JP4492175B2 - ユニット式積層型圧電体素子及びこれを用いたインジェクタ - Google Patents
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Description
すなわち、ユニット式積層型圧電体素子において各圧電ユニットは接着剤を用いて積層接着するが、この接着剤が変位ロスの原因となる。
具体的に説明すると、圧電ユニットにおける積層方向の両端面はそれぞれ積層隣接する圧電ユニットと対面する。従って、圧電ユニットの積層方向の端面がそれぞれ接着面となって、他の圧電ユニットの接着面と対面する。
圧電ユニットの積層接着の際は、接着面の一方または双方に接着剤を塗布し、圧電ユニットを積層し、積層した圧電ユニットの積層方向の両端面からクランプ等を用いて荷重を加え、圧電ユニットを積層接着して一体化する。
クランプ等により積層方向からの荷重を受けることで接着剤は接着面の全面に広がっていく。仮に接着面の全面を接着剤で覆わずに圧電ユニットを積層したとしても、結果的に全面接着剤塗布とかわらない状態となることが多い。
なお、圧電層の形成材料、印加した電圧、圧電層の厚みと積層型圧電体素子を構成する圧電層の枚数等を考慮した結果から予測される変位量よりも実際の変位が小さい場合、両者の差を変位ロスという。
しかし、外部から固定する方法は圧電ユニットの位置ズレを防ぐことが非常に困難であり、圧電ユニットを速やかに積層接着する製造効率の観点からも接着剤で圧電ユニットを直接積層接着することが好ましい。
上記圧電ユニット間を接着する接着剤は、上記圧電ユニットの接着面における外周領域に存在し、上記接着面の重心位置Gを含む内部領域には存在せず、
上記圧電ユニットを積層してなる積層体の側面には、上記内部電極層に電気的に接続される外部電極材が配設されていると共に、上記積層体の側面を覆うモールド材が配設されており、
上記接着剤は、上記外部電極材または/および上記モールド材よりなることを特徴とするユニット式積層型圧電体素子にある(請求項1)。
ところで積層型圧電体素子には部分電極構成タイプと全面電極構成タイプとが知られている。いずれのタイプも接着面の中央付近は、内部電極層から圧電層に電圧を印加した際に圧電層が伸張する駆動部となる。そして上記接着剤が駆動部にかかる接着面に存在した場合、通電時に伸張しない接着剤が圧電層の伸張を吸収してしまい、変位ロスの原因となる。
また、外周領域のみとはいえ接着剤による積層接着を行っているため、圧電ユニットの位置ズレが生じ難くなる。
なお、この位置ズレは主として圧電ユニットを積層した方向と直交する方向に対して発生する。いわゆる積層ズレのような状態である。
上記圧電層と上記内部電極層とを交互に積層して圧電ユニットを作製し、
上記圧電ユニットを複数積層した積層体を作製し、
上記積層体の側面に露出する圧電ユニットの積層境界に対し接着剤を塗布することで、各圧電ユニットの接着面における外周領域に接着剤が存在するように上記接着剤を各圧電ユニット間に導入し、一体化することを特徴とするユニット式積層型圧電体素子の製造方法にある。
この方法によれば、接着剤を接着面の外周領域に容易に塗布することができる。
外周領域のみ接着剤を設けて圧電ユニットを接着することで、ユニット式積層型圧電体素子の変位ロスを小さくすることができる。また、外周領域のみとはいえ接着剤による積層接着を行うことで、圧電ユニットの位置ズレが生じ難くなり、また圧電ユニットの積層が容易となるため、製造効率も向上する。
なお、上記接着剤の塗布は、圧電ユニットの積層境界全周が好ましいが、全周ではなく一部分のみにすることも可能である。
また、第1、第2の発明では、断面形状が、四角形、長方形、正方形、たる型、正方形や長方形等のコーナーを面取りしてなる形を有する圧電層を用いることができる。
内部電極層の形状も特に限定することなく、第1、第2の発明を適用することができる。
上記接着面における重心位置Gを通る直線をXとすると、該直線Xに沿った上記内部領域の長さをL、上記接着面における直線Xに沿った駆動部の長さをL0とすると、L0/4≦Lであることことが好ましい。
また、直線Xに沿った上記内部領域の長さをL、上記接着面における直線Xに沿った駆動部の長さをL0とすると、L0/2≦Lであることがより好ましい。
仮にL0/4>Lである場合は、変位ロスが大きくなるおそれがある。
これにより駆動部に接着剤がまったく存在しないようなユニット式積層型圧電体素子を得て、変位ロスを非常に小さくすることができる。
なお、ユニット式積層型圧電体素子が全面電極タイプである場合、駆動部の占める領域は接着面に等しくなる。
上記内部領域の面積をS、上記接着面における駆動部の面積をS0とすると、S0/16≦Sであることが好ましい。
また、上記内部領域の面積をS、上記接着面における駆動部の面積をS0とすると、S0/4≦Sであることがより好ましい。
これにより、確実に本発明の効果を得て、変位ロスの小さいユニット式積層型圧電体素子を得ることができる。
仮にS0/16>Sである場合は、変位ロスが大きくなるおそれがある。
更にシリコーン系の接着剤は耐熱性に優れているため、実施例1に示すような車両用エンジン(ディーゼル等)のインジェクタ用途に適したユニット式積層型圧電体素子を得ることができる。
すなわち、圧電ユニットの接着面は電子顕微鏡等で拡大観察すると、凹凸面となるのが一般的である(後述する図11参照)。
そのため、圧電ユニットの接着面が当接する積層境界は凹凸面がかみ合わさって形成された微少空間が存在する。従って、積層体の側面に塗布した接着剤は毛管現象を通じて自然に圧電ユニットの間にしみ込んでいく。
更に、圧電ユニットを積層し、接着剤を側面に塗布した後はこれを硬化して圧電ユニットの一体化を行うが、硬化時の加熱によって接着剤の粘度が低下することがある。この場合、硬化の最中にも圧電ユニット間に接着剤が入り込んでいく。
圧電ユニットの接着面が当接する積層境界には上述するように微少空間が存在するため、減圧環境で作業を行うことで、微少空間に含まれる空気が圧電ユニット外部に排出されやすくなり、接着剤の導入がスムーズに行われる。
また、上記圧電ユニットは、分極処理を施した後に積層して接着剤を積層境界に塗布することが好ましい(図12参照)。
また、積層体の積層境界に接着剤を塗布した後は、接着剤が圧電ユニットの間に導入されるまで待ってもいいし、導入が終わる前に加熱してもよい。加熱して接着剤が硬化するまでは接着剤も移動可能である。
すなわち、上記第1の発明において、上記圧電ユニットを積層してなる積層体の側面には、上記内部電極層に電気的に接続される外部電極材が配設されていると共に、上記積層体の側面を覆うモールド材が配設されており、上記接着剤は、上記外部電極材または/および上記モールド材よりなる。
なお、後述する実施例に示すように、各圧電ユニットの側面に予め焼付銀等からなる側面電極材を設けておき、その後、圧電ユニットを積層した後に、複数の側面電極材の上からこれらを繋ぐように上記外部電極材を塗布することができる。
また、上記モールド材は、熱硬化性樹脂を含有する粘度0.1〜100Pa・Sのモールド材を塗布した後に加熱硬化させて形成してあることが好ましい(請求項3)。
また、上記モールド材は、熱硬化性樹脂を含有する粘度0.1〜100Pa・Sのモールド材を塗布した後に加熱硬化させることが好ましい。
また、上記外部電極材に含有させる上記熱硬化性樹脂としては、加熱して硬化による増粘の始まるまでの時間(ゲル化時間)が10秒〜20分である樹脂を用いることが好ましい。上記ゲル化時間が短すぎると圧電ユニット間への染み込みが充分に行われないという問題がある。そのため、より好ましくは20秒以上がよい。一方、20分を超えると硬化状態が安定しにくくなるという問題がある。
ここで、熱硬化性樹脂がエポキシの場合、上記低分子ポリマーとは、反応性希釈剤をいい、具体的には、例えば、n−ブチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル等がある。
(実施例1)
本例にかかるユニット式積層型圧電体素子1は、図1〜図3に示すごとく、圧電層21と内部電極層211、212とを交互に積層してなる圧電ユニット2を接着剤11を用いて複数積層接着してなる。
上記圧電ユニット2間を接着する接着剤11は、上記圧電ユニット2の接着面25における外周領域251に存在し、上記接着面25の重心位置Gを含む内部領域252には存在しない。
本例にかかるユニット式積層型圧電体素子1は、ディーゼルエンジンにおける燃料噴射用のインジェクタ駆動源として使用するものである。燃料の噴射圧は200MPaと高圧である。
従って、本例の圧電ユニット2において、内部電極層211、212が異なる電位となるように電圧を印加することで、図2(c)に示すように、二つの内部電極層211、212にて挟まれた駆動部221が伸張する。電極非形成部210にて挟まれた非駆動部220は通電しても伸張しない。
また、本例にかかる図1において、接着剤の入り込み具合をはっきり記載するため圧電ユニット2の接着面25が当接しないような記載をしたが、実際は、後述する図12のように接着面25が凹凸面からなるため、凹部に突部が嵌入したり、突部同士が接触しあうことがある。また、微少空間も一部で形成されることがある。
なお、図5に示すように、独立した内部領域252を複数個備える場合もある。
本例にかかる構成は駆動部221に存在する接着剤が従来より減っており、従って、ユニット式積層型圧電体素子1の変位ロスを小さくすることができる。
また、外周領域251のみとはいえ接着剤11による積層接着を行っているため、圧電ユニット2の位置ズレが生じ難くなる。
以上、本例によれば、接着剤にて圧電ユニットを積層接着すると共に変位ロスの小さいユニット式積層型圧電体素子を得ることができる。
本例は、実施例1にかかる構成のユニット式積層型圧電体素子の性能について比較試料と共に評価した。
即ち、試料1〜3にかかるユニット式積層型圧電体素子を準備する。
図8に示すごとく、本例にかかる接着面25において、接着剤は外周領域251に設けてあり、重心位置Gを含む内周領域252は接着剤が存在しない。また、本例の外周領域251の形状はロ字状である。
そして、接着面25における重心位置Gを通る直線Xに沿った内部領域の長さをL、接着面25における直線Xに沿った駆動部の長さをL0とする。ここで直線Xは正方形の圧電層の対向する辺の中央を通るように引く。
試料2は接着剤がエポキシ系で、重心位置Gから図面右側にかかる圧電層の端部に向かう内部領域の長さLが0.15L0、重心位置Gから図面左側にかかる圧電層の端部に向かう内部領域の長さLが0.2L0である。
試料3は試料2と異なり、接着剤としてシリコーン系を使用し、内部領域の長さが試料2と同様である。
この基準試料にかかる変位量と試料1〜3を同条件で変位させた場合の変位量の差を「変位ロス」とした。
また、絶縁信頼性は、試料1〜3にかかるユニット型積層型圧電体素子に電圧を印加して伸縮を繰り返すという耐久試験にて評価した。
このように、L0/4≦Lを満たす外周領域に接着剤を設けることで、変位ロスがより小さいユニット式積層型圧電体素子が得られることが判った。
また、絶縁信頼性の測定から、接着剤が低応力になることで、即ち試料2のエポキシ系から試料3のシリコーン系とすることで、絶縁信頼性が向上し、ユニット式積層型圧電体素子の寿命が長くなることが分かった。
これにより、L0/2≦Lとするのが変位ロスを小さくする点で有効であることが判った。
これにより、S0/4≦Sとするのが変位ロスを小さくする点で有効であることが判った。
実施例1にかかるユニット式積層型圧電体素子の製造方法について、図11、図12を用いて説明する。
PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)の粉末を準備する。この粉末を破砕して、他の添加剤やバインダーを加えて、スラリー化する。ドクターブレード成形等を利用してスラリーからグリーンシートを作製する。
また、AgとPd粉末に添加剤やバインダーを加えて、ペースト化し、内部電極層用の導電ペーストを作製する。
これにより、内部電極層211、212が側面291、292において一層おきにガラスと銀の混合物よりなる側面電極材151にて導通可能となった圧電ユニット2を得た。
次に、圧電ユニット2を積層した積層体200において、図11(b)、図12(a)に示すごとく、上記積層体200の側面に露出する圧電ユニット2の積層境界250に対し接着剤11を塗布する。
これにより、図12(b)に示すごとく、圧電ユニット2の接着面25の外周領域に上記接着剤11が自然に導入され、入り込む。
その後、上記積層体200を積層方向の両端から荷重を加え加熱硬化して、圧電ユニット2を一体化し、最後に側面電極材151に対して、エポキシ樹脂と銀フィラーからなる外部電極材152を、側面電極材151上にスクリーン印刷し、外部電極板154を組付け後に外部電極材151を加熱硬化する。最後にモールド材153をディスペンス法で塗布して、加熱硬化して、ユニット式積層型圧電体素子1を得た。
外周領域251のみ接着剤11を設けて圧電ユニット2を接着することで、ユニット式積層型圧電体素子の変位ロスを小さくすることができる。また、外周領域251のみとはいえ接着剤11による積層接着を行うことで、圧電ユニット2の位置ズレが生じ難くなり、また圧電ユニット2の積層が容易となるため、製造効率も向上する。
本例は、実施例3にかかる製造方法の途中で、圧電ユニット2に対し分極処理を施す点について説明する。
すなわち、上記圧電ユニット2における一対の側面電極材151に負極と正極とを接触させ、直流電流を流して、圧電層21に積層方向から異なる電位を付与する。直流電流を流す前は、図13(a)に示すごとく、積層方向の両端面(積層する際に接着面となる)が略平行で平面状であったが、直流電流を流した後は図13(b)に示すごとく、駆動部221が積層方向に突出して、断面が太鼓型となった。
その他詳細は実施例3と同様であり、同様の作用効果を有する。
本例は、実施例3にかかる製造方法の途中で、圧電ユニット2の角部を丸めてなる点について説明する。
図15に示すごとく、上記圧電ユニット2の接着面25に面する角部を予め面取りしておくことで、積層境界に接着剤を導入しやすくすることができる。
すなわち、図15に示すごとく、積層境界250に断面楔形の開口部266が形成され、この開口部266に対し上記接着剤11を塗布することで、より容易に圧電ユニット2間に接着剤11が浸透するのである。
その他詳細は実施例3と同様であり、同様の作用効果を有する。
本例は、図16〜図22を用いて、上記接着剤として外部電極材およびモールド材を用いてユニット式積層型圧電体素子を作製する例を示す。
まず、実施例3と同様に、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)の粉末を準備する。この粉末を破砕して、他の添加剤やバインダーを加えて、スラリー化する。ドクターブレード成形等を利用してスラリーからグリーンシートを作製する。
また、AgとPd粉末に添加剤やバインダーを加えて、ペースト化し、内部電極層用の導電ペーストを作製する。
これにより、図16(a)に示すごとく、圧電層21と内部電極層211、212とが交互に積層され、上記内部電極層211、212が側面291、292において一層おきにガラスと銀の混合物よりなる側面電極材151にて導通可能となった圧電ユニット2を得た。
次に、圧電ユニット2を積層した積層体200において、図16(b)に示すごとく、上記積層体200の側面に露出する圧電ユニット2の直線状に並んだ複数の側面電極材151に沿って、これらを覆うように外部電極材152を塗布する。
この外部電極材152は、図16(c)に示すごとく、圧電ユニット2の接着面25の外周領域に自然に導入され、入り込み、上記接着剤としても機能する。この状態で外部電極材152を加熱硬化することによって、複数の圧電ユニット2が一体化される。
なお、本例では、上記側面電極材151の配設は、圧電ユニット2の側面において、その積層方向の両端に到達しないように余裕代を設けておいた。そのため、圧電ユニット2の接着面の直近には、側面電極材151が存在しないので、外部電極材152の接合面への染み込みが良好に行われる。
接着成分は、外部電極材組成もしくはモールド材組成の一部のみでいい。たとえば、外部電極材の導電材料は接着部分になくてもいいし、樹脂成分中の低分子ポリマーの硬化成分のみが接着部に存在していてもいい。
図18に示す例は、外部電極材152の幅方向中央部が最も中心寄りに染みこんだ例である。図19に示す例は、外部電極材152の存在に対応してほぼ均一に染みこんだ例である。図20は、外部電極材152が塗布された側面側だけでなく、外周部分全体に染みこんだ例である。
これらの形態の違いは、外部電極材152の粘度やゲル化時間の調整、および各圧電ユニット2の接合面の形状あるいは面性状等によって制御することができる。
図21には、上記図18に示すごとく外部電極材152による部分的な接着が行われ、さらに、その外部電極材152の存在しない部分を中心にモールド材153が染みこんだ例を示す。
図22には、上記図20に示すごとく外部電極材152による外周全体の接着が行われたうえに、さらに、外部電極材152の存在を乗り越えてほぼ全周にモールド材153が染みこんだ例を示す。
なお、上記の接着面への染み込み形態については、さらに様々な形態がある。
本例は、実施例1のユニット式積層型圧電体素子1をインジェクタ6の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ6は、図25に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ6は、同図に示すごとく、駆動部としての上記ユニット式積層型圧電体素子1が収容される上部ハウジング62と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部64が形成される下部ハウジング63を有している。
縦穴621の側方には、高圧燃料通路622が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング62上側部に突出する燃料導入管623内を経て外部のコモンレール(図略)に連通している。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部(圧電体素子)1との間の隙間60を経由し、さらに、この隙間60から上下ハウジング62、63内を下方に延びる図示しない通路によって後述する3方弁651に連通してしる。
11 接着剤
2 圧電ユニット
21 圧電層
211 内部電極層
152 外部電極材
153 モールド材
6 インジェクタ
Claims (5)
- 圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる圧電ユニットを接着剤を用いて複数積層接着してなるユニット式積層型圧電体素子において、
上記圧電ユニット間を接着する接着剤は、上記圧電ユニットの接着面における外周領域に存在し、上記接着面の重心位置Gを含む内部領域には存在せず、
上記圧電ユニットを積層してなる積層体の側面には、上記内部電極層に電気的に接続される外部電極材が配設されていると共に、上記積層体の側面を覆うモールド材が配設されており、
上記接着剤は、上記外部電極材または/および上記モールド材よりなることを特徴とするユニット式積層型圧電体素子。 - 請求項1において、上記外部電極材は、導電材料と熱硬化性樹脂を含有する粘度0.1〜200Pa・Sの外部電極材を塗布した後に加熱硬化させて形成してあることを特徴とするユニット式積層型圧電体素子。
- 請求項1又は2において、上記モールド材は、熱硬化性樹脂を含有する粘度0.1〜100Pa・Sのモールド材を塗布した後に加熱硬化させて形成してあることを特徴とするユニット式積層型圧電体素子。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、上記接着剤は、シリコーン系、ウレタン系の少なくとも1種からなることを特徴とするユニット式積層型圧電体素子。
- 圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
上記圧電アクチュエータは、請求項1〜4のいずれか1項に記載のユニット式積層型圧電体素子よりなることを特徴とするインジェクタ。
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