JP2006005314A - Multilayer piezoelectric element and injector using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気的な信頼性の高い優れた品質の積層型圧電体素子及び、この積層型圧電体素子を利用した燃料噴射用のインジェクタに関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element having excellent electrical reliability and excellent quality, and an injector for fuel injection using the laminated piezoelectric element.
従来より、積層型圧電体素子としては、例えば、層状の内部電極と圧電層とを交互に積層したセラミック積層体の側面に、一層おきの内部電極とそれぞれ電気的に接続された一対の側面電極を形成したものがある。そして、この積層型圧電体素子は、各側面電極とそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極間に印加される駆動電圧により圧電変位を生じるように構成されている。 Conventionally, as a laminated piezoelectric element, for example, a pair of side electrodes electrically connected to every other internal electrode on the side of a ceramic laminate in which layered internal electrodes and piezoelectric layers are alternately laminated There is what formed. The multilayer piezoelectric element is configured to generate a piezoelectric displacement by a driving voltage applied between a pair of external electrodes electrically connected to the side electrodes.
外部電極と所定の内部電極とを電気的に接続する上記側面電極としては、例えば、電気的な絶縁性を有する樹脂接着剤中に、銀等の導電性粒子を分散させた導電性接着剤を用いて形成する場合がある(例えば、特許文献1参照。)。さらに、例えば、上記側面電極としては、ガラス基材中に銀粉を分散させた焼成銀より形成したものもある(例えば、特許文献2参照。)。 As the side electrode for electrically connecting an external electrode and a predetermined internal electrode, for example, a conductive adhesive in which conductive particles such as silver are dispersed in a resin adhesive having an electrical insulation property is used. It may be formed by using (see, for example, Patent Document 1). Further, for example, the side electrode may be formed from baked silver in which silver powder is dispersed in a glass substrate (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上記従来の積層型圧電体素子では、次のような問題がある。すなわち、上記の導電性接着剤よりなる側面電極では、内部電極の外周端部と、導電性接着剤に含有される導電性粒子との点接触のみにより電気的な導通が確保されるのみである。そのため、内部電極の層厚が薄くなると内部電極の外周端部と導電性粒子との接触点数を十分に確保できず、内部電極と側面電極との間の電気抵抗が過大になるおそれがある。一方、焼成銀よりなる側面電極は、形成するに当たって800℃以上の高温加熱が必要であるため、熱応力等、セラミック積層体が受けるダメージが少なくないという問題がある。 However, the conventional multilayer piezoelectric element has the following problems. That is, in the side electrode made of the above conductive adhesive, electrical conduction is only ensured by only point contact between the outer peripheral end of the internal electrode and the conductive particles contained in the conductive adhesive. . Therefore, if the layer thickness of the internal electrode is reduced, the number of contact points between the outer peripheral end of the internal electrode and the conductive particles cannot be secured sufficiently, and the electrical resistance between the internal electrode and the side electrode may be excessive. On the other hand, side electrodes made of fired silver require heating at a high temperature of 800 ° C. or higher when formed, and thus there is a problem that damage to the ceramic laminate such as thermal stress is not small.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、側面電極と内部電極との電気導通性に優れた積層型圧電体素子及び、この積層型圧電体素子を利用したインジェクタを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a multilayer piezoelectric element having excellent electrical conductivity between a side electrode and an internal electrode, and an injector using the multilayer piezoelectric element. It is what.
第1の発明は、圧電材料よりなる複数の圧電層と、導電性を有する複数の層状の内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に設けられた第1側面電極及び第2側面電極を介してそれぞれ外部電極が接合されており、上記内部電極としては、上記第1側面電極に導通する第1内部電極と、上記第2側面電極に導通する第2内部電極とを交互に配置してなる積層型圧電体素子において、
上記各側面電極は、接着性を有する樹脂材料中に導電性粒子を分散させた導電性接着剤により形成されており、上記導電性粒子は、その平均粒子径が、上記内部電極の積層方向の厚さよりも小さく、かつ、1nm以上100nm以下であることを特徴とする積層型圧電体素子にある(請求項1)。
The first invention has a ceramic laminate formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material and a plurality of conductive internal electrodes, and is provided on a side surface of the ceramic laminate. The external electrodes are joined via the first side electrode and the second side electrode, respectively, and the internal electrode is electrically connected to the first internal electrode connected to the first side electrode and the second side electrode. In the laminated piezoelectric element formed by alternately arranging the second internal electrodes,
Each of the side electrodes is formed of a conductive adhesive in which conductive particles are dispersed in an adhesive resin material. The conductive particles have an average particle diameter in the stacking direction of the internal electrodes. A multilayer piezoelectric element having a thickness smaller than the thickness and not smaller than 1 nm and not larger than 100 nm (Claim 1).
上記第1の発明の積層型圧電体素子の上記各側面電極は、接着性を有する樹脂材料中に導電性粒子を分散させた上記導電性接着剤により形成されている。ここで、上記導電性粒子は、上記内部電極の積層方向の厚さよりも平均粒子径が小さく、かつ、その平均粒子径が1nm以上100nm以下である。 Each side electrode of the multilayer piezoelectric element of the first invention is formed of the conductive adhesive in which conductive particles are dispersed in an adhesive resin material. Here, the conductive particles have an average particle size smaller than the thickness of the internal electrodes in the stacking direction, and the average particle size is 1 nm or more and 100 nm or less.
このように、上記導電性接着剤では、上記内部電極の積層方向の厚さよりも上記導電性粒子の平均粒子径を小さくしてある。そのため、上記セラミック積層体の側面に露出した内部電極の外周端部に、上記導電性粒子を確実性高く接触させることができる。そのため、上記導電性接着剤によれば、上記内部電極との電気的な接続を確実性高く確保できる。 Thus, in the said conductive adhesive, the average particle diameter of the said electroconductive particle is made smaller than the thickness of the lamination direction of the said internal electrode. Therefore, the conductive particles can be brought into contact with high reliability with the outer peripheral end of the internal electrode exposed on the side surface of the ceramic laminate. Therefore, according to the conductive adhesive, electrical connection with the internal electrode can be ensured with high reliability.
さらに、平均粒子径が1nm以上100nm以下の上記導電性粒子では、いわゆるネッキング現象(ナノメートルオーダーまで微細化され、表面エネルギーが高くなった金属粒子相互間に生じる現象であって、金属粒子をなす金属材料の本来の融点以下の温度で金属粒子同士が溶着、固着する現象をいう。)が生じやすくなる。一般に、このネッキング現象は、100nm以下の金属粒子について顕著に発生するからである。そして、このネッキング現象によれば、金属粒子同士の点接触状態を、面接触状態に移行させ得る。 Furthermore, in the conductive particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 100 nm or less, a so-called necking phenomenon (a phenomenon that occurs between metal particles that are refined to the nanometer order and have high surface energy, and forms metal particles). This is a phenomenon in which metal particles are welded and fixed to each other at a temperature lower than the original melting point of the metal material. This is because this necking phenomenon generally occurs remarkably for metal particles of 100 nm or less. And according to this necking phenomenon, the point contact state of metal particles can be changed to a surface contact state.
そして、平均粒子径が1nm以上100nm以下の導電性粒子を分散させた上記導電性接着剤によれば、上記のネッキング現象を積極的に活用でき、導電性粒子をなす金属材料の本来の融点よりも低い温度で導電性粒子同士あるいは、導電性粒子と内部電極とを溶着させて上記側面電極を形成することができる。そして、導電性粒子のネッキング現象を生じた側面電極では、その内部抵抗を低減できると共に、側面電極と内部電極との間の電気的な接続状態を格段に改善できる。また、上記のネッキング現象を活用して上記各側面電極を形成すれば、電気的な特性に優れた側面電極を形成するのに必要な温度を、上記導電性粒子の本体の融点温度よりも低くできる。それ故、上記積層型圧電体素子に作用する熱ダメージを抑制しながら、電気的特性の優れた積層型圧電体素子を製造できる。 And, according to the conductive adhesive in which conductive particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 100 nm or less are dispersed, the above necking phenomenon can be actively utilized, and the original melting point of the metal material forming the conductive particles can be increased. The side electrode can be formed by welding the conductive particles or the conductive particles and the internal electrode at a low temperature. And in the side electrode which produced the necking phenomenon of electroconductive particle, while being able to reduce the internal resistance, the electrical connection state between a side electrode and an internal electrode can be improved markedly. Further, if each side electrode is formed using the above necking phenomenon, the temperature required to form the side electrode having excellent electrical characteristics is lower than the melting point temperature of the main body of the conductive particles. it can. Therefore, it is possible to manufacture a multilayer piezoelectric element having excellent electrical characteristics while suppressing thermal damage acting on the multilayer piezoelectric element.
なお、導電性粒子の粒径が100nmを超える場合には、上記のネッキング現象が十分に生じず、内部電極と側面電極との間の電気的な特性を十分に改善できないおそれがある。一方、導電性粒子の粒径を1nm未満とすると凝集し易くなるため、導電性粒子を上記樹脂材料中に均一性高く分散させることができなくなるおそれがある。 When the particle diameter of the conductive particles exceeds 100 nm, the above necking phenomenon does not occur sufficiently, and the electrical characteristics between the internal electrode and the side electrode may not be sufficiently improved. On the other hand, when the particle size of the conductive particles is less than 1 nm, the particles are likely to aggregate, and thus the conductive particles may not be dispersed with high uniformity in the resin material.
したがって、上記第1の発明の積層型圧電体素子は、一対の側面電極間に印加した駆動電圧を効率良く内部電極に作用でき、圧電効率に優れたものとなる。 Therefore, the multilayer piezoelectric element according to the first aspect of the invention can efficiently apply the driving voltage applied between the pair of side electrodes to the internal electrode, and has excellent piezoelectric efficiency.
第2の発明は、圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
上記圧電アクチュエータは、上記第1の発明の積層型圧電体素子よりなることを特徴とするインジェクタにある(請求項7)。
A second invention is an injector configured to open and close a valve body using displacement of a piezoelectric actuator to perform fuel injection control.
The piezoelectric actuator is an injector comprising the multilayer piezoelectric element according to the first aspect of the invention (claim 7).
上記第2の発明のインジェクタは、上記の優れた品質の積層型圧電体素子を含む圧電アクチュエータを利用したものである。この積層型圧電体素子は、内部電極と側面電極との電気伝導性が良好である。そのため、上記インジェクタは、良好な噴射特性を有するものとなる。 The injector according to the second aspect of the present invention utilizes a piezoelectric actuator including the above-described multi-layer piezoelectric element having excellent quality. This multilayer piezoelectric element has good electrical conductivity between the internal electrode and the side electrode. Therefore, the injector has good injection characteristics.
上記第1の発明においては、上記導電性接着剤を形成する上記樹脂材料としては、エポキシ、フェノール、シリコーン、ポリイミド等を用いることができる。さらに、この樹脂材料中に、上記導電性粒子のほかに、該導電性粒子よりも大径の銀、銅、ニッケル等よりなる金属フィラーを分散させることも良い。この場合には、ネッキング現象により、この金属フィラーの外周に上記導電性粒子を溶着させることができる。また、上記内部電極としては、銀、銅、白金又はそれらの合金を用いることができる。 In the first invention, epoxy, phenol, silicone, polyimide, or the like can be used as the resin material forming the conductive adhesive. Furthermore, in addition to the conductive particles, a metal filler made of silver, copper, nickel, etc. having a larger diameter than the conductive particles may be dispersed in the resin material. In this case, the conductive particles can be welded to the outer periphery of the metal filler by a necking phenomenon. In addition, silver, copper, platinum, or an alloy thereof can be used as the internal electrode.
また、上記導電性粒子は、その平均粒子径が、1nm以上50nm以下であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記ネッキング現象を一層、顕著に発生させることができ、これにより、上記側面電極と上記内部電極との電気導通性をさらに向上し得ると共に、上記側面電極の内部抵抗をさらに抑制できる。それ故、上記積層型圧電体素子の圧電特性をさらに向上することができる。
The conductive particles preferably have an average particle size of 1 nm or more and 50 nm or less (claim 2).
In this case, the necking phenomenon can be generated more remarkably, thereby further improving the electrical conductivity between the side electrode and the internal electrode and further suppressing the internal resistance of the side electrode. it can. Therefore, the piezoelectric characteristics of the multilayer piezoelectric element can be further improved.
また、100重量%の導電性接着剤中に、10重量%以上90重量%以下の上記導電性粒子が含まれていることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記導電性粒子の含有比率を適正にすることで、上記導電性接着剤の発揮する接着力と、形成する側面電極と内部電極との電気伝導性とをバランス良く両立させることができる。ここで、導電性粒子の含有比率が10重量%未満であると、側面電極と内部電極との間の電気導通性や、側面電極の内部抵抗の大きさが十分でなくなるおそれがある。一方、導電性粒子の含有比率が90重量%を超えると、相対的に上記樹脂材料の含有比率が十分でなくなり、上記導電性接着剤による接着力が十分でなくなるおそれがある。
Further, it is preferable that 10% by weight or more and 90% by weight or less of the conductive particles are contained in 100% by weight of the conductive adhesive.
In this case, by making the content ratio of the conductive particles appropriate, the adhesive force exerted by the conductive adhesive and the electrical conductivity between the side electrode to be formed and the internal electrode are balanced in a balanced manner. Can do. Here, if the content ratio of the conductive particles is less than 10% by weight, the electrical conductivity between the side electrode and the internal electrode and the size of the internal resistance of the side electrode may not be sufficient. On the other hand, when the content ratio of the conductive particles exceeds 90% by weight, the content ratio of the resin material is relatively insufficient, and the adhesive force by the conductive adhesive may be insufficient.
また、上記内部電極の積層方向の厚さは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい(請求項4)。
上記内部電極の層厚が薄くなれば、上記積層型圧電体素子の圧電性能を一層、高めることができる。一方、この場合には、薄膜状の内部電極と側面電極との接触面積が小さくなってしまうため、上記第1の発明の作用効果が特に有効になる。
The thickness of the internal electrode in the stacking direction is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
If the layer thickness of the internal electrode is reduced, the piezoelectric performance of the multilayer piezoelectric element can be further enhanced. On the other hand, in this case, the contact area between the thin-film internal electrode and the side electrode is reduced, so that the effect of the first invention is particularly effective.
また、上記導電性粒子は、金、銀、銅、錫及び白金のうちの少なくともいずれかよりなることが好ましい(請求項5)。
上記の金属材料よりなる導電性粒子では、上記のネッキング現象が発生し易い。そのため、導電性粒子のネッキング現象を積極的に活用して、積層型圧電体素子の電気的な特性を改善するという上記第1の発明の作用効果がさらに有効に発揮される。
Moreover, it is preferable that the said electroconductive particle consists of at least any one of gold | metal | money, silver, copper, tin, and platinum.
In the conductive particles made of the metal material, the necking phenomenon is likely to occur. For this reason, the effect of the first invention of improving the electrical characteristics of the multilayer piezoelectric element by actively utilizing the necking phenomenon of the conductive particles is more effectively exhibited.
また、上記セラミック積層体における上記第1側面電極を設けた側面には、上記第2内部電極の外周端部を覆う絶縁部材が露出しており、上記第2側面電極を設けた側面には、上記第1内部電極の外周端部を覆う絶縁部材が露出しており、上記各絶縁部材が、有機材料よりなることが好ましい(請求項6)。
有機材料よりなる上記絶縁部材は、一般に、耐熱性が十分とは言えない。そのため、ネッキング現象を活用することにより、導電性粒子の本体の融点温度よりも低い温度で導電性粒子が溶着した上記側面電極を形成し得るという上記第1の発明の作用効果が特に有効になる。
In addition, an insulating member that covers an outer peripheral end portion of the second internal electrode is exposed on a side surface of the ceramic laminate in which the first side electrode is provided, and on a side surface in which the second side electrode is provided, It is preferable that an insulating member covering the outer peripheral end of the first internal electrode is exposed, and each of the insulating members is made of an organic material.
In general, the insulating member made of an organic material cannot be said to have sufficient heat resistance. Therefore, by utilizing the necking phenomenon, the effect of the first invention in which the side electrode on which the conductive particles are welded at a temperature lower than the melting point temperature of the main body of the conductive particles can be formed is particularly effective. .
(実施例1)
本例は、圧電効果を奏する積層型圧電体素子1に関する例である。この内容について図1〜図11を用いて説明する。
本例の積層型圧電体素子1は、圧電材料よりなる複数の圧電層11と、導電性を有する複数の層状の内部電極21、22とを交互に積層してなるセラミック積層体10を有し、該セラミック積層体10の側面101、102に第1側面電極31及び第2側面電極32を介してそれぞれ外部電極7が接合されており、上記内部電極21、22としては、第1側面電極31に導通する第1内部電極(以下、適宜第1内部電極21と記載する。)と、第2側面電極32に導通する第2内部電極(以下、適宜第2内部電極22と記載する。)とを交互に配置してなる。
各側面電極31、32は、図2に示すごとく、接着性を有する樹脂材料301中に導電性粒子302を分散させた導電性接着剤30により形成されている。ここで、導電性粒子302は、内部電極21、22の積層方向の厚さWよりも平均粒子径が小さく、かつ、その平均粒子径が1nm以上100nm以下である。
以下に、この内容について詳しく説明する。
Example 1
This example is an example related to the multilayer
The laminated
As shown in FIG. 2, each of the
Hereinafter, this content will be described in detail.
本例の積層型圧電体素子1は、図1、図4、図5に示すごとく、印加電圧に応じて伸縮する圧電層11と、該圧電層11に印加電圧を作用するための層状の内部電極21、22とを交互に積層した八角柱形状のセラミック積層体10を有してなる。そして、その側面のうち一対の側面101、102には、上記第1側面電極31、第2側面電極32をそれぞれ設け、さらにこれら側面電極31、32を介して外部電極7を接合してある。本例では、セラミック積層体10の積層方向の上端と下端には、圧電効果を生じないダミー層18、19を設けてある。なお、積層体形状は、本例の八角形状以外にも円柱、3角形、4角柱等であってもよい。又、一対の側面電極31、32は、必ずしも対向配置されている必要はない。外部電極7は、セラミック積層体10上部のみでなく、積層方向の全領域に渡って接合しても良い。
As shown in FIGS. 1, 4, and 5, the multilayer
第1内部電極21は、図1、図8に示すごとく、側面101にその外周端部を露出させ、直接第1側面電極31に接触している。一方、第1内部電極21は、側面101に対向する側面102において、第2凹溝部42の底部420に露出し、この第2凹溝部42に充填した絶縁充填材5によって覆われている。そして、この絶縁充填材5の外周側に接するように上記第2側面電極32が配設されている。
As shown in FIGS. 1 and 8, the first
同様に、第2内部電極22は、側面102にその外周端部を露出させ、直接第2側面電極32に接触している。一方、第2内部電極22は、側面102に対向する側面101において、第1凹溝部41の底部410に露出し、この第1凹溝部41に充填した絶縁充填材5によって覆われている。そして、この絶縁充填材5の外周側に接するように上記第1側面電極31が配設されている。
Similarly, the second
また、各第1凹溝部41及び第2凹溝部42は、図1及び図8に示すごとく、その底部410、420の底面が、側面101、102と略平行となるよう設けられ、その溝深さDは約100μmである。また、厚みL=80μmの圧電層11に対して、各第1凹溝部41及び第2凹溝部42の溝幅W=80μmとした。
Further, as shown in FIGS. 1 and 8, each of the first and
そして、各第1凹溝部41及び第2凹溝部42には、ポリイミドよりなる絶縁充填材5を充填している。なお、絶縁充填材5としては、これに代えて、シリコーン、エポキシ、ポリアミドイミド等の材質のものを用いることができる。
Each
また、上記のごとく、上記第1側面電極31及び第2側面電極32は、図2に示すごとく、電気絶縁性を有する樹脂材料301中に導電性粒子302を分散させた導電性接着剤30より形成した。本例では、樹脂材料301として、エポキシを用い、導電性粒子302としては、平均粒子径20nmのAgよりなるものを用いた。なお、本例では、100重量%の導電性接着剤30に対して、導電性粒子302の含有比率を80重量%とした。導電性粒子302の材質としては、本例のAgのほか、金、銅、白金等を用いることもできる。
As described above, the first
次に、上記構成の積層型圧電体素子1の製造方法につき簡単に説明する。
まず、圧電材料となるセラミックグリーンシートを焼成して上記圧電層11を得る圧電層焼成工程を行う。
本例では、上記圧電層11としてPZTを採用すべく、次のようにグリーンシートを作製した。まず、圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。また、鉛の蒸発を考慮して、上記混合比組成の化学量論比よりも1〜2%リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後800〜950℃で仮焼する。
Next, a method for manufacturing the multilayer
First, a piezoelectric layer firing step is performed in which a ceramic green sheet serving as a piezoelectric material is fired to obtain the
In this example, a green sheet was produced as follows in order to employ PZT as the
次いで、仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリーとし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。 Next, pure water and a dispersant are added to the calcined powder to form a slurry, which is wet pulverized by a pearl mill. After this pulverized product is dried and powdered and degreased, a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant and the like are added and mixed by a ball mill. Thereafter, this slurry is subjected to vacuum defoaming and viscosity adjustment while stirring with a stirrer in a vacuum apparatus.
次いで、スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに成形する。そして、このグリーンシートをプレス機で打ち抜くか、切断機により切断することにより、7mm角の四角形のシート片を得た。なお、得ようとする積層型圧電体素子の形状に応じて、四角形、楕円形、樽型などのシート片を成形することも可能である。 Next, the slurry is formed into a green sheet having a constant thickness by a doctor blade device. Then, the green sheet was punched out with a press machine or cut with a cutting machine to obtain a 7 mm square sheet piece. Depending on the shape of the multilayer piezoelectric element to be obtained, a sheet piece such as a quadrangle, an ellipse, or a barrel can be formed.
次に、このグリーンシートを脱脂処理した後に、焼成して圧電層11を得る。脱脂処理は、グリーンシートを電気炉により400〜700℃の温度に所定時間保持することにより行った。また、焼成処理は、グリーンシートを900〜1200℃の温度に所定時間保持して行った。このようにして、本例では厚みが80μmであり、主にPb(Zr、Ti)O3系のペロブスカイト構造の酸化物であるPZTよりなる焼成済みの圧電層11を、一層ずつ別々に形成した。
Next, the green sheet is degreased and then fired to obtain the
次に、図3に示すごとく、得られた圧電層11と、層状の電極材料20とを交互に積層して積層体を作製する積層体作製工程を行った。
本例では、上記電極材料20として、厚さ5μmの銅箔を用いた。また、銅箔の形状は、図3に示すごとく、7mm角の四角形とし、圧電層11と同じにした。そして、圧電層11と電極材料20とを交互に積層し、圧電層11の積層数が250層となるように積層体を作製した。また、この積層体の積層方向の上下端には、電極材料20を介設せずに圧電層11を積層して、ダミー層18、19を形成した。
Next, as shown in FIG. 3, a laminate manufacturing process was performed in which the obtained
In this example, a copper foil having a thickness of 5 μm was used as the
次に、上記積層体にその積層方向から約3MPaの荷重を加えた状態で炉内に配置し、その炉内雰囲気を1×10-2Paの真空度まで真空引きした後、炉内の圧力が10Paに維持されるよう不活性ガスとしてのN2ガスを炉内に導入した。そして、温度960℃に10分間保持することにより、上記電極材料20よりなる内部電極21、22と圧電層11とを接合する加熱接合工程を実施した。
Next, the laminate is placed in a furnace with a load of about 3 MPa applied from the lamination direction, and the atmosphere in the furnace is evacuated to a vacuum of 1 × 10 −2 Pa, and then the pressure in the furnace is set. N 2 gas as an inert gas was introduced into the furnace so that was maintained at 10 Pa. And the heating joining process which joins the
これにより、図4に示すごとく、4つの側面101〜104を有し、これらの側面全面に端部を露出させた内部電極21、22を有する略四角柱形状のセラミック積層体10が得られる。
次に、図5に示すごとく、上記四角柱形状の角部を平面研削し、新たに4つの側面105〜108を設け、略八角柱形状のセラミック積層体10を成形する。
As a result, as shown in FIG. 4, the substantially quadrangular prism-shaped
Next, as shown in FIG. 5, the corners of the quadrangular prism shape are subjected to surface grinding, and four
次に、図6に示すごとく、セラミック積層体10の側面101に露出した第2内部電極22の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い第1凹溝部41を形成した。また同様に、セラミック積層体10の側面102に露出した第1内部電極21の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い第2凹溝部42を形成した。本例では、上記レーザとしてCO2レーザを用い、ガルバノ光学スキャナーを用いてレーザスポットを走査して各凹溝部41、42を加工した。なお、この溝加工は、レーザ照射による加工法に代えて、砥石による研削やショットブラスト等を利用して行うこともできる。なお、本例では、第1凹溝部41及び第2凹溝部42の断面形状は、上述したごとく、溝深さD=100μm、溝幅W=80μm(図1参照。)とした。
Next, as shown in FIG. 6, a groove was formed by irradiating a laser along the end of the second
次に、図7に示すごとく、第1凹溝部41及び第2凹溝部42内に、ディスペンサーを用いて、ポリイミドよりなる絶縁充填材5を供給した後、真空引きすることにより、第1凹溝部41及び第2凹溝部42の内周面に対して隙間なく絶縁充填材5を充填した。これ以外の塗布方法としては、スクリーン印刷、メタルマスク印刷等も可能である。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、セラミック積層体の側面101、102に、上記導電性接着剤30を印刷(本例では、メタルマスク法により印刷。)し、その上に外部電極7を配設した。その後、温度150℃に60分間保持して熱硬化させた。本例では、これにより、導電性粒子302にネッキング現象を生じさせてある。そのため、本例の積層型圧電体素子1では、第1側面電極31と各第1内部電極21との間の電気的導通及び、第2側面電極32と各第2内部電極22との間の電気的導通が確実性高く、良好に実現される。図1に示す積層型圧電体素子は、以上の手順により作製したものである。
Next, the
次に、本例の積層型圧電体素子1における作用効果につき説明する。
以上のように、本例の積層型圧電体素子1における各側面電極31、32は、上記のごとく、エポキシよりなる樹脂材料301に、銀よりなる導電性粒子302を分散させた導電性接着剤30により形成されている。ここで、この導電性粒子302は、その平均粒子径が、内部電極21、22の積層方向の厚さt=5μmよりも小さく、20nmである。
Next, the function and effect of the multilayer
As described above, the
上記導電性粒子302の平均粒子径が上記のように十分に小さいと、いわゆるネッキング現象により、導電性粒子302同士あるいは、導電性粒子302と内部電極21、22とが溶着される。本例ではネッキング現象を積極的に活用することで、導電性粒子302をなすAgの融点(950℃)よりも低い150℃で導電性粒子302の溶着を生じさせて各側面電極31、32を形成した。これにより、凹溝部41、42に充填した絶縁充填材5など、セラミック積層体10に熱的な損傷が生じるおそれを抑制して、側面電極31、32を形成することができる。
When the average particle diameter of the
本例の側面電極31、32では、その内部で、導電性粒子302同士が溶着しており、電気伝導率に優れている。また、この側面電極31(32)と内部電極21(22)との接触界面あるいは、側面電極31、32と外部電極7との接触界面では、銅よりなる内部電極21、22の端部表面あるいは、外部電極7の表面に導電性粒子302が溶着している。そのため、側面電極31(32)と内部電極21(22)との間及び、側面電極31、32と外部電極7との間は、確実性高く電気的に接続される。また、銅よりなる内部電極21、22の表面に、側面電極31、32中の導電性粒子302が溶着した本例の積層型圧電素子1では、内部電極21(22)の外周端部における側面電極31(32)との接触面が酸化等するおそれが少ない。それ故、生産加工時や、使用時において積層型圧電体素子1が加熱されても、上記接触面が酸化等するおそれがなく、内部電極21(22)と側面電極31(32)との電気的な接触状態が安定的に維持される。
In the
図9には、積層型圧電素子1における側面電極31(32)と内部電極21(22)との間の電気抵抗の大きさである接続抵抗値について、本例の積層型圧電体素子1と従来の積層型圧電体素子とを比較した例である。従来の積層型圧電体素子における側面電極は、本例と同様、エポキシよりなる樹脂材料中に、銀よりなる導電性粒子を分散させた導電性接着剤を用い、本例と同様の形成温度である150℃下で硬化させたものである。但し、従来の積層型圧電体素子における導電性粒子302の平均粒子径は、本例の導電性粒子302の平均粒子径20nmよりも大きい5μmである。
FIG. 9 shows the connection resistance value, which is the magnitude of the electrical resistance between the side electrode 31 (32) and the internal electrode 21 (22) in the multilayer
図9から知られるように、本例の積層型圧電体素子1では、従来のものと比べて、内部電極と側面電極との接続抵抗値が格段に改善されている。この理由は、従来の積層型圧電体素子に用いた大径の導電性粒子が、上記の形成温度下ではネッキング現象を生じにくく、側面電極内部で分散しているのみという点にある。それ故、従来の積層型圧電体素子では、内部電極の外周端部に、導電性粒子が点接触しているのみであるため、接続抵抗値が高くなっている。一方、本例の積層型圧電体素子1では、内部電極21(22)の外周端部に、側面電極31(32)の導電性粒子302が溶着しているため、接続抵抗値が低くなっている。
As can be seen from FIG. 9, in the laminated
なお、本例では、全面電極構造の積層型圧電体素子1の例を説明したが、これに代えて、本例の側面電極31、32を有する部分電極構造の積層型圧電体素子を形成することもできる。さらに、本例では、内部電極21、22の端部を、凹溝部41、42の底部410、420に露出させると共にこの凹溝部41、42に絶縁部材5を充填したが、これに代えて、図10に示すごとく、セラミック積層体10の側面101、102に絶縁部材51を盛り付けるように形成することもできる。
In this example, the example of the multilayer
なお、本例では、上記導電性粒子302としては、銀よりなる粒子を用いたが、これに代えて、銅、金、ニッケル、白金等よりなる粒子を採用することもできる。さらになお、本例では、特に内部電極21、22として銅を用いたが、一般的に使用されている銀又は銀−パラジウム合金を含む内部電極であってもよく、他にも、金、白金等を用いることもできる。
In this example, silver particles are used as the
さらになお、図11に示すごとく、エポキシよりなる樹脂材料301中に、平均粒子径5μmの導電性フィラー303と、平均粒子径20nmの導電性粒子302を分散させた導電性接着剤30を用いて側面電極31、32を形成することもできる。この場合には、導電性接着剤30中に、導電性粒子302よりも大径の導電性フィラー303を含有させることで、導電性粒子302による導電性フィラー303及び内部電極21、22との融着(溶着)による抵抗安定化や、導電性粒子302の含有量低減によるコストダウン等の作用効果が得られる。なお、導電性フィラー303としては、銀、銅、錫及びこれらの合金等を用いることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 11, a conductive adhesive 30 in which
(実施例2)
本例は、実施例1の導電性接着剤を基にして、導電性粒子302をメッキしたメッキフィラー305を含有させた例である。この内容について、図12を用いて説明する。
本例で用いる導電性接着剤30は、平均粒子径5μmの導電性フィラー303の外周に平均粒子径20nmの導電性粒子302を付着させたメッキフィラー305を含有している。そして、導電性接着剤30は、このメッキフィラー305を、エポキシよりなる樹脂材料301中に分散したものである。なお、本例では、導電性粒子302としては、銀よりなる粒子を用い、導電性フィラー303としても銀よりなるものを用いた。
(Example 2)
In this example, the
The conductive adhesive 30 used in this example includes a
本例のメッキフィラー305は、例えば、次の手順によって得ることができる。導電性フィラー303を混入させた金属塩溶液(本例では、硝酸銀。)を準備し、この金属溶液中に還元剤を入れて銀を析出させる。そうすると、析出銀が導電性フィラー303の外周面に付着して、上記のメッキフィラー305が得られる。この手順によれば、導電性フィラー303の外周面に、平均粒子径5μmの導電性粒子302を効率良く付着させることができる。
The
そして、この導電性接着剤30よりなる側面電極31、32では、熱硬化処理中に、メッキフィラー305の外周の導電性粒子302にネッキング現象を生じる。そして、メッキフィラー305同士が、ネッキング現象を生じた導電性粒子302を介して相互に溶着する。さらに、メッキフィラー305が、ネッキング現象を生じた導電性粒子302を介して、内部電極21、22の外周端部あるいは、外部電極に溶着する。
The
そのため、メッキフィラー305同士が相互に溶着していると共に、メッキフィラー305が内部電極21、22等に溶着した本例の側面電極31、32では、内部抵抗が十分に抑制されていると共に、内部電極21、22との間の電気的導通が十分に確保されている。したがって、上記側面電極31、32を有する本例の積層型圧電体素子1は、優れた電気的特性を有するものとなる。
なお、その他の構成及び作用効果は、実施例1と同様である。
Therefore, the plating
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
(実施例3)
本例は、実施例1の積層型圧電体素子1をインジェクタ6の圧電アクチュエータとして用いた例である。このインジェクタ6は、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに用いるものである。
このインジェクタ6は、図13に示すごとく、駆動部としての上記積層型圧電体素子1が収容される上部ハウジング62と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部64が形成される下部ハウジング63を有している。
Example 3
In this example, the multilayer
As shown in FIG. 13, the
上部ハウジング62は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴621内に、積層型圧電体素子1が挿通固定されている。
縦穴621の側方には、高圧燃料通路622が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング62上側部に突出する燃料導入管623内を経て外部のコモンレール(図略)に連通している。
The
A high-
上部ハウジング62上側部には、また、ドレーン通路624に連通する燃料導出管625が突設し、燃料導出管625から流出する燃料は、燃料タンク(図略)へ戻される。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部(圧電体素子)1との間の隙間60を経由し、さらに、この隙間60から上下ハウジング62、63内を下方に延びる図示しない通路によって後述する三方弁651に連通してしる。
A fuel lead-out
The
噴射ノズル部64は、ピストンボデー631内を上下方向に摺動するノズルニードル641と、ノズルニードル641によって開閉されて燃料溜まり642から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔643を備えている。燃料溜まり642は、ノズルニードル641の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路622の下端部がここに開口している。ノズルニードル641は、燃料溜まり642から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室644から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室644の圧力が降下すると、ノズルニードル641がリフトして、噴孔643が開放され、燃料噴射がなされる。
The
背圧室644の圧力は三方弁651によって増減される。三方弁651は、背圧室644と高圧燃料通路622、またはドレーン通路624と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路622またはドレーン通路624へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部1により、その下方に配設される大径ピストン652、油圧室653、小径ピストン654を介して、駆動される。
The pressure in the
そして、本例においては、上記構成のインジェクタ6における駆動源として、実施例1で示した上記積層型圧電体素子1を用いている。この積層型圧電体素子1は、上記のごとく、内部電極層21、22と側面電極31、32との間の絶縁構造の信頼性が高く、耐久性に優れたものである。そのため、高温雰囲気下という過酷な状態で使用されるインジェクタ6においても、作動時のクラックの発生を抑制することができ、耐久性を向上させることができ、インジェクタ6全体の性能向上及び信頼性向上を図ることができる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例1と同様である。
In this example, the multilayer
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
1 積層型圧電体素子
10 セラミック積層体
11 圧電層
21 第1内部電極
22 第2内部電極
30 導電性接着剤
301 樹脂材料
302 導電性粒子
303 導電性フィラー
305 メッキフィラー
31 第1側面電極
32 第2側面電極
41 第1凹溝部
42 第2凹溝部
5 絶縁充填材
6 インジェクタ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記各側面電極は、接着性を有する樹脂材料中に導電性粒子を分散させた導電性接着剤により形成されており、上記導電性粒子は、その平均粒子径が、上記内部電極の積層方向の厚さよりも小さく、かつ、1nm以上100nm以下であることを特徴とする積層型圧電体素子。 A ceramic laminate formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material and a plurality of layered internal electrodes having conductivity; a first side electrode provided on a side surface of the ceramic laminate; External electrodes are respectively joined via second side electrodes, and the internal electrodes include a first internal electrode that conducts to the first side electrode and a second internal electrode that conducts to the second side electrode. In the laminated piezoelectric element arranged alternately,
Each of the side electrodes is formed of a conductive adhesive in which conductive particles are dispersed in an adhesive resin material. The conductive particles have an average particle diameter in the stacking direction of the internal electrodes. A multilayer piezoelectric element having a thickness smaller than the thickness and not smaller than 1 nm and not larger than 100 nm.
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