JP2010171146A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば燃料噴射装置に使用する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator used in, for example, a fuel injection device.
従来から、印加電圧に応じて伸張する圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、複数の圧電層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電体素子を備えている。 Conventionally, a piezoelectric actuator that expands in accordance with an applied voltage is known. The piezoelectric actuator includes a stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked.
そして、外部からの湿気が積層型圧電体素子に届き難くし、積層型圧電素子の側面からの沿面放電を防止するために、不活性ガスを封入した密閉容器内に収容して、外装樹脂に酸化劣化防止剤を含有させる技術が提案されている(例えば特許文献1を参照)。 In order to prevent moisture from the outside from reaching the multilayer piezoelectric element and to prevent creeping discharge from the side surface of the multilayer piezoelectric element, it is accommodated in an airtight container filled with an inert gas, A technique for containing an oxidative degradation inhibitor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
ところで、セラミックスを用いた圧電層とAgを用いた内層電極とを一体焼結する積層型圧電素子は、焼結時にセラミックスの粒界中にAgが拡散し、Agが高い拡散係数を持つことが確認されている(例えば非特許文献1を参照)。従って、セラミックスの圧電層内には、Agの酸化物が存在することが知られている。 By the way, in a laminated piezoelectric element that integrally sinters a piezoelectric layer using ceramics and an inner layer electrode using Ag, Ag diffuses into the grain boundaries of ceramics during sintering, and Ag has a high diffusion coefficient. (For example, refer nonpatent literature 1). Therefore, it is known that an oxide of Ag is present in the ceramic piezoelectric layer.
また、一般にPZTセラミックスの場合、高温で分解しやすいジルコン酸鉛を含むため、焼成中にジルコン酸鉛が分解し、PbOが液相を形成して粒界に存在していることが知られている(例えば非特許文献2を参照)。
In general, PZT ceramics contain lead zirconate, which is easily decomposed at high temperatures. Therefore, it is known that lead zirconate decomposes during firing, and PbO forms a liquid phase and exists at grain boundaries. (See Non-Patent
従って、従来技術のように、密閉容器内に不活性ガスを封入し、あるいは外装樹脂に酸化劣化防止剤を含有させた状態で長時間使用すると、圧電層のセラミックス中に存在する金属酸化物(AgO、PbO)の還元が促進されて金属となり、圧電層のセラミックスに導電性が生じてしまい、アクチュエータの変位性能が低下するおそれがある。 Accordingly, as in the prior art, when an inert gas is sealed in a sealed container or an exterior resin contains an oxidative degradation inhibitor and used for a long time, the metal oxide ( Reduction of (AgO, PbO) is promoted to become a metal, and electrical conductivity is generated in the ceramic of the piezoelectric layer, so that the displacement performance of the actuator may be lowered.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長寿命化が可能な圧電アクチュエータを提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of extending the life.
上記課題を解決する本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、密閉容器内に酸化性ガスを封入した構成を有することを特徴としている。 A piezoelectric actuator of the present invention that solves the above-mentioned problems is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer for supplying an applied voltage, and is expanded by supplying an applied voltage. A piezoelectric actuator having a sealed container that is housed in a state of being shielded from outside air is characterized by having a configuration in which an oxidizing gas is sealed in a sealed container.
本発明によると、圧電アクチュエータは、圧電体素子が収容された密閉容器内に、酸化性ガスが封入された構成を有するので、圧電層内に存在する酸化金属の還元反応を抑制することができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。 According to the present invention, since the piezoelectric actuator has a configuration in which the oxidizing gas is sealed in the sealed container in which the piezoelectric element is accommodated, the reduction reaction of the metal oxide existing in the piezoelectric layer can be suppressed. . Therefore, it is possible to prevent a decrease in insulation in the piezoelectric layer over time by repeated use for a long time, and it is possible to prevent a decrease in displacement performance of the piezoelectric actuator due to the decrease in insulation. Therefore, the lifetime of the piezoelectric actuator can be dramatically improved.
本発明の好適な一つの具体例として、酸化性ガスは、予め設定された露点温度に水分管理された乾燥ガスであることが好ましい。このように乾燥ガスを使用することによって、圧電体素子の湿度を低くし、圧電層の絶縁性を維持することができる。 As a preferred specific example of the present invention, the oxidizing gas is preferably a dry gas whose moisture is controlled at a preset dew point temperature. By using the dry gas in this way, the humidity of the piezoelectric element can be lowered and the insulation of the piezoelectric layer can be maintained.
また、酸化性ガスの量は、密閉容器内に封入される気体の30wt%〜100wt%であることが好ましい。この場合、酸化性ガスの量は、100wt%であることが最も好ましいが、30wt%であっても、圧電層内の酸化金属の還元反応を十分に抑制することができる。そして、酸化性ガスは、酸素又はオゾンであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the quantity of oxidizing gas is 30 wt%-100 wt% of the gas enclosed in an airtight container. In this case, the amount of the oxidizing gas is most preferably 100 wt%, but even if it is 30 wt%, the reduction reaction of the metal oxide in the piezoelectric layer can be sufficiently suppressed. The oxidizing gas is preferably oxygen or ozone.
また、上記課題を解決する本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層して形成され印加電圧の供給により伸張する圧電体素子と、該圧電素子を外気から遮断された状態で収容する密閉容器を有する圧電アクチュエータにおいて、密閉容器内に酸化性粉末を封入した構成を有することを特徴としている。 Also, the piezoelectric actuator of the present invention that solves the above-mentioned problems is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers for supplying an applied voltage, and is expanded by supplying the applied voltage, A piezoelectric actuator having a sealed container that houses an element in a state of being shielded from outside air is characterized by having a configuration in which an oxidizing powder is enclosed in a sealed container.
本発明によると、圧電アクチュエータは、圧電体素子が収容された密閉容器内に、酸化性粉末が封入された構成を有するので、圧電層の内部に存在する金属酸化物よりも先に酸化性粉末を還元させて安定した酸化金属に変化させ、圧電層の金属酸化物の還元を遅らせることができる。 According to the present invention, since the piezoelectric actuator has a configuration in which the oxidizing powder is enclosed in a sealed container in which the piezoelectric element is accommodated, the oxidizing powder is present before the metal oxide present in the piezoelectric layer. Can be reduced to a stable metal oxide, and the reduction of the metal oxide in the piezoelectric layer can be delayed.
従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。また、酸化性粉末は、PbO2、Pb3O4、AgOのいずれかを有する過酸化金属の粉末が好ましい。 Therefore, it is possible to prevent a decrease in insulation in the piezoelectric layer over time by repeated use for a long time, and it is possible to prevent a decrease in displacement performance of the piezoelectric actuator due to the decrease in insulation. Therefore, the lifetime of the piezoelectric actuator can be dramatically improved. The oxidizing powder is preferably a metal peroxide powder having any of PbO 2 , Pb 3 O 4 , and AgO.
本発明によれば、密閉容器内に封入された酸化性ガスによって、圧電層の内部に存在する酸化金属の還元反応を抑制して、還元を遅らせることができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した圧電アクチュエータの変位性能の低下を防止し、圧電アクチュエータの寿命を飛躍的に向上させることができる。 According to the present invention, the reducing reaction of the metal oxide existing inside the piezoelectric layer can be suppressed and the reduction can be delayed by the oxidizing gas sealed in the sealed container. Therefore, it is possible to prevent deterioration of insulation in the piezoelectric layer over time due to repeated use for a long time, prevent deterioration of displacement performance of the piezoelectric actuator due to insulation deterioration, and dramatically increase the life of the piezoelectric actuator. Can be improved.
[第1実施の形態]
次に、本発明の第1実施の形態について図面を用いて以下に詳細に説明する。
図1は、本実施の形態に係わる圧電アクチュエータの断面図、図2は、圧電アクチュエータの圧電層と内部電極層の平面図、図3は、図2の圧電層に隣接して積層される圧電層と内部電極層の平面図、図4は、圧電体素子の斜視展開図である。
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
1 is a sectional view of a piezoelectric actuator according to the present embodiment, FIG. 2 is a plan view of a piezoelectric layer and an internal electrode layer of the piezoelectric actuator, and FIG. 3 is a piezoelectric layer laminated adjacent to the piezoelectric layer of FIG. FIG. 4 is a perspective development view of the piezoelectric element.
圧電アクチュエータ1は、図1に示すように、圧電体素子2と、その圧電体素子2を収容する密閉容器11とを有している。圧電体素子2は、図1〜図4に示すように、印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層21、22と、印加電圧供給用の内部電極層210、220とを交互に積層した積層構造を備えている。積層構造の側面(符号201や符号202等)は、全体的に外装樹脂25で覆われており、更に密閉容器11に収容されて外気との間が遮断されている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator 1 includes a
圧電体素子2は、図2〜図4に示すごとく、セラミックスからなる圧電層21、22の層間に内部電極層210、220を交互に形成し、圧電層21、22を交互に正負に印加できるように構成されている。圧電層21に隣接する内部電極層210は、図2の左側に示すように、一端側に電極未形成部211を有し、圧電層22に隣接する内部電極層220は、図3の右側に示すように、他端側に電極未形成部221を有している。内部電極層210は、圧電体素子2の一方の側面201に露出するように配設され、内部電極層220は他方の側面202に露出するように配設されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
そして、圧電体素子2の側面201、202には、図1に示すように、露出した内部電極層210、220の端部をそれぞれ導通させるように銀等の貴金属よりなる側面電極23、24がそれぞれ形成されている。そして、側面電極23、24上には、外部電極231、241がエポキシ樹脂製の導電性接着剤230、240によって接合されている。これら外部電極231、241は、図示していない駆動電源に接続される。
As shown in FIG. 1,
そして、圧電体素子2の側面201、202を含む側面全体がディッピング法等により外装樹脂25で被覆され、側面電極23、24、外部電極231、241の一部分が外装樹脂25の内部に埋設されている。
The entire side surface including the
密閉容器11は、円筒状の金属ケース12と、金属ケース12の上端開口を閉塞する上板14と、金属ケース12の下端開口を閉塞する下板13とからなり、上板14及び下板13は金属ケース12に対して溶接されて密閉接合されている。
The sealed
金属ケース12は、図1に示すように、圧電体素子2の伸縮を阻害しないように、符号129にかかる部分を、ケース軸方向に伸縮可能な蛇腹状のベローズ構造としている。また、上板14には、外部電極231、241用の挿通穴140が穿設されており、挿通穴140と外部電極231、241との間の隙間がシリコーン樹脂製等のシール材151で封止されている。
As shown in FIG. 1, the
密閉容器11内には、乾燥させた酸化性ガス、例えば露点温度が−40℃に水分管理された酸素ガスが封入されている。酸化性ガスとしては、酸素やオゾンなどが好ましい。酸化性ガスの量は、密閉容器11内に封入される気体の30wt%〜100wt%が好ましく、特に、100wt%、すなわち、密閉容器11内の内部雰囲気の全てが酸化性ガスであることが最も好ましい。
In the sealed
密閉容器11に対し圧電体素子2を組み付けて圧電アクチュエータ1とするには、まず金属ケース12に下板13を溶接固定し、金属ケース12内に圧電体素子2を収容する。それから、上板14の挿通穴140に外部電極231、241を挿通しながら金属ケース12の所定位置に上板14を仮止めする。
In order to assemble the
そして、上板14と金属ケース12とを溶接固定し、挿通穴140と外部電極231、242との隙間から、密閉容器11内に酸化性ガスを充填し、その後に、挿通穴140と外部電極231、241との間の隙間にシール材151を充填して封止する。これにより、密閉容器11内に圧電体素子2が収容されかつ酸化性ガスが封入された圧電アクチュエータ1が得られる。
Then, the
上記構成を有する圧電アクチュエータ1によれば、圧電体素子2が収容された密閉容器11内に酸化性ガスを封入しているので、圧電層21、22のセラミックス内に存在する酸化金属の還元反応を抑制することができる。従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層21、22に絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータ1の寿命を飛躍的に向上させることができる。また、酸化性ガスとして、予め設定された露点温度に水分管理された乾燥ガスを使用することによって、圧電体素子2の湿度を低くし、圧電層21、22の絶縁性を適切に維持することができる。
According to the piezoelectric actuator 1 having the above configuration, since the oxidizing gas is sealed in the sealed
[第2実施の形態]
次に、第2実施の形態について以下に説明する。本実施の形態において特徴的なことは、圧電体素子2が収容された密閉容器11内に、過酸化金属からなる酸化性粉末を封入した構成としたことである。酸化性粉末は、密閉容器11と圧電体素子2との間の空隙部分19に充填される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described below. What is characteristic in the present embodiment is that an oxidizable powder made of a metal peroxide is enclosed in a sealed
PbO2やAgO等の過酸化金属は、常温で還元しやすく、還元することで安定したPbO、Ag2Oになりやすい。この還元作用を利用して、密閉容器11内に封入した過酸化金属を、圧電層21、22の金属酸化物よりも先に還元させ、安定した酸化金属に変化させることで、圧電層21、22のセラミックス内に存在する金属酸化物の還元を遅らせることができる。
Metal peroxides such as PbO 2 and AgO are likely to be reduced at room temperature, and are likely to become stable PbO and Ag 2 O by reduction. By utilizing this reduction action, the metal peroxide sealed in the sealed
従って、長時間繰り返し使用することによって経時的に圧電層21、22のセラミックスに絶縁低下が生じるのを防ぐことができ、絶縁低下に起因した変位性能の低下を防止することができる。従って、圧電アクチュエータ1の寿命を向上させることができる。なお、酸化性粉末の例としては、PbO2、Pb3O4、AgO等が好ましい。
Therefore, by repeatedly using for a long time, it is possible to prevent a decrease in insulation in the ceramics of the
[実施例]
図5は、従来品と発明品の耐久試験中における絶縁抵抗の推移を示すグラフである。
発明品1は、第1実施の形態における圧電アクチュエータ1を実現したものであり、圧電体素子2が収容された密閉容器11内には、封入気体として、ドライ(露点温度−40℃)でAir10wt%+酸化性ガス90wt%のものが用いられている。
[Example]
FIG. 5 is a graph showing the transition of the insulation resistance during the durability test of the conventional product and the invention.
The invention product 1 realizes the piezoelectric actuator 1 according to the first embodiment, and in the sealed
発明品2は、第2実施の形態における圧電アクチュエータ1を実現したものであり、圧電体素子2が収容された密閉容器11内に、過酸化金属であるPbO2の酸化性粉末が封入されている。
The
そして、各発明品1、2について、温度を150℃に保持し、外部電極231、241から150Vの電圧を印加し、サイクル周波数を150Hzとして、絶縁抵抗が0になるまで駆動するという条件の耐久試験を行った。
Then, for each of the
その結果、発明品1は、駆動回数が2.0E+09[cyc]を超えるまでは、絶縁抵抗が4.0E+03[MΩ]近傍を維持し、駆動回数が2.0E+09[cyc]を超えてから緩やかに絶縁抵抗が低くなり始め、駆動回数が3.2E+09[cyc]のときに絶縁抵抗が0になった。 As a result, the invention product 1 maintains the insulation resistance in the vicinity of 4.0E + 03 [MΩ] until the number of driving times exceeds 2.0E + 09 [cyc], and after the number of driving times exceeds 2.0E + 09 [cyc] The insulation resistance began to decrease at a time, and the insulation resistance became 0 when the number of driving times was 3.2E + 09 [cyc].
そして、発明品2は、駆動回数が1.6E+09[cyc]を超えるまでは、絶縁抵抗が4.0E+03[MΩ]近傍を維持し、駆動回数が1.6E+09[cyc]を超えてから緩やかに絶縁抵抗が低くなり始め、駆動回数が2.8E+09[cyc]のときに絶縁抵抗がほぼ0になった。
比較例として、実施例1と同様の構成であるが、密閉容器11内に不活性ガスを充填した従来品の圧電アクチュエータを準備し、これについて同様の耐久試験を行った。その結果、従来品は、駆動回数が5.0E+08[cyc]を超えたところで、絶縁抵抗が急激に低下し、駆動回数が1.0E+09[cyc]のときに絶縁抵抗が0になった。従って、発明品1、2は、従来品に対して約3倍の寿命を得ることができ、従来品と比較して寿命を飛躍的に向上させることができた。
As a comparative example, a conventional piezoelectric actuator having the same configuration as in Example 1 but filled with an inert gas in the sealed
なお、本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、圧電アクチュエータ1は、密閉容器11を円筒形状とし、圧電体素子2の形状を矩形とした場合を例に説明したが、かかる形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。また、実施例1では、酸化性ガスの例として酸素やオゾンが好ましいとしたが、酸化性ガスであればよい。同様に実施例2では、過酸化金属の例としてPbO2、Pb3O4、AgO等が好ましいとしたが、還元することで安定化する過酸化金属であればよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the piezoelectric actuator 1, the case where the sealed
1 圧電アクチュエータ
2 圧電体素子
11 密閉容器
21、22 圧電層
210、220 内部電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記密閉容器内に酸化性ガスを封入した構成を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer for supplying an applied voltage, and expands when supplied with an applied voltage, and a sealed container that accommodates the piezoelectric element in a state of being shielded from outside air A piezoelectric actuator having:
A piezoelectric actuator having a configuration in which an oxidizing gas is sealed in the sealed container.
前記密閉容器内に酸化性粉末を封入した構成を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that is formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer for supplying an applied voltage, and expands when supplied with an applied voltage, and a sealed container that accommodates the piezoelectric element in a state of being shielded from outside air A piezoelectric actuator having:
A piezoelectric actuator having a structure in which an oxidizing powder is sealed in the sealed container.
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
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JP2014500619A (en) * | 2010-11-02 | 2014-01-09 | エプコス アーゲー | Actuator unit, method for manufacturing actuator unit, and sleeve for accommodating piezoelectric actuator |
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2009
- 2009-01-21 JP JP2009011339A patent/JP2010171146A/en active Pending
Cited By (2)
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JP2014500619A (en) * | 2010-11-02 | 2014-01-09 | エプコス アーゲー | Actuator unit, method for manufacturing actuator unit, and sleeve for accommodating piezoelectric actuator |
US9466780B2 (en) | 2010-11-02 | 2016-10-11 | Epcos Ag | Actuator unit, method for producing an actuator unit, and sleeve for accommodating a piezoactuator |
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