JP2018206801A - Laminated piezoelectric element and injector including the same, and fuel injection system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、圧電駆動素子(圧電アクチュエータ),圧力センサ素子,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 disclosure relates to a laminated piezoelectric element used as a piezoelectric driving 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.
積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された積層ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備えたものが知られている(特許文献1を参照)。ここで、予定破断層とは、周囲の層よりも容易に破断しやすくなっている層である。このような積層型圧電素子は、予定破断層でクラックを発生させることで他の部位にかかる応力およびクラックを低減し、性能を長期間にわたって維持することを目的としている。 A multilayer piezoelectric element having a plurality of laminated units in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and having a predetermined rupture layer disposed between adjacent laminated units Is known (see Patent Document 1). Here, the planned fracture layer is a layer that is easier to break than the surrounding layers. Such a multilayer piezoelectric element is intended to reduce the stress and cracks applied to other parts by generating cracks in the planned fracture layer, and to maintain the performance over a long period of time.
近年、更なる高変位、高周波数での駆動の要求があり、そのような駆動においても長期間安定的に使用できる積層型圧電素子が求められている。 In recent years, there is a demand for driving at higher displacement and higher frequency, and there is a demand for a multilayer piezoelectric element that can be used stably for a long time even in such driving.
しかしながら、上記のような駆動においては、全ての活性領域の圧電体層を全て同一の厚みにて形成した場合、例えば予定破断層の近傍にある内部電極層の端部に加わる応力が高まり、予定破断層以外の部位でクラックが発生するおそれがあった。 However, in the drive as described above, when all the piezoelectric layers in the active region are formed with the same thickness, for example, the stress applied to the end portion of the internal electrode layer in the vicinity of the planned fracture layer increases, There was a risk that cracks would occur at sites other than the fractured layer.
本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層以外の部位にクラックが発生するのを抑制でき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を目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a multilayer piezoelectric element capable of suppressing the occurrence of cracks in a portion other than a planned fracture layer, an injection device including the same, and a fuel injection system. To do.
本開示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ユニットを複数備えているとともに、隣り合う積層ユニットと積層ユニットとの間に配置された予定破断層を備え、それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて1番目の圧電体層である第1の圧電体層が、前記予定破断層から数えて2番目の圧電体層である第2の圧電体層よりも薄いことを特徴とする。 The multilayer piezoelectric element of the present disclosure includes a plurality of multilayer units in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and includes a predetermined fracture layer disposed between adjacent multilayer units. In each of the stacked units, the first piezoelectric layer that is the first piezoelectric layer counted from the planned fracture layer is the second piezoelectric layer that is the second piezoelectric layer counted from the planned fracture layer. It is characterized by being thinner than the body layer.
また本開示の噴射装置は、噴射孔を有する容器と、上記構成の積層型圧電素子とを備え、該積層型圧電素子の駆動によって前記噴射孔が開閉されることを特徴とする。 An injection device of the present disclosure includes a container having an injection hole and the multilayer piezoelectric element having the above-described configuration, and the injection hole is opened and closed by driving the multilayer piezoelectric element.
また本開示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構成の噴射装置と、前記コモンレールに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ることを特徴とする。 A fuel injection system according to the present disclosure includes a common rail that stores high-pressure fuel, an injection device configured as described above 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.
本開示の積層型圧電素子によれば、予定破断層以外の部位にクラックが発生するのを抑
制して、長期信頼性に優れたものとすることができる。
According to the multilayer piezoelectric element of the present disclosure, it is possible to suppress the occurrence of cracks in portions other than the planned fracture layer and to have excellent long-term reliability.
また本開示の噴射装置および燃料噴射システムによれば、長期信頼性に優れた積層型圧電素子を備えていることから、長期間にわたって精度よく安定した駆動を実現することができる。 Further, according to the injection device and the fuel injection system of the present disclosure, since the multilayer piezoelectric element having excellent long-term reliability is provided, it is possible to realize accurate and stable driving over a long period of time.
以下、積層型圧電素子の実施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 will be described with reference to the drawings.
図1は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図、図2は図1に示す積層体の概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of a multilayer piezoelectric element, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the multilayer body shown in FIG.
図1および図2に示す積層型圧電素子10は、圧電体層1および内部電極層2が交互に積層された積層ユニット3を複数備えた積層体30を有している。
A laminated
積層ユニット3は、内部電極層2(第1の内部電極層21および第2の内部電極層22)が圧電体層1を介して交互に積層されたものである。この積層ユニット3は、積層方向から見て第1の内部電極層21と第2の内部電極層22とが重なる活性領域と、積層方向から見て第1の内部電極層21と第2の内部電極層22とが重ならない不活性領域とを有している。ここで、活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮する部位である。また、不活性領域は駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい部位である。
In the
積層体30は、複数の積層ユニット3が積層された部分を有しているとともに、複数の積層ユニット3が積層された部分の積層方向両端部に圧電体層1のみが積層された部分を有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層1のみが積層された部分も、駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい不活性領域である。
The laminated
積層体30は、例えば縦0.5〜10mm、横0.5〜10mm、高さ1〜100mmの四角柱状(直方体状)にされている。積層体30の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。
The laminated
圧電体層1は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。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1の厚みは、例えば3〜250μmとされる。
The
内部電極層2は、圧電体層1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ある。内部電極層2は、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22からなり、圧電体層1と交互に積層されて圧電体層1を上下から挟んでいる。例えば第1の内部電極層21を正極、第2の内部電極層22を負極またはグランド極として交互に配置されるこ
とにより、それらの間に挟まれた圧電体層1に駆動電圧が印加される。このような材料として、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。第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の厚みは、例えば0.1〜5μmとされる。
The
図に示す例では、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22がそれぞれ積層ユニット3(積層体30)の対向する一対の側面に互い違いに引き出されて、積層ユニット3(積層体30)の側面に設けられた後述の一対の外部電極5と電気的に接続されている。なお、積層ユニット3(積層体30)の対向する他の一対の側面に第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出していてもよく、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出せずに側面から離れて内側に位置してもよい。
In the example shown in the figure, the first
また、積層型圧電素子10は、隣り合う積層ユニット3と積層ユニット3との間に配置された予定破断層4を備えている。ここで、予定破断層4とは、積層型圧電素子10の駆動によってそれぞれの積層ユニット3に生じる応力を緩和するための層である。この予定破断層4としては、例えば内部電極層として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。
In addition, the multilayer
また、上述したように、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22のいずれか一方の端面が達する一対の側面には、それぞれ外部電極5が設けられ、引き出された第1の内部電極層21または第2の内部電極層22と電気的に接続されている。この外部電極5は、例えばAgやCuなどの金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極5を積層体30の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極5の厚みは例えば5〜70μmとされる。また、図示しないが、外部電極5の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。
Further, as described above, the
なお、第1の内部電極層21および第2の内部電極層22の両方の端面が露出または両方の端面が露出していない側面には、必要により被覆材が設けられていてもよい。被覆材は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などからなり、単層のみならず、複数層で構成されていてもよい。この被覆材はマイグレーションや放電を抑制する効果を奏する。
Note that a covering material may be provided on the side surfaces where both end surfaces of the first
そして、図2に示すように、それぞれの積層ユニット3において、予定破断層4から数えて1番目の圧電体層である第1の圧電体層11が、予定破断層4から数えて2番目の圧電体層である第2の圧電体層12よりも薄い。
As shown in FIG. 2, in each laminated
圧電体層1が厚くなると、当該圧電体層1に発生する応力が弱まる。ここで、予定破断層4を破断させるための応力が積層ユニット3内の各圧電体層1に発生する応力の合計であるとすると、第2の圧電体層12(予定破断層から数えて2番目の圧電体層1)に発生する応力が弱まることで、予定破断層4に隣接する第1の圧電体層11(予定破断層から数えて1番目の圧電体層1)にて発生する応力の比率が強まって支配的になる。これにより、予定破断層4の近傍に発生する応力が予定破断層4に集中しやすくなり、より確実に予定破断層4が破断して、予定破断層4の近傍にある内部電極層2などの予定破断層4以外の部位にクラックが発生するのを抑制できる。したがって、積層型圧電素子10の長期信頼性が向上する。
As the
なお、第1の圧電体層11の厚みは、第2の圧電体層12の厚みの例えば40〜95%に設定される。
The thickness of the first
ここで、それぞれの積層ユニット3において、図1および図2に示すように予定破断層4から数えて3番目の圧電体層1である第3の圧電体層13が第2の圧電体層12と同じ厚みである構成としてもよいが、図3および図4に示すように、予定破断層4から数えて3番目の圧電体層1である第3の圧電体層13が、第1の圧電体層11の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第2の圧電体層12よりも薄くなっている構成としてもよい。
Here, in each
この構成によれば、積層ユニット3内において、第1の圧電体層11に発生する応力に比べて第3の圧電体層13に発生する応力のほうが弱まることとなるため、第1の圧電体層11にて発生する応力の比率がより強まって支配的になる。これにより、予定破断層4の近傍に発生する応力が予定破断層4により集中しやすくなり、より確実に予定破断層4が破断して、予定破断層4の近傍にある内部電極層2にクラックが発生するのを抑制できる。したがって、積層型圧電素子10の長期信頼性が向上する。なお、積層型圧電素子10の基本的性能(所望の変位量)を維持する点からも、図3および図4に示すように、予定破断層4から数えて3番目の圧電体層1である第3の圧電体層13が、第1の圧電体層11の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第2の圧電体層12よりも薄い構成になっているのがよい。
According to this configuration, the stress generated in the third
この場合の第3の圧電体層13の厚みは、第1の圧電体層11の厚みの例えば100〜250%の厚みに設定され、第2の圧電体層12の厚みの例えば40〜98%の厚みに設定される。
In this case, the thickness of the third
また、図5に示すように、それぞれの積層ユニット3において、第1の圧電体層11および第2の圧電体層12を除く全ての圧電体層1は第1の圧電体層11の厚みと同じかまたはそれよりも厚く、かつ第1の圧電体層11および第2の圧電体層12を除くすべての圧電体層1は第1の圧電体層11から遠ざかるにしたがって厚みが薄くなっていてもよい。
As shown in FIG. 5, in each
この構成によれば、積層ユニット3内の各圧電体層1にかかる応力に緩やかな勾配ができることで、第1の圧電体層11に極端に応力がかかるのを抑制して、必要以上に予定破断層4が破断して不活性領域をクラックが進展するのを抑制することができる。
According to this configuration, the stress applied to each
また、図2、図4および図5に示すように、予定破断層4と予定破断層4との間に配置された積層ユニット3において、全ての圧電体層1の厚みを見たときに、上下対称となっていてもよい。
Further, as shown in FIGS. 2, 4 and 5, when the thickness of all the
この構成によれば、積層ユニット3内における上下の第1の圧電体層11に同様の応力がかかるため、予定破断層4毎の破断の程度が均一化され、積層型圧電素子10の長期信頼性がより向上する。
According to this configuration, since the same stress is applied to the upper and lower first
次に、本実施形態の積層型圧電素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element of this embodiment will be described.
まず、圧電体層1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2となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−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2のパターンで塗布する。さらに、この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研削処理を施すことによって作製する。
Next, a conductive paste to be the
ここで、焼成後の圧電体層1の厚みを上述の実施形態の構成とするために、厚みの異なるセラミックグリーンシートを準備して積層することで積層体30を作成すればよい。
Here, in order to set the thickness of the fired
なお、積層体30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1と内部電極層2とを複数積層してなる積層体30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。
In addition, the
次に、外部電極5を形成する。具体的には、AgやCuのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体30の側面における第1の内部電極層21および第2の内部電極層22のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば5〜70μmの厚さの外部電極5を形成する。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。例えば、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー,可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを用いる。そして、外部電極5のパターンで積層体30の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、650〜750℃の温度で焼き付け処理を行なう。
Next, the
次に、必要により被覆材を形成する。具体的には、例えばエポキシ、シリコーン、ナイロンなどの樹脂を使用し、印刷やディスペンス方式により、所定の厚みに制御して形成する。 Next, a coating material is formed if necessary. Specifically, for example, a resin such as epoxy, silicone, or nylon is used, and the thickness is controlled to a predetermined thickness by printing or dispensing.
その後、外部電極5に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体30を構成する圧電体層1を分極することによって、積層型圧電素子10が完成する。
Thereafter, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the
次に、本実施形態の噴射装置の一例について説明する。 Next, an example of the injection device of the present embodiment will be described.
図6は、本実施形態の噴射装置の一例を示す概略断面図である。図6に示すように、本例の噴射装置19は、一端に噴射孔21を有する容器としての収納容器23の内部に上記の例の積層型圧電素子10が収納されている。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the injection device of the present embodiment. As shown in FIG. 6, 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10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10の駆動によって噴射孔21が開閉される。具体的には、積層型圧電素子10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10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10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。
The
また、積層型圧電素子10が必ずしも収納容器23の内部にある必要はなく、積層型圧電素子10の駆動によって収納容器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。
Further, the laminated
また、上記の例の積層型圧電素子10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。
Further, if the
次に、本実施形態の燃料噴射システムの一例について説明する。 Next, an example of the fuel injection system of this embodiment will be described.
図7は、本実施形態の燃料噴射システムの一例を示す概略図である。図7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。
FIG. 7 is a schematic view showing an example of the fuel injection system of the present embodiment. As shown in FIG. 7, 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
10・・・積層型圧電素子
1・・・圧電体層
11・・・第1の圧電体層
12・・・第2の圧電体層
13・・・第3の圧電体層
2・・・内部電極層
21・・・第1の内部電極層
22・・・第2の内部電極層
30・・・積層体
3・・・積層ユニット
4・・・予定破断層
5・・・外部電極
19・・・噴射装置
21・・・噴射孔
23・・・収納容器
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
Claims (6)
それぞれの前記積層ユニットにおいて、前記予定破断層から数えて1番目の圧電体層である第1の圧電体層が、前記予定破断層から数えて2番目の圧電体層である第2の圧電体層よりも薄いことを特徴とする積層型圧電素子。 A plurality of laminated units in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and a predetermined fracture layer disposed between adjacent laminated units and laminated units,
In each of the stacked units, the first piezoelectric layer that is the first piezoelectric layer counted from the planned fracture layer is the second piezoelectric body that is the second piezoelectric layer counted from the planned fracture layer. A laminated piezoelectric element characterized by being thinner than a layer.
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