JP4373643B2 - LAMINATED PIEZOELECTRIC ELEMENT, ITS MANUFACTURING METHOD, AND INJECTION DEVICE - Google Patents

LAMINATED PIEZOELECTRIC ELEMENT, ITS MANUFACTURING METHOD, AND INJECTION DEVICE Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置に関し、例えば、自動車用燃料噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来、積層型圧電素子として、圧電磁器層と内部電極層を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと、圧電磁器層と内部電極板を交互に積層したスタックタイプとの2種類に分類されており、圧電磁器層としては、代表的な圧電体であるPZT系圧電セラミックスが広く用いられている。同時焼成タイプの積層型圧電素子は、導電性ペーストを片面に印刷したセラミックグリーンシートを複数積層した積層体の上下端面に、セラミックグリーンシートが複数積層された成形体を、加圧、脱バインダ、焼成し、この焼結体の2側面に、内部電極層と交互に接続する外部電極を形成することにより得られる。
【0003】
同時焼成タイプの積層型圧電素子では、衝撃により内部電極層と圧電磁器層との接合界面で破損しやすいため、耐衝撃性を改善するために、例えば特開平4−299588号公報では、内部電極層内に粒径をコントロールしたセラミック粉末を共材として含有させ、内部電極層を挟む2層の圧電磁器層をつなぐ架橋を効果的に形成することで、衝撃に対し信頼性の高い素子を得ることができると記載されている。
【0004】
また、内部電極層としては、PZT系圧電セラミックスの焼成温度に応じ、白金やパラジウムもしくは、銀とパラジウムの合金などが用いられているが、コスト低減の観点から、焼成温度の低温化が求められている。また、焼成温度の低温化は、圧電磁器層に含まれる鉛成分の蒸発を抑制し、変位特性の劣化を防ぐという特性面からも非常に重要である。焼成温度の低温化はグリーンシートの作製に用いるセラミック粉末の微細化などにより図られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記積層型圧電アクチュエータでは、焼成温度を1100℃以下と低温化するため、セラミックス粉末の比表面積は3〜4m2/g程度以上のものを用いてグリーンシートを作製する必要があった。そのため、原料のセラミック粉末の比表面積に応じ、有機バインダをセラミック粉末100質量部に対して9質量部以上含有する必要が生じていた。この有機バインダは除去する必要があるが、このように多量の有機バインダを含有していると、脱バインダ処理時に、接合面として最も弱い電極塗布膜とグリーンシートの間からガスが大量に放出され、電極塗布膜とグリーンシートの界面が弱体化し、焼成時に電極塗布膜中の共材としてのセラミック粒子が前記電極塗布膜(内部電極層)から押し出されて、内部電極層と圧電磁器層との接合強度が低くなるという問題があった。
【0006】
即ち、上記したように脱バインダ時に発生した大量のガスにより、電極塗布膜とグリーンシート間が弱体化しており、その後の焼成時に電極塗布膜の金属は焼結しようとするため、異物である共材としてのセラミック粉末が電極塗布膜中から電極塗布膜とグリーンシート間に押し出され、内部電極層中に一部が埋設され、圧電磁器層のセラミック粒子と接合焼結するセラミック粒子が減少し、これにより内部電極層中のセラミック粒子によるアンカー効果が小さくなり、内部電極層と圧電磁器層との接合強度が低くなり、積層型圧電アクチュエータが折損し易いという問題があった。
【0007】
本発明は、内部電極層と圧電磁器層との接合強度を向上して、内部電極層と圧電磁器層との界面における破損を抑制できる耐久性に優れた積層型圧電素子及びその製法並びに噴射装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電磁器層と複数の内部電極層とが交互に積層され、同時焼成された積層型圧電素子であって、前記内部電極層がセラミック粒子を含み、前記圧電磁器層と前記内部電極層との界面で破断したとき、前記内部電極層側の破断面において、前記内部電極層に一部が埋設された前記セラミック粒子が分散して存在するとともに、前記内部電極層側の破断面に露出した前記セラミック粒子の露出面積が、前記内部電極層側の破断面中2.0〜6.1%であることを特徴とする。
【0009】
本発明では、内部電極層に一部が埋設されたセラミック粒子が、内部電極層側の破断面に分散して存在しているため、このセラミック粒子が、圧電磁器層のセラミック粒子と焼結することで、強いアンカー効果を実現し、内部電極層と圧電磁器層との接合強度を向上できる。また、本発明の積層型圧電素子は、内部電極層側の破断面に露出したセラミック粒子の露出面積が、内部電極層側の破断面中2.0〜6.1%であることを特徴とする。このように、内部電極層側の破断面に露出するセラミック粒子の割合が、内部電極層側の破断面中2.0〜6.1%であるため、圧電磁器層のセラミック粒子との接合力が強化され、内部電極層と圧電磁器層との接合強度を向上できる。
【0010】
本発明の積層型圧電素子の製法は、複数の微粒子が凝集したPZT系圧電仮焼粉末からなり比表面積が1.5〜2.5m 2 /gのセラミック粉末と、該セラミック粉末100質量部に対して9質量部以下の有機バインダと、有機溶剤とを含有するグリーンシート上に、金属粉末と、セラミック粉末と、有機溶剤とを含有する導電性ペーストを塗布して電極塗布膜を形成する工程と、該電極塗布膜が形成された前記グリーンシートを複数積層し加圧して積層体を形成する工程と、この積層体を脱バインダ処理し、1100℃以下で焼成する工程とを具備することを特徴とする。
【0011】
このような積層型圧電素子の製法では、複数の微粒子が凝集したPZT系圧電仮焼粉末からなるセラミック粉末を用いるため、微粒子が分散したセラミック粉末(凝集していないセラミック粉末)を用いる場合よりも比表面積を1.5〜2.5m 2 /gと低下させることができ、グリーンシート中に含有する有機バインダ量をセラミック粉末100質量部に対して9質量部以下と減少させることができる。これにより、脱バインダ時のガス放出が少なくなり、電極塗布膜とグリーンシート間の弱体化を抑制し、これにより、電極塗布膜のセラミック粒子のグリーンシート中への押し出しが抑制され、一部が内部電極層中に埋設したセラミック粒子が多数形成され、そのセラミック粒子が圧電磁器層のセラミック粒子と接合焼結し、内部電極層と圧電磁器層の接合を強化することができる。
【0012】
また、複数の微粒子が凝集したセラミック粉末を、圧電磁器層を形成するためのグリーンシートに用いるため、1100℃以下の低温焼成化を達成できる。
【0013】
特に、微粉末を仮焼し、凝集させたPZT系圧電仮焼粉末(セラミック粉末)を用い、その比表面積として1.5〜2.5m2/gの範囲のものを用いることにより、グリーンシート中の有機バインダ量をセラミック粉末100質量部に対して9質量部以下とすることができ、電極塗布膜とグリーンシート間の弱体化を抑制できるとともに、焼成温度も1100℃以下とすることができる。これにより、内部電極層と圧電磁器層との接合強度を向上できるとともに、圧電磁器層に含まれる鉛成分の蒸発を抑制することができ、特性面においても変位特性の優れた積層型圧電素子を得ることができる。
【0014】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなるものである。
【0015】
このような噴射装置では、上記したように、積層型圧電素子の変位特性が優れている上に、内部電極層と圧電磁器層界面の破損が抑制されるため、優れた噴射特性と長期信頼性を向上できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の積層型圧電アクチュエータからなる積層型圧電素子の一実施形態を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’線に沿った縦断面図である。
【0017】
この図1に示すように、本発明の同時焼成型積層型圧電素子は、複数の圧電磁器層1と複数の内部電極層2とを交互に積層してなる圧電素子本体1aの対向する2つの側面において、内部電極層2の端部に1層おきに絶縁体3を形成し、絶縁体3を形成していない内部電極層2の端部を同一の外部電極4に接続して構成されている。
【0018】
また、圧電素子本体1aの積層方向の両端面には、活性部の圧電磁器層1の伸縮により発生する変位を外部へ伝達するための不活性部5が配置されている。
【0019】
内部電極層2間の沿面放電を防止し、大きな電圧を印加するために、同時焼成型積層圧電素子の外周面をシリコーンゴムなどの伸縮性をもつ絶縁物で被覆することが望ましい。
【0020】
そして、本発明の積層型圧電素子では、圧電素子本体1aを曲げ応力等で破損させた場合、圧電磁器層1と内部電極層2との界面で破断するが、その破断面において、図2に示すように、内部電極層2に一部が埋設されたセラミック粒子7が、内部電極層2表面に露出していることを特徴としている。セラミック粒子7は、内部電極層2の表面に分散して存在しており、内部電極層2の一部に露出している。
【0021】
即ち、積層型圧電素子において、最も強度的に弱いところは内部電極層2と圧電体層1の界面であり、曲げ応力を印加すると破損する部分は殆どが圧電磁器層1と内部電極層2の界面であり、その破断面は、内部電極層2の面が露出したものと、圧電磁器層1の面が露出したものとに分かれる。この内部電極層2が露出した破断面を走査型電子顕微鏡の反射電子像にて観察すると、内部電極層2が露出した破断面には、図2に示したように、導電性ペーストに含有されていた共材としてのセラミック粒子の中で、内部電極層2に留まっているセラミック粒子7の存在が確認できる。尚、図2(a)は反射電子像写真、(b)はその模式図である。
【0022】
このセラミック粒子7は、破断前には、圧電磁器層1の破断面側のセラミック粒子と焼結結合していたものであるが、内部電極層2とのアンカー効果が大きかった為に内部電極層2の表面側に残ったものである。つまり、この内部電極層2とのアンカー効果の大きいセラミック粒子7の存在割合が多ければ多いほど圧電磁器層1と内部電極層2との接合強度は大きくなるのである。
【0023】
このようなセラミック粒子7の露出面積は、走査型電子顕微鏡の反射電子像にて観察されたセラミック粒子7を、画像処理(商品名:ルーゼックス)にて測定することができる。尚、破断面に存在するセラミック粒子の露出面積は圧電磁器層1と内部電極層2との界面強度向上の点から、2%以上であることが望ましい。特には4%以上であることが望ましい。
【0024】
内部電極層2表面にセラミック粒子7を露出させるには、後述するように、PZT系圧電セラミックス粉末として、微粒子が凝集したものを用いる必要がある。内部電極層2表面に露出したセラミック粒子7の露出面積を、内部電極層2全表面中において2%以上とするには、比表面積が1.5〜2.5m2/gの凝集粉末をグリーンシート中のセラミック粉末として用い、有機バインダ量をセラミック粉末100質量部に対して9質量部以下とすることにより達成できる。微粒子が凝集したセラミック粉末を作製するには、一次原料粉末の粒度分布においてD90が1.0μm以下のものを仮焼する必要がある。
【0025】
本発明の積層型圧電アクチュエータの製法について説明する。まず、グリーンシートの作製に用いる原料として、微粒子が凝集したPZT系圧電セラミック仮焼粉末を作製する。
【0026】
このPZT系圧電セラミック仮焼粉末は、粒度分布においてD90が1.0μm以下の一次原料粉末を900℃以下の温度で仮焼し、比表面積が1.5〜2.5m2/gとなるよう湿式粉砕等により作製する。
【0027】
このようにして得られた圧電セラミック仮焼粉末(セラミック粉末)を、アクリル系等の有機高分子から成るバインダと、DBP(フタル酸ジオチル)、DOP(フタル酸ジブチル)等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、該スラリーを周知の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により圧電磁器層1となるセラミックグリーンシートを作製する。
【0028】
有機バインダ量は、セラミック粉末100質量部に対して9質量部以下とする。
【0029】
ここで、PZT系圧電セラミック仮焼粉末は、チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O3(以下PZTと略す)を主成分とする圧電セラミック材料であり、その圧電特性を示す圧電歪み定数d33が高いものが望ましい。
【0030】
次に、銀−パラジウムからなる金属粉末に、共材としてセラミック粉末、バインダ、可塑剤等を添加混合して内部電極ペーストを作製し、これを各セラミックグリーンシートの上面にスクリーン印刷等によって1〜40μmの厚みに印刷し、グリーンシート上に内部電極パターンを形成する。
【0031】
次に、内部電極パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層し、この後、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、さらにこの後、内部電極パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層し、柱状積層体を得る。
【0032】
この柱状積層体は、内部電極パターンの影響により、内部電極パターンが形成されていない不活性部の積層体に比較し、内部電極パターンが形成された活性部の積層体で焼成収縮率が大きくなりやすく、デラミ等の積層欠陥が発生しやすくなる。
【0033】
この積層欠陥を回避するため、例えば、不活性部に用いるグリーンシートは、共材としてのセラミック粉末が含まれる導電性ペーストが上面に印刷されたもの、あるいは、焼結助剤としてガラス成分を含有するものを用いるなど、収縮率が大きくなるよう手段を講じたものを用いることが望ましい。
【0034】
次に、柱状積層体を50〜200℃で加熱を行いながら加圧を行い、柱状積層体を一体化する。一体化された柱状積層体は所定の大きさに切断された後、300〜800℃で5〜40時間、脱バインダが行われ、900〜1100℃で2〜5時間、本焼成が行われ、圧電素子本体1aを得る。この圧電素子本体1aの側面には、内部電極層2の端部が露出している。
【0035】
その後、圧電素子本体1aの2つの対向する側面において、内部電極層2端部を含む圧電磁器層1の端部に該2側面において互い違いになるよう1層おきに溝を形成し、該溝部に絶縁体3を埋設することで内部電極層2を互い違いに1層おきに絶縁できるようにする。
【0036】
その後、活性部層を構成する圧電磁器層1それぞれが並列接続となるように内部電極層2と外部電極4を接続する。外部電極4は、アクチュエータが伸縮した際に、内部電極層2との接合界面において破損しにくくするために、伸び縮みしやすいものが適しており、例えば、銀、ニッケル、銅等の導電性を備えた金属や合金、或いは、熱硬化性導電体などが用いられる。
【0037】
また、絶縁体3は、アクチュエータの変位に対して追従する弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等からなることが好適であり、最終的に絶縁の機能を満足するのであれば、外部電極4の形成前後どの時点で、溝部に埋設してもよい。その後、リード線6を外部電極4に接続することにより本発明の積層型圧電アクチュエータが完成する。
【0038】
そして、リード線6を介して一対の外部電極4に0.1〜3kV/mmの直流電圧を印加し、積層型圧電素子1aを分極処理することによって、製品としての積層型圧電アクチュエータが完成し、リード線6を外部の電圧供給部に接続し、リード線6及び外部電極4を介して内部電極層2に電圧を印加させれば、各圧電磁器層1は逆圧電効果によって大きく変位し、これによって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する。
【0039】
このような積層型圧電素子の製法では、微粒子が凝集した比表面積の小さな原料粉末を用いてセラミックグリーンシートを作製することにより、有機バインダ量を減少でき、脱バインダ処理時のグリーンシートと電極塗布膜間の密着強度の弱体化を抑えることができ、これにより、圧電磁器層1が強固なアンカー効果で内部電極層2と接合し、接合強度の優れた積層型圧電素子を得ることができる。また、微粒子が凝集したセラミック粉末を用いてグリーンシートを作製することにより、焼成温度を1100℃以下と低温化でき、これにより、焼成時の鉛成分の蒸発を低減できるため、変位特性の優れた積層型圧電素子を得ることができる。
【0040】
図3は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号31は収納容器を示している。この収納容器31の一端には噴射孔33が設けられ、また収納容器31内には、噴射孔33を開閉することができるニードルバルブ35が収容されている。
【0041】
噴射孔33には燃料通路37が連通可能に設けられ、この燃料通路37は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路37に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ35が噴射孔33を開放すると、燃料通路37に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
【0042】
また、ニードルバルブ35の上端部は直径が大きくなっており、収納容器31に形成されたシリンダ39と摺動可能なピストン41となっている。そして、収納容器31内には、上記した圧電アクチュエータ43が収納されている。
【0043】
このような噴射装置では、圧電アクチュエータ43が電圧を印加されて伸長すると、ピストン41が押圧され、ニードルバルブ35が噴射孔33を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されると圧電アクチュエータ43が収縮し、皿バネ45がピストン41を押し返し、噴射孔33が燃料通路37と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
【0044】
【実施例】
実施例1
セラミック粉末として、PZTを主成分とし、副成分としてYb、W、Srを選定したものを用い、これを湿式混合、乾燥、メッシュパスを行い、粒度分布でD90が0.8μmの一次原料粉末を得た。得られた一次原料粉末を870℃×3Hrの条件で仮焼を行い、比表面積が2.1m2/gとなるよう湿式粉砕を行った。
【0045】
湿式粉砕により得られた原料は、走査型電子顕微鏡で観察すると、図4に示すように平均粒径が0.4μmの微粒子が凝集したセラミック粉末となっていた。このようにして得られたセラミック粉末に、アクリル系バインダおよび溶剤、可塑剤を添加しスラリーを作製し、スリップキャスティング法により厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。ここで、有機バインダ量は、グリーンシートに乾燥クラックが発生しない最低限必要な量とし、この場合、セラミック粉末100質量部に対して8質量部であった。
【0046】
このようにして得られたセラミックグリーンシートの上面に、銀−パラジウム合金、有機バインダおよび、セラミックグリーンシートに用いたセラミック粉末と同組成からなる共材とてのセラミック粉末、並びに溶剤を含む内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成した。
【0047】
この後、厚み150μmのセラミックグリーンシートを15層積層し、この上面に、内部電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートを300層積層し、この上面に厚み150μmのセラミックグリーンシートを15層積層した。ただし、不活性部として用いる内部電極パターンが形成されていないセラミックグリーンシートには、焼成時の収縮率が大きくなるよう、焼結助剤として、上記セラミック粉末100質量部に対して1質量部のSi成分を添加した。
【0048】
そして、100℃で加熱を行いながら加圧を行い、カット、脱バインダ、焼成することにより柱状積層体を得た。ここで、脱バイ温度は400℃、焼成温度は、積層体密度が7.8g/cm3以上を満足できる温度とし、実施例1では1050℃とした。
【0049】
その後、該圧電素子本体の2つの側面において、内部電極層端部を含む圧電磁器層の端部に該2側面において互い違いになるように、ダイシング装置より一層おきに溝を形成し、該溝部に絶縁体としてシリコーンゴムを充填した。この後、絶縁されていない内部電極層の他方の端面に外部電極として熱硬化性導電体を帯状に形成し、200℃の熱処理を行った。この後、リード線を接続し、アクチュエータの外周面にディッピングにより、シリコンゴムを被覆した後、外部電極にリード線を介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行い、図1に示すような積層型圧電アクチュエータを作製した。
【0050】
得られた積層型圧電アクチュエータに150Vの直流電圧を印加した結果、積層方向に43μmの変位量が得られた。さらに、このアクチュエータに室温で0〜+150Vの正弦波電圧を60Hzの周波数にて印加し5×109サイクルの駆動試験を行った。その結果、5×109サイクル後においても変位の変動は見られなかった。
【0051】
また、圧電磁器層と内部電極層の接合界面の強度評価として、積層型圧電素子の抗折強度を評価した。評価サンプルは、駆動試験をおこなったサンプルから、JIS R 1601に基づきJIS抗折試験片(幅4mm、厚み3mm、長さ40mm)を削りだし、4点曲げにて評価した。また、抗折強度を評価した積層型圧電素子の破断面において、導電性ペーストに含有されていたセラミック粒子の中で内部電極層2に留まっているセラミック粒子の存在割合を評価した。結果を表1に示した。
実施例2
仮焼温度を850℃とし、比表面積が2.5m2/gとなるよう粉砕を行った原料を用い、実施例1と同様に積層型圧電素子を作製した。この時、必要なバインダー量は8.5質量部であり、積層体密度が7.8g/cm3となる焼成温度である1000℃で焼成した。得られた積層型圧電素子について、実施例1と同様に変位量、駆動テスト(耐久性)、曲げ強度、および破断面における内部電極に留まっているセラミック粒子7の露出比率を評価した。結果を表1に示した。実施例3
仮焼温度を900℃とし、比表面積が1.5m2/gとなるよう粉砕を行った原料を用い、実施例1と同様に積層型圧電素子を作製した。この時、必要なバインダー量は6.5質量部であり、積層体密度が7.8g/cm3となる焼成温度である1150℃で焼成した。得られた積層型圧電素子について、実施例1と同様に変位量、駆動テスト、曲げ強度、および破断面における内部電極に留まっているセラミック粒子7の存在割合を評価した。結果を表1に示した。
実施例4
仮焼温度を830℃とし、比表面積が2.8m2/gとなるよう粉砕を行った原料を用い、実施例1と同様に積層型圧電素子を作製した。この時、必要なバインダー量は9.0質量部であり、積層体密度が7.8g/cm3となる焼成温度である1000℃で焼成した。得られた積層型圧電素子について、実施例1と同様に変位量、駆動テスト、曲げ強度、および破断面における内部電極層2に留まっているセラミック粒子7の存在割合を評価した。結果を表1に示す。
比較例1
粒度分布でD90が1.3μmの一次原料粉末を900℃×3Hrの条件で仮焼を行い、比表面積が3.2m2/gとなるよう湿式粉砕を行った。
【0052】
湿式粉砕により得られた原料は、走査型電子顕微鏡で観察すると、凝集していない平均粒径が0.9μmのセラミック粉末となっていた。このセラミック粉末を用いて、実施例1と同様に積層型圧電素子を作製した。この時、必要なバインダー量は、10.0質量部であり、積層体密度が7.8g/cm3となる焼成温度である1000℃で焼成した。しかしながら、比較例1のサンプルでは、脱バインダ処理後にデラミネーションが発生し、焼成セット中にサンプルが分断してしまった。そのため、抗折強度等の評価は行えなかった。焼成後の試料の分断面を観察すると、内部電極全表面がセラミック粒子で覆われていた。焼成により内部電極層中の共材が分断面の内部電極層表面に押し出されたためである。結果を表1に示す。
【0053】
【表1】

Figure 0004373643
【0054】
この表1から、破断面において内部電極層2に留まっているセラミック粒子7の存在割合が大きいほど、曲げ強度が強くなっていることが分かる。特に面積比率が4%より大きい実施例1〜3では、曲げ強度が75MPa以上を示している。また、焼成温度が1150℃の実施例3に対して焼成温度が1100℃以下である実施例1、2、4は、変位量が41μm以上と大きくなっていることが分かる。これは、焼成温度が低いことにより焼成時に鉛成分の蒸発が抑制され、圧電磁器の変位特性が優れたものとなっているためである。
【0055】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、内部電極層に一部が埋設されたセラミック粒子が、内部電極層側の破断面に分散して存在しているとともに、内部電極層側の破断面に露出するセラミック粒子の割合が、内部電極層側の破断面中2.0〜6.1%であるため、このセラミック粒子が、圧電磁器層のセラミック粒子と焼結することで、強いアンカー効果を実現し、内部電極層と圧電磁器層との接合強度を向上できる。これにより、内部電極層と圧電磁器層との界面における破損を抑制できる耐久性に優れた積層型圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層型圧電素子を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A’線に沿った縦断面図である。
【図2】本発明の積層型圧電素子の破断面における内部電極層表面を示すもので、(a)は反射電子像写真、(b)はその模式図である。
【図3】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図4】本発明の製法に用いるセラミック粉末を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
1・・・圧電磁器層
2・・・内部電極層
7・・・内部電極層に一部が埋設されたセラミック粒子
31・・・収納容器
33・・・噴射孔
35・・・ニードルバルブ
43・・・圧電アクチュエータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multilayer piezoelectric element, a method for manufacturing the same, and an injection device, for example, a multilayer piezoelectric element used for a precision positioning device such as an automobile fuel injection device and an optical device, a drive element for vibration prevention, and a method for manufacturing the same. The present invention relates to an injection device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately stacked is known as a multilayer piezoelectric element. The laminated piezoelectric actuators are classified into two types: a simultaneous firing type and a stack type in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode plates are alternately laminated. PZT, which is a typical piezoelectric body, is used as the piezoelectric ceramic layer. Piezoelectric ceramics are widely used. The co-fired multilayer piezoelectric element is formed by pressing a molded body in which a plurality of ceramic green sheets are laminated on the upper and lower end surfaces of a laminated body in which a plurality of ceramic green sheets having a conductive paste printed on one side are pressed, debinder, It is obtained by firing and forming external electrodes alternately connected to the internal electrode layers on the two side surfaces of the sintered body.
[0003]
In the co-fired multilayer piezoelectric element, it is easy to break at the joint interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer due to an impact, so in order to improve the impact resistance, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-299588, the internal electrode By incorporating ceramic powder with controlled particle size in the layer as a co-material, and effectively forming a bridge that connects the two piezoelectric ceramic layers sandwiching the internal electrode layer, a highly reliable device for impact is obtained. It is described that it can.
[0004]
As the internal electrode layer, platinum, palladium, or an alloy of silver and palladium is used depending on the firing temperature of the PZT-based piezoelectric ceramic. However, from the viewpoint of cost reduction, a lower firing temperature is required. ing. In addition, lowering the firing temperature is very important from the standpoint of the characteristics of suppressing evaporation of the lead component contained in the piezoelectric ceramic layer and preventing the deterioration of the displacement characteristics. The lowering of the firing temperature is achieved by making the ceramic powder used for producing the green sheet finer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the multilayer piezoelectric actuator, since the firing temperature is lowered to 1100 ° C. or lower, it is necessary to produce a green sheet using a ceramic powder having a specific surface area of about 3 to 4 m 2 / g or more. Therefore, it has been necessary to contain 9 parts by mass or more of an organic binder with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder according to the specific surface area of the raw material ceramic powder. This organic binder needs to be removed, but if it contains a large amount of organic binder in this way, a large amount of gas is released from between the weakest electrode coating film and green sheet as the bonding surface during binder removal processing. The interface between the electrode coating film and the green sheet weakens, and ceramic particles as a co-material in the electrode coating film are extruded from the electrode coating film (internal electrode layer) during firing, and the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer There was a problem that the bonding strength was lowered.
[0006]
That is, as described above, the gap between the electrode coating film and the green sheet is weakened by a large amount of gas generated at the time of removing the binder. Ceramic powder as a material is extruded between the electrode coating film and the green sheet from the electrode coating film, a part of the internal electrode layer is embedded, and ceramic particles bonded and sintered with the ceramic particles of the piezoelectric ceramic layer are reduced. As a result, the anchor effect by the ceramic particles in the internal electrode layer is reduced, the bonding strength between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer is reduced, and the laminated piezoelectric actuator is easily broken.
[0007]
The present invention relates to a laminated piezoelectric element having excellent durability capable of improving the bonding strength between an internal electrode layer and a piezoelectric ceramic layer and suppressing damage at the interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer, a manufacturing method thereof, and an injection device The purpose is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The laminated piezoelectric element of the present invention is a laminated piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric ceramic layers and a plurality of internal electrode layers are alternately laminated and fired simultaneously, wherein the internal electrode layer contains ceramic particles , when serial broken at the interface between the piezoelectric ceramic layers and the internal electrode layer, the fracture surface of the internal electrode layer side, together with the ceramic particles partially in the internal electrode layer is embedded is present dispersed, the The exposed area of the ceramic particles exposed on the fracture surface on the internal electrode layer side is 2.0 to 6.1% in the fracture surface on the internal electrode layer side .
[0009]
In the present invention, since the ceramic particles partially embedded in the internal electrode layer are dispersed on the fracture surface on the internal electrode layer side , the ceramic particles are sintered with the ceramic particles of the piezoelectric ceramic layer. Thus, a strong anchor effect can be realized, and the bonding strength between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer can be improved. Further, the multi-layer piezoelectric element of the present invention, said the exposed area of the ceramic particles exposed on the fracture surface of the internal electrode layer side is 2.0 to 6.1% in fracture surfaces of the internal electrode layer side To do. Thus, since the ratio of the ceramic particles exposed to the fracture surface on the internal electrode layer side is 2.0 to 6.1% in the fracture surface on the internal electrode layer side, the bonding force of the piezoelectric ceramic layer with the ceramic particles Is strengthened, and the bonding strength between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer can be improved.
[0010]
The production method of the multilayer piezoelectric element of the present invention is made of a ceramic powder having a specific surface area of 1.5 to 2.5 m 2 / g made of PZT piezoelectric calcined powder in which a plurality of fine particles are aggregated, and 100 parts by mass of the ceramic powder. On the other hand, a step of forming an electrode coating film by applying a conductive paste containing a metal powder, a ceramic powder, and an organic solvent on a green sheet containing an organic binder of 9 parts by mass or less and an organic solvent And a step of laminating a plurality of the green sheets on which the electrode coating film is formed and pressurizing to form a laminate, and a step of removing the binder from the laminate and firing at 1100 ° C. or lower. Features.
[0011]
In such a method of manufacturing a laminated piezoelectric element, ceramic powder made of PZT-based piezoelectric calcined powder in which a plurality of fine particles are aggregated is used, so that ceramic powder in which fine particles are dispersed (non-aggregated ceramic powder) is used. The specific surface area can be reduced to 1.5 to 2.5 m 2 / g, and the amount of the organic binder contained in the green sheet can be reduced to 9 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder . As a result, gas emission at the time of binder removal is reduced, and weakening between the electrode coating film and the green sheet is suppressed, thereby suppressing the extrusion of ceramic particles of the electrode coating film into the green sheet, partly A large number of ceramic particles embedded in the internal electrode layer are formed, and the ceramic particles are bonded and sintered with the ceramic particles of the piezoelectric ceramic layer, thereby strengthening the bonding between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer.
[0012]
Moreover, since the ceramic powder in which a plurality of fine particles are aggregated is used for the green sheet for forming the piezoelectric ceramic layer, low temperature firing at 1100 ° C. or lower can be achieved.
[0013]
In particular, by using a PZT-based piezoelectric calcined powder (ceramic powder) obtained by calcining and agglomerating fine powder, and having a specific surface area of 1.5 to 2.5 m 2 / g, a green sheet is obtained. The amount of the organic binder in the ceramic powder can be 9 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder, weakening between the electrode coating film and the green sheet can be suppressed, and the firing temperature can be 1100 ° C. or less. . As a result, the bonding strength between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer can be improved, the evaporation of the lead component contained in the piezoelectric ceramic layer can be suppressed, and a multilayer piezoelectric element with excellent displacement characteristics can be obtained. Obtainable.
[0014]
An injection device of the present invention includes a storage container having an injection hole, the stacked piezoelectric element stored in the storage container, and a valve for ejecting liquid from the injection hole by driving the stacked piezoelectric element. It is made.
[0015]
In such an injection device, as described above, the displacement characteristics of the multilayer piezoelectric element are excellent, and the damage at the interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer is suppressed, so that excellent injection characteristics and long-term reliability are achieved. Can be improved.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1A and 1B show an embodiment of a laminated piezoelectric element comprising a laminated piezoelectric actuator of the present invention, wherein FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a longitudinal section taken along line AA ′ of FIG. FIG.
[0017]
As shown in FIG. 1, the co-fired multilayer piezoelectric element of the present invention has two opposing piezoelectric element bodies 1a formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric ceramic layers 1 and a plurality of internal electrode layers 2. In the side surface, the insulator 3 is formed every other layer at the end of the internal electrode layer 2, and the end of the internal electrode layer 2 not formed with the insulator 3 is connected to the same external electrode 4. Yes.
[0018]
Further, inactive portions 5 for transmitting the displacement generated by the expansion and contraction of the piezoelectric ceramic layer 1 of the active portion to the outside are arranged on both end faces in the stacking direction of the piezoelectric element body 1a.
[0019]
In order to prevent creeping discharge between the internal electrode layers 2 and apply a large voltage, it is desirable to coat the outer peripheral surface of the co-fired multilayer piezoelectric element with an insulating material such as silicone rubber.
[0020]
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when the piezoelectric element body 1a is damaged by bending stress or the like, the piezoelectric element body 1a is broken at the interface between the piezoelectric ceramic layer 1 and the internal electrode layer 2. FIG. As shown, the ceramic particles 7 partially embedded in the internal electrode layer 2 are exposed on the surface of the internal electrode layer 2. The ceramic particles 7 are dispersed on the surface of the internal electrode layer 2 and are exposed on a part of the internal electrode layer 2.
[0021]
That is, in the laminated piezoelectric element, the weakest part is the interface between the internal electrode layer 2 and the piezoelectric layer 1, and most of the parts that are damaged when a bending stress is applied are between the piezoelectric ceramic layer 1 and the internal electrode layer 2. It is an interface, and its fracture surface is divided into one in which the surface of the internal electrode layer 2 is exposed and one in which the surface of the piezoelectric ceramic layer 1 is exposed. When the fracture surface where the internal electrode layer 2 is exposed is observed with a reflection electron image of a scanning electron microscope, the fracture surface where the internal electrode layer 2 is exposed is contained in the conductive paste as shown in FIG. The presence of the ceramic particles 7 remaining on the internal electrode layer 2 can be confirmed among the ceramic particles as the common material. 2A is a reflected electron image photograph, and FIG. 2B is a schematic diagram thereof.
[0022]
The ceramic particles 7 were sintered and bonded to the ceramic particles on the fracture surface side of the piezoelectric ceramic layer 1 before breaking, but because the anchor effect with the internal electrode layer 2 was large, the internal electrode layer 2 remains on the surface side. That is, the greater the proportion of ceramic particles 7 having a large anchoring effect with the internal electrode layer 2, the greater the bonding strength between the piezoelectric ceramic layer 1 and the internal electrode layer 2.
[0023]
Such an exposed area of the ceramic particles 7 can be measured by image processing (trade name: Luzex) of the ceramic particles 7 observed in the reflection electron image of the scanning electron microscope. The exposed area of the ceramic particles present on the fracture surface is preferably 2% or more from the viewpoint of improving the interface strength between the piezoelectric ceramic layer 1 and the internal electrode layer 2. In particular, it is desirable to be 4% or more.
[0024]
In order to expose the ceramic particles 7 on the surface of the internal electrode layer 2, as described later, it is necessary to use a PZT-based piezoelectric ceramic powder in which fine particles are aggregated. In order to set the exposed area of the ceramic particles 7 exposed on the surface of the internal electrode layer 2 to 2% or more in the entire surface of the internal electrode layer 2, agglomerated powder having a specific surface area of 1.5 to 2.5 m 2 / g is green. It can be achieved by using it as a ceramic powder in the sheet and setting the amount of organic binder to 9 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder. In order to produce a ceramic powder in which fine particles are agglomerated, it is necessary to calcinate a powder having a D 90 of 1.0 μm or less in the particle size distribution of the primary material powder.
[0025]
A method for producing the multilayer piezoelectric actuator of the present invention will be described. First, a PZT piezoelectric ceramic calcined powder in which fine particles are aggregated is produced as a raw material used for producing a green sheet.
[0026]
This PZT-based piezoelectric ceramic calcined powder has a specific surface area of 1.5 to 2.5 m 2 / g by calcining a primary raw material powder having a particle size distribution of D 90 of 1.0 μm or less at a temperature of 900 ° C. or less. It is produced by wet pulverization or the like.
[0027]
The piezoelectric ceramic calcined powder (ceramic powder) thus obtained is mixed with a binder made of an organic polymer such as acrylic and a plasticizer such as DBP (diethyl phthalate) or DOP (dibutyl phthalate). Then, a slurry is prepared, and a ceramic green sheet to be the piezoelectric ceramic layer 1 is prepared from the slurry by a tape molding method such as a known doctor blade method or calendar roll method.
[0028]
The amount of the organic binder is 9 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder.
[0029]
Here, the PZT-based piezoelectric ceramic calcined powder is a piezoelectric ceramic material mainly composed of lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter abbreviated as PZT), and a piezoelectric strain constant indicating its piezoelectric characteristics. what d 33 is high is desirable.
[0030]
Next, an internal electrode paste is prepared by adding and mixing ceramic powder, a binder, a plasticizer, and the like as a co-material to the metal powder composed of silver-palladium. Printing is performed to a thickness of 40 μm, and an internal electrode pattern is formed on the green sheet.
[0031]
Next, a plurality of ceramic green sheets on which no internal electrode pattern is formed are stacked, then a plurality of ceramic green sheets on which the internal electrode pattern is formed are stacked, and then the internal electrode pattern is formed. A plurality of non-ceramic green sheets are laminated to obtain a columnar laminate.
[0032]
Due to the influence of the internal electrode pattern, this columnar laminate has a larger firing shrinkage ratio in the active portion laminate in which the internal electrode pattern is not formed than in the inactive portion laminate in which the internal electrode pattern is not formed. It is easy to cause stacking faults such as delamination.
[0033]
In order to avoid this stacking fault, for example, the green sheet used in the inactive part is printed on the upper surface of a conductive paste containing ceramic powder as a co-material, or contains a glass component as a sintering aid. It is desirable to use a device that has a means for increasing the shrinkage rate, such as a device that performs the above.
[0034]
Next, pressure is applied while heating the columnar laminate at 50 to 200 ° C. to integrate the columnar laminate. After the integrated columnar laminate is cut to a predetermined size, binder removal is performed at 300 to 800 ° C. for 5 to 40 hours, and main baking is performed at 900 to 1100 ° C. for 2 to 5 hours. The piezoelectric element body 1a is obtained. The end of the internal electrode layer 2 is exposed on the side surface of the piezoelectric element body 1a.
[0035]
Thereafter, grooves are formed in every other layer on the two opposing side surfaces of the piezoelectric element main body 1a so as to alternate between the two side surfaces at the end portions of the piezoelectric ceramic layer 1 including the end portions of the internal electrode layer 2. By embedding the insulator 3, the internal electrode layers 2 can be alternately insulated every other layer.
[0036]
Thereafter, the internal electrode layer 2 and the external electrode 4 are connected so that each of the piezoelectric ceramic layers 1 constituting the active part layer is connected in parallel. The external electrode 4 is suitable to be easily expanded and contracted in order to make it difficult to break at the joint interface with the internal electrode layer 2 when the actuator expands and contracts. For example, the external electrode 4 has conductivity such as silver, nickel, and copper. The provided metal or alloy, or a thermosetting conductor is used.
[0037]
Further, the insulator 3 is preferably made of a material having a low elastic modulus that follows the displacement of the actuator, specifically, silicone rubber or the like. The groove may be embedded at any time before and after the formation of the electrode 4. Thereafter, the lead wire 6 is connected to the external electrode 4 to complete the multilayer piezoelectric actuator of the present invention.
[0038]
A direct current voltage of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the pair of external electrodes 4 via the lead wires 6 to polarize the multilayer piezoelectric element 1a, thereby completing a multilayer piezoelectric actuator as a product. When the lead wire 6 is connected to an external voltage supply unit and a voltage is applied to the internal electrode layer 2 via the lead wire 6 and the external electrode 4, each piezoelectric ceramic layer 1 is greatly displaced by the inverse piezoelectric effect, Thus, for example, it functions as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine.
[0039]
In such a multilayer piezoelectric element manufacturing method, the amount of organic binder can be reduced by producing a ceramic green sheet using raw material powder with a small specific surface area in which fine particles are aggregated. The weakening of the adhesion strength between the films can be suppressed, whereby the piezoelectric ceramic layer 1 is bonded to the internal electrode layer 2 by a strong anchor effect, and a laminated piezoelectric element having excellent bonding strength can be obtained. In addition, by producing a green sheet using ceramic powder in which fine particles are aggregated, the firing temperature can be lowered to 1100 ° C. or lower, thereby reducing evaporation of the lead component during firing, and thus excellent displacement characteristics. A laminated piezoelectric element can be obtained.
[0040]
FIG. 3 shows an injection device according to the present invention. In the figure, reference numeral 31 denotes a storage container. An injection hole 33 is provided at one end of the storage container 31, and a needle valve 35 that can open and close the injection hole 33 is stored in the storage container 31.
[0041]
A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to be able to communicate. The fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.
[0042]
Further, the upper end portion of the needle valve 35 has a large diameter, and serves as a piston 41 slidable with a cylinder 39 formed in the storage container 31. In the storage container 31, the piezoelectric actuator 43 described above is stored.
[0043]
In such an injection device, when the piezoelectric actuator 43 is extended by applying a voltage, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the supply of fuel is stopped. When the application of voltage is stopped, the piezoelectric actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.
[0044]
【Example】
Example 1
A ceramic powder containing PZT as the main component and Yb, W, Sr as subcomponents is selected, wet mixed, dried, and mesh-passed. The primary powder with a particle size distribution of D 90 of 0.8 μm Got. The obtained primary raw material powder was calcined under conditions of 870 ° C. × 3 Hr, and wet pulverized so that the specific surface area was 2.1 m 2 / g.
[0045]
When the raw material obtained by wet pulverization was observed with a scanning electron microscope, it was a ceramic powder in which fine particles having an average particle diameter of 0.4 μm were aggregated as shown in FIG. An acrylic binder, a solvent, and a plasticizer were added to the ceramic powder thus obtained to prepare a slurry, and a ceramic green sheet having a thickness of 150 μm was prepared by a slip casting method. Here, the amount of the organic binder was a minimum necessary amount that did not cause dry cracks in the green sheet. In this case, the amount was 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder.
[0046]
On the upper surface of the ceramic green sheet thus obtained, a silver-palladium alloy, an organic binder, a ceramic powder as a co-material having the same composition as the ceramic powder used for the ceramic green sheet, and an internal electrode containing a solvent The paste was printed to form an internal electrode pattern.
[0047]
Thereafter, 15 layers of ceramic green sheets having a thickness of 150 μm were laminated, 300 layers of ceramic green sheets having an internal electrode pattern formed thereon were laminated, and 15 layers of ceramic green sheets having a thickness of 150 μm were laminated on the upper surface. However, in the ceramic green sheet on which the internal electrode pattern used as the inactive part is not formed, 1 part by mass of 100 parts by mass of the ceramic powder is used as a sintering aid so as to increase the shrinkage rate during firing. Si component was added.
[0048]
And it pressurized, heating at 100 degreeC, and the columnar laminated body was obtained by cut, a binder removal, and baking. Here, the debuy temperature was 400 ° C., and the firing temperature was a temperature at which the laminate density could satisfy 7.8 g / cm 3 or more.
[0049]
Thereafter, grooves are formed on the two side surfaces of the piezoelectric element body at intervals of the dicing device so as to alternate between the two side surfaces at the end portions of the piezoelectric ceramic layer including the inner electrode layer end portions. Silicone rubber was filled as an insulator. Thereafter, a thermosetting conductor was formed in a strip shape as an external electrode on the other end face of the non-insulated internal electrode layer, and a heat treatment at 200 ° C. was performed. Thereafter, lead wires are connected, and the outer peripheral surface of the actuator is coated with silicon rubber by dipping, and then a 3 kV / mm DC electric field is applied to the external electrodes via the lead wires for 15 minutes to perform polarization treatment. A laminated piezoelectric actuator as shown in FIG.
[0050]
As a result of applying a DC voltage of 150 V to the obtained multilayer piezoelectric actuator, a displacement of 43 μm was obtained in the stacking direction. Further, a sine wave voltage of 0 to +150 V was applied to this actuator at a frequency of 60 Hz at room temperature, and a driving test of 5 × 10 9 cycles was performed. As a result, no change in displacement was observed even after 5 × 10 9 cycles.
[0051]
In addition, the bending strength of the multilayer piezoelectric element was evaluated as the strength evaluation of the bonding interface between the piezoelectric ceramic layer and the internal electrode layer. An evaluation sample was obtained by cutting out a JIS bending test piece (width 4 mm, thickness 3 mm, length 40 mm) from the sample subjected to the driving test based on JIS R 1601, and evaluated it by four-point bending. Further, the ratio of the ceramic particles remaining in the internal electrode layer 2 among the ceramic particles contained in the conductive paste was evaluated on the fracture surface of the multilayer piezoelectric element whose bending strength was evaluated. The results are shown in Table 1.
Example 2
A laminated piezoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 using raw materials that were pulverized so that the calcining temperature was 850 ° C. and the specific surface area was 2.5 m 2 / g. At this time, the necessary amount of the binder was 8.5 parts by mass, and the laminate was fired at 1000 ° C., which is a firing temperature at which the laminate density becomes 7.8 g / cm 3 . The obtained multilayer piezoelectric element was evaluated in the same manner as in Example 1 for the amount of displacement, the drive test (durability), the bending strength, and the exposure ratio of the ceramic particles 7 remaining on the internal electrodes on the fracture surface. The results are shown in Table 1. Example 3
A laminated piezoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 using raw materials that were pulverized to a calcining temperature of 900 ° C. and a specific surface area of 1.5 m 2 / g. At this time, the necessary binder amount was 6.5 parts by mass, and the laminate was fired at 1150 ° C., which is a firing temperature at which the laminate density becomes 7.8 g / cm 3 . About the obtained multilayer piezoelectric element, the displacement amount, the drive test, the bending strength, and the existence ratio of the ceramic particles 7 remaining on the internal electrode in the fracture surface were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
Example 4
A laminated piezoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 using raw materials that were pulverized so that the calcining temperature was 830 ° C. and the specific surface area was 2.8 m 2 / g. At this time, the necessary binder amount was 9.0 parts by mass, and the laminate was fired at 1000 ° C., which is a firing temperature at which the laminate density becomes 7.8 g / cm 3 . For the obtained multilayer piezoelectric element, the displacement amount, the driving test, the bending strength, and the existence ratio of the ceramic particles 7 remaining on the internal electrode layer 2 in the fracture surface were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
Comparative Example 1
The primary raw material powder having a particle size distribution of D 90 of 1.3 μm was calcined under the condition of 900 ° C. × 3 Hr, and wet pulverized so that the specific surface area was 3.2 m 2 / g.
[0052]
When observed with a scanning electron microscope, the raw material obtained by the wet pulverization was a ceramic powder having an average particle diameter of 0.9 μm and not agglomerated. Using this ceramic powder, a multilayer piezoelectric element was produced in the same manner as in Example 1. At this time, the necessary binder amount was 10.0 parts by mass, and the laminate was fired at 1000 ° C., which is the firing temperature at which the density of the laminate was 7.8 g / cm 3 . However, in the sample of Comparative Example 1, delamination occurred after the binder removal treatment, and the sample was divided during the firing set. Therefore, the bending strength and the like could not be evaluated. When the sectional surface of the sample after firing was observed, the entire surface of the internal electrode was covered with ceramic particles. This is because the common material in the internal electrode layer was extruded to the surface of the internal electrode layer in the divided section by firing. The results are shown in Table 1.
[0053]
[Table 1]
Figure 0004373643
[0054]
From Table 1, it can be seen that the bending strength increases as the existence ratio of the ceramic particles 7 remaining on the internal electrode layer 2 in the fracture surface increases. Particularly in Examples 1 to 3, where the area ratio is larger than 4%, the bending strength is 75 MPa or more. Moreover, it turns out that the displacement amount is large with 41 micrometers or more in Example 1,2,4 whose baking temperature is 1100 degrees C or less with respect to Example 3 whose baking temperature is 1150 degreeC. This is because the low firing temperature suppresses evaporation of the lead component during firing, and the displacement characteristics of the piezoelectric ceramic are excellent.
[0055]
【The invention's effect】
According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the ceramic particles partially embedded in the internal electrode layer are dispersed on the internal electrode layer side fracture surface, and the internal electrode layer side fracture surface is present. Since the ratio of the exposed ceramic particles is 2.0 to 6.1% in the fracture surface on the internal electrode layer side, the ceramic particles sinter with the ceramic particles of the piezoelectric ceramic layer, thereby providing a strong anchor effect. It is possible to improve the bonding strength between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer. Thereby, it is possible to provide a laminated piezoelectric element with excellent durability capable of suppressing breakage at the interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a multilayer piezoelectric element according to the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a longitudinal sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIGS. 2A and 2B show a surface of an internal electrode layer at a fracture surface of the multilayer piezoelectric element of the present invention, wherein FIG. 2A is a reflected electron image photograph, and FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing an injection device of the present invention.
FIG. 4 is a photomicrograph showing ceramic powder used in the production method of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric ceramic layer 2 ... Internal electrode layer 7 ... Ceramic particle 31 partially embedded in the internal electrode layer ... Storage container 33 ... Injection hole 35 ... Needle valve 43 ..Piezoelectric actuator

Claims (3)

複数の圧電磁器層と複数の内部電極層とが交互に積層され、同時焼成された積層型圧電素子であって、前記内部電極層がセラミック粒子を含み、前記圧電磁器層と前記内部電極層との界面で破断したとき、前記内部電極層側の破断面において、前記内部電極層に一部が埋設された前記セラミック粒子が分散して存在するとともに、前記内部電極層側の破断面に露出した前記セラミック粒子の露出面積が、前記内部電極層側の破断面中2.0〜6.1%であることを特徴とする積層型圧電素子。A laminated piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric ceramic layers and a plurality of internal electrode layers are alternately laminated and fired simultaneously, wherein the internal electrode layer includes ceramic particles, and the piezoelectric ceramic layer and the internal electrode layer when fractured at the interface, the fracture surface of the internal electrode layer side, together with the ceramic particles partially embedded in the inner electrode layer is present in a dispersed and exposed on the fracture surfaces of the internal electrode layer side An exposed area of the ceramic particles is 2.0 to 6.1% in the fracture surface on the internal electrode layer side . 複数の微粒子が凝集したPZT系圧電仮焼粉末からなり比表面積が1.5〜2.5m 2 /gのセラミック粉末と、該セラミック粉末100質量部に対して9質量部以下の有機バインダと、有機溶剤とを含有するグリーンシート上に、金属粉末と、セラミック粉末と、有機溶剤とを含有する導電性ペーストを塗布して電極塗布膜を形成する工程と、該電極塗布膜が形成された前記グリーンシートを複数積層し加圧して積層体を形成する工程と、この積層体を脱バインダ処理し、1100℃以下で焼成する工程とを具備することを特徴とする積層型圧電素子の製法。 A ceramic powder comprising a PZT-based piezoelectric calcined powder in which a plurality of fine particles are aggregated and having a specific surface area of 1.5 to 2.5 m 2 / g, an organic binder of 9 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the ceramic powder , on the green sheet containing an organic solvent, a metal powder, a ceramic powder, a step of forming a conductive paste is applied electrode coating film containing an organic solvent, the electrode coating layer is formed the A method for producing a multilayer piezoelectric element comprising: a step of laminating a plurality of green sheets and applying pressure to form a laminate; and a step of removing the binder from the laminate and firing at 1100 ° C. or lower . 噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。A container having an injection hole, formed by and a valve for ejecting the multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein accommodated in the storage container, the liquid from the ejection hole by a drive of the laminated piezoelectric element An injection device characterized by that.
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