JP2017011125A - Lamination type piezoelectric element and injection device including the same and fuel injection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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として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ならびに燃料噴射システムに関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element used as, for example, a piezoelectric drive element (piezoelectric actuator), a pressure sensor element, a piezoelectric circuit element, and the like, an injection apparatus including the same, and a fuel injection system.
従来、圧電体層および内部電極層が交互に積層された活性部と両端部に不活性とを有する積層体と、積層体の側面に接合されて内部電極層と電気的に接続された外部電極とを備える積層型圧電素子が知られている。このような積層型圧電素子では、外部電極は、導体層と、外部電極板と、導体層と外部電極板とを接合して内部電極層と外部電極板とを電気的に接続している導電性接合材層とを含んでいる。また、不活性部の内部に、金属含有層を有し、リード部材が外部電極板に接合されている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, a laminated body having an active portion in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated and inactive at both ends, and an external electrode joined to the side surface of the laminated body and electrically connected to the internal electrode layer There is known a laminated piezoelectric element comprising: In such a laminated piezoelectric element, the external electrode is a conductive layer, an external electrode plate, and a conductive layer that joins the conductor layer and the external electrode plate to electrically connect the internal electrode layer and the external electrode plate. An adhesive bonding material layer. Further, the inactive portion has a metal-containing layer, and the lead member is joined to the external electrode plate (see, for example, Patent Document 1).
ここで、特許文献1に記載された積層型圧電素子においては、駆動時に、急速通電した際、外部電極とリード部材との接続部が発熱することで、この発熱により不活性部のうちの外部電極とリード部材との接続部近傍は熱膨張が大きくなる。これに対して、不活性部のうちの金属含有層が存在する中央部分は発熱が小さいので、熱膨張が小さくなる。このように、不活性部は、熱膨張が大きい部分と熱膨張が小さい部分とが存在し、不活性部の熱膨張が不均一になる。これにより、不活性部と活性部との間にひずみがおき、クラックがはいり、変位量が小さくなり、耐久性が悪くなるおそれがあった。
Here, in the multilayer piezoelectric element described in
また、このような積層型圧電素子を備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムにおいても、長期間安定して駆動しなくなるおそれがあった。 Further, even in an injection device and a fuel injection system provided with such a laminated piezoelectric element, there is a possibility that it cannot be driven stably for a long period of time.
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、不活性部と活性部との間にひずみがおきにくく、クラックがはいるのを抑制し長期間安定して駆動する積層型圧電素子およびこれを備えた噴射装置ならびに燃料噴射システムを提供することである。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to prevent distortion from occurring between the inactive part and the active part, and to suppress cracks and to stabilize for a long time. And a fuel injection system including the stacked piezoelectric element that is driven by the fuel injection system.
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複数積層されてなる活性部および該活性部の積層方向の両端にそれぞれ配置された圧電体層が複数積層されてなる不活性部を有する積層体と、該積層体の側面に前記活性部から少なくとも一方の前記不活性部にわたって設けられ、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極と、一方の前記不活性部に設けられた一対の前記外部電極にそれぞれ接続されたリード部材とを備え、一方の前記不活性部は、複数の金属粒子が層状に配列された金属含有層を有し、該金属含有層が前記外部電極に接続されているとともに、前記金属含有層と前記外部電極との接続部上に、前記リード部材が位置していることを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present invention is a non-conducting structure in which a plurality of piezoelectric layers arranged on both ends in the stacking direction of the active portion and the active portion in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked. A laminated body having an active portion, and a pair of external electrodes provided on a side surface of the laminated body from the active portion to at least one of the inactive portions, and the internal electrode layers are electrically connected alternately every other layer; A lead member connected to each of the pair of external electrodes provided in one of the inactive portions, and the one inactive portion has a metal-containing layer in which a plurality of metal particles are arranged in layers. In addition, the metal-containing layer is connected to the external electrode, and the lead member is located on a connection portion between the metal-containing layer and the external electrode.
また、本発明の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記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。
In addition, the ejection device of the present invention includes a container having an ejection hole and the multilayer piezoelectric element, and fluid stored in the container is discharged from the ejection hole by driving the multilayer piezoelectric element. It is characterized by that.
また、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。 The fuel injection system of the present invention includes a common rail that stores high-pressure fuel, the 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 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、活性部との間の熱膨張によるひずみが小さくなるため活性部との間にクラックがはいりにくくなるため、変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。 According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, since the strain due to thermal expansion between the active part and the active part becomes small, cracks are less likely to enter the active part, so the displacement is stable for a long period of time and durability is improved. To do.
また、上記の積層型圧電素子を備えた噴射装置および燃料噴射システムによれば、積層型圧電素子が耐久性に優れたものとなることから、長期間安定して駆動させることができる。 Moreover, according to the injection device and the fuel injection system provided with the above-described multilayer piezoelectric element, the multilayer piezoelectric element has excellent durability, and can be driven stably for a long period of 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説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略縦断面図である。 FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element of the present invention.
図1に示す積層型圧電素子1は、圧電体層11および内部電極層12が積層された積層体10と、積層体10の側面に接合されて内部電極層12と電気的に接続された外部電極5とを備える。外部電極5は、導体層4と、外部電極板2と、導体層4と外部電極板2とを接合して内部電極層12と外部電極板2とを電気的に接続する導電性接合材層3とを含んでいる。なお、外部電極5には、リード部材8が接続されている。
A laminated
積層体10は、圧電体層11および内部電極層12が複数積層されてなる活性部13と、活性部13の外側に位置し積層体10の積層方向両端部に設けられた圧電体層11からなる不活性部14とを有している。この積層体10は、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 laminated
圧電体層11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(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11の厚みは、例えば3〜250μmとされる。
The
内部電極層12は、圧電体層11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11と交互に積層されて圧電体層11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11に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば低温焼成が可能な銀−パラジウム合
金を主成分とする導体、あるいは銅、白金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)がそれぞれ積層体10の対向する一対の側面に交互に導出されて、積層体10の側面に設けられた一対の導電体層4と電気的に接続されている。この内部電極層12の厚みは、例えば0.1〜5μmとされる。
The
また、外部電極5は、導電体層4と導電性接合材層3を介して外部電極板2が接合されたものであり、内部電極層12と電気的に接続されている。具体的には、外部電極板2が、積層体10の対向する側面にそれぞれ設けられて、導体層4と導電性接合材層3によって内部電極層12と電気的に接続されている。この外部電極板2は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属平板からなり、例えば幅は0.5〜10mmで、厚みは、導体層4や導電性接合材層3よりも厚く、例えば0.1〜0.3mmに形成されたものを用いる。なお、外部電極板2は、板状の金属板のみならず、積層体10の伸縮により生じる応力を緩和する効果を得るために、例えば幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板などを採用することもできる。
The
導体層4は内部電極層12と電気的に接続されており、銀ペーストからなる。銀ペーストには、積層体10との接合を強固にするため、積層体10を構成する粉末をフィラーとして添加してもよい。
The
導電性接合材層3は、積層体10の対向する側面に活性部13から不活性部14にかけて設けられ、積層体10の側面にある導体層4と外部電極板2とを電気的に接続している。この導電性接合材層3は、例えばAg粉末やCu粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接着剤からなるのが好ましい。
The conductive bonding material layer 3 is provided from the
そして、本実施形態の積層型圧電素子1においては、一方の不活性部14a(図1において上側の不活性部)内に、複数の金属粒子が層状に配列された金属含有層9を設けており、金属含有層9が、外部電極5の導体層4と接続されており、金属含有層9と外部電極5との接続部上に、リード部材8が設けられている。なお、図1においては、他方の不活性部14bは金属含有層9を有していない構成を例示している。以下の説明において、単に不活性部を説明する場合には、不活性部14として説明するものとし、それぞれの不活性部について説明する場合には、それぞれ不活性部14a、14bとして説明する。
In the multilayer
金属含有層9は、不活性部14の内部に設けられた複数の金属粒子を含む層であって、金属粒子が層状に配列されたものである。また金属含有層9は、少なくとも一方の端部が導体層4と接続されている。
The metal-containing layer 9 is a layer including a plurality of metal particles provided inside the inactive portion 14, and the metal particles are arranged in layers. Further, at least one end of the metal-containing layer 9 is connected to the
そして金属含有層9と導体層4との接続部の延長上において、リード部材8が外部電極板2に接続されている。すなわち、少なくともリード部材8の一部が金属含有層9の延長上に位置しており、外部電極板2に接続されるリード部材8は、積層型圧電素子1の端部から積層方向に延出するように設けられている。
The lead member 8 is connected to the
金属含有層9は、金属粒子として低温焼成可能な銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体と、圧電体層11を構成する、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(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)などをフィラーとして混合したもので、内部電極として機能しない層である。金属含有層9の厚みは、例えば0.1〜5μmとされる。また金属粒子の粒径は、例えば直径0.5〜10μmである。
The metal-containing layer 9 is a conductor composed mainly of a silver-palladium alloy that can be fired at a low temperature as metal particles, or a conductor containing copper, platinum, etc., and the
リード部材8は外部との導通をとるためのもので、銅線などの芯線を用い、はんだ付けするために、芯線の表面を銀メッキしてあることが望ましい。リード部材8は、外部電極
板2に接続される接続部では芯線が接続されており、外部電極板2に接続される接続部の先からは、駆動時に電線が外部と接触しショートをしないように芯線に絶縁性の被覆が施されている。被覆はPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)など一般的なもので構わない。
The lead member 8 is for electrical connection with the outside, and it is desirable to use a core wire such as a copper wire and to have the surface of the core wire silver-plated for soldering. The lead member 8 is connected to the core wire at the connection portion connected to the
このように、金属含有層9が外部電極5に接続されているとともに、金属含有層9と外部電極5との接続部上に、リード部材8が位置していることから、金属含有層9を介して不活性部14への熱伝導が良くなり、不活性部14の熱膨張の不均一性が改善される。よって、活性部13との間の熱膨張によるひずみが小さくなるため不活性部14と活性部13との間にクラックがはいりにくくなり、変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。
Thus, since the metal-containing layer 9 is connected to the
さらに、図2に示すように、金属含有層9がそれぞれ不活性部14の対向する側面の両方に引き出されている構成とすることもできる。すなわち、両側の外部電極5に金属含有層9が接続され、接続部上にリード部材8が設けられているので、さらに不活性部14への熱伝導が良くなり、不活性部14の熱膨張の不均一性がさらに改善される。これにより、不活性部14と活性部13との間の熱膨張によるひずみがさらに小さくなるため、不活性部14と活性部13との間にクラックがはいりにくくなり、より変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。図2では、両端の延長線上にリード部材8がそれぞれ位置している金属含有層9を1つ設けた例を示しているが、両端の延長線上にリード部材8がそれぞれ位置している金属含有層9が複数あってもかまわない。
Furthermore, as shown in FIG. 2, it can also be set as the structure by which the metal containing layer 9 was each pulled out by both the side surfaces which the inactive part 14 opposes. That is, since the metal-containing layer 9 is connected to the
さらに、図3に示すように、不活性部14aに金属含有層9が複数含まれており、金属含有層9が不活性部14の対向する側面に交互に引き出されている構成とすることもできる。金属含有層9を不活性部14aの対向する側面に交互に引き出すことで、金属含有層9が複数あることから不活性部14aの圧電体層11に熱が伝わりやすくなり、不活性部14の熱膨張の不均一性がさらに改善される。これにより、不活性部14aと活性部13との間の熱膨張によるひずみが小さくなるため不活性部14aと活性部13との間にクラックがはいりにくくなるため、より、変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the
さらに、金属含有層9を構成する複数の金属粒子は、少なくとも一部同士が直接もしくは不活性部に含有される圧電体粒子を介して接続されて層状に配列されていてもよい。つまり、複数の金属粒子のうちの少なくとも一部の金属粒子同士が直接接続されているか、もしくは複数の金属粒子のうちの少なくとも一部の金属粒子同士が圧電体粒子を介して接続されている。このような形態で金属粒子が存在していることで金属粒子を介して不活性部14aの圧電体層11に熱が伝わりやすくなり、不活性部14の熱膨張の不均一性がさらに改善される。これにより、変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。また圧電体粒子の粒径は、例えば直径0.1〜10μmである。
Furthermore, the plurality of metal particles constituting the metal-containing layer 9 may be arranged in layers by being connected at least partially directly or via piezoelectric particles contained in the inactive part. That is, at least some of the plurality of metal particles are directly connected to each other, or at least some of the plurality of metal particles are connected to each other through the piezoelectric particles. The presence of the metal particles in such a form makes it easier for heat to be transferred to the
さらに、金属含有層9にある複数の金属粒子は、少なくとも一部同士が連続した圧電体粒子を介して接続されて層状に配列されていてもよい。つまり、複数の金属粒子のうちの一部の金属粒子同士が、連続した複数の圧電体粒子を介して接続されている。このように同材の圧電体粒子が連続してあるので、接着強度が保持されて金属含有層9にクラックがおきにくくなるため、より、変位量が長期間安定し、耐久性が向上する。 Further, the plurality of metal particles in the metal-containing layer 9 may be arranged in layers by being connected via piezoelectric particles in which at least a part thereof is continuous. That is, some of the plurality of metal particles are connected to each other via a plurality of continuous piezoelectric particles. Since the piezoelectric particles of the same material are thus continuous, the adhesive strength is maintained, and cracks are unlikely to occur in the metal-containing layer 9, so that the displacement is stabilized for a long period of time and the durability is improved.
さらに、他方の不活性部14bの厚みを、一方の不活性部14aの厚みよりも薄くすることができる。つまり、リード部材8が接続されていない不活性部14bの厚みが、リード部材8が接続されている不活性部14aの厚みより薄いことで、活性部13の伸縮にともなう不活性部14bの変形が小さくなり、伸縮により発生する力を伝える速度、すなわち応答速度がはやくなるので好ましい。他方の不活性部14bの厚みは、一方の不活性部14aの厚みの1/2〜1/4が好ましい。他方の不活性部14bの厚みが一方の不活性
部14aの厚みの1/2以上では、応答速度を十分にはやくすることが困難となる。また他方の不活性部14bの厚みが一方の不活性部14aの厚みの1/4以下では、他方の不活性部14bの厚みが薄すぎるものとなって、活性部13の伸縮にともなう不活性部14bの変形が大きくなってしまうので好ましくない。
Furthermore, the thickness of the other
さらに、他方の不活性部14bの厚みを、活性部13を構成するそれぞれの圧電体層11の厚みよりも厚くすることができる。つまり、リード部材8が接続されていない不活性部14bの厚みが、活性部13の圧電体層11の1層厚みよりも厚いことで、不活性部14bへ熱が伝わりにくくなり、活性部13に熱がたまることで、活性部13の保温を保つことができる。また、同様に一方の不活性部14aの厚みを、活性部13を構成するそれぞれの圧電体層11の厚みよりも厚くしてもかまわない。
Furthermore, the thickness of the other
他方の不活性部14bの厚みは、活性部13の圧電体層11の1層厚みの2〜20倍が好ましい。他方の不活性部14bの厚みが、活性部13の圧電体層11の1層厚みの2倍以下では、不活性部14bへ熱が伝わりやすくなってしまい、活性部13に熱がたまりにくく、活性部13の保温を保つことが困難となる。また他方の不活性部14bの厚みが、活性部13の圧電体層11の1層厚みの20倍以上では、他方の不活性部14bの厚みが厚すぎるものとなって、応答速度が遅くなり好ましくない。
The thickness of the other
さらに、他方の不活性部14bは、金属含有層9を有していないことが望ましい。つまり、リード部材8が接続されていない不活性部14bに金属含有層9を設けないことで、リード部材8が接続されている不活性部14aに比べて硬くなり、応答速度がはやくなる。さらに、他方の不活性部14bに金属含有層9を設けないことで、金属含有層9による熱引きが少なくなり、活性部13の温度が一定になるので、活性部13の各圧電体層11の変位量が安定して得られ、耐久性が向上する。
Furthermore, it is desirable that the other
次に、本実施形態の積層型圧電素子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11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,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、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(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),フタル酸ジオクチル(DOP)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12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内部電極層12のパターンで塗布する。
Next, a conductive paste to be the
次に、金属含有層9となる非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し、セラミックグリーンシートと同じ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)からなるペロブスカイト型酸化物等を添加することによって非導電性ペーストを作製する。この非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塗布する。 Next, a non-conductive paste that becomes the metal-containing layer 9 is produced. Specifically, a binder and a plasticizer are added to and mixed with a metal powder of a silver-palladium alloy, and the same as the ceramic green sheet, for example, a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), etc. A non-conductive paste is produced by adding. This non-conductive paste is applied on the ceramic green sheet using a screen printing method.
さらに、この導電性ペースト、非導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを所定の積層状態になるように複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なっ
た後、900〜1200℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるように研削処理を施すことによって、積層体10を製造する。活性部13は、導電性ペーストを塗布していないセラミックグリーンシートおよび導電性ペーストを塗布したセラミックグリーンシートを交互に積層することで作製する。不活性部14は、導電性ペーストを塗布していないセラミックグリーンシートと、非導電性ペーストを塗布したセラミックグリーンシートとを積層することで作製する。活性部13と不活性部14とを組み合わせることで、活性部13と活性部13の上下両端に位置する不活性部14とからなる積層体10を製造する。
Furthermore, after laminating a plurality of ceramic green sheets printed with the conductive paste and the non-conductive paste so as to be in a predetermined laminated state and performing a binder removal treatment at a predetermined temperature, a temperature of 900 to 1200 ° C. The
なお、積層体10は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層11と内部電極層12とを複数積層してなる積層体10を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
The laminate 10 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any laminate 10 can be produced as long as the laminate 10 formed by laminating a plurality of
次に、導体層4を積層体10の側面に設ける。Ag粉末にガラスやチタン酸ジルコン酸鉛の粉末を混ぜた導体層用ペーストを、スクリーン印刷を用いて積層体10の側面に塗布し、550〜650℃の温度で積層体10の側面に焼き付けることで、導体層4を積層体10の側面に設けることができる。
Next, the
次に、導電性接合材層3を介して外部電極板2を積層体10の側面の導体層4に接続し、固定する。
Next, the
導電性接合材層3は、Ag粉末やCu粉末などの導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接着剤を用い、5〜70μmの厚さに形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により所定の厚みや幅に制御して形成することができる。 The conductive bonding material layer 3 is formed to a thickness of 5 to 70 μm using a conductive adhesive made of an epoxy resin or a polyimide resin containing a metal powder having good conductivity such as Ag powder or Cu powder. It can be formed by controlling to a predetermined thickness and width by screen printing or dispensing method.
外部電極板2は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属平板からなり、例えば幅0.5〜10mm、厚み0.1〜0.3mmに形成されたものである。ここで、外部電極板2として例えば幅方向にスリットの入った形状や網目状にするには、外部電極板2にスリットの入った形状や網目状とするには、打ち抜き金型で打ち抜くかレーザ加工などの方法を用いればよい。
The
リード部材8は、外部電極にある外部電極板2に半田や溶接により接合する。
The lead member 8 is joined to the
その後、リード部材8に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体10を構成する圧電体層11を分極することによって、積層型圧電素子1が完成する。この積層型圧電素子1は、導体層4、導電性接合材層3、外部電極板2、リード部材8を介して外部の電源と接続して、圧電体層11に電圧を印加することにより、各圧電体層11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 lead member 8 to polarize 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。図4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, the example of embodiment of the injection device of the present invention is explained. FIG. 4 is a schematic sectional view showing an example of the embodiment of the injection device of the present invention.
図4に示すように、本例の噴射装置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。
As shown in FIG. 4, in 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。図5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. 5 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the fuel injection system of the present invention.
図5に示すように、本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。
As shown in FIG. 5, 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)、好ましくは1500〜1700気圧(約152MPa〜約172MPa)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、上述の説明において、金属含有層9を設けた不活性部14aと金属含有層9を設けていない不活性部14bを備えている例を示したが、両方の不活性部14を金属含有層9を設けた不活性部14aとすることもできる。
In the above description, an example in which the
積層型圧電素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み50μm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。 A multilayer piezoelectric element was produced as follows. First, a ceramic slurry was 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. Using this ceramic slurry, a ceramic green sheet serving as a piezoelectric layer having a thickness of 50 μm was prepared by a doctor blade method.
次に、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極層となる導電性ペーストを作製した。また、銀−パラジウム合金と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を、バインダーを加えて、金属含有層となる非導電性ペーストを作製した。 Next, a binder was added to the silver-palladium alloy to produce a conductive paste to be an internal electrode layer. Moreover, a non-conductive paste to be a metal-containing layer was prepared by adding a binder to a calcined powder of piezoelectric ceramics mainly composed of a silver-palladium alloy and lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ).
次に、セラミックグリーンシートの片面に、内部電極層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、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを200枚積層した。非導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを、上下に印刷のないシート5枚で挟んだ一方の不活性部を積層した。 Next, a conductive paste serving as an internal electrode layer was printed on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method, and 200 ceramic green sheets printed with the conductive paste were laminated. One inactive portion was laminated by sandwiching a ceramic green sheet on which a non-conductive paste was printed, with five sheets not printed on top and bottom.
内部電極層となる導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート200枚に、その上側に、非導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートをはさんだ一方の不活性部を、下側には印刷されていないシートのみで積層した他方の不活性部を重ねて積層した。そして、980〜1100℃で焼成し、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、5mm角の積層体を得た。 The 200 inactive ceramic green sheets on which the conductive paste to be the internal electrode layer is printed are printed on the upper side with one inactive portion sandwiched between the ceramic green sheets on which the non-conductive paste is printed, and on the lower side. The other inert part, which was laminated with only the non-sheets, was laminated and laminated. And it baked at 980-1100 degreeC, it ground to the predetermined shape using the surface grinder, and obtained the 5 mm square laminated body.
次に、積層体の表面にAg粉末とガラス成分を含んだペーストをスクリーン印刷で塗布して、580〜630℃で焼き付けし、導電体層を形成した。 Next, a paste containing Ag powder and a glass component was applied to the surface of the laminate by screen printing, and baked at 580 to 630 ° C. to form a conductor layer.
次に、積層体の表面にAg粉末とポリイミド樹脂を混合ペースト状にした導電性接合材をディスペンスにて塗布し、リード部材を溶接した外部電極板を積層体の表面に接続し、固定した。 Next, a conductive bonding material in the form of a mixed paste of Ag powder and polyimide resin was applied to the surface of the laminate by dispensing, and an external electrode plate welded with a lead member was connected to the surface of the laminate and fixed.
ここで、試料1として、図1に示すように、不活性部に金属含有層を含み、外部電極に片側が接合される構造とし、その上部にリード部材が設けられた構造になっている。
Here, as shown in FIG. 1, the
さらに、試料2として、図2に示すように、外部電極に両側が接合される構造とし、その上部にリード部材が設けられた構造になっている。
Furthermore, as shown in FIG. 2, the
さらに、試料3として、図3に示すように、不活性部は金属含有層を2層含み、金属含有層が不活性部の対向する側面に交互に引き出されている構造とし、その上部にリード部材が設けられた構造になっている。 Further, as shown in FIG. 3, the sample 3 has a structure in which the inactive portion includes two metal-containing layers, and the metal-containing layers are alternately drawn out on the opposite side surfaces of the inactive portion, and leads are formed above the inactive portion. The structure is provided with members.
また、比較例の積層型圧電素子(試料4)も作製した。この積層型圧電素子は、金属含有層が不活性部の内部に位置し、金属含有層の端部が積層体の側面に露出せずに外部電極
に接合されない構造で、その上部にリード部材が設けられた構造になっている。
In addition, a laminated piezoelectric element (sample 4) of a comparative example was also produced. This multilayer piezoelectric element has a structure in which the metal-containing layer is located inside the inactive portion, the end of the metal-containing layer is not exposed to the side surface of the multilayer body, and is not joined to the external electrode, and the lead member is on the upper portion thereof. It has a provided structure.
これらの積層型圧電素子に、外部電極板に3kV/mmの直流電界を15分間印加して、分極処理を行なった。これらの積層型圧電素子に160Vの直流電圧を印加したところ、積層体の積層方向に30μmの変位量が得られた。 These laminated piezoelectric elements were subjected to polarization treatment by applying a DC electric field of 3 kV / mm to the external electrode plate for 15 minutes. When a DC voltage of 160 V was applied to these stacked piezoelectric elements, a displacement of 30 μm was obtained in the stacking direction of the stacked body.
さらに、110℃のオーブンの中で0V〜+160Vの交流電圧を100Hzの周波数で印加して、連続駆動した耐久性試験を行なった。 Further, an endurance test was performed in which an alternating voltage of 0 V to +160 V was applied at a frequency of 100 Hz in an oven at 110 ° C. and continuously driven.
その結果、比較例である試料4の積層型圧電素子は、1×106回の連続駆動で、活性部と不活性部にクラックが発生し、1×107回で駆動が停止した。
As a result, the laminated piezoelectric element of
これに対し、本発明の実施例である試料1、試料2、試料3、の積層型圧電素子は、ともに、連続駆動1×108回をすぎてもクラックは発生することなく駆動していた。
On the other hand, the laminated piezoelectric elements of
以上の結果から、本発明によれば、長期間の耐久性に優れた積層型圧電素子を実現することができることがわかる。 From the above results, it can be seen that according to the present invention, a multilayer piezoelectric element having excellent long-term durability can be realized.
1・・・積層型圧電素子
10・・・積層体
11・・・圧電体層
12・・・内部電極層
13・・・活性部
14・・・不活性部
14a・・一方の不活性部
14b・・他方の不活性部
2・・・外部電極板
3・・・導電性接合材層
4・・・導体層
5・・・外部電極
8・・・リード部材
9・・・金属含有層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
該積層体の側面に前記活性部から少なくとも一方の前記不活性部にわたって設けられ、前記内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極と、
一方の前記不活性部に設けられた一対の前記外部電極にそれぞれ接続されたリード部材とを備え、
一方の前記不活性部は、複数の金属粒子が層状に配列された金属含有層を有し、該金属含有層が前記外部電極に接続されているとともに、前記金属含有層と前記外部電極との接続部上に、前記リード部材が位置していることを特徴とする積層型圧電素子。 A laminated body having an active portion in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and an inactive portion in which a plurality of piezoelectric layers respectively disposed at both ends in the lamination direction of the active portion are laminated;
A pair of external electrodes provided on the side surface of the laminate from the active portion to at least one inactive portion, and the internal electrode layers are electrically connected alternately every other layer;
A lead member connected to each of the pair of external electrodes provided in one of the inactive portions,
One of the inactive portions has a metal-containing layer in which a plurality of metal particles are arranged in layers, the metal-containing layer is connected to the external electrode, and the metal-containing layer and the external electrode A multilayer piezoelectric element, wherein the lead member is positioned on a connection portion.
該複数の金属含有層が前記不活性部の対向する側面に交互に引き出されていることを特徴とする請求項1に記載の積層型圧電素子。 The inactive part includes a plurality of the metal-containing layers,
2. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the plurality of metal-containing layers are alternately drawn on opposite side surfaces of the inactive portion.
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