element uses a material having excellent heat conduction characteristics. Furthermore, it is preferable that the internal electrode itself is exposed to the outside of the element. Furthermore, since it is desirable that the temperature characteristic of the displacement amount of the piezoelectric material itself is constant regardless of the operating temperature, a piezoelectric material having a small displacement amount with respect to a change in element temperature during continuous driving is preferable. .
電極材料の抵抗値を小さくするとは、電極材料に比抵抗の小さい材料を用いることと、ともに、電気伝導の経路を確保した緻密な電極構造にすることである。 To reduce the resistance value of the electrode material means to use a material having a small specific resistance as the electrode material, and to make a dense electrode structure in which a path of electrical conduction is ensured.
本発明の積層型圧電素子は、内部電極12中の金属組成物が、VIII族金属とIb族金属を主成分とする。上記の金属組成物は耐熱性があることから、圧電体11と内部電極12を同時焼成することができる。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the metal composition in the
そして、前記VIII族金属の含有量をM1(重量%)、Ib族金属の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足する金属組成物とする。 When the group VIII metal content is M1 (% by weight) and the group Ib metal content is M2 (% by weight), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, and M1 + M2 = 100 are satisfied. Let it be a metal composition.
本発明の内部電極金属成分の主成分の組成比を上記範囲に限定したのは、次の理由による。即ち、VIII族金属が15重量%を超えると、内部電極12の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極12が発熱する場合があるからである。また、内部電極2中のIb族金属の圧電体11へのマイグレーションを抑制するために、VIII族金属が0.001重量%以上15重量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、0.1重量%以上10重量%以下が好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合は0.5重量%以上9.5重量%以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は2重量%以上8重量%以下がさらに好ましい。
The reason why the composition ratio of the main component of the internal electrode metal component of the present invention is limited to the above range is as follows. That is, if the group VIII metal exceeds 15% by weight, the specific resistance of the
ここで、Ib族金属が85重量%未満になると、内部電極12の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合、内部電極12が発熱する場合があるからである。また、内部金属12中のIb族金属の圧電体11へのマイグレーションを抑制するために、Ib族金属が85重量%以上99.999重量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、90重量%以上99.9重量%以下が好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は90.5重量%以上99.5重量%以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は92重量%以上98重量%以下がさらに好ましい。
Here, when the group Ib metal content is less than 85% by weight, the specific resistance of the
これら、内部電極12中の金属成分の重量%を示すM1、M2はEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。
These M1 and M2 indicating the weight% of the metal component in the
また、本発明の内部電極12中の金属成分は、VIII族金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がCu,Ag、Auのうち少なくとも1種以上であることが好ましい。これは、近年における合金粉末合成技術において量産性に優れた金属組成であるからである。
The metal component in the
また、本発明の内部電極12中の金属成分は、VIII族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、Ib族金属がAg、Auのうち少なくとも1種以上であることが、より好ましい。これにより、耐熱性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極12の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極12部の発熱を抑制することができるからである。
More preferably, the metal component in the
また、本発明の内部電極12中の金属成分は、Ib族金属がCuであることが、より好ましい。
Moreover, as for the metal component in the
これにより、このような積層型圧電素子では、熱伝導特性が優れた電極を形成できるとともに、内部電極12の比抵抗を小さくできることから、連続駆動させても、内部電極12部の発熱を抑制することができる。さらには、素子温度の上昇を抑制することで、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
Thus, in such a multilayer piezoelectric element, an electrode having excellent heat conduction characteristics can be formed, and the specific resistance of the
また、本発明の積層型圧電素子は、内部電極12形成物が銀100%からなるときの素子抵抗をρAg、内部電極12形成物がパラジウム100%からなるときの素子抵抗をρPdとした時、前記素子抵抗ρを、ρAg<ρ<ρPdしたことを特徴とする。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the element resistance when the
すなわち、従来、積層型圧電素子の内部電極12に用いられてきた銀70重量%、パラジウム30重量%の組成ではパラジウムの1.5倍の高抵抗な特性になるが、上記範囲内の素子抵抗ρとするためには、銀80重量%以上かつパラジウム20重量%以下とすればよい。ただし、内部電極12の焼結密度が低くなれば、それに伴い、高抵抗になるため、さらに銀の組成比を高めること、あるいはさらに低抵抗の電極材料を用いることが好ましい。さらに、電極自体が焼結して大きな粒子が結合した構造にすることで、電極抵抗が低く、電気伝導の経路を確保した緻密な内部電極12にすることができる。
In other words, the composition of 70% by weight of silver and 30% by weight of palladium conventionally used for the
また、本発明の積層型圧電素子は、内部電極12形成物が銀100%からなるときの内部電極12の導電率をσAg、内部電極12形成物がパラジウム100%からなるときの内部電極12導電率をσPdとした時、σPd<σ<σAgとしたことを特徴とする。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the conductivity of the
これは、素子抵抗を小さくするには、内部電極12の電気伝導率を高くすることである。すなわち、銀とパラジウムの合金において、パラジウムの比抵抗よりも低抵抗とするには、銀80重量%以上かつパラジウム20重量%以下であるが、内部電極12の焼結密度が低くなれば、それに伴い、高抵抗になるため、さらに銀の組成比を高めること、あるいはさらに低抵抗の電極材料を用いることが好ましい。さらに、電極自体が焼結して大きな粒子が結合した構造にすることで、電極抵抗が低く、電気伝導の経路を確保した緻密な内部電極12にすることができる。
This is to increase the electrical conductivity of the
さらに、本発明の積層型圧電素子は、内部電極12を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが金属組成物に対して80体積%以上存在するようにしたことを特徴とする。
Furthermore, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, the maximum diameter of the crystal particles made of the metal composition component constituting the
これは、電極自体が焼結して大きな粒子が結合した構造にすることで、電極抵抗が低く、電気伝導の経路を確保した緻密な内部電極12にすることができるためである。好ましくは、内部電極12を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが90体積%以上存在することで、さらに素子抵抗が小さくなる。さらに好ましくは、内部電極12を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが95体積%以上存在することで、さらに素子抵抗が小さくなる。
This is because the electrode itself is sintered to have a structure in which large particles are combined, so that a dense
なお、上記最大径が1μm以上であるものの比率については、内部電極12中の金属組成物をSEM等の分析方法で、結晶粒子の最大径が1μm以上となる箇所を特定して、体積%に換算することができる。
In addition, about the ratio of what the said maximum diameter is 1 micrometer or more, the location where the maximum diameter of a crystal particle becomes 1 micrometer or more is specified by analysis methods, such as SEM, for the metal composition in the
また、本発明の内部電極12中には、金属組成物とともに無機組成物を添加することが好ましい。これにより、内部電極12と圧電体11を強固に結合することができる。
Moreover, it is preferable to add an inorganic composition to the
また、内部電極12と圧電体11を強固に結合することができるとともに、連続駆動させても、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、前記無機組成物がPbZrO3−PbTiO33からなるペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが、より好ましい。
Moreover, since the
また、本発明の圧電体11がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。これは、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)を代表とするペロブスカイト型圧電セラミックス材料等で形成されると、その圧電特性を示す圧電歪み定数d33が高いことから、変位量を大きくできる。さらに、優れた圧電素子として機能するとともに圧電体11と内部電極12を同時焼成することができる。
Moreover, it is preferable that the
また、本発明の圧電体11がPbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。このような積層型圧電素子では、さらに圧電歪み定数d33が高いことから、変位量を大きくできる。
Moreover, it is preferable that the
また、本発明の積層型圧電素子は、焼成温度が900℃以上1000℃以下であることが好ましい。これにより、圧電体11と電極とを強固に結合することができる。900℃以上1000℃以下に限定したのは、900℃より低温では、緻密な圧電体11を作製することができず、1000℃を超えると焼成時の電極の収縮と圧電体11の収縮のずれを起因とした応力が大きくなり、連続駆動時にクラックが発生する理由からである。
Further, the multilayer piezoelectric element of the present invention preferably has a firing temperature of 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Thereby, the
また、内部電極12中の組成のずれが焼成前後で5%以下であることが好ましい。これは、内部電極12中の組成のずれが焼成前後で5%を超えると、内部電極12中の金属材料が圧電体11へのマイグレーションが多くなり、積層型圧電素子の駆動による伸縮に対して、内部電極12が追従できなくなる可能性がある。
Further, the compositional deviation in the
ここで、内部電極12中の組成のずれとは、内部電極12を構成する元素が焼成によって蒸発、または圧電体11へ拡散することにより内部電極12の組成が変わる変化率を示
している。
Here, the deviation of the composition in the
また、本発明の積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極12と端部が露出しない内部電極12とが交互に構成されており、前記端部が露出していない内部電極12と外部電極15間の圧電体部分に溝が形成されており、この溝内に、圧電体12よりもヤング率の低い絶縁体が形成されていることが好ましい。これにより、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、内部電極12の発熱を抑制することができる。
In addition, the
また、本発明の積層型圧電素子は単板あるいは積層数が1またはそれ以上からなることが好ましい。これにより、素子に加えられた圧力を電圧に変換することも、素子に電圧を加えることで素子を変位させることもできるため、素子駆動中に予期せぬ応力を加えられたとしても、応力を分散して電圧変換することで、応力緩和させることができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is preferably composed of a single plate or one or more layers. As a result, the pressure applied to the element can be converted into a voltage, or the element can be displaced by applying a voltage to the element. Therefore, even if an unexpected stress is applied during element driving, the stress is reduced. Since the stress can be relieved by dispersing and converting the voltage, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
本発明の積層型圧電素子は、以下のようにして製造する。まず、柱状積層体13を作製する。複数の圧電体11と複数の内部電極12とを交互に積層して成る柱状積層体13は、例えば、PbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物等の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、DOP(フタル酸ジオチル)、DBP(フタル酸ジブチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体11となるセラミックグリーンシートを作製する。
The multilayer piezoelectric element of the present invention is manufactured as follows. First, the
次に、例えば、銀−パラジウム等の内部電極を構成する金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷する。 Next, for example, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to a metal powder constituting an internal electrode such as silver-palladium, and this is applied to the upper surface of each green sheet by screen printing or the like. Print to a thickness of 40 μm.
そして、上面に導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、この積層体について所定の温度で脱バインダーを行った後、900〜1200℃で焼成することによって柱状積層体13が作製される。好ましくは上述したように900〜1000℃で焼成する。
Then, a plurality of green sheets having conductive paste printed on the upper surface are laminated, the binder is debindered at a predetermined temperature, and then fired at 900 to 1200 ° C., whereby the
尚、柱状積層体13は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる柱状積層体13を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
The
その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する内部電極と端部が露出しない内部電極とが交互に構成して、該端部が露出していない内部電極と外部電極間の圧電体部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体よりもヤング率の低い、例えば樹脂またはゴム等の絶縁体を形成させる場合には、内部ダイシング装置等により柱状積層体13の側面に一層おきに溝を形成する。
Thereafter, the internal electrodes whose end portions are exposed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element and the internal electrodes whose end portions are not exposed are alternately configured, and the piezoelectric body portion between the internal electrodes and the external electrodes whose end portions are not exposed. When an insulating material having a lower Young's modulus than that of the piezoelectric material, such as a resin or rubber, is formed in the groove, one layer is formed on the side surface of the
外部電極15は構成する導電材はアクチュエータの伸縮によって生じる応力を十分に吸収するという点から、ヤング率の低い銀、若しくは銀が主成分の合金が望ましい。
The
ガラス粉末に、バインダーを加えて銀ガラス導電性ペーストを作製し、これをシート状に成形し、乾燥した(溶媒を飛散させた)シートの生密度を6〜9g/cm3に制御し、このシートを、柱状積層体13の外部電極形成面に転写し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点(965℃)以下の温度で、且つ焼成温度(℃)の4/5以下の温度で焼き付けを行うことにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極15を形成することができる。
A binder is added to the glass powder to produce a silver glass conductive paste, which is formed into a sheet and dried (the solvent is scattered), and the raw density of the sheet is controlled to 6 to 9 g / cm 3. The sheet is transferred to the external electrode forming surface of the
なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と内部電極12を拡散接合させ、また、外部電極15中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極15と柱状積層体13側面とを部分的に接合させるという点から、550〜700℃が望ましい。また、銀ガラス導電性ペースト中のガラス成分の軟化点は、500〜700℃が望ましい。
The baking temperature of the silver glass conductive paste effectively forms a neck portion, diffuses and joins silver in the silver glass conductive paste and the
焼き付け温度が700℃より高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な3次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極15が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極15のヤング率が高くなりすぎ駆動時の応力を十分に吸収することができずに外部電極15が断線してしまう可能性がある。好ましくは、ガラスの軟化点の1.2倍以内の温度で焼き付けを行った方がよい。
When the baking temperature is higher than 700 ° C., the sintering of the silver powder of the silver glass conductive paste proceeds too much, so that a porous conductor having an effective three-dimensional network structure cannot be formed, and the
一方、焼き付け温度が550℃よりも低い場合には、内部電極12端部と外部電極15の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に内部電極12と外部電極15の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。
On the other hand, when the baking temperature is lower than 550 ° C., since the diffusion bonding is not sufficiently performed between the end portion of the
なお、銀ガラス導電性ペーストのシートの厚みは、圧電体11の厚みよりも薄いことが望ましい。さらに好ましくは、アクチュエータの伸縮に追従するという点から、50μm以下がよい。
Note that the thickness of the silver glass conductive paste sheet is preferably thinner than the thickness of the
次に、外部電極15を形成した柱状積層体13をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、柱状積層体13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から柱状積層体13を引き上げ、柱状積層体13の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び柱状積層体13の側面にコーティングした前記シリコーンゴムを硬化させる。
Next, the
その後、外部電極15にリード線を接続することにより本発明の積層型圧電素子が完成する。
Thereafter, a lead wire is connected to the
そして、リード線を介して一対の外部電極15に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、柱状積層体13を分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極15を介して内部電極12に電圧を印加させれば、各圧電体11は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能する。
Then, a direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of
以上のように構成された積層型圧電素子は、内部電極12中の金属組成物がVIII族金属およびIb族金属を主成分として、前記電極中のVIII族金属の含有量をM1重量%、Ib族金属の含有量をM2重量%としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足するため、アクチュエータを高電界下、連続で駆動させた場合でも、熱暴走を生じることを防ぐことができ、高信頼性のアクチュエータを提供することができる。
In the multilayer piezoelectric element configured as described above, the metal composition in the
また、以上のように構成された積層型圧電素子は、内部電極12中の金属組成物成分が銀からなるときの素子抵抗をρAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの素子抵抗をρPdとした時、前記素子抵抗ρが、ρAg<ρ<ρPdとなるため、アクチュエータを高電界下、連続で駆動させた場合でも、変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
In the multilayer piezoelectric element configured as described above, the element resistance when the metal composition component in the
また、以上のように構成された積層型圧電素子は、内部電極12中の金属組成物成分が銀からなるときの内部電極12の導電率をσAg、金属組成物成分がパラジウムからなるときの内部電極12導電率をσPdとした時、前記内部電極12導電率σが、σPd<σ<σAgとなるため、アクチュエータを高電界下、連続で駆動させた場合でも、変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
In addition, the multilayer piezoelectric element configured as described above has the conductivity of the
また、以上のように構成された積層型圧電素子は、前記内部電極12を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが80体積%以上存在するため、アクチュエータを高電界下、連続で駆動させた場合でも、変位量が実効的に変化しないために、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
Further, in the laminated piezoelectric element configured as described above, since there are 80% by volume or more of the crystal particles made of the metal composition component constituting the
さらに、本発明では、外部電極15の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極15の外面に導電性補助部材を設けることによりアクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極15に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極15が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、前記導電性接着剤にクラックが生じるのを防ぐことができる。
Furthermore, in the present invention, a conductive auxiliary member made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded on the outer surface of the
金属のメッシュとは金属線を編み込んだものであり、メッシュ状の金属板とは、金属板に孔を形成してメッシュ状にしたものをいう。 The metal mesh is a braided metal wire, and the mesh metal plate is a mesh formed by forming holes in a metal plate.
さらに、前記導電性補助部材を構成する導電性接着剤は銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。さらに望ましくは、前記導電性粒子はフレーク状や針状などの非球形の粒子であることが望ましい。これは、導電性粒子の形状をフレーク状や針状などの非球形の粒子とすることにより、該導電性粒子間の絡み合いを強固にすることができ、該導電性接着剤のせん断強度をより高めることができるためである。 Furthermore, the conductive adhesive constituting the conductive auxiliary member is preferably made of a polyimide resin in which silver powder is dispersed. That is, by dispersing silver powder having a low specific resistance in a polyimide resin having high heat resistance, a conductive auxiliary member having a low resistance value and maintaining a high adhesive strength can be formed even when used at high temperatures. . More preferably, the conductive particles are non-spherical particles such as flakes or needles. This is because by making the shape of the conductive particles non-spherical particles such as flakes and needles, the entanglement between the conductive particles can be strengthened, and the shear strength of the conductive adhesive can be further increased. This is because it can be increased.
本発明の積層型圧電素子はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
また、上記例では、柱状積層体13の対向する側面に外部電極15を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極を形成してもよい。
Moreover, although the example which formed the
図3は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号31は収納容器を示している。この収納容器31の一端には噴射孔33が設けられ、また収納容器31内には、噴射孔33を開閉することができるニードルバルブ35が収容されている。
FIG. 3 shows an injection device according to the present invention. In the figure,
噴射孔33には燃料通路37が連通可能に設けられ、この燃料通路37は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路37に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ35が噴射孔33を開放すると、燃料通路37に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
A
また、ニードルバルブ35の上端部は直径が大きくなっており、収納容器31に形成されたシリンダ39と摺動可能なピストン41となっている。そして、収納容器31内には、上記した積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータ43が収納されている。
Further, the upper end portion of the
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ43が電圧を印加されて伸長すると、ピストン41が押圧され、ニードルバルブ35が噴射孔33を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ43が収縮し、皿バネ45がピストン41を押し返し、噴射孔33が燃料通路37と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
In such an injection device, when the
また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、ならびに燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、用いることが可能であることは言うまでもない。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, a drive mounted on a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, a vibration prevention device, or the like. Elements and sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc., and mounted on piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, etc. Needless to say, any circuit element other than the circuit element can be used as long as the element uses piezoelectric characteristics.
図1の積層型圧電素子を以下のように構成した。異なる内部電極材料組成からなる積層型圧電素子を用いて、種々の変位特性を有する積層型圧電素子の耐久特性を調べた。 The multilayer piezoelectric element of FIG. 1 was configured as follows. Using laminated piezoelectric elements having different internal electrode material compositions, durability characteristics of the laminated piezoelectric elements having various displacement characteristics were examined.
まず、柱状積層体を作製した。圧電体は厚み150μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)、で形成し、内部電極は厚み3μmにて形成し、圧電体及び内部電極の各々の積層数は300層とした。なお、焼成温度は1000℃であった。 First, a columnar laminate was produced. The piezoelectric body was formed of 150 μm thick lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ), the internal electrodes were formed with a thickness of 3 μm, and the number of stacked layers of the piezoelectric body and the internal electrodes was 300 layers. The firing temperature was 1000 ° C.
その後、ダイシング装置により柱状積層体の側面の内部電極の端部に一層おきに深さ50μm、幅50μmの溝を形成した。 Thereafter, a groove having a depth of 50 μm and a width of 50 μm was formed at every other end of the internal electrode on the side surface of the columnar laminate by a dicing apparatus.
次に、平均粒径2μmのフレーク状の銀粉末を90体積%と、残部が平均粒径2μmのケイ素を主成分とする軟化点が640℃の非晶質のガラス粉末10体積%との混合物に、バインダーを銀粉末とガラス粉末の合計重量100質量部に対して8質量部添加し、十分に混合して銀ガラス導電性ペーストを作製した。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。このシートの生密度をアルキメデス法にて測定したところ、6.5g/cm3であった。 Next, a mixture of 90% by volume of flaky silver powder having an average particle diameter of 2 μm and 10% by volume of amorphous glass powder having a remaining softening point of 640 ° C. mainly composed of silicon having an average particle diameter of 2 μm. In addition, 8 parts by mass of the binder was added to 100 parts by mass of the total weight of the silver powder and the glass powder, and mixed sufficiently to prepare a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced was formed on a release film by screen printing, dried and then peeled off from the release film to obtain a sheet of silver glass conductive paste. The raw density of this sheet was measured by the Archimedes method and found to be 6.5 g / cm 3 .
次に、前記銀ガラスペーストのシートを柱状積層体の外部電極面に転写し、650℃で30分焼き付けを行い、3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極を形成した。なお、この時の外部電極の空隙率は、外部電極の断面写真を画像解析装置を用いて測定したところ40%であった。 Next, the silver glass paste sheet was transferred to the external electrode surface of the columnar laminate, and baked at 650 ° C. for 30 minutes to form an external electrode made of a porous conductor having a three-dimensional network structure. The porosity of the external electrode at this time was 40% when a cross-sectional photograph of the external electrode was measured using an image analyzer.
その後、外部電極にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を作製した。 Thereafter, a lead wire is connected to the external electrode, a 3 kV / mm DC electric field is applied to the positive electrode and the negative external electrode via the lead wire for 15 minutes to perform polarization treatment, and the laminated piezoelectric element as shown in FIG. Was made.
得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加した結果、積層方向に45μmの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電素子に室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数にて印加し駆動試験を行った。 As a result of applying a DC voltage of 170 V to the obtained multilayer piezoelectric element, a displacement of 45 μm was obtained in the stacking direction. Furthermore, a drive test was performed by applying an AC voltage of 0 to +170 V at a frequency of 150 Hz to the multilayer piezoelectric element at room temperature.
内部電極金属組成を変えて、積層型圧電素子が、駆動回数1×109回に達した時の積層型圧電素子変位量をそれぞれ測定して、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量と比較して、変位量の変化率と積層型圧電素子の劣化の度合いを算出した。結果は表1に示すとおりである。
同表より、内部電極を銀100%にした場合(No.1)は、シルバーマイグレーションにより積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となるが、内部電極中の金属組成物がVIII族金属(Pd、Pt)の含有量をM1(重量%)、Ib族金属(Ag、Cu)の含有量をM2(重量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足する金属組成物(No.2〜15)を主成分とすることで、装置が誤作動することなく、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができた。特に積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、M1は、0.1重量%以上10以下(No.4〜13)が好ましい結果となり、より高い耐久性を必要とする場合は0.5以上9.5以下(No.5〜12)がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は2%以上8以下(No.7〜10)がさらに好ましい結果が得られた。同様に、特に積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、M2は、90以上99.9以下が好ましい結果となり、より高い耐久性を必要とする場合は90.5以上99.5以下がより好ましい。また、さらに高い耐久性を求める場合は92以上98以下がさらに好ましい結果が得られた。 From the table, when the internal electrode is made of 100% silver (No. 1), the laminated piezoelectric element is damaged by silver migration and cannot be continuously driven, but the metal composition in the internal electrode is a group VIII. When the content of the metal (Pd, Pt) is M1 (wt%) and the content of the group Ib metal (Ag, Cu) is M2 (wt%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 By using a metal composition (Nos. 2 to 15) satisfying = 100 as a main component, it was possible to provide a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability without causing malfunction of the apparatus. In particular, in terms of improving the durability of the multilayer piezoelectric element, M1 is preferably 0.1 wt% or more and 10 or less (Nos. 4 to 13), and is 0. 5 or more and 9.5 or less (No. 5-12) are more preferable. In addition, when higher durability was required, a more preferable result was obtained in the range of 2% to 8 (No. 7 to 10). Similarly, in terms of improving the durability of the multilayer piezoelectric element, M2 is preferably 90 or more and 99.9 or less, and when higher durability is required, 90.5 or more and 99.5 or less. Is more preferable. In the case where higher durability is required, a more preferable result is 92 to 98.
次に、素子抵抗と、積層型圧電素子が、駆動回数1×109回に達した時の積層型圧電素子変位量をそれぞれ測定して、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量と比較して、変位量の変化率を算出して、表2に記載した。
同表より、内部電極の比抵抗ρをρAg<ρ<ρPdとすることで、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができ、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができた。 According to the table, by setting the specific resistance ρ of the internal electrode to ρAg <ρ <ρPd, even when continuously driven, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed and the displacement amount of the piezoelectric actuator can be stabilized. Therefore, a highly reliable piezoelectric actuator excellent in durability could be provided.
次に、内部電極導電率と、積層型圧電素子が、駆動回数1×109回に達した時の積層型圧電素子変位量をそれぞれ測定して、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量と比較して、変位量の変化率を算出して、表3に記載した。
同表より、内部電極導電率σをσPd<σ<σAgとすることで、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができ、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができた。 According to the table, by setting the internal electrode conductivity σ to be σPd <σ <σAg, the heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when continuously driven, and the displacement amount of the piezoelectric actuator can be stabilized. It was possible to provide a highly reliable piezoelectric actuator with excellent durability.
次に、前記内部電極を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子と、積層型圧電素子が、駆動回数1×109回に達した時の積層型圧電素子変位量をそれぞれ測定して、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量と比較して、変位量の変化率を算出して、表4に記載した。
同表より、前記内部電極を構成する金属組成物成分からなる結晶粒子の最大径が1μm以上であるものが80体積%以上存在することで、連続駆動させても、内部電極部の発熱を抑制することができ、圧電アクチュエータ変位量を安定化することができるので、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができた。 According to the table, the presence of 80% by volume or more of the crystal particles composed of the metal composition component constituting the internal electrode having a maximum diameter of 1 μm or more suppresses heat generation in the internal electrode even when continuously driven. Since the displacement amount of the piezoelectric actuator can be stabilized, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等差し支えない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
斜視図である。
11・・・圧電体
13・・・柱状積層体
12・・・内部電極
21・・・誘電体
22・・・内部電極
23・・・外部電極
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・バルブ
43・・・圧電アクチュエータ
DESCRIPTION OF
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