JP4929875B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
また、特許文献2では、幅方向に切り込みが形成された薄板状の圧電素子連結電極を導電性接着剤により圧電素子柱の側面に接合し、内部電極との導通を充分に確保した圧電アクチュエータが提案されている。
また、特許文献3では、電極層と接触ピンとをそれぞれ接触ワイヤで接合し、積層体全体への導通を充分に確保した圧電アクチュエータが提案されている。
また、特許文献2は、薄板状の圧電素子連結電極に形成された切り込み部にかかる応力には効果があるものの、導電性接着剤によって固定されている切り込み部以外の部分は充分に応力を低減することができず、破断が生じてしまう。これにより、圧電素子連結電極と内部電極との導通を確保することができなくなるため、駆動中に変位特性が変化するという問題が生じる。
また、特許文献3は、電極層の全てにワイヤを接合することが生産上困難であり、また充分な耐久性を確保することができない。
上記外部電極は、該外部電極の幅よりも小さな幅の導電性を有する接合材を介して上記電極接合面に接合されていると共に、上記接合材と接している固定部と、上記接合材と接しておらず、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を有するフリー部と、上記接合材と接しておらず、上記外部電極の幅方向における断面積が上記固定部及び上記フリー部に比べて大きいリジット部とを有し、
かつ、上記外部電極には、該外部電極の幅方向において、上記固定部、上記フリー部、上記リジット部の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在することを特徴とする積層型圧電素子にある(請求項1)。
上記フリー部は、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な上記複数の開口部を有していることにより、上記圧電層の変位(以下、適宜、圧電変位という)によって上記外部電極に生じる応力を緩和することができる。これにより、上記外部電極における破断、剥離等の発生を抑制することができ、上記外部電極の耐久性を向上させることができる。
なお、断面積の比較は、上記外部電極の幅方向における任意の断面において、上記固定部、フリー部、及びリジット部の面積を比較する。上記固定部、フリー部、及びリジット部が複数存在する場合には、その面積の合計を比較する。
また、上記フリー部は、上記外部電極において、上記セラミック積層体の積層方向(上記外部電極の長さ方向)に連続して形成されていることが好ましい。すなわち、上記圧電層が変位する方向に連続して設けることにより、圧電変位による応力を緩和する効果を有効に発揮することができる。
また、上記リジット部は、上記外部電極において、上記セラミック積層体の積層方向(上記外部電極の長さ方向)に連続して形成してもよいし、分割して形成してもよい。
この場合には、上記フリー部の伸縮性を向上させることができる。そのため、上記フリー部の応力緩和効果をより一層発揮することができる。これにより、上記外部電極の破断をさらに抑制することができる。
この場合には、例えば上記接合材に接着剤等を用いて上記固定部の開口部に入り込ませ、上記接合材と上記固定部とを碇状接合することが可能となる。これにより、上記外部電極の接合強度を向上させることができる。
この場合には、上記接合材と上記固定部との碇状接合がさらに強固となり、上記外部電極の接合強度をより一層向上させることができる。
この場合には、上記の加工方法を用いることによって、様々な形状の上記開口部を容易に形成することができる。
この場合には、上記リジット部の断面積をできるだけ大きく確保することができる。これにより、上記外部電極の電流容量増加及び上記積層型圧電素子の性能向上をより一層実現することができる。
この場合には、上記固定部から上記リジット部までの距離を充分に確保することができる。すなわち、両者の間の上記フリー部の幅を充分に確保することができる。これにより、圧電変位による応力を上記フリー部によって確実に緩和することで、該フリー部よりもさらに外側の上記リジット部の破断を抑制することができる。
Wa≧10mmの場合には、上記外部電極の材料コストが高くなったり、上記外部電極の全幅Waが上記セラミック積層体の幅よりも広くなって取り扱いが困難になったりするおそれがある。
Wr≦0.3mmの場合には、上記外部電極に上記リジット部を形成することが生産上困難となるおそれがある。
なお、上記リジット部の幅Wrは、上記リジット部が複数存在する場合には、その幅の合計とする。
一般に上記セラミック積層体は、積層方向に0.1〜0.2%程度伸長させて使用することが多い。そのため、Wf≦0.01Lpの場合には、上記フリー部の幅Wfが上記セラミック積層体の積層方向の長さLpに対して充分に確保できず、上記フリー部による応力緩和効果が不充分となり、上記外部電極に疲労破断が生じるおそれがある。特に、インジェクタ等のように伸長、収縮の回数が多いものに適用した場合には、それが顕著に現れる。
なお、上記フリー部の幅Wfは、上記フリー部が複数存在する場合には、その幅の合計とする。
(Im/Sr)>Iaの場合には、例えば上記外部電極において上記固定部及びフリー部に破断が生じた場合、上記外部電極の電流容量が低下してしまう。したがって、全電流(最大駆動電流Im)が上記リジット部に流れても問題が生じないようにするため、(Im/Sr)≦Iaとすることが好ましいのである。これにより、駆動中に変位特性が変化することを抑制することができる。
また、上記リジット部の断面積Srを充分に確保することにより、電流を流した際に生じる発熱を抑制することができる。そのため、上記接合材の劣化が抑えられ、上記外部電極の耐久性を向上させることができる。
この場合には、上記外部電極の強度を高くすることができると共に、電流容量を大きなものとすることができる。
この場合には、上記外部電極の強度を高くすることができると共に、電流容量を表面のメッキによって充分に確保することができる。
この場合には、上記内部電極層と上記外部電極との間の導通性を充分に確保することができる。また、上記電極接合面に対して上記外部電極を容易に接合することができる。
この場合には、上記内部電極層と上記外部電極との間の導通性を充分に確保することができる。また、上記電極接合面に対する上記外部電極の接合強度を強固なものとすることができる。
上記インジェクタは、高温高湿という過酷な条件下で使用される。そのため、上記の優れた積層型圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、耐久性及び信頼性を向上させることができ、インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。
本発明の実施例にかかる積層型圧電素子について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子1は、図1、図2に示すごとく、圧電材料よりなる圧電層11と導電性を有する内部電極層21、22とを交互に積層してなるセラミック積層体10と、セラミック積層体10の外周面103における一対の電極接合面101、102に、内部電極層21、22に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極33とを有する。
以下、これを詳説する。
内部電極層21、22は、外周端部の一部を一対の電極接合面101、102に交互に露出している。また一方で、内部電極層21、22は、外周端部の一部を控え部19によってセラミック積層体10の外周面103に対して内方に控えている。つまり、本例のセラミック積層体10は、いわゆる電極控え構造(部分電極構造)を有しており、このような構造を採用することで、セラミック積層体10の外周面103における電気的な絶縁性を確保している。
また、内部電極層21、22は、Ag(銀)/Pd(パラジウム)合金により構成されている。なお、上記のAg/Pd合金に代えて、Ag、Pd、Cu、Ni等の単体、Cu/Ni等の合金を用いることもできる。
また、接合材32は、Agフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた導電性接着剤で構成されている。なお、上記の導電性接着剤に代えて、半田を用いることもできる。
また、モールド材は、絶縁樹脂であるシリコーン樹脂で構成されている。
外部電極33は、ステンレス鋼(SUS304)で構成されており、ステンレス鋼には、下地としてのNiメッキが施されており、その上にAgメッキが施されている。なお、上記のAgメッキに代えてCu、Au等をメッキすることもできる。また、外部電極33全体をCu、Au、Ag等で構成することもできる。
また、外部電極33は、接合材32と接している固定部331と、接していないフリー部332及びリジット部333とで構成されている。
リジット部333は、固定部331及びフリー部332と異なり、開口部330を有しておらず、平板状に形成されている。そのため、リジット部333は、固定部331及びフリー部332に比べて幅方向xにおける断面積が大きい。本例では、図2に示すごとく、外部電極33の幅方向xの任意断面において、固定部331の断面積Sdは0.04mm2、フリー部332の断面積Sfは0.04mm2、リジット部333の断面積Srは0.05mm2である。
また、リジット部333は、外部電極33の幅方向xの一方の端部において、長さ方向yに連続して形成されている。リジット部333の幅Wrは、0.5mmである。
また、セラミック積層体10の積層方向Yの長さをLpとした場合に、Wf>0.01Lpの関係を満たす。なお、本例のLpは、30mmである。
また、リジット部333の断面積をSr、積層型圧電素子1の最大駆動電流をIm、外部電極33の単位面積当たりの許容電流をIaとした場合に、(Im/Sr)<Iaの関係を満たす。なお、本例のSrは0.05mm2、Imは20A、Iaは420A/mm2である。
本例の積層型圧電素子1は、広く用いられているグリーンシート法を用いて製造することができる。公知の方法により、圧電材料の主原料となる酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。このとき、鉛の蒸発を考慮して、混合比組成の化学量論比よりも1〜2%リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後800〜950℃で仮焼する。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。
また、このグリーンシートは、駆動部10a、バッファー部10b用に変位量の要求仕様に基づいて所定の積層枚数分用意する。また、バッファー部10b、ダミー部10c用の内部電極層21、22の印刷を施していないグリーンシートも必要枚数用意する。
そして、駆動部10a用のグリーンシートを積層し、その両端にバッファー部10b用のグリーンシートを積層し、さらにその両端にダミー部10c用のグリーンシートを積層し、図1に示す構造の中間積層体を得る。
次いで、セラミック積層体10の電極接合面101、102にAgペーストを塗布し、これを焼き付けることにより側面電極31を形成する。
最後に、セラミック積層体10の外周面103全体を絶縁樹脂よりなるモールド材(図示略)によってモールドする。
これにより、図1、図2に示した積層型圧電素子1を得る。
本例の積層型圧電素子1において、外部電極33は、固定部331とフリー部332とリジット部333とを有している。
フリー部332は、セラミック積層体10の積層方向Yに伸縮可能な複数の開口部330を有していることにより、圧電変位によって外部電極33に生じる応力を緩和することができる。これにより、外部電極33における破断、剥離等の発生を抑制することができ、外部電極33の耐久性を向上させることができる。
また、リジット部333の断面積Srを充分に確保しているため、電流を流した際に生じる発熱を抑制することができる。これにより、接合材32の劣化が抑えられ、外部電極33の耐久性を向上させることができる。
本例は、実施例1の積層型圧電素子1において、耐久性及び信頼性について評価した例である。
本例では、外部電極33におけるリジット部333の断面積Srを変化させることによって、積層型圧電素子1の故障率がどのように変化するかを調べ、耐久性及び信頼性を評価した。
故障率の評価は、積層型圧電素子1に対して電圧上昇時間0.1ms、最大電圧150V、電圧降下時間0.1msの台形波となるような駆動電流を与え、100Hzで109回作動させたときの故障の割合を調べることによって行った。
この図から知られるように、断面積Srが大きくなると故障率は非常に低くなる。これは、リジット部333を設け、その断面積Srを大きく確保することにより、大きな電流を流した際に生じる発熱が抑制され、それによって接合材32の劣化が抑えられ、外部電極33の耐久性が向上するからである。
本例は、図3〜図11に示すごとく、本発明の積層型圧電素子1における外部電極33の他の構成を示した例である。
図5は、固定部331を幅方向xの中央に設け、リジット部333を幅方向xの両端に設けた例である。この場合には、リジット部333の断面積Srを大きく確保し、外部電極33の電流容量をさらに増加させることができるため、性能向上をより一層図ることができる。
また、図7は、固定部331を幅方向xの一方の端部に設け、リジット部333を幅方向xのもう一方の端部から少し内側に設けた例である。この場合にも、フリー部332の幅Wfを大きく確保することができるため、圧電変位による応力をより一層緩和することができる。また、リジット部333の両側にフリー部332を設けることにより、リジット部333の破断を防止することができる。
図10は、固定部331を幅方向xの両端に設け、リジット部333を幅方向xの中央に設けた例である。この場合には、外部電極33の接合強度をさらに向上させることができる。
図12は、固定部331を幅方向xの中央に設け、リジット部333を幅方向xの一方の端部と長さ方向yの一方の端部とに設けてL字状とし、かつ、そのリジット部333とフリー部332との間に切り欠き部39を設けた例である。この場合にも、外部電極33を外部の機器に接続することが容易となる。また、切り欠き部39によって、圧電変位による応力をより一層緩和することができる。
また、外部電極33には、幅方向xにおいて、固定部331、フリー部332、リジット部333の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在する。
その他の基本的な構成や作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、実施例1及び2の積層型圧電素子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13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、駆動部としての積層型圧電素子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(図示略)に連通している。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部(積層型圧電素子)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。
10 セラミック積層体
101、102 電極接合面
103 外周面
11 圧電層
21、22 内部電極層
32 接合材
33 外部電極
331 固定部
332 フリー部
333 リジット部
Claims (16)
- 圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面における一対の電極接合面に、上記内部電極層に順次交互に導通されるように設けられた一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
上記外部電極は、該外部電極の幅よりも小さな幅の導電性を有する接合材を介して上記電極接合面に接合されていると共に、上記接合材と接している固定部と、上記接合材と接しておらず、上記セラミック積層体の積層方向に伸縮可能な複数の開口部を有するフリー部と、上記接合材と接しておらず、上記外部電極の幅方向における断面積が上記固定部及び上記フリー部に比べて大きいリジット部とを有し、
かつ、上記外部電極には、該外部電極の幅方向において、上記固定部、上記フリー部、上記リジット部の順に並んで形成されている部分が少なくとも一ヶ所以上存在することを特徴とする積層型圧電素子。 - 請求項1において、上記フリー部の開口部は、網目状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1又は2において、上記固定部は、複数の開口部を有していることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項3において、上記固定部の開口部は、網目状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記開口部は、エキスパンド、パンチング、エッチング、又はレーザーのいずれかの加工方法を用いて形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、上記リジット部は、開口部を有しておらず、板状に形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、上記リジット部は、上記外部電極の幅方向端部に設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜7のいずれか1項において、上記外部電極の全幅をWaとした場合に、Wa<10mmの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項において、上記リジット部の幅をWrとした場合に、Wr>0.3mmの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜9のいずれか1項において、上記フリー部の幅をWf、上記セラミック積層体の積層方向の長さをLpとした場合に、Wf>0.01Lpの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜10のいずれか1項において、上記リジット部の断面積をSr、上記積層型圧電素子の最大駆動電流をIm、上記外部電極の単位面積当たりの許容電流をIaとした場合に、(Im/Sr)<Iaの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜11のいずれか1項において、上記外部電極は、銅、金、銀のいずれかを主成分とすることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜11のいずれか1項において、上記外部電極は、ステンレスを主成分とし、該外部電極の表面には、銅、金、銀のいずれかがメッキされていることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜13のいずれか1項において、上記接合材は、導電性接着剤であることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜13のいずれか1項において、上記接合材は、半田であることを特徴とする積層型圧電素子。
- 請求項1〜15のいずれか1項において、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることを特徴とする積層型圧電素子。
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