JP2006066878A - Laminated piezoelectric element and injector using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動作信頼性の高い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 multilayer piezoelectric element having high operational reliability and a fuel injection injector using the multilayer piezoelectric element.
従来より、例えば、積層型圧電体素子としては、層状の内部電極が圧電層の全面を覆う構造を呈する全面電極構造のものと、内部電極が圧電層を覆わない部分を残す構造である部分電極構造のものがある。一般に、全面電極構造の積層型圧電体素子では、部分電極構造のものよりも変位が得られやすく、内部電極の端部に応力が集中するおそれも少ない。そのため、全面電極構造を採用すると、高い変位特性を有し、かつ、信頼性の高い積層型圧電体素子を実現できる。 Conventionally, for example, as a laminated piezoelectric element, a layered internal electrode has a structure in which an entire surface of the piezoelectric layer covers the entire surface of the piezoelectric layer, and a partial electrode in which the internal electrode leaves a portion that does not cover the piezoelectric layer There is a thing of structure. In general, in a laminated piezoelectric element having a full-surface electrode structure, displacement is easier to obtain than in a partial electrode structure, and there is less risk of stress concentration at the end of the internal electrode. Therefore, when a full-surface electrode structure is employed, a multilayer piezoelectric element having high displacement characteristics and high reliability can be realized.
一方、全面電極構造の場合には、積層型圧電体素子の側面全面に、層状の内部電極の外周端部が露出する。そのため、この全面電極構造の積層型圧電体素子では、各内部電極について、一方の側面電極との電気的な接触を確保する一方で、他方の側面電極との電気的な絶縁構造が必要になる。このような積層型圧電体素子について圧電変位が繰り返されると、上記の側面電極と内部電極との間の絶縁構造に大きな応力が繰り返し作用する。そのため、上記絶縁構造では、内部電極と側面電極との間の絶縁性を長期間の使用に渡って維持させるための構造上の工夫が必要になる。従来、例えば、積層型圧電体素子の側面に溝を設けてその溝に絶縁樹脂を充填する絶縁構造が提案されている(例えば、特許文献1〜5)。
On the other hand, in the case of the full-surface electrode structure, the outer peripheral end of the layered internal electrode is exposed on the entire side surface of the multilayer piezoelectric element. For this reason, in this multilayer piezoelectric element having a full-surface electrode structure, each internal electrode must have an electrical insulation structure with the other side electrode while ensuring electrical contact with one side electrode. . When piezoelectric displacement is repeated for such a laminated piezoelectric element, a large stress repeatedly acts on the insulating structure between the side electrode and the internal electrode. For this reason, in the above-described insulating structure, structural ingenuity is required to maintain the insulation between the internal electrode and the side electrode over a long period of use. Conventionally, for example, an insulating structure in which a groove is provided on a side surface of a multilayer piezoelectric element and an insulating resin is filled in the groove has been proposed (for example,
しかしながら、上記従来の絶縁構造では次のような問題がある。すなわち、上記積層型圧電体素子が長期間に渡って使用されると、上記側面電極がセラミック積層体の側面から剥離し、内部電極との電気的な接続が十分でなくなる等、電気的なトラブルを発生するおそれがあるという問題がある。そして、このような電気的なトラブル等により、上記積層型圧電体素子の動作信頼性及び耐久性が低下し、その製品寿命が短くなっていた。 However, the conventional insulation structure has the following problems. That is, if the multilayer piezoelectric element is used for a long period of time, the side electrode peels off from the side surface of the ceramic laminate, and electrical connection with the internal electrode becomes insufficient. There is a problem that may occur. Due to such electrical troubles, the operational reliability and durability of the multilayer piezoelectric element have been reduced, and the product life has been shortened.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、電気的な信頼性が高く、動作信頼性、耐久性に優れた積層型圧電体素子を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element having high electrical reliability, excellent operation reliability, and durability.
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第1側面電極及び第2側面電極が設けられ、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、底部に上記第2内部電極の端部を露出させた凹溝である第1凹溝部が設けられ、一方、上記第2側面電極を設けた側面には、底部に上記第1内部電極の端部を露出させた凹溝である第2凹溝部が設けられており、
上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部には、それぞれ上記第2内部電極の端部及び上記第1内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から内方に窪む凹面部が形成されてい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 in which a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material and a plurality of layered internal electrodes having conductivity are alternately laminated, and the first side is provided on a side surface of the ceramic laminate. A side electrode and a second side electrode are provided, and as the internal electrode, a first internal electrode conducting to the first side electrode and a second internal electrode conducting to the second side electrode are alternately arranged. In the laminated piezoelectric element,
The side surface provided with the first side electrode in the ceramic laminate is provided with a first groove portion, which is a groove in which an end portion of the second internal electrode is exposed at the bottom, while the second side electrode is provided. The side surface provided with a second groove portion that is a groove in which the end portion of the first internal electrode is exposed at the bottom,
The first concave groove portion and the second concave groove portion are filled with an insulating filler having electrical insulation so as to cover the end portion of the second internal electrode and the end portion of the first internal electrode, respectively.
A laminated surface characterized in that a concave portion recessed inward from a side surface of the ceramic laminate is formed on an outer surface of the insulating filler filled in the first concave groove portion and the second concave groove portion. A piezoelectric element (Claim 1).
上記第1の発明の積層型圧電体素子は、上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部に充填した上記絶縁充填材の外表面の少なくとも一部に、上記セラミック積層体の側面から内方に向けて窪む凹面部を有している。このように上記絶縁充填材の外表面に凹面部を設ければ、特に、上記セラミック積層体の側面から上記第1側面電極及び上記第2側面電極(以下、適宜、両者をあわせて単に側面電極という。)を剥離させるように作用する応力を効果的に抑制させることができる。 The multilayer piezoelectric element according to the first aspect of the present invention is formed on at least a part of the outer surface of the insulating filler filled in the first concave groove portion and the second concave groove portion from the side surface of the ceramic multilayer body inward. It has a concave surface that is recessed. If the concave portion is provided on the outer surface of the insulating filler as described above, in particular, the first side electrode and the second side electrode (hereinafter referred to as “side electrode” as appropriate) from the side surface of the ceramic laminate. It is possible to effectively suppress the stress acting to peel off.
例えば、凹面部に接して側面電極を形成した場合には、熱膨張した上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力を、上記凹面部の略円弧状を呈する断面形状の内側、つまり、円弧の中心方向に向けて作用させることができる。そして、この場合には、上記応力のうち、積層方向に沿って作用する成分は、上記側面電極内部で吸収される。一方、上記応力のうち、積層型圧電体素子の径方向に作用する成分は、上記側面電極と上記セラミック積層体の側面との間の接合面で、該接合面の法線方向の引っ張り方向に作用する。ここで、一般に、側面電極の接合強度は、接合面の法線方向の引っ張りの力に対して強固であるが、接合面に沿う方向に作用する剪断方向の力に対して弱い。それ故、上記のごとく、凹面部に接して側面電極を形成した場合には、側面電極に対して上記接合面に沿って作用するおそれがある剪断方向の力を、凹面部を設けたことで効果的に抑制できる。その結果、側面電極が剥離等するおそれを抑制できる。 For example, when the side electrode is formed in contact with the concave surface portion, the stress acting on the side electrode from the thermally expanded insulating filler is applied to the inner side of the cross-sectional shape of the concave surface portion, ie, the circular arc It can be made to act toward the center direction. In this case, the component acting along the stacking direction in the stress is absorbed inside the side electrode. On the other hand, of the stress, the component acting in the radial direction of the multilayer piezoelectric element is a joint surface between the side electrode and the side surface of the ceramic laminate, and in the direction of pulling in the normal direction of the joint surface. Works. Here, in general, the bonding strength of the side electrodes is strong against the tensile force in the normal direction of the bonding surface, but is weak against the shearing force acting in the direction along the bonding surface. Therefore, as described above, when the side surface electrode is formed in contact with the concave surface portion, the shearing direction force that may act on the side surface electrode along the joint surface is provided by the concave surface portion. It can be effectively suppressed. As a result, it is possible to suppress the possibility that the side electrode peels off.
さらに、例えば、絶縁充填材に凹面部を設けると共に、該凹面部の窪み部分と側面電極との間に隙間を設けることも良い。この場合にも、熱膨張した上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力を抑制することができる。そして、上記絶縁充填材から上記側面電極に作用する応力自体を抑制すれば、該側面電極が剥離等するおそれを確実性高く抑制させることができる。 Furthermore, for example, a concave portion may be provided in the insulating filler, and a gap may be provided between the recessed portion of the concave portion and the side electrode. Also in this case, the stress acting on the side electrode from the thermally expanded insulating filler can be suppressed. And if the stress itself which acts on the said side electrode from the said insulating filler is suppressed, the possibility that this side electrode will peel can be suppressed with high certainty.
以上のように、上記第1の発明の積層型圧電体素子では、上記凹面部を設けたことで、セラミック積層体の側面から側面電極が剥離等するおそれが低減される。それ故、上記積層型圧電体素子では、第1(2)内部電極と第1(2)側面電極との電気的な接続を安定的に維持し得ると共に、第1(2)内部電極と第2(1)側面電極との電気的な絶縁性を長期間に渡って信頼性高く維持し得る。 As described above, in the multilayer piezoelectric element according to the first aspect of the present invention, by providing the concave surface portion, the possibility that the side surface electrode is peeled off from the side surface of the ceramic multilayer body is reduced. Therefore, in the multilayer piezoelectric element, the electrical connection between the first (2) internal electrode and the first (2) side electrode can be stably maintained, and the first (2) internal electrode and the first 2 (1) The electrical insulation with the side electrode can be maintained with high reliability over a long period of time.
したがって、上記第1の発明の積層型圧電体素子は、各側面電極がセラミック積層体の側面から剥離するおそれが効果的に抑制され、動作信頼性及び耐久性を格段に高めたものとなる。 Therefore, in the multilayer piezoelectric element according to the first aspect of the present invention, the possibility that each side electrode peels from the side surface of the ceramic laminate is effectively suppressed, and the operational reliability and durability are remarkably improved.
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10)。
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 of the first invention (claim 10).
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用いて構成した圧電アクチュエータを用いている。この積層型圧電体素子は、上記セラミック積層体の側面に上記側面電極を耐久性高く接合したものである。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においても、作動時の各側面電極の剥離等の発生を抑制して耐久性を向上でき、インジェクタ全体の動作信頼性の向上を図ることができる。 The injector according to the second aspect of the present invention uses a piezoelectric actuator configured using the above-described excellent quality multilayer piezoelectric element. In this multilayer piezoelectric element, the side electrode is bonded to the side surface of the ceramic laminate with high durability. Therefore, even in an injector that is used in a harsh state under a high temperature atmosphere, it is possible to improve the durability by suppressing the occurrence of peeling of each side electrode during operation and improving the operation reliability of the entire injector. it can.
上記第1の発明においては、上記凹面部は、積層型圧電体素子に許容される温度範囲内の最高温度下で、その窪み形状を維持するように形成されていることが好ましい(請求項2)。
この場合には、許容温度範囲の全域に渡って、上記絶縁充填材の凹面部の窪み形状を維持することで、上記各側面電極が上記セラミック積層体の側面から剥離等するおそれを確実性高く抑制できる。それ故、上記積層型圧電体素子の動作信頼性、耐久性をさらに向上することができる。
In the first aspect of the invention, it is preferable that the concave surface portion is formed so as to maintain a concave shape at a maximum temperature within a temperature range allowed for the multilayer piezoelectric element. ).
In this case, by maintaining the concave shape of the concave portion of the insulating filler over the entire allowable temperature range, there is a high degree of certainty that the side electrodes may peel off from the side surface of the ceramic laminate. Can be suppressed. Therefore, the operation reliability and durability of the multilayer piezoelectric element can be further improved.
また、上記圧電層の線膨張係数と、上記絶縁充填材の線膨張係数との差が、20ppm/℃以上300ppm/℃以下であることが好ましい(請求項3)。
上記圧電層と上記絶縁充填材との間で、線膨張係数の差が上記の範囲にある場合には、熱膨張した上記絶縁充填材の変形度合いが大きくなる。そのため、この絶縁性充填材から側面電極に作用する応力が大きくなるおそれがある。それ故、この場合には、上記側面電極が上記セラミック積層体の側面から剥離等するおそれを抑制できるという上記第1の発明の作用効果が特に有効となる。
The difference between the linear expansion coefficient of the piezoelectric layer and the linear expansion coefficient of the insulating filler is preferably 20 ppm / ° C. or more and 300 ppm / ° C. or less.
When the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric layer and the insulating filler is in the above range, the degree of deformation of the thermally expanded insulating filler is increased. Therefore, the stress acting on the side electrode from this insulating filler may be increased. Therefore, in this case, the function and effect of the first invention in which the possibility that the side electrode peels from the side surface of the ceramic laminate can be suppressed is particularly effective.
また、上記絶縁充填材は、シリコン又は、ポリイミド又は、エポキシ又は、ウレタンの少なくともいずれかを含むものであることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記絶縁充填材を用いて上記積層型圧電体素子の電気的な絶縁信頼性を高めることができる。それ故、上記積層型圧電体素子全体の電気的な信頼性を一層、向上することができる。
The insulating filler preferably contains at least one of silicon, polyimide, epoxy, or urethane.
In this case, the electrical insulation reliability of the multilayer piezoelectric element can be increased by using the insulating filler. Therefore, the electrical reliability of the entire multilayer piezoelectric element can be further improved.
また、上記第1側面電極及び上記第2側面電極は、Sn−Agペーストよりなることが好ましい(請求項5)。
Sn−Agペーストは、内部電極と金属的な接合をするため導電性は良好であるが、上記積層型圧電体素子との密着性が低い。そのため、溝部の絶縁樹脂の熱膨張による剥がれに対しては、他の導電材料と比べて弱いおそれがある。したがって、上記各側面電極としてSn−Agペーストを適用する場合には、上記第1の発明の作用効果が特に有効となる。なお、Sn−Agペーストに代えて、樹脂材料にAgを含有させた樹脂銀や、はんだ等により上記側面電極を形成することもできる。
The first side electrode and the second side electrode are preferably made of Sn-Ag paste.
The Sn—Ag paste has good electrical conductivity because it is metallicly bonded to the internal electrode, but has low adhesion to the multilayer piezoelectric element. Therefore, it may be weaker than other conductive materials against peeling due to thermal expansion of the insulating resin in the groove. Therefore, when the Sn-Ag paste is applied as each side electrode, the operational effect of the first invention is particularly effective. In addition, it replaces with Sn-Ag paste and the said side electrode can also be formed with the resin silver which made the resin material contain Ag, or solder.
また、上記絶縁充填材の上記凹面部と、上記第1側面電極あるいは上記第2側面電極との間には、空隙を設けてあることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記凹面部と上記各側面電極との間に設けた空隙により、熱膨張した絶縁充填材から各側面電極に作用する応力を効果的に抑制できる。それ故、上記積層型圧電体素子では、上記セラミック積層体の側面から上記各側面電極が剥離等するおそれをさらに抑制できる。
Preferably, a gap is provided between the concave surface portion of the insulating filler and the first side electrode or the second side electrode.
In this case, stress acting on each side electrode from the thermally expanded insulating filler can be effectively suppressed by the gap provided between the concave surface portion and each side electrode. Therefore, in the multilayer piezoelectric element, it is possible to further suppress the possibility that each side electrode is peeled off from the side surface of the ceramic laminate.
また、上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部の幅は、5μm以上150μm以下であり、上記凹面部の窪み深さは、2μm以上100μm以下であることが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記各凹溝部の幅に対して、上記凹面部の窪み深さを上記の範囲に設定すれば、広範な温度範囲において上記凹面部の窪み形状を維持させることができる。それ故、上記積層型圧電体素子は、使用可能な温度範囲が広く、耐熱性、耐久性等に優れたものとなる。
Moreover, it is preferable that the width | variety of the said 1st groove part and the said 2nd groove part is 5 micrometers or more and 150 micrometers or less, and the hollow depth of the said concave surface part is 2 micrometers or more and 100 micrometers or less.
In this case, the concave shape of the concave portion can be maintained in a wide temperature range by setting the concave depth of the concave portion to the above range with respect to the width of each concave groove portion. Therefore, the multilayer piezoelectric element has a wide usable temperature range and is excellent in heat resistance, durability, and the like.
また、上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部の溝深さは、10μm以上400μm以下であることが好ましい(請求項8)。
この場合には、圧電層を覆う内部電極の有効電極面積の減少が少なく、積層型圧電体素子の良好な変位特性を十分に維持することができる。なお、上記溝深さが400μmを超えると変位特性への影響が顕在化するおそれがある。一方、上記溝深さが10μm未満であると絶縁充填材による電気的な絶縁を十分に確保できなくなるおそれがある。
Moreover, it is preferable that the groove depth of the said 1st groove part and the said 2nd groove part is 10 micrometers or more and 400 micrometers or less (Claim 8).
In this case, the effective electrode area of the internal electrode that covers the piezoelectric layer is less decreased, and the good displacement characteristics of the multilayer piezoelectric element can be sufficiently maintained. If the groove depth exceeds 400 μm, the influence on the displacement characteristics may become obvious. On the other hand, if the groove depth is less than 10 μm, there is a risk that sufficient electrical insulation by the insulating filler cannot be secured.
また、上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記凹面部が形成されていない非凹面部が存在しており、上記各第1凹溝部及び上記各第2凹溝部における、全長をA、上記非凹面部の部分の長さをBとした場合、(A−B)/Aが0.3以上であることが好ましい(請求項9)。
即ち、上記凹面部は、上記絶縁充填材の外表面の全ての部分において形成されている必要はなく、一部において上記凹面部が形成されていない部分、つまり、上記非凹面部が形成されていてもよい。
Moreover, the non-concave surface part in which the said concave surface part is not formed exists in the outer surface of the said insulating filler with which the said 1st groove part and the said 2nd groove part were filled, Each said 1st groove part And, when the total length of each of the second concave grooves is A and the length of the non-concave portion is B, (AB) / A is preferably 0.3 or more. .
That is, the concave surface portion does not need to be formed in all parts of the outer surface of the insulating filler, and a portion in which the concave surface portion is not formed, that is, the non-concave surface portion is formed. May be.
上記(A−B)/Aが0.3未満の場合には、上記セラミック積層体の側面から上記各側面電極が剥離等するおそれを抑制する効果を充分に得ることができないおそれがある。それ故に、より好ましくは、上記(A−B)/Aが0.6以上である。
なお、上記の全長Aは、上記各第1凹溝部及び上記各第2凹溝部の個々の長さによって決まるものである。
When (A-B) / A is less than 0.3, there is a possibility that the effect of suppressing the possibility that the side electrodes are peeled off from the side surface of the ceramic laminate cannot be sufficiently obtained. Therefore, more preferably, the above (AB) / A is 0.6 or more.
In addition, said full length A is decided by each length of each said 1st ditch | groove part and each said 2nd ditch | groove part.
(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19を用いて説明する。
本例の積層型圧電体素子1は、図1に示すごとく、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を設けたものである。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ある。
上記セラミック積層体10における第1側面電極31を設けた側面101には、底部410に第2内部電極22の端部を露出させた凹溝である第1凹溝部41が設けられ、一方、第2側面電極32を設けた側面102には、底部420に第1内部電極21の端部を露出させた凹溝である第2凹溝部42が設けられている。
そして、第1凹溝部41及び第2凹溝部42には、図2に示すごとく、それぞれ第2内部電極22の端部及び第1内部電極21の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材5が充填されている。ここで、第1凹溝部41及び第2凹溝部42に充填された絶縁充填材5の外表面には、セラミック積層体10の側面101、102から内方に窪む凹面部50が形成されている。
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
As shown in FIG. 1, the multilayer
The
As shown in FIG. 2, the
This content will be described in detail below.
本例の積層型圧電体素子1は、図1に示すごとく、印加電圧に応じて伸縮する圧電層11と印加電圧供給用の内部電極21、22とを交互に積層構成した八角柱形状のセラミック積層体10を有している。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、さらにこれらには外部電極接続用のリード線7が接続されている。なお、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。積層体形状は、上記以外にも円柱、3角柱、4角柱等でもいい。又、側面電極31、32は向き合っている必要はない。更に、リード線7は積層体上部のみでなく、下部まであってもいい。
As shown in FIG. 1, the multilayer
第1内部電極21は、図1及び図2に示すごとく、側面101にその端部を露出させ、第1側面電極31と電気的に接触している。一方、側面101に対向する側面102では、第1内部電極21は、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の外方には、上記第2側面電極32を配設してある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the first
同様に、第2内部電極22は、側面102にその端部を露出させ、第2側面電極32と電気的に接触している。一方、側面102に対向する側面101では、第2内部電極22は、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の外方には、上記第1側面電極31を配設してある。
Similarly, the second
また、各第1凹溝部41及び第2凹溝部42は、図2及び図9に示すごとく、その底部410、420がなす底面が、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、各第1凹溝部41及び第2凹溝部42の溝幅Wは約70μmとし、厚みL=80μmである圧電層11の約90%の厚みとした。なお、本例の第1凹溝部41及び第2凹溝部42は、断面略矩形状を呈している。
Further, as shown in FIGS. 2 and 9, 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、上記のごとく、絶縁充填材5を充填してある。本例では、絶縁充填材5としては、材質ポリイミドよりなる樹脂材料を溶剤としてのγ−ブチルラクトンに溶解させたものを用いた。本例では、100重量%の絶縁充填材5中の溶剤であるγ−ブチルラクトンの含有比率を50重量%とした。なお、絶縁充填材5を構成する樹脂材料としては、本例のポリイミドのほか、エポキシ、シリコン、ウレタン等を用いることもできる。また、絶縁充填材5を構成する溶剤としては、本例のγ−ブチルラクトンのほか、N−メチル−2−ピロリドン、酢酸ブチル、ブチルセルソルブ等を用いることもできる。
Each
ここで、本例では、図2に示すごとく、各凹溝部41、42に充填した絶縁充填材5の外表面(セラミック積層体10の外周側に面する表面)に、凹面部50を形成してある。本例では、各凹溝部41、42の積層方向の溝幅W=70μmに対して、凹面部50の深さDp=20μmとしてある。なお、本例の凹面部50の深さDp=20μmは、積層型圧電体素子1の最高許容温度である160℃まで絶縁充填材5が加熱され、熱膨張したとしても、凹面部50の窪み形状がある程度維持(Dp>0の状態。)できるように設定した値である。
Here, in this example, as shown in FIG. 2, the
また、上記第1側面電極31及び第2側面電極32は、各側面101、102に塗付したSn−Agペーストを加熱して形成した。Sn−Agペーストよりなる側面電極31、32は、接合力と柔軟性とが両立されており、変位特性を低下させることなく耐久性を向上することができる。なお、側面電極31、32としては、電気絶縁性を有する樹脂材料中に導電性材料を含有させてなる導電性樹脂層より構成することも良い。例えば、材質エポキシ、シリコン、ポリイミド、ウレタン等を樹脂材料として用い、導電性材料として銀、Ni、銅等を含有させることができる。その他、側面電極31、32としては、はんだ等により形成することもできる。
また、側面電極31、32としては、2つの材料を積層して形成しても良い。例えば、図3に示すごとく、Sn−Agペーストよりなる第1の側面電極層31a、32aの表面に、銀フィラー添加のエポキシ樹脂よりなる第2の側面電極層31b、32bを形成することができる。
The
The
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。回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、7mm角の四角形に成形した。なお、得ようとする積層型圧電体素子1の形状に応じて、四角形、楕円形、樽型などに成形することも勿論可能である。
Next, the slurry is formed into a green sheet having a constant thickness by a doctor blade device. The collected green sheet was punched out with a press or cut with a cutting machine and formed into a 7 mm square. Of course, it is possible to form a rectangular, elliptical, barrel shape or the like according to the shape of the multilayer
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を焼成した圧電層11を、1層ごとに別々に形成した。
Next, the green sheet is degreased and then fired to obtain the
次に、図4に示すごとく、得られた圧電層11と、Cuを含有する電極材料20とを交互に積層してなる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、純度99.9%のCuよりなり、厚み5μmの銅箔を用いた。また、銅箔の形状は、図4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、それぞれダミー層となる圧電層11を配置した。
Next, as shown in FIG. 4, the laminated body production process which produces the laminated body formed by alternately laminating the obtained
In this example, 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5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を得る。
次に、図6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. 5, the substantially quadrangular prism-shaped
Next, as shown in FIG. 6, the corner portion of the quadrangular prism shape is subjected to surface grinding, and four
次に、図7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走査しながら照射する方法を採用した。なお、この溝加工は、レーザ照射による加工に代えて、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、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=70μm(図2参照。)とした。
Next, as shown in FIG. 7, a groove was formed by irradiating a laser along the end portion of the second
次に、図8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内に隙間なく絶縁充填材5を充填した。これ以外の充填方法としては、スクリーン印刷、メタルマスク印刷等も可能である。その後、絶縁充填材5に対し、温度200℃に60分間保持する加熱処理を加え、絶縁充填材5を熱硬化させた。
Next, as shown in FIG. 8, after the insulating
なお、本例では、硬化後の絶縁充填材5の表面に、深さDp=20μmの上記の凹面部50(図2)を形成するように、凹溝部41、42に絶縁充填材5を充填した。本例では、硬化時に溶剤であるγ−ブチルラクトンが揮発し、約20%の硬化収縮を生じるという本例の絶縁充填材5の特性を利用し、セラミック積層体10の側面101、102と、凹溝部41、42に充填した絶縁性充填材5の表面とが、略面一となるように硬化前の絶縁充填材5を充填した。これにより、凹溝部41、42に充填した絶縁充填材5の硬化収縮により、深さDp=20μmの凹面部50を形成した。なお、セラミック積層体10の側面101、102からの窪み量であるDpを調整する方法としては、絶縁充填材5の充填時において、その充填量を調整する方法や、所定の充填量に対して絶縁充填材5中の溶剤の含有比率を調整する方法等がある。
In this example, the
次に、セラミック積層体の側面101、102に、Sn−Agペーストを印刷(本例では、メタルマスク法により印刷。)し、その後、温度260℃、3MPa加圧の状態に、120分保持して熱硬化させた。これにより、図1及び図9に示すごとく、側面101においては第1側面電極31と各第1内部電極21との間の電気的導通を確保し、側面102においては第2側面電極32と各第2内部電極22との間の電気的導通を確保した。なお、側面電極31、32としては、本例のSn−Agペーストのほか、はんだ、銀フィラー添加のエポキシ樹脂等により形成することができる。そして、図1に示す本例の積層型圧電体素子は、銀フィラー添加のエポキシ樹脂を用いて、第1側面電極31及び第2側面電極32にリード線7を接合したものである。
Next, Sn-Ag paste is printed on the side surfaces 101 and 102 of the ceramic laminate (in this example, printed by a metal mask method), and then held at a temperature of 260 ° C. and a pressure of 3 MPa for 120 minutes. And heat cured. As a result, as shown in FIGS. 1 and 9, electrical conduction is ensured between 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。
本例の積層型圧電体素子1は、上記のごとく、第1凹溝部41及び第2凹溝部42に充填した絶縁充填材5における外表面に、セラミック積層体10の側面101、102から内方に窪む凹面部50を形成してある。特に、本例では、積層型圧電体素子1の最高許容温度である160℃下においても、上記凹面部50がその窪み形状(Dp>0である形状。)を維持するように構成してある。
Next, the function and effect of the multilayer
As described above, the multilayer
ここで、絶縁充填材5が熱膨張すると、絶縁充填材5から第1側面電極31又は第2側面電極32に応力が作用する。一般に、側面電極31、32の接合強度は、接合面である側面101、102の法線方向の引っ張りの力に対して強固であるが、側面101、102に沿う方向に作用する剪断方向の力に対して弱い。
Here, when the insulating
本例では、絶縁充填材5の外表面に凹面部50を設けたことで、図10に示すごとく、絶縁充填材5が初期状態(実線L1で示す状態。)から熱膨張した状態(破線L2で示す状態。)に変形したときに側面電極31、32に作用する応力は、図中、矢印で示すごとく凹面部50の略円弧状を呈する断面形状の内側、つまり、円弧の中心方向に向けて作用する。そのため、上記応力のうち、積層方向に沿って作用する剪断方向の成分は、側面電極31、32内部で吸収される。一方、上記応力のうち、積層型圧電体素子1の径方向に作用する成分は、側面電極31、32とセラミック積層体10の側面101、102との間の接合面で、該接合面の法線方向の引っ張り方向に作用する。
In this example, by providing the
以上のように、本例の積層型圧電体素子1の絶縁充填材5では、その外表面に凹面部50を設けたことにより、各側面電極31、32に対して側面101、102に沿って作用する剪断方向の力を抑制してある。それ故、セラミック積層体10の側面101、102から側面電極31、32が剥離等するおそれが少ない。
As described above, in the insulating
ここで、比較のために、セラミック積層体10の側面101、102に対して絶縁充填材5の外表面を略面一に形成した場合に起こり得るトラブルについて説明する。図11に示すごとく、絶縁充填材5の外表面をセラミック積層体10の側面101、102と略面一にすると、絶縁充填材5が、熱膨張により、その初期状態(実線L1で示す状態。)から熱膨張した状態(破線L2で示す状態。)に変形すると、側面電極31、32に対して、図中矢印で示すごとく応力が作用する。すなわち、絶縁充填材5が熱膨張してなる凸状湾曲面(破線L2で示す面。)から放射方向に応力が作用する。ここでは、セラミック積層体10の側面101、102に沿って発生する剪断方向の成分が側面電極31、32の内部で吸収されない。そして、この剪断方向の成分の力が、側面電極31、32とセラミック積層体10の側面101、102との接合面に直接、作用する。それ故、この場合には、長期間の使用に渡って、絶縁充填材5に冷熱サイクルが作用すると、セラミック積層体10の側面101、102から側面電極31、32が剥離するおそれがある。
Here, for comparison, a problem that may occur when the outer surface of the insulating
これに対して、本例の積層型圧電体素子1では、上述したように、側面電極31、32がセラミック積層体10の側面101、102から剥離等するおそれが少ない。そのため、内部電極21(22)と側面電極31(32)との間の電気的な接続を安定的に維持し得ると共に、内部電極21(22)と側面電極32(31)との間の電気的な絶縁性を長期間に渡って信頼性高く維持し得る。
それ故、例えば、積層型圧電体素子1に冷熱サイクルを繰り返して付与しても、セラミック積層体10の側面101、102に形成した側面電極31、32が良好な状態に維持され得る。これにより、上記積層型圧電体素子1は、従来よりも、側面電極31(32)と内部電極21(22)との間の電気的な信頼性が高いものとなる。
In contrast, in the multilayer
Therefore, for example, even if the thermal cycle is repeatedly applied to the multilayer
さらに、第1凹溝部41及び第2凹溝部42の溝幅Wを上記のごとく、圧電層11の厚みLの90%に設定してある。そのため、積層型圧電体素子1の圧電変位に応じて絶縁充填材5に過大な内部応力等が発生するおそれを抑制でき、クラック、剥がれ等の不具合の抑制効果を一層、高めることができる。なお、内部電極としては、本例の銅に代えて、銀又は銀−パラジウム合金を含む内部電極を形成しても良い。
Furthermore, the groove width W of the
なお、凹面部50の形成形状としては、本例の湾曲凹状のほか、三角形状(図12)、台形状(図13)等様々な形状とすることができる。さらに、凹面部50は、積層方向の対称形状であっても、非対称形状(図14、図15)であっても良い。
また、凹溝部41、42の形成形状としては、本例の長方形状のほか、三角形状(図16)、台形状(図17)、多角形状(図18)等様々な形状とすることができる。さらに、凹溝部41、42は、積層方向の対称形状であっても、非対称形状(図19)であっても良い。
In addition to the curved concave shape of the present example, the
In addition to the rectangular shape of the present example, the
(実施例2)
本例は、実施例1の積層型圧電体素子1における各凹溝部の凹面部の深さDpを変更して、その耐久性を調べた例である。この内容について、図20及び図21を用いて説明する。
本例では、各積層型圧電体素子に対して、サイクル時間60min、−40℃〜160℃の冷熱サイクルを500サイクル実施した後の側面電極と内部電極との間の電気的な接触抵抗を測定した。
(Example 2)
This example is an example in which the durability D was examined by changing the depth Dp of the concave surface portion of each concave groove portion in the multilayer
In this example, the electrical contact resistance between the side electrode and the internal electrode is measured after 500 cycles of a cooling cycle of −40 ° C. to 160 ° C. with a cycle time of 60 min for each laminated piezoelectric element. did.
その結果を図20に示す。同図では、横軸に凹面部の窪み量Dpを規定し、縦軸に内部電極と側面電極との間の電気的な接触抵抗である抵抗値を規定してある。同図から知られるように、凹面部の窪み量Dpがゼロを超えると、上記抵抗値が小さくなっている。すなわち、Dpをゼロよりも大きくして絶縁充填材の表面に凹面部を設けることで、側面電極と内部電極との電気的な接触箇所の耐久性、信頼性を向上できる。特に、Dpがゼロを超えて約4μmまでの領域では、Dpがゼロを超えて大きくなるにつれて、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が向上するという効果が顕著である。そして、Dp=約4μmのところで変曲点Aを迎え、Dp=約4μm以上の領域では、Dpを大きくしても、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が累積的に高まるという効果が薄れている。 The result is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis defines the depression amount Dp of the concave surface portion, and the vertical axis defines the resistance value which is the electrical contact resistance between the internal electrode and the side electrode. As can be seen from the figure, when the amount of depression Dp of the concave surface portion exceeds zero, the resistance value decreases. That is, the durability and reliability of the electrical contact portion between the side electrode and the internal electrode can be improved by making Dp larger than zero and providing the concave portion on the surface of the insulating filler. In particular, in the region where Dp exceeds zero and reaches about 4 μm, the effect that the durability of the contact portion between the side electrode and the internal electrode is improved as Dp exceeds zero and increases. Then, the inflection point A is reached at Dp = about 4 μm, and in the region where Dp = about 4 μm or more, even if Dp is increased, the durability of the contact portion between the side electrode and the internal electrode is cumulatively increased. Is fading.
本例では、さらに、凹溝部の溝深さDに対して、上記の変曲点Aの位置がどのように変化するかを調べた。この結果を図21に示す。同図では、凹溝部の溝深さDを横軸に規定し、溝深さDに対応する変曲点Aの窪み量Dpを縦軸に規定している。同図から知られるように、凹溝部の溝深さDと変曲点Aの窪み量Dpとの関係は、Dp=(5%/100%)×Dを表す近似直線B(図中、破線で示す。)によって近似できる。したがって、凹面部の窪み量Dpの大きさを、凹溝部の溝深さDのおよそ5%以上に設定すれば、内部電極と側面電極との電気的な接触箇所の耐久性を高めるという作用効果を最大に近づけることができる。 In this example, it was further investigated how the position of the inflection point A changes with respect to the groove depth D of the concave groove portion. The result is shown in FIG. In the figure, the groove depth D of the recessed groove portion is defined on the horizontal axis, and the indentation amount Dp at the inflection point A corresponding to the groove depth D is defined on the vertical axis. As is known from the figure, the relationship between the groove depth D of the concave groove portion and the depression amount Dp at the inflection point A is an approximate straight line B (Dotted line in the figure) representing Dp = (5% / 100%) × D. It can be approximated by Therefore, if the size of the recess amount Dp of the concave surface portion is set to about 5% or more of the groove depth D of the concave groove portion, the effect of enhancing the durability of the electrical contact portion between the internal electrode and the side electrode. Can be brought close to the maximum.
一方、凹溝部の溝深さDに対して凹面部の窪み量Dpを過大にすると、内部電極の外周端部を覆う絶縁充填材の量が十分でなくなるおそれがある。それ故、内部電極と側面電極との電気的な接触箇所の耐久性を高めるという作用効果と、絶縁充填材により内部電極の外周端部を覆って電気的な絶縁性を確実にするという作用効果とを、高いレベルで両立するためには、凹面部の窪み量Dpの大きさを、凹溝部の溝深さDのおよそ5%以上90%以下に設定するのが好ましい。
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。
On the other hand, if the recess amount Dp of the concave surface portion is excessive with respect to the groove depth D of the concave groove portion, the amount of the insulating filler covering the outer peripheral end portion of the internal electrode may not be sufficient. Therefore, the effect of enhancing the durability of the electrical contact portion between the internal electrode and the side electrode, and the effect of ensuring the electrical insulation by covering the outer peripheral end of the internal electrode with the insulating filler. In order to achieve both at a high level, it is preferable to set the size of the recess amount Dp of the concave surface portion to approximately 5% to 90% of the groove depth D of the concave groove portion.
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を基にして、絶縁充填材と側面電極との間に隙間を設けた例である。この内容について、図22及び図23を用いて説明する。
本例では、図22に示すごとく、側面電極31(32)におけるセラミック積層体10側の当接面を略平坦に形成することで、絶縁充填材5の凹面部50との間に隙間505を設けてある。
(Example 3)
This example is an example in which a gap is provided between the insulating filler and the side electrode based on the multilayer
In this example, as shown in FIG. 22, a
本例では、同図に示すごとく、セラミック積層体10の側面101(102)に塗布するSn−Agペーストの粘性を高く設定することで、凹面部50と側面電極31(32)との間に隙間505が形成されるようにした。すなわち、側面電極31(32)をなすSn−Agペーストの粘性を高くすると、絶縁充填材5の凹面部50が形成する窪み内に入り込み難くなり、セラミック積層体10の側面101(102)に沿って側面電極31(32)が形成される。これにより、凹面部50と側面電極31(32)との間に隙間505を空けることができる。
In this example, as shown in the figure, the viscosity of the Sn-Ag paste applied to the side surface 101 (102) of the
なお、側面電極31(32)を形成する電極材料の粘性をコントロールして上記の隙間505を設ける方法に代えて、側面電極31(32)を形成する際の熱処理温度をコントロールして上記隙間505を形成することもできる。一般に、側面電極31(32)を形成するための電極材料は、加熱されると一旦、粘度が低下し、その後、粘度が上昇するという粘度特性を有している。そして、この粘度特性を積極的に活用できるように熱処理の際の加熱プロファイルを適宜、設定することにより電極材料が硬化する際の粘度を高くすれば、上記隙間505を形成することができる。
さらになお、凹溝部41(42)の溝形状及び、凹面部50の形成形状については、実施例1と同様、様々な形状を採用することができる。
Instead of the method of providing the
Furthermore, various shapes can be employed for the groove shape of the concave groove portion 41 (42) and the formation shape of the
また、図23には、本例の積層型圧電体素子について、実施例2と同様の冷熱サイクル試験を実施した結果を示している。すなわち、同図では、凹面部50の隙間量Dpと、冷熱サイクル後における側面電極31(32)と内部電極21(22)との電気的な接触抵抗の大きさとの関係を示す。同図では、縦軸に側面電極31(32)と内部電極21(22)との間の抵抗値を規定し、横軸に凹面部50の隙間量Dpを規定している。
FIG. 23 shows the result of the same thermal cycle test as in Example 2 for the multilayer piezoelectric element of this example. That is, in the figure, the relationship between the gap amount Dp of the
図23から知られるように、凹面部50の隙間量Dpがゼロを超えると、上記抵抗値が小さくなっている。すなわち、Dpをゼロよりも大きくして絶縁充填材5の表面に凹面部50を設けることで、側面電極31(32)と内部電極21(22)との電気的な接触箇所の耐久性、信頼性を向上できる。特に、Dpがゼロを超えて約1μmまでの領域では、Dpがゼロを超えて大きくなるに伴って、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が向上するという効果が顕著である。そして、Dp=約1μmのところで変曲点Aを迎え、Dp=約1μm以上の領域では、Dpを大きくするにつれて、側面電極と内部電極との接触箇所の耐久性が累積的に高まるという効果が若干、薄れている。
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。
As is known from FIG. 23, when the gap amount Dp of the
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
(実施例4)
本例は、実施例1の積層型圧電体素子1を基にして、各凹溝部に充填された絶縁充填材の外表面の一部に非凹面部が形成されている例である。この内容について、図24〜図29を用いて説明する。
本例では、図24、図25に示すごとく、凹溝部41、42に充填された絶縁充填材5の外表面の一部に、凹面部50が形成されていない部分である非凹面部51が設けられている。ここで、非凹面部51とは、凹溝部41、42に充填された絶縁充填材5の外表面がセラミック積層体10の側面101、102から外方に突出して形成されている部分(図26〜図28)、またはセラミック積層体10の側面101、102に沿って形成されている部分(図29)をいう。
(Example 4)
This example is an example in which a non-concave surface portion is formed on a part of the outer surface of the insulating filler filled in each concave groove portion based on the multilayer
In this example, as shown in FIG. 24 and FIG. 25, a
例えば、図30、図31のような複雑な形状の場合、絶縁充填材5がセラミック積層体10の側面101、102に対して内方に窪んでいる部分の面積Sと外方に突出している部分の面積Tとを比較し、S>Tであれば凹面部、S≦Tであれば非凹面部と判断することができる。なお、内方に窪んでいる部分又は外方に突出している部分が複数ある場合には、各部分の面積の和により面積S又は面積Tを求める。例えば、図30では、S=s1、T=t1+t2となる。また、図31では、S=s2+s3、T=t3となる。
For example, in the case of a complicated shape as shown in FIGS. 30 and 31, the insulating
この非凹面部51は、図25に示すごとく、各第1凹溝部41及び各第2凹溝部42における全長をA、非凹面部51が形成されている部分の長さをBとした場合、(A−B)/Aが0.3以上となるように形成してある。非凹面部51が複数形成されている場合には、その部分の長さの和をBとする。例えば、図25では、B=b1+b2となる。なお、上記の全長Aは、形成する第1凹溝部41及び第2凹溝部42の個々の長さによって決まるものである。
また、本例では、セラミック積層体10の形状が四角柱のものを用いた(図5参照)。
その他は、実施例1と同様の構成である。
As shown in FIG. 25, the
Further, in this example, the
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
この場合には、実施例1と同様に、絶縁充填材5の外表面に凹面部50を設けたことにより、セラミック積層体10の側面101、102から側面電極31、32が剥離等するおそれを抑制することができる。
また、上記の効果をより充分、かつ確実に得るためには、上記(A−B)/Aが0.6以上となるように凹面部50を形成すればよい。
その他は、実施例1と同様の作用効果を有する。
In this case, as in the first embodiment, by providing the
Further, in order to obtain the above effect more sufficiently and reliably, the
The other functions and effects are the same as those of the first embodiment.
(実施例5)
本例は、実施例1又は実施例2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。
本例のインジェクタ6は、図32に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ6は、同図に示すごとく、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 5)
In this example, the laminated
The injector 6 of this example is applied to a common rail injection system of a diesel engine as shown in FIG.
As shown in the figure, the injector 6 includes an
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
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に連通している。
A fuel lead-out
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21、22と側面電極31、32との間の絶縁構造の信頼性が高く、非常に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あるいは実施例2と同様である。
In this example, the multilayer
Other configurations and operational effects are the same as those in the first or second embodiment.
1 積層型圧電体素子
10 セラミック積層体
101、102 側面(セラミック積層体の側面)
11 圧電層
21 第1内部電極(内部電極)
22 第2内部電極(内部電極)
31 第1側面電極(側面電極)
32 第2側面電極(側面電極)
41 第1凹溝部(凹溝部)
42 第2凹溝部(凹溝部)
410、420 底部
5 絶縁充填材
50 凹面部
51 非凹面部
505 隙間
6 インジェクタ
DESCRIPTION OF
11
22 Second internal electrode (internal electrode)
31 First side electrode (side electrode)
32 Second side electrode (side electrode)
41 1st groove part (concave groove part)
42 Second concave groove (concave groove)
410, 420
Claims (10)
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、底部に上記第2内部電極の端部を露出させた凹溝である第1凹溝部が設けられ、一方、上記第2側面電極を設けた側面には、底部に上記第1内部電極の端部を露出させた凹溝である第2凹溝部が設けられており、
上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部には、それぞれ上記第2内部電極の端部及び上記第1内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
上記第1凹溝部及び上記第2凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から内方に窪む凹面部が形成されていることを特徴とする積層型圧電体素子。 A ceramic laminated body in which a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material and a plurality of layered internal electrodes having conductivity are alternately laminated, and a first side surface electrode and a second side surface are formed on side surfaces of the ceramic laminated body. An electrode is provided, and as the internal electrode, a laminated piezoelectric element in which a first internal electrode conducting to the first side electrode and a second internal electrode conducting to the second side electrode are alternately arranged In
The side surface provided with the first side electrode in the ceramic laminate is provided with a first groove portion, which is a groove in which an end portion of the second internal electrode is exposed at the bottom, while the second side electrode is provided. The side surface provided with a second groove portion that is a groove in which the end portion of the first internal electrode is exposed at the bottom,
The first concave groove portion and the second concave groove portion are filled with an insulating filler having electrical insulation so as to cover the end portion of the second internal electrode and the end portion of the first internal electrode, respectively.
A laminated surface characterized in that a concave portion recessed inward from a side surface of the ceramic laminate is formed on an outer surface of the insulating filler filled in the first concave groove portion and the second concave groove portion. Type piezoelectric element.
上記圧電アクチュエータは、請求項1〜9のいずれか1項に記載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。 In an injector configured to open and close the valve body using the displacement of the piezoelectric actuator and perform fuel injection control,
The injector according to any one of claims 1 to 9, wherein the piezoelectric actuator comprises the multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 9.
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