JP2012182164A - Multilayer piezoelectric element and piezoelectric actuator including the same, injector and fuel injection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば自動車エンジンの燃料噴射装置等に用いられる積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムに関するものである。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element used in, for example, a fuel injection device of an automobile engine, and a piezoelectric actuator, an injection device, and a fuel injection system including the same.
積層型圧電素子として、圧電体層と正極および負極を有する内部電極とが複数積層され、内部電極の端面の一部が側面に達してなる積層体と、内部電極と電気的に接続されるように積層体の側面に被着された一対のメタライズ層と、少なくとも該一対のメタライズ層の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極の端面を覆うように積層体の側面に被着された無機材料からなるコート層とを含むものが知られている。 As a multilayer piezoelectric element, a piezoelectric body layer and a plurality of internal electrodes having a positive electrode and a negative electrode are stacked, and a multilayer body in which a part of the end surface of the internal electrode reaches the side surface is electrically connected to the internal electrode. A pair of metallized layers deposited on the side surfaces of the laminate, and at least a portion where the pair of metallized layers does not exist, and was deposited on the side surfaces of the laminate so as to cover the end surfaces of both the positive electrode and the negative electrode. What contains the coat layer which consists of inorganic materials is known.
そして、この積層型圧電素子を圧電アクチュエータとして使う場合は、外部から積層体への接触傷、異物付着等による導通を防ぐとともに、内部電極の両極間の沿面放電を防ぐなどの目的で、積層体の側面に無機材料からなるコート層を被着させることが知られている(例えば特許文献1を参照)。 When this multilayer piezoelectric element is used as a piezoelectric actuator, the multilayer body is used for the purpose of preventing contact damage from the outside to the multilayer body, adhesion due to adhesion of foreign matter, etc., and preventing creeping discharge between both electrodes of the internal electrode. It is known to deposit a coat layer made of an inorganic material on the side surface of the film (see, for example, Patent Document 1).
近年、積層型圧電素子には、大きな変位量を確保するように求められている。 In recent years, multilayer piezoelectric elements have been required to ensure a large amount of displacement.
ここで、コート層がセラミックスからなる場合は、積層型圧電素子の駆動による変位に伴い結晶粒界に欠陥が生じてこの欠陥が進展するおそれがある。欠陥が進展すると、正極および負極の両方の内部電極の端面に被着されたコート層の内部では、内部電極の金属イオン(たとえばAgイオン)が進展した欠陥を伝ってマイグレーションが発生し、積層型圧電素子の駆動能力が低下するおそれがあった。 Here, when the coat layer is made of ceramics, there is a possibility that a defect occurs in the crystal grain boundary due to displacement due to the driving of the multilayer piezoelectric element and the defect develops. When the defect progresses, migration occurs in the coat layer deposited on the end faces of both the positive electrode and the negative electrode through the defect in which the metal ions (for example, Ag ions) of the internal electrode have progressed. There is a possibility that the driving ability of the piezoelectric element is lowered.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、欠陥の進展によるマイグレーションの抑制されたセラミックコート層を備えた積層型圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータ、噴射装置、燃料噴射システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a laminated piezoelectric element including a ceramic coat layer in which migration due to the progress of defects is suppressed, and a piezoelectric actuator, an injection device, and a fuel injection system including the same. With the goal.
本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と正極および負極を有する内部電極とが複数積層され、該内部電極の端面の一部が側面に達してなる積層体と、前記内部電極と電気的に接続されるように前記積層体の側面に被着された一対のメタライズ層と、少なくとも該一対のメタライズ層の存在しない部位で前記正極および前記負極の両方の前記内部電極の端面を覆うように前記積層体の側面に被着されたセラミックコート層とを含み、該セラミックコート層には複数のボイドがあることを特徴とするものである。 The multilayer piezoelectric element of the present invention includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrodes each having a positive electrode and a negative electrode are stacked, and a part of an end surface of the internal electrode reaches the side surface, A pair of metallized layers deposited on the side surfaces of the laminate so as to be connected to each other, and at least a portion where the pair of metallized layers does not exist so as to cover the end surfaces of both the positive electrode and the negative electrode A ceramic coat layer deposited on the side surface of the laminate, and the ceramic coat layer has a plurality of voids.
また本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記複数のボイドが前記側面の側に偏って分布し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 plurality of voids are distributed in a biased manner toward the side surface.
また本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記複数のボイドが前記圧電体層
の側方に位置し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, the plurality of voids are located on the side of the piezoelectric layer.
また本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記複数のボイドが前記セラミックコート層の厚み方向に沿って互いに連通しないように分散し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 plurality of voids are dispersed so as not to communicate with each other along the thickness direction of the ceramic coat layer.
また本発明の積層型圧電素子は、上記構成において、前記セラミックコート層が圧電体からな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 ceramic coat layer is made of a piezoelectric body.
また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層型圧電素子を内部に収容するケースを備えた圧電アクチュエータであることを特徴とする。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric actuator including a case that accommodates the multilayer piezoelectric element therein.
また、本発明は、噴射孔を有する容器と、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噴射装置である。 Further, the present invention includes a container having an injection hole and a multilayer piezoelectric element, and fluid stored in the container is discharged from the injection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is an injection device.
また、本発明は、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燃料噴射システムである。 The present invention also provides a common rail that stores high-pressure fuel, an injection device 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 a drive signal to the injection device. A fuel injection system comprising an injection control unit.
本発明の積層型圧電素子は、セラミックコート層の内部に複数のボイドが設けられていることにより、積層体の伸縮や振動による応力をボイドが吸収するとともに粒界欠陥の進展をボイドが食い止めることにより、セラミックコート層の粒界欠陥が進展しなくなる。その結果、マイグレーションが抑制され、長期間安定した駆動をすることができる。 The multilayer piezoelectric element of the present invention has a plurality of voids provided inside the ceramic coat layer, so that the void absorbs stress due to expansion and contraction and vibration of the multilayer body, and the void stops the progress of grain boundary defects. As a result, grain boundary defects in the ceramic coat layer do not progress. As a result, migration is suppressed and stable driving can be performed for a long time.
以下、本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。 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概略斜視図であり、図2は図1に示す積層型圧電素子のA−A線断面図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the multilayer piezoelectric element shown in FIG.
図1および図2に示す積層型圧電素子1は、圧電体層2と正極および負極を有する内部電極3とが複数積層され、内部電極3の端面の一部が側面に達してなる積層体4と、内部電極3と電気的に接続されるように積層体4の側面に被着された一対のメタライズ層5と、少なくとも一対のメタライズ層5の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極3の端面を覆うように積層体4の側面に被着されたセラミックコート層6とを含み、セラミックコート層6には複数のボイド7がある。
A laminated
積層型圧電素子1を構成する積層体4は、例えば圧電体層2および内部電極3が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層2からなる不活性部とを有し、例えば縦0.5〜10mm、横0.5〜10mm、高さ1〜100mmの直方体状に
形成されている。
The
積層体4を構成する圧電体層2は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:PbZrO3−PbTiO3)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などを用いることができる。この圧電体層3の厚みは、例えば3〜250μmとされる。
The
積層体4を構成する内部電極3は、圧電体層2を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、圧電体層2と交互に積層されて圧電体層2を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層2に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などを含む導体を用いることができる。図1に示す例では、正極および負極(もしくはグランド極)の内部電極3の端面の一部がそれぞれ積層体4の対向する一対の側面に達して互い違いに導出され、積層体4の側面に設けられた一対のメタライズ層5と電気的に接続されている。また、正極および負極の両方の内部電極3の端面のうちの他の一部が、一対のメタライズ層5の存在しない部位で積層体4の側面に達している。この内部電極3の厚みは、例えば0.1〜5μmとされる。
The
なお、積層体4において、複数の内部電極3のうちの一部に代えて、例えば複数の気孔を有する導体層(多孔質層)が配置されていてもよい。この多孔質層は、内部電極3よりも強度が低く、応力によって内部にクラックが発生しやすいことから、駆動に伴って積層体4に発生する応力によって内部電極3よりも先にクラック等による破壊が生じるものであり、それによって積層体4内において応力を緩和する層として機能するものである。
In the
積層体4の側面に設けられて内部電極3と電気的に接続された一対のメタライズ層5は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体4の側面に接合されて、積層体4の対向する側面に互い違いに導出された内部電極3とそれぞれ電気的に接続されている。このメタライズ層5の厚みは、例えば5〜500μmとされ
る。なお、図1において、メタライズ層5の幅はこのメタライズ層5が形成された面の幅よりも狭く形成されているが、これらの幅は同一であってもよく、例えば、積層体4の形状を六角柱や八角柱とした場合に、同一の幅に形成するのがよい。
The pair of
少なくとも一対のメタライズ層5の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極3の端面を覆うように積層体4の側面にセラミックコート層6が被着されている。このセラミックコート層6は、保護層としての効果や追従性を考慮して、例えば5〜30μmの厚みに形成されたものである。また、このセラミックコート層6の形成材料としては、例えば、アルミナ、PLT((Pb La)TiO3)などの酸化物、圧電体が挙げられるが
、特に圧電体層2を構成する圧電体と同種の圧電体、例えばPbZrO3−PbTiO3(PZT:チタン酸ジルコン酸鉛)を用いるのが好ましい。セラミックコート層6を圧電体(好ましくは圧電体層2を形成する圧電体と同種の圧電体)で形成することによって、内部電極3からの漏れ電界(電極に挟まれていない領域に生じる電界)によりセラミックコート層6が圧電効果を示し、積層体4の伸縮に追従して変形することが可能となり、よりセラミックコート層6の粒界欠陥を抑制することができる。
A
なお、少なくとも一対のメタライズ層5の存在しない部位で正極および負極の両方の内部電極3の端面を覆うように積層体4の側面にセラミックコート層6が被着されたとは、
積層体4の側面における正極および負極の両方の内部電極3の端面が達している部位のみならず、正極または負極の片方の内部電極3の端面が達している部位まで被着されてもよく、さらにメタライズ層5の設けられた部位まで被着されてもよいことを意味する。具体的には、図1では正極および負極の両方の内部電極3の端面が達している側面にセラミックコート層6が設けられているが、メタライズ層5の設けられた側面であってメタライズ層5によって覆われていない正極または負極の片方の内部電極3の端面が達している部位にもセラミックコート層6が設けられてもよく、メタライズ層5を覆うようにセラミックコート層6が設けられてもよい。
The fact that the
In addition to the part where the end faces of both the positive and negative
そして、セラミックコート層6には、図3に示すように、複数のボイド7がある。複数のボイド7は例えば0.05〜2μmの径のものであり、この値はセラミックコート層6の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察し、任意の線分間に含まれるボイドの個数およびボイドに含まれる線分の長さを測定し、このボイドに含まれる線分の長さの合計距離をボイドの個数で割ることによって求めることができる。また、セラミックコート層6における任意の断面において複数のボイド7が占める面積比率は例えば5〜60%であり、この値も断面を走査型電子顕微鏡(SEM)等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察することによって求めることができる。
The
セラミックコート層6に複数のボイド7があることで、積層体4の伸縮や振動による応力を複数のボイド7が吸収する。また、結晶粒界の欠陥が進展しようとする応力をボイドが解放することで、結晶粒界の欠陥が進展しそうになるのをボイドが食い止めて欠陥が進展しなくなる。その結果、金属(Ag)イオンによるマイグレーションが抑制され、積層型圧電素子1が長期間安定した駆動をすることができる。
By having the plurality of
ここで、複数のボイド7は、図4に示すように、積層体4の側面の側に偏って分布しているのが好ましい。複数のボイド7が駆動で変形しやすい積層体4の側面の側に偏って分布していることで、より応力を吸収することができ、マイグレーションを抑制することができる。なお、セラミックコート層6の表面側に複数のボイド7が存在せず、積層体4の側面の側のみにボイド7が存在する構成に限定されず、積層体4の側面の側の存在比率が表面側の存在比率よりも多くなっているものであってもよいが、セラミックコート層6の表面側に複数のボイド7がない場合には、ボイド7同士が連通した場合であっても金属イオンの拡散を加速させてしまうような外部からの水分侵入を確実に防ぐことができる。
Here, as shown in FIG. 4, the plurality of
なお、複数のボイド7がセラミックコート層6において積層体4の側面の側に偏って分布していることは、積層型圧電素子1の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)等の電子顕微鏡や金属顕微鏡により観察して、セラミックコート層6における積層体4の側面の側から厚みの3分の1までの距離に含まれる金属粒子の個数と、セラミックコート層6における表面側から厚みの3分の1までの距離に含まれる金属粒子の個数とを測定して、積層体4の側面の側のボイドが多いことを確認することによって判別できる。
Note that the plurality of
また、複数のボイド7は、図4に示すように、圧電体層2の側方に位置しているのが好ましい。積層型圧電素子1の駆動により圧電体層2が伸縮するため、複数のボイド7が最も駆動変形する圧電体層2の側方に位置していることで、効果的に応力を吸収でき、マイグレーションを抑制することができる。
The plurality of
また、複数のボイド7は、セラミックコート層6の厚み方向に沿って互いに連通しないように分散していることが好ましい。この構成によれば、外気中の水分が複数のボイド7に侵入するのを抑制でき、金属イオンの拡散が加速されるのを抑制することができる。また、ボイド7の内表面は酸素欠陥に起因した酸素空孔イオンによりマイナスにチャージされているので、複数のボイド7が分散していることで、金属イオン(例えばAgイオン)
がボイド7でトラップされるようになる。したがって、マイグレーションを抑制し、長期間安定して積層型圧電素子1を駆動させることができる。
The plurality of
Becomes trapped by the
そして、メタライズ層5に半田や導電性接着剤等で図5に示すようなリード部材8を接続固定し、リード部材8から0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体4を構成す
る圧電体層2を分極することによって、積層型圧電素子1の全体を分極することができる。
Then, a
この積層型圧電素子1は、図5に示すようなリード部材8を介してメタライズ層5と外部の電源とを接続して、圧電体層2に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層2を逆圧電効果によって大きく変位させることができるものである。なお、図示しないが、メタライズ層5の上に導電性接合材を介してメタライズ層5を覆うように平板状、金網状縦断面波型形状などの外部電極を配置し、この外部電極にリード部材8を接合するようにしてもよい。
The laminated
次に、本例の積層型圧電素子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2となる圧電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、アクリル系また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、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいは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、このセラミックスラリーを用いて圧電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、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:PbZrO3−PbTiO3)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、フタル酸ジブチル(DBP)またはフタル酸ジオクチル(DOP)等を用いることができる。
First, a piezoelectric ceramic green sheet to be the
次に、内部電極3となる内部電極用導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極用導電性ペーストを作製する。なお、銀−パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良い。
Next, an internal electrode conductive paste to be the
次に、内部電極用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に内部電極3のパターンで例えばスクリーン印刷法にて塗布する。
Next, the internal electrode conductive paste is applied to the piezoelectric ceramic green sheet in the pattern of the
次に、内部電極用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。 Next, a predetermined number of piezoelectric ceramic green sheets coated with the internal electrode conductive paste are laminated.
そして、これに所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900〜1200℃の温度で焼
成する。
And after performing a binder removal process to this at predetermined | prescribed temperature, it bakes at the temperature of 900-1200 degreeC.
次に、焼成して得られた積層体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理を施す。これにより、圧電体層2および内部電極3が交互に積層された積層体4が得られる。
Next, the laminated body obtained by firing is subjected to a grinding process on a side surface so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like. Thereby, the
次に、積層体4の側面における正極および負極の両方の内部電極3の端面が露出した領域に、例えばセラミックコート層6を形成するセラミックコート層用インクをディピングやスクリーン印刷によって塗布した後、900〜1200℃で焼成し、積層体4の側面にセラミ
ックコート層を形成する。このとき、メタライズ層5の形成面には、セラミックコート層用インクは塗布しないか、若しくは、エッジのみ塗布とする。なお、セラミックコート層
用インクに含まれるセラミック粉末は、圧電セラミックの仮焼粉末であることが好ましく、さらには、圧電体層2と同一の組成のセラミック粉末であることが好ましい。
Next, for example, after applying the ink for the ceramic coat layer for forming the
なお、セラミックコート層用インクは、例えばセラミックの粉体を溶剤、分散剤、可塑剤、及びバインダーの溶液に分散させた後、3本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製される。 The ink for the ceramic coat layer, for example, disperses the powder agglomeration by dispersing the ceramic powder in a solution of solvent, dispersant, plasticizer, and binder, and then passing the three rolls several times. At the same time, it is produced by dispersing the powder.
ディッピングでは、セラミックコート層用インクの中へ、積層体4の内部電極3の両極の端面が露出した面を浸し、引き上げた後、乾燥させて、生のセラミックコート層を形成する。インクの粘度や引き上げ速度を制御することにより、セラミックコート層の厚みを制御することができる。
In dipping, the exposed surface of both ends of the
また、スクリーン印刷では、積層体4の内部電極3の両極の端面が露出した面と同じ大きさ、もしくは、若干、大きくしたメッシュが形成されて製版を作製し、製版の上にインクを乗せ、スキージで積層体4の内部電極3の両面が露出した面にセラミックコート層用インクを印刷し、乾燥させることで、生のセラミックコート層を形成する。セラミックコート層用インクの粘度、メッシュの厚み及びスキージの移動速度などにより、セラミックコート層の厚みを制御することができる。
Further, in screen printing, the same size as the surface where both end faces of the
また、セラミックコート層6にボイド7を形成するには、ボイドのできやすいアクリル系、ブチラール系などのバインダーの量を増加させたセラミックコート層用インク、あるいは所定の寸法のアクリルビーズを添加したセラミックコート層用インクを作製すればよい。バインダー量の多いセラミックコート層用インクは、通常のセラミックコート層用インクより印刷後の生密度が低いため、焼成時にボイドが形成されやすくなる。また、アクリルビーズを混ぜたセラミックコート層用インクは、焼成時にアクリルビーズが分解されることによりボイドが形成される。
In order to form the
ボイド7を側面の側に偏って分布させて設けるには、例えば2種類のセラミックコート層用インクを作製する。1種類目(第1のインク)に通常のインクを作製し、2種類目(第2のインク)にバインダーの量を増加させた、あるいは所定の寸法のアクリルビーズを添加したボイドのできやすいセラミックコート層用インクを作製する。そして、1層目に第2のインクを塗布し、2層目に第1のインクを塗布し、焼結すればよい。
In order to provide the
圧電体層2の側方にボイドを設けるには、例えば、セラミックコート層6の焼結の際、内部電極3付近を先に焼結させればよく、このようにすると内部電極3の側方が密になり、圧電体層2の側方が粗となってボイドが設けられる。例えば、内部電極3付近を先に焼結させるには、セラミックコート層6が焼結する温度よりも100〜200℃低い温度で1〜5時間保持した後にセラミックコート層6が焼結する温度まで昇温させればよい。このようにすることで、内部電極3の成分がセラミックコート層6に拡散して内部電極3付近を先に焼結させることができる。圧電体層2の側方にボイドを設ける別の方法として、内部電極3の側方およびその近傍には上記第1のインクを、それ以外の領域には上記第2のインクをそれぞれパターン印刷してもよい。
In order to provide a void on the side of the
なお、セラミックコート層用インクの焼結は、生の積層体にセラミックコート層用インクを塗布した後、同時に焼成を行なう方法、あるいは、焼結後の積層体に、セラミックコート層用インクを塗布した後、再度焼成を行なう方法のいずれでも可能である。 Sintering of the ceramic coat layer ink is performed by applying the ceramic coat layer ink to the raw laminate and then simultaneously firing it, or by applying the ceramic coat layer ink to the sintered laminate. After that, any of the methods of firing again is possible.
その後、積層体4の側面に内部電極3が電気的に接続された一対のメタライズ層5を形成する。この場合、まず銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体4の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜8
00℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層5が形成され、積層型圧電素子1が完成する。
Thereafter, a pair of metallized
A baking process is performed at a temperature of about 00 ° C. Thereby, the metallized
一対のメタライズ層5には、リード部材8を半田や導電性接着剤等で接続固定し、その後、一対のメタライズ層5にそれぞれ接続したリード部材8から0.1〜3kV/mmの直
流電界を印加し、積層体4を構成する圧電体層2を分極することによって、積層型圧電素子1全体が分極する。この積層型圧電素子1は、リード部材8を介してメタライズ層5と外部の電源とを接続して、圧電体層2に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層2を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。
The
本実施の形態の積層型圧電素子は、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置等として用いられる。 The laminated piezoelectric element of the present embodiment is used as, 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, or the like.
次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。 Next, an example of an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention will be described.
図5は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図5に示す例の圧電アクチュエータ11は、積層型圧電素子1をケース13に収容してなるものである。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention. The
具体的には、ケース13は、上端が塞がれ下端が開口したケース本体15と、ケース本体15の開口を塞ぐようにケース本体15に取り付けられた蓋部材17とで構成され、積層型圧電素子1の両端面をケース13の上端内壁および下端内壁にそれぞれ当接させるようにして積層型圧電素子1がケース13の内部に例えば不活性ガスとともに封入され収容されている。
Specifically, the
ケース本体15および蓋部材17は、SUS304やSUS316Lなどの金属材料で形成されたものである。
The
ケース本体15は、上端が塞がれ下端が開口した筒状体であり、積層体4の積層方向に伸縮可能に例えばベローズ(蛇腹)形状となっている。また、蓋部材17は、ケース本体15の開口を塞ぐように例えば板状に形成されていて、ケース本体15に下端にレーザ溶接などにより溶接されている。蓋部材17にはリード部材8を挿通可能な貫通孔が2つ形成されており、リード部材8を貫通孔に挿通させてメタライズ層5と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス等を充填していて、このリード部材8を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
The case
本例の圧電アクチュエータ11によれば、長期間安定して駆動することができる。
According to the
次に、本発明の噴射装置の実施の形態の例について説明する。 Next, the example of embodiment of the injection device of the present invention is explained.
図6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り、図6に示す例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する収納容器(容器)23の内部に上記の例の積層型圧電素子1が収納されている。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention. The
収納容器23内には、噴射孔21を開閉することができるニードルバルブ25が配設されている。噴射孔21には流体通路27がニードルバルブ25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27は外部の流体供給源に連結され、流体通路27に常時高圧で流体が供給されている。従って、ニードルバルブ25が噴射孔21を開放すると、流体通路27に供給されていた流体が外部または隣接する容器、例えば内燃機関の燃料室(図示せず)に、噴射孔21から吐出されるように構成されている。
A
ニードルバルブ25の上端部は内径が大きくなっており、収納容器23に形成されたシリンダ29と摺動可能なピストン31になっている。そして、収納容器23内には、上述した例の積層型圧電素子1がピストン31に接して収納されている。
The upper end of the
このような噴射装置19では、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31が押圧され、ニードルバルブ25が噴射孔21に通じる流体通路27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33がピストン31を押し返し、流体通路27が開放され噴射孔21が流体通路27と連通して、噴射孔21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、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27を開放し、電圧の印加を停止することによって流体通路27を閉鎖するように構成してもよい。
Note that the
また、本例の噴射装置19は、噴射孔21を有する容器23と、上記の例の積層型圧電素子1とを備え、容器23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21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が必ずしも容器23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23の内部に流体の噴射を制御するための圧力が加わるように構成されていればよい。なお、本例の噴射装置19において、流体とは、燃料,インク等の他、導電性ペースト等の種々の液体および気体が含まれる。本例の噴射装置19を用いることによって、流体の流量および噴出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。
The
上記の例の積層型圧電素子1を採用した本例の噴射装置19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い期間にわたって精度よく噴射させることができる。
If 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。 Next, the example of embodiment of the fuel-injection system of this invention is demonstrated.
図7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り、図7に示す例の燃料噴射システム35は、高圧流体としての高圧燃料を蓄えるコモンレール37と、このコモンレール37に蓄えられた高圧流体を噴射する複数の上記の例の噴射装置19と、コモンレール37に高圧流体を供給する圧力ポンプ39と、噴射装置19に駆動信号を与える噴射制御ユニット41とを備えている。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention. The
噴射制御ユニット41は、外部情報または外部からの信号に基づいて高圧流体の噴射の量およびタイミングを制御する。例えば、エンジンの燃料噴射に本例の燃料噴射システム35を用いた場合であれば、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およびタイミングを制御することができる。圧力ポンプ39は、燃料タンク43から流体燃料を高圧でコモンレール37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35の場合には1000〜2000気圧(約101MPa〜約203MPa)程度、好ましくは1500〜1700気圧(約152MPa〜約172MPa)程度の高圧にしてコモンレール37に流体燃料を送り込む。コモンレール37では、圧力ポンプ39から送られてきた高圧燃料を蓄え、噴射装置19に適宜送り込む。噴射装置19は、前述したように噴射孔21から一定の流体を外部または隣接する容器に噴射する。例えば、燃料を噴射供給する対象がエンジンの場合には、高圧燃料を噴射孔21からエンジンの燃焼室内に霧状に噴射する。
The
本例の燃料噴射システム35によれば、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。
According to 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。例えば、積層型圧電素子1におけるメタライズ層5は、上記の例では積層体4の対向する2つの側面に1つずつ形成したが、2つのメタライズ層5を積層体4の隣り合う側面に形成してもよいし、積層体4の同一の側面に形成してもよい。また、積層体4の積層方向に直交する方向における断面の形状は、上記の実施の形態の例である四角形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状、円形状、あるいは直線と円弧とを組み合わせた形状であっても構わない。
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. For example, the metallized
本例の積層型圧電素子1は、例えば、圧電駆動素子(圧電アクチュエータ),圧力センサ素子および圧電回路素子等に用いられる。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,インクジェットのような液体噴射装置,光学装置のような精密位置決め装置,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、圧電回路素子としては、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 laminated
本発明の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 comprising 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(PbZrO3−PbTiO3)を
主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電体層となるセラミックグリ
ーンシートを作製した。
First, a ceramic slurry is prepared by mixing 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. A ceramic green sheet to be a piezoelectric layer having a thickness of 150 μm was produced.
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5重量%)にバインダーを加えて作製した内部電極となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを300枚積層し、積層成形体を作製し
た。
On one side of this ceramic green sheet, a ceramic green sheet obtained by printing a conductive paste to be an internal electrode made by adding a binder to a silver-palladium alloy (95% by mass of silver—5% by weight of palladium) by screen printing is used. Sheets were laminated to produce a laminated molded body.
次に、内部電極となる導電性ペーストが印刷された圧電セラミックグリーンシート300
枚を中心にして、その上下の層に、内部電極となる導電性ペーストが印刷されていない圧電セラミックグリーンシート合計15枚を積層した。
Next, a piezoelectric ceramic green sheet 300 printed with a conductive paste to be an internal electrode
A total of 15 piezoelectric ceramic green sheets on which conductive paste to be internal electrodes are not printed are laminated on the upper and lower layers with the sheet as the center.
次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した
後、1000℃で200分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦5m
m、横5mmであり、高さが40mmであった。焼成後に、積層体を平面加工した後、積層体をアセトン洗浄し、乾燥させた。その後、積層体を750℃で120分間熱処理した。
Next, after cutting the laminated molded body with a dicing saw machine so as to have a predetermined size, the laminated molded body was dried and fired to produce a laminated body. Firing was carried out at 1000 ° C. for 200 minutes after holding the temperature of 800 ° C. for 90 minutes. The laminate has a rectangular parallelepiped shape, and its size is 5 m at the end face.
m,
次に、チタン酸ジルコン酸鉛にブチラール系のバインダー、フタル酸ジブチル可塑剤を添加してなるセラミックコート層用インクを作製し、1層目にバインダー量をチタン酸ジルコン酸鉛100質量部に対して外添で75質量部添加したセラミックコート層用インクを、
厚みが10μmとなるようにスクリーン印刷にて内部電極の両極が露出している積層体側面に印刷し、2層目にバインダー量をチタン酸ジルコン酸鉛100質量部に対して外添で50質
量部添加したセラミックコート層インクを、内部電極層の両極が露出している積層体側面に1層目の上に印刷した。その後、1000℃で焼成し、積層体の側面側に偏って分布する複数のボイドを有するセラミックコート層を形成した。
Next, an ink for a ceramic coating layer is prepared by adding a butyral binder and a dibutyl phthalate plasticizer to lead zirconate titanate, and the amount of binder in the first layer is 100 parts by weight of lead zirconate titanate. The ceramic coating layer ink added by 75 parts by mass
Printed on the side of the laminate where both electrodes of the internal electrode are exposed by screen printing so that the thickness is 10μm, and the second layer has a binder amount of 50 mass by external addition to 100 parts by mass of lead zirconate titanate. The ceramic coat layer ink added in part was printed on the first layer on the side of the laminate where both electrodes of the internal electrode layer were exposed. Thereafter, firing was performed at 1000 ° C. to form a ceramic coat layer having a plurality of voids distributed unevenly on the side surface side of the laminate.
次に、銀粉末にガラス,バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストをメタライズ層のパターンで積層体の側面に印刷し、乾燥後700℃で焼き付けを行ない、
メタライズ層を形成した。そして、このメタライズ層上に外部電極を形成し、半田を用い
てリード部材と接続固定した。
Next, silver glass paste prepared by adding glass, binder and plasticizer to silver powder is printed on the side of the laminate with the pattern of metallized layer, dried and baked at 700 ° C,
A metallized layer was formed. Then, an external electrode was formed on the metallized layer and connected and fixed to the lead member using solder.
以上の方法により、本発明実施例となる積層型圧電素子を作製した。 By the above method, a laminated piezoelectric element as an example of the present invention was produced.
また、比較例として、被覆層として、上記の2層目の材料で形成したセラミックコート層の設けられた積層型圧電素子を作製した。 As a comparative example, a laminated piezoelectric element provided with a ceramic coat layer formed of the above-mentioned second layer material as a coating layer was produced.
そして、これらの積層型圧電素子の二本のリードピンを接続し、3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、本発明実施例の圧電アクチュエータおよび比較例の圧電アクチュエータを作製した。 Then, the two lead pins of these laminated piezoelectric elements were connected, and a 3 kV / mm direct current electric field was applied for 15 minutes for polarization treatment, thereby producing the piezoelectric actuator of the embodiment of the present invention and the piezoelectric actuator of the comparative example. .
作製した圧電アクチュエータに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 manufactured piezoelectric actuator, displacement amounts were obtained in the stacking direction in all piezoelectric actuators.
さらに、これらの圧電アクチュエータを150℃の環境下で250Vの直流電圧を印加し続け
る高温連続駆動試験を行なった。
Furthermore, a high-temperature continuous drive test was continuously performed on these piezoelectric actuators under a 150 ° C. environment in which a DC voltage of 250 V was continuously applied.
その結果、本発明実施例の圧電アクチュエータは、2000時間後の高温連続駆動試験後にセラミックコート層に異常は見られなかった。 As a result, the piezoelectric actuator of the embodiment of the present invention showed no abnormality in the ceramic coat layer after the high temperature continuous driving test after 2000 hours.
一方、比較例の圧電アクチュエータは、153時間の連続駆動後に動作が停止した。比較
例の圧電アクチュエータの破壊源を確認したところ、セラミックコート層に粒界欠陥が生じ、この欠陥の進展部分よりマイグレーションを引き起こし、スパークして停止した。
On the other hand, the operation of the comparative piezoelectric actuator stopped after 153 hours of continuous driving. When the failure source of the piezoelectric actuator of the comparative example was confirmed, a grain boundary defect was generated in the ceramic coat layer, and migration occurred from the progressed portion of the defect, and the spark was stopped.
以上のことから、本発明の積層型圧電素子は、積層体の伸縮や振動による応力をボイドが吸収することにより、セラミックコート層の粒界欠陥の進展を抑制することができることがわかる。 From the above, it can be seen that the multilayer piezoelectric element of the present invention can suppress the development of grain boundary defects in the ceramic coat layer by the void absorbing stress due to expansion and contraction and vibration of the multilayer body.
1・・・積層型圧電素子
2・・・圧電体層
3・・・内部電極
4・・・積層体
5・・・メタライズ層
6・・・セラミックコート層
7・・・ボイド
8・・・リード部材
11・・・圧電アクチュエータ
13・・・ケース
15・・・ケース本体
17・・・蓋部材
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器(容器)
25・・・ニードルバルブ
27・・・流体通路
29・・・シリンダ
31・・・ピストン
33・・・皿バネ
35・・・燃料噴射システム
37・・・コモンレール
39・・・圧力ポンプ
41・・・噴射制御ユニット
43・・・燃料タンク
DESCRIPTION OF
11 ... Piezoelectric actuator
13 ... Case
15 ... Case body
17 ... Cover member
19 ... Injection device
21 ... Injection hole
23 ・ ・ ・ Storage container (container)
25 ... Needle valve
27 ... Fluid passage
29 ... Cylinder
31 ... Piston
33 ・ ・ ・ Belleville spring
35 ... Fuel injection system
37 ... Common rail
39 ・ ・ ・ Pressure pump
41 ... Injection control unit
43 ... Fuel tank
Claims (8)
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---|---|---|---|
JP2011042087A JP5743608B2 (en) | 2011-02-28 | 2011-02-28 | Multilayer piezoelectric element, piezoelectric actuator including the same, injection device, and fuel injection system |
Applications Claiming Priority (1)
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