JP2006013437A - Laminated piezoelectric element, its manufacturing method, and injection device using it - 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、積層型圧電素子を用いたものとしては、圧電体と電極層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、圧電磁器と電極層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、薄膜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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and electrode layers are alternately stacked is known as one using a multilayer piezoelectric element. Multilayer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing types and stack types in which piezoelectric ceramics and electrode layers are alternately stacked. Considering low voltage and manufacturing cost reduction, Therefore, the simultaneous firing type laminated piezoelectric actuator is showing superiority.
図5(a)は、従来の積層型圧電素子53を示すもので、圧電体51と電極層52が交互に積層されて積層体53が形成され、その積層方向における両端面には不活性層55が積層されている。電極層52はその一方の端部が積層体53の側面に左右交互に露出しており、この電極層52の端部が露出した積層体53の側面に、外部電極70が形成されている。電極層52の他方の端部は絶縁体61により被覆され、外部電極70とは絶縁されている。そして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70にさらにリード線72を半田により接続固定されていた。
FIG. 5A shows a conventional laminated
このような積層型圧電素子の製造方法としては、圧電体51となるセラミックグリーンシートに電極層52となる電極ペーストを所定の電極構造となるようなパターンで印刷し、この電極層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、これを焼成し、側面に外部電極70となる導電性ペーストを焼き付けることによって、積層型圧電素子を作製していた(例えば、特許文献1参照)。
As a manufacturing method of such a multilayer piezoelectric element, an electrode paste to be an
このような積層型圧電素子は、一般的には圧電体51と電極層52が交互に積層されて積層体53が形成され、その電極層52は図5(b)で示すように電極層中には空隙が存在しない構造となっている。また、積層セラミックコンデンサの分野では、特許文献2に示すように、焼成時に発生した応力を緩和して、耐基板曲げ性等の信頼性に優れ、電気特性の安定性と高性能の品質を有する積層セラミックコンデンサを提供するために電極層52の端部に空隙を設けることを提案している。
In such a laminated piezoelectric element, generally,
なお、電極層52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51と電極層52を同時焼成するために、電極層52の金属組成は、銀70質量%、パラジウム30質量%にして用いていた(例えば、特許文献3参照)。
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が生じることが求められている。 By the way, in recent years, it is required that a large amount of displacement be generated under a large pressure by a small piezoelectric actuator.
ここで、積層型圧電素子は通常の積層型電子部品(例えば積層型セラミックコンデンサ)と異なり、通電に伴い電界が印加されると圧電体51の磁器が大きく変形(変位)する特徴がある。また、駆動回数と圧電体51の磁器変形回数が同じである。
Here, unlike a conventional multilayer electronic component (for example, a multilayer ceramic capacitor), the multilayer piezoelectric element is characterized in that the ceramic of the
このように、変位を伴う積層型圧電素子では、電極層の耐久性を維持する目的で、電極層を緻密構造にしていた。しかしながら、電極層を緻密な構造にすると、変位する圧電体を拘束する作用を及ぼすため、近年求められているような大きな変位量を効率良く得ることが難しかった。 Thus, in the multilayer piezoelectric element with displacement, the electrode layer has a dense structure for the purpose of maintaining the durability of the electrode layer. However, if the electrode layer has a dense structure, it exerts an action of constraining the displacing piezoelectric body, so that it has been difficult to efficiently obtain a large amount of displacement as required in recent years.
そこで、本発明者は、敢えて電極層に空隙を設け、積層型圧電素子の変位量の改善を試みた。その結果、電極層に空隙を設けることにより、変位量が格段に向上することを見出した。また同時に、これまでの考え方と異なり、耐久性が向上することも見出した。 Therefore, the present inventor has tried to improve the displacement amount of the multilayer piezoelectric element by providing a gap in the electrode layer. As a result, it has been found that the amount of displacement is remarkably improved by providing a gap in the electrode layer. At the same time, it was found that the durability is improved, unlike the conventional way of thinking.
そこで、本発明は、高電圧、高圧力下で圧電アクチュエータを駆動させた場合に変位量と耐久性に優れた積層型圧電素子およびその製造方法ならびにこれを用いた噴射装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has an object to provide a laminated piezoelectric element that is excellent in displacement and durability when a piezoelectric actuator is driven under high voltage and high pressure, a manufacturing method thereof, and an injection device using the same. And
上述の課題に鑑み、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電極層とを、該電極層が間に前記圧電体を挟んで一部対向するように交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に、前記電極層間に電圧を印加する一対の外部電極を具備する積層型圧電素子において、前記積層体の積層方向に前記電極層を貫通する空隙を設けたことを特徴とする。 In view of the above-described problems, the multilayer piezoelectric element of the present invention is configured by alternately laminating at least one piezoelectric body and a plurality of electrode layers so that the electrode layers partially face each other with the piezoelectric body in between. A laminated piezoelectric element having a pair of external electrodes for applying a voltage between the electrode layers on a side surface of the laminated body, and a gap penetrating the electrode layer in the lamination direction of the laminated body. Is provided.
本発明の積層型圧電素子は、全ての前記電極層に、前記電極層を貫通する空隙を設けたことを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that a gap penetrating the electrode layer is provided in all the electrode layers.
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電極層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電極層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、前記電極層の面積に対して5〜70%を占める空隙を電極層中に設けたことを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of electrode layers are alternately stacked, and the electrode layers are alternately connected to the side surfaces of the multilayer body. In the laminated piezoelectric element having a pair of external electrodes and driven by applying an electric field to the external electrodes, a gap that occupies 5 to 70% of the area of the electrode layer is provided in the electrode layer. Features.
本発明の積層型圧電素子は、前記空隙の最大幅が1μm以上であることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the maximum width of the gap is 1 μm or more.
本発明の積層型圧電素子は、電極層における電極部分と空隙との界面が圧電体に接する部分を起点とし、該起点から前記電極部分への接線と前記圧電体とのなす角度が60度以上であることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention has a starting point where the interface between the electrode portion and the gap in the electrode layer is in contact with the piezoelectric body, and the angle between the tangent line from the starting point to the electrode portion and the piezoelectric body is 60 degrees or more. It is characterized by being.
本発明の積層型圧電素子は、前記電極層中の金属組成物が8〜10族金属および/または11族金属を主成分とすることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the metal composition in the electrode layer contains a group 8-10 metal and / or a group 11 metal as a main component.
本発明の積層型圧電素子は、前記電極層中の8〜10族金属の含有量をM1(質量%)、11族金属の含有量をM2(質量%)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 8-10 metal in the electrode layer is M1 (mass%) and the content of the group 11 metal is M2 (mass%), 0 <M1 ≦ 15 85 ≦ M2 <100 and M1 + M2 = 100 are satisfied.
本発明の積層型圧電素子は、前記8〜10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、11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 8-10 metal is at least one of Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the group 11 metal is at least of Cu, Ag, and Au. It is one or more types.
本発明の積層型圧電素子は、前記8〜10族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、11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。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the group 8-10 metal is at least one of Pt and Pd, and the group 11 metal is at least one of Ag and Au.
本発明の積層型圧電素子は、前記8〜10族金属がCuであることを特徴とする。 The laminated piezoelectric element of the present invention is characterized in that the group 8-10 metal is Cu.
本発明の積層型圧電素子は、前記8〜10族金属がNiであることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the Group 8-10 metal is Ni.
本発明の積層型圧電素子は、前記電極層にBN、TiN、ZrNのうち少なくとも1つを主成分とする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 containing at least one of BN, TiN, and ZrN as a main component is added to the electrode layer.
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。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the piezoelectric body contains a perovskite oxide as a main component.
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。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that the piezoelectric body contains a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component.
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電極層と端部が露出しない前記電極層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電極層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 electrode layer whose end is exposed on the side surface of the multilayer body and the electrode layer whose end is not exposed are alternately configured, and the end is not exposed. A groove is formed in the piezoelectric portion between the electrode layer and the external electrode, and the groove is filled with an insulator having a Young's modulus lower than that of the piezoelectric body.
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、少なくとも1つの圧電体と複数の電極層とを交互に積層してなる圧電体を有し、該積層体の側面に前記電極層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の製造方法において、前記電極層を2種以上の混合材料で構成し、該混合材料を最も低い融点以上で、且つ他の材料の融点以下の温度で仮焼した後に、本焼成する工程を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a laminated piezoelectric element of the present invention has a piezoelectric body formed by alternately laminating at least one piezoelectric body and a plurality of electrode layers, and the electrode layers are alternately arranged on the side surfaces of the laminated body. In the method of manufacturing a laminated piezoelectric element comprising a pair of external electrodes connected to each other and driven by applying an electric field to the external electrodes, the electrode layer is composed of two or more mixed materials, It is characterized in that it includes a step of calcining after calcination at a temperature not lower than the lowest melting point and not higher than the melting point of other materials.
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15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。 The injection device according to the present invention includes a storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element according to any one of claims 1 to 15 stored in the storage container, and the injection by driving the stacked piezoelectric element. And a valve for ejecting liquid from the hole.
このように、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電極層とを、該電極層が間に前記圧電体を挟んで一部対向するように交互に積層してなる積層体を有し、該積層体の側面に、前記電極層間に電圧を印加する一対の外部電極を具備し、前記積層体の積層方向に前記電極層を貫通する空隙を設けることで、圧電体が電界によって変形する時に電極層によって拘束される力が弱まり、圧電体が比較的容易に変形できるために変位量が向上し、また電極層に発生する応力も低減されることから耐久性にも優れたものとなる。また、前記積層型圧電素子を搭載することにより高信頼性を有する噴射装置を提供することができる。 Thus, the multilayer piezoelectric element of the present invention is formed by alternately laminating at least one piezoelectric body and a plurality of electrode layers so that the electrode layers partially face each other with the piezoelectric body in between. A piezoelectric body having a laminate, and having a pair of external electrodes for applying a voltage between the electrode layers on a side surface of the laminate, and providing a gap penetrating the electrode layer in the stacking direction of the laminate; Since the force restrained by the electrode layer is weakened when the electrode is deformed by an electric field, the piezoelectric body can be deformed relatively easily, the amount of displacement is improved, and the stress generated in the electrode layer is also reduced. It will be excellent. In addition, it is possible to provide an injection device having high reliability by mounting the multilayer piezoelectric element.
また、本発明の積層型圧電素子は、全ての前記電極層に、前記電極層を貫通する空隙を設けることで、圧電体が電界によって変形する時に電極層によって拘束される力が弱まり、変位駆動するすべての圧電体が比較的容易に変形できるため、変位量がさらに向上し、また電極層に発生する応力も低減されることから耐久性にも優れたものとなる。また、前記積層型圧電素子を搭載することにより高信頼性を有する噴射装置を提供することができる。 In addition, the laminated piezoelectric element of the present invention is provided with a gap penetrating the electrode layer in all the electrode layers, so that the force restrained by the electrode layer when the piezoelectric body is deformed by an electric field is weakened, and displacement driving is performed. Since all the piezoelectric bodies to be deformed can be relatively easily deformed, the amount of displacement is further improved, and the stress generated in the electrode layer is also reduced, resulting in excellent durability. In addition, it is possible to provide an injection device having high reliability by mounting the multilayer piezoelectric element.
さらに、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電極層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電極層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、前記電極層の面積に対して5〜70%を占める空隙を電極層中に設けることで、圧電体が電界によって変形する時に電極層によって拘束される力が弱まり、圧電体が比較的容易に変形できるために変位量が向上し、また電極層に発生する応力も低減されることから耐久性にも優れたものとなる。また、前記積層型圧電素子を搭載することにより高信頼性を有する噴射装置を提供することができる。 Furthermore, the multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which at least one piezoelectric body and a plurality of electrode layers are alternately stacked, and the electrode layers 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, a void that occupies 5 to 70% of the area of the electrode layer is provided in the electrode layer. Therefore, when the piezoelectric body is deformed by an electric field, the force restrained by the electrode layer is weakened, the piezoelectric body can be deformed relatively easily, the displacement amount is improved, and the stress generated in the electrode layer is also reduced. It also has excellent durability. In addition, it is possible to provide an injection device having high reliability by mounting the multilayer piezoelectric element.
さらに、電極層の空隙の最大幅を1μm以上としたり、前記電極層における電極部分と空隙との界面において、前記電極部分と前記圧電体の境界と、前記空隙と前記電極部分の境界とのなす角度を60度以上とすることで、前記電極層が圧電体を拘束する力が小さくなり圧電体が変形しやすくなるので、さらに変位量を大きくでき発生する応力も低減できるので変位量と耐久性に優れた積層型圧電素子を有する噴射装置を提供できる。 Further, the maximum width of the gap in the electrode layer is set to 1 μm or more, or at the interface between the electrode portion and the gap in the electrode layer, the boundary between the electrode portion and the piezoelectric body, and the boundary between the gap and the electrode portion. By setting the angle to 60 degrees or more, the force with which the electrode layer restrains the piezoelectric body is reduced and the piezoelectric body is easily deformed. Therefore, the amount of displacement can be increased and the generated stress can be reduced. A jetting device having a laminated piezoelectric element excellent in the above can be provided.
尚、上述の構成に加えて、前記電極層中の金属組成物を8〜10族金属および/または11族金属を主成分とすることにより、前記圧電体を構成するセラミックスと濡れ性が悪いため、前記電極層中に効率よく前記空隙を形成できるとともに、積層型圧電素子を連続運転させても、マイグレーション現象を減少できるので耐久性が向上する。 In addition to the above-described configuration, the metal composition in the electrode layer is mainly composed of a group 8-10 metal and / or a group 11 metal, and therefore has poor wettability with the ceramics constituting the piezoelectric body. The voids can be efficiently formed in the electrode layer, and even if the multilayer piezoelectric element is operated continuously, the migration phenomenon can be reduced, so that the durability is improved.
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)は断面図である。また図2は、図1の積層型圧電素子の電極層付近の一部断面の拡大図である。 1A and 1B show an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a cross-sectional view. 2 is an enlarged view of a partial cross section near the electrode layer of the multilayer piezoelectric element of FIG.
本発明の積層型圧電素子10は、図1に示すように、複数の電極層2が間に圧電体1を挟み、該圧電体1を挟んで電極層2同士が一部対向するように交互に積層してなる積層体を具備している。そして、その積層体の一対の対向側面において、電極層2が露出した端部と、一層おきに電気的に導通する一対の外部電極4が接合されている。さらに、積層型圧電素子10の両端には不活性層9設けられている。ここで、本発明の積層型圧電素子10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4にリード線6を半田により接続固定し、前記リード線6を外部電圧供給部に接続すればよい。
As shown in FIG. 1, the multilayer
電極層2は銀―パラジウム等の金属材料で形成しているので、電極層2を通じて各圧電体1に所定の電圧を印加し、圧電体1を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。
Since the
そして本発明の積層型圧電素子10では、本発明者が鋭意検討の結果、図2に示すように圧電体1間の電極層2中に貫通する空隙20を設けたものであり、積層型圧電素子10の全ての電極層2に貫通する空隙20を設けたものである。さらに、該貫通する空隙20および貫通しない空隙21を電極層2の面積に対して5〜70%占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができるのを見出したものである。
In the multilayer
電極層2に貫通する空隙20および貫通しない空隙21の無い従来のタイプでは、電界を受けて圧電体1が変形する際に、電極層2からの束縛を受けやすいため、変形量が小さくなり、充分な積層型圧電素子の変位量を得ることができなかった。
In the conventional type that does not have the
これに対して、本発明の電極層2中に貫通する空隙20および貫通しない空隙21がある積層型圧電素子は、圧電体の変形が自由になり、従来に比べて変形量が大きくなる。
On the other hand, in the laminated piezoelectric element having the
ここで、上述した電極層2の面積に対する空隙の占める割合(空隙率)について説明する。空隙率は積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定する。その切断面において、電極層の部分に存在する空隙の面積を測定し、その空隙の面積の総和を電極層2の面積(空隙も含む)で除した値を100倍したものである。
Here, the ratio (void ratio) of the gap to the area of the
また、空隙率が5%より少ないと圧電体1が電界を印加されて変形する際に電極層2から束縛を受け、圧電体1の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が小さくなる。また、発生する内部応力も大きくなるために耐久性にも悪い影響を与える。
On the other hand, when the porosity is less than 5%, when the piezoelectric body 1 is deformed by applying an electric field, the
一方、空隙率が70%より大きいと、空隙20、21間の電極部分2aに極端に細い部分が生じる為、電極層2自体の強度が低下し、電極層2にクラックが生じやすくなり、最悪は断線等を生じる恐れがあるので好ましくない。併せて、電極層2の導電性が低下するため、圧電体1に電圧を印加し難くなり、充分な変位量を得られない場合がある。
On the other hand, if the porosity is larger than 70%, an extremely thin portion is formed in the
尚、図2に示すように、空隙20、21は電極部分2a間に設けたものだけではなく、電極部分2aの内部に包含されたような状態で存在しても良い。
As shown in FIG. 2, the
さらに、前記空隙率は、より好ましくは7〜70%、さらに好ましくは10〜60%である。このようにすることで、圧電体1をよりスムーズに変形できるとともに、電極層2の導電性を充分に有しているため、積層型圧電素子10の変位量を増大することができる。
Furthermore, the porosity is more preferably 7 to 70%, and still more preferably 10 to 60%. By doing so, the piezoelectric body 1 can be deformed more smoothly, and the
また、空隙20、21の断面における最大幅が1μm以上であることが好ましい。以下で述べる最大幅とは、積層型圧電素子の積層方向の断面において、電極層の断面に存在する空隙の大きさを電極に平行な線を引きその線上の長さを測定し、測定値で最大の値を最大幅とした。さらに、空隙20、21の最大幅は、変位量を大きくできるということと、内部応力を軽減し、耐久性を向上すると言う観点から、2μmがより好ましく、3μmがさらに好ましい。
Moreover, it is preferable that the maximum width in the cross section of the space |
また、前記電極層2断面において電極部分2aと空隙20、21の界面が圧電体1に接する部分を起点とする電極部分2aへの接線22と圧電体1とのなす角度24が60度以上であることが好ましい。この角度24は、図2に示すように、積層型圧電素子の積層方向の断面において、電極部分2aと空隙2の界面が圧電体1と接する点を起点とし、電極部分2aに接するように線を引き、この接線22と圧電体1とのなす角度24で表される。
Further, in the cross section of the
ここで、角度24が60度未満であると、電極層2中の電極部分2aが圧電体1と接してできるメニスカスの部位が大きくなるため、電極層2が圧電体1を拘束する力が大きくなり、変位量が低下する可能性がある。さらに、角度24は、電極層2が圧電体1を拘束する力が小さくなるという理由で変位量を大きくできること、内部応力を小さくし、耐久性を向上させると言う観点から、70度以上がより好ましく、80度以上であることがさらに好ましい。
Here, when the
さらに、電極層2中の金属組成物が8〜10族金属および/または11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1と電極層2を同時焼成することも可能である。また、圧電体1と濡れ性が悪いため、圧電体1と電極層2との界面に空隙が発生しやすくなり、それらを積層して焼成すると、比較的高い空隙を有する電極層2を形成することができる。
Furthermore, it is desirable that the metal composition in the
さらに、電極層2中の金属組成物が8〜10族金属の含有量をM1(質量%)、11族金属の含有量をM2(質量%)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、8〜10族金属が15質量%を超えると、電極層2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、電極層2が発熱する場合があるからである。また、電極層2中の11族金属の圧電体1へのマイグレーションを抑制するために、8〜10族金属が0.001質量%以上15質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子10の耐久性を向上させるという点では、0.1質量%以上10質量%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質量%以上10質量%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1質量%以上8質量%以下がさらに好ましい。
Furthermore, when the metal composition in the
ここで、11族金属が85質量%未満になると、電極層2の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子10を連続駆動させた場合、電極層2が発熱する場合があるからである。また、電極層2中の11族金属の圧電体1へのマイグレーションを抑制するために、11族金属が85質量%以上99.999質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子10の耐久性を向上させるという点では、90質量%以上99.9質量%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質量%以上99.5質量%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質量%以上98質量%以下がさらに好ましい。
Here, when the Group 11 metal is less than 85% by mass, the specific resistance of the
上記の電極層2中の金属成分の質量%を示す8〜10族金属、11族金属はEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定できる。
The 8-10 group metal and 11 group metal which show the mass% of the metal component in said
さらに、本発明の電極層2中の金属成分は、8〜10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、11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、電極層2中の金属成分は、8〜10族金属がPt、Pdのうち少なくとも1種以上であり、11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、比抵抗の小さな電極層2を形成できる可能性がある。
Furthermore, as for the metal component in the
さらに、電極層2中の金属成分は、11族金属がCuであることが好ましい。これにより、熱伝導性に優れた電極層2を形成できる可能性があると同時に発生する内部応力を軽減できる可能性がある。
Furthermore, as for the metal component in the
さらに、電極層2中の金属成分は、8〜10族金属がNiであることが好ましい。これにより、耐熱性に優れた電極層2を形成できる可能性がある。
Furthermore, as for the metal component in the
また、前記電極層に前記電極層を構成する材質と濡れ性の悪い無機組成物を添加することが好ましい。これは、濡れ性の悪い無機組成物が電極層2にあることにより、焼成の際に、電極層2と濡れ性が悪いので、この無機組成物の周囲の電極部分2aがはじかれ、周囲には電極部分2aの無い部分つまり空隙20、21が形成されることになり、空隙形成の面で有利となり、その結果、変位量を向上させることができる。ここで、前記無機組成物としては、BN、TiN、ZrNのうち少なくとも1つを主成分としたものを用いることができ、特にBNを主成分とする無機組成物であれば、効率よく空隙20、21を形成することができるので好ましい。尚、無機組成物を圧電体1の表面に形成してもよく、圧電体1の表面に無機組成物を形成すれば、電極層2を貫通する空隙20を形成する上で有利になる。
Moreover, it is preferable to add the material which comprises the said electrode layer, and an inorganic composition with bad wettability to the said electrode layer. This is because, since the
さらに、圧電体1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1と電極層2を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体1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 piezoelectric body 1 has a perovskite oxide as a main component. This is because, for example, when formed of a perovskite type piezoelectric ceramic material typified by barium titanate (BaTiO 3 ) or the like, the piezoelectric strain constant d 33 indicating the piezoelectric characteristics is high, so that the amount of displacement can be increased. Furthermore, the piezoelectric body 1 and the
さらに積層体の側面に端部が露出する電極層2と端部が露出しない電極層2とが交互に構成されており、前記端部が露出していない電極層2と外部電極4間の圧電体1部分に溝が形成されており、該溝に圧電体1よりもヤング率の低い絶縁体が充填されていることが、耐久性の向上の面で好ましい。
Further, the
さらに、焼成温度が900℃以上1050℃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1を作製することが困難になる。また、焼成温度が1050℃を超えると、焼成時の電極層2の収縮と圧電体1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10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 1050 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 piezoelectric body 1. In addition, when the firing temperature exceeds 1050 ° C., the stress resulting from the difference between the contraction of the
また、電極層2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、電極層2中の組成のずれが焼成前後で5%を超えると、電極層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10の駆動による伸縮に対して、電極層2が追従できなくなる可能性がある。
Moreover, it is preferable that the deviation of the composition in the
ここで、電極層2中の組成のずれとは、電極層2を構成する元素が焼成によって蒸発、または圧電体1へ拡散することにより電極層2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10の側面に端部が露出する電極層2と端部が露出しない電極層2とが交互に構成されており、前記端部が露出していない電極層2と外部電極4間の圧電体1部分に溝3が形成されており、この溝内に、圧電体1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10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、電極層2の発熱を抑制することができる。
In addition, the
また、図3に示すように外部電極4が3次元網目構造をなす多孔質導電体からなるのが望ましい。外部電極4が3次元網目構造をなす多孔質導電体で構成されていなければ、外部電極4はフレキシブル性を有しないため、積層型圧電アクチュエータの伸縮に追従できなくなるので、外部電極4の断線や外部電極4と電極層2の接点不良が生じる場合がある。ここで、3次元網目構造とは、外部電極4にいわゆる球形のボイドが存在している状態を意味するのではなく、外部電極4を構成する導電材粉末とガラス粉末が、比較的低温で焼き付けられている為に、焼結が進みきらずにボイドがある程度連結した状態で存在し、外部電極4を構成する導電材粉末とガラス粉末が3次元的に連結、接合した状態を示唆している。
Further, as shown in FIG. 3, the external electrode 4 is preferably made of a porous conductor having a three-dimensional network structure. If the external electrode 4 is not composed of a porous conductor having a three-dimensional network structure, the external electrode 4 does not have flexibility and cannot follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric actuator. A contact failure between the external electrode 4 and the
あるいは、外部電極4中の空隙率が30〜70体積%であることが望ましい。ここで、空隙率とは、外部電極4中に占める空隙4aの比率である。これは、外部電極4中の空隙率が30体積%より小さければ、外部電極4が積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力に耐えきれずに、外部電極4が断線する可能性がある。また、外部電極4中の空隙率が70体積%を超えると、外部電極4の抵抗値が大きくなるため、大電流を流した際に外部電極4が局所発熱を起こして断線してしまう可能性がある。 Alternatively, the porosity in the external electrode 4 is desirably 30 to 70% by volume. Here, the porosity is the ratio of the voids 4 a in the external electrode 4. This is because if the porosity in the external electrode 4 is smaller than 30% by volume, the external electrode 4 cannot withstand the stress generated by the expansion and contraction of the multilayer piezoelectric actuator, and the external electrode 4 may be disconnected. In addition, when the porosity in the external electrode 4 exceeds 70% by volume, the resistance value of the external electrode 4 increases, and thus when the large current is passed, the external electrode 4 may cause local heat generation and break. There is.
また、外部電極4を構成するガラスの軟化点(℃)が、電極層2を構成する導電材の融点(℃)の4/5以下であることが望ましい。これは、外部電極4を構成するガラスの軟化点が、電極層2を構成する導電材の融点の4/5を超えると、外部電極4を構成するガラスの軟化点と電極層2を構成する導電材の融点が同程度の温度になるため、外部電極4を焼き付ける温度が必然的に電極層2を構成する融点に近づくので、外部電極4の焼き付けの際に、電極層2及び外部電極4の導電材が凝集して拡散接合を妨げたり、また、焼き付け温度を外部電極4のガラス成分が軟化するのに十分な温度に設定できないため、軟化したガラスによる十分な接合強度を得ることができない場合がある。
The softening point (° C.) of the glass constituting the external electrode 4 is desirably 4/5 or less of the melting point (° C.) of the conductive material constituting the
さらに、外部電極4の圧電体1側表層部にガラスリッチ層が形成されていることが望ましい。これは、ガラスリッチ層が存在しないと、外部電極4中のガラス成分との接合が困難になるため、外部電極4が圧電体1との強固な接合が容易でなくなる可能性がある。 Furthermore, it is desirable that a glass rich layer is formed on the surface layer portion of the external electrode 4 on the piezoelectric body 1 side. This is because, if the glass-rich layer is not present, it is difficult to bond the glass component in the external electrode 4, so that there is a possibility that the external electrode 4 cannot easily be firmly bonded to the piezoelectric body 1.
さらに、外部電極4を構成するガラスを非晶質にすることが望ましい。これは、結晶質のガラスでは、積層型圧電アクチュエータの伸縮によって生じる応力を外部電極4が吸収できないので、クラック等が発生する場合がある。 Furthermore, it is desirable that the glass constituting the external electrode 4 be amorphous. This is because, in crystalline glass, the external electrode 4 cannot absorb the stress generated by the expansion and contraction of the laminated piezoelectric actuator, so that cracks and the like may occur.
さらに、外部電極4の厚みが圧電体1の厚みよりも薄いことが望ましい。これは、外部電極4の厚みが圧電体1の厚みよりも厚いと、外部電極4の強度が増大するため、積層体10が伸縮する際に、外部電極4と電極層2の接合部の負荷が増大し、接点不良が生じる場合がある。
Furthermore, it is desirable that the thickness of the external electrode 4 is thinner than the thickness of the piezoelectric body 1. This is because when the thickness of the external electrode 4 is larger than the thickness of the piezoelectric body 1, the strength of the external electrode 4 increases, so that the load on the joint between the external electrode 4 and the
さらに、外部電極4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7を設けることが望ましい。外部電極4の外面に導電性補助部材7を設けないと、積層型圧電素子10に大電流を流して駆動する際に、外部電極4が大電流に耐えきれずに局所発熱してしまい、断線する可能性がある。
Furthermore, it is desirable to provide a conductive auxiliary member 7 made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded on the outer surface of the external electrode 4. If the conductive auxiliary member 7 is not provided on the outer surface of the external electrode 4, the external electrode 4 cannot withstand the large current and is locally heated when driven by flowing a large current through the multilayer
また、外部電極4の外面にメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を使用しないと、積層型圧電素子10の伸縮による応力が外部電極4に直接作用することにより、駆動中の疲労によって外部電極4が積層型圧電素子10の側面から剥離しやすくなる可能性がある。
Further, if a mesh or a mesh-like metal plate is not used on the outer surface of the external electrode 4, the stress due to expansion and contraction of the multilayer
さらに、導電性接着剤が導電性粒子を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。これは、ポリイミド樹脂を使用することにより、積層型圧電素子10を高温下で駆動させる際にも、比較的高い耐熱性を有するポリイミド樹脂を使用することによって、導電性接着剤が高い接着強度を維持しやすい。
Furthermore, it is desirable that the conductive adhesive is made of a polyimide resin in which conductive particles are dispersed. This is because the conductive adhesive has a high adhesive strength by using a polyimide resin having a relatively high heat resistance even when the laminated
さらに、導電性粒子が銀粉末であることが望ましい。これは、導電性粒子に比較的抵抗値の低い銀粉末を使用することによって、導電性接着剤における局所発熱を抑制しやすい。 Furthermore, it is desirable that the conductive particles are silver powder. This makes it easy to suppress local heat generation in the conductive adhesive by using silver powder having a relatively low resistance value for the conductive particles.
また、本発明の積層型圧電素子10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
次に、本発明の積層型圧電素子10の製法を説明する。
Next, the manufacturing method of the multilayer
本発明の積層型圧電素子10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、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、かつ、上記不純物の範囲としたスラリーを作製し、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1となるセラミックグリーンシートを作製し、適当な大きさにカットし、枠に固定する。
The multilayer
次に、銀−パラジウム等の電極層2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。この際、電極層を構成する金属粉末は,焼成後に電極層2に空隙ができるように、融点の異なる2種以上の材料を用いることが重要であり、材料としては金属または合金であることが好ましい。そして、電極層2を構成する金属または合金の最も低い融点以上、且つ他の金属の融点以下の温度で仮焼すると、融点以上になって融けた金属または合金が毛管現象により、電極層中の空孔に移動し、移動した部分が空隙になるため、本発明の空隙を有する電極層2を作製することができる。尚、前記空孔は、例えば、前記導電性ペーストを調製する際に前記金属粉末間にできる僅かな隙間、または前記バインダー部分が脱バインダーにより生じた隙間等により形成することができる。
Next, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder, a plasticizer and the like to the metal powder constituting the
また、この他にも、電極層2を構成する材質に、該材質と濡れ性の悪い材質を添加して空隙20、21を形成しても良い。さらに、電極層2が印刷されるグリーンシート面に電極層2を構成する材質と濡れ性の悪い材質を設けることでも空隙20、21を形成することもできる。
In addition, the
次に、同様に銀−パラジウム等の焼結助剤となる成分を含むダミー層を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印刷し、不活性層9用のグリーンシートを用意する。 Next, similarly, a dummy layer containing a component serving as a sintering aid such as silver-palladium is printed on the upper surface of the green sheet by screen printing or the like to prepare a green sheet for the inactive layer 9.
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と不活性層9用のグリーンシートを積層型圧電素子の端部に不活性層9がくるように複数積層し、同時に圧力をかけて密着させる。 Then, a plurality of green sheets with conductive paste printed on the upper surface and green sheets for the inactive layer 9 are laminated so that the inactive layer 9 comes to the end of the laminated piezoelectric element, and are simultaneously brought into close contact with pressure. .
この後、グリーンシートを適当な大きさにカットし、所定の温度で脱バインダーを行った後、900〜1050℃で焼成することによって積層型圧電素子10が作製される。焼成の際に、電極層を構成する金属または合金のうち、融点の低い金属または合金の融点以上で2番目に低い金属または合金の融点より低温で温度を保持した後に昇温し焼成することが重要である。
Thereafter, the green sheet is cut into an appropriate size, debindered at a predetermined temperature, and then fired at 900 to 1050 ° C., whereby the multilayer
なお、積層型圧電素子10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、電極層に空隙を作る方法であれば、どのような製法によって形成されても良い。
The multilayer
その後、積層型圧電素子10の側面に端部が露出する電極層2と端部が露出しない電極層2とを交互に形成して、端部が露出していない電極層2と外部電極4間の圧電体1部分に溝3を形成して、この溝3内に、圧電体1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、外部電極4を構成する導電材は積層型圧電素子10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。
Thereafter, the
また、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、積層型圧電素子10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4を形成することができる。
In addition, a silver glass conductive paste is prepared by adding a binder to the glass powder, and this is formed into a sheet, and the green density of the dried (spattered solvent) is controlled to 6 to 9 g / cm 3. Then, this sheet is transferred to the external electrode forming surface of the multilayer
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電極層2を拡散接合させ、また、外部電極4中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極4と積層型圧電素子10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 the 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4が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極4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4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 so much that a porous conductor having an effective three-dimensional network structure cannot be formed, and the external electrode 4 Becomes too dense, and as a result, the Young's modulus of the external electrode 4 becomes too high to absorb the stress during driving sufficiently, and the external electrode 4 may be disconnected. Preferably, baking should be performed at a temperature within 1.2 times the softening point of the glass.
一方、焼き付け温度が550℃よりも低い場合には、電極層2端部と外部電極4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、駆動時に電極層2と外部電極4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1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 piezoelectric body 1. More preferably, it is 50 μm or less from the viewpoint of following the expansion and contraction of the actuator.
次に、外部電極4を形成した積層型圧電素子10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、積層型圧電素子10の溝3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型圧電素子10を引き上げ、積層型圧電素子10の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝3内部に充填、及び柱状積層型圧電素子10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10が完成する。
Next, the laminated
そして、外部電極4にリード線6を接続し、該リード線6を介して一対の外部電極4に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、圧電層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10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6を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極4を介して電極層2に電圧を印加させれば、各圧電体1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, by connecting the
さらに、図3に示すように外部電極4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7を形成してもよい。この場合には、外部電極4の外面に導電性補助部材7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7に流すことができ、外部電極4に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極4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。 Further, as shown in FIG. 3, a conductive auxiliary member 7 made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded may be formed on the outer surface of the external electrode 4. In this case, by providing a conductive auxiliary member 7 on the outer surface of the external electrode 4, a large current can be supplied to the conductive auxiliary member 7 even when a large current is input to the actuator and driven at high speed. Because the current flowing through the external electrode 4 can be reduced, it is possible to prevent the external electrode 4 from causing local heat generation and disconnection, and the durability can be greatly improved. Furthermore, since a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded in the conductive adhesive, it is possible to prevent the conductive adhesive from cracking.
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7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7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。 Further, the conductive adhesive constituting the conductive auxiliary member 7 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 a high heat resistance, the conductive auxiliary member 7 having a low resistance value and a high adhesive strength can be formed even when used at a high temperature. it can. More preferably, the conductive particles are non-spherical particles such as flakes or needles. This is because the entanglement between the conductive particles can be strengthened by making the shape of the conductive particles non-spherical particles such as flakes and needles, 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10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 laminated
また、上記では、積層型圧電素子10の対向する側面に外部電極4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 external electrode 4 in the side surface which the laminated
図4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. 4 shows an injection device of 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10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 the multilayer
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.
(実験例)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1になるセラミックグリーンシートを作製した。 (Experimental example) 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 prepared, and is 150 μm thick by a doctor blade method. A ceramic green sheet to be the piezoelectric body 1 was produced.
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をスクリーン印刷法により4μmの厚みに印刷した。これらシートを300枚積層体用として用意した。これとは別に保護層になるグリーンシートを用意し、これらを下から保護層30枚、積層体300枚、保護層30枚となるように積層し、プレスした後、脱脂をし、Agの融点以上で一旦温度を保持した後、1000℃で最終焼成した。また、この他にもAgにバインダーを加えた導電性ペーストにBNを添加し、同様の工程を経ることにより、比較的空隙20、21の割合が大きい電極層2を得た。更に、Cuにバインダーを加えた導電性ペースト、Niにバインダーを加えた導電性ペーストも同様に、スクリーン印刷法により4μmの厚みに印刷した。これらシートを300枚積層体用として用意した。これとは別に保護層になるグリーンシートを用意し、これらを下から保護層30枚、積層体300枚、保護層30枚となるように積層し、プレスした後、脱脂をし、それぞれの導電性ペーストが含有する金属の融点以上で一旦温度を保持した後、さらに昇温して最終焼成した。
On one side of this ceramic green sheet, a conductive paste obtained by adding a binder to a silver-palladium alloy formed at an arbitrary composition ratio was printed to a thickness of 4 μm by screen printing. These sheets were prepared for a 300-sheet laminate. Separately, green sheets that serve as protective layers were prepared, and these were laminated from the bottom to 30 protective layers, 300 laminates, 30 protective layers, pressed, degreased, and the melting point of Ag. After the temperature was once maintained as described above, final baking was performed at 1000 ° C. In addition to this, BN was added to a conductive paste obtained by adding a binder to Ag, and an
その後、ダイシング装置により積層体の側面の電極層2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
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質量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
そして、銀ガラスペーストのシートを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4を形成した。なお、この時の外部電極4の空隙率は、外部電極4の断面写真の画像解析装置を用いて測定したところ40%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 mass 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. When the raw density of this sheet was measured by Archimedes method, it was 6.5 g / cm 3 And the sheet of silver glass paste was transferred to the external electrode surface of the laminate and baked at 650 ° C. for 30 minutes, An external electrode 4 made of a porous conductor having a three-dimensional network structure was formed. The porosity of the external electrode 4 at this time was 40% when measured using an image analysis device for a cross-sectional photograph of the external electrode 4.
その後、外部電極4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 external electrode 4, a 3 kV / mm direct current electric field is applied to the positive and negative external electrodes via the lead wire for 15 minutes, and polarization treatment is performed. As shown in FIG. A multilayer piezoelectric actuator using the element was produced.
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、表1に示すような変位量が得られた。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 amount as shown in Table 1 was obtained. 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.
そして、この積層型圧電素子が駆動回数1×109回まで連続のテストを行って、その時点で積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加し、変位量を測定し、駆動試験前後での変位量の変化を算出した。駆動試験前後での変位量の変化は、駆動試験前後での変位の差の絶対値を駆動試験前の変位量で除して100倍したものを示した。 The multilayer piezoelectric element performs a continuous test up to 1 × 10 9 times of driving. At that time, a DC voltage of 170 V is applied to the multilayer piezoelectric element, the displacement is measured, and before and after the driving test. The change in displacement was calculated. The change in the amount of displacement before and after the driving test was obtained by dividing the absolute value of the difference between the displacement before and after the driving test by the amount of displacement before the driving test and multiplying by 100.
尚、空隙率、空隙の最大幅ならびに角度は、以下のようにして測定した。 The porosity, the maximum width of the void, and the angle were measured as follows.
空隙率は積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定した。その切断面において、電極層2に存在する空隙20、21の面積を測定し、その空隙20、21の面積の総和を電極層2の面積(空隙も含む)で除した値を100倍したものである。測定は任意の5箇所以上で行いその平均値を空隙率とした。また、最大幅は、積層型圧電素子10の積層方向の断面において、電極層2の断面に存在する空隙20、21の大きさを電極に平行な線を引きその線上の長さを測定し、測定値で最大の値を最大幅とした。測定は任意の10箇所で行いすべての結果から最も大きい物を最大幅とした。最後に、電極層2における電極部分2aと空隙20との界面が圧電体1に接する部分を起点とし、該起点から電極部分2aへの接線と圧電体1とのなす角度24の測定は、積層型圧電素子10の積層方向の断面において、任意の10箇所で、任意の10個の角度を測定し、その平均値を計算し、代表値として示した。結果を表1に示す。
同表より、比較例である試料No.1は、電極層2の貫通した空隙もなく、空隙率が5%未満であったため、電極層2が圧電体1を拘束する力が大きくなったため、初期の変位量が著しく小さくなるとともに、連続駆動試験前後での変位量の変化率が1.1%と耐久性も低下した。また、試料No.9は、電極層2の空隙率が70%を超えたため、圧電体1に所望の電圧を印加できず、初期の変位量が低下したとともに、連続駆動させると、電極層2の強度低下に伴い、耐久性も低下した。
From the table, sample No. which is a comparative example. No. 1 has no through-hole in the
これらに対して、電極層2に貫通する空隙を有し、さらに、5〜70%の空隙20、21を有する本発明の試料No.2〜8、10〜38は、初期の変位量が48μm以上で比較例No.1、9に比べて変位量が大きく、積層型圧電素子10として優れていることがわかった。また、本発明の試料No.2〜8、10〜38は、連続駆動試験前後の変位量の変化率が0.8%以下で比較例No.1、9に比べて小さく、耐久性の面でも本発明品が優れていることがわかった。
In contrast to these, the sample No. 1 of the present invention has voids penetrating the
特に、空隙20、21の最大幅が1μm以上、または電極層2における電極部分2aと空隙20との界面が圧電体1に接する部分を起点とし、該起点から電極部分2aへの接線と圧電体1とのなす角度24が60度以上である試料No.3〜8、10〜19、21〜38は、初期の変位量が50μm以上と大きく、また、連続駆動試験前後での変化率が0.6%以下と小さく、積層型圧電素子として変位特性と耐久性においても優れることがわかった。
In particular, the maximum width of the
1・・・圧電体
2・・・電極層
2a・・・電極部分
3・・・溝
4・・・外部電極
6・・・リード線
7・・・導電性補助部材
9・・・不活性層
10・・・積層型圧電体素子
20・・・貫通した空隙
21・・・空隙
22・・・電極層と空隙の界面が圧電体に接する部分を起点とする電極層への接線
24・・・電極層と空隙の界面が圧電体に接する部分を起点とする電極層への接線と圧電体のなす角
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・バルブ
43・・・圧電アクチュエータ
51・・・圧電体
52・・・電極層
53・・・積層型圧電素子
54・・・外部電極
55・・・不活性層
56・・・リード線
61・・・絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (18)
A storage container having an injection hole, the multilayer piezoelectric element stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. An injection device comprising:
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