JP2007043094A - Multilayered piezoelectric element and ejector using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型圧電素子(以下、単に「素子」ということもある)および噴射装置に関し、特に、高電圧・高圧力下において長期間連続駆動させるのに適した積層型圧電素子および噴射装置に関する。 The present invention relates to a multilayer piezoelectric element (hereinafter sometimes simply referred to as “element”) and an ejection device, and more particularly, to a multilayer piezoelectric element and an ejection device suitable for long-term continuous driving under high voltage and high pressure. About.
従来より、積層型圧電素子を用いたものとして、圧電体層と金属層を交互に積層した圧電アクチュエータがある。一般に、圧電アクチュエータは、同時焼成タイプと、1つの圧電体からなる圧電磁器と板状体の金属層とを交互に積層したスタックタイプとの2種類に分類される。これらのうち、低電圧化及び製造コスト低減の観点から、同時焼成タイプの圧電アクチュエータが多く採用されている。同時焼成タイプの圧電アクチュエータは、薄層化が簡単であり、小型化および耐久性にも優れる。 2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric actuators using stacked piezoelectric elements include piezoelectric actuators in which piezoelectric layers and metal layers are alternately stacked. In general, piezoelectric actuators are classified into two types: a co-fired type and a stack type in which piezoelectric ceramics made of one piezoelectric material and plate-like metal layers are alternately stacked. Of these, simultaneous firing type piezoelectric actuators are often used from the viewpoint of lowering the voltage and reducing the manufacturing cost. The co-fired type piezoelectric actuator can be easily thinned and is excellent in miniaturization and durability.
図9(a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図9(b)は、図9(a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図10は、従来の積層型圧電素子における積層構造を示す部分拡大断面図である。図9に示すように、この積層型圧電素子は、積層体103と、互いに対向する側面に形成された一対の外部電極105とから構成されている。積層体103は、圧電体層101と金属層102とが交互に積層されてなる。積層体103の積層方向における両端面には、不活性層104がそれぞれ積層されている。金属層102は、圧電体層101の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の金属層102は、一層おきに積層体103の異なる側面に露出するように積層されており、一対の外部電極105に、それぞれ一層おきに接続されている。
FIG. 9A is a perspective view showing a conventional laminated piezoelectric element, and FIG. 9B is a partial perspective view showing a laminated state of a piezoelectric layer and a metal layer in FIG. 9A. . FIG. 10 is a partially enlarged cross-sectional view showing a multilayer structure in a conventional multilayer piezoelectric element. As shown in FIG. 9, the multilayer piezoelectric element includes a
従来の積層型圧電素子の製造方法としては、以下の通りである。すなわち、まず、金属ペーストが、圧電体層101の原料を含むセラミックグリーンシートに、図9(b)に示すような所定の金属層構造となるパターンで印刷される。ついで、金属ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、これを焼成して積層体103を得る。その後、積層体103の対向する側面に金属ペーストを塗布した後、焼成して一対の外部電極105を形成し、図9(a)に示す積層型圧電素子を得る(例えば、特許文献1参照)。
A conventional method for manufacturing a multilayer piezoelectric element is as follows. That is, first, a metal paste is printed on a ceramic green sheet containing the raw material of the
ここで、金属層102としては、一般に銀とパラジウムの合金を用いることが多い。また、圧電体層101と金属層102を同時焼成するために、金属層102の金属組成は、銀70質量%、パラジウム30質量%に設定されることが多い(例えば、特許文献2参照)。このように、銀のみからなる金属層ではなく、銀−パラジウム合金からなる金属層102を用いるのは、以下の理由からである。
Here, in general, an alloy of silver and palladium is often used as the
すなわち、金属層102を、パラジウムを含まない銀のみの組成にすると、対向する金属層102間に電位差を与えたときに、対向する金属層102において正極から負極へと、金属層102中の銀イオンが素子表面を伝わって移動する、いわゆるイオンマイグレーション現象が生じるからである。この現象は、高温高湿の雰囲気中において、著しく発生する傾向にある。
That is, when the
一方、図10に示すように、厚みが略同一な金属層102を形成することを目的に、従来から金属成分比や金属濃度を略同一に調製した金属ペーストが用いられている。この金属ペーストをセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷する際には、メッシュ密度やレジスト厚みを略同一にして、積層体103を作製する。
On the other hand, as shown in FIG. 10, for the purpose of forming a
また、セラミックグリーンシートを押圧積層した際には、金属層102が部分電極構造となっているので、金属層102が重なり合う部分と重なり合わない部分とで押圧状態が異なる。その結果、金属層102の同一面内においても、金属層密度が不均一になることがあるので、金属層102を形成する部分のセラミックシートに凹部を形成し、金属層102の厚みを均一にする方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
In addition, when the ceramic green sheets are pressed and laminated, the
ところで、上記積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、外部電極105にリード線(不図示)を半田により接続固定し、外部電極105間に所定の電位をかけて駆動させる。このような用途で使用される積層型圧電素子は、近時、小型化が進められると同時に、大きな圧力下において大きな変位量を確保することが求められている。したがって、前記積層型圧電素子には、より高い電界(電圧)が印加されると共に、長時間連続駆動させる過酷な条件下でも使用できることが要求されている。
By the way, when the multilayer piezoelectric element is used as a piezoelectric actuator, a lead wire (not shown) is connected and fixed to the
上記要求、すなわち高電圧・高圧力下において長期間連続駆動させるという要求に対応するために、特許文献4では、圧電体層101の厚みを変化させた層を設けた素子が記載されている。すなわち、厚みが異なることで他の層と変位量が変化することを利用し、応力緩和を図っている。
In order to meet the above requirement, that is, the requirement of continuous driving for a long time under high voltage and high pressure, Patent Document 4 describes an element provided with a layer in which the thickness of the
また、同時焼成タイプの積層型圧電素子では、すべての圧電体に均一に電圧が印加されるように、均一な金属層を形成することが試みられてきた。特に、各金属層の導電率を均一にすることや、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の厚みを均一にすることが試みられてきた。 In the co-fired multilayer piezoelectric element, it has been attempted to form a uniform metal layer so that a voltage is uniformly applied to all piezoelectric bodies. In particular, attempts have been made to make the thickness of the metal layer uniform in order to make the conductivity of each metal layer uniform and to make the surface area of the portion in contact with the piezoelectric body uniform.
しかしながら、コンデンサ等の通常の積層型電子部品と異なり、積層型圧電素子は、駆動時に素子自体が連続的に寸法変化を起こす。したがって、全ての圧電体が金属層を介して密着して駆動すると、積層型圧電素子は一体として駆動変形をすることになる。そのため、圧縮時には広がり、伸びた時にはくびれる素子中央部の外周部分に、素子の変形による応力が集中することになる。このような積層型圧電素子を、高電圧・高圧力下において長期間連続駆動させた場合には、前記理由から圧電体層と金属層との界面(積層界面)においてデラミネーション(層間剥離)が生じることがあった。特に、圧電変位する活性層と、圧電変位しない不活性層との界面に応力が集中し、この界面がデラミネーションの起点となっていた。 However, unlike ordinary multilayer electronic components such as capacitors, the multilayer piezoelectric element continuously undergoes dimensional changes when driven. Therefore, when all the piezoelectric bodies are driven in close contact with each other through the metal layer, the laminated piezoelectric element undergoes driving deformation as a unit. For this reason, the stress due to the deformation of the element concentrates on the outer peripheral portion of the central part of the element which expands when compressed and constricts when stretched. When such a laminated piezoelectric element is continuously driven for a long time under high voltage and high pressure, delamination (delamination) occurs at the interface (lamination interface) between the piezoelectric layer and the metal layer for the above reasons. It sometimes occurred. In particular, stress is concentrated on the interface between the active layer that undergoes piezoelectric displacement and the inactive layer that does not undergo piezoelectric displacement, and this interface is the origin of delamination.
また、各圧電体層の変位挙動が一致する共振現象が発生してうなり音が発生したり、駆動周波数の整数倍の高調波信号が発生してノイズ成分が生じることがあった。 In addition, a resonance phenomenon in which the displacement behaviors of the piezoelectric layers coincide with each other may generate a beeping sound, or a harmonic signal that is an integral multiple of the driving frequency may be generated to generate a noise component.
また、連続的に寸法変化を起こす積層型圧電素子を長時間駆動すると、素子温度が上昇し、この素子温度上昇分のエネルギーが放熱量を上回ると、加速的に素子温度が上昇するいわゆる熱暴走現象が生じ、温度上昇に伴い圧電体の変位量が低下し、さらには圧電体材料のキュリー点以上に圧電体層が高温になることで圧電体の変位量が急激に低下するという問題があった。したがって、素子温度の上昇を抑制するために、比抵抗の小さい金属層が求められていた。 In addition, when a multilayer piezoelectric element that continuously undergoes dimensional changes is driven for a long time, the element temperature rises, and when the energy for this element temperature rise exceeds the heat dissipation amount, the element temperature rises at an accelerated rate. This causes a phenomenon that the amount of displacement of the piezoelectric body decreases as the temperature rises, and further, the amount of displacement of the piezoelectric body rapidly decreases due to the high temperature of the piezoelectric layer above the Curie point of the piezoelectric material. It was. Accordingly, a metal layer having a small specific resistance has been demanded in order to suppress an increase in element temperature.
さらに、圧電体の変位量は環境温度によって変化する特徴を有するので、従来の積層型圧電素子を、燃料噴射装置等の駆動素子に利用されるアクチュエータとして用いた場合には、素子温度の上昇によって圧電体の変位量が変化することがある。 Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric body has a characteristic that changes depending on the environmental temperature, when a conventional multilayer piezoelectric element is used as an actuator used for a drive element such as a fuel injection device, the element temperature increases. The amount of displacement of the piezoelectric body may change.
上記問題の改善方法として、特許文献4に示すような方法がなされたが、高電圧・高圧力下において、長期間連続駆動させるという過酷な条件下では、改善が十分とは言えず、素子中央部の外周に応力が集中し、クラックが生じたり、剥がれたりして、変位量が変化することがあった。 As a method for improving the above problem, a method as shown in Patent Document 4 has been made, but it cannot be said that the improvement is sufficient under severe conditions such as continuous driving for a long period of time under high voltage and high pressure. Stress was concentrated on the outer periphery of the part, causing cracks or peeling, and the amount of displacement sometimes changed.
本発明の課題は、高電圧・高圧力下において大きい変位量を有し、かつ長期間連続駆動させた場合でも前記変位量の変化を抑制することができる耐久性に優れた積層型圧電素子およびこれを用いた噴射装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element excellent in durability that has a large amount of displacement under a high voltage and a high pressure and can suppress a change in the amount of displacement even when continuously driven for a long period of time. It is providing the injection device using this.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、積層型圧電素子における複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる特定の厚みを有する金属層を複数含んでいる場合には、素子に加わる応力を分散させることができるので、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電圧・高圧力下において長期間連続駆動させた場合であっても、変位量の変化を抑制し、かつ積層部分のデラミネーションを抑制することができ、耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have determined that a plurality of metal layers in the multilayer piezoelectric element have a plurality of metal layers having specific thicknesses different from those on both sides adjacent to each other in the stacking direction. If it is included, the stress applied to the element can be dispersed, so that a large amount of displacement can be obtained, the resonance phenomenon can be suppressed, and when the element is continuously driven for a long time under high voltage and high pressure. Even in this case, the present inventors completed the present invention by finding a new fact that it is possible to obtain a laminated piezoelectric element with excellent durability, which can suppress the change in displacement and suppress the delamination of the laminated portion. It came to do.
すなわち、本発明の積層型圧電素子は、以下の構成からなる。
(1)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、前記複数の金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
(2)複数の前記薄型金属層は、該薄型金属層よりも厚みの厚い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている前記(1)記載の積層型圧電素子。
(3)複数の前記薄型金属層が積層方向に規則的に配設されている前記(1)又は(2)記載の積層型圧電素子。
(4)前記複数の金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い厚型金属層を複数含んでいる前記(1)〜(3)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
That is, the multilayer piezoelectric element of the present invention has the following configuration.
(1) In a stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, the plurality of metal layers are thin metal layers that are thinner than metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction. A multilayer piezoelectric element comprising a plurality of the piezoelectric elements.
(2) The multilayer piezoelectric element according to (1), wherein the plurality of thin metal layers are respectively disposed with a plurality of other metal layers having a thickness larger than the thin metal layer interposed therebetween.
(3) The multilayer piezoelectric element according to (1) or (2), wherein the plurality of thin metal layers are regularly arranged in a stacking direction.
(4) The multilayer piezoelectric layer according to any one of (1) to (3), wherein the plurality of metal layers include a plurality of thick metal layers that are thicker than metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction. element.
(5)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、前記複数の金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い厚型金属層を複数含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
(6)複数の前記厚型金属層は、該厚型金属層よりも厚みの薄い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されている前記(5)記載の積層型圧電素子。
(7)複数の前記厚型金属層が積層方向に規則的に配設されている前記(5)又は(6)記載の積層型圧電素子。
(8)前記複数の金属層は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層を複数含んでいる前記(5)〜(7)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(5) In the stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, the plurality of metal layers are thicker than the metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction. A multilayer piezoelectric element comprising a plurality of layers.
(6) The multilayer piezoelectric element according to (5), wherein the plurality of thick metal layers are respectively disposed with a plurality of other metal layers having a thickness smaller than that of the thick metal layer interposed therebetween.
(7) The stacked piezoelectric element according to (5) or (6), wherein the plurality of thick metal layers are regularly arranged in a stacking direction.
(8) The multilayer piezoelectric element according to any one of (5) to (7), wherein the plurality of metal layers include a plurality of thin metal layers that are thinner than metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction. .
(9)前記薄型金属層に対して積層方向に隣り合う金属層が前記厚型金属層である前記(4)又は(8)記載の積層型圧電素子。
(10)前記薄型金属層に対して積層方向に隣り合う両側の金属層が前記厚型金属層である前記(4)又は(8)記載の積層型圧電素子。
(11)前記複数の金属層の厚みを比較したときに、前記厚型金属層の厚みにピークがあり、該厚型金属層から積層方向に2層以上の金属層にわたって厚みが漸次減少する傾斜領域を有している前記(4)〜(10)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(12)前記薄型金属層は、空隙を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されている前記(1)〜(4),(8)〜(10)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(13)前記複数の金属層のうち、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い金属層を薄型金属層とし、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い金属層を厚型金属層とし、前記薄型金属層及び厚型金属層を除く他の金属層の厚みをXとし、前記薄型金属層の厚みをYとするとき、厚みの比(Y/X)が0.1〜0.9の範囲にある前記(1)〜(12)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(14)前記複数の金属層のうち、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い金属層を薄型金属層とし、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが厚い金属層を厚型金属層とし、前記薄型金属層及び厚型金属層を除く他の金属層の厚みをXとし、前記厚型金属層の厚みをZとするとき、厚みの比(Z/X)が1.05〜2の範囲にある前記(1)〜(12)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(15)前記金属層が周期律表第8〜11族元素から選ばれる金属を主成分とし、前記金属層中の周期律表第8〜10族元素の含有量をM1(質量%)とし、周期律表第11族元素の含有量をM2(質量%)とするとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100の関係を満足する前記(1)〜(14)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(16)前記金属層中の周期律表第8〜10族元素がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru及びOsから選ばれる少なくとも1種であり、前記周期律表第11族元素がCu、Ag及びAuから選ばれる少なくとも1種である前記(15)記載の積層型圧電素子。
(17)前記金属層がCuを主成分とする前記(1)〜(14)のいずれかに記載の積層型圧電素子。
(18)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも薄い薄型金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。
(19)複数の圧電体層と複数の金属層とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層が形成されており、前記不活性層に隣接する金属層は、該金属層の厚みが積層方向に隣り合う金属層の厚みよりも厚い厚型金属層であることを特徴とする積層型圧電素子。
(9) The stacked piezoelectric element according to (4) or (8), wherein a metal layer adjacent to the thin metal layer in the stacking direction is the thick metal layer.
(10) The stacked piezoelectric element according to (4) or (8), wherein the metal layers on both sides adjacent to the thin metal layer in the stacking direction are the thick metal layers.
(11) When the thicknesses of the plurality of metal layers are compared, there is a peak in the thickness of the thick metal layer, and the thickness gradually decreases from the thick metal layer to two or more metal layers in the stacking direction. The multilayer piezoelectric element according to any one of (4) to (10), which has a region.
(12) Any of (1) to (4) and (8) to (10), wherein the thin metal layer is composed of a plurality of partial metal layers arranged in a state of being separated from each other through a gap. The multilayer piezoelectric element according to claim 1.
(13) Among the plurality of metal layers, a metal layer that is thinner than the metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction is a thin metal layer, and a metal layer that is thicker than the metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction When the thickness of the metal layer other than the thin metal layer and the thick metal layer is X and the thickness of the thin metal layer is Y, the thickness ratio (Y / X) is 0. The multilayer piezoelectric element according to any one of (1) to (12), in a range of 1 to 0.9.
(14) Among the plurality of metal layers, a metal layer having a thinner thickness than metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction is defined as a thin metal layer, and a metal layer having a thickness greater than that on both sides adjacent to the stacking direction. When the thickness of the metal layer other than the thin metal layer and the thick metal layer is X and the thickness of the thick metal layer is Z, the thickness ratio (Z / X) is 1 The multilayer piezoelectric element according to any one of (1) to (12), in a range of 0.05 to 2.
(15) The metal layer is mainly composed of a metal selected from Group 8-11 elements of the periodic table, and the content of Group 8-10 elements of the periodic table in the metal layer is M1 (mass%), Any of the above (1) to (14) satisfying the relationship of 0 <M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 <100, M1 + M2 = 100 when the content of the
(16) The group 8-10 elements of the periodic table in the metal layer are at least one selected from Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, and Os, and the
(17) The multilayer piezoelectric element according to any one of (1) to (14), wherein the metal layer includes Cu as a main component.
(18) In a stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, an inactive layer made of a piezoelectric material is formed at both ends in the stacking direction. The multilayer piezoelectric element, wherein the metal layer adjacent to the active layer is a thin metal layer having a thickness of the metal layer smaller than that of the metal layer adjacent in the stacking direction.
(19) In a stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, an inactive layer made of a piezoelectric material is formed at both ends in the stacking direction. The multilayer piezoelectric element, wherein the metal layer adjacent to the active layer is a thick metal layer whose thickness is greater than the thickness of the metal layer adjacent in the stacking direction.
(20)噴出孔を有する容器と、該容器内に収納される前記(1)〜(19)のいずれかに記載の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に充填された液体が前記積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から吐出させるように構成されたことを特徴とする噴射装置。 (20) A container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element according to any one of (1) to (19) accommodated in the container, wherein the liquid filled in the container is the multilayer A jetting device configured to be ejected from the jetting hole by driving a piezoelectric element.
本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、積層方向に隣り合う両側の金属層と異なる特定の厚みを有する金属層を複数含んでいるので、変位の異なる金属層が素子内に配置されることになる。すなわち、薄型金属層の周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層が容易に変形することで吸収することができるので、圧電体層の変位が小さくなり、素子内に変位の異なる箇所が分散する。また、厚型金属層の周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層が変形することなくはね返すので、圧電体層の変位が大きくなり、素子内に変位の異なる箇所が分散する。このように変位の異なる金属層を素子内に分散して配置すると、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができる。しかも、圧電素子の変形による応力集中を抑制することができるので、高電圧・高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、積層部分に生じるデラミネーションを抑制することができる。さらに、所定の金属層を複数配置することで、圧電素子の変位(寸法変化)が揃った場合に生じる共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止することができると共に、高調波信号の発生を防止することができ、制御信号のノイズを抑止することができる。 According to the multi-layer piezoelectric element of the present invention, the plurality of metal layers include a plurality of metal layers having specific thicknesses different from the metal layers on both sides adjacent to each other in the stacking direction. Will be placed. That is, the piezoelectric layer around the thin metal layer can absorb the local stress of the piezoelectric displacement by the deformation of the thin metal layer easily. The locations with different displacements are dispersed. In addition, the piezoelectric layer around the thick metal layer repels the local stress of the piezoelectric displacement without deformation of the thick metal layer, so that the displacement of the piezoelectric layer increases and the displacement varies within the element. The points are dispersed. If the metal layers having different displacements are dispersed and arranged in the element as described above, suppression of element deformation due to stress concentration is alleviated, so that the displacement amount of the entire piezoelectric element can be increased. In addition, since stress concentration due to deformation of the piezoelectric element can be suppressed, delamination that occurs in the laminated portion can be suppressed even when the piezoelectric element is continuously driven for a long time under high voltage and high pressure. Furthermore, by arranging a plurality of predetermined metal layers, it is possible to suppress the resonance phenomenon that occurs when the displacements (dimensional changes) of the piezoelectric elements are aligned. Generation of a signal can be prevented and noise of the control signal can be suppressed.
特に、前記(4),(8)〜(11)記載の積層型圧電素子によれば、素子変形による応力を厚型金属層周辺に集中させると共に、変位が小さく厚みの薄い薄型金属層周辺の圧電体層を応力緩和層として作用させることができるので、応力集中による素子変形の抑圧を、より緩和することができる。
前記(15)記載の積層型圧電素子によれば、金属層が周期律表第8〜11族元素から選ばれる金属を主成分とし、前記金属層中の周期律表第8〜10族元素と、周期律表第11族元素との含有量が、所定の関係を満足するので、圧電体層と金属層とを同時焼成することが可能となり、その結果、圧電体層と金属層との界面(積層界面)が強固に結合してデラミネーションをより抑制することができる。しかも、素子が変位して金属層に応力が加わっても、金属層自体が伸縮できるので、応力が一点に集中することがなく、耐久性に優れる。
本発明の積層型圧電素子は、連続駆動させても所望の変位量が実効的に変化しないため、耐久性に優れた高信頼性の噴射装置を提供することができる。
In particular, according to the multilayer piezoelectric elements described in the above (4), (8) to (11), stress due to element deformation is concentrated around the thick metal layer, and at the periphery of the thin metal layer having a small displacement and a small thickness. Since the piezoelectric layer can act as a stress relaxation layer, suppression of element deformation due to stress concentration can be further relaxed.
According to the multilayer piezoelectric element described in (15), the metal layer is mainly composed of a metal selected from Group 8 to 11 elements of the Periodic Table, and Group 8 to 10 elements of the Periodic Table in the metal layer; Since the content of the
The multilayer piezoelectric element of the present invention can provide a highly reliable injection device with excellent durability because the desired displacement does not change effectively even when continuously driven.
<積層型圧電素子>
以下、本発明の積層型圧電素子の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1(a)は、本実施形態の積層型圧電素子を示す斜視図であり、図1(b)は、図1(a)における圧電体層と金属層との積層状態を示す部分斜視図である。図2は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。図3は、本実施形態にかかる厚型金属層を示す部分拡大断面図である。図4は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図5は、本実施形態にかかる積層型圧電素子の他の積層構造を示す部分拡大断面図である。図6は、本実施形態にかかる圧電体層の空隙を説明するための概略説明図である。
<Laminated piezoelectric element>
Hereinafter, an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1A is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element of the present embodiment, and FIG. 1B is a partial perspective view showing a laminated state of a piezoelectric layer and a metal layer in FIG. It is. FIG. 2 is a partial enlarged cross-sectional view showing the multilayer structure of the multilayer piezoelectric element according to this embodiment. FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view showing the thick metal layer according to the present embodiment. FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view showing another laminated structure of the laminated piezoelectric element according to the present embodiment. FIG. 5 is a partial enlarged cross-sectional view showing another laminated structure of the laminated piezoelectric element according to the present embodiment. FIG. 6 is a schematic explanatory diagram for explaining the voids of the piezoelectric layer according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層11と複数の金属層12とを交互に積層してなる積層体13を有し、該積層体13の対向する側面に一対の外部電極15が配設されている(一方の外部電極は不図示)。
As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element of the present embodiment includes a
金属層12は、図1(b)に示すように、圧電体層11の主面全体には形成されておらず、いわゆる部分電極構造となっている。この部分電極構造の複数の金属層12は、一層おきに積層体13の対向する側面にそれぞれ露出するように配置されている。これにより、金属層12は、一層おきに、一対の外部電極15に電気的に接続されている。なお、一対の外部電極15は、隣設する側面に形成してもよい。
As shown in FIG. 1B, the
積層体13の積層方向の両端側には、図1(a)に示すように、圧電体層で形成された不活性層14が積層されている。この積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使用する場合には、一対の外部電極15にリード線を半田によりそれぞれ接続固定し、リード線を外部電圧供給部に接続すればよい。この外部電圧供給部からリード線を通じて隣り合う金属層12間に所定の電圧を印加することにより、各圧電体層11が逆圧電効果によって変位する。これは、金属層12を後述する銀−パラジウム合金等の金属材料で形成しているので、金属層12を通じて各圧電体11に所定の電圧を印加すると、圧電体11を逆圧電効果による変位を起こさせる作用を有する。
一方、不活性層14は、一方の主面側に金属層12が配置されているのみであり、他方の主面側には金属層12が配置されていないので、電圧を印加しても変位が生じない。
As shown in FIG. 1A,
On the other hand, the
ここで、本実施形態にかかる複数の金属層12は、図2に示すように、積層方向に隣り合う両側の金属層(金属層12a)よりも厚みが薄い薄型金属層12bを複数含んでいる。これにより、薄型金属層12b周辺における圧電体層11は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層12bが容易に変形することで吸収することができるので、周辺の圧電体層11は変位が小さくなる。また、薄型金属層12bよりも厚みが厚い後述の厚型金属層12c(図3参照)周辺における圧電体層11は、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層が変形することなくはね返すので、周辺の圧電体層11は変位が大きくなる。したがって、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになるので、圧電素子全体の変位量を大きくすることができると共に、高電圧・高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、積層部分に生じるデラミネーションを抑制することができる。また、共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止することができる。さらに、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することもできる。さらには、金属層12の厚みを印刷等の製法で変化させることで、圧電体層11の厚みを変えることなく、応力緩和効果のある素子を製造することができるので、量産性に優れた構造とすることができる。
Here, as shown in FIG. 2, the plurality of
複数の圧電体層11のうち駆動変形する箇所は、金属層12に挟持された部分である。したがって、複数の金属層12のうち圧電体層11を介して重なりあう部分に、薄型金属層12bを形成するのが好ましい。これにより、圧電素子の変位(寸法変化)が揃った場合に生じる共振現象を確実に抑制することができる。
A portion of the plurality of
複数の薄型金属層12bは、該薄型金属層12bよりも厚みの厚い他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。本実施形態の他の金属層としては、図2に示す金属層12aと、図3に示す後述する厚型金属層12cである。ここで、薄型金属層12bは、他の金属層(金属層12a,厚型金属層12c)よりも厚みが薄い。したがって、薄型金属層12bは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層11が変形した際には、薄型金属層12b自体が変形して該応力を緩和することができる(応力緩和効果)。すなわち、薄型金属層12bは、応力緩和層として作用する。さらに、薄型金属層12bに接する圧電体層11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために薄型金属層12b自体が変形する。このため、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形するので、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。その結果、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子となる。
The plurality of
特に、厚型金属層12cを複数層挟むと、厚型金属層12cは、該厚型金属層12cに接する圧電体層11を拘束する力が強いうえに、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層12cが変形することなくはね返すので、該厚型金属層12cに接する圧電体層11は、より強い変位を行うので、素子の圧電変位量を増大することができる。さらに、素子を駆動した際には、前記理由から厚型金属層12c自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が厚型金属層12c近傍に集中する(応力集中効果)。よって、素子内に局所的に応力を集中する部分を設け、応力集中箇所を応力緩和効果のある薄型金属層12bで包みこむことになるので、素子全体として極めて応力緩和の効果が大きいものとすることができる。
In particular, when a plurality of
特に、本実施形態では、この複数の薄型金属層12bが積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。これは、素子全体に加わる応力を分散させるには、規則的に応力緩和層を配置させることが効果的であるからである。また、積層体13は、少なくとも3層以上の圧電体層11を積層して構成されていると共に、薄型金属層12bが所定の順序で繰り返し配置されている部分を有することが好ましい。
In particular, in the present embodiment, it is preferable that the plurality of
前記複数の薄型金属層12bが積層方向に規則的に配置されているとは、薄型金属層12b間に存在する他の金属層(金属層12a,厚型金属層12c)の層数が、いずれの薄型金属層12b間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、薄型金属層12b間に存在する他の金属層12の層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、薄型金属層12b間に存在する他の金属層12の層数は、各層数の平均値に対して±20%の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して±10%の範囲内、より好ましくはすべて同数であるのがよい。
The plurality of
前記他の金属層である金属層12aは、厚みが薄型金属層12bよりも厚い金属層である。この金属層12aは、主たる金属層であり、該主たる金属層とは、金属層12中において同等の厚みを有する金属層が最も多い金属層のことを意味する。この主たる金属層である金属層12aは、全金属層の平均の厚みに近いものから順に全金属層数の1/3以上の層数を占めるのが好ましい。これは、主たる金属層12aに求められる機能が、積層型圧電素子を駆動する電極として安定に機能することであり、そのためには、素子に印加された電圧を各圧電体層11に均一に加えて圧電変位を均一に行うことが求められるからである。したがって、主たる金属層12aが、全金属層の平均の厚みに近いものから順に全金属層数の1/3以上であると、素子に印加された電圧が各圧電体層11に均一に加わるため、圧電体層11が不均一に駆動変形することなく、素子が均一に駆動変形して、耐久性のある素子となる。さらに、主たる金属層12aに接する圧電体層11は、応力が集中することがないので変位量が大きくなり、薄型金属層12bに接する圧電体層11は応力緩和層となるので、素子の駆動変位を維持すると共に、素子の応力一点集中を避けることができ、その結果、変位量が大きくなると共に、耐久性に優れる。
The
変位の位相をそろえて応答速度を速くするためには、主たる金属層12aが、全金属層の平均の厚みに近いものから順に全金属層数の70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは90〜99%であるのがよい。なお、90%以上では、変位位相がそろいさらに高速の応答速度が得られるが、99%を超えると位相が完全にそろうことで、素子がうなり音を発するため、好ましくない。
なお、金属層12の総層数は、用途に応じて任意に選定されるものであり、特に限定されるものではないが、通常、2〜10000層、好ましくは5〜1000層である。
In order to increase the response speed by aligning the phase of displacement, the
In addition, the total number of layers of the
複数の金属層12中において、主たる金属層12aの層数が最も多いことが好ましい。これにより、素子に印加された電圧が各圧電体層11に均一に加わるために、圧電体層11が不均一に駆動変形することがなく、さらに変位の位相がそろうことで、素子が均一に駆動変形して、応答速度が速いだけでなく、耐久性のある積層型圧電素子になる。
Of the plurality of
主たる金属層12aが、金属層12中で最も厚みが厚い金属層と、最も厚みが薄い金属層以外の金属層であることが好ましい。これは、駆動中の積層型圧電素子の応力が、最も厚みが厚い金属層12の近傍にある圧電体層11に印加されるため、主たる金属層12aが、最も厚みが厚い金属層以外であれば、金属層12aに接する圧電体層11との間が強固に密着した耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。さらに、厚みが薄い金属層12に接する圧電体層11の素子変位が弱いため、主たる金属層12aが、最も厚みが薄い金属層以外であれば、積層型圧電体素子の変位が小さくなることもない。すなわち、主たる金属層12aを、全ての金属層12の中で、最も厚みが厚い金属層と最も厚みが薄い金属層以外のものとすることで、駆動変位を大きく、耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。
さらに、金属層12の厚みを変化させることで、圧電体層11の変位の大きさを制御できるので、圧電体層11の厚みを変える必要もなく、量産性に優れる。
The
Furthermore, since the magnitude of the displacement of the
複数の金属層12は、図3に示すように、積層方向に隣り合う両側の金属層(金属層12a)よりも厚みが厚い厚型金属層12cを複数含んでいるのが好ましい。これにより、素子を駆動して圧電体層11が変形した際には、厚型金属層12cは、該厚型金属層12cに接する圧電体層11を拘束する力が強いうえに、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層12cが変形することなくはね返すので、該厚型金属層12cに接する圧電体層11は、より強い変位を行い、素子の圧電変位量を増大することができる。さらに、素子を駆動した際には、前記理由から厚型金属層12c自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が厚型金属層12c近傍に集中する(応力集中効果)。したがって、このような厚型金属層12cを素子内に配置すると、素子の一点に応力が集中することなく、該応力を分散することができ、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。
As shown in FIG. 3, the plurality of
なお、複数の圧電体層11のうち駆動変形する箇所は、金属層12に挟持された部分である。したがって、複数の金属層12のうち圧電体層11を介して重なりあう部分に、厚型金属層12cを形成するのが好ましい。これにより、素子全体に加わる応力が厚型金属層12c近傍に集中する効果を高めることができる。
A portion of the plurality of
特に、薄型金属層12bを複数層挟むと、薄型金属層12bは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層11が変形した際には、薄型金属層12b自体が変形して該応力を緩和することができる(応力緩和効果)。すなわち、薄型金属層12bは、応力緩和層として作用する。さらに、薄型金属層12bに接する圧電体層11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために薄型金属層12b自体が変形するために、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形するので、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。よって、素子内に局所的に応力を集中する部分を設け、応力集中箇所で応力緩和高価のある薄型金属層12bを包みこむことになるので、素子全体として極めて応力緩和の効果が大きく駆動トルクの大きいものとすることができる。
In particular, when a plurality of
特に、本実施形態では、この複数の厚型金属層12cが積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。これは、素子全体に加わる応力を分散させるには、規則的に応力緩和層を配置させることが効果的であるからである。また、積層体13は、少なくとも3層以上の圧電体層11を積層して構成されていると共に、厚型金属層12cが所定の順序で繰り返し配置されている部分を有することが好ましい。
In particular, in the present embodiment, it is preferable that the plurality of
前記複数の厚型金属層12cが積層方向に規則的に配置されているとは、厚型金属層12c間に存在する他の金属層(金属層12a,薄型金属層12b)の層数が、いずれの厚型金属層12c間においても同じである場合はもちろんのこと、積層方向において応力がほぼ均一に分散される程度に、厚型金属層12c間に存在する他の金属層12の層数が近似している場合も含む概念である。具体的には、厚型金属層12c間に存在する他の金属層12の層数は、各層数の平均値に対して±20%の範囲内、好ましくは各層数の平均値に対して±10%の範囲内、より好ましくはすべて同数であるのがよい。
The plurality of
厚型金属層12cは、薄型金属層12b及び主たる金属層12aの厚みよりも厚い金属層である。すなわち、主たる金属層12a、薄型金属層12b及び厚型金属層12cの各厚みは、厚型金属層12c>主たる金属層12a>薄型金属層12bの関係である。これにより、主たる金属層12aが全ての金属層12の中で、最も厚みが厚い金属層と、最も厚みが薄い金属層以外の金属層となるので、駆動変位が大きく、耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。また、変位の異なる金属層12が素子内に確実に配置されることになる。すなわち、薄型金属層12bの周辺における圧電体層11は変位が小さくなり、厚型金属層12cの周辺における圧電体層11は変位が大きくなる。その結果、変位の異なる金属層を素子内に配置することによる効果をより効率よく奏することができる。
The
具体的には、薄型金属層12b及び厚型金属層12cを除く他の金属層(すなわち主たる金属層12a)の厚みをXとし、薄型金属層12bの厚みをYとするとき、厚みの比(Y/X)が0.1〜0.9、好ましくは0.3〜0.9、より好ましくは0.5〜0.8の範囲にあるのが好ましい。これにより、薄型金属層12bの応力緩和効果が発生すると共に、素子形状が保たれる。特に、前記比(Y/X)が0.3〜0.9であると、薄型金属層12bに隣接する圧電体層11も変位駆動するため、素子の変位が大きく耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。さらに、前記比(Y/X)が0.5〜0.8であると、より素子の変位がより大きく、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記X及びYの具体的な値は、金属層12の組成等により任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、通常、Xは0.1〜100μm、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜5μm、Yは0.05〜100μm、好ましくは0.1〜10μm、より好ましくは0.5〜5μmであるのがよく、X及びYがこの範囲内で前記比(Y/X)を満たすのが好ましい。
Specifically, when the thickness of the other metal layers (that is, the
一方、前記比(Y/X)が0.1よりも小さくなると、薄型金属層12bの応力緩和効果が大きくなりすぎるので、薄型金属層12bが素子駆動のたびに大きく変形し、金属疲労で破断したり、外部電極15との界面に亀裂が生じたりするため、耐久性が悪くなるおそれがあり、0.9よりも大きくなると、薄型金属層12bの応力緩和効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。
On the other hand, when the ratio (Y / X) is smaller than 0.1, the stress relaxation effect of the
また、薄型金属層12b及び厚型金属層12cを除く他の金属層(すなわち主たる金属層12a)の厚みをXとし、厚型金属層12cの厚みをZとするとき、厚みの比(Z/X)が1.05〜2、好ましくは1.05〜1.5、より好ましくは1.1〜1.2の範囲にあるのがよい。これにより、厚型金属層12cの応力集中効果が発生すると共に、素子形状が保たれる。特に、前記比(Z/X)が1.05〜1.5であると、厚型金属層12cに隣接する圧電体層11と主たる金属層12aに隣接する圧電体層11もほぼ同様に変位駆動するため、素子の変位が大きくそろった耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。また、前記比(Z/X)が1.1〜1.2であると、より素子の変位が大きく、耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。前記X及びZの具体的な値は、前記比(Y/X)におけるX及びYと同様に、金属層12の組成等により任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、通常、Xは0.1〜100μm、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜5μm、Zは0.1〜200μm、好ましくは0.5〜15μmより好ましくは1〜10μmであるのがよい。
Further, when the thickness of the metal layer other than the
一方、前記比(Z/X)が2よりも大きくなると、厚型金属層12cにのみ応力が集中して、厚型金属層12cと圧電体層11との界面がはがれて、積層体にデラミネーションが生じるおそれがあり、1.05よりも小さくなると、厚型金属層12cの応力集中効果が低くなるおそれがあり、素子の一点に応力が集中する箇所が現れ、素子の耐久性が低下するおそれがある。
On the other hand, when the ratio (Z / X) is greater than 2, the stress concentrates only on the
また、主たる金属層12aは、略同一な厚みで構成されているのが好ましい。これにより、さらに変位が大きくなると共に、応答性が速く耐久性も向上する。また、薄型金属層12b及び厚型金属層12cも、一層中の厚みが略同一であることが好ましい。これは、異なる極性の電圧が印加される金属層のうち、圧電体層11を介して重なりあう金属層部分において一層中の厚みが略同一であると、素子の寸法変化である変位がそろった場合に発生する共振現象を抑止することができるからである。
Moreover, it is preferable that the
一方、薄型金属層12bに局部的に薄い部分が存在すると、素子駆動変形時の応力緩和のために薄型金属層12bが変形した際には、局部的に薄い部分に応力が集中する。このため、連続使用した場合には、異常発熱するので好ましくない。また、厚型金属層12cに局部的に厚い部分や薄い部分が存在する場合にも、素子駆動変形時に局部的に厚い部分や薄い部分に応力が集中し、連続使用した場合には、異常発熱するので好ましくない。
On the other hand, if the
ここで、金属層12(金属層12a〜12c)の厚みとは、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定して得られた値である。具体的には、その切断面において、金属層12を走査型電子顕微鏡(SEM)や金属顕微鏡等で観察すると、金属成分だけでなく、ボイドや、セラミック成分等の金属以外の要素で構成されているのがわかる。そこで、任意の金属層1層の断面において、金属が主成分となっている層の中で任意の5箇所を選び、任意の2本の平行線で挟むことができる厚みを測定し、その平均値を任意の1層の金属層厚みとする。このようにして、金属層12a、薄型金属層12b及び厚型金属層12cの厚みを測定することにより、各金属層12a〜12cの厚みを得ることができる。
Here, the thickness of the metal layer 12 (
本実施形態では、図4に示すように、主たる金属層12aよりも厚みが厚い厚型金属層12cと、主たる金属層12aよりも厚みが薄い薄型金属層12bとが,少なくとも1層の圧電体層11を挟んで対向配置されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、厚型金属層12cに集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに、応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層12bを配置することで、素子に加わる応力を効率よく分散緩和することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
特に、図5に示すように、薄型金属層12bに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が厚型金属層12cであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を厚型金属層12cに集中させて素子に加わる応力を分散し、さらに応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層12bを配置することで、素子に加わる応力を分散緩和することができる。また、応力を集める層である厚型金属層12cで、応力緩和層である薄型金属層12bを挟持すると、応力を薄型金属層12b中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和することができる。その結果、該素子を圧電アクチュエータに用いた場合には、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。なお、挟持される薄型金属層12bの層数は少ない方が応力を閉じ込める効果をより奏することができるので、該層数は1層が最適である。
In particular, as shown in FIG. 5, the metal layers on both sides adjacent to the
また、積層体13の積層方向に、薄型金属層12b、厚型金属層12c、主たる金属層12aの順序で間に圧電体層11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層12aが厚みの厚い順に積層されていることが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を、厚型金属層12cに集中させることで、素子に加わる応力を分散させ、さらに、応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層12bを配置させることで、素子に加わる応力を分散緩和させることができるだけでなく、主たる金属層12aを厚みの厚い順に配置することで、厚型金属層12cに集まった応力を徐々に分散させることができると共に、厚みを厚くすることで、隣接する圧電体層11の変位量を大きくすることができるので、変位が大きく耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電体素子とすることができる。
Further, the
複数の金属層12の厚みを比較したときに、厚型金属層12cの厚みにピークがあり、該厚型金属層12から積層方向に2層以上、好ましくは2〜5層以上の金属層にわたって厚みが漸次減少する傾斜領域を有しているのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力は、厚型金属層12cに集中するが、所定の傾斜領域を有すると、該厚型金属層12cに集まった応力を徐々に分散させることができる。
When the thicknesses of the plurality of
金属層12は、図6に示すように、所定の空隙(ボイド)12a’, 12b’, 12c’を有しているのが好ましい。これは、金属層12に金属成分以外の絶縁物質が含有すると、素子を駆動した際には、圧電体層11に電圧を印加できない部分が生じるので、圧電変位を大きくすることができず、駆動時の応力が該金属層12に集中して破壊の起点となるおそれがあるからである。金属層12が所定の空隙(ボイド)を有していると、金属部分に応力が加わった際に、空隙(ボイド)の部分があることで、金属が変形して応力を分散緩和することができる。また、金属層12に接する圧電体層11が、圧電変位する際には、空隙(ボイド)の部分があることで、圧電体層11を部分的にクランプすることになり、全面でクランプするときよりも圧電体層11が束縛される力が小さくなって変位しやすくなり、変位量を大きくすることができる。その結果、素子の変位がより大きく耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。
As shown in FIG. 6, the
特に、主たる金属層12aに空隙(ボイド)12a’を設け、該金属層12aの断面における全断面積に対する空隙(ボイド)12a’の占める面積比(ボイド率)が5〜70%、好ましくは7〜70%、より好ましくは10〜60%であるのがよい。これにより、変位量が大きくなるので、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができる。特に、前記ボイド率が7〜70%または10〜60%であると、圧電体層11をよりスムーズに変形できるとともに、金属層12の導電性を充分に有しているため、積層型圧電素子の変位量を増大することができる。
In particular, a void 12a ′ is provided in the
一方、前記ボイド率が5%より少ないと、圧電体層11が電圧を印加されて変形する際に金属層12から束縛を受け、圧電体層11の変形が抑制され、積層型圧電素子の変形量が小さくなり、発生する内部応力も大きくなるため、耐久性にも悪い影響を与えるおそれがある。また、前記ボイド率が70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層12自体の強度が低下し、金属層12にクラックが生じやすくなり、断線等を生じるおそれがあるので好ましくない。
On the other hand, if the void ratio is less than 5%, the
金属層12の面積に対する前記ボイドの占める割合(ボイド率)は、積層型圧電素子を積層方向に切断した面で測定して得られた値である。具体的には、その切断面において、金属層12の部分に存在する空隙(ボイド)の面積を測定し、そのボイドの面積の総和を金属層12の面積で除した値を100倍した値である。
The ratio (void ratio) of the void to the area of the
上記空隙(ボイド)を有する金属層12は、主に金属と空隙(ボイド)とから構成されている。このように金属層12が構成されると、金属もボイドもどちらも応力に対して変形可能であるため、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。
特に、薄型金属層12bが、主に金属とボイドから構成されていると、さらに耐久性の高い積層型圧電素子とすることができる。すなわち、薄型金属層12bは、図6に示すように、空隙(ボイド)12b’を介して互いに離隔した状態で配設された複数の部分金属層で構成されているのが好ましい。これにより、薄型金属層12bに接する圧電体層11が、金属層のなかでも空隙(ボイド)12b’等の金属の充填されていない部分に接すると、その部分の圧電体は素子に電圧が印加されても変位しない上、駆動中に応力が加わると変形して応力を緩和することができる(応力緩和効果)。すなわち、部分金属層で構成されている薄型金属層12bは、応力緩和層として作用する。したがって、その金属層に接する圧電体層11は駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。その結果、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子とすることができる。
The
In particular, when the
具体的には、薄型金属層12bの断面における全断面積に対する空隙(ボイド)12b’の占める面積比(ボイド率)は20〜90%であることが好ましい。これにより、さらに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。
Specifically, the area ratio (void ratio) occupied by the
金属層12は、周期律表第8〜11族元素から選ばれる金属を主成分とするのが好ましい。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層11と金属層12を同時焼成することが可能となるからである。そのため、外部電極15の焼結温度を圧電体層11の焼結温度より低温で作製することが出来るので、圧電体層11と外部電極15との間の激しい相互拡散を抑制することができる。
The
さらに、金属層12中の周期律表第8〜10族元素の含有量をM1(質量%)とし、周期律表第11族元素の含有量をM2(質量%)とするとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100の関係を満足する金属を主成分とするのが好ましい。これは、周期律表第8〜10族元素の含有量であるM1が15質量%を超えると、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には、金属層12が発熱し、該発熱が温度依存性を有する圧電体層11に作用して変位特性を減少させてしまうため、積層型圧電素子の変位量が小さくなる場合があるからである。さらに、外部電極15を形成した際には、外部電極15と金属層12とが相互拡散して接合するが、M1が15質量%を超えると、外部電極15中に金属層成分が拡散した箇所の硬度が高くなるため、駆動時に寸法変化する積層型圧電素子においては、耐久性が低下するおそれがあるからである。
Further, when the content of the Group 8-10 elements of the periodic table in the
特に、金属層12中の11族元素の圧電体層11へのイオンマイグレーションを抑制するため、M1を0.001質量%以上15質量%以下とするのが好ましい。積層型圧電素子の耐久性を向上させる上で、M1を0.1質量%以上10質量%以下とするのが好ましい。熱伝導に優れより高い耐久性を必要とする場合には、M1を0.5質量%以上9.5質量%以下とするのが好ましく、さらに高い耐久性を求める場合には、M1を2質量%以上8質量%以下とするのが好ましい。
In particular, in order to suppress ion migration of the
一方、11族元素の含有量であるM2が85質量%未満になると、金属層12の比抵抗が大きくなり、積層型圧電素子を連続駆動させた場合には、金属層12が発熱する場合があるので好ましくない。特に、金属層12中の11族元素の圧電体層11へのイオンマイグレーションを抑制するため、M2を85質量%以上99.999質量%以下とするのが好ましい。積層型圧電素子の耐久性を向上させるという上で、M2を90質量%以上99.9質量%以下とするのが好ましい。より高い耐久性を必要とする場合には、M2を90.5質量%以上99.5質量%以下とするのが好ましく、さらに高い耐久性を求める場合には、M2を92質量%以上98質量%以下とするのが好ましい。
On the other hand, when M2 which is the content of the
特に、薄型金属層12bが応力を緩和する際、印加された応力を緩和するということは、加わった運動エネルギーを熱エネルギーに変換して、応力を開放することになり、応力緩和部分が熱をもつことになる。圧電体は温度が上昇すると、圧電変位の力が小さくなり、ひとたびキュリー点まで温度が上昇すると冷却しても分極の効果が無くなり圧電変位の力が大きく損なわれる。そこで、薄型金属層12bが、ヒートシンクの役割を果たすことができれば、応力緩和部分から素子の外側へ熱を散逸することが可能となる。
In particular, when the
ここで、本発明の組成の金属を用いることで熱の散逸効果が大きくなり、応力緩和効果を、長期間、高い耐久性を持って維持することが可能となる。特に、熱伝導の高い銀が高濃度に含まれる組成では、もっとも熱の散逸効果も大きく、さらに、酸化しても、熱の伝導度は衰えず、しかも、電気伝導特性も衰えることが無いので極めて高い耐久性の応力緩和層とすることができる。 Here, by using the metal of the composition of the present invention, the heat dissipation effect is increased, and the stress relaxation effect can be maintained with high durability for a long period of time. In particular, a composition containing high heat conduction silver in a high concentration has the largest heat dissipation effect, and even when oxidized, the heat conductivity does not decline and the electrical conduction characteristics do not decline. An extremely high durability stress relaxation layer can be obtained.
金属層12中の金属成分の質量%を示す8〜10族元素のM1、11族元素のM2は、それぞれEPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法で特定することができる。
M1 of group 8-10 elements and M2 of
金属層12中の金属成分は、8〜10族元素の金属がNi、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Osから選ばれる少なくとも1種以上であり、11族元素の金属がCu,Ag、Auから選ばれる少なくとも1種以上であるのがよい。例示したこれらの金属は、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。
The metal component in the
上記で例示した金属層12中の金属成分のうち、8〜10族元素の金属がPt、Pdから選ばれる少なくとも1種以上であり、11族元素の金属がAg、Auから選ばれる少なくとも1種以上であるのが好ましい。これにより、耐熱性に優れ、比抵抗の小さな金属層12を形成できる可能性がある。
Of the metal components in the
特に、金属層12中の金属成分は、8〜10族元素の金属がNiであるのが好ましい。これにより、耐熱性に優れた金属層12を形成できる可能性がある。また、11族元素の金属がCuであるのが好ましい。これにより、硬度の低い熱伝導性に優れた金属層12を形成できる可能性がある。
In particular, as for the metal component in the
特に、Cuであれば熱伝導特性が高いだけでなく、応力が一方方向から加わった場合、応力が印加された一方向に結晶方向が配向する特徴があるので破断することない強靭な応力緩和効果を発生する。さらに同時焼成して素子を作製するとCu表面に耐腐食性の強いCuOの被覆層を形成するので耐久性の強い素子とすることができる(通常のCu金属では、表面が次第にCu2Oの皮膜ができてその後空気中の水分と結合して緑青を形成して腐食する)。 In particular, Cu has not only high heat conduction characteristics, but when stress is applied from one direction, the crystal orientation is oriented in one direction to which stress is applied, so there is a strong stress relaxation effect that does not break Is generated. Further, when an element is manufactured by simultaneous firing, a highly corrosion-resistant CuO coating layer is formed on the Cu surface, so that it is possible to obtain a highly durable element (in the case of ordinary Cu metal, the surface gradually becomes a Cu 2 O film). And then combines with moisture in the air to form patina and corrode).
また、金属層12は、上記金属を主成分とする合金であることが好ましい。該合金としては、例えば、銀−パラジウム合金(銀70〜99.999質量%−パラジウム0.001〜30質量%)等の全率固溶する合金が任意の組成比率で焼成温度を制御できるので好ましい。また、金属層12中に上記した金属組成物とともに、酸化物、窒化物または炭化物を添加することが好ましい。これにより、金属層12の強度が増し、積層型圧電素子の耐久性が向上する。特に酸化物は圧電体層11と相互拡散して金属層12と圧電体層11との密着強度を高めるのでより好ましい。
Moreover, it is preferable that the
前記酸化物としては、圧電体層11との密着強度が高いことから、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。なお、添加された酸化物等の含有量は、積層型圧電素子の断面SEM像における金属層中の組成の面積比から算出できる。
The oxide preferably has a perovskite oxide composed of PbZrO 3 —PbTiO 3 as a main component because of its high adhesion strength to the
前記無機組成物(すなわち金属組成物とともに添加する酸化物、窒化物または炭化物)が金属に対して50体積%以下であることが好ましい。これにより、金属層12と圧電体層11との間の接合強度を圧電体層11の強度より小さく出来、さらに好ましくは30体積%以下にすることで積層型圧電素子の耐久性を向上するこができる。
It is preferable that the inorganic composition (that is, oxide, nitride, or carbide added together with the metal composition) is 50% by volume or less based on the metal. As a result, the bonding strength between the
圧電体層11は、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、圧電体層11が、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、圧電体層11と金属層12を同時に焼成することもできる。上記に示した圧電体層11としては、圧電歪み定数d33が比較的高いPbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。
The
また、金属層12を積層体13の側面に露出させることが好ましい。これは、金属層12が素子側面で露出していない部分では、駆動時に変位できないことから、駆動時に変位する領域が素子内部に閉じ込められていることになる。このため、変位時の応力が前記境界に集中しやすくなり、耐久性に問題が生じるので好ましくないからである。
In addition, the
積層体13は多角形柱状体であることが好ましい。これは、積層体13が円柱状体であると、真円にしなければ中心軸がぶれてしまうため、高精度の円を作成して積みあげなければならず、同時焼成による量産型の製法を用いるのが困難となるからである。また、略円形状の積層体を積層後、あるいは焼成後に外周を研磨して円柱状にしても、金属層12の中心軸を高精度にそろえることが困難になる。これに対して、積層体13が多角形柱状体であれば、基準線を決定した圧電体層11に金属層12を形成することができ、さらに基準線に沿って積層することができるので、駆動の軸である中心軸を量産型の製法を用いて形成することができるため、耐久性の高い素子とすることができる。
The
また、上記した通り、本実施形態の積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層12と端部が露出しない金属層12とが交互に構成されているが、前記端部が露出していない金属層12と外部電極15間の圧電体層11に溝が形成されており、この溝内に、圧電体層11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、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ので、積層型圧電素子を連続駆動させても、金属層12の発熱を抑制することができる。
Further, as described above, the metal layers 12 whose ends are exposed on the side surfaces of the multilayer piezoelectric element of the present embodiment and the metal layers 12 whose ends are not exposed are alternately configured, but the ends are exposed. It is preferable that a groove is formed in the
次に、本発明の他の積層型圧電素子にかかる一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図7は、本実施形態の積層型圧電素子の積層構造を示す部分拡大断面図である。なお、図7においては、前述した図1〜図6の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。図7に示すように、この実施形態の積層型圧電素子は、上記で説明した実施形態と同様に、複数の圧電体層11と複数の金属層12とが交互に積層された積層型圧電素子である。
Next, another embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 7 is a partial enlarged cross-sectional view showing the multilayer structure of the multilayer piezoelectric element of the present embodiment. In FIG. 7, the same or equivalent parts as those in FIGS. 1 to 6 described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. As shown in FIG. 7, the multilayer piezoelectric element of this embodiment is a multilayer piezoelectric element in which a plurality of
ここで、複数の金属層12は、積層方向に隣り合う両側の金属層(金属層12a)よりも厚みが厚い厚型金属層12cを複数含んでいる。このような構成であっても、厚型金属層12c周辺の圧電体層11は変位が大きくなり、厚型金属層12cよりも厚みが薄い主たる金属層12a周辺の圧電体層11は変位が小さくなり、変位の異なる金属層を素子内に配置する構成となるので、上記で説明した実施形態と同様の効果を奏することができる。
Here, the plurality of
本実施形態にかかる複数の厚型金属層12cは、上記で説明した実施形態と同様に、該厚型金属層12cよりも厚みの薄い他の金属層(すなわち主たる金属層12a,薄型金属層12b)を複数層挟んでそれぞれ配設されているのが好ましい。また、複数の厚型金属層12cが、積層方向に規則的に配設されているのが好ましい。さらに、複数の金属層12は、積層方向に隣り合う両側の金属層よりも厚みが薄い薄型金属層12bを複数含んでいるのが好ましい。
なお、上記した以外の構成は、上記で説明した実施形態と同様であるので、説明は省略する。
The plurality of
Since the configuration other than the above is the same as that of the embodiment described above, the description thereof is omitted.
次に、本発明のさらに他の積層型圧電素子にかかる一実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層11と複数の金属層12とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層14が形成されており、該不活性層14に隣接する金属層11の厚みが積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも薄い薄型金属層(薄型金属層12b)である。これにより、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。この理由としては、以下の理由が推察される。
Next, an embodiment according to still another multilayer piezoelectric element of the present invention will be described. The laminated piezoelectric element according to this embodiment is a laminated piezoelectric element in which a plurality of
すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層14に隣接する金属層12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているため、この境界部分に応力が集中する。このとき、金属層12が同じ厚みであると、応力はこの境界部分に一点集中するので、積層型圧電素子を高電圧・高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネーションが生じるおそれがあった。
That is, even when a voltage is applied, the inactive layer that is not sandwiched between the electrodes does not undergo drive deformation, and therefore, the drive deformation is not caused by the
そこで、不活性層14に隣接する金属層11の厚みが積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも薄い薄型金属層(薄型金属層12b)にすると、薄型金属層12bは、他の金属層よりも柔軟性に優れるので、素子を駆動して圧電体層11が変形した際には、薄型金属層12b自体が変形して応力を緩和することができる(応力緩和効果)。さらに、薄型金属層12bに接する不活性層14は圧電材料で形成されていることから、応力印加により変形して応力を緩和することができる。すなわち、薄型金属層12bと不活性層14が応力緩和効果の相乗作用を生み出す。その上、薄型金属層12b自体が変形するので、薄型金属層12bと隣り合う金属層12に挟まれた圧電体層11は、電圧印加による駆動変形と応力印加による変形とが共存するが、応力を緩和するために薄型金属層12b自体が変形するので、応力印加による変形が支配的になり、応力緩和のために変形する。したがって、駆動変位が小さくなり、素子の応力が一点に集中するのを避けることができる。
Therefore, when the thickness of the
さらに、薄型金属層12bに対して積層方向に隣り合う金属層が厚型金属層12cであるのが好ましい。これにより、素子駆動中の応力を厚型金属層12cに集中させて素子に加わる応力を端部に分散し、さらに応力を集める金属層の隣に応力緩和層となる薄型金属層12bを配置することで、素子に加わる応力を端部に分散緩和することができる。また、応力を集める層である厚型金属層12cと不活性層14とで、応力緩和層である薄型金属層12bを挟持すると、応力を薄型金属層12b中に閉じ込め、素子全体の応力を分散緩和することができる。その結果、該素子を圧電アクチュエータに用いた場合には、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。
Further, the metal layer adjacent to the
特に、従来、積層数が例えば50層よりも少ない低い積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層14近傍の圧電体層11の層厚みを不活性層14に近づくにつれて厚みを増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層11を形成するために、数種類の厚みの圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていたが、不活性層14に隣接する金属層11のみの厚みを積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも薄い薄型金属層(薄型金属層12b)とすることで、低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、両端部の不活性層14に隣接する金属層11の厚みを積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも薄い薄型金属層(薄型金属層12b)とすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。
In particular, in the past, in the case of forming a laminated piezoelectric element having a lower number of laminations, for example, less than 50 layers, as the thickness of the
一方、積層数が多い積層型圧電体素子においては、さらに、積層方向に隣り合う両側の金属層(金属層12a)よりも厚みが薄い薄型金属層12bを複数含むことにより、薄型金属層12b周辺における圧電体層は、圧電体変位の局所的な応力を薄型金属層が容易に変形することで吸収することができるので、周辺の圧電体層は変位が小さくなり、変位の異なる金属層が素子内に分散して配置されることになる。このため、高電圧・高圧力下で長期間連続駆動させた場合であっても、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されるので、積層部分に生じるデラミネーションを抑制することができる。また、共振現象を抑制することができるので、うなり音発生を防止することができる。さらに、高調波信号の発生を防止することができるので、制御信号のノイズを抑止することもできる。
なお、上記した以外の構成は、上記で説明した実施形態と同様であるので、説明は省略する。
On the other hand, in the multi-layer piezoelectric element having a large number of layers, the periphery of the
Since the configuration other than the above is the same as that of the embodiment described above, the description thereof is omitted.
次に、本発明のさらに他の積層型圧電素子にかかる一実施形態について説明する。この実施形態の積層型圧電素子は、複数の圧電体層11と複数の金属層12とが交互に積層された積層型圧電素子において、積層方向の両端には、圧電体で構成された不活性層14が形成されており、該不活性層14に隣接する金属層11の厚みが積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも厚い厚型金属層(厚型金属層12c)である。
これにより、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。この理由としては、以下の理由が推察される。
Next, an embodiment according to still another multilayer piezoelectric element of the present invention will be described. The laminated piezoelectric element according to this embodiment is a laminated piezoelectric element in which a plurality of
As a result, a highly reliable laminated piezoelectric element having excellent durability is obtained. The reason for this is presumed as follows.
すなわち、電圧印加しても、全く電極に挟まれていない不活性層は駆動変形することがないので、不活性層14に隣接する金属層12を境として、駆動変形する部分と、駆動変形しない部分が接しているために、この境界部分に応力が集中する。このとき、金属層12が同じ厚みであると、応力はこの境界部分に一点集中するので、積層型圧電素子を高電圧・高圧力下において長時間連続運転させた場合には、デラミネーションが生じるおそれがあった。
That is, even when a voltage is applied, the inactive layer that is not sandwiched between the electrodes does not undergo drive deformation, and therefore, the drive deformation is not caused by the
そこで、不活性層14に隣接する金属層11の厚みが積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも厚い厚型金属層(厚型金属層12c)にすると、素子を駆動して圧電体層11が変形した際には、厚型金属層12cは、厚型金属層12cに接する圧電体層11とともに厚型金属層12cに接する不活性層14をも拘束する力が強いことから、圧電体変位の局所的な応力を厚型金属層が変形することなくはね返すので、該厚型金属層12cに接する圧電体層11は、より強い変位を行うので、素子の圧電変位量を増大することができる。
Therefore, when the thickness of the
さらに、素子を駆動した際には、前記理由から厚型金属層12c自体は変形しないので、素子全体に加わる応力が厚型金属層12c近傍に集中する(応力集中効果)。したがって、このような厚型金属層12cを素子駆動部分の端部に配置すると、素子の駆動部分に応力が集中することなく、応力を素子の端部に分散することができ、耐久性に優れた高信頼性の積層型圧電素子になる。
Further, when the element is driven, the
特に、従来、積層数が例えば50層よりも少ない低い積層数の積層型圧電体素子を形成する場合には、不活性層14近傍の圧電体層11の層厚みを不活性層14に近づくにつれて厚みを増加させて、変形量を抑止して境界部分に応力が集中することを抑えていた。このため、圧電体層11を形成するために、数種類の圧電シートを準備して積層することになり、コストの高い物となっていたが、不活性層14に隣接する金属層11の厚みのみを積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも厚い厚型金属層(厚型金属層12c)とすることで、低コストで高い駆動力と高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。さらに、両端部の不活性層14に隣接する金属層11の厚みを積層方向に隣り合う金属層11の厚みよりも薄い薄型金属層(薄型金属層12b)とすることで、さらに低コストで高い耐久性のある積層型圧電素子とすることができる。
なお、上記した以外の構成は、上記で説明した実施形態と同様であるので、説明は省略する。
In particular, in the past, in the case of forming a laminated piezoelectric element having a lower number of laminations, for example, less than 50 layers, as the thickness of the
Since the configuration other than the above is the same as that of the embodiment described above, the description thereof is omitted.
<製造方法>
次に、上記で説明した実施形態にかかる積層型圧電素子の製法について説明する。
まず、PbZrO3−PbTiO3等からなるペロブスカイト型酸化物の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、DBP(フタル酸ジブチル)、DOP(フタル酸ジオクチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体層11となるセラミックグリーンシートを複数作製する。
<Manufacturing method>
Next, a manufacturing method of the multilayer piezoelectric element according to the embodiment described above will be described.
First, a calcined powder of a perovskite oxide piezoelectric ceramic made of PbZrO 3 —PbTiO 3 or the like, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, DBP (dibutyl phthalate), DOP (dioctyl phthalate) And a plasticizer such as) are mixed to produce a slurry, and a plurality of ceramic green sheets to be the
次に、例えば銀−パラジウム合金等の金属層12を構成する金属粉末に、バインダー及び可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷する。
Next, for example, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to the metal powder constituting the
ここで、前記バインダー及び可塑剤等と、前記金属粉末との比を変えることや、スクリーン印刷に使用するスクリーンのメッシュの度数を変えることや、スクリーンのパターンを形成するレジスト厚みを変えることで、金属層12の厚みを変化させることができる。なかでも、レジスト厚みを変えることで、単一の導電性ペーストを用いても、異なる厚みの金属層12を形成することができる。あるいは、単一の製版、単一の導電性ペーストを用いた場合でも、同じ箇所に、重ねて印刷することで、厚い金属層12を形成することができる。
Here, by changing the ratio of the binder and plasticizer and the metal powder, changing the frequency of the screen mesh used for screen printing, or changing the resist thickness for forming the screen pattern, The thickness of the
また、金属層12に空隙(ボイド)を形成するには、前記金属粉末に、アクリルビーズ等の乾燥時には接着固定され、焼成時には揮発する有機物を含有させた導電性ペーストを作製すればよい。金属層12のボイド率を所定の値とするには、例えば前記有機物と金属粉末との比を変える方法が挙げられる。すなわち、前記有機物が焼成時に揮発することにより金属層12中に空隙(ボイド)が形成されるので、前記有機物が少ないとボイド率は低くなり、前記有機物が多くなるとボイド率は高くなる。具体的な各金属層12a〜12cにおける有機物の含有量としては、金属層12aは、金属粉末100質量部に対して0.1〜10質量部、好ましくは1〜5質量部、薄型金属層12bは、金属粉末100質量部に対して0.1〜50質量部、好ましくは2〜10質量部、厚型金属層12cは、金属粉末100質量部に対して0.01〜5質量部、好ましくは0.1〜2質量部であるのがよい。
In order to form voids in the
前記有機物としては、焼成時に良好な熱分解挙動を示すものであればよく、特に制限さるものではないが、前記で例示したアクリルビーズの他、アクリル系,α−メチルスチレン系等の樹脂ビーズが好ましい。アクリルビーズ及び樹脂ビーズは、中空構造であってもよい。アクリルビーズ及び樹脂ビーズの平均粒径は0.01〜3μm程度が好ましい。 The organic material is not particularly limited as long as it exhibits a good thermal decomposition behavior at the time of firing, but in addition to the acrylic beads exemplified above, resin beads such as acrylic and α-methylstyrene are available. preferable. The acrylic beads and the resin beads may have a hollow structure. The average particle diameter of acrylic beads and resin beads is preferably about 0.01 to 3 μm.
そして、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数積層し、重石をのせた状態でこの積層体について所定の温度で脱バインダーを行った後、金属層12の厚みが所定の厚みとなるように重石をのせずに焼成することによって積層体13が作製される。焼成温度は、900〜1200℃、好ましくは900〜1000℃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、緻密な圧電体を作製することが困難になる。また、焼成温度が1200℃を超えると、熱膨張率の異なる圧電体層11と金属層12とが1200℃以上で接合した後、冷却されることで生じる層間の応力が大きくなったり、圧電体結晶粒子が異常粒成長したり、電極材料が融点以上になって溶融する問題があるからである。
Then, after stacking a plurality of green sheets on which conductive paste is printed, and debindering the laminated body at a predetermined temperature with a weight placed thereon, the thickness of the
このとき、不活性層14を構成するグリーンシート中に、銀−パラジウム等の金属層12を構成する金属粉末を添加したり、不活性層14の部分のグリーンシートを積層する際に、銀−パラジウム等の金属層12を構成する金属粉末及び無機化合物とバインダーと可塑剤からなるスラリーをグリーンシート上に印刷することで、不活性層14とその他の部分の焼結時の収縮挙動ならびに収縮率を一致させることができるので、緻密な積層体13を形成することができる。
At this time, when adding the metal powder constituting the
なお、積層体13は、上記製法によって作製されるものに限定されるものではなく、複数の圧電体層11と複数の金属層12とを交互に積層してなる積層体13を作製できれば、どのような製法によって形成されても良い。
In addition, the
その後、積層型圧電素子の側面に端部が露出する金属層12と端部が露出しない金属層12とを交互に形成して、端部が露出していない金属層12と外部電極15間の圧電体部分に溝を形成して、この溝内に、圧電体層11よりもヤング率の低い、樹脂またはゴム等の絶縁体を形成する。ここで、前記溝は内部ダイシング装置等で積層体13の側面に形成される。
After that, the
次に、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に制御する。ついで、このシートを、柱状積層体13の外部電極形成面に転写し、ガラスの軟化点よりも高い温度、且つ銀の融点(965℃)以下の温度で、且つ積層体13の焼成温度(℃)の4/5以下の温度で焼き付けを行うことにより、銀ガラス導電性ペーストを用いて作製したシート中のバインダー成分が飛散消失し、3次元網目構造をなす多孔質導電体からなる外部電極15を形成することができる。
Next, a binder is added to the glass powder to produce a silver glass conductive paste, which is formed into a sheet and dried (the solvent is scattered), and the raw density of the sheet is controlled to 6 to 9 g / cm 3 . To do. Next, this sheet is transferred to the external electrode formation surface of the
このとき、外部電極15を構成するペーストを多層のシートに積層してから焼付けを行っても、1層ごとに積層しては焼付けを行っても良いが、多層のシートに積層してから一度に焼付けを行うほうが量産性に優れている。そして、層ごとにガラス成分を変える場合には、シートごとにガラス成分の量を変えたものを用いればよいが、最も圧電体層11に接した面にごく薄くガラスリッチな層を構成したい場合には、積層体13に、スクリーン印刷等の方法で、ガラスリッチなペーストを印刷した上で、多層のシートを積層すればよい。このとき、印刷の代わりに5μm以下のシートを用いても良い。
At this time, the paste constituting the
なお、前記銀ガラス導電性ペーストの焼き付け温度は、ネック部を有効的に形成し、銀ガラス導電性ペースト中の銀と金属層12を拡散接合させ、また、外部電極15中の空隙を有効に残存させ、さらには、外部電極15と柱状の積層体13側面とを部分的に接合させるという点から、500〜800℃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、500〜800℃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
一方、焼き付け温度が800℃より高い場合には、銀ガラス導電性ペーストの銀粉末の焼結が進みすぎ、有効的な3次元網目構造をなす多孔質導電体を形成することができず、外部電極15が緻密になりすぎてしまい、結果として外部電極15のヤング率が高くなりすぎ駆動時の応力を十分に吸収することができずに外部電極15が断線してしまう可能性がある。好ましくは、ガラスの軟化点の1.2倍以内の温度で焼き付けを行った方がよい。また、焼き付け温度が500℃よりも低い場合には、金属層12端部と外部電極15の間で十分に拡散接合がなされないために、ネック部が形成されず、駆動時に金属層12と外部電極15の間でスパークを起こしてしまう可能性がある。
On the other hand, when the baking temperature is higher than 800 ° C., the sintering of the silver powder of the silver glass conductive paste proceeds excessively, and a porous conductor having an effective three-dimensional network structure cannot be formed. There is a possibility that the
次に、外部電極15を形成した積層体13をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体13を引き上げ、積層体13の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体13の側面にコーティングした前記シリコーンゴムを硬化させることにより、積層型圧電素子を得る。
Next, the
この積層型圧電素子を圧電アクチュエータに用いる場合には、外部電極15にリード線を接続し、該リード線を介して一対の外部電極15に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層体13を分極処理することによって、本発明の積層型圧電素子を利用した圧電アクチュエータが得られる。
When this multilayer piezoelectric element is used for a piezoelectric actuator, a lead wire is connected to the
この圧電アクチュエータのリード線を外部の電圧供給部に接続し、リード線及び外部電極15を介して金属層12に電圧を印加させれば、各圧電体層11は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能する。また、この圧電アクチュエータは、本発明の積層型圧電素子を備えているので、高電圧・高圧力下において大きい変位量を有し、かつ長期間連続駆動させた場合でも前記変位量の変化を抑制することができる。本発明における高電圧・高圧力下とは、圧電アクチュエータ(積層型圧電素子)に、室温で0〜+300Vの交流電圧を1〜300Hzの周波数で印加することを意味する。
If the lead wire of this piezoelectric actuator is connected to an external voltage supply unit and a voltage is applied to the
さらに、外部電極15の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極15の外面に導電性補助部材を設けることによりアクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極15に流れる電流を低減できるという理由から、外部電極15が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらに、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亀裂が生じるのを防ぐことができる。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意味する。
Furthermore, a conductive auxiliary member made of a conductive adhesive in which a metal mesh or a mesh-like metal plate is embedded on the outer surface of the
前記導電性補助部材を構成する導電性接着剤は、銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。すなわち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。 The conductive adhesive constituting the conductive auxiliary member is preferably made of a polyimide resin in which silver powder is dispersed. That is, by dispersing silver powder having a low specific resistance in a polyimide resin having a high heat resistance, a conductive auxiliary member having a low resistance value and a high adhesive strength can be formed even when used at a high temperature. .
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。 The conductive particles are preferably non-spherical particles such as flakes and 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。例えば、上記実施形態では、積層体13の対向する側面に外部電極15を形成した例について説明したが、本発明では、例えば隣設する側面に一対の外部電極15を形成してもよい。
The multilayer piezoelectric element of the present invention is not limited to these, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the example in which the
<噴射装置>
次に、上記で説明した本発明の積層型圧電素子を備えた噴射装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図8は、本実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図8に示すように、本実施形態にかかる噴射装置は、一端に噴射孔33を有する収納容器31の内部に、上記実施形態に代表される本発明の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ43が収納されている。
<Injection device>
Next, an embodiment of an ejection device including the multilayer piezoelectric element of the present invention described above will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the injection device according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, the injection device according to the present embodiment includes a
具体的には、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が配設されている。噴射孔33には、燃料通路37がニードルバルブ35の動きに応じて連通可能に配設されている。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。したがって、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図示しない内燃機関の燃料室内に噴出されるように構成されている。
Specifically, a
ニードルバルブ35の上端部は、内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が配置されている。そして、収納容器31内には、上記した積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ43が収納されている。
An 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構成されている。
In such an injection device, when the
以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、積層型圧電素子を噴射装置に用いた場合について説明したが、本発明はこれ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に適用可能である。また、これら以外のものであっても、圧電特性を用いた素子であれば、実施可能である。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was shown, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the case where the multilayer piezoelectric element is used for the injection device has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet , Mounted on precision positioning devices such as optical devices, vibration prevention devices, etc., or mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, yaw rate sensors, etc. The present invention can be applied to sensor elements and circuit elements mounted on piezoelectric gyros, piezoelectric switches, piezoelectric transformers, piezoelectric breakers, and the like. Moreover, even if it is a thing other than these, if it is an element using a piezoelectric characteristic, it can implement.
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
<圧電アクチュエータの作製>
積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
まず、平均粒径が0.4μmの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の圧電体層11になるセラミックグリーンシートを複数作製した。ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5質量%)にバインダーを加えた導電ペーストを用いて、主たる金属層12a、薄型金属層12b及び厚型金属層12cを、それぞれスクリーン印刷法により印刷した。
<Production of piezoelectric actuator>
A piezoelectric actuator composed of a multilayer piezoelectric element was produced as follows.
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A plurality of ceramic green sheets to be the
具体的には、主たる金属層12a、薄型金属層12b及び厚型金属層12cの印刷は、それぞれ下記のようにして行った。
・主たる金属層12a:レジスト厚み10μmの製版で5μmの厚さとなるように印刷した。
・薄型金属層12b:レジスト厚み2μmの製版で1μmの厚さとなるように印刷した。
・厚型金属層12c: レジスト厚み20μmの製版で10μmの厚さとなるように印刷した。
Specifically, the
上記のようにして各金属層が印刷されたシートを300枚用意した。これとは別に不活性層14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層30枚、積層体300枚、不活性層30枚となるように積層して積層成形体を得た。
なお、積層する際には、表1に示す組み合わせで積層した。表1中の詳細は、以下の通りである。
・金属層12aの層数割合:全金属層数に対する主たる金属層12aの層数の割合(%)
・薄型金属層12b,厚型金属層12cの対向配置:薄型金属層12bと厚型金属層12cが、少なくとも1層の圧電体層11を挟んで対向配置されているか否か
・薄型金属層12bの両側金属層が厚型金属層12c:薄型金属層12bに対して積層方向に隣り合う両側の金属層が厚型金属層12cであるか否か
・金属層12aが厚みの厚い順に積層:積層方向に、薄型金属層12b、厚型金属層12c、主たる金属層12aの順序で間に圧電体層11をそれぞれ介して配置され、かつ主たる金属層12aが厚みの厚い順に積層されているか否か
300 sheets on which each metal layer was printed as described above were prepared. Separately, green sheets to become the
In addition, when laminating | stacking, it laminated | stacked by the combination shown in Table 1. Details in Table 1 are as follows.
-Ratio of the number of
The opposed arrangement of the
この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、800℃で2時間保持した後に、1000℃で2時間焼成して積層体13を得た。この積層体13について、各金属層12a〜12cの厚みを測定した結果、以下の通りであった。
・主たる金属層12aの厚みX:5μm
・薄型金属層12bの厚みY:2μm
・厚型金属層12cの厚みZ:7μm
The laminated molded body was pressed, degreased and fired. Firing was held at 800 ° C. for 2 hours, and then fired at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a
-
・ Thickness Y of
-
次に、平均粒径2μmのフレーク状の銀粉末と、残部が平均粒径2μmのケイ素を主成分とする軟化点640℃の非晶質のガラス粉末との混合物に、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。ついで、この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て乾燥させた後、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。この銀ガラスペーストのシートを積層体13の外部電極15面に転写して積層し、700℃で30分焼き付けを行い、外部電極15を形成して積層型圧電素子を得た。
Next, a binder is added to a mixture of a flaky silver powder having an average particle diameter of 2 μm and an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. with the remainder being silicon whose average particle diameter is 2 μm. 8 parts by mass was added to 100 parts by mass of the total mass of the powder, and mixed well to prepare a silver glass conductive paste. Next, this silver glass conductive paste was formed on a release film by screen printing and dried, and then peeled off from the release film to obtain a sheet of silver glass conductive paste. The sheet of silver glass paste was transferred to the surface of the
上記で得た積層型圧電素子の外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した(表1中の試料No.1〜9)。得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
A lead wire is connected to the
<評価>
上記で得られた各圧電アクチュエータについて、連続駆動試験を行なった。評価方法を下記に示すと共に、その結果を表1に示す。
(連続駆動試験の評価方法)
各圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動した試験を行った。より具体的には、試験は各試料10個ずつで行った。変位量は、光学式非接触微少変位計で測定した。初期状態の変位量とは、1回駆動させた際の変位量を意味する。また、連続駆動後の積層部を金属顕微鏡、SEM等を使って観察し、デラミネーションの有無を観察した。さらに、高調波成分のノイズ発生の有無及び1kHzでうなり音発生の有無を評価した。
<Evaluation>
A continuous drive test was performed on each of the piezoelectric actuators obtained above. The evaluation method is shown below, and the results are shown in Table 1.
(Evaluation method for continuous drive test)
A test was performed in which each piezoelectric actuator was continuously driven up to 1 × 10 9 times by applying an AC voltage of 0 to +170 V at a frequency of 150 Hz at room temperature. More specifically, the test was performed on 10 samples. The displacement was measured with an optical non-contact micro displacement meter. The amount of displacement in the initial state means the amount of displacement when driven once. Moreover, the laminated part after continuous drive was observed using a metal microscope, SEM, etc., and the presence or absence of delamination was observed. Furthermore, the presence or absence of noise generation of harmonic components and the presence or absence of beat sound generation at 1 kHz were evaluated.
表1から明らかなように、比較例である試料No.9は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーション(層間剥離)が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料No.1〜8は、1×109回連続駆動させた後も、素子変位量が著しく低下することなく、圧電アクチュエータとして必要とする実効変位量を有しているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できたといえる。 As is clear from Table 1, the sample No. In No. 9, the stress applied to the laminated interface was concentrated on one point and the load increased to cause delamination (delamination), and the noise and noise were generated. On the other hand, sample no. It can be seen that Nos. 1 to 8 have effective displacements required as piezoelectric actuators without significantly decreasing the element displacements even after 1 × 10 9 continuous driving. Therefore, it can be said that a piezoelectric actuator having excellent durability could be produced.
特に、応力緩和層(薄型金属層12b)と応力集中層(厚型金属層12c)とを圧電体層11を介して隣同士に配置させた試料No.3は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなく、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。さらに、応力緩和層を圧電体層11を介して挟み込んだ試料No.4〜8は、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、素子変位量がほとんど変化せず、極めて耐久性に優れていたことから、素子変位量が安定した圧電アクチュエータとすることができた。中でも、不活性層との境に、応力緩和層(薄型金属層12b)、応力集中層(厚型金属層12c)を設けた試料No.6.7は極めて耐久性に優れていた。
In particular, sample No. 1 in which a stress relaxation layer (
上記実施例1における試料No.8の圧電アクチュエータの金属層12の厚みの比(Y/X及びZ/X)を表2に示すように変化させて、各圧電アクチュエータを得た(表2中の試料No.10〜14)。また、比較例として、実施例1における試料No.9の圧電アクチュエータについても記載した(表2中の試料No.15)。得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。なお、試料No.15の圧電アクチュエータは、全ての金属層が約5μmに設定されているので、表中には厚みX=5μm、Y=5μm、Z=5μmと記載し、厚みの比率Y/X=1、Z/X=1と記載している。
Sample No. in Example 1 above. Each piezoelectric actuator was obtained by changing the thickness ratio (Y / X and Z / X) of the
上記で得られた各圧電アクチュエータ(表2中の試料No.10〜15)について、上記実施例1と同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表2に示す。
表2から明らかなように、Y/Xが0.9より大きく、Z/Xが1.05より小さい試料No.15は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーション(層間剥離)が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。 As is apparent from Table 2, the sample Nos. With Y / X larger than 0.9 and Z / X smaller than 1.05. In No. 15, the stress applied to the laminated interface was concentrated on one point and the load increased to cause delamination (delamination), and the generation of noise and noise.
これに対して、試料No.10〜14は、Y/Xが0.1〜0.9の範囲であり、Z/Xが1.05〜2の範囲であるので、素子の変位量を最も大きくすることができるだけでなく、素子変位量がほとんど変化せず、極めて耐久性に優れていたことから、素子変位量が安定した積層型アクチュエータとすることができた。特に、試料No.12,13は、Y/Xが0.5〜0.8の範囲であり、Z/Xが1.1〜1.2の範囲であるので、優れた素子変位量を有する積層型アクチュエータとすることができた。 In contrast, sample no. 10-14, Y / X is in the range of 0.1-0.9 and Z / X is in the range of 1.05-2, so that not only can the displacement of the element be maximized, Since the element displacement amount hardly changed and was extremely excellent in durability, a multilayer actuator with a stable element displacement amount could be obtained. In particular, sample no. Nos. 12 and 13 are Y / X in the range of 0.5 to 0.8 and Z / X is in the range of 1.1 to 1.2. I was able to.
上記実施例1における試料No.8の圧電アクチュエータの金属層12の材料組成を表3に示すように変化させて、各圧電アクチュエータを得た(表3中の試料No.16〜33)。得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
Sample No. in Example 1 above. Each piezoelectric actuator was obtained by changing the material composition of the
上記で得られた各圧電アクチュエータについて、上記実施例1と同様にして連続駆動試験を行ない、初期状態の変位量と連続駆動後の変位量を式:[1−(連続駆動後の変位量/初期状態の変位量)]×100に当てはめ、変位量変化率(%)を算出した。その結果を表3に示す。 For each of the piezoelectric actuators obtained above, a continuous drive test is performed in the same manner as in Example 1, and the initial displacement amount and the displacement amount after the continuous drive are expressed by the formula: [1- (displacement amount after the continuous drive / (Displacement amount in initial state)] × 100, and the displacement rate change rate (%) was calculated. The results are shown in Table 3.
表3から明らかなように、試料No.32,33は、金属層12中の金属組成物において8〜10族金属の含有量が15質量%を超えており、また11族金属の含有量が85質量%未満であるため、金属層12の比抵抗が大きく、積層型圧電素子を連続駆動させた際には発熱し、圧電アクチュエータの変位量が低下することがわかる。
As apparent from Table 3, the sample No. 32 and 33, the metal composition in the
これに対して、試料No.16〜28は、金属層12中の金属組成物が8〜10属金属の含有量をM1質量%、11b属金属の含有量をM2質量%としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100質量%を満足する金属組成物を主成分とするため、金属層12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。また、試料No.29〜31も、金属層12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても金属層12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。
In contrast, sample no. 16 to 28, when the content of the metal composition in the
<圧電アクチュエータの作製>
積層型圧電素子からなる圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
すなわち、まず、上記実施例1と同様にして各金属層が印刷されたシートを30枚用意した。ついで、これとは別に不活性層14になるグリーンシートを用意し、これらを下から順に不活性層5枚、積層体30枚、不活性層5枚となるように積層して積層成形体を得た。
なお、積層する際には、表4に示す組み合わせで積層した。表4中の詳細は、以下の通りである。
・薄型金属層12b,厚型金属層12cの配置:薄型金属層12bと厚型金属層12cが、少なくとも1層の圧電体層11を挟んで対向配置されているか否か
<Production of piezoelectric actuator>
A piezoelectric actuator composed of a multilayer piezoelectric element was produced as follows.
That is, first, 30 sheets on which each metal layer was printed were prepared in the same manner as in Example 1 above. Next, separately from this, a green sheet to be an
In addition, when laminating | stacking, it laminated | stacked by the combination shown in Table 4. Details in Table 4 are as follows.
Arrangement of the
この積層成形体をプレスした後、脱脂をして焼成した。焼成は、800℃で2時間保持した後に、1000℃で2時間焼成して積層体13を得た。この積層体13について、各金属層12a〜12cの厚みを測定した結果、以下の通りであった。
・主たる金属層12aの厚みX:5μm
・薄型金属層12bの厚みY:2μm
・厚型金属層12cの厚みZ:7μm
The laminated molded body was pressed, degreased and fired. Firing was held at 800 ° C. for 2 hours, and then fired at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a
-
・ Thickness Y of
-
次に、上記実施例1と同様にして、積層体13に外部電極15を形成して積層型圧電素子を得た。ついで、上記で得た積層型圧電素子の外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した(表4中の試料No.34〜37)。得られた積層型圧電素子に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
Next, in the same manner as in Example 1, an
<評価>
上記で得られた各圧電アクチュエータについて、上記実施例1と同様にして連続駆動試験を行なった。その結果を表4に示す。
<Evaluation>
Each piezoelectric actuator obtained above was subjected to a continuous driving test in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4.
表4から明らかなように、比較例である試料No.37は、積層界面にかかる応力が一点に集中して負荷が増大してデラミネーション(層間剥離)が生じるとともに、うなり音やノイズが発生した。これに対して、本発明の試料No.34〜36は、1×109回連続駆動させた後も、素子変位量が著しく低下することなく、圧電アクチュエータとして必要とする実効変位量を有しているのがわかる。したがって、優れた耐久性を有した圧電アクチュエータを作製できたといえる。 As is apparent from Table 4, the sample No. In No. 37, stress applied to the laminated interface was concentrated on one point, the load increased, delamination (delamination) occurred, and a roar and noise occurred. On the other hand, sample no. It can be seen that Nos. 34 to 36 have effective displacements required as piezoelectric actuators without the element displacements being significantly reduced even after being continuously driven 1 × 10 9 times. Therefore, it can be said that a piezoelectric actuator having excellent durability could be produced.
特に、応力緩和層(薄型金属層12b)と応力集中層(厚型金属層12c)とを圧電体層11を介して隣同士に配置させた試料No.36は、素子の変位量を大きくすることができるだけでなく、素子変位量が安定した積層型アクチュエータを作製できることがわかる。
In particular, sample No. 1 in which a stress relaxation layer (
11 圧電体層
12,12a 金属層
12b 薄型金属層
12c 厚型金属層
13 積層体
14 不活性層
15 外部電極
31 収納容器
33 噴射孔
35 ニードルバルブ
37 燃料通路
39 シリンダ
41 ピストン
43 圧電アクチュエータ
45 皿バネ
DESCRIPTION OF
Claims (20)
A container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element according to any one of claims 1 to 19 accommodated in the container, wherein the liquid filled in the container is driven by the multilayer piezoelectric element. An injection device configured to discharge from the injection hole.
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