JP2005150548A - 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、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であることと、耐久性に対して有利であることから、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. Multi-layer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing type and stack type in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are stacked alternately. Considering low voltage and low manufacturing cost, simultaneous firing type The multilayer piezoelectric actuator is advantageous for thinning and is advantageous for durability.
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。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塗布されたグリーンシートを複数積層して得られた積層成形体を作製し、これを焼成することによって、積層体を作製していた(例えば、特許文献1参照)。
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にさらにリード線を半田により接続固定されていた。
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2参照)。 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 2).
このように、銀のみ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のみの組成では、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、著しく発生していた。 As described above, the internal electrode made of a metal composition containing a silver-palladium alloy containing palladium is used instead of the internal electrode made of a metal composition containing only 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 occurred remarkably in a high temperature and high humidity atmosphere.
また、近年においては、圧電アクチュエータを噴射装置に設置し、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内部電極の体積膨張が発生し、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, the piezoelectric body has a characteristic that the amount of displacement changes depending on the environmental temperature to be used. Therefore, there is a problem that the volume of the internal electrode is increased by increasing the element temperature and the amount of displacement of the piezoelectric actuator is changed. It was. 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.
また、圧電アクチュエータに高電界を印加すると、内部電極と外部電極との接合部が電気伝導の経路が狭くなることによる著しい局部熱を発し、これにより、圧電アクチュエータの伸縮能が低下し、圧電アクチュエータを利用した噴射装置の長期連続駆動が困難となっていた。 In addition, when a high electric field is applied to the piezoelectric actuator, the joint between the internal electrode and the external electrode generates significant local heat due to a narrow path of electrical conduction, thereby reducing the expansion and contraction of the piezoelectric actuator. Long-term continuous drive of the injection device using the air has become difficult.
また、上記の素子温度上昇を抑制するために、比抵抗の小さい内部電極が求められていた。しかしながら、銀−パラジウム合金の比抵抗値は、その組成比によって銀、またはパラジウム単体の比抵抗よりも著しく高い抵抗となり、銀70重量%、パラジウム30重量%の銀−パラジウム合金の組成では、パラジウム単体の1.5倍の抵抗になるという問題があった。しかも、内部電極の焼結密度が低くなれば、さらに高い抵抗になった。 Further, in order to suppress the above-described increase in element temperature, an internal electrode having a small specific resistance has been demanded. However, the specific resistance value of the silver-palladium alloy is significantly higher than the specific resistance of silver or palladium alone, depending on the composition ratio. In the composition of the silver-palladium alloy with 70 wt% silver and 30 wt% palladium, palladium There was a problem that the resistance was 1.5 times that of a single substance. Moreover, when the sintered density of the internal electrode is lowered, the resistance is further increased.
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、連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%以内であ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 the pair of external electrodes and is driven by applying an electric field to the external electrodes, the change rate of the element dimensions before and after continuous driving is within 1%.
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、連続駆動前後の前記内部電極の厚み寸法の変化率が5%以内であ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 rate of change in thickness dimension of the internal electrodes before and after continuous driving is within 5%. And
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中の金属組成物がVIII族金属および/またはIb族金属を主成分としたことを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the metal composition in the internal electrode is mainly composed of a Group VIII metal and / or a Group Ib metal.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記内部電極中の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を満足することを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when the content of the group VIII metal in the internal electrode 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.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記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 of Cu, Ag, and Au. It is one or more types.
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.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記VIII族金属がNiであり、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 VIII metal is Ni and the group Ib metal is Cu.
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することを特徴とする。 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.
また、本発明の積層型圧電素子は、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 multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the inorganic composition is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 .
また、本発明の積層型圧電素子は、前記圧電体がペロブスカイト型酸化物を主成分とすることを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric body contains a perovskite oxide as a main component.
また、本発明の積層型圧電素子は、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することを特徴とする。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 .
また、本発明の積層型圧電素子は、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。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the firing temperature of the multilayer body is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
また、本発明の積層型圧電素子は、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。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the compositional deviation in the internal electrode is 5% or less before and after firing.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体の側面に端部が露出する前記内部電極と端部が露出しない前記内部電極とが交互に構成されており、前記端部が露出していない前記内部電極と前記外部電極間の前記圧電体部分に溝が形成されており、該溝に前記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 the multilayer piezoelectric element of the present invention, the internal electrodes whose ends are exposed on the side surfaces of the multilayer body and the internal electrodes whose ends are not exposed are alternately configured, and the ends are exposed. A groove is formed in the piezoelectric body portion between the internal electrode and the external electrode that is not, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body.
また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器に収納された請求項1乃至16のうちいずれかに記載の積層型圧電素子と、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。 An injection device according to the present invention includes a storage container having an injection hole, the multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 16 stored in the storage container, and driving of the multilayer piezoelectric element. And a valve for ejecting liquid from the ejection hole.
このように、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柱状積層体を有し、該柱状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、連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%以内とすることにより、積層型圧電素子を連続駆動させても、変位量が実効的に変化しないため、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。 As described above, according to the multilayer piezoelectric element of the present invention, it has a columnar laminated body in which at least one piezoelectric body and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and the internal electrode is disposed on a side surface of the columnar laminated body. Has a pair of external electrodes alternately connected in every other layer, and in a laminated piezoelectric element that is driven by applying an electric field to the external electrodes, the rate of change in element dimensions before and after continuous driving should be within 1% Thus, even if the multilayer piezoelectric element is continuously driven, the displacement amount does not change effectively, so that the malfunction of the apparatus is eliminated, and furthermore, excellent durability without thermal runaway can be achieved.
また、本発明の積層型圧電素子は、連続駆動前後の前記内部電極の厚み寸法の変化率が5%以内とすることにより、積層型圧電素子を連続駆動させても、変位量が実効的に変化しないため、装置の誤作動がなくなり、さらに、熱暴走のない優れた耐久性を有することができる。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the rate of change in the thickness dimension of the internal electrode before and after continuous driving is within 5%, so that the displacement amount is effective even when the multilayer piezoelectric element is continuously driven. Since it does not change, there is no malfunction of the device, and it can have excellent durability without thermal runaway.
さらに、前記内部電極中の金属組成物がVIII族金属および/またはIb族金属を主成分とすることにより、前記内部電極を高い耐熱性を有する金属組成で形成できるため、焼成温度の高い前記圧電体との同時焼成が可能になる。 Furthermore, since the metal composition in the internal electrode is mainly composed of a Group VIII metal and / or a Group Ib metal, the internal electrode can be formed with a metal composition having high heat resistance. Simultaneous firing with the body becomes possible.
さらに、前記内部電極中の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を満足することにより、前記内部電極の比抵抗を小さくできるため、積層型圧電素子を長時間連続駆動させても、前記内部電極部の発熱を抑制することができる。併せて、積層型圧電素子の温度上昇を抑制できるため、素子変位量を安定化することができる。 Further, when the content of the group VIII metal in the internal electrode is M1 (wt%) and the content of the group Ib metal is M2 (wt%), 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 = By satisfying 100, the specific resistance of the internal electrode can be reduced, so that heat generation of the internal electrode portion can be suppressed even when the multilayer piezoelectric element is continuously driven for a long time. In addition, since the temperature rise of the multilayer piezoelectric element can be suppressed, the element displacement can be stabilized.
さらに、前記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種以上であることにより、前記内部電極の原料として、合金原料および混合粉原料のいずれでも使用することができる。 Furthermore, the group VIII metal is at least one or more of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the group Ib metal is at least one or more of Cu, Ag, and Au. As an internal electrode raw material, either an alloy raw material or a mixed powder raw material can be used.
さらに、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種以上であることにより、耐熱性および耐酸化性に優れた前記内部電極を形成できる。 Furthermore, when 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, the internal electrode excellent in heat resistance and oxidation resistance can be obtained. Can be formed.
さらに、前記VIII族金属がNiであり、Ib族金属がCuであることにより、駆動時の変位によって生じる応力を緩和することができるとともに、耐熱性および熱伝導性に優れた前記内部電極を形成できる。 Further, since the Group VIII metal is Ni and the Group Ib metal is Cu, stress generated by displacement during driving can be relieved, and the internal electrode excellent in heat resistance and thermal conductivity is formed. it can.
さらに、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することにより、前記内部電極と前記圧電体の界面の密着強度が増大するため、前記内部電極と前記圧電体の界面における剥離を抑制することができる。 Further, by adding an inorganic composition together with the metal composition to the internal electrode, the adhesion strength at the interface between the internal electrode and the piezoelectric body is increased, so that peeling at the interface between the internal electrode and the piezoelectric body is suppressed. can do.
さらに、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により、前記圧電体と前記内部電極を同時焼成することができるため、焼成工程を短縮でき、併せて、前記内部電極の比抵抗を小さくできる。 Furthermore, since the piezoelectric body is mainly composed of a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 , the piezoelectric body and the internal electrode can be fired at the same time. The specific resistance of the internal electrode can be reduced.
さらに、前記内部電極中の組成のずれが焼成前後で5%以下とすることにより、積層型圧電素子の駆動による伸縮に追従可能な前記内部電極を構成することができるため、前記内部電極の剥離を抑制することができる。 Furthermore, since the compositional deviation in the internal electrode is 5% or less before and after firing, the internal electrode can be configured to follow expansion and contraction due to the driving of the multilayer piezoelectric element. Can be suppressed.
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。 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.
本発明の積層型圧電素子は、図1に示すように、圧電体11と内部電極12とを交互に積層してなる積層体13の一対の対向側面において、内部電極12が露出した端部と、一層おきに電気的に導通する外部電極15が接合されている。また、積層体13の積層方向の両端の層には圧電体11で形成された不活性層14を積層している。ここで、本発明の積層型圧電素子を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にリード線を半田により接続固定し、前記リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。
As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element of the present invention includes a pair of opposing side surfaces of a laminate 13 in which
圧電体11間には内部電極12が配されているが、この内部電極12は銀―パラジウム等の金属材料で形成しているので、内部電極12を通じて各圧電体11に所定の電圧を印加し、圧電体11を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。
An
これに対して、不活性層14は内部電極12が配されていない複数の圧電体11の層であるため、電圧を印加しても変位を生じない。
On the other hand, since the
そして本発明の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%以内としてある。これは、積層型圧電素子の連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%を超えると、積層型圧電素子の変位量の変化が増大し、積層型圧電素子が熱暴走で破壊されるためである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the element dimension change rate before and after continuous driving of the multilayer piezoelectric element is within 1%. This is because when the change rate of the element size before and after continuous driving of the multilayer piezoelectric element exceeds 1%, the change in the displacement amount of the multilayer piezoelectric element increases and the multilayer piezoelectric element is destroyed due to thermal runaway. is there.
ここで、連続駆動前後の素子寸法の変化率とは、積層型圧電素子に任意の交流電圧を印加し、1×109回程度連続駆動させた後の積層型圧電素子の積層方向における寸法が、連続駆動前の積層型圧電素子の寸法に対して変化した割合を示している。 Here, the change rate of the element dimension before and after continuous driving is the dimension in the stacking direction of the stacked piezoelectric element after an arbitrary AC voltage is applied to the stacked piezoelectric element and continuously driven about 1 × 10 9 times. 3 shows the ratio of change with respect to the dimensions of the multilayer piezoelectric element before continuous driving.
また、本発明の積層型圧電素子では、積層型圧電素子の連続駆動前後の内部電極12の厚み寸法の変化率が5%以内としてある。これは、積層型圧電素子の連続駆動前後の内部電極12の厚み寸法の変化率が5%を超えると、積層型圧電素子の変位量の変化率で示される積層型圧電素子の劣化が増大し、積層型圧電素子の耐久性が著しく低下するためである。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the rate of change in the thickness dimension of the
ここで、連続駆動前後の内部電極の厚み寸法の変化率とは、積層型圧電素子に任意の交流電圧を印加し、1×109回程度連続駆動させた後の積層型圧電素子の積層方向における内部電極の厚み寸法が、連続駆動前の内部電極の厚み寸法に対して変化した割合を示している。尚、内部電極の厚み寸法は、積層型圧電素子に内部電極12が5以上配されている場合には、不活性層14に接する内部電極12(2箇所)、積層型圧電素子の積層方向の中間に位置する内部電極12(1箇所)、さらに、該中間に位置する内部電極12と前記不活性層14に接する内部電極12との中間に配されている任意の内部電極12(2箇所)の厚み寸法をSEMで測定し、その平均値とした。また、積層型圧電素子に配されている内部電極12が5未満である場合には、すべての内部電極12の厚み寸法を測定し、その平均値を内部電極の厚み寸法とした。
Here, the rate of change in the thickness dimension of the internal electrodes before and after continuous driving is the direction in which the stacked piezoelectric elements are laminated after an arbitrary AC voltage is applied to the stacked piezoelectric elements and continuously driven about 1 × 10 9 times. The ratio of the thickness dimension of the internal electrode in FIG. 5 shows the change in the thickness dimension of the internal electrode before continuous driving. The thickness dimension of the internal electrodes is determined so that the internal electrodes 12 (two locations) in contact with the
上記に示したような本発明の積層型圧電素子において、連続駆動前後の素子寸法や内部電極12の厚み寸法の変化率を制御するには、内部電極12の酸化による体積膨張を防ぐ必要がある。ここで、前記体積膨張を抑制するためには以下のようにすればよい。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention as described above, it is necessary to prevent volume expansion due to oxidation of the
これまで、連続駆動前後の素子寸法や内部電極の厚み寸法の変化を抑制する手段としては、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方法が用いられてきた。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りした。 Up to now, as means for suppressing changes in the element dimensions before and after continuous driving and the thickness dimension of the internal electrode, there are a method of keeping the element temperature constant during continuous driving and a method of finely controlling the driving voltage according to the element temperature. Has been used. Specifically, a heat sink that actively dissipates heat was attached to control the driving voltage while monitoring the element temperature, or to control the temperature around the element.
これに対して、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することにより、連続駆動中の素子温度を制御した。前記素子温度を制御するためには、圧電体11の誘電損失(tanδ)を小さくしたり、素子抵抗を小さくする必要がある。
On the other hand, in the present invention, the element temperature during continuous driving is controlled by suppressing the heat generation of the element itself generated by driving. In order to control the element temperature, it is necessary to reduce the dielectric loss (tan δ) of the
圧電体11の誘電損失(tanδ)を小さくするためには、圧電体11をPbZrO3−PbTiO3等のペロブスカイト型酸化物を主成分として形成する場合、積層体13を酸素過剰雰囲気で焼成する方法や、また、積層体13の焼成後の処理において、最大焼成温度からの降温速度を遅くする方法がある。具体的には、降温速度を600℃/時以下にすればよく、好ましくは300℃/時以下にすればよい。また、誘電損失(tanδ)の値としては、1.5%未満であればよく、好ましくは0.5%以下にすればよい。
In order to reduce the dielectric loss (tan δ) of the
また、素子抵抗を小さくするには、内部電極12に比抵抗値が小さい組成の材料を用いるとともに、電気伝導の経路を確保した緻密な構造にするとよい。
In order to reduce the element resistance, it is preferable to use a material having a small specific resistance value for the
さらに、圧電体11の構成材料が有する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。
Furthermore, since it is desirable that the temperature characteristic of the displacement amount of the constituent material of the
また、効率良く素子内部の熱を素子の外側に放出するために、熱が伝わる内部電極12を熱伝導特性の優れた組成にすることが好ましい。
Further, in order to efficiently release the heat inside the element to the outside of the element, it is preferable that the
さらに、内部電極12中の金属組成物がVIII族金属および/またはIb族金属を主成分とすることが望ましい。これは、上記の金属組成物は高い耐熱性を有するため、焼成温度の高い圧電体11と内部電極12を同時焼成することも可能である。
Furthermore, it is desirable that the metal composition in the
さらに、内部電極12中の金属組成物が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を主成分とすることが好ましい。これは、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。
Further, when the metal composition in 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
上記の内部電極12中の金属成分の重量%を示すVIII族金属、Ib族金属はEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。
The Group VIII metal and the Group Ib metal indicating the weight percentage of the metal component in the
さらに、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。
Furthermore, the metal component in the
さらに、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好ましい。これにより、耐熱性に優れ、比抵抗の小さな内部電極12を形成できる可能性がある。
Furthermore, it is preferable that the metal component in the
さらに、内部電極12中の金属成分は、VIII族金属がNiであり、Ib族金属がCuであることが好ましい。これにより、耐熱性および熱伝導性に優れた内部電極12を形成できる可能性がある。
Further, the metal component in the
さらに、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を強固に結合できる可能性があり、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することが好ましい。
Furthermore, it is preferable to add an inorganic composition to the
さらに、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、変位量を大きくすることができ、さらに、圧電体11と内部電極12を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体11としては、圧電歪み定数d33が比較的高い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。
Furthermore, it is preferable that the
さらに、焼成温度が900℃以上1000℃以下であることが好ましい。これは、焼成温度が900℃以下では、焼成温度が低いため焼成が不十分となり、緻密な圧電体11を作製することが困難になる。また、焼成温度が1000℃を超えると、焼成時の内部電極12の収縮と圧電体11の収縮のずれから起因した応力が大きくなり、積層型圧電素子の連続駆動時にクラックが発生する可能性があるからである。
Furthermore, it is preferable that a calcination temperature is 900 degreeC or more and 1000 degrees C or less. This is because when the firing temperature is 900 ° C. or lower, the firing temperature is low, so firing is insufficient, and it becomes difficult to manufacture the dense
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
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。 Next, a method for producing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described.
本発明の積層型圧電素子は、まず、PbZrO3−PbTiO3等からなるペロブスカイト型酸化物の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、DBP(フタル酸ジオチル)、DOP(フタル酸ジブチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体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 includes a calcined powder of a perovskite oxide piezoelectric ceramic made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and DBP (phthalate). A ceramic green sheet that forms a slurry by mixing with a plasticizer such as dioctyl acid) or DOP (dibutyl phthalate), and then forming the slurry by a tape molding method such as a known doctor blade method or calendar roll method. Is made.
次に、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, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to the metal powder constituting the internal electrode such as silver-palladium, and this is applied to the upper surface of each green sheet by 1-40 μm by screen printing or the like. Print on thickness.
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積層体13が作製される。好ましくは、上述したように、900〜1000℃の範囲で焼成する。 Then, a plurality of green sheets with 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 laminate 13 is produced. Preferably, as described above, firing is performed in the range of 900 to 1000 ° C.
尚、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11と複数の内部電極12とを交互に積層してなる積層体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。
In addition, 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12と端部が露出しない内部電極12とを交互に形成して、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を形成して、この溝内に、圧電体11よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体13の側面に形成される。
Thereafter, 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、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積層体13を引き上げ、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ことにより、本発明の積層型圧電素子が完成する。
Next, the
そして、外部電極15にリード線を接続し、該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、積層体13を分極処理することによって、本発明の積層型圧電素子を利用した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 lead wire is connected to the
さらに、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, 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、上記では、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2は、本発明の噴射装置を示すもので、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. 2 shows an injection device according to the present invention. An
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、本発明は積層型圧電素子および噴射装置に関するものであるが、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、または、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、実施可能であることは言うまでもない。 Further, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element and an injection device, but is not limited to the above-described embodiments. For example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an inkjet, an optical device, etc. Drive elements mounted on positioning devices, vibration prevention devices, etc., or sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, yaw rate sensors, etc., and piezoelectric gyros Needless to say, the present invention can be applied to elements other than circuit elements mounted on piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, etc., as long as the elements use piezoelectric characteristics.
本発明の積層型圧電素子からなる積層型圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。 A multilayer piezoelectric actuator comprising the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows.
まず、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)を主成分とする圧電セラミックの仮焼粉末、バインダー、及び可塑剤を混合したスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電体11になるセラミックグリーンシートを作製した。
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), a binder, and a plasticizer is mixed, and the
このセラミックグリーンシートの片面に、任意の組成比で形成された銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストが、スクリーン印刷法により3μmの厚みに形成されたシートを300枚積層し、1000℃で焼成した。 On one side of this ceramic green sheet, 300 sheets of a conductive paste in which a binder is added to a silver-palladium alloy formed at an arbitrary composition ratio are laminated by a screen printing method to a thickness of 3 μm, and 1000 ° C. Baked in.
次に、ダイシング装置により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。 Next, a groove having a depth of 50 μm and a width of 50 μm was formed at every other end portion of the internal electrode on the side surface of the multilayer body 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積層体13の外部電極15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15を形成した。なお、この時の外部電極15の空隙率は、外部電極15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 sheet of silver glass paste was transferred to the surface of the
その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15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用いた積層型圧電アクチュエータを作製した。
Thereafter, a lead wire is connected to the
(実施例1)上記の製法に加えて、素子抵抗の抵抗値や圧電体11の誘電損失(tanδ)を制御して作製された本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における素子寸法と素子温度の変化率を測定し、それらと積層型圧電アクチュエータの連続駆動後の素子変位量との関連について検証した。
(Example 1) In addition to the above manufacturing method, in the multilayer piezoelectric actuator of the present invention manufactured by controlling the resistance value of the element resistance and the dielectric loss (tan δ) of the
また、比較例として、上記の積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における素子寸法の変化率が1%を超える範囲で形成した試料を作製した。 In addition, as a comparative example, a sample was manufactured in which the change rate of the element dimension before and after continuous driving of the multilayer piezoelectric actuator exceeded 1%.
上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、170Vの直流電圧を印加したところ、すべての積層型圧電アクチュエータにおいて、積層方向に45μmの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動した試験を行った。結果は表1に示すとおりである。
この表1から、比較例である試料番号8は、連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%を超えたため、連続駆動後の素子変位量が著しく低下し、さらに、内部電極12と外部電極15との接合部に高温の局部熱が発生したため、積層型圧電アクチュエータが熱暴走を引き起こして破壊した。
From Table 1, Sample No. 8, which is a comparative example, has an element dimension change rate before and after continuous driving exceeding 1%, so that the amount of element displacement after continuous driving is remarkably reduced. Further, the
これに対して、本発明の実施例である試料番号1〜7では、連続駆動前後の素子寸法の変化率が1%以内の範囲で形成した積層型圧電アクチュエータであったため、1×109回連続駆動させても、連続駆動後の素子変位量が著しく低下することなく、積層型圧電アクチュエータとして必要とする実効的な変位量を有し、また、熱暴走や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電アクチュエータを作製できた。 In contrast, Sample Nos. 1 to 7, which are examples of the present invention, were stacked piezoelectric actuators formed within a range where the element dimension change rate before and after continuous driving was within 1%, so 1 × 10 9 times. Even if it is continuously driven, the element displacement after continuous driving does not drop significantly, it has the effective displacement required as a multilayer piezoelectric actuator, and it has excellent durability without thermal runaway or malfunction A multilayer piezoelectric actuator having the characteristics was successfully fabricated.
(実施例2)上記の製法に加えて、素子抵抗の抵抗値や圧電体11の誘電損失(tanδ)を制御して作製された本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動後における内部電極12の厚み寸法の変化率と素子温度の変化率を測定し、それらと積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後の変位量の変化率で示される劣化の度合いとの関連について検証した。
(Example 2) In addition to the above manufacturing method, in the multilayer piezoelectric actuator of the present invention manufactured by controlling the resistance value of the element resistance and the dielectric loss (tan δ) of the
ここで、劣化の度合とは、積層型圧電アクチュエータを任意の回数で駆動させた後の素子変位量(連続駆動後の素子変位量)を測定し、連続駆動前の素子変位量(初期状態の変位量)に対して前記連続駆動後の素子変位量に対して変化した割合で示している。これにより、積層型圧電アクチュエータを所定回数で連続駆動させたことによって引き起こされる劣化の様子を確認することができる。 Here, the degree of deterioration is measured by measuring the element displacement after driving the multilayer piezoelectric actuator an arbitrary number of times (the element displacement after continuous driving), and the element displacement before the continuous driving (in the initial state). The amount of change with respect to the amount of displacement of the element after continuous driving is shown with respect to the amount of displacement. Thereby, it is possible to confirm the deterioration caused by continuously driving the laminated piezoelectric actuator a predetermined number of times.
また、比較例として、上記の積層型圧電アクチュエータの連続駆動前後における内部電極12の厚み寸法の変化率が5%を超える範囲で形成した試料を作製した。
Further, as a comparative example, a sample was manufactured in which the rate of change in the thickness dimension of the
上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、170Vの直流電圧を印加したところ、すべての積層型圧電アクチュエータにおいて、積層方向に45μmの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動させた駆動試験を行った。結果は表2に示すとおりである。
この表2から、比較例である試料番号8および9は、連続駆動前後の内部電極12の厚み寸法の変化率が5%を超えたため、連続駆動後の素子変位量が著しく低下し、併せて、劣化の度合が増大した。また、試料番号9は内部電極12の著しい発熱により酸化膨張が促進され、積層型圧電アクチュエータが熱暴走を引き起こして破壊した。
From Table 2, in Sample Nos. 8 and 9, which are comparative examples, since the rate of change in the thickness dimension of the
これらに対して、本発明の実施例である試料番号1〜7では、連続駆動前後の内部電極12の厚み寸法の変化率が5%以内の範囲で形成した積層型圧電アクチュエータであったため、1×109回連続駆動させた後でも、連続駆動後の素子変位量が著しく低下することなく、積層型圧電アクチュエータとして必要とする実効的な変位量を有し、また、熱暴走や誤作動が生じない優れた耐久性を有した積層型圧電アクチュエータを作製できた。
In contrast, Sample Nos. 1 to 7, which are examples of the present invention, are multilayer piezoelectric actuators in which the rate of change in the thickness dimension of the
(実施例3)上記の製法において、様々な電極材料組成で形成した内部電極12を有する積層型圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電アクチュエータの連続駆動中における素子変位量の最大変化率を測定し、内部電極12の電極材料組成と積層型圧電アクチュエータの連続駆動による劣化の度合との関連について検証した。
(Example 3) In the above-described manufacturing method, in the multilayer piezoelectric actuator having the
上記のようにして得られた積層型圧電アクチュエータに対して、170Vの直流電圧を印加したところ、すべての積層型圧電アクチュエータにおいて、積層方向に45μmの変位量が得られた。さらに、この積層型圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動させた駆動試験を行った。結果は表3に示すとおりである。
この表3から、試料番号1は内部電極12を銀100%で形成したため、シルバー・マイグレーションが起こり、積層型圧電アクチュエータの破損が発生するので、連続駆動が困難となった。
From Table 3, in Sample No. 1, since the
また、試料番号18、19は内部電極12中の金属組成物において、VIII族金属の含有量が15重量%を超えており、また、Ib族金属の含有量が85重量%未満であるため、連続駆動によって劣化が増大するので、積層型圧電アクチュエータの耐久性が低下した。
Sample Nos. 18 and 19 have a group VIII metal content of more than 15% by weight and a group lb metal content of less than 85% by weight in the metal composition in the
これらに対して、試料番号2〜15では内部電極12中の金属組成物が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を主成分としたため、内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、所定の連続駆動後における素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できた。
In contrast, in Sample Nos. 2 to 15, when the metal composition in the
また、試料番号15〜17は内部電極12中のVIII族金属をNi、またはIb族金属をCuとした金属組成を主成分としたため、内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、所定の連続駆動後における素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できた。
Further, since the
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.
11・・・圧電体
12・・・内部電極
13・・・積層体
14・・・不活性層
15・・・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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