JP2007123808A - Stacked piezoelectric element and injection apparatus using it - 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、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、振動防止装置等に搭載される駆動素子(圧電アクチュエータ)、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、並びに圧電ジャイロ、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等に用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置に関するものである。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element (hereinafter, also simply referred to as “element”) and an injection device, for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, a vibration, and the like. Sensor elements mounted on drive elements (piezoelectric actuators), combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensitive sensors, yaw rate sensors, etc. mounted on prevention devices, etc., and piezoelectric gyros, piezoelectrics The present invention relates to a laminated piezoelectric element used for a circuit element or the like mounted on a switch, a piezoelectric transformer, a piezoelectric breaker, or the like, and an injection device including the same.
従来より、積層型圧電素子を用いたものとしては、圧電体と金属層を交互に積層した圧電アクチュエータが知られている。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を交互に積層したスタックタイプの2種類に分類されている。これらのうち、低電圧化、製造コスト低減の観点から、薄層化の点で有利であり、しかも耐久性の点で有利である同時焼成タイプの圧電アクチュエータが優位になりつつある。 Conventionally, piezoelectric actuators in which piezoelectric bodies and metal layers are alternately stacked are known as those using stacked piezoelectric elements. 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, from the viewpoint of lowering the voltage and reducing the manufacturing cost, a simultaneous firing type piezoelectric actuator that is advantageous in terms of thinning and also in terms of durability is becoming more dominant.
図7(a)は、従来の積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子は、積層体133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133は、圧電体101と金属層102とが交互に積層されてなる。積層体133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133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. 7A is a perspective view showing a conventional multilayer piezoelectric element. This multilayer piezoelectric element is composed of a multilayer body 133 and a pair of
このような従来の積層型圧電素子の製造方法は、以下の通りである。すなわち、まず、圧電体101の原料を含むセラミックグリーンシートに、金属ペーストが図7(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、金属ペーストを印刷したグリーンシートを複数積層して積層成形体を作製し、これを焼成することによって、図8のような断面構造を有する積層体133が得られる。その後、積層体133の対向する側面に金属ペーストを塗布した後、焼成することによって、一対の外部電極105が形成され、積層型圧電素子が得られる(例えば特許文献1参照)。
The manufacturing method of such a conventional multilayer piezoelectric element is as follows. That is, first, a metal paste is printed on the ceramic green sheet containing the raw material of the
一般に、金属層102としては、銀とパラジウムの合金が用いられている。また、圧電体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%に設定されている(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。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における正極から負極へ金属層中の銀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、特に高温、高湿の雰囲気中で著しく発生する傾向にある。
In general, an alloy of silver and palladium is used for the
また、従来、金属充填率が略同一な金属層102を形成することを目的に、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がほぼ同一条件に設定され、積層体133が作製される。
Conventionally, a metal paste prepared with substantially the same metal component ratio and metal concentration has been used 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、金属層102が重なり合う部分と重なり合わない部分で押圧状態が異なるため、金属層102の同一面内で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テープに凹部を形成して、金属充填率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 pressed state is different between the portion where the
ところで、従来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、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。そして、近年では、積層型圧電素子は、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ように求められているため、より高い電界が印加され、しかも長時間連続駆動させる過酷な条件下で使用できることが要求されている。
By the way, when a conventional multilayer piezoelectric element is used as a piezoelectric actuator, a lead wire (not shown) is connected and fixed to the
このように高電界、高圧力下で長時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には、圧電体101の厚みを変化させた層を設けた素子が提案されている。すなわち、厚みの異なることで他の層と変位量が変化することを利用して応力緩和を試みられている。
In order to meet such a demand for continuous driving for a long time under a high electric field and high pressure, Patent Document 4 proposes 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界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し、また、圧電体に接する部分の表面積を均一にするために、金属層の金属組成を均一にすることが試みられてきた。 Further, in the simultaneous firing type laminated piezoelectric element, it has been attempted to form a uniform metal layer so that an electric field is uniformly applied to all piezoelectric bodies. In particular, attempts have been made to make the metal composition 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.
更に、スタックタイプの積層型圧電素子において、電極と圧電体の界面の接触抵抗を積層型圧電素子の積層方向の中央部で高抵抗とし、両端に向かうにつれて小さくなるように制御し、積層型圧電素子の積層方向の中央部に応力が集中しないようにすることが提案されている(例えば、特許文献5参照)。
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ため、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。これにより、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合には、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, so if all piezoelectric bodies are driven in close contact via a metal layer, The type piezoelectric element is driven and deformed as a unit. For this reason, the stress due to the deformation of the element concentrates on the outer peripheral portion of the central portion of the element that expands when compressed and constricts when stretched. As a result, when driven continuously for a long time under a high electric field and high pressure, delamination may occur at the interface (lamination interface) between the piezoelectric layer and the metal layer. In particular, stress is concentrated at the interface between the active layer that is piezoelectrically displaced and the inactive layer that is not piezoelectrically displaced, 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、また、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 generates a beat sound, or a harmonic signal that is an integral multiple of the drive frequency is 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変位量が低下するという問題があった。従って、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 laminated piezoelectric element that continuously undergoes a dimensional change is driven for a long time, the element temperature rises, and there is a problem that the amount of displacement decreases when the energy for the element temperature rise exceeds the heat dissipation amount. 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持っているので、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 the 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 displacement of the piezoelectric body may change depending on the case.
その改善方法として、特許文献4、5に示すような方法がなされたが、現在は、高電界、高圧力下で長時間連続運転すると言うような過酷な条件下で使う場合が多くなっており、このような条件下では、まだ、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 an improvement method, methods as shown in Patent Documents 4 and 5 have been made, but at present, they are often used under severe conditions such as continuous operation for a long time under a high electric field and high pressure. Under such conditions, improvement cannot be said to be sufficient yet, and stress concentrates on the outer periphery of the central portion of the element, causing cracks or peeling, and the amount of displacement may change.
したがって、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電界、高圧力下で長時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、積層界面におけるデラミネーション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及びこれを用いた噴射装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and is a case where a large amount of displacement can be obtained, a resonance phenomenon can be suppressed, and continuous driving is performed for a long time under a high electric field and high pressure. Another object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element having excellent durability capable of suppressing a change in displacement and suppressing delamination at a laminated interface, and an injection device using the same.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、従来のように合金を主成分とする複数の金属層をすべて均一な組成とするのではなく、複数の金属層の一部として、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含ませることにより、大きな変位量が得られ、共振現象を抑制することができ、高電界、高圧力下で長時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る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 research in order to solve the above problems, the present inventors have not made a plurality of metal layers mainly composed of alloys to have a uniform composition as in the prior art. As a part, a large amount of displacement can be obtained by including a plurality of high ratio metal layers in which the ratio of one component constituting the alloy is higher than the metal layers on both sides adjacent to each other, and the resonance phenomenon can be suppressed. To obtain a laminated piezoelectric element with excellent durability capable of suppressing a change in displacement and suppressing delamination of a laminated portion even when continuously driven under an electric field and high pressure for a long time. The present inventors have found a new fact that it is possible to complete the present invention.
すなわち、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と合金を主成分とする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、前記合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする。 That is, the multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers mainly composed of an alloy are alternately stacked. A plurality of high-ratio metal layers are included which are higher than the metal layers on both sides adjacent to each other.
本発明における複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。また、前記合金が全率固溶体を形成する銀合金であり、前記一成分が銀であるのがより好ましく、前記合金が銀パラジウム合金であるのがさらに好ましい。 The plurality of high-ratio metal layers in the present invention are preferably arranged with a plurality of metal layers other than the high-ratio metal layer interposed therebetween. In addition, the alloy is a silver alloy that forms a solid solution of the entire ratio, the one component is more preferably silver, and the alloy is more preferably a silver palladium alloy.
本発明では、複数の金属層は、合金からなる場合だけでなく、その一部が単一組成の金属からなる形態であってもよい。すなわち、本発明の他の積層型圧電素子は、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、金属層を構成する少なくとも一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいることを特徴とする。また、複数の前記高比率金属層は、該高比率金属層以外の他の金属層を複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。さらに、 前記一成分が銀であり、前記他の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、前記高比率金属層が銀からなるのがより好ましく、前記他の金属層が銀パラジウム合金からなるのがさらに好ましい。 In the present invention, the plurality of metal layers may be formed not only from an alloy but also from a part of a metal having a single composition. That is, another multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, wherein the plurality of metal layers are at least one of the metal layers. It includes a plurality of high-ratio metal layers having higher component ratios than adjacent metal layers on both sides. The plurality of high-ratio metal layers are preferably arranged with a plurality of metal layers other than the high-ratio metal layer interposed therebetween. Furthermore, it is more preferable that the one component is silver, the other metal layer is mainly composed of a silver alloy that forms a solid solution, and the high-ratio metal layer is made of silver, and the other metal layer is silver. More preferably, it consists of a palladium alloy.
本発明における複数の前記高比率金属層は、規則的に配置されているのが好ましい。また、前記高比率金属層と前記圧電体層との密着力は、高比率金属層以外の他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低いのがよい。さらに、前記高比率金属層は、ビッカース硬さが高比率金属層以外の他の金属層よりも低いのがよい。 The plurality of high-ratio metal layers in the present invention are preferably arranged regularly. Further, the adhesion between the high-ratio metal layer and the piezoelectric layer is preferably lower than the adhesion between the metal layer other than the high-ratio metal layer and the piezoelectric layer. Further, the high ratio metal layer may have a Vickers hardness lower than other metal layers other than the high ratio metal layer.
また、本発明における2つの前記高比率金属層の間には、該高比率金属層以外の他の金属層が複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、前記一成分の濃度が前記高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在するのが好ましい。 In addition, a plurality of other metal layers other than the high-ratio metal layer are disposed between the two high-ratio metal layers in the present invention, and the group of the other metal layers includes the one-component metal layer. There is preferably a gradient concentration region in which the concentration gradually decreases from the high-ratio metal layer side.
本発明のさらに他の積層型圧電素子は、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主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層を含み、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていることを特徴とする。前記一種の金属層が全率固溶体を形成する銀合金を主成分とし、他の金属層が銅を主成分とするのが好ましく、前記一種の金属層が銀パラジウム合金を主成分とするのがより好ましい。また、複数の前記一種の金属層が規則的に配置されているのが好ましい。また、前記一種の金属層と前記圧電体層との密着力は、前記他の金属層と前記圧電体層との密着力よりも低いのがよい。さらに、前記一種の金属層は、ビッカース硬さが前記他の金属層よりも低いのがよい。 Still another multilayer piezoelectric element of the present invention is a multilayer piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of metal layers are alternately stacked, wherein the plurality of metal layers have at least two or more different main components. A metal layer is included, and one kind of these metal layers is arranged in a state where a plurality of other metal layers are sandwiched. The one kind of metal layer is preferably composed mainly of a silver alloy that forms a solid solution, and the other metal layer is preferably composed mainly of copper, and the one kind of metal layer is mainly composed of a silver palladium alloy. More preferred. Moreover, it is preferable that a plurality of the one kind of metal layers are regularly arranged. Further, the adhesion force between the one kind of metal layer and the piezoelectric layer is preferably lower than the adhesion force between the other metal layer and the piezoelectric layer. Further, the kind of metal layer may have a Vickers hardness lower than that of the other metal layer.
本発明の噴射装置は、噴出孔を有する収納容器の内部に上記のいずれかに記載の積層型圧電素子を収納していることを特徴とする。 An injection device according to the present invention is characterized in that the multilayer piezoelectric element according to any one of the above is stored in a storage container having an ejection hole.
本発明の積層型圧電素子によれば、複数の金属層が、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層よりも高い高比率金属層を複数含んでいるので、部分的に硬さの異なる金属層を配置することができ、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。これにより、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。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても積層部分におけるデラミネーションを抑制することができる。さらに、高比率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だけでなく、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ができる。 According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the plurality of metal layers include a plurality of high-ratio metal layers whose ratio of one component constituting the alloy is higher than that of both adjacent metal layers. Different metal layers can be arranged, and the stress applied to the piezoelectric element can be dispersed. Thereby, suppression of element deformation due to stress concentration is alleviated, so that the displacement amount of the entire piezoelectric element can be increased. Further, since stress concentration due to deformation of the piezoelectric element can be suppressed, delamination in the laminated portion can be suppressed even when the piezoelectric element is continuously driven for a long time under a high electric field and high pressure. Furthermore, by arranging a plurality of high-ratio metal layers, the resonance phenomenon that occurs when the displacements (dimensional changes) of the piezoelectric elements are aligned can be suppressed. Since the generation of the wave signal can be prevented, the noise of the control signal can be suppressed.
従って、積層型圧電素子を連続駆動させても、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。 Therefore, even if the multilayer piezoelectric element is continuously driven, the desired displacement amount does not change effectively, so that it is possible to provide a highly reliable injection device with excellent durability.
<積層型圧電素子>
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態にかかる積層型圧電素子について詳細に説明する。図1(a)は、本実施形態にかかる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。
<Laminated piezoelectric element>
(First embodiment)
Hereinafter, the laminated piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 1A is a perspective view showing a laminated piezoelectric element according to 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. FIG. FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing the multilayer structure of the multilayer piezoelectric element according to this embodiment.
図1及び図2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と合金を主成分とする複数の金属層12(12a,12b)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)。金属層12は、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 FIGS. 1 and 2, the multilayer piezoelectric element of the present embodiment has a plurality of
また、積層体13の積層方向の両端側には圧電体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。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。
In addition, an
本実施形態の積層型圧電素子は、図2に示すように、複数の金属層12が、合金を主成分としてなり、合金を構成する一成分の比率が隣り合う両側の金属層12aよりも高い高比率金属層12bを複数含んでいることを特徴としている。すなわち、合金は、組成により軟らかさ(硬さ)を自在に変化させることができるので、複数の金属層12のうちの一部を、高比率金属層12bとすることで、部分的に軟らかさが異なる金属層を配置することができる。これにより、圧電素子に加わる応力を分散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が緩和され、素子全体の変位を大きくすることができる。また、素子の変形による応力が集中するのを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層界面においてデラミネーションが生じて破損するのを抑制することができる。
In the multilayer piezoelectric element of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the plurality of
上記したように、本実施形態における「高比率金属層12b」は、合金を構成する一成分の比率(例えば、銀パラジウム合金を構成する銀の比率)が隣り合う両側の金属層12aよりも高い金属層のことである。高比率金属層12bにおける一成分の比率Bは、これに隣り合う両側の金属層12aにおける一成分の比率Aよりも高く設定されていればよいが(B>A)、比率Bが比率Aよりも好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5〜10質量%、さらに好ましくは1〜3質量%高く設定されているのがよい。比率Bが比率Aよりも0.1質量%以上高く設定されているときには、素子に加わる応力を分散させる高い効果を得ることができる。特に、比率Bが比率Aよりも0.5質量%以上高く設定されているときには、その効果が高い。一方、比率Bが比率Aよりも10質量%を超える範囲で高く設定されているときには、高比率金属層12bの熱膨張係数と隣り合う両側の金属層12aの熱膨張係数が異なることで、圧電体層と金属層との間の熱膨張率の差に起因する応力に分布が生じて積層型圧電素子内に応力が集中する箇所が生じるおそれがある。
As described above, the “high
また、本実施形態の積層型圧電素子では、駆動変形する領域は、圧電体層11のうち、該圧電体層11の両側の主面に配設された金属層12が圧電体層11を介して積層方向に重なり合う領域である。したがって、本発明の効果を得るためには、高比率金属層12bにおける一成分の比率B及び金属層12aにおける一成分の比率Aは、圧電体層11を介して積層方向に重なり合う領域において上記関係を満足していればよい。これにより、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。また、圧電素子の変形による応力集中を抑制できるので、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させた場合であっても積層部分におけるデラミネーションを抑制することができる。さらに、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だけでなく、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ができる。
Further, in the multilayer piezoelectric element of the present embodiment, the region to be driven and deformed is that the
さらには、高比率金属層12bを複数配置することで、積層型圧電素子13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がなく、量産性に有効な構造とすることができる。
Furthermore, since the magnitude of displacement of the multilayer
金属層12の合金組成は、以下のようにして測定することができる。すなわち、金属層12が露出するように、金属層12と圧電体層11との界面で積層体13を切断するなどして、金属層12の一部を採取し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析等の化学分析をすることで測定できる。また、積層型圧電素子を積層方向に切断した断面を、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)法等の分析方法を用いて分析することもできる。積層型圧電素子の切断面において、金属層をSEM(走査型電子顕微鏡)や金属顕微鏡で観察すると、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も含まれていることがある。このような場合には、金属のみで構成された部分をEPMA法等により分析すればよい。これにより、高比率金属層12bとそれ以外の金属層12aの合金比率を特定できる。
The alloy composition of the
また、複数の高比率金属層12bは、該高比率金属層12b以外の他の金属層12aを1層又は複数層挟んでそれぞれ配置されている。例えば金属層12を構成する合金が銀パラジウムで、前記一成分が銀である場合には、以下の理由から複数の高比率金属層12bは、該高比率金属層12b以外の他の金属層12aを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。すなわち、高比率金属層12bと他の金属層12aが1層ずつ交互に連続して配置されていると、積層型圧電素子13内部の応力は全ての金属層12に対して均一に分散するというメリットがある。一方、高比率金属層12bは、他の金属層12aと比較して銀比率が高いことに起因して層自体が柔らかいので、高比率金属層12bが他の金属層12aと同程度の層数存在すると駆動変位が緩和される作用も大きくなり、駆動変位量が低下する傾向にある。したがって、複数の高比率金属層12bを、高比率金属層以外の他の金属層12aを複数層挟んでそれぞれ配置させることで、他の金属層12aを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができ、さらに、複数の高比率金属層12bの部分で応力緩和を可能とするので、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれることがない。
Further, the plurality of high-
また、金属層12を構成する合金は、周期律表8〜10族金属および/または11族金属を主成分とすることで、圧電体と金属層とを同時焼成することが可能となり、接合界面を強固に結合できるだけでなく、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。金属層12を構成する合金は、特に、銀パラジウム合金であり、上記一成分が銀であるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で焼成して積層型圧電体素子13を得ることができるというだけでなく、銀とパラジウムは全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成することなく応力緩和効果を有する柔らかい高比率金属層12bを形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層12と圧電体層11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層12を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
In addition, the alloy constituting the
さらに、複数の高比率金属層12bは規則的に配置されていることが好ましい。不規則に配置されると、積層型圧電素子全体に加わる応力が、高比率金属層同士の間隔が広い部分に集中して、応力分散の効果が十分に得られないおそれがある。高比率金属層12bを規則的に配置することで、積層型圧電素子に加わる応力が効果的に分散される。ここで、本発明において「高比率金属層が規則的に配置されている」とは、高比率金属層12b間に存在する他の金属層12aの層数がいずれの高比率金属層12b間においても同じである場合はもちろんのこと、一部に応力が集中しない程度に、高比率金属層12b間に存在する他の金属層12a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、高比率金属層12b間に存在する他の金属層12aの層数は、好ましくは各層数の平均値に対して±20%の範囲内、より好ましくは各層数の平均値に対して±10%の範囲内、さらに好ましくはすべて同数であるのがよい。高比率金属層12b間に存在する他の金属層12aの層数が、上記範囲内にあることで、積層型圧電素子に加わる応力がより効果的に分散される。
Furthermore, it is preferable that the plurality of high-
また、高比率金属層12bと圧電体層11との密着力は、高比率金属層以外の他の金属層12aと圧電体層11との密着力よりも低く設定されているのが好ましい。このように高比率金属層12bの密着力が他の金属層12aよりも低いことで、積層型圧電素子に応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層12bが変形して応力が緩和される。また、密着力の弱い高比率金属層12bに接する圧電体層11は、当該高比率金属層12bとの接触面積が小さくなることで圧電体11を拘束する力が小さくなる。これによっても積層型圧電素子にかかる応力を緩和するとともに、応力の一点集中をさけることができるので、耐久性に優れた積層型圧電素子とすることができる。
Moreover, it is preferable that the adhesive force between the high-
さらに、高比率金属層12bは、ビッカース硬さ(Hv)が他の金属層12aよりも低く設定されているのが好ましい。高比率金属層12bのビッカース硬さ(Hv)が他の金属層12aよりも低い、すなわち他の金属層12aよりも柔らかい金属層とすることで、圧電素子を駆動させた際に、高比率金属層12bは、これに接する圧電体層11を拘束する力が弱くなり、圧電体層11は変位を大きくすることが可能となる。そのために、耐久性が高く、変位の大きい積層型圧電素子とすることができる。
Further, the high
本実施形態にかかる積層型圧電素子では、金属層12の積層方向の厚みが薄いため、金属層12のビッカース硬さは以下のようにして測定される。すなわち、ビッカース硬さを測定する際は、例えば明石製作所製MVK−H3型などのマイクロビッカース測定器を使用する。金属層12のビッカース硬さを測定するには、金属層12と圧電体層11の界面付近で積層型圧電素子を切断して、金属層12の部分にダイヤモンド圧子を押し込んで測定することもできるが、下地である圧電体層11の影響を受けないようにするためには、金属層12の積層方向に垂直な方向から、金属層12にダイヤモンド圧子を押し込むのが好ましい。圧電素子の側面から金属層12が露出している場合は、ダイヤモンド圧子と金属層12の積層方向が垂直になるように積層型圧電素子を設置して、ダイヤモンド圧子を金属層12に直接押し込んで硬度を測定する。一方、圧電素子の側面から金属層12が露出していない場合は、金属層12が見えるまで素子を研磨した後、上記と同様にして硬度を測定する。金属層12を露出させるためには、研磨以外に、ダイシングソーマシーンでの切断や、リューター等の利用が考えられるが、クラック等を生じさせずに平坦な面を形成できる手法であれば、特に手法は限定するものではない。
In the multilayer piezoelectric element according to this embodiment, since the thickness of the
また、2つの高比率金属層12bの間には、該高比率金属層以外の他の金属層12aが複数配置されており、当該他の金属層からなる群には、合金を構成する一成分の濃度が高比率金属層側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在しているのが好ましい。このような傾斜濃度領域が存在することで、積層型圧電素子の応力が高比率金属層12bに集中しつつ、その近傍の金属層12a(傾斜濃度領域の金属層12a)にも応力を分散させることができるので、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。さらに、全ての高比率金属層12b間において、上記傾斜濃度領域が存在するのがさらに耐久性を高める点でより好ましい。一方、合金を構成する一成分の比率が、高比率金属層12bとこれに隣り合う金属層12aとにおいて極端に異なっていると、応力緩和層となる高比率金属層12bに応力が集中しやすくなるおそれがある。
In addition, a plurality of
本発明では、金属層12が多数のボイドを有していることが好ましい。金属層12に金属成分以外の絶縁物質が含有すると、圧電素子を駆動させた際に、圧電体層11に電圧を印加できない部分が生じて圧電変位を大きくできないおそれがあるだけでなく、絶縁物質の部分に駆動時の応力が集中してデラミネーションの起点となるおそれがある。一方、金属層12が多数のボイドを有していると、金属部分に応力が加わった際に、ボイドの部分があることで金属が変形しやすくなり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、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。これにより、圧電素子の変位量がより大きく、しかも耐久性の高い積層型圧電体素子とすることができる。
In the present invention, the
特に、高比率金属層以外の他の金属層12aにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が5〜70%であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層以外の他の金属層12aの面積に対して5〜70%占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位特性に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
In particular, it is preferable that a void is provided in the
ここで、上述した金属層の面積に対するボイドの占める割合(ボイド率)は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)、金属顕微鏡、光学顕微鏡などを用いて、積層型圧電素子における積層方向に平行な断面又は積層方向に垂直な断面を観察して断面画像を得、この断面画像を評価すればよい。その切断面において、金属層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の面積で除した値を100倍したものである。 Here, the ratio (void ratio) of the void to the area of the metal layer described above is a cross section parallel to the stacking direction in the stacked piezoelectric element using, for example, a scanning electron microscope (SEM), a metal microscope, an optical microscope, or the like. Alternatively, a cross-sectional image may be obtained by observing a cross section perpendicular to the stacking direction, and the cross-sectional image may be evaluated. In the cut surface, the area of voids (voids) present in the metal layer portion is measured, and the value obtained by dividing the total sum of the void areas by the area of the metal layer is multiplied by 100.
他の金属層12aのボイド率が5%より小さいと圧電体層11が電界を印加されて変形する際に金属層12aから大きな拘束力を受け、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って、発生する内部応力も大きくなるおそれがある。一方、他の金属層12aのボイド率が70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層12aにクラックが生じやすくなり、断線等を生じる恐れがある。ボイド率は、より好ましくは7〜70%、さらに好ましくは10〜60%であるのがよい。このようにすることで、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は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させることができる。
When the void ratio of the
また、高比率金属層12bの断面における全断面積に対するボイドの占める面積比は20〜90%であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層12bの面積に対して20〜90%占めるようにすると、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からである。
Moreover, it is preferable that the area ratio which the void occupies with respect to the total cross-sectional area in the cross section of the high
さらに、金属層12が主に金属とボイドから構成されていると、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、高比率金属層以外の他の金属層12aよりも高比率金属層12bが主に金属とボイドから構成されていると、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、応力緩和効果が向上し、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。
Furthermore, when the
ボイド率の具体的な測定方法は次の通りである。すなわち、ボイド率を測定する方法は大きく分けて次の2つある。第1の方法は、積層体13を積層方向に平行な面で切ったときの断面を観察する方法であり、第2の方法は、積層体13を積層方向に垂直な面で切ったときの断面を観察する方法である。
A specific method for measuring the void ratio is as follows. That is, there are the following two methods for measuring the void ratio. The first method is a method of observing a cross section when the
ボイド率を第1の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、積層方向に平行な断面が露出するように、積層体13を公知の研磨手段を用いて研磨処理する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機KEMET−V−300を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層のボイド率を測定することができる。具体例を挙げると、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、(黒色部分の面積)/(黒色部分の面積+白色部分の面積)を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に2階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の敷居値を設定して2値化すればよい。
In order to measure the void ratio by the first method, for example, the following may be performed. First, the
また、ボイド率を第2の方法で測定するには、例えば以下のようにして行えばよい。まず、ボイド率を測定したい金属層の断面(積層方向に垂直な断面)が露出するまで、公知の研磨装置を用いて積層体13の積層方向に研磨する。具体的には、例えば研磨装置としてケメット・ジャパン(株)社製卓上研磨機KEMET−V−300を用いてダイヤモンドペーストで研磨することができる。この研磨処理により露出した断面を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡、金属顕微鏡、光学顕微鏡などにより観察して断面画像を得、この断面画像を画像処理することによって金属層のボイド率を測定することができる。具体的には、光学顕微鏡にて撮影した金属層の画像に対して、空隙部分を黒色に塗りつぶし、空隙以外の部分を白色に塗りつぶし、黒色部分の比率、即ち、(黒色部分の面積)/(黒色部分の面積+白色部分の面積)を求め、百分率で表すことによりボイド率を算出することができる。例えば、断面画像がカラーである場合は、グレースケールに変換して黒色部分と白色部分に分けるとよい。このとき、黒色部分と白色部分に2階調化するための境界の敷居値を設定する必要がある場合には、画像処理ソフトウェアや目視により境界の敷居値を設定して2値化すればよい。なお、金属層の断面を観察する際には、これらの厚みの約1/2の位置まで研磨し、これにより露出した断面を観察するのが好ましい。ただし、金属層の厚みが薄く、かつ、厚みのばらつきが比較的大きな場合には、研磨処理により金属層の断面全体を露出させることができないことがある。このような場合には、金属層の一部が露出するまで研磨処理した時点で、その露出部分を観察して断面画像を得た後、さらに研磨を進めて、既に観察した部分を除く他の部分を観察するという操作を複数回繰り返してもよい。このようにして複数回の操作で得た観察画像を足し合わせて金属層の断面全体が観察できればよい。
Moreover, what is necessary is just to perform as follows, for example, in order to measure a void ratio by the 2nd method. First, it polishes in the lamination direction of the
また、高比率金属層12bは、複数の合金が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、高比率金属層12bは、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのがよい。高比率金属層12bが複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子13の応力が金属層12に加わっても、高比率金属層12b内での応力伝播が抑制でき、高比率金属層12bのなかでも特に応力が集中する箇所を生み出さないので、応力緩和と、耐久性を両立することができる。一方、高比率金属層12bが連続した一枚の層からなる場合には、積層型圧電素子13の応力が、高比率金属層12bに集中した際に、圧電体層11との界面のうち、圧電素子の側面に面した部分にその応力が伝播集中するため、特に応力が集中する箇所が発生してしまうおそれがある。
The high-
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、金属層12の露出していない箇所は、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ために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、断面が多角形の柱状体であるのが好ましい。これは、積層体13が円柱状であると、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っ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になる。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が困難になる。これに対して、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もち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、本発明においては、金属層12中のパラジウムの含有量をM1(質量%)、銀の含有量をM2(質量%)としたとき、0<M1≦15、85≦M2<100、M1+M2=100を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが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、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、外部電極15と金属層12とが相互拡散して接合するが、パラジウムが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。また、金属層12中の銀の圧電体層11へのマイグレーションを抑制するために、パラジウム金属が0.001質量%以上15質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、パラジウムの比率は0.1質量%以上10質量%以下であるのが好ましい。また、熱伝導に優れ、より高い耐久性を必要とする場合はパラジウムの比率を0.5質量%以上9.5質量%以下とするのがより好ましく、さらに高い耐久性を求める場合は2質量%以上8質量%以下とするのがさらに好ましい。
In the present invention, when the palladium content in the
一方、銀の比率が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、金属層12が発熱する場合がある。また、金属層12中の銀の圧電体層11へのマイグレーションを抑制するために、銀が85質量%以上99.999質量%以下とすることが好ましい。また、積層型圧電素子の耐久性を向上させるという点では、銀の比率が90質量%以上99.9質量%以下であるのが好ましい。また、より高い耐久性を必要とする場合は銀の比率が90.5質量%以上99.5質量%以下であるのがより好ましく、さらに高い耐久性を求める場合は92質量%以上98質量%以下がさらに好ましい。上記の金属層12中の金属成分の質量%を示すパラジウム金属、銀金属はEPMA法等の分析方法で特定できる。
On the other hand, when the silver ratio is less than 85% by mass, the specific resistance of 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。例えば、圧電体層11がチタン酸バリウム(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。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
さらに、焼成温度は、900℃以上1000℃以下であることが好ましい。これは、焼成温度が900℃以下では、焼成温度が低いため焼成が不十分となり、緻密な圧電体層11を作製することが困難になる。また、焼成温度が1000℃を超えると、金属層12と圧電体層11接合強度が大きくなるからである。
Furthermore, it is preferable that a calcination temperature is 900 degreeC or more and 1000 degrees C or less. This is because when the firing temperature is 900 ° C. or lower, the firing temperature is low, so firing is insufficient, and it becomes difficult to produce the dense
また、本発明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おり、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、このような積層型圧電素子では、駆動中の変位によって生じる応力を緩和することができることから、連続駆動させても、金属層12の発熱を抑制することができる。
Further, the
次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。 Next, a method for producing the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described.
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する。ついで、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作製する。
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) The slurry is mixed with a plasticizer such as). Next, a ceramic green sheet to be the
次に、銀−パラジウム等の金属層12を構成する金属粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製する。ついで、これを上記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷する。
Next, a conductive paste is produced by adding and mixing a binder, a plasticizer, and the like to the metal powder constituting the
ここで、高比率金属層12bを形成する導電性ペーストは、該導電性ペーストに含まれる金属粉末のうち一成分の量を、他の金属層12aを形成する導電性ペーストに含まれる一成分の量よりも多くする。具体的には、合金として銀−パラジウムを用いて高比率金属層12bの銀成分を多くする場合には、合金組成中の銀成分が多い金属ペーストで高比率金属層12bを形成し、合金組成中の銀成分が少ない金属ペーストで高比率金属層以外の他の金属層12aを形成する。このとき、合金粉末ではなく、銀粉末とパラジウム粉末の混合粉末を用いて組成を調整してもよく、また、銀パラジウムの合金に銀粉末またはパラジウム粉末を加えることで組成を調整してもよいが、はじめから異なる組成の合金粉末を用いる方が、ペースト中の金属分散が均一になり、金属層12の同一面内の組成分布が均一になるので好ましい。
Here, the conductive paste that forms the high-
次に、導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを所望の配置で複数積層し、所定の温度で脱バインダーを行った後、900〜1200℃で焼成することによって積層体13が作製される。
Next, a plurality of green sheets on which conductive paste is printed are stacked in a desired arrangement, debindered at a predetermined temperature, and then fired at 900 to 1200 ° C., whereby the stacked
不活性層14は、該不活性層14を形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を形成する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およ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。
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、必要に応じて、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してもよい。ここで、上記溝は内部ダイシング装置等で積層体13の側面に形成できる。
Thereafter, if necessary, 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。このシートを積層体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。これにより、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 shape, and the raw density of the dried (spattered solvent) is controlled to 6 to 9 g / cm 3 . . This sheet is transferred to the external electrode forming surface of the laminate 13, and is at a temperature higher than the softening point of the glass, at a temperature not higher than the melting point of silver (965 ° C.), and 4 / of the firing temperature (° C.) of the laminate 13. Bake at a temperature of 5 or less. Thereby, the binder component in the sheet produced using the silver glass conductive paste is scattered and disappeared, and 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、圧電体層11に最も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る方法が用いられる。このとき、印刷のかわりに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(結晶粒の括れた部分)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。ネック部が存在すると、過度に緻密な焼結体とはならず、適度に隙間が存在する網目状の構造となる。
In addition, the baking temperature of the silver glass conductive paste effectively forms a neck portion (portion where crystal grains are confined), diffuses and joins the silver in the silver glass conductive paste and the
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。一方、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。
When the baking temperature is higher than 800 ° C., the silver powder of the silver glass conductive paste is sintered too much to form a porous conductor having an effective three-dimensional network structure. May become too dense, and as a result, the Young's modulus of the
次に、外部電極15を形成した積層体13をシリコーンゴム溶液に浸漬するとともに、シリコーンゴム溶液を真空脱気することにより、積層体13の溝内部にシリコーンゴムを充填し、その後シリコーンゴム溶液から積層体13を引き上げ、積層体13の側面にシリコーンゴムをコーティングする。その後、溝内部に充填、及び積層体13の側面にコーティングしたシリコーンゴムを硬化させることにより、本実施形態の積層型圧電素子が完成する。
Next, the
最後に、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完成する。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に電圧を印加させると、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。
Finally, a lead wire is connected to the
さらに、外部電極15の外面に、金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板が埋設された導電性接着剤からなる導電性補助部材を形成してもよい。この場合には、外部電極15の外面に導電性補助部材を設けることによりアクチュエータに大電流を投入し、高速で駆動させる場合においても、大電流を導電性補助部材に流すことができ、外部電極15に流れる電流を低減できる。これにより、外部電極15が局所発熱を起こし断線することを防ぐことができ、耐久性を大幅に向上させることができる。さらには、導電性接着剤中に金属のメッシュ若しくはメッシュ状の金属板を埋設しているため、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いう。
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
また、導電性補助部材を構成する導電性接着剤は銀粉末を分散させたポリイミド樹脂からなることが望ましい。即ち、比抵抗の低い銀粉末を、耐熱性の高いポリイミド樹脂に分散させることにより、高温での使用に際しても、抵抗値が低く且つ高い接着強度を維持した導電性補助部材を形成することができる。 The conductive adhesive constituting the conductive auxiliary member is preferably made of a polyimide resin in which silver powder is dispersed. That is, by dispersing silver powder having a low specific resistance in a polyimide resin having high heat resistance, a conductive auxiliary member having a low resistance value and maintaining a high adhesive strength can be formed even when used at high temperatures. .
さらに望ましくは、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のがよい。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。 More preferably, the conductive particles are non-spherical particles such as flakes or needles. By making the shape of the conductive particles non-spherical particles such as flakes and needles, the entanglement between the conductive particles can be strengthened, and the shear strength of the conductive adhesive can be further increased. it can.
以上のように、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の積層型圧電素子は上記実施形態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。 As described above, one embodiment of the present invention has been described. However, the multilayer piezoelectric element of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Is possible.
例えば、上記第1の実施形態では、金属層が全て合金からなる場合について説明したが、後述する第2の実施形態のように一部の金属層が合金からなり、残りの金属層が単一の金属からなる形態であってもよい。また、上記第1の実施形態では、金属層が同じ成分を含有している場合について説明したが、後述する第3の実施形態のように金属層が主成分の異なる少なくとも二種以上の層からなる形態であってもよい。 For example, in the first embodiment, the case where the metal layers are all made of an alloy has been described. However, as in the second embodiment described later, some metal layers are made of an alloy, and the remaining metal layers are single. The form which consists of these metals may be sufficient. Moreover, in the said 1st Embodiment, although the case where the metal layer contained the same component was demonstrated, from the at least 2 or more types of layer from which a metal layer differs in a main component like 3rd Embodiment mentioned later. The form which becomes may be sufficient.
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態にかかる積層型圧電素子について説明する。なお、第2の実施形態の説明では、上記した第1の実施形態と異なる構成についてのみ記載する。
(Second Embodiment)
The laminated piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention will be described below. In the description of the second embodiment, only the configuration different from the first embodiment will be described.
図3は、第2の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。本実施形態の積層型圧電素子では、複数の圧電体層11と複数の金属層12(12c、12d)とが交互に積層された積層体13を有し、複数の金属層12は、金属層12を構成する少なくとも一成分の比率が、隣り合う両側の金属層12cよりも高い高比率金属層12dを複数含んでいることを特徴としている。
FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view showing the multilayer structure of the multilayer piezoelectric element according to the second embodiment. The multilayer piezoelectric element of the present embodiment has a
このような高比率金属層12dを複数含んでいることで、積層体13において部分的に軟らかさ(硬さ)が異なる金属層を配置することができるので、圧電素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制することができる。
By including a plurality of such high-
さらに圧電体層11のうち、駆動変形する箇所が、金属層11に挟まれた箇所であることから、好ましくは、金属層12のうち圧電体層11を介して重なりあう部分に、金属組成の異なる金属層を形成することで、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ので、うなり音発生を防止することができるだけでなく、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ができる。さらには、金属層12の金属組成を変化させることで、積層型圧電素子13の変位の大きさを制御できるために、圧電体層11の厚みを変える必要もないことで、量産性に有効な構造とすることができる。ここで、金属層の金属組成は、前記と同様の方法で測定できる。
Furthermore, since the portion of the
また、複数の高比率金属層12dは、該高比率金属層12d以外の他の金属層12cを複数層挟んでそれぞれ配置されているのが好ましい。高比率金属層12dと他の金属層12cが1層ずつ交互に連続して配置されると、積層型圧電素子13内部の応力は全ての金属層11に対して均一に分散するが、同時に積層型圧電素子を駆動させた際に、駆動変位量も緩和することになる。したがって、複数の高比率金属層12dが他の金属層12cを複数層挟んでそれぞれ配置されることで、他の金属層12cを複数層挟んだ部分で圧電変位を大きくさせることができ、さらに、複数の高比率金属層12dの部分で応力緩和を可能とする。これにより、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。
The plurality of high-
具体的には、金属層12を構成する一成分が銀であり、他の金属層12cが銀パラジウム合金からなり、高比率金属層12dが銀からなるのが好ましい。これは、酸化雰囲気で積層型圧電体素子13を焼成して構成することができるというだけでなく、銀パラジウム合金は、全率固溶する合金なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。特に、高比率成分となる金属が銀であることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層12と圧電体層11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
Specifically, it is preferable that one component constituting the
このように高比率金属層12dが主に銀からなり、高比率金属層以外の他の金属層12cが主に銀パラジウム合金からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層11を挟んで主に銀からなる高比率金属層12dが隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがあるが、この場合、主に銀からなる高比率金属層12dのとなりの金属層は主に銀パラジウム合金からなる金属層12cであるので、銀がマイグレーションしようとしても、パラジウムと結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高い積層型圧線素子とすることができる。
As described above, the high
また、第1の実施形態と同様に理由から、複数の高比率金属層12dが規則的に配置されているのが好ましく、さらに、高比率金属層12dと圧電体層11との密着力が、他の金属層12cと圧電体層11との密着力よりも低いことが好ましい。また、2つの高比率金属層12dの間には、他の金属層12cが複数配置されており、当該他の金属層12cからなる群には、一成分の濃度が高比率金属層12d側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましい。さらに、金属層12が多数のボイドを有していることが好ましく、さらに、高比率金属層12dが島状に点在する複数個の導体膜で構成されることが好ましい。
For the same reason as in the first embodiment, it is preferable that the plurality of high-
また、第2の実施形態においては、金属層12c中のパラジウムの含有量をM1(質量%)、銀の含有量をM2(質量%)としたとき、0≦M1≦15、85≦M2≦100、M1+M2=100を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが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、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。
In the second embodiment, when the content of palladium in the
さらに、外部電極15を形成した際、外部電極15と金属層12とが相互拡散して接合するが、パラジウムが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、耐久性がおちるからである。
Furthermore, when the
第2の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、高比率金属層12dを形成する導電ペーストに銀粉末を配合する以外は、第1の実施形態と同様にすればよい。
The manufacturing method of the multilayer piezoelectric element according to the second embodiment may be the same as that of the first embodiment except that silver powder is mixed in the conductive paste for forming the high
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態にかかる積層型圧電素子について説明する。なお、第3の実施形態の説明では、上記した第1の実施形態と異なる構成についてのみ記載する。
(Third embodiment)
The laminated piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention will be described below. In the description of the third embodiment, only the configuration different from the first embodiment will be described.
図4は、第3の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。本実施形態の積層型圧電素子では、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体13を有し、複数の金属層12は主成分が異なる二種の金属層12e及び12fからなり、金属層12fが、他の金属層12eを複数層挟んだ状態で、複数配置されていることを特徴としている。
FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view showing a multilayer structure of the multilayer piezoelectric element according to the third embodiment. The multilayer piezoelectric element of this embodiment includes a
金属層は組成により軟らかさ(硬さ)を自在に変化させることができる。第3の実施形態では、主成分が異なる二種の金属層12e及び金属層12fが上記のように配置されていることで、部分的に軟らかさが異なる金属層を配置することができるので、素子に加わる応力を分散させることができる。そのため、応力集中による素子変形の抑圧が緩和されることで、素子全体の変位を大きくすることができるだけでなく、素子の変形による応力が集中することを抑制でき、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも、積層部分がはがれるのを抑制できる。
The softness (hardness) of the metal layer can be freely changed depending on the composition. In the third embodiment, since the two types of
具体的には、金属層12fが銀パラジウム合金を主成分とし、他の金属層12eが銅を主成分とするのが好ましい。このような形態とすることで、窒素雰囲気等の還元雰囲気中で積層型圧電体素子13を焼成して構成することができるというだけでなく、銀と銅とパラジウムとが全率固溶する金属なので、金属層一面にわたって不安定な金属間化合物を形成せずに応力緩和効果となる柔らかい金属層を形成することが可能となる。特に、他の金属層12cを複数層挟んだ金属層12fが銀パラジウム合金を主成分とすることで、積層型圧電素子を焼結する際には、セラミックスの液相成分に銀が固溶して、液相形成温度を低下させて焼結を進行させることが可能になる。これにより、金属層12と圧電体層11との相互結合力を強固なものとすることができる。さらに、合金化することで、単元素よりも耐マイグレーション性の強い金属層を形成することが可能となり、耐久性のある積層型圧電体素子とすることができる。
Specifically, it is preferable that the metal layer 12f has a silver palladium alloy as a main component and the
さらに、金属層12fが主に銀からなり、他の金属層24が主に銅からなることで、最も応力緩和効果が大きくなる。圧電体層11を挟んで、主に銀からなる金属層12fが隣り合う場合、銀のマイグレーションから絶縁不良が生じることがあるが、本実施形態の場合、主に銀からなる金属層12fのとなりの金属層は主に銅からなる金属層12eであるので、銀がマイグレーションしようとしても、銅と結合して、浮遊する銀イオンを消滅させて安定化させるために、マイグレーションによる絶縁不良が発生せずに、耐久性の高い積層型圧線素子とすることができる。
Furthermore, since the metal layer 12f is mainly made of silver and the other metal layer 24 is mainly made of copper, the stress relaxation effect is maximized. In the case where the metal layer 12f mainly made of silver is adjacent to the
また、第1の実施形態と同様に理由から、複数の高比率金属層12fが規則的に配置されているのが好ましく、さらに、高比率金属層12fと圧電体層11との密着力が、他の金属層12eと圧電体層11との密着力よりも低いことが好ましい。また、2つの高比率金属層12fの間には、他の金属層12eが複数配置されており、当該他の金属層12eからなる群には、一成分の濃度が高比率金属層12d側から漸次減少する傾斜濃度領域が存在することが好ましい。さらに、金属層12が多数のボイドを有していることが好ましい。特に、他の金属層12eにボイドを設け、該金属層の断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が5〜70%であることが好ましい。これは、ボイドを金属層12eの面積に対して5〜70%占めるようにすると、変位量が大きくなり、変位量に優れた積層型圧電素子を得ることができるからである。
Further, for the same reason as in the first embodiment, it is preferable that the plurality of high-ratio metal layers 12f are regularly arranged, and the adhesion between the high-ratio metal layer 12f and the
また、金属層12eのボイド率が5%より少ないと圧電体層11が電界を印加されて変形する際に金属層から束縛を受け、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に耐久性にも悪い影響を与える。一方、金属層12eのボイド率が70%より大きいと、電極部分に極端に細い部分が生じる為、金属層自体の強度が低下し、金属層にクラックが生じやすくなり、最悪は断線等を生じる恐れがあるので好ましくない。さらに、ボイド率は、より好ましくは7〜70%、さらに好ましくは10〜60%である。このようにすることで、圧電体層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。
Further, if the void ratio of the
さらに、金属層12fの断面における全断面積に対するボイドの占める面積比が24〜90%であることが好ましい。これは、ボイドを高比率金属層12bの面積に対して24〜90%占めるようにすると、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からである。
Furthermore, it is preferable that the area ratio of the void to the total cross-sectional area in the cross section of the metal layer 12f is 24 to 90%. This is because if the void is made to occupy 24 to 90% of the area of the high-
また、金属層12が主に金属とボイドから構成されていると、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、金属層12eよりも金属層12fが主に金属とボイドから構成されていると、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、応力緩和効果が向上し、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。
Further, when the
さらに、金属層12fは、複数の金属が点在した形態であるのがより好ましい。すなわち、金属層12fは、複数個の導体領域が島状に点在して構成されているのが好ましい。金属層12fが複数の導体領域の点在した形態であることで、積層型圧電素子13の応力が金属層12に加わっても、金属層12f内での応力伝播が抑制でき、金属層12fのなかでも特に応力が集中するというような箇所を生み出さない。これにより、応力緩和と、耐久性を両立することができる。
Furthermore, the metal layer 12f is more preferably in a form in which a plurality of metals are scattered. That is, the metal layer 12f is preferably configured by a plurality of conductor regions dotted in an island shape. Since the metal layer 12f has a configuration in which a plurality of conductor regions are scattered, even if the stress of the multilayer
また、第3の実施形態においては、金属層12f中のパラジウムの含有量をM1(質量%)、銀の含有量をM2(質量%)としたとき、0≦M1≦15、85≦M2≦100、M1+M2=100を満足する金属組成物を主成分とすることが好ましい。これは、パラジウムが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、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。
In the third embodiment, when the content of palladium in the metal layer 12f is M1 (mass%) and the content of silver is M2 (mass%), 0 ≦ M1 ≦ 15, 85 ≦ M2 ≦ It is preferable that the main component is a metal composition satisfying 100 and M1 + M2 = 100. This is because, when palladium exceeds 15% by mass, the specific resistance increases, and when the multilayer piezoelectric element is continuously driven, the
さらに、外部電極15を形成した際、外部電極15と金属層12とが相互拡散して接合するが、パラジウムが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、耐久性がおちるからである。
Furthermore, when the
第3の実施形態にかかる積層型圧電素子の製法は、高比率金属層12eを形成する導電ペーストに銅粉末を配合する以外は、第1の実施形態と同様にすればよい。なお、外部電極15と金属層12との接合強度を向上させるには、外部電極15を構成する金属として、銅を主成分とした金属ペーストを用いることが好ましい。外部電極15を構成するためには、銀電極であっても銅電極であっても、窒素雰囲気等の還元雰囲気で焼成することで、金属層12の酸化を抑止して、耐久性の高い金属層12とすることができる。
The manufacturing method of the multilayer piezoelectric element according to the third embodiment may be the same as that of the first embodiment except that the copper powder is blended with the conductive paste forming the high
なお、上記第3の実施形態では、複数の金属層が主成分の異なる2種の金属層からなる場合について説明したが、本発明では、複数の金属層の主成分が異なる少なくとも二種以上の金属層からなり、これらのうちの一種の金属層が、他の金属層を複数層挟んだ状態で、複数配置されていれば、本発明の効果が得られる。すなわち、圧電素子にかかる応力を金属主成分の異なる金属層近傍に集中させて、集まった応力を、さらに、金属層周辺の圧電体層を応力緩和層としてはさみこむことで、集まった応力を金属組成の高い2層の金属層のあいだに閉じ込めることができる。これにより、圧電素子全体に加わる応力を緩和させることができる。その結果、耐久性に優れた高信頼性の圧電アクチュエータを提供することができる。 In the third embodiment, the case where the plurality of metal layers are composed of two types of metal layers having different main components has been described. However, in the present invention, at least two types of the main components of the plurality of metal layers are different. The effect of the present invention can be obtained if a plurality of such metal layers are arranged with a plurality of other metal layers sandwiched therebetween. In other words, the stress applied to the piezoelectric element is concentrated in the vicinity of the metal layer having a different metal main component, and the collected stress is further sandwiched between the piezoelectric layer around the metal layer as a stress relaxation layer, so that the collected stress is applied to the metal composition. It can be confined between two high metal layers. Thereby, the stress added to the whole piezoelectric element can be relieved. As a result, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be provided.
<噴射装置>
図5は、本発明の一実施形態にかかる噴射装置を示す概略断面図である。図5に示すように、本実施形態にかかる噴射装置は、一端に噴射孔を有する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が収納されている。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。従って、ニードルバルブ35が噴射孔33を開放すると、燃料通路37に供給されていた燃料が一定の高圧で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。
<Injection device>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an injection device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in the injection device according to the present embodiment, the stacked piezoelectric element of the present invention represented by the above embodiment is stored in a
また、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。
The upper end portion of the
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ43が電圧を印加されて伸長すると、ピストン41が押圧され、ニードルバルブ35が噴射孔33を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ43が収縮し、皿バネ45がピストン41を押し返し、噴射孔33が燃料通路37と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
In such an injection device, when the
また、本発明は、積層型圧電素子および噴射装置に関するものであるが、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止装置等に搭載される駆動素子、または、燃焼圧センサ、ノックセンサ、加速度センサ、荷重センサ、超音波センサ、感圧センサ、ヨーレートセンサ等に搭載されるセンサ素子、ならびに圧電ジャイロ、圧電スイッチ、圧電トランス、圧電ブレーカー等に搭載される回路素子以外であっても、圧電特性を用いた素子であれば、実施可能である。 Further, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element and an injection device, but is not limited to the above-described embodiments. For example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, an optical device, etc. Drive elements mounted on precision positioning devices, vibration prevention devices, etc., or sensor elements mounted on combustion pressure sensors, knock sensors, acceleration sensors, load sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, yaw rate sensors, and piezoelectric elements Even a circuit element other than a circuit element mounted on a gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, a piezoelectric breaker, or the like can be implemented as long as the element uses piezoelectric characteristics.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等差し支えない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
第1の実施形態にかかる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。 A piezoelectric actuator composed of the multilayer piezoelectric element according to the first embodiment was produced as follows.
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作製した。
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A ceramic green sheet to be the
ついで、このセラミックグリーンシートの片面に、表1に示す組成となるように、主に銀−パラジウムからなる合金にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを300枚積層し、焼成した。焼成条件は、800℃で2時間保持した後に、1000℃で2時間焼成した。 Next, 300 sheets of conductive paste obtained by adding a binder to an alloy mainly made of silver-palladium by a screen printing method so as to have the composition shown in Table 1 are laminated on one side of the ceramic green sheet, Baked. As the firing conditions, after holding at 800 ° C. for 2 hours, firing was performed at 1000 ° C. for 2 hours.
このとき、高比率金属層12bを形成する部分には、表1に示す組成となるように、銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストで、3μmの厚さとなるように印刷を行い、高比率金属層12bが50層目、100層目、150層目、200層目、250層目になるように配置した。
At this time, on the portion where the high-
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が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。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。なお、フレーク状の粉末の平均粒径は、次のようにして測定されたものである。すなわち、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて粉末の写真を撮影し、その写真上で直線を引き、粒子と直線が交わる長さを50個測定し、その平均を取って平均粒径とした。 Next, a mixture of a flaky silver powder having an average particle size of 2 μm and an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. having a balance of silicon having an average particle size of 2 μm as a main component is combined with a silver powder 8 parts by mass was added to 100 parts by mass of the total mass of the glass powder, and mixed well to prepare a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced was formed on a release film by screen printing, dried and then peeled off from the release film to obtain a sheet of silver glass conductive paste. In addition, the average particle diameter of the flaky powder is measured as follows. That is, a photograph of the powder was taken using a scanning electron microscope (SEM), a straight line was drawn on the photograph, and 50 lengths where the particles and the straight line intersected were measured, and the average was taken as the average particle diameter. .
そして、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を形成した。
And the sheet | seat of the silver glass paste was transcribe | transferred and laminated | stacked on the
その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
Thereafter, a lead wire is connected to the
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。 When a DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric element, a displacement amount was obtained in the lamination direction in all piezoelectric actuators.
さらに、この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。 Furthermore, a test was performed in which the 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.
結果は表1に示すとおりである。なお、高比率金属層以外の他の金属層12aは、表1に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
表1に示すように、比較例である試料番号6は、該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 shown in Table 1, in Sample No. 6 which is a comparative example, the stress applied to the laminated interface was concentrated on one point, the load increased and peeling occurred, and a beat noise and noise generation occurred.
これに対して、本発明の実施例である試料番号1〜5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、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。 On the other hand, Sample Nos. 1 to 5 which are embodiments of the present invention have an effective displacement amount required as a piezoelectric actuator without significantly decreasing the element displacement amount even after being continuously driven 1 × 10 9 times. Thus, a piezoelectric actuator having excellent durability could be produced.
第2の実施形態にかかる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。 A piezoelectric actuator composed of a multilayer piezoelectric element according to the second embodiment was produced as follows.
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作製した。
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A ceramic green sheet to be the
このセラミックグリーンシートの片面に、表2の組成となるように、銀−パラジウム合金にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを300枚積層し、焼成した。焼成は、800℃で保持した後に、1000℃で焼成した。 On one side of this ceramic green sheet, 300 sheets formed by screen printing with a conductive paste obtained by adding a binder to a silver-palladium alloy so as to have the composition shown in Table 2 were laminated and fired. Firing was carried out at 1000 ° C. after holding at 800 ° C.
このとき、高比率金属層12dを形成する部分には、銀100%の導電性ペーストで、3μmの厚さとなるように印刷を行い、高比率金属層12bが50層目、100層目、150層目、200層目、250層目になるように配置した。
At this time, the portion on which the high-
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が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、このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。 Next, a mixture of a flaky silver powder having an average particle size of 2 μm and an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. having a balance of silicon having an average particle size of 2 μm as a main component is combined with a silver powder 8 parts by mass is added to 100 parts by mass of the total mass of the glass powder, and mixed well to produce a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced is screen-printed on a release film. After drying, the film was peeled off from the release film to obtain a silver glass conductive paste sheet.
そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体13の外部電極15面に転写して積層し、700℃で30分焼き付けを行い、外部電極15を形成した。
And the sheet | seat of the said silver glass paste was transcribe | transferred and laminated | stacked on the
その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
Thereafter, a lead wire is connected to the
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。 When a DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric element, a displacement amount was obtained in the lamination direction in all piezoelectric actuators.
さらに、この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。 Furthermore, a test was performed in which the 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.
結果は表2に示すとおりである。なお、高比率金属層以外の他の金属層は、表2に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
表2に示すように、比較例である試料番号6は、該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 shown in Table 2, in Sample No. 6 which is a comparative example, the stress applied to the laminated interface was concentrated on one point, the load increased, peeling occurred, and a beep and noise were generated.
これらに対して、本発明の実施例である試料番号1〜5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、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。 In contrast, Sample Nos. 1 to 5, which are examples of the present invention, have an effective displacement amount required as a piezoelectric actuator without significantly decreasing the element displacement amount even after being driven 1 × 10 9 times continuously. Thus, a piezoelectric actuator having excellent durability could be produced.
第3の実施形態にかかる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。 A piezoelectric actuator composed of a multilayer piezoelectric element according to the third embodiment was produced as follows.
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作製した。
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A ceramic green sheet to be the
このセラミックグリーンシートの片面に、銅粉末にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを300枚積層し、窒素雰囲気中で焼成した。焼成は、800℃で保持した後に、1000℃で焼成した。 On one side of this ceramic green sheet, 300 sheets formed by screen printing of conductive paste obtained by adding a binder to copper powder were laminated and fired in a nitrogen atmosphere. Firing was carried out at 1000 ° C. after holding at 800 ° C.
このとき、金属層12fを形成する部分には、表3に示す組成の銀−パラジウム合金の導電性ペーストで、3μmの厚さとなるように印刷を行った。この金属層12fは50層目、100層目、150層目、200層目、250層目になるように配置した。 At this time, printing was performed on the portion where the metal layer 12f was to be formed with a silver-palladium alloy conductive paste having the composition shown in Table 3 to a thickness of 3 μm. The metal layer 12f was arranged to be the 50th layer, the 100th layer, the 150th layer, the 200th layer, and the 250th layer.
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が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、このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。 Next, a mixture of a flaky silver powder having an average particle size of 2 μm and an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. having a balance of silicon having an average particle size of 2 μm as a main component is combined with a silver powder 8 parts by mass is added to 100 parts by mass of the total mass of the glass powder, and mixed well to produce a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced is screen-printed on a release film. After drying, the film was peeled off from the release film to obtain a silver glass conductive paste sheet.
そして、前記銀ガラスペーストのシートを積層体13の外部電極15面に転写して積層し、窒素雰囲気中700℃で30分焼き付けを行い、外部電極15を形成した。
Then, the sheet of silver glass paste was transferred and laminated on the surface of the
その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。
Thereafter, a lead wire is connected to the
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。 When a DC voltage of 170 V was applied to the obtained multilayer piezoelectric element, a displacement amount was obtained in the lamination direction in all piezoelectric actuators.
さらに、この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。 Furthermore, a test was performed in which the 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.
結果は表3に示すとおりである。なお、主成分が同一の金属層は、表3に示すように、いずれの層もほぼ同一組成であった。
表3に示すように、比較例である試料番号6と7は、該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 shown in Table 3, in Sample Nos. 6 and 7, which are comparative examples, the stress applied to the laminated interface was concentrated on one point, the load increased, peeling occurred, and a beat sound and noise were generated.
これらに対して、本発明の実施例である試料番号1〜5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、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。 In contrast, Sample Nos. 1 to 5, which are examples of the present invention, have an effective displacement amount required as a piezoelectric actuator without significantly decreasing the element displacement amount even after being driven 1 × 10 9 times continuously. Thus, a piezoelectric actuator having excellent durability could be produced.
実施例1における試料番号5の圧電アクチュエータの内部電極12の材料組成を変化させて、各試料の変位量の変化率を測定した。ここで、変位量の変化率とは、各試料の積層型圧電素子が駆動回数1×109回に達した時の変位量(μm)と、連続駆動を開始する前の積層型圧電素子初期状態の変位量(μm)とを比較したものである。結果を表4に示す。
表4より、試料番号15のように全ての内部電極12を銀100%にした場合は、銀のイオンマイグレーションが発生し、積層型圧電素子は破損して連続駆動が不可能となった。また、試料番号13、14は内部電極12中の金属組成物においてパラジウムの含有量が15質量%を超えており、また、銀の含有量が85質量%未満であるため、内部電極12の比抵抗が大きいことで積層型圧電素子を連続駆動させた際発熱して、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 shown in Table 4, when all the
これに対して、試料番号1〜12は、内部電極12中の金属組成物が8〜10属金属の含有量をM1質量%、1b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に、内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、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。
On the other hand, when the metal composition in the
特に、試料番号6〜8は、内部電極12中の金属組成物が8〜10属金属の含有量をM1質量%、1b属金属の含有量をM2質量%としたとき、2≦M1≦8、92≦M2≦98、M1+M2=100質量%を満足する金属組成物を主成分とするために、内部電極12の比抵抗を小さくでき、連続駆動させても内部電極12で発生する発熱を抑制できたので、素子変位量が全く変化しない、極めて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 Nos. 6 to 8 have 2 ≦ M1 ≦ 8 when the metal composition in the
表1に示す積層型圧電素子のうち、各試料1本ずつを抜き取り、金属層12の電極面が試験片の長手方向に略垂直になるように3mm×4mm×36mmに加工し、JIS R1601の4点曲げにて曲げ強さを測定した。このとき、どの部分で破壊したかを確認することで、積層型圧電素子の密着力が弱い箇所を特定した。
One sample of each of the stacked piezoelectric elements shown in Table 1 is extracted and processed into 3 mm × 4 mm × 36 mm so that the electrode surface of the
即ち、圧電体11内で破壊すれば、圧電体の強度が弱いことがわかり、金属層12内で破壊すれば、金属層12の強度が弱いことがわかり、圧電体11と金属層12の界面で破壊すれば、圧電体11と金属層12の界面の強度が弱いことがわかる。
That is, it can be seen that if the
さらに、それぞれのサンプルをアクチュエータとして機能させた場合の耐久性は表1に記載されているが、比較のために表5にも記載した。
比較例である試料番号6は、圧電体11内で破壊した。即ち、全ての圧電体11と金属層12が高強度に接合していることを示している。このことにより、アクチュエータとして1×109回連続駆動させると、積層界面にかかる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。
Sample No. 6 as a comparative example was broken in the
これに対して、本発明の実施例である試料番号1〜5は、圧電体11と高比率金属層の界面で破壊した。即ち、高比率金属層と圧電体層の密着力が最も弱いことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、密着力の弱い高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、アクチュエータとして1×109回連続駆動させた後も、剥離することなく、優れた耐久性を有していたと考えられる。
In contrast, Sample Nos. 1 to 5 which are examples of the present invention were broken at the interface between the
表1に示す積層型圧電素子のうち、各試料1本ずつを抜き取り、金属層部分のビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さの測定には、明石製作所製MVK−H3型マイクロビッカース測定器を使用した。測定に際しては、下地である圧電体層11の影響を受けないようにするために、金属層12の積層方向に垂直な方向から、金属層12にダイヤモンド圧子を押し込む方法を用いた。結果を表6に示す。なお、それぞれのサンプルをアクチュエータとして機能させた場合の耐久性は表1に記載されているが、比較のために表6にも記載した。
比較例である試料番号6は、いずれの金属層も同じ組成であるため、同じ硬さであることがわかった。即ち、全ての圧電体11が同じ硬さの金属層で接合されていることを示している。この試料6では、アクチュエータとして1×109回連続駆動させると、積層界面にかかる応力が一点に集中するため、負荷が増大して剥離が生じた。
Sample No. 6, which is a comparative example, was found to have the same hardness because all the metal layers had the same composition. That is, all the
これに対して、本発明の実施例である試料番号1〜5は、高比率金属層の硬さが他の金属層よりも低い結果となった。即ち、高比率金属層が他の金属層よりも柔らかいいことを示している。このことから、連続駆動時の応力が加わった際に、柔らかい高比率金属層が変形して応力が緩和される現象が生じ、アクチュエータとして1×109回連続駆動させた後も、剥離することなく、優れた耐久性を有していたと考えられる。 On the other hand, the sample numbers 1-5 which are the Example of this invention resulted in the hardness of a high ratio metal layer being lower than another metal layer. That is, the high-ratio metal layer is softer than the other metal layers. As a result, when stress is applied during continuous driving, a phenomenon occurs in which the soft high-ratio metal layer is deformed and the stress is relaxed, and even after the actuator is continuously driven 1 × 10 9 times, it peels off. It is thought that it had excellent durability.
傾斜濃度領域を有する積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。 A piezoelectric actuator provided with a laminated piezoelectric element having a gradient concentration region was produced as follows.
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作製した。
First, a slurry in which a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle diameter of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer is prepared, and a doctor blade method is used. A ceramic green sheet to be the
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80質量%−パラジウム20質量%)にバインダーを加えた導電性ペーストをスクリーン印刷法により形成したシートを300枚積層し、焼成した。焼成条件は、800℃で2時間保持した後に、1000℃で2時間焼成した。 Next, 300 sheets of a conductive paste obtained by adding a binder to a silver-palladium alloy (80% by mass of silver—20% by mass of palladium) by a screen printing method were laminated on one side of this ceramic green sheet and fired. As the firing conditions, after holding at 800 ° C. for 2 hours, firing was performed at 1000 ° C. for 2 hours.
このとき、高比率金属層12bを形成する部分には、銀−パラジウム合金(銀85質量%−パラジウム15質量%)の導電性ペーストで、3μmの厚さとなるように印刷を行い、さらに、図6に示すように、銀濃度が高比率金属層12b側から漸次減少するように配置した。高比率金属層12bは50層目、100層目、150層目、200層目、250層目になるように配置した。
At this time, the portion where the high-
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が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。このようにして作製した銀ガラス導電性ペーストを離型フィルム上にスクリーン印刷によって形成し、乾燥後、離型フィルムより剥がして、銀ガラス導電性ペーストのシートを得た。そして、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を形成した。
Next, a mixture of a flaky silver powder having an average particle size of 2 μm and an amorphous glass powder having a softening point of 640 ° C. having a balance of silicon having an average particle size of 2 μm as a main component is combined with a silver powder 8 parts by mass was added to 100 parts by mass of the total mass of the glass powder, and mixed well to prepare a silver glass conductive paste. The silver glass conductive paste thus produced was formed on a release film by screen printing, dried and then peeled off from the release film to obtain a sheet of silver glass conductive paste. And the sheet | seat of the silver glass paste was transcribe | transferred and laminated | stacked on the
その後、外部電極15にリード線を接続し、正極及び負極の外部電極15にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを作製した。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。
Thereafter, a lead wire is connected to the
この圧電アクチュエータを室温で0〜+170Vの交流電圧を150Hzの周波数で印加して、1×109回まで連続駆動した試験を行った。結果は表7に示すとおりである。
この表7から、比較例である試料番号3は、該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剥離が生じるとともに、うなり音やノイズ発生が生じた。 From Table 7, the sample No. 3 which is a comparative example concentrated stress on the laminated interface at one point and increased the load to cause peeling, and the noise and noise were generated.
これに対して、本発明の実施例である試料番号1は、実施例2と異なり、1×109回連続駆動させた後も、素子変位量が全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、極め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。 On the other hand, sample number 1, which is an embodiment of the present invention, is different from the embodiment 2, and is necessary as a piezoelectric actuator without any decrease in element displacement even after being continuously driven 1 × 10 9 times. Thus, a piezoelectric actuator having an effective displacement amount and extremely excellent durability could be produced.
11 圧電体
12 金属層
12a 他の金属層
12b 高比率金属層
12c 他の金属層
12d 高比率金属層
12e、12f 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 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
11
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