JP2010109057A - Stacked piezoelectric device, and injection apparatus and fuel injection system equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、圧電体を用いた駆動素子(圧電アクチュエータ),センサ素子または回路素子に用いられる積層型圧電素子に関するものである。駆動素子としては、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置,インクジェットプリンタの印字装置のような液体噴射装置,光学装置における位置決め装置のような精密位置決め装置および振動防止装置が挙げられる。センサ素子としては、例えば、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,感圧センサおよびヨーレートセンサが挙げられる。また、回路素子としては、例えば、圧電ジャイロ,圧電スイッチ,圧電トランスおよび圧電ブレーカーが挙げられる。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element used for a drive element (piezoelectric actuator), a sensor element or a circuit element using a piezoelectric body, for example. Examples of the driving element include a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as a printing device for an ink jet printer, a precision positioning device such as a positioning device for an optical device, and a vibration prevention device. Examples of the sensor element include a combustion pressure sensor, a knock sensor, an acceleration sensor, a load sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor. Examples of the circuit element include a piezoelectric gyro, a piezoelectric switch, a piezoelectric transformer, and a piezoelectric breaker.
従来から、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できることが求められている。そのため、積層型圧電素子には、より大きな変位量に応じたより高い電圧が印加され、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。 Conventionally, multilayer piezoelectric elements have been required to be able to ensure a large amount of displacement under a large pressure at the same time as miniaturization proceeds. For this reason, it is required that the multilayer piezoelectric element be used under severe conditions in which a higher voltage corresponding to a larger displacement amount is applied and continuous driving is performed for a long time.
高電圧かつ高圧力の条件で長時間連続駆動させる場合には、積層型圧電素子の駆動に伴って、内部電極層および圧電体層で構成された積層体の側面に接合された外部電極に、また外部電極の表面に被着された、外部リード線を接続するための導電性接続部材に応力がかかるため、導電性接続部材が外部電極から剥離してしまうことがある。そこで、積層型圧電素子の外部電極に破断が生じないように積層体による応力を緩和する目的で、例えば特許文献1に開示されているような、圧電体層にスリット状の応力緩和部を設けた構造や、特許文献2に開示されているような、あらかじめ圧電体層の内部に目標破断層として多孔質な層を設けた積層型圧電素子が提案されている。さらに、外部電極が応力で破断しても駆動できるように、例えば特許文献3に開示されているような、複数の電極を組み合わせた構造の外部電極も提案されている。
しかしながら、導電性接続部材の剥離を防止するために積層型圧電素子の駆動時に圧電体層によって導電性接続部材に加わる応力のみを緩和しようとすると、積層型圧電素子に外部から応力が加わったときに、圧電体層が応力で変形しようとしても導電性接続部材が被着された外部電極によって拘束された部分が変形できなくなり、導電性接続部材が被着された外部電極の無い部分とある部分との境において圧電体層に応力が集中して積層型圧電素子の積層体に亀裂が発生するという問題が生じるようになる。また、積層型圧電素子の駆動中においては、駆動による自己発熱による積層体の熱膨張に対して、外部電極および導電性接続部材の熱膨張が異なることからも、導電性接続部材が被着された外部電極の無い部分とある部分との境に応力が集中し、外部電極から導電性接続部材が剥がれたり、導電性接続部材にクラックが発生して内部電極層に電圧が供給されずに駆動が低下したりするという問題がある。 However, if only the stress applied to the conductive connection member by the piezoelectric layer during driving of the multilayer piezoelectric element is to be relaxed in order to prevent peeling of the conductive connection member, the external stress is applied to the multilayer piezoelectric element. In addition, even if the piezoelectric layer is deformed by stress, the portion restrained by the external electrode to which the conductive connection member is attached cannot be deformed, and the portion having no external electrode to which the conductive connection member is attached is present. Therefore, there is a problem that stress concentrates on the piezoelectric layer and cracks occur in the multilayer piezoelectric element laminate. Further, during the driving of the multilayer piezoelectric element, the conductive connection member is attached because the thermal expansion of the external electrode and the conductive connection member is different from the thermal expansion of the multilayer body due to self-heating caused by the drive. The stress is concentrated at the boundary between the part where there is no external electrode and the part where the conductive electrode is peeled off from the external electrode, or the conductive electrode is cracked and driven without supplying voltage to the internal electrode layer. There is a problem that decreases.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも変位量が安定した積層型圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element having a stable displacement even when driven for a long time under high voltage and high pressure conditions.
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に積層方向に長く接合されて前記内部電極層に電気的に接続された外部電極と、該外部電極の表面に長手方向に被着された、外部リード線を接続する導電性接続部材とを含む積層型圧電素子であって、前記導電性接続部材に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記導電性接続部材の厚み方向にわたるスリットが形成されていることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention has a multilayer body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and is joined to the side surface of the multilayer body in the stacking direction so as to be electrically connected to the internal electrode layer. A laminated piezoelectric element comprising an external electrode and a conductive connecting member attached to the surface of the external electrode in the longitudinal direction and connecting an external lead wire, wherein the conductive connecting member has A slit extending in the thickness direction of the conductive connecting member extending in a direction intersecting with the stacking direction is formed.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットが、前記積層体の積層方向に直交する向きに延びていることを特徴とするものである。 Moreover, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the slit extends in a direction perpendicular to the stacking direction of the multilayer body.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットが、前記導電性接続部材の幅方向の端に至っていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the slit has an end in the width direction of the conductive connecting member in the above configuration.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記導電性接続部材の幅方向の両端間にわたっていることを特徴とするものである。 Moreover, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the slit extends across both ends in the width direction of the conductive connecting member.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記積層体の前記内部電極層または前記圧電体層に設定された予定破断層に重なっていることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above-described configuration, the slit overlaps a predetermined fracture layer set in the internal electrode layer or the piezoelectric layer of the multilayer body. is there.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記外部リード線は、前記積層体の積層方向に複数本が配置されており、前記スリットは、前記外部リード線の間にあることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, in the above configuration, a plurality of the external lead wires are arranged in the stacking direction of the multilayer body, and the slit is between the external lead wires. It is a feature.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、前記外部リード線から離れていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element according to the present invention, the slit is separated from the external lead wire in the above configuration.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、少なくとも一部が前記外部リード線に添っていることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, at least a part of the slit follows the external lead wire.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記スリットは、一部が前記外部リード線と前記外部電極との間に入り込んでいることを特徴とするものである。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, a part of the slit enters between the external lead wire and the external electrode.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記外部電極に、前記積層体の積層方向に交わる向きに延びた、前記外部電極の厚み方向にわたる第2のスリットがあることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the external electrode has a second slit extending in a direction crossing the stacking direction of the stacked body and extending in the thickness direction of the external electrode. To do.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記第2のスリットは、前記導電性接続部材の前記スリットとつながっていることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the second slit is connected to the slit of the conductive connection member in the above configuration.
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記いずれかの本発明の積層型圧電素子とを備え、前記容器内に蓄えられた流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れることを特徴とするものである。 An ejection device according to the present invention includes a container having an ejection hole and any one of the multilayer piezoelectric elements according to the present invention, and fluid stored in the container is driven from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by being discharged.
本発明の燃料噴射システムは、高圧燃料を蓄えるコモンレールと、該コモンレールに蓄えられた前記高圧燃料を噴射する上記本発明の噴射装置と、前記コモンレールに前記高圧燃料を供給する圧力ポンプと、前記噴射装置に駆動信号を与える噴射制御ユニットとを備えたことを特徴とするものである。 The fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the injection device of the present invention that injects the high-pressure fuel stored in the common rail, a pressure pump that supplies the high-pressure fuel to the common rail, and the injection And an injection control unit for supplying a drive signal to the apparatus.
本発明の積層型圧電素子によれば、導電性接続部材にスリットが形成されていることにより、導電性接続部材の積層体の積層方向に直交する方向の両方の端部、すなわち積層体の側面における導電性接続部材の無い部分と導電性接続部材のある部分との境に発生する応力を導電性接続部材に形成されたスリットが吸収できるので、導電性接続部材が外部電極から剥離したり、外部電極とともに積層体から剥離したり、積層体に亀裂が発生したりすることを抑制することができる。特に、急激に積層型圧電素子の積層体に応力が加わる場合でも、スリットを起点として導電性接続部材内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体における亀裂の発生の抑制、および積層体からの導電性接続部材の剥離の発生を抑制することができる。さらに、導電性接続部材の表面積が、スリットが形成されていることによって増加するので、積層体圧電素子の駆動中に積層体において発生した自己発熱を積層体から導電性接続部材を通して導電性接続部材の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、導電性接続部材の剥離や積層体の亀裂が発生することを抑制することができるので、積層型圧電素子の変位量を安定させることができる。 According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the slits are formed in the conductive connecting member, so that both ends of the conductive connecting member in the direction orthogonal to the stacking direction of the stacked body, that is, the side surface of the stacked body Since the slit formed in the conductive connection member can absorb the stress generated at the boundary between the part without the conductive connection member and the part with the conductive connection member, the conductive connection member peels from the external electrode, It can suppress that it peels from a laminated body with an external electrode, or a crack generate | occur | produces in a laminated body. In particular, even when stress is suddenly applied to the laminated body of the multilayer piezoelectric element, cracks are generated in the conductive connecting member starting from the slits to relieve the stress, thereby suppressing the occurrence of cracks in the laminated body, and Generation | occurrence | production of peeling of the electroconductive connection member from a body can be suppressed. Further, since the surface area of the conductive connecting member is increased by forming the slit, the self-heating generated in the laminated body during driving of the laminated piezoelectric element is caused to pass through the conductive connecting member from the laminated body. Can be effectively dissipated from the surface. As a result, even when driven for a long time under high voltage and high pressure conditions, it is possible to suppress the peeling of the conductive connecting member and the cracking of the laminated body, so the displacement amount of the laminated piezoelectric element can be stabilized. Can be made.
また、本発明の噴射装置によれば、容器内に蓄えられた流体を噴射孔から吐出させる積層型圧電素子として本発明の積層型圧電素子を備えていることから、積層型圧電素子において導電性接続部材が剥離したり積層体に亀裂が発生したりすることを防止でき、また、積層体の自己発熱による問題が生じるのを抑制することができるので、流体の噴射孔からの所望の吐出を長期にわたって安定して行なうことができる。 In addition, according to the injection device of the present invention, the multilayer piezoelectric element of the present invention is provided as the multilayer piezoelectric element for discharging the fluid stored in the container from the ejection hole. Since it is possible to prevent the connection member from peeling off or cracks in the laminate, and to prevent problems due to self-heating of the laminate, the desired discharge from the fluid injection holes can be prevented. It can be performed stably over a long period of time.
さらに、本発明の燃料噴射システムによれば、コモンレールに蓄えられた高圧燃料を噴射する装置として本発明の噴射装置を備えていることから、高圧燃料の所望の噴射を長期にわたって安定して行なうことができる。 Furthermore, according to the fuel injection system of the present invention, since the injection device of the present invention is provided as a device for injecting the high-pressure fuel stored in the common rail, the desired injection of high-pressure fuel can be stably performed over a long period of time. Can do.
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。また、図2(a)および(b)は、それぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例の側面図およびA−A線断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a laminated piezoelectric element of the present invention. FIGS. 2A and 2B are a side view and a cross-sectional view taken along line AA of an example of an embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, respectively.
図1および図2に示すように、本例の積層型圧電素子1は、圧電体層3および内部電極層5が交互に積層された積層体7の側面に、積層方向に長く接合されて内部電極層5に電気的に接続された外部電極9と、この外部電極9の表面に長手方向に被着された、外部リード線(図示せず)を接続する導電性接続部材11とを含む積層型圧電素子1であって、導電性接続部材11に、積層体7の積層方向に交わる向きに延びた、導電性接続部材11の厚み方向にわたるスリット(導電性接続部材11の厚み方向にわたって形成され、外部電極9まで達している細隙)12が形成されている。なお、図2(a)および(b)においては圧電体層3以外には両図において同じハッチングを施してあり、以下の同様の図においても同じようにハッチングを施して示す。
As shown in FIGS. 1 and 2, the multilayer
このように導電性接続部材11にスリット12が形成されることによって、スリット12の周辺に導電性接続部材11内に局所的に変形する領域を形成して、導電性接続部材11に加わる応力を吸収することができる。特に、急激に積層体7に応力が加わるような場合でも、スリット12を起点として導電性接続部材11内に亀裂を生じさせて応力を緩和して、積層体7における亀裂の発生の抑制、および外部電極9または積層体7からの導電性接続部材11の剥離の発生を抑制することができる。
By forming the
さらに、導電性接続部材11にスリット12が形成されていることによって導電性接続部材11の表面積がスリット12を形成した分だけ増加するので、積層型圧電素子1の駆動中に積層体7において発生した自己発熱を積層体7から外部電極9を介して導電性接続部材11を通して、導電性接続部材11の表面から効果的に放散させることができる。この結果、高電圧かつ高圧力の条件での長時間の駆動でも、導電性接続部材11の剥離や外部電極9の剥離や積層体7の亀裂が発生することを抑制することができるので、積層型圧電素子1の変位量を安定させることができる。
Furthermore, since the surface area of the
このようなスリット12は、積層体7の積層方向に直交する向き(積層方向に直交する方向であって、圧電体層3および内部電極層5に沿った方向)に延びていることが好ましい。これは、積層型圧電素子1が駆動する際に積層体7が伸び縮みする方向に導電性接続部材11に設けられたスリット12が開口幅を変化させて変形しやすいためであり、このスリット12の変形により導電性接続部材11が積層体7と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果を効果的にもたらすことができるからである。
Such a
導電性接続部材11が外部電極9と同じく積層体7の上下方向に長い長方形状であれば、図1に示すように、導電性接続部材11の積層体7に沿った長手方向に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。また、導電性接続部材11が正方形状であれば、積層体7の積層方向の辺に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。さらに、S字状やクランク状の導電性接続部材11に対しても、導電性接続部材11の全体を見たときに積層体7の積層方向に沿った長手方向に対して直交する向きにスリット12を設けることが好ましい。
If the conductive connecting
さらに、図3(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、スリット12は導電性接続部材11の幅方向の端に至っていることが、すなわちスリット12の一端が導電性接続部材11の幅方向の端(縁)にあることが好ましい。これは、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が伸び縮みする時に、スリット12が、応力が集中しやすい導電性接続部材11の端においてより容易に変形することができ、導電性接続部材11の応力を効果的に緩和することができるからである。また、駆動による自己発熱による積層体7の熱膨張に対して導電性接続部材11の熱膨張が異なることに起因する応力についても、この応力は導電性接続部材11の端に集中する傾向があるので、導電性接続部材11の端の外周距離(外周に沿った長さ)がスリット12により増加することによって、効果的に緩和することができる。
Further, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively, a side view and a cross-sectional view taken along line AA of another embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, the
また、図4(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、スリット12は、導電性接続部材11の幅方向の両端間にわたっていることが好ましい。これによれば、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が伸び縮みする方向に導電性接続部材11に設けられたスリット12の開口幅を全体にわたって変化させて変形しやすいため、この変形により導電性接続部材11が積層体7と一緒に伸び縮みすることが可能となり、応力緩和効果をより効果的にもたらすことができる。
In addition, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), respectively, a side view and a cross-sectional view taken along the line AA of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, the
また、図5(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、スリット12は、積層体7の内部電極層5または圧電体層3に設定された、積層体7の駆動時に積層体7内において他の内部電極層5または圧電体層3よりも優先的に破断されることによって積層体7における応力を緩和する予定破断層13に重なっていることが好ましい。このように、駆動時に積層体7内において他の内部電極層5または圧電体層3よりも優先的に破断されることによって積層体7における応力を緩和する予定破断層13を積層体7に設けた積層型圧電素子1において、スリット12を予定破断層13に重なるように形成すると、積層型圧電素子1が駆動して積層体7が伸び縮みする時に、導電性接続部材11に加わった応力をスリット12を介して予定破断層13に伝えることができ、予定破断層13を破断させることによって積層体7における応力を緩和することができる。このことにより、積層型圧電素子1を長期間にわたって高い負荷が加わった環境で使用した場合においても、圧電体層3に応力および応力に起因した亀裂を発生させることなく、積層体7の予定破断層13だけに亀裂を効果的に発生させる応力緩和が可能となり、積層型圧電素子1を耐久性の高いものとすることができる。さらに、導電性接続部材11のスリット12を設けた位置から予定破断層13に対して破断を開始させることができるので、積層体7に予定破断層13を設けた場合に、どの位置から破断を開始させることができるかまでを設定できるようになり、予定破断層13の配置設計を容易にすることができ、量産性に優れた積層型圧電素子1を得ることができる。
5 (a) and 5 (b), respectively, as shown in a side view and a cross-sectional view taken along the line AA of the embodiment of the laminated piezoelectric element of the present invention, the
また、図6(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、外部リード線14は、積層体7の積層方向に複数本が配置されており、スリット12は、これら複数本の外部リード線14の間にあることが好ましい。これによれば、外部リード線14を導電性補助部材11に強固に接合することができるので、外部リード線14が剥がれにくくなる効果がある。
Further, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), respectively, a side view and a cross-sectional view taken along line AA of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, the
なお、外部リード線14は、図1〜図5においては図示していないが、いずれの例においても、1本または図6に示す例と同様に複数本が、積層体7の積層方向に配置されており、導電性接続部材11に対して埋設されて接続されている。なお、外部リード線14は、導電性接続部材11に対して、その表面に接合されて接続されていてもよいが、耐久性に優れたものとするためには、図6に示す例のように導電性接続部材11に埋設されていることが好ましい。
The
さらに、スリット12は、外部リード線14から離れていることが好ましい。これによれば、スリット12が外部リード線14から離れていることにより、積層型圧電素子1の駆動による積層体7における応力が直接に外部リード線14に加わらないので、外部リード線14が接続された導電性補助部材11が外部電極9から剥がれにくい効果をもたらすことができる。
Further, the
また、図7(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、スリット12は、少なくとも一部が外部リード線14に添っていることが好ましい。これによれば、外部リード線14に応力が加わっても、スリット12が変形して広がることで導電性接続部材11に対する応力を緩和することができるので、導電性接続部材11に発生する応力の緩和効果をもたらすことができる。
Further, as shown in FIGS. 7A and 7B, respectively, a side view and a cross-sectional view taken along line AA of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, the
また、図8(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、スリット12の少なくとも一部が、外部リード線14と外部電極9との間に入り込んでいることが好ましい。これによれば、外部リード線14に応力が加わっても、スリット12が変形して広がることで導電性接続部材11に対する応力を緩和することができるので、導電性接続部材11に発生する応力の緩和効果をもたらすことができる。
8A and 8B, at least a part of the
また、図9(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、外部電極9に、積層体7の積層方向に交わる向きに延びた、外部電極9の厚み方向にわたる第2のスリット(細隙)10があることが好ましい。これによれば、第2のスリット10が積層体7の駆動時に積層方向の幅が変化するように変形することによって、外部電極9に発生する応力を緩和する効果をもたらすことができる。
Further, as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), respectively, a side view and a cross-sectional view taken along line AA of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, There is preferably a second slit (slit) 10 extending in the thickness direction of the
さらに、図10(a)および(b)にそれぞれ本発明の積層型圧電素子の実施の形態のさらに他の例の側面図およびA−A線断面図で示すように、外部電極9にある第2のスリット10は、導電性接続部材11のスリット12とつながっている(外部電極9と導電性接続部材11との積層方向で重なっている)ことが好ましい。これによれば、外部電極9の第2のスリット10が外部電極9に発生する応力を緩和する効果をもたらし、さらに同じ箇所で導電性接続部材11のスリット12が導電性接続部材11に発生する応力を緩和する効果をもたらすことができるので、外部電極9および導電性接続部材11がどちらも積層体7から剥離しにくいものとなる効果をもたらすことができる。
Furthermore, as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), respectively, a side view and a cross-sectional view taken along the line AA of the embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, The
次に、本発明の積層型圧電素子1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the multilayer
まず、圧電体層3となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系あるいはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、このスラリーに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を用いることにより、セラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、PbZrO3−PbTiO3等からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、DBP(フタル酸ジブチル),DOP(フタル酸ジオクチル)等を用いることができる。
First, a ceramic green sheet to be the
次に、内部電極層5となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム等の金属粉末にバインダーおよび可塑剤等を添加混合することで、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて所定のパターンに印刷する。さらに、この導電性ペーストがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを複数積層する。そして、後述するように焼成することで、交互に積層された圧電体層3および内部電極層5を備えた積層体7を形成することができる。
Next, a conductive paste to be the
このとき、予定破断層13として、例えば、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を形成する場合であれば、導電性ペースト中にカーボン粉末を含有させて、焼成中にそのカーボン粉末を消失させたり、導電性ペーストの印刷時にドットパターンとなるようにパターン印刷したり、導電性ペーストを印刷乾燥した後にドライアイスブラストを行なって印刷面を荒らしたりする方法がある。また、予定破断層13として、多数の独立した金属粒子を含む多孔質金属粒子層を量産して形成する場合であれば、予定破断層13となる多孔質金属粒子層の導電性ペーストとその他の内部電極層5の導電性ペーストとの金属成分比率を変えて、焼成中に濃度差を利用して、予定破断層13から、圧電体層3を介して隣接している内部電極層5へ金属を拡散させることによって多孔質とすることができる。この方法は、量産性に優れている点で好ましい。特に、主に銀−パラジウムからなる導電性ペーストを用いて、予定破断層13となる層の銀濃度をその他の内部電極層5の銀濃度よりも高くすると、焼成時に銀が液相を形成するとともに圧電体層3の圧電体粒子間を容易に移動することができるので、極めて均一な多孔質金属粒子層からなる予定破断層13が形成できる。
At this time, for example, when forming a porous metal particle layer including a large number of independent metal particles as the expected
その後、積層型圧電素子1の積層体7の外表面に、端部が露出している内部電極層5との導通が得られるように外部電極9を形成する。この外部電極9は、銀粉末および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、これを積層体7の側面に印刷して、乾燥接着する、あるいは焼き付けることによって得ることができる。
Thereafter, the
外部電極9に第2のスリット10を設けるには、銀ガラス導電性ペーストを印刷する際に第2のスリット10を形成するようにパターン印刷する方法が最も量産的である。他には、外部電極9を形成した後に第2のスリット12のパターンをエッチングする方法、第2のスリット10の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、ダイヤモンドディスクを用いてダイシング加工する方法等がある。
In order to provide the
次に、外部電極9の表面に長手方向に導電性接続部材11を被着する。この導電性接続部材11は、外部電極9の表面に半田や導電性接着剤等の導電性接合剤を外部電極9の形状にならって塗布等により付与することによって、長手方向に被着する。そして、この導電性接続部材11を用いて、金属の線材からなるリード線や金属メッシュあるいはメッシュ状の金属板等からなる外部リード線14を、外部電極9の表面に接合し接続固定する。
Next, the
ここで、外部リード線14の材質は、銀,ニッケル,銅,リン青銅,鉄,ステンレス等の金属や合金が好ましい。また、外部リード線14の表面には、銀やニッケル等のメッキが施されてもよい。なお、外部リード線14は、導電性接続部材11により外部電極9の積層方向の全てにわたって接続されてもよいし、外部電極9の一部の領域に接続されていてもよい。
Here, the material of the
そして、導電性接続部材11にスリット12を設けるには、外部電極9に第2のスリット12を設ける方法と同様に、導電性接続部材11を形成した後にエッチングする方法、スリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストやドライアイスブラストを行なう方法、あるいは、ダイヤモンドディスクを用いてダイシング加工する方法等がある。
Then, in order to provide the
次に、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、導電性接続部材11を形成し外部リード線14を接続した積層体7を浸漬する。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体7の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体7を引き上げる。これにより、スリット12を有する導電性接続部材11を形成した積層体7の側面に外装樹脂としてのシリコーン樹脂がコーティングされる。
Next, the laminate 7 in which the
その後、外部リード線14および導電性接続部材11を介して一対の外部電極9から内部電極層5によって圧電体層3に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体7の圧電体層3を分極することによって、本例の積層型圧電素子1が完成する。そして、外部リード線14を外部の電圧供給部(図示せず)に接続し、外部リード線14,導電性接続部材11および外部電極9を介して内部電極層5によって圧電体層3に電圧を印加することにより、各圧電体層3を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、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機構として機能させることが可能となる。
Thereafter, a direct current electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the
次に、本発明の噴射装置としての流体の噴射装置の実施の形態の一例について説明する。図11は、本発明の噴射装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 Next, an example of an embodiment of a fluid ejection device as the ejection device of the present invention will be described. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of an injection device of the present invention.
図11に示すように、本例の噴射装置21は、一端に噴射孔23を有する容器25の内部に上記の実施の形態の例に代表される本発明の積層型圧電素子1が収納されている。
As shown in FIG. 11, in the
容器25内には、噴射孔23を開閉することができるニードルバルブ27が配設されている。噴射孔23には流体通路29がニードルバルブ27の動きに応じて連通可能になるように配設されている。この流体通路29は、外部の流体供給源に連結され、常時高圧で流体である例えば液体が供給されている。従って、積層型圧電素子1の駆動によってニードルバルブ27が噴射孔23を開放すると、流体通路29に供給されていた流体が、噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室(図示せず)に、噴射孔23から吐出され噴射されるように構成されている。
A
また、ニードルバルブ27の上端部は内径が大きくなっており、その部分に容器25に形成されたシリンダ31と摺動可能なピストン33が配置されている。そして、容器25内には、本発明の積層型圧電素子1が収納されている。
The upper end of the
このような噴射装置21では、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子1が電圧を印加されて伸長すると、ピストン33が押圧され、ニードルバルブ27が噴射孔23を閉塞し、流体の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると積層型圧電素子1が収縮し、皿バネ35がピストン33を押し返すことによって流体通路29が開放され、噴射孔23が流体通路29と連通して、噴射孔23から流体の噴射が行なわれるようになっている。
In such an
なお、流体噴射の動作としては、積層型圧電素子1に電圧を印加することによって流体通路29を開放して噴射孔23から流体を吐出し、電圧の印加を停止することによって流体通路29を閉鎖して流体の吐出を停止するように構成してもよい。
The fluid ejection operation is to apply a voltage to the multilayer
また、本発明の噴射装置21は、噴射孔23を有する容器25と、本発明の積層型圧電素子1とを備え、容器25内に充填された流体を積層型圧電素子1の駆動により噴射孔23から吐出させるように構成されていてもよい。すなわち、積層型圧電素子1は必ずしも容器25の内部にある必要はなく、積層型圧電素子1の駆動によって容器25の内部に噴射孔23への流体の供給および停止を行なうための圧力が加わるように構成されていればよい。また、液体を始めとする流体は、流体通路29を通して噴射孔23に供給されるだけでなく、容器25内の適当な箇所に流体を一時的に溜めておく部分を設けて、容器25内に充填された流体を噴射孔23から吐出させてもよい。
The
なお、本発明において、流体とは、燃料あるいはインク等の液体の他、種々の液状体(導電性ペースト等)および気体が含まれる。これら流体に対して本発明の噴射装置21を用いることによって、流体の流量および噴射タイミングを長期にわたって安定して制御することができる。
In the present invention, the fluid includes various liquid materials (such as conductive paste) and gas, as well as liquid such as fuel or ink. By using the
本発明の積層型圧電素子1を採用した本発明の噴射装置21を内燃機関に用いれば、従来の噴射装置に比べて、エンジン等の内燃機関の燃焼室に燃料をより長期間にわたって精度よく噴射させることができる。
When the
次に、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の例について説明する。図12は、本発明の燃料噴射システムの実施の形態の一例を示す概略図である。 Next, the example of embodiment of the fuel-injection system of this invention is demonstrated. FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a fuel injection system of the present invention.
図12に示すように、本例の燃料噴射システム41は、高圧燃料を蓄えるコモンレール43と、このコモンレール43に蓄えられた高圧燃料を噴射する複数の本発明の噴射装置21と、コモンレール43に高圧燃料を供給する圧力ポンプ45と、噴射装置21に駆動信号を与える噴射制御ユニット47とを備えている。
As shown in FIG. 12, the
噴射制御ユニット47は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧燃料の噴射の量やタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に用いる噴射制御ユニット47の場合には、エンジンの燃焼室内の状況をセンサ等で感知しながら燃料噴射の量やタイミングを制御することができる。
The
圧力ポンプ45は、流体タンク49から流体燃料を高圧でコモンレール43に供給する役割を果たす。例えばエンジンの燃料噴射システム41の場合には、1000〜2000気圧程度、好ましくは1500〜1700気圧程度の高圧にしてコモンレール43に流体燃料を送り込む。
The
コモンレール43では、圧力ポンプ45から送られてきた高圧燃料を蓄え、積層型圧電素子1の駆動に応じて噴射装置21に適宜送り込む。噴射装置21は、前述したように噴射孔23から所定量の流体である高圧燃料を噴射孔23の外部または噴射孔23に隣接する容器に高圧で吐出(噴射)する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、流体である高圧燃料を噴射孔23からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
In the
なお、本発明は、上記の実施の形態の例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なうことは何ら差し支えない。また、本発明は、積層型圧電素子に関するものであるが、上記の実施の形態の例に限定されるものでなく、例えば、インクジェットプリンタの印字装置、あるいは圧力センサ等に用いるものであっても、圧電特性を利用した積層型の圧電素子であれば、同様の構成で実施可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Further, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element, but is not limited to the above-described embodiment, and may be used for, for example, a printing device of an ink jet printer or a pressure sensor. Any multilayer piezoelectric element using piezoelectric characteristics can be implemented with the same configuration.
本発明の積層型圧電素子の例を以下のようにして作製した。 An example of the multilayer piezoelectric element of the present invention was produced as follows.
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)粉末を主成分とする原料粉末にバインダーおよ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のセラミックグリーンシートを作製した。 First, a slurry is prepared by mixing a binder powder and a plasticizer with a raw material powder mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) powder with an average particle size of 0.4 μm, and a ceramic green sheet with a thickness of 150 μm is prepared by the doctor blade method. did.
次に、Ag95質量%−Pd5質量%の金属組成である銀−パラジウム合金粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストAと、Ag100質量%の金属組成である銀粉末を含有する原料粉末にバインダーを加えた導電性ペーストBとを作製した。
Next, a conductive paste A obtained by adding a binder to a raw material powder containing silver-palladium alloy powder having a metal composition of Ag 95 mass% -
そして、セラミックグリーンシートの片面に、導電性ペーストAをスクリーン印刷法により30μmの厚みになるように内部電極層5のパターンで印刷した。そして、導電性ペーストAが印刷された各セラミックグリーンシートを積層して生積層体を作製した。なお、積層数としては、内部電極層5の数が300となるように積層し、生積層体の積層方向の両端部には、導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートのみをそれぞれ20枚積層し、試料番号1〜10とした。
Then, the conductive paste A was printed on one side of the ceramic green sheet with a pattern of the
次に、予定破断層13として、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層を設けるために、試料番号5〜10においては、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層5を導電性ペーストBを用いて印刷した。
Next, in order to provide a low-rigidity metal layer made of isolated metal particles as the expected
次に、それぞれの試料番号の生積層体に所定の温度で脱バインダー処理を施した後、800〜1000℃で焼成して、積層体7を得た。ここで、試料番号5〜10では、導電性ペーストBを用いた層の電極成分の銀が焼成中に隣接する銀濃度の低い金属層に拡散したために、導電性ペーストBを用いた層に、孤立した金属粒子からなる低剛性金属層である予定破断層13が形成された。
Next, the raw laminate of each sample number was subjected to binder removal treatment at a predetermined temperature, and then fired at 800 to 1000 ° C. to obtain a laminate 7. Here, in Sample Nos. 5 to 10, since the silver of the electrode component of the layer using the conductive paste B diffused into the adjacent metal layer having a low silver concentration during firing, the layer using the conductive paste B A planned
そして、各々の試料番号の積層体7に、所望の寸法に加工した上で、表1に示すように試料番号9,10は、第2のスリット10が形成できるように、外部電極9をそれぞれ形成した。まず、銀を主成分とする金属粉末にバインダー,可塑剤,ガラス粉末等を添加混合して外部電極9用の導電性ペーストCを作製した。この導電性ペーストCを、積層体7の長方形状の側面の外部電極9を形成する箇所にスクリーン印刷等によって、積層体7の積層方向に長く延びた長方形状のパターンに印刷した。その後、600〜800℃で焼成して、外部電極9を形成した。このとき、外部電極9は、積層体7の側面に積層方向の長手方向に形成し、第2のスリット10は、積層方向の50番目および250番目に位置する内部電極層5である予定破断層13に重なった位置に、幅(積層方向の幅)×長さ(積層方向に直交する方向の長さ)を0.5mm×3mmの大きさとして積層方向に直交する向きに形成した。
And after processing to the laminated body 7 of each sample number to a desired dimension, as shown in Table 1,
そして、各試料番号の外部電極9の表面に、導電性接続部材11として銀粉末を用いた導電性ペーストを全面に塗布して硬化させて被着する際に、その導電性接続部材11に直径0.5mmの金属の線材からなる外部リード線14を埋設して接続した。そして、導電性接続部材11を形成した後にスリット12の形状のパターンを設けたメタルマスクをのせて、サンドブラストでスリット12を加工した。このスリット12は、各試料番号について、それぞれ次のように形成した。
When a conductive paste using silver powder is applied to the entire surface of the
試料番号1では、本発明の比較例として、スリット12を形成しなかった。試料番号2では、積層体7の積層方向の50番目および250番目の内部電極層5に重なる位置の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5mm×長さ1mmのスリット12を導電性接続部材11内に納まるように形成した。試料番号3では、試料番号2と同じ位置の内部電極層5上の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5mm×長さ1mmのスリット12を、一方の端が外部電極9の端に至るように形成した。試料番号4では、試料番号2と同じ位置の内部電極層5上の導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5mm×長さ3mmのスリット12を、外部電極9の端から端に至るように形成した。試料番号5〜8では、積層体7の積層方向の50番目および250番目の予定破断層13に重なるように導電性接続部材11に、積層方向に直交する向きに幅0.5mm×長さ3mmのスリット12を、外部電極9の端から端に至るように形成した。また、試料番号9では、導電性接続部材11にスリット12を設けなかった。そして、試料番号10では、積層方向の50番目および250番目の予定破断層13に重なるように、外部電極9および導電性接続部材13に、積層方向に直交する向きに幅0.5mm×長さ3mmの第2のスリット10を外部電極9の端から端に至るように、および幅0.5mm×長さ3mmのスリット12を同じく外部電極9の端から端に至るように形成した。
In
そして、シリコーンゴムからなる外装樹脂を含む樹脂溶液に、外部電極9を形成し導電性接続部材11を被着した積層体7を浸漬した。そして、シリコーン樹脂溶液を真空脱気することにより、積層体7の外周側面の凹凸部にシリコーン樹脂を密着させ、その後、シリコーン樹脂溶液から積層体7を引き上げることにより、積層体7の側面に外装樹脂としてのシリコーン樹脂を形成した。
And the laminated body 7 which formed the
このようにして作製した各試料を用いて駆動評価を行なった。駆動評価としては、高速応答性評価と耐久性評価とを行なった。まず、外部リード線14,導電性接続部材11および外部電極9を介して内部電極層5から圧電体層3に3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、積層型圧電素子1を用いた圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータに170Vの直流電圧を印加して、初期状態の変位量を測定した。
Driving evaluation was performed using each sample thus produced. As drive evaluation, high-speed response evaluation and durability evaluation were performed. First, a polarization process is performed by applying a 3 kV / mm direct current electric field from the
高速応答性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で0〜+170Vの電圧の交流電圧を150Hzから徐々に周波数を増加させて印加した。耐久性評価としては、各々の圧電アクチュエータに室温で0〜+170Vの電圧の交流電圧を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なった。これらの各試料の作製条件を表1に、また試験の結果を表2に示す。 For high-speed response evaluation, an AC voltage of 0 to +170 V at room temperature was applied to each piezoelectric actuator with the frequency gradually increased from 150 Hz. For durability evaluation, an AC voltage of 0 to +170 V was applied to each piezoelectric actuator at a frequency of 150 Hz at room temperature, and a test was continuously performed up to 1 × 10 9 times. The production conditions for each of these samples are shown in Table 1, and the test results are shown in Table 2.
表1および表2に示すように、導電性接続部材11にスリット12を形成しなかった比較例の試料番号1についてのみ、圧電アクチュエータでは、印加電圧の周波数が1kHzを超えた時にうなり音の発生が認められた。これについて、表2のうなり音の発生の欄に「発生」で示した。これは、試料番号1の積層型圧電素子では、積層体7が導電性接続部材11に拘束されているために、駆動に伴って内部電極層5間に局部発熱が生じた際に、圧電体層3毎の変位速度に乱れが生じ、印加した交流電圧の周波数に変位が追従できなかったものと考えられる。
As shown in Tables 1 and 2, only the
なお、駆動周波数を確認するために、横河電機製オシロスコープDL1640Lを用いて試料番号1の駆動信号のパルス波形を確認したところ、駆動周波数の整数倍の周波数に相当する箇所に高調波ノイズが確認された。これについて、表2の高調波成分のノイズの欄に「発生」で示した。
In order to confirm the drive frequency, the pulse waveform of the drive signal of
また、耐久性評価の結果としては、比較例の試料番号1では、耐久性評価試験後の変位量(1×109サイクル後の変位量)は5μmとなり、耐久性評価試験前と比較して90%近く({(45−5)/45}×100=88.9(%))低下していた。また、試料番号1の圧電アクチュエータでは、連続駆動後(1×109回)に、導電性接続部材11の一部および外部電極9の一部に剥がれが見られ、また積層体7において積層部分の一部に亀裂の発生が見られた。
As a result of the durability evaluation, in the
一方、本発明の実施例である試料番号2〜10の圧電アクチュエータでは、いずれも連続駆動後(1×109回)に導電性接続部材11の剥がれ、外部電極9の剥がれ、および積層体7の積層部分の亀裂は確認されなかった。また、耐久性評価試験後の変位量(1×109サイクル後の変位量)の低下は8μm以下であり、耐久性評価試験前と比較して変位量の低下は18%以下(最大で試料番号2において{(45−37)/45}×100=17.8(%))に抑えられていた。特に、試料番号5〜8の圧電アクチュエータでは、スリット12を予定破断層13に重なるように形成したことにより、積層体7が伸び縮みする時に、導電性接続部材11に加わった応力をスリット12を介して予定破断層13に伝えることができ、予定破断層13を破断させることによって、積層体7における応力を緩和することができたので、1×109サイクル後も変位量の低下が6%台と10%以下であり、非常に高い耐久性を有していることが分かった。さらに、試料番号10の圧電アクチュエータでは、外部電極9の第2のスリット10が外部電極9に発生する応力を緩和する効果をもたらし、さらに、同じ箇所で導電性接続部材11のスリット12によって導電性接続部材11に発生する応力を緩和することができたので、1×109サイクル後も変位量の低下がほとんど確認されず、低下量が1μmで変化率も2.1%と小さく、非常に高い耐久性を有していることが分かった。
On the other hand, in the piezoelectric actuators of sample numbers 2 to 10 which are the embodiments of the present invention, the conductive connecting
なお、耐久性評価試験後に、試料番号5〜10の積層型圧電素子は、予定破断層13に亀裂が発生していたのが確認できた。これは、導電性接続部材11にスリット12を設けた位置で、または外部電極9に第2のスリット10を設けた位置で応力が集中することにより、それらが重なるように形成された予定破断層13に対して応力を伝えて破断を開始させることができたものである。このことから、導電性接続部材11にスリット12を設けることによって予定破断層13が優先的に破断し、積層体7における応力を緩和したことを確認できた。
In addition, after the durability evaluation test, it was confirmed that the laminated piezoelectric elements of
1・・・積層型圧電素子
3・・・圧電体層
5・・・内部電極層
7・・・積層体
9・・・外部電極
10・・・第2のスリット
11・・・導電性接続部材
12・・・スリット
13・・・予定破断層
14・・・外部リード線
21・・・噴射装置
23・・・噴射孔
25・・・容器
27・・・ニードルバルブ
29・・・流体通路
31・・・シリンダ
33・・・ピストン
35・・・皿バネ
41・・・燃料噴射システム
43・・・コモンレール
45・・・圧力ポンプ
47・・・噴射制御ユニット
49・・・燃料タンク
DESCRIPTION OF
10 ... Second slit
11 ... Conductive connection member
12 ... Slit
13 ... Scheduled fracture layer
14 ... External lead wire
21 ... Injection device
23 ・ ・ ・ Injection hole
25 ・ ・ ・ Container
27 ... Needle valve
29 ・ ・ ・ Fluid passage
31 ... Cylinder
33 ... Piston
35 ... Belleville spring
41 ... Fuel injection system
43 ... Common rail
45 ... Pressure pump
47 ・ ・ ・ Injection control unit
49 ... Fuel tank
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